衛星航法システムGPS/WAASの現状

衛星航法システムGPS/WAASの現状
電子航法研究所
坂井丈泰
Oct. 2003 Sakai, ENRI
Introduction
• 衛星航法システムの現状と計画
– GPS、GLONASS、Galileo
– GPS近代化計画
– 補強システム（ICAO SBAS/GBAS）
• WAASの現況
– 開発の経緯、WIPP、認証（本年7月10日）
– システム構成・機能
– WAASメッセージ
– 今後の見通し（静止衛星追加、2周波対応など）
• WAASのインテグリティ
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Navstar/GPS
• 24衛星（6軌道面、高度約2万km）
– 実際は28衛星が稼動中
– 軌道傾斜角55度、周期11:58
• 標準測位サービス（SPS）:軍民共用
– L1（1575.42MHz）：C/Aコード
（1.023Mcps）
• 精密測位サービス（PPS）：軍用
– L2（1227.6MHz）：P/Yコード（10.23Mcps）
• スペクトラム拡散：CDMA、測距
– 衛星のPRN番号（1～37）：拡散コード
（FAA HP）
• 航法メッセージ（50bps）：軌道情報
• 1978～ Block I
プロトタイプ
1989～ Block II/IIA 実用型（SA機能あり）
1997～ Block IIR
衛星間リンク、Autonav
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GPSの地上ネットワーク
COLORADO SPRINGS
GAITHERSBURG
HAWAII
CAPE CANAVERAL
ASCENSION
DIEGO GARCIA
KWAJALEIN
MCS
（Garrett, USAFより）
• MCS 1局＋バックアップMCS：全体制御、航法メッセージ生成
• Monitor Station（MS） 6局（うち1局はMCS内）： L1/L2測距、航法メッセージ受信
• Ground Antenna（GA） 4局：コマンド・データ送信用
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近代化計画（Modernization）
• SA解除（2000年5月）
• Block IIR-M（2004～）：第二民間周波数（L2=1227.6MHz）
– 航空用ARNSバンド外：民間航空用途には使えない
– 科学観測、測量など
– IOC 2008、FOC 2010
• Block IIF（2006～）：第三民間周波数（L5=1176.45MHz）
– Safety-of-Life ApplicationもOK（民間航空含む）
– 航空用DME（960～1215MHz）との干渉あり
– IOC 2012、FOC 2014
• Block III（2010?～）：次世代型GPS
• MS増設：NIMA局を利用（6局）
• MCS増設：Alternate MCS（西海岸に設置）
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GLONASS（ロシア）
• 24衛星（3軌道面、高度19100km）
– 現在は10機を運用中：衛星寿命3年
– 軌道傾斜角65度、周期11:15
• L1（1592～1610MHz）：SPコード（0.511MHz）
• L2（1239～1254MHz）：HPコード（5.11MHz）
• FDMA方式による衛星識別
• SAはもともとない
• GLONASS-M：民間用SPコードをL2波に追加、寿命7年
GLONASS-K： 3周波、寿命10年以上、2005～?
GLONASS-NG： 2010～?
• 民間用L3波（1164～1215MHz帯）の追加も検討
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Galileo（EU）
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• 1999年にEUが計画を発表：最初から軍用ではない
• 30衛星（3軌道面、高度23600km）
• ユーザに応じたサービス
– OS（Open Service）
GPS SPSに相当、無料
– CS（Commercial Service）
有料の商用サービス、暗号化
– SoL（Safety-of-Life Service）
民間航空など
– PRS（Public Regulated Service）政府機関向け
• E1（1589.5MHz）+E2（1561MHz）： OS/CS/SoL/PRS
E6（1260～1300MHz）：
CS/PRS
E5a（1176MHz）+E5b（1201.5MHz）： OS/SoL/CS(E5b)
• 2005打上げ開始、2006 IOC、2008 FOC
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補強システム
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• コアシステムのみではアプリケーションが必要とする測位精度あるい
は信頼性を得られない場合に、補強システム（augmentation
system）を追加してこれを補う。
• 補うのは、測位精度あるいは信頼性。
• 一般的な構成は：
（1）地上基地局で測距精度や信頼性を監視
（2）補強情報を作成してユーザに伝送
（3）ユーザ受信機で処理、測位精度や信頼性を向上させる
• ディファレンシャルGPSによる補強はすでに普及
– ディファレンシャルGPS基準局＋無線データリンク
– 公共サービス：中波ビーコン、FM多重放送など
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コアシステム性能
規定内容
GPS
GLONASS
水平
測位精度（95%）
垂直
測位精度（99.99%）水平
垂直
リスク
インテグリティ
TTA
100 m
156 m
300 m
500 m
10-4 /h
0.5 h
100 m
156 m
16 h
コンティニュイティ
アベイラビリティ
グローバル
ローカル
99.85%
99.16 %
出典: GNSS-1 Performance Specification and Validation, EUROCONTROL
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要求性能（航空）
航空分野
性能項目
水平
測位精度（95%）垂直
アベイラビリティ
インテグリティリスク
更新レート
エンルート
ターミナル
精密進入
3700 m
740 m
0.99 ～
0.99999
0.999 ～
0.99999
16 m
4～6 m
0.99 ～
0.99999
10-7 /h
10-7 /h
2×10-7/appr.
