JP4025649B2 - ヘリコプター用ｅｇｐｗｓカットオフ高度 - Google Patents

Description

本発明は、地面接近警報システムに関し、特にヘリコプター用地面接近警報システムに関する。

地面接近警報システム（ＧＰＷＳ）は航空機が地勢に危険なほど接近したり、しそうなとき、また地勢に対する航空機位置と飛行条件とが明らかに合わないようなときにそのような地勢に関する警報を音声と視覚で発する。初期世代の地面接近警報システムは地勢に対する危険な接近を検知するのにレーダー高度計を使用した。レーダー高度計は地勢の接近とともに接近速度すなわち地上からの高度の変化率を検知する。接近変化率は重要で、予め設定したエンベロープと比較して危険な状態の有無を決定するのに利用される。旧来の地面接近警報システム（ＧＰＷＳ）は、飛行様式に基づいて他の危険な状態の可能性について警報を発する、モードと呼ばれる他の警報機能も備えている。

ＧＰＷＳシステムは商用、軍用及び一般航空機の分野で安全性を著しく高めてきたが幾つかの限界がある。ＧＰＷＳシステムは地勢情報のデータベースを備えていないため、航空機の前方で生じる地勢の危険性を予測する能力が殆どない。したがって、後世代のＧＰＷＳであるＥＧＰＷＳ（強化型地面接近警報システム）やＴＡＷＳ（地勢アウェアネス及び警報システム）は蓄積地勢データベースを備えている。ＥＧＰＷＳは３次元空間において航空機の位置を蓄積地勢情報と比較して衝突の可能性を検知する。危険な接近を決定する唯一の要素としてレーダーによる高度測定のみに依存するのではなく、警報エンベロープに重要な先取り機能を与えることでＥＧＰＥＷＳの能力は強化された。前方にある地勢の危険性を予測する能力を有するＥＧＰＷＳは予測される航空機の飛行経路をプロットし、地勢回避操縦が必要になると警報で操縦士に伝える。また、ＥＧＰＷＳシステムは旧来のＧＰＷＳシステムが有する全ての機能及びモードを兼備している。

ＥＧＰＷＳの有用性は迷惑な警報により損なわれる。迷惑な警報とは実際には何ら危険を伴わないのにＥＧＰＷＳによって発せられる警報である。この種の警報は実際には航空機を危険に陥らせることなく警報動作を起動する地勢の特徴等、種々の原因で発生する。迷惑な警報が頻繁に発生するようになると操縦士はＥＧＰＷＳを切ってしまったり、警報を無視するようになるので飛行の安全性が脅かされる。精緻なＥＧＰＷＳシステムでは地勢環境と航空機のフライトパラメータに基づいて動的に決定される絶対カットオフ高度を利用することで迷惑な警報の発生を極力少なくする。絶対カットオフ高度より低い高度では全ての地面接近警報が抑制される。

固定翼用ＥＧＰＷＳで想定した項目の多くはヘリコプターのように回転翼型航空機では成り立たない。固定翼用ＥＧＰＷＳでは、航空機は地勢を避けるために例えば６度のような限られた最大角度で上昇可能であると想定する。一方、多くの回転翼型航空機は垂直上昇や空中停止飛行が可能である。ヘリコプターに装備した固定翼用ＥＧＰＷＳは地勢近くで空中停止飛行を行っているときに不要な警報を発する。また、固定翼用ＥＧＰＷＳにおいて想定する最大飛行角を垂直に変更しただけでは、有効な警報を含めて全く警報が出なくなるので装置として機能しなくなる。

ハネウェル・インターナショナル社製の固定翼用ＥＧＰＷＳは地勢データベースに滑走路の場所と標高の情報を記憶している。この固定翼用ＥＧＰＷＳはインストールした地勢データベースに基づいて、滑走路が利用できない場所で航空機が地勢に接近すると警報を発する。この固定翼用ＥＧＰＷＳは離着陸において空港の滑走路への接近が必要であると想定しているが、これは固定翼型航空機についていえば妥当である。しかしながら、ヘリコプターの操縦士にとって空港以外で離着陸を行うことはごく一般的である。このような通常の飛行状況において固定翼用ＥＧＰＷＳは迷惑な警報を発することになる。

