長波標準電波の伝搬実験と電界強度計算法の開発

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長波標準電波の伝搬実験と電界強度計算法の開発

野崎

憲朗

†a)

_土屋

_茂

††b)

_今村

_國康

††c)

_前野

_英生

††d)

長浜

則夫

††e)

_梅津

_正道

††

_若井

_登

Propagation Experiments and Prediction Method of LF Standard Frequency Waves

Kenro NOZAKI

†a)

, Shigeru TSUCHIYA

††b)

, Kuniyasu IMAMURA

††c)

,

Hideo MAENO

††d)

, Norio NAGAHAMA

††e)

, Masamichi UMETSU

††

,

and Noboru WAKAI

あらまし標準電波は十分な強度と周波数安定度をもつ電波を常時利用者に供給することが望まれている．情報通信研究機構では1999 年以来，日本全土を二つの長波標準電波発射局でカバーする態勢を進めてきた．2004 年には電波の通達状況を調査するため，日本各地で受信電界強度と位相を調査し，併せてその結果を評価するための電界強度計算法を開発した．その成果は4000 km まで適用する国際電気通信連合無線通信部門（ITU-R）の勧告として採択されている．一方，長波帯電波は国を越えて遠方まで伝わるので，同機構は長波遠距離伝搬波の受信品質と長波帯特有の空電雑音の影響を調査するため2007 年から 2008 年にかけて，太平洋航路と，赤道を横断して南極に至る航路の，8000 km を越える距離にわたって標準電波の電界強度と位相を測定した．その測定値を，上記の勧告を拡張した遠距離計算法による予測値と比較したところ，非常によい一致を示し，新しい計算法の妥当性を確認することができた．キーワード長波，標準電波，電界強度，移動測定，ITU-R 長波電界強度計算法

1. まえがき

（独）情報通信研究機構では，標準周波数及び時刻信号を日本全土に通報するため，福島県のおおたかどや山及び福岡/佐賀県境のはがね山の送信所からそれぞれ40 kHz及び60 kHzの長波標準電波を送信している[1]．2004年には，両波の通達状況及び受信品質を調査するため，北海道から沖縄に至る日本各地において，電界強度と位相を測定した[2], [3]．測定データの解析には，約4000 km以下の伝搬距離を対象として開発した近距離長波電界強度予測法を用いた．この調査の成果は国際電気通信連合無線通信部門（ITU-R）の †_{（財）テレコムエンジニアリングセンター松戸試験所，松戸市}

Matsudo Laboratory, Telecom Engineering Center, 580–2 Takatsuka-Shinden, Matsudo-shi, 270–2222 Japan

††_{（独）情報通信研究機構，小金井市}

National Institute of Information and Communications Technology, 4–2–1 Nukuikita-machi, Koganei-shi, 185–8795 Japan a) E-mail: [email protected] b) E-mail: [email protected] c) E-mail: [email protected] d) E-mail: [email protected] e) E-mail: [email protected] 勧告の改訂に反映されている[4], [5]．長波帯電波は遠達性と安定性に優れているため，近来標準電波業務への利用が高まっており，世界各地で送信局の新設が増加する傾向にある．それに伴って，共用または隣接周波数間の干渉が増加する可能性が出てきた．外国旅行中に時計が日本時間になってしまったり，時間帯によっては日本時間と米国時間に交互に変わる事例も報告されている．JJYの受信証は米国西海岸，ヨーロッパ，ニュージーランドから寄せられている．このため，2007年から2008年にかけて長波の遠距離伝搬特性に主眼を置いた測定を行った．一連の実験では，まずアジア・北米航路に就航している Argus号に測定器を搭載し，2007年の5月から6月にかけて，日本とシンガポール間及び，日本とロサンゼルス間の往復途上において電界強度及び位相を測定した[6]．続いて，その年の11月に東京を出航した南極観測船「しらせ」に同測定器を搭載して，オーストラリアと南極昭和基地を経由して2008年4月に東京に帰着するまでの間，電界強度と位相を測定した．本論文では，まず国内実験と近距離電界強度計算法

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について述べる．次に，船舶移動実験のために新たに開発した3軸直交ループアンテナを含む測定装置について述べる．遠距離伝搬では信号強度が低下して背景雑音に埋没するに伴って，受信波が信号か混信かの判別が難しくなるので，標準電波特有のタイムコードを利用した自己相関係数法による信号と混信の弁別法を適用した．その測定データ解析用に，上述の近距離計算法を発展させて遠距離長波電界強度計算法を開発した．それによる予測値と測定値との比較と検討，更に熱帯地方特有の空電雑音強度の測定値に及ぼす影響についても述べる．