1s
1s
0.2～1 s
出典: Draft SARPs for GNSS, 1999 他
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要求性能（海上）
海上分野（商用船舶）
性能項目
洋上
沿岸水域
アプローチ
水域
測位精度（95%）
1800 m
100～300 m
10～30 m
アベイラビリティ
0.9973
0.9986
0.99989
インテグリティリスク
更新レート
3.3×10-6 /h
1h
5 min
3～10 s
出典: Galileo - A View of Maritime Users, 2000
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要求性能（陸上）
陸上分野（自動車）
性能項目
車両管理
緊急通報
カーナビ
衝突回避
測位精度（95%）
30 m
アベイラビリティ
0.997
0.997
0.997
0.997
1s
1s
1s
0.1 s
10～30 m 5～20 m
1m
インテグリティリスク
更新レート
出典: Navigation Requirements for ITS, 1997
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航空用衛星航法システム
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• ICAO（国際民間航空機関）
– 1944年、シカゴ条約により設置。本部モントリオール
– 航法システムを含む、民間航空分野の各種国際標準の策定
• FANS委員会による最終報告（1991）
– 民間航空航法は人工衛星を利用した衛星航法システムに移行
• GNSSパネル会議設置（1993）：第4回（2003/4）
– 今後はNSP（Navigation System Panel）として活動を継続
• GNSS：民間航空航法用に使用可能な性能を持つ衛星航法システ
ムと定義。国際標準（SARPs）を策定した：
（1）コアシステム（GPS/GLONASS）の定義
（2）補強システム（SBAS/GBAS/ABAS）の機能・性能
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ICAO GNSS
GPS
GLONASS
WAAS
GBAS
ICAO GNSS
地上基地局
MSAS
EGNOS
ABAS
機上装置によるインテグリティ確保
あるいはハイブリッド航法
SBAS
SBAS: Satellite-Based Augmentation System 静止衛星による広域補強システム
GBAS: Ground-Based Augmentation System 地上基地局による狭域補強システム
ABAS: Airborne-Based Augmentation System 機上装置による補強システム
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SBAS概念図
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開発中のSBAS
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（R. Fuller, Stanford Univ.）
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MSASの構成
GPS Constellation
MTSAT
• 2 GEO
• 2 MCS
• 2 MRS
• 4 GMS
Sapporo GMS
NTT 64Kbps
User
Kobe MCS
L-band
K-band
1Mbps
Fukuoka GMS
Ground Link
Tokyo
GMS
Hitachiota MCS
KDD 64Kbps
MCS Master Control Station
MRS
Monitor and Ranging
Station
GMS Ground Monitor Station
Hawaii MRS
Naha GMS
Australia MRS
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FAA WAAS
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• 米国航空局（FAA）によるSBAS
– 1991年頃から研究を開始。初期はWADGPSと呼ばれた
– 当初は1997年頃の運用開始を予定していた
• 試験システム（NSTB）
– WAASの研究開発用試験システム
– 1993～94年、NSTBによる飛行実験を実施
• 開発企業としてレイセオン社を選定（1996）
• インテグリティ機能への懸念（1999）
– WIPP（WAAS Integrity Performance Panel）設置（2000）
– 航空ユーザ以外には利用可能とした（2000/8～）
• 認証作業完了（2003/7/10）
– 航空機の主航法OK。LPVと呼ばれる非精密進入までサポート
– 3 GEOによるPhase-I FOCは2007年頃を予定
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WAASの構成
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（Elderedge, FAA）
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WAAS静止衛星
INMARSAT 3
POR 178 W
INMARSAT 3
AOR/W 54 W
• 覆域の大部分で、いずれか1衛星しか見えない
（Elderedge, FAA）
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WAASの開発
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002
Contract Award
Inmarsat II Leased
PDR
CDR
HW Fielded
Insufficient Proof for 10-7 Integrity Rqmt.
