JP2022097963A

JP2022097963A - 観測装置

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Publication number: JP2022097963A
Application number: JP2020211241A
Authority: JP
Inventors: 紘基河野; Hiroki Kono
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-07-01

Abstract

【課題】所望の観測地点において高高度での観測が可能であり且つ確実な回収が可能な観測装置を提供する。【解決手段】気球５００に吊下げられて所定の切り離し高度まで上昇した後に気球５００から切り離されて降下する観測装置１であって、パラフォイル２００と、パラフォイル２００の制御索２０３を操作する制御アーム１０１，１０２及びアーム駆動モータ１４１，１４２と、気球５００から切り離された後に回収地点まで移動するようアーム駆動モータ１４１，１４２を制御する制御装置１７０を備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、気球に吊下げられて所定の切り離し高度まで上昇した後に気球から切り離されて降下する観測装置に関する。

この種の観測装置としては、気温・湿度・気圧などの各種高層気象データを気球上昇中に測定し、この測定データを地上局に無線で送信するラジオゾンデと呼ばれるものが知られている（例えば特許文献１参照）。このラジオゾンデは、高高度まで上昇後、気球内外の気圧差により気球が膨張・破裂して地上への降下を開始する。ラジオゾンデはマッシュルーム型のパラシュートを備えており、緩やかに落下する。この落下地点については気象条件により高精度の予測が困難なので、落下したラジオゾンデが行方不明となり回収が困難なことが多々ある。また、測定データは気球上昇中に無線で既に地上局に送信されているので、ラジオゾンデをわざわざ回収する必然性も大きくない。このため、従来のラジオゾンデは使い捨て運用されることが多かった。

近年、気象データよりもデータ量が大きい画像（静止画・動画を含む）を取得対象とし、所定のエリアを高高度から撮像する観測装置も登場してきている。この観測装置は、撮像カメラと、撮像データを記録保存するメモリと、マッシュルーム型のパラシュートを備えている。この観測装置はラジオゾンデと同様に高高度で気球が破裂したのちにパラシュートが空気抵抗により自然展開し、低速で地上又は海上まで降下する。そして、着地又は着水した観測装置を回収し、記録されている撮像データを取得する。

特開２０２０－１４３９１６号公報特開２０１９－１４５９４７号公報

しかし、前述の回収を前提とした観測装置では、ラジオゾンデと同様に、落下地点が気象条件に大きく影響されるので高精度の落下地点の予測が困難であった。このため、落下時の安全性を考慮して所定の海上に落下するように放球地点や放球時刻等を設定しても、実際には地上に落下してしまうこともある。このように、回収を前提とした観測装置は、落下地点の制御が困難であった。

高高度での他の観測手段としては、航空機に観測装置を搭載する方法が考えられる。しかし、この方法はコストが高いという問題、および所望の高度まで到達できない場合があるという問題がある。また、他の観測手段としては、近年普及してきているドローンと呼ばれる小型無人飛行機に観測装置を搭載する方法が考えられる（例えば特許文献２参照）。ドローンは動力が搭載されており機体を自由に制御できるので、この方法は確実な機体の回収ができるという利点がある。しかし、飛行エリアが法令により制限され所望の観測エリアでの運用ができない場合があるという問題や、上昇能力がドローンの動力に依存するので所望の高度まで到達できない場合があるという問題や、動力によるノイズや振動により高精度の観測に適さない場合があるという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、所望の観測地点において高高度での観測が可能であり且つ確実な回収が可能な観測装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本願発明は、気球に吊下げられて所定の切り離し高度まで上昇した後に気球から切り離されて降下する観測装置であって、パラフォイルと、パラフォイルの制御索を操作する駆動装置と、気球から切り離された後に回収地点まで移動するよう駆動装置を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、観測装置は気球により高高度まで上昇した後に切り離された後、パラフォイルの駆動制御により滑空移動が可能となるので所望の観測地点において高高度での観測が可能となるとともに、所望の回収地点に着地又は着水することができる。

観測装置の外観斜視図観測装置を気球に連結した状態を示す外観斜視図観測装置の正面図観測装置の一部を切り欠いた分解正面図観測装置のシステム構成図観測装置の動作シーケンスを模式的に説明する図観測装置の動作シーケンスを模式的に説明する図観測装置の動作を説明するフローチャート気流ベクトルの算出方法を説明する図目標点方位角の演算方法を説明する図機首方位角と目標点方位角及び偏角の関係を説明する図日本上空の一般的な高度別気流のイメージを説明する図上空を滑空する観測器の地上における移動ベクトルを説明する図現在地点から降着地点までの対地速度変化と移動距離の関係を説明する図移動可能範囲の予測と帰還高度閾値判定を説明する図

