JP4954384B2 - 移動資産から遠隔ステーションへの診断メッセージのテレメトリ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、遠隔監視及び診断に関し、特に、１つの移動資産から遠隔サービス・センター向けの診断メッセージのテレメトリに関する。本発明の一実施形態は、機上搭載センサーとテレメータを使って、飛行中の航空機から地上のサービス・センターへメンテナンス・データ（航空機エンジンの性能データなど）を送信するテレメトリ・システムである。
【０００２】
【発明の背景】
飛行機、タービン、機関車、医療システム等の移動資産によって実行される、部品と機器とシステムの状態、性能、故障の遠隔監視／診断は益々重要になっている一方で、安全性を高め、メンテナンス・コストを削減し、また、効率的に、タイムリーに、かつ、コスト効率のよいメンテナンス・サービスを顧客に提供するために企業は奮闘している。このため、今日のサービス志向のビジネスでは、遠隔メンテナンス・サービスは成長が見込まれる重要な分野と見られている。搭載された機器ベースに対するハイテクで負荷価値付きのサービスを提供するために、遠隔監視／診断性能は急速に重要な要素となった。尚、機器ベースとしては、発電機器や航空機エンジンや医療用撮影システムや機関車等の移動資産が含まれる。
【０００３】
このような機器とシステムの性能を監視することによって、システムの故障を示すことができる。故障した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って安全さの程度がわかり、これは、要求通りにシステムが動作することを保証する際に特に重要なものである。さらに、その情報を利用して、一連のメンテナンスを開始させて、システムを次の実行サイクルに入れることができる。
【０００４】
発電用タービン、もしくは、航空機のエンジンで使われるタービン等の装置のための制御システムは、通常、タービン・アセンブリの速度や温度やストレスを含むタービンの様々な性能パラメータを監視する。従来技術のシステムではこれらのパラメータを飛行中に監視する。しかしながら、飛行機の飛行中にこれらのパラメータを地上のサービス・センターへ中継することに関する問題点の多くは未解決のままである。
【０００５】
性能パラメータを無線デジタル送信する技術での重大な問題は周波数に関するもので、特に、テレメトリ装置がＲＦ信号を送信するパワーに関する。連邦通信委員会（ＦＣＣ）のＦＣＣルールとレギュレーション（ＦＣＣ Ｒｕｌｅｓ ａｎｄ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ）のＰａｒｔ１５．２４７を制定するまでは、航空機のテレメトリ・システムは主にＶＨＦバンド（１７４−２１６ＭＨｚ）に制限されており、０．１ミリワット（ｍＷ）よりかなりに低い送信パワーでのみ動作していた。（ＦＣＣ Ｐａｒｔ １５．２４１．を参照されたい）。この送信パワーの制限は、機上に搭載されたテレメトリ装置の送信範囲（即ち、送信器と受信器間の最大距離）を著しく制限してきた。また、これらの制限によって、テレメトリ装置がデータ転送可能なデータ・レート、即ち、「バンド幅」が制限される。
【０００６】
これらの要因から、航空機と地上間の情報の送受信の周波数バンドが制限される。さらに、利用可能なこれらの規制されたバンドを用いたその他の種類の通信、例えば、音声通信の需要が増えている。診断情報用のチャネルを追加すると、さらに別のアンテナを追加するための航空機の機体の変更がしばしば必要になる。これらの構造的変更はコストがかかり、また、規制された周波数バンドで飛行性能データを中継するための送信時間を得るには高いコストが繰り返しかかるので、航空機から地上のステーションに航空機の診断情報を転送するシステムと方法の改良に対して強いニーズがある。
【０００７】
【発明の概要】
本発明の模範的な実施形態のテレメータは、１つ以上の状態センサーの出力が与えられるプロセッサを備える。プロセッサは状態センサーの出力を診断メッセージに変換し、プロセッサの出力に診断メッセージを供給する。送信器はプロセッサの出力部に結合される。工業用や科学用や医療用（ＩＳＭ）の周波数バンドで診断メッセージを送信できるように送信器は構成される。本発明のテレメトリ・システムの模範的な実施形態は、ＩＳＭ周波数バンドで診断メッセージを送信できるように構成されたテレメータと、ＩＳＭバンドで診断メッセージを受信する受信器を含む遠隔ステーションとを備える。
【０００８】
