(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照圧力センサを、固定配置された基準局上の選択された距離まで上昇させ；
参照圧力センサを基準局上の選択された距離まで上昇させている間に参照圧力センサを使用して参照大気圧力を測定し；
基準局に対する参照圧力センサの幾何学的高度を、参照圧力センサが参照大気圧力を測定する間に測定し；
航空機の外側の大気圧力を、航空機の高度センサを使用して、航空機が基準局上を飛行中に測定し；
航空機の高度センサが航空機の外側の大気圧力を測定する間に基準局に対する航空機の幾何学的高度を決定し；及び
航空機の高度センサの圧力測定を参照圧力センサの参照圧力測定と、航空機の幾何学的高度と実質的に同一の幾何学的高度で、比較する
ステップからなる、航空機が飛行している間に航空機の感圧高度センサを較正する方法。
【請求項２】
航空機の幾何学的高度を決定するステップが、
航空機上に設置された第１位置決定装置を、複数の衛星から範囲信号を受け、かつレンジ信号に基づいて地球座標システムに対する航空機の位置を電子計算するために準備し；
地球座標システムに対する航空機のジオポテンシャル高度を、瞬時に第１位置決定装置を使用して電子計算し；
基準局に設置された第２位置決定装置を、複数の衛星からレンジ信号を受け、レンジ信号に基づいて地球座標システムに対する基準局の位置を電子計算するために準備し；
地球座標システムに対する基準局のジオポテンシャル高度を実質的に前記瞬時に第２位置決定装置を使用して電子計算し；及び
基準局に対する航空機の幾何学的高度を実質的に前記瞬時に、電子計算された航空機のジオポテンシャル高度と電子計算された基準局のジオポテンシャル高度との間に差を生じさせることによって電子計算する
ステップを更に備えた請求の範囲１の方法。
【請求項３】
比較するステップが、カルマン・フィルタ・アルゴリズムの使用を含む請求の範囲２の方法。
【請求項４】
航空機の幾何学的高度を決定するステップの前に高精度パラメータの位置希釈（PDOP）用数値を電子計算するステップを更に備えた請求の範囲２の方法。
【請求項５】
航空機の外側の大気圧力を測定するステップは、前記PDOPパラメータがしきい値以下であるときのみ実行される請求の範囲４の方法。
【請求項６】
しきい値が、約６である請求の範囲５の方法。
【請求項７】
上昇させるステップが、エアのそれ以下の密度を有するガスで充満された気球の使用を含む請求の範囲６の方法。
【請求項８】
参照高度を測定するステップが、基準局に隣接して設置されたレーダの使用を含む請求の範囲７の方法。
【請求項９】
前記参照圧力センサを上昇させる選択距離が、航空機の高度を越えてなる請求の範囲８の方法。
【請求項１０】
参照高度を測定するステップが、レンジ信号を複数の衛星から受け、かつ地球座標システムに対する参照圧力センサの位置をレンジ信号に基づいて電子計算するために、参照圧力センサ近傍に設置された第３位置決定装置の使用を含み、更に、参照圧力センサのジオポテンシャル高度を第３位置決定装置を使用して電子計算し、かつ参照圧力センサの電子計算されたジオポテンシャル高度と、基準局の電子計算されたジオポテンシャル高度との間に差を生じさせるステップを更に備え、前記差が参照高度である請求の範囲９の方法。
【請求項１１】
衛星が、地球位置システムの一部を形成する請求の範囲９の方法。
【請求項１２】
複数の参照圧力センサの各々を複数の固定配置基準局の各々の上の選択された距離まで上昇させ；
各基準局上の参照大気圧力を各参照圧力センサが前記各基準局上の選択された距離まで上昇させる間に参照圧力センサを用いて測定し；
前記各参照圧力センサの前記参照大気圧力を前記各基準局で記憶し；
前記各参照圧力センサの、対応する基準局に対する幾何学的高度を前記各参照圧力センサが前記各基準局上の参照大気圧力を測定する間に測定し；
航空機の外側の大気圧力を、航空機が前記各基準局上を飛行する間に航空機の高度センサを使用して測定し；