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る観測装置について図面を参照して説明する。本実施の形態では、上空から地上又は海上を撮像した画像データを観測データとして取得対象とする観測装置について説明する。図１は観測装置の外観斜視図、図２は観測装置を気球に連結した状態を示す外観斜視図、図３は観測装置の正面図、図４は観測装置の一部を切り欠いた分解正面図である。なお、本明細書では、観測装置の滑空方向を前後方向とする。

観測装置１は、図１に示すように、観測装置本体１００と、パラフォイル２００と、観測装置本体１００とパラフォイル２００とを連結する棒状部材からなる連結ロッド３００とを備えている。観測装置１は、ロープ４００により気球５００から吊り下げられて所定の切り離し高度まで上昇した後に気球５００から切り離されて降下する。ここで、本発明に係る観測装置１は、例えばモータ駆動のプロペラやジェットエンジンなど推進力を発生させる能動的な機構は有していない点に留意されたい。

パラフォイル２００は、従来周知のものであり、構造的には、進行方向前面部に空気の取り入れ口（エアインテーク）が形成された翼２０１を備え、全体として翼形状を形成するラムエアー型のパラシュートに相当する。本発明におけるパラフォイル２００は、地上に置かれている状態や、気球５００に吊り下げられた状態で周辺気流の影響を受けながら上昇する期間中や、気圧が低い高高度環境であっても、常に翼２０１が展開状態で維持されるよう翼２０１の下面又は内面に、翼幅方向に延びる梁部材２１０が設けられている。梁部材２１０は、弾力性を有する棒状又は長板状の部材からなり翼２０１の下面又は内面に沿って湾曲した状態で付設されている。

翼２０１の下面には前記連結ロッド３００が垂直方向に設けられている。連結ロッド３００の下端は、観測装置本体１００の上面に回動自在に連結している。また、パラフォイル２００の複数の吊索２０２は観測装置本体１００の上面に締結されている。このような構造により、観測装置本体１００は、空中にあるときは連結ロッド３００により所定の距離を維持しながら吊索２０２によりパラフォイル２００から吊りさげられる。一方、観測装置１が着地又は着水した状態では、観測装置本体１００は地表や水面から正立した状態となり、パラフォイル２００は自重により連結ロッド３００とともに観測装置本体１００の上面から略９０°回動して倒れた状態となる。

翼２０１の後縁には複数の制御索２０３が設けられている。制御索２０３は、観測装置本体１００の左右上部に設けられた制御アーム１０１，１０２（後述する）に締結されている。観測装置１は、前記制御アーム１０１，１０２を駆動制御して制御索２０３を引き下げることにより翼２０１の空気抵抗を増大させ、これにより進行方向や滑空速度を変更したり失速状態に制御したりすることができる。

翼２０１の翼幅方向中央には、前後方向に延びる棒状部材からなる架設部材２２０が設けられている。架設部材２２０の両端は翼２０１の前端及び後端から突出している。架設部材２２０の両端には、気球５００と観測装置本体１００とを連結するためのロープ４００が架設されている。ここで、ロープ４００と架設部材２２０とは固定されていない点に留意されたい。すなわち、ロープ４００の下部は２本に分岐されており、各分岐ロープ４０１，４０２の先端は観測装置本体１００と連結している。架設部材２２０の長さは、分岐ロープ４０１，４０２の観測装置本体１００への連結位置間の間隔よりも大きい。架設部材２２０の両端は、分岐ロープ４０１，４０２の間に挟持される。なお、架設部材２２０の両端に、分岐ロープ４０１，４０２の配置を保持するためのガイドを設けてもよい。

翼２０１の上部には、分岐ロープ４０１，４０２により挟持される形で風見安定板４０３が設けられている。風見安定板４０３は観測装置１の回転中心軸となるロープ４００の仮想延長線より進行方向後ろ側に伸長している平板状部材である。風見安定板４０３は気球５００によって観測装置１が吊り下げられ上昇する間、観測装置１を周辺気流に対して正対させる空力作用を発生させ、上昇姿勢及び気球５００を分離する際、観測装置１の姿勢を安定させることができる。

