JP6741005B2 - 地上型衛星航法補強システム、及び、可用性予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、地上型衛星航法補強システム、及び、可用性予測方法に関する。

受信部で受信されたＧＰＳ衛星（測位衛星）からのＧＰＳ信号（測位信号）に基づき、当該受信部の位置を知る技術は、例えばカーナビ等において用いられている。しかし、かかる方法で取得された位置は、航空機の航法に必要な精度や安全性の保証がないので、航空機が着陸する際の誘導等に利用することができない。そこで、航空機の進入着陸に必要な位置精度や安全性が保証できるように、ディファレンシャルＧＰＳの原理を応用した地上型衛星航法補強システム（ＧＢＡＳ：Ｇｒｏｕｎｄ Ｂａｓｅｄ Ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）が開発され、一部で運用が開始されている。

この地上型衛星航法補強システムでは、地上に設置された地上システムや飛行機等の飛翔体に搭載された機上システムで測位衛星からの測位信号が受信される。そして、地上システムや機上システムは、受信した測位信号から、自機と測位衛星との距離を算出する。このときの距離は、擬似距離と称されて、測位信号が送信されてから受信されるまでの時間（伝搬時間）に測位信号の伝搬速度（所定速度であると仮定）を乗算することで算出される。なお、伝搬時間は、測位信号の測位衛星からの送信時刻と、当該測位信号の地上システムや機上システムでの受信時刻との差である。
しかし、測位衛星から送信された測位信号が電離層を通過して地上システムや機上システムで受信される場合には、当該測位信号の伝搬速度が所定速度であるとの仮定が成り立たなくなる。
即ち、測位信号が電離層を通過すると、当該電離層の影響を受けて伝搬速度が遅くなり、受信時刻に遅延が生じる。このため、伝搬時間から計算される擬似距離に誤差が含まれるようになる。
地上システムや機上システムは、複数の測位衛星との間の擬似距離を用いて自機の位置を算出している。従って、擬似距離が誤差を含んでいると、この誤差は自機の測位位置精度を低下させる要因となる。

このような誤差を補正するために、ディファレンシャルＧＰＳと称される技術が提案されている。このディファレンシャルＧＰＳでは、地上システムは、上述した擬似距離を算出すると共に、後述する幾何学距離を算出する。 幾何学距離は、地上システムの位置情報と測位衛星の位置情報とを用いて算出された自機と測位衛星との間の距離である。ここで、地上システムの位置情報は、予め厳密に調査されて記憶されている。また、測位衛星の位置情報は、当該測位衛星から放送される衛星軌道情報に含まれている。

そして、地上システムは、擬似距離と幾何学距離との差分を算出する。疑似距離の測定に誤差が無ければ、擬似距離と幾何学距離とは一致するはずであるが、例えば測位信号の伝搬速度が電離層の影響を受けて遅くなっている場合には、差分が生じる。

擬似距離に含まれる誤差には、電離層に起因する誤差の他、測位衛星に搭載されている時計の誤差や、測位衛星から放送される衛星軌道情報の誤差等も存在するが、これらは本発明と関係が無いので以降の議論では割愛する。 地上システムは、測位衛星毎に上記差分を算出し、これを補正値として機上システムに送る。機上システムは、独自に算出した擬似距離を地上システムから提供された補正値により補正することで、当該擬似距離に含まれる電離層の影響を軽減して、自機の測位位置を高精度に算出できるようにする。

このようなディファレンシャルＧＰＳによる補正は、電離層活動が平穏で、地上システムと機上システムとで電離層遅延が共通である場合に有効となる。

しかし、電離層密度が大きく空間変化している場合（以下、このような場合を電離層異常と記載する）、電離層遅延が地上システムと機上システムとで共通でなくなる。

このような電離層異常が発生している場合に、機上システムが独自に算出した擬似距離を地上システムから提供された補正値により補正すると誤差が増大して、その保証範囲である保護レベルを超えることがある。そこで、非特許文献１，２においては、誤差が許容限界値を超える程度に増大してしまう可能性のあるジオメトリ（衛星セット）を、機上システムが使用できないようにするジオメトリスクリーニング処理を提案している。

ジオメトリスクリーニング処理では、機上システムが使用する可能性のある衛星セット（測位衛星のセット）毎に最悪ケースの測位誤差を推定する。そして、この最悪ケース測位誤差が許容可能な最大誤差値を超える場合には、地上システムは機上システムに提供するインテグリティパラメータを増大させる。機上システムは、このインテグリティパラメータを使用して保護レベルを算出する。地上システムは、この保護レベルがアラートリミットと呼ばれるアラートを発生させる閾値を超えるレベルにまでインテグリティパラメータを増大させる。

即ち、地上システムは、機上システムが保護レベルの算出に用いるインテグリティパラメータを提供するが、最悪ケース測位誤差が許容可能な最大誤差値を超える場合には保護レベルがアラートリミットを超えるような値のインテグリティパラメータを提供する。

これにより機上システムが許容可能な最大誤差を超えた状態で進入着陸を継続してしまうことが回避されて、安全性が保証される。

なお、インテグリティパラメータとは、非特許文献３の国際標準に規定されているパラメータで、機上システムが保護レベルと呼ばれる測位誤差の信頼範囲を算出する際に使用するパラメータである。

