格安RTK‐GNSS機器の製作 ‐その3‐

Posted on 2020/2/7

前回までの紹介でM8T基板の改造も終わり、今回はアンテナまわりの準備と外に出て位置計測を行います。格安RTK‐GNSS機器の製作の紹介は今回で最後になります。

今回使う機材

４）グランドプレーンの作成
宇宙から到達する人工衛星の電波は強くありません。また、この電波は反射する特性があります。そのため、地面からの電波反射は位置計測の際にノイズとなってしまいます。ノイズを取り除くには、地面からの電波を遮断しなければなりません。そのため、アンテナの下に金属板を用意してノイズを取り除きます。ここでは、百均のステンレス鍋蓋で代用します。ステンレスは硬いので、穴を広げるにも一苦労です。

百均で売っているステンレス鍋蓋

５）一脚・三脚
改造した基板・アンテナは、一脚・三脚で固定します。固定局は計測中は動かしてはいけないので、足場が安定している地面かつ上空が開けている場所に設置します。一方、移動局は持ち運んで計測するため、一脚にします。なお、アンテナは防塵・防水加工されているのため雨でも大丈夫ですが、基板は一応ケースで覆っていますが・・・防水されていません。そのため、基板のケースをさらにキッチン用品のケースで覆って、多少の雨でも計測できるようにしました。
基板・アンテナより一脚・三脚の方が価格が高くなったのはちょっと複雑な感じです・・・。

連続計測中の移動局

６）位置計測
ようやく準備は終了です。モバイルバッテリーを取り付けて、屋外で計測してみましょう。

私は自宅裏に固定局・移動局をそれぞれ数時間設置してみました。計測が終われば、データ解析になります。microSDに保存されたテキストファイルを用いて解析します。解析に使うソフトは「RTKLIB」（この分野では非常に有名なオープンソフト）です。私もその恩恵にあずかります。

RTKLIBの操作方法は多くの人が詳しく情報を提供しているので、このサイトでは省略します。農研機構では、小型GNSS受信機を用いた高精度測位マニュアル(ドローン用対空標識編) を公開しています。今回紹介している格安RTK-GNSS測量についてまとめられているので、大変参考になるマニュアルです。

日本では、国土地理院が全国に約1300ヶ所の電子基準点（24時間連続にGNSSによる観測を行っている地点）を設置し、観測データを公開しています（データのダウンロードにはユーザ登録が必要：登録無料）。この電子基準点を用いてRTK-GNSS測量することも可能です。

自宅裏に設置した固定局と電子基準点を用いて、解析してみたら誤差１cm以内に収まる精度で位置計測することができました。

この技術を使えば、いろんな場所でcm単位の高精度な位置計測をすることが可能です。数年前では個人でRTK-GNSS測量というのは考えられませんでしたが・・・農業分野においても画期的な技術になりそうです。すばらしいっ！！

格安RTK‐GNSS機器の製作 ‐その2‐

Posted on 2020/1/31 Updated on 2020/2/5

前回は、M8T基板とアンテナを接続して人工衛星の信号を受信するところまでの話でした。今回は、信号データを電子媒体（SDカード）に記録する方法を紹介します。

2016年から試験的に導入したRTK-GNSSですが、当初は受信情報の記録方法がわからず、WindowsのノートPCやWindowsタブレットをロガーとして記録する方法を採用してきました。この方法でも問題ないのですが、運用上の欠点としてノートPC・タブレットを屋外に放置する心配や電源が３時間程度で切れてしまう、またケーブルの接触不良で記録がストップしてしまうなどといったものでした。

格安RTK-GNSS導入当初のシステム

そこで、前述の問題を解決するために受信情報をSDカードに書き込む方法に改造を行います。電源供給はスマフォなどで使うモバイルバッテリに変更することで１回の充電で１日以上の計測が可能となります。

今回使う機材

基板改造
１）M8T基板のダイオードを０Ω抵抗に取り替え

交換する理由はよくわかっていませんが・・・詳しくはこちら（濱くん・OSQZSS）を参照してください。

１mmぐらいの大きさのトランジスタを取り外して、０Ω抵抗を半田付けするのはかなり大変です･･･。目が本当に疲れます･･･。

取り外しには、先の尖ったピンセットがあると作業しやすい

２）M８TとOpenlogの結線
下の写真のように結線します。電源を入れるとOpenlogのLEDが青色に点滅します。これで衛星からの受信情報はmicroSDカードに書き込まれていきます。

BaseとRoverの２台を作成

３）ケース

基板剥き出しのままだと静電気や断線などの心配や見た目も格好悪いのでケースを作成しました。３Dプリンタで作るのに憧れますが、プリンタを持っていないので手元にあるもので作成します。

100均でケースを作るか・・・いろいろと考えていたところ、子供が使っているレゴが目に飛び込んできました。これはと思い、さっそく組み立てると・・・想像通りに素晴らしいケースが出来上がりました。