2. 長波標準電波電界強度の全国調査と近

距離電界強度計算法

2. 1 冬季における電界強度の全国調査 2. 1. 1 測定対象局と使用測定器調査の対象としたJJY 40 kHzとJJY 60 kHzの2 送信局及び後述するWWVB 60 kHzの諸元を表1に示す．全国調査は，北海道から九州に及ぶ地域は2004年 1月下旬から2月中旬にかけて，また沖縄は2月下旬にかけて行った．測定は，ある地点に滞在して日周変化を測定する固定点測定と，車両の走行中に連続的に測定し，距離変化特性を測定する移動測定とに分けられる．図1に測定点を示す．使用測定器は3台のループアンテナ付き電界強度測定器（Anritsu ML428B）であり，それを専用測定車に搭載して調査地域を分担して測定した．調査に先立って，国家標準で較正した標準磁界発生器のループアンテナと電界強度測定器のループアンテナとを地上 1.4 mの高さで2 m隔てて対向させ，それぞれの電界強度測定器の較正を行った．測定時には，電界強度測定器を地上高3 mの測定車の屋根上に設置して使用した．較正時と測定時のアンテナ地上高の違いについては，調査の開始時と終了時に比較測定を行ったが，有意な差は認められなかった． 2. 1. 2 固定点測定固定地点の選択に当たっては，周辺で受信電界にじょう乱を与えるような大きな建造物や施設，送電線などがないことに留意した．両送信局からそれぞれ約 100 kmごとの地点，空間波と地表波との干渉による電界強度の大きな落込み（干渉ディップ）の予想される地点，ビルの多い都市部，沖縄地域から合計31地点を選び，24時間の連続測定を行った．表 1 測定対象の長波標準電波送信局

Table 1 LF standard wave transmitting stations.

局名 JJY（40 kHz） JJY（60 kHz） WWVB 所在地福島県佐賀/福岡県米 Colorado 州おおたかどや山はがね山 Fort Collins 緯度 37◦22’ N 33◦ 27’ N 40◦ 40’ N 経度 140◦ 50’ E 130◦10’ E 105◦03’ W 空中線型支線式頂部傘型支線式頂部傘型 Top-loaded monopole 空中線高 250 m 200 m 2× 4 本 122 m 実効 12.5 kW 25 kW 70 kW 放射電力搬送波 40 kHz 60 kHz 60 kHz 周波数

電波型式 A1B A1B A1B

周波数

確度 ±10−12 _±10−12 _±10−12

図 1 全国調査の固定測定点（●），移動測定コース（太

線）と JJY 送信局（▲）

Fig. 1 Fixed (●) and mobile (thick line) measure-ment points around Japan and JJY stations (▲). 測定に先立って，あらかじめ計算した送信点方位にループアンテナの最大指向方向が向くよう調節し，固定した．測定値に誤差を与える地形地物や混信の有無は，ループアンテナを回転させて，8の字特性を得ることにより確認することができた．しかし測定を開始してから混信が発生した場合には測定データを破棄した． 2. 1. 3 移動測定干渉ディップの予想される，おおたかどや山局から約640 kmの地点を含む2コースと，はがね山から約 700 kmの地点を含む1コースの合計3コースについて測定車を走行させながら連続して測定した．走行中の送信局方位の変化は逐次記録し，解析の際にループ

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アンテナの利得の変化を補正した． 2. 1. 4 実効放射電力測定値の解析に必要な各送信局の実効放射電力の算定には，アンテナの接地抵抗を含む諸損失抵抗と放射抵抗を知る必要がある．両局の建設時に測定したこれらの抵抗値から算出された放射効率は，JJY 40 kHz 局とJJY 60 kHz局について，それぞれ約25%以上と約50%以上という不確定な値であったが，今回の調査に際して空間波の混入の少ない送信局から100 kmと 200 km地点で得られた電界強度実測値をもとに，JJY 40 kHzの実効放射電力を12.5 kW，またJJY 60 kHz のそれを25 kWと確定し，解析に使用した．放射効率はこれから逆算して，それぞれ25%，50%となる． 2. 1. 5 受信電界測定データの処理受信信号を約10 Hzでサンプリングし，10秒間のタイムスロット内に100個の受信強度を記録した．衝撃性雑音の影響を最小限にするために，100個の上十分位値をとって10秒間の代表値とした．解析にあたっては，この10秒値をはじめとして，それを1分間で平均した1分値，10分間で平均した10分値，1時間で平均した1時間値も使用した．更に地方時12時を挟む5個の毎時間値の平均を日中強度の代表値，地方時0時を挟む5個の毎時間値の平均を夜間強度の代表値として使用した． 2. 1. 6 受信電界強度の距離変化特性受信電界強度が距離に対してどのように減少するかは，標準電波のカバレージを知る上で端的な指標となる．測定データの解析にあたっては，上記の五つのコースに沿って，両送信局から約100 kmおきに選んだ31地点における受信電界強度の変動（図1中の黒点）を，伝搬距離に対してプロットした．その中から日中の40 kHzの強度変化と，夜間の60 kHzのそれとを例として示したのが図2と図3である．両図中の太線は，後述の近距離長波電界強度計算法で計算される地表波の電界強度であり，図2の細線は太陽活動中間期の正午について計算された，電離層1回，2回反射空間波と地表波の合成電界強度である．同様に図3の細線は正子の計算された合成電界強度である．伝搬距離に対する電界強度の変化特性は，その変化の傾向から，距離区間を大きく二つのグループに分類できる．その第1は地表波が空間波より強い，距離約500 kmから600 kmまでの近距離地域である．第 2は空間波が地表波より強くなる地域であって，その中間に両者がほぼ同じ強度になり，位相が互いに逆に図 2 日中における JJY 40 kHz 電界強度の距離変化．（・）は実測値，太線は地表波の，細線は合成電界強度の予測値．

Fig. 2 Field strengths of JJY 40 kHz in the daytime. (・) indicates received signal. Thick and thin lines are estimated variations for ground and synthesized ﬁeld strength, respectively.

図 3 夜間における JJY 60 kHz 電界強度の距離変化．（・）は実測値，太線は地表波の，細線は合成電界強度の予測値．

Fig. 3 Field strengths of JJY 60 kHz at night-time. (・) indicates received signal. Thick and thin lines are estimated variations for ground and synthesized ﬁeld strength, respectively.

