JP3751021B2 - 航空機位置探索及び識別システム - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、航空機の位置発見及び識別システムに関し、特に、航空機上に装備されてＧＰＳ（global positioning system）衛星と協働してある航空機とその近傍の別の航空機との相対的位置のみならず、双方の航空機の確率的（probabilistic）予測トラックを提供するようになされたシステムに関する。
背景技術
航空機識別及び位置探索（発見）システムの進歩は、しばしば、航行装置と関連している。元来、あるいは今日の航空界においてはある程度、パイロットがラジオを介して地上のＡＴＣ（air traffic controller）と交信して既知の航行目標に対する自身の位置及び高度を伝達する。このことは、空中で航空機の数が少ないときは良く作用する。一方、航行システムや高度測定装置は本来的に正確性を欠くことが考えられる。パイロットがしばしば、自身の位置を正確に知ることができないことを考えると、航空機の区別（ＡＴＣの責任である）はより困難になり、かつ信頼性に欠けることになる。
一方、航空機の航行装置が正確になるにつれて、パイロットは、自身の位置を正確にＡＴＣに伝えることができるようになる。このことの進歩により、航空機間の間隔がより狭くなるのである。比較的不正確なものが正確なものに進歩した航行装置について、以下に説明する。推測航法（deadreckoning）は地上を見ることのできるパイロットに大いに依存している。自動方向発見装置（automatic derection finder:ADF）は航空機上に装備されて、パイロットがこれを用いて固定された無指向性ビーコン（non-directional beacon:NDB）に対する相対的な向き（heading）を検知する。（例えば、ＮＤＢは、航空機の機首（nose）に対して、４５°だけ偏倚した位置に設けられる。）パイロットは、高周波（ＶＨＰ）の全方向範囲（ＶＯＲ）装置を用いて航空機の位置を検知する。（航空機はＶＯＲの０９０ラジアル上に位置している。）ロラン装置やＧＰＳ装置の双方は、地球に対する相対的位置（しばしば、緯度及び経度フォーマット内での）を与える。また、ロラン及びＧＰＳ装置は、コンピュータシステムともしばしば協働せしめられ、このコンピュータシステムは所望位置に向けて飛行するための所望の相対的方向（heading）の如き航行情報を提供する。
ＧＰＳは、航空機の正確な地理的位置及びタイムオブデイ（time-of-day:TOD）情報を提供できる。従って、ＧＰＳは、航空機業界において有効な航行ツールであるとの認識を得つつある。しかし乍ら、飛行中において、航空機は、通常、他の航空機の位置、速度、及び方向についての情報をもたないことが多い。代りに、航空機は、コンピュータ化されたスケジューリング及び人間の操作員を伴うＡＦＣ装置及び地上のレーダ装置によって混雑したエリアを制御している。ところで、スケジューリングされたあるいはスケジューリングされていない航空機の数が増加するにつれて航空機の衝突の可能性が増大するのである。
トランスポンダ（transponder）を用いることによって、正確性と機能性が向上して２つの航空機間の相対的位置を検知することができる。このトランポンダは、航空機上に装備されて地上レーダ装置によって生成された対話（interrogatory）レーダビームに対して戻りビームを与える。この戻りビームは、地上レーダ装置によって受信されてＡＴＣ上に表示される。（但し、通常は、パイロットに対しては表示されない。）この場合、対話信号が地上設備から送信された時点から地上設備が戻りビームを受信した時点までの飛行時間が距離情報を示し、これは地上設備によって計算可能である。地上設備に対する航空機の方位は既知技術を用いて検出可能である。同様に、高度情報の符号化トランスポンダは、地上ステーション上の航空機の相対的高度を提供することができる。
トランスポンダは、航空機の距離、方位及びできれば高度についての非常に正確な情報を地上施設に供給する。しかし乍ら、トランスポンダは対話形システムであり、呼び掛け信号及び戻り信号を含み、レーダ送信器及び受信器を備えたかなり複雑かつ高価な固定レーダ装置を必要とする。そして、トランスポンダは地上施設に対する呼び掛け応答形の送信器を必要としかつ非常に能力の高い航空機を必要とする。
トランスポンダの別の用途は、航空機の翼端の渦流発生に関連している。すなわち、着陸しようとしている航空機は、翼端渦流（wingtip vortices）を生じ、これは、乱流（turbulance）の原因となる。この翼端渦流を生じている航空機の後を追って別の航空機が着陸する場合着陸が荒くなる。特に、比較的軽い航空機が、より大きな航空機と同じ経路を通って着陸又は離陸する場合、この現象が顕著である。よって、ＦＡＡは、同じか又は近接した経路を通る連続する航空機の間の距離についてある規則を制定している。
トランスポンダを用いることによって、翼端渦流及びこれによって生ずる余計な乱流の防止に間する航空機間情報をＡＴＣに供給するのである。しかし乍ら、トランスポンダとこれと協働するレーダは、各航空機の正確な離陸又は着陸時間に関する情報をＡＴＣに供給しないことが多い。なんとなれば、レーダの視野には地上は入らないからである。このような条件下においては、ＡＴＣは、航空機の離陸又は着陸の時刻を正確に知ることができないので、航空機の間隔すなわち同一滑走路上での許容される離陸又は着陸時刻が定まらない。
一方、現用ＡＴＣシステムの大幅な改変は高コストとなるので、現行の技術に依存するものの新しいシステムが望まれる。更に、ほとんど現用と変らない新しいＡＴＣシステムが現用システムの混乱を十分回避できるのかどうか明らかではない。１つの単純かつ比較的安価な解決策は、現用ＡＴＣシステムを維持したままで、全ての航空機に、衝突の可能性のある起動を通る近接航空機のパイロットに警報を与える何らかの警報装置を装備することである。
フロートン（Fraughton）氏他に対して1992年１０月６日に付与された米国特許庁第5,153,823号及びマニオン（Manion）氏に対して1989年５月３０日に付与された米国特許第4,835,537号は、第１の航空機から次の航空機に航行情報を与えるシステムを開示している。これらのシステムにおいては、衝突の可能性がある場合に、次の航空機に対して電子的警報が与えられるのである。ところが、これらのシステムの欠点は、過去及び現在のトラッキング情報にのみ依存していることである。換言すれば、これらのシステムにおける将来の衝突の予測における航行速度については、確率論的な予測トラックの情報を考慮に入れていない。すなわち、航行速度に基づく予測未来航行速度及び／又は方向は変化しないことになっている。衝突回避は、パイロットとＡＴＣとによるスプリット時間毎の判断によっていることが多く、未来航路についての信頼性の高い予測が望まれるのである。更に、これらの従来技術においては、単一の受信器しか用いていない。
更に、航空機とＡＴＣとが、近傍における他の航空機の予測航路をより正確に判定できるシステムが望まれるのである。そして、このようなシステムは、非対話形式のシステムであることが望ましい。なんとなれば、対話形式のシステムは、対話情報の伝達のために多数のチャネルを必要とするからであり、混雑した空間においては、多数のチャネルを設けることによって誤ったあるいは相反する情報を提供するおそれがあるからである。
発明の開示
以上の問題及び他の問題は、送信航空機に設けられ、前記送信航空機に関係して記述された現在位置及びトラッキング情報の第１の組を決定するための第１の位置決定部を含む航空機位置探索及び識別システムによって克服される。現在位置及びトラッキング情報の第１の組を受信航空機に送信するために送信部が含められている。受信航空機に設けられた第２の位置決定部が受信航空機に関する第２の現在位置及びトラッキング情報の組を決定する。演算部が受信航空機及び／又は地上を基礎とした施設に設けられており、第１の現在位置及びトラッキング情報の組の現在及び過去の値を使用して対応する送信航空機の第１の確率的予測トラックを導出する。演算部はまた第２の現在位置及びトラッキング情報の組の現在及び過去の値を用いて対応する受信航空機の第２の確率的予測トラックを導出する。
