電子航法研究所研究発表会
June 10, 2021

６．MSASの測距機能とその性能評価

坂井 丈泰 ・ 北村 光教 ・ 渡邊 浩志
航法システム領域

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Introduction

SLIDE 1

• 静止衛星型衛星航法補強システム（SBAS）：– 静止衛星によるGPS補強システムのICAO（国際民間航空機関）標準規格。
– 目的：GNSSによる航法の安全確保。測位精度はサブメータ級。
– 測距機能：GPSと同様に距離を測定して位置の計算に使用できる。

• 日本のSBASサービス：MSASの測距性能– MSASは以前は測距機能を提供していたが、現在は提供していない。
 2015.9：MTSAT-1R退役
 2020.4：QZS-3への切替え、地上施設の全面更新、測距機能はなし– 今後の測距機能の活用のため、新旧のMSASの測距性能を評価した。
 2023年頃の性能向上にあわせて、静止衛星の追加が予定されている。
 QZS-3ではSBAS信号が広帯域化されており、以前より測距性能が改善しているものと思われる。

• 本日の内容：（１） SBASの概要
補強システム、SBAS規格（２） SBASの測距機能 SBAS信号、測距機能のためのメッセージ（３） MSASの測距性能 MSASの変遷、時期別の測距性能評価

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SLIDE 2

（１） SBASの概要

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SLIDE 3ICAO SBASSBAS衛星

GNSS
衛星群
GNSS信号

SBAS信号

ユーザ

アップ
リンク局

地上ネットワーク• 地上ネットワークによりGNSS信号を監視（異常の有無・測距誤差）• ディファレンシャル補正情報及び完全性情報をSBAS衛星経由で送信• L1 C/Aコード信号を使用：GPSとアンテナ・RF回路を共用

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SLIDE 4

SBASの機能（１）
インテグリティ（完全性）の確保• GPS衛星が放送する信号の品質に関する情報を提供する。
• GPSが誤った信号を送信したとき、受信機が誤って使用しないようにするのが目的。
→ 航法の安全を確保するための機能。
• 警報時間（TTA：time to alert） ＝情報が提供されるまでの時間：航空路・ターミナル空域では5分～15秒以内、非精密進入では10秒以内、精密進入では6秒以内。
GPS衛星
SBAS衛星• 十分なアベイラビリティのサービス→ RAIM予測のような措置は不要。
• 基本的な仕組み：– 地上監視局でGPS信号をモニタ。
– GPS信号の品質に関する情報を生成・伝送。
– 異常検出時は、警報メッセージを送信。

異常信号

UplinkDownlink

ユーザ
監視局

異常検出

警報メッセージ

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SLIDE 5

SBASの機能（２）
測位精度の改善（ディファレンシャル補正）• GPS衛星の信号により測定した距離の補正情報。
• GPSによる測位精度を改善する：ディファレンシャル補正。
• 広域ディファレンシャル補正方式：衛星クロック・軌道、電離層伝搬遅延、対流圏伝搬遅延を個別に補正 → 大陸規模の広い範囲で有効な補正情報。
• 補正により、1m以下の測位精度が得られる。
• 基本的な仕組み：– 地上監視局でGPS信号をモニタ。
– 距離測定の誤差要因を、衛星クロック・軌道、電離層伝搬遅延、対流圏伝搬遅延に分解。
– 誤差要因別に補正情報を生成、メッセージにして伝送。

GPS衛星
クロック誤差
軌道誤差
電離層

ユーザ

対流圏

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SBASの機能（３）SLIDE 6

測距機能（レンジング機能：オプション）• SBAS衛星までの距離を受信機が測定し、GPSと同様に位置計算に利用するための機能（レンジング機能）。
• SBAS信号のRF特性はGPS信号と同一なので、GPSの場合と同様の方法により距離を測定できる。
• SBAS衛星の軌道情報は、SBASメッセージ（タイプ９）により提供する。
• 距離の測定精度はSBAS信号の帯域幅にもよる。
時間差から距離を算出• 基本的な仕組み：– GPSと同期したタイミングでSBAS信号を生成・送信。
SBAS衛星– 複数の地上監視局で測定した
擬似距離を利用して、SBAS衛星の軌道情報を生成・送信する。