WIPP Formed
Stability Test Complete
SIS Available for Non-Aviation
Updated Safety/Integrity Baseline
Algorithm Validation Complete
60 Day Test Complete
CAI
Commissioning
2003
May 96
Jan 97
Apr 97
Dec 97
Jun 98
Dec 99
Jan 00
Jul 00
Aug 00
Feb 01
Jan 02
Sep 02
Jan 03
Jul 03
（Elderedge, FAA）
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WAAS（SBAS）の機能
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• WAAS（SBAS）の放送する信号
– L1周波数（1575.42MHz）、BPSK、C/Aコード（1.023MHz）
– PRN120～138：GPSとは異なるPRNコードで変調
– データレート250bps（シンボルレート500sps：FECエラー訂正）
– 1メッセージ／秒
• ユーザに提供する情報
（1）インテグリティ情報（測位誤差上限の推定値）
（2）レンジング機能（測距信号を追加）
（3）誤差補正情報（測位精度を向上）
• システム構成
– 静止衛星2機（INMARSAT AOR/W, POR）
– 地上：MCS 2局、Monitor Station 25局、Uplink Station 3局
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WAASメッセージ（１）
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
メッセージ
タイプ
内容
更新間隔
（秒）
メッセージ
タイプ
6
17
GEOアルマナック
300
300
内容
更新間隔
（秒）
0
テストモード（使用不可）
1
PRNマスク情報
120
18
IGPマスク情報
高速補正（FC+UDRE）
60
24
高速補正・長期補正
6
インテグリティ情報（UDRE）
6
25
長期補正
120
7
高速補正の劣化係数
120
26
電離層遅延補正（+GIVE）
300
9
GEO航法メッセージ
120
27
WAASサービスメッセージ
300
10
劣化係数
120
28
クロック・軌道情報共分散
120
12
SBAS時刻情報
300
63
NULLメッセージ
2～5
6
—
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WAASメッセージ（２）
補正の種類
記号
ビット数
分解能
補正範囲
高速補正
FC
12
0.125 m
±256 m
長期補正（衛星位置）
δx, δy, δz
11
0.125 m
±128 m
長期補正（衛星速度）
δx, δy, δz
8
2–11 m/s
±0.0625 m/s
電離層遅延補正
Vertical Delay Estimate
9
0.125 m
63.875 m
ビット内容
FC劣化係数
UDRE
GIVE
URA（静止衛星）
0
0 mm/s2
0.0520 m2
0.0084 m2
2m
1
0.05 mm/s2
0.0924 m2
0.0333 m2
2.8 m
2
0.09 mm/s2
0.1444 m2
0.0749 m2
4m
3
0.12 mm/s2
0.2830 m2
0.1331 m2
5.7 m
:
:
:
:
:
13
3.30 mm/s2
2078.695 m2
20.787 m2
2048 m
14
4.60 mm/s2
Not Monitored
187.0826 m2
4096 m
15
5.80 mm/s2
Don’t Use
Not Monitored
Don’t Use
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IGPの配置
• 電離層関係の情報は２種類：
– 遅延量情報（補正情報）
– GIVE（誤差の推定値）
• これらの情報は、IGPにおける
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IPPを求め、その
位置の補正値を内挿により求
める（外挿は不可）。
Latitude, deg
60
30
5度
0
-180
5度
-150
IGP
-120
-90
Longitude, deg
-60
IGP
IPP
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WAASメッセージの例
MESSAGE TYPE #01 sec=265410.127 PRN#134 PRN MASK
001 002 003 004 005 006 007 008 009 010 011 012
013 014 015 017 018 019 020 021 022 023 024 025
026 027 028 029 030 031 122 134
MESSAGE TYPE #00 sec=265411.128 PRN#134 DO NOT USE
MESSAGE TYPE #03 sec=265418.127 PRN#134 FAST CORRECTIONS MT3
00: mask 13 (PRN014) FC +255.875m UDRE Not Monitored
01: mask 14 (PRN015) FC
-0.500m UDRE
0.8315m^2
02: mask 15 (PRN017) FC
-0.125m UDRE
0.4678m^2
