準天頂衛星による高精度測位システムの紹介
Introduction to High-Accuracy Satellite-based Positioning System utilizing QZSS
齋藤 雅行＊ 山岸 敦＊ 瀧口 純一＊＊ 浅里 幸起＊＊＊Masayuki Saito, Atsushi Yamagishi, Junichi Takiguchi, Koki Asari

準天頂衛星システムは、日本独自の衛星測位システム（GNSS：Global Navigation SatelliteSystem）として、2018年4月から実用4機体制の運用が開始される予定である。準天頂衛星システムの最大の特長は、地上から見て8の字となる軌道をもつ複数の準天頂衛星群で構成し、それぞれの軌道を時間的にずらすことにより、日本およびその近海において、少なくとも1機を常に高仰角（天頂付近）に保ち、都市部や山間部においても、地物に遮られることなく天頂から補完信号と補強信号を地上に放送することが可能になることである。補完信号は、近代化GPSと互換性のある測距信号とすることで、GPSと組み合わせることにより、GPSのみの場合に比べて測位エリアと測位時間が拡大する。補強信号は、測距信号に含まれる誤差を高精度に補正する補強情報として放送し、ユーザ端末での測位計算に使用することでリアルタイムに高精度な自己位置を求めることが可能になる。
本稿では、4機体制の準天頂衛星システムの概要と準天頂衛星初号機「みちびき」を用いた利用実証用センチメータ級測位補強システム（CMAS）の評価結果について紹介する。
Japanese Quasi-Zenith Satellite System（QZSS）for positioning and navigation has been
operating, and will start the practical 4-satellite service in April 2018. The QZSS has
characteristically the figure-of-eight trajectory with almost one day period, and will maintain at least
one satellite near the zenith viewed from Japan in the practical service. The QZSS has also theboth complementary and augmentation services. The complementary service enhances availability.
It increases the coverage area and the available time in urban areas and mountain regions by using
the both U.S.GPS and Japanese QZSS combination. The augmentation service enhances accuracy
and integrity. It broadcasts the corrections realizing centimeter-class quality. The practical service
will expand the coverage into the whole Japanese land and her shelf sea.
This paper presents the 4-satellite QZSS outline and the application demonstration result using
Centimeter-class Augmentation System 'CMAS' with the QZS-1 'MICHIBIKI'.
を補正する補強情報を測距信号に重畳させて補強信号と1．まえがきして放送することにより、ユーザ端末でその補強信号を準天頂衛星システム（QZSS：Quasi-Zenith Satellite

受信し、重畳された補強情報を使って測距誤差を補正System）は、日本独自の衛星測位システム（GNSS：し、ユーザの高精度な自己位置を求めることが可能にな

Global Navigation Satellite System）として、2018年４ることである。

月から実用4機体制の運用が開始される。QZSSの最大の本稿では、2018年4月から運用が計画されている４機

特 長 は、 米 国 が 開 発・ 運 用 し て い るGPS：Global

体制のQZSSの概要を紹介し、QZSSの技術実証・利用Positioning Systemを補完し、補強する機能を持つこと実証を目的に、2010年9月に打ち上げられた準天頂衛星である。補完機能とは、近代化GPSと同様な測距信号を初号機“みちびき”を使った補完・補強の評価結果につ補完信号として、天頂近くから日本とその近海に放送すいて紹介する。

ることにより、GPSのみの場合に比べて、測位の信頼性2．準天頂衛星システム（1）（特に測位率）を向上することができる。その効果は、
2. 1

特に衛星視界の悪い都市部や山林地帯において顕著となる。また、補強機能とは、測距信号に含まれる測距誤差

衛星測位の課題

GNSSにおける高精度な位置測定の原理は、測位衛星＊鎌倉事業部 準天頂プロジェクト開発支援センター ＊＊三菱電機株式会社 ＊＊＊一般財団法人 衛星測位利用推進センター
1

