電子航法研究所坂井丈泰、福島荘之介、伊藤憲、工藤正博

電子情報通信学会 SANE研究会 June 24, 2010 準天頂衛星による航空用衛星航法システムの構成電子航法研究所坂井丈泰、福島荘之介、伊藤憲、工藤正博

はじめに • 準天頂衛星「みちびき」の打上げ準備が進められている： • 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測位サービス。 • GPS補完信号（測位衛星として動作）に加え、補強信号（付加的な情報を提供して全体の性能向上を図る）を放送。L1帯はL1-SAIF信号。 • 航空用GPS補強サービスMSAS： • 航空局が運用中（2007年～）の静止衛星によるGPS補強サービス。 • 航空用補強システムとして国際標準に完全準拠。 • ひまわり６号・７号を使用。GPS L1周波数と同様の信号にて補強情報を提供する。 • 衛星プラットフォームの共用について検討： • 高価な人工衛星を個別のサービスごとに打ち上げるのは効率的とはいえない。 • →　単一の衛星で、準天頂衛星システムとMSASの両サービスを提供できないか？ • 具体的には、準天頂衛星によりMSASサービスを実施できないか検討した。 • 結論：いくつかの制約はあるものの、基本的には可能と思われる。

（１） 航空用GPS補強サービスの概要

SBAS規格の概要 • SBAS（satellite-based augmentation system）規格： • GPSのみでは不足する機能・性能を補強する補強システムの一つ。 • 国際民間航空機関（ICAO）による国際標準規格として条約の附属書で規定。 • 航空機ユーザは、GPSとSBASを併用することで、航空用航法システムに求められる機能・性能を得る。測位精度改善と信頼性に関する指標の提供。 • SBAS信号の規定： • GPS L1 C/A信号と同一のRF信号形式。距離測定もできる。アンテナ・受信機フロントエンドは共用が前提。 • 情報伝送速度はGPSより速く、250bps。毎秒１個のSBASメッセージを放送。 • 世界的な普及状況： • 米国WAAS（2003～）、日本MSAS（2007～）、欧州EGNOS（2010～）がすでに運用中。他にも、インドGAGAN、ロシアSDCMといった計画がある。 • 受信機はFAA TSO-C145/146に準拠。対応機上装備の製品化も拡大中。 • 航空以外のユーザ：すでに大多数の受信機チップが対応済み。測位精度改善。

SBAS信号の規定 • ICAOの国際標準規格（GNSS SARPS）による規定。 • 衛星の軌道は特に規定されていない（静止衛星でなければならないわけではない）。 • 受信機は、以上の規定を想定してSBAS信号を探索・捕捉し、補強情報を得る。

プリアンブル 8 ビットメッセージタイプ 6 ビットデータ領域 212 ビット CRCコード 24 ビットこの順に送信 250ビット／１秒メッセージタイプ内　容更新間隔（秒）メッセージタイプ内　容更新間隔（秒） 0 テストモード（使用不可） 6 17 GEOアルマナック 300 1 PRNマスク情報 120 18 IGPマスク情報 300 2～5 高速補正（FC+UDRE） 60 24 高速補正・長期補正 6 6 インテグリティ情報（UDRE） 6 25 長期補正 120 7 高速補正の劣化係数 120 26 電離層遅延補正（+GIVE） 300 9 GEO航法メッセージ 120 27 SBASサービスメッセージ 300 10 劣化係数 120 28 クロック・軌道情報共分散 120 12 SBAS時刻情報 300 63 NULLメッセージ — SBASメッセージ静止衛星を対象としているメッセージ

GPS衛星 SBAS衛星 Uplink Downlink 異常信号 6秒以内ユーザ監視局異常検出警報メッセージ補強サービスの機能（１）インテグリティ（完全性） • GPS衛星が放送する信号の品質に関する情報を提供する。 • GPSが誤った信号を送信したとき、受信機が誤って使用しないようにするのが目的。 • →　航法の安全を確保するための機能。 • 警報時間（TTA：time to alert）＝情報が提供されるまでの時間：航空路・ターミナル空域では5分～15秒以内、非精密進入では • 10秒以内、精密進入では6秒以内。 • 基本的な仕組み： • 地上監視局でGPS信号をモニタ。 • 品質に関する情報を生成・伝送。 • 異常検出時は、警報メッセージを送信。

