JP5988608B2 - 航空機のための交互通信 - Google Patents

Description

従来、無人航空機（ＵＡＶ）は、主に軍用及び安全保障用の作業を支援していた。しかしながら、今日では、遠隔操作されるこれらのビークルは、国境警備、災害救助、交通レポート、航空写真、及び環境調査といったそれ以外の用途を有している。

これらのさらなる用途では、ＵＡＶは、事業用航空機及び他の有人機と、全米航空システム（ＮＡＳ）を共有している。ＵＡＶの運航は、連邦航空局（ＦＡＡ）により認可される。

有人機は、全米航空システム内を飛行しているとき、常時ＦＡＡとの通信能を有していることが求められる。双方向無線通信が不能になると、有人航空機の応答器はスクォークコード７６００を同報通信して、航空交通管制（ＡＴＣ）に対し、通信不能であり、且つパイロットはＦＡＡの規則に従って航空機を安全に着陸させる旨を通知する（例えば、連邦航空規定91.185参照）。

ＵＡＶは、有人機と同じこのような性能を有していない。ＵＡＶの通信システムが故障した場合、ＵＡＶは連絡不能となり、その結果制限空域に進入しうる。

ＦＡＡは、無線通信能を失ったＵＡＶのその後を懸念している。ＵＡＶとの通信を回復するための機能が必要である。

本明細書の一態様によれば、航空機は、メッセージ通信能を有する衛星受信機を備えている。この受信機は、交互通信が必要とされるとき、コマンド及びコントロール（Ｃ２）メッセージを処理する。航空機は、更に、衛星受信機が受信したＣ２メッセージに含まれる命令に従って一連の動作を行うためのアビオニクスを備えている。

本明細書の別の一態様によれば、無人航空機（ＵＡＶ）は、交互通信が必要であることを示す個別応答器コードを伝送する応答器と、衛星ステータス情報を受信するため、及びコマンド及びコントロールメッセージを受信するためのテキストメッセージ通信能を有するＧＰＳ受信機と、ＧＰＳ受信機が受信したコマンド及びコントロールメッセージに従って一連の動作を行うようにＵＡＶに命令するＵＡＶコマンド及びコントロールとを備えている。

本明細書の別の態様によれば、交互通信方法は、メッセージ復号能を有するＧＰＳ受信機を備えた航空機に使用される。この方法は、航空機のための交互通信のリクエストを受信すること、一連の動作を行うように航空機に命令するコマンド及びコントロールメッセージを作成すること、及びＧＰＳ衛星を介してＧＰＳ受信機にメッセージを伝送することを含む。

航空機は、メッセージ通信能を有する衛星受信機であって、交互通信が必要とされるときにコマンド及びコントロール（Ｃ２）メッセージを処理する受信機と、衛星受信機が受信したＣ２メッセージに含まれる命令に従って一連の動作を行うためのアビオニクスとを備えている。

無人航空機である本航空機のアビオニクスには、自動的に一連の動作を行う航法及び自動操縦系統が含まれている。

本航空機の一連の動作には、命令された場所まで飛行することが含まれている。

有人航空機である本航空機のＣ２メッセージには飛行経路情報が含まれており、アビオニクスによって実行される一連の動作には飛行経路情報を表示することが含まれている。

本航空機のアビオニクスは、交互通信が必要とされていることを示す個別応答器コードを伝送する。

本航空機の応答器コードは、双方向無線の故障、又はコマンド及びコントロールの喪失を示す。

本航空機のアビオニクスは、受信されたセージの受領及び復号を確認する個別応答器コードも伝送する。

本航空機のアビオニクスは、ビークルの意図又はステータスを示す個別応答器コードも伝送する。

本航空機のアビオニクスには、衛星ステータス情報を提供するテキストメッセージ通信能を有し、且つＣ２メッセージの受信及び復号能を有するＧＰＳ受信機が含まれる。

本航空機のアビオニクスにはＷＡＡＳ機能を有するＧＰＳ受信機が含まれており、Ｃ２メッセージはカスタマイズ可能である。

本航空機のアビオニクスは、Ｃ２がこの航空機を対象としているかどうかを決定する。

無人航空機（ＵＡＶ）は、交互通信が必要とされていることを示す個別の応答器コードを伝送するための応答器と、衛星ステータス情報を受信するため、及びコマンド及びコントロールメッセージを受信するためのテキストメッセージ通信能を有するＧＰＳ受信機と、ＧＰＳ受信機が受信したコマンド及びコントロールメッセージに従って一連の動作を行うようにＵＡＶに命令するＵＡＶコマンド及びコントロールとを備えている。