なる干渉域が存在する．そこでは図2に見られるような干渉による大きな強度の落込みができる．図3の夜間の特性は，電離層吸収の減少による多重反射波の増加により，合成波の変動のピッチは速く，最遠の距離2000 kmでは地表波より約20 dB強く受信される．図2，図3とも測定値と予測値とはよく一致していることが分かる．例外的に図3の1100 km付近の2点について計算値が実測値を反映せず，夜間の下部電離層変動を考慮した計算法の改善の必要性を示唆している． 2. 1. 7 受信電界強度の日周変化特性電離層伝搬を介して受信点に到達する電波の位相は，反射高の変動に伴って変化するが，特に日出没時には D層の生成・消滅が短時間に起こるので，それに伴って受信強度と位相は大きく変化する．したがって一定時間内の位相の変動量に比例する周波数安定度は，日出没時間帯に最も低下する．しかし伝搬距離の増加と

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図 4 距離約 900 km における JJY 40 kHz 電界強度と位相の日周変化

Fig. 4 Diurnal variation of JJY 40 kHz ﬁeld strength and phase at 900 km from transmitter.

ともに電離層入射角が大きくなり，見掛け反射高の変化の影響は小さくなる．このように伝搬距離に伴って周波数安定度も変わるから，各測定地点での電界強度の日周変化特性は，周波数安定度を推し量る上で有効なだけでなく，電界強度計算法の反射高モデルの妥当性を評価するための良い指標となる．そこで固定点測定による31日分（2周波合計62日分）すべての電界強度の日周変化を解析し，予測電界強度と比較検討した．その中から例として，送信点からの距離約900 km における地点での40 kHz電界強度の日周変化を図4 に示す．図中の18時から22時までの測定値が高いのは混信によるものであり，それ以外の時間では予測値と測定値は非常によく一致している．図の右縦軸は，空間波成分の地表波からの位相遅延角を示す． 2. 1. 8 移動測定により明らかになったMID (Max-imum Interference Dip)

長波帯の電波が送信点から数百km離れた距離において，干渉による大きな電界の落込みを示すことは既に知られており，例えば，Belrose（1968）[7]は1964 年の航空機による実験において約650 kmの距離での MIDを報告している．今回の調査においても，この MIDを連続的に観測するために，固定点測定とは別に，JJY 60 kHz波を600 kmから800 kmにわたって，走行中の測定車上で測定する移動実験を実施した． MIDは地表波と空間波の強度がほぼ等しく，位相が互いに正反対のときに，両者の干渉によって現れる現象であるから，その条件を満たす距離はクリティカルであることが予想される．図5は伝搬距離に対する受信電界強度の変化を示しているが，692 kmの距離でMIDが起こっていることが分かる．図中には電離図 5 移動測定により検出された電界強度の MID（最大干渉ディップ）現象．実線は予測値，点は測定値． Fig. 5 Maximum Interference Dip (MID) observed with mobile measurement (・) and estimated (lines). 層反射高を変えながら，MID近傍の電界強度変化を計算した結果も示した．図には反射高Rh = 69 km， 69.4 km，70 kmの場合の計算例を示したが，この中でRh = 69.4 kmが実測のMID距離692 kmに最も近い． 2. 1. 9 国内移動測定の考察 ITU-R勧告P.684-4 [5]にあるとおり，波線法は送信された電波が電離層と大地の間を光線のように直線的に反射を繰り返して受信点に達するという，直感的に分かりやすい手法であるが，電離層の高さが波長の数倍以下になると導波管法での計算が有利となる．ITU-R勧告では波線法の適用可能下限周波数は 60 kHzとされているが，本調査により40 kHzに対しても十分な精度で適用できることが分かった．送信点から約100 kmごとの固定点で得られた電界強度の伝搬距離に対する変化は，約1000 kmから1800 kmに至る距離範囲において，地表波より約10 dB高い合成電界強度で推移することを示している．また，市販の電波時計が目安としている，自動較正のための電界強度値50（dBμV/m）を国内全域で上回ることが確認された．調査から得られた電界強度の距離変化特性及び日周変化特性は全体的に計算法によって予測されたものと非常によい一致を示している．これは測定値の確かさと，計算法の妥当性を併せて証明する証左となっている．電界強度及び位相の日周変化の定常的な観測は，長波標準電波の周波数安定度を評価する格好な手段である．今回の調査は冬季に実施されたが，電界強度は季節的にも大きく変化することは，計算法による予測によっても明らかなので，今後早い時期に同規模の調査

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図 6 地表距離 4000 km までの電離層伝搬モード．パラメータは式 (4)∼(6) 参照．

Fig. 6 Schematic diagram of propagation path ge-ometory and factors up to 4000 km. See Eq. (4)∼Eq. (6) for parameters.