前記各基準局に対する航空機の幾何学的高度を、航空機の高度センサが航空機の外側の大気圧力を測定する間に決定し；
参照圧力測定値を前記各基準局から検索し；及び
航空機の高度センサの圧力測定値を前記各基準局上の参照圧力測定値と、前記各基準局上の航空機の幾何学的高度と実質的に同一の幾何学的高度で、比較する
ステップからなる、航空機が飛行している間に航空機の感圧高度センサを較正する方法。
【請求項１３】
比較するステップが、カルマン・フィルタ・アルゴリズムの使用を含む請求の範囲１１の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
１．発明の分野
この発明は、航空機のセンサを較正する方法に関し、更に詳しくは航空機が飛行している間に航空機の感圧高度センサを較正する方法に関する。
２．関連技術の説明
北大西洋最低航行実施細則［North Atlantic Minimum Navigation Performance Specifications (NAT/MNPS)］の領空における飛行操縦のための航空機飛行規則の最近の変更によっては、この領域を飛行する２機の航空機間の最小許容垂直距離は、現行では飛行高度［Flight Level (FL)］２９０からＦＬ４１０(両端を含む)までの特定の飛行高度間の運行について２０００フィートから１０００フィートに減少された。この減少された垂直離間最小値、すなわちＲＶＳＭによって、さらに多くの航空機がより好適な航跡を飛行でき、この領空を通る通航容量が増加するだろう。
従って、安全と制空の目的のために、航空機の高度センサがきわめて正確に、好ましくはできるだけたびたび較正されることが、今や以前よりも重要である。
航空機上の１つの普通の形式の高度センサは、航空機の外側の静的大気圧力を測定するために圧力変換器を使う。圧力測定値は、制定の数学的関係により航空機内の種々の電子的又は電子−機械的手段を用いて航空機の高度に変換される。
これらの高度センサの圧力測定値は測定ノイズ誤差及びバイアス誤差を含む種々の誤差を本質的に含む。測定ノイズ誤差は、静的圧力ポート周りの航空機の外板のキズ又は変形から生じる静的原因誤差（static source error）、アナログ・デジタル変換から生じる数量化誤差（quantization error）及び／又はガウスの（Gaussian）測定ノイズ誤差からなる。バイアス誤差は航空機が高又は低大気圧力の領域を通って飛行するときの変化する気候状態に起因する。
理想的には、高度センサは、航空機が飛行するまでは静的原因誤差のようなノイズ誤差の徴候が現れないので、航空機が飛行している間に較正される。従来技術には、航空機の高度センサを飛行中に較正するいくつかの方法がある。
１つの方法は、対象航空機が、その航空機の後ろで航空機の下流の乱れた航跡をさけるに十分な距離に航空力学的な錐体を引っ張ることを必要とする。その錐体は、飛行中の大気圧力を感知し、かつ記録する多数の参照圧力センサや記録装置を含む。この方法は、航空機がこのテストのために業務から離れなければならないということで高価につき、業務にたいへん悪影響を及ぼす。更に参照圧力センサの高度測定値は、例えば錐体と航空機によって引き起こされた乱気流により５０から１００フィートの範囲で誤差を受けやすい。
知られたもう１つの較正方法はテスト飛行中に対象航空機に並んで飛行する先導飛行機を必要とする。その先導飛行機は、参照高度測定値を測定し、記録する較正されたセンサと記録装置とを搭載する。テスト飛行後、航空機のセンサ測定値は誤差の大きさを決めるために、先導飛行機の参照圧力センサ測定値と比較される。この方法は参照圧力センサも乱気流による誤差を受けやすいので高精度の静的圧力測定値を提供できない。
