高精度測位補強サービスの将来展望について
QBIC第2回海外展開WG
廣川類（三菱電機株式会社）

2023年6月22日 13:35-14:05©Mitsubishi Electric Corporation

Contents

1. 高精度測位補強サービスの現状
2. QZSS CLAS機能向上の構想
3. PPP-RTK/PPP認証機能に関する研究©Mitsubishi Electric Corporation

Introdunction2

1

高精度測位補強サービスの現状

3

1-1

高精度測位における相互運用性と標準化• オープンな高精度補強サービス、低コストGNSS受信機が普及し、高精度測位を利用するアプ
リケーションが普及する• 複数のプロバイダ（GNSS,補強サービス業者）、複数の受信機が混在して使用される• 課題：組み合わせの数は非常に多く、開発・試験に多くのリソースが必要となる• このため、プロバイダ・受信機間、受信機・アプリ間におけるインターフェイスの定義・標準化が必要①サービスプロバイダ
間相互運用性(信号仕様、伝送形式 等)②サービスプロバイダ／受信機間インターフェース(RTCM, 3GPP等)(a)衛星回線(準天頂L6,静止L帯,Galileo E6等)

補強サービス
補強サービス
補強サービス (b)地上回線
プロバイダ
プロバイダ
(インターネット,モバイル回線等)
プロバイダ

調整・標準化©Mitsubishi Electric Corporation

ICG

RTCM

G-G間調整3GPP③受信機／アプリケーション間インターフェース(NMEA, RINEX, binex等)

(c)位置
受信機
受信機
受信機
(測位ソフトウエア)(測位ソフトウエア)(測位ソフトウエア) (d)観測データ

アプリケーション(自動運転など)

NMEA
RINEX
binex

Introduction

4

1-2

オープンな高精度補強サービスの普及◼ 衛星配信によるオープンなPPP/PPP-RTK補強サービスが利用可能となっている◼ UN-ICGの枠組みでPPPの相互運用性に関するタスクフォースを開始（2019-）: 11団体
✓ 2nd Workshopを実施（2023/3 at JRC）
✓ パラメータ（性能指標等）の定義明確化、参照モデル等について議論、RTCMと連携◼ 主要パラメータをまとめ、「 PPP Service Providers Report 」を作成(rev.2 draft)◼ 伝送フォーマットについては日本発のCompact SSR (CSSR) （派生含む）でまとまりつつある
List of Open Satellite-Based High-Accuracy GNSS Correction Service
SystemCountry

Service Area

Service

Satellite

StatusSignalData Rate

Format in SISQZSS CLAS

Japan

Japan

PPP-RTK

IGSO/GEO

Operational (2018-)

1.278GHz (L6D)

1,695bps

CSSR

QZSS MADOCAJapan

Asia/Oceania

PPP

IGSO/GEO

Trial service (*1)

1.278GHz (L6E)

1,695bps

CSSR

Galileo HAS

EUGlobalPPP

MEO

Operational (2023-)

1.278GHz (E6b)

448bpsSimilar to CSSR

BeiDou 3

China

China+PPP

GEO

Operational (2020-)

1.207GHz (B2b)

456bpsCustomized CSSR

PPP via SouthPAN

AU/NZ

Oceania

PPP

GEO

Early Service (2022-)

1.207GHz (E5b)

500bps?

(TBD)

GLONASS

RussiaRussiaPPP

MEO/IGSO

Development (2030-)

1.202GHz (L3SVI)

3,155bps

CSSR

KPS

Korea

(TBD)

(TBD)

GEO

Development (2035-)

1.278GHz (L6)

(TBD)

(TBD)

