StarFire（ナビゲーションシステム）

StarFire は、 John Deereの NavCom と精密農業グループによって開発された広域差分 GPSです。StarFire は、衛星L バンド周波数を介して追加の「補正情報」を世界中にブロードキャストし、StarFire を搭載した受信機は 1 メートル未満の精度で位置測定を行うことができます。24 時間にわたる通常の精度は 4.5 cm 未満です。StarFire は、FAAの差分 GPS広域拡張システム(WAAS) に似ていますが、受信機側の処理を改善するいくつかの技術により、はるかに精度が高くなっています。

StarFire は、将来の開発の方向性を定めようとしていたJohn Deere社のエンジニアたちが 1994 年に開催した会議の後に生まれました。当時、いくつかの小規模な企業が、GPS 受信機と穀物カウンターを組み合わせた収穫量マッピング システムの導入を試みていました。このシステムは、畑の収穫量を示す地図を作成するものでした。エンジニアたちは、これが業界で最も興味深い開発の 1 つだと感じていましたが、当時はまだSelective Availability を使用していた GPS の精度は、有用な地図を作成するには低すぎました。その後数年で、さまざまなプロバイダーが倒産しました。

1997年、より正確なGPS位置特定を行うという問題を解決するためにチームが結成されました。ジョンディア社のエンジニアリングチームのメンバーとともに、スタンフォード大学の小規模なプロジェクトも参加し、 NASAジェット推進研究所のエンジニアも参加しました。^{[1]彼らは、} WAASなどの類似システムとはかなり異なるdGPSシステムを開発することを決定しました。

理論上、選択的可用性をオフにした GPS 信号は3 m 程度の精度を提供します。実際には、一般的な精度は約 15 m です。

この 12 メートルのうち、約 5 メートルは電離層の「うねり」による歪みによるもので、これが伝播遅延を引き起こし、衛星が実際よりも遠くにあるように見えます。残りの 3 ～ 4 メートルは、GPS 衛星の位置を計算するために使用される衛星エフェメリスデータの誤差と、衛星の内部原子時計のクロック ドリフトによって生じます。

dGPS は、GPS を使用して測定された位置を既知の高精度の地上基準と比較し、その差を計算してユーザーにブロードキャストすることで、これらのエラーを補正します。これらの補正の一部は、たとえば時計やエフェメリス データへの補正など、どの場所にも適用されます。対照的に、大波は空の特定の部分のみをカバーしているため、1 つの地上局で測定された補正は、近くにある受信機にのみ役立ちます。広いエリアで補正を正確にするには、多数の地上基準局を配置し、細かく分割された場所に対して大量のデータをブロードキャストする必要があります。たとえば、WAAS は米国本土で 25 の局を使用し、5 x 5 度の間隔でグリッドを作成します。

代わりに、StarFire は高度な受信機を使用して、内部で電離層の影響を補正します。これを行うには、2 つの周波数 (L1 と L2) でブロードキャストされる P(Y) 信号をキャプチャし、2 つの伝播時間に対する電離層の影響を比較します。この情報を使用すると、電離層の影響を非常に高い精度で計算できるため、StarFire dGPS は伝播遅延の変動を補正できます。2 番目の P(Y) 信号は暗号化されており、民間の受信機では直接使用できませんが、StarFire は信号に含まれるデータを使用せず、代わりに 2 つの信号の位相を比較するだけです。これは電子機器の面で高価であり、2 番目のチューナーと優れた信号安定性がなければ役に立ちません。そのため、StarFire のようなソリューションはそれほど広く使用されていません (少なくとも作成時は)。

電離層補正が内部で処理されるため、StarFire dGPS 信号が運ぶ必要のある情報量が大幅に削減されます。この情報は、衛星データのみの補正信号セットで構成されています。これらの補正は世界中で有効であり、常時運用されている衛星は 24 基のみであるため、情報の総量は非常に限られています。StarFire はこのデータを 300 ビット/秒でブロードキャストし、1 秒ごとに繰り返します。補正は通常、約 20 分間有効です。エフェメリスとクロック補正に加えて、信号には各衛星の状態に関する情報も含まれており、地上局からの信号の更新に約 3 秒の遅延があり、ほぼリアルタイムでサービス品質データを提供します。

