準天頂衛星システム

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日本上空を通る準天頂軌道(非対称8の字軌道)

準天頂衛星システム(じゅんてんちょうえいせいシステム、Quasi-Zenith Satellite System、QZSS)は、主に日本地域向けに利用可能とする地域航法衛星システムを言う。宇宙航空研究開発機構(JAXA)が準天頂衛星を用いてシステム構築を目指している。既に2010年9月11日に技術実証のための準天頂衛星初号機みちびき (QZS-1)が打ち上げられており、2017年から2019年までに衛星3基が追加で打ち上げられて、4基体制でシステムが運用されることが決定している[1][2]

概要[編集]

衛星測位システムの意義[編集]

衛星測位システムは社会インフラとして重要と言われ、米国のGPSをはじめとして、ロシアGLONASSEUガリレオ中国北斗インドのIRNSS等、経済大国では衛星測位システムの構築が進行もしくは計画されている。他国に頼らずに自前で全地球航法衛星システムを構築することは、精密誘導兵器の運用等の安全保障上の観点から重要である。

しかし多数の人工衛星の打ち上げ、および、10年ほどの寿命による衛星更新が常に必要で、維持にも常時多額の費用がかかるため、自国による構築は安全保障のための強い政治的な意思と財政的裏付けが前提となる。従って、他国の衛星測位システムに依存する[3]、もしくは地域航法衛星システムの構築までに留めて必要とする衛星数を抑制する選択肢もある。

日本の準天頂衛星システムでもコストに見合う効果およびキラーアプリケーションを見いだす検討の努力が続けられている。

準天頂衛星システムの意義[編集]

衛星測位において利用者の受信機の正確な位置を測定するためには4機以上の衛星からの信号を受信することが必要である。しかし、日本には、高層ビルが立ち並ぶ都市部や、山間地では空が広く見えないために、低仰角の衛星からの信号を受信するのが難しく、現状のGPS衛星のみでは衛星の見通しが遮られ利用者位置から見た可視衛星数が3機以下となり測位が不可能となる場合がある。

もしも現在30機程度を運用中のGPSに対して、GPS衛星もしくはGPS互換衛星を10機程度追加すれば、上記のようにGPS可視衛星数が3機のみという状況は、可視衛星が4機へほぼ改善されることになり(1機が追加される)、測位が可能となる。

日本の準天頂衛星システムでは、上記に相当する状況(1機が追加される)を実現するために、準天頂衛星を3機以上用意して日本の真上を通る軌道から信号を送信することで、地上から高仰角で観測できる準天頂衛星を常に1機は見通せることができるようにする。右上の図のような上下非対称の8の字(numeral-"8"-shaped)軌道をとる場合、東京では常に70度以上の高い仰角で1機以上の準天頂衛星を見通すことができる。

準天頂衛星からの信号とGPS衛星からの信号と組み合わせることで、測位できる場所や時間帯を複数のGNSSの統合運用と同等程度に広げることができる。また、日本のユーザはGPS信号を捕捉するまで30秒~1分ほど掛かっていたのが15秒程度に短縮できる見込みである[要出典]。ただし、衛星側の変更のみで従来型のGPS受信機までも対応できるのではなく、準天頂衛星システムの測位信号を受信、処理できるように改修、開発した受信機が必要である[4]

ただ、米国自身は現在数以上の衛星をGPSに追加することは費用対効果が悪く実行の見込みは薄いが、ロシアのGLONASS、欧州のGalileo、中国の北斗と、他国の航法衛星数は増加しつつあり、また各国の航法衛星システムの統合運用により可視衛星数は大幅に増え(複数のGNSSを併用すれば可視衛星は2倍3倍にできる)、測位が不可能となる状況は大きく減少する。加えて高仰角という準天頂衛星のメリットも減殺される。

そして、準天頂衛星は衛星が高高度軌道にあるので、地上の受信側でGPSやGalileoと同じ電波強度の信号を受信できるようにするためには、衛星からは強い電波を送信する必要があり、衛星は大型化する。しかし一方で、衛星を打ち上げる際、当然低軌道に比べてロケットに要求される能力は増える。また、QZSSを構成する各準天頂衛星は軌道面がまったく異なるため、GPS衛星(ナブスター衛星)のように、1機のロケットで複数機打ち上げることが難しくなる。これらの結果、衛星システムを構築する費用は格段に増える。

