我が国の測位衛星システムの全体構成に関するケーススタディ 2011 年 2 月 10 日内閣官房宇宙開発戦略本部事務局

(1)

我が国の測位衛星システムの

全体構成に関するケーススタディ

2011年2月10日

(2)

我が国が目指すべき測位衛星システムの

基本構成のケース・スタデイ

(案)

第3回政務官PT（平成22年11月12日)の「資料2」 3ページの表１．で提示注記：〔/ 〕は、〔準天頂衛星の機数／静止衛星を加えた全体衛星数〕自立性＝ＧＰＳ衛星を用いずに測位を行える可能性 ○：自立可能 △：一部制約あり ×：可能性なし時間＝測位衛星システムを利用可能な時間（70度以下となる低仰角の時間を含む可能性あり。） ○：24時間365日切れ目なく利用可能。(バックアップ機を運用し、途切れないサービスを提供) △：24時間利用可能であるが、衛星の軌道修正等メンテナンスのために使用できない時間帯が発生。（○、△、×の評価は、厳密な技術データに基づいたものではなく、今後、専門家ＷＧにおいて詳細な技術検討を行う予定。）準天頂衛星機数３機４機５機６機静止衛星機数０機〔3/3〕自立性 × 時間 △ 〔4/4〕自立性 × 時間 ○ 〔5/5〕自立性 △ 時間 ○ 〔6/6〕自立性 △ 時間 ○ １機〔3/4〕自立性 △ 時間 △ 〔4/5〕自立性 △ 時間 ○ 〔5/6〕自立性 △ 時間 ○ 〔6/7〕自立性 ○ 時間 ○ ２機〔3/5〕自立性 △ 時間 △ 〔4/6〕自立性 △ 時間 ○ 〔5/7〕自立性 ○ 時間 ○ 〔6/8〕自立性 ○ 時間 ○ ３機〔3/6〕自立性 △ 時間 △ 〔4/7〕自立性 ○ 時間 ○ 〔5/8〕自立性 ○ 時間 ○ 〔6/9〕自立性 ○ 時間 ○

(3)

2 2

ケーススタディに関する評価ポイント

指標評価ポイント測位精度仰角（衛星を見た視線が水平面となす角） （受信には）高い方が良い （精度をよくするには（＝下記DOPを小さくする）為には）仰角の低い衛星も必要 DOP (参考資料23ページ参照) 小さい方が良い 安定している方が良い軌道維持運用 軌道維持運用の頻度が少ない方が良い（一般的にインド洋上空から離れるほど頻繁に軌道維持運用が必要）軌道維持メンテナンス時の性能維持メンテナンスを行わないと、衛星軌道はインド洋上空に自然に移動してしまうので、当初の軌道に戻すために、定期的な軌道維持メンテナンスが必要 上記の仰角やDOPの劣化が小さい方が良いサービス提供地域 日本国内で予定されるサービスが確実に提供されることが基本 上記の基本要件が満たされているのであれば、これに加えてアジア太平洋地域における同種のサービスが提供できることが望ましい 2011/2/10 第4回準天頂衛星開発利用検討ワーキンググループ

(4)

準天頂 3機準天頂 4機準天頂 5機準天頂 6機静止 0機静止 1機静止 2機静止 3機

ケーススタディの概要

持続測位× 持続測位× 持続測位×（＠北海道）持続測位○/精度△ 持続測位○/精度△ 【凡例１】：準天頂衛星：静止衛星【凡例2】持続測位○とは：サービスエリア内で4機が常に可視である持続測位×とは：サービスエリア内で4機が常に可視であるとは限らない【凡例3】精度◎とは：サービスエリア内で安定して DOPが6以下である精度○とは：サービスエリア内でDOPが20 以下である。精度△とは：サービスエリア内で多くの時間でDOPが20以下であるが、一時的に DOPがさらに大きくなる時間がある。持続測位○/精度○ 持続測位○/精度○ 持続測位○/精度◎ 持続測位○/精度◎ 持続測位○/精度◎ 持続測位○/精度◎ 持続測位○/精度◎ 持続測位○/精度◎ 持続測位○/精度◎ 持続測位○/精度◎ 持続測位× 持続測位○/精度○ 持続測位○/精度○（北海道で△）持続測位○/精度◎ （ただしﾒﾝﾃﾅﾝｽ時の仰角が低下）持続測位○/精度○ 持続測位○/精度△ 本ケーススタディは、（財）衛星測位利用推進センターの協力を得て実施した。（注）静止衛星は、８の字軌道の東西に配置し、３機目は８の字軌道の中に配置してスタディを実施。（位置は解析の実施上便宜的に設定したものであり、必ずしもこれで決定するものではない。） ※「持続測位」の意味については、4ページの注を参照。

