JP2007235290A

JP2007235290A - 電波伝搬経路推定方法

Info

Publication number: JP2007235290A
Application number: JP2006051519A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Suga; 秀一須賀
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP4381389B2

Abstract

【課題】電離層における電波伝播方向の横方向への経路ずれを推定できるようにし、これにより効率的な通信を実現可能な電波伝搬経路推定方法を提供すること。
【解決手段】電離層に到達した電波の屈折前の伝搬方向ベクトルを算出し、計算箇所の近辺の屈折率指数を計算し、ＩＲＩモデル電子密度を用いて等屈折率面の法線方向ベクトルをローカル座標系で算出し、伝搬方向ベクトルをローカル座標系に変換し、法線方向ベクトルをＺ軸とすべく伝搬方向ベクトルを変換し、伝搬方向ベクトルのｙ軸成分をゼロとすべく座標系を変換し、伝搬方向ベクトルとｚ軸との成す角、および計算箇所の屈折率指数を用いてSnellの法則に基づく屈折後の角度を算出し、この屈折後の角度に基づいて、屈折後の伝搬方向ベクトルをＫ倍して次の伝搬位置を計算し、この伝搬位置を逆変換してローカル座標からＷＧＳ８４座標系に座標変換する。
【選択図】図１

Description

この発明は、衛星通信などに用いられ、電離層を伝搬する電波の経路を推定する方法に関する。

電波が電離層を通過する際、空間に分布する電子により伝搬経路が屈折する（例えば非特許文献１〜４を参照）。電子が一様に分布しているならば電波の伝播経路は横にずれることなく、電波は平面内の伝搬経路に沿って伝搬する。しかしながら経度・緯度により電子の分布状態が異なったり、日変化などもあるので等屈折率指数面が場所により異なることから、実際には電波の伝搬経路は横にずれる。この現象はＨＦ帯において特に顕著であり、このような電波伝播経路の横ずれは衛星通信においては悪影響をもたらすことから何らかの対処が望まれている。
前田憲一，後藤三男："電波伝播"，岩波全書，１９５３年２月 K.G.Buden:"The Propagation of radio waves".Cambridge University Press,1988. Dieter Bilitza,et.al.,:"International Reference Ionosphere 1990",November,1990. Dieter Biliza:"International Reference Ionosphere 2000",Radio.Science,Vol.36,Number2,PP261-275,March/April,2001

以上述べたように電離層において電波の伝播方向に横ずれが生じると、通信効率の低下などを招いて良好な通信ができなくなるため、何らかの対処が望まれている。
この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、電離層における電波伝播方向の横方向への経路ずれを推定できるようにし、これにより効率的な通信を実現可能な電波伝搬経路推定方法を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の一態様によれば、電離層における電波の伝播経路を推定する方法であって、前記電離層に到達した電波の屈折前の伝搬方向ベクトルを算出する第１ステップと、屈折を計算したい箇所における当該箇所近辺の屈折率指数を計算し、ＩＲＩモデル電子密度を用いて等屈折率面の法線方向ベクトルをローカル座標系で算出する第２ステップと、前記第１ステップで算出した伝搬方向ベクトルをローカル座標系に変換する第３ステップと、前記第２ステップで算出した法線方向ベクトルをＺ軸とすべく、前記第３ステップで算出した伝搬方向ベクトルを変換する第４ステップと、この第４ステップで算出した伝搬方向ベクトルのｙ軸成分をゼロとすべく座標系を変換する第５ステップと、この第５ステップで算出した伝搬方向ベクトルとｚ軸との成す角、および計算箇所の屈折率指数を用いてSnellの法則に基づく屈折後の角度を算出する第６ステップと、この第６ステップＳで算出された屈折後の角度に基づいて屈折後の伝搬方向ベクトルをＫ倍（Ｋは実数）して次の伝搬位置を計算する第７ステップと、この第７ステップで求めた伝搬位置を、前記第６ステップ、前記第５ステップ、前記第４ステップ、前記第３ステップの順で逆変換してローカル座標からＷＧＳ８４座標系に座標変換する第８ステップとを具備することを特徴とする電波伝播経路推定方法が提供される。

