衛星航法を利用した精密進入に対する
機上補強技術の研究
（独）宇宙航空研究開発機構 航空プログラムグループ
運航・安全技術チーム 航法技術セクション
藤原 健
航空宇宙研究会講演会 2010年10月29日¾ 背景
¾ 衛星航法による精密進入と、その課題
¾ 電離圏異常の脅威
¾ プラズマバブルの利用性への影響と、
INS複合による利用性の改善
¾ シンチレーションの信号追尾への影響と、
INS複合による追尾性能の改善
¾ まとめ，今後の計画
発表内容
研究の背景
• JAXAは、将来の航空交通需要の増加に
応えるため、次世代運航システムに関する
研究開発プログラムDREAMSを進行
– ICAOグローバルATM運用概念にもとづく
– NextGen（米），SESAR（欧），CARATS（日）と目標共有
• 高精度衛星航法の研究開発は、その中の
重点課題のひとつ
– CARATS： 全飛行フェーズでの衛星航法の実現
– 米・欧・日： GBASを利用した衛星航法精密進入の推進
– DREAMS： 衛星航法精密進入の利用性の向上
計器飛行による精密進入
一般に航空機は滑走路が視認できなければ着陸進入を取 りやめなければならないが、ILSと呼ばれる地上設備から 進入コースを示すために送信される電波に従うことで、視 界（視程）が不十分でも進入が許される（精密進入）。 進入コースを示す ILSからの電波衛星航法による精密進入
GBAS地上局 GPS 電離圏 共通の誤差を補正 ILSに代わり、GPSおよびその補強 システムであるGBASを利用した進 入が、衛星航法精密進入。 GBASは、地上に設置した GPS受信機4台をもとに GPSの誤差情報を生成し、 航空機へ伝送する。電離圏異常の脅威
電離圏 GBAS地上局 GPS 局所的な異常 →誤差の共通性が失われる電離圏の異常
• 電離圏の空間的な相関（遅延勾配）
– 平穏時： 4mm/km
– 磁気嵐時： ＞400mm/km、ただし低頻度
• プラズマバブル
– 磁気嵐による遅延勾配よりも弱いが高頻度
– 磁気緯度の低い地域では時期により、ほぼ毎晩
– 北米・欧州では影響が少ないため、調査不十分
プラズマバブル 電離 圏
プラズマバブル
¾夜間，電離圏下部の電子密度の 低い領域が泡のように電離圏上 部に上昇する現象 ¾太陽活動（11年周期）の極大期に おける春季・秋季に頻度大 （周囲より電子密度低） 主に東進 ～100m/s東京 鹿児島 沖縄 磁気赤道 赤道 経度［degE］ 緯度［ de g N ］ -20 -10 0 10 20 30 40 50 110 120 130 140 150
評価用プラズマバブルモデル
• パラメータ
– プラズマバブルの大きさ
• 東西： 110km • 南北： 5,200km • 高度： 600km– 中心緯度
• 北緯10度（磁気赤道）– プラズマバブルの速度
• 赤道上、東へ100m/s （経度：3.2deg/h）• 形状
プラズマバブルプラズマバブルと信号経路の干渉
プラズマバブル 電離 圏 GPS 0 1 2 3 4 -12 -8 -4 0 4 8 12 time [hour]Number of blocked SVs [-] epoch of SV constellation [h] 0 2 4 6 8 10 12 0 1 2 3 4 -12 -8 -4 0 4 8 12 time [hour]
Number of blocked SVs [-] epoch of SV constellation [h] 0 2 4 6 8 10 12 0 1 2 3 4 -12 -8 -4 0 4 8 12 time [hour]
Number of blocked SVs [-] epoch of SV constellation [h] 0 2 4 6 8 10 12 信号経路が干渉を受ける衛星数を調査 Haneda Kagoshima Naha 鹿児島 羽田 那覇 30oN 40oN → シンチレーション 信号追尾を妨害 → 電離圏遅延誤差の急変 常時監視され、発見しだい排除 信号経路の干渉の影響
利用性への影響評価（1/2）
2 4 6 8 10 12 0 4 8 12 16 20 24 time [hour] Number of SVs [-] epoch of SV constellation [h] 0 2 4 6 8 10 12 2 4 6 8 10 12 0 4 8 12 16 20 24 time [hour] VPL_H0 [m] epoch of SV constellation [h] 0 2 4 6 8 10 12利用性 ： 100%
プラズマバブルなし
