地上型衛星航法補強システム(GBAS)の開発と安全性要求の保証
電子航法研究所 航法システム領域※福島荘之介，齊藤真二，吉原貴之，齋藤享，藤田征吾

Electronic Navigation
Research Institute第12回電子航法研究所研究発表会 2012.6.7
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発表内容
 研究背景 GBASの概要

 １．安全性要求・設計プロセス
 ２．危険事象の解析

 ３．衛星異常に関するモニタ妥当性検証
 まとめ
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研究背景
 将来の航空交通システム
NextGen（米），SESAR（欧），CARATS（日） 衛星航法による精密進入を実現するシステム
GBAS（地上型衛星航法補強システム）
 GBAS（CAT-I）装置の開発段階（一部実用化）
 電子航法研究所は，プロトタイプ装置を開発
安全性設計技術，我が国特有の課題– 空港環境へ設置（関西国際空港）– 基本性能評価（飛行実験）– 国際標準の安全性要求を評価
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GBASの概要 １
これまでの主な経緯
1995 ICAO 国際標準化活動開始
2001 CAT-I 国際標準発効
ILSより高精度，安全性要求が課題
2005 ボーイング社737NG, 787への装備を発表
機上装置開発2009 FAAはCAT-I装置の設計承認
2011 GBASを標準装備した787が就航

主な海外動向米国 ：ニューアーク空港，ヒューストン空港
ドイツ ：ブレーメン空港（2012年2月運用）
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GBASの概要 ２
構成

補強情報
GPS衛星

1. GPSの補正値
2. 完全性情報

機上装置

3. 進入経路
補強情報
VDB

送信機器
VDB：VHFデータ放送
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基準局機器

データ処理機器
GBAS地上装置

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GBASの概要 ３
主なメリット ILSに比較し高精度航法性能の向上
地上装置１式で複数進入方位に対応
コスト削減
 高度な進入経路を設定する能力
運航効率向上GLS（GNSS Landing System）装備機

B737NG，B787，B747-8（標準），A380, A320, A330/3406
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１．安全性要求
ICAO Annex-10 国際標準 CAT-I
インテグリティ（完全性）
ユーザの安全が阻害されるとき，タイムリーに警報を発生する確実さの指標
1ー2×10-7 /アプローチ

コンティニュイティ（連続性）
警報を発生せずにサービスを連続して与えるための指標
1－8×10-6 /15s

アベイラビリティ（有効性）
警報による中断なしにサービスを行う時間の割合
99～99.999%
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１．警報動作保護レベル
横方向（m）

LAL
LPL

VAL

誤差 保護レベル

VPL

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200

10
時間20

誤差
CAT-I
横方向警報限界（LAL）：40m
垂直警報限界（VAL）：10m※異常衛星を地上側で検知・排除
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１．基本設計プロセス
スレット

脅威

システム安全性構造の設定

好ましくない潜在的な要因
スレットの網羅的洗い出し
リスク

スレットが顕在化する可能性

リスク解析

リスクの体系化

緩和策検討

フォルト・ツリー解析

NO
リスクは許容可能か？

安全性要求の定量的評価

YES
完了
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１．スレットとなる要因
 GBAS地上装置の故障

内部要因

 GPS衛星・制御局の故障（信号異常） 外部要因
 電離圏擾乱
不確実性大衛星故障
 信号歪み 擬似距離の加速度過剰
 コード・搬送波ダイバージェンス
 放送暦異常 信号電力低下
電離圏擾乱

 送信系・原子時計
 衛星軌道 放送データ※米国機材は電離圏脅威を北米大陸に限定
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１．主なリスク低減手法
主要モニタ
信号歪みモニタ
加速度過剰モニタ
コード・搬送波ダイバージェンスモニタ
放送暦モニタ

リスク低減アルゴリズム
ポジションドメインスクリーニング
電離圏フィールドモニタ（IFM）
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２．危険事象（HMI）の解析 1
スタンフォードチャート：誤差と保護レベルの頻度分布

垂直保護レベル2012年4月15日 24時間 垂直保護レベル＞警報限界

誤警報
警報限界
誤差＞保護レベル

垂直誤差

危険事象（HMI）
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２．危険事象解析 2
初期にHMIが発生した例：

擬似ユーザ局 1

擬似ユーザ局 2 取得データの分析による原因探求
 ソフトウェアの改版
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２．危険事象解析 3
原因分類：
 アルゴリズム記述文書（ADD）の誤り
 ADDの解釈の誤り（誤解を与える曖昧な記述）
 ADDと異なる実装が行われた（コーディング段階での判断誤り）
 プログラム誤り（設計段階，コーディング段階）

対応：- ADD修正- ソフトウェア改版（３回）
現在HMI未発生（1年間のデータ）
実用機では航空用ソフトウェア開発指針（RTCA DO178/278）要求
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３．モニタ妥当性検証 1
信号歪みモニタ
PRNコード

SV19問題
相関関数

Navigation Data Unit

モデルA
立ち上り時間 Δ

GPS衛星内のNDU故障

σ 減衰比

機上・地上受信機の相関器等の違い

モデルB
共振周波数 1/fd

モデルC

機上で距離誤差を発生
チップ

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オフセット

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３．モニタ妥当性検証 2
信号歪みモニタ 脅威空間（Δ,σ,fd）を定義
国際標準
 機上受信機タイプ［相関器（2種類），相関器前帯域幅］
 計算機シミュレーション（空間探索） 機上の距離誤差Δρと検定統計量ΔRの関係
 衛星固有のバイアス誤差
感度解析（観測データ）
 最悪ケースでも要求確率で検知可能であることを検証

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３．モニタ妥当性検証 3
加速度過剰モニタ
 衛星搭載原子時計の異常
 搬送波位相の加速度成分を検定統計量とする
 最小検知可能な検定統計量（MDE）が許容可能な検定統計量の最大値（MAE）が越えないことを検証
MAE

MDE
Pmd

THPffmd
検定統計量
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３．モニタ妥当性検証 4
CCDモニタ 衛星故障や電離圏擾乱により平滑化フィルタで誤差が蓄積され増加する現象
 搬送波位相と擬似距離の差に2段階のフィルタを適用して検定統計量とする
 許容可能な検定統計量（MADR）を計算機シミュ
レーションによる最悪ケース解析で求める
 最小検知可能な検定統計量（MDDR）がMADRを越えないことを検証
検定統計量に季節変動

電離圏活動に基因
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まとめ
GBASの安全性要求を設計・検証するプロセス
実環境の連続データを用いたHMI解析
信号歪み・加速度過剰・CCDモニタの妥当性検証

GBASの安全性要求を保証する設計指針を示した
我が国でCAT-I GBASの実用化が可能
謝辞： 航空局交通管制部
大阪航空局関西空港事務所
関西国際空港株式会社
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