3.3 中波の異常伝播について 3.3 Report on abnormal transmission of middle radio wave SUGAI Hiroki 1．はじめに 世界的な海上遭難安全通信システムである GMDSS にお するが、夜間 3000 マイル以上の伝播は通常は考えられて いて、NAVTEX は近海海域である海岸から 400 マイル程度 いない。しかし現実には南極海域において 6000 マイルを越 を限度とした沿岸において航海と気象の警報や安全情報を える中波の受信の実体について再度、電離層について考慮 518kHz の FIB モードで放送されている。これは、300 ト した。ここで電離層について若干整理する。 ン以上の船舶にその搭載が義務つけられているものである。 中波の電離層伝播について 今回は、この NAVTEX 受信機を利用し、実習の一環として 中波の周波数帯においては、昼間は電離層反射波が吸収 東京∼バンコク（タイ）∼ポートルイス（モーリシャス） されてしまうため、大地導電率が低いほど、周波数が高い ∼フリーマントル（オーストラリア）∼南極海域∼ホバー ほど、電離強度は距離に対して急激に減衰する。夜間は強 ト（オーストラリア）∼ビューティーポイント（オースト い電離層反射波が E 層（高度 100km）から反射され大地に ラリア）までの受信記録を整理し、各 NAVTEX 放送区域に 戻ってくるとされている。従って、送信局付近では地表波 おける NAVTEX 受信状況を調査した。さらに同じく中波を が主体であるが、送信局から遠ざかるに従って地表波は減 使用しているディファレンシャル GPS（DGPS）の受信状 衰し、電離層反射は強くなる。さらに距離が遠くなっても、 態も同時に記録し電波受信状況を調査することを目的とし 電離層反射波は強くなる傾向を示し、遠距離まで比較的高 た。 い制度を持つ。つまり送信局から距離が遠くなるにつれて、 受信点には低角度で放射されたものが到達することになる。 ２．方法 地表波と電離層反射波がほとんど同一の電界強度になる区 NAVTEX 受信機を使用し、 域では、別々な経路を通って到来した両電波が加わるため 航行警報・気象警報・気象予 合成電界強度はベクトル和になり、フェージングを生じる。 報などの情報、送信局識別符 地表波が共存する場合に比べると激しさはかなり少ないと 号、情報番号、受信誤字率な いわれている。1） ＊フェージング：主として日の出没の時に電離層の電 どの受信情報(ZCZC)の記録 及び整理を行った。 Photo.1 NAVTEX receiver 子密度が急激に変化し、地表波と空間波が干渉して また陸上送信局の位置から本船の GPS 位置との距離を航海 生じる雑音であり、到達時間差による位相差の違い 電卓で算出し、受信した誤字率(CER)（％）と比較した。 （０°∼360°）、伝播途中の減衰の違い、振幅強度 DGPS においてはレーダー画面の左側に現在の測位状況 の違いのため、合成波が強くなったり弱くなったり が DGPS によるものか、または GPS によるものか表示さ する現象をいう。 れており、いずれかに切り替わる場合、アラームが鳴り、 電離層(E 層)の変化ｇ 測位方法の変化を知らせる。この切り替わった時刻を記録 日周変化と季節変化がある。日周変化は、統計的に電子 し、その記録から、一日の DGPS と GPS の受信時間を記 密度√cos x で表される。極地帯を除き電子密度は臨界周波 録し、比較検討を行った。 数（ｆ0E）の二乗に比例することがいわれている。なお D 層は昼間と夏季に発生するが、夜間及び冬季は微弱または ３．結果及び考察 消滅する。 NAVTEX は世界航行区域（ NAVAREA）において A から ＊臨界周波数：電離層はある周波数以上の電波は突き Z までの送信局が、4 時間毎に 10 分間放送している。また 抜ける。この最小の周波数を臨界周波数という。こ 情報の種類は航行・気象警報が約 7 割以上を占めることが れより電離層の最大電子密度を求められる。 いわれている。 ｆ0＝√N 送信局と本船の受信距離および誤字率では、南極海域に f0：臨界周波数は、N：最大電子密度の 平方根に比例する。 おいて夜間、最高 7868 マイル、誤字率 0.0%で受信した。 電離層の逐年変化 これは、送信局と本船がともに夜間であるとき異常伝播し 27 日の太陽の自転周期及び太陽の黒点数でよく表される たものである。中波での夜間における電波の伝播は、電離 約 11 年の太陽活動周期によって電離層が変化する。黒点数 層 D 層の消滅に伴う約 1400 マイル程度の反射伝播が存在 が増加すれば電離層の臨海周波数も増加する。