第12回
電子航法研究所研究発表会
June 7, 2012

１１．準天頂衛星L1-SAIF補強信号のレンジング機能

航法システム領域
坂井 丈泰、 山田 英輝、 伊藤 憲

June 2012 - Slide 1

はじめに• 準天頂衛星システム（QZSS）：– 準天頂衛星軌道上の測位衛星による衛星測位サービス。
– GPS補完信号に加え、補強信号を放送。補強信号：L1-SAIF、LEXの２種類。
– 初号機「みちびき」を２０１０年９月に打ち上げ、技術実証実験を実施中。
– 実用準天頂衛星システムの開発を閣議決定。2020年までに４機体制とする。

• L1-SAIF補強信号：– サブメータ級の測位精度を提供する補強信号。
– GPS L1 C/A信号と同一の周波数・変調方式：受信機ハードウェアは変更不要。
– 機能：（１）測位精度改善、（２）インテグリティ情報の提供、（３）レンジング。
（１）（２）についてはすでに確認。今回は（３）について評価結果を報告。

• 内容： （１） 準天頂衛星システム（２） L1-SAIF信号の概要（３） 技術実証実験（４） L1-SAIFによるレンジング性能

June 2012 - Slide 2（１）
準天頂衛星システム

June 2012 - Slide 3

準天頂衛星の構想
準天頂衛星（QZS）

GPSや静止衛星• 高仰角からサービスを提供可能。
• 東経135度を中心に配置• 初号機「みちびき」：
離心率0.075、軌道傾斜角43度• 山間部や都市部における測位・放送ミッションに有利。
• 高仰角から放送する情報により、GPS衛星の捕捉を支援できる。

June 2012 - Slide 4

準天頂衛星の軌道
遠地点
約40,000km
8:40

15:20

近地点
約32,000km
準天頂衛星の軌道面（3衛星の場合）

地上軌跡• 軌道長半径（42,164km）は静止衛星軌道と同じ：地球自転に同期した周回速度。
• 軌道を傾斜させることで地上軌跡が８の字形になる。
• 同一の地上軌跡となるように３機以上の衛星を配置：特定地域のユーザに対して、通信・航法サービスを天頂付近から常時提供できる。

June 2012 - Slide 5

実用準天頂衛星システムの開発• 準天頂衛星システム 第１段階：– H15に官民合同プロジェクトとしてスタート。
– H18.3に計画見直し：まず第１号機を打ち上げ、技術実証実験・利用実証実験を実施する。第２号機以降はその成果にもとづき検討。
– 初号機「みちびき」は２０１０年９月に打上げ成功。各種実験を順調に実施中。

• 第２段階：実用準天頂衛星システムの開発：– H23.9.30閣議決定により、開発を決定。
– 目的：社会インフラ整備、アジア太平洋地域に貢献、災害対応能力の向上、等。
– 2010年代後半を目処として、４機体制を整備。将来的には７機体制を目指す。
Ｈ30（2018）頃
Ｈ22.9打上げ
実用４機体制を構築
技術／利用実証実験

現在

その後実用７機体制へ

June 2012 - Slide 6

準天頂衛星の機能• GPS補完機能： L1C/A, L2C, L5, L1C信号– GPS補完信号として、GPS信号に似た測位信号を放送。
– 天頂付近の高仰角から測位信号を提供することで、都市部や山岳地域などで衛星数の不足を補い、いつでも位置情報が得られるようにする。
– ユーザ側は、既存GPS受信機のソフトウェア改修程度で対応できる。
– 宇宙航空研究開発機構（JAXA）が技術実証実験を実施。

• GPS補強機能： L1-SAIF, LEX信号– すべてのGPS衛星を対象として、ディファレンシャル補正情報等を補強信号に乗せて放送する。
– L1-SAIF信号：移動体測位用。補強信号の国際標準SBASと同じ信号形式。
– ユーザ側は、既存SBAS対応受信機のソフトウェア改修程度で対応できる。
– 電子航法研究所がL1-SAIF補強信号の開発を担当。衛星打上げ後に技術実証実験を行い、現在も引き続き実験を実施中。

