2014 Fiscal Year Research-status Report
航空監視システムにおける電波伝搬解析のための超高速広域計算アルゴリズムの開発
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25820117
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| Research Institution | Electronic Navigation Research Institute |
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Principal Investigator |
本田 純一 独立行政法人電子航法研究所, その他部局等, 研究員 (10643348)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 航空機監視 / 電波伝搬 / 散乱波 / レイトレーシング法 / レーダ / マルチラテレーション / 高速計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、高速かつ広域で数値解析ができる電磁界解析アルゴリズムを開発し、それを航空分野に応用することにある。本研究では、電磁界解析手法の中でも広域の数値計算を得意とするレイトレーシング法（RTM）を採用している。二年目は、初年度に設計したプログラムの検証作業に重点を置いて研究を進めた。
本研究では、2種類あるRTMの内、計算時間を必要とするが精度の良いイメージング法を採用している。この手法により、一次レーダへの応用を見据えて航空機からの散乱電力を広域で推定するアルゴリズムを開発した。また、空港内を走行する航空機の監視システムであるマルチラテレーション(MLAT)等で生じるマルチパス問題へ応用した。初年度までに、前者については三次元、後者については二次元の数値計算モデルを作成した。前者については実験結果とも概ね良く一致することから査読論文に投稿し初年度末に採録となっている。
提案手法の特徴は、使用する周波数に対して精度を保証したモデルの面近似と送受信点間の電波の航跡、つまりレイ探索時間の簡単化にある。これにより通常の方法と比べて計算時間の短縮を図っている。通常、送受信間の経路上における反射点と回折点の算出に計算時間を要するが、提案手法ではレイ探索を最初に近似的に求めることによって計算時間を短縮する。この方法を利用すれば電磁界の解析だけでなく、空港内で直接波が届かないエリア等も算出することができるため、MLATの精度検証にも利用することが可能である。簡単な二次元モデルではあるが、本研究成果を応用して仙台空港内に展開したMLATの性能評価を実施した。
ただし、初年度に開発したプログラムには同様の計算など余計な処理が複数あったことから、これらを簡略化した。また回折界の精度検証を行った。概ね検証作業は終了し、年度末から基本システムを拡張することで三次元解析の開発に取り組んでいる。
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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
初年度に基本となるアルゴリズムを開発し、二年目は開発したアルゴリズムの精度検証を行いながら改良を進めた。初年度に問題となっていたプログラムのエラーについては概ね解消されており、これまでの二次元問題については商用ソフトと比較することで計算時間の短縮率を大まかに調査した。完全に一致したモデルではなかったが最大で半分程度まで計算時間の短縮ができていることを確認した。また、課題となっていた三次元問題への拡張についても年度末より着手することができ、現在レイ探索までの部分が概ね完成しているところである。
初年度までに開発した部分については航空分野における様々な電磁界解析に応用した。まずは50km四方に及ぶ航空機散乱電力を数値解析し、航空路上を飛行する航空機モデルからの散乱電力の統計をとることによって、受信機感度と航空機検出率の検証を行った。このような観点からの議論はこれまでになく、本研究の特色を活かしたものであると考えている。次に、実際の空港モデルの一部を作成し、空港面の電波伝搬環境を数値解析した。空港内の一部地域で発生する航空機の検出率低下の原因が、周囲の構造物からのマルチパスによるものであることが受信電力や遅延スプレッドから明らかとなった。また、提案手法に基づいて作成したレイ探索の基本原理から、到来時間差を用いるマルチラテレーション(MLAT)で利用される測位精度劣化指数について検証した。直接波を利用して測位するMLATでは回折波等は誤差の原因となる。この事象について、当研究所が仙台空港に展開している実験システムの結果と比較することで、誤差原因が建物遮蔽等による原因であることが分かった。数値計算によりおおよその予測がつくことから今後の受信機配置等への応用が期待できると考えている。このように、概ね当初の予定通り研究は進んでいる。ただし、計算時間の定量的な検証については今後の課題である。
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは三次元解析用の数値計算アルゴリズムの開発を進める。これまでに三次元空間における電波のレイ探索アルゴリズムまでは概ね完成している。しかし、どのような状況でも数値解析ができるように、多少の改良が必要である。レイトレーシング法で最も計算時間を必要とするのはレイ探索であり、その計算時間は電磁界計算を含めた総計の約90%にも及ぶ。そのような意味では、開発中の段階ではあるが、どの程度の計算時間短縮を図ることができるのかは、他の手法と比較することで検証を進めることができる。
電磁界解析が可能となった段階で、これまで行っていた数値解析をもう一度実施する。つまり、航空機の散乱電力推定と空港面のマルチパス問題である。これらについては実験結果も得られていることから精度の検証も実施する。また、航空分野における他の応用も試みる予定である。例えば、計器着陸支援システムや新方式の通信システムに対して周囲構造物の及ぼす影響等を数値解析する予定である。
上記については定期的に発表を行い、まとまった段階で論文誌に投稿することを検討している。
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| Causes of Carryover |
購入物品は納品業者の取扱が予定より安くなった。また旅費については同時期に2つの学会への参加となり、旅費の半分しか負担しなくて済んだため、節約となった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度は計算機の補用品を購入するほか、実験用の備品を購入し、計算結果と実験値の比較を行う。そのため、予定金額を全て使用する予定である。旅費については今年度に2回以上の国際学会参加が決まっているため、概ね前年度分も合わせて執行できると考えている。
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Research Products
(5 results)
