2.2 L1-SAIF補強信号の測位制度とその改善策

第58回宇宙科学技術連合講演会
長崎ブリックホール
Nov. 12, 2014
準天頂衛星L1-SAIF信号の
低緯度地域対応の試み
坂井丈泰、伊藤憲
電子航法研究所
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Introduction
• 準天頂衛星システム（QZSS）：
– 準天頂衛星軌道上の測位衛星による衛星測位サービス。
– GPS補完信号に加え、補強信号を放送。補強信号：L1-SAIF、LEXの２種類。
– 初号機「みちびき」を２０１０年９月に打ち上げ、技術実証実験を実施中。
• L1-SAIF補強信号による測位精度：
– GPS L1 C/A信号と同一方式の信号でサブメータ級の測位精度を提供する補強信号。
– 通常時は所期の測位精度を達成。
– 電離圏活動活発期に、特に南西諸島において測位精度が劣化するため、対策を検討
している。
• 内容：（１）準天頂衛星システムL1-SAIF補強信号
（２）通常時の測位精度
（３）電離圏活動活発期における測位精度
（４）電離圏伝搬遅延の対策とその評価
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準天頂衛星システムの構想
準天頂衛星（QZS）
GPSや静止衛星
• 高仰角からサービスを提供可能。
• 山間部や都市部における測位・放送ミッシ
ョンに有利。
• 東経135度を中心に配置
• 初号機「みちびき」：
離心率0.075、軌道傾斜角43度
• 高仰角から放送する情報により、GPS衛
星の捕捉を支援できる。
Nov. 2014 - Slide 3
準天頂衛星システムの機能
• GPS補完機能： L1C/A, L2C, L5, L1C信号
– GPS補完信号として、GPS信号に似た測位信号を放送。
– 天頂付近の高仰角から測位信号を提供することで、都市部や山岳地域などで衛星
数の不足を補い、いつでも位置情報が得られるようにする。
– ユーザ側は、既存GPS受信機のソフトウェア改修程度で対応できる。
– 宇宙航空研究開発機構（JAXA）が技術実証実験を実施。
• GPS補強機能： L1-SAIF, LEX信号
– すべてのGPS衛星を対象として、ディファレンシャル補正情報等を補強信号に乗せ
て放送する。
– L1-SAIF信号：移動体測位用。補強信号の国際標準SBASと同じ信号形式。
– ユーザ側は、既存SBAS対応受信機のソフトウェア改修程度で対応できる。
– 電子航法研究所がL1-SAIF補強信号の開発を担当。衛星打上げ後に技術実証実
験を行い、現在も引き続き実験を実施中。
Nov. 2014 - Slide 4
L1-SAIF補強信号
一つの信号で３つの機能
準天頂衛星
補強信号
（補完機能）
①補完機能
GPS衛星群
補強信号
（誤差補正）
補強信号
（信頼性付与）
②誤差補正機能
測位信号
③信頼性付与機能
• 一つの補強信号で３つの機能：補完機能（レンジン
グ）・誤差補正（目標精度=1m）・信頼性付与。
• ユーザ側では、１つのGPSアンテナによりGPSとL1SAIFの両信号を受信：受信機の負担軽減。
SAIF： Submeter Augmentation with Integrity Function
ユーザ
（GPS受信機）
Nov. 2014 - Slide 5
サブメータ級補強の仕組み
準天頂衛星
GPS衛星
クロック誤差
軌道誤差
• さまざまな誤差を補正
• 信頼性の情報
補強情報
電離層
測距機能
対流圏
高仰角
ユーザ（１周波GPSアンテナ）
Nov. 2014 - Slide 6
L1-SAIF実験局（L1SMS）
• L1-SAIF実験局（L1SMS：L1-SAIF Master Station）:
– L1-SAIF補強メッセージをリアルタイムに生成し、 JAXA地上局（つくば）に送信する。
– 電子航法研究所構内（東京都調布市）に設置。
– 補強メッセージの生成に使うGPS測定データについては、国土地理院電子基準点ネット
ワーク（GEONET）から取得する。
準天頂衛星
GPS衛星
ループ
アンテナ
測定
データ
L1-SAIF
メッセージ
GEONET
L1SMS
QZSS主制御局
国土地理院
電子航法研究所
JAXA地上局
（配信拠点＝新宿）
（東京都調布市）
（つくば）
Nov. 2014 - Slide 7
リアルタイム動作試験
• 電子基準点940058（高山）におけるユーザ
測位誤差。
南北方向誤差（m）
• モニタ局配置は、札幌・茨城・東京・神戸・福
岡・那覇の6局構成。
• 実験期間： 2008年1月19～23日（5日間）
• 使用衛星：GPSのみ
水平
測位誤差
垂直
測位誤差
RMS
1.45 m
2.92 m
最大
6.02 m
8.45 m
RMS
0.29 m
0.39 m
最大
1.56 m
2.57 m
システム
GPS単独測位
L1-SAIF補強
GPS単独
L1-SAIF
補強
東西方向誤差（m）
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通常時の測位精度
南西諸島での例（960735 和泊）
北海道での例（950114 北見）
• 2012年7月25～28日（４日間）のユーザ測位誤差（L1-SAIF補強あり）。