システムの一連の動作には、特定の場所まで飛行することが含まれている。

システムの応答器は、受信されたメッセージの受領及び復号を確認する別の個別応答器コードを伝送する。

システムの応答器は、航空機の意図又はステータスを示す別の個別応答器コードを伝送する。

システムのＵＡＶコマンド及びコントロールは、フライトメッセージがこのＵＡＶを対象としているかどうかを決定する。

メッセージの復号能を有するＧＰＳ受信機を備えた航空機の交互通信方法は、航空機のための交互通信のリクエストを受信すること、一連の動作を行うように航空機に命令するコマンド及びコントロールメッセージを作成すること、及びこのメッセージを、ＧＰＳ衛星を介してＧＰＳへ伝送することを含んでいる。

本方法のメッセージは、特定の場所まで移動するように航空機に命令する。

本方法のメッセージは、双方向無線通信が故障した場合に送信される。

本方法のメッセージは同報通信されるが、航空機による受信のために暗号化される。

図１は航空機を表わしている。 図２は空域内の無人航空機を示している。 図３は、空域制御管理者及び衛星運用者によって実行される交互通信方法を示している。 図４は、航空機によって実行される交互通信方法を示している。

図１は航空機１１０を示している。航空機１１０は、様々な機能を実行し、航法制御１３０、飛行制御１４０、無線通信制御１５０、応答器１６０、及びメッセージ通信能を有する衛星受信機１７０を含むがこれらに限定されないアビオニクスシステム１２０を含んでいる。これらのコンポーネントによって実行される機能は独立型ハードウェアに実装することができるか、又はこれらの機能のうちの複数をハードウェアシステムに統合することができる。第１の実施例として、衛星受信機１７０、航法制御１３０、及び飛行制御１４０を、単一の航法及び飛行制御システムに統合することができる。第２の実施例として、無線通信制御１５０及び応答器１６０を通信システムに統合することができる。

航空機１１０は、推進システムを含んでも含まなくともよい。航空機１１０は、有人航空機（例えば、事業用航空機、コミュータ航空機、又は民間機）、或いは無人航空機（例えば、航空機、又は気球）とすることができる。航空機１１０が無人である場合、航法制御１３０及び飛行制御１４０は、自動航法及び飛行制御システムの一部とすることができる。

図２は、空域内を飛行する無人航空機（ＵＡＶ）１１０を示している。ＵＡＶ１１０は、地上又は機上のＵＡＶオペレーター２００によって遠隔制御される。ＵＡＶ飛行制御１４０は、ＵＡＶオペレーター２００からの飛行コマンドに相当し、ペイロード１８０はＵＡＶオペレーター２００にデータを送り返すことができる。

ＵＡＶ１１０の飛行は、空域制御管理者（ＡＣＡ）によってモニタリングされる。例えば、米国では、ＡＣＡは、ＦＡＡのような政府機関であることがあり、或いは非政府機関であることもある。ＵＡＶ無線通信制御１５０は、ＡＣＡ２２０との双方向無線通信を維持している。ＡＣＡ２２０は、空域を共有する他の航空機２１０のモニタリングも行う。

ＵＡＶ衛星受信機１７０は、一又は複数の衛星２３０と通信する。例えば、汎地球測位システム（ＧＰＳ）受信機１７０は、複数のＧＰＳ衛星２３０から信号を受信して、ＵＡＶ１１０の空域内における正確な位置を決定する。ＧＰＳ受信機１７０はメッセージ通信能も有している。テキストコードフィールドにより、ＧＰＳ受信機１７０は衛星ステータス情報を受信及び表示することができる。これは、メッセージ通信能の従来的な使用法である。

ＧＰＳ受信機１７０のメッセージ通信能は別の使用法を有している。交互通信が必要とされる場合に、テキストコードフィールドを使用して、ＡＣＡ２２０との通信を回復することができる。交互通信は、ＵＡＶ１１０とＡＣＡ２２０との間、又はＵＡＶオペレーター２００とＵＡＶ１１０との間において双方向無線通信の故障が発生した場合に必要となりうる。このような故障は、例えば、一次通信システムの故障、見通し線の制約、又は一次通信リンクのジャミングにより起こりうる。