本発明においてはＧＰＳ衛星からの時刻（ＴＯＤ）信号がＥＬカルマンフィルタに供給されてスクリーン上の各航空機の確率的予測トラックが決定されることが特徴的である。設定された期間（連続するＧＰＳ信号の間等）に航空機が飛行する距離は航空機の速度に応じて変化する。航空機の速度は航空機の将来の潜在的な飛翔経路を決定する際にカルマンフィルタにおいて用いられる。確率的予測トラック及び航空機の現在位置は他の航空機の潜在的な予測トラックに基づいて衝突の確率を決定するために用いられる。もし２つの航空機の飛翔経路の交差の確率が所定のしきい値に達した場合には、警報音が発せられる。同様に２つの飛翔経路の交差の確率は航空機内の表示装置上に表示することができ、また航空管制によって目視されるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
本発明の特徴を、添付図面を参照しながら本発明の詳細な記載に基づいてより明らかにする。
図１は、本発明の航空機位置探索及び識別システム（ＡＬＩＳ）の使用の一実施例を示す。
図２は、各航空機に組み込まれるＡＬＩディスプレイの一実施例を示す構成図である。
図３ａは、一続きのデータパッケージやフレームを組み込んだＡＬＩＳデータ信号のフォーマットを示す構成図である。
図３ｂは、図３ａのデータ信号における周波数信号のデータ分離を説明する図である。
図４は、ＦＤＭＡ（図示）またはＣＤＭＡのいずれかによって送信される、ＡＬＩＳの各フレーム（フレームはほぼ２０ＫＨｚである）内のデータパッケージによって占められるスペクトル領域の一実施例を示す。
図５は、ＡＬＩＳによって使用されるハードウェア部品の一実施例を示す構成図である。
図６は、異なる領域に位置する複数の航空機の上面図である。
図７は、ＡＬＩＳによって利用されるソフトウェア部品の一実施例を示す構成図である。
図８は、本発明において使用される、蓋然性や可能性の高い航空機の予測トラックの上面図である。
図９は、本発明のＡＬＩＳの部品の構成図を示し、近い将来に受信航空機と少なくとも１つの送信航空機との交差の蓋然性や可能性が高い領域があるか否かを決定するときに、１つの受信航空機が利用する本発明のＡＬＩＳの部品を示す構成図である。
発明の実施態様
本発明の様々な実施例において類似した機能を果たす類似した部品は、同一の参照符号で示す。本発明において記載される、送信航空機から受信航空機に送信される特定の位置情報のみならず、特定チャネルの通信プロトコルは、本発明の一例であって本発明を限定するものではない。本発明の開示として蓋然性の高さに関わる技術が記載されているが、当業者に周知であり文献に記載されているファジー理論などの可能性の高い技術を利用することも、本発明に含まれる。
確率的予測トラッキング
図８に、航空機１２が大気中を航行する時に採り得る最も可能性が高い予測路２を示す。この最も可能性の高い予測トラック２（本開示において、「トラック（track）」とは、飛行方向と速度との両方を含む）は、航空機の現在の飛行方向及び速度と、航空機の種類（性能の範囲）と、航空機の姿勢とを含む多くの検討によって決定される。最も可能性の高い経路は、過去のトラック３と現在のトラック４との今後への必然的継続として仮定される曲線で示されている。最も可能性の高い経路（path）を限定するために、様々な規則が適用される。例えば、航空機が滑走路と一直線になる位置にあれば、航空機は、瞬間的な現在の経路の拘らず滑走路に続く可能性が高い。
最も可能性の高い予測トラックが、最も可能性の高い予測位置５ａ，５ｂ，５ｃの連続によって限定される。最も可能性の高い予測位置は、予測位置が発生する時間によって区別される。例えば、ポイント５ａは、現在時刻から５秒後に最も可能性の高い位置に限定し、ポイント５ｂは、現在時刻から１０秒後に最も可能性の高い位置を限定し、ポイント５ｃは、現在時刻から１５秒後に最も可能性の高い位置を限定する。
図８の最も可能性の高い予測トラック２は、瞬間的に、連続的に頻繁に変化することを強調することが重要である。例えば、トラック２は、現時点での最も可能性の高い予測トラックを示しているが、航空機１２が実際に追従している右曲がりの厳しさを減らすために、パイロットが左のラダーを使用したと仮定する。最も可能性の高い予測トラックは、例えば、図８に示す線２から点線２ａに変化する。航空機の姿勢が変化したり、または航空機が受ける風が変化したり、或いは航空機の動力の設定が変化すれば、同様な変化が、今後の最も可能性の高い経路２において生じる。航空機の操縦は大抵滑らかに行われるので、航空機の飛行路に偏位が生じれば、航空機は今後においてもこの偏位を持続する。例えば、航空機が、図８において実際に追従している比較的厳しい右のバンクを減らしていれば、パイロットが厳しい右側のバンクの減少を継続していると仮定される。
最も起こり得る予測トラック２に関係しているのは、ある確率の範囲である。図８は、上面図であり、故に、予測された範囲が領域として現れているが、同様に、水平面内で限定された領域にあてはまることは、垂直面内の領域にもあてはまると仮定する。
本発明は、後述する技術を使用して、所定の確率の範囲の限定と密接に関係している。航空機が追従する予定になっている航行路は決して確実ではないので、今後の飛行路の推測は、蓋然性や可能性に関する技術と最も関係している。航空機は、過去や現在のトラッキングを考慮すると、特定の時刻に、特定の確率で、特定の範囲内にあると言える。例えば図８に示すように、航空機１２は、現時刻から５秒後に、確率ｘ（ｘは実数を表す）で、範囲６ａ内に限定されると言える。航空機が急進的な姿勢を採れば、航空機は範囲６ａの外側にある可能性も生じる。しかしながら、確率的トラッキングに対して、範囲６ａは、航空機が５秒の間に位置しそうな場所の正当な評価を提供する。同様に、範囲６ｂは、航空機が、現時点から１０秒の間に確率ｘで位置しそうな場所を限定する。予測範囲からさらに予測範囲を推測し、航空機がある範囲内に存在する確率が小さくなるので、範囲６ｂは範囲６ａよりもかなり大きくなる。範囲６ａ，６ｂは、予測範囲が今後の確率や可能性を検討するので、大きさが増大する。
本発明は、複数の航空機の確率範囲６ａ，６ｂが今後にある時刻に存在する場所を演算する技術を提供する。近い将来において２つの航空機の確率範囲の間に交差があれば、交差の確率があるという警告を、地上の管制官のみならず航空機のパイロットにも伝えるべきである。しかし、実際の衝突の確率は非常に小さいので、これらの予測に、将来に向けて過度に従うべきではない。例えば、ニューヨークを離陸した航空機と、３０分以内にマサチューセッツ州ボストンを離陸した航空機とは、３０分後に同一の場所に位置するために、ニューヨークから離陸した航空機の確率範囲は、３０分以内にボストンを離陸した航空機の確率範囲と、交差し、両航空機はそれぞれの確率範囲内に存在する。しかし、航空機が実際に衝突する確率は殆ど無い。故に、確率範囲を交差のためにモニタすべき時間が存在する。しかし、２つの航空機の確率範囲の一部がある時間の間に交差すれば、地上の管制官のみならず各航空機にも、警告を与えるべきである。
ＡＬＩＳ
航空機位置探索及び識別システム（以下、「ＡＬＩＳ」と略す）１０の使用を図１に示す。ＡＬＩＳ１０の使用は、後述するように、関係する航空機１２ａまたは航空機１２ｂの各々に挿入される部品を必要とする。この用途を目的として、位置情報を他の航空機や地上の管制施設１３に送信する航空機である送信航空機１２ａと、他の航空機から位置情報を受信する航空機である受信航空機１２ｂと、の間で、区別が行われる。全ての受信航空機は、全航空機のそれぞれの位置を示すディスプレイ１５（表示装置、図２参照）を有する。実際には、全航空機が、航行中にいつでも送信航空機と受信航空機との両方であると考えられる。しかし、この名称を使用してＡＬＩＳシステムの各部分とその機能とを説明するものとする。関係航空機の各々のＡＬＩＳは、互いに作用し合って送信及び受信能力を形成する部品を有する。
ＡＬＩＳ１０は、位置情報を導くために、ＧＰＳ衛星１６や内部のナビゲーションユニット（図示せず）と相互に作用する。ＡＬＩＳ１０は、民間機や軍用機の両方による使用に対して設計された、コンパクトで、低価格の電子システムである。ＡＬＩＳは、航空機に対して、特に他の航空機を妨害するパス上にある航空機のように、近距離にある他の航空機を自動的に探索して特定する手段を提供する。ＡＬＩＳは、この機能を実行して、ディスプレイ１５にその結果を表示する。
