JP4869187B2

JP4869187B2 - 伝搬経路計算装置、伝搬経路計算方法および記録媒体

Info

Publication number: JP4869187B2
Application number: JP2007235627A
Authority: JP
Inventors: 秀一須賀
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: JP2009069982A

Description

本発明は、電離層中を伝搬する電波の伝搬経路を計算するための伝搬経路計算装置、伝搬経路計算方法およびその伝搬経路計算方法を実現するためのプログラムを記録した記録媒体に関する。

従来、ＨＦ帯域（１０〜３０ＭＨｚ）を用いた通信が行われている。このＨＦ帯域を用いた通信においては、送信元で射出された電波は、地球の上空に存在する電離層で反射され、電離層反射波として見通し距離外の遠方に伝搬する。電波は、一般に、周波数が低いほど電離層で反射しやすくなり、また、電離層を通過または反射するときに減衰する。

ところで、ＨＦ帯域を用いた通信は電離層の状態に影響されるので、遠方の相手に電波が届くかどうかを確認するために、電波の出射角度、周波数、時間帯および自己の位置などを変数として、電波の伝搬経路を計算により求めることが行われている。この伝搬経路の計算においては、電波の伝搬経路を辿るための計算を行うポイント（以下、「計算ポイント」という）が順次設定される。ある計算ポイントから次の計算ポイントまでの距離または電波の伝搬時間を「ステップ」と呼ぶ。

なお、関連する技術として、非特許文献１は、電離層における電波の伝搬について開示しており、また、非特許文献２は、電波の伝搬経路を計算する技術を開示している。
"International Reference Ionosphere 2000" Radio Science, Volume 36, Number 2, Page261-275, March/April 2001 "Effects of on Whistle-Mode Ray Tracing" RADIO SCIENCE, Vol 1(New Series), No. 3, Page269-283, March 1966

しかしながら、上述した従来の電波の伝搬経路を計算する技術では、電波の伝搬経路のうちの電離層の部分、特に反射点近辺では、ステップを細かくしないと、電離層における反射状態を再現できなくなる。

すなわち、ステップが荒いと、次の計算ポイントが、本来反射しなければならない場所より高い位置に到達してしまい、屈折率が複素数になるなど通常の状態ではなくなる。その一方、反射点近辺の経路を正確に再現するために、伝搬経路の全体にわたってステップを細かくすると、膨大な計算時間が必要になる。

本発明の課題は、電波の反射点近辺における伝搬経路を正確に計算することができ、しかも、計算時間を短くできる伝搬経路計算装置、伝搬経路計算方法およびその伝搬経路計算方法を実現するためのプログラムを記録した記録媒体を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明に係る伝搬経路計算装置は、電波の伝搬経路の現在の計算ポイントにおける電子密度を求める電子密度計算部と、電子密度計算部で求められた電子密度に基づき屈折率を求める屈折率計算部と、屈折率計算部で求められた屈折率に基づき現在の計算ポイントにおける電波の伝搬経路の天頂角を求める天頂角計算部と、天頂角計算部で求められた天頂角に応じて、前記現在の計算ポイントから次の計算ポイントまでの距離または伝搬時間を表し且つ天頂角が大きくなるに連れて小さくなるように変化するステップを求めるステップ計算部を備えたことを特徴とする。

また、請求項２記載の発明に係る伝搬経路計算方法は、電波の伝搬経路の現在の計算ポイントにおける電子密度を求め、該求められた電子密度に基づき屈折率を求め、該求められた屈折率に基づき現在の計算ポイントにおける電波の伝搬経路の天頂角を求め、該求められた天頂角に応じて、前記現在の計算ポイントから次の計算ポイントまでの距離または伝搬時間を表し且つ天頂角が大きくなるに連れて小さくなるように変化するステップを求めることを特徴とする。

また、請求項３記載の発明に係るコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、電波の伝搬経路の現在の計算ポイントにおける電子密度を求め、該求められた電子密度に基づき屈折率を求め、該求められた屈折率に基づき現在の計算ポイントにおける電波の伝搬経路の天頂角を求め、該求められた天頂角に応じて、前記現在の計算ポイントから次の計算ポイントまでの距離または伝搬時間を表し且つ天頂角が大きくなるに連れて小さくなるように変化するステップを求めるためのプログラムを記憶したことを特徴とする。