が行われることが望まれる． 2. 2 近距離長波電界強度計算法 ITU-Rの従来の勧告P.684-3 [8]は，150 kHzから 500 kHzまでの空間波電界強度を，主として図表を用いて計算するという時間と労力のいる方法である．その上夏，春秋，冬の三つの季節と日中と夜間の二つの時間帯に限った条件でしか計算できないという不便さもある．これらの難点を解決するため，筆者の一人によって同勧告の改良[3], [4]が行われた．その結果が，現勧告P.684-4 [5]中の2. 3節，合成電界強度と位相の数値計算法である．本節では国内移動測定の評価にこの計算法を用いている．空間波の電界強度は，電波通路長損，集束/発散係数，アンテナ係数，電離層及び大地反射係数の積として表される．数値計算法の特徴は新たに，パラボラ分布のD/E層の反射高度モデルを導入することにより，それまで[8]では図表で昼と夜でしか表せなかった時間的な変化を，24時間を通じて太陽天頂角の関数として表せるようになった．反射高度が計算により得られるので，伝搬通路長，基本伝送損も計算で求められる．更に図表で与えられていた各種パラメータを内挿法により月変化をも表せるようになった．図6に計算に必要な伝搬様式と諸因子を示す．電離層での1回と2回の反射モードそれぞれが最大 2000 kmまで伝搬し，各反射点では垂直偏波が保持されると仮定して計算する． 2. 2. 1 反射高モデル 24時間を通して反射高を計算するためには，まずD 図 7 電離層反射高モデル

Fig. 7 Ionospheric reﬂection height model.

層からE層にかけての電子密度分布をパラボラ分布と仮定し，その最高周波数をITU-R勧告P.1239 [9]を用いて計算する．次に分布の下限周波数fbを10 kHz として，層の最小半層厚ymin，最大半層厚ymaxと E層の最高高度hmaxに対してそれぞれ10 km，30 km， 100 kmを与えると，夜間の最低反射高度は90 km （hmax− ymin）に，また昼間の最低反射高度は70 km （hmax− ymax）になる．例として，ある地点における反射層の高度分布をh-f（周波数対反射高）曲線で表すと図7のようになる．図において地方時0時から 3時の間は同じとする．反射高Rhは次式のように計算される． Rh= hmax− ym

1−f − fb foE (1) ここで

ym = ymm −(ymm− y_f min)(fmax− foE)

max− fmin (2)

であり，ymmは

ymm=ymax−(ymax− ymin)(fk0− fmax) (fk0− fmin) (3) から求められる．また，fk0（太陽天頂角が0のときのfoE），fmax （その地点でのfoE の最大値）とfoE（与えられた地方時における）は[9]の第4章foEの予測から計算できる． 2. 2. 2 集束効果球面電離層からの電波束の集束効果は，[8]では昼間と夜間の二つの曲線により与えられていたが，24時間を通じて計算できる集束効果を求めるため，数値計算法では図8のように両者の平均を集束係数Fcとした．

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図 8 集束係数 Fig. 8 Focusing factor.

表 2 大地常数

Table 2 Factors for ground conditions.

大地条件比誘電率ε 導電率 σ（S/m） 海水 80 5 平均的な土 15 0.002 乾燥大地 15 0.0005 2. 2. 3 アンテナ係数送信と受信アンテナ係数Ft，Frは[8]が与える表2 の三つの大地条件に対する曲線群から，仰角と周波数に関する補間により求める．仰角が負になると回折波となるが，回折損はこの曲線群に含まれる． 2. 2. 4 電離層反射係数 [8]は，電離層反射係数Rcを，夏，冬，春秋の季節ごとの図として与えている．任意の月と時刻の反射係数は曲線群の補間により求める． 2. 2. 5 空間波電界強度 [5]では地表に置いたループアンテナで受信したときの電離層1回反射波の実効電界強度Es1（mV/m）は次式で計算される． Es1=600 √ P t cos(Ψ1)RcFcFtFr L1 (4) ここでP tは放射電力（kW），Ψ1 は仰角であり，L1 は電波通路長（km）である． 2回反射モードに対する空間波の実効電界強度Es2 （mV/m）は，次式で表される． Es2=600 √ P t cos(Ψ2)Rc1Rc2Fc2DgRgFtFr L2 (5) ここでRc1 とRc2はそれぞれ1回目と2回目の反射に対する電離層反射係数であり，Dgは球面大地に起因する発散係数で，1/Fcに等しい．Rgは導電性地球の実効的反射係数であり，L2は2回反射モードの全電波通路長である．電離層反射係数はすべての反射点で同じ（Rc1 = Rc2 = Rc）であると近似して，Es2 は次式で表される． Es2= 600√P t cos(Ψ2)Rc2F cRgF tF r L2 (6) 2. 2. 6 地表波と合成電界強度地表波の伝搬曲線はITU-R勧告P.368-7 [10]で与えられている多くの大地条件の中から，海水（ε：70， σ：5 S/m），土（ε：22，σ：0.003 S/m）及び乾燥大地（ε：7，σ：0.0003 S/m）を選択し，周波数については9つの周波数40，50，75，100，150，200，300， 400，500 kHzの図表の中から適宜選択して，目的の伝搬距離に対応する地表波強度を計算する．空間波と地表波は伝搬距離による位相項を含むが， [5]では1回，2回反射波と地表波のベクトル合成により受信点での電界強度を計算する．

