JP2004522947A - 受信機自律垂直インテグリティ監視 - Google Patents
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Abstract
受信機自律垂直インテグリティ監視（ＲＡＶＩＭ）アルゴリズムの使用により航空機航法信号の高度成分の垂直インテグリティを判定するシステムおよび方法を提供する。本システムおよび方法はまた、信号のインテグリティが許容できない、または未知である場合に適時の警告を輸送体運転者に提供する。本システムおよび方法は、到来信号自体の内部に埋め込まれたデータによらずに到来信号の垂直インテグリティを判定することができる。さらに、本発明のシステムおよび方法は、特定の航空機航法信号が運用中でないとき、特定の航空機航法信号が特定の地域で利用可能でないとき、または航空機が特定の航空機航法信号システムによってカバーされる地理的エリア外で運航中であるときのような場合に、輸送体運転者に垂直インテグリティを提供する。
Description
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、包括的に、航空機航法システムの分野に関する。より詳細には、本発明は、ブロードキャスト信号、特にＷＡＡＳ拡張ＧＰＳ信号の垂直インテグリティを、そのブロードキャスト信号自体の内部に埋め込まれたデータによらずに判定する方法およびシステムを含む。
【０００２】
［発明の背景］
高品質の航法データは、特に航空交通量が世界的に増大していることを考えれば、安全な飛行にとってきわめて重要である。航空機航法は、周回軌道衛星からの信号にますます依存するように発達してきた。衛星誘導は、従来の地上航法よりも高い精度を提供するが、それとともに多数の技術的課題をもたらす。最新の機上アビオニクスデバイスは、受信機からコックピットディスプレイに至るまで、非常に高精度の、広く利用可能な位置データを必要とし、しかもそのインテグリティを保証するためにその位置データが連続的に監視されることを必要とする。
【０００３】
全地球測位システム（ＧＰＳ）は、米国国防省により創始された衛星のネットワークである。ＧＰＳ受信機を装備した航空機のような移動輸送体は、地球の中心に対するその正確な３次元位置（緯度、経度、および高度）を求めることができる。ＧＰＳ受信機を装備した航空機は、その信号を航法の補助として使用することができる。
【０００４】
ＧＰＳネットワークが最初に運用開始したとき、国防省は、国家安全保障上の理由から、権限のないユーザによるアクセスを拒否するために信号に人為的誤差を意図的に導入した。この保護技法は選択利用性（ＳＡ）として知られていた。しかし最近、ＳＡは除去され、ＧＰＳ信号はその完全な精度で利用可能である。
【０００５】
しかし、ＳＡが除去されても、非拡張ＧＰＳ信号は、航空機が精密進入を行うときに使用できるほど十分には正確でない。もう１つの懸念は、信号のインテグリティすなわち信頼性である。ＧＰＳ衛星の問題またはその信号内の欠陥は、衛星が地上監視局の直上を通過するまで検出されないことがあるが、そのような通過には衛星の軌道によっては１時間以上かかることもある。
【０００６】
広域補強システム（ＷＡＡＳ）は、信号を拡張することによってＧＰＳの精度およびインテグリティの両方の問題点を解決するように設計されている。ＷＡＡＳ拡張ＧＰＳ信号（通常、ＷＡＡＳ信号として知られている）は、基本ＧＰＳ信号の有用性、精度、およびインテグリティを改善するであろう。ＷＡＡＳは、ＧＰＳ衛星から信号を常時受信しデータを広域主局（ＷＭＳ）に中継する約２５個の地上基準局のネットワークを含む。ＷＭＳは、到来ＧＰＳ信号を解析し、補正アルゴリズムを実行してから、北米上空の軌道上にある１つまたは複数の静止通信衛星にメッセージを送る。すると衛星は、補正されたデータをＧＰＳと同じ周波数で、ＷＡＡＳカバレージエリア内の航空機の機上の受信機へブロードキャストする。
【０００７】
ＧＰＳデータに加えて、ＷＭＳメッセージは誤差補正成分およびインテグリティ成分を含む。誤差補正成分は、電離層擾乱、タイミング誤差、および衛星軌道誤差により引き起こされるＧＰＳ信号誤差を補正する。インテグリティ成分は、ＧＰＳ信号データの信頼性すなわち健全性を確認するためにＷＭＳにより実行される１つまたは複数のチェックアルゴリズムおよびクロスチェックアルゴリズムの結果を含む。インテグリティ成分は、受信機が６秒以内にインテグリティ障害を検出することができるだけの十分な頻度でブロードキャストされる。
【０００８】
しかし、ＷＡＡＳ信号のインテグリティ成分は現在、常に利用可能なわけではない。ＷＡＡＳは１９９９年半ば以来ブロードキャストされているが、ＷＡＡＳは、２００３年またはおそらくそれ以降まで、精密進入のためにインテグリティを備えた完全な運用はなされないであろう。
【０００９】
現在、ＷＡＡＳ信号は３次元位置データ（緯度、経度、および高度）を含むが、インテグリティ成分を含まない。したがって、ユーザは非常に正確であり得る位置データを受信しているが、ユーザにはその位置データがインテグリティを有するかどうかを確認する方法がない。精密進入のような安全重視のタスクのためには、インテグリティがなければデータを信頼することができない。
【００１０】
水平インテグリティは、機上受信機自体の内部のアルゴリズムを実行することによって取得することができる。このアルゴリズムは、一般に受信機自律インテグリティ監視（ＲＡＩＭ）アルゴリズムと呼ばれ、いくつかの衛星からの冗長な距離測定値を用いて、いずれかの衛星からブロードキャストされている水平位置データに障害があるかどうかを確認する数学的手続きである。ＲＡＩＭアルゴリズムは、少なくとも１つの追加的な衛星信号を用いてデータのチェックおよびクロスチェックを行う。予備の衛星が利用可能でない場合、ＲＡＩＭアルゴリズムは、気圧高度計からの読み取り値を使用することができる。
【００１１】
他方、垂直インテグリティは、ＲＡＩＭ型アルゴリズムで追加的な衛星からのデータを使用することにより取得することはできない。ＧＰＳ衛星は、垂直方向の十分な精度を全く提供しない。したがって、ＷＡＡＳ信号の垂直インテグリティを判定するシステムおよび方法に対する必要性がある。
【００１２】
安全で有用な位置データにとっては、精度、有用性、およびインテグリティの３つの要素が必要である。精度要件は、概ね、ＷＡＡＳ信号により満たされている。ＷＡＡＳカバレージエリア内での有用性は、少なくとも２個の静止通信衛星により提供される。ＷＡＡＳ信号の妥当性に関するインテグリティ情報は現在、常に利用可能なわけではない。前に述べたように、ＷＡＡＳは、２００３年またはおそらくそれ以降まで、精密進入のための完全な運用はなされないであろう。ＷＡＡＳが、信頼できるインテグリティ情報のブロードキャストを含めて完全に運用されるようになっても、ＷＡＡＳ信号のインテグリティ成分が特定のエリアでは利用可能でないときがある可能性がある。例えば、ＷＡＡＳ信号は、北米のある特定の沿岸地域で利用可能でない。さらに、他の国々は、構成および機能においてＷＡＡＳに類似しているシステムを開発し実施しつつあるが、利用可能な機上機器と常に互換性があるとは限らない可能性がある。したがって、ＷＡＡＳ信号自体の内部に埋め込まれたデータによらずにＷＡＡＳ信号のインテグリティを判定する方法およびシステムに対する必要性がある。
【００１３】
信号は、一定時間にわたり完全で欠陥や減衰がない場合に、インテグリティを有する。インテグリティは、信号内のデータをチェックし、それを他の信頼できるデータとクロスチェックすることにより見出される。
【００１４】
航法システムは、受信するデータがそのインテグリティに関する情報を伴う場合、あるいは、システム自体が到来データのインテグリティを分析することができる場合に、インテグリティを有する。安全で信頼できる航法システムは、データインテグリティが誤差の許容限界外にあるかまたは全く失われている場合にデータを完全に無視するための警告または命令を含めた、データインテグリティに関するさまざまな適時の警告をユーザに提供することができる。
【００１５】
したがって、ＷＡＡＳ信号の垂直インテグリティを判定する方法に対する必要性がある。さらに、ＷＡＡＳ信号の垂直インテグリティに関する適時の警告をパイロットおよび他のユーザに提供するシステムに対する必要性がある。
