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電子航法研究所　坂井 丈泰

GPS/GNSS シンポジウム 東京海洋大学 Oct. 26, 2012. 準天頂衛星 L1-SAIF 信号における GLONASS エフェメリスの更新制御. 電子航法研究所　坂井 丈泰. はじめに. 準天頂衛星システム（ QZSS ） ： 準天頂衛星軌道上の測位衛星による衛星測位サービス。 GPS 補完信号に加え、補強信号を放送。補強信号： L1-SAIF 、 LEX の２種類。 初号機「みちびき」を２０１０年９月に打ち上げ、技術実証実験を実施中。 L1-SAIF 補強信号 ： サブメータ級の測位精度を提供する補強信号。

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  1. GPS/GNSSシンポジウム 東京海洋大学 Oct. 26, 2012 準天頂衛星L1-SAIF信号における GLONASSエフェメリスの更新制御 電子航法研究所　坂井 丈泰

  2. はじめに • 準天頂衛星システム（QZSS）： • 準天頂衛星軌道上の測位衛星による衛星測位サービス。 • GPS補完信号に加え、補強信号を放送。補強信号：L1-SAIF、LEXの２種類。 • 初号機「みちびき」を２０１０年９月に打ち上げ、技術実証実験を実施中。 • L1-SAIF補強信号： • サブメータ級の測位精度を提供する補強信号。 • GPS L1 C/A信号と同一の周波数・変調方式：受信機ハードウェアは変更不要。 • 補強対象にGLONASSを加えることでアベイラビリティの改善を図る。 • →エフェメリスの更新制御が必要。 • 内容： （１） 準天頂衛星システムL1-SAIF補強信号 • （２） エフェメリス情報の更新制御 • （３） 実験結果の例（GPS+GLONASSの補強）

  3. （１） 準天頂衛星システム L1-SAIF補強信号

  4. 準天頂衛星（QZS） GPSや静止衛星 準天頂衛星システムの構想 • 高仰角からサービスを提供可能。 • 山間部や都市部における測位・放送ミッションに有利。 • 高仰角から放送する情報により、GPS衛星の捕捉を支援できる。 • 東経135度を中心に配置 • 初号機「みちびき」： • 離心率0.075、軌道傾斜角43度

  5. 準天頂衛星の機能 • GPS補完機能：　L1C/A, L2C, L5, L1C信号 • GPS補完信号として、GPS信号に似た測位信号を放送。 • 天頂付近の高仰角から測位信号を提供することで、都市部や山岳地域などで衛星数の不足を補い、いつでも位置情報が得られるようにする。 • ユーザ側は、既存GPS受信機のソフトウェア改修程度で対応できる。 • 宇宙航空研究開発機構（JAXA）が技術実証実験を実施。 • GPS補強機能：　L1-SAIF, LEX信号 • すべてのGPS衛星を対象として、ディファレンシャル補正情報等を補強信号に乗せて放送する。 • L1-SAIF信号：移動体測位用。補強信号の国際標準SBASと同じ信号形式。 • ユーザ側は、既存SBAS対応受信機のソフトウェア改修程度で対応できる。 • 電子航法研究所がL1-SAIF補強信号の開発を担当。衛星打上げ後に技術実証実験を行い、現在も引き続き実験を実施中。

  6. 補強信号 （補完機能） 準天頂衛星 GPS衛星群 補強信号 （誤差補正） 測位信号 補強信号 （信頼性付与） L1-SAIF補強信号 一つの信号で３つの機能 ①補完機能 ②誤差補正機能 ③信頼性付与機能 • 一つの補強信号で３つの機能：補完機能（レンジング）・誤差補正（目標精度=1m）・信頼性付与。 • ユーザ側では、１つのGPSアンテナによりGPSとL1-SAIFの両信号を受信：受信機の負担軽減。 ユーザ （GPS受信機） SAIF： Submeter Augmentation with Integrity Function

