L1-SAIF信号における電離圏補強情報の調整 第59回宇宙科学技術連合講演会 かごしま県民交流センター Oct. 7-9, 2015 2H10 L1-SAIF信号における電離圏補強情報の調整 坂井 丈泰、 北村 光教、伊藤 憲 電子航法研究所

Introduction 準天頂衛星システム（QZSS）： L1-SAIF補強信号による測位精度： Oct. 2015 Introduction 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補完信号に加え、補強信号を放送。補強信号：L1-SAIF、LEXの２種類。 初号機「みちびき」を２０１０年９月に打ち上げ、技術実証実験を実施中。 L1-SAIF補強信号による測位精度： GPS L1 C/A信号と同一方式の信号でサブメータ級の測位精度を提供する補強信号。 通常時は所期の測位精度を達成。 電離圏活動活発期に、特に南西諸島において測位精度が劣化するため、対策を検討している。 内容：　 （１） 準天頂衛星システムL1-SAIF補強信号 （２） 通常時の測位精度と、電離圏活動活発期における測位精度 （３） 補強情報の調整による精度改善方式の検討 　　　　　　 （４） 実験による性能評価

準天頂衛星システムの構想 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。 Oct. 2015 準天頂衛星システムの構想 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。 高仰角から放送する情報により、GPS衛星の捕捉を支援できる。 東経135度を中心に配置 初号機「みちびき」： 離心率0.075、軌道傾斜角43度

Space Segment: QZS-1 L1-SAIF Antenna 25.3m Oct. 2015 Space Segment: QZS-1 L-band Helical Array Antenna L1-SAIF Antenna Laser Reflector C-band TTC Antenna Radiation Cooled TWT TWSTFT Antenna 25.3m Successfully launched on Sept. 11, 2010 and settled on Quasi-Zenith Orbit (IGSO). Nickname: “Michibiki” Mass 4,020kg (wet) 1,802kg (dry) (NAV Payload：320kg) Power Approx. 5.3 kW (EOL) (NAV Payload: Approx. 1.9kW) Design Life 10 years

準天頂衛星の機能 GPS補完機能： L1C/A, L2C, L5, L1C信号 GPS補強機能： L1-SAIF, LEX信号 Oct. 2015 準天頂衛星の機能 GPS補完機能：　L1C/A, L2C, L5, L1C信号 GPS補完信号として、GPS信号に似た測位信号を放送。 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。 ユーザ側は、既存GPS受信機のソフトウェア改修程度で対応できる。 宇宙航空研究開発機構（JAXA）が技術実証実験を実施。 GPS補強機能：　L1-SAIF, LEX信号 すべてのGPS衛星を対象として、ディファレンシャル補正情報等を補強信号に乗せて放送する。 L1-SAIF信号：移動体測位用。補強信号の国際標準SBASと同じ信号形式。 ユーザ側は、既存SBAS対応受信機のソフトウェア改修程度で対応できる。 電子航法研究所がL1-SAIF補強信号の開発を担当。衛星打上げ後に技術実証実験を行い、現在も引き続き実験を実施中。

SAIF： Submeter Augmentation with Integrity Function Oct. 2015 L1-SAIF補強信号 一つの信号で３つの機能 補強信号 （補完機能） ①補完機能 準天頂衛星 GPS衛星群 補強信号 （誤差補正） ②誤差補正機能 測位信号 補強信号 （信頼性付与） ③信頼性付与機能 一つの補強信号で３つの機能：補完機能（レンジング）・誤差補正（目標精度=1m）・信頼性付与。 ユーザ側では、１つのGPSアンテナによりGPSとL1-SAIFの両信号を受信：受信機の負担軽減。 ユーザ （GPS受信機） SAIF： Submeter Augmentation with Integrity Function

