距離測定装置

航空学において、距離測定装置( DME ) は、 960 ～ 1215 メガヘルツ (MHz) の周波数帯域で無線信号の伝搬遅延を測定することにより、航空機と地上局の間の直線距離(距離)を測定する無線航法技術です。航空機と地上局の間には見通し線が必要です。質問機 (空中) は、割り当てられた「チャネル」でパルス ペアをトランスポンダー地上局に送信して交換を開始します。チャネル割り当てによって、搬送周波数とパルス間の間隔が指定されます。既知の遅延の後、トランスポンダーは、質問周波数から 63 MHz オフセットされ、指定された間隔でパルス ペアを送信して応答します。^[1]

DMEシステムは、国際民間航空機関（ICAO）^[1] 、 RTCA ^[2]、欧州連合航空安全機関（EASA）^[3]などの機関によって設定された標準を使用して世界中で使用されています。国によっては、計器飛行方式（IFR）で運航する航空機にDMEインタロゲーターの装備を義務付けている国もあれば、特定の操作を行う場合にのみDMEインタロゲーターが必要な国もあります。

DMEトランスポンダーは単独でも使用できますが、通常は方位誘導システムと組み合わせて航空機に2次元ナビゲーション機能を提供します。一般的な組み合わせは、DMEを単一の地上局にVHF全方向レンジ（VOR）送信機と一緒に設置することです。この場合、VOR機器とDME機器の周波数がペアになります。^[1]このような構成により、航空機は方位角と局からの距離を判断できます。VORTAC （ TACANと一緒に設置されたVOR ）を設置すると、民間航空機に同じ機能が提供されますが、軍用機にも2次元ナビゲーション機能が提供されます。

低電力 DME トランスポンダーは、一部の計器着陸装置(ILS)、ILS ローカライザー、マイクロ波着陸装置(MLS) の設置にも使用されます。これらの状況では、DME トランスポンダーの周波数/パルス間隔も ILS、LOC、または MLS 周波数とペアになります。

ICAOはDME送信を極超短波（UHF）と定義している。Lバンドという用語も使用されている。^[4]

オーストラリアで開発された DME は、連邦科学産業研究機構(CSIRO)の無線物理学部門の主任として勤務していたエドワード ジョージ "タフィー" ボーエンの監督の下、ジェームズ "ジェリー" ジェランド^[5]によって発明されました。このシステムの別のエンジニアリング バージョンは、1950 年代初頭にAmalgamated Wireless Australasia Limitedによって 200 MHz VHF帯域で運用されました。このオーストラリア国内バージョンは連邦民間航空局によって DME(D) (または DME Domestic) と呼ばれ、その後国際版はICAOによってDME(I) として採用されました。

DME は、航空機と地上の機器の役割が逆であることを除き、原理的には二次レーダー測距機能に似ています。DME は、第二次世界大戦の敵味方識別(IFF) システムに基づいて戦後に開発されました。互換性を維持するために、DME は TACAN の距離測定コンポーネントと機能的に同一です。

最初のバージョンでは、DME を搭載した航空機は、パルス ペアを送受信することで地上トランスポンダーからの距離を決定し、表示するためにこの装置を使用していました。地上局は通常、VOR または VORTAC と同じ場所に設置されています。低電力 DME は ILS または MLS と同じ場所に設置でき、ILSマーカー ビーコンによって提供されるものと同様の正確な着陸距離を提供します(多くの場合、後者は取り外すことができます)。

DMEの新しい役割は、DME/DMEエリアナビゲーション（RNAV）です。^{[6] [7]} DMEはVORに比べて一般的に精度が優れているため、2つのDME（三辺測量/距離を使用）を使用したナビゲーションでは、VOR/DME（方位/距離を使用）を使用したナビゲーションではできない操作が可能になります。ただし、航空機にRNAV機能が必要であり、一部の操作では慣性基準装置も必要です。

経路またはターミナルナビゲーション用の一般的な DME 地上トランスポンダーは、割り当てられた UHF チャネルで 1 kW のピークパルス出力を持ちます。

DME システムは、航空機内の UHF (L バンド) 送信機/受信機 (インタロゲータ) と地上の UHF (L バンド) 受信機/送信機 (トランスポンダ) で構成されます。

1 秒あたり 150 個の問い合わせパルスペア。航空機は一連のパルスペア (問い合わせ) で地上トランスポンダーに問い合わせ、正確な時間遅延 (通常 50 マイクロ秒) の後、地上局は同一の一連のパルスペアで応答します。航空機の DME 受信機は、元の問い合わせパターンに対する正しい間隔と応答パターンで応答パルスペア (X モード = 12 マイクロ秒間隔) を検索します。(個々の航空機の問い合わせパターンと一致しない、つまり同期していないパルスペアは、フィラーパルスペアまたはスキッターと呼ばれます。また、他の航空機への応答で非同期のものもスキッターとして表示されます)。

