電子航法研究所研究発表会（第1回 平成13年6月）

10．次世代衛星航去システム性能要件
衛星航法部

1.はじめに
現在､衛星航法システムを民間航空の航法装置として利用するための検討が進められている｡この衛星航法システムとして､米国のGPSやロシアのGLONASSの利用が考えられている｡これらのシステムを民間航空で利用する場合､測位精度や完全性などの性能要件の面において不十分な点がある｡このため､飛行局面ごとに異なったGPS補強システムの開発が日本､米国および欧州等で進められている｡また､米国では､測位精度改善を目的として､民間用周波数追加などのGPS近代化のための検討が進められている｡一方､国際民間航空機関ICAO
では､衛星航法システムを民間航空で利用する場合に要求される性能要件を検討し､民間用次世代衛星航法システム導入のための指針の作成を開始している｡さらに､欧州では､ Galileoと呼ばれる次世代衛星航法システムの検討が進められている｡
次世代衛星航法システムは､民間の手により開発･運用され､世界中のすべての利用者による利用が可能な大規模システムである｡図1に利用者として航空機を考えた場合の､次世代衛星航法システムの概念図を示す｡このシステムは､いつでもどこでも必要な精度での測位機能※伊藤憲 新美 賢治 坂井 丈泰を提供することにより､航空機の安全運航などに寄与することができる｡当研究所は次世代衛星航法システムに関する検討を平成12年度より開始した｡ここでは､次世代衛星航法システ
ムの動向および性能要件について報告する｡

2.次世代衛星航法システムに関する動向
2.1 米国[1]現行のGPSを改良するための検討が進められている｡これはGPSの近代化と呼ばれるもので､ 2010年までに第2､第3の民間用周波数が追加される計画であり､これにより測位精度が改善される｡さらに,将来的には衛星の数も増加されると言われている｡
2.2 欧州[2]欧州連合および欧州宇宙機関は､欧州独自の全地球的衛星航法システムGalileoの検討を進めている｡ Galileoの特徴は､ (1)利用者に数mの測位精度を提供する､ (2)測位機能だけでなく通信機能も持つ､ (3)完全性情報を利用者に提供できる､ (4)GPSとの互換性と相互運用性を持つ､などである｡
Galileoは現在､仕様ならびに構成を検討するシステム決定段階が終了している｡本年以降､開発段階に入り､詳細設計や具体的な開発作業が進められる見込みである。2003年に開始予定の実証・試験段階で数個の試験衛星を打ち上げ､軌道上試験により最終的にシステムの確認を行う｡実用衛星は2005〜2008年にかけて製造・配備され､ 2006年に初期運用開始､ 2008年に完全運用となる計画である｡
2.3 ICAO[3]

図1 次世代衛星航法システム概念図

ICAOは､民間航空機の航法に利用できる全地球的衛星航法システムGNSSに関する国際標準の制定作業を進めていて､現在,ほぼ最終段階にある｡また, ICAOはGNSSの開発を2段階に分けることとした｡第一段階で､既存衛星航法システムGPSおよびGLONASSを中核システムとして､これに補強システムを追加する−43−

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ことで､ GNSSとして必要な性能を達成することとした｡第二段階では､完全に民間により運用されるGNSSの実現を目指している｡これは長期的GNSSと呼ばれ､現在､その性能要件が､性能面および制度面から検討されている｡

かる｡ (DOPが小さいということは測位誤差が小さいことに相当する｡)また,緯度によるDOPの変化はそれほど大きくないが､高緯度地方のはうが小さなDOPが得られることがわかる｡

3.電子航法研究所における検討状況
電子航法研究所は､平成12年度に4ヵ年計画で次世代衛星航法システムの検討を開始した｡平成12年度には既存衛星航法システムの調査を実施した｡その調査に基づいて､次世代衛星航法システムの性能要件検討を開始した｡
平成13年度からは､次世代衛星航法システムの概念設計を実施する予定である｡この概念設計においては,測位および通信機能を有するシステムを前提として､衛星軌道配置､回線設計､通信プロトコルなどを検討する予定である｡平
成14から15年度にかけては､次世代衛星航法システムの要素技術のうち特定のものについて､詳細な検討を実施する計画である｡
これらの検討と並行して､次世代衛星航法システムの性能要件を評価するためのソフトウェアを開発している｡ソフトウェアの機能確認のために､ Galileoに対して予想される衛星配置を用いて､測位精度評価の尺度であるDOPを計算した例を図2に示す[1]。この図は､緯度を変えて､ GalileoおよびGPSのDOPを計算した結果である。Galileoに対するDOPがGPSに対するものより小さな値となっていることが分

