2013年2月26日

ＮＩＣＴ 2012年度 宇宙天気ユーザーズフォーラム
講演 3

14:55-15:25

航空航法と宇宙天気斎藤 亨（電子航法研/ＮＩＣＴ特別研究員）

講演 3 / Space Weather User's Forum 2012

航空航法と宇宙天気齋藤享

電子航法研究所航法システム領域

宇宙天気ユーザーズフォーラム, NICT小金井, 2013年2月26日
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講演 3 / Space Weather User's Forum 2012

衛星航法
航法：ある地点からある地点までの航路を計画し、その航路を維持するための科学技術
衛星航法-

無線航法の一つ衛星と受信機の距離を測定し、受信機の正確な位置を求める

全世界的衛星航法システム（GlobalNavigation Satellite System; GNSS）-

４つ以上の衛星を用い、受信機の３次元位置と時計バイアスを求める

GPS（アメリカ）
GLONASS（ロシア）GALILEO（欧州）COMPASS/BEIDOU（中国）

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講演 3 / Space Weather User's Forum 2012

衛星航法の航空利用精度だけでなく安全性（インテグリティ）を重視-

インテグリティ：誤りがないことを保証し、使用すべきではない場合に迅速に警報を発すること

国際民間航空機関（ICAO）において国際標準を策定
GPS単独では所要のインテグリティを満足できないため、補強システムが必要-

SBAS (Satellite-based Augmentation System)：衛星、広域GBAS (Ground-based Augmentation System)：狭域、地上
ABAS (Aircraft-based Augmentation System)：航空機単独
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航空航法とインテグリティ

インテグリティが確保される範囲を保護レベル（Protection Level; PL）というこの方式での保護レベルは、実際の誤差がそれ以上になる確率が10-7〜10-9以下となるように保証
飛行フェーズごとに設定されている 警報限界（Alert Limit; AL）を 保護レベルが超えない場合に利用可能保護レベルと警報限界

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インテグリティに対する脅威と対策計算された保護レベルが警報限界を超えない
のに、実際の誤差が警報限界を超えることを
Hazardous Misleading Information (HMI)というHMIとなり得る脅威をモニタ等により確実に排除（インテグリティの確保）補正により保護レベルを縮小→PL > ALとなり利用できない場合を減らす（可用性（アベイラビリティ）の向上）

1 - 10-7〜1 - 10-9

実用システムとして成立するためには、安全性（インテグリティ）と可用性（アベイラビ(99.99999〜99.9999999 %)が含まれる
測位誤差分布と補強システムの効果リティ）の両立が必要
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実例：SBAS (MSAS)
MTSAT

Master control station (MCS)
Ground monitor station (GMS)
Monitor and ranging station (MRS)

GPS

札幌
補強情報

東京
神戸常陸太田ハワイ

MCS、GMS、MRSの観測結果を元に 福岡
補強情報を作成（電離圏垂直遅延オーストラリア

量は緯度経度5度ごと）
MCSからMTSATへ補強情報を送信
しMTSATから補強情報を放送

那覇

航空機は補強情報を用いて測位１システムで広域をカバー

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実例：GBAS

距離誤差 測定値

真値(既知)

δρg=ρg-ρg0

推定値

測定値 “真”誤差ρu0=ρu-δρuδρu~δρg

補強情報を放送δρg

基準局：補強情報を作成
補正値は衛星ごと

航空機：補強情報を用いて補正した測位結果を用いて着陸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強情報を各空港から放送
航空機は補強情報を用いて測位
空港周辺約40 kmの範囲を対象
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衛星航法に対する電離圏の影響

電離圏遅延量勾配-

補正誤差の原因-

基準局で未検出→ 安全性（インテグリティ） の脅威→未検出でも安全となるような対策が必要-

対策の結果として可用性（アベリラビリティ）が低下する場合がある

電離圏小規模不規則構造-

シンチレーション、衛星信号ロック外れの原因-

インテグリティ の脅威とはなりにくいがアベリラビリ
ティの低下の原因となる
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電離圏遅延
電離圏プラズマによる屈折率変化のため、電波が電離圏を通過する際遅延をIρ

=

受ける
=

遅延の総量は衛星-受信機間の単位面積あたりの全電子数(total electron� R2ene (l)dl
228π me �0 f S� R40.3ne (l)dl2fScontent: TEC)に比例
1 TECU (1016m-2)あたり16 cmの遅延

0.8Latitude

Vertical delay (m)Modeled Ionospheric Delay/TEC at 11 UT
201016 cm/TECU@L127 cm/TECU@L229 cm/TECU@L50.6

