2.2 L1-SAIF補強信号の 測位精度とその改善策

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1 2.2 L1-SAIF補強信号の 測位精度とその改善策
GPS/GNSSシンポジウム 東京海洋大学 Oct , 2014 2.2 L1-SAIF補強信号の 測位精度とその改善策 坂井 丈泰 電子航法研究所 航法システム領域

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 Slide 1 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 （３） 電離圏活動活発期における測位精度 　　　　　　　 （４） 電離圏伝搬遅延の対策とその評価

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 Slide 2 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 準天頂衛星システムの機能 GPS補完機能： L1C/A, L2C, L5, L1C信号 GPS補強機能： L1-SAIF, LEX信号
Oct Slide 3 準天頂衛星システムの機能 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（今回はGLONASSも）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。

5 SAIF： Submeter Augmentation with Integrity Function
Oct Slide 4 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 （＋GLONASS） 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

6 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 Slide 5 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

7 L1-SAIF実験局（L1SMS） L1-SAIF実験局（L1SMS：L1-SAIF Master Station）:
Oct Slide 6 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

8 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）
Oct Slide 7 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） 使用衛星：GPSのみ 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

9 通常時の測位精度 南西諸島での例（960735 和泊） 北海道での例（950114 北見）
Oct Slide 8 通常時の測位精度 南西諸島での例（ 和泊） 北海道での例（ 北見） 2012年7月25～28日（４日間）のユーザ測位誤差（L1-SAIF補強あり）。 測位精度はユーザ位置によらず同様の傾向となる。 二周波数モードより一周波数モードのほうが、測位精度については若干良好な傾向。

10 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 Slide 9 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。

11 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 Slide 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。 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。

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 Slide 11 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 Slide 12 L1-SAIFの電離圏伝搬遅延補正 120 150 180 30 60 Longitude, E Latitude, N 15 45 IGP 広域補強システムであるL1-SAIF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 単層薄膜電離圏モデル Iv F(EL) • Iv Vertical Delay IPP Slant Delay Ionosphere EL
Oct Slide 13 単層薄膜電離圏モデル Earth Ionosphere EL Vertical Delay Iv Slant Delay F(EL) • Iv Shell Height (350km) IPP L1-SAIF補強メッセージで使用されている電離圏モデル。 電離圏は高度一定の単層薄膜で近似され、伝搬遅延はその上の１点で生じる。 垂直遅延量（Vertical Delay）は傾斜係数（Obliquity Factor） F(EL) を乗じることで衛星方向の遅延量（Slant Delay）に換算できる。

15 傾斜係数 Vertical delay Slant delay Elevation Angle Ionosphere Height
Oct Slide 14 傾斜係数 Vertical delay Slant delay Elevation Angle Ionosphere Height Obliquity Factor = Slant / Vertical 15 30 45 2 4 6 Obliquity Factor Satellite Elevation, deg H=100km H=1000km H=350km 衛星方向の遅延量と垂直遅延量の比で、仰角の関数。 電離圏高度の関数でもある（L1-SAIFでは350kmと規定）。

16 電離圏モデルによる影響の例 電離圏高度 H=350km, EL=25deg 電離圏高度 H=600km, EL=25deg
Oct Slide 15 電離圏モデルによる影響の例 Observe here if H=350km Observe different points if H=600km 電離圏高度 H=350km, EL=25deg 電離圏高度 H=600km, EL=25deg MCSでは、2つのGMS監視局は同じ位置の電離圏の影響を受けているものと想定。 実際の電離圏高度が350kmではない場合、異なる位置の電離圏の影響を受けている。

17 対策の検討 今回は単層薄膜モデルを使用： 方式１：電離圏高度を可変とする。 方式２：衛星別に補正情報を提供する。
Oct Slide 16 対策の検討 今回は単層薄膜モデルを使用： ユーザ受信機側の負担軽減のため、まずは現状の単層薄膜モデルによる対策を検討する。 現状で電離圏遅延量の伝送に使用されているメッセージタイプ26に近いフォーマットのメッセージとする。IGP位置情報はメッセージタイプ18をそのまま利用。 メッセージタイプ26には予備スペースが7ビットある。 新しいメッセージのメッセージタイプ番号はとりあえず55とする。 方式１：電離圏高度を可変とする。 電離圏伝搬遅延情報に加えて、電離圏のピーク高度に関する情報を伝送する。 方式２：衛星別に補正情報を提供する。 電離圏伝搬遅延情報を、それぞれのGPS衛星について個別に生成する。 方式３：方向別に補正情報を提供する。 電離圏伝搬遅延情報を、GPS衛星の見える方向によって別々に生成する。

