JP2005504274A - ４次元ルートプランナ - Google Patents

Abstract

ルートプランナ（１１０）が、再帰的アルゴリズムを使用して横方向経路を求め、適応アルゴリズムを使用して垂直経路を決定する。垂直経路は、頂部高度および底部高度を有する水平多角形（図３ａ）によって表される危険エリア（１２０、図２、３ａ、および３ｂ）に基づいて調節される。ルートプランナ（１１０）は、所要到着時間ウィンドウを満たすルートを見つけようと試みる。ルートは、各終了点について所望の到着時間が指定された複数の開始点および終了点に分割することができる。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明はルートプランナに関し、より詳細には４次元ルートプランナに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願への相互参照
本願は、本願の譲受人に譲渡された１９９８年１２月３１日出願の米国特許出願第２２３，８４６号「多次元ルートオプトマイザ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｒｏｕｔｅ Ｏｐｔｉｍｉｚｅｒ）」に関連し、少なくとも、再帰的アルゴリズムを使用する横方向ルート最適化のその教示が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
著作権表示／許可
この特許文書の開示の一部は、著作権保護の対象である素材を含む。著作権者は、この特許開示が米国特許商標局の特許ファイルまたは記録中に見出されるとき、それが何人によって複製されることに対しても異議はないが、そうでない場合は、すべての権利を何であれ留保する。以下の表示は、下記および本明細書に添付される図面に記載のソフトウェアおよびデータに適用される。著作権（Ｃ）２００１、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｃ．、版権所有。
【０００４】
安全性と効率性のために、航空機のルート決定は一般に、所定の航空路または大圏針路に沿う。所定の航空路はしばしば、航法援助地上施設を用いて位置合せされる。ある場合には、航空路は地理的領域を迂回する。一方、大圏ルートでは、より短い飛行距離が保証される。
【０００５】
天候は、特定のフライトの効率性と安全性のどちらにも影響を及ぼす。航空機効率は、順風と共に向上する。適切な追風では、対地速度が増加し、燃料消費が低下する。燃料消費の低下はしばしば、収益を生み出す追加のペイロードを搬送できることを意味する。対地速度の増加は、フライト時間が短縮され、結果として運航コストが節約されることを意味する。
【０００６】
同様に、危険な天候により、航空機運航に関する様々なコストを負う可能性がある。このようなコストは、乗客にとって搭乗が不快なものとなるという安価なものから、構造上の損傷、さらには航空機や人命が失われるという高価なものまで多岐にわたる。航空機の操縦士は通常、危険な天候を回避するために長距離を進む。
【０００７】
加えて、ある地理的領域および政治的領域は、制限空域によって覆われる。そのような領域および厳しい天候は危険エリアと呼ばれる。ある領域におけるフライトは、高価な上空通過料金を課されることがあるので最小限に抑えることが好ましい。
【０００８】
所望の到着時間を達成することにより、操縦士がより正確にフライトをスケジュールし、より高い運航効率を亨受することが可能となるので、そのことは重要である。所定の航空路または大圏針路を運航する航空機は、スケジューリング要件を満たすために対気速度に対してコストのかかる調節を行うことを余儀なくされる可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
典型的な飛行経路ルータは、横方向に飛行経路をプロットして、危険を回避し、風を利用し、経路の垂直部分は標準巡航プロファイルのままにする。さらに、飛行経路ルータは、気流の高度を考慮に入れる。このようなルート決定は通常、危険エリアの垂直次元と、危険エリアが時間変化する性質とを考慮せず、したがって得られるルートがそれほど望ましいものでなくなる。こうした欠点に対処するシステムが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ルートプランナが動的プログラミング（ＤＰ）再帰的アルゴリズムを使用して、横方向／垂直経路を決定する。コスト関数は、燃料コスト、時間コスト、危険コストからなり、上空通過料金が最小限に抑えられる。危険エリアは、頂部高度および底部高度を有する多角形によって記述される。一実施形態では、危険エリアに針路および速度が与えられ、したがって時間と共に移動する。
【００１１】
このルートプランナは、起点および目的地について確立されたノードのグリッド中のノードからノードへと移動することによって針路を決定する。ローカルステップコストが、次のノードに対する累積コストに追加される。ノードに対する累積コストが最低となるノードへの遷移ステップが保持され、その結果として、起点から目的地への最低コストルートが発見される。危険エリアに直面したとき、その危険を通過しない低コスト遷移を発見しようと試みて、新しいノードへの移動が複数の垂直経路で探査される。このステップが危険を通過する場合、増分危険コストが累積コストに追加される。別の実施形態では、ルートプランナが、所要到着時間ウィンドウを満たすルートを発見しようと試みる。ルートは、各終了点について所望の到着時間が指定された複数の開始点および終了点に分割することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下の説明では、本明細書の一部を形成し、本発明を実施することができる特定の実施形態を例示的に示す添付の図面を参照する。当業者が本発明を実施することが可能となるように、こうした実施形態を十分詳細に説明する。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を使用することもでき、構造的、論理的、電気的変更を行えることを理解されたい。したがって、以下の説明を限定的な意味に理解すべきではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。
【００１３】
システムのためのソフトウェアがコンピュータ可読媒体上に格納される。一実施形態では、ソフトウェアは、ディスクドライブなどの２次記憶装置上に格納され、必要に応じてコンピュータのメインメモリおよびキャッシュ内にロードされる。ソフトウェアは、単一の機能または関連する機能のサブセットを一般に提供するモジュールの形で書かれる。しかし、様々な実施形態では、ソフトウェアは単一モジュールまたは多数のモジュールを含み、機能をグループ化するという要件は存在しない。別の実施形態では、本発明を実装するのにハードウェアおよび／またはファームウェアが使用される。ソフトウェアが機能を実装することができ、あるいは、メニュー駆動インターフェース、またはデータベース記憶用のシステムに情報を提供する他の手段を提供することにより、単に人間による機能の実施を容易にすることができる。
【００１４】
