衛星測位精度改善に向けた電離圏擾乱の発生予測：マルチスケール観測の実現

• 研究課題/領域番号: 20K14544
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分17010:宇宙惑星科学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所
• 研究代表者: 高橋 透 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, 電子航法研究所, 主任研究員 (40759833)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2023年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2021年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2020年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
• キーワード: 電離圏擾乱 / ビーコン観測 / 観測ロケット / 衛星測位 / ビーコン / シンチレーション / トモグラフィ / 衛星ビーコン / マルチスケール観測 / プラズマバブル / オーロラ / GNSS / VHFシンチレーション / スピッツベルゲン島 / 電離圏

研究開始時の研究の概要

電離圏内の電子密度の粗密構造が、数 mから数 kmの様々なスケールで急激に発達する電離圏擾乱と呼ばれる現象が全地球的に発生する。特に、100 mスケールの電離圏擾乱は衛星測位(GPSなど)に最大で45 mの誤差を与える。近年、100 mスケールの電離圏擾乱は、より大きい1 kmスケールの電離圏擾乱が崩壊していく過程で発生している可能性が示唆された。本研究では、VHF帯の衛星電波を使った1 km スケールの電離圏擾乱の観測と、既存の装置と併せ用いることで10 mから1 kmのスケール電離圏擾乱を同時に観測するマルチスケール観測を実施する。これにより、電離圏擾乱の発生メカニズムを明らかにする。

研究成果の概要

本研究では、数kmスケールの電離圏擾乱を観測するビーコン受信機をソフトウェアラジオを用いて作成し、鹿児島県霧島市において定常観測を開始した。今後は受信機をより電離圏擾乱の発生頻度がより高い低緯度の石垣島、及び高緯度の北極域にも設置する予定である。また、2022年8月12日に鹿児島県内之浦で実施された観測ロケットS-520-32実験では複数のビーコン受信機を鹿児島県内に設置し、それぞれの受信機で得られたデータから電離圏擾乱の発生に寄与しているスポラディックE層の水平構造を導出した。今後は本ロケット実験の結果を使って電離圏F領域に出現する電離圏擾乱との比較を進めていく予定である。

研究成果の学術的意義や社会的意義

これまで、数100 mスケールの電離圏擾乱によるGNSS信号の振幅及び位相の揺らぎを観測することで、電離圏擾乱の研究が進められてきた。本研究ではこれより大きいkmスケールの電離圏擾乱の観測が可能なビーコン受信機を作成し、実際に観測を始めたことや、ロケット観測キャンペーンに参加した。これにより複数のスケールの電離圏擾乱を観測できる下地を確立したことは、様々なスケールで出現する電離圏擾乱の生成メカニズムの解明に貢献したものと考えられる。
また、本観測を継続することでGNSS信号に揺らぎを与える電離圏擾乱の発生が予測できれば、衛星測位の精度及び信頼性の向上が見込まれ、その社会的意義は大きい。