*1 Operational from 2024

©Mitsubishi Electric Corporation

1.PPP/PPP-RTK Open Formats

5

1-3

ICG 3PITF における議論◼ 追加: “reference time system”, “reference coordinates”◼ 定義があいまい:✓ 測位精度:➢ Statics value after convergence? If so what is the definition of convergence?
✓ 収束時間:➢ It is including time-to-receive correction data?
➢ Time to reach specification or time to convergence?
➢ If specification, what if error increases later?
✓ 用語の定義：PPP, PPP-float, PPP-AR, PPP-RTK, PPP with iono
◼ Standardized algorithm for PPP: Galileo HAS reference algorithm◼ OSS Toolkit: RTKLIB, PPPLIB, CLASLIB, MADOCALIB, cssrlib
t0: Start to receive the correction datat1: Start to calculate PPP/PPP-RTK
Convergence time [s]: t2-t0
t2: time to reach the accuracy specification
Accuracy
specification [m] (95%)©Mitsubishi Electric Corporation

Positioning accuracy [cm] (95%):
statistical value after convergence61-4（参考）PPP/PPP-RTK per formance map

Convergence Time

Data Rate (95%)(95%, minute)3,000bps

40◇SVI (Russia)◇PPP Via SouthPAN

30◇MADOCA PPP

2,000bps◇MADOCA PPP

◆CLAS

20

◆BDS PPP◇SVI (Russia)

1,000bps

10◇MADOCA PPP +iono

5
◆CLAS

10cm

◆Galileo HAS◇Galileo HAS +iono

20cm

30cm

Accuracy (Horizontal, 95%)

500bps◆BDS PPP◇PPP Via SouthPAN◆Galileo HAS(*1)

NationRegional

GlobalService Area

*1 Currently, Asia/Oceania region is not supported yet◆ Operational©Mitsubishi Electric Corporation◇Development or Trial Service

From PPP Service Providers Report, 2nd7

1-5

PPP/PPP-RTKのオープンフォーマット

◼ RTCM SC-104 委員会でSSR標準（RTCM-SSR）を2011年に定義（ステージ1：PPP）◼ RTCM SSR互換のPPP/PPP-RTK用高効率オープンフォーマットCompact SSRが2015年に提案されQZSS CLASに採用。3GPP、Galileo HAS、GLONASS PPPにも適用。
◼ RTCM SSRは標準化が長らく滞っていたが、SSR TaskForceにより標準化提案をまとめ中。
IGS SSR
Scientific Applications

LTE/5G

RTCM SSR

Compact SSR
QZS CLASQZS MADOCA PPPGLONASS PPPSSRZGeo++ GNSMART©Mitsubishi Electric Corporation

SBP

3GPP LPP

Swift Nav Skylark

SPARTNu-blox PointPerfect

Galileo HAS
BeiDou PPP

Proprietary (closed format)
Trimble CenterPoint RTX fast
Hexagon TerraStar-X
1.PPP/PPP-RTK Open Formats

8

1-6

GNSSオープン信号周波数と補強信号◼ PPP/PPP-RTK補強信号がRNSSバンド (1.2GHz および 1.5GHz)で衛星から放送されている• ４種類の補強信号に分類できる:1. 1.575GHz (L1), 1.176GHz (L5): SBAS
2. 1.278GHz(L6/E6): QZSS PPP/PPP-RTK, Galileo PPP, (KPS)
3. 1.202-1.207GHz(E5b/B2b/L3SVI): Beidou PPP, PPP via SouthPAN, Glonass PPP

4. 1.525-1.559GHz (L-band): commercial PPP/PPP-RTK service
DFMC SBAS
L5/E5a/B2a(GECJIS)

PPP
L3OC
(R)

E5b/B2b(ECS)

PPP/PPP-RTK
L2C (G)

L2OF (R)
L2OC (R)B3I (C)

L6/E6 (EJ)SBAS

PPP/PPP-RTK(commercial)
B1I (C)

L1CA (GS)L1C/E1/B1C (GECJI)

