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航空業界で働く皆様、そして航空に興味をお持ちの皆様、こんにちは。航空機の安全運航を支える技術は多岐にわたりますが、その中でも特に重要な役割を担うのが「航空路監視レーダー（ARSR）」です。

航空路監視レーダー（ARSR）とは？

航空路監視レーダー（ARSR: Air Route Surveillance Radar）とは、広大な空域を飛行する航空機を監視し、航空交通管制官が安全かつ効率的な航空交通を誘導するために使用する長距離レーダーシステムのことです。主に飛行中の航空機の位置、高度、速度などの情報をリアルタイムで提供し、航空機同士の衝突回避や、航空路の混雑緩和に貢献しています。空港の近くにある空港監視レーダー（ASR）とは異なり、ARSRはより遠距離の航空機を捕捉することに特化しており、国内の航空路全体をカバーするために戦略的に配置されています。

航空路監視レーダー（ARSR）の基本的な役割と重要性

ARSRの最も基本的な役割は、広範囲の空域における航空機の監視です。航空機は離陸後、設定された航空路を飛行しますが、その間、ARSRは継続的に航空機の位置を把握し、管制官に情報を提供します。これにより、管制官は他の航空機との適切な間隔を確保したり、悪天候を回避するための経路変更を指示したり、緊急事態が発生した際に迅速に対応したりすることが可能になります。ARSRは、特に混雑する空域や、長距離を飛行する航空機にとって、安全な飛行を保障するための生命線とも言えるシステムなのです。

航空路監視レーダー（ARSR）とその他の航空レーダーシステムとの違い

航空分野には様々なレーダーシステムが存在しますが、ARSRはそれぞれ異なる目的を持っています。主な違いは以下の通りです。

空港監視レーダー（ASR: Airport Surveillance Radar）

ASRは主に空港周辺の空域を監視し、離着陸する航空機の管制に用いられます。探知距離はARSRよりも短く、約50〜100海里（約90〜185km）程度が一般的です。航空機の進入・出発経路の監視や、滑走路への誘導などが主な役割です。

二次監視レーダー（SSR: Secondary Surveillance Radar）

SSRは、航空機からの応答信号（トランスポンダーからの情報）を利用して、機体識別コード、高度、速度などの情報を取得するレーダーです。ARSRやASRが航空機自体から反射される電波を受信するのに対し、SSRは航空機側からの能動的な応答を必要とします。ARSRやASRと併用されることで、より詳細な航空機情報を提供し、管制官の状況認識能力を向上させます。

精密進入レーダー（PAR: Precision Approach Radar）

PARは、悪天候時などに航空機が滑走路へ正確に進入するのを支援するためのレーダーです。滑走路の中心線からのずれや、適切な降下経路からの逸脱を監視し、管制官がパイロットに誘導指示を出します。非常に精度が高く、近距離の監視に特化しています。

航空路監視レーダー（ARSR）の仕組み：電波が描く空の航跡

ARSRがどのようにして航空機を探知し、その情報を取得しているのか、その仕組みについて詳しく見ていきましょう。ARSRは、基本的に「一次レーダー」と「二次レーダー」の機能が統合されていることが多く、それぞれ異なる原理で航空機を検出します。

一次レーダー（PSR）の原理と構成要素

一次監視レーダー（PSR: Primary Surveillance Radar）は、ARSRの中核をなす部分であり、航空機から反射される電波（エコー）を受信することで、その位置を特定します。これは、私たちが日常で使う懐中電灯の光が物体に当たって跳ね返ってくる現象と似ています。

送信部

強力なマイクロ波パルスを空中に放射します。このパルスは、極めて短い時間だけ発射され、その後は受信モードに切り替わります。

アンテナ

送信された電波を指向性を持たせて発射し、また、反射された電波を効率的に受信します。ARSRのアンテナは非常に大きく、水平方向に360度回転しながら、広範囲をスキャンします。

受信部

航空機に当たって反射された電波（エコー）を、アンテナを介して受信します。このエコーは非常に微弱なため、高性能な増幅器で信号を大きくします。

信号処理部

受信したエコー信号を分析し、目標の距離、方向、速度などの情報を算出します。電波が送信されてから受信されるまでの時間から距離を割り出し、アンテナの向きから方向を特定します。また、ドップラー効果を利用して航空機の速度を測定することもあります。

表示部

処理された情報を管制官のディスプレイ（レーダースコープ）に表示します。これにより、管制官は航空機の位置や移動状況を視覚的に把握できます。

PSRの利点は、航空機側に特別な装置を必要としない点です。つまり、トランスポンダーが故障した航空機や、軍用機など、トランスポンダーを搭載していない航空機でも探知することが可能です。

二次レーダー（SSR）の原理と構成要素

二次監視レーダー（SSR: Secondary Surveillance Radar）は、PSRとは異なり、航空機に搭載されているトランスポンダー（Transponder）と呼ばれる装置からの応答信号を利用して情報を取得します。ARSRは通常、このSSRの機能も統合しています。

