電波干渉回避機能をもつ
ドローン通信システム
瀬戸
筒井

翼英夫

渡部
山崎智宏
譲

インフラの維持管理や防災、物流などの用途で普及がいれば到来電波は平面波と考えることができ、電波の経路加速するドローンなどの小型無人航空機には、都市部上差はd sin θの整数倍で表すことができる。経路差は受信空など有人地帯での無人安全飛行が求められ、有人地帯信号の遅延τとして現れるため、各素子で受信される電波での目視外飛行によるドローンの安全な利用の取組みがの遅延量が分かればθを推定することができる。

官民一体となって進められている1）。しかし、ドローンで使用される電波の同一・隣接帯域にはさまざまな電波利用が電波到来方向の推定精度混在し、これらが電波干渉を起こすことで飛行の安全が脅かされるリスクが存在する。電波干渉を回避するためには、

写真１に示すドローン通信試作装置に前述の原理を応電波を特定の方向へ向けて送信、または特定の方向から用した高精度到来方向推定方式であるMUSIC法 2）を実装

受信することで、所望の通信相手からの電波のみを抽出し、し、電波暗室で推定精度を確認した。

妨害となる干渉波を除去する必要がある。この場合、電波発信源の方向を特定する到来方向推定が重要な技術となる。
そこで、OKIでは電波干渉を回避する機能をもつドローン通信システムを構築するための試作装置を開発した。
本稿では、開発した試作装置を実際にドローンに搭載し、電波干渉を回避するために重要となる電波到来方向推定技術のドローン搭載環境での精度確認と、飛行時の揺動に対する追従性を確認した結果を紹介する。

電波到来方向推定技術
写真1

電波到来方向推定は、アレイアンテナにより受信された試作装置内観（左）と外観（右）電波がどの方向から発信されたかを推定する技術である。
アレイアンテナとは、複数のアンテナ素子をある一定の規表1に電波暗室での実験条件を示す。

則で配列したものである。例えば図1のようなN個の素子表1を等間隔dで一直線状に並べたアレイアンテナを考える。
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電波暗室実験条件㻌䞉䞉䞉
図 1 アレイアンテナと受信信号

図2は電波暗室での測定系である。試作装置の受信アンテナ面をターンテーブルの中央と一致するよう設置し、送信

38

図1ではアレイアンテナにθ方向からの電波が到来してアンテナ面と受信アンテナ面が正対する方向を0度とした。

いる。電波の発信源とアレイアンテナの距離が十分離れて試作装置は垂直・水平の軸を90度回転させることができるよ

OKI テクニカルレビュー
2021 年 11 月／第 238 号 Vol.88 No.2

う三脚に取り付け、垂直方向を軸にした場合は方位角を、
水

屋外飛行実験

平方向を軸にした場合は仰角を回転させることができる。

図5のように試作装置をドローンへ搭載し、ドローンをおよそ5m上空へ飛行させ、地上からの電波発射に対する到䝍䞊䞁䝔䞊䝤䝹ཷಙ䜰䞁䝔䝘㠃来方向推定精度を実験で確認した。

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図2

㻡㼙

電波暗室測定系

㻝㻚㻡㼙

図3は方位角を回転させた場合の、図4は仰角を回転させた場合の実験結果である。図3の横軸は方位角の真のಙྕⓎ⏕ჾ

到来方向であり、図4の横軸は仰角の真の到来方向である。
縦軸はそれぞれ到来方向推定結果の真の到来方向から

図5

㻟㻚㻡㼙

ᇶ‽Ⅼ

送信アンテナと試作装置の位置関係の誤差とした。
暗室実験では、垂直・水平軸どちらで測定した場合でも飛行実験時のドローンの様子を写真2に示す。

到来方向が-50度〜50度の範囲では期待値からの誤差が-1度〜1度という結果になった。これにより試作装置の到来方向推定精度は方位角・仰角どちらも-50度〜50度の範囲で1度以内と考えられる。
᪉఩ゅㄗᕪ

௮ゅㄗᕪ

5┿䛾฿᮶᪉ྥ䛛䜙䛾ㄗᕪ [deg]4(a)離陸直後

32

写真2105m上空での飛行時の電波到来方向推定結果を図6に-1-2示す。横軸は時間であり、およそ1分間空中で静止した状-3態下で測定を実施した。縦軸は到来方向の推定値であり、-4-5-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20┿䛾฿᮶᪉ྥ [deg]図3304050607080

方位角 （Φ）と仰角（θ）の結果をそれぞれ示している。完
全に静止した場合の真値は方位角・仰角共に0度であるので、大きな誤差が生じていることが確認できる。

方位角回転時の到来方向推定誤差
᪉఩ゅㄗᕪ㟁Ἴ฿᮶᪉ྥ᥎ᐃ⤖ᯝ ʔ௮ゅㄗᕪ

525420315210
฿᮶᪉ྥ[ᗘ]┿䛾฿᮶᪉ྥ䛛䜙䛾ㄗᕪ [deg](b)測定中

飛行実験時のドローンと試作装置

10-150-5-2-10-3-15-4-20-5㟁Ἴ฿᮶᪉ྥ᥎ᐃ⤖ᯝ ɽ-25-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20┿䛾฿᮶᪉ྥ [deg]図43040仰角回転時の到来方向推定誤差50607080102030