また、保護レベルとは、地上システムが提供するインテグリティパラメータを用いて、機上システムが算出する値で、ディファレンシャル補正を適用して測位した際の測位誤差の信頼限界値である。

さらに、アラートリミットとは、機上システムから機上システムが着陸しようとしている空港までの距離に応じて決定される警報限界値で、機上システムで算出した保護レベルが、このアラートリミットを超える場合、機上システムはＧＢＡＳを使用した航行の継続が不可能であると判断する閾値である。

Lee, J., Luo, M. et al., "Position-Domain Geometry Screening to Maximize LAAS Availability in the Presence of Ionosphere Anomalies", Proceedings of ION GNSS 2006, Fort Worth, TX, Sept. 2006. Ramakrishnan, S., Lee, J. et al., "Targeted Ephemeris Decorrelation Parameter Inflation for Improved LAAS Availability during Severe Ionosphere Anomalies", Proceedings of ION NTM 2008, San Diego, CA, Jan. 2008. International Civil Aviation Organization, "International Standards and Recommended Practices, Annex 10 to the Convention on International Civil Aviation, Volume I, Radio navigation Aids".

しかしながら、ジオメトリスクリーニング処理は、機上システムが使用する可能性のある衛星セットの全てについて行われて、全ての衛星セットに対して安全性が保証できるようにインテグリティパラメータを増大させる。この結果、最悪ケース測位誤差が許容可能な最大値を超えず、安全に進入着陸を継続できる衛星セットを使用して算出した保護レベルも増大してしまう問題がある。

そして、このような場合には、最悪ケースの測位誤差が許容可能な最大値を超えない衛星セットを使用している機上システムにおいても、増大されたインテグリティパラメータが使用される。従って、このインテグリティパラメータを用いて算出した保護レベルがアラートリミットを超えてしまい、可用性を損なうことがある。即ち、最悪ケース測位誤差が許容可能な最大誤差値を超える衛星セットに対応して、地上システムがインテグリティパラメータを増大させた結果、安全に進入着陸を継続できる衛星セットに基づき自機の位置を算出していても、このインテグリティパラメータから算出された保護レベルがアラートリミットを超えてしまい可用性が失われてしまうことが起きる。

そこで、本発明主目的は、測位衛星セット毎の可用性を予測し、該予測に従い可用性を落としている測位衛星を排除できるようにした地上型衛星航法補強システム、及び、可用性予測方法を提供することである。

上記課題を解決するため、測位衛星からの測位信号を用いて地上システムが機上システムを誘導する地上型衛星航法補強システムにかかる発明は、地上システムが経験する電離層による測位信号の電離層遅延量と、電離層と機上システムとの相対的位置の時間変化を考慮しながら電離層の状態パラメータを網羅的に変化させたときの当該電離層による所定の計算対象位置における電離層遅延量との差分が最大となる最悪ケース電離層遅延量差分テーブルを算出する最悪ケース電離層遅延量差分算出部と、測位衛星の衛星位置、擬似距離、及び、搬送波位相距離を用いて当該測位衛星の異常監視を行い、正常と判断された測位衛星を使用可能衛星として、当該測位衛星の衛星位置を含む使用可能衛星情報を作成するディファレンシャル補正値算出部と、使用可能衛星情報に基づき測位衛星の衛星セットを設定し、最悪ケース電離層遅延量差分テーブルを用いて計算対象位置における最悪ケース測位誤差を算出すると共に、現在のインテグリティパラメータを用いて許容最大誤差を算出して、最悪ケース測位誤差が許容最大誤差を超える場合、保護レベルが保護レベル判定閾値を超えるまでインテグリティパラメータを増大させる処理を繰り返すことにより、機上システムがどの衛星セットを使用したとしても、当該機上システムが経験する誤差が保護レベルを超えないことを保証するジオメトリスクリーニング部と、全使用可能衛星を使用したときの保護レベルが予め設定されたアラートリミットを超えるか否かの可用性判断を行い、当該保護レベルが該アラートリミットを超える場合は、可用性が喪失していると判断して、可用性喪失情報を作成する可用性予測部と、可用性喪失情報を受信すると、最悪ケース電離層遅延量差分テーブルを用いて使用可能衛星情報に含まれる測位衛星から所定数の測位衛星を排除して排除衛星指標を算出し、該排除衛星指標に従い排除する前記測位衛星を、使用可能衛星情報に含まれる測位衛星から除いて、これを使用可能衛星更新情報としてジオメトリスクリーニング部にインテグリティパラメータを算出させる排除衛星決定部と、を備えることを特徴とする。

