RTK測位とは

UAV写真測量

UAV(ドローン)写真測量について調べていると、「RTK」という言葉を目にすることがあると思います。RTKについての解説をみると「誤差をセンチメートル単位に抑える」だとか「標定点の設置が不要で作業効率アップ」というような魅力的な話がされていて、「なんだかよく分からないけど便利で凄そうだ」と感じた方も多いのではないでしょうか。

今回はそんな「RTK測位」についての基本的な解説はもちろんのこと、メリット&デメリット、実際のところ使えるの? といった点についてお話していきたいと思います。

RTK(Real Time Kinematic GPS)とは

(引用)Phantom 4 RTK – Next Gen Mapping Solution – DJI

表題にもあるようにRTKとは「Real Time Kinematic(GPS)」の略です。日本語に訳すのは難しいのですが、無理やり表現するなら「動的リアルタイム」といった感じとなるでしょうか。

RTK測位は固定局(基地局)と移動局という2つの受信機を使用し、リアルタイムに2点間で情報をやり取りすることで測位精度を高めるという手法です。移動する=「動的な」受信機で、「リアルタイム」に測位できるので、RTK測位と呼ばれます。

GPSなどGNSS(注1)といった衛星位置情報測位システムはどうしても誤差が生じてしまいます。GPSによる単独測位でおよそ10メートル程度、他のGNSSを併用しても数メートルほどの誤差が出ると言われています。計測時の状況にもよりますが、実際に測位してみると確かにそのぐらいの誤差は出ているのが確認できます。

「え!? カーナビや地図アプリはそんな誤差出ないけど?」と疑問に思われる方もいるかもしれませんが、それはソフトウェア側で補正を行っているだけにすぎず、実際にはみなさんの身の回りの機器も同様に誤差が出ているのです。

数メートルも誤差があってはとてもじゃありませんが測量に使うことはできませんよね? これまでも「この誤差を何とか抑えることができないか」と、衛星位置情報測位システムの精度を高める様々な試みがなされてきました。代表的なものは以下のようなものです。

  • 捕捉できる衛星数を増やして精度を高めよう→GNSS、RNSS(注2)
  • 誤差を相対的に補正して精度を高めよう→DGPS(注3)
  • 移動しながらでも高精度の測位を行えるようにしよう→キネマティック測量(注4)

RTK測位はこれらの中の「キネマティック測量」に該当するわけですが、旧来のキネマティック測量が抱えていた問題点を解決すべく取り入れられた、新しいキネマティック測量手法と言うことができます。

次章でもう少し詳しく解説していきたいと思います。

注1:GPSが米軍の衛星のみを指すのに対して、世界各国で打ち上げられている全地球航法衛星の総称がGNSSです。GPSをはじめとして、GLONASS、Galileo等が有名。

注2:特定の地域をカバーする地域航法衛星の総称がRNSSです。QZSS(みちびき)やNavICが有名。RNSSを含めてGNSSと呼ぶ人もいますが厳密には違うもの。

注3:Differential GPSの略。受信機単独ではなく、座標が判明している点に設置した「別の」受信機を併用することで、誤差を相対的に補正する仕組み。

注4:単独測位やDGPSがアンテナを静止させて測位しなければならないことに対して、アンテナを移動させながら測位を可能とする手法。

RTKとDGPSの違い

前章の注釈で書かせていただいたように、RTKと似た測位手法として「DGPS」があります。どちらも受信機を2台使用する点が同じなため混同されがちなのですが、この両者の違いを解説しながらもう少しだけRTKについて掘り下げて解説してみたいと思います。

DGPSの仕組み

  1. 座標の判明している点(既知点)にGPS受信機を設置し固定局とする(既に基地が設置されています)
  2. 固定局で計測を行い、既知座標との誤差を求める
  3. もうひとつの受信機で測量したい点を計測する(移動しながらでも良い)
  4. 固定局から、誤差情報を通信で受け取る
  5. 誤差をもとに計算し直し、より正しい座標を算出する

という流れになります。これによって誤差は±1メートル程度になると言われています。

DGPSの場合、誤差の差分データは海上保安庁がDGPS基地局を設置してビーコンで発信していますし、衛星からデータを送る仕組み(SBAS)もありますので、必ずしも自分で固定局を設置する必要はありません。

