電子航法研究所研究発表会(第 4 回

平成 16 年 6 月)

11.準天頂衛星を用いる高精度測位実験システム＊伊藤憲、福島荘之介(#)、新井直樹、坂井丈泰(#)：航空システム部

１．はじめに現在、我が国においては全地球的測位システム（ＧＰＳ）による測位技術の利用が拡大しており、カーナビゲーションを始めとした交通分
野や測量、防災、国土管理など幅広い分野で利用されているが、ＧＰＳには山岳や都市部のビル等により遮られ、十分な数の衛星からの信号を受信できない地域が存在するという問題がある。
さらに現在のＧＰＳを単独で用いて得られる位置の精度は、列車などの高速移動体にとっては十分ではなく、さらに、位置精度の信頼性が保証されていないことから、安全性を重視する用途では何らかの手段を用いて、求められた位置の信頼性を確保する必要がある。
そのため、国土交通省では、常に天頂付近に見える準天頂衛星（平成２０年度打ち上げ予定）を利用することにより、測位不可能な地域を縮小し、高速移動体にも適用できる高精度測位補
正技術とともに移動体への利用技術を確立するための研究開発に取り組んでいる。
電子航法研究所は、国土交通省における技術開発の一環として、平成１５年度から、高速移動体に適用可能で、かつ、信頼性を確保できる高精度測位実験システムの開発を開始した。
ここでは、電子航法研究所における開発の概要、年次計画、平成１５年度の検討状況を報告する。
２．実験システム
高精度測位実験システム（図１）は、準天頂衛星、テストシステム、ＧＰＳ観測局（国土地理院電子基準点を想定）、プロトタイプ受信機から構成される。
この実験システムでは、ＧＰＳ観測局で取得されたデータをテストシステムに送り、テストシステムで、高精度・高信頼性を実現するための補正情報を生成する。生成された補正情報は地上局に送られ、準天頂衛星を経由して利用者に放送される。利用者側では、この補正情報により、高精度・高信頼性の測位が可能となる。
３．年次計画（図２）
平成１５年度に、高精度・高信頼性を実現するための方式を検討し、平成１６年度に、ＧＰＳ観測局のデータをオフラインで用いて、方式の評価を行う。ここで、方式の検討にあたっては、ＳＢＡＳ（静止衛星型ＧＰＳ補強システム）をベースにしている。
平成１７、１８、１９年度にＧＰＳ観測局データをリアルタイムで用いて補正情報を生成するシステムを開発する。
平成２０年度には、ＧＰＳ観測局データをリアルタイムで利用して実験システムの機能・性能を確認するための実証試験を行う。
４．検討状況
４.１ 完全性監視方式の検討
人命に関わる用途など安全性の確保が重要な利用者に対して測位情報を提供する場合、その情報を用いることの安全性の度合いについても同時に提供する必要がある。提供する測位情報についての安全性に関しては、航空機を対象としたＳＢＡＳにおいてのみ、「完全性」として厳密な定義がなされている。
一般に、完全性とは、システムが使われるべきではない時、利用者に対して直ちに（要求された時間内で）そのことを伝えるか、もしくは自らそのサービスを停止できる能力のことである。
電子航法研究所で開発を進めている高精度測位実験システムでは、ＳＢＡＳで用いられている完全性監視方式を用いる計画である。
ＳＢＡＳでは、測位誤差が、利用状況に応じ電子航法研究所研究発表会て規定される一定の値（警報限界）以内になっているかを監視するため、プロテクションレベ
ルと呼ばれる量を算出する。ここで、プロテクションレベルとは、所要の確率でその範囲内（真の位置を中心、プロテクションレベルを半径とした円）に測位結果が入っていることを保証するものである（図３参照）。プロテクションレベ
ルが警報限界を超えると利用者受信機は警報を発する。
４.２ 測位誤差補正方式
4.2.1 電離層遅延推定
ＳＢＡＳで用いられている電離層遅延推定方式の概念を図４に示す。
ＳＢＡＳでは、電離層を高度３５０ｋｍの単一の薄い層としてモデル化している。この単一層中に仮想的に２次元的な格子点(図５のＩＧＰ)を設け、その格子点における垂直方向の電離層遅延量を、ＧＰＳ観測局で収集した観測量から決定する。こうして作成された各格子点の垂直遅延量を準天頂衛星経由で利用者に送る。利
用者は、送られてきた情報を用いて電離層遅延量を推定し、誤差補正を行う。
目標精度を実現するためにはＳＢＡＳで用いられている電離層遅延量推定方式を改良する必要がある。改良の方法として、電離層格子点間隔の細分化および電離層モデルの多層化が考えられる。また、各格子点における垂直遅延量を観測量から求める方法も改良すべきであると考えられる。
4.2.2 対流圏遅延推定
ＳＢＡＳでは、対流圏遅延量を補正情報としては放送せず、利用者側で気温・湿度などの平均値や季節変動を考慮して推定している。日本付近では、季節、場所で水蒸気分布が大陸地域よりも不均質であるため、１ｍ未満の測位精度を目標とするシステムにおいては、対流圏遅延誤差は考慮しなければいけない課題となる。電離層遅延量に加え、対流圏遅延量も補正することにより、目標とする測位精度の実現が期待できると考えられる。
対流圏遅延量の補正方式は、遅延量を推定する側(テストシステム側、利用者側)、推定の方法などにより分類される。現在、準天頂衛星システムによる高精度測位補正において検討して(第 4 回

