JP2015142378A - 信号の通信方法および通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】 航空機の健全性の監視のための磁気無線地上データリンクを提供する。【解決手段】 信号通信のシステムおよび方法が開示される。地上ベースコイルによって規定された選択された領域内に航空機ベースのコイルが来るように、航空機を移動させる。航空機ベースのコイルおよび地上ベースコイルのうちの１つの内部において電流を変調して、領域中に磁界を発生させる。発生した磁界に応答して航空機ベースのコイルおよび地上ベースコイルのうち他方の内部に発生した電流を測定して、信号を通信させる。【選択図】図１

Description

本開示は、航空機通信に関し、より詳細には、地上の航空機と地上ベース位置との間の無線通信のシステムおよび方法に関する。

航空機は、摩耗および破断、負荷条件などの推定を確立するためのセンサーを一般的に備えているため、先行的メンテナンスが可能となっている。このデータは、航空機の着地後のさらなる分析および処理のために、地上ベースコンピュータへダウンロードされる。

航空機データのダウンロードのための現行の技術は、約２．４ギガヘルツ（ＧＨｚ）の周波数帯域中の無線通信および商用通信周波数（例えば、Ｇｒｏｕｐｅ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｏｂｉｌｅ（ＧＳＭ）または符号分割多重アクセス方式（ＣＤＭＡ）標準）を含み得る。しかし、これらの周波数帯域は、エアライン乗客が使用するデバイス（例えば、モバイルラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、スマートフォン）によっても使用される割合が増えてきている。そのため、航空機データ通信は、これらの乗客のデバイスと帯域幅において競合する。さらに、センサーコストの低減と、コンピューティング能力の増加とに起因して、各航空機のフライト毎のデータ取得量の桁違いの増加が発生しており、その結果、より大量の帯域幅が必要になっている。

本開示の一実施形態によれば、信号の通信方法は、航空機ベースのコイルが地上ベースコイルによって規定された選択された領域内に収まるように航空機を移動させることと、航空機ベースのコイルおよび地上ベースコイルのうちの１つにおける電流を変調して、領域中に磁界を発生させることと、発生した磁界に応じて、航空機ベースのコイルおよび地上ベースコイルのうち他方に発生した電流を測定することにより、信号を通信することとを含む。

本開示の別の実施形態によれば、通信システムは、地上ベースコイルと、地上ベースコイルにおける磁界を生成および測定して信号を通信するように構成された地上ベーストランシーバと、地上ベースコイルに対して移動可能な航空機と、航空機上において搬送される、航空機ベースのコイルと、航空機上において搬送されるトランシーバであって、航空機ベースのコイルにおける磁界を生成および測定して信号を通信するように構成される、トランシーバとを含む。

さらなる特徴および利点は、本開示の技術を通じて実現される。本開示の他の実施形態および態様が、本明細書において詳述され、請求される開示の一部とみなされる。本開示の利点および特徴のより深い理解のために、記載および図面を参照されたい。

本開示とみなされる内容は、本明細書中の末尾に記載される特許請求の範囲中に詳細かつ別個に記載される。本開示の上記および他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付図面と共に参照すれば明らかである。

地上位置にある航空機と、地上ベースユニットとの間の例示的な通信システムを示す図。 コミューター型航空機と共に用いられる通信システムの別の実施形態を示す図。 航空機がヘリコプターである通信システムのさらに別の実施形態を示す図。 図１〜図３に示す例示的通信システムと共に用いることが可能な信号通信プロトコルを示す図。 本開示の通信方法を示すフローチャート。

図１は、地上位置にある航空機１０２と地上ベースユニット１１８との間の通信を可能にする通信システム１００の一例である。航空機１０２は、任意の形態の航空機（例えば、旅客機、コミューター航空機、ヘリコプター）であり得る。図示のように、トランシーバ１０４は航空機ベースのコイル１０６に接続され、トランシーバ１０４および航空機ベースのコイル１０６はどちらとも、航空機１０２上に配置される。航空機ベースのコイル１０６は、一実施形態において磁気ループアンテナであり得る。トランシーバ１０４は、航空機内に配置された１つ以上のセンサー１０８へ接続され得る。センサー１０８は、航空機内の多様な位置に配置され得、航空機の健全性に関するデータ、飛行時における航空機への力に関するデータ、または地上クルー、飛行機設計者などにとって興味深い可能性のある他のデータなどを入手するように構成され得る。入手されたデータは、センサー１０８からトランシーバ１０４へ送ってもよいし、あるいは航空機１０２上の記憶装置デバイス１０３へ送ってもよい。１つの動作モード（送信モード）において、トランシーバ１０４は、航空機ベースのコイル１０６中の電流を生成または変調して、磁界を生成することができる。コイルの変調は、生成された磁界中の信号を符号化するように、選択され得る。符号化された信号は、センサー１０８において入手されたデータに関連し得る。別の動作モード（受信モード）において、トランシーバ１０４は、磁界変調に応じて、コイル１０６中に発生した電流を測定または監視し得る。

