アジア太平洋地域GBAS電離圏脅威モデル*齋藤 享、吉原 貴之、坂井 丈泰
電子航法研究所 航法システム領域

本研究は、ICAOアジア太平洋地域電離圏問題検討状況タスクフォース(IonosphericStudies Task Force)参加者の協力及び各国のデータ提供に基づいて行われた
平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
1

概要

電離圏
電離圏と衛星航法、GBAS
GBASと電離圏脅威モデル
ICAOアジア太平洋地域における電離圏データ収集・共有・解析-

電離圏勾配解析
アジア太平洋地域共通GBAS電離圏脅威モデル

今後の方針

-

アジア太平洋地域モデルの日本への最適化
平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
2電離圏
電離圏：高度約60km〜1000kmに存在する電離昼間の電離圏密度の高度分布例

した地球大気（プラズマ）

900-

よって大きく変動する

高度 [km]

700

500

300

100

時刻、緯度、経度、季節、太陽活動度などに

F2D

108E

-

地理緯度よりも磁気緯度に依存する
磁気緯度±15º付近に密度ピーク（赤道異常）
日本は地磁気的、電離圏的には低緯度
日本時間12時の電離圏全電子数(GPS L1遅延量換算)分布例

F110101012
電子密度 [m-3]

磁気赤道平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
3衛星航法と電離圏 - 電離圏遅延
電離圏プラズマ中では電波の速伝播遅延度がわずかに遅くなり、衛星-受信機の距離が長く見える

電離圏➡ 電離圏遅延
垂直方向の電離圏遅延量は20-30 mにもなりうる-

1.0

16 cm/TECU@L127 cm/TECU@L229 cm/TECU@L5*1 TECU = 1016 electrons/m2

0.6

0.4
L5 (1.17645 GHz)
L2 (1.22760 GHz)
0.2L1 (1.57542 GHz)
00.75

1.0

Vertical delay (m)日本時間夜間(20時)の電離圏遅延量分布例Latitude

Delay [m/TECU]

0.8

斜め方向ではさらに2〜3倍
20100
1.25

1.5

Frequency [GHz]

1.75

2.0

Longitude
平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
4地上型衛星航法補強装置(GBAS)と電離圏
衛星

電離圏遅延

δρg=ρg-ρg0
ρu0=ρu-δρu
基準局δρu~δρgδρg 補正情報放送

航空機

航空機は地上基準局で生成した補正情報を適用して測位

平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
5地上型衛星航法補強装置(GBAS)と電離圏
衛星

電離圏遅延

δρg=ρg-ρg0
ρu0=ρu-δρu
基準局δρu≠δρ~δρg

δρg 補正情報放送

→測位誤差
航空機

航空機は地上基準局で生成した補正情報を適用して測位基準局と航空機で電離圏遅延量が異なる場合に誤差の可能性

平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
5地上型衛星航法補強装置(GBAS)と電離圏
衛星電離圏遅延δρg=ρg-ρg0
ρu0=ρu-δρu
基準局δρu≠δρ~δρg

δρg 補正情報放送

→測位誤差
航空機

航空機は地上基準局で生成した補正情報を適用して測位基準局と航空機で電離圏遅延量が異なる場合に誤差の可能性➡ 事前に電離圏変動の範囲を調べておくことが必要（電離圏脅威モデル）

平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
5電離圏脅威モデル例
勾配(g)
移動速度(v)
変動幅(D)

米国本土(CONUS) モデル

幅(w)パラメータ値の範囲

カテゴリーIII GBAS (GAST-D)
SARPs 検証用モデル

幅 (w)25-200 km

パラメータ値の範囲

変動幅 (D)

0-50 m幅 (w)25-200 km

移動速度 (v)

0-750 m/s

変動幅 (D)

0-80 m

移動速度 (v)0-1500 m/s

勾配 (g)

移動速度に依存

移動速度 (v)

勾配最大値 (g)v < 750 m/s

500 mm/km

750 ≤ v < 1500 m/s

100 mm/km

勾配 (g)

衛星仰角に依存

衛星仰角 (EL)

勾配最大値 (g)EL < 15º

375 mm/km

15 ≤ EL < 65

375 + (EL-15)
mm/km

65 ≤ EL

425 mm/km

電離圏環境は地域(特に磁気緯度)によって大きく変わるので、地域ごとに評価が必要
平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
6緯度による電離圏擾乱の違い
低緯度
8.0
6.4

Delay (m)

中緯度

4.8US
[Foster et al., 2002]

