Development of a global and real-time monitoring method for electron density profiles of the lower ionosphere by using the VLF/LF wave propagation

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K06295
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 安藤 芳晃 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (30323877)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 大地ー電離圏導波管伝搬 / 有限差分時間領域法

Outline of Annual Research Achievements

平成２９年度は、高精度なＶＬＦ／ＬＦ帯電磁波の大地ー電離圏導波管伝搬の数値解析手法の検討を行った。通常の直交座標系である球座標系で高次差分の導入を検討したが、計算領域境界で不要反射を抑える吸収境界条件として効果的なものがなかったため、複素座標変換に基づくPerfectly Matched Layer（ＰＭＬ）を開発し、その性能を評価した。各座標に直交するＰＭＬで吸収性能は異なるが、本解析で重要となるθ、φ方向において十分な吸収性能（－７０ｄＢ以下）を確認した。また、これまでの球座標系ＰＭＬは不安定であったが、本研究で開発したＰＭＬは安定性が確認された。現在は、電離圏中の吸収性能について検討している。このＰＭＬを用いて大地ー電離圏導波管伝搬のシミュレータを開発している。
また、非構造メッシュの検討を行った。D. Jiaoらによって導入された非構造メッシュFinite Difference Time Domain（ＦＤＴＤ）法のコードを実装した。これまで同手法は等方性媒質しか実装されていないが、本検討においては電離圏が磁化プラズマであり、異方性媒質を検討する必要があるため、異方性媒質を実装することを現在行っている。また、メッシュの自動生成法について検討を行っている。一般的に用いられているのがデローニー法であるが、電離圏といった「連続的不均質媒質」に適用させる手法を検討している。
また、今後において最適化手法を用いた電子密度分布同定を行う際の高速化のチューニングも行った。特に電離圏中ではメモリが多くなるため、ＧＰＧＰＵにおける効率的な実装を検討している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

計画書の内容を慎重に進めている。
研究を薦めるにあたり、本解析に必要な吸収境界条件が存在しなかったため、効率的に吸収できるＰＭＬを開発することができた。現在、論文を投稿する準備を進めている。

Strategy for Future Research Activity

定量的な検証はしていないが、非構造メッシュについては計算量が多いという印象であり、高精度シミュレーションとしては良いものの、最適化を用いた電子密度分布同定には適さないことが判明しつつある。そうであれば、直交座標系である球座標系での解析に集中して高速化を行うことを検討する。

Causes of Carryover

計算法の検討を進めており、それに適切なＧＰＧＰＵの購入を予定していたが、現在の検討結果次第では大きく異なったＧＰＧＰＵを購入する必要があり、慎重に検討しているため未使用額が生じたものである。検討内容がまとまり次第、購入を進められるので大きな問題ではないと言える。