Electronic Navigation Research Institute GBAS の現状と課題 ( 独 ) 電子航法研究所通信 航法 監視領域 藤井直樹

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1 Electronic Navigation Research Institute GBAS の現状と課題 ( 独 ) 電子航法研究所通信 航法 監視領域 藤井直樹 fujii@enri.go.jp

2 発表内容について GBASの概要 電子研 GBAS テストベットの概要 機上システムの概要 世界におけるGBASの現状 電子研における研究の現状 実用化への課題 インテグリティとは インテグリティと電離層嵐について インテグリティと GPS 信号の歪みについて 曲線進入について CAT-III GBAS に関する現状と課題 CAT-IIIの精度要件について Boeing/FAAによる新しい提案 まとめ 2/26

3 GBAS の概念図 SBAS (MSAS) GPS GLONASS GBAS データ処理部 フィールドモニタ データ伝送用 (VDB) アンテナ 基準局用 GNSS アンテナ 基準局用 GNSS アンテナ 3/26

4 GBAS の概要 空港内の 4 局の GNSS 基準受信局から補強情報を作成 VHF 航法バンド (108~118 MHz) の VDB(VHF Data Broadcast) システムを利用して 時分割で進入コースデータと2Hzの補強データを送る 1 つのシステムで複数の滑走路で利用できる 時分割方式のために 1 つの周波数を近隣のCAT-I の2~3 の空港が利用できる 直線に近い 理想的な誘導コースが可能 米国ではLAAS (Local Area Augmentation System) という GBAS Positioning Service (PS) でターミナルもカバー可能 ターミナル CAT-I/II/III 精密進入着陸 空港面の全てのフェーズを誘導可能 機上では ILSと同じ使い方ができる 4/26

5 GBAS で何ができる 誘導精度がきわめて高い 誘導コースは揺らぎがなく 2m 以内 (95% 値 ) の精度をもつ A-SMGCのインテグリティが確保されたセンサーとしての期待 複雑な進入 ( 曲線進入 ) 復行ルートが設定できる : Curved Approach Offset Approaches Multi-Segment t Arrivals Multi-Segment Missed Approaches Curved/Descending Multi-Segment Departure Procedures 5/26

6 電子研の GBAS TEST-BED 電子研の GBAS 実験局 (TEST BED) を開発 基準局はナローコリレータ方式 GPS 受信機 4 式を使用 データ処理装置は Linux PC VDB 出力は 20W 飛行実験を実施 地上データの長期間収集 GPS 衛星からの信号品質監視装置の開発 日本における電離層の影響を調査 6/26

7 飛行実験の例 今までに約 200 回の飛行実験を実施 ILS と比べて 距離に関わりなく 誤差はほぼ誤差はほぼ一定で うねりがなくフラットである 2003 年 10 月 20~22 22 日の仙台空港におけるアプローチ飛行 30 回の飛行実験結果の例 赤線は DO-245 の CAT-III 規定案 7/26

8 RTCA 航法精度の対する評価 DO-245 の要件を基準とした評価 精度 ( 垂直方向 NSE 95% 2m) 飛行実験 0.79m ( 最大値 1.49m) 垂直精度 VPLの飛行実験結果 地上実験 0.59m ( 最大値 1.86m) 航法精度は性能要件を満足する 有効性 ( アベイラビリティ ) 飛行実験 CAT-I の VAL(10m) に対しては 99.99% 以上 DO-245に対するCAT-I 有効性の要件 99% を満足 警告時間を計測 CAT-I の基準値の 6 秒を 満足する 1.6 秒 ( 最大値 ) 平均 0.56 秒 8/26

9 機上装置の表示 進入モードとRNP モード (POS サービス ) が存在 進入モードではドでは ILS 受信機と同じ機能 チャンネル セレクターで進入コースを選択 受信機がFMSを使わず直接 自動操縦を操作 RNPモードでは高精度の位置情報などを FMSに送る 9/26