請求項１〜請求項３記載の発明によれば、電波の伝搬経路の現在の計算ポイントにおける電子密度を求め、電子密度に基づき屈折率を求め、屈折率に基づき現在の計算ポイントにおける電波の伝搬経路の天頂角を求め、さらに、求めた天頂角に応じて、次の計算ポイントまでの距離または伝搬時間を表し且つ天頂角が大きくなるに連れて小さくなるように変化するステップを求めるので、天頂角が大きくなる電離層の反射点近辺では、ステップが小さくなって細かい計算が可能になり、伝搬経路を正確に計算することができる。その一方、天頂角が小さくなる電離層の反射点近辺以外では、ステップが大きくなるので、計算時間を小さくすることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る伝搬経路計算装置の構成を示す図である。この伝搬経路計算装置は、例えばパーソナルコンピュータのソフトウェア処理によって実現された電子密度計算部１１、屈折率計算部１２、天頂角計算部１３およびステップ計算部１４を備えている。

電子密度計算部１１は、電波の伝搬経路として設定される各計算ポイントにおける電子密度を計算する。図２（ａ）は、電離層を形成するＤ層、Ｅ層、Ｆ１層およびＦ２層における電子密度の変化を示す図である。この電子密度計算部１１は、電子密度アルゴリズムに従って計算により電子密度を求めるように構成することもできるし、図２（ａ）に示すような電子密度と高さＨとの関係を示すデータをデータベースとして予め格納しておくことにより構成することもできる。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すような電子密度を有する電離層を電波が伝搬する様子を示す図である。所定の仰角ｅｌ及び周波数で射出された電波は、電離層の電子密度に応じた屈折率で経路を変更しながらＦ２層の下部で反射点に到達し、この反射点で反射された電波は、電離層の電子密度に応じた屈折率で経路を変更しながら伝播し、地表に到達する。この電子密度計算部１１で計算された電子密度は、屈折率・伝播方向計算部１２に送られる。

屈折率・伝播方向計算部１２は、電子密度計算部１１から送られてくる電子密度に基づき各計算ポイントにおける屈折率を計算し、屈折率に応じた伝播方向ベクトルを計算する。この屈折率・伝播方向計算部１２で計算された屈折率・伝播方向ベクトルは、天頂角計算部１３に送られる。

天頂角計算部１３は、屈折率・伝播方向計算部１２から送られてくる伝播方向ベクトルに基づき、各計算ポイントにおける電波の伝搬経路の天頂角、つまりステップの伝搬方向ベクトルと鉛直方向との成す角を計算する。この天頂角計算部１３で計算された天頂角は、ステップ計算部１４に送られる。

ステップ計算部１４は、天頂角計算部１３から送られてくる天頂角に応じて、次の計算ポイントまでのステップ（距離または伝搬時間）を計算する。この際、天頂角が大きくなるに連れて小さくなるように変化するステップが求められる。

具体的には、ステップ計算部１４は、（１）式に示すフェルミ分布関数を利用してステップｓｔｅｐを求める。この実施例１に係る伝搬経路計算装置は、フェルミ分布関数をステップの計算に利用したこと、および、フェルミ準位（α）、温度に相当する部分（β）の設定方法に特徴がある。

ここで、
τ_０：初期ステップ値
ｚ：ステップの伝搬方向ベクトルと鉛直方向との成す角（天頂角）
α：初期ステップ値を半分にする天頂角（０＜α＜π／２）
β：ｓｔｅｐのα近辺における変化量を決める値
βは下記の（２）式によって求められる。

ここで、
τ_min：最小ステップ値
最小ステップ値τ_minは、送信（受信）仰角ｅｌおよび初期ステップ値τ_０により、下記の（３）式により決定される。

ここで、
ｅｌ：送信（受信）仰角（０≦ｅｌ≦π／２）
γ：定数（０＜γ＜π／２）
図３は、（１）式により求められるステップｓｔｅｐが天頂角ｚの大きさに応じて変化する様子を示す図である。天頂角ｚが大きくなるとステップｓｔｅｐが小さくなる様子が示されている。

図４は、各計算ポイントにおける伝播方向ベクトルと天頂角との関係を示す図であり、仰角ｅｌで射出された電波の高さが大きくなると屈折率が大きくなって天頂角ｚが大きくなる様子（ｚ_１＜ｚ_２＜ｚ_３＜ｚ_４・・・）が示されている。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係る伝搬経路計算装置の動作を、伝搬経路計算処理を中心に、図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、図５のフローチャートに示す伝搬経路計算処理は、計算ポイントが電離層に存在する場合の動作を中心に示している。

まず、初期ステップ値τ_０が設定される（ステップＳ１１）。この初期ステップ値τ_０は、ステップ計算部１４に予め格納しておくように構成することもできるし、図示しない入力装置からステップ計算部１４に設定するように構成することもできる。

次いで、電子密度が求められる(ステップＳ１３)。電子密度が基準値以上であるかどうかにより電離層に入ったかどうかが調べられる（ステップＳ１２）。すなわち、順次にステップを計算した結果、計算ポイントの高さが電離層の高さに到達したかどうかが調べられる。ステップＳ１２において、電離層内に計算ポイントがないことが判断されると、処理は終了する。この場合、図示は省略するが、電波の伝搬経路が電離層以外である場合の処理、つまり荒いステップでの伝搬経路の計算が行われる。

