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1 QZSS 7 機体制実現に向けて 測位航法学会 2019 年度全国大会 QZSS 特別講演会 2019 年 5 月 17 日 準天頂衛星システム戦略室 小暮聡

2 目次 1. 整備方針 2. サービス仕様 3. 7 機体制の衛星配置 4. 7 機体制における4 機体制からの主要変更点 5. 5~7 号機の高精度化 6. 開発体制 7. 今後の課題 1

3 1. 整備方針 社会的要請 ユーザ要請や 他 GNSS の整備 運用状況等を踏まえ 以下の方針とする 1. サービス提供の早期実現 7 機体制を確立し 2023 年度を目途に運用を開始する 2. 衛星測位サービスの持続化日本 日本近傍 アジア太平洋地域における我が国の 7 機体制による持続的な衛星測位サービスの提供を最優先とする 3. ユーザ需要 技術動向を踏まえた機能性能向上以下の機能性能向上を図る 7 機体制による持続測位 (2 周波コード測位 補強情報なしで水平ユーザ測位精度 1m(RMS) を実現 ) 航法メッセージの認証機能 測位補強サービス範囲と対象システムの拡張 ( アジア オセアニア全域への拡大 ) (TBD) 公共専用サービスの機能 性能向上 準天頂衛星システムの災害時通信機能の冗長性確保 4. 現行サービスの継続性 ( バックワードコンパティビリティ ) の確保 QZS-2,3,4,1R により提供する現行サービスを 2033 年まで継続但し QZS-1R による L1C/A 信号の提供は米国との周波数調整結果による (L1C/B 信号へ移行の可あり ) (*) L1C/B 信号 L1C/A 信号を BOC(1,1) 変調し C/A 信号の初期捕捉が早い特性を残しつつ GPS L1C/A 信号との干渉を低減した信号 5. システム整備 維持運用コストの低減 最適化 7 機体制の実現にあたっては 性能とコストの最適化を考慮し 各システムのコスト低減を図る ( 補足 ) TBD は 7 機体制の第 1 期 (QZS-2,3,4,1R,5,6,7) または 第 2 期 (QZS-5,6,7,2R,3R,4R,1R 2 ) のいずれで実現すべきか未定の項目 2

4 1 衛星測位サービス 2. サービス仕様 (1/4) 公開測位サービス 7 機体制による持続測位に向けた段階的性能向上 2 周波コード測位によるユーザ測位精度水平方向 1.0m(RMS) の実現に向けた段階的な精度向上 衛星間測距技術 (ISR) 等による SIS-URE の段階的な精度向上 フェーズ コンステレーション SIS-URE 精度 (95%) ユーザ測位精度水平方向 (RMS) 7 機体制 ( 第 1 期 ) 7 機体制 ( 第 2 期 ) 監視局の観測データのみを使用する場合 ( ) 2.6m 9.0m (HDOP 6.7) QZS-5,6,7 による衛星間測距等の観測量を使用した実証完了以降 (2027~) 1.0m 1.6m (HDOP 2.6) 7 機全て (QZS-5-7, 2-4R, 1R 2 ) による衛星間測距等の観測量を使用した実証完了以降 0.3m 1.0m (HDOP 2.6) 使用信号 L1C/A,L1C,L2C,L5 は QZS-5,6,7 打上げ後も QZS-2,3,4,1R から継続 ( バックワードコンパチビリティの確保 ) QZS-5 以降は L1C/B,L1C,L5 信号によるサービスを提供 今後主流となる L1,L5 信号による測位サービスを提供し L2C 信号は配信しない (L1 L5 の 2 周波利用の促進 ) L1C/A は 4 機以上増えることに米国が合意しないため QZS-1R 以降は L1C/B への継承を考慮 スプーフィング対策として L1C/A(L1C/B),L1C,L5 信号の航法メッセージに対し 認証情報を付与 公共専用測位サービス QZS-2,3,4,1R は 1 周波 (L6 帯 ) による配信を継続 QZS-5,6,7 は 抗たん性 ユーザ測位精度向上のため 2 周波 (L6 帯 TBD 帯 ) に拡張 2 周波目は 周波数調整 技術的実現性検討を要する 3

