準天頂衛星による 航空用衛星航法システムの構成 電子情報通信学会 SANE研究会 June 24, 2010 準天頂衛星による 航空用衛星航法システムの構成 電子航法研究所 坂井 丈泰、 福島 荘之介、 伊藤 憲、 工藤 正博

はじめに 準天頂衛星「みちびき」の打上げ準備が進められている： 航空用GPS補強サービスMSAS： 衛星プラットフォームの共用について検討： June 2010 - Slide 1 はじめに 準天頂衛星「みちびき」の打上げ準備が進められている： 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。L1帯はL1-SAIF信号。 航空用GPS補強サービスMSAS： 航空局が運用中（2007年～）の静止衛星によるGPS補強サービス。 航空用補強システムとして国際標準に完全準拠。 ひまわり６号・７号を使用。GPS L1周波数と同様の信号にて補強情報を提供する。 衛星プラットフォームの共用について検討： 高価な人工衛星を個別のサービスごとに打ち上げるのは効率的とはいえない。 →　単一の衛星で、準天頂衛星システムとMSASの両サービスを提供できないか？ 具体的には、準天頂衛星によりMSASサービスを実施できないか検討した。 結論：いくつかの制約はあるものの、基本的には可能と思われる。

June 2010 - Slide 2 （１） 航空用GPS補強サービスの概要

SBAS規格の概要 SBAS（satellite-based augmentation system）規格： SBAS信号の規定： June 2010 - Slide 3 SBAS規格の概要 SBAS（satellite-based augmentation system）規格： GPSのみでは不足する機能・性能を補強する補強システムの一つ。 国際民間航空機関（ICAO）による国際標準規格として条約の附属書で規定。 航空機ユーザは、GPSとSBASを併用することで、航空用航法システムに求められる機能・性能を得る。測位精度改善と信頼性に関する指標の提供。 SBAS信号の規定： GPS L1 C/A信号と同一のRF信号形式。距離測定もできる。アンテナ・受信機フロントエンドは共用が前提。 情報伝送速度はGPSより速く、250bps。毎秒１個のSBASメッセージを放送。 世界的な普及状況： 米国WAAS（2003～）、日本MSAS（2007～）、欧州EGNOS（2010～）がすでに運用中。他にも、インドGAGAN、ロシアSDCMといった計画がある。 受信機はFAA TSO-C145/146に準拠。対応機上装備の製品化も拡大中。 航空以外のユーザ：すでに大多数の受信機チップが対応済み。測位精度改善。

SBAS信号の規定 項目 仕様 備考 周波数 1575.42 MHz GPS L1 変調方式 BPSK 右旋円偏波 コード変調速度 June 2010 - Slide 4 SBAS信号の規定 項目 仕様 備考 周波数 1575.42 MHz GPS L1 変調方式 BPSK 右旋円偏波 コード変調速度 1.023 Mcps 以上はGPS L1 C/Aと同一 拡散コード GPS C/Aコード PRN 120～138 シンボル変調速度 500 sps データ速度 250 bps キャリア周波数安定度 ≦ 5×10-11 10秒間での値 帯域幅 ≧ 2.2MHz GPSは20MHz、MSASは2.2MHz、WAASは4～8MHz ICAOの国際標準規格（GNSS SARPS）による規定。 衛星の軌道は特に規定されていない（静止衛星でなければならないわけではない）。 受信機は、以上の規定を想定してSBAS信号を探索・捕捉し、補強情報を得る。

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 June 2010 - Slide 5 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／１秒 この順に送信 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） SBAS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 — 静止衛星を対象としているメッセージ

補強サービスの機能（１） インテグリティ（完全性） GPS衛星が放送する信号の品質に関する情報を提供する。 June 2010 - Slide 6 補強サービスの機能（１） インテグリティ（完全性） GPS衛星が放送する信号の品質に関する情報を提供する。 GPSが誤った信号を送信したとき、受信機が誤って使用しないようにするのが目的。 →　航法の安全を確保するための機能。 警報時間（TTA：time to alert） ＝情報が提供されるまでの時間：航空路・ターミナル空域では5分～15秒以内、非精密進入では 10秒以内、精密進入では6秒以内。 基本的な仕組み： 地上監視局でGPS信号をモニタ。 品質に関する情報を生成・伝送。 異常検出時は、警報メッセージを 送信。 監視局 異常検出 警報 メッセージ ユーザ Uplink Downlink GPS衛星 SBAS衛星 異常信号 6秒以内

