第54回宇宙科学技術連合講演会
静岡県コンベンションアーツセンター
Nov. 17-19, 2010
準天頂衛星L1-SAIF実験局の開発
電子航法研究所
坂井 丈泰、 福島 荘之介、 伊藤 憲
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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。
– 7つの研究開発機関が参加して技術実証実験を実施する。
– 初号機「みちびき」を9月11日に打ち上げ、所定の軌道に投入。
• L1-SAIF実験局:
– 国土交通省の委託を受け、電子航法研究所が開発を担当。
– L1-SAIF信号に乗せて放送する補強情報を生成し、JAXA地上局に伝送する。
– 電子航法研究所(東京都調布市)実験室内に整備、各種試験を完了。
• 内容:(1) 準天頂衛星システムとL1-SAIF補強信号
(2)
(3)
(4)
(5)
L1-SAIF信号の設計
L1-SAIF実験局の開発
リアルタイム動作試験
試験信号の受信
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(1)
準天頂衛星システム
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準天頂衛星打上げ
2010年9月11日 20:17
準天頂衛星「みちびき」を打上げ
• H-IIA 18号機により種子島宇宙センター
から打ち上げられた。
• 打上げから28分27秒後、「みちびき」を正
常に分離。
第2段ロケット
から分離された
「みちびき」
(c) 三菱重工業
(c) JAXA/三菱重工業
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準天頂衛星のメリット
準天頂衛星(QZS)
緯度(度)
GPSや静止衛星
経度(度)
東経135度を中心に配置
離心率0.1 軌道傾斜角45度
• 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。
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準天頂衛星「みちびき」
質量
Approx. 4,000kg
(NAV Payload:Approx. 320kg)
発生電力
Approx. 5.3 kW (EOL)
(NAV Payload: Approx. 1.9kW)
設計寿命
10 years
Radiation Cooled TWT
TWSTFT Antenna
C-band TTC Antenna
Laser Reflector
L1-SAIF Antenna
L-band Helical Array
Antenna
(図:JAXA QZSS PT)
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全体構成
QZSS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
GPS衛星
双方向時刻同期信号
測位信号
Up:
4.43453GHz
Down: 12.30669GHz
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
SLR局
モニタ局ネットワーク
時刻同期
管理局
主統制局 (MCS:Master
Control Station)
TT&C・航法メッセ
ージアップリンク局
ユーザ受信機
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)
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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実施する予定。
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放送信号
信号名
周波数
帯域幅
最低受信電力
L1CD
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
24 MHz
– 160.0 dBW
25 MHz
– 157.9 dBW
25 MHz
– 157.9 dBW
42 MHz
– 155.7 dBW
QZS-L1C
1575.42 MHz
補完信号
(JAXA)
QZS-L2C
1227.6 MHz
L5I
補強信号
(ENRI)
QZS-L5
L5Q
QZS-LEX
補強信号
(JAXA/GSI)
1176.45 MHz
1278.75 MHz
• 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
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(2)
L1-SAIF信号の設計
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L1-SAIF補強信号
準天頂衛星
補強信号
(補完機能)
補強信号
(誤差補正)
補強信号
(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
GPS衛星群
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メッセージ形式
• 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。
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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GPS/L1-SAIFシミュレータ
• GPS/L1-SAIFシミュレータ:
– GPS L1 C/A信号および QZSS L1-SAIF信号を発生。
– あらかじめ与えられているGPS衛星およびQZSS衛星の軌道情報および信号仕様に
従ってRF信号を生成。
– Spirent社製GPS/SBASシミュレータ
GSS7700を改造。
• 実験用に付加した機能:
– L1-SAIFメッセージをLANポートから
TCP/IP接続により入力するための
コマンドを追加。
– L1-SAIFメッセージは、このコマンドに
よるか、あるいはシミュレータ内部で
生成されたSBASメッセージが流用
される。
GPS/L1-SAIF
シミュレータ
GPS/L1-SAIF
受信機
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GPS/L1-SAIF受信機
• プロトタイプGPS/L1-SAIF受信機:
– GPS L1 C/A信号およびQZSS L1-SAIF信号を受信。
– IS-QZSSの規定に従い、L1-SAIFメッセージを復調・適用する。
– 古野電気製。
• 実験用に付加した機能:
– L1-SAIFメッセージをLANポートから
TCP/IP接続にて入力できる。
– L1-SAIFおよびSBAS信号を同時に
処理し、複数の測位結果を出力可能。
– 持ち運び可能なサイズ・重量。
GPS/L1-SAIF
受信機
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RF信号互換性試験
電子航法研究所(調布市)
古野電気
Spirent
シナリオ
GPS/L1-SAIF
シミュレータ
L1-SAIF信号
RFケーブル
GPS/L1-SAIF
受信機
TCP/IP
L1-SAIFメッセージ
復調済みメッセージ
比較・照合
• 測距機能:L1-SAIFシミュレータが生成したRF信号を使用して、正常にユーザ位置が得られ
ることを確認。
• メッセージ復調:シミュレータにLANポートから入力したL1-SAIFメッセージと、受信機が出力
した復調済みメッセージが一致することを確認。シミュレータには送信時刻の2秒以上前にメ
ッセージを入力する必要がある。
• 2009年2月まで断続的に実施・完了。
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RF信号互換性試験(結果)
2008/9/10 00:05:00 to 06:00:00 (6 hours)
GPS単独測位
L1-SAIF補強あり
OK!
