ACAS 信号を用いた受動型測位方式の評価実験
電子航法開発部 古賀 禎、田嶋 裕久、小瀬木 滋
ACAS 受信機は、1030MHz の RF 信号を 60MHzの 同 相 信 号 (Inphase: I 信 号 ) と 直 交 信 号(Quadrature: Q 信号)に変換する。また、ACAS 信号中の同期位相反転を検出するとトリガ信号を発生する。デジタルオシロスコープは、このトリガ信号により I/Q 信号を捕捉し、タイムスタンプをつけて記録する。光同期システムは、主局のトリガ信号を光ファイバを経て、従局１および従局２に伝送する。
従局のオシロスコープは、主局からのトリガ信号により I/Q 信号を捕捉・記録する。このようにして、複数の局において同時に ACAS 信号を捕捉する。
主局―従局１の間は、地中に埋設された既設の光ファイバを使用した。また、主局－従局２の間は、実験時にケーブル(長さ 500m)を仮設した。
図 2 に地上局の配置を、表 1 にＡ滑走路中央付近を原点とする局地座標系による座標を示す。主局は、A 滑走路の延長上付近にある MLS-AZ シェルタに設置した。主局のアンテナはシェルタの屋上（高さ 約 3.1ｍ）に設置した。従局１は岩沼分室
内 に設 置 した 。従 局 １のアンテナ は、分 室 横 のVHF 鉄塔中段（高さ 約 6.8 m）に設置した。従局２は、主局から光ファイバケーブル(500m)が届く範
囲で３局を頂点とする三角形が大きくなる位置に設置した。従局２のアンテナは測量用三脚（高さ約 2.3m）に設置した。

１．はじめに当研究所では、空港面監視の一方法として、個々の航空機を識別すると共に高精度に位置測定する航空機測位方式の確立を目指し、平成 14年より「ACAS（航空機衝突防止装置）信号を用いた受動型測位方式の研究」を開始した。平成 14年度には電波無響室およびグラウンドにて、規模の小さいシステムを用いた予備実験を行い、約 1ｍ程度の誤差で測位できることを確認した[1]。平成15 年は、より規模の大きい ACAS 測位実験システムを構築し、仙台空港内で評価実験を行った。
本稿では、第２節で実験に用いた ACAS 実験システム、第３節で時間検出方式について述べた後、第４節にて仙台空港における評価実験の結果を報告する。
２．ACAS 測位実験システム
測位実験システム
本節では、ACAS 測位実験システムについて述べる。図 1 にシステムの全体構成を示す。ACAS
測位実験システムは、受信と送信の２つのシステムに大別できる。
２．１ 受信システム
受信システム
受信システムは、3 つの地上局（主局、従局 1、従局 2）から構成される。主局と従局間は、時刻同期のため、光ファイバにて接続している。
地上局は、アンテナ、ACAS 受信機、デジタルオシロスコープ、光同期システムから構成されている。
モノポール
アンテナ

従局１受信機IQ
ACAS 送信機

GPS受信機

ACAS
信号
光ファイバケーブル
GPS受信機パッチアンテナ

主局

従局２受信機光同期システムI

受信機
Q

オシロスコープI

光ファイバケーブル

図 1 ACAS 実験システムの全体構成

Q

2.2 送信システム
送信システム
送信システムはアンテナ、送信機、GPS 受信機から構成される。システムは、車両に搭載され、ACAS 搭載の航空機を模擬する。送信出力は 400W、送信アンテナは無指向性のグランドプレーン付きモノポールアンテナを使用した。信号の送信間隔は、オシロスコープのデータ収集の間隔以上となるように約４秒毎とした。ＧＰＳ受信機は、２秒に１回車両の位置を測位する。実験後、基準 GPS 局
データと合わせて、キネマティック処理し、車両の基準の位置を求めた。

表 1 地上局の座標
XY
主局
従局 1
従局 2

686.45-513.53
313.83-401.26163.07-44.79(単位:ｍ)Z
主局までの距離3.05-6.83
1223.40
2.33515.67

