第９回
電子航法研究所研究発表会
June 12, 2009

１９．準天頂衛星L1-SAIF実験局の性能確認
１９．準天頂衛星L1-SAIF実験局の性能確認

坂井坂井 丈泰
丈泰 ・・ 福島福島 荘之介
荘之介 ・・ 伊藤伊藤 憲
憲
通信・航法・監視領域
通信・航法・監視領域（高精度測位補正技術開発ＰＴ）（高精度測位補正技術開発ＰＴ）

June 2009 - ENRI

Introduction

SLIDE 1

• 準天頂衛星システム（QZSS）：– 補完信号（GPS L1C/L2C/L5とほぼ互換）に加え、補強信号（L1-SAIF、LEX）を放送。
– L1-SAIF（Submeter-class Augmentation with Integrity Function）信号をGPS/SBAS L1周波数で放送。LEX信号はGalileo E6と同じ周波数。
– L1-SAIF補強信号：広域ディファレンシャル補正情報、インテグリティ情報、測距機能を提供。

• 電子航法研究所はL1-SAIF実験局の開発を担当：– L1-SAIF信号の設計：SBAS信号と同一のRF信号特性。
– SBAS信号の上位互換となるようメッセージを設計。

• L1-SAIFメッセージ生成装置（L1SMG）：– L1-SAIF実験局（L1SMS）のサブシステム。
– 補強メッセージをリアルタイムに生成し、JAXA地上局に送信する。

June 2009 - ENRI

準天頂衛星のメリット
GPSや静止衛星

東経135度を中心に配置
離心率0.1 軌道傾斜角45度

SLIDE 2準天頂衛星（QZS）• 高仰角からサービスを提供可能。
• 山間部や都市部における測位・放送ミッションに有利。

June 2009 - ENRI

サブメータ級補強信号（L1-SAIF）

SLIDE 3• GPS L1周波数で放送する補強信号：– GPSと同一のアンテナ・フロントエンドで受信可能。
– L1-SAIF信号（Submeter-class Augmentation with Integrity Function）。
– 「補完」ではなく「補強」：衛星が増えるだけではなく、補強情報も放送。

• 我が国全域を対象としたディファレンシャル補正情報：– 広域ディファレンシャルGPS（WADGPS）。
– ベクトル補正方式：衛星軌道、クロック、電離層遅延をそれぞれ別々に補正。
– 補強対象：GPS、準天頂衛星、（ガリレオ）。目標精度＝1m。
– すでに実用化されているSBASをベースとして開発：受信機側ソフトウェアの負担を抑える。

• インテグリティ情報あり：– 信頼性の高い位置情報を提供：移動体用途における安全確保。

June 2009 - ENRISLIDE 4サブメータ級補強の仕組み

準天頂衛星

GPS衛星

軌道誤差
電離層補強情報

010
010
100
1…
…

クロック誤差• さまざまな誤差を補正• 信頼性の情報

測距機能

対流圏
高仰角
ユーザ（１周波GPSアンテナ）

June 2009 - ENRISLIDE 5

SBAS互換メッセージ
プリアンブル メッセージタイプ
8ビット
6ビット

CRCコード
24ビット

データ領域
212ビット

250ビット
メッセージ
タイプ

内 容

更新間隔（秒）

メッセージ
タイプ

内 容

更新間隔（秒）0

テストモード（使用不可）

617

GEOアルマナック

300

1

PRNマスク情報

12018IGPマスク情報300

高速補正（FC+UDRE）

60

24

高速補正・長期補正

66

インテグリティ情報（UDRE）

625

長期補正

120

7

高速補正の劣化係数12026

電離層遅延補正（+GIVE）

300

9GEO航法メッセージ

120

27

SBASサービスメッセージ

300

10

劣化係数

120

28

クロック・軌道情報共分散

120

12

SBAS時刻情報

300

63

NULLメッセージ—2～5

L1-SAIFでは使用しない

June 2009 - ENRISLIDE 6

L1-SAIF拡張メッセージ（案）
メッセージ
タイプ

メッセージ内容

検討状況

52

電離層伝搬遅延補正（グリッド情報）

53

電離層伝搬遅延補正情報（遅延量）

54

対流圏伝搬遅延補正情報（グリッド情報）

55

対流圏伝搬遅延補正情報（遅延量）

56

信号間バイアス補正情報（ISC）

57

軌道情報に使用（検討中）

58

QZSエフェメリス

直交座標表現を採用

59

QZSアルマナック

（検討中）

60

広域情報

（検討中）

61

（検討中）

TGPにおける垂直遅延量を放送L1C/L2C/L5/L1Pの遅れを放送（空き）※メッセージタイプ番号・メッセージ内容は変更する可能性あり

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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（宇宙航空研究開発機構）筑波宇宙センター内のQZSS地上局に送信する。
– 電子航法研究所構内（東京都調布市）に設置。
– サブシステム： GEONETサーバ、制御用GPS受信機、インターフェース装置、メッセージ生成装置、電離層補強情報生成装置、対流圏遅延処理装置、バッチ処理装置、連接装置。
準天頂衛星
準天頂衛星

