J. Plasma Fusion Res. Vol.100, No.5 (2024) 224-230

講座 宇宙天気研究に基づく社会インフラ防護と被害予測

5 ．電波・測位障害
5. Impact on Radio Communications and Satellite-Based Positioning
斎藤享，津 川 卓 也 1 ）SAITO Susumu and TSUGAWA Takuya 1 ）海上・港湾・航空技術研究所 電子航法研究所， 1 ）情報通信研究機構（原稿受付：2024年 2 月20日）

宇宙天気現象のうち，地球の超高層大気の一部である電離圏変動は電波伝播に大きく影響を与える．本章では電波を用いた社会システムである通信・放送と衛星電波を用いた測位に着目する．これらの電離圏変動の影響を解説するとともに，影響が発生しうる現象の規模と発生頻度について紹介する．
Keywords:
radio communication, global navigation satellite system, ionospheric impact

5．1

電離圏

高度約 60 ～1000 km の超高層大気は，太陽からの X 線

や極端紫外線の吸収などにより，その一部が電離したプ
ラズマ状態になっており，電離圏と呼ばれる．電離圏は太陽や下層大気の影響を受けて常に変動しており，そのプラズマの濃さや構造に応じて，異なる周波数帯の電波に対して異なる影響を与えることが知られている．そのため，現在の生活に必要不可欠な社会インフラとなっている GPS 等の全球測位衛星システム（Global Navigation
Satellite System: GNSS）や通信・放送衛星，また古くから見通し範囲を超える通信手段である航空無線や船舶
無線，防災無線等に利用されている短波通信・放送など，電波伝播を利用したシステムは，電離圏の各領域で発生

図1

する変動や乱れにより障害が発生することがある．本章

電離圏の密度構造．

では，まず電離圏の構造について簡単に触れたのち，通信・している．

放送・測位への電離圏の影響とその規模について記述する．

5．2

図 1 に示すように，電離圏は高度および組成の違いか
ら高度が低い方からそれぞれ D，E，F 領域と呼ばれてお電波通信・放送に対する影響

通信・放送に用いられる電波の送信点から受信点まで

り，高度 300－400 km 付近の F 領域で最も電子密度が高くの伝わり方はその周波数によって異なる．この周波数毎なっている．電離圏の主電離源は，基本的には太陽からの電波伝播の違いにより，電離圏における宇宙天気現象の X 線，極端紫外線等であるため，プラズマ密度は太陽天（電離圏現象）による影響も異なる．通信・放送に対する頂角に依存して，日出から増加し，昼間に極大になった

電離圏現象とその影響を表 1 に示す．

のちに夜間にかけて減少するという日周期の変化をして

5．2．1

短波（HF）に対する影響いる．また，太陽天頂角が小さくなる低緯度域のプラズ

通信衛星や海底ケーブルが発達した現在において，短マ密度が高くなる傾向があるが，実際には磁気赤道を挟波通信の役割は限定的であるものの，航空無線や船舶無んだ緯度帯（磁気緯度±15 度程度）にプラズマ密度が高線，防災無線，国際ラジオ放送など遠距離通信に用いらい領域である赤道異常と呼ばれる領域が形成される．電れている．短波（High Frequency: HF）通信が影響を受

離圏電子密度は季節によっても変動するほか，太陽風やける可能性がある電離圏の宇宙天気現象として，デリン

磁気圏活動，中性大気の風などの影響も受けて常に変動

ジャー現象，電離圏負相嵐，極冠吸収，プラズマバブル

Electronic Navigation Research Institute, TOKYO 182-0012, Japancorresponding author’s e-mail: susaito@mpat.go.jp

224Ⓒ2024 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchLecture Note

表1

5. Impact on Radio Communications and Satellite-Based Positioning	

線に沿って南北方向に広がりながら東向きに移動する．

通信・放送に対して障害を起こし得る電離圏現象と影響．

分野

影響と被害
短波（HF）に対する
障害

通信・放送

超短波（VHF）に対する障害
極超短波（UHF）に対する障害

S. Saito and T. Tsugawa

障害を起こし得る電離圏現象
デリンジャー現象
電離圏負相嵐プラズマバブル
極冠吸収
プラズマバブルスポラディック E 層

太陽活動が活発な時や，磁気嵐が発生した時には大きく

プラズマバブル

異常伝播等が考えられるが，短波通信・放送における障

成長し，日本のような中緯度域まで発達することもある．
プラズマバブルの内部や周辺では，電子密度の空間的な変化が大きく，短波帯～極超短波帯の電波伝播に影響がある．短波帯においては，プラズマバブルの下部構造による電波伝播方向の変化やプラズマバブル構造に沿った害という点では影響は少ない．
極 冠 吸 収（Polar Cap Absorption: PCA） は， 太 陽 フが挙げられる．
デリンジャー現象は，太陽フレアが発生した時に急激

