JP2003202384A

JP2003202384A - 大気計測システム及び方法

Info

Publication number: JP2003202384A
Application number: JP2002001278A
Authority: JP
Inventors: Masanori Nishio; 正則西尾
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-01-08
Filing date: 2002-01-08
Publication date: 2003-07-18
Anticipated expiration: 2022-01-08
Also published as: JP3733330B2

Abstract

(57)【要約】【課題】地上から低中高度における大気の流れを広範
囲、高精度かつ簡便に検出する。【解決手段】第１衛星追跡アンテナ１０及び第２衛星
追跡アンテナ２０は、非静止型衛星６０からのビーコン
電波を受信するためのアンテナである。基準信号源３５
は、信号ケーブルを介して接続された第１及び第２受信
装置１５、２５を同期して動作させる。相関処理装置４
０は、各アンテナ１０、２０で受信した信号から衛星電
波の到着時間差を求める。軌道予測計算機３０は、アン
テナ１０、２０の方位の指示と衛星６０の動きによる受
信周波数変化（ドップラーシフト）及び到着時間差の変
化の補正のためのデータを計算し、さらに、衛星６０の
動きによる周波数変化と電波到着時間差の変化の補正量
を求める。データ解析装置５０は、測定した到着時間差
から大気中の水蒸気分布を推定し、可視化を行い、二次
元の水蒸気分布を計算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大気計測システム
及び方法に係り、特に、大気中の水蒸気及び雨滴の分布
を、低高度軌道（高度数ｋｍ〜数１０００ｋｍ）あるい
は中高度軌道（高度、数１０００〜１万ｋｍ程度）の地
球周回軌道を回る衛星から放射される電波を利用して、
簡便、かつ短時間で計測する大気計測システム及び方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、地表面から数ｋｍという低高度
又は中高度における水蒸気や雨滴の分布を調べる方法と
しては、例えば、気象衛星により撮影された可視光画像
あるいは赤外線画像を利用する方法、気象レーダーによ
り電波の反射波を計測する方法、気象観測機器を搭載し
た気球や飛行機などを飛ばして直接計測する方法、水蒸
気ラジオメータにより大気からの電波放射量を計測する
方法などがある。また、静止衛星からの電波を用い、受
信強度の変化を監視する方法や複数のアンテナ間での到
着時間差（到来時間差）を計測する方法などもある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
各方法では、目に見えない雲、すなわち水蒸気のかたま
りが高層大気中の風によってどのように動いていくかを
検出することは困難である場合が想定される。例えば、
従来の測定技術のうち、気象衛星画像を利用する方法や
気象レーダーによる方法は、主に雨滴成分の検出に適し
ているが、雨滴になる前の水蒸気成分の検出は難しい場
合が想定される。また、気球や飛行機などによる直接計
測では、水蒸気と雨滴の両方が検出可能であるが、測定
点は検出器の周囲のみであり、広範囲の測定を行おうと
すると長い時間を要する。また、水蒸気ラジオメータを
用いる方法では、雨滴による吸収水蒸気と雨滴の両方を
検出することができるが、両者の分離が困難である。

【０００４】ここで、水蒸気成分と雨滴成分の寄与を分
離することができるようにした差動ラジオメータが提案
されている。しかしながら、この差動ラジオメータを用
いた場合でも雨滴成分が多いときには水蒸気成分の検出
が非常に困難である場合が想定される。また、静止衛星
の電波を複数のアンテナで受信して到着時間差を測る方
法は、水蒸気成分の変動に対して高い感度を有している
が、天球上で電波源の位置が固定されているため、広範
囲の測定を行うことは困難である。

【０００５】本発明の目的のひとつは、以上の点に鑑
み、地上から低高度乃至中高度における大気の流れを広
範囲、高精度かつ簡便に検出する大気計測システム及び
方法を提供することにある。また、本発明の他の目的
は、水滴へと成長する前の水蒸気の分布を高感度で捉え
ることができる大気計測システム及び方法を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、水蒸気成分
の変動に対して高い感度を有している衛星電波の到着時
間差を、非静止型の衛星の信号を用いて測定する方法に
拡張した。本発明では、静止衛星のビーコン電波の代わ
りに、非静止型衛星が出力するビーコン波、下りのユー
ザーリンク信号（顧客用信号）、下りのフィーダリンク
信号（管制用信号）等の無変調波及び／又は変調波を用
いる。これにより、従来の方法では衛星の位置が天球上
で一定であるために行うことができなかった広範囲の水
蒸気分布の計測を行うことが可能となる。また、非静止
衛星としては、近年、急速に発展してきた衛星通信用の
低軌道地球周回衛星システムあるいは中軌道地球周回衛
星システムに用いられる衛星群を使用する。この衛星群
は、常に天球上に1機ないし複数機の衛星が見えてお
り、また、それらが天球上を高速に移動していくことか
ら、広範囲の水蒸気分布の計測を短時間で実現できる。

