航空機の安全運航を支援する 情報を地上から送信する技術 (TIS-B FIS-B) について 塩地誠 小瀬木滋 米本成人 大津山卓哉 三垣充彦 独立行政法人電子航法研究所 1
発表の概要 1. はじめに 航空機は周囲の交通状況がわかっているか? 2. ADS-B と TIS-B について 航空機から また 地上から周囲の航空機情報を送る 通信媒体 ( メディア ) の違い 3. 小型航空機用の UAT と GBT 3.1 キャプストーン計画と UAT 3.2 アラスカ州での UAT 飛行実験 4. 1090MHz 拡張スキッタ TIS-B 装置 試作装置の概要 5. まとめ 2
1. はじめに 航空機は周囲の交通状況がわかっているか? 航空路監視レーダー 航空管制により安全な間隔を維持 3
1. はじめに ( その 2) 2 種類の飛行方式と周囲の交通状況の把握 計器飛行 (IFR: Instrument Flight Rule) 航法装置により 自機の位置を知る 他機との間隔維持は 航空管制による 周囲の交通状況は 管制官からの通知 通信の傍受 ( 気象レーダ 衝突防止装置 :CAS) によって知る 有視界飛行 (VFR: Visual Flight Rule) 目視が頼り ( 視界を維持し 雲には入らない ) ( 定められた高度を飛行 30 分おきに連絡 ) 4
1. はじめに ( その 3) 初めは操縦士の願望 : 周囲を飛行する航空機の様子を知りたい 航空管制のレーダと同じものを見たい 機上監視機能 ( 空対空監視支援 ) ASAS: Airborne Separation Assistance System ( では 周囲の交通状況を操縦席に表示する方法は?) 5
ADS-B 2. ADS-B と TIS-B について 航空機が位置情報を自動位置情報を自動送信送信する TIS-B 地上送信装置 地上で把握した航空交通状況 ( 位置情報 ) を航空機へ自動送信 6
2. ADS-B と TIS-B について ( その 2) ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast; 放送型自動位置情報伝送 監視機能 ) 航空機が自機の位置情報などを自動送信 TIS-B (Traffic Information Service -Broadcast; 放送型トラフィック情報サービス ) 地上の航空官署が把握した航空交通情報を送信 FIS-B (Flight Information Service -Broadcast; 放送型飛行情報サービス ) 気象情報や 安全運航に役立つ情報を地上から送信 7
2. ADS-B と TIS-B について ( その 3) ADS-B,TIS-B,(FIS-B) の伝達手段 1090MHz モード S 拡張スキッタ 国際標準 主流 (19 年度から TIS-B 等の研究 ) UAT 国際標準 米国では小型機で実用 ( 周波数 978MHz 実験データは 1090MHz の参考になる ) VDL-( モード )4 国際標準 VHF 航空無線帯 ( 参考 ) AIS ( 船舶自動識別装置 ) VDL-4 と同技術 船舶では国際標準 搭載義務化 8
3. 小型航空機用の UAT と GBT 3.1 キャプストーン計画と UAT 米国アラスカ州の小型航空機安全対策キャプストーン プログラムと UAT( ユニバーサル アクセス トランシーバ ) 3.2 アラスカ州での UAT 飛行実験 ( 航空機上で UAT 受信信号強度を測定 ) 宇宙航空研究開発機構 (JAXA) と電子航法研究所との共同研究 アラスカ州アンカレッジ周辺で実施 9
3.1 キャプストーン計画と UAT ( アラスカ州の航空事情と小型航空機安全対策 ) 米国アラスカ州は陸上交通は不便 小型航空機が便利な交通手段 ( 利用多い ) 事故が多かった ( 地形 天候等の要因 ) FAA( 米国連邦航空局 ) アラスカ地方局を中心とした安全活動 安全啓蒙活動 ( 特に飛行前 飛行場内 ) 移動式フライトシミュレータによる訓練 ウェザーカメラ ( 飛行場 交通要所のインターネット画像 ) そしてキャプストーン計画 10
