電子航法研究所研究発表会（第2回 平成14年6月）

3.衛星利用ADSの伝送特性改善について
衛星技術部※石出明 藤田 光絃 北折潤
航空システム部

1.まえがきあり,送信するADSレポートには必ず入って洋上管制では,航空機の位置通報に短波の無線電話が用いられてきたが,現在一部で衛星利用の自動従属監視(ADS)も試行運用が開始されていいなければならない｡その他の情報は航空管制センタから後述するコントラクト要求で指定されたときのみ伝送することになっている｡
ADSレポートのタイプとしては主として周期的レポる｡

電子航法研究所では, ICAOの衛星データ通信技術基準(AMSS SARPs)に基づくビット指向型の衛星データ通信及びそれを利用したADSの実験システムを開発して,実際の衛星実験によりその性能ート,イベントレポート及びデマンドレポートの3つがある｡このうち,イベントレポートは高度,速度,経路からの逸脱量等が設定した値を超えて変化する等の事象が起きたときに送られるもの,デマンドレポーの評価を行った[1] [2]｡その後,実験システムを室内実験用に改造し, 4台の航空機地球局(AES)を用いて様々な通信回線の条件に対してADS等のトは,管制官から必要に応じてリクエストされたときにデータ伝送性能を評価した[3] [4],航空通信ネッ
トワーク(ATN)やFANS‑IでADSレポートを伝送する場合,レポート長がかなり大きくなるので,Tチャネルが用いられるものと考えられる｡しかし, Tチャネルのプロトコルを用いると,一般にデータ伝送遅延時間が大きく,また通信回線の輻輳で伝送遅延時間に監視するためのもので,一般にはこのタイプがよく送られるものでどちらも不定期に行われる｡一方,周期的レポートは通常飛行中の航空機位置を定期的知られている｡本報告では,この周期的レポートに限定して述べる｡
表1 ADSの伝送項目が増加する｡そこで,伝送遅延時間を短縮し,かつ通信回線輻輳の影響による伝送遅延時間の増加が発生しない方式についてその実現性を検討した｡

デ ータ内容基本A D S

緯度 ,経度 ,高度 ,時刻 ,F O M

グランド116

ヘディング,マッハまたは対気 速度 ,昇降率6フライト
ID

フライト
ID

7

機体I D

24ビット
IC A O アドレス

4

エアベクトル気象

準プロトコルの問題点を明らかにする｡最後に,ADSレポートの伝送に適した方式について検討し,実現可能な性能についても言及する｡

デ ータ長(octet)

トラック角,対 地速度 ,昇降 率

ベ クトル

本報告では,まずADSの概要を述べる｡次に,ADSレポートの伝送に用いられるTチャネルの標準プロトコルとそれを用いた室内実験の結果について述べる｡次に,伝送速度を大きくしたときの伝送遅延時間の測定結果について述べ, Tチャネルの標

