GPSシンポジウム2003 チュートリアル GPS/GNSSの基礎 （Nov. 15, 2003） GPSシンポジウム2003 チュートリアル GPS/GNSSの基礎 電子航法研究所　　坂井 丈泰

Introduction GPSの概要 GPS衛星、測距信号、測位原理、測位誤差とその要因 ディファレンシャルGPS Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 1 Introduction GPSの概要 GPS衛星、測距信号、測位原理、測位誤差とその要因 ディファレンシャルGPS 干渉測位とRTK-GPS 座標系、測地系、ジオイド 標準フォーマット（RTCM/RINEXなど） GPS近代化計画、GLONASS、Galileo 補強システム ディファレンシャルGPS（DGPS） 中波ビーコン、FM多重DGPS、ICAO SBAS/GBAS

GPS/GNSSとは GPS（Global Positioning System；全（汎）地球測位システム） Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 2 GPS/GNSSとは GPS（Global Positioning System；全（汎）地球測位システム） 米国が運用している衛星航法システム 1978年より構築開始、1995年フル運用宣言（FOC） 元来は軍用：比較的初期から民間でも利用 GNSS（Global Navigation Satellite System；全世界的航法衛星システム） ICAO（国際民間航空機関）の定義：民間航空航法に使用可能な性能を持つ衛星航法システム 具体的にはGPS/GLONASS+SBAS/GBAS 一般には、GPS/GLONASS/Galileo/各種補強システムの総称

Navstar/GPS Page 3 GPS Block I GPS Block IIR GPS Block II/IIA Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 3 Navstar/GPS GPS Block I GPS Block IIR GPS Block II/IIA GPS Block IIF

GPSの構成 Page 4 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 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 4 GPSの構成 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 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 （FAA HP）

GPSの地上ネットワーク Page 5 MCS 1局＋バックアップMCS： 全体制御、航法メッセージ生成 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 5 GPSの地上ネットワーク （Garrett, USAFより） MCS ASCENSION DIEGO GARCIA HAWAII CAPE CANAVERAL KWAJALEIN GAITHERSBURG COLORADO SPRINGS 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

同期した時計が双方にあれば、時間差から距離がわかる Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 6 距離測定の原理 同期した時計が双方にあれば、時間差から距離がわかる 光速で伝搬 あらかじめ決められたタイミングで衛星が信号を放送し、受信側は受信した信号の時刻情報と自分の持っている時計を比べて時間差を算出する。 （課題１）　同期した時計が送・受信側双方に必要 （課題２）　受信タイミングを正確に測定しなければならない 10-9秒（1ns=0.3mに相当）以上の精度で時間差を測定したい。

GPSの測距信号 Page 7 航法メッセージ （50bps） ×20460 20ms（5996km） PNコード （1.023Mcps） Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 7 GPSの測距信号 位相反転 航法メッセージ （50bps） PNコード （1.023Mcps） 搬送波 （1575.42MHz） 20ms（5996km） 978ns（293m） 0.635ns（19.03cm） ×20460 ×1540 送信波 = 航法メッセージ（±1）×PNコード（±1）×搬送波

距離の測定 Page 8 t=0となるように t→ 送信波のPNコード 受信波 受信機が生成する レプリカ信号 時間差t T 2T 3T Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 8 距離の測定 送信波のPNコード 受信波 受信機が生成する レプリカ信号 時間差t T 2T 3T -T -2T -3T t→ t=0となるように レプリカ信号のタイミングを調整する →受信タイミングを正確に測定できる 相関を求める Narrow Correlator Wide Correlator この遅延時間を 測りたい 1/s

受信タイミングの測定 Page 9 相関 演算 ＋ － カウンタ 数値制御発振器（NCO） レプリカ信号生成 Early 信号 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 9 受信タイミングの測定 相関 演算 ＋　　 －　　 カウンタ 数値制御発振器（NCO） レプリカ信号生成 Early 信号 Late 信号 受信信号 擬似距離 比較 １チップ 0.5 Early 信号 Plain 信号 Late 信号 ちょうど良い 遅い→早める 早い→遅くする

測位の原理 Page 10 r2 r2 r3 r1 r3 r1 r4 （x, y, z） s 受信機の時計は正確ではない： 1点で交わらない Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 10 測位の原理 r1 r2 r3 r4 クロック誤差s 1点で交わらない 擬似距離 s r1 r2 r3 真距離 （x, y, z） 衛星の位置は既知 受信機の時計は正確ではない： 擬似距離（r） = 真距離（r） + クロック誤差（s） 1点で交わるように s を調節する

