1 / 24

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

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。

giolla
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. 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）

  2. 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

  3. 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

  4. 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。

  5. 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。

  6. 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

  7. 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。

  8. 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。

  9. 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。

  10. 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。

  11. 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。

  12. 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。

  13. 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。

  14. 電離層遅延の分布例（ピーク時） Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 13

  15. 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

  16. 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

  17. 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

  18. 空間相関（２９日） Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 17

  19. 空間相関（全体） Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 18

  20. 空間相関（２９日：高緯度） Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 19

  21. 空間相関（２９日：低緯度） Nov. 2003 Sakai, ENRI Page 20

  22. 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。

  23. 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。

  24. 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

More Related