June 2012 - Slide 7（２）
L1-SAIF信号の概要

June 2012 - Slide 8

L1-SAIF補強信号
一つの信号で３つの機能

準天頂衛星

補強信号
（補完機能）①補完機能

GPS衛星群補強信号（誤差補正）②誤差補正機能補強信号③信頼性付与機能（信頼性付与）測位信号• 一つの補強信号で３つの機能：補完機能（レンジング）・誤差補正（目標精度=1m）・信頼性付与。
• ユーザ側では、１つのGPSアンテナによりGPSとL1-SAIFの両信号を受信：受信機の負担軽減。
SAIF： Submeter Augmentation with Integrity Function

ユーザ（GPS受信機）

June 2012 - Slide 9

サブメータ級補強の仕組み
準天頂衛星

GPS衛星
クロック誤差
軌道誤差• さまざまな誤差を補正• 信頼性の情報
補強情報

電離層

測距機能

対流圏
高仰角
ユーザ（１周波GPSアンテナ）

June 2012 - Slide 10

L1-SAIF実験局（L1SMS）• L1-SAIF実験局（L1SMS：L1-SAIF Master Station）:– L1-SAIF補強メッセージをリアルタイムに生成し、 JAXA地上局（つくば）に送信する。
– 電子航法研究所構内（東京都調布市）に設置。
– 補強メッセージの生成に使うGPS測定データについては、国土地理院電子基準点ネット
ワーク（GEONET）から取得する。
準天頂衛星

GPS衛星ループアンテナ
測定データ

L1-SAIF
メッセージ

GEONETL1SMS

QZSS主制御局

国土地理院

電子航法研究所

JAXA地上局（配信拠点＝新宿）（東京都調布市）（つくば）

June 2012 - Slide 11

L1-SAIF実験局の外観
電子基準点データ
リアルタイム収集システム

補正情報リアルタイム生成・配信装置
通信用ルータ装置

データサーバJune 2012 - Slide 12

リアルタイム動作試験• 電子基準点940058（高山）におけるユーザ測位誤差。
南北方向誤差（m）• モニタ局配置は、札幌・茨城・東京・神戸・福岡・那覇の6局構成。
• 実験期間： 2008年1月19～23日 （5日間）
水平測位誤差

垂直測位誤差

RMS

1.45 m

2.92 m

最大6.02 m

8.45 m

RMS

0.29 m

0.39 m

最大1.56 m

2.57 mシステム

GPS単独測位

L1-SAIF補強

GPS単独L1-SAIF補強

東西方向誤差（m）

June 2012 - Slide 13（３）技術実証実験

June 2012 - Slide 14

搬送波位相（km）

擬似距離（km）

試験信号の受信
Start: 2010-10-23 09:46:48 GPST
Stop: 2010-10-23 10:48:07 GPST
1ms相当分
クロック調整L1-SAIF (PRN183) Pseudorange
User location:@ENRI Iwanuma Branch
Iwanuma City, Miyagi Pref.
Receiver:Furuno GPS/L1-SAIF Rx

32ビット境界
オーバフロー

Processing:Raw pseudorange/ADR

GPS時刻（h）• 軌道上の準天頂衛星から放送されたL1-SAIF試験信号を受信。
• 何らの補正も施してないため、主に受信機クロックの影響による変化がみられる。

June 2012 - Slide 15

車両による実験

GPS+IMU• L1-SAIF技術実証実験：– 実験用車両によるL1-SAIF測位実験。
– 実験場所：都市部・郊外・高速道路（高架道）を走行。
– 実験期間：2010年12月～2011年3月。

• 実験機材：– 基準位置： GPS+IMUセンサで取得– GEONET電子基準点を利用して、後処理により高精度な基準位置を得る。
– 車両内にGPS/L1-SAIF受信機とPCを搭載。
– 受信機はL1-SAIF補強処理をリアルタイムに実行し、結果を出力。
– 記録された位置出力と基準位置を比較し、測位誤差を求めた。

