電子航法研究所 坂井 丈泰 準天頂衛星 L1-SAIF 信号における GLONASS エフェメリスの更新制御 準天頂衛星 L1-SAIF 信号における GLONASS エフェメリスの更新制御 GPS/GNSS シンポジウム 東京海洋大学 Oct. 26, 2012.

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1 電子航法研究所 坂井 丈泰 準天頂衛星 L1-SAIF 信号における GLONASS エフェメリスの更新制御 準天頂衛星 L1-SAIF 信号における GLONASS エフェメリスの更新制御 GPS/GNSS シンポジウム 東京海洋大学 Oct. 26, 2012

2 Oct. 2012 - Slide 1 はじめに 準天頂衛星システム（ QZSS ）： 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：L1-SAIF 補強信号： – サブメータ級の測位精度を提供する補強信号。 –GPS L1 C/A 信号と同一の周波数・変調方式：受信機ハードウェアは変更 不要。 – 補強対象に GLONASS を加えることでアベイラビリティの改善を図る。 → エフェメリスの更新制御が必要。 内容： （１） 準天頂衛星システム L1-SAIF 補強信号 内容： （１） 準天頂衛星システム L1-SAIF 補強信号 （２） エフェメリス情報の更新制御 （２） エフェメリス情報の更新制御 （３） 実験結果の例（ GPS+GLONASS の補強） （３） 実験結果の例（ GPS+GLONASS の補強）

3 Oct. 2012 - Slide 2 （１）準天頂衛星システム L1-SAIF 補強信号

4 Oct. 2012 - Slide 3 準天頂衛星システムの構想 東経 135 度を中心に配置 東経 135 度を中心に配置 初号機「みちびき」： 初号機「みちびき」： 離心率 0.075 、軌道傾斜角 43 度 高仰角からサービスを提供可能。 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。 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。 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。 準天頂衛星（ QZS ） GPS や静止衛星

5 Oct. 2012 - Slide 4 準天頂衛星の機能 GPS 補完機能： L1C/A, L2C, L5, L1C 信号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。

6 Oct. 2012 - Slide 5 L1-SAIF 補強信号 ユーザ （ GPS 受信機） 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。 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。 SAIF ： Submeter Augmentation with Integrity Function 補強信号（補完機能） 補強信号（誤差補正） 補強信号（信頼性付与） 準天頂衛星 GPS 衛星群 測位信号 ①補完機能 一つの信号で３つの機能 ③信頼性付与機能 ②誤差補正機能

7 Oct. 2012 - Slide 6 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 さまざまな誤差を補 正 信頼性の情報 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

8 Oct. 2012 - Slide 7 L1-SAIF 実験局（ L1SMS ： L1-SAIF Master Station ） :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。 L1-SAIF 実験局（ L1SMS ） L1SMSGEONET 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 測位信号 アップリンク ループ アンテナ

9 Oct. 2012 - Slide 8 L1-SAIF 実験局の外観 電子基準点データリアルタイム収集システム 補正情報リアルタイム生成・配信装置 通信用ルータ装置 データサーバ

10 Oct. 2012 - Slide 9 リアルタイム動作試験 電子基準点 940058 （高山）におけるユー ザ測位誤差。 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。 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） 実験期間： 2008 年 1 月 19 ～ 23 日 （ 5 日 間） 水平測位誤差垂直測位誤差 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 RMS 最大 L1-SAIF 補強 GPS 単独測位 東西方向誤差（ m ） 南北方向誤差（ m ）

11 Oct. 2012 - Slide 10 （２）エフェメリス情報の更新制御

12 Oct. 2012 - Slide 11 GLONASS の利用 準天頂衛星 衛星数の増加によるアベイラビリティ改善。 衛星数の増加によるアベイラビリティ改善。 単一の補強信号により、 GPS と GLONASS の両方を同時に補強する。 単一の補強信号により、 GPS と GLONASS の両方を同時に補強する。 補強情報生成にあたっての GPS と GLONASS の違い： 補強情報生成にあたっての GPS と GLONASS の違い：  FDMA を採用  エフェメリスに IODE がない  時刻系と座標系が異なる  衛星位置の計算手順  PRN 番号 GPS 衛星 GLONASS 衛星を 併用 補強信号による補強

