JP3973905B2

JP3973905B2 - 航空交通制御システム

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Publication number: JP3973905B2
Application number: JP2001519404A
Authority: JP
Inventors: ヴァロン，ダン
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2020-08-24
Also published as: AU7069100A; HK1043229B; CA2382396C; AU769965B2; HK1043229A1; DE60006550T2; CA2382396A1; US6420993B1; WO2001015119A9; ES2211595T3; ATE254325T1; DK1210702T3; KR100551505B1; EP1210702A1; KR20020060165A; DE60006550D1; WO2001015119A1; JP2003507826A; EP1210702B1; PT1210702E

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、一般的に航空交通管制（制御）システムに関し、更に特定すれば、飛行（操縦）中の航空機が、確定最小分離標準値未満の距離以内に入るか否か予測する方法および装置に関する。
【０００２】
発明の背景
当技術分野では公知であるが、航空交通制御とは、安全で、規則正しく、能率的な航空交通の流れを促進するサービスである。安全性は、主に、他の航空機、障害物、および地上との衝突を防止することであり、航空機が悪天候を回避するのを援助し、飛行が禁止されている空間において航空機が飛行しないことを保証し、遭難した航空機を救援する。規則正しく能率的な流れにより、操縦士が選択した経路に沿った航空機運行の飛行効率を確保する。これは、個々の飛行にリソースを公平に割り当てることによって得られ、通常先着順で行われる。
【０００３】
同様に公知であるが、航空交通制御サービスは、航空交通制御システムによって行われる。航空交通制御システムは、一種のコンピュータおよび表示システムであり、航空管制レーダ・システムから受信したデータを処理し、航空機の検出および追跡を行う。航空交通制御システムは、民間および軍事双方の用途に用いられ、特定の地理的区域において航空機のアイデンティティ（正体）および位置を判定する。かかる検出および追跡は、互いに近接して飛行している航空機に通知し、衝突針路上に現れた航空機に警告するために必要である。航空機がいわゆる最小分離標準（ＭＳＳ：minimum separation standard）よりも接近している場合、航空機はＭＳＳに「侵入（違反）した」またはＭＳＳに「抵触した」と言う。この場合、航空交通制御システムは、いわゆる「衝突警報」を与える。
【０００４】
衝突警報（ＣＡ）アルゴリズムの価値は、切迫した衝突を予測することが可能なだけでなく、衝突の誤予測をいかに完全に回避するかによって評価する。互いに接近する２機の航空機間の衝突は、２機間の水平距離が水平最小分離標準値（ＨＭＳＳ）未満であり、同時にこれらの間の垂直距離が垂直最小分離標準値（ＶＭＳＳ）未満である場合にはいつでも起こると言われている。例えば、状況によっては、ある航空機が水平方向に少なくとも３海里、または垂直方向に少なくとも１０００フィート離れていることを要求される場合もある。
【０００５】
各航空機の速度が一定であれば、航空交通制御システムのＣＡ機能は、航空機の相対位置およびその速度に基づいて、今後の衝突発生の潜在的可能性を予測することができる。航空機を操縦している(maneuvering)場合（例えば、加速、減速、回転を含む）、従来の航空交通制御システムは、２機の航空機が現時点において垂直分離標準値を侵している場合にのみ、衝突を検出可能であるにすぎない。したがって、２機の航空機が互いに垂直方向に接近しているが、垂直最小分離標準（ＶＭＳＳ）に違反（侵入）していない場合、従来の航空交通制御システムは衝突を予測することができず、したがって衝突が起こる前にかかる衝突を警告することができない。
【０００６】
追跡機（トラッカー）によって推定した速度を用いて信頼性高く衝突を予測するためには、速度が一定であり、非常に精度高く推定しなければならない。これらの条件を満たすのは、定常状態（即ち、直線的に一定速度）追跡の場合のみである。航空機を操縦する（飛行させる）場合、追跡機によって推定した速度は、種々の理由のために、航空機の隔離距離（分離）を予測するためには使用できない。
【０００７】
その理由の１つは、ターゲット（目標）が飛行しながら互いに接近しつつある場合、これらは実際互いに向かって加速していることになるからである。しかしながら、従来の航空交通制御システムの追跡機能は、加速度や回転（旋回）速度(レート)を全く推定しない。別の理由は、ＣＡ機能が追跡機の現推定速度に基づいて衝突を予測した場合、より遅い水平方向の接近の計算をすることになり、垂直方向の違反（侵入）との整合を欠く可能性があり、その結果警戒が出ないことになる。追跡機が推定する速度が正確でない更に別の理由は、追跡機が飛行すると、その速度推定精度が、飛行によって誘発される過渡現象によって低下するためである。このため、旋回中の推定機首方位は常に、航空機の真の機首方位よりも遅れることになる。
