JP4499283B2 - 移動性資産から遠隔局への診断メッセージの遠隔測定 - Google Patents

Description

【０００１】
【関連出願との関係】
本発明は、１９９８年３月３日に出願された米国仮出願番号６０／０７６，６６６及び１９９８年３月３日に出願された同６０／０７６，６１０の優先権を主張する。
【０００２】
【発明の背景】
本発明は全般的に遠隔監視及び診断、更に具体的に言うと、移動性資産から遠隔サービス・センタへの診断メッセージの遠隔測定(telemetry) に関する。本発明の１実施例は、空中センサ及びテレメータを用いて、飛行中の航空機から地上のサービス・センサへ（航空機エンジンの性能データのような）保守データを送信する遠隔測定システムである。
【０００３】
航空機、タービン、機関車及び医療システムのような移動性資産に搭載された部品、設備及びシステムの状態、性能及び故障の遠隔監視及び診断は、業界が、その顧客に対して、安全性を改善し、保守のコストを切り下げ、効率がよい、適時のコスト効果のある保守サービスを提供しようと努めているので、次第に重要性を増している。その理由で、遠隔保守サービスは、今日のサービス志向の事業から重要な成長分野と見なされている。遠隔監視及び診断能力は、発電設備、航空機エンジン、医療作像システム及び機関車のような移動性資産を含むことがある設置された設備ベースに対して、高い技術の付加価値のあるサービスを提供する上で、重要な要素に急速に成りつつある。
【０００４】
このような設備及びシステムの性能を監視することにより、システムが誤動作しているという表示を得ることが出来る。誤動作しているシステムに関する情報を含む診断メッセージを提供することにより、安全性の目安が得られ、これは、システムが要求された通りの性能を果たすことが出来ることを保証する上で、特に重要になることがある。更に、このような情報は、システムを後続の動作サイクルに入れる前に、保守サイクルを開始する為に利用することが出来る。
【０００５】
発電用タービン又は航空機エンジンに使われるタービンのような装置に対する制御装置は、タービン集成体の速度、温度及び応力を含む種々のタービン性能パラメータを監視するのが典型的である。従来のシステムは、飛行中にこういうパラメータを監視することが出来る。しかし、航空機の飛行中に、こういうパラメータを地上サービス・センタに中継することに関しては、まだ解決しなければならない多くの問題が残っている。
【０００６】
性能パラメータの無線ディジタル通信分野で出会う重要な問題は、周波数と、更に重要なのは、遠隔測定装置がＲＦ信号を通信することが出来る電力に関係する。ＦＣＣ規則の１５．２４７部が米国連邦通信委員会（ＦＣＣ）によって制定されるまで、航空機遠隔測定システムは、主にＶＨＦ帯域（１７４〜２１６ＭＨｚ）に限られており、０．１ミリワット（ｍＷ）未満のごく低い送信電力でしか運用されなかった（ＦＣＣ１５．２４１部参照）。送信電力に関するこの制限により、空中遠隔測定装置の送信範囲（即ち、送信器と受信器の間の最大距離）がかなり限られていた。この制限により、遠隔測定装置がデータを送信し得る速度または「帯域幅」も制限されていた。
【０００７】
こういう因子の為に、航空機から地上へ又はその逆の情報の伝送の為に利用し得る周波数帯が限られている。更に、利用し得るこのような規制帯域を利用するのに、音声のような他の種類の通信に対する要求も強まっている。診断情報回線を追加することは、余分なアンテナを追加する為に、航空機の機体の変更を必要とする場合が多い。こういう構造的な変更のコストの為、並びに、規制された周波数帯で飛行性能データを中継する為に伝送時間を取得する為の繰り返し生じる高いコストの為、航空機から地上局へ航空機診断情報を送信する改良されたシステム及び方法に対する必要性が差し迫っている。
【０００８】
１９９３年１２月３１日に公開されたフランス特許出願第２６９３０６８号に は、移動体上に搭載された送信器から状態メッセージを地上の受信装置へ伝送する遠隔測定システムが開示されている。また、１９８８年いい月３０日に公告されたヨーロッパ特許公告第０２９２８１１号には、移動体から基地へメッセージを伝送するための移動体監視装置及びシステムが開示されている。
【０００９】
【発明の概要】
