衛星航法のための電離圏リアルタイム監視
1*齋藤 享、2山本 衛、3齊藤 昭則
1電子航法研究所航法システム領域
2京都大学生存圏研究所
3京都大学理学研究科• 科学研究費補助金基盤研究(B) “ロケット・地上連携観測による中緯度電離圏波動の生成機構の解明”
期間：平成24〜26年度 代表者：京都大学生存研究所・山本 衛• 科学研究費補助金挑戦的萌芽研究 “電離圏 リアルタイム3次元トモグラフィーへの挑戦”
期間：平成26〜29年度 代表者：京都大学生存研究所・山本 衛
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平成30年度電子航法研究所研究発表会 (平成30年5月31〜6月1日)

概要

電離圏と衛星航法
電離圏擾乱のリアルタイム監視- 変動成分のリアルタイム解析・表示
電離圏3次元密度分布のリアルタイム監視-2

電離圏3次元リアルタイムトモグラフィー
衛星航法等への応用

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電離圏
電離圏：高度約60km〜1000kmに存在する電離昼間の電離圏密度の高度分布例
900

高度 [km]700500300100F2D1083Eした地球大気（プラズマ）- 時刻、緯度、経度、季節、太陽活動度などによって大きく変動する- 電離圏の振る舞いは一定ではなく、様々な時間・空間スケールで変動する➡ 電離圏擾乱
日本時間12時の電離圏全電子数(GPS L1遅延量換算)分布例

F110101012
電子密度 [m-3]

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電離圏擾乱中規模伝搬性電離圏擾乱
磁気嵐起源電離圏嵐

負相電離圏嵐

4.8

赤道異常

20
垂直遅延量 (m)

6.4

11UT
Latitude

8.0

Delay (m)正相電離圏嵐100Longitude

プラズマバブル4

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衛星航法と電離圏 - 電離圏遅延
伝播遅延
最大数10m
電離圏

電離圏プラズマ中では電波の速度がわずかに遅くなり、衛星-受信機の距離が長く見える➡ 電離圏遅延
垂直方向の電離圏遅延量は2030 mにもなりうる-

斜め方向には2〜3倍にもなる

電離圏変動(擾乱)はディファレン
シャルGNSSの誤差要因➡ 電離圏擾乱のリアルタイム監視
はGNSSの有効活用に重要
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ディファレンシャルGNSS (GBAS)誤差

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GEONETリアルタイムデータによる電離圏監視

GEONET stations (1200+)
Real-time data collection from 200
selected GEONET stations

約1200点の国土地理院電子基準点網(GEONET)のうち、200点のデータ(1秒値)をリアルタイムで受信➡ 稠密リアルタイムデータにより電離圏を可視化
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電離圏擾乱リアルタイム監視
電離圏変動成分のリアルタイム解析・表示7

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電離圏変動導出方法
電離圏遅延量

電離圏遅延量変動成分(dTEC)
多項式フィット (t-60 min ~ t)

t-60 mint-30 min

電離圏遅延量
観測値
ttime

多項式近似でトレンドを除去、変動成分のみ取り出す

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リアルタイム解析・表示システム

GEONET

GEONET
Stations

生データ
rawdata
1秒ごと
1 Hz
リアル
Realtime
タイム

GEONET
Server

生データ
rawdata

1 Hz
1秒ごと
Realtime
リアル

電子航法研究所

ENRI
Data
データ受信
Serverサーバ

生データ
rawdata

Every
5分5ごと
min

タイム

電離圏変動
Perturbation
マップ
TEC
map

Every
5分5ごと
min

9

ENRI Slant
TEC/TEC
解析サーバ
Map
Generator

ウェブ
ENRI
Web
Serverサーバ

インターネット

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電離圏変動リアルタイムデータサービス

最新電離圏変動マップ
過去3時間電離圏変動
マップ一覧
電離圏変動マップ検索
電離圏遅延量変動指数(ROTI)分布(試行中)

http://www.enri.go.jp/cnspub/susaito/rocket/recent_mstid.html
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電離圏3次元密度分布のリアルタイム監視
電離圏3次元リアルタイムトモグラフィー解析・表示