長期衝突回避のために衝突プローブを用いた公知のシステムの１つが、Isaacson et al.の"Design of a Conflict Detection Algorithm for the Center/Tracon Automation System"（センタ／Ｔｒａｃｏｎ自動化システム用衝突検出アルゴリズムの設計） (Digital Avionics Systems Conference (DASC), US, New York, NY: IEEE, １９９７年１０月２６日, 93-1〜93-09ページ）に開示されている。
【０００８】
発明の概要
航空機の操縦ダイナミクス（飛行力学）が未知の場合に航空機分離（隔離）標準の違反（侵入）を予測する技法の１つに、操縦衝突予測（ＭＡＮＣＯＮＰ：Maneuver Conflict Prediction）技法と呼ばれるものがある。しかしながら、この技法に伴う問題の１つは、ある種の航空機接近において、望ましくない程多数の誤った予測を行うことである。
【０００９】
したがって、操縦（飛行）中の航空機間の衝突を予測し、前述の制限を克服し、航空機の加速や機首方位（飛行方向）の情報を必要とせず、過剰な数の誤アラームを出さない技法を提供することができれば望ましいであろう。
【００１０】
航空交通制御（ＡＴＣ）システムにおいて誤予測数を減少させる技法を提供するに当たり、可変設計パラメータおよび２つの論理条件を利用して最小分離標準（ＭＳＳ）の違反を宣告する。この条件は、衝突警報（ＣＡ）が宣言可能になる警告時間を短縮することによって、誤予測を行う確率を大幅に低下させる。設計パラメータの大きさを適正に選択することによって、警告時間の長さと、所与の航空交通環境における誤予測率との間に、最適なトレードオフを確立することができる。
【００１１】
本発明は、入手可能な情報を利用して、衝突予測を行う時間間隔を、予測が正しい可能性が最も高いときに制限する。警告時間が長いときに、予測が誤りとなる可能性が高くなったと認識すると、本発明の技法は、２機の航空機間にスレッショルド（閾値）分離距離を設定する。航空機は、システムが衝突予測を行う（「ヒット」の指示を与える）前に、スレッショルド分離距離に達しなければならない。最大分離は、変更可能設計パラメータとして与えられ、所与の空間（例えば、特定の飛行場）における航空交通環境に合うように設定することができる。第２に、推定がその後（将来）の違反を示す場合にのみ、衝突の宣告を許可する制約を設ける。
【００１２】
本発明の技法は、航空交通制御システム（例えば、標準ターミナル自動置換システム即ちＳＴＡＲＳ：Standard Terminal Automation Replacement System等）において実施し、垂直方向飛行航空機の集合を、衝突予測に適した部類の状態に追加することができる。こうすることによって、航空交通制御システムの安全機能を強化する。本発明の技法は、高度変化率を用いて操縦（飛行）中の航空機間の衝突を検出する要求というような、システムの要求を満たすために用いることができる。
【００１３】
本発明の技法は、民間および軍需ＡＴＣ、ならびに通常民間ＡＴＣシステムよりも操縦中の航空機に接近する確率がはるかに高い空軍システムを含む種々のＡＴＣシステムに移植可能である。
【００１４】
発明の詳細な説明
本発明の前述の特徴、および本発明自体は、以下の図面の説明から一層深く理解することができよう。
【００１５】
本発明の航空交通制御システムについて説明する前に、導入概念および用語について少し説明する。用語「操縦する（maneuver）」または「操縦（maneuvering）」は、ここでは航空機またはその他のターゲットの飛行経路または移動を記述するために用いることとする。即ち、ターゲットがいずれかの次元で速度を変化させるときにはいつでも、ターゲットが「操縦（飛行）している」または「操縦（飛行）」を行っていると言う。なお、速度(velocity)は、速さ（スピード：speed)および方向によって定義されることを注記しておく。したがって、ターゲットは、直線経路に沿って移動しているときでも、操縦（飛行）していると言える場合もある。
【００１６】
これより図１を参照すると、概略的全体像において、航空交通管制（制御）システム１０は、１つ以上のレーダ・システム１２ａ〜１２Ｎを含む。これらを全体的に１２で示す。レーダ・システム１２は、例えば、ローカル・エリア・ネットワークとして設けることができるネットワーク１４を通じて、航空交通制御自動化（ＡＴＣＡ）システム１６に結合されている。多数のレーダ・システム１２が存在する場合、レーダ・システム１２の各々を異なる物理的場所に配置し、レーダ・システム１２のいずれか１つによって対処可能なよりも広い地理的区域にわたって実質的に連続なレーダ・カバレッジを得ることができる。
【００１７】
動作において、レーダ・システム１２の各々は、無線周波数（ＲＦ）信号を、アンテナ１８ａ〜１８Ｎの対応する１つを介して、所定の空間領域に発信する。これは、一般に公知である。発信したＲＦ信号の一部は、ターゲット２０、２２をインターセプト（捕捉）する。ターゲット２０、２２は、例えば、所定の空間領域内を飛行中の航空機に対応する場合がある。これらターゲット２０、２２を捕捉した発信ＲＦ信号の一部は、リターン（反射）信号またはターゲット信号として、ターゲット２０、２２から反射され、レーダ１２のそれぞれによって受信される。
【００１８】
場合によっては、ターゲット２０、２２の各々がトランスポンダを含むこともあり、レーダ・システム１２が発信するＲＦ信号は、いわゆる質問信号を含む。質問信号は、ターゲット２０、２２上のトランスポンダに質問し、適切な質問信号に応答して、トランスポンダは応答信号をターゲット２０、２２からそれぞれのレーダ・システム１２に送信する。したがって、レーダ１２のそれぞれが受信するリターン信号即ちターゲット信号の第１部分は、ターゲット２０、２２から反射されたＲＦ信号の部分に対応し、ターゲット信号の第２部分は、ターゲット上のトランスポンダから発信された応答信号に対応することができる。
