2022/12/29

GNSS測量と宇宙天気の関り－衛星測位への影響事例など－
株式会社ジェノバ
2022年度 宇宙天気ユーザーズフォーラム

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目次
1. イントロダクション
2. GNSSと衛星測位・測量
3. 「宇宙天気」ー電離圏擾乱と衛星測位
4．過去の宇宙天気イベントー衛星測位への影響
5．おわりに©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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１．イントロダクション©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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株式会社ジェノバ
Q:何の会社?
A:衛星測位データ配信サービス
Q:誰が使う?
A:測量，土木・建設、農業，UAV，
その他位置情報を必要とするユーザー

Q:どこが良い?
A:国家座標に基づく信頼性, 安定性,
精度に優れた測位を実現
弊社ウェブサイト：https://www.jenoba.jp/

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サービス・利活用分野

貴社の業務で衛星測位による位置情報の利活用をご検討の際は、20年の経験とノウハウを蓄積し各方面での実績があるジェノバにご相談ください
Copyright © jenoba, All Rights Reserved.

5「宇宙天気」との関り• 衛星測位信号配信サービスを展開する上での意識→誤差要因としての電離圏遅延• 通常時の衛星測位誤差要因についての取り扱い→誤差要因の推定、消去、軽減手法• 電離圏の擾乱時における誤差増大等の事例→太陽活動活発期(Cycle24），太陽フレア©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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２．GNSSと衛星測位・測量
GPS，GLONASS, Galileo, BeiDou, QZS（みちびき）, NaｖICGNSSによる測位と測量について©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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測位衛星システム(GNSS)• 「GNSS」は “Global Navigation Satellite System” (全世界的衛星測位システム）の略.
• GNSSは正確な位置、航法、時刻のために人工衛星から信号を発射して受信機でこれらの情報を瞬時に得るための全世界的に提供するシステム• GPS(米国)から始まり、GLONASS(ロシア）、Ｇａｌｉｌｅｏ（欧州）、ＢｅｉＤｏｕ(中国）などの衛星系(Constellation）が運用されている• 一部のシステムでは「全世界的」ではなく地域的にこれらのサービスを提供する（日本のQZS：準天頂衛星システムやインドのNavIC)©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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GNSSの3要素• GNSSは３つの要素からなるといわれる• 宇宙セグメント
衛星系• 制御（地上）セグメント
管制局、監視局、中央局• ユーザーセグメント
受信機、測位・計時ユニット

ユーザーセグメント

宇宙セグメント

制御(地上)セグメント©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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測位衛星の軌道配置
 測位衛星軌道のタイプ

GPS衛星の軌道と衛星配置のイメージ

 MEO(Medium Earth Orbit)
高度20,000km付近で1日2回程度地球を周回する軌道（GPS,GLONASS,Galileo及びBeidouの一部).
 GEO(Geostational Earth Orbit:：静止衛星)
赤道上高度40,000km付近で地球自転と同期して1日1回
地球を周回する衛星（Beidou,QZS,NavICの一部）
 IGSO(Inclined Geostational Earth Orbit：傾斜対地

同期軌道)

高度約40,000kmで地球自転と同期して周回するが軌道傾斜があるため南北に移動し地上からは8字型に見える
軌跡を描く(Beidou,QZS,NavICの一部）
http://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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各国の測位衛星システム
運用国

システム名称

5～10m

ロシア

GLONASS

10～25m欧州

Galileo

15～20m中国

BeiDou10～15m米国

衛星系の構成単独測位精度GPS

Global Positioning System

31 機体制で運用中
22 機体制で運用中１機が準備中,３機が調整中
23 機体制で運用中

軌道上に5機の補助衛星
45 機体制で運用中（10機の傾斜対地同期軌道*衛星と7機の静止軌道衛星を含む）

軌道上に4機の実験衛星、1機の調整中衛星

インド

NAVIC

～20m

準天頂衛星システム
日本

QZSS：Quasi-Zenith
Satellite System

5～10m（6-12cm）

数値は測位精度（95%)

８機体制で運用中（４機の傾斜対地同期軌道*衛星と３機の静止軌道衛星で構成）

4機体制で運用中(3機の準天頂軌道と1機の静止軌道衛星)

2023年度目途に7機体制を予定(ｾﾝﾁﾒｰﾄﾙ級の補強情報を活用した場合)

