1 / 24

坂井 丈泰 （電子航法研究所） Todd Walter （ Stanford University ）

電子情報通信学会 SANE 研究会 Dec. 19, 2003. GPS による電離層総電子数の観測. 坂井 丈泰 （電子航法研究所） Todd Walter （ Stanford University ）. Introduction. Dec. 2003 Sakai, ENRI. Page 1. GPS は電離層遅延（～ 100m ）の影響を受けるが、逆に電離層の観測手段として利用されつつある。 複数周波数の信号により観測するため周波数間バイアスの影響を受け、これを推定・除去する必要がある。

aspen
Download Presentation

坂井 丈泰 （電子航法研究所） Todd Walter （ Stanford University ）

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 電子情報通信学会SANE研究会 Dec. 19, 2003 GPSによる電離層総電子数の観測 坂井 丈泰 （電子航法研究所） Todd Walter （Stanford University）

  2. Introduction Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 1 • GPSは電離層遅延（～100m）の影響を受けるが、逆に電離層の観測手段として利用されつつある。 • 複数周波数の信号により観測するため周波数間バイアスの影響を受け、これを推定・除去する必要がある。 • 一般には適当な電離層モデルを仮定し、そのモデルパラメータと周波数間バイアスを未知数として正規方程式を解く。 • 国土地理院などによるGPS観測ネットワークのデータを使用して、日本上空における電離層遅延量の分布を調べ、あわせてモデルによる周波数間バイアスの推定性能を比較した。 • ２層以上の電離層モデルが有効 • 仰角マスクは必ずしも高く設定しなくてよい

  3. GPSの誤差要因 Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 2 衛星クロック誤差 太陽光線 40.3 c f2 遅延時間 T = TEC 衛星軌道情報の誤差 電離層遅延（～100m） 周波数に依存 電離層 高度250～400km程度 高度7km程度まで 対流圏遅延（～20m） 対流圏 マルチパス

  4. 電離層の観測 Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 3 • 電離層の一般的性質 • 高度250～400km付近に分布。 • 昼夜で高度や厚さが大きく変化する（昼は低くて厚い）。 • 支配的要因は地方時刻・磁気緯度。 • 一般には数1000kmにおよぶ空間相関がある。 • 磁気嵐発生時には活性化し、遅延量とそのばらつきが特に大きくなる。 • 電離層の観測方法 • 短波レーダやイオノゾンデなどによりピーク高度やプロファイルを測定。 • 国内では通信総合研究所が常時観測。 • GPS観測の利点 • 連続的な観測ができる。 • 受信機がネットワーク化されており、空間的分布がわかる。

  5. 電離層遅延の観測（バイアス補正前） Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 4 20 Outlier Mag Lat Mitaka 51.3 26.6 10 14.5 Magadan Vertical Delay, m 0 Receiver Bias Satellite Bias Ishigaki 24 48 Local Time from 5/28/03 00:00, h • L1/L2周波数での搬送波位相観測データから算出。 • サイクルスリップ・整数アンビギュイティは除去済み。

  6. 周波数間バイアス Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 5 6 3 3 2 0 Receiver IFB, m Satellite IFB, m 1 -3 -6 0 10 20 30 40 50 1 10 20 30 Magnetic Latitude, deg Satellite PRN Ishigaki Magadan Mitaka • L1/L2周波数での観測データに含まれるバイアス誤差。 • 衛星/受信機それぞれについて求められる。

  7. バイアスの推定・除去 Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 6 • 周波数間バイアス（Inter-Frequency Bias）の性質 • GPS衛星・受信機のそれぞれについて含まれるオフセット成分。 • 主にハードウェアによる遅延の個体差 • 時定数は大きい：推定後は定数として扱える • 擬似距離と搬送波位相観測データの双方に同じだけ含まれる。 • L2測定値のL1測定値に対する差として取り扱う。 • 推定・除去方法 • 適当な電離層モデルを仮定して、最小二乗法あるいはカルマンフィルタで推定する。 • ここでは、4次の球面調和関数による3層薄膜モデル（基底関数75個） • 推定後は定数とみなして、電離層遅延量の測定値から除く。 MeasuredDelay(t,i,j) = ModelDelay(a | t,i,j)+IFBi+IFBj : : : :

  8. 基底関数 Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 7 Spherical Harmonics, Yk(q,l) Chapman Functions, Gl(h) 1000 q 800 600 Height, km 400 q 200 0 l 3 25 ElectronDensity(h,q,l) = SSal,k•Gl(h)•Yk(q,l) l=1 k=1

  9. バイアス推定処理 Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 8 10 10 0 0 Satellite IFB, m Receiver IFB, m -10 -10 0 24 0 48 24 48 Time, h Time, h • カルマンフィルタで処理。 • 衛星や電離層は全部が見えるのに1日かかる。

  10. 電離層遅延（バイアス除去後） Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 9 20 10 Vertical Delay, m 0 24 48 Local Time from 5/28/03 00:00, h Mag Lat 51.3 26.6 14.5 • 周波数間バイアスは推定・除去。 • 異常値も除去済み。

