無人​飛行機​用​制御​回線​における​無線​通信​技術​仕様​の​策定​に​向け​て、 小型​プロペラ​機​に​搭載​可能​な​無線​計測​システム​を​PXI​ベース​で​構築

- 独立​行政​法人​情報​通信​研究​機構​(NICT) 経営​企画​部 企画​戦略​室 プランニング​マネージャー/​工学​博士 滝沢 賢一​氏、, 株式会社​ドルフィン​システム 取締役 福島 幹雄氏

"NI​の​製品​群​は、​サイズ、​重量、​消費​電力、​コスト、​開発期間といったすべての課題を解決できる唯一のソリューションだった。"

- 独立​行政​法人​情報​通信​研究​機構​(NICT) 経営​企画​部 企画​戦略​室 プランニング​マネージャー/​工学​博士 滝沢 賢一​氏、, 株式会社​ドルフィン​システム 取締役 福島 幹雄氏

課題:

無人​飛行機​の​制御​回線​に​使用​する​無線​規格​の​策定​に​向け​て、​飛行機​と​地上​局​の​間、​飛行機​と​飛行機​の​間​で​電波​の​伝搬​特性​を​評価​する。​その​評価​に​は、​複数​本​の​アンテナ​に​対応​する​受信​系​が​必要​に​なる​うえ​に、​正確​な​タイミング​で​送信​側​と​受信​側​の​同期​を​とる​必要​が​あっ​た。​しかし、​実験​に​使用​する​の​は​小型​の​プロペラ​機​で​あり、​それに​搭載​する​受信​側​の​システム​に​は、​サイズ、​重量、​消費​電力​など​の​面​で​大きな​制約​が​あっ​た。

ソリューション:

NI​の​PXI​プラットフォーム​を​ベース​として、​小型/​軽量/​低​消費​電力​という​要件​を​満​た​した​受信​側​システム​を​構築​する。​受信​信号​の​サンプリング​と​記録​に​は、​ベクトル​信号​トランシーバ​と​RAID​対応​の​ストレージ​モジュール​を​使用​する。​4​本​の​アンテナ​から​の​信号​は、​RF​スイッチ​によって​切り替える​こと​で、​1​台​の​ベクトル​信号​トランシーバ​で​測定​できる​よう​に​する。​RF​スイッチ​の​制御、​送信​側​と​受信​側​の​同期​に​は、​GPS​信号​受信​ユニット​を​利用​する。

背景

2012​年​に​開催​さ​れ​た​世界​無線​通信​会議​(WRC-2012)​において、​無人飛行機の制御に使用する周波数帯に関する勧告が決議された。​ここ​で​言う​無人​飛行機​と​は、​パイロット​が​機上​に​て​操縦​する​の​では​なく、​地上​から​の​無線​回線​を​経​て​飛行​を​操縦​する​という​もの​で​ある。​こうした​無人​飛行機​は​以前​から​海洋​生物​の​観察​など​に​使​われ​てい​た​が、​現在​は​より​多く​の​応用​例​が​検討​さ​れ​て​おり、​高い​注目​を​集め​て​いる​状況​に​ある。

 

例えば、​米国​では​パイロット​が​不足​し​て​いる​という​状況​を​受け​て​貨物​輸送​機​の​無人​化​が​検討​さ​れ​て​いる。​また、​日本​国内​では、​2011​年​3​月​に​発生​した​東日本​大震災​を​契機​として、​災害​対応​を​目的​と​した​無人​飛行機​を​利用​した​アプリケーション​に​注目​が​集​ま​って​いる。​例えば、​無人​飛行機​によって​被災​地域​の​モニタリング​を​行い、​画像​や​映像​によって​情報​を​取得​する​といった​用途​で​ある。​また、​2013​年​3​月​に​は、​情報​通信​研究​機構​(NICT)​が、​小型​の​無人​飛行機​を​活用​した“無線​中継​システム”を​開発​した​と​発表​し​て​いる。​これ​は、​大規模​災害​が​発生​した​際、​周囲​から​孤立​した​被災​地域​と​の​間​で​通信​を​行える​よう​に​する​ため​に、​無人​飛行機​を​中継​局​として​活用​しよう​という​もの​で​ある。

 