システム１００は、地上ベースコイル１１６へ接続された地上ベーストランシーバ１１４をさらに含む。地上ベースコイル１１６は、一実施形態において磁気ループアンテナであり得る。航空機１０２のトランシーバと同様に、送信動作モードにおいて、トランシーバ１１４は、地上ベースコイル１１６中の電流を生成または変調して磁界を生成することができる。受信動作モードにおいて、地上ベーストランシーバ１１４は、磁界変調に応じて、航空機ベースのコイル１０６中に発生した電流を測定または監視することができる。トランシーバ１０４を送信モードで動作させかつ地上ベーストランシーバ１１４を受信モードで動作させることにより、データを航空機１０２から適切な地上ベースユニット１１８（例えば、地上ベース制御ユニット、プロセッサまたはデータベース）へ送ることができる。トランシーバ１０４を受信器モードで動作させかつ地上ベーストランシーバ１１４を送信モードで動作させることにより、データを地上ベースユニット１１８から航空機１０２へ送ることができる。

多様な実施形態において、地上ベースコイル１１６は、数メートルの直径であり得るか、または、旅客機のコックピットエリアまたは小型航空機（例えば、コミューター型固定ウイングジェットまたはヘリコプター）がまたがる領域を実質的に包含するくらいの大きな断面積を持ち得る。地上ベースコイル１１６は、その法線が地面または航空機表面に対して垂直となるように地面に沿って平坦に配置され得る。よって、航空機は、地面に沿って地上ベースコイル１１６の位置へ地上走行し、航空機ベースのコイル１０６を地上ベースコイル１１６の内部または上部に配置して、航空機１０２と地上ベースユニット１１８との間に通信リンクを確立することができる。換言すれば、航空機ベースのコイル１０６は、地上ベースコイル１１６において発生する磁界によって規定または影響される領域内へ移動され得る。航空機は、地上ベースコイル１１６から離れる方向に地上走行することにより、通信リンクを切断し得る。航空機ベースのコイル１０６が地上ベースコイル１１６の上方に配置されると、地上ベースコイル１１６において発生した磁界を航空機１０２の航空機ベースのコイル１０６によって検出することができ、航空機ベースのコイル１０６において発生した磁界を地上ベースコイル１０６において検出することができる。コックピット中のアナンシエーターは、航空機１０２が地上ベースコイル１１６の受容可能な範囲内にある旨をパイロットに通知し得る。また、航空機１０２を誘導する地上クルーは、視覚アライメントマークまたは肯定的電気インジケータ（例えば、音または光）を用いて、航空機１０２が無線通信のために適切に配置されていることを確認することができる。多様な実施形態において、地上ベースコイル１１６は、ハンガー位置、航空機搭乗位置、航空機除氷ステーション、航空機の静止位置、または地上の他の適切な位置に配置され得る。地上ベースコイル１１６は、地上表面下に埋設してもよいし、あるいは地上表面上に配置してもよく、航空機１０２の近隣に配置され得る。他のこのような位置を挙げると、可動ゲートウェイ、地上作業車または給油車上への地上ベースコイル１１６の取り付けがある。

図１に示す例示的な例において、航空機１０２は、旅客機（例えば、ボーイング７４７、７５７、７６７、７７７、７８７、エアバスＡ３８０）である。航空機ベースのコイル１０６は、航空機１０２のコックピット位置の下側に配置され得る。地上ベースコイル１１６は、搭乗作業時にコックピットが配置され得る搭乗エリアに配置される。従って、乗客の航空機１０２の乗降時において情報を通信することができる。

図２は、コミューター型航空機２０２と共に用いられる通信システムの別の実施形態を示す。地上ベースコイル２１６の直径は、航空機２０２の長さまたは幅とほぼ同じである。図３は、航空機がヘリコプターである通信システムのさらに別の実施形態である。図２と同様に、地上ベースコイルの直径は、ヘリコプターの長さとほぼ同じである。

