屋内・地下測位技術の概要

GNSS信号が届かない環境で位置測位を行うために開発・活用されている代表的な技術には、以下のようなものがあります。それぞれ原理や特徴が異なり、組み合わせることで相互に弱点を補完できます。

• UWB（超広帯域無線）による高精度測位: UWBは数GHz帯の広い周波数帯域を用いる無線技術で、ナノ秒オーダーの電波パルスの到達時間差（ToF）を測定することで距離を正確に算出します。そのため、屋内環境でも数十センチメートル以下の精度でリアルタイム測位が可能です​。複数の固定局（アンカー）を設置し、移動するタグとの間で双方向通信することで位置を三角測量します。通信電力が低く他機器への干渉も少ないため、工場や倉庫内の資産管理、スポーツ選手の位置トラッキングなど幅広い用途で注目され、AppleやSamsungがスマートフォンにUWBチップを搭載するなど普及が進んでいます​。

• IMU（慣性測位）による自己位置推定: IMUは加速度センサーとジャイロセンサーからなる装置で、自身の加速度や角速度を積分して移動量を算出し、直前の位置から相対的に現在位置を推定します。外部インフラに頼らず自律的に位置を計算できる利点があり、GNSS圏外に入った瞬間からも連続して自己位置を維持できます​。短時間であれば高い精度を保てますが、わずかな測定誤差が累積してドリフト（漂移）が発生するため、長時間の単独利用は困難です​。そのため定期的にGNSSや他センサーによる補正（ゼロリセット）が必要であり、例えばトンネル進入前のGNSS位置と組み合わせてカルマンフィルタで補正するなどの手法が取られます​。

• SLAM（自己位置推定と地図作成）技術との連携: SLAMはSimultaneous Localization and Mappingの略で、移動しながら周囲の地図を作成しつつ自分の位置を推定する技術です​。LiDAR（レーザー）やカメラ映像を用いて環境中の特徴点を捉え、自己位置を逐次計算します。ロボット掃除機や自動運転車、AR（拡張現実）デバイスまで様々な分野で活用が進み、GNSSが使えない屋内外で自己位置を把握する有力な方法です​。SLAMは外部の衛星信号に依存しない反面、地図との照合による位置推定のため初期位置が不明だと絶対座標系での精度確保に工夫が要ります。また時間経過とともに誤差が蓄積しますが、「ループクロージング」といって一度通過した場所に戻ることで地図誤差を打ち消し、高精度化することが可能です​。屋内測位では単独で使うより、IMUなど他センサーや既知ポイントとの組み合わせで精度向上が図られています。

• GNSS再送信（リピータ）によるRTK延長: 地下空間でもGNSS受信機を活用したい場合、GNSSリピーターと呼ばれる装置で衛星電波を中継する方法があります。トンネル入口や建物屋上に設置したアンテナで受信した衛星信号を増幅し、同軸ケーブルや漏洩同軸（リーキーケーブル）を通じて室内に再放射することで、地下でも擬似的に衛星を「受信」できる環境を作り出します​。単純なリピータでは屋内全域で同一の位置情報となってしまうため、現在では各場所に対応した擬似衛星信号を生成する高度なシステムも実用化されつつあります​。これにより、普通のスマートフォンやGNSS測位機でも、自分がトンネル内のどこにいるかを衛星測位で認識できるようになります。実際、長大トンネルの非常時に作業員や救助隊の現在位置を一括把握する手段として、この「トンネル内GPS」技術が注目されています​。GNSS再送信環境下ではRTK基地局からの補正情報も受信できれば、地下空間であってもRTKによるセンチメートル級測位が可能になります。

