L1-SAIF信号における電離圏補強情報の調整

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1 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

2 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

3 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

4 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

5 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。

6 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

7 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 …… 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

8 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

9 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.

10 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。

11 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（ 和泊） 北海道での例（ 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。

12 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（ 和泊） 北海道（ 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。

13 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

14 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 m 0.125 m GIVEI (Table) — IODI 2 0 to 3 Spare 7

15 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

16 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（ 北見） Over 2.5m Difference, m 4:30 南西諸島（ 和泊）

17 | 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

18 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。

19 |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

20 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。

21 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

22 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）。

23 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）。

24 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。

25 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。