補強サービスの機能（２） 測位精度の改善 GPS衛星の信号により測定した距離の補正情報。 June 2010 - Slide 7 補強サービスの機能（２） 測位精度の改善 GPS衛星の信号により測定した距離の補正情報。 GPSによる測位精度を改善する：ディファレンシャル補正。 広域ディファレンシャル補正方式：衛星クロック・軌道、電離層伝搬遅延、対流圏伝搬遅延を個別に補正　→　大陸規模の広い範囲で有効な補正情報。 補正により、1m程度の測位精度が得られる。 基本的な仕組み： 地上監視局でGPS信号をモニタ。 距離測定の誤差要因を、衛星ク ロック・軌道、電離層伝搬遅延、 対流圏伝搬遅延に分解。 誤差要因別に補正情報を生成、 メッセージにして伝送。 対流圏 電離層 GPS衛星 ユーザ 軌道誤差 クロック誤差

補強サービスの機能（３） 擬似距離の測定 SBAS衛星までの距離を受信機が測定し、位置計算に利用するための機能。 June 2010 - Slide 8 補強サービスの機能（３） 擬似距離の測定 SBAS衛星までの距離を受信機が測定し、位置計算に利用するための機能。 SBAS信号のRF特性はGPS信号と同一なので、GPSの場合と同様の方法により距離を測定できる。 SBAS衛星の軌道情報は、SBASメッセージ（タイプ９）により提供する。 距離の測定精度はSBAS信号の帯域幅で 決まる。 基本的な仕組み： GPSとほぼ同期したタイミングで SBAS信号を生成・放送。 複数の地上監視局で測定した 擬似距離を利用して、SBAS衛星の 軌道情報を生成・放送する。 時間差から 距離を算出 光速で伝搬 GPS衛星 ユーザ

June 2010 - Slide 9 （２） 準天頂衛星 L1-SAIF補強信号の概要

準天頂衛星のメリット 高仰角からサービスを提供可能。 山間部や都市部における測位・放送ミッションに有利。 東経135度を中心に配置 June 2010 - Slide 10 準天頂衛星のメリット 経度（度） 緯度（度） 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。 山間部や都市部における測位・放送ミッションに有利。 東経135度を中心に配置 離心率0.1　軌道傾斜角45度

準天頂衛星の軌道 低軌道衛星（LEO） NNSS（極軌道） 傾斜地球同期軌道（IGSO） ＝（南北対称な）８の字軌道 中軌道衛星（MEO） June 2010 - Slide 11 準天頂衛星の軌道 低軌道衛星（LEO） NNSS（極軌道） 傾斜地球同期軌道（IGSO） ＝（南北対称な）８の字軌道 中軌道衛星（MEO） GPS, GLONASS, Galileo 静止軌道（GEO） 高度35,786km SBAS 地球 準天頂衛星の 軌道 経度（度） 緯度（度） 東経135度を中心に配置 離心率0.1　軌道傾斜角45度

全体構成 GPS衛星 QZSS衛星 ユーザ受信機 主統制局 （MCS：Master Control Station） 関係機関が実験を実施 June 2010 - Slide 12 全体構成 関係機関が実験を実施 時刻管理系：NICT 広域ＤＧＰＳ補正：ENRI など SLR局 モニタ局ネットワーク GPS衛星 TT&C・航法メッセージアップリンク局 GEONET （国土地理院） 時刻同期 管理局 QZSS衛星 ユーザ受信機 衛星レーザ測距（SLR） 測位信号 L1CA/L1C/L1-SAIF: 1575.42 MHz L2C: 1227.60 MHz L5: 1176.45 MHz LEX: 1278.75 MHz TT&C / NAV Message Uplink 双方向時刻同期信号 Up: 4.43453GHz Down: 12.30669GHz （JAXA QZSS PT提供の図より） 主統制局　（MCS：Master Control Station） L1CA/L1C*: 1575.42 MHz L5*: 1176.45 MHz *今後対応予定

