GNSSによる高度タイミング用途と、みちびきの役割
通信業界や放送業界では高精度の時刻同期に対するニーズが高まり、それを実現する手段としてGNSSに寄せられる期待も大きくなっています。そうした中で日本電信電話株式会社(NTT)と古野電気株式会社は10月23日、ビル街や山間部でもオープンスカイに近い、高い時刻同期精度が得られるGNSSレシーバの新製品を発表しました。GPS/みちびきとGLONASSに加えガリレオに対応し、みちびきは3号機を含む4機同時受信に対応。販売開始は2019年4月を予定しています。
そこで今回は、この分野で先端的な研究開発に取り組み、本製品の開発にも関わったNTTネットワーク基盤技術研究所の吉田誠史氏(ネットワークアーキテクチャプロジェクト主幹研究員)に「高度タイミング用途におけるみちびきの役割」というテーマで話を伺いました。
▽NTTネットワーク基盤技術研究所 吉田誠史氏
「高度タイミング用途におけるみちびきの役割」
── 最近は住宅街でもこんなアンテナを見かけるようになりました。これって携帯の基地局ですよね?
吉田 おそらくそうですね。四角いのが通信用のアンテナで、とんがっているのが、時刻同期を行うためのGNSSアンテナのレドーム(耐候用カバー)です。
── 今から16年前の2002年に刊行され、衛星測量のバイブルとして読まれている『新・GPS測量の基礎』(土屋純・辻宏道著、社団法人日本測量協会)には、「一般家庭はもとよりちょっとした科学工業目的でも、その同期精度はあまりにも高すぎるので、(中略)使って悪いことはないにしろ、過剰性能である」と書かれていますが、今やすっかり事情は変わってしまったのでしょうか?
吉田 様変わりしました。GNSSの高精度な時刻同期に頼らなければ、もはや通信ネットワークもデジタルテレビ放送も、証券取引所のシステムや発送電網も成り立ちません。社会基盤を支えていると言っても過言ではないと思います。私どもが取り組んでいる、モバイル通信の基地局を例にご説明しましょう。
── よろしくお願いします。
時刻同期の精度は「3マイクロ秒以内」
吉田 すでにGNSSは、モバイル基地局が求めるマイクロ秒オーダーのタイミング同期精度を満足する手段として、世界中で利用されています。精度に対する要求も、通信需要の増大と共に高くなっています。その一例が、最近日本で新たに始まった3.4GHz帯でのモバイル通信のサービスです。40MHz幅の5つの帯域が3社に割り当てられています。
── よく聞く700~800MHzや1.5~2GHzに比べ、さらに高い周波数帯ですね。
吉田 一般に周波数が高いほど、多くのデータを送れるようになります。しかし周波数が高くなると、電波の直進性が高くなり、遠くまで飛ばなくなる。そこで基地局を密に配置する必要が出てきます。その際に問題となるのが、隣接する自社基地局や、隣り合う周波数帯を使う他社の基地局との干渉です。
── 他社との調整も必要になる、とは?
吉田 これまでは、事業者に割り当てられた周波数帯の境界部分に「ガードバンド」と呼ばれる緩衝領域を設けることで対処してきました。しかし3.4GHz帯では周波数リソースをフルに使用するために、カードバンドを設けずに帯域を目一杯使っています。この周波数帯で使用されているのが「TD-LTE(Time Division duplex Long Term Evolution)」と呼ばれる通信方式です。TDとはTime Division Duplex(TDD、時分割多重または時分割複信)のことで、時間で区切って上りの下りの通信を行う、周波数利用効率の高い方式です。
── 単線の路線で上り下りの列車を運行させるようなものですか?
吉田 似ていますね、イメージとしては単線の路線が密集している操車場でしょうか。端末から基地局に向かう「上り」と、基地局から端末に向かう「下り」の通信データを列車に例えると、自社路線での衝突事故はもちろん、すぐ隣りの路線を走る別会社の列車との接触事故も避けたい。そのため、みんなでダイヤを遵守し、あるタイミングでは上り列車だけ、あるタイミングでは下り列車だけを同期して走らせる、というイメージです。
── であれば隣の線路と干渉する心配も少なくなりますね。どのくらいの時間刻みで通信データをやりとりしているのでしょうか?
吉田 通信データのひとまとまりである「1フレーム」の長さは10ミリ秒(100分の1秒)となっています。さらに1フレームは長さ1ミリ秒の「サブフレーム」10個で構成されており、サブフレーム単位で上り通信と下り通信が分離されています。
── サブフレームが1ミリ秒ということは、つまり最短1000分の1秒で上り下りが入れ替わる場合もあるということ?
