GNSSソフトウェア定義受信機

ソフトウェアGNSS 受信機は、ソフトウェア定義無線局を使用して設計および実装された全地球航法衛星システム(GNSS) 受信機です。

GNSS 受信機は、一般的に、航法衛星群からの信号を受信して​​デジタル処理し、受信機の位置、速度、時間を提供する電子デバイスです。

GNSS 受信機は従来、ハードウェアで実装されてきました。ハードウェア GNSS 受信機は、GNSS 受信機であることのみを目的として (最初から) 設計および構築された専用チップとして考えられています。

ソフトウェアGNSS受信機では、すべてのデジタル処理は汎用マイクロプロセッサによって実行されます。このアプローチでは、衛星からの信号をデジタル化するフロントエンドと呼ばれる少量の安価なハードウェアが依然として必要です。マイクロプロセッサは、この生のデジタルストリームを処理してGNSS機能を実装します。

ハードウェアとソフトウェアのGNSS受信機

ハードウェアGNSS 受信機とソフトウェアGNSS 受信機を比較すると、それぞれのアプローチには多くの長所と短所があります。

  • ハードウェア GNSS 受信機は、GNSS 処理を実装することのみを目的として高度に特化して設計されているため、一般に、計算負荷と電力消費の両方の観点からより効率的です。
  • ソフトウェアGNSS受信機は非常に柔軟性が高く、受信機の多くの機能をソフトウェアだけで変更することができます。これにより、ユーザーのニーズや動作環境に応じて受信機に適応能力が提供されます。さらに、受信機はソフトウェアを介して簡単にアップグレードできます。[ 1 ]
  • いくつかの前提の下では、十分な計算能力が利用可能であり（かつ複数のアプリケーション間で共有可能である）、ソフトウェアGNSS受信機は一部のアプリケーションにおいてより収益性が高い可能性があります。例えば、スマートフォンのマイクロプロセッサは、フロントエンドのみを搭載するだけでGNSSナビゲーション機能を提供できます（より高価なフル機能のハードウェア受信機の代わりに）。

現在、GNSS受信機市場の大部分は依然としてハードウェアです。しかしながら、低コストのマイクロプロセッサで動作可能なソフトウェアアプローチに基づく運用ソリューションは既に存在しています。マイクロプロセッサの計算能力の向上（ムーアの法則）に伴い、ソフトウェアGNSS受信機は近い将来、市場シェアを拡大​​、あるいは市場を席巻すると予想されています。

