準天頂衛星システム(QZSS) 技術実証実験の現状について 平成23年6月22日（水） （独）宇宙航空研究開発機構（JAXA） 準天頂衛星システムプロジェクトチーム 岸本 統久 報告内容 - 打上げ～技術実証・利用実証開始 「みちびき」の測位信号 技術実証の進め方 JAXA技術実証の状況（実験成果） みちびきデータ公開サイト (QZ-vision) まとめと今後の予定 平成23年6月22日 「みちびき」の打上げ～技術実証・利用実証開始 2010年9月11日20時17分にH-IIAロケット18号機により打ち上げられた。 2010年9月12日から17日までに5回のアポジエンジン噴射、9 月21 日から5回の スラスタによる軌道制御を実施し、9月27日に所定の準天頂軌道（中心経度東経 135度、軌道周期23時間56分）へ投入。 バス系の各サブシステム、及びミッション機器のチェックアウトを順次実施し、 2010年12月10日までに予定していた全ての初期機能確認を終了。 2010年12月13日に定常運用に移行。12月15日に測位信号を標準コードに切り 替え、技術実証・利用実証を開始。 項目 ＠種子島宇宙センター 諸 元 外観形状 箱型（右図） 質量 4020kg（ﾄﾞﾗｲ質量1802kg） 発生電力 約5kW 姿勢 三軸安定 測位アンテナを地心方向指向 測位用信号等 測位信号：GPS相互運用信号＋独自信号 時刻比較：Ku帯 寿命 10年（ﾊﾞｯﾃﾘ、太陽電池、推薬：12年） 軌道 準天頂軌道 （軌道傾斜角：約45度、離心率：約0.1、 周期：23時間56分、 軌道長半径：約42,000km） 打上げロケット H-IIA202ロケット 「みちびき」軌道上外観 3 「みちびき」が送信する測位信号 中心周波数 （MHｚ） 対応するGPS民生信号 L1-C/A 1575.42 放送中 L1C 1575.42 GPS-III(2014予定)～ L2C 1227.6 放送中 Block-IIR-M(2005)～ L5 1176.45 Block-IIF(2010)～ L1-SAIF L1 SAIF* 1575 42 1575.42 GPS補強信号 補 LEX 1278.75 GPS補強信号 双方向時刻 比較信号 Up： 14.43GHz Down： 12.31GHz 双方向時刻比較による、衛星時刻と準 天頂衛星システム基準時系とのオフセット 計測 (NICT担当) 信号名称 概要 GPS補完信号 (JAXA担当) 既存のGPS、近代化GPSとの相互運用 性、共存性を確保 GPS受信機のソフトウェア微小改修で準 天頂衛星システムに対応可能 (ENRI、SPAC担当) 高速度移動体向け補強信号（1ｍ以下の 測位精度とインテグリティ情報による信頼 度向上） (GSI、SPAC、JAXA担当) 2Kbpsの高レートデータメッセージ。ネット ワーク型RTKやPPPなど * L1-SAIF: L1-Submeter-class Augmentation with Integrity Function 4 「みちびき」によるJAXA技術実証の状況 技術実証の進め方（1/2） 技術実証開始 ▽（2010年12月中旬） 仕様(IS-QZSS)に適合する測位信号提供開始 ▽（6月中目標） 更なる精度改善を継続 ● 精度 ○ 「みちびき」軌道時刻 推定精度の改善 ○ 電離層遅延推定 精度の改善 ○ 航法ﾒｯｾ 航法ﾒｯｾｰｼﾞ情報の ｼ 情報の 精度確認 （⇒SIS-URE*仕様を満足） 誤差の低減を図る ﾕｰｻﾞに提供する 軌道・時刻 推定した軌道 推定した軌道・ 時刻 真の軌道・時刻 *Signal-in-Space User Range Error 電離層 電離層通過により大きな測距誤差が発生 高精度に誤差を推定して除去 （⇒電離層補正パラメータを正常に送信中） 安定度ﾓﾆﾀを継続 ● 信号（安定度） ○測位信号を作っている衛星ｸﾛｯｸの長期安定度評価 （⇒衛星時刻安定度は仕様を満足し、モニタを継続） ● ｲﾝﾃｸﾞﾘﾃｨ ● ｱﾍﾞｲﾗﾋﾞﾘﾃｨ 5 「みちびき」によるJAXA技術実証の状況 