また、GPSの補正に関しては現在でも地上局からの補正を併用するDGPSがあり、静止衛星からGPSの補完・補強を行うWAASやMSAS、EGNOSというプロジェクトも現在実用化されている。特にMSASは、日本が打ち上げたひまわり6・7号により行われるGPS補強システムである。

ただしこれらのシステムはどれも、「空が開けてないと測位が出来ないことがある」と言う欠点を完全に補うものではない。しかし、地下街や屋内ではそもそも準天頂衛星をもってしても測位は不可能であり、これら電波の届かない場所にスードライトというGPSの信号を中継する機器をビルの屋上などに設置することにより、ビルの谷間でも測位を可能とする方法が現在研究されており、準天頂衛星が必要不可欠であるとするほどの説得力に欠けている。また、準天頂衛星システム自身においても、地上補完システムとしてIndoor MEssaging SystemIMES)を考案し、衛星の電波が届かない屋内や地下街はIMES送信機によって補完するようにIS-QZSS仕様書で提案している。

衛星[編集]

準天頂衛星システムは、第1段階では1機の衛星で技術実証と利用実証を行い、検証を経た後に同一軌道上の衛星3機体制の第2段階であるシステム実証に移行する予定である。もしもこの計画をそのまま実用へ移行するならば、冗長性を確保するために、さらに1機を追加し4機体制を必要とする。

準天頂衛星 初号機
「みちびき (QZS-1)」
所属 宇宙航空研究開発機構(JAXA)
主製造業者 三菱電機
公式ページ JAXA
JAXA宇宙利用ミッション本部
国際標識番号 2010-045A
カタログ番号 37158
状態 運用中
目的 衛星測位システムの技術実証
設計寿命 10年(目標12年)
打上げ機 H-IIAロケット 18号機
打上げ日時 2010年9月11日
20時17分 (JST)
軌道投入日 2010年9月27日
物理的特長
衛星バス DS2000
本体寸法 高さ6.2m×幅3.1m×奥行2.9m
質量 4,100kg (ドライ約1,800kg)
発生電力 5.3kW以上
姿勢制御方式 三軸姿勢制御
軌道要素
軌道 準天頂軌道
静止経度 東経135度(中心経度)
近点高度 (hp) 32,618 km[5]
遠点高度 (ha) 38,950 km[5]
軌道半長径 (a) 42,156 km
離心率 (e) 0.099以下
軌道傾斜角 (i) 41.0度[5]
軌道周期 (P) 23時間56分[5]
通信設備
TTSアンテナ  
レーザリフレクタ  
Lバンドアンテナ  
L1-SAIFアンテナ  
CバンドTT&
Cアンテナ
 

初号機 みちびき[編集]

2010年9月11日に準天頂衛星初号機みちびき (QZS-1)H-IIAロケット18号機で打ち上げられた[6]。当初は2009年度中の打ち上げを目指していたが、外国からの調達品である原子時計の入手前倒しが不可能となり、2010年8月2日に延期された。その後、みちびきのリアクションホイール(姿勢制御装置)に不具合が見つかったため、さらに延期されていた。衛星開発費は約400億円。

2010年1月20日、JAXAが実施した愛称募集キャンペーンの結果、愛称は「みちびき」となった[7]

みちびきの結果によって、追加の衛星打ち上げについての判断が行われる。そのため、みちびきの設計寿命は10年(推進薬やバッテリは12年)と長くなっている。その後は、アメリカ空軍により運用されているGPSや、欧州で開発途上のGalileoと合わせて使用される。

衛星の最終的な質量が決まっていない頃は、衛星が重くなった場合に備えてH-IIA 204を使用する、H-IIA 202でQTO(準天頂遷移軌道)から準天頂軌道に移行する、H-IIA 204でほかの静止衛星と相乗りさせGTO(静止遷移軌道)から準天頂軌道に移行する、などの方法も検討されていた[8]。その後、実績のあるGTOから準天頂軌道に移行することとし[9]、遷移軌道投入を最適な時刻に変えることで、H-IIA 204で打ち上げる予定をH-IIA 202で打ち上げることになり、10億円の費用削減に成功している[10]

軌道[編集]

衛星の軌道については、軌道傾斜角45度、離心率0.099、軌道周期23時間56分の軌道に3機を配置することが官民で合意されている。

カバー領域[編集]

