空の安全をずっと続けるために～ＪＡＸＡ　ＤＲＥＡＭＳプロジェクトの紹介

　アジア太平洋地域を中心に世界的に航空交通需要の増加が予想される中、我が国においても航空交通量の増加が見込まれており、国土交通省の予測（交通政策審議会航空分科会　第７回資料，２００７）によれば２０２７年までに２００５年の約１．５倍に達すると予測されています。その結果、現在の運航システムでは、空港及び空域における航空交通量増大に対する管制処理容量不足や遅延の発生による利便性の低下、空域や経路の柔軟な運用が一部に限定されていることによる航空機の効率的な運航への制約、管制官やパイロットの業務負荷の増大、ヒューマンエラーに起因する安全性への脅威、など様々な問題が顕在化する可能性があると言われています。
　これら航空交通需要の増大に起因する問題に対処するため、発展がめざましい衛星航法と情報通信技術を活用した新しい技術による運航システムの変革は、世界が共有する課題であり、国際民間航空機関（ＩＣＡＯ）は、２００３年にグローバルＡＴＭ（Air Traffic Management、航空交通管理）運用概念をまとめ、２０２５年を目標とする将来ビジョンとして提示しているところです。本概念では、航空交通の安全性、効率性、環境問題への対応等の目標を達成するため、以下に示す将来のＡＴＭの運用における７つの重要な構成要素を掲げています。

① すべての空域を動的に利用する空域構成と管理 (Airspace Organization and Management)
② 全天候下で処理容量と安全を維持する空港の運用 (Aerodrome Operation)
③ 需要と容量の均衡を実現する柔軟な調整 (Demand and Capacity Balancing)
④ ボトルネックの解消を実現する交通の同期化 (Traffic Synchronization)
⑤ 空域調整へのユーザーの積極的な参加 (Airspace User Operations)
⑥ 衝突回避、間隔設定の最適な管理 (Conflict Management)
⑦ 全飛行段階でATMサービスにおける情報共有 (ATM Service Delivery Management)

　これらの構成要素から見えるグローバルＡＴＭ運用概念は、「航空機の運航数が増えて行くと現行システムのままでは、事故が増えたり遅延が発生したりする可能性がある。また実際それだけの航空機を飛ばせるかも分からない。こういう問題点に対して、さまざま情報（航空機の到着時刻、空港・空域の混雑状況、天候・風の気象情報など）を共有し、それらをうまく使って、柔軟（動的）に空域や航空路を変えたり、航空機の間隔や順序を変えたりして、状況に応じた交通管理を実現する」とすこし乱暴ですが解釈できると思います。
　ＩＣＡＯでは２００７年の総会において、このＡＴＭ運用概念を指針として、地域及び国、産業界において実施計画の策定及び必要な研究開発等を促進することを継続して要請しており、米国ＮｅｘｔＧｅｎ、欧州ＳＥＳＡＲはこれに対応するプログラムとして精力的に活動していることはご存じの通りです。日本でも航空局が２０１０年９月に長期ビジョンＣＡＲＡＴＳ（Collaborative Actions for Renovation of Air Traffic Systems、航空交通システムの変革に向けた協調的行動）をまとめました。ＣＡＲＡＴＳでは、① 安全性の向上、② 航空交通量の増大への対応、③ 利便性の向上、④ 運航の効率性向上、⑤ 環境への配慮、⑥ 航空保安業務の効率性の向上、⑦ 航空分野における我が国のプレゼンスの向上、を目標とし、目指すべき数値目標、評価の指標、実現に向けた取り組み方策、を提唱しています。これらは、ＩＣＡＯのグローバルＡＴＭ運用概念に包括的に対応しつつ、我が国の航空交通おける運用実態、運用環境及びニーズを加味して立案された施策であり、運航システムの変革期における研究・開発の方向性を定義づけるものです。２０１１年３月には産学官連携の枠組みの中で施策の識別と詳細なロードマップが策定され、毎年その検証と更新がなされています。