航空機などのビークルについてのルート最適化が、本発明のルートオプティマイザによって提供される。ルート最適化は、横方向経路および垂直経路からなる。横方向経路は、本願の譲受人に譲渡され、少なくとも、再帰的アルゴリズムを使用する横方向ルート最適化のその教示が参照により本明細書に組み込まれる１９９８年１２月３１日出願の米国特許出願第０９／２２３，８４６号「多次元ルートオプトマイザ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｒｏｕｔｅ Ｏｐｔｉｍｉｚｅｒ）」に大部分は従って決定される。
【００１５】
垂直経路は、３次元危険エリアを考慮に入れる適応アルゴリズムを使用することによって決定される。３次元危険エリアは、高さを有し、速度成分および方向成分も有することができる多角形として表される。
【００１６】
定義セクションをまず与え、その後に続いて、高レベルから見たルートオプティマイザの概要を与える。次に、危険エリアの表現を定義し、その後に続いて、そのような危険エリアを考慮に入れて、垂直経路および水平経路をどのように計算するかに関してさらに詳述する。
【００１７】
定義
Ｃ_Ｌ 揚力係数
Ｃ_ｄ 抗力係数
ＣＩ コスト指数
ＣＦ コスト関数
Ｄ 抗力
Ｄ_ｇｃ 飛行した大圏距離
ＦＦＲ 燃料の流量
ｈ 高度
ｈ（ｋ_０） 前のグリッドポイントからの高度
ｈ_{ｕｐｐｅｒ}
ｈ_{ｌｏｗｅｒ}
Ｌ 揚力
Ｍ マッハ数
ＭＴＯＷ 最大離陸重量
ｍ_ｆ 燃料の質量
ｓｏｓ 音速
Ｖ 対地速度
Ｖ_ａ 対気速度
Ｖ_ｗ 風速
Ｗ 重量
Ｗ_ｆ 燃料の重量
Ｒ 上空通過に対する料金
ＲＴＡ 所要到着時間
Ｓ_ａ 空力的基準エリア
Ｓ 移動したアーク長距離
Ｔ 上空通過料金における単位レート
ΔＳ 移動したアーク長距離におけるステップ
θ 経度
φ 緯度
π スロットル
Ψ 上空通過料金に対する大円方向
【００１８】
図１の１１０で全体が表されるルートソルバ（ｒｏｕｔｅ ｓｏｌｖｅｒ）が、燃料コスト、時間コスト、危険コスト、および上空通過料金からなる合成コスト関数を最小限に抑え、かつ所要到着時間（ＲＴＡ）を満たす４次元（３つの位置と時間）ルートを計算する。一実施形態では、ルートソルバ１１０は、ビデオモニタを備えるデジタルコンピュータでホストされる。プロセッサは、ＮＷＳグローバルＧＲＩＢデータなどから風／温度情報１１５を受け取り、ソルバに高層風および温度の表現を与える。１２０で天候情報を受け取る。天候情報は、対流性流れ、乱気流、着氷などを表す。この情報は、外部源からも供給され、ソルバのユーザがインターフェース１２５を介して入力することもでき、パイロットおよび／または運航管理者が使用することもできる。
【００１９】
処理要素は、パイロット／運航管理者インターフェース１２０、世界地図生成１３０、コスト関数決定１３５、天候危険生成１２０、風生成１１５、航空機巡航性能（燃料流量、速度、および高度）１４０、上空通過料金１４５、４次元ルートソルバ１５０である。
【００２０】
１．１ パイロット／運航管理者インターフェース
オペレータ、パイロット、または運航管理者は、ユーザインターフェース１２５を介してルートソルバと対話することができる。ユーザインターフェースの１スクリーンショットを図２に示す。オペレータは、起点、目的地、所要到着時間、ルートに沿った停止点、厳しい天候などの危険、火山灰、特別用途空域、および政治的に微妙な領域、危険重み付け、所要到着時間を入力することができる。到着時間を選択する前に、オペレータは到着時間ウィンドウの計算を依頼することができる。オペレータは、ウインドフィールド（ｗｉｎｄ ｆｉｅｌｄ）および危険のオーバーレイを有する世界地図上で、ルート計画状況を閲覧する。危険は多角形として示され、標識が付けられる。図２の２つの危険に、４＊および５＊と標識が付けられている。それらの高さが、ワールドビューの下のフレームに示されている。
【００２１】
オペレータは、都市のペア、危険、危険重み付け、および所要到着時間を入力することができる。計算の後、水平ルートがワードマップ上に表示される。危険が重ねられた垂直ルートも表示される。燃料時間平均速度およびコストの性能結果を含むウィンドウを選択することができる。オペレータは、危険重み付けを変更することによってルートに変化を与えることができる。
【００２２】
１．２ ルート決定方法
ルートは、動的プログラミング（ＤＰ）方法を使用して計算される。ＤＰでは、コスト関数を最小限に抑える経路を見つけるようにグリッド上で探索が実施される。コスト関数は、燃料コスト、時間コスト、危険コスト、および上空通過コストを含む。全コストは、増分コストの和である。
ΔＣｏｓｔ＝ΔＣｏｓｔ_ｆｕｅｌ＋ΔＣｏｓｔ_ｔｉｍｅ＋Ｃ_ｈΔｃｏｓｔ_{ｈａｚａｒｄ}＋Δｃｏｓｔ_{ｏｖｅｒｆｌｉｇｈｔ}
以下で、コスト関数中の各項を説明する。
【００２３】
危険コスト：危険は、厳しい天候、火山灰、特別用途空域、および政治的に微妙な領域である。危険コストのすべては、同様に求めることができる。危険表現は、危険表現の斜視図を示す図３Ａに示すように３次元である。図３Ｂに、危険表現の高度を、頂部高度および底部高度を有するものとして示す。一部の危険エリアは、底部高度が地表面であり、航空機の範囲を超える頂部高度を有する。危険多角形は、図４に示すように、ある基準時間から開始して、固定の針路および速度で移動する。
【００２４】
天候コストは、厳しい天候領域を通過する危険を表す。天候危険は、対流、乱気流、および着氷に分類される。天候領域は、図５に示すように、厳しい天候領域を囲む多角形として表される。多角形は、危険な天候の実際のレーダエコーを示す白い正方形を囲む２重線として示される。一実施形態では、多角形は複数の頂点を有し、システムのオペレータによって選択され、または天候情報から自動的に生成される。
【００２５】
危険データベースは、多角形の頂点、速度、針路、領域の頂部および底部、ならびに関連する危険コストからなり、これらを図２でユーザが入力することができる。
危険コストは、特定のセルの危険コストおよびステップ中に移動した距離に依存する。危険における水平ステップの長さを決定する方法を図６Ａおよび６Ｂに示す。
【００２６】
距離を計算するために、領域が、点が反時計回り順に指定された凸多角形であると仮定する。ステップは以下の通りである。各多角形セグメントについて、ｄを決定する。
ｖ＝ｐ_ｉ×ｐ_ｉ＋１
ｄ＝ｖ・ｐ
各多角形セグメントについて、Ｐ_ｎｅｘｔ、Ｐ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}に対応するｄ_ｎｅｘｔ、ｄ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}を定義する。
【００２７】
ｄ_ｎｅｘｔ、ｄ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}＜０である場合＝＞セグメントは外側にあるので、終了する
そうではなく、ｄ_ｎｅｘｔ＜０、ｄ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}＞０である場合＝＞Ｐ_ｎｅｘｔをクリップする
そうではなく、ｄ_ｎｅｘｔ＞０、ｄ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}＜０である場合＝＞Ｐ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}をクリップする
上式で、ｐ_ｎｅｘｔに対するクリップ関数は、
【００２８】
【数１】

