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レーダー講習用指導書(船舶自動識別装置、航海情報記録装置、衛星航法装置編)

 事業名 船舶の電気装備に関する技術指導
 団体名 日本船舶電装協会 注目度注目度5


第5章 衛星航法装置(GPS受信機)
5・1 機器概要及び性能
5・1・1 概要
 GPS(Global Positioning System)とは米国国防総省(DOD)が軍事目的で開発し米国運輸省(DOT)と共同で運用している人工衛星を使用した全地球的測位システムであるが、1993年12月から全世界に無償で開放され、1996年3月には民生用への無償開放の継続、産業化政策の推進等が当局より発表された。2000年5月よりSA(Selective Availability=人為的な精度劣化)を停止する決定が大統領声明という形で発表され、現在では船舶用のみならず車載用、航空機用、測量用等に幅広く利用されている。
 GPSは定まった軌道上を電波を発射しながら周回しているGPS衛星により、地球上どの地点においても測位情報を得ることができるシステムである。衛星の高度は約20,000kmで、6の軌道にそれぞれ4個が配置され、12時間周期で地球を周回している。衛星は24個で完全なシステムであるが、その他に3個の予備衛星があり衛星の寿命等に応じて入れ替えながら運営されている。(図5・1参照)
図5・1
 
 衛星の電波にはL1帯(1,575.42MHz)とL2帯(1,227.6MHz)の2種類があり、全ての衛星はこの2つの周波数を共通に使用している。L1帯はC/A(Coarse and Acquisition)コードとP(Precise)コードにより、L2帯はPコードのみによりそれぞれBPSK(Bi-Phase Shift Keying)変調され、スペクトラム拡散されている。このコードとはPRNコード(Pseudo Random Noise Code:擬似雑音符号)の事で、衛星ごとに異なっているため同時に複数の衛星を受信し識別する事ができる。逆に言うとこのコードパターンが分からなければ各衛星からの電波を受信し、その信号を解析する事はできない。C/Aコードは一般に開放されており、C/Aコードの信号を用いた単独測位はSPS(Standard Positioning Service)と呼ばれている。Pコードは原則的に軍用の信号であり、Pコードの信号を用いた単独測位PPS(Precise Positioning Service)を利用するには米国当局の許可が必要である。
 衛星は極めて正確な原子時計を内蔵しており全衛星の時刻は同期している。衛星からの電波には衛星自身の時刻、正確な軌道情報(エフェメリス)及び、全衛星の大まかな軌道情報(アルマナック)が含まれている。
 衛星航法装置(GPS受信機)は、アルマナックにより衛星の飛来を予測し、3個ないし4個以上の衛星電波を受信し、衛星の時刻及び正確な軌道情報(エフェメリス)データを基に時刻及び位置を計算する装置である。
 
(1)原理
 衛星の時刻と受信した時刻との差に電波の速度を乗算すれば衛星からの距離が計算できる。3つの衛星からの距離が分かれば3球面の交点として受信点の位置が計算できる。(図5・2参照) ただし受信点の時刻は原子時計を備えている高級なGPS受信機でなければ正確には分からない。3次元の位置を計算するためには未知数が合計4(緯度・経度・高さ・時刻)であるので少なくとも4つの連立方程式を解く必要があり、4つ以上の衛星電波の受信を必要とする。
 船舶ではGPSアンテナの水面からの高さは既知であり、装置にあらかじめ初期設定されており、通常2次元の位置(緯度・経度)を計算すれば十分であるので、必要な衛星数は3である。
図5・2
 
(2)DOP(Dilution of Precision)
 GPSの測位精度は受信点から見た衛星の幾何学的配置に影響される。受信点から見たそれぞれの衛星の方向がまんべんなく散らばっていれば精度が良くなり、1方向に集まっていれば精度は悪くなる。衛星の配置状態によって決まる測位精度の劣化をDOP(測位精度劣化係数)といい、2次元(緯度経度)の測位精度劣化係数を表すときにHDOP(Horizontal DOP)、3次元(緯度経度高さ)の測位精度劣化係数を表すときにPDOP(Perpendicular DOP)といい分けることがある。図5・3のようにDOP値が小さいほど測位精度は良くなる。
図5・3
 
