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海 面 反 射 性 能 低 下

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海面反射による VOR の性能低下改良法 の研究

S t u d y  on Performance Improvement o f  VOR  D e g e n e r a t e d  by Sea S u r f a c e  R e f l e c t i o n  

山 本 憲 夫

Kazuo YA

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概 要

本論文は， V 0 R (VHF Omnidirectional Range)局 が 海 岸 近 く に 設 置 さ れ た と き ， 海 上 の 航 空 機 で 観 測 さ れ る 受 信 信 号 の レ ベ ル 変 動 を 低 減 す る 方 法 と ， レ ベ ル 変 動 に と も な う 方 位 情 報 変 動 の 発 生 機 構 を 明 ら か に し ， そ の 変 動 の 低 減 法 を 求 め る こ と を 主 な 目 的 と す る .

受 信 レ ベ ル 変 動 低 減 の た め ， 海 面 へ の 放 射 成 分 が 少 な い 環 状 平 板 型 ア ン テ ナ を 考 案 し ， そ の ア ン テ ナ の 放 射 特 性 に つ い て ， U T D (Uniform  GTD)を 用 い て 解 析 し た . 縮 尺 模 型 実 験 お よ び 実 寸 に よ る 飛 行 実 験 に よ っ て こ の ア ン テ ナ の 性 能 に つ い て 評 価 し た 結 果 ， 海 面 反 射 波 の 影 響 軽 減 効 果 が 明 ら か と な っ た .

ま た ， 周 辺 地 形 の 遮 蔽 効 果 を 利 用 し た 受 信 レ ベ ル 変 動 の 低 減 法 を 検 討 し た . こ の た め ， 地 形 の 影 響 を 含 め た

VOR

ア ン テ ナ の 垂 直 面 放 射 特 性 を2種 類 の 地 形 モ デ ル と U T Dを 用 い て 計 算 し ， 飛 行 実 験 結 果 と 比 較 検 討 し た . そ の 結 果 ， 地 形 の 利 用 に よ り 海 面 反 射 波 の 影 響 を 大 幅 に 低 減 で

き る 見 込 み が あ る こ と を 示 し た .

ド、ツプラ

‑VOR(DVOR)

ア ン テ ナ 系 の 影 響 で 引 き 起 こ さ れ る 固 有 の 方 位 誤 差 に つ い て ， そ の 発 生 機 構 と 精 度 よ い 予 測 計 算 法 を 研 究 し た . そ の 結 果 ， 誤 差 の 主 要 な 発 生 源 は SSB，D S B両 方 式 で 異 な る こ と を 明 ら か に す る と 共 に ， 両 方 式 の 固 有 誤 差 が 精 度 よ く 表 現 で き る よ う に な っ た . こ の 検 討 を も と に ， 海 面 反 射 の 影 響 に よ る 方 位 変 動 に つ い て 研 究 し た . こ の 方 位 変 動 は 固 有 誤 差 に 関 係 し て い る と 考 え ， 海 面 反 射 波 が 固 有 誤 差 に 与 え る 影 響 を 解 析 し た . そ れ を も と に ， い く つ か の 局 の 方 位 変 動 の 計 算 に 固 有 誤 差 の 予 測 計 算 法 を 適 用 し ， 飛 行 実 験 に よ る 測 定 結 果 と 比 較 検 討 し た . そ の 結 果 ， 方 位 変 動 は 主 に 海 面 反 射 に よ る 固 有 誤 差 の 変 動 か ら 引 き 起 こ さ れ ， そ の 大 き さ は 提 案 し た 計 算 法 で 精 度 よ く 予 測 で き る こ と が 明 ら か と な っ た . ま た こ れ は ， カ ウ ン タ ポ イ ズ 拡 大 な ど の 対 策 で 低 減 で

き る 見 込 み が あ る こ と も 示 し た

目 次

1 序 論 1 

1.1 は じ め に .• •

1.2 V 0 Rの 歴 史 と 従 来 の 研 究 状 況 .• • • • • • • • • • • • • • . • • •• 2  1.3 研 究 の 目 的 と 概 要 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 5 

2 V 0 Rの 概 要 7 

2.1 は じ め に .• • •

2.2  V 0 Rの 動 作 原 理 と 構 成 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 9 

2.2.1  C V 0 Rの 動 作 原 理 .• • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • •• 9  2.2.2  C V 0 R地 上 装 置 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • "  11  2.2.3  D V 0 Rの 動 作 原 理 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 14  2.2.4  D V 0 R地 上 装 置 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 16 

2.3  C V 0 Rア ン テ ナ の 垂 直 面 放 射 特 性 .• • • • • • • • • • • • • • • • 20  2.3.1 放 射 特 性 の 計 算 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • "  20  2.3.2 縮 尺 模 型 実 験 結 果 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 23  2. 4 受 信 装 置 .• • • • • . • • • • . • • . • • . • • • • • • . . . • . • • . • . 25  2.5 仕 様 と 運 用 基 準 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 27 

2.6 海 面 反 射 波 の 影 響 評 価 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• ²⁸ 

2.7 飛 行 実 験 装 置 と 精 度 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 30 

2.8  ま と め .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 33 

3 環 状 平 板 型

V O R

ア ン テ ナ 34 

3.1 は じ め に .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 34  3.2 環 状 平 板 型 ア ン テ ナ の 構 成 と 垂 直 面 放 射 特 性 .• • • • • • • • • • 35 

U 

3.2.1 環 状 平 板 型 ア ン テ ナ の 構 成

3.2.2 放 射 特 性 の 計 算 一 幾 何 光 学 成 分 と 回 折 成 分 3.2.3 放 射 特 性 の 計 算 ー 導 波 管 通 過 成 分 .• • 3.2. 4 総 合 放 射 特 性.• •

3.3 縮 尺 模 型 実 験 と 飛 行 実 験 結 果 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • 42  3.3.1  縮 尺 模 型 環 状 平 板 型 ア ン テ ナ の 放 射 特 性 .

3.3.2  海 面 反 射 波 の 影 響 予 測 43  3.3.3  実 寸 ア ン テ ナ に よ る 飛 行 実 験 結 果 .• •

3.4海面反射波干渉特性の簡易評価法..• • •  ..

3.5 環 状 平 板 型 ア ン テ ナ の 方 位 誤 差 特 性 ‑ ・ ・ ・ ・ ・ ・ .. .  .. .. .. .. .. .. ..

3.5.1  ア ン テ ナ 試 験 塔 に よ る 方 位 誤 差 の 測 定 . 3.5.2  飛 行 実 験 に よ る 方 位 誤 差 の 測 定 . 3.5.3 垂 直 偏 波 誤 差 . .  ..  .. .

3.6 ま と め • • • • • • • • • • • • _{• • • •}

4 U T Dに よ る 2重 回 折 波 の 一 様 表 現 法 4.1 は じ め に .

4.2  2重 回 折 問 題 の 従 来 の 解 析 法 .• 4.2.1  基 本 回 折 波 成 分 の 計 算 法 . 4.2.2  Slope回 折 波 の 計 算 法 .• 4.3 仮 想 波 源 法 .• •

4.3.1  基 本 成 分 ‑・・・・・・.. . . ... . . .. .. .. .. .. .. .. ・・・・・.. . ..  ...  ... .  ..

4.3.2  Slope回 折 成 分

4. 4 他 の 解 析 法 と の 比 較 検 討 • 4.5 数 値 計 算 結 果 と 実 測 結 果 .

4.5.1  数 値 計 算 結 果 .• 4.5.2 実視^IJ結 果 .• • 4.6  ま と め

III 

vh

u p h

u

口 ︒

q d q J q d  

5 地 形 を 利 用 し た 海 面 反 射 の 影 響 低 減 法 5.1 は じ め に .•

5.2 設 置 地 形 の モ デ ル 化 と そ の 放 射 特 性 .

