JP2014196906A

JP2014196906A - 気象観測装置

Info

Publication number: JP2014196906A
Application number: JP2013071551A
Authority: JP
Inventors: 恒大友; Hisashi Otomo
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-10-16

Abstract

【課題】気象状況を示す指標値を、より広範囲かつ高精度に導出する。
【解決手段】気象観測装置は、航空機が送信する情報であって、該航空機の位置情報と該航空機において計測された計測情報とを含む情報を受信する受信部と、前記受信部が受信した情報に基づき、気象状況を示す指標値を導出し、前記航空機の位置に対応付けられた値として出力する導出部と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、航空機から送られて来る情報に基づき、気象観測を行う気象観測装置に関する。

航空機などの目標の位置および高度を検出する検出センサと、目標の位置および高度情報に基づいて目標周辺の降雨情報および風向風速情報を取得する気象レーダと、目標周辺の降雨情報および風向風速情報を取得管理して情報端末に提示する情報管理装置とを具備する気象情報提供システムが知られている。このシステムにおける気象レーダは、空港観測用に特化した気象レーダであり、目標の周辺にレーダパルスを照射し、レイリー散乱エコーを観測して降雨情報を得ると共に、ドップラーを観測して風向風速情報を得るものである。

また、航空機に質問信号を送信し、当該質問信号に応答して航空機から送信された応答信号を受信して航空機の飛行を監視する二次監視レーダが知られている。また、標準大気の圧力と高度を換算する換算表などが、国際民間航空機関（ICAO；International Civil Aviation Organization）によって規定されている。

特開２０１２―１８１０４１号公報特開２０１２―２４２３２３号公報

"Aeronautical Telecommunications，ANNEX10，VOLUMEＩＶ"，Surveillance Radar and Collision Avoidance Systems，1996年７月，3-55頁（3.1.2.8.6項），ICAO

上記した気象情報提供システムでは、固定位置に設置される気象レーダによって風向風速情報を取得するため、情報を取得できる範囲が限られると共に、精度が不十分であるという問題があった。

本実施形態の気象観測装置は、航空機が送信する情報であって、該航空機の位置情報と該航空機において計測された計測情報とを含む情報を受信する受信部と、前記受信部が受信した情報に基づき、気象状況を示す指標値を導出し、前記航空機の位置に対応付けられた値として出力する導出部と、を備える。

気象観測装置１の通信環境を例示した図である。航空機１００に搭載される機器の一部を例示した図である。気象観測装置１の機能構成の一例を示す図である。指標値導出部５０が風向および風速を導出する原理を説明するための説明図である。導出結果記憶部２２により記憶されるデータの内容を例示した図である。

［全体構成］
以下、図面を参照し、気象観測装置の実施形態について説明する。図１は、気象観測装置１の通信環境を例示した図である。図１において、航空機１００―１、１００―２は、自機の位置情報、および各種計測機器により計測された計測情報を、自発的に放送（ブロードキャスト）している。

気象観測装置１は、航空機１００―１、１００―２から受信した上記情報に基づいて、風向、風速、気圧などの気象状況を示す指標値を、航空機の位置に対応付けられた値として導出する。また、気象観測装置１は、二次監視レーダ（SSR；Secondary Surveillance Rader）２００と通信し、航空機１００―１、１００―２から受信した情報を補完するための情報を取得する。

本実施形態において、気象観測装置１と通信する航空機の数に特段の限定は存在しない。以下、航空機を区別しないときは、単に航空機１００と称して説明する。航空機１００は、例えば、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）を利用して自機の位置を取得する。ＧＮＳＳとしては、ＧＰＳ（Global Positioning System）、ＧＬＯＮＡＳＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ、Ｃｏｍｐａｓｓなどが挙げられるが、以下の説明では、航空機１００はＧＰＳを利用して自機の位置を取得するものとする。

図２は、航空機１００に搭載される機器の一部を例示した図である。航空機１００には、例えば、ＧＰＳ受信機１０２と、気圧高度計１０４と、対気速度計１０６と、姿勢方位測定表示装置（AHRS；Attitude Heading Reference System）１０８と、ＡＴＣトランスポンダ１１０とを備える。

ＧＰＳ受信機１０２は、ＧＰＳ衛星から到来する衛星電波を受信し、単独測位や干渉測位などの手法により、航空機１００の位置（緯度、経度、高度）を算出する。ＧＰＳ受信機１０２が算出する航空機１００の高度は、ＷＧＳ８４で用いられる準拠楕円体に対する高度である。航空機１００の位置は、慣性航法装置（INS；Inertial Navigation System）によって補正されてよい。