図２に示すように、観測装置本体１００と気球５００とを連結するロープ４００の中間部には、通信中継装置４１１と、通信中継装置４１１の上方に配置されたマッシュルーム型のパラシュート４１２とが設けられている。通信中継装置４１１は、観測装置１が地上局との間で直接通信できないときに、観測装置１と地上局との間の通信を中継する。パラシュート４１２は、観測装置１と気球５００との連結が解除されて気球５００が更に高高度に達して破裂した後、落下時の空気抵抗により展開することにより、気球５００及びロープ４００の残骸や通信中継装置４１１を緩やかに落下させるとともに、気球５００及びロープ４００の残骸がパラフォイル２００に覆いかぶさることを防止するためのものである。なお、実運用においては、気球５００、ロープ４００及び通信中継装置４１１は基本的には使い捨てされることが想定される。

気球５００は、従来周知の気象観測で用いられるものと同様であり、内部にヘリウム、水素等の空気より質量の軽い気体が充填される。気球５００には前記ロープ４００が連結している。

観測装置本体１００は、図３及び図４に示すように、左右方向中心線に位置する板状のメインフレーム１１１と、前記メインフレーム１１１を左右から挟み込むように配置された左右一対の断熱体１１２ａ，１１２ｂとからなる筐体１１３を備えている。筐体１１３の外観形状は略樽型形状であり、その下部は略半球形状であって且つ底部が平面に形成されており、さらに前記下部より上側は上方にいくほど径が小さく形成されている。換言すれば、筐体１１３は、上部及び下部が平面に形成されたティアドロップ形状となっている。筐体１１３の内部は空洞となっている。筐体１１３の底面中央には、下方撮影用の窓穴１１３ａが形成されている。窓穴１１３ａには、透明部材からなる下方撮影用窓１１３ｂが設けられている。また、筐体１１３の前面略中央には、前方撮影用の窓穴１１３ｃが形成されている。また、筐体１１３の上面には、上方撮影用の窓穴（図示省略）が形成されている。

メインフレーム１１１の外縁は、断熱体１１２ａ，１１２ｂの端面の外縁に沿った形状となっている。メインフレーム１１１には、筐体１１３の内周に沿った環状の第１のサブフレーム１１１ａ及び第２のサブフレーム１１１ｂが付設されている。第１のサブフレーム１１１ａは筐体１１３内の高さ方向略中央において略水平に配置されている。第２のサブフレーム１１１ｂは筐体１１３内の下部において略水平に配置されている。

筐体１１３の上面中央には、メインフレーム１１１から上方に突出し前記連結ロッド３００の下端に対して前後方向に回動自在に連結するロッド連結部（図示省略）が設けられている。また、筐体１１３の上面中央には、前記ロッド連結部から左右に延びるステー１１４が付設されている。ステー１１４の両端部には、前述した吊索２０２を締結する吊索連結部１１４ａが形成されている。

筐体１１３の上面であって左右方向中央には、メインフレーム１１１から上方に突出し前記ロープ４００の分岐ロープ４０１，４０２の下端と締結する前後一対のロープ連結部１１５が設けられている。ロープ連結部１１５の近傍には、電熱式のワイヤカッター１２１が設けられている。ワイヤカッター１２１は、後述する制御装置１７０からの制御信号に基づきワイヤカッター１２１を駆動して分岐ロープ４０１，４０２を溶断する。なお、ワイヤカッター１２１は、アクチュエータにより切断刃を駆動するものであってもよい。

観測装置本体１００の上後部には、パラシュート（図示省略）及びパラシュートを射出するためのパラシュート射出モータ１３１を収納するパラシュート収納部１３０が形成されている。パラシュート収納部１３０は、前記メインフレーム１１１に付設されている。パラシュート収納部１３０に収納されたパラシュートはマッシュルーム型のパラシュートである。このパラシュートは、観測装置１の制御不能時などの緊急時に用いるものであり、後述する制御装置１７０からの制御信号に基づきパラシュート射出モータ１３１を駆動することにより、パラシュート収納部１３０から斜め後ろ上方に向かって射出される。

筐体１１３の左右には、パラフォイル２００の制御索２０３を操作する左右一対の制御アーム１０１，１０２が付設されている。制御アーム１０１，１０２の一端側には前記制御索２０３が締結されている。制御アーム１０１，１０２の他端側には、筐体１１３内に配置されたアーム駆動モータ１４１，１４２の駆動軸がアームの長さ方向と直交する方向に連結している。制御アーム１０１，１０２の長さは、制御アーム１０１，１０２を回動させて上方に位置させた際に、先端部が筐体１１３よりも高くなる程度になっている。アーム駆動モータ１４１，１４２は、第１のサブフレーム１１１ａに付設されている。アーム駆動モータ１４１，１４２は後述する制御装置１７０により制御され、制御アーム１０１，１０２を前方又は後方に回動させることにより制御索２０３を下方に引き下げる。