１つ又は更に多くの状態センサの出力に結合されたプロセッサを有し、該プロセッサは前記１つ又は更に多くの状態センサの出力を診断メッセージに変換して、該診断メッセージをプロセッサの出力に提供するように構成されており、更に、前記プロセッサの出力に結合されていて、無線周波数帯で前記診断メッセージを送信するように構成された送信器を有するテレメータであって、前記プロセッサに結合されていて、無線周波数帯で送信された前記診断メッセージを受信するように構成された受信器を有することを特徴とするテレメータが提供される。
【００１０】
移動性資産上に搭載された、上記のようなテレメータと、前記送信されたメッセージを受信する受信器、前記送信されたメッセージを処理する局プロセッサ、及び前記資産の性能に関係する情報を、該情報を利用するようになっている装置に提供する出力（３０）を含んでいる遠隔局と、を有する遠隔測定システムが提供される。
【００１１】
【発明の詳しい説明】
本発明の１実施例による遠隔測定システム１０が図１及び図２に示されている。遠隔測定システム１０が、テレメータ１００、送信器１１８及び遠隔局２００を有する。テレメータ１００が、航空機２０、機関車２２、船舶２４等のような移動性資産に搭載されていて、それが設けられている資産の状態を監視するように構成されている。テレメータ１００が送信器１１８と共に、資産の状態及び性能に関する情報を含むメッセージ（この明細書では診断メッセージと呼ぶ）を遠隔局２００へ送信する。「状態」という言葉は、資産又は資産の特定の部品が動作出来る状態にあること又は相応しさを指す。
【００１２】
本発明の１実施例では、診断メッセージが、監視されている航空機２０のような資産（この明細書では発信元と呼ぶ）から直接的に遠隔局２００（この明細書では着信先と呼ぶ）に中継される。本発明の別の実施例では、診断メッセージが、航空機２０のような発信元の資産から、航空機２１のような後継資産へ、そして場合によっては、後継資産から別の後継資産へというように、順に中継され、最後に診断メッセージが遠隔局の着信先２００に到着する。
【００１３】
診断メッセージに適した一例のフォーマットが図７に示されている。このメッセージのフォーマットは、同期用前文、アドレス・ビット、希望する場合の優先ビット、データ・フィールド、データ・フィールドにあるデータの暗号化の有無を表す暗号フラグ、及び誤り検出フィールドで構成される。
【００１４】
診断メッセージがダウンリンク４５を介して、発信元資産、後継資産及び遠隔局の着信先の間で中継される。本発明のダウンリンク４５は、ライセンスを受けていない又は工業／科学／医学用（ＩＳＭ）帯域の送信で構成される通信回線である。今日、米国では、拡散スペクトル通信方式で利用し得る、９０２〜９２８ＭＨｚ、２４００〜２４８３．５ＭＨｚ及び５７２５〜５８５０ＭＨｚの３つのＩＳＭ帯域が利用出来る。
【００１５】
この為、本発明の１実施例の送信器１１０は、ＩＳＭ周波数帯で送信するようになっている。本発明の１実施例では、更にデータ・リンク４５が、米国連邦通信委員会（ＦＣＣ）のライセンスを受けた回線のような非ＩＳＭ帯の無線周波回線を含む。
【００１６】
本発明の１実施例では、テレメータ１００が航空機２０に搭載される。テレメータ１００が、航空機２０のジェット・エンジンの１つ又は更に多くの状態を監視し、航空機の性能に関する情報を含むメッセージを、航空機２０と遠隔局２００の間で送信する。遠隔局２００が、メッセージに含まれている情報を利用して、エンジンの性能を評価し、故障状態を確認並びに予測し、１実施例では、故障状態を是正又は埋め合わせる為に、データ・アップリンク３０を介して航空機２０に対して是正信号を中継する。本発明の１実施例では、データ・アップリンク３０が、ＩＳＭ帯送信で構成される。本発明の別の実施例では、データ・アップリンク３０がＦＣＣのライセンスを受けた無線周波数帯の指令及びデータで構成される。
【００１７】
当業者であれば容易に判るように、本発明は航空機のテレメータ及び遠隔局に制限されない。この代わりに、本発明のテレメータは任意の移動性資産に設けることが出来、メッセージは、衛星、船舶又は地上にはないその他の受信局等を介して遠隔局に中継することが出来る。
【００１８】