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地下空間・トンネル工事での活用事例

上記の技術は、単に研究や実験に留まらず実際の現場で活用が進んでいます。ここでは、地下や屋内での測位ニーズが特に高い分野における活用事例を紹介します。

• 大規模インフラ工事での位置管理: ダム建設や地下発電所のように広大な敷地や地下空間を含む工事では、重機や作業員の現在位置を正確に把握・記録することが安全管理や工程管理の面で重要です。屋外部分ではRTK-GNSSやネットワーク型RTKを用いてセンチメートル精度の測位を行い、トンネル内部や掘削中の空洞ではIMUによるデッドレコニングで位置をつなぎ、必要に応じてUWBタグやWi-Fiビーコンでスポット的に補正する、といったシステムが用いられています。これにより地上から地下まで人員・機械を一元的に追跡し、掘削の進捗や資材搬送の状況をリアルタイムに把握できます。

• 地下鉄・道路トンネル工事での測量・管理: トンネル工事では、掘削位置の正確な制御や出来形（掘削後の形状）の計測に高度な測位技術が不可欠です。GPSが使えない坑内では、地表で得た基準点を元にしたトータルステーション測量や、近年ではトンネル壁面に貼り付けたQRコードマーカーやLiDARを用いたSLAM測位が活用され始めています。例えば、掘削機にIMUとレーザースキャナを搭載し、自身の位置と周囲断面をSLAMでリアルタイムに計測することで、掘り過ぎや不足をその場で検知するといった応用です。さらに完成後のトンネル内にもGNSSリピーターやBluetoothビーコンを設置し、維持管理時に作業員や検測ロボットの位置が把握できるようにする試みもあります。これらにより、地下空間でも地上と同等の精度で測位・ナビゲーションが可能となりつつあります。

• 屋内測位を活用した物流・倉庫管理: 広大な工場や物流倉庫内では、フォークリフトや台車が所狭しと行き交い、多数の荷物が保管されています。そこで近年、UWBやBLEビーコンによるリアルタイム位置測定システム（RTLS）が導入され、資産や車両の位置を自動で見える化する例が増えています。UWBタグをフォークリフトやパレットに取り付けておけば、倉庫内のどの通路・棚付近にいるかを約30cm以下の精度で即座に把握でき​、入出庫やピッキングの効率化に繋がります。また、屋内地図と連動したナビゲーションにより、人が目的の資材を探す時間を短縮するなど、スマート物流の実現に貢献しています。このように、屋内測位技術は生産現場のDXツールとしても欠かせない存在となっています。

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LRTKと次世代RTK技術の融合

従来は屋内外で異なる測位システムを使い分ける必要がありましたが、これからはそれらを統合してシームレスに高精度測位を行う時代です。当社の提供するLRTKソリューションも、こうした屋内外融合型の測位を支援します。ここではLRTK製品が他の技術と連携する方法や、そのデータ管理、スマートデバイスとの統合について解説します。

• 屋内測位技術との連携: LRTKは高精度なRTK-GNSS測位を手軽に実現するデバイスですが、GNSSが利用できない屋内では他の測位技術との組み合わせで威力を発揮します。例えば、LRTK受信機で取得した屋外での基準位置を起点に、建物内部ではIMUによる相対位置測位に切り替えて連続性を維持したり、工場内に配置したUWBアンカーの座標系とLRTKの測位座標系とをあらかじめ統一しておき、フォークリフトが屋外から建屋に入った後も同じ座標基準で位置トラッキングを続行するといった使い方が可能です。LRTKはRTKによる初期位置の高精度キャリブレーション役を担い、その後は補完技術にバトンタッチすることで、途切れない高精度測位を実現します。

• LRTKクラウドを活用した位置データ管理: 複数の測位手段を組み合わせると、それぞれから得られるデータを統合・管理するプラットフォームが重要になります。LRTKクラウドでは、LRTKデバイスから送信されるGNSS測位データだけでなく、将来的にUWBタグの測位結果やIMUの推定軌跡データなども集約し、一元的に管理することができます。クラウド上で各種センサー情報を融合処理すれば、屋内外をまたいだ資産の移動経路の可視化や、測位ログの保存・解析も容易です。例えば建設現場では、屋外の重機の軌跡とトンネル内作業車の軌跡を一つの地図上で重ねて表示し、進捗管理に役立てることができます。LRTKクラウドはこのようなハイブリッド測位データのハブとなり、現場DXを下支えします。

