Electronic Navigation Research Institute

次世代運航を切り開く ENRIの技術

電子航法研究所の最近の活動
電子航法研究所 講演会
研究企画統括 藤井直樹

次世代運航を切り開くENRIの技術♦ 本日の講演• フェーズドアレイ気象レーダと航空への利用（招待講演）• 航空機監視応用システム（ASAS）とトラジェクトリ管理技
術の連携
∗ 休憩

• 高カテゴリーGBASの開発状況• 新しい空港面移動通信システム（AeroMACS）の開発動
向♦ 電子航法研究所の最近の活動• 電子航法研究所 研究長期ビジョンの見直しの方向性
平成26年11月27日

電子航法研究所講演会1

今中期（H23～27）研究計画の３つの柱
飛行中の運航高度１化に関する研究開発（航空路の容量拡大）
空港付近の運航高度化に関する研究開発（混雑空港の処理容量拡大）

空地を結ぶ技術及び安全に関する研究開発（安全で効率的な運航の実現）
平成26年11月27日

電子航法研究所講演会

2

研究長期ビジョンの見直しの方向性♦ 以前の長期ビジョン（2011年）から4年が経過し状況が変化♦ ICAO GANP（航空航法計画）第4版の発行• ASBU: Aviation System Block Upgradeの考え方を反映♦ 機上アビオニクスの進歩・普及を考慮• RNAV/RNP（FMS/GNSS）の普及• ADS-B out/in（ASAS）の普及/装備の開始♦ 航空交通管理における地上主導から空地協調への流れ♦ 航空需要の強さを考慮• アジア・太平洋空域の強い需要∗ 2011~2030 全世界 4.6% VS. アジア太平洋6.2% (ICAO)• ハブ方式運航からPoint to Point運航による小型機の増加∗ Average airplane converging on 160 seats (Boeing)♦ 「安全性の向上」については航空交通の大前提
平成26年11月27日

電子航法研究所講演会

3

研究ロードマップ（案）♦ 研究開発目標• 航空交通処理容量の拡大• 運航の効率化による環境への負荷軽減研究開発目標技術開発分野2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031

機上監視による航空機間隔最適化の研究
機上情報活用による航空交通最適化技術

超高密度運航方式（編隊飛行やフローコリドー）に関する研究

機上情報による
監視性能向上

無人機・一人操縦システムの通信方式・安全性に関わる研究

航空交通処理
容量の増加
軌道ベース運用（TBO）による航空交通最適化技術

効率的管制空域及び動的経路の管理

リスクに強いレジリエントATMシステムの開発

軌道ベース運用(TBO)概念の実装技術の開発
全ての空域における軌道ベース運用(TBO)の実現

空港面及び空港周辺空域における監視技術の高度化
空港面及び空港
周辺の運航効率化技術

GNSSを利用した曲線精密進入方式及び動的最適化経路設定技術の開発
空港面管理技術と出発到着管理技術の連携（AMAN/DMAN/SMANの連携）

運航の効率化
による環境への負荷軽減
高度情報通信による運航効率化技術

航空交通情報共有基盤(SWIM)の技術開発
高速通信のための次世代航空通信技術の開発

通信航法統合化システム

安全性及びATMパフォーマンス評価技術
基盤的開発研究

電波資源対応技術（電波干渉、電波伝搬解析など）
ヒューマンエラー低減管理技術及びヒューマンファクタを考慮した運航・管制方式

平成26年11月27日

電子航法研究所講演会

4

プロジェクト型と基盤的開発研究♦ 4つのプロジェクト型研究分野と14の研究開発課題• 機上情報活用による航空交通最適化技術（４）• 軌道ベース運用（TBO）による航空交通最適化技術（４）• 空港面及び空港周辺の運航効率化技術（３）• 高度情報通信による運航効率化技術（３）♦ 基盤的開発研究分野• 安全性及びATMパフォーマンス評価技術• 電波資源対応技術（電波干渉、電波伝搬解析など）• ヒューマンエラー低減管理技術及びヒューマンファクタを考慮した運航・管制方式
平成26年11月27日

電子航法研究所講演会

5

機上情報活用による航空交通最適化技術
機上監視による航空機間隔最適化の研究放送された情報を収集

GPSや高度計で得た自機の位置や速度を放送

レーダーで位置情報を収集

将来は経路なども放送？

放送された情報を収集

航空機監視応用システム（Aircraft Surveillance Applications System: ASAS）
平成26年11月27日

電子航法研究所講演会

6

軌道ベース運用による航空交通最適化技術
ICAOグローバルATMコンセプトとTBOの関係
Demand Capacity Balancing (DCB)

需要と容量のバランス

From ICAO Doc 9854 Global ATM Concept

需要と容量の予測に基づき、資源（空域／空港容量、悪天により制限等）の不足に対応する計画の立案.
すべての関係者 (空港、運航者、ANSP)で情報を共有し、調整時系列に応じた戦略:- 長期的戦略 （数年単位：需要予測）- 出発前：一日〜数時間前- 飛行中：動的情報による戦略

Trajectory/Conflict Management
軌道/コンフリクト管理Seven conceptual components of
ATM together form a holistic system
平成26年11月27日



コンフリクト管理:- 戦略: DCBにより円滑な交通流を作成.
- 航空機間隔の管理：（フリールート、固定ルート、フローコリドー等）.
- 衝突回避コンフリクトと航空機間隔管理方式、運用ルー
ル：空域密度、空域複雑性、CNSパフォーマンス
等に依存

電子航法研究所講演会

7

軌道ベース運用（TBO）概念
継続上昇運航

最適ルート

出発空港

パイロット
•4Dトラジェクトリ（経路, 高度, 速度, 時刻） からなる
トラジェクトリ（軌道）は、使用者間で同意

管制機関
データリンク

継続降下運航トラジェクトリ情報の共有

到着空港

SWIM: System-Wide Information Management

気象機関等
航空会社 オペレー
ションセンター
平成26年11月27日

 TBOとは、全航空機の出発から到着までを一体的に管理するとともに、航空機の位置に加えて、合流点等における通過時刻を含めたトラジェクトリで管理する運用方式
電子航法研究所講演会

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空港面及び空港周辺の運航効率化技術
空港面管理技術と出発到着管理技術の連携♦ 空港面管理技術• 離陸滑走路付近の交通量を事前に調整∗ 地上走行時間の短縮♦ 到着管理システムによる着陸時刻の調整• 単位時間あたりの離着陸数を増加
離陸にも着陸にも使えない時間

着陸時刻を調整できれば…

平成26年11月27日

A1
A1

1
1

2
2

3
3

A2
4

4

5

短縮
A2 5

6
6

7

A3

A4

7

時刻

A3

A4

8

時刻

離陸機と出発機の同期・連携

出発便の滑走路使用

AMAN/DMAN/SMANの連携

到着便の滑走路使用

電子航法研究所講演会

9

到着管理システムの開発
気象データ
の活用

運用コンセプトの確立
降下開始点
スケジュール作成

軌道最適化

航空交通シミュレータによる評価

スケジュール準拠の運航
経済的な降下ターミナル空域

最終進入FIX
運航評価システムのイメージ図スケジュールシステ
ムに対する運航評価

平成26年11月27日

滑走路処理容量の予測と運用最適化手法の開発

電子航法研究所講演会

10

11

高度情報通信による運航効率化技術
航空交通情報共有基盤 (SWIM)の開発(System Wide Information Management)
将来：System of Systems

現在：Sum of Systems

飛行計画

政府

運航

飛行計画

運航

System M

政府
System N

System M

System Wide Information Management (SWIM)

研究機関
気象

現状

監視

研究機関

気象

監視

System N

Point-to-Point通信、Local Format

Uni-interface通信、標準Format

高コスト、低効率

低コスト、高効率、高安全性

通信

情報交換

サービス融合アクセス

Security

Point-to-Point

Local

個別運用、困難特定少数低接続された同士の間

異なる形式

個別管理

低コスト、高効率、高安全性
SWIM

Uni-interface

Global標準化、容易システムに接続する全員
平成26年11月27日

同一形式

電子航法研究所講演会

特定多数、または
不特定多数
統一管理

高

11

SWIM開発の課題♦ グローバル間の情報交換はどのように管理するか？
♦ システムの信頼性と安全性はどのように確保するか？
ATM and correlated services
SWIM-enabled Applications