気圧高度計１０４は、航空機１００の周囲の気圧を測定し、測定した気圧に所定の換算表を適用して、航空機１００の高度ＡＬを出力する。
対気速度計１０６は、ピトー管でラムエア圧を測定することにより、周囲の空気に対する航空機１００の速度（対気速度；Air Speed）を測定して出力する。対気速度は、高度や気温、湿度により変化する空気の密度によって補正されてよい。
姿勢方位測定表示装置１０８は、定針儀飛行方位計と水平姿勢指示計が一体化されたものであり、磁北（Magnetic North）に対する航空機の機首方位（Heading）θを測定して出力する。機首方位θは、例えば、磁北を０［゜］として時計回りに３６０［゜］までの角度で表される。

ＡＴＣトランスポンダ１１０は、航空機１００が飛行中のときに、航空機１００の位置情報と、各種測定情報をＡＤＳ―Ｂの信号として放送する。測定情報には、例えば、気圧高度計１０４が出力する航空機１００の高度ＡＬ、対気速度と対地速度（Ground Speed）の差分ΔＶ、機首方位θ、その他、航空機１００の降下率などが含まれる。なお、対地速度は、例えば、ＧＰＳ受信機１０２により算出される航空機１００の位置の変化に基づいて算出される。ＡＴＣトランスポンダ１１０は、対気速度と対地速度について、差分を求める前のデータをそれぞれ送信してもよい。また、ＡＴＣトランスポンダ１１０は、例えば、航空機１００の位置情報を１［ｓｅｃ］おきに放送し、測定情報を１０［ｓｅｃ］おきに放送する（これらの周期はあくまで一例であり、ＡＴＣトランスポンダ１１０の設定により変更されてよい）。

また、ＡＴＣトランスポンダ１１０は、二次監視レーダ２００から受信した質問信号に応答し、ＧＩＣＢレジスタ１１２の内容を含む応答信号を二次監視レーダ２００に送信する（図１参照）。ＧＩＣＢレジスタ１１２には、上記測定情報、その他のデータが格納される。

二次監視レーダ２００は、空港に離着陸する航空機１００や航空路を航行する航空機１００の監視用として，空港や航空路下などに配設されている。二次監視レーダ２００は、航空機１００に質問信号を送信し、応答信号として返信された、航空機１００の識別情報、位置情報、測定情報、その他の情報を、図示しない記憶装置に格納する。

図３は、気象観測装置１の機能構成の一例を示す図である。気象観測装置１は、アンテナ１０と、受信処理部１２と、デコーダ１４と、トラック記憶部２０と、導出結果記憶部２２と、入力部３０と、出力部３２と、通信部４０と、指標値導出部５０と、気象予測部６０とを備える。

受信処理部１２およびデコーダ１４は、アンテナ１０が航空機１００から受信した信号を解析し、解析結果（航空機１００の識別情報、位置情報、および測定情報など）を、例えば受信時刻の情報と共に指標値導出部５０に出力する。トラック記憶部２０および導出結果記憶部２２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＨＤＤ（Hard Disk Drive）、フラッシュメモリ、レジスタなどにより実現される。トラック記憶部２０には、航空機１００から受信したデータが格納される。導出結果記憶部２２には、指標値導出部５０により導出された指標値が格納される。

入力部３０は、操作ボタン、キーボード、マウスなどの入力装置であり、気象観測装置１の各部への指示入力を受け付ける。出力部３２は、各種ディスプレイ装置やスピーカーなどであり、指標値導出部５０や気象予測部６０による処理結果などを出力する。通信部４０は、例えばネットワークカードを含み、二次監視レーダ２００と通信を行う。気象観測装置１と二次監視レーダ２００との間の通信は、専用回線によって行われてもよいし、インターネットなどのネットワークを介して行われてもよい。なお、指標値導出部５０や気象予測部６０による処理結果は、通信部４０により、インターネットなどのネットワークを介して他のコンピュータ等に送信されてもよい。

指標値導出部５０および気象予測部６０は、例えば、気象観測装置１の図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）が、プログラムを実行することにより機能するソフトウェア機能部である。また、これに代えて、指標値導出部５０および気象予測部６０は、ＩＣ（Integrated Circuit）やＬＳＩ（Large Scale Integration）などのハードウェア機能部であってもよい。なお、気象予測部６０は、気象観測装置１とは別体の情報処理装置によって実現されてもよい。以下、指標値導出部５０により実行される、気象状況を示す指標値を導出する処理について説明する。

