JP4348189B2 - コンフォーマルディスプレイ用の空港施設表示システム及びデータ交換方法 - Google Patents

Description

本発明は、航空機地上誘導システム（ＳＧＳ、surface guidance systems）に関し、特に、航空機搭載のコンフォーマルディスプレイシステム（例えば、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ））に空港の施設データを送るための通信交換に関する。

航空機の地上誘導を向上させることには、多大な関心が寄せられている。航空機が空港の滑走路に着陸すると、次のステップは航空機を乗客乗降ゲート等の所定の目的地までタキシングすることである。空港を構成する多数の滑走路やタキシーウェイ、ランプ、建物に囲まれて、パイロットは混乱したり迷ったりしがちである。この問題は、大空港でより深刻であり、多数の照明灯のため航空機を所定の目的地までタキシングさせるのがより難しくなる夜間は特に深刻である。

効率的なタキシングを行なえば、時間とコストが節約される。空港が混雑するにつれ、航空機が滑走路とゲートの間のタキシングに多大な時間を費やすことが多くなっている。パイロットが、間違ったターンをしたり、迷ったり、滑走路やタキシーウェイを間違えたりした場合は、タキシング時間は更に長くなる。更には、間違ったターン或いは走行ミスは、空港内の他の航空機に遅れを生じる。

空港地上誘導能力の特徴の一つとして、滑走路やタキシーウェイなどの空港施設を、パイロットが容易に利用できる形態で示す機能がある。これらの施設情報を表示するアプローチとしては、飛行機のフロントガラス越しに外を見ているパイロットの視線の先に表示を行なうヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ、head-up display）上に該情報を表示することである。パイロットは通常、地上管制官によって許可されたタキシー経路を入力或いは選択する。それにより、タキシー経路、即ちルートがＨＵＤ上に表示される。パイロットは、ＨＵＤ上に表示された施設を見ることができるが、この施設は、パイロットが通常フロントガラス越しに見ることができる地上の施設に重ね合わせられる。視界状態が悪い場合であっても、パイロットはＨＵＤに表示された空港の施設を見ることができる。この空港施設によって、パイロットは選択したタキシー経路上における航空機の位置を認識できる。

地上誘導用の実用的なアビオニクスの導入に関する重要な様相には、ディスプレイスクリーンに空港施設を適切に表示するのに必要とされる大量のデータを転送するための通信バス或いはデータリンクを設けることが一般に含まれる。空港施設表示システムを実際に導入する上での障害は、空港の施設を分かりやすく表示、好ましくは、空港の施設をタキシー指示や他の有用な記号と共に、フロントガラス越しに外を見ているパイロットの視線と一致するように表示しなければならないことである。空港の施設を表わすデータは大量のメモリを消費する。多数の空港のデータをメモリ上に記憶しなければならないためこの問題はより深刻である。更に、従来の空港施設表示システムでは、表示システム（例えば、ＨＵＤ）に空港施設データを送るのに対応した高速の通信バスが必要とされる。このような高速通信バスの必要性は、アビオニクスシステムの多くが限られたデータ記憶容量しか有さず、また高速バスを有さないことと相俟って、多くの航空機に搭載されている既存のＨＵＤシステムに空港施設を導入するための試みを難航させている。空港施設を表示するためのアプローチとしては、航空機アビオニクスシステムを、大容量データ記憶能力と高速データバスを有する新しい機器にアップグレードすることが挙げられる。しかしながら、これらのシステムを設計し、検定し、既存のアビオニクススーツに統合し、またインストールしなければならない。これら全てを行なうことはアップグレードを高価にするため、多くの航空機の場合、このアプローチはコスト的に不可能である。

空港施設表示システムとは、単に空港施設を表示する機能を有するだけではなく、表示された施設を有用なものとし且つシステムに費用効果をもたらすのに適切なものでなければならない。また、空港施設表示システムは、既存の航空機アビオニクスシステムに、最小のコストで改造し組み込むことができるように設計するのが望ましい。