筐体１１３の内側であって下方撮影用窓１１３ｂと対向する位置には、観測手段である下方撮像用カメラ１５０が配置されている。下方撮像用カメラ１５０は、静止画及び動画の一方又は双方を撮像する周知の撮像手段である。また、下方撮像用カメラ１５０の撮像方向は鉛直下方である。下方撮像用カメラ１５０は、ジンバル１５１を介してメインフレーム１１１に固定されている。ジンバル１５１は、画像のブレや揺れを押さえるとともに下方撮像用カメラ１５０の撮像方向を安定させる安定化機構として機能する周知の装置である。ジンバル１５１は、観測装置１のロール軸、ピッチ軸に生ずる揺動の影響を打ち消す機能を有し、常に下方撮像用カメラ１５０の角速度・加速度をセンサー（図示省略）により計測し、観測装置本体１００の揺動・回転に対してこれを打ち消す方向に各軸のモータ（図示省略）を回転させる。

また、筐体１１３の前面に形成された前方撮像用窓１１１ｃには、前方撮像用カメラ１６１のレンズ部が嵌合している。同様に、筐体１１３に上面に形成された上方撮影用窓（図示省略）には、上方撮像用カメラ１６２のレンズ部が嵌合している。前方撮像用カメラ１６１及び上方撮像用カメラ１６２は、主として、空中において前方や上方の確認用として用いる。

本実施の形態に係る観測装置本体１００は、重心位置Ｇが、少なくとも観測装置本体１００の全高（制御アーム１０１，１０２の突出部を除く）の半分より低い位置、より好ましくは、筐体１１３下部に形成された曲面の中心位置よりも低い位置となるように、各機器が配置されている。これにより、車輪・スキッド・フロート等の着陸装置を設けることなく地表面または水面に回収完了まで正立した姿勢を維持することができる。

また、観測装置本体１００は、筐体１１３の左右外側面に付設された左右一対の灯火１２５を備えている。灯火１２５は、例えばストロボライトからなる。

次に、図５を参照して観測装置１のシステム構成について説明する。図５は観測装置のシステム構成図である。

観測装置１は、制御装置１７０を備えている。制御装置１７０は例えばワンチップマイコンやＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などから構成される周知の計算装置からなり、演算装置・主記憶装置・入出力インタフェイス・時計等を備えている。

制御装置１７０には、は入力系統として、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）受信機１７１と、慣性計測ユニット１７２と、温湿度センサ１７３と、対地レーザ高度センサ１７４と、超音波風速風向センサ１７５と、電源制御監視回路１７６と、バッテリーモジュール１７７とが接続されている。また、観測装置１は出力系統として、アーム駆動モータ１４１，１４２と、電力モニタ１４１ａ，１４２ａと、パラシュート射出モータ１３１と、ワイヤカッター１２１と、灯火１２５と、前方撮像用カメラ１６１と、上方撮像用カメラ１６２と、下方撮像用カメラ１５０と、ジンバル１５１が接続されている。さらに、制御装置１７０には、無線送受信機１８１と、外部メモリ１８２とが接続されている。

なお、「入力系統」とは、制御装置１７０に対して信号等を入力することを主目的とするもの、という意味である。同様に、「出力系統」とは、制御装置１７０から出力される信号等に基づき動作することを主目的とするもの、という意味である。したがって、例えば、出力系統に相当する装置の動作に必要な情報として、当該装置から制御装置１７０に対してセンサ信号等が適宜入力される場合もある点に留意されたい。また、例えば、入力系統に相当する装置に対して、その動作を制御するために制御装置１７０から制御信号が出力される場合もある点に留意されたい。

ＧＮＳＳ受信機１７１は、人工衛星から発射される信号を用いて現在の観測装置１の位置を測定する衛星測位システムに係る装置である。ここで位置情報には、経度・緯度情報だけでなく高度情報も含まれる。また、ＧＮＳＳ受信機１７１を用いて制御装置１７０の時刻設定を行うことができる。

慣性計測ユニット１７２は、観測装置本体１００の挙動や姿勢情報を取得する装置であり、周知の地磁気センサ１７２ａ、加速度センサ１７２ｂ、ジャイロセンサ１７２ｃを備えている。本実施の形態に係る観測装置１は、２つの慣性計測ユニット１７２を備えた冗長構成としている。制御装置１７０は、２つの慣性計測ユニット１７２の出力を同時に利用して、センサの出力値として平均を用いることができる。また、制御装置１７０は、一方の慣性計測ユニット１７２を現用として利用し、他方を現用の慣性計測ユニット１７２の予備用として待機させておいてもよい。

