平成26年度（第14回）研究発表会

WAMにおける性能改善方式の評価

独立行政法人 電子航法研究所 監視通信領域○島田 浩樹 *，宮崎 裕己，古賀 禎，松永 圭左，角張 泰之，
本田 純一，二瓶 子朗（* 現 国土交通省 航空局）

発表内容
 研究の背景とWAMの概要
 WAMの性能改善方法
 WAM実験装置の概要
 評価
 まとめ

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研究の背景とWAMの概要
成田国際空港 同時着陸／同時出発方式
年間22万回 ⇒ 30万回 への空港容量拡大
同時着陸同時出発

現在，好天時に限り運用されている．
低視程時も運用を行うためには・・・

空港用レーダ
更新頻度 4秒毎

高精度かつ高頻度な航空機監視が必要！
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研究の背景とWAMの概要
軌道ベース運用（TBO：Trajectory Based Operation）
時間管理を導入した4次元軌道の概念図

シームレスかつ高性能な航空機監視が必要！
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研究の背景とWAMの概要
広域マルチラテレーション （WAM：Wide Area Multilateration）

更新頻度
覆域
ブラインドレーダー（SSR）
4秒（空港用）10秒（航空路）
固定（地形に影響）
近傍，空中線直上，山岳等の後方など

WAM
1秒平均
柔軟に設計可基本的になし☺高精度かつ高頻度，シームレスな監視が実現できる！
☺将来の軌道ベース運用（TBO）への活用が期待できる！

WAMによる航空機監視が要望されている！

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研究の背景とWAMの概要
測位原理 － TDOA測位 （TDOA：Time Difference Of Arrival）
 受信局は航空機（トランスポンダ）が送信する信号を検出．
 各受信局の到達時間差で求まる双曲面同士の交点を算出．

4局以上の受信局で信号検出することが必要！

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研究の背景とWAMの概要
航空機（トランスポンダ）が送信する信号形式
SSRモードS応答・モードSスキッタ信号（SSRモードS信号形式）SSRモードS応答，航空機衝突防止装置(ACAS) 56bit
フォーマット 各種メッセージ番号（高度情報等）

航空機
アドレス

SSRモードS応答，拡張スキッタ(ADS-B) 112bit
フォーマット 各種メッセージ番号（位置情報，高度情報，動態情報等）

Preamble
8.0 μsData Block
56 or 112 Bits
Bit1 Bit2
1 0 1 00.0 1.0

到達時刻を測定3.5 4.5

航空機
アドレス

8.0 9.0

Bit
N-1 BitN
1 0 1 064 or
120 μs

データブロックを解読

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研究の背景とWAMの概要
放送型自動位置情報伝送・監視機能（ADS-B：Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）
SSRモードSと同一の信号形式・拡張スキッタ信号を使用．
ADS-Bにおいては，トランスポンダに追加装備を必要とする．
GPSGPSGPS

拡張スキッタADS-B受信機

ターゲットの情報
位置情報、フライトID
モードSアドレス等

WAMは，ADS-B受信機として利用できる！

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研究の背景とWAMの概要
WAM監視技術の確立を目的として，試作・評価を行う．
これまでの実施内容
 WAM実験装置を試作
 羽田空港周辺に受信局を設置．
 基本（4局），拡張（8局）の性能評価を実施．
評価の結果，遠方での性能低下が確認された．
► 送受信局を構成に追加
積極的に質問を行い，測位や高度情報を取得する．

質問機能を活用した測位方式で，本発表で報告遠方における性能改善を図る．
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発表内容
 研究の背景とWAMの概要
 WAMの性能改善方法
 WAM実験装置の概要
 評価
 まとめ

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WAMの性能改善方法
WAM測位誤差（TDOA測位） P   d  DOP
 P ：WAM測位誤差
 d ：距離差（TDOA）の測定誤差
・時刻検出のサンプリング周波数（分解能）を上げる．
・受信局同士の時刻を正確に同期させる．

DOP：精度劣化指数（Dilution Of Precision）
航空機と受信局の幾何学的位置関係の指標値
水平方向の監視 ⇒ HDOP （水平方向のDOP）
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WAMの性能改善方法
航空機を広く囲むように受信局を広範囲に設置する．
⇒海上には，受信局は設置することは困難である．
受信局
HDOP分布
（高度10,000feet）※数値：HDOP値
Range Mark
（10NM毎）Page ・ 12© ENRI, 2014