本発明の方法の模範的な実施形態は、１）移動資産から性能情報を収集する工程と、２）性能情報をＩＳＭバンドで遠隔ステーションへ送信する工程と、３）移動資産の性能情報を遠隔ステーションで受信する工程と、４）資産の性能情報を利用する工程とを含む。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態のテレメトリ・システム１０を図１に示す。テレメトリ・システム１０は、テレメータ１００と送信器１１８と遠隔ステーション２００を備える。テレメータ１００は、航空機２０や機関車２２や船舶２４等の移動資産上に搭載されて、それが設置される資産の状態を監視するように構成される。テレメータ１００は送信器１１８と協力して、資産の状態と性能に関する情報を含む、ここでは診断メッセージと呼ばれるメッセージを遠隔ステーション２００に転送する。「状態」という用語は、資産、もしくは、資産の特定要素の動作に対する準備、即ち、適合性の状態に言及するものである。
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、診断メッセージは、監視される（送り元と呼ばれる）航空機２０等の資産から（あて先と呼ばれる）遠隔ステーション２００へ直接中継される。本発明の別の実施形態によれば、診断メッセージは航空機２０等の送り元資産から航空機２１などの後継の資産へ直列的に中継される。また、場合によっては、診断メッセージがその遠隔ステーションのあて先２００に到達するまで、後継の資産から別の後継の資産等へ中継される。
【００１１】
診断メッセージに適した模範的フォーマットを図７に示す。メッセージ・フォーマットは、同期プリアンブルとアドレス・ビットと必要ならば優先ビットとデータ・フィールドと、データ・フィールド内のデータが暗号化されているか否かを示す暗号フラグと、エラー検出フィールドを備える。
【００１２】
診断メッセージは、送り元資産と後継の資産と遠隔ステーションのあて先間でダウンリンク４５を介して中継される。本発明のダウンリンク４５は、ライセンス無しの、即ち、工業用／科学用／医療用（ＩＳＭ）バンドでの送信ができる通信チャネルである。現在、スペクトラム拡散通信技術を使うために、米国では３つのＩＳＭバンドが利用可能である。即ち、９０２−９２８ＭＨｚと２４００−２４８３．５ＭＨｚと５７２５−５８５０ＭＨｚである。
【００１３】
従って、本発明の一実施形態の送信器１１０は、ＩＳＭ周波数バンドで送信するように調整される。本発明の一実施形態では、データリンク４５には非ＩＳＭバンドの無線周波数チャネル、例えば、連邦通信委員会（ＦＣＣ）によってライセンスが与えられたチャネルがさらに含まれる。
【００１４】
本発明の一実施形態のテレメータ１００は航空機２０に設置される。テレメータ１００は航空機２０の１つ以上のジェットエンジンの状態を監視し、航空機２０と遠隔ステーション２００間で航空機の性能に関する情報を含むメッセージを送信する。遠隔ステーション２００はメッセージに含まれる情報を用いて、エンジン性能を評価し、故障状態を識別し、予測し、また、一実施形態では、訂正信号をデータ・アップリンク３０を介して航空機２０に中継することで故障状態を直す、もしくは、補償する。本発明の一実施形態のデータ・アップリンク３０にはＩＳＭバンドでの送信が含まれる。本発明の別の実施形態のデータ・アップリンク３０には、ＦＣＣからライセンスされた無線周波数バンドのコマンドとデータが含まれる。
【００１５】
当業者であれば容易に理解できることであるが、本発明は航空機のテレメータや遠隔ステーションに限定されない。むしろ、本発明のテレメータはどんな移動資産にも取り付け可能であって、メッセージは、人工衛星や船舶や、地上のものではないその他の受信ステーション等の遠隔ステーションに中継される。
【００１６】
本発明の一実施形態のテレメータ１００は、図２のブロック図の形態で示されている。テレメータ１００は、主要な構成要素として、送信器１１８と受信器１１６と診断メッセージ・プロセッサ１５０とメモリ１５２と表示装置１９０と状態センサー３２０と第１の補助プロセッサ１４１を備える。状態センサー３２０は、タービン速度や排気ガス温度等の性能状態やパラメータを監視する。
【００１７】
本発明の一実施形態のテレメータ１００は、ＲＦバンドでのオペレーション用にＦＣＣからライセンスを受けたその他の航空電子工学アプリケーション向けの、例えば、ＶＨＦやＵＨＦのトランシーバとして航空機２０に搭載された航空電子工学機器を用いて実施される。地上ステーションに対する照準線のない海洋上では使われない、例えば、超短波（ＶＨＦ）トランシーバ・ユニットを用いて、これらのＶＨＦトランシーバが作動していない期間に、診断メッセージがライセンスを受けたバンドで送受信される。本発明の一実施形態の送信器１１８は、商業的に簡単に入手できる種類のＩＳＭモデムを備える。
【００１８】