技術実証の進め方（2/2） 技術実証開始 ▽（2010年12月中旬） 仕様(IS-QZSS)に適合する測位信号提供開始 ▽（6月中目標） ● 精度 ● 信号安定度 ● ｲﾝﾃｸﾞﾘﾃｨ 即座にﾕｰｻﾞに通知 定常モニタ状態 ○ QZSS異常の早期検知及びﾕｰｻﾞへの早期通知 機能・性能の検証、通知時間の確認、 連続運用での異常通知動作確認 （⇒インテグリティ機能/性能が仕様を満足） ● ｼｽﾃﾑ運用（ｱﾍﾞｲﾗﾋﾞﾘﾃｨ） 継続評価 ○ QZSSｼｽﾃﾑ稼働率（全運用時間に対する 測位信号提供可能時間の割合）の評価 精度、ｲﾝﾃｸﾞﾘﾃｨが所期の性能を達成し、稼働率が仕様を満 足する見込みを得た時点で測位信号の提供開始。 ｼｽﾃﾑ異常検知 ! アラートフラグ＊を解除 アラートフラグ＊：測位信号の品質・信頼性がユーザインタフェース仕様を満足していない場合に、 受信機に通知するする識別情報。アラートが解除された後は、仕様を逸脱する 異常を検知した場合や軌道制御などの時にアラート状態となる。 6 技術実証実験成果 1. 測位利用率の向上 2. 「みちびき」の精度 a. SIS-URE (Signal-in-Space User Range Error) b. 電離層URE c. 組み合わせ測位 （GPSのみ、GPS＋「みちびき」） 3. インテグリティ 4. アベイラビリティ 7 「みちびき」による実験成果 測位利用率の向上 ◆ 障害物をマスク角で模擬し、“みちびき”による測位利用率の改善効果を確認 “み みちびき“の仰角［度］ (2011.3.30～4.1＠東京小金井モニタ局での統計値。みちびきが仰角60度以上で見える時間で評価 90 ） 仰角60度 ﾗｲﾝ 60 仰角40度以上で天空が見える環境では、 27%以上測位利用率が向上 11時間 30 0 3/30 2011/3/30 0:00 ﾏｽｸ角 40度ﾗｲﾝ ビル等の障害物で衛星が見えなくなる状態をマスク角で模擬 2011/3/30 12:00 2011/3/31 0:00 3/31 2011/3/31 12:00 2011/4/1 0:00 4/1 2011/4/1 12:00 2011/4/2 0:00 4/2 （UT） みちびきによる 測位利用率改善の効果を確認。 マスク角が高い程 効果は顕著。 100% 91.7% 96.4% 43.0% 70.4% G：GPS Q：GPS+みちびき 100% HDOP<10となる時間率 ［%］ 日付 G Q G Q G Q G Q マスク角［度］ G Q G Q 8 「みちびき」による実験成果 測位利用率の向上 GPS補完機能効果の実験システム構成 補完機能評価 試験構成 代表的な都市部である、新宿と銀 座のアーバンキャニオンにおいて、 移動計測器（MMS）を用いた走行 実験を実施 計測車両 移動計測器であるMMSに準天頂 衛星対応受信機を搭載。準天頂 /GPS受信ログと同時に、リファレン スとなるMMSの走行軌跡を収集 後処理解析 測位解析 ＧＰＳ衛星に準天頂衛星を加えて 測位演算を実施し、“補完”機能を 実現。準天頂による都市部での移 動体測位性能の改善効果を検証 9 「みちびき」による実験成果 測位利用率の向上 一般測位における測位利用率の改善（新宿の例） 走行軌跡 GPSのみでの測位解 GPS+QZSでの測位解 走行：2011/1/21（金） 12：30～15：10（160分間） QZS1 70度 測位率 GPSのみ 28.5% GPS+QZS 70.0% 2.5倍 QZSをいれるとアーバンキャニオンで も測位率は70%に達し、高架下や樹 木の陰を除けば、ほとんどの場所で の測位が可能。 ※ 道路の上下線を含めて1本の道路とみなし、総道路距離に対して 測位率を計算。 ※ 停止等の重複は除去済み。 ©2011ZENRIN(Z05E-008) 10 測位利用率の向上 「みちびき」による実験成果 一般測位における測位利用率の改善（銀座の例） 走行：2011/2/19（土） 6：00-12：30（走行計250分間） 走行軌跡 GPSのみでの測位解 GPS+QZSによる測位解 都市部でのアベイラビリティ増大例（東京銀座地区3Dシミュレーション） http://qz-vision.jaxa.jp/READ/qz-navi01.html 70度 QZS1 測位率 GPSのみ 39.5% GPS+QZS 69.1% 1.7倍 高層ビルの多い大通りや極端に可視 状態が悪い細街路以外は、QZSを加え た効果により、測位解が得られている。 ※ シミュレーション実施区間内の走行道路距離に対して、 道路の上下線を含めて1本の道路とみなし、測位解の 得られた距離に対して測位率を計算。 ※ 停止等の重複は除去済み。 11 「みちびき」による最新実験成果 精度 SIS-URE ■「みちびき」の軌道時刻推定・予報精度の改善 航法メッセージとしてユーザに配信される「みちびき」の軌道及び時刻情報は測位精 度を決める重要な要素である。技術実証実験では「みちびき」の軌道時刻推定・予報 精度の解析・評価を行い、下記に挙げるような改善を図ってきた。 • 太陽輻射圧モデル等の衛星ダイナミクスモデルの改良 • モニタ局受信機の観測データのスクリーニング • 推定パラメータのチューニング • 測位信号間の衛星機上の時刻オフセット（TGD）を正確に同定 スパイク状の荒れは、特定の技術実 証実験や軌道制御の実施等により、 必然的に劣化したものである 必然的に劣化したものである。 等 安定性の確認 (次頁参照) 「みちびき」のSIS-UREの精度改善の様子 （2011/1/1 ～ 2011/6/15のSIS-UREデータの時系列グラフ） *SIS-URE（Signal in Space User range error）； 衛星の軌道予報誤差（①衛星の位置に関する誤差）、時刻予報誤差（②衛星が送信する 12 時刻に関する誤差）に起因する測距誤差。信号の精度を表す基本性能値。 「みちびき」による最新実験成果 精度 SIS-URE ■「みちびき」の軌道時刻推定・予報精度 確認期間中のSIS-URE精度は、下記図のように、IS-QZSSの仕様である±2.6m（95%） を100%の時間率で達成した。 「みちびき」の目標仕様値：±2.6m以内（95%）を時間率100%で達成 4.0 3.0 SIS‐URE [m m] 2.0 1.0 0.0 ‐1.0 ‐2.0 SIS‐URE[m] ‐3.0 仕様値 ‐4.0 2011/6/3 2011/6/5 2011/6/7 2011/6/9 2011/6/11 2011/6/13 2011/6/15 アラート解除確認中の「みちびき」のSIS-URE SIS-UREが、IS-QZSSを満足していることを確認 なお、今後も精度及び安定性の評価・改善を継続して実施していく。 13 「みちびき」による最新実験成果 精度 電離層URE ■「みちびき」が放送する電離層パラメータがIS-QZSSの仕様(14m以下)を満足すると ともに、下記のように東京（小金井モニタ局）にて電離層遅延補正の精度向上を確認した。 電離層URE(m) １日の電離層UREの変動例（6/3） 補正精度 高い 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 みちびき放送パラメータにより、 電離層補正精度が向上したことを示す。 小金井局 2011/06/03 24時間 1分間隔 GPS放送パラメータ みちびき放送パラメータ 夜間は電離層遅延補正量が一定となる 補正モデルのため、電離層UREは一致する。