ＡＣＡ２２０が交互通信の必要を決定しうる種々の方法が存在する。第１の実施例として、ＵＡＶ応答器１６０が、双方向通信が不能となったことを知らせる個別コード（例えば、７２００）を伝送する。第２の実施例として、ＡＣＡ２２０が突然ＵＡＶ１１０との通信を絶つ。第３の実施例として、ＵＡＶオペレーター２００が、ＡＣＡ２２０であるＦＡＡに対し、（例えばリンク２１５を介して）ＵＡＶ通信が不能であることを知らせる。

更に図３を参照する。ＡＣＡ２２０によってＵＡＶ１１０に交互通信が必要と決定されると、ＡＣＡ２２０は、ＧＰＳ受信機１７０に送信されるコマンド及びコントロール（ＣＳ）メッセージによってＵＡＶ１１０との通信の回復を試みる。このＣ２メッセージは、ＵＡＶ１１０に対し、一連の動作（ブロック３２０〜３５０）を行うように命令する。第１の実施例として、Ｃ２メッセージは、緯度及び経度を特定し、ＵＡＶ１１０に対してその特定の位置まで飛行するように命令する（例えば、ＵＡＶの着陸地点又はＵＡＶが燃料切れする地点）。第２の実施例として、Ｃ２メッセージは、ＵＡＶ１１０に対して出発地点に戻るように命令する。第３の実施例として、Ｃ２メッセージは、ＵＡＶに対して制限空域を出るように命令する。第４の実施例として、Ｃ２メッセージは、ＵＡＶ１１０に対して自爆するように命令する。

ＡＣＡ２２０は、以下のようにしてＣ２メッセージの送信を手配することができる。ブロック３２０において、ＡＣＡ２２０は、衛星オペレーター２４０に（例えば、リンク２２５を介して）リクエストを送信する。このリクエストは、ＵＡＶ１１０の一連の動作を特定する。

ブロック３３０では、衛星オペレーター２４０はＣ２メッセージを作成する。Ｃ２メッセージは、識別フィールドと命令フィールドとを含むことができる。衛星オペレーター２４０は、これらのフィールドに、このメッセージをＣ２メッセージと識別するコードと、特定の一連の動作に対応する別のコードとを記入することによって、Ｃ２メッセージを作成することができる。

ブロック３４０では、衛星オペレーター２４０は、一又は複数の衛星２３０にＣ２メッセージを伝送する。次いでブロック３５０では、衛星２３０はＵＡＶ１１０のＧＰＳ受信機１７０にＣ２メッセージを送信する。衛星２３０はＵＡＶ１１０にＣ２メッセージを直接送信してもよい。別法では、衛星２３０は、空域内の航空機１１０及び２１０全てにＣ２メッセージを同報通信することができる。しかしながら、Ｃ２メッセージはＵＡＶ１１０によってのみ読み取り可能である。例えば、メッセージは、暗号化して、対応する復号鍵と正確なＩＤとを有する航空機によってのみ復号可能とすることができる。

ＧＰＳ衛星２３０にＣ２メッセージを伝送し、ＵＡＶ１１０に搭載されたＧＰＳ受信機１７０でＣ２メッセージを受信し、Ｃ２メッセージを復号するまでに掛かる時間はわずか０．５秒とすることができる。Ｃ２メッセージが非同期式（例えば、リクエストの受信時に）ではなく、同期式（例えば、Ｘ秒毎に）送信される場合、この時間はもっと長くなりうる。

次に図４を参照する。図４は、ＵＡＶ１１０による応答を示している。ブロック４１０において、衛星受信機１７０は、送信されたメッセージの種類及び書式によって、衛星ステータス情報からＣ２メッセージを区別する。ブロック４２０では、衛星受信機１７０はＣ２メッセージを復号して、命令された一連の動作を決定する。例えば、衛星受信機１７０は、ルックアップテーブルを使用して、Ｃ２メッセージの適切なフィールド内のコードを参照する。

