GPS-TECデータベースとその科学利用
情報通信研究機構 電磁波研究所
宇宙環境研究室

津川 卓也• GPS電離圏全電子数（TEC）データ導出手法• GPS-TECデータベースの現状• GPS-TEC観測で捉えられた電離圏現象• まとめGPS電離圏全電子数（TEC）データ導出手法

GPSとGNSS
 GPS（Global Positioning System、全地球測位システム）
 GNSS（Global Navigation Satellite System,全地球航法衛星システム)---各国の測位衛星システムと補強衛星システムの総称。
グローバル軌道衛星群

GPS（32）

GNSS

特定地域衛星群

GLONASS（24） Galileo（30）QZSS（7）IRNSS（7）WAAS（1）

MSAS（2）

補強衛星群

GAGAN（2）BeiDou（35）EGNOS（3）

Space Segment
 衛星高度20,200km

 周回周期11時間58分

 衛星総数

31個+予備

 軌道傾斜角55度

 軌道面数6面

 周波数
Ｌ１:1575.42MHzＬ２:1227.60MHz
Ｌ５:1176.45MHz[http://www.gps.gov]

RINEX format（Receiver Independent Exchange Format）
ファイル名:ssssdddh.yyo
ssss: marker nameddd: day of the year
h: file sequencenumberyy: 2-digit year
ヘッダー部分
year, month, day,hour, min, sec,flag, # ofPRNs, PRNs
1 エポックGPSを利用した電離圏全電子数（TEC）の導出• 全電子数（Total electron content: TEC) は、GPS電波の電離大気による位相速度遅延・群速度遅延の２周波の差から求められる。
GPS電波の電離大気による位相速度遅延・群速度遅延P1 P2: Pseudorange（疑似距離）
L1 L2: Carrier phase
I: Total electron content
f1, f2: Frequencyρ: True range between the GPS satelliteand receiver• TECは、受信機と衛星を結ぶ視線に沿って積分した単位面積当たりの全電子数で、単位は m-2 。
• 一般的に、TEC Unit (TECU、=1016m-2 ) が単位として使われる。
• 視線方向のTEC（slant TEC）は、薄層近似された電離圏を仮定して、鉛直方向のTEC（vertical TEC)に変換され、地図上に投影されることが多い。

疑似距離と位相差から求めた全電子数• GPS搬送波の波長（L1：0.19m、L2：0.24m）は、搬送波に乗っている信号（P：29.3m、C/A：293m）に比べて2 ～ 3 桁程度短いので、搬送波を用いた測定の方が測距の分解能はよい。

[齊藤、津川, MTI-handbook, 2006]

GNSS-TEC exchange (GTEX) format (v1.0)

Filename: ssssdddh.yy_TEC
ssss: marker nameddd: day of the year
h: file sequence number
yy: 2-digit year

Header PartRINEX files used toderive slant TEC
Rec. Position in Lat, Lon, Alt
Types of obs. in RINEX
Types of data productInterval according to RINEX
year, month, day, hour,min, sec, flag, # ofPRNs, PRNs
1 epochhttp://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/rsg3/Pages/dtbank-form-tables.aspx

GPS-TECデータベースの現状

密なGPS受信機網を利用したTEC観測RegionJAPAN# of GPS Rec. ~1,200 receivers

N. America~2,700 receiversEurope~1,200 receivers

Detrended
TEC Map(60-minWindow)
Nighttime
MSTID

DaytimeMSTID

Nighttime
MSTID[Tsugawa+, GPS solut., 2007][Tsugawa+, GRL, 2007][Otsuka+, AG, 2012]

収集しているGPS受信機網データ

10000

GEONETWorld

Number of GPS receivers

8000
6000
4000
200002000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

DRAWING-TEC Website(Dense Regional And Worldwide INternational GNSS-TEC observation)

http://seg-web.nict.go.jp/GPS/DRAWING-TEC

NICTでのGNSS電離圏観測システム
NICT クラウド
Level １
RINEX

自動処理

データ収集
（自動）

Level 2
GTEX

自動処理

データ解析

データ収集
（自動）
GTEX作成支援

RINEXRINEX提供機関（～45機関）Level 3
高解像度TECマップ

自動処理

Webで公開TECマップデータアーカイブス
準リアルタイムデータ
国内リアルタイムデータ
国内予測値（所内のみ）

研究者らにデータ提供

GTEX

GTEX提供機関（~5機関）

データ解析

研究成果
電離圏嵐の基準策定
機械学習を用いたモデル構築
地磁気擾乱時の電離圏嵐

研究者

巨大竜巻/地震後の電離圏擾乱
・・・

GPS-TEC観測で捉えられた電離圏現象

Medium-Scale TID (MSTID)