サブメータ級補強の仕組み 準天頂衛星 GPS衛星 さまざまな誤差を補正 信頼性の情報 クロック誤差 補強情報 軌道誤差 Oct. 2015 サブメータ級補強の仕組み 対流圏 電離層 測距機能 準天頂衛星 GPS衛星 0100101001…… 補強情報 さまざまな誤差を補正 信頼性の情報 高仰角 ユーザ（１周波GPSアンテナ） 軌道誤差 クロック誤差

L1-SAIF実験局（L1SMS） L1-SAIF実験局（L1SMS：L1-SAIF Master Station）: Oct. 2015 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。 電子航法研究所構内（東京都調布市）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。 L1SMS GEONET 準天頂衛星 QZSS主制御局 GPS衛星 測定 データ L1-SAIF メッセージ 国土地理院 （配信拠点＝新宿） 電子航法研究所 （東京都調布市） JAXA地上局 （つくば） L1-SAIF信号 測位信号 アップリンク ループ アンテナ

リアルタイム動作試験 東西方向誤差（m） 南北方向誤差（m） Horizontal Error Vertical 1.45 m 2.92 m Oct. 2015 リアルタイム動作試験 Standalone GPS L1-SAIF Augmentation 東西方向誤差（m） 南北方向誤差（m） L1-SAIF補強 GPS単独測位 6 reference stations User location for this test L1-SAIF expe- rimental area Horizontal Error Vertical 1.45 m 2.92 m 6.02 m 8.45 m System Standalone GPS 0.29 m 0.39 m 1.56 m 2.57 m w/ L1-SAIF RMS Max 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） 使用衛星：GPSのみ Note: Results shown here were obtained with geodetic-grade antenna and receivers at open sky condition.

最大の誤差要因：電離層伝搬遅延 電離層 遅延マップ （NASA/JPL） 赤道異常：磁気赤道の南北にある、電子密度が高い領域。 Oct. 2015 最大の誤差要因：電離層伝搬遅延 電離層 遅延マップ （NASA/JPL） 赤道異常：磁気赤道の南北にある、電子密度が高い領域。 常に存在するが、密度や大きさの変化を予測することは難しい。 特に南西諸島方面では電離層伝搬遅延を補正しきれず、誤差となってあらわれる。

電離圏活動活発期の測位精度 南西諸島での例（960735 和泊） 北海道での例（950114 北見） Oct. 2015 電離圏活動活発期の測位精度 LT 14:00 南西諸島での例（960735 和泊） 北海道での例（950114 北見） 2013年10月23～26日（4日間、Kp指数～7+）のユーザ測位誤差（L1-SAIF補強あり） 。 南西諸島で測位精度が大幅に劣化する。 二周波数モードでは劣化は大きくない。また、北海道では一周波数モードと二周波数モードで同様な精度となっている。　→原因は電離圏伝搬遅延にある。

電離圏伝搬遅延の補正量 南西諸島（960735 和泊） 北海道（950114 北見） Oct. 2015 電離圏伝搬遅延の補正量 PRN20 PRN28 5m 南西諸島（960735 和泊） 北海道（950114 北見） 南西諸島では、実際の遅延量に対して補正量が5m以上違ってしまっている。 測位精度の劣化は、電離圏伝搬遅延の補正残差に原因がある。 より正確な補正情報を生成する必要がある。

L1-SAIFの電離圏伝搬遅延補正 120 150 180 30 60 Longitude, E Latitude, N Oct. 2015 L1-SAIFの電離圏伝搬遅延補正 120 150 180 30 60 Longitude, E Latitude, N 15 45 IGP 広域補強を行うL1-SAIF補強信号では、広い範囲にわたって有効な補正値が必要。 5度×5度の格子点（IGP）における補正値を放送する。 ユーザは、各衛星から到来する測距信号の電離層通過点（ユーザIPP）を求め、その位置の補正値を内挿により求める。 補正精度は、モニタ局の配置に依存する。 IGP ユーザIPP