準天頂衛星初号機（QZS-1） 25.3m L1-SAIF Antenna L-band Helical Array Antenna June 2010 - Slide 13 準天頂衛星初号機（QZS-1） L-band Helical Array Antenna L1-SAIF Antenna Laser Reflector C-band TTC Antenna Radiation Cooled TWT TWSTFT Antenna 25.3m 質量 Approx. 1,800kg (dry) (NAV Payload：Approx. 320kg) 発生電力 Approx. 5.3 kW (EOL) (NAV Payload: Approx. 1.9kW) 設計寿命 10 years （図：JAXA QZSS PT）

QZSSの放送信号 信号名 周波数 帯域幅 最低受信電力 QZS-L1C L1CD 1575.42 MHz 24 MHz June 2010 - Slide 14 QZSSの放送信号 信号名 周波数 帯域幅 最低受信電力 QZS-L1C L1CD 1575.42 MHz 24 MHz –163.0 dBW L1CP – 158.25 dBW QZS-L1-C/A – 158.5 dBW QZS-L1-SAIF – 161.0 dBW QZS-L2C 1227.6 MHz – 160.0 dBW QZS-L5 L5I 1176.45 MHz 25 MHz – 157.9 dBW L5Q QZS-LEX 1278.75 MHz 42 MHz – 155.7 dBW 補完信号 （JAXA） 補強信号 （ENRI） 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 補強信号 （JAXA/GSI）

補完と補強 補完信号 補強信号 測位衛星として動作： 準天頂衛星による補完： 追加的な情報を提供： 準天頂衛星による補強： June 2010 - Slide 15 補完と補強 補完信号 補強信号 測位衛星として動作： 距離測定が可能＝測位衛星が１機増える効果。 測位衛星が不足（４機に満たない）して測位できなくなる状況を減らす。 準天頂衛星による補完： GPSに対する補完。 GPSとほぼ互換の信号形式で放送（対応受信機開発の負担軽減）。 日本上空の滞空時間がGPS衛星より長い：日本付近に対して効率的にサービス。 追加的な情報を提供： 測位精度や信頼性を向上するための補強情報を放送。 すべてのGPS衛星について補強情報を提供する。 準天頂衛星による補強： 補強信号は、補完信号としての機能も有する（距離の測定に使える）。 GLONASSやGalileoの補強も可能（現在のところ未対応）。 L1-SAIFはGPSに近い信号形式により放送（対応受信機開発の負担軽減）。

L1-SAIF開発体制 電子航法研究所が開発を担当： システム開発はほぼ完了： June 2010 - Slide 16 L1-SAIF開発体制 電子航法研究所が開発を担当： 国土交通省（研究開発４省）総合政策局の委託を受けて、高精度測位補正実験システムの開発を実施。 具体的には、補強信号（L1-SAIF）の信号形式の設計、プロトタイプ受信機の開発、補正情報リアルタイム生成・配信システムの開発を行ってきた。 システム開発はほぼ完了： H21年度にJAXA主制御局と接続して連接稼動試験を実施、良好な結果を得た。 H15年度 H16 H17 H18 H19 H20 H21 H22 補正情報 生成方式開発 高精度測位補正 実験システム開発 評価試験 方式調査・ 評価検討 補正情報リアルタイム 生成・配信システム開発 総合試験 技術実証実験 評価用ソフトウェア 作成 プロトタイプ受信機開発 官民連携プログラム開始 H18.3 計画見直し H22夏期 準天頂衛星打上げ

L1-SAIF信号形式 航空用補強システムSBASと同一のフォーマット： 補強メッセージの内容： June 2010 - Slide 17 L1-SAIF信号形式 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 この順に送信

L1-SAIF性能試験例 L1-SAIF補強 GPS単独測位 東西方向誤差（m） 南北方向誤差（m） June 2010 - Slide 18 L1-SAIF性能試験例 L1-SAIF補強 GPS単独測位 東西方向誤差（m） 南北方向誤差（m） 電子基準点940058（高山）におけるユーザ測位誤差。 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 1.45 m 2.92 m 6.02 m 8.45 m システム GPS単独 0.29 m 0.39 m 1.56 m 2.57 m L1-SAIF 補強 RMS 最大

