2016 Fiscal Year Research-status Report
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15K06122
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
石川 博康 日本大学, 工学部, 教授 (20536495)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 無人航空機 / ドップラーシフト / ユーザ位置検出 / 位置検出精度 / 飛行位置誤差 / 最小２乗法 / 評価対象エリア / 視線速度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
無人航空機システム（UAS: Unmanned Aircraft System）では、時速40～100km/hで高度150～1,000mの上空を無人航空機（UAV: Unmanned Aerial Vehicle）が周回することを想定していることから、UAV－送受信機間の視線速度の変化によって、送受信信号の搬送波周波数にドップラーシフトが生じる。このドップラーシフトを複数のUAVに対して観測することにより、通信用端末を保有するユーザの位置を検出することが可能となる。
今年度はUAVの機数をN機に拡張し、位置推定のための最小2乗法の計算アルゴリズムを明らかにするとともに、最大N＝3機までのシミュレーション評価を周回飛行モデルで行った。また、N＝1～3機の範囲でUAVの飛行位置誤差やUAVの初期配置、ユーザとの位置関係が位置検出精度に与える影響を計算機シミュレーションにより評価した。その結果、UAVの機数や配置モデル、UAV－ユーザ端末間の位置関係により位置検出精度が変化することを明らかとした。さらに、その原因を解析するためにドップラーシフト分布を新たに導出し、位置検出精度が劣化するUAVの配置やユーザとの位置関係を定性的に明らかにした。
さらに、山岳地域等での遭難者探索を目的として平行飛行する2機のUAVを用いた位置検出システムについて、平成28年度に明らかにした最適飛行間隔に加え、最適な位置関係の検討を行い、飛行方向と2機のUAVを結ぶ直線のなす角が約45°となるときに位置検出精度が最良となることを明らかにした。その他、市販のソフトウェア無線機（blade-RF）を用いてMATLIB/Simulinkにより高周波信号の基本出力性能を評価するとともに、新たに調達したGPS-Studioを用いてUAVの配置とユーザの位置関係に関するモデル化の基礎検討などを行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成28年度の実施計画では、UAVの機数をN機（N≧1）に拡張し、ア）UAVの航行位置の制御誤差、イ）ドップラーシフト量の観測誤差、の２項目の影響を詳細に評価することを目的としてソフトウェアプログラムの改修を図り、UAVとユーザの位置関係やUAVの飛行速度、飛行高度などの条件を変えながら位置検出精度の特性評価を行うことを想定していたが、当初予定通りに検討を進めることができた。具体的には、N機まで拡張したシミュレーションプログラムを作成し、N＝1～3機の範囲でUAVの飛行位置や飛行初期位置、飛行方向等を変化させながら特性評価を行い、位置検出精度が良好となるパラメータに目処をつけることができた。
さらに、UAVの最適配置検討を目的として、UAVを中心としたドップラーシフト分布を新たに導出し、シミュレーションだけでなく、定性的に位置検出精度が良好となる位置検出の対象エリアやUAVの初期位置及び初期飛行方向を明らかにすることができた。
なお、当初計画ではドップラーシフトの検出精度を向上する送受信技術を検討するため、ソフトウェア無線機を用いてトーン信号の発生機能をプログラムとして実装し、電波暗室においてトーン信号の発振周波数をスペクトルアナライザにより確認することを予定していた。本件については、前述のUAV最適配置検討を優先したため、市販のソフトウェア無線機を2台入手し、昨年度に調達したMATLAB/Simulinkによる基本動作確認を行うにとどまっている。本件については、平成29年度に併せて実施する予定である。また、提案手法の実伝搬環境での実用性検討を目的として、レイトレーシング法に基づく電波伝搬シミュレータであるRapLabをベースとしたGPS-Studioのソフトウェアライセンスを調達し、基本動作の確認・評価を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究成果を学会で発表した際、同時に飛行させるUAVの機数については現実的には最大でも2機、できれば1機で高精度の位置検出が行えることが望ましいとの指摘を受けたことから、実用性を考慮してUAVを1～2機とした最適飛行経路の検討を行う。ここで、従来は周回飛行と平行飛行の2種類のみとしていたが、新たに八の字飛行を検討の対象に追加する。そのため、これまでに作成したシミュレーションプログラムの拡張を図る。また、位置検出精度とUAVの飛行位置の関係検討において、ドップラーシフトにより描かれる双曲面（2次元座標上では双曲線）が交差する際のなす角が90°に近いほど特性が良好となることから、UAV－ユーザ間のドップラーシフトの勾配ベクトルの内積を指標としたUAV配置検討を新たに実施する。
また、当初計画通り、ソフトウエア無線機を用いてUAV－ユーザ間に発生するドップラーシフトを仮想的に発生させるプログラムを作成し、電波暗室において無線中継器の高周波部の影響を含めた検出精度特性を評価し、提案手法の実用性について検証する。
さらに、地表面や周囲の建物等からの反射波や回折波の影響を調査するため、マルチパス波や雑音の影響を含む伝搬路モデルをコンピュータ上で仮想的に生成できるGPS-Studioを用いてUAV－ユーザ間の回線設計を行い、位置検出が可能となる評価対象エリアの範囲を明らかにする。
以上の研究を実施するため、送受信用のソフトウェア無線装置、制御用ソフトウェア（MATLAB/Simulinkスタンドアローンライセンス）、制御用ノートPC、ポータブルスペクトルアナライザ、周波数カウンタを新たに調達する。また、研究成果をJC-SAT2017、電子情報通信学会衛星通信研究会、全国大会等で発表するとともに、研究成果を論文やレターに取りまとめて投稿する。
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| Causes of Carryover |
小額の残金であり、旅費等に使用することができなかったため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
学会旅費の一部等として使用する。
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