電子航法研究所研究発表会（第1回 平成13年6月）

7.地上型補強システム(GBAS)のインテグリティ
航空施設部
1

はじめに地上型補強システム(GBAS: Ground‑BasedAugmentation System)は, ICAOがその国際標準を検討する次世代の進入着陸システムであり,カテゴリ1からカテゴリ3の精密進入などへの適用を目的とする. GBASは,空港に設置した基準局から擬似距離補正値,進入パスなど補強情報を放送し,航空機上で狭域DGPS測位を行うことを基本とする.また, GBASは衛星型補強システム(SBAS: Satellite‑Based Augmentation System)と並びGNSS (Global Navigation Satellite Sys‑tem:全地球的航法衛星システム)の国際標準及び勧告方式(SARPs: International Standards And
Recommended Practices)[1]の主要要素を構成する.米国FAA (連邦航空局)は,従来からこのGBASの一種である狭域補強システム(LAAS:Local Area Augmentation System)[2]を提案し,研究開発を続けており, FAAの諮問機関である※福島荘之介

齋藤真二

藤井直樹

信機である衛星の補正値の誤差がしきい値を越えた場合,その補正値を排除し,残りの補正値を平均化する機能(MRCC: Multiple Reference
Consistency Check) ,補正値の誤差を示す情報を放送し,航空機側で計算した測位誤差の信頼限界(プロテクションレベル)がしきい値を越える場合に警報を発出する機能など,インテグリティを確保するための監視機能を持つ.電子航法研究所では, GBASの性能を評価することを目的に, 2000年2月に新東京国際空港内で, 4式の基準受信機及び受信アンテナを用いてGPS受信データの測定を行い,その測位性能[8]とインテグリティ監視機能を検討した.
本文では, GBASのインテグリティ監視機能について,国際標準で採用される予定の方式を述べ,新東京国際空港での受信データから放送されるインテグリティ･パラメータ,プロテクションレベルを計算し,インテグリティ監視方式について検討した結果を述べる.

RTCA (Requirement and Technical Concepts forAviation)は, LAASの技術基準[3, 4, 5, 6]を発行し,その改版を重ねている.
GBAS及びLAASの技術基準では,航法精度,インテグリティ(完全性),コンティニュイティ(連続性)の航法要件を満足することを規定している.このうち,インテグリティは従来から｢システムが航法に使用すべきでないとき,ユーザにタイムリーに警報を発するシステムの能力｣ [7]とされ,またGNSSの国際標準では｢トータルシステムによって提供される情報の正確さに寄2

GBASのインテグリティ監視方式

2.1

平均化擬似距離と誤差の統計量

GBAS地上装置は,基準局を2〜4台の基準受信アンテナ及び基準受信機で構成し,擬似距離補正値(PRC: Pseudo Range Correction)の平均値とそれに含まれる誤差の標準偏差を全可視衛星分放送する.基準受信機mで受信されるn番衛星の擬似距離補正値PRc は,キャリアスムージングされた擬似距離ρ と衛星位置s ,既知の基準アンテナ位相中心位置 から,せる信頼の尺度,ユーザにタイムリーに有効な警報を与える能力を含む｣と定義される量である.カテゴリ1精密進入のインテグリティは, 1進入あたり1‑2×10 が要求される.

(1)と求められる.一方,擬似距離補正値PRc は,このため, GBASでは狭域のDGPSを基本にPRcした多基準(multiple reference)方式[1, 3]が採用される.多基準方式の特徴は, DGPSの基準= PRC+ ε(2)

局を複数の受信機及び受信アンテナ( 2〜4台)と表現でき, PRC は,地上の基準局と航空機上のユーザ局で相関がある誤差, ε は相関がなで構成し,各受信機で生成される擬似距離補正

