スピンを伴う飛翔体に搭載可能なGPS受信機の開発

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スピンを伴う飛翔体に搭載可能な

GPS

受信機の開発

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GPS Receiver Design for Spin-Stabilized Launch Vehicles

海老沼拓史∗2_・楠 _知 _通∗3_・阿 _部 _俊 _雄∗4_・齋 _藤 _宏 _文∗5

Takuji Ebinuma, Tomomichi Kusu, Toshio Abe and Hirobumi Saito Key Words : Global Positioning System, Launch Vehicle, Spin Stabilization

Abstract : This paper describes the design and development of a dedicated GPS receiver for spin stabilized launch

vehicles. The receiver is built around a commercially available low cost GPS chip set and operates an enhanced firmware specifically adapted for high dynamics applications. In order to keep tracking a sufficient number of GPS signals even during the spinning motion, we use multiple GPS patch antennas and space them equally apart each other around the cylindrical launcher body. A new signal combining scheme was developed to avoid deep fading in antenna gain pattern. This technique requires phase control to keep signals received on multiple antennas in phase with each other. A dual-antenna GPS receiver was developed to evaluate the proposed signal combining algorithm. The result showed that the proposed algorithm was capable of providing stable and continuous signal tracking under a high-rate spinning motion while simple RF combining through a power combiner was failed.

1. まえがきロケットへのGPS受信機の搭載には，飛翔安全や理学観測，衛星軌道投入の精度向上など，さまざまなメリットが挙げられる．しかし，ロケットの飛行中に測位を実施するには，ロケットの高ダイナミクスに対応した特殊なGPS受信機が必要となる．そのため，高ダイナミクス対応のGPS 受信機は高価になり，低価格での打ち上げを想定している小型ロケットや観測ロケットでは，GPS受信機搭載のハードルが高くなってしまっているのが現状である．そこで，本研究では，PC上で動作するオープンソースのGPS受信機ソフトウェアを市販のGPS受信機モジュールに移植することで，高ダイナミクス対応のGPS受信機を開発した．この受信機では，高ダイナミクス環境で問題となる信号追尾ループの設計など，下位レベルの処理もユーザーがアクセスできるという利点を持つ．また，測位結果の出力頻度やフォーマットなど，ユーザーインターフェイスもミッションに応じて自由に設計できる．今回開発した高ダイナミクス対応受信機は，JAXA宇宙科学研究本部の観測ロケットや，小型衛星打ち上げ用の固体ロケットへの搭載を検討している．これら固体ロケットでは，姿勢安定化のためにスピン飛行を行うことがある．したがって，ロケット側面に設置されるアンテナは，その方向を常に変化させることになり，それに伴い受信信号強度 ∗1⃝ 2009 日本航空宇宙学会_C 平成 21 年 6 月 9 日原稿受理 ∗2_{東京海洋大学} ∗3_東京大学 ∗4_{スペースリンク株式会社} ∗5_{宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部} も短時間で大きく変化することになる．また，ロケットの全側面をひとつのアンテナでカバーすることはできないため，複数の受信アンテナを円周方向に設置することとなる．このように，スピンを伴う飛翔体に搭載するGPS受信機は，高ダイナミクス対応に加えて，スピン中に複数のアンテナによって受信された信号の合成についても考慮する必要がある．複数のアンテナで受信された信号の利用において，最も単純な方法はコンバイナによる合成である．しかし，この手法ではフェージングにより受信強度が極端に低下する領域が生じてしまう．その結果，スピン中に受信レベルが断続的に弱まることになり，信号を連続して追尾できない可能性がある．本研究では，フェージングによる受信強度の低下を避けるために，GPS信号の受信にダイバーシティのひとつである等利得合成方式の応用を試みた．これら信号処理に関係する課題に加えて，ロケット搭載機器では，ハードウェアの耐環境性能も重要となる．本研究では，低価格化のために，カーナビなどで利用される市販のGPS受信機モジュールを利用している．そこで，本来仮定されていない激しい衝撃と振動に市販品が耐えることができるかどうか，環境試験を実施し確認した．本稿では，今回開発したスピン対応のロケット用GPS受信機アルゴリズムの設計に加えて，ターンテーブルやGPS 信号シミュレータを用いた信号追尾実験，および耐環境試験の結果について報告する． 2. 高ダイナミクス対応受信機本研究では，ロケットの高ダイナミクスに対応したGPS 受信機の開発に，オープンソースGPS のひとつである

