GNSS/INSはトンネル環境でどう評価する？NovAtel PwrPak7のログ確認ポイント

今回は神奈川県付近をテスト拠点にし、トンネルの出入り付近で取得したデータをもとにNovAtelの性能評価を行いました。

高精度ポジショニングの分野において、衛星航法システム（GNSS）と慣性航法システム（INS）のディープカップリング技術は、複雑な環境下で連続的な位置情報を保障するための核心的な手段です。本レポートでは、NovAtelデバイスが特定のトンネル環境（GPS時刻：2396週59289.000秒から59309.000秒まで）で記録したデータに基づき、デバイス性能、各パラメータの比較、フィルター状態の遷移、およびセンサーの挙動について詳細に解析します。#INSPVAXA、#BESTGNSSPOSA、#INSSPDA、#SATVIS2A、および %RAWIMUSA などの主要ログをクロスチェックすることで、衛星信号が完全に遮断された20秒間において、システムがいかに航法推測（デッドレコニング）を行い、トンネル脱出時に迅速な再捕捉と収束を実現したかを明らかにします。

第1章 複合航法システムの技術背景とNovAtel SPANアーキテクチャ

NovAtelのSPAN（Synchronized Position Attitude Navigation）技術は、商用複合航法分野における最高水準のソリューションです。この技術は、高精度なOEM7シリーズGNSS受信機と堅牢な慣性計測装置（IMU）を組み合わせることで、単一のナビゲーションソースの限界を克服しています 。トンネルのような信号遮蔽環境では、少なくとも4機の衛星との視距リンクを維持できないためGNSS単独の測位は機能しません。この際、システムは慣性センサーの物理特性に依存して航法状態を維持します 。

複合航法の結合ロジック

NovAtel SPANシステムは、タイトリーカップリング（緊密結合）またはディープリーカップリング（深部結合）のカルマンフィルター・アーキテクチャを採用しています。オープンな環境では、GNSSから得られる高精度な位置と速度の更新データを使用して、加速度計のバイアスやジャイロスコープのドリフトなどのランダム誤差をリアルタイムで推定・補正します 。この継続的な校正プロセスは、トンネル進入前の「補助フェーズ（aiding phase）」において極めて重要です。進入直後（59289.000秒付近での観測値激減時）、フィルターは自動的に航法推測モードへ切り替わり、事前に推定された誤差モデルを用いて位置を外挿します 。

OEM7プラットフォームとログ体系

OEM7プラットフォームはマルチ周波数・マルチコンステレーション処理に対応しており、トンネル出入り口の微弱な信号捕捉において決定的な役割を果たします 。本分析で使用するログ体系は、以下の通りナビゲーション監視のクローズドループを構成しています。

第2章 トンネル進入前の基準性能評価（59283.000 - 59288.900）

GPS時刻59289.000秒にトンネルへ正式に進入する直前まで、システムは極めて安定したGNSS補助航法状態にありました。この期間のデータを分析することで、絶対参照源を失う直前のフィルターの状態品質を確認できます。

初期測位精度とフィルター状態

59283.000秒時点で、#INSPVAXAログのINS状態はINS_SOLUTION_GOOD、測位タイプはINS_PSRSPを示しています 。これは、フィルターが初期アライメントを完了し、疑似距離差分（Pseudorange Differential）レベルの更新を受け取っていることを意味します。この時の北向き、東向き、および垂直方向の速度標準偏差は、それぞれ 0.0302 m/s、0.0220 m/s、0.0215 m/s と極めて小さくなっています 。この低ノイズな速度推定が、その後の20秒間の航法推測において大幅な発散を防ぐ前提条件となります。

多重コンステレーションの可視性

59285.000秒時点の#SATVIS2Aの記録によると、受信機は極めて豊富な衛星リソースを追跡・利用していました 。

GPS: 32機追跡、6機の健全な衛星を利用。

GLONASS: 24機追跡、5機および1つの周波数チャネルを利用。

BeiDou: 27機追跡、11機を利用。

QZSS: 5機。

計25機の衛星が解算に関与するという高品質な可視性と配置は、非常に低い精度低下率（DOP）を維持し、トンネル進入の瞬間に慣性センサーの偏差補正精度を直接的に向上させました 。進入前の5秒間、#BESTGNSSPOSAの標準偏差はわずかに変動（0.88mから1.03mへ増加）していますが、全体としてサブメートル級を維持しており、車両がトンネル口に接近し、低仰角の衛星が地形によって遮蔽され始めたことを示しています 。

