JP4459677B2

JP4459677B2 - 飛行支援装置

Info

Publication number: JP4459677B2
Application number: JP2004092042A
Authority: JP
Inventors: 隆三郎臼井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: JP2005274521A

Description

本発明は、高精度測位された航空機の自機位置情報を利用して安全飛行を支援する飛行支援装置に関するものであり、低空飛行や夜間飛行等を行った場合の安全を確保するための飛行支援装置に関するものである。

一般に、低空飛行を行う航空機は、有視界飛行方式にて飛行し、地図を見ながら機体の位置が予定飛行経路に沿っていることを確認しつつ、地形等を目視で確認することにより把握する「地文航法」と呼ばれる方法を採用している。

一方、航法支援装置を有する機体では、航法装置，飛行計器，レーダ装置等を用いて、自機の位置，姿勢角，飛行方向，飛行高度，および前方の障害物までの距離等、を確認しながら、パイロットの操縦によって比較的低空を有視界飛行している。また、このような装置から得られる飛行データと、あらかじめ準備した地図データベースと、の比較照合を行うことにより地図上の正確な飛行経路を算出し、前方の障害物等の地形回避を行うものがある（たとえば、特許文献１参照）。

特開平９−１０１３６４号公報（第２および第６頁、第３図）

しかしながら、上記従来技術における飛行データは、飛行計器等からの断片的情報であるため、パイロットが頭の中で考えながら操縦しなければならず、操縦にはかなりの熟練が必要となる、という問題があった。

また、上記従来の慣性航法装置では、山間部等で使用するには位置測定精度が不十分である、という問題があった。すなわち、従来の航法装置では、山間部等を飛行中の航空機において、夜間，霧，天候急変の影響等で、地形等の視認が困難になった場合に、自機の位置を見失う可能性がある、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、たとえば、山間部等であっても、低空飛行や夜間飛行での安全を確保することが可能な飛行支援装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる飛行支援装置は、準天頂衛星を利用して安全飛行を支援する飛行支援装置であって、たとえば、準天頂衛星を介して得られる所定の情報に基づいてリアルタイムに自機位置を測定する自機位置測定手段（後述する実施の形態の高精度測位回路４に相当）と、地図データベース（地図データベース７に相当）から前記自機位置に対応した地図データを読み出す地図データ読出手段（地図データ読出回路６に相当）と、前記自機位置と前記地図データとを比較照合して衝突する可能性を判定し、当該判定結果、自機位置および地図データを出力するデータ照合手段（データ照合回路５に相当）と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、準天頂衛星を利用することにより航空機の自機位置を高精度かつリアルタイムに測定する。そして、高精度に求めた自機位置に基づいて、飛行経路および地図の画面表示や、飛行制御や、音声等による警告等を行う。

この発明によれば、準天頂衛星を利用することにより航空機の自機位置を高精度かつリアルタイムに測位できるため、自機位置を途切れることなく継続的に測定（補正）でき、さらに、飛行経路を精度良く計算することができる。また、たとえば、この飛行経路を地図上に重畳して画面表示することにより、航空機の安全飛行を支援することができる。

以下に、本発明にかかる飛行支援装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、本発明にかかる飛行支援装置は、航空機，ヘリコプター等、すべての飛翔体（無人を含む）に搭載可能である。

図１は、本発明にかかる飛行支援装置の構成を示す図であり、この飛行支援装置は、４つ以上のＧＰＳ衛星１ａから測位用信号を受信して自機の位置を測定するＧＰＳ受信機２，準天頂衛星１ｂからの衛星電波を受信する高精度受信機３，高精度測位回路４，データ照合回路５，地図データ読出回路６，地図データベース７を有する信号処理部１１と、飛行経路算出回路８，画像処理回路９，表示器１０を有する信号処理部１２と、を備えている。

