JP5618313B2 - 遠隔気流の警報表示方法及びそのシステム - Google Patents
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該方法はピトー管に不具合があった場合のバックアップとして、高精度計測が要求される飛行試験用として、あるいはピトー管で充分な精度の対気速度計測ができない低速航空機用として利用することが可能である。
該方法はピトー管に不具合があった場合のバックアップとして、高精度計測が要求される飛行試験用として、あるいはピトー管で充分な精度の対気速度計測ができない低速航空機用として利用することが可能である。
以上の事柄を踏まえ、本発明の遠隔気流の警報表示方法は、近傍と遠方との風速差が事前に設定した閾値を超え、なおかつ継続的に該航空機が該マイクロバーストの中心に接近している場合にマイクロバーストまたはテルミックを報知するものとした。
付随的な効果として、滑空機や気球に適用した場合には、上昇気流やウインドシアを探知することにより、航行能力が向上することが期待される。
気象情報表示画面100に表示される気象レーダの観測可能範囲1において、標準的な製品の場合、有効計測距離R1は300km程度、スキャン角度θ1は100°程度である。一方、ドップラーライダーの観測可能範囲2では、R2は10km程度、スキャン角度θ2は20°程度である。現在は気象レーダの搭載が法令で義務化されており、近年の旅客機では、操縦席の電子化が進んでいることにより、多数のフラットパネル表示器が計器板に組み込まれているために、パイロットは巡航中に気象レーダの情報を、ナビゲーションディスプレイ(ND)上に常時表示させるのが一般的である。
標準的な旅客機の巡航速度は毎秒250m程度で、300kmを飛行するのに約20分間を要する。このためパイロットは気象レーダの表示画面を常時注視していなくても、必要に応じて随時監視することにより悪天候回避飛行に余裕を持って対応することができる。ただし、気象レーダが検知できるのは水分を含んだ雨雲などであって、晴天時の気流状況は観測することができない。この点ドップラーライダーは、晴天時の気流状況は観測することができるが、観測可能範囲が狭いという欠点がある。パイロットが前方の乱気流を認識した後、何らかの処置を行うのに必要な時間は最低でも30秒とされているが、標準的な旅客機が巡航中に10kmを飛行する時間は約40秒間であるため、パイロットはドップラーライダーの表示画面を常時注視していなければ乱気流に対応できないことになる。この状況はパイロットのワークロードを極端に増大させる結果をもたらし、現実的ではない。したがって、本発明ではドップラーライダーで観測されたある地点の気流情報が、次回の観測タイミングでも同一箇所に同様に出現した場合に、誤信号ではなく正しい気流情報であると判断し、且つ、その気流情報が強い乱気流のように機体に大きな影響を及ぼすものであるときには、音声、警告灯またはフラットパネル表示器上の文字表示により自動的に警報を発する。このため、パイロットは気流情報表示画面を常時注視する必要はなく、該警報が発せられたときのみに該表示画面を監視すればよい。このときに該警報に応じて該表示画面が自動的に拡大する方法も、パイロットが手動で拡大する方法もどちらも有効な手段である。
ドップラーライダーは、航空機に搭載して遠隔領域の気流を測る装置として他に代わるものがないが、機体から遠方の風速と近傍の風速との差を算出して、その差を現在の対気速度に加えることにより、数十秒後の対気速度を予測することができる。この予測された対気速度が飛行規程で定められた最大運用限界速度を超えたり、失速速度や最小操縦速度を下回った場合には、音声、警告灯またはフラットパネル表示器上の文字表示により自動的に警報を発する。最小操縦速度とは、臨界発動機が1発停止した場合でも安定して水平飛行できる最低速度のことをいい、最小運用限界速度としては失速速度と最小操縦速度のいずれか大きい方の速度が用いられる。
a = 340.4×√{(273 +t)/288} ・・・ [1]
ただし、
a:音速(m/sec)
t:飛行高度の外気温度(℃)
通常、ピトー管による対気速度計測システムは多重系となっているが、各系統間の出力差が許容値を超えた場合、あるいは出力が遮断された場合に、自動的に警報を発する機能は既に実用化されているため、その警報が発せられた場合に、パイロットは本発明による等価対気速度を監視することになる。このような事態はめったに起こることではなく、パイロットはピトー管への信頼が高いので、本発明装置への不安を抱いてしまうことが想定される。しかし、日常的に双方の検出速度を比較して、それぞれの差が少ないことを確認しておけば、非常時の安心感を高め、適切な対応が期待できる。