タイムスタンプ (GPS秒)	緯度 σ (m)	経度 σ (m)	高度 σ (m)	ステータス
59283.000	0.8838	0.9045	0.9770	INS_SOLUTION_GOOD
59284.000	0.9478	0.9717	1.0394	INS_SOLUTION_GOOD
59286.000	1.0129	1.0274	1.0977	INS_SOLUTION_GOOD
59288.000	1.0347	1.0500	1.1217	INS_SOLUTION_GOOD

このデータは重要な技術的詳細を示しています。信号が良好な環境であっても、INSの標準偏差は純粋なGNSS解よりも滑らかに推移します。これは、SPANフィルターが内部の慣性平滑化アルゴリズムを通じてGNSS観測値の短期的な跳ね（ジッター）を抑制しているためです 。

第3章 トンネル進入の瞬間におけるシステム状態の遷移分析（59289.000）

59289.000秒は本事例における重要な分岐点です。この1秒間で物理環境が劇変し、航法アルゴリズムのロジックが根本から切り替わりました。

衛星観測値の急変特性

59289.000秒時点で、#BESTGNSSPOSAログは依然としてSOL_COMPUTEDおよびSINGLE状態を報告していますが、位置の標準偏差に顕著な跳ね返りが見られます。緯度の標準偏差は前秒の 1.0666m から 1.9586m へ急増し、高度の標準偏差も 2.1736m まで上昇しました 。これは、受信機が完全にトンネル遮蔽区間に進入し、わずかな反射信号や透過信号のみで単独測位解を維持していることを示しています。続く59290.000秒には、#BESTGNSSPOSAの状態がINSUFFICIENT_OBSへと変わり、GNSS単独解算の失効が正式に宣言されました 。

慣性フィルターのPROPAGATEDモードへの移行

GNSS解算の即時失効とは対照的に、#INSPVAXAログはこの過程で高い堅牢性を示しています。59290.000秒時点で、INS位置タイプはPROPAGATED（外推解）に切り替わりました 。NovAtelのロジックにおいて、PROPAGATED状態はフィルターが外部観測値の更新を失い、数値積分手法によって航法パラメータを計算していることを意味します。

その位置推移は基本的な慣性力学方程式に従います：

ここで $f_{ib}^b$ は補正後の比力ベクトルです。この時、Extended Solution Status（拡張解ステータス）は 0b001ac3 から 0b000840 へと変化しました 14。ステータスワード（Extended Solution Status）の診断的意味59291.000秒時点の16進数ステータスコード 0b000840 の解析には重要な工学的意味があります：Bit 6 (0x40): セットされており、INSが現在補助なしの外推状態であることを明確に示しています 18。Bit 11 (0x800): 補助慣性フィルターが稼働しているか、または主解の信頼性を検証中であることを示しています 6。変位校正ビットの消失: 進入前の状態と比較して、「衛星測位補助」を反映する関連ビットがクリアされています。この迅速なロジック切り替えにより、絶対位置の参照が失われた場合でも、ナビゲーション出力（姿勢や相対変位など）が連続性を保つことが保証されます。これは自動運転などのリアルタイムなフィードバックを必要とするシステムにとって不可欠な機能です 2。

第4章 トンネル内の航法推測段階の性能評価（59289.000 - 59309.000）

信号が完全に欠落した20秒間において、デバイス性能の優劣はIMU誤差の抑制能力と車両拘束条件の利用レベルに依存します。誤差ドリフトと標準偏差の非線形増加航法推測モードでは、理論上、複合航法システムの位置誤差は時間の経過とともに2乗、あるいは3乗のオーダーで増加します 4。しかし、NovAtel SPANシステムは内蔵された車両力学拘束（Land Vehicle Constraints）を利用することで、この発散プロセスを大幅に抑制しています 4。

