PNTテスト環境でレイテンシーが与える影響

自動運転車から軍事用ドローンまで、あらゆる種類のダイナミックなプラットフォームはミッションを確実に成功させるために正確で信頼性の高い位置・ナビゲーション・タイミング（PNT）技術に大きく依存しています。

このような車両でPNTの精度と信頼性を最大限に高める先進的な方法はマルチセンサーシステムを使用することで、カメラ、LiDAR、慣性計測ユニット（IMU）などのセンサーがグローバルナビゲーション衛星システム（GNSS）受信機と協調して動作します。これらのセンサーを組み合わせることで、測位精度を大幅に向上させることができます。また、1つのセンサーが故障しても他のセンサーが位置を生成することができます。

しかし、このようなシステムの性能をテストすることは特に安全性と信頼性が重要視されるため、大きな課題となっています。メーカーはPNTシステムが実世界の膨大な数の条件や事象の中でどのように動作し自動運転システムを導くかを、確実に理解しておく必要があります。

テストラボではさまざまなセンサー入力をシミュレートするだけでなく、それらを互いに同期させ、車両のダイナミクスと同期させてシステムが実世界でどのように動作するかを確認する必要があります。そのためには複数のシミュレーション・プラットフォームが協調して動作することが必要になります。

現実的なテスト環境を設計する際にはレイテンシーがとても重要な考慮事項となります。

PNTテスト環境におけるレイテンシーの理解

今回のブログではレイテンシーとは何か、なぜレイテンシーが重要なのか、そしてテスト環境のどこでレイテンシーが発生するのかについて見ていきます。次回のブログではより信頼性の高いテスト結果を得るために、テストベッドにおけるレイテンシーを最小化する方法について説明します。これらの内容を今すぐご覧になりたい方は、新しいホワイトペーパー「Understanding Latency for Hardware-in-the-Loop Testing」をぜひご覧ください。

本題に入る前に重要なポイントがあります。レイテンシーが問題になるのは、入力パラメータの一部が事前にわからないテストにおいてのみです。多くのPNTテストは実際にはオープンループ構成と呼ばれるもの（図参照）で行うことができ、テストパラメータとモーション入力はテスト実行前にシナリオで予め定義されています。

このようなテストではシミュレータが生成する信号とタイムスタンプは被試験デバイス（DUT）の変化するダイナミクスと一致していますので、レイテンシーの考慮は不要です。

一方、クローズドループテストではテスト環境のいくつかの要素が事前にわからないコマンドを生成します。典型的な例としては、ドライビングシミュレーターを搭載し、人間がコックピットの操作を行い、画面に映し出されるカーブや障害物に対応することが挙げられます。

このようなHIL（Hardware-in-the-Loop）の設定では、GNSS信号シミュレータは車両がどのような動作をするのかを事前に知ることができません。しかしシミュレータが生成するタイムスタンプはテストの重要な要素です。例えば制御システムは障害物の7メートル手前でブレーキをかけたのか、それとも5メートル手前でブレーキをかけたのか。制御システムから送信されるデータとそのデータをもとにGNSSシミュレータが送信する無線周波数（RF）信号のタイムラグが大きければ大きいほど、こうした質問に正確に答えることは難しくなります。

このタイムラグがレイテンシーと呼ばれ、テスト環境におけるレイテンシーの量がテストの現実性と結果の信頼性を決定する重要な要素になります。レイテンシーが発生する可能性のある場所とそれがテストの信頼性に与える影響を理解することが、その影響を軽減するための重要な第一歩となります。

PNTテスト環境における4つのレイテンシー発生源

マルチインストゥルメント・テストベッドでは、通常4種類のレイテンシーが発生する可能性があります：

• ネットワーク遅延：外部ソース（多くの場合、HILコントローラ）からのメッセージ送信と、そのメッセージがシミュレータで受信される間の遅延を指します。ネットワークレイテンシーはネットワーク構成に完全に依存します。このテスト環境におけるネットワークレイテンシーの典型的な値は約1～2msです。

• サンプリングの不確実性： GNSSシミュレータはテスト環境からの入力を一定間隔でサンプリングし、それに応じて信号モデルを更新します。あるサンプルを採取した直後に変化が生じた場合、次のサンプルを採取するまでモデルは更新されません。　この遅延はシミュレータのサンプリング速度（シミュレータが2msでサンプリングする場合、最大不確実性は2ms）に依存し、システムの同期に部分的に依存します。　サンプリングが行われる直前にアップデートが行われた場合、サンプリングの不確実性は0msに近くなります。

• 更新の待ち時間：シミュレーション・ソフトウェアがメッセージを受信するとモデルを更新するのに時間がかかります。この待ち時間は常にシミュレーション・サイクルの整数倍で表され、1サイクルから数サイクルの範囲内で実現されます。

• 出力レイテンシー：モデルの更新とGNSSシミュレータの信号出力との間の遅延を指します。モデルの更新、信号の生成、RFでの実現にかかる時間はシミュレータによって異なります。低性能のシステムでは各サイクルの計算強度によってこの遅延が変化することもあります。

次回予告： PNTテスト環境におけるレイテンシーを最小化する方法

テスト環境のどこで遅延が発生するかを理解することは、その影響を軽減するための良い第一歩となります。次のステップはレイテンシーを最小限に抑えるため、適切な機器を準備し適切な方法で構成することです。

次回のブログではテスト機器の観点から何を探すべきか、特に低遅延hardware-in-the-loopテスト用のGNSSシミュレータを選択する際に考慮すべき点を探ります。また、遅延の理解と軽減については「Understanding Latency for Hardware-in-the-Loop Testing（ループ内ハードウェアテストの遅延を理解する）」もぜひご覧ください。