03060

緯度(度)
図2 緯度によるDOPの変化○ : Galileo, △ : GPS

実線: GDOP,破線: PDOP

90

4.性能要件
衛星航法システムの性能要件とは,そのシステムの性能に対する要求条件であり､利用者ごとに記述されるものである｡測位機能に関する性能要件としては下記のものが用いられる[4]､[5]。

(1)利用率 availablity
ある時点で所要の航法サービスを受けることのできる確率(2)連続性 continuity
所要の航法サービスが規定の時間にわたって継続して受けられる確率(3)完全性 integrity
システムが供給する情報が間違っていないという信頼性に関する尺度のことである｡
完全性には､そのシステムが利用できないときに,利用者に正しい警報を遅滞なく発する能力も含まれる｡(4)精度 accuracy
航法装置の出力する位置情報の正確さ｡ただし､操縦誤差は除外されている。95%
信頼区間で表現される｡
これらの衛星航法システムの性能要件に関する検討状況は次のとおりである｡
4.1航空応用ICAOで検討されている民間航空の場合の次世代衛星航法システム性能要件を表1に示す[6]｡この表で警報時間とは,故障が起こってから警報が出されるまでの時間として許容される値の最大値のことである｡
なお､これらの値は､現用の衛星航法システムであるGPSを補強して実現するGNSS､すなわち静止衛星型衛星航法補強システム(SBAS)や地上型衛星航法補強システム(GBAS)の仕様を検討する際に基準として用いられている｡
4.2陸上応用
Galileoの検討に関連して,精度及び利用率−44−電子航法研究所研究発表会（第1回 平成13年6月）

表1
運用局面

横方向
9精度
5%

民間航空の場合の性能要件［6］垂直方向完全 性警報

精 度 9 5%航 空絡

2.0 N M

航 空路 ､N/ A

0.4 N M

N/ A

連 続性

利用率

1‑10 /h

0 .99〜

1‑10 /h

0 .999 99

1 ‑10 /h〜

0 .999〜

1‑10 /h

0 .999 99

時間
5 分

1 ‑10 /h

1 5 秒

1‑10 /hターミナル
初期 進 入 ､

220 m(72 0ft )N/ A

CA T I

16 .0 m4 .0 m〜

精 密進 入(5 2 ft)

非精 密 進1‑10 /h〜

0 .99〜

1 ‑10 /h

1 0秒

1‑10 /h

0 .999 99

1‑2 10 /6 秒

1‑8 10 /0 .99〜

任 意 の 15 秒 間

0 .99 999

入 ､ 出発6 .0 mapp roach・1NM=1852m

について､緊急の場合､ 50mおよび99%,運行管理で100m〜 500mおよび95%､料金徴収(高速道路､橋､トンネル)の時で25m‑100mおよび99.9%という要件が提案されている[7]｡4.3海上応用
海上応用については､ Galileoに関する検討[7]において､捜索救難の場合､精度が0.1m〜lm､利用率が99.9%､海上交通の場合で､精度が3mから10m､利用率が99.7%という値が提案されている｡
また､国際海事機関は､船位の精度基準について1982年から検討を開始した[8]｡船位の精度要件に関係する要素としては､･船舶の速力･船舶が航行している水域において､航行に危険を及ぼす物からの距離がある。このうち後者については、下記のように、水域を航行の局面により分類し、各局面で必要な精度要件を定めている。
オープン水域：陸岸から十分離れ、航行上、制限がない水域
沿岸水域：沿岸など陸岸が近く、航行上ある程度の制限のある水域
アプローチ水域：港口やその進入路など、多くの制限がある水域
さらに、離着岸時も検討の対象となるとされている。
具体的には、オープン水域と沿岸水域では、船舶の速力として30ノットを基準とし、船位誤差の許容量を、95％確率値で、危険物からの最小距離の4％としている。また、アプロー
チ水域では、船位誤差の許容量が95％確率で