2. ADSの概要
ADSは航空機搭載の航法機器で得られる位

ブロック

風速 ,風 向,温度 ､タービュランス

6

予 定経路

各ウェイポイントの緯 度,経度 ,高度,予定時刻

18

中期的
予定針路ある地点 までの距離 ,真 のト
ラック角,高度 ,予 定時刻

9

短期的
予定針 路

次のウェイポイントの緯度 ,1
経度 ,高度 ,予 定時刻

03. Tチャネルの標準プロトコル

置等の情報をデータ通信により定期的に地上の管制センターに伝送して,管制官が航空機の位

図1にTチャネルの標準プロトコルを用いたときのADSレポ‑トの伝送シーケンスを示す｡

置を監視するシステムである｡このADSレポートで伝送する情報(データ)の種別は表1のADSレポ‑トの伝送には,その長さによってRようにICAOで規定されている。ADSは基本的には航空機の位置を監視するものであるから,伝送されるユーザーデータ(サブネットワーク航空機の位置や高度を含む基本ADSが重要で報)の長さが33octet以下であればRチャネルチャネルかTチャネルのどちらかが使用される｡
レイヤからデータリンクレイヤに渡される情‑11‑電子航法研究所研究発表会（第2回 平成14年6月）が使用され,それより長い場合はTチャネルが使用される｡しかし,元の情報は最小の基本ADSで11octetであるが,航空通信ネットワー
ク(ATN)でこのADSレポートを送ろうとす
ると,ネットワークレイヤ以上のレイヤで付加されるヘッダの長さが100octetを超えるので,実際にはTチャネルがADSレポートの伝送に使用されると思われる｡
このプロトコルでは,まず航空管制センター
からコントラクト要求を航空機地球局(AES)に向けて送信する｡AESではコントラクト要求を受信すると,そのリクエストで指定された内容のADSレポートを作成し,送信バッファに保管して,航空地球局(GES)に対してTチャネルの送信スロットの割り当て要求を送る｡これに対してGESは,既に割り当てられている送信スロットと重ならないようにTチャネルの

図2 Tチャネル伝送のタイムチャートってから送信時刻までの時間t , ADSレポートの伝送に要する時間t とすると,伝送遅延時間はt=t +t +t となる｡このように従来のT
チャネル標準プロトコルでは,ADSレポートを送信する毎にGESからTチャネルの送信スロットの割り当てを受けるプロセスが必要なためその分(t )伝送遅延時間が大きくなる｡図3

送信スロットを割り当て,その情報をAESに送信する｡AESは送信バッファに保管されている送信データを割り当てられたTチャネルの送信スロットで送信する｡以降航空管制センター
からコントラクト解除要求がAESに送られるまで定期的にこの手順が繰り返される｡

0100 200

300 400 500 600

700800データ長(octet)

図3

Tチャネルの伝送遅延時間特性に伝送速度600bpsの場合についてデータ長を変えて測定した伝送遅延時間を示す｡この図から,伝送速度600bpsではデータ長230octet(前述の基本ADSブロックをATNで伝送する場合のデータリンクレイヤでのデータ長[5])の場合,伝送遅延時間は約26秒となる｡
この方式におけるもう一つの問題は,他のADSや管制官−パイロット間データ通信(CPDLC)の通信とチャネルを共用するため,通信回線の輻輳により図2にTチャネルを用いてデータ伝送すると伝送遅延時間が増加することである｡図4は,データ長を230octetとして, AES数と送信間隔を変えたときの伝送遅延時間(平均, 95%)を測定した結果

きのタイムチャート例(データ長約100octet)

である。ADSレポートは等間隔で発生するが,他のを示す｡ AESでADSレポートを生成するのに通信はランダムに発生する｡通信が多い状態を考えると,両者が同時に発生することが増え,さらにP及図1 Tチャネル標準プロトコル伝送シーケンス

要する時間t ,送信スロット割り当て要求を送−12−電子航法研究所研究発表会（第2回 平成14年6月）

グローバルビームアンテナを用いた場合, AESに利得12dBi程度のアンテナが必要となる｡旅客機等の大型の航空機ではこの程度のアンテナを積むことは可能であるが,小型の航空機では困難である｡また,通信回線が輻輳すると,伝送遅延時間は増加することになる｡伝送遅延時間の増加によりADSレポートが地上に届く時間は不定期になる問題もある｡
020406080100

