GPS/GNSS シンポジウム 2005 東京海洋大学 Nov. 16-18, 2005

GPS/GNSSシンポジウム2005 東京海洋大学 Nov. 16-18, 2005 準天頂衛星サブメータ級補強機能の性能評価坂井丈泰　（電子航法研究所）

Introduction • 我が国は、2008年頃の衛星打上げを目指して準天頂衛星システム（QZSS）を計画中。 • ８の字軌道で高仰角から測位・放送サービスを提供。測位ミッションについては、基本的にGPSの補完あるいは補強を行う。 • 補完＝GPS同様の信号を追加 • 補強＝ディファレンシャル補正情報＋インテグリティ情報 • 各省庁・研究機関が研究開発を分担。電子航法研究所は、サブメータ級補強情報サービスの開発を担当。 • 現在、サブメータ級補強信号の内容について、SBAS（静止衛星によるGPS補強システム）をベースとして検討中。プロトタイプを作成し、性能評価を試みた。

（１）サブメータ級補強信号の 概要

サブメータ級補強信号（L1-SAIF） • 我が国全域を対象としたディファレンシャル補正情報＋インテグリティ情報。 L1-SAIF信号（Submeter-class Augmentation with Integrity Function）。 • GPS L1周波数で放送。 • GPSと同一のアンテナ・受信回路を共用できる。 • 距離の測定も可能（L1 C/Aコードと同じ）。 • 補強対象：GPS、準天頂衛星、（ガリレオ）、（その他）。 • 補強＝補正＋インテグリティ • 目標精度＝１ｍ。 • 準天頂衛星のL1C信号やL1 C/A-like信号も補強可能。 • 広域補強情報：広域ディファレンシャル補正方式で日本全域をカバー。 • インテグリティ情報あり：信頼性の高い位置情報。

サブメータ級補強信号（続き） • L1 C/A信号との違いは、乗せられている情報だけ。 • L1-SAIF信号により、距離の測定もできる。 • 航法メッセージに加えて各種補強情報を放送し、測位精度・インテグリティを改善。 • さらに追加的な情報の放送も可能（航法以外もＯＫ）。 • 補完ではなく「補強」：衛星が増えるだけではない。 • いままでできなかった機能の実現：例えば… • 災害情報等の放送。 • TTFF（time to first fix）の改善：「いつでも・どこでも」に加え、「すぐに」 • すでに実用化されているSBAS（静止衛星による補強システム）をベースとして開発。 • 実現性については実績がある。 • 受信機ソフトウェアの負担は最小限。

インテグリティとは • 完全性（integrity）：航法システムが出力する位置情報の正しさ。「GPSが出力している経緯度は果たして正しいか？」 • 実際に異常な位置を出力する例がある。 • 万が一、位置情報に誤りがあると危険な応用（safety-of-life application）がある： • 交通機関（特に航空機）の航法・測位、衝突防止。 • 精密農業等、工作機械の自動運転。 • 犯罪捜査や事故記録関係。 • GPSはインテグリティを保証していない。 • 精度や信頼性の規定はあるが、インテグリティについては規定なし。 • GPSだけでは安全性を確保できない。 • 航空分野では、国の責任でインテグリティ確保の仕組みを整備（MSAS）。

異常測位の実例 3時間半 100km • 2004年1月2日（JST）明け方にPRN23衛星が故障。位置情報に数10kmの誤差。 • 3時間後にようやくPRN23衛星が使用不可とされ、復旧した。 • 受信機によって反応が異なる：ディファレンシャル処理では補正できない。 • 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　→　正しい対処にはインテグリティ情報が必要。

補強メッセージ検討 • 目的：日本全域に対して有効な広域補強情報をリアルタイムにユーザに伝送し得るメッセージ構成であること。 • 制約：データレートは 250bps 以内。 • すでに実用化されているSBAS（静止衛星による補強システム）メッセージをベースとする。 • 静止衛星依存部分は準天頂衛星向けに変更する。 • 電離層・対流圏伝搬遅延については、高精度化が可能な拡張メッセージを検討する。 • 実現可能な測位精度について予備検討が必要（量子化単位は12.5 cmのままでよいか？）。 • 実際にSBASベースの補強メッセージで所要の性能が達成できるか？　→　今回、プロトタイプにより評価した。

