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方位精度0.4°！cm測位！高精度GNSSコンパス開発


人力飛行機に搭載！慣性航法装置 INS×GNSSの複合航法装置と同等



GNSSコンパス×INSで累積する誤差を補正

図1　キネマティックGNSSによる人力飛行機のフライト軌跡・姿勢角の計測のようす．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［著・提供］樋田 啓
詳細：LiDAR×RTK×IMUフュージョン！自動運転＆SLAMロボット開発 要点100

1．キネマティックGNSSとは？

キネマティックGNSS（Global Navigation Satellite System）は，衛星からの信号をリアルタイムで解析し，数センチ・メートル単位の位置情報を取得する技術です．

この高精度測位は，RTK（Real-Time Kinematic）技術を活用することで実現され，測量や農業，ドローンの自動制御など幅広い分野で応用されています．

農業機械の自動運転では，複数のGNSS受信機を用いて正確な位置と経路を維持することが可能です．

RTKでは，基準局（固定されたGNSS受信機）が誤差情報を移動局（動いている受信機）に送信します．これにより，単独測位の際に発生する誤差要因（電離層の揺らぎや衛星時計のずれ）を補正し，サブメートル精度から数センチ・メートル精度へ向上させます．これが，キネマティックGNSSの大きな特徴です．

2．GNSSコンパスのしくみと応用

GNSSコンパスは，2台以上のGNSSアンテナを使用して，物体の方位角や姿勢角を測定する技術です．

アンテナを翼端に取り付けた人力飛行機では，飛行中の姿勢や進行方向を高精度に把握できます．アンテナ間の距離がわずか数メートルでも，GNSSコンパスは方位角精度0.4°の精密な姿勢情報を提供します．

この技術は，INS（Inertial Navigation System：慣性航法装置）との組み合わせでも注目されています．INSはジャイロ・センサや加速度センサを用いて物体の位置や姿勢を計算しますが，時間とともに累積する誤差が課題になります．GNSSコンパスとの併用により，INSの誤差を補正し，姿勢測定の信頼性が向上します．

実際の実験では，GNSSコンパスとINSの測定結果が0.4°の範囲で一致することが確認されました．

3. 実際の応用例

人力飛行機でのGNSSモジュール活用

今回の開発では，安価で高精度なGNSSモジュール「u-blox ZED-F9P」（約2万円）を人力飛行機に搭載しました．

このモジュールはRTK対応であり，キネマティック測位の精度向上に大きく寄与します．飛行中の姿勢角の測定にはGNSSコンパスを用い，正確な進行方向や傾斜角をリアルタイムで取得できました．

人力飛行機での活用例からも，キネマティックGNSSの技術は，コスト・パフォーマンスに優れた高精度測位を実現し，今後の産業用途での発展が期待されます．特に，RTK方式のGNSSコンパスによる姿勢計測は，自動運転や航空分野における応用が進むでしょう．

RTKとGNSSコンパスの優位性

RTK（Real-Time Kinematic）は，GNSS測位においてリアルタイムで位置情報を補正する技術です．

RTKを用いたGNSSシステムでは，基準局と移動局間の距離を使って誤差を補正するため，誤差が蓄積しにくく，数センチ・メートルの高精度な位置情報が得られます．

一方，GNSSコンパスは，2つ以上のGNSSアンテナを活用し，方位角の計測を行います．一般的な磁気コンパスが地磁気の影響を受けやすいのに対し，GNSSコンパスは環境に依存しない安定した測定が可能です．特に，自動運転車や航空機など，正確な姿勢計測が求められる場面で有用です．

GNSSコンパスの利点は，システムが簡単である点です．アンテナ間の距離が明確であれば，複雑なキャリブレーションを必要とせず，安定した姿勢情報を取得できます．

RTK技術と組み合わせることで，位置と姿勢の両方を高精度で測定できるため，より信頼性の高い複合航法が可能になります．INSとの併用によって，GNSS信号が途絶した場合でも，INSが一時的な姿勢推定を補完することができ，システム全体の安定性が向上します．

このように，RTKとGNSSコンパスを組み合わせた高精度測位技術は，航空・農業・自動車など多くの産業分野で応用が期待されています．特に，GNSSの進化に伴い，より小型・低価格なモジュールの普及が進むことで，さらなる実用化が進むでしょう．〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 2013年 東京大学大学院 総合文化研究科 広域科学専攻 相関基礎科学系 博士課程修了
  • 学生時代から現在まで，人力飛行機の電子装備の設計・製作・運用を行う

著書

  1. PSoCを使用したプロトン磁力計，トランジスタ技術2009年1月号，CQ出版社．
  2. 舞いあがれ人力飛行機（連載） Interface 2023年2月号～2024年5月号，CQ出版社．

参考文献

  1. LiDAR×RTK×IMUフュージョン！自動運転＆SLAMロボット開発 要点100，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/KIT］RTKポータブル・センチメートル測位キット，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD/KIT］SLAMロボット付き！ROSプログラミング超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
    4. "［VOD/Pi KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/Pi KIT］ラズパイ×Pythonで動かして学ぶモータ制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．