雪崩ビーコンの基本特性

1. 雪崩ビーコンは電波を使う電子機器?

雪崩ビーコンのアンテナには、中波帯のAMラジオや電波時計に使われているバーアンテナを使用しています。バーアンテナはフェライト・コアという酸化鉄を主成分とした粉末を焼結したセラミックで、磁束を多く集める性質があります。円環状のトロイダル・コアは高周波トランスやフィルターとして広く使われていますが、棒状のものは受信用バーアンテナなど用途が限られています。

以前AMラジオで深夜放送などを聞いていた中高年(私)が、初めて雪崩ビーコンの捜索練習をすると戸惑ってしまいます。どうしてでしょうか?

一般に送信アンテナから波長λ/ 2π以上離れた距離(遠方界)では電波、つまり磁界と電界が直交しながら空間を伝搬するものとして扱えます。 AM放送のラジオは【図-1】のような巨大な垂直アンテナから送信されます。

【図-1】 NHK原町ラジオ放送所(高さ約140m)

このアンテナは電界型ですから、放射される電界は進行方向に対して垂直になり、磁界は水平に進みます。 AMラジオのバーアンテナは磁界を捕らえるので、バーアンテナを真横にした状態で一番受信感度が良くなります。

【図-2】AM放送電波の伝わり方[遠方界]

雪崩ビーコンで使っている457kHzの波長λは、c / f = 3 * 10^(8) / (457 * 10^(3)) = 656 [m] もあります。雪崩ビーコンが使えるのはせいぜい50メートルなので、この程度の距離では雪崩ビーコンのバーアンテナから出た磁束線は電波としての性質を備えていません。最初に送信アンテナから λ/ 2π 以上離れると電波として扱うことが出来ると書きましたが、λ/ 2π 以下の距離は近傍界と呼び、送信アンテナから放射された電界または磁界の性質が優勢です。雪崩ビーコンの場合、バーアンテナは磁界型アンテナなので、457kHzでは656m÷(2×3.14)=104メートルまでは磁束線としての性質が強くでます。つまり、ビーコンを数十メートルの範囲で扱うときには「磁束線がたくさんコイルを通過する」磁束線方向に誘導されます。

【図-3】バーアンテナの特性[近傍界]

このように雪崩ビーコンは電波を使っている訳ではないので、電波法認証の技適マークが必要ありません。 WiFiやBluetoothを搭載している雪崩ビーコンを日本国内で使うには技適マークが必要ですが、この取得にはそれなりの費用がかかります。大抵の機種は日本国内向けに機能制限してます。(※機能を有効にすると電波法違反になります)。

このようにAM放送と雪崩ビーコンでは信号の伝わり方が異なりますが、バーアンテナで捕らえた雪崩ビーコンの457kHz信号は普通のサイン波ですから、この後の信号処理は通常の受信機と同じように扱うことができます。

【図-4】増幅器を通した雪崩ビーコンの信号(457kHz)

2. 磁束線の減衰

磁束線方向に捜索するしかたを「電波誘導法」(*1)と呼んでいる解説書がありますが、これまで説明したように雪崩ビーコンは「電磁誘導を使った電子機器」です。雪崩ビーコンが磁界を使うことで、雪や人体の影響を受けにくいことや、磁束線に沿って探索が出来るなどの特徴が出てきます。また、距離による減衰が顕著なことも特徴の一つです。
(*1) 英語では"Induction Method"や"Tangent Method"と呼んでいて、「誘導法」と訳した方が正しい。

水の誘電率は空気の80倍程度あるのに対し、透磁率は空気とほぼ同じです。これは、ビーコンから出た磁束線が雪面で大きく曲がらない(屈折しない)ことを意味します。人間も水で出来ていますから、うつ伏せで埋まっていてもピンポイント捜索に悪影響はないと想像できます。また、携帯電話のような周波数の高い電波(2GHzで波長は15cm)に較べると、雪の影響はより少ないと言えるでしょう。 (ただ、空気中と実際に雪に埋めた場合のビーコン距離表示は、雪に埋めた方が遠くでるという報告がありますから、多少減衰するのかもしれません)