温湿度センサ１７３は、観測装置本体１００内の温度及び湿度を測定する。

対地レーザ高度センサ１７４は、観測装置１の地表又は水面からの高度をレーザにより計測する。

超音波風速風向センサ１７５は、観測装置本体１００の周囲の風速及び風向を測定する。超音波風速風向センサ１７５は、トランスデューサと呼ばれる複数の対向する超音波送受信機を備えており、風速だけでなく風向きも測定する。本実施の形態では、２対のトランスデューサ（図示省略）を観測装置本体１００の外周に等間隔に設置している。なお、超音波風速風向センサ１７５により測定される風速及び風向は、観測装置本体１００からの相対的な風速及び風向である点に留意されたい。超音波風速風向センサ１７５による測定された風速及び風向により表されるベクトルを相対風速ベクトルと呼ぶものとする。

バッテリーモジュール１７７は、観測装置１の各部に電力を供給するものであり、リチウムイオン電池１７７ａ、電池保温ヒータ回路１７７ｂを備えている。本実施の形態に係る観測装置１は、２つのバッテリーモジュール１７７を備えた冗長構成としている。このような冗長化構成により、仮に一方のバッテリーモジュール１７７の電源が何らかの理由により喪失しても、他方のバッテリーモジュール１７７から電源供給を受けることができる。電源制御監視回路１７６は、各電池保温ヒータ回路１７７ｂによるリチウムイオン電池１７７ａの保温制御を行う。

無線送受信機１８１は、地上局を宛先とする通信を行う装置である。無線送受信機１８１は、地上局との間で直接通信が可能な場合、すなわち地上局との間で直接電波の送受信を行うことができる場合は、前述の通信中継装置４１１を介することなく、地上局との間で直接通信を行う。一方、地上局との間で直接通信ができない場合、無線送受信機１８１は、地上局との間で通信中継装置４１１を介した間接通信を行う。これにより、気球５００から切り離され観測装置１の高度が低下する過程で、山やビルなどの障害物により無線送受信機１８１が地上局の通信圏外となっている間は、無線送受信機１８１と地上局との間の通信が直接通信から高高度の気球５００に設置された通信中継装置４１１を介した間接通信となる。このように、本実施の形態では、観測装置１と地上局との間の通信経路を、直接の通信経路と通信中継装置４１１を介した通信経路２つ確保しており、且つ、後者より前者を優先している。ここで、直接の通信経路は、物理的通信経路が短いことにより通信が安定しやすい及び遅延が小さいという利点がある一方、障害物により通信経路自体を確保できない場合があるという問題がある。他方、通信中継装置４１１を介した通信経路は、物理的通信経路が長いものの、通信中継装置４１１は気球５００とともに見通しのよい高高度に位置するので、通信経路を確保しやすいという利点がある。本実施の形態では、両者を併用して適宜経路を切り替えることにより好適な通信経路の確保を実現している。無線送受信機１８１及び通信中継装置４１１並びに地上局の通信規格等は任意である。本実施の形態では、ＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）を用いた。

外部メモリ１８２は、各種設定データ、各種センサ類からの測定データ、各カメラ１５０，１６１，１６２による撮像データ等を記録する不揮発性の記憶媒体である。外部メモリ１８２は制御装置１７０に対して着脱可能とすることができる。

電力モニタ１４１ａ，１４２ａは、アーム駆動モータ１４１，１４２で消費される電力を監視する。制御装置１７０は、電力モニタ１４１ａ，１４２ａにより測定された電力及びアーム駆動モータ１４１，１４２に対する制御状況に基づき、アーム駆動モータ１４１，１４２の動作状態や異常発生を検出することができる。

次に、本実施の形態に係る観測装置１の動作シーケンスについて説明する。図６及び図７は観測装置の動作シーケンスを模式的に説明する図であり、図６は特に高度に注目した模式図、図７は特に平面方向に注目した模式図である。また、図８は観測装置の動作を説明するフローチャートである。

まず、観測装置１を用いた観測を行うに先だって、あらかじめ、観測地点、切り離し高度、放球地点、放球時刻、回収地点を決定する。決定した観測地点、切り離し高度、回収地点は、観測装置１の外部メモリ１８２に記憶しておく。