質問器（Interrogator）

地上から特定の質問信号（インターロゲーション）を発信します。この信号は、航空機に対して応答を要求するものです。

航空機搭載トランスポンダー

航空機に搭載されたトランスポンダーは、地上の質問信号を受信すると、事前に設定された情報（機体識別コード、高度、速度など）を自動的に返信します。この返信信号は「応答（Reply）」と呼ばれます。

受信部

地上の質問器は、航空機からの応答信号を受信します。

信号処理部

受信した応答信号を解析し、航空機の識別情報、高度（フライトレベル）、速度などの詳細な情報を抽出します。SSRは、PSRでは得られない「誰が」「どれくらいの高度で」「どの方向に」飛んでいるのかといった、より詳細な情報を提供することができます。

SSRの最大の利点は、航空機の識別と高度情報を正確に取得できる点です。これにより、管制官は個々の航空機を区別し、垂直方向の分離を正確に行うことができます。また、PSRよりも探知距離が長く、降雨などの気象現象の影響を受けにくいという特徴もあります。

モードS（Mode S）

近年のSSRは「モードS（Mode S）」と呼ばれる改良型が主流です。モードSは、個々の航空機と選択的に通信できるため、従来のSSRに比べて情報量が多く、データの信頼性も向上しています。これにより、管制システム全体の効率化と安全性の向上が図られています。

航空路監視レーダー（ARSR）の種類と進化

ARSRは技術の進歩とともに様々な改良が加えられてきました。ここでは、ARSRの主な種類と、その進化の歴史について触れていきます。

従来のARSR（アナログ・パルスレーダー）

初期のARSRは、アナログ信号処理を用いたパルスレーダーが主流でした。強力な電波パルスを発射し、反射波をアナログ的に処理してディスプレイに表示する方式です。信頼性は高かったものの、天候によるノイズの影響を受けやすく、また、多数の航空機を同時に処理する能力には限界がありました。

ソリッドステートARSR

半導体技術の進化に伴い、ソリッドステート（半導体素子）を多用したARSRが登場しました。これにより、真空管を用いた旧来のシステムに比べて、信頼性の向上、消費電力の削減、メンテナンスの容易さなどが実現されました。また、信号処理のデジタル化が進み、より高精度な情報処理が可能になりました。

デジタル信号処理の導入

現在のARSRは、ほぼ完全にデジタル信号処理が行われています。これにより、ノイズ除去技術の向上、目標分離能力の強化、そして複数目標の同時追跡能力が飛躍的に向上しました。デジタル信号処理は、ARSRが取得した膨大なデータを効率的に処理し、管制官に視覚的に分かりやすい情報として提供するために不可欠な技術です。

適応型MTI（Moving Target Indication）

従来のMTIでは除去しきれなかった、地形や建造物からの不要な反射（グランドクラッター）を、より効果的に除去する技術です。これにより、航空機のエコーをより鮮明に識別できるようになりました。

デジタル相関処理

受信した信号の中から、航空機のエコーを識別し、正確な位置情報を抽出するための高度なデジタル処理技術です。複数のパルスからの情報を用いて、より確実な探知を行います。

多目的ARSRと将来の展望

近年では、ARSRに気象レーダーとしての機能を持たせたり、バードストライク防止のための鳥群探知機能を持たせたりする「多目的ARSR」も開発されています。また、従来の回転型アンテナに代わる「フェーズドアレイレーダー」の技術も研究されており、より高速なスキャンと柔軟な探知が可能になることが期待されています。将来的には、より高精度で、より広範囲をカバーし、さらにはサイバーセキュリティ対策を強化したARSRが開発されていくでしょう。

フェーズドアレイレーダー

機械的にアンテナを回転させるのではなく、多数の小型アンテナ素子からの電波の位相を電子的に制御することで、電波のビームを高速かつ柔軟に走査する技術です。これにより、同時に複数の方向を監視したり、特定の航空機に追従したりすることが可能になります。

航空路監視レーダー（ARSR）の導入事例：世界と日本の空を支える

ARSRは世界中の主要な航空交通管制機関で導入されており、それぞれの国の地理的条件や航空交通量に合わせて配置されています。ここでは、いくつかの代表的な導入事例をご紹介します。

米国FAA（連邦航空局）のARSR網

米国は世界で最も航空交通量の多い国の一つであり、連邦航空局（FAA: Federal Aviation Administration）が広大なARSR網を運用しています。FAAは、旧式のARSR-1、ARSR-2、ARSR-3を順次、より高性能なARSR-4に更新してきました。ARSR-4は、ソリッドステート技術、デジタル信号処理、高性能なクラッター抑制機能などを備え、米国の空の安全を確保する上で不可欠な存在となっています。これらのレーダーは、国土の主要な戦略拠点に配置され、大陸横断飛行や国際線航空機の監視に利用されています。

ARSR-4の特徴

• 広範囲のカバーエリア：最大250海里（約460km）までの航空機を探知可能。
• 高精度なデータ：デジタル信号処理により、目標の位置、速度、高度を正確に測定。
• 高い信頼性：ソリッドステート技術の採用により、故障率が低く、メンテナンスコストを削減。
• 耐候性：悪天候下でも高い性能を維持できる設計。