こうした​動き​が​加速​する​一方で、​従来​は​無人​飛行機​の​制御​回線​で​使用​さ​れる​無線​通信​仕様​に​は、​国際的に標準化された規格などは存在していなかった。​現在​は、​WRC-12​において、​制御​回線​に​使用​する​無線​周波数​帯​として​5030 MHz​~​5091 MHz​が​勧告​さ​れ​た​という​こと​で​ある。

 

WRC-12​の​勧告​を​受け​て、​日本​国内​でも​無人​飛行機​システム​における​制御​回線​の​無線​通信​仕様​に関する​議論​が​進​め​ら​れつ​つ​ある。​WRC-12​で​決​まっ​た​の​は​5030 MHz​~​5091 MHz​という​周波数​帯​の​割り当て​だけ​だ。​実際​に​無人​飛行機​システム​の​制御​回線​を​実装​する​ため​に​は、​どの​よう​な​技術​基準​を​定める​必要​が​ある​の​か​という​こと​から​明確​にし​な​け​れ​ば​なら​ない。​例えば、​送信​出力​として​は​どの​くらい​の​数値​を​許容​する​の​か、​通信​帯域​幅​は​どう​する​の​か、​通信​方式​に​は​どの​よう​な​もの​を​使用​する​の​か​といった​こと​で​ある。​そうした​決定​を​下す​ため​に​は、​まず、​無人​飛行機​と​その​制御​を​担う​地上​局​と​の​間​で​電波​を​やりとり​した​とき​に、​どの​よう​な​伝搬​特性​が​得​られる​の​か​という​こと​を​調べ​な​け​れ​ば​なら​ない。​そこで、​総務​省​における​研究​開発​を​受託​し​て、​2014​年​初頭​に​NICT​が実際に電波伝搬特性の測定を行うことになった。​その​測定​結果​を​基​に、​どの​よう​な​通信​方式​を​使用​すると、​どの​くらい​の​接続​率​で​無人​飛行機​と​通信​が​行える​か​といった​情報​を​提供​する​こと​が​NICT​の​役割​だ。

 

無人​飛行機​システム​では、​地上​局​から​無線​で​制御​用​コマンド​を​送信​する。​一方、​飛行機​側​から​は​安全​に​飛行​する​ため​に​必要​な​機体​に関する​情報​など​を​地上​局​に​フィードバック​する。​機体​に関する​情報​に​は、​飛行​速度​や​飛行​方向、​プロペラ​の​回転​数、​バッテリ​駆動​の​場合​に​は​その​残​量​といった​情報​で​ある。​これらの​情報​を​も​と​にし​て​地上​に​て​操縦​を​行う​こと​から、​無人​飛行機​の​制御​回線​に​使用​する​無線​通信​に​は、​高い​信頼​性​が​必要​に​なる。​高い​信頼​性​を​実現​できる​無線​通信​方式​の​仕様​を​決定​する​際​に​は、​基礎​データ​と​なる​電波​伝搬​特性​を​測定​する​こと​が​非常​に​重要​な​意味​を​持つ​ので​ある。

 

 

 

課題

電波​伝搬​特性​の​測定​は、​地上​局​と​飛行機​(基本​的​な​実験​の​段階​なので​小型​有人​飛行機​を​使用)​の​間、​飛行機​と​飛行機​の​間​(無線​中継​システム​の​よう​な​用途​に​対応)​で​行う。​主​な​測定​項目​は​3​つ​で​ある。​いちばん​重要​な​の​は、​どの​くらい​距離​が​離れる​と、​電波​の​強度​が​どの​くらい​に​なる​の​か​という​こと​だ。​2​つ​目​の​測定​項目​は、​反射波​について​で​ある。​すなわち、​山​や​建造​物​で​反射​した​電波​が​どの​くらい​の​強度​に​なり、​どの​くらい​の​時間​継続​する​の​か​という​こと​を​調査​する。​3​つ​目​は、​飛行機​の​姿勢​角​による​受信​信号​強度​へ​の​影響​の​評価​で​ある。

 