観測地点は、上空からの観測（本実施の形態では地表又は水面の画像撮像）による観測データの取得を希望する対象地点を意味する。観測地点は、１点の位置座標により特定することができる。また、観測地点は、範囲（エリア）により特定することができる。例えば、観測地点は、緯度・経度・高度により特定される位置座標と半径との組により特定することができる。例えば、観測地点は、緯度・経度・高度により特定される３つ以上の位置座標の組により特定することができる。なお、観測地点の特定に用いられる位置座標は、高度を省略することができる。

放球地点、切り離し高度、及び回収地点は、過去の気象情報や観測予定時刻の予測気象情報、地理情報、過去の実績情報、パラフォイル２００の形状等からなる機械的諸元から求められる既知の滑空能力、その他の条件に基づき決定する。ここで、放球地点及び切り離し高度は、少なくとも観測装置１が観測地点まで移動可能であることを条件とする。また、切り離し高度は、少なくとも気球５００が破裂する高度より低いことを条件とする。また、回収地点は、少なくとも観測装置１が観測地点から移動可能であることを条件とする。

観測装置１の動作シーケンスについて説明する。観測装置１は、放球時刻に、気球５００から吊り下げられて放球地点から放球され、上昇を開始する（図６及び図７のステップ１）。

以降、観測装置１の制御装置１７０は、下方撮像用カメラ１５０による撮像データを外部メモリ１８２に記録する処理を開始する（図８のステップＳ１１）。ここで、制御装置１７０は、撮像データの撮像時刻及び撮像位置として、制御装置１７０で計時している現在時刻・ＧＮＳＳ受信機１７１による現在位置を制御装置１７０に記録する。また、制御装置１７０は、ログとして、各センサ類の測定データや、各機器に対する制御情報や、各機器の状態情報などのステータス情報を、現在時刻・現在位置とともに記録する。また、制御装置１７０は、前記ステータス情報の全部又は任意の一部を、無線送受信機１８１を介して地上局に送信する。また、制御装置１７０は、無線送受信機１８１を介した地上局からの指示により、アーム駆動モータ１４１，１４２を含む各機器に対する制御を行う。なお、本発明に係る観測装置１は、基本的には、放球から回収地点への着地までは自律制御により動作可能なものである点に留意されたい。

観測装置１の制御装置１７０は、気球５００によって上空に上昇する期間中、ＧＮＳＳ受信機１７１から得られる位置情報に加えて複数の超音波風速風向センサ１７５を使用し、対地の風向及び風速を高度別に測定・算出し、外部メモリ１８２に記録する（図６及び図７のステップ２、図８のステップＳ１２）。具体的には、図９に示すように、ＧＮＳＳ受信機１７１から得られる位置情報の経時的変化により移動ベクトルＶｇを算出するとともに、超音波風速風向センサ１７５により得られた相対風速ベクトルＶａと前記移動ベクトルＶｇとを加算することにより対地の風速及び風向である気流ベクトルＶが得られる。

ところで、従前の気象観測気球における風向風速測定は通常、気球の移動情報のみを使って演算される。移動情報の取得方法はＧＮＳＳ受信機または指向性電波追跡（レーダー）、さらに低高度で気球を目視可能な場合には着色した気球を地上から光学的に追跡することで移動情報を得る（パイロットバルーン）。一方、本発明においてＧＮＳＳ受信機１７１の位置情報と超音波風速風向センサ１７５を併用する理由は、気流を高精度に測定するためである。すなわち、気球は浮揚中、周辺気流に流されながら時々刻々と速度、進行方向を変えるが、その周辺気流に対する追従性は気球全体の質量、そして気流に対する断面積およびその形状からなる空気抗力の大小により追従性が変化する。例えば、観測器質量が軽いほど気流に対する追従性は高くなり、高精度に現場の気流を測定することが可能になる。よって各観測器メーカーは装置自体を軽量化することで周辺気流に対する追従性能を向上させてきた。従前の気象観測気球における観測器軽量化は安全性向上の他に気流計測精度を左右する重要な要素である。一方、本発明に係る観測装置１は制御機能の付加により従前の観測器よりも質量が大きく気流への追従性で劣る。そこで、これを補いさらに移動情報のみの気流測定よりも高精度に測定を行うために、ＧＮＳＳ受信機１７１の位置情報と超音波風速風向センサ１７５を併用している。

