航空航法における衛星航法の利用と電離圏の影響
斎藤享、坂井丈泰、松永圭左、吉原貴之

独立行政法人電子航法研究所

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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）2衛星航法と電離圏遅延
時計誤差s
ρ
=r+c
[δt−δt] + Iρ + Tρ + #ρ
疑似距離u
測定量
位相

マルチパス、
真距離
電離圏 対流圏
受信機ノイズ等cs−1
φ = λ [r + Iφ + Tφ ] + [δtu − δt ] + N + $φλ 時計誤差 整数不定性
1.016 cm/TECU@L127 cm/TECU@L229 cm/TECU@L5

誤差のうち、電離圏によるものが最も大きい
電離圏プラズマにより電波の伝搬速度が変化し、測距誤差を生じる
距離の変化量は疑似距離と位相で符号が逆で同Delay [m/TECU]

0.8

0.6

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

じ大きさ。全電子数に比例し、周波数の2乗に反比例

L1 (1.57542 GHz)
00.75

1.0

1.25

1.5

1.75

2.0

Frequency [GHz]3

GPSにおける影響と対策
GPSの航法メッセージではKlobucherモデル（係数8個）を放送
精密測量では2周波の搬送波位相を用いて電離圏遅延を除去
航空航法では、1周波の疑似距離を主に用いる（搬送波位相は補助的に用いる）-

リアルタイム性を重視
L2帯は国際的に保護されていない

単独測位における補正：放送されるモデルパラメータを用い、薄殻モデルを用いて衛星仰角に応じた傾斜係数を乗じて補正
ディファレンシャル補正：位置が既知の基準局の観測を用いて補正
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GPS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

6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）
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

1 - 10-7〜1 - 10-9
(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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SBASにおける電離圏の影響

基準局密度と衛星配置で決まる観測密度以下の規模の現象は検出できない
5ºグリッドより小さい範囲で急激に変化する現象は表現できない
赤道異常に伴う勾配、プラズマバブル、SED等送信する補正値を1ºグリッドにするなどの変更は非常に難しい（国際標準が既に決まり受信機製品も存在すること、データレートの制限など）

9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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GBASにおける電離圏の影響

TECδρg=ρg-ρg0
ρu0=ρu-δρuδρu>δρg

基準局

δρg

放送

サービス範囲内で電離圏補正量が一様であることが前提
局所的な電離圏勾配が誤差の要因となる
搬送波位相を用いたスムージング（時定数100秒）を行う
ため、誤差が蓄積（遅延量勾配の2倍×時定数×速度）
11衛星航法高度利用の障害となる電離圏異常
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
危険になる確率が許容値以下になるように対策を取る（モニタの追加、危険になる衛星組み合わせを排除するなど）-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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電離圏問題に対する航空航法分野の動き
国際民間航空機関(ICAO)において、高カテゴリGBAS（より悪い視程条件でも使用可能なGBAS）の実現のため、電離圏勾配を伴う現象のモデル化と対策の標準化が行われている
アジア太平洋航空航法計画会議(APANPIRG)において、衛星航法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・共有を推進することで合意
国際GBAS作業部会(I-GWG)においても、GBASに必要なデータ収集・共有を速やかに行うことで合意
外部モニタ（WAAS、宇宙天気情報等）の利用の可能性も一部で検討
13電子航法研究所の取り組み

国内観測による電離圏異常の特徴付け-

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

高カテゴリGBASにおける電離圏脅威モデルに関する国際基準策定への参加
アジア太平洋域の衛星航法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、coordination
プラズマバブルの広域監視法の研究開発

14衛星航法の航空利用と宇宙（電離圏）天気

衛星航法の航空利用においては、安全性が重要未検出確率を考慮し、誤差が生じることは想定して様々な対策をとるが、その分利用に制限がつく
電離圏不均一構造の存在は衛星航法の高度な利用の障害
高度利用への方策-

電離圏異常特性（発生確率、勾配の大きさ、移動速度等）の明確化によるSBAS/GBASモニタの性能向上-

SBAS/GBAS以外の電離圏監視による電離圏異常検出

宇宙（電離圏）天気情報の定量性、インテグリティの担
保、監視のリアルタイム性が重要15