ユーザ

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SBASの普及

SLIDE 7• 運用中のSBAS：– WAAS（米国、2003～）：段階的な改良を経て、現在はLPV200（CAT-I相当）モードまでサービス。2014年に二周波数対応の開発を開始、L5信号を試験的に送信中。
– MSAS（日本、2007～）：現在はEnroute～NPAのサービス。航空局が整備・運用。2020年度から準天頂衛星3号機（GEO）を使用してサービスを継続。
– EGNOS（欧州、2011～）：現在はLPV200モードまでサービス。二周波数対応及びGalileo対応のEGNOS V3を開発中。
– GAGAN（インド、2014～）：
Enroute～LPVをサービス。

• 整備中のSBAS：– ロシア：SDCMを整備中。
静止衛星3機から試験送信中。
– 中国：BeiDouの一部としてBDSBASを整備中。
– 韓国：KASSを2022年頃に予定。
– 豪：SouthPANの試験中。
– アフリカ：A-SBASの試験中。
NIGCOMSAT-1Rを使用。

Operational

SDCM
KASS

Operational

BDSBAS

Operational

Operational
2003/7～

2011/3～

2014/2～

A-SBAS

2007/9～SouthPAN

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SLIDE 8（２） SBASの測距機能

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測距機能の利用• SBAS信号の測距機能を利用して、SBAS衛星－受信機間の距離を測定し、GPSと同様に位置計算に使用する。

SLIDE 9SBAS（静止衛星）
高度3.6万km

GPSの場合は2万km上空を周回必要なこと
測距信号として拡散変調されていること
GPS信号に近い周波数であること

電波により距離を測定

SBAS衛星のクロックと位置の情報が送信されること
ユーザ（GPS/SBAS受信機）

４機以上の衛星からの電波が必要、球面の交点として位置を算出する

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SLIDE 10

SBAS信号• L1周波数（1575.42 MHz） C/Aコード（PRN 120～158） ←GPSと同じ• 250ビットの固定長メッセージを毎秒1個ずつ送信。
 メッセージの先頭ビットはGPSエポックに同期• FEC符号（拘束長K=7）により毎秒500シンボルになる。3dBの符号化ゲイン。
• メッセージタイプ0～63：高速補正（2～5）、長期補正（24/25）、インテグリティ情報（2～6/25）、電離圏補強メッセージ（18/26）など
メッセージ

FEC符号化K=7

毎秒1個＝250 ビット

毎秒500 シンボル

BPSKで
送信

PRN 120～158

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SLIDE 11

L1 SBASメッセージ
タイプ012～5679101217182425
2627286263

内 容
テストモードPRNマスク
高速補正
インテグリティ情報
高速補正劣化係数

静止衛星測距機能
劣化係数
SBAS時刻情報
静止衛星アルマナック
IGPマスク高速／長期補正
長期補正
電離圏伝搬遅延
SBASサービス情報
クロック・軌道共分散
テストメッセージ
ヌルメッセージ

更新間隔（s）
6120
66120120120300
300
300
6／120120300
300
120―
―

説

明

SBASは使用禁止
補強対象の衛星を示すマスク情報
クロック補正＋インテグリティ情報（UDREI）
インテグリティ情報（UDREI）
インテグリティ情報（UDREI）の時間的劣化係数
SBAS衛星のクロックと位置の情報（静止衛星エフェメリス）保護レベルの計算で使用する係数
SBAS時刻とUTCの対応をあらわすパラメータ（オプション）
SBAS衛星のアルマナック情報
電離圏遅延量の格子点（IGP）のマスク情報
高速補正＋長期補正（衛星数によっては送信されない）
クロック・軌道の補正情報
格子点（IGP）における電離圏遅延量
インテグリティ情報（UDREI）のユーザ位置による劣化係数（MT27とMT28のいずれかが送信される）
内容不定
空き

