GBASのための磁気低緯度電離圏モデル
通信・航法・監視領域*齋藤 享、吉原 貴之、藤井 直樹、星野尾 一明、工藤 正博、福島 荘之介、齊藤 真二

目的：GBASに対する磁気低緯度特有の電離圏現象の影響を評価するためのモデルを開発する
1

地上型衛星航法補強システム
Ground Based Augmentation System (GBAS)
衛星

基準局における疑似距離測定値を用いて補正情報を生成放送される補正補正情報を放送δρg

情報を用いて測位
推定値

基準局

距離誤差 測定値

真値(既知)

δρg=ρg-ρg0

測定値 “真”誤差ρu0=ρu-δρuδρu~δρg

航空機空港• 空港に設けた基準局の測定結果を用いて、各衛星ごとの遅延量補正情報を航空機に対して放送し、衛星航法による航空機の精密誘導を行う• 空港周辺のみをサービスの対象とする
2

衛星測位と電離圏群屈折率40.3
群遅延 Iρ =f2

電離圏伝搬遅延

測位誤差

周波数 [Hz]
電子密度 [m-3]! rec

ne (l)dl

sat

衛星-受信機間の全電子数に比例• 電離圏プラズマの存在により屈折率が変化し疑似距離に遅延が生じる• GPS L1周波数(1.57542 GHz)で、通常1〜20 m程度の遅延（場所、昼夜、季節、太陽活動等により変動）
3電離圏• 高度70〜1000 km以上にわたる

太陽活動極小期, 東京, 秋分, 12時
900

電離大気（プラズマ）• 高度300 km付近にプラズマ密度

高度 [km]700のピークを持つ

500• プラズマ密度分布は太陽活動

300
100

度、季節、時刻、場所によって

F2E

D

108F1大きく変動する• 磁気緯度±15度付近にプラズマ

1010
1012
電子密度 [m-3]密度のピークが存在（赤道異40200-20-400

赤道異常

120

経度

240360垂直遅延量 (m)緯度

高太陽活動期3月11時（世界時）

20常）

1004

電離圏空間不均一性による誤差
衛星

電離圏遅延δρg=ρg-ρg0
ρu0=ρu-δρu

補正情報δρg 放送δρu>δρg
補正誤差

基準局

航空機
空港

• 電離圏遅延量の空間不均一性→GBAS補正誤差• 大きな空間不均一性を伴う電離圏現象：SED、プラズマバブル等-SED：磁気嵐に伴う電離圏遅延量の急増
プラズマバブル：電離圏遅延量の急減少、磁気低緯度特有
5プラズマバブルとは• 日没後（夜間）に電離圏下部の電子密度の低い領域が「泡」のように電離圏上部へ上昇する現象• 磁気赤道で発生し低緯度域へ拡大しプラズマバブルの模式図
密度中上昇
密度大

密度小つつ主に東進多い[Woodman and LaHoz, 1976]より酸素原子大気光 (630.0 nm)に現れるプラズマバブル
4

緯度• 南北に細長く東西の壁は極めて急峻• 磁気嵐時には本州へ達する場合も• 数100 km間隔で複数発生することも上昇

0• 太陽活動、季節、経度、地磁気活動、下層大気活動等の影響を大きく受ける-596100
経度

105[Saito et al., 2008]
6プラズマバブル電離圏モデル• プラズマバブルに伴う電離圏勾配を観測だけで全て押さえることは難しい→モデルによるGBASへの影響評価が有効• モデルの構成：-

背景電離圏×プラズマバブルによる密度減少（３次元）• 背景電離圏:-経験モデル（NeQuickモデル [Giovannni and Radicella, 1990;
Radicella and Zhang, 1995] ）を用いる• プラズマバブル:-

背景プラズマ密度に対する減少率で定義する
磁気赤道面内の断面で与え、同一磁力線上では同一減少率とする←磁力線に沿って一様な構造を持つため• 磁場: 傾いた磁気双極子7プラズマバブル存在時の垂直遅延量分布

3月11 UT

400200

プラズマバブル-

磁気赤道上経度:135ºE

0-100 0 100
東西距離 (km)

幅: 100 km
磁気赤道上最大到達高度: 600 km
内部電子密度減少率: 100 %境界のスケール長: 20 km
断面の形状：長方形

301200100

L1周波数の垂直遅延量 (m)•太陽活動度：高600

2 高太陽活動期3月20時（地方時）緯度-

高度 (km)• 背景電離圏800

電子密度 (x1012 m-3)