【０００７】本発明の第１の解決手段によると、複数の
アンテナにより非静止衛星から受信した電波に基づき、
大気の水蒸気分布を計測する大気計測システムにおい
て、衛星の軌道を計算し、各アンテナを衛星に向けるよ
うに指示し、且つ、アンテナの方向・位置及び衛星の軌
道に起因する受信電波の到着時間差を計算する軌道予測
計算機と、前記軌道予測計算機からの指示に基づき衛星
を捕捉し、その後衛星の追跡を行う第１及び第２アンテ
ナと、前記第１及び第２アンテナからの受信信号に基づ
き、それぞれ、第１及び第２受信データを出力する第１
及び第２受信装置と、複数の衛星位置での測定により、
前記第１及び第２受信装置からの受信データを、前記軌
道予測計算機により計算された到着時間差で補正して第
１及び第２の補正受信データを計算し、さらに、天空上
の各位置での第１及び第２の補正受信データの位相差を
計算する相関処理装置と、複数の衛星位置での測定によ
り、前記相関処理装置で計算された位相差の時間変動に
基づき、天球上の各位置での位相揺らぎを計算し、さら
に、各測定で得られた位相ゆらぎを空間的に補間するこ
とにより、二次元の水蒸気分布を求めるデータ解析装置
と、を備えた大気測定システムを提供する。

【０００８】本発明の第２の解決手段によると、第１及
び第２のアンテナにより非静止衛星から受信した電波に
基づき、大気の水蒸気分布を計測する大気計測方法にお
いて、軌道予測計算機は、衛星の軌道を計算し、前記第
１及び第２アンテナを衛星に向けるように指示し、前記
第１及び第２アンテナは、前記軌道予測計算機からの指
示に基づき衛星を捕捉し、その後衛星の追跡を行い、第
１及び第２受信装置は、それぞれ、前記第１及び第２ア
ンテナからの受信信号に基づき、第１及び第２受信デー
タを出力し、前記軌道予測計算機は、アンテナの方向・
位置及び衛星の軌道に起因する受信電波の到着時間差を
計算し、相関処理装置は、複数の衛星位置での測定によ
り、前記第１及び第２受信装置からの受信データを、前
記軌道予測計算機により計算された到着時間差で補正し
て第１及び第２の補正受信データを計算し、さらに、天
空上の各位置での第１及び第２の補正受信データの位相
差を計算し、データ解析装置は、複数の衛星位置での測
定により、前記相関処理装置で計算された位相差の時間
変動に基づき、天球上の各位置での位相揺らぎを計算
し、さらに、各測定で得られた位相ゆらぎを空間的に補
間することにより、二次元の水蒸気分布を求めるように
した大気計測方法を提供する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に関する大気
計測システム１００の概略構成図である。大気計測シス
テム１００は、例えば、第１衛星追跡アンテナ１０、第
１受信装置１５、第２衛星追跡アンテナ２０、第２受信
装置２５、軌道予測計算機３０、基準信号源３５、相関
処理装置４０、データ解析装置５０、衛星６０、記憶装
置７０及び出力装置８０を含む。また、記憶装置７０
は、例えば、第１データファイル７１及び第２データフ
ァイル７２を及び第３データファイル７３含む。なお、
衛星６０は、例えば、地球の周回軌道を低高度（高度数
ｋｍ〜数１０００ｋｍ）乃至中高度（高度、数１０００
ｋｍ〜１万ｋｍ程度）で回る非静止型衛星であって、ビ
ーコン信号を放射している。

【００１０】第１衛星追跡アンテナ１０及び第２衛星追
跡アンテナ２０は、非静止型衛星６０からのビーコン電
波を受信するためのアンテナである。各アンテナ１０、
２０は、例えば、距離ｄだけ離して設置される。この距
離ｄは、検出したい大気構造の大きさにより変えること
になる。この距離ｄは、一例を示すと通常は１００ｍ程
度とすることができるが、この距離は適宜設定しうる。
なお、各アンテナ１０、２０は、この例では、同一規格
であって衛星６０の動きを追跡する。第１及び第２受信
装置１５、２５は、各アンテナ１０、２０に接続され、
さらに、有線又は無線で相関処理装置４０と接続され
る。第１受信装置１５及び第２受信装置２５は、衛星電
波（ビーコン波）の受信機であって、例えば、受信信号
を増幅・周波数変換し、計算機に取り込める信号に変換
して出力する。

