準天頂衛星L1-SAIF実験局の開発 電子航法研究所 坂井 丈泰、 福島 荘之介、 伊藤 憲 第54回宇宙科学技術連合講演会

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1 準天頂衛星L1-SAIF実験局の開発 電子航法研究所 坂井 丈泰、 福島 荘之介、 伊藤 憲 第54回宇宙科学技術連合講演会
静岡県コンベンションアーツセンター Nov , 2010 準天頂衛星L1-SAIF実験局の開発 電子航法研究所 坂井 丈泰、 福島 荘之介、 伊藤 憲

2 はじめに 準天頂衛星システム（QZSS）： L1-SAIF実験局： 内容：（１） 準天頂衛星システムとL1-SAIF補強信号
Nov Slide 1 はじめに 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。補強信号：L1-SAIF、LEXの２種類。 ７つの研究開発機関が参加して技術実証実験を実施する。 初号機「みちびき」を９月１１日に打ち上げ、所定の軌道に投入。 L1-SAIF実験局： 国土交通省の委託を受け、電子航法研究所が開発を担当。 L1-SAIF信号に乗せて放送する補強情報を生成し、JAXA地上局に伝送する。 電子航法研究所（東京都調布市）実験室内に整備、各種試験を完了。 内容：（１）　準天頂衛星システムとL1-SAIF補強信号 （２）　L1-SAIF信号の設計 （３）　L1-SAIF実験局の開発 （４）　リアルタイム動作試験 　（５）　試験信号の受信

3 Nov Slide 2 （１） 準天頂衛星システム

4 準天頂衛星打上げ ２０１０年９月１１日 20:17 準天頂衛星「みちびき」を打上げ
Nov Slide 3 準天頂衛星打上げ ２０１０年９月１１日　20:17 準天頂衛星「みちびき」を打上げ H-IIA 18号機により種子島宇宙センターから打ち上げられた。 打上げから28分27秒後、「みちびき」を正常に分離。 第２段ロケット から分離された 「みちびき」 (c) JAXA／三菱重工業 (c) 三菱重工業

5 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
Nov Slide 4 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

6 準天頂衛星「みちびき」 25.3m L1-SAIF Antenna L-band Helical Array Antenna
Nov Slide 5 準天頂衛星「みちびき」 L-band Helical Array Antenna L1-SAIF Antenna Laser Reflector C-band TTC Antenna Radiation Cooled TWT TWSTFT Antenna 25.3m 質量 Approx. 4,000kg (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）

7 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
Nov Slide 6 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: MHz L2C: MHz L5: MHz LEX: MHz TT&C / NAV Message Uplink 双方向時刻同期信号 Up: GHz Down: GHz （JAXA QZSS PT提供の図より） 主統制局　（MCS：Master Control Station） L1CA/L1C*: MHz L5*: MHz *今後対応予定

8 準天頂衛星の機能 GPS補完機能： GPS補強機能： GPS補完信号として、GPSと互換性のある測位信号を放送。
Nov Slide 7 準天頂衛星の機能 GPS補完機能： GPS補完信号として、GPSと互換性のある測位信号を放送。 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。 宇宙航空研究開発機構（JAXA）が技術実証実験を実施。 準天頂衛星の正確な位置の計算などのため、国内・アジア地域にモニタ局を展開。 ユーザ受信機は、ソフトウェアの改修程度で対応できる。 GPS補強機能： すべてのGPS衛星を対象として、距離測定精度を改善するディファレンシャル補正情報や信頼性改善のための情報を、補強信号に乗せて放送する。 L1-SAIF信号：移動体測位用。国際標準規格SBASと互換性のある信号形式で、ソフトウェアの改修程度で対応できる。 電子航法研究所では、国土交通省からの委託によりL1-SAIF補強信号の開発を実施。衛星打上げ後に技術実証実験を実施する予定。

9 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
Nov Slide 8 放送信号 信号名 周波数 帯域幅 最低受信電力 QZS-L1C L1CD MHz 24 MHz –163.0 dBW L1CP – dBW QZS-L1-C/A – dBW QZS-L1-SAIF – dBW QZS-L2C MHz – dBW QZS-L5 L5I MHz 25 MHz – dBW L5Q QZS-LEX MHz 42 MHz – 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）

