第８回 月測位研究会
JAXA 東京事務所
July 24, 2024

GNSS 受信機メーカの LEO-PNT への取り組み内容のご紹介
古野電気株式会社
システム機器事業部 開発部
開発２課

高山 洋史
FURUNO ELECTRIC CO., LTD. All Rights Reserved.

アジェンダ1.

自己紹介・会社紹介

2.

LEO-PNT: 低軌道(LEO)衛星からの信号を用いた PNT 技術

3.

LEO-PNT による都市部における時刻同期精度の向上

4.

ドップラ測位に関する研究開発

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自己紹介
◆ 所属
➢ 古野電気株式会社(2009 - 現在)➢ 神戸大学大学院博士課程後期課程修了(2019-2023)◆ システム情報学研究科 浦久保教授の研究室所属◆ 業務経歴➢ GNSS 受信機の研究開発
高山 洋史◆ 拡張カルマンフィルタによる測位アルゴリズム◆ GNSS/INS センサ統合アルゴリズム◆ Doctoral thesis https://da.lib.kobe-u.ac.jp/da/kernel/0100482402/➢ Accurate GNSS Positioning in Urban Canyons withExtended Kalman Filter◆ 学会活動等➢ 米国航法学会(ION)，測位技術振興会(SAPT) 各会員
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古野電気株式会社
１９４８年 世界初 魚群探知機の実用化に成功

戦後の食糧難の時代に経験と勘による漁業を近代化し安定した水産資源の供給に貢献
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代表取締役社長執行役員
古野 幸男

本社所在地

兵庫県西宮市

事業内容

舶用電子機器および産業用電子機器などの製造・販売

資本金7,534 百万円

従業員（連結）3,356 名売上高（連結）114,850 百万円

上場取引所

東京証券取引所 プライム市場※ 2024年2月29日現在

3我々の社会を支える GPS/ GNSSDefenseDisplacement measurement

Navigation

Weather forecast

TimingLand management

2030年 GPS/GNSS受信機を搭載したデバイスは 100 億台を超えると予想(from Market Report by the EUSPA)FURUNO ELECTRIC CO., LTD. All Rights Reserved.

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今はまさに時代の変わり目◆ Moore’s (Navigation) Law➢ 航法システムの経験則➢ 30年スパンで精度が10倍に向上

精度１m以下の航法システムがまもなく登場すると予想◆ GPS L1C/A の IOC が 1993 年➢ 公称精度 10 m
◆ 最近の動向➢ GNSS 側の進化?

◆ cｍ級の高精度測位サービス◆ CLAS, MADOCA, Galileo HAS, etc.

➢ Alternative GNSS の議論◆ LEO-PNT, VDES-R, etc.
Reid, Tyler & Houts, Sarah & Cammarata, Robert & Mills, Graham & Agarwal, Siddharth & Vora,
Ankit & Pandey, Gaurav. (2019). Localization Requirements for Autonomous Vehicles.
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Position, Navigation, and Timing from Low Earth Orbit※NTN：非地上系ネットワーク

Beyond 5G/6G の NTN※ 実現のため低軌道(LEO)衛星群が急速に展開
GNSS 約 160 機

LEO 衛星群からの信号による PNT の実現
20,200 km 以遠(GNSS 衛星)

1,500 km 以下(低軌道衛星)Starlink 約 7,000 機
低軌道衛星群の特徴
・衛星の数の多さ
・衛星の動きの速さ
最終的には数万機から構成

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LEO-PNT の可能性
(a) 実用的な初期化時間の高精度な PNT(b) セキュアな PNT(c) シームレスな PNTGNSS 衛星より数が多いことと速く動くことで高精度化信号仕様の秘匿化と暗号化でロバスト性が向上

GNSS の 1,000 倍強い信号で受信環境が改善

GNSS

GNSS
(Public)

精度

LEO-PNT(Private)

Spoofer

悪GNSS

LEO-PNT良LEO-PNT?
？

GNSS
LEO-PNT

時間
User

精度と時間の関係は衛星の数と速さに依存する✓ GNSS の 1/10 の時間で高精度を実現✓ 欺瞞(Spoofing) が困難な PNT

モビリティの自動化に必須の技術

欧州で顕在化した社会問題を解決

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✓ 屋内でも受信できる信号強度✓ 屋内測位が可能

GNSS の制約を緩和

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古野電気の LEO-PNT への取り組み◆ 2023 年９月 Xona Space Systems 社とのパートナーシップを公表➢ LEO-PNT の技術実証とビジネスの可能性検討