• 測位精度はユーザ位置によらず同様の傾向となる。
• 二周波数モードより一周波数モードのほうが、測位精度については若干良好な傾向。
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電離圏活動活発期の測位精度
LT 14:00
南西諸島での例（960735 和泊）
北海道での例（950114 北見）
• 2013年10月23～26日（4日間、Kp指数～7+）のユーザ測位誤差（L1-SAIF補強あり）。
• 南西諸島で測位精度が大幅に劣化する。
• 二周波数モードでは劣化は大きくない。また、北海道では一周波数モードと二周波数モー
ドで同様な精度となっている。 →原因は電離圏伝搬遅延にある。
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最大の誤差要因：電離層伝搬遅延
電離層
遅延マップ
（NASA/JPL）
• 赤道異常：磁気赤道の南北にある、電子密度が高い領域。
• 常に存在するが、密度や大きさの変化を予測することは難しい。
• 特に南西諸島方面では電離層伝搬遅延を補正しきれず、誤差となってあらわれる。
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電離圏伝搬遅延の補正量
PRN28
PRN20
5m
南西諸島（960735 和泊）
北海道（950114 北見）
• 南西諸島では、実際の遅延量に対して補正量が5m以上違ってしまっている。
• 測位精度の劣化は、電離圏伝搬遅延の補正残差に原因がある。
 より正確な補正情報を生成する必要がある。
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L1-SAIFの電離圏伝搬遅延補正
60
Latitude, N
60
45
30
30
• 広域補強を行うL1-SAIF補強信号
では、広い範囲にわたって有効な
補正値が必要。
• 5度×5度の格子点（IGP）における
補正値を放送する。
• ユーザは、各衛星から到来する測
距信号の電離層通過点（ユーザ
IPP）を求め、その位置の補正値を
内挿により求める。
• 補正精度は、モニタ局の配置に依
存する。
15
IGP
IGP
0
0
120
150
Longitude, E
180
ユーザ
IPP
IGP
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単層薄膜電離圏モデル
Vertical Delay
IPP
Iv
Slant Delay
Ionosphere
EL
F(EL) • Iv
Shell Height
(350km)
Earth
• L1-SAIF補強メッセージで使用されている電離圏モデル。
• 電離圏は高度一定の単層薄膜で近似され、伝搬遅延はその上の１点で生じる。
• 垂直遅延量（Vertical Delay）は傾斜係数（Obliquity Factor） F(EL) を乗じること
で衛星方向の遅延量（Slant Delay）に換算できる。
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傾斜係数
Obliquity Factor
6
H=100km
Slant delay
Vertical
delay
4
H=350km
Elevation
Angle
2
Ionosphere
Height
H=1000km
0
15
30
Satellite Elevation, deg
45
Obliquity Factor = Slant / Vertical
• 衛星方向の遅延量と垂直遅延量の比で、仰角の関数。
• 電離圏高度の関数でもある（L1-SAIFでは350kmと規定）。
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電離圏モデルによる影響の例
Observe here
if H=350km
電離圏高度 H=350km, EL=25deg
Observe
different
points if
H=600km
電離圏高度 H=600km, EL=25deg
• MCSでは、2つのGMS監視局は同じ位置の電離圏の影響を受けているものと想定。
• 実際の電離圏高度が350kmではない場合、異なる位置の電離圏の影響を受けている。
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対策の検討
• 今回は単層薄膜モデルを使用：
– ユーザ受信機側の負担軽減のため、まずは現状の単層薄膜モデルによる対策を検
討する。
– 現状で電離圏遅延量の伝送に使用されているメッセージタイプ26に近いフォーマット
のメッセージとする。IGP位置情報はメッセージタイプ18をそのまま利用。
 メッセージタイプ26には予備スペースが7ビットある。
– 新しいメッセージのメッセージタイプ番号はとりあえず55とする。
• 方式１：電離圏高度を可変とする。
– 電離圏伝搬遅延情報に加えて、電離圏のピーク高度に関する情報を伝送する。
• 方式２：衛星別に補正情報を提供する。
– 電離圏伝搬遅延情報を、それぞれのGPS衛星について個別に生成する。
• 方式３：方向別に補正情報を提供する。
– 電離圏伝搬遅延情報を、GPS衛星の見える方向によって別々に生成する。