図２に示すディスプレイは、ヘッドダウンタイプのカソード光線チューブ（cathode ray tube）であると考えられるが、軍用機や精巧な民間機に取り入れられているタイプのヘッドアップディスプレイを使用することも可能である。ディスプレイ１５は、リード線２４によって示される比較的蓋然性や可能性の高い予測トラッキングと、各航空機に付された文字や番号の形式で近くにいたりまたは接近する航空機の特定情報（図示せず）と同様に、航空機の現在の位置１９を示す。なお、本発明において、「トラッキング情報」とは、航空機の速度及び方向の情報として定義されている。従来のシステムのディスプレイ用航空機トラッキングを導くために現在の位置情報を利用する「現在のトラッキング情報」と、過去や現在の位置データに適用される蓋然性や可能性の高さに関わる技術を使用して本発明の航空機のトラッキングを決定する「予測トラック」との区別が本発明において行われる。
今後の送信航空機１２ａの蓋然性の高さに関わる探索は、パイロットに潜在的な衝突状況を警告する際には特に有効であり、故に、両方の航空機が送信航空機及び受信航空機として実際に同時に機能していることを考慮すると、受信航空機において、臨機且つ適切な訂正動作を採ることができる。ＡＬＩＳに参加している他の航空機の可能な予測軌跡が受信航空機に対してあまりにも接近した場合に、ディスプレイ１５に警告パネル１８が組み込まれている。ディスプレイ１５は各受信航空機に取り付けられている。
リード線２４の長さは、適応フィルタリング技術によって測定される航空機の確率的な予測速度と比例する。リード線２４は、受信航空機１２ｂと同様に、受信航空機１２ｂの近傍にある全ての送信航空機１２ａの今後のトラッキングを示すように配置されている。なお、今後のトラッキングは、カルマン（Kalman）フィルタなどの確率論的技術によって測定されるものである。故に、リード線の作成は、蓋然性や可能性の高い取り組み（approaches）に依存している。リード線２４の長さ及び位置の計算に利用される技術は、適応フィルタ処理、特にカルマンフィルタ処理を含む。カルマンフィルタ処理の使用は、それ自体を非常に粗く説明し、アンダーソン（Anderson）等による最適フィルタ処理の第３章（プレンティスホール（Prentice Hall）１９７９年）を含む文献に記載されている。グッドウィン（Goodwin）等による適応フィルタ処理予測及び制御のパート２は、その次に少し記載している。
ＡＬＩＳ１０は、様々な特殊機能を支援する。飛行の離陸や着陸段階の間、ＡＬＩＳは、航空交通管制（ＡＴＣ）施設（図１の符号１３）に、位置、速度、進入する航空機の飛行方向の互いに独立な示数を供給する。この情報は、今日の空港に存在する航空機の過密を考えると、特に重要である。
ＡＬＩＳ１０は、近くの全受信航空機１２の身元、位置、確率的速度、コンパスの飛行方向、及び送信飛行機の必要な情報を通知するデータ信号を自動的に且つ連続的に放送するように設計されている。ＡＬＩＳ１０は、近くの他の送信航空機から同様なデータを受信するようにも設計されている。受信すると、ＡＬＩＳは、データ信号を処理して、現在及び予測位置情報をパイロットに対して表示する。ＡＬＩＳの動作範囲（例えば、５０海里）がディスプレイ１５の直径に意図的に制限されているので、パイロットに提示されるデータの量は制限されている。このディスプレイ１５において、受信航空機は中心に位置し、各航空機は別々の特定チャネルで送信している。
ゾーン
各航空機が送信するチャネルの選択は、図６のゾーン（zones）２８に基づいている。ゾーンは、前述の如く動作するチャネルを判別する際に送信航空機によって利用されるが、受信航空機においては何の機能も果たさない。各ゾーン２８（複数のゾーンの交差の上面図を示す図６参照）は、地上の固定領域の上方の航空空間として本発明では定義されている。航空機に搭載されているコンピュータは、ＧＰＳ位置に基づいて、正しいゾーンと適応チャネルとのデータを記憶している。送信航空機は１つのゾーン２８から隣のゾーンへと境界２９を横切って通過するので、ハンドオフ処理が存在して、送信航空機が他のゾーンに入るときはいつでも送信航空機が送信する周波数チャネルを自動的に変えている。領域内の全受信航空機１２ｂのＡＬＩＳ１０は、近くにある（すなわち、ディスプレイの範囲内にある）送信航空機の各々から信号を受信する。受信航空機のディスプレイは、円形のディスプレイの中心に受信航空機を配置し、この受信航空機の近くにある他の送信航空機の全てを、受信航空機からの送信航空機の現在の方向及び距離（及び予測トラッキング）に応じて、ディスプレイの中心から外れたところに配置している。
ＡＬＩＳは、ＦＤＭＡシステムの周波数多重化によって、すなわち、指定された地理的ゾーン内で動作する航空機の各々に対して唯一のＲＦキャリア周波数を割り当てることによって、データチャネルを割り当てる。チャネル構成の一実施例として、１０２４個のかかる周波数チャネルが、図３ａ及び図３ｂに示すように割り当てられている。ＡＬＩＳは、ＡＴＣのローカル形式として考えられているので、すなわち、ゾーンが最大およそ５０海里をカバーしているので、これらのチャネルは、他の異なる地理的ゾーン内で再び割り当てられて、再使用される。隣接ゾーンは、異なるチャネルを使用して周波数の密集を制限している。チャネルの割当は現在のＡＴＣシステムによって確実に行うことができ、チャネルの変化は、周知のハンドオフソフトウェアを使用する送信航空機１２ａのソフトウェアの内部で、自動チャネルハンドオフによって行われる。ＣＤＭＡシステムも、本発明に含まれる。しかし、チャネル割当や送信機及び受信機は、ＦＤＭＡの実施例からの変更を要する場合もある。ＡＬＩＳ１０全体は、ＣＤＭＡ、ＴＤＭＡ、ＦＤＭＡのいずれかの下で、またはこれらを組み合わせたものの下で、機能しなければならない。
さらに、事業用航空機、個人用航空機、軍用機に異なる帯域を割り当てることが必要である。全ての帯域は、全ての受信航空機によって検出することができるが、受信航空機とＡＴＣとは、関係するチャネルを考慮することによって、ディスプレイ上の記号によって示されている送信航空機のタイプを示す表示の複数を有する。図２のディスプレイ１５は受信航空機を中心に示しているので、ゾーンの端の近い受信航空機は、別のゾーン内にある送信航空機からの信号を受信する。高度が異なる航空機に異なる帯域を割り当てることも有効である。故に、実際には、ＡＬＩＳデータ信号によって占有される複数の別々のマイクロ波チャネル領域が存在する。この分離の１つの効果は、対立の可能性、すなわち、同一ＡＬＩＳチャネルで動作する航空機の数を減らせることである。さらに、認識のありのままの形態を操作省略時の既定値（default）によって提供することができる。
異なるチャネルの区別は、符号分割多重接続、または周波数分割多重接続の原理に従う。なお、図３ａ及び図３ｂにＦＤＭＡを示す。ＣＤＭＡ（図示せず）及びＦＤＭＡの使用は、確立したものであるから本発明では詳細は説明しない。ＦＤＭＡは、時分割多重接続と比較すると干渉の傾向が小さいデータリンクを生成する。ＦＤＭＡとＣＤＭＡとも、ＴＤＭＡの場合のように特定期間内の放送を制限する必要性を除去でき、故に、伝送を簡単にしている。本発明において特定の通信体系の使用は、設計上の選択事項であり、本発明を制限するものではない。最も使用に適していると考えられている通信方法を次に提示する。
ＡＬＩＳは、データ伝送用に、差分位相シフトキーイング（ＤＰＳＫ）搬送波（ＣＷ）を使用し、すなわち、情報の各部分は、特定の２進数や２進ビットとして、ＣＷキャリア信号上に位相符号化される。データの各ビットは、ＣＷ波形の５００μ秒のセグメントに相当し、これは信号間隔として定義されている。２進の「１」や「０」は、定義された規準位相によって位相から１８０°である周期信号によって定義され、すなわち、ＲＦキャリアは２相変調されているので、基準位相から離れた位相変化（例えば２進数「１」）は、反対のビット（例えば２進数「０」）を符号化する。
多くの場合、データ信号によって占有されるスペクトル領域は、図５に示すように、幅はおよそ２０ＫＨｚである。各ＲＦチャネルは、幅が１０ＫＨｚのガード帯域によって分離されている。故に、１０２４個のチャネルの最初の割当を仮定すると、ＡＬＩＳ信号スペクトルの全帯域幅はおよそ３０．７１ＭＨｚである。ＡＬＩＳスペクトルの全帯域幅を拡張することによって、チャネルをさらに追加することができる。例えば、全帯域幅が６２ＭＨｚになると２０４８個のチャネルが設けられる。