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0 5 10 15 0 5 10 15 Thrust [G] 0 5 10 15 0 5 10 15 Time [min] Position Error [m] 第 1 図シミュレータによる高ダイナミクス測位実験 GPL-GPSを使用している．オープンソースGPSは，ボーイング社の技術者である

Cliﬀord Kelleyによって公開されているGPL（General Public License）のGPS受信機用組込みソフトウェアである1)_{．オープンソース}_GPS_{は，信号追尾など下位レベルの} 処理にもユーザーが自由にアクセスできることもあり，大学での研究開発に広く利用されている．その中で，GPL-GPSはオープンソースGPSを市販の GPS受信機へ移植することを目的としたプロジェクトであり，Zarlink社のGPSベースバンドプロセッサーである GP4020を移植のターゲットとしている2)_{．さらに，} GPL-GPSは海老沼らによって，ロケットの高ダイナミクスを考慮した信号追尾アルゴリズムが追加された3)_．高ダイナミクス環境での信号追尾に対応したGPS受信機の動作を確認するために，Spirent社のGPS信号シミュレータを用いて試験を行った．GPS信号シミュレータとは，任意の信号ダイナミクスに対して，受信機のアンテナで受信される測位信号を模擬したRF信号を生成する装置である．第1図に，シミュレータでの実験に用いた加速度プロファイルと，高ダイナミクス対応受信機による測位結果を示す．シミュレーションは3段式固体ロケットであるM-V のダイナミクスを模擬しており，試験開始から5分後に発射された後，各段の分離・点火に応じて急激に加速度が増加している．GPS受信機もシミュレーションの開始と同時に信号検索を始め，約3分後に測位を開始している．この動作試験により，最大加速度12 Gという高ダイナミスク環境下であっても，信号追尾を失うことなく，連続した測位が可能であることが確認された．また，加速度の急激な変化による測位精度の劣化も見られなかった． 3. 耐環境試験本研究では，GP4020を搭載した受信機プラットフォームとして，NovAtel社から市販されているSuperStar-II （SSII）受信機を用いている．第2図にSSII受信機の外観を示す．サイズは71×46 mm と名刺程度であり，重量は 22 gである．第 2 図 GPS受信機の外観 0.01 0.1 1 100 200 1000 250 340 430 Intensity [G /H z] Frequency [Hz] 0.125 0.08 0.8 1.5 2 80 第 3 図振動試験の QT レベル GPS受信機をロケットに搭載する際には，受信機ハードウェアにかかる衝撃と振動を避けることはできない．民生品であるSSII受信機を本来の仕様とは異なる環境で利用するにあたり，これら衝撃および振動への耐性を確かめ，場合によっては物理的な補修を行う必要がある．そこで，本研究では，M-Vロケットで用いられたQuality Test（QT）レベルを目安に，SSII受信機の耐環境試験を実施した． 3.1 振動試験振動試験は，JAXA宇宙科学研究本部の試験設備にて実施した．本試験では，加振中の受信機動作や測位精度を知るために，屋外に設置したGPSアンテナのケーブルを施設内に引き込み，振動装置上の受信機に接続することで振動中も測位を続けた．さらに，加振中の測位精度を評価するために，GPSアンテナは分配器を通して振動していない同形の受信機にも接続され，同じGPS信号を受信している状態で2台同時に測位を実施している．振動試験は，第3図に示すM-VロケットのQTレベルに合わせて，合計で25.3 Grmsのランダム振動で行った．振動を与える方向は，受信機の面内2方向と面外1方向の合計3軸である．加振した3軸のうち，測位結果に最も影響が大きかったのは面外方向に対する振動であった．そのときの基準周波数の変動と，静止している受信機との測位結果の差を第4図に示す．受信機基板の中では，水晶発振器が最も大きく振動の影響を受けると予測されたが，3分間の加振でも0.06 ppmの変化しか見られなかった．SSII