03: mask 16 (PRN018) FC
-0.625m UDRE
0.8315m^2
04: mask 17 (PRN019) FC +255.875m UDRE Not Monitored
05: mask 18 (PRN020) FC +255.875m UDRE Not Monitored
06: mask 19 (PRN021) FC
+1.250m UDRE
2.5465m^2
07: mask 20 (PRN022) FC
+0.000m UDRE
0.8315m^2
08: mask 21 (PRN023) FC
-0.125m UDRE
0.4678m^2
09: mask 22 (PRN024) FC
-0.500m UDRE
0.8315m^2
10: mask 23 (PRN025) FC +255.875m UDRE Not Monitored
11: mask 24 (PRN026) FC
+0.000m UDRE
0.4678m^2
12: mask 25 (PRN027) FC
-0.375m UDRE Not Monitored
MESSAGE TYPE #24 sec=265419.127 PRN#134 MIXED FAST/LONG CORR
00: mask 26 (PRN028) FC +255.875m UDRE Not Monitored
01: mask 27 (PRN029) FC +255.875m UDRE Not Monitored
02: mask 28 (PRN030) FC
-0.250m UDRE
2.5465m^2
03: mask 29 (PRN031) FC +255.875m UDRE Not Monitored
04: mask 30 (PRN122) FC
-3.625m UDRE 230.9661m^2
05: mask 31 (PRN134) FC -13.250m UDRE Do Not Use
mask 10 (PRN011)
δx
3.625m
δy
5.625m
δz
-3.750m
δa_f0
-12.573ns
δdx
-0.488mm/s
δdy
0.488mm/s
δdz
-0.977mm/s
δa_f1
0.000ns
toa
6240s
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MESSAGE TYPE #18 sec=265421.128 PRN#134 IGP MASKS
# IGP bands
3
IGP band ID
2
018 019 020 021 022 023 024 025 043 044 045 046
047 048 049 050 068 069 070 071 072 073 074 075
093 094 095 096 097 098 099 100 101 118 119 120
121 122 123 124 125 126
MESSAGE TYPE #26 sec=266115.128 PRN#134 IONO CORRECTIONS
IGP band ID
1
IGP block ID
2
grid 00: Delay
+7.875m GIVE 20.787m^2
grid 01: Delay
+7.250m GIVE 1.8709m^2
grid 02: Delay
+6.750m GIVE 1.1974m^2
grid 03: Delay
+6.500m GIVE 1.8709m^2
grid 04: Delay
+6.500m GIVE 1.8709m^2
grid 05: Delay
+6.375m GIVE 1.8709m^2
grid 06: Delay
+6.000m GIVE 3.3260m^2
grid 07: Delay +10.000m GIVE 20.787m^2
grid 08: Delay
+9.000m GIVE 20.787m^2
grid 09: Delay
+8.000m GIVE 1.8709m^2
grid 10: Delay
+7.000m GIVE 1.8709m^2
grid 11: Delay
+6.500m GIVE 1.1974m^2
grid 12: Delay
+6.125m GIVE 1.1974m^2
grid 13: Delay
+6.000m GIVE 1.8709m^2
grid 14: Delay
+6.000m GIVE 1.8709m^2
MESSAGE TYPE #00 sec=266117.128 PRN#134 DO NOT USE
MESSAGE TYPE #03 sec=266118.127 PRN#134 FAST CORRECTIONS MT3
00: mask 13 (PRN014) FC +255.875m UDRE Not Monitored
01: mask 14 (PRN015) FC
-0.375m UDRE
0.8315m^2
02: mask 15 (PRN017) FC
-0.125m UDRE
0.4678m^2
03: mask 16 (PRN018) FC
-0.500m UDRE
0.8315m^2
04: mask 17 (PRN019) FC +255.875m UDRE Not Monitored
05: mask 18 (PRN020) FC +255.875m UDRE Not Monitored
06: mask 19 (PRN021) FC
+1.125m UDRE
1.8709m^2
07: mask 20 (PRN022) FC
+0.125m UDRE
0.8315m^2
08: mask 21 (PRN023) FC
+0.250m UDRE
0.4678m^2
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WAASのインテグリティ