  7. 準天頂衛星 GPS衛星 • さまざまな誤差を補正 • 信頼性の情報 クロック誤差 補強情報 軌道誤差 0100101001…… 電離層 測距機能 対流圏 高仰角 ユーザ（１周波GPSアンテナ） サブメータ級補強の仕組み

  8. 準天頂衛星 GPS衛星 測位信号 L1-SAIF信号 アップリンク 測位信号 ループ アンテナ 測定 データ L1-SAIF メッセージ GEONET L1SMS QZSS主制御局 国土地理院 （配信拠点＝新宿） 電子航法研究所 （東京都調布市） JAXA地上局 （つくば） L1-SAIF実験局（L1SMS） • L1-SAIF実験局（L1SMS：L1-SAIF Master Station）: • L1-SAIF補強メッセージをリアルタイムに生成し、 JAXA地上局（つくば）に送信する。 • 電子航法研究所構内（東京都調布市）に設置。 • 補強メッセージの生成に使うGPS測定データについては、国土地理院電子基準点ネットワーク（GEONET）から取得する。

  9. 電子基準点データ リアルタイム 収集システム 補正情報リアルタイム 生成・配信装置 通信用ルータ装置 データ サーバ L1-SAIF実験局の外観

  10. リアルタイム動作試験 南北方向誤差（m） システム 水平 測位誤差 垂直 測位誤差 GPS単独測位 L1-SAIF補強 GPS単独 RMS 1.45 m 2.92 m 最大 6.02 m 8.45 m L1-SAIF 補強 RMS 0.29 m 0.39 m 東西方向誤差（m） 最大 1.56 m 2.57 m • 電子基準点940058（高山）におけるユーザ測位誤差。 • モニタ局配置は、札幌・茨城・東京・神戸・福岡・那覇の6局構成。 • 実験期間： 2008年1月19～23日 （5日間）

  11. （２） エフェメリス情報の更新制御

  12. GLONASSの利用 準天頂衛星 補強信号による 補強 GLONASS衛星を 併用 GPS衛星 • 衛星数の増加によるアベイラビリティ改善。 • 単一の補強信号により、GPSとGLONASSの両方を同時に補強する。 • 補強情報生成にあたってのGPSとGLONASSの違い： • FDMAを採用エフェメリスにIODEがない • 時刻系と座標系が異なる衛星位置の計算手順 • PRN番号

  13. .. x .. y .. z GLONASS衛星のエフェメリス

  14. L1-SAIFの長期補正情報 （IS-QZSS v1.4より） • 長期補正：衛星位置とクロックの補正値（クロックは別に高速補正もある）。 • メッセージタイプ24 or 25で送信。 • IOD＝GPS衛星のエフェメリスのIODE

  15. Ephemeris #1 (IODE=1) Ephemeris #2 (IODE=2) Ephemeris #3 (IODE=3) LTC #1 IOD=1 LTC #2 IOD=2 LTC #3 IOD=2 LTC #4 IOD=2 LTC #5 IOD=3 エフェメリスの更新制御（ＧＰＳ） • GPSエフェメリスの発行番号IODE： • エフェメリス情報には発行番号IODE（Issue of Data, Ephemeris）が付けられており、IODEの変化によりエフェメリス情報が更新されたことを知ることができる。 • IODC（Issue of Data, Clock）もあるが、下8ビットは常にIODEと同一。クロック補正情報だけが更新されることはない。 • エフェメリスの更新制御： • ディファレンシャル補正を正しく行うには、センタ側とユーザ側で使用するエフェメリス情報を一致させることが必要。 • 各衛星の長期補正情報には、それぞれIOD（Issue of Data）番号が付けられている。 • ユーザ受信機は、それぞれの衛星について、IODと一致するIODEをもつエフェメリスを使用する。 • ユーザ受信機が必要なエフェメリスを確実に受信するよう、エフェメリスの切替えからIODを変更するまでに遅れをもたせている（後の説明のパラメータD）。 • RTCM SC-104メッセージのディファレンシャル補正情報も同じ。