GNSS SDR実装の比較

  • ガリレオ衛星ナビゲーション株式会社 - GSN：
    • ビジネスモデル - IPコアライセンス+ロイヤリティ
    • 開発
      • プログラミング言語：C
      • ユーザーインターフェース：NMEA
    • ハードウェアサポート：
      • プラットフォーム
        • PC - Windows
        • PC - Linux
        • CEVA - XCファミリー
        • CEVA - TL3/4
        • ケイデンス（テンシリカ） - BBE16/32
      • RF FE
        • マキシム
        • NEC
    • GNSS/SBAS信号対応
    • 機能：
      • 捕捉：あり
      • 追跡：あり
      • 疑似距離観測可能データの生成: はい
      • ナビゲーションデータのデコード: はい
      • 位置推定：あり
      • 実証されたリアルタイムチャンネルの最大数：16/システム
      • マルチ相関器：あり
      • サンプルデータ記録：あり
  • SX3（旧SX-NSR）
    • 一般情報
    • 開発：
      • プログラミング言語：C++
      • ユーザーインターフェース（なし、CLI、GUI）：CLI、GUI
      • 開発中（日付時点）: はい（2016年3月17日）
      • 作成者/スポンサー組織: IfEN GmbH、ドイツ
      • 最新リリース（バージョンと日付）：v3.2.1、2016年3月
      • 最初のリリース（バージョンと日付）：v1.0、2007年3月
    • ハードウェアサポート：
      • フロントエンド: NavPort、NavPort-4、SX3 フロントエンド
      • ホストコンピュータの特殊ハードウェアのサポート: SIMD (SSE2、SSSE3)、CUDA
      • マルチコア対応：あり
    • GNSS/SBAS信号対応
    • 機能：
      • 取得：あり（複数のアルゴリズム）
      • 追跡：あり（複数のアルゴリズム）
      • 疑似距離観測可能データの生成: はい
      • キャリア位相観測値の生成: はい
      • ナビゲーションデータのデコード: はい
      • スペクトラムアナライザー：あり
      • 位置推定：あり
      • 実証されたリアルタイムチャンネルの最大数：490（GPS L1 C/Aチャンネル、20MHzサンプルレート、チャンネルあたり3つの相関器、INTEL Core i7-4970Kプロセッサー（オーバークロックなし））
      • アプリケーションプログラミングインターフェース: はい
      • デュアルアンテナサポート: はい
      • シンチレーション監視：あり
      • マルチ相関器：あり
      • サンプルデータ記録：あり
      • マルチパス緩和：あり（複数のアルゴリズム）
  • GNSS-SDRLIB
    • 一般情報
    • 開発：
      • プログラミング言語：C
      • ユーザーインターフェース（なし、CLI、GUI）：CLI、GUI
      • 開発者数: 1?
      • 開発中（日付現在）: はい（2013年9月25日）
      • 作成者/スポンサー組織：東京海洋大学
      • 最新リリース（バージョンと日付）:
      • 最初のリリース（バージョンと日付）：
    • ハードウェアサポート：
      • フロントエンド：NSL STEREO v2およびSiGe GN3S Sampler v3
      • ホストコンピュータでサポートされる特殊ハードウェア：SIMD（SSE2およびAVX）
      • マルチコア対応？
    • GNSS/SBAS信号対応
    • 機能：
      • 捕捉：あり
      • 追跡：あり
      • 疑似距離生成：あり
      • ナビゲーションデータのデコード: はい
      • スペクトル解析：あり
      • 位置推定：あり（RTKLIB経由）
      • 実証されたリアルタイムチャンネルの最大数：？
  • ARAMIS（旧iPRx）
    • バージョン：
      • 無料アカデミック版
      • 電離層シンチレーションモニター受信機
      • 研究開発版
    • 一般情報
    • 開発：
      • プログラミング言語：C++
      • ユーザーインターフェース：GUI
      • 開発中（現在）：あり（2014年11月）
      • 制作者/スポンサー組織: iP-Solutions、日本、JAXA、日本
      • 最新リリース（バージョンと日付）: 2018年2月
      • 最初のリリース（バージョンと日付）: 2008年4月
    • ハードウェアサポート：
      • フロントエンド: Eagle、FEM、Simceiver
      • マルチコア対応：あり
    • GNSS/SBAS信号対応
    • 機能：
      • 捕捉：あり
      • 追跡：あり
      • 疑似距離観測可能データの生成: はい
      • キャリア位相観測値の生成: はい
      • ナビゲーションデータのデコード: はい
      • 位置推定：あり
      • リアルタイムチャンネルの最大数：60（チャンネルあたり5つの相関器）
      • アプリケーションプログラミングインターフェース: はい
      • デュアルアンテナサポート: はい、FEMフロントエンド用
      • マルチ相関器：あり
      • サンプルデータ記録：あり
  • SoftGNSS v3.0（SoftGPSとも呼ばれます）
    • 一般情報
    • 開発：
      • プログラミング言語: MATLAB
      • ユーザーインターフェース（なし、CLI、GUI）: CLIとGUI
      • 開発者数: 4人 (プロジェクト全体)
      • 開発中（現在）：公開バージョン - なし、非公開バージョン - あり（2013年9月30日）
    • ハードウェアサポート：