レアに伴って放出される太陽高エネルギー粒子によって，に X 線強度が増大することで，電離圏 D 領域の電離が進

極冠域の電離圏 D 領域の電離が急激に進むことで電波のみ電子密度が急増し，短波が吸収される現象である．電吸収が増大し，短波帯を利用した通信・放送ができなく

波吸収量は D 領域の電子密度が高いほど大きく，低い周なる現象である．太陽フレア発生から 30 分～数時間後に波数の電波ほど影響が大きくなる．D 領域の伝播経路で発生し，数日続くこともある．PCA は極冠域において昼受ける吸収の総量が電波の送信強度よりも大きくなると，

夜を問わず発生する．そのため，極航路を飛行する航空

通信途絶（ブラックアウト）が発生する．デリンジャー

機との航空無線による通信などに影響が出るおそれがあ現象の発生継続時間は，太陽フレアに伴う電磁放射の継る．

続時間に依存し，数 10 分から数時間程度である．

デリンジャー現象，磁気嵐に伴い発生する電離圏嵐の磁気嵐に伴いプラズマ密度の日周期変化に擾乱が発生

発生頻度は 11 年周期の太陽活動に大きく依存する．プラ

することがあり，これを電離圏嵐と呼ぶ．電離圏嵐は，

ズマバブルの発生頻度も太陽活動が高いほど高い．加えプラズマ密度が大きく増える電離圏正相嵐と，大きく減て中・高緯度まで発達するプラズマバブルは磁気嵐の主る電離圏負相嵐に分けられる．正相嵐が発生すると，通相に発生することが多い．また，プラズマバブルの発生

常は電離圏を通過する高い周波数帯の短波においても電頻度は，顕著な季節および経度変化があり，日本など東離圏で反射されるようになり，見通し外の短波通信・放アジア域においては，春と秋に発生頻度が大きくなる［1］．

送として利用可能な周波数帯が広がることになるため，

表 2 及び表 3 に，長期観測データの統計解析やシミュ

障害という点での影響はない．一方，負相嵐が発生すると，レーション等に基づいて導出した短波通信・放送に影響を

通常は F 領域で反射される短波帯の電波が，反射されずに与える電離圏現象の発生頻度及び規模の関係を示す［2］．

電離圏を通過してしまうため，見通し外の短波通信や短5．2．2

超短波（VHF）に対する影響

超短波（Very High Frequecy: VHF）帯の電波は，通波放送の受信が困難になる．負相嵐は磁気嵐を起因としてその発生から数時間～数日継続する．

常電離圏で反射されないため，見通し内伝播の範囲で用

プラズマバブルは，磁気赤道を中心とした低緯度の電いられる．主に FM ラジオ放送や航空航法，防災・消防無離圏において，日没後局所的に電子密度が低い領域が「泡」

線などに利用されている．VHF 帯の通信・放送が影響をのように発生する現象である．プラズマバブルは，磁力受ける電離圏現象としては，スポラディック E 層（Es 層）

表2
電離圏現象
デリンジャー現象
プラズマバブル

短波通信・放送に影響を与える電離圏現象の発生頻度と規模［2］．

規模を示すパラメータ
吸収量（長距離）［dB］1）
2）
継続時間［h］
継続時間［h］

1 回 /1 年
71
0.63 － 1.6
4－5

1 回 /10 年
83
1.8 － 3.6
6

1 回 /100 年
93
4.0 － 6.8

1 回 /1000 年
100
7.4 － 11.9

長距離短波回線に基づく（実効太陽天頂角 0 度 6.6 MHz の場合）
イオノゾンデ観測に基づく（1 － 30 MHz ‘B’ および dfmin≥2.5 MHz の場合）

1）
2）

表3
電離圏現象

規模を示すパラメータ

極冠吸収

1）
10 MeV 以上のプロトンフラックス［pfu］
Kp 指数 2）
磁気緯度（日中）@6.6 MHz 10 dB 3）
磁気緯度（夜間）@6.6 MHz 10 dB 3）
4）
最短継続時間［h］

