Electronic Navigation Research Institute
GBAS
GBASの現状
の現状と課題
と課題
GBAS
GBASの現状
の現状と課題
と課題
(独) 電子航法研究所 通信・航法・監視領域
藤井直樹
藤井直樹
[email protected]
発表内容について
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 • 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 • 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 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g ♦ まとめGBAS
GBAS
の概念図
の概念図
SBAS (MSAS) GPS GLONASS GBASデータ 処理部 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 フィールドモニタGBAS
GBASの概要
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) ♦ 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 デ 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 ♦ 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線♦ 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g ( ) でタ ミナルもカ 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
GBAS
GBASで何ができる
で何ができる
♦ 誘導精度がきわめて高い 誘導 スは揺らぎがなく 2 以内 (95%値) の精度をもつ • 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： ♦ 複雑な進入（曲線進入） 復行ル トが設定できる： • Curved Approach • Offset Approaches M lti S t A i l • Multi-Segment Arrivals • Multi-Segment Missed Approaches Curved/Descending Approaches • Multi-Segment Departure P d Procedures電子研
電子研の
のGBAS
GBAS TEST
TEST--BED
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 • 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 ♦ 飛行実験を実施 地上デ 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 ♦ 日本における電離層の影響を調査
飛行実験の例
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 誤差はほぼ一定で うねりが ♦ ILSと比べて、距離に関わりなく、誤差はほぼ 定で、うねりが なくフラットである • 2003年10月20～22日の仙台空港におけるアプローチ飛行302003年10月20 22日の仙台空港におけるアプロ チ飛行30 回の飛行実験結果の例 赤線はDO-245のCAT-III 規定案航法精度の対する評価
航法精度の対する評価
♦ RTCA DO-245の要件を基準とした評価 ♦ 精度 （垂直方向 NSE 95% 2m） ♦ 精度 （垂直方向 NSE 95% 2m） • 飛行実験 0.79m (最大値 1.49m) • 地上実験 0 59m (最大値 1 86m) 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） ♦ 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 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秒機上装置の表示
機上装置の表示
♦ 進入モードとRNP モ ド（POSサ ビ モード（POSサービ ス）が存在 ♦ 進入モードでは ILS ♦ 進入モ ドでは、ILS 受信機と同じ機能 ♦ チャンネル・セレク ♦ 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 操作 ♦ RNPモードでは高精 度の位置情報などを 度の位置情報などを FMSに送る世界における
世界におけるGBAS
GBASの現状
の現状
♦ 機上受信機 Collins – GLU 925のTSO認証
• Honeywell Tｈalesなども認証予定
• Honeywell, Tｈalesなども認証予定
♦ 機体について
• 2005年 Boeing 737-NG（option）の認証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-4000 2008年9月 機器認証予定 米 M hi 空港(H ll) 評価認証中 2009年 運用予定 • 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 • 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( p ) • 印 Dehli, Mumbi空港(Thales) 契約済 20０９年末 運用予定
FAA
FAAにおける
におけるGBAS
GBAS開発の経緯
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 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と契約年 月 y 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 • 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 タ ゴ ズ 追加 ∗ 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
ロトタイプの開発プ 開発
実用化への課題
実用化への課題 インテグリティとは
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 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 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 ♦ 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 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 する確認が必要インテグリティ問題を解決するために
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 に関する責任は地上側が持つ • 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 （Protection Level）を計算しアラ 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 （Provably Safe Prototype）に実装し、検証を試みた
FAA
FAAが定めた
が定めたADD
ADDが必要な
が必要なKRA
KRA
ADD Description
Progress
Gate 1 Gate 2 Gate 3 Gate 4
ADD 1 Overbounding: σpr_gnd X X X X
ADD 2 Non-zero means X X X X
ADD 3 Si M it X X X X
ADD 3 Sigma Monitor X X X X
ADD 4
ADD 4 Anomalous
Ionospheric Parameters: σiono
Ionospheric Storm Integrity
X
X
X
X
X X ADD 5 Tropospheric Parameters: σ X X X X ADD 5 Tropospheric Parameters: σtropo 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 10 Excessive Acceleration X X X X
