令和 4 年度（第 22 回）電子航法研究所研究発表会

５．ノルウェー・オスロにおける QZSS から放送された
DFMC SBAS の受信実験
航法システム領域

※髙橋

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まえがき
北極域の海氷面積の減少により，航空及び海洋活動が活発になっている。最近のシミュレー
ションでは 2030 年から 2080 年には夏季において海氷が無くなる”ice free”となる期間が訪れることが予想されている[1, 2, 3, 4]。従って，今後も北極の航空・海洋活動は活発化し続けると考えられる。
新航路の開拓，地下資源調査やインフラの乏しい北極域に位置する空港への安全な離着陸を
実 現 す る た め に は Global Positioning System(GPS) に 代 表 さ れ る Global Navigation Satellite
System (GNSS)による 2 周波測位とそれを補正する Dual Frequency Multi Constellation (DFMC)
Satellite Based Augmentation System (SBAS) [5]を利用することが有効であると考えられている[7]。しかし，現況の SBAS は静止衛星から放送されている。図 1a に示すように静止衛星の電波は緯度 72 度以上では受信することができないため，極域では現在 SBAS を利用することはできない。
北極域で 2 周波数測位の補正メッセージが受信 で き る よ う に 静 止 軌 道 で は な い Inclined
Geosynchronous Orbit (IGSO)から DFMC SBAS を放送することが検討されている。日本の準天頂衛星（QZSS: Quasi-Zenith Satellite System）の軌
道は IGSO の一種で QZSS から放送される電波は極域で受信することができる（図 1b）。電子航法研究所は DFMC SBAS のプロトタイプを開発し，QZSS から試験的に放送している[8]。
従って，本研究では北極域で QZSS の受信実験を行い，その測位・補強精度の検証を行うことを目的とする。

透，齋藤享，北村光教，坂井丈泰

本研究ではノルウェー・オスロに受信機を設置し，観測を行なった。オスロは QZSS から放送される電波が観測可能なことに加え，SBASで ， 静 止 衛 星 で あ る European GeostationaryNavigation Overlay Service (EGNOS)からの電波も受信でき，そのデータを検証に用いることができる。

図 1. (a)静止衛星と(b)QZSS の仰角。赤の点線は北緯及び南緯 72 度を示す。緑点と緑線
は静止衛星の位置と QZSS の軌道を示す。
2

オスロにおける衛星配置
図２にオスロにおける衛星配置を示す。GPS及び GNSS 衛星の 1 つである Galileo 衛星は仰角およそ 80 度程度まで上がり，常に 15 から 20機は見えている。QZSS は北東方向に現れ，最大仰角はおよそ 13 度で 1 日およそ 15 時間程度その電波が受信できることが見込まれる。
EGNOS は南から南東方向に見られ，仰角は 8から 20 度である。

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図 3. (a)オスロ大学の俯瞰図とアンテナ設置位置。(b)アンテナ外観。(c)受信機とパソコン。
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図 2. オ ス ロ に お け る GPS （ 青 線 ） ,Galileo（赤線）, QZSS （緑線）, EGNOS(黒点)の衛星軌道の全天プロット。
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観測
GNSS 受信機とアンテナをノルウェー・オスロに位置するオスロ大学の屋上に設置した（図3）。アンテナの位置は Precise Point Positioning(PPP) に よ り 計 測 し ， 10.71701346° E,59.937564229° N, 133.8838 m であった。アンテ
ナは L1/L5，E1/E5a が受信可能な JAVAD GrAntG3T を使用した。受信機は 2 機使用し，JAVADDELTA と Furuno prototype DFMC SBAS （以下，Furuno ） 受 信 機 に よ っ て ， そ れ ぞ れ GPS,Galileo, GLONASS, BeiDou からの信号と DFMC
SBAS メ ッ セー ジの 受 信を 行な っ た。 JAVADDELTA のデータ保存は 1 Hz で行われた。これ
らの受信機はパソコン（Panasonic Let’s note）によって受信機の制御及びデータ保存が行われた。
この観測は 2021 年 2 月 24 日 9:10:17 UT から2021 年 3 月 17 日 18:44:31 UT まで連続して行
われ，GPS, Galileo, GLONASS, Beidou と QZSS
から放送された DFMC SBAS メッセージの受信に成功した。観測期間中，3 月 2 日，3 月 12 日，3 月 17 日にパソコンがハングアップした。このため，これら 3 日間のデータは本研究の解析には使用していない。

