GPS信号の異常と地上型補強システム（GBAS）の観測値品質モニタの検討
GBAS

電子航法研究所
通信・航法・監視領域

Electronic Navigation
Research Institute福島荘之介
第7回電子航法研究所研究発表会 2007.6.12
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発表内容

1.

GBASのシステム概要と期待

2.

研究課題：GPS信号の異常とモニタ

3.

観測値品質モニタ(MQM)とオーババウンド法

4.

MQM各モニタの検討結果（仙台空港データ）

5.

まとめ

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GBAS（地上型補強システム）とは？
1. 次世代の進入着陸システム（ILSの後継） CAT-I～III※B787，A380などで採用予定
2. ディファレンシャルGPS技術
GPS衛星

1. DGPS補正値（衛星毎）

機上装置

AL
曲線パス

2. 進入パス

MMR

PL

L1-C/A ３．インテグリティ・パラメータσpr_gnd，B
補強情報
補強情報

直線パス

VDB

出発パス

処理

※ 異常衛星の排除
基準局受信機（４台）

GBAS地上装置
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GBASの特徴と期待特徴
1. ILSに比較して，地上障害物の影響が少ない→測位誤差が小2. GBAS１式で複数R/Wへサービス可能（ヘリパットに高仰角経路）
3. 新しい経路設定が可能（直線，曲線，オフセット，進入復行，出発）
4. 精密進入の他，ターミナル覆域でのRNAV運航が可能
5. 空港面運用に適用可能
運用面の検討 → 今後明らかに．．．
期待■高い安全性を確保し，かつ，ILSよりコストメリットが向上
・ILSの設置されていない進入（地形） → 精密進入経路を新設
・先進的な経路→ 運航の効率性の向上（燃料消費）→ 空港容量の増大に寄与（遅延の減少）→ 騒音問題の緩和
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GBASの要件と研究課題
CAT-I：要件（SARPs）
精度
インテグリティ（完全性）
コンティニュイティ（連続性）
アベイラビリティ（有効性）

垂直：4.0 m (95%)
１ー2×10-7 / approach
１－8×10-6 / any 15 s
99～99.999 %ＴＴＡ：6秒◆従来研究：

測位誤差は，要求値より十分小さい→ ENRI 飛行実験結果（垂直95%：1.0 m以下）

◆現在は：インテグリティなど信頼性要件の研究が課題□ 要求値を満足する設計手法，検証方法の確立▲ ソフトウェア：know-how → パッケージ化
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設計段階

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GBAS：課題となるシステム異常
1. GPS衛星の故障（不具合）
2. 大気圏（電離層，対流圏）による伝搬信号の異常
3. 地上システムの故障

脅威モデル

本研究の対象（1） GPS信号の電力低下（2） コード・搬送波ダイバージェンスの増大（3） 擬似距離の加速度過剰（4） 放送暦異常（5） 電離層遅延量の異常勾配（6） 信号歪み（SV19問題）
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GBAS：脅威モデルと原因（1） GPS信号の電力低下◆ 衛星のLバンド送信系，姿勢制御系，電源系，太陽電池パド
ル系の故障（2） コード・搬送波ダイバージェンスの増大◆ 衛星の信号生成系（原子時計タイムキーピング）の不具合◆ 電離層異常によるRPNコードと搬送波の伝搬速度の不一致（3） 擬似距離の加速度過剰◆ 衛星の原子時計の異常（加熱による性能劣化:1999.7，寿命末期による性能劣化：1999.8）※ ただし，バイアス的に周期の遅いドリフトはDGPSで補正されるので問題ない．急峻な変化，加速度的な変化が危険な状態（HMI）となる可能性
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脅威（Threat）とリスク（Risk）◆ 使われる分野：
セキュリティー分野（軍事，テロ，伝染病，ネットワーク），資産運用◆ 一般的な定義：

脅威： （システムにとって）好まれない事象全て
リスク：脅威によって危険や損失が生じる可能性◆ 例文：
人間にとって，風邪のウイルスは脅威であるが，必ず風邪の症状がでる訳でなく，健康な人より，赤ちゃんやお年寄りのリスクが高い．