日本の国土交通省航空局（JCAB）のARSR運用

日本においても、国土交通省航空局がARSRを運用し、日本の空の安全を確保しています。日本のARSRは、主に以下の場所などに配置されています。

• 福岡ARSR：九州地方および西日本の一部空域を監視。
• 御前崎ARSR：中部地方の空域を監視。
• 利尻ARSR：北海道北部の空域を監視。
• 男鹿ARSR：東北地方の空域を監視。
• 笠取山ARSR：中部地方の空域を監視。
• 宮古島ARSR：南西諸島空域を監視。

これらのARSRは、日本の主要な航空路をカバーし、国内線および国際線の航空機を継続的に監視しています。特に、太平洋側からのアプローチや、日本海側の航空路における監視において重要な役割を果たしています。

導入されている具体的な機種（例）

日本の航空局では、三菱電機製のARSRなどが導入されています。これらのシステムは、高い信頼性と日本の地理的特性に合わせた性能を有しており、日々、日本の空の安全に貢献しています。

• 信頼性と冗長性：故障時にもシステムが停止しないよう、主要なコンポーネントが二重化されています。
• メンテナンス性：遠隔監視や自動診断機能により、効率的なメンテナンスが可能です。
• 日本の気象条件への適応：豪雨や積雪といった日本の厳しい気象条件にも耐えうる設計がされています。

ヨーロッパにおけるEUROCONTROLの取り組み

ヨーロッパでは、各国が独立してARSRを運用する一方で、EUROCONTROL（欧州航空航法安全機構）が、ヨーロッパ全体の航空交通管理の最適化と調和を図っています。各国で導入されているARSRのデータは、EUROCONTROLのシステムと連携され、国境を越える航空機のシームレスな追跡を可能にしています。これにより、ヨーロッパ全体の空域容量の最大化と遅延の削減に貢献しています。

シングル・ヨーロピアン・スカイ（SES）構想

EUROCONTROLは、「シングル・ヨーロピアン・スカイ（SES）」構想を進めており、これは欧州の空域を機能的なブロックに再編し、より効率的で安全な航空交通管理システムを構築することを目指しています。この構想において、各国に点在するARSRからのデータ統合は非常に重要な要素となっています。

ARSRが直面する課題と今後の展望

ARSRは航空交通管制に不可欠なシステムですが、技術の進歩や航空交通量の増加に伴い、新たな課題に直面しています。同時に、これらの課題を克服するための研究開発も進められています。

電波干渉とノイズ問題

都市化の進展や無線通信機器の増加により、ARSRが使用する周波数帯において電波干渉が発生する可能性が高まっています。また、気象現象（雷、降雨、積雪など）によるノイズも、正確な航空機情報の取得を妨げることがあります。これらの課題に対しては、より高度な信号処理技術や、周波数管理の最適化が求められています。

干渉対策技術

デジタルフィルタリング技術の向上、パルス圧縮技術の適用、そして複数のアンテナからの信号を統合するアレイ処理などが研究されています。

サイバーセキュリティの脅威

ARSRシステムは、航空交通管制の中核をなすため、サイバー攻撃の標的となるリスクがあります。システムの機能停止やデータの改ざんは、航空機の安全運航に壊滅的な影響を及ぼす可能性があります。そのため、強固なサイバーセキュリティ対策の導入は喫緊の課題となっています。

多層防御戦略

システムへの不正アクセスを防ぐための厳重な認証システム、ネットワークの分離、侵入検知システム、そして定期的なセキュリティ監査などが挙げられます。

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）との連携

近年、航空機の位置情報をGPSなどの衛星測位システムで取得し、その情報を無線で自動的に送信する「ADS-B」の導入が進んでいます。ADS-Bは、レーダーに依存しない監視システムであり、より高精度で頻繁な位置情報を提供できます。ARSRとADS-Bを組み合わせることで、航空機の監視能力がさらに向上し、特にレーダーカバー範囲外の空域（洋上など）での監視能力が強化されます。将来的には、レーダーシステムの一部がADS-Bに置き換えられる可能性も指摘されています。

ADS-Bの利点

• 高い精度：GPSによる位置情報のため、誤差が小さい。
• リアルタイム性：数秒に一度の頻度で情報が更新される。
• コスト効率：レーダーサイトの建設・維持に比べて導入・運用コストが低い。
• 洋上監視：陸上レーダーの届かない洋上でも航空機の監視が可能。

AI（人工知能）と機械学習の活用

将来的に、ARSRが収集する膨大なデータをAIや機械学習を用いて解析することで、航空交通管制のさらなる効率化と安全性向上が期待されています。例えば、異常パターンの自動検知、将来の交通量の予測、経路の最適化提案などにAIが活用される可能性があります。

予測分析

過去のデータから航空交通のパターンを学習し、将来の混雑状況や異常発生の可能性を予測します。

異常検知

レーダーデータの中から、通常とは異なる航空機の動きや、システムの異常を自動的に検知し、管制官に警告します。

まとめ