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から放送される測距信号をユーザ端末で受信し、測位衛星とユーザ端末間の距離を高精度に計測する。その観測量を測位衛星とユーザ端末の位置関係を表した観測方程式に代入し、複数の測位衛星による観測方程式を連立化する。そして、３次元座標とユーザ端末の時計誤差および観測量に含まれるアンビギュイティと呼ばれる波長の整数倍の波数を未知数として同時に求めるものである。
したがって、測位計算には同時に5機以上の測位衛星からの測距信号を受信する必要がある。
GPSは、６つの軌道面に各々４機配置の合計24機の測位衛星と予備の測位衛星で、現在31機の測位衛星が地球を周回している。しかし、GPSは、もともとは米軍のGNSSであるため、必ずしも日本上空で最適配置になっておらず、時間帯によっては日本上空で可視測位衛星数が減少し、測位精度に影響する測位衛星の幾何学的配置（PDOP：Position Dilution of Precision）が劣化する場
合があり、すべての時間帯で、高精度でかつ安定な測位ができないのが現状である。
さらに、高層ビル、高架、歩道橋、樹木等、測位衛星との見通しを遮蔽する建造物が多くある都市部では測位率が著しく劣化する。

図１

準天頂衛星の地表面上の軌跡 (IS-QZSS(1)より)

図2

東京から見た準天頂衛星の仰角 (IS-QZSS(1)より)また、測位衛星から地上のユーザ端末までの電波伝搬経路には、電離層や対流圏での電波特性の変化による電波伝搬の遅延が生じる。これによって、測位衛星とユーザ端末までの距離の測定誤差が生じ、測位精度が劣化する。
そのため、自動車や鉄道などの信頼性と精度が同時に求められる位置管理システムに現状のGPSのみで対応するには問題がある。
2. 2

準天頂軌道

QZSSは、昇降点赤経が、“みちびき”と±135度の位置関係を持ち、離心率0.075、近地点引数270度、軌道傾
斜角47度以下、軌道長半径42,164km（平均）の楕円軌

2. 3

道を取る。この軌道により、日本から見ると、約１日で測位信号軌道が元に戻る非対称8の字軌跡となる。この準天頂軌

QZSSは、GPS衛星と組み合わせ、準天頂軌道を利用道衛星を複数機で構成し、時間的に軌道をずらすことにして衛星のPDOPを改善することによって、都市部や山より、日本上空で常に高仰角が確保できる。図１は、準間部における測位可能エリア及び時間を拡大させること

天頂軌道衛星（QZS）の地表面上の軌跡である。図２を目的とする。

は、“みちびき”（QZS1）と今後打ち上げ予定の２機の準そのため、QZSから放送するGPS補完に関する測位信

天頂軌道衛星（QZS2、QZS3）を組み合わせた場合の東号（補完信号）は、近代化GPSとの共存性、相互運用性

京から見た仰角を示す。東京では、24時間常時少なくとを確保するため、近代化GPSの測距信号をベースとすも１機の仰角が70度以上を確保できる。静止軌道衛星はる。測距信号には、L1C/A、L1C、L2C、L5信号を用い、東経90度から180度のいずれかの位置に配置することにその信号仕様に関しては、近代化GPSからの仕様変更をなっているが、東経135度付近になった場合には、常に最小限に抑えることとしている。

仰角48度付近に見ることができる。

また、測位補強に関する測位信号（補強信号）としては、QZSからサブメータ級測位補強情報がL1S信号に、

2

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表1

準天頂衛星の補完信号・補強信号仕様

センチメータ級測位補強情報がL6信号（“みちびき”でびき”のLEX信号（準天頂衛星のL6信号）の2kbpsは、独自の実験用信号であるLEX信号に対応）に割りの伝送容量で日本全土にくまなく放送することがで当てられる。L1S信号は、250bps（補強情報の実質伝送きる。圧縮されたセンチメータ級の補強情報をコー容量は212bps）、L6信号は、2000bps（補強情報の実質デッドSSRメッセージと呼ぶ。

伝送容量は1965bps）の伝送容量を持つ。

③非差分の補強情報を用いて、ユーザ端末において、さらに、QZSSでは、L帯の近接した周波数域に補完さまざまな測位方式に対応できる。対応する測位方信号と補強信号を配置することにより、ユーザ端末にい式は、相対測位に対応する従来のRTK（Real Timeて補完信号と補強信号を同じ受信機で受信することが可Kinematic）、RTKと同等な性能が実現可能で絶対測能となり、ユーザ端末の小型化にも寄与できる。QZSS位に対応するRTK-PPP（Precise Point Positioning）の補完信号と補強信号の仕様を表１に示す。