4. Tチャネルの標準プロトコルの問題点
前述したように, Tチャネルの標準プロトコルでADSレポートの伝送を行う場合には,以下に掲げるいくつかの問題点が考えられる｡

チャネル負荷率(%)
図4

通信輻輳時のTチャネル伝送遅延時間

びRチャネルでの伝送データも同時に発生することが多くなるので,データの発生はランダムに近くなると考えられる。そこで,データ送信間隔の分布を指数分布とし,同一長のデータを平均送信間隔を変えて伝送を行い,そのときの伝送遅延時間を評価した｡この結果から,通信回線が輻輳するに従って伝送遅延時間が増加することがわかる｡
図5は,Tチャネルの伝送速度を600bps,1200bps及び10500bpsとした場合について伝送遅延時間を測定した結果である｡ただし, P及びRチャネルの伝送速度は600bpsとした｡この結果から,標準プロトコルを用いた場合,データ長を230octetとすると,伝送遅延時間は600bpsでは約26秒,1200bpsでは約18秒, 10500bpsで約11秒である｡
このように,伝送速度を増加すれば伝送遅延時間はかなり短縮できる｡なお, Tチャネルの伝送速度(l)ADSレポートの正味の情報量は少なくても, ATNの上位層のヘッダが多量に付加されるため,実際に伝送されるデータ量は大きくなる｡したがって,送信スロットの割り当てを必要とするTチャネルが使われるので,伝送遅延時間が大きくなる｡(2) Tチャネルの標準プロトコルは,元々監視用というよりはデータを相手方に確実に伝送することを重視しているため,伝送に失敗したデータは再送する手順になっている｡このため,通信回線が輻輳すると伝送遅延時間は増大する｡(3)伝送遅延時間の増加により,地上に届くADSレポートの間隔は不均一となる｡
このような問題点を解消し,どのような航空機でも使用でき,かつ現在陸地上空で使用されている二次監視レーダ(SSR)にできるだけ近い性能を実現できないか検討した結果を以下の節で述べる｡

10500bpsの場合, P及びRチャネルの伝送速度も10500bpsにすると,伝送遅延時間は約6秒になる｡
しかし,伝送速度を10500bpsとするには,衛星側に

5.新たなADS伝送方式の検討
5.1 基本概念
現在のICAO AMSSに基づくADSで発生する回線の混雑による伝送遅延時間の増大,伝送間隔の不均一化等の問題を解消するため,新た0200400600

データ長(octet)

図5 伝送速度に対する伝送遅延時間特性

ATCセンター

図6−13−GES

ポーリング方式ADSの概念図

電子航法研究所研究発表会（第2回 平成14年6月）に考案したポーリング方式ADSについて述べる｡なお,衛星は静止衛星で,航空機側に低利得アンテナを用いるために,スポットビームを表2 伝送速度とRチャネルバースト長使用することとする｡図6にポーリング方式
ADSの概念を示す｡

伝 送 速 度 (b p s )バ ー ス ト長 ( 秒 )60 012 0 00 .9 60 .4 624 0 04 80 00 .2 10 .12 6 910 50 00 .0 8 4 6

5.2 送信情報内容
航空機の位置の監視というADSの基本的な役割から考えればADSで伝送する情報として表1の基5.4 アクセス方式
AMSS SARPs によるデータ通信方式では,異な本ADSブロックの情報があれば最低限良いと考えられる。SSRで得られる情報が位置,高度であることからすればこれは妥当な条件と考えられる｡そこで,る航空機のADSレポートや他のデータ通信と混在するために伝送デ‑夕間の競合が起こるため伝送遅延時間が増加したり, ADSレポートの伝送間隔が本検討では基本ADSブロックだけを伝送するものとする｡このデータは, AMSS SARPsで規定されているサブネットワークレイヤのヘッダを除けば11octetで不均一になったりする｡このようなことを避けるために
ここではポーリング方式を採用する｡すなわち,図8に示すように地上側から一定間隔で各AESに順次ADSレポート送信要求を送信して,これに対して各あり,図7に示すようにRチャネルSU(Signal Unit:伝送パケットの最小単位)のユーザーデータ･フィールドに納まるものである｡そこで本検討では,このRチャネルSUのフォーマット(19octet)をそのまま流用する｡