223 

00

o o n

ku 

42  5.2.1  地 形 モ デ ル 1. . . ..  83  5.2.2 実 測 結 果 と の 比 較 検 討 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 87  5.2.3 地 形 モ デ ル 2 . . . ..  89  5.2. 4 宮 古 ， い わ き 局 の 垂 直 面 放 射 特 性 .• • • • • • • • • • • • "  92  5.3 飛 行 実 験 結 果 と 考 察 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • "  93  5.3.1  モ デ ル 1を 適 用 し た 局 の 海 面 反 射 波 干 渉 特 性 .• • • . • • 93  5.3.2  モ デ ル 2を 適 用 し た 局 の 海 面 反 射 波 干 渉 特 性 .• • • • •• 95  5.4地形モーデ ル の 適 用 範 囲 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 96  5.5 地 形 を 利 用 し た 海 面 反 射 の 影 響 低 減 法 .• • • • • • • • • • • • • • • 99  5.5.1  地 形 の モ デ ル 化 と 干 渉 特 性 .• • • • • • • • • • • • • • • • •• 99  5.5.2 地 形 に よ る 干 渉 低 減 効 果 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 100  5.5.3  実 験 結 果 と 検 討 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 102  5.6 ま と め .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • "  103  42 

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6 ド.ップラー

V O R

の 固 有 方 位 誤 差 の 解 析 105  6.1 は じ め に .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 105  6.2  D V 0 Rア ン テ ナ の 構 成 と 動 作 原 理 .• • • • • • • • • • • • • • •• 106  6.3 カ ウ ン タ ボ イ ズ の 影 響 に よ る 固 有 誤 差 .• • • • • • • • • • • • • • • 109  6.3.1  側 波 帯 ア ン テ ナ の 回 転 に よ る レ ベ ル 変 動 .• • • • • • • • • 109  6.3.2  カ ウ ン タ ポ イ ズ に よ る 方 位 誤 差 .• • • • • • • • • • • • • •• 112  6.4デ、ィストリビュータの影響による固有誤差 .• • • • • • • • • • • • • 115  6.4.1  デ、ィストリビ、ュータの側波帯信号への影響 .• • • • • • • • • 115 

6.4.2  ディストリビ、ュータによる方位誤差 • • • • • • • • • • • "  117  6.5 ア ン テ ナ 素 子 間 の 相 互 結 合 に よ る 固 有 誤 差 .• • • • • • • • • • •• 118  6.5.1  側 波 帯 ア ン テ ナ 聞 の 相 互 結 合 .• • • • • • • • • • • • • • • •• 118  6.5.2  搬 送 波 ， 側 波 帯 ア ン テ ナ 聞 の 相 互 結 合 .• • • • • • • • • "  123 

lV 

6.5.3 側 波 帯 ア ン テ ナ 聞 の 結 合 に よ る 誤 差 • • • • • • • • • • •• 125  6.5. 4 搬 送 波 ， 側 波 帯 ア ン テ ナ 聞 の 結 合 に よ る 誤 差 • • • • • • 127  6.6 総 合 誤 差 .

6.7 ま と め

7 海 面 反 射 に よ る ド ッ プ ラ ー V O Rの 方 位 変 動

128  131 

133  7.1 は じ め に .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 133  7.2 海 面 反 射 波 の V O R信 号 へ の 影 響 .• • • • • • • • • . • • • • • • "  134  7.2.1  側 波 帯 成 分 へ の 影 響 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • "  135  7.2.2 搬 送 波 成 分 へ の 影 響 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • "  137  7.2.3 副 搬 送 波 の F M復 調 信 号 へ の 影 響 • • • • • • • • • • • • •• 138  7.3 飛 行 実 験 結 果 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 139  7.3.1  実 験 の 概 要 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 139  7.3.2  S S B方 式 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • "  140  7.3.3  D S B方 式 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • "  143  7.4考察.• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 145  7.4.1  三 宅 島 局 の 方 位 変 動 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • "  145  7.4.2 方 位 変 動 の 低 減 法 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 149  7.5 ま と め

8 結 論

謝 辞

文 献

V 

150  152  155  156 

第 1 章 序

1 . 1   は じ め に

王子A

a

岡

V 0 R (VHF Omnidiredional Range : 超 短 波 全 方 向 式 無 線 標 識 ) は ， 有 効 距 離 内 の す べ て の 航 空 機 に 対 し ， 磁 北 を 基 準 と し た 方 位 情 報 を 連 続 的 に 与 え る 民 間 航 空 用 の 無 線 施 設 で あ る . こ れ は ， 方 位 情 報 の 伝 達 に 全 方 位

同 一 位 相 の 基 準 位 相 信 号 と ， 受 信 方 位 に 応 じ て 位 相 が 変 化 す る 可 変 位 相 信 号 を 含 むV H F波 を 使 用 し て い る .VORは ， 距 離 を 与 え る DM E(1) 

( Distance Measuring Equipment : 距 離 測 定 装 置 ) と 併 用 す る と ， 局 を 基 準 と し

た 航 空 機 の 位 置 を 決 定 で き る た め ， 短 距 離 航 行 援 助 用 の 世 界 標 準 施 設 と し て ， 航 空 路 の 基 準 点 、 や 空 港 へ の 進 入 用 に 世 界 で 使 用 さ れ て い る

我 が 国 で は ， 近 年 の 航 空 需 要 の 大 幅 な 増 加 に 伴 い ， 航 空 便 数 の 増 加 や 機 体 大 型 化 の 要 望 が 強 ま っ て い る . こ れ に 対 応 す る た め ， 空 港 の 拡 張 や 新 空 港 の 建 設 ， 航 空 路 の 増 設 ， 複 線 化 等 が 進 め ら れ て い る .VORは ， こ れ ら の 施 策 実 施 に 必 須 の 施 設 の 一 つ で あ る た め 増 設 が 進 み ， 1992年 現 在 約 1

o 

0局 が 設 置 運 用 さ れ て い る(2) こ の た め ， 現 在 我 が 国 の 主 要 航 空 路 で は V O Rを 用 い た 計 器 飛 行 を 行 う こ と が で き ， 航 空 の 安 全 と 運 航 効 率 の 向 上 に 役 立 っ て い る .

V O R局 が 海 岸 近 く に 設 置 さ れ る と ， 海 上 の 航 空 機 で 受 信 さ れ る 信 号 は ， 直 接 波 と 海 面 反 射 波 の 干 渉 に よ っ て 航 空 機 の 移 動 に 伴 い 変 動 す る . 受 信 レ ベ ル の 変 動 と 共 に 方 位 情 報 も 変 動 す る こ と が 多 い . 我 が 国 で は 多 く のV O R局 が 海 岸 近 く に 設 置 さ れ て お り ， レ ベ ル 変 動 の た め に 受 信 レ ベ ( Tc距 離 測 定 装 置 と し て ， DMEと 共 用 性 の あ る 軍 用 の 航 行 援 助 施 設 TA C A N 

Tactical Air Navigation system ) の 距 離 測 定 部 を 利 用 す る 方 式 も あ り ， V O R T A Cと呼 ば れ る .

1 

ル が 受 信 機 の 最 低 受 信 レ ベ ル 以 下と な っ た り ， 方 位 変 動 の 幅 が 規 定 を 超 え た り し て ， 何 ら か の 運 用 制 限 を 受 け てい る 局 は 20近 く に の ぼ る . こ の た め ， 海 面 反 射 波 の 影 響 を 軽 減す る 方 法 の 研 究 や ， 海 面 反 射 の 影 響 を 受 け に く い 設 置 場 所 の 選 定 方 法 の 確 立 が 望 ま れ て い る . ま た ， 海 面 反 射 に よ る 方 位 変 動 の 発 生 機 構 を 明 ら か に し ， そ の 大 き さ の 予 測 と 低 減 法 の 研 究 が 要 望 さ れ て い る . さ ら に ， 新 し い 航 空 路 の 設 定 や ， エ リ ア ナ ビ ゲ ー ション(3)( 広 域 航 法 ) な ど 新 し い 航 行 方 式 の 導 入 が 検 討 さ れ て お り ， そ れ ら に 応 じ る た め

VOR

の 精 度 ， 信 頼 性 向 上 が 望 ま れ て い る .