また、測位衛星からの測位信号を用いて測位して、地上システムが機上システムを誘導する地上型衛星航法補強システムに用いる可用性予測方法にかかる発明は、地上システムが経験する電離層による測位信号の電離層遅延量と、電離層と機上システムとの相対的位置の時間変化を考慮しながら電離層の状態パラメータを網羅的に変化させたときの当該電離層による所定の計算対象位置における電離層遅延量との差分が最大となる最悪ケース電離層遅延量差分テーブルを算出し、測位衛星の衛星位置、擬似距離、及び、搬送波位相距離を用いて当該測位衛星の異常監視を行い、正常と判断された測位衛星を使用可能衛星として、当該測位衛星の衛星位置を含む使用可能衛星情報を作成し、使用可能衛星情報に基づき測位衛星の衛星セットを設定し、最悪ケース電離層遅延量差分テーブルを用いて計算対象位置における最悪ケース測位誤差を算出すると共に、現在のインテグリティパラメータを用いて許容最大誤差を算出して、最悪ケース測位誤差が許容最大誤差を超える場合、保護レベルが保護レベル判定閾値を超えるまでインテグリティパラメータを増大させる処理を繰り返すことにより、機上システムがどの衛星セットを使用したとしても、当該機上システムが経験する誤差が保護レベルを超えないことを保証させ、全使用可能衛星を使用したときの保護レベルが予め設定されたアラートリミットを超えるか否かの可用性判断を行い、当該保護レベルが該アラートリミットを超える場合は、可用性が喪失していると判断して、可用性喪失情報を作成し、可用性喪失情報を受信すると、最悪ケース電離層遅延量差分テーブルを用いて使用可能衛星情報に含まれる測位衛星から所定数の測位衛星を排除して排除衛星指標を算出し、該排除衛星指標に従い排除する前記測位衛星を、使用可能衛星情報に含まれる測位衛星から除いて、これを使用可能衛星更新情報としてインテグリティパラメータを算出させる、ことを特徴とする。

本発明によれば、全ての測位衛星を使用したときの可用性を予測し、当該予測により可用性喪失していると判断した場合には、可用性喪失が回避できる衛星の排除がきるようにした。これにより、システムの可用性が向上する。

地上型衛星航法補強システムの概念図である。 地上システムの機能ブロック図である。 電離層異常モデル等を説明する図である。 最悪ケース電離層遅延量差分算出処理を示すフローチャートである。 インテグリティパラメータ算出処理を示すフローチャートである。 排除する衛星nを決定するフローチャートである。 インテグリティパラメータを用いて算出した保護レベルを示した図である。 保護レベルが１０ｍ以上となった回数、及び、可用性を従来方式と本発明の方式とで比較した表である。

本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施形態にかかる地上型衛星航法補強システム２の概念図であり、図２は、地上システム３の機能ブロック図である。また、図３は、後述する電離層異常モデル等を説明する図である。

地上型衛星航法補強システム２は、位置が既知の地上システム３、測位信号を出力する複数の測位衛星４、誘導する航空機等の飛翔体に搭載された機上システム５により構成されている。

図２に示すように、地上システム３は、最悪ケース電離層遅延量差分算出部１１、受信部１２、ディファレンシャル補正値算出部１３、インテグリティパラメータ算出ユニット１４、送信部１５、記憶部１６を備える。

また、インテグリティパラメータ算出ユニット１４は、ジオメトリスクリーニング部１４ａ、可用性予測部１４ｂ、排除衛星決定部１４ｃを備える。

記憶部１６は、予め決定された電離層異常モデルＭや計算対象位置Ｑを記憶すると共に、最悪ケース電離層遅延量差分算出部１１が作成した最悪ケース電離層遅延量差分テーブルを記憶する。

最悪ケース電離層遅延量差分算出部１１は、最悪ケース電離層遅延量差分算出処理を行う。図４は、最悪ケース電離層遅延量差分算出処理を示すフローチャートである。

ステップＳＡ１： 最悪ケース電離層遅延量差分算出部１１は、記憶部１６から電離層異常モデルの読込を行う。この電離層異常モデルは、電離層異常状態の範囲をいくつかの状態パラメータによりモデル化したものである。図３においては、電離層異常を電離層遅延量の傾き（Ｓ）、電離層異常の移動速度（Ｖ）、および電離層異常の幅（Ｗ）の３つの状態パラメータによりモデル化した場合を例示している。なお、電離層異常モデルは、図３に示すモデルに限定するものではなく、幾つかの状態パラメータにより電離層異常を表すことができるモデルであればよい。

ステップＳＡ２，ＳＡ３： 次に、最悪ケース電離層遅延量差分算出部１１は、記憶部１６から計算対象位置を読込む。この計算対象位置は、機上システム５が通過するべき地点として予め設定された位置である。例えば、図３の点Ｑがこれに相当する。そして、最悪ケース電離層遅延量差分算出部１１は、電離層異常モデルで表される範囲内の電離層異常が存在することを前提として、計算対象位置Ｑにおける最悪ケース電離層遅延量差分を算出する。

なお、電離層遅延量とは、測位衛星からの測位信号が、電離層を通過して受信部１２や計算対象位置Ｑに到達するまでに生じた伝搬遅延量で、測位衛星と受信部１２や計算対象位置Ｑとの距離の測定値の誤差要素となるものである。