June 2010 - Slide 19 （３） 準天頂衛星による SBAS信号の放送

準天頂衛星の座標と速度 GPSで用いるECEF直交座標系（原点：地球重心、X軸：北緯・東経0度の方向、Z軸：自転軸）。 June 2010 - Slide 20 準天頂衛星の座標と速度 GPSで用いるECEF直交座標系（原点：地球重心、X軸：北緯・東経0度の方向、Z軸：自転軸）。 現行IS-QZSSのパラメータ（離心率0.075、軌道傾斜角43度、近地点引数270度）。

距離とその変化率 東京・稚内・那覇の各地点からの距離とその変化率に換算した結果。 距離は遅延時間に、距離の変化率はドップラシフトに対応する。 June 2010 - Slide 21 距離とその変化率 東京・稚内・那覇の各地点からの距離とその変化率に換算した結果。 距離は遅延時間に、距離の変化率はドップラシフトに対応する。

準天頂衛星の軌道の影響 準天頂衛星の位置による影響： 準天頂衛星の移動による影響： たとえば、東京からだと39033kmまで遠ざかる。 June 2010 - Slide 22 準天頂衛星の軌道の影響 準天頂衛星の位置による影響： たとえば、東京からだと39033kmまで遠ざかる。 遅延時間は0.130秒。東経140度にある静止衛星の場合（37144km、0.124秒）と大きな違いはない。 この距離差による受信電力の差は-0.43dB程度でそれほど大きくない。 静止衛星と違い、ECEF座標系でのZ座標値が比較的大きい（静止衛星の場合は0付近）　→　タイプ９メッセージで表現しきれない。 準天頂衛星の移動による影響： 視線方向速度が最大で200m/s程度となる（静止衛星の場合は0付近）。 GPS L1周波数では1kHz程度のドップラシフトとなる（L1周波数の0.0000634%）。 通常のGPS受信機はSBAS信号についても10kHz程度までのドップラシフトを許容するので、それほど問題とはならない。

SBASメッセージ：タイプ９ データ ビット数 範囲 分解能 備考 予備 8 — エポック時刻 t0 13 0～86384 s 16 s June 2010 - Slide 23 SBASメッセージ：タイプ９ データ ビット数 範囲 分解能 備考 予備 8 — エポック時刻 t0 13 0～86384 s 16 s 日内時刻 URA 4 0～15 インデックス値 X 30 ±42949673 m 0.08 m 静止衛星を想定 座標 Y Z 25 ±6710886.4 m 0.4 m VX 17 ± 40.96 m/s 0.625 mm/s 速度 VY VZ 18 ± 524.288 m/s 4.0 mm/s AX 10 ± 6.4 mm/s2 0.0125 mm/s2 加速度 AY AZ ± 32.0 mm/s2 0.0625 mm/s2 クロック補正 af0 12 ±0.9537 ms 2-31 s GPSより厳しい af1 ±0.11642 ns/s 2-40 s/s 準天頂衛星の軌道を表現できない

メッセージ伝送にかかる時間 準天頂衛星はストアアンドフォワード型： メッセージ伝送時間に対する要求： 航空用航法システムとしての認証も必要： June 2010 - Slide 24 メッセージ伝送にかかる時間 準天頂衛星はストアアンドフォワード型： RF信号の生成は衛星上で行う。 変調データについては搭載計算機（NOC）が生成・出力する：地上施設からTTC回線経由で受信したメッセージをNOCが処理し、タイミングを見計らって出力する。 地上施設側は、毎秒1個のメッセージをTTC回線経由でNOCにアップリンクする：航法メッセージのように、あらかじめ蓄積したデータを繰り返し送信するのではない。 TTC回線によるメッセージ入力から、RF信号として出力されるまでに、少なくとも2～3秒かかる（NOC試験結果より）。 メッセージ伝送時間に対する要求： 航空用航法システムでは、安全確保のため、インテグリティ要件に警報時間（TTA：time to alert）の規定が含まれている。 メッセージ伝送に要する時間を考慮したとき、警報時間が規定を満たすか？ 航空用航法システムとしての認証も必要： システム全体（ハード／ソフト、運用も含む）にわたる信頼性・安全性について認証を受ける（比較的厳しい）。NOCも対象となる。

