レイバウム法とE911

2018年3月、米国議会は、通報者が固定電話、携帯電話、VoIP、その他の技術を使用しているかどうかにかかわらず、緊急サービスが迅速に対応できるようにすることを目的として、レイバウム法を可決しました。2022年現在、FCC（連邦通信委員会）もE911コールのフロアレベルデータを提供することを目標にガイドラインと指標を採択しています¹。これらの規制の影響により、携帯電話、タブレット、スマートウォッチ、その他の音声対応製品を製造する企業は、気圧を測定することで高度の変化を検知できる、より精度の高い圧力センサの搭載に移行しています。

気圧と高度

気圧は高度と直接的な関係があります。簡単に言えば、上空の空気の層が厚ければ厚いほど、私たちにかかる圧力は高くなります。フロア検出に圧力センサを利用することは、一般的にビルオートメーションやエレベータシステムに関連しています。

図1：気圧とフロアレベルの関係。（画像提供：STMicroelectronics）

このセンサは、エレベータがフロア間を移動する際の気圧の変化を測定します。エレベータが上昇すると、センサの上方の大気が少なくなるため、気圧が低下します。

新しい要件を満たすための課題

高度の変化が小さい場合、気圧と高度の関係は図2に示すように直線的です。室温で理想的な条件の場合、気圧は25.8フィートごとに約1mbar変化し、一般的な高層ビルでは1フロアあたり約0.5mbar変化します。

図2：気圧と高度の関係。（画像提供：STMicroelectronics）

しかし実際には、フロアレベルの検出に気圧を利用するには、主に2つの課題があります。1つ目は、圧力と温度の動作範囲におけるセンサの精度、2つ目は、天候、温度、気流の乱れなどの地域条件による圧力の変動をどのように補正するかです。

センサの精度

過去10年間、MEMS圧力センサは、あらゆる動作条件にわたって精度と安定性の向上させるために大きな進歩を遂げてきました。圧力センサは現在、温度補正機能を内蔵しており、チップメーカーは工場での較正作業を強化し、圧力センサの時間と温度に対する精度と安定性を向上させています。

このことは、以前のMEMS圧力センサと今日の最先端LPS22DF絶対圧センサを対比した表1で強調されています。

表1：従来の圧力センサと最新の圧力センサの主なパラメータ。

LPS22DFは、ドリフトを大幅に低減し、はんだ付け後の回復を加速する高度なMEMS設計を採用しています。さらに、LPS22DFの設計は、経時的なドリフトを抑えることで長期的な安定性を実現しています。LPS22DFのような最新の圧力センサは、フロアレベルの変化を確実に検出することができます。

地域の天候

気象条件、特に気温と湿度の日々の変化は、大気圧に大きく影響します。ある日の気圧は、わずか数時間で数フロアレベルに相当する変化をすることがあります。下の例では、3mbarの気圧変化は78フィート以上の高度変化に相当します。

図3：ニューヨークの1時間あたりの気圧4。（画像提供：https://barometricpressure.app/new-york）

天候と地域の気圧補正

天候の補正には、較正の実施とリアルタイムの気圧データに基づく圧力測定値の継続的な調整が必要です。

図4：天候の変化に対する較正と補正。（画像提供：STMicroelectronics）

NextNav³のような企業は、外部要因を補正するための高度なアルゴリズムとセンサフュージョン技術を提供しています。NextnavのPinnacle®は、気圧センサを活用することで、ジオロケーションアプリケーション向けに正確な「フロアレベル」の垂直測位を提供するシステムです。また、大都市圏全体をカバーするマネージドサーバとリファレンスステーションのフリートを配備し、都市環境における包括的なZ軸カバレッジを提供しています。

Nextnavはまた、「Nextnav認定」プログラムを通じて、気圧センサの品質と精度の向上にも取り組んでいます。NextNavはデバイスメーカーと連携し、センサモデルに特化したテストプランを作成し、合意されたフレームワークに基づいてテスト結果を評価します。最終認証後、NextnavはNextnav認証基準に適合していることを証明する認証書を発行します。絶対精度と低ドリフトアーキテクチャの大幅な改善により、LPS22DFはST初のNextNav認証²を取得した圧力センサです。

まとめ

2022年現在、規制当局は、すべての音声対応システムがレイバウム法とFCCが設定された要件を満たすことを義務付けています。携帯電話、タブレット、スマートウォッチ、その他の音声対応IoT製品の機器メーカーは、新しい規格を満たすために、より正確な圧力センサを搭載しています。NextNavのようなサードパーティ企業は、必要な垂直精度を達成するためのソフトウェアやハードウェアのソリューションだけでなく、認証サービスも提供しています。拡張911（E911）のようなサービスに加えて、これらの新しいハードウェアとソフトウェアの能力を活用する他の多くのアプリケーションがあります。

参考

1. 911コールのための派遣可能な場所：https://www.fcc.gov/911-dispatchable-location
2. 独自の機能によりNextNav認証を取得したST初の圧力センサLPS22DF：https://blog.st.com/lps22df-nextnav/
3. NextNav、ジオロケーションに新たな次元を追加：www.nextnav.com
4. ニューヨークの気圧予報と歴史：https://barometricpressure.app/new-york
5. LPS001WP& LPS331AP気圧センサ：LPS001WP - MEMS圧力センサ、300～1100mbar絶対デジタル出力気圧計 - STMicroelectronics