3. 船舶による移動実験と遠距離長波電界

強度予測法

3. 1 船舶による移動実験 3. 1. 1 測定対象標準電波局と受信装置測定の対象波は，上述の国内調査における日本の標準電波2局のほかに，米国のフォートコリンズ（40◦ 40’ N，105◦ 03’ W）から発射されている標準電波 WWVB 60 kHz（推定実効放射電力70 kW）も含まれる（表1参照）．船舶に搭載した電界強度測定器は，40 kHzと60 kHz の周波数切換，基準発振器による周波数ごとの較正と測定，更にアンテナ出力の合成などを3分以内に行う．したがって受信電界強度のデータとルビジューム基準発振器に対する位相遅れのデータは，2周波数について3分ごとに得られた．今回の測定では，解析は受信強度のみに限り，位相変動の解析は機会を改めて行う．また受信用ループアンテナの近くにGPS受信用アンテナを設置して時刻情報と位置情報を得た．船舶から見た送信局の方向は，航行とともに変化するので，船舶に搭載するアンテナは水平面内において無指向性であることが望ましい．そこで3軸直交ループアンテナを新たに開発し，船の実験室に近い手すりに固定した．受信用ループアンテナの水平面内指向性は全方向にわたって±0.3 dB以内に収まっていることを確認した． 3. 1. 2 測定方法 JJYのタイムコードは継続時間0.8秒，0.5秒と0.2

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秒の秒信号パルスからなっているので，それらの受信強度を測るため約0.1秒ごとにサンプリングを行い， 10秒間に100個のデータを取得した．一般に受信信号はフェージングにより変動し，またパルス性の雑音を含んでいるので，その100個のデータのうち，強い方から10番目の強度（上十分位値，upper decile value）を電界強度値とした．この処理を，アンテナの X，Y，Z軸の受信出力について順次切り換えて測定し，それらの合成を行う．この合成を40 kHzの出力に対して行った後，60 kHzに切り換えても行い，その結果を3分ごとにハードディスクに記録した．また同時に，GPS時計から求めた船（受信点）の緯度経度と測定時刻も併せて記録した． 3. 1. 3 データ処理電界強度計算法が予測する強度は中央値である．一方記録した受信波は，上述のように上十分位値であるから，受信波はレイレー分布に従って変動すると仮定して，記録した値から5.2 dBを差し引いて中央値に換算して両者を比較した．一方3分ごとの受信記録は，予測のもとになる電離層諸量の変動速度に比べてはるかに細かいので，予測値と比較するためには，時間的に平滑化した方が処理しやすい．そこで15個の受信強度記録すなわち45分間の移動平均をとり，その中央の値を最終的な受信強度とした． 3. 1. 4 自己相関係数を利用した秒信号の確認伝搬距離の増加とともに電界強度は低下する．送信電力と周囲雑音などにもよるが，長波の場合，距離 4000 kmを超えるあたりから信号強度が背景雑音レベルと同程度になり，特に受信点が空電雑音の強い熱帯地方または市街地域に近づくと，信号は雑音に埋もれてしまう．受信信号音を録音して雑音混信の有無を確認することはできるが，受信音だけから受信強度への雑音の影響の程度を判断することは難しい．そこで今回の移動実験では，標準電波信号の秒信号を利用して，自己相関係数を用いた混信判定法を導入した．標準電波のタイムコードは発射局により，秒信号パルスの幅，タイミング，減力レベルなどが異なるが，秒信号そのものの周期性は変わらない．その性質を利用して，10秒間の受信信号から100個のサンプリングパルス列を切り出し，その自己相関係数を計算する．その結果，秒信号の周期性が検出されれば，受信波は標準電波であると判定し，検出されない場合は混信雑音と判定した． 3. 1. 5 移動測定コース本項では，測定器を船舶に搭載して太平洋を横断した日米間の東西コースと，赤道を越えて南極まで往復した南北コースの電界強度移動測定について述べる．ここでは前者を東西コース，後者を南北コースと呼び，それぞれについて測定結果の解析を行う．東西コース上の測定結果は，[6]において既に報告したが，その後データの解析処理について相当の改善を行ったので，南北コースと併せて報告する．東西コースでは，測定器を搭載した日本郵船の Ar-gus号が2007年5月13日に東京大井埠頭を出港し， 6月24日に同埠頭に帰着した．しかし全航程の前半にあたる東南アジア海域では，空電雑音レベルが非常に高く，また台湾，香港，シンガポール近傍では人工雑音と思われる混信妨害を受けて標準電波の良好な受信ができなかった．そこで東西コースは，船が東南アジアから東京の南方海上に戻った5月31日から一路大圏に沿って太平洋を横断し，再び日本に戻るまでの区間に限って解析した．測定は，ロサンゼルス停泊期間中には行わず，サンフランシスコに移動して，そこを出港した6月15日から再開し，東京に帰着した6 月23日まで行った．また南北コースでは，東西コースで使用した測定装置をそのまま南極観測船「しらせ」に積み替えて，オーストラリアを経由して日本と南極昭和基地を往復する全航路にわたって，電界強度測定を実施した．「しらせ」は2007年11月14日東京を離れ，11月28日フリーマントル着，12月3日同港を出航して南下し，南極大陸沿いに昭和基地に向かった．また帰路は2008 年2月15日昭和基地を出発し，3月20日シドニーに入港した．更に3月26日シドニーを出港し，4月 12日東京に帰着した．オーストラリア以遠は伝搬距離が9000 kmを超えて信号強度が弱くなるが，数日間は JJY波と確認した．船上観測の航路を図9に示す． 3. 1. 6 空電強度の予測電波の受信に影響を及ぼす電波雑音は，長波帯から超長波帯にかけては空電雑音が最も卓越する．今回の測定においても，受信強度が低下する遠距離において，背景雑音がどの程度の強さになるか，特に雷活動の活発な熱帯地域を通過する東南アジアコースで空電雑音がどの程度影響するかは，計画の当初から懸案であった． ITU-Rの勧告372 [11]は短波帯以下の空電強度を 24枚の世界分布図で与えている．利用者は計算しよう

