2017年電子航法研究所発表会

飛行検査データを活用したDMEの誤差解析
研究課題名： GNSS障害時の代替(APNT)に関する研究

2017年6月9日
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
毛塚 敦， 斉藤真二， 麻生貴広， 福島荘之介

背景① 我が国におけるGNSS利用の現状
広域航法（RNAV）の普及
GNSSが必須となる経路 (2015/2)
空域

分類総数

ターミナル

Basic RNP1

22

RNAV(GNSS)

39

RNP-AR

29

進入

RNP-AR許可機数(2015/2)
航空会社
型式
J社
737-800
787-8
787-9
A社
737-700
737-800
S社
A320

機数
50322
1030
7 航空需要拡大のため、RNAVが普及
 RNP‐ARでは高い航法精度が要求される( 航法精度<±0.3[NM] )GNSSの装備が必須である経路・認証機体数・運航実績が近年増加
1背景②: ＧＮＳＳ障害の発生
GNSS障害事例

GNSS障害要因
衛星故障・航法メッセージエラー

太陽フレア

電波バースト
電離圏擾乱
干渉

干渉

GNSS航法・RNP-AR・RNAV(GNSS)

・ 2007年 米国海軍の誤送信によりサンディエゴ湾周辺でGPS障害発生・ 2010年 ハノーファー空港にてハンガーのリピータによりGPSが測位不能
・ 2011年 LightSquared社のLTE信号がGPSへ影響・ 2011年 ニューアーク空港にて、GPSジャマーにより、GBAS運用停止
・ 2011年 韓国において、隣国からのジャミングにより携帯基地局へ影響
・ 2012年 韓国において、隣国からのジャミングにより航空機252機のGPSへ影響・ 2014年 GLONASS11時間送信中断

GPS ジャマー

GPS リピータ・ 2016年 SVN23の時刻が13μsecオフ
セットされ、広範囲に影響 様々な要因によりGNSS障害が発生
 GPS障害時でも安全かつ効率的に運航できるように代替測位手法（APNT: Alternate
Position Navigation and Timing）の構築が必要 ⇒ GNSSのバックアップ2背景③：APNTに関わる海外の状況
米国(FAA) NextGen DME (PBN NAS)
Near Term（2016～2020）, Mid Term (2021～2025)• RNAV運航のためのDMEの再構築
No critical DME
183局新規設置 (135局廃止)
100% Class A 空域(Near term )NSG1-2 (73) Airport (Near ～ Mid term)• Avionics変更なし• RNAV1,2をサポート（慣性航法装置を使用せず）• Implementationは2018年度～

応答Δt1
DME地上局

質問Δt2
DME 地上局

DME：Distance Measuring Equipment

Far Term（2026～2030）

DMEによる距離Δt1

光速• Avionics変更あり• 測位精度とインテグリティの向上• APNT研究の継続• Enhanced-DME方式，Hybrid Ranging (DME/ADS-B)方式などが提案

Δt2 50μ23

背景③：APNTに関わる海外の状況
Enhanced DME (eDME)(1) ビート信号の送信： トランスポンダの応答やスキッタに時刻同期または非同期のビート信号を加えて放送する。非同期の場合には2 way ranging（質問と応答）によりトランスポンダの時刻オフセット量を得ることができる。

(2) 搬送波位相の利用: インテロゲータ受信機で受信された搬送波位相を利用し，測距精度を改善する。

(3) データ放送の利用：例えば，2番目のパルス（又は全パルス）にパルス変調を加えることで，補正情報等を地上DME局から航空機に送信することができる (データ転送にはビート信号も活用可）。

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本研究の目的■国内におけるGNSS障害時の対応
GPSによる位置等の情報に疑義が生じた場合に、GPSに依存しない航法（従来の航法）に移行できる場合に限り衛星航法装置を使用することができるものとする (実施基準1-3)。

DMEの誤差要因■GNSS代替航法に必要なDMEの測位精度（RNP0.3）
TSE 0.3 <総合システム誤差

0.252 + (DME測距誤差×HDOP2.8)2

マルチパス

機上装置

対流圏遅延地上装置

飛行技術誤差（運航基準）

DME測距誤差 < 0.058 NM (108m)
仕様 < 0.2NM (370m)
GNSS障害時に現状利用されるDMEは、仕様上RNP0.3（RNP-AR）に利用可能な測位精度を有していない

引用：Wouter Pelgrum et al.,FAA GNSS Library - Document 3 May 2012現在のDMEは開発当初に比べて高性能化?