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メッセージタイプ26：電離圏遅延補正
• メッセージタイプ26：電離圏伝搬遅延量
– IGPにおける垂直遅延量を伝送。
– メッセージタイプ26のメッセージ１個で、15ヶ所のIGPにおける遅延量を伝送できる。
メッセージタイプ26：電離圏伝搬遅延量
Repeat
Content
Bits
Range
Resolution
1
IGP Band ID
4
0 to 10
1
1
IGP Block ID
4
0 to 13
1
15
IGP Vertical
Delay
9
0 to 63.875 m
0.125 m
GIVEI
4
(Table)
—
1
IODI
2
0 to 3
1
1
Spare
7
—
—
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新メッセージの検討（１）
• 方式１：電離圏高度を可変とする。
– 電離圏伝搬遅延情報に加えて、電離圏のピーク高度に関する情報を伝送する。
– MCSとユーザ受信機の双方において、IPP位置と傾斜係数の計算にあたりこのメッ
セージで与えられるピーク高度を使用する。
– メッセージタイプ55：メッセージタイプ26に電離圏高度の情報を付加したもの。
Repeat
Content
Bits
Range
Resolution
1
IGP Band ID
4
0 to 10
1
1
IGP Block ID
4
0 to 13
1
15
IGP Vertical
Delay
9
0 to 63.875 m
0.125 m
GIVEI
4
(Table)
—
1
IODI
2
0 to 3
1
1
Peak Height
2
(Table)
—
1
Spare
5
—
—
メッセージタイプ55：拡張電離圏伝搬遅延量（その１）
MT26と同じ
電離圏高度
00: 350 km
01: 250 km
10: 600 km
11: 1,000 km
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新メッセージの検討（２）
• 方式２：衛星別に補正情報を提供する。
– 電離圏伝搬遅延情報を、それぞれのGPS衛星について個別に生成する。
– メッセージタイプ55：メッセージタイプ26に衛星の識別情報を付加する。
 衛星IDを与えるには8ビットが必要だが、メッセージ26の空きは7ビットしかない。
 今回は実験ということで、5ビットでGPS衛星のPRN番号を与える。
– この方式では、追加の地上モニタ局が必要となる可能性があることに注意。
Repeat
Content
Bits
Range
Resolution
1
IGP Band ID
4
0 to 10
1
1
IGP Block ID
4
0 to 13
1
15
IGP Vertical
Delay
9
0 to 63.875 m
0.125 m
GIVEI
4
(Table)
—
1
IODI
2
0 to 3
1
1
SV ID
5
1 to 32
1
1
Spare
2
—
—
メッセージタイプ55：拡張電離圏伝搬遅延量（その２）
MT26と同じ
衛星ID
(PRN-1)
Nov. 2014 - Slide 20
新メッセージの検討（３）
衛星の見える方向の
分割例
• 方式３：方向別に補正情報を提供する。
010
– 電離圏伝搬遅延情報を、GPS衛星の見える方向別に生成する。
– ここでは、全天を5つの方向に分割することとする。
101 001 011
 メッセージタイプ55：メッセージタイプ26に方向の識別情報を付加する。
– この方式についても、追加の地上モニタ局が必要となる可能性がある。
Repeat
Content
Bits
Range
Resolution
1
IGP Band ID
4
0 to 10
1
1
IGP Block ID
4
0 to 13
1
15
IGP Vertical
Delay
9
0 to 63.875 m
0.125 m
GIVEI
4
(Table)
—
1
IODI
2
0 to 3
1
1
Direction
3
(Table)
—
1
Spare
4
—
—
メッセージタイプ55：拡張電離圏伝搬遅延量（その３）
100
MT26と同じ
衛星の
見える方向
001: 天頂
010: 北
011: 東
100: 南
101: 西
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性能評価：全体構成
• L1-SAIF実験局（L1SMS）による実験:
– メッセージタイプ55（方式１～３）に対応するようにL1-SAIF実験局を改修。
– 本実験ではオフラインモードで動作させることとして、GEONETから収集したRINEXファ
イルを使用する。
– メッセージタイプ55に対応するよう改修したユーザ側ソフトウェアを使用して補強性能を
評価する。
GPS
Satellites
QZS
ユーザ側ソフト
ウェアで評価
オフラインモー
ドで動作
GEONET
Measurements
L1SMS
L1-SAIF
Message
QZSS MCS
GSI Server
ENRI
JAXA TKSC
(Tokyo)
(Tokyo)
(Tsukuba)
Nov. 2014 - Slide 22
性能評価：L1-SAIF実験局
