第９回
電子航法研究所研究発表会
June 12, 2009

１４．MSASの性能向上について（その２）
１４．MSASの性能向上について（その２）

通信・航法・監視領域
通信・航法・監視領域
坂井
坂井 丈泰、丈泰、 松永
松永 圭左、圭左、 吉原
吉原 貴之、貴之、伊藤伊藤 実、実、 星野尾
星野尾 一明一明June 2009 - ENRI

Introduction

SLIDE 1• MSAS（運輸多目的衛星用衛星航法補強システム）は、実用を開始：– MTSAT-1R/2（ひまわり6/7号）の２機体制。
– インテグリティ（完全性）を備えたRNP航法システム。

• MSASのアベイラビリティ（有効性）：– NPA（非精密進入）航法モード（RNP 0.3）までは100%（常時）利用可能。
– APV（垂直誘導付進入）航法モードでは、アベイラビリティの向上が課題。

• 電離層遅延補正方式の改良による性能向上：– APVモードのアベイラビリティを阻害している最大の要因は電離層遅延。
– アベイラビリティを向上するため、電離層遅延補正方式の改良を検討した。
– シミュレーションによる評価：モニタ局を追加したうえで改良方式を採用する
ことにより、APV進入及びCAT-I進入をサービス可能との見通しを得た。

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測位精度の例
GPSのみ

水平 0.43m RMS

MSAS

GPSのみ

垂直 0.61m RMS

MSAS

南北上下

東西

東西

GEONET 940058（高山） 08/1/17-19
MSAS PRN129 (MTSAT-1R) PAモード

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ＭＳＡＳの仕組み
GPS衛星

モニタ局

モニタ局

モニタ局

MSAS内部の処理補正してもなお残る残差の大きさ

誤差の補正情報

静止衛星を介して放送保護レベル（測位誤差の最大値）

航空機位置を計算
誤差を補正された
航空機位置

Yes
使用可

保護レベル＜警報限界

MSAS
受信機の処理No
使用不可

June 2009 - ENRI

ＲＮＰ航法とＭＳＡＳ

SLIDE 4

• MSASはRNP航法システム：– RNPシステム：航法システムが所定の性能で動作していることを（航法シス
テム自身が）モニタし、所定の性能でない場合は警報を出す機能を要求。
– MSAS対応受信機は、保護レベルを計算することで警報機能を実装：RNP
航法システムとして利用可能。
– RNP10からRNP0.1まで対応可能。 → RNP RNAV、RNP AR• GPS/MSAS受信機の規格：– FAA TSO-C145：GPS/WAAS（MSAS）受信機の基本部分の規格。この受信機の出力（位置情報）は、FMSに入力される。
– FAA TSO-C146：スタンドアローン航法機器＝TSO-C145受信機＋FMS機
能。ND（航法画面）やコース偏差指示器（CDI/VDI）を備える。RNAV航法や、（米国の）LPV進入が可能。RF Legを含む曲線進入経路を設定可能。
– （参考）GPS/RAIM受信機（TSO-C129）：垂直方向の誘導には使えない。

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保護レベルHPL>HALとなるので、飛行不可

経路の中心線• 測位誤差の99.99999%が入る範囲• 水平保護レベル（HPL）・垂直保護レベル（VPL）• GPS衛星の移動に伴い刻々と変化する• 航空機が保護レベルの範囲を外れている可能
性： 10-7 = 0.0000001 以下
HAL（水平警報限界） → 航空機は必ず保護レベルの内側にいる。

HAL

HPL

HPL

（水平保護レベル）

警報限界により決まる経路幅
RNP (x)の95%経路幅• 保護レベルの範囲内に障害物が入らないようにする。
• 航法モードに対応した警報限界を定める（水平警報限界：HAL、垂直警報限界：VAL）→ 保護レベルが警報限界よりも小さければ、その航法モードにGNSSを使用できる。
→ 保護レベル＞警報限界となったら警報を出す：RNP航法の警報要件

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進入モードと警報限界※ 「 保護レベル ＜ 警報限界 」 なら、GNSSを利用可能（カッコはFAAの呼び方）

進入モード
警報限界[m]

