坂井 丈泰、福島 荘之介、武市 昇、荒蒔 昌江、伊藤 憲

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1 坂井 丈泰、福島 荘之介、武市 昇、荒蒔 昌江、伊藤 憲
電子情報通信学会SANE研究会 長崎美術館 Jan. 19, 2007 GPS第二民間周波数信号 （L2C）の受信試験 坂井 丈泰、福島 荘之介、武市 昇、荒蒔 昌江、伊藤 憲 電子航法研究所

2 Introduction GPSは、近代化計画の一環として信号を追加しつつある： L2C信号の評価：
Jan ENRI Introduction GPSは、近代化計画の一環として信号を追加しつつある： 衛星航法システムにとって、信号（周波数）の追加は性能向上のための効果的な方法。 ブロックIIR-M衛星：L2周波数にL2C信号を追加。 信号の追加により、電離層遅延補正の改善やアンビギュイティ決定の高速化が期待できる。さらに、新しい航法メッセージが利用可能になるといったメリットもある。 L2C信号の評価： 昨年より打上げが開始されたブロックIIR-M衛星は、すでにL2C信号を放送している。 L2C信号を受信可能な受信機を入手し、L2C信号の評価を試みた。

3 測距信号の追加 測距信号の追加による一般的なメリット： 新信号における測距性能改善の余地：
Jan ENRI 測距信号の追加 測距信号の追加による一般的なメリット： 電離層遅延補正の改善：複数信号が利用可能となるため。 アンビギュイティ決定の高速化：ワイドレーンが利用できる。 耐干渉性能の向上：冗長な信号が利用できる。 マルチパス誤差の低減：周波数あるいはチップレートが異なれば、マルチパスの様相が異なる。 新信号における測距性能改善の余地： 信号周波数：既存信号の周波数から離したほうがメリットを得やすい。 送信電力増：測距精度・感度の向上。 高チップレート化：マルチパス低減、ただし受信機の電力増。 航法メッセージの変更：より精度の良い軌道・クロック情報。受信機の負担増（ソフトウェア）。 符号化方式の改良：符号化ゲインが得られる。受信機の負担増（処理電力、ソフトウェア）。

4 GPSスペースセグメント 24衛星（6軌道面、高度約2万km） 標準測位サービス（SPS）:軍民共用 精密測位サービス（PPS）：軍用
Jan ENRI GPSスペースセグメント 24衛星（6軌道面、高度約2万km） 実際は30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（ MHz）：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 2005～ Block IIR-M 第二民間信号（L2C） 2008～ Block IIF　　第三民間信号（L5） （FAA HP）

5 GPS衛星の変遷 GPS Block I （1978～） GPS Block IIR （1997～）
Jan ENRI GPS衛星の変遷 GPS Block I　（1978～） GPS Block IIR　（1997～） GPS Block II/IIA　（1989～） GPS Block IIF　（2007～）

6 GPS近代化計画 SA解除（2000年5月） Block IIR-M（2005～）：第２民間周波数（L2=1227.6MHz）
Jan ENRI GPS近代化計画 SA解除（2000年5月） Block IIR-M（2005～）：第２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。 L2C信号：IS-GPS-200D、すでに送信：ただし航法メッセージはLegacy NAV Block IIF（2008～）：第３民間周波数（L5= MHz） Safety-of-LifeもOK、ただし航空用DME（960～1215MHz）との干渉あり。 L5信号：IS-GPS-705、10.23Mcpsの高速なチップ変調 Block III（2013～）：第４民間周波数（L1= MHz） L1C信号：Draft IS-GPS-800（2006年4月） L-AII（Legacy Accuracy Improvement Initiative）：実行中 MS増設：NGA局も利用し、12局とする：監視体制の強化。 MCS増設：来春から新MCSで稼動予定 政策の裏付け：PNT Policy（2004年12月）

7 GPSにおけるL2C信号の追加 GPSでは、民間用の信号はL1周波数のC/Aコードのみ。 実際にはL2信号も利用されている。
Jan ENRI GPSにおけるL2C信号の追加 GPSでは、民間用の信号はL1周波数のC/Aコードのみ。 L1周波数には軍民共用のC/Aコードおよび軍用のPコードが乗せられている。 開発開始以来、信号構成・形式に変更はない。 実際にはL2信号も利用されている。 Pコードを知らなくてもコード測距を行う技術が開発された。 90年代後半にはPコードそのものも公表されている（現在はIS-GPSに記載）。 ただし、実際にはAnti-Spoofing（AS）モードで運用されており、Pコードの代わりにYコードが使われている。 L2C信号のメリット： P/Yコード信号を使わずに２周波数を利用できる。P/Yコードを受信する受信機は、米国特許の関係で高価。また、ASモードでは受信電力が低下する。 L2Cコードは、L2P/Yコードよりも送信電力が強化されている（-164.5dBW → -160dBW）。受信感度の向上が期待できる。 CNAVメッセージによる効率的かつ柔軟な航法メッセージの伝達。

