リアルタイムの運動学的位置決め

リアルタイム・キネマティック・ポジショニング（RTK）は、現在の衛星ナビゲーション（GNSS）システムに共通する誤差を修正するための測量の応用である。 ^[1]信号の情報内容に加えて信号の搬送波の位相の測定値を使用し、単一の基準局または補間された仮想局に依存してリアルタイムの修正を提供し、最大センチメートルレベルの精度を提供する（DGPSを参照）。^[2]特にGPSに関しては、このシステムは一般に搬送波位相拡張、またはCPGPSと呼ばれる。^[3]土地測量、水路測量、および無人航空機ナビゲーションに応用されている。

衛星ナビゲーション受信機と衛星間の距離は、信号が衛星から受信機に伝わるまでの時間から計算できます。遅延を計算するには、受信機は信号に含まれる疑似ランダム バイナリ シーケンスを内部で生成された疑似ランダム バイナリ シーケンスに合わせる必要があります。衛星信号が受信機に到達するまでに時間がかかるため、衛星のシーケンスは受信機のシーケンスに対して遅延します。受信機のシーケンスを徐々に遅らせると、最終的に 2 つのシーケンスが揃います。

距離測定の精度は、本質的には受信機の電子機器が衛星からの信号を正確に処理する能力と、軽減されていない電離層や対流圏の遅延、マルチパス、衛星クロック、エフェメリス誤差などの追加の誤差源によって決まります。^[4]

RTK も同じ概念に従いますが、衛星信号の搬送波を信号として使用し、その中に含まれる情報は無視します。RTK は固定されたベース ステーションとローバーを使用して、ローバーの位置誤差を減らします。ベース ステーションはローバーに補正データを送信します。

前のセクションで説明したように、衛星までの距離は、基本的に、搬送波の波長に衛星とローバー間の全サイクル数を掛け、位相差を加算して計算されます。信号の位相が 1 サイクル以上ずれる可能性があるため、サイクル数を決定するのは簡単ではありません。この結果、推定サイクル数に波長を掛けた誤差 (L1 信号の場合は 19 cm) に等しい誤差が生じます。このいわゆる整数のあいまいさの検索問題を解決すると、センチメートル単位の精度が得られます。この誤差は、C/A 信号からの測定値を比較する高度な統計的手法と、複数の衛星間の結果の距離を比較することで低減できます。

この技術によって得られる改善は、ロックの精度が 1% であると仮定した場合、潜在的に非常に高いものとなる可能性があります。たとえば、GPS の場合、L1 信号で放送される粗捕捉 (C/A) コードは1.023 MHz で位相が変化しますが、L1 搬送波自体は 1575.42 MHz であり、位相が 1000 倍以上も頻繁に変化します。したがって、L1 搬送波位相測定の ±1% の誤差は、ベースライン推定の ±1.9 mm の誤差に相当します。^[5]

実際には、RTK システムは単一の基地局受信機と多数の移動ユニットを使用します。基地局は観測した搬送波の位相を再放送し、移動ユニットは自身の位相測定値を基地局から受信したものと比較します。基地局から移動局に補正信号を送信する方法はいくつかあります。リアルタイムで低コストの信号送信を実現する最も一般的な方法は、通常UHF バンドの無線モデムを使用することです。ほとんどの国では、特定の周波数が RTK 専用に割り当てられています。ほとんどの陸上測量機器には、標準オプションとして UHF バンド無線モデムが組み込まれています。RTK は、基地局から約 20 km まで精度を向上させます。^[6]

これにより、ユニットは相対位置をミリメートル単位で計算できますが、絶対位置の精度はベースステーションの計算位置と同じ精度になります。単一のベースステーションを使用したRTKの場合、デバイスに応じて、ベースステーションに対して水平方向に8mm + 1ppm（百万分の1 / 1mm / km）の精度、垂直方向に15mm + 1ppmの精度を実現できます。^[7]  たとえば、ベースステーションが16km（10マイル弱）離れている場合、相対的な水平誤差は8mm + 16mm = 24mm（1インチ弱）になります。

これらのパラメータにより、RTK 技術の一般的なナビゲーションへの有用性は制限されますが、この技術は測量などの役割には最適です。この場合、ベース ステーションは既知の測量場所 (多くの場合、ベンチマーク)に配置され、モバイル ユニットはそのポイントを基準にして位置を特定することで、高精度のマップを作成できます。RTK は、自動運転/自動操縦システム、精密農業、機械制御システムなど の役割にも使用されています。

ネットワークRTKは、基準局のネットワークを含むより広いエリアにRTKの使用を拡張します。^[8]運用の信頼性と精度は、基準局ネットワークの密度と機能に依存します。ネットワークRTKでは、デバイスに応じて、最も近い局に対して水平方向に8mm + 0.5ppm、垂直方向に15mm + 0.5ppmの精度を実現できます。^[7] たとえば、16km（10マイル弱）離れたベースステーションの場合、相対的な水平誤差は8mm + 8mm = 16mm（約5/8インチ）になります。

連続動作基準局（CORS）ネットワークは、通常インターネット接続を介して補正情報をブロードキャストするRTKベースステーションのネットワークです。CORSネットワークでは、複数のステーションが正確な測位を保証し、単一のベースステーションの誤った初期化を防ぐため、精度が向上します。^[9]

仮想基準ネットワーク（VRN）も同様に、基地局を使用せずに、代わりに仮想基準局（VRS） を使用して精度を高めることができます^[10]。この概念は、基準局のネットワークを使用してこの要件を満たすのに役立ちます。一般的なCORSセットアップは、生データ（または補正値）がローバー受信機（つまり、ユーザー）に送信される単一の基準局で構成されます。次に、ユーザーはキャリア位相差を形成（または生データを補正）し、差分補正値を使用してデータ処理を実行します。対照的に、GNSSネットワークアーキテクチャでは、多くの場合、複数の基準局が使用されます。このアプローチにより、主に電離層と対流圏の屈折、および衛星軌道誤差によって引き起こされる距離に依存する系統的誤差をより正確にモデル化できます。より具体的には、GNSSネットワークは、最も近いアンテナまでの距離に対する誤差予算の依存性を低減します。

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• RTK の詳細な概念 GNSS、RTK、衛星測位の概念を詳しく説明します。
• CORS マップは、継続的に動作する基準局のグローバル ネットワークです。
• GBAS マップ 地上型補強基準ビーコン (GBAS) のグローバル マップ カバレッジ。
• ガイドライン シングルベースリアルタイムGNSS測位のユーザーガイドライン（NOAA）
• RTK受信機をUAVやロボットに統合するためのRTK統合マニュアル
• RTKの歴史 RTKの初期の頃に関わった人々による記事