10 Nov Slide 9 （２） L1-SAIF信号の設計

11 SAIF： Submeter Augmentation with Integrity Function
Nov Slide 10 L1-SAIF補強信号 補強信号 （補完機能） （誤差補正） （信頼性付与） 準天頂衛星 GPS衛星群 測位信号 一つの補強信号により、３つの機能を提供：補完機能（距離測定）・誤差補正（目標精度=1m）・信頼性付与。 ユーザ受信機は、１つのGPS用アンテナによりGPSとL1-SAIFの両方を受信：受信機の負担軽減。 情報の伝送はメッセージ単位：メッセージ順序・内容は可変＝フレキシブルな情報提供。 ユーザ （GPS受信機） SAIF： Submeter Augmentation with Integrity Function

12 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
Nov Slide 11 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 …… 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

13 L1-SAIFメッセージ形式 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：
Nov Slide 12 L1-SAIFメッセージ形式 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

14 GPS/L1-SAIFシミュレータ GPS/L1-SAIFシミュレータ： 実験用に付加した機能：
Nov Slide 13 GPS/L1-SAIFシミュレータ GPS/L1-SAIFシミュレータ： GPS L1 C/A信号および QZSS L1-SAIF信号を発生。 あらかじめ与えられているGPS衛星およびQZSS衛星の軌道情報および信号仕様に従ってRF信号を生成。 Spirent社製GPS/SBASシミュレータ GSS7700を改造。 実験用に付加した機能： L1-SAIFメッセージをLANポートから TCP/IP接続により入力するための コマンドを追加。 L1-SAIFメッセージは、このコマンドに よるか、あるいはシミュレータ内部で 生成されたSBASメッセージが流用 される。 GPS/L1-SAIF シミュレータ 受信機

15 GPS/L1-SAIF受信機 プロトタイプGPS/L1-SAIF受信機： 実験用に付加した機能：
Nov Slide 14 GPS/L1-SAIF受信機 プロトタイプGPS/L1-SAIF受信機： GPS L1 C/A信号およびQZSS L1-SAIF信号を受信。 IS-QZSSの規定に従い、L1-SAIFメッセージを復調・適用する。 古野電気製。 実験用に付加した機能： L1-SAIFメッセージをLANポートから TCP/IP接続にて入力できる。 L1-SAIFおよびSBAS信号を同時に 処理し、複数の測位結果を出力可能。 持ち運び可能なサイズ・重量。 GPS/L1-SAIF 受信機

16 RF信号互換性試験 GPS/L1-SAIF シミュレータ 受信機 TCP/IP Spirent 古野電気 L1-SAIFメッセージ シナリオ
Nov Slide 15 RF信号互換性試験 GPS/L1-SAIF シミュレータ 受信機 TCP/IP RFケーブル Spirent 古野電気 L1-SAIFメッセージ シナリオ 復調済みメッセージ 比較・照合 L1-SAIF信号 電子航法研究所（調布市） 測距機能：L1-SAIFシミュレータが生成したRF信号を使用して、正常にユーザ位置が得られることを確認。 メッセージ復調：シミュレータにLANポートから入力したL1-SAIFメッセージと、受信機が出力した復調済みメッセージが一致することを確認。シミュレータには送信時刻の2秒以上前にメッセージを入力する必要がある。 2009年2月まで断続的に実施・完了。

17 RF信号互換性試験（結果） OK! 2008/9/10 00:05:00 to 06:00:00 (6 hours) GPS単独測位
Nov Slide 16 RF信号互換性試験（結果） 2008/9/10 00:05:00 to 06:00:00 (6 hours) GPS単独測位 L1-SAIF補強あり OK!

