JP5398001B2

JP5398001B2 - 航空機搭載用乱気流事故防止装置

Info

Publication number: JP5398001B2
Application number: JP2009277379A
Authority: JP
Inventors: 浜木井之口
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-12-07
Also published as: US20110134412A1; JP2011117889A; EP2330440A2; EP2330440B1; EP2330440A3; US9097799B2

Description

本発明は、レーザ光を大気中に放射して、そのレーザ光の大気中での散乱光を受信する乱気流事故防止技術、特に、数１００ｍから１０数ｋｍ程度までの遠隔領域の風速をドップラー効果に基づき計測する航空機搭載用のドップラーライダーを用いた乱気流事故防止装置に関するものである。

航空機事故の主要因として近年乱気流が注目されており、航空機に搭載して乱気流を事前に検知する装置として、レーザ光を利用したドップラーライダーが研究開発されている（例えば、非特許文献１を参照。）。なお、ライダー（ＬＩＤＡＲ）とは、光を利用した検知手法で「Light Detection And Ranging」を略したものである。また、照射された光線が、大気中に浮遊する微小なエアロゾルによって散乱され、その散乱光を受信してドップラー効果による周波数変化量（波長変化量）を測定することによって風速を測定することからドップラーライダーと呼ばれている。一方、航空機搭載用として既に実用化されている気象レーダは、有効範囲が数１００ｋｍと広いため、通常は観測画面を常時表示させ、必要に応じてパイロットは観察するため、余裕を持った対応が可能である。ただし気象レーダは大気中の水滴によるマイクロ波の散乱を利用しているために晴天時には効果がない。これに対して、前記ドップラーライダーは、晴天時に有効であるものの、気象レーダと比較して有効範囲が極めて限られているために、対応可能時間が短く、パイロットが表示画面を常時観察するのはワークロードの増大につながり得策ではない。このため、危険や異常が迫っていることを装置が自動的に判断して、パイロットに報知する機能が備えられていれば、その際にだけ表示画面を観察すればよいこととなり、パイロットの負担を軽減することが可能となる。

また、航空機の進行方向前方に乱気流域が存在することが明らかとなった場合においても、その乱気流域を回避することが航空機の性能上不可能な場合、あるいは急激な回避飛行により反って危険が生ずる場合には乱気流域を回避するのではなく、乱気流に突入しても機体の動揺が少なくなるような飛行を行うことが事故防止につながる（例えば、非特許文献２を参照。）。すなわち、パイロットが乱気流を回避不能と判断した場合には、ドップラーライダーの特性を操縦席画面表示に適したものから、オートパイロットの入力に適したものに変化させる機能を付加することにより、機体の動揺低減自動制御が可能となる。

本発明者は先に特許文献１の「風擾乱予知システム」を提示した。この発明は、３次元的な風擾乱を計測することができ、従来のウインドシア警告システムのような予告なしの突然の警告ではなく、信頼できる警告かどうかを事前に確認することができ、どのような対処をするべきか判断しやすい形態で検知でき、そして、航空機に搭載する際、空気力学的や構造的な影響が少なく、更に、ピト一管では計測出来ない20〜30ｍ／Ｓ以下の速度、さらに気流方向が機体軸線と大きく異なる場合でも測定が可能で位置誤差を生じない計測システムを提供することを目的としたもので、この風擾乱予知システムは、ヘテロダイン受信器を内蔵したコヒーレント方式のレーザ風速計を航空機に搭載し、レーザ光を円錐状に走査しながら照射して、飛行中の機体前方の風擾乱領域からの散乱光を受光することにより、遠方の三次元的な気流の速度を計測する方式を採用した。また、計測した３次元の気流情報を上下風および前後風が機体に及ぼす影響を考慮して、上下風のみに換算して２次元に簡易化表示し、風擾乱について乱流強度および平均風に分解して表現するようにした。また、計測した気流情報をパイロットに伝達する際、擾乱の位置を距離ではなく、その擾乱に遭遇するまでの時間を基準として表示するようにし、風計測ライダの円筒状の光学系を一部切欠いて搭載性を向上させるようにしたものである。

しかし、この種のドップラーライダーで検出するレーザ散乱光の受信強度は装置と計測領域との距離の２乗にほぼ反比例するために、一般的に近距離の計測では受信信号強度が高く、計測精度も高くなるが、遠距離になるに従い内部ノイズ成分に対して受信信号強度が低くなり、徐々に不正計測値が増加して計測信頼性が低下するという性質(特性)がある。従来の技術では遠距離の計測性能の向上を図ろうとする場合、送信出力を増加させる方法及び受光面積を増大させる方法があるが、いずれも装置の大型化や消費エネルギー増大によるコスト増加が避けられない。特に航空機に搭載する場合には、搭載用に利用することができる空間や装置を駆動する電力に制限があり、かつ旅客機の巡航する高高度では大気中のエアロゾル量が減少するために、性能低下は避けられず、送信出力を増加させる方法等で計測性能を向上させることには限界がある。