雪崩事故で遭難者を捜索するには都合のよい磁束線ですが、一方で、磁束線の強度は距離の3乗に比例して減衰する性質があります。つまり、1mの距離でバーアンテナに発生する電圧は、10m離れると1/1000に減衰します(※電波の電界強度は距離に比例して減衰します)。

【図-5】は雪崩ビーコンの原理試作を行ったときに測った距離と受信電圧(実効値なのでRMSと略)のグラフです。青色は実測値で赤色は4mの受信電圧を基準にして距離の3乗に反比例すると仮定した計算値です。 6m以下の近距離ではよく一致していますが、それ以上離れると障害物やノイズなどの影響で怪しくなってきます。

【図-6】受信電圧と距離の実測値

複数埋没の捜索方法で使われる3サークル法やマイクロ・サーチ・ストリップは、この急峻な減衰特性を考慮しています。つまり、埋没点Aから1m付近にいるのと3mにいるのでは、Aの雪崩ビーコンの信号は1/3になるのではなく1/27になります。雪崩ビーコンに内蔵されている増幅器はゲインを上げて信号を解析しやすくするので、もうひとつの埋没点Bの信号が捕らえやすくなります。

3. 磁束線の干渉

複数の雪崩ビーコンが埋まっていた場合、送信パルスのタイミングが重ることが確率的に必ず起こります。増幅器を通した雪崩ビーコンの信号を見ると、このときに不可思議な波形が観測されます。おそらく、雪崩ビーコンの周波数は数Hzからせいぜい30Hzしか違わないので、その差分によるものと思われます。通信用の受信機では混変調として問題になりフィルターなどで対策がとられますが、雪崩ビーコンでは避けようがありません。

【図-7】増幅器を通した雪崩ビーコンの信号(457kHz)

4. 電子機器による雪崩ビーコンの誤動作

最近の雪崩ビーコンは電子機器による誤動作が問題になっていて、取り扱い説明書には携帯電話やデジカメなどの電子機器から数十センチ離すように記載されています。これを電子機器による干渉(Interference)と書いている資料がありますが、どちらかというと妨害を与える意味合いが強いです。昭和の頃のアマチュア無線では"TVI"や"Telephone-I"など、不要な電波(スプリアス)による"Interference"対策が頭痛の種でした。雪崩ビーコンと携帯電話では使っている周波数が全然違うのに、なぜ干渉するのか不思議でしたが、雪崩ビーコンの中身を見て納得しました。

次の写真は最近のアマチュア無線用のトランシーバの内部で、受信回路が載った基板です。 SDR(Software Defined Radio)全盛なので一昔前のような複雑さはありませんが、デジタル処理前の増幅器などにコイルが多数使われています。金属製の四角い部品は同調コイルで中心にフェライトが入っています。回路構成としては混変調など不要な電波の影響を受けないように特定の中間周波数(このトランシーバは67.899MHz、AMラジオは455kHz、FMラジオは10.7MHz)に変換してから増幅し、特定のAF周波数(第二中間周波数)に変換してからSDR処理を行います。

【図-8】通信型トランシーバの受信回路周辺

一方、次の写真は雪崩ビーコンの受信部を拡大したものです。初期の雪崩ビーコンはAMラジオのような部品が使われていたのですが、最近は3本アンテナが主流ですから3種類の増幅器が必要になり、小型化のため中間周波数に変換するような同調コイルは使われていません。広帯域の増幅回路で457kHzを増幅し、増幅器の間にセラミックフィルター(455kHz)を入れて余分な周波数の信号を除去して、直接ベースバンドに変換するのが普通のようです。磁束線を使うために増幅器のダイナミックレンジが大きく、近くに同じ周波数を使ったフェライトアンテナが3本あるので非常に厳しい環境と言えます。しかも、フェライトアンテナを内蔵しているため、ケースはプラスチックが使われていますから外部の電波もそのまま配線パターンやフェライトを使ったインダクターに乗ってしまいます。

