準天頂衛星システム技術実証：L1

GPS/GNSSシンポジウム
東京海洋大学越中島キャンパス
Oct. 26, 2011
準天頂衛星システム技術実証
L1-SAIFサブメータ級補強実験
電子航法研究所坂井丈泰
Oct. 2011 - Slide 1
はじめに
• 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（測位衛星として動作）に加え、補強信号（付加的な情報を提供して全体
の性能向上を図る）を放送。補強信号：L1-SAIF、LEXの２種類。
– 第一段階として、７つの研究開発機関が参加して技術実証実験を実施。
– 初号機「みちびき」は昨年９月に打ち上げられ、所定の軌道に投入された。
• L1-SAIF実験局：
–
–
–
–
国土交通省の委託を受け、電子航法研究所が開発を担当。
L1-SAIF信号に乗せて放送する補強情報を生成し、JAXA地上局に伝送する。
電子航法研究所実験室内に整備、各種実験を実施。
2011年3月までに車両による技術実証実験を実施し、測位精度の改善を確認した。
• 内容：（１）準天頂衛星システム
（２） L1-SAIF信号の概要
（３） L1-SAIF実験局の概要
（４）技術実証実験
（５）観測データの公開
Oct. 2011 - Slide 2
（１）
準天頂衛星システム
Oct. 2011 - Slide 3
準天頂衛星打上げ
２０１０年９月１１日 20:17
準天頂衛星「みちびき」を打上げ
• H-IIA 18号機により種子島宇宙センター
から打ち上げられた。
• 打上げから28分27秒後、「みちびき」を正
常に分離。
第２段ロケット
から分離された
「みちびき」
(c) 三菱重工業
(c) JAXA／三菱重工業
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準天頂衛星「みちびき」
質量
Approx. 4,000kg
(NAV Payload：Approx. 320kg)
発生電力
Approx. 5.3 kW (EOL)
(NAV Payload: Approx. 1.9kW)
設計寿命
10 years
Radiation Cooled TWT
TWSTFT Antenna
C-band TTC Antenna
Laser Reflector
L1-SAIF Antenna
L-band Helical Array
Antenna
（図：JAXA QZSS PT）
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準天頂衛星のメリット
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
東経135度を中心に８の字を配置
（離心率0.075、軌道傾斜角43度）
• 山間部や都市部における測位・放送ミッシ
ョンに有利
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全体構成
QZSS衛星
測位信号
L1CA/L1C/L1-SAIF: 1575.42 MHz
L2C: 1227.60 MHz
L5: 1176.45 MHz
LEX: 1278.75 MHz
GPS衛星
双方向時刻同期信号
測位信号
Up:
4.43453GHz
Down: 12.30669GHz
L1CA/L1C*: 1575.42 MHz
L2C: 1227.60 MHz
L5*: 1176.45 MHz
衛星レーザ測距
（SLR）
*今後対応予定
TT&C / NAV
Message Uplink
SLR局
モニタ局ネットワーク
時刻同期
管理局
主統制局（MCS：Master
Control Station）
TT&C・航法メッセ
ージアップリンク局
ユーザ受信機
GEONET
（国土地理院）
関係機関が実験を実施
時刻管理系：NICT
広域ＤＧＰＳ補正：ENRI など
（JAXA QZSS PT提供の図より）
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準天頂衛星の機能
• GPS補完機能：
– GPS補完信号として、GPSと互換性のある測位信号を放送。
– 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。
– 宇宙航空研究開発機構（JAXA）が技術実証実験を実施。
– 準天頂衛星の正確な位置の計算などのため、国内・アジア地域にモニタ局を展開。
– ユーザ受信機は、ソフトウェアの改修程度で対応できる。
• GPS補強機能：
– すべてのGPS衛星を対象として、距離測定精度を改善するディファレンシャル補正
情報や信頼性改善のための情報を、補強信号に乗せて放送する。
– L1-SAIF信号：移動体測位用。国際標準規格SBASと互換性のある信号形式で、ソ
フトウェアの改修程度で対応できる。
– 電子航法研究所では、国土交通省からの委託によりL1-SAIF補強信号の開発を実
施。衛星打上げ後、技術実証実験を実施。
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放送信号
信号名
周波数
帯域幅
最低受信電力
L1CD
24 MHz
–163.0 dBW
L1CP
24 MHz
– 158.25 dBW
QZS-L1-C/A
24 MHz
– 158.5 dBW
QZS-L1-SAIF
24 MHz
– 161.0 dBW
24 MHz
– 160.0 dBW
25 MHz
– 157.9 dBW