および測位性能は低下するがグローバルな測位が可能

3
3. 1

なDF-RT-PPP（Dual Frequency Real-Time PPP）

センチメータ級測位補強システム（CMAS）の各方式に対応可能である。なお、RTK-PPPは、CMASの概要

CMAS

測位精度と初期位置算出時間（TTFF：Time To

は、準天頂衛星の実用化を目指し、“みちびFirst Fix）において、従来のRTKと同等である。

き”を用いたセンチメータ級測位補強システムの利用実

また、日本全国の電子基準点の現在位置（F3解）証を目的に、一般財団法人衛星測位利用推進センターを参照値（真値）として補強情報を生成するため、（SPAC）が開発した。製造は、SPACの委託を受け、三現在位置として求めた測位結果から元期座標への高菱電機株式会社が担当した。当社は、その製造の一部請精度な変換が可能である。

（2）

負と、その後の利用実証において、三菱電機株式会社を3. 2

技術的に支援した。特長は、以下の通りである。

SSR方式①電子基準点の観測データから、衛星測位における測CMASに お い て 生 成 さ れ る 補 強 情 報 は、DGNSS

距誤差の物理的特性を考慮して、各誤差の絶対量を（Differential GNSS）やRTKなどの衛星測位における補リアルタイムに非差分で推定する。誤差推定のため

正 デ ー タ の イ ン タ フ ェ ー ス を 規 定 し て い るRTCMのモデルをSSM：State Space Model、推定された（Radio Technical Commission for Maritime Services）

成 分 毎 の 誤 差 の 表 現 方 法 をSSR：State Space

標準規格を基本にしている。そのうち特に、CMASでRepresentationと呼ぶ（3）。測距誤差を非差分で求めは、RTCM 10403.1Amendment 5（4）で初めて規格化さることにより、以下のようなさまざまな効果が得られたSSRに対応している。SSR方式は、従来のDGNSSやれる。

RTKが基準点（座標）を基準とした相対的な補正デー②ユーザ端末での測位計算に必要となる、非差分の衛タであるのに対して、基準点には依存しない絶対量とし星クロック誤差、衛星軌道誤差、衛星信号バイアての補正データと定義される。

ス、電離層伝搬誤差、対流圏伝搬誤差の補正データ

図３に衛星測位における精度劣化の原因となる誤差要を、それぞれの物理特性を考慮して圧縮し、“みち因を示す。衛星測位による測位精度は、衛星に依存する

3

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衛星クロック誤差、衛星軌道誤差、衛星信号バイアス、は、衛星クロック誤差などの衛星高速補正は5秒で更新

信号の大気伝搬中の電離層伝搬誤差、対流圏伝搬誤差おし，衛星軌道誤差などの衛星長期補正、衛星信号バイアよび、ユーザ環境によるマルチパス誤差、可視衛星数・

ス補正，電離層伝搬補正，対流圏伝搬補正は30秒で更新

配置により影響を受ける。SSR方式は、ユーザ環境によする。 また、空間的圧縮としては、約50㎞間隔のグリる地上特有の誤差要因以外の、衛星クロック誤差、衛星ッドを日本全土に配置し、位置に依存する大気圏伝搬に軌道誤差、衛星信号バイアス、電離層伝搬誤差、対流圏対する補正データを各グリッドに割り振る。この圧縮に伝搬誤差に対する補正データを配信するための、フォーより生成されたコーデッドSSRメッセージの伝送容量マットを規定するものである。

は、付加情報を含めて2kbpsとなる。

CMASでは、日本全国に均一に配置された電子基準
3. 4点のGNSS観測データから、このSSRデータをほぼ毎秒ユーザ端末生成する。生成されたSSRデータは、センチメータ級のユーザは、“みちびき”からのLEX信号（L6信号）を測 位 精 度 に 対 応 す る も の で、 デ ー タ 容 量 は、 数 十

受信することにより、既知点の基準点を設置することなMbyte/hourに及ぶ。

く、センチメータ級測位補強サービスを受けることができる。また、LEX信号（L6信号）は、補完信号である

3. 3

補強情報（5）

L1、L2、L5帯と近い周波数にあるため、アンテナと受“みちびき”では、センチメータ級補強情報を実験用信機を同一にすることが可能である。従来のネットワーと し てLEX信 号（L6信 号） を 用 い て 配 信 し て い る。