【００１１】基準信号源３５は、第１受信装置１５及び
第２受信装置２５を同期して動作させるための同期信号
を生成する。基準信号源３５は、例えば、有線又は無線
で第１及び第２受信装置１５、２５と接続されており、
第１受信装置１５及び第２受信装置２５を同期して動作
させる。ここで、各アンテナ１０、２０で受信した信号
間の到着時間差（到来時間差、遅延）を求めるために
は、例えば、第１受信装置１５及び第２受信装置２５に
含まれる周波数変換で使用する局部発振信号が基準信号
に同期している必要がある。

【００１２】軌道予測計算機３０は、例えば、衛星の位
置・動きについてのデータを予め保持し、そのデータに
基づき、アンテナ１０、２０の方位の指示と衛星６０の
動きによる受信周波数変化（ドップラーシフト）及び到
着時間差の変化の補正のためのデータを計算する。軌道
予測計算機３０は、また、衛星６０の軌道を計算し、各
アンテナ１０、２０を向ける方向を指示する。また、軌
道予測計算機３０は、衛星６０の動きによる周波数変化
と電波到着時間差の変化の補正量を求める。相関処理装
置４０は、例えば、第１及び第２受信装置１５、２５で
受信した信号と軌道予測計算機３０からのデータに基づ
き、衛星電波の到着時間差を求める。データ解析装置５
０は、例えば、測定した到着時間差から大気中の水蒸気
分布を推定し、可視化を行う。データ解析装置５０は、
例えば、二次元の水蒸気分布を計算する。記憶装置７０
は、第２受信装置１５、２５、相関処理装置４０、軌道
予測計算機３０等の各装置から各ファイルのデータを読
出し／書込みすることができる。出力装置８０は、例え
ば、データ解析装置５０により計算された水蒸気の２次
元分布を適宜の表示装置、記録媒体又は他の装置に出力
する。

【００１３】図２は、本発明に関する大気計測システム
１００のフローチャートである。軌道予測計算機３０
は、例えば、衛星６０の軌道を計算（地平線からの出現
から地平線への没入まで）する（Ｓ１０１）。この際、
軌道予測計算機３０は、各アンテナ１０、２０に対し
て、計算した衛星６０の地平線からの出現位置の方向
に、アンテナ１０、２０を向けるように指示する。各ア
ンテナ１０、２０は、ステップＳ１０１で軌道予測計算
機３０により指示されたように、衛星６０の出現位置へ
アンテナを向け、衛星６０を待ち受ける（Ｓ１０３）。
つぎに、各アンテナ１０、２０は、衛星６０が出現した
か否かを判定し（Ｓ１０５）、衛星６０が出現した後、
各アンテナ１０、２０は、この衛星６０の追跡を行い、
第１及び第２受信装置１５、２５は、衛星６０から送信
される信号（例えば、ビーコン波、下りのユーザーリン
ク信号（顧客用信号）、下りのフィーダリンク信号（管
制用信号）等の無変調波、変調波、あるいは、これら両
方の電波）の受信を開始して、それを連続的に受信する
（Ｓ１０７）。

【００１４】軌道予測計算機３０は、ステップＳ１０７
で各アンテナ１０、２０が追跡した衛星６０の動きによ
る周波数のドップラーシフトによる変化分を補正するた
めのドップラ補正用データを計算し、それを第１及び２
受信装置１５、２５へ与える。第１及び２受信装置１
５、２５は、ドップラ補正用データに基づいて、ビーコ
ン信号のドップラーシフト変化分の補正を行う（Ｓ１０
９）。第１及び第２受信装置１５、２５は、ここでは、
受信周波数の同調をドップラーシフトの周波数分調整す
ることで、ドップラ補正を行うことができる。さらに、
軌道予測計算機３０は、衛星６０とアンテナ１０、２０
との位置・角度を考慮して、両アンテナ１０、２０から
受信した信号の到着時間差を計算する（Ｓ１１１）。な
お、これらのステップＳ１０９、Ｓ１１１の処理は、相
関処理装置４０内で行うことも可能である。また、アン
テナ１０、２０の間隔が比較的短い場合、ドップラーシ
フトの差は無視できる場合がある。この場合、ドップラ
ーシフトの補正処理（Ｓ１０９）は省略するようにして
もよい。