メッセージタイプ26：電離圏遅延補正 メッセージタイプ26：電離圏伝搬遅延量 IGPにおける垂直遅延量を伝送。 Oct. 2015 メッセージタイプ26：電離圏遅延補正 メッセージタイプ26：電離圏伝搬遅延量 IGPにおける垂直遅延量を伝送。 メッセージタイプ26のメッセージ１個で、15ヶ所のIGPにおける遅延量を伝送できる。 メッセージタイプ26：電離圏伝搬遅延量 Repeat Content Bits Range Resolution 1 IGP Band ID 4 0 to 10 IGP Block ID 0 to 13 15 IGP Vertical Delay 9 0 to 63.875 m 0.125 m GIVEI (Table) — IODI 2 0 to 3 Spare 7

GIVEI (GIVE Index) GIVEI （Grid Ionosphere Vertical Error Index） Oct. 2015 GIVEI (GIVE Index) GIVEI （Grid Ionosphere Vertical Error Index） 4ビットのインデックスで、換算表によりσGIVEを得る。 電離圏遅延量の補正後の残差の大きさを表す。 GIVE値の効果 保護レベルの計算にあたり、擬似距離の補正後の精度の計算に用いられる。 GIVE値が大きいと、保護レベルが大きくなる。 補正後の擬似距離の重みが下がる。 GIVEI=15 (Not Monitored）：当該IGPについては、電離圏遅延量の情報がない。 ユーザ側IPPの周囲4個のIGPのうち、2個以上がNot Monitoredの場合は、そのIPPについては補正ができない（その擬似距離は使えない）。 GIVEI 3.29 σGIVE 0.3 m 4 1.5 m 8 2.7 m 12 6.0 m 1 0.6 m 5 1.8 m 9 3.0 m 13 15.0 m 2 0.9 m 6 2.1 m 10 3.6 m 14 45.0 m 3 1.2 m 7 2.4 m 11 4.5 m 15 Not Mon

補正精度の評価 ユーザ側IPPにおける、 観測値と補正情報による推定値の差 4:30 北海道（950114 北見） 4:30 Oct. 2015 補正精度の評価 ユーザ側IPPにおける、 観測値と補正情報による推定値の差 Difference, m 4:30 北海道（950114 北見） Over 2.5m Difference, m 4:30 南西諸島（960735 和泊）

| I(fIPP_i, lIPP_i) - IIPP_i | Oct. 2015 補正値の品質 MCS自身で補正値の品質をチェックできる。 補正値の生成に使用した観測データを、補正情報でチェックする。 例：嵐検出アルゴリズム：残差に対してカイ二条検定を行うもの（すでに実装済み）。 すべてのIPPについて、観測データと推定値の差を計算する。 IPPで観測された電離圏垂直遅延量 生成された補正情報により、IPP位置に 　おける補正値を計算した結果 差が大きい場合 　＝そのIPPにおいて補正に使用される 　　　補正情報が有効ではない。 　　　　　　　　　　　　　　たとえばこのあたり Difference, m | I(fIPP_i, lIPP_i) - IIPP_i | ^ MCS側IPPにおける、 観測値と補正情報による推定値の差

電離圏補強情報の調整 補正値が有効でないIPPを検出した場合に、GIVEIを調整する： Oct. 2015 電離圏補強情報の調整 補正値が有効でないIPPを検出した場合に、GIVEIを調整する： 赤道異常のため、当該IPPの南側には、電離圏の不規則性がある可能性がある。 IPPにおける観測値と補正値の差がスレッショルドを超えた場合に、そのIPPよりも南側にあるすべてのIGPについて、 QC-NM： スレッショルドTHNMを超えたら 　‘Not Monitored’ (NM)をセットする。 QC-45：　スレッショルドTH45を超えたら 　最大値（GIVE=45m）をセットする。 Difference, m QC-45： TH45=3.0mを超えている2個のIPP（赤丸）のため、20N以南のIGPはすべてGIVE=45mにセットされる。 QC-NM： THNM=5.0mを超えているIPP（黒丸）のため、15N以南のIGPはすべてGIVE=Not Monitoredにセットされる。

|I(fIPP_i, lIPP_i)-IIPP_i| : TH Oct. 2015 電離圏補強情報の調整 For All IPPs For All IGPs For All IGPs > fIGP_k : fIPP_i IPP I における補正値を求める： I(fIPP_i, lIPP_i) ^ IGP k の 補正情報を生成 < |I(fIPP_i, lIPP_i)-IIPP_i| : TH ^ GIVE = NM or 45mを IGP k にセット > < 観測データ 補正情報 から計算 通常の 補正アルゴリズム 今回の追加分：GIVEIを調整する