吉田 そうです。データの衝突を避けるためには、その1ミリ秒のサブフレームの送出タイミングを、各基地局間で一致させる必要があります。スモールセルと呼ばれるカバーエリア3km程度の小さな基地局の場合、時刻同期の精度は3マイクロ秒以内と定められています。
── 100万分の3秒!
吉田 そうなるともはや、マスタークロックは電波時計などで使用されている標準電波(JJY)では不十分でGNSSしかありません。
── 頼るべき最後の時計がそれなんですね。
吉田 さらに最近では、基地局設備の主要部分を電話局舎内に起き、電波を送受信する小型設備を「張り出し基地局」として、物理的に分離するやり方が広がっています。システムを構成する機器すべてを高度にタイミング同期させるために、マスタークロックから高精度の時刻情報を各機器に配布する「PTP」という仕組みが必要になります。PTPで避けられない誤差も勘案すると、マスタークロックとなるGNSS受信機にはますます高い時刻精度が求められます。システム全体で3マイクロ秒以内、つまりプラスマイナス1.5マイクロ秒の精度が求められます。これを実現するにはGNSS受信機ではさらにひと桁上の、±100ナノ秒が要求されることになります
統計処理による衛星選択アルゴリズム
── 100ナノ秒って、1000万分の1秒......
吉田 そうです。
── しかし、ケタを数えるととんでもないことのように思えますが、電波がその間に進むのは約30m。衛星から受信機までの距離(擬似距離)の誤差と考えてみると、GNSSできちんと測位ができているなら、その精度はすでに実現されており、そんなに高いハードルとは言えない気もします。
吉田 オープンスカイで受信環境が良いなら、そうです。しかしモバイル通信の基地局は、人口が密集しデータ通信の需要の多い都市部に設置したい。当然、周囲には建物があり、開空率が制限され、マルチパスの影響も避けられない。
── 直接見える衛星の数が限られ、あちこちに反射した信号が遅れ遅れでやってくる。これは測位でも悩ましい問題です。
吉田 そういった環境でも高い精度を確保しようというのが、私たちの研究テーマです。アプローチはいくつかありますが、まず最初が「GNSS衛星信号受信特性推定技術」。GNSSアンテナの設置工事を行う前に、いくつかの候補地点で撮影した全天写真から、見通し状態の可視衛星がなるべく多く、長時間、受信できる地点を判定するものです。
── それなりの工事コストもかかるので、事前に「いい場所」が分かるのはありがたいですね。しかし、どう工夫しても条件が厳しい場合もあるのでは?
吉田 開空率の制限された可視衛星の少ない受信環境で精度を大きく悪化させる原因が、不可視衛星の反射波です。ビル陰に隠れ、見通せないはずの衛星からの反射波は、大きく遅れてやってきます。そうした衛星をなるべく使用しないようにする「枝刈り」も重要です。
── なるほど、枝刈りと呼ぶんですか。
吉田 ただアーバンキャニオンと呼ばれるようなビルの谷間では、枝を刈りすぎると衛星が必要数に満たない場合も出てきます。測位と同様に、4衛星以上を受信できて初めて、3次元座標xyzに加え、時刻tという4つの未知数が求められる訳ですから。
── どう対処を?
吉田 不可視衛星の信号であっても、伝搬遅延時間の小さいものなら最小限許容するというアプローチです。反射波が混ざる場合でも、アンテナの近くで反射した信号なら時間遅れは小さく、精度劣化への寄与も小さい。「統計処理による衛星選択アルゴリズム」と呼んでいます。
── 「補欠合格」で定員を満たすような、現実的なアプローチ?
吉田 そうなるでしょうかね(笑)。ビルの谷間の開空率が小さい場所だけでなく、窓からアンテナを張り出した、空が半分しか見えていないような場所でも検証を行っています。精度の大幅な改善が確認できています。
「可視衛星1機は血の一滴」
── 「枝刈り」+「補欠合格」は効くんですね。
吉田 効きます。ただ、そうだとしても直接見えている可視衛星があるかないかは、精度維持にはすごく大きい。タイミング同期の分野では「可視衛星1機は血の一滴」と言っています。
── 血の一滴......
