航空無線通信の高信頼度化に関する研究

航空無線通信の高信頼度化に関する研究
津田良雄
航空需要の増大に伴う新空港開港や新航空路開設な
どにより航空交通量が急増している．航空交通管制業
１章では，研究の背景及び目的について述べてい
る．
務（ATC：Air Traffic Control）は重要な役割を担って
２章では，各章における技術検討が容易に進められ
おり，近距離は VHF 帯の振幅変調による無線電話を
るよう，航空機搭載無線通信システムの概要及び国際
使用し，洋上航空路などの遠距離は HF 帯の SSB 無
標準化について概説している．
線電話を用いて航空管制官とパイロットが通信を行
３章では，CdS フォトカップラを可変抵抗素子とし
い，
航空機の衝突を防ぎ安全飛行を確保すると同時に，
て用いる新たに開発した低相互変調歪の可変利得増器
航空交通の秩序を保ち効率的な運航を提供している．
を中間周波数増幅器に適用することを提案している．
このように，航空無線は航空機の運航に必要不可欠で
最初に，提案回路の動作原理を述べ，次に，提案回路
あり，極めて重要なシステムである．一方，ATC の
を計算機シミュレーションにより評価している．
また，
信頼性向上及び効率改善のため，本格的なデータ通信
提案回路方式による CdS フォトカップラを使用した
（VDL-2）の導入が計画されている．また，チャネル
利得制御は，制御する回路と制御される回路の不必要
不足を解決するため，VHF 通信周波数帯の狭帯域化
な結合を防止でき，中間周波数増幅回路のような高利
（8.33 kHz 間隔割当）
がヨーロッパで実施されており，
得回路を比較的簡単に構成できること，及び従来型の
隣接チャネル干渉障害の発生が懸念される．民間航空
バラクタダイオードによる可変利得増回路に比べ，第
会社が運航する大型航空機は，独立した３組の VHF
3 次インターセプトポイントが改善され，温度特性が
通信システムを搭載し，それぞれ異なる周波数で異な
優れ利得及び雑音指数が安定であることを実測した特
る相手局と通信を設定する．このような送受信同時運
性を示し，提案回路の有効性を検証している．更に，
用では，
送信による隣接チャネル受信障害を防ぐため，
中間周波数増幅回路の役割，及び DSP（Digital Signal
送信空中線と受信空中線間の距離を離す必要がある．
Processor）を用いたディジタル信号処理を受信機に適
しかし，航空機の場合は場所的な制約があり，干渉障
用する場合の基本概念を述べている．
害が発生し易い．干渉障害は無線通信の信頼性を低下
させるため抑制する必要がある．
本章の研究成果として，開発した「低ひずみ可変利
得増幅器」に関し，次ぎの結果を得た．
また，洋上航空路を飛行する一部の航空機には，安
（1）中間周波数増幅回路に適用した場合，低歪で安
全性向上と乗務員への運航支援を目的とする航空会社
定性に優れ，無線通信品質及び信頼性の向上に
が行う運航通信及び乗客への公衆電話サービスとし
有用である．
て，インマルサット（海事衛星）を利用する航空移動
（2）２信号特性の優れた低利得フロントエンド受信
体衛星通信システム（SATCOM）が搭載されている．
機の中間周波数増幅回路として適しており，更
しかし，SATCOM 装置は非常に高価であり，法的に
に，過大受信信号による干渉障害の低減に有効
装備義務のない SATCOM 装置を洋上航空路を飛行す
である．
るすべての航空機に搭載することは，航空会社にとっ
（3）低周波増幅回路等に適用した場合，自動録音レ
て経済的負担が大きい．このため，不安定で雑音と混
ベル制御や自動音量制限器として広く一般に利
信の多い HF 通信及び高価な設備を必要とする衛星通
信を補完する新たな洋上航空路通信手段の開発が求め
られている．
用でき有益である．
４章では，本格的な VHF ディジタルデータリン
ク VDL-2 の導入及びチャネル不足対策としての 8.33
本論文は，航空無線通信の重要性に鑑み，航空機に
kHz 間隔割当に備え，送受信同時運用を行う航空機搭
搭載される無線通信システムの信頼性を向上させ，音
載 VHF 通信システムの干渉障害発生メカニズムを検
声及びデータ通信の両面で所要性能を満足させる新し
証し，検証結果に基づき干渉障害抑制技術を提案し
い回路及び通信方式を提案し，世界的規模で展開され
ている．具体的には，バラクタダイオードの Q 値と
る空地ディジタルデータネットワークの有効利用を推
コイルの無負荷 Q 値の低下を防止して共振回路の負
し進め，航空無線通信の高信頼度化技術を提供するこ
荷 Q 値の低下を防ぐことによって位相雑音を低減し
とで，航空機の安全運航及び航空交通の効率向上を図
た低位相雑音 VCO を用いて搬送波の純度を改善し，
るとともに，ワイヤレスコミュニケーションの発展に
隣接チャネル漏れ電力に起因する干渉障害を減少さ
貢献することを目的に研究した内容を取りまとめてい
せることを提案している．更に，実測した低位相雑音
る．
VCO の特性を示し，提案回路の妥当性を検証してい
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る．また，受信機側の干渉障害対策として，選択度を
航機会を増し，経済的効果が期待できる．
改善した電子式自動同調回路，及び RF 増幅段専用の
（2）SATCOM 非搭載航空機の洋上航空路データ通信
AGC 回路を備える干渉対策プリセレクタによって，
ネットワークへの参加を可能とし，洋上航空路
干渉障害対策を低減できることを示している．また，
の信頼性向上と効率改善に有用である．
干渉障害を抑制するため，受信機の LNA（Low Noise
（3）ポジションリポート及び航空機間通信による新
Amplifier）の利得を低く設定し，２信号特性向上を優
しい通信インフラは，航空機の衝突防止情報と
先させる設計手法を採り，最終ミクサ入力に至る信号
しての利用が可能で，航空事故等の防止及び覆
の増幅度を所要の NF を満足できる程度に抑え，最終
域の拡大並びに航空交通の効率を向上させる効
段の中間周波数増幅回路で必要な利得を確保した航空
果があり，航空機の安全運航に有益である．
機搭載 VHF 送受信機の特性を示し，設計の妥当性を
検証している．
本章の研究成果として，開発した「低雑音 VCO 及
び高選択度電子同調プリセレクタ」に関し，次の結果
を得た．