広域ディファレンシャル補正方式 衛星クロック誤差 • ユーザ位置の関数ではない • すべてのユーザに対して • 同じ寄与 • SA ONなら速い変動電離層遅延（～100m） • ユーザ位置の関数 • 垂直構造は薄膜で近似など衛星軌道情報の誤差 • ユーザ位置の関数ではない • 寄与の程度はユーザ位置による • （視線方向成分が問題） • 変動の周期は数10分以上電離層対流圏遅延（～20m）対流圏 • ユーザ位置（特に高度）の関数 • モデルによる補正が有効

補正情報の具体的内容（ＳＢＡＳ） • 衛星クロック補正：エフェメリスから得た衛星クロックに対する補正量。 • 衛星軌道補正：エフェメリスから得た衛星のECEF直交座標値に対する補正量。Δx、Δy、Δzの３成分。 • 電離層遅延補正：経緯度で５度毎に設定された格子点（IGP）における垂直遅延量として放送。 • ユーザ側ではあらかじめ決められた内挿法（双一次線形補間）により必要な位置（IPP）における遅延量を得る。 • 垂直構造は薄膜で近似。衛星の仰角により垂直→傾斜変換。 • 対流圏遅延補正：モデルにより遅延量を計算する。 • 衛星の仰角により垂直→傾斜変換する。 • 拡張メッセージについては今回は考慮しない。

クロック／軌道誤差分離 衛星位置の誤差ユーザ２にとっての軌道誤差エフェメリスによる位置ユーザ１にとっての軌道誤差真の位置ユーザ２ユーザ１ • 対流圏遅延・電離層遅延を除いた測距誤差は、衛星クロック誤差と軌道情報の誤差の線形結合。 • クロックと軌道誤差の性質の違いを利用して、これらを分離： • 衛星クロック誤差：すべてのユーザに一様な誤差となる。 • 軌道誤差：ユーザ位置によって影響が異なる。それぞれのユーザにとっての視線方向成分が誤差として現れる。

クロック／軌道誤差分離 • マルチパス誤差などを避けるため、比較的長い時定数を持たせてカルマンフィルタで処理する。 • 多数のモニタ局が幾何学的にまんべんなく分布しているほうが分離しやすい： • ただし、ディファレンシャル補正を行うことが目的なので、必ずしも完全に分離する必要はない。 • モニタ局はサービスエリア内でなるべく広い面積をカバーするように配置するとよい。 • 精密軌道情報がリアルタイムに取得できる場合は、それを利用してもよい。 • サービスエリア端においても有効な補正情報を期待できる。

電離層伝搬遅延補正 IGP Rmax 電離層遅延量 IGPにおける垂直遅延量の推定値 • 今回のプロトタイプでは、MSAS/WAASが採用している • プレーナフィット（planar fit）方式を利用： • 平面モデル：IGP周辺の電離層垂直 • 遅延量が経緯度の一次関数になる • ものとして、IGP位置における遅延量 • を求める。 • 周波数間バイアス：電離層 • 遅延量の測定で問題となる • 周波数間バイアス（IFB）は、 • リアルタイムに推定・除去。 • 推定処理は1分毎に実行 • （IFB推定は10分毎）

インテグリティ情報 95%測位精度危険率測位誤差プロテクションレベル×２ • プロテクションレベル方式：ユーザ測位誤差の上限をプロテクションレベルと呼び、これを計算するためのパラメータをユーザに放送する。 • ユーザ受信機側では、与えられたパラメータから自己の位置におけるプロテクションレベルを求めることで、測位誤差の上限がわかる。 • パラメータ：測距誤差・電離層遅延 • 補正残差の不確実性など • 上限を超える確率 • ＝インテグリティリスク