3.1 キャプストーン計画と UAT ( その 2) FAA のキャプストーン計画 フェーズ 3 アラスカ州全体に展開 フェーズ Ⅰ:UAT と GBT による ADS-B, TIS-B,FIS-B の実証試験フェーズ Ⅱ:WAAS (GPS 広域補強システム ) /RNAV の実証実験フェーズ Ⅲ: アラスカ州全域に展開 フェーズ I ADS-B B + 関連技術 フェーズ II WAAS + 関連技術 フェーズ 1 GPS WAAS フェーズⅠの効果 : 航空事故が47% 軽減 ( 空中衝突事故 0 件 ) 就航率が50% 向上捜索救援時間の短縮 TIS-B/ FIS-B アンカレッジ管制部 ADS-B ( 放送型自動従属監視 ) 978MHz 地上局 (GBT) レーダー情報 (TIS-B) 気象情報 (FIS-B) TIS-B/ FIS-B 地方空港 WAAS/RNAV ルート インターネット 運航管理者 ( 米国資料より編集 国土交通省航空局提供 ) フェーズ 2 11
3.1 キャプストーン計画と UAT( その 3) 小型航空機の操縦席に表示装置 (MFD:Multi Function Display) を搭載し 周囲の航空機の位置をレーダーのように表示 周辺機地形図 ( データ搭載 ) も表示 気象 ( 悪天候 ) も表示 ( 左図は自機キャプストーン計画初期 (2000 年頃 ) の表示装置 ) 12
3.1 キャプストーン計画と UAT( その 4 UAT : Universal Access Transceiver ) ( 小型機に搭載される航空機相互間 航空機と地上間のデータ通信装置 ) の機能 ADS-B: 放送型自動位置情報伝送 監視機能 ( 別名 : 放送型自動従属監視 ) ( 航空機相互間で位置 高度 速度 進行方向を自動送 / 受信 ) TIS-B: トラフィック情報サービス放送 ( 地上から自動送信されるものを機上で受信 ) FIS-B: 飛行情報サービス放送 ( 地上から 機上で受信 ) 13
3.1 キャプストーン計画と UAT ( その 5) 地上局 (GBT: Ground-Based Transceiver) を設置 TIS-B: トラフィック情報サービス放送 航空官署が把握している周辺航空機の位置情報を 航空機へ送信 FIS-B: 飛行情報サービス放送航空安全に係る情報と気象情報を送信 ADS-B 受信 : 航空官署等で 航空機の位置確認地上運航者 ( 航空会社 ) でもモニタ ( インターネット経由でも見られる ) 14
3.1 キャプストーン計画と UAT ( その 6) 自動気象観測所 (AWOS) 当初は VHF 音声で放送 FIS-B 対応中 気象画像も 全米 ( 国家 ) 気象ネットワークと連携中 地上運航者向けインターネットモニタ 既に新しい PC ソフトが配布中 15
3.1 キャプストーン計画と UAT( その 7) Universal Access Transceiver DME 帯域内の周波数 978MHz ( 伝送容量 1Mbps) 地上局 (GBT) と機上局の送信時間を分離 地上局はTDMA 方式 機上局はタイムスロット方式ランダムアクセス (1 秒に1 回 自機の位置情報等を送信 ) ( 機体の上下にアンテナを2 個搭載 4 秒周期で切替 ) 地上 1 秒 0.2 秒 0.8 秒 1 2 3 4 1 機上 TDMA 区切られたタイムスロットをランダムに選択して送信 16
3.1 キャプストーン計画と UAT ( その 8) キャプストーン機上装置 (MFD) の例フェーズ Ⅰ 後期からフェーズ Ⅱ 初期 (cfaa 資料 ) Weather Traffic Terrain 17
3.1 キャプストーン計画と UAT ( その 9) 市販の機上装置手前 : 表示装置 ( 飛行経路ガイダンス対応 ) 奥 :UAT 本体 (WAAS/GPS 付 8,000 ドル程度 ) と別の表示装置 ( 図 1 画面例の装置 ) 18