GPS

L2
P号
信F
AI
Sループ
L1

測定データ

ndba
K-2P
L,
/A
C
L1

L1
C/A,

L1-SAIF
メッセージ

GEONET

L1SMS

QZSS MCS

国土地理院

電子航法研究所

JAXA地上局（つくば）June 2009 - ENRISLIDE 8

L1-SAIF実験局の構成
JAXA
地上局

国土地理院GEONETTCP/IP
測定データ
RINEXファイル（FTP）

バッチ処理装置（バイアス推定）メッセージ
出力

GEONETサーバ

制御用受信機

連接装置

インターフェース装置
バイアス
推定結果
ファイル

L1SMSバッチ処理系

メッセージ生成装置（L1SMG）

電離層補強情報生成装置
対流圏遅延処理装置

L1-SMSリアルタイム処理系

June 2009 - ENRI

L1-SAIF実験局：サブシステム（１）SLIDE 9• GEONETサーバ：– 国土地理院GEONETより、二周波測定データを受信。
– 出力レート：1 Hz、受信機固有フォーマットのバイナリデータ、伝送遅延は2秒以下。
– 日本全国の1000局の電子基準点を5台の装置で処理。

• 制御用GPS受信機：– L1SMS内に設置、インターフェース装置にイーサネットLANで接続。
– 目的１：インテグリティ機能の一つとして、衛星クロックの故障を早期に検出するために設置。
– 目的２：航法メッセージを収集する（GEONETからは届かないため）。
– 目的３：メッセージ生成装置（L1SMG）に現在時刻を提供する（L1SMG計算機の内蔵クロックを使用すると連続運転時に狂うため）。
– NovAtel OEM-3 MiLLennium-STD受信機を使用。

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L1-SAIF実験局：サブシステム（２）SLIDE 10

• インターフェース装置：– GPS測定データやL1SMGの生成メッセージを中継する装置。
– GEONETサーバや制御用GPS受信機に多数の計算機がそれぞれ別個に接続するのを避け、インターフェースを一ヶ所にまとめる。
– 集配データの性質によりネットワークを分割する。

• メッセージ生成装置（L1SMG）：– L1-SAIF補強メッセージを生成し、インターフェース装置に送信する。
– モニタ局（GMS）構成は可変：起動時に設定ファイルを読み込んで対応。
– モニタ局受信機は、NovAtel、Trimble、JAVADの各メーカに対応。RINEXファイルも入力できる。
– 電離層補強方式：標準的なプレーナフィットアルゴリズム（MSAS/WAASで使用されているもの）を実装。
– 対流圏補正：SBAS用の標準モデルを実装。

June 2009 - ENRI

L1-SAIF実験局：サブシステム（３）SLIDE 11

• 電離層補強情報生成装置（ICP）：– 多数のモニタ局（IMS）を使用して、電離層補正情報およびインテグリティ情報を生成する：200局まで動作確認済み。
– メッセージ生成装置からのコマンドを受信して処理を行い、応答を返す。
– メッセージ生成装置はプレーナフィットアルゴリズム（モニタ局数は10局程度まで）を内蔵：ICPからの応答がない場合に対応。

• 対流圏遅延処理装置（TCP）：– GEONET電子基準点の測定データから、対流圏遅延量を算出する。
– 準リアルタイム処理：遅れは5分程度。
– 補強メッセージでは、TGP（tropospheric grid point）格子点における垂直遅延量として放送する。
– TCPからの出力がない場合、対流圏遅延補正メッセージは放送しない（標準モデルを使用する）。

June 2009 - ENRI

L1-SAIF実験局：サブシステム（４）SLIDE 12• バッチ処理装置：– 衛星および受信機のハードウェアに起因する周波数間バイアス（IFB：interfrequency bias）を推定する。
– 毎日1回実行：2日分の測定データを使用して電離層モデルを作成し、推定処理を実行する。
– リアルタイム処理に比べ、正確かつ安定した推定値を提供。

• 連接装置：– メッセージ生成装置が出力した補強メッセージを、JAXA地上局に送信するための装置。
– ISDN回線経由でメッセージを送信、エコーバックを受信。
– JAXAモニタ局（海外に10局程度を設置）のデータを収集。
– 電子航法研究所－JAXA間のインターフェース仕様を策定。ISDNと光回線の2系統を予定。