従って、コストを下げ、タキシーエラーを減じ、タキシング時間を短縮し、更には空港の効率を改善する方法を見出すという目標が引き続き存在する。

上に述べた目標や他の目標を達成するために、本発明の空港施設表示システムは、独自のデータ交換方法を含む。このデータ交換方法は、新規の高速データバスを設計したり、或いは設置したりすること無しに、従来のデータバスを介しての空港施設データの通信を容易にする。本空港施設表示システムは、改造アプリケーションのために、多くの既存のＨＵＤシステムに最小の変更で適合させることができる。

本発明の一様相においては、空港施設表示システムが、航空機のエンルート設定機能を提供するフライトマネジメントシステム（ＦＭＳ、flight management system）に対する拡張として統合される。ＦＭＳは既に多くの航空機に設置されており、本発明の空港施設表示システムを導入するために必要とされる多くの要素を含む。例えば、ＦＭＳはプロセッサやデータ記憶装置、ユーザインターフェイスを含み、ＨＵＤ等の複数の表示システムと接続される。

本発明の別の様相においては、空港施設を表わすデータをＨＵＤへ送るために必要な帯域幅に対する要求が減じられる。このことは、既存の航空機に、費用効果の高い施設表示システムを導入するために重要である。ＦＭＳとＨＵＤを結ぶ多くの既存の通信バスの帯域幅は、施設データを送るためには十分ではない。このようなバスの一例は、電子飛行計器システム（ＥＦＩＳ、electronic flight instrument system）バスが挙げられる。このバスは通常、ＦＭＳとＨＵＤとの間でデータを送る。本発明は必要な帯域幅を大幅に狭くできる。空港内の一個の目標物の高分解能位置座標が、ＨＵＤに送られる。一個の高分解能座標に対して、エアリンク社（ＡＲＩＮＣ、Aeronautical Radio, Inc.）のデータの２ワードを必要とする。本発明は、残りの座標データを１ワードで送る。この座標データは、空港内の前記目標物（即ち、基準ポイント）を参照することにより、高分解能位置を表わす。従って、本発明は必要とされる帯域幅を約半分に効果的に減じる。このことにより、既存の通信バスを利用することが可能となるでけでなく、コストを大幅に下げることができる。

本発明が、従来技術のシステムに対する大幅な改良であることは明らかである。更に、当業者は、本発明はＦＭＳと共に用いられる場合に限定されないことを認識した。本発明を実施するためには、他のプロセッサやディスプレイスクリーン、データ入力デバイスも使用できる。

本発明の更なる特徴や利点については、以下の詳細な説明において記載する。本発明の一部は、その記述から当業者には容易に分かるものであり、また、次の詳細な説明、請求項及び添付の図面によって説明されたように本発明を実施することにより認識されるであろう。

上の記載は、本発明の例示にすぎず、請求項で定義される本発明の本質と特徴の理解のための概要を提供することを意図するものであることが理解できよう。添付の図面は、本発明の更なる理解を提供するためのものであり、本明細書に組み込まれ、その一部を構成するものである。図面は、本発明の種々の特徴と実施態様を示すものであり、それらについての説明と共に本発明の原理と動作を説明する。

本発明の好ましい実施態様の詳細が次に記述され、その実施例は添付の図面に示される。同一の或いは類似の部材を参照する際に、全ての図面を通して可能な箇所には、同一の参照番号が用いられる。

本発明に係る空港施設表示システムの例示的実施態様を図１に示す。図においてシステム全体を参照番号１０で表わす。本発明の空港施設表示システムの構成要素を、まず最初に簡単に説明し、後に詳細に説明する。本発明の最も一般的な用途は、統合された構成要素として、商用旅客機や貨物ジェット機等の航空機の既存のＦＭＳやＨＵＤに用いることである。従って、以下に本発明を、そのようなアプリケーションに関連して説明する。

図１に、本発明に係る空港施設表示システムと、関連する航空機システムのブロックダイアグラムを示す。全ての航空機システムは本発明を含むことができるため、それらを総称的に空港施設表示システム１０と呼ぶ。空港施設表示システム１０は、飛行管理コンピュータ（ＦＭＣ、flight management computer）１１、多機能コントロール表示ユニット（ＭＣＤＵ、multifunction control display unit）１２、航法データベース（ＮＤＢ、navigation database）１３、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）１４、電子飛行計器システム（ＥＦＩＳ）１５、マルチモードレシーバ（ＭＭＲ、multi mode receiver）１６、トランスポンダ１７、及び通信管理ユニット（ＣＭＵ、communications management unit）１８を含む。ＦＭＣ１１とＭＣＤＵ１２の全体を、総称として飛行管理システム（ＦＭＳ）と呼ぶ。