い誤差である.相関がある誤差は,地上の誤差値の平均を放送することである.また,ある受測定値を航空機側に送ることにより相殺して除−27−

電子航法研究所研究発表会（第1回 平成13年6月）

去することが可能であるが,相関のない誤差はである.これはまた,除去できない.相関のある誤差は,電離層遅延,大気圏遅延による誤差,相関のない誤差は,マB =ルチパス伝搬と受信機の熱雑音によるノイズが主要因である.また, PRc には受信機のクロックバイアスが含まれる.
基準局では,このクロックバイアスを除去し,各擬似距離補正値PRc の同期を図るため,受信機クロックバイアスの推定値 m(PRc ‑ PRc)

(8)とも表現できて,基準受信機mの擬似距離補正値の全基準受信機の平均擬似距離補正値からのバイアスを意味する.
この他,基準局では擬似距離補正値の変化率(RRC: Range Rate Correction)を計算して,放送する.また,基準局にはB があるしきい値より大きい場合,そのPRCを排除する機能(MRCC)があり,残りのPRC で式(6)の平均化を行う.
2.2
PRcb=PRc‑bョンレベルの計算(4)と差し引く.ここで, N*は全受信機で共通して受信される衛星の数である.全基準局で受信される衛星のみを使用する場合,この同期操作は行わなくてもユーザの測位結果に影響はない.しかし,低仰角の衛星は全基準局で受信できるとは限らず,またMRCCで排除することもあるた
め,その場合にはクロックバイアス除去が必要

航空機上での測位演算とプロテクシ

一般のDGPSと同様に,航空機上では,伝送遅れ時間を考慮し,放送されたPRCとRRCから, 1次式で擬似距離受信時刻の補正量を求め,航空機上のユーザ受信機で観測される擬似距離を補正する.補正された擬似距離ρ には, n番
衛星の位置 ,ユーザ位置 ,基準受信機側とユーザ受信機のクロックバイアスの差b ,誤差ε との間に,観測方程式となる.
一方,擬似距離補正値の誤差ε は,正規分布
ε〜N(O,σ(θn))(5)に従うと仮定される. θnはn番衛星のEL角,が成り立つ.ユーザ受信機では,式(9)を線形化し, 4衛星以上の受信で,その重み付き最小2乗解

σpr̲gnd(θn)はn番衛星の誤差の標準偏差の推定値である. n番衛星の平均擬似距離補正値PRc（10）は, M台の基準受信機の擬似距離補正値PRcbの平均として,PRc‑

PRcb(6)と求められ,放送される.各擬似距離補正値のクロックバイアスを除去するのは,主にこの各受信機ごとの補正値を比較してB値を計算し,放送するためである. B値とは, n番衛星に関して平均化擬似距離補正値PRc と基準受信機mの補正値PRc を除いた平均値との差を示す.重み行列Wは,M

B =PRc ‑∑PRcnは,ユーザから見たn番衛星の視線ベクトル(7)W−28−=diag(σ,…,σ)(15)

電子航法研究所研究発表会（第1回 平成13年6月）とし, σ は大気圏遅延誤差,電離層遅延誤差を基準受信アンテナ

ユーザアンテナ考慮して,σ =σ(16)とする[1].
GBASでは,インテグリティを確保するため航法システム誤差(NSE: Navigation System Error)が要求値を越えた場合,航空機上で警報を発生し,その測位値を航法に使わないことが要求される.しかし,航空機の真位置がわからないので,

図1:基準局及びユーザ局の配置(新東京国際空港)

NSEは計算できない.そこで, NSEの信頼限界長時間の観測データからモデルを推定し,実時(confidence bound)であるプロテクションレベ間に監視する方法が検討される[10].国際標準では,このrmsの上限をル[1]を計算し,しきい値である警報限界(AL:Alert Limit)と比較することによりその目的を1.87km達成する.プロテクションレベルには,垂直方向のVPL (Vertical Protection Level)と水平方向(17)のLPL (Latelal Protection Level)があり,航空と定義し,各パラメータを定数で与えて,地上局機上で受信される衛星の配置と地上から放送されるインテグリティ･パラメータなどから計算さの精度指標(GAD: Ground Accuracy Designa‑tor)をA, B, Cとランク付けする(Cが最高性能).