(5)

解析結果の区分



以下の

2通りに方向性を大別し、それぞれについて

解析結果を検討した。



「持続測位」

＊

_{が可能な機数構成}



「

GPSの補完・補強」が可能な機数構成

（ただし、持続測位は不可）＊）本資料において、「持続測位」とは、他国の測位衛星が使用できない場合でも、我が国のシステムのみで最低限の測位サービスの提供を持続できる状態をいう。 2011/2/10 第4回準天頂衛星開発利用検討ワーキンググループ 44

(6)

解析結果〔１〕

(7)

準天頂 3機準天頂 4機準天頂 5機準天頂 6機静止 0機静止 1機静止 2機静止 3機 6

解析結果の要約

2011/2/10 第4回準天頂衛星開発利用検討ワーキンググループ

A

・通常は持続測位○ ・1機メンテナンスで持続測位×

B

C

・通常は持続測位○ ・1機メンテナンスでも持続測位○ 持続測位× ・通常は持続測位○ ・1機メンテナンスでも持続測位○ ・機数が多い

(8)

解析結果の考察



赤色で囲った部分

 持続測位ができない



黄色で囲った部分

 持続測位は可能  メンテナンス時に持続測位ができなくなる



空色で囲った部分

 持続測位は可能  メンテナンス時でも持続測位が可能なお、準天頂衛星3機の場合は、いずれの場合もメンテナンス時に仰角が著しく低下する時間帯がある。（参考資料25ページ参照）

(9)



ケーススタデイの結果、持続測位を実現するためには、

5機（①＋3

＋①のケース又は ①＋４のケース）又は

6機以上が必要と評価

（○の数字は静止衛星の数。左から８の字軌道の西→東）



ただし、

5機又は6機の場合は以下の問題がある。

 1機メンテナンス時に良好な持続測位が実現できない。



そのため、常時持続測位を実現するためには、最低

7機が必要。



７機の場合、以下の

3つの選択肢がある

 A：①＋4＋①＋① （８の字軌道の東に１、西に１及び８の字軌道内の１）  B：①＋5＋① （８の字軌道の東に１、西に１）  C：①＋3＋3 又は ①＋6（８の字軌道の西に１）  ①＋3＋3 は1機メンテナンス時に仰角が低下する。  ①＋6 は、静止衛星がメンテナンス時に良好な持続測位が維持できない。 2011/2/10 第4回準天頂衛星開発利用検討ワーキンググループ 88

持続測位が可能な機数構成に係る

選択肢抽出の考え方

(10)

持続測位が可能な機数構成に係る

2つの選択肢

持続測位を実現する場合、前記の３つの選択肢から、ケースＣは性能要件を満たさない。したがって、以下のケースAとケースBの2つが、持続測位を実現する上で最適な選択肢と考えられる。



ケースＡ：①＋４＋①

+①

 DOP要件：通常時のDOPは極めて良く、1機がメンテナンス時でもDOP の劣化量は小さい。  仰角要件：QZS1機メンテナンス時に仰角の劣化が限定的（約55度）  静止衛星が3機であるので相乗り相手が探しやすい。



ケース

B：①＋5＋①

 DOP要件：通常時のDOPは極めて良いが、静止衛星のメンテナンス時にはDOPが大きく劣化する場合がある。  仰角要件：QZS1機メンテナンス時でも仰角は70度を維持する（東京）

(11)

ケースＡの性能

(12)

(13)

ケースＡ

（静止衛星メンテナンス時）

の性能

(14)

ケース

Bの性能

80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 Longitude [deg] L a ti tu d e [ d eg ] 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 Longitude [deg] L a ti tu d e [ d eg ] 最低仰角10deg EAST NORTH WEST SOUTH 60 30 60 30 衛星可視図(東京) 最低仰角10deg EAST NORTH WEST SOUTH 60 30 60 30 衛星可視図(東京) 5 5 5 5 4 4 4 4 4 6 6 6 6 5 5 5 6 6 6 6 8 8 8 8 8 8 8 8 10 10 10 10 10 10 10 10 20 20 20 20 20 20 20 20 longitude [deg] la ti tu d e [ d e g]

Contour map of average PDOP

80 100 120 140 160 180 200 -60 -40 -20 0 20 40 60 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 5 5 5 5 4 4 4 4 4 6 6 6 6 5 5 5 6 6 6 6 8 8 8 8 8 8 8 8 10 10 10 10 10 10 10 10 20 20 20 20 20 20 20 20 longitude [deg] la ti tu d e [ d e g]