なお、上記準天頂衛星システムは、３機の準天頂衛星１ｂが所定の軌道を通って１日で地球を一周し、３機の準天頂衛星１ｂの少なくとも１機が常に日本の上空（天頂）付近に存在する地域限定型の衛星システムである。また、準天頂衛星１ｂの切り換えを８時間毎に行えば、常に６０度以上の仰角が確保され、ユーザーは、常に、ビル等による通信回線の遮断が少ない良好な移動体通信サービス（自動車電話サービス、携帯電話サービス、ＧＰＳとは別の簡易測位システム等）の提供を受けられる。具体的には、日本の主要地域から見た場合は常に天頂から２０度以内に準天頂衛星１ｂが存在するため、たとえば、飛行機のアンテナを天頂方向に向けておくだけで、飛行機のバンク角が変化しても、常に良好な通信が可能となり、さらに衛星追尾が不要となるため通信装置を簡略化することができる。

ここで、上記のように構成される飛行支援装置の動作を図面に基づいて説明する。まず、４つ以上のＧＰＳ衛星１ａからの測位用信号を、受信アンテナを介して受信したＧＰＳ受信機２が、各ＧＰＳ衛星までの距離を個別に測定し、これらの測定結果から３次元での自機の位置を求める。また、準天頂衛星１ｂからの衛星電波（補正情報）を、受信アンテナを介して受信した高精度受信機３が、所定の受信処理を行う。所定の受信処理とは、後述する、たとえば、ＤＧＰＳの場合は、その補正情報を出力するための処理を言う。その後、高精度測位回路４が、高精度受信機３からの補正情報に基づいて、ＧＰＳ受信機２が求めた自機位置の誤差を補正し、高精度な自機位置を算出する。なお、ここでいう高精度測位とは、たとえば、ＤＧＰＳ（Differential ＧＰＳ）等の高精度測位を想定する。ＤＧＰＳは、位置の分かっている基準局が発信する電波を利用して、ＧＰＳの測定結果の誤差を修正して精度を高める技術である。具体的には、位置の分かっている基準局（図示せず）が、単独測位を行い、この測定値（擬似距離）と計算値（実際の距離）との差を、補正情報として準天頂衛星１ｂを介して送信する。そして、上記飛行支援装置が、送られてきた補正情報に基づいて、各ＧＰＳ衛星から送られてくる測位用信号により測定した自機位置を補正する。

つぎに、高精度測位回路４にて算出された高精度な自機位置が地図データ読出回路６に入力され、地図データ読出回路６が、地図データベース７から自機位置に対応した地図データを読み出す。自己位置に対応したとは、自己位置を中心とした任意範囲の地図データを意味する。なお、前記任意範囲は、所定時間内に自機が到達できる範囲を示す。つまり、読み出しに当たり自機が飛行している前方の地図データは重要であるが、後方はさして重要ではないため、読み出す地図範囲を設定することができる。そして、データ照合回路５が、高精度測位回路４にて算出された自機位置と、地図データ読出回路６にて読み出された地図データと、を比較照合し、たとえば、衝突する危険性がないかどうかを判定し、その判定結果、自機位置および地図データを出力する。

ここで、本発明の特徴的な構成である上記データ照合回路５の処理の一例を、図２，図３を用いて具体的に説明する。図２は、データ照合回路５によるデータ照合処理の一例を示す図である。また、図３は、図２に示すデータ照合処理の概要を示す図であり、たとえば、進行方向に山等の障害物がある様子を表している。

まず、第１にデータ照合回路５では、自機移動速度ベクトルを算出する。データ照合回路５には、所定のレートで高精度測位回路４から自機位置が入力されている。前記所定レートは設計により任意に決定すればよい。ここでは、自機の移動方向の２点間自機位置（たとえば、一つ前の自機位置Ｐ_-1（Ｘ_-1，Ｙ_-1，Ｚ_-1），現在の自機位置Ｐ₀（Ｘ₀，Ｙ₀，Ｚ₀））から自機の移動速度ベクトルＶ（Ｖ_x，Ｖ_y，Ｖ_z）を算出する（図２，ステップＳ１）。移動速度ベクトルＶの算出方法は、現在の自機位置Ｐ₀と、一つ前の自機位置Ｐ_-1の差分を現在のＰ_-1からＰ₀に移動した時間で除算すればよい。なお、現在に至るまでの複数の自機位置を用いて移動速度ベクトルの精度を上げることとしてもよい。