25 MHz
– 157.9 dBW
42 MHz
– 155.7 dBW
QZS-L1C
1575.42 MHz
補完信号
（JAXA）
QZS-L2C
1227.6 MHz
L5I
補強信号
（ENRI）
QZS-L5
L5Q
QZS-LEX
補強信号
（JAXA/GSI）
1176.45 MHz
1278.75 MHz
• 補完系：L1C/A、L2C、L5はGPSとほぼ互換（PRN193）
• 補強系：L1-SAIFはGPS/SBASとほぼ互換（PRN183）、LEXは独自仕様
• 詳細はIS-QZSSに規定あり
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（２）
L1-SAIF信号の概要
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L1-SAIF補強信号
準天頂衛星
補強信号
（補完機能）
補強信号
（誤差補正）
補強信号
（信頼性付与）
• 一つの補強信号により、３つの機能を提供：補完機能
（距離測定）・誤差補正（目標精度=1m）・信頼性付与。
• ユーザ受信機は、１つのGPS用アンテナによりGPSと
L1-SAIFの両方を受信：受信機の負担軽減。
• 情報の伝送はメッセージ単位：メッセージ順序・内容は
可変＝フレキシブルな情報提供。
SAIF： Submeter Augmentation with Integrity Function
GPS衛星群
測位信号
ユーザ
（GPS受信機）
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サブメータ級広域補強の仕組み
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）
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L1-SAIFメッセージ形式
• 航空用補強システムSBASと同一のフォーマット：
– GPS L1 C/Aコード、PRN183で送信。毎秒１個のメッセージ。
– メッセージの内容はメッセージタイプで識別。送信順序は任意＝フレキシブル。
– SBAS用ソフトウェアを流用可能：受信機ソフトウェアの開発負担を軽減。
– サブメータ級の測位精度は達成可能。
• 補強メッセージの内容：
– 日本全国で利用可能な広域ディファレンシャル補正情報：衛星軌道・クロック・電離
層遅延・対流圏遅延をそれぞれ別々に補正。
– 補強対象：GPS・準天頂衛星自身・（GLONASS）・（ガリレオ）
– 基本的な補強情報はSBAS互換メッセージで、高度な補強処理については拡張メッ
セージで対応。
プリアンブル
8ビット
メッセージタイプ
6ビット
データ領域
212ビット
CRCコード
24ビット
250ビット／１秒
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GPS/L1-SAIFシミュレータ
• GPS/L1-SAIFシミュレータ：
– GPS L1 C/A信号および QZSS L1-SAIF信号を発生。
– あらかじめ与えられているGPS衛星およびQZSS衛星の軌道情報および信号仕様に
従ってRF信号を生成。
– Spirent社製GPS/SBASシミュレータ
GSS7700を改造。
• 実験用に付加した機能：
– L1-SAIFメッセージをLANポートから
TCP/IP接続により入力するための
コマンドを追加。
– L1-SAIFメッセージは、このコマンドに
よるか、あるいはシミュレータ内部で
生成されたSBASメッセージが適用
される。
GPS/L1-SAIF
シミュレータ
GPS/L1-SAIF
受信機
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GPS/L1-SAIF受信機
• プロトタイプGPS/L1-SAIF受信機：
– GPS L1 C/A信号およびQZSS L1-SAIF信号を受信。
– IS-QZSSの規定に従い、L1-SAIFメッセージを復調・適用する。
– 古野電気製。
• 実験用に付加した機能：
– L1-SAIFメッセージをLANポートから
TCP/IP接続にて入力できる。
– L1-SAIFおよびSBAS信号を同時に
処理し、複数の測位結果を出力可能。
– 持ち運び可能なサイズ・重量。
GPS/L1-SAIF
受信機
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（３）
L1-SAIF実験局の概要
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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（東京都調布市）実験室に設置。
– 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。
– 利用実証を担当するSPAC（衛星測位利用推進センター）とのタイムシェアで放送。
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）
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L1-SAIF実験局の外観
電子基準点データ
リアルタイム
収集システム
補正情報リアルタイム
生成・配信装置
通信用ルータ装置
データ
サーバ
