電子航法研究所研究発表会
June 6, 2019

３．準天頂衛星システムによるSBASサービス

坂井 丈泰・北村 光教・麻生 貴広・星野尾 一明
航法システム領域

電子航法研究所研究発表会 - June 2019

Introduction

SLIDE 1• SBAS（Satellite-Based Augmentation System）– 補強システム：GPS/GLONASSを補強し、これらと併用されることで民間航空用途に利用できるGNSSを構成する。
 現行規格（L1 SBAS）は単一周波数・単一システムのみ対応。

– 我が国はMSASを運用中。

• 現在、次世代規格（L5 SBAS）の制定に向けた作業が行われている– DFMC SBAS：Dual-Frequency Multi-Constellation SBAS
 二周波数の利用により電離圏遅延の問題を解消
 複数コアシステムへの対応によるアベイラビリティの向上
 非静止衛星からの送信を許容：準天頂衛星軌道（IGSO）も含まれる– ICAOで2018年末にベースライン規格を制定。2020年末までに確定する予定。

• 電子航法研究所は準天頂衛星のL5S信号により実証実験を実施中– プロトタイプシステムにより随時送信。最近は欧州でも受信実験を実施。

電子航法研究所研究発表会 - June 2019

SLIDE 2

SBASの仕組み
SBAS衛星

GNSS
衛星群
GNSS信号

SBAS信号

ユーザ

アップ
リンク局

地上ネットワーク• 地上ネットワークによりGNSS信号を監視（異常の有無・測距誤差）• ディファレンシャル補正情報及び完全性情報をSBAS衛星経由で送信
現行規格（L1 SBAS）は静止衛星からしか送信できない

電子航法研究所研究発表会 - June 2019

SLIDE 3

静止衛星の遮蔽例
Galaxy 15 GEO (133W)
at Az 258° El 1.5°

Reported by Steve Bellingham of
NAVCANADA at SBAS IWG/32 in Seoul• CRJ機によるStephenville, NL (48.6N 58.6W)へのアプローチ• 機体の姿勢により、WAAS信号が頻繁に遮蔽（赤プロット）されている

電子航法研究所研究発表会 - June 2019

SLIDE 4

静止衛星の遮蔽例
Galaxy 15 GEO (133W)
at Az 247° El 2.3°

Reported by Steve Bellingham ofNAVCANADA at SBAS IWG/32 in Seoul• Dash-8機がIqaluit, NU (63.7N 68.5W)に到着• 出発時にも似たような状況であったと報告されている

電子航法研究所研究発表会 - June 2019

準天頂衛星によるSBAS
GPS/GEOSLIDE 5

IGSO

Tyler Reid, ION GNSS+ 2015

• 準天頂衛星からSBAS信号を送信することで、静止衛星では信号が届きにくい地域・場所に対して補強信号のアベイラビリティを改善できる たとえば、極域・山岳地域・都市部など
 測位衛星はGalileoの利用などで補えるが、補強信号については静止衛星以外を使用するより他にない：準天頂衛星軌道（IGSO）の活用
 二周波SBASは電離圏活動の影響を受けない：赤道域から極域までカバーできる

