さまざまな次世代GPS測位方式：4.エアポートシュードライト
8
0
0
全文
(2) して，①パルス化，②周波数オフセット，③ワイドバ. ードライトの検討がなされている．ICAOよりも先行して，. ンド（高いチップレート）の使用などが考えられる．チ. RTCA にてエアポートシュードライトについての具体的. ップレートとは，1 秒間のビット数を示し，擬似雑音符. な信号構造が検討された. 号を発生させる基準クロック周波数と同じである．①. エアポートシュードライトの開発は，日本，米国，. の方法は，シュードライト信号が出ている間のみ GPS 信. ドイツで行われている．日本では航空振興財団により. 号に影響が出る方法で，信号が出ている時間が少なけ. RTCA の規格に基づき開発を行い，2001 年度に航空振興. れば少ないほどニアファー問題が改善される．②の方. 財団と電子航法研究所との共同でフライト試験を仙台空. 法には，GPS 信号と同じバンド内（L1: 1565-1585MHz ，L2:. 港で行った．. 5），6）. ．. 1217-1237MHz）で周波数シフトする方法と，まったく別. シュードライト（PL）の測位方式. の周波数を選択する方法が考えられる．GPS 衛星信号 は，現在は 2 種類あり民間で一般に使用されている周波 数は L1 周波数である．GPS 信号とまったく違うバンドを. 測位方法─────────────────────. 使用する方法は，ニアファー問題を完全になくすことが. 測位を行う場合，GPS 衛星から出た時刻と地表で受信. できる．しかし，受信機に新しい受信回路を追加し，周. した時刻との差から求められる距離（擬似距離）を使う．. 波数間のバイアスを考慮する必要がある．③の方法は，. この擬似距離には，受信機の時刻と GPS の時刻で時計の. 民間で一般に使われている C/A コードのチップレート. 進み方の違い（時刻誤差）が含まれている．そのため，. （1.023MHz ，繰り返し周期 1ms）よりも高いチップレート. 位置を決めるための変数は，時刻誤差を含めて 4 つある．. （P コードの場合，10.23MHz ，繰り返し周期 1 週間）を使. GPS 衛星のみを使って測位を行う場合，最低 4 つの衛星. 用することにより，信号がより広いバンドに拡散する．. が観測されていなければならない．しかし，地上にシュ. このことにより，C/A コードで使用しているバンド内に. ードライトが 1 つある場合には，GPS 衛星が 3 つあれば. あるシュードライト信号量が減少し，ニアファー問題が. 位置の計算を行うことができるはずである．この場合，. 改善される．さらに，高いチップレートを使うことによ. 地上にあるシュードライトと GPS 衛星との時刻誤差がな. り，C/A コードの場合よりもマルチパスの影響を受けに. いことが必要である．. くく，精度も良くなる．P コードは，GPS の場合 L1 およ. 擬似距離には，時刻誤差の他に信号が受信機まで到達. び L2 周波数に乗っていている．. する間に被る誤差成分が含まれている．GPS 衛星の場合. 1986 年 に は，RTCM（Radio Technical Commission for Mari-. は，電離層と大気による伝播遅延量，マルチパスによる. time Services）が，シュードライトの信号構造を提案し，. 効果がそうであり．シュードライトの場合は，大気によ. 2）. 1990 年には，これに対する修正がなされている ．. る伝播遅延量，マルチパスによる効果が擬似距離に含ま. 我 が 国 で は，1996 年 7 月 か ら 8 月 に か け て，GSP 周. れる．これらの誤差成分を補正することにより，より良. 波数バンド外（1624.61MHz）に周波数シフトし，RTCM 方. い精度で測位を行うことができる．. 式に基づくシュードライトを用いた小型自動着陸実験. GPS 衛星とシュードライトの擬似距離に対し，それぞ. 3）. （ALFLEX : Automatic Landing Flight Experiment）が行われた ． そのほかに，Stanford 大学が行った Integrity Beacons 方式. れ誤差の補正を行った後に，最小二乗法を用いて測位計. 4）. 7）. 算を行うことができる ．. がある．この方式は，2 つのシュードライトを空港外に 置き，2 つのシュードライトの上空を航空機が通過した. シュードライトの有効範囲────────────. 際に，搬送波位相のアンビギュイティを決定する方法で. シュードライトの有効範囲は，用途により異なる．有. ある．. 効範囲を 10NM（1NM1.852Km）とした場合，シュードラ. 