10 世界における GBAS の現状 機上受信機 Collins GLU 925のTSO 認証 Honeywell, Thales なども認証予定 機体について 2005 年 Boeing 737-NG(option) の認証 Being 787( 標準 ) B-747-8なども認証予定 Airbus 320 A380 A340(option) A350( 標準 ) なども認証予定 地上局について 実用化システムなし 米 Honeywell SLS 年 9 月 機器認証予定 米 Memphis 空港 (Honeywell) 評価認証中 2009 年 運用予定 豪 Sydney 空港 (Honeywell) 評価認証中 2009 年 運用予定 独 Bremen 空港 (Honeywell) 評価認証中 2009 年中 運用予定 西 Malaga 空港 (Honeywell) 評価認証中 2009 年中 運用予定 露 Ostafievo 空港 (NPPF-Spektr) 評価中 印 Dehli, Mumbi 空港 (Thales) 契約済 2009 年末 運用予定 伯 伊 Guam (LENS, Thales, Honeywell) の計画あり 10/26

11 FAA における GBAS 開発の経緯 1999 年 FAAの基礎研究が終了 GIP( Government Industry Partnership ) による開発を決定 2001 年 技術的問題でFAA 主導による開発に切り替え 2003 年 4 月 Honeywell と契約 2003 年 10~11 月 大規模な電離層嵐が発生 2004 年 2 月 FAAが実用計画を見直し 研究段階に差し戻す 2004 年 12 月 RTCA-DO245Aが発行 RTCAにおけるインテグリティ概念の変更 SIS リスク ツリー モデルの変更 従来記載のなかったGPS 衛星の故障 伝搬経路の異常のリスク追加 インテグリティを達成するための具体的指針の提示 各種モニター アルゴリズムの追加 インテグリティ問題解消のためLIP(LAAS Integrity Panel ) の創設 プロトタイプの開発 2006 年 2 月 FAAとASAがGBAS 開発で協定 11/26

12 実用化への課題 インテグリティとは 完全性とも呼ばれ 全ての着陸時において 利用者の誘導誤差が警告無しにある事故につながる閾値以上にならない確率を指し 着陸に使用するためには 1-2x10-7 ~1-1x10-9 の値が要求されている GNSSは 従来の航法システムとは異なり 地上と航空機では測位に利用する衛星やそのマルチパスなどの信号環境も異なることにより 地上における直接的な精度の監視が不可能なので 単に事実の積み重ねで証明することは困難 地上基準局故障 伝搬路の異常である電離層活動やマルチパスの影響 GNSS 衛星の異常などのリスクが考えられる 達成できているかどうかを判定するためには 各リスク要因 (Threat) を丹念に調べ それに対する監視機能などが十分であるかどうかを 第 3 者機関を含めて考え方 アルゴリズムに対する確認が必要 12/26

13 インテグリティ問題を解決するために 前提条件 CAT-I GBAS では インテグリティに関する責任は地上側が持つ 機上側は地上から放送された情報を素にプレテクションレベル (Protection Level) を計算しアラートリミット (Alert Limit) と比較し いまGBASが使えるかどうかを判断する GBASのサービス プロバイダは放送されるインテグリティ パラメータを作り出す過程から精査する必要がある FAAは LIPを開催し 誤差を増大するKRA(Key Risk Area) を決定し それらに対する安全解析を行い 誤差がALを越えるリスクが大きいものに対して モニタ アルゴリズムをPSP (Provably Safe Prototype) に実装し 検証を試みた 13/26

14 FAA が定めた ADD が必要な KRA Progress ADD Description Gate 1 Gate 2 Gate 3 Gate 4 ADD 1 Overbounding: σ pr_gnd X X X X ADD 2 Non-zero means X X X X ADD 3 Sigma Monitor X X X X ADD 4 ADD 4 Anomalous Ionospheric Parameters: σ iono Ionospheric Storm Integrity X X X X X X ADD 5 Tropospheric Parameters: σ tropo X X X X ADD 6 Ephemeris Type B Failures X X X X ADD 7 Signal Deformation Monitor (SDM) X X X X ADD 8 Low Power X X X X ADD 9 Code-Carrier Divergence X X X X ADD 10 Excessive Acceleration X X X X ADD 11 Executive Monitor X X X X ADD 12 ADD 13 RF Interference Above the Allowable Mask X X X Ephemeris A1 and A2 Failures 14/26