電子航法研究所研究発表会 - June 2019

例：アラスカでの見え方
QZS-4

SLIDE 6QZS-1

QZS-2
GEO

• 準天頂衛星QZS-1/2/4のアルマナックから計算した仰角の変化• アラスカ地方では準天頂衛星が可視であり、WAAS衛星よりも仰角が高い

電子航法研究所研究発表会 - June 2019

SLIDE 7L5 SBAS：RF仕様
項目

L5 SBAS

L1 SBAS

備考

周波数1176.45 MHz

1575.42 MHz

GPSと同じ帯域幅20～24 MHz≧ 2.2 MHz
BPSK

変調方式
変調速度

QPSK化の可能性あり

10.23 Mcps

1.023 Mcps

PRN 120～158

拡散符号

当初は120～138

符号速度1 Ksps

500 sps

符号化½ FEC
マンチェスター符号½ FEC

K=78ビット 3パターン

GPSサブフレームに同期

データ速度

250 bps

メッセージ長NH符号なしプリアンブル

4ビット 6パターン

CRC長250 ビット

24ビット

PE<10-7電子航法研究所研究発表会 - June 2019

SLIDE 8L5 SBAS：補強機能項目

L5 SBAS

L1 SBAS

備考

補強対象

GPS・GLONASS・Galileo・BeiDou・
SBAS

GPS・
GLONASS・
SBAS

若干の予備ビットあり

対応衛星数

214

210

同時補強衛星数92

51

補強対象の擬似距離

L1 C/A + L5
電離圏フリー線形結合（2周波数モードのみ）

L1 C/A（1周波数モードのみ）

L5のみの1周波数モードはない

補正情報

クロック補正軌道補正

高速補正・クロック補正
軌道補正
電離圏遅延補正

SAは想定しない

SBAS衛星制約なし

静止衛星のみレンジング機能はオプション

準天頂衛星も含まれる

電子航法研究所研究発表会 - June 2019

L5 SBASの特徴

SLIDE 9• 二周波数の利用– ユーザ受信機は、L1/L5の電離圏フリー線形結合擬似距離を使用する。
 電離圏伝搬遅延に影響されないロバストな測位。

– 電離圏遅延補正は送信しない。

• 複数コアシステムに対応– 補強対象：GPS・GLONASS・Galileo・BeiDou・SBAS
 システム間バイアスは受信機クロックバイアスに含めて処理する。

• 非静止衛星によるSBASを考慮– 準天頂衛星を含む非静止衛星からSBAS信号を送信できる。
– SBAS衛星のエフェメリス情報も非静止衛星に対応：ケプラー要素による表現。
 実際には、原案段階ではいくつかの課題があった。
 それぞれについて修正提案を行い、いずれも採用された。

電子航法研究所研究発表会 - June 2019

（課題１） ドップラ周波数

SLIDE 10

• 準天頂衛星のドップラ周波数：最大±2.2kHz程度• SBAS信号のドップラ周波数– 静止衛星：±337Hz（L1 SBASの規定値をL5周波数に換算した値）– 非静止衛星：当初案は±40kHz（第一宇宙速度7.9km/sに対応する値）
 GPSについてMOPSで定められている±5kHzに対して大き過ぎる EUROCAEでの指摘：ドップラ周波数の範囲が広いと、受信機側の初期捕捉に時間がかかり、信号捕捉時間の規定を満たすことが難しくなる• 非静止衛星のドップラ周波数について、変更を提案– 実際問題として、理論的最大値（7.9km/s）まで考慮する必要はない
 実際に使われる可能性のある軌道に絞る
 最大・最小受信電力差の観点からも離心率の大きな軌道は許容できない– GPSにあわせて、±5kHzとすることを提案した– 議論の結果、±7kHzとすることで落ち着いた電子航法研究所研究発表会 - June 2019

さまざまな軌道の最大ドップラ

SLIDE 11軌道傾斜角5kHz• 準天頂衛星では最大±2.2kHz程度• モルニヤ軌道（軌道傾斜角63.4度、離心率0.7）では最大で±18kHzになる 低仰角での接近・離脱時。仰角が上がるにつれてドップラ周波数が下がる

電子航法研究所研究発表会 - June 2019

（課題２） 受信電力

SLIDE 12

• SBAS信号の受信電力– ベースラインSARPSの規定： 最大 -150.5 dBW／最小 -158.0 dBW– 覆域内の（仰角5度以上となる）どの地点でも満足することが必要
 最大となる地点と最小となる地点で、差が7.5dB以内であること• 静止衛星や円軌道の場合は問題にならない– 地球との距離関係が変わらない– 衛星側送信アンテナのアンテナパターンで補正• 楕円軌道の場合– 近地点で最大電力、遠地点で最小電力となる– 距離の変化に由来する変動分はアンテナパターンで補正できない
 電力差7.5dB以内のうち、3dB程度をこの変動分に充てることと想定する
 3dBまでの変動を許容したとき、衛星の軌道はどのように制約されるか