米 国 で は， 航 空 機 が 計 器 を 使 用 し て 空 港 に 着 陸. イトから 10NM で GPS 衛星信号レベルと同レベルになる. す る 次 世 代 の 航 空 航 法 と し て， 狭 い 地 域 を 対 象 と. ようシュードライトの送信出力を設定する．エアポート. し，GPS 単 独 で 達 成 で き な い 精 密 進 入 を 補 強 す る. シュードライトの場合について，表 -1 に回線設計値を. LAAS（Local Area Augmentation System）の 開 発 を 行 っ て い. 示す．この場合，尖頭電力として 33dBm（2W）が必要と. る．RTCA（Requirements and Technical Concepts for Aviation）. なる．有効範囲が，エアポートシュードライトほど必要. で具体的な検討がなされている．ICAO（International Civil. とされない場合には，送信出力を下げることができる．. Aviation Organization）では，この方式を GBAS（Ground Based Augmentation System）と呼んでいる．RTCA および ICAO にお. ニアファー（Near Far）問題̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶. いて，現在まとめられた規格よりもさらに精度の良い精. シュードライトを考える場合に最も重要な問題の 1 つ. 密進入で，システムを補強するために，航空機用のシュ. である．この問題を回避するため，周波数のシフト，パ. 854. 43 巻 8 号 情報処理 2002 年 8 月. −2−.
(3) 項 目 送信機出力電力（尖頭） 送信給電損失 送信アンテナ利得 送信尖頭電力. Pp Pl Gt Pt. 値 備 考 33 dBm 3 dB RG-9B/U 10m 相当 6 dBi 36.0 dBm. 自由空間損失 受信アンテナ利得 パルスデューティ損失 受信電力（平均）. Γp Gr ζ Pr. 121.7 dB 10nm:1575.42 MHz -10 dB 偏波ロスを含む 31.3 dB D ＝ 2.73% -127 dBm. 必要受信電力 回線マージン. Smin M. -133 dBm 6 dB. 1575.42MHz （GPS L1） 40dB 以下 （全周波数バンド， 無変調 キャリア電力にて） 変 調 2 相変調 （BPSK）． データ送信レート :50bps チップレート :10.23M チップ／秒 信号スペクトラム 中心周波数 :1575.42MHz 帯域 ： 41MHz キャリア周波数安定度 キャリア周波数の短期安定度 : -11 5 × 10 （ドップラー効果を除く， 1 ～ 10 秒間にて） 偏波面 垂直偏波 パルスシーケンスの長さ 1sec パルスシーケンスクロック 140 APL コードチップ （1 パルス内） パルス幅 140APL コードチップ （約 13.685 μ sec） 1 秒間のパルス数 1997 平均パルスデューティサイクル (1997 × 140)/10,230,000=0.02733 キャリア周波数 スプリアス放射. 表 -1 シュードライト回線設計. 表 -2 エアポートシュードライト信号特性. 5）. ルス化，ワイドバンド信号などを考慮する必要がある．. に到達し，マルチパスの影響を軽減するように配置する. RTCM で は，C/A コ ー ド を 使 用 し，1/11 の デ ュ ー テ ィ サ. ことである．. イクルによるパルス化の方法が採用されている．一方，. マルチパスの影響を軽減するため，エアポートシュー. RTCA では，P コードを使用し，ランダムパルス周期によ. ドライトでは，地上からの反射率が小さい垂直偏波を使. るデューティサイクル 2.733％としている．この低デユ. 用し，低仰角でシャープカットなアンテナパターンを採. ーティサイクルと P コードによりニアファー問題に対処. 用している．. している．. エアポートシュードライト（APL） 複数シュードライト──────────────── 複数のシュードライトを使うために考慮しなければな. エ ア ポ ー ト シ ュ ー ド ラ イ ト の 信 号 規 格 は，RTCA . らないことは，① GPS への干渉，②シュードライト同士. SC-159 委員会で議論され，LAAS ICD の Appendix D および. の干渉，③シュードライトに割り当てるコードなどであ. E に記載されている．エアポートシュードライトを使用. る．さらに，ディファレンシャル補正を作成するため，. することにより，GPS 衛星の配置による測位精度の劣化. 