図４に示す信号通信プロトコルは、図１〜図３に示す例示的通信システムと共に用いられ得る。多数の航空機（例えば、旅客機）の場合、航空機は指定された長さの時間にわたって地上にとどまった後、次の目的地へと飛び立つ。加えて、航空機は、例えば乗降作業時においては短時間だけ地上で静止する場合もある。そのため、通信システム１００は、通信システム１００のデータの全てまたは大部分をこのような時間の間に航空機から地上ベースユニットへと転送する。そのため、本開示は、パルス幅変調を振幅変調と組み合わせて、複数のビット／ボーの所望の性能を達成する。向上した回路技術などを介して、このシステムの達成可能な効率（本明細書中、パルス振幅幅システム（Pulse Amplitude Width System）またはＰＡＷＳと呼ぶ）を増加させることができる。

図４は、選択された通信効率を達成するためにＰＡＷＳプロトコルにおいて用いられる例示的パルス特性のマトリックスを示す。一実施形態において、選択された通信効率は約２ビット／ボーである。信号パルス持続時間を横軸に沿って示し、信号の大きさを縦軸に沿って示す。信号は、大きさおよび持続時間の両方によって特徴付けられるパルスを含み得る。このパルス持続時間は、２つの持続時間（例えば、１ミリ秒および２ミリ秒）のうちの１つであり得、パルス振幅は、２つの値（例えば、０．５ボルトおよび１．０ボルト）のうちの１つであり得る。これらの多様なパルス特性の多様な組み合わせにより、４つの異なる状態が生成されるため、これらの状態を用いてバイナリビット対を表現することができる。例えば、ビット対「００」は、大きさ０．５Ｖおよび持続時間１ミリ秒のパルスを用いて送信することができる。図４に示す表において、各ビット対のパルス特性を示す。

図５に示すフローチャート５００は、本開示の通信方法を示す。ブロック５０２において、航空機が地上ベースコイルの位置へと地上走行して、地上ベースコイルにおいて発生する磁界による影響を受ける領域内に航空機ベースのコイルが入る。ブロック５０４において、航空機ベースのコイルにおいて電流が変調されて、磁界が生成される。航空機から地上ベースユニットへのデータ転送のための通信プロトコル（例えば、図４に示すプロトコル）に従って、電流が変調される。ブロック５０６において、航空機ベースのコイルにおいて発生した磁界により、電流が地上ベースコイル中に発生し、この地上ベースコイル中の電流が測定されて、航空機からデータが読み出される。ブロック５０８において、読み出されたデータがさらなる処理およびレビューのために地上ベースユニットへ送られる。なお、地上ベースコイル中に磁界を生成し、生成された磁界に応じて航空機ベースのコイル中の電流を読み出すことにより、地上ベースユニットから航空機への通信を行うこともできる。

よって、本開示によれば、磁界無線周波数（ＲＦ）信号を用いることにより、航空機中に保存されたデータの地上ベースユニットへの無線転送が可能となる。磁界無線周波数通信を用いた場合、電界ＲＦ通信を用いた場合よりもいくつかの利点が得られる。例えば、磁界ＲＦ通信の減衰は約６０デシベル／ディケード（ｄＢ／ディケード）であるのに対し、電界ＲＦ通信は２０ｄＢ／ディケードである。そのため、磁界ＲＦ通信は、電界ＲＦ通信よりもジャミング技術に対する耐性が高い。また、磁界ＲＦ通信はより安全であり、盗聴にも強い。例えば、磁界がより高速に減衰するため、本技術を用いれば、地上ベースコイルからの距離が３メートルを超えた場合、信号は検出閾値を下回る場合が多い。さらに、磁界ＲＦ信号は、現行の電界ＲＦ信号と同じ周波数帯域を共有しない。そのため、商用通信を実質的に磁界通信と同時に行うことができ、タブレットコンピュータ、ラップトップ、スマートフォンなどの帯域幅との干渉も低い。さらに、磁界ＲＦ信号の減衰率により、単一の航空機とのデータ通信が隣接する航空機とのデータ通信と干渉することが無くなる。よって、（各コイルがコミューター航空機のために割り当てられた駐機領域に設けられているかまたは大型ハブ空港における旅客機用搭乗エリアに設けられている）高密度に配置された複数の地上ベースコイルを用いて、高密度に駐機している複数の航空機のための通信システムを確立することができる。

本明細書中において用いられる用語は、ひとえに特定の実施形態の記述目的のためのものであり、本開示を制限することを意図していない。本明細書中において用いられる単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、他に文脈から明らかでない限り、複数形も含むことを意図している。「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」および／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」（備える）という用語が本明細書中において用いられる場合、記載の特徴、完全体、ステップ、動作、要素および／またはコンポーネントの存在を意味するが、別の１つの特徴、完全体、ステップ、動作、要素コンポーネントおよび／またはその群の存在または追加を排除しないことは当然である。

