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GNSS放送データ「航法メッセージ」の中身


時刻/衛星位置/軌道/補正データほか

航法メッセージとは

図1　GNSSの測位精度は，航法メッセージに含まれる補正係数の正確な適用によって支えられている．衛星クロックと電離層という2大誤差要因を補正することが，数m以下の測位精度を達成する鍵．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］樋田 啓
詳細:自動運転＆SLAMロボット開発 要点100【セッション5】cm測位「キネマティックGNSS」の始め方

GNSS衛星，特にGPS衛星は，地球上の受信機に対して自身の状態や軌道情報を「航法メッセージ」として送信しています．これは放送に近い形式で，通信速度はおよそ50bpsと非常に低速です．この航法メッセージを正しく解釈することで，受信機は衛星との距離や位置を求めることができます．

航法メッセージはサブフレームという単位で構成されており，1フレームは300ビット，1サブフレームあたりの送信時間は6秒です．1セットの航法データは5つのサブフレームから成り，計30秒で送られます．さらに，サブフレーム4と5は「ページ」と呼ばれるさらに細かい単位（全25ページ）にわかれており，全体を受信するには12.5分程度かかります．

各サブフレームの構成

各サブフレームには以下のような情報が含まれます．

  1. サブフレーム1:週番号，時刻，衛星健康状態，クロック補正係数など
  2. サブフレーム2:時刻，衛星自身の軌道情報（エフェメリス）
  3. サブフレーム3:サブフレーム2と同様の軌道情報
  4. サブフレーム4（ページ付）:全GPS衛星の粗い軌道情報，クロック情報，電離層補正係数など
  5. サブフレーム5（ページ付）:サブフレーム4と同様の内容

これらの情報は，受信機が衛星の位置と送信時刻を把握するための基礎になります．時刻と位置の精度が正確であればあるほど，ユーザの測位精度も高くなります．

補正データと精度向上

衛星のクロックは高精度ですが，完全に安定しているわけではありません．そのため，クロック補正係数が航法メッセージに含まれています．また，電波の伝搬に影響を与える電離層の補正係数も重要です．これらの補正により，単独測位でも数mの精度が確保されます．

高精度測位では，さらに誤差要因の補正が不可欠です．たとえば，軌道誤差やクロック誤差を低減するために，精密な軌道モデルや，基地局を用いた相対測位技術が利用されます．こうした技術により，cm級の測位精度も実現可能です．

測位精度に直結する補正係数

航法メッセージの中でも特に重要なのが補正係数です．これは，受信機が距離を計算する際に生じるさまざまな誤差を軽減するためのパラメータです．主に2種類の補正が存在します．

  1. 衛星クロック補正係数:衛星の内部クロックは安定ですが，微小なずれが距離計算に影響を与えるため，$a_f0$や$a_f1$といった係数で補正を行います
  2. 電離層補正係数:電波が地球大気圏を通過する際，特に電離層で遅延が発生します．これをモデル化した補正係数（例:$\alpha_0$?$\alpha_3$）により，遅延時間の予測が可能になります

航法メッセージには，これらの係数が組み込まれており，受信機はこれを元に正確な時刻と距離を導出します．補正がなければ，測位誤差は数十mに達する可能性があります．

実装面での活用

GNSSチップを搭載した受信機は，航法メッセージを解析することで，これらの補正係数を自動的に適用します．たとえばu-blox製の受信機では，RXM-SFRBXメッセージとして生の航法データを取り出すことができます．ロガーなどを用いて記録すれば，後処理による解析も可能です．

また，これらの係数を活用することで，複数の衛星からの信号を比較して相対測位を行うといった高度な手法にも応用できます．RTKやPPPといった手法も，基礎にはこの補正処理があります．

〈著:ZEPマガジン〉

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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. ［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．
  2. 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．
  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．
  5. ［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．
  6. ［VOD/KIT］ラズベリー・パイで学ぶエッジAIプログラミング入門，ZEPエンジニアリング株式会社．