【００２９】
各多角形に対してルートセグメントを処理した後、多角形と元のルートセグメントの共通部分（Δｓ_１）は、
【００３０】
【数２】

【００３１】
危険コストは、危険中の距離（Δｓ_１）とステップ距離との比でスケーリングされる。
【００３２】
【数３】

【００３３】
燃料コストおよび時間コスト：燃料コストおよび時間コストは、航空機の最適巡航性能条件から決定される。２つの異なるタイプの巡航性能が存在する。危険エリアが存在しない場合、巡航コスト関数を最適化するために巡航高度および巡航速度が自由に選ばれる。危険エリアが存在する場合、巡航高度、例えば危険エリアの頂部高度または底部高度を指定することができる。したがって、２つの可能な巡航解のタイプが存在する。１）条件のない巡航：高度が自由に選ばれる、２）条件付き高度巡航：高度が指定される。
【００３４】
巡航の際には、コスト積分（Ｃ）が最小限に抑えられる。
【００３５】
【数４】

【００３６】
ＣＩは、（貨幣単位の）時間のコストと、（貨幣単位の）燃料のコストとの比である。コスト指標（ＣＩ）を増加させることにより、時間により強い強調を置くことができる。小さいアーク長ステップΔＳについて、燃料、時間、およびコスト増分は、
【００３７】
【数５】

【００３８】
伝統的に、燃料／時間コストが、単一コスト関数（ＣＦ）として組み合わされる。
ＣＦ＝（ＦＦＲ＋ＣＩ）／Ｖ
この場合、ΔＣｏｓｔ＝ＣＦΔｓ
燃料／時間巡航性能解が、航空機製造業者によって事前計算され、次いでユーザに対して、重量、コスト指数、風速、および高度の各パラメータの関数としてテーブル内に供給される。この２つのタイプの巡航モデルは、
高度制限のない巡航：高度の指定なし
【００３９】
【数６】