同様に、固定翼用ＥＧＰＷＳシステムは表示クラッターを減らすために絶対カットオフ高度より下にある全ての地物の表示を抑制する。警報と表示の双方について同一の絶対カットオフ高度を使用するが、その根拠となっている想定は、固定翼型航空機は空港の滑走路近くでのみ地勢に接近した操縦を意図的に行う、というものである。この想定は地勢近くでの操縦が空港から離れた所でも日常的に行われる回転翼型航空機では成り立たない。このような状況を踏まえると、固定翼用ＥＧＰＷＳは、地勢の特徴を十分に表示することが操縦士にとって有用な地勢回避ツールになるときにそのような表示を行わない。

以下の説明では回転翼型航空機の飛行の安全性を高めるようにＥＧＰＷＳの警報及び表示方法を変更するニーズについて強調する。

本発明はヘリコプターのように高操縦性の航空機において地面接近に関する迷惑な警報を低減した改良ＥＧＰＷＳシステム、方法及びコンピュータプログラムである。本装置又はシステムは、絶対カットオフ高度より下にある地勢については地面接近警報を発しないとする絶対カットオフ高度の決定に当たり新規な方法で飛行速度を利用する。さらに本装置は蓄積地勢情報のデータベース、信号処理装置、及び出力を備える。例えば、今日のＥＧＰＷＳシステムは滑走路以外の着陸地に向けて航空機が低速進入するときに警報を発するが、本発明はこの種の警報を抑制する。このように、本発明はこの種の航空機において実際の地勢の危険性をより確実に指示する高信頼度指示器を提供することにより飛行の安全性を高める。

本発明の他の側面に基づいて、本発明は低空飛行回転翼型航空機について地面接近の表示を強化した装置、方法及びコンピュータプログラムを提供する。例えば、今日のＥＧＰＷＳシステムは絶対カットオフ高度より下にある地勢の表示を抑制するが、本発明は選択した表示区域における地勢の最低標高に係る地勢を拡大表示することが可能である。これを達成するために本発明は警報検知用と表示用とで異なる絶対カットオフ高度を定義する。

以下、本発明の詳細と動作について図面を参照して説明する。本発明の用語として「地勢」は自然の地勢（地物）のみならず地上に築かれた人工地物（障害物）を包含するものである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１に示すように、本発明の強化型地面接近警報防止装置（ＥＧＰＷＳ）１０はＥＧＰＷＳプロセッサ４８と、地勢、障害物及び空港に関するデータベース５０と、ディスプレイ８０と、オーディオ出力８０と、警報灯５４を備えている。ＥＧＰＷＳ１０は飛行計装用データバス４４を介して飛行計器２０〜４２と通信可能に接続される。航空機の飛行条件及び位置を決定する飛行計器２０〜４２の具体例として全地球側位システム（ＧＰＳ）、飛行管理システム（ＦＭＳ）、慣性航法システム（ＩＮＳ）がある。また、プロセッサ４８は他の航法システム、例えばＤＭＥ／ＤＭＥ、ＶＯＲ／ＤＭＥ、ＲＮＡＶ、ＬＯＲＡＮ等から航空機の位置や高度の情報を集めることができる。また、プロセッサ４８は以下の航空機情報の一部を受けることができる。航空機の位置２０、航空機の機首方位２２、電波高度計測定値２４、グライドスロープ２６、高度レート２８、高度（ＭＳＬ）３０、飛行経路角３２、対地速度３４、対地航跡３６、ピッチ／ロール姿勢３８、及びエンジントルク４０。一実施形態において、本発明はＧＰＳと気圧高度とを合成して求めた幾何学高度を高度指示として使用する。幾何学高度の記載は関連する米国特許第6216064号、名称「高度決定方法および装置（METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING ALTITUDE）」に開示される。しかしながら、本発明はこれらの入力に限られず、例えば対気速度等の情報を受けてもよい。このような情報によりプロセッサ４８は３次元空間における航空機の位置を割り出す。

図２は従来の固定翼用ＥＧＰＷＳが使用する絶対カットオフ高度を示したものである。絶対カットオフ高度より下にある地勢によって生じる地勢警報は迷惑な警報を減らすために全て抑制される。また、絶対カットオフ高度より下にある地勢の表示もクラッター表示を軽減するために抑制される。

