GBAS海外展開のための電離圏環境評価
1*齋藤 享、1吉原 貴之、2Le Huy Minh、3Pornchai Supnithi
1海上・港湾・航空技術研究所 電子航法研究所 航法システム領域
2ベトナム科学アカデミー地球物理研究所
3タイ・モンクット王工科大学ラカバン

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令和2年度電子航法研究所研究発表会

背景と目的

世界的にGBASの運用が開始されつつある
日本においても、羽田空港でGBASの運用評価が実施されている
日本を含む磁気低緯度地域では欧米とは電離圏環境が異なるため、電離圏対応が重要✓ 磁気低緯度地域におけるGBAS展開のためには、設置場所に対応した電離圏環境の評価が必要➡ GBAS展開支援のため、磁気低緯度地域に適した電離圏環境評価手法を確立する必要がある

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GBASの導入状況

運用中（ロシアを除く）

GBASの導入は世界中で進みつつあるが、磁気低緯度地域では運用に至ったものはまだない-

中緯度地域に比べ厳しい電離圏環境✓ 羽田空港においては、磁気低緯度対応のGBASを運用評価中
3➡ 日本発のGBASの海外展開の可能性

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GBASの電離圏空間勾配による誤差
衛星

電離圏遅延

δρg=ρg-ρg0
ρu0=ρu-δρuδρg
補正情報放送δρu≠δρgδρu~δρg

基準局→測位誤差
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

4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

航空機

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GBASにおける電離圏の影響とその回避方法
電離圏静穏時と擾乱時を分けて扱う-

電離圏変動が2桁異なるため、まとめて取り扱うと可用性が損なわれる
静穏時-

常に存在する背景電離圏変動であり、保護レベル(10-7レベルの信頼性)で誤差をバウンド-

垂直換算電離圏遅延量勾配(σvig)で記述

GBASにおける誤差2i =2
pr gnd,i +

静穏時電離圏成分2tropo,i +2
pr air,i +

2iono,iiono = Fpp vig (xair + 2⇥ vair )航空機速度
スムージング時定数

擾乱時
傾斜係数
距離- 常には存在しないが、発生すると危険な誤差の要因となりうる- 電離圏異常を検出、または航空機が危険な状況にならないように事前に対策- 電離圏脅威モデルにより記述

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静穏時電離圏勾配パラメータ(σvig)
発生確率密度分布I1

垂直換算電離圏勾配
G12=(I1-I2)/d/FPP

I2

R1dR2

✦Nominal gradient is several mm/km➡Precise ionospheric delay estimation isnecessary

累積発生確率密度分布

2受信機間の電離圏遅延量差から電離圏勾配を求める

観測値をバウンドする正規分布

観測値

観測値の標準偏差による正規分布

Station-pair法✦ 静穏時電離圏勾配は数mm/km➡ 精密な電離圏遅延量差推定が必要

垂直換算電離圏勾配6令和2年度電子航法研究所研究発表会

擾乱時電離圏勾配を記述する電離圏脅威モデル
勾配(g)
移動速度(v)
変動幅(D)
幅(w)

米国本土(CONUS) モデル

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カテゴリーIII GBAS (GAST-D)
SARPs 検証用モデル

パラメータ幅 (w)
変動幅 (D)
移動速度 (v)
勾配 (g)

値の範囲
25-200 km
0-50 m0-750 m/s
衛星仰角に依存パラメータ幅 (w)
変動幅 (D)
移動速度 (v)
勾配 (g)

値の範囲
25-200 km
0-80 m0-1500 m/s
移動速度に依存

衛星仰角 (EL)EL < 15º
15 ≤ EL < 65
65 ≤ EL

勾配最大値 (g)375 mm/km
375 + (EL-15) mm/km
425 mm/km

移動速度 (v)v < 750 m/s
750 ≤ v < 1500 m/s

勾配最大値 (g)500 mm/km
100 mm/km

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電離圏勾配 [mm/km]

アジア太平洋地域共通電離圏脅威モデル

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香港
インド
インドネシア日本
シンガポールタイ

600 mm/km

ICAOアジア太平洋地域(APAC)電離圏問題検討タス
クフォース(ISTF)によるモデル- アジア太平洋地域の磁気低緯度地域のデータを使用-ICAO APAC文書として採択✓ 電離圏脅威モデルとして採用するかどうかは各国の責任の範囲

衛星仰角 [º][Saito et al., GPS Solut., 2017]

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GBAS導入と電離圏評価

電離圏環境パラメータ（静穏時電離圏勾配パラメータと電離圏脅威モデル）は航空航法の安全性に関わる➡ GBASを導入する各国の責任で定められるべきもの
各国の責任- 静穏時電離圏勾配パラメータと電離圏脅威モデル（以下併せて電離圏環境パラメータという）の決定-

GBAS導入後のこれらのパラメータの継続的なチェックと更新✓ 電離圏環境パラメータの妥当性を判断する知見が最低限必要✓ 独自に評価し，維持・更新する技術を有することが望ましい

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電離圏環境評価手法：データ収集電離圏環境パラメータ推定要件-

空間スケール10 km程度の電離圏勾配を検出できること-

電離圏勾配の空間スケールの最小値は10 km程度
標準的なGBASのサービス範囲は空港周辺23 NM（約43 km）
移動速度・幅が推定できること
観測ネットワークの要件は解析手法によるSF-CBCA法（後述）を使う場合の観測ネットワーク要件