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-0.81 -0. 8 -0.79 -0.78 -0.77 -0.76 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 Cloc k Dr ift [ppm ] P osition Error [m ] Time [sec] 0 50 100 150 200 250 300 Clock Drift X Y Z Vibration Span 第 4 図基準周波数の変動と測位誤差受信機に搭載されている水晶発振器のG sensitivityは，カタログスペックで2 ppb/Gである．したがって，25.3 G の加振に対して約0.05 ppmの周波数変動が生じることになり，観測された変動もほぼ仕様通りであると言える．さらに，基準周波数の変化に伴う受信機時刻のオフセットは測位演算で補正されるため，静止している受信機との測位結果の差は1 m程度に納まっている．また，振動試験中は常に10機程度の衛星を捕捉し続けており，振動を与えている最中に追尾が外れてしまった衛星は，最大でも1機だけであった．しかし，この衛星は低仰角で観測されており，追尾が外れた原因は振動そのものではなく，信号強度の低下のためと考えられる． 3.2 衝撃試験衝撃実験では，叩き台としてステンレス製の平板を用い，その上にSSII受信機を固定した．衝撃を加えるのには杭を打つ大型ハンマーを使用している．また，衝撃試験においても，振動試験と同様に屋外に設置したアンテナに受信機を接続し，試験中も測位を続けている．第5図にM-VロケットのQTレベルを太線で示す．実験の結果，QTレベル以下の衝撃であれば信号追尾や測位に影響がないことが確認された．しかし，試験的に第5図の細線で示されるような過剰な衝撃を加えた際に，追尾中の信号が失われる現象が観測された．この現象は，1000Hz以上の高周波数領域において衝撃がQTレベル以上であるときに顕著に観測され，衝撃に対して5機から10機の衛星信号を一度に失う状況が見られた．水晶発振器に機械的な衝撃を与えることで，急激な周波数ドリフトが発生することが知られている4)_{．本実験による} 現象も，衝撃によって水晶発振器の周波数が信号追尾ループによる再補足可能な範囲を超えて瞬時に変動したためと考えられる．衝撃に対して複数の衛星信号を同時に失っていることからも，この現象は各追尾ループに共通である基準信号源の問題であると推測される．そこで，このような過剰な衝撃への対策として，緩和用のブラケットを受信機と固定面の間に挿入することにした．ブラケットを挿入した状態で過剰な衝撃試験を実施した際 10 100 1000 100 1000 Frequency [Hz] exceeding QT level Controlled impact with dumping bracket G M-V QT Level 第 5 図衝撃試験の QT レベルに，受信機筐体において観測された衝撃を第5図の破線で示す．この結果より，ブラケットを挿入することで，問題とされていた1000 Hz以上の衝撃が効果的に緩和されていることが確認された．また，ブラケットを装備した状態では，高周波数領域においてQTレベルを越える衝撃を加えても，追尾中の衛星を失うことは一切なかった． 4. スピン安定飛行への対応飛翔体へのGPS受信機搭載において，高ダイナミスクへの対応に加えて問題となるのが，機軸まわりのスピンである．固体ロケットや小型ロケットでは，数Hz程度で機軸まわりに回転するスピン安定飛行を行う場合がある． GPS衛星からの測位信号を受信するアンテナは天頂方向を向いていることが望ましい．しかし，ロケットの天頂方向，つまり先端部にはペイロードが搭載されており，途中フェアリングが開頭するなどアンテナの設置は難しい．また，大気摩擦により高温となるため，アンテナを設置するのに適した環境とは言えない．海外での研究5, 6)_では，小型ロケットの先端部にアンテナを設置した例が見られるが，本研究ではアンテナをロケット側面に設置することを想定している．スピン安定飛行では，ロケットが機軸まわりに回転するため，ロケット側面のアンテナは，そのビーム方向を常に変化させることとなる．そのため，受信信号強度も短時間で大きく変化することになり，場合によっては追尾信号を失うこともある．さらに，ロケット側面にアンテナを設置した場合，1個のアンテナでは全天をカバーできず，充分な可視衛星数を確保できない．そのため，2個以上のアンテナを搭載し，それらで受信した信号を何らかの形で合成する必要がある．このように，スピンを伴う飛しょう体に搭載するGPS受信機は，高ダイナミクス対応に加えて，スピン中に複数のアンテナによって受信された信号の合成についても考慮する必要がある．最も簡単な複数信号の合成方法として，コンバイナによるRF（Radio Frequency）信号の合成が挙げられる．しかし，コンバイナによる合成は，その実施が