WAMの性能改善方法
Ranging測位のイメージ図（TDOAによる双曲線＋送受信局による測定距離の真円）
送受信局 A
受信局 B～E
TDOA B-A 双曲線
TDOA C-A 双曲線
送受信局

TDOA D-A 双曲線
TDOA E-A 双曲線

質問応答

測定距離による真円
目標の測位位置
Range Mark
（10NM毎）Page ・ 13© ENRI, 2014

WAMの性能改善方法
送受信局を中心とした測定距離
質問信号の送信時刻： tint
質問信号の検出時刻： t r
応答信号の送信時刻： t s
応答信号の検出時刻： t0

測定距離の真円 各双曲線
tr

航空機の推定位置： ( xl , yl , zl )送受信局Aの位置 ： ( x0 , y0 , z 0 )

ts
R0

質問信号
受信局C

tint
t0

受信局B

応答信号

送受信局A受信局D受信局E

×( xl , yl )Page ・ 14© ENRI, 2014WAMの性能改善方法
測定距離の計算式

c{t 0  tint  (t s  t r )}R0   int  f 0 ( xl , yl , zl )   int 2
ここで， f i ( x, y , z )  ( xi  x ) 2  ( yi  y ) 2  ( z i  z ) 2
送受信局の距離の測定誤差：  int

トランスポンダ内の処理遅延時間： t s  t r  132.75  10 6※ ICAO規定で132.75（許容値：±0.25）μ秒と定義．
※ ICAO規定：ICAO Annex10 VolumeⅣ
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WAMの性能改善方法
Ranging測位計算方法
TDOAによる距離差の計算式＋測定距離の計算式
ニュートン法線形モデル - 初期値 ( xl0 , y l0 , z l0 )最小自乗法による計算

近似値計算（k回目）( xlk , y lk , z lk )

出力判定

航空機（移動体）の測位位置 ( xl , yl , zl )Page ・ 16© ENRI, 2014

発表内容
 研究の背景とWAMの概要
 WAMの性能改善方法
 WAM実験装置の概要 評価
 まとめPage ・ 17© ENRI, 2014

ＷＡＭ実験装置の概要
装置の構成
送受信局１ENRI（電子航法研究所）

受信局２受信局３受信局４受信局５受信局６Ｗ

ターゲット処理装置

表示装置（外部装置）

ＡＮ

受信局７受信局８Page ・ 18© ENRI, 2014

ＷＡＭ実験装置の概要
各装置の外観受信局 ２～８（左）送・受信アンテナ（右）GPSアンテナ

送受信局１
ターゲット処理装置
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ＷＡＭ実験装置の概要
各装置の機能概要
 受信局
信号検出時刻を測定 ⇒ 2ナノ秒サンプリング分解能
データブロック部の解読
一般的には
 送受信局
10ナノ秒サンプリング
SSR質問信号を送信
質問信号と応答信号の関連付け
 ターゲット処理装置
TDOA測位・Ranging測位
GPS同期方式と比べて，送受信局への質問制御
2～4倍の同期精度
追尾処理
GPSコモンビュー時刻同期制御
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ＷＡＭ実験装置の概要
送受信局・受信局の配置

羽田空港① 羽田（送受信局）
② 調布
③ 箱根
④ 成田
⑤ 鹿野山
⑥ 府中（NEC）⑦ 田町（NEC）⑧ 玉川（NEC）
HDOP分布（高度10,000feet）※想定される測位誤差値

Range Mark
（10NM毎）Page ・ 21© ENRI, 2014

ＷＡＭ実験装置の概要
実際の配置におけるRanging測位のイメージ図
送受信局・受信局
TDOA 2-1 双曲線
TDOA 3-1 双曲線
TDOA 4-1 双曲線
TDOA 5-1 双曲線
TDOA 6-1 双曲線
TDOA 7-1 双曲線
TDOA 8-1 双曲線
測定距離による真円目標の測位位置（約45NM地点）
Range Mark
（10NM毎）Page ・ 22© ENRI, 2014

発表内容
 研究の背景とWAMの概要
 WAMの性能改善方法
 WAM実験装置の概要
 評価
 まとめ

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評価
 評価項目(1) 水平方向の測位誤差（真位置にADS-B位置を利用）(2) 検出率 評価方法・質問信号の送信周期を1秒に設定．
・羽田空港からの距離区分毎に，TDOA測位およびRanging測位の比較を実施．