Security services
Governance平成26年11月27日

AIXM, FIXM, WXXM, and other standards
Information Exchange Models
Interface Management, Message transportationand transformation protocols
SWIM Messaging Infrastructure
Ground-to-Ground and Air-to-Groundcommunication networks
Global Information Technology Infrastructures
電子航法研究所講演会

Enterprise service management
GovernanceSpecifications between services and standards for
information exchange
Information Exchange Services

12高速・高信頼通信技術の開発

洋上の空地通信
陸上の空地通信

陸上の空地通信

空港面の空地通信

空港面の空地通信

高速IPネットワーク

平成26年11月27日

電子航法研究所講演会

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まとめ
♦ 研究長期ビジョンの見直しの方向性• 「安全性の向上」については大前提であることを確認• ICAO GANP第4版の考え方を反映• 地上主導から空地協調へ• 研究開発目標∗ 航空交通処理容量の拡大∗ 運航の効率化による環境への負荷軽減♦ 研究ロードマップ• 4つのプロジェクト型研究分野と14の研究開発課題∗ 機上情報活用による航空交通最適化技術∗ 軌道ベース運用（TBO）による航空交通最適化技術∗ 空港面及び空港周辺の運航効率化技術∗ 高度情報通信による運航効率化技術
平成26年11月27日

電子航法研究所講演会

14

来年の講演会はEI W AC 2015
2015年11月17日～19日
両国KFCホール

テーマは ”Global
Harm onization For
Future Sky”
平成26年11月27日

電子航法研究所講演会

15

電子航法研究所 理念

平成26年11月27日

電子航法研究所講演会

16

牛尾 知雄 先生について♦ 現職 大阪大学大学院 工学研究科 電気電子情報工学専攻，准教授♦ 電磁波による地球環境のリモートセンシング（人工衛星観測を含む）技術に関する研究およびその技術を用いた気象観測、シミュレーションなどに関する研究に従事♦ 平成26年度 科学技術分野の文部科学大臣表彰（開発部門）• 「気象用フェーズドアレイレーダの開発 」♦ 2013年12月15日放送の「夢の扉＋」などの数多くのマスコミで紹介されている
平成26年11月27日

電子航法研究所講演会

17平成26年11月27日

電子航法研究所講演会

18

研究ロードマップ

平成26年11月27日

電子航法研究所講演会

19平成26年11月27日

電子航法研究所講演会

20

GANP（Global Air Navigation Plan）♦ ANC-12で議論（平成24年11月）• 空港運用～空港のパフォーマンス向上 Aerodrome
operations – improving airport
performance• SWIMによるシステムとデータの相互運用性Interoperability and data –through globally interoperable
system-wide information
management (SWIM)• 協調的グローバルATMを通じた容量の最適化と効率化
Optimum capacity andefficiency – through global
collaborative ATM• 軌道ベース運航による効率的な飛行経路 Efficient flightpaths – through trajectorybased operations

平成26年11月27日

電子航法研究所講演会

21

実現すべき運用概念♦ 空港運用～空港のパフォー
マンス向上• Full AMAN/DMAN/
SMAN♦ SWIMによるシステムとデータの相互運用性• Full Flight and Flow–
Information for a
Collaborative
Environments (FF/ICE)♦ 協調的グローバルATMを通じた容量の最適化と効率化• Traffic Complexity
Management♦ 軌道ベース運航による効率的な飛行経路• Full Trajectory BasedOperation
平成26年11月27日

ICAO “Global Air Navigation Plan”; Doc. 9750 Forth Edition より

電子航法研究所講演会

22

ICAO GANPにおけるASBUの概念

平成26年11月27日

電子航法研究所講演会

23

Module Dependencies

平成26年11月27日

電子航法研究所講演会

24

ICAO Technology Loadmaps♦ a) Communication:• 1) Air-ground data link communication.
• 2) Ground-ground communication.
• 3) Air-ground voice communication.

空地データリンクの例♦ b) Surveillance:• 1) Ground-based surveillance.
• 2) Surface surveillance.
• 3) Air-to-air surveillance.

♦ c) Navigation:• 1) Dedicated technology.
• 2) Performance-based navigation.

♦ d) Information Management.
• 1) SWIM• 2) Other♦ e) Avionics:
•
•
•
•
•

1) Communications.
2) Surveillance.
3) Navigation.
4) Airborne safety nets.
5) Onboard systems.

平成26年11月27日

ICAO “Global Air Navigation Plan”; Doc. 9750 Forth Edition より

電子航法研究所講演会

25

World passenger traffic: 1995-2040

AAGR - Average Annual Growth Rate.

1

World passenger traffic forecasts:
high and low scenarios

AAGR - Average Annual Growth Rate.

3

Regional passenger traffic forecast
by airline of registration: 2030 vs. 2010

AAGR - Average Annual Growth Rate.
Note: Asia/Pacific is divided into four FBOFS: China, North Asia, Pacific and South-East Asia, and South-West Asia

フェーズドアレイ気象レーダと航空への利用牛尾知雄 （大阪大学）

豪雨被害（神戸都賀川事故，2008年7月28日）

10数分後

2

竜巻被害

宮崎延岡での列車脱線事故(2006年9月17日)

サロマでのF3竜巻（2006年11月7日）

Oklahomaでの竜巻被害の一例（地元の新聞紙より）

庄内平野での竜巻による列車脱線事故（2005年12月）

3つくば竜巻被害（2012年5月6日）

4

埼玉，千葉の竜巻被害（2013年9月2日）

5

5

Downburstと航空気象

6背景・ 近年，日本では突風や局所的な豪雨等による被害が増加傾向にある。

・従来のパラボラアンテナによるレーダは、地上付近の降雨観測に１分程度、３次元降水観測には５分以上の時間を要する。
・ これに対して，局地的大雨をもたらす積乱雲は10分程度で急発達し、竜巻もわずか数分で発生し移動する⇒これらの兆候を迅速に察知するためには、より短時間で詳細な３次元観測が必要

パラボラアンテナによる３次元立体観測（５～１０分）

フェーズドアレイレーダーによる３次元立体観測（１０～３０秒）

神戸都賀川事故（2008年7月28日）

Xバンドレーダ
配置予定エリア東京雑司ヶ谷での幹線工事事故（2008年8月5日）

1978

1988

1998

7
2008

Nationwide Radar Network at S or C band

Ｃ帯固体化気象レーダ
受信装置・信号処理装置・空中線制御装置・データ変換装置

送信装置
写真は二重偏波用（水平偏波・垂直偏波）のため
２ラック構成。
単偏波（水平偏波）の場合はいずれか１ラック分。

遠隔操作・表示装置
一次プロダクト表示のみ

電源装置

空中線装置
二重偏波用

Copyright 2011, Toshiba Corporation.

9

Sensing Gapについて
 地球の曲率による，10,000 ft

5.4 km

1 km

2 km

4 km

Blind area

3.05 km

遠距離における未観測域の存在wind

gap

tornado3.05 kmsnow

Horz. Scale: 1” = 50 km
Vert. Scale: 1” -=- 2 km
0

40

80

120
RANGE (km)

160

200

未観測領域
“There is insufficient knowledge about what is actually
happening (or is likely to happen) at the Earth’s surface
where people live.” [NRC 1998]

240

大型レーダの利点と欠点
大型レーダの利点
広い範囲を補償
低い仰角でのサーベイ観測

大型レーダの欠点
遠距離におけるビームの拡がりに伴う分解能劣化• 3次元構造の詳細な把握が×

大型アンテナに伴う高速スキャンニングの難しさ• 竜巻や集中豪雨など早く見る必要のある現象には不向き

観測不可能領域の大きさ• レーダ近くの頭上や遠距離のおける地上付近が観測不可能

大型レーダの運用概念図

大型レーダの分解性能○前線，ハリケーン

×積雲，竜巻，
マイクロバースト○メソサイクロン，
スーパーセル，
スコールライン△Thunderstorm，
ヒートアイランド，
マクロバースト

10min

1000m

Thunderstorm images in 10 minutes

Thunderstorm images in 5 minutes

Thunderstorm images in every 1 minute求められる分解性能○前線，ハリケーン○積雲，竜巻，
マイクロバースト○更に小規模な竜巻，豪雨等の予兆現象○メソサイクロン，
スーパーセル，
スコールライン○雷嵐，
ヒートアイランド，
マクロバースト1min