補正情報を作る基準局は，すべてのシュードライト信号. を抑えることができ，システムの稼働率が向上するもの. を受信できなければならない．. と考えられている．. 5）. ①，②の条件を満足させるため，エアポートシュード ライトの場合は，ランダムなパルス化および P コード. 信号特性 ・ データフォーマット─────────. を使用している．エアポートシュードライトが 4 つあ. エアポートシュードライトの信号は，GPS と同じ L1 周. る場合について，パルス同士の干渉による C/N0 劣化は，. 波数の P コードを使用している．エアポートシュードラ. 0.085dB と許容できるものである．. イト信号特性を表 -2 に示す．. シュードライトに割り当てられる PRN コードに関し，. エアポートシュードライトから放送されるデータは，. C/A コードの場合 PRN34 ，35 ，36 ，37（34 と 37 は同一コ. 50bps のレートで放送される 25 ビットからなる構造をし. 7）. ード）を使用することができる ．一方，P コードを使. ている．図 -1 に示すように，14 ビットのコードディレ. 用する場合には，同じ PRN コードで P コードの始まりの. イと 11 個の 1 からなっている．コードディレイは，エ. 時刻を 1 分単位で遅らせることにより 72 のコードを割. アポートシュードライトコードの遅延量を示している．. り当てることが可能である．. エアポートシュードライトの問題と解決策──── シュードライト設置────────────────. エアポートシュードライトの場合は， ニアファー問題，. シュードライトの設置を行う場合，特に考慮しなけれ. マルチパスなどの問題に加え，バイアス問題がある．こ. ばならないことは，障害物とマルチパスである．シュー. れは，送信電力が比較的大きいことから受信機入力信号. ドライト信号が障害物により遮蔽されず，信号がユーザ. が飽和してしまうため，擬似距離にバイアスが生じる現. IPSJ Magazine Vol.43 No.8 Aug. 2002. −3−. 855.
(4) 項目 総合 GPS 擬似距離誤差 エアポートシュードラ イト 擬似距離誤差 補正後の エアポートシ ュードライト 擬似距離 誤差 PRN 22 擬似距離誤差 PRN 13 擬似距離誤差. ������������������������������� ��. �������������������������������. ���������. 図 -1 エアポートシュードライトコードデータフォーマット. 標準偏差 [m] 0.539 0.590. 備考. 0.244. 0.173 0.743. EL=70 degrees EL=20 degrees. 表 -3 擬似距離残留誤差. 象と推測され，受信機のダイナミックレンジを大きくす. としてセシュウム基準クロックを使用した．解析はすべ. るなどの方法により対処できるものと考えられている．. てオフラインで行った．. ニアファー問題およびマルチパスに関する対処策はす. 2002 年 1 月 24 日に行ったフライト試験結果をもとに. でに述べた通りである．. 説明を行う．. 実験用エアポートシュードライト特性──────. ディファレンシャル GPS 擬似距離残留誤差────. エアポートシュードライトは，C/A コードも生成する. 擬似距離に対するディファレンシャル補正後の残留誤. ことができる．この C/A コードは，P コード信号にロッ. 差を表 -3 に示す．. クするためのハンドオーバワード（HOW）を含んでいる．. 図 -2 に残留誤差を滑走路末端からの距離に対してプ. GPS 受 信 機 は，GPS 信 号 と エ ア ポ ー ト シ ュ ー ド ラ イ. ロットしてある．図中の点は，GPS に対応し，○はエア. ト信号を受信できるよう，NovAtel 社製 Millennium および. ポートシュードライトに対応している．ひし形は，各時. Beeline 受信機のファームウェアを改造し，C/A コードか. 間の GPS 残留誤差の平均を示している．. ら P コードへ乗り移る（C/A ハンドオーバ）機能および直. エアポートシュードライトの残留誤差の分布が GPS 衛. 接 P コードにロックする（ダイレクト P）機能を持って. 星の誤差分布の中にあることが分かり，距離に対して. いる．. 傾きがある．この傾きが，受信機入力信号強度の変化に. エアポートシュードライト用アンテナは，水平面から. 伴うバイアスである．この状態の，エアポートシュード. 仰角 3 度方向で 6dBi（dBi とは，等方性アンテナ基準の. ライト擬似距離の残留誤差の標準偏差は，0.59m であり，. 