極冠吸収の発生頻度と規模．
日常～
複数回 / 年
101 － 24（7）65 °（60 °）
65 °（60 °）
22

1 回 /1 年

1 回 /10 年

1 回 /100 年

1 回 /1000 年

103
7 8）
（
57 °
（55 °）
60 °（58 °）
46

104
8 9）
（
53 °
（52 °）
56 °（55 °）
71

4 × 105
9
51 °
53 °
83

106
9
50 °
53 °
89

見積り設定．［3，4］による．1 pfu ＝ 1/cm2/sec/sr
見積り設定．磁気嵐とは必ずしも一致しない．括弧内の数値は NOAA-Scale を表す．
3）
極冠吸収が広がる緯度．［4，5］による．
4）
SEP イベントで，10 MeV 以上の粒子フラックスが＞ 10 pfu となる継続時間．［2］による．
1）
2）

225

Journal of Plasma and Fusion Research

およびプラズマバブルが挙げられる．

Vol.100, No.5

May 2024

経路がプラズマバブルの構造（磁力線に沿って南北に伸Es 層は，高度 100 km 程度に局所的且つ突発的に発生すびる）を長く通過するほど影響が大きいため，日本におる電子密度の濃い層であり，日本では夏季に頻発する傾いては静止軌道衛星など南方低仰角の衛星通信に影響が向がある［6］．電離圏への電波伝播の方向が斜めになり入大きくなると考えられる．

射角が大きくなるに従って，反射可能な周波数が上がり，

5．3

通常は電離圏で反射されない VHF 帯の電波であっても，Es 層の密度が高く入射角が極めて大きくなると，Es 層に

衛星測位に対する影響

測位とは，何らかの手段を用いて位置・速度・時刻を決

よって反射されるようになる．この場合，見通し外の遠定することであり，様々な手段がある．しかし，ここでくの通信や放送との混信の原因となる．

は近年非常に広く利用が進んでいる測位衛星信号を用い

表 4 に，イオノゾンデの長期観測データに基づいて導た測位（衛星測位），特に米国の GPS に代表される GNSS

出した VHF 帯の通信・放送に影響を与える Es 層の発生と，それを用いた様々な測位システムについて取り扱う．

頻度及び規模の関係を示す［7］．表 4 から，Es 層による影

5．3．1

衛星測位と誤差要因

響により，ある 1 組の送受信局間で， 1 年に 1 回程度の頻GNSS においては，複数の衛星から放送される信号の伝度で水平距離 1000 km の異常伝播が可能な周波数の上限

播時間を測定し衛星との距離を測定することにより，受が 100 MHz，2000 km の異常伝播が可能な周波数の上限

信アンテナの位置と受信機の時刻を決定する．すなわち，が 130 MHz であることがわかる．航空機用無線標識 VOR

3 次元位置と時刻を決定するため， 4 個以上の衛星の信号で使用される VHF 帯（108～118 MHz）の場合，水平距を同時に受信する必要がある．一般的に，信号を受信す

離 2000 km 及び 1000 km の異常伝播を起こす Es 層が，そる衛星数が多く，天球上に均等に分布しているほど測位

れぞれ 1 年に 1 回以上，10 年に 1 回程度の頻度で発生す誤差が小さくなり，良好な測位結果を得ることができる．

ることを意味する．航空機用無線標識 VOR の Es 層での反GNSS 衛星からは主に，UHF 帯のうち 1.0〜1.6 GHz の射による異常伝播の発生確率は，日本において Es 層が頻複数の周波数においてコード変調信号が放送されている．

発する夏季において，25 ％程度であると報告されている

GNSS 受信機は，これらの信号を用いて衛星との距離を［8］．また，強い Es 層の継続時間としては，表 4 に示すよ測定するが，測定された距離には様々な誤差が含まれて

うに，Es 層に垂直に電波が入射した場合の最大反射周波

おり，その典型値は表 5 に示す通りである．これらのうち，数が 13.3 MHz 以上の場合（80 MHz の電波が Es 層で反射

電離圏遅延は変動が大きく経験モデルによる補正が比較され水平距離 2000 km 以上伝播する目安）10 年に 1 度の的効きにくいため，衛星測位において大きな誤差となり