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タイプ９：静止衛星エフェメリス
項目

ビット数

範囲

分解能

（予約）

8―

―

t0,GEO

130 to 86384

16URA

40 to 15130±42949673 m

0.08 m30±42949673 m

0.08 m

25±6710886.4 m

0.4 m

17±40.96 m/s

0.625 mm/s

17±40.96 m/s

0.625 mm/s

18±524.288 m/s

4 mm/s10±6.4 mm/s21.25 mm/s2

10±6.4 mm/s21.25 mm/s2

10±32 mm/s26.25 mm/s2

aGf0

12±0.9537 ms

2-31 saGf1

8±0.11642 ns/s

2-40 s/s

SLIDE 12

SBAS衛星の位置（＋速度・加速度）

SBAS信号のクロック情報

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SLIDE 13（３） MSASの測距性能

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MSASの整備SLIDE 14• MSAS（MTSAT-based Satellite Augmentation
System）：静止衛星による広域補強システム（ICAO SBAS）。
• 運輸多目的衛星MTSAT-1R/-2を使用して、2007年9月27日に運用を開始（MSAS V1）。
• 衛星の寿命が到来したことから、2015年9月にMTSAT-1Rの使用を停止。同時期にハワイ・オーストラリアの標定局を廃止。
 MTSAT-2のみによる運用を継続。
• MTSAT-2も寿命を迎えたことから、2020年4月からQZS-3を使用する構成に変更（MSAS V2）。
 MSAS（Michibiki-based AugmentationSystem）：地上設備もすべて一新した。
• 現在まで、MSASは水平方向の航法のみを提供。
 NPA（非精密進入）モードまで。LPV（垂直誘導付き進入）モードは2023年頃に予定。

MTSAT-1R軌道上イメージ

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MSAS V1（2007.9～2015.9）
Ranging Signals

Users

Ranging Signals
Augmentation Signals

Kobe MCS(and GMS)

GroundNetwork

運用開始当初の構成

Sapporo
GMS

Fukuoka GMS

Naha GMSMTSAT-2

MTSAT-1R

GPS Satellites

SLIDE 15TokyoGMS

Hitachi-Ota MCS(and GMS)

Hawaii MRSAustralia MRS• 静止衛星 2機、航法統制局（MCS） 2局、監視局（GMS） 6局、標定局（MRS） 2局。
• MCSがSBAS信号を生成、MTSAT-1RがPRN129を、MTSAT-2はPRN137を中継。
• 測距機能が提供されていた。

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MSAS V1（2015.10～2020.3）
MTSAT-2

GPS Satellites

Ranging Signals

Users

SLIDE 16

Ranging Signals
Augmentation Signals

Kobe MCS(and GMS)

Sapporo
GMS

Fukuoka GMS
GroundNetwork

MTSAT-1Rが退役Tokyo
GMS

Hitachi-Ota MCS(and GMS)

MRSは廃止Naha GMS• 静止衛星（MTSAT-2） 1機、航法統制局（MCS） 2局、監視局（GMS） 6局。
• MCSがSBAS信号を生成、MTSAT-2がPRN129及びPRN137を中継。
• 測距機能が提供されていた。

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現在：MSAS V2（2020.4～）
GPS Satellites

SLIDE 17

QZS-3

QZS-3に交代
Ranging Signals

広帯域化（2.2MHz→24MHz）
測距機能なしAugmentation Signal

メッセージをアップリンク
（狭帯域）

Users

Tokyo
TMC
Ground Networkfor 13 GMS

Hitachi-Ota
MCS

GMS 13局• 静止衛星（QZS-3） 1機、主統制局（MCS） 1局、バックアップ局（TMC） 1局。
• 監視局（GMS）としてはQZSS SLAS監視局（13局）を使用。測距機能は提供しない。
• MCSはSBASメッセージを生成し、QZS-3にアップリンク。QZS3が変調・送信する。

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性能評価の目的

SLIDE 18

• 目的：今後の測距機能の活用に向けた性能評価を行う。
– MSASは以前は測距機能を提供していたが、現在は提供していない。
 一方でQZS-3ではSBAS信号が広帯域化されており、測距信号としての品質は改善しているものと思われる。
– 2023年頃の性能向上にあわせて、静止衛星の追加が予定されている。
 複数のSBAS衛星から測距機能を提供できれば、メリットがあるのではないか。

• 測距性能は、測距信号の品質とエフェメリス情報の品質で決まる。
– 測距信号の品質：変調速度（早いほうがよい）、信号帯域幅（広いほうがよい） ばらつき成分として評価できる。
 衛星の仕様により決まる＝もう決まっている。
– エフェメリス情報の品質：クロック・軌道の予測精度（精度が良いほうがよい） バイアス成分として評価できる。
 監視局（GMS）配置と航法統制局（MCS）のソフトウェアで決まる＝性能が不足する場合は改善の余地がある。