8 ブロックIIR/IIR-M衛星 ブロック SVN PRN 軌道 打上げ日 運用開始日 IIR 41 14 F-1 00/11/10
Jan ENRI ブロックIIR/IIR-M衛星 ブロック SVN PRN 軌道 打上げ日 運用開始日 IIR 41 14 F-1 00/11/10 00/12/10 42 12 － 97/01/07 打上げ失敗 43 13 F-3 97/7/23 98/01/31 44 28 B-3 00/07/16 00/08/17 45 21 D-3 03/03/31 03/04/12 46 11 D-2 99/10/07 00/01/03 47 22 E-2 03/12/21 04/01/12 51 20 E-1 00/05/11 00/06/01 54 18 E-4 01/01/30 01/02/15 56 16 B-1 03/01/29 03/02/18 59 19 C-3 04/03/20 04/04/05 60 23 F-4 04/06/04 04/07/09 61 02 D-1 04/11/06 04/11/22 IIR-M 53 17 C-4 05/09/26 05/12/16 52 31 A-7 06/09/25 06/10/12 58 B-5 06/11/17 06/12/13

9 GPSの民間用信号 1st Civil 2nd Civil 3rd Civil L2 L1 L5 4th Civil 1176.45 MHz
Jan ENRI GPSの民間用信号 MHz 1st Civil Block II/IIA/IIR 2nd Civil Block IIR-M 3rd Civil Block IIF I5 C/A L2C L2 L1 L5 4th Civil Block III L1C (TBR) MHz MHz Q5 (A. Ballenger, 46th CGSIC, 2006)

10 測距信号の構造（L1 C/A） NAVメッセージ （50bps） ×20460 20ms（5996km） PNコード （1.023Mcps）
Jan ENRI 測距信号の構造（L1 C/A） 位相反転 NAVメッセージ （50bps） PNコード （1.023Mcps） 搬送波 （ MHz） 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

11 測距信号の生成（L1 C/A） NAVメッセージ（50bps） 50bps 1周期 = 1ms C/Aコード（1.023Mcps）
Jan ENRI 測距信号の生成（L1 C/A） NAVメッセージ（50bps） 50bps 1周期 = 1ms C/Aコード（1.023Mcps） 1.023Mcps L2搬送波（1227.6MHz） 送信アンテナ

12 測距信号の生成（L2C） NAVメッセージ（50bps） 50bps NAVメッセージ（25bps） ½ FEC
Jan ENRI 測距信号の生成（L2C） NAVメッセージ（50bps） 50bps NAVメッセージ（25bps） FEC 1.023MHz Epoch CNAVメッセージ（25bps） 1周期 = 20ms CMコード（0.5115Mcps） 1.023Mcps CMコードとCLコードを 交互に拾ってくる 1周期 = 1.5s CLコード（0.5115Mcps） L2搬送波（1227.6MHz） 送信アンテナ

13 Jan ENRI CNAVメッセージ（L2C） タイプ 10 11 12 13 14 15 30 31 32 33 34 35 36 37 内容 エフェメリス（1/2） エフェメリス（2/2） 簡略化アルマナック ディファレンシャル補正情報（クロック） ディファレンシャル補正情報（軌道） テキスト情報 クロック補正、電離層補正、群遅延補正 クロック補正、簡略化アルマナック クロック補正、地球回転パラメータ クロック補正、UTCパラメータ クロック補正、ディファレンシャル補正情報 クロック補正、GGTO クロック補正、テキスト情報 クロック補正、MIDIアルマナック 最大間隔 48 s 20 min 30 min － 288 s 120 min

14 L2C信号の受信試験 ブロックIIR-M衛星の測距信号により擬似距離を測定： （１）L2C擬似距離とL2P擬似距離を比較：
Jan ENRI L2C信号の受信試験 ブロックIIR-M衛星の測距信号により擬似距離を測定： 収集時期：　2006年12月3～14日（12日間） 対象衛星：　PRN 17（SVN 53）、PRN 31（SVN 52） 電子航法研究所（東京都調布市）　屋上アンテナ（既設） Septentrio PolaRx2C受信機を使用（L1C/A、L1P、L2P、L2C） （１）L2C擬似距離とL2P擬似距離を比較： 同じ周波数の擬似距離を直接比較する。 差の原因：　送信回路遅延、マルチパス、受信機処理 （２）L2C擬似距離の残差を計算： 計算可能な距離および誤差成分を除いた残差 幾何学的距離（エフェメリスから得る）、衛星クロック誤差（エフェメリスによる）、受信機クロック誤差（計算により求める：L1C/A基準）、電離層遅延量（L1C/A-L2P）、対流圏遅延量（モデルによる） 差の原因：　送信回路遅延、マルチパス誤差、受信機処理（周波数間バイアス含む）、エフェメリス誤差