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(3)
L1-SAIF実験局の開発
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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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JAXA-ENRIインターフェース
• 地上システムICD(Interface Control Document)「G-ICD」:
– JAXA QZSS主制御局(MCS)と電子航法研究所L1-SAIF実験局(L1SMS)との間
のインターフェースを規定。
– 2008年1月に初版制定。
– TCP/IP接続で授受するデータのフォーマットをビット単位で詳細に規定。
• 2本の通信回線による構成:
– ISDN(64kbps)および光回線(1.5Mbps)を利用。
– ISDN(低速回線):L1-SAIFアップロードのための高信頼回線。
– 光回線(高速回線):実験局ステータスやモニタ局観測データを交換。
電子航法研究所
アップロードメッセージ
ISDN
ルータ
L1SMS
ルータ
光回線
その他データ
JAXA
ルータ
MCS A系
ルータ
MCS B系
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他機関と実施した試験
試験略称
実施時期
測位系間外試験(その1)
2008年11月
NEC府中
L1SMS、MCS
測位システム試験
2008年12月
NEC府中
L1SMS、MCS、NP-EM、GPSL1-SAIF受信機
ENRI調布
L1SMS、ETS-VIII端末装置
ETS-VIII利用実験
2009年2月
測位系間外試験(その2)
2010年1月
測位地上系総合試験
2010年2月
使用機材
軌道上
ENRI仙台
ETS-VIII端末装置、GPS/L1SAIF受信機
ENRI調布
L1SMS
JAXAつくば MCS
ENRI調布
2010年2月
L1SMS
JAXAつくば MCS
ENRI調布
総合検証試験
ETS-VIII
L1SMS
JAXAつくば MCS
MELCO鎌倉 NP-PFM、GPS/L1-SAIF受信機
NP:航法ペイロード、EM:エンジニアリングモデル、PFM:プリフライトモデル
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測位システム試験
NEC(府中市)
電子航法研究所
JAXA
アップロードメッセージ
L1SMS
シミュレータ
HUB
ログ
GPS/L1-SAIF
受信機
ログ
LAN
HUB
L1-SAIF信号
RFケーブル
MCS B系
航法ペイロード
EM
ログ
航法ペイロード
• JAXA MCSとL1-SAIF実験局(L1SMS)間、航法ペ
イロードとGPS/L1-SAIF受信機の間のインターフェ
ース試験。
• データパケットのフォーマット検証(アップロード系の
み)、ログ情報の比較・照合。
• 2008年12月に実施・完了。
受信機
L1SMS
シミュレータ
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測位系間外試験(その2)
電子航法研究所(調布市)
電子航法研究所
JAXA(つくば)
アップロードメッセージ
ルータ
L1SMS
シミュレータ
JAXA
ルータ
MCS A系
ルータ
MCS B系
ISDN
ルータ
その他データ
光回線
ログ
ログ
• 実際に使用する通信回線を利用したJAXA MCSとL1-SAIF実験局(L1SMS)の
インターフェース試験。
• データパケットのフォーマット検証(全パケット)、ログ情報の比較・検証。
• 2010年1月に実施・完了。
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総合検証試験
電子航法研究所(調布市)
電子航法研究所
JAXA(つくば)
アップロードメッセージ
ルータ
ルータ
L1SMS
シミュレータ
JAXA
MCS A系
ISDN
ルータ
その他データ
ログ
ルータ
追跡管制系
光回線
ログ
MELCO(鎌倉)
追跡管制系
• JAXA MCS、L1-SAIF実験局(L1SMS)、航法ペイ
ロード、GPS/L1-SAIF受信機をすべて接続した試験。
• データパケットのEnd-to-Endの整合性確認、ログ情
報の比較・照合。
• 2010年2月に実施・完了。
航法ペイロードPFM
L1-SAIF信号
RFケーブル
GPS/L1-SAIF
受信機
ログ
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(4)
リアルタイム動作試験