5 2. サービス仕様 (2/4) 2 衛星測位補強サービス サブメータ級測位補強サービス QZS-2,3,4,1R の L1S 信号にて現行サービス (SLAS) を継続 ( バックワードコンパチビリティの確保 ) L1S 信号は QZS-2,3,4,1R でサービスエリア ( 国内 ) を十分カバーしていること 周波数調整において GPS L1C/A との干渉で送信が困難であることから QZS-5,6,7 からは配信しない アジア オセアニア地域への広域サービスとして QZS-2,3,4 の L5S 信号にて配信 (TBD) (QZS-2,3,4 は DFMC の SBAS 規格に合致していないが 広域サービスとして使用可能 ) 広域サービスでは 4 機体制の補強対象に Galileo(E1) を追加 (TBD) 高精度測位補強サービス 現行センチメータ級測位補強サーヒ ス (CLAS) は 国内サービスとして QZS-2,3,4,1R(5,6,7) の L6(D) 信号にて配信を継続 アジア オセアニア地域への広域サービスは QZS-2,3,4,1R,5,6,7 の L6(E) 信号にて配信 (TBD) 広域サービスの補強対象は QZSS(L1C/A,L1C,L5) GPS(L1C/A,L1C,L5) Galileo(E1,E5a) 等目標精度は 水平方向 15cm(RMS) 垂直方向 25cm(RMS) 航空機向け一周波コード測位補強サービス (SBAS 配信サービス ) QZS-3 に加え QZS-6,7 を用いて配信する 国際民間航空機関 (ICAO: International Civil Aviation Organization) が定める文書 (*1) に規定される民間航空機向けの補強情報配信サービスを提供 (*1) International Standards and Recommended Practices, Aeronautical Telecommunications, Annex 10 to the Convention on International Civil Aviation, vol. I 測位技術実証サービス 二周波 SBAS 実証実験での使用を前提に 二周波複数 GNSS システム対応 (DFMC: Dual Frequency Multi Constellation services) の技術実証とし QZS-1R 及び QZS-6,7 の L5S 信号より補強情報を提供 QZS-2,3,4 は DFMC の SBAS 規格に合致していないが サブメータ級測位補強の広域サービスとして使用可能 4

6 2. サービス仕様 (3/4) 3 その他サービス 災害 危機管理通報サービス 国内向けと広域向け (TBD) の 2 種類のサービスを提供 QZS-2,3,4,1R の L1S 信号にて現行サービスを継続 ( バックワードコンパチビリティの確保 ) QZS-2,3,4,1R の L1S 信号の空きスロットを利用し 国外向けに日本政府が認めた機関から提供される情報を配信 (TBD) 広域向けサービスの提供可否は 技術的実現性が確認できた段階で定める 衛星安否確認サービス QZS-3 に加え QZS-7 に本サービスを実施する機器を搭載 QZS-7 による衛星安否確認サービスは 通常時は提供せず QZS-3 のメッセージ通信ペイロードが異常等により運用不可となった場合に限り QZS-7 を QZS-3 の位置へ移動させ QZS-7 からサービスを提供 55

7 2. サービス仕様 (4/4) 準天頂衛星システムの信号一覧 1 No. サービス名称種別 衛星測位サービス 1-1 公開測位サービス " 認証機能付 " (*1) 1 ( 参考 ) QZS R (*3) L1C/A (*2) (*2) (*2) (*2) L1C/B (*2) (*2) (*2) (*2) L1C L2C L5 *1:L1C/A,L1C/B,L1C,L5 の航法メッセージに対し 認証情報を付与 ( スプーフィング対策 ) *2:L1C/A と L1C/B の切替可能 *3:QZS-7 は QZS-3 のバックアップを兼ねる QZS-3 メッセージ通信機能が使用不可の場合は QZS-7 を QZS-3 の軌道へ移動させて運用する *4:L1S は 米国との周波数調整結果により QZS- 5,6,7 からは送信しない 2 L6R 1-2 公共専用測位サービス (TBD) 〇〇〇衛星測位補強サービス 2-1 サブメータ級測位補強サービス L1S (*7) (*4) (*4) (*4) *5:QZS-5 以降の L6(L6D) は機能として持つが 配信内容等の詳細は業務要求にて定める *6: 広域サービスの扱いは 技術的実現性の検討後に採用可否を判断する センチメータ級測位補強サービス ( 国内 ) L6(L6D) (*5) (*5) (*5) 2-2 高精度測位補強サービス ( 広域 )(TBD) L6(L6E) (*7) 3 災害 危機管理通報サービス ( 国内 / 広域 (*6) ) L1S (*6) *7: 自信号及び自信号以外のメッセージ認証 (TBD) *8:L5S は DFMC の SBAS 規格に QZS-1R,6,7 は合致しているが QZS-2,3,4 は合致していない 4 衛星安否確認サービス S-Band 5 SBAS 配信サービス L1Sb 6 測位技術実証サービス (*8) L5S 〇 (*8) 〇 〇 (*8) 〇〇 7 ホスティングサービス - TBD TBD 6