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電離圏3次元トモグラフィー

3次元電離圏密度分布

電離圏全電子数(遅延量)測定値

電離圏再構成12

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トモグラフィー解析手法
拘束付き最小2乗法
パス長

電離圏遅延量
測定値

li
周囲との結合の強さの指数

ni
電子密度
電離圏遅延量
観測値ベクトル

電子密度ベクトル(未知)

ジオメトリ
行列

拘束条件

ハイパーパラメータ
境界条件

拘束条件

境界条件

評価関数

最小2乗項

拘束項

電子密度推定値
ベクトル[Seemala et al., 2014; Chen et al., 2016; Saito et al., 2017]13

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電離圏トモグラフィー解析エリア

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リアルタイム解析システム

GEONET
GSI

電子航法研究所
ENRI
15分ごと
Every
15 minGEONET(200stations)

1Hz

Realtime data
データ受信
receiving

電離圏遅延量TEC
estimaton
絶対値推定

Satellite/receiverbias
周波数間バイアス
esitmation
推定

3-D tomography
3次元トモグラフィー

データサーバEvery
1 Hour
1時間ごと

インターネット

15ウェブ
サーバ

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トモグラフィー解析結果例

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緯度断面 (136ºE)

経度断面 (35ºN)

水平断面 (高度350 km)

垂直分布 (35ºN, 136ºE)

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過去データによる検証
電離圏観測装置（イオノゾンデ, 情報通信研究機構）との比較

電離圏臨界周波数(最大電子密度に対応)

昼夜
電離圏
擾乱

昼夜の変動、電離圏擾乱による変動をよく表す
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電離圏密度リアルタイムデータサービス

http://www.enri.go.jp/cnspub/tomo3/plotting.html
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電離圏密度リアルタイムデータサービス

3次元電離圏密度分
布（15分ごと、時間遅れ約6分）
以下のものも提供可- 電離圏遅延量絶対値- 衛星・受信機周
波数間バイアス推定値(1時間ごと)
http://www.enri.go.jp/cnspub/tomo3/plotting.html
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電離圏トモグラフィーの応用

1周波衛星測位ユーザのための電離圏補正
3次元電離圏密度分布
から任意の視線の電離圏遅延量を推定可能User receiver (IGS MTKA)
Applicable tomography corrections
Tomography correction
at t=001961521

Tomography correction
at t=153036 Time [min]平成30年度電子航法研究所研究発表会 (平成30年5月31〜6月1日)

1周波ユーザのための電離圏補正の効果
1周波・補正なし
水平誤差
垂直誤差

2周波測位
水平誤差

1周波・トモグラフィー補正
水平誤差
垂直誤差

垂直位置誤差Mean Vertical Error: 0.6m

平均

分散

1周波

2.5

2.5

2周波

0.12

3.8

0.6

1.9

1周波・トモグラフィー補正20

垂直誤差

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リアルタイム短波電波伝播予測

HF Tx

HF Rx

短波電波伝播シミュレータと結合することにより、国内の短波電波伝播状況をリアルタイム予測
NICTを中心に開発中
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まとめGEONETリアルタイムデータを用いた電離圏リアルタイム監視システムを開発- 衛星航法のための監視・補強システムとして活用できる- 電離圏データベースとして電離圏物理の理解に寄与❖ 他の応用も広く追求（短波伝播リアルタイム予測など）
電離圏変動リアルタイムデータ-

http://www.enri.go.jp/cnspub/susaito/rocket/recent_mstid.html

3次元電離圏密度リアルタイムデータ

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http://www.enri.go.jp/cnspub/tomo3/plotting.html

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