GPS衛星 クロック誤差軌道誤差電離層対流圏ユーザ補強サービスの機能（２）測位精度の改善 • GPS衛星の信号により測定した距離の補正情報。 • GPSによる測位精度を改善する：ディファレンシャル補正。 • 広域ディファレンシャル補正方式：衛星クロック・軌道、電離層伝搬遅延、対流圏伝搬遅延を個別に補正　→　大陸規模の広い範囲で有効な補正情報。 • 補正により、1m程度の測位精度が得られる。 • 基本的な仕組み： • 地上監視局でGPS信号をモニタ。 • 距離測定の誤差要因を、衛星クロック・軌道、電離層伝搬遅延、対流圏伝搬遅延に分解。 • 誤差要因別に補正情報を生成、メッセージにして伝送。

時間差から 距離を算出 GPS衛星光速で伝搬ユーザ補強サービスの機能（３）擬似距離の測定 • SBAS衛星までの距離を受信機が測定し、位置計算に利用するための機能。 • SBAS信号のRF特性はGPS信号と同一なので、GPSの場合と同様の方法により距離を測定できる。 • SBAS衛星の軌道情報は、SBASメッセージ（タイプ９）により提供する。 • 距離の測定精度はSBAS信号の帯域幅で • 決まる。 • 基本的な仕組み： • GPSとほぼ同期したタイミングで SBAS信号を生成・放送。 • 複数の地上監視局で測定した擬似距離を利用して、SBAS衛星の軌道情報を生成・放送する。

（２） 準天頂衛星 L1-SAIF補強信号の概要

準天頂衛星（QZS） GPSや静止衛星緯度（度）経度（度）準天頂衛星のメリット • 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。東経135度を中心に配置離心率0.1　軌道傾斜角45度

傾斜地球同期軌道（IGSO） ＝（南北対称な）８の字軌道準天頂衛星の軌道緯度（度）地球静止軌道（GEO）高度35,786km SBAS 低軌道衛星（LEO） NNSS（極軌道）経度（度）中軌道衛星（MEO） GPS, GLONASS, Galileo 準天頂衛星の軌道東経135度を中心に配置離心率0.1　軌道傾斜角45度

GPS衛星 測位信号 L1CA/L1C/L1-SAIF: 1575.42 MHz L2C: 1227.60 MHz L5: 1176.45 MHz LEX: 1278.75 MHz QZSS衛星双方向時刻同期信号 Up: 4.43453GHz Down: 12.30669GHz 測位信号 L1CA/L1C*: 1575.42 MHz L2C: 1227.60 MHz L5*: 1176.45 MHz 衛星レーザ測距（SLR） *今後対応予定 TT&C / NAV Message Uplink TT&C・航法メッセージアップリンク局時刻同期管理局モニタ局ネットワーク SLR局ユーザ受信機主統制局　（MCS：Master Control Station） GEONET （国土地理院）関係機関が実験を実施時刻管理系：NICT 広域ＤＧＰＳ補正：ENRI など（JAXA QZSS PT提供の図より）全体構成

25.3m Radiation Cooled TWT TWSTFT Antenna C-band TTC Antenna Laser Reflector L1-SAIF Antenna L-band Helical Array Antenna 準天頂衛星初号機（QZS-1）（図：JAXA QZSS PT）

信号名 周波数帯域幅最低受信電力 QZS-L1C L1CD 1575.42 MHz 24 MHz –163.0 dBW L1CP 24 MHz – 158.25 dBW QZS-L1-C/A 24 MHz – 158.5 dBW QZS-L1-SAIF 24 MHz – 161.0 dBW QZS-L2C 1227.6 MHz 24 MHz – 160.0 dBW QZS-L5 L5I 1176.45 MHz 25 MHz – 157.9 dBW L5Q 25 MHz – 157.9 dBW QZS-LEX 1278.75 MHz 42 MHz – 155.7 dBW QZSSの放送信号補完信号（JAXA）補強信号（ENRI） • 補完系：L1C/A、L2C、L5はGPSとほぼ互換（PRN193） • 補強系：L1-SAIFはGPS/SBASとほぼ互換（PRN183）、LEXは独自仕様 • 詳細はIS-QZSSに規定あり補強信号（JAXA/GSI）