【００１６】
ＷＡＡＳは現在インテグリティデータをブロードキャストしていないため、ＷＡＡＳ信号自体の内部に埋め込まれたデータによらずにＷＡＡＳ信号の垂直インテグリティを判定する方法およびシステムに対する必要性がある。換言すれば、垂直インテグリティを判定する自律的方法に対する必要性がある。
【００１７】
ＷＡＡＳ信号がインテグリティデータを含むようになったときでも、垂直インテグリティを判定する自律的方法およびシステムに対する必要性は存在し続けるであろう。これには、ＷＡＡＳ信号が運用中でないとき、ＷＡＡＳ信号が特定の地域で利用可能でないとき、または航空機がＷＡＡＳによってカバーされる地理的エリア外で運航中であるときの場合が含まれるであろうが、これらには限定されない。
【００１８】
さらに、ＷＡＡＳ信号の垂直インテグリティを判定するために機上受信機または他の機器により実行されるさまざまな判定基準および数学的アルゴリズムを開発する必要性がある。なおさらに、コックピットにおいて、（垂直インテグリティデータによりサポートされ、垂直インテグリティデータを含む）航法データを表示するシステムに、垂直インテグリティ結果を統合する必要性がある。インテグリティを表示する必要性には、垂直インテグリティが誤差の許容限界外にあるかまたは全く失われている場合にＷＡＡＳデータを完全に無視するための警告または命令を含めた、垂直インテグリティに関するさまざまな適時の明確な警告をユーザに提供する必要性が含まれる。
【００１９】
［発明の概要］
本発明は、航空機航法信号の垂直インテグリティを、その信号自体の内部に埋め込まれたデータによらずに判定する方法およびシステムを提供する。一特定実施形態では、本発明は、ＷＡＡＳ拡張ＧＰＳ信号の垂直インテグリティを、ＷＡＡＳ信号内に埋め込まれたデータによらずに判定する方法およびシステムを提供する。
【００２０】
本発明は、独立の高度読み取り値を用いて到来航空機航法信号の垂直インテグリティを評価する方法を提供する。一実施形態では、到来航空機航法信号内の高度読み取り値の精度をチェックするために、気圧高度計からの読み取り値が、受信機自律垂直インテグリティ監視（ＲＡＶＩＭ）アルゴリズムで使用される。また、いったん到来信号の垂直インテグリティが確立された後は、独立の高度読み取り値（すなわち、気圧信号）の垂直インテグリティを評価するようにＲＡＶＩＭアルゴリズムを実施することも可能である。
【００２１】
本発明の一態様は、航空機航法信号の垂直インテグリティを連続的に監視し評価するための、ＲＡＶＩＭアルゴリズム内のルールのセットを含む。一実施形態では、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、独立の高度読み取り値と、到来航空機航法信号内の高度読み取り値との間の差を計算する。２つの読み取り値の間の差は、垂直位置誤差として知られている。垂直位置誤差は、垂直アラーム限界（ＶＡＬ）としても知られている所定の許容垂直誤差と比較される。垂直位置誤差がＶＡＬを超えない場合、到来信号内の高度は許容インテグリティを有すると判定される。これに対して、垂直位置誤差がＶＡＬを超える場合、到来信号高度は、許容できない、または未知のインテグリティを有し、ユーザは、到来信号高度を無視するように警告され、また適当な場合には命令される。
【００２２】
通常、着陸への精密進入または他の輸送体の操縦の状況で実行される、本発明のもう１つの実施形態では、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、第１および第２バリアンス（ｖａｒｉａｎｃｅ）を計算する。計算される第１バリアンスは、独立の高度読み取り値と、精密操縦を実行するのに必要とされる計算高度との間の差である。計算される第２バリアンスは、到来信号内の高度読み取り値と、精密操縦を実行するのに必要とされる計算高度との間の差である。本発明の一実施形態では、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、操縦経路角、操縦経路に沿った点、および操縦経路点間の経過時間のような既知のパラメータに基づいて計算高度を計算する。第１バリアンスと第２バリアンスの間の差の絶対値は、垂直位置誤差として知られている。そして垂直位置誤差は、垂直アラーム限界（ＶＡＬ）としても知られている所定の許容垂直誤差と比較される。垂直位置誤差がＶＡＬを超えない場合、到来信号内の高度は許容インテグリティを有する。これに対して、垂直位置誤差がＶＡＬを超える場合、到来信号内の高度は、許容できないまたは未知のインテグリティを有し、ユーザは、到来信号内の高度を無視するように警告され、また適当な場合には命令される。
【００２３】
さまざまな到来データを相異なる情報源から収集することによって、ＲＡＶＩＭアルゴリズムおよびプロセッサは、精密進入のようなさまざまな環境および状況において、バリアンスを計算し、垂直インテグリティ監視を供給することができる。ＲＡＶＩＭアルゴリズムおよびプロセッサのアーキテクチャは、飛行操縦の状況および航空機の航法の必要性に応じて、インテグリティのための相異なるデータストリームの比較および分析を可能にするように設計される。したがって、ＲＡＶＩＭアルゴリズムおよびプロセッサは、垂直インテグリティ情報が必要とされる状況に適した、垂直アラーム限界（ＶＡＬ）と比較すべき値を計算することができる。
【００２４】
本発明のもう１つの態様によれば、ＶＡＬの値は、使用中の気圧高度計の保証精度、到来信号における既知の誤り率、使用中のアビオニクス機器の他の定量可能な特性、ならびに飛行および航法を管理している規制に基づいて、最適化されることができる。
【００２５】
一実施形態では、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、ＷＡＡＳ受信機のような到来信号受信機内のコンピュータソフトウェアによって実行されるが、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは他の補助ハードウェアで実施されてもよい。
【００２６】
本発明のＲＡＶＩＭアルゴリズムは、垂直位置誤差をＶＡＬと比較している間に連続的な内部一貫性チェックを含んでもよい。内部一貫性チェックは、内部誤差限界と比較されるときに、内部故障アラームを引き起こし得る誤差値を生成してもよい。このような場合、アルゴリズムは許容されるインテグリティ計算を実行することができず、したがってユーザは、到来信号内の高度が許容できないまたは未知のインテグリティを有すると警告される。
【００２７】
本発明のさらにもう１つの実施形態によれば、垂直インテグリティの状態に関する正確かつ適時の警告をシステムユーザ（通常、輸送体運転者）に提供するために、本明細書に記載されるＲＡＶＩＭアルゴリズムを処理し実施する追加のコンピュータ命令またはもう１つのシステムが、垂直インテグリティ監視システムに組み込まれてもよい。一実施形態では、表示および警告は、現在提供されているものと一貫性がある。こうして、ＲＡＶＩＭアルゴリズムの実施および使用は、追加的なユーザ訓練を必要としないであろう。
【００２８】
本発明のもう１つの態様では、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは任意の運用環境で垂直インテグリティを提供する。例えば、ＷＡＡＳインテグリティが利用可能となるまで、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、他の方法では確認されないＷＡＡＳ信号に対する垂直インテグリティを提供する。ＷＡＡＳインテグリティが利用可能になれば、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、追加的またはバックアップ用のチェックとして機能し得る。他の国々でＷＡＡＳに類似の補強システムにより垂直インテグリティが提供される場合、ＲＡＶＩＭアルゴリズムはこの環境でも追加的またはバックアップ用のチェックとして機能し得る。
【００２９】
