低周波無線範囲

低周波無線レンジは、4コース無線レンジ、LF/MF 4コース無線レンジ、AN無線レンジ、アドコック無線レンジ、または一般に「レンジ」とも呼ばれ、 1930年代から1940年代にかけて航空機の計器飛行に使用された主な航法システムであり、1940年代後半にVHF全方向レンジ（VOR）が登場するまで使用されていました。航路航法だけでなく、計器による進入や待機にも使用されました。^{[1] [2] [3]}

指向性無線信号を送信する無線塔のネットワークに基づいて、無線範囲は空の特定の航空路を定義しました。パイロットは、自動化された「A」と「N」のモールス信号のストリームを聞くことで、低周波無線を使用してナビゲートしました。たとえば、「N」ストリーム（「ダディット、ダディット、...」）を聞いたら飛行機を右に旋回または滑らせ、「A」ストリーム（「ディダ、ディダ、...」）を聞いたら左に旋回または滑らせ、これらの音が混ざり合って飛行機がビームを直接追跡していることを示す一定の音になったらまっすぐに飛行します。^{[4] [5]}

VORシステムが世界中で段階的に導入されるにつれ、低周波無線範囲は徐々に廃止され、1970年代までにほとんど消滅した。現在、運用施設は残っていない。最大展開時には、米国本土だけで低周波無線範囲のみを使用する局が400以上あった。^{[6] [2]}

第一次世界大戦後、航空は郵便飛行を皮切りに民間の分野にその役割を拡大し始めた。すぐに、信頼性の高い郵便配達、そしてその後すぐに始まる旅客飛行のために、夜間や視界不良時の航行のための解決策が必要であることが明らかになった。米国では、海上灯台に似た照明ビーコンのネットワークが航空郵便パイロットのために構築された。しかし、ビーコンは主に夜間や天候の良いときに役立ち、視界不良の状況では見えなかった。科学者や技術者は、無線ベースの航行ソリューションによってパイロットがあらゆる飛行状況で「見る」ことができることに気づき、指向性無線ビームのネットワークが必要であると判断した。^[7]

1929年9月24日、当時中尉（後に大将）だった米陸軍のジェームズ・H・「ジミー」・ドゥーリットルは、外部の視界なしで計器のみを頼りに行う初の「ブラインド」飛行を実演し、計器飛行が実現可能であることを証明した。^{[8] [9]ドゥーリットルは、}機体の姿勢と方位を維持するために、新たに開発されたジャイロ計器（姿勢指示器とジャイロコンパス）と、空港への往復航行に特別に設計された方向指示無線システムを使用した。^{[10] [注 1]}ドゥーリットルの実験装置は、彼の実演飛行のために特別に作られたものであり、計器飛行が実用化されるためには、その技術が信頼性が高く、大量生産され、地上と航空機群の両方で広く配備される必要があった。^[7]

地上および空中の無線ナビゲーション コンポーネントには 2 つの技術的アプローチがあり、1920 年代後半から 1930 年代前半にかけて評価されていました。

地上では、明確に定義された航行可能なコースを持つ指向性無線ビームを得るために、交差ループアンテナが当初使用されていました。フォードモーターカンパニーは、ループベースの低周波無線レンジの最初の商業的に実用的なアプリケーションを開発しました。彼らは1926年にディアボーンとシカゴの飛行場に設置し、1928年に特許を申請しました。^{[11] [12]} このシステムの初期の概念は1906年にドイツで開発され、^[13]後に1920年代初頭に米国規格協会と陸軍通信隊によって実験されました。この技術はすぐに米国商務省に採用され、1928年6月30日にデモレンジを設置しました。^{[2] [7]}そしてその年の後半に最初の一連のステーションがサービスを開始しました。^[14]しかし、ループアンテナの設計は、特に夜間に信号に干渉する可能性のある過剰な水平偏波の空中波を生成しました。 1932年までに、アドコックのアンテナアレイは垂直アンテナのみを備えることでこの問題を解消し、推奨される解決策となった。米国商務省航空局はアドコックの解決策を「TLアンテナ」（「伝送線路」の略）と呼び、当初はアドコックの名前を挙げなかった。^{[7] [15]}

