2020年度（第20回）電子航法研究所発表会

GNSS代替のためのDME地上局のインテグリティ保証
○毛塚 敦

斉藤 真二

国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所
電子航法研究所 航法システム領域

2020年9月30日 15:25～15:45

本発表の流れ

APNTとは



短期的APNTとしてのDME/DME測位



DME/DME測位のRNAV利用での課題



DMEのインテグリティ保証によるRNP経路への適用



欧州標準化



国内導入における検討課題



今後の研究方針

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APNTとはAlternate Position Navigation and Timing
GNSS障害時の代替航法（GNSSバックアップ）( 電波バースト ) GPS:高度 2万km

衛星不具合

⑥ 2019 ガリレオ全システムダウン⑦ 2016 GPS (SVN23)時刻オフセット⑧ 2014 グローナス11時間送信中断③ 2016年 マニラでGNSS
使用不能

干渉

航空機ナビゲーションにおけるGNSS依存④ 短期的な障害報告多数

GPS リピータ
ジャミング、スプーフィング⑤ 2010ハノーファ空港で
GPSリピータによりGNSS障害① 2019 IATAがICAO総会でGNSS脆弱性対策を要求(ベングリオン空港で数週間GNSSジャミング）② 2011,2012 韓国で2度に渡る大規模なGNSSジャミング→ 航空機252機で使用不能

干渉、ジャミング、衛星不具合によりGNSSが使用不可能になった場合の代替航法（GNSSバックアップ）の構築が必要

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短期APNTとしてのDME/DME測位
短期的APNT候補：DMEによる測位

DME(DME: Distance Measuring Equipment)
質問信号
Δt1
DME
地上局１応答Δt2

DME地上局2DME
TACANｐ

DMEによる測距（Xチャンネル）
𝐶𝑣𝑒𝑙

Δt1

Δt2 50μ𝑠𝑒𝑐
2

２局との測距によりGNSSと同様に測位が可能となる ⇒ DME/DME

日本国内にもDMEが多数配置

短期的APNTの候補として現在運用中のDME/DMEを再利用
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DME/DME測位のRNAV利用の現状
RNAV航法（広義のRNAV）
RNAV仕様（狭義のRNAV）
機上の性能監視警報機能(OPMA)が不要
自機経路の逸脱を監視できない（管制官によるレーダ監視が必要）

OPMA ： Onboard Performance
Monitor and Alert

RNP仕様
機上の性能監視警報機能(OPMA)が必要
自機の経路逸脱を監視できる管制官によるレーダ監視が不要

洋上

エンルート

SID/STAR

洋上

SID/STAR進入

RNAV10
RNP4
RNAV10

RNAV5

RNAV1

RNP4

RNP1

RNP APCHRNP AR APCH

GNSS利用可能
DME/DME/IRU利用可能

GNSSのみ利用可能
DME/DME/IRU利用不可

4欧州の動向2017

EUROCAE
WG‐107

2018

2019

2020

2021

2022
2022 Q2MASPS for DME Infrastructure supporting PBN Positioning
MOPS for DME (DME/N and DME/P (Ground Equipment) ED‐57)
短期的APNTとしてのDME/DME測位によるRNPサポート
2022 Q2EUROCAE WG‐85/ RTCA SC‐227

MASPS for Minimum Aviation System PerformanceStandards: Required Navigation Performance for
Area Navigation（ED‐75/DO‐236）
GNSS停止に対するロバストネス向上を含めてナビゲーション要件を改訂

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国内PBN計画（CARATS）

ターミナル： RNAV1 ⇒ RNP1へ移行
航空路：
RNAV5 ⇒ RNP2へ移行（空域容量の拡大，RF レグの利用）

GNSS障害時の短期的APNTとして我が国でもDME/DMEによりRNP経路を飛行可能とすることが必要

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DMEのインテグリティ保証によるRNP経路適用
衛星 ：インテグリティ
保証なし
RNP経路

DME

DME ：インテグリティ⇒ OPMA必要
補完

保証可（GPMA）⇒ OPMA不要

インテグリティ ： システムが航法に使用すべきでないとき，ユーザにタイムリーに警報を発する能力

 RNP経路を飛行する航法装置にはOPMAが必要 ⇒ インテグリティの保証（航法衛星は異常時にも電波を発出し続けるため）
 DMEの機上装置にOPMA機能を持たせるにはインパクト大 既存のDME地上局のインテグリティを保証するGPMAにより、OPMAを補完
 DME地上局のインテグリティ保証について、EUROCAE WG‐107にて議論中

GPMA（Ground Performance Monitor and Alert）
インテグリティリスク ： 地上のトランスポンダ装置が故障しているにも関わらず運用状態になっている確率の推定値 ＜ 10‐7 /h 目標 （TBD）

