第８回
電子航法研究所研究発表会
June 13, 2008

１３．MSASの性能向上について
１３．MSASの性能向上について

通信・航法・監視領域
通信・航法・監視領域
坂井
坂井 丈泰、松永丈泰、松永 圭左、伊藤圭左、伊藤 実、実、吉原
吉原 貴之、近藤貴之、近藤 俊一郎、星野尾俊一郎、星野尾 一明
一明

June 2008 - ENRI

Introduction

SLIDE 1• MSAS（運輸多目的衛星用衛星航法補強システム）は、実用を開始：– MTSAT-1R/2（ひまわり6/7号）の２機体制。
– インテグリティ（完全性）を備えた衛星航法システム。

• MSASのアベイラビリティ（有効性）：– NPA（非精密進入）航法モードまでは100%（常時）利用可能。
– APV（垂直誘導付進入）航法モードでは、アベイラビリティの向上が課題。

• 電離層遅延補正方式の改良による性能向上：– APVモードのアベイラビリティを阻害している最大の要因は電離層遅延。
– アベイラビリティを向上するため、電離層遅延補正方式の改良を検討した。
– シミュレーションによる評価の結果、モニタ局を数局追加したうえで改良方式を採用することにより、南西諸島方面も含めて日本全域でAPVモードをサービス可能との見通しを得た。

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測位精度の例
GPSのみ

水平 0.50m RMS

MSAS

GPSのみ

垂直 0.73m RMS

MSAS

南北

上下

東西

東西

GEONET 940058（高山） 05/11/14-16
PRN129 (MTSAT-1R) 試験信号

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ＭＳＡＳの仕組み
GPS衛星

モニタ局

モニタ局

モニタ局

MSAS内部の処理補正してもなお残る残差の大きさ

誤差の補正情報

静止衛星を介して放送
保護レベル（測位誤差の最大値）

航空機位置を計算
誤差を補正された
航空機位置

Yes
使用可

保護レベル＜警報限界

MSAS
受信機の処理No
使用不可

June 2008 - ENRI

保護レベル
垂直保護レベル（VPL）

MSASにより求めた
航空機位置

SLIDE 4
• 測位誤差の99.99999%が入る範囲• 水平保護レベル（HPL）・垂直保護レベル（VPL）• 航空機が円筒の範囲を外れている
可能性： 10-7 = 0.0000001 以下→ 航空機は必ず円筒の内側にいる。
• 保護レベルの範囲内に他航空機や障害物が入らないようにする。

水平保護レベル（HPL）• 航法モードに対応した警報限界を定める→ 保護レベルが警報限界よりも小さければ、その航法モードにMSASを使用できる。

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進入モードと警報限界※ 「 保護レベル ＜ 警報限界 」 なら、MSASを利用可能（カッコはFAAの呼び方）

進入モード
警報限界[m]

水平垂直NPA(LNAV/VNAV)

APV-I
(LPV)

556－

556
50

4050

APV-II (LPV200)
40204035

CAT-I
4010~15

電離層補強情報が必要
DH600～
400ft

400～
350ft

300～250ft

200ft

June 2008 - ENRI

垂直保護レベルの分布例

SLIDE 6MSAS Broadcast
06/10/17 00:00-24:00
PRN129 (MTSAT-1R)
Test Signal
Contour plot for:Average VPL

垂直保護レベル（VPL）の平均値

June 2008 - ENRI

アベイラビリティ

SLIDE 7

• 定義：「システムが利用可能な時間割合」– 場所や時間帯により異なる。
– 航法モードによっても異なる。たとえば、APV航法モードでは確実な測位が求められる（警報限界が小さい）が、NPA航法モードでは必ずしもそうではなく、垂直方向については要求そのものがない。
– 航法システムとして供用するには、99.9%程度以上のアベイラビリティが必要。

• MSASのアベイラビリティ：– MSAS受信機は、保護レベルが警報限界を超えた場合、対応する航法モードを使用不可とする → MSASが利用可能かどうかは、保護レベルで決まる。
– アベイラビリティ ＝ 「保護レベルが警報限界より小さな」 時間割合。
– 警報限界は航法モードによりあらかじめ決められている。
– アベイラビリティの向上 ＝ 保護レベルの抑制

June 2008 - ENRI

アベイラビリティ分布例（ＮＰＡ）

SLIDE 8MSAS Broadcast
06/10/17 00:00-24:00
PRN129 (MTSAT-1R)
Test Signal

全域で100%利用可能

Contour plot for:
NPA Availability
HAL = 556m
VAL = N/A
NPAモードを利用可能な時間割合（%）

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アベイラビリティ分布例（ＡＰＶ－Ｉ）

SLIDE 9MSAS Broadcast
06/10/17 00:00-24:00
PRN129 (MTSAT-1R)
Test Signal
Contour plot for:APV-I Availability
HAL = 40m
VAL = 50m
APV-Iモードを利用可能な時間割合（%）