位置の計算 Page 11 G • dx = dr dx = G-1 • dr dx = (GT G)-1 GT • dr Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 11 位置の計算 G • dx = dr N個の球面の交点を求める計算は非線形：近似解（x, y, z, s）のまわりで線形化： dx = G-1 • dr dx = (GT G)-1 GT • dr dx = (GT W G)-1 GT W • dr 収束するまで繰り返して解く（ニュートン法；数回程度で収束する）。 N>4 の場合は最小二乗法を利用： 重みをつける場合は： sinAZ1•cosEL1 cosAZ1•cosEL1 sinEL1 1 sinAZ2•cosEL2 cosAZ2•cosEL2 sinEL2 1 : : : sinAZN•cosELN cosAZN•cosELN sinELN 1 x y z s r1 r2 : rN • d = d 1/s12 0 1/s22 0 1/sN2 W = … 重み行列 W は： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　が最適 衛星の幾何学的配置を表す行列

Cov(x) = G-1 cov(r) (G-1)T = s2 (GT G)-1 = s2 C Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 12 測位精度とDOP 擬似距離 r に含まれる誤差が解 x に及ぼす影響を共分散行列で評価： dx = G-1 • dr sxx2 sxy2 sxz2 sxs2 syx2 syy2 syz2 sys2 szx2 szy2 szz2 szs2 ssx2 ssy2 ssz2 sss2 Cov(x) = s112 s122 … s1N2 s212 s222 s2N2 : sN12 sN22 sNN2 Cov(r) = = s2 IN … GDOP = (C11+C22+C33+C44)1/2 G: Geometry PDOP = (C11+C22+C33)1/2 P: Position HDOP = (C11+C22)1/2 H: Horizontal VDOP = C331/2 V: Vertical Cov(x) = G-1 cov(r) (G-1)T = s2 (GT G)-1 = s2 C 測距精度 衛星の幾何学的配置による影響 衛星の配置による影響を C= (GT G)-1 の係数で代表させる（DOP=Dilution of Precision）： DOP に測距精度 s を乗じると、おおよその測位精度の見積りとなる。

誤差の要因 Page 13 衛星クロック誤差 太陽光線 衛星軌道情報の誤差 電離層遅延（～100m） 電離層 高度250～400km程度 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 13 誤差の要因 衛星軌道情報の誤差 対流圏 電離層 電離層遅延（～100m） 周波数に依存 対流圏遅延（～20m） マルチパス 衛星クロック誤差 高度250～400km程度 高度7km程度まで 太陽光線

Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 14 測位誤差の例 東京都調布市　2001年10月19日

Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 15 衛星の配置 仰角の低い衛星が悪影響を及ぼしている

測距精度の仰角依存性 Page 16 測距精度は、衛星の仰角が低くなると悪化する。 対策（1）：低仰角の衛星は使わない（仰 角マスク）。 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 16 測距精度の仰角依存性 測距精度は、衛星の仰角が低くなると悪化する。 対策（1）：低仰角の衛星は使わない（仰　　　　　角マスク）。 対策（2）：仰角に依存して重みをつけて　　　　　測位に使用する（衛星数>4の　　　　　　場合）。 仰角マスクは、測量等では15度以上、移動体航法では5～10度程度が普通。 仰角マスクを超える衛星について、重みをつけて計算するのが一般的。 仰角

ユーザ測位誤差 Page 17 dx = (GT W G)-1 GT W • dr Cov(x) = (GT W G)-1 = C* Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 17 ユーザ測位誤差 DOP：各衛星の測距誤差が一様と仮定。 測距誤差が si とわかっていれば、より詳しくユーザ測位誤差を評価できる。 sxx2 sxy2 sxz2 sxs2 syx2 syy2 syz2 sys2 szx2 szy2 szz2 szs2 ssx2 ssy2 ssz2 sss2 Cov(x) = s12 0 s22 0 sN2 Cov(r) = = W-1 … 重みつきの演算を仮定： Cov(x) = (GT W G)-1 = C* dx = (GT W G)-1 GT W • dr Cov(x) の対角要素より測位精度がわかる。 UNE（User Navigation Error） あるいは FOM（Figure of Merit）などという。 HUNE = (C*11+C*22)1/2 H: Horizontal VUNE = C*331/2 V: Vertical ただし、DOP については、常に先の定義を用いて計算する。