こうして、本発明の実施形態は、到来信号の高度成分の垂直インテグリティを判定する方法と、任意の運用環境で垂直インテグリティ情報をユーザに提供するシステムとを提供する。本発明の実施形態はさらに、ＷＡＡＳ信号の垂直インテグリティを評価する受信機自律垂直インテグリティ監視（ＲＡＶＩＭ）アルゴリズムを提供する。アルゴリズムの自律性は、インテグリティデータ（ＷＡＡＳ信号自体の内部に埋め込まれていることも、埋め込まれていないこともあり得る）に依拠することなく、垂直インテグリティを提供する。こうして、本発明は、到来信号がインテグリティデータを含まない場合に、インテグリティを備えた精密垂直誘導を提供する。
【００３０】
本発明の実施形態はさらに、到来信号の垂直インテグリティの状態についてユーザに連続的に通知する方法およびシステムを提供する。表示および警告を通じて、ユーザは、垂直位置誤差が所定の垂直アラーム限界を超える場合に通知され、垂直インテグリティが何らかの理由で不十分であるときには、到来信号の高度成分を無視するよう警告される。
【００３１】
［発明の詳細な説明］
以下、添付図面を参照して、本発明についてさらに詳細に説明する。図面には本発明の好ましい実施形態が示されている。しかし、本発明は、多くの異なる形態で実施されることが可能であり、本明細書に記載される実施形態に限定されると解釈されてはならない。むしろ、これらの実施形態は、本明細書の開示が徹底的かつ完全となり、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるように提供される。全体を通じて同様の番号は同様の要素を指す。
【００３２】
図１は、広域補強システム（ＷＡＡＳ）１０のさまざまなコンポーネントの概略図を示す。ＷＡＡＳは、ブロードキャスト信号が高度成分を有する航空機航法ブロードキャストシステムの例であるが、高度成分を有する他の航法ブロードキャストシステムもまた、垂直インテグリティに適しており、本明細書に開示される本発明の概念内にある。一連の既存のＧＰＳ衛星２０が、ＧＰＳ信号２５を一連の地上基準局３０へ連続的にブロードキャストする。地上基準局３０は、中継信号３５を１つまたは複数の広域主局（ＷＭＳ）４０へブロードキャストする。ＷＭＳ４０は、到来中継信号３５を分析し、１つまたは複数の補正アルゴリズムを実行してから、上空の軌道にある１つまたは複数の静止通信衛星５０にメッセージ４５を送る。すると衛星５０は、ＷＡＡＳカバレージエリア内の航空機６０の機上の受信機へ、補正されたＧＰＳ信号５５をブロードキャストする。ＷＭＳメッセージ４５は、その内部に、誤差補正成分１００およびインテグリティ成分２００を含む。
【００３３】
図２は、本発明の実施形態による、ＷＡＡＳ受信機のような機上航空機航法信号受信機７０と、関連する機上ディスプレイ９０の概略図である。ＷＡＡＳ高度読み取り値６５を含む補正されたＧＰＳ信号５５は、機上ＷＡＡＳ受信機７０により受信される。本発明の受信機自律垂直インテグリティ監視（ＲＡＶＩＭ）アルゴリズム３００は、受信機７０内のコンピュータソフトウェアまたは他の処理デバイスにより実行される。本発明の一実施形態では、ＲＡＶＩＭアルゴリズム３００は、独立の高度読み取り値８５と、到来信号内の高度読み取り値６５との間の差を計算する。独立の高度読み取り値は、気圧高度情報源などのような高度情報源８０から送信される。ＲＡＶＩＭアルゴリズム３００は通常、航空機航法信号受信機内で適当なプロセッサ９５により実行されるコンピュータソフトウェアとして具現化される。また、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、航空機航法受信機の範囲外で実行されることも可能である。
【００３４】
図３は、本発明の実施形態による、受信機自律垂直インテグリティ監視の方法の流れ図である。ステップ３１０で、高度読み取り値を含む航空機航法信号が航空機航法信号受信機により受信される。通常、航空機航法信号受信機は、航空機の機上に配置されるであろうが、受信機は任意の他の輸送体の機上に、または地上局に配置されてもよい。ステップ３２０で、受信機はＲＡＶＩＭアルゴリズムを呼び出し、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは到来信号高度読み取り値と独立の高度読み取り値の間の差を計算する。通常、独立の高度読み取り値は、航空機または輸送体の機上の気圧高度計から与えられるであろう。到来信号高度読み取り値と独立の高度読み取り値の間の差は一般に当技術分野で垂直位置誤差と呼ばれる。
【００３５】
ステップ３３０で、垂直位置誤差が、垂直アラーム限界（ＶＡＬ）としても知られている所定の許容垂直誤差と比較される。ＶＡＬは通常、使用中の計器および特定の管理規制に基づいて決定される。例えば、ＶＡＬ値は、独立の高度読み取り値を提供する計器の保証精度、到来信号における既知の誤り率、使用中の輸送体機器の他の定量可能な特性、および／または輸送体の移動を管理する規制に基づいて求められ最適化され得る。ステップ３４０で、垂直位置誤差がＶＡＬを超えるかどうかを評価する判定がなされる。垂直位置誤差がＶＡＬを超えるという判定がなされた場合、ステップ３５０で、到来信号の垂直インテグリティが許容できない、または未知であることをユーザ（すなわち、パイロット、輸送体運転者、地上局係員）に知らせる警告が発される。警告は、可聴警告および／または可視警告を含む（これらに限定されない）いかなる許容されるフォーマットでなされてもよい。垂直位置誤差がＶＡＬを超えないという判定がなされた場合、ステップ３６０で、到来信号垂直インテグリティは許容されるとみなされ、すべての到来信号に対する垂直インテグリティの連続的な監視／チェックが行われる。
【００３６】
本発明の代替実施形態に従って、特定の航空機または輸送体の操縦の状況で実行される受信機自律垂直インテグリティ監視の方法が以下で説明される。この方法は、航空機または輸送体が進路上にとどまっていることを保証する。例えば、この方法は、グライドパスに沿った精密航空機進入着陸のために使用され得る。図４は、航空機グライドパス４００の例を示す。グライドパス４００は一般に、最終進入フィックス（ＦＡＦ）４１０と呼ばれる空中の所定の点と、滑走路４９５上の進入復行点（ＭＡＰ）４９０との間の経路として定義される。測定された垂直位置誤差は、グライドパス４００の上下の誤差範囲４２０として示されている。同様に、所定の垂直アラーム限界（ＶＡＬ）が、グライドパス４００の上下の境界４３０として示されている。ＶＡＬ境界４３０は、実行されている特定の操縦に対する垂直インテグリティの許容限界を表す。
【００３７】
図５は、本発明の実施形態による、特定の航空機または輸送体の操縦の状況で実行される、受信機自律垂直インテグリティ監視の代替方法の流れ図である。ステップ５００で、高度読み取り値を含む航空機航法信号が航空機航法信号受信機により受信される。通常、この受信機は、航空機の機上に配置されるであろうが、受信機は任意の他の操縦可能な輸送体の機上に、または地上局に配置されてもよい。
【００３８】
ステップ５１０および５２０で、受信機は、バリアンスとして知られる２つの値を計算するためにＲＡＶＩＭアルゴリズムを呼び出す。ステップ５１０で計算される第１バリアンスは、独立の高度読み取り値と、操縦を実行するのに必要とされる計算高度との間の差として定義される。通常、独立の高度読み取り値は、航空機または輸送体の機上の気圧高度計から与えられるであろう。操縦を実行するのに必要とされる計算高度は、関連するデータベースに記憶されている高度読み取り値から導出される。ステップ５２０で計算される第２バリアンスは、到来信号の高度読み取り値と、操縦を実行するのに必要とされる計算高度との間の差として定義される。
【００３９】
操縦を実行するのに必要とされる計算高度は、ＲＡＶＩＭアルゴリズムにより提供されてもよく、または補助アルゴリズムによりＲＡＶＩＭ環境の外部で導出されてもよい。計算高度は、既知の位置データから導出される。図４に示される適用では、既知の位置データは、グライドパス角θ（ＦＡＦ４１０、ＭＡＰ４９０および滑走路４９５により画定される）およびグライドパスに沿ったある点「Ａ」での航空機の位置を含む。さらに、ある後の点「Ｂ」において、点「Ａ」から点「Ｂ」までに経過した時間は既知であり、移動した水平距離は既知である。移動した水平距離は通常、水平受信機自律インテグリティ監視アルゴリズムを実施することにより高い精度で知られる。これらのパラメータを用いて、ＲＡＶＩＭアルゴリズムまたは補助アルゴリズムは、航空機がグライドパスに沿った点「Ｂ」で飛行しているべき高度を表す計算高度を提供することができる。ＲＡＶＩＭアルゴリズム内での計算高度の使用により、精密航空機進入または他の輸送体操縦のための追加的な精度を提供することができる。