これらの従来技術の較正手順に加えて、航空機高度計測システムの高度維持の実行を監視する方法がある。１つの高度監視方法は、航空機が固定基準自動高度測定ユニット、いわゆる高度監視ユニット［Height Monitoring Unit (HMU)］を越える特定の高度で垂直と水平に飛行することを必要とする。そのＨＭＵは航空機の高度をレーダで測定する。たびたびこの目的で航空機を最適のルートから脇へそらさなければならない。しかしながら、この方法は航空機高度センサを較正するための参照静的圧力値を提供しない。
依って、航空機が飛行している間に航空機高度センサを正確に較正する、便利で低コストの高い精度を有する方法が必要である。
発明の要旨
この発明は、航空機の感圧高度センサを、固定配置された基準局の領空を飛行するときに較正する方法を提供する。
この発明のプロセスの利点は、高度センサを較正するために業務から離れることを航空機に要求しないことである。
この方法のもう１つの利点は、航空機が基準局付近を飛行するときにたびたび高度センサを較正できることである。
この発明の好ましい実施態様によれば、航空機の感圧高度センサを較正する方法は、（１）参照圧力センサを、固定配置された基準局上の距離まで上昇させ；（２）参照圧力センサを基準局上を連続的に上昇させている間に参照圧力センサを使用して参照大気圧力を測定し；（３）基準局に対する参照圧力センサの参照高度を、参照圧力センサが参照大気圧力を測定する間に測定し；（４）航空機の外側の大気圧力を、航空機の高度センサを使用して、航空機が基準局付近を飛行中に測定し；（５）航空機の高度センサが航空機の外側の大気圧力を測定する間に基準局に対する航空機の幾何学的高度を決定し；及び（６）航空機の高度センサの圧力測定を参照圧力センサの参照圧力測定と、航空機の幾何学的高度と実質的に同一の幾何学的高度で、比較するステップを含む。
この発明の他の目的及び特徴は、添付の図面に関連して考えられた次の詳細な説明から明らかになろう。しかしながら、その図面は、図示の目的にのみデザインされたものであって、この発明の限定の定義としてではなく、この発明の参照は添付された請求の範囲に対してなされるべきであることを理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
図において、
図１は、ＧＰＳ受信機を搭載した航空機が航空機の高度センサを較正するために基準局上を飛行する、この発明の実施態様を概略的に図示する。
現在の好ましい実施態様の詳細な説明
少なくとも１つの高度センサ１２（航空機のどこにでも配置できる）を有し、かつ所定の位置の基準局１４付近を飛行する航空機１０が図１に示されている。高度センサ１２は、航空機１０の外側の大気圧力を、航空機１０の、例えば、外板の圧力取り込みポート[一般的に静的圧力ポート（static port）として知られている]を介して測定する気圧計又は感圧型式のものである。高度センサ１２は、通常アネロイドカプセルの形の圧力変換器を含み、その出力信号は、一般的には電圧信号であり、航空機の外側の大気圧力に対応する。出力信号は、航空機内の電子的又は電子−機械的手段によって周知の数学的関係に従って航空機の圧力高度を表示する信号に変換される。ここで使用されるような圧力高度は、例えば高度センサ１２のような圧力高度計によって測定されるような海抜からの高度に当てはまる。
高度センサ１２の出力は、例えば静的圧力ポートの変形に起因する、例えば静的原因誤差のような誤差を含むかもしれない。静的原因誤差は航空機に特定のものであり、航空機が飛行する、すなわちエアがセンサの入口ポートをあふれて流れ出すまで検出できない。これらの誤差の確認は、航空機の全乗務員が、航空機高度計システムに必要な調整をすることができるように、圧力高度測定値の正確度を証明するために必要である。従って、高度センサ１２の測定値を比較できる一組の較正された参照高度及び圧力を提供することは都合がよい。