電子航法研究所研究発表会 - June 2019

SLIDE 13受信電力の制約を考慮

2.93dB @e=0.153dB• 離心率を変えた場合の最大・最小電力差
 円軌道での最大・最小電力差（1.324dB）からの差分を表示• 許容変動幅3dBのとき、離心率e=0.15まで許容できる ドップラ周波数の許容範囲を±5kHz以内とする提案とも整合する

電子航法研究所研究発表会 - June 2019

（課題３） コード位相オフセット

SLIDE 14

• SBAS信号のコード位相オフセット– PRNコードの位相のずれ（クロック補正値aGf0が対応する）
 信号生成に使用している周波数標準のオフセットによる 時間の経過とともに拡大する。GPSでは、±1ms以内と規定（クロック補正値af0）– L1 SBASでは、±1µs以内と規定されている
 衛星の軌道制御のタイミングで調整できる 静止衛星では軌道制御が頻繁なので問題にならない（±1µs以内に維持できる）• 準天頂衛星の場合– QZS-1/2/4（準天頂軌道）は、おおよそ半年に一度の軌道制御– コード位相オフセットについて±1µs以内を維持するのは難しい• コード位相オフセットの許容範囲について、変更を提案– 非静止衛星＝周回衛星を許容している以上、静止衛星を前提にはできない– GPSを参考に±1ms以内とすることを提案

電子航法研究所研究発表会 - June 2019

準天頂衛星での実績

SLIDE 15

• 1～4号機の航法メッセージのクロック補正値af0• ±1msは維持できるが、±1µsは難しい

 静止衛星・非静止衛星とも±1ms以内とすることを提案した
 SBAS衛星エフェメリスについても、aGf0のビット数を拡大

電子航法研究所研究発表会 - June 2019

SLIDE 16

L5S信号の受信実験• 初期段階として、プラハにて受信実験を実施した– 欧州にてL5S信号を受信する初の試み– プラハのGSA（欧州GNSS機関）本部にて、2019年3月21～22日に実施– 次回は北欧地方での受信実験を計画中
Splitter

JAVAD
Alpha-G3T
Note PC
Furuno GW-11
for L5S

電子航法研究所研究発表会 - June 2019

準天頂衛星のL5信号

SLIDE 17

Galileo

QZS-2
IGSO• JAVAD受信機：多数のGalileo衛星（E5信号）を捕捉• 古野電気GW-11：夜間にQZS-2 IGSOを捕捉（仰角5度以上は3時間程度）

電子航法研究所研究発表会 - June 2019

SLIDE 18

L5S信号の受信
45403530

EL angle, & CN0252015105
L5S decoded0no L5S decoded
Elevation angle-50123456

UTC Time hour

• 古野電気GW-11で受信したQZS-2のL5S信号• 仰角0～7度、 C/N0 30～45 dB-Hz程度• L5Sメッセージは正常にデコードされた電子航法研究所研究発表会 - June 2019Conclusion

SLIDE 19

• ICAOにおいて、次世代SBAS規格の制定に向けた作業中– 2018年末にベースライン規格を制定済み、2020年末に確定を予定• 主な特徴：– 二周波数の利用：電離圏伝搬遅延の影響を受けない測位
 低緯度地域を含む全世界でロバストな測位機能を提供できる– 複数コアシステムへの対応
 GPS・GLONASS・Galileo・BeiDou・SBAS• 非静止衛星によるSBASが許容されている– 準天頂衛星を含む非静止衛星からSBAS信号を送信できる 静止衛星の信号を受信しにくい環境で、補強信号のアベイラビリティ改善に有効– 非静止衛星対応のために必要な変更を提案し、いずれも採用された
 ドップラ周波数・最大最小電力差・コード位相オフセット– 準天頂衛星L5S信号を使用して実証実験を実施
 昨年度中にプラハにて受信実験を実施した。北欧での実験を計画中