Transcript 準天頂衛星L1-SAIF信号による広域緊急メッセージ放送

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）
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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
（２） L1-SAIF信号の概要
（３） 広域緊急メッセージの設計例
（４） 遅れ時間・放送頻度の検討
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（１）
準天頂衛星システム
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準天頂衛星の構想
準天頂衛星（QZS）
GPSや静止衛星
• 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
• 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。
• 初号機「みちびき」：
離心率0.075、軌道傾斜角43度
• 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。
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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。
Ｈ22.9打上げ
技術／利用実証実験
現在
Ｈ30（2018）頃
実用４機体制を構築
その後
実用７機体制へ
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準天頂衛星「みちびき」
Mass
4,020kg (wet) 1,802kg (dry)
(NAV Payload：320kg)
Power
Approx. 5.3 kW (EOL)
(NAV Payload: Approx. 1.9kW)
Design Life
10 years
Radiation Cooled TWT
TWSTFT Antenna
Successfully launched on Sept.
11, 2010 and settled on QuasiZenith Orbit (IGSO).
C-band TTC Antenna
Nickname: “Michibiki”
Laser Reflector
L1-SAIF Antenna
L-band Helical Array
Antenna
（図：JAXA QZSS PT）
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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。
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（２）
L1-SAIF信号の概要
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L1-SAIF補強信号
一つの信号で３つの機能
準天頂衛星
補強信号
（補完機能）
補強信号
（誤差補正）
①補完機能
GPS衛星群
②誤差補正機能
補強信号
③信頼性付与機能
（信頼性付与）
• 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。
SAIF： Submeter Augmentation with Integrity Function
測位信号
ユーザ
（GPS受信機）
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サブメータ級補強の仕組み
準天頂衛星
GPS衛星
クロック誤差
軌道誤差
• さまざまな誤差を補正
• 信頼性の情報
補強情報
電離層
測距機能
対流圏
高仰角
ユーザ（１周波GPSアンテナ）
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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。
準天頂衛星
GPS衛星
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
電子航法研究所
JAXA地上局
（配信拠点＝新宿）
（東京都調布市）
（つくば）
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L1-SAIF実験局の外観
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
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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
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つくば市での実験
GEONET
Tsukuba 1
1 km
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。
0
15 分
時刻（UTC）
UTC時刻 05:30:01～05:45:01
5:44:01 AM
5:43:01 AM
5:42:01 AM
5:41:01 AM
5:40:01 AM
5:39:01 AM
5:38:01 AM
5:37:01 AM
5:36:01 AM
5:35:01 AM
5:34:01 AM
5:33:01 AM
5:32:01 AM
5:31:01 AM
5:30:01 AM
水平測位誤差（m）
水平測位誤差 （ｍ）
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つくば市：L1-SAIF補強あり
つくば：L1-SAIF補強あり
L1-SAIF測位精度（つくば2）
5
4
3
2
1
0.6m
0
15 分
時刻（UTC）
UTC時刻 05:30:01～05:45:01
5:44:01 AM
5:43:01 AM
5:42:01 AM
5:41:01 AM
5:40:01 AM
5:39:01 AM
5:38:01 AM
5:37:01 AM
5:36:01 AM
5:35:01 AM
5:34:01 AM
5:33:01 AM
5:32:01 AM
5:31:01 AM
5:30:01 AM
水平測位誤差（m）
水平測位誤差 （ｍ）
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つくば市：補強なし
つくば：L1-SAIF補強なし
GPS測位精度（つくば2）
5
4
3
2
2.0m
1
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（３）
広域緊急メッセージの設計例
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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。
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
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L1-SAIFメッセージ一覧（１）
Message Type
Contents
Compatibility
Status
0
Test mode
Both
Fixed
1
PRN mask
Both
Fixed
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
2 to 5
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L1-SAIFメッセージ一覧（２）
Message Type
Contents
27
SBAS service message
28
Clock-ephemeris covariance
Compatibility
Status
SBAS
Fixed
Both
Fixed
29 to 51
(Undefined)
—
—
52
TGP mask
L1-SAIF
Tentative
5３
Tropospheric delay
L1-SAIF
Tentative
(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
54 to 55
このメッセージに注目
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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。
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広域緊急メッセージの設計例
項 目
ビット数
内
容
緊急度識別
2
緊急度（3=最高～0=試験）
地域識別
5
配信対象地域（0=全域）
コンテンツ識別
1
コンテンツ形式（0=文字列）
ページ数
2
一組の情報の合計メッセージ数（1～4）
ページ識別
2
メッセージ連番
コンテンツ
200
ASCII 25文字
シフトJIS（14ビット）14文字
合計
212
データ領域ビット数
• 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。
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（４）
遅れ時間・放送頻度の検討
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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。
準天頂衛星
GPS衛星
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
電子航法研究所
JAXA地上局
（配信拠点＝新宿）
（東京都調布市）
（つくば）
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「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。
ENRI
Worst Case
Latency [s]
L1SMS
ISDN
0.20
QZSS MCS
3.70
JAXA
Uplink Station
K-band
0.20
Onboard Computer
4.60
QZS
Modulator
L-band
User
User Receiver
1.20
0.10
Total 10.00
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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。
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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。