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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