L1OF (R)
L1OC (R)L-band1525-1559MHz
MSS

Ranging or Correction

Ranging©Mitsubishi Electric Corporation

Correction

lower L-band (1.2GHz)

upper L-band (1.5GHz)
2.Interoperability of PPP/PPP-RTK Services

9

1-7

RTCM における議論：L1C/Bの相互運用性に関する議論など◼ SSRメッセージの標準化：SSRタスクフォースに参画、議論中。コンテン
ツ定義フェーズの後、圧縮メッセージについて議論予定（詳細後述）。
◼ LNAVメッセージの最新化：次版に反映予定（現在はJAXA時代のICDを参照）◼ CNAV, CNAV2 メッセージ提案：GPSと連携して実施中◼ NRTK マルチGNSS対応： Galileo, BDSは相互運用性テスト完了、QZSについては２社目の参加待ち◼ MSMメッセージのL1C/B対応：内閣府と連携して、改訂案を提示。
◼ 受信機メーカーから相互運用性に関する指摘があり、定義を詳細化✓ 問題：L1C/BとL1C/Aの位相が厳密に一致する保障はなく、タイミン
グは受信機の実装に依存。
✓ 対策：全世代のQZSで送信するL1Cをピボットとして、L1C-L1C/A、
L1C-L1C/Bを90deg位相で定義することにより、互換性を確保する。
「90deg位相」の符号はGPSの実装に合わせる。
✓ L1C/B運用開始後に相互運用性試験を実施、フォーマット改訂を提案する方向で合意◼ Network RTKのマルチGNSS対応に関する議論が行われている。現状のGPS/GLONASSに加えて、Galileo/BDS/QZSSを追加する提案。Galileo/BDSは相互運用性テストまで完了、規格化の予定。QZSSは相互運用性テストに参加する企業が１社のみで進んでいない状況。
©Mitsubishi Electric Corporation

10

1-8

（参考）RTCM 標準化委員会について

補強情報配信形式の業界標準：RTCM SC-104委員会で定義されるRTCM 規格
・主要受信機メーカ、補強サービス業者、研究機関等が参加
・国内からJAXA、三菱電機、ALESが参加

三菱電機はQZS WGのチェアを務めており、CLASで使用する圧縮方式SSR (Compact SSR)の標準化、
QZS関連規格化を推進
SC-104委員会(3回/年)

Working Group
規格ドラフト作成
QZS

Galileoversion 3
SSR

Glonass

RINEX

BeiDou

相互運用性
テスト

討議

RTCM規格

投票

送受信各2団体以上

NMEA

Network RTK

Internet Protocol

Coordinate Transformation* RTCM SC-104: The Radio Technical Commission for Maritime Service, Special Committee 104©Mitsubishi Electric Corporation

11

1-9

R T C M S S R Ta s k f o r c e に お け る 議 論◼ TFメンバーにより隔週ペースで議論を継続、TFドラフト提案段階までまとまってきた。
◼ PPPのみならずPPP-RTKを包含、トータルパッケージとして議論◼ 受信機メーカー、プロバイダにより積極的な議論が行われている：Hexagon, Geo++, Swift, Trimble◼ Interoperability testに関する議論も開始◼ 1年程度でTF提案まで到達できると思われる。

◼ コンテンツを規格化後、圧縮メッセージ等を定義

#

Item

TF Proposal

1

Satellite Orbit, ClockAs previously defined2

Code Bias

As previously defined3Phase bias

RTCM SSR Phase Bias Message – Draft v6

4

Ionosphere message

RTCM SSR Ionospheric Correction Message – Draft v2

5

Tropospheric Correction Message

RTCM SSR Tropospheric Correction Message – Draft v2

6

Grid Definition Message

RTCM SSR Grid Definition Message – Draft v5

7

Satellite Antenna Message (PCV/GDV)RTCM SSR Satellite Antenna Message – Draft v6

8

Metadata message

RTCM SSR Metadata Message - Draft v2©Mitsubishi Electric Corporation

12

2

QZSS CLAS機能向上の構想

13

2-1

QZSS Project status◼ QZSS 4 satellite constellation is in continuously operation with Q1R, Q2, Q4 and Q3.
◼ Development of QZS 5,6,7 is underway, they are planned to be launched in JFY2023-2024.
◼ Trial service of MADOCA-PPP with Compact SSR has started in Sep 2022, regional PPP service plans to be
operational by JFY2024.
◼ L1C/B signal is planned to be operational in JFY2024 after QZS-5 is launched.
◼ QZNMA will be operational in JFY2024, draft ICD for QZNMA (IS-QZSS-SAS) was published on Jan 24, 2023.