【００４０】
ステップ５３０で、第１バリアンスと第２バリアンス２つのバリアンスの間の差の絶対値が計算される。この差は一般に、垂直位置誤差と呼ばれる。一方のバリアンスがゼロである場合、ゼロでないバリアンスの絶対値は垂直位置誤差となることが留意されるべきである。次にステップ５４０で、垂直位置誤差は、垂直アラーム限界（ＶＡＬ）としても知られている所定の許容垂直誤差と比較される。ステップ５５０で、垂直位置誤差がＶＡＬを超えるかどうかを評価する判定がなされる。垂直位置誤差がＶＡＬを超えるという判定がなされた場合、ステップ５６０で、到来信号の垂直インテグリティが許容できない、または未知であることをユーザ（すなわち、パイロット、輸送体運転者、地上局係員）に知らせる警告が発される。警告は、可聴警告および／または可視警告を含む（これらに限定されない）いかなる許容されるフォーマットでなされてもよい。垂直位置誤差がＶＡＬを超えないという判定がなされた場合、ステップ５７０で、到来信号垂直インテグリティは許容されるとみなされ、すべての到来信号に対する垂直インテグリティの連続的な監視／チェックが行われる。この状況では、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは到来信号高度に対する垂直インテグリティを提供し、それにより、輸送体運転者は高い精度で正確な操縦経路に従うことが可能となる。例えば、ＲＡＶＩＭインテグリティによりサポートされるＷＡＡＳ信号は、２．０メートル以内で確実に正確であることが示されている。
【００４１】
本発明のもう１つの態様は、ＲＡＶＩＭアルゴリズム内での内部一貫性ルーチンの実施である。内部一貫性ルーチンは、垂直位置誤差をＶＡＬと比較している間に呼び出される。内部一貫性ルーチンは、内部誤差限界との比較時に内部故障アラームを引き起こし得る誤差値を生成してもよい。このような場合、アルゴリズムはもはや許容されるインテグリティ計算を実行することができず、したがって輸送体運転者は、到来信号高度成分が、アルゴリズムを一貫して実行できないことに起因する、許容できないまたは未知のインテグリティを有することが警告される。
【００４２】
本発明のもう１つの態様では、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、多くの他の運用環境で垂直インテグリティを提供する。例えば、内部ＷＡＡＳ垂直インテグリティが利用可能でない現在の環境では、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、他の方法では確認されないＷＡＡＳ信号に対する垂直インテグリティを提供するように実施することができる。内部ＷＡＡＳ垂直インテグリティが利用可能になれば、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、追加レベルのインテグリティチェックとして機能し得る。さらに、米国以外の国々がＷＡＡＳに類似のシステムを提供する場合、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、システムの構成に応じて第１または第２レベルの垂直インテグリティチェックを提供し得る。また、いったん到来信号の垂直インテグリティが確立された後は、独立の高度読み取り値（すなわち、気圧信号）の垂直インテグリティを評価するようにＲＡＶＩＭアルゴリズムを実施することも可能である。
【００４３】
本明細書に記載される受信機自律垂直インテグリティ監視システムおよび方法は、ＷＡＡＳ信号のような航空機航法信号の垂直インテグリティを判定することを提供するとともに、信号のインテグリティが許容できないかまたは未知である場合に適時の警告を輸送体運転者に提供する。本システムおよび方法は、到来信号自体の内部に埋め込まれたデータによらずに到来信号の垂直インテグリティを判定することができる。さらに、本発明のシステムおよび方法は、特定の航法信号が運用中でないとき、特定の航法信号が特定の地域で利用可能でないとき、または航空機が航空機航法システムによってカバーされる地理的エリア外で運航中であるときのような場合に、輸送体運転者に垂直インテグリティを提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術による航空機環境で実施される広域補強システム（ＷＡＡＳ）を示す概略図である。
【図２】
本発明の実施形態による、受信機自律垂直インテグリティ監視（ＲＡＶＩＭ）システムに関係するハードウェアを示す概略図である。
【図３】
本発明の実施形態による、受信機自律垂直インテグリティ監視方法を示す流れ図である。
【図４】
本発明の実施形態による、上側および下側垂直限界を有する飛行経路を示す概略図である。
【図５】
本発明の実施形態による、受信機自律垂直インテグリティ監視の代替方法を示す流れ図である。
［発明の分野］
本発明は、包括的に、航空機航法システムの分野に関する。より詳細には、本発明は、ブロードキャスト信号、特にＷＡＡＳ拡張ＧＰＳ信号の垂直インテグリティを、そのブロードキャスト信号自体の内部に埋め込まれたデータによらずに判定する方法およびシステムを含む。
【０００２】
［発明の背景］
高品質の航法データは、特に航空交通量が世界的に増大していることを考えれば、安全な飛行にとってきわめて重要である。航空機航法は、周回軌道衛星からの信号にますます依存するように発達してきた。衛星誘導は、従来の地上航法よりも高い精度を提供するが、それとともに多数の技術的課題をもたらす。最新の機上アビオニクスデバイスは、受信機からコックピットディスプレイに至るまで、非常に高精度の、広く利用可能な位置データを必要とし、しかもそのインテグリティを保証するためにその位置データが連続的に監視されることを必要とする。
【０００３】
全地球測位システム（ＧＰＳ）は、米国国防省により創始された衛星のネットワークである。ＧＰＳ受信機を装備した航空機のような移動輸送体は、地球の中心に対するその正確な３次元位置（緯度、経度、および高度）を求めることができる。ＧＰＳ受信機を装備した航空機は、その信号を航法の補助として使用することができる。
【０００４】
ＧＰＳネットワークが最初に運用開始したとき、国防省は、国家安全保障上の理由から、権限のないユーザによるアクセスを拒否するために信号に人為的誤差を意図的に導入した。この保護技法は選択利用性（ＳＡ）として知られていた。しかし最近、ＳＡは除去され、ＧＰＳ信号はその完全な精度で利用可能である。
【０００５】
しかし、ＳＡが除去されても、非拡張ＧＰＳ信号は、航空機が精密進入を行うときに使用できるほど十分には正確でない。もう１つの懸念は、信号のインテグリティすなわち信頼性である。ＧＰＳ衛星の問題またはその信号内の欠陥は、衛星が地上監視局の直上を通過するまで検出されないことがあるが、そのような通過には衛星の軌道によっては１時間以上かかることもある。
【０００６】
広域補強システム（ＷＡＡＳ）は、信号を拡張することによってＧＰＳの精度およびインテグリティの両方の問題点を解決するように設計されている。ＷＡＡＳ拡張ＧＰＳ信号（通常、ＷＡＡＳ信号として知られている）は、基本ＧＰＳ信号の有用性、精度、およびインテグリティを改善するであろう。ＷＡＡＳは、ＧＰＳ衛星から信号を常時受信しデータを広域主局（ＷＭＳ）に中継する約２５個の地上基準局のネットワークを含む。ＷＭＳは、到来ＧＰＳ信号を解析し、補正アルゴリズムを実行してから、北米上空の軌道上にある１つまたは複数の静止通信衛星にメッセージを送る。すると衛星は、補正されたデータをＧＰＳと同じ周波数で、ＷＡＡＳカバレージエリア内の航空機の機上の受信機へブロードキャストする。
【０００７】
ＧＰＳデータに加えて、ＷＭＳメッセージは誤差補正成分およびインテグリティ成分を含む。誤差補正成分は、電離層擾乱、タイミング誤差、および衛星軌道誤差により引き起こされるＧＰＳ信号誤差を補正する。インテグリティ成分は、ＧＰＳ信号データの信頼性すなわち健全性を確認するためにＷＭＳにより実行される１つまたは複数のチェックアルゴリズムおよびクロスチェックアルゴリズムの結果を含む。インテグリティ成分は、受信機が６秒以内にインテグリティ障害を検出することができるだけの十分な頻度でブロードキャストされる。