以下で明らかになるように、航空機１０の高度、従って高度センサ１２の高度は、図１に代表して示されるように、予め決めて配置された基準局１４に対して航空機１０の相対的又は幾何学的高度Ｈを決定することによって都合よく得られる。現在の好ましい実施態様では、航空機１０の幾何学的高度は、航空機１０上に取り付けられた、例えば地球配置システム受信機１６のような衛星基準配置装置によって見積もられるような航空機１０の絶対的又はジオポテンシャル高度Zaと、基準局１４に又はそれに隣接して取り付けられたもう１つのGPS受信機１８によって推定されるような基準局１４のジオポテンシャル高度Zaとの間に差を生じさせることによって決まる。
絶対又はジオポテンシャル高度は、ここで定義されるように、地球の中心とGPS受信機の位置との間の距離である。航空機１０はまたレーザ又はレーダ型式のレンジ装置１９を基準局１４に対して航空機１０の幾何学的高度を決定するために含んでもよいことが考えられる。
この発明は、地球配置システム（GPS）の次の説明でよりよく良さがわかるであろう。
GPSは６個の軌道に分配された２４個の衛星（各軌道の４個の衛星）のネットワークを持つが、どの位置でもGPS受信機に”可視”の衛星の数は日時で変わる。GPS受信機は、可視の各GPS衛星の配置を得ることにより、またこれらの各衛星からのレンジ信号の伝達時間に基づいてそれらの衛星のレンジを測定することによって、時間ｔでの位置を決定する。少なくとも４個のGPS衛星からの信号は、航空機１０の三次元位置（例えば、経度、緯度及び高度）を決定するのに必要とされる。GPS受信機の位置は、一般に、地球座標システム、又は座標システムの原点が地球の中心にある、いわゆる地球−中心地球固定（ECEF）座標システムで表現される。
GPS受信機の位置推定値(position estimates)の正確度は、衛星位置や伝達導入信号遅れでの誤差、GPS受信機の多軌道信号やノイズからの誤差、及びGPSを維持する国防総省によって信号中に故意に導入された誤差を含む多数の誤差によって影響を受ける。位置推定値のジオポテンシャル高度又は高度成分は、正確度または分解度が衛星の幾何学的空間関係によって限定されるという付加的な問題から痛手を受ける。無次元定数又は変数は、精度の位置希釈［position dilution of precision (PDOP)］のように普通の職人に知られ、そのPDOP値が小さければ小さいほど高度推定値が正確であるというふうに高度推定値の正確度を示すのにしばしば用いられる。好ましくは、PDOP値は６．０以下である。例によって、GPS受信機によって電子計算された高度推定値は約１００〜２００フィートの範囲の誤差を有し、それはRVSM領空での使用を意図した高度センサには受け入れられない。
しかしながら、これらの誤差は、電子計算された相対的又は幾何学的高度では、もしジオポテンシャル高度推定値が実質的に同じ瞬時tjで得られたものであれば、絶対又はジオポテンシャル高度推定値の上述の誤差はそれらの差を生じさせるプロセスで実質的に取り消されるので、実質的に無視される。
そのような場合、幾何学的高度の正確度は、それが約１０フィート以下の誤差を持っているので、極めて高い。
航空機１０は、基準局１４に対する正確な幾何学的高度を得るために基準局１４上を直接飛行する必要はない。理由は、それぞれのGPS受信機の絶対又はジオポテンシャル高度推定値に関連する上述の誤差がPDOP又はそのようなものは、例えば約６のような受け入れ可能なしきい値以下である限り、大きな領域（例えば、基準局１４の周り半径５０マイル）を越える実質的に同じ大きさであるからである。従って、航空機GPS受信機１６は、そのジオポテンシャル高度の測定を開始してもよく、航空機高度センサ１２は、PDOP値が受け入れ可能なしきい値以下である限り、航空機１０が基準局１４の概略附近を飛行するので、大気圧力の測定を開始してもよい。
好ましくは、航空機１０及び基準局１４のそれぞれのGPS受信機は、刻々と両GPS受信機の位置推定値を記録し、かつ時間を明記する記録装置に作動的に接続される。基準局１４が通信リンク（有線又は無線）上のジオポテンシャル高度データに対してすぐアクセスでき、基準局GPS受信機１８を、航空機がいつでもその幾何学的高度を決定できるように連続的に又は実質的に連続的に作動させることは考慮されている。