1010 km程度の間隔で2次元的に配置された、最低3台のGNSS受信機
2周波GNSS受信機、1 Hz程度のサンプリング

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電離圏勾配解析の流れ

1. 3つのGNSS受信機間の電離圏遅延量差を導出 [Fujita et al., J. Aero. Astro. Avi., 2010]
2. 冗長性を用いて解を検証 [Saito et al., ION GNSS 2012]
3. 2次元電離圏勾配ベクトルの導出
4. 電離圏環境パラメータの導出
A. 静穏時電離圏勾配(σvig)の推定
B. 擾乱時電離圏勾配について、速度と幅の導出 [Saito and Yoshihara, Radio Sci., 2017]11

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電離圏環境評価手法：電離圏遅延量差の導出
SF-CBCA (Single-Frequency Carrier-Based and Code-Aided)法
2受信機間の電離圏遅延量差を位相測定値を元に推定
1周波観測値のみを用いるので、電離圏擾乱時にも有効高精度であり、静穏時電離圏勾配の推定に有効
電離圏遅延量差 [m]

-静穏

擾乱静穏

GPST
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電離圏環境評価手法：解の検証と2次元勾配ベクトルの導出
North

冗長性を用いた解の検証

δISD,i,j2次元勾配ベクトルの推定

jR2(d12x, d12y)

δISD,j,ki
δISD,k,i

East

R1k

R3(d13x, d13y)

解の検証

-

3組の受信機ペアの電離圏遅延量差の総和は0であることを用いる
総和が一定以上の場合は推定誤りとして排除
2次元勾配ベクトルの推定

13検証済みの2組の受信機ペアの電離圏遅延量差から2次元電離圏勾配を再構成
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電離圏環境パラメータの導出：静穏時電離圏勾配(σvig)
累積発生確率密度分布

2次元電離圏勾配の大きさを用い、電離圏観測値をバウンドする正規分布

観測値

勾配の発生確率密度分布を導出- 通常は正規分布よりも広い裾野を持つ✓ 累積確率密度分布をにおいて、必要な確率で観測値をバウンドするように、観測値の観測値の標準偏差標準偏差に係数を掛けるによる正規分布➡ σvig

垂直換算電離圏勾配

14令和2年度電子航法研究所研究発表会

電離圏環境パラメータの導出：移動速度(v)の推定
3受信機の電離圏遅延変動の特徴点を用い、その時刻差から速度を導出-

衛星の移動の効果を補正する必要あり電離圏遅延量変動の特徴点を検出

特徴点の検出と速度の推定例

波面と速度の導出
d12d13

Ionospheric Delay (uncalibrated) [m]

PRN22, 3 April 2008
12:49:16.5

18R3

N

12:50:25.0
R4
1667º

R1
W71m/sE

12:50:33.5
14
12:50:34.5

S

12:53:53.0
12

12:51:06.5

1012:48

12:54

UT (= JST + 9 hours)
15[Li et al., J. Geophys. Res., 2012]

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電離圏環境パラメータの導出：幅(w)の推定
各受信機の電離圏遅延量変動時系列から、急勾配区間の幅を推定- 衛星移動による効果を補正する必要あり
y (North)( v dt sinθ ,v dt cosθ)v dt

θIPP(t)x (East)Ionospheric delay

Leading frontedge at t
Trailing frontedge at t+dttyIP Py (t + dt) = (xyv dt cos ✓ =θIPP(t+dt)

v dt sin ✓)IP Py (t + dt)} /(tan ✓ + cot ✓)y0 =x0 tan ✓ + v dt (tan ✓ sin ✓ + cos ✓)v dt (tan ✓ sin ✓ + cos ✓) IP Px (t + dt) cot ✓ IP Py (t + dt)=+2
1 + tan ✓1 + cot2 ✓(x’, y’)Dgradtan ✓ (xx0 = {v dt (tan ✓ sin ✓ + cos ✓) + IP Px (t + dt) cot ✓Leading frontedge at t+dt

t+dt TimeIP Px (t + dt)) tan

Dgrad =q(x2IP Px (t + dt))2 + (y2IP Py (t + dt))2[Saito and Yoshihara., Radio Sci., 2017]16

IPP track

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電離圏勾配幅(w)の推定例

12:49:16.5

18
R3

12:50:25.0
R416

Plasma bubble

Ionospheric delay

Ionospheric Delay (uncalibrated) [m]

PRN22, 3 April 2008

R1
12:50:33.5

14
12:50:34.5
12:53:53.0
12

12:51:06.5

108.7 km

12:48

12:54

5.3 km

21.3 kmTransition region

UT (= JST + 9 hours)[Saito and Yoshihara., Radio Sci., 2017]17

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電離圏データ収集例：タイ・バンコク
King Mongkut’s Institute of Technology
Ladkrabang

12.1 kmStamford
InternationalUniversity

KMITL11.7 km

3.9 kmSuvarnabhumi
Airport2011年から継続的に観測中

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静穏時電離圏勾配パラメータ(σvig)、勾配特性等の解析を実施
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まとめ

電離圏環境評価は、GBAS導入において安全性を担保する上で最も重要な課題
GBASの導入・運用には、電離圏環境が当初の想定を超えていないか継続的に検証する必要がある-

GBASを導入する各国の責任
GBASの海外展開においてはハードウェアを展開するだけでなく、電離圏環境の保証のためのソフトウェア技術を合わせて展開する必要がある
電子航法研究所では、データ収集から解析まで一通りの技術を確立した。

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日本のGBAS技術の海外展開に活用されることを期待する
日本のGBASの継続的な改良にも活用されることを期待

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