【０００８】
しかし、ＷＡＡＳ信号のインテグリティ成分は現在、常に利用可能なわけではない。ＷＡＡＳは１９９９年半ば以来ブロードキャストされているが、ＷＡＡＳは、２００３年またはおそらくそれ以降まで、精密進入のためにインテグリティを備えた完全な運用はなされないであろう。
【０００９】
現在、ＷＡＡＳ信号は３次元位置データ（緯度、経度、および高度）を含むが、インテグリティ成分を含まない。したがって、ユーザは非常に正確であり得る位置データを受信しているが、ユーザにはその位置データがインテグリティを有するかどうかを確認する方法がない。精密進入のような安全重視のタスクのためには、インテグリティがなければデータを信頼することができない。
【００１０】
水平インテグリティは、機上受信機自体の内部のアルゴリズムを実行することによって取得することができる。このアルゴリズムは、一般に受信機自律インテグリティ監視（ＲＡＩＭ）アルゴリズムと呼ばれ、いくつかの衛星からの冗長な距離測定値を用いて、いずれかの衛星からブロードキャストされている水平位置データに障害があるかどうかを確認する数学的手続きである。ＲＡＩＭアルゴリズムは、少なくとも１つの追加的な衛星信号を用いてデータのチェックおよびクロスチェックを行う。予備の衛星が利用可能でない場合、ＲＡＩＭアルゴリズムは、気圧高度計からの読み取り値を使用することができる。
【００１１】
他方、垂直インテグリティは、ＲＡＩＭ型アルゴリズムで追加的な衛星からのデータを使用することにより取得することはできない。ＧＰＳ衛星は、垂直方向の十分な精度を全く提供しない。したがって、ＷＡＡＳ信号の垂直インテグリティを判定するシステムおよび方法に対する必要性がある。
【００１２】
安全で有用な位置データにとっては、精度、有用性、およびインテグリティの３つの要素が必要である。精度要件は、概ね、ＷＡＡＳ信号により満たされている。ＷＡＡＳカバレージエリア内での有用性は、少なくとも２個の静止通信衛星により提供される。ＷＡＡＳ信号の妥当性に関するインテグリティ情報は現在、常に利用可能なわけではない。前に述べたように、ＷＡＡＳは、２００３年またはおそらくそれ以降まで、精密進入のための完全な運用はなされないであろう。ＷＡＡＳが、信頼できるインテグリティ情報のブロードキャストを含めて完全に運用されるようになっても、ＷＡＡＳ信号のインテグリティ成分が特定のエリアでは利用可能でないときがある可能性がある。例えば、ＷＡＡＳ信号は、北米のある特定の沿岸地域で利用可能でない。さらに、他の国々は、構成および機能においてＷＡＡＳに類似しているシステムを開発し実施しつつあるが、利用可能な機上機器と常に互換性があるとは限らない可能性がある。したがって、ＷＡＡＳ信号自体の内部に埋め込まれたデータによらずにＷＡＡＳ信号のインテグリティを判定する方法およびシステムに対する必要性がある。
【００１３】
信号は、一定時間にわたり完全で欠陥や減衰がない場合に、インテグリティを有する。インテグリティは、信号内のデータをチェックし、それを他の信頼できるデータとクロスチェックすることにより見出される。
【００１４】
航法システムは、受信するデータがそのインテグリティに関する情報を伴う場合、あるいは、システム自体が到来データのインテグリティを分析することができる場合に、インテグリティを有する。安全で信頼できる航法システムは、データインテグリティが誤差の許容限界外にあるかまたは全く失われている場合にデータを完全に無視するための警告または命令を含めた、データインテグリティに関するさまざまな適時の警告をユーザに提供することができる。
【００１５】
したがって、ＷＡＡＳ信号の垂直インテグリティを判定する方法に対する必要性がある。さらに、ＷＡＡＳ信号の垂直インテグリティに関する適時の警告をパイロットおよび他のユーザに提供するシステムに対する必要性がある。
【００１６】
ＷＡＡＳは現在インテグリティデータをブロードキャストしていないため、ＷＡＡＳ信号自体の内部に埋め込まれたデータによらずにＷＡＡＳ信号の垂直インテグリティを判定する方法およびシステムに対する必要性がある。換言すれば、垂直インテグリティを判定する自律的方法に対する必要性がある。
【００１７】
ＷＡＡＳ信号がインテグリティデータを含むようになったときでも、垂直インテグリティを判定する自律的方法およびシステムに対する必要性は存在し続けるであろう。これには、ＷＡＡＳ信号が運用中でないとき、ＷＡＡＳ信号が特定の地域で利用可能でないとき、または航空機がＷＡＡＳによってカバーされる地理的エリア外で運航中であるときの場合が含まれるであろうが、これらには限定されない。
【００１８】
さらに、ＷＡＡＳ信号の垂直インテグリティを判定するために機上受信機または他の機器により実行されるさまざまな判定基準および数学的アルゴリズムを開発する必要性がある。なおさらに、コックピットにおいて、（垂直インテグリティデータによりサポートされ、垂直インテグリティデータを含む）航法データを表示するシステムに、垂直インテグリティ結果を統合する必要性がある。インテグリティを表示する必要性には、垂直インテグリティが誤差の許容限界外にあるかまたは全く失われている場合にＷＡＡＳデータを完全に無視するための警告または命令を含めた、垂直インテグリティに関するさまざまな適時の明確な警告をユーザに提供する必要性が含まれる。
【００１９】
［発明の概要］
本発明は、航空機航法信号の垂直インテグリティを、その信号自体の内部に埋め込まれたデータによらずに判定する方法およびシステムを提供する。一特定実施形態では、本発明は、ＷＡＡＳ拡張ＧＰＳ信号の垂直インテグリティを、ＷＡＡＳ信号内に埋め込まれたデータによらずに判定する方法およびシステムを提供する。
【００２０】
本発明は、独立の高度読み取り値を用いて到来航空機航法信号の垂直インテグリティを評価する方法を提供する。一実施形態では、到来航空機航法信号内の高度読み取り値の精度をチェックするために、気圧高度計からの読み取り値が、受信機自律垂直インテグリティ監視（ＲＡＶＩＭ）アルゴリズムで使用される。また、いったん到来信号の垂直インテグリティが確立された後は、独立の高度読み取り値（すなわち、気圧信号）の垂直インテグリティを評価するようにＲＡＶＩＭアルゴリズムを実施することも可能である。
【００２１】
本発明の一態様は、航空機航法信号の垂直インテグリティを連続的に監視し評価するための、ＲＡＶＩＭアルゴリズム内のルールのセットを含む。一実施形態では、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、独立の高度読み取り値と、到来航空機航法信号内の高度読み取り値との間の差を計算する。２つの読み取り値の間の差は、垂直位置誤差として知られている。垂直位置誤差は、垂直アラーム限界（ＶＡＬ）としても知られている所定の許容垂直誤差と比較される。垂直位置誤差がＶＡＬを超えない場合、到来信号内の高度は許容インテグリティを有すると判定される。これに対して、垂直位置誤差がＶＡＬを超える場合、到来信号高度は、許容できない、または未知のインテグリティを有し、ユーザは、到来信号高度を無視するように警告され、また適当な場合には命令される。
【００２２】
通常、着陸への精密進入または他の輸送体の操縦の状況で実行される、本発明のもう１つの実施形態では、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、第１および第２バリアンス（ｖａｒｉａｎｃｅ）を計算する。計算される第１バリアンスは、独立の高度読み取り値と、精密操縦を実行するのに必要とされる計算高度との間の差である。計算される第２バリアンスは、到来信号内の高度読み取り値と、精密操縦を実行するのに必要とされる計算高度との間の差である。本発明の一実施形態では、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、操縦経路角、操縦経路に沿った点、および操縦経路点間の経過時間のような既知のパラメータに基づいて計算高度を計算する。第１バリアンスと第２バリアンスの間の差の絶対値は、垂直位置誤差として知られている。そして垂直位置誤差は、垂直アラーム限界（ＶＡＬ）としても知られている所定の許容垂直誤差と比較される。垂直位置誤差がＶＡＬを超えない場合、到来信号内の高度は許容インテグリティを有する。これに対して、垂直位置誤差がＶＡＬを超える場合、到来信号内の高度は、許容できないまたは未知のインテグリティを有し、ユーザは、到来信号内の高度を無視するように警告され、また適当な場合には命令される。