表2 利用者の測位システムに対する要求：海上応用の場合[8］オ ー プ ン水 域

精 度 (許 容 誤 差 )更新 レー ト利 用 不 可時 間

信 頼性 (年 間 )1 N M 以下

1 時 間以 内

1 時 間以 内

99 .73 % 以 上

10 0 m 以下(高 速/漁 船 )5 分 以内

1 分以内

99 .86% 以上

10〜 30 m

10〜 30 秒

10 m 以下 (漁 船 等 )10 秒 以 下(高 速/ 漁 船 )10 秒 以下

9 9.989% 以 上

10 0〜 30 0 m
沿岸 水 域ア プ ロー チ水 域

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10m以内であること,信号は30日を単位として99.8%以上の確率で利用できること､ 1年を通して99.97%以上の信頼性があること等の基準が作成されている｡なおこの基準は速力が30ノット以下の場合であり､船の速力が30ノットを超える場合にはこれ以上の精度や信頼性が必要であるとされている｡
さらに､英国では,利用者に対してアンケート調査を行い､測位システムに対する要求として表2に示すような結果が得られている｡

も、航空応用の場合に比べて利用者の移動速度が遅いことを考慮するべきである。速度の違いは、主に警報時間に反映されると考えられる。

5.次世代衛星航法システム性能要件
次世代衛星航法システムの特徴を簡単にいう
なら､ ｢いつでも､どこでも､すそに正確に位置が求められる｣ということになるであろう｡
この特徴を具体的かつ定性的に述べるとしたら､たとえば次のようになる[2]｡(1)24時間､一定高度以下の宇宙を含む全世界をカバーし､切れ目のないサービスを提供できる｡(2)全天候型である｡(3)静止/移動に関わらず､利用者の3次元位置を即時に高精度で求められる｡(4)時刻と速度を正確に測定できる｡(5)通信機能も有する｡(6)測位精度は利用要求条件に柔軟に対応できる｡(7)GPSやGLONASSと互換性および相互運用性がある｡
これらの要件は､どのような利用者を想定するか,そして､それらの利用者にどのようなサービスを提供するかを検討することで､さらに具体的かつ定量的に記述できる｡
航空応用の場合､ ICAOにおける検討結果が基礎になるものと思われる｡陸上応用および海上応用については､航空応用に対する検討結果を基礎にして､同じ性能要件の項目を規定することが考えられる｡ただし､このとき､陸上応用､海上応用それぞれに固有の条件(陸上応用;都市部でマスク角が高い､海上応用;垂直方向の測位精度が重要でないなど)を考慮に入れる必要がある｡
また､陸上応用､海上応用のいずれの場合に参考文献[1]坂井丈泰: ｢欧州における次世代衛星航法システム｣､電子情報通信学会､信学技法､SANE2000‑122､ pp17‑24(平12.12)[2]伊藤憲: ｢GNSS'99とGALILEOの動向｣､
GPSシンポジウム'99､日本航海学会GPS研究会､ pp19‑28(平11.11)[3]坂井丈泰: ｢ICAO GNSSパネルの動向｣､
GPSシンポジウム'99,日本航海学会GPS研究会､ pp41‑54(平11.11)[4]坂井丈泰､惟村和宣: ｢GPSによる航空機進入･着陸における信頼性の計算｣､電子情報通信学会論文誌B､ Vol.J82‑B､ No.7､ pp140‑1410

6．おわりに
ここでは、次世代衛星航法システムの動向およびその性能要件について述べた。今後、次世
代衛星航法システムの検討を進めるにあたり、関係各位のご協力をお願いする次第である。

(1999.7)[5]惟村和宣: ｢航空利用の動向｣､ GPSシンポ
ジウム'97,日本航海学会GPS研究会､ pp81‑90(平9.11)[6]藤井直樹: ｢GBASの現状｣､ GPSシンポジウム2000､日本航海学会GPS研究会､ pp105‑136(平12.11)[7]Vincent, N., J P Vincent, P Campagne, P
Kompfner, F Piccolo, :"TESSYN : the combinationof navigation and localisation data transmission linkservices"､ Proceedings of GNSS'99, pp104‑110,
Genoa, Italy (1999.10)[8]今津隼馬: ｢船舶航行における利用｣､シンポジウムGPS/DGPS利用技術の展望､日本航海学会､ pp85‑94(平8.11)−46−