また、電離層遅延量差分とは、受信部１２が設置された位置での電離層遅延量と、計算対象位置Ｑでの電離層遅延量との差分である。従って、最悪ケースの電離層遅延量差分とは、電離層と機上システム５との相対的位置の時間変化を考慮しながら電離層の状態パラメータを網羅的に変化させて、電離層遅延量差分をシミュレートすることにより、機上システム５が計算対象位置Ｑに達したときに経験し得る電離層遅延量差分の最大値である。

最悪ケースの電離層遅延量差分の算出は、例えば非特許文献１に記載されている方法が利用できる。即ち、電離層と機上システム５との相対的位置の時間変化を考慮しながら電離層の状態パラメータを網羅的に変化させ、電離層遅延量差分をシミュレートする。そして、機上システム５が計算対象位置Ｑに達したときに、当該機上システム５が経験し得る電離層遅延量差分の最悪値を最悪ケース電離層遅延量差分とする。

ステップＳＡ４： 次に、最悪ケース電離層遅延量差分算出部１１は、最悪ケース電離層遅延量差分テーブルを作成し、記憶部１６に保存する。この最悪ケース電離層遅延量差分テーブルは、計算対象位置Ｑにおける最悪ケース電離層遅延量差分を電離層異常モデルの状態パラメータの関数としてテーブル化したものである。なお、テーブル化することが要件ではなく、計算対象位置Ｑにおける最悪ケース電離層遅延量差分を電離層異常モデルの状態パラメータの関数として纏めることが要件である。

受信部１２は、測位衛星から受信した測位信号を受信して、当該測位信号に含まれる衛星軌道情報から測位衛星の衛星位置を算出する。算出された衛星位置は、ディファレンシャル補正値算出部１３に出力される。

また、受信部１２は、測位信号から疑似距離、搬送波位相から搬送波位相距離を算出し、ディファレンシャル補正値算出部１３に出力する。

なお、擬似距離は、測位信号により測定された測位衛星４と受信部１２と間の測位信号伝搬時間に光速を掛けて算出された距離である。また、搬送波位相距離は、受信部１２で復調した測位信号の搬送波位相角を連続的に測定することにより算出された距離である。

ディファレンシャル補正値算出部１３は、受信部１２からの衛星位置、疑似距離、搬送波位相距離等を用いて測位衛星の異常監視を行う。そして、正常と判断した測位衛星を使用可能衛星として、その衛星位置とともに、使用可能衛星情報としてインテグリティパラメータ算出ユニット１４に伝送する。

衛星異常の監視項目は、衛星時計の異常、衛星から送られてくる衛星軌道情報の異常、測距用の信号を生成する変調回路の異常等が例示できる。これら衛星時計の異常、衛星軌道情報の異常、変調回路の異常等の監視方法については特に限定しない。

例えば、非特許文献４におけるような、搬送波位相距離の変化率から衛星時計の異常を監視する方法、非特許文献５におけるような、複数世代の軌道情報を使用して衛星軌道情報の妥当性から衛星軌道情報の異常を監視する方法が適用できる。また、非特許文献６におけるような、受信部に複数の相関器を設けて、相関波形の妥当性から変調回路の異常を監視する方法が適用できる。

(非特許文献4) Gang Xie, "OPTIMAL ON-AIRPORT MONITORING OF THE INTEGRITY OF GPS-BASED LANDING SYSTEMS", Ph.D. Dissertation, Stanford University, March 2004.
(非特許文献5) Boris Pervan, Livio Graton, "Orbit Ephemeris Monitor for
Local Area Differential GPS", IEEE Transactions on AerosPuce and Electronic Systems, Vol. 41, No.2, April 2005.
(非特許文献6) Eric Phelts, "Multicorrelator Techniques for Robust Mitigation of Threats to GPS Signal Quality", Ph. D. Dissertation, Stanford
University, June 2001.

また、ディファレンシャル補正値算出部１３は、一定の時間間隔毎に、インテグリティパラメータ算出ユニット１４に対して、インテグリティパラメータ算出処理の実行を指示（パラメータ算出指令）する。

インテグリティパラメータ算出ユニット１４は、最悪ケース電離層遅延量差分算出部１１が作成して記憶部１６に記憶されている最悪ケース電離層遅延量差分テーブル、ディファレンシャル補正値算出部１３から受信した使用可能衛星情報に含まれる衛星位置、インテグリティパラメータ初期値を用いて、インテグリティパラメータを算出し、算出したインテグリティパラメータを送信部１５へ伝送する。

ここでインテグリティパラメータとは、機上システム５が保護レベルと呼ばれる測位誤差の信頼範囲を算出する際に使用するパラメータで、非特許文献３の国際標準で定められているＧＢＡＳメッセージフォーマットにおけるＧＢＡＳメッセージタイプ１のσｐｒ＿ｇｎｄ、Ｅｐｈｅｍｅｒｉｓ Ｄｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ、及び、ＧＢＡＳメッセージタイプ２のσｖｅｒｔｉｃａｌ＿ｉｏｎｏ＿ｇｒａｄｉｅｎｔが該当する。