本研究の目的 ① 現状のDME測位の実力性能を明らかにする
 各誤差量内訳と発生メカニズム
 RNAV運航への適用性検証② 将来のeDME(enhanced DME)の方式検討にあたり、開発要件を明らかにする
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飛行検査データの活用
飛行検査業務とは？
国土交通省航空局が実施し、全国各地に配置されている航空保安施設や、空港及び航空路などに設定される飛行方式等の検査を行う
特別な航行許可 RNAV5, RNAV1/2, RNP APCH
飛行検査システム： ノルウェーNSM社製

引用 ： 国土交通省ウェブサイト

・ SBAS補正されたGPS高度が取得可能
・ 検査開始 2007年～（2回／年 ※H28.4からは1回／年）

 航空局運用課からDHC‐8の検査データを提供
 同一経路・同一高度の検査データを検証可 国土交通省が実施する飛行検査データを活用し、State of the art DMEの誤差量とその要因を明らかにする
 同一経路・同一高度データで再現性を確認
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神戸局の検査結果

2012/4/23
2014/4/24

2012/4/23
2014/4/24
測距誤差 [NM]平均海面高度 [ft]ラジアルR-271飛行検査

DME
仕様

RNP0.3（0.058NM）

DMEからの距離 [NM]DMEからの距離 [NM]

測距誤差 < 0.08NM

DME神戸局

 仕様値 (0.2NM)に比べて高精度
 RNP0.3は満足せず
 神戸局はマルチパスの影響小 バイアス誤差については検討中
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隠岐局の検査結果
隠岐局ラジアルR-204飛行検査
検査データ

DME仕様

検査データ（CMNフィルタ適用）

RNP0.3(0.058)

DMEからの距離 [NM]CMNフィルタ
伝達関数 H(z)1−1−1:
カットオフ周波数∶ エイリアジング係数

2011/4/20 CMN
2011/12/14 CMN

測距誤差 [NM]

測距誤差 [NM]2011/4/20
2011/12/14

RNP0.3(0.058)

誤差

誤差

DMEからの距離 [NM]

 飛行検査データにおける誤差の再現性有⇒ 飛行検査データ活用が有効 0～10 Nmiにおいて、変動する大きな誤差が発生
測距誤差 > 0.18NMi

ハイパスフィルタ
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隠岐局の測距誤差発生要因の解析
マルチパスシミュレーションモデル
マルチパス源振幅θmdm
到達時刻検出点（半値）

直接波 +マルチパス
直接波

DME
到達時刻検出点（半値）

到達時刻検出誤差⇒測距誤差

時刻

 マルチパス源（θm, dm）を仮定し、検査コースにおけるDMEの測距誤差を算出・検査データとフィッティング9隠岐局の測距誤差発生要因の解析
マルチパスの遅延時間に対する測距誤差(300m)(900m)

1μsec

3μsec

マルチパス源探索範囲
隠岐局周辺地形マルチパス誤差[NM]Alt90mAlt90mDME
Alt66mAlt90m
遅延時間 [μsec]
マルチパス誤差: 3μsec までの遅延で誤差大 ～3μsec (～900m)のマルチパスにより測距精度は大きく劣化する 周辺地形より、誤差の要因はマルチパスと予想される
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マルチパスシミュレーション結果
マルチパス源Alt 81m
測距誤差 [NM]300m
DME171° Alt 66m

旧滑走路

マルチパスシミュレーション
シミュレーション
2011/4/20
2011/4/20検査(測定)2011/12/14
検査(測定)
2011/12/14

DME仕様

RNP0.3

DMEからの距離 [NM]新滑走路

 300m, θ=171°の位置においてシミュレーション結果が検査(測定)結果と一致⇒ 0～10NMiにおける誤差の要因はマルチパスであることを特定
 バイアス誤差については検討中
11まとめと課題
本検討では、
 同一経路の同一高度の飛行検査データを活用し、現状の DMEの誤差量および傾向を抽出
 誤差要因追究のため、マルチパス発生源を仮定した誤差シミュレーションを実施
その結果、
 隠岐局で観測された大きな変動誤差はマルチパスであることを特定した
 周囲にマルチパス源が存在しない場合 DME測距誤差 < 0.08NM
周囲にマルチパス源が存在する場合 DME測距誤差 < 0.18NM
 RNP0.3（RNP‐AR航法精度）を満足せず
 マルチパスによる誤差が極めて大（eDMEの開発に向けては特にマルチパス対策が重要）
今後の方針
 地上DMEの遅延監視データの活用によるバイアス誤差の要因分析
 複数局での誤差解析
 eDME開発に向けたマルチパス対策技術の提案
レイトレーシング法を用いた地形・建物によるマルチパス対策技術の検証⇒現行DME設置の際の誤差予測にも活用可能
謝辞 データをご提供頂きました国土交通省航空局 交通管制部運用課 飛行検査センターの関係各位に深く感謝致します．
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