【００１９】
１つ以上のレーダ・システム１２の各々は、ターゲット・データ信号をＡＴＣＡシステム１６に供給する。ＡＴＣＡシステム１６は、１つ以上のプロセッサ２４ａ〜２４Ｍを含み、その各々が特定の機能を実行する。ここで、ＡＴＣＡシステム１６は、経路を指定するために航空機乗務員が提出する飛行データ計画(flight data plan)を処理する飛行データ・プロセッサ２４ａ、適切に処理した情報を与え１つ以上のディスプレイ２８ａ〜２８Ｋ上に表示させる制御パネル・プロセッサ２４ｂ、特定の方法でターゲット・データ信号を処理するレーダ・データ・プロセッサ２４ｃ、および衝突警報（ＣＡ）プロセッサ２８Ｍを含むように示されている。ＣＡプロセッサ２４Ｍは、信頼性高くＭＳＳ違反（侵入）の予測を行う操縦衝突警報予測（ＭＡＮＣＯＮＰ：maneuver conflict prediction）プロセッサ、およびアラームを発した対象の航空機が方向転換し始めるまで、衝突警報を維持する近接衝突（ＰＲＯＣＯＮ）プロセッサを含む。また、ＣＡプロセッサ２４Ｍは、非操縦航空機に関連するデータを処理する線形衝突予測プロセッサ（ＬＩＮＣＯＮ：linear conflict prediction processor）も含む。
【００２０】
勿論、ＡＴＣＡシステム１６は、特定の用途に応じて、装備するプロセッサが前述のものよりも更に多い場合もまたは少ない場合もあることを、当業者は認めよう。例えば、実施形態の中には、単一のプロセッサを利用し、ＡＴＣＡシステム１６が実行する機能全てを同時に実行することが望ましい場合もある。
【００２１】
プロセッサ２４は、ネットワーク３２を通じて、１つ以上の入力／出力（Ｉ／Ｏ）システム２７ａ〜２７Ｋに結合されている。これらを全体的に２７で示す。Ｉ／Ｏシステム２７ａをシステム２７ｂ〜２７Ｋの代表として示すと、各Ｉ／Ｏシステム２７ａは、プロセッサ、およびグラフィカル・ユーザ・インターフェース（ＧＵＩ）を設けるために必要なその他のあらゆるハードウエアおよびソフトウエアを含む。各Ｉ／Ｏシステムは、ディスプレイ２８ａを含む。ディスプレイ２８ａには入力デバイス３０を結合することができる。入力デバイス３０は、例えば、当業者には周知のキーボードおよびポインティング・デバイスとして設けることができ、ディスプレイ２８のグラフィカル・ユーザ・インターフェース（ＧＵＩ）とのインターフェースを行う。勿論、他の入力デバイスも使用可能であることを当業者は認めよう。ディスプレイ２８は、異なる物理的場所に配置することもできる。
【００２２】
とりわけ、ＡＴＣＡシステム１６は、これに供給されたターゲット・データを維持し更新し、こうして航空交通制御システムのレーダ・システム部によって検出および追跡したターゲットの場所およびスピードを維持する。この機能を実行する際、ＡＴＣＡシステムは、一意の識別子即ち「ラベル」を、追跡する各ターゲットに割り当てるのが通例である。
【００２３】
航空交通制御システム１０は、１つ以上のターゲットが許容最小分離（隔離）標準（ＭＳＳ）よりも近くに接近しつつあること、または物理的に位置することを示す警戒を適宜発生する。ターゲットが操縦（飛行）している場合、本発明によれば、分離標準違反が生じたか否かについての予測を行うことができる。航空機が接近して操縦しているという状況は、航空機の離陸および着陸現場、例えば、飛行場およびターミナル・レーダ接近制御（ＴＲＡＣＯＮ：terminal radar approach control）区域周囲で共通して発生する。
【００２４】
航空交通制御システム１０は、複数のターゲットを追跡するが、ここでは説明の簡素化および容易性のため、２つのターゲット２０、２２を示す。２つのターゲット２０、２２は、互いに接近して飛行し、ターゲット対２３を形成する。ターゲット対２３の２機の航空機の内少なくとも一方は操縦しており、これによって従来の技法を用いた、空間分離標準違反の高信頼性予測が妨げられる。この場合、衝突警報（ＣＡ）プロセッサ２４Ｍが実行する処理ステップによって、ＭＳＳ違反を信頼性高く予測する。
【００２５】
ＭＡＮＣＯＮＰプロセッサは、ターゲット２０、２２の複合飛行経路を計算し、航空機操縦（飛行）ダイナミクスが未知である場合に、航空機分離標準の違反（侵入）を予測する。比較的少ない誤予測で航空機分離標準違反の予測を行うことができる一方法について特に、図２ないし図９Ａと関連付けて以下に詳細に説明する。
【００２６】
ここでは、従来のＡＴＣシステムの追跡機能は加速度や回転（旋回）速度を推定しないので、非操縦航空機の場合と同じ精度で、操縦している航空機間の衝突を予測することは不可能であることを言えば十分であろう。
【００２７】
しかしながら、本発明によれば、ＭＳＳ違反が始まる可能性がある最早時点（earliest time）と最後（最遅）時点（latest time）によって区切られた時間間隔内に、水平侵入（違反）の開始時点を置くことが可能であることが認められた。最早時点を得るには、例えば、現在の推定スピードが与えられたときに、２機の航空機が正面に向かって(head-on)飛行する場合に起こる可能性のある最も速い接近を想定する。最後（最遅）時点を得るには、航空機間の距離が接近スピード（航空機間の距離が変化するレート）で減少するときに、可能性のある最も遅い接近を想定する。なお、接近スピードは、相対速度（２機の航空機の速度差）の大きさよりも小さいことを注記しておく。最早時点および最遅（最後）時点と共に、対応する終了時点も計算する。２つの開始および終了時点対によって、最速（fastest）および最遅（slowest）接近が各々違反となる時間間隔を規定する。双方の間隔が互いに重複し、更に航空機対が垂直違反となる間隔とも重複する場合、衝突の潜在的可能性が存在し、「ヒット」を記録することができる（航空交通コントローラに衝突警報を表示するためには、５回の連続する「ヒット」の内３回が必要である）。