図５は、インテグリティパラメータ算出処理を示すフローチャートである。なお、図５に示す手順は、ステップＳＢ２の後にステップＳＢ３〜ＳＢ７が行われてステップＳＢ８に進む。そして、ステップＳＢ８〜ＳＢ１０が行われてステップＳＢ３に進み、ステップＳＢ３〜ＳＢ７が行われる。その後に、ステップＳＢ１１が行われる。

ステップＳＢ１，ＳＢ２： ディファレンシャル補正値算出部１３からインテグリティパラメータ算出処理実行指示を受けると、インテグリティパラメータ算出ユニット１４はインテグリティパラメータ算出処理を開始する。そして、ジオメトリスクリーニング部１４ａは、記憶部１６から最悪ケース電離層遅延量差分テーブル、計算対象位置Ｑ、インテグリティパラメータ初期値の読込を行う。

ステップＳＢ３，ＳＢ４： ジオメトリスクリーニング部１４ａは、使用可能衛星情報に含まれる測位衛星からスクリーニング処理の対象となる測位衛星を組み合わせて得られる衛星をセットして、最悪ケース電離層遅延量差分テーブル、計算対象位置Ｑ、インテグリティパラメータ初期値、及び、使用可能衛星情報に含まれる衛星位置を用いて、計算対象位置Ｑにおける最悪ケース測位誤差を算出する。

また、ジオメトリスクリーニング部１４ａは、現在のインテグリティパラメータ（インテグリティパラメータ初期値又はその後に変更された値のインテグリティパラメータ）を用いて計算対象位置Ｑにおける許容最大誤差を算出する。

なお、最悪ケース測位誤差は、機上システム５が経験し得る最悪ケースの誤差である。また、許容最大誤差は、インテグリティパラメータを用いて機上システムで算出される保護レベルである。なお、この許容最大誤差をアラートリミット等別の値とすることも可能である。

ステップＳＢ５，ＳＢ６： そして、最悪ケース測位誤差が許容最大誤差を超えるか否かを判断する。最悪ケース測位誤差が許容最大誤差を超える場合には、保護レベルが保護レベル判定閾値を超えるまでインテグリティパラメータを増大させる。なお、保護レベル判定閾値は、最悪ケース測位誤差、及び、アラートリミットとすることができる。以下の説明では、最悪ケース測位誤差として説明する。

ステップＳＢ７： このようなジオメトリスクリーニング処理を使用可能衛星情報に含まれる測位衛星の全ての衛星セットに対して行う。従って、ステップＳＢ７後のインテグリティパラメータは、最大値となる。従って、機上システム５がどの衛星セットを用いても、最悪ケース測位誤差が保護レベルを超えることはなくなる。

このようにして算出されたインテグリティパラメータは、可用性予測部１４ｂに出力される。

計算対象位置Ｑにおける最悪ケース測位誤差の算出方法やインテグリティパラメータを増大させる方法は、非特許文献１，２の方法を利用することが可能である。また、インテグリティパラメータから保護レベルを算出する方法については非特許文献３の国際標準に定められている。

ステップＳＢ８，ＳＢ９： 可用性予測部１４ｂは、ジオメトリスクリーニング部１４ａからのインテグリティパラメータを用いて、ディファレンシャル補正値算出部１３からの使用可能衛星情報に含まれる全ての測位衛星を使用した場合の計算対象位置Ｑにおける保護レベルを算出する。このように全ての測位衛星を使用した場合の保護レベルを、全使用可能衛星を使用したときの保護レベルと記載する。

そして、可用性予測部１４ｂは、全使用可能衛星を使用したときの保護レベルがアラートリミットを超えるか否かの可用性判断を行い、全使用可能衛星を使用したときの保護レベルがアラートリミットを超える場合は、可用性が喪失していると判断して、可用性喪失情報を排除衛星決定部１４ｃに出力する。

一方、全使用可能衛星を使用したときの保護レベルがアラートリミットを超えない場合は、可用性予測部１４ｂはジオメトリスクリーニング部１４ａからのインテグリティパラメータをそのまま出力する。

ステップＳＢ１０： 全使用可能衛星を使用したときの保護レベルがアラートリミットを超えた場合に排除衛星決定処理が行われる。一般に測位に用いる測位衛星の数が多くなるほど保護レベルは小さくなる。従って、全使用可能衛星を使用したときの保護レベルがアラートリミットを超えている場合には、これよりも少ない数の測位衛星で算出した保護レベルもアラートリミットを超える可能性が高くなる（可用性が喪失する可能性が高い）。

可用性が喪失する可能性が高い場合には、排除衛星決定処理を行って当該衛星を排除することにより可用性の喪失を回避できる可能性の高い測位衛星を使用可能衛星から排除して、インテグリティパラメータを再度算出する。これにより、インテグリティパラメータは適度に増大させることができて、可用性の喪失を抑制することが可能になる。

そこで、排除衛星決定部１４ｃは、可用性予測部１４ｂから可用性喪失情報を受け取ると、排除する測位衛星を決定する指標（以下、排除衛星指標と記載する）を算出する。そして、この排除衛星指標に基づき排除する衛星を決定して、排除衛星を除く測位衛星を新たな使用可能衛星（以下、使用可能衛星更新情報）とする。使用可能衛星更新情報は、ジオメトリスクリーニング部１４ａに送られて、インテグリティパラメータの算出が行われる。