トランスポンダ型：MSAS スペース セグメント 地上施設 ユーザ June 2010 - Slide 25 トランスポンダ型：MSAS メッセージ 生成 変調器 アンプ 周波数変換 地上施設 スペース セグメント 周波数標準 ユーザ ベントパイプ トランスポンダ 信号生成系 アップリンク ダウンリンク 地上施設でSBAS信号を生成し、衛星側は受信した信号をそのまま送り返す（周波数変換のみ）：ベントパイプトランスポンダ。 衛星側の機器構成が単純：応答が早く、また認証の対象は地上系のみ。 地上施設には送信周波数維持や送信電力制御のためのフィードバック制御が必要。

ストアアンドフォワード型：QZSS スペース セグメント 地上施設 ユーザ June 2010 - Slide 26 ストアアンドフォワード型：QZSS メッセージ 生成 アンプ 送信機 搭載計算機 地上施設 スペース セグメント 受信機 変調器 周波数標準 ユーザ 信号生成系 衛星通信 地上施設ではSBASメッセージだけを生成し、SBAS信号の生成は衛星側で行う。 周波数標準は衛星側に搭載：測距信号としての品質は良好となる。 衛星側の機器構成が複雑：応答に時間がかかり、また認証も対象となる。 地上施設は比較的簡単な構成ですむ。

警報時間（TTA）の制約 警報時間（TTA：time to alert）＝インテグリティ上の要件： トランスポンダ型が有利： June 2010 - Slide 27 警報時間（TTA）の制約 警報時間（TTA：time to alert）＝インテグリティ上の要件： 航法系が警報限界を超える位置誤差を生じる可能性がある場合には、航法装置が警報を出す必要がある。具体的には航法ディスプレイに異常フラグが現れる。 警報時間：警報限界を超える位置誤差が生じてから、警報が現れるまでの時間。 SBASの性能要件は、警報時間について、航空路・ターミナル空域では5分～15秒以内、非精密進入では10秒以内、精密進入では6秒以内であること。 トランスポンダ型が有利： 実際のSBASでは、トランスポンダ型でもTTA=6秒がぎりぎり。ストアアンドフォワード型では実質的に不可能。

SBAS信号送信における制約 機能・性能 要件 SBAS信号の 放送 メッセージの 伝送 擬似距離の 測定 インテグリティ 状況 June 2010 - Slide 28 SBAS信号送信における制約 機能・性能 要件 SBAS信号の 放送 メッセージの 伝送 擬似距離の 測定 インテグリティ 状況 特に問題なし 利用不可 精密進入サービスは不可 原因 現行SBAS受信機の仕様内で捕捉・追尾可能 現行SBAS受信機の仕様内で受信・復号可能 現行SBAS規格のタイプ9メッセージでは軌道情報を伝送できない 現行設計の準天頂衛星ではTTA（警報時間）が大きい 当面の対策 — 測距機能を利用しない 当面はAPV-I進入サービスまでとする（認証には課題あり） 解決策 新しいメッセージを定義する（SBAS規格の改訂が必要） メッセージアップリンク系統の設計を変更するか，SBAS信号用のトランスポンダを搭載する

まとめ 準天頂衛星によるSBASサービス（日本ではMSAS）実施の可能性： SBASサービスの要件： 準天頂衛星初号機についての検討結果： June 2010 - Slide 29 まとめ 準天頂衛星によるSBASサービス（日本ではMSAS）実施の可能性： 高価な人工衛星を個別のサービスごとに打ち上げるのは効率的とはいえない。 具体的には、準天頂衛星によりMSASサービスを実施できないか検討した。 SBASサービスの要件： RF信号仕様及びSBASメッセージについてはすでに定義されている。 特にインテグリティ（完全性）に関する要件が厳しい。警報時間について、精密進入では6秒以内との要求がある。 準天頂衛星初号機についての検討結果： L1-SAIF補強信号を利用するならば、RF信号には互換性がある。 現行のSBAS規格では、準天頂衛星の軌道情報を伝送できない：測距機能を利用しないか、あるいはSBAS規格を改訂する必要がある。 警報時間（TTA）の要件を満たさない：精密進入サービスを実施しないか、あるいはSBAS用トランスポンダを搭載する。 いずれにしても、航空用航法システムとしての厳しい認証を受ける必要がある。