15. 航空機動態情報の品質解析
監視通信領域

松永 圭左， 古賀 禎

航空交通管理領域 瀬之口 敦

平成24年度（第12回） 電子航法研究所研究発表会
平成24年6月7-8日
1

- 発表内容 1. SSRモードSによる動態情報ダウンリンクの概略
2. 航空機動態情報(DAPs)導入時の課題
3. DAPs評価試験内容
4. 収集データを用いた評価試験結果
5. まとめ2

1. SSRモードSによる動態情報ダウンリンクの概略
9 SSR（二次監視レーダー）モードS・・・ 監視機能 （３次元位置，識別番号）＋ データリンク機能
9 ダウンリンクした航空機の動態情報－ 意図情報（選択高度等）－ 状態情報（速度，磁方位，ロール角，等）

DAPs (Downlink Aircraft Parameters)z 管制官の状況認識の向上
z 音声通信量の低減
z 航空機の予測精度改善による交通量増大への対応および安全性の向上
3

1.2 － モードS対応状況－
モードS局 ： 航空路監視レーダ10局／空港監視レーダー7空港

国土交通省ホームページより引用http://www.mlit.go.jp/koku/15_bf_000405.html※ 航空機（羽田付近）の約8割がモードS対応（H24年3月時点）4

1.3 SSRモードSによるDAPsの仕組み
航空機

質問

アドレス: 0xXXXXXX

応答BDSデータアド
B D S レ ス,
コー
ド

モードS トランスポンダ

 255 個の記憶領域
FMS

BDS レジスタ

高度計

BDS01
BDS02
・・・
BDSff

気象計
…
動態情報

… 接続された機上装置の動態情報を格納（DAPs）
モードS
センサ
GICB
コントローラ（BDSレジスタ）

トランスポンダ毎に固有のアドレス－＞個別質問可能

収集データ
記憶装置

レーダ情報
表示装置

5

1.4 BDSレジスタ概要
BDSレジスタ（56bit×255）
BDSコード
データ内容
(Hex)
・装置構成
・能力情報

10/17/18 データリンク能力通報/19
20 航空機ID（便名）
30 ACAS RA
40 航空機選択高度意図
50 トラック・転回通報

・航空機意図情報
・状態情報（ロール角，トラック角，対地速度，トラック角変化率，真対気速度）60 磁方位・速度通報（磁方位，指示対気速度，MACH，気圧高度変化率，垂直慣性速度）6

1.5 DAPsデータ例（1航空機の時系列データ）
速度
気圧高度
選択高度

MACH
トラック角
ヘディング
ロール角
トラック角変化率

QNH
設定値

気圧高度変化率
慣性垂直速度※ 異常データがあると，DAPs導入時に問題となる。
7

- 発表内容 1. SSRモードSによる動態情報ダウンリンクの概略
2. 航空機動態情報(DAPs)導入時の課題
3. DAPs評価試験内容
4. 収集データを用いた試験結果
5. まとめ8

2.1 DAPs導入時の課題
航空管制にDAPsを導入するには，データの信頼性が重要・・・ 従来の試験では，

9モードS
トランスポンダ
BDSレジスタ

Mode Control Panel

データ集約・
形式処理I/F装置

Flight Management System
データバス

種々のセンサ類

気象センサ

航法データ
センサ

多数の構成装置，データ間の相関等→ テスト項目が膨大，試験項目抜けの恐れ

9装置の構成毎に異なる手順／試験装置が必要

9

運用中の異常検出が不可能⇒ 運用中の機体からのダウンリンクデータを用いて，機上装置が規定要件に適合しているかの検証，および異常検出するモニタリングシステムが必要

9

2.2 DAPs導入時の課題への対応
 欧州
・ DAPs対応が義務化
・ EECにおいて、モニタリングを実施

EECでのMode-Sモニタ空域

 米国
MITリンカーン研究所で、モニタリングシステムを開発

Mode S Monitoring - Participating Ground Stations
http://www.eurocontrol.int/msa/public/standard_page/modes_amp.html⇒ 日本での将来のDAPs導入に向けて，当研究所で，モニタリングシステムを開発中。
MIT手法を適用し，ICAO要件への適合検証，および異常値検出の評価試験を行った．