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リアルタイム動作試験
• 電子基準点940058(高山)におけるユーザ
測位誤差。
南北方向誤差(m)
• 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)
水平
測位誤差
垂直
測位誤差
RMS
1.45 m
2.92 m
最大
6.02 m
8.45 m
RMS
0.29 m
0.39 m
最大
1.56 m
2.57 m
システム
GPS単独
GPS単独測位
L1-SAIF補強
L1-SAIF
補強
東西方向誤差(m)
※測量級の受信機及びアンテナを使用
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連続稼動試験
• L1-SAIF実験局を長期間にわたり連続運転:
– ハードウェア・ソフトウェアの安定性を確かめる。
– 期間1: 2008年3月11日~2008年5月24日(74日間)
– 期間2: 2008年6月10日~2008年8月28日(79日間)
※これ以上は所内停電のため不可
• 試験結果:大きなトラブルなし:
– 人による介入なしに正常に連続動作。
– ユーザ測位精度にも特に目立った問題はみられない。
ユーザ測位精度の例 (単位: m)
940030
男鹿
93101
御前崎
940058
高山
940085
土佐清水
950491
佐多
水平
0.362
0.363
0.362
0.423
0.502
垂直
0.517
0.536
0.548
0.608
0.739
水平
0.460
0.440
0.347
0.416
0.552
垂直
0.657
1.236
0.678
0.699
1.371
電子基準点
期間1
期間2
※測量級の受信機及びアンテナを使用
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ETS-VIIIによる実験
GPS衛星
ETS-VIII(きく8号)
L1-SAIF実験局
(東京都調布市)
GPS/L1-SAIF受信機
(仙台空港)
• ETS-VIII衛星(きく8号)利用実験として、補強メッセージを衛星回線で伝送する実験を実施。
• 衛星回線・LANを経由して、L1-SAIFメッセージを遠隔地のGPS/L1-SAIF受信機で受信・処理
し、補強済みの測位結果を得た。
• 信号形式が異なり、またETS-VIII端末に測距機能がないことから、補完機能の試験は不可。
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ETS-VIIIによる実験(結果)
水平方向測位誤差(データ点数=21696)
水平方向測位誤差(データ点数=21696)
高頻度
高頻度
中心がずれている
南北方向誤差(m)
南北方向誤差(m)
2009年2月17 01:21:39~07:23:14 UTC (約6時間)
中心がずれない
低頻度
東西方向誤差(m)
GPS単独測位
測位精度(水平方向) 1.221 m
(垂直方向) 4.043 m
低頻度
東西方向誤差(m)
L1-SAIF補強あり
測位精度(水平方向) 0.412 m
(垂直方向) 0.464 m
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(5)
試験信号の受信
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試験信号の受信
• 軌道上の準天頂衛星から放送されたL1-SAIF試験信号を受信。
• 2010年10月23日09:46:48~10:48:07(GPS時刻)にかけて、電子航法研究所岩沼分室(仙
台空港内)に設置してあるL1-SAIFプロトタイプ受信機(古野電気製)により受信した。
• 何らの補正も施していないため、主に受信機クロックの影響による変化がみられる。
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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衛星について、測位性能を改善するための補強情報を提
供する。
– 補強信号L1-SAIF信号については、国土交通省の委託を受け、独立行政法人電子
航法研究所が開発を担当。
• L1-SAIF実験局:
– JAXAの高精度測位実験システムと連携して稼動する、L1-SAIF実験局を電子航法
研究所内に整備した。
– H21年度までに性能試験・JAXAとの連接稼動試験を完了し、技術実証実験に向け
た準備を整えた。
– 当所L1-SAIF受信機により、軌道上の準天頂衛星が放送したL1-SAIF試験信号を
受信できた。初期チェックアウトの完了後、技術実証実験を実施する。
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