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 GPS Ti me 日々の電離層UREの変動例 GPS放送パラメータ 電離層URE平均値 (m) 9.0 みちびき放送パラメータ 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 補正精度 高い 6月1日 6月2日 6月3日 6月4日 6月5日 6月6日 6月7日 6月8日 6月9日 6月10日 14 「みちびき」による最新実験成果 組み合わせ測位 場所：東京（小金井モニタ局） GPS単独測位 5 水平精度(m) 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 2 1 0 -1 南北方向 3 -2 -3 -4 -5 東西方向 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 高さ方向 0 1 2 3 4 GPS＋QZS測位 5 水平精度(m) 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 4 3 1 0 -1 南北方向 2 -2 -3 -4 -5 東西方向 -5 -4 -3 -2 -1 0 2011/06/03 00:00:00-23:59:30(GPST) GPS電離層パラメータ使用 マスク角10度 垂直精度(m) 4 1 2 3 4 5 精度 垂直精度(m) 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 (GPST) 2011/06/03 00:00:00-23:59:30(GPST) みちびき電離層パラメータ使用 マスク角10度 高さ方向 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 (GPST) 15 「みちびき」による最新実験成果 組み合わせ測位 精度 場所：東京（小金井モニタ局） ■「みちびき」とGPSの組み合わせ測位精度は、IS-QZSSの仕様(水平方向21.9m (95%)) を満足していることを確認した。また、「みちびき」の補完効果、及び電離層補正精度の向上 により、GPS単独測位と比較して、測位精度が向上することを確認した。 5 3 2 10 9 1 8 0 7 -1 -2 10 時系列(絶対値)で比較 -3 3 9 -4 8 -5 7 GPS単独測位 垂直精度(m) ※絶対値で比較 水平精度(m) 4 GPS＋QZS測位 6 5 4 3 2 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 1 0 6 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 4 (GPST) 3 2 1 測位精度(m) 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 評価結果例の条件 (GPST) ・評価地点 ：東京(小金井モニタ局) ・日時 ：2011/06/03 00:00:00-23:59:30(GPST) ・マスク角 ：10度 ・電離層補正 GPS単独測位：GPS電離層パラメータによる補正 GPS+QZS測位：みちびき電離層パラメータによる補正 水平方向 垂直方向 GPS単独測位 GPS+Q ZS測位 平均 1.451 1.027 RMS 1.773 1.232 最大 4.885 3.209 平均 3.204 1.540 RMS 4.122 2.080 最大 9.388 5.828 16 「みちびき」による最新実験成果 インテグリティ QZSSのインテグリティモニタ項目は、以下のとおり。 ▌SIS-URE ・・・ 航法メッセージの精度のモニタ ▌コードロック ・・・ 信号品質のモニタ (※) ▌受信電力 ・・・ 送信電力のモニタ ▌デ タフォ マ ト ・・・ 航法メッセージフォーマットのモニタ ▌データフォーマット 航法メ セ ジフォ マ トのモニタ (※)コードロックモニタは、「みちびき」のみ。 それ以外の項目は、GPSに対してもモニタ。 ◆ QZSSでは「みちびき」およびGPSの状態をモニタし、異常を検出した場合には早期 にアラート情報をユーザへ通知するインテグリティ機能を有する。 ◆ インテグリティ実験を通して、インテグリティ機能の確認および、通知時間計測によ るインテグリティ性能の確認を実施した。