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L1-SAIF実験局の構成
JAXA
地上局
国土地理院GEONET
TCP/IP
測定データ
RINEXファイル
（FTP）
バッチ処理装置
（バイアス推定）
メッセージ
出力
GEONETサーバ
制御用受信機
連接装置
インターフェース装置
バイアス
推定結果
ファイル
L1SMSバッチ処理系
メッセージ生成装置
（L1SMG）
電離層補強情報生成装置
対流圏遅延処理装置
L1-SMSリアルタイム処理系
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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）
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
GPS単独測位
L1-SAIF補強
東西方向誤差（m）
L1-SAIF
補強
※測量級の受信機及びアンテナによる結果
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ETS-VIIIによる実験
GPS衛星
ETS-VIII（きく８号）
L1-SAIF実験局
（東京都調布市）
GPS/L1-SAIF受信機
（仙台空港）
• ETS-VIII衛星（きく８号)利用実験として、補強メッセージを衛星回線で伝送する実験を実施。
• 衛星回線・LANを経由して、L1-SAIFメッセージを遠隔地のGPS/L1-SAIF受信機で受信・処理
し、補強済みの測位結果を得た。
• 信号形式が異なり、またETS-VIII端末に測距機能がないことから、補完機能の試験は不可。
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ETS-VIIIによる実験（結果）
水平方向測位誤差（データ点数=21696）
水平方向測位誤差（データ点数=21696）
高頻度
高頻度
中心がずれている
南北方向誤差（m）
南北方向誤差（m）
2009年2月17 01:21:39～07:23:14 UTC （約6時間）
中心がずれない
低頻度
東西方向誤差（m）
GPS単独測位
測位精度（水平方向） 1.221 m
（垂直方向） 4.043 m
低頻度
東西方向誤差（m）
L1-SAIF補強あり
測位精度（水平方向） 0.412 m
（垂直方向） 0.464 m
Oct. 2011 - Slide 22
（４）
技術実証実験
Oct. 2011 - Slide 23
試験信号の受信
• 軌道上の準天頂衛星から放送されたL1-SAIF試験信号を受信。
• 2010年10月23日09:46:48～10:48:07（GPS時刻）にかけて、電子航法研究所岩沼分室
（仙台空港内）に設置したL1-SAIFプロトタイプ受信機（古野電気製）により受信した。
• 何らの補正も施していないため、主に受信機クロックの影響による変化がみられる。
Oct. 2011 - Slide 24
車両による実験
GPS+IMU
• L1-SAIF技術実証実験：
– L1-SAIFはもともと移動体に対する補強サービ
スとして計画されている。
– このため、車両を使用して実験を行った。
– 実験場所としては、都市部・郊外・高速道路（高
架道）を予定。
– 実験期間：2010年12月～2011年3月にかけて３
回実施。
• 実験機材：
– 基準位置： GPS+IMUセンサで取得
– 国土地理院GEONET電子基準点を利用して、
後処理により高精度な基準位置を得る。
– 車両内にGPS/L1-SAIF受信機とパソコンを搭載。
– 受信機はL1-SAIF補強処理をリアルタイムに実
施。受信機から出力された位置情報を記録する。
– 記録された位置出力と基準位置を比較し、測位
誤差を求めた。
GPS/L1-SAIF受信機
Oct. 2011 - Slide 25
高速道路での実験
GEONET
Ichinomiya
GEONET
Nakamichi
走行経路
2 km
典型的な状況
• 2010年12月14日（準天頂衛星は天頂付近にあることを確認）
• 中央道の甲府盆地付近の10km程度の区間を西向きに走行した。
• 高速道路を横切る橋や電線などの障害物は少なく、平坦な経路。
0
15 分
時刻（UTC）
UTC時刻 01:22:08～01:37:08
1:36:08 AM
1:35:08 AM
1:34:08 AM
1:33:08 AM
1:32:08 AM
1:31:08 AM
1:30:08 AM
1:29:08 AM
1:28:08 AM
1:27:08 AM
1:26:08 AM
1:25:08 AM
1:24:08 AM
1:23:08 AM
1:22:08 AM
水平測位誤差（m）
水平測位誤差（m）
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高速道路：L1-SAIF補強あり
中央道：L1-SAIF補強あり
L1-SAIF測位精度（中央道）
5
4
3
2
1
0.5m
0
15 分
時刻（UTC）
UTC時刻 01:22:08～01:37:08
1:36:08 AM
1:35:08 AM
1:34:08 AM
1:33:08 AM
1:32:08 AM
1:31:08 AM
1:30:08 AM
1:29:08 AM
1:28:08 AM
1:27:08 AM
1:26:08 AM
1:25:08 AM
1:24:08 AM
1:23:08 AM
1:22:08 AM