測位精度の規定 Page 18 測位誤差モデルの例 米軍による規定（民間用標準測位サービス） 誤差要因 衛星軌道 衛星クロック 電離層遅延 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 18 測位精度の規定 測位誤差モデルの例 誤差要因 衛星軌道 衛星クロック 電離層遅延 対流圏遅延 マルチパス 受信機・その他 測距誤差 水平測位誤差（HDOP=2.0） 垂直測位誤差（VDOP=2.5） バイアス成分（m） ランダム成分（m） 合計（m） 2.1 0.0 2.0 0.7 4.0 0.5 1.0 1.4 0.2 5.1 5.3 10.6 13.3 米軍による規定（民間用標準測位サービス） 全世界平均（95%） 最悪（95%） 水平方向 13 m 36 m 垂直方向 22 m 77 m

測位精度の表現 Page 19 正確かつ精密な測定 正確な測定 精密な測定 正確でも精密でもない測定 真の位置 ばらつき ばらつき バイアス Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 19 測位精度の表現 真の位置 正確かつ精密な測定 ばらつき ばらつき 正確な測定 バイアス 精密な測定 正確でも精密でもない測定 ばらつき（標準偏差=s） RMS バイアス

２周波受信機 Page 20 GPS衛星は、民間用L1波に加え、軍用にL2波も放送している。 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 20 ２周波受信機 民間用L1波（1575.42MHz） 軍用L2波（1227.6MHz） GPS衛星は、民間用L1波に加え、軍用にL2波も放送している。 PコードのメッセージはYコードで暗号化されているが、Pコード自体は知られており、Pコードにより距離を測定することができる。 2周波数を利用することで電離層遅延補正が良好にできるようになり、測位精度（特に垂直方向）が向上する。 名称 周波数（MHz） コード コード速度（Mcps） 用途 L1 1575.42 C/Aコード 1.023 民間用 P/Yコード 10.23 軍用 L2 1227.6

２周波数の利用による効果 Page 21 1周波受信機 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 21 ２周波数の利用による効果 1周波受信機 2周波受信機 L2波に乗せられているP/Yコードは民間用のC/Aコードよりもチップ速度が速いため、測距精度が良くなる。 ところが、L2波はL1より6dBだけ電力が小さく、結局精度はそれほど変わらない。 2周波数の利用により、電離層遅延誤差をうまく補正できる効果が大きい。

ディファレンシャルGPS Page 22 GPSの誤差要因の多くは空間的な相関があるから、離れた地点間でも測距誤差は似ている。 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 22 ディファレンシャルGPS 基準局 移動局 測定誤差 基準局と同じ 擬似距離を測定 基準局から誤差情報を送信 GPSの誤差要因の多くは空間的な相関があるから、離れた地点間でも測距誤差は似ている。 位置がわかっている基準局で測距誤差を求め、この誤差情報を移動局に送信、移動局側で補正する。 ディファレンシャル補正の精度は移動局ー基準局間の距離（基線長）に依存。 基準局受信機に加え、無線リンクなどが必要。 誤差要因 補正の可否 備考 衛星軌道 ○ 長基線では精度低下 衛星クロック ◎ よく補正できる 電離層遅延 活動が激しいと精度低下 対流圏遅延 △ 高度差に注意 マルチパス × むしろ増加 受信機雑音

ディファレンシャルGPSの効果 Page 23 1周波・2周波受信機による測位結果例 ディファレンシャル処理した結果（1周波） Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 23 ディファレンシャルGPSの効果 1周波・2周波受信機による測位結果例 ディファレンシャル処理した結果（1周波）

搬送波位相の利用 Page 24 受信機に入ってくる搬送波の位相を測定することでも距離を測定できる。 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 24 搬送波位相の利用 0.635ns（19.03cm） 受信機に入ってくる搬送波の位相を測定することでも距離を測定できる。 ドップラ効果：接近時は周波数が高く、離れる際には周波数が低くなる 測定値の単位は波数：波長を単位として距離（の変化）に換算できる アンビギュイティ：位相の整数部分（搬送波波形のどの山か）はわからない 位置を求めるには、測定値に含まれるアンビギュイティを解く必要がある。 たとえば、時間の経過による衛星位置の変化を利用し、矛盾のないアンビギュイティを求める 衛星数が多いほど、周波数が多いほど、高速かつ確実に解ける 高精度な測位が可能：測量用途では干渉測位などと呼ばれる（精度cmオーダ）。 基準局設備は必須。

Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 25 RTK-GPS RTK-GPS（Realtime Kinematic GPS）：基本的には搬送波位相による干渉測位法であるが、アンビギュイティについてリアルタイムに解くようにしたもの。 初期化中であっても、移動局は移動していてかまわない 衛星数が多いほど、周波数が多いほど、高速かつ確実に解ける 一般には受信機に内蔵されたソフトウェアが実行する 比較的高速の無線リンクが必要（最低でも2.4k～9.6kbps） ディファレンシャルGPSの標準フォーマットRTCM-104でもサポートあり。 問題点： 初期化に数分程度を要し、初期化に必要な時間や初期化の精度（アンビギュイティが正しく求められているか？）は、衛星の配置に依存する 基線長は一般に10km程度以下でないと使えない →ネットワークRTK-GPS 信号の中断に弱く、信号環境の影響が大きい 測位精度の検証例が少ない

座標系 Page 26 ECEF（Earth-Centered Earth-Fixed）直交座標系 Z ローカル測地系： Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 26 座標系 ECEF（Earth-Centered Earth-Fixed）直交座標系 北極 南極 赤道 本初子午線 X Y Z 回転楕円体面 ローカル測地系： 日本測地系（Tokyo Datum） NAD（North American Datum） その他各国毎… 原点：地球重心、Z軸：自転軸、X軸：本初子午線が基準 受信機座標から衛星位置まで統一的に扱える。 GPSは世界測地系WGS-84（World Geodetic System）を利用 WGS-84：地球形状パラメータや座標軸などの規定 ITRF：ECEF座標値の集合

標高とジオイド Page 27 在来測量（水準測量） ジオイドによる高さの定義 定義：東京湾平均海水面からの鉛直距離 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 27 標高とジオイド 在来測量（水準測量） ジオイドによる高さの定義 楕円体高 h ジオイド高 N 標高 H 準拠楕円体 地表面 ジオイド面 地表面 標高 H 平均海水面 水準原点 定義：東京湾平均海水面からの鉛直距離 水準原点を基準として、鉛直距離を直接測定する 各国毎に水準原点がある ジオイド：等重力ポテンシャル面のうち、平均海水面と一致するもの 楕円体高（h）ージオイド高（N）＝標高（H） ジオイド高の分布が必要

ジオイド高の分布 Page 28 人工衛星により測定された分布（NASA EGM96による）。 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 28 ジオイド高の分布 （理科年表） 人工衛星により測定された分布（NASA EGM96による）。 陸地は海より重いので、海溝部ではジオイドが高く、逆に山岳では低くなる。 日本付近については国土地理院がさらに詳細なデータを提供。

Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 29 標準フォーマット（１） NMEA-0183 NMEA（米国海洋電子機器工業会）が船舶搭載機器のインターフェース用に制定した規格（初版1983年）。 GPS受信機からの経緯度情報の出力に使用される。 標準的には、4800bpsの通信回線を利用する。ASCII文字のみ。 位置情報は “$GPGGA” メッセージなど。 RTCM-104 RTCM（米国海上無線技術委員会）SC-104がディファレンシャルGPSの補正情報伝送用に制定した規格（初版1985年）。 基準局受信機から移動局受信機への補正データ伝送に利用される。 50bps以上の通信回線を利用する。バイナリデータ。中波ビーコンは200bps。 メッセージタイプ1だけで補正可能だが、他にもさまざまなバリエーション。 RTK-GPS用の補正情報も伝送可能（メッセージタイプ18～22）。

RTCM-104メッセージ Page 30 RTCM-104 バージョン 2.2 Type 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 30 RTCM-104メッセージ RTCM-104 バージョン 2.2 Type 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 DGPS補正値 デルタ補正値 基準局座標 基準局データ 衛星健康状態 ゼロフレーム 無線施設アルマナック 擬似衛星アルマナック DGPS高速補正値 L2 P/Yコード補正値 L2 C/Aコード補正値 擬似衛星パラメータ 送信パラメータ 時刻データ 確定 仮 保留 Type 15 16 17 18 19 20 21 22 23～30 31～36 37 38～58 59 60～63 電離層パラメータ 特別メッセージ 精密軌道情報 RTK搬送波位相（補正前） RTK擬似距離（補正前） RTK搬送波位相（補正値） RTK擬似距離（補正値） 高精度な基準局位置 未定義 GLONASS用 GNSS時刻オフセット 所有者メッセージ 多目的に利用