従来技術のＥＧＰＷＳ法は最短滑走路カットオフ高度（ＮＲＣＡ）と航空機の相対カットオフ高度（ＣＡＲＡ）のうち低い方を絶対カットオフ高度として定義する。ＮＲＣＡは航空機の位置から最も近い滑走路上にとられる設定可能な一定の高度であり、例えば図２の線分２７８で示すように滑走路標高上から３００フィートの高度である。ＣＡＲＡは地表デルタ高さ（ＴＨＤＨ）、デルタ高さバイアス、及び固定バイアスの因子により下方に調整した訂正航空機高度である。ＴＦＤＨは例えば最短の滑走路までの距離により変わる。デルタ高さバイアスは例えば高度誤差の推測値により変わる。また、2001年7月27日出願の関連米国特許出願シリアル番号09/917374、名称「地面接近警報システム用のデルタ高さバイアスおよび地表生成器（DELTA HEIGHT BIAS AND TERRAIN FLOOR GENERATOR FOR A GROUND PROXIMITY WARNING SYSTEM）」に記載されるように、両因子は航空機の速度にも依存する。したがって、ＮＲＣＡ、ＣＡＲＡ、地表デルタ高さ、及びデルタ高さバイアスの決定については既に定められており、本発明の対象でない。

ＣＡＲＡ（図２において線分２８８で示す）は常に航空機より下にある。航空機が滑走路に接近すると、絶対カットオフ高度は強制的にＮＲＣＡに設定されて、最終進入における迷惑な警報及び乱雑な表示を抑制する。したがって、１．５度のグライドスロープ角で滑走路に進入する固定翼型航空機のケースでは、地面、線分２７８、２８８及び２８２で囲まれた部分により警報の検知及び表示を抑制するための絶対カットオフ高度以下の領域が定められる。

脅威検知用絶対カットオフ高度
本発明のＥＧＰＷＳは航空機の速度のみによって変わる新規な対地速度カットオフ高度（ＧＳＣＡ）因子に基づいて検知選択基準としての絶対カットオフ高度を変更する。ＧＳＣＡの好ましい実施形態を図３に示す。ホバリング速度閾値３１２以下では、ＧＳＣＡを線分３１０で示すように航空機の高度より高い高度に設定する。ホバリング速度の閾値３１２以上で進入速度の閾値、すなわちＶＩＦＲ最低速度３１４以下のときは、ＧＳＣＡを訂正航空機高度３１６、すなわちそりの高さに設定する。ＶＩＦＲ最低速度３１４を超えるときは、ＧＳＣＡを強制的に大きな負の高度−９９９９に設定する。

本発明のＥＧＰＷＳにおける脅威検知用絶対カットオフ高度を定めるために、先ず従来のＥＧＰＷＳと同様にＮＲＣＡとＣＡＲＡのうち低い方を選択する。次に最初に選択したものとＧＳＣＡのうちで高い方を選択し、これを警報抑制用の絶対カットオフ高度とする。

本発明の選択方法の成果として、ホバリング（空中停止）飛行の際は、全ての警報が抑制され、特に航空機より所定の距離だけ上にある地勢の接近による警報であっても抑制される。回転翼型航空機が低い高度で着陸地点に低速進入するときや、離陸直後、低い高度で増速中のときは、車輪の高度より下にある地勢による警報を抑制する。そして、通常の飛行速度のときはＧＳＣＡが強制的に大きな負値になるので選択されることはあり得ず、絶対カットオフ高度は従来技術における絶対カットオフ高度に等しくなる。

図４は本発明のアルゴリズムの一実施形態を記載した幾つかのフローチャート（図５〜９）の概要を表したものである。通常の動作においてＥＧＰＷＳは絶対カットオフ高度の決定を１００から開始する。ステップ１１０で、ＥＧＰＷＳは航空機の位置、位置の不確定性、幾何学高度、対地速度、及び投影航跡から成る航空機位置データを集める。状況に応じて他のフライトパラメータ、例えば対気速度、気圧高度、電波高度等で代用してもよい。