本発明の実施例によるテレメータ１００が、図２にブロック図で示されている。テレメータ１００が、主な部品として、送信器１１８、受信器１１６、診断メッセージ・プロセッサ１５０、メモリ１５２、表示装置１９０及び状態センサ３２０で構成されることが、図２に示されている。状態センサ３２０が、タービン速度及び排ガス温度のような性能状態及びパラメータを監視する。
【００１９】
本発明の１実施例では、テレメータ１００が、ＲＦ帯で動作する為に、ＦＣＣのライセンスを受けた他のアビオニクス用途の為の例えばＶＨＦ又はＵＨＦトランシーバのような、航空機２０に既に設けられているアビオニクス装置を使って構成される。例えば、地上局に対する直視範囲がない洋上では使われない超短波（ＶＨＦ）トランシーバ装置を用いて、こういうＶＨＦトランシーバが不作動である期間の間、ライセンスを受けた帯域で診断メッセージを送信及び受信することが出来る。本発明の１実施例では、送信器１１８は、市場で容易に入手し得る形式のＩＳＭモデムを含む。
【００２０】
本発明の１実施例では、テレメータ１００が、図２では受信器１１６及び送信器１１８によって表した低電力の２．４ＧＨｚのＩＳＭトランシーバを含む。受信器１１６及び送信器１１８は、搬送波を診断メッセージ情報で変調する為に、直接順序拡散スペクトル変調方式を用いたモデムを含む。こういう方式は、同期のオーバヘッドを軽減する為に、同期モード又は送信基準モードで構成することが出来る。
【００２１】
本発明のＩＳＭ帯の実施例は、２．４ＧＨｚ〜２．４８３５ＧＨｚで、２．４ＧＨｚのＩＳＭ帯域を飛行中に使うことを頼りとしている。この実施例で使う為に、ハリス(Harris)ＰＲＩＳＭ（登録商標）チップ・セットのような市場で入手し得るチップ・セット及び広い範囲の種々の支援電子回路を容易に市場で入手することが出来る。例えば、本発明の１実施例は、直接シーケンス拡散スペクトル（ＤＳＳＳ）方式を用いて、ＦＣＣによって要求される少なくとも１０の拡散係数を保つ。ハリスＰＲＩＳＭセットは、１１の係数で拡散し、１６の係数までプログラム可能であり、本発明の実施例を構成するのに使うのに有利である。本発明の別の実施例は、５．７ＧＨｚ帯域のトランシーバを用いている。
【００２２】
表１は、本発明の１実施例による資産から資産へのリンクをシミュレーションすることによって開発した一例のリンクの仕様を示す。表１に示す例では、何れも２０，０００フィートの最低巡航高度にあって、約４００マイルの直視距離だけ隔たる２機の航空機の間の２．４ＧＨｚのＩＳＭ帯に於ける航空機から航空機へのリンクは、１０^-5程度のビット誤り率で、符号化なしに、２機の間の毎秒約１．２キロビットのリンクを支援する。本発明の別の実施例では、リンクは、利用し得るリンク余裕に応じて、可変のデータ速度で運用される。その場合、リンクの両端は、既知のビット群に互って計算された、或いは種々のチェックサム故障率の観察によって計算された受信誤り率を観察し、それに応じて信号速度を増減するように構成されている。
【００２３】
［表１］
パラメータ 値 （付記）
送信電力（ｄＢｍ） ３６
搬送波周波数（ＧＨｚ） ２．４４２
波長（メートル） ０．１２２８５
送信アンテナ利得（ｄＢ） −２
送信ＥＩＲＰ（ｄＢｍ） ３４（ＦＣＣは３６ｄＢｍまで認めている）
距離（マイル） ４００
距離（ｋｍ） ６４３．６
自由空間損失（ｄＢ） −１５６．３６９
ボルツマン定数 −２２８．６
他のリンク損失（ｄＢ） −１
受信アンテナ素子利得（ｄＢｉ） −２
受信器雑音指数（ｄＢ） ３
受信器雑音指数（無次元） １．９９５２６２
受信器雑音温度（Ｋ） ２８８．６２６１
アンテナ雑音温度（Ｋ） ７０
システム雑音温度（Ｋ） ３５８．６２６１
システム雑音温度（ｄＢ・Ｋ） ２５．５４６４２
受信器Ｇ／Ｔ（ｄＢ／Ｋ） −２７．５４６４
Ｐｒ／Ｎｏ（ｄＢ．ｂｐｓ） ４７．６８４５８
データ速度（ｋｂｐｓ） １．２
データ速度（ｄｂ−ｋｂｐｓ） ０．７９１８１２
実装損失（ｄＢ） −２
利用し得るＥｂ／Ｎｏ（ｄＢ） １４．８９２７７
ビット誤り率 １０＾（−５）
変調方式 ＤＱＰＳＫ
必要なＥｂ／Ｎｏ（ｄＢ） １２
符号化利得（ｄＢ） ０ （符号化なし）
余裕（ｄＢ） ２．８９２７７
【００２４】
図５は遠隔局が地上局である場合の資産から遠隔局へのリンクの一例のリンクの仕様を示す。
【００２５】
図６は遠隔局が地上局で、資産が航空機である場合の遠隔局から資産へのリンクに対する一例のリンクの仕様を示す。
【００２６】