ＦＭＣ１１は、プロセッサ１１Ａとメモリ１１Ｂを含む。プロセッサ１１Ａは、コマンドやデータを受け取り処理するのに適したものであれば、いかなるデータプロセッサでもよい。プロセッサ１１Ａは、必要とされるＦＭＳ及び空港施設タスクをリアルタイムで処理するのに十分なデータ処理能力を有するマイクロプロセッサであるのが好ましい。メモリ１１Ｂは、動的データと変数を記憶するＲＡＭ（random access memory）と、プログラムデータと静的データを記憶するＲＯＭ（read-only memory）の両方を含むのが好ましい。プロセッサ１１Ａはメモリ１１Ｂと接続されており、プログラム命令とデータを読み出すと共に、変数を操作し、記憶し、読み出す。プロセッサ１１Ａは、ＮＤＢ１３とも接続される。

ＮＤＢ１３は、空港データ及びタキシールートデータを含む。このデータは、空港の滑走路やタキシーウェイ、ゲート、ランプ、標準タキシールート、空港の他の種々の構造物や所望の施設を記述するものである。空港データ１３Ａは、リンクされたリストとして記憶されているのが好ましく、標準タキシールート１３Ｂも、データベースに記憶されている。しかしながら要望に応じて、これらのデータは他の各種フォーマットを用いて記憶することもできる。ＮＤＢ１３は、書き換え可能或いは置換え可能であるのが好ましく、これにより空港データや標準タキシールートデータが必要に応じて簡単にアップデートでき、空港の滑走路やタキシーウェイ、構造物等の変更に関してデータを最新のものとすることができる。ＮＤＢ１３は、ＰＲＯＭやＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気ディスクドライブ、光学ディスクドライブ等の種々の記憶保存テクノロジ、或いはこれらと共に類似のデバイスを各種組合せることによって構成される。動作上必要とされることは、単に空港データを保存する能力のみである。

ユーザインターフェイスは、ＭＣＤＵ１２によって提供されるのが好ましい。ＭＣＤＵ１２はＦＭＣ１１やプロセッサ１１Ａと接続されている。ＭＣＤＵ１２は、表示スクリーン１２Ａ、ライン選択キー１９、及びキーパッド１２Ｂを含む。ＭＣＤＵ１２は一般に、エンルート飛行計画コマンドをＦＭＣ１１に入力したり、パイロットやクルー、オペレータに対してエンルート飛行データを表示スクリーン１２Ａを介して出力したりするのに使用される。ライン選択キー１９の操作により、表示された項目を素早く選択したり削除したりできる。本発明では、空港での地上航行に関するユーザインターフェイスを提供するために、この既存のユーザインターフェイスを用いるのが好ましいが、他のインターフェイスも本発明を実施するために用いることができる。例えば、ＥＦＩＳ１５或いはＨＵＤ１４等の他のディスプレイも、要望があればユーザインターフェイスの一部として使用することができる。

ＨＵＤ１４とＥＦＩＳ１５は、ＦＭＣ１１と接続されている状態で示されている。ＨＵＤ１４は、像をパイロットの視線の先に配置されたコンバイナに投影し、パイロットが投影像を見るのと同時に、航空機のフロントガラスから外を見ることができるようにする。ＥＦＩＳ１５（ヘッドダウンディスプレイ、ＨＤＤ（head-down display）とも呼ばれる）は、通常、航空機のフロントガラスの下に配置される。ＥＦＩＳ１５は、一個以上のディスプレイスクリーンを含み、これらのディスプレイは通常、ＣＲＴ（cathode ray tubes）や平面パネルディスプレイ、或いは類似の機能を有するディスプレイデバイスを用いて実施される。空港施設はパイロットに対して、このような型のコンフォーマルディスプレイのために選択されたディスプレイであるＨＵＤ１４上に表示されるのが好ましい。ＥＦＩＳ１５を用いることもできる。ＥＦＩＳ１５、ＨＵＤ１４、及びＭＣＤＵ１２の各々は、本発明の実施に用いることができる表示スクリーンを有する。