利得を表す単位）の利得を持つ垂直偏波のアレイアンテ. PRN13 よりも良いことが分かる．PRN13 は，比較的低仰. ナである．. 角の衛星である． エアポートシュードライトの位相は，信号強度が 20dB. フライト試験結果. 8）. 変化した場合でも 2cm 程度しか変化しない ．そこで， バイアス効果とバイアス補正後のエアポートシュードラ. 飛行試験は第 1 回目を 2001 年 12 月に第 2 回目を 2002. イト擬似距離残留誤差を推定するため，擬似距離から位. 年 1 月の 2 回に分けて行った．第 1 回目と 2 回目は，エ. 相を引いた値に対して直線近似を行いバイアス効果を補. アポートシュードライト空中線を異なる場所に設置し. 正する．図 -3 に擬似距離−位相を示す．横軸は，滑走. た．. 路末端からの距離を示し，上図が擬似距離−位相を示し. 精度を評価するための基準として，航空機（ビーチク. ている．下図がそのときの C/N0 と高度プロファイルを. ラフト 99）に搭載した基準 GPS 受信機による Kinematic 測. 示している．この図から，バイアスが 0.344m/NM の変. 位結果を使用した．また，航空機に搭載した GPS/APL 受. 化を示し，補正後のエアポートシュードライト擬似距離. 信機の基準クロックとしてルビジウム基準クロックを使. 残留誤差の標準偏差が，0.244m であることが分かる．. 用した．これは，クロックによるドリフトを抑え擬似距 離の評価を容易にするためのものである．ディファレン. ニアファー問題─────────────────. シャル基準局も，解析を容易にするため，基準クロック. エアポートシュードライト信号による GPS 衛星信号へ. 856. 43 巻 8 号 情報処理 2002 年 8 月. −4−.
(5) 図 -2 ディファレンシャル測位後の残留誤差. 図 -3 擬似距離－位相距離. IPSJ Magazine Vol.43 No.8 Aug. 2002. −5−. 857.
(6) 図 -4 GPS 衛星信号への干渉 （ニアファー問題）. 滑走路方向 滑走路横方 向 垂直方向. エアポートシュードライトなし 平均 標準偏差 [m] [m] -0.383 0.517 0.223 1.133 -0.098. 1 エアポートシュードライト 平均 標準偏差 [m] [m] -0.194 0.331 0.393 1.195. 1.500. 0.544. 0.670. 表 -4 エアポートシュードライトあり／なしの場合のディファレンシャル測位結果. の干渉効果を調べるため，エアポートシュードライトア. 今後の予定. ンテナから 87m 離れた場所で，エアポートシュードライ ト信号と GPS 信号の受信を行った．エアポートシュード ライト信号のオン・オフを繰り返し GPS 衛星信号の C/N0. エアポートシュードライトを使用したフライト試験結. の変化を測定した．図 -4 の上図は C/N0 の様子を，下図. 果から，垂直方向の精度が向上することが分かった．ま. は PRN29 衛星の仰角を示している．. た，デューティサイクル 2.733% という低いレートなど. この結果から，87m しか離れていない場所であっても，. によりニアファー問題が解決されている． しかしながら，. GPS 衛星の C/N0 の劣化が 0.5dB 程度であることが分かる．. エアポートシュードライト信号強度の変化に伴うバイア ス問題，マルチパスの影響を小さくするための設置条件. ディファレンシャル測位結果───────────. などさらに検討を行う必要がある．. オフラインで航空機に搭載した受信機データに対する. バイアス問題に対処するため，受信機信号入力部の改. ディファレンシャル測位を行った結果を表 -4 に示す．. 造を行い評価することが今後の課題である．. 擬似距離に対するスムージングは，受信機内部の機 能を使用している（時定数 10 秒） ．垂直方向の測位精度. 謝辞 エアポートシュードライトは日本財団の助成. が向上しており，エアポートシュードライトなしの場合. により航空振興財団が開発を行った．フライト試験は航. μ 2 σ 3.098m であるのに対し，エアポートシュード. 空振興財団および電子航法研究所との共同研究で実施さ. ライトがある場合μ2 σ1.884mになっている．図-5. れ，この事業は空港整備環境協会の助成を受けて実施さ. に結果を示す．. れた．ご尽力いただいた航空振興財団足立彌八郎事業部 長，適切なアドバイスをいただいた「地上擬似衛星を用. 858. 43 巻 8 号 情報処理 2002 年 8 月. −6−.