数十m

自律分散型アプローチ
短距離型の高速高分解能レーダの多数配置
このネットワーク内に散在するレーダ群を仮想的な超高精度大型レーダとみなして，様々な規模の処理や運用を行う自律分散型レーダグリッドの構築<自律分散型><単体集中型>

2次元を主体としたサーベイランス観測から3次元高速高分解能観測への移行

未観測域

地球の曲率に伴う未観測域

High Resolution RADAR System
Broad Band Radar Network

Phased Array Radar「次世代ドップラーレーダ技術の研究開発」
突発的、局所的気象災害の予測や災害対策のため、その原因となる集中豪雨、竜巻突風等を10秒以内に100 m以下の分解能で立体的に観測可能な次世代ドップラーレーダの研究開発を行う。

課題ア フェーズドアレイ・レーダーの開発
・ 水平30 km四方、高度14 kmまでを10秒以内に観測
・ 座標変換後の水平・鉛直格子間隔は100 m以下
・ ネットワーク運用のための混信低減技術
・ リモート運用、リアルタイムデータ処理・配信
・ 製造コスト、運用・保守コストの低減

集中豪雨

竜巻・突風

産学官連携
プロジェクト

NICT

10秒以内の３次元スキャン

委託研究

格子間隔 100 m

東芝・
大阪大
が受託

課題イ フェーズドアレイ・レーダーの性能評価と実証実験
洪水・土砂崩れ

開発スケジュール

・ 地表面クラッタの低減手法の検討と評価
・ オーバーサンプリング評価等のためのシミュレーション実験
・ ユーザーニーズを考慮した実効的なレーダー運用方法
・ 実証実験、実用化を目指した運用試験

２００８（Ｈ２０）

２００９（Ｈ２１）

２０１０（Ｈ２２）

２０１１（Ｈ２３）

２０１２（Ｈ２４）・ 概念設計（システム検討）・ 素子部分試作・ 予備設計（主に空中線部）
・ 送受信モジュール試作・ 性能評価シミュレーション

・ 基本設計（主に信号処理部）
・ 空中線部の製作
・ クラッタ除去技術の開発

・ 詳細設計（解析処理部）
・ 信号処理部の製作
・ 観測運用技術の開発

・ 実証実験・評価
・ データ解析処理部の開発

19

MPレーダとフェーズドアレイ気象レーダの比較
MPレーダ（パラボラ型気象レーダ）

フェーズドアレイ気象レーダ

探知範囲

探知範囲

フェーズドアレイ気象レーダ

MPレーダ （パラボラ型気象レーダ）
仰角 ：機械走査
方位角：機械走査

走査方法

仰角 ：電子走査
方位角：機械走査

3次元スキャン（約15仰角）／5分程度 （地上は1分周期で観測）

観測空間
／観測時間

3次元スキャン（約100仰角）／10秒～30秒程度

60 km

観測範囲

60 km

反射強度（降雨強度）、
ドップラー速度、速度幅、
偏波パラメータ （Zdr，Kdp，ρhv など）

観測パラメータ

反射強度（降雨強度）、
ドップラー速度、速度幅
20Severe Phenomena→Observe by radar

・Short Duration
・Limited Area

Parabolic Radar

Phased Array Radar

PARABOLIC TYPE

PHASED ARRAY TYPE

・Pencil beam→mechanically scan in elevation

・Fan beam→ electrically scan in elevation

・Exist unobserved area
→Can not be analyzed in detail・Scan whole sky→For analyze severe phenomena

Heavy rain in urban areas 21

フェーズドアレイ
アンテナ

左：レーダ処理装置（データ処理・監視制御・表示）

右：レーダ制御装置（駆動制御・分電盤）

大阪大学に設置されたフェーズドアレイレーダ

22

23

24

宇治豪雨 （2012/8/13, 20:00～8/14, 08:00）

琵琶湖

箕面

 京都
 宇治

六甲山
 神戸

大阪湾

 大阪

生駒山

 奈良

2012年08月13日夜8時から翌日朝8時までの１２時間の３次元降雨分布を大阪の南上空から眺める（観測範囲半径60km，格子間隔 250m）．
20fps → 600倍速
地形（SRTM-DEM）は高さ方向に約２倍拡大.

25

梅雨前線による降雨帯 （2013/7/13, 15:20～16:20）

生駒山

2013年07月13日15時20分から16時20分までの30秒毎の３次元降雨分布を大阪平野南部から眺める．地形（SRTM-DEM）の高さはエコーの高さに10fps → 300倍速 26
対して約２倍拡大している.

時間進展(30秒毎)2012年7月6日22時49分39秒～23時59分39秒
右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI

27

初期観測結果• 2012年7月6日 23:24:39の観測画像• 観測半径60km，30sec/scanのモードで観測

右図の赤い線に沿った鉛直断面図

仰角4.35度における水平断面図

28

時間進展
2012年7月6日 23:23:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
29

時間進展
2012年7月6日 23:24:09の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
30

時間進展
2012年7月6日 23:24:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
31

時間進展
2012年7月6日 23:25:09の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
32

時間進展
2012年7月6日 23:25:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
33

時間進展
2012年7月6日 23:26:09の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
34

時間進展
2012年7月6日 23:26:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
35

時間進展
2012年7月6日 23:27:09の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
36

時間進展
2012年7月6日 23:27:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
37

時間進展
2012年7月6日 23:28:09の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
38

時間進展
2012年7月6日 23:28:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
39

時間進展
2012年7月6日 23:29:09の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
40

時間進展
2012年7月6日 23:29:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
41

時間進展
2012年7月6日 23:30:09の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
42

時間進展
2012年7月6日 23:30:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
43

時間進展
2012年7月6日 23:31:09の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
44

時間進展
2012年7月6日 23:31:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
45

時間進展
2012年7月6日 23:32:09の観測結果

地表付近に強い降雨分布

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI
46

時間進展
2012年7月6日 23:23:39
コア発生

2012年7月6日 23:32:09
地上到達

8分30秒間47

時間進展(5分毎)2012年7月6日22時49分39秒～23時59分39秒
右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI

48

プレスリリース等• 見学および視察
例：総務省政務官，内閣府審議官，総務省審議官，国土交通省参事等政府関係者，自治体関係者，
電機メーカ，国研，コンサルタント，国内外の大学
等計 500人以上（2012年9月から現在までの累計）

新聞：

日経（全国）
読売（大阪）など多数

TV番組：
・TBS「夢の扉＋」「世界最高性
能のレーダを駆使し竜巻を捉える！」2013年12月15日
・NHK for School，学ぼう防災
地球の声を聞こう（小学高学年用）
・『中学理科教科書』（平成28年
以降用）啓林館，に本研究成果が，掲載予定

報道機関向け説明会の様子

内閣府審議官のご訪問

TVニュース：NHK
フジテレビなど多数

読売新聞 2012.9.1 （1面掲載）

Stand AloneからNetworkへ

Osaka Univ.
NICT＋ NICT沖縄（恩納村）
気象庁気象研究所（つくば）High Resolution Thunderstorm andLightning Observation Network
Toyonaka radar(Dual-pol)Nagisa radar
135.659029E
34.840145N(from Aug., 2011)

SEI radarPhased Array
Radar 2Phased Array
Radar 1Field campaign with lightning mapper
Sep. 6, 2012

16:00 - 18:00

CAPPI(4km)×Lightning location at LF freq.