F 層におい ては、黒点数の最大年は最小年の約 4 倍の電子密度となる 7 ことがわかっている。なお昨年は 164 個の太陽黒点数が観 を選択した。Fig1 よりこちらのほうがより正確な考察をおこ 測されており、本年は高い活動周期と思われる。 なうことが可能である。 地球磁界の影響 Fig2 では近距離のほうが逆に誤字率が大きく、遠距離にな 電離層内を電波が到達すれば、フレミングの左手の法 るにつれて誤字率が小さくみえる。よって受信距離と誤字 則により磁界に直角に作用する。電子の運動方向では、電 率には比例関係がみられなかった。Fig1 より一ヶ所での送信 子がらせん状に振動することが知られている。2） 局の受信状況より両者の関係の分析を試みたが明確な結果 統計的な臨界周波数と地磁気緯度との分布曲線は、北半 は算出できなかった。また近距離での誤差においてはロラ 球と南半球とで対象となっており、熱帯地方、中緯度地方、 ン C の例をとると電離層反射より内側の約 800 マイル以内 高緯度地方に大別できる。 での直接電波を受信したものにはノイズや大気の影響を受 最高使用可能周波数 MUF と最も実際の使用に適した周 けたものもあると考えられる。 波数を FOT 最適通信周波数といい、以下の要因の影響を受 Fig3 、Fig4 には DGPS の受信状況を示した。Fig3 は東京― ける。 バンコク間の 1 日の受信状況を示し、Fig4 はバンコク―モー １． 通常は制御点（電離層反射点の地球上の位置）の状況 リシャス間の１日の受信状況を示した。 ２． 太陽活動度：11 年周期の黒点数(0∼約 190) Fig3 ３． 月日による電離層の季節変化と日周変化：冬季の変化 をみるとやはり電離層の D 層が消失すると考えられ る夕刻から夜中までは受信時間が長く、多くのデータを記 が大きい。 録した。しかし、Fig4 に示す夜間においても受信記録のない すなわち制御点によって MUF 曲線は変化する。 期間も存在した。 ＊S/N 比：S 信号と N 雑音との比で S/N＝１で同等、S/N=100 Fig4 では D 層の消失が考えられる夕刻から夜中までであ で信号が雑音の 100 倍であることを示す。S/N 比が大きいほ っても受信時間はほとんどない。2 つのグラフは位置的には どよく受信できる。送信電力を倍にしても受信電界強度は平 異なった場所であるため、一概に述べることはできないが、 方根の 2 倍にしかならない。 どの地域においても夕刻から夜中まで異常伝播が必ず起こ 最低使用可能周波数 LUF は通信に使用できる周波数の るという結果にはならなかった。 最低限界の周波数をいう。減衰量は距離に関するもの、第 1 さらに今回本船が航海した航路における一日毎の DGPS 種減衰量：電離層を突き抜ける際に受ける減衰量、第 2 種 の受信状況を Fig5 に示した。横軸には日付をとり、縦軸には 減衰量：電離層で反射するために受ける減衰量、第 1 と第 2 その日の DGPS の受信時間を示した。 の減衰量は、季節及び時刻によって変化する。なお MUF 今回の航海では 2003 年 1 月 17 日まで DGPS の受信があ と LUF から 2 地点間での通信可能な周波数を知ることがで ったため、その日までの受信結果を きる。 みると日付によっても受信時間が大幅に異なることがわか 以上のことより本船が航行中の NAVTEX 受信局からの Fig5 にまとめた。Fig5 を る。DGPS は NAVTEX のように送信局を判定することがで きず、例として、A 局から DGPS の送信があったとしても 受信記録および受信結果から考察を行う。 受信記録回数は各受信局 300∼400 回で東京港出港から 次の瞬間には B 局からの送信に変わることも考えられるた 受信した順に受信番号をつけた。受信した時の本船の緯度 め、中波の異常伝播に対する考察をおこなうのは NAVTEX 経度と受信局の位置との距離を航海電卓で算出した。なお 異常に困難である。 DGPS においても NAVTEX と同じく電波の中波を使用 表示の時刻は地方時とした。 Fig1 は受信したすべての NAVTEX の誤字率と受信距離の しているため、同じことが考えられるが、今回の航海では 関係を示し、各送信局における受信状況を考察した。 地球を縦横に移動し、本船と送信局の間には大陸があり、 Fig1 をみると非常にばらつきが大きく、相関係数（R2）は 電波の送信を妨げる障害物が多く存在し、さらにその海域 0.0044 とほぼ無関係といってよい結果となった。