(57)【要約】【課題】気象脅威の認識を強化し、航空機を危険な位置に置く可能性が最も高いかを航空機乗員に警告する、気象レーダ画像を航空機の乗員に提供する方法を提供する。【解決手段】この航空機気象レーダシステム４０は、表示デバイス４４と、表示デバイスに結合されたプロセッサ４２とを備える。プロセッサ４２は、気象システムから反射された少なくとも１つの信号に対応する生の体積レーダデータを取得し、レーダデータに基づいて前記気象システムを複数の気象システムタイプのうちの第１のタイプとして計算的に分類し、気象システムを分類した後に前記レーダデータを画像処理し、前記画像処理は、前記気象システムを表し且つ前記第１の気象システムタイプに対応する画像を生じ、画像を表示デバイス４４上に表示する、ように構成されている。航空機気象レーダシステム。体積レーダデータは３次元バッファに記憶される。【選択図】図２
2010107511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気象システムから反射された少なくとも１つの信号に対応する生の体積レーダデータを取得するステップと、
前記レーダデータに基づいて前記気象システムを複数の気象システムタイプのうちの第１のタイプとして計算的に分類するステップと、
前記気象システムを分類した後に前記レーダデータを画像処理するステップと、前記画像処理は、前記気象システムを表し且つ前記第１の気象システムタイプに対応する画像を生じ、
前記画像を表示デバイス（４４）上に表示するステップと、
を含む航空機の乗員に気象レーダ画像を提供する方法。
【請求項２】
前記体積レーダデータは３次元バッファに記憶される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
表示デバイス（４４）と、
前記表示デバイス（４４）に結合されたプロセッサ（４２）とを備える航空機気象レーダシステム（４０）とを備え、
前記プロセッサ（４２）は、
気象システムから反射された少なくとも１つの信号に対応する生の体積レーダデータを取得し、
前記レーダデータに基づいて前記気象システムを複数の気象システムタイプのうちの第１のタイプとして計算的に分類し、
前記気象システムを分類した後で前記レーダデータを画像処理し、前記画像処理は、前記気象システムを表し且つ前記第１の気象システムタイプに対応する画像を生じ、
前記画像を前記表示デバイス（４４）上に表示する、ように構成されている、
航空機気象レーダシステム（４０）。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
気象は、多くの航空事故および惨事の原因または要因として識別されてきた。事故は、出来事の連鎖が、航空機システムの故障、航空機を操縦する乗員側のミス、またはこれらの組合せにつながったときに、発生する可能性がある。向上したレベルの気象情報、および操縦士決定支援の使用が、事故につながる出来事の連鎖を断ち切るのに役立つであろう。
【０００２】
従来の気象レーダシステムを使用するとき、ストームセルの形状と反射率レベルとの両方が、重大な気象脅威の指標であることが知られている。操縦士訓練は通常、重大な気象脅威を暗示する２次元表示された特徴的気象セル形状に精通することを含む。例として以下が挙げられる（このいくつかを図１に示す）。
【０００３】
−Ｕ字形
−細い突出した指
−波形エッジ
−フック
−Ｖ字ノッチ
−ペンダント
−急な雨の勾配
−線状エコー波パターン
−弓形のエコー線
これらのセルは一般に、不安定な気団、雹、竜巻などの条件に関連し、回避すべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，６５０，２７５号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ  Ｒａｄａｒ  Ｄａｔａ  Ｕｓｉｎｇ  Ｒｏｕｇｈ  Ｓｅｔ  Ｍｅｔｈｏｄｓ（ラフ集合手法を用いた気象体積レーダのデータの分類）」、Ｊ．Ｆ．Ｐｅｔｅｒｓ他、Ｐａｔｔｅｒｎ  Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ  Ｌｅｔｔｅｒｓ２４（２００３）９１１〜９２０頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
航空機乗員は現在、これらのタイプの気象脅威を視覚的に検出することが必要とされており、これは、飛行中、特にターミナルエリア操縦中の航空機乗員の作業負荷を考えると、極度に困難となり得る作業である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態では、航空機の乗員に気象レーダ画像を提供する方法は、気象システムから反射された少なくとも１つの信号に対応する生の体積レーダデータを取得するステップを含む。レーダデータに基づいて、気象システムは、複数の気象システムタイプのうちの第１のタイプとして計算的に分類される。気象システムの分類後、レーダデータは画像処理され、この画像処理は、気象システムを表し且つ第１の気象システムタイプに対応する画像を生じる。画像は表示デバイス上に表示される。
【０００８】
以下の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態および代替実施形態について以下に詳細に述べる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】既知の危険な気象条件の表示特性を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態により形成された例示的なシステムを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態によりレーダシステムによって感知されたストームセルの反射率の代替実施形態平面図である。