（every 30.sec）

今後の計画
フェーズドアレイ
レーダ

広帯域レーダ×3

コンピュータクラウド

クラウド内で稼働する様々なアプリケーション処理

自治体

基礎研究

研究機関

様々な
測器

個人ユーザ

ゲリラ豪雨情報予測システム概要54

ゲリラ豪雨情報メール
２

メール件名

発表されている注警報

予測雨量(10分雨量)

福島区内ゲリラ豪雨警戒情報

大雨かつ雷

10mm以上55

ゲリラ豪雨予測精度検証• 福島区内の最大10分間雨量（実測）
10

XRAIN

9

メール配信

8

メール配信

10分間雨量

7
6

メール配信

5

メール配信

4
3
2
1
0
13

14

時刻

メール配信時刻 豪雨予測時刻 予測10分間雨量 実測10分間雨量
13:44（13:41)
14:11
5 mm
3.7 mm13:49(13:46)
14:06
5 mm
7.2 mm
13:54(13:51)
14:01
7 mm
6.3 mm
13:59(13:56)
14:06
7 mm
7.2 mm（注）括弧内は予測開始時刻

56

フェーズドアレイレーダの応用分野○○県△△市竜巻注意情報
平成××年4月20日10時29分△△地方気象台発表○○県△△市では竜巻発生のおそれがあります。 発生
予測時刻と場所は以下の地図のとおりです。
頑丈な建物内に移動するなど、安全確保に努めてください。

数値予報モデルへのデータ同化、
きめ細かな竜巻注意情報【気象庁】

洪水予測、土砂災害予測【河川局】

ダム放流（洪水調整）【ダム管理事務所】

リアルタイムで観測データを配信

航空管制 【航空局】

ユーザが必要とする情報の提供

突発的・局所的現象の解明【研究機関・大学】

低コスト
レーダーの開発

住民避難勧告 【市町村】

次世代ドップラーレーダー技術の研究開発【総務省・NICT】

一般市民への情報提供【民間気象会社】

列車安全運行 【鉄道会社】

下水道ポンプ制御 【市町村】57

SIP（戦略的イノベーション創造プログラム）〔レジリエントな防災・減災機能の強化〕「マルチパラメータフェーズドアレイレーダ等の開発・活用による豪雨・竜巻予測情報の高度化と利活用に関する研究」
豪雨の短時間予測
ゲリラ豪雨のナウキャスト（10-20分前予測）・データ同化による1時間先予測

竜巻警戒情報の高度化
強風域の１時間先までの予測
竜巻警戒地域を市町村単位へ

災害レジリエンス情報NW

課題④⑤利用④ICTを活用した情報共有システムの研究開発及び災害対応機
関における利活用技術の研究開発⑤災害情報収集シス
テム及びリアルタイム
被害推定システムの研究開発

河川管理・氾濫予測（直轄分）
ゲリラ豪雨による氾濫予測の高速化と精度向上
現業のリアルタイム河川水位予測の予測可能時間の延伸
はん濫予測の高速化と精度向上↓
様々な水災害に
対しどこにいても避難を可能とする情報発信鉄道運行管理ゲリラ豪雨時の鉄道の運転規制
判断支援システム及び乗客の最適避難経路決定システムを開発・
試験的運用
鉄道浸水予
測範囲の可
視化イメージ
A駅

C駅
B駅

乗客最適避
難経路決定
システムイ
メージ

水門や排水ポンプ等施設の迅速かつ効果的な操作
列車で移動

自治体利用等

緊急豪雨速報
工事作業
への早期
避難誘導
河川での
早期避難
誘導
イベント等
での早期
避難誘導

研究開発チーム構成
研究開発チーム

大阪大学

テーマ a 及び 研究責任者・全体統括

NICT

研究開発機関（情報通信研究機構）
研究責任者：高橋暢宏
実施項目：テーマ a
役割：全体調整
パッシブレーダの開発
MP-PAR の開発

共同研究開発機関（１）
主たる共同研究者：牛尾知雄
実施項目：テーマ a
役割：全体統括
MP-PAR の開発

東芝

共同研究開発機関（２）
主たる共同研究者：和田将一
実施項目：テーマ a
役割：MP-PAR の開発
システムインテグレート

防災科研

鉄道総研
共同研究開発機関（５）
主たる共同研究者：太田岳洋
実施項目：テーマ c

埼玉大学共同研究開発機関（６）
主たる共同研究者：長田昌彦
実施項目：テーマ c
観測・予測データの提供

国総研

共同研究開発機関（３）
主たる 共同研究者：岩波越
実施項目：テーマ b
共同研究開発機関（４）
主たる共同研究者：山路 昭彦
実施項目：テーマ b
観測・予測データの提供、評価・ニーズのフィードバック

気象協会

協力機関（３）：京大防災研、京協力機関（１）：京大防災研、気象庁気象研究所、自治体、等
大大学院、鉄道事業者等
協力者：中北英一、楠 研一、等
協力者：千木良雅弘、竹見哲也、
役割（テーマ a）：実証評価実験、データ解析及び実利用策定等
杉山友康等
協力機関（２）：中央大、防衛大、電中研、山梨大、自治役割（テーマ c）：解析モデルの構体、等築、成果の検証、情報提供、実証
協力者：山田 正、小林文明、杉本聡一郎、末次忠司、等
評価実験等
役割（テーマ b）：共同観測、実証実験等《凡例》 テーマ a：MP-PAR、パッシブレーダ等の研究開発
テーマ b：ゲリラ豪雨等を引き起こす積乱雲の観測予測技術開発
テーマ c：局地的短時間豪雨等による災害に関する減災技術

59

今後の展望気象災害に対する「高精度な観測・分析・予測技術を確立し，発災時に被災者避難と災害対応を安全・確実にする為，ＩＣＴ等を活用して、迅速・的確に被災状況を把握・伝達する技術や災害対応技術を確立する必要がある。
最先端の観測設備を開発すると共に，個別に研究開発が進んでいる「観測系研究開発」，「予測系研究開発」を繋ぐ「気象ビッグデータ収集・分析・配信技術」を実証実験により確立し，被災状況の把握・伝達・被災者避難誘導等に貢献することを目標とする。

最先端観測設備の開発
被災状況の把握・伝達
被災者避難など

情報プラットフォーム
フェーズドアレイレーダー（大阪大学吹田キャンパス、神戸市）

1次利用者

収集・配信・分析

政府

応用開発

MPフェーズドアレイレーダー(降水量の観測精度の向上）

XRAIN（国土交通省）Cバンド気象レーダー（気象庁、国土交通省）

環境ビッグデータ
収集・分析・配信技術の
確立

配
信
ネ
ッ
ト
ワ

【消防庁】
通信指令システムなど

自治体―

既存観測設備

超
高
速
伝
送
ネ
ッ
ト
ワ
ー
ク

【内閣府】
総合防災システムなど

ク

予測系 研究開発

地域市民

イ
ン
タ

―

パッシブレーダ，ライダー
地上観測ネットワーク

2次利用者

ネ
ッ
ト

被災状況の把握

防災Webシステムなど

企業
大都市災害シミュレーション

津波シミュレーション

XーNET（防災科研、気象協会 他）

洪水シミュレーション

自治体気象レーダー（東京都、大阪市、神戸市 他）

噴煙監視シュミレータ
防災科研、国土交通省 他

企業内Webシステムなど

従業員など

より安心・安全な自然災害に強い社会を目指した，最新の情報通信技術に基づく，革新的な社会基盤システムの構築空港周辺における気象の影響
 視程障害 濃霧・低層雲に伴う最低気象条件（視程）を満足しないことによる上空待機（着陸機）もしくは地上待機（離陸機）

風
 台風等の強風により空港の横風制限を超えた場合の空港閉鎖，
空港総観風の変化に伴うランウェイチェンジ
 低層乱気流に伴う機体動揺による着陸復行

 着氷気象状態
 着氷性降水域の通過に伴う翼面着氷，飛行の不安全化
 着氷性降水域の回避の為の遅延

 雷雲
 雷雲付近飛行時の被雷による航空機損傷
 霰・雹の衝突による航空機損傷
 雷雲回避の為の遅延 積雪（滑走路雪氷） 滑走路状態回復の為の地上・上空待機による遅延
61

空港周辺における気象の影響（個別）風 低層乱気流に伴う機体動揺による着陸復行

ウインドシアマイクロバースト

離着陸フェーズ（低層）の乱気流は重大事故につながる．
62

空港周辺における気象の影響（個別） 雷雲
 雷雲付近飛行時の被雷による航空機損傷
 霰・雹の衝突による航空機損傷
 雷雲回避の為の遅延
雷は上昇気流によって巻き上げられた氷粒が衝突し合って帯電することで発生．
雷撃もしくは氷粒（霰・雹）の航空機への衝突による損傷（≠墜落）巡航中の回避は比較的容易である一方，空港周辺の雷雲は影響大63

航空気象観測の変遷

気象観測レーダの研究開発

Timeline showing major Lincoln Laboratory research and development efforts
for FAA Weather Systems. (P3I refers to the “pre-planned productimprovement” phase that accompanies most procurements.)
64