8 1 高仰角特性 3.7 機体制の衛星配置 1 機以上の高仰角の衛星から信号を受信できる時間率 測位精度 安定性の向上および補強情報の常時配信に寄与 7 機体制の衛星配置検討では 1 高仰角 2 アベイラビリティ 3DOP 及び 衛星のメンテナンス ( 軌道制御等 ) を考慮する必要がある 3 DOP ( 精度劣化指標 ) position DOP obsevation ユーザ測位誤差 測距誤差 衛星配置の良し悪しを示す指標 DOP は 時々刻々変化する 2 アベイラビリティ 4 機以上の衛星から正常な信号を受信できる時間率 他システムに依存せず自律測位か可能 分散した状態 =DOP 値が小さい = 測位精度が高い 偏った状態 =DOP 値が大きい = 測位精度が低い 7

9 3.7 機体制の衛星配置 4 機体制の配置をベースとして 追加 3 機の配置先を検討 (Q1) 静止軌道と準天頂軌道でケース分けし さらにそれらの派生形についても検討 Case A: 静止軌道に +0 機 準天頂軌道に +3 機 Case B: 静止軌道に +1 機 準天頂軌道に +2 機 Case C: 静止軌道に +2 機 準天頂軌道に +1 機 Case D: 静止軌道に +3 機 準天頂軌道に +0 機 100 Q4 Q2 Case A Case B Case C Case D 派生系 Case A :8 の字を 2 つにわける Case B : 静止軌道の 1 衛星を準静止軌道に Case C : 静止軌道の 1 衛星を準静止軌道に Case D : 静止軌道の 2 衛星を準静止軌道に 準静止軌道について Case A Case B Case C Case D 静止高度で僅かに軌道傾斜角と離心率を与えた軌道 (e~0.03, i~10) 静止軌道と異なり地球との相対位置が少し変化する 静止軌道は 軌道推定の観点で不利 また 軌道制御頻度が高いため サービスアベイラビリティが低下する 準静止軌道にすると回避できる 準静止軌道 静止軌道 8 8

10 3.7 機体制の衛星配置 HDOP95% 値のコンター図 ( 仰角マスク 10 度 ) 最大最低仰角のコンター図 ( 高仰角特性 ) 最適配置案により以下の特性が実現される アベイラビリティ 仰角 15 度以下が不可視でも 日本全域で常時 4 機以上可視 仰角 20 度以下が不可視でも 東京で常時 4 機以上可視 仰角 25 度以下が不可視でも 南方地域で常時 4 機以上可視測位精度 (HDOP 特性 ) オープンスカイでは 日本全域で HDOP<2.6(95%) 仰角 15 度以下が不可視でも 日本全域で HDOP<6.7(95%) 軌道号機中心経度 deg 静止軌道 (2 機 ) 3 号機, 6 号機 準天頂軌道 (4 機 ) 準静止軌道 (1 機 ) 初号機後継機, 2 号機, 4 号機, 5 号機 148(Q1R) 号機 190 9