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我が国における課題
航空機からトランスポンダ航空機へ

シャットダウン
質問信号

モニタ1

応答信号

モニタ2

ORモニタ方式

地上DME局装置のデュアルモニタ

 モニタ1またはモニタ2のどちらかが異常を検出した際にシャットダウン
 コンティニュイティ・アベイラビリティでは不利だが、インテグリティでは有利

ANDモニタ方式
 モニタ1およびモニタ2の双方が異常を検出した際にシャットダウン
 コンティニュイティ・アベイラビリティでは有利だが、インテグリティでは不利
諸外国の地上DME装置はANDとORの切替えが可能
国内の地上DME装置はANDでありORにするためには改修が必要⇒ AND方式のままインテグリティ（＜10‐7 ）を満足することが課題
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インテグリティ計算方法（１）EUROCAE ＷＧ-107にて提案 （ Luca Saini [6] )インテグリティリスク = Ir(t) + Ih(t)Ir(t)： 時刻tに存在するインテグリティリスク
Ih(t)： 期間[t ～ t + h]内に発生するインテグリティリスク（h=1）
0
END to END試験（保守）

t
Ir(t)

t+h
Ih(t)

T
END to END試験（保守） tは0〜Tの任意の時刻 (T: End to End試験の周期)
 累積インテグリティリスクはEND to END試験（保守）によりゼロにリセット トランスポンダ、モニタ×２ 、モニタチェック×２、制御回路、遮断経路を分割
本検討では、トランストランスポンダ、モニタ×２、モニタチェック×２の５コンポーネントでANDロジックとORロジックを比較
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インテグリティ計算方法（２）Ir(t) ：時刻tにおいて存在するインテグリティリスクの計算
n個のコンポーネントが故障する場合において、 𝑖番目に故障するコンポーネントの故障率を 𝜆 とした場合、そのシーケンスの時刻 𝑡 におけるインテグリティリスク
𝐼 𝑡, ,…,

1/ 𝜆

1
𝜆𝑡𝜆

影響する故障シーケンスのみを抽出して積算
モニタチェック1 ⇒ モニタ1 ⇒ トランスポンダ （ANDのみ影響）
モニタチェック1 ⇒ モニタチェック2 ⇒ モニタ1 ⇒ モニタ2 ⇒ トランスポンダ（AND,ORで影響）
５コンポーネントで325通りの故障シーケンス
７コンポーネントでは13,699通りの故障シーケンス

10インテグリティ計算方法（３）Ih(t)： 期間[t ～ t + h]内に発生するインテグリティリスクの計算（単位時間あたりではh=1）影響する状態変化のみを抽出して積算
時刻tにおける状態

時刻t+hにおける状態

故障：モニタチェック1

故障：モニタチェック1
モニタ1
トランスポンダ

故障：モニタチェック1
モニタチェック2

故障：モニタチェック1
モニタチェック2
モニタ1
モニタ2
トランスポンダ

発生確率
𝜆𝜆

𝜆𝑡ℎ2

ANDのみで影響
𝜆５コンポーネントで243通りの状態変化𝜆𝜆𝜆𝜆𝑡2ℎ3AND,ORで影響※ TX：トランスポンダ
MON：モニタ，MIT：モニタチェック

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インテグリティ計算結果
𝜆𝜆

インテグリティリスク

END to END試験𝜆𝜆𝜆1010/h/h

要求値
ANDOR

運用時間 t [h]END to END試験（メンテナンス）の周期
OR方式 50,000h (2083日)
AND方式 5,000h (208日) ＜ １年（目標）•t = 10,000hにおけるインテグリティリスク
OR方式 2.56×10-11 /h
AND方式 9.61×10-7 /h

ORモニタは時刻tに至るまで5コンポーネントすべてが故障する場合においてのみインテグリティリスクに寄与するが、ANDモニタは3コンポーネントから寄与する （３故障の同時確率が５故障よりも大きいのが差の要因）• t～t+hの状態変化によるインテグリティリスクよりも時刻tに至るまでのインテグリティリスクが支配

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本発表のまとめと課題• 短期的APNT（GNSSバックアップ）としてDME/DME測位をRNP経路への適用が欧州で検討• DME地上局装置のインテグリティ保証（GPMA）により機上性能モニタ警報（OPMA）を補完• WG-107で提案されているインテグリティ計算方法により5コンポーネントを用いてANDとORのロジックの差を検証⇒ End to End試験（メンテナンス）周期はANDロジックはORに比べて１桁短い
今後の課題• インテグリティリスクを低減する方法の検討（ANDモニタでインテグリティ要求を満足）• 現用機器でのインテグリティリスク計算

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