吉田 なので、高仰角から信号を降らせてくれるみちびきは、本当にありがたい存在です。仰角が高ければ、可視衛星として受信できる可能性が高まりますし、マルチパスがあったとしても影響は小さいので。
── なるほど。真上からの信号ならビルの谷間でも見えやすいし、見えないとしてもビル壁での反射なら角度は浅いから、距離差も小さい。合否ラインを大きく下回ることはない訳ですね。
吉田 タイミング同期の用途では、みちびきの「最悪値がそれほど悪化しない」性質にも大変助かっています。GLONASSやガリレオなどを積極的に使っていく「マルチGNSS」のアプローチも考えられますが、異なるシステム間には最大数十ナノ秒程度の時刻オフセット(ずれ)が存在していますから......
── 国によって、いわば“時差”がある。
吉田 可視衛星数が少ないと、その“時差”の影響を有効に補償することができません。一方でGPSと一体運用されている分、みちびきにはその心配がなく、GPSの補完だけでも大きな存在意義がある。少なくとも日本国内においては、精度や信頼性の観点から、GPS+QZSSのコンビネーションがベストの選択だと思っています。
4K8K時代には「GNSS同期が前提」
── 今年春の展示会「Interop Tokyo 2018/Location Business Japan 2018」(千葉・幕張メッセ)では、通信業界だけでなく放送業界でも高精度時刻同期のニーズが高まっている様子を見ることができました。4K8Kなど高解像度の映像製作では扱うデータ量が激増し、撮影・録音・編集や蓄積などに関わる機器すべてを高精度に同期させておく必要があるそうです。「4K8K時代はGNSS同期が必須というより前提だ。それがないと、そもそも画が出せない」という声も聞けました。
吉田 まったくその通りだと思いますし、次世代高速通信の「5G」でも同じような状況です。また金融分野でも、アルゴリズム取引やHFT(高頻度取引、High Frequency Trading)などで高精度タイミングの需要は高まっていましたが、さらに今年1月、EUで第2次金融商品市場指令(MiFID II)が施行されました。これはEU域内で行われる金融取引の記録に、高精度なタイムスタンプの付与を義務付けるもので、サーバーがEU域外にあってもルールが適用されます。これを受け、日本国内でもデータセンターにおける時刻同期のマスタークロックがGNSSに置き換えられつつあります。
── まさに「時は金なり」ですね。
吉田 地理的に離れたデータセンターでデータベース処理を行うグーグル社のCloud Spannerなども、原子時計レベルの高精度なタイムスタンプが大前提で、GNSSなしには実現不可能なものです。「GNSSによる分散型RDB」はプロの間でも注目され始めています。
── ふだんは意識せずに暮らしていますが、思いのほか多くの局面で、高精度タイミング同期のお世話になっているのかもしれません。
吉田 みちびきの重要性も、ますます大きくなっていると思います。
(取材/構成:喜多充成・科学技術ライター)
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2017年04月19日
参加者同士がつながるアプリ連動型ランイベントを表参道で開催
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2017年04月18日
ポッキー&プリッツ春のキャンペーンでスヌーピーを探す位置情報ゲーム
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2017年04月14日
浮世絵名所を訪ねて江戸の旅人気分を味わうアプリ
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2017年04月13日
Facebook Messengerに位置情報のリアルタイム共有機能
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2017年03月28日
地図アプリ「Googleマップ」で位置情報やルートを共有可能に
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2017年03月24日
今いる場所の野鳥が分かるアプリ「GPS動く野鳥図鑑400」
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2017年03月19日
スタンプラリーなど位置情報活用アプリの融合プラットフォーム「StaMap」
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2017年03月17日
古地図にGPSの位置情報を表示できる「Stroly」を提供開始
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2017年03月15日
スマホで遊漁券を買える「つりチケ」にGPS機能を追加
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2017年03月08日
外国人観光客向けアプリ「静岡伊豆ドリームナビ」などで実証実験
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2017年03月07日
「さんぽで三県!! 三県境」モバイルスタンプラリー開催中
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2017年03月06日
地下のライフラインを「見える化」するシステム [前編]
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2017年03月06日
地下のライフラインを「見える化」するシステム [後編]
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2017年02月28日
車載用IoT端末「MCCS」で新興国向けのローンファンドを運用
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2017年02月20日
GPSに連動した多言語による観光ガイドシステムU・feel
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2017年02月09日
GPS搭載端末「MOVOスティック」で車両運行をリアルタイム管理
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2017年02月07日
互助交通がタクシー利用者向けにGPS連動アプリを提供
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2017年02月06日
除雪車の位置情報管理サービス商用化に向け、岐阜県で実証実験
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2017年02月05日
ボタンを押せば配車可能なタクシー会社へ電話できる「タクシーチャンピオン」
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2017年01月30日
ウェザーニューズ、今年も花粉情報を配信する「花粉Ch.」をオープン
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2017年01月26日
桐生市を舞台にしたスマホ用GPSゲームアプリと観光ガイド
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2017年01月24日
奈良県が街巡りに特化した観光アプリ「ならたん」を提供
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2017年01月23日
現在地周辺の犯罪情報を探せる治安情報サイト「ガッコム安全ナビ」
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2017年01月22日
ARで"ビーコル"のバスケ選手と出会える位置情報アプリ「バスケベ!GO」
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2017年01月17日
JR東海、3次元測量で枕木の厚さを高精度に測る装置を開発
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2017年01月16日
セレボ、GPS搭載の自転車用IoTデバイス「RIDE-1」を発売
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2017年01月15日
雪山での滑走経路をスマホに記録できる「Snoway」