【図-9】雪崩ビーコンの受信回路周辺

別稿で紹介している雪崩ビーコンモニタ(Ver.3)は利得の大きなアンプを使っているので、電子機器の干渉を視覚的に見ることが出来ます。干渉のない状態のモニタ波形が【図-10a】です。CH.1(赤)はAM検波出力で基準に見てください。CH.2(黄)はRSSIといってlogアンプの出力で、増幅率が高いので干渉電波を捕らえることが出来ます。【図-10b】はスリープ中のスマホをバーアンテナから約2cmに近づけた場合です。黄色の波形のピークは変わらないのにフロアノイズが上がり、シグナルサーチで弱い信号を捉えにくくなります。【図-10c】はデジカメをバーアンテナの近傍に置いた場合です。このように電子機器が発する干渉の信号パターンは様々なので、雪崩ビーコンが誤検出することも理解できると思います。

【図-10a】干渉のない受信波形

【図-10b】スリープモードのスマホをバーアンテナの近傍に置いた受信波形

【図-10c】デジカメヲ(TG-4)をバーアンテナの近傍に置いた受信波形

5. バーアンテナへの金属の影響

雪崩ビーコンは送受信アンテナに457kHzに同調したバーアンテナを使っていますが、両端が開放されているため周囲の金属の影響を受けやすくなっています。この影響を見るため、一定の範囲で周波数を変化(Sweep)させるSweep Analyzerを使います(載っている基板はインピーダンス変換用)。この状態で【図-12】のように457kHzに同調させておきます。

【図-11】Sweep Analyzerを使った共振周数の測定

【図-12】457kHzに同調させたバーアンテナ

バッテリーが上がったスマホをバーアンテナに近づけると、【図-13】【図-14】のように同調周波数が変化します。雪崩ビーコンは457kHz(青線)で送受信しますから、バーアンテナの同調がズレると利得が下がることが直感的にわかると思います。なお、周波数は高い方向にずれていますから、これは金属導体に渦電流が発生し、磁束が減ることでインダクタンス(L)が減少したためだと推測されます。

【図-13】電源Offのスマホを約2cmに置いたとき

【図-14】電源Offのスマホを約0.5cmに置いたとき

磁石を近づけたときはどうなるでしょうか? 磁石は磁性体ですので、磁束線もよく通します。バーアンテナを通る磁束が増えてLが増加し、周波数が低い方向に同調周波数が変化しました。この場合、磁石を離しても暫くの間、同調がズレていました。徐々に元に戻りますが、完全に戻っていないようです。従って、雪崩ビーコンに強力な磁石を近づけるのは止めておいた方が無難です。

【図-15】マグネットを近づけたとき

6. デジタル・モード vs. アナログ・モード

一時期、デジタル・ビーコンとアナログ・ビーコンの定義がよく議論されましたが、今となっては(1本アンテナのFreerideさえ)デジタル・ビーコンしかないので、不毛な議論でした。しかし、最近になってデジタル・モードとアナログ・モードの違いをよく聞かれます。

もともと雪崩ビーコンが使っているのは457kHzキャリアの断続信号なのでアナログ信号ですが、デジタル・ビーコンでは距離に応じて電子音に変換しています。こうすると、スピーカーが小さくて済むのとデジタル信号をアナログ信号に変換するDACが不要になるので、コスト抑制になります。これが今の雪崩ビーコンでは一般的ですが、シグナルサーチの段階や複数埋没の場合は、昔の雪崩ビーコンのように音で聞こえた方が解りやすいので、そのような機能を持った雪崩ビーコンが発売されています。