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図 9 移動測定の東西及び南北コース航路図 Fig. 9 East-west and north-south mobile observation

paths. とする季節と地方時を含む図を使って目的の地点の雑音指数F amを読み取る．更に次式により，受信機帯域幅と周波数の補正を施して雑音電界強度を求めることになる． En = F am − 155.5 + 20 log f + 10 log b (7) ここでEn（dBμV/m）はバンド幅b（Hz）の雑音電界強度中央値であり，F amは中心周波数f（kHz）に対する，4時間のタイムブロック中の雑音指数中央値である．今回の東西コースの測定は，春から夏の季節にかかり，また広い地域に及んでいるので，コース上の4 時間ごとの位置におけるF amの，春と夏の平均値をとってその地点のF amとし，雑音電界強度を図10に示した．また南北コースの測定は，往路は秋，復路は春の測定なので，勧告372 [11]に与えられたそれぞれの季節の雑音分布図から同様に雑音電界強度を図13 に示した．ただし赤道を挟んで季節は反転するので，南半球では往路は春から夏の図を，復路は秋の図を用いた． 3. 1. 7 東西コースにおける電界強度実測値と予測値との比較全解析期間にわたる受信電界強度の変動を40 kHz と60 kHzに分けて図10に示す．測定値を赤，後述の遠距離電界強度計算法による予測値を青の実線で， 4時間ごとの空電雑音強度を緑の点で示した．また， JJY送信局からの大圏距離を黒線で示す．日本からアメリカ西海岸に至る太平洋コースでは，図 10 東西コース受信電界強度測定値（赤実線）と予測値（青実線）及び空電雑音強度予測中央値（緑点）．黒線は送信局からの地表距離．(a) 40 kHz，(b) 60 kHz

Fig. 10 Measured (red line) and predicted ﬁeld strength (bule line) of JJY 40 KHz and at-mospheric noise estimation (green dot) along east-west observation path. Black line indi-cates surface distance from transmitting sta-tion to the receiver. (a) 40 kHz, (b) 60 kHz.

40 kHzの予測値は，送信点から約4000 kmまではほぼ測定値と合っているが，それ以遠では多少低めになっている．しかし受信強度が低くなると空電雑音レベルに近づき，受信強度が必ずしも信号強度であるとはいえない．JJY信号の判定に自己相関係数法を適用する．図11は40 kHz受信信号の自己相関係数で，横軸は秒で表す遅延サンプル数である．図9 (A)点に示す2007年6月5日の信号強度は雑音レベルより十分高く予測値とよく一致し，自己相関は秒信号の周期性を示している（図11 (a)）．一方2日後の図9 (C)点に示す6月7日は，背景にある空電雑音の影響を受けて，自己相関は図11 (b)に示すように，周期性のない負の値を示している． 40 kHz波が距離とともに一様に減少したのと対照的に，60 kHz波はアリューシャン列島の南方海上あたりから電界強度は上昇に転ずる．米国はJJYの60 kHz

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図 11 40 kHz波受信強度の自己相関係数．6 月 5 日（コース上の A 点）では JJY 秒信号の周期性が明りょうに現れている (a)．これに対し 6 月 7 日（コース上の C 点）では雑音が卓越して周期性が見られない (b)．

Fig. 11 Correlogram of 40 kHz signal. (a) Periodicity appeares clearly at point A on June 5. (b) No periodicity appears due to noise at point C on June 7.

図 12 東西コースに沿う 60 kHz 受信電界強度測定値と

WWVB波の電界強度変動の予測値．凡例は図 10

に同じ．

Fig. 12 Measured and predicted ﬁeld strength of WWVB along east-west path. Same legend as Fig. 10. と同じ周波数で標準電波WWVBを発射しているから，WWVB局との共用周波数干渉は，測定を計画した段階から予想された．60 kHz波測定値とWWVB 波の強度予測値とをコース全体にわたって示すと図12 のようになる．この図により，米国西海岸に近づくにつれ増加するのはWWVB波であることが明らかである．図10 (b)と図12とから，60 kHz波の受信強度については，東西コース全体として測定値と予測値の間に非常によい一致が見られる．更にJJY波とWWVB波の混信を，自己相関係数法を用いて検証する．60 kHzの場合，図9 (A)点の6 図 13 南北コース受信電界強度と予測値及び空電雑音強

度予測中央値の変化．(a) JJY 40 kHz，(b) JJY 60 kHz．凡例は図 10 に同じ．

Fig. 13 Measured and predicted ﬁeld strength to-gether with atmospheric noise estimation along north-south observation path. (a) JJY 40 kHz and (b) JJY 60 kHz. Same legend as Fig. 10. 月5日はJJY波とWWVB波がほぼ同レベルに達した日であった．このときの自己相関係数は二つの信号が混信しているため，全体として周期性のない一様な正の相関係数を示した．それから12時間後の図9 (B) 点ではWWVB波が強くなり，相関係数に再び秒信号の周期性が明りょうに現れた．このように自己相関係数を用いる方法は，単に混信ではなく，共用周波数信号による混信か，雑音のような不規則信号による混信かの弁別にも役立つ有効な方法であることが分かる． 3. 1. 8 南北コースにおける電界強度実測値と予測値との比較図13に南北コースの40 kHzと60 kHzの受信電界強度，予測値，空電雑音強度予測値，送信局からの大圏距離の推移を示す．両図とも，左半分が日本からフリーマントルを経由する往路，右半分がシドニーを経由して日本に戻る復路にあたる．往復路とも東西コースほど大圏路に沿っていないが，時間経過がほぼ伝搬