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−30 −20 −10 0 10 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 第 6 図パッチアンテナ単体のゲインパターン −30 −20 −10 0 10 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 50 cm dia 200 cm dia 第 7 図直径の異なるロケットでの 2 アンテナ合成簡単な反面，各アンテナからの信号の位相が180度反転していた場合，お互いに打ち消しあって信号強度が著しく低下するフェージングが発生してしまう．本研究では，RF信号の合成によって得られるアンテナゲインパターンを検討するため，Ansoft HFSSによって数値解析を実施した．今回の解析に用いたパッチアンテナ単体のゲインパターンを第6図に示す．ここで，アンテナのグランドは12 cm×12 cmの平板を仮定している．このようなパッチアンテナを円周方向に180度離して設置し，コンバイナによって合成した場合のアンテナゲインパターンを第7図に示す．ここでは，アンテナを設置するロケットを直径50 cmおよび200 cmのアルミ円柱で模擬している．図中，±90度付近でフェージングが発生し，信号強度が低下していることが見てとれる．さらに，ロケットがスピンすることで，アンテナを設置している円周方向に定期的にフェージングによる信号強度の低下が生じることになる．そのため，受信信号が定期的に瞬断することになり，GPS信号の連続した追尾が困難になると考えられる．特にロケットの直径が200 cmのケースでは，信号強度の低下する頻度が増加しており，信号追第 8 図ターンテーブルによるスピン実験尾に失敗する可能性も増大することになる．一方，ロケットの外径が小さい50 cmのケースでは，信号強度が急激に低下するのは±90度の1カ所のみである．信号追尾ループであるFLL内部には，搬送波のダイナミクスが保持されているため，受信信号の瞬断の頻度が少なければ，信号の再補足が短時間で可能である．その結果，スピン中であっても，あたかも連続して信号を追尾している状態が維持されると予想される．そこで，ターゲットとしているロケットのうち，小型であるS-520観測ロケット（外径520 mm）を模擬したアルミパイプをターンテーブル上に設置し，RF合成によるスピン中の信号追尾を試みた．その様子を第8図に示す．この実験では，GPS受信機用のパッチアンテナを180度離して2個設置し，その信号をコンバイナで合成した後，SSII 受信機に入力している．実験結果の一例を第9図に示す．観測ロケットのモデルは，まず発射台に固定されている状態を仮定し，静止状態で測位を開始する．その後，約2 Hzの回転を与え，スピンによる測位結果への影響を観測した．図中，上図がロケットの回転数であり，下図が測位誤差である．実験中，受信機は5 Hzの更新レートで測位演算を維持しており，一度も測位結果が失われることはなかった．また，回転数による顕著な測位精度の変動も見られなかった．これにより，S-520 観測ロケットのような小径のロケットであれば，スピン中であっても，コンバイナによるRF信号の合成だけで測位を維持できることが確認できた． 5. 等利得合成方式の応用現在開発を検討している小型衛星打ち上げ用の固体ロケットはその直径が2 m以上となり，2個のアンテナだけでは全方位を充分にカバーできなくなる．さらに，第7図に示されるように，フェージングが発生する頻度も増大することになり，コンバイナを用いたRF信号の合成ではスピン安定飛行中の連続測位に対応できないと考えられる．複数のアンテナで受信したRF信号について，電波状況

