第１８回
電子航法研究所研究発表会
June 1, 2018

１５．SBAS性能向上のための電離圏補強方式

航法システム領域
坂井 丈泰・北村 光教・麻生 貴広・星野尾 一明

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Introduction

Slide 1• SBAS（Satellite-Based Augmentation System：静止衛星型補強システム）– 民間航空機におけるGNSSの利用にあたり、完全性及び測位精度を補うための情報を提供する補強システム。
 SBAS衛星からGPS L1周波数で送信。
 米国WAAS、日本MSAS、欧州EGNOS、インドGAGANが運用中。
– 日本では、2007年9月よりMSASを運用中。垂直ガイダンスは未提供。
– 2020年に準天頂衛星システムの静止衛星を使用する構成に置き換え、2023年には性能向上を計画。

• 一周波数SBASでは、電離圏伝搬遅延が最大の誤差要因。
– アベイラビリティを阻害する主要因となっている。
 電離圏の挙動を予測するのは難しく、算出した航空機位置の不確実性が大きい– MSASで垂直ガイダンスを実現するには、電離圏伝搬遅延補強方式の改善が必要。

• 今回の提案：既存補強方式をベースに、誤警報の抑制を図る改良方式。
– 電離圏嵐モニタの誤警報を抑制 → アベイラビリティの改善第18回研究発表会

MSASによる測位性能例

Slide 2GPS only

GPS only

Horizontal
0.722m RMS

MSAS PRN129

Horizontal
0.717m RMS

GEONET 940058 (Takayama) 2016/8/8-12 (5 days)
PRN129 and PRN137 Broadcast Signal

MSAS PRN137

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Slide 3

現在の構成
MTSAT-2

GPS衛星

測位信号

補強信号
6 GMS
in Japan

Users

札幌GMS
神戸MCS
(and GMS)

福岡GMS

常陸太田MCS(and GMS)
東京GMS
地上通信回線

MSAS監視局ネットワーク

那覇GMS• 静止衛星1機（MTSAT-2）、主統制局MCS（Master Control Station） 2局、地上監視局
GMS（Ground Monitor Station） 6局（うち2局はMCSに併設）• MTSAT-2が両MCSからの信号を中継・送信（PRN129及びPRN137）

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更新整備の計画•

Slide 4

衛星寿命への対応・地上設備の更新：MSAS V2– 2020年までは、現行の静止衛星1機（MTSAT-2）及び地上設備で運用を継続。
– 2020年以降は、QZSS（準天頂衛星システム）の静止衛星に切り替える。
 QZSSの1・2・4号機は８の字軌道衛星、3号機は静止衛星（東経127度）。
 3号機が備えるL1Sb信号を使用する。
– 同時に地上設備を更新。
 MCS（主管制局）：常陸太田HASC（主局）・所沢TMC（副局）。
 GMS（監視局）：現行の6局とは異なる配置の13局に増設。
– 性能は現行MSASと同程度。

•垂直ガイダンスの供用：MSAS V3– LPV進入モード（DH≧250FT）及びLPV200進入モード（DH≧200FT）をサポート。
– 必要な整備作業：• QZSSの2機目の静止衛星を使用する（2023年頃に打上げ予定）• 地上設備（MCS）：電離圏補強方式の改良が必要– 2023年頃を想定。

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Slide 5

アベイラビリティ分布例（NPA）

MSAS 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）• 福岡FIR全域で100%利用可能（いつでも利用できる）

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アベイラビリティ分布例（LPV）

Slide 6MSAS Broadcast
06/10/17 00:00-24:00
PRN129 (MTSAT-1R)
Test Signal
Contour plot for:APV-I Availability
HAL = 40m
VAL = 50m
LPV進入モードを利用可能な時間割合（%）（以前はAPV-Iと称していた）• 位置情報の不確実性が大きく、LPVモードはサポートできない第18回研究発表会

Slide 7

不確実性の主要因：電離圏伝搬遅延

電離圏遅延マップ（NASA/JPL）• 電離圏の様相は季節や時刻、地域によって刻々と変化する。予測は難しい。
• 赤道異常も存在：磁気赤道の南北にある、電子密度が高い領域。
• 特に南西諸島方面では位置情報の不確実性が大きくなる。

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Slide 8

不確実性の内訳
LPV
進入モード
LPV200
進入モード

垂直保護レベル
電離圏遅延成分（GIVE値）
クロック＋軌道の成分
MSAS Broadcast
06/10/17 00:00-12:00
GEONET 93011 Tokyo
PRN129 (MTSAT-1R)
Test Signal• 保護レベル：ユーザ測位誤差の最大値の見積もり。
 不確実性が大きい → 保護レベルを大きくしてユーザを保護する• MSASの垂直保護レベルは、電離圏遅延に対応するための項（GIVE値）が支配的。
 保護レベルを低減するには、電離圏遅延項を減らす必要がある

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Slide 9電離層遅延補強方式：プレーナフィット• 米国WAASのために考案された方式。
 IGPにおける垂直遅延量を推定する、MCS内部のアルゴリズム。
 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値を最大値にして対応する（ユーザを保護するため）。

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現行の電離圏遅延補強方式

Slide 10N個の入力データ（IPP）を使用
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

MSASの場合、適当なのに適当でないとされることがある（誤警報）

適当でないモデルは適当？
GIVE値を計算

GIVE値を最大値にする

遅延量とGIVE値を放送

ユーザを保護するため第18回研究発表会

電離圏嵐モニタの挙動

Slide 11

• 大規模な電離圏嵐の際の電離圏嵐モニタの挙動。

正しい警報 横軸：モニタ出力値（1以上で電離圏嵐を検出）
5.33

誤警報

 縦軸：実際の遅延量残差• モニタが電離圏嵐を検出したとしながら、実際には不要であったケースが多数ある。
 誤警報によりアベイラビリティが下がっている。
1
検出せず