【００４０】
高度制限のある巡航：高度の指定あり
【００４１】
【数７】

【００４２】
航空機が自由巡航しているときは、高度制限のない解が使用される。航空機が自由巡航高度より上または下の高度で飛行することを余儀なくされるとき、高度制限のある解が使用される。上記のモデルは、フライト管理システムで使用される典型的なものである。
【００４３】
上空通過料金：一般には、上空通過料金は、重量、移動距離、およびレート（距離当たりのコスト）に依存する。上空通過料金は、国ごとに別々に計算される。一部の料金タイプは固定レートであり、重量の関数であり、重量、距離、およびレートの関数であり、以下は、使用されるいくつかの公式である。
【００４４】
公式＃１（ユーロコントロールの国々およびその他の国々）
【００４５】
【数８】

【００４６】
上式で、
Ｒ＝料金
Ｔ＝単位レート
Ｄ_ｇｅ＝飛行した大圏距離
Ｗ＝メートルトン単位の最大離陸重量（ＭＴＯＷ）
公式＃２（ＡＳＥＣＮＡの国々）
Ｒ＝単位レート×係数（表１から決定）
【００４７】
【表１】

【００４８】
距離は、実際の飛行した距離、あるいは入口点と、目的地の国の空港、すなわち出口点との間の大圏距離、あるいは起点の国の空港と、国の出口点との間の大圏距離でよい。移動した距離と大圏距離の差を図７に示す。国境は、政治的境界、ＡＴＣフライト情報領域（ＦＩＲ）、または両者の組合せである。
【００４９】
大圏距離を計算するために、国の入口点および出発点によって定義される大圏の平面上へのステップ距離（ΔＳ）の射影が使用される（図８参照）。入口点（Ｒ_ｅ）および出発点（Ｒ_ｄ）を含む平面に対する法線は、
【００５０】
【数９】

【００５１】
地球中心座標系でのｎの各成分が、ｘ軸が地球から外に向く現時点の座標系まで回転する。
ｎ^Ｒ＝Ｔ（φ，θ）ｎ^ｅ
次に、現地点Ｒ、（ｎ_１ ^―）（ｎ_１ ^―はｎ_１の頭上に^ーが付された記号を示す）での地方垂直線上へのｎの射影が、Ｒでのｎ_１ ^―の垂直成分をゼロに設定することによって求められる。
【００５２】
【数１０】

【００５３】
次いでΔＳの射影は、
【００５４】
【数１１】

【００５５】
距離因子が大圏距離であるとき、上空通過コストを計算するために軌跡の反復が必要である。最初の反復時に、実行中、距離に関して大圏距離ではなくアーク長が使用される。やはり最初の反復時に、国の入口点および出発点が、リトレース中の実行の終りに計算される。後続の反復では、先のパスからの国の入口点および出発点が、大圏距離の計算で使用される。
【００５６】
反復プロセスの収束の助けとなるように、最初の反復の後に、ルートを決定する探索の領域が、図９Ａおよび図９Ｂに示すように先のルートの周りの領域に限定される。
地点が領域内にあるかどうかを決定するのに以下の式が使用される。地球座標での入口点と出発点との間の距離は、
ΔＲ_ｐｘ＝Ｒ_ｄｘ−Ｒ_ｅｘ
ΔＲ_ｐｙ＝Ｒ_ｄｙ−Ｒ_ｅｙ
ΔＲ_ｐｚ＝Ｒ_ｄｚ−Ｒ_ｅｚ
地方垂直線座標系での相対距離は、
ΔＲ_ｘ＝ｃｏｓφｃｏｓθΔＲ_ｅｘ＋ｃｏｓφｓｉｎθΔＲ_ｅｙ＋ｓｉｎφΔＲ_ｅｚ
ΔＲ_ｙ＝ｓｉｎθΔＲ_ｅｘ＋ｃｏｓθΔＲ_ｅｙ
ΔＲ_ｚ＝−ｓｉｎφｃｏｓθΔＲ_ｅｘ−ｃｏｓφｓｉｎθΔＲ_ｅｙ＋ｃｏｓφΔＲ_ｅｚ
地方垂直線座標系と、ｙ軸が大圏に沿う座標系との間の角度は、
【００５７】
【数１２】

【００５８】
探索領域は以下によって定義される。
ｙ_ｍａｘ＝ｃｏｓφΔＲ_ｙ＋ｓｉｎΨΔＲ_ｚ＋２ｋ
ｚ_ｍａｘ＝５００ｎｍ
ｋ＝１００ｎｍ
地球座標系での入口点から測定した現相対位置の成分は、
ΔＲ_ｐｘ＝Ｒ_ｐｘ−Ｒ_ｅｘ
ΔＲ_ｐｙ＝Ｒ_ｐｙ−Ｒ_ｅｙ
ΔＲ_ｐｚ＝Ｒ_ｐｚ−Ｒ_ｅｚ
地方垂直線座標系での現相対位置（ΔＲ_ｐ）の成分は、
ΔＲ_ｐｘ＝ｃｏｓφｃｏｓθΔＲ_ｐｅｘ＋ｃｏｓφｓｉｎθΔＲ_ｐｅｙ＋ｓｉｎφΔＲ_ｐｅｚ
ΔＲ_ｐｙ＝ｓｉｎθΔＲ_ｐｅｘ＋ｃｏｓθΔＲ_ｐｅｙ
ΔＲ_ｐｚ＝−ｓｉｎφｃｏｓθΔＲ_ｐｅｘ−ｃｏｓφｓｉｎθΔＲ_ｐｅｙ＋ｃｏｓφΔＲ_ｐｅｚ
回転後座標系での現相対位置は、
ｙ＝ｃｏｓΨΔＲ_ｐｙ＋ｓｉｎΨΔＲ_ｐｚ
ｚ＝−ｓｉｎΨΔＲ_ｐｙ＋ｃｏｓΨΔＲ_ｐｚ
ｙでのｚ境界点は、
【００５９】
【数１３】