研究成果

• [国際共同研究] オスロ大学/トロムソ大学(ノルウェー)
• [国際共同研究] University of Oslo/The Arctic University of Norway(ノルウェー)
• [国際共同研究] University of Oslo/The University Centre in Svalbard/The Arctic University of Norway(ノルウェー)
• [国際共同研究] NASA/Dartmouth College(米国)
• [雑誌論文] A statistical study of convective and dynamic instabilities in the polar upper mesosphere above Troms? (2023)
  • 著者名/発表者名: Nozawa Satonori、Saito Norihito、Kawahara Takuya、Wada Satoshi、Tsuda Takuo T.、Maeda Sakiho、Takahashi Toru、Fujiwara Hitoshi、Narayanan Viswanathan Lakshmi、Kawabata Tetsuya、Johnsen Magnar G.
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 75 号: 1 ページ: 22-22
  • DOI: 10.1186/s40623-023-01771-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electron?neutral collisions effects on Langmuir probe in the lower E-region ionosphere (2022)
  • 著者名/発表者名: Brask S. M.、Marholm S.、Di Mare F.、Adhikari S.、Spicher A.、Takahashi T.、Miloch W. J.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 29 号: 3 ページ: 033511-033511
  • DOI: 10.1063/5.0079761
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Performance of DFMC SBAS broadcasted from Japanese QZSS in Oslo, Norway (2022)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Toru、Saito Susumu、Kitamura Mitsunori、Sakai Takeyasu
  • 雑誌名: Proceedings of the 2022 International Technical Meeting of The Institute of Navigation 巻: - ページ: 401-406
  • DOI: 10.33012/2022.18239
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Suppression of Ionospheric Irregularity Due to Auroral Particle Impact (2021)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Toru、Spicher Andres、Di Mare Francesca、Rowland Douglas E.、Pfaff Robert F.、Collier Michael R.、Clausen Lasse Boy Novock、Moen Joran Idar
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 号: 1
  • DOI: 10.1029/2020ja028725
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Formation of a bottomside secondary sodium layer associated with the passage of multiple mesospheric frontal systems (2021)
  • 著者名/発表者名: Viswanathan Lakshmi Narayanan, Satanori Nozawa, Shin-Ichiro Oyama, Ingrid Mann, Kazuo Shiokawa, Yuichi Otsuka, Norihito Saito, Satoshi Wada, Takuya D. Kawahara, Toru Takahashi
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 21 ページ: 2343-2361
  • DOI: 10.5194/acp-2020-803
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Cusp as a VLF Saucer Source: First Rocket Observations of Long-Duration VLF Saucers on the Dayside (2021)
  • 著者名/発表者名: Moser, C., J. LaBelle, S. Hatch, J. I. Moen, A. Spicher, T. Takahashi, C. A. Kletzing, S. Bounds, K. Oksavik, F. Sigernes, and T. K. Yeoman
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 48 号: 2
  • DOI: 10.1029/2020gl090747
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 観測ロケット S-520-32から送信されたDual-Band Beacon によるEs層のトモグラフィ解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 高橋 透, 斎藤 享, 山本 衛, 熊本 篤志, 篠原 学
  • 学会等名: 第6回観測ロケットシンポジウム
• [学会発表] E region irregularities observed by dual band beacon from the sounding rocket S-520-32 (2023)
  • 著者名/発表者名: Toru Takahashi, Susumu Saito, Mamoru Yamamoto
  • 学会等名: URSI GASS 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Tomographic imaging of sporadic E-layer by sounding rocket S-520-32 observation, (2023)
  • 著者名/発表者名: Toru Takahashi, Susumu Saito, Mamoru Yamamoto, and Manabu Shinohara
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会 2023年秋季年会
• [学会発表] Observation of irregularities in sporadic-E layer by dual band beacon from the sounding rocket S-520-32 (2023)
  • 著者名/発表者名: Toru Takahashi, Susumu Saito, Mamoru Yamamoto, and Manabu Shinohara
  • 学会等名: JpGU 2023
• [学会発表] Examining the relevance of different instability mechanisms in causing ionospheric cusp irregularities based on sounding rocket data and numerical simulations (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Spicher, A. Kvammen, J. LaBelle, M. Zettergren, J. W. Bonnell, R. Roglans, C. Moser, S. A. Fuselier, S. Bounds, L. B. N. Clausen, F. Di Mare, C. A. Feltman, Y. Jin, C. Kletzing, W. J. Miloch, J. I. Moen, K. Oksavik, R. Sawyer, T. Takahashi, T. K. Yeoman
  • 学会等名: URSI GASS 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Observations of sporadic E using aeronautical navigation radio waves (2023)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Hosokawa, Susumu Saito, Ichiro Tomizawa, Toru Takahashi, Michi Nishioka, Takuya Tsugawa, Mamoru Ishii, Akinori Saito, Manabu Shinohara
  • 学会等名: URSI GASS 2023
  • 国際学会
• [学会発表] VHF to UHF scintillation by using beacon and NOAA signals (2022)