電離圏遅延

磁気嵐に伴う電離圏密度増大
局所的密度減少「プラズマバブル」
スケール大スケール小発生頻度低発生頻度高❖ 既存脅威モデルで考慮❖ 既存脅威モデルでは未考慮➡ 低緯度地域に着目した評価が必要
平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
7ICAO APAC Ionospheric Studies
Task Force (ISTF)
アジア太平洋地域におけるGNSS導入を、電離圏脅威回避の側面から支援することを目的として2011年7月に設立- アジア太平洋地域における電離圏データ収集・共有・解析- アジア太平洋地域の電離圏特性解析- 必要に応じて共通電離圏脅威モデルを開発- 宇宙天気のCNSシステムに対する影響の検討
2016年9月、APANPIRG (Asia-Pacific Air Navigation Planning andImplementation Regional Group) に対し成果報告し活動終了-アジア太平洋地域共通GBAS電離圏脅威モデル
GBAS, SBASおける電離圏脅威に対するガイダンス文書
平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
8解析手法
LTIAM (Long-Term Ionosphere Anomaly Monitoring)• 米国FAA及び韓国KAISTにおいて開発• 2周波観測により電離圏遅延量を導出した後、遅延量差を計算• 比較的長い基線( > 10km)に適する• 大きな勾配を自動検出した後、手動検証• 大量データ解析に適する
SF-CBCA (Single-Frequency Carrier-Based and Code-Aided)• 電子航法研究所において開発• 1周波観測のみから電離圏遅延量差を導出• 周波数間バイアスの影響なし、L2サイクルスリップの影
響なし• 比較的短い基線(10km程度)に適する
平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
9解析データソース[Saito et al., Submitted to GPS Solutions]
平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
10

解析期間
Location

PeriodAnalysis Method

Baseline Length

Hong Kong

Oct. 2000–Sep. 2013

LTIAM

4.8–21 km

Hyderabad, India

2004–2015

LTIAM

9.3 kmBangalore, India

2004–2015

LTIAM

6–20 km

Java, Indonesia

2013–2015LTIAM

15–84 km

Ishigaki, Japan

Mar.–Apr. 2008,Sep.–Oct. 2010

SF-CBCA

1.4 kmSingapore

Sep.–Nov. 2011,
Mar.–Apr., Sep.–Oct. 2012
Mar.–May, Sep.–Nov. 2013
Feb.–Apr., Sep.–Oct. 2014
Mar.–Jul. 2016

LTIAM

2.3–33 km

Bangkok, Thailand

Sep.–Oct. 2011

SF-CBCA12 km

平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
11LTIAMによる解析例
シンガポール

インド・ハイデラバード

プラズマバブル

電離圏遅延プラズマバブル

359mm/km
電離圏勾配505mm/km
77º
衛星仰角21º[Saito et al.,Submitted to
GPS Solutions]
平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
12SF-CBCAによる解析例 (石垣)プラズマバブル
電離圏遅延518mm/km
電離圏勾配

衛星仰角18º[Saito et al.,Submitted toGPS Solutions]

平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
13解析結果：衛星仰角と電離圏勾配

電離圏勾配 [mm/km]

香港
インド
インドネシア日本
シンガポールタイ

傾斜係数(電離圏を通過する距離を表す)に概ね沿う分布
高仰角に1点飛び出した点あり

衛星仰角 [º]

g0

C1

C2

C3

300

341

400

[Saito et al., Submitted to GPS Solutions]

平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
14アジア太平洋地域共通電離圏脅威モデル

電離圏勾配 [mm/km]

仰角によらず600 mm/km一定値を採用
今後のデータの蓄積により高仰角の脅威空間の削減の可能性あり

衛星仰角 [º][Saito et al., Submitted to GPS Solutions] 平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
15

まとめ電子航法研究所が主導したICAOアジア太平洋地域電離圏問題検討タスクフォース(ISTF)を通してアジア太平洋地域の電離圏環境評価を行った-

アジア太平洋地域共通GBAS電離圏脅威モデルの定義❖ 最大電離圏勾配600 mm/km（衛星仰角非依存）-

電離圏脅威に対するガイダンス文書••

GBASに対する影響と回避策
SBASに対する影響と回避策✦ ICAOアジア太平洋地域の文書として公開-

https://www.icao.int/APAC/Documents/edocs/

平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
16

今後の方針更なるデータ解析-

他の脅威空間パラメータ解析

各国のGBAS導入における情報を共有モデルの改訂、高カテゴリーGBAS導入への寄与
アジア太平洋地域共通電離圏脅

電離圏勾配 [mm/km]- アジア太平洋地域共通電離圏

インド上空日本上空であり得るか？

削減の余地？

威モデルの日本に向けた最適化-

過去の日本で得られた大量データ解析による脅威空間の衛星仰角 [º]最適化➡ 日本におけるGBASの性能向上 平成29年度電子航法研究所研究発表会 (平成29年6月8〜9日)
17