受信距離 における季節なども異なったなど不特定な要素が多すぎる が小さければ誤字率が下がり、受信距離が大きければ、誤 ため、明確な結論をだせるようなデータが得られなかった 字率も高くなるという予想していたような単純な結果は得 と考えられる。 ることができなかった。個々の受信データの中には受信距 前回の本船の航海においてはアメリカから日本まで太平 離 200nm 程度にもかかわらず誤字率が 15%を超える記録 洋を横断する際に、今回とまったく同じ方法で、NAVTEX や受信距離が最高の 7868nm でも誤字率 0.0%の記録もみら の受信データを解析する実験をおこなっていたが、この時 れた。 には受信距離と誤字率には比例関係を示す結果がでていた。 Fig2 は那覇の送信局における受信状況であり、横軸に本船 これはアメリカから日本に向かうほぼ直線の航路であり、 の受信緯度を示し、負の値は北緯、正の値は南緯を示して 間に陸などの電波を妨害するような障害が存在しなかった いる。縦の両軸には受信距離と誤字率の状態を示した。那 ために、そのような明確な結果が得られたと考えられる。 覇の受信記録は今回の伝播距離が一番大きいため、この局 今回の航海においては中波の異常伝播と誤字率の間に明 8 確な関係を見出すことはできなかった。しかし、伝播距離 受信距離（ nm） 状態によって中波はこれだけの距離を伝播可能であること がわかった。 以上のことから NAVTEX や DGPS によって電波の受信 状況や電離層の考察をまとめると ① 受信距離と誤字率は比例関係にはならない。 ② 中波は 7000nm 以上の伝播が可能。 ③ Ｄ層の消失する夕刻から夜中までに必ずしも中波の 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 誤字率（ %） 7868nm で誤字率 0.0%の受信記録は本船の新記録であり、 64.91 64.91 42.72 32.50 11.59 11.58 7.73 7.68 -8.44 -14.97 −（北緯） 異常伝播が起こるとは限らない。 これからの計測を行うための条件と欠点を述べると ＋（南緯） F i g . 2 NAVTEX Receive condition of Naha NAVTEX においては 同じ場所で１日毎の受信時間を把握する。 ⑤ 送信局の位置と受信位置を明確に定めておく。 60 ⑥ 大陸などの障害物を考慮する。 50 受信時間（ min） ④ DGPS においては ①DGPS の送信局の位置がはっきりしないため分析は困 難である。 ②アラームの感度が低いため、受信の切り替えが起こっ 40 30 20 10 てもアラームがならない場合がある。 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 など、克服しなければならない条件と欠点が多く考えられ 受信時刻（時） た。 Fig.3 DGPS Receive condition at 9/12/2002 しかし、実際問題として、本船の趣旨はあくまで海洋観 測と実習生の教習であるため以上のような条件を満たすこ 60 受信時間（ min） とは困難である。 よってこれからの課題は以上の条件をいかに乗り越え、 欠点をどのように抑えるかということである。 参考文献 50 40 30 20 10 1)無線工学.財団法人,電気通信振興会,2001 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2)空中線及び電波の伝わり方,電波振興会,1966 受信時刻（時） 受信時間（h） 0 2000 10000 13 1/ 8 1/ 3 1/ 9 /2 12 4 /2 12 9 /1 12 4 /1 12 /9 12 4000 6000 8000 受信距離（nm） 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 モーリシャス︱フリーマントル y = 0.0004x + 5.6769 R2 = 0.0044 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 バンコク︱モーリシャス 東京︱バンコク 誤字率（%） Fig.4 DGPS Receive condition at 18/12/2002 日付 Fig.1 NAVTEX Receive condition of all area Fig.5 DGPS Receive condition every day 9
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