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距離に比例する表示になっている． 40 kHzについては，フィリピン東方を南下する2007 年11月18日頃から受信レベルが上昇し，雑音性の速い変動を伴って高いレベルでフリーマントルまで推移している．自己相関係数法によると，11月17日（コース上D点）におけるJJY 40 kHz受信強度の自己相関係数には秒信号の周期性が明りょうに現れた．これに対し，11月18日（コース上E点）は全く周期性のない負の相関係数となり，明らかに雑音性のものであることが分かる．その上，[11]で予測される空電雑音が信号レベル近くまで上昇している．したがって 11月18日以降フリーマントルまでの受信データの大部分は空電雑音の影響を受けている．ただし，11月 24日だけは，40 kHz波と60 kHz波ともに信号の周期性が確認された．更にフリーマントル出港後，最後に 60 kHz波が確認されたのは12月6日であり，送受信点間距離は約9300 kmであった．復路については，南極からシドニーに向かう航路上の，3月15日から3月17日までの間だけ受信波が 60 kHzと確認された．その最遠地点は南緯50度で，送受信点間距離約9600 kmであった．それ以降はシドニー近傍の都市雑音及びニューギニア近傍の空電雑音の影響を受けて信号は確認できず，赤道を越えた4月 2日からはJJY波が受信された．南北コース全体としては，熱帯性空電雑音の影響を受けたため，特に40 kHz波は往路約2000 km，復路約 4000 kmまでしか連続した測定値は得られなかった．しかし60 kHz波は往復路とも約8000 kmにわたって予測値強度とよく一致する信号を受信することができた．また受信点が都市部近傍を通過する際には，40 kHz， 60 kHzとも強い人工雑音による受信障害を受けた．長波の受信においては，自然雑音はもちろん，最近の電子機器利用の高まりとともに低周波帯で増加しつつある人工雑音に注意する必要がある． 3. 2 遠距離長波電界強度計算法 2. 2に述べた長波近距離法は，ITU-Rが現在推奨する長波電界強度計算法[5]であり，基本的には Wave-hop法（波線法）であって，電離層と大地の間を，反射を繰り返しながら受信点に達する，多くの電波通路（波線）の合成から受信電界強度を求める方法である．しかしこの方法は，電離層での反射回数を2回までに限定しており，最長約4000 kmまでの伝搬距離に対しては適用できるが，今回の測定のように8000 kmを超える距離に対しては適用できない．そこで受信データの解析にあたっては，[5]を基本として最大10回反射までの空間波を合成する遠距離電界強度計算法を開発した．ループアンテナで受信した実効電界強度E(mV/m)は，10回反射までの空間波EsKと2. 2. 6同様，地表波との合成電界強度で表される． E = Eg + 10

K=1 EsK (8) ここでK 回反射の空間波は次式で表される． EsK= 600√P t cos ΨK K

L=1

RcK,L

K

L=1

P lK,L

F cK RgK−1 K F tKF rKexp

−jk K

L=1 P lK,L

(9) ここで添字 K とL はホップ数と反射点番号を意味する．また，電離層反射係数RcK,Lは反射点での太陽天頂角χと周波数f（kHz），電離層入射角iの関数となる．今回[5]の図表をf cos(i)の低い値まで延長し，図14 (a)∼(c)に示すように太陽活動度の最小（SSN：0∼25）と中間（SSN：25∼75），最大（SSN： 75∼150）に分けて表示した．任意の伝搬条件に対しては，この3図から補間により求める．近距離法では図6に示すように電離層反射点の経度差は2000 km以内，たかだか18◦であり，場所による反射係数の違いは無視している．遠距離法では反射点が正午から夜中まで広がる場合がある．例えば太陽活動極大期の太陽直下点と日出没点では図14 (c)で読み取れるとおり， f cos(i) = 10 kHzでは反射率にして3.5倍，強度で 7 dBの違いが出る．多回反射の遠距離伝搬では反射点ごとの反射係数の違いが無視できない F cKは集束係数であり，RgK は垂直偏波に対する大地の実効反射係数．なお，仰角が負となる回折域では[10]で示される地表波の伝搬モードの回折損を加えた．なおこの遠距離電界強度計算法は，NICTのホームページ“http//jjy.nict.go.jp/”に公表されている．

4. 考察と今後の課題

船舶を用いた移動測定は，電波の伝搬特性及びその

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図 14 太陽活動極小期（SSN: 0∼25），(b) 太陽活動中間期（SSN: 25∼75），(c) 太陽活動極大期（SSN: 75∼150）の電離層反射係数．太陽天頂角χ をパ ラメータにした横軸のf（kHz）は周波数，i は電 離層入射角であり，曲線は上から cos(χ) = −0.5, −0.35, −0.21, 0.0, 0.2, 0.375, 0.55, 0.707, 0.85, 1.0についてプロットした．ただしχ は太陽天頂角．

Fig. 14 Ionospheric reﬂection coeﬃcient for (a) min-imum (SSN: 0∼25), (b) medium (SSN: 25∼ 75), and (c) maximum (SSN: 75∼150) so-lar activity. Curves are for cos(χ) = −0.5,

−0.35, −0.21, 0.0, 0.2, 0.375, 0.55, 0.707,

0.85, and 1.0. χ is solar zenith angle.

