National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology

Electronic Navigation Research Institute2019年6月 令和元年度 電子航法研究所研究発表会 （2019年6月6日） 於 電子航法研究所

航空機内データ通信における国際標準化動向および電磁環境評価*電子航法研究所 監視通信領域**北海道大学 大学院情報科学研究院*二ッ森 俊一 *森岡 和行 *河村 暁子 *米本 成人**日景 隆**関口 徹也**野島 俊雄
2019/06/06

発表内容
研究背景と目的

航空機内データ通信（Wireless Avionics IntraCommunication、WAIC）システム

WAIC機器の国際標準化動向
大型航空機の4 GHz帯電波伝搬推定


WAIC周波数帯におけるA320-200型機の解析結果例

電波高度計の地上放射特性測定


ビーチクラフトB300型機搭載の航空機電波高度計



測定結果例

まとめ
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研究背景
航空機内データ通信（WAIC）システム


航空機内のセンサ等の情報について、4 GHz帯（4.2 GHz～4.4 GHz）を用いた通信システムによる無線化を検討中
航空機内の配線を無線化することで重量低減・運行効率化が可能となるが、同一周波数帯を用いる電波高度計との共用条件、WAIC機器認証法、耐干渉対策が必要

電磁環境評価技術および通信技術の研究開発を実施中
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WAIC機器の国際標準化動向①
ITU（国際電気通信連合）


2015年に開催されたWRC-15において、4 GHz帯（4.2 GHz～4.4 GHz）を1次業務としてWAIC機器に国際分配※国内では上記を受けて、2016年12月に国内分配を変更

ICAO（国際民間航空機関）

FSMP（周波数管理パネル）において、電波高度計とWAIC機器の共用条件に関するSARPs（標準および勧告方式）の策定作業を実施中



ICAO SARPsでは、自機のWAIC機器と他機の電波高度計の共用条件、WAIC機器の送信電力およびスペクトルマスク等を規定

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WAIC機器の国際標準化動向②
RTCAおよびEUROCAE


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2016年9月から合同でMASPS（最低性能要件）およびMOPS（最低運用要件）を策定するための委員会/作業班を開催
MASPSでは、①自機のWAIC機器が他機の電波高度計に影響を及ぼさないためWAIC機器の放射電力密度制限を行うこと、②自機のWAIC機器が他機の電波高度計とWAIC機器から影響を受けないこと、の検証法を含めた基準を規定
MASPSは2019年上期中に発行予定。MOPS策定完了は、2021年10月が目標

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大型航空機の4 GHz帯電波伝播推定
航空機電磁界伝搬特性推定


大型航空機においてもWAIC機器からの電磁波放射を評価可能とする技術を開発することで、電波高度計との干渉評価およびWAIC機器認証に活用

4 GHz帯における航空機電磁界特性を明らかにするため、時間領域差分法（Finite-Difference Time-Domain method、FDTD）を用い、エアバス
A320-200型機の3次元数値モデルを用いた電磁界数値解析を実施



航空機の寸法は、長さ36.7 m、幅35.8 mおよび高さ12.0 m
12.0 mPerfect
MagneticConductor

yx

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yzx
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A320-200数値モデル
3次元航空機数値モデル


機内の金属部分は完全導体（perfect electric conductor、P.E.C.）をモデル化。窓は10 mm厚みのプラスチック



機内パネルは10 mm厚みの電磁界損失媒体を設置
Antenna position(at the height of 1 m above the cabin floor)
37.57 mAircraft body(outer panel &frame)
luggagerack

Window: plastic
Seat: metal & padinternal
panel
cabin floor

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数値解析パラメータ
FDTD数値解析のパラメータ

全領域に対して5 mm3の均一立方体セルを用いて解析を実施。また、解析に必要な主記憶容量を減らすため、導体中央部に磁気壁を設置



この解析領域を40個のエリアに分割して計算を行う。吸収境界を含むセル数は合計で3,625 × 2,449 × 7,525セル。また、解析に必要な主記憶容量は約6.4 TB
Problem Space (mm3)18,125 × 12,245 × 37,625

Cell size (mm)5Frequency (GHz)3,625 × 2,449 × 7,525(67,000 M)
4.4

A. B. C.

CPML (10 layers)