次世代ITWSの提案

 経済のグローバル化に伴い，国内の空港で取り扱う航空機数は増加の一途である．
 気象による影響を緩和し運航の安全及び効率化が要求されている．
 日本国内の運航においては離着陸フェーズが重要であり，ITWSの果たす役割が特に大きい．
65

まとめ• 情報通信研究機構，大阪大学，東芝の3者は，フェーズドアレイ気象レーダの開発に成功した。
• 128本のアレイアンテナによるデジタルビームフォーミ
ング技術を用いて，10～30秒で半径60ｋｍ以内の降雨の3次元観測を可能とした。
• 大阪大学吹田キャンパスにおいて，継続的に観測を実施し，様々な降雨イベントを観測することに成功した。
• 観測の結果，上空に形成された降雨が，地上に落下する様子を連続的に捉えることに成功した。
• 次世代のITWSについて，こうしたレーダを中心に考え
てみたい。
66

2014年11月27日 電子航法研究所 講演会

航空機監視応用システム（ASAS）とトラジェクトリ管理技術の連携
伊藤 恵理
電子航法研究所 航空交通管理領域

講演内容• 航空機監視応用システム（ASAS）と応用方式
 In-Trail Procedure (ITP) Flight-deck Interval Management (FIM)• FIM応用方式の実運用に向けて
 地上のトラジェクトリ管理技術 - 到着機管理システム  NASA ATD-1プロジェクトの紹介• 羽田空港の航空交通流への応用
継続降下運航（CDO）とFIM応用方式
 降下角固定進入（FPA）の検証実験• 今後の展望航空機監視応用システム（ASAS）と応用方式

航空機監視応用システム（ASAS）

航空機監視応用システム（Aircraft Surveillance Applications System: ASAS）

ASAS応用方式
In-Trail Procedure (ITP) (1/3)• ITP運用概念
太平洋上を飛行する航空機の柔軟な高度変更

 ITP機（青）と参照機（赤）との距離が15NM以上
 ITP機（青）と参照機（赤）との速度差による制約条件
 ±2000ftの高度変更が対象

ASAS応用方式
In-Trail Procedure (ITP) (2/3)• ITPの試験運用
 FAAとUnited Airlines,
Honeywell, Goodrichのパートナーシップ
 UAの所有する
B747-400型機を改修
 2011年よりSOPAC経路で
ITPデータ 収集を開始
 216回のITPリクエストがあり、うち159回承認・実
施：74％の成功率 （8/2011-7/2014 ）ASAS応用方式
In-Trail Procedure (ITP) (3/3)• EFB(Electronic Flight Bag)の利用

ITP用アプリケーションの開発• ITPデータの表示画面

ASAS応用方式
Flight-deck Interval Management (FIM)• FIM運用概念
ADS-B監視情報を利用して、機上で速度制御を行い、到着の時間間隔を調整

FIM応用方式の実運用に向けて

RTCA/EUROCAE会議での進捗状況• 2014年中に、FIM応用方式のMOPS(Minimum
Operational Performance Requirements)/SPR(Safety
Performance Requirements)を策定予定• FAA, NASA, MITRE, Boeing, UPS, Honeywell, Thales,
EUROCAE, Eurocontrol, NLR

2013年10月RTCAで開催された会議の様子（SC146-WG4）

NASA ATD-1プロジェクトの紹介• ATD-1 (Air Traffic Management Technology Demonstration-1)→ NASA Ames研究所とNASA Langley研究所の共同研究プロ
ジェクト→ FIM応用方式を利用する航空機と従来の飛行をする航空機が混在する到着流を模擬→ パイロットと管制官を介したヒューマンインザループシミュ
レーションで評価

ATD-1プロジェクトで実施したシミュレーションの様子

FIM応用方式 パイロットのタスク（1/2）• FIM実行を管制官に要求• 管制官の指示を受けてFIMを実行/停止/終了• FIM速度制御の実行
 速度調整つまみの調整・EFBに表示される目標速度に追随

FIM応用方式 パイロットのタスク（2/2）• EFBとFIM応用方式

Development & Test Simulator (DTS)@ NASA Langley RC

FIM応用方式 航空管制官のタスク• すべての到着機の順序づけ• FIMの開始と終了• FIMを搭載していない到着機に、従来型の管制サービス

STAからの STAと遅延時間 ETAの
比較

-2:30

地上のトラジェクトリ管理技術
到着機管理システム• “Traffic Management Advisory (TMA)”→ 1980年代後半～1990年中頃、NASA Ames研究所のHeinz
Erzberger博士らによる研究開発→ 全米の主要空港への到着機管理に適用→ ヨーロッパに導入されている到着機
管理システム（Arrival Manager:
AMAN）の代表格、MAESTROはTMA
から派生→ 20年間に渡り、現場で活用されている実績→ TMAありきで進むアメリカの航空管制研究・開発TMAのスケジューリングアルゴリズム• 到着時間と到着順を計画
Aircraft A
CenterFreezeHorizonTerminal Gate A
12:00
TRACON
12:20
Runway12:21 12:23
Terminal Gate B
12:01

12:01 + x
Aircraft B羽田空港の航空交通流への応用

継続降下運航（CDO）• CDO (Continuous Descent Operation)→降下開始から水平飛行なしで継続的に降下• OPD (Optimized Profile Descent)
40000
30000
20000
10000

CAS (knot)

Radio Altitude (ft)

→ 運航コスト（燃費）を最小にする降下

0
0

20

40

60
DTG from FAF (NM)

80

100

120

0

20

40

60
DTG to FAF (AZURE)

80

100

120

350
300
250
200
150
100

FIMを応用したCDO• 複数機のCDO• CDO中にFIM速度制御で機体間隔を調整• 浅めの経路角を指定し、スロットル調整で速度制御

TOPAZによる安全性解析• FIM速度制御を利用した運航の安全性を検討

FIM運用を想定した将来の航空管制システムのモデル化とモンテカルロシミュレーションによる評価

羽田空港の到着機管理• 羽田の到着機にFIMによるCDOの適用を検討

FIMとトラジェクトリ管理• ASTARアルゴリズム
トラジェクトリ予測に基づく速度制御系
1) 飛行経路の設計
2) 滑走路到着時刻を予測
3) 先行機と、指定した時間間隔を保ちながら到着するよう、
速度制御コマンドを生成

SPICAシミュレータの研究開発（1/2）• SPICAシミュレータ
目的：
FIM運用を想定した将来の航空交通管制シス
テムのファストタイムシミュレーション環境を構築する
設計コンセプト：
将来的な運用の発展に対応できる機能的な汎用性を持たせること
工夫点：
 複雑系のシミュレーションモデルの構築
 GUIとシミュレーション結果の再生機能
 モンテカルロシミュレーション
 C++ オブジェクト指向プログラミング

ペトリネットを利用したFIMモデル

24

シミュレーション結果の表示画面
24

SPICAシミュレータの研究開発（2/2）• SPICAシミュレータの機能- FIM応用方式の運用を模擬・ASTARを搭載- 航空機と制御システム(VNAV, LNAV, TECS)のモデル- パイロット・管制官の入力- 燃料消費量と到着時間間隔の算出機能- 風データの読み込み
SPICA GUISPICA viewer

SPICA viewer (speed/altitude)
25

FIM機の洋上経路からの合流例(1/4)• 飛行経路と降下パス

FIM機の洋上経路からの合流例(2/4)

FIM機の洋上経路からの合流例(3/4)

1-2機目：120.1sec
2-3機目：123.4sec
3-4機目：119.5sec

FIM機の洋上経路からの合流例(4/4)

新たなCDOの提案• 経路角固定(FPA)降下方式
Fixed-Path Angle approach

FL210-250: FL200でFPA経路に合流
FL310-350: FL300でFPA経路に合流

FL260-300: FL250でFPA経路に合流
FL360以上: FL350でFPA経路に合流

運航面の評価• 経路角固定(FPA)降下方式
Fixed-Path Angle approach

FL210-250: FL200でFPA経路に合流
FL310-350: FL300でFPA経路に合流

FL260-300: FL250でFPA経路に合流
FL360以上: FL350でFPA経路に合流

JAL フライトシミュレータ実験(1/2)• B777-200型機のフライトシミュレータを利用• 洋上から羽田に到着する（ホノルル便の）北風運用

JAL フライトシミュレータ実験(2/2)• FPAの設定- 新しいWPを作成-• 風入力- 4レイヤーの風-• 10,000ftで250kt
KAIHO
PQE