予測法を調査研究する上で非常に有効であることが確かめられた． 40 kHzと60 kHzの両波について，東南アジア航路で観測された非常に高い混信強度は，主として低緯度特有の空電雑音に起因するが，それに加えて人口密度の高い都市近傍では各種の電気・電子機器による人工雑音の増加が原因となっていると思われる．長波標準電波の受信にあたってはそれらに対する考慮と対策が必要である．約8000 kmに及ぶ東西と南北のコース全般にわたって，60 kHz波の測定値と予測値は非常によく一致していることが分かった．一方40 kHzについては，米国西海岸に近づく東西コースの後半で測定値は予測値より高めである．しかしその原因は自己相関係数法により空電雑音レベルの上昇によることが確かめられた．また南北コースでも40 kHz波は空電雑音の影響を受けて，遠距離まで一貫した測定データを得ることはできなかったが，混信の弱い一部の地域で信号が受信され，予測法は実測結果とよく一致していることが確かめられた．全体として遠距離計算法は妥当であるということができる．長波電波の遠距離伝搬は，太陽活動，季節，時間，送信諸元など多くの要因に依存するので，予測法の改善のため，今後も種々の送受信条件及び大地条件で実験と伝搬理論の改良を続ける必要がある．謝辞東南アジア及び太平洋航路に就航している Argus号上に測定器を搭載し，1か月以上に及ぶ測定に格別の便宜を提供して頂いた日本郵船（株）に対し深く感謝の意を表します．また装置の測定装置一式の運搬設置に御協力を頂いた協立電子工業（株）に深謝致します．文献 [1] 栗原則幸，“長波標準電波，”通信総合研究所季報，vol.49, pp.167–173, March/June 2003. [2] 栗原則幸，大塚敦，今村国康，高橋幸雄，若井登，“冬季における長波標準電波強度の全国マップ，”信学技報， A·P2004-195, Dec. 2004.

[3] N. Wakai, N. Kurihara, A. Otsuka, K. Imamura, and Y. Takahashi, “Wintertime survey of LF ﬁeld strengths in Japan,” Radio Sci., vol.41, no.5, RS5S13, pp.1–7, Sep./Oct. 2006.

[4] 若井登，栗原則幸，大塚敦，今村国康，“長中波電界

強度計算法，”信学技報，A·P2003-271, Feb. 2004.

[5] Recommendation ITU-R P. 684-4, Prediction of ﬁeld strength at frequencies below 150 kHz, ITU, 2005.

[6] 土屋茂，野崎憲朗，今村国康，前野英生，若井登，“ア

ジア・北米航路における長波標準電波の電界強度移動測定，”信学技報，A·P2007-138, Jan. 2008.

[7] Belrose, J.S., “Low and very low frequency radio wave propagation,” AGARD Lecture Ser., vol.29, pp.97–115, Advis. Group for Aerosp. Res. And Dev., NATO, Neuilly-sur-Seine, France, 1968.

[8] Recommendation ITU-R P. 684-3, Prediction of ﬁeld strength at frequencies below 150 kHz, ITU, 2001. [9] Recommendation ITU-R P. 1239, ITU-R Reference

ionospheric characteristics, Annex I Ionospheric char-acteristics, 4 Prediction of foE, ITU, 2002.

[10] Recommendation ITU-R P. 368-7, Ground-wave propagation curves for frequencies between 10 kHz and 30 MHz, ITU, 1992.

[11] Recommendation ITU-R P. 372-9, Radio Noise, ITU, 2007.

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野崎憲朗（正員）昭 47 東京教育大・理・応用物理卒，昭 49同大大学院修士課程了，同年郵政省電波研究所（現情報通信研究機構）入所，以来電波予・警報，電離層の研究に従事，平 20 テレコムエンジニアリングセンター入社．土屋茂（正員）昭 55 長野県立岩村田高校卒，郵政省電波研究所（現情報通信研究機構）入所，平 7∼10 宇宙開発事業団出向，通信衛星，電離層観測衛星，技術衛星の開発を行い，現在は日本標準時の運用に従事．今村國康（正員）昭 51 郵政省電波研究所（現情報通信研究機構）入所，無線機器の検定・試験法開発，国際間周波数・時刻比較の研究に従事．現在，周波数標準・標準時の運用・開発に従事．前野英生昭 55 名古屋電気通信工学院電波通信学卒，同年郵政省電波研究所（現情報通信研究機構）入所，以後，電離圏伝搬，リモートセンシング分野の研究を経て，現在時刻周波数標準の比較分野に従事．工博．長浜則夫平 13 広島大・総合科学卒，平 15 北大修士課程了，（株）グローバルオーシャンディベロップメント入社，観測船で海洋，気象，地球物理観測機器の運用と保守に従事，平 19（独）情報研究通信機構入所，南極観測に従事．梅津正道昭 57 福島県立福島工業高校卒，日本電気（株）入社，衛星通信の地上設備の製造検査に従事，日本スペースイメージング社で衛星のタスキング業務などを経て，平 19 （独）情報通信研究機構入所，南極観測に従事．若井登（正員）昭 25 東大・工・電気卒，同年郵政省入省，以来電離圏伝搬の研究に従事，東海大学開発技術研究所教授などを経て，電波技術協会技術顧問在任中の平 21 他界．工博．著書「電波ってなあに」，「てれこむノ夜明ケ」．

長波標準電波の伝搬実験と電界強度計算法の開発