れる. LPLまたはVPLは,水平または垂直誤差がこの値を越える確率が十分低くなるように与3GPS受信データの測定えられる.
以後,説明の簡単化のため精度要求の厳しい

2000年2月15‑18日,新東京国際空港内の滑走路周辺に基準局と固定のユーザ局を配置し,擬垂直方向のVPLのみを扱うこととし,国際標準で定義される具体的な計算法を付録に示す.こ似距離,エフェメリスなどGPS受信データを測定した.このとき,受信データにはSA (Selectiveの計算法は,文献[9]に基づいており, RTCA及びICAOでの議論によって決定された. VPLは,Availability)と呼ばれる意図的な精度劣化が含まれる.図1に基準局及びユーザ局の配置を示

VAL (Vertical Alert Limit;カテゴリ1で10m)とす.基準局は滑走路16の進入端から700m付近比較され, VPLがVALを越えた場合,警報としに配置し,ユーザ局は基準局から1.87km離れた位置に置く.基準受信アンテナは,北から時計回て測位値を航法に使わない.文献[9]では,規定時間内(カテゴリ1では6秒)に警報を発せず,航りに1〜4と番号を付ける.
GPS信号の受信には,全てNovAtel社の2周法誤差がALを越える状態をHMI (HazardouslyMisleading Information)と定義し, HMIの確率が割り当てられたインテグリティのリスクを越えない,プロテクションレベルの計算法を示し

波ナローコリレ一夕受信機(MiLLennium‑STD)とチョークリング付きパッチアンテナを使用すている.国際標準[1]では,プロテクションレベ
ルによるインテグリティのリスクを,十分低い位置に配置し,その間隔を100mとする.受信アンテナは,地上高を変えて0.Om, 2.Om, 4.3m

5×10以下としており,これは, GBAS地上装の3パターンの設置を行い,低損失のケーブル置全体のリスクである1.5×10 の一部となる.
また,地上から伝送され,プロテクションレベ(0.1dB/m ; 120m)で車両内に置いた受信機に接続する.地上高は,地面からチョークリングのルの計算に使われるσpr̲gndは,基準受信アンテナ,基準受信機の性能及び基準受信アンテナの設ベース部までの高さとする.ユーザ局の受信アンテナは,常に地上高4.3mで設置する.基準局置環境に依存するサイト固有の値である.また,及びユーザ局の受信アンテナの位相中心の位置

この推定値を実時間に計算するのが難しいため,は,あらかじめGPS静止測量によって計測し, 4−29−る.基準局は,受信アンテナを正方形の頂点の電子航法研究所研究発表会（第1回 平成13年6月）

図2:処理対象データの時間（a）クロックバイアスを含む擬似距離補正値台の基準受信機に設定しておく.補正データの実時間の伝送は行わず, 4台の基準受信機の補正値とユーザ受信機の擬似距離,エフェメリスなどを記録し,後処理による測位計算を行う.
データ記録は1秒周期とし,マスク角は5度,キャリアスムージングの時定数を100秒と設定する.図2に全記録データ(矢印付き実線)と処理対象データ(斜線部分)の関係を示す.地上高が異なる3パターンのデータを同じ衛星配置で比較するために,処理データ(#1〜#3)の開始時刻の差を1恒星日(23時間56分4秒=86164秒)とし,連続データ長が最大となる10時間を2306

2307

2308

2309

GPS週秒(×100秒)(b)クロックバイアスを除いた擬似距離補正値

図3:擬似距離補正値のクロックバイアスの除去

1パターンの対象データとする.
4

計算結果

測定した4基準局のPRCのクロックバイア
スを式(4)の方法で除去し,式(6)の平均を求め,ユーザ局の擬似距離を補正して,測位演算を行い式(10)の重み付き最小2乗解を求める.最小2乗演算には,観測方程式にハウスホルダー法[11]を適用する.ただし,重み行列の対角要素には,ユーザ受信機が出力する各衛星の重みを用いる.また, RRCは考慮しない.次に,各基準受信機mのPRC からB を求め,σ とからVPLを計算する.ただし,σには,RMS の最大値を使用する.精度指5‑1015‑2025‑3035‑4050‑6070‑90