SUNNS
SHOES

SMOLT

FPAアプローチの評価例（1/2）• 高度/経路角履歴

FPA1施行目：3.4-2.4度の降下角 FPA2施行目：2.7-2.2度の降下角

FPAアプローチの評価例（2/2）• 運航コストの比較
OPDとFPAアプローチの
燃料消費・および飛行時間
OPD

燃 料 消 費 量 4673.9（lbs）
OPDとの燃料消 0
費量の差（lbs）
飛行時間（sec） 2269
OPDとの飛行時 0間の差（sec）

FPAアプローチ
2.4-3.4度（1施行目）
4809.6FPAアプローチ
2.2-2.7度（2施行目）
4726.6+135.7

+52.7

2296
+27

2359
+90

FPAアプローチ中のFIMの模擬

Pressure Altitude (ft)

• FPAアプローチ中の速度制御効果

40000
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0

SHO02

SUNNS
SMOLT

SHOES

PQE

0

AZURE

KAIHO

500

1000
1500
TTG to FAF (AZURE) (sec)

2000

2500

今後の展望今後の展望羽田空港の航空交通流を対象に、以下の研究を継続/実施する。
• フライトシミュレーター実験によるFPAアプロー
チ評価の継続• SPICAシミュレーションによるFIM評価の継続• 航空管制官とパイロットが参加する航空管制
シミュレーション（ヒューマンインザループシ
ミュレーション）環境の設計• 到着機/出発機管理との連携

EIWAC 2015

“The 4th ENRI International Workshop on ATM/CNS”
will be held in Tokyo, November 17th -19th in 2015
http://www.enri.go.jp/

高カテゴリーGBASの開発状況

独立行政法人電子航法研究所
航法システム領域
吉原貴之、齋藤 享、毛塚 敦、星野尾一明、
福島荘之介、齊藤真二

2014/11/27

平成26年度 電子航法研究所講演会

1

発表内容


GBASの概要と国際動向
カテゴリーⅠ（CAT-Ⅰ）
 カテゴリーⅢへの進展

高カテゴリーGBASの研究開発
国際標準原案と検証
 研究用地上装置（プロトタイプ）の開発


新石垣空港での検証実験
研究用地上装置（プロトタイプ）の設置
 飛行実験


まとめ

2014/11/27

平成26年度 電子航法研究所講演会

2

GBASの概要と国際動向
GNSSと航空航法への利用


GNSS（Global Navigation Satellite System）






GNSSへの期待Accuracy、Integrity、Continuity、Availability

GPS単独での利用では不十分


全ての飛行フェーズをサポート（Gate-to-gate）
地上の無線航行支援施設に依存しない → 効率的な経路と運航
将来の4次元航法

航空航法における安全性要件


GPS（米国）
Galileo（欧州）Beidou（中国）ユーザー側でGPS衛星の故障が瞬時にわからない

着陸へのGPS利用には補強システムが必要

2014/11/27

平成26年度 電子航法研究所講演会

3

GBASの概要と国際動向
GBAS（Ground-based Augmentation System）


精密進入着陸をサポート






補正情報
インテグリティ情報

GBAS
機上装置

VHF送信局

4式のGPSアンテナ＆受信機

GBASデータ処理装置




GPS衛星

GBAS基準局


将来はカテゴリーⅢまで

VDB（VHF Data Broadcast）
周波数：108~118MHz

国際民間航空機関（ICAO）の標準及び勧告方式（SARPs）


カテゴリーⅠ：2001年発効
カテゴリーⅢ：ドラフト版が原案として策定され、検証中

2014/11/27

補強情報
GBAS
地上装置

平成26年度 電子航法研究所講演会

4

GBASの概要と国際動向
GBASの利点
 従来システム（ILS）の制限解消


安定した進入経路（航法システム誤差：1m以下） ⇒ 設置コスト


周辺障害物件（周辺地形）の影響により進入経路の乱れを生じない

複数進入経路に対応 ⇒ 機材コスト


1式の地上設備で全ての滑走路端に進入方式を設定可能



設置制限に対応（コース・オフセットが生じない） ⇒ ミニマ低下

制限区域（クリティカルエリア、センシティブエリア）の保護が不要⇒ 管制間隔 将来の運航による利点


自由度の高い進入経路設定が可能（高度運用） ⇒ 運航効率5
2014/11/27

平成26年度 電子航法研究所講演会

GBASの概要と国際動向
カテゴリーⅠ（CAT-I）の国際動向◆ 運用している空港
 ブレーメン空港（ドイツ北部）
 ニューアーク空港（米国NJ州）
 ヒューストン空港（米国TX州）
 マラガ空港（スペイン） シドニー空港（オーストラリア）
 フランクフルト空港（ドイツ） チューリッヒ空港（スイス）◆ 運用に向け活動している空港
 リオデジャネイロ（ブラジル）
 金浦空港（韓国） ロシア（14空港に設置）
2014/11/27

2012年2月

世界のGBAS配置

2012年9月
2013年4月
2014年5月
2014年5月
2014年9月
2014年10月

Installed

PlannedS-CAT I

http://www.flygls.net by Airbus

 チェンナイ空港（インド） チャールストン空港（サウスカロライナ州）
 セントヘレナ空港（英国領）
 ヒースロー空港（英国）

平成26年度 電子航法研究所講演会

6

GBASの概要と国際動向
機上装備の動向（GLS） CAT-I GBAS


Boeing機
B737-NG（オプション）
 B787（標準装備）
 B747-8（標準装備）
 B777（計画中） Airbus機

A380（オプション） A320（オプション） A330（オプション） A340（計画中） A350（オプション）

2014/11/27

平成26年度 電子航法研究所講演会

7

GBASの概要と国際動向
世界のGBAS研究開発の方向性
CAT-Iの実用化
・システム安全性の認証
・地域の環境（電離圏の状態等）
・大規模空港への対応

GBAS高度運航の開発・検証高カテゴリー標準化・開発・電離圏脅威への対策
・SARPs原案の検証（米国、欧州、日本によるプロトタイプ開発実証）2014/11/27

・国際的な流れ：ILSのトレースから
・日本では、GBAS活用の方式設計開発- 曲線経路からの進入方式- 地上障害物件との安全間隔基準

平成26年度 電子航法研究所講演会

8

GBASの概要と国際動向
日本におけるCAT-Iの技術開発
課題

 国際標準の安全要求を保証するシステム開発
 日本独自の脅威（電離圏擾乱）を保護する設計[関西国際空港でのANA787初飛行]

研究成果

 安全性評価を適用した設計手法を開発-リスク評価と軽減手法（インテグリティモニタ）を開発- 国内の電離圏脅威モデルを構築，フィールドモニタを考案

 安全要求を検証可能なプロトタイプを開発- 安全設計
- 国内電離圏環境でカテゴリーI安全性要求を達成- プロトタイプの性能を評価（関西国際空港に設置）

CAT-I GBASの国内での実用化が可能
2014/11/27

平成26年度 電子航法研究所講演会

9

GBASの概要と国際動向
CAT-Ⅲへの進展

GNSS運航への移行CAT-Ⅲ精密進入の技術的実現性の見通しが重要

GBAS：GNSSによるCAT-Ⅲが期待される唯一の規格

2014/11/27

平成26年度 電子航法研究所講演会

10

高カテゴリーGBASの研究開発
GBAS CAT-Ⅲ

200ft（60m）
インテグリティ
1-2×10-7

インテグリティ
1-1×10-9

カテゴリーⅢは着陸から滑走路のロールアウトまでサポート
2014/11/27

平成26年度 電子航法研究所講演会

11

高カテゴリーGBASの研究開発
最も重要な課題：電離圏異常への対策
電離圏によるGPS信号遅延の空間変化（電離圏フロント）→ 測位誤差要因


CAT-Ⅰ




米国において予想以上の電離圏
異常→ 認証時の主要課題

電離圏フロントを地上側で検出できない場合が存在

CAT-Ⅲ


さらに高い安全性要件

電離圏異常の検出モニタを
航空機側にも搭載

電離圏フィールドモニタ
2014/11/27

平成26年度 電子航法研究所講演会

12

高カテゴリーGBASの研究開発
GBAS CAT-Ⅲの概要


GBAS CAT-Ⅲの特徴


GBAS Approach Service Type（GAST） GAST-D




機上側での電離圏異常の監視と検出アプローチサービスをA～Dに再整理

サービスタイプ

A

B

C

D

進入方式

APV-I

APV-Ⅱ

CAT-I

CAT-Ⅲ

GAST-D運用
GAST-C運用で必要な事項を含む
 200ft以下からロールアウトまでサポート可能

2014/11/27

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13

高カテゴリーGBASの研究開発
GAST-D国際標準原案の検証
GAST-D国際標準化作業


ICAO航法システムパネル（NSP）の作業部会（カテゴリーⅡ/Ⅲサブグ
ループ；CSG）で机上検討による実現可能性の検証を完了した
SARPs原案を策定
2015年2Q