本 研 究 で は ， こ れ ら の 要 望 に 応 え ， 海 面 反 射 に よ る 受 信 レ ベ ル や 方 位 の 変 動 に も と づ く

VOR

の 性 能 低 下 を 改 良 す る 方 法 を 明 ら か に す る . 海 面 反 射 に よ る‑レ ベ ル 変 動 を 減 ら す に は ， 海 面 へ の 入 射 成 分 を 直 接 波 成 分 に 比 べ て 小 さ く す る 必 要 が あ る . こ の た め ，

VOR

ア ン テ ナ の 放 射 特 性 を 改 善 し ， 海 面 反 射 波 成 分 を 低 減 で き る 新 型 ア ン テ ナ の 開 発 と ， 局 周 辺 の 地 形 を 利 用 し て 海 面 へ の 入 射 成 分 を 遮 蔽 す る 方 法 に つ い て 提 案 を 行 う.

こ れ ら の 方 法 に よ る ア ン テ ナ の 設 計 や ， ア ン テ ナ 設 置 位 置 の 評 価 を 容 易 に す る た め ， ア ン テ ナ 放 射 特 性 の 精 度 良 い 解 析 方 法 に つ い て 研 究 す る .

一 方 ， 海 面 反 射 に よ る レ ベ ル 変 動 は 許 容 範 囲 で も ， 方 位 変 動 が 大 き く 運 用 基 準 を 満 た せ な い こ と が あ る . こ の た め ， 海 面 反 射 に よ る 信 頼 性 低 下 を 防 ぐ に は ， レ ベ ル 変 動 の 低 減 だ け で は 不 十 分 で ， 方 位 変 動 の 発 生 機 構 を 明 ら か に し ， こ れ を 低 減 す る こ と も 必 要 で あ る . そ こ で ， 方 位 変 動 の 原 因 に つ い て 検 討 し ， こ れ に 関 連 が あ る と 予 想 さ れ る

VOR

の 固 有 方 位 誤 差に つ い て そ の 発 生 機 構 の 解 析 を 行 う . そ の 結 果 を も と に ， 海 面 反 射 に よ

る 方 位 変 動 の 機 構 解 明 と そ の 低 減 方 法 に つ い て 検 討 す る .

1 . 2   V 0 R の 歴 史 と 従 来 の 研 究 状 況

現 在 の

VOR

の原理はアメリカで開発され， 1940年 こ ろ 提 案 さ れ た

VH F

全 方 向 式 ビ ー コ ン か ら 始 ま る . こ れ は ， 従 来 の

ND  B ( 4 ) (

全 方 向 式 ビ ー コ ン ) を 利 用 し た 淑JI位 と 比 べ ， 高 い 精 度 の 方 位 情 報 が 得 ら れ る こ と か ら 民間航空用に広く使われ， 1949年 国 際 民 間 航 空 機 関 (1 C A 0 ) の 標 準 方

2 

式 と し て 採 用 さ れ た .

VOR

の 普 及 に 伴 い ， そ の 性 能 向 上 の た め の 研 究 が ア メ リ カ を中 心 に 進 め ら れ た . 最 初 に 実 用 化 さ れ ， 現 在 も 使 用 さ れ て い る コ ン ベ ン ショナル

V  0  R 

(5) ( Conventional 

VOR

，以下

CVOR

と 呼 ぶ ) は ， 周 辺 反 射 物 の影 響 で 方 位 情 報 に 誤 差 が 生 じ や す い(6) こ れ を 改 善 す る た め ， 可 変 位 相信 号 の 発 生 に ア ン テ ナ 回 転 に も と づ く ド 、 ツ ブ ラ ー 効 果 を 利 用 す る 全 方 向式 無 線 標 識 がHanselにより 1953年 に 提 案 さ れ た⁽⁷⁾ こ の 原 理 を も と に ， 従 来 の C

VOR

と信号の共用性があるド、ップラー

VOR(

以 下

DVOR

と呼ぶ)の 開 発 が CA A (アメリカ FA A ( 連 邦 航 空 局 ) の 前 身 ) を 中 心 に 行 わ れ た

(8) この

DVOR

は

S S  B

方 式 と 言 い ， 基 準 位 相 信 号 を 含 む 搬 送 波 と ， 可 変 位 相 信 号 を‑含 む 上 側 波 帯 か ら な る

VHF

波 を 放 射 す る .

DVOR

の開 発 に よ り ， 周 辺 反 射 物 な ど に よ る 方 位 誤 差 が

CVOR

の

5

分 の

1

程 度 と な り ， そ の 設 置 条 件 が 大 幅 に 緩 和 で き る よ う に な っ た .

しかし，

S  S  B

方 式

DVOR

は 固 有 誤 差 が 比 較 的 大 き く ， 信 号 ス ベ ク ト ル が

CVOR

の そ れ と 完 全 に は 一 致 し な い た め ， 受 信 機 で 生 じ る 誤 差 も 増 加 す る 傾 向 が あ る . こ れ ら に よ る 誤 差 低 減 の た め ， 可 変 位 相 信 号 の 伝 送 に 上 下 両 側 波 帯 を 用 い る

DS  B

方 式

DVOR

の 研 究 が ア メ リ カ や 我 が 国 で 行 わ れ て い る(9)‑‑...  (11) 

VOR

の 方 位 精 度 を 大 幅 に 向 上 さ せ る た め ， 精 密

V0  R 

(Precision 

VOR

，  以 下

PVOR

と 呼 ぶ ) の 研 究 も 行 わ れ た . 例 え ば ， 従 来 の 方 位 情 報 に 加 え ， 精 密 方 位 情 報 も 同 時 に 伝 送 す る マ ル チ ロ ー プ 方 式 の

PVOR

が 提 案 さ れ ， そ の 性 能 が 報 告 さ れ た⁽¹²⁾ ま た ， 基 準 位 相 信 号 の 変 調 法 を 変 え る F

M/FM

方 式 や(13)， デ ジ タ ル 技 術 を 応 用 し た

V0 

R(14)， さ ら に ， ア ン テ ナ 開 口 を 拡 大 し た

VOR

が 提 案 さ れ た(15) しかし，

PVOR

は 高 精 度 情 報 を 利 用 す る た め 機 上 受 信 装 置 の 変 更 ま た は 改 良 を 要 し ， 主 に 経 済 的 な 理 由 か ら 実 用 化 に は 致 っ て い な い .

VOR

の 信 頼 性 を 向 上 さ せ る た め の 研 究 も 盛 ん で ， 我 が 国 で 行 わ れ た 主 要 な 研 究 と し て ， 次 の も の が 上 げ ら れ る .

DVOR

で は 方 位 情 報 を 発 生 さ せ る た め ， 円 形 状 に 配 置 さ れ た 多 数 の ア ン テ ナ に 電 力 分 配 器 ( 以 下

3 

仁 一一一三三三て三三竺三で T 竺 二二 一一一一一一一一一 二

デ、ィ ス ト リ ヒ 、 ュ ー タ と 呼 ぶ ) を 用 い て 順 次 切 換 え 給 電 し ， 疑 似 的 に ア ン テ ナを回転させるが，このデ、ィストリビ、ュータとして，信頼性の高い固体式 デ、イストリビ、ュータが田中らにより開発され(16)， 現 在 我 が 国 で は す べ て の 局 で こ の 方 式 が 用 い ら れ て い る . 最 近 の 電 子 装 置 の 信 頼 性 や 位 相 制 御 技 術 の 向 上 に 伴 い ， 全 国 体 化 さ れ ， 変 調 方 式 な ど が 工 夫 さ れ た DS B方 式 DVORが 開 発 さ れ(17)， 我 が 国 で は こ の 方 式 が 増 加 し つ つ あ る . ま た ， 装 置 監 視 精 度 を 向 上 し ， 運 用 の 信 頼 性 を 上 げ る た め の モ ニ タ の 研 究 や(18)，V 

O R信 号 か ら 不 要 高 調 波 を 減 ら し ， 他 局 と の 干 渉 を 低 減 す る 方 法 に つ い て 研 究 が 行 わ れ た ( 川 . さ ら に ， 受 信 装 置 に お け る 方 位 情 報 処 理 方 式 や ， 信 号 ひ ず み が 受 信 機 に 与 え る 影 響 な ど も 研 究 さ れ た(20)，(21)