1 秒あたりの照会パルス ペア数は 30 未満です。これは、SEARCH および TRACK の平均パルス数が最大 1 秒あたり 30 パルス ペアに制限されているためです。航空機の照会装置は、特定の応答パルス シーケンスが元の照会シーケンスと同じ間隔であることを認識すると、DME 地上局にロックオンします。受信機がロックオンされると、エコーを探すウィンドウが狭くなり、ロックを維持できます。

無線信号がターゲットまで 1海里(1,852 m)移動して戻ってくるのに、約 12.36 マイクロ秒かかります。質問と応答の間の時間差から地上トランスポンダの 50 マイクロ秒の遅延と応答パルスのパルス間隔 (X モードでは 12 マイクロ秒、Y モードでは 30 マイクロ秒) を差し引いた値が、質問機のタイミング回路によって測定され、海里単位の距離測定値 (直線距離) に変換されて、コックピットの DME ディスプレイに表示されます。

距離の公式、距離 = 速度 * 時間 は、DME 受信機が DME 地上局からの距離を計算するために使用されます。計算における速度は、無線パルスの速度、つまり光速 (およそ 300,000,000  m/sまたは 186,000  mi/s ) です。計算における時間は C. ½(合計時間-応答遅延) で、C は光速です。

DME地上局の精度は185m（±0.1海里）です。^[8] DMEは航空機のアンテナとDMEトランスポンダアンテナ間の物理的な距離を提供することを理解することが重要です。この距離は「斜距離」と呼ばれることが多く、トランスポンダ上の航空機の高度とそれらの間の地上距離に三角法で依存します。

たとえば、高度 6,076 フィート (1 海里) の DME ステーションの真上にある航空機は、DME の表示では 1.0 海里 (1.9 km) と表示されます。航空機は技術的には 1 マイル離れており、真上に 1 マイルあるだけです。斜距離誤差は、DME ステーションに近い高高度で最も顕著になります。

^{無線航法援助装置は、国際基準、FAA、 [9]} EASA、ICAOなどによって定められた一定の精度を維持する必要があります。これを保証するために、飛行検査機関は、適切に装備された航空機で重要なパラメータを定期的にチェックし、DMEの精度を校正および認証します。

ICAO は、 0.25 nmi に測定距離の 1.25% を加えた値未満の精度を推奨しています。

一般的な DME 地上トランスポンダー ビーコンの制限は、1 秒あたり 2700 回の問い合わせ (1 秒あたりのパルス ペア数 – pps) です。したがって、一度に最大 100 機の航空機の距離情報を提供できます。航空機の送信の 95% は追跡モード (通常 25 pps) で、5% は検索モード (通常 150 pps) です。この制限を超えると、トランスポンダーは受信機の感度 (ゲイン) を制限することで過負荷を回避します。トランスポンダーの負荷を下げるため、弱い (通常はより遠い) 問い合わせへの応答は無視されます。

DME 周波数は VOR 周波数とペアになっており、DME インターロゲーターは、関連する VOR 周波数が選択されると、対応する DME 周波数に自動的に同調するように設計されています。飛行機の DME インターロゲーターは、1025 ～ 1150 MHz の周波数を使用します。DME トランスポンダーは、962 ～ 1213 MHz の範囲のチャネルで送信し、1025 ～ 1150 MHz の対応するチャネルで受信します。バンドは、126 のインターロゲーションチャネルと 126 の応答チャネルに分割されています。インターロゲーション周波数と応答周波数は常に 63 MHz 異なります。各チャネルの間隔と帯域幅は 1 MHz で、帯域幅は 1MHz です。

X チャネルと Y チャネルに関する技術的な参照は、DME パルス ペア内の個々のパルスの間隔のみに関連し、X チャネルの場合は 12 マイクロ秒間隔、Y チャネルの場合は 30 マイクロ秒間隔です。

DME 施設は、1,350 Hz のモールス信号による3 文字の ID で自らを識別します。VOR または ILS と共存する場合、親施設と同じ ID コードを持ちます。さらに、DME は親施設の ID コード間で自らを識別します。DME ID は 1,350 Hz で、VOR または ILS ローカライザーの 1,020 Hz トーンと区別します。