本発明の一実施形態のテレメータ１００は、図２の受信器１１６と送信器１１８によって表される、２．４ＧＨＺの低パワーＩＳＭトランシーバを備える。受信器１１６と送信器１１８は、代表的なスペクトラム直接拡散変調方式を用いてキャリアを診断メッセージ情報で変調するモデムを備える。このような方式は、同期化のためのオーバヘッドを緩和する同期モードや送信基準モードで実施可能である。
【００１９】
本発明のＩＳＭバンドの実施形態は、２．４ＧＨｚ−２．４８３５ＧＨｚで２．４ＧＨｚのＩＳＭを飛行中に利用することが前提である。ハリス（Ｈａｒｒｉｓ）社の「ＰＲＩＳＭ（登録商標）」チップセット等の商業的に入手可能なチップと幅広く多彩な支援エレクトロニクスは、商業的に簡単に入手可能であるので本実施形態で使うことができる。例えば、本発明の一実施形態では、直接スペクトラム拡散（ＤＳＳＳ）技術を利用して、米国ＦＣＣの規制に従うように、少なくとも１０の拡散因子が保持される。ハリス（Ｈａｒｒｉｓ）社のＰＲＩＳＭセットは１１の因子で拡散させ、１６の因子までプログラマブルであるので、本発明の一実施形態を実施する際にそれを使用すると有利である。本発明のその他の実施形態では５．７ＧＨｚバンドのトランシーバを利用する。
【００２０】
商業的に入手可能なＩＳＭチップセットを使う際の問題は、地上に対する航空機の相対的動きに関連するドップラシフト(Doppler shift) がチップセットの性能を越えて発生することが時々あることである。従って、同じメッセージを複数回送信するように本発明の一実施形態は構成される。尚、再送回数は、使用中の通信チャネルに関して予想されるチャネル損失に基づく。本技術は、データ・レートが下がるとリンクの信頼性が上がるものである。本方法は以下の工程を備える。まず、診断メッセージ・プロセッサ１５０は、Ｎ情報ビットの送信メッセージを第１の補助プロセッサ１４１に供給する。プロセッサ１４１は、前方誤り訂正符号、例えば、ハミング符号によって、Ｎ情報ビットをＢ（ＢはＮより大きい）個のメッセージ・ビットに符号化するように構成される。次に、Ｂビット・メッセージはｎビット毎の部分に分割される。本発明の一実施形態では、どの部分も連続するゼロやその他の従来の詰め物で満たされる。ｎ値が大きいと、ランダム・パリティ符号化がより効率的に実施される。しかしながら、ｎ値がより大きいと、デコーダの複雑度が増すことになる。本発明の一実施形態ではｎに対して１２が選択される。
【００２１】
次に、補助プロセッサ１４１はビット・エラー・レートｐを推定する。ビット・エラー・レートｐは、地上の受信器がＩＳＭモデムの設計レートでＩＳＭ送信をビット毎に復調する際に経験するであろうエラー・レートである。本発明の一実施形態ではｐは前もって決められ、補助プロセッサ１４１に供給される。ｐに基づいて補助プロセッサ１４１は送信器１１８から地上の受信器への２進対称チャネル（ＢＳＣ；Binary Symmetric Channel）のチャネル容量Ｃ（ｐ）を以下の式から計算する。
【００２２】
Ｃ（ｐ）＝ｌ＋ｐｌｏｇ₂ｐ＋（１−ｐ）ｌｏｇ₂（ｌ−ｐ）
。
【００２３】
次に、オペレータはシステムパラメータをプロセッサ１４１に与える。Ｎ情報ビットを所望のエラー・レートでデコードできる十分な冗長度をもつようにシステム・パラメータが選択される。そして、補助プロセッサ１４１は、各ｎビット部分をｍビット符号ワード（ｍ＞ｎ）として送信する。ｍとｎの関係は、
Ｍ ＝ ｆ_ceil（（ｎ／Ｃ（ｐ）））
であり、ｆ_ceilは上限関数であって、その引数に等しいかそれ以上の最小の整数値である。
【００２４】
表１は、本発明の一実施形態に基づく資産から資産へのリンクをシミュレートすることによって作成された模範的なリンク仕様を示す。表１に示された例に基づいて、各々が２００００フィートの最小航行高度で、照準線距離が約４００マイル離れている２機の航空機間で用いられる２．４ＧＨｚのＩＳＭバンドの飛行機間リンクによって、２機の航空機間で１０^-5以下のビット・エラー・レートで約ｌ．２キロビット／秒のリンクがサポートされる。本発明の別な実施形態では、リンクは利用可能なリンクマージンに依存する可変データ・レートで動作する。この場合、リンクの両端は、既知のビット・グループで計算される受信エラー・レートを観測されるように構成される、即ち、様々なチェック・サム故障レートを観測することによって信号送信レートが上げたり下げたりされる。
【００２５】
【表１】

【００２６】
図５は、資産と遠隔ステーションのリンクについての模範的なリンク仕様を示す。尚、遠隔ステーションとは地上ステーションである。
【００２７】
図６は、遠隔ステーションと資産のリンクについての模範的なリンク仕様を示す。尚、遠隔ステーションとは地上ステーションであり、資産とは航空機である。
【００２８】