つぎに、データ照合回路５では、上記で算出した速度ベクトルＶ（Ｖ_x，Ｖ_y，Ｖ_z）および現在の自機位置Ｐ₀（Ｘ₀，Ｙ₀，Ｚ₀）を用いて、たとえば、ｔ秒後に到達するＸＹ座標における自機位置Ｐ_t（Ｘ_t，Ｙ_t）を算出する（ステップＳ２）。ここでは、たとえば、「Ｐ_t（Ｘ_t，Ｙ_t）＝Ｖ（Ｖ_x，Ｖ_y）×ｔ＋Ｐ₀（Ｘ₀，Ｙ₀）」を演算する。なお、時間ｔは任意設定であり、ここでは、たとえば、パイロットが回避動作を取るために十分な時間を想定する。

つぎに、データ照合回路５では、上記で算出したＸＹ座標における自機位置Ｐ_t（Ｘ_t，Ｙ_t）の地表高度Ｚ_nを地図データから読み出す（ステップＳ３）。なお、ここでは、ＸＹ座標における自機位置Ｐ_t（Ｘ_t，Ｙ_t）に対応した一点の地表高度Ｚ_nに限らず、たとえば、ＸＹ座標における自機位置Ｐ_t（Ｘ_t，Ｙ_t）を中心として、進行方向±α°の範囲の複数の地表高度を地図データから読み出すこととしてもよい。なお、±α゜の値は、自機時間ｔの間に到達可能である範囲を設定すればよい。

つぎに、データ照合回路５では、上記速度ベクトルＶ（Ｖ_x，Ｖ_y，Ｖ_z）と現在の自機高度Ｚ₀を用いて、ｔ秒後の自機高度Ｚ_tを算出する（ステップＳ４）。ここでは、たとえば、「Ｚ_t＝Ｖ_z×ｔ＋Ｚ₀」を演算する。

そして、データ照合回路５では、ｔ秒後の自機高度Ｚ_tに対して所定のしきい値判定を行い、衝突する危険性がないかどうかを判定する（ステップＳ５）。たとえば、ｔ秒後の自機高度Ｚ_tが上記で読み出した地表高度Ｚ_nに安全クリアランス高度βを加算した値よりも低い場合、すなわち、「Ｚ_t＜Ｚ_n＋β」の場合は、自機が図３に示す山と衝突する可能性があると判定し、一方、ｔ秒後の自機高度Ｚ_tが上記で読み出した地表高度Ｚ_nに安全クリアランス高度βを加算した値以上の場合、すなわち、「Ｚ_t≧Ｚ_n＋β」の場合は、衝突しないと判定する。なお、安全クリアランス高度βとは、自機が安全に山等の上空を通過するために設定する高度であり、任意に設定しても良いし、場合により航空法等に従い設定しても良い。

以降、データ照合回路５では、上記ステップＳ１〜ステップＳ５の処理を繰り返し実行し、データ照合結果として、上記判定結果および対応する地図データを継続的に出力する。

つづいて、上記データ照合処理により得られる上記判定結果、自機位置および地図データを受け取った飛行経路算出回路８が、当該判定結果、自機位置および地図データに基づいて飛行経路データを生成する。図４は、飛行経路データの一例を示す図であり、×は自機位置を表し、○は地図データから高度を読み出すポイントを表す。ここでは、自機位置に基づいて○のポイントを選択し、選択したポイントの高度を地図データから読み出す。そして、たとえば、上記図２に示すステップＳ５と同様の判定処理を行うことによって、衝突の可能性のないポイントを繋げた飛行経路データを生成する。もちろん、飛行経路を最短になるように選択しても良いし、山間を縫うように設定しても良いが、それらの飛行方針は予め設定しておけばよい。