  16. Ephemeris #1 Ephemeris #2 Ephemeris #3 L L L LTC #1 LTC #2 LTC #3 V V V tLT tLT tLT エフェメリスの更新制御（ＧＬＯＮＡＳＳ） • GLONASSエフェメリスの更新制御： • GLONASSエフェメリスには、GPSエフェメリスのIODEに相当する情報が存在しない。 • このため、IODを有効時間（V）と遅れ時間（L）から構成する（SBAS規格での措置）。 • ユーザ受信機は、それぞれの衛星について、IODに示された時間範囲内に受信したエフェメリスを使用する。 • tLT：長期補正情報のエポック時刻、 tr：エフェメリス情報を受信した時刻。 • 遅れ時間（Ｌ）：エフェメリスの切替えがあった場合に、一定時間の間は古いエフェメリスを使用する必要があることから設けられている値。 • 有効時間（Ｖ）：なるべく長いほうが好ましいが、エフェメリスの切替えに配慮して設定する。 を満たすこと

  17. tupdate tcutover tb tb D Ephemeris #1 (tb=00:00) Ephemeris #2 (tb=00:30) tot,first tot,first L LTC #1 V tLT LTC #2 V L L=0 tLT LTC #3 V tLT IODパラメータの計算方法 GLONASSが放送する エフェメリスの更新 使用する エフェメリスを変更 エポック時刻 余裕時間 ② ③ ① ① ③ ② ←このように計算するのがひとつの方法。 ユーザ側条件：

  18. （３） 実験結果の例 （GPS+GLONASSの補強）

  19. GLONASS補強の実験 • L1-SAIF実験局ソフトウェアを改修して、GPS+GLONASS補強の実験を実施した。 • 国土地理院GEONETのGLONASS/ QZSS対応基準局を利用。 • データフォーマット： • RINEX 2.12 OBS/NAVファイル。 • 　エポック間隔＝30秒 • 実験で使用したGEONET局： • メッセージ生成に使用： 基準局 (1)～(8)　の8局 • 性能評価に使用： ユーザ局 (a)～(c)　の3局 （ここではこのうち(b)のみを紹介） • データ期間：2012年7月18～20日

  20. 性能評価例：測位誤差（５度） • 仰角マスク5度での水平測位誤差。ユーザ位置＝(b) • GPS+GLONASS+QZSS：0.310m RMS • GLONASS/QZSSの使用により、多少の性能改善がみられる。

  21. 性能評価例：測位誤差（３０度） • 仰角マスク30度での水平測位誤差。ユーザ位置＝(b) • GPS+GLONASS+QZSS：0.372m RMS • GLONASS/QZSSの使用により、高い仰角マスクでも良好なアベイラビリティ。

  22. ユーザ側性能評価：測位精度 0.602m • 基準局ネットワーク（8局）の重心付近のユーザ局（静岡県清水市）での測位精度。 • GPS+GLONASS+QZSSの使用により、仰角マスク5～40度を通して安定した測位を実現。

  23. ユーザ側性能評価：アベイラビリティ 100% Availability @ User (b) • 有効な測位ができたエポック数の、全エポック数に対する割合。 • 仰角マスクの増加にともないアベイラビリティは低下する。 • GPS+GLONASS+QZSSの使用：仰角マスク40%でも100%のアベイラビリティ。

  24. まとめ • 準天頂衛星システム（QZSS） L1-SAIF補強信号： • 準天頂衛星は、GPS補完信号に加え、補強信号を放送する。 • 補強信号：すべてのGPS衛星に対して、測位性能を改善する補強情報を提供する。 • L1-SAIF信号：GPS L1 C/Aと同一形式の補強信号。当所が開発を担当。 • L1-SAIF信号のGLONASS対応： • 衛星数の増加によるアベイラビリティの改善。 • GLONASSのエフェメリスにはIODEがないことから、IODEを使用せずにエフェメリスの更新制御を行う必要がある。 • IODにより指定された時間範囲内に放送されたエフェメリス情報を使用することとする。 • IODの設定方法を提案。実験の結果は良好に作用した。 • 実際に補強実験を実施して、良好に作用することを確認した。

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