→ プロテクションレベル
プロテクションレベル（Protection Level）方式
• 1–10–7の信頼水準でのユーザ航法誤差の上限値
• 水平方向=HPL、垂直方向=VPL
インテグリティOK
• PLと警報限界（Alert Limit）を
インテ
比較し、AL<PLなら利用不可
使用不可（警報）
グリティ
MI
リスク
• PLの計算アルゴリズム：
AL
SARPsで規定
正常動作
• 計算に必要なパラメータが
通常の
インテグリティ情報として
分布
MI
HMI
放送される（UDRE, GIVE）
（誤情報）（危険情報）
• VAL=50m（LNAV/VNAV, LPV）
0
/20m（APV）/12m（CAT-I）
0
AL
→ ユーザ測位誤差
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インテグリティモニタ
モニタ局ネットワーク
モニタ局ネットワーク
インテグリティモニタ
PL計算
脅威検出
（脅威あり）
PL計算
（脅威なし）
→ プロテクションレベル
• アベイラビリティを上げるには、インテグリティ水準を保ちつつプロテ
クションレベルを最小化する必要がある。
• 脅威に対応したインテグリティモニタを設け、
脅威
プロテクションレベルが過大に計算される
のを防ぐ。
測位誤差
正常動作
モニタ
MI
→ ユーザ測位誤差
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WAAS試験結果（１）
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HAL=40m
（McHugh, FAA）
Oct. 2003 Sakai, ENRI
WAAS試験結果（２）
Page 29
VAL=50m
（LNAV/VNAV）
（LPV）
VAL=20m
（APV）
VAL=12m
（CAT-I）
（McHugh, FAA）
Oct. 2003 Sakai, ENRI
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WAAS機上装置の例
UPS Aviation Technologies
Apollo CNX-80
別売ディスプレイ
（MX-20 MFD）
CNX-80
• TSO-C146a WAAS/GPS受信機
• 業者価格の例： $11,999 （搭載・検査費用込み）
• ARINC429出力あり（5Hz Update）
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今後の見通し
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• Phase-I WAAS FOC（2007頃）
– カナダ、メキシコなどにモニタ局を増設（25局→34局）
– GEO追加
• 2周波化対応（Phase-II WAAS）
– GPS L5周波数をSBASも利用（L2は使わない）
– 現在、RTCAがL5 SBAS ICDを検討中
– 耐干渉性と電離層遅延推定で大きなメリット
– データレートは250bpsあるいは500bps
• ブラジルSBASへの協力
– 試験的にモニタ局を設置、データ収集中
– 磁気赤道地方での電離層の挙動が課題
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静止衛星の追加
INMARSAT 3
AOR/W 54°W
INMARSAT 3
POR 178°E
Ideal Slot
119°W
INMARSAT 3
POR 178 W
Additional GEO
Ideal: 119 W
INMARSAT 3
AOR/W 54 W
• 少なくとも2衛星が見えるようにする（信頼性の向上）
（Elderedge, FAA）
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低緯度地方の電離層
20
Japan 28 Sites; May 29, 2003; MLAT>30
20
5
Japan 28 Sites; May 29, 2003; MLAT<30
6
2
5
1
15
10
3
2
N
4
Number of Points (10 )
10
Difference of Vertical Delay, m
N
3
電離層遅延の差
15
Number of Points (10 )
Difference of Vertical Delay, m
電離層遅延の差
5
4
5
1
0
0
500
1000
1500
IPP Distance, km
2000
2500
0
2地点間の距離
磁気緯度>30度
0
0
500
1000
1500
IPP Distance, km
2000
2500
0
2地点間の距離
磁気緯度<30度
Oct. 2003 Sakai, ENRI
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Conclusion
• GPSは現在Block IIR衛星を打上げ中。
– Block IIR-M（2004～）：第二民間周波数
– Block IIF（2006～）：
第三民間周波数
– 近代化計画：モニタ局の追加、MCS増設など
• WAASの開発はインテグリティが原因で遅れていたが、本年7
月にFAAにより認証された（IOC）。
– 航空機の主航法システムとして使用可能。
– 非精密進入（LPV）までサポート。
• 数年以内に静止衛星を追加し、Phase-I WAAS FOCを予定。

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