第10週 その他の測位方法
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自律航法とナビ
携帯電話測位
gpsOneの事例
GPSの限界
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今日,位置情報の計測とサービスの需要が高まる一方である。
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測位の精度の向上と安定性の改善という2つのことを高く要求する.
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DGPSでは1m程度の精度が得られるため、人間の移動を測定すると
いう意味では、精度十分であるが。

トンネル、地下道、高架下などや高層ビル街、街路樹の多い通りなど、
測位のできない場所も多い。
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利用環境に制約されない位置測定の必要な事例も多い

そこでは、GPSとジャイロセンサを組み合わせた自律航法(Dead
Reckoning)や携帯電話測位(Cellular-phone Positioning System:
CPS)が役に立つ。
自律航法(Dead Reckoning)のシステム
方向センサ
(コンパス/ジャイロ)
GPS
地図
ナビ用コンピュータ
傾斜計
ディスプレイ
車速センサ
自律航法システムの作動
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コンパスは磁北方向を定める.しかし,コンパスの
精度は周辺環境にある金属物体に影響される。
車両が斜面を動く時、コンパスは地球磁気場の垂
直成分から影響を受けるため、正確に方向を示さ
ない。その影響を取り除くために傾斜計を使う。
車速センサは、車輪にパルスセンサを取り付けて
車の走行速度と走行距離を測る.
現在,方向センサにコンパスよりも精密なジャイロ
が使われる.
ジャイロの原理
自律航法の動作方法
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ジャイロや速度センサだけでは、走行距離が長
いと誤差が累積して、予定コースを外れてしま
う。そこで、地図を持ち込み、車の表示が走行
中の道路から離れないようにする。
さらに,自律航法では,走行中の道路を間違っ
てマッチングすると、迷子になる可能性がある。
そこで、GPSを導入し、出発地や途中の経由地
が正確にわかるようにする。
自律航法・地図・GPSを組み合わせたナビ
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まず手入力あるいはGPSによって出発地を設定する。
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コンピュータはコンパスと傾斜計のデータを使って前進方向を推計する。
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同時に車速パルスによって走行距離が計算される。
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このように前進方向と走行距離から現在地が推計される。
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コンパスと傾斜計に誤差があるため、距離が長ければコースから外れる。
そこで、推計した位置を地図と比較して、現在地を更新してよいかどうかを判断
する。
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たとえば、現在の位置は道路区間にあるか、当該道路は前進方向と一致するかなど
を条件にするわけである。
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条件が満たされる場合、現在地を更新し、次のナビゲーションをはじめる。
GPSの計測値が入ったら、それも同様に以上の条件で更新の可否を判別する。
単独GPSとジャイロ付きGPSの違い
自律航法ナビの応用問題
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軌跡を一貫して追跡する必要のある業務システムでは、ジャイロセンサ
とGPSの組み合わせが不可欠である。
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たとえば、空中写真測量や航空機レーザスキャナシステムでは、カメラ
やセンサの姿勢パラメータをリアルタイムで、高精度にトラッキングしな
ければならない。
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また、都市部でリアルタイムに道路を調査するときに、衛星数が4つ以
上確保できない場合もあるため、飛行機と同様にジャイロセンサの併用
が有効である。
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さらに、歩行者ナビゲーションのシステムでは、人が歩道を歩くことが多
いことを考えると、GPSだけでは安定した測位ができないため、軽量、高
精度のジャイロセンサが必須となる。
携帯電話測位の必要性
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携帯電話基準局のサービスエリアは、都市部では数100mか
ら数km、農村部では数kmから数10kmまであるため、それを
もとにした携帯電話測位の精度が悪い。
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そこで、1996年に米国連邦通信委員会(FCC)からE911とい
う勧告が出された。それによると2001年までに緊急通報時の
携帯電話の位置特定が95%の確率で150m以内となるように
要求している。そこで、携帯電話の測位を開発する機運が急
速に高まったわけである.
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日本では2005年に全土に導入する予定.
携帯電話測位の原理
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信号強度:受信した信号の強度から距離を推計する。開けた
場所では精度が高い。都市域ではマルチパスの問題があり、
誤差が大きくなる。
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・到達角度:大きなアンテナで到達信号の角度を測る。都市
域では基準局が多いため、アンテナの大きさが大きくなくても
よい。
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・位相計測:受信した信号の位相を測る。位相は非常に正確
に測れる。ただし、GPSと同じように整数値バイアスの問題
がある。
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・時間計測:受信機が信号の到達時間を正確に計測する。到
達時間は距離の関数であり、信号強度法より正確に測れる。
携帯電話測位の方式
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セルフ方式
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セルフ測位の原理は非常に簡単である。
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電源入れると、携帯端末は1つの基準局と通信し、必要なシステム情報、たとえば基準
局の位置、自分の近似位置、同期情報などを入手する。
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そして、3~2個の基準局から到達時間を取得する。
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これらの到達時間は位置計測値に変換される。
リモート方式
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リモート測位では、まず,中央測位装置は、ユーザから特定のモバイルの測位要求を受
ける。
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この要求は複数の携帯端末を計測したり、特定の携帯端末の位置を今後3日間1分ご
とに測位したりすることができる。
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中央測位装置は携帯端末と基準局との間の往復時間を測定する。
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そして、携帯端末は2番目の基準局との往復時間を計る。
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これで2つの基準局との三角関係で位置を特定する。もし整数値バイアスが決まらない
なら3つ目の基準局を探す。往復時間は、中央測位システムに送られ、位置が計算され
る。
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そして、計算結果は、再びユーザに送られる。
携帯電話測位のメリット/デメリット
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携帯電話で測位できると、既存の携帯電話の通信基盤を使うため、
基盤整備のコストが抑えられる。信号が弱いなら基準局を増やせば
よい。
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また,携帯システムは既存の電波を利用するため、新たに電波を割り
当てる必要がない。
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さらに重要なのはユーザ数が非常に多いため、双方向通信を生かし
た新しいアプリケーションの登場が期待できることだ。

しかし、携帯電話システムは測位のために設計されたわけでないた
め、解決しなければならない課題も多い。
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たとえば、携帯電話システムは1つの基準局からしか信号を受けない
ように設計されている。これは良好な三角形を望むという測量の基本
要求と矛盾する。
gpsOneの測位(a)衛星3つの場合
GPS衛星
R2
R3
R1

携帯移動局
携帯基準局
gpsOneの測位(b)衛星2つの場合
GPS衛星
R2
R1
R3  c

携帯移動局
携帯基準局
gpsOneの測位(c)衛星1つ
R1
R2  c 2
2
R3  c 3
3
携帯移動局
携帯基準局
gpsOneの測位(d)衛星なし
R1  c 1
1
R2  c 2
2
R3  c 3
3
携帯移動局
携帯基準局
来週の知らせ
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大学公務のため,来週,厳が授業に出てません.
最後のフィールド演習を行います.
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GPS測位+温度センサで,キャンパス内の地表面の温度分
布を測定する.
温度測定の原理を早く知りたい人は,第11回のスライドを
見てください.
7つのグループに分けて行動します.授業に遅刻しな
いでください.
詳しくは当日,SA(徳江と飯塚)の指示に従ってくださ
い.
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そのほかの測位方法