水平垂直NPA(LNAV)(LNAV/VNAV)

556－55650(LP)

APV-I
(LPV)

APV-II

CAT-I(LPV200)

40－4050402040
10~35

現行規定は10～15mだが、上限を35mとする方向で検討中。

MDH～250ft

DH～250ft

DH～200ft

滑走路

June 2009 - ENRI

垂直保護レベルの分布例

SLIDE 7MSAS Broadcast
06/10/17 00:00-24:00
PRN129 (MTSAT-1R)
Test Signal
Contour plot for:Average VPL

垂直保護レベル（VPL）の平均値

June 2009 - ENRI

アベイラビリティ

SLIDE 8• 定義：「システムが利用可能な時間割合」– 場所や時間帯により異なる。
– 航法モードによっても異なる。たとえば、APV航法モードでは確実な測位が求められる（警報限界が小さい）が、NPA航法モードでは必ずしもそうではなく、垂直方向については要求そのものがない。
– 航法システムとして供用するには、99.9%程度以上のアベイラビリティが必要。

• MSASのアベイラビリティ：– MSAS受信機は、保護レベルが警報限界を超えた場合、対応する航法モードを使用不可とする → MSASが利用可能かどうかは、保護レベルで決まる。
– アベイラビリティ ＝ 「保護レベルが警報限界より小さな」 時間割合。
– 警報限界は航法モードによりあらかじめ決められている。
– アベイラビリティの向上 ＝ 保護レベルの抑制

June 2009 - ENRI

アベイラビリティ分布例（ＮＰＡ）

SLIDE 9MSAS Broadcast
06/10/17 00:00-24:00
PRN129 (MTSAT-1R)
Test Signal
Contour plot for:
NPA Availability
HAL = 556m
VAL = N/A
全域で100%利用可能

NPAモードを利用可能な時間割合（%）（RNP 0.3に相当）June 2009 - ENRI

アベイラビリティ分布例（ＡＰＶ－Ｉ）

SLIDE 10MSAS Broadcast
06/10/17 00:00-24:00
PRN129 (MTSAT-1R)
Test SignalContour plot for:APV-I Availability
HAL = 40m
VAL = 50m
APV-Iモードを利用可能な時間割合（%）（米国のLPV進入に相当）June 2009 - ENRISLIDE 11

垂直保護レベルの内訳

垂直保護レベル
電離層成分（GIVE値）
クロック＋軌道

MSAS Broadcast
06/10/17 00:00-12:00
3011 Tokyo
PRN129 (MTSAT-1R)
Test Signal• MSASの垂直保護レベルは、電離層による項（GIVE値）が支配的。

June 2009 - ENRI

不確実性の例：電離層の赤道異常

SLIDE 12

電離層遅延マップ（NASA/JPL）• 磁気赤道の南北にある、電子密度が高い領域。
• 常に存在するが、密度や大きさの変化を予測することは難しい。
• このため、南西諸島方面ではGIVE値を大きくせざるを得ず、保護レベルも大きくなる。

June 2009 - ENRISLIDE 13

電離層遅延補正方式：プレーナフィット• 米国WAASのために考案された方式。
• MSASも同じ方式を使用（パラメータが若干異なる）。
• 平面モデルで電離層を近似し、遅延量とGIVE値を計算する。
• 平面モデルによる近似が妥当かどうか：電離層嵐モニタでチェックする。
妥当でない場合 → GIVE値を大きくして対応する（ユーザを保護するため）。