　ＪＡＸＡは、第３期科学技術基本計画の社会基盤分野における戦略重点科学技術「新たな社会に適応する交通・輸送システム新技術」で、ＩＴ技術の活用による航空交通管理技術、小型機運航支援技術、全天候・高密度運航技術の開発を国土交通省とともに担当し、目標を共有しています。そして、これらの目標を実現するために、ＣＡＲＡＴＳと連携した次世代運航システムの研究開発ＤＲＥＡＭＳ（Distributed and Revolutionarily Efficient Air-traffic Management System、分散型高効率航空交通管理システム）プロジェクトを２０１２年より開始しました。
　ＤＲＥＡＭＳでは、ＩＣＡＯグローバルＡＴＭ運用概念の実現に向けてキー技術を国際基準として提供すること、運航関連機関のニーズに技術移転により貢献することをミッションの目的と定め、ＪＡＸＡが技術優位性をもつ航空機（ヘリを含む）技術を使った航空交通システムを開発することによりＣＡＲＡＴＳで掲げる目標を実現することをミッションとしています。
　次世代の運航システムでは、地上施設と機上側の装備の統合的な運用が重要になります（米国のＮｅｘｔＧｅｎプログラムでは、情報のネットワーク、分散型意思決定、ユーザー重視といったキーワードが使われています）。技術的には、ＣＮＳ（Communication, Navigation and Surveillance、通信・航法・監視）／ＡＴＭに基づく管制技術に、機体ダイナミクス／ＧＮＣ（Guidance, Navigation and Control、誘導・航法・制御）に基づく航空機技術が融合して将来の運航システムが構築されると言えます。
　上記の動向を踏まえ、ＤＲＥＡＭＳのミッションとして解決する技術課題を定義するに当たり、その基本方針を

と定め、ＣＡＲＡＴＳロードマップで示された安全性５倍、航空交通量１．５倍、利便性１０％向上、運航効率性１０％向上、等の目標を実現するための４６の施策とそれを支える研究開発項目を精査し、その中からＤＲＥＡＭＳの技術課題として以下の５つを選定しました。

　ＤＲＥＡＭＳのミッションで選択した技術課題とＣＡＲＡＴＳの施策および研究開発項目との対応を表１に示します。ＤＲＥＡＭＳではＣＡＲＡＴＳの８つの施策の実現に貢献することで、「空港の容量拡大（現在より多くの航空機が離発着できる）」「就航率の向上（欠航、到着空港変更を少なくする）」「環境に優しい運航」「救援航空機の安全性、効率性の向上」に効果が期待できると考えています。

表１　ＤＲＥＡＭＳのミッションで選択した技術課題とＣＡＲＡＴＳの施策および研究開発項目との対応

注： ＲＮＡＶ．．．Area Navigation、広域航法。
ＲＮＰ．．．Required Navigation Performance、航法性能要件。
ＧＢＡＳ．．．Ground Based Augmentation System、地上設置型衛星航法補強システム。  

　気象情報技術は、運航に及ぼす気象の影響を低減することが目的です。離発着時、空港では安全確保のため少なくとも２分は後続機と先行機との間隔を空けています。これは、先行の航空機が残して行った後方乱気流が消えるのを待っているからです。後方乱気流は翼で揚力を得る際に翼端で下面から上面へ空気が流れるときに生ずる渦で、ここに後続の航空機が入ると危険で実際に事故も起きています。しかし、後方乱気流は地上近傍で風がないときは渦が消えるまでそこにじっと留まっていますが、風があると渦は移動するので必ずしも固定の間隔を空ける必要はありません。ＤＲＥＡＭＳでは、気象状況を反映して後方乱気流の挙動（後方乱気流パラメータ：後方乱気流の位置および循環強度）を確率的に予測して（図１参照）後方乱気流に遭遇するリスクを評価する機能と、それに基づき動的に離着陸時の管制指示間隔を最小化するトラフィックパターンを計算し管制指示間隔の短縮を目指すトラフィック最適化機能の２つのアルゴリズムを開発しています。羽田空港を模擬した交通流シミュレーションでは、通年の気象条件下（１０５１ケース）での管制指示間隔が、大型機５０％、中型機５０％の機材構成で現行より１４．５％短縮できる結果が得られています。
　また、低層風擾乱といって滑走路上にできる急激な気流の変化（空港周辺に地形の起伏や建物があると風が急変しやすい）に航空機が進入すると、機体が動揺することで離発着時の安全性への脅威となり就航率の低下を招きます。ＤＲＥＡＭＳでは、空港に設置した高解像度レーダー及びライダー（光レーダー）の観測データを使って、低層風擾乱が航空機へ及ぼす運航障害の発生の程度を予測して、事前にパイロットに危険性をアドバイスすることで最適な進入のタイミングを判断してもらい就航率を向上させる低層風擾乱アドバイザリ機能を開発しています。庄内空港でエアライン（ＡＮＡ）による評価を実施し（２０１２年１～２月）、全８０便での予測検証の結果、表２に示すように運航障害（復行，機上ウィンドシア警報）発生予測のスレットスコア（注１）０．５４（＝７／１３）、操縦困難（パイロット主観評価）発生予測のスレットスコア０．５３（＝２７／５１）を確認しました。とくにＡＮＡパイロット、運航管理者からは、発生した復行２事例の予測に成功したこと、実際の飛行状況と予測結果がよく合致していることから運航支援に有効との感想が得られています。

