航空電子機器

アビオニクス（航空電子工学）は、航空機で使用される電子システムです。アビオニクスシステムには、通信、ナビゲーション、複数のシステムの表示と管理、および個々の機能を実行するために航空機に取り付けられた数百のシステムが含まれます。これらは、警察ヘリコプターのサーチライトのように単純なものから、空中早期警戒プラットフォームの戦術システムのように複雑なものまであります。^[1]

「アビオニクス」という用語は、1949年にAviation Week & Space Technology誌の上級編集者であるフィリップ・J・クラスによって「aviation electronics 」の造語として造られました 。^{[2] [3]}

無線通信が航空機で初めて使用されたのは第一次世界大戦の直前であった。^[4] 最初の空中無線は飛行船に搭載されていたが、軍は、空中偵察用の複葉機が撃墜された場合に即座に観察結果を報告できるように、重航空機で運べる軽量の無線機の開発を促した。飛行機からの最初の実験的な無線通信は、1910年8月に米国海軍によって実施された。最初の航空機無線は無線電信によって送信されたため、2人乗りの航空機と、モールス信号でメッセージを綴るために2人目の乗組員が電信キーをタップする必要がありました。第一次世界大戦中、 1917年に三極管真空管の開発によりAM音声双方向無線機が可能になりました（TM（三極管）を参照）。三極管真空管は非常にシンプルで、単座航空機のパイロットが飛行中に使用することができました。

レーダーは、今日では航空機の航行や航空管制に使用されている中心的な技術であり、1930年代、第二次世界大戦の直前に、いくつかの国によって主に秘密裏に防空システムとして開発された。現代の航空電子工学の多くは、第二次世界大戦の戦時中の開発に端を発している。例えば、今日では当たり前となっている自動操縦システムは、爆撃機が高高度から精密目標を攻撃できるよう安定して飛行できるようにするための専用システムとして始まった。^{[5] 1940年に英国が、有名な}ティザード作戦で、特にマグネトロン真空管などのレーダー技術を同盟国の米国と共有することを決定したことで、戦争期間が大幅に短縮された。^[6]現代の航空電子工学は、軍用機の支出のかなりの部分を占めている。F -15Eや現在は退役したF-14などの航空機は、予算の約20%を航空電子工学に費やしている。ほとんどの現代のヘリコプターでは、航空電子工学に60/40の予算配分が採用されている。^[7]

民間市場でも航空電子機器のコストが上昇しています。飛行制御システム (フライバイワイヤ) と、空域の狭小化に伴う新しいナビゲーションのニーズが、開発コストを押し上げています。大きな変化は、最近の一般向け飛行ブームです。飛行機を主な移動手段として利用する人が増えるにつれ、こうした制限の厳しい空域で航空機を安全に制御する、より精巧な方法が発明されました。^[要出典]

航空電子工学は、米国の連邦航空局（FAA）の次世代航空輸送システムプロジェクトや、欧州の単一欧州空域ATM研究（SESAR）イニシアチブなどの近代化イニシアチブにおいて重要な役割を果たしている。共同計画開発局は、 6つの分野で航空電子工学のロードマップを提示した。^[8]

• 公開されたルートと手順 – ナビゲーションとルーティングの改善
• 交渉された軌道 – データ通信を追加して優先ルートを動的に作成
• 委任分離 – 空中と地上での状況認識の強化
• 低視程/天井接近/出発 – 地上インフラを少なくして天候の制約下での運用を可能にする
• 地上業務 – 進入および離陸時の安全性を高める
• ATM 効率 –航空交通管理(ATM) プロセスの改善

航空機電子工学協会は、2017年の最初の3四半期のビジネスおよび一般航空における航空電子機器の売上が17億3000万ドルで、前年比4.1%の増加だったと報告しています。そのうち73.5%は北米から、42.3%は先行装備、57.7%は米国が2020年1月1日にADS-Bアウトアプローチの義務化を期限としていたため後付け装備でした。^[9]