［指標値の導出］
（１．風向および風速の導出）
指標値導出部５０は、気象観測装置１が航空機１００から受信する情報に含まれる対気速度と対地速度の差分ΔＶ、および機首方位θに基づいて、航空機１００の位置に対応付けられた風向および風速を導出する（いずれか一方のみ導出しても構わない）。図４は、指標値導出部５０が風向および風速を導出する原理を説明するための説明図である。以下、矢印（→）の後に符号が続くもの（→Ｗなど）は、ベクトルを示すものとする。

図４（Ａ）は、ある状態１における航空機１００の機首方位θ１、対気速度と対地速度の差分ベクトル→ΔＶ１、風速ベクトル→Ｗ、磁北ＭＮの関係を示す図である。また、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）とは異なる状態２における航空機１００の機首方位θ２、対気速度と対地速度の差分ベクトル→ΔＶ２、風速ベクトル→Ｗ、磁北ＭＮの関係を示す図である。指標値導出部５０は、図４（Ａ）に示す状態と、図４（Ｂ）に示す状態とを比較して、風速ベクトル→Ｗ（風速の絶対値および方位角）を導出する。

図４（Ａ）に示す状態と図４（Ｂ）に示す状態は、風速ベクトル→Ｗが略同じであるとみなすことができる関係にある状態である。例えば、図４（Ｂ）の状態は、図４（Ａ）と同じ航空機１００が、図４（Ａ）の状態から所定時間（風速ベクトル→Ｗが変わらない程度の短時間）飛行した後の状態である。また、図４（Ｂ）に示す航空機１００は、図４（Ａ）とは異なる航空機１００であって、図４（Ａ）の航空機１００と略同じ高度で且つ緯度および経度に関して所定範囲内を、同じ時間帯に飛行する他の航空機１００である。このように、指標値導出部５０は、同じ航空機１００から時間差で取得したデータに基づいて風速ベクトル→Ｗを導出してもよいし、互いに近い位置を飛行する異なる航空機１００から、同時期に取得したデータに基づいて風速ベクトル→Ｗを導出してもよい。

対気速度と対地速度の差は、主に、航空機１００の機首方位に沿った風速ベクトルの成分により生じる。従って、図４（Ａ）の状態において、次式（１）が成立する。また、図４（Ｂ）の状態において、次式（２）が成立する。更に、次式（３）に示すように、図４（Ａ）における航空機１００の機首方位θ１と風速ベクトル→Ｗとのなす角φ１と、図４（Ｂ）における航空機１００の機首方位θ２と風速ベクトル→Ｗとのなす角φ２との差は、機首方位θ２とθ１との差に等しい。
ΔＶ１＝Ｗ・ｓｉｎφ１ ‥（１）
ΔＶ２＝Ｗ・ｓｉｎφ２ ‥（２）
φ１―φ２＝θ２―θ１ ‥（３）

ここで、対気速度と対地速度の差分の絶対値ΔＶ１、ΔＶ２、および機首方位の差｛θ２―θ１｝は、航空機１００から取得される情報に基づく既知の値である。従って、式（１）〜（３）を連立方程式として解くことにより、風速ベクトル→Ｗを構成する未知数Ｗ、および風向｛θ１＋φ１｝または｛θ２＋φ２｝を得ることができる。指標値導出部５０は、このようにして導出される風速および風向を、航空機１００から取得する位置情報（緯度、経度、および高度）に対応付けられた情報として導出結果記憶部２２に記憶させる（出力する）。

（２．気圧の導出）
指標値導出部５０は、気象観測装置１が航空機１００から受信する情報に含まれる高度ＡＬに対し、航空機１００の気圧高度計１０４が用いる所定の換算表とは逆の換算を行うことにより、航空機１００周辺の気圧を導出する。そして、指標値導出部５０は、導出した気圧を、航空機１００から取得する位置情報（緯度、経度、および高度）に対応付けられた情報として導出結果記憶部２２に記憶させる（出力する）。