• 今回のMSASの性能評価にあたり：– 測距信号としての品質と、エフェメリス情報の品質に分けて評価する。

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SLIDE 19

性能評価の概要
システム
観測期間
KP指数
PRN
SBAS衛星メッセージタイプ9
静止衛星位置メッセージタイプ9
クロック補正値

MSAS V1（MRSあり）
2014年1月
16～18日≦ 2137MTSAT-2

MSAS V1（MRSなし）2018年1月
10～12日≦ 2137MTSAT-2

2021年1月
17～19日≦2137
QZS-3

有効有効有効MSAS V2-285.9 mに固定
（負の最大値）
NovAtel MiLLenium-STD
受信機（東京都調布市）
NovAtel Model
Septentrio PolaNt-x MF
アンテナ
600-L1/L2• 3つの時期のMSAS信号を観測。いずれもPRN 137で、冬場の電離圏活動静穏期。
• MSAS V2では有効なクロック情報が送信されていないので、正常なエフェメリス情報（クロック・軌道情報）がある場合を想定した評価も実施した。
 QZSS PNTサービス（QZSS L1 C/A信号）のエフェメリス情報を使用する。
有効有効電子航法研究所研究発表会 - June 2021

擬似距離の残差（１）SLIDE 20• 2014～2018年（MSAS V1）：大きな変化はみられない。
• 2021年（MSAS V2）：衛星クロックについては固定値が送信されている→ 0になるようオフセット。それでもややばらつきが大きい？

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擬似距離の残差（拡大）SLIDE 21

• 2021年（MSAS V2）について、約30分間を取り出して拡大したもの。
• 赤線：メッセージタイプ9（静止衛星エフェメリス）が送信されたタイミング。
→ メッセージタイプ9による衛星位置に不連続がある。
PNTサービスがL1C/A信号で送信しているエフェメリス情報を使用して、正常なエフェメリス情報がある場合を想定した評価を試みる

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擬似距離の残差（２）SLIDE 22

メッセージ
タイプ9をそのまま使用
QZSS L1 C/Aの航法メッセージを使用• PNTサービス（QZSS L1 C/A）のエフェメリス情報を使用すると、ばらつきが減少した。
 正常なエフェメリス情報がある場合を想定した評価。
 ばらつきのように見えていたエフェメリス情報の不連続が解消した。

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擬似距離残差の差分

SLIDE 23

標準偏差（m）
0.302
0.208
0.291
0.0272

メッセージ
タイプ9をそのまま使用
QZSS L1 C/Aの航法メッセージを使用• エポック間の差分を求めてバイアスを除去：測距信号としての品質をみる。
• 2021年（MSAS V2）：メッセージタイプ9には不連続があり、脈打って見える。
• PNTサービス（QZSS L1 C/A）のエフェメリス情報を使用すると、良好な性能。

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GPSとの比較

標準偏差（m）
0.0184SLIDE 24GPS
PRN 1～32

0.208
0.0272QZSS L1 C/Aの航法メッセージを使用• エポック間の差分を求めてバイアスを除去：測距信号としての品質をみる。
• 2021年（MSAS V2）：GPSより標準偏差はやや大きいが、ほぼ遜色ない。

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Conclusion

SLIDE 25

• SBAS（Satellite-Based Augmentation System）– ICAO SBAS：静止衛星による補強システムの国際標準規格。
 日米欧印のシステムが稼働中。航空分野以外でも広く利用されている。
– 測距機能：GPSと同様に距離を測定して位置の計算に使用できる。

• 今後の測距機能の活用のため、MSASの測距性能を評価した。
– MSASは以前は測距機能を提供していたが、現在は提供していない。
– 2023年頃の性能向上にあわせて静止衛星が追加される予定がある。
 複数のSBAS衛星から測距機能を提供できれば、メリットがあるのではないか。
– 新旧のMSASの測距性能を評価した結果。
 QZS-3によるMSAS V2では信号品質が大きく改善しており、GPSと比べてもほぼ遜色ない。SBAS信号が広帯域化された効果と思われる。
 ただし、メッセージタイプ9により送信されているSBAS衛星のエフェメリス情報については品質が十分ではない。
 クロック情報が固定値となっている。連続したメッセージの間で不連続がある。

 メッセージタイプ9を改善すれば、良好な性能の測距機能を提供できる見込みがある。