コックピット、または大型航空機の場合は航空機のコックピットの下または可動ノーズコーンは、制御、監視、通信、ナビゲーション、気象、衝突防止システムなどの航空電子機器ベイ機器の一般的な設置場所です。航空機の大部分は、14 ボルトまたは 28 ボルトのDC電気システムを使用して航空電子機器に電力を供給していますが、より大型で高度な航空機 (旅客機や軍用戦闘機など) には、115 ボルト 400 Hz の AC で動作するACシステムが搭載されています。^[10]航空電子機器の大手ベンダーとしては、ボーイング社、パナソニック アビオニクス社、ハネウェル社（現在はベンディックス/キング社を所有）、ユニバーサル アビオニクス システムズ社、ロックウェル・コリンズ社（現在はコリンズ・エアロスペース社）、タレス・グループ、GEアビエーション システムズ、ガーミン、レイセオン、パーカー・ハネフィン社、UTCエアロスペース システムズ（現在はコリンズ・エアロスペース社）、セレックスES社（現在はレオナルド社）、シェイディン アビオニクス社、アビダイン社などがある。

航空電子機器に関する国際規格は、航空電子工学委員会 (AEEC) によって作成され、ARINC によって発行されます。

通信は操縦室と地上、操縦室と乗客を結びます。機内通信は拡声システムと機内インターコムによって行われます。

VHF 航空通信システムは、 118.000 MHz から 136.975 MHz のエアバンドで動作します。各チャネルは、ヨーロッパでは 8.33 kHz、その他の地域では 25 kHz ずつ隣のチャネルから離されています。VHF は、航空機間や航空機と航空管制局などの見通し通信にも使用されます。振幅変調(AM) が使用され、会話は単方向モードで行われます。航空機通信は、HF (特に大洋横断飛行の場合) または衛星通信を使用して行うこともできます。

航空航法とは、地球の表面上または表面上での位置と方向の決定です。航空電子機器では、衛星航法システム ( GPSやWAASなど)、慣性航法システム(INS)、地上無線航法システム ( VORやLORANなど)、またはこれらの組み合わせを使用できます。GPS などの一部の航法システムは、位置を自動的に計算し、移動地図ディスプレイで飛行乗務員に表示します。VOR や LORAN などの古い地上航法システムでは、パイロットまたは航法士が紙の地図上で信号の交点をプロットして航空機の位置を決定する必要がありますが、最新のシステムでは、位置を自動的に計算し、移動地図ディスプレイで飛行乗務員に表示します。

グラスコックピットの最初の兆候は、飛行可能なブラウン管(CRT) スクリーンが電気機械式ディスプレイ、ゲージ、計器に取って代わり始めた 1970 年代に現れました。「グラス」コックピットとは、計器やその他のアナログディスプレイの代わりにコンピューターモニターを使用することを指します。航空機には次第に多くのディスプレイ、ダイヤル、情報ダッシュボードが搭載されるようになり、最終的にはスペースとパイロットの注意を奪い合うようになりました。1970 年代には、平均的な航空機には 100 を超えるコックピット計器とコントロールが搭載されていました。^{[11]グラスコックピットは、1985 年に}ガルフストリームG-IV プライベートジェット で実現し始めました。グラスコックピットの主な課題の 1 つは、どの程度のコントロールを自動化し、どの程度パイロットが手動で行う必要があるかのバランスを取ることです。一般的に、パイロットに常に情報を提供しながら、飛行操作を自動化しようとします。^[11]

航空機には飛行を自動的に制御する手段がある。自動操縦は、第一次世界大戦中にローレンス・スペリーによって最初に発明され、爆撃機を25,000フィートから正確に標的を攻撃できるほど安定して飛行させるために考案された。米国軍に初めて採用されたとき、ハネウェルのエンジニアが後部座席に座ってボルトカッターで緊急時に自動操縦を切断した。今日では、ほとんどの民間航空機には、着陸時や離陸時のパイロットのミスや作業負荷を軽減するために航空機飛行制御システムが装備されている。^[5]

最初のシンプルな商用オートパイロットは、機首方位と高度を制御するために使用され、推力や飛行制御面などに対する権限は限られていました。ヘリコプターでは、自動安定化が同様の方法で使用されました。最初のシステムは電気機械式でした。フライバイワイヤと電動飛行面（従来の油圧式ではなく）の登場により、安全性が向上しました。ディスプレイや計器と同様に、電気機械式の重要なデバイスには寿命があります。安全性が重要なシステムでは、ソフトウェアが非常に厳密にテストされます。

燃料量表示システム (FQIS) は、船上の燃料の量を監視します。静電容量チューブ、温度センサー、密度計、レベルセンサーなどのさまざまなセンサーを使用して、FQIS コンピューターは船上に残っている燃料の質量を計算します。