衛星仰角(度)

図4:擬似距離補正値の標準偏差の分布と衛星仰角がわかる. (b)でPRCにステップ状の変化が生じるのは,受信衛星数によりクロックバイアス推定値b が変化するためである.しかし,ステップ状の変化は全衛星に共通であるため,ユーザ

標パラメータは, GADと機上の精度指標AAD測位値には影響せず,測位解のクロックバイア
ス(式(13)のb )にのみ影響する.さらに,ク(Airbone Accuracy Designator)は,両者ともBとする.簡単のため,式(16)のσ とσロックバイアス除去後の4受信機のPRCから求めた,全受信衛星のPRCの標準偏差の分布を衛は用いない. σ は現時点での最終SARPs案[1]に従う.

星仰角別に示す(図4).また,式(7)で求めた

図3(a)にクロックバイアスを除去する前の各全受信衛星のB値を図5に示す.これらの図から, PRCは低仰角でばらつきが大きく,特に仰受信機のPRC, (b)にクロックバイアスを除去した後のPRCの例を示す.図からバイアス除去後角15度以下でその影響が顕著になることがわかる.また,図4から,基準アンテナの地上高がには, PRCがほぼ同じ値になり比較できること−30−

電子航法研究所研究発表会（第1回 平成13年6月）

5‑1015‑20

25‑30

35‑40

50‑60

70‑90380

衛星仰角(度)

図5: B値の分布と衛星仰角
107994秒(約30時間)

1520400

垂直誤差とVPLの時間変化(#3)
度数

38681

10390

GPS週秒(×1000抄)

38683

38685

38687

38689

GPS週秒(×10秒)

25

図8: MI付近の垂直誤差とVPLの時間変化

垂直誤差(m)

図6: VPLチャート

5

考察

0mの場合のばらつきが一番小さい.
次に,全処理データ(30時間分)のVPLとユーザの垂直誤差からVPLチャートを描き,図6に示す. VPLチャートは,垂直誤差及びVPLVPLチャートでMIが発生する原因(d)について考察する. MIの発生時刻を特定するため,垂直誤差とVPLの時間変化を調べる.図7は#3のの分布とVALの関係を同時に示す図で,トライ
アングルチャートまたはスタンフォードチャー

時間変化であり, GPS週秒38600秒付近でMI状態が発生していることがわかる(図中の◎).まト[12]とも呼ばれる.また,図中には垂直誤差がVPLを越える場合, VPLがVALを越え警報となた,この時刻付近の拡大(図8)から, MIはGPS週秒386822〜386827の6秒間で発生しているこる場合の数を示す.図では10mをCAT1のVAL,20mをIPV (垂直ガイダンス付き進入: SARPsとがわかる.基準局には, B値を監視し,あるしきい値を越えた場合にそのPRCを取り除いて,のAPVに相当する)のVALと仮定し,垂直誤差がVPLを越える場合をMI,垂直誤差が, CAT1残りのPRCで平均の補正値を計算するMRCCやIPVの警報なしにVALを越える場合をHMI実施する.しきい値は5.6σとする[13].この結果から, MIの時刻にB値はしきい値を越えず, MIの原因はユーザ側に存在することがわかと表記する.この結果,(a)垂直誤差(絶対値)は2.5m以下, VPLは2〜6m付近に分布する(b) VPLがVALを越える警報状態は1件も発生していない機能がある.そこで, B値のしきい値との比較をる.そこで,この時刻のユーザの受信データを調べたところ,仰角が約6度の低い衛星(PRN‑2)
が測位演算に使用されおり, MI時刻の前後で受(c)垂直誤差がVALを越える場合は1件もない

信レベルが急峻に変化していることがわかった.
さらに,測位演算からPRN‑2を取り除いて再計(d)垂直誤差がVPLを越える場合は6件発生する算した結果(図8の破線) MIの原因がユーザ受信機のPRN‑2の擬似距離にあることが判明した.