空中では、異なる背景とニーズを持つグループから生まれた2つの競合する設計がありました。軍の航空士を代表する陸軍通信隊は、ヘッドセットを介してパイロットの耳に絶えず送られる音声ナビゲーション信号のストリームに基づくソリューションを好みました。一方、民間パイロットは、主に郵便配達のために国中を飛行する航空郵便パイロットであり、音声信号は煩わしく、長時間の飛行では使いにくいと感じ、計器盤にインジケーターを備えた視覚的なソリューションを好みました。^[7]

振動するリードをベースとした視覚指示器が開発され、パネルに取り付けられた簡単な「左折・右折」指示器となった。これは信頼性が高く、使いやすく、競合する音声ベースのシステムよりも誤った信号に対する耐性が強かった。公開された報告書によると、聴覚と視覚の両方のシステムで飛行したパイロットは視覚タイプを強く好んだという。 [ ^{7] [ 16]しかし、リードベースのソリューションは}米国政府によって見送られ、音声信号がその後数十年間標準となった。^{[7] [15]}

1930年代までに、地上の低周波無線送信機のネットワークと、手頃な価格の機内AM無線受信機が計器飛行に不可欠な要素となった。低周波無線送信機は、事実上あらゆる気象条件下での航行や進入のための航法ガイダンスを航空機に提供し、一貫性と信頼性のある飛行スケジュールの実現に貢献した。^[4]

無線航法システムは、米国やその他の国では主要な無線航法システムとして残っていたが、1940年代後半から、大幅に改良されたVHFベースのVOR技術に徐々に置き換えられていった。現在でも使用されているVORには、視覚的な左右指示器が含まれている。^{[2] [15] [17] [18]}

低周波無線地上コンポーネントは、国中に戦略的に配置された無線送信局のネットワークで構成されており、多くの場合、約200マイル離れた大きな空港の近くにありました。初期の低周波局は交差ループアンテナを使用していましたが、その後の多くの局の設計では、特に夜間のパフォーマンスを向上させるために、アドコック垂直アンテナアレイが使用されました。 ^{[3] [7]}

アドコック射撃場の各ステーションには、425×425フィートの正方形の角に4つの高さ134フィート（41メートル）のアンテナ塔が建てられており、中央には音声送信とホーミング用のオプションの追加タワーがありました。^{[3] [7] [15]}ステーションは、190〜535kHz 、50〜1,500 ワットの指向性電磁放射を4つの象限に放射しました。^{[1] [19] [注 2]}反対側の象限ペアの放射は、文字A（·— ）のモールス信号で（ 1,020Hzのオーディオ周波数で ）変調され、他のペアは文字N（—·）で変調されました。^{[注 3]}象限の交点は、送信所から4つの方位に沿って発せられる4本のコースラインを定義し、A信号とN信号は同じ強度で、それらの組み合わせたモールス信号は安定した1,020Hzの音声音に融合します。これらのコースライン（「レッグ」とも呼ばれます）では、音だけが聞こえ、航空路を定義しました。^[17]

繰り返しのAまたはN変調信号に加えて、各送信局は確実な識別のために30秒ごとにモールス信号（通常は2文字または3文字）も送信した。^[20]局識別は2回送信され、最初はNペアの送信機で、次にAで送信され、すべての象限がカバーされるようにした。^{[3] [注 4]}また、一部の施設では、地元の気象状況が航行信号に優先してレンジ周波数で音声で定期的に放送されていたが、最終的には中央の5番目の塔で行われるようになった。^{[21] [注 5]}

低周波無線範囲にはもともと航空路ビーコンが付随しており、特に夜間飛行の視覚的なバックアップとして使用されていました。^[4]追加の「マーカービーコン」（低出力VHF無線送信機）が補助的な方向指示点として含まれることもありました。^[22]