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0 2 4 6 8 0 1 2 Spin Rate [Hz] 0 2 4 6 8 0 5 10 15 Time [min] Position Error [m] 第 9 図 RF信号合成によるスピン中の測位 F r o n t e n d C o d e R e p l i c a R e p l i c aC a r r i e r C o r r e l a t i o n V e c t o r D i g i t i z e d I F S i g n a l 第 10 図 GPS信号処理の概要の優れた信号を優先的に選択する技術，または受信した信号を合成し信号強度を改善する技術を，一般にダイバーシティと呼ぶ．ダイバーシティには多くの方式が存在するが，フェージングの軽減を目的とした方式のひとつとして等利得合成方式が挙げられる．これは，複数のアンテナで受信された信号の位相を揃えて合成する方式であり，フェージングの軽減だけではなく受信強度を改善することもできる．ダイバーシティは，携帯電話などフェージングによる影響を受けやすい移動体通信で広く利用されているが，飛翔体など高ダイナミクスな移動体における衛星測位への応用例は見られない．本研究では，等利得合成方式を複数アンテナによるGPS信号の受信に応用することで，スピン安定飛行中のロケットにおける安定した信号追尾を実現する． 5.1 GPS信号の等利得合成第10図に，GPS受信機における信号処理の概要を示す．アンテナで受信された GPS信号は，フロントエンドにより中間周波数（IF: In-termediate Frequency）までダウンコンバートされた後，デジタル化される．GPS信号は，CDMA（Code Division Multiple Access）方式による多重放送のため，スペクトラム拡散されている7)_{．そのため，まずデジタル化された}_IF 信号は，拡散コードと搬送波のレプリカ信号との相関処理により逆拡散しなければならない．相関処理後の信号は，複素ベクトルとして次式で表される． S =√P exp (jϕ) R (∆τ, ∆f ) ( 1 ) ここで，P は信号強度，ϕは受信信号とレプリカ信号との搬送波位相差である．また，Rは信号間の相関値を示すスカラー関数であり，∆τはコード位相差，∆fは搬送波周波 F r o n t e n d C o d e R e p l i c a R e p l i c aC a r r i e r F r o n t e n d A n t e n n a 2 S 2 第 11 図デュアルアンテナ GPS 受信機の構成数の差である．Rの値は∆τと∆fが共にゼロであるとき最大値となる．GPS受信機における信号追尾では，Rの値が常に最大となるよう，DLL（Delay Lock Loop）によっ

て拡散コードレプリカ，FLLによって搬送波レプリカの生成を行う．第10図はアンテナがひとつの場合であるが，ロケットへの応用のために2アンテナに拡張したケースを第11図に示す．アンテナの増加に応じてフロントエンドが新たに追加されているが，IF信号とミキシングされるレプリカ信号は，アンテナ間で共通である．この構成は，アンテナの数が2つ以上になっても同様であるため，ここでは2アンテナでの信号合成について説明する． (1)式において，Rがその最大値で正規化されているものとする．このとき，GPS信号が追尾されている状態，つまり∆τと∆fが共にゼロであるとき，アンテナ1およびアンテナ2で受信された信号の相関ベクトルS1，S2は，それぞれ次式で表される． Si= √ Piexp (jϕi) , i = 1, 2 ( 2 ) これらベクトルの和を取ることは，コンバイナによるRF 信号の合成と等価である．等利得合成では，フェージングの発生を低減するために，それぞれの相関ベクトルを回転させ位相を揃えてから合成を行う．各ベクトルの位相回転量は，信号強度のより大きな相関ベクトルの位相に近くなるように，重み付けして決定される．本手法において，合成後の相関ベクトルS˜は，次式で表される． ˜ S =(√P1+ √ P2 ) exp ( j ˜ϕ ) ( 3 ) ここで，ϕ˜は合成後の位相であり，次式で示す重み付け演算から求められる． ˜ ϕ = P1ϕ1+ P2ϕ2 P1+ P2 ( 4 ) 本手法は，アンテナの数が2個以上であっても同様に適応することができる．N個のアンテナで観測された信号を合成して得られる相関ベクトルは，次式で表される． ˜ S = ( _N ∑ i=1 √ Pi ) exp ( j ˜ϕ ) ( 5 )