【００１５】第１及び２受信装置１５、２５は、それぞ
れ、ステップＳ１０９でドップラ補正処理を行った第1
及び第２の受信信号（この処理を省略した場合は、その
ままの第1及び第２の受信信号）を、有線又は無線で相
関処理装置４０に送信する。また、軌道予測計算機３０
は、ステップＳ１１１で計算した衛星の動き自体に起因
する到着時間差を、データ相関処理装置４０に送信す
る。相関処理装置４０は、第１及び第２受信装置１５、
２５からの第1及び第２の受信信号を、軌道予測計算機
３０からの到着時間差データで補正する。相関処理装置
４０は、その補正された第１及び第２受信データを、軌
道予測計算機３０により予め計算された天球上での衛星
６０の測定時間ごとの位置に関するデータ（衛星識別
子、衛星６０の方位角、仰角）と、測定時間データ（時
間）等に対応して第１データファイル７１を作成し、そ
れを記憶装置７０の第１データファイル７１に記憶する
（Ｓ１１３）。到着時間差は、第１の原因として、衛星
６０の動きにより衛星６０と各アンテナ１０、２０間の
距離差が変わることにより変化する。また、到着時間差
は、第２の原因として、衛星６０の動きにより衛星６０
と各アンテナ１０、２０間の電波の伝播経路が変化し、
伝播経路中にある大気の水蒸気量の場所ごとの揺らぎを
反映して変化する。第１の原因による到着時間差の変化
は、各測定時間ごとの衛星の位置を軌道要素などを用い
て推定し、引き去ることができる。このようにすると、
第２の原因による到着時間差の変化のみが残ることにな
る。

【００１６】図３は、第１データファイル７１の説明図
である。第１データファイル７１は、例えば、衛星識別
子、時間、衛星の方位角、衛星の仰角、第１受信デー
タ、第２受信データを含む。ここでは、ある衛星６０の
各測定時間毎の位置を示すための汎用性のある位置デー
タは、「衛星の方位角」「衛星の仰角」で表されてい
る。なお、この例では、第１データファイル７１の形式
は、各受信データ（サンプルごと）に対して、時間、衛
星の方位角、仰角が付加されているが、データは、例え
ば数万サンプル／秒であるので、各サンプルに付加デー
タ（時間、衛星の方位角、仰角）が付くとその処理およ
びデータ量も膨大になる。そこで、データをブロック化
し（例えば１秒ごとのブロック）、各ブロックの先頭に
時間、衛星の方位角、仰角を付加するようにしてもよ
い。そして、データを処理した後（例えば相関処理後）
で時間、衛星の方位角、仰角が必要なときはブロックの
先頭の情報を元にして一次関数等の関数による補間計算
により求めることができる。

【００１７】つぎに、アンテナ１０、２０は、衛星６０
が地平線へ没入したか否かを判定する（Ｓ１１５）。こ
こで、衛星６０が没入していない場合、再びステップＳ
１０９へ戻り、以降ステップＳ１１１、Ｓ１１３を繰返
し、第１データファイル７１へデータを追加する。一
方、ステップＳ１１５で衛星６０が没入した場合、測定
した衛星６０の数が所要数を満たすか否かを判定する
（Ｓ１１７）。ここで、所要数を満たさない場合、再び
ステップＳ１０１へ戻り、以上の処理を、出現する衛星
ごとに繰り返す。

【００１８】つぎに、ステップＳ１１７で測定した衛星
６０の数が所要数を満たす場合、相関処理装置４０は、
ステップＳ１１３で作成された第１データファイル７１
を読み出し、さらに、第１及び２受信装置１５、２５か
らの補正処理を行った受信データに対して、単位時間ご
と（たとえば、０．１秒ごと）の信号間の到着時間差を
計算する（Ｓ１１８：詳細は後述）。また、受信した信
号が、無変調波（例えば、正弦波振動をする信号）の場
合は、第１衛星追跡アンテナ１０と第２衛星追跡アンテ
ナ２０の受信信号を掛け算し、単位時間積分することに
より、到着時間差を正弦波振動の位相差という量として
求めることができる。一方、受信した信号が、変調波の
場合又は無変調波と変調波の両電波の場合にも、受信し
た信号は正弦波を重畳した信号なので、無変調波と同様
の方法で、それらの平均として位相差という量を求める
ことができる。

【００１９】データ解析装置５０は、記憶された到着時
間差データ及び天球上での衛星位置データに基づいて、
天球上の各位置での水蒸気分布・位相揺らぎ（水蒸気分
布の揺らぎ）を計算する（Ｓ１１９：詳細は後述）。例
えば、水蒸気分布は、到着時間差の時間変動を時間積分
することにより求められる。データ解析装置５０は、上
述のような複数の衛星位置による複数回の測定により、
天球上で異なる軌道に対応する水蒸気分布が求められる
ので、各測定で得られた結果を空間的に補間することに
より、二次元の水蒸気分布を求める（Ｓ１２１：詳細は
後述）。