【００２８】
ここで図２を参照すると、図２に示すプロットは、これら重複する間隔を相互に並べた長方形として示している。正確な予測の尤度向上が要求される一実施形態では、３つの間隔が共通の重複時間を全く共有しない場合、「ヒット」は記録されない。最速および最遅間隔が各々垂直違反間隔の一部と重複するが、互いに重複しない場合も、「ヒット」は生じない。衝突の推定期間は、３つの長方形が重複する間隔に等しい。図２では、この間隔はt_s1とt_z2の間であり、t_s1およびt _z1間の差を超えない未知の量だけ、真の時点よりも遅い時点に開始する。しかしながら、この未知量は、開始時点を引き続き再推定するに連れて減少する。しなしながら、用途によっては、少なくとも１つの水平間隔が垂直間隔と重複するときに、「ヒット」を記録させることが望まし場合もあることは認められよう。
【００２９】
ＭＡＮＣＯＮＰプロセッサ２４Ｍは、周期的に最速および最遅接近を再計算し、長方形を相互に再位置決めする。実際の衝突スレッショルド（航空機が最小分離標準値だけ分離されているとき）において、最遅および最速水平接近の開始時点は等しくなる（t_f1=t_s1)。経路に沿って、航空機がこのスレッショルドに接近している間、t_f1およびt _s1間の差は小さくなり、開始時点の不確実性が低下する。例えば、経路に沿ってt_z1がt_f1よりも小さくなる場合、不確実性は、t_s1およびt_f1間の減少した差によって範囲が規定される（図３参照）。t_z1がt_s1よりも大きくなると、開始時点はt_z1と推定される。
【００３０】
ここで図４を参照すると、接近スピードを推定するプロセスを示すプロットが示されている。接近スピードの推定値を計算する場合、操縦（飛行）中の追跡機の速度推定値を、このアルゴリズムで用いてはならない。何故なら、これらには信頼性がないからである。代わりに、接近スピードは、航空機間の距離が減少していく率（レート）を計算することによって得ることができる。通常、レーダは２機の離れた航空機の位置を同時に測定することはできないので、航空機の一方の位置を補間して、他方の航空機が観察された時点と一致させなければならない。
【００３１】
好ましくは、補間は、好適なレーダによって測定した位置間のいわゆる「システム・プレーン（system plane）」において行うとよい。航空機位置を平面上においてコントローラに表示する場合、航空機位置を、「システム・プレーン」と呼ばれる平面に投影する必要がある。したがって、システム・プレーンは、カバーする空間（覆域）におけるあらゆる航空機の位置のステレオ投影を含む平面に対応する。
【００３２】
レーダ座標（スラント距離およびアジマス）で補間する方が精度は高いが、航空機がモザイク状の境界を横切って移動すると、隣接するタイル(tile)において好ましいレーダが異なり、連続する測定が２つの異なるレーダで行われる場合補間が不可能となる。また、同じモザイク・タイルにおける多数のレーダからのシステム・プレーン位置間の補間も避けたほうがよい。何故なら、これらは異なるステレオ投影偏倚(stereographic projection bias)を含むからである。なお、好適な実施形態によっては、レーダが報告した位置の代わりに、追跡機が推定した（即ち、平滑化した）位置間でも補間が可能であることを注記しておく。
【００３３】
ＭＡＮＣＯＮＰプロセッサは、分離標準の違反を予測することができるが、これは、誤予測、いわゆる無用（妨害）アラームを回避する必要性とのバランスを取らなければならない。真の予測は、２機の接近しつつある航空機の分離が許容最小分離標準値（ＭＳＳ）よりも少ないことを前もって正しく推定するものである。理想的には、ＭＳＳに違反していない場合、警戒を発しないのがよい。しかしながら、最小分離がＭＳＳに近づくと、ＭＳＳを違反したか否か正確に予測することは不可能となる。何故なら、操縦している航空機の予測分離を正確に計算することができないからである。したがって、ＭＡＮＣＯＮＰプロセッサ２４は、ある状況において、最小分離が有限量だけ許容最小値よりも大きい場合、「ヒット」を記録することができる。設計者の目標は、誤「ヒット」数を減少させることである。以下に説明する変更は、入手可能な情報の内２つの項目を用いることによって、この目標を達成する。
【００３４】
最初の情報項目は、ＭＳＳの違反が発生したことを推定したときに、正しくても間違いでも、予測を行う時間が経過したという理由からアルゴリズムを終了可能にすることである。ＭＡＮＣＯＮＰプロセッサは、違反が発生したことを計算した後、時間対違反(time-to-violation)が負であるという事実によって、この条件を特定することができる。したがって、ＭＡＮＣＯＮＰプロセッサは、t_s1およびt_f1およびt_z1が図３において原点の左側にあるときには、「ヒット」を記録しない。この制約によって、「ヒット」の処理を終了し、無用アラームの停止を早める。衝突予測が正しかった場合も、ＭＡＮＣＯＮＰプロセッサ２４Ｍによる「ヒット」をオフにすることができる。何故なら、近接衝突（ＰＲＯＣＯＮ）プロセッサは、航空機が離れ始めるまで、警戒を維持し続けるからである。
【００３５】
第２の情報項目は、予測時間が長い場合、ＭＡＮＣＯＮＰプロセッサは誤「ヒット」を記録する可能性が高まるということである。したがって、航空機の分離がＭＳＳに一層近づくまで「ヒット」を記録するのを待機することによって、多くの誤「ヒット」を回避することができる。これを達成するには、分離スレッショルドを規定し、これを超えた場合、「ヒット」を記録しないようにする。このスレッショルドを規定するには、定数（設計パラメータ）をＭＳＳに加算する。例えば、定数を「Ａ」とすると、航空機がＡ＋ＭＳＳよりも離れている限り、「ヒット」を記録しない。