想定​し​てい​た​評価​系​は​簡単​に​言​え​ば​図​1​の​よう​な​もの​に​なる。​まず​送信​側​と​なる​1​機​の​飛行機​に​試験​用​の​信号​を​発生​する​ベクトル​信号​発生​器​(VSG)​を​搭載​する。​一方、​受信​側​と​なる​地上​局​と​もう​1​機​の​飛行機​に​は​ベクトル​信号​アナ​ラ​イザ​(VSA)​を​搭載​し、​サンプリング​した​データ​(I/​Q​データ)​を​連続​的​に​ストレージ​装置​に​記録​し​てい​く​という​もの​で​ある​(実際​の​アプリケーション​では、​操縦​に​限​れ​ば​地上​局​が​送信​側、​飛行機​が​受信​側​と​なる​が、​対称​性​が​成り立つ​ので​この​よう​な​評価​系​で​問題​は​ない)。​しかし、​飛行機を使用するという条件によってシステム構築の難易度が非常に高くなった。​特に、​試験​用​の​信号​を​発生​する​だけ​で​よい​送信​側​と​は​異​なり、​飛行機​に​設置​する​受信​側​の​測定​システム​に対する​要件​が​非常​に​厳しい​もの​と​な​っ​た​ので​ある。

 

まず、​受信​側​の​システム​は​飛行機​に​搭載​できる​大​き​さ​でなければ​なら​ない。​使用​する​飛行機​は​2​人​乗り​の​小型​プロペラ​機​(写真​1)​で​あり、​測定​システム​の​サイズ​は​1​人分の座席スペースに収まるようにしなければならなかった。​重量​と​消費​電力​について​も、​同様​に​大きな​制約​が​あっ​た。

 

 

 

また、​機体​による​電波​の​遮断​の​影響​を​抑える​ため​に、​左右​の​翼​の​両方​に​アンテナ​を​設置​する​必要​が​あっ​た。​加​えて、​反射波​の​偏​波​分極​成分​を​測定​する​ため​に、​受信​側​では​水平​偏​波/​垂直​偏​波​それぞれに​対応​する​2​本のアンテナを使用しなければならなかった。​つまり、​左右​の​翼​に​2​本​ずつ、​計​4​本​の​アンテナ​を​使用​する​という​こと​で​ある​(写真​2)。​これ​に​対応​し​て​4​台​の​VSA​を​使用​する​という​の​は、​サイズ/​重量/​消費​電力​の​制約​に​大​きく​反する​し、​コスト​も​大幅​に​か​さん​で​しまう。​そこで、​各​アンテナ​から​の​受信​信号​を​1​台​の​VSA​で順次サンプリングできるような構成をとらなければならなかった。

 

 

 

加​えて、​RF​スイッチ​を​正確​な​タイミング​で​切り替える​とともに、​送信​側​と​受信​側​の​同期​を​とる​必要​も​あっ​た。

さらに、​飛行機​に​は​測定​作業​用​の​人員​が​乗る​スペース​は​残​さ​れ​てい​ない​ので、​パイロットでも実行可能な必要最小限の操作だけで測定が行えるようにしなければならなかった。

この​よう​な​条件下​で、​測定​システム​の​開発​は​短期間​で​完了​さ​せ​な​け​れ​ば​なら​ない​こと​も​言うまでもない。​こうした​数多く​の​課題​の​すべて​を​解決​できる​ソリューション​が​必要​だ​っ​た​ので​ある。

 

 

ソリューション/​効果

上述​した​よう​な​課題​を​解決​できる​ソリューション​として、​われわれ​は​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​(NI)​の​PXI​製品​を​選択​した。​各種​PXI​製品​を​使用​し​て、​受信​側​は​図​2​の​よう​な​構成​で​実現​した。​その​中心​に​ある​の​は、​VSA​として​使用​する​ベクトル​信号​トランシーバ​(VST)​で​ある。​4​本​の​アンテナ​から​の​信号​は、​RF​スイッチ​によって​切り替え​て​VST​で​順次​サンプリング​する。​その​切り替え​を​正確​な​タイミング​で​行う​ため、​また​送信​側​と​の​同期​を​とる​ため​に、​GPS​信号​受信​ユニット​を​使用​し​て​いる。​VST​で​サンプリング​した​データ​は​RAID(Redundant Arrays of Independent Disks)​対応​の​データ​ストレージ​モジュール​に​連続​し​て​記録​する​という​仕組み​だ。

 