航空機搭載の無線受信機（当初は単純な振幅変調（AM）セット）は、低周波無線地上送信機の周波数に調整され、モールス信号の音声が検出され、通常はパイロットが装着するヘッドセット内のスピーカーに増幅された。^[4]パイロットは音声信号を常に聞き、均一な音が聞こえるコースラインに沿って航空機を飛行させようとした（「ビーム飛行」）。1つの文字（AまたはN）の信号が聞き分けられるようになったら、必要に応じて航空機を回転させ、2つの文字の変調が再び重なり、モールス信号の音声が安定した音になるようにした。^[2] AとNが聞き分けられる「コース上」領域の幅は約3°で、ステーションから100マイル離れた場合のコース幅は±2.6マイルになった。^[4]

パイロットは、モールス信号の識別子を航法図に掲載されているものと比較することで、正しいレンジステーションの周波数にチューニングされていることを確認する必要がありました。また、信号レベル（つまり、可聴音量）が強くなっているか弱くなっているかを判断することで、ステーションに向かって飛行しているのか、それともステーションから離れて飛行しているのかを確認しました。^{[4] [5] [注 7]}

低周波無線計器による進入の最終進入区間は通常、測距局の近くを飛行し、精度の向上を保証した。航空機が測距局の上空を通過すると、送信塔の真上には変調信号がないため、音声信号は消えた。この「沈黙の円錐」と呼ばれる静かな領域は、パイロットに航空機が測距局の真上にいることを示し、進入手順の確実な地上基準点として機能した。^{[2] [4]}

典型的な低周波無線計器進入手順では、最終進入はレンジステーション上空から特定のコースに旋回して開始されます。パイロットは指定された最小降下高度（MDA）まで降下し、指定された時間内に空港が見えない場合（対地速度に基づく）、進入復行手順が開始されます。図に示すイリノイ州ジョリエットの低周波無線進入手順では、航空機の種類に応じて、最小降下高度は300フィートAGLまで低く、必要な最小視程は1マイルです。^{[22] [23]}

低周波無線の範囲では、航空管制官がパイロットに「ビーム上」、つまり低周波区間の 1 つで、低周波無線局の上、静寂の円錐内、またはファン マーカーの 1 つをホールディングフィックス(主要な方向転換点) として待機パターンに入るように指示することもできました。待機は、飛行のルート部分またはターミナル空港付近の進入手順の一部として使用されました。低周波無線待機は、無指向性ビーコン(NDB) 待機コースが機内磁気コンパスの精度に基づいているため、より正確でした。一方、低周波無線待機は、約 3° のコース幅で、低周波無線区間と同じくらい正確でした。^[3]

1930 年代初頭の登場以来、低周波無線は低周波無指向性ビーコン(NDB) によって増強されてきた。低周波無線では地上に複雑な設備が必要で、機上には AM 受信機が 1 つだけ必要だったが、NDB の地上設備は単純な単一アンテナ送信機で、機上にはやや複雑な装置が必要だった。NDB の無線放射パターンは水平面の全方向に均一であった。NDB の機内受信機は無線方向探知機(RDF) と呼ばれていた。NDB と RDF の組み合わせにより、パイロットは飛行機の向きに対する NDB 地上局の方向を判定できた。機内磁気コンパスと併用すると、パイロットは局から放射される任意のコース に沿って局まで、または局から局までを航行できた。

初期のRDF受信機は高価でかさばり、操作が難しかったが、地上への設置がよりシンプルで安価になったため、低周波無線システムを補完するNDBベースのウェイポイントやアプローチを簡単に追加することができた。 ^[4]「自動方向探知機」（または「ADF」）と呼ばれる現代のRDF受信機は小型で低コストで操作が簡単である。NDB-ADFシステムは、徐々に廃止されつつあるものの、今日でも新しいVORおよびGPSナビゲーションシステムの補足およびバックアップとして残っている。 ^{[24] [25]} NDB/ADF操作に関するすべての質問は、2017年10月以前にFAAパイロット認定試験資料 から削除された。 ^[26]

