JP3816393B2

JP3816393B2 - 通常の状況及び特殊な状況における輸送用乗物の全地球的自動監視システム

Info

Publication number: JP3816393B2
Application number: JP2001569508A
Authority: JP
Inventors: ジョセフ・ミロノヴィッチ・アインビンダー
Original assignee: ジョセフ・ミロノヴィッチ・アインビンダー
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2001-02-07
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2021-02-07
Also published as: AU3784101A; JP2003528381A; WO2001071373A1; US20020158802A1; US6597313B2; RU2158003C1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線手段の補助を備えた輸送乗物（ＴＶ）の追跡に関するものであり、さらには、空中や地上や海中でのＴＶの現在の座標を正確な値によって、標準的な（通常の）動作条件（“監視”モード）にリアルタイムで自動的に正しく監視したり、及び特殊な条件（非常時や大災害やハイジャック等）が発生した（“非常”モード）場所の座標の正確な値に対して即時に警告を与えたりことによって、ＴＶの運行の安全性を高めるための衛星システムの使用に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在では、これらの二つのの問題の各々（“監視”と“非常”）は、二つの独立した衛星システムの枠の中で扱われており、それぞれには、基本的な機器（衛星や地上データ収集センターであるＤＣＣ）と、空中や海や川の上や陸上のＴＶ上に載せられた数多くの数万組の搭載機器（非常位置指示無線標識−ＥＰＩＲＢ）のユニットとの両方を含んだそれぞれの機器の独立した複合体を持っている。
【０００３】
国際的なシステムであるＣＯＭＰＡＳＳ−ＳＲＡＳＡＴは、操作上で特殊化された、非常位置を探すための唯一の独立衛星システムであり、それゆえに、総合的な問題をある観点で解決するための雛型として選ばれた。このシステムは、ＥＰＩＲＢと共に備えられるべきものとしてＴＶに対して提供される。手動あるいは自動による起動時には、これらのＥＰＩＲＢは、特別に割り当てられた“空間非常周波数”である４０６．０２５ＭＨｚで災害呼び出しを放射する。６基の低軌道地球衛星（ＬＯＥＳ）が、これらの信号を地上に再送信するのに使用される（１９９８年ＭＣＴＩ，Ｍｏｓｃｏｗ，Ｌ．Ｍ．Ｎｅｖｄｙａｅｖ著“ＭｏｂｉｌｅＳａｔｅｌｌｉｔｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ”４１−４４頁を参照）[１]。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、災害地域でＬＯＥＳが、現れるまでの待ち時間は１.５時間を越えることもある。信号を発しているＥＰＩＲＢの位置（３０００ｍまでの正確さで）は、周波数が“ドップラー偏移”によってＬＯＥＳ搭載プロセッサによって評価され、この処理は初期の遅れに１０−１５分まで加算する。そのような時間のかかる検索（原則として、海や陸の災害に耐えられる）では、基本的に、瞬間的な航空機の墜落（５−５０秒）の位置を探すのにはこのシステムを使えないことになる。
【０００５】
以下のものは、航空機が墜落して破壊された後でＥＰＩＲＢに手を付けずにおくことで、上記のシステムの枠内で、この問題を克服しようとする試みである。
【０００６】