サービス領域は日本を含むアジアオセアニア全域であり、その地域ではGPSやGalileoに加えて準天頂衛星からの電波も受信可能であるため、衛星測位の信頼性が向上することが期待されている。

周波数[編集]

準天頂衛星からは、L5(周波数1176.45MHz)、L2C(周波数1227.60MHz)、LEX(周波数1278.75MHz)、L1C, L1C/A, L1SAIF(周波数1575.42MHz)の合計6種類の衛星測位信号の送信が計画されている[11]

高精度補正情報伝送[編集]

GPS単独測位の受信機が測定する座標に生じる誤差は、系統誤差とランダム誤差の和と見なすことができる。系統誤差についてはおよそ1mから7mほどの範囲にあるが、この系統誤差要因の値を利用者へ伝送し補正情報として用いることができれば、測位座標の系統誤差を低減できることになる。ただし日本全国向けに既に民間サービスによる1cm級の精度の補正情報の提供が展開されている。

準天頂衛星システム開発においては日本全国向けに1m級の精度の補正情報生成が開発中である。補正情報を利用者へ伝送するには多くの利用者にとって最適な方法を用いて伝送することが望ましいが、準天頂衛星システムではその衛星信号(L1-SAIF信号)に載せて利用者受信機へ伝送する点が利点と考えられている。

開発の経緯[編集]

1997年3月、旧・宇宙開発委員会[12]で取りまとめられた我が国における衛星測位技術開発への取り組み方針について[13]の文書にて、衛星測位技術の現状分析と将来の需要、および日本が今後取り組むべき研究課題がまとめられた。 その際、検討されていた5つのシナリオのうち、「GPSを基本とし、衛星の基礎技術を開発し、最低限の衛星数で技術試験を実施」するシナリオが採択された[14]。他のシナリオは、そもそも測位技術の開発を行わないものから独自測位技術による移動体サービスの実証を行うものまで様々なものがあった。

2001年7月、経団連側から準天頂衛星システム構想の提案がなされ、2002年6月の総合科学技術会議では、QZSSの開発・整備を「産官の連携のもとに推進する」との方針が定められた。2002年11月1日には、三菱電機日立製作所伊藤忠商事NEC東芝スペースシステム三菱商事トヨタ自動車等の59社の出資によりQZSSを利用して通信と放送に測位を複合させたサービスを提供する新衛星ビジネス株式会社 (ASBC) が設立された[15]

2002年10月9日、現・宇宙開発委員会の今後の衛星測位に係る技術開発のあり方について[16]の文書では、測位システムの開発意義が再確認され、測位情報のニーズとGPS近代化に対応するため、日本の測位技術を向上させる方針が明確化された。

2002年10月16日、東京にて第2回日米衛星測位システム(GPS)全体会合[17]が行われ、日本が計画している準天頂衛星システム (QZSS) に関してアメリカ側への説明が行われた。QZSSは日本付近におけるGPSの補完および補強機能を備えるものとされ、技術的な事項を検討するためのワーキンググループの設置が決定された。

2002年12月25日、国の総合科学技術会議にてQZSSの研究開発の推進は妥当と評価された[18]。この時の資料では、QZSSの予算総額は782億円とされ、民間による事業化の判断は2004年度に、打ち上げは2008年度を目途に行われるものとされた。また、QZSSによる経済効果は12年間で約6.1兆円という報告もあるが、詳細評価は困難であるとされた。

その後の総合科学技術会議等の政府系会議においても、QZSSの推進方針が確認されつづけた。

しかしながら、2006年2月に行われた民間の事業化判断において、民間独自での通信・放送事業の実施は困難であるとの判断が示された[19]。この時点ですでに測位情報の一定のニーズは満たされており、Sバンドを用いるほどの測位補強情報のニーズが官民ともに見込めないため、事業化は困難であるとされた。

2006年3月には方針が大きく変更され[20]、準天頂衛星の最初の一機は官、すなわちJAXAが主体的に打ち上げ、その技術検証・利用検証を踏まえたうえで残りの2機を加えた利用実証を官民共同で行うこととなった。そのための官民共同の運用会社は2006年度中に設立することとされた。衛星からはSバンドの通信機能が削除され、Lバンドのみを利用することとなった。準天頂衛星の初号機は2009年度に打ち上げることとされた。