航空機間通信による新しい通信インフラは，航空事
故等の防止や覆域拡大効果があり，洋上航空路通信
の信頼性向上及び航空機の安全性向上を図る手法とし
て，更に研究を継続することが望まれる．
６章は結論であり，本研究の成果をまとめた．
（1）航空無線通信の品質及び信頼度を向上させるこ
とに加えて，一般に，隣接チャネルの有効利用
本論文では，航空機に搭載される通信システムの信
や狭帯域化による周波数の有効利用を促進し，
頼性を向上させ，航空機の安全運航及び航空交通の効
利用範囲の広い無線通信技術として有用であ
率向上を図るとともに，ワイヤレスコミュニケーショ
る．
ンの発展に貢献する技術を論じている．今後，本研究
（2）航空用 VHF 通信チャネルの 25 kHz 間隔割当を
8.33 kHz 間隔割当とする狭帯域化を可能にし，
有益である．
なお，更に受信機の局部発振器の雑音が受信性能に
及ぼす影響については，今後継続して研究し，無線通
信の品質及び信頼性向上を図る必要がある．
５章では，HF 通信と SATCOM に次ぐ第三の洋上
航空路通信手段として，自律分散型アドホック無線に
よる単一チャネル VHF 空対空無線中継通信システム
を提案している． VHF 航空移動伝搬特性を検証する
ために実施した飛行実験について述べ，飛行実験で得
られた結果から，実用的な１ホップの最大有効中継距
離を検証する．次に，
洋上航空路アドホックネットワー
クモデルを示し，自律分散型アドホックネットワーク
形成に必要な経路情報として航空機が持つ位置情報を
用いて，すべての航空機がある時間間隔で航空機識別
符号と現在位置をブロードキャストする方式について
述べ，洋上航空路のような広大な空域に適した無線ア
クセス方式として，使用フレーム時間を航空路上の空
域ごとに分ける空間時分割多重アクセス方式（STDMA
：Space Time Division Multiple Access）を提案した．ま
た，STDMA 方式が隠れ端末に対して耐性を有し，航
空移動体通信の無線アクセス方式として優れているこ
とを述べている．更に，
航空機のトラヒックをパラメー
タとして洋上航空路アドホックネットワークにおける
データ転送失敗率を計算機シミュレーションによって
評価し，提案する自律分散型アドホック無線による単
一チャネル VHF 空対空無線中継通信システムの有効
性を検証している．
本章の研究成果として，提案した「洋上航空路アド
ホックネットワーク」に関し，次の結果を得た．
（1）管制間隔の短縮を可能とし，航空交通量の増大，
燃料消費改善効果の高い航空路や飛行高度の運
100
成果が，国際航空輸送の安全性及び効率の向上に寄与
し，更なる発展の一助となれば幸いである．
A Study on High Reliable Air Band Wireless
communication
TSUDA, Yoshio
Air traffic is growing rapidly as the opening of new
Part III presents the proposal for the application of the
airports or air routes increases in response to the increasing
VGA (Variable Gain Amplifier) of newly developed low
demand for air transport. ATC (Air Traffic Control) plays
intermodulation using the CdS Photo Coupler (CdS-PC) as
a crucial role in the safe operation of airplanes. For short
a variable resistance element to the intermediate frequency
distance communications, amplitude modulation VHF
amplifier. In the beginning, principle of the proposed
communication system is used, while for long distance,
circuit is described, and followed by the evaluation of
such as oceanic flight, HF SSB radio is used to establish
the proposed circuit through computer simulation. Also,
communications between an air traffic controller and a
the gain control using CdS-PC based on the proposed
pilot. Therefore, the aeronautical radio communication is
circuit method shows following features: it can prevent
essential to ensure safe flights and effective operation of
the unnecessary coupling between control circuit and
planes. Meanwhile, in order to enhance the reliability and
controlled circuit; it can establish relatively simple
efficiency of ATC, introduction of data communication
configuration of high gain circuit such as intermediate
(VDL-2) is under serious consideration. Also, in an
frequency amplification circuit; it improves the third order
attempt to resolve the problem of insufficient channels,
intercept point IM3.