GPS/L1-SAIF受信機

June 2012 - Slide 16

つくば市での実験
GEONET
Tsukuba 1

1 km

走行経路

典型的な状況

• 2010年12月16日（準天頂衛星は天頂付近にあることを確認）• 茨城県つくば市の西部郊外を6kmほど走行した。
• 高層建築は少ないが、電柱や電線、信号機といった障害物が多数ある状況。

015 分時刻（UTC）
UTC時刻 05:30:01～05:45:01
5:44:01

5:43:01

5:42:01

5:41:01

5:40:01

5:39:01

5:38:015:37:01

5:36:01

5:35:01

5:34:01

5:33:01

5:32:01

5:31:01

5:30:01

水平測位誤差（m）
水平測位誤差 （ｍ）

June 2012 - Slide 17

つくば市：L1-SAIF補強あり
つくば：L1-SAIF補強あり
L1-SAIF測位精度（つくば2）

5432

10.6m

015 分時刻（UTC）
UTC時刻 05:30:01～05:45:01
5:44:01

5:43:01

5:42:01

5:41:01

5:40:01

5:39:01

5:38:01

5:37:01

5:36:01

5:35:01

5:34:01

5:33:01

5:32:01

5:31:01

5:30:01

水平測位誤差（m）
水平測位誤差 （ｍ）

June 2012 - Slide 18

つくば市：補強なし
つくば：L1-SAIF補強なし
GPS測位精度（つくば2）54322.0m

1June 2012 - Slide 19（４）
L1-SAIF信号のレンジング性能

June 2012 - Slide 20

レンジング機能の利用• L1-SAIF信号のレンジング（測距）機能：– 信号形式はGPS L1 C/A信号と同一：距離の測定に使用可能。
– レンジング機能で測定した距離を測位計算に使用するには、準天頂衛星自身のエフェメリス情報（軌道情報）を放送する必要がある。
 このため、L1-SAIF拡張メッセージでMT58「QZSエフェメリス」を定義。
 L1-SAIF実験局にMT58を放送する機能を付加。

• エフェメリス情報の品質も含めて、レンジング性能を評価した。
（１） 距離を測定
QZS-1（L1-SAIF送信源）（２） 衛星の位置

L1-SAIFユーザ

June 2012 - Slide 21

MT58 エフェメリス情報
項目

ビット数

範囲

分解能

内容t0,Q

80～10740 s

60 s

エポック時刻（IODNとしても使用）

URA

40～151

測距精度指標x26

42950 km

1.28 m

X座標（ECEF座標系）

y26

 42950 km

1.28 m

Y座標（ECEF座標系）

z26

 42950 km

1.28 m

Z座標（ECEF座標系）

vx

24

 4.194 km/s

0.5 mm/s

速度（X軸方向）vy

24

 4.194 km/s

0.5 mm/s

速度（Y軸方向）

vz
..
x..
y..
z

24

 4.194 km/s

0.5 mm/s

速度（Z軸方向）5 32 mm/s22 mm/s2

加速度（X軸方向、摂動成分のみ）

5 32 mm/s22 mm/s2

加速度（Y軸方向、摂動成分のみ）

5 32 mm/s22 mm/s2

加速度（Z軸方向、摂動成分のみ）

aGf022

 1.953 ms

2-30 s

クロック補正（オフセット成分）

aGf113

 3.725 ns/s

2-40 s/s

クロック補正（ドリフト成分）

合計

212

1メッセージ分

June 2012 - Slide 22

エフェメリス情報の生成
QZS-1

JAXA MCS

エフェメリスをデコード

MT58にフォーマット

位置・速度・加速度を計算

L1-C/Aユーザ

エフェメリス情報を再構成

L1-SAIFユーザ
QZS-L1-C/A（PRN 193）は受信不要

L1-SAIF実験局（L1SMS）• QZS-L1-C/A信号（補完信号：PRN 193）で放送された軌道情報から、L1-SAIF信号向けのエフェメリス情報を再構成する：
 L1-C/A信号の航法メッセージを取得して、位置･速度・加速度に変換してMT58を生成する。