【００３６】
理想的な無ノイズ環境で、操縦している飛行の代表的な軌跡をテストすることによって、初期状態において衝突の可能性がないターゲットは、「ヒット」を記録するのに必要な条件を満たさないことが確認されたが、ターゲットが互いに向かって回転（旋回）し危険な状況が生ずると、違反間隔が互いに向かって移動し重複して、有限の警告時間、即ち、分離標準値が実際に侵される前に、衝突警報を発生する条件が生ずる。試験した飛行経路を図５に示し、それらの運動パラメータを表１に記載する。その結果は表２に提示する。
【００３７】
全ての場合において、ターゲットはその飛行を水平な直線平行経路で開始し、水平抵触を生ずることなく、更に垂直抵触も生じない高度に分離されている。図５においてＡで示す構成では、双方のターゲットが回転（旋回）し始め、互いに接近する。図５においてＢで示す構成では、一方のターゲットのみが他方に向かって回転し、他方は直線状に飛行し続ける。全ての場合において、一定の率（レート）で、一方のターゲットは降下し、他方は上昇する。水平および垂直分離標準値は、３ｎｍおよび１０００ｆｔにそれぞれ設定されている。合計で４つのケース（事例）についてテストし、その内３つは、衝突が生ずるように設計した。レーダの走査期間は５秒と仮定した。
【００３８】
【表１】

【００３９】
事例１および２は、図５においてＡで示した構成において飛行するが、それぞれ、高速および低速接近を表すように設計され、接近が遅い程警告時間が長くなる。事例１では、抵触は、双方のターゲットが回転し始めて３０秒後に開始し、回転開始後１０秒で、即ち、２回の走査に相当する時間で、最初の「ヒット」が記録された。ＳＴＡＲＳのような従来の航空交通制御システムでは操縦を検出するのに２ないし３回のテスト走査を行う場合もあることを考慮すると、これは非常に短時間であり、操縦を検出した後でなければ衝突警報処理技法を呼び出さないとすると、警告時間は更に短くなることを示す。したがって、本発明の衝突警報処理技法は、あらゆる非発散(non-diverging)対について、既に設置されている追跡および衝突警報処理技法と同時に計算することができ、全ての技法によって計算される時点の内最も早い時点を、結果に用いる。この手法によって、操縦が開始したときに、「ヒット」を記録する遅れを全て排除し、航空機の飛行経路の非操縦区間および操縦区間の間で継ぎ目なく遷移するＣＡ機能が設けられる。
【００４０】
事例２では、初期分離がより大きく、接近がより遅いので、最初の「ヒット」は抵触の４９秒前となる。事例３および事例４は、図５においてＢで識別した構成において飛行した。事例３では、最初にターゲットを十分離して配置して抵触を除外し、「ヒット」は記録されなかった。事例４では、ターゲットを近づけ、抵触の４４秒前に最初の「ヒット」４４が記録された。
【００４１】
【表２】

【００４２】
ＭＳＳに近い最小分離での接近によって、無用アラームを生成する可能性がある。この条件は、図６に示す構成Ｃにおいて得られる。この接近の事例５および事例６（表３に示す）では、最小分離は２．７ｎｍであり、ＭＡＮＣＯＮＰプロセッサによって行われる処理を、１．２ｎｍのＭＳＳについてテストした。これは、理想的には衝突警報が発生しないことを意味する。
【００４３】
【表３】

【００４４】
無用アラームの確率を計算するために、これら２つの事例（即ち、事例５および事例６）における飛行経路の各々を、１０００回繰り返し、ＡＳＲ−９のシミュレーションで、ノイズ・ターゲット報告を得た（即ち、ＡＳＲ−９レーダの測定ノイズ特性をシミュレートしたターゲット報告）。なお、シミュレーションを行う際、乱数発生器を用いてランダム・ノイズを発生し、これをターゲットの真の位置に追加したことを注記しておく。航空機の飛行経路を１０００回繰り返すことによって、繰り返し毎に異なるランダム・ノイズを用い、統計的サンプルを作成した。
【００４５】
これら２つの事例におけるこのような繰り返し飛行経路、ならびに追跡機の位置および速度データをＭＡＮＣＯＮＰプロセッサに供給した。次いで、警戒の数をカウントし、無用アラーム確率を計算した。事例５では、ＭＡＮＣＯＮＰプロセッサが実行する処理技法は、誤アラーム数を減少させる技法を含み、事例６では含まなかった。シミュレーションの結果を図７に示す。
【００４６】
ここで図７を参照すると、ＭＡＮＣＯＮＰプロセッサが実行する処理技法が誤予測を減少させる技法を含む（変更ＭＡＮＣＯＮＰと呼ぶ）事例（事例５）と、含まない事例（事例６）との間の比較を示す。図７の検討により、無用アラーム確率の著しい改善がわかる。変更（修正）により、発生した無用アラームは、１４秒未満という短期間において半数未満となった。変更のない処理技法では、無用アラームははるかに早く発生し（５２秒早い）、確率も高まった（９６パーセント）。変更により、航空機分離が３．６ｎｍに達する前に、あらゆるヒットを処理しないことによって、無用アラーム率の低下を達成した。３．６ｎｍは、１．２ｎｍのＭＳＳよりも２．４ｎｍ高いスレッショルドに対応する。このスレッショルドの使用により、真の警戒が発生可能になる時点を遅らせ、こうして警告時間を短縮する。
【００４７】