プロテクションレベルの使い方 インテグリティインテグリティOK インテグリティリスク使用不可（警報）利用不可 AL 正常動作利用可 → プロテクションレベル航法モード垂直AL（VAL）通常の分布 HMI （危険情報）垂直誘導付進入 APV-I 50 m アベイラビリティ垂直誘導付進入 APV-II 20 m 0 精密進入 CAT-I 10～15 m 0 AL → ユーザ測位誤差 • ユーザ測位誤差の上限値（危険率10–7）。 • 水平方向：HPL、垂直方向：VPL • PLと警報限界（Alert Limit）を比較し、 • AL<PLなら利用不可とする： • ユーザ測位誤差はALを超えない。 • プロテクションレベルの計算に • 必要なパラメータがインテグリティ • 情報として放送される。トライアングルチャート

（２）プロトタイプシステムによる 性能評価

L1-SAIFプロトタイプシステム • ＰＣ上で動作するプロトタイプシステムを作成した。 • モニタ局データを入力として、実際に補強メッセージを生成する。 • 準天頂システムの5モニタ局、あるいはMSASと同じ６モニタ局で、電離層活動の違いにより３つの時期について計算を実行。 • 時期I 静穏 2004年6月22～24日 • 時期II 磁気嵐 2004年7月22～24日 • 時期III 強い磁気嵐 2004年11月8～10日 • 利用するのは二周波の擬似距離のみ。 • 国土地理院GEONETのデータを使用（30秒サンプル)。 • 搬送波位相は使わない。 • 今回の補強対象はGPSのみ：準天頂衛星の観測データは無いので。 • 完全なSBASメッセージを毎秒生成、ファイルに記録。 • 毎秒250ビットのデータレート。 • NovAtelフォーマット（$FRMAレコード）を流用。

補強メッセージのサンプル $FRMA,272,86403.130,134,80811EA4,250,53081FFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFFBBBBBBBBBBBBAC1CD280*7C $FRMA,272,86404.130,134,80811EA4,250,9A0C1FFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFFBBBBBBBBBBBBB7E76F80*0F $FRMA,272,86405.130,134,80811EA4,250,C661FFDFFDFFDFFDFFDFFFBBBBB8800000000000000000000000000036CD8A40*70 $FRMA,272,86406.130,134,80811EA4,250,5306FFBFFFF8000000000000000000000000000000000000000000002B963FC0*0D $FRMA,272,86407.130,134,80811EA4,250,9A091FFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFFBBBBBBBBBBBB806D3340*77 $FRMA,272,86408.130,134,80811EA4,250,C60D1FFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFFBBBBBBBBBBBB924AAE40*08 $FRMA,272,86409.130,134,80811EA4,250,5361FFDFFDFFDFFDFFDFFFBBBBB89000000000000000000000000000021FE640*73 $FRMA,272,86410.130,134,80811EA4,250,9A61FFDFFDFFDFFDFFDFFFBBBBB8A00000000000000000000000000039994D00*05 $FRMA,272,86411.130,134,80811EA4,250,C60A1FFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFFBBBBBBBBBBBBA6BE8CC0*03 $FRMA,272,86412.130,134,80811EA4,250,530E1FFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFDFFFBBBBBBBBBBBBA99E5040*0A 時刻メッセージタイプID （左６ビット）衛星PRN番号（WAAS-PORと同じ） CRC プリアンブルメッセージ長

ユーザ受信機シミュレータ • ユーザ受信機シミュレータも、ＰＣ上で動作する計算機プログラム。 • ユーザ局における観測データを入力として、測位計算を実行： • SBAS補強メッセージも入力された場合、これを適用する。 • 測位結果のほか、プロテクションレベルも計算。 • 補強メッセージは、NovAtelフォーマット（$FRMAレコード）。 • SBASとの区別は特にない。 • 一周波の擬似距離のみを利用。 • 国土地理院GEONETのデータを使用（30秒サンプル)。 • 搬送波位相は使わないが、キャリアスムージングを適用。 • 航法ユーザを想定し、出力フィルタは無し。 • スムージング等はかけていない。