（次頁参照） 17 「みちびき」による最新実験成果 インテグリティ • 実験の実施例 • SIS-URE異常検知時間計測 みちびき ③放送 ②アップロード モニタ局 モニタ局 モニタ局 モニタ局 追跡管制局 ①異常な航法メッセージ生成 本実験では、MCS(*)にて異常な航法メッセ ージを生成し、故意にSIS-URE異常を発生さ せ、異常検知からアラート通知までの時間計 測を実施した。 (*):マスターコントロール実験局 ▌アラート通知時間計測結果 (③を受信してから アラート情報をユーザへ通知するまで) 信号 仕様 [s] 通知時間[s] L1C/A 30 13 L2C 40 13.5 ④観測データ MCS ⑤異常検出 ⑥アラート発行 実験により、本システムがIS-QZSSに 示すインテグリティ仕様を満足すること を確認した。 18 「みちびき」による最新実験成果 アベイラビリティ 項目 仕様 実証状況 軌道メンテナンス (軌道制御) 頻度 平均150日に1回 平均180日に1回 期間 最大2日間 36時間以内(*) 姿勢メンテナンス (姿勢制御) 頻度 平均40日に1回 約3カ月に1回 期間 最大1日間 12時間以内(*) (*): 早期に終了した場合は、NAQU情報等で連絡 IS-QZSSに示すアベイラビリティ仕様を満足することを確認 姿勢変更開始：2/16 07:01:02 (UT) 第1ΔV：2/16 07:12:59 (UT) 収束判定 SIS-URE：±2.6m 制御終了：2/16 17:23:40 (UT) 6 QZS-1 URE [m] 4 2 0 -2 制御実施時間：約10.5時間 -4 -6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 収束時間：約13時間 18 20 22 24 2 4 6 8 Elapsed Time [h], Start Time = 2011/02/16 00:00:00 (GPST) 軌道制御実施時のSIS‐UREの一例（平成23年2月16日） 精度、インテグリティ、アベイラビリティ等の検証の結果、アラート解除可能と判断し、 本日(6月22日)日本時間9時(UT0時)に、L1-C/A,L2C信号のアラートフラグを解除 19 みちびきデータ公開サイト (QZ-vision) きゅーじーびじょん 準天頂軌道投入や みちびきの現在位置(2D、3D) みちびきの解説、 インタビュー、壁紙 ペーパークラフトなど http://qz-vision.jaxa.jp/ ユーザインタフェース仕様書(IS-QZSS) や各種データなどの情報 もしくは、「QZ-vision」で検索 20 みちびきデータ公開サイト (QZ-vision) きゅーじーびじょん NAQU(Notice Advisory to QZSS Users)情報 ⇒ 軌道制御等の情報をメール配信、WEB掲載。 (メール登録：6/20～) データ提供 ・アルマナック(2010/12/15～) (GPSについては、6/22～) ・エフェメリス(本日：6/22～) http://qz-vision.jaxa.jp/ 週間スケジュール ⇒ 毎週金曜日更新。 補強信号を送信する担当機関、 軌道制御等の情報。(2010/12/15～) 21 まとめと今後の予定 ¾「みちびき」を含む準天頂衛星システム(QZSS)は順調 に運用され、技術実証を実施・継続中。 ¾ユーザインタフェース仕様書(IS-QZSS)に適合している ことを確認し、本日（6月22日）午前9時(日本時間)に、 L1-C/A信号、L2C信号のアラートフラグを解除した。 L5、L1C信号については、IS-QZSSに適合していること が確認でき次第、アラートフラグを解除する予定。 ¾みちびきデータ公開サイトにて、NAQU情報、エフェメリ スなどの提供を開始。 ¾ 今後も技術実証実験を継続して、モデルの改良等によ る更なる精度向上、長期データ評価等を行う予定。 22 ご清聴ありがとうございました 23
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