ク型RTKで使用されている携帯電話による補正データ

LEX信号（L6信号）は、伝送帯域が2kbps（補強情報のの配信に対して、装置の小型化に有利で、利便性が高実質伝送容量は、1695bps）と少ないため、LEX信号（L6い。
ユーザ端末では、センチメータ級の補強情報メッセー信号）で配信するためには、精度を損なわずにSSRデー

ジを受信し、時間的・空間的に伸長して、測位計算に使タを1/1000程度に圧縮する必要がある。
圧縮では、空間的・時間的にデータの削減を実施す用する。空間的に伸長する場合は、場所依存成分のグリる。表２に補強情報の構成を示す。時間的圧縮としてッドを選択し、内挿するため、概略の自己位置が必要となる。伸長された補正データは、非差分の絶対量となる。処理フローを図４に示す。
詳細な仕様についてはSPACが整備するインタフェース仕様書（適用文書⑸）を参照のこと。

図３表２

衛星測位の誤差要因
補強情報の構成

図４4

ユーザ端末処理フロー

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験に使用した市街地を模擬した移動体の試験場（JARI

4．みちびきを用いた利用実証

殿所有）を示す。

本システムにおける精度の評価においては、国際規格
4. 3

ISO「Geographic Information」、日本工業規格JIS「地補完と補強の相乗効果（6）

理情報」、および公共測量の作業規定の準則に基づき、“みちびき”からの測位信号を受信できる受信機を搭載位置の品質評価をRMS誤差（Root Mean Square Error）した高精度GPS移動計測装置（Mobile Mapping System：で表現する。RMS誤差は標準偏差と偏りからなる。なMMS）を用いて、高層ビルを含む繁華街である東京丸

お、 水 平 方 向 の 誤差は、二次元水平方向の距離 誤 差の内で測位精度・測位率を計測する実験を実施した。

（DRMS：Distance RMS）で表現する。

MMSは、屋根に“みちびき”とGPS衛星の信号を受信する測位信号受信アンテナや測位信号と複合して測位精4. 1

度を改善して、かつ、測位信号を受信できないときも継

静止測位精度日本の最北端を含む「北海道西」、最南端近傍の「沖続して測位計算を実施するINS（Inertial Navigation

縄」、日本中央部 の日本海側および太平洋側として「北System）および、画像情報を取得するためのビデオカ

陸」および「関東」の4地域において、CMASの位置のメラやレーザスキャナを搭載し、車内に取得データを処品質評価を行った結果、電離層擾乱の大きい沖縄におい理し記録する制御装置を搭載している。て も、 開 発 目 標 の 水 平 3cm（DRMS）、 垂 直 6cm

実験では、丸の内をMMSで走行し、“みちびき”と（RMS）を十分に満足した。各地域における測位精度をGPS衛星の測位信号およびセンチメータ級の補強情報メ

表３に示す。

ッセージを受信し記録する。同時にINSデータも記録す

また、電離層が昼間と夜間において異なった特性を有する。記録した“みちびき”とGPS衛星の測位信号およびるため、日周変動を評価した結果、CMASは日周変動に対しても均一な品質を有することを確認した。測位精度の日周変化を表４に示す。
4. 2

移動体測位精度

高精度な位置計測が可能な自動追尾トータルステーシ
ョンを用いた移動体位置のレーザ計測値 を参照値とした絶対評価を実施した。評価結果を、表５に示す。開発目標（水平６cm（DRMS）、垂直６cm（RMS））を十分に満足している。自動追尾トータルステーションの使用

図５には、整備された環境が必要となる。図５に、今回の実表３

試験実施場所（JARI殿保有の模擬市街地）

各地域における測位精度

表４

測位精度の日周変化

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表５図６

移動体による測位精度

都市部(東京丸の内)における精度評価 (三菱電機技報 2014年2月号(6)より)
表６

QZSによる測位性能の向上

センチメータ級の補強情報メッセージ、INSデータを使ぞれ（1）GPSのみによる測位計算、（2）QZS+GPSによ用して、後処理で、（1）GPSのみによる測位計算、（2）