可視衛星数 利用不可 垂直保護レベル［ m ］ 条件： • 最適軌道配置（24衛星） • 那覇空港（緯度：26oN） • 利用性の判断基準 • 垂直保護レベル ＜ 10m • 電離圏： 穏やか（異常なし）利用性への影響評価（2/2）
2 4 6 8 10 12 -12 -8 -4 0 4 8 12 time [hour] Number of SVs [-] epoch of SV constellation [h] 0 2 4 6 8 10 12 2 4 6 8 10 12 -12 -8 -4 0 4 8 12 time [hour] VPL_H0 [m] epoch of SV constellation [h] 0 2 4 6 8 10 12利用性 ： 98.7%
プラズマバブル影響下
利用不可 条件： • 最適軌道配置（24衛星） • 那覇空港（緯度：26oN） • 利用性の判断基準： • 垂直保護レベル ＜ 10m • 電離圏： • プラズマバブルがひとつ発生 • 時刻0に、空港直上を通過 • プラズマバブルの干渉を受ける GPS信号は、すべて使用不可 基準を逸脱 （1.3%） 可視衛星数 垂直保護レベル［ m ］GPS/INS複合航法の利用
• GPS/INS複合航法は、短時間であれば
GPSが使用できなくなったあとも航法を
継続する能力（＝コースティング）を持つ
– GPSが使用できなくなる直前まで、
電離圏異常下のGPS信号で補正され続けたINSは、
そのコースティング性能が低下している。
– コースティング性能の低下に関して、
さまざまな電離圏異常のもと定量的に評価された。
（RTCA SC-159 WG2C/WG4, 米国）
• 結果：30秒間のコースティングにおけるVPLの増加1.5m– 本研究における仮定：VPLの増加率は30秒以降も一定
コースティングによるVPLの維持
time VPL （垂直保護レベル） time 1.5m / 30秒 GPS/GBAS GPS/GBASのみ GPS/GBAS ＋ INS複合 本研究の仮定： コースティング中の VPLの増加率は一定 INSコースティング 限界 衛星のロス ロス 捕捉 ロス 捕捉 VPL （垂直保護レベル）利用性の改善結果
98.6 98.8 99.0 99.2 99.4 99.6 99.8 100.0 0.1 1 10 INSコースティング誤差（30秒） ［m］ （30秒間のコースティングで増加する 保護レベルの大きさ） 利用性 ［% ］ プラズマバブルによる 利用性の低下 INS複合による 利用性の改善 98.6 98.8 99.0 99.2 99.4 99.6 99.8 100.0 0.1 1 10 INSコースティング誤差（30秒） ［m］ （30秒間のコースティングで増加する 保護レベルの大きさ） 利用性 ［% ］ プラズマバブルによる 利用性の低下 INS複合による 利用性の改善 プラズマバブルによって 低下した利用性は、INS 複合によって改善が期 待される。ただし、現時 点のコースティング性能 （1.5m/30秒）では、改善 効果は小さい。 INSコースティングの 性能改善が課題 ・慣性センサーの高精度化 ・異常検出アルゴリズムの改良プラズマバブルによる
GPS信号追尾への影響
• GPS受信機の内部処理
– 搬送波位相（GBASでは必須）を追尾
– 衛星が出力する信号：周波数一定
– ユーザーが受信する信号：
• 衛星の軌道運動にともなうドップラーシフト：緩やか
• 移動体は自身の運動によってもドップラーシフト：変動
• プラズマバブル
– 通過する電波（GPS搬送波）の位相・振幅が
ランダムに変動（＝シンチレーション）
INSによるドップラー補助
位相ロックループ INS ループ フィルタ VCO 中間周波数 （IF）信号 搬送波位相 機体運動にともなう ドップラー周波数を補償 追尾ループ GPS航法 フロント エンド ソフトウェアGPS受信機 測位結果 GPS信号 INSによるドップラー補助アルゴリズムをソフトウェアGPS受信機に実装100 101 102 100 101 102 Phase error PLL Noise Bandwith (Hz) 1-si gm a p ha s e e rr o r (d eg) dyn ocxo thermal w/ aiding w/o aiding 追尾ループのバンド幅 100 101 102 100 101 102 Phase error PLL Noise Bandwith (Hz) 1-s ig m a ph a s e e rr o r (d eg ) dyn ocxo scin_therm scin_phase w/ aiding w/o aiding 追尾ループのバンド幅 補助なし 補助あり 補助なし 補助あり