ステップ２００で、プロセッサ４８はデータベース５０から現在の航空機位置に対応する地勢データを取り出す。地勢データには操縦士が表示のために選択した区域における最低地勢標高が含まれる。さらにデータベース５０からプロセッサ４８に最短又は選択した滑走路の場所の情報が与えられる。航空機位置の近くに複数の滑走路がある場合、プロセッサ４８はそれらの場所を比較して近い方の滑走路、その標高、及び滑走路までの距離を求める。この滑走路選択処理はＥＧＰＷＳにおける通常手続きの一部として既知であり、米国特許第6304800号、名称「自動化された滑走路選択のための方法、装置およびコンピュータプログラム製品（METHOD,APPARATUS AND COMPUTER PROGRAM PRODUCTS FOR AUTOMATED RUNWAY SELECTION）」に開示されており、この文献を参照のために本書に組み込む。ステップ３００で、プロセッサ４８は最短／選択滑走路の標高と位置の不確定性値に基づいて最短滑走路カットオフ高度を定義する。これらの値を決定する方法の具体例が図５に記載される。

図５の３０５において、本発明は先ず、１１０で得た位置の不確定性をプリセット値と比較する。位置の不確定性がプリセット値より大きければ、３２５と３３５で最短滑走路の標高に設定可能な高度Ｂを足してＮＲＣＡを算出する。設定可能な高度Ｂとして例えば５００フィートが好ましい。逆に位置の不確定性がプリセット値以下であれば、３２０と３３０で最短滑走路の標高に設定可能な高度Ａを足してＮＲＣＡを算出する。設定可能な高度Ａとして例えば４００フィートが好ましい。

最後にプロセッサ４８は３４０でＮＲＣＡを検査し、それが最低飛行高度の基準値である閾値高度より低いかを決定する。そうであれば３４５でＮＲＣＡを閾値高度に設定する。そうでなければＮＲＣＡはステップ３０５〜３３５で算出した値のままである。次に、詳細を図６に示す４００において、プロセッサ４８は航空機の相対カットオフ高度（ＣＡＲＡ）を決定する。ＥＧＰＷＳは任意の既知の方法に従がって、例えば継続中の米国特許出願シリアル番号09/865333、名称「ヘリコプターの増強地面接近警報システム用の装置、方法およびコンピュータプログラム製品（APPARATUS,METHOD AND COMPUTER PROGRAM PRODUCT FOR HELICOPTER ENHANCED GROUND PROXIMITY WARNING SYSTEM）」に記載される方法で航空機の相対カットオフ高度を決定する。実施形態において、プロセッサ４８は４０５で航空機の幾何学高度から地表デルタ高さ（ＴＦＤＨ）を差し引き、さらに４１０でデルタ高さバイアスを差し引き、さらに４１５で設定可能な固定バイアスを差し引くことでＣＡＲＡを算出し、結果を４１９で出力する。

詳細を図７に示す５００において、プロセッサ４８は航空機の対地速度に基づいてＧＳＣＡを決定する。図７はＧＳＣＡを決定するアルゴリズムの具体例を示したものである。先ずプロセッサ４８は、５１０、５１５、５２０でホバリング速度の閾値より速い速度についてはＧＳＣＡを航空機のそり（スキッド）高さに、ホバリング速度の閾値より遅い速度についてはＧＳＣＡをスキッド高さより設定可能な高度Ｃだけ上に設定する。設定可能な高度Ｃは例えば４００フィートである。さらにプロセッサ４８は、５３０と５５０で対地速度がＶＩＦＲ最低速度３１４より速い場合にＧＳＣＡを負の極大値に設定する。このようにＧＳＣＡ出力は対地速度に応じて３種類の速度のいずれかになる。

ＧＳＣＡアルゴリズムで使用する閾値速度及び高度は回転翼型航空機の代表的な飛行形態に合わせている。対地速度が設定可能なホバリング閾値速度３１２より遅い場合、例えば５０ノット未満の場合、対地速度カットオフレベルは航空機より高い適正な高度になるであろう。この高いカットオフ高度を超えて広がるような例外的な地勢の危険性を除けば、航空機の低い速度は現航空機位置に近くで着陸が想定されることと整合している。