通信システムも複数種、ＦＭＣ１１に接続される。ＭＭＲ１６は、全地球的測位システム（ＧＰＳ、global positioning system）信号やディファレンシャルＧＰＳ（ＤＧＰＳ）、狭域補強システム（ＬＡＡＳ、local area augmentation system）信号、広域補強システム（ＷＡＡＳ、wide area augmentation system）信号等の航行或いは位置信号を受信する。これらの信号はＦＭＣ１１に送られ、ＦＭＣ１１で航空機の位置が決定される。この航空機位置情報、或いは他のソースからの類似の情報は、適切な空港施設データを計算するために使用され、また、他の航空機システムに送られる。

トランスポンダ１７とＣＭＵ１８は、更なる入出力通信チャンネルを提供する。例えば、トランスポンダ１７は、放送型ＡＤＳ（ＡＤＳ−Ｂ、automatic dependent surveillance broadcast）等の信号を、他の航空機或いは航空交通管制（ＡＴＣ、air traffic control）から受信する。これらの情報は、他の航空機の位置や動きを表わす記号を、空港施設の表示に追加するために使用される。ＣＭＵ１８は、ＡＴＣ或いは類似の管制権限を有するものとのデータリンクを含み、このデータリンクを介して、タキシールートや計画、指示が送られ、交渉され、変更され、認可又は拒否される。

航空界、特にアビオニクス分野には多数の通信規格がある。エアリンク社（ＡＲＩＮＣ、Aeronautical Radio, Inc.、２５５１リヴァロード（Riva Road）、アナポリス、メリーランド）は、航空機アビオニクスに関する多数の規格を刊行している。これらの内の二刊行物は、航空通信規格を開示している。ＡＲＩＮＣ４２９は、航空機で頻繁に使用される通信バスに関する規格である。ＡＲＩＮＣキャラクタリスティック７０２Ａは、「高度飛行管理コンピュータシステム（Advanced Flight Management Computer System）」と題され、１９９６年１２月３１日に刊行されたもので、ＦＭＳと表示システム間の通信プロトコル等に関する。これらの両刊行物の記載を、本明細書の一部を構成するものとして、ここに援用する。

図２は、本発明のＨＵＤ上の空港施設記号の表示サンプルである。パイロットは、ＨＵＤシステムの表示スクリーンであるコンバイナ２１を通して、舗装された滑走路２２や滑走路の端２２Ａ、滑走路センターライン２２Ｂ、岐路或いはタキシーウェイコネクタ２３舗装路を見る。スクリーン２１上に表示された空港施設記号は、滑走路やタキシーウェイの端を示すエッジコーン２４とタキシー経路記号２５を含む。表示される他の記号は、飛行経路誘導キュー２６や地上速度２６Ａ、目標速度２６Ｂ、距離表示を伴う次ターンの指示２６Ｃ、メインギアエンベロープ記号２６Ｄ，ヘディング２６Ｅを含む。記号は、地上施設と一致しているのが好ましい。

空港施設データを使用して表示された記号は、滑走路とタキシーウェイの舗装路の外形線を描く。記号の配置（即ち、配置位置或いは座標）には、絶対緯度／経度座標が使用される。これらの座標は、ＢＮＲフォーマットの２０ビットのデータを使用する。ＢＮＲフォーマットはＡＲＩＮＣ仕様で言及されている。尚、２０ビットのデータはＡＲＩＮＣフォーマットにおいて１ワードを占め、このようなアプリケーションにおいては高分解能ではないと考えられる。ＡＲＩＮＣ仕様は、そのフォーマットにおいて２ワードを占有するより精度の高い緯度／経度値を提供する。しかしながら、全ての空港施設データを高分解能フォーマットで用いて送ると、殆どのバスにおいては必要となる帯域幅が広くなりすぎることが見出された。本発明はこの問題を、一個の高分解能座標／位置をＨＵＤ１４に送り、残りの記号の場所はこの一個の高分解能座標に対して相対的なものとして計算することにより解決する。この高分解能座標は、空港内の固定された場所或いは目標物であることが好ましい。従って、残りの空港施設データは、空港内目標物或いは基準データ３０に対して相対的なものとして配置されるように計算される。この技法を用いることにより、空港施設データを送るのに必要とされる帯域幅は大幅に減じられ、現在稼働している多数のアビオニクスシステム上で、本空港施設表示システムを実施できるようになる。