頻度で 5 時間程度である．

うる．電離圏遅延による誤差（δI）は電波の周波数（f［Hz］）

5．2．3の 2 乗に反比例し，衛星と受信機の間の単位面積当たり

極超短波（UHF）に対する影響

衛星通信で用いられる極超短波（Ultra High Frequency:の全電子数（TEC［m－2］）に比例し，以下のように表せる．

UHF）の電波は，通常電離圏を通過するが，プラズマバ

TEC
δI＝40.3・ 2
f

ブル等に伴うプラズマの不規則構造により，信号受信強度の短周期の変動が発生することがある．この現象は「電（1）

離圏シンチレーション」あるいは「シンチレーション」

GPS L1 周波数においては，1 TECU（1016 m－2）あたりと呼ばれており，地上－衛星間の通信品質の劣化や衛星

0.16 m となる．

から送信される撮像データの乱れなどにつながる．この受信アンテナの 3 次元位置と受信機時刻は，衛星ごと現象は古くから知られており，日本においても Inmarsatの測距結果を 4 つ以上用いて，最小二乗法などにより最などの衛星通信に影響が出ることが知られている［9］．電適な解として得る．この時，位置と時刻（ 4 要素縦ベクト

離圏によるシンチレーションは周波数が高いほど影響がル）と測距データ（Nsat（衛星数）要素縦ベクトル）は，小さく，10 GHz 以上の衛星通信システムにおいては，他

衛星配置によって決まる4× Nsat 行列（S 行列と呼ばれる）の対流圏等の影響に比べてほとんど無視できる程度となで結びつけられる．従って求めた位置と時刻の誤差（測る．一方，L バンド（1.5 GHz 帯）や S バンド（2 GHz 帯）

位誤差）は，衛星ごとの測距誤差を，S 行列を用いて変換の衛星通信システムにおいては，プラズマバブルに伴うしたものとなる［10］．すなわち，測位誤差は衛星配置に

シンチレーションの影響は無視できなくなる．電波伝播

よって異なり，測距誤差から一概に言えるものではない．

表4
電離圏宇宙天気現象
Es 層

Es 層の発生頻度と規模［7］．

規模を示すパラメータ
1,000 km 伝播可能な周波数の上限［MHz］
2,000 km 伝播可能な周波数の上限［MHz］
foEs ＞ 13.3 MHz における継続時間 2）［h］
foEs ＞ 18 MHz における継続時間 3）［h］

1 回 /1 年
100
130
～3
1－2

1 回 /10 年 1 回 /100 年
110＞ 1301）＞ 1801）＞ 1801）～5～3

不等号はイオノゾンデで観測可能な臨界周波数が 30 MHz までであることによる．
80 MHz の電波が水平距離 2000 km 以上伝播する目安
3）80 MHz の電波が水平距離 1000 km 以上伝播する目安
1）
2）

226

Lecture Note

5. Impact on Radio Communications and Satellite-Based Positioning	S. Saito and T. Tsugawa

行列の要素の値は通常の衛星配置でも 1 以下のものから 3が問題であるので，空間的に急激に変化する電離圏現象

程度まで存在するので，衛星によっては測距誤差の値よが大きな問題となる．電離圏電子密度が空間的に急減す

りも測位誤差への寄与分が小さい場合と逆に数倍に増幅るプラズマバブル，磁気嵐に伴って急増する SED（Storm

されて大きくなる場合がありうる．この効果は，一般的

Enhanced Density） あ る い は SIPS（Storm-Inducedには使用可能な衛星数に大きく依存するので，使用可能

Plasma Stream）と呼ばれるものがその代表である．搬

な衛星を十分確保することは GNSS 測位において非常に送波位相を用いるキネマティック測位においては， 1 波長重要である．

（GPS L1信号の場合0.19 m）
程度以下の誤差が問題になる．

5．3．2

したがって，中規模伝播性電離圏擾乱（MSTID）のような，

GNSS を用いた測位方式と電離圏の影響

GNSS を用いた測位には， 1 つの周波数のみを利用する

1 TECU（GPS L1 信号において 0.16 m 相当）程度の比較

1 周波測位と，2 つの周波数を利用する 2 周波測位がある．

的小さな振幅の電離圏擾乱であっても，測位誤差の増大，

2 周波測位では，電離圏遅延が周波数に依存することを収束時間の増大など障害となりうる．ただし，電離圏空利用して電離圏遅延誤差を消去することができる一方で，間変動が小さくとも，全体的に電離圏遅延が極めて大き機器が複雑で高価となりやすく，多くの GNSS 測位ではく増大する場合は，補正可能な値の上限を超えてしまい，