局 周 辺 の 建 造 物 や 電 線 ， 森 林 な ど で の 電 波 散 乱 に よ る 方 位 情 報 の 変 動 現 象 に つ い て ， 解 析 的 研 究 が 積 極 的 に 行 わ れ て い る . 例 え ば ， 局 周 辺 の 電 線 に よ る C V O Rの 方 位 変 動 に 関 す る 解 析 結 果 な ど がAndersonとKearyに よ り 報 告 さ れ た(22) 森 林 な ど に よ る 方 位 変 動 の 実 験 的 研 究 や ， 有 限 長 の 電 線よる方位誤差解析も行われている(刈，(24) ま た ， こ れ ら 散 乱 体 の 影 響 を 減 ら す た め ， ア ン テ ナ の 放 射 特 性 を 改 良 す る 研 究 が 主 に C V O R用 ア ン テ ナ に 対 し て 行 わ れ ， 無 給 電 ル ー プ ア ン テ ナ や ， 多 段 ス タ ッ ク ア ン テ ナ が 提 案 さ れ た(25)，(26) し か し ， こ れ ら の ア ン テ ナ は 一 般 に 構 造 が 複 雑 と な り ， 方 位 誤 差 特 性 や 信 頼 性 に 不 安 が あ る た め ， 実 用 と な っ て い な い

こ れ ら の 研 究 を も と に ， 我 が 国 で は 1958年 に 最 初 の VOR(CVOR) が 設 置 さ れ て 以 来 設 置 数 は 増 加 し ， 1970年 ま で に 約 2 0局， 1990年 に は

9 0局 以 上 が 設 置 運 用 さ れ て 国 内 の 主 要 航 空 路 は ほ と ん ど V O R化 さ れ た . こ の う ち 約 10局 が C V O Rで ， 他 は 日 本 の 地 形 条 件 に 適 し た D V O Rである.また，今後は， D S B方 式D V O Rが 我 が 国 の 標 準 方 式 と し て 運 用 さ れ る こ と に な り ， 最 近 そ の 設 置 数 が 増 加 し て い る . こ れ に 対 し て アメリカでは， 1988年 に は 約 950局 の V O Rが 運 用 さ れ⁽²⁷⁾，そのうち，

DVORは60局 ほ ど で 大 部 分 がCVORである.

以 上 の よ う に 従 来 の 研 究 は ， V O R装 置 の 基 本 性 能 や 信 頼 性 お よ び 方 位 精 度 の 向 上 を め ざ し た も の ， 局 周 辺 の 建 造 物 な ど に よ る 方 位 誤 差 の 解

4 

析 や ， そ の 防 止 法 の 検 討 な ど が 多 い . し か し ， 海 面 反 射 の 影 響 に よ る信 号 の 劣 化 や ， そ の 対 策 に 関 す る 研 究 は 従 来 あ ま り 行 わ れ て い な い . ま た ，

D 

S B方 式 D V O Rに 関 す る 固 有 誤 差 の 解 析 や ， 海 面 反 射 の 影 響 な ど に つ い て の 研 究 も ほ と ん ど 見 当 ら な い . こ れ は ， こ れ ま で の 研 究 の 中 心 で あっ た ア メ リ カ で は ， 一 般 に 局 周 辺 に 広 い 空 間 を 確 保 し や す く ， 海 面 反 射 な ど に よ る 問 題 が 起 こ り に く い た め と 考 え ら れ る . ま た ， 今 日 で も C V O R が大多数を占め， D V O Rに 関 す る 研 究 は 要 望 が 少 な い よ う で あ る . し か し ， 我 が 国 で は 地 勢 上 の 理 由 か ら ， 厳 し い 設 置 条 件 に も 対 応 し や す い D V O Rが 大 部 分 で ， ア メ リ カ と は そ の 運 用 条 件 が 大 幅 に 異 な っ て い る . こ の た め ， 海 面 反 射 に よ る V O Rの 性 能 低 下 の 改 善 や ， D V O Rの 誤 差 解 析 は 我 が 国 独 自 の 問 題 と し て 取 り 組 む 必 要 が あ る .

海 面 反 射 の 電 波 伝 搬 へ の 影 響 に つ い て は ， 衛 星 通 信 の 普 及 な ど に 伴 い 研 究 が 進 み ， 多 く の 報 告 が あ る(28)，(29) こ の 影 響 低 減 の た め ， ア ン テ ナ 特 性 を 改 良 す る 研 究 が レ ー ダ ア ン テ ナ に つ い て 報 告 さ れ て い る(30) V 0 R用 にもスタックアンテナの利用が検討されたが〈31)，(32)， ア ン テ ナ の 構 造 が 複 雑 で 実 用 化 に は 至 っ て い な い . 一 方 ， 海 面 反 射 に よ る V O R方 位 変 動 に つ い て ， 現 象 的 に は 知 ら れ て い た が ， そ の 発 生 原 因 の 究 明 や ， 低 減 法 に 関 す る 研 究 は ほ と ん ど 見 当 ら な い .

そ こ で ， 本 研 究 で は 海 面 反 射 に よ る V O Rの 性 能 低 下 に 関 連 す る ア ン テ ナ 放 射 特 性 の 改 良 法 ， 固 有 方 位 誤 差 の 検 討 と ， 方 位 変 動 の 発 生 機 構 解 明 を 中 心 と し て 研 究 を 進 め る .

1 . 3   研 究 の 目 的 と 概 要

V O R局 が 海 岸 近 く に 設 置 さ れ た と き ， 海 面 反 射 の 影 響 で 受 信 信 号 レ ベ ル や 方 位 情 報 が 変 動 し て ， V O Rの 性 能 が 低 下 す る . 本 研 究 は ， こ の 性 能 低 下 を 防 ぐ た め ， 海 面 反 射 に よ る レ ベ ル 変 動 を 低 減 す る 方 法 の 開 発 と ， 方 位 変 動 の 発 生 機 構 の 解 明 ， お よ び そ の 除 去 法 を 明 ら か に す る こ と を 主 な 目 的 と す る .

ま ず ， レ ベ ル 変 動 低 減 の た め ， 海 面 へ の 入 射 波 を 大 幅 に 少 な く で き る 新

5 

L 一 一ーで二三二竺て一一一 一 正 一 一 一 一 一 一 一 一 二 二 二 二 孟 孟

型 ア ン テ ナ を 開 発 す る . 周 辺 地 形 の 電 波 遮 蔽 効 果 を 利 用 し て 海 面 反 射 の 影 響 を 低 減 す る 方 法 につ い て 研 究 す る . ま た ， ア ン テ ナ の 放 射 特 性 や ， 地 形 の 電 波 伝 搬 特 性 へ の 影 響 に 関 す る 精 度 良 い 計 算 法 を 求 め る .

次 に ， 方 位 変 動 の 発 生 機 構 お よ び そ の 除 去 法 を 明 ら か に す る た め ， ま ず， D V O Rの 固 有 誤 差 の 定 量 的 な 予 測 計 算 法 を 考 え る . 次 い で ， こ の 誤 差 に 対す る 海 面 反 射 の 影 響 を 解 析 し ， そ れ を も と に 方 位 変 動 の 発 生 機 構 を 仮 定 す る と 共 に ， 変 動 の 大 き さ を 予 測 す る 方 法 を 研 究 す る.こ の 仮 定 の 妥 当 性 を 実 験 に よ り 確 認 す る . ま た ， こ の 方 位 変 動 を 低 減 す る 方 法 に つ い て 提 案 す る .

以 上 を 研 究 の 目 的 と し て ， 本 論 文 は ， 次 の 8章 か ら な る . ま ず 第 2章 で は ， 方 位 情 報 の 発 生 原 理 や ア ン テ ナ 放 射 特 性 の 計 算 法 ， 信 号 復 調 方 法 ， そ し て 運 用 条 件 な ど V O Rの 慨 要 に つ い て 述 べ る . ま た ， 海 面 反 射 の 影 響 評 価 法 や ， 本 研 究 で 用 い る 実 験 装 置 の 概 要 を 紹 介 す る .

第3章 で は ， 海 面 反 射 に よ る V O R信 号 変 動 の 低 減 を 目 ざ し た 新 型 ア ン テ ナ の 動 作 と そ の 放 射 特 性 の 解 析 ， お よ び そ の 性 能 評 価 の た め の 実 験 結 果 な ど を 中 心 に 論 じ る .

第4章 で は ， ア ン テ ナ の 放 射 特 性 や 地 形 の 影 響 を 解 析 す る と き に 現 わ れ る

2

重 以 上 の 多 重 回 折 成 分 の 計 算 精 度 を 向 上 さ せ る た め ，

U  T  D 

(U niform  GTD)を も と に し た 一 様 表 現 法 に つ い て 論 じ る .