本発明の目的課題は、上記の問題点を解決するもの、すなわち装置の大型化や消費エネルギー増大化を招くことなく、検知距離を２０ｋｍ程度まで拡張し、進行方向に乱気流を検知した場合には乱気流の平面分布監視を可能とし、更には乱気流を回避することが困難な状況では機体の動揺を低減させるオートパイロットの操舵入力用の信号を出力する乱気流事故防止方法並びにその機能を備えた装置を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明の乱気流事故防止装置は、レーザ光を送信信号として大気中に放射（送信）して、該レーザ光の大気中のエアロゾルによるレーザ散乱光を受信信号として受信し、該送信信号と該受信信号との間のドップラーシフト量に基づき遠隔領域の気流の風速を計測する光学式遠隔気流計測装置において、受信される該受信信号は、一般的に遠方からのものほど強度が低下するためにノイズ成分が多くなることを勘案し、乱気流を最初に検知するまでは進行方向前方の１直線上のみの遠隔気流を監視して、該受信信号の長時間積分により信号対雑音比を改善し、より遠方の気流監視を可能とするものとした。ドップラーライダーが進行方向前方の遠方に乱気流を検知した場合には、パイロットに対し音声または表示により自動的に警報を発することが可能となる。このようにレーザ光の方位をスキャンしない形態を乱気流検知モードと名付ける。航空機の運航は巡航中ほとんどが直線飛行であり、方向転換するウエイポイントではパイロットが手動でレーザ放射方位をパンして飛行予定方向を監視すればよい。飛行高度を変更する際も同様にパイロットが意図的にレーザ放射仰角をチルトするものとする。

自動的に該警報が発せられると、パイロットは乱気流への対応のために乱気流防止装置を２次元表示モードに切り替えることができる。パイロットは随時２次元表示モードを選択することが可能であるが、２次元表示モードではレーザ光を水平方向にスキャンする必要性から受信光の積分時間を長くすることができず、計測レンジが１０ｋｍ程度以下に制限される。１０ｋｍ前方で乱気流域を検知した場合、航空機の性能上は該乱気流域を回避できる可能性が高いものの、対応のためにパイロットは常時画面表示を注視していなければならず現実的ではない。このため乱気流検知モードによる警報に基づき２次元表示モードを選択することとした。ただし、離着陸時の低高度かつ低速度条件ではドップラーライダーの計測レンジが充分広いため、標準的に２次元表示モードを選択するのが妥当である。

２次元表示モードで乱気流の状況が把握できた場合でも、運航上現経路からの逸脱が許容されなかったり、回避不可能な乱気流域であったりした場合には、無理な回避操作は反って危険である。このような状況でも事故を回避するために、本乱気流事故防止装置では動揺軽減モードを提供する。動揺軽減モードでは、レーザ光を垂直方向にスキャンするとともに受信光の積分時間を２次元表示モードより短くする。垂直方向のスキャンにより、風速ベクトルを２次元に展開することができる。積分時間短縮はデータ更新レートの向上につながり、このデータをオートパイロットの舵面制御の入力信号として利用することにより、機体の動揺を低減することができる。横方向の気流成分に関しては機体の受圧面積が少ないことにより影響を受けにくいので、計測する必要はない。なお、積分時間短縮により計測レンジが低下するが、舵面自動制御の入力としては１〜２秒前、すなわち数百メートル先の気流情報で充分活用可能であるため問題ない。

本発明の乱気流事故防止方法の骨子は、レーザ光を利用したドップラーライダー方式の光学式遠隔気流計測装置を用い、通常はレーザ放射方位を進行方向に固定して受信信号の積分時間を長く取って遠方の乱気流を検知できるようにし、乱気流を検知したときにはレーザ放射方位を水平方向にスキャンすると共に画像表示を２次元表示に切り替えることにより、乱気流の平面分布を表示可能としたことを特徴とする。
また、本発明の乱気流事故防止方法は、上記構成に加え、レーザ光を利用したドップラーライダー方式の光学式遠隔気流計測方法において、乱気流域が回避できないと判断された場合には、レーザ放射方位を垂直方向にスキャンして気流の２次元ベクトルを計測し、舵面自動制御用に気流情報を出力することができるようにした。

