杉本　裕二

1　はじめに
　数10�qから数100�q程度の中距離を、数�p程 度の高精度で簡易に測定できる小型で安価な装置 が、地震予知、測量などの分野で要求されている。
　現在使用されている光学測距装置やVLBI（超 長基線電波干渉計）に代わりうる精密測位システム として、現在注目を浴びているGPS（全世界測位シ ステム）は、数個の衛星電波を受信し、10〜数100 mの確度で絶対位置を決定できるように設計されて いる。このシステムの特徴は、装置が簡単なこと、 測定点間の見通しが不要なこと、天候にかかわらず、 また、個人差なく容易に測位が可能なことである。
　我々は、GPS衛星を相対測位に応用した干渉型 の測位システム（名称：PRESTAR）の開発を 昭和60年に開始した。本システムはGPS衛星が用 いている拡散コードの内容を必要とせず、数�q〜 数100�q程度離れた2点間の3次元距離を10^-7程 度という高精度で得ることを目標に開発され、小型 で安価、観測時間が短く、かつ処理が簡単という特 徴を持っている。
　ここでは本測位システムの概要及び試作機による 受信基礎実験結果について述べる。なおGPS及び PRESTARの開発については、RRLニュース No.126（1986年9月号）を参照されたい。
　　

2　PRESTARシステムの概要
　図1はPRESTARシステムを利用した相対測 位のブロック図である。地球上の2点に受信装置を 置き、方向の異なる4個以上のGPS衛星からの電 波を同時に受信し、各GPS衛星と受信局との擬似 距離（後述）を測定する。その後、別途決定されたG PS衛星の軌道情報を用いて、擬似距離データから 解析ソフトウェアにより、2受信局の3次元相対座 標（△X，△Y，△Z）と時計の時刻差が求められる。

図１　相対測位ブロック図

　図2はPRESTARのブロック図、表1は諸元 である。GPS衛星からの1.5GHz帯（L1バンド） と1.2GHz帯（L2バンド）のPSK拡散変調され た信号は、マイクロストリップ・アレイアンテナ を目的のGPS衛星方向に向けることによって、受 信される。このアンテナは、当所で開発されたシー ケンシャルアレイアンテナ技術を利用したものであ り、小型であるが利得は高い。

図２　PRESTAR　ブロック図

表１　PRESTAR　諸元

　受信信号は、高周波増幅、帯域制限された後、150 MHz帯の中間周波数に変換される。キャリア再生器 により拡散コードを使用せずに、L1バンド中間周 波信号から受信されたGPS衛星のキャリア成分に 位相同期した信号が取り出される。これを再生キャ リアと呼び、位相差測定器により受信局の基準発振 器との位相差が測定される。この位相差からGPS 衛星と受信局との間の距離が求められるが、この値 には電離層、大気、GPS衛星及び受信局の時計の 誤差などが含まれるため、「擬似距離」 と呼ぶ。
　本装置では小型アンテナを用いている ためビーム幅が広く、同時に複数個のG PS衛星からの電波を受信する可能性が ある。各衛星の信号を分離するために キャリア再生回路に狭帯域のPLL（位 相同期）ループを用い、ドップラー周波 数偏移の予測を与えることにより、希望 のGPS衛星のキャリアの位相に同期し た再生キャリアを得ている。
　測定される再生キャリア位相は、1波 長、19�pごとに同一位相になるため、これだけから では擬似距離を決定できない。そこで、波長29.3m のP（Precision）コードクロックと波長293mのC ／A（Clear Acquisition）コードクロックの位相測 定により、キャリアの波数を決定する。これらのコ ードクロックの再生にも、拡散コードは不要である。
　L1バンドの電波の電離層通過時の伝搬遅延は、 L2バンド信号との受信時刻差から補正される。
　遅延較正器は、受信局内遅延の絶対値を測定し、得 られている擬似距離を補正するために用いられる。
　観測スケジュールの管理、アンテナ駆動、データ 収集などは、自動運用ソフトウェアによりパーソナ ルコンピュータシステムを用いて、自動的に運用さ れるようになっている。
　　

3　受信基礎実験
　受信装置の基礎的な性能を確認するため、零基線 における擬似距離データの安定度を測定する、受信 基礎実験を行った。
(1)　擬似距離測定の誤差要因
　測位精度は図3のように、主に衛星の軌道位置精 度によって決定されるが、基線長に依存しない一定 の測位誤差がある。これは、零基線の擬似距離測定 の誤差を測定することによって得られる。この誤差 は、受信装置の基本的データであり、特に地殻変動等 短基線測位における精度の限界を示すものである。