JFY

2020

2021

2022
QZS-1R

2023

2024

2025

2026

2027

2028

2029

2030

QZS-5,6,7

PNT: L1C/A,L1C,L2C,L5

PNT: L1C/B,L1C,L5

PPP-RTK (CLAS), DGPS (SLAS),SBAS (MSAS)
PPP (MADOCA)©Mitsubishi Electric Corporation

14

2-2

Pe r f o r m a n c e o f Q Z S S C L A S◼ QZSS CLAS is operational since Nov. 2018, it proves quite good performance and thereliability.
◼ High-accuracy positioning solution can be obtained in 5 seconds after receiving correction
data.
Kinematic mode

Time to receive the correction data

* Analyzed by CLASLIB, based on the daily solution of 72 CORS stations in Japan©Mitsubishi Electric Corporation

15

2-3

Events and feedback during operation of CL AS

Atmospheric disturbance◼ Ionospheric disturbancedegrades the positioning
performance

From: https://aer-nc-web.nict.go.jp/GPS/QR_GEONET/MAP15/©Mitsubishi Electric Corporation

Natural disaster andPositioning in Non-open

System events

sky condition◼ Power outage on reference
stations because ofearthquake or typhoon.
◼ Failure event on internal
network and equipment.
◼ System outage of Galileo in
July 2019.

◼ The availability of highaccuracy position islimited on non-opensky condition

From https://qzss.go.jp

16

2-4

CL AS改善の方向 (ION Pacific PNT 2022)• More satellites bycombining multiple
channels of multiple
QZSS satellites.

• Localized heavy rainfall
prediction by
estimating IPWV.

©Mitsubishi Electric Corporation

Availability

Cybersecurity

DisasterPrevention

Integrity• Correction Message
Authentication(CMA) for PPP/PPPRTK.

• Applying thestandardized message
in RTCM SC-134 and
3GPP.
17

2-5

CLAS性能向上計画 (2023年5月 受信機WG)

1. QZS 5号機L6DチャネルからのCLAS補強配信
2. 補強衛星数を増やすための更新（下位互換性を確保）

3. CLAS補強メッセージへの認証機能の付与

Satellite group for correction
from QZS-A

Satellite group for correction
from QZS-B

QZS-A
QZS-B

補強衛星数を増やすための方式例：号機別配信©Mitsubishi Electric Corporation

18

2-6

QZSS CLAS認証機能付与について(2023年5月 受信機WG)◼ CLAS補強メッセージに認証機能を付与（～JFY2026）◼ 認証メッセージの送信方法： L6DまたはL6E をユーザ利便性等に基づき判断◼ 認証方式として、伝送効率・計算効率に優れるTESLA方式の採用を検討（参考） TESLA方式：遅延鍵公開により秘密鍵を共有する認証方式（Galileo OSNMAで採用）✓ デジタル署名（DS）伝送方式に比べてデータ伝送効率、計算負荷が約２倍優れる✓ 前提条件：プロバイダ・ユーザ間で時刻がある程度（例：約1秒）整合している✓ 検証手順① ルート鍵検証： 公開鍵を用いてルート鍵署名を検証② 鍵チェーン検証： 鍵チェーンをハッシュで順次計算、ルート鍵(K0)の整合性を確認③ MAC検証：L6メッセージから鍵を用いてMACを生成、送信されたMACと比較・検証

Kn

⇒

Kn-1

K0

② 鍵チェーン検証

ユーザ
公開鍵（署名付き）

Kn-1 = f(Kn|Tn |D)

ルート鍵＋署名

Kk-1 = f(Kk|Tn |D)鍵

ルート鍵検証ルート鍵⇒①ルート鍵＋署名で検証
DS = g(K0|T0 |D’)TESLA鍵チェーン検証の考え方©Mitsubishi Electric Corporation

認証局（CA)