図３は、このような空港の目標物或いは基準データ３０のサンプルフォーマットを示す。目標物の高分解能緯度データは、基準データ３０のワード１と２として送られる。次に、目標物の高分解能経度データが、基準データ３０のワード３と４に送られる。最後に、空港ＩＤが望まれる場合は、４個のＡＳＣＩＩキャラクタが、基準データ３０のワード５と６に送られる。空港の高度も基準データ３０に送ることができるが、高度はＦＭＳデータベース或いは他のソースから入手できる。これらの他のソースは、通信バスの帯域幅を節約できるため好ましい。

図４は、空港施設データを本発明のＨＵＤに送るためのサンプルフォーマットを示す。相対的なＸ、Ｙ、及びＺデータは表４０のワード１〜３として示されており、フォーマット化された単一ワードのデータ値である。しかしながら、ＨＵＤ１４はこれらの低分解能フォーマットのデータ値を、高分解能の配置位置或いは座標に変換する。この変換は、図７を参照して次に説明するように、低分解能フォーマットのデータ値を、空港目標物或いは基準データと組合せることにより行なわれる。本発明の一実施態様によると、データポイントの相対位置を用いることにより、各位置のポイント或いは座標を表わすために必要なデータワード数は、約半分に減じられる。このことは、データを送るために必要な帯域幅を減縮することと同等である。表４０のデータは、図５におけるタキシー経路ダイアグラムに対応する。ポイントＡ１の位置と高度を表わすためには、３ワード（４１Ａ、４１Ｂ及び４１Ｃ）のみが必要とされる。同様に、ポイントＡ２、Ｂ１及びＢ２の各々の位置と高度を表わすのに必要なワード数は３ワードである。本発明を用いることにより、通常必要とされる帯域幅の半分の帯域幅で、高分解能座標がデータバスを介して通信される。

図５に、最初に表４０に記載された代表的なタキシー経路を示す。セグメントＡは、表４０のワード１〜６で定義される。コニックＢは表４０のワード１０〜１２で定義され、セグメントＢは表４０のワード１３〜１８で定義される。

図６は、空港施設の相対位置、Ｘ（経度）、Ｙ（緯度）、及びＺ（高度）座標を計算するプロセスのフローチャートである。プロセスはブロック６０から開始し、ブロック６１、６２へと進行する。ブロック６１では、空港目標物の緯度と経度を表わす高分解能データを受け取り、ブロック６２では、計算の対象となる地点の緯度と経度についての高分解能データを受け取る。ブロック６３では、計算対象地点の緯度と空港基準点或いは目標物の緯度と間の差を計算し、Δ（デルタ）緯度とする。ブロック６４では類似の計算がなされ、Δ経度が求められる。次に、相対緯度がブロック６５に示される式によって計算される。相対経度は、ブロック６６に示される式によって計算される。最後に、相対高度或いは高度が、ブロック６７に示される式によって計算される。相対位置ポイントが計算されると、データは適切なフォーマットにされ、ＨＵＤに送られる。

図７は、本発明のフォーマットの他の例を示す。表７０は、標識（signage）のＸとＹ座標を表わす２データワードを含む。標識や特定の他の施設の場合は、高度値は必要無く、他の用途で利用できる帯域幅が増加する。

添付の請求項によって定義された本発明の精神或いは範囲から逸脱することなく本明細書に記載した本発明の好ましい実施態様に対して種々の変更を加え得ることは当業者であれば分かるであろう。

