第８回
電子航法研究所研究発表会
June 13, 2008

１６．準天頂衛星L1-SAIF実験局の構成
１６．準天頂衛星L1-SAIF実験局の構成

坂井坂井 丈泰
丈泰 ・・ 福島福島 荘之介
荘之介 ・・ 武市
武市 昇
昇 ・・ 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 2008 - 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 2008 - 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 2008 - 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 2008 - 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 2008 - 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3001

PRNマスク情報

120

18

IGP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 2008 - 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 2008 - 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 2008 - 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ので）。
– 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 2008 - ENRI

メッセージ生成装置の構成

SLIDE 11

制御用GPS受信機

GEONETサーバ

時刻情報および航法メッセージ
入力モジュール
L1-SAIFメッセージ生成装置（L1SMG）

電離層補正モジュール（プレーナフィット）

補正モジュール

メッセージ生成モジュール

メッセージログ

メッセージ出力（TCP/IP）

電離層補強情報生成装置
からの入力

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L1-SAIF実験局：サブシステム（３）SLIDE 12

• 電離層補強情報生成装置：– 多数のモニタ局を使用して、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局までテスト中。
– 補強アルゴリズムとして「残差バウンディング法」を実装。
– 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）を実装：電離層補強情報生成装置からの情報は、あれば利用。

• 対流圏遅延処理装置：– 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。
– この装置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 2008 - ENRI

L1-SAIF実験局：サブシステム（４）SLIDE 13

• 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 2008 - ENRISLIDE 14

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 2008 - ENRI

リアルタイム動作試験

SLIDE 15#4（計11局）#1 JAXAモニタ局相当 （計4局）#2 MSASモニタ局相当 （計6局）#3 ENRIリアルタイム局相当 （計9局）
ユーザ位置精度評価局 （14地点）
L1-SAIF実験領域• 4種類のモニタ局構成にて、メッセージ生成装置の動作試験を実施。
• 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 2008 - ENRISLIDE 16

ユーザ測位誤差の例
GPS単独測位
L1-SAIF補強あり• 電子基準点940058（高山）におけるユーザ測位誤差。
• モニタ局配置は、MSAS相当の6局構成。
• 実験期間： 2008/1/19～23 （5日間）

RMS

水平測位誤差1.45 m

垂直測位誤差2.92 mMax

6.02 m8.45 m

RMS

0.29 m

0.39 mMax

1.56 m2.57 mシステム
GPS単独
L1-SAIF
補強

June 2008 - ENRI

クロック・軌道補正情報

SLIDE 17

• PRN09衛星に対して生成されたクロックおよび軌道の補正情報。
• 15:56:45にIODE（航法メッセージの発行番号）が変更されたためこの前後で補正情報は不連続だが、補正後の残差（黒線）は連続的：正常な動作。

June 2008 - ENRI

ユーザ測位精度の比較

水平 垂直• 少なくとも6局程度のモニタ局が必要と思われる。
• 11局構成だと、南方での測位精度が改善する傾向にある。

SLIDE 18

June 2008 - ENRI

最大誤差の比較

SLIDE 19

水平 垂直

• ユーザ測位誤差の最大値：4局構成では垂直誤差に不安定がある。
• 11局構成では、南方のユーザでも最大誤差が抑えられている。

June 2008 - ENRI

Conclusion

SLIDE 20

• 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。
– 連続動作試験：3ヶ月にわたる連続動作を実施、正常に動作することを確認。

• 今後の課題：– JAXA地上局との連接試験。
– 準天頂衛星シミュレータとL1-SAIFプロトタイプ受信機を接続し、受信機も含めた動作試験を実施する。