テレメータ１００が読取り／書込みメモり１５２をも含む。読取り／書取りメモり１５２は、本発明の１実施例では、ダイナミック・ランダムアクセス・メモリであるが、到来メッセージを再送信の為に記憶し、システムの性能の目安の経歴を保管する。システムの性能の目安は、これは限らないが、受信に成功したメッセージの数と規模、送信に成功したメッセージの数、待ち時間の分布、即ち、受信に成功したメッセージが、再送信に成功するまでに受信側の航空機によって記憶されていた時間のヒストグラム、信号対雑音推定値のようなリンク品質表示子及び通信プロトコル効率、例えば、メッセージ当たりの送信再試行の数から成る群から選ばれた目安を含む。
【００２７】
本発明の１実施例による、飛行中の航空機から地上局への情報の遠隔測定を行うシステム１００は、典型的には、互いに無線通信する複数個の移動性資産（以下ノードと呼ぶ）を有する。各々のノードは、航空機、鉄道機関車のような地上車両、船舶、地上の送信又は受信局又は通信衛星から成る群から選ぶことが出来る。各々のノードが、ノードの間並びに発信元のノードから着信先の地上局へ診断メッセージを中継する為のテレメータ１００を備えている。発信元のノードが診断メッセージを発信し、中間のノードを介して所望の着信先の地上局に至る最も効率の良いリンクを決定する。その後、発信元のノードが診断メッセージをリンク内の第１のノードに送信し、そのノードが診断メッセージを受信すると共にそれをリンク内の次のノードに再送信するようにして、最後にメッセージが所望の地上局によって受信される。こうして、データが発信元のノードから地上局まで効率よく移動するように、航空機が互いに直視範囲内で航空機同士の間の中継によってデータを通過させる。本発明の１実施例では、遠隔局２５０が、巡航高度にある航空機に対して直視範囲内にある位相調整アレイ・アンテナを用いている。
【００２８】
効率のよいリンクを設定する為に、発信元のノード及びリンク内の相次ぐ各々のノードでは、後継ノードが先駆ノードの直視範囲内にある間に、メッセージがノードからノードへ送信されるように、その後継ノードを選択しなければならない。本発明の１実施例では、各々のノードのトランシーバが、診断メッセージを送信する相手の後継ノードを選択し易くする為に、飛行計画情報を備えている。飛行計画情報は、特定の航空機の飛行に対する高度、飛行経路及び時間に関係する情報である。本発明の１実施例では、飛行計画情報は、航空機追跡サービスから求められる。このシステムの一例は、これに限らないが、エアー・トラックを含む。エアー・トラックは、英国Ｙ０１８−８ＨＬ、ノース・ヨークシャー、ピッカリング、クロプトン所在のＭＥＴＳＹＳソフトウエア・アンド・サービセズから入手し得る実時間航空機追跡プログラムである。データベースからの飛行計画データを、各々の航空機のテレメータ１００の診断メッセージ・プロセッサ１５０にロードする。その後、発信元ノードのプロセッサ１００が、飛行計画データ及び所望の着信先の遠隔局に基づいて、後継者を選択する。
【００２９】
図１に示すように、遠隔局２００が、ＩＳＭ周波数帯のようなライセンスのない周波数帯で周波数を受信するようになっている受信器２５０を有する。本発明の１実施例は、図４に示すように幾つかの相隔たる遠隔局２００で構成された受信ネットワーク５００を用いる。遠隔局２００は互いに隔たっていて、図４に示すように、関心のある地理的な区域全体１２０、今の場合は米国を受信器でカバーするようにする。
【００３０】
地上Ｈフィートにある物体からの直視経路の無線の水平線は（２Ｈ）^1/2 マイルである。従って、オハイオ州イーブンデール近郊の地上にある無線受信器は、図３に示す円３００内にその地上の点が入るような２０，０００フィートのところにいる航空機と直視範囲で接触することが出来る。この円は半径が約２００マイルである。これより高い高度にある航空機に対しては、カバー範囲の円が拡大する。図４は、４０個の受信器地点だけを用いて、米国大陸地を事実上カバーすることを示している。地点の中心を「ｘ」で記してある。
【００３１】
システムは、スケジュールを定めて監視し、受信器地点から受信器地点への受け渡しの監視を実施する為のプロトコルを含んでいる。このプロトコルは、流れ又は送信制御を含めて、地上から空中へのリンクに頼っている。送信制御に適した地上から空中へのリンクの例としては、これに限らないが、適応形送信速度制御、誤り訂正符号の利用／非利用、電力制御、及び送信時間を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１実施例による遠隔測定システムのブロック図。
