月測位用GNSS受信機と技術者教育について

月測位研究会 第３回ミーティング
令和 5年 2月 14日
AAI-GNSS 技術士事務所
荒 井修

1.1 月測位用GNSS受信機• 米 Altemis（月面着陸）や欧 Moonlight（月での通信やナビゲーションの整備）計画など、月周辺及び月面上でのGNSS測位の必要性が浮上• 月で使えるGNSS受信機がほしい• 地表と受信条件が大きく異なる• GNSS受信機の課題•対応
2

1.2 地上と月付近の衛星配置、GDOP の比較
GDOP：衛星配置で決定される測距誤差と測位結果（3次元＋時刻）の誤差の比小さいほど誤差が少ない

10 (deg)830

60

6.2° 64°4

静止衛星軌道
半径≒42000(km)
月の高度≒37.8万km

280

GPS 衛星軌道
半径≒26600(km)地球視野角≒1.8 (deg)-169(dBm)までの信号を追尾した場合の地球からの距離とGDOPの関係
R05.02.14 N35°E135°のSky Plot

Trimble GNSS Planningによる作図

月面上から見た地球、GPS及びGEO衛星の視野角• GDOPが極端に悪化• 図では数百～1000以上• 地上ではGPSのみで1.5～3程度
Vincenzo Capuano et al. “Feasibility Study Of GNSS As Navigation System To Reach The Moon” ActaAstronautica
6 June 20153

1.3 衛星のアンテナは地表を向いている• GPS衛星のアンテナパターンは公開されており、信号受信の模擬などに利用できる• サイドローブの成分が受信できる• 距離に加えて指向性の問題もある
Willard Marquis. “The GPS Block IIR/IIR-M Antenna Panel Pattern” 2014 Lockheed Martin Corporation.
Data: Willard Marquis. “The GPS Block IIR/IIR-M Antenna Panel Pattern Appendix B – SV-Specific Patterns,Data” 2014 Lockheed Martin Corporation.

4

1.４ 地球からの距離と、信号レベル（模擬例）• ▽１：地上でのGPS仕様最低信号レベル（-128.5(dBm)）• 実際は3(dB)程度の余裕がある1• ▽２：月までの平均距離• 38万4400km（高度37.8万km）

2• 距離とアンテナパターンをパラメータとして、Spirent社のシミュレータを用いて発生させた信号を評価した結果
3.78

Vincenzo Capuano et al. “Feasibility Study Of Gnss As Navigation System
To Reach The Moon” ActaAstronautica 6 June 20155

highest C/N0 (dB-Hz)

1.５ C/N0への換算と追尾限界（一般的なアンテナ）62• 信号追尾の可否はC/N0で決定される

52• 一般的なアンテナの天頂方向利得定してC/N0に換算

42• ▽3：Costas ループ追尾限界（23(dB-Hz)）月
面上では追尾不能• 例：GPS L1 C/A、 Galileo E1 Data

23232245• ▽4：PLL追尾限界（17(dB-Hz)）• メッセージが重畳されていなければ、このレベルまで可能• 例：Galileo E1 Pilot

1224(dBi)を想6-83.78

擬似距離観測誤差を求める理論式は ▽3 のCostasまたは ▽4 のPLLによる搬送波位相追尾が維持されていることが前提▽5 のDLLの限界レベルでは擬似距離観測誤差が増加▽6 は“高感度受信”の限界で、GNSS本来の測位精度は期待できない

受信電力密度とC/N0の関係は“精説GPS 改定第2版”測位航法学会訳
表10.2及び10.4による• ▽5：DLL（コード追尾）限界• 12～15(dB-Hz)• ▽6：高感度受信機追尾限界• u-blox社F9P仕様値• -167(dBm)→1(dB-Hz）• 高感度受信機を採用すれば月面でも測位可能？
（精度は大幅に劣化する）ただし、信号初期捕捉とメッセージ収録のためにはより高い信号レベルが必要
6

1.6 追尾衛星数の増加のために
方法

内

容

難易度など

多周波、マルチGNSS化

GPS L1 C/Aのみでなく、複数の周波数、複数システムの信号受信能力を持
つ一周波数から二周波数にするには、RF/IF及び信号処理回路の規模が倍増し、CPUの負荷も増えるが、既存の技術で対応できる