  • 著者名/発表者名: Toru Takahashi, Susumu Saito, Mamoru Yamamoto
  • 学会等名: 16th International Symposium on Equatorial Aeronomy
  • 国際学会
• [学会発表] bservation of ionospheric irregularity by using scintillation of beacon and NOAA satellite signals (2022)
  • 著者名/発表者名: Toru Takahashi, Susumu Saito
  • 学会等名: JpGU 2022
  • 国際学会
• [学会発表] VHF to UHF scintillation by using satellite and rocket beacon signals (2022)
  • 著者名/発表者名: Toru Takahashi, Susumu Saito, Mamoru Yamamoto, and Manabu Shinohara
  • 学会等名: 第152回地球電磁気・地球惑星圏学会
• [学会発表] DFMC SBAS メッセージの相互検証 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高橋 透, 北村光教, 小田浩幸, 坂井丈泰
  • 学会等名: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] he 10-year summary of the sodium lidar at Tromso and its future plan (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Nozawa, T. D. Kawahara, N. Saito, T. T. Tsuda, S. Wada, M. Tsutsumi, T. Takahashi, T. Kawabata, Y. Ogawa, H. Fujiwara, S. Suzuki, M. G. Johnsen, and A. Brekke
  • 学会等名: Seventh International Symposium on Arctic Research
  • 国際学会
• [学会発表] Unusual ionospheric disturbances and irregularities following the eruption of Hunga Tonga-Hunga Ha’apai (2022)
  • 著者名/発表者名: Susumu Saito, Takayuki Yoshihara, and Toru Takahashi
  • 学会等名: 16th International Symposium on Equatorial Aeronomy
  • 国際学会
• [学会発表] Monitoring of Equatorial Plasma Bubbles Using Aeronautical Navigation System (2022)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Hosokawa, Susumu Saito, Hiroyuki Nakata, Charles Lin, Jia- Ting Lin, Pornchai Supnithi, Ichiro Tomizawa, Jun Sakai, Toru Takahashi
  • 学会等名: 16th International Symposium on Equatorial Aeronomy
  • 国際学会
• [学会発表] Ionospheric irregularities and scintillations during the geomagnetic storm on 15 January 2022 (2022)
  • 著者名/発表者名: Susumu Saito, Takayuki Yoshihara, and Toru Takahashi
  • 学会等名: JpGU 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of Es Layer Substructure Using ILS Far-Field Propagation Wave for Aeronautical Navigation (2022)
  • 著者名/発表者名: Shumpei Tabuchi, Keisuke Hosokawa, Susumu Saito, Jun Sakai, Ichiro Tomizawa, Toru Takahashi, and Hiroyuki Nakata
  • 学会等名: JpGU 2022
  • 国際学会
• [学会発表] 航空航法用 ILS 長距離伝搬波 を用いた Es 下部構造の観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田淵駿平, 細川敬祐, 斎藤享, 坂井純, 冨澤一郎, 高橋透, 中田裕之
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回講演会
• [学会発表] Impacts on GNSS by ionospheric irregularities observed over Japan on 15 January 2022 (2022)
  • 著者名/発表者名: 斎藤 享, 吉原貴之, 高橋透
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回講演会
• [学会発表] 観測ロケットS-520-32号機と自前開発機器によるロケット-地上間の電離圏全電子数観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山本衛, 高橋透, 芦原佑樹
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回講演会
• [学会発表] Performance of DFMC SBAS Broadcasted from Japanese QZSS in Oslo, Norway (2022)
  • 著者名/発表者名: Toru Takahashi, Susumu Saito, Mitsunori Kitamura, and Takeyasu Sakai
  • 学会等名: ION ITM 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Decay of ionospheric irregularity due to auroral particle impact (2021)
  • 著者名/発表者名: Toru Takahashi, Andres Spicher, Francesca Di Mare, Douglas E. Rowland, Robert F Pfaff Jr., Lasse Boy Novock Clausen and Joran Moen
  • 学会等名: JpGU 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of ionospheric irregularity by using scintillation of VHF to UHF satellite signals (2021)
  • 著者名/発表者名: 高橋 透, 斎藤 享
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会
• [学会発表] 衛星ビーコン観測によるスポラディックE層の構造の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 高橋 透, 斎藤 享
  • 学会等名: 第15回MUレーダー・赤道大気レーダーシンポジウム
• [学会発表] Study of 8 hr and 6 hr atmospheric waves in the polar upper mesosphere and lower thermosphere by using sodium LIDAR data (2021)
  • 著者名/発表者名: Chiaki Morikawa, Satonori Nozawa, Takuo Tsuda, Takuya Kawahara, Norihito Saito, Satoshi Wada, Toru Takahashi, Tetsuya Kawabata, and Hall Chris
  • 学会等名: JpGU 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Atmospheric instabilities in the polar upper mesosphere (2021)
  • 著者名/発表者名: Satonori Nozawa, Sakiho Maeda, Takuya Kawahara, Norihito Saito, Satoshi Wada, Takuo Tsuda, and Toru Takahashi
  • 学会等名: JpGU 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Decay ionospheric irregularity correlate with the green line auroral emission enhancement (2020)
  • 著者名/発表者名: Toru Takahashi, Andres Spicher, Francesca Di Mare, Douglas E. Rowland, Robert F Pfaff Jr., Lasse Boy Novock Clausen and Joran Moen
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2020
  • 国際学会