1000

磁気赤道断面

16128
40-10-20
130 135 140
経度8プラズマバブル存在時の視線方向遅延量変動• 地上局をプラズマバブルが通過-

135ºE, 25ºN

• プラズマバブル

プラズマバブル-

個数: 1
磁気赤道上初期経度: 129ºE
幅: 100 km
磁気赤道上最大到達高度: 700 km
内部電子密度減少率: 100 %境界のスケール長: 20 km
断面の形状：長方形
移動速度：東向き 130 m/s• 測位衛星-標準24衛星系
9モデル：プラズマバブルに伴う遅延量変動
L1周波数の遅延量 (m)15モデル（太陽活動中程度、３月）• 地上局（135ºE, 25ºN）における衛星受信機間遅延量を算出

10• プラズマバブルに伴う電離圏
遅延量の落ち込みを再現

5L1周波数の遅延量 (m)000:00• 算出された遅延量変動は、実00:30

01:0001:30

参考（2004年3月24日沖縄の観測値）
1510

変動の特徴を捉えている• 本モデルを用いて、GBASに対するプラズマバブルの影響を評価することが可能

5023:30

際に観測される電離圏遅延量

00:00

00:30

01:00
10

プラズマバブル存在時のGBAS測位シミュレーション• 地上局に向かって移動局（航空機）が移動：アプローチを想定• 上空をプラズマバブルが通過• 電離圏遅延量モデルを用いてGBASのシミュレーションを行う• 搬送波位相によるスムージングあり-疑似距離-位相乖離の効果を考慮• 地上局位置：135ºE, 25ºN
• 移動局初期位置：134.6ºE, 25ºN
• 移動局速度：80 m/s
11GBAS測位シミュレーション：電離圏遅延モデル

30
受信機位置

緯度2010100 m/s
0-10-20130 135 140
経度

L1周波数の垂直遅延量 (m)高太陽活動期3月20時（地方時）1612840• 背景電離圏-

F10.7 = 170
3月11 UT• プラズマバブル-個数：２-

移動速度：東向き 100 m/s

磁気赤道上初期経度:131.7, 133.7ºE
幅: 100 km
磁気赤道上最大到達高度: 1000, 800 km
内部電子密度減少率: 100 %境界のスケール長: 20 km
断面の形状：長方形

12

GBAS測位シミュレーション：測位誤差
受信機間距離 (km)
40.3
21.1
6
最大垂直誤差2.6 m
40
全誤差
水平誤差
垂直誤差

位置誤差 [m]

南北誤差
2東西誤差

• 最大垂直誤差2.6 m (真位置が測位位置よりも低い)• 距離０でも誤差が残る：
搬送波位相スムージング
による誤差の蓄積

0• シミュレーション条件は-2

それほど極端ではない→
衛星配置、バブル位置に

-4
20:00

20:04
20:08
地方時（135ºE） プラズマバブルの影響を受けた衛星よっては、さらに悪化し得る
13まとめ• プラズマバブルの３次元構造を考慮した電離圏遅延量モデルを開発した-モデルにより算出された電離圏遅延量変動は、観測される遅延量変動の特徴を良く捉えている• 本電離圏遅延量モデルを用いてGBASシミュレーションを行うソフトウェアを開発した-

磁気低緯度（日本を含む）に特徴的なプラズマバブルのGBASに対する影響の評価において有効なモデル・シミュレーションツールを開発できた-

特に極端ではない条件下であっても、プラズマバブルの存在に伴い2.5 mを越える垂直位置誤差が生じる
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今後の発展• モデルの改良-

GBAS地上局のインテグリティモニタ機能のシミュレーションへの取り込み→モニタアルゴリズムの検証-

プラズマバブルに伴うプラズマ不規則構造によるシンチレーションの影響の取り込み• モデルの応用-

各種パラメータ（プラズマバブル、背景電離圏、受信機位置、衛星配置等）を変えたシミュレーションによる最悪ケースの探索、アベイラビリティの計算-

任意の条件を作り出せることを利用したGBAS電離層モニタアルゴリズムの開発・検証
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参考文献
Giovanni, G. and S.R. Radicella, An analytical model of the electron• Didensity
profile in the ionosphere, Adv. Space Res., 10, 27-30, 1990.
S. M. and M. L. Zhang, The improved DGR analytical model of• Radicella,
electron density height profile and total electron content in theionosphere, Annali di Geofisica, 38, 35-41, 1995.
S., S. Fukao, M.Yamamoto,Y. Otsuka, and T. Maruyama, Decay of• Saito,3-m-scale ionospheric irregularities associated with a plasma bubble
observed with the Equatorial Atmosphere Radar, J. Geophys. Res., doi:
10.1029/2008JA013118, 2008.
S., T. Yoshihara, and N. Fujii, Development of an ionospheric delay• Saito,model with plasma bubbles for GBAS, proceedings of ION ITM 2009,947-953, 2009.
R. F., and C. LaHoz, Radar observations of F-region• Woodman,equatorial irregularities, J. Geophys. Res., 81, 5447-5466, 1976.
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