JP2007232695A

JP2007232695A - 乱気流の検知方法

Info

Publication number: JP2007232695A
Application number: JP2006058175A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Harikae; 正敏張替; Eiichi Endo; 栄一遠藤; Kimio Asaka; 公雄浅香
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: JP4859208B2

Abstract

【課題】データベースに依ることなく単一方向に照射したレーザ光に対する散乱光にのみに基づいて航空機の前方に存在する乱気流を検知することが出来る乱気流の検知方法を提供する。
【解決手段】レーザ光を前方に照射し被計測対象エリアの向かい風の風速度（Ｕ）を取得し、その向かい風の風速度（Ｕ）を時間微分し、重力加速度ｇで割ることにより無次元化したＦｈファクターを指標値として導入し、その指標値の絶対値｜Ｆｈ｜を予め設定した閾値Ｔｈ１,Ｔｈ２で２段階にわたり検定する。そして、｜Ｆｈ｜＞Ｔｈ２の場合は、航空機の前方に乱気流が存在すると判定し、計器板に赤色を表示すると共に操縦室に警報を発して操縦者に乱気流の存在を覚知させる。他方、Ｔｈ１＜｜Ｆｈ｜≦Ｔｈ２の場合は、航空機の前方に乱気流に発達する可能性のある気流が存在すると判定し、計器板に黄色を表示すると共に操縦室に警報を発して操縦者にその気流の存在を覚知させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、乱気流の検知方法に関し、特に過去に取得したデータベース等の統計データに依存することなく且つレーザ光をコーン角度又はファン角度で走査することなく単一方向に照射したレーザ光のみに基づいて航空機の前方に存在する乱気流を検知することが出来る乱気流の検知方法に関するものである。

大気中を飛行する航空機は、常に風の影響を受けており、乱気流などの風擾乱は航空機事故の主要因の一つとなっている。過去の航空機事故においても、約半数の事故に風が関係していることが判る。このため、飛行経路上の風の傾向や変化、擾乱の程度に関する情報は、航空機が安全に航行するために必要不可欠である。
ところで、現在運航されている旅客機は気象レーダを搭載し、気象レーダを使用することで、飛行方向の雨雲の様子を確認し、風擾乱の程度を予想することが出来るようになっている。しかし、晴天時には雨雲がないため、気象レーダを使用し風擾乱の程度を予想することは出来なくなる。
その他の風擾乱の程度を検知する方法として、レーザ光を用いた風擾乱予知システムが知られている。この風擾乱予知システムは、照射したレーザ光が大気中に存在する水滴やチリ（エアロゾル）等に当たり反射し、その反射レーザ光（散乱光）を受光し、ドップラー効果を受けた散乱光の波長の変化（ドップラーシフト）を求めることにより、レーザ光の照射方向の風速度を求め、レーザ光をコーン角度又はファン角度で走査しながら、様々な方向の散乱光を受光することにより、対応する様々な風速度を求めることができる（例えば、特許文献１を参照。）。
また、同様な測定原理でレーザ光によって数ｋｍ先の飛行方向の風速の観測データを取得し、その観測データを基地局または他の飛行物体に送信し、基地局等においてその観測データを「過去に取得した観測データとその後に航空機が遭遇した事象との関係をまとめたデータベース」に当てはめ、その検索結果を航空機に送信することにより、航空機前方に存在する乱気流を予測することを可能とした飛行物体運航システムが知られている（例えば、特許文献２を参照。）。