本発明の乱気流事故防止装置は、レーザ光を利用したドップラーライダー方式の光学式遠隔気流計測装置において、通常はレーザ放射方位を進行方向に固定して受信信号の積分時間を長く取って遠方の乱気流を検知する手段と、該手段によって乱気流を検知したときにはレーザ放射方位を水平方向にスキャンすると共に画像表示を２次元表示に切り替える手段とを備えることにより、検知距離を拡張し、進行方向に乱気流を検知した場合には乱気流の平面分布を表示可能としたことを特徴とする。
また、乱気流を検知したときには、警報を発する手段を備え、２次元表示に切り替えられた画像表示の監視をパイロットに促す機能を備えるものとした。
また、本発明の乱気流事故防止装置は、レーザ光を利用したドップラーライダー方式の光学式遠隔気流計測装置において、乱気流域が回避できないと判断された場合に、レーザ放射方位を垂直方向にスキャンして気流の２次元ベクトルを計測し、オートパイロットの操舵入力用に気流情報を出力することができる機能を有するものとした。

本発明の乱気流事故防止方法は、機体の進行方向のみの気流を重点的に監視することにより、ドップラーライダーの有効距離を最大限に拡張し、乱気流を検知した場合にはそのため、パイロットは気流情報の２次元表示画面を常時注視する必要はなく、乱気流を検知したときのみに該表示画面を監視すればよい。このため、装置の大型化や消費エネルギー増大化を招くことなく遠方検出を可能とし、パイロットのワークロードを増大させずに、気流情報を容易に把握することが可能となる。この結果、パイロットは本乱気流事故防止装置を使用することにより、飛行前方の気流状況を早い時期に認識することができ、危険を回避するための適切な措置を取ることが出来るようになる。もし、飛行前方の気流状況がパイロットに対応できるものでない場合でも、レーザ放射方位を垂直方向にスキャンして気流の２次元ベクトルを計測すれば、従前のオートパイロットの１機能である動揺低減舵面制御用にその計測気流データを活用することにより、機体の動揺を低減させることができる。以上のように、本発明の乱気流事故防止方法は、航空機の乱気流事故を防止することが好適に期待される。
また、本発明の乱気流事故防止装置は、上記の乱気流事故防止方法を実行する機能を備えるものであると共に、自動的に警報を発する手段を備えたものは、パイロットは乱気流を検知した場合にのみ、気流情報の２次元表示画面を注視すればよく、ワークロードの負担を軽減できる効果がある。

本発明の航空機搭載用乱気流事故防止装置の態様モードを示す説明図である。横風がある場合の航空機の飛行方位と乱気流域の移動を示す説明図である。本発明による、２次元表示モードの画面表示方法の例を示す説明図である。回避できない乱気流領域の形状の例を示す説明図である。本発明による、動揺低減モードの計測原理を示す説明図である。

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。図１は、本発明の航空機搭載用乱気流事故防止装置の趣旨を示す説明図である。
航空機は巡航中に乱気流検知モード１を標準的に使用して、固定ビームによって進行方向直線上の気流のみを監視する。特許文献２に示される方法等により、乱気流検知モード１で計測範囲内に乱気流を検知した場合、乱気流検知モード１より２次元表示モード２に切替ってビームを水平方向に走査させ、ディスプレ上に気流状態を２次元表示させる。警報機能を備えた本乱気流事故防止装置はこのとき自動的に警報を発して、パイロットにこの２次元表示の注視を喚起する。パイロットは影響低減のための減速操作、シートベルトサインの点灯、機内サービスの中止指示等を行うとともに、乱気流域の平面的な状況を把握するために、この２次元表示モード２への切替えは走査方向の調整と共にパイロットのマニュアル操作で行うようにしても良い。ディスプレ上の２次元表示から、乱気流域が回避可能であると判断された場合にはまず回避操作を行い、乱気流領域を迂回するように対応する。もし、回避不可能と判断された場合には、動揺軽減モード３を選択する。この動揺軽減モード３では、ビームの走査方向上下方向に切替え、機体近傍の上下方向の気流ベクトルを詳細に計測し、その検出信号をオートパイロットの入力信号として昇降舵（エレベータ）等の舵面を自動的に操作し、乱気流領域の航行中における乱気流による機体の動揺を低減させる。