Xona 社 Web サイト
https://www.xonaspace.com/

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LEO-PNT による都市部における時刻同期精度の向上■ 古野電気 web ページ WSTS 2024 参加報告
https://www.furuno.com/jp/newstopics/exhibition/1586■ 本内容は WSTS 2024 の Web ページで公開される予定です．
2024 Presentations – Workshop on Synchronization and Timing Systems (atis.org)
9ドップラ測位に関する研究開発

10ドップラ測位
GPS の前身である Navy Navigation Satellite System の時代に5-10 機の LEO コンステを配備し実現

視線方向速度は衛星の飛行速度に比例する．地球に近く，飛行速度の速いLEO衛星の方が視線方向速度が大きい．
MEO 以遠の衛星を用いる GNSS ではドップラ測位は難しく，LEO衛星の信号だと可能になる理由を説明している．

𝒓MEO

LEO

𝑣𝑖𝒓LEO𝒓ሶ LEO𝒓

視線方向速度のモデル
𝒓ሶ 𝑖 T 𝒓𝑖 − 𝒓
𝑣𝑖 =𝒓𝑖 − 𝒓
ドップラ測位𝒓∗ = argmin 𝐽(𝑣1 , ⋯ 𝑣𝑀 , 𝒓)
𝐽: コスト関数

視線方向速度 𝑣𝑖 [m/s]𝒓ሶ MEO

MEO

ドップラ効果による周波数シフトを観測することでユーザ・衛星間の視線方向の相対速度がわかる．

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11ドップラ測位に関する研究開発動向◆ LEO-PNT with Purpose-built Constellations➢ Xona 社のような測位用 LEO コンステを利用した GNSS like なシステム➢ ドップラ測位の研究の対象からは外れる傾向にある◆ LEO-PNT based on Signals of Opportunity (SoOP)➢ 一般にドップラ測位は SoOP の観点で対象とされるテーマ➢ Starlink のような既にある通信用 LEO コンステの信号を利用➢ 測位専用の信号が不要で測位用LEOコンステの構築も不要

前者(Purpose-built)の観点でドップラ測位の研究開発に着手

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LEO-PNT (Purpose-built) から見た ドップラ測位
LEO-PNT は GNSS とは異なる測位原理に基づく
GNSS
三角測量

LEO-PNT
ハイブリッド原理 = 三角測量 + ドップラ測位

擬似距離から視線方向に位置を観測
GNSS satellite in MEO

Transmit frequency 𝑓𝑇

擬似距離から視線方向に位置を観測
ドップラ周波数から視線方向の直交方向に位置を観測
LEO satellite
原理的には GNSS よりも2つの方向に位置を観測できる
LEO-PNTの方が高精度

Transmit
frequency 𝑓𝑇

直交方向

視線方向
Kalman filterの観測更新𝒓ො −𝒓ො +視線方向

pseudo range
Received frequency 𝑓𝑅

Trueposition
Antenna

Doppler frequency
𝑓 ≡ 𝑓𝑅 − 𝑓𝐷

※ GNSS でもドップラ周波数は利用されているがユーザ位置ではなく速度推定での利用が一般的．
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Kalman filterの観測更新𝒓ො −pseudo range𝒓ො +Received frequency 𝑓𝑅
True position

Antenna

Doppler frequency
𝑓 ≡ 𝑓𝑅 − 𝑓𝐷
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三角測量＋ドップラ測位のセンサ統合
擬似距離

ドップラ
周波数

位置を観測できる原理の異なる２つのセンサだとみなす
Purpose-built LEO-PNT ではこれらのセンサ統合が必要どう統合するか？
その統合法を研究→カルマンフィルタを使用
ION GNSS+ 2024 @ Baltimore taking place on Sep. 16-20 で発表予定
Session E2: LEO for Positioning, Navigation, and Timing
Y. Takayama and T. Urakubo, “Doppler Positioning with LEO Satellites Using Unscented Kalman Filter”
Session D5: Indoor and Urban Navigation and Mapping
Y. Takayama and T. Urakubo, “Performance Evaluation of Kinematic Doppler Positioning with LEO Satellites in Urban Environments”
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まとめ◆ 低軌道(LEO)衛星からの信号による PNT 技術 LEO-PNT➢ 古野電気における取組内容のご紹介

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