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坂井 丈泰(電子航法研究所) 廣江 信雄(日本電気株式会社 電波応用事業部)

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電子情報通信学会総合大会 岡山大学 March 21, 2012. 準天頂衛星 L1-SAIF 信号による 広域緊急メッセージ放送. 坂井 丈泰(電子航法研究所) 廣江 信雄(日本電気株式会社 電波応用事業部). 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(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。補強信号: L1-SAIF 、 LEX の2種類。 第一段階: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。

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Presentation Transcript
slide1

電子情報通信学会総合大会

岡山大学

March 21, 2012

準天頂衛星L1-SAIF信号による

広域緊急メッセージ放送

坂井 丈泰(電子航法研究所)

廣江 信雄(日本電気株式会社 電波応用事業部)

slide2
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(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。補強信号:L1-SAIF、LEXの2種類。
    • 第一段階: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。
    • 実用準天頂衛星システムの開発を閣議決定。2010年代後半に4機体制とする。
  • 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:対応端末もすでに市販されている。
    • 補強情報の放送は毎秒1個のメッセージ(250ビット)が最小単位。測位精度の改善には毎秒1個でも余裕があるので、他に有効な用途があれば使用できる。
    • 日本全国のような広い範囲を対象とした同報通信(片方向):災害時等における広域緊急メッセージの放送に適している。
  • 内容:(1) 準天頂衛星システム (3) 広域緊急メッセージの設計例
  • (2) L1-SAIF信号の概要 (4) 遅れ時間・放送頻度の検討
slide3

(1)

準天頂衛星システム

slide4

準天頂衛星(QZS)

GPSや静止衛星

準天頂衛星の構想
  • 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。
  • 他にも有効な情報があれば、(障害物の少ない)高仰角から一括して放送可能。
  • 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
slide5

その後

実用7機体制へ

H30(2018)頃

実用4機体制を構築

H22.9打上げ

技術/利用実証実験

現在

実用準天頂衛星システムの開発
  • 準天頂衛星システム 第1段階:
    • H15に官民合同プロジェクトとしてスタート。
    • H18.3計画見直し:まず1号機を打ち上げて技術実証実験。2号機以降はその後検討。
    • 初号機「みちびき」は2010年9月に打上げ成功。予定通り各種実験を実施中。
  • 第2段階:実用準天頂衛星システムの開発:
    • H23.9.30閣議決定により、開発を進めることを決定。
    • 2010年代後半を目処として、4機体制による実用準天頂衛星システムの開発を進める。
    • 将来的にはさらに7機体制への以降を目指す。
    • 目的:社会インフラの整備、アジア太平洋地域への貢献、災害対応能力の向上、など。
      • SMS(Short Message Service)の機能を備える方向。
slide6

25.3m

Radiation Cooled TWT

TWSTFT Antenna

Successfully launched on Sept. 11, 2010 and settled on Quasi-Zenith Orbit (IGSO).

Nickname: “Michibiki”

C-band TTC Antenna

Laser Reflector

L1-SAIF Antenna

L-band Helical Array Antenna

準天頂衛星「みちびき」

(図:JAXA QZSS PT)

slide7
準天頂衛星の機能
  • GPS補完機能:
    • GPS補完信号として、GPSと互換性のある測位信号を放送。
    • 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。
    • 宇宙航空研究開発機構(JAXA)が技術実証実験を実施。
    • 準天頂衛星の正確な位置の計算などのため、国内・アジア地域にモニタ局を展開。
    • ユーザ受信機は、ソフトウェアの改修程度で対応できる。
  • GPS補強機能:
    • すべてのGPS衛星を対象として、距離測定精度を改善するディファレンシャル補正情報や信頼性改善のための情報を、補強信号に乗せて放送する。
    • L1-SAIF信号:移動体測位用。国際標準規格SBASと互換性のある信号形式で、ソフトウェアの改修程度で対応できる。
    • 電子航法研究所では、国土交通省からの委託によりL1-SAIF補強信号の開発を実施。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。
slide8