1 周波測位が用いられている．航空航法においては，信号補正誤差が生じる場合もありうることに注意が必要であの提供が衛星系の運用国により保証され，かつ性能の国る．

際基準［11］が定められている衛星系の信号のみ使用可能

PPP においては，誤差要因について精密な補正を行い，である．これまでは GPS 及び GLONASS の L1 帯の信号

センチメートル級の測位を実現する．表 5 からわかるよのみが使用可能であったが，ごく最近 GPS，GLONASS,

うに，電離圏遅延は誤差の大きな割合を占めるので，電Galileo，Beidou の 4 衛星系の L1 及び L5 帯の信号が使用

離圏補正を難しくする電離圏擾乱は，測位誤差の増大，可能となったが，国際基準航空航法として 2 周波測位の収束時間の増大など PPP の障害となりうる．

利用が広まるには相当な時間がかかると考えられている．

電離圏遅延は周波数に依存するので，異なる周波数のつまり， 1 周波測位は電離圏遅延誤差の存在にもかかわら信号を組み合わせることにより，磁場に依存する高次のず広く使われているのである．

項を除いて概ね消去することができる． 2 周波を用いる測GNSS を 用 い た 測 位 は， そ の 手 法 に よ り 大 き く 単位では，一般的に電離圏遅延の項を消去した，電離圏フ

独 測 位， 相 対 測 位， 高 精 度 単 独 測 位（Precise Point

リー線形結合Positioning: PPP）に分けられ，求める測位精度や信頼f12ρ1－f22ρ2
ρIF＝ 2
f1 －f22

性によって方法が選択される．単独測位が 1 台の受信機によって測位を行う方法であるのに対し，相対測位は複数の受信機で同時に測位を行い，相対的な位置関係を計（2）が用いられる．ここで，f1，f2 はそれぞれ 1 番目， 2 番目

測することで高精度な測位を実現している．相対測位は，の周波数，ρ1，ρ2 はそれぞれ f1，f2 に対応する擬似距離測さらに，到来する搬送波の到来時間の差から衛星との距定値である．電離圏フリー線形結合では，電離圏遅延誤離を求め（擬似距離）位置を決めるコード測位と，電波差を消去することができる一方で，上式の分母が周波数の位相を利用する位相測位（搬送波測位，キネマティッの 2 乗の差になっていることからわかるように，その他

ク測位ともいう）に分けられるなど，測位精度を向上さの誤差が増幅されるという欠点を持つ．この雑音増大のせるためにさまざまな工夫がされ，方法も多岐にわたっため， 2 周波測位であっても，キネマティック測位，PPPている．単独測位においても，コードを主に用いる測位においては，通常時であっても解の収束時間が 1 周波測と搬送波位相を主に用いる測位があり，PPP などの搬送位に比べて増大することがある．そのため， 2 周波高精

波測位においては，様々な補正情報を用いたセンチメー

度測位であっても，電離圏の補正が性能向上の鍵であり，トル級の精度も可能である．

より正しい電離圏情報を提供することが望まれている．

1 周波単独測位においては，経験モデルを用いた電離圏

電 離 圏 の GNSS 測 位 へ の 影 響 は， こ れ ま で 述 べ て き

補正が行われることが多い．GPS の場合は補正モデルパ

たような遅延効果だけではない．電離圏に不規則構造

ラメータが衛星から放送されており，受信機はこれを用いて電離圏遅延を補正する．しかし，電離圏嵐等によっ

表5て電離圏電子密度が通常と大きく異なる場合には，補正GNSS 測距誤差の典型値（GPS L 1 信号［10］．
誤差要因

誤差
垂直換算で数 m 〜数 10 m 衛星
電離圏遅延
仰角により最大 3 倍程度の変動．
垂 直 換 算， 海 面 高 度 で 2.3 〜
対流圏遅延
2.6 m 衛星仰角により最大 10 倍程度の変動．
衛星時計誤差（放送暦補正後） 約 3 m
コード擬似距離ランダム誤差
0.5〜1.0 m（受信機雑音，マルチパス）
位相擬似距離ランダム誤差（受0.5 cm 〜1.0 cm
信機雑音，マルチパス）

による誤差が発生する．電離圏正相嵐，負相嵐ともに誤差要因となるが，電離圏電子密度が 0 以下になり得ない
負相嵐よりも正相嵐の方が，一般的に影響が大きいと言える．
1 周波相対測位においては，基準となる受信機と測位解を求めたい受信機の間で電離圏遅延に違いがある場合に，電離圏遅延の空間差（電離圏勾配という）が誤差要因となる．相対測位においては，受信機間の電離圏遅延の差
227