18 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 Slide 17 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

19 メッセージタイプ55：拡張電離圏伝搬遅延量（その１）
Oct Slide 18 新メッセージの検討（１） 方式１：電離圏高度を可変とする。 電離圏伝搬遅延情報に加えて、電離圏のピーク高度に関する情報を伝送する。 MCSとユーザ受信機の双方において、IPP位置と傾斜係数の計算にあたりこのメッセージで与えられるピーク高度を使用する。 メッセージタイプ55：メッセージタイプ26に電離圏高度の情報を付加したもの。 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 Peak Height Spare 5 MT26と同じ 電離圏高度 00: km 01: km 10: km 11: 1,000 km メッセージタイプ55：拡張電離圏伝搬遅延量（その１）

20 メッセージタイプ55：拡張電離圏伝搬遅延量（その２）
Oct Slide 19 新メッセージの検討（２） 方式２：衛星別に補正情報を提供する。 電離圏伝搬遅延情報を、それぞれのGPS衛星について個別に生成する。 メッセージタイプ55：メッセージタイプ26に衛星の識別情報を付加する。 衛星IDを与えるには8ビットが必要だが、メッセージ26の空きは7ビットしかない。 今回は実験ということで、5ビットでGPS衛星のPRN番号を与える。 この方式では、追加の地上モニタ局が必要となる可能性があることに注意。 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 SV ID 5 1 to 32 Spare MT26と同じ 衛星ID (PRN-1) メッセージタイプ55：拡張電離圏伝搬遅延量（その２）

21 メッセージタイプ55：拡張電離圏伝搬遅延量（その３）
Oct Slide 20 新メッセージの検討（３） 衛星の見える方向の 分割例 方式３：方向別に補正情報を提供する。 電離圏伝搬遅延情報を、GPS衛星の見える方向別に生成する。 ここでは、全天を5つの方向に分割することとする。 メッセージタイプ55：メッセージタイプ26に方向の識別情報を付加する。 この方式についても、追加の地上モニタ局が必要となる可能性がある。 010 100 101 011 001 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 Direction 3 Spare MT26と同じ 衛星の 見える方向 001: 天頂 010: 北 011: 東 100: 南 101: 西 メッセージタイプ55：拡張電離圏伝搬遅延量（その３）

22 性能評価：全体構成 L1-SAIF実験局（L1SMS）による実験:
Oct Slide 21 性能評価：全体構成 L1-SAIF実験局（L1SMS）による実験: メッセージタイプ55（方式１～３）に対応するようにL1-SAIF実験局を改修。 本実験ではオフラインモードで動作させることとして、GEONETから収集したRINEXファイルを使用する。 メッセージタイプ55に対応するよう改修したユーザ側ソフトウェアを使用して補強性能を評価する。 L1SMS GEONET QZS QZSS MCS GPS Satellites Measure- ments L1-SAIF Message GSI Server (Tokyo) ENRI JAXA TKSC (Tsukuba) L1-SAIF Signal Nav Message Ranging Signal K-band Uplink ユーザ側ソフトウェアで評価 オフラインモードで動作

23 性能評価：L1-SAIF実験局 L1-SAIF実験局（L1SMS）の改修：
Oct Slide 22 性能評価：L1-SAIF実験局 L1-SAIF実験局（L1SMS）の改修： メッセージタイプ55（方式１～３）に対応するようにL1-SAIF実験局を改修。 方式２・３でIPP観測データを増やすため、IMS（Ionosphere Monitor Station）監視局からのデータを入力できるようにする。 ユーザ側ソフトウェアについても、メッセージタイプ55に対応するよう改修した。 L1SMS Receiver Software L1-SAIF Message Upgraded for MT55 User Algorithms Performance Evaluation GPS Satellites GMS/IMS Measurements RINEX Files GEONET Ranging Signal GMS Data GMS+IMS MT26/55 Clock/Orbit Corrections Ionosphere

24 性能評価：モニタ局の配置 GEONET観測データを使用。 30秒データ。 実験で使用するモニタ局：
Oct Slide 23 性能評価：モニタ局の配置 GEONET観測データを使用。 30秒データ。 実験で使用するモニタ局： 6つのGMS（Ground Monitor Station） 局を、MSASに近い配置とした。 クロック／軌道補正と電離圏伝搬遅延補 正の両方に使用。 8つのIMS（Ionosphere Monitor Station）局を配置した。 方式２・３の電離圏伝搬遅延補正に使用。 評価用ユーザ局： 北から南まで、5局を使用することとした （図中に(1)～(5)で表示）。

