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第 47 回宇宙科学技術連合講演会 3G2 ( Nov. 19, 2003 ). 日本付近の電離層による GPS への影響. 坂井 丈泰 (電子航法研究所) Todd Walter ( Stanford University ). Introduction. Nov. 2003 Sakai, ENRI. Page 1. GPS をはじめ衛星航法システムでは、電離層遅延(~ 100m )の補正が必須。 複数周波数の信号で補正可能だが、実用化されつつあるシステムは単一周波数。
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第47回宇宙科学技術連合講演会 3G2 (Nov. 19, 2003) 日本付近の電離層によるGPSへの影響 坂井 丈泰 (電子航法研究所) Todd Walter (Stanford University)
Introduction Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 1 • GPSをはじめ衛星航法システムでは、電離層遅延(~100m)の補正が必須。 • 複数周波数の信号で補正可能だが、実用化されつつあるシステムは単一周波数。 • 高精度な測位のためには、ディファレンシャルGPS方式で空間相関のある誤差を補正する:電離層遅延の空間相関は? • 国土地理院などによるGPS観測ネットワークのデータ(2周波)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た。 • 日によっては、10m/500km以上の遅延差がある: • ディファレンシャルGPSに影響 • 電離圏環境の観測にも有効
GPSの誤差要因 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 2 衛星クロック誤差 太陽光線 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
電離層遅延補正 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 3 5ns 14:00 電離層 ∫ 40.3 c f2 40.3 c f2 遅延時間 T = N dl = TEC ユーザ 基準局 • (1)1周波受信機(普通の受信機) • コサインモデルで補正(ピークは14:00LT、夜間は5ns。 • 補正精度はそれほど良くない(RMS誤差で半減程度)。 • (2)2周波受信機(科学観測・測量用) • 電離層遅延量の周波数依存性を利用して直接補正。 • よく補正できる。受信機の周波数間バイアスが問題。 • (3)ディファレンシャルGPS(移動体応用) • 基準局における測定値により補正。 • よく補正できる。基準局が遠いと精度低下。
電離層の観測 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 4 • 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。
観測点の配置 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 5 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
Kp指数の状況 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 6 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。
電離層遅延量(処理前) Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 7 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(垂直遅延に換算)。 • サイクルスリップ・整数アンビギュイティは除去済み。
バイアスの推定・除去 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 8 MeasuredDelay(t,i,j) = OF(t,i,j)·IonoModel(a | t,i,j)+IFBi+IFBj : : : : • 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。
バイアス推定処理 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 9 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。
バイアス推定例 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 10 6 3 3 2 0 Receiver IFB, m Satellite IFB, m Ishigaki Magadan 1 -3 Mitaka -6 0 10 20 30 40 50 1 10 20 30 Magnetic Latitude, deg Satellite PRN • 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。
電離層遅延量(処理後) Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 11 20 Mag Lat 51.3 26.6 14.5 10 Vertical Delay, m 0 24 48 Local Time from 5/28/03 00:00, h • 周波数間バイアスは推定・除去。 • 異常値も除去済み。
電離層遅延量(全観測局) Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 12 20 Max/Min 2nd Max/Min Average Vertical Delay, m 10 0 12 24 36 48 60 Local Time since 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。
電離層遅延の分布例(ピーク時) Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 13
ユーザ測位誤差(水平) Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 14 B地点 A地点 単独測位 A地点(那覇) DGPS A地点(那覇) 基準局:B地点 (奄美大島) A-B間:300km
ユーザ測位誤差(垂直) Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 15 B地点 A地点 単独測位 A地点(那覇) DGPS A地点(那覇) 基準局:B地点 (奄美大島) A-B間:300km
空間相関(28日) Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 16 • 任意の2地点の電離層遅延量の差の頻度分布
空間相関(29日) Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 17
空間相関(全体) Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 18
空間相関(29日:高緯度) Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 19
空間相関(29日:低緯度) Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 20
DGPSの電離層補正 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 21 電離層 ユーザ 基準局 • 基準局における測定値により補正する。 • 空間相関による影響を直接受ける。
広域補強システムの電離層補正 Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 22 60 Latitude, deg 30 IGP 5度 5度 IGP 0 IPP -180 -150 -120 -90 -60 Longitude, deg • 広域補強システム(WADGPS)では、大陸規模の広域にわたって有効な補正値が必要。 • 5度×5度の格子点(IGP)における補正値が放送される。 • ユーザは、各衛星から到来する測距信号の電離層通過点(IPP)を求め、その位置の補正値を内挿により求める。 • 補正精度は、モニタ局の配置に依存する。
Conclusion Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 23 • 衛星航法システムに大きな影響を及ぼす電離層について、GPS受信機ネットワークによる観測を試みた。 • 空間的な分布が、細かい時間分解能で得られる • 電離圏環境の観測にも有効 • 磁気嵐の発生している時期について、日本上空における電離層遅延量の分布を調べた。 • ディファレンシャルGPSにも影響:単独測位より影響が大きくなる場合がある(基線長300km) • 広域補強システムも例外ではない • 日によっては、10m/500km以上の遅延差がある • 今後の課題:他の時期の解析、空間分解能の向上