驚くべきことに、20秒間の信号遮蔽後でも緯度の標準偏差は 1.1m から約 2.3m への増加に留まっています。これは、衛星信号なしの状態で推定位置の偏差半径がわずか約1.2メートルしか拡大しなかったことを意味します。この卓越した性能は、デバイスが高グレードな慣性計測装置（HG1900クラス、あるいはそれ以上のMEMS/FOG IMU）を採用しており、進入前に十分なオンライン校正が行われていたことを示唆しています 。

速度と方位角（Azimuth）の安定性

トンネル内の#INSSPDAログによると、車両は安定した高速走行状態を維持していました。59300.000秒時点で、水平速度は約 30.98 m/s（約 111.5 km/h）、垂直速度は -0.74 m/s 前後を維持しており、トンネル内部の緩やかな下り勾配を反映しています 。

方位角（Azimuth）の維持はトンネル内航法の大きな課題です。59300.000秒時点で、方位角は 107.275 度と報告されています。典型的な慣導システムでは、ジャイロスコープのバイアスが正確に推定されていない場合、方位誤差が深刻な横方向の偏流を引き起こします。今回のデータでは、方位角の標準偏差がオープン環境での 0.21 度から 0.203 度へと微増（注：フィルターが非ホロノミック拘束等によって精度を維持している可能性があります）に抑えられており、ジャイロ軸の高い安定性が確認できます 。

「Time Since Update」フィールドのリアルタイム監視価値

#INSPVAXAの第24番目のフィールドである「Time Since Update」は、前回の絶対測位更新からの経過時間を正確に記録しています 。

59289.0: この値は 0 です。

59299.0: 正確に 10 まで増加しています。

59309.0: 最大値 20 に達しました。

このパラメータは測位結果の信頼性を判断するための重要指標です。この値が持続的に増大する場合、後続のアプリケーションは測位の重みを下げるか、アラートを出すべきです。標準偏差が良好に見えても、補助なしの積分プロセスは最終的に検知不可能な系統誤差を生じるためです 。

第5章 生IMUデータの微視的分析と物理的検証（%RAWIMUSA）

高レベルな航法結果の背後にある、生のセンサーデータ（%RAWIMUSA）を検証し、物理層の品質を評価します。

加速度計とジャイロスコープのカウント値解析

59296.000秒時点のIMU生増量データを例にとり、16進数から10進数カウント値へ変換します ：

Z-Accel (垂直軸): 289,792,766 counts。この数値の主成分は重力加速度を打ち消すための一定の増分です。

Y-Accel (横方向軸): -46,524,786 counts。

X-Accel (前後方向軸): 40,783,309 counts。

Z-Gyro (ヨー回転): -18,181,911 counts。

NovAtelの技術仕様に基づき、これらのカウント値に特定のスケール係数（Scale Factor）を乗じることで、SI単位（m/s または rad/s）に変換されます 。例えば、一般的なHG1900クラスのIMUではサンプリング周波数は通常100Hzです。X軸とY軸のカウント値の安定性を観察すると、車両がトンネル内で急なスリップや急制動を起こしておらず、フィルターに高品質な線形運動モデルを提供していたことが分かります。

IMUステータスワード 0xebcffe00 の意味解剖

トンネル区間全体を通じて、IMUステータスワードは ebcffe00 を一貫して維持していました 。このステータスビットを解析すると以下のことが判明します：

通信状態: IMUと受信機の間でナノ秒レベルの同期が維持されており、パケットロスはありません 。

センサー飽和度: 加速度計およびジャイロスコープがいずれもレンジ上限に達しておらず、線形な出力範囲が保証されています。

チェックサム: 巡回冗長検査（CRC）が継続的にパスしており、電磁干渉によるデータエラーは排除されています 。

このようなセンサーレベルの安定した土台こそが、SPANシステムが無信号状態でINS_SOLUTION_GOODを維持できる根本的な保障となっています 。

第6章 トンネル出口の信号再捕捉とフィルターの再収束分析（59309.000 - 59315.000）

59309.000秒に車両がトンネルを脱出した際、システムは「盲目的積分」から「精密観測」へと迅速に回帰するという課題に直面します。

信号再捕捉の即時性

データによれば、NovAtelデバイスはトンネル脱出の最初の1秒（59309.000秒）で信号の再捕捉を実現しました。この時、#BESTGNSSPOSAは直ちにINSUFFICIENT_OBSからSINGLEへと回復しました。ただし、この時点ではまだ6機しか衛星を利用できておらず、測位の標準偏差は 3.6m と高めです 。