ドップラーライダーは遠方の風速を距離毎に分割して測ることができるため、風速が反転している領域があった場合、自機に近い領域が向かい風、遠い領域が追い風であれば、マイクロバーストが存在すると認識することができる。該向かい風と該追い風との差が事前に設定した閾値を超えたときに、音声、警告灯またはフラットパネル表示器上の文字表示により自動的に警報を発する。以上と逆の風速条件であれば、テルミックが存在すると認識することができるが、テルミックの場合、通常危険性は少ないため極端な風速差がない限り警報は必ずしも必要ではない。
ドップラーライダーでは、均一な大気状態の場合、観測距離の2乗にほぼ反比例して受信強度が低下する。観測距離の増大に応じて散乱光の受信強度が低減しない領域については、散乱光が強く発生していることから雲または火山灰浮遊領域の前面と推定することができる。したがって、散乱光の受信強度が低減しない領域を検知した場合には音声、警告灯またはフラットパネル表示器上の文字表示により自動的に警報を発する。このうち雨雲と雷雲などの水分を多く含んでいる領域については、気象レーダで検知することができるため、ドップラーライダーのみで検知される該領域は、薄い雲か火山灰の浮遊領域であると推定される。薄い雲については、ドップラーライダーの最大有効レンジである数kmの範囲内であれば目視で確認することができるため、それ以外は火山灰の浮遊領域であると推定される。ただし、黄砂や氷晶である可能性も否定できず、それらは空域や事前の気象情報などから総合的に判断するしかない。なお、これらの物質はいずれも航空機にとって好ましくないものである。
周辺を飛行中の他の航空機とドップラーライダーで取得した気流データを共有するために、先行機は後続機が同じ航空路で100km以内の距離を飛行している可能性があるときに、該気流データに位置情報を付加して常時送信する。該後続機は該気流データを常時受信し、必要に応じて画面表示させる。ただし、時間が経過した情報であるために信頼性の点では劣る。
d = (V+δW)×τ ・・・ [2]
ただし、
V:自機の対気速度(正しくは真対気速度であるが、短時間での移動距離を求めるため、等価対気速度であっても大きな誤差とはならない。)
δW:自機位置の風速に対する計測点の風速の差で、向かい風方向を正とする。ただし、誤信号が含まれている場合、この数値は非常に大きな数値となる可能性がある。このため、該計測点の風速は乱気流の可能性がある点が検知された直前の風速を使用する。
τ:該計測点に対するドップラーライダーの計測周期
τは通常数秒以下であるため、旋回飛行による横方向移動の影響は無視できる。
初期状態として航空機は、進行方向の風速成分がW1の追い風中を対気速度V1で飛行しているものとする。航空機が次第に飛行高度を下げるのにしたがい風速が弱まるので、航空機の対気速度は増加して、進行方向の風速成分がW2となったときに、航空機の対気速度V2は、W1とW2の差分だけ増大する。もちろん増速にしたがって空気抵抗が増大するので、実際の増速はこれより小さい値となるが、速度超過の警報としては考えられる最大値を用いるべきである。
ドップラーライダーでは、数十秒間におけるW1とW2の差分を計測することができるため、以上のように推定されたV2が飛行規程で定められた最大運用限界速度を超過した場合には、音声、警告灯またはフラットパネル表示器がいかなる表示モードであったとしても文字による警告文を上書きすることにより、自動的に速度超過警報を発する。
前項と同様に考えて、V2が飛行規程で定められた最小運用限界速度を下回った場合には、音声、警告灯またはフラットパネル表示器がいかなる表示モードであったとしても文字による警告文を上書きすることにより、自動的に速度低下警報を発する。
ウインドシアの風速成分差が上下逆の場合や、航空機が上昇飛行する場合についても、同様に考えることができる。
航空機に空力的な影響を及ぼす速度は、等価対気速度であるため、ドップラーライダーで計測される真対気速度は、静圧孔で計測される気圧情報に基づき等価対気速度に変換される。該気圧情報は標準大気表に基づき気圧高度に変換され、コクピット計器に表示される。風速に関しては本来真対気速度を用いて算出するものであるが、本発明では真の風速を求めることが目的ではなく、航空機に対する影響が重要であるために、等価対気速度から算出している。ここでは機体位置での速度情報(ピトー管による計測値)をライダー計測情報から減算し、各前方位置の風速を算出している。風速値の大小および遠方と近傍の差情報を得てウインドシア等を確認し、規定限界を超えたとき警報を出力する動作となっている。この風速データはコクピット計器に表示されるほか、近傍と遠方のデータが分離、比較され、前述の手順により速度警報が発せられる。