搬送波位相誤差による
追尾性能の予測
位相変動 強度変動 追尾限界 INS補助によりシンチレーション環境でも追尾マージンが得られる シンチレーションあり シンチレーションなし 位相変動 強度変動 機体運動 機体運動GPS中間周波数データ・シミュレータ
GPSｿﾌﾄｳｴｱ 受信機 INSデータ・ シミュレータ 航空機 飛行経路 IFﾃﾞｰﾀ ｼﾝﾁﾚｰｼｮﾝ ﾊﾟﾗﾒｰﾀ 中間周波数 （IF）データ・ シミュレータ ｼﾝﾁﾚｰｼｮﾝ 実ﾃﾞｰﾀ ｼﾝﾁﾚｰｼｮﾝ ﾃﾞｰﾀ・ ｼﾐｭﾚｰﾀ 追尾補助シンチレーションを含むGPS信号の模擬
143.41 143.415 143.42 143.425 143.43 143.435 143.44 42.5 42.52 42.54 42.56 L a ti tu d e ( d e g) Longitude (deg) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 200 400 600 he ig ht ( m ) Time (sec) 0 100 200 300 400 -100 0 100 V n ( m / s) 0 100 200 300 400 -100 0 100 V e (m/ s) 0 100 200 300 400 -10 -5 0 Vd ( m/ s) Time (sec) 0 50 100 150 200 250 0 1 2 3 Normarized power In te n si ty 0 50 100 150 200 250 -1 0 1 Phase variation δφ(r ad ia n s) time (sec) 航空機の軌道（離陸、旋回） 航空機の速度 → ドップラー周波数を計算 GPS Ant. RF front-end 観測データ 位置解 ソフトウエアGPS受信機 追尾補助 実際に観測されたデータのシンチレーション成分を 模擬中間周波数（16MHz）データに埋め込む 計算機ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ 強度変動 位相変動追尾性能の評価
0 50 100 150 200 250 300 350 -30 -20 -10 0 10 20 30 C a rr ie r e rro r (d eg ) 0 50 100 150 200 250 300 350 -60 -40 -20 0 20 40 60 C arr ie r er ro r (d eg ) Time (sec) 0 50 100 150 200 250 300 350 -30 -20 -10 0 10 20 30 C arr ie r e rr or ( d e g) 0 50 100 150 200 250 300 350 -60 -40 -20 0 20 40 60 C a rr ie r e rr or ( de g) Time (sec)0.17%
-30%0.12%
機体運動 の影響 機体運動 ＋ シンチレーション 位相追尾誤差［ deg ］ INS補強なし INS補強あり 位相追尾誤差が45度を超える頻度が30％低減 → サイクルスリップの確率が減少すると期待IF Data 収集装置 Internet Logging Control, Monitor Measurement System (NICT) 中間周波数 ： 4 MHz サンプリングレート ： 16 MHz GPS Front-End HDD PC GPS アンテナ (NICT) IF data 分配機
バンコクKMITL大学における
GPS中間周波数データ収集
¾ プラズマバブルの簡易評価モデルを作成し、衛星航法精密進入の利用 性に対するプラズマバブルの影響を定量的に調査 ¾ プラズマバブルの影響は南方ほど大きく、沖縄、九州では有意に利 用性が低下する可能性があることを確認 ¾ GPS/INS複合航法のコースティング能力を利用することで、プラズマバブ ル下において利用性の低下を改善できることを確認 ¾ INSのコースティング能力で利用性を有意に改善するためには、さら なる改良が必要であることを確認
まとめ，今後の計画（1/2）
¾ 弱いシンチレーションにおいて、INSを利用した信号追尾補強により搬送 波位相誤差を低減できることを確認 ¾ サイクルスリップの確率（位相追尾誤差が45度を超える確率と仮定） を約3割低減できる可能性があることを確認 ¾ タ イ 国 KMITL 大 学 に 、 GPS 中 間周波数（IF）データ取得装置を設置 （NICTとの共同研究）し、プラズマバブル下における実シンチレーションIF データを取得中 ¾ 実データで信号追尾アルゴリズムの評価を計画