【００２０】以下、上述のステップＳ１１９及びＳ１２
１の処理について、具体的に説明する。（相関処理装置４０における到着時間差の算出：Ｓ１１
８について）図４は、観測点から見上げたときの空（天
球面）を示す図である。天球面は、例えば、図中、大き
な円で示した地平線６００と、地平線６００に囲まれた
天球面内に太い実線で示した衛星６０の軌道６０１、６
０２とを含む。また、軌道６０２は、例えば、複数の小
区間（図中、楕円で示した領域）６０３に区切られる。
この小区間６０３の（略）中心又は重心には、偏差の代
表点６０４が示されている。相関処理装置４０は、この
小区間６０３毎に衛星６０から放射された電波が２台の
アンテナ１０、２０に到着する時間の差（位相差）を測
定する。

【００２１】図５は、大気計測システム１００における
相関処理装置４０での処理を示す説明図である。まず、
第１衛星追跡アンテナ１０および第２衛星追跡アンテナ
２０で受信した衛星６０のビーコン電波ｓ_１（ｔ）、ｓ
_２（ｔ）は、信号の強度をＡ_１及びＡ_２、位相をΦ
_１（ｔ）及びΦ_２（ｔ）、周波数をｆとして、ｓ_１（ｔ）＝Ａ_１・sin（２πｆｔ＋Φ_１（ｔ））（１）ｓ_２（ｔ）＝Ａ_２・sin（２πｆｔ＋Φ_２（ｔ））（２）というように正弦波信号として表すことができる。ここ
で、ｔは時間である。なお、厳密には各アンテナ１０、
２０で衛星６０の動きによるドップラーシフトの量が異
なるが、アンテナ１０とアンテナ２０の距離が所定範囲
（例えば、１００ｍ程度）のときは、２台の各アンテナ
１０、２０の間でも衛星６０の動きによるドップラーシ
フトはほぼ同じなので、受信周波数が２台の各アンテナ
１０、２０で同じとしてもその影響は無視できる。

【００２２】ここで、位相Φ_１（ｔ）及びΦ_２（ｔ）
は、衛星６０とアンテナ１０、アンテナ２０のまでの距
離をそれぞれｒ_１、ｒ_２、電波の伝播速度をｖ_１、ｖ_２
（ｖ_１≒ｖ_２≒光の速度）とすると、 Φ_１（ｔ）＝２πｆ・ｒ_１／ｖ_１＝２πｆτ_１（３） Φ_２（ｔ）＝２πｆ・ｒ_２／ｖ_２＝２πｆτ_２（４）というように表される。なお、τ_１、τ_２は、衛星６０
から放射された電波がアンテナ１０およびアンテナ２０
に到達するまでにかかる時間(伝播時間)である。これら
の信号の相互相関結果をｃ（ｔ）とすると、次式（５）
が成り立つ。

【００２３】

【数１】

【００２４】すなわち、２つの信号の積をとり、時間Ｔ
で平均したものとして与えられる。（１）式と（２）式
を（５）式に代入し、平均時間Ｔが受信周波数の逆数１
／ｆに比べて十分に長いとすると、次式（６）が成り立
つ。

【００２５】

【数２】

【００２６】となる。ここで、ΔΦ（ｔ）は相互相関位
相であり、ΔΦ（ｔ）＝Φ_２（ｔ）−Φ_１（ｔ）＝２π
ｆ（τ_１−τ_２）である。衛星の動きによる到着時間差
の変化分を補正すると、τ_１−τ_２は「衛星６０からア
ンテナ１０を結ぶ伝播路上にある水蒸気などの揺らぎに
よる伝播時間の揺らぎ」と「衛星６０からアンテナ２０
を結ぶ伝播路上にある水蒸気などの揺らぎによる伝播時
間の揺らぎ」の差を表しており、位相差ΔΦ（ｔ）もそ
れに比例した量になっている。なお、（５）式のｃ
（ｔ）から直接ΔΦ（ｔ）をもとめることはできないの
で、アンテナ２０の受信信号を９０度位相をずらした信
号である、ｓ_２´（ｔ）＝Ａ_２・sin（２πｆｔ＋Φ_２（ｔ）＋π
／２）＝Ａ_２・cos（２πｆｔ＋Φ_２（ｔ））を取り出し、これと（１）式との相互相関を計算する。
これにより、次式（７）が成り立つ。

