積雪による GP パス空間誤差特性
電子航法開発部※横山 尚志， 朝倉 道弘， 田嶋 裕久

航空宇宙技術研究所 増位 和也， 冨田 博史， 石川 和敏

1 . はじめに験結果および積雪による GP パスの空間誤差について

降雪地にある空港では， GP 反射面の積雪によりグラ報告する．

イドパス （GP） の空間的な誤差 （以下， 空間誤差と呼は飛行検査以外に見当たらず， GP アンテナの前方に2. GP 反射面の積雪と飛行実験
図 1 に青森空港の GP アンテナ前方の地面構造と飛行ある計器着陸システム （ILS） 付属のモニタでも積雪に実験の概念図を示す．GPアンテナ前方の特徴は，滑走よる GP パスの変化を観測することができない。 青森空路から横断勾配 1.5% の GP 反射面と約 720m 程前方に港は， わが国で積雪量が最も多い空港であるが， 就高さ 6m の丘がある点である．

効率の改善のために C A T Ⅲ化が進められている．

2 . 1 G P 反射面の積雪の層構造と雪質

CAT Ⅲになると， 従来の地上物標に依存する運航に降雪期には， GP 反射面の積雪が地表面から 20cm を代わって著しく低視程時の運航が達成される． このた

越えると， 重機による圧雪 ・ 除雪が行われる． 除雪はめ， 地上システムに高い信頼性が要求される． しかし，深夜行われ， GP 反射面には積雪深計が 5 本立ってい冬季の積雪により GP パスが規定値を逸脱するような事る． 重機では小回りがきかないため , 除雪後には GP ア

象が発生すれば， ILS のシステムインテグリティが低下

ンテナ 3 素子の反射点付近で積雪深 15cm 〜 35cm 程するので， GP パスの空間誤差監視システムの開発と度の相違が生じる． 以下， これを残留積雪と呼ぶ . ま

CAT Ⅲの除雪基準の緩和が要望されている．

た， 飛行実験は， 2 年間に 4 回行ったが， 積雪状態

従来の GP パスの空間誤差の計算方法は， 積雪の誘は全て異なっていた．

電率測定が容易でないため， 積雪深のみ用いて計算していたので， 実験結果との相関が低かった． 当研究

図 2 に GP 反射面の積雪状態を示す． 地上実験は，積雪縦断面の層状特性と雪質を，まず，目視と触所では， 青森大学との共同研究で簡易的な積雪誘電手 で 観 測 し ，次 に 積 雪 構 造 の 複 素 誘 電 率 を 測 定率測定装置を開発しており， GP 反射面の積雪誘電率した．とその形状より GP パス空間誤差を予測する監視法を研(a)第 1 回目 ： 15 年 1 月， 積雪の縦断面は図 2(a)の 3究している． その予測精度を確認するため， 平成 14 年

層構造， 中層と下層の雪質は機械圧雪の含水量の少度か ら 2 ヵ年 に わ た っ て ， 宇宙 航 空 研 究 開 発 機 構ない硬雪(しまり雪)であり， 表 1 に図 2(e)に示す GP ア（JAXA） との共同研究による実験用航空機 MuPAL-αを用いた積雪時の飛行実験を行った(1),(2).

ンテナ反射点付近の残留積雪深を示す．
(b)第 2 回目 ： 15 年 2 月， 積雪の縦断面は図(b)の 2

本稿では， 冬季の地上実験， 飛行実験の概要， 実層構造， 下層の雪質は機械圧雪の硬雪 （ざら目雪） でぶ） が増加する． しかし， 積雪時の GP パスの監視法

やや含水量が多い． 積
雪は気温上昇で融雪して残留がなくなり， その後の降雪による積雪であるため平坦であった．
(c) 第 3 回目 ： 16 年 2 月
3 日， 積雪の縦断面は図(c)の 2 層構造， 上層と下層の雪質は機械圧雪による硬雪 （ざら目雪）で含水量が少ない． 残表１ 残留積雪状況