米国連邦航空局は、3 種類の DME トランスポンダーを設置しています (着陸システムに関連するものは除く)。ターミナル トランスポンダー (多くの場合、空港に設置) は通常、地上最低高度 12,000 フィート (3,700 m)、範囲 25 海里 (46 km) にサービスを提供します。低高度トランスポンダーは通常、最低高度 18,000 フィート (5,500 m)、範囲 40 海里 (74 km) にサービスを提供します。高高度トランスポンダーは通常、最低高度 45,000 フィート (14,000 m)、範囲 130 海里 (240 km) にサービスを提供します。ただし、多くのトランスポンダーには、見通しの遮断に基づいて主に運用上の制限があり、実際のパフォーマンスは異なる場合があります。^[10]米国航空情報マニュアルには、おそらく高高度DMEトランスポンダーについて次のように記載されています。「見通し高度で最大199海里[369km]の距離で信頼性の高い信号を受信できる」。

ILSまたはその他の計器進入に関連付けられた DME トランスポンダーは、特定の滑走路の片側または両側への進入中に使用することを目的としています。一般的なナビゲーションには使用が認められておらず、最小範囲も高度も指定されていません。

DME周波数の使用、チャネル化、および他の航法支援装置（VOR、ILSなど）とのペアリングは、ICAOによって定義されています。^[1] 252のDMEチャネルは、質問周波数、質問パルス間隔、応答周波数、および応答パルス間隔の組み合わせによって定義されます。これらのチャネルには、1X、1Y、2X、2Y、... 126X、126Yというラベルが付けられています。Xチャネル（最初に登場）には、質問パルスと応答パルスの両方のペアが12マイクロ秒間隔で配置されています。Yチャネル（容量を増やすために追加された）には、質問パルスのペアが36マイクロ秒間隔で配置され、応答パルスのペアが30マイクロ秒間隔で配置されています。

DME の問い合わせと応答には合計 252 の周波数が定義されています (ただし、すべてが使用されるわけではありません)。具体的には、962、963、... 1213 メガヘルツです。問い合わせ周波数は 1025、1026、... 1150 メガヘルツ (合計 126) で、X チャネルと Y チャネルで同じです。特定のチャネルでは、応答周波数は問い合わせ周波数より 63 メガヘルツ下または上になります。応答周波数は X チャネルと Y チャネルで異なり、1 ～ 63 と 64 ～ 126 の番号のチャネルでも異なります。

定義されたすべてのチャネル/周波数が割り当てられているわけではありません。二次監視レーダー (SSR) システムを保護するために、1030 および 1090 メガヘルツを中心とした割り当て「ホール」があります。多くの国では、GPS L5 周波数を保護するために、1176.45 メガヘルツを中心とした割り当て「ホール」もあります。これらの 3 つの「ホール」により、使用可能な周波数から約 60 メガヘルツが削除されます。

マイクロ波着陸システムのコンポーネントである高精度 DME (DME/P) は、3 番目の質問および応答パルス間隔を持つ Z チャネルに割り当てられます。Z チャネルは Y チャネルと多重化されており、チャネル プランに実質的な影響を与えません。

2020年に、ある企業が「第5世代DME」を発表しました。既存の機器と互換性はあるものの、このバージョンでは精度が向上し（DME/DME三角測量を使用して5メートルまで）、さらに改良を加えると3メートルまで精度を下げられます。3メートルの機器は、ヨーロッパのSESARプロジェクトの一部として検討されており、2023年までに導入される可能性があります。

21 世紀では、航空ナビゲーションは衛星誘導にますます依存するようになりました。しかし、地上ベースのナビゲーションは、次の 3 つの理由から今後も継続されます。^{[引用が必要]}

• 衛星信号は非常に弱く、偽装される可能性があり、常に利用できるとは限りません。
• 欧州連合の規則では、加盟国に地上の航行援助装置の維持と保守を義務付けている。
• 国家の主権、または自国の航行手段に対するコントロールの感覚。「一部の国は、自国の領土での航行を自国がコントロールする手段に頼りたいと考えています。そして、すべての国が米国の GPS やヨーロッパのガリレオのような衛星群を持っているわけではありません。」^{[出典: 要出典]}

2020年に提案された第5世代の機器の利点の1つは、ドローン飛行による機能チェックが可能であり、これにより、これまでの有人認証飛行試験の費用と遅延が大幅に削減されるだろう。^[11]

• 自動従属監視 - ブロードキャスト(ADS-B)
• Gee-H（ナビゲーション）
• 計器飛行方式（IFR）
• 無指向性ビーコン（NDB）
• スクイッター
• トランスポンダー着陸システム(TLS)

• DMEの基礎
• 英国航行支援施設ギャラリーでは、その運用に関する詳細な技術的説明が掲載されています。
• DME を搭載した Flash ベースの楽器シミュレーター
• VOR/DME/TACAN システムに関する米国国家航空ハンドブック
• DME を備えた無料のオンライン VOR および ADF シミュレーター