ブロック４３０では、命令された一連の動作はＵＡＶのコマンド及びコントロールに転送され、操縦系統によって航法及び制御が実行される。ＵＡＶコマンド及びコントロールは、ＵＡＶ１１０に対し、命令された一連の動作を実行するように命令する。

ブロック４４０では、応答器１６０は、Ｃ２メッセージの受領及び復号を確認する個別コードを伝送することができる。例えば、コード５６０１を使用して、このような確認を行うことができる。応答器コードはＡＣＡ２２０によって受信される。

ブロック４５０では、応答器１６０は、航空機の意図又はステータスを示す個別応答器コードを伝送することもできる。ステータス及び意図を示すこのコードは、周期的に更新される。ＡＣＡ２２０は、衛星受信機１７０に別のメッセージが送信されるように手配することにより、航空機の意図を上書きすることができる。

ＵＡＶ１１０が応答器コードを同報通信していない場合、ＵＡＶ１１０の位置を決定することが必要となる。このような状況下では、ＵＡＶ１１０は捜索により発見することができる。一の方法は、ＡＣＡ能動型レーダーを用いて「スキンペイント」を捜索することである。

ＵＡＶ１１０のアビオニクス１２０はマイクロプロセッサに基づいている。マイクロプロセッサに基づくアビオニクスは、プログラミングによる飛行制御１４０、応答器１６０、及び衛星受信機１７０の実装を可能にする。一般に、飛行制御、応答器、及びＧＰＳ受信機は、全ての航空機に典型的に見られる。したがって、本明細書の交互通信は、余分なハードウェアを追加することなく実装することができ、これにより重量及び費用が節約される。

本明細書の交互通信は上記実施形態に限定されない。ＧＰＳ受信機以外の衛星受信機１７０を、メッセージを受信するために使用することができる。第１の実施例として、衛星受信機１７０は、広域補強システム（ＷＡＡＳ）機能を有するＧＰＳ受信機とすることができる。ＷＡＡＳは、精度及び完全性を高めることによりＧＰＳを強化する。ＷＡＳＳ受信機は、ＷＡＡＳ用にカスタマイズ可能なデータメッセージを使用する。カスタマイズ可能なメッセージは、更に多くの個別コマンド（例えば、ウェイポイント、着陸地点、及び速度）の送信を可能にするので、ＧＰＳフィールドコードより柔軟性が高い。

衛星受信機１７０は測位システムに限定されない。衛星受信機は、ＸＭラジオ又はシリウスラジオといった商業衛星と通信することができる。メッセージは、これらの交互衛星システムの各々のサービスプロバイダーを介して送信される。

有人機及び無人機用の代替通信は、同じ基本的方法により実行することができる。通信不能となった有人機は、その衛星受信機を介してＡＣＡから情報を受信することができる。例えば、ＡＣＡは、新規飛行経路のウェイポイント情報を特定するＣ２メッセージを送信することができる。衛星受信機はＣ２メッセージを復号し、アビオニクスは、パイロットがＡＣＡの命令による飛行経路を飛行できるように、Ｃ２メッセージの情報をコックピットのディスプレイ上に表示することを含む一連の動作を実行する。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
メッセージ通信能を有する衛星受信機であって、代替通信が必要とされるときにコマンド及びコントロール（Ｃ２）メッセージを処理する衛星受信機と、
衛星受信機が受信したＣ２メッセージに含まれる命令に従って一連の動作を行うアビオニクスと
を備えた航空機。
（態様２）
航空機が無人航空機であり、且つアビオニクスが、一連の動作を自動的に行う航法及び自動操縦系統を含んでいる、態様１に記載の航空機。
（態様３）
航空機が有人航空機であり、Ｃ２メッセージが飛行経路情報を含んでおり、且つアビオニクスにより行われる一連の動作に飛行経路情報を表示することが含まれている、態様１に記載の航空機。
（態様４）
アビオニクスが、代替通信が必要とされていることを示す個別応答器コードを伝送する、態様１に記載の航空機。
（態様５）
代替通信が必要とされていることを示す個別応答器コードを伝送する応答器と、
衛星ステータス情報を受信するため、及びコマンド及びコントロールメッセージを受信するための、テキストメッセージ通信能を有するＧＰＳ受信機と、
ＧＰＳ受信機が受信したコマンド及びコントロールメッセージに従って一連の動作を行うようにＵＡＶに命令するＵＡＶコマンド及びコントロールと
を備えた無人航空機（ＵＡＶ）。
（態様６）
一連の動作に特定の場所まで飛行することが含まれている、態様５に記載の航空機。
（態様７）
応答器が、受信されたメッセージの受領及び復号を確認する別の個別応答器コードを伝送する、態様５に記載の航空機。
（態様８）
応答器が、航空機の意図又はステータスを示す別の個別応答器コードを伝送する、態様５に記載の航空機。
（態様９）
メッセージ復号能を有するＧＰＳ受信機を備えた航空機の代替通信方法であって、
航空機のための代替通信のリクエストを受信することと、
航空機に対して一連の動作を行うように命令するコマンド及びコントロールメッセージを作成することと、
ＧＰＳ衛星を介してこのメッセージをＧＰＳ受信機に伝送することと
を含む方法。
（態様１０）
メッセージが航空機に対して特定の場所まで移動することを命令する、態様９に記載の方法。