さて、排除衛星指標としては、種々の指標が考えられる。そこで、本実施形態においては、使用可能な衛星のうち２つの測位衛星に同時に最悪ケース電離層遅延量差分が生じているとした場合に、計算対象位置Ｑで生じ得る最悪ケース垂直位置誤差（ＭＩＥＶ）を用いる。

ステップＳＢ１１： 以上の処理により算出されたインテグリティパラメータは、送信部１５から機上システム５に送信される。

図６は、排除する衛星nを決定するフローチャートである。

ステップＳＣ１，ＳＣ２： まず、排除衛星決定部１４ｃは、記憶部１６から最悪ケース電離層遅延量差分テーブルを読込む。次に、使用可能衛星の中から１つの測位衛星（この衛星を符号ｎで示す）を排除して形成される衛星セットＡ（ｎ）を定義する。

ステップＳＣ３，ＳＣ４： そして、衛星セットＡ（ｎ）に含まれる衛星ペア（ｐ１、ｐ２）の全ての組み合わせに対して、位置誤差ＩＥＶ（ｐ１、ｐ２）を
IEV（p1，p2）＝｜Svert（p1）・IER（p1）｜＋｜Svert（p2）・IER（p2）｜…（1）
Svert（p）＝Sv（p）＋Sx（p）・tan（θGPA）
の式１に従い算出する。

ここで、ＩＥＲ（ｐ１）及びＩＥＲ（ｐ２）は、それぞれ測位衛星ｐ１，ｐ２に対する最悪ケース電離層遅延量差分である。この最悪ケース電離層遅延量差分は、例えば非特許文献１に開示されている方法により、記憶部１６から読み込んだ最悪ケース電離層遅延量差分テーブルと、ディファレンシャル補正値算出部１３から受信した測位衛星ｐ１、ｐ２の位置とから決定する。

また、Ｓｖ（ｐ）、Ｓｘ（ｐ）は、非特許文献３の国際標準で定義された寄与項で、Ｓｖ（ｐ）は測位衛星ｐに対する電離層による遅延量差分の垂直方向測位誤差への寄与項、Ｓｘ（ｐ）は測位衛星ｐに対する電離層による遅延量差分の滑走路方向測位誤差への寄与項である。さらに、θＧＰＡは、滑走路への侵入角である。

ステップＳＣ５〜ＳＣ７： 次に、各衛星セットＡ（ｎ）の衛星ペア（ｐ１、ｐ２）に対して算出したＩＥＶ（ｐ１，ｐ２｜ｐ１，ｐ２∈Ａ（ｎ））の最大値である最悪ケース垂直位置誤差ＭＩＥＶ（ｎ）を、
MIEV（n）＝max（IEV（p1，p2｜p1，p2∈A（n）））…（2）
の式２で求める。

そして、最悪ケース垂直位置誤差ＭＩＥＶ（ｎ）のうち、最も小さな値の最悪ケース垂直位置誤差ＭＩＥＶ（ｎ）となった衛星セットＡ（ｎｍｉｎＭＩＥＶ）を新たな使用可能衛星とし、これを使用可能衛星更新情報として出力する。ここで、ｎｍｉｎＭＩＥＶは、ＭＩＥＶ（ｎ）が最小となった時に、全ての使用可能衛星から排除した１つの測位衛星を示している。

このようにして排除衛星が決定されると新たに使用可能衛星（使用可能衛星更新情報）が決まる。そこで、ジオメトリスクリーニング部１４ａは、この使用可能衛星更新情報を用いて、ステップＳＢ３〜ＳＢ７で説明した処理を繰り返して、新たなインテグリティパラメータを算出する。

新たなインテグリティパラメータは、送信部１５で所定のフォーマットに成型されてＧＢＡＳメッセージが構築され、これを補強情報に含めて機上システム５に送られる。

機上システム５は、地上システム３から送られてきたインテグリティパラメータを含む補強情報を受信すると、当該インテグリティパラメータを用いて保護レベルの算出を行う。そして、保護レベルがアラートリミットよりも小さい場合は送信部１５からの情報を用いて自機の位置を補正し、空港への進入着陸を継続する。一方、保護レベルがアラートリミットよりも大きい場合は、進入着陸を取りやめ、又は、他手段を使用した進入着陸に切り替える。

従って、ジオメトリスクリーニング処理を行って、インテグリティパラメータを増大させることにより航空の安全性を保証する従来の方法では、保護レベルがアラートリミットを超えてしまい可用性が喪失する場合でも、本実施形態によれば、インテグリティパラメータを著しく増大させる測位衛星を排除して当該インテグリティパラメータを算出するので、可用性の喪失を抑えることができるようになる。

図７は、２０１４年１月１日のＧＰＳ衛星の軌道情報を用いて、６０秒毎にインテグリティパラメータ算出ユニット１４を動作させて使用可能衛星更新情報を作成し、この使用可能衛星更新情報に含まれるインテグリティパラメータを用いて算出した保護レベルを示した図である。図７において、■印は、本実施形態によるインテグリティパラメータを用いて算出した垂直保護レベルを示している。なお、比較例として、従来の方法によるインテグリティパラメータを用いて算出した垂直保護レベルを▲印で示している。