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A N T 1 A N T 2 A N T 1 A N T 2 G P S S i g n a l G P S S i g n a l 第 12 図シミュレーションシナリオの概要ここで，合成後の位相ϕ˜は，次式から求められる． ˜ ϕ = N ∑ i=1 Piϕi N ∑ i=1 Pi ( 6 ) ロケット用のアンテナとして，胴体に巻きつけるラップアラウンド型のマイクロストリップアンテナも広く利用されているが，搭載するロケットの外径に合わせた専用のアンテナとなるため高価である．本手法による信号合成では，専用のアンテナを製作することなく，汎用のパッチアンテナを利用することが可能である．また，複数のアンテナを等間隔に設置する必要もないため，円筒形状に限らず様々な形状のプラットフォームに応用可能である． 5.2 動作試験本研究で提案する等利得合成による GPS信号追尾の性能を確認するために，2アンテナ出力を持つGPS信号シミュレータであるSpirent GSS7700を使用して動作試験を実施した．シミュレーションでは，直径2 mのロケットに120度間隔で3つのアンテナを設置することを想定し，それを軸周りに3 Hzの周期で±60度振動させている．シミュレーションシナリオの概要を第12 図に示す．これにより，両方のアンテナで信号が観測される場合と，どちらか一方で観測される場合が，スピンにより高速に切り替わる状況を模擬している．第7図と同様に，3つのアンテナを直径200 cmのアルミ円筒に120度間隔で設置した際のRF合成によるアンテナゲインパターンを，HFSSによって解析した結果を第13 図に示す．これより，フェージングによって信号強度が急激に低下する箇所がさらに増大していることが確認できる．さらに，それ以外の領域であってもアンテナゲインにリップルが生じて，常に信号強度が変化している．このように， 3アンテナによるRF信号の合成では，安定した信号追尾は困難であると予測される．信号追尾の動作を確認するためには，受信機内部での相関処理を可視化し，モニタする必要がある．また，信号追尾ループのパラメータ設定や，信号合成手法の比較など，同じ信号を異なる設定で繰り返し処理できることが好ましい．そこで，今回の動作試験では，2つのフロントエンドで同時にサンプリングされたIF信号を高速デジタルインターフェイスを用いてPCに取り込み，保存されたデータを著 −30 −20 −10 0 10 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 第 13 図 3アンテナ合成のゲインパターン 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 25 30 Time [sec] SNR [dB] ANT1 ANT2 ADD EGC 第 14 図 GPS信号シミュレータを用いた信号合成実験者らが作成したソフトウェアGPS受信機8)_{により後処理} することで，受信機内部での信号処理を確認している．第14図に，動作試験を結果を示す．ここでは，信号を追尾できているかどうかを，信号強度を観測することで判断している．(1)式より，受信信号の搬送波周波数とコード位相が正常に追尾できていれば，信号強度は最大値となる．しかし，どちらか一方の追尾が失われると，相関値はほぼゼロになり，信号強度はノイズフロア以下となる．第14図において，GPS信号シミュレータによって生成されたアンテナ1およびアンテナ2の信号強度を，それぞれ ANT1，ANT2で示している．信号強度は3 Hzで周期的に変動しており，ANT1の信号強度が最大のときにはANT2 の信号強度が最小に，ANT2の信号強度が最大のときには ANT1の信号強度が最小になっている．これら2つの信号から得られる相関ベクトルを単純に加えることで，コンバイナによるRF信号の合成を模擬した結果をADDで示す．フェージングによる信号強度の急激な低下が2カ所確認できるが，いずれのケースも信号が瞬断しただけであり，信号を再補足し信号強度が正常な値に戻っている．しかし，約2秒の時点で再び信号強度が低下