標準フォーマット（２） Page 31 RINEX （Receiver Independent Exchange Format） Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 31 標準フォーマット（２） RINEX （Receiver Independent Exchange Format） 搬送波位相を用いる干渉測位用のデータ記録フォーマット。 受信機機種に依存しない（実際には受信機によってバリエーションあり）。 測量用受信機には変換プログラムが付属しているのが普通。 典型的には1日の測定で数100kバイト～数Mバイトになる。 ASCII文字のみ。 IGS、GEONET（国土地理院）などの観測ネットワークで利用されている。 SP3 （Standard Product 3） IGSが精密軌道暦の記録に使用しているフォーマット。 15分毎の、衛星位置（ECEF座標値）と衛星クロックオフセットが記録されている。 ASCII文字のみ。 公称精度： 予測暦 25cm （リアルタイム） 速報暦 5cm （翌日） 最終暦 <5cm （2週間後）

測位精度と信頼性（１） Page 32 測位精度（Accuracy） 航法システムの提供する位置情報の精度。95%値などで代表。 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 32 測位精度と信頼性（１） 測位精度（Accuracy） 航法システムの提供する位置情報の精度。95%値などで代表。 信頼性には直結しない。システムのパフォーマンスに影響。 インテグリティ（Integrity；完全性） 位置情報が正確である性質、あるいは保証。 不正確な場合にワーニングを出す能力も含む。 安全性に直接影響する。 アベイラビリティ・コンティニュイティとは相反する。 コンティニュイティ（Continuity；連続性） システムがある時間連続して作動している確率。 ワーニングによる中断は、コンティニュイティを失う。 測位誤差 測位精度 インテグリティに関係

測位精度と信頼性（２） Page 33 アベイラビリティ（Availability） Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 33 測位精度と信頼性（２） アベイラビリティ（Availability） システムが利用可能な時間（あるいはカバレッジ）の割合、あるいは確率。 安全性には直結しない。システムのコストに関係 衛星が4機以上見えている時間の合計 総時間 （もっとも簡単な）アベイラビリティ = アベイラビリティ 測位精度 インテグリティ コンティニュイティ 運用要件 相互の関連

近代化計画（Modernization） Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 34 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）

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 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 35 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

Galileo（EU） 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 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 36 Galileo（EU） 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

Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 37 補強システム コアシステム（GPS/GLONASS）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

中波ビーコンDGPS Page 38 既存の中波ビーコンにDGPS補正データを重畳して放送する。 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 38 中波ビーコンDGPS （海上保安庁） 既存の中波ビーコンにDGPS補正データを重畳して放送する。 放送データはRTCM-SC104フォーマットで、ITU-R M.823-1として規格化されている。 世界中で使用されている、もっとも普及しているDGPSシステム。

日本の整備状況 Page 39 世界各国の沿岸に整備中 日本では27局が運用中、沿岸をカバー 中波なので電波が届きやすい 24時間放送、無料 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 39 日本の整備状況 世界各国の沿岸に整備中 日本では27局が運用中、沿岸をカバー 中波なので電波が届きやすい 24時間放送、無料 ビーコン一体型受信機も市販 インテグリティ情報は少ない（未対応の受信機もある） 伝送速度　　　　　200 bps 送信出力　　　　　75 W 有効範囲　　　　　200 km以内の海上 伝送フォーマット　ITU-R M.823-1 　　　　　　　　　　　　(RTCM SC-104) メッセージタイプ　Type 3, 5, 6, 7, 9 （海上保安庁HPより）

FM多重DGPS Page 40 FMラジオ放送のサブキャリアを使用してデータを多重化し、放送。 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 40 FM多重DGPS FMラジオ放送のサブキャリアを使用してデータを多重化し、放送。 国内では衛星測位情報センター（GPex）が1997年より運用中。7基準局、放送局はJFN系列他41局。 主にカーナビ用。精度は数m。 DARC方式の多重データの一部に補正情報を入れてある。5秒で1フレーム。数回に一度の受信でもＯＫ。 利用料金は対応受信機の価格に含まれる。 TV放送のFM音声信号や垂直ブランキングも利用できる。国内でも実験例あり。 （衛星測位情報センター）