【図２】 本発明の１実施例によるテレメータのブロック図。
【図３】 高度２０，０００フィートにある航空機に対するカバー範囲を表す円の一例を示す図。
【図４】 本発明の１実施例に従って構成された複数個の遠隔局を示す見取り図。
【図５】 本発明の１実施例による移動性資産から遠隔局へのリンクの仕様を示す図表。
【図６】 本発明の１実施例による地上局から移動性資産へのリンクの仕様を示す図表。
【図７】 本発明の１実施例による診断メッセージのフォーマットの一例を示す図表。

Claims (17)

1. ＶＨＦ又はＵＨＦ帯域で通信するためのアビオニクス装置を備える移動性資産上に搭載されたテレメータであって、
   １つ又は更に多くの状態センサの出力に結合されたプロセッサを有し、
   該プロセッサは前記１つ又は更に多くの状態センサの出力を診断メッセージに変換して、該診断メッセージをプロセッサの出力に提供するように構成されており、更に、
   前記プロセッサの出力に結合されている送信器を備え、
   前記送信器は、工業・科学・医学用（ＩＳＭ）周波数帯で少なくとも１０の拡散係数を有する拡散スペクトル方式で前記診断メッセージを送信するための電子回路を備え、前記移動性資産が運行中に動作でき、前記アビオニクス装置がＶＨＦ又はＵＨＦ帯域で不作動であるとき前記アビオニクス装置を用いて中継局と通信することを特徴とするテレメータ。
2. 前記送信器が５ＧＨｚ帯域で送信する請求項１記載のテレメータ。
3. 更に診断メッセージを記憶するメモリを有する請求項１記載のテレメータ。
4. 更に、前記プロセッサに結合された受信器を有し、該受信器はＩＭＳ周波数帯で送信された診断メッセージを受信するように構成されている請求項１記載のテレメータ。
5. 前記受信器が更に、地上局からの無線周波数帯で送信された指令を受信するように構成されている請求項１記載のテレメータ。
6. 前記状態センサが排ガス温度センサを含む請求項１記載のテレメータ。
7. 前記状態センサがタービン速度センサである請求項１記載のテレメータ。
8. 前記状態センサがコア速度センサである請求項１記載のテレメータ。
9. 前記テレメータが航空機に搭載されている請求項１記載のテレメータ。
10. 前記テレメータが機関車に搭載されている請求項１記載のテレメータ。
11. 前記テレメータが船舶に搭載されている請求項１記載のテレメータ。
12. 前記情報を利用するようになっている装置が表示装置である請求項１記載の遠隔測定システム。
13. 前記送信器が３．２ＧＨｚのＩＳＭ帯域で電磁エネルギを送信する請求項１記載の遠隔測定システム。
14. ＶＨＦ又はＵＨＦ帯域で通信するための無線通信装置を備える移動性資産上に搭載されたテレメータと、遠隔局とを有する遠隔測定システムであって、
    前記テレメータは、前記資産の１つ又は更に多くの状態センサの出力に接続された入力、前記資産の感知された性能に関係する情報を含む診断メッセージを提供する出力及び前記テレメータの出力に結合された入力を持っていて、前記診断メッセージをＩＳＭ周波数帯で少なくとも１０の拡散係数を有する拡散スペクトル方式で送信する電子回路を備える送信器を含んでおり、
    前記遠隔局は、前記送信されたメッセージを受信する受信器、前記送信されたメッセージを処理するプロセッサ、及び前記資産の性能に関係する情報を、該情報を利用するようになっている装置に提供する出力を含んでおり、
    前記送信器は、前記無線通信装置がＶＨＦ又はＵＨＦ帯域で不作動であるとき前記無線通信装置を用いて前記遠隔局と通信することを特徴とする
    遠隔測定システム。
15. 関心のある地理的な区域をカバーするように構成された複数個の前記遠隔局を含む請求項１４記載の遠隔測定システム。
16. 前記関心のある地理的な区域が合衆国大陸である請求項１５記載の遠隔測定システム。
17. 前記送信器が５ＧＨｚ帯域で送信する請求項１４記載の遠隔測定システム。

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