特開２００３−１４８４５号公報特開２００１−１６７３９９号公報

上記特許文献１に係る発明は、垂直方向の風速度をレーザ光で計測することにより、航空機の前方にある乱気流の存在を検知することが出来る。また、上記特許文献１に係る発明では、原理上、レーザ光の照射方向の風速度成分のみを計測することができ、従って、垂直方向の風速度を求めるためにはレーザ照射器の振れ角（コーン角度又はファン角度）を大きくする必要がある。
しかし、レーザ装置は機体に取付けられているため、レーザ照射器の振れ角には限界がある。そのため、レーザ光の振れ角の範囲外となる方向の風速度成分は精度良く求めることが出来ず、その結果、乱気流の存在を検知することが出来ない場合が起こり得るという問題がある。
他方、上記特許文献２に係る発明では、過去に観測した全ての観測データと、その観測データを基に飛行物体がとった行動記録と、その行動記録の結果、飛行物体が遭遇した事象とのデータベースを有する基地局または他の飛行物体が必要となり、システムが大規模かつ複雑になる問題、更にこれらの基地局または他の飛行物体と通信することが出来ない状況下においては、航空機の前方に存在する乱気流を予測することは不可能であるという問題がある。
そこで、本発明は、上記実情に鑑み創案されたものであって、過去に取得したデータベース等の統計データに依存することなく且つレーザ光をコーン角度又はファン角度で走査することなく単一方向に照射したレーザ光のみに基づいて航空機の前方に存在する乱気流を検知することが出来る乱気流の検知方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため請求項１に記載の乱気流の検知方法は、航空機の進行方向に照射された単一方向のレーザ光に対する散乱光のうち被計測対象エリアに対応する散乱光を受光し、その散乱光の波長変化に基づいて前記被計測対象エリアの向かい風の風速度を求める工程と、該風速度を時間微分することにより得られるＦｈファクターを指標値として導入し、該指標値の絶対値を予め設定した閾値によって判定する工程と、該絶対値が閾値を超える場合は注意喚起手段によって操縦者に乱気流の存在を覚知させる工程とから成ることを特徴とする。
本願発明者が、実際の乱気流中を通過した際に機体が受けた垂直加速度のデータを鋭意解析研究した結果、その垂直加速度の変動値の絶対値｜ΔＧ｜は、向かい風の風速度（Ｕ）の時間微分の絶対値｜ｄＵ／ｄｔ｜にほぼ１対１に対応していることを見出した。これは、被計測対象エリアの向かい風の風速度を何等かの手段によってリモートセンシングすることが可能となれば、機体がこれから受けるであろう垂直加速度の変動値の絶対値をリモートした地点において予測することができ、その垂直加速度の変動値の絶対値から被計測対象エリアに乱気流が在るか否かを、過去のデータベースを参照することなく直接的に予知することができることを示すものである。
そこで、上記乱気流の検知方法では、リモートセンシングの手段としてレーザ光を用いることとしレーザ光を前方に照射し散乱光を受光することにより、航空機が通過することとなる被計測対象エリアの向かい風の風速度に関するデータを取得して、次にその風速度の時間微分の絶対値を求め、その絶対値を、実際の垂直加速度の変動値の絶対値｜ΔＧ｜のデータを基に予め設定した閾値で検定し、その絶対値がその閾値を超える場合は航空機の前方に乱気流があると判定すると共に操縦者に対して乱気流の存在を注意喚起手段によって覚知させることとした。

本発明の乱気流の検知方法によれば、レーダ装置のレーザ光を上下に振ることなしに、単一方向のレーザ光の照射に対する散乱光から得られる前方の向かい風に関する風速度を処理するだけで、航空機の航行に悪影響をもたらす乱気流の存在を事前に直接的に予知することができるようになる。これにより、過去に取得した観測データとその後に飛行物体が遭遇した事象との関係をまとめたデータベース、これらを備えた基地局等の航行支援システムが不要となり、乱気流を検知するシステムの構成が非常に簡素化されることとなる。また、警報を発することによりパイロットに危険回避を促し、航空機が乱気流に突入することを好適に防止することができ、結果、航空機の航行に対する高い安全性が確保されることが期待できる。

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。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の乱気流の検知方法を示すフロー図である。
ステップＳ１では、航空機の航行方向に対し、レーザ光を照射して被計測対象エリアに関する向かい風の風速度（Ｕ）を求める。なお、向かい風の風速度（Ｕ）を求めるためのレーザ光の照射及びその散乱光の受光は、例えば宇宙航空研究開発機構（ＪＡＸＡ）所有のレーザ光を用いた乱気流を検知する装置（以後、「風計測ライダ」という。）によって行うことができる。

ここで、風計測ライダの原理を簡単に説明する。
図２に示すようにレーザ発振器１で発振されたレーザ光を送受信光学系２からレーザ光を照射して、その大気散乱光（以下、「信号光」という。）を受信する。信号光は風速に応じたドップラーシフトにより波長が変化するために、装置内部の発振光と受信した信号光との間には波長のズレが生じる。レーザ発振器１からの光はハーフミラー５と全反射ミラー６を介して一部が光検出器３に導かれ、送受信光学系２で受光した信号光と光検出器３内でミキシングされる。発振光と信号光は若干ズレているためビート信号を発生する。この波長のズレによるビート信号を信号処理部４で信号処理をして向かい風の風速度（Ｕ）を求めることができる。なお、計測対象とするエリアからの大気散乱光は、送信してから受信するまでに要した時間から選定することができる。

ステップＳ２では、ステップＳ１で得られた向かい風の風速度（Ｕ）を時間微分し、重力加速度ｇで割ることにより、無次元化したＦｈファクターを導入し、そのＦｈファクターの絶対値｜Ｆｈ｜を求める。
図３は、航空機の実際のフライトデータから得られた航空機に作用した垂直加速度の変動値ΔＧの絶対値｜△Ｇ｜と、向かい風の風速度（Ｕ）に係るＦｈファクターの絶対値｜Ｆｈ｜との関係示すものである。
この図から、乱気流領域における垂直加速度の変動値の絶対値｜ΔＧ｜と、その時の向かい風の風速度（Ｕ）に係るＦｈファクターの絶対値｜Ｆｈ｜とは、ほぼ１対１に対応していることが判る。すなわち、乱気流領域に見られる｜ΔＧ｜の特性は、｜Ｆｈ｜においても見ることができ、従って、風計測ライダによって航空機の前方にある向かい風の風速度（Ｕ）に係るＦｈファクターの絶対値｜Ｆｈ｜の時系列分布を求めることにより、航空機の前方に存在する乱気流を直接的に予知することが可能となる。具体的には、後述するように、向かい風の風速度（Ｕ）に係るＦｈファクターの絶対値｜Ｆｈ｜を予め設定した閾値で検定することにより行う。また、閾値の設定は、例えば、乱気流領域の｜ΔＧ｜に対応する｜Ｆｈ｜を求め、その｜Ｆｈ｜中の最小値近傍の値を閾値として設定することができる。