本発明に係る空港施設表示システムの一実施態様のブロック図である。 ＨＵＤスクリーン上の空港施設表示のサンプルである。 本発明の空港基準位置フォーマットのサンプルである。 本発明のタキシー経路フォーマットのサンプルである。 図４のタキシー経路サンプルに対応するタキシー経路セグメントである。 本発明の空港施設の相対緯度／経度座標を計算するアルゴリズムのフローチャートである。 本発明の空港標識と地上識別フォーマットのサンプルである。

符号の説明

１０ 空港施設表示システム
１１Ａ プロセッサ
１２ 多機能コントロール表示ユニット
１２Ａ 表示スクリーン
１９ ライン選択キー
１３ 航法データベース
１４ ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）
１８ 通信管理ユニット

Claims (15)

1. 航空機のための空港施設表示システムであって、
   表示スクリーンとタキシールート選択インプットとを有するユーザインターフェイスと、
   所定の解像度で空港施設データを記憶するデータ記憶装置と、
   前記ユーザインターフェイスを介して前記表示スクリーン及び前記タキシールート選択インプットとに接続されたプロセッサと、
   前記プロセッサと接続されており、前記プロセッサによってフォーマットされた空港施設データを伝送する通信リンクとを含み、
   前記データ記憶装置は、表示の基準となるべき基準ポイントの位置データと、複数の空港施設の位置データとを、第１の解像度の第１のデータ長で記憶しており、
   前記プロセッサは、前記基準ポイントの位置データを前記第１の解像度の第１のデータ長でフォーマットし、基準ポイント以外の空港施設の位置データについては、前記基準ポイントに対する相対的に計算された位置データとして前記第１の解像度よりも低い第２の解像度の第２のデータ長でフォーマットして、前記通信リンクを介して前記表示スクリーンに伝送することを特徴とする空港施設表示システム。
2. 前記基準ポイントが空港内の目標物であることを特徴とする請求項１に記載の空港施設表示システム。
3. 前記位置データが緯度と経度の座標を表わすものであることを特徴とする請求項１に記載の空港施設表示システム。
4. 前記空港施設データが滑走路とタキシーウェイを表わすデータを含むことを特徴とする請求項１に記載の空港施設表示システム。
5. 前記空港施設データがタキシールートを表わすデータを含むことを特徴とする請求項１に記載の空港施設表示システム。
6. 前記ユーザインターフェイスがＨＵＤ制御パネルを含むことを特徴とする請求項１に記載の空港施設表示システム。
7. 前記ユーザインターフェイスが、前記表示スクリーン上においてタキシー関連ページがアクティブな場合には、空港施設データの表示を併せて行なうデュアルユースインプットを含むことを特徴とする請求項１に記載の空港施設表示システム。
8. 前記データ記憶装置が所定の標準タキシールートを記憶することを特徴とする請求項１に記載の空港施設表示システム。
9. 前記表示スクリーンがＨＤＤであることを特徴とする請求項１に記載の空港施設表示システム。
10. 前記表示スクリーンがＨＵＤであることを特徴とする請求項１に記載の空港施設表示システム。
11. 前記ユーザインターフェイスが多機能コントロール表示ユニットを含むことを特徴とする請求項１に記載の空港施設表示システム。
12. 前記プロセッサが飛行管理コンピュータであることを特徴とする請求項１に記載の空港施設表示システム。
13. 航空機内において空港施設データを交換する方法であって、
    空港基準位置の座標を得る段階と、
    空港施設の座標を得る段階と、
    前記空港施設の位置座標を、前記空港基準位置に対する相対的な位置として計算し、さらに前記第１の解像度よりも低い第２の解像度の第２のデータ長の座標値にフォーマット変換する段階と、
    前記第１の解像度の第１のデータ長の前記基準位置の位置座標と、前記第２のデータ長にフォーマット変換された空港施設の位置座標とを前記表示デバイスに送る段階とを含むことを特徴とする空港施設データ交換方法。
14. 前記基準位置が空港内の目標物であることを特徴とする請求項１３に記載の空港施設データ交換方法。
15. 前記相対的な施設の座標を、空港基準座標と地球の中心からの距離の関数として計算する段階を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の空港施設データ交換方法。

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