Journal of Plasma and Fusion Research

Vol.100, No.5

May 2024（GNSS 信号の場合 300〜400 m の空間スケールを持つもよっては影響が出る場合もある．また反対に，チェックの）が存在する場合，フレネル回折により地上に干渉パのある項目についても，システムによっては特に影響がターンが生成され，受信される信号強度が不規則に変動出ない場合もあることに注意が必要である．

する．これを電離圏強度シンチレーションと呼び，磁気5．3．3

航空航法における GNSS の利用

低緯度のプラズマバブルに伴うものが主である．一方，航空航法においては近年，地上の無線航法装置を用い

磁気高緯度地域では，電離圏不規則構造が高速で衛星信た航法から，より柔軟で交通容量の高い飛行経路を精度・

号の伝播路を横切ることによる，搬送波位相の不規則な安全性ともに高く実現する GNSS を用いた航法への移行

揺らぎが発生する．これを電離圏位相シンチレーションが進められている．航空航法では，GNSS を用いた航法にと呼ぶ．いずれの電離圏シンチレーションも受信機の信ついて国際技術標準が定められており，その中で，上で号追尾を難しくし，測距精度を低下させ，さらに強い場述べたような精度だけでなく安全性に関わる基準が定め

合は衛星信号の追尾を途切れさせる．これは， 1 周波， 2られている．航空航法では安全性が重要であり，99.99999

周波を問わず影響が発生する．先に述べたように，測位〜99.9999999 ％（1－1 × 10－7〜1－1 × 10－9）の安全性がに使用可能な衛星数が減少すると測位精度が劣化するの求められる．一方で，精度については，カテゴリーⅠとで，電離圏シンチレーションは使用可能衛星数の減少を呼ばれる高度 60 m までの精密進入誘導を実現するものであっても，垂直方向の誤差は 95 ％値で 4 m まで許される

通して測位精度の劣化の原因となる．
ここまでは主に GNSS を用いた測位の精度に着目して［11］．

議論してきた．しかしながら，GNSS 測位においては，精GNSS 衛星信号をそのまま使っては，この極めて高い

度だけが重要であるわけではなく，その目的に応じて重安全性を実現することができないので，補強システム

要視される指標が異なることに注意が必要である．例え（Augmentation System）と呼ばれる，安全性を補強す

ば，固定点の測量であれば，長時間連続してキネマティッるシステムが必要となる．補強システムにはいくつか種

ク測位を行うことでミリメートル級の測位精度が得られ類があり，着陸進入誘導を可能とするものには地上型衛るが，ここでは少々の信号の途切れは長時間データを用

星航法補強装置（Ground-Based Augmentation System:

いて補正することができるので，それほど問題とはなら

GBAS）， 衛 星 型 衛 星 航 法 補 強 装 置（Satellite-Based

ない．しかし高速移動体では位相追尾の途切れの影響がAugmentation System: SBAS）がある．補強システムは，大きいので，同じ方法は利用しにくい．航空航法におい補正によって精度を改善するだけでなく，GNSS ユーザーては，精度はメートル級でよい代わりにリアルタイム性

にとって安全上の脅威となりうる誤差を生じないように，と非常に高い信頼性が必要とされ，測位解が一定の範囲

GNSS 信号の監視を行い，補正しきれない誤差要因につに含まれることを保証し，保証できない場合には警報をいては除去する機能を持つ．現状利用可能な GBAS 及び出す必要がある．また，測位解が途切れなく得られるこ

SBAS はいずれも 1 周波コード擬似距離を用いた相対測位とも重要である．このような場合においては，発生頻度の一種であるため，電離圏の空間変動に伴う補正誤差が，が非常に低い異常現象についても，必要とされる信頼性

測位誤差の最も大きな要因である．

の水準と比較して必要であれば考慮しなければならない．

しかし，静穏時の電離圏空間変動は，GBAS や SBAS

このように，GNSS 測位では「精度」が注目されやすいが，によって十分な精度で補正することができる．むしろ，その利用方法に応じた指標を用いて議論する必要がある．

電 離 圏 起 因 の 誤 差 の 影 響 は 安 全 性 の 面 に 強 く 現 れ る．

これらをまとめたものが，表 6 である．上でも述べた

1－10－7〜1－10－9 の安全性を実現するために，航空航法

ように，電離圏の影響があるかどうかは GNSS 測位シス

では保護レベルと呼ばれる極めて保守的な誤差の限界値

テムごとに必要とされる精度や信頼性，使いやすさなどが用いられる．これは標準偏差 σ の正規分布を仮定した場のレベルに強く依存する．表 6 は一般的論として示した

合，5.4〜6.1σ の幅を取ることに相当する．保護レベルのものであり，チェックのない項目についてもシステムに算出においては，様々な保守的な仮定がなされているが，