電離圏嵐を検出第18回研究発表会

どういうことが起きているか
Rfit

IPP
for fitIPP
not for fit
電離圏擾乱

N個のIPPsでフィッティング
電離圏嵐モニタは嵐を検出（上から見た図）使用する
IPP数を抑制

Slide 12

今回の提案

Rfit

IPP
for fitIPP
not for fit

電離圏擾乱

N-N個のIPPでフィッティング
電離圏嵐モニタは未検出• 通常は、Rfit（フィッティング半径）を大きくして多くのIPP数を使用したほうが確実な推定ができる。
 WAAS/MSASのRfit設定アルゴリズムはこのような方針となっている。
• 現実の電離圏の様相によっては、Rfitを大きくし過ぎると擾乱領域内にあるIPPを使用してしまう。
 電離圏嵐モニタが嵐を検出して、GIVEを最大値に設定する。
• 今回のアイディア：このような場合に、Rfitを小さくして（推定に使用するIPPを減らすことになる）擾乱領域を避けられないか。

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Slide 13

嵐回避アルゴリズム
N個の入力データ（IPP）で開始

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

もっとも（方式１）遠方の（方式２）南側の観測データを減らす｛｝

モデルは適当？
適当でない
適当

あらかじめ決めた減少幅を上限として、観測データ数を減少させる

GIVE値を計算遅延量とGIVE値を放送

減少幅を データ数で決める場合： DN
半径Rfitで決める場合： DR第18回研究発表会

シミュレーションによる評価

Slide 14

• MSAS V3をシミュレート 電子航法研究所で開発したSBASシミュレータを使用
 2020年以降の13監視局を想定（ ▼で表示）• 評価対象時期
時期状況(1) 2011/5/16

比較的安定(2) 2011/11/19

中程度の電離圏嵐• 各期間について、以下を算出する：
 GIVEIの分布
 LPV進入モードのアベイラビリティ（GIVEフィルタ及びIPPフィルタは適用しない）

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Slide 15

GIVEIの分布（方法１）
GIVEIのヒストグラム

出現回数

GIVE値を抑制

GIVEI= 89101112131415

GIVEI

GIVE値

82.7 m

93.0 m103.6 m114.5 m126.0 m1315 m1445 m

15NotMonitored• 時期(2)について、嵐回避アルゴリズム（方法１）を適用• GIVEI=14（最大値）となっている状況を、より小さいGIVEIで置き換えている 保護レベルの低減によるアベイラビリティの改善が見込める第18回研究発表会

Slide 16

GIVEIの分布（方法２）
GIVEIのヒストグラム

出現回数

GIVE値を抑制

GIVEI= 89101112131415GIVEI

GIVE値

82.7 m

93.0 m103.6 m114.5 m126.0 m1315 m1445 m

15

Not
Monitored• 時期(2)について、嵐回避アルゴリズム（方法２）を適用• GIVEI=14（最大値）となっているケースについて、さらに多く、より小さい
GIVEIで置き換えている（パラメータによっては半減できる）

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LPVアベイラビリティ：期間（１）Slide 17

95%

99.9%

現行アルゴリズム

嵐回避アルゴリズム（方法２）• LPV進入モード（HAL=40m / VAL=50m）のアベイラビリティを試算• 提案アルゴリズム（方法２）により、アベイラビリティを大幅に改善できることを確認 さらなる改善のためには、他の既存改良アルゴリズムとの組合せが考えられる

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LPVアベイラビリティ：期間（２）Slide 1880%
99%

現行アルゴリズム

嵐回避アルゴリズム（方法２）• 電離圏活動が活発な時期についても、同様にアベイラビリティを改善• 99.9%のアベイラビリティを達成するためには、やはり他の既存改良アルゴリズムとの組合せが有効と思われる。

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アベイラビリティ 38.7%

垂直測位誤差（m）

現行アルゴリズム

垂直保護レベル（m）

垂直保護レベル（m）

安全面の確認：保護レベル

Slide 19

アベイラビリティ 80.7%

垂直測位誤差（m）

嵐回避アルゴリズム（方法２）• 電離圏活動が活発な時期（期間２）について、保護レベルと測位誤差を比較
 条件： 測位誤差が保護レベルを超えないこと• 安全上の問題を生じることなく、アベイラビリティを改善していることを確認第18回研究発表会

Conclusion•

Slide 20

MSASの性能向上– MSAS V2（2020年～）：現行静止衛星及び地上設備の更新。準天頂衛星システムの静止衛星（QZS 3号機）のL1Sb信号を使用。
– MSAS V3（2023年頃～）：垂直ガイダンスを実現、LPV／LPV200進入モードを供用。

•電離圏遅延補強アルゴリズムの開発– MSASで垂直ガイダンスを実施するには、電離圏遅延補強アルゴリズムの改良が欠かせない。
– 今回は、電離圏嵐モニタの誤警報の多さに着目し、嵐回避アルゴリズムを考案した。
 電離圏嵐モニタが嵐を検出した場合に、遠方の観測データを減らしたうえで再度補強情報の生成を試みる。
 シミュレーションにより効果を確認。南方の観測データから順に抑制する方式（方法２）で高い効果が得られる。

•今後の研究開発課題– 過去の電離圏嵐の際のアーカイブデータによる検証。
– 他の既存改良アルゴリズムとの併用による効果の評価、最適な組合せの検討。