（注１）スレットスコア…まれに起きる事象を見逃さず、誤警報なしに予測する確率

表２　運航障害発生予測の検証結果（全８０便） 

　交通量が１．５倍に増えると地上の騒音レベルＬｄｅｎ（時間帯補正等価騒音レベル、環境基準で用いられる航空機騒音のうるささを表す指標）は約５ ｄＢ増加すると予想され、地上でうるさく感じる人がそれだけ増えることになります。そうならないように、騒音にさらされる（騒音暴露）の影響を最小限にすることが低騒音運航技術の目的です。音も風と一緒に流れていきますし温度によっても伝わり方が変わってきます。気象条件に応じて航空機の進入経路を変えれば、現在より騒音暴露の影響を増やさないようにできます。ＤＲＥＡＭＳでは図２に示すように，気象条件に応じて空港への進入経路を最適化することにより，航空交通量が増えても地上の騒音暴露面積を現状と同等とすることを目指し，ＧＢＡＳ ＴＡＰ（Terminal Area Path，ターミナル域経路）を用いた精密曲線進入のための経路情報を生成する低騒音経路生成機能の開発を進めています。図３は，機種（音源モデル）はＢ７６７－３００、交通量は２０機／時（１．５倍は３０機／時）を想定、ＶＯＲ／ＩＬＳ （VHF Omnidirectional Range / Instrument Landing System、超短波全方向式無線標識／計器着陸システム）使用時の経路分散を模擬し（ＧＢＡＳ ＴＡＰ使用時も同じ）、１年間の気象データを入力したときの経路最適化ありと無しの騒音暴露を比較したものです。経路の最適化を行うことで交通量１．５倍でも騒音暴露を現状と同等に抑える効果があることを示しています。

　ＤＲＥＡＭＳは、必要な情報を集め、それによって航空機の動きを上手に変えることで、たくさんの航空機を安全に効率良く飛ばす、というのを基本コンセプトとしています。情報は、「乱気流」「気象」「位置」「音」「救援機の動き」「救援ミッション」などであり、技術の目的によって必要な情報は変わってきます。「固定的な飛ばし方ではなくて、状況に応じた柔軟な飛ばし方」というＩＣＡＯのＡＴＭ運用概念をＪＡＸＡが実現すると本稿で説明したような技術になります。
　ＪＡＸＡが研究開発しているのは基本的にソフトウェア（アルゴリズム）です。それを実行するのに必要なハードウェアは、機上に衛星航法の受信機・通信機材、地上には衛星航法の設備・気象観測システム・管制システムなどがあります。そしてソフトウェアが、これら機上と地上の必要な機器にインストールされて機能を発揮します。我々の目標は、これらのアルゴリズムを国際基準として提案することにあります。国際的な規格を決める委員会でアドバイザーという形で参加しており、航空局と協力してすでに一部の提案活動を始めました。また、防災関連技術は国内の防災関連機関で試験的に運用を始めてもらっています（図６参照）。これらが順調にすすむことで、我が国の航空交通おける運用実態、運用環境及びニーズを加味して立案されたＣＡＲＡＴＳの施策に貢献し、運航システムの変革期に必要な技術をタイムリーに提供できると考えています。