一周波の擬似距離単独測位を用いた一周波の擬似距離単独測位を用いた周波の擬似距離単独測位を用いた周波の擬似距離単独測位を用いた電離層モデルに関する研究電離層モデルに関する研究

劉 秀劉 秀

1

発表概要発表概要

究 背景 的1. 研究の背景と目的

2. 電離層の補正方法KLB N Q i k M difi d N Q i k IONEX 2周波• KLB、NeQuick、Modified NeQuick、IONEX、2周波

3. 実験と結果• 北海道、東北、東京、九州、沖縄

4. まとめ、今後の課題4. まとめ、今後の課題

2

研究背景

近年、一般コンシューマ受信機で利用されている単独測位の高精度化が評価されており、IGS によって提供される精密軌道情報と精密衛星時計、それに、電離層と対流

圏の補正により 擬似距離のみでサブメ トル程度の測位精度を得ることができる圏の補正により、擬似距離のみでサブメートル程度の測位精度を得ることができる。

衛星クロック誤差(約20%)太陽光線

衛星軌道情報の誤差 約

衛星ク ック誤差(約 )太陽光線

電離層遅延量（約38%）

衛星軌道情報の誤差(約20%)

高度250～400km程度

高度7km程度まで

対流圏遅延量(約6%)

マルチパスなど（約16%）

3

マルチパスなど（約16%）

この図は、坂井丈泰氏のPPTを参照、GPS誤差の割合は国土交通省航空局資料より引用

予想される測距誤差予想される測距誤差

マルチパス 衛星軌道誤差 クロック誤差

潜在誤差

受信機ノイズ

マルチパス

対流圏遅延 電離層遅延

衛星軌道誤差 クロック誤差

受信機ノイズ 対流圏遅延 電離層遅延

単独測位

精密単独測位

約1m

衛星軌道誤差、クロック誤差：将来、SP3ファイルに変わる低減方法が出てくる可能性が高くな ている高くなっている。

電離層誤差：GPSの測位性能に影響を与える最も大きな誤差になっている。 4

研究目的研究目的

L1C/A P M

搬送波 コード

* 二周波受信機は高価である * 搬送波のPPPは10cmの精度である

搬 プ バ* まだ研究や測量での利用に留まっている * 搬送波アプリケーションのロバスト

性がまだ改善中とＴＴＦＦが長い

安価な一周波受信機の擬似距離について、 5種類の電離層補正手法を用いて、測位性能の改善を図ることである。

5

5種類の電離層の補正方法

Klobucharモデル 50%

• 単独測位でよく利用される方法の一つである

✧

NeQuickモデル 60%✧

• 入力項目が少ない+ 低 計算負荷

• ガリレオの電離層補正として、最初に利用される

• 入力項目が少ない+ 高 計算負荷

Modified NeQuickモデル ?

• NICTの丸山氏が考案したモデル

✧

IONosphere map EXchange (IONEX) 80%✧• リアルタイム利用できない（24時間と11日）

2周波 100%

• ２周波測位による電離層遅延量推定は非常に正確である

✧

6NeQuickモデルの日本での性能を検証する & Modified NeQuickモデルの評価を行う

電離層の概要

総電子数（TEC）の変動要因

地上およそ50kmから1,000kmの範囲は電離層と呼ばれている。

総電子数（TEC）の変動要因

① 太陽活動周期 ② 季節変動

③ 地理変動④地方時

7

Klobucharモデル8

10

( )SLANT VERTIon Ion m elev振幅A6

8

遅延

量（m

）

3( ) 1 16(0.53 / )m elev elve

T/2

振幅

2

4

電離

圏遅

光速（ ）

14

T/2

12 2400

地方時（受信機位置のローカルタイム）

5×光速（m）

2 3T

00`

'

2 ( )1 [ cos( )]cos

1

t TA ATzI

0 04 4T TT t T

2 3A

0 1 2 3m m mT 'cos z 上記以外

2 30 1 2 3m m mA

,n n 航法メッセージに含まれているパラメータ8

NeQuickモデルNeQuickモデル

NeQuickモデルは、2001年の国際電気通信連合無線通信部会(ITU-R)でTEC計算に適したモデルであると認められた。

✻適したモデルであると認められた。

ITU RのN Q i kモデルソフトウエアがネ トで 公開されている

NeQuickモデルでは 主に電離層のE層、F1層、F2層三つの部分のTECを計算する。✻

✻ ITU-RのNeQuickモデルソフトウエアがネットで、公開されている。✻

太陽黒点数太陽黒点数

入力 受信機と衛星の位置(緯度、経度、高度）

時間

(年、月、UT ）

太陽活動（ R12かF10.7 ）

波長が10.7センチメートル（周波数が2.8GHz）の太陽電波の強度で、太陽黒点数と同様に太陽活動を表す値としてよく使われている波長が10.7センチメートル（周波数が2.8GHz）の太陽電波の強度で、太陽黒点数と同様に太陽活動を表す値としてよく使われている