対地速度が少し速くなるが進入の最低安全速度や離陸の最低安全速度、所謂ＶＩＦＲ最低速度３１４より遅い場合、例えば５０〜６０ノットの場合、ＥＧＰＷＳは操縦士のためにカットオフ高度を着陸装置（landing gear）の高度に設定する。ここでは、フライトプロフィールとして着陸に向けて減速しながらのアプローチ、あるいは離陸直後に低高度で速度の上昇中であることを考慮している。この段階において、操縦士は目線レベルからそのアプローチ（進入）を危険にするような事態を発見する機会があり、そのような飛行段階においてＥＧＰＷＳは、航空機より下方の地勢に関する警報を抑制する。

ＶＩＦＲ最低速度３１４より速い対地速度に対してＥＧＰＷＳはカットオフレベルを負の極値に設定する。これにより、ＧＳＣＡは絶対カットオフ高度を決定する際の対象から完全に除外される。このように、通常の飛行速度に対して本発明は従来技術のＥＧＰＷＳと同様な仕方で警報を抑制する。

詳細を図８に示す６００において、プロセッサ４８は検知用絶対カットオフ高度を決定する。図８に示すように、先ずアルゴリズムは、６２０で航空機から滑走路までの距離が滑走路のオフセット値より近いかを決定する。オフセット値以下（オフセット距離内）であれば、６３５で検知用絶対オフセット高度にＮＲＣＡを設定し、その値をステップ７１０でＧＳＣＡと比較するために渡す。そうでなければ、アルゴリズムは６２５でＮＲＣＡとＣＡＲＡを比較し、小さい方をステップ７１０に渡す。ステップ７１０で、アルゴリズムはＧＳＣＡと上記比較ステップ６２０及び６２５の結果のうち大きい方を選択し、その結果を検知用絶対カットオフ高度として出力する。

地勢表示用絶対カットオフ高度
以上のステップ１００〜７００で検知用絶対カットオフ高度を決定した。ステップ８００は地勢表示用絶対カットオフ高度を決定する処理であり、その実施形態を図９に示す。ステップ８１０で表示用中間カットオフ高度を、ＥＧＰＷＳ表示装置（図示せず）に示される表示区域の地勢の最低標高に設定可能な表示オフセット高度を足した値に設定する。ＥＧＰＷＳの表示ユニットに示される区域はユーザにより又は自動で選択される。表示オフセット高度は例えば１００フィートである。この表示用中間カットオフ高度を８２０でＣＡＲＡと比較し、小さい方を表示用絶対カットオフ高度として選択する。この実施形態において、表示区域の地勢の最低標高より１００フィート上とＣＡＲＡのうち低い方の高度かそれより下方では地勢の表示を抑制する。このように本発明による表示の抑制は、従来技術においてＣＡＲＡあるいはＮＲＣＡの低い方を表示用絶対カットオフ高度として使用していた点と比べて明らかに異なる。すなわち、本発明による表示抑制は最短の滑走路に対する接近に依存しにくくなる一方でＥＧＰＷＳに表示される接近地勢の特徴に強く依存する。また、容易に分かるように、検知用と表示用の絶対カットオフ高度を異なる方法で算出しているので、従来技術の表示抑制と比較して滑走路近くや山岳地における地勢の特徴が抑制されることは少なくなる。

プロセッサ４８は検知用と表示用の絶対カットオフ高度を決定した後、９００でこれらのパラメータをＥＧＰＷＳ内部の脅威評価機能に送る。続いて新たな瞬時航空機位置について処理が再開される。

以上、本発明を好ましい実施の形態について説明してきた。種々の設定可能な変数を使用したが本発明のアルゴリズムは特定の設定値に依存しない。本発明の代替形態は対地速度に代え対気速度を、幾何学高度に代え電波高度又は気圧高度を、等々を用いることができる。さらに、ＧＳＣＡは様々な代替的減少関数により定義でき、例えば連続関数又は好ましい３ステップより多数又は少数のステップ関数を用い、回転翼型航空機の代替閾値速度に基づいて定義することができる。当業者にとって種々の変更及び変形形態は明らかである。したがって、本発明は特許請求の範囲に基づいて解釈すべきである。

