情報通信システム論I ---無線航法---

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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 伝搬時間 ドップラー効果 電界強度 方向探知 RADAR ロラン GPS 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) (Hz) (Hz) (Hz) ターゲットの速度を推定できる 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 距離の4乗に反比例 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 + V4

17 最大探知距離 SNR 最小受信電力 Minimum Detectable Signal: MDS
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 角度分解能 パルス幅 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 レーダー出力 有リと判定 無しと判定 ターゲット 有無 有り 正解(検出) 未検出**
False Negative 無し 警報誤り* False Positive 正解 *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
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 第2世代：Block II/IIA 第3世代：Block IIR 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 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） S-Band (制御用） L1: 1572.42 MHz L2: 1227.6 MHz
MHz (S-Band)

31 GPSの信号構成 C/A code P 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 受信機起因誤差 軌道誤差 衛星クロック誤差 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 R4 R2 R1 R3 base remote 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