一方、ステップＳ１２において、電離層内に計算ポイントがあることが判断されると、次いで、屈折率伝播方向ベクトルが求められる（ステップＳ１４）。

すなわち、屈折率・伝播方向計算部１２は、電子密度計算部１１から送られてくる電子密度に基づき、現在の計算ポイントにおける屈折率・伝播方向ベクトルを計算し、天頂角計算部１３に送る。

次いで、伝播方向ベクトルから天頂角が求められる（ステップＳ１５）。すなわち、天頂角計算部１３は、屈折率・伝播方向計算部１２から送られてくる屈折率および現在の計算ポイントに対する電波の伝播方向ベクトルに基づき、現在の計算ポイントにおける電波の伝搬経路の天頂角を計算し、ステップ計算部１４に送る。

次いで、ステップ計算が行われる（ステップＳ１６）。すなわち、ステップ計算部１４は、天頂角計算部１３から送られてくる天頂角に応じて、現在の計算ポイントから次の計算ポイントまでのステップ（距離または伝搬時間）を計算する。次いで、次の計算ポイントが設定される（ステップＳ１７）。すなわち、ステップ計算部１４は、ステップＳ１６で計算されたステップに基づき、次の計算ポイントを設定する。

次いで、電子密度が求められ（ステップＳ１３）、電離層から出たかどうかが調べられる（ステップＳ１２）。ステップＳ１２において、計算ポイントが電離層内にないことが判断されると、ステップＳ１４に戻り、上述した処理が繰り返される。これにより、図４に示すように、ステップｓｔｅｐが順次に計算され、電波の伝搬経路が求められる。

一方、ステップＳ１２において、計算ポイントが電離層にないと判断されると、処理は終了する。この場合、図示は省略するが、電波の伝搬経路が電離層以外である場合の処理が行われる。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る伝搬経路計算装置によれば、天頂角が大きくなる電離層の反射点近辺では、ステップが小さくなって細かい計算が可能になり、伝搬経路を正確に計算することができる。その一方、天頂角が小さくなる電離層の反射点近辺以外では、ステップが大きくなるので計算時間を小さくすることができる。

なお、図５のフローチャートで示す手順は、これをコンピュータプログラムで実現してハードディスク等の記録媒体に格納しておき、必要に応じてコンピュータ上で実行するように構成することができる。

本発明は、例えばＨＦ帯域で通信を行う通信装置に適用可能である。

本発明の実施例１に係る伝搬経路計算装置の構成を示す図である。本発明の実施例１に係る伝搬経路計算装置が伝搬経路の計算に利用する電離層の電子密度の変化および電離層を電波が伝搬する様子を示す図である。本発明の実施例１に係る伝搬経路計算装置のステップ計算部で計算されるステップと天頂角との関係を示す図である。本発明の実施例１に係る伝搬経路計算装置において計算される伝搬経路の各計算ポイントにおける屈折率と天頂角との関係を示す図である。本発明の実施例１に係る伝搬経路計算装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１１電子密度計算部
１２屈折率・伝播方向計算部
１３天頂角計算部
１４ステップ計算部

Claims

電波の伝搬経路の現在の計算ポイントにおける電子密度を求める電子密度計算部と、
前記電子密度計算部で求められた電子密度に基づき屈折率を求める屈折率計算部と、
前記屈折率計算部で求められた屈折率に基づき現在の計算ポイントにおける電波の伝搬経路の天頂角を求める天頂角計算部と、
前記天頂角計算部で求められた天頂角に応じて、前記現在の計算ポイントから次の計算ポイントまでの距離または伝搬時間を表し且つ天頂角が大きくなるに連れて小さくなるように変化するステップを求めるステップ計算部と、
を備えたことを特徴とする伝搬経路計算装置。
電波の伝搬経路の現在の計算ポイントにおける電子密度を求め、
該求められた電子密度に基づき屈折率を求め、
該求められた屈折率に基づき現在の計算ポイントにおける電波の伝搬経路の天頂角を求め、
該求められた天頂角に応じて、前記現在の計算ポイントから次の計算ポイントまでの距離または伝搬時間を表し且つ天頂角が大きくなるに連れて小さくなるように変化するステップを求めることを特徴とする伝搬経路計算方法。
電波の伝搬経路の現在の計算ポイントにおける電子密度を求め、
該求められた電子密度に基づき屈折率を求め、
該求められた屈折率に基づき現在の計算ポイントにおける電波の伝搬経路の天頂角を求め、
該求められた天頂角に応じて、前記現在の計算ポイントから次の計算ポイントまでの距離または伝搬時間を表し且つ天頂角が大きくなるに連れて小さくなるように変化するステップを求めるためのプログラムを記憶したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。