15 Septentrio PolaRx2C受信機
Jan ENRI Septentrio PolaRx2C受信機

16 L2CとL2Pの差 PRN 17 PRN 31 L2C擬似距離とL2P擬似距離の差
Jan ENRI L2CとL2Pの差 PRN 17 PRN 31 L2C擬似距離とL2P擬似距離の差 20mを超える差を生じていることがある。マルチパスの影響か、単なる測定雑音？

17 L2CとL2Pの差（高仰角のみ） PRN 17 PRN 31 L2C擬似距離とL2P擬似距離の大きな差は、低仰角で生じていた。
Jan ENRI L2CとL2Pの差（高仰角のみ） PRN 17 PRN 31 L2C擬似距離とL2P擬似距離の大きな差は、低仰角で生じていた。 大きな差の原因は、送信側の問題ではない。

18 L2C擬似距離の残差 PRN 17 PRN 31 L2C擬似距離から、計算可能な距離と誤差成分を除いた残差。
Jan ENRI L2C擬似距離の残差 PRN 17 PRN 31 L2C擬似距離から、計算可能な距離と誤差成分を除いた残差。 やはり20mを超える残差を生じることがある。

19 L2C擬似距離の残差（高仰角のみ） PRN 17 PRN 31 大きな残差は、低仰角で生じていた。
Jan ENRI L2C擬似距離の残差（高仰角のみ） PRN 17 PRN 31 大きな残差は、低仰角で生じていた。 原因は、送信側ではない。擬似距離の測定誤差か、受信機内部の処理による。

20 L2P擬似距離の残差 PRN 17 PRN 31 L2Pでは、低仰角でもそれほど大きな残差を生じていない。
Jan ENRI L2P擬似距離の残差 PRN 17 PRN 31 L2Pでは、低仰角でもそれほど大きな残差を生じていない。 ただし、PRN 31では正負で非対称：マルチパスによる影響と思われる。

21 L2P擬似距離の残差（高仰角のみ） PRN 17 PRN 31 高仰角では、非対称な残差はみられない。
Jan ENRI L2P擬似距離の残差（高仰角のみ） PRN 17 PRN 31 高仰角では、非対称な残差はみられない。 L1C/AやL2Pでも同様な傾向にある。

22 L2P擬似距離の残差（PRN 01） PRN 01 PRN 01（高仰角のみ） PRN 17やPRN 31に比べ、標準偏差が大きい。
Jan ENRI L2P擬似距離の残差（PRN 01） PRN 01 PRN 01（高仰角のみ） PRN 17やPRN 31に比べ、標準偏差が大きい。 ブロックIIR-M衛星でL2Pが3dBだけ強化されていることによる差と思われる。

23 L2C擬似距離の残差について L2C擬似距離には大きな残差を生じることがある： 考えられる原因：
Jan ENRI L2C擬似距離の残差について L2C擬似距離には大きな残差を生じることがある： 高仰角では発生しない：送信側の問題ではない。 頻度が少ない：バイアス性ではない。マルチパス以外の要因？ 同様の測定条件でも、他の信号では生じていない：残る要因は、マルチパス誤差のうちのランダム成分と、測定雑音くらい。 受信機の設定はほぼデフォルトで、L2C信号について特別な設定をしているわけではない。 考えられる原因： マルチパス誤差および測定雑音について、他の信号同士では何らかの方法で抑えているものが、L2Cではそのまま現れているのではないか。 すなわち、受信機の内部処理による影響と思われる。 高仰角では現れないことから、測距信号としての性能に問題があるわけではない。

24 Jan ENRI L2C残差の仰角依存性 PRN 17 PRN 31

25 Conclusion GPSでは第二民間周波数信号（L2C）を追加しつつある： L2C信号の評価： 今後の課題：
Jan ENRI Conclusion GPSでは第二民間周波数信号（L2C）を追加しつつある： ブロックIIR-M衛星で追加された民間用信号。 感度向上や、２周波受信機の低価格化が期待できる。 L2C信号の評価： すでに放送を開始している２衛星について、L2C信号による擬似距離の評価を行った；（１）L2Pとの比較、（２）残差の直接評価。 おおむね良好な測距性能。他の信号にはみられない大きな残差が観測されることがあるが、この原因は受信機の内部処理による可能性があると考えている。 今後の課題： 他の受信機による受信試験。 L2C信号について、他の信号に対するバイアス成分を計算する。