電子航法研究所研究発表会（第2回 平成14年6月）

13. 航空機で観測される1030MHz信号環境
電子航法開発部※小瀬木 滋 住谷 泰人 白川 昌之
管制システム部とに考察した結果を報告する｡

1. はじめに
自動従属監視ADS(Automatic DependentSurveillance)は､被監視者が持つ位置､速度､針路の意図(intent)等､監視に有用な情報を自動的に監視者に伝送･表示する機能を持ち､従来のレーダの覆域性能や表示機能等を補強する将来の監視システムとして期待されている｡
その一種であるADS‑B(ADS‑Broadcast)は､放送型データリンクを使用している｡放送により同一情報を多数の受信者に一括伝送できるため通信チャネルへの負荷が軽く､ADS‑Bは送受信者が多数になる移動体の相互監視等への応用が期待されている 。
ADS‑B用データリンクにはVDL mode 4やUAT (Universal Access Transceiver)も提案されているが,本稿ではモードS拡張スキッタ(拡張スキッタと略称する)方式を考える ｡この方式は､航空機衝突防止装置ACAS(AirborneCollision Avoidance System)や航空機間隔維持支援装置ASAS(Airborne Separation Assistance
System)への応用が検討されている ｡拡張スキッタ送信機は､モードSトランスポンダを改造して実現できる｡また､ ACASを改造してADS‑B受信機とする例も報告されている ｡
拡張スキッタを用いるADS‑B用データリン
クはランダムアクセス方式である｡このため､チャネルを共有する他の信号との衝突がその性能を制限する要因となる｡これまでに､拡張スキッタに関する各種の性能を予測するための計算手法が報告されている。これらの計算手法に使用するパラメタとして､衝突する信号の発生量などを知る必要がある｡また､実験により計算結果を検証する必要がある｡
本稿では､拡張スキッタを用いるADS‑Bの監視性能を予測するために必要な情報として､実験用航空機で測定した1030MHz信号環境の現状を報告する｡また､性能予測シミュレーシ
ョンに使用される信号環境モデルを構成する際の注意点について､測定された信号環境をも

2. 拡張スキッタの概要
拡張スキッタは､モードSトランスポンダが送信する短時間の信号であり､モードSロン
グ応答信号と同じ波形と搬送波周波数(1090MHz)を持つ ｡伝送情報を持つデータブ
ロックは誤り検出訂正符号化されており､若干のバースト誤りは許容される ｡
送信時に受信者のアドレスが指定されず､すべての受信者が情報を解読できるため､情報の放送が可能である｡また､ランダムなタイミン
グで自発的に信号が送信されるため､ランダムアクセス方式のデータリンクになる ｡
3. 非同期混信妨害の発生
拡張スキッタが使用する1090MHzチャネルは､各種トランスポンダの応答信号に割り当てられている。ACASやSSR等インタロゲ一夕が送信する1030MHzチャネルの信号が､トランスポンダの応答動作を制御する｡これらの装置は､事前に信号衝突を回避する機能を持たない｡このため､図1に示すように､これらの応答信号が拡張スキッタに対する非同期混信妨害になる｡
ADS‑B送信機

ADS‑B受信機

ATCトランスポンダ

ACAS, SSR, SIF/IFF等

図1 非同期混信妨害の発生
応答信号発生量は､インタロゲータが送信する質問信号発生量とこれに応答する各種トラ−57−

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ンスポンダの運用数により算出できる｡
位置rにある微小体積dv内において､あるモードmの質問信号に応答するトランスポン
ダの密度Dm(r)とdv内で観測される質問信号受信レートIm(r)が既知である場合､位置r にあるADS‑B受信機において観測される応答信号受信レートRm(r )は次の式で算出される。
Rm(r )= ∫ Dm(r) Im(r) dv
Vc

ただし､積分範囲VcはADS‑B受信機の覆域を示す体積であり､アンテナの受信指向性や受信機の検出性能で決まる｡
トランスポンダは､その動作に応じて表1のように分類できる｡この表と覆域Vc内のトラ図2．実験装置の構成

ンスポンダ運用数を用いて､ Dm(r)が得られる｡
表1 トランスポンダの動作
質
問 信号
モー ド
1,2
3/A,C
A/C 限定A/C/S 一括
S個 別

応答信号モー ド
従来型
モー ドS 対応型
軍用
民間用
軍用
民間用
従来型
無応答従来型
無応答従来型
従来型
従来型
従来型
従来型
従来型
抑圧
抑圧従来型
従来型
SS
抑圧
抑圧S
S

136 137 138 139 140 141 142
東経[度]

