第10回
電子航法研究所研究発表会
June 3, 2010

７．準天頂衛星L1-SAIF実験局の７．準天頂衛星L1-SAIF実験局の総合検証試験
総合検証試験

高精度測位ＰＴ
高精度測位ＰＴ坂井
坂井 丈泰、福島荘之介、伊藤憲
丈泰、福島荘之介、伊藤憲

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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」を今夏に打上げ予定。

• 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

June 2010 - Slide 2（１）
準天頂衛星システムとL1-SAIF補強信号

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準天頂衛星のメリット

緯度（度）GPSや静止衛星

準天頂衛星（QZS）

経度（度）東経135度を中心に配置
離心率0.1 軌道傾斜角45度• 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。

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全体構成
QZSS衛星測位信号
L1CA/L1C/L1-SAIF: 1575.42 MHz
L2C: 1227.60 MHz
L5: 1176.45 MHz
LEX: 1278.75 MHz

GPS衛星

双方向時刻同期信号

測位信号

Up:4.43453GHz
Down: 12.30669GHz

L1CA/L1C*: 1575.42 MHzL2C: 1227.60 MHz
L5*: 1176.45 MHz

衛星レーザ測距（SLR）*今後対応予定

TT&C / NAV
Message Uplink

SLR局

モニタ局ネットワーク

時刻同期管理局

主統制局 （MCS：Master Control Station）

TT&C・航法メッセージアップリンク局

ユーザ受信機GEONET（国土地理院）

関係機関が実験を実施
時刻管理系：NICT
広域ＤＧＰＳ補正：ENRI など（JAXA QZSS PT提供の図より）

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準天頂衛星初号機（QZS-1）
質量

Approx. 1,800kg (dry)(NAV Payload：Approx. 320kg)

発生電力

Approx. 5.3 kW (EOL)(NAV Payload: Approx. 1.9kW)

設計寿命

10 years.3m
52

Radiation Cooled TWTTWSTFT Antenna
C-band TTC Antenna

Laser ReflectorL1-SAIF Antenna

L-band Helical Array
Antenna（図：JAXA QZSS PT）

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放送信号
信号名

周波数

帯域幅

最低受信電力L1CD

24 MHz–163.0 dBW

L1CP

24 MHz– 158.25 dBW

QZS-L1-C/A

24 MHz– 158.5 dBW

QZS-L1-SAIF

24 MHz– 161.0 dBW

24 MHz– 160.0 dBW

25 MHz– 157.9 dBW

25 MHz– 157.9 dBW

42 MHz– 155.7 dBW

QZS-L1C
1575.42 MHz
補完信号（JAXA）QZS-L2C

1227.6 MHz
L5I

補強信号
（ENRI）QZS-L5
L5Q
QZS-LEX

補強信号（JAXA/GSI）

1176.45 MHz
1278.75 MHz• 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

June 2010 - Slide 7（２）
L1-SAIF信号の設計

June 2010 - Slide 8

L1-SAIF補強信号
準天頂衛星

補強信号
（補完機能）
GPS衛星群補強信号（誤差補正）
補強信号（信頼性付与）• 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。
SAIF： Submeter Augmentation with Integrity Function

測位信号

ユーザ
（GPS受信機）

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サブメータ級補強の仕組み
準天頂衛星

GPS衛星

軌道誤差
電離層

補強情報

010010100
1…
…

クロック誤差• さまざまな誤差を補正• 信頼性の情報

測距機能

対流圏高仰角ユーザ（１周波GPSアンテナ）

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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 メッセージタイプ
8ビット
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

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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

GPS/L1-SAIF
受信機

June 2010 - Slide 12

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

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RF信号互換性試験
電子航法研究所（調布市）
古野電気

Spirent
シナリオ

GPS/L1-SAIF
シミュレータ

L1-SAIF信号
RFケーブルGPS/L1-SAIF
受信機

TCP/IP
L1-SAIFメッセージ

復調済みメッセージ
比較・照合• 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。

June 2010 - Slide 14

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!