【００２３】
さまざまな到来データを相異なる情報源から収集することによって、ＲＡＶＩＭアルゴリズムおよびプロセッサは、精密進入のようなさまざまな環境および状況において、バリアンスを計算し、垂直インテグリティ監視を供給することができる。ＲＡＶＩＭアルゴリズムおよびプロセッサのアーキテクチャは、飛行操縦の状況および航空機の航法の必要性に応じて、インテグリティのための相異なるデータストリームの比較および分析を可能にするように設計される。したがって、ＲＡＶＩＭアルゴリズムおよびプロセッサは、垂直インテグリティ情報が必要とされる状況に適した、垂直アラーム限界（ＶＡＬ）と比較すべき値を計算することができる。
【００２４】
本発明のもう１つの態様によれば、ＶＡＬの値は、使用中の気圧高度計の保証精度、到来信号における既知の誤り率、使用中のアビオニクス機器の他の定量可能な特性、ならびに飛行および航法を管理している規制に基づいて、最適化されることができる。
【００２５】
一実施形態では、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、ＷＡＡＳ受信機のような到来信号受信機内のコンピュータソフトウェアによって実行されるが、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは他の補助ハードウェアで実施されてもよい。
【００２６】
本発明のＲＡＶＩＭアルゴリズムは、垂直位置誤差をＶＡＬと比較している間に連続的な内部一貫性チェックを含んでもよい。内部一貫性チェックは、内部誤差限界と比較されるときに、内部故障アラームを引き起こし得る誤差値を生成してもよい。このような場合、アルゴリズムは許容されるインテグリティ計算を実行することができず、したがってユーザは、到来信号内の高度が許容できないまたは未知のインテグリティを有すると警告される。
【００２７】
本発明のさらにもう１つの実施形態によれば、垂直インテグリティの状態に関する正確かつ適時の警告をシステムユーザ（通常、輸送体運転者）に提供するために、本明細書に記載されるＲＡＶＩＭアルゴリズムを処理し実施する追加のコンピュータ命令またはもう１つのシステムが、垂直インテグリティ監視システムに組み込まれてもよい。一実施形態では、表示および警告は、現在提供されているものと一貫性がある。こうして、ＲＡＶＩＭアルゴリズムの実施および使用は、追加的なユーザ訓練を必要としないであろう。
【００２８】
本発明のもう１つの態様では、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは任意の運用環境で垂直インテグリティを提供する。例えば、ＷＡＡＳインテグリティが利用可能となるまで、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、他の方法では確認されないＷＡＡＳ信号に対する垂直インテグリティを提供する。ＷＡＡＳインテグリティが利用可能になれば、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、追加的またはバックアップ用のチェックとして機能し得る。他の国々でＷＡＡＳに類似の補強システムにより垂直インテグリティが提供される場合、ＲＡＶＩＭアルゴリズムはこの環境でも追加的またはバックアップ用のチェックとして機能し得る。
【００２９】
こうして、本発明の実施形態は、到来信号の高度成分の垂直インテグリティを判定する方法と、任意の運用環境で垂直インテグリティ情報をユーザに提供するシステムとを提供する。本発明の実施形態はさらに、ＷＡＡＳ信号の垂直インテグリティを評価する受信機自律垂直インテグリティ監視（ＲＡＶＩＭ）アルゴリズムを提供する。アルゴリズムの自律性は、インテグリティデータ（ＷＡＡＳ信号自体の内部に埋め込まれていることも、埋め込まれていないこともあり得る）に依拠することなく、垂直インテグリティを提供する。こうして、本発明は、到来信号がインテグリティデータを含まない場合に、インテグリティを備えた精密垂直誘導を提供する。
【００３０】
本発明の実施形態はさらに、到来信号の垂直インテグリティの状態についてユーザに連続的に通知する方法およびシステムを提供する。表示および警告を通じて、ユーザは、垂直位置誤差が所定の垂直アラーム限界を超える場合に通知され、垂直インテグリティが何らかの理由で不十分であるときには、到来信号の高度成分を無視するよう警告される。
【００３１】
［発明の詳細な説明］
以下、添付図面を参照して、本発明についてさらに詳細に説明する。図面には本発明の好ましい実施形態が示されている。しかし、本発明は、多くの異なる形態で実施されることが可能であり、本明細書に記載される実施形態に限定されると解釈されてはならない。むしろ、これらの実施形態は、本明細書の開示が徹底的かつ完全となり、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるように提供される。全体を通じて同様の番号は同様の要素を指す。
【００３２】
図１は、広域補強システム（ＷＡＡＳ）１０のさまざまなコンポーネントの概略図を示す。ＷＡＡＳは、ブロードキャスト信号が高度成分を有する航空機航法ブロードキャストシステムの例であるが、高度成分を有する他の航法ブロードキャストシステムもまた、垂直インテグリティに適しており、本明細書に開示される本発明の概念内にある。一連の既存のＧＰＳ衛星２０が、ＧＰＳ信号２５を一連の地上基準局３０へ連続的にブロードキャストする。地上基準局３０は、中継信号３５を１つまたは複数の広域主局（ＷＭＳ）４０へブロードキャストする。ＷＭＳ４０は、到来中継信号３５を分析し、１つまたは複数の補正アルゴリズムを実行してから、上空の軌道にある１つまたは複数の静止通信衛星５０にメッセージ４５を送る。すると衛星５０は、ＷＡＡＳカバレージエリア内の航空機６０の機上の受信機へ、補正されたＧＰＳ信号５５をブロードキャストする。ＷＭＳメッセージ４５は、その内部に、誤差補正成分１００およびインテグリティ成分２００を含む。
【００３３】
図２は、本発明の実施形態による、ＷＡＡＳ受信機のような機上航空機航法信号受信機７０と、関連する機上ディスプレイ９０の概略図である。ＷＡＡＳ高度読み取り値６５を含む補正されたＧＰＳ信号５５は、機上ＷＡＡＳ受信機７０により受信される。本発明の受信機自律垂直インテグリティ監視（ＲＡＶＩＭ）アルゴリズム３００は、受信機７０内のコンピュータソフトウェアまたは他の処理デバイスにより実行される。本発明の一実施形態では、ＲＡＶＩＭアルゴリズム３００は、独立の高度読み取り値８５と、到来信号内の高度読み取り値６５との間の差を計算する。独立の高度読み取り値は、気圧高度情報源などのような高度情報源８０から送信される。ＲＡＶＩＭアルゴリズム３００は通常、航空機航法信号受信機内で適当なプロセッサ９５により実行されるコンピュータソフトウェアとして具現化される。また、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、航空機航法受信機の範囲外で実行されることも可能である。
【００３４】
図３は、本発明の実施形態による、受信機自律垂直インテグリティ監視の方法の流れ図である。ステップ３１０で、高度読み取り値を含む航空機航法信号が航空機航法信号受信機により受信される。通常、航空機航法信号受信機は、航空機の機上に配置されるであろうが、受信機は任意の他の輸送体の機上に、または地上局に配置されてもよい。ステップ３２０で、受信機はＲＡＶＩＭアルゴリズムを呼び出し、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは到来信号高度読み取り値と独立の高度読み取り値の間の差を計算する。通常、独立の高度読み取り値は、航空機または輸送体の機上の気圧高度計から与えられるであろう。到来信号高度読み取り値と独立の高度読み取り値の間の差は一般に当技術分野で垂直位置誤差と呼ばれる。
【００３５】