また、テレメータ１００は読出し／書込みメモリ１５２も備える。読出し／書込みメモリ１５２は本発明の一実施形態のダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）であって、再送のために入力メッセージを記憶し、システム性能測定履歴を保持する。システム性能測定値には、成功裏に受信されたメッセージのサイズと数と、成功裏に送信されたメッセージ数、待ち時間分布、即ち、成功裏に再送される前に受信する航空機によって成功裏に受信されたメッセージが記憶された時間のヒストグラムと、信号対ノイズ推定値等のリンク特性インディケータと、通信プロトコル効率、例えば、メッセージ毎の送信リトライ数を含むグループから選択された測定値が含まれるが、これらに限定されるわけではない。
【００２９】
飛行中の航空機から地上ステーションに対する情報のテレメトリを行う本発明の一実施形態のシステム１００は、これ以降ノードと呼ぶ相互無線通信を行う複数の移動資産を通常備える。各ノードは、航空機と、線路の機関車や船舶や地上の送信／受信ステーションや人工通信衛星等の陸上の乗り物を含むグループから選択可能である。各ノードには、ノード間と、送り元ノードからあて先の地上ステーションへ診断メッセージを中継するテレメータ１００が装備されている。送り元ノードは診断メッセージを生成し、仲介ノードを介した所望のあて先の地上ステーションに対する最も効率的なリンクを決定する。次に、送り元ノードは、そのリンク内の第１のノードに診断メッセージを送信する。そのノードは診断メッセージを受信して、最終的にメッセージが所望の地上ステーションで受信されるまでリンク中の次のノードにそれを再送する。このように、送り元ノードから地上ステーションへデータを効率的に移動させるように、航空機は、互いに照準線内にいる航空機間を中継してデータを送る。本発明の一実施形態によれば、遠隔ステーション２５０は航行高度の航空機に対する照準線をもつフェイズド・アレイ・アンテナを利用する。
【００３０】
効率的なリンクを確立するために、後継ノードが前ノードの高低線内にいるときにメッセージをノードからノードへ送信できるように、送り元ノードとリンク内で後継する各ノードはその後継ノードを選択する必要がある。
【００３１】
本発明の一実施形態の各ノードのトランシーバには、診断メッセージが送信される後継ノードの選択を容易にするために飛行計画情報が備えられている。飛行計画情報は特定の航空機の飛行時間、飛行経路、高度に関する情報である。
本発明の一実施形態の飛行計画情報は、航空機の追跡サービスから得られる。このようなシステムの一例は、エアトラック（ＡｉｒＴｒａｃｋ）であるが、これに限定されるものではない。 オールトラック（Ａｌｌ−ｔｒａｃｋ）は、イングランドのＹ０１８ ８ＨＬ、ノースヨークシャー、ペッカリング、クロプトンに位置するＭＥＴＳＹＳソフトウエア＆サービス（ＭＥＴＳＹＳ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）から入手可能な航空機の実時間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は各航空機のテレメータ１００の診断メッセージ・プロセッサ１５０にロードされる。従って、送り元ノードのプロセッサ１００は、飛行計画データと所望のあて先の遠隔ステーションに基づいて後継を選択する。
【００３２】
図１で示されるように、遠隔ステーション２００は、ＩＳＭ周波数バンド等のライセンスを受けていない周波数バンドの周波数を受信するように調整された受信器２５０を備える。図４に示されているように、本発明の一実施形態では、間隔が置かれた複数の遠隔ステーション２００受信ネットワーク５００を用いる。図４に示されているように、米国の場合、複数の遠隔ステーション２００は互いに間隔が空けられており、注目領域１２０の全地理的領域をカバーする受信器を備える。
【００３３】
地上Ｈフィートのオブジェクトからの照準線の経路に対する電波地平線は、（２Ｈ）^1/2 マイルである。従って、オハイオ(Ohio)州エバンデール(Evendale)近郊の地上無線受信器は、図３に示される円３００内に対応する地上の地点がある２００００フィートの飛行機と照準線でコンタクトできる。その円は半径約２００マイルである。より高高度の飛行機に対しては、その円のカバレッジの範囲が広がる。図４は、米国の従来の実際上のカバレッジを示し、４０個所だけの受信器サイトがある。１つのサイトセンターは「ｘ」でマークされている。
【００３４】