表6

電離圏擾乱現象と影響を受ける GNSS 測位． の有無は一般論として電離圏の影響が出る場合の有無を示すが，特定のシステムにおいては異なる場合があることに注意．
電離圏の効果

電離圏現象
単独
1 周波
相対
相対（位相）
1 周波（精密）単独（PPP）
単独
2 周波
相対
相対（位相）
2 周波（精密）単独（PPP）

電離圏全電子数
電離圏遅延
正相嵐

負相嵐

電離圏遅延空間勾配
SED/SIPS

228

プラズマバブル

MSTID

電離圏不規則構造
強度シンチ
位相シンチ
レーション
レーション
プラズマバブルオーロラ

Lecture Note

5. Impact on Radio Communications and Satellite-Based Positioning	

その中でも特筆すべきものが電離圏勾配の存在について

表7の仮定である．GBAS，SBAS においては，航空機にとっ電離圏

S. Saito and T. Tsugawa

全電子数増大の規模と発生頻度［13］．

地域
1 回 /1 年
1 回 /10 年
1 回 /100 年
北海道 1） 70 TECU 以上
90 TECU 以上
150 TECU 以上
東京
90 TECU 以上 2） 110 TECU 以上 3） 190 TECU 以上 3）
鹿児島 4） 110 TECU 以上 130 TECU 以上 230 TECU 以上て危険となりうる電離圏勾配が常に存在していると仮定している．これは，補強システムが GNSS を用いて監視している電離圏と，航空機が用いる衛星に影響する電離

1）

圏の状態が必ずしも同一ではなく，補強システム側で航2）

統計解析に基づき東京の 0.8 倍で計算
22 年間の全電子数観測データに基づく
3）
62 年間の foF2 観測データに基づく
4）
統計解析に基づき東京の 1.2 倍で計算

空機側の電離圏の状態を知る方法を持たないためである．
つまり，たとえ極めて低い確率であっても，安全性の要求レベルに対して影響のある確率で電離圏勾配が存在し

大 値 は 70〜110 TECU（GPS L1 周 波 数 の 遅 延 量 と し てている可能性を排除できないので，保守的に考えて，常11〜17 m，以下同じ），10 年に 1 回程度の電離圏正相嵐でに電離圏勾配が存在すると仮定するのである．詳細は省は 90〜130 TECU（14〜21 m），100 年に 1 回程度の電離

くが，この仮定が保護レベルを増大させ，運用レベルに圏正相嵐では 150〜230 TECU（24〜37 m）程度と言える．

応じた保護レベルの許容値（先述のカテゴリーⅠ運航の電離圏電子密度は赤道異常帯で最大となるので，赤道異場合 10〜35 m）を時に超過させる主な原因となるのであ常帯よりの北に位置する日本では，南方ほど最大全電子

る．

数が大きい．

これらの極めて保守的な仮定は，安全性を定量的に評

搬送波位相を用いた相対測位性能を劣化させる可能性価するため，外部システムに依存しない単体の補強シスがある MSTID については，日本では夏の夜間と冬の昼間テムを目指すために生じるものであり，宇宙天気情報のに頻繁に発生することが知られている．しかし，測位性活用が期待できる大きなポイントである．ここで問題は，能の劣化につながるような MSTID の発生頻度の特性は知補強システム側が GNSS 衛星を用いて監視している「点」

られておらず，今後の研究が待たれる．

以外の電離圏の状態を，定量的な信頼性をもって知るこ

相対測位の誤差要因となる電離圏勾配を伴うとともに，とができないことであった．しかし，電離圏物理研究の使用可能衛星数の減少という形で GNSS 測位一般に影響ために開発されてきた様々な観測手法により，電離圏勾を与える電離圏シンチレーションを伴うプラズマバブル

配の有無を観測することができる．例えば，VHF レーダーは，日本付近の経度では春，秋の日没直後から夜半過ぎを用いることによりプラズマバブルの空間構造を知るこにかけて頻繁に発生することが知られている．しかし，とができる．これを GBAS のための電離圏監視手法とし測位性能の劣化につながるようなプラズマバブルの発生て取り入れるための基礎検討によれば，GBAS における頻度については，観測が限られており［14］，統計的な頻電離圏起因誤差を低減する可能性が示されている［12］．