【００２７】

【数３】

【００２８】つぎに、（６）式と（７）式から、次式
（８）として求める。 ΔΦ（ｔ）＝tan^−１（ｃ´（ｔ）／ｃ（ｔ））（８）

【００２９】図６は、大気計測システム１００における
相関処理装置４０での処理を主に示すフローチャートで
ある。なお、ここでは、上述のアンテナ１０とアンテナ
２０との位相差ΔΦ（ｔ）を算出する際に用いた各数式
と対応させて説明する。まず、相関処理装置４０は、上
述のｃ（ｔ）とｃ´（ｔ）との初期化を行う（Ｓ２０
１）。すなわち、ｃ（ｔ）＝０、ｃ´（ｔ）＝０とす
る。つぎに、第１受信装置１５は、アンテナ１０で衛星
６０からのビーコン電波ｓ_１（ｔ）を第１データファイ
ル７１から読出す（Ｓ２０３）。また、第２受信装置２
５は、アンテナ２０で衛星６０からのビーコン電波ｓ_２
（ｔ）を第１データファイル７１から読出す（Ｓ２０
７）。

【００３０】つぎに、相関処理装置４０は、ステップＳ
２０５、Ｓ２０９で読出したデータを、次式に基づい
て、それぞれｃ（ｔ）、ｃ´（ｔ）を算出する（Ｓ２１
１）。ｃ（ｔ）＝ｃ（ｔ）＋ｓ_１（ｔ）・ｓ_２（ｔ）ｃ´（ｔ）＝ｃ´（ｔ）＋ｓ_１（ｔ）・ｓ´_２（ｔ）

【００３１】ここで、相関処理装置４０は、算出したデ
ータ数が所要数を満たすか否かを判定する（Ｓ２１
３）。ここで、所要数を満たさない場合、相関処理装置
４０は、再びステップＳ２０３、２０７へ戻り、データ
読込み、算出処理を繰返す。一方、ステップＳ２１３で
所要数を満たす場合、相関処理装置４０は、ステップＳ
２１１で算出したｃ（ｔ）、ｃ´（ｔ）を、データ数で
割ることにより、ｃ（ｔ）、ｃ´（ｔ）のそれぞれの平
均を求める（Ｓ２１５）。つぎに、ステップＳ２１５で
算出したｃ（ｔ）、ｃ´（ｔ）のそれぞれの平均に基づ
いて、（８）式に従い位相差ΔΦ（ｔ）を求める（Ｓ２
１７）。

【００３２】図７に、第２データファイル７２の説明図
を示す。この例では、衛星識別子、時間、衛星の方位
角、衛星の仰角、位相差Φ（到着時間差）、ゆらぎσ_Φ
を含む。ここでは、相関処理装置４０は、ゆらぎσ_Φ以
外のデータを第２データファイルに書込む。

【００３３】（データ解析装置５０における位相揺らぎ
（水蒸気分布の揺らぎ）の算出：Ｓ１１９について）デ
ータ解析装置５０は、第２データファイル７２を参照
し、小領域ごとに代表点に対応して、読み出した位相差
Φに基づき、さらに到着時間差の変化（例えば、偏差σ
_Φ（ｔ））を算出する。ここで、到着時間差の変化を示
す偏差σ_Φ（ｔ）について説明する。

【００３４】ステップＳ１１９の処理では、大気中の水
蒸気の局所的な不均一さを検出することを目指している
ので、測定量（到達時間差）から到着時間差の系統的な
変化（たとえば、時間の経過に対する一様な増加あるい
は減少）を引き去った後、平均からのゆらぎ（すなわ
ち、標準偏差）を求める。ここで、系統的な変化は、例
えば、水蒸気、空気の層により生じて、衛星６０が出現
してから没入するまでの間に測定される大きな変動のこ
とである。この変動は、ハイパスフィルタ等により補正
された信号を所定周波数以上パスさせることで除いた
り、所定の１次、２次、３次式等の近似式を用いて除い
たりすることができる。標準偏差を、衛星６０の軌道６
０２の小区間６０３ごとに求めるようにすると、この量
は天球上の局所的な部分における水蒸気量等の空間的な
ゆらぎに対応している（参考文献：G.Brussaard and P.
A. Watson, "Atmospheric modelling and millimetre w
ave propagation, Chapman & Hall, 1995のp.54の記述
など）。

【００３５】以上のような操作を衛星６０の軌道６０
１、６０２に沿って、また、さまざまな衛星の軌道に沿
っておこなうと、天球上（二次元空間）のさまざまな場
所での水蒸気量等の空間的なゆらぎが得られる。到着時
間差のゆらぎσ_Φ（ｔ）は、相互相関位相ΔΦ（ｔ）の
揺らぎと等価なので、相互相関位相ΔΦ（ｔ）のゆらぎ
は、次式（９）より算出される。