2010年5月

SARPs原案の策定（机上検討での検証済）

運用を含めた検証（プロトタイプでの実証）

GAST-Dプロトタイプ開発による検証


米国：アトランティックシティ
欧州：フランクフルト（独）、ツールーズ（仏）日本：新石垣空港

2014/11/27

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2015年2月に石垣島でCSG
会議が開催される

14

高カテゴリーGBASの研究開発
研究用地上装置（プロトタイプ）の開発


SARPs原案で規定している要件の妥当性検証
安全性評価は設計検証と一体→研究用地上装置の開発
 検証結果のICAO 作業部会へのフィードバック

日本における安全性評価に係る要件の明確化
電離圏現象の違い：日本は磁気低中緯度、欧米は中高緯度
 GAST-Dにおけるリスク評価と軽減方法

平成24年3月より開発着手 → 平成25年9月に完了
NECと製造契約を締結
 システム安全性設計検証の手順はSAE（Society ofAutomotive Engineers, Inc.）に準拠
 安全性設計検証会議（3週間毎に開催）⇒ 合計23回の設計検証会議
 CAT-Iとはソフトウェアの違いが大きい

2014/11/27

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15

高カテゴリーGBASの研究開発
研究用地上装置（プロトタイプ）の位置づけ
TRL

1

2

3

4

机上・要素検討
コンセプト構築5

GAST-D

7

製品開発

ENRI 岩沼GBAS
ENRI関空 プロトタイプ
SARPs原案（CAT-Iの知見）

ENRI石垣プロトタイプ
2014/11/27

89実（模擬）環境 事業可否の技術的判断
プロトタイプ
検証
運用
実証

研究および技術開発

CAT-I GBAS

6

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製品
除外事項
・二重化
・コーディング
信頼性

除外事項
・二重化
・コーディング信頼性
・細部を含めた統合的システム評価16

高カテゴリーGBASの研究開発
プロトタイプにおける異常検出モニタ開発


新規に設計検証したインテグリティモニタ
電離圏勾配モニタ（電離圏異常への対策）
 受信機故障モニタ
 電波干渉（RFI）モニタ、統括モニタ

拡張・高性能化して設計検証したモニタ

検証に重点を置いたモニタ

信号歪モニタ、エフェメリスモニタ
CCDモニタ、過剰加速度モニタ

その他
衛星送信電力低下モニタ
 補正値妥当性モニタ

CAT-Ⅰ
・拡張
・検証の精緻化

2014/11/27

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17

新石垣空港での検証実験
電離圏異常への対策に重点化した検証

重点化した検証内容
地上／機上の連携による電離圏異常検出 電離圏空間勾配モニタ等の異常検出モニタ性能と実現性




新石垣空港
GAST-D検証活動で唯一、磁気低緯度地域における検証 プラズマバブル：電離圏の密度の局所的な減少


プラズマバブルによるGPS信号の影響例
2014/11/27

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18

新石垣空港での検証実験
研究用地上装置（プロトタイプ）の検証


空港環境下での長期安定性試験
安全性設計で仮決めした設定値を実環境下で検証 アベイラビリティを考慮した性能評価と設定値の最適化
 四季を通じたデータ収集で安全性を脅かす事象の発生がないか確認（HMI解析）

GAST-D SARPs原案の妥当性検証
電離圏擾乱下でのインテグリティモニタ性能評価と実証
 滑走路上を含むVDB覆域要件の実現性検証
 サイティング要件の妥当性検証
 電離圏脅威モデルの妥当性検証

2014/11/27

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19

新石垣空港での検証実験
プラズマバブル観測と統合した総合的評価GPS稠密電離圏観測システム（石垣市内の小中学校）



全天カメラ（大気光イメージャ）

全天カメラ
2014/11/27

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20

新石垣空港での検証実験
研究用地上装置の設置
電離圏空間勾配モニタ：
基準局間距離に対する感度解析
により決定

IFM局
（CAT-I機能のため）

GNSS基準局1

394 m

GNSS
基準局2
171 m

光通信ケーブル

GNSS GNSS
基準局3
データ処理装置 基準局4

光通信ケーブル

VDB送信機及びアンテナ
2014/11/27

平成26年度 電子航法研究所講演会

21

新石垣空港での検証実験
研究用地上装置の設置（2）
IFM局（CAT-I機能のため）

滑走路上の覆域
要件の検証

GNSS基準局1
394 m

GNSS
基準局2
171 m

建物

GNSS
GNSS 基準局3
基準局415m
VDB送信アンテナ
2014/11/27

VDB 送信機
平成26年度 電子航法研究所講演会

データ処理装置22

新石垣空港での検証実験
GAST-D機上評価装置



PC

VDB電界強度

GBASメッセージ

GNSSデータ

時刻同期（2PPS）

GNSS受信機(GBAS用)

電界強度

GAST-D（CAT-Ⅲ）


時刻同期（1PPS）
VDB受信機

VDB受信状態の計測
異常検出モニタ搭載
測位計算

GAST-C（CAT-Ⅰ）


測位計算

コース偏位

GNSS
GNSS受信機(基準位置測位用) 信号
実験用航空機
VDB信号
コックピットディスプレイ

信号分析器※リアルタイムだけでなく、オフラインでの計算も可能
2014/11/27

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23

新石垣空港での検証実験
GAST-D機上装置の表示例
メイン画面
コース偏位

水平航跡

衛星配置

コックピットディスプレイVDBスペクトル

2014/11/27
2014/11/27

平成26年度 電子航法研究所講演会

24

新石垣空港での検証実験
飛行実験の概要
目的
地上装置のVDB覆域確認
 アプローチサービス性能確認
 航法システム誤差の評価
 地上／機上装置の連携による電離圏
脅威の軽減⇒ 電離圏擾乱が存在する環境下で実証

飛行パターン

弧状飛行（3種類：オービット、アーク）
一定高度飛行（2種類：レベル）アプローチ（タッチ＆ゴー、ローパス）

2014/11/27

電離圏静穏時（昼間・夜間）
電離圏擾乱時（プラズマバブル：日没後～夜半）

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新石垣空港での検証実験
飛行実験の実施状況


2014年3月及び9月に実施
プラズマバブルが発生頻度の高い春季及び秋季
 通常時及び擾乱時のアプローチ性能評価
 擾乱時で機上／地上での電離圏異常の検出性能評価




VDB覆域
オービット、アーク、レベルフライト 電界強度がVDB要件を満足しているか評価中アプローチ（合計79回）
プラズマバブル発生下での飛行実験データ取得のため、夜間実験を実施 5フライト：プラズマバブルが発生

2014/11/27

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26

新石垣空港での検証実験
アプローチの測位例

2014/11/27

平成26年度 電子航法研究所講演会

27

まとめ


GBAS






CAT-Ⅲ GBAS（GAST-D）






地上／機上の連携で電離圏異常を検出
ICAO NSP作業部会でSARPs原案を策定、2010年5月から運用を含めた検証（実証）へ移行
2015年2月の石垣島でのCSG会議を経て第2四半期にSARPs最終案

GAST-D研究用地上装置


GNSSを用いた着陸システムとしてCAT-Ⅲまでのサポートが期待
国際的にはCAT-Iは運用開始
CAT-Ⅲ標準化と将来に向けて高度な運航方式の開発が課題

SARPs原案の妥当性検証
日本における安全性評価に係る要件の抽出

新石垣空港への設置


飛行実験と長期安定性試験の実施
電離圏異常への対策を中心とした検証に重点2014/11/27

平成26年度 電子航法研究所講演会

28

謝辞


GAST-D研究用地上装置の新石垣空港への設置、データ収集につきまして、国土交通省航空局、気象庁那覇航空測候所、沖縄県土木建築部空港課、ならびに石垣市建設部空港課の関係者に多大なるご協力を賜りましたことに深く感謝を申し上げます。

