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ともなりかんけ
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1 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 1 年 1 月 9 日

2 発表内容背景衛星航法による精密進入とその課題電離圏異常の脅威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まとめ, 今後の計画

3 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

4 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

5 GPS 衛星航法による精密進入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 地上局 GBAS は地上に設置した GPS 受信機台をもとに GPS の誤差情報を生成し航空機へ伝送する

6 電離圏異常の脅威 GPS 電離圏局所的な異常誤差の共通性が失われる GBAS 地上局

7 電離圏の異常電離圏の空間的な相関 ( 遅延勾配 ) 平穏時 : mm/km 磁気嵐時 : >mm/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

8 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太陽活動 (11 年周期 ) の極大期における春季秋季に頻度大圏プラズマバブルプラズマバブル電離( 周囲より電子密度低 ) 主に東進 ~1m/s

9 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 : 11km 南北 : 5,km 高度 : 6km 中心緯度北緯 1 度 ( 磁気赤道 ) 形状緯度 [degn] 東京鹿児島沖縄磁気赤道赤道プラズマバブルの速度赤道上東へ 1m/s ( 経度 :3.deg/h) -1 プラズマバブル経度 [dege]

10 プラズマバブルと信号経路の干渉プラズマバブル電GPS 離圏 3 1 Number of blocked SVs [-] epoch of SV constellation [h] time [hour] time [hour] Number of blocked SVs [-] epoch of SV constellation [h] time [hour] Number of blocked SVs [-] epoch of SV constellation [h] 信号経路が干渉を受ける衛星数を調査 o N 3 o N Naha Kagoshima Haneda 羽田鹿児島信号経路の干渉の影響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那覇

11 利用性への影響評価 (1/) プラズマバブルなし利用性 : 1% 条件 : 最適軌道配置 ( 衛星 ) 那覇空港 ( 緯度 :6 o N) 利用性の判断基準垂直保護レベル < 1m 電離圏 : 穏やか ( 異常なし ) Number of SVs [-] 可視衛星数垂直保護レベル [m] VPL_H [m] 利用不可 time [hour] epoch of SV constellation [h] epoch of SV constellation [h] time [hour]

12 利用性への影響評価 (/) プラズマバブル影響下利用性 : 98.7% 条件 : 最適軌道配置 ( 衛星 ) 那覇空港 ( 緯度 :6 o N) 利用性の判断基準 : 垂直保護レベル < 1m 電離圏 : プラズマバブルがひとつ発生時刻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 Number of SVs [-] 可視衛星数垂直保護レベル [m] VPL_H [m] 利用不可 time [hour] 基準を逸脱 (1.3%) time [hour] 8 6 epoch of SV constellation [h] epoch of SV constellation [h]

13 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 WGC/WG, 米国 ) 結果 :3 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 3 秒以降も一定

14 コースティングによる VPL の維持本研究の仮定 : コースティング中の VPL の増加率は一定 GPS/GBAS GPS/GBAS のみ VPL( 垂直保護レベル ) 衛星のロス限界 1.5m / 3 秒 INSコースティング VPL( 垂直保護レベル ) ロス捕捉ロス捕捉 GPS/GBAS + INS 複合 time time

15 利用性の改善結果利用性 [%] 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/3 秒 ) では改善効果は小さい INS コースティング誤差 (3 秒 ) [m] (3 秒間のコースティングで増加する保護レベルの大きさ ) 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

16 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 )

17 INS によるドップラー補助位相ロックループ INS 機体運動にともなうドップラー周波数を補償中間周波数 (IF) 信号ループフィルタ VCO 搬送波位相 GPS 信号フロントエンド追尾ループ 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 GPS 航法ソフトウェア GPS 受信機測位結果

18 搬送波位相誤差による追尾性能の予測 1 Phase error 補助あり 1-sigma phase error (deg) シンチレーションあり補助なし dyn ocxo scin_therm scin_phase w/ aiding w/o aiding 追尾限界 1-sigma phase error (deg) 1 Phase error シンチレーションなし補助あり補助なし dyn ocxo thermal w/ aiding w/o aiding 追尾ループのバンド幅 PLL Noise Bandwith (Hz) 強度変動機体運動位相変動追尾ループのバンド幅 PLL Noise Bandwith (Hz) 強度変動機体運動位相変動 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

19 GPS 中間周波数データシミュレータ航空機飛行経路 INS データシミュレータ追尾補助中間周波数 (IF) データシミュレータ IF テータ GPS ソフトウエア受信機シンチレーションハラメータシンチレーションテータシミュレータシンチレーション実テータ

度計算機シミュレーション強変動位相変動シンチレーションを含むGPS 信号の模擬.56 Intensity δφ(radians) Latitude (deg) height (m) 3 1.5.5.5 13.1 13.

Longitude (deg) 6 5 1 15 5 3 35 Time (sec) 5 1 15 5 1 航空機の軌道 ( 離陸旋回 ) Normarized power Phase variation -1 5 1

20 度計算機シミュレーション強変動位相変動シンチレーションを含むGPS 信号の模擬.56 Intensity δφ(radians) Latitude (deg) height (m) Longitude (deg) Time (sec) 航空機の軌道 ( 離陸旋回 ) Normarized power Phase variation time (sec) V n (m/s) V e (m/s) V d (m/s) Time (sec) GPS Ant. RF front-end 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) データに埋め込む航空機の速度ドップラー周波数を計算追尾補助ソフトウエア GPS 受信機観測データ位置解

21 追尾性能の評価 INS 補強なし機体運動の影響 INS 補強あり位相追尾誤差 [deg] Carrier error (deg) Carrier error (deg) Time (sec) 機体運動 + シンチレーション Carrier error (deg) Carrier error (deg) Time (sec) 位相追尾誤差が 5 度を超える頻度が 3% 低減サイクルスリップの確率が減少すると期待.17% -3%.1%

22 バンコク KMITL 大学における GPS 中間周波数データ収集分配機 GPS アンテナ (NICT) Measurement System (NICT) IF Data 収集装置 Internet Logging Control, Monitor IF data GPS Front-End PC 中間周波数 : MHz サンプリングレート : 16 MHz HDD

23 まとめ, 今後の計画 (1/) 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 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 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

24 まとめ, 今後の計画 (/) 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サイクルスリップの確率 ( 位相追尾誤差が5 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 データを取得中実データで信号追尾アルゴリズムの評価を計画

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PowerPoint プレゼンテーション広域マルチラテレーションの概要と評価について電子航法研究所宮崎裕己 1 広域マルチラテレーションとは? (WAM: Wide Area Multilateration) 最終進入エリア空港航空路空域を覆域に持つ航空機監視システム航空機からの信号を複数の受信局で検出受信局 A D 監視 B C 電子研では WAM 実験装置の試作評価を進行中 2 講演内容評価の背景 WAMの概要実験装置の概要