図５は、導出結果記憶部２２により記憶されるデータの内容を例示した図である。図５に示すように、導出結果記憶部２２には、ある程度の範囲をもった緯度、経度、および高度に対応付けられた三次元データとして、風速、風向、気圧が記憶される。このような三次元データは、特定の監視空域の気象情報を管理するのに用いられてもよいし、天気図等を作成するのに用いられてもよい。また、後述するように三次元気象モデルの観測初期値として用いることもできる。また、風速、風向、気圧は、時系列データとして導出結果記憶部２２の各項目に格納されてもよいし、時刻毎に図５に示すようなデータが生成されてもよい。

以上のように、指標値導出部５０により導出される指標値（風速、風向、気圧）は、実際にその空域を飛行している航空機１００によって測定された情報に基づくものであるため、気象観測装置１は、地上から直接的に計測を行うものに比して、高精度に指標値を導出することができる。また、気象観測装置１は、地上から照射するレーダの届く範囲内で測定を行うのではなく、広範囲な空域を飛行する航空機１００から取得した情報に基づいて指標値を導出するため、より広範囲な空域について指標値を導出することができる。なお、実際には、指標値導出部５０は、同じ範囲内の緯度、経度、および高度に対応付けられて導出された複数の風速、風向、気圧の平均を求めるなどして、データの平準化を図ると好適である。

また、前述したように、指標値導出部５０は、導出結果記憶部２２にデータが存在しない（或いは少数のデータしか存在しない）緯度、経度、および高度については、二次監視レーダ２００が航空機１００から取得した位置情報および測定情報を二次監視レーダ２００から取得し、取得した情報に基づいて風速、風向、気圧を導出し、導出結果を導出結果記憶部２２に記憶させる。これによって、データの漏れを少なくし、より広範囲かつ高精度に風速、風向、気圧を導出することができる。

［気象予測］
気象予測部６０は、指標値導出部５０により導出された指標値を観測初期値として三次元気象モデルを運用し、気象予測を行う。気象予測部６０は、例えば、一定時間前から現在時刻までの指標値の変動パターンを、予め設定されている変動パターンとマッチングし、現在時刻以降の指標値の変動を予測する。また、気象予測部６０は、流体力学の方程式系を時間積分により解くことで、現在以降の指標値の変動を予測してもよい。こうした気象予測については、既に種々の手法が公知となっており、如何なる手法を適用してもよいため、詳細な説明を省略する。

［まとめ］
以上説明した実施形態の気象観測装置１によれば、気象状況を示す指標値を、より広範囲かつ高精度に導出することができる。

また、実施形態の気象観測装置１によれば、航空機１００が自発的に放送する情報を用いて指標値を導出するため、航空機１００に質問信号を送信する動作を省略することができ、専ら航空機１００に質問信号を送信して航空機１００から情報を取得するものに比して、通信負荷を低減することができる。

以上、気象観測装置の実施形態について説明したが、こうした実施形態に何等限定されるものではなく、種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、気象状況を示す指標値の例として、風速、風向、気圧を挙げたが、気象観測装置１は、気温や湿度など、他の指標値を導出してもよい。

１気象観測装置
１０アンテナ
１２受信処理部
１４デコーダ
２０トラック記憶部
２２導出結果記憶部
３０入力部
３２出力部
４０通信部
５０指標値導出部
６０気象予測部
１００航空機
１０２ＧＰＳ受信機
１０４気圧高度計
１０６対気速度計
１０８姿勢方位測定表示装置
１１０ＡＴＣトランスポンダ
１１２ＧＩＣＢレジスタ
２００二次監視レーダ

Claims

航空機が送信する情報であって、該航空機の位置情報と該航空機において計測された計測情報とを含む情報を受信する受信部と、
前記受信部が受信した情報に基づき、気象状況を示す指標値を導出し、前記航空機の位置に対応付けられた値として出力する導出部と、
を備える気象観測装置。
請求項１記載の気象観測装置であって、
前記受信部が受信する情報は、飛行中の前記航空機が自発的に送信する情報である、
気象観測装置。
請求項１または２記載の気象観測装置であって、
前記導出部は、前記航空機から受信する情報に含まれる対気速度と対地速度との差分、および機首方位に基づいて、風向または風速を導出する、
気象観測装置。
請求項１から３のうちいずれか１項記載の気象観測装置であって、
前記導出部は、前記航空機から受信する情報に含まれる高度情報に基づいて、気圧を導出する、
気象観測装置。
請求項１から４のうちいずれか１項記載の気象観測装置であって、
前記導出部により導出された指標値を観測初期値として三次元気象モデルを運用し、気象予測を行う気象予測部を更に備える、
気象観測装置。