この発明によれば、電離層における電波伝播方向の横方向への経路ずれを推定できるようになり、効率的な通信を実現可能な電波伝搬経路推定方法を提供することができる。

図１は、この発明に係わる電波伝搬経路推定方法の処理手順を示すフローチャートである。この実施形態では、ＨＦ帯などの信号が電離層伝搬中を伝搬する経路を等屈折率面に垂直な方向を軸とした座標軸に変換することにより、結果として得られる伝搬経路の横ずれを求めるようにする。

電離層における電子分布が一様でない場合、電波の伝搬経路は地球中心を含む平面からずれてしまうので３次元的な伝搬経路を求めなければならない。そこで、グリニッジ方向をＸ軸とし、北極方向をＺ軸とするような地球中心座標系のうち、特にＧＰＳ（Global Positioning System）データを将来的に使用しやすいようにＷＧＳ８４系を基準とする。地球上の点をＷＧＳ８４系で表し、その点から送信した信号が大気圏を通過したのち最初に電離層に到達した場所から座標変換を開始する。電離層電子密度については、非特許文献３、４に記載されているＩＲＩモデルを使用する。ＩＲＩモデルを用いて電子が存在する場所に電波が到達した箇所から、下の手順により伝搬経路を決定する。

まず式（１）を参照して屈折前の伝搬方向ベクトルを算出する（ステップＳ１）。このベクトルはＷＧＳ８４系により表される。

次に、屈折を計算したい場所（計算箇所）において、ＩＲＩモデル電子密度を用いてその場所近辺の屈折率指数を計算し、等屈折率面の法線ベクトルを算出（ローカル座標系）する（ステップＳ２）。法線ベクトルは、計算箇所近辺の屈折率指数をローカル座標系の３軸方向で数点（３〜５点）求め、数値微分を行うことにより求める。微分した結果を各成分とするベクトルが法線方向ベクトルＮｏｒｍは、Ｎｏｒｍ＝（ｄＮｘ，ｄＮｙ，ｄＮｚ）となる。法線ベクトルのｚ軸が負である場合には、上方向を法線ベクトルが向くようにベクトルの符号を各成分反転させる。

次に、ステップＳ１で算出した伝搬方向ベクトルを、式（２）を用いてローカル座標系に変換する（ステップＳ３）。

式（２）におけるＲｚ、Ｒｙは、それぞれｚ軸周りの回転とｙ軸周りの回転をさせる行列である。φは、ｒｋベクトルとＷＧＳ８４系Ｘ−Ｙ平面とが成す角を示す。λは、ｒｋベクトルをＷＧＳ８４系平面へ射影したベクトルとＸ軸との成す角度を示す。

次に、法線方向ベクトルＮｏｒｍがＺ軸になるように、ローカル座標系における伝播方向ベクトル（ステップＳ３で算出）を式（３）を用いて変換する（ステップＳ４）。

式（３）において、θzenは、法線ベクトルＮｏｒｍとローカル座標系のＺ軸との成す角である。λlocalは、ローカル座標系のＸ−Ｙ平面に法線ベクトルを射影したベクトルとローカル座標系のＸ軸との成す角を示す。

次に、ステップＳ４で求めた伝搬方向ベクトルのｙ軸成分をゼロとすべく、式（４）を用いて座標系を変換する（ステップＳ５）。

式（４）のλrefは、伝搬方向ベクトルを変換後のＸ−Ｙ平面に射影したベクトルとｘ軸との成す角を示す。この変換によりｙ軸成分がゼロになる。

次に、ステップＳ５で算出した伝搬方向ベクトルとｚ軸の成す角、及び、計算箇所の屈折率指数を用いてSnellの法則に基づく屈折後の角度を式（５）により算出する（ステップＳ６）。

