北太平洋上空のフリールーティング運⽤可能性の検討
航空交通管理領域※平林博⼦、ブラウンマーク、武市昇（東京都⽴⼤学）

第22回 電⼦航法研究所 研究発表会

1

洋上管制
北太平洋上空• アジアと北⽶を結ぶ主要路線が⾶⾏する⾼需要空域• ⽇⽶の管制機関により航空交通業務の提供• 国内空域（レーダ監視など）とは異なる監視通信環境• 1990年代〜
ICAOの衛星を使⽤した将来の航空航法システム（FANS）、それに引き継ぐ新CSN/ATMシステム構想, PBCSFIR: Flight Information Region
NOPAC: North Pacific
CENPAC: Central Pacific

IPACG︓Informal Pacific ATC Coordinating Group ⽇⽶航空管制調整グループ• 1989年 太平洋上空での空域容量拡⼤及び航空交通の効率化を⽬的に設⽴• 航空管制分野における技術向上を活⽤した管制間隔短縮の導⼊を積極的に進める• NOPAC再構築の検討
管制間隔の短縮化
縦間隔

2005年〜

15 minute

約120- 150 NM

横間隔
垂直間隔PBCS: Performance Based Communications and Surveillance

100 NM

50 NM
1998年〜

50 NM
2000年〜

2,000 feet

1,000 feet2008年〜

30 NM
2008年〜

30 NM
100 NM = 約182km
1,000 feet = 約300 m

2

NOPAC• 段階的な導⼊によりNOPACのコンパクト化• ⾃由な経路設定可能空域の拡⼤

NOPAC FRA
⾃由な経路設定可能空域をさらに拡⼤したら︖

FRA︓Free Route Airspace

NOPAC再構築• 23NM※横間隔を活⽤した経路設計※ICAOでは発表されているが⽇本の規定ではまだ定められていない• NOPAC経路を圧縮し、NOPACの南側空域（CENPAC）のUser Preferred Routes等⾃由な経路設定可能空域を拡⼤• 段階的な導⼊• ⼀部空域（⾼度帯）はRNP4、RSP180及びRCP240承認機の排他的空域

本発表

さらに将来を⾒据えて、NOPAC経路を完全に排除した空域、NOPAC FRAを検討するため
ファストタイムシミュレーションを実施

3

検討の流れ提案空域での交通流を現状空域での交通流と⽐較• ⼆つの空域／経路のシミュレーション環境の構築• ベースライン
現状• NOPAC FRA
提案• 運航者経路の作成• ⾃由な経路設定可能空域における⾵最適経路• 指標• 個別⾶⾏軌道• 空域

⾶⾏時間、⾶⾏距離、消費燃料
Potential of loss of separation (PLOS)
4

検討⼿順１︓データ準備

3. ネットワークの作成
⾶⾏計画経路探索のための準備

1. 交通シナリオの作成
Actualflight plans

FlightSchedules

Actualflight plans,
ATS data

Airspace
concept

⼀⽇あたり451 ⾶⾏便 178 （シティペア）

2. 反映上層⾵の選択
クラスタリング
ベースラインネットワーク
現在の⾶⾏経路構成を模擬

蓄積PACOTSデータ（⾵を反映し⽇ごとに計算されている経路）

数⽇の⾵反映⽇を選択

NOPAC FRAネットワーク

本発表ではここについて詳しく説明します5検討⼿順２︓評価過程
4. 上層⾵を反映した各⾶⾏の最適⾶⾏計画経路の計算
Flight plan route
FlightSchedule

Flight Plans

Graph Search

5. 軌道⽣成
AirTOp
ファストタイムシミュレーター
ベースラインまたはNOPAC FRAネットワーク

11⽇の気象データ

変数︓2パタンの空域設計
11⽇分の気象データ
指標︓⾶⾏時間、⾶⾏距離、消費燃料
PLOS（Potential of loss of separation）
3つの管制間隔を考慮
50NM、30NM（現在）、15NM（将来を想定）

6. 評価
Trajectories

6

上層⾵選択⼿法
ジェット気流• 太平洋上空の⾶⾏に⼤きな影響を与える要素• 経路計算に上層⾵を考慮する必要

課題 季節を通した全体効果を測るために、どのような（何通りの）⾵況を経路計算に考慮するべきか想定

 ⼀回のシミュレーションは⼀⽇のシナリオ（スケジュール）を使⽤
 現実的な⾵況を反映
 過去の気象データ（全球数値予報モデルGPV全球域（GSM）ナウキャスト）を使⽤