ＲＦキャリア波形の周波数は、例えば９ＧＨｚのマイクロ波領域にあることが好ましく、従って、占有される帯域の割合は、極めて小さく、すなわち、利用可能な帯域の１％にも満たない。さらに重要なことに、外部干渉の可能性がかなり軽減される。
確率的衝突回避
受信航空機１２ｂのＡＬＩＳが受信航空機１２ｂにあまりにも近くなる他の送信航空機１２ａとの潜在的危険事態を識別する時はいつでも（この開示の「システムソフトウェア」部分で記述されるカルマンフィルタを利用して確率的に決定される）、パイロットは、適切な修正処置がとられるように、すぐに適当な警告によって警告される。ＡＬＩＳの効率的な実行は、（その区域がＡＬＩＳの下で操作している）すべての航空機が同じ管制官で稼働しかつＡＬＩＳを装備されていることを要求する。
ＡＬＩＳは、ＧＰＳ送信機（図４参照）によって次の情報のデータパッケージ２５でＡＬＩＳ信号を交互に受信することができる他のいかなる航空機にも自動的に供給する。
（ａ） 独自の航空機識別コード（ＡＩＣ）３６
（ｂ） 地球上位置（Geolocation）３７（緯度３８、経度３９、高度４０を含む）
（ｃ） 「タイムオブデイ」（ＴＯＤ）情報４２
（ｄ） 速度４４と送信航空機のコンパス機首方位４６
ＴＯＤ情報は、受信航空機が関連メッセージがどのように適用可能であるか（信号が状態情報を含んでいるかどうか）を判別するためにＴＯＤを使うことができるから、特に重要である。それは同じく２つの続くＡＬＩＳ伝送間の位置と速度における相違を判別するのに使われ、そしてそれは確率的な予測トラッキングを決定するために利用される。
確率的な予測トラッキングは適応性（カルマン）フィルター中に入力される速度を利用して計算される。もし航空機が特定の軸線（経度、緯度、あるいは上昇）に沿って加速しているなら、固定した時間フレーム上の移動した距離はその軸線に沿って増加するであろう。ＧＰＳ衛星はかかる固定時間フレーム上にて航空機の非常に正確な位置を決定するために使われる。それ故に、航空機の加速あるいは減速は所定の時間上に速度差として計算される。加速と減速は受信及び送信航空機両方のために、データパッケージ３５の中で受け取られた情報を利用して受信航空機上で計算される。
受信及び送信航空機の現在位置及び速度はカルマンフィルタに入力され、現在の追跡情報上に頼る従来のシステムよりいっそう信頼性が高い予測トラッキング概要を提供する。もし航空機が所定の時間において特定の加速（あるいは減速）を有し、それが近い将来なら、加速が同様に存続するであろうと想定される。これは、航空機パイロットの技術が比較的滑らかな飛行中の移行を重要視するから、合理的な仮定である。この加速は航空機の予測トラックを計算するために使われる。
データパッケージ３５中に含有されたＡＩＣ３６はＡＩＣを送っている送信航空機の航空機タイプを含んでいる。それによって受信航空機は各送信航空機が何のタイプの航空機であるか（例えば定期旅客機あるいはヘリコプター）を検知する。受信航空機が各送信航空機のタイプを検知すると、それは受信航空機のＡＬＩＳに位置している保存するデータバンクにアクセスし、本開示のカルマンフィルターに適用された利得係数を変えることによって各送信航空機の動作特性を生成する。
図４の各データフレームは疑似ノイズ（ＰＮ）シーケンスを含んでいるセグメントあるいはプレフィックスによって先行され、それはマーカの役をなし、そしてどこの信号源が発したかについて明らかにする。同様に、各データ項目あるいはワード（ＡＩＣ、ＬＡＴなど）も、より短いＰＮプレフィックスによって先行され、これもマーカの役をなす。
この開示において使われる用語「ＩＮＵ」は、慣性航法システムと同様、慣性航法ユニットの両方を含む意味をなす。慣性航法ユニットはその地球上位置に関する情報を航空機に提供するそれらのシステムである。慣性航法システムは軍用機で一般に使われ、その地球上位置を提供するでだけではなく、航空機の姿勢（ロール、ピッチ及びヨー）に関する情報を供給するジャイロを典型的に利用する。
ＡＬＩＳは、好ましくはミリ秒領域（７８ミリ秒が適当であることがわかった）の周期毎に、この情報パッケージを更新する。地球上位置３７のデータは、たいていの近代的な定期旅客機に搭載されている慣性航法（ＩＮＵ）、あるいはＧＰＳ衛星からの直接位置情報、あるいは以下に説明するＧＰＳ及びＩＮＵ情報の結合のいずれかを用いて決定される。位置情報を供給するためのＡＬＩＳによって利用されるべき選ばれた設備は航空機で好ましくは最も正確な位置情報の設備である。航空機の位置決定が受信航空機によって決定されることは指摘する価値があり、そうすることにより、各航空機の過剰な予測トラックの情報を伝送する通信要求事項は取り除かれる。各送信航空機の確率的予測トラックは、通常、近傍の各受信航空機の中で決定される。
ＡＬＩＳでの地球上位置３７とＴＯＤデータ４２はＧＰＳ衛星に搭載されているＧＰＳ送信機１７から得られる（図１参照）。地球上に別の軌道を移動しているＧＰＳ衛星のアレイが現在ある。各ＧＰＳ送信機１７が周知の信号を発信し、それは独自に衛星を識別するコードを含んでいる。
各ＧＰＳ衛星の地球上位置が知られ、（ＧＰＳ衛星に搭載されている）ＧＰＳ送信機から（送信航空機１２ａと受信航空機１２ｂ両方に搭載されている）ＧＰＳ受信機８０（図５参照）までの距離がどんな特定時間でも計算されるので、三角測量技術は航空機の正確な地球上位置をするために使用できる。三角測量はＧＰＳアプリケーションでよく知られており、位置情報を供給するためにＧＰＳ航法で利用される基本的な原理の１つである。三角測量は、少なくとも３つのＧＰＳ衛星から信号を受信して識別することを必要とし、それらの信号（ＴＯＤ信号から生じた）の「到着の時間差」（ＴＤＯＡ）を測定し、それによって送信航空機１２ａの地球上位置、現在のトラッキング、現在の飛行方向を計算する。ＧＰＳにおいて、速度は、２つのＴＯＤ信号の時間差によって除算される航空機の２つの別の信号間に移動した距離として決定される。ＧＰＳにおいて、加速は、間隔時間で分割した２つの続くＴＯＤ信号間の計算された速度差として計算できる。
航空航法におけるＧＰＳ上の信頼性は過去の数年に、航空コミュニティにいっそう受け入れられ、そのＧＰＳ及び／又は慣性航法ユニット（ＩＮＵ）情報に主に頼るＡＬＩＳのＡＩＣのパイロットによる導入と受容は、完全に新しいシステムをよりいっそう前方は開発すべきである。
受信航空機は、その区域内の各送信航空機のために同様の情報の組を受信すると共に、それ自身の地球上位置、速度、方向及び速度を計算している。これらの情報の組は受信航空機に搭載されたコンピュータに入力され、これは相対位置、速度、移動の経路及びすべての送信航空機と受信航空機の間の経路交差の可能性を計算する。
３つのＧＰＳ衛星信号を処理するＧＰＳ受信機は正確な緯度（ＬＡＴ）及び経度（ＬＯＮＧ）情報をどんな航空機にでも提供し、他方４つの衛星信号を処理する受信機は高度情報をも供給する。それ故に、最小の要求事項として、ＡＬＩＳのＧＰＳ受信機は、航空機の高度計から高度情報を得る間に、３つのＧＰＳ衛星にインタフェース接続するべきである。４衛星ＧＰＳ受信機の１つの利点はそれが高度計で必要とされるインタフェースを排除するということであり、そしてそれは、高度計が比較的不正確であるかも知れないので、有益である。４機のＧＰＳ衛星を受信しているＡＬＩＳはその正確な経度、緯度及び高度を決定する。もしＧＰＳ衛星の１機との通信が失われたなら、システムは３衛星のＧＰＳ方式に復帰する。
速度と送信航空機のコンパス飛行方向がそれ自身のアビオニクス方式から得られる（あるいはＧＰＳ計算から）。本発明においては航空機の加速に基づいて飛行方向及び速度データは修正され、そして次に航空機識別コード（Aircraft Identification Code）（ＡＩＣ）３６とＧＰＳからの地球上位置データとＴＯＤデータと結合され、ＡＬＩＳ情報パッケージを形成し、そして他のＡＬＩＳ設備が整っている航空機で使うため放送電波上に送信される。
システムの説明
ＡＬＩＳは図５に示す多くのハードウェアモジュールを含む。ＡＬＩＳ受信機モジュールは従来のＧＰＳ受信機８０と警告受信機８２を含む２つの別の受信機を含む。ＧＰＳ受信機８０は地球上位置及びＴＯＤデータを航空機搭載受信機へ供給する（すべての航空機は送信航空機及び受信航空機として機能する）。ＧＰＳ受信機８０はＧＰＳ信号を復号し、種々のＴＤＯＡを測定する一連のデジタル相関器として構成される。三角測量アルゴリズムはＧＰＳ受信機８０に存在する。それ故に、ＧＰＳ受信機の出力は、地球上位置、高度及び対応するＴＯＤデータを含んでいる一連にデジタルワード組分け（digital word groupings）（例えば４つの１２ビットのワード）である。これらの組分けはシステム中央処理ユニット（ＳＣＰＵ）８６制御下でバッファメモリ８４に送られる。