なお、保護レベルの算出には、使用可能な全ての測位衛星４が用いられている。また、アラートリミットは、非特許文献３の国際標準で規定された１０ｍとしている（図７における直線）。

図７から解るように、使用可能な測位衛星４の全てを用いて算出した保護レベルがアラートリミットを超える場合に、排除衛星決定処理で排除する衛星を決定して、新たな使用可能な測位衛星４とするため、保護レベルがアラートリミットを超えない時間帯では、２つの保護レベルは一致している。そして、従来方式で算出した保護レベル（▲印）がアラートリミットを超えてシステムの可用性が失われる時間帯が発生しても、本実施形態による方法では多くの場合、保護レベル（■印）がアラートリミット未満となって可用性が担保されている。

図８は、保護レベルがアラートリミット以上となった回数、及び、可用性を従来方式と本発明の方式とで比較した表である。同図から、本発明によれば保護レベルがアラートリミット以上となる回数が７０回から１１回に削減でき、また可用性は９５．１４％から９９．２４％に向上させることができることが示された。

なお、上記説明では、計算対象位置Ｑは１つとして説明したが、これに限定するものではなく複数であってもよい。

また、ジオメトリスクリーニング部１４ａで許容可能な最大位置誤差を保護レベルとしているが、これをアラートリミットとしてもよい。

また、ジオメトリスクリーニング部１４ａでインテグリティパラメータを増大させる際の保護レベル判定閾値を最悪ケース測位誤差としているが、これを計算対象位置Ｑにおけるアラートリミットとしてもよい。

また、インテグリティパラメータ算出ユニット１４が行う排除衛星決定処理において、排除衛星を決定する際の排除衛星指標として数式２に示したＭＩＥＶ（ｎ）を使用したが、これを他の排除衛星指標とすることも可能である。
例えば、
IEV1（p｜A（n））＝｜Svert（p）・IER（p）｜…（3）
の式３に示すＩＥＶ１を最大にする衛星とすることも可能である。

また、可用性予測部１４ｂが行う可用性予測処理において、可用性喪失と判断する基準として、使用可能な測位衛星４の全てを使用した場合の計算対象位置Ｑにおける保護レベルがアラートリミットを超える場合を用いたが、これを他の基準とすることも可能である。例えば、全ての使用可能な測位衛星４から１衛星を除いて算出した保護レベルがアラートリミットを超える場合を基準に加えることも可能である。

また、可用性予測部１４ｂが行う可用性予測処理、及び、排除衛星決定部１４ｃが行う排除衛星決定処理は一度だけ行う場合（衛星排除を１度だけ行う場合）について説明したが、これを複数回にすることも可能である。即ち、排除衛星決定部１４ｃが排除衛星決定処理により決定した排除衛星を除いて、再度ジオメトリスクリーニング処理を行って決定したインテグリティパラメータを用いて可用性予測処理を行っても、可用性が喪失するような場合には、更に排除衛星決定処理を行って当該衛星を排除することにより可用性の喪失を回避できる可能性の高い測位衛星を排除することが可能である。

さらに、記憶部１６を設け、そこに最悪ケース電離層遅延量差分算出部１１が算出した最悪ケース電離層遅延量差分テーブル、計算対象位置Ｑ、電離層異常モデルＭを記憶させているが、記憶部１６を設けず、これらの情報を最悪ケース電離層遅延量差分算出部１１、及び、インテグリティパラメータ算出ユニット１４にハードコーディングしておくことも可能である。

以上、実施形態（及び実施例）を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態（及び実施例）に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１５年７月１日に出願された日本出願特願２０１５−１３２７９２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

２ 地上型衛星航法補強システム
３ 地上システム
４ 測位衛星
５ 機上システム
１１ 最悪ケース電離層遅延量差分算出部
１２ 受信部
１３ ディファレンシャル補正値算出部
１４ インテグリティパラメータ算出ユニット
１４ａ ジオメトリスクリーニング部
１４ｂ 可用性予測部
１４ｃ 排除衛星決定部
１５ 送信部
１６ 記憶部

Claims (4)