出力 入力した位置、時間での電子密度

10.7 12 1263.7 (0.728 0.00089 )F R R 9

Modified NeQuickモデルModified NeQuickモデル

電離圏嵐を含む電離圏変動の実用的な予測モデルである。

NeQuickモデルとModified NeQuickモデルの違い：太陽活動の指標(パラメータ)太陽活動の指標(パラメ タ)

NeQuickモデル：F10.7のみ

Modified NeQuickモデル:

あらゆる太陽活動指標の短期間と長期間の平均値の組み合わせによって 新しい太陽活動指標を得るて、新しい太陽活動指標を得る。

新しい太陽活動の指標は、丸山氏が人工ニューラルネットワーク（ANN）の手法を使って算出した。

参考: Takshi Maruyama ( 2 January 2008), “Regional reference total electron content model over Japan base on netural network mapping techniques. “10

ION h EX h (IONEX)IONosphere map EXchange (IONEX)

CODE(Center for Orbit Determination in Europe) が全地球電離層電子分布図(GIM)を提供

1998年、ＧＩＭを格納、配布する国際的な標準としてIONEXフォーマットが提案

図(GIM)を提供

された。

緯度2.5°× 経度5°のマップ

サンプル間隔2時間(1日13枚)

11

2周波による電離層遅延量の推定周波による電離層遅延量の推定

擬似距離の電離圏遅延量(m)は、

(1)29 92

2 1 1 1 1 22 21 2

( 10 10 )( )

Lp L L

L L

fIONO P C PC C PP Cf f

搬送波の電離圏遅延量(m)は、(2)2

2 1 22 21 2 1 2

( )( )

L L L

L L L L

f C C C CIONOf f f f

20

30

式（1）による遅延量 式（2）による遅延量 2式からの推定量

‐10

0

10

20

層遅

延量

（ｍ

）

‐30

‐20

‐10

525000 530000 535000 540000 545000 550000 555000

電離

層

GPSTIME(s)

*P1P2 --L1帯のPコードとL2帯のPコードの違いから生じたバイアス *P1C1--P1コードとC/Aコードから生じたハードウェアバイアス

12

実験の概要

解析する年次の選択

解析する基準局の選択解析する基準局の選択

実験実験

実験

国土地理院の電子基準点データ（30秒間隔）

NASA homepage (science.nasa.gov)

国土地理院の電子基準点データ（30秒間隔）（2011年1月1日-- 2011年12月31日）＋ （2000年5月3日-- 2000年12月31日）

13

測位計算方法

s s s s sr r r r rP c t c t I T

測位方法 衛星軌道とクロック 電離層 対流圏①

測位方法 衛星軌道とク ック 電離層 対流圏

Test 1 Klobucharモデル

Test 2 NeQuick モデル

Test 3 IONEXS t i モデル

Test 4 2周波

一周波の擬似距離精密単独測位

Sp3 ファイル (final)Saastamonienモデル

Test 2a NeQuick モデル

T t 2bModified NeQuick

②

14

Test 2bモデル

：衛星と受信機間の真の距離 ℇ：マルチパス誤差と受信機雑音などsr

8

10

4

6

drms(m)

測 2011年

NeQuickKLB

IONEX

0

2

2d

位結 0

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

10

結果 90

2周波

KLB

6

8｜北 50

60

70

80

(m)

KLB

NeQuickIONEX

2

4北海道

2000年

20

30

40

50

SA

2drm

s

0May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

道 0

10

Jan Feb Mar Apr

2周波

• 2周波の利用が、測位精度が最も良いことが分かる。

• 測位精度の良い順番順位はIONEX、NeQuickモデル、Klobucharモデルである。 15

10

12

IONEX

6

8

rms(m)

測NeQuick

KLB 2011年

0

2

42dr

位結 0

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

12

結果

2周波

90

8

10｜東 50

60

70

80

(m)

KLB

NeQuickIONEX

4

6東北

2000年

20

30

40

50

2drm

s SA

0

2

May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

0

10

Jan Feb Mar Apr 2周波

11月前後、 Klobucharモデルより、NeQuickモデルの測位精度の方が悪い、その原因は電離層の突発的な変動の影響を受けたことが考えられる。 16

141618

8101214

rms(m)