同じくＡＬＩＳはトラッキングフィルター８８（カルマンあるいは他の適応性フィルタリング技術を利用する）、ディスプレイメモリ及びコントローラー９０、ディスプレイ９２、航空機のアビオニクス及び／又はＩＮＵユニット９５と通信する入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポート９４、ＤＰＳＫモジュレーター９６並びに無線周波増幅器９８を含み、それは送信アンテナで通信する。
ＡＬＩＳ警告受信機８２は、通常、近傍の送信航空機からデータ信号を捕えるためにその割当周波数帯を走査する。警告受信機は信号取得目的のための圧縮受信機（compressive receiver）と所定のチャネルでデータを復号するための周波数段階スーパーヘット／デジタル相関器（frequency-stepped superhet/digital correlator）とから成る。各信号捕獲に含まれるデータ項目は、航空機（送信または受信）の現在の姿勢、方向及び速度を決定することによってトラッキング（カルマン）フィルターによって処理される。受信航空機は受信航空機から望ましい距離の中で航空機の各確率的予測トラックを計算する。カルマンによってフィルターされた予測トラッキングデータはＳＣＰＵ８６に使用され、衝突の尤度を決定して、そしてディスプレイコントローラー９０によって適当なコックピットに提示する。ＡＬＩＳはレーダー（トランスポンダ）の場合のような呼掛け信号を必要としない。
ＡＬＩＳ送信機は地球上位置情報を、速度、コンパス飛行方向及びデータパッケージを形成するホスト航空機のＡＩＣと一緒にし、そしてそれは放送電波上に送信される前にＤＰＳＫフォーマットに符号化するためモジュレーターに入力される。約５０海里の操作上の距離のために、ＲＦ増幅器９８の飽和出力電力のための最小の要求事項は１ｍＷ（０ｄＢｍ）であると推定される。動作周波数９ＧＨｚとすると、警告受信機の入力においてのＳＮ比（ＳＮＲ）が１５ｄＢで、受信側システム雑音指数（ＮＦ）が６ｄＢで、受信アンテナ利得が公称０ｄＢである。操作バンド幅が大変小さいから、ソリッドステートＲＦ増幅器は論理的及び費用効果が高い選択となる。
システムアンテナは機体の中に従来のように容易に統合化されている。例えば、受信アンテナ５０（図１参照）はＧＰＳ受信機８０と提携して、典型的に小さいうず巻線から作られたタイプあるいは多分非常に狭い操作バンド幅によるパッチである。受信のための望ましいパターンは全方向であり、それは容易に入手可能である。送信機と警告受信機はアンテナ９９を共有し、しかし警告受信機は同じく別のアンテナ５２を有することもできる。
航空機アビオニクスを備えるすべてのインタフェースは航空機のコンピュータバス構造及びフォーマットと互換性がある入出力（Ｉ／Ｏ）ポート９４を通して達成されている。このインタフェースの実際の構成は特定の航空機としてもよい。再設定可能なソフトウェアであることはＩ／Ｏポート９４を設計するために可能である。
他の実施例において、速度と飛行方向がＧＰＳデータ解析を通して得られ、カルマンフィルターの可能なトラックによって予測されたものと全く同じの予測された円錐体、図８の最も可能な予測経路２から構成される。どんな航空機でもしている予測トラック（現在からのより経過する時間）に沿って移動すればするほど、さらに多く変動と偏向が周知の経路から起こる。例えば、現在の時間の１秒後の航空機の位置とトラックを予測することは比較的容易であるが、しかしながら、数分後内に、航空機は容易に、方向を反転するか、あるいは上昇するか、最尤度の経路から激烈に外れることがある。
ＡＬＩＳ方式は航空機アビオニクスに独立した姿勢（すなわち緯度、経度と高度）の十分な三次元指示を供給する。これはＡＬＩＳ方式が４つのＧＰＳ衛星の最小限を追跡することを要求するであろう。これがＡＬＩＳシステムのＧＰＳ部分で４つのチャネルＧＰＳ受信機を必要とするけれども、それは航空機アビオニクスの多様な組分けを接続する必要を排除する。さらに、ＡＬＩＳのアプリケーションは、航空機が高度情報を供給することは非実用的又は不可能である事態を含むためにかなり拡大される。
ＡＬＩＳのＧＰＳサブシステムを修正することによって、三次元空間で航空機飛行方向と機体配向を推測することは可能である。機内搭載（典型的にジャイロを利用している）アビオニクスからの指示は、ピッチ、ヨー及びロールのような姿勢特性を供給する。高度座標は、受信航空機の有望な高い確率の予測トラッキングを決定する際、カルマントラッキングフィルタ（Kalman tracking fitters）によって利用される。実際、ＡＬＩＳは、主たるアビオニクスシステムにとってシステム障害のための可能性バックアップ（potential back-up）として考えられる。このパラグラフに示した種々のシステムは精巧さと結果の安定品質に付ける加えるために利用され得る。これらのシステムは若干より小さい、より低度に洗練された航空機によって利用されるべきではない傾向にある。
空港の近くにおいて、非常に正確な差分ＧＰＳ技術はＡＬＩＳシステムの精度を改善するために使われる。これは、例えば管制塔の如く空港の近傍に位置している追加ＡＬＩＳシステムを必要とする。このローカルな空港システムは差分位置計算のために周知の基準点の役をなす。航空機位置の指示は、空港のＡＬＩＳシステムの固定した周知の位置を使っている不確かさを取り除くことによって改善される。この場合、個別ＡＬＩＳ方式の基本的な構造は際立って変化しないであろう。しかしながら、計算のソフトウェアは影響を与えられるであろう。
システムソフトウェア
図７はＡＬＩＳシステムと連携するソフトウェアコンポーネントを示す。ＡＬＩＳシステムソフトウェアは送信部分１２０と受信部分１２２を含む。次の要素は２部分のいずれかに属していると示され、図７で示されるように異なった部分の要素間にかなりのデータ転送と機能があると理解されるはずであり、ある特定のソフトウェア部分が両方の部分で実際に作用する。
送信部分１２０は、計算ＧＰＳ座標セグメント１３０、航行データセグメント１３２、データ結合器１３４、カルマン平滑フィルタセグメント１３６、入出力プロトコルセグメント１２８、送信機セグメント１４０、領域モニターセグメント１４２、データ結合器１４４と同調ワードセグメント１４６を含む。
計算ＧＰＳ座標セグメント１３０は、たいていの従来技術のＧＰＳソフトウェアプログラム含んでいるものと同様である。この部分で得られたデータは日時、緯度、経度及び高度（もしＧＰＳ受信機の通信に４つのＧＰＳ衛星１６があるなら）供給する。
航行データセグメント１３２はたいていの現代のデジタルのＩＮＵユニットで含んでいるものと同様である。セグメント１３３で得られるデータは航空機の飛行方向、対気速度及び高度を供給する。セグメント１３０と１３２はＡＬＩＳシステムに利用可能な位置情報のすべてを含んでいる。データ結合器１３４はセグメント１３０と１３２からのデータを結合し、このデータに基づいて、航空機の位置、速度と加速度を計算する。本発明はカルマン平滑フィルタセグメント１３６への入力である。
カルマン平滑フィルタセグメント１３６は計算ＧＰＳ座標セグメント１３０及び航行データセグメント１３２（そしてデータのそれぞれが送られるＴＯＤ）から最近のデータを受け取る。非常に正確な位置のデータ、航空機移動方向の知識及び航空機特性の知識から、適応性フィルター（特にカルマンフィルタ）は航空機の３次元の加速を計算するため技術を供給し、それによって航空機の予測トラッキングを予測する。カルマン平滑フィルタセグメント１３６によって決定された上記のデータのうちで、ただ地球上位置３７と現在のトラックデータのみが、他の受信航空機に図４で示されるように、データパッケージ３５で送信される。セグメント１３６は受信航空機データ結合器１５２にも受信航空機１２ｂの予測トラッキングを出力する。