水平測位誤差（m）
水平測位誤差（m）
Oct. 2011 - Slide 27
高速道路：補強なし
中央道：L1-SAIF補強なし
GPS測位精度（中央道）
5
4
3
2
1
1.2m
Oct. 2011 - Slide 28
つくば市での実験
GEONET
Tsukuba 1
1 km
走行経路
典型的な状況
• 2010年12月16日（準天頂衛星は天頂付近にあることを確認）
• 茨城県つくば市の西部郊外を6kmほど走行した。
• 高層建築は少ないが、電柱や電線、信号機といった障害物が多数ある状
況。
0
15 分
時刻（UTC）
UTC時刻 05:30:01～05:45:01
5:44:01 AM
5:43:01 AM
5:42:01 AM
5:41:01 AM
5:40:01 AM
5:39:01 AM
5:38:01 AM
5:37:01 AM
5:36:01 AM
5:35:01 AM
5:34:01 AM
5:33:01 AM
5:32:01 AM
5:31:01 AM
5:30:01 AM
水平測位誤差（m）
水平測位誤差（ｍ）
Oct. 2011 - Slide 29
つくば市：L1-SAIF補強あり
つくば：L1-SAIF補強あり
L1-SAIF測位精度（つくば2）
5
4
3
2
1
0.6m
0
15 分
時刻（UTC）
UTC時刻 05:30:01～05:45:01
5:44:01 AM
5:43:01 AM
5:42:01 AM
5:41:01 AM
5:40:01 AM
5:39:01 AM
5:38:01 AM
5:37:01 AM
5:36:01 AM
5:35:01 AM
5:34:01 AM
5:33:01 AM
5:32:01 AM
5:31:01 AM
5:30:01 AM
水平測位誤差（m）
水平測位誤差（ｍ）
Oct. 2011 - Slide 30
つくば市：補強なし
つくば：L1-SAIF補強なし
GPS測位精度（つくば2）
5
4
3
2
2.0m
1
Oct. 2011 - Slide 31
（５）
観測データの公開
Oct. 2011 - Slide 32
連続観測
• L1-SAIF信号の連続観測：
– 技術実証実験のため、当所ではL1-SAIF信号の連続観測を開始（2010年10月～）。
– 観測データは一般に公開することとした。
URL http://www.enri.go.jp/sat/qzss.htm
– 距離測定データはRINEXファイル、航法メッセージはEMSファイルに変換したうえで
格納してある（いずれもQZSS対応のための拡張形式）。
• 当所による実験のスケジュール（予定も含む）も掲載：
– L1-SAIF信号については利用実証を担当するSPACと共用（タイムシェア）。
受信機
アンテナ位置
JAVAD ALPHA-G3T
電子航法研究所（東京都調布市）６号棟屋上タワー
北緯35.679518936度東経139.560964491度楕円体高109.1971m
X=-3947737.9910 Y=3364428.7640 Z=3699428.9764
アンテナ
Trimble Zephyr Geodetic 2 (L1/L2/L5)
観測対象
GPS, GLONASS, SBAS, QZSS（補完＋補強）
測定値
コード擬似距離、搬送波位相、ドップラ、C/N0（L1, L2, L5）
Oct. 2011 - Slide 33
RINEXファイル形式
• RINEXファイルの拡張：
– 現行のRINEXファイル形式はQZSSに対応していないので、QZSSの観測データに
ついてはRINEX 2.11を拡張した形式で提供。
– 観測データファイルの衛星識別記号が問題となる。
– 補完信号については、他コアシステムにならい「Jnn」（nn=PRN-192）を採用。
– 補強信号については、SBASと同様に「Snn」（nn=PRN-100）とした。
対応状況
定義済
未定義
システム
識別記号
nnの値
GPS
Gnn
PRN
GLONASS
Rnn
スロット番号
SBAS
Snn
PRN-100
QZS-1の場合
Galileo
Enn
PRN
補完信号： J01
L1-SAIF： S83
COMPASS
Cnn
PRN
QZSS
Jnn
PRN-192
L1-SAIF
Snn
PRN-100
Oct. 2011 - Slide 34
RINEX観測ファイルの例
2.11
OBSERVATION DATA
G (GPS)
RINEX VERSION / TYPE
dat2rnx 1.00
20111019 01:16:43UTCPGM / RUN BY / DATE
dat2rnx 1.00 (Oct 18 2011)
COMMENT
MTKB
MARKER NAME
ENRI, JAPAN
ELECTRONIC NAVIGATION RES INST, JAPAN
OBSERVER / AGENCY
1
REC # / TYPE / VERS
3周波数なので測定値が多い
1
ANT # / TYPE
0.0000
0.0000
0.0000
APPROX POSITION XYZ
1
1
WAVELENGTH FACT L1/2
14
L1
C1
P1
D1
S1
L2
C2
P2
D2# / TYPES OF OBSERV
S2
L5
C5
D5
S5
# / TYPES OF OBSERV
2011
10
18
0
0
0.0000000
GPS
TIME OF FIRST OBS
2011
10
18
23
59
59.0000000
GPS
TIME OF LAST OBS