プロバイダ
L6メッセージ

鍵チェーン検証
認証対象
データ生成

MAC

鍵
MAC生成
MAC
MAC検証
19

3

©Mitsubishi Electric Corporation

PPP-RTK/PPP認証機能に関する研究

20

3-1

高精度補強認証関連の研究成果紹介

高精度補強認証関連の研究成果紹介 （注：CLAS高度化契約における仕様設計は別途検討中）
a. A Message Authentication Proposal for Satellite Based Nation-wide PPP-RTK Correction Service(ION GNSS+ 2019)b. PPP/PPP-RTK Message Authentication (ION GNSS+ 2021, NAVIGATION)©Mitsubishi Electric Corporation

21

A Message Authentication Proposal for Satellite
Based Nation-wide PPP-RTK Correction Service

ION GNSS+ 2019
September 20, 2019 at Miami, Florida
D r. R u i H i r o k a w a , D r. S e i g o F u j i t a©Mitsubishi Electric Corporation

Authentication of Navigation Message and Correction Ser vice
✓ GNSS open signal can easily attacked by low-cost GNSS signal spoofer.
✓ GNSS providers such as Galileo, GPS, QZS are working to provide the authentication
information for their navigation signals and messages.
✓ In this paper, we present a fundamental study to add the authentication information
for satellite based high-accuracy (HA) correction service.
GNSS

-

SBAS

Navigation Signal
Navigation Message

SBAS Message

HA Correction Service

LimeSDR-mini+GPS-SDR-sim

High-Accuracy Correction Message➢ Propose An Authentication Message for,1. High Accuracy Correction Messages for PPP/PPP-RTK
2. Navigation Messages of GNSS Satellites (option)©Mitsubishi Electric Corporation

E x a m p l e of O t h e r G N S S / S B A S✓ For the variable length stream, the message occupation rate depends on the number ofavailable satellites and signals. The priority control of messages will be necessary.
✓ HA correction should be high priority, NMA could be low priority.
Navigation
Message

Navigation
SignalSBAS Message

HA Correction Message

Application

Galileo E1B OSNMA

GPS L1C Chimera- SBAS, DFMC SBAS

CLAS/Compact SSR

Frame Coding

fixed

fixed

fixed

variable (RTCM stream)

Data Rate

125bps50bps

250bps1,695bps

Update Interval 10 minute2 hour30-216sec

5sec clock, 30sec other

Data Rate

16.6% (20bps)

6% (3bps)

22% (55bps)

3-5% (50-85bps)

TBA

10sec

6sec,3min

6sec

5sec (correction)
30sec or more(NMA)

EncryptionTESLA

ECDSA P224

TESLA

TESLA

©Mitsubishi Electric Corporation

(参考) NMAパラメータ比較©Mitsubishi Electric Corporation

25

Type of Key for Authentication✓ The message is authenticated by the digital signature (symmetric/asymmetric).
✓ We should care about the authentication performance (security level, time between
authentication) and the resource limitation (band-width, computational).
SenderMessage

hash

MACs

Message
MACs
Key

ReceiverKey

MessageKeyhashverifytechnique

Key handling

Advantage

Symmetric key

the key is shared by transmitterand receivers••

Asymmetric key

a private key known only totransmitter, a public key can be
distributed publicly*1 the authentication of public key is still needed.
©Mitsubishi Electric Corporation•

MAC

compareMACs
Drawback

Lower computational
resource
Shorter key length•

Difficulty to share theprivate key

Non-disclosure of
secret key (*1)•

High computational
resource
Longer key length•
LPC1768 ARM Cortex-M3 96MHz:ECDSA P-256 458msec  SHA-256 0.6msec

Performance of State-of-the-Art Cryptography on ARM-based Microprocessors (nist.gov)

26

TESL A: Timed Efficient Stream Loss -tolerant Algorithm•

TESLA provides delayed per-packet data authentication, defined in RFC4082, ISO/IEC 29192-7:2019(E).
• Efficient and robust protocol• Requirement:
1. Loose time synchronization.
2. Initial commitment to the key chain: the last key of chain (k0) with signature

Sender1.
2.

