情報システム工学専攻

2010 年度修士論文要旨

次期火星着陸機搭載用電波受信機の開発
0955011 富田 新之介
1. はじめに
火星は地球型惑星と言われ，太陽系の中でもっとも地球に似た惑星である．これまで，火星の大気中や電離圏での電波伝搬特性についての研究は行われてきたが，着陸機による電磁波観測は行われていないため，火星地表面における電磁波環境は未知となっている．に使用可能であるか検証する．
受信機の構成図を図 1 に示す。受信機は大きく分けてセンサー部，プリアンプ部，解析部の三つに分けられる．

軸x

プリアンプ部

本研究では，次期火星着陸機探査に向けて，主にダストストーム発生時に発生すると予想される電磁波を検出することを目的とするループアンテナ方式の受信機を開発する．

2. 火星の電波環境解析部
スペクトル解析

軸

y

検波解析

センサー部

これまでの火星探査において，火星ではダストストームと呼ばれる火星地表面のダストが巻き上げられる現象が確認された。そのダストは上空 10km〜100km まで上昇し．ダストストームが発生する．上空のダストは摩擦により帯電し，放電現象を引き起こし、電磁波を放射すると考えられる．
火星には電離層が存在することが知られており，ダストストームによって発生した電波が電離層下面と火星上表面の間でできる導波管内を長距離伝搬すると考えられる．
また，火星では岩石（磁鉄鉱など）の残留磁気が各地に点々と存在する．この磁場によって火星地表面に閉じた磁力線が存在するとき，その近傍で電磁波が生じた場合，ホイッスラーモードによる電波伝搬が起こると考えられる．
これまでの探査により，火星の上空高度 275km から1400km の領域において，ダストデビルから発生していると考えられる電波は観測できなかったと報告されている．そのため，実際にダストストーム中の電波を観測することができるのは着陸機のみと考えられる．

3. 受信機構成
電磁波の到来方向の推定には，磁界 2 成分，電界 1成分が必要であるが，本研究ではループアンテナを用い，磁界 2 成分の検出が可能な受信機を製作する．そしてその受信機を用いて雷発生時に電波受信を行なう．
これにより製作した受信機が雷電波の到来方向の推定

図 1: 受信機構成図
センサ部には，指向性が強く小型・軽量化が容易なループアンテナを使用する．プリアンプはトランスではなくトランジスタを用いることで，火星地表面搬入の際に起こりうる衝撃により，プリアンプの特性が変化することを防ぐことができる．解析部は波形を直接取り込み，FFT 処理を行なうスペクトル解析部と帯域の狭いバンドパスフィルタを用いた検波解析部で構成される．検波回路に用いるバンドパスフィルタはバイクアッド方式を採用し、LC フィルタを用いず、オペアンプを使用することでゲインの減衰を抑えることができる。また、アクティブフィルタを用いることで中心周波数の調整が容易となっている。図 2 に製作したバンドパスフィルタの内部図を示す。Altium Designer
を用いて部品を配置し，CAD を用いて基板を加工した．使用したオペアンプは OP484FPZ である．これは内部に四つのオペアンプを内蔵したアレー型である．

4. 電波受信実験
2011 年 1 月 15 日に，富山県立大学電波観測室にて雷電波の観測実験を行なった．北陸地方では冬季に雷が頻繁に発生するため，その雷を観測し，製作した電波受信機が雷電波の観測が可能か検証した．
図 3 に 2011 年 1 月 15 日 21:50:30 に発生した雷のスペクトル観測の結果を示す．
矢印で示した部分が雷電波を受信した時間のスペク情報システム工学専攻

2010 年度修士論文要旨
力電圧から，雷電波の発生方向の推定を行なう．ルー
プアンテナで観測された雷電波は x 軸 (東西) 方向に

図 2: 製作したバンドパスフィルタの内部図 (左：表面，0.055Vpp ，y 軸 (南北) 方向に 0.043Vpp のベクトルを持
つ．x 軸ループアンテナを基準とすると，到来方向は，0.055= 38◦(1)
tan−10.043と推定される．x 軸ループアンテナは東西方向に，y 軸ループアンテナは南北方向に指向性を持つように固定されている．そのため，電波の到来方向は図 5 の (a)右：裏面)〜(d) のようになる．

トルである．観測を行なっている全帯域に強い信号が観測されていることが分かる．これにより，雷電波によるスペクトルを得ることができた．

観測点（富山県立大学）

20km

雷発生地点 (a)(b)°38°38(d)°
38°38(c)

図 5: 2011 年 1 月 15 日 21:50 ごろ観測された雷の到図 3: 2011 年 1 月 15 日 21:50:30 ごろに観測された雷電波のダイナミックスペクトル（縦軸：周波数，横軸：観測開始からの経過時間）

い信号を受信できたデータを図 4 に示す．縦軸は電圧，横軸は観測開始からの経過時間 [s] を表している．
0.02

x0.01

0.04

y0.03

0.005

0.02][V圧-0.005
電0][V 0.01
電圧-0.015-0.01

ことが分かる．したがって，本研究で製作した雷電波の到来方向の推定が可能であることが示された．

5. まとめと今後の課題
本研究では次期火星着陸機搭載用の 2 軸ループアンテナ方式の電波受信機を開発した．特にダストデビル
発生時に生じると予測される放電による電磁波，すな
わち地球上での雷電波に相当する電磁波を受信するこ0-0.01

図 5 中の丸印は雷の発生地点を表している（北陸電力提供）．図 5 電波の到来方向は (d) に対応している検波回路によって観測された雷電波の中でも特に強0.015

来推定方向及び発生位置とを目的とした．そして開発した受信機を用いて地上

-0.02
-0.02

-0.025-0.03
3509.6 3509.62 3509.64 3509.66 3509.68 3509.7 3509.72 3509.74 3509.76 3509.78 3509.8

時間[s]

-0.03
3509.6 3509.62 3509.64 3509.66 3509.6 8 3509.7 3509.7 2 3509.74 3509.76 3509.78 3509.8

時間[s]での雷電波観測実験を行なった．実験ではスペクトル観測及び検波観測を行い，雷電波を観測することがで

図 4: 2011 年 1 月 15 日 21:50 ごろ観測した雷電波のきた．特に受信電圧から雷の発生方向を推定すること

検波データ (左：x 軸ループアンテナ，右：y 軸ループができた．

アンテナ)

今後の課題として，本研究のように 2 軸のループアンテナの電圧比のみで到来方向推定を行なっても，到観 測 結 果 よ り，ス ペ ク ト ル 観 測 の 結 果 と 同 時 刻来方向に 4 方向の可能性が生まれてしまう．よって，(21:50) に検波観測でも雷電波を観測することができ

詳細な電磁波発生位置推定のために，電界センサとのた．図 4 に示される x 軸にて観測された雷電波 (経過同時観測システムを構築する必要がある．これらの課

時間 3509.62s) の電圧は，0.055Vpp である．また，同題をクリアし，小型・省電力化を検討することで着陸時刻における y 軸の電圧は，0.043Vpp である．この出機への電波受信機搭載を目指す．