Silver lining

ハンググライダーのフライトログ

 
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そのロガーは何の高度を記録しているのか? QNE と QNH

前回の距離の話につづいて、またまたニッチな話題。
今回は高度について。

昨今はフライトログをとるツールとしていろんな選択肢があります。GPSバリオだったり、Koboだったり、スマートフォンだったり。

ログの形式にはいろいろなものがありますが、ここではグライダー界標準の IGC フォーマットでログを取れる機器に話を絞ります。

所謂「高度」にはGPSで取得される高度(以下GPS高度)と、気圧センサーで測定される気圧を高度に換算された値(以下気圧高度)がありますが、フライトのログとしては、どちらかの高度を目的に応じて使い分ける場合があります。
具体的には、公式な記録飛行を行う場合、またCIVL公認の大会でフライトの証明としてログを使う場合です。
ここ何年かはGPS高度を高度の記録として使う事が多かったのですが、最近 CIVL の規定の変更により、気圧高度を使用することに変更されました。
メキシコとマケドニアの世界選手権/ユーロに参加したパイロットはご存知のように、このルール変更により Garmin の GPS は気圧高度をログに残さない仕様が要件に合わず使用不可となりました。
大会で高度の精度が求められるようになった理由は主に制限空域への進入の判定と、パラのワールドカップ等で一時期円錐型のゴールシリンダーが採用されたことによると思われます。
最近のGPSは静止しているときの高度方向の精度もかなり良くなっています※が、移動中はまだかなりばらつきが出るため、厳密な高度判定をするには十分ではないと判断されたようです。この辺の議論は paraglidingforum.com のどこかのスレッドにありました。
※ GPS高度にもジオイド高度と楕円面高度の違いがあったりして面白いのですが、今回の話のメインは気圧高度なので割愛。

現在はこのルールはカテゴリー1の大会のみ適用ですが、各国の競技委員会が自国のカテゴリー2の大会に同じルールを適用する場合があるかもしれないので、特に海外の大会に参加するパイロットは注意が必要です。

では、気圧高度も測定できるGPSであればどれでも一緒、、、ではないかもしれない、というのが今日の話のポイントです。
6030 / Compeo+ を例にとってみます。
去年の私のログの1つから適当に拾って、テイクオフ前のデータを抜き出します。

B1026155050035N00004931EA0011600168000

この読み方についてはここでは解説しませんが、後半の"A"の後

0011600168

の部分が気圧高度/GPS高度(各5桁)を示しています。
これは Firle というエリアのテイクオフですが、海抜高度165mです。
(以前にこのエリアについて書いたことがありますが、低いけど良いエリアです。
ちなみにこのログを取ったフライトは125kmのアウトアンドリターンしています。)
GPS高度は168mと3mの誤差に収まっていますが、気圧高度は116mとなっています。
私はフライト前に気圧高度を必ずテイクオフ高度に合わせます。この日も165mに合わせています。
それにも関わらず、私のCompeo+は実際よりも50m低い高度を記録しています。
これはバリオのファームウェアが壊れているわけではなく、Flytec/Brauniger はQNEを記録するのが仕様なのです。
QNEは 1013.25 hpa 気温15度の標準大気を高度0mと設定したときの高度で、航空管制、とくに高高度の管制で用いられます。ログを標準大気内で記録すると、気圧高度は実際の高度と同一になりますが、現実の大気がに標準大気一致することは稀な訳で、高気圧下ではある地点のQNEは下がり、低気圧下ではQNEは上昇します。
上のログは気圧高度の方がGPS高度よりも低い、つまり 当日はフライトエリアは高気圧の圏内だったことが分かります。
そして大事なポイントは、QNEをログに記録するバリオでは、「自分がフライト中に見る高度とログに残る高度は異なる」ということです。

一方で実際のテイクオフ海抜高度に較正した数値をQNH と呼びます。
QNHは気圧の変動と共に変化していくので、航空管制では割と頻繁にQNHがアップデートされます。
アップデートは下の例のように METAR の中の情報として更新されます。

METAR: RJAA 142100Z 35019KT 8000 -SHRA FEW006 BKN008 BKN012 03/02 Q1004 TEMPO 4000 SHRA BR RMK 1ST006 5ST008 6CU012 A2965

