電子航法研究所研究発表会（第1回 平成13年6月）

9. GPSにおける電離層シンチレーションの観測
衛星航法部※松永 圭左 星野尾 一明 伊藤 実 新井 直樹 関司＊＊大阪航空局神戸航空衛星センター：前衛星航法部

1． はじめにGPSとその補強システムである静止衛星型衛星航法補強システム(SBAS)および地上型補強システム(GBAS)に影響を与えると考えられる電離層の活動は､ 2000‑2002年に太陽活動の極大期となるため､活発化が予想されている｡特に､電離層の局地的な不規則性によって引き起こされる､電離層シンチレーションと呼ばれる現象によりGPS信号の信号強度､位相が急激に変化し､受信機のロックはずれ､サイクルスリップを起こすことが知られており､GPSおよび補強システムの完全性(インテグリティ) ､利用性(アベイラビリティ) ,連続性(コンティニュイテ
ィ)に影響を与える可能性がある｡本稿では､那覇および三鷹に設置した測定装置でのシンチレーションデータの測定結果を述べる｡
2.電離層シンチレーションとは
電離層は太陽からの紫外線等で大気の上層部が電離してできたものであるが､GPSの信号に対する電離層シンチレーションは､電離層のF層(≧地上高150km)の局地的な電子密度の不規則性によって起こるとされている｡この電子密度の不規則な領域が電波の複数の通路となり､この不規則な領域と送信機および受信機の相対的な運動により,受信機において急激(≦1秒)な振幅および位相の変動をもたらすものと考えられる｡
シンチレーションは赤道付近(磁気赤道±15度)の日没直後で大きく､極およびオーロラ領域で少しあり､中緯度では少ない｡日没後の電子とイオンの速い再結合がシンチレーションの原因となる電離層の不規則性を引き起こすものと考えられる｡また､太陽活動の極大期にシンチレーションが大きいことも示されている｡
太陽活動の極大期は､およそ11年周期で発生すると考えられており､ 2000‑2002年頃が極大期と予想されている｡

2．1衛星航法補強システムへの影響
図1に当所で取得可能な電離層データの範囲と日本付近の地磁気緯度を示す。

図1 電離層データの範囲と地磁気緯度
SBASの一つであるMTSAT型衛星航法補強シス
テム(MSAS)においては､磁気緯度約15度の沖縄地方がサービス範囲の中にある｡また､那覇から観測されるGPS衛星は､さらに低緯度の衛星が含まれ､GPS信号はシンチレーションの影響を受ける確率が高く､受信機のサイクルスリップおよび信号ロック外れの原因となるものと考えられる｡
3.シンチレーションの測定
当所では､ 1999年3月末より那覇(磁気緯度約15° )および三鷹(同約28° )にNovatel社の単一周波数のGPSカードを利用した,電離層シンチレーションモニター装置(ISM)GSV4000を設置して､シンチレーションの観測を行っている｡−39−＃ 現：神戸航空衛星センター

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このモニター装置は､シンチレーションの変動を､ 50HzでサンプリングされたデータをもとシンチレーションパラメータS およびσの値により､シンチレーションの強度は表2のに受信信号の振幅および位相の変動の分散および変動のスペクトラムに関するパラメータを計ようにクラス分けされる｡

算し､ 60秒間隔で出力することができる｡取得

4.観測結果しているデータの内容を表1に示す｡

図2に2000年1月から4月までの1日毎の､那覇で観測された全衛星のS 、σ 、がある閾値
を超えた(強･中･弱)割合､及びロックはずれ

表1 取得シンチレーションデータ
項目単位

週 番 号､ TO W
PRN ､ 衛 星 方位・ 仰 角 ､C /N

週番 号､ 秒S ､ S の補 正 値 (S , )−ラジ ア ン度 ､ dBH z

1,3, 10,60 秒 間の位 相 分散σφ
コー ド/ キ ャ リア
ダイ バー ジエ ンス の平 均 と分散
位 相 スペ ク トラム 強度 Tの回数を示す｡これから､ 1月に比べて2月から4月にかけてシンチレーションと思われる挙動の回数が多かったことがわかる｡