【図４】本発明の一実施形態によりレーダシステムによって感知されたストームセルの反射率の代替実施形態平面図である。
【図５】本発明の一実施形態によりレーダシステムによって感知されたストームセルの反射率の代替実施形態平面図である。
【図６】本発明の一実施形態によりレーダシステムによって感知されたストームセルの反射率の代替実施形態平面図である。
【図７】本発明の一実施形態によりレーダシステムによって感知されたストームセルの反射率の代替実施形態平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態は、３Ｄレーダ反射率データの処理、およびデータパターン認識技法を利用して、体積レーダデータに基づいて危険な気象条件を検出および識別する。米国特許第６，６５０，２７５号に記載の手法など、以前の手法は、２次元のレーダ画像データを処理することに焦点を合わせていた。一実施形態では、反射データは、気象システムの性質および／または厳しさを分類した後で画像処理される。
【００１１】
図２に、本発明を実施できる適切な動作環境の例を示す。この動作環境は、適切な動作環境の一例に過ぎず、本発明の使用または機能の範囲についてどんな限定を示唆するものともしない。この動作環境は、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ（登録商標）製のＲＤＲ−４０００気象レーダシステム（その体積バッファ技術を含めて）などの３次元バッファ処理システムを含むか、またはそのコンポーネントとすることができる。本発明と共に使用するのに適する他の周知のコンピューティングシステム、環境、および／または構成としては、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータ、ハンドヘルドまたはラップトップデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースのシステム、プログラム可能な消費者電子機器、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、以上のシステムまたはデバイスのいずれかを含む分散コンピューティング環境などが挙げられるが、これらに限定されない。
【００１２】
本発明は、１つまたは複数のコンピュータまたは他のデバイスによって実行されるプログラムモジュールなどのコンピュータ実行可能命令の一般的なコンテキストで述べることができる。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実施するかまたは特定の抽象データ型を実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。通常、プログラムモジュールの機能は、様々な実施形態で望むように結合または分散させることができる。
【００１３】
図２に示す動作環境は、通常、少なくとも何らかの形のコンピュータ可読媒体を備える。コンピュータ可読媒体は、このような動作環境の１つまたは複数のコンポーネントによってアクセスできる任意の利用可能な媒体とすることができる。限定ではなく例として、コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体および通信媒体を含むことができる。コンピュータ記憶媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、または他のデータなどの情報を記憶するために任意の方法または技術で実現された、揮発性と不揮発性、取外し可能と取外し不可能の媒体を含む。コンピュータ記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、または他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、ディジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、または他の光学記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置、または他の磁気記憶デバイス、あるいは、所望の情報を記憶するのに使用でき、このような動作環境の１つまたは複数のコンポーネントによってアクセスできる他の任意の媒体を含むが、これらに限定されない。通信媒体は通常、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、または他のデータを、搬送波や他のトランスポート機構などの被変調データ信号に組み入れるものであり、任意の情報送達媒体を含む。用語「被変調データ信号」は、信号中の情報を符号化するようにしてその特性の１つまたは複数が設定または変更される信号を意味する。限定ではなく例として、通信媒体は、有線ネットワークまたは直接有線接続などの有線媒体と、音響、無線周波数、赤外線などのワイヤレス媒体および他のワイヤレス媒体とを含む。以上のいずれかの組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲に含めるべきである。
【００１４】