つぎに、画像処理回路９が、飛行経路算出回路８にて生成された飛行経路データ、自機位置および地図データに基づいて画像処理を行い、表示器１０が、その処理結果をグラフィック表示する。

以上のように、本実施の形態によれば、準天頂衛星を利用することにより航空機の自機位置を高精度かつリアルタイムに測位できるため、自機位置を途切れることなく継続的に測定（補正）でき、さらに、飛行経路を精度良く計算することができる。また、この飛行経路を地図上に重畳し、航法情報として画面表示することにより、パイロットの熟練度によらず、航空機（特に低空飛行中の機体）の安全飛行を支援することができる。

なお、本実施の形態においては、データ照合回路５が、高精度測位回路４にて算出された自機位置と、地図データ読出回路６にて読み出された地図データと、を比較照合する場合について説明したが、これに限らず、たとえば、図５に示すように、データ照合回路５ａが、上記各種データに加えてさらに航法装置２１，飛行計器２２，測距装置２３（レーダ装置，レーザー装置，電波高度計等）から得られる情報の少なくともいずれか一つを用いて、より精度の高い比較照合を行うこととしてもよい。図５は、信号処理部１１の変形例である信号処理部１１ａの構成を示す図である。たとえば、航法装置または飛行計器から速度情報が得られれば、比較照合処理のリアルタイム性を向上させることができる。つまり、自己位置に基づき自機移動速度ベクトルを算出しなくとも、飛行計器からリアルタイムで現在の速度情報が得られる。また、姿勢を考慮すれば、たとえば、旋回の方向がわかるので、旋回方向のベクトルに基づいて、自機位置から求めた移動速度ベクトルを補正できる。ただし、航法装置，飛行計器については、同様のデータが得られるので、いずれのデータを使用するかについては、要求される精度および使用条件等に応じて適応的に決定する。また、データ照合回路５ａでは、上記判定結果、自機位置および地図データに加えて、航法装置２１から得られる情報（速度，高さ，方向，姿勢等），飛行計器２２から得られる情報（速度，高さ，方向，姿勢等），測距装置２３から得られる情報（距離，位置等）が出力可能となる。

また、本実施の形態においては、飛行経路算出回路８が、上記判定結果、自機位置および地図データに基づいて飛行経路を計算することとしたが、これに限らず、たとえば、図５のデータ照合回路５ａとの組み合わせで、さらに航法装置２１から得られる情報，飛行計器２２から得られる情報，測距装置２３から得られる情報の少なくともいずれか一つを加えて、より適切な飛行経路を計算することとしてもよい。

また、本実施の形態においては、画像処理回路９が飛行経路算出回路８にて計算された飛行経路データ，自機位置，地図データに基づいて画像処理を行うこととしたが、これに限らず、たとえば、図１に示す信号処理部１１または図５に示す信号処理部１１ａとの組み合わせで、図６に示すように、飛行経路算出部８で求めた飛行経路データに基づいて、飛行制御装置３１が、飛行制御を行うこととしてもよい。図６は、信号処理部１２の変形例である信号処理部１２ａの構成を示す図である。この場合、飛行制御装置３１は、自機のエンジン出力、方向舵等を操作可能であり、たとえば、衝突の可能性がある場合には、高度の変更や、方向舵の操作による方位の変更や、エンジン出力の絞り速度を落とす処理によって、障害物を回避する。

また、本実施の形態においては、信号処理部１２の飛行経路算出回路８を設けずに、データデータ照合回路５からの情報に基づき、画像処理回路９が自機位置および地図データに基づいて画像処理を行い、表示器１０がその処理結果をグラフィック表示し、飛行経路については、パイロットの意思にゆだねることとしてもよい。

また、本実施の形態においては、上記のように飛行経路を計算せず、さらに、画像処理も行わず、たとえば、警告器（ランプ等）または／および警報器（ブザー等）が、単に上記判定結果に基づいて、パイロットに危険を知らせる処理だけを行うこととしてもよい。