【００６０】
点（ｙ，ｚ）が探索領域内にあるかどうかを決定するのに以下の式を使用する。
if（ｚ≦ｚ_１かつｚ≧ｚ_２） ｔｈｅｎ 領域内にあり、
sf＝1.05Δｓ_ｐ／Δｓ ； if (sf≧1) sf=1 ; sf＝目盛係数
ｅｌｓｅ 領域外にあり、ｔｈｅｎ
sf＝１０
ｅｎｄ
上空通過料金計算で使用される距離は、目盛係数にステップ距離を掛けたものである。
ｄ＝sfΔＳ
したがって、領域外にいることに対して大きなペナルティがある。
【００６１】
１．２ ４次元（４Ｄ）動的プログラミングルートソルバ
以下では、４次元（緯度、経度、高度、および時間）ルートソルバを説明する。まず、３次元動的プログラミングルートソルバを説明し、次いで、複数点所要到着時間（ＲＴＡ）関数を説明する。
【００６２】
動的プログラミング（ＤＰ）方法では、コスト関数を最小限に抑えるのに３Ｄグリッド探索が実施される。ＤＰ解公式は、１組の状態遷移式と、コスト関数を最小限に抑えるための帰納式からなる。ＤＰ式の一般形は、
状態遷移
θ_ｋ＋１＝θ_ｋ＋Δθ
φ_ｋ＋１＝φ_ｋ＋Δφ
ｈ_ｋ＋１＝ｈ_ｋ＋Δｈ
帰納的コスト
【００６３】
【数１４】