図3. 飛行経路(2000年11月22日)

SSRからの質問信号電力が十分大きい空域においてサイドローブ抑圧SLS (Side LobeSuppression)が有効に働いている場合､ SSR等の質問信号発生量Imは､次の式で表される。
Im=fmTB/2π

ただし､fmはモードm質問信号送信レート(Hz)､
Tはアンテナ回転周期(s)､ Bはメインビーム幅(radian)である｡ Imの値は､ SLSが有効な覆域内において､ SSRまでの距離と無関係である。

する信号数を測定するため､質問信号検出回路から各種信号の検出パルスを取り出して計数する方法を採用した｡また､ 1090MHzチャネ
ルへの影響を知ることが目的であるため､表1の質問信号の分類毎にまとめて計数した｡
2000年以降の実験では機器を改良し､ 1999年の実験で測定できなかったモードS質問信号等も観測対象に加えることができた ｡
実験中はモードS拡張スキッタの送信レー
トを5Hzとして継続し､受信機抑圧についてもADS‑B送受信機の運用環境に近づけた｡

4. 飛行実験の方法
実験用航空機B99には､当研究所が試作したスキッタ送信装置を搭載した｡この装置は､実験用モードSトランスポンダを改造して製作した。1090MHz送信部をスキッタ送信に使用し､ 1030MHz受信部を質問信号の受信測定に使用した｡実験装置の仕様を表2に示す｡
実験装置の構成を図2に示す。1030MHz受
信機の感度等仕様は､モードSトランスポンダと同等である｡実際のトランスポンダが受信−58−

表2. スキッタ送信装置の仕様
送信信号
1090MHz 拡張スキッタ
送信電力
140W (尖頭値)
送信アンテナ プレ‑ドアンテナ無指向性
胴体上下各1本を切換
送信レート
合計5Hz (プログラマブル)
受信感度‑74dBm 1030MHz
付加機能
質問信号受信弁別計数

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5. 測定された質問信号発生量
2000年11月22日の実験結果について報告する。B99の飛行経路を図3に示す。B99は､名古屋空港を離陸後､浜松上空を通過し､相模湾上空で変針､高度約10,000ftで調布にある当研究所上空を通過し､仙台空港に着陸した｡
1030MHz帯の信号検出レートを図4に示す｡
横軸は測定開始後の経過時間である｡また､比較のために1999年の測定結果を図5に示す。
図4では､SSR等地上インタロゲータから約15NM以内でP1‑P2パルスペアによるSLS信号が増加している｡一般に､この信号はインタロゲータ近傍で増加することが知られている｡入間､福生､立川､羽田､厚木､その他のSSR
等地上インタロゲータが密集する東京空域と相模湾近傍でSLS信号が多く､最大値は約400Hzであった。

図4. 1030MHz信号検出レート(2000年)

01020

仙台空港離陸3040506070806. 1. 移動式インタロゲータの存在
東京空域等､一部にモードS質問信号が記録されている。実験日には地上でSSRモードSが運用されていないため､ ACAS等の航空機搭載インタロゲータによる信号である｡モードS信号発生量は約50Hzが観測され､無視できない要素であることがわかる。
モード1と2の質問信号は､ 1999年の測定では図5のように北宇都宮駐屯地上空やいわき仙台間の洋上を除き発生量が少なかった ｡
しかし､ 2000年の測定では相模湾や浜松を含めて大幅に増加する一方で､いわき仙台間の信号は減少した｡また､相模湾ではモードAとCの質問信号も増加が著しい｡
相模湾近傍やいわき仙台間の洋上で観測された信号の送信源は､艦載型SIF等と考えられる｡また､浜松近傍については､適宜運用される教育用機材である可能性がある｡
移動式インタロゲータは､運用期間や位置の長期的予測が困難であり､信号環境予測において不確定要素となる。特に､大量同時運用され得る移動式軍用インタロゲータが信号環境に与える影響が懸念される。
6. 2. インタロゲータ近傍の質問信号増加
図4図5とも､SSR等地上インタロゲータ近傍では一定であるべき質問信号量に増加が見られる｡この原因として､ SLSアンテナと質問信号アンテナの垂直指向性の違いにより発生するディファレンシャルローブ現象(SLSパンチアウト) ､マルチパスによるSLS動作不良や質問モード誤解読などが知られている｡
特に､ ｢いわきORSR｣近傍で上記の現象が顕著に現れている｡原因を究明するためには､受信波形の測定実験と分析等が必要である｡

時間【 x lOO秒】

名古屋空港着陸

レータ製作の観点から考察をまとめる。

90

時間[×100秒]