June 2009 - ENRISLIDE 14

現行の電離層遅延補正方式
プレーナフィットによる遅延量推定
他の推定方式は考えられないか？

電離層嵐モニタによるチェック

適当でないとはいえない

GIVE値を計算

モデルは適当？

平面モデルで推定MSASの場合、適当でないとされることがある

適当でない

GIVE値を最大値とする遅延量とGIVE値を放送最大値の代わりに何か他の値をセットできないか？

June 2009 - ENRISLIDE 15方式（１）：ゼロ次フィット
ゼロ次フィットによる遅延量推定
プレーナフィットに代えて採用

電離層嵐モニタによるチェック

適当でないとはいえない

GIVE値を計算

プレーナフィット
よりも小さい傾きのない平面モデルで推定モデルは適当？

適当でない

GIVE値を最大値とする遅延量とGIVE値を放送

June 2009 - ENRISLIDE 16

ゼロ次フィット
Rmax
電離層遅延量

IGP

Rmax

平面近似
（未知数＝３個）
ゼロ次フィット（未知数＝１個）

垂直遅延量の推定値• 電離層嵐モニタが嵐状態と判定した場合：平面モデル（１次近似）は現実の電離層遅延量分布に当てはまらない。
• このような場合、１次に代えてゼロ次の近似（傾きのない平面）が有効：– 推定すべき未知パラメータは１個ですむ（重み付き平均と等価）。
– 次数を落とした、よりロバスト（安定）な推定。
– 通常時の推定精度はプレーナフィットに比べて劣るが、測定データが少ない場合でも的外れな推定はしない。

June 2009 - ENRISLIDE 17方式（２）：適応ゼロ次フィット
プレーナフィットによる遅延量推定

電離層嵐モニタによるチェック

適当でないとはいえない

GIVE値を計算

平面モデルは適当？

平面モデルで推定MSASの場合、適当でないとされることがある

適当でない

ゼロ次フィットによる遅延量推定
GIVE値を計算遅延量とGIVE値を放送

最大値より小さな値となる→ 保護レベルの抑制

June 2009 - ENRISLIDE 18方式（３）：最小フィット
ゼロ次フィットによる遅延量推定

プレーナフィットによる遅延量推定

電離層嵐モニタによるチェック

電離層嵐モニタによるチェック

ＯＫのデータ

ＯＫのデータ

GIVE値を比較

GIVE値が小さなほうの推定結果を選択遅延量とGIVE値を放送

より小さなGIVEとなる推定方式を選択→ 保護レベルの抑制

June 2009 - ENRI

性能評価：現行ＭＳＡＳ

SLIDE 19

CAT-Iモードアベイラビリティの計算例

現行の地上局配置（国内6局）

5局を追加した場合（稚内・女満別・八丈島・名瀬・石垣島）• モニタ局の追加により、アベイラビリティ95%の地域が現れる。
• △はモニタ局の位置。

June 2009 - ENRI

性能評価：方式（１）ゼロ次フィット

SLIDE 20

CAT-Iモードアベイラビリティの計算例

現行の地上局配置（国内6局）

5局を追加した場合（稚内・女満別・八丈島・名瀬・石垣島）• 5局を追加すると、北海道地方でアベイラビリティ100%の地域が現れる。

June 2009 - ENRISLIDE 21

性能評価：方式（２）適応ゼロ次フィット
CAT-Iモードアベイラビリティの計算例

現行の地上局配置（国内6局）

5局を追加した場合（稚内・女満別・八丈島・名瀬・石垣島）• 現行アルゴリズムとあまり変わらない。

June 2009 - ENRI

性能評価：方式（３）最小フィット

SLIDE 22

CAT-Iモードアベイラビリティの計算例

現行の地上局配置（国内6局）

5局を追加した場合（稚内・女満別・八丈島・名瀬・石垣島）• 現行GMS配置でも、アベイラビリティ100%の地域が現れる。
• 5局を追加して、北海道～九州でアベイラビリティ100%とできる。

June 2009 - ENRI

Conclusion

SLIDE 23

• MSAS補強情報の特性：– 測位精度は良好。
– NPA（非精密進入）航法モード（RNP 0.3）まではアベイラビリティ100%。
– APV（垂直誘導付進入）及びCAT-I進入ではアベイラビリティが十分でない。

• 性能向上の検討：– 電離層遅延補正方式の変更により保護レベルを抑制する必要がある。
– ゼロ次フィットに基づく改良方式を提案：日本全国でAPV-I進入、また北海道～那覇でCAT-I進入を常時利用可能とできる見通しを得た。
– 性能向上は、MSASシステム側のGMS追加及びソフトウェア改修による：ユーザ受信機には何らの改修も必要としない。

• 今後の課題：– 改良方式について、過去の電離層嵐の際のデータを用いて検証する。
– 最適な追加GMS局位置の検討及び動作パラメータの最適化。