【００６４】
Δφ，Δθ，Δｈ＝管理
水平軸では固定パターン探索を使用するが、垂直軸では、計算の数を低減するために適応探索を使用る。
【００６５】
計算は起点で始まり、目的地で終了する。これにより、針路および速度を使用して危険位置を時間における前方に伝播することが可能となる。重量を含む状態条件が既知であるので、起点での開始により、フライト中のルートの再計算も可能となる。
【００６６】
３次元グリッドおよびグリッドポイント間の遷移タイプを図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、および１０Ｄに示す。起点および目的地点は、図１０Ａの３次元グリッド内に含まれる。図１０Ｂでは、１１個の潜在的横方向ステップが示されている。別の実施形態では、より少数または多数の潜在的ステップを探索することができ、目的地から離れる方向であっても探索することができる。図示するように、各ステップの距離は、移動するグリッドポイントに依存する。図１０Ｃでは、ノードからの５個の異なる垂直ステップが示されている。より少ない数を探索することもできる。図１０Ｄは、水平ステップすなわち横方向ステップと垂直ステップの組合せの図形表現である。
【００６７】
ＤＰプロセスの例示を図１１および１２に示す。図１１では、水平軸でのプロセスの第１および第２ステージが示されている。この例では、各進入向首方向について、９つの出口向首方向が存在する。図１２に示すように、各水平遷移について、いくつかの垂直遷移が調査される。水平遷移と同様に、垂直遷移は所定ではなく、位置および危険セルの数に依存する。すなわち、垂直探索は、その前の状態にそれ自体を適合させる。この適応探索手法により、実行しなければならない計算の数が低減される。
【００６８】
垂直遷移高度は、重複する危険の異なる構成に対して異なる。高度割当ては、複数の危険セルに対する条件のない巡航高度の位置に依存する。まず、条件のない巡航高度の位置を見つけ、次いでその位置に応じて、他の遷移高度を、危険セルの頂部および底部に割り当てる。図１２に示すこの例では、条件のない巡航高度が、天候セルの間にある。この場合、巡航高度が高度ｈ（１）に割り当てられ、セル（１）の頂部が高度ｈ（２）に割り当てられ、セル（２）の底部がｈ（３）に割り当てられる。
【００６９】
現ステップでは、増分遷移コストが計算される。遷移コストは、燃料、時間、上空通過料金のコストと、そのステップで危険を通過する場合の危険コストとを含む。垂直遷移が天候を通過するかどうかを決定するために、２点間の危険セルの間にホールが存在するかどうかが決定される。２つの危険がある構成についてのホール計算の一例を図１３Ａおよび図１３Ｂに示す。図１３Ａに、荒天のノードから荒天でないノードへの遷移を示す。図１３Ｂに、経路が荒天を横切らない、荒天でない２点間の遷移を示す。
【００７０】
以下の論理により、ホールが存在するか否かおよびホールサイズが決定される。まず、以前の高度の周囲の空間に対する高度の上界および下界がグリッドポイントで可能され、現地点の周囲の空間に対する上界および下界も計算される。次いで、以下が計算される。
【００７１】
ａ）荒天での以前の高度（図１３Ａ参照）
ｉ＝遷移する高度（ｉ＝１，ｊ_{ｖｌｅｖｅｌｓ}）
ｈ（ｋ_０）＜ｈ_{ｕｐｐｅｒ}（ｉ）かつｈ（ｋ_０）＞ｈ_{ｌｏｗｅｒ}（ｉ）である場合、ホールが存在する
ｈｏｌｅ_ｓｉｚｅ＝ｈ_{ｕｐｐｅｒ}（ｉ）−ｈ_{ｌｏｗｅｒ}（ｉ）
ｂ）荒天でない以前の高度（図１３Ｂ参照）
ｉｆ（ｈ_{ｕｐｐｅｒ０}＜ｈ_{ｕｐｐｅｒ}（ｉ））ｔｈｅｎ
ｈｏｌｅ_ｈｉｇｈ＝ｈ_{ｕｐｐｅｒ０}
ｅｌｓｅ
ｈｏｌｅ_ｈｉｇｈ＝ｈ_{ｕｐｐｅｒ}（ｉ）
ｅｎｄｉｆ
ｉｆ（ｈ_{ｌｏｗｅｒ０}＜ｈ_{ｌｏｗｅｒ}（ｉ））ｔｈｅｎ
ｈｏｌｅ_ｌｏｗ＝ｈ_{ｌｏｗｅｒ０}
ｅｌｓｅ
ｈｏｌｅ_ｌｏｗ＝ｈ_{ｌｏｗｅｒ}（ｉ）
ｅｎｄｉｆ
ｈｏｌｅ_ｓｉｚｅ＝ｈ_ｈｉｇｈ−ｈ_ｌｏｗ
ｃ）ホールの存在
ｈｏｌｅ_ｓｉｚｅ＞１０００ｆｔ．（３０４．８メートル）である場合、ホールが存在する
ホールが存在する場合、遷移は荒天を通過しない。その場合遷移コストは、
ΔＣ＝（Δfuel＋CIΔｔ）ｈ_free ；非制限巡航へ移行し且つ危険に遭遇しない場合
ΔＣ＝（Δfuel＋CIΔｔ）ｈ_free＋Δ_hazard ; 非制限巡航へ移行し且つ危険に遭遇する場合
ΔＣ＝（Δfuel＋CIΔｔ）ｈ_specified ; 制限巡航へ移行し且つ危険に遭遇しない場合
ΔＣ＝（Δfuel＋CIΔｔ）ｈ_specified ＋Δ_hazard ; 制限巡航へ移行し且つ危険に遭遇する場合
最後に、合計累積コストをコスト再帰公式
Ｃ（ｉ_ｐ，ｊ_ｐ，ｋ_ｐ）＝Ｃ（ｉ_０，ｊ_０，ｋ_０）＋ΔＣ
から計算する。
【００７２】
先に地点に達した場合、以前のコストを現コストと比較する。合計現コストがノードに格納された合計コストよりも低い場合、その新しいコスト、進入方向、高度、重量、時間、ｈ_{ｕｐｐｅｒ}、ｈ_{ｌｏｗｅｒ}がグリッド位置ｉ_ｐ，ｊ_ｐ，ｋ_ｐに格納される。遷移高度に対応する高度グリッドポイント位置（ｋ_ｐ）は、
ｋ_p＝整数（ｈ（ｋ_ｖ）／Δｈ＋．５）
上式で、
ｋ_ｖ＝垂直遷移数（図１２の例示ではｋ_ｖ＝１，３）
各グリッド点に格納される量は、
Ｃ（ｉ_ｐ，ｊ_ｐ，ｋ_ｐ）＝Ｃ（ｉ_０，ｊ_０，ｋ_０）＋ΔＣ
ｈｏｒ＿ｅｎｔｒｙ（ｉ_ｐ，ｊ_ｐ，ｋ_ｐ）＝ｅｎｔｒｙ＿ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