ことがわかる.

ー31−電子航法研究所研究発表会（第1回 平成13年6月）‑2‑10123
垂直誤差(m)212223

GPS週秒(×10000秒)‑6‑4‑2

図9:可視衛星仰角(#1)

0246

垂直誤差/ σ

図10:垂直誤差の分布

PRN‑2は,その時刻に仰角6.1度,方位角‑160.6度方向にあり,没する直前の衛星である.
図9に#1での受信衛星仰角を示す. PRN‑2の受信C/Noは34.2dB‑Hzであり,受信機のステータスパラメータ(フェーズ･コードロック,パリティ)などにも異常は発見できない.しかし, MI
時刻前後では, C/Noの変動が大きく,一時受信不能になることもある. MI時刻に衛星が存在した位置には,仰角5度の高度で遠方に構造物(煙突)が存在しているが,構造物が受信アンテナから遠方にあるため,マルチパスによる影響は考えにくい.また,ほぼ衛星配置が同じ1恒星日後に,この現象は再現しない.さらに,この誤差が偶発的に発生したものかどうかを調べるため,垂直誤差の分布を図10上に示す.垂直誤差が2.3〜2.7m付近に存在する10件の誤差(上図中の◎)は,他の誤差と分布が異なる. MIの6件は,この10件に含まれる. (残りの3件はその周辺のVPLを越えなかったデータ, 1件は#1で発生している)また,垂直誤差を正規化し,正規分布と比較する(図10下).この結果,垂直誤差の分布は,正規分布よりも裾の広い分布であることがわかる.

210だけ発生しており,その時刻の受信データを調べたところ,原因は基準受信機1で受信されているPRN‑7にあることがわかった. PRN‑7は,EL角が49.7度の衛星でC/Noは49.4dB‑Hzと十分高い.しかし,その擬似距離補正値は16.9mであり,他の基準受信機2〜4の補正値が36.Om前後であることから,誤差を含むことがわかる.
このPRN‑7のステータスには異常があり,パリティ誤りやサイクルスリップなどを示す.しかし,−32−230

図11:垂直誤差とVPLの時間変化(#1)
同様のステータス異常は低仰角の衛星で頻繁に発生し,その時刻での測位値は正常であることから,ステータス異常のPRCを全て排除することはユーザの測位演算に用いる可視衛星数を必要以上に少なくすることになる.また,そのB値の絶対値は4.5mであり,しきい値の0.4mより十分大きく, MRCC機能で除去できる.しかし, MRCCで除去と判定される場合は#1で3件(217026,217030,217031)発生しており, 2件は誤警報となる.
6

次に,データ#1 (図11)で発生している誤差を考える.この誤差は, GPS週秒217030で1件

220

GPS週秒(×1000秒)

おわりにGBASのインテグリティ監視方式について述

べ,新東京国際空港内で実施したGPS受信デー
タの測定結果から,インテグリティ･パラメータを計算して,測位誤差とVPLの関係について検討した.この結果,垂直誤差がVPLを越える場合が6件あり,これは分布の異なる10件の垂直誤差に起因することがわかった.この垂直誤差の原因は2種類あり,そのうち1種類は,ユーザ受信機で受信されている低仰角衛星(6.1度)の擬似距離の誤差による.この現象は,航空機側で何らかの方法(例えば, SBASのユーザ受信電子航法研究所研究発表会（第1回 平成13年6月）機に備えられるRAIM機能,国際標準のABAS

trol Document(ICD), RTCA DO‑246, Sept.

(Aircraft‑Based Augmentaion System)の機能など)により対応すべきであり,地上装置側のインテグリティ性能には問題がない.もう1種類は,[5] RTCA SC‑159, GNSS Based Precision Ap‑

MIにはならないが,基準受信機1で受信される高仰角衛星が原因するものであり,基準局側で実(LAAS) Signal‑In‑Space Interface Control

1998.

proach Local Area Augmentation System

施するB値のしきい値との比較(MRCC)で判定された.しかし,その判定法の最適性についDocument(ICD), RTCA DO‑246A, Jan.
2000.