本システムは、スケジュールを決めて監視し、受信器サイトから受信器サイトへのハンドオフを監視するプロトコルを備える。このプロトコルは、フロー制御、もしくは、送信制御を含む地上と航空機のリンクに依存している。 例えば、送信制御に適した地上と航空機のリンクの例としては、適応送信レート制御と誤り訂正符号の提供／不提供とパワー制御と送信時間が含まれるが、これらに限定されることはない。
【００３５】
特許法に基づいて本発明が図示され説明されたが、本発明の真の精神と範囲から逸脱することなく、開示された実施形態に関する変更や修正を行うことができることは当業者にとって明らかである。従って、添付の請求項が、本発明の真の精神の範疇でそのような修正や変更の全てをカバーするように意図されたものであることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のテレメトリ・システムのさし絵入りのブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態のテレメータのブロック図である。
【図３】高度２００００フィートの航空機に対する円状のカバー範囲の一例を示す略図である。
【図４】本発明の一実施形態で構成された複数の遠隔ステーションを示すのさし絵入りのブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態の移動資産と遠隔ステーションのリンクの模範的な仕様を示す図表である。
【図６】本発明の一実施形態の地上ステーションと移動資産のリンクの模範的な仕様を示す図表である。
【図７】本発明の一実施形態の診断メッセージの一例を示す図表である。
【符号の説明】
１０ テレメトリ・システム
４５ ダウンリンク
１００ テレメータ
２００ 遠隔ステーション
２５０ 受信器

Claims (8)

1. 移動資産に搭載されているテレメータであって、
   １つ以上の状態センサーの出力に結合し、前記１つ以上の状態センサーの出力を診断メッセージへ変換して、当該プロセッサの出力に前記診断メッセージを供給するように構成されたプロセッサと、
   前記プロセッサの出力に結合した送信器であって、無線周波数バンド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と、を備え、
   前記プロセッサは、それぞれが前記移動資産に搭載されている複数の他のテレメータの移動計画データをロードし、該移動計画データと前記診断メッセージのあて先の遠隔ステーションの位置に基づいて、前記複数の他のテレメータの中から前記診断メッセージを中継する他のテレメータを選択するように構成されているテレメータ。
2. 診断メッセージを格納するメモリと、
   前記プロセッサに結合された受信器であって、無線周波数バンド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た受信器をさらに備えている請求項１のテレメータ。
3. 前記移動計画データは、前記移動資産の移動経路に関する情報であり、前記無線周波数バンドはＩＳＭ周波数バンドであり、前記テレメータは航空機に搭載されており、前記状態センサーはタービンの速度センサー又は排気ガス温度センサーである、請求項１のテレメータ。
4. 前記受信器は、無線周波数バンドで地上ステーションから送信されたコマンドを受信するようにさらに構成されている、請求項１のテレメータ。
5. 前記プロセッサが、前記診断メッセージに前記診断メッセージのあて先を特定する情報を付加するように構成されている、請求項１のテレメータ。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のテレメータと、
   前記中継する他のテレメータと、
   該中継する他のテレメータから送信された診断メッセージを受信する受信器と、前記送信された診断メッセージを処理するプロセッサと、前記性能に関連する情報を評価するように構成された装置に前記資産の性能に関連する情報を供給する出力部とを含んでいる前記遠隔ステーションと、
   を備えているテレメトリ・システム。
7. 注目の地理的領域をカバーするように構成された複数の前記遠隔ステーションを含む、請求項６のテレメトリ・システム。
8. 前記テレメータは航空機に搭載されており、前記状態センサーは前記航空機のタービンの速度センサー又は排気ガス温度センサーであり、前記移動計画データは航空機の飛行時間、飛行経路、高度に関する情報であり、前記遠隔ステーションは、前記情報を用いて、前記タービンの性能を評価し、前記タービンの故障状態を識別又は予測し、前記故障状態を直す又は、補償する訂正信号を前記中継する他のテレメータを介して前記テレメータに送信する、請求項６のテレメトリ・システム。

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