June 2009 - ENRISLIDE 13

メッセージ生成装置の構成
二周波アンテナ

制御用GPS受信機

GEONETサーバ

GMS測定データ（6局）

時刻情報及び航法メッセージ

IMS測定データ（200局）

入力モジュール
軌道・クロック
補正モジュール

電離層補正モジュール QUERY 電離層補正モジュール（IMSを使用）（プレーナフィット）

メッセージ生成モジュール

メッセージ
ログ

入力モジュールRESPONSEInput from
Iono Processorメッセージ
出力（TCP/IP）

L1-SAIFメッセージ生成装置（L1SMG）

電離層補強情報生成装置（ICP）

June 2009 - ENRISLIDE 14

ICPへのコマンドとその応答
QUERYコマンドRESPONSEメッセージ項目

バイト数単位

項目

バイト数

単位

コマンド発行時刻8(double)

応答時刻8(double)

IGP数

2—

IGP数

2—

緯度

20.1 deg

垂直遅延量8(double)

経度20.1 degGIVE

8(double)

垂直遅延量8(double)GIVE

8(double)

IGP 1

IGP 1:
IGP n:

緯度20.1 deg

経度20.1 deg

IGP n• それぞれのコマンド・応答メッセージは、ヘッダ及びCRCが付せられる。
• QUERYコマンドは、任意の個数のIGPの位置を指定する：ICPは、指定されたIGP位置における垂直遅延量を計算する。
• コマンド発行後150秒が経過しても応答が得られない場合、メッセージ生成装置はタイムアウトとして処理する（プレーナフィットを実行する）。

June 2009 - ENRISLIDE 15

L1-SAIF実験局
GEONETサーバ

電離層補強情報生成装置

メッセージ生成装置

I/F装置

データサーバ
データサーバ

連接装置
ルータ
対流圏補強情報生成装置

無停電電源装置

June 2009 - ENRISLIDE 16

リアルタイム動作試験

GMS （計6局）
軌道・クロック補正情報生成用モニタ局
IMS （計200局）
電離層補正情報生成用モニタ局
ユーザ位置精度評価局 （14地点）
L1-SAIF実験領域• 電離層補正方式及びIMS数を変えて、動作試験を実施。
• ユーザ位置として14地点を評価対象として、測位精度を評価。ユーザ局番
号は北から南の順で付けてある。
• モニタ局およびユーザ局のいずれも、GEONETの電子基準点を使用。

June 2009 - ENRISLIDE 17

ユーザ測位誤差の例• 電子基準点93022（銚子）におけるユーザ測位誤差。
• L1-SAIFモニタ局：GMS＝6局（MSAS相当）、IMS＝200局。
• 実験期間： 2009年1月16～21日 （5日間）

L1-SAIF
補強

RMS

水平測位誤差0.23 mMax

1.67 m3.35 m

MSAS
補強

RMS

0.46 m0.59 mMax

1.73 m2.43 m

GPS単独測位

RMS

1.25 m

2.99 mMax

4.30 m8.11 mシステム

L1-SAIF補強

MSAS補強

GPS単独測位

垂直測位誤差0.36 mJune 2009 - ENRISLIDE 18

試験パラメータ
試験ケース

A

B

C

D

E

MSAS

電離層補強情報

L1SMG

ICP

ICP

ICP

ICP

MSAS

モニタ局数

6 GMS

200 IMS200 IMS200 IMS200 IMS

6 GMS

IGP間隔5 deg

5 deg

5 deg

2.5 deg

2.5 deg5 deg

推定次数110101

最大半径Rmax (km)

2100

1000

10001000

1000

2100

最大IPP数 Nmax

303030303030

最低IPP数 Nmin

101010101010• 試験ケースA：ICPを使用しない場合。
• 試験ケースB～E：ICPを使用。
• 参考のため、MSASによる測位精度も比較した。

June 2009 - ENRI

ユーザ測位精度の比較（水平）• ICPの使用により、南方での測位精度に改善がみられる。
• 測位精度の劣化を防ぐには、一次の推定（プレーナフィット）が有利。

SLIDE 19

June 2009 - ENRI

ユーザ測位精度の比較（垂直）水平 垂直• 垂直方向についても、1mの測位精度を達成できる見込み。
• ただし、太陽活動の状況により測位精度が影響される可能性はある。

SLIDE 20

June 2009 - ENRI

Conclusion

SLIDE 21

• 準天頂衛星L1-SAIF信号の開発：– GPS/SBAS L1周波数による補強信号。
– 信号形式はSBASと同一、補強メッセージは上位互換。

• L1-SAIF実験局の整備：– メッセージ生成装置を含め、主要な装置は開発済み。
– リアルタイム動作試験：メッセージが正常に生成されることを確認、またモニタ局構成とユーザ測位精度の関係を調べた。
– 電離層補強情報生成装置（ICP）を使用した場合の動作確認を行った。多数のIMSを用いて電離層補強情報を生成することにより、測位精度に改善がみられた。

• 今後の課題：– JAXA地上局（整備中）との連接稼動試験。