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観測結果
本研究では GPS 及び Galileo から放送されたL1/E1 と L5/E5a の 2 周波を使って最小二乗法と100 秒のキャリアスムージングを用いて測位を行 な っ た 。 Horizontal Protection Level (HPL)，
Vertical Protection Level (VPL)は DFMC SBAS のメッセージを ICAO2018[9]に基づいて計算した。
また，測位と補正に用いた衛星の軌道情報であるエフェメリスと補正メッセージは放送されたデータを使った。
本研究では海洋や航空での受信機周りの障害物が少なく，マルチパスの影響を比較的受けにくい状況での利用を想定しているが，図 3a に示すようにアンテナ設置場所の北東側に建物が図 4. (a)東方向-北方向，(b)東方向-鉛直方
向 の 測 位 結 果 ， (c) 測 位 結 果 の ヒ ス ト グ ラム。東方向を黒線，北方向を赤線，鉛直方向を青線で示す。測位には補正メッセージは使用していない。

令和 4 年度（第 22 回）電子航法研究所研究発表会あり，マルチパスによる影響を受ける可能性がある。従って，𝜌,

𝜌,6.18 𝜎 ,1となる衛星の観測データは排除した。ここで，
𝜌,，𝜌 ,は衛星 i に対して観測された 2周波線形結合及びキャリアスムージングされた
コード擬似距離と位相擬似距離であり，𝜎 ,は衛星の仰角と受信機ノイズから求められるマルチパス・ノイズ誤差である[9]。
図 4 に補正メッセージを利用せずに測位した結果を示す。東方向，北方向，鉛直方向の測位の PPP からの差の平均はそれぞれ，0.51, 0.05,−0.73 m，測位の標準偏差（σ）は 1.30, 1.40,2.85 m となった。
図 5 に補正メッセージを利用して測位した結果を示す。東方向，北方向，鉛直方向の測位のPPP からの差の平均はそれぞれ，0.25, −0.16, −0.83 m，測位のσは 2.74, 2.38, 4.76 m となった。
北方向以外の測位は補正メッセージを利用することで改善がみられたが，σが大きくなった。
これはオスロにおいて，補正される衛星数が観測された衛星数に対して少ないため，それに伴って測位計算で使用した衛星数が減ったためである。
次に，HPL の計算を行なった。本研究では海洋と航空で共通して重要になる水平方向のProtection Level (PL)である HPL を用いて議論するが，参考のために VPL の計算を行なった。

図 5. 補正メッセージを用いた測位結果。図4 と同じフォーマットで示す。

図 6 に HPL と PPP からの測位の差であるHorizontal Positioning Error (HPE)を比較したスタンフォードチャートを示す。本研究ではLocalizer Performance with Vertical Guidance(LPV) で の 利 用 を 想 定 し て ， 水 平 警 報 限 界（HAL: Horizontal Alert Limit）を 40 m に，垂直警報限界（VAL: Vertical Alert Limit）を 50 m に設定した。多くの場合，HPL が HAL を下回る結果となったが，時折，HAL を超える HPL が観測された。HPL を超える HPE は観測されなかった。
PL が Alert limit を 下 回 る 割 合 で あ るAvailability を求めると，水平方向と鉛直方向でそれぞれ 83.17, 81.54%となった。
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議論とまとめ
ここでは，原因と将来的に Availability が極域において改善するか否かについて議論する。前

図 6. (a)水平，(b)鉛直のスタンフォードチャート。

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補正された衛星数が少ない最も大きい原因は基準局の配置である。QZSS は日本において主に利用されることが想定されているため，基準局が日本の緯度帯に集中して配置されている。
図 8a に示すように北欧地方には基準局が希薄である。これによってオスロでは補正された衛星数が少なくなっている。
将来的にすべての GPS，Galileo 衛星は L1/L5，E1/E5a 信号を放送する予定である。従って，本研究では以下の 2 つ Case 1 と Case 2 の条件
で将来的に Availability がどの程度改善されるか見積もりを行なった。

図 7. (a)補正された衛星数のヒストグラム。
(b)観測された衛星数の時間変化。(c)補正され た 衛 星 数 の 時 間 変 化 。 赤 で GPS ， 青 でGalileo を示す。
述の通り，観測された衛星数に対して補正された衛星数は少ない。図 7 に補正された衛星数のヒストグラムと観測された衛星数と補正された衛星数の時間変化を示す。L1/L5，E1/E5a を放送している衛星はおよそ，11 機から 17 機で観測されているが，補正された衛星は数機から11 機で，2 周波測位では 6 機以上の衛星を用いることが望ましいが，6 機以上の衛星が補正される時間は全体のおよそ半分程度しかない。
補正された衛星が少ないことから，HPE だけでなく HPL も大きく算出されている。表 1 に補正された衛星数ごとに算出された Availabilityを示す。補正された衛星数の増加に伴ってAvailability が増加する。補正された衛星数が 11機ある場合，水平方向の Availability が 100%に達し，LPV による離着陸に利用可能となる。しかし，11 機の補正された衛星が観測できるのは全体の 5.48%の時間であり，極めて稀である。