度を得るには至っていない．また，電離圏シンチレーショ

安全性が要求される GNSS アプリケーションでは，様々ンについても，GNSS 測位性能評価のためには，GNSS 信

な保守的な仮定がなされていることが多く，宇宙天気情号追尾に障害を与えるシンチレーションの発生頻度［15］，報の利用価値が見いだせる可能性が十分ある．しかし，同時に影響を受ける衛星数とその確率［16］，電離圏勾配

宇宙天気情報は補強システムにとっての外部システムでとの相関などの詳細な統計解析が待たれる．

あるので，宇宙天気情報について定量的な信頼性が必要になることには注意が必要である．言い換えれば，実際

参考文献に電離圏勾配が存在した場合にこれを見逃してしまう確［ 1 ］W.J. Burke et al., Ann. Geophys. 22, 3089 (2004).
［ 2 ］C. Tao et al., Earth Planets Space 72, 173 (2021).
［ 3 ］V. Kurt et al., Ann. Geophys. 22, 2255 (2004).
［ 4 ］P. Jiggens et al., J. Space Weather and Space Climate
8, 22 (2018).
［ 5 ］H. Sauer and D. Wilkinson, Space Weather 6 (2008).
［ 6 ］S. Taguchi and H. Shibata, J. Radio Res. Lab. 8, 355(1961).
［ 7 ］宇宙天気災害に向けた科学提言のためのハザードマッ
プ , 科学研究費補助金：新学術領域研究 太陽地球圏環境予測（2020）．
［ 8 ］J. Sakai et al., Radio Sci. 54, 426 (2019).
［ 9 ］Y. Karasawa et al, Radio Sci. 29, 643 (1985).
［10］P. Misra and P. Enge, Global Positioning System,
Signals, Measurements, and Performance (Ganga-Jamuna Press, Lincoln, Massachusetts , 2001).
［11］International Civil Aviation Organization, International standards and recommended practices, Annex
10 to the Convention on the International Civil Aviation, 8th edition (2022).

率を定量化しなければならないのである．しかし，元々
常に電離圏勾配が存在していると仮定しているので，宇宙天気情報についての信頼性は保守的なものでよく，例
えば 90% の信頼性（10 回に 1 回は見逃す）としても，補強システムに要求される安全性レベルを 1 桁緩和することができるのでその効果は大きい．
このように，対象とする GNSS アプリケーションの技
術背景を理解するとともに，宇宙天気情報に信頼性の概念を取り入れていくことが非常に重要である．
5．3．4

測位精度劣化を引き起こす電離圏現象の発生頻度

測位精度劣化を引き起こす電離圏現象は測位方法によって異なる．電離圏正層嵐で電離圏遅延（全電子数）増大する場合，経験モデルによる補正誤差が生じるほか，相対測位の補正範囲の上限を超えてしまう恐れがある． 表 7 は， 過 去 に 日 本 で 観 測 さ れ た 全 電 子 数（ 分 解
能は 5 TECU）から，その規模と発生頻度を推定したものである． 1 年に 1 回程度の電離圏正相嵐では，その最229

Journal of Plasma and Fusion Research

とう

斎 藤

May 2024

tion GNSS+ 2018, 2186 (2018).
［16］Y. Beniguel and J.-P. Adam, Effects of Scintillationsin GNSS Operation, Chapter 3.5 in the book by J.
Lilen-sten: Space Weather - Research towards Applications in Europe (Springer, 2007).

［12］S. Supriadi and S. Saito, NAVIGATION 66, 845(2019).
［13］M. Nishioka et al., Earth Planets Space 73, 52 (2021).
［14］S. Saito et al., GPS Solutions 21, 1937 (2017).
［15］S. Saito and T. Yoshihara, Proc. Institute of Naviga-

さいVol.100, No.5

すすむ

つ

享

がわ

たく

や

津 川 卓 也

海上・港湾・航空技術研究所・電子航法研究所・上席研究員．2008 年から電離圏擾
乱に強い衛星航法システムの開発及び衛星
航法性能向上のための宇宙天気情報の活用に関する研究を行っています．

情報通信研究機構・電磁波研究所・宇宙環境研究室長．2007 年から情報通信研究機構
にて電離圏擾乱の発生機構に関する研究を行い，2021 年からは宇宙環境研究室長として宇宙天気現象の社会影響に関する研究を行っています．

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