ｖｅｒｔ＿ｅｎｔｒｙ_{ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ}（ｉ_ｐ，ｊ_ｐ，ｋ_ｐ）＝ｋ_ｐ−ｋ_０
ｗｅｉｇｈｔ（ｉ_ｐ，ｊ_ｐ，ｋ_ｐ）＝ｗｅｉｇｈｔ（ｉ_０，ｊ_０，ｋ_０）−Δｗ
ｔｉｍｅ（ｉ_ｐ，ｊ_ｐ，ｋ_ｐ）＝ｔｉｍｅ（ｉ_０，ｊ_０，ｋ_０）−Δｔ
ｈ（ｉ_ｐ，ｊ_ｐ，ｋ_ｐ）＝ｈ（ｋ_ｖ）
ｈ_{ｕｐｐｅｒ}（ｉ_ｐ，ｊ_ｐ，ｋ_ｐ）＝ｈ_{ｕｐｐｅｒ}（ｋ_ｖ）
ｈ_{ｌｏｗｅｒ}（ｉ_ｐ，ｊ_ｐ，ｋ_ｐ）＝ｈ_{ｌｏｗｅｒ}（ｋ_ｖ）
高度グリッドがいくつかの離散的レベルに量子化される場合であっても、実際の高度（例えば条件なし巡航高度）が離散的位置に格納され、取り出すことができるので、それがより正確にわかることに留意されたい。
【００７３】
複数のＲＴＡ（所要到着時間）関数が、軌跡に沿う複数の地点での到着時間に適合する軌跡を計画する。複数のＲＴＡの手法は、順次式の手法である。まず、第１の都市での到着時間に適合する軌跡を計算する。次に、後続の各都市または位置への到着時間に適合する軌跡を決定する。各地点でのＲＴＡが、現地点と次の地点の間の軌跡反復によって達成される。最初の反復時に、コスト指標を選択する。第１軌跡を計算した後、到着時間誤差を計算し、コスト指標を到着時間誤差と共に変更し、軌跡を再計算する。
【００７４】
ＣＩ_ｉ＋１＝ＣＩ_ｉ＋ＫΔＴ_ｉ
次の地点での所望の到着時間を達成した後、後続の各地点についてプロセスを反復する。次のシーケンスの開始に関する重量および時間の初期条件は、先のプロセスの終了時の重量および時間である。順次データを合計し、燃料使用料および平均速度を決定する。
【００７５】
ＲＴＡウィンドウ関数は、最も早い可能な到着時間および最も遅い可能な到着時間を決定する。最も早い到着時間は、ＣＩ＝ＣＩ_ｍａｘに設定することによって求められる。最も遅い到着時間は、ＣＩを最大航続時間値（ＣＩ_ｍｉｎ）に設定することによって求められる。この設定でフライトを計算し、次いで、残りの燃料が予備レベルに達するまでフライトの延長をシミュレーションする。この延長巡航により、待機経路または別のルート延長操作で使用される燃料および時間が推定される。
【００７６】
結論
このルートソルバは、航空便の運航管理者またはパイロットがルートを計画する助けとなる。一般には、フライトを計画するとき、パイロットまたは運航管理者は、燃料、時間、および上空通過料金を最小限に抑え、厳しい天候（対流、乱気流、および着氷）、特別用途空域、火山灰、環境的および政治的に微妙な領域などの危険領域を回避することを望む。ルート決定問題を図１４に示す。燃料／時間性能を最良にするために、最良のルートは、風プロファイルをたどることができ、危険領域の周囲、上、または下を飛行することができる。
【００７７】
以下の様々な目標のうち１つまたは複数を満たすルートが発見される。
・燃料を最小限に抑える
・時間または時間ウィンドウを満たし、またはフライト時間を最小限に抑える
・厳しい天候の領域を回避する
・特別用途空域、火山灰、環境的に微妙な領域などの他の危険領域を回避する
・政治的に微妙な領域を回避する
・非常時にフライトを最も近い空港または望ましい空港にルート変更する
コスト関数に危険コストを含めることにより、危険範囲が探索エリア全体にわたる場合であっても解が保証される。起点から開始し、目的地まで進むことにより、危険位置を時間的に前方に射影することができ、より良好な解が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】ルートオプティマイザのブロック図である。
【図２】図１のルートオプティマイザに関するユーザインターフェースのコンピュータスクリーンショットである。
【図３Ａ】頂部高度および底部高度を有する多角形によって表される危険な天候の３次元表現を示すプロットである。
【図３Ｂ】図３Ａの多角形の頂部高度および底部高度を示すプロットである。
【図４】針路および方向を有する天候を示すプロットである。
【図５】多角形境界で定義された危険領域を示すＮＣＡＲグレーデッドデータのコンピュータスクリーンショットである。
【図６Ａ】危険エリア内の水平ステップの長さを決定する方法の３次元グラフ表現である。
【図６Ｂ】危険エリア内の水平ステップの長さを決定する方法の２次元グラフ表現である。
【図７】入口点および出口点を有する国境を超えるフライト経路の表現である。
【図８】大圏平面上のステップ距離の射影である。
【図９Ａ】軌跡反復に関する収束領域のグラフ表現である。
【図９Ｂ】軌跡反復に関する収束領域のグラフ表現である。
【図１０Ａ】ルートオプティマイザによって使用されるノードの３次元グリッドの表現である。
【図１０Ｂ】所与のノードから調査すべき横方向ステップのグラフ表現である。
【図１０Ｃ】所与のノードから調査すべき垂直ステップのグラフ表現である。
【図１０Ｄ】所与のノードから調査すべき合成横方向／垂直ステップのグラフ表現である。
【図１１】横方向経路を決定するのに使用される反復的プロセスのグラフ表現である。
【図１２】荒天を通る様々なタイプの遷移のグラフ表現である。
【図１３Ａ】荒天の高度からの遷移のグラフ表現である。
【図１３Ｂ】荒天でない高度からの遷移のグラフ表現である。
【図１４】危険、国上空通過料金、およびウインドフィールドを示すルート計画に対する幾何形状の３次元表現である。