次に図８を参照すると、変更を含む（事例７）ＭＡＮＣＯＮＰおよび変更を含まない（事例８）ＭＡＮＣＯＮＰを用いることによって得られた衝突警報確率間の比較が示されている。これらの場合では、最小分離は０．５ｎｍであった。これは、ＭＳＳをかなり下回る。変更アルゴリズムは、違反の６．５秒前に警戒を発生したが、原型（オリジナル）アルゴリズムが警戒を発生した３８秒後であった。この結果は、衝突警報警告時点と無用アラーム確率との間の微妙なトレードオフを例証している。警告時間は、分離スレッショルドを２．４ｎｍよりも高くすることによって延長させることができるが、無用アラームが多くなるという不利を伴う。このスレッショルドの最適値は、広範な現場テストの後にのみ判断することができる。何故なら、これは、少なくとも部分的に、動作環境において多く見られる操縦の種類に依存するからである。この変更による正の副産物の１つとして、警戒の停止が早くなることがあげられる。この比較では９．５秒早くなる。理想的には、航空機が離れ始めれば、警を直ちに停止しなければならない。
【００４８】
図９および図９Ａは、操縦する物体またはターゲット間の衝突を予測するために、航空交通制御自動化システム１０（図１）の一部として設けられる、ＣＡプロセッサ２４Ｍが実行する処理を示す一連のフロー図である。長方形のエレメント（図９におけるエレメント８０で代表する）は、ここでは「処理ブロック」と呼び、コンピュータ・ソフトウエア命令または、処理ブロックによって表されるコンピュータ・ソフトウエアの実行に関与する命令群を表す。
【００４９】
あるいは、処理ブロックおよび判断ブロックは、デジタル信号プロセッサ回路または特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）のような機能的に同等な回路が実行するステップを表す。フロー図は、いずれか特定のプログラミング言語のシンタックスを示す訳ではない。逆に、フロー図は、当業者が特定の装置に必要な処理を実行する回路を作成するため、またはコンピュータ・ソフトウエアを生成するために必要とする機能的情報を例示する。なお、ループや変数の初期化、および一時変数の使用のような、多くのルーチン・プログラム・エレメントは示されていないことを注記しておく。この中で特に指示がない限り、ここに特に記載する一連のステップは例示にすぎず、本発明の精神から逸脱せずに、様々に変更可能であることは、当業者には認められよう。
【００５０】
以下の表Ａ−１は、操縦している物体またはターゲット間の衝突を予測するために、処理技法が用いるターゲット属性および分離標準値を掲示する。なお、以下に述べる本発明の技法の特定的な実施態様は、教示のためにすぎず、限定を意図するのではないことは認められよう。同じ概念は、種々の異なる技法を用いることによって、様々な異なる態様で具体的に実施可能であることは認められよう。
【００５１】
【表４】

【００５２】
ここで図９および図９Ａに戻ると、衝突予測を行うために実行する処理は、ターゲットの位置、高度、ならびに現在の（ｎ番目）および直前の（（ｎ−１）番目）走査の時点を検索するステップから開始する。次に、処理はステップ８２に進み、ここでターゲットのシステム・プレーン位置および高度の増分を次のように計算する。
【００５３】
【数１】
[ΔX₁, ΔY₁, ΔZ₁]^T = [X_1,n-X_1,n-1, Y_1,n -Y_1,n-1, Z_1,n -Z_1,n-1] ^T
[ΔX₂, ΔY₂, ΔZ₂]^T = [X_2,n-X_2,n-1, Y_2,n -Y_2,n-1, Z_2,n -Z_2,n-1] ^T
次に処理はステップ８４に進み、ターゲットの位置および高度を同期させる。同期は次のように計算することができる。
【００５４】
【数２】
(t_1, _n-1 < t_2,n < t_1,n)（図４参照）の場合、
値ｋを次のように定義する。
【００５５】
k = (t_2,n - t_1,n-1)/(t_1,n - t_1,n-1)
そして次の計算を行う。
【００５６】
【数３】
[X_1i,n, Y_1i,n, Z_1i,n] ^T = [X_1,n-1, Y_1,n-1, Z_1,n-1] ^T + k[ΔX₁, ΔY₁, ΔZ₁]^T
[X_2i,n, Y_2i,n, Z_2i,n] ^T = [X_2,n, Y_2i,n, Z_2i,n] ^T
t_i,n = t_2,n
あるいは、値ｋを次のように定義し、
【００５７】
【数４】
k = (t_1,n - t_2,n-1)/(t_2,n - t_2,n-1)
そして次の計算を行う。
【００５８】
【数５】
[X_2i,n, Y_2i,n, Z_2i,n] ^T = [X_2,n-1, Y_2,n-1, Z_2,n-1] ^T + k[ΔX₂, ΔY₂, ΔZ₂]^T
[X_1i,n, Y_1i,n, Z_1i,n] ^T = [X_1,n, Y_1,n, Z_1,n] ^T
t_i,n = t_1,n
ステップ８０〜８４は、まとめて補間ステップと呼ぶことができる。
【００５９】
次に処理はステップ８６に進み、次のように水平および垂直距離を計算する。
【００６０】
【数６】
[ΔX_12,n, ΔY_12,n, ΔZ_12,n]^T = [X_1i,n-X_2i,n, Y_1i,n -Y_2i,n, Z_1i,n -Z_2i,n] ^T
ここで、水平距離は次の式に対応する。
【００６１】
【数７】
R_h,n = [(ΔX_12,n)² + (ΔY_12,n) ²]^T （図４参照）
そして、垂直距離は次の式に対応する。
【００６２】
【数８】
Rv,n = |ΔZ_12,n|
次に、処理はステップ８８に進み、収束係数を計算する。水平収束係数は次のように計算することができる。
【００６３】
【数９】
C_h,n = (R_h,n - R_h,n-1)/(t_i,n - t_i,n-1)
水平収束係数が負の場合、ターゲットは水平方向に収束している。水平収束係数が負でない場合、処理を終了することができる。
【００６４】