測NeQuick

KLB

IONEX2011年

02462d

測位結

0Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

18

結果

2周波

90NeQuick

10121416

果｜東

50

60

70

80

(m)

KLB

NeQuickIONEX

46810東

京2000年

10

20

30

40

2drm

s SA

02

May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

0

10

Jan Feb Mar Apr 2周波

赤道付近の電離層が活発である。17

20

25

IONEX

10

15

20

rms(m)

測NeQuick

KLB 2011年

0

5

102d

r測位結 0

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

25

結果

2周波

90 NeQuick

15

20｜九 50

60

70

80

(m)

KLB

5

10

九州

2000年

10

20

30

40

2drm

s SA

0

5

May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

0

10

Jan Feb Mar Apr2周波

IONEX

季節の変動により、春と秋の時期に、測位精度が下がり、逆に、夏と冬の時期に、測位精度が上がる。 18

18

21

24

NeQuickIONEX

9

12

15

18

rms(m)

測

NeQuick

KLB2011年

0

3

6

92d

測位結 0

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

24

結果

2周波

90IONEX

15

18

21

｜沖 50

60

70

80

(m) KLB

IONEX

6

9

12沖縄

2000年

10

20

30

40

2drm

s SA

0

3

6

May Jul Aug Sep Oct Nov Dec

0

10

Jan Feb Mar Apr

NeQuick

2周波y g p

192011年より、2000年全地域の測位精度が悪くなっていることもわかった。

NeQuickモデルとModified NeQuickモデルの比較

KLB N Q i k N Q i k M difi d N Q i k

ー北海道の水平誤差を例として(2011年)

北海道

3

4

5

m)

KLB NeQuick

3

4

5

m)

NeQuick Modified NeQuick

0

1

2

3

2drm

s(m

0

1

2

3

2drm

s(m

0Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

0Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

5

4

5

2

3

4

2drm

s(m)

2

3

4

2drm

s(m)

0

1

2

0

1

将来、日本ではNeQuickモデルより、電離層変動を予測できるModified NeQuick モデルを利用した方が良いことがわかる。

20

測位結果

KLB NeQuick Modified NeQuick IONEX Dual frequencyKLB NeQuick Modified NeQuick IONEX Dual frequency

2000年2011年

0

12

14

KLB NeQuick Modified NeQuick IONEX Dual‐frequency

10

12

14

KLB NeQuick Modified NeQuick IONEX Dual‐frequency

6

8

10

2drm

s(s)

6

8

10

2drm

s(m)

0

2

4

0

2

4

北海道 東北 千葉 九州 沖縄 北海道 東北 千葉 九州 沖縄

• 5種類の電離層モデルの補正手法で、測位精度の良い順番は、二周波、種類の電離層 デルの補 手法で、測位精度の良 順番は、 周波、IONEX、 Modified NeQuickモデル、NeQuickモデル、Klobucharモデルであることを確認することができた。

• 電離層活発時はつねにKlobucharモデル< NeQuickモデルであった

*平均値は365（243）日のデータを足し合わせ、365 （243）で割った値である。21

• 電離層活発時はつねにKlobucharモデル< NeQuickモデルであった。

まとめ、今後の課題まとめ、今後の課題

5種類の電離層補正手法の効果比較5種類の電離層補正手法の効果比較

日本の北海道、東北、東京、九州、沖縄の5か所で、太陽活度低下時と活発時双方において、5つの方法の測位性能改善順位は

二周波 > IONEX >Modified NeQuickモデル > NeQuickモデル > Klobucharモデ

ルになっていることがわかった。

NeQuickモデルの日本での性能検証

NeQuickモデルを将来的に欧州だけではなく、ほかの地域でも利用できることが考えられる。現在多く利用されているKlobucharモデルよりは測位精度が良いので、今後、1周波用受信機で利用される可能性がある。今後、1周波用受信機で利用される可能性がある。

本研究の実験結果に見られた NeQuickモデルの10月中旬から11月中旬までの不安

22

本研究の実験結果に見られた、NeQuickモデルの10月中旬から11月中旬までの不安定性について、原因の追究を行っていきたい。

ご清聴ありがとうございました。

謝辞

本稿のNeQuickモデルとModified NeQuickモデルの貴重なデータを提供して頂いた電子研究所殿と情報通信 究機構殿 く感謝 ます

謝辞

通信研究機構殿に深く感謝します。

23