この再捕捉速度が一般的なGNSS受信機よりも顕著に優れているのは、SPANの「慣性誘導（Inertial Aiding）」メカニズムによるものです：

位置の事前情報: INSが提供するデシメートル級の位置推定により、衛星信号の相関探索ウィンドウ（Search Space）が絞り込まれます。

マルチコンステレーション並列処理: GPS、BeiDou、GLONASSなどの複数のコンステレーションを同時に検索することで、初回の捕捉確率を高めます 。

フィルター再収束の段階的向上

脱出後の収束プロセスは、明確な段階的特徴を示しています：

時刻 (GPS秒)	可視星数	GNSS状態	INS位置タイプ	精度推移 (緯度 σ)
59309.0	6	SINGLE	PROPAGATED	2.27m (INS) / 3.62m (GNSS)
59310.0	15	SINGLE	PROPAGATED	2.50m (INS) / 2.60m (GNSS)
59311.0	20	SINGLE	INS_PSRSP	1.83m (INS補助解の回復)
59312.0	22	SINGLE	INS_PSRSP	1.26m (急速収束)
59314.0	26	SINGLE	INS_PSRSP	1.08m (基準精度への回帰)

驚くべきことに、20秒間の信号遮蔽後でも緯度の標準偏差は 1.1m から約 2.3m への増加に留まっています。これは、衛星信号なしの状態で推定位置の偏差半径がわずか約1.2メートルしか拡大しなかったことを意味します。この卓越した性能は、デバイスが高グレードな慣性計測装置（HG1900クラス、あるいはそれ以上のMEMS/FOG IMU）を採用しており、進入前に十分なオンライン校正が行われていたことを示唆しています 。

速度と方位角（Azimuth）の安定性

トンネル内の#INSSPDAログによると、車両は安定した高速走行状態を維持していました。59300.000秒時点で、水平速度は約 30.98 m/s（約 111.5 km/h）、垂直速度は -0.74 m/s 前後を維持しており、トンネル内部の緩やかな下り勾配を反映しています 。

方位角（Azimuth）の維持はトンネル内航法の大きな課題です。59300.000秒時点で、方位角は 107.275 度と報告されています。典型的な慣導システムでは、ジャイロスコープのバイアスが正確に推定されていない場合、方位誤差が深刻な横方向の偏流を引き起こします。今回のデータでは、方位角の標準偏差がオープン環境での 0.21 度から 0.203 度へと微増（注：フィルターが非ホロノミック拘束等によって精度を維持している可能性があります）に抑えられており、ジャイロ軸の高い安定性が確認できます 。

「Time Since Update」フィールドのリアルタイム監視価値

#INSPVAXAの第24番目のフィールドである「Time Since Update」は、前回の絶対測位更新からの経過時間を正確に記録しています 。

59289.0: この値は 0 です。

59299.0: 正確に 10 まで増加しています。

59309.0: 最大値 20 に達しました。

このパラメータは測位結果の信頼性を判断するための重要指標です。この値が持続的に増大する場合、後続のアプリケーションは測位の重みを下げるか、アラートを出すべきです。標準偏差が良好に見えても、補助なしの積分プロセスは最終的に検知不可能な系統誤差を生じるためです 。

第7章 受信機のハードウェア健全性と同期分析（#RXSTATUSA）

航法結果の信頼性は、ハードウェアの健全性という基盤の上に成り立っています。トンネル前後の#RXSTATUSAログを比較することで、過酷な環境下での物理的安定性を評価できます。