[6] RTCA SC‑159, Minimum Operation Per‑ては,検討の余地がある.
また,ユーザ垂直誤差が正規分布より裾の広formance Standards for GPS Local Area

い分布を持つことは,プロテクションレベルとインテグリティ･リスクの関係に重要な意味があRTCA DO‑253, Jan. 2000.

Augmentation System Airborne Equipment,[7] U.S. Department of Defence, Department

り,今後の検討を要する.当面の課題は,インテグリティ監視のための実験設備を空港内に設置

of Transport, Federal radio navigation plan
1999, Feb. 2000.

し,連続的な長期間のGPSデータを常時計測することにある.この結果,地上装置に起因してGBASがインテグリティを損なう事象が観測さ[8]福島荘之介,齋藤真二,藤井直樹, "4.2多基準局を用いる狭域DGPSの測位実験, "GPSシンポジウム2000, pp.113‑120,日本
航海学会GPS研究会, Nov. 2000.

れれば,その原因を解明して地上側で監視する方法を検討する必要がある.また,確率的にしか発生しない現象についても,要求されるインテグリティを満足し,かつアベイラビリティを最[9] F. Liu, T. Murphy, T. A. Skidmore, "LAAS
signal‑in‑space integrity monitoring descrip‑tion and verification plan," Proc. ION‑GPS,大にするMRCCのしきい値の設定,判定法の改pp.485‑497, Sept. 1997.

良，σの推定及び監視方法など地上装置での監視手法の検討は今後の課題となる.

[10] B. Pervan, S. Pullen, I. Sayim, "Sigma es‑
timation, inflation, and monitoring in the

謝辞

LAAS ground system," Proc. ION‑GPS,

新東京国際空港内でのGPS受信データの測定にご協力頂いた新東京国際空港公団の関係各位に感謝致します.

pp.1234‑1244, Sept. 2000.

[11]中川徹,小柳義夫,最小二乗法による実験
データ解析, pp.29‑124,東京大学出版会,
東京, 1989.
[12] T. Walter, A. Hansen, P. Enge, "Validation

参考文献of the WAAS MOPS integrity equation,"[1]ICAO GNSSP, "Draft SARPs and Guid‑

Proc. ION‑ANN, pp.217‑226, June 1999.

ance Material for GNSS," in Report of AN‑[13] FAA, Specification performance type one lo‑

WP/7556, Nov. 2000.

cal area augmentaion system ground facility,[2] P. Enge, "Local area augmentaion of GPS

FAA‑E‑2937, Sept. 1999.

for the precision approach of aircraft," Proc.
IEEE, vol. 87, no. 1, pp.111‑132, Jan. 1999.
[3] RTCA SC‑159, Minimum Aviation System
Performance Standards for the Local Area
Augmentation System (LAAS), RTCA/DO‑A

付録
全基準受信機と全受信衛星が正常状態であると仮定し,この状態のVPL を

245, Sept. 28, 1998.
[4] RTCA SC‑159, GNSS Based Precision
Approach Local Area Augmentation Sys‑tem (LAAS) Signal‑In‑Space Interface Con‑−33−

電子航法研究所研究発表会（第1回 平成13年6月）と求める.ここで,K : 正常状態でのミス検出確率から求められる乗数(GS角): 行列Sの第1行のi番要素: 行列Sの第3行のi番要素である.また,潜在的故障が1つの基準受信機に存在すると仮定した場合のVPL をである.また,このとき
Mi : i番衛星の擬似距離補正値を計算している基準受信機の数
Ui : j番基準受信機を除き, i番衛星の擬似距離補正値を計算している基準受信機の数であり,以上で求めたVPL とVPL からVPLをVPL = max[VPL , VPL ](24)と計算する.

ー34−