RTK測位の仕組み

  1. 固定局を設置する。座標が判明していない場合には旧来手法等で測量を行い、正確な座標を求めておく
  2. 固定局にて、GPSデータの取得を開始。誤差の差分データ送信を開始する
  3. 移動局をセットアップし、固定局との接続を確認する
  4. 初期化(Fix)したら測位を開始する(移動しながらでも良い)

といった流れとなります。

原理としてはDGPSと同じで、固定局から差分データをリアルタイムに受け取っています。加えてRTK測位は、より正確に精度を求める仕組みを備えています。

DGPSの場合、まず通常の単独測量を行い、そのあとで差分データをもとに補正するという方法が採られていると解説しましたが、RTK測位では固定局と移動局それぞれが、任意の衛星までの距離と方位を正確に算出しています。技術的な詳細は割愛しますが、電波の波長数や位相を調べることによって算出しており、理論的にはミリメートル単位での精度を出すことができます。もちろん理論上の理想値は出ないのですが、こうした手法と差分データによる修正を併用することにより、誤差をセンチメートル単位に抑えることが可能となっているのです。

移動しながら測位を行うことが可能なこれらキネマティック測量は、能率や曲面計測などがメリットなのですが欠点もいくつかありました。その中でも特に「リアルタイムに結果が分からない」といった問題点が大きかったのですが、その欠点を技術によって克服し、リアルタイムにキネマティック測量を行えるようになったものがRTKなのです。

※どのように克服したのかは本筋から外れてしまうので割愛しますが、調べてみると面白いと思います。

ちなみにRTKシステムには、固定局の設置を必要とせずネットワークから補正情報を取得し利用できる「ネットワーク型RTK」という仕組みも存在します。ネットワーク型RTKについては、こちらの記事で詳しく解説しているので併せてご覧ください。

RTK測位のメリットとデメリット

それではRTK測位を行うメリットにはどのようなものがあるのでしょうか。

ここでは「UAVにRTKを搭載する」という観点からのメリットをいくつか挙げさせていただきます。

  • 現在位置の測位が正確に行える
  • 飛行の安定性が増す
  • 高度測位の正確性がかなり増す
  • 方位の測位が正確になり、エラーを抑えることもできる

パッと思いつくだけでもこれだけのメリットがあります。

まず、RTKシステムを使うことで、標定点の設置の必要無くUAVを飛行させるだけで正確な測量が行えるようになります。また、より正確な位置情報をもとに飛行できるため安定性も増しますので、安全面から見てもメリットがあります。

GPSやGNSSは高さの精度が甘いと言われていますが、RTK測位であれば高さについても十分な精度を得ることができ(注5)、高所点検などでも安定した自律飛行が可能となります。

GPS衛星の電波の波長をカウントすることで方位も正確に判明しますので、コンパスエラーを起こしやすい金属付近や高圧線付近でも、エラーを起こすことなく飛行することが可能となります。

続いてデメリットの方も考えてみたいと思います。

  • 公共測量での使用は原則認められていない
  • 機材が高価

標定点を設置しなくても良いというのが測量におけるRTK使用の最大のメリットだと思いますが、現在のUAVを用いた公共測量マニュアル(案)では、UAVによる測量は標定点を設置した写真測量とレーザー測量しか規定されておらず、RTKシステム単体による測量は対象外となっています。便利な技術も使うことができないのでは意味をなしませんので、これが大きなデメリットとなっています。

一応、測量作業規定の準則第17条が定めるところにより、精度を証明できればその他の手法の使用も認める可能性があるということにはなっています。ただし、国土地理院に対して精度の確保が可能なことを証明する報告書と作業計画書を別途提出しないといけないのでかなり大変です。さらに、提出したとして認可してもらえるのかどうか……こればかりは申請してみないと分かりませんが、高価な機材を導入して「ダメでした」では済まないと思いますので慎重になる必要があります。

導入コストについても、最近ようやく100万円を切るシステムも登場してきているとはいえやはり高価です。

注5:RTKシステムが高さ(Z軸)の精度に強いという意味ではありません。単独測位同様、X軸・Y軸の精度と比べると甘さはあるのですが、単独測位におけるZ軸測位精度と比較した際に、かなりの精度改善が見込めるという意味になります。