10

- 発表内容 1. SSRモードSによる動態情報ダウンリンクの概略
2. 航空機動態情報(DAPs)導入時の課題
3. DAPs評価試験内容
3.1 静的情報試験の詳細
3.2 動的情報試験の詳細
4. 収集データを用いた試験結果
5. まとめ11

3. DAPs評価試験の内容

MITシステムでは，44項目の試験項目を実施。

¾ 静的情報試験（29項目；うち23項目実装済み）
フライト中は変化しない情報に対する試験… 機上装置の構成や能力通報が，ICAOの規定に適合していることの検証試験¾ 動的情報試験（15項目；うち10項目実装済み）
フライト中に変化する情報に対する試験… 速度、磁方位、ロール角、等の状態情報の異常値検出試験

12

3.1 静的情報試験の詳細 (1) － BDS10/17/18/19 －BDS10/17/18/19はBDSレジスタ10/17/18/19（データリンク能力通報）

ビット
番号

内容

・ 装置構成情報

BDS
コード(Hex)・ 能力情報10

17:23

モードSサブネットバージョン25

モードS特有サービス能力09

BDS40／50／60
利用可能フラグを含む。

1716

DAPsに関連する情報のビット／フィールドが，ICAOの規程に適合しているかの試験

24183441

191733

BDS17／10
構成有効フラグ
BDS60／50／40
構成有効フラグ4913

3.1 静的情報試験の詳細 (2) － BDS40/50/60 －BDS40/50/60は・ 意図／状態情報・ その有効状態フラグ
・ 予約領域から成る。

ICAOの規程：z有効フラグのいずれかは‘1’値z有効でないデータ領域
は’0’値
z予約領域は常に’0’値

BDSレジスタ40（主要動態情報；選択高度意図）
BDS
コード(hex)

ビット
番号

4001

有効フラグ

02:13

データ

14
15:26

有効フラグ FMS
選択高度
データ

27

有効フラグ 気圧設定値

28:39

データ

40:47

予約48

有効フラグ

49:51

データ

52:53

予約54

有効フラグ 選択高度情報源 14
データ

55:56

内容MCP/FCU
選択高度

MCP/FCUモード

3.2 動的情報試験の詳細 (1)DAPs異常値の検出：
・ DAPs値
・ レーダ測位値から計算された動態情報値の差を，判定閾値と比較
ー＞ 合格／不合格

例： 対地速度（GS）( xi − xi −1 ) 2 + ( yi − yi −1 ) 2
GSi =ti − ti −1
例： 真トラック角(TTA)−1 ⎛ x i − x i −1 ⎞⎟⎟TTAi = tan ⎜⎜⎝ y i − y i −1 ⎠
σR :
距離誤差

Rσθ :
方位角誤差

◎ 判定閾値：ターゲット位置のレーダ測位誤差に基づき算出。
← レーダセンサ誤差 (σR, σθ)から求まる.

yターゲット位置(R, θ)
R: 距離（レンジ）
θ: 方位角x

レーダセンサ位置15

3.2 動的情報試験の詳細 (2) － 処理手順 －収集データ
レーダ測位値・DAPsデータデコード
レーダ測位値（外部データ）
気象データ（風速，気温）今回は未実施DAPsデータ

レーダ測位異常値排除
フィルタ処理
水平：7点ニ次曲線フィッティング
垂直： Gauss-Kernelスムージング

レーダ測位値（フィルタ処理後）動態情報計算閾値算出

レーダ動態情報判定閾値

DAPsデータ異常判定
試験結果（合格／不合格）

16

3.2 動的情報試験の詳細 (3) 高度変化率に関する判定閾値

高度分解能
測定時間差

~ 125[ft/min]