第5章 で は ， 周 辺 地 形 が ア ン テ ナ 放 射 特 性 に 与 え る 影 響 の 解 析 と ， 地 形 の 遮 蔽 効 果 を 利 用 し て 海 面 反 射 成 分 を 低 減 す る 方 法 と そ の 効 果 に つ い て ， 飛 行 実 験 結 果 な ど を も と に 検 討 す る .

第6章 で は ， 海 面 反 射 に よ る 方 位 変 動 解 析 の 基 礎 と す る た め ， ド 、 ツ プ ラ ‑ V O Rの 固 有 方 位 誤 差 に つ い て ， そ の 発 生 機 構 と 大 き さ の 予 測 法 を 研 究 する.

第

7

章 で は ， 海 面 反 射 に よ る 方 位 情 報 の 変 動 発 生 機 構 を 明 ら か に す る と 共 に ， そ の 大 き さ の 予 測j計 算 法 を 求 め る . ま た ， 変 動 の 低 減 策 に つ い て 検 討する.

第8章 で は 研 究 の 結 論 と ， 残 さ れ た 課 題 な ど に つ い て 述 べ る .

6 

第 2 章 V O R の概要

2 . 1   は じ め に

V O Rは 搬 送 波 周 波 数108‑‑118MHz ，出力 100‑‑200 W で 運 用 さ れ，その 信 号 に は ， 方 位 情 報 の 伝 達 に 用 い ら れ る 基 準 位 相 信 号 ， 可 変 位 相 信 号 の 他 に ， 局 識 別 符 号 ， 音 声 信 号 が 含 ま れ て い る . 図

2 . 1

は，基準位相信号，可 変 位 相 信 号 と 受 信 点 、 の 方 位 と の 関 係 を 示 す . こ れ ら の 信 号 は 30Hz正 弦 波 で ， 基 準 位 相 信 号 に 対 す る 可 変 位 相 信 号 の 位 相 遅 れ は ， 磁 北 を基 準 に 時 計 廻 り に 測 定 し た 受 信 点 の 方 位 と 一 致 す る .

V O Rで は ， こ れ ら の 30Hz信 号 を 互 い に 混 変 調 を 受 け る こ と な く 送 信 するため， 2種 類 の 変 調 法 を 併 用 し て い る . ま ず ， 基 準 ( ま た は 可 変 ) 位 相 の30Hz信号を送るため， 9960Hzの 副 搬 送 波 が 使 用 さ れ る . こ の 副 搬 送 波 は30Hz信 号 で 周 波 数 変 調 さ れ ， 搬 送 波 は こ の 副 搬 送 波 で 振 幅 変 調 さ れ る . ま た ， も う 一 方 の30Hz信 号 は ， 搬 送 波 を 直 接 振 幅 変 調 し て 送 信 さ れ る.図

M. N.  Reference  Phase 

V ヘ ¥ / ヘ ¥

¥J 

A J A Y ¥ /

^へ

Variable  P11j;euu

〆 ¥ ^J

ign叫 ん

1MJ1350V¥ / 

' t " に / ¥ J

φ=250⁰

ん _¥J

²⁵

^{ド 〆 ¥} _¥) 

図

2 . 1

基 準 位 相 信 号 と 可 変 位 相 信 号 の 位 相 関 係

7 

L ^一 一¥ 二三二二二三 二 二 山 二 二三一一一一一一

M.N. 

30Hz  FMSB 

F園 、 『

30Hz 

; AM SB  Carrier 

•

f‑9960  f‑30 f f+30  f+9960  図2.2 V 0 R信 号 の ス ペ ク ト ル

2.2にV O R信 号 の ス ペ ク ト ル を 示 す . こ れ は ， 搬 送 波 (f) と そ の 両 側 に 30Hz離 れ た 側 波 帯 ， お よ び 搬 送 波 か ら 土9960Hz離 れ ， 別 の30Hz信 号 で 周 波 数 変 調 さ れ て い る 側 波 帯 ( 副 搬 送 波 ) の 合 成 と な っ て お り こ れ ら

2

つ の 30Hz信 号 に 基 準 お よ び 可 変 位 相 情 報 が 含 ま れ る .

現 在 ， 世 界 で 運 用 さ れ て い る V O Rは， C V O R (コ ン ベ ン シ ョ ナ ルV

o 

R)と， D V O R  (ド、ツプラー V 0 R)の2種 類 に 大 別 さ れ る . さ ら に ， D V O Rには S S B，D S Bお よ びA S Bの 3方 式 が あ る . こ れ ら は 信 号 発 生 法 や 変 調 法 ， ア ン テ ナ 系 の 構 成 な ど が 互 い に 異 な る が ， い ず れ の 方 式 で も 信 号 に 共 用 性 が あ り ， 正 し い 方 位 情 報 が 得 ら れ る よ う に 工 夫 さ れている.航空機では， V O R信 号 を 基 準 位 相 信 号 と 可 変 位 相 信 号 に 分 離 し ， こ れ ら の 位 相 差 を 測 定 す る こ と に よ り 自 己 の 方 位 を 知 る .

本 章 で は ， 主 に V O Rの 動 作 原 理 や 構 成 ， ア ン テ ナ 特 性 な ど に つ い て 述 べ る . ま ず 2.2では C V O RとD V O Rに 分 け て 方 位 情 報 の 発 生 法 ， 地 上 送 信 装 置 や ア ン テ ナ 構 成 な ど を 紹 介 す る .2.3では C V O Rの 垂 直 面 放 射特性について，

U 

T 

D 

(U niform geometrical Theory of Diffraction :一様幾何光 学 回 折 理 論 ) を 用 い た 計 算 法 を 紹 介 す る

2 . 4

で は 受 信 機 で の 信 号 処 理 ， 復 調 方 法 に つ い て 述 べ る 2.5では， V O Rの 仕 様 と 運 用 基 準 に 関 し ， 本 研 究 に 関 係 す る 項 目 を 中 心 に 簡 単 に 紹 介 す る .

2 . 6

で は ， ア ン テ ナ を 海 岸 付 近 に 設 置 し た と き の 海 面 反 射 波 の 影 響 評 価 法 に つ い て 述 べ る .

2 . 7

で は ， 本 研 究 で 使 用 さ れ る 飛 行 実 験 装 置 や そ の 精 度 な ど に つ い て 紹 介 す る .

1 S S B方 式DVORで は ， 搬 送 波 よ り 9960Hz低 い 側 波 帯 は な い .

図2.3 C V 0 Rア ン テ ナ 摸 式 図

2 . 2   V 0 R の 動 作 原 理 と 構 成

2 . 2 . 1   C V 0 R

の 動 作 原 理

図2.3は， C V O Rの 信 号 発 生 原 理 を 説 明 す る た め の ア ン テ ナ 模 式 図 で あ る . こ れ は ， 水 平 面 内 全 方 向 性 ( 図 の 破 線 の パ タ ー ン ) の ア ン テ ナ 素 子 と， 8の 字 状 の 放 射 特 性 ( 図 の 実 線 の パ タ ー ン ) を 持 つ ア ン テ ナ 素 子 か ら な り ， か っ こ れ ら の 波 源 は い ず れ も O点 に あ る 仮 想 的 な ア ン テ ナ で あ る . さ ら に ， 後 者 は 時 計 方 向 に 1800rpmで 回 転 し て い る と す る . こ の ア ン テ ナ の 全 方 向 性 ア ン テ ナ 素 子 に 9960Hz副 搬 送 波 に よ り 振 幅 変 調 さ れ た 搬 送 波 を供給し，

8

の 字 特 性 を 持 つ ア ン テ ナ 素 子 に は 無 変 調 の 搬 送 波 を 供 給 す る.このとき， 0点 か ら 距 離 dで ， 磁 北 (M.N.)と の な す 角 ゅ の 遠 方 受 信 点 R に お け る 電 界 を 考 え る . な お ， こ れ ら ア ン テ ナ の 垂 直 面 放 射 特 性 は 一 様 と す る .

ま ず ， 全 方 向 性 ア ン テ ナ 素 子 か ら の 成 分 Ezは 次 式 で 表 せ る .