18 Nov Slide 17 （３） L1-SAIF実験局の開発

19 L1-SAIF実験局（L1SMS） L1-SAIF実験局（L1SMS：L1-SAIF Master Station）:
Nov Slide 18 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

20 L1-SAIF実験局の外観 Nov. 2010 - Slide 19 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

21 JAXA-ENRIインターフェース 地上システムICD（Interface Control Document）「G-ICD」：
Nov Slide 20 JAXA-ENRIインターフェース 地上システムICD（Interface Control Document）「G-ICD」： JAXA QZSS主制御局（MCS）と電子航法研究所L1-SAIF実験局（L1SMS）との間のインターフェースを規定。 2008年1月に初版制定。 TCP/IP接続で授受するデータのフォーマットをビット単位で詳細に規定。 ２本の通信回線による構成： ISDN（64kbps）および光回線（1.5Mbps）を利用。 ISDN（低速回線）：L1-SAIFアップロードのための高信頼回線。 光回線（高速回線）：実験局ステータスやモニタ局観測データを交換。 L1SMS MCS A系 MCS B系 ルータ ISDN 光回線 アップロードメッセージ その他データ JAXA 電子航法研究所

22 他機関と実施した試験 試験略称 実施時期 使用機材 測位系間外試験（その１） 2008年11月 NEC府中 L1SMS、MCS
Nov Slide 21 他機関と実施した試験 試験略称 実施時期 使用機材 測位系間外試験（その１） 2008年11月 NEC府中 L1SMS、MCS 測位システム試験 2008年12月 L1SMS、MCS、NP-EM、GPS-L1-SAIF受信機 ETS-VIII利用実験 2009年2月 ENRI調布 L1SMS、ETS-VIII端末装置 軌道上 ETS-VIII ENRI仙台 ETS-VIII端末装置、GPS/L1-SAIF受信機 測位系間外試験（その２） 2010年1月 L1SMS JAXAつくば MCS 測位地上系総合試験 2010年2月 総合検証試験 MELCO鎌倉 NP-PFM、GPS/L1-SAIF受信機 NP：航法ペイロード、EM：エンジニアリングモデル、PFM：プリフライトモデル

23 測位システム試験 NEC（府中市） 電子航法研究所 JAXA L1SMS MCS B系 シミュレータ HUB ログ L1-SAIF信号
Nov Slide 22 測位システム試験 HUB LAN アップロードメッセージ JAXA 電子航法研究所 ログ MCS B系 航法ペイロード EM RFケーブル L1-SAIF信号 L1SMS シミュレータ NEC（府中市） GPS/L1-SAIF 受信機 L1SMS シミュレータ 航法ペイロード 受信機 JAXA MCSとL1-SAIF実験局（L1SMS）間、航法ペイロードとGPS/L1-SAIF受信機の間のインターフェース試験。 データパケットのフォーマット検証（アップロード系のみ）、ログ情報の比較・照合。 2008年12月に実施・完了。

24 測位系間外試験（その２） L1SMS シミュレータ ルータ JAXA 電子航法研究所 ログ MCS A系 MCS B系
Nov Slide 23 測位系間外試験（その２） L1SMS シミュレータ ルータ ISDN 光回線 アップロードメッセージ その他データ JAXA 電子航法研究所 ログ MCS A系 MCS B系 電子航法研究所（調布市） JAXA（つくば） 実際に使用する通信回線を利用したJAXA MCSとL1-SAIF実験局（L1SMS）のインターフェース試験。 データパケットのフォーマット検証（全パケット）、ログ情報の比較・検証。 2010年1月に実施・完了。

25 総合検証試験 L1SMS シミュレータ ルータ JAXA 電子航法研究所 ログ 電子航法研究所（調布市） JAXA（つくば）
Nov Slide 24 総合検証試験 L1SMS シミュレータ ルータ ISDN 光回線 アップロードメッセージ その他データ JAXA 電子航法研究所 ログ 電子航法研究所（調布市） JAXA（つくば） MELCO（鎌倉） RFケーブル L1-SAIF信号 GPS/L1-SAIF 受信機 航法ペイロードPFM 追跡管制系 MCS A系 JAXA MCS、L1-SAIF実験局（L1SMS）、航法ペイロード、GPS/L1-SAIF受信機をすべて接続した試験。 データパケットのEnd-to-Endの整合性確認、ログ情報の比較・照合。 2010年2月に実施・完了。