 気象データ（外部）の欠損による影響¾ 磁方位(HDG; Magnetic Heading) : 未実施¾ 真対気速度(TAS)，指示対気速度(IAS)，マッハ数(Mach) :- ３速度の整合性 <- 大気標準モデル・速度変換式を使用
 ロール角（RA; Roll Angle）
真対気速度(TAS)／トラック角変化率(TAR)が無効の場合，－ TAR とRAの符号の一致を確認－ TAR とRA双方の値が小さい場合は，合格（PASS）
17

- 発表内容 1. SSRモードSによる動態情報ダウンリンクの概略
2. 航空機動態情報(DAPs)導入時の課題
3. DAPs評価試験内容
4. 収集データを用いた試験結果
4.1 収集データ
4.2 静的情報試験結果
4.3 動的情報試験結果

5. まとめ18

4.1 試験結果 － 収集データ －覆域

 調布SSRモードS実験局

高度：

覆域： 250 NM

・ 10,000 ft

周期： 10 sec
筐体出力： 最大 1.5 kW

静的情報試験：１ヶ月分
2011年6月1日～30日

・ 20,000 ft

40

・ 30,000 ft

39

・ 40,000 ft

38
Latitude[Degree] 解析対象データ期間

4137
36
3534

動的情報試験：１日分
2011年6月1日

3332
31
135

136

137

138

139
140
141
Longtitude[Degree]

142

143

144

145

19

4.2 試験結果 － 静的情報試験(1) : BDS10/18/19 －対象 試験BDS 番号1018

試験内容

14 モードSサブネットバージョン
15 固有サービス能力2 BDS10静的構成有効3 BDS17静的構成有効

試験実施回数
総数
21,427

不合格
18,561

17,9306 BDS40静的構成有効197 BDS50静的構成有効

機体数

1211総数
1,519

不合格
1,272

1,512

316,713

8 BDS60静的構成有効341
131,500

3¾ モードSサブネットバージョンは，８割以上の機体で適切に設定されていない¾ 少数の機体において，不適切な設定を確認¾ その他の試験項目では，低い頻度で偶発的エラー発生を検出20

33

4.2 試験結果 － 静的情報試験(2) : BDS40/50/60 －対象 試験
BDS 番号

試験実施回数

試験内容

総数

28 有効ビット=‘1’有り
405060

機体

不合格

総数

不合格

8416 1,519

130 予約フィールド='0'416

131 有効ビット=‘1’有り

8829 無効データフィールド='0'

32 無効データフィールド='0'
38 有効ビット=‘1’有り
39 無効データフィールド='0'

2,877,354

8

2,877,947
2,878,261

0
80

1,519

08

1,5190¾ 試験番号28,31,38に関して，低い頻度で偶発的エラー発生を確認¾ 試験番号29,30に関して，装置の不具合によるものと推測21

4.3 試験結果 － 動的情報試験 (1) : データ例（航跡） －37
緯度[deg]

レーダセンサ
（調布）

34
137

経度[deg]140

高度 [ft]40,0000
システム時刻 [sec]220+100○ レーダ計算値
＋ 差

[kt]

－ 閾値

0-100[deg]♦ DAPs♦ DAPs
0+30
[deg]

[kt]

4.3 試験結果 － 動的情報試験 (2) : データ例（GS,TTA） －対地速度（GS）
トラック角（TTA）
500360○ レーダ計算値＋ 差－ 閾値0-30¾ 閾値が，ターゲット位置／運動方向によって影響を受ける。
¾ 閾値が，過小または過大となっている場合がある。

23

4.3 試験結果 － 動的情報試験 (3) －α = 1.96 (95%)

4050

2000 対地速度（GS）とトラック角変化率（TAR）のみ，不合格率が5%以下。
 その他の動態情報に関しては，不合格率が想定以上に高い。
24[%]

60

IVV

 判定閾値 = α σ

100BARσθ = 0.06 [deg]80RAσR = 25 [ft]

100

TAR

 レーダセンサ性能:

[%]

150

TTA

188,504

不合格率

IAS
MACH

総ターゲット数:

965

TAS

総航跡数：

不合格回数

回数
千[千回]