ステップＳ３では、風計測ライダによって得られた向かい風の風速度（Ｕ）に係るＦｈファクターの絶対値｜Ｆｈ｜を第１の閾値Ｔｈ１で検定する。本実施形態では、２段階にわたる検定を行い乱気流が存在するか否かを判定している。
先ず第１段階として、気流が乱気流に発達する直前の遷移状態にあるか否かを判定する。そのための閾値として第１の閾値Ｔｈ１を導入して、｜Ｆｈ｜を第１の閾値Ｔｈ１で検定する。第１の閾値Ｔｈ１としては、例えばＴｈ１＝０.２を採用することが出来る。

さて、計測ライダによって得られた向かい風の風速度（Ｕ）に係るＦｈファクターの絶対値｜Ｆｈ｜が０.２より大きい場合（Ｙｅｓ）は、前方の気流は、遷移状態以上の気流状態にあり、ステップＳ４へ移行して、遷移状態か乱気流状態かが判定される。一方、｜Ｆｈ｜が０.２に等しいかそれより小さい場合（Ｎｏ）は、気流は航空機の航行に支障を与えないレベルの気流状態であると判定され、ステップＳ１へ戻り、計測ライダによる向かい風の風速度（Ｕ）を計測する処理が行われる。

ステップＳ４では、風計測ライダによって得られた向かい風の風速度（Ｕ）に係るＦｈファクターの絶対値｜Ｆｈ｜を第２の閾値Ｔｈ２で検定する。なお、第２の閾値Ｔｈ２としては、例えばＴｈ２＝０.４を採用することが出来る。
もし、｜Ｆｈ｜が０.４より大きい場合（Ｙｅｓ）は、前方の気流は、乱気流であると判定し、ステップＳ５へ移行して、計器に赤色を（点滅）表示すると共に操縦室に警報を鳴らして、操縦者に前方に乱気流があることを覚知させる。

一方、｜Ｆｈ｜が０.４に等しいかそれより小さい場合（Ｎｏ）は、気流は未だ乱気流に発達する前の遷移状態にあるが今後乱気流に発達する可能性があると判定し、ステップＳ６へ移行して、計器に黄色を（点滅）表示すると共に操縦室に警報を鳴らして、操縦者に前方に乱気流に発達する可能性の気流があることを覚知させる。上記を図示すると、図４のようになる。

なお、注意喚起手段としては、上記計器の赤色または黄色表示および警報以外に、微振動を与えたり或いはシートベルトの張力を大きくしたりする手段がある。

以上、本発明の乱気流の検知方法１００によれば、計測ライダのレーザ光を上下に振ることなしに、単一方向のレーザ光の照射に対する散乱光から得られる、前方の向かい風に関する風速度（Ｕ）を処理するだけで、航空機の航行に悪影響をもたらす乱気流を事前に直接的に予知することができるようになる。これにより、過去に取得した観測データとその後に飛行物体が遭遇した事象との関係をまとめたデータベース、これらを備えた基地局等の航行支援システムが不要となり、乱気流を検知するシステムの構成が非常に簡素化されることとなる。また、計器板を赤色表示すると共に警報を発することによりパイロットに危険回避を促し、航空機が乱気流に突入することを好適に防止することができ、航空機の航行に対する高い安全性が確保されることが期待できる。

本発明の乱気流の検知方法は、気流中を航行する旅客機等の他あらゆる航空機の危険回避手段に対し好適に適用することが出来る。

本発明の乱気流の検知方法を示すフロー図である。計測ライダの原理を示す説明図である。垂直方向加速度の変動値の絶対値｜ΔＧ｜と向かい風の風速度（Ｕ）に係るＦｈファクターの絶対値｜Ｆｈ｜との相関関係を示すグラフである。垂直方向加速度の変動値の絶対値｜ΔＧ｜と警報領域との対応を示すグラフである。

符号の説明

１レーザ発振器
２送受信光学系
３光検出器
４信号処理部
５ハーフミラー
６全反射ミラー
１００乱気流の検知方法

Claims

航空機の進行方向に照射された単一方向のレーザ光に対する散乱光のうち被計測対象エリアに対応する散乱光を受光し、その散乱光の波長変化に基づいて前記被計測対象エリアの向かい風の風速度を求める工程と、該風速度を時間微分することにより得られるＦｈファクターを指標値として導入し、該指標値の絶対値を予め設定した閾値によって判定する工程と、該絶対値が閾値を超える場合は注意喚起手段によって操縦者に乱気流の存在を覚知させる工程とから成ることを特徴とする乱気流の検知方法。