航空用衛星航法システム 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 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 41 航空用衛星航法システム 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

ICAO GNSS ICAO GNSS EGNOS MSAS WAAS GPS GLONASS GBAS ABAS SBAS Page 42 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 42 ICAO GNSS EGNOS ICAO GNSS MSAS WAAS GPS GLONASS 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 地上基地局 GBAS ABAS 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

Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 43 開発中のSBAS （R. Fuller, Stanford Univ.）

MSASの構成 Page 44 2 GEO 2 MCS 2 MRS 4 GMS GPS Constellation MTSAT Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 44 MSASの構成 MCS Master Control Station MRS GMS Ground Monitor Station Hitachiota MCS Sapporo GMS Fukuoka GMS Naha GMS User Australia MRS Hawaii MRS Kobe MCS Tokyo GMS GPS Constellation MTSAT KDD 64Kbps NTT 64Kbps 1Mbps Monitor and Ranging Station L-band K-band Ground Link 2 GEO 2 MCS 2 MRS 4 GMS

WAAS（米国） 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 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 45 WAAS（米国） 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

SBASの機能 SBASの放送する信号 L1周波数（1575.42MHz）、BPSK、C/Aコード（1.023MHz） Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 46 SBASの機能 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

SBASメッセージ Page 47 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 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 47 SBASメッセージ 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 1 2～5 6 7 9 10 12 17 18 内　容 テストモード（使用不可） PRNマスク情報 高速補正（FC+UDRE） インテグリティ情報（UDRE） 高速補正の劣化係数 GEO航法メッセージ 劣化係数 SBAS時刻情報 GEOアルマナック IGPマスク情報 更新間隔 （秒） 120 60 300 24 25 26 27 28 63 高速補正・長期補正 長期補正 電離層遅延補正（+GIVE） WAASサービスメッセージ クロック・軌道情報共分散 NULLメッセージ —

IGPの配置 Page 48 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） Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 48 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）。 -180 -150 -120 -90 -60 30 60 Longitude, deg Latitude, deg 5度 IGP IPP

GBASの構成 Page 49 航空機の精密進入・着陸用の補強システム。 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 49 GBASの構成 （FAA） 航空機の精密進入・着陸用の補強システム。 VHF帯のディジタルデータリンクにより31.5kbpsで送信。インテグリティ情報や進入経路情報等を含むため、データ量が多い。 地上局は複数の受信機・アンテナを装備。 冗長性＋マルチパス削減 GRAS：GBASのカバレッジをターミナル空域以上に広げるもの。

WAASのインテグリティ 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 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 50 WAASのインテグリティ 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 PLと警報限界（Alert Limit）を比較し、 AL<PLなら利用不可 PLの計算アルゴリズム： SARPsで規定 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（UDRE, GIVE） VAL=50m（LNAV/VNAV, LPV） /20m（APV）/12m（CAT-I） AL → ユーザ測位誤差 → プロテクションレベル 正常動作 使用不可（警報） MI （誤情報） インテグリティ リスク HMI （危険情報） インテグリティOK 通常の 分布

Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 51 WAAS試験結果（１） HAL=40m （McHugh, FAA）

WAAS試験結果（２） Page 52 VAL=50m （LNAV/VNAV） （LPV） VAL=20m （APV） VAL=12m Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 52 WAAS試験結果（２） VAL=50m （LNAV/VNAV） （LPV） VAL=20m （APV） VAL=12m （CAT-I） （McHugh, FAA）

UPS Aviation Technologies Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 53 WAAS機上装置の例 UPS Aviation Technologies Apollo 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） 別売ディスプレイ （MX-20 MFD） CNX-80

Conclusion GPS/GNSSについて、応用上必要な事項を解説した。 30機近くの人工衛星、モニタ局を含む大規模システム Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 54 Conclusion GPS/GNSSについて、応用上必要な事項を解説した。 30機近くの人工衛星、モニタ局を含む大規模システム 電子・情報工学をはじめ、宇宙技術、測地学、地球物理学、超高層大気物理学など、多くの分野を含む総合技術 近代化計画：周波数追加、モニタ局追加など。 欧州連合はGalileoシステムを開発中 米国は広域補強システムWAASの実用を開始した。 航空機が使用可能な信頼性（インテグリティ） 非精密進入までサポートする精度 米国大陸部をカバー 衛星航法：測位のみではない。航法に必要な情報通信の統合。