Case 1

2021 年 3 月 1 日時点ですべての GPS とGalileo 衛星が L1/L5, E1/E5a 信号を放送していたとする。

衛星位置は 2021 年 3 月１日の Almanac を使って計算する。
基準局は図 8a に示される 2021 年 3 月１日
現在のものを利用する。

衛星が 7 つの基準局から監視されていた場合その衛星は補正されたとする。
Case 2Case 1 に加え，基準局がノルウェー・オスロ，イタリア・ミラノ，アイスランド・レイキャビクに仮に新設されたとする。

表 1. 補正された衛星数ごとの Availability
補正された

全時間に水平方向

鉛直方向

衛星数対する割合

Availability

Availability

[%]

[%]

[%]

47.18
34.93
23.89
16.32
10.16
5.48

83.17
91.34
97.09
98.74
99.53
100.0

85.50
90.12
93.75
95.86
97.46
98.85

67891011

図 8. (a)基準局の配置。2021 年 3 月 1 日現
在の基準局を赤点，Case 2 で仮定した基準局を青点で示す。(b)見積もられた観測される衛星。(c)Case 1 で見積もられた補正された衛星数。(d)Case 2 で見積もられた補正された衛星数。

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計算した見積もりの結果を図 8 に示す。観測される衛星数は多くの時間帯で 20 機程度である。
Case 1 の条件で，11 機以上の補正された衛星が観測される時間は全体の 25.56%であり，十分とは言えない。一方で Case 2 では 11 機以上の補正された衛星がすべての時間で観測される。
従 っ て ， 現 況 で は す べ て の 衛 星 か ら L1/L5,E1/E5a が放送されたとしても北極域で QZSS を用いた離着陸か海洋での精密な測位を行うことは限られた時間しか実現できず，実用は難しいが，もし，今後基準局をその配置が希薄な欧州地方に 3 地点以上配置されたならば，QZSS が観測されている時間では補正メッセージを使った測位が航空・海洋分野で利用可能であると考えられる。
参考文献[1] Miller, A. W. and Ruiz, G. M. (2014). Arctic
shipping and marine invaders. Nature Climate
Change, 4(6):413–416.
[2] Cavalieri, D. J. and Parkinson, C. L. (2012).
Arctic sea ice variability and trends, 1979–2010.
The Cryosphere, 6(4):881–889.
[3] Kacimi, S. and Kwok, R. (2022). Arctic snow
depth, ice thickness, and volume from icesat-2
and cryosat-2: 2018–2021. GeophysicalResearch Letters, 49(5):e2021GL097448.
e2021GL097448 2021GL097448.
[4] Overland, J. E. and Wang, M. (2013). When will
the summer arctic be nearly sea ice free?
Geophysical Research Letters, 40(10):2097–2101.

-33-[5] Walter, T., Blanch, J., and Enge, P. (2012). L1/l5
sbas mops to support multiple constellations. In
Proceedings of the 25th International Technical
Meeting of the Satellite Division of The
Institute of Navigation (ION GNSS 2012),
pages 1287–1297, Nashville, TN. Institute ofNavigation.
[6] Blanch, J., Walter, T., Enge, P., Pervan, B.,
Joerger, M., Khanafseh, S., Burns, J., Alexander,K., Boyero, J. P., Lee, Y., Kropp, V., Milner, C.,
Macabiau, C., Suard, N., Berz, G., and Rippl, M.
(2014). Architectures for advanced RAIM:Offline and online. In Proceedings of the 27thInternational Technical Meeting of the Satellite
Division of The Institute of Navigation (IONGNSS+ 2014), pages 787–804, Tampa, Florida,
USA. Institute of Navigation.
[7] Reid, T., Walter, T., Blanch, J., and Enge, P.
(2016). GNSS integrity in the arctic.
NAVIGATION, 63(4):469–492.
[8] Kitamura, M. and Sakai, T. (2019). DFMC SBAS
prototype system performance using global
monitoring stations of QZSS. In Proceedings ofthe ION 2019 Pacific PNT Meeting, pages 382–387, Honolulu, Hawaii, USA. Institute ofNavigation.
[9] ICAO (2018). DFMC SBAS SARPS - Baseline
draft for validation, NSP_5 Report on Agenda
Item 2. APPENDIX A2. International Civil
Aviation Organization.