気象データを経路計算に反映させる過去の“⽇”を決めれば良い
PACOTS••••

Pacific Organized Track System に着⽬

⽇ごとに設定される可変経路
⽇⽶航空局から公⽰
複数の主要都市を想定して計算
アジアー北⽶・ハワイ間

••
•
•

着⽬理由

⾵を考慮して計算されている
蓄積されたデータ“⽇”毎のデータ
⼆次元への次元の削減

7

上層⾵選択⼿法 -クラスタリング
⾵最適経路の季節変動は、南北⽅向に表れる出発・到着空港近傍のゲートウェイ（GW）を頂点とする紡錘形
GW

南北⽅向

GW

特徴量
PACOTSの主要トラックの緯度 𝜑 （南北成分）
紡錘形の２つの頂点（GWsと最も広がる点(160W)の3点
トラックkからFkを作成
𝜑𝐺𝑊

𝐹, 𝜑160𝑊, 𝜑𝐺𝑊

Fdayは⼀⽇のデータセット
𝐹

𝐹 ,𝐹 ,𝐹 ,𝐹 ,𝐹 ,𝐹

ここでは、トラックC, E, F, 1, 2, 3を使⽤約7年分のPACOTSデータを使⽤しクラスタリング（X-means）を実施

8

⾵反映⽇の選択• クラスタリングの結果から、各グループの割合に応じた⽇数を選択• ⾵最適経路計算時に、選択された⽇の気象データを反映• ⼀⽇451便の経路計算を実施
2つのネットワーク（NOPAC FRA、ベースライン）
11⽇の⾵

1⽇

1⽇

3⽇

1⽇

5⽇

クラスタリンググループの割合に応じた⽇数選択
2017年1⽉1⽇〜12⽉31⽇

9ファストタイムシミュレーション
⾵最適経路を⾶⾏経路としてファストタイムシミュレーションを実施

NOPAC FRA

Baseline

軌道情報を評価に使⽤

10⾶⾏経路傾向‐クラスタリンググループ• 東⾏⾶⾏ (): ジェット気流が追い⾵となるため、ジェット気流が強いときは軸に沿った⾶⾏経路、弱い時は最短距離経路（⼤圏経路）に近い経路を• ⻄⾏⾶⾏ (): 向かい⾵となるジェット気流を回避する経路

NO WIND

C1

weakJetstream

strong

C2

C3
クラスタリンググループ

C4

C511結果と考察

個々の⾶⾏経路における便益

NOPAC FRA、ベースラインそれぞれの⾶⾏の⾶⾏距離 𝑓𝑑 、⾶⾏時間 𝑓𝑡 、及び消費燃料 𝑓𝑐 を⽐較

Δfd [NM]Δft [minutes]

Δfc [kg]

east

east

east

west

west

𝒇𝑵𝑶𝑷𝑨𝑪 𝑭𝑹𝑨WestMax

239

261

23312053

4119

75%

0

40000

Median000-10-154

25%-3-18-2-5-194-662

Min-645-663-47-120Mean-6.9 -14.3-1.6-3.6 -242.6 -468.5

SD

34.6

3.7

7.5

58.2-7362 -12136
565.8

𝒇ベースライン

負の値はNOPAC FRAの⾶⾏経路の⽅が• 短い⾶⾏距離• 短い⾶⾏時間• 少ない消費燃料であることを⽰す

908.1

NOPAC FRAはベースラインと⽐較し、有益な⾶⾏経路の設定可能性が⾼い12

結果と考察空域容量-PLOS

PLOS: Potential loss of separation
⼀⽇のシミュレーションの軌道データから、PLOSを計算
⼀分毎に2機の⾶⾏間に発⽣するPLOSをカウント
PLOS 数ペア（2機）数PLOS 時間間隔⽋如（loss of separation）の⾶⾏時間
3つの間隔• 現在、最も使⽤されている間隔
50 NM (ADS-C and RNAV10) 30 NM (PBCS)• 将来のさらなる短縮を想定した間隔
15 NM
ADS-C: Automatic Dependent Surveillance-Contract
PBCS: Performance Based Communications and Surveillance

13結果と考察空域容量-PLOS

PLOS数
•••
•

NOPAC FRAの⽅が多い
間隔維持のため各⾶⾏は垂直⽅向へ回避する
理想⾼度での⾶⾏が不可能
しかし、適⽤管制間隔が⼩さくなると、PLOS数の差が⼩さくなる

PLOS数

PLOS時間• NOPAC FRAの⽅が短い• 同⼀⾶⾏経路の⾶⾏時間が短い• 各⾶⾏経路は⼀旦は近接するが、航空機対はすぐに離れていく傾向

PLOS時間 NOPAC FRAは現状の空域／経路構成と⽐較し効率的な運⽤が可能であるとは⾔い切れないが、さらなる管制間隔短縮運⽤が可能となることで、効率的運⽤の可能性が⾼まる
 管制官の監視可能な交通流であるかの判断も必要
⽀援機能、⾃動化、空域複雑性

14

おわりに
• 北太平洋上空へフリールーティング運⽤を導⼊し⾃由な運航者設定経路運⽤が可能な空域を拡⼤した際の、⾶⾏経路の優位性及び運⽤可能性についてシミュレーションを実施し評価した結果について紹介した。
• 個々の⾶⾏経路の優位性を測る⽬的とした評価指標として、⾶⾏距離、⾶⾏時間及び消費燃料を使⽤した結果は、全体としてNOPAC FRAの空域／経路構成はより便益のある⾶⾏経路設定が可能であることを⽰した。
• ⼀⽅，空域容量を測る⽬的として使⽤した評価指標である潜在的管制間隔喪失（PLOS）の結果は，現状の管制間隔においては、NOPAC FRA空域／経路構成は現状と⽐較し効率的な運⽤が可能であるとは⾔い切れない結果を⽰した。
• しかし、将来、さらなる管制間隔短縮運⽤が可能となることで、効率的運⽤可能性が⾼まることが⽰唆された。

15