観測装置１は、気球５００により上昇し、対流圏、対流圏界面を通過し、最終的に成層圏に到達する。観測装置１の制御装置１７０は、ＧＮＳＳ受信機１７１により得られる高度があらかじめ設定された切り離し高度まで達すると、ワイヤカッター１２１を制御してロープ４００を切断することにより観測装置１を気球５００から切り離し、目標点を観測地点上空として観測装置１を滑空させる誘導制御を開始する（図６及び図７のステップ３、図８のステップＳ１３～Ｓ１５）。なお、前述したように、地上局からの指示によりあらかじめ設定された切り離し高度での切り離し処理はキャンセルし、地上局から指示された高度で切り離し処理を行うこともできる。

ここで、誘導制御について説明する。目標点への移動は「目標点方位角一致誘導」によって行なう。すなわち、制御装置１７０は、ＧＮＳＳ受信機１７１で得られた観測装置１の現在位置座標及び既知の目標点座標から、観測装置１からみた真北（経線）を基準とする目標点方位角θ_ｔを球面三角法により演算する（図１０参照）。観測装置１では、慣性計測ユニット１７２により取得した機首方位角θ_ｈが得られるため、制御装置１７０は、この目標点方位角と機首方位角の差θ_ｄ（偏角）を減ずる操舵制御を継続することで目標点上空に誘導する（図１１参照）。操舵制御はアーム駆動モータ１４１，１４２の駆動により行う。なお制御にはＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御を用いる。

観測装置１は、誘導制御による滑空中、次第に高度を落としながら成層圏から対流圏に進入する。この境界となる対流圏界面、特に日本上空を含む地球中緯度域には、強力な偏西風いわゆるジェット気流が存在する（図１２参照）。このジェット気流は極めて強力な気流かつ極低温という過酷環境であるため、電子機器や機械構造を有する観測装置１はこの高度域に長時間とどまることなく、可能であれば素早く通過することが望ましい。そこで、観測装置１の制御装置１７０は、前記ステップ２であらかじめ測定した高度別気流データに基づき強風高度帯域を算出し、この強風高度帯域においては誘導制御を一時中止するとともに、観測装置１が失速状態となるよう制御する（図６及び図７ステップ４、図８のステップＳ１６～Ｓ１７）。強風高度帯域の算出は、例えば、風速が極大となる高度を含む所定の風速以上の高度帯を強風高度帯域とする方法や、風速が極大となる高度を基準として前後に所定の高度を加算・減算した帯域を強風高度帯域とする方法などが挙げられる。観測装置１を失速状態とする制御は、具体的には、パラフォイル２００の後縁に接続された左右の制御索２０３を大きく引き下げるようアーム駆動モータ１４１，１４２を制御する。これにより観測装置１は、空力的にパラシュートと同様に失速した状態で滑空することなく降下させる。

観測装置１の制御装置１７０は、ジェット気流域を抜けると、制御索２０３の引き下げ量を緩和し、再び目標点へ滑空する誘導制御に復帰する（図６及び図７のステップ５、図８のステップＳ１８～Ｓ１９）。

観測装置１の制御装置１７０は、ＧＮＳＳ受信機１７１により測位した現在位置が目標点である観測地点上空に到達したと判断すると、観測対象の詳細観測のため滞空制御に移行する（図６及び図７のステップ６、図８のステップＳ２０～Ｓ２１）。本発明に係る観測装置１は推進力を持たないために能動的な滞空維持能力を付加することはできないが、周辺気流に対する「風向追従制御」によって観測対象上空での移動距離を最小化することができる。具体的には、制御装置１７０は、超音波風速風向センサ１７５により取得した現在の風向に、慣性計測ユニット１７２により取得した機首方位角を一致させるようアーム駆動モータ１４１，１４２を制御する。この風向追従制御は、前述の誘導制御で使用した機首方位角と目標点に対する偏角を減ずる「目標点方位角一致誘導」とは異なる点に留意されたい。この風向追従制御により、機首が常に風上に向いて滑空するため、対気速度を保ちながら対地速度および地上に対する移動距離を減ずることができる。また、機体諸元によって定まる最大滑空比が得られる滑空速度（下記式（１）参照）に近い風速が得られる高度では、対地速度をゼロに近づけ滞空することができる。

Ｖ：滑空速度
Ｗ：吊下重量（観測装置重量）
ρ：空気密度
Ｓ：翼面積
Ｃ_Ｌ：揚力係数

観測装置１の制御装置１７０は、滞空制御を行っている間、ＧＮＳＳ受信機１７１により取得した現在位置の高度が、回収地点に帰還できる「帰還高度閾値」まで低下したかを判定する（図８のステップＳ２２）。そして、制御装置１７０は、現在位置の高度が帰還高度閾値に達すると滞空制御を終了し、目標地を回収地点とする誘導制御を開始する（図６及び図７のステップ７、図８のステップＳ２３）。なお、誘導制御のアルゴリズム自体は、前述したものと同様である。