ρj(ωt‑kd) 

Ez  = =   C

1 

{ l   +  q 

cos(ρ1 

t  + 

m f cos 

p t )  } ν d 

1lム ^︑J^{︑E︐ ︐}

つ ん

〆'EE︑

8  ⁹ 

こ の 式 に 含 ま れ る 係 数 は 次 の よ う に 規 定 さ れ て い る .

C1 定 数

: 振 幅 変 調 指 数 ( 副 搬 送 波 ) : 周 波 数 変 調 指 数

: 副 搬 送 波 角 周 波 数

: 変 調 角 周 波 数 ( 基 準 ， 可 変 位 相 信 号 ) :高JI搬 送 波 周 波 数

: 搬 送 波 角 周 波 数 :搬送波周波数 :伝搬定数

この式の中括弧内は， 30Hzで 周 波 数 変 調 さ れ た 副 搬 送 波 に よ っ て 搬 送 波 が 振 幅 変 調 さ れ て い る こ と を 表 す . 最 後 の 項 は ， 搬 送 波 の 位 相 ， 距 離 項 で あ る.副搬送波(こ含まれる 30Hz信 号 は 受 信 方 位 ゆ に 関 係 し な い た め ， 全 方 位 同 一 位 相 の 基 準 位 相 信 号 と な る .

次に， 8の 字 特 性 を 持 つ ア ン テ ナ 素 子 か ら の 成 分 Eyは 次 式 と な る .

T o  A n t e n n a s  

ρj(ωt‑kd) 

E

^y二

C

2sin(ρt

ーゆ υ ) d 

州側¥

向 山 間

"

q= 

^0.3 

mf= 

¹⁶ 

P l   = 

^2πムf

P= 

^27r X 30 

ム

f

=  9960Hz  ω =   2πf 

f= 

^{108 rv 118MHz} 

k= 

ω/(3 X 10⁸) 

阿 川

J

(2.2) 

図2.4 C V 0 R送 信 装 置 2.2.2  C V 0 R地 上 装 置

図 2.4は

CVOR

送 信 装 置 の 系 統 図 と 各 部 の 信 号 波 形 で あ る . 送 信 装 置 は ， 変 調 器 ， 送 信 機 ， 変 調 除 去 器 (ModulationEli町山ator)， ゴ ニ オ メ ー タ

(1)( Goniometer) ， ト ー ン ホ イ ル(l)(ToneWheel)そ し て 高 周 波 ブ リ ッ ジ(RFBridge)  な ど か ら な る . ト ー ン ホ イ ル は ， 30Hzで 周 波 数 変 調 さ れ た9960Hz副 搬 送 波 を 発 生 す る . 変 調 器 は ， 副 搬 送 波 と 標 識 符 号 (ID)お よ び 音 声 で 送 信 機 か ら の 搬 送 波 を 振 幅 変 調 す る . 変 調 除 去 器 は 搬 送 波 電 力 を 分 割 し ， そ の 一 部 か ら 振 幅 変 調 分 を 除 去 し て ゴ ニ オ メ ー タ へ 供 給 し ， 残 り は そ の ま ま 高 周 波 ブ リ ッ ジ へ と 供 給 す る . こ れ に よ り ， 搬 送 波 は 位 相 関 係 を 保 っ た ま ま 2 分 割 で き る . ゴ ニ オ メ ー タ で は 搬 送 波 を 位 相 が90⁰ 異 な る 2種 類 の^30Hz包 絡 線 状 波 形 に 変 形 さ せ る ( 図2.4の 波 形 参 照 ). ゴ ニ オ メ ー タ と 高 周 波 ブ リッジは， 4個 の 固 定 ア ン テ ナ を 利 用 し て 図2.3の ア ン テ ナ と 同 じ 放 射 特 性 と ， ア ン テ ナ 回 転 を 得 る た め に 使 わ れ る .

ここで， C2は 定 数 で あ る .sin(ptーゆ)は，このアンテナが 1秒 あ た り 30回 転 し て お り ， そ の 位 相 項 に 方 位 情 報 ゆ が 含 ま れ て い る い る こ と を 示 し て い る . ま た ， こ の 成 分 はf士30Hzの 側 波 帯 の み か ら な る 平 衡 変 調 波 と な っ て いる.

VOR

信 号 は 式 (2.1 ) と (2.2 ) の 合 成 波

E 5

と な り ， 定 数 を 省 略 す る と 次 式 で 表 せ る .

ρj(ωt‑kd) 

E F

^二

{ 1‑

ma sin(pt

ーゆ

)+qcos(Plt+mfcospt)}e 

d  ( 2 . 3 )  

こ こ で maは EyとEzの振幅比で， 30Hz振 幅 変 調 指 数 と も 考 え ら れ ， 一 般 に0.3に 規 定 さ れ る . こ の 式 は ， 搬 送 波 が 方 位 情 報 併 を 含 む30Hz信 号 ， お よ び 一 定 位 相 の 30Hz信 号 を 含 む 副 搬 送 波 に よ っ て 振 幅 変 調 さ れ て い る こ とを示している.したがって，

CVOR

で は 基 準 位 相 信 号 は 副 搬 送 波 に 含 ま れ ， 可 変 位 相 信 号 は30Hz側 波 帯 に 含 ま れ る .

圃凶弘

To RF Bridges 

凶 h h

図 2.5 C V 0 Rア ン テ ナ 上 面 図

図 2.5は C V O Rア ン テ ナ の 上 面 図 で ， 一 般 に ア ル フ ォ ー ド ル ー プ ア ン テ ナ(33)が 互 い に 隣 接 し て 4個 取 り 付 け ら れ た 構 造 と な っ て い る . ア ル フ ォ ー ド ル ー プ ア ン テ ナ は 一 種 の 多 点 給 電 ル ー プ ア ン テ ナ で ， 水 平 面 内 全 方 向 性 で 水 平 偏 波 を 放 射 し ， 垂 直 面 放 射 特 性 は 8の 字 と な る . 4個 の ア ン テ ナ は ， 磁 北 を 基 準 に 北 西 ， 南 東 ， 北 東 ， 南 西 位 置 に 設 置 さ れ ， そ れ ぞ れNW (North West以 下 同 様)SE，N E，S Wア ン テ ナ と 呼 ば れ る . こ れ ら ア ン テ ナ の 極 性 は ， N倒IJとS側 が 互 い に 逆 と な る よ う 設 定 さ れ て い る . ま た ， 水 平 方 向 以 下 へ の 放 射 を 低 減 す る た め ， こ れ ら の ア ン テ ナ は カ ウ ン タ ボ イ ズ と 呼 ば れ る 半 径 約

15‑‑‑‑‑25m

の 円 形 反 射 板 上 に 高 さ 約 1 .3

m 

で 設 置 さ れ る 図2.6は ， 現 在 運 用 さ れ て い る C V O Rア ン テ ナ 系 の 外 観 で あ る . こ の 局 で は カ ウ ン タ ポ イ ズ と し て 地 面 と 金 属 板 を 併 用 し て い る .

C V O Rア ン テ ナ は 左 の ド ー ム 内 に 格 納 さ れ て い る .

副 搬 送 波 な ど に よ る 振 幅 変 調 波 と ， 2種 類 の 30Hz包 絡 線 波 形 状 の 搬 送 波 は こ れ ら の ア ン テ ナ に 供 給 さ れ ， 前 者 は す べ て の ア ン テ ナ か ら 同 相 で 放 射 さ れ ， 後 者 は 正 弦 波 成 分 ， 余 弦 波 成 分 と も そ れ ぞ れ 2個 の ア ン テ ナ か ら 逆 相 で 放 射 さ れ る た め ， 合 成 ノ 〈 タ ー ン は 常 に 8の 字 型 と な る . さ ら

ー一部 の 局 で は こ の 反 射 仮 と し て ， 滑 ら か に な ら し た 地 面 を 代 用 し て い る .

図 2.6 C V 0 R ア ン テ ナ 外 観 ( 御 宿 V 0 R) 

に ， こ の パ タ ー ン は ゴ ニ オ メ ー タ に よ っ て 等 価 的 に 1秒 あ た り 30回 転 し て ， 原 理 的 に 式 (2.2) と 同 じ 方 位 情 報 を 含 む 平 衡 変 調 波 が 得 ら れ る .