乱気流検知モード１では、レーザ光のスキャンを行わないことにより、受信信号の積分時間を長くすることができる。積分された信号の信号対雑音比Ｄは、式１で表される。
Ｄ＝ＳＮＲ×√Ｎ・・・［１］
ただし、
ＳＮＲ：受信信号１パルスの信号対雑音比
Ｎ：受信信号の積分数
すなわち、有効な信号は受信信号の積分により単純に加算されるが、不要なノイズは受信信号の積分により相殺されて小さくなるため、受信信号の積分により等価的に信号対雑音比が受信信号の積分数の平方根倍に向上したことを意味する。遠方の計測ほど信号強度が小さくなるというドップラーライダーの特性から、信号対雑音比が向上することにより結果的に計測有効距離が拡張され、乱気流を早めに検知することができるようになる。レーザ光の放射方位については、標準的には機首方位水平方向とするが、パイロットが必要に応じて手動で変更可能なものとする。

横風があった場合には、航空機は図２に示すように偏流角をとって飛行することになる。巡航高度の場合、乱気流域も機体と同様に平均風の影響を受けて流されるため、監視方位は機首方位で問題ない。山岳波などのように発生領域が風とともに移動しない乱気流が予想される場合には、パイロットは意図的に飛行方位を監視した方がよいが、現実にはそのような乱気流域は風向き方向に広がっているため、パンしなくても検知できる可能性は高い。そもそも、山岳波は現状の気象観測で予測可能である。

２次元表示モード２では、図３に示すようにレーザ光を水平にスキャンして平面上の気流情報をディスプレイ表示する。（註：この図はカラー画像で作られており、階調だけでは識別できない情報も含まれているため、カラー原図を参考資料として別途添付する。）この表示では乱気流の強度とその領域が示されており、パイロットは乱気流域が回避可能であり且つ回避すべきと判断される場合には回避飛行操作を行う。また、パイロットは必要に応じてスキャン平面を上下にチルトし、現飛行高度とは別の高度についても監視できるものとする。乱気流域の形状が図４に示すように回避できないようなものであったり、その他航法上の理由等により回避すべきではないときには、パイロットは動揺低減モード３を選択する。

動揺低減モード３では、レーザ光を垂直にスキャンして気流ベクトルを計測する。スキャン幅の中心は機体軸とし、上下に同じ角度だけ偏向させる。スキャン中連続的に計測する手法も原理的には考えられるが、ここでは単純化のためスキャンの上端と下端で一旦スキャンを停止して計測する方法について説明する。
図５において、ドップラーライダーによる計測値はＷ_１とＷ_２であり、それぞれ以下の式で表される。
Ｗ_１＝Ｗcos（α＋θ）
Ｗ_２＝Ｗcos（α−θ）・・・［２］
ただし、
Ｗ：気流ベクトル
Ｗ_１：レーザ光を上端で放射したときの計測値
Ｗ_２：レーザ光を下端で放射したときの計測値
α：気流ベクトルと機体軸とのなす角で、気流が安定している場合には迎角と一致する。
θ：レーザ光の垂直スキャン幅の半値
したがって、αは式３で求めることができる。
α＝（cos^-1（Ｗ_１／Ｗ）＋cos^-1（Ｗ_２／Ｗ））／２・・・［３］
Ｗは式４のいずれによっても求めることができ、実用上は両式の平均値を採用する。
Ｗ＝Ｗ_１／cos（α＋θ）
Ｗ＝Ｗ_２／cos（α−θ）・・・［４］
以上のように求めたＷおよびαをオートパイロットの入力として活用する。

宇宙航空研究開発機構（ＪＡＸＡ）が現在開発中のドップラーライダーでは、レーザパルスの周波数が４ｋＨｚであり、４０００パルス、すなわち１秒間の受信光積分時間で１データを取得し、約９ｋｍの計測レンジを目指している。乱気流検知モードでは、この積分時間を４秒間とすることにより、式１で説明した信号対雑音比Ｄが約２倍となる。Ｄは、計測距離の２乗にほぼ反比例する性質があるため、この積分時間延長により有効計測距離が約１.４倍の１２.６ｋｍ程度となることが期待される。高高度を巡航するジェット旅客機の真対気速度は約２５０ｍ／ｓであり、本乱気流検知モードでは約５０秒前に乱気流を検知することが可能である。４秒間での機体の進行に伴う距離分解能の劣化は、観測するレンジ領域を真対気速度に応じて近距離側にずらすことにより回避できる。本装置は乱気流を検知すると自動的にナビゲーションディスプレイ上に「TURBULENCE」の文字を表示するとともに音声で警報を発し、２次元表示モードに切り替わる。パイロットは本乱気流検知モードによる警報が数秒間継続して誤検知でないことを確認した上で、シートベルトサインの点灯、客室サービスの停止指示を行い、２次元表示を注視する。２次元表示モードでは、約３６秒前から乱気流の平面分布を監視することができるようになるため、パイロットは減速操作を行って乱気流の影響を低減させるとともに、運航上可能なら回避操舵により乱気流域を回避する。旅客機の性能上は３０度バンクの通常旋回であっても、巡航中に約１２ｋｍで飛行方位を９０度変更することが可能であり、旅客機に許容されている最大バンク角の６０度では約７ｋｍで飛行方位を９０度変更することが可能である。旋回中は正の垂直加速度により、客室内の物件の浮揚が抑制される効果も期待できる。レーザ光の方位をスキャンする機構については、例えば楔形プリズムを２枚重ねてお互いに逆回転させることにより実現することができる。