• L1-SAIF実験局（L1SMS）の改修：
– メッセージタイプ55（方式１～３）に対応するようにL1-SAIF実験局を改修。
– 方式２・３でIPP観測データを増やすため、IMS（Ionosphere Monitor Station）監視局か
らのデータを入力できるようにする。
– ユーザ側ソフトウェアについても、メッセージタイプ55に対応するよう改修した。
GPS
Satellites
GMS
Data
GMS+IMS
Data
GEONET
RINEX
Files
GMS/IMS
Measurements
Clock/Orbit
Corrections
Ionosphere
Corrections
L1SMS
Upgraded
for MT55
L1-SAIF
Message
Performance
Evaluation
Receiver
Software
MT26/55
User
Algorithms
User
Measurements
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性能評価：モニタ局の配置
• GEONET観測データを使用。
– 30秒データ。
• 実験で使用するモニタ局：
– 6つのGMS（Ground Monitor Station）
局を、MSASに近い配置とした。
• クロック／軌道補正と電離圏伝搬遅延補
正の両方に使用。
– 8つのIMS（Ionosphere Monitor
Station）局を配置した。
• 方式２・３の電離圏伝搬遅延補正に使用。
• 評価用ユーザ局：
– 北から南まで、5局を使用することとした
（図中に(1)～(5)で表示）。
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現状の性能
LT 14:00
南西諸島での例（ユーザ(4)=960735 和泊）
北海道での例（ユーザ(1)=950114 北見）
• 電離圏活動の激しいとき（Kp~7+）には、ディファレンシャル補正をしても特に南西諸
島においては測位精度が劣化することがある。
• 北海道地方ではそれほど大きくは劣化しないことが多い。
• 補正処理は6 GMSのみで実行。
Nov. 2014 - Slide 25
方式１：電離圏高度を可変とする
LT 14:00
南西諸島での例（ユーザ(4)=960735 和泊）
北海道での例（ユーザ(1)=950114 北見）
• 電離圏高度を600kmにすると、測位精度に改善がみられる。
• しかし、北海道地方（及び電離圏活動静穏期）では逆に測位精度が劣化する。
• 補正処理は6 GMSのみで実行。
Nov. 2014 - Slide 26
方式１：電離圏高度を可変とする
電離圏活動活発期（2011年10月23～26日）
電離圏活動静穏期（2012年7月22～24日）
• 電離圏高度を600kmにすると、北方と南方における測位精度が近づく傾向にある。
• しかし、効果はそれほど顕著ではない。
Nov. 2014 - Slide 27
方式２：衛星別に補正
LT 14:00
南西諸島での例（ユーザ(4)=960735 和泊）
北海道での例（ユーザ(1)=950114 北見）
• 南西諸島における測位誤差を40%程度改善する一方、南西諸島以外の地域にお
ける測位精度は現状をおおむね維持。
• クロック／軌道補正は6 GMS、電離圏補正は6 GMS + 8 IMSで実行。
Nov. 2014 - Slide 28
方式３：方向別に補正
LT 14:00
南西諸島での例（ユーザ(4)=960735 和泊）
北海道での例（ユーザ(1)=950114 北見）
• 南西諸島における測位精度を、方式２と同程度に改善。
• 南西諸島以外の地域では現状の性能を維持。
• クロック／軌道補正は6 GMS、電離圏補正は6 GMS + 8 IMSで実行。
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方式２・３：衛星別／方向別の補正
電離圏活動活発期（2011年10月23～26日）
電離圏活動静穏期（2012年7月22～24日）
• 電離圏補正性能についてはそれほど大きな違いはない。
• 必要となるメッセージ数（現状の5倍）の観点より、方式３が優れているものといえる。
Nov. 2014 - Slide 30
Conclusion
• 電子航法研究所ではL1-SAIF補強信号を開発：
– 信号形式：GPS/SBASと同じL1 C/Aコード（PRN 183を使用）。
– 移動体ユーザ向けの補強情報を放送する。
• 測位精度を劣化させる主要因は電離圏擾乱：
– 通常時は所期の測位精度を達成。
– 特に南西諸島において、電離圏擾乱時に測位精度が大きく劣化することがある。
– 電離圏擾乱時に測位精度を維持するために、新しいメッセージを検討した。
 方式１：電離圏高度可変、方式２：衛星別の補正、方式３：方向別の補正
 性能評価の結果、方式３により40%程度の測位誤差低減を期待でき、また南西諸
島以外の地域における性能劣化が少ないことがわかった。
• 今後の検討課題：
– 過去の電離圏嵐の際の性能評価。
– 東南アジア諸国における性能評価。
– 電離圏伝搬遅延補正のためのさらに別の補正方式の検討。

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