2 . 2 飛行実験
図 3 に MuPAL-α （ドルニエ機） の飛行評価システム

年月日

Hlow

HmidHupr

15/1

15cm

30cm

10cm

16/2/3

30cm

30cm

20cm

Inertial-navigation Avionics， 略称 GAIA)を搭載しており， 地上からアップリンクする GPS 補正信号により自機16/2/19

11cm

30cm

19cm

位置を誤差 1m 以下の精度で測位することができる．

を示す． GPS 補強型の慣性航法システム(GPS Aided

進入コースは， 図 1 に示す ILS 指示値の上下１ドット
誘電率

積雪深

積雪深

Dsw3=15cm〜

表層積雪 ε3＝1.2‑j0.001

Dsw2=5cm

中層積雪

ε2＝2‑j0.004

Dsw1=5cm

下層積雪

ε1＝2.5‑j0.01ておき， 実験機は進入コースをトンネル型経路表示機

Dsw1=5cm

下層積雪ε1＝1.8‑j0.003

能を用いて正確に進入し， ILS 受信機出力と搬送波位相を利用した DGPS による機体の測位データを収集し地面(b) 15/2の積雪状態(a) 15/1の積雪状態
積雪深

積雪深

誘電率
表層積雪ε2＝2.05‑j0.001

下層積雪

ε1＝2.3‑j0.001（± 0.36 度） と左右１ドット （± 1.25 度） 方向に設定し表層積雪 ε2＝1.2‑j0.001

地面

Dsw2=10cm〜
Dsw1=20cm
〜30cm

誘電率

Dsw2=15cm

Dsw3=5cm〜
Dsw2=5cm〜24cm
Dsw1=6cm

表層積雪

誘電率
ε3＝1.8‑j0.01

中層積雪

ε2＝2.1‑j0.005

下層積雪

ε1＝17‑j0.5

地面地面(d) 16/2/19の積雪状態(c) 16/2/3の積雪状態

た． ILS 受信機出力から航空機のパス離脱分を減算することによりパス誤差を求める． これを GP パスストラク
チャーと呼んでいる．
3 . 飛行実験結果
図 4 に平成 15 年 1 月の積雪状態で図 1 の進入コースを飛行したときの実験結果を示す．
3 .1

GP反射面（A地区）
GPアンテナ

H upr

H midHlow
80m
160m

240m
300m

(e)

3素子反射点付近の残留積雪深

図2 積雪断面特性とGP反射点付近の残留積雪

留積雪を表 1 に示す．
(d) 第 4 回目 ： 16 年 2 月 19 日， 積雪の縦断面は図(d)の 3 層構造， 中層の雪質は含水量の多い硬雪 （しまり雪）， 下層の雪質は数日前の降雨の沈降でシャーペット状になり誘電率が著しく増加した． 残留積雪を表1 に示す．

実験結果の再現性

図 4 に示す実験結果には， 上下の微細な変動が生じている． これはプ

表２ 積雪時の飛行実験結果
年月日

積雪状態

左側進入るものである． また， 同一進入コース

14/10

無積雪時

0.02゜〜0.15゜ 0〜0.02゜0゜の実験データより， G P パスストラク

15/1

図 2（a）参照

0.04゜〜0.1゜0゜

チャーのずれを求めると， 積雪 ・ 無積15/2

図 2（b）参照−0.02〜0.05゜ ‑.01〜−0.03

雪時を問わず， ± 0.02 度以下となり，

16/2/3

図 2（c）参照

0.03〜−0.03゜ −0.01〜−0.02゜ −0.06゜

取得データの再現性は良好であること

16/2/19 図 2（d）参照

ロペラ変調や航空機の姿勢変化によノミナル進入0.025゜−0.02〜0.05゜ 0.02〜0.04゜

右側進入−0.05゜0〜0.02゜が確認された．
3.2

進入平面の傾き左右 1 ドット （± 1.25 度） の仮想進入コースは， 左側， 中心， 右側進入コースの順番で GP パスが低下す

位置データをプログラムに入力して ILS 受信機出力を求る． このような進入平面が傾く現象は， 無積雪時， 積している．

め， パス離脱量の補正によりパスストラクチャーを計算

雪時を問わず発生している．
3.3

積雪による G P パスの上下偏移

4.2

地面構造の影響

表 2 は， 飛行実験結果より GP のパスの変化を纏めた

地上実験の結果， 反射面には± 10cm の地面のラフものである． 15 年 1 月と 16 年 2 月 19 日の実験結果をネス （凹凸） が生じている． そこで， 図 5 は地面を±無積雪時と比較すると， GP パスが全体に約 0.02 度上昇する． これに対して， 15 年 2 と 16 年 2 月 3 日では，10cm 盛り土したときの GP パスの偏移を示す． 地面の複素誘電率を ε=20-j1.0 とし， 地面を 20cm 上昇させる

GP パスが約 0.03 度低下する． このように GP 反射面のと， GP の平均パスが 0.08 度＋側に偏移する． これに積雪によって GP パスに上下偏移を生じる場合がある．