燃料制御および監視システム (FCMS) は、同様の方法で船上に残っている燃料を報告しますが、ポンプとバルブを制御することで、さまざまなタンク間の燃料の移動も管理します。

• 燃料の総量を一定量までアップロードし、自動的に分配する給油制御。
• 飛行中にエンジンに燃料を供給するタンクに燃料を移送します。例えば胴体から翼のタンクに燃料を移送します。
• 燃料が消費されると、重心制御は尾部（トリム）タンクから翼へと前方に移動する。
• 翼端に燃料を保持し（飛行中の揚力による翼の曲がりを軽減するため）、着陸後にメインタンクに移送する
• 緊急時に燃料投下を制御して航空機の重量を軽減します。

航空交通管制を補うために、ほとんどの大型輸送機と多くの小型輸送機は、近くの航空機の位置を検出し、空中衝突を回避するための指示を出すことができる交通警報および衝突回避システム(TCAS) を使用しています。小型航空機は、受動的 (他の航空機のトランスポンダーを能動的に照会しない) で衝突解決のためのアドバイスを提供しない、TPAS などのより単純な交通警報システムを使用する場合があります。

航空機は、制御された飛行による地形への侵入 ( CFIT )を回避するために、レーダー高度計を主要な要素として使用する対地接近警報システム(GPWS)などのシステムを使用します。GPWS の主な弱点の 1 つは、地形の「下方」高度のみを提供するため、「前方」情報が不足していることです。この弱点を克服するために、現代の航空機は地形認識警報システム ( TAWS ) を使用します。

民間航空機のコックピット データ レコーダーは、一般に「ブラック ボックス」と呼ばれ、コックピットからの飛行情報と音声を保存します。墜落事故の後に航空機から回収され、事故時の制御設定やその他のパラメータを決定することがよくあります。

気象レーダー（民間航空機では一般的にARINC 708 ）や雷探知機などの気象システムは、パイロットが前方の気象を見ることができない夜間や計器気象条件での航空機の飛行にとって重要です。激しい降水（レーダーで感知）または激しい乱気流（雷活動で感知）は、どちらも強い対流活動と激しい乱気流の兆候であり、気象システムによりパイロットはこれらのエリアを迂回することができます。

ストームスコープやストライクファインダーなどの雷探知機は、軽飛行機に実用的に使用できるほど安価になりました。レーダーと雷の探知に加えて、観測と拡張レーダー画像 ( NEXRADなど) が衛星データ接続を通じて利用できるようになりました。これにより、パイロットは自分の飛行システムの範囲をはるかに超えた気象状況を確認できます。最新のディスプレイでは、気象情報を移動マップ、地形、交通情報と 1 つの画面に統合できるため、ナビゲーションが大幅に簡素化されます。

現代の気象システムには、風のせん断や乱気流の検知、地形や交通の警報システムも含まれています。^[12]機内気象アビオニクスは、アフリカ、インドなど、航空旅行が成長している市場であるものの地上支援が十分に発達していない国々で特に人気があります。^[13]

エンジンの監視と管理を含む、航空機に搭載された複数の複雑なシステムの集中管理が進んでいます。健全性および使用状況監視システム(HUMS) は、航空機管理コンピューターと統合されており、交換が必要な部品について保守担当者に早期警告を発します。

統合モジュラー航空電子機器のコンセプトは、共通ハードウェア モジュールのアセンブリ全体で移植可能なアプリケーション ソフトウェアを備えた統合アーキテクチャを提案します。これは、第 4 世代のジェット戦闘機や最新世代の旅客機で使用されています。

軍用機は、兵器を運搬するため、または他の兵器システムの目や耳となるように設計されてきました。軍が利用できる膨大なセンサーは、必要なあらゆる戦術的手段に使用されます。航空機管理と同様に、より大型のセンサー プラットフォーム (E-3D、JSTARS、ASTOR、Nimrod MRA4、Merlin HM Mk 1 など) には、ミッション管理コンピューターが搭載されています。

警察や救急医療の航空機にも高度な戦術センサーが搭載されています。

航空機通信は安全な飛行の基盤となる一方、戦術システムは戦場の過酷な条件に耐えられるよう設​​計されています。UHF 、VHF戦術（30～88 MHz）、衛星通信システムとECCM方式、暗号化を組み合わせることで、通信の安全性を確保しています。Link 11、16、22、BOWMAN、JTRS、さらにはTETRAなどのデータリンクは、データ（画像、標的情報など）を送信する手段を提供します。