水平収束係数が負の場合、垂直収束係数を次に計算する。垂直収束係数は、次のように計算することができる。値ΔZ_12,n≧０の場合、C_v,n = V_z1,n - V_z2,n。値Z_12,n＜０の場合、C_v,n = V_z2,n - V_v,nとなる。
【００６５】
垂直収束係数が負の場合、ターゲットは垂直方向に収束している。垂直収束係数が負でない場合、処理を終了することができる。
【００６６】
次に、処理はステップ９０に進み、２機の航空機間の相対スピードを計算する。相対スピードは、以下のように計算することができる。接近スピードをS_s = -C_hと定義し、正面スピード(head-on speed)をS_f=S₁+S₂と定義する。垂直相対スピードはS_z=|V_z1-V_z2|として計算することができる。
【００６７】
ステップ９２において、違反（侵入）間隔を計算する。垂直違反は、t_z=-R_v/C_vおよびτ_z=D_v/S_vから計算することができる。
【００６８】
垂直違反（侵入）開始時点は、t_z1=t_z-τ_zとして計算することができ、一方垂直違反終了時点はt_z2=t_z+τ_zとして計算することができる。
【００６９】
最早水平違反は、t_f=R_h/S_fおよびτ_f=D_h/S_fから計算することができ、違反開始時点はt_f1=t_f-τ_fに対応し、違反終了時点はt_f2=t_f+τ_fに対応する。
【００７０】
同様に、最遅（最後）水平違反は、t_s=R_h/S_sおよびτ_s=D_h/S_sから計算することができ、違反開始時点はt_s1=t₁-τ_sに対応し、違反終了時点はt_s2=t_s+τ_sに対応する。
【００７１】
処理ステップ９８ないし１０２は、集合的に、ヒットに対する条件を満たすかいなか判定する。一旦図２および図３を参照すると、この判定は、３つのバー全てが同時に存在する領域を特定することによって可能であることがわかる。
【００７２】
数学的には、これは次のように表すことができる。
(t_f2>t_z1およびt_f1<t_z2およびt_s2>t_z1およびt_s2<t_z1およびt_s2>t_f1およびt_s1<t_f2および(t_s1>0 またはt_z1>0)およびR_h<D_h+T_h)の場合、処理ブロック１０４に示すように「ヒット」を宣告する。
【００７３】
違反推定開始時点は、T_s=max[t_f1, t_s1, t_z1]と表現することができ、違反推定終了時点は、T_e=min[t_f2, t_s2, t_z2]と表現することができる。
【００７４】
以上の判断基準を満たさない場合、「ヒット」とはならない。ヒットかミスかには関係なく、処理はステップ１０６に進み、次の処理を行う。次いで、処理は図示のように終了する。
【００７５】
以上本発明の好適な実施形態について説明したが、当業者には、それらの概念を組み込んで他の実施形態を使用することも可能であることは明白であろう。したがって、これらの実施形態は、開示した実施形態に限定されるのではなく、特許請求の範囲の精神および範囲によってのみ限定されるものであるる。
【００７６】
この中で引用した全ての刊行物および引例は、言及によって、その全体が本願にも明示的に援用されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、航空交通制御システムのブロック図である。
【図２】図２は、最速および最遅接近違反が、垂直分離の違反と同時に水平分離に違反することを示すグラフである。
【図３】図３は、航空機が互いに向かって移動すると、予測した抵触の開始時点の不確実性が減少することを示すグラフである。
【図４】図４は、衝突に向かって接近する２機の航空機のシステム・プレーン軌跡を示すプロットである。
【図５】図５は、２機の例示の操縦中の航空機の軌跡を示すプロットである。
【図６】図６は、本発明の技法をテストするための接近を示すプロットである。
【図７】図７は、無用アラーム確率の改善を示すプロットである。
【図８】図８は、衝突警報確率の改善を示すプロットである。
【図９】図９および図９Ａは、衝突する可能性があるターゲットの情報を処理する際に行う１組の処理ステップを示す一連のフロー図である。

Claims

少なくとも２つの物体間の衝突を予測する方法であって、前記少なくとも２つの物体の一方が他方に対して操縦しており、
（ａ）現在の移動方向とは関係なく互いに正面に向かって移動する場合に前記２つの物体が水平接近する推定最早時点から推定最遅時点までの第１時間区間、または現在の方向に移動する場合に前記２つの物体が水平接近する推定最早時点から推定最遅時点までの第２時間区間、の少なくとも１つの時間区間を発生するステップと、
（ｂ）現在の方向に移動する場合に前記２つの物体が垂直接近する推定最早時点から推定最遅時点までの第３時間区間を発生するステップと、
（ｃ）前記少なくとも２つの物体について、前記第１時間区間または第２時間区間の少なくとも一方が前記第３時間区間と重なり合う部分があるか否か判定するステップと、
（ｄ）前記少なくとも２つの物体間の分離が所定の分離スレッショルドを満たすか否か判定するステップと、
（ｅ）前記少なくとも２つの物体が接近しているか否か判定するステップと、
を含む方法。
請求項１記載の方法において、前記少なくとも２つの物体が接近しているか否か判定する前記ステップは、
前記少なくとも２つの物体の位置および高度を補間するステップと、
水平および垂直距離を計算するステップと、
前記少なくとも２つの物体の収束係数を計算するステップと、
前記少なくとも２つの物体の相対スピードを計算するステップと、
前記少なくとも２つの物体の違反時間区間を計算するステップと、
時間区間の重なりチェックを実行するステップと、
を含む方法。
請求項２記載の方法において、前記少なくとも２つの物体の位置および高度を補間する前記ステップは、