AESからADSレポートを送信する方式である｡この方式では一つのチャネルで一時に扱うAESの数が一つだけなので伝送データの競合がなく,また伝送

図8 ポーリング方式の伝送シーケンス

図7

間隔及び伝送遅延時間もほぼ一定に保つことができる｡アップリンク及びダウンリンク各1チャネルで一RチャネルSUのフォーマット

定の数のAESを扱う。GESではADSレポートを受5.3

伝送速度とADSレポート長

前節で述べたようにADSレポートを伝送する信号としてはRチャネルのバースト信号を流用する｡インマルサットシステム定義書(SDM)によると,伝送速度とRチャネルバースト信号(ADSレポート)長の関係は表2のようになる｡

信すると,受信信号に含まれるCRC(CyclicRedundancy Check)により誤りが検出されればそのADSレポートを棄却する｡ (AMSS SARPsではCRCにより誤りが検出されたときはそのデ‑タの再送を行う｡したがって,データは確実に伝送できるが,伝送遅延時間は増加する) ADSレポ‑ト送信要求はここではADSレポートと同一のフォーマットとするが,実際にはもっと簡単なフーマットでかまわない｡‑14‑電子航法研究所研究発表会（第2回 平成14年6月）

基本的には1スポットビーム当たりアップリンク,ダウンリンク各1チャネルとする｡各AES当たりのADSレポ‑卜伝送間隔をSSRと同じ10秒として(すなわち10秒に1回各AESの位置を監視するとして),伝送速度と1スポットビーム当たりの処理可能AES数の関係を求めると表3のようになる｡なお,処理可能AES数NはN=[T(図9)。
表3
伝 送 速度(bp s)

1を処理することができる｡図10は北太平洋空域で運輸多目的衛星(MTSAT)の6つのスポットビームを用いたときの処理可能AES数を伝送速度に対してプロットしたものである｡もちろんチャネル数を増やせば,処理可能AES数は倍加する｡/Tc ]を用いて算出した

1スポットビーム当たりの処理可能AES数
A D S

レポ ー ト長T (秒)

ガ ード

処理 可能タイム

A ES 数T(秒 )N (機 )

600

0 .960 .0 8

912 0 0
24 0 04 80 00 .46
0 .2 10 .12 690 .0 80 .0 80 .0 81834480 50 00 .0 84 60 .0 860

図10伝送速度と処理可能AES数

5.5 回線検討
我が国のMTSATを例として検討する｡この場合,衛星のLバンドG/T(受信性能指数)はグローバルビームで‑9dBK,スポットビームで‑2dBKとなっている｡AESのアンテナを低利得型(利得OdBi)としてグローバルビームを用いると現在伝送速度1200bpsでデータ伝送が可能である｡スポットビームを用いるとすると,電力的に7dB大きくなるので, 5倍の伝送速度すなわち6000bpsまでデータ伝送が可能と考えられる｡したがって,前節で考えた4800bpsでのADSは実現可能と考えられる｡もし, AESアンテナとして中利得型(利得 6dBi)を使用できれば,電力的に13(=7+6)dB大きくなるので約20倍までの伝送速

図9 ポーリング方式伝送のタイムチャート
ただし,Ts(秒)はAES当たりのADSレポート伝送間隔,Tc(秒)はチャネル当たりのADSレポート伝送間隔, [ ]はガウス記号を表す。ADSレポ‑ト長をT,ガードタイ

ムをT とすると,Tc =Tと表せる｡なおs+T

T はAES‑衛星‑GESを電波が往復伝搬する時間の最大値と最小値の差から求めた｡また,Tはここでは10秒である｡この結果から,伝送速度4800bpsを用いれば1スポットビーム当たり48機を処理可能であることがわかる｡したがって, MTSATの北太平洋空域は6つのスポットビームの場合を考えると,伝送速度4800bpsで全スポットビ‑ムを用いれば288機度すなわち24000bpsまでのデータ伝送が可能となる｡したがって,中利得型を用いれば10500bpsでのADSは実現可能と考えられる｡
5.6 伝送遅延時間の検討
図9に示したように,AESでGESからのADSレポート送信要求のための質問信号を受信すると,ADSレポートを作成し,直ちに地上に向けて送信する｡この場合の伝送遅延時間は図に示すとおりである。ADSレポートを作成してから,地上で受信するまでの伝送シーケンスはRチャネルと同様であるから,ここではRチャネルの伝送をもとにして伝送遅延時間がどのくらいになるか検討する｡−15−