26 Nov Slide 25 （４） リアルタイム動作試験

27 リアルタイム動作試験 L1-SAIF補強 GPS単独測位 東西方向誤差（m） 南北方向誤差（m）
Nov Slide 26 リアルタイム動作試験 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 ※測量級の受信機及びアンテナを使用

28 連続稼動試験 L1-SAIF実験局を長期間にわたり連続運転： 試験結果：大きなトラブルなし： ハードウェア・ソフトウェアの安定性を確かめる。
Nov Slide 27 連続稼動試験 L1-SAIF実験局を長期間にわたり連続運転： ハードウェア・ソフトウェアの安定性を確かめる。 期間１：　2008年3月11日～2008年5月24日（74日間） 期間２：　2008年6月10日～2008年8月28日（79日間）　※これ以上は所内停電のため不可 試験結果：大きなトラブルなし： 人による介入なしに正常に連続動作。 ユーザ測位精度にも特に目立った問題はみられない。 ユーザ測位精度の例　（単位： m） 電子基準点 940030 男鹿 93101 御前崎 940058 高山 940085 土佐清水 950491 佐多 期間１ 水平 0.362 0.363 0.423 0.502 垂直 0.517 0.536 0.548 0.608 0.739 期間２ 0.460 0.440 0.347 0.416 0.552 0.657 1.236 0.678 0.699 1.371 ※測量級の受信機及びアンテナを使用

29 ETS-VIIIによる実験 GPS衛星 ETS-VIII（きく８号） L1-SAIF実験局 GPS/L1-SAIF受信機 （東京都調布市）
Nov Slide 28 ETS-VIIIによる実験 GPS衛星 ETS-VIII（きく８号） L1-SAIF実験局 （東京都調布市） GPS/L1-SAIF受信機 （仙台空港） ETS-VIII衛星（きく８号)利用実験として、補強メッセージを衛星回線で伝送する実験を実施。 衛星回線・LANを経由して、L1-SAIFメッセージを遠隔地のGPS/L1-SAIF受信機で受信・処理し、補強済みの測位結果を得た。 信号形式が異なり、またETS-VIII端末に測距機能がないことから、補完機能の試験は不可。

30 ETS-VIIIによる実験（結果） 2009年2月17 01:21:39～07:23:14 UTC （約6時間） GPS単独測位
Nov Slide 29 ETS-VIIIによる実験（結果） 2009年2月17 01:21:39～07:23:14 UTC （約6時間） GPS単独測位 中心がずれている 低頻度 水平方向測位誤差（データ点数=21696） 高頻度 東西方向誤差（m） 南北方向誤差（m） L1-SAIF補強あり 中心がずれない 低頻度 水平方向測位誤差（データ点数=21696） 高頻度 東西方向誤差（m） 南北方向誤差（m） 測位精度（水平方向） m （垂直方向） m 測位精度（水平方向） m （垂直方向） m

31 Nov Slide 30 （５） 試験信号の受信

32 試験信号の受信 軌道上の準天頂衛星から放送されたL1-SAIF試験信号を受信。
Nov Slide 31 試験信号の受信 軌道上の準天頂衛星から放送されたL1-SAIF試験信号を受信。 2010年10月23日09:46:48～10:48:07（GPS時刻）にかけて、電子航法研究所岩沼分室（仙台空港内）に設置してあるL1-SAIFプロトタイプ受信機（古野電気製）により受信した。 何らの補正も施していないため、主に受信機クロックの影響による変化がみられる。

33 まとめ 準天頂衛星システム（QZSS） L1-SAIF補強信号： L1-SAIF実験局：
Nov Slide 32 まとめ 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衛星について、測位性能を改善するための補強情報を提供する。 補強信号L1-SAIF信号については、国土交通省の委託を受け、独立行政法人電子航法研究所が開発を担当。 L1-SAIF実験局： JAXAの高精度測位実験システムと連携して稼動する、L1-SAIF実験局を電子航法研究所内に整備した。 H21年度までに性能試験・JAXAとの連接稼動試験を完了し、技術実証実験に向けた準備を整えた。 当所L1-SAIF受信機により、軌道上の準天頂衛星が放送したL1-SAIF試験信号を受信できた。初期チェックアウトの完了後、技術実証実験を実施する。