モニタと遠方特性との 高い相関性が必要 ILS GP近傍モニタの CAT Ⅱ、Ⅲでは 完全性(Integrity,1-0.5×10-9) 異常電波の見逃しは 2×109回の着陸あたり1回未満 (毎年10,000回の飛行試験をしても 200,000年かかり、実証はできない) 継続性(1-2×10-6) 平均2,000時間以上連続して運用 誤検出による不要なシャットダウンを減らす 積雪特性の改善 電子航法研究所 監視通信領域 田嶋 裕久 本発表内容は、機上等技術領域でH20~22年に行った、電波特性の監視に関 する研究(田嶋裕久 横山尚志 金田直樹、客員研究員 中田和一)の内容の一 部である 1 5 送信素子の信号の推定 背景 航空機の着陸誘導には現在主にILS (Instrument Landing System: 計器着陸システム)を使用 今後GBAS(Ground Based Augmentation System)が導入され ても、移行には数十年かかる 着陸誘導の信頼性を保証するため、ILS GPでは近傍モニタによ り、 送信電波をモニタ 実際に航空機が使用する遠方域での電波状況と違いがあるが、 Locのような遠方モニタは不可能 近傍域の電波状況は積雪等の自然環境の変化による遠方域の 電波状況の変化に比べ過敏に変化することが知られており、不要 な装置シャットダウンを引き起こす要因 n s C T Ri Gti Gri i 1 e jkdi ai di sは受信アンテナにおける電圧 Cは定数,Tは送信電力 nは送信アンテナの素子数 aiはi番送信素子の信号の複素係数 diは素子iと受信点までの経路長 Riは実際の素子では1でイメージ素 子の場合は地面の反射係数 Gti, Griは送信と受信の素子の電力 利得 送信アンテナ素子 d1 P モニタアンテナ素子 s Fa 地面 d6 f il C T Ril Gtil Gril e jkd d il il Fは伝搬係数を表す複素係数行列 イメージ素子 a F 1 s 6 2 アレイアンテナにすることによって モニタ特性の改善が可能 ILS GP原理 ILS GP 送信 アンテナ b 近傍 モニタ アレイアンテナ (川田輝雄、航空無線工学概論より) CDI(Course Deviation Indicator)の指示 DDM(Difference in the Depth of Modulation)を表示 3 7 近傍においてパス幅は反転 アンテナ位相誤差とモニタ特性 CDI(Course Deviation Indicator)の指示 DDM(Difference in the Depth of Modulation)を表示 100 150 NFM 100 3+0.36° Array 50 Far 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 CDI (μA) 3° 0 CDI (μA) 50 0 距離 (m) -50 -50 3‐0.36° -100 航空機の利用範囲 -100 -150 近傍モニタ 設置位置 -3 図 ILS GPの距離に対する表示感度の計算例 4 -2 -1 0 送信位相誤差 (rad) 1 2 3 8 アンテナ位相誤差とモニタ特性 従来の近傍モニタを基にした改善 300 DDM Sensitivity Ant-1 200 B5r=0.634 ILS Reciever 1.35m Array 100 CDI (μA) Sencitibity NFM DDMo Baias B5i=3.653 Ant-2 Far Phaser 0 1.35m -80deg Ant-3 -100 従来のモニタに 相当する素子 1.35m -200 Attenator -13.9dB -62deg -59deg -14dB -9.9dB Ant-4 -300 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 3.03m 積雪深 (m) 左図では従来の NFM(近傍モニタ) を、アレイの下から 2番目の素子に対 応させ、他の素子 の信号を適度に合 成している。 DDM出力の調整も パラメータとして利 用可能。 Ground 9 13 図 6 モニタアレー合成部および受信系ブロック図 電波無響室における縮尺モデル実験 最急降下法の原理 bh+1 最適解 ah h bb ベクトルbの空間を平面で表す 評価関数を高さで表す GPアンテナ(左)とモニタアンテナ(右) 10 14 モニタ信号合成係数の最適化 送信アンテナ前方の垂直面内の電界実測値 V b T Fa モニタ出力 受信アレイの中の1素子を従来のモニタを初期状態 最急降下法で合成係数bを補正 m E (b) DDM Ns DDM Fs 評価関数 2 s 1 近傍 遠方 bを変化させてアンテナの性能を表す評価関数E(b)が小さくなるように改善 (a)垂直面振幅分布 探索方向ベクトル d E (b ) 極小値方向に探索 E (b h 1 ) min{E (b h uhdh )} uh 0 (b)垂直面位相分布 15 11 連立方程式による方法の問題 1素子近傍モニタを初期値とした最適化 ナルリファレンスGP、ベニヤ 12 