【００３６】

【数４】

【００３７】ここで、Ｔはデータを平均する区間であ
り、観測点から見た衛星６０の天球上での角移動速度を
ｕ［radian/sec］、二次元画像の所要解像度をΔθとす
ると、Ｔ＝Δθ／ｕによって与えられる。なお、所要解像度をあまり小さく
取るとデータの信頼度が下がるので、最適な値、範囲が
存在する（例えば、Δθ＝１[deg]程度）。この値又は
範囲は、アンテナの位置、気象条件、地域、気候等によ
り予め適宜定めることができる。データ解析装置５０
は、第２データファイル７２の該当エリアに、ゆらぎσ
_Φを書込む。

【００３８】図８は、相互相関位相ΔΦ（ｔ）と、相関
位相のゆらぎσ_Φ（ｔ）との対応関係を示す図である。
相互相関位相ΔΦ（ｔ）は、例えば、上述した（６）
式、（７）式を用いて算出されるものであり、横軸を時
間ｔとし、さらに、横軸は、データを平均するための区
間であるＴ時間毎に区切られている。なお、衛星６０
は、軌道６０２に含まれる複数の小区間６０３をＴ時間
で移動することになる。また、相関位相のゆらぎσ
_Φ（ｔ）は、例えば、上述した（９）式を用いて算出さ
れるものであり、横軸を時間ｔとし、さらに、縦軸に
は、小区間６０３に含まれる偏差の代表点６０４に対応
した位置での値（図中、○印）が示されている。

【００３９】（データ解析装置５０における水蒸気の二
次元分布の算出：Ｓ１２１について）図９は、水蒸気の
二次元分布図を作成する際の天球面を示す図である。天
球面は、例えば、地平線６００、測定の代表点（図中、
○印）６１０、衛星の軌道（図中、○印を含む実線）６
３０、格子の交点６２０を含む。格子の交点６２０は、
例えば、上述の補間処理を用いて、二次元分布を求める
点である。

【００４０】天球上での水蒸気量等の空間的なゆらぎの
測定点の分布は一様ではなく、衛星６０の軌道に沿った
部分に局在している。二次元分布図を作るためには、ま
ず、天球面を格子状に区切り、データ解析装置５０は、
第２データファイル７２に記憶されたデータを読み出
し、位置データを格子状の２次元座標に変換して第３デ
ータファイルを作成し記憶する。さらに、データ解析装
置５０は、第２データファイルを読み出し、記憶された
測定の代表点６１０のゆらぎの値等のデータから格子の
交点６２０でのゆらぎの値を推定する。この処理は、二
次元補間アルゴリズムにより行う。補間法としては、例
えば、二次元空間でのスプライン補間法、キュービック
コンボリューション法などの汎用のアルゴリズムを使う
ことができる。

【００４１】図１０は、第３データファイルの説明図を
示す。この例では、Ｘ、Ｙ座標に対するゆらぎが記憶さ
れる。なお、上述の大気計測システム１００では、２つ
のアンテナ（第１衛星追跡アンテナ１０と第２衛星追跡
アンテナ２０）を用いて衛星６０を追跡しているが、ア
ンテナの数は、これに限られず、更に多くのアンテナを
用いることもできる。これにより、測定精度、測定効率
を上げることができる。また、本発明の応用として、ま
だ雲の動きとして捉えることができない気象前線最先端
部の大気の乱れなどを詳細に検出し、気象災害のより早
い予測に利用できることも期待できる。

【００４２】

【発明の効果】本発明によると、以上説明した通り、地
上から高度数ｋｍの高度における大気の流れを広範囲、
高精度かつ簡便に検出することができる。また、本発明
は、水滴へと成長する前の水蒸気の分布を高感度で捉え
ることができる。また、本発明は、従来の高層大気状態
の測定法に比べて、簡便かつ安価な方法で上層の大気の
様子を知ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関する大気計測システム１００の概略
構成図。