追尾ループのパラメータ調整

衛星のダイナミックスは小さい→追尾ループの帯域幅を狭くできる→誤差検
出部の平均時間を延長し、S/Nを向上→結果的に低信号レベルの追尾を可能とする

ハードウエアに対するインパクトはなく、机上での模擬などで、ある程度のめどをつけることが可能
期待できる効果はそれ程大きくない（数(dB)程度か）

アンテナ高利得化

受信機入力の信号レベル自体を高める→確実に追尾能力は向上する
すでにLNSS用として14(dBi)が実現されている

受信機とは異なった分野の技術
国内での実績未確認

軌道フィルタからの支援情報の利用

軌道フィルタで推定した受信機の位置、 キャリア周波数を0.05(Hz)程度の誤差で推定できれ速度、時刻をもとに、衛星のキャリア ば、誤差検出前の積算時間を秒オーダーまで延長で周波数を計算することで、追尾ループ き、追尾限界を10(dB-Hz)程度まで低下できるとしの帯域幅を極端に狭くするた報告がある7

1.7 追尾ループの調整による追尾限界の改善
受信機ハードウエアによる S/N の改善は多くを望めない
レプリカ
キャリア生成アンテナ利得：-2～4(dBi)
フィルタ損失、LNA NF＜数(dB)
RF Amp

Mixer

ADC

推定キャリア
周波数

P_I/Q

相関器

ΣI
Q
RF BPFIF BPF IF Amp

RF回路NF＜数(dB)
帯域制限による損失
デジタイズビット数による劣化

ベースバンド変 換

キャリア追尾ループフィルタ
（Bn）

積算器

(b) (c) (a)
E_I/Q
Σ
L_I/Q

推定コードE P L
周波数
レプリカ
コード生成

コード追尾
ループフィルタ（Bn）

Bn：
数Hz～20Hz以下

キャリア追尾
誤差検出
コード追尾
誤差検出

Bn：
1/10～数Hz以下

追尾誤差検出に入力されるデータ (a) の誤差 (ジッタ) が増すと、追尾を維持できなくなる
相関器の出力 (b) のS/Nは受信信号 C/N0 で決定される
１）ループフィルタの雑音帯域幅を狭くする
一般的な受信機の (c) での積算時
２）誤差検出前の相関器出力の積算時間 (c) を長くする
間は 20(ms) 程度までことでジッタは低減できるが、追従性が犠牲となる8

1.8 高利得アンテナの採用

highest C/N0 (dB-Hz)

7262• アンテナの天頂方向の利得を14(dBi)としてC/N0に換算

52• 1.5の図の値を10(dB)改善242• ▽3 ：L1 C/A信号でも月面上でも2衛星以上キャリ追尾可能な場合がある32322• ▽4 ：メッセージが重畳されていなければ4衛星追尾できる可能性も見える

45

122

6

3.78

月付近では 1.2 で示したように衛星の視野角は狭く、アンテナのビームを絞り、利得を向上させることが可能• さらにマルチGNSS化及び多周波数信号の受信によって、追尾衛星数が増加し、測位率が大幅に向上できる
9

1.9 軌道フィルタからの支援
Multiple GNSS tracking engines

レプリカ
キャリア生成ADC

推定キャリア
周波数予測したキャリア周波数+Σ

周波数補正量

P

相関器

Σ
積算器

ベースバンド変 換+

Orbital Filter

E,L(c)
Σ

推定コード
E P L
コード
周波数
レプリカ
追尾ループ
コード生成
フィルタ

Navigation
solution
GNSS
Observations

Filteringalgorithm

GNSS
Observations
prediction

Orbitalforces model

キャリア追尾
誤差検出
コード追尾
誤差検出

• 軌道フィルタ（Orbital Filter）で高精度（例：0.06(Hz)）にキャリア周波数を推定し、10(dB-Hz)程度までの追尾を可能にする旨の報告がある(アンテナ利得：10(dBi))• “キャリア、コード追尾誤差検出前”の相関器出力積算時間を秒オーダーまで延長可能

追尾ループ独自では信号に追従することを諦めて、相関器出力積算時間を秒オーダーまで長く取る
例：20(ms)→1000(ms)50倍の時間は17(dB)のS/N向上をもたらす
信号処理部は軌道フィルタで推定した高精度のキャリア周波数の誤差成分を補正する
独自に追尾ループを維持することはできない• キャリア追尾誤差検出器の出力で、フィルタが予測したキャリア周波数の誤差を補正し、レプリカキャリアを生成する
Vincenzo Capuano, Francesco Basile, “GNSS-based Orbital Filter for Earth Moon Transfer Orbits” THE
JOURNAL OF NAVIGATION (2016), 69, 745–764.