(2)

L1-SAIF信号の概要

l1 saif

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

  • 一つの補強信号により、3つの機能を提供:補完機能(距離測定)・誤差補正(目標精度=1m)・信頼性付与。
  • ユーザ受信機は、1つのGPS用アンテナによりGPSとL1-SAIFの両方を受信:受信機の負担軽減。
  • 情報の伝送はメッセージ単位:メッセージ順序・内容は可変=フレキシブルな情報提供。

ユーザ

(GPS受信機)

SAIF: Submeter Augmentation with Integrity Function

slide10

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
l1 saif l1sms

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。
l1 saif1

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
slide13
技術実証実験

GPS+IMU

  • L1-SAIF技術実証実験:
    • L1-SAIFはもともと移動体に対する補強サービスとして計画されている。
    • このため、車両を使用して実験を行った。
    • 実験場所としては、都市部・郊外・高速道路(高架道)を予定。
    • 実験期間:2010年12月~2011年3月。
  • 実験機材:
    • 基準位置: GPS+IMUセンサで取得
    • 国土地理院GEONET電子基準点を利用して、後処理により高精度な基準位置を得る。
    • 車両内にGPS/L1-SAIF受信機とパソコンを搭載。
    • 受信機はL1-SAIF補強処理をリアルタイムに実施。受信機から出力された位置情報を記録する。
    • 記録された位置出力と基準位置を比較し、測位誤差を求めた。

GPS/L1-SAIF受信機

slide14

GEONET

Tsukuba 1

1 km

つくば市での実験

走行経路

典型的な状況

  • 2010年12月16日(準天頂衛星は天頂付近にあることを確認)
  • 茨城県つくば市の西部郊外を6kmほど走行した。
  • 高層建築は少ないが、電柱や電線、信号機といった障害物が多数ある状況。
l1 saif2
つくば市:L1-SAIF補強あり

つくば:L1-SAIF補強あり

水平測位誤差(m)

0.6m

UTC時刻 05:30:01~05:45:01

15 分

slide16
つくば市:補強なし

つくば:L1-SAIF補強なし

水平測位誤差(m)

2.0m

UTC時刻 05:30:01~05:45:01

15 分

slide17

(3)

広域緊急メッセージの設計例

l1 saif3

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

L1-SAIFメッセージの構造
  • 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。
    • 対応端末もすでに市販されている。
  • 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。
l1 saif4

Message Type

Contents

Compatibility

Status

0

Test mode

Both

Fixed

1

PRN mask

Both

Fixed

2 to 5

Fast correction & UDRE

Both

Fixed

6

UDRE

Both

Fixed

7

Degradation factor for FC

Both

Fixed

8

Reserved

SBAS

Fixed

9

GEO ephemeris

SBAS

Fixed

10

Degradation parameter

Both

Fixed

12

SBAS network time

SBAS

Fixed

17

GEO almanac

SBAS

Fixed

18

IGP mask

Both

Fixed

24

Mixed fast/long-term correction

Both

Fixed

25

Long-term correction

Both

Fixed

26

Ionospheric delay & GIVE

Both

Fixed

L1-SAIFメッセージ一覧(1)
l1 saif5

Message Type

Contents

Compatibility

Status

27

SBAS service message

SBAS

Fixed

28

Clock-ephemeris covariance

Both

Fixed

29 to 51

(Undefined)

52

TGP mask

L1-SAIF

Tentative

53

Tropospheric delay

L1-SAIF

Tentative

54 to 55

(Advanced Ionospheric delay)

L1-SAIF

TBD

56

Intersignal biases

L1-SAIF

Tentative

57

(Ephemeris-related parameter)

L1-SAIF

TBD

58

QZS ephemeris

L1-SAIF

Tentative

59

(QZS almanac)

L1-SAIF

TBD

60

(Regional information)

L1-SAIF

TBD

61

Reserved

L1-SAIF

Tentative

62

Reserved

Both

Fixed

63

Null message

Both

Fixed

L1-SAIFメッセージ一覧(2)