カルマンフィルタリングについての使用は、アンダーソン(Anderson)およびその他とグッドウイン（Goodwin）およびその他による上記フィルターに関する文献で示されるように、よく知られている予測問題である。カルマンフィルタの係数は、航空機の係数に依存しているフィルター（定期旅客機の係数はかなり小さい航空機とは違うであろう）の蓋然性の特性を変えるために変えられる。各航空機のための適切な係数は（モデル化技術を使うことによって）航空機の周知の動作特性に基づいて主に決定される。しかし、カルマンフィルタが適応性のフィルターに基づくものであるから、もしどんな航空機の実際の動作特性が、セットされるカルマンフィルタの利得係数の特性と異なるなら、フィルターの係数は非常に短期間に修正されるであろう。このように、カルマンフィルタは、ＴＯＤ時間分離を利用してＧＰＳデータ信号による決定の如くして、その位置での変動に依存した航空機の予測トラックに関連する正確な確率的数字を得る。
他の適応性のある蓋然性及び可能性のフィルターと同じように、カルマンフィルターは、未来の所定の時間における予測状態と、所定時間における実際状態との間に誤差を最小にするために作用する。もし所定の時間に若干の誤差があるなら、それでカルマンフィルタの利得係数が正確にセットされないことは論理的に推論される。カルマンフィルタ係数は、周知技術を使って適応化されて、将来のより小さい誤差を生成する。この誤差低減経過が数回繰り返された後、予測された状態と所定時間の実際状態の間の誤差がほとんどゼロに下げられるべきである。利得係数がゼロに近い時、カルマンフィルタは非常に正確に航空機の予測トラックをモデル化するであろう。
一般的なカルマンフィルター、特にカルマンフィルタセグメント１３６と１５４は、入力が確率過程を提供し、且つ、望ましい複数の応答が共同して定常的であることを仮定するものである。カルマンフィルターは、動的システムが状態と呼ばれた変数の組によって記述される状態空間アプローチを用いる。該状態は、システムの挙動についてのすべての必要な情報、例えば、状態の現在値（位置、トラック）、入力（カルマン利得係数）の現在値を含む。これらの情報により、該状態の予測値（位置、トラック）が決定され得る。カルマンフィルタの適用は、解が再帰的計算により得られる差分方程式の組をもたらす。
カルマン平滑フィルタによって得られた予測トラッキング情報はただこのＡＬＩＳを含んでいる航空機だけに供給される（すなわち、Ｉ／Ｏプロトコルセグメント１３８にではなく予測トラッキング情報はデータ結合器１５２に移される。）
入出力プロトコルセグメント１３８は、カルマン平滑フィルタセグメント１３６に含まれる現在位置及び現在トラックデータは飛行方向及び／又はトラックデータを供給し、それによって図４で示したデータパッケージを構成し、これは送信航空機１２ａから受信航空機１２ｂへの伝送を可能とする。このデータは送信機セグメント１４０に供給され、それは周知のソフトウェアとソフトウェア技術を使ってデータパッケージを図１で示した送信アンテナ５２上に送る。
カルマン平滑フィルタセグメント１３６からの予測された位置情報は同じく領域モニターセグメント１４２に適用される。領域モニターセグメント１４２は、これらセグメント１３０、１３２、１３４及び１３６によって供給された位置のデータをとって、そして地球上位置（図４の基準キャラクタ３７）が、データと比較されるようにＧＰＳ上に基づかせられて航空機が現在いずれの領域で位置を定められるか決定される。航空機が位置しているいずれの領域を決定すると、図５の送信アンテナ９９の動作されるべき適切なチャネル（ＦＤＭＡの周波数、あるいはＦＤＭＡのコード）が（送信航空機搭載コンピュータ中記憶データから）決定される。望ましいチャネルは同調ワードセグメント１４６の導管データ結合器１４４に送られる。
同調ワードセグメント１４６は送信機セグメント１４０のチャネルを制御して、ＲＦ増幅器（図５の９８）が調整して、図５のアンテナ９９上の信号を送信するために同調器の役割を果たす。作用するディスプレイセグメント１６２から同調ワードセグメント１４６までの入力があって、パイロットは手作業で送信航空機中の望ましいか、あるいは適切であるチャネルをセットできる。もし、該領域の中に同じチャネル上に送信している他の航空機があると、１機以上の航空機からの競合するデータ伝送を制限するためにもう１つのチャネルが選ばれるであろう。
図７の受信セグメント１２２は走査受信機セグメント１５０、データ結合器１５２、カルマントラッキングフィルタセグメント１５４、Ｉ／Ｏプロトコルセグメント１５６、予測フィルターセグメント１５８、データ結合器１６０及びディスプレイ（キーパッド含む）セグメント１６２を含んでいる。走査受信機セグメント１５０は図５の警告受信機８２接続されている受信アンテナ５２上の他の航空機からまで送信したデータパッケージ（図４の３５）を受け取る。走査受信機セグメント１５０は他の送信航空機から地球上位置、ＡＩＣ及び現在のトラッキングデータを受け取る。この構成の長所は各航空機がそれ自身の位置、速度、を決定するために働き、そして電子工学的にこの情報を中継するということである。受信航空機はそれら自身のＡＬＩＳで近傍の他の航空機の予測トラッキングを計算する。他の航空機に重複する位置決めシステムが備えられる必要がない。
走査受信機セグメント１５０とカルマン平滑フィルタセグメント１３６からの位置のデータはデータ結合器１５２で結合され、受信航空機に現在の位置と、現在の位置と同様、受信航空機の予測トラッキングを供給し、そして近傍の他の送信航空機のトラッキング情報を提供する。
カルマントラッキングフィルタ１５４は近傍の他の航空機の蓋然性の予測トラッキングを決定する。トラッキングフィルタセグメント１５４は、カルマン平滑フィルタセグメント１３６で説明されるように、位置情報を受け取って、他の送信航空機の同様の位置情報と予測トラッキングを計算して、そして相対的な予測された位置と受信航空機の予測トラッキングを計算する。カルマンフィルタセグメント１３６及び１５４を用いることの利点は、受信及び送信航空機の確率的な将来トラッキング位置を、各航空機が複数のＧＰＳ信号を受信する如くして各々が検出する一連のＧＰＳ位置情報に基づいて提供することにおける、その強靱さと精確さにある。セグメント１３６に供されるとして言及するカルマンフィルタリングについての記載はセグメント１５４に関係がある。どんな適応性のフィルターでもいずれかのセグメント１３６あるいは１５４で使われる、しかしカルマンは最も強靱である。
入力／出力プロトコルセグメント１５６は、カルマントラッキングフィルタセグメント１５４において収容されるデータにヘッダー部分とトレーラ部分を提供する。これにより、航空機全ての相対的な位置がディスプレイセグメント１６２（図７）によりディスプレイ１５（図５参照）に印加され得るやり方により、受信航空機１２ｂに関する位置データと、送信航空機１２ａの各々とを結合する。ディスプレイセグメントソフトウェア技術は周知であって、そして航空機に位置の天気現象を示す気象レーダーに技術で非常に類似している。
カルマントラッキングフィルタ１５４からの出力も予測フィルターセグメント１５８に用いられる。受信航空機搭載コンピュータは、他の送信航空機と受信航空機が差し迫った危険である可能性が高いかどうか決定するために下記の規則のセットを持っている。規則は基本的なベイシアン（Bayesian）論理にしたがう。このような規則のセットは以下の類似の概要のごときに従うであろう。もし送信航空機と受信航空機がｘマイルの中であり、そしてそれらの蓋然性の予測の経路が前もって決定された最大寸法の空域の３次元の領域の中で交差するなら、両方の航空機が互いにｙ分間内の領域中に位置すると予測され、それらは受信航空機に警告を発行する。もし送信航空機１２ａの何れかが、受信航空機１２ｂに対する可能性脅威を提示する予測された位置及び／又は速度を持っているなら、それで予測フィルターセグメント１５８の機能は受信航空機のパイロットに警告を発行する。かかる場合、犯している航空機のアイコンをフラッシュさせる及び／又は適当な警告を警告パネル１８上に示す如くして図２のディスプレイ１５上に供給される。
確率的予測範囲交差
この部分の目的はＡＬＩＳが２機の航空機間の確率的予測交差を決定するために利用例を与えることである。ＡＬＩＳの構成は図５及び図７に示されたそれらと同一であるが、受信航空機に搭載されるＡＬＩＳシステムによる可能性の高い予測交差を決定するための機能を示すために図９に示したように少し変更されている。
（図７の計算ＧＰＳ座標セグメント１３０及びデータセグメント１３２によって与えられる情報を備える）セグメント２２０用の搭載信号は受信航空機までの受信航空機の飛行高度と共に、緯度、経度、高度、進行方向及び速度を与える。上記のパラメータのいくつかはＧＰＳ（球状）フォーマットにて与えられる。よって、事前処理セグメント２２２はＧＰＳフォーマットのデータを容易に使用できるところの原点に受信航空機を有するｘ，ｙ，ｚ座標軸に変換する。