0.4
L5 (1.17645 GHz)
L2 (1.22760 GHz)
0.2
L1 (1.57542 GHz)

0Longitude

Delay [m/TECU]

GPS L1周波数(1.57542 GHz)においては1.000.75

1.0

1.25

1.5

1.75

2.0Frequency [GHz]宇宙天気ユーザーズフォーラム, NICT小金井, 2013年2月26日
9講演 3 / Space Weather User's Forum 2012

電離圏シンチレーションλ

電離圏不規則構造(数100 m規模)によりGNSS電波の強度、位相が不規則に変動d

シンチレーションにより測定精度が劣化

z-

測距誤差の増大

衛星追尾の途切れ
50-

Example of Scintillation

40

使用可能衛星数が減少することによる測位誤差のCNR

30

増大

20
100
19:30

20:00 Local 20:30
Time

21:00
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電離圏擾乱
赤道異常-

磁気緯度±15º付近に常に存在する電離圏密度増大領域

SPS

プラズマバブル- 電離圏密度の急減- 磁気嵐に関わらず発生[Foster et al., 2002]

60
50

8.0

40

6.4

30

4.8

Delay (m)USTEC (1016m-2)

Storm induced plasma stream (SPS)- 強い磁気嵐に伴う電離圏密度の急増

Equatorialanomaly
Plasma bubble
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11講演 3 / Space Weather User's Forum 2012

SBASに対する電離圏の影響

観測密度で決まる空間スケール以下の構造は検出が難しい
5ºx5ºグリッドより小さな構造はプラズマバブル

正確に表現できず、あり得る誤差範囲を大きく取ることで対応せざるを得ない
赤道異常

電離圏モデルを用いたMSAS観測シミュ
レーション

-

プラズマバブル、赤道異常等に伴う電離圏勾配が問題となりうる

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12講演 3 / Space Weather User's Forum 2012

GBASに対する電離圏の影響
衛星電離圏遅延δρg=ρg-ρg0
ρu0=ρu-δρu基準局δρu>δρg

δρg

放送
空港

航空機

基準局と航空機で電離圏遅延量が異なるときに誤差が増大➡ 電離圏遅延量の局所勾配の検出が重要
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講演 3 / Space Weather User's Forum 2012

プラズマバブルに伴う電離圏勾配

電離圏遅延量勾配 (mm/km)

600

東西電離圏勾配 (2008年4月3日)

石垣島で観測されたプ
ラズマバブルに伴う電離圏遅延量勾配400

100~200 mm/kmの電離圏勾配は頻繁に発生

200

最大500 mm/kmを越える電離圏勾配を検出

0-200
18

GBAS設計の前提となる電離圏変動の想定範
20JST

2224

囲を越える可能性があり検討中

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14講演 3 / Space Weather User's Forum 2012

衛星航法の航空利用と電離圏対策
電離圏不均一構造の存在は衛星航法の航空利用において解決すべき重要な問題
これまでの対策-

誤差の補正に加え、観測データを様々な形で監視し補正しきれないものを排除-

監視の未検出確率を考慮して安全マージンを取る➡ 高度な利用に対する障害
高度利用への方策-

GNSSの利用方法に即した電離圏異常の定量的な評価による電離圏異常検出精度・信頼度の性能向上-

宇宙天気情報を利用した電離圏監視による電離圏異常検出-

インテグリティの担保、監視のリアルタイム性が重要
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15講演 3 / Space Weather User's Forum 2012

電子航法研究所における取り組み

国内外観測によるGNSS利用の形態に即した電離圏異常の特性解析-

TEC・シンチレーションの稠密観測、大気光イメー
ジャ、GEONET 1秒値のリアルタイム収集

プラズマバブルの広域監視法の研究開発
ICAOにおける国際標準策定に対する貢献-

高カテゴリGBASにおける電離圏脅威モデルに関する国際標準策定への参加-

アジア太平洋域のGNSSの航空利用に必要な電離圏特性を知るためのデータ収集・共有の推進
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16講演 3 / Space Weather User's Forum 2012