る測位計算、（3）QZS+GPS+INS複合測位計算結果を示

QZS+GPSによる測位計算、（3）QZS+GPS+INS複合測す。図中の黒線は参照値を示す。表６は、それぞれの測位計算、を実施した。参照値は、移動体測位として公的位率、測位精度を示す。GPS衛星だけの場合に対して、に認められているMMS（FKP方式）による測位結果を“みちびき”１機追加することによって、28.6%%から用いた。

47.35%へ、約1.7倍測位率が改善した。さらにINSを複合

なお、測定日は、2012年6月21日、測位は5Hzで実施することにより、100%（GPS衛星だけの場合の3.5倍のしている。

測位率改善）の測位率が達成できた。

評価結果を図６と表６に示す。図６は、測位計算結果

図７に各測位地点における“みちびき”とGPS衛星のを地図上にプロットしたもので、測位信号として、それスカイプロットを示す。
“みちびき”とGPS衛星の測位

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図９

高精度測位社会に向けての課題

測位に加えて、ICT（Information & Communication
Technology）の発達に伴いBLE（Bluetooth Low Energy）やWi-Fi（Wireless Fidelity）等の地上インフラを用いた屋内外の測位環境が整った高精度測位社会の基盤インフラが、東京オリンピック・パラリンピックが開催される2020年ころには、実現することが予想されている。
図７ 計測位置と可視衛星との対応(三菱電機技報 2014年2月号(6)より)

現状の技術課題としては、衛星測位は高精度（センチメータ級まで可能）な反面、測位環境として衛星からの測位信号が受信可能でならなければならないということが大きな制約となっている。一方、地上インフラによる測位は、測位環境を選ばす屋内測位が可能である反面、測位精度が数ｍ以上となる。
さまざまな測位サービスに対応するには、サービスの基本となるAR（Augmented Reality：拡張現実）による道案内や通路内の人流動体把握レベルの位置精度が必要となり、それには、1m以内で方位が正確に分かる必要がある。図９は、衛星測位と地上インフラによる測位における各種測位方式を、測位精度と測位環境を軸としたマップ上にプロットしたものである。屋内外で1ｍ以内の測位精度が実現できる測位方式はまだ確立されてい図８ないのが現状である。

マルチパス低減による精度向上

し か し な が ら、 屋 内 で 測 位 可 能 なBLEは 従 来 のの場合は、合わせて５機以上の場合で測位可能（Fix）

Bluetoothより省電力で、AP（Access Point）からの電となるのに対して、GPS衛星のみの場合は、GPS衛星だ波の届く範囲を制限することにより高精度化が可能であけで５機以上ないと測位解が得られず、測位率が減少しり、今後スマートフォンでの普及が見込まれる。準天頂ているのがわかる。

衛星による高精度な衛星測位と、屋内測位可能であるが図８は、GPSのみの場合とQZS+GPSの場合の測位精AP周辺のみのスポット測位となるBLEと、さらにすで度の時間推移を示したものである。QZSを追加することにスマートフォンに標準的に搭載されているジャイロやにより、マルチパスの影響を低減できることがわかる。

加速度センサ、デジタルコンパス、気圧計等のセンサを統合化し、組み合わせた自立航法により、屋内外で高精5．準天頂衛星による高精度測位社会の実現度に測位可能な測位インフラが実現できると考える。

準天頂衛星は、4機体制の整備および将来においてはまた、測位技術と同様にアプリケーション開発には、持続測位が可能となる7機体制の基本方針が2011年9月に電子地図の整備が不可欠である。アプリケーションに用閣議決定された。この準天頂衛星システムを用いた衛星いる地図の基本となる電子白地図は、国土地理院により

7

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オープンデータとして提供されている。さらに、スマートConference（2011年9月）

フォンを用いて電子白地図上に店舗情報やランドマーク等（３）PPP-RTK：Precise Point Positioning Using State-

を重ねて表示するARによる道案内の試みは始まっている。

Space Representation in RTK networks,

この高精度測位社会の基盤インフラの実現により、さWübbena, G., et al., The 18th International

まざまな測位アプリケーションの創出が期待される。サ

Technical Meeting, ION GNSS-05（2005年9月）

ービスとしては、（1）ナビゲーション（地上および地下（４）Differential GNSS（Global Navigation Satelliteのシームレスなストリートビューに基づく、駅構内・駅Systems）Services, RTCM Standards 10403.1