11（2022年9月時点）©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved*準天頂軌道も傾斜対地同期軌道の一つ。

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各国衛星の測位信号周波数帯
1176.45MHz

1207.14MHz

1575.42MHz

1278.75MHz

OS/SoLE5a E5 E5b

PRS

E6
CS

PRS

E1

PRS

OS/SoLPRS

1227.60MHz

L2C

L5

L2

M-code

L5

G1

L1

G2

L3

L1C

M-codeP-codeP-code

GPS

L1C/A

L1

M-codeFDMA

GLONASS

FDMA

CDMA signal from GLONASS-K on L1,L3 and L5 （Detail Specification is under study）

L1

L6

L2

L5

L1C/A, L1S
L1C

L2C

QZSS
B2a

1268.52MHz
B3A

B2b

B3

B3A

B1A

B1C

B1

B1A

S帯 →
BeiDou (Phase III)

S帯 →
NavIC
NOTE: NavIC と BeiDou は「S帯」信号（2483.5 – 2500 MHz）を測位用に配信している

公開信号

軍用・公共用限定信号
共通使用可能周波数帯

GLONASS FDMA周波数分割方式
GLONASS CDMAコード分割方式

EC,GSA資料（ICG-2,2007）に加筆編集 https://www.unoosa.org/documents/pdf/icg/activities/2007/icg2/presentations/02.pdf

商用信号©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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GNSS（GPS)の信号と測位のための観測量
搬送波

変調コード

Ｌ1波

Ｃ/Ａコード (Cコード）

Ｌ2波

Cコード
Ｐ(Ｙ)コード

1.575GHz
波⾧＝19cｍ

1.207GHz
波⾧＝24cｍ

Ｌ5波

Ｐ(Ｙ)コード

I・Qコード

1.176GHz
波⾧＝25cｍ

測定された距離は誤差を含む「疑似距離」（Pseudo Range）

コードを復調すると:①衛星の軌道情報②情報を発信した時刻③各種補正データ④全衛星の軌道暦⑤衛星の健康状態

衛星から発射された時刻と受信した
時刻の差で「距離」がわかる©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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衛星測位の基本原理• 衛星と受信機の間の「距離」を信号電波により測定する• 「距離」の測定は衛星からの発射時刻ｔ1と受信機での受信時刻ｔ2の差(Δｔ）に光速度（c)を乗じて計算• 時刻ｔ1の衛星位置（三次元座標x1，y1，z1）は軌道情報(暦)が衛星から送信されている（広報暦）ので既知• 受信機での受信時刻については、受信機時計の誤差(δｔ）が無視できないので、これを未知数とする• 結果的に受信機の三次元座標（x2,y2,z2）とδtの4つの未知数を推定するため４つの観測量（距離）を必要とするので、最低4衛星の観測を要する（最も基本的な「単独測位」の原理）• 観測できる衛星の数が「多い」ほど測位誤差を低減できる©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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GNSS測位の概念図(単独測位）• GNSS測位では4機以上の衛星信号を受信して座標を決定する• コードを利用した「単独測位」の基本原理だが、搬送波位相を利用した「相対測位」「精密単独測位」（PPP）でも同様(4機以上が必要)• 観測できる衛星数が多いほど位置精度は向上する

最近は単独測位でも３m程度の精度も出ることが珍しくない
同時受信できる衛星数がＧＰＳ以外も加えて10－20機もあることが要因©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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GNSS測位の概念図（相対測位）• 「相対測位」では4機以上の衛星信号を同時に2カ所で観測して差分観測量を用いての座標計算を行う（座標既知の基準局からの相対位置）• 距離測定の分解能が高い搬送波位相の測定を行う• 観測・データ処理手順によってスタティック，キネマティック，RTKに分類

スタティック測量

RTK(リアルタイムキネマティック）測量©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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GNSSの測位方式（コード/搬送波位相）
どちらの方式でも電離圏を信号電波が通過する際の遅延や波長の変化が誤差源となる• コード(Code)• 搬送波位相(Carrier)• 衛星側と受信機側で共通する
コードを解読して信号発射時刻と受信時刻の差を計測• コードの波長が長い（C/Aコード
300m､Pコード30m)ので一意的に距離が確定• 分解能はコード長により限界があり（GPSではPコードの方がC/Aコー
ドより分解能が高い）• コードを乗せるために変調している電波(搬送波)の位相を測定して信号発射時刻と受信時刻の差を計測• L１(19cm），L２(23.5cm）の波長であるため分解能はコードより高い• 一方、波長の整数倍の距離不確定を推定する必要がある(Ambiguity決定)©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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GNSS測位方式の分類「単独測位」は受信機1台のみで位置を決定「相対測位」は基準局のデータとあわせて位置を決定
コード利用

