日本付近の電離層によるGPSへの影響

第47回宇宙科学技術連合講演会
3G2 （Nov. 19, 2003）
日本付近の電離層によるGPSへの影響
坂井丈泰（電子航法研究所）
Todd Walter （Stanford University）
Nov. 2003 Sakai, ENRI
Introduction
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• GPSをはじめ衛星航法システムでは、電離層遅延（～100m）
の補正が必須。
• 複数周波数の信号で補正可能だが、実用化されつつあるシス
テムは単一周波数。
• 高精度な測位のためには、ディファレンシャルGPS方式で空
間相関のある誤差を補正する：電離層遅延の空間相関は？
• 国土地理院などによるGPS観測ネットワークのデータ（2周波）
を使用して、日本上空における電離層遅延量の分布を調べた。
– 日によっては、10m/500km以上の遅延差がある：
ディファレンシャルGPSに影響
– 電離圏環境の観測にも有効
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GPSの誤差要因
衛星クロック誤差
太陽光線
衛星軌道情報の誤差
電離層
電離層遅延（～100m）
周波数に依存
高度250～400km程度
対流圏遅延（～20m）
対流圏
マルチパス
高度7km程度まで
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電離層遅延補正
（１）１周波受信機（普通の受信機）
• コサインモデルで補正（ピークは14:00LT、夜間は5ns。
• 補正精度はそれほど良くない（RMS誤差で半減程度）。
（２）２周波受信機（科学観測・測量用）
5ns
• 電離層遅延量の周波数依存性を利用して直接補正。
• よく補正できる。受信機の周波数間バイアスが問題。
遅延時間 T =
∫
40.3
c f2
N dl =
14:00
40.3
TEC
c f2
（３）ディファレンシャルGPS（移動体応用）
電離層
• 基準局における測定値により補正。
• よく補正できる。基準局が遠いと精度低下。
ユーザ
基準局
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電離層の観測
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電離層の一般的性質
• 高度250～400km付近に分布。
• 昼夜で高度や厚さが大きく変化する（昼は低くて厚い）。
• 支配的要因は地方時刻・磁気緯度。
• 一般には数1000kmにおよぶ空間相関がある。
• 磁気嵐発生時には活性化し、遅延量とそのばらつきが特に大きくなる。
電離層の観測方法
• 短波レーダなどによりピーク高度やプロファイルを測定。
• 国内では通信総合研究所が常時観測。
GPS観測の利点
• 連続的な観測ができる。
• 受信機がネットワーク化されており、空間的分布がわかる。
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観測点の配置
60
GEONET（国土地理院）
IGSネットワーク
Latitude, N
45
• GEONET 22地点に加えて、
45
周辺国のIGSサイト 6地点を利用。
30
• すべて２周波GPS受信機により、30
秒間隔で常時連続観測。
• 今回の調査には、2003年5月28～
29日のデータを使用。
30
– 28日：通常の状態
15
120
135
150
Longitude, E
– 29日：日中から磁気嵐が発生
165 • 磁気緯度は石垣島で14.5度。
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Kp指数の状況
調査期間
9
8
磁気嵐の発生
活発
Kp Index
7
6
5
4
3
2
静穏
1
0
26
27
28
29
30
31
UTC Day of May, 2003
• 地磁気活動の活発さを表す指数。範囲は0～9。
• 京都大学地磁気世界資料解析センターによる速報値。
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電離層遅延量（処理前）
Vertical Delay, m
20
Outlier
Mag Lat
Mitaka
51.3
26.6
10
Magadan
0
Ishigaki
Satellite
Bias
14.5
Receiver
Bias
24
48
Local Time from 5/28/03 00:00, h
• L1/L2周波数での搬送波位相観測データから算出（垂直遅延に換算）。
• サイクルスリップ・整数アンビギュイティは除去済み。
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バイアスの推定・除去
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周波数間バイアス（Inter-Frequency Bias）の性質
• GPS衛星・受信機のそれぞれについて含まれるオフセット成分。
– 主にハードウェアによる遅延の個体差
– 時定数は大きい：推定後は定数として扱える
• 擬似距離と搬送波位相観測データの双方に同じだけ含まれる。
• L2測定値のL1測定値に対する差として取り扱う。
推定・除去方法
• 適当な電離層モデルを仮定して、最小二乗法あるいはカルマンフィルタで推
定する。
– ここでは、4次の球面調和関数による3層薄膜モデル（基底関数75個）
• 推定後は定数とみなして、電離層遅延量の測定値から除く。
MeasuredDelay(t,i,j) = OF(t,i,j)·IonoModel(a | t,i,j)+IFBi+IFBj