周辺の地下通路・地下街・地上をつなぐシームレスなナwith Amendment 5, RTCM Special Committeeビゲーションの実現）、（2）マーケティング（位置情報

104（2011年7月）

から得られた顧客の行動履歴から行動パターンを抽出し（５）SPAC-利-100630-15、準天頂衛星システム利用実証

顧客にリコメンドを提示したり、顧客が店舗に近づくと補強メッセージ仕様書、一般財団法人衛星測位利

販促情報を送信したり、さらに店舗の中に入るとポイン

用推進センター（2014年5月）

トを付与したり、決済を実行するなど、ピンポイントで（６）準天頂衛星による測位システムの構築、齋藤、他、リアルタイムな販促情報のプッシュ通信によるきめ細か

三菱電機技報なマーケッティングが可能）、（3）業務管理の効率化

Vol.88 No.2（2014年2月）
執筆者紹介（高精度な人流・交通流・物流の把握による、人、物、車、鉄道等の効率的かつ弾力的な配置やその運用計画が齋藤 雅行

可能、（4）防災・災害対応（緊急災害速報や警報時に、1980年三菱電機株式会社入社。FKP方式を使ったネッ屋内外に関わらず適切な情報を入手でき、自己位置に応トワーク型GPSシステムの開発および準天頂衛星初号機

じた適切な避難場所に避難できる等、災害時の的確な避“みちびき”を使ったセンチメータ級測位補強情報シス

難誘導が可能）、（5）移動体の自動運転（自動車の高精テム（CMAS）の開発に従事。その後、三菱スペース・度レーンナビゲーション・自動走行、鉄道車両の路線のソフトウエア株式会社に転籍。現在、鎌倉事業部 準天判別や自動切り替えおよび自動運行、農耕機械・建設機

頂プロジェクト開発支援センター

専門部長

械の自動運転、船舶の自動接岸が可能）を想定する。
山岸 敦

6．むすび

1992年三菱スペース・ソフトウエア株式会社入社。FKP

準天頂衛星システムの概要と、その代表的特長の1つ方式を使ったネットワーク型GPSシステムの開発及び高である測位補強機能の確認のため利用実証用に開発した精度測位端末の開発に従事。その後、実用準天頂の地上CMASについて利用実証結果を紹介した。さらに、準システム開発に従事。現在、鎌倉事業部 準天頂プロジ

天頂衛星システムが運用され、地上インフラが整備されェクト開発支援センター

センター長。

る2020年ころには、東京オリンピック・パラリンピック開催の追い風もあり、さまざまな測位アプリケーション

瀧口 純一が開発され、測位サービスが普及する高精度測位社会が1986年三菱電機株式会社入社。防衛宇宙機器のシステム現実のものとなることが期待される。その測位サービス開発を経て、GPS応用機器開発に従事。現在、三菱電機の方向性と実現のための制約と解決策について提案した。

株式会社

日本における測位分野の市場規模は、十数兆円とも言われている。準天頂衛星システムがそのトリガーとな

鎌倉製作所宇宙システム第二部

準天頂測位技術専任部長として、準天頂衛星システム

センチメータ級補強サービス・システムの開発に従事。工学博士。

り、測位のための地上インフラや電子地図の整備が進み、浅里 幸起

測位社会が近い将来現実のものとなることを期待する。

一般財団法人衛星測位利用推進センター（SPAC）の職

参考文献（１）準天頂衛星システム員として、利用実証用センチメータ級測位補強システム

ユーザインタフェース仕様（CMAS）の開発および、準天頂衛星を活用した民生利書（IS-QZSS）1.6版、 宇 宙 航 空 研 究 開 発 機 構用実証のためのシステム運用に従事。

（2014年11月）

高精度衛星測位サービス利用促進協議会（QBIC）にお（２）Centimeter-class Augmentation System Utilizing

ける標準化WGの担当スタッフ。現在、SPAC第４事業

Quasi-Zenith Satellite, Saito, M., et al., ION GNSS部所属。

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