−大災害が起こる前にＥＰＩＲＢを放出し、パラシュートによって静かに着陸させる。この欠点は、大災害の場所の正確な位置に対する確度と信頼性が急激に下がり、ＥＰＩＲＢの費用が非常に増大することである。
【０００７】
−航空機の期待の外部表面上に非常に耐久性のあるＥＰＩＲＢ（すなわち航空機が地面に衝突しても残存することのできるＥＰＩＲＢ）を固定する。この方法も成功しない。
【０００８】
この総合的な問題の第２の重要な点である“監視”は、追跡レーダーのネットワークによって（航空機に関しては）部分的に解決され、その構造と動作は、また設置継電無線局のネットワークと大洋を包囲する海洋衛星システムＩＮＭＡＲＳＡＴ（[１]の６９頁、参照）の無線チャネル賃貸料によっても、やや費用がかかる。より良いものがないために、この解決法が総合的な問題の第２の点を解決する雛型として使われた。中継無線局の分岐した地上ネットワークの構成と動作の価格が非常に高いことや、この解決法を複雑さと費用の点で追跡レーダーのシステムと互換性を持たせる無線チャネルＩＮＭＡＲＳＡＴを使用することによる高い使用料とを、この雛型の欠点に帰するべきである。その上、赤道の緯度上に置かれるＩＮＭＡＲＳＡＴ静止衛星（ＧＳＥＳ）は、亜熱帯を航行する空中あるいは水上の乗物と確実に接続することはできない（直接の映像線は無く、無線波が地球をこのシステムの動作周波数１５００ＭＨｚで“曲がる”ことの効果は明らかにされていない）。
【０００９】
本願の特許請求の範囲は、途中のＴＶを自動的に監視する（ＴＶ追跡）ことと、ＴＶが大災害に遭っている場所を突き止める問題をまとめて解決することを目的としている。提案されている解決法は、すべての種類のＴＶに適用できるが、この問題は特に航空機の分野において重要であるので、この適用は航空機に関して実際的に解決することを考えたい。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、短時間の（ほとんど即時の）航空機事故（大災害）を扱うのに、航空機の破壊後ＥＰＩＲＢを取っておくという（既知の手段では）事実上解くことのできない問題を解決する必要が無くなる新しい方法を提供する。本発明は、ＥＰＩＲＢそれ自体だけでなく、航空機墜落場所の正確な位置のデータを保存することを提供し、そのデータをＥＰＩＲＢは航空機の破壊の前に折をみて送信する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、瞬時に動作することのできる衛星システムの開発を提供し、その応答時間（０.５秒以下）は、最も短時間（５秒）の航空機災害の時間よりも１０倍短い。そのようなシステムでは、航空機破壊の前であるが、まだ航空機が空中にある間の数秒間に、ＥＰＩＲＢは、繰り返してリアルタイムモードで、航空機墜落の軌跡の現在の座標の正確な値を、航空機破壊の瞬間までの送信の最後の瞬間まで航空交通制御センター（ＡＴＣＣ）に送信しようとするであろう。
【００１２】
瞬時に応答するシステムを実行するのに、常にＥＰＩＲＢからＤＣＣまで緊急情報を急いで送信できるようになっている“固定した”ＧＳＥＳを使わなくてはならないのは明らかである。本発明は、５個のＧＳＥＳとそれらと接続されたＥＰＩＲＢ、すなわち、ＣＯＳＰＡＳ−ＳＡＲＳＡＴシステムの最初の近代化に沿って構成され実験的に実施される要素の使用を提供する。
【００１３】
搭載される新種のＥＰＩＲＢの瞬時の“動作”は、飛行の間に動作する以下の部品を組み込むことにより達成される。
【００１４】
−衛星航法システムＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳが送信した信号の無線受信機であり、１００ｍまでの正確さで航空機の座標（緯度と経度）の現在の値を瞬時に記録することができるもの。