15 電離層嵐によるインテグリティ破綻の例 2003 年 10~11 月に起きた電離層の嵐によって DGPS に予想以上の誤差 (10m 以上 ) が生じる可能性の指摘 FAAのLAAS 計画が実用化フェーズから開発フェーズに後退 15/26

16 電離層が GBAS に与える影響についてについて Simplified Ionosphere Wave Front Model: a ramp defined by constant slope and width Front Speed 200 m/s Front Slope 400 mm/km LGF IPP Speed 200 m/s Airplane Speed ~ 70 m/s (synthetic baseline due to smoothing ~ 14 km) Front Width 25 km Max. ~ 6 km at DH GBAS Ground Station Stationary Ionosphere Front Scenario: Ionosphere front and IPP of ground station IPP move with same velocity. Maximum Range Error at DH: 425 mm/km 20 km = 8.5 meters 16/26

17 日本における電離層活動の特徴 FAAによる ICAO CAT-I SARP s の検証中にハワイにおける予想を超える電離層遅延の空間勾配の発見 電離層遅延の空間勾配は GBAS の誤差の要因 電離層インテグリティ パラメータの係数の上限変更 mm/km 電子研では インテグリティ ( 完全性 ) のパラメータ設定のために 日本における電離層活動の調査 プラズムバブルの例 京都大学 齊藤昭則 氏 提供による 17/29

18 日本における電離層活動の特徴 (2) 日本が他の先進国と比べて磁気緯度が低いために電離層の嵐 ( 赤道異常時のバブルの発生 ) が生じやすい 国土地理院のGPS 観測網 (GEONET) を使って 電離層の影響の定量化 垂直遅延量の空間勾配の頻度分布はガウス分布よりも裾野の広いダブル エクスポーネンシャル分布に近い 今回の解析での最大勾配値は90mm/km 程度であり GBASでは150cm 程度の垂直測距誤差を生む 従来の方法で対応ができる可能性が高い 南北方向東西方向 18/26

19 GPS 信号の歪みによる誤差増大 19 番衛星の故障によるDGPSにおける3~8 mの誤差の報告 原因はGPS 衛星のEvil Wave Formによる ICAO SARPsに衛星監視要件の追加 (2000) 年 電子研で 世界で初のGPSの相関波形を直接観測できるGPS 信号品質監視 (SQM) 装置を開発 観測チャンネルは2CH 40MHz ( chip) でサンプリング SQM 手法の検討のため GPS 信号を様々な環境で受信 パラボラアンテナを使った純粋な GPS 信号 任意波形発生装置とベクトルジェネレータにより発生させた擬似 GPS 信号 > ICAO の提唱する 3 つの故障モードについて擬似信号による評価 現在 監視ソフトを開発 評価中 左図は擬似の故障した GPS 変調波形と相関器出力 19/26

20 曲線進入方式について GBAS 受信機だけを使って曲線進入ができるポテンシャルがある RNP 進入ではデータベースを持つ FMS が必要 RNP 進入では垂直ガイダンスは気圧高度計を使う TAP(Terminal Area Path) を利用して可能となる ICAO SARPs に規定は まだない ブラジルリオデジャネイロ 米国メンフィスで試験 評価中 機上装置も開発中 実用化はもう少し先か 20/26