11 4.7 機体制における変更点 (1/2) サービス名称 4 機体制 7 機体制 1SIS-URE 精度 QZS-1,2,3,4 2.6m(95%) QZS-1R 1m(95%) 0.3m(95%) 目標値 2 ユーザ測位精度 1 機能 性能向上 ( 衛星間測距機能等の採用 ) による段階的 SIS-URE 精度向上 7 機体制 ( 第 1 期 ) 7 機体制 ( 第 2 期 ) フェーズ 監視局の観測データのみを使用する場合 (-2026) QZS- 2,3,4,1R,5,6,7 QZS-5,6,7 に精度向上の機器が搭載され 衛星地上間測距の観測量も使用した実証完了時 (2027-) QZS- 2,3,4,1R,5,6,7 最終的に7 機全てに精度向上の機器が搭載され 衛星地上間測距の観測量も使用した実証完了時 QZS- 5,6,7,2R,3R,4R,1R2 コンステレーション SIS-URE 要求精度 (95%) 2QZS7 機での 2 周波コード測位による持続測位に向け 段階的に精度向上を図る 2.6m 1.0m 0.3m 衛星測位 7 機体制 ( 第 1 期 ) QZS-2,3,4,1R,5,6,7 持続測位 : 水平 9.0m(RMS) (HDOP 6.7 以下 ) 高精度持続測位 : 水平 1.6m(RMS) (HDOP 2.6 以下 ) 7 機体制 ( 第 2 期 ) QZS-5,6,7,2R,3R,4R,1R 2 持続測位 : 水平 2.6m(RMS) 高精度持続測位 : 水平 1.0m(RMS) サービス範囲 ( 持続測位 ) サービス範囲 ( 高精度持続測位 ) 3 配信信号 L1C/A,L1C,L2C,L5 によるサービス 持続測位 高精度持続測位 : アジア オセアニア地域を広域にカバーし 現状のGPS 同等のユーザ測位性能をGPSや他 GNSSが使えない状況下でも準天頂衛星システム単独で提供する : 日本とその領海含むエリアに対して ユーザ測位精度劣化指数 (DOP) を良好にする衛星配置を実現し 他 GNSSに劣後しないユーザ測位精度を提供 3 配信信号の変更 L1C/A L1C L5 信号 (QZS-5 以降 L2C は非搭載 ) 周波数調整の結果 QZSS による L1C/A 信号の配信は 4 機までのため QZS-1R,5,6,7 は L1C/A L1C/B の切替機能を具備 スプーフィング対策 L1C/A(C/B) L1C L5 信号の航法メッセージに対し 認証情報を付与 10

12 4.7 機体制における変更点 (2/2) サービス名称 4 機体制 7 機体制 ( 第一期 ) サブメータ センチメータ 国内サービス QZS-1,2,3,4 より L1S 信号で配信精度 : 水平方向精度 1m(95%) 垂直方向精度 2m(95%) 国内サービス QZS-1,2,3,4 より L6 信号で配信 国内サービスを継続 (QZS-2,3,4) 広域サービスを追加し サービス範囲を拡大 (TBD) 補強対象に Galileo(E1) を追加 (TBD) 国内サービスを継続 (QZS-2,3,4,1R(5,6,7)) 広域サービスを追加し サービス範囲を拡大 (TBD) 目標精度は 水平方向 15cm(RMS) 垂直方向 25cm(RMS) 公共専用 QZS-2,3,4(,1R) により 1 周波によるサービス QZS-5,6,7 を 2 周波 (L6 帯と (TBD) 帯 ) 対応に拡張し 抗たん性及びユーザ測位精度の向上を図る (2 周波目は 周波数調整と技術的実現性の目途が得られた場合 ) 災害 危機管理通報 国内サービス QZS-1,2,3,4 より L1S 信号で配信 広域サービスを追加し サービス範囲を拡大 (TBD) QZS-2,3,4,1R により L1S 信号の空きスロットを使用した災害 危機管理通報サービスを提供 ( 技術的実現性の目途が得られた場合 ) 衛星安否確認 QZS-3 よりサービス実施 QZS-7 は QZS-3 メッセージ通信機能異常時のバックアップ (QZS-3 静止位置へ移動 ) SBAS 測位技術実証 QZS-3 より民間航空機向けの補強配信サービスを L1Sb 信号により実施 L5S,L1Sb 信号による測位技術実証の提供 QZS-2,3,4,1R QZS-3,6,7 により L1Sb 信号にてサービス提供 SBAS サービスの二周波複数 GNSS システム対応 (DFMC: Dual Frequency Multi Constellation services) の技術実証を実施 QZS-1R 及び QZS-6,7 の L5S 信号を使用 ホスティングなし外部機関が提供するサービスを実現するペイロードの搭載 11

13 5. 5~7 号機の高精度化 (1/2) ユーザ測位精度の向上 衛星の軌道 時刻をより正確に推定することが必要 衛星の軌道時刻の精度を向上させるためには? 地上 - 衛星間の距離に加えて 衛星 - 衛星間の距離を計測する ( 衛星間測距機能 ) 軌道位置誤差と衛星の時計誤差を正確に分離する ( 地上 / 衛星間測距機能 ) 衛星間測距機能 S 帯 ( 送受信 ) 衛星間方向の位置誤差が改善 地上 / 衛星間測距機能 C 帯 (Up) C 帯 (Down) 地上 - 衛星間方向の位置誤差が改善 従来は L 帯の Down 信号のみ 地上システム ( 新規整備 ) TLM/CMD と共用を想定 Up 信号と Down 信号の差をとることで 衛星の位置誤差 ( 電離圏と対流圏に起因する誤差 ) をキャンセルする 時計誤差を分離することが可能 監視局 ( 既設 ) 12