【図-6】に載せた写真で、ch-2(黄)はch-1(赤)の457kHz信号をゲルマニュウム・ダイオードで検波したものですが、整流してキャリアを除去するためローパス・フィルターに通しているだけなので、信号強度に応じた電圧が出てきます。 AMラジオで雪崩ビーコンを聞くのと同じで「ボツ」という音になるだけです。昔からあるモールス信号と同じで、単音(e.g. 800Hz)に変換するには検波する前にその単音だけ差がある周波数を掛け合わせます(※この発振回路をBFOと言います)。 SDRの信号処理をこの800Hzで行っている場合は、DACで再度アナログ信号に戻してスピーカを鳴らせば良いわけです。

周波数を掛け合わせて周波数を変換すると、元の周波数の違いがそのまま現れます。例えば800kHzの単音で聞きたい場合、457.000kHzの雪崩ビーコンAの受信信号に457.800kHzを掛け合わせると800Hzの音になります。隣に456.970kHzの雪崩ビーコンBがあった場合、これは差分の830Hzの音になります。 AとBの送信周期は同期していないので微妙に周期がずれ、この程度の周波数差があればAとBの音の違いもわかり、複数埋没のときに役立ちます。マニュエルさんの雪崩レスキュー講習では「何台なっている?」と受講生に違いを教えていました。

7. デジタル信号処理

デジタル・ビーコンの定義の一つとして、デジタル信号処理が使われているか? というものもあります。これはアナログ信号をADC(Analog-Digital Converter)でデジタルの数値に変換し、DSP(Digital Signal Processor)などを使って数値演算するもので、通信の世界ではもはや当たり前になっています。使われていないのは廉価なAM/FMラジオくらいでしょう。

最近の廉価なマイコンもこのDSPやADCを内蔵したものがあり、アナログ回路では実現できないような特性の良いフィルターが実現できます。次の図はマイコン(PSoC)に内蔵しているDSPで生成できるディジタル・フィルターの例で、800Hz+/-100Hzの特性を持っています。

【図-16】ディジタル・フィルター

市販されている雪崩ビーコンの周波数特性は、送信周波数を1Hz単位に変えられる擬似的な雪崩ビーコン送信機を使って、距離表示を測ることができます。緑色の"PULSE Barryvox"はかなり急峻なフィルターが使われ、且つ受信範囲内の距離表示は一定です。同じ世代の青色の"Tracker3"も急峻なフィルター特性ですが、受信範囲内は平坦ではありません。これはデジタル・フィルターの次数が少ないせいだと思われます。デジタル・ビーコンとして初めて開発された赤色の"Tracker DTS"の特性はかなりブロードです。おそらく高周波増幅器で使っているセラミック・フィルターの特性がそのまま現れていて、デジタル・フィルターは使っていないと思われます。

【図-17】雪崩ビーコンの受信周波数特性

このように特性の良いフィルターを使わないと、他の周波数の信号を雑音として一緒に増幅してしまうので、雪崩ビーコンの信号を分離できずに受信距離が稼げないのです。下の図は【図-9】のディジタル・フィルターを通す前の雪崩ビーコン受信信号(ch1赤)と通した後の信号(ch2黄)をオシロスコープでモニタした画面です。ある程度改善されて、パルスが判別しやすくなっているのがわかると思います。

【図-18】デジタル・フィルターの効果

8. 【付録-1】雪崩ビーコンはなぜ457kHz?