【図２】本発明に関する大気計測システム１００のフロ
ーチャート。

【図３】第１データファイル７１の説明図。

【図４】観測点から見上げたときの空（天球面）を示す
図。

【図５】大気計測システム１００における相関処理装置
４０での処理を示す説明図。

【図６】大気計測システム１００における相関処理装置
４０での処理を主に示すフローチャート。

【図７】第２データファイル７２の説明図。

【図８】相互相関位相ΔΦ（ｔ）と、相関位相のゆらぎ
σ_Φ（ｔ）との対応関係を示す図。

【図９】水蒸気の二次元分布図を作成する際の天球面を
示す図。

【図１０】第３データファイルの説明図。

【符号の説明】

１０第１衛星追跡アンテナ１５第１受信装置２０第１衛星追跡アンテナ２５第２受信装置３０軌道予測計算機４０相関処理装置５０データ解析装置６０衛星７０記憶装置７１第１データファイル１００大気計測システム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のアンテナにより非静止衛星から受信
した電波に基づき、大気の水蒸気分布を計測する大気計
測システムにおいて、衛星の軌道を計算し、各アンテナを衛星に向けるように
指示し、且つ、アンテナの方向・位置及び衛星の軌道に
起因する受信電波の到着時間差を計算する軌道予測計算
機と、前記軌道予測計算機からの指示に基づき衛星を捕捉し、
その後衛星の追跡を行う第１及び第２アンテナと、前記第１及び第２アンテナからの受信信号に基づき、そ
れぞれ、第１及び第２受信データを出力する第１及び第
２受信装置と、複数の衛星位置での測定により、前記第１及び第２受信
装置からの受信データを、前記軌道予測計算機により計
算された到着時間差で補正して第１及び第２の補正受信
データを計算し、さらに、天空上の各位置での第１及び
第２の補正受信データの位相差を計算する相関処理装置
と、複数の衛星位置での測定により、前記相関処理装置で計
算された位相差の時間変動に基づき、天球上の各位置で
の位相揺らぎを計算し、さらに、各測定で得られた位相
ゆらぎを空間的に補間することにより、二次元の水蒸気
分布を求めるデータ解析装置と、を備えた大気測定シス
テム。
【請求項２】前記軌道予測計算機は、さらに、衛星の動
きによる周波数のドップラーシフトを補正するためのド
ップラー補正用データを計算し、前記第１及び２受信装置は、さらに、前記軌道予測計算
機で計算されたドップラー補正用データに基づいて、受
信データに対してドップラーシフト変化分を補正して出
力するようにした請求項１に記載の大気計測システム。
【請求項３】前記相関処理装置は、前記第１及び第２受
信装置からの受信データを乗じて、単位時間で積分する
ことにより、到着時間差を正弦波振動の位相差として算
出するようにした請求項１又は２に記載の大気計測シス
テム。
【請求項４】前記データ解析装置は、前記相関処理装置
で計算された位相差に基づき、その平均からの揺らぎを
計算することで、衛星の軌道毎の到着時間差の変動を求
めるようにした請求項１乃至３のいずれかに記載の大気
計測システム。
【請求項５】前記データ解析装置は、さらに、到着時間
差の時間的に一様な変化又は系統的な変化を計算した揺
らぎから除くようにした請求項１乃至４のいずれかに記
載の大気計測システム。
【請求項６】前記データ解析装置により計算された水蒸
気の二次元分布を可視表示する表示装置をさらに備えた
請求項１乃至５のいずれかに記載の大気計測システム。
【請求項７】第１及び第２のアンテナにより非静止衛星
から受信した電波に基づき、大気の水蒸気分布を計測す
る大気計測方法において、軌道予測計算機は、衛星の軌道を計算し、前記第１及び
第２アンテナを衛星に向けるように指示し、前記第１及び第２アンテナは、前記軌道予測計算機から
の指示に基づき衛星を捕捉し、その後衛星の追跡を行
い、第１及び第２受信装置は、それぞれ、前記第１及び第２
アンテナからの受信信号に基づき、第１及び第２受信デ
ータを出力し、前記軌道予測計算機は、アンテナの方向・位置及び衛星
の軌道に起因する受信電波の到着時間差を計算し、相関処理装置は、複数の衛星位置での測定により、前記
第１及び第２受信装置からの受信データを、前記軌道予
測計算機により計算された到着時間差で補正して第１及
び第２の補正受信データを計算し、さらに、天空上の各
位置での第１及び第２の補正受信データの位相差を計算
し、データ解析装置は、複数の衛星位置での測定により、前
記相関処理装置で計算された位相差の時間変動に基づ
き、天球上の各位置での位相揺らぎを計算し、さらに、
各測定で得られた位相ゆらぎを空間的に補間することに
より、二次元の水蒸気分布を求めるようにした大気計測
方法。
【請求項８】前記軌道予測計算機は、さらに、衛星の動
きによる周波数のドップラーシフトを補正するためのド
ップラー補正用データを計算し、前記第１及び２受信装置は、さらに、前記軌道予測計算
機で計算されたドップラー補正用データに基づいて、受
信データに対してドップラーシフト変化分を補正して出
力するようにした請求項７に記載の大気計測方法。
【請求項９】天球面内の衛星の軌道を複数の小領域に区
切り、その小領域の中心又は重心を代表点として、複数
の軌道に関しての各代表点での位相差を測定するように
した請求項７又は８に記載の大気計測方法。
【請求項１０】非静止衛星からの受信信号として、無変
調波、変調波又はこれら両電波の内、いずれかを用いる
ことを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の大
気計測方法。