13 Oct. 2012 - Slide 12 GLONASS 衛星のエフェメリス ItemBitsRangeResolutionContents tbtb 7 15 ～ 1425 min 15 minEpoch time nn 22  2 - 9 s 2 - 30 sClock correction (const) nn 11  2 - 30 s/s 2 - 40 s/sClock correction (1 st order) x 27  27000 km 2 - 11 kmPosition X in ECEF y 27  27000 km 2 - 11 kmPosition Y in ECEF z 27  27000 km 2 - 11 kmPosition Z in ECEF vx 24  4.3 km/s 2 - 20 km/sVelocity X in ECEF vy 24  4.3 km/s 2 - 20 km/sVelocity Y in ECEF vz 24  4.3 km/s 2 - 20 km/sVelocity Z in ECEF 5  6.2  m/s 2 2 - 30 km/s 2 Acceleration X in ECEF (only perturbation) 5  6.2  m/s 2 2 - 30 km/s 2 Acceleration Y in ECEF (only perturbation) 5  6.2  m/s 2 2 - 30 km/s 2 Acceleration Z in ECEF (only perturbation) Total208 x y z......

14 Oct. 2012 - Slide 13 L1-SAIF の長期補正情報 長期補正：衛星位置とクロックの補正値（クロックは別に高速補正も ある）。 長期補正：衛星位置とクロックの補正値（クロックは別に高速補正も ある）。 メッセージタイプ 24 or 25 で送信。 メッセージタイプ 24 or 25 で送信。 IOD ＝ GPS 衛星のエフェメリスの IODEIOD ＝ GPS 衛星のエフェメリスの IODE （ IS-QZSS v1.4 より）

15 Oct. 2012 - Slide 14 エフェメリスの更新制御（ＧＰＳ） GPS エフェメリスの発行番号 IODE ：GPS エフェメリスの発行番号 IODE ： – エフェメリス情報には発行番号 IODE （ Issue of Data, Ephemeris ）が付けられてお り、 IODE の変化によりエフェメリス情報が更新されたことを知ることができる。 –IODC （ Issue of Data, Clock ）もあるが、下 8 ビットは常に IODE と同一。クロック 補正情報だけが更新されることはない。 エフェメリスの更新制御： エフェメリスの更新制御： – ディファレンシャル補正を正しく行うには、センタ側とユーザ側で使用するエフ ェメリス情報を一致させることが必要。 – 各衛星の長期補正情報には、それぞれ IOD （ Issue of Data ）番号が付けられている。 – ユーザ受信機は、それぞれの衛星について、 IOD と一致する IODE をもつエフェメ リスを使用する。  ユーザ受信機が必要なエフェメリスを確実に受信するよう、エフェメリスの切替えから IOD を変更するまでに遅れをもたせている（後の説明のパラメータ D ）。  RTCM SC-104 メッセージのディファレンシャル補正情報も同じ。 Ephemeris #2 (IODE=2) Ephemeris #1 (IODE=1) Ephemeris #3 (IODE=3) LTC #2 IOD=2 LTC #3 IOD=2 LTC #4 IOD=2 LTC #1 IOD=1 LTC #5 IOD=3

16 Oct. 2012 - Slide 15 エフェメリスの更新制御（ＧＬＯＮ ＡＳＳ） t LT V L Ephemeris #2 LTC #2 Ephemeris #1 Ephemeris #3 t LT V L LTC #1 t LT V L LTC #3 GLONASS エフェメリスの更新制御：GLONASS エフェメリスの更新制御： –GLONASS エフェメリスには、 GPS エフェメリスの IODE に相当する情報が存在し ない。 – このため、 IOD を有効時間（ V ）と遅れ時間（ L ）から構成する（ SBAS 規格での措 置）。 – ユーザ受信機は、それぞれの衛星について、 IOD に示された時間範囲内に受信した エフェメリスを使用する。  t LT ：長期補正情報のエポック時刻、 t r ：エフェメリス情報を受信した時刻。  遅れ時間（Ｌ）：エフェメリスの切替えがあった場合に、一定時間の間は古いエフェメ リスを使用する必要があることから設けられている値。  有効時間（Ｖ）：なるべく長いほうが好ましいが、エフェメリスの切替えに配慮して設 定する。 項目ビット配置分解能有効範囲 有効時間（ V ） IOD の上位 5 ビッ ト 30 秒 30 ～ 960 秒 遅れ時間（ L ） IOD の下位 3 ビッ ト 30 秒 0 ～ 120 秒 を満たすこと

17 Oct. 2012 - Slide 16 IOD パラメータの計算方法 t update D tbtbtbtb tbtbtbtb t LT V L Ephemeris #1 ( t b =00:00) Ephemeris #2 ( t b =00:30) LTC #1 t LT LTC #3 t cutover t LT L LTC #2 V L=0 t ot,first V GLONASS が放送する エフェメリスの更新使用する エフェメリスを変 更 余裕時間 エポック時刻 ← このように計算するのがひとつの方法。 ユーザ側条件： ① ②③ ① ② ③