(7) 図 -5 ディファレンシャル測位結果. いた精密進入援助システムの開発」委員長水町守志芝浦 工大教授を初めとする委員各位メンバ，エアポートシュ ードライトアンテナの設置等に際しご協力いただいた， 国土交通省東京航空局仙台空港事務所，電子航法研究所 岩沼分室の関係者に感謝します． 参考文献 1）Elrod, B.D. and Van Dierendonck, A.J.: Pseudolites, Global Positioning System: Theory and Applications, Vol.II, pp.51-79, AIAA (1996). 2）Radio Technical Commission for Maritime Services, RTCM Recommended Standards for Differential Navstar GPS Services, Ver.2.0, RTCM Special Committee No.104 (1990). 3）張替正敏，松本秀一他 : シュードライト方式 DGPS 着陸航法のシステム 設計，日本航空宇宙学会誌，Vol.47, No.542 (1999). 4）Cohen, C.E., Pervan, B.S. and Cobb, H.S.: Precision Landing of Aircraft Using Integrity. Beacons, Global Positioning System: Theory and Applications, Vol.II, pp.427-459, AIAA (1996). 5）RTCA SC-159, GNSS Based Precision Approach Local Area Augmentation System（LAAS） Signal-In-Space Interface Control Document (ICD), RTCA DO-246/246A (1998/2000). 6）Van Dierendonck, A.J., Fenton, P. and Hegarty, C.: Proposed Airport Pseudolite Signal Specification for GPS Precision Approach Local Area Augmentation Systems, ION GPS-97, pp.1603-1612 (1997). 7）Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces, ICD-GPS-200, Rev.C, 25 (1997). 8）平成 12 年度 地上疑似衛星を用いた精密進入援助システムの開発報 告書，（財）航空振興財団 (2001). （平成 14 年 7 月 11 日受付）. IPSJ Magazine Vol.43 No.8 Aug. 2002. −7−. 859.
(8) −8−.
(9)
図
関連したドキュメント
本マニュアルに記載される手順等は、無人航空機の安全な飛行を確保するために少なく
我が国では近年，坂下 ２） がホームページ上に公表さ れる各航空会社の発着実績データを収集し分析すること
3) Okumura M., Tirtom H. and Okumura M.: Time Value Dis- tribution and Multi-modal Intercity Travel Network Shape: Theoretical Analysis for Typical Setting, procedia - Social
ICAO Aviation CO2 Reductions Stocktaking Seminarの概要
詳細はこちら
一方で、自動車や航空機などの移動体（モービルテキスタイル）の伸びは今後も拡大すると
パターン 1 は外航 LNG 受入基地から内航 LNG 船を用いて内航 LNG 受入基地に輸送、その 後ローリー輸送で
若築建設株式会社九州支店、陸上自衛隊福岡駐屯地、航空自衛隊芦屋基地、宗像市役所、陸上自衛隊久留米駐屯地、航