GS

対象トランスポンダ数: 437

実行回数5. まとめ
MITリンカーン研究所が開発した手法を適用した
航空機動態情報（DAPs）モニタリングシステムを開発し，評価試験を実施した。

¾静的情報試験
概ね有効に機能した
偶発的エラー発生および装置の不具合によるエラーを確認した。

¾動的情報試験
適切に機能しなかった
判定閾値が過小または過大になる場合がある。
 今後の課題：

9 閾値設定手法の検討
・・・ターゲット位置／運動状態，データ更新頻度

25

(Backup slides)

26Annex10
Mode S interrogation pulse sequence
データブロック（56 or 112 bit）
DPSK 4Mbit/s

27

Annex10
Mode S reply
データブロック（56 or 112 bit）

パルス位置変調28

Annex10
Mode S formats
interrogation or uplink formats

reply or downlink formats

29

30

6. 主要動態情報レジスタ評価結果(続き)BDS40

TEST#29, #30 （無効／予約フィールド＝’0’）

時系列エラー発生状況

Error-Test #Error
40
35302520151050TEST#29
TEST#30

Pass
1415

16

17

18

Localtime [Hour]31データ収集 －GICB質問フローチャート－
モードS機捕捉後，GICBコントローラがBDS 10 → 18 → 19 → 17の順に要求質問を行う．
BDS17に含まれる
BDS40/50/60/05の有効フラグが全て設定されている場合に，BDS40/50/60/05の要求質問を繰り返す．
BDS40/50/60/05の要求質問を行う航空機数の最大値を設定している．（20機程度）

モードS機捕捉
BDS10要求
BDS18要求
BDS19要求
BDS17要求
BDS17解読No
DAPs能力あり?
Yes
No
DAPs機数＜N
Yes
No
覆域内?
Yes
BDS40/50/60/05
要求

通常監視

要求停止

32

3.2 動態情報計算式(1)● 対地速度 (GS; Ground Speed)

GS i = ( xi − xi −1 ) 2 + ( y i − y i −1 ) 2 (t i − t i −1 )● 真対気速度 (TAS; True AirSpeed)

TAS = GS − W

W : 風速● 指示対気速度 (IAS; Indicated AirSpeed)

IAS = TAS •p, TpT
p0 T0: 気圧，気温p0, T0 : 海面高度での気圧，気温● マッハ数 (M; Mach)TAS = M • aaa[knots] = 661.5 •: 音速

TT0= 29.06 518.7 − 3.57 • altitude[ ft ] ： 標準対気モデルの場合
33

3.2 動態情報計算式(2)● 真トラック角 (TTA; True Track Angle)，トラック角変化率(TAR; Track Angle Rate)⎛ xi − xi −1 ⎞⎟⎟TTAi = tan ⎜⎜⎝ y i − y i −1 ⎠−1TAR i = (TTAi − TTAi −1 ) (t i − t i −1 )● 磁方位 (HDG; Magnetic Heading)⎛ GSxi − Wxi ⎞⎟⎟ + θ εHDGi = tan −1 ⎜⎜⎝ GSyi − Wyi ⎠Wx, Wy: 風速

θε: 磁北偏差● ロール角 (RA; Roll Angle)⎛ TAS i * TARi ⎞⎟⎟g⎝⎠

φi = tan −1 ⎜⎜● 気圧高度変化率 (BAR; Barometric Altitude Rate)，
垂直慣性速度 (IVV; Inertial Vertical Velocioty)

Vz i = ( Z i − Z i −1 ) (t i − t i −1 )34

3.3 ダウンリンクデータ異常判定閾値算出(1)
レーダの測位誤差をもとに算出
Azimuth誤差Range誤差

Range誤差： σR = 25 [ft]Azimuth誤差： σθ = 0.06 [deg]∂f ∂f 2σ ( f (x1 ,.,., xn )) = ∑∑σ xi x ji =1 j =1 ∂xi ∂x jnn2yθ: Azimuth