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2017年01月11日
神奈川の3市が共同で多言語対応の観光アプリ「おおやまめぐりガイド」
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2017年01月05日
ドライバー向けデジタルラジオ「Amanekチャンネル」で地域活性プロジェクト
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2016年12月21日
Googleが毎年恒例のアプリ「サンタトラッカー」で位置情報ゲームを提供
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2016年12月20日
位置情報で農業経営を支援するヤンマーの「スマートアシスト リモート」
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2016年12月18日
日産が自動運転技術による無人搬送システムを導入
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2016年11月24日
凸版印刷と日の丸リムジンが古地図で江戸観光するタクシーツアーを開始
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2016年11月22日
ゲレンデで現在地が分かるスキー情報情報アプリ「yukiyama」
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2016年11月14日
地図上に画像や情報を記録し、自分だけの地図を作成する「Map Life」
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2016年11月07日
人気キャラ「ハローキティ」の携帯電話が「位置情報」検索に対応
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2016年10月26日
安価な専用端末とスマホを組み合わせた見守りサービス「otta」
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2016年10月24日
マピオン、地図と位置情報を活用した教育アプリの提供を開始
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2016年10月21日
マピオン、観光パンフの電子配信「e-旅めくり」で自治体の観光戦略支援
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2016年10月20日
Google VRに対応したスマホ用の星空アプリ「プラネタリウムVR」
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2016年10月11日
福井県が今年もGPS発信機装着のコウノトリ2羽を放鳥
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2016年10月17日
[続報] 写真で見る福井県コウノトリ放鳥の舞台裏
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2016年10月10日
良心石材、Jリーグ戦スタジアム来場者のスマホに選手のAR映像を提供
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2016年10月05日
バンダイナムコ、位置情報と音声を組み合わせた「ブラメディア」を提供開始
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2016年10月03日
埋もれた観光スポットを発見するデータメディア「spot japan」
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2016年09月27日
SNSで訪日外国人の消費動向を分析する「ロケーショントレンドレポート」
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2016年09月26日
地震発生時に現在地情報を自動通知する防災アプリ「Familoca」
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2016年09月22日
特定スポットでレアな魚を取得できる位置情報アプリ「MyAquarium3D」
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2016年09月16日
「だんじり」の岸和田市、無料観光アプリにハザードマップも搭載
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2016年09月10日
想い出の場所を登録し、動画や写真を届けるアプリ「Spot message」
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2016年09月04日
凸版印刷が店舗射程圏内ユーザーを誘客する「ココチラ」を提供
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2016年09月02日
楽天トラベル、観光パンフ閲覧アプリ「PATW」を発表
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2016年08月31日
横須賀市が位置情報ゲーム活用に向け、ヨコスカGO宣言を発表
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2016年08月27日
現在地の地盤の安全性を確認できる「じぶんの地盤アプリ」
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2016年08月17日
過酷な日本縦断トレイルランレースでGPSトラッキングシステム導入
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2016年08月08日
クラウド型勤怠管理サービス「AKASHI」にGPS打刻機能が追加
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2016年08月06日
マピオンと学研が、写真と地図で夏の自由研究を簡単作成するアプリ
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2016年08月03日
スタンプラリーアプリ「ヤマスタ」が、日本百名山イベントを追加
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2016年08月02日
天草のパラグライダーレースでリアルタイム測位システムを検証
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2016年07月30日
凸版印刷がVRとGPSによる「ストリートミュージアム」で新展開
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2016年07月25日
花火の見え方をスマホで事前確認できる「AR花火スコープ」
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2016年07月20日
位置と時間にフォーカスしたライフログアプリ「.location」
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2016年07月17日
GPS応用の速度計でビジネス展開する「バイオスシステム」 [前編]
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2016年07月18日
GPS応用の速度計でビジネス展開する「バイオスシステム」 [後編]
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2016年07月14日
ジョルダン、全世界で利用できる安否確認システムを10月に提供開始へ
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2016年07月13日
ヤマハが衛星測位で無人自律航行できる小型電動観測艇を発表
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2016年07月05日
高崎市、高齢者向けGPS端末の無料貸出を障害者にも拡大
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2016年06月07日