−待機モードにおいて、受信端で信号を溜めておく必要の無く、０.５秒以内の安定してはっきりした遭難信号を送ることのできる強力な送信機。
【００１５】
こうして本発明は、ＧＤＥＳの結合を提供するが、その起動は、Ｒ₂＝４００００ｋｍの高度、すなわち現在のＣＯＳＰＡＳ−ＳＡＲＳＡＴシステム内にあるＬＯＥＳの到達距離（Ｒ₁＝３５００ｋｍ）を超える１１倍に固定される。これは、一般的に、新種のＥＰＩＲＢの出力（Ｐ₂）は、動作中のＩＮＭＡＲＳＡＴＥＰＩＲＢの現出力（Ｐ₁＝５Ｗ）を実際に超え、その結果、ＥＰＩＲＢの全体的な大きさと費用とが劇的に増加する結果になると思われるからである。
【００１６】
なぜそのような見込みなのかという根拠が無いと、言うかも知れない。実際に、
Ｐ₂＝Ｐ₁・Ｇ₁／Ｇ₂・（Ｒ₂／Ｒ₁）² （１）
であり、ここで、Ｇ₁＝２（３Ｄｂ）−ＬＯＥＳのアンテナ利得；
Ｇ₂＝５０（１７ｄＢ）−ＧＳＥＳのアンテナ利得；
こうして、出力（Ｐ₂）は、以下に等しい。
Ｐ₂＝５・２／５０・（４００００／３５００）²＝２０Ｗ（２）
【００１７】
新しい強力なＥＰＩＲＢの全体的な大きさと費用とについて、仮の見積もりによる、ＬＯＥＳに基づいた現在のＣＯＳＰＡＳ−ＳＡＲＳＡＴシステム内の現行ＥＰＩＲＢのそれに非常に近いものが得られる。こうして、ＣＯＳＰＡＳ−ＳＡＲＳＡＴシステムの次の改良版は、本発明に基づいているならば、一般的に言って、航空機に搭載される、以前と同様に簡単で安価なＥＰＩＲＢの製造と導入に限定をされる。それにもかかわらず、そのような改良はシステム効率の劇的な増加を要求する。
【００１８】
−航空災害の場所を確定する際に扱う未解決の問題の総合的な解決法。
−航空機の非破壊非常着陸を達成する際の、時間の長さの減少（１０³から１０⁴倍）、正確さの増加（２０から３０倍）。
【００１９】
こうして、請求の範囲で示した本発明に従って、緊急時の警告の問題を総合的に解決するために、各航空機に新種のＥＰＩＲＢを備えることが必要である。世界中の空港の幾千の航空機に、それに対してＥＰＩＲＢが設計されている非常時は極めて稀であるという事実を考慮すると、ＥＰＩＲＢを常に各飛行中に“動作中”で備えることが可能かという事に関する問題が起こる。この問いに対する否定的な答えは明らかであり、特に、もし標準的な動作状況（正常飛行）においてＥＰＩＲＢが機能的に準備ができているかを調べられることはめったに無いことを思えばなおさらである。従って、極端な状況における信頼性のある動作ができる確率は高くはありえない。
【００２０】
本発明は、上記の問題を余分な費用をかけずに、かつ自然な方法で扱う、組み合わされたシステムを提供する。この目的のために、警告信号と監視のための信号を送信するのに同じＥＰＩＲＢを使うことを提案している。そのような装置の場合、“監視”モードで常に動作状態のＥＰＩＲＢは、素早く“非常”モードへと切り替えるように機能的に準備が保証されている。２つのモード（“監視”と“非常”）に対して共通の周波数帯域（４００ＭＨｚ）の中での信号送信の隣接する（近隣の）狭い帯域幅を選択することで、ＥＰＩＲＢで単一の広帯域の送信機を使用することができる。こうして、組み合わされたシステムにおいて、一つのＥＰＩＲＢを導入することが可能であり、さらに、信号の再送信のために可視（到達）の限界内におかれた１台のＧＳＥＳ（図１を参照）と、このＧＳＥＳと接続された様々なＤＣＣとを使用することが可能であり、この装置は、システムの導入の費用をほぼ２倍減らし、実質的にその信頼性を大きくする。
【００２１】
極地におけるシステムの動作を保証するために、回折現象（地球を曲がる）によって、やや高い周波数（１５００ＭＨｚ）が使用されるＩＮＭＡＲＳＡＴ−Ｅシステムに固有の欠点を克服することのできる、そのような動作周波数を選択する必要がある。提案される解決法においては、二つのモード−“監視”と“非常”−の動作に対して、共通の帯域内の隣接する周波数が選択されるが、その帯域は衛星システムには比較的低い周波数である４００ＭＨｚから成り、そのような帯域では回折の効果は、はっきりと現れる。