 

 

シャー​シ:​PXI​シャー​シ​(PXIe-1075)
​コントローラ:​PXI​コントローラ​(PXIe-2543)

SW: 6.6 GHz​の​RF​スイッチ​(PXIe-2543)
​VST:​6.6 GHz​の​ベクトル​信号​トランシーバ​(PXIe-5644R)
​RAID:RAID​対応​の​データ​ストレージ​(NI 8260)
​GPS:GPS​信号​受信​ユニット​(PXI-6682H)

BPF:​バンド​パス​フィルタ
​LNA:​低​ノイズ​アンプ

図​2. 受信​側​システム​の​構成

 

サイズ​など​の​問題​は​さて​おき、​機能​面​に​限​って​言​え​ば、​おそらく​従来​の​よう​に​ボックス​型​計測​器​など​を​組み合わせる​こと​でも​システム​を​構成​する​こと​は​可能​だ​ろう。​ただ、​NI​の​ソリューション​を​採用​する​か​否​か​によって、​開発​の​難易度​の​面​で​極めて​大きな​差​が​生まれる。​NI​の​ソリューション​を​採用​した​場合​の​いちばん​の​ポイント​は、​旧来​の​手法​と​比べ​て“仕事​の​やり方​が​別​次元​の​もの​に​なる”ところ​だ。​その​意味​は​以下​の​とおり​で​ある。

 

従来​の​よう​に、​ボックス​型​計測​器​を​ベース​と​し、​RF​スイッチ​や​GPS​受信​機​を​組み合わせ​て​システム​を​構築​する​という​の​は、​RF​分野​ならでは​の​煩雑​さ​を​伴う​ハードウェア​開発​に​近い​イメージ​の​作業​に​なる。​「本当に​実現​できる​の​か?」​という​ところ​から​始まり、​製品​の​選択​にあたって​も​多く​の​知識​が​必要​に​なる。​結果​として、​必要​な​もの​は​独自​に​開発​する​という​結論​に​なる​こと​も​少​なく​ない。​そうすると、​FPGA​を​搭載​する​ボード​や​RF​ブロック​を​一​から​設計​する​ことに​なり、​すぐ​に​1​年​がかり​の​レベル​の​プロジェクト​に​な​って​しまう。​しかも何かしらの変更が必要になれば、​数​ヶ月​単位​で​さらに​開発​期間​が​延びる​こと​を​覚悟​しな​け​れ​ば​なら​ない。

 

一方、​NI​の​製品​を​使う​場合、​ハードウェア​について​は​PXI​シャー​シ​に​モジュール​を​差し込む​だけ​で​あり、​ソフトウェア​の​開発​が​主​な​作業​に​なる。​しかも、​その​作業​に​は​グラフィカル​システム​開発​ツール​で​ある​LabVIEW​を​使用​できる。​極端​に​言​え​ば、​PC​上​で​クリック​操作​を​実行​する​だけ​で​すべて​の​作業​が​完了​する​という​こと​だ。​実際、​今回​の​測定​システム​は​わずか​2.5​週間​ほど​で​完成​させる​こと​が​でき​た。

 

NI​の​ソリューション​は、​すべての要件を満足することができる唯一のものだった。​上述​した​構成​により、​小型​プロペラ​機​に​搭載​可能​な​サイズ/​重​さ/​消費​電力​で​受信​側​の​システム​を​構築​する​こと​が​でき​た​(写真​3)。​また、​SSD(Solid State Drive)​ベース​の​大​容量​ストレージ​モジュール​を​採用​した​こと​から、​振動​など​の​影響​を​受ける​こと​なく、​70​分以上にわたりデータを連続して記録することが可能になった。

 

操作性​について​も、​パイロット​に​負担​を​かける​こと​の​ない​よう、​「Start」、​「Stop」​の​2​つ​の​ボタン​で​測定​が​行える​よう​に​する​こと​が​でき​た​(画面​1)。​何らかの​問題​が​生​じ​た​ときには、​「Restart」​ボタン​を​押す​だけ​で​よい

 

 

 

実験​は​米国​ハワイ​で​実施​し、​予定​し​てい​た​すべて​の​項目​の​測定​を​完了​する​こと​が​でき​た。​その​内容​は、​定め​ら​れ​た​期限​内​に​報告書​の​かたち​で​総務​省​に​提出​する​こと​が​でき​た。