低周波無線システムは、視界不良や夜間飛行時の主な航空航法手段として数十年にわたって使用されてきたが、いくつかのよく知られた制限と欠点があった。パイロットは、当時の初期のヘッドセットを通して、しばしば何時間も信号を聞かなければならなかった。異なる送信機からの放射パターンのバランスの結果であるコースラインは、気象条件、ステーション付近の植生や積雪、さらには航空機受信機のアンテナ角度によって変動した。状況によっては、 A象限からの信号がN象限に「飛び移り」(またはその逆)、実際のコースラインから外れた誤った「仮想コース」を引き起こす。また、雷雨やその他の大気の乱れは、電磁干渉を引き起こし、距離信号を乱し、パイロットのヘッドセットにパチパチという「雑音」を発生させた。^[21]

低周波無線航法システムでは、計器気象条件下で航空路を正確に航行し、低最低高度への計器進入を実行するために、最低限、航空機に搭載された単純なAM 無線受信機のみが必要でした。 ^{[注 8]}しかし、欠点としては、1 局あたり 4 つのコース指示しかなく、大気やその他の種類の干渉や異常に敏感で、パイロットは、しばしば背景の「雑音」に埋め込まれた、単調なビープ音やかすかなモールス信号のストリームを何時間も聞かなければなりませんでした。最終的にこれに取って代わったVHFバンドVOR航法システムには、多くの利点がありました。VOR は、干渉の影響をほとんど受けず、360 のコース指示を利用でき、視覚的な「コース」表示 (聞く必要がありません) があり、はるかに使いやすかったです。^[18]その結果、1950 年代初頭に VOR システムが利用可能になると、急速に受け入れられ、10 年以内に低周波無線はほとんど廃止されました。 VOR自体は、はるかに優れた全地球測位システム（GPS）に取って代わられ、現在では段階的に廃止されつつあります。^{[15] [25]}

以下は、シルバー レイク低周波無線のシミュレーション音です。カリフォルニア州ベイカーの北約 10 マイルにあるレンジ ステーションは、30 秒ごとにナビゲーション信号を先取りして、モールス信号識別子 ("RL") を送信します。ステーションの識別は、航空機の位置に応じて、おそらく相対的な振幅が異なる 1 回または 2 回聞こえます。^[3]パイロットは、飛行中に何時間もこれらの音を聞き、ナビゲートします。^{[2] [4]}実際の音には、シミュレーションでは再現されない"雑音" 、干渉、およびその他の歪みが含まれています。 ^[4]音量を調整すると、有効なコース幅に影響します。^[3]たとえば、以下の "薄明かり" Aのシミュレーション音では、航空機はビームのほぼ上ですが、A象限のわずかに内側にあります。音量が低いと、弱いA音がほとんど聞こえなくなりますが、音量が大きいと、よりはっきりと聞こえます。

「独特な」A

A象限の内側

「明確な」N

N象限の内側

「ビームの上」

A + N交差点

「トワイライト」A

Aでわずかにビームが外れている

(これらのサウンド ファイルの再生時に問題が発生した場合は、 Wikipedia:メディア ヘルプを参照してください。)

• SCR-277

• Oser, Hans J. 「視覚型航空路無線ビーコン システムの開発」(PDF)。米国国立標準技術研究所。2009年 8 月 2 日閲覧。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です
• Diamond, H.; Dunmore, FW (1930 年 9 月19日)。「霧の中での航空機のブラインド着陸のための無線システム」 ( PDF )。米国科学アカデミー紀要。16 (11): 678–685。Bibcode : 1930PNAS ...16..678D。doi : 10.1073 / pnas.16.11.678。PMC 526716。PMID 16577291。 
• コンウェイ、エリック・M（2006）。ブラインド着陸：アメリカ航空における低視程作戦、1918-1958年。JHU Press。ISBN 0-8018-8449-7。
• 「ジェームズ・H・ドゥーリトル氏へのインタビュー」（PDF） 。コロンビア大学。 2010年1月15日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2009年8月2日閲覧。
• 「視覚聴覚無線範囲」。航空博物館。2010年 5 月 19 日閲覧。

• ビームを飛ばす、低周波無線範囲の歴史（地図付き）
• ケベック州フォート・チモへの低周波無線接近
• アドコックレンジシステム
• 低周波ラジオを説明するビデオクリップ