Claims (26)

1. 起点から開始し、前記起点から実現可能な各セグメントの終点までの複数の実現可能なセグメントを決定するステップと、
   危険エリアの３次元表現の関数に応じて高度を変更するステップと、
   前記ノードから別のセグメントを反復的に決定し、前記起点と前記目的地との間の複数のセグメント経路を作成するステップと、
   最小コストを有する、前記起点と目的地との間のセグメント経路を決定するステップと、
   を含む起点と目的地の間のルートを決定する方法。
2. 危険エリアは、横方向平面および高さ内の頂点を有する多角形によって表される、請求項１に記載の方法。
3. 前記危険エリアは、異なる高さを有する複数の多角形によって表される請求項１に記載の方法。
4. 前記危険エリアは速度ベクトルと関連付けられる、請求項２に記載の方法。
5. 前記危険エリアは、天候の危険、火山灰、特殊用途空域、および政治的に微妙な領域からなるグループから選択される、請求項１に記載の方法。
6. 前記危険エリアは、前記セグメント経路の決定中に速度ベクトルに従って移動する、請求項１に記載の方法。
7. 起点ノードを受け取るステップと、
   前記起点ノードから隔てて位置する目的地ノードを受け取るステップと、
   前記起点ノード、前記目的地ノード、および複数のルートノードを含むグリッドを作成するステップと、
   前記目的地ノードおよび前記複数のルートノードへ遷移するコストを決定するステップと、
   ３次元危険エリアに応じて前記高度を変更するステップと、
   前記複数のルートノードからノードのサブセットを選択するステップと、を含み、
   前記各ノードは複数の高度を有し、前記ノードのサブセットは、前記起点ノードから前記目的地ノードへの遷移の最小合計コストを有する、
   ルートを決定する方法。
8. 前記起点ノードを受け取るステップは、グローバル座標で表現された起点ノードを受け取るステップを含み、前記目的地ノードを受け取るステップは、グローバル座標で表現された目的地ノードを受け取るステップを含み、
   前記起点ノードの前記グローバル座標を、前記起点が赤道上となる座標系に変換するステップと、
   前記目的地ノードの前記グローバル座標を、前記目的地が赤道上となる座標系に変換するステップとをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記コストを決定するステップは、燃料に関する因子を含むコスト関数を評価するステップを含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記遷移するコストを決定するステップは、時間、上空通過料金、および危険コストのグループから選択された因子を含むコスト関数を評価するステップを含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記複数のルートノードからノードのサブセットを選択するステップは、各ノードから複数の後続ノードそれぞれに遷移するコストを反復的に計算するステップを含む、請求項７に記載の方法。
12. 起点ノードを受信するステップと、
    前記起点ノードから離れた目的地ノードを受け取るステップと、
    前記起点ノードからそれぞれ始まり、前記目的地ノードで終了し、１つまたは複数の中間ノードを横切る複数の経路を定義するステップと、
    横方向次元および垂直次元で定義される危険に応答して、様々な高度で別の中間ノードを定義するステップと、
    様々な高度で定義される前記中間ノードを使用する別の経路定義するステップと、
    前記複数の経路それぞれを横切ることに関連するコストを決定するステップと、
    所定のコスト関数を満たす経路を選択するステップと、
    を含む横方向ルートおよび垂直ルートを選択する方法。
13. 前記複数の経路を定義するステップは、複数の中間ノードを定義するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記所定のコスト関数を満たす経路を選択するステップは、前記目的地ノードに到着する最小コストを有する経路を選択するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記所定のコスト関数を満たす経路を選択するステップは、前記目的地ノードへの所要到着時間を満たす経路を選択するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記所定のコスト関数を満たす経路を選択するステップが、前記目的地ノードへの所要到着時間を満たす経路を選択するステップを含み、前記所要到着時間の達成が、前記コスト関数を反復的に調節するステップを含む請求項１２に記載の方法。
17. ビークルがルートに沿って移動するときの変数を考慮したビークルに関して起点と目的地の間のルートを決定する方法であって、
    前記起点および目的地を包含する３次元グリッドで複数のノードを確立するステップと、
    前記起点ノードから開始し、前記ビークルを前記起点ノードに近接する複数のノードに移動するコストを決定するステップと、
    前記複数のノードから、別の複数のノードに移動する遷移コストを前記変数の関数として求めるステップと、
    ３次元危険エリアに応答して高度を変更するステップと、
    前記ノードからの別のコストを反復的に求め、前記起点と前記目的地との間の複数のルートを作成するステップと、
    を含む方法。
18. 前記起点から前記各ノードへの合計コストを追跡するステップをさらに含み、前記ノードについてのコストは前のノードから決定される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記ノードに到達する合計コストが前記ノードに到達する前の合計コストよりも小さい場合にのみ、先に到達したノードから別のノードに移動するコストの決定を反復するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 起点から開始し、実現可能な各セグメントの終点までの複数の実現可能なセグメントを決定する手段と、
    危険エリアの３次元表現に応じて高度を変更する手段と、
    前記ノードから別のセグメントを反復的に求め、前記起点と前記目的地との間の複数のセグメント経路を作成する手段と、
    最小コストを有する、前記起点と目的地との間のセグメント経路を決定する手段と、
    を含む起点と目的地の間のルートを決定するシステム。
21. 危険エリアは、横方向平面および高さ内の頂点を有する多角形によって表される、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記危険エリアは、異なる高さを有する複数の多角形によって表される請求項２１に記載のシステム。
23. 前記危険エリアは速度ベクトルと関連付けられる、請求項２１に記載のシステム。
24. 前記危険エリアは、天候の危険、火山灰、特殊用途空域、および政治的に微妙な領域からなるグループから選択される、請求項２０に記載のシステム。
25. 前記危険エリアは、前記セグメント経路の決定中に速度ベクトルに従って移動する、請求項２０に記載のシステム。
26. 再帰的アルゴリズムを実装して水平経路を決定するモジュールと、
    適応アルゴリズムを実装して、頂部高度および底部高度を有する水平多角形によって表される危険エリアに基づいて調節される垂直経路を決定するモジュールと、
    を備えるルートプランナ。

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