  11. 群遅延パラメータとの比較 Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 10 推定値 群遅延パラメータ 1 Satellite IFB, m 0 -1 10 20 30 1 Satellite PRN • 衛星側IFBについては、物理的には航法メッセージ中の群遅延パラメータと同じもの。 • 両者の差: RMS = 0.247m。

  12. 観測点の配置 Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 11 60 GEONET（国土地理院） 45 IGSネットワーク 45 • GEONET 22地点に加えて、 • 周辺国のIGSサイト 6地点を利用。 • すべて２周波GPS受信機により、30秒間隔で常時連続観測。 • 今回の調査には、2003年5月28～29日のデータを使用。 • 28日：通常の状態 • 29日：日中から磁気嵐が発生 • 磁気緯度は石垣島で14.5度。 Latitude, N 30 30 15 120 135 150 165 Longitude, E

  13. Kp指数の状況 Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 12 調査期間 9 8 活発 7 6 5 Kp Index 4 3 2 1 静穏 0 26 27 28 29 30 31 UTC Day of May, 2003 磁気嵐の発生 • 地磁気活動の活発さを表す指数。範囲は0～9。 • 京都大学地磁気世界資料解析センターによる速報値。

  14. 電離層遅延量（全観測局） Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 13 20 Max/Min 1-sigma Average Vertical Delay, m 10 0 12 24 36 48 60 Local Time past 5/28 00:00, h • GPSネットワークによる電離層遅延量観測値。 • 垂直遅延に換算して表示。

  15. 電離層遅延の分布例（ピーク時） Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 14

  16. 空間相関（２８日） Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 15 • 任意の2地点の電離層遅延量の差の頻度分布

  17. 空間相関（２９日） Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 16

  18. 電離層モデルの選択 Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 17 • バイアス推定値には群遅延パラメータ以外にチェックする手段がない。 • ハードウェア的なキャリブレーションが必要。 • 群遅延パラメータ自体も、実際には同様な原理で計算されている。 • バイアス推定に使用する電離層モデルの選択基準がない。 • 層数を増やすと本当に有利か？ • 水平方向について、どの程度複雑な関数とすればよいか？ • 仰角マスクは高いほうが良いか？ • バイアス推定の精度を調べるため、故意に与えたバイアスを推定・除去できるかどうか確かめてみる。

  19. 故意にバイアスを与える Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 18 6 Receiver 0 IFB, m -6 0 10 20 Receiver ID 2 1 Satellite IFB, m 0 10 20 30 1 Satellite PRN • バイアス推定に使用する電離層モデルの評価をしたい。 • バイアス推定（3層薄膜、4次球面調和）・除去後の観測データに故意にバイアスを加え、これを除去できるかどうかを調べる。

  20. 電離層高度と推定精度（１） Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 19 受信機 IFB 2 衛星 IFB Estimation Accuracy, m 1 0 200 400 600 800 1000 Ionosphere Height, km • 単層薄膜モデルを利用したときの推定残差（RMS値）。 • 水平方向モデルは4次球面調和関数。未知パラメータ80個。

  21. 電離層高度と推定精度（２） Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 20 1 受信機 （薄膜） IFB 受信機 （ ） IFB Chapman 衛星 （薄膜） IFB 衛星 （ ） IFB Chapman Estimation Accuracy, m 0.5 0 130 105 Parameters # of 80 250 300 300 250 350 350 350 500 600 350 350 450 800 450 800 1000 Ionosphere Height, km 1層 2層 3層 • ２層以上で、比較的低めの電離層高度がよい。 • Chapman関数のほうがよい場合もある。

  22. 球面調和関数次数と推定精度 Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 21 2 受信機 （ 層） IFB 1 受信機 （ 層） IFB 2 受信機 （ 層） IFB 3 衛星 （ 層） IFB 1 Estimation 衛星 （ 層） IFB 2 Accuracy, m 1 衛星 （ 層） IFB 3 0 200 層 1 層 2 Parameters 層 3 # of 100 0 1 2 3 4 5 6 Order of Spherical Harmonics • 高い次数：複雑なモデル • 　低い次数：少ないパラメータ • ２層以上で、3次程度のモデルがよい。

  23. 仰角マスクと推定精度 Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 22 1 受信機 （ 層） IFB 1 受信機 （ 層） IFB 2 受信機 （ 層） IFB 3 衛星 （ 層） IFB 1 Estimation 衛星 （ 層） IFB 2 Accuracy, m 0.5 衛星 （ 層） IFB 3 0 60000 Measurements 40000 # of 20000 0 10 20 30 40 Mask Angle, deg • 30～35度など高めに設定する例が多い。 • 高マスク：ノイズ減少 • 　低マスク：データ量多い • 15～20度程度がよい。

  24. Conclusion Dec. 2003 Sakai, ENRI Page 23 • GPS受信機ネットワークにより電離層の空間的分布を観測できる。 • 周波数間バイアスの推定方法 • 日本付近における観測例 • 周波数間バイアスの推定にあたり、使用する電離層モデルの相対評価を試みた。 • ２層以上のモデルが有効 • 仰角マスクは必ずしも高くなくてよい • 今後の課題：他の時期における評価（静穏時・磁気嵐発生時） • IRIモデルによる評価

More Related