搬送波位相利用

単独測位（いわゆる）単独測位
PPP*

PPP*
PPP-AR*
CLAS(PPP-RTK)*

相対測位

DGNSS
SBAS
SLAS

スタティック
キネマティック
RTK/ネットワーク RTK

PPP（Precise Point Positioning/精密単独測位）：基準局データなし・場合により補強情報により収束時間短縮©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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３．「宇宙天気」
ー電離圏擾乱と衛星測位－「宇宙天気」の社会・インフラへの影響
衛星測位にどのような影響をもたらすか©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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19「宇宙天気」のイメージ図

宇宙天気とは
太陽から地球までの宇宙環境
宇宙及び地上の技術システムや人体に影響を及ぼす太陽・太陽風・電離圏・磁気圏・超高層大気の状況

NICTサイトより引用
https://swc.nict.go.jp/knowledge/relation.html©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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2022/12/29「宇宙天気」と「衛星測位」• 「衛星測位」分野では測位衛星から地上付近までの信号電波伝搬経路の間の状況が影響• 地球・太陽間の状況は直接関係しない• 大気上部「電離圏」の状況が信号の取得や伝搬遅延へ影響して「衛星測位」にとっては誤差増大や測位不能といった障害の原因となりうる• 電子密度の空間的に不規則な粗密（プラズマバブルなど）• 時間・空間的に細かい変動（シンチレーションなど）©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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21「宇宙天気」(電離圏)が社会に与える影響「宇宙天気予報の高度化の在り方に関する検討会」報告書（総務省,2022）より引用©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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2022/12/29「宇宙天気」の社会的影響に関する検討• 「宇宙天気予報の高度化の在り方に関する検討会」を総務省が開催、各方面への影響と対応を検討(2021年12月～2022年6月)• 対象分野は「通信・放送」「測位」「衛星運用」「電力」「航空機人体被ばく」• 極端な「宇宙天気」状況が各方面に及ぼす影響と「警報」を設定する基準の検討• 近年のような社会インフラが確立してから以降に経験した事例と、それ以前の極端な事象等から「最悪」の事態も含めて想像• 報告書は作成されたが、「警報」の基準等については今後の研究を必要とする事項が多い「宇宙天気予報の高度化の在り方に関する検討会」報告書（総務省2022)
https://www.soumu.go.jp/main_content/000821116.pdf©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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23「衛星測位」と「宇宙天気」の関係• 「衛星測位」の基本原理と誤差要因• 信号電波の伝搬時間を計測• 電離圏での伝搬遅延が影響• 「宇宙天気」の影響事例• 電離圏擾乱の事例（前回極大期太陽フレア発生時）• 太陽活動活発化にむけてー課題と対策• 影響の把握、異常時の注意喚起等©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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衛星測位に電離圏が影響する理由
搬送波

変調コード

Ｌ1波

Ｃ/Ａコード (Cコード）

Ｌ2波

Cコード
Ｐ(Ｙ)コード

1.575GHz
波⾧＝19cｍ

1.207GHz
波⾧＝24cｍ

Ｌ5波
1.176GHz
波⾧＝25cｍ

伝搬遅延は信号電波の周波数によっても異なる

Ｐ(Ｙ)コード

I・Qコード衛星から発射された時刻と受信した
時刻の差で「距離」がわかる
ただし「電波の速度」(光速度）は伝搬媒質により遅くなる(伝搬遅延)↓
電離圏の電子密度が影響する©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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25「衛星測位」の基本原理と誤差要因• 衛星の軌道情報「放送暦」により信号発射時刻の位置が分かる• 受信した信号(コード）を解読して発射時刻t1、受信機の時計で受信時
刻t2が分かる• Δｔ＝t2-t1（電波が衛星から受信機まで到達するまでの時間)に光速度ｃ（電磁波の伝搬速度）を乗ずれば伝搬した距離が分かる• 衛星の位置（3次元座標）と衛星・受信機間の距離がわかれば、受信機の位置が計算できる• 衛星の位置（軌道情報）、衛星・受信機の時計、光速度（真空中と媒体
中の速度の違い）などが誤差要因となる