パイロットが２次元表示モードによる表示画面や、運航条件を勘案して、乱気流域を回避することができないと判断した場合には、動揺低減モードを選択する。本動揺低減モードでは、受信光の積分時間を０.１秒として、０.５秒程度で気流ベクトルを算出する。この程度の計測周期の場合、乗り心地を改善するような細かい制御は難しいが、事故が生ずるような大きな揺れを低減させることは可能である。また計測レンジが１ｋｍ以下となるために、光学望遠鏡の焦点距離が遠方を計測するモードのままでは、受信強度が低下する。このため動揺低減モードを選択した場合には、該焦点距離を自動的に短縮する機能を付加する。動揺低減モードでは、航空機が数秒後に遭遇する気流を計測することにより、対気速度および迎角の変化の予測ができる。このため、その情報をFMS（フライトマネージメントシステム）に入力することにより、自動的に舵面を制御して機体の動揺を低減させるようにする。

ドップラーライダーは晴天時でも遠隔気流が計測できるという特長があるものの、有効レンジの短さが運航会社のパイロットから指摘されており、実用化の足かせとなっていた。しかし本発明の適用により、警報表示画面を常時注視する必要がなくなり、実用性の向上が見込まれる。

１乱気流検知モード
２２次元表示モード
３動揺低減モード

特開２００３−１４８４５号公報（特許第3740525号公報）「風擾乱予知システム」平成１５年１月１５日公開特開２００７−２３２６９５号公報「乱気流の検知方法」平成１９年９月１３日公開

H. Inokuchi, H. Tanaka, and T. Ando, "Development of an Onboard Doppler LIDAR for Flight Safety," Journal of Aircraft, Vol. 46, No. 4, pp. 1411-1415, AIAA, July-August, 2009. 佐藤昌之・横山信宏・佐藤淳、乱気流の事前情報を用いたロバストモデル予測制御による Gust Alleviation 制御、日本航空宇宙学会論文集、Vol.57、No.9、２００９年

Claims

レーザ光を利用したドップラーライダー方式の光学式遠隔気流計測装置を用い、通常はレーザ放射方位を進行方向に固定して受信信号の積分時間を長く取って遠方の乱気流を検知できるようにし、乱気流を検知したときにはレーザ放射方位を水平方向にスキャンすると共に画像表示を２次元表示に切り替えることにより、乱気流の平面分布を表示可能としたことを特徴とする乱気流事故防止方法。
レーザ光を利用したドップラーライダー方式の光学式遠隔気流計測装置の出力から、乱気流域が回避できないと判断された場合には、レーザ放射方位を垂直方向にスキャンして気流の２次元ベクトルを計測し、舵面自動制御用に気流情報を出力することができるようにした請求項１に記載の乱気流事故防止方法。
レーザ光を利用したドップラーライダー方式の光学式遠隔気流計測装置において、通常はレーザ放射方位を進行方向に固定して受信信号の積分時間を長く取って遠方の乱気流を検知する手段と、該手段によって乱気流を検知したときにはレーザ放射方位を水平方向にスキャンすると共に画像表示を２次元表示に切り替える手段とを備えることにより、検知距離を拡張し、進行方向に乱気流を検知した場合には乱気流の平面分布を表示可能としたことを特徴とする航空機搭載用乱気流事故防止装置。
乱気流を検知したときには、警報を発する手段を備え、２次元表示に切り替えられた画像表示の監視をパイロットに促す機能を備えた請求項３に記載の航空機搭載用乱気流事故防止装置。
レーザ光を利用したドップラーライダー方式の光学式遠隔気流計測装置において、乱気流域が回避できないと判断された場合に、レーザ放射方位を垂直方向にスキャンして気流の２次元ベクトルを計測し、オートパイロットの操舵入力用に気流情報を出力することができる機能を有する請求項３または４に記載の航空機搭載用乱気流事故防止装置。