StarFire は 2 つのバージョンを経て発展してきました。最初のバージョンは、遡及的にSF1と呼ばれ、1 シグマの精度で約 1 m を提供しました。その誤差は約 15 ～ 30 cm で、つまり、表示される位置 (絶対精度) が約 1 m ずれている場合でも、以前に測定した地点から数センチ以内の精度 (相対精度) を返すことができます。これは、本来の目的である現場調査には十分でした。このシステムは 1998 年に初めて提供され、その後、SF1 信号は無料で提供されるようになりました。

新しいシステムであるSF2は 2004 年に導入されました。精度が飛躍的に向上し、1 シグマの絶対精度は約 4.5 cm です。言い換えると、StarFire は特定の地理的ポイントから 4.5 cm 以内の精度を 65% の確率で実現し、10 cm 未満の精度は 95% の確率で実現します (2 シグマ)。相対精度も同様に向上し、約 2.5 cm です。特に、SF2 信号は米国の GPS 衛星群とロシアの GLONASS システムの両方に補正を提供します。

John Deere は2016 年にSF3信号を導入し、SF2 と比較して精度がわずかに向上し、プルイン時間が 67% 短縮されました。同社は SF3 信号を生成するために合計 60 の地上基準局を設置しました。SF2 と同様に、SF3 は GPS 衛星と GLONASS 衛星の両方に補正を提供します。

StarFire 補正信号が 20 分以上失われた場合でも、内部の電離層補正だけで約 3 メートルの精度が得られます。StarFire 受信機は WAAS 信号も受信しますが、電離層データを無視し、(詳細度の低い) エフェメリスとクロック調整データを使用して約 50 cm の精度を提供します。比較すると、「通常の」GPS 受信機の精度は通常約 15 メートルですが、WAAS を使用する受信機ではこれが約 3 メートルに向上します。

最初に導入されたとき、StarFire は米国本土の 7 つの基準局を使用しました。これらの局で生成された補正は、2 つの冗長処理局 (1 つは基準/監視サイトと同じ場所にあります) に送信され、その結果得られた信号は米国東海岸の局からアップリンクされます。すべての局はインターネット経由で接続され、専用のISDN回線とVSATリンクがバックアップとして使用されます。結果として得られた信号は、Inmarsat IIIチャネルから放送されました。

その後、南米、オーストラリア、ヨーロッパにも StarFire ネットワークが構築され、それぞれが独自の基準局から運用され、独自の衛星にデータを送信しました。システムの使用が増えるにつれて、さまざまな「ローカル エリア」ネットワークを 1 つのグローバル ネットワークにリンクすることが決定されました。現在、StarFire ネットワークは世界中の 25 の局を使用しており、以前と同様に米国の局からデータを計算してアップリンクしています。これらの局で収集されるデータは、ほとんどの dGPS とは異なり、場所に依存しません。多数のサイトは主に冗長性のために使用されています。

John Deere社は、リアルタイム キネマティックdGPS であるStarFire RTKも販売しています。RTK は、三脚に取り付けられた小型の GPS 受信機で構成されており、StarFire 信号を使用して、通常はフィールドの角であるポイントに対する独自の dGPS 計算を実行します。次に、ユニットはこれらの補正を無線リンク経由で機器に取り付けられた受信機に送信します。RTK は、約 2 cm の絶対精度と、ミリメートル単位の相対精度を提供します。この種類の精度は、自動運転システムを備えた完全に自動化された機器に使用されます。

• GNSS 拡張
• GPS信号

• ジョンディアのスターファイアシステム: 精密農業のための WADGPS
• StarFire をコンピューターに接続する: 接続と構成の詳細
• 精密農業システムほど優れたものはない 2006-03-14 にWayback Machineでアーカイブ