図３　基線長対測位誤差例（軌道誤差＝±10mの場合）

　零基線の擬似距離測定の誤差要因は、
　(A)　キャリア再生回路の安定度
　(B)　基準発振器の安定度
　(C)　受信系のC／N
　(D)　D／C（Down Converter）局部発振器の安定度
があげられる。
(2)　実験方法
　図4のブロック図のように、GPS衛星からの信 号はアンテナで受信され、高周波増幅、帯域制限、 周波数変換後2分配され、それぞれキャリア再生回 路に導かれる。2台のキャリア再生回路によって得 られた再生キャリアの位相差（時間）の安定度を測 定する。

図４　受信基礎実験クロック図

(3)　実験結果
　図5は、取得した安定度データで、横軸は時間、 縦軸はアラン分散である。�@は図4のキャリア再 生回路に、GPS衛星のかわりにPN符号でPSK 変調をかけた信号を入力したときの安定度であり、 (1)の(A)で述べたキャリア再生回路自体の安定度 を示す。これから、キャリア再生回路は充分良い安 定度をもっていることがわかる。�Aは、実際にG PS衛星（SV♯12）を受信したときの安定度で、 (A)のキャリア再生回路の安定度と、(C)の受信系の C／Nとを合わせた安定度が測定され、�@の1.5倍 くらいになっている。

図５　安定度測定結果

　�Bは、ルビジウム（Rb）周波数標準器の安定度、す なわち、(B)の基準発振器の安定度に相当する。また、 (D)のD／C局部発振器の安定度については、他の要 因に比べ十分小さい。したがって、�C（＝�A+�B）は、 (1)の誤差要因すべてを含んだ安定度とみなせる。
　�Cから、1衛星10秒間のデータを用いて擬似距 離を求めた場合、2.0×10^-12程度の安定度になる。 これを擬似距離に換算すると、約1.91�oという十 分満足できる値が得られた。これから図3の基線長 によらない測位誤差は、�oオーダと見積ることが でき、PRESTARが精密測位に利用できること が証明された。
　　

4　おわりに
　PRESTARの主要部の試作を終え、零基線受 信基礎実験が成功し、満足するデータが得られた。 今後システムを完成させながら、近距離での受信実 験、また基線を延ばしVLBI結果との比較実験を 行う予定である。さらにGPS衛星の精密軌道推 定実験も行いたい。
　本システムは、高精度相対測位結果により地震予 知をめざした地殻変動の測定や精密測地に利用でき るほか、高精度の時刻比較の分野にも応用できる。 また、電離層の研究や大気の揺らぎの研究などにも 役立つものである。

（鹿島支所　衛星管制課　主任研究官）

菊池　　崇

1　はじめに
　南極の夜空に美しく舞うオーロラは磁気圏内で加 速された電子が磁力線沿いに電離層に降り込むこと による発光現象であることはよく知られている。オ ーロラには発光の外に電離層の電離やVLF帯の自 然電波の発生など様々な電磁現象が伴っており、超 高層物理の研究にとって大きな魅力であることは南 極観測開始以来30年を経た現在でも変わらない。観 測方法も全天カメラ、テレビの光学観測や電離層に よる銀河雑音電波吸収を測るリオメータ観測、オー ロラレーダなどの地上観測に加え、ロケット、人工衛 星など年を追うごとに発達している。飛翔体が宇宙 空間の高エネルギー粒子、プラズマ、波動を直接測 定するのに対して、地上観測は間接的な測定であっ たり、また天候による制限を受けるものもある。し かし、連続観測が可能という点で地上観測は従来同 様これからもますます重要な観測方法である。
　天候に左右されないでオーロラ電子の降り込みを 観測する方法にリオメータがあるが、広いビーム幅 のアンテナを用いる従来の方法ではオーロラの細か い構造やその動きなどをとらえることはできない。 この問題を解決するために、文部省極地研究所と当 所の超高層研究グループが協力してマルチビームリ オメータの建設と観測を行ってきた。マルチビーム リオメータは複数の狭ビームで天空の異なる場所に 降下するオーロラ粒子の時間、空間変化を観測す る。また、アンテナビームを1秒毎に6度ステップ で移動させることによって、10�qという高い空間 分解能を実現した点は世界にも例がない。建設は26 次隊が昭和61年1月に行い、筆者が参加した27次隊 で機能を増強し、昭和61年3月からはパソコンによ るデータの一次処理機能を付加し、オーロラによる 吸収領域の移動を実時間でモニタできるシステムを 完成した。次に、マルチビームリオメータの概要と 得られたデータを紹介する。
　　