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垂直保護レベルの内訳

垂直保護レベル
電離層成分（GIVE値）
クロック＋軌道

MSAS Broadcast
06/10/17 00:00-12:00
3011 TokyoPRN129 (MTSAT-1R)
Test Signal• MSASの垂直保護レベルは、電離層による項（GIVE値）が支配的。

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不確実性の例：電離層の赤道異常

SLIDE 11

電離層遅延マップ（NASA/JPL）• 磁気赤道の南北にある、電子密度が高い領域。
• 常に存在するが、密度や大きさの変化を予測することは難しい。
• このため、南西諸島方面ではGIVE値を大きくせざるを得ず、保護レベルも大きくなる。

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電離層遅延補正方式：プレーナフィット• 米国WAASのために考案された方式。
• MSASも同じ方式を使用（パラメータが若干異なる）。
• 平面モデルで電離層を近似し、遅延量とGIVE値を計算する。
• 平面モデルによる近似が妥当かどうか：電離層嵐モニタでチェックする。
妥当でない場合 → GIVE値を大きくして対応する（ユーザを保護するため）。

June 2008 - ENRISLIDE 13

現行の電離層遅延補正方式プレーナフィットによる遅延量推定

電離層嵐モニタによるチェック

適当でないとはいえない

GIVE値を計算

平面モデルは適当？

平面モデルで推定MSASの場合、適当でないとされることが多い

適当でない

GIVE値を最大値とする遅延量とGIVE値を放送最大値の代わりに何か他の値をセットできないか？

June 2008 - ENRI

修正版の電離層遅延補正方式
プレーナフィットによる遅延量推定

電離層嵐モニタによるチェック

適当でないとはいえない

GIVE値を計算

平面モデルは適当？

SLIDE 14平面モデルで推定MSASの場合、適当でないとされることが多い

適当でない

ゼロ次フィットによる遅延量推定
GIVE値を計算遅延量とGIVE値を放送最大値より小さな値となる→ 保護レベルの抑制

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ゼロ次フィット
Rmax

平面近似（未知数＝３個）
ゼロ次フィット（未知数＝１個）

電離層遅延量

垂直遅延量の推定値• 電離層嵐モニタが嵐状態と判定した場合：平面モデル（１次近似）は現実の電離層遅延量分布に当てはまらない。
• このような場合、１次に代えてゼロ次の近似が有効：– 次数を落とした、よりロバスト（安定）な推定。
– 推定すべき未知パラメータは１個ですむ（重み付き平均と等価）。
• 電離層嵐モニタが嵐状態と判定したか、あるいは観測データ数が不足する場合（プレーナフィットが実行できない）に、ゼロ次フィットを適用する。

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保護レベルの抑制効果

現行アルゴリズム

APV-I

APV-I

APV-I

APV-I

改良アルゴリズム• 保護レベルを約１／３に抑制：アベイラビリティを改善。
• 保護レベルは依然としてユーザ測位誤差よりも十分に大きい。

June 2008 - ENRI

性能評価：現行ＭＳＡＳ

SLIDE 17APV-Iモードアベイラビリティの計算例

現行の地上局配置（国内6局）

4局を追加した場合（稚内・根室・宮古島・石垣島）• モニタ局を追加しても、南方では効果がほとんどない。

June 2008 - ENRI

性能評価：改良アルゴリズム

SLIDE 18

APV-Iモードアベイラビリティの計算例

現行の地上局配置（国内6局）4局を追加した場合（稚内・根室・宮古島・石垣島）• ゼロ次フィット＋米国WAASで導入中の性能向上アルゴリズム。
• 4局の追加により、南西諸島も含めて常時利用可能となる。

June 2008 - ENRI

Conclusion

SLIDE 19

• MSAS補強情報の特性：– 測位精度は良好。
– NPA（非精密進入）航法モードまではアベイラビリティ100%を達成。
– APV（垂直誘導付進入）航法モードではアベイラビリティが十分でない。

• 性能向上の検討：– 電離層遅延補正方式の変更により保護レベルを抑制する必要がある。
– ゼロ次フィットに基づく改良方式を提案：南西諸島も含めて日本全域でAPV-I航法モードを常時利用可能とできる見通しを得た。

• 今後の課題：– 改良方式について、多くの電離層嵐の際のデータを用いて検証する。
– さらに有効な方式の検討。