事前処理セグメント２２２からの出力は（図７に示した）カルマン平滑フィルタセグメント１３６に入力される。カルマン平滑フィルタセグメント１３６は、図９に示すように、フィルタ利得マトリックス２２４、加算器２２６、遅延素子２２８及びフィードバック利得マトリックス２３０を含んでいる。カルマン平滑フィルタセグメントの機能は、受信航空機がある所望の時間（例えば、今後の５，１０又は３０秒）で（上記のｘ，ｙ，ｚ座標によって定まる確率範囲内で）どこに将来的におそらく位置するのかの確率の高さに関する表示を生成することはこの分野では公知である。カルマン平滑フィルタセグメント１３６が動作するために搭載信号２２０が８つの入力（ロール、ピッチ及びヨーから形成される航空機の姿勢セグメント）を有しているので、利得マトリックス部２２４内には８つの設定された係数がなければならない。カルマン平滑フィルタセグメント１３６からの出力はマージ素子２４０に供給される。
図４のデータパケット３５は事前処理部２４２からマージ素子２４０に供給される。事前処理部２４２はデータパッケージを介して送信された現在位置及びトラッキングデータを受け入れる。座標系は受信航空機と適応させており、そのためデータパケットを介して受信されるデータを受信航空機１２ｂに容易に適用することができる。よって、マージ素子２４０への入力は、送信航空機の現在位置情報と共に過去及び現在のトラッキングデータと、受信航空機の現在位置情報と共に現在及び予測トラッキングからなるデータ信号を含んでいる。この全ての情報はカルマントラッキングフィルタセグメント１５４に入力される。
カルマントラッキングフィルタセグメント１５４の機能は受信及び送信航空機の全ての予測トラッキング情報を与えることである。カルマントラッキングフィルタセグメント１５４は利得マトリックス部２５０、遅延部２５２及び加算素子２５４から形成される。カルマントラッキングフィルタ１５４は上記したように、（所定の範囲内で定めることができる）航空機の蓋然性が高い予測状態を生成するために公知の技術を利用する。各航空機はトラッキングを生じさせることができる例として、８つの素子を有しているので、カルマントラッキングフィルタセグメントは共通のトラッキングフィルタセグメントによって利用される差分方程式の係数に適用される少なくとも８つの利得素子を備えなければならない。カルマントラッキングフィルタセグメント１５４の出力は、ｘ，ｙ，ｚ座標系で設定された各々の位置と、１組のある確率で推測した確率範囲である。
カルマントラッキングフィルタセグメント１５４の方法はディスプレイ１６０と共に予測フィルタセグメント１５８に適用される。ディスプレイ１６０については既に記述した。
予測フィルタセグメント１５８は予測間隔セグメント２６２、利得マトリックス部２６０、重み付けマトリックス２６４、閾値２６５及び比較器２６６を有している。予測間隔セグメント２６２及び利得マトリックス部２６０の機能は受信及び送信航空機の推測した予測範囲では交差が考えられる時間を制限することである。例えば、混雑した空間付近を航行する航空機に対する予測間隔は比較的小さくて良く（おそらく２０秒）、一方、他の航空機から遠く離れて位置した空間を航行中の航空機に対する予測間隔は大きくして良い（おそらく１分以上）。個人の知識や技術を信頼しているパイロットによって予測間隔を設定したり、又は図７のゾーン監視セグメント１４２（このパラメータは航空機に搭載のコンピュータに保存することができる）を考慮して予測間隔を自動的に設定することができる。予測間隔が設定され利得マトリックス２６０に入力されると、利得マトリックスはカルマントラッキングフィルタ１５４からの出力データを利用し、それは予測間隔内にある予測期間ならば何でも適用する。それらの今後の予測範囲は重み付けマトリックス２６４に利得マトリックス２６０から出力される。
重み付けマトリックス２６４は、利得マトリックス２６０から出力される、受信航空機と１以上の送信航空機とに関係する予測間隔内の推測した可能性の高い範囲を考慮し、受信航空機１２ｂと少なくとも１つの送信航空機１２ａとの間の交差の確率を決定するためにその規則に基づいたロジックを適用する。重み付けマトリックスセグメント２６４の規則はこの分野で良く知られたベイエシアン（Bayesian）ロジックを利用して予測範囲の交差の確率を考慮する。重み付けマトリックス２６４の出力は、受信航空機と送信航空機の各々との間の各時における交差の最大確率である。この交差の確率は閾値２６５の入力を有する比較器２６６に供給される。よって、受信航空機との交差の確率が（その閾値を越えて）大きいならば、警報ベクトル２７０が与えられそれは図２のディスプレイ１５の警報セグメント１８に適当な警報を示す。いずれかの航空機の今後の経路に多分の影響を与える良く知られた状態（すなわち、航空機が滑走路等で並んでいる）があるならば、蓋然性ロジックを修正することができる。
可能性のある応用
ＡＬＩＳ概念の第１の応用は航空機の衝突の可能性を制限することである。この機能を商業、私的及び軍事の航空機のフライトの間に連続的に行うことができる。付属的な利点は、飛行場のＡＴＣシステムが他と無関係に位置することを確認するため、また接近する、離れる又は一時的な航空機のいずれのタイプであるか識別するためにＡＬＩＳを用いることができることである。この機能は大きな飛行場の周囲の高い通行エリアで特に有用である。更に、タワーは視覚的手段以外によって滑走路上を移動する航空機を位置確認し識別するためにＡＬＩＳを用いることができる。これは物理的障害又は荒れ模様の天候のために生じる問題を除去する。
ＡＬＩＳは現在利用できない一般及び軍事機能を備えることができる。特に、無人の航空機（以下、ＵＡＶ）を含む応用において、ＡＬＩＳはそのような航空機のフォーメーションをなす手段を与えることができる。ＦＡＡは有人の航空機との確率的衝突を制限するするために限定した時間におけるある領域、すなわち軍事活動領域でのそのような航空機の使用を制限した。ＵＡＶの尤度の高い予測軌跡と共にＵＡＶの位置の正確な連続的な表示を与えることができるシステムがあるならば、これは他の少ない限定した応用としてＵＡＶに用いることにおいて利点となる。ＵＡＶは有人の航空機より優れた応用となる。
ＵＡＶに搭載のＡＬＩＳのための２つの動作モードがある。第１の動作モードは送信航空機１２ａとしてＵＡＶ機能を用いることである。ＵＡＶは送信航空機だけとして機能するならば、受信機として機能するＡＬＩＳの部分を除去することができる。このモードにおいては、ＡＬＩＳは、ＵＡＶの存在に気が付いてＵＡＶの付近に位置する他の受信航空機をなすために機能しているだけである。ＡＬＩＳの送信部は送信航空機の有人版と同じである。
ＵＡＶに搭載のＡＬＩＳの第２の動作モードは、受信航空機及び送信航空機の両方として機能することをＵＡＶに要求する。このモードでは、ＡＬＩＳの送信部は有人の送信航空機と同じであり、第１のモードにおいて動作するＵＡＶとも同じである。第２モード（送信及び受信ＡＬＩＳの両方）で機能してうるＵＡＶに搭載の受信部ＡＬＩＳは、ＵＡＶが他の航空機に対して非常に接近したならば、ＵＡＶの航路が変更されるというような重要なソフトウェアを制御パッケージにて必要とする。代わって、ＵＡＶが地上のパイロットからの制御に基づいて機能しているならば、地上のパイロットは地上のＡＬＩＳディスプレイに基づいてＵＡＶと第２の航空機との間の衝突可能性に気が付くことになる。送信及び受信航空機の可能性の高い予測経路を与えることは、従来の現航路衝突検出よりも早い衝突検出を行うことになる。衝突回避の処理は人が無人航空機又は有人航空機を扱っているか否かで更なる信頼性となる。
他の可能性あるＵＡＶ機能は間違った認識が生じることを防止するためにＵＡＶに付近の航空機にＩＦＦ能力を与えるようにＡＬＩＳを用いることである。これは軍事活動で特に重要である。
本発明の好ましい実施例について特に説明したが、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく形状や細部の変更をできることはこの分野の当業者には分かることである。

Claims (15)

1. 航空機に対し確率的な将来のトラッキング情報を決定する航空機位置探索及び識別システムであって、
   送信航空機と、
   受信航空機と、