本発明の実施形態に基づいてヘリコプターで使用されるＥＧＰＷＳのブロック図である。 従来技術及び本発明のＥＧＰＷＳで共用される迷惑な警報の発生及び抑制に関連する種々の変数をグラフで示した図である。 本発明の対地速度カットオフ高度（ＧＳＣＡ）をグラフで示した図である。 図１に示すシステムが実行する処理のフローチャートである。 図１に示すシステムが実行する処理のフローチャートである。 図１に示すシステムが実行する処理のフローチャートである。 図１に示すシステムが実行する処理のフローチャートである。 図１に示すシステムが実行する処理のフローチャートである。 図１に示すシステムが実行する処理のフローチャートである。

Claims (14)

1. 地面接近アウェアネス装置における絶対カットオフ高度を発生する回転翼型航空機における絶対カットオフ高度発生装置において、
   航空機の速度、最短滑走路カットオフ高度、及び航空機の相対カットオフ高度を表す信号を受ける入力と、
   上記入力に結合し、速度に基づいたカットオフ高度を発生し、上記速度に基づいたカットオフ高度を上記最短滑走路カットオフ高度及び上記航空機の相対カットオフ高度と比較し、上記比較の結果に基づいて絶対カットオフ高度を発生する信号処理装置と、
   上記発生した絶対カットオフ高度を上記地面接近アウェアネス装置に送る出力と、
   を含み、
   上記速度に基づいたカットオフ高度はステップ関数で記述され、
   上記速度に基づいたカットオフ高度は、前記回転翼型航空機がホバリング速度の閾値内である場合に航空機の現在の高度より上にある、
   絶対カットオフ高度発生装置。
2. 上記航空機の速度は航空機の対地速度である、請求項１記載の装置。
3. 上記比較は、第１の比較において上記最短滑走路カットオフ高度を上記航空機の相対カットオフ高度と比較し、上記最短滑走路カットオフ高度と上記航空機の相対カットオフ高度の一方を選択し、第２の比較において上記選択したステップを上記速度に基づいたカットオフ高度と比較することを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 上記選択において上記最短滑走路カットオフ高度と上記航空機の相対カットオフ高度のうち低い方を選択する、請求項３記載の装置。
5. 上記第２の比較において上記選択した値と上記速度に基づいたカットオフ高度のうち高い方を選択する、請求項４記載の装置。
6. 上記ステップ関数は速度の上昇に対して設定可能な離散点で減少する一連の値から構成される、請求項１記載の装置。
7. 上記設定可能な離散点はホバリング速度及びＶＩＦＲ最低速度である、請求項６記載の装置。
8. 地面接近アウェアネス装置における絶対カットオフ高度を発生する回転翼型航空機における絶対カットオフ高度発生方法において、
   航空機の速度、最短滑走路カットオフ高度、及び航空機の相対カットオフ高度を表す信号を受けるステップと、
   速度に基づいたカットオフ高度を発生するステップと、
   上記速度に基づいたカットオフ高度を上記最短滑走路カットオフ高度及び上記航空機の相対カットオフ高度と比較する比較ステップと、
   上記比較の結果に基づいて絶対カットオフ高度を発生するステップと、を含み、
   上記速度に基づいたカットオフ高度はステップ関数で記述され、
   上記速度に基づいたカットオフ高度は、前記回転翼型航空機がホバリング速度の閾値内である場合に航空機の現在の高度より上にある、
   絶対カットオフ高度発生方法。
9. 上記航空機の速度は航空機の対地速度である、請求項８記載の方法。
10. 上記比較ステップは、第１の比較ステップにおいて上記最短滑走路カットオフ高度を上記航空機の相対カットオフ高度と比較し、選択ステップにおいて上記最短滑走路カットオフ高度と上記航空機の相対カットオフ高度の一方を選択し、第２の比較ステップにおいて上記選択したステップを上記速度に基づいたカットオフ高度と比較する、請求項８記載の方法。
11. 上記選択ステップは上記最短滑走路カットオフ高度と上記航空機の相対カットオフ高度のうち低い方を選択する、請求項１０記載の方法。
12. 上記第２の比較ステップは上記選択した値と上記速度に基づいたカットオフ高度のうち高い方を選択する、請求項１１記載の方法。
13. 上記ステップ関数は速度の上昇に対して設定可能な離散点で減少する一連の値から構成される、請求項８記載の方法。
14. 上記設定可能な離散点はホバリング速度及びＶＩＦＲ最低速度である、請求項１３記載の方法。

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