航空機高度センサ１２によって測定された圧力の正確度を確かめるためには、基準局上の高度の関数として参照圧力を発生させなければならない。好ましくは、参照圧力は、気候が一日のコースを通じて変わるかもしれないので、一日数回発生される（例えば６時間ごと）。現在の好ましい実施態様では、参照圧力は、参照圧力センサ２０を、ｄが飛行高度又は航空機の高度を越えるような、基準局１４の領域上の距離ｄを介して連続的に上昇されるために、例えば、空気より希薄なガス、例としてヘリウムで充満された気球２２のような上昇装置内に設置された較正された参照圧力センサ２０によって提供される。
好ましくは、参照圧力センサ２０は、気球２２の内側に封入され；そのように設置されているので、センサ２０は乱気流から保護され好都合であるが、さもなければ乱気流はセンサ２０の静的大気圧力測定値に誤差を導入することになる。乱気流から参照圧力センサ２０を保護する他の手段も、限定されないが、センサ２０を弾性膜に封入し、かつその封入されたセンサを気球２２の外側に接続することを含めて本発明の思想の内である。
気球２２は、好ましくは、気球２２が基準局１４から離れて浮上するので、参照圧力センサ２０から選択された高度の増加値のところで、又は連続的に圧力測定値を送信するために、参照圧力センサ２０に作動的に接続されたラジオ発信機（図示しない）を含む。基準局１４か、近接して配置された地面基準の受信機及びデータ記憶装置３２は、発信機から圧力測定データを受け、記録し、好ましくは時間を表示する。
参照圧力に対応する参照高度測定値を得るためには、例えば基準局１４か、それに隣接して配置された地面基準レーダ２４のような高度測定装置が気球２２は大気中に放たれるので、気球２２の高度、（従ってその中の参照圧力センサ２０の高度）を測定するために提供される。
代替として、又は加えて地面基準レーザ２６がまた気球２２の高度を測定するのに使用されてもよい。どの場合でも、参照高度測定値は、好ましくは、対応する圧力及び高度測定値を測定時間に基づいて整理又は整合できるように時間を表示され、かつ記憶される。参照データは、それからどのような公知の通信手段を介してでも全乗務員に利用可能に作ることができる。
地面基準レーダ及び／又はレーザ測距装置２４，２６に代って気球２２が基準局１４に対する、気球２０の相対高度を上で説明したように電子計算できるようにGPS受信機（図示しない）を備えてもよい。
もう１つの好ましい実施態様において、複数の基準局１４又はそのネットワークが大きな領域を越えて提供され、その領域には気球２２が、各基準局１４上の参照圧力を測定するために複数の基準局１４から実質的に同じに放たれる。このステップは、好ましくは、一日中繰り返される。更に、航空機のGPS受信機１６は、好ましくは、当業界で知られた適応性のある修正アルゴリズムを用いるカルマン・フィルタプロセッサ３０を、例えばGPSデータ、ジオポテンシャル高度測定値、及び測定された参照圧力データを解釈し、比較するために含むか、又は代替として、作動的に結合される。都合のよいことに、プロセッサ３０は、航空機座標システムがその正確性を連続的に又は順に調整又は高めることを許す。この好ましい実施態様のもう１つの利点は、航空機高度センサ１２を、航空機１０が飛行路に沿って配置された各基準局の附近を飛行ごとに較正できることである。
従って、好ましい実施態様に適用されるこの発明の基本的な新しい特徴が示され、説明され、指摘されたが、説明した装置の形式や詳細およびその動作における種々の省略や代用や変更は、この発明の精神から離れることなく当業者によってなされることは、理解されるであろう。例えば、同じ結果を達成するために実質的に同じ方法で実質的に同じ機能を実行する全ての組み合わせのこれらの要素および／又は方法がこの発明の範囲内にあることは、明白に意図されたものである。従って、この従ってその意図は、ここに添付されたクレームの範囲によって示されるところにのみ限定されることである。
【図１】
0003682980.tif 000002