   前記送信航空機に設けられ、地球座標位置データを使用して、地球座標系に対する前記送信航空機の位置に関して、電子的形式で記述された現在の位置及びトラッキング情報の第１の組を決定する第１の位置決定手段と、
   前記送信航空機に設けられ、前記第１の位置決定手段に接続されて、前記現在の位置及びトラッキング情報の第１の組を、差分位相シフトキーイング方式を用い且つ周波数分割多重による１つの割当搬送波周波数チャネルでの非対話型伝送より、前記受信航空機に送信する送信手段と、
   前記受信航空機に設けられ、前記受信航空機に関して、電子的形式で記述された現在の位置及びトラッキング情報の第２の組を決定する第２の位置決定手段と、
   前記受信航空機に設けられる演算手段であり、前記送信航空機から送信された前記位置及びトラッキング情報の第１の組の現在及び過去の値を記憶するとともに、前記受信航空機に関する前記位置及びトラッキング情報の第２の組の現在及び過去の値を記憶する記憶手段、前記記憶手段から前記位置及びトラッキング情報の第１の組の過去及び現在の値を利用して、前記送信航空機に対応する第１の確率的予測トラックを計算するとともに、前記位置及びトラッキング情報の第２の組の過去及び現在の値を利用して、前記受信航空機に対応する第２の確率的予測トラックを計算する処理手段、及び、第１の確率的予測トラックが将来において第２の確率的予測トラックと交差するか否かを判定する交差手段を含む演算手段と、
   前記第１の確率的予測トラックと前記第２の確率的予測トラックとの間での最大交差確率を決定する予測手段と、
   前記最大交差確率が所定閾値を超えるか否かを判定する閾値手段と、
   前記最大交差確率が所定閾値を超える場合に警告する警告手段と、
   を含み、前記送信手段は、少なくともＣＤＭＡ及びＦＤＭＡを含む複数の送信符号化のうちから選択される１つの送信符号化により前記位置及びトラッキング情報を送信することを特徴とする航空機位置探索及び識別システム。
2. 現在の位置及びトラッキング情報を決定する前記位置決定手段は、地球座標に対する前記航空機の速度、現在の姿勢、地上での位置(geolocations)を利用することを特徴とする請求項１記載の航空機位置探索及び識別システム。
3. 前記処理手段によって計算された第１の確率的予測トラックは、前記送信航空機が将来の所定時刻に位置する場所を所定の確率の範囲内で画定する確率範囲（probabilistic volume）を含み、
   前記処理手段によって計算された第２の確率的予測トラックは、前記受信航空機が将来の所定時刻に位置する場所を所定の確率の範囲内で画定する確率範囲を含むことを特徴とする請求項１記載の航空機位置探索及び識別システム。
4. 前記演算手段は、前記第１及び第２の確率的予測トラックを利用して前記受信航空機が前記送信航空機を妨害する確率を計算する予測手段を更に含むことを特徴とする請求項１記載の航空機位置探索及び識別システム。
5. 前記第１及び第２の位置決定手段は、慣性航法ユニット又はシステムを使用することを特徴とする請求項１記載の航空機位置探索及び識別システム。
6. 前記第１及び第２の位置決定手段は、複数のＧＰＳ衛星を使用し、前記位置情報は、送信航空機の姿勢に加えて地表からの前記送信航空機の位置を記述することを特徴とする請求項１記載の航空機位置探索及び識別システム。
7. 前記送信手段は、電子的形式で記載された前記現在の位置及びトラッキング情報の第１の組と、時間部分と、を含むデータパッケージを使用することを特徴とする請求項１記載の航空機位置探索及び識別システム。
8. 前記送信手段は、非対話型装置であることを特徴とする請求項１記載の航空機位置探索及び識別システム。
9. 前記システムは地球上方に画定された複数の領域を使用し、前記領域の各々は対応したチャネルの別々の組を有し、
   前記送信航空機に設けられてどの領域に送信航空機が位置するかを検出する領域モニタ手段と、
   前記送信航空機用に特定のチャネルを選択して前記送信航空機が実際に位置する領域に依存して送信を行うチャネル選択手段と、
   を更に含むことを特徴とする請求項１記載の航空機位置探索及び識別システム。
10. 前記送信手段からの信号が各送信航空機から入力される地上設置の設備手段を更に有し、各送信航空機の相対位置及び機首方位を決定することを特徴とする請求項１記載の航空機位置探索及び識別システム。
11. 送信航空機と、
    地上に設置された地上設置受信設備と、
    前記送信航空機に配置された地球座標を使用して、前記送信航空機に関して、電子的形式で記載された現在の位置及びトラッキング情報の第１の組を決定する第１の位置決定手段と、
    前記送信航空機に設けられ、前記第１の位置決定手段に接続されて、前記現在の位置及びトラッキング情報の第１の組を、差分位相シフトキーイング方式を用い且つ周波数分割多重による１つの割当搬送波周波数チャネルでの伝送により、前記地上設置受信設備に送信する送信手段と、
    前記地上設置受信設備に設けられる演算手段であり、前記送信航空機から送信される現在及び過去の位置及びトラッキング情報を記憶する記憶手段、及び、前記現在の位置及びトラッキング情報の第１の組の前記現在及び過去の値を使用して前記送信航空機の対応する確率的予測トラックを導出する処理手段を含む演算手段と、
    を含むことを特徴とする航空機位置探索及び識別システム。
12. 送信航空機の受信航空機に対する相対位置を提供する方法であって、
    前記送信航空機内で、前記送信航空機の現在の位置及びトラッキング情報の第１の組を決定する行程と、
    前記現在の位置及びトラッキング情報の第１の組を、位相シフトキーイング方式を用い且つ周波数分割多重による非対話型の１つの搬送波伝送により、前記受信航空機に送信する行程と、
    前記受信航空機の現在の第２の位置及びトラッキング情報を決定する行程と、
    前記受信航空機において、前記現在の位置及びトラッキング情報の第１の組の少なくとも２つに基づいて前記送信航空機に対応する第１の確率的予測トラックを計算し、前記現在の位置及びトラッキング情報の第２の組の少なくとも２つに基づいて前記受信航空機に対応する第２の確率的予測トラックを算出する行程と、
    前記受信航空機にて、前記第１及び第２の確率的予測トラックを提供する行程と、
    前記第１の確率的予測トラックが今後の任意の時刻において前記第２の確率的予測トラックと交差するか否かを判定する行程と、
    任意の時刻における前記第１の確率的予測トラックと前記第２の確率的予測トラックとの最大交差確率を計算する行程と、
    前記最大交差確率が所定閾値を超えたか否かを判定する行程と、
    前記最大交差確率が所定閾値を超えた場合に警告する行程と、
    を含むことを特徴とする方法。
13. 前記対応する確率的予測トラックは、カルマンフィルタを使用して計算されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 複数の領域のうち前記送信航空機が位置する領域を決定する行程と、
    前記送信航空機から前記受信航空機に位置及び確率的予測トラックを送信するチャネルを選択する行程と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
15. 航空機の位置を地上ステーションに提供する方法であって、
    前記航空機内で、１つの周波数分割多重による非対話型伝送により、前記航空機の現在の位置及びトラッキング情報の組を決定する行程と、
    周波数分割による位相シフトキーイング方式を用いて、前記航空機から前記現在の位置及びトラッキング情報の組を前記地上ステーションに伝送する行程と、
    前記地上ステーションにおいて、前記現在の位置及びトラッキング情報の組のうちの少なくとも２つに基づいて、前記航空機に対応する確率的予測トラックを計算する行程と、
    前記地上ステーションにて、前記航空機に対応する確率的予測トラックを提供する行程と、
    ２機以上の航空機の複数の確率的予測トラックが将来の任意の時刻に交差するか否かについて判定する行程と、
    前記複数の確率的予測トラック間の最大交差確率を任意の時刻に対して計算する行程と、
    前記最大交差確率が所定の閾値を超えるか否かを判定する行程と、
    前記最大交差確率が所定の閾値を超える場合に警告する行程と、
    を含むことを特徴とする方法。

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