前記少なくとも２つの物体の位置、高度、ならびに現在および以前の走査時間を検索するステップと、
前記ターゲットのシステム・プレーン位置および高度の増分を計算するステップと、
前記ターゲットの位置および高度を同期させるステップと、
を含む方法。
請求項１記載の方法において、前記水平および垂直距離を計算するステップは、
前記水平距離をR_h,n= [(ΔX_12,n)²+ (ΔY_12,n)²]^1/2として計算するステップと、
前記垂直距離をR_v,n= |ΔZ_12,n|として計算するステップと、
を含む方法。
請求項２記載の方法において、前記少なくとも２つの物体の相対スピードを計算する前記ステップは、
接近スピードを計算するステップと、
正面スピードを計算するステップと、
垂直スピードを計算するステップと、
を含む方法。
請求項２記載の方法において、前記少なくとも２つの物体の違反時間区間を計算する前記ステップは、
違反開始時点を計算するステップと、
違反終了時点を計算するステップと、
を含む方法。
少なくとも２つの物体間の衝突を予測する装置であって、前記少なくとも２つの物体の一方が他方に対して操縦しており、
（ａ）現在の移動方向とは関係なく互いに正面に向かって移動する場合に前記２つの物体が水平接近する推定最早時点から推定最遅時点までの第１時間区間、または現在の方向に移動する場合に前記２つの物体が水平接近する推定最早時点から推定最遅時点までの第２時間区間、の少なくとも１つの時間区間を発生する手段と、
（ｂ）現在の方向に移動する場合に前記２つの物体が垂直接近する推定最早時点から推定最遅時点までの第３時間区間を発生する手段と、
（ｃ）前記少なくとも２つの物体について、前記第１時間区間または第２時間区間の少なくとも一方が前記第３時間区間と重なり合う部分があるか否か判定する手段と、
（ｄ）前記少なくとも２つの物体間の分離が所定の分離スレッショルドを満たすか否か判定する手段と、
（ｅ）前記少なくとも２つの物体が接近しているか否か判定する手段と、
を備えている装置。
請求項７記載の装置において、前記少なくとも２つの物体が接近しているか否か判定する前記手段は、
前記少なくとも２つの物体の位置および高度を補間する手段と、
水平および垂直距離を計算する手段と、
前記少なくとも２つの物体の収束係数を計算する手段と、
前記少なくとも２つの物体の相対スピードを計算する手段と、
前記少なくとも２つの物体の違反時間区間を計算する手段と、
時間区間の重なりチェックを実行する手段と、
を備えている装置。
請求項７記載の装置において、前記少なくとも２つの物体の位置および高度を補間する前手段は、
前記少なくとも２つの物体の位置、高度、ならびに現在および以前の走査の時間を検索する手段と、
前記ターゲットのシステム・プレーン位置および高度の増分を計算する手段と、
前記ターゲットの位置および高度を同期させる手段と、
を備えている装置。
請求項７記載の装置において、前記少なくとも２つの物体の相対スピードを計算する前記手段は、
接近スピードを計算する手段と、
正面スピードを計算する手段と、
垂直スピードを計算する手段と、
を備えている装置。
請求項７記載の装置において、前記少なくとも２つの物体の違反時間区間を計算する前記手段は、
違反開始時点を計算する手段と、
違反終了時点を計算する手段と、
を備えている装置。
航空交通制御システムであって、
レーダ・システムと、
前記レーダ・システムに結合された衝突警報プロセッサと、
を備え、前記衝突警報プロセッサは、
信頼性の高い最小分離標準（ＭＳＳ）違反予測を行う操縦衝突警報予測（ＭＡＮＣＯＮＰ）プロセッサであって、現在の移動方向とは関係なく互いに正面に向かって移動する場合に前記２つの物体が水平接近する推定最早時点から推定最遅時点までの第１時間区間、または現在の方向に移動する場合に前記２つの物体が水平接近する推定最早時点から推定最遅時点までの第２時間区間、の少なくとも１つの時間区間を発生するとともに、現在の方向に移動する場合に前記２つの物体が垂直接近する推定最早時点から推定最遅時点までの第３時間区間を発生し、
前記少なくとも２つの物体について、前記第１時間区間または第２時間区間の少なくとも一方が前記第３時間区間と重なり合う部分があるか否か判定する時間区間重複プロセッサ、
前記重複プロセッサに結合された分離スレッショルド判断プロセッサ、および
前記分離スレッショルド判断プロセッサに結合された収束プロセッサ、
を含む操縦衝突警報予測（ＭＡＮＣＯＮＰ）プロセッサと、
前記操縦衝突警報予測プロセッサに結合された近接衝突（ＰＲＯＣＯＮ）プロセッサであって、アラームを発生した対象の航空機が離れ始めるまで、衝突警報を維持する、近接衝突（ＰＲＯＣＯＮ）プロセッサと、
を含む、航空交通制御システム。
請求項１２記載の航空交通制御システムにおいて、前記操縦衝突警報予測プロセッサは、衝突警報が宣告可能になる間の警告時間を短縮する手段を備える、航空交通制御システム。
請求項１２記載の航空交通制御システムにおいて、前記操縦衝突警報予測プロセッサは、
水平違反の開始時点を、ＭＳＳ違反が開始可能な最も早い時点および最も遅い時点によって区切られた時間区間内に置く第１手段と、
対応する終了時点を計算する第２手段であって、２つの開始および終了時点対が、最速および最遅接近が各々違反となる２つの時間区間を規定する、第２手段と、
両時間区間が互いに重なり合うか否か、および航空機対が垂直違反である時間区間とこれらが重なり合い、衝突の潜在的可能性があり、ヒットを記録することができるか否か判定する第３手段と、
を備えている航空交通制御システム。
請求項１２記載の航空交通制御システムにおいて、前記第１手段は、可能な最も速い接近を想定することによって最早時点を取得し、可能な最も遅い接近を想定することによって最遅時点を取得する、航空交通制御システム。