ステップ３３０で、垂直位置誤差が、垂直アラーム限界（ＶＡＬ）としても知られている所定の許容垂直誤差と比較される。ＶＡＬは通常、使用中の計器および特定の管理規制に基づいて決定される。例えば、ＶＡＬ値は、独立の高度読み取り値を提供する計器の保証精度、到来信号における既知の誤り率、使用中の輸送体機器の他の定量可能な特性、および／または輸送体の移動を管理する規制に基づいて求められ最適化され得る。ステップ３４０で、垂直位置誤差がＶＡＬを超えるかどうかを評価する判定がなされる。垂直位置誤差がＶＡＬを超えるという判定がなされた場合、ステップ３５０で、到来信号の垂直インテグリティが許容できない、または未知であることをユーザ（すなわち、パイロット、輸送体運転者、地上局係員）に知らせる警告が発される。警告は、可聴警告および／または可視警告を含む（これらに限定されない）いかなる許容されるフォーマットでなされてもよい。垂直位置誤差がＶＡＬを超えないという判定がなされた場合、ステップ３６０で、到来信号垂直インテグリティは許容されるとみなされ、すべての到来信号に対する垂直インテグリティの連続的な監視／チェックが行われる。
【００３６】
本発明の代替実施形態に従って、特定の航空機または輸送体の操縦の状況で実行される受信機自律垂直インテグリティ監視の方法が以下で説明される。この方法は、航空機または輸送体が進路上にとどまっていることを保証する。例えば、この方法は、グライドパスに沿った精密航空機進入着陸のために使用され得る。図４は、航空機グライドパス４００の例を示す。グライドパス４００は一般に、最終進入フィックス（ＦＡＦ）４１０と呼ばれる空中の所定の点と、滑走路４９５上の進入復行点（ＭＡＰ）４９０との間の経路として定義される。測定された垂直位置誤差は、グライドパス４００の上下の誤差範囲４２０として示されている。同様に、所定の垂直アラーム限界（ＶＡＬ）が、グライドパス４００の上下の境界４３０として示されている。ＶＡＬ境界４３０は、実行されている特定の操縦に対する垂直インテグリティの許容限界を表す。
【００３７】
図５は、本発明の実施形態による、特定の航空機または輸送体の操縦の状況で実行される、受信機自律垂直インテグリティ監視の代替方法の流れ図である。ステップ５００で、高度読み取り値を含む航空機航法信号が航空機航法信号受信機により受信される。通常、この受信機は、航空機の機上に配置されるであろうが、受信機は任意の他の操縦可能な輸送体の機上に、または地上局に配置されてもよい。
【００３８】
ステップ５１０および５２０で、受信機は、バリアンスとして知られる２つの値を計算するためにＲＡＶＩＭアルゴリズムを呼び出す。ステップ５１０で計算される第１バリアンスは、独立の高度読み取り値と、操縦を実行するのに必要とされる計算高度との間の差として定義される。通常、独立の高度読み取り値は、航空機または輸送体の機上の気圧高度計から与えられるであろう。操縦を実行するのに必要とされる計算高度は、関連するデータベースに記憶されている高度読み取り値から導出される。ステップ５２０で計算される第２バリアンスは、到来信号の高度読み取り値と、操縦を実行するのに必要とされる計算高度との間の差として定義される。
【００３９】
操縦を実行するのに必要とされる計算高度は、ＲＡＶＩＭアルゴリズムにより提供されてもよく、または補助アルゴリズムによりＲＡＶＩＭ環境の外部で導出されてもよい。計算高度は、既知の位置データから導出される。図４に示される適用では、既知の位置データは、グライドパス角θ（ＦＡＦ４１０、ＭＡＰ４９０および滑走路４９５により画定される）およびグライドパスに沿ったある点「Ａ」での航空機の位置を含む。さらに、ある後の点「Ｂ」において、点「Ａ」から点「Ｂ」までに経過した時間は既知であり、移動した水平距離は既知である。移動した水平距離は通常、水平受信機自律インテグリティ監視アルゴリズムを実施することにより高い精度で知られる。これらのパラメータを用いて、ＲＡＶＩＭアルゴリズムまたは補助アルゴリズムは、航空機がグライドパスに沿った点「Ｂ」で飛行しているべき高度を表す計算高度を提供することができる。ＲＡＶＩＭアルゴリズム内での計算高度の使用により、精密航空機進入または他の輸送体操縦のための追加的な精度を提供することができる。
【００４０】
ステップ５３０で、第１バリアンスと第２バリアンス２つのバリアンスの間の差の絶対値が計算される。この差は一般に、垂直位置誤差と呼ばれる。一方のバリアンスがゼロである場合、ゼロでないバリアンスの絶対値は垂直位置誤差となることが留意されるべきである。次にステップ５４０で、垂直位置誤差は、垂直アラーム限界（ＶＡＬ）としても知られている所定の許容垂直誤差と比較される。ステップ５５０で、垂直位置誤差がＶＡＬを超えるかどうかを評価する判定がなされる。垂直位置誤差がＶＡＬを超えるという判定がなされた場合、ステップ５６０で、到来信号の垂直インテグリティが許容できない、または未知であることをユーザ（すなわち、パイロット、輸送体運転者、地上局係員）に知らせる警告が発される。警告は、可聴警告および／または可視警告を含む（これらに限定されない）いかなる許容されるフォーマットでなされてもよい。垂直位置誤差がＶＡＬを超えないという判定がなされた場合、ステップ５７０で、到来信号垂直インテグリティは許容されるとみなされ、すべての到来信号に対する垂直インテグリティの連続的な監視／チェックが行われる。この状況では、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは到来信号高度に対する垂直インテグリティを提供し、それにより、輸送体運転者は高い精度で正確な操縦経路に従うことが可能となる。例えば、ＲＡＶＩＭインテグリティによりサポートされるＷＡＡＳ信号は、２．０メートル以内で確実に正確であることが示されている。
【００４１】
本発明のもう１つの態様は、ＲＡＶＩＭアルゴリズム内での内部一貫性ルーチンの実施である。内部一貫性ルーチンは、垂直位置誤差をＶＡＬと比較している間に呼び出される。内部一貫性ルーチンは、内部誤差限界との比較時に内部故障アラームを引き起こし得る誤差値を生成してもよい。このような場合、アルゴリズムはもはや許容されるインテグリティ計算を実行することができず、したがって輸送体運転者は、到来信号高度成分が、アルゴリズムを一貫して実行できないことに起因する、許容できないまたは未知のインテグリティを有することが警告される。
【００４２】
本発明のもう１つの態様では、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、多くの他の運用環境で垂直インテグリティを提供する。例えば、内部ＷＡＡＳ垂直インテグリティが利用可能でない現在の環境では、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、他の方法では確認されないＷＡＡＳ信号に対する垂直インテグリティを提供するように実施することができる。内部ＷＡＡＳ垂直インテグリティが利用可能になれば、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、追加レベルのインテグリティチェックとして機能し得る。さらに、米国以外の国々がＷＡＡＳに類似のシステムを提供する場合、ＲＡＶＩＭアルゴリズムは、システムの構成に応じて第１または第２レベルの垂直インテグリティチェックを提供し得る。また、いったん到来信号の垂直インテグリティが確立された後は、独立の高度読み取り値（すなわち、気圧信号）の垂直インテグリティを評価するようにＲＡＶＩＭアルゴリズムを実施することも可能である。
【００４３】
本明細書に記載される受信機自律垂直インテグリティ監視システムおよび方法は、ＷＡＡＳ信号のような航空機航法信号の垂直インテグリティを判定することを提供するとともに、信号のインテグリティが許容できないかまたは未知である場合に適時の警告を輸送体運転者に提供する。本システムおよび方法は、到来信号自体の内部に埋め込まれたデータによらずに到来信号の垂直インテグリティを判定することができる。さらに、本発明のシステムおよび方法は、特定の航法信号が運用中でないとき、特定の航法信号が特定の地域で利用可能でないとき、または航空機が航空機航法システムによってカバーされる地理的エリア外で運航中であるときのような場合に、輸送体運転者に垂直インテグリティを提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術による航空機環境で実施される広域補強システム（ＷＡＡＳ）を示す概略図である。