航空機搭載レーダーは、最初の戦術センサーの 1 つでした。高度によって範囲が広がるという利点により、航空機搭載レーダー技術に重点が置かれるようになりました。レーダーには、航空機搭載早期警戒(AEW)、対潜水艦戦(ASW)、さらには気象レーダー( Arinc 708 ) や地上追跡/近接レーダーなどがあります。

軍は、パイロットが低空飛行できるように、高速ジェット機にレーダーを搭載しています。民間市場には以前から気象レーダーが搭載されていますが、^[14]航空機の操縦に気象レーダーを使用することには厳しい規則があります。^[15]

さまざまな軍用ヘリコプターに装備されているディッピングソナーにより、ヘリコプターは潜水艦や地上の脅威から船舶資産を守ることができます。海上支援航空機はアクティブおよびパッシブソナー装置 (ソノブイ) を投下することができ、これらは敵の潜水艦の位置を特定するためにも使用されます。

電気光学システムには、ヘッドアップディスプレイ(HUD)、前方監視赤外線(FLIR)、赤外線捜索追跡装置、その他の受動赤外線装置 (受動赤外線センサー)などの装置が含まれます。これらはすべて、飛行乗務員に画像と情報を提供するために使用されます。この画像は、捜索救助から航法支援や目標捕捉まで、あらゆる目的で使用されます。

電子支援手段と防御支援システムは、脅威または潜在的な脅威に関する情報を収集するために広く使用されています。これらは、航空機に対する直接的な脅威に対抗するための装置を起動するために使用できます (場合によっては自動的に)。また、脅威の状態を判断して特定するためにも使用されます。

軍用、商用、および民間航空機の高度なモデルの航空電子システムは、航空電子データバスを使用して相互接続されています。一般的な航空電子データバス プロトコルとその主な用途は次のとおりです。

• 航空機データネットワーク( ADN ): 民間航空機向けイーサネット派生
• 航空電子工学全二重スイッチドイーサネット（AFDX）：商用航空機向けARINC 664（ ADN ）の特定実装
• ARINC 429 : 民間航空機および商用航空機向け汎用中速データ共有
• ARINC 664 : 上記のADNを参照
• ARINC 629 : 民間航空機 (ボーイング 777 )
• ARINC 708 : 民間航空機用気象レーダー
• ARINC 717 : 民間航空機用フライトデータレコーダー
• ARINC 825:民間航空機用CAN バス(ボーイング 787やエアバス A350など)
• 商用標準デジタルバス
• IEEE 1394b : 軍用航空機
• MIL-STD-1553 : 軍用航空機
• MIL-STD-1760 : 軍用航空機
• TTP – タイムトリガープロトコル:ボーイング 787、エアバス A380、パーカー エアロスペースのフライバイワイヤ作動プラットフォーム

• 宇宙船用のアストロニクス（類似）
• ACARS  – 航空機デジタルメッセージ通信システム
• 航空電子工学における頭字語と略語
• ARINC  – 航空無線株式会社 (1929–2018)
• 航空電子工学ソフトウェア
• DO-178C  – 国際航空ソフトウェア規格
• 緊急ロケータービーコン
• 緊急位置指示無線標識局
• フライトレコーダー – 航空機の電子記録装置
• 統合モジュール型航空電子機器

• 航空電子工学：開発と実装、 Cary R. Spitzer 著（ハードカバー – 2006 年 12 月 15 日）
• Principles of Avionics、第 4 版、Albert Helfrick、Len Buckwalter、Avionics Communications Inc. 著 (ペーパーバック – 2007 年 7 月 1 日)
• 航空電子工学トレーニング: システム、インストール、トラブルシューティング、 Len Buckwalter 著 (ペーパーバック – 2005 年 6 月 30 日)
• Avionics Made Simple、Mouhamed Abdulla 博士、Jaroslav V. Svoboda 博士、Luis Rodrigues 博士著 (Coursepack – 2005 年 12 月 - ISBN 978-0-88947-908-1 )。 

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• 民間航空機における航空電子機器
• 航空機電子機器協会 (AEA)
• パイロットのための航空電子機器ガイド
• 航空電子システム標準化委員会
• スペースシャトルの航空電子機器
• Aviation Today アビオニクス誌
• RAES Avionics ホームページ