台風が近かったりすると短時間でQNHがかなり変化しますが、通常我々がフライトする時間とエリアのスケールではほぼ一定とみなせる場合が殆どなので、誤差の観点からはトラックログに QNH を記録しても大きな問題になることはありません。
寧ろ自分がフライト中に確認した高度がそのまま記録されるので混乱が少ないとも言えます。

また、QNE のログを元に制限空域のチェックを行う場合には、実際にフライトしていたエリア、時間帯の QNH が必要になります

では実際我々が使っているロガーは QNH と QNE のどっちを記録しているんでしょうか?
ざっと情報を集めてみた限りでは Oudieシリーズ, Compas C Pilot Pro は Flytec と同じく QNE、Aircotec XC Trainer、Digifly Leonardo は QNH、Flymaster? Digifly Air?
他には XC Tracer など自分でディスプレイを持っていないタイプのロガーはQNHを取得出来ないのでQNEを記録しているはずです。ただし、古いモデル/ファームウェアだとそもそもGPS高度しか記録していない可能性もあります。気圧センサー内蔵スマートフォンやタブレットをロガーとして使用したい場合も同様です。例えば SeeYou Recorder は ver 1.39 (記事を書いている時点で ver 1.41)でようやく気圧高度を記録するようになりました。

これからカテゴリー1の大会でフライトするパイロットは、QNHをいくつに設定するのか、自分のロガーがどちらの数値を記録しているのか、スコアリングプログラムはQNHかQNEなのかを認識できるのか、など判定基準や方法をきちんと把握して思いがけぬペナルティーを与えられないように知識を深めておくことが求められますよ、という話でした。

なお、現状ではCIVLではまだ問題になっていませんが、気圧センサーは経時的に誤差がでるので本来は定期的にキャリブレーションが必要です。グライダー競技では5年以内にキャリブレーションを行っていない機器で取得したログにはペナルティーがあるという話もどこかで目にしました。実際QNEを記録するということは気圧の絶対値を記録するのに等しいので、それが機器によってぶれていたら公平であることの前提が崩れるので、これも近いうちにCIVLで議論される可能性は高いと見ています。GPS高度だとそこは考える必要がないので、あちらを立てればこちらが立たず、というか、いたちごっこというか、いつまでも問題が尽きないですね。









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2017.3.13 Devils Dyke

今年3本目。
http://www.livetrack24.com/track/820843
ブルーでサーマルトップも低めで600-700m、1回だけ970mまで。
3時間飛ぶことを目標にしたけど、2時間半で降りてしまった。
「スカイゴッド」Steve Cook は約4ヶ月ぶりのフライトながら、1人だけ下限600mくらいで上の層を4時間飛んでた。こっちはステイするのもやっとなのに、相変わらず訳が分からない。

日差しはやっと春っぽくなってきました。

距離を測る(座標系な意味で)。

注意:大会に出ない、またはクロカンの正式な記録飛行を狙わない大多数のパイロットにはほぼどうでも良い覚書程度の記事です。


先日、なんでそこに行き着いたのかさっぱり覚えてないんですが、たまたま最新(2017/01)の FAI スポーティングコードを眺めたら、どうもFAIはFAI球体(FAI Sphere)を捨てて?WGS84楕円体を公式の距離測定に採用するように変更したんですね。
こんな重大な変更は CIVL でも議題に上がってる筈、と思って議事録をみたら猶予期間を設けるようですね。

Plenary Minutes より引用
"The last discussion was about changing the distance formula from FAI sphere to WGS84, which
is required by the FAI general section. This cannot be done on a general basis today for hanggliding, as the majority of the pilots in the next Cat 1 event will still be stuck with older FAI sphere only instruments (Flytec 6030's), while it is viable for paragliding where the access to newer instruments makes this less of a problem. The timeframe for changing to SeeYou/GAP scoring from May 2018 would include the change to WGS84, and as such it should be a natural point to introduce this change for both hang gliding and paragliding in the rules regarding distance calculations. If possible, we could implement WGS84 as an option in FS in addition the FAI Sphere from now on, and this option could be used where appropriate in PG competitions with large turnpoints."
引用終わり