車両の走行状況で保険料率が変わる「テレマティクス保険」
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2016年05月26日
軽貨物配送のマッチングサイト「ハコブリッジ」
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2016年05月24日
観光コンテンツを活性化。青森発ベンチャー「ナビチャリ」への期待
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2016年05月18日
オフラインでGPSルート検索可能な海外観光アプリ「HowTravel」
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2016年05月11日
クボタ、業界初のGPS田植え機を9月に発売
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2016年04月20日
オープンデータで避難所地図を表示する「ヒナンパス」が、熊本地震に暫定対応
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2016年03月27日
「飯田お練りまつり」に位置情報のクラウドサービス導入
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2016年03月23日
車両情報と位置情報でリアルタイムに社用車を管理する「ProPosition」
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2016年02月18日
佐賀で産官学が連携し、ドローン空撮で無農薬・減農薬栽培の害虫探し
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2016年01月23日
「サイレントログ」で生活記録に位置情報を追加する
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2015年12月22日
携帯圏外でもスマートフォンのGPSナビが使える「Geographica」
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2015年11月27日
鳥取市の「1000円タクシー」が位置情報で翻訳精度上げる社会実証
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2015年11月25日
街の利便性向上に位置情報を役立てる富山市の「おでかけっち」
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2015年11月03日
岩手県滝沢市が「モバイル登山届」を導入へ
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2015年10月25日
福井で放鳥された2羽のコウノトリが位置情報を発信中
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2015年10月06日
ラグビーやサッカーに使われるGPSportsの衛星トラッキングシステム
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2015年10月01日
高円寺の阿波踊りで「踊る阿呆」を追跡するシステム
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2015年09月25日
警報に連動して位置情報を自動通知する『ココダヨ』サービス
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2015年09月24日
高崎市が徘徊高齢者をGPSで発見する救援システム運用へ
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2015年09月21日
安全で楽しい登山を! 緻密なプランニングを可能にする「ヤマプラ」
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2015年09月20日
来年配信のポケモン最新作は、位置情報を活用したスマホゲーム
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2015年09月15日
JR東日本がGPSを活用した列車接近警報装置を開発導入
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2015年09月14日
“爆買い”を加速!? 位置情報でピンポイントの広告配信
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2015年09月11日
東芝がGPS機能付き腕時計型生体センサ「Silmee W21」を11月発売
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2015年09月10日
陸上自衛隊が富士通の災害救助活動支援サービスを導入
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2015年09月09日
「最短20分!」という楽天の新・配送サービス
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2015年09月07日
山形の新庄まつりで山車の位置把握にGPSを導入
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2015年09月02日
SNSと位置情報を連動させるO2Oサービス「Social Beacon」が始動
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2015年08月21日
奈良市、認知症高齢者の見守りにGPS端末貸出を開始
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2015年08月14日
GPSで現在地を示して不便を解消。東京都交通局の「バスロケシステム」
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2015年08月13日
コロプラとKDDIが共同で位置情報ビッグデータの分析サービス
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2015年08月12日
GPS機能を活用して、今いる場所にスピーディな宅配サービスを実現
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2015年08月05日
弘前市、公用車にGPS機能を搭載した車両管理システムを導入
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2015年07月23日
全国の花火大会を位置情報ゲームで回るイベント、9月まで開催中
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2015年07月15日
位置情報でアウトドア・ライフを後押し! 登山者向けコミュニティ「YAMAP」
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2015年07月13日
UPRとKDDIが温度・湿度を管理できる位置情報端末「なんつい」を開発
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2015年07月09日
ペットや子どもの迷子を防ぐ! GPS機能搭載の迷子札「BiKN」のシステム
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2015年06月25日
北海道で活用が進む、農業用GPSガイダンスシステム
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2015年06月11日
[実証] 都市部でのQZ1測位モード比較
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2015年05月20日
日本交通が提供する位置情報を活用したタクシー配車アプリ
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2015年04月22日
NTTドコモが、位置情報を活用したモビリティシェア事業で新たな取り組み
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2015年03月23日
神奈川・横須賀市が、位置情報ゲーム「Ingress」で観光振興