18 Oct. 2012 - Slide 17 （３）実験結果の例 （ GPS+GLONASS の補強）

19 Oct. 2012 - Slide 18 GLONASS 補強の実験 L1-SAIF 実験局ソフトウェアを改修 して、 GPS+GLONASS 補強の実験 を実施した。L1-SAIF 実験局ソフトウェアを改修 して、 GPS+GLONASS 補強の実験 を実施した。 国土地理院 GEONET の GLONASS/ QZSS 対応基準局を利用。 国土地理院 GEONET の GLONASS/ QZSS 対応基準局を利用。 データフォーマット： データフォーマット： RINEX 2.12 OBS/NAV ファイル。 エポック間隔＝ 30 秒 エポック間隔＝ 30 秒 実験で使用した GEONET 局： 実験で使用した GEONET 局：  メッセージ生成に使用： 基準局 (1) ～ (8) の 8 局  性能評価に使用： ユーザ局 (a) ～ (c) の 3 局 （ここではこのうち (b) のみを 紹介） データ期間： 2012 年 7 月 18 ～ 20 日 データ期間： 2012 年 7 月 18 ～ 20 日

20 Oct. 2012 - Slide 19 性能評価例：測位誤差（５度） 仰角マスク 5 度での水平測位誤差。ユーザ位置＝ (b) 仰角マスク 5 度での水平測位誤差。ユーザ位置＝ (b) GPS+GLONASS+QZSS ： 0.310m RMSGPS+GLONASS+QZSS ： 0.310m RMS GLONASS/QZSS の使用により、多少の性能改善がみられる。GLONASS/QZSS の使用により、多少の性能改善がみられる。

21 Oct. 2012 - Slide 20 性能評価例：測位誤差（３０度） 仰角マスク 30 度での水平測位誤差。ユーザ位置＝ (b) 仰角マスク 30 度での水平測位誤差。ユーザ位置＝ (b) GPS+GLONASS+QZSS ： 0.372m RMSGPS+GLONASS+QZSS ： 0.372m RMS GLONASS/QZSS の使用により、高い仰角マスクでも良好なアベイラビ リティ。GLONASS/QZSS の使用により、高い仰角マスクでも良好なアベイラビ リティ。

22 Oct. 2012 - Slide 21 ユーザ側性能評価：測位精度 基準局ネットワーク（ 8 局）の重心付近のユーザ局（静岡県清水市）での測位精 度。 基準局ネットワーク（ 8 局）の重心付近のユーザ局（静岡県清水市）での測位精 度。 GPS+GLONASS+QZSS の使用により、仰角マスク 5 ～ 40 度を通して安定した測 位を実現。GPS+GLONASS+QZSS の使用により、仰角マスク 5 ～ 40 度を通して安定した測 位を実現。 0.602m

23 Oct. 2012 - Slide 22 ユーザ側性能評価：アベイラビリテ ィ 有効な測位ができたエポック数の、全エポック数に対する割合。 有効な測位ができたエポック数の、全エポック数に対する割合。  仰角マスクの増加にともないアベイラビリティは低下する。 GPS+GLONASS+QZSS の使用：仰角マスク 40% でも 100% のアベイラビ リティ。GPS+GLONASS+QZSS の使用：仰角マスク 40% でも 100% のアベイラビ リティ。 100% Availability @ User (b)

24 Oct. 2012 - Slide 23 まとめ 準天頂衛星システム（ QZSS ） L1-SAIF 補強信号： 準天頂衛星システム（ QZSS ） L1-SAIF 補強信号： – 準天頂衛星は、 GPS 補完信号に加え、補強信号を放送する。 – 補強信号：すべての GPS 衛星に対して、測位性能を改善する補強情報 を提供する。 –L1-SAIF 信号： GPS L1 C/A と同一形式の補強信号。当所が開発を担当。 L1-SAIF 信号の GLONASS 対応：L1-SAIF 信号の GLONASS 対応： – 衛星数の増加によるアベイラビリティの改善。 –GLONASS のエフェメリスには IODE がないことから、 IODE を使用せ ずにエフェメリスの更新制御を行う必要がある。  IOD により指定された時間範囲内に放送されたエフェメリス情報を使用す ることとする。 –IOD の設定方法を提案。実験の結果は良好に作用した。  実際に補強実験を実施して、良好に作用することを確認した。