      • フロントエンド：SiGe GN3S Sampler v1（オリジナルSDRおよびドライバリリース）。他のSamplerバージョンまたは他のフロントエンドから生成された信号レコードには、設定の変更が必要であり、場合によってはコードの変更も必要になります。
      • ホストコンピュータの特殊ハードウェアのサポート: いいえ
      • マルチコア対応：いいえ
    • GNSS/SBAS信号対応（各GNSSのバンドごとに個別のバージョン）：
    • 機能：
      • 捕捉：あり
      • 追跡：あり
      • 疑似距離観測可能データの生成: はい
      • キャリア位相観測値の生成: いいえ
      • ナビゲーションデータのデコード: はい
      • 位置推定：あり
  • GNSS-SDR、オープンソースのGNSSソフトウェア定義受信機
    • 一般情報
    • 開発：
      • プログラミング言語：C++
      • ユーザーインターフェース（なし、CLI、GUI）：CLI
      • 開発者数: 26人（プロジェクト全体）
      • 開発中（日付時点）: はい（2021年1月8日）
      • 作成者/スポンサー団体: Center Tecnològic de Telecomunicacions de Catalunya
      • 最新リリース（バージョンと日付）：0.0.14（2021年1月現在）
      • 最初のリリース（バージョンと日付）：2011年3月11日最初のSVNコミット
    • ハードウェアサポート：
      • フロントエンド：UHD対応（USRPファミリー）、OsmoSDR対応（RTL2832ベースのUSBドングル、bladeRF、HackRF One）、SiGe GN3Sサンプラーv2、AD-FMCOMMS2-EBZ
      • ホストコンピュータの特殊ハードウェアのサポート: SIMD (VOLKおよびVOLK_GNSSSDR経由)、CUDA
      • マルチコア対応：はい
    • GNSS/SBAS信号対応
    • 機能：
      • 取得：あり（複数のアルゴリズム）
      • 追跡：あり（複数のアルゴリズム）
      • 疑似距離観測可能データの生成: はい
      • キャリア位相観測値の生成: はい
      • ナビゲーションデータのデコード: はい
      • 位置推定：あり
      • 実証されたリアルタイムチャンネルの最大数: > 100
      • 出力形式: RINEX、KML、GPX、GeoJSON、NMEA、RTCM 、中間結果はMATLABおよびOctave、および h5py 経由でPythonから読み取り可能なバイナリ .mat ファイルに保存されます。
  • GRID、汎用無線航法融合装置
    • 一般情報
    • 開発：
      • プログラミング言語：C++
      • プラットフォーム: Linux、Windows、MacOS
      • ユーザーインターフェース（なし、CLI、GUI）：CLI
      • 開発者数: 15名（プロジェクト全体）
      • 開発中（日付現在）: はい（2023年4月28日）
      • 作成者/スポンサー組織: テキサス大学オースティン校
      • 最新リリース（バージョンと日付）：2022年年次リリース
      • 初回リリース（バージョンと日付）: 2008年7月1日
    • ハードウェアサポート：
      • フロントエンド: 複数あり、実質的には任意。
      • サポートされているホスト コンピュータの特殊ハードウェア: Intel SIMD (SSE2 から AVX-512)、ARM NEON (64 ビットおよび 128 ビット)
      • マルチコア対応：はい
    • GNSS/SBAS信号対応
    • 機能：
      • 取得：あり（複数のアルゴリズム）
      • 追跡：あり（複数のアルゴリズム）
      • 疑似距離観測可能データの生成: はい
      • キャリア位相観測値の生成: はい
      • ナビゲーションデータのデコード: はい
      • 位置推定：あり
      • 複数アンテナ：あり
      • リアルタイムキネマティック：あり。GRIDは統合ネットワークサポートによりRTKベースステーションまたはローバーとして機能可能。PpEngineと統合するとRTK推定が可能（別途ライセンスが必要）
      • 差分補正：あり、CNAVとSBAS
      • リアルタイム チャネルの最大数: ハードウェアによって異なりますが、Raspberry Pi 1 では 30、ほとんどのデスクトップ コンピューターでは 100 以上です。
      • 出力形式: RINEX、KML、MATLAB .mat ファイル、CSV、独自の GBX (GRID バイナリ交換) 形式。
      • 現在のアプリケーション: 実験的なFOTON受信機、いくつかのGNSS-RO商用アプリケーション、商用LEO衛星搭載ナビゲーション、RTKベースのロケットナビゲーション（打ち上げから軌道上まで）、都市環境でのRTKベースの車両ナビゲーション、RTKベースのドローン、いくつかの固定基準局、信号異常監視

参考文献

  1. ^リアルタイムソフトウェアレシーバー、GPS World、2009年9月1日、ピエール＝アンドレ・ファリーヌ、マルセル・バラッキ＝フライ、グレゴワール・ウェルクリ、シリル・ボッテロン著

さらに詳しい文献

  • Borre, K; Akos, D; Bertelsen, N; Rinder, P; Jensen, SH (2007).ソフトウェア定義型GPSおよびGalileo受信機：単一周波数アプローチ. Birkhauser . ISBN 978-0-8176-4390-4。
  • Pany, Thomas (2010). GNSSソフトウェア受信機のためのナビゲーション信号処理. Artech House . ISBN 9781608070282。
  • イヴァン・ペトロフスキー、辻井俊明（2012年）。 『デジタル衛星航法と地球物理学：GNSS信号シミュレータと受信機実験室を備えた実践ガイド』ケンブリッジ大学出版局。ISBN 9780521760546。
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