14 5. 5~7 号機の高精度化 (2/2) ユーザ測位精度を向上させるには 衛星の軌道位置をより正確に推定する必要がある 衛星間測距技術 を搭載し 衛星を見かけ上の監視局とすることで監視局の位置が空間的に広がり 軌道位置の推定精度を飛躍的に向上させることができる ( これまでは地上の監視局のみを用いて軌道推定を行っている ) 現状地上システムのみで軌道推定を実施 衛星間測距技術衛星間通信を用いて軌道推定を実施 衛星軌道高度 32,000~40,000 km 誤差 誤差 衛星は 重なっている部分 ( 緑網掛け ) のうちどこにいるか分からない (= 軌道位置の推定誤差 ) 衛星軌道高度 32,000~40,000km 数 m の誤差 衛星間測距により大幅に重なっている部分の範囲 (= 軌道位置の推定誤差 ) が縮小する ~130 以下 数 10cm の誤差 監視局 距離を計測 ~18 以下 監視局 距離を計測 半径 :~6,300 km 監視局 誤差 数 10 cmの誤差 半径 :~6,300 km 監視局 数 10 cmの誤差 13

15 年度 6. 開発計画 7 機体制開発ロードマップ ( 宇宙基本計画工程表 ) 平成 平成 平成 平成 平成 平成 平成 平成 平成 平成 平成 27 年度 28 年度 29 年度 30 年度 31 年度 32 年度 33 年度 34 年度 35 年度 36 年度 37 年度 以降 準天頂衛星システムの開発 整備 運用 1 機体制の運用 (QZS-1) 2-4 講義機体制の開発整備 (QZS-2~4) 打上げ 4 機体制の運用 (QZS-1,2,3,4) 初号機 みちびき 後継機の開発整備講義機体制の開発整備 (QZS-1R) 打上げ QZS-1 SIS-URE 仕様 :2.6m(95%) QZS-2~4 仕様 :2.6m 以下 (95%) 仕様検討 (QZS-1R,2,3,4) 7 機体制に向けた追加 3 機の開発整備 (QZS-5,6,7) ( 機能 性能向上に向けた研究開発 ) 1 衛星 - 地上間測距機能 2 衛星 - 衛星間測距機能 打上げ 7 機体制の運用 (QZS-1R,2,3,4,5,6,7) QZS-5~7 目標 :0.3m 以下 (95%) 衛星数 ( 幾何的配置 DOP) の不利を補うため 他 GNSS より高い SIS-URE の実現が必要 14

16 5~7 号機開発体制 6. 開発計画 内閣府は ミッションを定義し 全体システムの要求仕様を定める 測位ミッション開発事業者は 高精度な機能性能向上を実現する測位ミッションペイロード及び 高精度測距システム地上系を開発し 測位ミッションに対する要求仕様を実現する 衛星システム開発事業者は 衛星システムのバスの開発と提供されるペイロードの搭載を行い 衛星システムに対する要求仕様を実現する 内閣府 国交省 ( 航空局 ) 測位ミッション開発事業者 (JAXA) SBAS の協力 測位ミッションペイロード 高精度測距システム地上系 実証したシステムを 2026 年度に移管する 地上システム運用業者 衛星システム開発事業者 15

17 7. 今後の課題 利用拡大 機能性能向上の着実な実施 新規観測量追加による軌道クロック推定高精度化 脆弱性対策としての信号認証機能追加 システムの安定性信頼性向上 衛星更新計画 バックアップ衛星含めたシステムのロバスト性向上 持続的なインフラ構築 維持 衛星の軽量小型化 地上システム依存度の軽減 Alternative PNT 16

18 参考 : 信号配信計画 (Sunset Policy) Signal L1C/A or L1C/B L2C QZS R R(TBD) 3R(TBD) 4R(TBD) 1R 2 (TBD) R R(TBD) 3R(TBD) 4R(TBD) 1R 2 (TBD) Year 4-Sat.Constellation Phase 7-Sat. Constellation Phase ~ Design Life L1C/A Extention (TBD) L1C/A L1C/A L1C/A L1C/B or C/A L1C/B L1C/B L1C/B L1C/B L1C/B L1C/B L1C/B 17

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