 

今後​の​展開

本​事例​の​よう​な​測定​を​行う​こと​により、​さまざま​な​条件​の​下​で​電波​が​どの​よう​に​伝搬​する​の​か​を​示す​サンプル​が​多数​集まる。​それ​を​基​に、​飛行​高度、​機体​の​姿勢​角、​距離​を​パラメータ​として​統計​的​な​モデル​を​作成​する​こと​が​できる。​これ​は、​従来​から​移動​体​通信​システム​や​有人​航空機​用​の​テレメータ​向け​の​通信​方式​を​設計​する​際​に​使​われ​て​きた​一般​的​な​手法​だ。​一方で、​本​事例​の​測定​手法​によって​もう​一つ​新た​な​アプローチ​が​生み​出​さ​れる​可能性​が​ある。​それ​は​次​の​よう​な​もの​で​ある。

 

NI​の​製品​を​使​って​構築​した​この​システム​では、​受信​信号​の​強度​や​反射​の​情報​を​連続​し​て​記録​する​こと​が​でき​た。​GPS​によって​時間​の​管理​も​正確​に​行​って​いる​ので、​どこ​を​飛​んで​いる​とき​に​どの​よう​な​状況​だ​っ​た​の​か​という​こと​が​非常​に​高い​分解能​で​把握​でき​て​いる。​これらの情報と地形の条件とを組み合わせてシミュレータを構築すれば、​より​高い​信頼​性​で​検証/​評価​が​行える​よう​に​なる。​この​よう​な​展開​を​に​ら​んで、​今後​は​本​事例​の​よう​に​連続​記録​が​可能​な​評価​システム​が​標準​的​に​使​われる​よう​に​なる​の​では​ない​だ​ろう​か。

 

 

 

また​VST​は、​VSG​と​VSA​の​機能​を​併せ持つ​ことに​加​え、​ユーザ​が​プログラム​可能​な​FPGA​ボード​を​搭載​し​て​いる。​現​段階​では​VSA​の​機能​しか​使用​し​てい​ない​が、​今後​の​展開​を​考える​と​VST​を​選択​した​こと​が​大きな​メリット​に​なる。​伝搬​特性​の​測定​に​続​い​て​は、​通信​方式​は​どう​ある​べ​き​な​の​か​という​こと​を​考え​てい​く​必要​が​ある。​その​際、​何らかの​通信​方式​に​の​っと​っ​た​信号​を​送信​し、​受信​側​では​VST​の​FPGA​によって​データ​処理​を​行う​こと​で、​どの​よう​な​状態​で​信号​が​送​ら​れ​て​き​て​いる​の​か​を​リアルタイム​に​把握​できる​よう​に​なる。​これ​は​非常​に​魅力​的​な​こと​だ。​さらに送信機能も組み合わせれば、​チャンネル​エミュレータ​を​構築​する​といった​こと​も​可能​だ​ろう。

 

その​よう​な​展開​を​考え​た​とき、​NI​の​PXI​プラットフォーム​を​選択​し​て​いる​こと​が​大きな​メリット​に​なる。​ハードウェア​について​は​モジュール​を​差し替える​だけ​で​済む​し、​ソフトウェア​も​LabVIEW​によって​容易​に​開発​できる。​必要​に​応​じ​て​容易​に​変更​に​対応​できる​点​が、​NI​の​プラットフォーム​の​大きな​魅力​だ​と​言える。

 

 

 

著者​情報:

独立​行政​法人​情報​通信​研究​機構​(NICT) 経営​企画​部 企画​戦略​室 プランニング​マネージャー/​工学​博士 滝沢 賢一​氏、
​株式会社​ドルフィン​システム 取締役 福島 幹雄氏

図​1. ​評価​系​の​概要
写真​1. ​実験​に​使用​した​小型​プロペラ​機
写真​2. ​片翼に取り付けられた​2​本​の​アンテナ
写真​3. ​1​人​分​の​座席​スペース​に​設置​さ​れ​た​受信​側​システム
画面​1. ​測定​システム​の​GUI​画面
​小型​無人​飛行機​と​滝沢​氏、​福島​氏