雪崩ビーコン関連の試作をしていたら、最近なんとなく雪崩ビーコンに457kHが使われた経緯が想像できるようになりました。最初の雪崩ビーコン開発当時、アナログ全盛期のAMラジオの中間周波数(IF)は455kHzでした。従って、455kHzの中間中波トランス(IFT)やセラミックフィルターが安価に入手できました。

457kHzの信号を455kHzのIFに変換するには、差分の局部発振回路(OSC)で周波数912kHzを生成して掛け合わせます。 IF増幅回路で増幅したビーコン信号を可聴周波数(AF)に変換するにはBFOと呼ばれる差分周波数を生成する発振器が必要です。

912kHzを2分周すると丁度456kHzなので、これで1kHzのビート音が生成できます。

【図-19】市販のラジオに載っている455kHzIFTとセラミックフィルター

9. 【付録-2】雪崩ビーコン vs. 雪崩トランシーバ

近頃は雪崩ビーコンのことを「雪崩トランシーバ」と書いている書籍やサイトがあります。どうも元を辿ると北米でそういう呼び方に変えたらしく、『Staying Alive in Avalanche Terrain (3rd Edition)』を見ると(p.261)にPersonal Locator Beacon(PLB)と混同しないようにトランシーバーと呼ぶことにしたと書いてます。ネットのまた聞きですが、PLBを雪崩ビーコンと同じと勘違いしているスキーヤーがSOSを発信して地元捜索隊が出動した事例があるようです。 PLBは日本でも使われていて、総務省のサイトを見ると海上限定で免許されるようですから、日本の雪山で混同する恐れはありません。もともとトランシーバは送信機(Transmitter:Tx)と受信機(Receiver:Rx)の両方の機能を持つ送受信機(Transceiver:TRx)を指していて、日本ではアマチュア無線などのトランシーバーが普及していますから、雪崩トランシーバーという呼び方は逆に誤解を招きます。

ビーコン(Beacon)は元々「狼煙(のろし)」の意味で、一定の信号を送信する電波標識として昔から使われている用語です。雪崩ビーコンは通信を目的にしたものではなく、用途としては位置標識なので雪崩ビーコンという言葉は正しい使い方です。飛行機や船舶のために地上に置かれたビーコンや、最近ではBLE(Bluetooth Low Energy)を使ったi-Beaconがよく知られています。送信するからには、この信号を受信して解析する受信機も必要です。これは用途によって○△ビーコン受信機(○△Beacon Receiver)と呼ばれます。このように無線の世界では片方が"一方的"に送信しているものをビーコンと呼び、相互にコミュニケーションがとれるものをトランシーバと呼んで区別しています。

国際的にみると、ETSIはEuropean Telecommunications Standards Instituteの略で国際規格としてもよく参照されており、このETSIに雪崩ビーコンの規格があります。この「ETSI EN 300 718」で使われている用語はAvalanche Beaconです。

10. 【付録-3】空芯コイルを使った雪崩ビーコン信号の感度UP?

AMラジオの感度をUPする方法に、外部アンテナを内部のバーアンテナと誘導結合させる方法があります(※単に電線を巻き付けるだけ・・・)。通常、外部アンテナとして使うのは電線を巻いたコイル(ループアンテナ)で、ミニコンポなどに付属しているものもあります。試しに電線を適当な段ポールに巻くと、【図-20】のように32回巻いて360uHありました。これはラジオ用のバーアンテナの一次側と同じ位あります。両端にポリバリコンを並列に半田付けしてすると、AMラジオの周波数に同調してラジオの感度UPを確認しました。

さて、送信している雪崩ビーコンから5m程離してTracker 3を置いて正常に5.3mを表示しているのを確認します。次に同じ位置で、空芯コイルを被せてみると約2.9mを表示するようになります。考えてみればバーアンテナの比透磁率は数十倍なのに対し、この段ボールのループアンテナは面積が数百倍ある訳で、感度が良いのは当然かもしれません。

【図-20】空芯コイル

【図-21】素の状態のTracker 3

【図-21】空芯コイルを被せたTracker 3

近い距離ではうまくゆきましたが、感度ぎりぎりの離れたビーコンを拾う検出距離UPになるかは試してみないとわかりません。雪崩ビーコン受信回路のSN比に余裕があれば検出距離UPになるので、携帯性が良くなるように工夫すると売れる?・・・。