もう一つは、今ではなかなか手に入らないフィルムケースで作りました。M８Tの大きさにピッタリです。ケーブル用の穴とOpenlog用の切れ込みを入れたら完成です。

M８T専用レゴケース

ここまで出来たら、動作テストをしてみます。

ケーブルをアンテナと基板に、そして基板をモバイルバッテリーにそれぞれ接続し起動させます。基板のLEDが緑色に点滅、Openlogは青色に点滅すればOKです。

しばらく計測してみたら、SDカードに保存されたテキストファイルをu-centerで読み込んでみましょう。

今回はここまでの内容で終了です。次回は、屋外で計測する内容を紹介する予定です。

格安RTK‐GNSS機器の製作 ‐その1‐

Posted on 2020/1/15

2020年の最初の記事は「格安RTK-GNSS」を複数回にわたって紹介していきます。

私自身は2016年から格安RTK-GNSSに手を出しましたが、今まで触れることなかった専門知識・技術が多岐にわたっていたので、しばらく様子を見ていました。最近になって私の周りの人が導入したことによって、いろいろ教えてもらえる環境になりました。先日紹介した１月25日の研究会でも格安RTK-GNSSの簡単な紹介があります。

さて、今回紹介するRTK-GNSSというのは、複数の人工衛星からの信号を受信して、cm単位で地球上の位置を計測することができる技術です。世の中では「GPS」という言葉が定着していますが、RTK-GNSSはアメリカのGPS以外にもロシアのGLONASS、EUのGalileo、中国のBeiDouや日本のみちびきといった複数の人工衛星を使うシステムになります。cm単位の高精度な位置を求める技術になりますが、農業分野では無人トラクタや無人田植機に使われるなど、これからのスマート農業には必要な技術になってきます。

測量分野では、数十年前から現場で使われています。ただし、測量用の検定に合格した機器は何百万円と非常に高価であったため、個人で手を出すことはできませんでした。

しかし、センサの小型化や低価格化によって、個人でもcm単位で計測できる時代がついに到来しました。素晴らしいっ!!

RTK-GNSS測量の機材が格安で購入できるようになったことから、電子機械の雑誌（トランジスタ技術など）でも特集されています。

また、reach社のrs+といったこれまでには考えられない価格で製品化され、既に市販されています。ただし、日本国内で使用するための技適を取得していないため、機器を使用すると電波法に抵触する可能性があります（技適を取得して販売するのをずっと期待しているのですが・・・ダメそうな感じです）。

日本国内では電波法などいろいろ課題もありますが、部品をそろえることで格安にRTK-GNSS（後処理）を自作することはできます。

ドローンを用いたモニタリングでは、GCP（地上基準点）の計測にRTK-GNSSを使います。位置精度が高ければ、より精度の高い3Dモデルを作成することができます。RTK-GNSS測量以外にもTS測量といった方法でも高精度の位置を求めることが出来ます。精度だけでみるとRTK-GNSSよりTS測量の方が精度は高い（RTK-GNSSは数cmの誤差、TS測量は数mmの誤差）のですが、広域にわたる測量の場合はRTK-GNSSの方が効率的です。

また、そのような測量機器がない場合は、地理院地図（WEB地図）で経緯度および標高を求めることができます。私も2014年の運用時では地理院地図を使用していましたが、モニタリングの高精度化にあたってGCPをRTK-GNSS測量およびTS測量による位置座標に変更しました。100mぐらいの狭い範囲であれば、メジャーとハンドレベルでも位置を計測することができます。

前置きが長くなりましたが、本題の格安でcm単位の精度で位置を求めることができるRTK-GNSS測量について紹介していきます。
2018年に２周波の信号を受信できる基板ZED-F9P（u-blox社）が開発されましたが、ここでは１周波タイプのM8T（u-blox社）を使います。詳しいことは、私が参考にしたサイトで紹介されています。

まず、RTK-GNSS測量はBaseとRoverの２台以上が必要になります（※Roverは複数台に増設することも可能）。また、国土地理院が日本国内を整備している電子基準点を利用する場合は１台でも位置を計測することができます。リアルタイムで位置を求める場合は、BaseとRover間をデジタル無線やWi-Fiなどのネットワークを使用します。私の使い方はリアルタイムで位置を知る必要はないので、受信した情報をSDカードに書き込んで後処理解析から位置を計測します。デジタル無線やWi-Fiなどを使用しないので、電波法には抵触しません。

今回使う機材

M8T基板とTallysmanアンテナ

M8T基板にアンテナを接続して、PC画面（u-center）で見るとアメリカのGPS、中国のBeiDou、日本のみちびきを受信していることが確認できます。パラメータなどの設定はこちらを参考にしてください。

人工衛星（GPS、BeiDou、みちびき）の受信状況

信号を正常に受信できれば、次はその情報を電子媒体に保存していきます。次回は、受信情報をSDカードに書き込むための改造方法を紹介する予定です。