図 2 地上局配置およびエリア区分方式とされている。 ACAS 信号は、50-100nsと立上時間は短く[3]、部分的には直線的と見なせるため、DAC を用いた時間検出を適用可能と考えられる。
４．実験結果
本節では実験結果について述べる。4.1 で本実験による地上局配置による測位誤差について述べる。4.2 で、車両に対する測位結果について述べる。
４．１ 測位誤差
図 3 に、本実験により地上局配置における測位誤差を示す。図中の等高線は、HDOP（水平方向の幾何学的精度劣化度）を示す。
HDOP だけでは誤差の方向がわかりにくいため、約１７ns 誤差(距離誤差 5m)をもつ TDOAによる測位をシミュレーションし、誤差の方向を求めた。図 3 中の青点の集まりが、測位結果である。同じ TDOA 誤差であっても、位置によって誤差が大きく異なることわかる。また、本実験における地上局配置では、x 軸方向のアンテナの配置間隔が、y 軸方向の配置間隔に比べ小さいため、ｙ軸方向に長く誤差が現れる傾向があった。

5712 1111569252３．時間検出方式
実験後、各局で記録した IQ 信号波形に対して、時間検出処理を施し波形毎の到達時間(TOA)を導出する。次に従局 TOA から主局 TOA を減算し、表２ エリア毎の特徴到達時間差(TDOA)を求める。この TDOA によっ
エリア 1 マルチパスが少なく、HDOP 良いて描かれる双曲線の交点を求めると、これが送信エリア 2 遅延の長いマルチパス(従局２)システムの２次元位置となる。本実験では、時間検DOＰ悪い出方式として、相互相関法と Delayed Attenuatedエリア 3 格納庫・建物の近傍Compare 法を適用した。
遅延の短いマルチパス(従局２)３．１ 相互相関法
相互相関法は、受信波形と基準波形の相互相関をとり、これが最大となる点を TOA とする。[1]では、主局で取得した波形を基準波形と23300
202 4 22したが、基準波形にマルチパスが混入
18192117142420013116した場合、測位誤差の要因となる。こ522112312のため、本実験では、ACAS 送信機と1001071 910 817 25899受信機を同軸ケーブルで直結し取得
68 11453 19 1014した波形を基準波形とした。
32322 2476 81713211112 14‑1000３．２ Delayed Attenuated Compare‑200法
DAC 法[2]は、受信波形をτ時間遅‑300延させた波形と A 倍(A<1)した波形を‑400作成し、２つの波形が交わる点を検出
22‑500時間とする方式である[2]。
‑700‑600‑500‑400‑300‑200‑1000100
200300400500600700[m]MLS の DME/P において使用されて
図 3 地上局配置による測位誤差
おり、パルスの立ち上り部分において時間検出するため、マルチパスに強い214612241516201925511 13 22141 24718723434387 6561098[m]520200K‑GPS相関法

1000[m]‑100‑200‑300‑400‑500‑600‑500‑400‑300‑200‑1000100200300400500600700[m]図 4 相互相関法による測位結果
200K‑GPS
DAC補正前DAC補正後1000[m]‑100‑200‑300‑400‑500‑600‑500‑400‑300‑200‑1000100200300400500

600700[m]図5DAC 法による測位結果

４．２ 測位実験の測位実験の結果
空港内の位置による測位精度の違いを区別するため、実験に使用したエリアを３分割して解析した。図 2 に各エリアの範囲、表 2 に各エリアの特徴を示す。
相互相関法によるによる測位結果
４．２．１ 相互相関法による測位結果
図 4 に相互相関法による結果を示す。図中の青い点が相互相関法による測位位置、緑の線は、K-GPS による航跡である。赤い△は、地上局アンテナの設置位置を示す。 表 3 に K-GPS 測位との比較結果として、X 方向、Ｙ方向、距離（Ｒ）の２乗平均誤差(RMS)を示す。表中の有効データ数とは、距離差の誤差が 30ｍ以下となるデータの数であり、これを越える誤差は無効なデータとして解析の対象から除いた。
エリア１においては、K-GPS 測位位置と比較して、２ＲＭＳ（平均２乗誤差)が X 方向 1.78m、Ｙ方向 6.07m、距離差（Ｒ）6.33m となり、モードＳマル
チ ラ テ レ ー シ ョ ン の 測 位 精 度 規 定 値 [4] で あ る
7.5m 以下で測位できた。
一方、エリア 2，3 では測位精度が劣化していた。
劣化の主な原因としては、従局２の信号がマルチパスによって波形が乱れていたことが挙げられる。
エリア 2 では、従局 2 の正面に建つ格納庫で反射

