絶対合格‼【ドローン検定2級】資格取得｜GPS

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ドローン検定2級
2021.03.05

ドローン検定3級を取得した方！！ドローン検定2級目指してみませんか？
ドローンインストラクターを目指している私は、ドローン検定公認指導員の取得条件のドローン検定2級を取得を目指し勉強を始めました。
ここでは、ドローン検定2級の【GPS】をなるべく丁寧に記載させていただきます。少しでも参考になればうれしいです。

全地球測位システム

上空2万ｋｍの高さで周回している人工衛星を用いて、地球上における位置を測定するシステムを【全地球測位システム】[GNSS](Global Navigation Satellite System)と呼びます。
その中でも特に米国が開発運用しているものが[GPS](Global Positioning System)です。
ロシアの【グロナス】[GLONASS]・欧州の【ガリレオ】[Galileo]などがあります。
日本は【みちびき】という衛星システムを開発しています。
日本で発売しているドローンの多くはGPSを用いているため、ここではGPSに絞って説明します。

GPSで出来ること

カーナビや地図アプリ、ポケモンGOなど私たちの生活には、GPSは多く関わっています。
GPSは地球の周りを周回しているGPS衛星からの時間信号を受信し、その時間のずれを解析することで地球上における自分の位置を計測します。

まず白い紙に半径の異なる2つの円を重なるように描いてみます。これをAとBそれぞれの衛星と仮定します。

衛星Aから発信する時間信号のずれにより衛星Aからの距離が解析できます。同じように衛星Bから発信する時間信号のずれにより衛星Bからの距離も解析できます。すると2つの円が交わる部分が2か所表れます。そして地球上であることは確定なので交わる1点が解析できました。
これは平面上なので、実際は立体にします。立体では円ではなく「球」になるので、当然もう1つ衛星が必要になります。3つの衛星により交わる1点は解析できるのですが、前提として「時間信号を発信する3つの衛星と受信機の時間が正確である」必要があります。つまり受信機の時間のずれを知る情報も必要になるのです。その受信機の時間のずれを知るためには、4つ目の衛星の時間信号を受信する必要があるのです。
つまりGPSで地球上にいる位置情報を計測するためには4つ以上の信号を受信する必要があるのです。

GPS信号はほぼ光の速さの電波の遅れを用いて測定するため、その時計が1μs(1/100000秒)ずれると衛星からの距離が300ｍの誤差を生じてしまいます。
GPSによって断続的に測定することで、移動量がわかり対地速度を求めることも可能です。飛行している機体は対気速度しか測定できないので、GPSを用いて対地速度を求めています。

GPSの電波

GPSは、信号を発信する人工衛星【GPS衛星】、それを制御モニタリングする【GPS地上局】、GPSを受信し解析し測定する【GPS受信機】の3つのブロックで成り立っています。
GPS衛星が発信する電波は、1575.42MHz、1227.6MHzの周波数で送られています。GPS衛星は地表から約2万ｋｍもの上空から発信していますが、出力が50w程度と弱く地上に到達するころには大きく減衰し、地上では弱い電波しか受信できません。そのため信号を捉えられない「室内」や「渓谷」「高い建物に囲まれた場所」で受信することが大変困難になります。

GPS衛星から送られてくるデータと速度

GPS衛星から送信されるデータは25フレーム、1フレームは1500bitです。1フレームの中には300bitのサブフレームが5つ含まれます。データ送信速度は50bit/秒で、サブフレーム(300bit)を受信するのに6秒、サブフレーム5つで1つのフレームなので1フレーム受信には30秒かかる計算になります。GPS衛星から送信されるデータは25フレームありますので、すべて受信終えるには12分30秒かかります。
そんなにかかっては実用的ではないので、1フレーム受信にかかる時間の誤差を計算、解析して位置を測定しています。

フライトモードの話

少し短かったので余談です。※試験には関係ありませんのでスルーしてください。

今回はGPSの話でしたので、このままフライトモードについて語りたいと思います。

Pモード｜ポジショニングモード

今回のテーマでもある「GPS」、障害物センサー、ビジョンポジショニングといった、機体を安定させるためにあらゆる機能をフルで使用しているモードです。野外では絶対にPモードを使用し、安全に飛行してください。

Aモード｜ATTIモード

アティチュード(Attitude)モードの略。高さを維持するセンサー以外のセンサーを使用しないモードで、GPSを使用しないため風で流されるのは当たり前で、舵操作をした後にフレア操作をしないと、そのまま慣性のまま流されます。GPS信号が不安定な場所では、あらかじめATTIモードで操縦する場面もあります。

Sモード｜スポーツモード

ハイスピードが出すことができるモード。ギアがあるわけではないので、出力電流を増やすことでハイスピードでの飛行となります。当然バッテリーの消費量は増えますので、飛行時間は短くなります。センサーも機種にもよりますがGPS以外オフになるものが多いようです。GPSを使用したとしてもスピードが速いので慣性のまま流されると思った方がいいでしょう。
Sモードは飛行に十分な広さがある場所で使用しましょう。

Mモード｜マニュアルモード

FPVや安価なトイドローンはMモードでの飛行となります。
様々なセンサーはすべてオフの状態です。先ほどのATTIモードから高さセンサーを取り除いたと考えましょう。初心者はもちろんPモードに慣れた中級者も操ることは難しいでしょう。
ぜひともMモード可能なドローンで、ホバリング30秒挑戦してみましょう。

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