【００２２】
通常の状態（“監視”モード）と特殊な状態（“非常”モード）のときのＴＶの全地球的自動監視のシステムの実施形態が図１に示されている。そこにおいて、
符号１は、航空機に搭載されて、飛行中動作を続けるＥＰＩＲＢ（１）であり、そこに以下のものが含まれる。
−国際的に近代化された（ＧＳＥＳを使用することで）非常用衛星システムＣＯＳＰＡＳ−ＳＡＲＳＡＴの動作に現在割り当てられている、周波数帯域である（４０６.１−４０６.０）＝０.１ＭＨｚ＝１００ＫＨｚの中と、同じ帯域幅の１００ＫＨｚである隣接する周波数内とで、“非常”信号を送信するための共通周波数帯域（４００ＭＨｚ）内の二つのモードで動作する送信機（１Ａ）と、
−衛星航法システムＧＰＳおよび／またはＧＬＯＮＡＳＳによって送信された信号の結合型航法受信機（１Ｂ）とである。
【００２３】
符号２は、地球を確実に有効範囲に収めている、運転中の国際衛星気象システムの５つのＧＳＥＳ、あるいは他の衛星システムであるＧＳＥＳであって、搭載型中継器３Ａ，３Ｂを収容することができる。
【００２４】
符号３は、“非常”信号の中継器（３Ａ）と“監視”信号の中継器（３Ｂ）である。
符号４は、ＧＰＳとＧＬＯＮＡＳＳシステムに属する航行ＥＳである。
符号５は、５つの接地（地上）ＤＣＣであり、対応するＧＳＥＳに接続される。
符号６は、航空交通管制センター（ＡＴＣＣ）であり、対応するＤＣＣに接続される。
【００２５】
図２は、“監視”モードでのデータ転送特性を表したものである。ここにおいて、
符号７は、信号パッケージ（１回分）であり、符号８は、送信が同期法のパッケージのシーケンスの図である。
【００２６】
特許請求の範囲に示したシステムは、以下のように与えられる。
航空機搭載型ＥＰＩＲＢ１（図１参照）が導入され、そこには以下のものが含まれる。
−１００メートルまでの精度でリアルタイムに航空機の現在の座標における不連続な情報を連続的に受信することができる、衛星航法システムＧＰＳおよび／またはＧＬＯＮＡＳＳ４（図１参照）によって送信される信号の受信機１Ｂ（図１）。ほとんどの場合、このような受信機は、航空機に標準的な搭載機器であるが、これが無い場合、ＥＰＩＲＢに組み入れられるべきである（二者択一）。
−航法受信機１Ｂ（図１参照）からやってくる信号の送信機１Ａ（図１参照）であり、この送信機は、飛行のすべての段階で現在の座標における情報（“監視”）を送る送信モードで常に動作する（“活動中”）であり、ＧＳＥＳと確実な通信をするための保守をするときには、結合された送信機であるＥＰＩＲＢの出力が増加される（２０Ｗ以上）べきである。
【００２７】
ＡＴＣＣ（４００ＭＨｚ帯域の中の１００ＫＨｚまで）に割り当てられた狭い帯域幅において、現在の座標に関する情報が標準的な速度である４００ビット／秒でパッケージ毎にτ＝０.５２秒間、国際気象システムに属するＧＳＥＳの中継器３Ｂ（図１参照）あるいは代替システムのＧＳＥＳに送信される。中継器によって増幅される１回毎の信号は、対応するＧＳＥＳ５（図１参照）に接続されるＤＣＣによって受信され、記録され、様々なＡＴＣＣ６（図１参照）へ送信される。
【００２８】