夜間MSTID• 南西方向に伝搬。
• 日本の経度では夏に極大、冬に第二極大。
• 電場変動を伴い、地磁気共役性がある。
→ 電場が成因に重要な役割を果たしている

昼間MSTID• 南南東方向に伝搬。
• 冬に極大。
• 大気重力波の wind filtering 効果と矛
盾しない → 大気重力波が原因[Tsugawa et al., GPS solut., 2007]

Medium-Scale TID (MSTID)[Saito et al., 2003]

北米TECマップによるMSTIDの観測
Typical Daytime MSTID

Typical Nighttime MSTID○ 1-hour running average is subtracted from the original TEC data derived fromeach GPS satellite-receiver pair.
○ All the detrended TEC data are mapped onto the ionospheric altitude (300 km).
○ Spatial resolution is 0.15° x 0.15° in latitude and longitude with 7x7 pixel

smoothing (running average).
○ Temporal resolution is 30 sec with 10-minute smoothing.

[Tsugawa et al., GRL, 2007]

TEC変動（10分以下の変動成分）

TEC変動成分の経度・時間断面• 電離圏震央からやや離れた領域（140°E以西）で、波動が西方向へ伝搬していることがわかる。
これは、図4の同心円状の波に対応する。
• 第一波は3,457 m/s、第二波は783 m/s で伝搬していた。これらは共に減衰が早く、伝搬距離が短かった。

電離圏震央を通る37.5°Nの124°E－154°EにおけるTEC変動成分の経度・時間断面図• 第三波以降は、伝搬速度が 138423 m/s で、減衰が遅く、伝搬距離が長かった。これらの波は、時間と共に伝搬速度が遅いものが現れており、西日本では地震発生から3時間程度、09:00 UT近くまで観測された。

• 電離圏震央付近では、図5で示したTEC減少に加えて、06:00 UT くらいから約4分周期の短周期変動（4.5 mHz）とうねりが見られた。この短周期振動は3時間以上続いていた。

GPS-TECとGOES衛星赤外線雲画像の比較[Nishioka et al., GRL, 2013]• 継続時間が長く、長距離伝搬する同心円状の波動が観測された。
• 振幅は背景TECの1％程度。

GPS-TEC

緯度-時間断面図の比較
同心円状波動• ほぼ一定の伝搬速度 ~170 m/s.
• 水平波長 ~120 km.
• 長距離伝搬• 8時間以上継続• 同心円の中心が次々に出現するスーパーセルに対応して南へ異動

GOES赤外線短周期変動• 約4分周期の振動• 水平位相速度 ~1.3 km/s.
• 9時間以上継続• 振動振幅は背景の1％程度• 出現領域はほぼ一定で、最も強いスーパーセルに対応[Nishioka et al., GRL, 2013]

地震後の電離圏変動との比較
2011 Tohoku Earthquake2013 Moore Tornado

類似点

相違点

• 同心円状の波動 → 大気重力波• 同心円状波動の分散性• 4分周期の振動 → 音波共鳴

• 継続時間→ ソースの特性（？）

磁気嵐時の全球TEC観測[新堀他、本合同研究会ポスター発表]

TECデータは地磁気静穏日からの差分

磁気嵐時の全球TEC観測[新堀他、本合同研究会ポスター発表]

まとめ 密なGNSS受信機網を利用した高解像度2次元TEC観測により、数100～1000km程度の電離圏擾乱現象の全体像を捉えることができる。
例：MSTID、LSTID、プラズマバブル、地震・竜巻後のTEC変動など。
 全球的なGPS-TEC観測もできつつあり、磁気嵐の発達・衰退期の全球GPSTEC変動などの解析も可能になってきている。
例：SED、TOI、トラフ、ポーラーパッチ、Pc5波動など
 GPS-TEC観測の高解像度化及び領域拡大を進めるため、GPS受信機網の調査とデータ収集の強化や、TECデータの標準化や国際的データシェアを進めている。
 課題- Lv.2データ（2次元グリッドデータ）の標準化- 解析手法・ツールの整備・統一化→ 他の観測・モデルデータとの比較が簡単ではない。
 IUGONETプロジェクトのデータベースやツールの利用ができるようになれ
ば、様々な電離圏（磁気圏も？）現象の研究により役立つことが期待できる。