但 し ， 実 際 の ア ン テ ナ は 有 限 の 大 き さ を も つ た め ， 個 々 の ア ン テ ナ の 中 心 と C V O Rア ン テ ナ の 中 心 O点 と は 一 致 せ ず ， い ず れ も

r c C

^竺 57cm)離 れ て い る ( 図2.5参照). そ こ で ， 副 搬 送 波 で 振 幅 変 調 さ れ た 搬 送 波 Eらと，

ゴ ニ オ メ ー タ で 平 衡 変 調 さ れ 高 周 波 ブ リ ッ ジ を 介 し て 4個 の ア ン テ ナ か ら放射された側波帯成分 E~ はそれぞれ次式で表される.

ρj(ωt‑kd) 

E~ 二 C3{1

+  q 

^COS(P1

t  + 

^mf 

c o s ( ρt+

χ

) ) } C

_z(

ゆ ) V d  ( 2 . 4 )  

ρj(ωt‑kd) 

E~

= =   C

4 

s i n ( ρt  ‑up)C y( ゆ ) ν ( 2 . 5 )

d 

こ こ で ，C3， C4は定数， χは 位 相 設 定 の た め の 補 正 角 ，C_z(ゆ)， Cy(ゆ)は 4 個 の ア ン テ ナ の 放 射 中 心 が O点 と 異 な っ て い る た め に 生 じ る 水 平 面 内 の 指 向 性 関 数 で ， 文 献 (1)に 与 え ら れ て い る . ま た ，

E L

に 含 ま れ る 位 相 偏 移

U_pは 次 式 で 与 え ら れ る .

u

^".， 

= =   t a n  

^‑1 

s i n ( k r c s i n ( ゆ +π/4)) 

p ‑

… s i n (  

kr 

c  c o s ( ゆ +π/4))  ( 2 . 6 )  

図

2 . 7

に 受 信 方 位 併 に 対 す る U_p，式 (2.4 ) ， (2.5)のCz(ゆ，) Cy(ゆ)の計算例

を示す•

u

pは， ゆとは45⁰ の 位 相 ず れ が あ り ， 小 さ な 4周 期 の 変 動 も 重 畳 し

12  13 

に 一一一一一一一一一一一一一 つ ら よ ーて一一一一一て 二孟孟孟

R 

2 

﹀ヨ 刀三 c a o f=117.9MHz 

I G

z(

ゆ 1 )

rc =57cm， 

( d

360 

e g )  

240  Up 

120 

DVORア ン テ ナ 原 理 図 図2.8

中 心 と す る 半 径 r(::: 6.5m)の 円 周 上 を 反 時 計 四 り に 毎 秒30回 転 し な が ら 澱 360 O 

( d e g )  

O O 

お よ び 搬 送 波 周 波 数 ‑9960Hzの 下 側 波 帯 を 放 射 す る ア ン テ ナ A_{Lからなる.}

Acか ら 距 離 dで ， 磁 北 (M. N.) と の な す 角 ゅ の 遠 方 受 信 点 R に お け る 搬 送 波 Ecは ， ア ン テ ナ 放 射 特 性 を 等 方 性 と す る と 次 式 で 表 せ る . 送 波 周 波 数 +9960Hzの 上 側 波 帯 を 放 射 す る 上 側 波 帯 ア ン テ ナ Au， 240 

CVORア ン テ ナ 水 平 面 指 向 性 関 数

AU ' 

120  図

2 . 7

Cy(ゆ)はいずれも 4 Cz(ゆ)， 

て い る が ， ほ ぼ 両 者 は 比 例 関 係 に あ る .また，

( 2 . 7 )  

ρj(ωt‑kd) 

Ec 

== 

C

s

( l   ‑

mαSlllρt)~

こ の 変 動 の 影 響 を このため，

そ の 振 幅 は 小 さ い . 周期の変動が生じるが，

そ れ ぞ れ 全 方 位 向 ー 無 視 す る と ， 式 (2.4 ) ， (2.5)に 含 ま れ る 30Hz信号は，

Eらと E~ の 30Hz

信 号 が 磁 北 で 岡 本 目 と な る よ う に 調 整 し ， 振 幅 比 な ど を 正 し く 設 定 す る と ， したがって，

位 相 の 基 準 位 相 信 号 と 可 変 位 相 信 号 に な る .

ア ン テ ナ AuとALか ら の 上 下 側 波 帯 の 合 成 波 Esは 次 式 と な る . ej{ωlt‑k1d+k1T∞s(ρt+ゆ)} pj{ω2t‑k2d‑k2T cos(pt+ゆ)}

Es 

== 

C

6{ 

q u  ‑

rl 

+  ^{q /}  

^{V  J  }} 

一方，

( 2 . 8 )  

式 (2.3)と同じ V O R信 号 が 得 ら れ る .

:定数

: 上 側 波 帯 ， 搬 送 波 振 幅 比 : 下 側 波 帯 ， 搬 送 波 振 幅 比 :上側波帯角周波数

:下側波帯角周波数 :上側波帯伝搬定数 :下側波帯 伝 搬 定 数 こ の 式 で 新 た に 現 れ る 係 数 な ど は 次 の よ う に 規 定 さ れ る .

0.3 ( S S B方 式 )，0.15 ( D S B方 式 )

o  ( 

S S B方 式 )， 0.15 ( D S B方 式 ) 2π(f 

+

ムf)

2π(f ‑ムf)

ω1/(3 X 10⁸) 

ω2/( 3 X 108)  Cs， C6 

qu 

= 

q/ 

= 

い)1= 

μ)2 

= 

k1 =  k2 =  まず;図

2 . 7

の 曲 線 Upにお

CVORに お け る 固 有 誤 差 に つ い て 考 え る .

これは，図 2.5の ア ン テ ナ 配 置 に お い いて 4周 期 の 方 位 変 動 が み ら れ る .

て ， 理 想 的 に は 一 致 す べ き 基 準 点 と ア ン テ ナ 中 心 聞 が 距 離rc離 れ て い る Cy(ゆ)により搬送波，側波帯に本 こ の 他 ま た ， 指 向 性 関 数Cz(ゆ)， 

た め に 生 じ る .

来 は 存 在 し な い レ ベ ル 変 動 が 加 わ る こ と に よ っ て も 誤 差 が 生 じ る .

ア ル フ ォ ー ド ル ー プ ア ン テ ナ の 水 平 面 放 射 特 性 が 正 確 に 一 様 と な っ て い な い た め に 生 じ る 誤 差 な ど が 知 ら れ て い る .

ア ン テ ナ の 回 転 に よ る ド ッ ブ ラ ー 効 果 で 周 波 数 変 調 さ れ，その 位 相 は 受 信 方 位 に 対 応 し て い る .

こ の 式 は 次 の よ う に 書 き か え る こ と が で き る . 側波帯は，

D V O Rの 動 作 原 理 2.2.3 

C 6 {  ( q u   +  q / )  

COS(Pl 

t  + 

kr 

C O s ( p t   + ゆ ) ) Es

ご

D V O Rの 信 号 発 生 原 理 を 示 す ア ン テ ナ 系 の 模 式 図 で あ る . こ れ を 図2.8は，

これは， 30Hzで 振 幅 変 調 さ れ た 搬 送 波 を 放 射 す る ア ン テ ナ Acと，

15  14 

ρj(ωt‑kd) 

+ 

j 

( q u  ‑q ， )  

si

叫ん t+

か cos(ρ

t+ ゆ ) ) ヒ }

d  (2.9)  こ こ で ，k1 ~ k_2 ~ kと し て い る .こ の 式 の 中 括 弧 内 は ， 方 位 情 報 を 含 む 30Hzで 周 波 数 変 調 さ れ た 9960Hzの 副 搬 送 波 と な る . こ の た め ，Esは 副 搬 送 波 で 平 衡 変 調 さ れ た 搬 送 波 と み な す こ と が で き る .

受 信 点 で 得 ら れ る V O R信 号

E P

^{は ，Ecと}Esの 合 成 と な り ， 次 式 で 表 せる.