Number of nodes

40

Required memory

6,400 GB

Antenna

1/2 dipole (0.1 W input power)

Number of cells

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2次元電界強度分布の解析結果例①xz平面（アンテナ設置高）における電界強度分布
Transmitting antenna is set 1 m above the floor
30

dBμV/m

160xz

アンテナから放射された電磁界の機外伝搬の様子を確認。比較的高い電界強度が航空機長手方向の鉛直方向に存在
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2次元電界強度分布の解析結果例②yz平面における電界強度分布
Transmitter antenna is set 1 m above the floor(a)(b)50dBμV/m180xy(a)(b)

航空機窓から円周上に広がる電磁波を確認。また、窓から外部に伝搬した電磁波が主翼に反射し、複雑に伝搬する様子を確認
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2次元電界強度分布の解析結果例③
電磁界伝搬時間特性

Transmitting
antenna

電磁波伝搬損失は航空機外で高く、航空機外で低い。
航空機内では複雑な反射特性を示すことを確認
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円周上電磁界分布評価
WAIC機器認証に適用可能な数値解析


ICAO SARPs、RTCA/EUROCAE MASPSで検討されているWAIC機器認証に必要な電磁界数値解析技術を開発



円筒状もしくは半球状の面における詳細な電磁界分布を取得可能

E-field strength (dBuV/m)

100Antenna height +1.5 m
Antenna height
Antenna height -1.5 m

806040200020406080
100 120 140 160 180
Angle (degree)

国際基準策定会議において技術提案を実施
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電波高度計の地上放射特性測定
ビーチクラフトB300型機（King Air B350）


航空機電波高度計とWAIC機器の周波数共用検討を実施するための実測
基礎データ



電子航法研究所のビーチクラフト B300型機に搭載している電波高度計の地上放射特性を測定評価

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航空機電波高度計
FMCW方式の電波高度計

Transmitting
antenna

Receiving
antenna

製造者
型番
中心周波数
帯域幅
送信電力
測距方式
アンテナ利得14/18

Rockwell Collins
ALT-1000
4.3 GHz
100 MHz27 dBmFMCW
9.5 dBi（直線偏波）

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測定条件
アンテナ設置箇所および測定偏波
Tx-Rx distance: 26.5 m

26.5 m
=17.65*1.5

11.25
degrees

Rx antenna polarization:
V and H

W:17.65 m

Rx antenna height:
Window height +1 m, Windowheight, Window height -1 m

39degrees

Rx antenna 3 dB bandwidth:
80 degrees

Angle resolution:
11.25 degrees(32 steps for 360 degrees)

ICAOおよびEUROCAE/RTCAで検討中の測定法に準拠
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地上放射特性測定状況
仙台空港における測定試験
Beechcraft B300

Receiving
antenna

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アンテナ受信高さ1.35 m（航空機窓高-1 m）
放射電界値

348.75100
337.5
95
326.2590315
85
80
303.75
75
292.5
70
65
281.25
60
55
270
50

0

11.25
22.5

HV

33.75
4556.25
67.5
78.75

Free space
E-field
strength:
113.8
dBµV/m90258.75

101.25

247.5

112.5

236.25123.75225
213.75202.5
191.25180135146.25
157.5
168.75

Unit: dBµV/m

水平偏波および垂直偏波で、最大値はそれぞれ92.8 dB µV/mおよび98.9 dBµV/m
今後、本測定結果をWAIC機器の耐電磁干渉特性の検討に活用予定

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まとめまとめ

WAIC機器の国際標準化動向および電磁環境評価

WAIC機器の導入により航空機の運航効率化が予想されるが、航空機電波高度計との周波数共用検討および認証法確立が必要
大規模電磁界数値解析法を用い、大型航空機においてもWAIC機器の電磁干渉評価および認証に適用可能な数値解析技術を提案
ビーチクラフトB300型機に搭載されている電波高度計の地上放射特性を取得し、WAIC機器の耐電磁干渉特性検討に活用予定

今後の予定
WAIC周波帯における機内伝搬特性評価およびWAIC機器から電波高度計への干渉経路損失評価を実施
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