3.1 キャプストーン計画と UAT ( その 10) GBT( 地上局 ) サイト 製品版地上装置 (GBT) UAT 機能に加え 1090MHz 拡張スキッタ ADS-B 受信機能付き 19
3.1 キャプストーン計画と UAT ( その 11) UAT によるジュノー空港の除雪車監視 978MHz とは別な周波数 20
3.2 アラスカ州での UAT 飛行実験 宇宙航空研究開発機構 (JAXA) との共同研究現地事務所 定置場 : アンカレジ市メリル飛行場日時 :2006 年 7/11~8/3 9/13~10/10 電子航法研究所は 機材とともに職員 4 名を交代で派遣 UAT 信号強度を機上で測定した ( 写真 CJAXA ) 21
3.2 アラスカ州での UAT 飛行実験 ( その 2) UAT 信号強度測定記録装置 ( 電子研製 ) CPL CPL UAT JAXA 受信位置データ記録装置へ 抑圧バス UAT 受信機 ( 978MHz 2ch:ENRI 製作 ) HDD AD 2ch PC 受信機は 978MHz の受信信号を増幅して対数圧縮検波する AD 変換 (12Bit 2MS/s 2ch) カード付きノート PC でデジタル化 外付けハードディスクに 7 秒毎に 4 秒連続の受信 Log Video 波形記録 22
3.2 アラスカ州での UAT 飛行実験 ( その 3) UAT 信号強度測定記録装置の航空機 ( ボナンザ ) 内実装状況 23
3.2 アラスカ州での UAT 飛行実験 ( その 4) 飛行実験風景 ( 空対空信号強度測定 ) ( 中央の写真 : 飛行実験中の表示画面 周囲の状況写真は CJAXA ) 24
3.2 アラスカ州での UAT 飛行実験 ( その 5) 飛行実験 (2 時間 ) 下部アンテナのデータ例 ( 下側アンテナ ) -50 70000 71000 72000 73000 74000 75000 76000 77000 78000 79000-60 N888YA GBT -70 強度 -80-90 -100-110 時間 横軸 : 時間 ( 秒 ) 縦軸 : 信号強度換算値 (dbm) ( 青 : 相手機のADS-Bメッセージ 赤 :GBT) 9/28のFLT 25
3.2 アラスカ州での UAT 飛行実験 ( その 6) 飛行実験 (2 時間 ) のデータ例上部アンテナ ( 上側アンテナ ) -50 70000 71000 72000 73000 74000 75000 76000 77000 78000 79000-60 N888YA -70 GBT 強度 -80-90 -100-110 横軸 : 時間 ( 秒 ) 縦軸 : 信号強度換算値 (dbm) ( 青 : 相手機のADS-Bメッセージ 赤 :GBT( 少ない ) 9/28のFLT 時間 26
3.2 アラスカ州での UAT 飛行実験 ( その 7) GBT メッセージ拡大図 (FIS-B 情報 ) GBTメッセージ 0.12 0.1 0.08 強度 (V) 0.06 0.04 0.02 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 時間 (us) 横軸 : 時間 (μ 秒 ) 縦軸 : ノイズレベルを 0 とした検波出力 (V) 27
3.2 アラスカ州での UAT 飛行実験 ( その 8) ADS-B メッセージの拡大図 ADS-Bメッセージ 0.06 0.05 0.04 強度 (V) 0.03 0.02 0.01 0 0 100 200 300 400 500 時間 (us) 横軸 : 時間 (μ 秒 ) 縦軸 : ノイズレベルを 0 とした検波出力 (V) 28
3.2 アラスカ州での UAT 飛行実験 ( その 9) 近距離で相手機とのリンク断 相手機と位置関係により UAT が信号を解読できない状態 ( リンク断 ) が発生した 当所の受信機には上下どちらかのアンテナで十分な信号強度で受信 UAT 装置の送信は 1 秒毎に上 上 下 下の順でアンテナを切り替える (4 秒周期 ) 受信では 規格 用途で異なるが 搭載したUAT 装置は 上 下 上 下の順で切り替えて受信 (2ch 同時受信ではない ) アンテナの切替えが互いに逆になって 電波が機体に遮られた可能性あり 29