また、本実施の形態においては、特に準天頂衛星を利用した場合について説明したが、これに限らず、たとえば、アンテナを天頂方向に向けておくだけで常に良好な通信が可能となるような位置に存在する衛星であれば、準天頂衛星以外であっても同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態においては、ＧＰＳ衛星を利用して自装置の位置を測定する構成としたが、これに限らず、ＧＰＳ以外の方法により自装置の位置を測定することとしてもよい。

以上のように、本発明にかかる飛行支援装置は、準天頂衛星を利用して高精度測位を行う飛行支援装置として有用であり、特に、低空飛行および夜間飛行における安全を確保するための飛行支援装置として適している。

本発明にかかる飛行支援装置の構成を示す図である。データ照合処理の一例を示す図である。データ照合処理の概要を示す図である。飛行経路データの一例を示す図である。信号処理部１１の変形例である信号処理部１１ａの構成を示す図である。信号処理部１２の変形例である信号処理部１２ａの構成を示す図である。

符号の説明

１ａＧＰＳ衛星
１ｂ準天頂衛星
２ＧＰＳ受信機
３高精度受信機
４高精度測位回路
５データ照合回路
６地図データ読出回路
７地図データベース
８飛行経路算出回路
９画像処理回路
１０表示器
１１，１１ａ，１２，１２ａ信号処理部
２１航法装置
２２飛行計器
２３測距装置
３１飛行制御装置

Claims

準天頂衛星を利用して安全飛行を支援する飛行支援装置において、
準天頂衛星を介して得られる所定の情報に基づいてリアルタイムに自機位置を測定する自機位置測定手段と、
地図データベースから前記自機位置に対応した地図データを読み出す地図データ読出手段と、
前記自機位置と前記地図データとを比較照合して衝突する可能性を判定し、当該判定結果、自機位置および地図データを出力するデータ照合手段と、
前記判定結果、前記自機位置および前記地図データに基づいて飛行経路を計算する飛行経路算出手段と、
前記飛行経路、前記自機位置および前記地図データに基づいて画像処理を行い、その処理結果をグラフィック表示する画像処理手段と、
を備え、
前記飛行経路算出手段は、自機位置に基づいて、高度を読み出す所定のポイントを選択し、選択したポイントの高度を地図データから読み出し、前記データ照合手段による判定結果に基づき衝突の可能性のないポイントを繋げた飛行経路データを生成することを特徴とする飛行支援装置。
準天頂衛星を利用して安全飛行を支援する飛行支援装置において、
準天頂衛星を介して得られる所定の情報に基づいてリアルタイムに自機位置を測定する自機位置測定手段と、
地図データベースから前記自機位置に対応した地図データを読み出す地図データ読出手段と、
前記自機位置と前記地図データとを比較照合して衝突する可能性を判定し、当該判定結果、自機位置および地図データを出力するデータ照合手段と、
前記判定結果、前記自機位置および前記地図データに基づいて飛行経路を計算する飛行経路算出手段と、
前記飛行経路に基づいて飛行制御を行う飛行制御手段と、
を備え、
前記飛行経路算出手段は、自機位置に基づいて、高度を読み出す所定のポイントを選択し、選択したポイントの高度を地図データから読み出し、前記データ照合手段による判定結果に基づき衝突の可能性のないポイントを繋げた飛行経路データを生成することを特徴とする飛行支援装置。
前記データ照合手段は、さらに、航法装置、飛行計器、測距装置から得られる情報の少なくともいずれか一つを加えて、より精度の高い比較照合を行い、前記判定結果、前記自機位置および前記地図データに加えて、航法装置から得られる情報、飛行計器から得られる情報、測距装置から得られる情報を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の飛行支援装置。
前記自機位置測定手段は、前記準天頂衛星を介して得られる所定の情報として、ＤＧＰＳ（Differential GPS）による補正情報を受け取り、既知のＧＰＳ（Global Positioning System）受信機を用いて求めた自機位置の誤差を当該補正情報に基づいて補正し、より高精度な自機位置を算出することを特徴とする請求項１、２または３に記載の飛行支援装置。