(3)DGPS(Differential Global Positioning System)
 GPS信号をあらかじめ正確に位置が分かっている場所(基準局)で受信し、GPSで得られた位置と真の位置からその誤差を計算し、ディファレンシャル情報(補正値)として送信局から放送する。付近を航行中の船舶はその補正値情報を受信し、GPSの位置補正を行うことにより船舶の位置を高精度で測定する。この様なサービスをディファレンシャルGPS(DGPS)という。我国では1998年より海上保安庁により、中波無線標識(ラジオビーコン:288〜320.5kHz)の電波を使って、GPSの補正値情報と、GPS衛星の故障、システムの運用状況等の情報(インテグリティ情報)が世界共通の規格(RTCM SC−104)で放送されている。ビーコン海岸局は現在27局が運用しており、日本全国の沿岸から約300kmの範囲をサービスエリアとしている。船舶ではこれらの情報を受信する為に、別に中波ビーコンアンテナ及びDGPSビーコン受信機を装備し、GPS受信機に接続するか、ビーコン受信機が内蔵された一体型のDGPS受信機により高精度の測位を実現している。実際にDGPSの精度は約1〜5m程度となり、SAが廃止された今もGPSの測位精度を更に上げる為に有効な手段である。
 一方、IM019回総会の決議A.815(19)によると、
「湾の入り口や着岸等操船の自由が制限されている海域におけるGPS等の無線航法システムの誤差は、95%の確率で誤差10m以内であること」
と規定されており、湾の入り口や着岸等で船舶の航行を援助するために使用するGPSはDGPSである必要がある。
 
(4)GNSS
 GPSとは別に旧ソ連が開発した類似のシステムがGLONASS(Global Orbiting Navigation Sate llite System)であり、欧州にはガリレオ計画という同様の全世界的測位システムを民生組織により管理運営する計画がある。このような衛星を利用した全世界的測位システムを一括してGNSS(Global Navigation Satellite Systems)という。
 
5・1・2 性能要件
 GPS受信機の性能要件は、1995年の世界海事機関IMOの第19回総会で採択され、A.819(19)として発行された。さらに2000年12月の海上安全委員会MSC73でSOLAS第V章改正によって搭載を義務付けられるAIS、VDR等へ情報を供給するために性能基準が修正されMSC.112(73)として採択されている。以下に舶用GPS受信機の(新)性能要件を示す。(注)
(注)IEC/TC80で現在(2001年10月)IEC61108−1 Ed2(GPS性能基準)が審議中である。以下の性能要件はMSC.112(73)の概略で、すべてを網羅したものではないので注意を要す。
 
 船舶の最高速力が70ノットを超えない範囲で以下の性能を満足すること。
(1)標準測位サービス(SPS)による信号を受信処理して、世界測地系(WGS 84)により緯度経度を千分の1分の分解能で測位できること。時間はUTCに関連したものであること。
(2)L1周波数(1575.42MHz)でC/Aコードを受信すること。
(3)最低1つの出力はIEC61162規格で位置情報を外部に出力できること。
(4)静的精度はHDOP=4(又はPDOP=6)で船位(アンテナ位置)を100m以内(確率95%時間)で求めることができること。
(5)動的精度は船舶が通常経験する海況でHDOP=4(又はPDOP=6)で船位(アンテナ位置)を100m以内で求めることができること。
(6)位置決定で要求される精度と位置更新のために、自動的に最適な衛星を選択受信できること。
(7)衛星捕捉可能な信号レベルはキャリヤレベルで−130dBm〜−120dBmであること。捕捉した衛星は−133dBmまで追尾可能なこと。
(8)有効なアルマナックデータが無い場合(コールドスタート)30分以内に測位できること。
(9)有効なアルマナックデータが有る場合(ウォームスタート)5分以内に測位できること。
(10)GPS信号が24時間遮られても5分以内に再捕捉して測位できること。
(11)60秒間の電源消失が発生しても2分以内に測位できること。
(12)生成した情報について、表示とデジタル出力は最低各1秒ごとに最新位置に更新すること。
(13)生成した情報について、対地針路(COG)、対地速力(SOG)、及びUTCはデジタルインタフエースで外部に出力できること。これら出力については位置出力データに有効マークを含んでいること。COGとSOGの要求精度は船首方位と船速距離計の性能要件より劣ってはならない。
(14)ITU−R M.823基準及び関連のRTCM基準(RTCM SC−104)によるDGPSデータの処理ができること。GPS受信機にDGPSビーコン受信機を組み合わせた場合の静的及び動的精度は10m(確率95%時間)以内であること。
(15)ある種の特徴的な干渉状況におかれても満足に使用できること。(インマルサットやSバンドレーダーからの干渉を想定。)







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