メー トル

65､dB

■S4＞0.44△S4>0.7[%] 3位 相 スペ ク トラム ス ロー プ

＊S4>1.0

振 幅 スペ ク トラム K ,K ,K ,K

2dB秒

ロ ック時 間

101/1

S は平均信号強度で正規化した信号強度変化の分散であり､ SIを信号強度とするとS は次式で示される｡

2/13/1

4/1

4/30(a) S 強･中･弱の割合<>は期待値を示す｡
S は生の信号強度の正規化された分散で､S は分散に関する雑音の影響を補正するものである｡ S とS からS を求める式を以下に示す｡(b) σ 強･中･弱の割合

表2 シンチレーションパラメータのクラス分け
シ ン チ レー シ ョ ン

S 4 a t L1

ク ラスσ(r ad)
a t L1

強≧

1. 0

≧0 .8

中0 . 7‑0. 750 .4

弱0 .4 ‑ 0 . 50 .15微 弱≦ 0. 1

≦0 .0 51/1

図2

(中 緯 度 )

2/1

3/1

4/1

4/30

(c)ロックアウトの回数
那覇 1日毎のデータ(全衛星分)(2000/1/1‑4/30)−40−

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また､図3に2000年1月と3月とのSの平均値を､衛星の仰角･方位角による分布として示す｡
これによると､3月には高い仰角でもS の値が高く出ており､方位的には主に南東･南西方向でシンチレーションが起こっていると思われる｡
日本付近で大きなシンチレーションが発生したと考えられる､ 2000 年 3 月 30 日
11:00‑16:00(GPS時刻)付近の那覇でのPRN6衛星のS ､ σ 、C/N ､ロック継続時間､衛星仰角･方位角を図5に示す｡図4は同日14:00頃に那覇及び三鷹においてシンチレーションが観測されたと思われる衛星からの信号の貫通点(地上高350kmと仮定)である｡
S の値は1.0を超えており､強い振幅シンチレーションに相当する値である｡ σ は0.2程度であり､位相の変動は小さく､弱い位相シンチレーションと考えられる｡また､この時刻にロックはずれが頻繁に起こっているのがわかる｡
同時期に､三鷹の測定値のうち他の衛星についてもロックはずれが測定されており､磁気中緯度地域においても電離層シンチレーションが発生していることがうかがわれる｡(a) 2000年1月

5.まとめ
那覇及び三鷹に設置したシンチレーションモニター装置によるシンチレーションの測定結果

0

図4 電離層貫通点の地上への投影(那覇(Na) PRN6,9,17,23,26,2790180270360(b) 2000年3月
図3 那覇 2000年1月/3月の仰角･方位角毎のS の平均値

三鷹(Mi) PRN24# △印はモニタ設置点)−41−

電子航法研究所研究発表会（第1回 平成13年6月）について述べた｡本稿で示した期間以後もシンチレーションモニタおよび他の2周波のGPS受信機(三鷹及び札幌､東京､福岡､那覇の各管制部に設置)を用いてデータ収集を続けており､今回の太陽活動の活発期における年間を通じた解析を行う予定である｡
参考文献(1)星野尾,"GPS信号による電離層シンチレーシ
ョンの観測",平成12年度(第32回)電子航法研究所発表会講演概要, pp19‑22,平成12年6月(3)

M. B. El-Arini,

R. Lejeune,

R. S. Conker,"IonosphericResearchin Preparration
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MS-W307,
1999
(4)M.

B. El-Arini,

Scintillation
Corporation"TestPlan

Measurements
MS-W307,

for MSAS
December,for

Ionosphericfor

JCAB",

June,

1999

13:00

14:00

MITRE

(2)S. Suga, "Ionospheric Scintillation Observa‑tion , International Symposium on GPS (GPS 99
in Tsukuba), October, 1999

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

11:00

16:00

GPS時刻

12:00

15:00

GPS時刻

(a) S4の時間変化(d)信号ロック継続時間(b) σ の時間変化(e)衛星仰角(c) C/N の時間変化(f)衛星方位角

図5 シンチレーション受信機測定結果(那覇, PRN6, GPS時刻11:00‑16:00)−42−

16:00