25 現状の性能 南西諸島での例（ユーザ(4)=960735 和泊） 北海道での例（ユーザ(1)=950114 北見）
Oct Slide 24 現状の性能 LT 14:00 南西諸島での例（ユーザ(4)= 和泊） 北海道での例（ユーザ(1)= 北見） 電離圏活動の激しいとき（Kp~7+）には、ディファレンシャル補正をしても特に南西諸島においては測位精度が劣化することがある。 北海道地方ではそれほど大きくは劣化しないことが多い。 補正処理は6 GMSのみで実行。

26 方式１：電離圏高度を可変とする 南西諸島での例（ユーザ(4)=960735 和泊） 北海道での例（ユーザ(1)=950114 北見）
Oct Slide 25 方式１：電離圏高度を可変とする LT 14:00 南西諸島での例（ユーザ(4)= 和泊） 北海道での例（ユーザ(1)= 北見） 電離圏高度を600kmにすると、測位精度に改善がみられる。 しかし、北海道地方（及び電離圏活動静穏期）では逆に測位精度が劣化する。 補正処理は6 GMSのみで実行。

27 方式１：電離圏高度を可変とする 電離圏活動活発期（2011年10月23～26日） 電離圏活動静穏期（2012年7月22～24日）
Oct Slide 26 方式１：電離圏高度を可変とする 電離圏活動活発期（2011年10月23～26日） 電離圏活動静穏期（2012年7月22～24日） 電離圏高度を600kmにすると、北方と南方における測位精度が近づく傾向にある。 しかし、効果はそれほど顕著ではない。

28 方式２：衛星別に補正 南西諸島での例（ユーザ(4)=960735 和泊） 北海道での例（ユーザ(1)=950114 北見）
Oct Slide 27 方式２：衛星別に補正 LT 14:00 南西諸島での例（ユーザ(4)= 和泊） 北海道での例（ユーザ(1)= 北見） 南西諸島における測位誤差を40%程度改善する一方、南西諸島以外の地域における測位精度は現状をおおむね維持。 クロック／軌道補正は6 GMS、電離圏補正は6 GMS + 8 IMSで実行。

29 方式３：方向別に補正 南西諸島での例（ユーザ(4)=960735 和泊） 北海道での例（ユーザ(1)=950114 北見）
Oct Slide 28 方式３：方向別に補正 LT 14:00 南西諸島での例（ユーザ(4)= 和泊） 北海道での例（ユーザ(1)= 北見） 南西諸島における測位精度を、方式２と同程度に改善。 南西諸島以外の地域では現状の性能を維持。 クロック／軌道補正は6 GMS、電離圏補正は6 GMS + 8 IMSで実行。

30 方式２・３：衛星別／方向別の補正 電離圏活動活発期（2011年10月23～26日） 電離圏活動静穏期（2012年7月22～24日）
Oct Slide 29 方式２・３：衛星別／方向別の補正 電離圏活動活発期（2011年10月23～26日） 電離圏活動静穏期（2012年7月22～24日） 電離圏補正性能についてはそれほど大きな違いはない。 必要となるメッセージ数（現状の5倍）の観点より、方式３が優れているものといえる。

31 Conclusion 電子航法研究所ではL1-SAIF補強信号を開発： 測位精度を劣化させる主要因は電離圏擾乱： 今後の検討課題：
Oct Slide 30 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と同じL1 C/Aコード（PRN 183を使用）。 移動体ユーザ向けの補強情報を放送する。 測位精度を劣化させる主要因は電離圏擾乱： 通常時は所期の測位精度を達成。 特に南西諸島において、電離圏擾乱時に測位精度が大きく劣化することがある。 電離圏擾乱時に測位精度を維持するために、新しいメッセージを検討した。 方式１：電離圏高度可変、方式２：衛星別の補正、方式３：方向別の補正 性能評価の結果、方式３により40%程度の測位誤差低減を期待でき、また南西諸島以外の地域における性能劣化が少ないことがわかった。 今後の検討課題： 過去の電離圏嵐の際の性能評価。 東南アジア諸国における性能評価。 電離圏伝搬遅延補正のためのさらに別の補正方式の検討。