図5. 1030MHz信号検出レート(1999年)
6. 質問信号環境に見られる特徴
飛行実験により観測された1030MHzチャネルの信号検出レートについて､信号環境シミュ

6. 3. 空港面における信号数増加
空港面においては､信号数が極端に上昇している。特に､名古屋空港のモードA/C/Sオールコールや仙台空港のモード1,2等､送信していないモードの質問信号も観測されているが､実験用航空機の離陸とともに急激に減少する｡−59−

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また､空港面の一部の区域では､ SLSが正常に機能せず､トランスポンダが解読する質問信号レートが300Hzを越える例も見られた。
これらは､各空港のASR併設SSRの質問信号と空港建築物による反射波(マルチパスエコー)が重畳して受信されることにより発生した現象である。特に､仙台空港のヘリパッド近傍において､ホバリングするヘリコプタがATCトランスポンダを運用すると､数百Hzの応答信号が発生することが確認されている｡
7. 信号環境シミュレーションに関する注意書項
信号環境シミュレーションを行う際の注意事項として､以上の測定結果から次の各点を考慮すべきことが明らかになった｡･インタロゲータ等のアンテナ特性･マルチパスの効果･移動式インタロゲータの運用･各種モードSインタロゲータの運用
代表的なモードSインタロゲータである
ACASは､応答信号が受信されない場合の再質問動作や干渉制限等､状況に応じて信号発生量が変化する質問制御方式を採用していることに注意を要する｡また､ SSRモードSのデータリンク運用も､信号発生量に影響する。

算では､ 1090MHzの通信チャネルを共用するシステムとの混信等､信号環境を考慮する必要がある｡そこで､ 1090MHzチャネルの信号環境に強く影響する1030MHz信号環境を飛行実験により測定した｡その結果､信号環境シミュレーションで考慮すべき事項がわかった｡
今後は､信号環境の測定を継続し､その結果をもとに拡張スキッタを含む1090MHz通信チャネルの信号環境シミュレーションを行い､チャネルの最適運用条件を求める予定である｡

本研究にご脇力くださいました関係各位に感謝申し上げます｡特に､実験装置の製作では､東洋通信機株式会社､株式会社テイアイケイ､株式会社ジャムコのご協力を得ました｡
参照文献[1] ICAO : AMCP4 /WP‑70‑Apendix A, 1996
[2] RTCA SC‑186 : "Minimum Aviation System
Performance Standards for Automatic Dependent
Surveillance Broadcast(ADS‑B)", Draft5.0, 1997[3] ICAO : SICASP/6‑WP/44, Montreal, 1997
[4] E. T. Bayliss, et al. : "Demonstration of GPS
Automatic Dependent Surveillance of Aircraft Using
Spontaneous Mode S Broadcast Massages", Navigation,

8. 今後の課題
今後は､多くの空域で測定を重ね､信号環境のモデル化と予測手法の検証のために必要なデータを得る予定である｡
信号環境や機器性能を予測する計算手法が検証されれば､チャネルを共有する各種機器の許容運用台数やチャネルを有効利用するための最適運用条件等を算出できる｡さらに､ASASやACAS干渉制限方式等､新しい機器や送信方式による信号環境への影響を予測できるようになると期待される｡
拡張スキッタ以外についても､ DME等とチャネルを共有するUATの信号環境について同様の手法が適用可能であると期待される｡
9. まとめ拡張スキッタを用いるADS‑Bの性能は非同期混信妨害等により変化するため､その予測計Vol.41, No.2, 1994

[5]小瀬木他: ｢拡張スキッタによる二次レーダ監視性能の劣化｣信学技報SANE98‑88,平成10年12月[6]小瀬木他: ｢ACAS受動監視性能の概算手法｣信
学技報SANE97‑39､平成9年7月[7] V. A. Orlando, et al. :"GPS Squitter CapabilityAnalysis", ATC‑214, MIT Lincoln Lab., May 1994

[8]小瀬木他: ｢スキッタを用いる監視用データリンクの概要｣信学技報RCS97‑148､平成9年11月[9] M. C. Stevens:"Secondary Surveillance Radar",Artech House, 1988

[10]重野: ｢無線LAN技術講座｣ SRC,1994年9月[11] ICAO: "ANNEX‑10", vol.Ⅰ,April, 1995

[12]小瀬木他: ｢拡張スキッタの通信容量制限要因」
信学技報SANE99‑43､平成11年7月[13] 小瀬木他: ｢拡張スキッタを用いるADS‑Bの実
験｣電子航法研究所研究発表会､平成12年6月−60−