ADD 11 Executive Monitor X X X X
ADD 12
RF Interference Above the Allowable
Mask X X X
電離層嵐によるインテグリティ破綻
電離層嵐によるインテグリティ破綻の例
の例
♦ 2003年１０～1１ 月に起きた電離 月に起きた電離 層の嵐によって、 DGPSに予想以 DGPSに予想以 上の誤差（10m 以上）が生じる 能性 指摘 可能性の指摘 ♦ FAAのLAAS計 画が実用化 画が実用化 フェーズから開 発フェーズに後 発フェ ズに後 退電離層が
電離層がGBAS
GBAS に与える影響
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
a ramp defined by constant slope and width
Front Speed 200 m/s Front Slope 400 mm/km LGF IPP Speed 200 m/s Front Width 200 m/s Airplane Speed ~ 70 m/s
(synthetic baseline due to smoothing ~ 14 km)
25 km
GBAS Ground Station
Max. ~ 6 km at DH
GBAS Ground Station
Stationary Ionosphere Front Scenarioy p :
Ionosphere front and IPP of ground station IPP move with same velocity.
日本における電離層活動の特徴
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 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 ♦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 • 12.2 → 25.5 mm/km ♦電子研では インテグリティ（完 ♦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 調査 プラズムバブルの例 プラ ブルの例 京都大学 齊藤 昭則 氏 提供による
日本における電離層活動の特徴（２）
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 ル エクスポ 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GPS
GPS信号の歪みによる誤差増大
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 装置を開発 信号品質監視(SQM)装置を開発 • 観測チャンネルは2CH 40MHz (0.025575chip)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 • 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 ♦ 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
曲線進入方式について
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 タベ スを持つFMSが必要 • 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
♦ TAP（Terminal Area Path）を利用して可能となる
♦ ICAO SARPsに規定は まだない まだない ♦ ブラジルリオデジャネイロ 米国メンフ スで試験 ・米国メンフィスで試験 評価中 機上装置も開発中 ♦ 機上装置も開発中 ♦ 実用化はもう少し先か
CAT
CAT--III GBAS
III GBASの現状
の現状
♦ CAT-III GBASの要件は？ ♦ RTCAとEUROCAEで要件が異なる ♦ 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 B i は1周波で追求 • 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 • 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、 ♦ 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）
CAT
CAT--III
IIIの精度要件について
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 2 0 m 以下 垂直許容精度(VAL) 5 3 m 以下
• 垂直航法精度 2.0 m 以下 垂直許容精度(VAL) 5.3 m 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
♦ 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
♦ 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
• 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案 精度 規定無し規定無
• 疑似距離情報であれば大きな誤差はない
着地点
着地点
((
Touchdown
Touchdown
)Box
)Box
の考え方
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1 x 10–6以下であること
♦ 着地点Boxの手前に着陸する平均確率が1 x 10 6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1 x 10–5 以下であること
の手前に着陸する確率が1 x 10 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）最新の機種でも、VALは 3.0 m 程度になる（EUOROCAEと同じ）
Constraint Acceptable Probability Average Limit - Option 1 Limit - Option 2 Over run Over run Option 1 Option 2 Touchdown on the
runway earlier than a point on the runway
200 ft from the h h ld
< 10-6 N/A < 10-5
threshold Touch down prior to
threshold by up to 200 ft
< 3 x 10-8 < 3 x 10-8 < 3 x 10-7
Touch down more than 200 ft short of
threshold
Boeing
Boeing/FAA
/FAAによる新しい提案
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 • 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 タによる機上における誤差の推定 ♦ 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 ♦ 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 ♦ 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 • 技術的可能性の検証 ♦ RTCA-254Bへの2008年の改訂を目指すまとめ
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 ♦ 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 ♦ 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 ♦ 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 ♦ 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
♦ 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
Electronic Navigation Research Institute