21 CAT-III GBAS の現状 CAT-III GBASの要件は? RTCA と EUROCAE で要件が異なる 従来の考え方 (ILSモデル) ではアベイラビリティが確保できな EUROCAE は 2 周波による克服 RTCAはNSEの基準からTSEの基準 RTCAでは CAT-IとCAT-IIIの考え方を大幅に変更 地上局だけのインテグリティ監視では無理がある 航空機側に電離層モニタの機能を追加する FAA は 2 周波 Boeing は 1 周波で追求 Boeingなどの産業界が開発 FAAは安全審査に協力 EUROCAE FAA の運用は 2 周波の環境持ち ICAO NSPによるBoeing 案のSARPs 素案の承認を予定 Boeing などによるシステム開発および数年にわたる検証活動 その後の変更案の承認 発行を予定 ( 2012 年目標 ) 21/26

22 CAT-III の精度要件について RTCA DO245 従来の考え方 ILSモデルの採用 垂直航法精度 20m 2.0 以下垂直許容精度 (VAL) 53m 5.3 以下 アベイラビリティの達成が困難 RTCA DO245A TSE と Touchdown Box による推定 垂直航法精度 2.9 m 以下垂直許容精度 (VAL) 10.0 m 以下 新しい機種だけを対応 TSEによるTouchdown Boxからの垂直精度の推定 VALを決定する仮定条件に無理がある EUROCAE ED-144 案厳密な ILS モデルの採用 垂直航法精度 1.0 m 以下垂直許容精度 (VAL) 2.6 m 以下 従来の航空機に適用可能 アベイラビリティの達成が著しく困難 RTCA DO245B 案精度 VAL 規定無し 疑似距離情報であれば大きな誤差はない 疑似距離情報の異常の監視が主 22/26

23 着地点 (Touchdown)Box の考え方 VAL は ILS に使った着地点 (Touchdown)Box を根拠を使用 着地点 Box の手前に着陸する平均確率が1x 以下であること 航法誤差が最大垂直許容誤差 (VAL) においても 着地点 Box の手前に着陸する確率が1x 以下であること 滑走路方向のTotal system Error (TSE) の1σは263mになる 最新の機種でも VAL は 3.0 m 程度になる (EUOROCAE と同じ ) Over run Constraint Touchdown on the runway earlier than a point on the runway 200 ft from the threshold h Touch down prior to threshold by up to 200 ft Touch down more than 200 ft short of threshold Acceptable Probability Average Limit - Limit - Option 1 Option 2 < 10-6 N/A < 10-5 < 3 x 10-8 < 3 x 10-8 < 3 x 10-7 < 10-9 <10-9 < /26

24 Boeing/FAA による新しい提案 従来の GBAS はインテグリティに関する責任が地上に 100% 1 周波 GBAS では地上における電離層嵐の検出は十分でない 機上受信機による電離層活動監視などの責任分担 新しいパラメータによる機上における誤差の推定 従来の 100s と新しい 30s キャリアスムーズングの疑似距離の放送 地上と機上の衛星配置の違いによる影響に対する地上システムにおける監視の強化 CAT-I GBAS との概念の変更による互換性の問題 今までの VHF 帯の周波数利用計画の見直し 技術的可能性の検証 RTCA-254B への 2008 年の改訂を目指す 24/26

25 まとめ 2009 年後半 B787 が GBAS 受信機を搭載して日本の空を飛ぶ GBAS は米 豪 独 西で 2009 年末までには運用が開始される GBAS は CAT-I~CAT-III までサポートできる潜在能力がある GBAS は曲線進入などの多様な運航に対応 曲線進入の機器の開発や規定の整備など時間がかかる いかなる着陸においても 誘導誤差が警告無しにある事故につながる閾値以上にならないようにインテグリティを保証する必要 インテグリティ保証のためには GBAS の構成要素としての GNSS 衛星 電離層を含めた伝搬経路などの監視が必要 インテグリティの達成確認には 検査実験などでは確認が難しく アルゴリズム解析などによる設計 製造段階からの評価が必要 CAT-III GBAS はCAT-I GBAS の概念と異なり実用化までには時間が掛かる 25/26

26 Electronic Navigation Research Institute ご静聴ありがとうございました ご質問をどうぞ