電子航法研究所研究発表会（第2回 平成14年6月）

図11は伝送速度4800bpsのRチャネルで1SUのデータを伝送したときの予測タイムチャートである｡

きく,通信回線が輻輳するとチャネル負荷率の増加とともに指数関数的に増加する｡伝送速度を伝送速度600bpsのRチャネルで1SUを伝送した場
合の実測のタイムチャートでは,伝送遅延時間は約10500bpsにすれば伝送遅延時間はかなり縮小できる｡ただし,チャネル負荷率があまり高くならないように通信回線の輻輳をきちんと管理する必要がある｡
本報告で述べた新たなADS伝送プロトコルでは,4.5秒になる｡もし伝送速度を4800bpsにすると,ADSレポート長が約0.83秒減少するので,図11に示すように伝送遅延時間は3.7秒程度になる｡さらに,図11のタイムチャートではAES及びGESともに1990年頃の処理装置(CPU)を使う場合であり,その後処理速度は大幅に向上している｡その点を考慮すれば,AES及びGESで少なくとも1秒程度の短縮は可能と考えられる｡したがって,伝送遅延時間としては3秒以下とすることは可能と考えられる｡
また,前述したポーリング方式を用い,かつ再送を行わないことでこの伝送遅延時間は回線の混雑に監視のための専用チャネルを用い,かつADSレポートの内容を基本ADSブロックに限定することでSSRに近い時間間隔と伝送遅延時間で航空機の位置を監視することができると考えられる(表4)｡
また,どのようなプロトコルを用いるにしても,伝送速度を大きくすることにより,伝送遅延時間を縮小し,処理容量も向上できる｡そこで,今後同じ回線条件で伝送速度を大きくできる新たな変復調方式及び符号化方式についても検討する計画である｡

よる影響はなく,ほぼ一定に保たれると考えられる｡

参考文献[1]新美,石出,藤田,湯川,松崎:"実験用航空管制データ通信システム",信学技報,SANE94‑37,Aug.1994.
[2]石出,藤田,新美,松崎,湯川:"自動従属監視(ADS)実験システムの開発と実験",信学論

時間(秒) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17(B),Vol.J78‑B‑Ⅱ,no.5,pp.366‑373,May

1995.

[3]藤田,石出,北折:"航空衛星通信Rチャネルの伝送遅延特性",信学全大,分冊通信 1,no.B‑2‑18, pp.215, Mar.1998.

図11 ポーリング方式の伝送遅延時間予測値
6.まとめ
Tチャネルの標準プロトコルでは伝送速度600bpsのとき伝送の信頼性は高いが,伝送遅延時間が大[4]北折,石出,藤田:"空地衛星データ通信の特性",信学技報, SANE98‑97,Dec.1998.
[5]板野,藤田,塩見:"疑似衛星サブネットワークを用いたATNの通信実験",信学技報,SANE2001‑33, July 2001.

表4 各方式の比較
標 準 プ ロ トコル
伝送遅延時間･ 26秒 (600bps) ,6秒 (10500bps)･ 通信輻輳 に よ り増加･ 8秒 の整 数 倍 に設 定 , コン トラ ク ト数 に依 存･ 最 小 16秒 (1チ ャネ ル 1 コン トラ ク ト)

伝送間隔

伝送内容

･ 再 送 に よ り不均 一･ 一 つ の コ ン トラ ク トで ブ ロ ック毎 に異 る間隔 を設 定可･基本 ADSブ
ロック・拡張ブロック

ポ ー リング方 式･ 3秒 (4800bps)
･ 通信
輻輳 なし

･ 10秒･ 均一･ 基本 ADSブ ロ ッ ク−16−