200 150 100 最適化の目標(遠方) 50 DDM(μA) • アンテナ素子の位置誤差や信号合成器の誤 差もあり,モニタ設置の際に信号合成器の位 相振幅パラメータの調整が不可欠である • 実験を行ってみると連立方程式によるモニタ は原理的に従来のモニタと特性が大きく異な り高さ調整でゼロ調整ができず,基本的な設 置状態におけるゼロ調整も困難であることが 分かった • 積雪の状態の変化などにより誤差が生ずる 0 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 -50 最適化アレイ 0.03 NFM array far far実験 NFM実験 array実験 -100 初期パターン(近傍モニタ) -150 最適化の評価範囲 -200 板厚(m) 板厚(mm) スケールモデル実験 ベニヤ板厚とモニタ特性 16 仙台空港における実験 積雪の誘電率によるCDI特性の違い 100 100 80 60 far 60 far 40 NFM 40 NFM DDM (A) DDM (A) 80 20 0 ‐20 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Snow depth (m) ‐40 ‐60 0 ‐20 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Snow depth (m) ‐40 ‐60 ‐80 ‐80 ‐100 ‐100 (a) e=1.2-j0.001 (c) 100 e=5-j0.02 100 80 80 60 far 60 far 40 NFM 40 NFM DDM (A) 20 DDM (A) 20 0 0 ‐20 0.1 0.2 0.3 0.4 Snow depth (m) ‐40 20 0 ‐20 ‐60 ‐60 ‐80 ‐80 ‐100 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Snow depth (m) ‐40 17 ‐100 (b) e=1.8-j0.002 (d) e=10-j1 従来のモニタ(左)とアレイ(右)のアンテナ 航空保安大教育用ILSを使用 21 GPモニタのハイトパターン 4種類の雪を考慮した最適化 200 array experiment 150 80 far array far 60 100 array NFM 20 CDI (μA) NFM 50 CDI (μA) 40 0 2.3 0 -50 -20 -100 -40 -150 -60 -200 2.5 2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 仰角 (deg) -80 0 0.1 0.2 0.3 0.4 積雪深 (m) 18 • 通常のGPのハイトパターンとなり,従来の1 22 素子のモニタと同様に調整可能 まとめ 各種誘電率における積雪特性 80 ILS GPの近傍モニタの遠方界との相関を向 上するため,アレイモニタを開発 当初試みた、信号合成器で連立方程式を解 き,遠方界の推定は理論的には可能である が、誤差等の問題のため実用的でない アレイの1素子を従来のモニタとした状態を基 に拡張し、モニタ誤差を最小とするように最急 降下法により最適化 積雪の誘電率の変化を考慮した最適化も可 能であることを示した モニタ素子数は柔軟に対応可能 0 NFM -10 DDM (A) DDM (A) 60 40 Array 20 Far 0.1 0.2 Snow depth (m) 0.3 Far -30 -40 0 0.0 Array -20 -50 0.0 0.4 (a) =1.2-j0.001 NFM 0.1 0.2 Snow depth (m) 0.3 (d) =3-j0.005 0 50 Array 0 Far -10 DDM (A) DDM (A) NFM -50 -20 Array -30 Far -40 NFM -50 -60 -100 0.0 0.1 0.2 Snow depth (m) 0.3 0.4 0.0 0.1 DDM (A) DDM (A) 0 Array -40 Far -60 0.1 0.2 Snow depth (m) 0.4 0.3 0.4 Far -10 20 -80 0.0 0.3 (e) =5-j0.01 0 NFM -20 0.2 Snow depth (m) (b) =1.5-j0.002 40 0.3 -20 Array -30 -40 NFM -50 -60 0.0 0.4 0.1 0.2 19 Snow depth (m) (c) =1.8-j0.003 (f) =10-j1 モニタアンテナ素子数に対する 遠方特性と最適化モニタの残差 従来の近傍モニタの誤差は RSS(Root Sum Square)=18μA 4 残差 (μA) 3 2 1 0 1 2 3 素子数 4 1素子の結 果から、従 来の近傍モ ニタアンテナ のままでも、 モニタゲイン の調整で改 善可能 20 23
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