【図２】
本発明の実施形態による、受信機自律垂直インテグリティ監視（ＲＡＶＩＭ）システムに関係するハードウェアを示す概略図である。
【図３】
本発明の実施形態による、受信機自律垂直インテグリティ監視方法を示す流れ図である。
【図４】
本発明の実施形態による、上側および下側垂直限界を有する飛行経路を示す概略図である。
【図５】
本発明の実施形態による、受信機自律垂直インテグリティ監視の代替方法を示す流れ図である。
Claims (33)
- 航空機航法ブロードキャスト信号の垂直インテグリティを監視する方法であって、
高度読み取り値を含む航空機航法信号を受信するステップと、
前記高度読み取り値と独立の高度読み取り値の間の差を計算するステップと、
前記差を所定の許容垂直誤差限界と比較するステップとを含む方法。 - 前記航空機航法信号は、広域補強システム（ＷＡＡＳ）拡張ＧＰＳ信号をさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記比較が前記差は前記所定の許容垂直誤差限界を超えると判定した場合に、輸送体運転者に通知するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 輸送体運転者に通知することは、輸送体運転者アクセス可能なディスプレイを介して前記輸送体運転者に視覚的警告を発するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
- 輸送体運転者に通知することは、前記輸送体運転者に可聴警告を発するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
- 前記比較が前記差は前記所定の許容垂直誤差限界を超えないと判定した場合に、垂直インテグリティのためにさらなる航空機航法信号の監視を継続するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記独立の高度読み取り値は気圧高度計読み取り値を含む、請求項１に記載の方法。
- 前記独立の高度読み取り値の情報源の保証精度、前記航空機航法信号における誤り率、監視システムハードウェアの定量可能な特性および輸送体移動を管理する規制からなる群から選択される１つまたは複数のパラメータに基づいて、前記所定の許容垂直限界誤差を最適化するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 方法の完全性を保証するために、前記差と所定の許容垂直誤差限界との比較中に連続的な内部一貫性チェックを行うステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 航空機航法信号の垂直インテグリティを監視する方法であって、
高度読み取り値を含む航空機航法信号を受信するステップと、
前記高度読み取り値と計算高度の間の差として定義される第１バリアンスを計算するステップと、
独立の高度読み取り値と計算高度の間の差として定義される第２バリアンスを計算するステップと、
前記第１バリアンスと第２バリアンスの間の差の絶対値を求めるステップと、
前記第１バリアンスと第２バリアンスの間の差の絶対値を所定の許容垂直誤差と比較するステップとを含む方法。 - 前記航空機航法信号は、広域補強システム（ＷＡＡＳ）拡張ＧＰＳ信号をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
- 前記比較が前記差は前記所定の許容垂直誤差限界を超えると判定した場合に、輸送体運転者に通知するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
- 輸送体運転者に通知することは、輸送体運転者アクセス可能なディスプレイを介して前記輸送体運転者に視覚的警告を発することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
- 輸送体運転者に通知することは、前記輸送体運転者に可聴警告を発することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
- 前記比較が前記差は前記所定の許容垂直誤差限界を超えないと判定した場合に、垂直インテグリティのためにさらなる航空機航法信号の監視を継続するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
- 前記独立の高度読み取り値は気圧高度計読み取り値を含む、請求項１０に記載の方法。
- 計算高度を求めるステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
- 前記計算高度は、操縦経路に沿った所与の点における輸送体の予定高度を表す、請求項１７に記載の方法。
- 前記計算高度を求めることは、既知の位置データに基づいて計算高度を導出することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記既知の位置データは、操縦経路角、前記操縦経路に沿った第１位置点、該第１位置点から第２位置点までの経過時間および前記第１位置点から前記第２位置点までの水平距離を含む、請求項１９に記載の方法。
- 前記独立の高度読み取り値の情報源の保証精度、前記航空機航法信号における誤り率、監視システムハードウェアの定量可能な特性および輸送体移動を管理する規制からなる群から選択される１つまたは複数のパラメータに基づいて、前記所定の許容垂直限界誤差を最適化するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
- 方法の完全性を保証するために、前記差と所定の許容垂直誤差限界との比較中に連続的な内部一貫性チェックを行うステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
- 航空機航法信号の垂直インテグリティを監視するシステムであって、
高度読み取り値を有する信号を受信する航空機航法信号受信機と、
前記高度読み取り値と独立の高度読み取り値の間の差を計算し、該差を所定の許容垂直誤差限界と比較するための垂直インテグリティ監視アルゴリズムを実行するプロセッサとを備えるシステム。 - 前記航空機航法信号受信機はＷＡＡＳ信号受信機をさらに備える、請求項２３に記載のシステム。
- 前記比較が前記差は前記所定の許容限界を超えると判定した場合に、輸送体運転者に視覚的に通知するディスプレイ端末をさらに備える、請求項２３に記載のシステム。
- 前記比較が前記差は前記所定の許容限界を超えると判定した場合に、輸送体運転者に可聴的に通知する可聴アラームをさらに備える、請求項２３に記載のシステム。
- 前記独立の高度読み取り値を測定する気圧高度計をさらに備える、請求項２３に記載のシステム。
- 航空機航法信号の垂直インテグリティを監視するシステムであって、
高度読み取り値を有する信号を受信する航空機航法信号受信機と、
前記高度読み取り値と計算高度の間の差として定義される第１バリアンスを計算し、独立の高度読み取り値と前記計算高度の間の差として定義される第２バリアンスを計算し、前記第１バリアンスと第２バリアンスの間の差の絶対値を求め、前記第１バリアンスと第２バリアンスの間の差の絶対値を所定の許容垂直誤差と比較するための垂直インテグリティ監視アルゴリズムを実行するプロセッサとを備えるシステム。 - 前記航空機航法信号受信機はＷＡＡＳ信号受信機をさらに備える、請求項２８に記載のシステム。
- 前記比較が前記差は前記所定の許容限界を超えると判定した場合に、輸送体運転者に視覚的に通知するディスプレイ端末をさらに備える、請求項２８に記載のシステム。
- 前記比較が前記差は前記所定の許容限界を超えると判定した場合に、輸送体運転者に可聴的に通知する可聴アラームをさらに備える、請求項２８に記載のシステム。
- 前記独立の高度読み取り値を測定する気圧高度計をさらに備える、請求項２８に記載のシステム。
- 前記垂直インテグリティ監視アルゴリズムは、既知の操縦経路データに基づいて前記計算高度を計算することを提供する、請求項２８に記載のシステム。
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