GNSS高度利用のための低緯度電離圏異常監視齋藤 享、坂井 丈泰、 藤井 直樹
通信・航法・監視領域

2010年度電子航法研究所研究発表会
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概要

衛星航法と電離圏
衛星航法補強システムにおける電離圏モニタとその課題
電離圏独立モニタの可能性
まとめ2010年度電子航法研究所研究発表会
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目的

GNSSの高度利用において障害となる電離圏異常が多く発生する磁気低緯度地域において、インテグリティを保ちながらアベイラビリティの向上を計る
電離圏異常を効率的に検出し安全マージンを合理的に削減する方法を検討する

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3電離圏
太陽活動極小期, 東京, 秋分, 12時

高度70〜1000 km以上にわた

900

る電離大気（プラズマ）

高度 [km]700

高度300 km付近にプラズマ
500

密度のピークを持つ

300
100

プラズマ密度分布は太陽活

F2
E

D

108

F1

動度、季節、時刻、場所によって大きく変動する

1010
1012
電子密度 [m-3]

磁気低緯度（緯度±15度付

40200-20-400

赤道異常

120

経度

240360垂直遅延量 (m)緯度

高太陽活動期3月11時（世界時）20近）にプラズマ密度のピー

10クが存在（赤道異常）02010年度電子航法研究所研究発表会
4衛星航法と電離圏群屈折率40.3
群遅延 Iρ =f2

電離圏伝搬遅延周波数 [Hz]
測位誤差

電子密度 [m-3]! rec

ne (l)dl

sat

衛星-受信機間の全電子数に比例

電離圏プラズマの存在により屈折率が変化し疑似距離に遅延が生じる
GPS L1周波数(1.57542 GHz)で、通常1〜20 m程度の遅延（場所、昼夜、季節、太陽活動等により変動）
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5磁気低緯度は、電離圏密度が高く、変動も激しい領域- 赤道異常- プラズマバブル
- SED
赤道異常

プラズマバブル

高太陽活動期3月11時（世界時）2002年4月7日の垂直遅延量

120

経度

240360100Delay (m)

0

赤道異常

20TEC (1016m-2)

40
200-20-40

垂直遅延量 (m)緯度低緯度電離圏

50

8.0

40

6.4

304.8

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6衛星航法補強システム
安全性のため、補強システムが必要-

静止衛星型 (Satellite-based augmentation system: SBAS)
地上型 (Ground-based augmentation system: GBAS)
SBAS (MSAS)
静止衛星

GBAS
GPS衛星

GPS衛星

GPS衛星

補強情報
補強情報

基準局

全国6点の監視局の観測により補強
空港設置の基準局の観測により補強
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7補強システムにおける電離圏モニタ

従来のシステム：閉じたシステムを基本- インテグリティ設計の容易性
MSAS: 全国6点の監視局のGPS観測データに基づき、異常を検知
GBAS: 空港設置の基準局のGPS観測データに基づき異常を検知
時間・空間的に大きく変動するものは検知しにくい- 見逃し確率を考慮して大きめの安全マージンを取ることにより安全性を確保
2010年度電子航法研究所研究発表会8従来の電離圏異常モニタと問題点
可視GNSS衛星数はそれほど多くなく、見かけの移動速度も大きくない- GNSS衛星を用いた監視は「点」であり、見逃しの可能性が残る
電離圏の観測研究は過去100年の歴史があり、電離圏異常の観測方法はいくつもある→GNSSとは独立した監視手法が可能
FAA: GBASの電離圏異常モニタとして宇宙天気的な情報(WAASなど)を利用することも検討
個々のシステムにとらわれない、インフラとしての監視システム
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9電離圏異常モニタの条件常に利用可能であること- 地上の天候等に左右されるようなものは不適→電波によるものが適
従来のモニタに比べて効率的に異常を検出できること
あまり高価でないこと- GNSSによって得られる利益を損なうほどのものは不適- １つが高価であっても、多数のシステムに有効であればよい
安全性設計が可能であること
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10検討対象の手法

非干渉散乱レーダー
後方散乱レーダー
短波赤道横断伝播
低軌道衛星ビーコン

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11非干渉散乱レーダー
ALTAIR radar
電子密度の２次元断面磁気赤道Kwajalein環礁

プラズマバブル[Hysell et al., 2006]

電離圏プラズマによるVHF〜UHF帯電波の微弱な散乱
ビーム走査によりプラズマ密度の3次元分布を直接観測可能- 電離圏異常の検出においては万能散乱断面積が極めて小さいため、大電力・大型アンテナが必要
2010年度電子航法研究所研究発表会12後方散乱レーダー
京大赤道大気レーダー (47 MHz, インドネシア)

560-Yagi circular array
名大VHF radar (30.8 MHz, インドネシア)

プラズマバブルエコーの2次元マップ
South/High300
南北／高度103 m

磁気緯度26.6度相当

1500East-250

0
東西250

West

18-Yagi linear array

プラズマバブルに伴うプラズマ不規則構造による、VHF帯電波の後方散乱（磁力線直交方向）散乱断面積が大きく、低電力(10 kW級)で観測可能
レーダービームの電子走査により、プラズマバブルの2次元断面を広範囲で監視可能

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13HF赤道横断伝播
HF放送波 (Radio Australia)の到来方向
29 March 2009

360

非大圏伝播
270

プラズマバブル

Oarai
大圏伝播

到来方位角

非大圏伝播
プラズマバブル
180

大圏伝播
Shepparton

90[Maruyama and Kawamura, 2006]

012180JST

612[Saito et al., 2008]

短波赤道横断伝播の到来方向から、プラズマバブルに伴う電離圏大規模構造を検出
位置精度は高くないが、プラズマバブルの有無の広域監視に有効
科学研究費補助金若手(B)研究（2009〜2011年度）
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14低軌道衛星ビーコン
C/NOFS(米空軍によるプラズマバブル予測用衛星)を用いたプラズマバブルの検出

電離圏電離圏プラズマ密度構造の推定[Thampi et al., 2009]（トモグラフィ）低軌道衛星のビーコン電波から電離圏プラズマ密度を導出
GPS掩蔽などと組み合わせたトモグラフィによる3次元プラズマ密度推定
広域監視向き
科学研究費補助金挑戦的萌芽研究（2010〜2012年度）

アンテナ受信機

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まとめ
日本の位置する磁気低緯度において、GNSSの高度利用の障害となる電離圏を効率的に監視する方法について検討を行った
低緯度電離圏で最大の問題となるプラズマバブルの監視については、いくつかの効果的な手法があり、そのうち後方散乱レーダーの実用性が最も高いその他の手法（短波赤道横断伝播・低軌道衛星ビーコン）についても、競争的資金を得て基礎研究を行っているところである
プラズマバブル監視法の効果の定量的な評価を、3次元電離圏モデルなどを用いて行っていく予定
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