1. 測位衛星からの測位信号を用いて地上システムが機上システムを誘導する地上型衛星航法補強システムであって、
   前記地上システムが経験する電離層による前記測位信号の電離層遅延量と、前記電離層と前記機上システムとの相対的位置の時間変化を考慮しながら前記電離層の状態パラメータを網羅的に変化させたときの当該電離層による所定の計算対象位置における電離層遅延量との差分が最大となる最悪ケース電離層遅延量差分テーブルを算出する最悪ケース電離層遅延量差分算出手段と、
   前記測位衛星の衛星位置、擬似距離、及び、搬送波位相距離を用いて当該測位衛星の異常監視を行い、正常と判断された測位衛星を使用可能衛星として、当該測位衛星の衛星位置を含む使用可能衛星情報を作成するディファレンシャル補正値算出手段と、
   前記使用可能衛星情報に基づき前記測位衛星の衛星セットを設定し、前記最悪ケース電離層遅延量差分テーブルを用いて前記計算対象位置における最悪ケース測位誤差を算出すると共に、現在のインテグリティパラメータを用いて許容最大誤差を算出して、前記最悪ケース測位誤差が前記許容最大誤差を超える場合、保護レベルが保護レベル判定閾値を超えるまでインテグリティパラメータを増大させる処理を繰り返すことにより、前記機上システムがどの衛星セットを使用したとしても、当該機上システムが経験する誤差が前記保護レベルを超えないことを保証するジオメトリスクリーニング手段と、
   全使用可能衛星を使用したときの前記保護レベルが予め設定されたアラートリミットを超えるか否かの可用性判断を行い、当該保護レベルが該アラートリミットを超える場合は、可用性が喪失していると判断して、可用性喪失情報を作成する可用性予測手段と、
   前記可用性喪失情報を受信すると、前記最悪ケース電離層遅延量差分テーブルを用いて前記使用可能衛星情報に含まれる前記測位衛星から所定数の測位衛星を排除して排除衛星指標を算出し、該排除衛星指標に従い排除する前記測位衛星を、前記使用可能衛星情報に含まれる前記測位衛星から除いて、これを使用可能衛星更新情報として前記ジオメトリスクリーニング手段に前記インテグリティパラメータを算出させる排除衛星決定手段と、
   を備えることを特徴とする地上型衛星航法補強システム。
2. 請求項１に記載の地上型衛星航法補強システムであって、
   前記排除衛星決定手段は、
   使用可能な全ての測位衛星から１つの前記測位衛星が排除されてなる複数の前記測位衛星の中から、任意の前記測位衛星を組み合わせてなる衛星セットを決定する第１の手段と、
   前記衛星セットで、最悪ケース垂直位置誤差を計算する第２の手段と、
   前記第１の手段と第２の手段による処理を繰り返して、前記衛星セット毎に得た最悪ケース垂直位置誤差に従い前記衛星セットを探索する手段と、
   前記最悪ケース測位誤差に従う前記衛星セットを決めたときに排除した衛星を排除衛星とする手段と、
   を備えることを特徴とする地上型衛星航法補強システム。
3. 測位衛星からの測位信号を用いて測位して、地上システムが機上システムを誘導する地上型衛星航法補強システムに用いる可用性予測方法であって、
   前記地上システムが経験する電離層による前記測位信号の電離層遅延量と、前記電離層と前記機上システムとの相対的位置の時間変化を考慮しながら前記電離層の状態パラメータを網羅的に変化させたときの当該電離層による所定の計算対象位置における電離層遅延量との差分が最大となる最悪ケース電離層遅延量差分テーブルを算出し、
   前記測位衛星の衛星位置、擬似距離、及び、搬送波位相距離を用いて当該測位衛星の異常監視を行い、正常と判断された測位衛星を使用可能衛星として、当該測位衛星の衛星位置を含む使用可能衛星情報を作成し、
   前記使用可能衛星情報に基づき前記測位衛星の衛星セットを設定し、前記最悪ケース電離層遅延量差分テーブルを用いて前記計算対象位置における最悪ケース測位誤差を算出すると共に、現在のインテグリティパラメータを用いて許容最大誤差を算出して、前記最悪ケース測位誤差が前記許容最大誤差を超える場合、保護レベルが保護レベル判定閾値を超えるまでインテグリティパラメータを増大させる処理を繰り返すことにより、前記機上システムがどの衛星セットを使用したとしても、当該機上システムが経験する誤差が前記保護レベルを超えないことを保証させ、
   全使用可能衛星を使用したときの前記保護レベルが予め設定されたアラートリミットを超えるか否かの可用性判断を行い、当該保護レベルが該アラートリミットを超える場合は、可用性が喪失していると判断して、可用性喪失情報を作成し、
   前記可用性喪失情報を受信すると、前記最悪ケース電離層遅延量差分テーブルを用いて前記使用可能衛星情報に含まれる前記測位衛星から所定数の測位衛星を排除して排除衛星指標を算出し、該排除衛星指標に従い排除する前記測位衛星を、前記使用可能衛星情報に含まれる前記測位衛星から除いて、これを使用可能衛星更新情報として前記インテグリティパラメータを算出させる、
   ことを特徴とする地上型衛星航法補強システムに用いる可用性予測方法。
4. 請求項３に記載の地上型衛星航法補強システムに用いる可用性予測方法であって、
   使用可能な全ての測位衛星から１つの前記測位衛星が排除されてなる複数の前記測位衛星の中から、任意の前記測位衛星を組み合わせてなる衛星セットを決定する第１の手順と、
   前記衛星セットで、最悪ケース垂直位置誤差を計算する第２の手順と、
   前記第１の手順と第２の手順による処理を繰り返して、前記衛星セット毎に得た最悪ケース垂直誤差に従い前記衛星セットを探索し、
   前記最悪ケース測位誤差に従う前記衛星セットを決めたときに排除した衛星を排除衛星とする
   ことを特徴とする地上型衛星航法補強システムに用いる可用性予測方法。

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