4. 1090MHz 拡張スキッタ TIS-B 装置航空機の運航支援技術のイメージ 操縦席表示のイメージ図 (CAPSTONE 初期 ) 位置情報を自動放送する航空機 (ADS( ADS-B) 周辺機 自機 運航支援情報 ( 空域 空港情報や気象情報 ) (FIS-B) GBT: 地上送受信装置 地上で把握された周辺の航空交通状況 (TIS-B) 30
4. 1090MHz 拡張スキッタ TIS-B 装置 ( その 2) 1090MHz 拡張スキッタ信号 (SSR モード S 応答信号 ) ICAO ANNEX10 Vol. IV 米国 RTCA の運用 / 技術基準 (DO-260A,DO-267A,DO-286A) パルス位置変調 112bit 31
4. 1090MHz 拡張スキッタ TIS-B 装置 ( その 3) 装置の概要 ( 破線は計画中 ) 無指向性アンテナ TIS-B サーバー ( 航空機位置情報等の収集 編集 配信 ) ( 計画中 ) SSR モード S ( 接続計画中 ) 拡張スキッタ信号生成装置 ( 情報を無線周波の拡張スキッタ信号に変換 ) 高周波部 ( 電力増幅 ) ( 計画中 ) ADS-B 受信装置兼広域マルチラテレーション (WAM) 実験装置 ( 製作中 ) 32
4. 1090MHz 拡張スキッタ TIS-B 装置 ( その 4) 地上側の 1090MHz 拡張スキッタ送信装置 覆域 ( ターミナル管制区相当 ): 40NM 航空機受信機の感度 : -84dBm 送信電力 : 1 kw 程度 ( 尖頭値 ) 監視対象航空機数 : 最大 250 機 ( モード S の処理能力準用 ) 監視対象機 1 機当りのスキッタ送信回数 :3.1 回 / 秒 最大スキッタ送信回数 :3.1 250+α=1000 回 / 秒 33
4. 1090MHz 拡張スキッタ TIS-B 装置 ( その 5) 評価用の受信装置 復号装置 ADS-B,TIS-B 受信装置 ( 機体上 下のアンテナに対応して 2 系統 ) 拡張スキッタ復号装置 (2 系統で処理 ダイバーシティは行わず ) 記録装置 (2 系統のデータを収集 ) RF 部 RF 部 A/D 変換復号 A/D 変換復号 PC HDD など UAT の経験から 実験の道具として製作 室内実験 地上実験で使用 また 実験用航空機に搭載しての飛行実験に使用 表示装置 ( 計画中 ) 34
4. 1090MHz 拡張スキッタ TIS-B 装置 ( その 6) 評価用の受信装置 復号装置 受信中心周波数 1090MHz( 公称 ) 受信感度 -84dBm ( 公称値 受信機入力端子での解読レベル (MTL: Minimum Trigger Threshold Level) 拡張スキッタメッセージ出力端子 プリアンブル検出トリガー出力端子 別途 GPS の位置と時刻データ 気圧高度計の高度情報も取り込む 35
4. 1090MHz 拡張スキッタ TIS-B 装置 ( その 7) 今後の計画 高周波部 ( 電力増幅 ) の製作 TIS-B サーバーの製作 SSR モード S および ADS-B 受信装置兼広域マルチラテレーション (WAM) 実験装置との接続 航空機上の表示装置の試作 空港周辺での飛行実験 ( デモ フライト )H22 年 ( 目視の支援 +ASAS Merging and Spacing?) 36
5. まとめ TIS-B の実施例 : 小型機向けの UAT 機上監視 ( 航空機相互の位置確認 ) と将来の ASAS には ADS-B が必要 全ての航空機がADS-Bを搭載するまでの間 あるいはバックアップとして TIS-Bが必要 ADS-B,TIS-Bには幾つかの通信媒体がある 主流と考えられる1090MHz 拡張スキッタによるTIS-B 送信装置を試作した 37