2020 Fiscal Year Research-status Report
Study on user position detection method using unmanned aerial vehicles under practical communication environment
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19K04380
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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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2019-04-01 – 2022-03-31
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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 / マルチパス / 周波数オフセット / 都市環境エリア3Dモデル / 山岳エリア3Dモデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和2年度においては、UAVを用いたユーザ位置検出手法の実用性・有効性を明らかにするため、実環境下を想定したシミュレーション評価を継続して実施した。具体的には、UAV－ユーザ端末間の電波伝搬モデルをレイトレーシング法に基づく電波伝搬解析用ソフトウェアツールであるRapLab上で①都市環境エリア3Dモデル、②山岳エリア3Dモデルに分類して作成し、地上高1mの固定端末からトーン信号（周波数＝5.0GHz、送信電力＝1W）を送信し、上空200mを100km/hで周回飛行、並びに、八の字飛行する1機のUAV(Rx)が受信する場合を想定してシミュレーション評価を行った。なお、シミュレーションではビル等の建物や複数の山の斜面によって発生するマルチパス波を正確に模擬し、受信信号の強度分布とドップラーシフト分布を様々な条件下で取得・解析した。
その結果、Tx-UAV間が見通し内環境ではドップラーシフトの観測値に含まれるマルチパス波による広がり分布の影響は小さく、比較的高精度の位置検出が可能となる一方、見通し外環境ではドップラーシフトの分布が真の値から大きくずれてしまい、位置検出精度が劣化することが確認された。その影響は都市環境よりも山岳地帯の方が大きく、ユーザ位置とUAVの飛行位置の関係によっては反射波によって正負が完全に逆転するドップラーシフト量が観測されるケースも発生した。なお、時間をかけて複数回位置検出を行うことにより、測位精度が改善されることも確認している。
その他、測位精度指標に基づく最大位置検出誤差推定方式を提案し、1機の曲線飛行を行うUAVモデルを対象とした特性評価結果を英文論文に取りまとめた学術論文が学会誌で掲載された。さらに、3機のUAVを用いた3次元位置検出手法、並びに、送受信機に含まれる周波数オフセットの補償手法を新たに提案し、複数の研究会や大会等で発表した。
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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
本研究では、3年間の研究期間内において、以下の項目の研究開発を行うことを予定している。
①UAV－ユーザ端末間の電波伝搬モデルの構築： UAV－ユーザ端末間の電波伝搬モデルをシミュレーションプラットフォーム上に構築する。②航空機のフライトシミュレーションツールを用い、飛行位置制御誤差を物理的に導出する。③評価対象エリア内の任意の位置にユーザを配置した場合について、任意の時刻における位置検出精度を導出するシミュレーションソフトウェアを開発する。④低CN環境下やマルチパス環境下において、ドップラーシフト量を精度良く抽出するため、CW発振器とディジタル信号処理用受信機及びスペクトルアナライザなどの各種測定器を用いた特性評価を室内実験により行う。⑤各種劣化要因の対策・軽減技術や位置検出精度改善手法、UAV配置法、測位演算アルゴリズムを提案し、簡易かつ省電力なユーザ位置検出システムの実用化モデルを確立し、必要となるス
ペックや要求条件を明らかにする。
これまでに、①の研究開発ツールを調達して都市環境エリアと山岳エリアを模擬した3Dモデルの作成を完了し、1機のUAVの円旋回モデル及び8の字飛行モデルを対象としたマルチパス環境におけるドップラーシフト分布の詳細評価を実施するとともに、③の汎用評価用シミュレーションソフトウェアと組み合わせて最小2乗法に基づく位置検出精度の特性評価を実施した。②については③のMATLAB上に構築したシミュレーションプログラムへの適用可能性について検討したが実装が困難であることから、机上検討ベースで進めることを想定している。④については既存ツールや測定器等の適用について複数の候補を検討している。⑤については③のシミュレーションプログラムの機能拡張を行い、3次元測位手法と周波数オフセット補償手法を提案してシミュレーション評価を開始している。
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| Strategy for Future Research Activity |
UAV－ユーザ端末間の電波伝搬モデルについては、令和2年度に都市環境エリア3Dモデルと山岳エリア3Dモデルを構築し、UAV－ユーザ端末間に存在する建物や障害物、周辺の山の斜面等で生じる反射や回折、遮蔽により生じる受信信号強度の減衰量やドップラーシフトのオフセット量をレイトレーシング法に基づき詳細に評価・解析できるシミュレーションプログラムを整備した。今後は反射回数や回折回数、反射物の素材等を考慮した評価が行えるように同プログラムの拡張を図る。UAVの飛行位置制御誤差に関する検討については、MATLABのフライトシミュレーション用のライブラリの適用が既に開発を完了している独自開発プログラムへの適用が困難であることから、飛行制御誤差の影響を別途机上検討に基づき解析し、これまでに開発を完了したシミュレーションプログラムへの数値的な反映を検討する。
また、モンテカルロシミュレーションプログラムの開発については、三次元（高度情報も含む）の位置検出対応なモデルへの拡張、並びに、実用面の観点からUAVと地上端末の周波数クロック差に基づくドップラーシフト観測値に含まれる周波数オフセット量を最小二乗法に基づき推定する手法の実装を進め、基本検討を開始している。
実験系については、ディジタル信号処理用ボード上にPLL回路をベースとするドップラーシフト量検出手法を実装検討を進める。
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| Causes of Carryover |
コロナウィルス感染症の影響により、全ての学会がオンライン開催となったため旅費が全く発生せず、次年度使用額として生じることとなった。令和3年度の使用計画としては、地方開催を予定している研究会への積極投稿により、今年度使用できなかった旅費に充てるとともに、ディジタル信号処理用ボードの追加調達を予定している。
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