図640᫬㛫[⛊]506070

到来方向推定結果O K I テクニカルレビュー
2021 年 11 月／第 238 号 Vol.88 No.239誤差が生じる原因として、風の影響などでドローンの位置到来方向推定の精度を考察するために、誤差の累積分や姿勢が変化することによって、受信アンテナの方向が変化す布を取った結果を図9及び図10に示す。方位角では93％ると考えられる。
これらの変化を把握するため、ドローンにカメの確率で誤差1度以内となり、高い精度で到来方向推定でラを搭載して撮影した。撮影した画像の解析により、受信アンきることを確認した。一方で、仰俯角の到来方向推定精度

テナの正面方向（画像中心）に対する送信アンテナの方向をでは、方位角の推定と比較すると精度の劣化が見られた算出した。実際にドローンから撮影した画像を写真3に示す。

が、46％の確率で誤差1度以内、80％の確率で誤差2度以内となり、こちらも高い精度で到来方向推定できることを確認した。

写真 3

ドローンから撮影した画像

⣼✚ %
100%

2080%

1560%

1040%

520%

0

撮影した画像を解析し、送信アンテナの方向を求めた結⣼✚ [%]

㢖ᗘ [%]

㢖ᗘ
250%
00.5

11.5

22.5
ゅᗘㄗᕪ [ᗘ]33.54

果を図7に示す。到来方向推定結果と同様、正面方向から図9大きな誤差が生じていることが確認できる。
⏬ീゎᯒ⤖ᯝ ʔ

方位角推定誤差の累積分布⏬ീゎᯒ⤖ᯝ ɽ25㢖ᗘ20

⣼✚ %

25

100%

2080%

1560%

1040%

520%

155-5-10-15⣼✚ [%]0㢖ᗘ [%]

฿᮶᪉ྥ[ᗘ]10-20-2510203040᫬㛫[⛊]

5060700

図70%0

画像解析結果到来方向推定と画像解析の結果を重ね合わせると図80.51

図 101.522.5ゅᗘㄗᕪ [ᗘ]33.54

仰角推定誤差の累積分布のようになる。結果が重なることから、ドローンの姿勢の変化に追従して到来方向推定ができていることが確認できる。
㟁Ἴ฿᮶᪉ྥ᥎ᐃ⤖ᯝ ʔ⏬ീゎᯒ⤖ᯝ ʔ㟁Ἴ฿᮶᪉ྥ᥎ᐃ⤖ᯝ ɽ

仰角方向で精度が劣化しているのは、図11のように受⏬ീゎᯒ⤖ᯝ ɽ

信アンテナ中心とカメラレンズ位置の関係により⊿θの視2520差が生じているためと推測している。これを補正するため

15には複雑な情報が必要になるため、今後の検討では方位฿᮶᪉ྥ[ᗘ]1050角・仰角でカメラを二つ別々に用いるなどの対策を実施す-5る予定である。

-10-15-20-251020

図8403040᫬㛫[⛊]50

到来方向推定と画像解析結果の比較

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2021 年 11 月／第 238 号 Vol.88 No.2

6070

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瀬戸翼：Tsubasa Seto. ソリューションシステム事業本部 社会インフラソリューション事業部 コンポーネント開発第二部

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渡部智宏：Tomohiro Watanabe. ソリューションシステム事ヨస⿦⨨

業本部 社会インフラソリューション事業部 コンポーネント䏓䃗

開発第二部

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筒井英夫：Hideo Tsutsui. ソリューションシステム事業本部㏦ಙ䜰䞁䝔䝘఩⨨㻡㼙

社会インフラソリューション事業部 ビジネス開発部
山崎譲：Yuzuru Yamazaki. ソリューションシステム事業本部 社会インフラソリューション事業部 コンポーネント開発第二部

㻝㻚㻡㼙

㻟㻚㻡㼙
図 11

ᇶ‽Ⅼ

位置関係による視差

目視外飛行
目視（直接肉眼による）できない範囲を飛行させること。

まとめ試作装置をドローンへ搭載し、およそ５m上空へ飛行させて検証した結果、地上からの電波発射に対し、その到来ビームフォーミング技術
電波（または音波、超音波）を特定の方向に向けて送信、または特定の方向から受信する技術。

方向を高い精度で推定できることを確認した。
また、ドローンの揺れなどによる姿勢の変化にも追従できていることを確認した。
本稿では所望の通信を想定した1波を推定の対象としたが、今後は所望の通信に加えて干渉電波を想定した2波以上での確認を実施していく計画である。
また、動的にアンテナ指向性を成型するビームフォーミン
グ技術を用いてドローンの使用電波が他のシステムに干渉を与えないように制御し、かつドローンとコントローラー間を正常に通信する技術を開発し、実運用シーンを想定した実証実験を行い、ドローンの安全飛行を実現する機器の開発と社会実装を目指していく予定である。

謝辞
本研究は総務省の「電波資源拡大のための研究開発（JPJ000254）」によって実施した成果を含みます。 ◆◆1）国土交通省：無人航空機の目視外飛行に関する要件
https://www.mlit.go.jp/common/001227438.pdf
2）菊間信良：アダプティブアンテナ技術、第1版、p122-164、
2003年

オーム社

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