以下の特許請求の範囲中の全ての手段またはステップおよび機能要素の対応する構造、材料、行為および均等物は、他の特許請求の範囲に具体的に記載された要素と共に機能を行うための任意の構造、材料または行為を含むことが意図される。本開示の記載は、例示および説明の目的のために提示したが、この記載は網羅的なものではなく、本開示を開示の形態に限定することも意図しない。当業者であれば、本開示の範囲および意図から逸脱することなく多数の改変例および変更例を想起する。実施形態は、本開示の原理および実際的な適用を深く説明するためと、企図される特定の用途に適した多様な改変例を含む多様な実施形態のための本開示を当業者が理解できるようにするために、選択および記述した。

本開示の例示的な実施形態について述べてきたが、当業者であれば、現在および今後において以下の特許請求の範囲内に属する多様な向上および改善が可能であることは当然である。これらの特許請求の範囲は、最初に記載された本開示の適切な保護を維持するように解釈されるべきである。

１００…通信システム
１０２…航空機
１０３…記憶装置デバイス
１０４…トランシーバ
１０６…航空機ベースのコイル
１０８…センサー
１１４…地上ベーストランシーバ
１１６…地上ベースコイル
１１８…地上ベースユニット

Claims (15)

1. 信号の通信方法であって、
   地上ベースコイルによって規定された選択された領域内に航空機ベースのコイルがあることを確認することと、
   前記航空機ベースのコイルおよび前記地上ベースコイルのうちの１つの内部の電流を変調して前記領域内に磁界を生成することと、
   前記生成された磁界に応答して前記航空機ベースのコイルおよび前記地上ベースコイルのうち他方の内部に発生した電流を測定することにより、前記信号を通信することと、
   を備えた、方法。
2. 前記地上ベースコイルは、水平方向に配置されたコイルであり、前記航空機の着陸面に対して実質的に垂直な垂線を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記地上ベースコイルは、（ｉ）地上表面の下側、（ｉｉ）地上表面上、（ｉｉｉ）ハンガー位置、（ｉｖ）航空機の搭乗位置、（ｖ）航空機用除氷ステーション、および（ａ）前記航空機の静止位置のうちの１つに配置される、請求項１に記載の方法。
4. パルス振幅幅変調システムを用いて前記電流を変調して、前記領域内に前記磁界を発生させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記パルス振幅幅変調システムを用いて複数のビット／ボー転送速度を得ることをさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記信号が、前記航空機の飛行時に前記航空機のセンサーにおいて得られたデータをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記航空機において発生する電界通信と実質的に同時に前記信号を通信することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記選択された領域は、前記地上ベースコイル中の電流の変調を介して発生した前記磁界による影響を受ける領域である、請求項１に記載の方法。
9. 通信システムであって、
   地上ベースコイルと、
   前記地上ベースコイルにおける磁界を生成および測定して信号を通信するように構成された地上ベーストランシーバと、
   航空機上において搬送される、航空機ベースのコイルと、
   前記航空機上において搬送されるトランシーバであって、前記航空機ベースのコイルにおける磁界を生成および測定して前記信号を通信するように構成される、トランシーバと、
   を備えた、システム。
10. 前記地上ベースコイルは、水平方向に配置されたコイルであり、前記航空機の着陸面に対して実質的に垂直な垂線を有する、請求項９に記載のシステム。
11. 前記地上ベースコイルは、（ｉ）地上表面の下側、（ｉｉ）地上表面上、（ｉｉｉ）ハンガー位置、（ｉｖ）航空機の搭乗位置、（ｖ）航空機用除氷ステーション、および（ａ）前記航空機の静止位置のうち１つに配置される、請求項９に記載のシステム。
12. 前記地上ベーストランシーバおよび前記航空機上において搬送される前記トランシーバのうち少なくとも１つは、パルス振幅幅変調システムを用いて前記領域内に前記磁界を生成するように構成される、請求項９に記載のシステム。
13. 前記信号の通信は、前記航空機において発生する電界通信と実質的に同時に発生する、請求項９に記載のシステム。
14. 前記航空機をさらに含む、請求項９に記載のシステム。
15. 前記航空機は、前記地上ベースコイルの磁界による影響を受ける領域へと移動されて、前記航空機によって搬送される前記トランシーバと、前記地上ベーストランシーバとの間に通信リンクが確立される、請求項１４に記載のシステム。