実験：モニタ局の配置 GEONETを利用 国土地理院のGPS観測ネットワーク 30秒データ（RINEXファイル）を使用 Oct. 2015 実験：モニタ局の配置 GEONETを利用 国土地理院のGPS観測ネットワーク 30秒データ（RINEXファイル）を使用 L1-SAIF実験局： RINEXファイルによるオフラインモード GEONETの6局を使用： MSASや通常運用のL1-SAIFの設定に近い、 モニタ局 (a)～(f) を使用して補強情報を生 成。 評価用ユーザ局： GEONETの5局を使用： 北海道から南西諸島までの評価局 (1)～(5) L1-SAIF実験局が生成した補強情報を適 用して、各地点でのユーザ測位誤差を算 出。

ベースライン性能 南西諸島 ＝ (5) 和泊 北海道 ＝ (1) 北見 Oct. 2015 ベースライン性能 南西諸島　＝ (5) 和泊 北海道 ＝ (1) 北見 実験期間： 2011年10月23～26日（強い電離圏嵐： Kp~7+） L1-SAIF実験局のパラメータ： GMS局数 = 6, 電離圏補強 = Planar Fit

GIVEI調整あり (QC-45) 南西諸島 ＝ (5) 和泊 北海道 ＝ (1) 北見 Oct. 2015 GIVEI調整あり (QC-45) 南西諸島　＝ (5) 和泊 北海道 ＝ (1) 北見 GIVEI調整あり： TH45=1.0m (QC-45) and THNM= (No QC-NM). 南西諸島において若干の改善がみられる。 測位処理のアベイラビリティには低下はみられない（測位処理ができなくなることはない）。

GIVEI調整あり (QC-45+QC-NM) Oct. 2015 GIVEI調整あり (QC-45+QC-NM) 南西諸島　＝ (5) 和泊 北海道 ＝ (1) 北見 GIVE調整あり： TH45=2.0m (QC-45) and THNM=3.0m (QC-NM). 明らかな改善効果はみられない。 測位処理のアベイラビリティが低下している（測位処理ができなくなることがある）。

GIVEI調整の効果 10% QC-45のみ適用 QC-45及びQC-NMを適用 QC-45： 10%程度の改善がみられる。 Oct. 2015 GIVEI調整の効果 10% No loss of Availability QC-45のみ適用 QC-45及びQC-NMを適用 QC-45： 10%程度の改善がみられる。 QC-NM： 改善は明らかではなく、アベイラビリティの低下がある。

Conclusion 電子航法研究所では L1-SAIF補強信号を開発 性能低下の要因：電離圏擾乱 検討課題： Oct. 2015 Conclusion 電子航法研究所では L1-SAIF補強信号を開発 信号形式： GPS/SBAS-like L1 C/A code (PRN 183) 移動体ユーザに対する補強情報の伝送に利用することを想定 性能低下の要因：電離圏擾乱 日本の大部分の地域では、L1-SAIF補強信号により1m程度の測位精度を達成。 特に南西諸島地方において、電離圏擾乱現象により測位精度が低下する場合がある。 このような現象の対策として、電離圏遅延量の観測値と補正値の差にもとづいて、補強情報を調整することを試みた。 実験の結果、10%程度の精度改善を期待できることがわかった。 検討課題： 本方式について、他の時期のデータによる性能検証。 電離圏補強情報の品質を改善する他の手法の検討。 外部データ（宇宙天気情報やGNSS以外のセンサなど）の利用。 日本以外のアジア諸国における性能改善手法。