受信機ステータスワードのデコード

59285.000秒（進入前）と59315.000秒（脱出後）の両方で、rxstatワードは 02004000 を維持しています 。

Bit 14 (0x4000): 1に設定されており、システムが「Fine Steering」モードであることを示しています 。これはNovAtelデバイスが正常動作するための最高レベルの時間同期状態であり、内部時計とGPS時刻の同期誤差は通常20ナノ秒以内です 。

エラーマスキング: エラーワードフィールドは一貫して 00000000 であり、電源、RFフロントエンド、メモリのいずれにも故障がないことが確認されました。

補助ステータスワードの詳細指示

ログ内のAuxiliaryステータスワード（11f1c003など）は、より低層の動作情報を反映しています：

衛星追跡性能: トンネル内においても、クロック制御ループは温補水晶発振器（TCXO）または恒温水晶発振器（OCXO）によって高い周波数安定度を維持していました。

アンテナリンク: 脱出の瞬間にアンテナステータスビットが即座に「有効」へ反転しており、LNA（低ノイズアンプ）のバイアス電流が正常であることが確認できます 。

第8章 デバイス性能の総合評価とマルチパラメータ相関の洞察

トンネル通過全期間のデータ分析を通じ、NovAtel SPANシステムの性能に関する以下の深い洞察をまとめました。

慣性センサー誤差モデリングの精度

20秒間の信号遮断期間における本デバイスの挙動は「産業界トップクラス」と言えます。20秒間で 1.2m の標準偏差増加（1.1m から 2.3m へ）は、IMUの加速度計バイアス安定度と角度ランダムウォーク（RW）が極めて高いレベルにあることを示しています。

上記の簡略化モデルに基づくと、20秒間のドリフトを約2メートル以内に抑えるには、加速度計バイアス（$b_a$）をマイクロg（$\mu g$）オーダーで維持する必要があります 31。これはハードウェア自体の素質だけでなく、進入前にフィルターがバイアスのリアルタイム校正を成功させていた証拠でもあります。標準偏差（Standard Deviation）の誘導メカニズム#INSPVAXAの標準偏差フィールドは単なる計測結果ではなく、カルマンフィルターの共分散行列 $\mathbf{P}$ の対角要素です。トンネル内では、$\sigma$ の増加曲線は完全な線形ではなく、「緩やかな増加」から「加速的な増加」へと転じています。59294.0秒時点で、緯度の $\sigma$ が一時的に低下（1.09m から 1.01m へ）しています 14。このような現象は、フィルターが「横方向零速拘束（NHC）」や「垂直位置の平滑化」などの運動学的拘束を適用した際に発生します。速度と方位角のカップリング効果分析の結果、#INSSPDAが報告する速度の安定性と#INSPVAXAの方位角の安定性の間に強い相関が見られました。高速走行時（約 30 m/s）においては、方位角（Azimuth）のわずかな誤差が時間とともに大きな横方向の変位として拡大されます：

本事例では、方位角の不確かさが 0.2 度以内に維持されたため、トンネル内での横方向のオフセットが効果的に抑制されました 。

主要パラメータの横断的比較まとめ

トンネル通過期間における主要パラメータの推移を以下に整理します：

第9章 結論と運用的提言

GPS時刻59289秒から59309秒のトンネルデータに関する深度技術分析に基づき、以下の結論を導き出しました。

主要な評価結論

優れたデッドゾーン航行能力: 車両が約 110km/h で20秒間（約600メートル）走行した際、維持された位置標準偏差（1-Sigma）の増加分はわずか約 1.2m でした。これは、GNSS補助を失った際の本NovAtel SPANシステム（IMUハードウェアおよびソフトウェア設定を含む）が、極めて高い航法推測精度を有していることを証明しています。

ロバストなソフトウェアロジック: フィルターは59290.000秒にGNSSの失効を秒単位で感知し、PROPAGATEDモードへ果敢に切り替えました。脱出後も慣性の事前情報を利用して衛星の再捕捉時間を1秒以内に短縮しており、卓越した耐障害性と回復性能を示しています 。

高品質なセンサー基盤: 全行程を通じてIMUステータス ebcffe00 と受信機ステータス 02004000 が不変であり、ハードウェアの振動やリンクの不安定に起因する航法誤差は皆無であったと評価できます。