電離圏における電子密度の違い(乱れ)が測位に影響する©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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衛星測位の精度劣化の諸要因
１．衛星軌道誤差 ２．衛星時計誤差 3．信号バイアス
４．電離圏遅延 ５．対流圏遅延６．受信機時計誤差 ７．マルチパス ８．電波干渉
電離圏

衛星時計

対流圏

衛星軌道

マルチパス
受信機時計
電波干渉

LTE
地デジ
航空無線
©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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衛星測位誤差の種類(分類)• 衛星側に起因する誤差
1. 衛星時計誤差
2. 衛星軌道誤差 (Ephemeris)
3. 信号バイアス (Code bias / Phase Bias)• 伝搬遅延に起因する誤差
4. 電離圏遅延
5. 対流圏遅延←「宇宙天気」に影響を受ける• 受信機周辺環境に起因する誤差
6. 受信機時計誤差
7. マルチパス
8. 電波干渉©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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伝搬遅延誤差源の空間的広がり
150～350km

Xsv1,Ysv1,Zsv1

電離層の不均一
サイズは数10km

対流圏：～8km
水蒸気：～3km

ドライ(温度・気圧)

Xsv2,Ysv2,Zsv2

衛星位置座標と電子基準点座標に基づき

電離層

電離圏の状況（状態空間）を推定
伝搬遅延を補正

対流圏

対流圏（水蒸気）の不均一
サイズは数100km～数km

電子基準点での観測をもとに対流圏遅延も推定可

ウエット(水蒸気)

Xp2,Yp2,Zp2

Xp1,Yp1,Zp1
電子基準点

X0,Y0,Z050～60km

電子基準点

伝搬遅延誤差は「差分で「消去」できるが2点間が遠いと遅延量が異なり消去不可

29©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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電離圏遅延の推定・消去による誤差軽減• 電離圏を通過する際の信号電波遅延は衛星測位の誤差源として除去・補
正すべき対象• 電波の周波数（波長）によって遅延が異なり（周波数依存），複数の周波数を用いた計測をすることで補正、除去が理論的には可能• 搬送波位相利用の場合、2波長観測で「電離層フリー結合」を取ると遅延は除去でき
るが波数不確定(Ambiguity）整数化（FIX解取得）ができない不利が生じる• 座標が既知の基準局と未知の移動局で差分を取ることで伝搬遅延量を消去・軽減することも可能• ただし基準局・移動局の距離が遠く伝搬経路が異なると消去しきれない• 複数の基準局における観測で電離圏の状態をモデルに基づき推定し「補正」データを生成・配信する手法もある• PPP（PPP-AR／PPP-RTK等)（精密単独測位）にも応用される©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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４．過去の宇宙天気イベント
ー衛星測位への影響「宇宙天気」が衛星測位に影響した
過去のイベントと対応の事例等©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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過去の宇宙天気現象関連事案• 太陽活動の活発期は約11年周期で訪れる• 黒点数の記録で過去にさかのぼって確認される• 前々回のピーク2001-03年頃（Cycle23)はまだ衛星測位利用が一般的ではなく影響があまり意識されなかった• 前回の活動期は2012－14年頃がピーク(Cycle24)• 前々回よりも活動が激しくなかったが衛星測位への影響が認知されるような事象もあった• 測位結果の乱れ、誤差増大、FIX率低下など• 大規模な太陽フレアなどで突発的な影響も生じる©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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太陽活動の１１年周期(黒点数の推移)
前回活動期後半までの
太陽黒点数推移と当時の予測(NASA,2016)

Cycle23
前々回の極大期（2001～2003)

Cycle24
前回の極大期（2012～2014)©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved3333

測位結果の乱れが確認された事例
電子基準点「札幌２」朝から昼間の時間帯にかけて測位結果が乱れている
JST0900～JST1600
2012年12月21日
電子基準点「札幌」2012/12/21 9:00>12/22 9:00（JST)