１１０、２１０ 航空機
１２０ アビオニクス
１３０ 航法制御
１４０ 飛行制御
１５０ 無線通信制御
１６０ 応答器
１７０ 衛星受信機
１８０ ペイロード
２００ ＵＡＶオペレーター
２１５、２２５ リンク
２３０ 衛星
２４０ 衛星運用者

Claims (9)

1. メッセージ通信能を有するＧＰＳ受信機（１７０）であって、主要通信システムの故障の結果として代替通信が必要とされるときにコマンド及びコントロール（Ｃ２）メッセージを処理するＧＰＳ受信機と、
   該ＧＰＳ受信機が受信したコマンド及びコントロール（Ｃ２）メッセージに含まれる命令に従って一連の動作を行うアビオニクス（１２０）と
   を備えた航空機（１１０）であって、
   前記アビオニクス（１２０）が、代替通信が必要とされていることを示す個別応答器コードを空域制御管理者（２２０）へ伝送するように構成された、航空機。
2. 航空機が無人航空機であり、且つアビオニクス（１２０）が、一連の動作を自動的に行う航法及び自動操縦系統を含んでいる、請求項１に記載の航空機（１１０）。
3. 航空機が有人航空機であり、コマンド及びコントロール（Ｃ２）メッセージが飛行経路情報を含んでおり、且つアビオニクス（１２０）により行われる一連の動作に飛行経路情報を表示することが含まれている、請求項１に記載の航空機（１１０）。
4. 請求項１に記載の航空機（１１０）であって、該航空機は無人航空機（ＵＡＶ）であって、該ＵＡＶは
   代替通信が必要とされていることを示す個別応答器コードを伝送する応答器（１６０）を有し、
   前記ＧＰＳ受信機は、衛星ステータス情報を受信するため、及びコマンド及びコントロールメッセージを受信するための、テキストメッセージ通信能を有するＧＰＳ受信機（１７０）であり、さらに、該ＵＡＶは、
   該ＧＰＳ受信機（１７０）が受信したコマンド及びコントロールメッセージに従って一連の動作を行うようにＵＡＶに命令するＵＡＶコマンド及びコントロールとを備えた、航空機。
5. 一連の動作に特定の場所まで飛行することが含まれている、請求項４に記載の航空機（１１０）。
6. 応答器（１６０）が、受信されたメッセージの受領及び復号を確認する別の個別応答器コードを伝送する、請求項４に記載の航空機（１１０）。
7. 応答器（１６０）が、航空機の意図又はステータスを示す別の個別応答器コードを伝送する、請求項４に記載の航空機（１１０）。
8. メッセージ復号能を有するＧＰＳ受信機（１７０）を備えた航空機の代替通信方法であって、
   前記航空機のアビオニクスから、主要通信システムの故障の結果として、代替通信が必要とされていることを示す個別応答器コードを伝送することと、
   航空機のための代替通信のリクエストを受信することと、
   航空機に対して一連の動作を行うように命令するコマンド及びコントロールメッセージを作成することと、
   ＧＰＳ衛星を介してこのメッセージをＧＰＳ受信機（１７０）に伝送することと
   を含む方法。
9. メッセージが航空機に対して特定の場所まで移動することを命令する、請求項８に記載の方法。

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