補完と補強 補完信号補強信号 • 測位衛星として動作： • 距離測定が可能＝測位衛星が１機増える効果。 • 測位衛星が不足（４機に満たない）して測位できなくなる状況を減らす。 • 準天頂衛星による補完： • GPSに対する補完。 • GPSとほぼ互換の信号形式で放送（対応受信機開発の負担軽減）。 • 日本上空の滞空時間がGPS衛星より長い：日本付近に対して効率的にサービス。 • 追加的な情報を提供： • 測位精度や信頼性を向上するための補強情報を放送。 • すべてのGPS衛星について補強情報を提供する。 • 準天頂衛星による補強： • 補強信号は、補完信号としての機能も有する（距離の測定に使える）。 • GLONASSやGalileoの補強も可能（現在のところ未対応）。 • L1-SAIFはGPSに近い信号形式により放送（対応受信機開発の負担軽減）。

補正情報 生成方式開発高精度測位補正実験システム開発評価試験方式調査・評価検討補正情報リアルタイム生成・配信システム開発総合試験技術実証実験評価用ソフトウェア作成プロトタイプ受信機開発 H22夏期準天頂衛星打上げ官民連携プログラム開始 H18.3 計画見直し L1-SAIF開発体制 • 電子航法研究所が開発を担当： • 国土交通省（研究開発４省）総合政策局の委託を受けて、高精度測位補正実験システムの開発を実施。 • 具体的には、補強信号（L1-SAIF）の信号形式の設計、プロトタイプ受信機の開発、補正情報リアルタイム生成・配信システムの開発を行ってきた。 • システム開発はほぼ完了： • H21年度にJAXA主制御局と接続して連接稼動試験を実施、良好な結果を得た。

プリアンブル 8 ビットメッセージタイプ 6 ビットデータ領域 212 ビット CRCコード 24 ビット 250ビット／１秒この順に送信 L1-SAIF信号形式 • 航空用補強システムSBASと同一のフォーマット： • GPS L1 C/Aコード、PRN183で送信。毎秒１個のメッセージ。 • メッセージの内容はメッセージタイプで識別。送信順序は任意＝フレキシブル。 • SBAS用ソフトウェアを流用可能：受信機ソフトウェアの開発負担を軽減。 • サブメータ級の測位精度は達成可能。 • 補強メッセージの内容： • 日本全国で利用可能な広域ディファレンシャル補正情報：衛星軌道・クロック・電離層遅延・対流圏遅延をそれぞれ別々に補正。 • 補強対象：GPS・準天頂衛星自身・（GLONASS）・（ガリレオ） • 基本的な補強情報はSBAS互換メッセージで、高度な補強処理については拡張メッセージで対応。

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 L1-SAIF性能試験例 • 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）

（３） 準天頂衛星による SBAS信号の放送

準天頂衛星の座標と速度 • GPSで用いるECEF直交座標系（原点：地球重心、X軸：北緯・東経0度の方向、Z軸：自転軸）。 • 現行IS-QZSSのパラメータ（離心率0.075、軌道傾斜角43度、近地点引数270度）。

距離とその変化率 • 東京・稚内・那覇の各地点からの距離とその変化率に換算した結果。 • 距離は遅延時間に、距離の変化率はドップラシフトに対応する。

準天頂衛星の軌道の影響 • 準天頂衛星の位置による影響： • たとえば、東京からだと39033kmまで遠ざかる。 • 遅延時間は0.130秒。東経140度にある静止衛星の場合（37144km、0.124秒）と大きな違いはない。 • この距離差による受信電力の差は-0.43dB程度でそれほど大きくない。 • 静止衛星と違い、ECEF座標系でのZ座標値が比較的大きい（静止衛星の場合は0付近）　→　タイプ９メッセージで表現しきれない。 • 準天頂衛星の移動による影響： • 視線方向速度が最大で200m/s程度となる（静止衛星の場合は0付近）。 • GPS L1周波数では1kHz程度のドップラシフトとなる（L1周波数の0.0000634%）。 • 通常のGPS受信機はSBAS信号についても10kHz程度までのドップラシフトを許容するので、それほど問題とはならない。