航空機の非常時には、特別な搭載型分析器が即時にＥＰＩＲＢを“非常”モードに切り替える。こうして、特許請求の範囲に示した発明によって、両方のモードは、選択した周波数帯域（４００ＭＨｚ）内で、単一の送信速度（４００ビット／秒）で、１台の送信機は増加した出力（２０Ｗあるいはそれ以上）で、等しい間隔（τ＝０.５２秒）を持つデータパッケージの標準的な構成で、隣接する狭い帯域幅を使用する。システムの電気的パラメータに必要な条件によって、その能力は、二つのアプリケーションの機器（ＥＰＩＲＢ，ＧＳＥＳ，ＤＣＣ）の一つの組で両方のモードを実行する様に、予め決定される。データパッケージの時間（τ＝０.５２秒）は短いのにも関わらず、それぞれは（図２参照）、航空機の飛行パラメータの５個の現在の値を備えている。それは、航空機の技術的パラメータと識別番号とを示す、センサーからのデータと同様に、１００ｍまでの精度を持った緯度と経度、高度、飛行の経路と速度である。これらのパラメータは、ＥＰＩＲＢに組み入れられてか、あるいは標準的搭載型機器に含まれる航法（ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ）受信機から、送信機の入力へと中継される。
【００２９】
大災害の時には、データパッケージの送信は，実際には一定の状態（Ｔ＝０.５秒）となるが、“監視”モードのときの間隔は長くなる（Ｔ＞１０秒）ことに注意したい。図２は、“監視”モードすなわち標準的動作時に、ＥＰＩＲＢの機能は短い間隔で定期的に検査され（“監視”寝具が通り抜けるか否か）、そうして、ＥＰＩＲＢが確実に非常事態に動作できるようにしておく。従って、結合されたシステム内で２個の機能を実行するＥＰＩＲＢは、信頼性の基準が実質的に増加するように、すなわち確かに非常時に動作するように保証する。
【００３０】
上述したように、空中の事故の場合に非常周波数帯（４０６.０−４０６.１ＭＨｚ）でＥＰＩＲＢを切り替えることは、航空機搭載の分析器により実行され、その外観は高度に洗練されている。結合されたシステムにおいて、件の問題は、搭載型の分析器でなくとも解決することは可能であり、それは、信号損失の前あるいはそのときまで（図２）に“監視”モードで受信された航空機の座標（位置）でのシークエンシャルデータの外挿法によってである。
【００３１】
上記より、結合されたシステムは、また、どんなに短い間でも航空機の爆発を含むすべての航空機事故の場所を検出するという問題を扱うことができるという仮説に導かれる。
【００３２】
“監視”モードに関して、航空機の現在の座標に関するデータをＡＴＣＣコンピュータに正しく入力することで、飛行の安全の問題に対する基本的に新しい解決の可能性が提示される。ＡＴＣＣの有効範囲内で飛行するすべての航空機から入力される現在のデータを瞬時に処理することにより、予測推移と、パイロットに空中と地上とで可能性のある衝突を知らせて、そのような衝突を防ぐことができよう。
【００３３】
特許請求の範囲に示した本システムによって、航空機からＡＴＣＣまで空中を直接に、すなわち、地球に関係なく、やってくるデータを収集する準備がされる。こうして、ＡＴＣＣに関係する、複雑で高価な追跡用地上複合体、レーダー、中継無線局、他の下部構造の構成と動作の必要性が無くなる。
【００３４】
上記問題を解決するための、本発明により提供される解決法の主要な相違点は、二つのアプリケーションが結合された一つのシステム枠の中で空中の安全性に関して認識された問題の両方の部品を、一組の機器を含んで、解決することを目指していることにある。そのような方法によって、結合されたシステムの構成と動作の費用は、二つの独立したシステムの費用よりもかなり低くなる。同時に、以下に掲げた比較から続くが、結合された航空安全システムに基づいた解決の効率は、“非常”モードと“監視”モードとを含んで、互いに取られる二つの独立したシステムの時よりも極めて高い。
【００３５】
同じＧＳＥＳの有効範囲領域内を飛行する可能性のある航空機の数は、数百ずつ計数することができ、“監視”モードの部品は、そのすべてを相互干渉無しで適応させられなければならない。すべての周波数分離チャネル（ＦＳＣ）での航空機のＥＰＩＲＢから来るデータパッケージのランダム（非同期）送信において、相互“消滅”（相互抑制）の確率は高い。
【００３６】