本発明の実施形態は、高度で危険な気象条件を操縦士に警告するためのシステム、方法、およびコンピュータプログラム製品を含む。図２には、本発明の一実施形態により形成された例示的なシステム３０を示す。システム３０は、気象レーダシステム４０、表示プロセッサ４２、メモリ４３、表示デバイス４４、エアデータコンピュータ４６、および、表示プロセッサ４２に結合されたユーザインタフェース４８を備える。表示プロセッサ４２は、レーダシステム４０、表示デバイス４４、エアデータコンピュータ４６、およびメモリ４３に電気的に結合される。
【００１５】
レーダシステム４０の一実施形態は、レーダコントローラ５０、送信機５２、受信機５４、およびアンテナ５６を備える。レーダコントローラ５０は、エアデータコンピュータ４６、飛行管理装置（ＦＭＳ）、慣性航法装置（ＩＮＳ）、および／または全地球測位システム（ＧＰＳ）から受け取った航空機データ（すなわち位置、機首方位、横揺れ、偏揺れ、縦揺れなど）に基づいてアンテナ５６を介した信号の送受信を実施するために、送信機５２および受信機５４を制御する。
【００１６】
エアデータコンピュータ４６は、様々な航空機飛行システムから受け取った信号に基づいて、エアデータを生成する。レーダシステム４０は、レーダ信号をアンテナ５６から空間に送信し、送信したレーダ信号がストームセルなどのターゲット６０に接触した場合に返却信号（反射率値）を受信する。レーダシステム４０は、返却信号をディジタル化して、ディジタル化した信号を表示プロセッサ４２に送ることが好ましい。表示プロセッサ４２は、受け取った返却信号を、メモリ４３中の３次元バッファに記憶するために変換する。次いで表示プロセッサ４２は、ユーザインタフェース４８から送られた任意の制御信号に基づいて、またはプロセッサ４２内の設定に基づいて、表示デバイス４４上で提示するための２次元画像を生成する。代替実施形態では、画像は３次元であってもよく、平面図の画像フォーマットであってもよく、あるいは垂直状況表示装置（ＶＳＤ）上で提示されてもよい。
【００１７】
レーダシステム４０またはプロセッサ４２によって決定された変換済み返却信号（返却データ）は、雨／湿気、ウィンドシア、または乱気流など、いくつかの気象ターゲットを識別する。識別される気象ターゲットのタイプは、反射率値の、対応する現在のアルゴリズム解釈に基づく。操縦士がユーザインタフェース４８を使用して、識別される気象のタイプを選択することができ、あるいは、このような気象タイプは自動的に表示されてもよい。操縦士はまた、範囲、利得、および表示モード（例えば自動気象、手動気象、マップモード）を制御することもできる。
【００１８】
一実施形態では、システム３０は、航空機の正面の３次元空間全体を継続的に走査し、全ての反射率データを、地表基準の３次元（または「体積」）メモリバッファに記憶する。このバッファは、新しい走査からの反射率データで継続的に更新される。反射率データはバッファから抽出されて、ビュー特有のアンテナ走査を実施（および待機）する必要なしに所望の表示ビューが生成される。３次元体積バッファデータにより、表示提示は、従来のレーダに付き物である単一の傾斜面に制約されない。体積バッファ中の反射率データには、後で論じるパターン認識技法が施される。
【００１９】
一実施形態では、体積レーダデータに基づいて危険な気象条件を認識することは、実数値の確率的レーダデータを様々な既知のハザードカテゴリにマッピングできる関数を使用して達成することができる。適切なマッピング関数は、統計的機械学習技法を使用して経験的に構築することができる。
【００２０】
一実施形態では、いくつかの前処理ステップを実施して、反射率データを適切に条件付けることができる。第１に、信号処理技法を使用して、雑音アーチファクトによって汚染されたデータを訂正または拒否することができる。第２に、様々な気象システムフィーチャーのダイナミックレンジの差が分類器関数に悪影響を及ぼさないように、体積レーダデータのフィーチャーを正規化することができる（後でより詳細に論じる）。このような分析された気象システムフィーチャーの例示的なセットが、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる「Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ  Ｒａｄａｒ  Ｄａｔａ  Ｕｓｉｎｇ  Ｒｏｕｇｈ  Ｓｅｔ  Ｍｅｔｈｏｄｓ（ラフ集合手法を用いた気象体積レーダのデータの分類）」、Ｊ．Ｆ．Ｐｅｔｅｒｓ他、Ｐａｔｔｅｒｎ  Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ  Ｌｅｔｔｅｒｓ２４（２００３）９１１〜９２０頁の表１に示されており、これに関して考察されている。第３に、次元数削減技法、例えば主成分分析またはフィッシャー判別分析などを使用して、データ中の冗長フィーチャーを除去することができる。このような削減技法を使用して、データ中の分散のほとんどを占めるフィーチャーを識別および保持することができる。
【００２１】
前に言及したように、前処理された訓練データを使用して、レーダ返却を当該ハザードカテゴリにマッピングできる分類器関数を構築することができる。２つの広範な分類器関数カテゴリを使用することができる。すなわち、生成モデルまたは識別モデルである。生成モデルは、ハザードの各クラスに関連するフィーチャーの分散を表す。識別モデルは、ハザードのクラス間の境界を表す。モデル構築プロセスは、前述のような気象システムフィーチャーのサンプルレーダ返却パターンをハザードカテゴリに関連付ける１組の訓練ラベルを利用することができる。これらのラベルは、経験的に観察された客観的な気象測定値、および／あるいは、１人または複数の観察者の判断に基づくことができる。分類器関数が構築されると、分類器関数は、所与のレーダ返却サンプルが当該の特定ハザードカテゴリに属する尤度を推定することができる。