平成 16 年 6 月)

いる方式は下記のとおりである（図５参照）。
① モデル方式：ＳＢＡＳで用いられている方式② ユーザ気象センサ方式：利用者が持つ気象センサのデータを利用して利用者が推定する方式③ 広域気象センサ方式：気象庁が配信する気象データを用いてテストシステム側または利用者側が推定する方式④ 広域ＧＰＳデータ方式：電子基準点のデータを用いてテストシステム側が推定する方式
４.３ テストシステム
テストシステムとは、平成１５年度に開発した方式の有効性を計算機シミュレーションにより検証するためのものであり、次に述べるような装置から構成される。
(1) オフラインデータ収集・管理装置
ＧＰＳ観測データ、ＧＰＳ衛星軌道暦等をオフライン処理により収集・管理するものである。
(2) オフラインデータ解析装置
完全性監視方式、電離層遅延量推定方式、ＧＰＳ衛星軌道推定方式の評価などを行うものである。
(3) データサーバ
収集したデータや解析結果の保存に利用する。
５．おわりに
ここでは、電子航法研究所で開発を進めている高精度測位実験システムの概要、年次計画、平成１５年度の検討状況を述べた。
平成１６年度においては、計算機シミュレーションを実施し、平成１５年度に開発した方式を定量的に評価する予定である。
なお、高精度測位実験システムの開発を進めるにあたり、国土地理院および宇宙航空研究開発機構と共同研究を実施する。
最後に、高精度測位実験システムの開発を進めるにあたり、関係各位のご指導をお願いする次第である。
［参考文献］
１．新井直樹ほか：“準天頂衛星による高精度測位補正実験”,電子情報通信学会ソサイエティ大電子航法研究所研究発表会

会( 2003 年 9 月)
２．福島荘之介ほか：“準天頂衛星によるＧＰＳの補強”，電子情報通信学会総合大会(2004.3)(第 4 回

平成 16 年 6 月)

電子航法研究所研究発表会

準天頂衛星
GPS衛星・高精度位置補正情報の生成
・完全性監視情報の生成

高精度測位実験用テストシステム(電子航法研究所)

GPS観測局

プロトタイプ受信機

図１ 高精度測位実験システム概念図

平成15年度

平成16年度

調査・方式の検討

方式の評価

評価用ソフトウェア作成

平成17年度

平成18年度

平成19年度

平成20年度

準天頂衛星
打ち上げ

リアルタイムシステムの開発

実証実験

オフラインシステムの開発(プロトタイプ受信機の開発)

図２ 年次計画

プロテクションレベル

真の位置

Ｘ：測位結果図３ 完全性監視の概念

誤差分布(第 4 回

平成 16 年 6 月)

電子航法研究所研究発表会

東経125度
遅延量 14m
分散値 1m2

平成 16 年 6 月)

点の観測遅延量から点の遅延量/分散値をマスタ局で計算

SBAS衛星GPS衛星(第 4 回

GPS衛星
東経130度

東経135度

遅延量 12m
分散値 3m2

遅延量 10m
分散値 2ｍ2点の遅延量/分散値をSBAS衛星により放送
ユーザは 点から自位置の遅延量/分散値を補間
計算

電離層
350km

電離層通過点(IPP)
電離層格子点(IGP)

ユーザ

モニタ局
マスタ局

遅延量：10mと12mの間↓
11m
分散値：2m2と3m2の間↓2.5m2

IPP：Ionospheric Pierce Point，IGP：Ionospheric Grid Point

図４ SBASによる電離層補正の概念図
準天頂衛星

GPS衛星

GPS衛星
電離層

対流圏

④広域GPS
データ方式
M M M M ÷
C ７ ８ ９ ×
± ４ ５ ６ ーC １ ２ ３＋０ ０ ・ ＝

③広域気象
センサ方式

①モデル方式②ユーザ気象センサ方式

図５ 対流圏遅延補正方式概念図