Receiver

Generate key chain with non-reversible function f
Disclose key with reverse order (k0,…,kN) with delay

disclose key to the receiverskNki𝑘𝑖−1 = 𝑓 𝑘𝑖

ki-1

mi , MACi
ki-1

1.
2.
3.

k0
Sign of k0

4.

k0

𝑘𝑖−1 = 𝑓 𝑘𝑖 = 𝑡𝑟𝑢𝑛𝑐(ℎ𝑎𝑠ℎ(𝑘𝑖 ||𝑠𝑎𝑙𝑡))“salt” can prevent pre-computational attacks

Receive message mi and MACi
Receive key ki with delay
Verify ki with key-chaining•
k0 is verified with signature of
sender•Signature is verified by certificationof sender
Calculate MAC for mi using ki ,comparewith MACi :𝑀𝐴𝐶 = 𝑡𝑟𝑢𝑛𝑐(ℎ𝑎𝑠ℎ 𝑚𝑖 , 𝑘𝑖 ||𝑠𝑎𝑙𝑡 )Certification (public-key) of sender©Mitsubishi Electric Corporation

Messaging Design for QZS L6(1) Same channel (L6D)-

Independency of Service
Slower TTFAF, TBA
TESLA
MAC(DS)

L6D

Mask Clk Orb Bias

(2) Separate channel (L6E)
L6D

Mask Clk Orb Bias

AC#1

-

AC#2

Auth

Clk

Key
AC#3

©Mitsubishi Electric Corporation

Auth

Auth

....

Faster TTFAF, TBA
Need additional channel
Asymmetric Encryption (like ECDSA) can be applied

AC#1

AC#2

Clk

AC#3

MAC(DS)
L6E

AC#4

Auth

AC#4

....
....

Message data rate for Authentication
Message rate for authentication:
Header𝑑𝑟𝑎𝑡𝑒 =

#Satellites

SL length

MAC length

𝑁0 + 𝑁𝑆𝐿 + 𝑁𝑀𝐴𝐶 +𝑁𝑠 1 +For CMA𝑛 = 𝑡𝑇𝐵𝐴−𝑁𝑀 Τ𝑡𝑇𝐵𝐴

𝑁𝑀𝐴𝐶
𝑛

/𝑡𝑇𝐵𝐴
For NMA

Example for MAC=30b,SL=112b
data-rate for 1 SV
(59.1bps)

Without NMA:
47bps (2.8%) with PKI info
37bps (2.2%) without PKI info
With NMA (20SVs, without PKI info):𝑡𝑇𝐵𝐴−𝑁𝑀 = 30𝑠𝑒𝑐

1.2bps/sat

61bps (3.6%)

𝑡𝑇𝐵𝐴−𝑁𝑀 = 60𝑠𝑒𝑐

0.7bps/sat

51bps (3.0%)

Message rate for PPP-RTK correction (Compact SSR):SIS : 7.6bps/sat
Local: 0.24bps/sat/grid©Mitsubishi Electric Corporation

59.1bps/sat for CLAS (212grids)

one more satellite orauthentication message?

Authentication Message Structure➢ Assigned for Compact SSR SubType 13 (RTCM 3 compatible)➢ Parameters for TESLA is compatible with Galileo OS-NMA

MT: 4073
SubType: 13
MMI, IOD SSR
Encryption Type
NMA/Chain status
Chain ID

➢ Parameters include:
Encryption Type, Key-Size, MAC size,…
➢ PKI-info to send root-key/OTAR information➢ NMA can be included as option, throughput
can be minimized using mask.

Hash/MAC
function
Key/MAC/PKI size

MAC availability
Num of messages
PKI-info
Auth SV mask
MAC-CMA
MAC-NMAKey©Mitsubishi Electric Corporation

まとめ◼ オープンな高精度補強サービスはQZSが世界をリードする分野であり、Galileo HASをはじめグ
ローバルサービスの立ち上がりにより、普及期に向かう。
◼ 我が国の重要インフラであるQZSSのプレゼンスを維持・発展させるべく、機能・ユーザ利便性の向上に努めていく。
◼ また、海外サービスとの相互運用性の確保も普及のために重要であり、国際標準化活動等に関して引き続き活動していく。

©Mitsubishi Electric Corporation