講演時に時刻について［UT］表示として［JST］に換算した説明を致しましたが、別資料との混同がありました。
お詫びして訂正いたします。
ネットワークRTK法による相対測位・搬送波位相利用
1秒エポック©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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2013年5月の太陽活動(太陽フレア）の事例• 2013年5月13日～15日にかけて太陽フレア（太陽表面の爆発現象）発生• NICT（情報通信研究機構）が5月16日に注意
喚起の広報• ジェノバでも衛星測位への影響に注意する旨のwebページでの記事掲載（左の画像）• モニタリング結果でも測位結果の乱れを確認©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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太陽フレアの影響が確認された事例
電子基準点「つくば１」

緑のプロットはFIX解
黄のプロットはFloat解
JST21時頃からJST1時にかけて測位解の乱れと非FIXの状況がみられる(通常は全てFIXする）
2013/05/21 9:00>05/22 9:00(JST)

講演時に時刻について［UT］表示として［JST］に換算した説明を致しましたが、別資料との混同がありました。
お詫びして訂正いたします。

ネットワークRTK法による相対測位・搬送波位相利用
1秒エポック©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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太陽活動 次の極大期• 太陽活動は11年周期で活発な時期と静穏な時期を繰り返す。
• 2020年頃が活動の極小にあたり衛星測位は安定的だったが活発期に移行中

月ごとの太陽黒点数（毎月・13カ月移動平均）
ベルギー王立天文台サイト
による黒点数が増加中＝活動が活発化©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved 37

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2017年9月の太陽活動(太陽フレア)の事例
2017年9月6日発生の太陽フレアに関連した国土地理院の報道発表(2017年9月8日付)↓ 単独測位方式では影響がみられた↑ 測量など相対測位方式では影響がみられなかった

国土地理院Webサイト：https://www.gsi.go.jp/denshi/denshi40001.html©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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2017年9月のイベントに関する対応• 2017年9月6日に太陽フレア（太陽表面の爆発現象）発生• NICT（情報通信研究機構）が9月７日に注意
喚起の広報• ジェノバでも衛星測位への影響に注意する
旨のwebページでの記事掲載（左画像）• 国土地理院記事にもあるように、このときは測量に用いられる相対測位手法では測位結果の乱れは確認されず©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved3939

単独測位と相対測位での影響の違い
2017年9月大規模太陽フレア時では単独測位には影響があったが相対測位の解析には影響が出なかった（差分を取ることで誤差軽減が可能なレベル）
単独測位

相対測位
影響はみられない

影響がみられる

国土地理院Webサイト：https://www.gsi.go.jp/denshi/denshi40001.html©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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2022/12/29「宇宙天気予報」の現状と「警報」に向けての課題• いわゆる「宇宙天気予報」については1988年からNICTの宇宙天気予報業務
として定常的業務化されている• 大型の太陽フレア爆発等の現象が観測された場合には、臨時情報として
NICTがウェブサイト上に「お知らせ」を公表、登録ユーザーにメール通報• 気象警報のような法令等に基づく「宇宙天気警報」の制度はまだできておらず、また警報を出す基準についても今後の検討が必要とされている• 現状の情報提供では専門的な分析が主で、今後はエンドユーザーが直感的に理解できる用語、内容、伝達方法などに課題がある

今後の太陽活動活発化の時期に向けて、観測・分析体制の充実、影響評価と予報・警報の伝達体制の整備などが衛星測位分野でも期待される©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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41「宇宙天気」と「衛星測位」に関するまとめ• 衛星測位は電波伝搬時間の測定が本質的な観測量なので宇宙天気（電離圏）の影響は避けられない• 測位精度を上げるために電離圏遅延の推定や差分による消去を行うが、空間的な不均質（擾乱）が大きくなると誤差が増大する可能性がある• 太陽活動活発期が近づくため電離圏のモニタと情報発信をする「宇宙天気予報」を活用して、衛星測位への影響を監視しながら使用することが今後重要となる©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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５．おわりに©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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ジェノバの「宇宙天気」対応
宇宙天気• 当社では太陽活動について、常に測位衛星データ配信への影響を注視しています• 太陽は11年周期で活動のサイクルを繰り返しており、2021年以降活動期に移行しつつあります• 偶発的で大きなフレアの発生による影響がある場合は、
これまでその可能性についてアナウンスしてきました
ジェノバはこれからもお客様に安心して使用できる
高精度な配信データをお届けします©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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ご清聴ありがとうございました

2022年12月 宇宙天気ユーザーズフォーラム©JENOBA Co., Ltd. 2022. All rights reserved

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