干渉を除去し、そして“監視”のために割り当てられた各無線チャネル（ＦＳＣ）の最大チャネル容量を確実にするのに、図２から分かるように、本発明では、同期（組織的）送信を提供し、そこでは、各航空機のＥＰＩＲＢからの信号の個々のパッケージは、互いに最小の間隔で続いている。本発明によると、必要な同期は、全地球的時間信号（５ｍｓまでの精度）を得て提供され、それは、通常ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ衛星システムの信号に組み入れられ、この信号はＥＰＩＲＢの航行受信機（あるいは航空機の受信機）によって受信される。図２は、航空機ＥＰＩＲＢの最大値（ｎ）は、一つのチャネル内で送信される（チャネル容量はｎ＝ｋ・Ｔ／τで見積もられる）。よって、例えば、占積率ｋ＝０.８，Ｔ＝２０秒，τ＝０.５２秒ならば、結果は、ｎ＝３０となる。
【００３７】
地球上の有効範囲を確実にするために、５つのＧＳＥＳを従事させる必要があるであろうし、従って、ＧＳＥＳによって有効範囲とされる５つの領域のそれぞれに６００機までの航空機（全体で３０００機の航空機）の同時通信で、わずか２０個の無線チャネルが必要となるだけである。もし、提供されるシステムがグリッドの刻みがΔｆ＝２ＫＨｚのチャネルの周波数分離（ＦＳＣ）であることを考慮するなら、全地球的“監視”の実行は、４０ＫＨｚのわずかな帯域幅を必要とするだろう。システムが円滑に動作するように、他の種類のＴＶと必要な予備（冗長性）を考慮すると、周波数帯域幅は、１００ＫＨｚを超えることは無いだろう。
【００３８】
比較のために、国際気象衛星システム（５台のＧＳＥＳ）に現在割り当てられた帯域幅は、Δｆ＝（４０３−４０１）ＭＨｚ＝２ＭＨｚとして決定され、これは、全地球的“監視”の実行に必要とされる周波数帯域幅よりも５０倍大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における、通常の状態（“監視”モード）と特殊な状態（“非常”モード）のときのＴＶの全地球的自動監視のシステムの一実施形態の図である。
【図２】本発明における“監視”モードでのデータ転送特性を表した図である。
【符号の説明】
１…ＥＰＩＲＢ
１Ａ…受信機
１Ｂ…送信機
２…ＧＳＥＳ
３Ａ，３Ｂ…搭載型中継器
４…航行ＥＳ
５…ＤＣＣ
６…ＡＴＣＣ
７…信号パッケージ
８…パッケージのシーケンス

Claims

乗物内に導入された無線標識から地上データ収集センターへ人口地球衛星を経由して信号を送信することに基づいた、通常の状況及び緊急の状況下における輸送用乗物（ＴＶ）の全地球的自動監視システムであって、該システムは、
前記乗物が移動したり途中停止したりする間、常に動作し、瞬時に応答する１台の結合された無線標識を備え、該無線標識は、
緊急の状況下では、４００ＭＨｚの周波数帯域の中の１００ｋＨｚの帯域幅内において、空中での遭難信号の再送信専用に、１秒以下の間隔で、１回分毎のデータを実際に途切れず（連続して）送信することを保証し、かつ、
通常の状況下では、１回分毎が１０秒以上の間隔で、４００ＭＨｚの周波数帯域の中の、前記遭難信号の送信に使用される周波数帯域とは異なる、１００ｋＨｚの帯域幅内で１回分毎の監視信号を送信することを保証し、
前記１回分毎のデータと監視信号の両方は、二者択一に、単一の多機能静止衛星を経由して多機能型の関連する地上データ収集センターに送られる
ことを特徴とする全地球的自動監視システム。
様々な種類のＴＶに搭載されて導入され、同じ無線チャネル内で動作する無線標識から送信される前記１回分毎のデータは、同期モードで短い時間間隔（０.１秒まで）で１回分ずつを送信し、前記同期モードは、ＧＰＳおよび／あるいはＧＬＯＮＡＳＳ衛星システムの航行信号から無線標識受信機によって検出される、正確な地球時間による間隔（０.５ミリ秒まで）に基づいていることを特徴とする請求項１記載の全地球的自動監視システム。