このメッセージに注目

slide21
メッセージタイプ番号の選定
  • 広域緊急情報を放送するためのメッセージタイプを適切に定義すればよい。
  • 国際標準システムSBASの規定:
    • 国際標準規格SBASでは、現在のところメッセージタイプ0~28と62~63が定義されており、残りは「Spare」とされている。
    • 一般に、SBAS対応受信機は未定義のメッセージタイプは無視する。
    • ただし、将来的には現在未定義のメッセージが使用される可能性がある。このとき、同じ番号のメッセージがSBASとL1-SAIFで異なる意味となる状況を避けたい。
  • メッセージタイプ番号の選定:
    • MT62は規格上は単なる「Reserved」とされているが、実際にはSBASシステムで実用されていた経緯がある。
      • 米国WAASや日本のMSASで、TTA(警報時間)を測定するためにSBAS内部で使用していた(現在は使用されていない) 。
    • MT62についてはSBASが内部的に使用することが想定されており、将来的に定義が変更されることはない。
    • SBASで定義されていない用途に使うためには、MT62がもっとも安全。
slide22
広域緊急メッセージの設計例
  • メッセージの内容については検討していない。
  • 4メッセージを一組として使用することで、4秒間で800ビットのメッセージを放送可能。
  • 複数の準天頂衛星を使用すれば、実効伝送速度を上げることもできる。
slide23

(4)

遅れ時間・放送頻度の検討

l1 saif6

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実験局の構成(現在)
  • 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。
slide25
「みちびき」のメッセージ伝送時間
  • メッセージ伝送時間
    • 主統制局で生成したメッセージが衛星を経由してユーザ受信機に到達するまでの時間。
    • SBASではTTA(警報時間)に直結する重要な性能指標とされている。
  • 「みちびき」の場合
    • L1-SAIF実験局からメッセージを送出して、準天頂衛星「みちびき」から放送されるまでに、最大で10秒を要する。
      • 実機での測定結果は約5秒程度。
    • MCS内部での処理や衛星内部でのNOCによる処理に時間がかかるため。
    • 3つのメッセージをあわせて一つの処理単位としているから。
  • 伝送遅れが許容されないようなら、メッセージ送信系の改良が必要。

Worst Case

Latency [s]

L1SMS

ENRI

ISDN

0.20

QZSS MCS

JAXA

3.70

Uplink Station

K-band

0.20

Onboard Computer

QZS

4.60

Modulator

L-band

1.20

User Receiver

0.10

User

Total 10.00

slide26
ダミーメッセージによる検討

Simulated L1-SAIF Position Accuracy

From 09-11-13 00:00

To 09-11-15 24:00

GMS: 6-site like MSAS

Processing by ENRI

Assumed user location:

@GEONET 93101

(Omaezaki)

  • ダミーメッセージ(MT63)を割り込ませて、測位精度の劣化の程度を調べた。
  • メッセージ全体に対して、10%, 20%, 25%, 33.3%, 50%のダミーメッセージを挿入して試したが、測位精度の劣化は見られなかった。
  • 時期によっては電離層活動の活発化による影響が考えられるが、それにしても伝送容量には余裕がある。
  •   →補強性能を犠牲にすることなく広域緊急メッセージ配信に利用可能。
slide27
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。
    • L1-SAIF信号:GPS L1 C/Aと同一形式の補強信号。対応端末もすでに市販。
  • 広域緊急メッセージの伝送:
    • L1-SAIF信号は、広い範囲に一括して同報通信をする用途に適している。
    • 端末の対応も進んでおり、プロバイダ側にも特段の負担はない。
    • 災害時等における広域を対象とした緊急メッセージ配信に有効。
    • サブメータ級の測位精度を得るには、現行L1-SAIFの半分程度の伝送容量で十分。補強性能を犠牲にすることなく緊急メッセージ配信を実現できる。
    • 現行のL1-SAIF放送系では、5秒程度の伝送遅れがある。2号機以降での改善に期待したい。