E P  

²  _{l‑mαsin 

_{p t   +  ( q u   +  q l )}  

_COS(Pl 

_{t  +} 

_kr 

_{c o s ( p t   + ゆ ) )}

pj(ωt‑kd) 

+ j ( q u  ‑q ， )  

sin(ρlt 

+ 

kr cos(ρ

t+ ゆ ) )

}εd  (2.10) 

こ こ で ， か を 式 (2.1)のmfと同じく 16とするとへ DSB方 式 で は qu

= 

^ql 

のため， こ の 式 は CVORか ら の 信 号 式 (2.3) と 同 じ 形 と な る . 但 し ， 式 (2.3 )は第 2項 が 可 変 位 相 信 号 ， 第 3項 が 基 準 位 相 信 号 と な る の に 対 し ， こ の 式 で は 第 2項 が 基 準 位 相 信 号 ， 第 3項 が 可 変 位 相 信 号 と な り ， C V   O RとD V O Rで は 基 準 ， 可 変 位 相 信 号 の 変 調 方 法 が 逆 に な っ て い る ._な お， S S B方 式 で は 副 搬 送 波 に 90⁰ 位 相 が 異 な る 成 分 ( 中 括 弧 内 第 4項 ) が 残 る た め ， 信 号 に 位 相 変 調 成 分 が 含 ま れ る こ と に な る が こ れ は 他 の 成 分 よ り 小 さ い た め ， 近 似 的 に は

DS  B

方 式 と 同 じ 信 号 と み な せ る4

2.2.4  D V O R地 上 装 置

図2.9は， 最 近 の DSB方 式 DVOR送 信 装 置 の 構 成 お よ び 信 号 波 形 で ある(11) 送 信 装 置 は ， 変 調 信 号 発 生 器 (Mod. Signal Generator) ， 搬 送 波 送 信 機(Ca江 Generator)， 側 波 帯 送 信 機(SBGenerator) ， そしてデ、イストリヒ、ュータ な ど か ら な る . こ の 装 置 の 搬 送 波 変 調 方 式 は ， 従 来 と は 異 な り 直 接 変 調 方 式(34)を 採 用 し て い る . 変 調 信 号 発 生 器 で は ， 基 準 位 相 信 号 と な る 30Hz 信 号 や 副 搬 送 波 と な る 9960Hz信 号 お よ び 標 識 信 号 な ど を 発 生 す る と 共 に ， 搬 送 波 送 信 機 ， 側 波 帯 送 信 機 や デ ィ ス ト リ ビ 、 ユ ー タ な ど の 位 相 周 期 を 行 う た め の ク ロ ッ ク 信 号 を 発 生 す る . 搬 送 波 送 信 機 で は ， 変 調 信 号 発 生 器 か ら

: ア ン テ ナ 回 転 半 径 rは こ の 関 係 を 満 た す た め 約6.5mと な る .

( 2

λ ^註 1 1 宅 ? t L 1

が 受 信 機 の 特 性 に よ っ て は 誤 差 を 引 き 起 こ す 場 合 が あ り ， 文 献

16 

亡 三竺竺一一一一 可

Carr. Antenna  S8 Antennas 

. 岡

Control Signal 

図2.9 DVOR送 信 装 置

A c 

1"  ̲ ̲ ̲ ̲ ̲ ̲ ̲ ̲ ̲ ̲ ̲  

R  H了

TT  • T  •• L 斗 ィ 7

^・

TT

A一 一 →J へCoun↑erpoise 図

2 . 1 0

_DVORア ン テ ナ 配 置 図

17 

e v a W  9 1  

・ 川

N

一

' l  

d s  

w 

c u  

e v a 

w 

時間

的

α

W c u  

1刀50sec.

図2.11

DVOR

ア ン テ ナ 外 観 ( 関 宿

V0  R) 

の30Hz信 号 や 識 別 符 号 な ど で 振 幅 変 調 さ れ た 搬 送 波 を 発 生 す る . 側 波 帯 送 信 機 は ， 上側 波 帯 用 と 下 側 波 帯 用 か ら な り ， そ れ ぞ れ ， 搬 送 波 周 波 数 と

土9960Hz異 な る 信 号 を 発 生 す る . こ れ ら は ， デ ィ ス ト リ ビ ュ ー タ を 経 由 し て 側 波帯 ア ン テナ へ 供 給 さ れ る .

図2.10に 実 用 さ れ て い る

DVOR

の ア ン テ ナ 配 置 を 示 す . こ れ は ， 級 送 波 ア ン テ ナ Acと ， そ れ を 中 心 と す る 半 径 rの 円 周 上 等 間 隔 に 設 置 さ れ た 5 0本 の 固 定 側 波 帯 (S B ) ア ン テ ナ か ら な り デ ィ ス ト リ ビ ュ ー タ で こ れ らに順次側波帯信号を供給する構造となっている.なお • Au.  ALは，円周 上 を な め ら か に 回 転 す る 仮 想 ア ン テ ナ で ， 図

2 . 8

の 側 波 帯 ア ン テ ナ に 対 応 す る . 搬 送 波 ， 側 波 帯 ア ン テ ナ に は 一 般 に ア ル フ ォ ー ド ル ー プ ア ン テ ナ が 用 い ら れ る . ま た ， 下 方 へ の 放 射 を 低 減 す る た め ， ア ン テ ナ 下 部 に は カ ウ

ン タ ポ イ ズ が 設 置 さ れ る . 図2.11に 現 在 運 用 さ れ て い る

DVOR

局 ア ン テナ系の外観図を示す.

デ ィ ス ト リ ビ 、 ュ ー タ は ， 従 来 静 電 結 合 に よ り 固 定 側 波 帯 ア ン テ ナ に 機 械 的 に 側 波 帯 電 力 を 切 換 え 給 電 す る 構 造 と な っ て い た が⁸⁾ 我 が 国 で は 現 在 信 頼 性 の 高い固体化デ、ィストリビュータに置き換えられている.このデ、イ

図‑2.12 側 波 帯 切 換 え 波 形 と タ イ ミ ン グ チ ャ ー ト

ストリビ、ュータは，給電時に生じる高 調波 雑 音 を 低 減 す る た め .1800rpmで 回 転 す る 仮 想 ア ン テ ナAu. A_Lを は さ む そ れ ぞ れ 2本 の 固 定 ア ン テ ナ が 常 に 給 電 状 態 に な る よ う 設 計 さ れ て い る . 図2.12にディストリビュー タ に

供給される側波帯信号波形(以下切換え波形と呼ぶ)と，デ ィストリビュー

タ 駆 動 信 号 の タ イ ミ ン グ チ ャ ー ト 等 を 示 す . こ れ ら ア ン テ ナ へ の 給 電 電 圧 は ， ア ン テ ナ 回 転 を 模 擬 す る た め ， 時 間 と 共 に 正 弦 波 状 に 変 化 す る . こ の 給 電 電 圧 変 化 と . 2個 の ア ン テ ナ か ら の 放 射 波 の 干 渉 に よ り ， 時 間 の 経 過

と 受 信 方 向 の 変 化 で 側 波 帯 レ ベ ル が 変 動 す る(35)

DVOR

に は こ こ で 紹 介 し た

SS  B

方 式 と

DS  B

方 式 の 他 に ， 上 側 波 帯 と 下 側 波 帯 を 交 互 に 切 換 え 給電 する A S B方 式 が あ り(9) ヨーロッパ等 を 中 心 に 運 用 さ れ て い る . そ の 特 性 は D S B方 式 に 近 い が ， 我 が 国 で は 使 用 さ れ て い な い の で そ の 詳 細 に つ い て は 省 略 す る .

DVOR

の 固 有 誤 差 と し て は ， カ ウ ン タ ポ イ ズ の 影 響 が 最 も よ く 知 ら れ て い る . 側 波 帯 ア ン テ ナ は カ ウ ン タ ポ イ ズ と 同 心 円 状 に 配 置 さ れ て い る た め ， ア ン テ ナ の 回 転 に 伴 い ， ア ン テ ナ か ら 見 た カ ウ ン タ ボ イ ズ の 大 き さ が 変 化 し ， そ れ に 応 じ て 側 波 帯 レ ベ ル も 変 動 す る . 即 ち ， 側 波 帯 信 号 は30Hzで 振 幅 変 調 さ れ る こ と と な り ， こ れ が 基 準 位 相 信 号 の30Hzと 混 変 調

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