 性能要件
欧州が策定したWAM性能要件を基準

 評価対象航空機
エアライン機（ADS-B搭載機）

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評価
羽田空港への到着機の航跡
ADS-B航跡
WAM航跡（TDOA測位）
WAM航跡（Ranging測位）
Range Mark
（10NM毎）
拡大図
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送受信局・受信局
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評価
羽田空港への到着機の航跡－55NM付近拡大図
ADS-B航跡

Ranging
距離方向

WAM航跡（TDOA測位）
WAM航跡（Ranging測位）

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評価
各測位方式における測位誤差（RMS）
距離2～10NM
10～20NM
20～30NM
30～40NM
40～50NM
50～60NM
60～70NMTDOA測位 Ranging測位
性能要件
36.6 m28.7 m58.1 m58.8 m 空港用(2～60NM)
127.7 m112.7 m 150m(RMS)以下
183.1 m113.8 m152.6 m119.8 m 航空路用
(60～70NM)
248.6 m109.8 m 350m(RMS)以下
366.2 m135.0 mRanging測位は，遠方30～70NMの誤差は大きく減少
全ての距離区分において性能要件を満足した．
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評価
各測位方式における検出率（5秒間隔）
距離2～10NM
10～20NM
20～30NM
30～40NM
40～50NM
50～60NM
60～70NMTDOA測位 Ranging測位
100 %75.0 %
100 %
73.5 %
100 %61.5 %
100 %65.3 %100 %83.3 %
100 %58.6 %
100 %42.4 %

性能要件

97%以上

Ranging測位単体は，全ての距離区分において性能要件を満足しなかった．
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評価
質問成功率 （＝質問信号に対する応答信号の取得率）
距離2～10NM
10～20NM
20～30NM
30～40NM
40～50NM
50～60NM
60～70NM

質問成功率
63.2 %
59.1 %
44.8 %
45.8 %
38.8 %
36.8 %
23.7 %

送受信局から遠方になるほど，質問成功率は減少.
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評価
SSR応答信号同士の重畳DME信号とSSR応答信号の重畳全方向から信号が受信されるため，信号重畳が発生．
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まとめ
✎本評価の結果
・Ranging測位は，遠方において測位誤差が減少し，性能改善できることを確認した．
・Ranging測位では，検出率が十分ではなかった．
 今後の計画
送受信局にセクタ型空中線を使用し，質問成功率ならびに検出率の改善を図る．
他方向からの信号送受信ビーム幅

セクタ型空中線Page ・ 31
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実験装置の設置・調整ならびに評価試験を実施するにあたり，多大なご協力いただきました関係各位に深く感謝の意を表します。
ご清聴ありがとうございました評価（補足資料）
トランスポンダ内の処理遅延時間（ts - tr）について
ICAO Annex10 VolumeⅣ Fource Edition July 2007
Surveillance Radar and Collision Avoidance Systems
3.1.2.10.3.8 Reply delay and jitter
3.1.2.10.3.8.2 Reply delay and jitter for Mode S. For all input signal levels
between MTL and –21 dBm, the leading edge of the first preamble pulse of
the reply (3.1.2.2.5.1.1) shall occur 128 plus or minus 0.25 microsecond after
the sync phase reversal (3.1.2.1.5.2.2) of the received P6. The jitter of thereply delay shall not exceed 0.08 microsecond, peak (99.9 percentile).

ts－tr＝128+2.75+2.0＝132.75 μ秒※処理遅延の許容値±0.25 μ秒は含まず．

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評価（補足資料）
トランスポンダ内の処理遅延時間に移動する距離 Rv について
mach＝U（流体の相対速度）／a（音速）
気温15℃、1気圧（1,013hPa）の音速約340m/s
巡航速度が速い機体
・B777
0.84mach ＝ 285.6m/s
・MD90
0.75mach ＝ 255m/s
・B787
0.85mach ＝ 289m/s
・A330-300 0.86mach ＝ 292.4m/s

巡航速度を300m/sと仮定し，移動距離を計算すると，

Rv  300  132 .75  10 -6  0.039825 ( m )トランスポンダの処理遅延時間内に移動する距離は，微小でありRanging測位計算では無視できる値とする．
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