80 100 120 140 160 180 200 -60 -40 -20 0 20 40 60 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 6 12 18 24 0 5 10 15 20 25 30 35 40 time [hour] PD O P [ -] PDOPプロファイル(東京) 0 6 12 18 24 0 5 10 15 20 25 30 35 40 time [hour] PD O P [ -] PDOPプロファイル(東京)

(15)

ケース

B

（準天頂衛星メンテナンス時）

の性能

2011/2/10 第4回準天頂衛星開発利用検討ワーキンググループ 14 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 Longitude [deg] L ati tu d e [ d e g] 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 Longitude [deg] L ati tu d e [ d e g] 最低仰角10deg EAST NORTH WEST SOUTH 60 30 60 30 衛星可視図(東京) 最低仰角10deg EAST NORTH WEST SOUTH 60 30 60 30 衛星可視図(東京) 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 8 8 8 8 8 8 8 10 10 10 10 10 10 10 4 4 4 4 20 20 20 20 20 20 20 20 longitude [deg] la ti tu d e [ d e g]

80 100 120 140 160 180 200 -60 -40 -20 0 20 40 60 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 8 8 8 8 8 8 8 10 10 10 10 10 10 10 4 4 4 4 20 20 20 20 20 20 20 20 longitude [deg] la ti tu d e [ d e g]

(16)

ケース

B

（静止衛星メンテナンス時）

の性能

80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 Longitude [deg] L ati tu d e [ d e g] 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 Longitude [deg] L ati tu d e [ d e g] 最低仰角10deg EAST NORTH WEST SOUTH 60 30 60 30 衛星可視図(東京) 最低仰角10deg EAST NORTH WEST SOUTH 60 30 60 30 衛星可視図(東京) 10 10 10 10 10 10 10 8 8 8 8 8 8 6 6 6 6 6 6 20 20 20 20 20 5 5 5 5 5 20 20 longitude [deg] la ti tu d e [ d e g]

80 100 120 140 160 180 200 -60 -40 -20 0 20 40 60 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10 10 10 10 10 10 10 8 8 8 8 8 8 6 6 6 6 6 6 20 20 20 20 20 5 5 5 5 5 20 20 longitude [deg] la ti tu d e [ d e g]

(17)

解析結果〔２〕

「

GPS補完・補強」が可能な機数構成

（ただし、持続測位は不可）

(18)

準天頂 3機準天頂 4機準天頂 5機準天頂 6機静止 0機静止 1機静止 2機静止 3機

解析結果の要約

ア

イ

ウ

エ

GPS補完・補強が可能だが持続測位ができない機数構成は、以下に示す4つのケースがある。ケースア “０＋３” 静止0機＋準天頂3機ケースイ “０＋４” 静止0機＋準天頂4機ケースウ “０＋５” 静止0機＋準天頂5機ケースエ “①＋３” 静止1機＋準天頂3機持続測位× GPS補完・補強は○

(19)

4つの選択肢〔１〕



ケースア（

“０＋3”）

 通常は24時間75度以上の高仰角サービスを実現できる。  ただし、1機メンテナンス時においては、準天頂衛星は２機になることから、全体システムとしての仰角は約30度にまで大きく低下することがあり、準天頂衛星の高仰角特性が失われる。（参考資料25 ページ参照）［補強機能はメンテナンス中の衛星でも継続使用可能］  実用的な持続測位システムへの発展性や拡張性が見込まれない。（一度3軌道面で構築すると、4軌道面または5軌道面への移行はできない。） 2011/2/10 第4回準天頂衛星開発利用検討ワーキンググループ 1818

(20)

4つの選択肢〔２〕



ケースイ（

“０＋4”）

 通常は24時間75度以上の高仰角サービスを実現できる。  ただし、１機メンテナンス時においては、準天頂衛星は３機になるが、全体システムとしての仰角低下は限定的（仰角55度程度は確保）で、高仰角特性は維持可能。（参考資料25ページ参照）［補強機能はメンテナンス中の衛星でも継続使用可能］  前述の持続測位システム（ケースA）への発展性や拡張性がある。

(21)

4つの選択肢〔３〕



ケースウ（

“０＋5”）

 通常は24時間75度以上の高仰角サービスを実現できる。  ただし、１機メンテナンス時においては、準天頂衛星は４機あることから、全体システムとしての仰角低下は極めて限定的で、高仰角特性は70度以上を維持可能。（参考資料25ページ参照）［補強機能はメンテナンス中の衛星でも継続使用可能］  前述の持続測位システム（ケースB）への発展性や拡張性がある。 2011/2/10 第4回準天頂衛星開発利用検討ワーキンググループ 2020