10

1.10 受信機の例 – 1 (LuGRE)
ParameterValue

Mass

1.24 kgPower14 W (max)Envelope

19.0 x 18.0 x 3.95 cm

Opoerating Temp.

-35 to 50℃

Signal Reception

GPS L1 C/A and L5
Galileo E1 and E5aAcquisition andTracking<23 dB-Hz• The Lunar GNSS ReceiverExperiment (LuGRE)• 月面上でGNSS衛星の信号受信を目指す（初の試み）• 受信機はQascom QN400 GNSS
Receiverを二台搭載

捕捉・追尾感度は市販受信機を上回るものではなく、特殊な技術は採用されていない模様
Qascom社：2004年に3人の技術者によってイタリアで設立された受信機以外にもSDRシミュレータやGNSS関連のセキュリティ分
野で製品を提供している
Joel J. K. Parker1, Fabio Dovis2, et al. “The Lunar GNSS Receiver Experiment (LuGRE)” ION ITM 2022
https://spacepnt.com/#contact

111.11 LuGRE アンテナ
Parameter

Value

Mass

2.2 kgPowerPassive

Envelope

43.0 x 43.0 x 2.0 cm

Operating Temp.

-145 to 125 ℃

Ant. Type

Passive Planar Array

Polarization

RHCP

Gain

≧ 14 dBi

Freq. Band 1

1575.42 ±12.276 MHz

Freq. Band 2

1176.45 ± 10.23 MHzConnector

1 x SMABLUE GHOST LUNAR LANDER Condensed
Payload User’s Guideが公開されている
https://fireflyspace.com/wpcontent/uploads/2022/01/Blue_Ghost_PUG-1.pdf

FIREFLY社
BLUE
GHOST
月着陸船
2024年
打上予定

GNSS
受信機用高利得アンテナ121.12 Space PNT+ 社 (NAVIMOON)
2004-2007 GPSL1/L2 –development of a dualfrequency GPS L1/L2
receiver for timing apps

2005-2007 GRDB –development of aGalileo BOC(1,1)
Receiver for Distress
Beacons apps

2013-2017 WEAKHEO –development of a PoC
lunar receiver

2016-2017 SANAG –development of an
improved PoC lunar
receiver (includingRFFE ASIC)

スイスの会社、EPFL（スイス連邦工科大学ローザンヌ校）から生まれ、2004年から宇宙用GNSS受信機の研究と開発を続けており、NAVIMOONはESAのMoonlight計画に採用された

超高感度受信機と精密軌道モデルにより、他の支援がな
くとも月付近で100(m)3D rmsの測位精度を実現した
https://spacepnt.com/#contact2009-2010
SIGNATUREdevelopment of a
GNSS assisted &trusted receiver forroad tolling apps
2018-2020 NAVILEO
and NAVIMOON –development of aspaceborne GNSS
receiver product line13

1.13 NAVIMOON 評価結果
• シミュレータと実際の受信機による評価
結果• GPS+Galileo• L1+L5の2周波信号受信• アンテナの詳細は明らかではないが、単独の素子と推定• L1 C/A信号捕捉感度• 15 (dB-Hz)• 高感度TOWデコード• 複数回のデータを重ねて復調• 軌道フィルタとの統合• いずれも特殊なアルゴリズムが必要で開発には時間を要したと推測• 注) 軌道フィルタとの統合は移動体には適用できない