レーダー性能ターゲット位置誤差
Target Location(R, θ)
R: Range

σx2 = σR2*sin2θ + R2* σθ2 *cos2θ
σy2 = σR2*cos2θ + R2* σθ2 *sin2θ
σxy2 = (σR2 - R2*σθ2 )* sinθ *cosθxRadar Location

上記の値を用いて，速度，真トラック角，トラック角変化率，ロール角の誤差を35算出する。

3.3 ダウンリンクデータ異常判定閾値算出(2)
Speed :
Heading :2σ Speed=2σ HDG=

Heading-Rate :RollAngle :

σ2HR

=

Δx 2 (σ x2i + σ x2i−1 ) + 2ΔxΔy (σ xy2 i + σ xy2 i−1 ) + Δy 2 (σ y2i + σ y2i−1 )(Δx 2 + Δy 2 )Δt 2
Δx 2 (σ y2i + σ y2i−1 ) − 2ΔxΔy (σ xy2 i + σ xy2 i−1 ) + Δy 2 (σ x2i + σ x2i−1 )(Δx 2 + Δy 2 ) 22σ HDGi σ HDGi−1

Δt 2
φmax = tan −1 ((V + α *σ Speed ) * ( w + α * σ HR ) g )φmin = tan −1 ((V − α * σ Speed ) * ( w − α * σ HR ) g )Δx = xi − xi −1

V : 真対気速度Δy = yi − yi −1

w : Heading-Rate

Δt = ti − ti −1g : 重力加速度
α : 検定係数

Vz :σVz = 125 [ft/min]36

3.1 Gauss-Kernelフィルタ|ti −t j |<TzTT∑ ω (t , t ) zizsmoothi =jj|ti −t j |<T∑ ω (t , t )itti-4 ti-3 ti-2 ti-1

ti ti+1 ti+2 ti+3jjj

重付けを，時間の正規分布とする。

※ 解析には，
σt = 15 [sec]⎛ (ti − t j ) 2 ⎞1⎟ω (ti , t j ) =exp⎜ −2⎜⎟2
σσ t 2πt⎝⎠

T = 3σt = 45 [sec]
を用いた。

37

4. 3 手順（3）－ 試験内容(1) ： GS, TAS, IAS, MACH －● 対地速度（GS）
レーダーデータから計算されたGSとDAPsデータとの差がασSpeedより大きい場合Fail。
● 真対気速度（TAS），指示対気速度（IAS），マッハ数(MACH)○ 気象データ有の場合
レーダーデータから計算された各速度と各DAPsデータとの差がασSpeedより大きい場合Fail。
○ 気象データ無しの場合
・標準大気モデルを用いて求めたMACH(IASDAPs, z)とMACHDAPsとの差・標準大気モデルと用いて求めたTAS(MACHDAPs, z)とTASDAPsとの差の両方がασSpeedより小さい場合３データともPass。それ以外は３データともFail。
※ ３ 速度のDAPsデータが無い場合は実施しない。

38

4. 3 手順（3）－ 試験内容(2) ： TTA, HDG, TAR, RA －● 真トラック角（TTA），磁方位（HDG）
レーダーデータから計算された各角度とDAPsデータとの差がασHDGより大きい場合Fail。
○ 気象データ無しの場合
HDGデータに関しては，実施しない。
● トラック角変化率（TAR）
レーダーデータから計算されたTARとDAPsデータとの差がασHRより大きい場合Fail。
● ロール角（RA）
φmin < RADAPs < φmax であればPass。
※ TASとTARの試験のいずれかPassしていない場合，レーダーデータから計算されたRAとDAPsデータの正負が一致すればPass。
39

4. 3 手順（3）－ 試験内容(3) ： BAR, IVV －● 気圧高度変化率（BAR），垂直慣性速度（IVV）
レーダーデータから計算された各角度とDAPsデータとの差が125[feet/min]より大きい場合Fail。
＜－ 高度変化率の閾値は，概算で高度分解能測定時間差で求められる。
高度分解能が25feetでデータ更新周期が10秒の場合，上式の値は150[ft/min]となるが，判定基準としては，MIT推奨値である125[feet/min]を用いた。
40