(22)

4つの選択肢〔４〕



ケースエ（

“①＋3”）

 通常は24時間75度以上の高仰角サービスを実現できる。  ただし、1機メンテナンス時においては、準天頂衛星は２機になることから、全体システムとしての仰角は約30～50度（静止衛星の位置による）まで低下することがあり、準天頂衛星の高仰角特性が失われる。（参考資料25ページ参照）［補強機能はメンテナンス中の衛星でも継続使用可能］  実用的な持続測位システムへの発展性や拡張性が見込まれない。（一度3軌道面で構築すると、4軌道面または5軌道面への移行はできない。）

(23)

参考資料

(24)

DOP（精度指標）について

DOPが悪い＝DOP値が大きい（例えば10～50）測位衛星が偏っている状態。 DOP値は大きくなり、位置・航法精度は劣化する。 DOPが良い＝DOP値が小さい（例えば2～6）最良の配置とは、１機の測位衛星が頭上にあり、他の３機が水平線に120度均等に見える状態。 DOP(Dilution of Precision、「精度の希釈」)とは、衛星の配置による精度への影響を示す指標で、衛星と受信機間の測距精度が最終的な位置を決める精度にどの程度影響するかを示すもの。一般的に「精度低下率」と考えて良い。

位置・航法精度＝

DOP

× 測距精度

(25)

24 24 準天頂衛星が3機の場合、１２０度間隔で地球を取り囲んだ３つの軌道面にそれぞれ１機が周回している３機の準天頂衛星の軌道面内位相（飛翔時刻）を例えば３機共に３時間程度早めたと仮定すると：３機の地表面軌跡は、地球自転の３時間相当前の経度に、同様の８の字軌跡を描く

準天頂衛星の

8の字軌道の説明

2011/2/10 第4回準天頂衛星開発利用検討ワーキンググループ

(26)

0度 10度 20度 30度 40度 50度 60度 70度 80度 90度 0時 3時 6時 9時 12時 15時 18時 21時 0時東京での仰角準天頂衛星１準天頂衛星２準天頂衛星３準天頂衛星４準天頂衛星５ 0度 10度 20度 30度 40度 50度 60度 70度 80度 90度 0時 3時 6時 9時 12時 15時 18時 21時 0時東京での仰角準天頂衛星１準天頂衛星２準天頂衛星３準天頂衛星４

仰角について

静止衛星(内) 静止衛星(東) 静止衛星(西) 静止衛星(内) 静止衛星(東) 静止衛星(西) 0度 10度 20度 30度 40度 50度 60度 70度 80度 90度 0時 3時 6時 9時 12時 15時 18時 21時 0時東京での仰角準天頂衛星１準天頂衛星２準天頂衛星３ 5機の場合 4機の場合 3機の場合 1機メンテナンス時でも仰角低下は限定的 _{1機メンテナンス時でも高仰角特性を維持} 1機メンテナンス時、仰角は大きく低下。準天頂衛星の高仰角特性が失われる。

(27)

2011/2/10 第4回準天頂衛星開発利用検討ワーキンググループ 26

各国の測位衛星システム整備の現状

 米国（GPS）  グローバルなシステムを整備済み  2014年からブロックⅢと呼ばれる新しい世代の機種（発信電波の種類を増やし、多用途に対応）に順次更新予定。  EU（ガリレオ）  現在は2機の実験機を運用中。  2011年に実証機を4機打上げ、2014～2015年までに18機を運用し、限定的にサービス提供、2016～2017年までに計30機を配備し、グローバルサービスを提供予定。  ロシア（グロナス）  グローバルなシステムをほぼ整備済み（2010年12月に3機投入で完成予定だったが、打上げ失敗）  本年3月までに予備機2機及びグロナスKと呼ばれる新世代機1機を打上げ予定。以後順次新世代機に更新予定。  中国（北斗-2/コンパス）  2007年の実用初号機の打上げ以降、現在までに7機稼働。（2010年は1年間に5機打上げ。）  2012年を目途として、まずアジア太平洋地域でサービス開始予定。その後2020年頃までにグローバルに展開。  計35機（静止5機、中軌道周回27機、準天頂3機）でグローバルサービスを目指す。  インド（IRNSS）  2011年後半に初号機を打上げ、2014年までに全体システムを完成予定。  計7機（静止3機、準天頂4機）でインドを中心としたアジア地域（西アジア～東南アジア）でサービス提供予定。 ※各国政府の公式情報（ウェブ、国際会議資料）または各種報道資料に基づいて記載。

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