LS：最小自乗推定
OF：軌道フィルタによる推定
14

1.14 月周辺でのGNSS信号受信のために• 現在は二つのアプローチ• （1）GNSS受信機はほぼ従来のものを踏襲• 高利得アンテナは必須• マルチGNSS、多周波信号受信• （2）軌道フィルタ（及び他のセンサ）と組み合わせる• 相関器の出力を長時間（秒オーダー）積算することで、S/N向上• 長時間積算のためには、正確（例：0.06(Hz)）な搬送波周波数推定値が必要• 追尾誤差検出器の出力をもとに軌道フィルタが予測した値を修正する• 今後は？
• さらなるアンテナの性能向上• 受信機は(1)と(2)の利点を融合する方向か（受信機は複雑化する）• 技術の難易度は上がり、継続した研究・開発が必要になるのでは…
15

2.1 GNSS技術者教育について• GPSはSpace, Control, User の３セグメントで構成されている• 3 セグメント中で、経済規模が最大のものはUserである• 我が国では User の重要性に対する理解が薄いように思える• 欧米、中国では国内に研究拠点が存在し、組織的に教育や、政府の委託研究を行っている• 我が国では、研究に取り組まれている先生方はいらっしゃるが、国からの支援（予算）が十分なようには見えない• 次世代を担う技術者が不足するのではないか• 今後欧米、中国に比肩し得る研究成果は期待できるのか

16

2.2 GNSSは技術教育に最適な教材• 関連する技術が広範囲に及ぶ• アナログ回路、デジタル信号処理回路、信号処理アルゴリズム、フィルタアルゴリ
ズム、測位演算アルゴリズム（線形代数） etc.,• 特に数学は、具体的な応用例を通じて理解できる• 現時点で受信機の規模はそれ程大きくなく、一人で全体の技術を把握することも困難ではない• 技術は枯れておらず、今後革新的な技術が出現する余地がある• 高感度化のような例が今後も期待できる• 高感度化：相関器を多数（数十万以上）並べて“追尾”ではなく、“検出”によって擬似距離を観測する• このような考えは他にも応用可能か…
• アレイアンテナ（ビームフォーミング、ステアリング）も興味深い• 成果を産業界を通じて実社会で役立てることができる
17

2.3 研究・教育に必要なもの• 先端的な研究のために• 現在の技術水準のキャッチアップの作業を不要にする（無駄な時間を生じさせない）• 多方面と協調して企業の先をゆく先端の研究を推進できるようにする• 教育のために• 全ての技術をホワイトボックスとする• 能率よく技術を習得するための「見える化」の「仕掛」を準備する• GNSS受信機に関する情報を国外に向けて発信する• GNSS研究・教育用プラットフォームを準備してはどうか• 費用対効果は絶大（…と信じる）
18

2.4 GNSS研究・教育用プラットフォーム
大規模
FPGA

RF信号
入力
増幅

拡張用
高速ｼﾘｱﾙインタﾌｪｰｽ
高性能
CPU

T.P.

周波数変換

アナログ
IF

アナログ部

高速ｼﾘｱﾙIF
FPGA
ConfigMemory高速ｼﾘｱﾙIF
信号処理回路（FPGA）

CPU

クロック
入力

広帯域幅

高ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞﾚｰﾄ
100 MHz～
高分解能
10 bit～

信号処理
動作ﾓﾆﾀIF

外部ｾﾝｻｰIF

自律航法
ｾﾝｻなど
接続用

デジタイズ

帯域制限

RAM&
Flash Memory

ソフトウエア
動作ﾓﾆﾀIF

ｺﾝｽﾀﾚｰｼｮﾝ
ﾓﾆﾀほか

LAN IFUSB IF

デジタル部「見える化」 にも注力する

信号追尾状態
観測生ﾃﾞｰﾀ等

スタンフォード大学の研究用受信機の外観（約10年程前のもので、現在ではさらに小型、安価に構成可能）
アレイアンテナも将来が楽しみな研究課題ではないか
19

2.5 情 報 発 信
全ての設計資料を公開

schematic
schematic

技術や情報の集積

INTERNET
テキスト準備例：精説GPS 改訂第２版
測位航法学会 訳

ウエビナーなどでの情報発信

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月周辺での衛星測位に関して、受信機の課題をご紹介しました
この分野に於いても我が国が世界に伍せるように願っております

ご清聴ありがとうございました

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