情報通信システム論 I --- 無線航法 ---

1. 情報通信システム論I---無線航法--- 奈良先端科学技術大学院大学 情報科学研究科 岡田 実

2. 測位システム • 測位のために使用できる情報 • 到来方向 • 方向探知 • RADAR • 伝搬時間 • RADAR • ロラン • GPS • ドップラー効果 • 速度レーダ • VOR • 電界強度 • PHS

3. RADAR---Radio Detection And Ranging--- 対象物に向けて電波を発射し、反射波を測定することで、対象物までの距離や方向を測定する • パルスレーダ • FMレーダ • ドップラーレーダ • 一次レーダ • ターゲットからの反射波を受信 • 二次レーダ • ターゲットが能動的にする。

4. パルスレーダ パルス 送信機 指向性アンテナ パルス 受信機 target 送信機からターゲットまでの距離測定 非常に鋭い指向性アンテナにより ターゲットの方向測定 受信パルス パルス送信

5. ドップラーレーダ (m/s) 速度 (Hz) CW 送信機 指向性アンテナ 周波数 測定 target (Hz) (Hz) (Hz) ターゲットの速度を推定できる

6. FMレーダ FM 送信機 指向性アンテナ 周波数差 測定 target 周波数 ターゲットの位置を 推定できる 周波数差

7. DME --- Distance Measuring Equipment --- • 二次レーダの一種 機上インタロゲータ カウンタ 時間回路 送信機 受信機 質問波 応答波 受信機 送信機 自動起動 地上トランスポンダ

8. レーダー方程式 • 送信機からの信号電力がどの程度反射して受信機に戻ってくるか？ 送信電力 送信アンテナ利得 受信電力 受信アンテナ開口面積 散乱断面積 距離の4乗に反比例 ターゲットまでの距離

9. 伝搬損失 送信電力(W) 距離(m) 受信アンテナ 開口面積(m2) 受信電力(W) 送信アンテナ無指向性

10. 送信アンテナ利得とは 単位面積を通過する電力 右半分だけに 電波を放射 無指向性 送信利得 (=3dB) 指向性を鋭くする⇒送信利得が上がる

11. アンテナの指向性 開口アンテナを考える アンテナの開口面積 b a ホイヘンスの原理： 波面のそれぞれに置いた 点波源から球面波が放射 されると考える． a 各波源から放射された波の 位相ずれ

12. アンテナの指向性2 の範囲に電力の 大半が含まれる

13. アンテナの指向性と利得 開口面積 距離 R[m]先の面積 の面に電波を投影．

14. レーダー方程式 代入する 送受アンテナが同じなら

15. 雑音温度 B C freq 熱雑音⇒白色ガウス雑音 T: 絶対温度（K) k：ボルツマン定数 (1.38e-23 J/K) (真値)

16. 雑音指数 F,G 入力SNR 出力SNR 増幅器 F,G 出力SNR 増幅器 +

17. 最大探知距離 SNR 最小受信電力 Minimum Detectable Signal: MDS 帯域Bを狭くすれば探知距離を延すことができる。 しかし分解能が低下する。

18. レーダーの分解能 • 距離分解能 • パルス幅 • 角度分解能 • アンテナの半値角に依存 の距離差は分離できない。 信号帯域Bで決まる。 アンテナ長さaで決まる。

19. 警報誤り確率、未検出確率 *False Alarm, 第一種誤りとも呼ばれる **第二種誤りとも呼ばれる

20. 誤り確率 pdf: probability density function 確率密度関数 受信信号 ＋ 雑音 振幅 検出 x 閾値 判定 ターゲットが無いときの振幅のpdf ターゲットが有るときの振幅のpdf 閾値 pdf x 警報誤り確率 未検出確率 閾値を上げると→ 警報誤り確率小、未検出確率大 閾値を下げると→警報誤り確率大、未検出確率小

21. 合成開口レーダーSynthetic Aperture Radar 小開口アンテナを移動させ 信号を合成することで等価 的に大開口アンテナを形成 し、角度分解能を向上 合成

22. 方向探知 • アンテナの指向性を利用 • NDB: Non-Directional Radio Beacon • 160—415kHz • ADF: Automatic Direction FInder 放送局A 放送局B

23. 方向探知 • 中波から短波帯 • ループアンテナ • V/UHF • アドコックアンテナ null null ループアンテナ 2素子アンテナを逆相合成

24. VOR VHF Omni-Directional Radio Range • 送信アンテナを（電子的に）回転 • ドップラー効果により方位計測 周波数低く受信 周波数高く受信 受信機

25. 双曲線航法 R A,Bから同時にパルス送信 db da Rでパルス到来時間差測定 B A da-db=cΔT →双曲線

26. 双曲線航法 C A-B A-C 二組の送信局により 位置決定 R A B

27. PHSによる測位 CS CS R1 R2 CS R3

28. GPS --- Global Positioning System --- • 24個の周回衛星 • ６軌道 • ４衛星／軌道 • 高度20200km • 周期約12時間

29. GPS 衛星 • 第1世代：Block I • 1978/2/22打ち上げ • 1995/11/18サービス終了 • 設計寿命4.5年 • 第2世代：Block II/IIA • 1989-1997打ち上げ期間 • 設計寿命7.5年 • 第3世代：Block IIR • 2001/7　打ち上げ開始 • 設計寿命10年 Block IIR

30. GPSの周波数 • L-Band (GPS 信号） • L1: 1572.42 MHz • L2: 1227.6 MHz • S-Band (制御用） • 2227.5 MHz (S-Band)

31. GPSの信号構成 • C/A code • Coarse acquisition code • 1023ビットブロックを1ms毎に送信 1.023Mbps • 1Mbps=>1us … 300m精度 • L1のみに変調 • P code • Precision code • 10.23Mbps • L1/L2両方に変調 C/A t P t t λ

32. GPSの原理 衛星位置既知 受信機時計誤差あり R2 R3 R1 相関演算 →時間差測定 Tx Rx

33. GPSの原理 衛星位置既知 受信機時計誤差あり 3D位置計測 →4衛星同時に受信 cΔT

34. GPSの誤差 • 衛星起因誤差 • 軌道誤差 • 衛星クロック誤差 • 受信機起因誤差 • 受信機クロック誤差 • マルチパスによる誤差 • 受信機雑音 • アンテナ位相中心誤差 • 電離層遅延 • 対流圏遅延

35. GPSの精度改善法 • RTK-GPS (Real Time Kinematic GPS) • キャリア位相を利用 2-5cm精度 • DGPS (real time Differential GPS) • 符号利用 1m--5m精度 R4 R2 R1 R3 base remote

36. むすび • RADAR • パルス/CW/ FM • 一次レーダ/ 二次レーダ • 合成開口レーダ • 方向探知 • 双曲線航法 • GPS