2　観測システム
　RIOMETER（Relative Ionospheric Opacity METER）は短波帯（30MHz）の銀河雑 音電波が電離層を通過する際に受ける吸収 量から電離層の電離や電離源である高エネ ルギー粒子を測定する装置である。この吸 収はCNA（Cosmic Noise Absorption） と呼ばれ、極域ではオーロラ粒子や太陽宇 宙線が主な原因である。
　マルチビームリオメータのアンテナは14 段コリニアアンテナ素子を東西、南北に8 本ずつ並べたフェイズドアレイで、ビーム 幅13度のビームを6本持つ（図1参照）。 固定移相器によってつくられる4本のビー ムは天頂方向、天頂を挟んで北30度、南30 度、西30度に固定され、これらの異なった 空間に降り込むオーロラ粒子の時間変化を時間精度 0.25秒で観測する。他の2本のビームは可変移相器 によって1秒ステップで東西南北に天頂を挟んで± 30度の範囲を掃引する。掃引ビームがカバーする領 域は電離層高度（90�q）で直径約130�qの円であ る。この領域で発生するオーロラに伴うCNAや脈 動性のCNAなどの時間、空間的な変動を観測する ことができる。

図１　アンテナ視野の電離層投影

　アンテナは地面からの高さ2〜3mの位置に張っ た計16本のエレメントから成り、敷地面積はおよそ 50m×50mである。地面には銅線をメッシュ状にし たグランドプレーンを張って、アンテナビームが上 方へ向くようにしてある。
　　

3　オーロラCNAと脈動性CNA
　図2はオーロラブレークアップ時 のCNA移動の例を示したものであ る。上から固定N30、南北掃引11 チャンネル（N30〜S30）、固定S 30、地磁気変化D-成分、固定天頂、 東西掃引11チャンネル（E30〜W 30）、固定W30が示されている。時 間マークは1分を表す。オーロラ粒 子が約1分で北から南へ移動する様 子がはっきり現れている。

図２　オーロラに伴うCNAの極方向移動

　図3は脈動性のCNAの東西方向 の移動を示している。脈動性のCNAの空間的な移 動をこのように見事にとらえた例はこれまで報告さ れていない。しかも、従来考えられていたCNA移 動の方向と逆方向に伝搬する現象である点でも注目 されている。

図３　脈動性CNAの東西方向移動

4　おわりに
　現在も昭和基地で観測を継続しているマルチビー ムリオメータは、上に述べたように世界でも例がな い掃引ビームを持ち、高い空間分解能を実現した。 分解能が上がったことによりこれまでの観測手段で は見つからなかった種類のCNA脈動が観測された 外、空間スケールで数10�qという局在したオーロ ラ粒子の降り込みなども観測された。今後、昭和基 地の磁気共役点であるアイスランドでの建設が計画 され、オーロラ研究の有力な観測手段になることが 期待されている。
　南極で観測を行うことの魅力はオーロラをまの当 たりにしながら各種の観測を行うことであるが、観 測機器から刻々出力されるデータ（図2）が実感を 伴ってオーロラと結び付くことはデータ解析、研究 にとっても大いにプラスになることと思われる。
　終わりにマルチビームリオメータの建設に従事し た26次越冬隊宙空部門と、筆者とともに観測機器の 設置、維持、観測を行った27次越冬隊宙空部門の諸 隊員に謝意を表します。

（電波部　電磁圏伝搬研究室　主任研究官）

阿波加　　純

チルボルトン直交偏波レーダ

　RALの伝搬グループは、昭和59年から開始され たヨーロッパ10か国の共同研究であるCOST210 プロジェクトに参加している。COST210は三つ のテーマから成り、ダクト・対流圏散乱波による干 渉、降水散乱波による干渉及び干渉軽減方式につい て精力的に研究を行っている。なお、COSTとは European Cooperation in the Field of Scientific and Technical Researchを略したもので、すでに終了し たプロジェクトで伝搬を扱ったものとしては、 COST205の名称のもとに行われた衛星−地上間の伝 搬に関する研究が有名である。
　滞在中の研究テーマは、COST210に関連し て、マイクロ波の降水散乱による干渉問題を調べる ことであった。昭和62年夏から散乱実験が開始され たものの、筆者がデータ解析を行うには滞在時期が 早すぎ、もっぱらチルトン村の南約50�qに位置す るチルボルトン村に設置されているRALの直交偏 波レーダ（アンテナ直径25m）で得られたデータを 用いた降水散乱干渉問題の解析に口と多少の手を出 すことと、実験結果の解析に役立てることを目的と した、新しい推定法を作成することに専念した。
　なお、RALの直交偏波レーダは昭和62年夏に改 造が終了し、送信偏波切替えと受信偏波切替えが独 立に行えるよう機能強化された。
　最後に、出張に当たってお世話いただいたブリ ティッシュ・カウンシル、RAL、及び当所の関係 者の方々に深く感謝します。

（電波部　大気圏伝搬研究室　主任研究官）

（総合通信部　放送技術研究室　主任研究官　小宮紀旦）

（電波応用部　光計測研究室長　有賀　規）

しらせ船上の井口、森永（筑波大）、大塚隊員

当所隊員とその家族