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は，プラットフォームの振動周期に応じて信号強度に±1 dB 程度の変動が生じるものの，その平均値はほぼ25 dBで安定して信号追尾を続けており，フェージングによる信号強度の低下は見られない．また，等利得合成はフェージングの軽減だけではなく受信強度も改善しており，コンバイナによる合成より高いSNRを示している．本実験結果より，コンバイナを用いた単純なRF信号の合成では追尾できないGPS信号であっても，等利得合成を応用した提案手法であれば安定した信号追尾を維持できることが確認できた． 6. むすび本研究では，市販のGPS受信機モジュールにオープンソースGPSを移植することで，安価なロケット用GPS受信機を実現した．このGPS受信機は，JAXA宇宙科学研究本部の観測ロケットや現在開発が検討されている小型衛星打ち上げ用の固体ロケットなど，小型から中型のロケットへ搭載することを目的としている．これらロケットが飛翔する際の高ダイナミスクな環境においても，連続した測位結果が得られるよう，信号追尾ループなどの最適化が図られている．GPS信号シミュレータを用いた実験では，最大加速度が12 GにもなるM-Vロケットの加速度プロファイルに対して，信号追尾を維持し，急激な加速にかかわりなく安定した測位結果が得られることが確認できた．受信機ハードウェアの耐環境試験では，ターゲットとしているNovAtel社製SSII受信機基板の振動および衝撃に対する物理的性能を調査した．振動試験では，加振中に受信機に搭載されている水晶発振器の周波数に変動が見られたが，測位結果には影響なく，静止状態と同等の測位精度が得られた．衝撃試験では，受信機基板の固有振動数付近の衝撃に対して，追尾中の衛星信号を失うなどの脆弱性が見られた．しかし，この問題は，衝撃緩和のためのブラケットの挿入により解決された．これら耐環境試験結果より，当該受信機がロケットへの搭載に充分な性能を持つことを確認した．さらに，スピン安定飛行を行う小型ロケットに対し，ロケット側面に配置された複数アンテナによる受信信号の合成について検討した．比較的小径な観測ロケットを模擬した実験では，コンバイナを用いたRF信号の合成であっても，フェージングの影響は少なく，2 Hz程度のスピン中であっても測位を持続できることが確認された．これは，フェージングによる瞬間的な信号強度の低下の頻度が少なければ，短時間で信号が再補足され，あたかも連続して信号を追尾している状態が維持されると考えられる．しかし，これはそこで，本研究では，アンテナダイバーシティのひとつである等利得合成手法をGPS受信機に応用することで，複数アンテナによる信号受信におけるフェージングの低減を試みた．GPS信号シミュレータによる動作試験では，単純なRF信号の合成ではフェージングにより信号追尾を失ってしまう場合であっても，等利得合成を応用した提案手法であれば安定した信号追尾を維持できることが確認できた．本手法は，信号の合成をすべてデジタル信号処理で実現しているため，高ダイナミクス対応のため開発した受信機ファームウェアへの追加が容易である．また，フロントエンド部に特殊なRF回路は不要であり，市販のGPS受信機用フロントエンドICを使用することができる．現在，高ダイナミクスとスピン安定飛行に対応したロケット用GPS 受信機として，最大4アンテナによる信号合成を行うマルチアンテナ受信機を製作中である．なお，本研究はJAXA宇宙オープンラボにおける技術提案型案件「オープンソースGPSRの開発」の助成を受けたものである．また，本研究を進めるにあたり信号合成法について有益な助言と議論をいただきました富田秀穂氏と，アンテナゲインパターンの解析にご協力いただいた千葉大学マイクロ波リモートセンシング研究室に感謝いたします．参考文献

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