2014/11/27

平成26年度 電子航法研究所講演会

29

Electronic Navigation Research Institute平成26年度 電子航法研究所講演会

次世代運航を切り開くENRIの技術
新しい空港面移動通信システム（AeroMACS）の開発動向

監視通信領域
住谷 泰人©ENRI平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

Electronic Navigation Research Institute

はじめに
No.2

 背景
 新しい空港面移動通信システム（AeroMACS）の国際動向

Aeronautical Mobile Airport Communications System 電子航法研究所のAeroMACS研究開発
 欧米のAeroMACS構想
 まとめ
空港におけるAeroMACS利用イメージ©ENRIElectronic Navigation Research Institute平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

航空機の運航No.3©ENRI

平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

Electronic Navigation Research Institute背景 〜 航空用データリンク
No.4

航空通信システム：管制官〜パイロットの情報伝達・情報共有手段

現在

航空用デジタル通信（VHF帯/衛星/HF帯）：Max 31.5kbps
新たな管制通信規格〜次世代の効率的・安全・定時運航のために〜
 ATC/AOC双方利用可 / COTSを利用（システム開発の効率化）
 将来航空通信システム検討（欧米・ICAOのR&D）: 2004〜2007年頃［ AeroMACS（空港面<5GHz>）， LDACS（陸域<1GHz>），衛星 ］©ENRI

平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

Electronic Navigation Research Institute

AeroMACSの利用技術と国際動向
No.5

Aeronautical Mobile Airport Communications System

IEEE802.16-2009(モバイルWiMAX)
技術を適用※WiMAX Forum：WiMAXの国際技術標準化団体(NPO)

WiMAX: Worldwide
Interoperability for
Microwave Access(第4世代移動体
通信技術)
©ENRI

Electronic Navigation Research Institute平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

ICAOにおける航空通信システム規格の策定体制
No.6

AeroMACS©ENRI

平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

Electronic Navigation Research Institute

WiMAX Forum Aviation WG
No.7

 WiMAX規格を航空用技術基準や国際標準規格に適用するためのサポート
 AeroMACS技術基準(RTCA/EUROCAE)
及び国際標準(ICAO)の策定に参画
 WiMAX Aviation（AeroMACSに関する
ワークショップ）を開催

WiMAX Aviation 2014 Sendaiの模様

WiMAX Aviation 目的：航空管制技術並びに空港面通信技術と将来像の議論・共有、関係者への啓蒙、関連技術の促進
 参加者：AeroMACSに取り組む主要な航空関連政府
機関及び技術関係者
 第1回：米国（米国・ワシントンDC近郊）
2013年9月10〜11日
 第2回：欧州（ベルギー・ブラッセル）
2014年5月14〜15日
 第3回：アジア（日本・仙台）2014年11月11〜12日

WiMAX Aviation Field Technical Tourの模様（電子航法研究所岩沼分室）©ENRI

平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

Electronic Navigation Research Institute

ICAO ACP WGS会議とAeroMACSの国際規格
No.8
Chapter 1 DEFINITIONS
Chapter 2 GENERAL REQUIREMENTS
2.1 GENERAL
Chapter 3 Radio Frequency(RF) CHARACTERISTICS  WiMAX(IEEE 802.16-2009)準拠
3.1 General Radio characteristics
 周波数：5030MHz 〜5150MHz
3.2 Frequency Bands
3.3 RADIATED POWER
 バンド幅：5MHz
3.4 MINIMUM RECEIVER SENSITIVITY
3.5 SPECTRAL MASK AND Emissions
 出力、スペクトルマスク、 etc..
3.6 FREQUENCY TOLERANCE
Chapter 4 PERFORMANCE REQUIREMENTS
4.1 AeroMACS Communications Service Provider
4.2 DOPPLER SHIFT
4.3 Delay
4.4 INTEGRITY
4.5 SECURITY
Chapter 5 SYSTEM INTERFACES
Chapter 6 APPLICATION REQUIREMENTS

主な技術仕様期待される伝送速度： 〜数Mbps• FtoF（年2回)/Web会議(複数回)[2012年〜]• ACP WGS第6回会議 (FtoF)：2014(平成26)年11月13日〜14日• SARPs策定作業の最終調整会議
次の作業は・・・

ガイダンスマテリアス(技術マニュアル)策定へ

ICAO ACP WGS第6回会議の模様©ENRI

Electronic Navigation Research Institute平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

電子航法研究所のAeroMACS研究開発
No.9

©ENRI

平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

Electronic Navigation Research Institute

AeroMACSプロジェクト
No.10

目標：高速データリンクの構築
システム開発プロジェクト：4年計画 (2012 ~ 2015年)
AeroMACS信号解析
AeroMACS信号送受信システム開発（2012年夏）WiMAX機能付き計測器にて構築

AeroMACSプロトタイプの性能評価
AeroMACSプロトタイプシステム開発（2014年夏）AeroMACS 国際標準規格案の策定、確認、評価

ICAO AeroMACS国際標準規格策定（国際貢献）
専門の作業部会（ICAO ACP WG-S）への参画
実験に基づく性能解析結果のWP/IP, 検証作業

©ENRI

平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

Electronic Navigation Research Institute

AeroMACSプロトタイプ開発（仙台空港走行実験）
No.11

プロトタイプ構成

撮影方向

仙台空港
ターミナル



AeroMACS国際標準規格案に準拠（周波数：5091〜5150MHz対応） BS（基地局）、MS（端末）、Core Server、アンテナ群から構成
 無線局免許取得（2014年9月）後、空港内走行の性能評価実験を開始

仙台空港周辺マップ※上図は国土地理院の電子国土webシステムから配信された空中写真(2007年以降)を利用しています©ENRI

Electronic Navigation Research Institute平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

評価システム
No.12

 走行車両内に設置したPC画像※信号強度（RSSI: Received Signal Strength Indication) : ●＞●＞●＞●※伝送速度（スループット） (下り（DL） /上り（UL) DL:■ UL:■©ENRIElectronic Navigation Research Institute平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

プロトタイプを用いた性能解析例
No.13← 信号強度（RSSI）↓ 伝送速度（Throughput）©ENRI

Electronic Navigation Research Institute平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

AeroMACSプロトタイプを利用したデモンストレーション(WiMAX Aviation 2014 Sendai / Field Technical Tour)

No.14

実施デモンストレーション例

WiMAX Aviation Field Technical Tourの模様（電子航法研究所岩沼分室）©ENRI

Electronic Navigation Research Institute平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

AeroMACS構想 〜米国
No.15※NASA報告書：NASA/TM-2011-217236「Aeronautical Mobile Airport Communications System (AeroMACS)より©ENRI

Electronic Navigation Research Institute平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

AeroMACS構想 〜欧州
No.16※ICAO ACP WGS5 IP07より©ENRI

Electronic Navigation Research Institute平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

まとめ
No.17

 新しい空港面移動通信システム（AeroMACS）の開発動向
 ICAO作業部会にて国際標準規格（SARPs）がほぼ確定
 パネル会議（2014年12月）にて承認後、2016年発効に向けICAO内調整予定

 電子航法研究所におけるAeroMACSの開発動向
 調査活動（〜2011年）の後、システム開発プロジェクトを開始（2012年〜）
 AeroMACS信号解析システムの開発（2012年夏）
 AeroMACSプロトタイプの開発（2014年夏）
 国際標準規格策定・検証作業への参画・国際貢献 プロトタイプを利用した実験解析結果例・デモンストレーション例

 欧米のAeroMACS構想©ENRI

Electronic Navigation Research Institute平成26年度 電子航法研究所講演会 2014年11月27日

今後の予定
No.18

 AeroMACSプロトタイプを利用した実験
 アプリケーション開発を含むプロトタイプの拡張・改修
 プロトタイプを利用した各種デモンストレーション
 実験用航空機への搭載
 AeroMACS技術マニュアル策定作業への参画

謝辞
本研究の実施において、各種システム構築及び実験にご協力頂いた関係各位に感謝申し上げます©ENRI