【００２２】
レーダフィーチャーは、環境摂動および測定誤差の影響を受ける確率変数なので、レーダサンプルは、時々誤って分類されることがある。これらの誤差の影響を最小限に抑えるために、一実施形態では、分類器関数からの出力を様々な時間ウィンドウにわたって平滑化して、誤差摂動を抑えることができる。
【００２３】
本明細書で上に論じたように、パターン認識アルゴリズムが、事前定義および事前フィーチャー付けされた気象脅威を自動的に検出する。これらの条件の改善された認識を、後で論じるように平面図、ＶＳＤ、または３Ｄの気象レーダ表示装置上で提供することができる。図３および４に示すように、アイコン３００、４００を表示デバイス４４に生成して、分類器関数によって決定されたハザード（図３および４に示す例ではＵ字形ハザード）を表すことができる。
【００２４】
通常、分類器関数によって決定された厳しい気象のハザードは、厳しくない、またはシステム３０が保持されている航空機に重大な脅威を及ぼすことが通常はないであろう、１つまたは複数の他の気象システム（図示せず）と共に、表示デバイス上に表示されることになる。したがって、アイコン３００、４００は、より厳しくない他の状況がレンダリングされる方式とは視覚的に区別可能な方式でレンダリングすることができる。例えば、赤またはマゼンタなどの色を使用してアイコン３００、４００を塗り潰すことを利用して、危険な気象システムの認識を向上させることができる。色に加えて、または色に替えて、テクスチャ、塗潰しパターンのタイプ（水玉、市松模様など）、および塗潰しパターンの濃度など、他の視覚コーディング技法を使用して、航空機乗員が気象脅威を区別するのを補助することができる。このような代替の色またはテクスチャの方式は、後で論じるようにＶＳＤ表示装置でも実施することができる。
【００２５】
一実施形態では、また図４に最もよく示されるように、アイコン４００中では、厳しい気象システムのうち最も厳しい領域４１０のみが、区別可能にレンダリングされる。
加えて、図５に示すような「気象に注意」または「気象を確認せよ」というテキスト警告など、視覚的な警告を、気象レーダ表示装置上に、かつ／または、電子指示および乗員警告システム（ＥＩＣＡＳ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｒｅｗ  Ａｌｅｒｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）表示装置上に提供することもできる。視覚的な警告に伴って、対応する聴覚的な警告（例えば「気象を回避せよ」、「気象を確認せよ」）が、システム３０の保持されている航空機のコックピット内のスピーカまたは操縦士ヘッドセット（図示せず）を介して再生されてもよい。
【００２６】
図６に示すように、また本発明の原理は３Ｄ反射率データを利用するので、同様の視覚コーディング手法をＶＳＤまたは他の３Ｄ対応の表示装置上で使用して、気象脅威の認識を強化することができる。図６では、アイコン６００が、厳しい気象の状況のおおよその経度、緯度、および範囲を示す働きをする。同時に、厳しい気象の状況の各要素の高度および範囲を示すアイコン６１０も表示される。このＶＳＤモードでは、進路沿い、選択された方位、および飛行計画を含めた、少なくとも３つのＶＳＤ表示モードで、強化気象ハザード認識を提示することができる。
【００２７】
本発明の一実施形態は、決定された気象ハザードに飛行管理装置（ＦＭＳ）の飛行経路が衝突することの認識および警告の改善を含む。反射率データを使用して特徴的な気象ハザードが体積バッファ中で識別されると、その位置を衝突に関してＦＭＳ飛行計画データと比較することができる。図７に示すように、決定された気象ハザードは、アイコン７００を使用して視覚的にコーディングされ、航空機のＦＭＳ飛行計画の区間７１０ａ〜７１０ｃとの関連で表示される。これは、平面図表示とＶＳＤ表示との両方で達成される。飛行計画区間７１０ａ〜７１０ｃは、脅威の認識を向上させるように視覚的にコーディングされて、気象システムに対してどの区間が航空機を危険な位置に置く可能性が最も高いかを航空機乗員に警告することに留意されたい。
【００２８】
本発明の好ましい実施形態を図示および記述したが、前述のように、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく多くの変更を加えることができる。したがって、好ましい実施形態の開示によって本発明の範囲が限定されることはない。そうではなく、本発明は、もっぱら後続の特許請求の範囲を参照することによって決定されるべきである。
【００２９】
独占的な所有権または特権が請求される本発明の実施形態は、以下のとおり定義される。
【符号の説明】
【００３０】
３０  システム
４０  気象レーダシステム
４２  表示プロセッサ
４３  メモリ
４４  表示デバイス
４６  エアデータコンピュータ
４８  ユーザインタフェース
５０  レーダコントローラ
５２  送信機
５４  受信機
５６  アンテナ
【図２】
2010107511.tif 000003
【図１】
2010107511.tif 000004
【図３】
2010107511.tif 000005
【図４】
2010107511.tif 000006
【図５】
2010107511.tif 000007
【図６】
2010107511.tif 000008
【図７】
2010107511.tif 000009
【外国語明細書】
2010107511000001.pdf