June 2010 - Slide 15（３）
L1-SAIF実験局の開発

June 2010 - Slide 16

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。
準天頂衛星

GPS衛星号
信F
AI
S
ループ
L1

クリンップ
ア号
信位
測

測位
信号

アンテナ
測定データ

L1-SAIF
メッセージ

GEONETL1SMS

QZSS主制御局

国土地理院

電子航法研究所

JAXA地上局（配信拠点＝新宿）（東京都調布市）（つくば）

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L1-SAIF実験局の外観
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

June 2010 - Slide 18

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。

電子航法研究所

アップロードメッセージ
ISDN

ルータ
L1SMS
ルータ

光回線
その他データ

JAXA

ルータ

MCS A系

ルータ

MCS B系

June 2010 - Slide 19

他機関と実施した試験
試験略称

実施時期

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

NEC府中

L1SMS、MCS、NP-EM、GPSL1-SAIF受信機

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/L1SAIF受信機

ENRI調布L1SMS

ETS-VIII利用実験

2009年2月

測位系間外試験（その２）2010年1月

測位地上系総合試験

2010年2月

使用機材

JAXAつくば MCS
ENRI調布JAXAつくば MCS
ENRI調布

総合検証試験

2010年2月

L1SMS
L1SMS

JAXAつくば MCSMELCO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

June 2010 - Slide 20

測位システム試験NEC（府中市）

電子航法研究所

JAXA

アップロードメッセージ

L1SMS
シミュレータHUB

ログ
GPS/L1-SAIF
受信機
ログ

LAN

HUB

L1-SAIF信号
RFケーブルMCS B系

航法ペイロードEM

ログ

航法ペイロード• 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。

受信機

L1SMS
シミュレータJune 2010 - Slide 21

測位系間外試験（その２）JAXA（つくば）

電子航法研究所（調布市）
電子航法研究所

アップロードメッセージ

ルータ
L1SMS
シミュレータ

ルータ

ISDN
その他データ
光回線

ログ

JAXA

ルータ

MCS A系

ルータ

MCS B系ログ• 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。

June 2010 - Slide 22

総合検証試験JAXA（つくば）

電子航法研究所（調布市）
電子航法研究所

アップロードメッセージ

ルータ
L1SMS
シミュレータ

JAXA

ルータ

ISDN
その他データルータ

MCS A系
ログ

ルータ

追跡管制系

光回線

ログ

MELCO（鎌倉）
追跡管制系• 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。

航法ペイロードPFM
L1-SAIF信号

RFケーブルGPS/L1-SAIF
受信機

ログ

June 2010 - Slide 23（４）
リアルタイム動作試験

June 2010 - Slide 24

リアルタイム動作試験• 電子基準点940058（高山）におけるユーザ測位誤差。
南北方向誤差（m）• 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）

RMS

水平測位誤差1.45 m

垂直測位誤差2.92 m

最大6.02 m

8.45 m

RMS0.29 m0.39 m

最大1.56 m

2.57 mシステム

GPS単独測位

L1-SAIF補強

東西方向誤差（m）

GPS単独
L1-SAIF補強

June 2010 - Slide 25

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）
94003093101

940058940085950491

男鹿御前崎

高山

土佐清水

佐多

水平0.362

0.363

0.362

0.423

0.502

垂直0.517

0.536

0.548

0.608

0.739

水平0.460

0.440

0.347

0.4160.552

垂直0.657

1.236

0.678

0.699

1.371

地点
期間１
期間２

June 2010 - Slide 26

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。

June 2010 - Slide 27

ETS-VIIIによる実験（結果）
水平方向測位誤差（データ点数=21696）

水平方向測位誤差（データ点数=21696）

高頻度

高頻度

中心がずれている

南北方向誤差（m）

南北方向誤差（m）

2009年2月17 01:21:39～07:23:14 UTC （約6時間）

中心がずれない

低頻度

東西方向誤差（m）

低頻度

東西方向誤差（m）

GPS単独測位

L1-SAIF補強あり

測位精度（水平方向） 1.221 m（垂直方向） 4.043 m

測位精度（水平方向） 0.412 m（垂直方向） 0.464 m

June 2010 - Slide 28

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、衛星の打上げに向けた準備を整えた。
– 今夏の衛星打上げ後、秋頃までに初期チェックアウトを完了し、それ以降に技術実証実験を実施する。