簡単に言うと、ハングでは FAI 球体しか扱えない 6030/Compeo+ がメインロガーとしてまだまだ主流なのですぐに切り替えられない(パラは選択肢があるのでそこまで問題ではない)。スコアリングプログラム側では WGS84 をオプションで選べるようにして、パラでは即採用出来るようにすることも検討する。ということです。

これがどれほどのインパクトなのか、一応自分なりに理解したことをメモとして残しておきます。(注:ここに書かれた事の正確性について一切の保証はできないので、正確な情報を知りたい場合には原典に当たるなり、JHF 各競技委員会に照会するなりして下さい。)
尚、Paraglidingforum.com のこのスレッドがとても参考になりました。

FAI 球体とWGS84 楕円体の違い。

その名の通りなんですが、FAI 球体は完全な球体であるのに対し、WGS84 は少し南北方向に潰れた、ミカンのような形の楕円体です(Wikipediaより):
WGS_84.png

どちらも地球に近似したモデルですが、WGS84 の方がより実際の地球の形状に近い(でなければわざわざ楕円モデルなど作らない)です。
何故 FAI 球体が存在するのかといえば、真球だと距離計算が圧倒的に簡単だからです。楕円体だと一発で簡単に求める計算法がないので、旧世代のプロセッサでは演算量に対応できなかったか、あるいはよい近似計算アルゴリズムがなかったか、多分どちらかだと思います。
じゃあ現在では簡単なのかというと、そうでもないようなのですが。

外周の違い。

FAI球体は真球なので、緯度周り、経度周りとも距離が等しくなりますが、WGS84では経度周りの方が距離が長くなります。
実際にFAIのサイトで比べることが出来ます。

Lat 1: 00:00.00 Long 1: 000:00.00
Lat 2: 90:00.00 Long 2: 000:00.00

と入力して緯度周りの外周の 1/4 の距離が出ます。

Distance Units: Kilometers

で、Earth modelを FAI sphere と WGS84 でそれぞれ計算してみます。

FAI sphere:     10007.543 km
WGS84:         10001.966 km

FAI sphere が 0.056% 長くなっています。10kmで約6mなので、まあ大したことはありません。
同様に経度周りを計算してみます。

Lat 1: 00:00.00 Long 1: 000:00.00
Lat 2: 00:00.00 Long 2: 090:00.00

FAI sphere:     10007.543 km
WGS84:         10018.754 km

当たり前ですが、FAI 球体の場合は緯度周りと同じ距離です。
一方 WGS84 の距離はFAI 球体よりも約 0.11% 長くなっています。10 km で約 11m、ちょっと気になるけれども殆どの場合問題にはならないでしょう。


緯度による違い。

ではあまり気にする必要は無いのか?という気もしますが、実はこの誤差の程度が緯度によって大きく変わってきます。
以下の例では、2点間の距離を大雑把に 30km 程度になるように入力値を設定して、南北/東西方向の距離を較べてみます。

例1:イギリス(緯度 51度):

南北方向
Lat 1: 51:00.00 Long 1: 000:00.00
Lat 2: 51:16.00 Long 2: 000:00.00

FAI sphere:     29.652 km
WGS84:         29.666 km
誤差: 約15m

東西方向
Lat 1: 51:00.00 Long 1: 000:00.00
Lat 2: 51:00.00 Long 2: 000:26.00

FAI sphere:     30.323 km
WGS84:         30.419 km
誤差: 約96m

例2:日本(緯度 36度):

南北方向
Lat 1: 36:00.00 Long 1: 000:00.00
Lat 2: 36:16.00 Long 2: 000:00.00

FAI sphere:     29.652 km
WGS84:         29.590 km
誤差: 約62m

東西方向
Lat 1: 36:00.00 Long 1: 000:00.00
Lat 2: 36:00.00 Long 2: 000:20.00

FAI sphere:     29.986 km
WGS84:         30.054 km
誤差: 約68m

例3:ブラジリア(緯度 15度):