モニタ局およびユーザ局の配置 ● モニタ局 ● ユーザ局 ● モニタ局 ● ユーザ局（南鳥島→父島に変更） MSAS 6局 QZSS 5局 • JAXAが設置するモニタ局の候補地 • 実際には、補強情報生成用にはさらにGEONETを利用できる • MSASモニタ局の設置場所 • さらにハワイとオーストラリアに標定局がある

補正量のサンプル PRN 01

ユーザ測位誤差（御前崎：水平） RMS誤差 1.842m (S/A) 0.423m (QZSS) 0.423m (MSAS)

ユーザ測位誤差（御前崎：垂直） RMS誤差 2.958m (S/A) 0.833m (QZSS) 0.692m (MSAS)

ユーザ測位誤差（水平方向） 男鹿（時期II） S/A 1.863m / QZSS 0.657m / MSAS 0.691m 御前崎（時期II） S/A 1.842m / QZSS 0.423m / MSAS 0.423m

測位精度の比較 条件男鹿水平　　垂直御前崎水平　　垂直高山水平　　垂直高知水平　　垂直時期I （静穏）単独 QZSS 5局 MSAS 6局 1.566 3.003 0.688 0.854 0.674 0.744 1.909 3.083 0.471 0.822 0.437 0.746 1.813 3.300 0.510 0.775 0.462 0.693 1.627 3.020 0.627 0.920 0.450 0.727 時期II （磁気嵐）単独 QZSS 5局 MSAS 6局 1.863 3.349 0.657 0.744 0.691 0.748 1.842 2.958 0.423 0.833 0.423 0.692 1.929 3.305 0.470 0.719 0.453 0.640 1.837 3.058 0.709 0.885 0.479 0.653 時期III （強い磁気嵐）単独 QZSS 5局 MSAS 6局 3.151 4.867 2.958 2.561 2.008 2.561 3.585 5.624 1.641 2.046 1.375 1.659 3.125 5.342 1.756 2.119 1.257 1.624 3.171 5.143 1.552 2.455 1.265 1.815 RMS値、単位 [m] （一周波、30秒サンプル、キャリアスムージングあり）

補正性能の傾向 • 強い磁気嵐が発生していない限り、QZSS 5局のモニタ局配置で、水平・垂直とも測位誤差を1m以内に抑えられる。 • 補強情報のデータレートは、250bps。 • ユーザ側は一周波のコード擬似距離のみを使用。 • 量子化単位は 12.5cm で、SBASと同じまま。 • 水平0.4～0.7m、垂直0.6～0.9m程度の測位誤差（RMS値）。 • 強い磁気嵐のもとでは、補正情報に改善の余地がある。 • モニタ局の配置については、MSAS配置のほうが若干有利。 • QZSSに比べてコンパクトにモニタ局が配置されているため。 • ただし、サービスエリア端部での測位精度は要検証。 • QZSSは、GEONETを利用してモニタ局を追加できる。 • 実際には１秒サンプルの観測データが利用でき、キャリアスムージングが有効に作用して測位精度は若干改善する。

プロテクションレベル（水平） プロテクションレベル現実の測位誤差

プロテクションレベル（垂直） プロテクションレベル現実の測位誤差

Conclusion • 準天頂衛星サブメータ級補強信号（L1-SAIF）の検討を進めている。 • すでに実用化されているSBAS方式をベースとする方針。 • プロトタイプシステムにより、実際の補強メッセージを生成したうえで、ユーザ測位精度の実証的評価を行った。 • SBAS方式の広域補強情報（250bps）により、所要の測位精度は達成可能： • ユーザ側は一周波のコード擬似距離のみを使用。 • 強い磁気嵐が発生していない限り、水平0.4～0.7m、垂直0.6～0.9m程度の測位誤差（RMS値）。 • 強い磁気嵐のもとでは、補正情報に改善の余地がある。 • 今後の検討課題： • １秒サンプルによる準リアルタイム評価 • モニタ局を追加：GEONETの利用を想定 • 磁気嵐の際の補強性能改善：電離層モデルの改良

GPS/GNSS シンポジウム 2005 東京海洋大学 Nov. 16-18, 2005