8.33 kHz spacing allocation on the VHF band is being
in use in Europe, and as a result, interference of near-by
The result concerning the developed the low distortion
variable gain amplifier is as follows:
channels has become a concern. The large civil aviation
1. The application to intermediate frequency amplifier
aircrafts are equipped with three VHF communication
circuit is less distorted and exceptionally stable. Such
systems. It is necessary to widen spacing between
application is useful in enhancing the quality and
transmission and reception antennas to prevent the
reliability of wireless communications.
interference. However, airplanes have limitations due
their place character, and they are susceptible to such
interference, which has to be suppressed because it impairs
the reliability of the ATC.
2. Such application is suitable for the IF amplifier of a
low gain front- end receiver.
3. Application to the audio circuit can be widely used as
an automatic volume controller.
Some airplanes flying over the sea are equipped
Part IV discusses verification of the occurrence of
with SATCOM (Satellite Communication) based on
interference mechanism of the VHF communication system
INMARSAT (Maritime Satellite), However, the SATCOM
equipped in the airplanes implementing both transmission
system is quite costly for air companies to equip such a
and reception simultaneously on 8.33 kHz spacing
system in all airplanes flying over the sea. This is why
allocation. This study proposes a technology to suppress
it is necessary to develop a new communication means
the interference based on the results of evaluations and
for oceanic flights, which must be a complement to the
verifications. More specifically, the proposal involves the
unstable current HF communication. This study proposes
prevention of the decrease in Q values of varactor diode,
a new communication system attempts to promote the
which will prevent the decrease in Q value of oscillation
effective use of air digital data network to be applied at the
circuit. This ultimately improves the purity of carrier using
worldwide level. The study also attempts to synthesize
the low phase noise VCO and reduces the interference
results of the research intended for the contribution to
resulting from collocated radio systems. The study thus
developing wireless communications while enhancing safe
verifies the appropriateness of the proposed circuit by
operation and effective air traffic.
presenting the feature of the low phase noise VCO. The
Part I of the paper describes the background and purpose
of this study.
Part II presents the summary of the wireless communi-
study also presents new feature of the collocated airborne
VHF communication transceivers.
The following conclusion was obtained.
cation system equipped in airplanes and its international
1. In addition to its role in improving the quality and
standard to facilitate the technical review discussed in each
reliability of aeronautical radio communications, the
Part.
system is widely sued as a wireless communication
101
technology through promoting valid use of near-by
channels.
2. The system is useful in that it establishes a narrow
frequency spacing allocation.
Moreover, with respect to the impact of the noise from
the local oscillator of receiver on the performance of its
reception, further study should be undertaken because such
study is necessary to enhance the quality and reliability of
wireless communications.
Part V proposes a single channel VHF air-to-air wireless
relay communication system based on the autonomous
distribution Ad Hoc wireless network as a third method in
the oceanic flight route. Maximum practical relay distance
for one hop was verified by flight test. In order to establish
relay route, all the airplanes broadcast their identification
code and present location in certain interval. As a result,
the study proposes the STDMA (Space Time Division
Multiple Access) allows division of the frame time used
for each territorial airspace, as a suitable wireless access
method for the huge territorial air such as the oceanic
flight route. The part also describes that STDMA is
tolerable of embedded terminals and that it is excellent as
an aeronautical wireless access system. Also, computer
simulation of data transmission failure rates in the air route
Ad Hoc network was carried out. This study verifies the
validity of the single channel VHF air-to-air wireless relay
system based on the Ad Hoc wireless network.
The following conclusion was deduced from the research
results in this part.
1. The system improves the reliability and efficiency in
the oceanic flight route.
2. The position report and new communication infra
for communications between airplanes are useful for
prevention of aircraft collision and expanding the
service coverage.
Part VI presents the conclusion of this study, which is
also a synthesis of the research results.
This study discusses the technology contributes to
developing wireless communications while enhancing
efficient control of air traffic and safe operation of
airplanes. This can be accomplished through improving
reliability of the airborne communication systems. It is
my wish to be of any help, through this study, in furthering
safety and efficiency of international air transport.
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