式（５）において、θiはステップＳ５で算出した伝搬方向ベクトルとｚ軸とがなす角を示し、θrは屈折後の伝搬方向ベクトルとｚ軸とが成す角度を示す。

次に、屈折後の角度に基づいて、数（６）に示すように屈折後の伝搬方向ベクトルをＫ倍し、次の伝搬位置（地点）を計算する（ステップＳ７）。ここでＫは実数である。

最後に、ステップＳ７で算出した伝搬位置をステップＳ６→ステップＳ５→ステップＳ４→ステップＳ３の順で逆変換し、ローカル座標からＷＧＳ８４座標系に座標変換を行う（ステップＳ８）この逆変換処理においては、変換時の角度の符号を逆にし、逆の順番に処理をしていく。以上の手順により、３次元の電離層伝搬経路を求める。

以上説明したようにこの実施形態では、電離層に到達した電波の屈折前の伝搬方向ベクトルを算出し、計算箇所の近辺の屈折率指数を計算し、ＩＲＩモデル電子密度を用いて等屈折率面の法線方向ベクトルをローカル座標系で算出し、伝搬方向ベクトルをローカル座標系に変換し、法線方向ベクトルをＺ軸とすべく伝搬方向ベクトルを変換し、伝搬方向ベクトルのｙ軸成分をゼロとすべく座標系を変換し、伝搬方向ベクトルとｚ軸との成す角、および計算箇所の屈折率指数を用いてSnellの法則に基づく屈折後の角度を算出し、この屈折後の角度に基づいて、屈折後の伝搬方向ベクトルをＫ倍して次の伝搬位置を計算し、この伝搬位置を逆変換してローカル座標からＷＧＳ８４座標系に座標変換するようにしている。すなわち、電子分布の違いによる経路のずれを、等屈折率指数面に垂直な方向を軸とする座標系に座標変換することにより、分布の違いによる横ずれを推定することが可能になる。

従って、電離層電子密度の空間分布による違いから生じる横方向の伝搬経路ずれを推定し、ＨＦ帯などの周波数により通信を行う場合、どの方向へ仰角をどれぐらいにして送信するのが良いかを決めることができ、通信の効率が向上する。これらのことから、電離層における電波伝播方向の横方向への経路ずれを推定できるようにし、これにより効率的な通信を実現可能な電波伝搬経路推定方法を提供することが可能となる。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

この発明に係わる電波伝搬経路推定方法の処理手順を示すフローチャート。

Claims

電離層における電波の伝播経路を推定する方法であって、
前記電離層に到達した電波の屈折前の伝搬方向ベクトルを算出する第１ステップと、
屈折を計算したい箇所における当該箇所近辺の屈折率指数を計算し、ＩＲＩモデル電子密度を用いて等屈折率面の法線方向ベクトルをローカル座標系で算出する第２ステップと、
前記第１ステップで算出した伝搬方向ベクトルをローカル座標系に変換する第３ステップと、
前記第２ステップで算出した法線方向ベクトルをＺ軸とすべく、前記第３ステップで算出した伝搬方向ベクトルを変換する第４ステップと、
この第４ステップで算出した伝搬方向ベクトルのｙ軸成分をゼロとすべく座標系を変換する第５ステップと、
この第５ステップで算出した伝搬方向ベクトルとｚ軸との成す角、および計算箇所の屈折率指数を用いてSnellの法則に基づく屈折後の角度を算出する第６ステップと、
この第６ステップで算出された屈折後の角度に基づいて屈折後の伝搬方向ベクトルをＫ倍（Ｋは実数）して次の伝搬位置を計算する第７ステップと、
この第７ステップで求めた伝搬位置を、前記第６ステップ、前記第５ステップ、前記第４ステップ、前記第３ステップの順で逆変換してローカル座標からＷＧＳ８４座標系に座標変換する第８ステップとを具備することを特徴とする電波伝播経路推定方法。