SBASメッセージ：タイプ９ 準天頂衛星の軌道を表現できない

メッセージ伝送にかかる時間 • 準天頂衛星はストアアンドフォワード型： • RF信号の生成は衛星上で行う。 • 変調データについては搭載計算機（NOC）が生成・出力する：地上施設からTTC回線経由で受信したメッセージをNOCが処理し、タイミングを見計らって出力する。 • 地上施設側は、毎秒1個のメッセージをTTC回線経由でNOCにアップリンクする：航法メッセージのように、あらかじめ蓄積したデータを繰り返し送信するのではない。 • TTC回線によるメッセージ入力から、RF信号として出力されるまでに、少なくとも2～3秒かかる（NOC試験結果より）。 • メッセージ伝送時間に対する要求： • 航空用航法システムでは、安全確保のため、インテグリティ要件に警報時間（TTA：time to alert）の規定が含まれている。 • メッセージ伝送に要する時間を考慮したとき、警報時間が規定を満たすか？ • 航空用航法システムとしての認証も必要： • システム全体（ハード／ソフト、運用も含む）にわたる信頼性・安全性について認証を受ける（比較的厳しい）。NOCも対象となる。

スペース セグメント周波数変換ベントパイプトランスポンダ地上施設ダウンリンクアップリンク周波数標準信号生成系ユーザ変調器アンプメッセージ生成トランスポンダ型：MSAS • 地上施設でSBAS信号を生成し、衛星側は受信した信号をそのまま送り返す（周波数変換のみ）：ベントパイプトランスポンダ。 • 衛星側の機器構成が単純：応答が早く、また認証の対象は地上系のみ。 • 地上施設には送信周波数維持や送信電力制御のためのフィードバック制御が必要。

信号生成系 変調器搭載計算機スペースセグメント受信機アンプ周波数標準衛星通信地上施設送信機メッセージ生成ユーザストアアンドフォワード型：QZSS • 地上施設ではSBASメッセージだけを生成し、SBAS信号の生成は衛星側で行う。 • 周波数標準は衛星側に搭載：測距信号としての品質は良好となる。 • 衛星側の機器構成が複雑：応答に時間がかかり、また認証も対象となる。 • 地上施設は比較的簡単な構成ですむ。

警報時間（TTA）の制約 • 警報時間（TTA：time to alert）＝インテグリティ上の要件： • 航法系が警報限界を超える位置誤差を生じる可能性がある場合には、航法装置が警報を出す必要がある。具体的には航法ディスプレイに異常フラグが現れる。 • 警報時間：警報限界を超える位置誤差が生じてから、警報が現れるまでの時間。 • SBASの性能要件は、警報時間について、航空路・ターミナル空域では5分～15秒以内、非精密進入では10秒以内、精密進入では6秒以内であること。 • トランスポンダ型が有利： • 実際のSBASでは、トランスポンダ型でもTTA=6秒がぎりぎり。ストアアンドフォワード型では実質的に不可能。

SBAS信号送信における制約

まとめ • 準天頂衛星によるSBASサービス（日本ではMSAS）実施の可能性： • 高価な人工衛星を個別のサービスごとに打ち上げるのは効率的とはいえない。 • 具体的には、準天頂衛星によりMSASサービスを実施できないか検討した。 • SBASサービスの要件： • RF信号仕様及びSBASメッセージについてはすでに定義されている。 • 特にインテグリティ（完全性）に関する要件が厳しい。警報時間について、精密進入では6秒以内との要求がある。 • 準天頂衛星初号機についての検討結果： • L1-SAIF補強信号を利用するならば、RF信号には互換性がある。 • 現行のSBAS規格では、準天頂衛星の軌道情報を伝送できない：測距機能を利用しないか、あるいはSBAS規格を改訂する必要がある。 • 警報時間（TTA）の要件を満たさない：精密進入サービスを実施しないか、あるいはSBAS用トランスポンダを搭載する。 • いずれにしても、航空用航法システムとしての厳しい認証を受ける必要がある。

電子航法研究所 坂井 丈泰、 福島 荘之介、 伊藤 憲、 工藤 正博