2006年8月~11月、宇宙開発委員会にて変更後の開発目的・方針等が改めて審査され、了承された[21][22]

2007年4月3日、JAXAはGPS衛星や準天頂衛星の信号が届かない屋内でも測位できる屋内GPS技術としてIMES方式を考案し、NTTドコモ、日立製作所、測位衛星技術、新衛星ビジネス(ASBC)らと共同で地下駐車場における実証実験に成功したと発表した[23]

2007年8月2日、民間会社の新衛星ビジネス(ASBC)は解散。財団法人衛星測位利用推進センターが後を引き継ぐ形となった。 2010年9月11日に技術実証のための準天頂衛星初号機みちびき (QZS-1)が打ち上げられた。

2013年3月29日、政府は準天頂衛星2基、静止軌道衛星1基などの開発、製造を三菱電機に発注した。2017年から打ち上げ2019年から「みちびき」と併せ4基体制で運用し、24時間利用可能とする[1][2]

脚注[編集]

  1. ^ a b 準天頂衛星システムの衛星開発等事業」の受託者の決定について2013年(平成25年)3月29日 内閣府ホーム > 調達情報 > 準天頂衛星システム関連
  2. ^ a b 読売新聞2013年3月30日13版8面
  3. ^ 平成22年に開催された日本政府主催の有識者会議では「国家として独自の測位システムを構築する意思がない場合は不要。他国の測位システムの補完システム(本システム)もユーザからの強い要望がない限り不要」とされた。(今後の宇宙政策の在り方に関する有識者会議提言書(平成22年4月20日)
  4. ^ 市販GPS受信機の準天頂衛星システム対応支援制度の開始について 2010年10月12日 JAXA
  5. ^ a b c d 準天頂衛星初号機「みちびき」の準天頂軌道投入について
  6. ^ H-IIAロケット18号機による準天頂衛星初号機「みちびき」の打上げについて
  7. ^ 準天頂衛星初号機の愛称募集結果について 2010年1月20日 JAXA
  8. ^ 準天頂高精度測位実験について(第2分冊:評価その2対象分)(2006年7月11日)2011年4月29日閲覧
  9. ^ 準天頂高精度測位実験について(第2分冊:評価その2対象分)(2006年10月17日)2011年4月29日閲覧
  10. ^ みちびく人々 準天頂衛星システムプロジェクトチーム 宇宙航空研究開発機構 2010年12月15日 2011年4月27日閲覧
  11. ^ 準天頂衛星システムユーザーインターフェース仕様書(IS-QZSS)1.1版
  12. ^ 旧・宇宙開発委員会とは、日本の宇宙関連の政策を内閣総理大臣に諮問するために旧総理府(現在は内閣府に統合)に設置されていた、旧科学技術庁長官を長とする委員会である。2001年1月まで存続していた。
  13. ^ 我が国における衛星測位技術開発への取り組み方針について 1997年3月 旧・宇宙開発委員会
  14. ^ 近年の衛星測位システムの開発経緯 2003年11月27日 総合科学技術会議 宇宙開発利用専門調査会 測位分野検討会(第2回)資料
  15. ^ 準天頂衛星システムの事業化検討を行う新会社を設立 2002年10月30日 三菱電機他6社の共同発表資料
  16. ^ 今後の衛星測位に係る技術開発のあり方について 2002年10月9日 宇宙開発委員会
  17. ^ 第2回日米衛星測位システム(GPS)全体会合 2002年10月16日 外務省
  18. ^ 「準天頂衛星システム」について 2002年12月25日 総合科学技術会議
  19. ^ 今後の準天頂衛星システム計画の推進の基本的考え方 2006年3月31日 第3回測位・地理情報システム等推進会議 配布資料5
  20. ^ 第3回測位・地理情報システム等推進会議 議事次第 2006年3月31日 内閣官房
  21. ^ 宇宙開発委員会 第4回推進部会議事録(案) 2006年8月10日 宇宙開発委員会
  22. ^ 宇宙開発に関する重要な研究開発の評価準天頂高精度測位実験の事前評価結果最終とりまとめ 2006年10月27日 宇宙開発委員会
  23. ^ シームレス測位試作機を用いた実証実験の実施結果について 2007年4月3日 JAXA

外部リンク[編集]