:
:
:
:
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バイアス推定処理
10
Receiver IFB, m
Satellite IFB, m
10
0
-10
0
24
Time, h
48
0
-10
0
24
Time, h
• カルマンフィルタで処理。
• 衛星や電離層は全部が見えるのに1日かかる。
48
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バイアス推定例
6
Receiver IFB, m
Satellite IFB, m
3
2
1
0
1
10
20
Satellite PRN
30
3
0
Ishigaki
-3
-6
10
Magadan
Mitaka
20
30
40
50
Magnetic Latitude, deg
• L1/L2周波数での観測データに含まれるバイアス誤差。
• 衛星/受信機それぞれについて求められる。
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電離層遅延量（処理後）
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Vertical Delay, m
20
Mag Lat
51.3
26.6
14.5
10
0
24
48
Local Time from 5/28/03 00:00, h
• 周波数間バイアスは推定・除去。
• 異常値も除去済み。
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電離層遅延量（全観測局）
Vertical Delay, m
20
Max/Min
2nd Max/Min
Average
10
0
12
24
36
48
60
Local Time since 5/28 00:00, h
• GPSネットワークによる電離層遅延量観測値。
• 垂直遅延に換算して表示。
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電離層遅延の分布例（ピーク時）
50
5/29/2003 05:40UTC
20
18
16
14
Latitude, deg
40
10
8
30
6
4
2
20
120
130
Longitude, deg
140
150
0
Delay, m
12
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ユーザ測位誤差（水平）
B地点
A地点
単独測位
A地点（那覇）
DGPS
A地点（那覇）
基準局：B地点
（奄美大島）
A-B間：300km
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ユーザ測位誤差（垂直）
B地点
A地点
単独測位
A地点（那覇）
DGPS
A地点（那覇）
基準局：B地点
（奄美大島）
A-B間：300km
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空間相関（２８日）
• 任意の2地点の電離層遅
延量の差の頻度分布
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空間相関（２９日）
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空間相関（全体）
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空間相関（２９日：高緯度）
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空間相関（２９日：低緯度）
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DGPSの電離層補正
電離層
ユーザ
基準局
• 基準局における測定値により補正する。
• 空間相関による影響を直接受ける。
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広域補強システムの電離層補正
• 広域補強システム（WADGPS）
では、大陸規模の広域にわた
って有効な補正値が必要。
• 5度×5度の格子点（IGP）にお
ける補正値が放送される。
• ユーザは、各衛星から到来す
る測距信号の電離層通過点
（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。
Latitude, deg
60
30
5度
0
-180
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5度
-150
IGP
-120
-90
Longitude, deg
-60
IGP
IPP
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Conclusion
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• 衛星航法システムに大きな影響を及ぼす電離層について、
GPS受信機ネットワークによる観測を試みた。
– 空間的な分布が、細かい時間分解能で得られる
– 電離圏環境の観測にも有効
• 磁気嵐の発生している時期について、日本上空における電離
層遅延量の分布を調べた。
– ディファレンシャルGPSにも影響：単独測位より影響が大
きくなる場合がある（基線長300km）
– 広域補強システムも例外ではない
– 日によっては、10m/500km以上の遅延差がある
• 今後の課題：他の時期の解析、空間分解能の向上

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