一方、遠方で受信強度が反転しているB領域に関しては、レーザ光を強く散乱させる物質が浮遊していると考えられる。ただし、その物質の存在によりレーザ光の減衰も大きいため、その物質が浮遊する領域全体が観測できるわけではなく、観測できるのは自機から見てその領域の前面部分のみである。
距離方向の受信強度に反転部分があり、且つその全領域でノイズレベル以上の受信強度がある場合には、雲または火山灰浮遊領域の前面と推定することができ、音声、警告灯またはフラットパネル表示器がいかなる表示モードであったとしても文字による警告文を上書きすることにより、自動的に警報を発する。パイロットはこの警報を受けて、気象レーダ、ドップラーライダー、事前の気象情報、目視などから総合的に危険性を判断することができる。因みに、以上の気象現象とそれを監視することが可能な手段は表1に示すとおりである。
2 ドップラーライダーの観測可能範囲
100 気象情報表示画面
Claims (12)
- レーザ光を利用したドップラーライダー方式の航空機搭載用光学式遠隔気流計測装置において、前方領域からの反射受信信号強度に閾値を設けて、該閾値以下の該受信信号については情報を無効とすると共に、前記閾値以上の受信信号については同一位置で一定時間継続することを確認することにより、正しい気流情報と判別するようにし、正しいと判別された気流情報に基づいて特異な気流情報が認識された場合には音声または表示により自動的に警報を発するものとした遠隔気流の警報表示方法。
- 特異な気流情報の自動的な警報形態として、遠隔領域の気流状態から該遠方領域に達したときの対気速度を算出し、事前に設定した飛行諸元との比較により、速度超過または速度低下を予測して警報することを特徴とする請求項1に記載の遠隔気流警報表示方法。
- 機体近傍領域の計測平均値を航空機の真対気速度と見なし、衛星システムに基づく飛行高度情報を用いて等価対気速度を求める請求項2に記載の遠隔気流警報表示方法。
- 正しい気流情報と判別した情報に基づいて判定された気流反転状態からマイクロバース又はテルミックを検知して報知する機能を備えた請求項1に記載の遠隔気流警報表示方法。
- 閾値以下の受信信号であっても閾値近傍領域並びに観測時から所定時間経過したものについては遠隔気流情報を画面に表示するものとし、遠隔気流情報は地色で表示の色彩を薄めて信頼性がやや低い表示とすることを特徴とする請求項1に記載の遠隔気流警報表示方法。
- 観測距離の増加に応じて散乱光の受信強度が低減しない領域を雨雲、雷雲または火山灰浮遊領域の前面と推定する請求項1に記載の遠隔気流警報表示方法。
- パイロットに数キロメートルを越えた領域の警報発生を予測可能とするために数キロメートルの範囲内のみで有効な気流実測情報を、数百キロメートルの範囲まで有効な気象レーダまたは有効範囲に制限のない気象観測による情報に重畳して表示させることを特徴とする請求項1に記載の遠隔気流警報表示方法。
- レーザ光を利用したドップラーライダーの前方領域からの反射受信信号強度に閾値を設けて、該閾値以下の受信信号については情報を無効とする手段と、前記閾値以上の受信信号については同一位置で一定時間継続することを確認することにより正しい気流情報と判別する手段と、当該正しいと判別された気流情報に基づいて特異な気流情報が認識された場合には音声または表示により警報を発する手段を備えたものである航空機搭載用遠隔気流警報表示システム。
- 無線電波を用いて気象観測情報の必要領域を地上へ要求し、加えて該情報を地上から受信する機能を有する手段と、後続機に気象情報を送信し、先行機から気象情報を受信する機能を有する手段と、前記受信した気象情報を特異な気流情報に重畳させて表示する手段とを備えた請求項8に記載の遠隔気流警報表示システム。
- 現自機位置から独立した任意の領域の情報を得る手段と、その情報を別途表示する機能を備えた請求項8または請求項9に記載の遠隔気流警報表示システム。
- 離着陸時の制限風と離着陸地点の風向風速の履歴情報を2次元表示する表示器を備えたものである請求項8または請求項9に記載の遠隔気流警報表示システム。
- 表示手段に表示される内容が、飛行形態に応じて、離着陸時に適したものと巡航時に適したものとに切替られる手段を備えたものである請求項9乃至請求項11のいずれかに記載の遠隔気流警報表示システム。
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