• ユーザはL1-SAIF（PRN 183）以外の信号を受信する必要はない。

June 2012 - Slide 23

水平測位誤差Start: 2011-08-18 02:10:14 GPST
Stop: 2011-08-18 23:59:59 GPST

レンジングあり

南北方向誤差（m）

レンジングなし

L1-SAIF (PRN183) Ranging ON
L1SMS Configuration:
6 DF GPS GMS (GEONET)
4 SF GPS/QZS GMS (JAXA)
User location:@NICT, Koganei City, Tokyo
Receiver:
JAXA-MS GPS/QZS Rx
Processing by ENRI
Mask 5deg, Smoothing 100s

東西方向誤差（m）
水平測位誤差

垂直測位誤差L1-SAIF
レンジング

RMS

最大RMS

最大ON

0.636 m2.237 m0.763 m4.025 mOFF

0.674 m2.898 m0.819 m5.099 mJune 2012 - Slide 24

レンジング誤差：衛星別
Start: 2011-08-18 02:18:45 GPST
Stop: 2011-08-18 21:16:20 GPST
L1-SAIF (PRN183) Ranging ON
L1SMS Configuration:
6 DF GPS GMS (GEONET)
4 SF GPS/QZS GMS (JAXA)
User location:@ENRI, Tokyo
Receiver:
JAVAD ALPHA-G3T
Processing by ENRI
Mask 5deg, Smoothing 100s

• GPS PRN 3はセシウム原子時計、PRN 6はルビジウム原子時計で稼動。
• L1-SAIF信号のレンジング性能はGPS並みといえる。

June 2012 - Slide 25

レンジング誤差：仰角別Start: 2011-08-18 02:18:45 GPST
Stop: 2011-08-18 21:16:20 GPST
L1-SAIF (PRN183) Ranging ON
L1SMS Configuration:
6 DF GPS GMS (GEONET)
4 SF GPS/QZS GMS (JAXA)
User location:@ENRI, Tokyo
Receiver:
JAVAD ALPHA-G3T
Processing by ENRI
Mask 5deg, Smoothing 100s

• 仰角別のヒストグラムとして表示してみた様子。
• レンジング精度はGPSでは仰角に依存するが、L1-SAIFではそうでもない。

June 2012 - Slide 26

誤差ヒストグラムバイアス

Start: 2011-08-18 02:18:45 GPST
Stop: 2011-08-18 21:16:20 GPST
L1-SAIF (PRN183) Ranging ON
L1SMS Configuration:
6 DF GPS GMS (GEONET)
4 SF GPS/QZS GMS (JAXA)
User location:@ENRI, Tokyo
Receiver:
JAVAD ALPHA-G3T
Processing by ENRI
Mask 5deg, Smoothing 100s

• 誤差は仰角によらず1.8m以内に収まり、RMS値も0.44mと良好。
• 小さなバイアス誤差（～0.3m）がみられる。

June 2012 - Slide 27

まとめ• 準天頂衛星システム（QZSS） L1-SAIF補強信号：– 準天頂衛星は、GPS補完信号に加え、補強信号を放送する。
– 補強信号：すべてのGPS衛星に対して、測位性能を改善する補強情報を提供する。
– L1-SAIF信号：GPS L1 C/Aと同一形式の補強信号。当所が開発を担当。
– JAXAの高精度測位実験システムと連携して稼動するL1-SAIF実験局を電子航法研究所内に整備した。

• 技術実証実験：– 準天頂衛星「みちびき」を使用して技術実証実験を実施。
– L1-SAIF信号については車両による実験を行い、サブメータ程度の測位精度が得られることを確認した。
– L1-SAIF信号の測距機能を利用できるようL1-SAIF実験局に機能追加。測距性能を評価したところ、0.44m RMS程度の良好な性能を確認した。