21衛星を観測
END OF HEADER
11 10 18 0 0 0.0000000 0 21R23R21G07S37G19G13S29G03R12R22G16G30
G31R10R20G06R11G21G23J01S83
エポック時刻
131781550.7370
24635168.7740
24635170.4044
2895.0620
38.0000
102496754.6854
24635189.4140
24635186.6924
2251.6814
35.7504
133569864.0430
104080417.5974
25417497.0210
25417501.4880
195451243.8520
37193140.8190
194779121.9180
151775927.3420
145451928.7700
194779167.9350
37065243.8380
37065245.7170
37065250.8380
37065241.0500
:
25417498.3644
25417504.3784
:
-539.3800
2635.4920
2053.3764
38.2500
19.0004
-995.3470
42.7500
-722.2830
-562.8480
48.0000
-722.2760
44.7500
42.5000
43.7500
GLO
Slot 23
GPS
PRN 07
SBAS
PRN 137
QZS-1
L1 C/A
QZS-1
L1-SAIF
Oct. 2011 - Slide 35
EMSファイル形式
• EMSファイルの拡張：
– 欧州EGNOSのデータ提供サービス（EDAS）で使用されているファイル形式。
– EDASでは、EGNOSメッセージしか格納されていない。
– このファイル形式をもととして、表の形式にてGPS/GLONASS/QZSSの航法メッセージを
格納することとした（L1C/A相当の信号のみ）。
– GPS/QZSS補完は6秒、GLONASSは2秒、SBAS/L1-SAIFは1秒毎にメッセージを格納。
形式
PRN YY MM DD HH MM SS TT data…
PRN
PRN番号
YY MM DD
メッセージが放送された日
HH MM SS
メッセージが放送された時刻（最初のビットの送信開始時点）
パラメータ
TT
data…
GPS/QZSS: サブフレーム番号（1～5） 300ビット=6秒毎
GLONASS: ストリング番号（1～15）
100ビット=2秒毎
SBAS/SAIF: メッセージタイプ（1～63） 250ビット=1秒毎
メッセージ内容（16進数で表記、最初の文字のMSBがメッセ
ージの先頭）
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02 63 9AFC0000000000000000000000... 7700
02 50 9ACA06292A06079C2421E79968... 4D00
02 9 480BC1BA68F4C024B5D6992CE0
02 9 480BC1BA68F4C024B5D6992CF0
:
02 9 480BC1BA68F4C024B5D6992C00
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04 3 530EDFFC011FFDFFC011FFC000... 7300
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04 10 55B8AC6957F0A00C0F7D592CE0
04 10 55B8AC6957F0A00C0F7D592CF0
:
04 10 55B8AC6957F0A00C0F7D592C00
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00 1 8B09E8E8E1029C09E90002DEA1... F800
:
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06 28 C67308CB63EF7080702D027917... BD00
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QZSS L1C/A
SBAS/L1-SAIF
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まとめ
• 準天頂衛星システム（QZSS） L1-SAIF補強信号：
– 準天頂衛星は、GPS補完信号に加え、補強信号を放送する。
– 補強信号：すべてのGPS衛星について、測位性能を改善するための補強情報を提
供する。L1-SAIF信号については当所が担当。
– JAXAの高精度測位実験システムと連携して稼動する、L1-SAIF実験局を電子航法
研究所内に整備した。
• 技術実証実験：
– 準天頂衛星「みちびき」は昨年９月に打ち上げられた。
– 関係研究機関が技術実証実験を実施中。
– L1-SAIF信号については車両による実験を実施し、測位精度を改善することを確認
した。今年度も実験を継続。
• 観測データ公開：
– 当所にて観測したデータを公開： http://www.enri.go.jp/sat/qzss.htm
– 当所によるL1-SAIF使用実験のスケジュールも掲載。

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