• スマートデバイスとの統合による手軽な高精度測位: LRTKはスマートフォンやタブレットと組み合わせて使えるよう設計されており、専門機器がなくても日常的な端末でセンチメートル測位が行える点が特長です。例えば、市販のiPhoneにLRTK受信機を装着すれば、従来は高額だった測量専用機に匹敵する精度での位置計測が可能になります​。既存のiPhone/iPadを活用でき、特別な端末を新たに揃える必要もないことから現場への導入ハードルも下がります​。さらにスマートデバイス側の機能も活用できます。カメラやAR技術と組み合わせて、測位した地点にそのまま注釈を付けて写真記録をクラウド送信する、屋内地図アプリと連携してLRTKで取得した現在地を建物内フロア図にリアルタイム表示する、といった具合に、位置情報の利活用が飛躍的に簡便化します。LRTKは次世代RTK技術とデジタルデバイスの橋渡し役となり、精度と手軽さを両立したユニークな測位ソリューションとなっています。

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未来の屋内RTK測位技術の展望

今後、屋内外を問わずリアルタイムに位置を把握するニーズはますます高まっていくでしょう。それに応えるため、RTKを含む高精度測位技術は他分野のテクノロジーとも融合し、さらなる進化を遂げています。

• 5Gとの組み合わせによるリアルタイム測位: 次世代の移動通信システムである5Gは大容量かつ低遅延の通信を可能にするだけでなく、基地局の電波特性を利用した測位にも活用が期待されています。例えば5G電波到達時間の測定やAoA（到来方向）推定によって、GPSがなくてもサブメートル級の精度で位置を特定できる技術が研究されています​。また、5Gの高速通信によってRTK補正情報や複数センサーのデータをリアルタイムにクラウドとやりとりできるため、遅延なく精度補正を適用した位置情報サービスが可能になります。将来的には、5G基地局網が屋内外の測位インフラの一部となり、RTK-GNSSと合わせてセンチメートル級のハイブリッド測位を実現するでしょう。

• 自律移動ロボットやスマートシティでの活用: 高精度な位置情報は、自動運転車や配送ロボット、警備ドローンなど自律移動型のロボットにとって生命線です。これらはGPSやRTKで屋外を走行し、ビルや地下街ではSLAMや屋内測位に切り替えることで目的地まで移動します。今後はインフラ側もロボットと協調して、例えば街区の角に設置されたUWBアンカーや路側5Gユニットが車両に高精度な自己位置を提供する仕組みが整備されていくでしょう。スマートシティでは、人流や車両の動態を把握するために多数のセンサーが配置されますが、そのデータと個々のデバイス上の測位を融合することで、都市空間全体のリアルタイム3D地図上にあらゆる移動体をプロットすることが可能になります。高精度測位は都市の安全管理や最適な交通制御、効率的な物流にも直結するため、社会インフラの鍵として位置情報プラットフォームが発達していくと考えられます。

• 屋内外シームレスな測位技術の進化: 将来の理想は、ユーザーが屋内にいようと屋外にいようとデバイスが自動で最適な測位モードに切り替わり、途切れることなく高精度な位置を提供することです。このシームレス測位に向けた取り組みも進んでいます。例えば、東京駅周辺では衛星測位とビーコンを組み合わせて、地上〜地下街を通して現在地を表示する実証実験が行われています​。これは、地下に入るとスマートフォンがBLEビーコンやWi-Fiから推定した位置に切り替わり、再び地上に出ると即座にGNSS測位に戻るという仕組みです。今後、測位方式ごとの長所を生かしAIが自動でモード選択・補正するような高度な融合アルゴリズムが登場すれば、ユーザーは測位の意識をすることなく常に最適な位置情報を得られるでしょう。LRTKのような高精度RTK技術も、こうしたシームレス測位ネットワークの一翼を担い、屋内外を問わず利用者に一貫した高精度測位サービスを提供する基盤となることが期待されます。​