表 3 測位の結果
観 測
データ 有 効 デ数ータ数

相互相関法

DAC 法(補正後）誤差(2RMS)XYR

有 効 データ数

誤差(2RMS)X

YR

エリア１1130

1090

1.78m

6.07m

6.33m

1113

1.18m

3.38m

3.58m

エリア２

220

136

11.98m29.60m

31.88m

220

4.30m

10.04m

10.92m

エリア３

224

191

16.96m44.56m

47.68m

200

4.04m

6.42m

7.58m

した遅延時間の長いマルチパスが従局 2 へ入射していた。また、エリア 3 では、車両近くの格納庫で反射した遅延時間の短いマルチパスが従局２へ入射していた。遅延時間の違うマルチパスは、時間検出に与える影響が異なるため、これを考慮したマルチパス対策が必要である。
による測位結果
４．２．２ DAC 法による測位結果
DAC 法による測位結果を図 5 に示す。DAC による測位結果を水色の点で示す。DAC 測位により、ばらつきの小さい航跡が得られた。しかしながら、滑走路両端付近においては、K-GPS 航跡からオフセット誤差が発生していた。このオフセット誤差は、P１パルスの振幅が飽和するため、発生していた。本実験システムは時間検出方式として相関法を想定して設計したため、P1 パルスの利得制御を行っていない。しかしながら、この問題については、
DME/P で 使 用 さ れ る IAGC (InstantaneousAutomatic Gain Control)などによりＰ１パルスの利得を適切に制御することにより解決できる。
ここでは、測位誤差のうち、緩やかに変動する成分を飽和による誤差とし、これを取り除いた測位結果を評価した。図５中の青の点は飽和による誤差を補正した後の測位結果を、表３に補正後の測位誤差を示す。DAC では、エリア１で誤差が、X方向 1.18ｍ、Y 方向 3.38m、距離(R)3.58m となり、ばらつきの小さい測位結果が得られた。また、相関法では測位が困難であったエリア 2 と 3 でも、測位結果が得られた。エリア 1 と 3 に比べ、エリア２のばらつき大きい理由は、主として DOP による影響と考えられる。
DAC によりマルチパス環境下において高精度の測位が期待できることが明らかになった。
５．まとめ
本報告では、平成 15 年度に仙台空港で行った

ACAS 信号を用いた受動型方式による評価実験の結果について述べた。２つの時間検出方式（相互相関法および DAC 法）を用いて測位した結果、以下のことが明らかになった。
相互相関法は、マルチパスが少なく、配置(HDOP)がよいエリア１の目 標に対 しては、誤差6.50m で測位できた。しかしながら、マルチパスによる影響のあるエリア２と３では、測位精度が劣化しており、何らかの対策が必要である。
DAC 法は、マルチパスに対して強く、エリア１にでは誤差 3.58ｍ程度の測位精度が期待できる。ただし、DAC の利用にあたっては、IAGC などにより信号の振幅を適切に制御する必要がある。
マルチパスの有無や程度がわかれば、マルチパスの影響を考慮して測位するなどして、測位精度を向上できる。今後は、マルチパスの解析を中心に研究を進めていく予定である。
謝辞
実験に御協力いただきました仙台空港事務所，当研究所の岩沼分室職員他、関係各位に感謝いたします。
参考文献[1]田嶋他、”ACAS 受動型測位方式の実験と検討”,ENRI 発表会講演概要,H15-6(Jun,2003)[2] R.J.Kelly, ”System Considerations for the
New DME/P International Standard”, IEEE
Trans. AES, vol.AES-20, no.1, pp2-24, Jan.
1984
[3] .ICAO, “Aeronautical telecommunications”,
Annex 10, Vol. I, Vol. IV.
EUROCAE,”MOPS[4]ForModeS

Multilateration systems for use in ASMGCS”,
Nov.2003