◆ 同時に使われる言葉： 脆弱性，対抗策
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GBAS：現在までの研究例■ インテグリティ・モニタ・テストベット IMT
観測データの流れとインテグリティ・モニタ

衛星
基準局
スムージング
クロック
受信機
補正
444
SQM
4モニタ
MQM
DQM
44

統合モニタ

受信機
クロック
補正
4B値生成

MRCC
11σμMFRT11

EXM-I

EXM-II

11VDB
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GBAS：異常検出アルゴリズムの例
検定統計量のしきい値による判定 →オーババウンド法
SQM
1. C/N0の検定
2. コード・搬送波ダイバージェンスの検定 MQM
3. 搬送波位相の加速度・ランプ・ステップ変化の検定
MQM
4. 擬似距離の変化の検定 MQM

エグゼクティブモニタに結果を送り，４台を比較し判定
衛星排除（フィルタのリセット）
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GBAS：ガウス・オーババウンド法（１／３）

例：

2. コード・搬送波ダイバージェンスの検定

ダイバージェンス → コードと搬送波位相の差の移動平均◆ 仰角依存性◆ 区間毎のσを計算
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GBAS：ガウス・オーババウンド法（２／３）◆ 正規化◆ ヒストグラム12
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GBAS：ガウス・オーババウンド法（３／３）
ガウス分布のコア＋指数分布のテール
オーババウンド分布-6σ+6σインフレーション・ファクタf◆ 確率密度関数
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１σのガウス分布◆ 累積密度関数

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GBAS：各種モニタの検討（ C/N0：１／２）
１．C/N0の検定 → 同様にオーババウンド法を適用◆ No.2受信機
確率密度分布
第7回電子航法研究所研究発表会 2007.6.12◆ No.1～4 受信機のしきい値
14GBAS：各種モニタの検討（ C/N0：２／２）

１．C/N0の検定◆ EL角との関係◆ 時系列（RR2,PRN16）
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GBAS：各種モニタの検討（ ダイバージェンス ）２．ダイバージェンス◆ 確率密度関数◆ 時系列（RR2,PRN16）
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GBAS：各種モニタの検討（ 加速度・ランプ・ステップ ）３．搬送波位相の加速度・ランプ・ステップの検定→現在時刻前の10エポックを２次近似（係数）◆ 確率密度関数◆ 時系列（RR2,PRN16）
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GBAS：各種モニタの検討（ 擬似距離の変化）
４．擬似距離変化の検定→スムージングする前の擬似距離の過大変化を検出◆ 確率密度関数◆ 時系列（RR2,PRN16）
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MQMの検討結果◆ GPS信号異常の脅威モデル(1)～(3)について，IMTのMQMのモニタアルゴリズムを検討（仙台空港：１日の正常データ）
1. 各検定統計量は混合分布（ガウス分布のコア＋指数分布テール）
2. f は1.5～1.7：IMTと同等
3. オーババウンド法によりしきい値を決定（１，２でC/N0は除く）
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まとめ

1. GBASのシステム概要，期待，研究課題
2. 脅威モデルと原因
3. インテグリティ・モニタ・テストベット（IMT）
4. MQM（観測値品質モニタ）の検討
今後の課題
1. EXMの検討
2. IMTの他モニタ（MRCC，σ-μモニタ）を検討
3. 異常データによる検討
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Backup Slide21
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GBAS（地上型補強システム）とは？
警報発出の方法：保護レベル（PL）
G

機上側 地上側

ρi

ρi + PRCi
DGP

P(lat,lon,hig)

AL

S補 正値

PRCi

PL
インテ警報状態グリテ

ィ情 報

σ i (θ)22

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GBAS：インタフェース技術文書，国際標準JPO
ICD-GPS-200

RTCA
DO-253A(MOPS)GPS
L1 C/A

プロバイダ・ユーザ間の責任分界

MMR

Signal In Space（空間信号）VDB

RTCA
DO-245A(MASPS), 246C(ICD)

GBAS

• 精度
• インテグリティ• コンティニュイティ• アベイラビリティ

ICAO SARPs
FAA CAT-I LAAS Ground Facility Specification
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