より図 4 の実験値との GP パスのずれは， 局所的な地面構造の凹凸による影響と考えられる．

4. 多層構造の積雪による影響の検討

また， 図 6 では， 図 4 の実験経路と異なる 3 度の幾

4 . 1 予測計算方法

何学的な進入コースとし， 積雪状態を図 2(a)， 前方のGP アンテナの座標系は GP アンテナ基部を原点とする直交座標である． 予測計算では， GP 反射面を 1.5% 勾丘を GTD （幾何光学回折理論） を用いて解析した． その結果， 全域に丘による緩やかなパスベンドが生じて配の平面と仮定し， 送受信点をその平面に座標変換しおり， 図 4 の進入平面の傾きは （± 1.25 度の進入コーて反射波を計算する． パス形成に寄与する反射点は，スで） 0.05 度であったが， 計算結果では 0.07 度とな

図 2(e)に示すように GP アンテナから約 80m， 160m おり， パスストラクチャーの対称性も概ね良好であることがよび 240m になり， その周辺の積雪は中層， 下層に表確認された．

1 の残留積雪が， 表層は新雪の堆積層とする． 積雪面

4 . 3 積雪による G P パスの上下偏移を 3 層断面構造の積雪モデルで近似し， 多層積雪面の反射波は分布定数理論より導出される計算式を用い地上実験の結果， G P 反射面では積雪深の変化が± 10cm， 誘電率の変化が 20% 程あることが確認される． なお， 図 2 に示す積雪深と誘電率等は， 測定デーた． そこで， 図 7 は， 反射面の場所による積雪状態タの平均値である． 図 4 の予測計算では， 実験機のの相違を考慮して， 図 2 の(c)と(d)の積雪の表層積雪

0.05 度のずれが生じていることが明らかになった．
(3) 積雪時の飛行実験の結果， GPパスが上下に偏移する場合があることが確認された． そこで， 積雪面を 3 層構造にモデル化して， 表層の積雪の測定誤差と融雪を考慮した解析を行った． その結果， GP パスの上下偏移は飛行実験結果と類似する傾向を示しているが， 全体に＋ 0.05 度のバイヤス誤差を生じることが確認された．
このバイヤス誤差は積雪断面を 3 層構造モデルの粗い近似をしたためと考えられる．
今後は， GP 反射面の積雪に内挿する誘電率測定装置の共振型センサを開発すると共に， GP 反射面の測量データを用いて解析し， GP パスの予測精度の向上を図りたい．
謝辞
本研究にご協力を頂いた航空局、深を 0 〜 40cm， 表層の雪質を 1.0 ＜ ε ≦ 1.3 に変化

東京航空局および東京航空局青森空港出張所の関係させて 5km 遠方の GP パスの偏移を計算したものであ各位に感謝の意を表します。

る． 図の青の範囲は表層積雪の場所によるばらつきを示す．

参考文献

その結果， 表層の積雪深が 20cm 〜 30cm 変化して(1) 横山 ： 地面構造による GP パスの空間誤差特性

も GP パスの偏移が少なくなり， 表 2 と類似の上下偏移

第 41 回飛行機シンポジウム ,3E4,2003.10をすることが示される． しかし， 図の(a)では， 表 2 と比(2) 冨田 ： 積雪時の青森空港 ILS 誤差計測飛行実験

べて＋ 0.06 度の， 図の(b)では＋ 0.04 度のバイアス誤, 第 41 回飛行機シンポジウム ,3E3,2003.10,差が生じる． このバイヤス誤差の発生要因は， 積雪断面の近似が 3 層モデルの粗い近似であり， 特に， 誘電率の大きくなる下層積雪のモデル化が重要である．

付録 誘電率測定装置
プローブセンサ ・ アレー方式の積雪誘電率測定方法を青森大学と共同研究で開発している． 共振型セン5 . まとめサーを縦型 10cm 間隔のアレー構造とし、 これを積雪面GP 反射面の積雪構造測定， 積雪時の飛行実験結果に内挿し， 層状構造の積雪の雪質変化を測定する．

および多層構造の積雪を模擬した GP パスの空間誤差

本方式の特徴は， ネットワークアナライザの初期校正のについて報告した． その結果， 次のことが明らかになっための除雪が不要であることで， 長期間の積雪の測定た．
(1) 同一進入コースの飛行実験データにより， GP パスに適している．の偏移は， 積雪 ・ 無積雪時を問わず， ± 0.02 度以下になることが確認された．
(2) GP の反射面の横断勾配を考慮した解析結果と飛行実験結果により， ILS の立体的な進入空間が全体的に右下がりで変形する． しかし， 解析結果には局所的に