南北方向
Lat 1: 15:00.00 Long 1: 000:00.00
Lat 2: 15:16.00 Long 2: 000:00.00
FAI sphere:     29.652 km
WGS84:         29.507 km
誤差: 約145m

東西方向
Lat 1: 15:00.00 Long 1: 000:00.00
Lat 2: 15:00.00 Long 2: 000:16.70
FAI sphere:     29.895 km
WGS84:         29.935 km
誤差: 約40m

大雑把に言うと:
  • 高緯度ほど南北方向の誤差は小さく、東西方向の誤差は大きくなる。
  • また、南北方向の方が東西方向の変化よりも大きい。
  • 低緯度での南北方向の誤差は赤道上で最大となり約 0.56%(10km辺り56m)。
  • 日本は(偶然)東西/南北の誤差が同じくらい。
  • どちらの座標系が距離が長いかどうかも緯度によって異なる。

となり、ハング、パラが飛ぶスケールでの距離では影響がそれなりにありそう、ということが分かります。
具体的には、ビッグシリンダーで 30km が設定されると、例えばブラジルやメキシコにいる場合、シリンダー外周から中心までの距離が計算の座標系によって 150m、往復で 300m の違いとなります。
この影響が実際に 2014 年頃にパラのメキシコの PWC で以下のような例がありました。

当時ほぼ全てのバリオは FAI 球体で計算した距離を表示していたが、唯一 Flymaster だけは WGS84 で計算していた。PWC では Flymaster が選手全員に支給されてスコアリングに使用された。Flytec をメインのナビゲーションに使っていたパイロットは、31km のシリンダーで Flymaster が手前でシリンダーに入った音を鳴らすのを聞きながら、Flytec がシリンダーに入ったと合図するまでさらに 150m 進んだ。なんでこの違いがあるのかわかっていれば往復 300m のシンクを飛ばずに済んだ。。
(その後 Flymaster はファームウェアのアップデートで FAI 球体にも対応した。)

何故 FAI は WGS84 に切り替えるのか?

あくまで想像ですが、距離飛行や速度記録を念頭に置いて、より正確な距離によって公式記録を公認したい、ということなのだと思います。以前は写真判定だったので距離飛行の場合は既存の記録を1%以上上回らなければならないというルールでしたが、現在はGPSの精度を反映して100m 以上の更新に変更されています。上述のように、何百km のフライトで 100m のスケールは FAI 球体を用いることによる誤差によっても容易に生ずる可能性があるため、放置しておけなかったのでしょう。

ハング競技への影響?

計算アルゴリズムについては全く詳しくありませんが、メルカトル図法のように平面投影したモデルで計算する方法だと、ハング/パラで飛ぶ範囲の距離では比較的シンプル且つかなり正確に計算できるようで、2014 の CIVL の総会で提案されたようです。これに近いアルゴリズムがフライト機器に搭載されるアプリに採用される(または既に採用されている)と思われます。ソフトウェアの開発がアクティブな機器であれば WGS84 での距離計算に対応できる道筋がついた、ということなのでしょう。
実際の所上述の Flymaster のように対応済のバリオもあるし。
Flytec も無くなってしまった現在 6030 のファームの今後のアップデートは考えにくいので、ビッグシリンダーが主流の環境では WGS84 完全移行とともにトップカテゴリーのコンペから消える日が来るのは避けられないんでしょうね。。


補足1:
ブラジリアを例に出しましたが、今年の世界選手権に影響があるという話ではありません(おそらくFAI球体が使われると思いますが、万が一これを読んでる関係者で気になる方がいたら自分で確認してください)。
補足2:
全ての GPS 機器は標準設定で WGS84 系での座標を表示します(日本向けモデルだと TOKYO2000 とかあるかもしれませんが)。但し、距離計算は WGS84 楕円体に基いているとは限りません。特にフライト用ではない iOS/Android アプリなどの場合、真球で計算していることが多いと想像されます。
補足3:
SeeYou でも距離計算でモデルが選べるということを、今回初めて知りました。標準は WGS84 に設定されているから他のアプリでの計算結果と微妙に合わなかったのか。。。(注:ターンポイントのシリンダーのサイズもグライダー用に 500m なので、ここでも違いが出ます)。











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