電離圏異常の特性解析のための国内外観測活動
1. 国内観測点における電離圏遅延量勾配/シンチレーション観測-

電離圏局所変動解析

2. GEONET 1 Hzデータのリアルタイム収集-

背景電離圏変動解析

3. タイ・インドネシアにおける短基線電離圏遅延量勾配観測-

1. 短基線電離圏遅延量
勾配/シンチレーショ
ン観測+大気光全天イ

2. GEONET

メージャ
3. 短基線電離圏遅延量勾配観測

磁気赤道

電離圏局所変動解析
他の電離圏観測装置と協力した局所変動と大規模構造の対応付け

宇宙天気ユーザーズフォーラム, NICT小金井, 2013年2月26日
17講演 3 / Space Weather User's Forum 2012

電離圏異常広域監視法の開発
短波赤道横断伝播によるプラズマバブル監視
HF放送波 (Radio Australia)の到来方向
29 March 2007

360

非大圏伝播

到来方位角

270

プラズマバブル

非大圏伝播

Oarai
大圏伝播

プラズマバブル
180

大圏伝播
Shepparton

90[Maruyama and Kawamura, 2006]

012180JST

6[Saito 他, 2008b]

12

短波赤道横断伝播の到来方向から、プラズマバブルに伴う電離圏大規模構造を検出
位置精度は高くないが、プラズマバブルの有無の広域監視に有効伝播路長の測定により位置推定精度の向上（科研費H21〜23）
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電離圏異常広域監視法の開発
VHFレーダーによるプラズマバブル監視
京大赤道大気レーダー (47 MHz, インドネシア)
103 m

名大VHF radar (30.8 MHz, インドネシア)

南/上
300
南北／高度

560-Yagi circular array

プラズマバブルの2次元断面150

東18-Yagi linear array

磁気緯度26.6度相当

0-250

0
東西250

西

[Saito他, 2008a]

プラズマバブルに伴うプラズマ不規則構造による、VHF帯電波の後方散乱（磁力線直交方向のブラッグ散乱）を利用
レーダービームの電子走査により、プラズマバブルの2次元断面を広範囲で監視可能
京大・名大・インドネシア航空宇宙庁と協力して実験中
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ICAOにおける電離圏問題に対する取り組み
ICAO (国際民間航空機関)では、航空航法を衛星航法ベースに切り替えていくことを大きな方針としている。
衛星航法導入において、電離圏の影響を克服すべき課題として認識。
ICAOアジア太平洋地域では2009年以降、低緯度電離圏の衛星航法に対する影響についての検討を開始。
2011年7月に、衛星航法の航空利用における低緯度電離圏の影響評価を行うIonospheric Studies Task Force (ISTF)を設立。

-

第1回ISTF会議：2012年2月、東京第2回ISTF会議：2012年10月、バンコク

宇宙天気の航空機の運航への利用方法を検討中
宇宙天気ユーザーズフォーラム, NICT小金井, 2013年2月26日
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講演 3 / Space Weather User's Forum 2012

Ionospheric Studies Task ForceICAOアジア太平洋地域の通信・航法・監視及び気象作業部会以下に2011年7月設立
目的-

アジア太平洋地域における衛星航法(SBAS, GBAS)導入のために必要な電離圏の影響評価を行う-

加盟各国が必要な電離圏観測データ(TEC/シンチレーション)を持ち寄って共有し、解析を行い、結果をアジア太平洋地域の共通情報として共有する。

これまでの成果-

協調した電離圏データ収集・共有の進め方について合意
参加各国から500ヶ所以上のデータソースが提示
データ共有のためのフォーマットを決定
間もなくデータ収集・解析が実際に始まる見込み
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宇宙天気の航空利用に対する動向

宇宙天気を航空機の運航に利用する際の運用コンセプト(Space Weather ConOps)が策定中-

通信・航法への障害、宇宙線被曝の増加の回避などに宇宙天気情報を利用することを提案

ICAO 12th Air Navigation Conferenceにおいて宇宙天気利用に関する勧告が採択-

GNSSの世界的な利用のため、Space Weatherの最適な利用方法を検討していくこと-

加盟各国間で協調して効率的に電離圏問題に取り組むこと
宇宙天気ユーザーズフォーラム, NICT小金井, 2013年2月26日22

講演 3 / Space Weather User's Forum 2012

まとめ
GNSSは次世代の航空航法を担うものとして期待される
GNSSにおいては、高い安全性と可用性の両立が必要
電離圏に起因する障害（電離圏遅延量勾配、シンチレーション）はGNSSの航空利用において最も大きな問題-

実用面においては、GNSSの利用方法に即した電離圏異常の定量的な評価が重要-

宇宙天気利用のためには、信頼性の定量的な担保が重要

電子航法研究所では国内外で電離圏異常の定量的な評価を観測に基づいて実施
ICAOにおいても電離圏問題の解決を重要視-

GNSSの利用方法に即した電離圏異常の定量的な評価を開始
宇宙天気情報の利用に向けた運用コンセプトを検討中

宇宙天気ユーザーズフォーラム, NICT小金井, 2013年2月26日
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