ここで、帰還高度閾値の判定について詳細を述べる。上空風を受けて滑空する観測装置１の地上における速度（対地速度）ベクトルＶ_ｇは前記ステップ２によって取得した「高度ｈにおける気流ベクトルＡ_ｈと高度ｈにおける観測装置１の速度ベクトルＧ_ｈの加算により求めることができる（下記式（２）、図１３参照）。

ここで観測装置１の速度ベクトルＧｈは観測装置１の機体諸元から一意に求まる滑空速度を「大きさ」とし、進行方位角を「向き」とするベクトルである。さらに垂直方向の沈下速度を用いて、観測装置１の現在地点（このときの時刻をｔ_ｃとする）から地表面に降着するときの時間ｔ_Ｌが定まる。よって制御装置１７０は、現在時刻ｔ_ｃから降着時刻ｔ_Ｌまでの対地速度｜ベクトルＶ_ｇ｜の時間変化Ｖ（ｔ）を時間積分することによって移動距離Ｓを得ることができる（図１４参照）。さらに対地速度の時間変化Ｖ（ｔ）は観測装置１の速度ベクトルＧ_ｈの「向き」をステップごとに変化させて演算することにより各方位角における対地速度を得ることができ、これを同様に積分することで「移動可能範囲」を最終的に得ることができる。これら演算を滑空降下する間に継続していくと、高度が低下するにつれて移動可能範囲が狭まっていく（図１５参照）。図１５において回収地点が移動可能範囲内から外れる高度を帰還高度閾値とし、滞空制御終了の判定に使用する。なお、実運用において厳密には帰還高度閾値は移動可能範囲の高度と同値ではなく、安全マージンを付加し、乱気流や突風に対する移動余裕高度を確保しておく必要がある。

次に、観測装置１の制御装置１７０は、対地レーザ高度センサ１７４により検出した対地高度が所定の対地高度閾値以下になったことを検出すると、パラフォイル２００の後縁を左右同時に引き下げて、抗力を増大させることで水平速度を減ずるようアーム駆動モータ１４１，１４２を制御して観測装置１を着地又は着水させる（図６及び図７のステップ８、図８のステップＳ２４～Ｓ２５）。このように、着陸直前に水平速度を０に近づけることで観測装置１は理想的には垂直に降下、接地させることができる。このようなパラグライダー競技等で用いられるフレアと呼ばれる水平速度を減ずる制御を行うことで接地時の観測装置１の転覆や連続転回を防止し観測装置１の損傷を防ぐことができる。

本実施の形態に係る観測装置１の運用時には、地上局を用いる。地上局は、コンピュータと、観測装置１の無線送受信機１８１と通信可能な無線送受信機とを備えている。地上局は移動可能であると好ましい。コンピュータは、周知の情報処理装置であり、液晶ディスプレイ等の表示装置、キーボード・マウス・ジョイスティック・ジョイパッド等の入力装置を備えている。地上局は、自身の位置情報及び姿勢情報を取得する位置姿勢情報取得ユニットを備えていてもよい。位置姿勢情報取得ユニットは、例えば、ＧＮＳＳ受信機、地磁気センサ、加速度センサ、ジャイロセンサを備える。

地上局のコンピュータは、観測装置１が送信するステータス情報や、必要に応じて観測装置１の各カメラの撮像画像を、無線送受信機を介して受信し、表示装置に表示することができる。ここで、地上局のコンピュータは、観測装置１に対して、地上局にどの情報を送信するかの指示を、無線送受信機を介して送信することができる。また、地上局が前記位置姿勢情報取得ユニットを備えている場合、観測装置１の位置情報や姿勢情報を表示する際に、観測装置１の絶対的な位置情報や姿勢情報を表示するとともに、観測装置１の地上局に対する相対的な位置情報や姿勢情報を表示することができる。また、地上局は、観測装置１から受信したステータス情報に加えて、別途取得した地形情報を重畳表示したり、ステータス情報を解析して得られた警告情報を表示したりすることができる。

さらに、地上局のコンピュータは、観測装置１に対して、アーム駆動モータ１４１，１４２を含む各機器を制御する制御信号を、無線送受信機を介して送信することができる。前述したように観測装置１は自律的に動作するが、地上局のコンピュータから制御信号を受信すると、地上局からの制御信号による制御を自律制御よりも優先して実施する。なお制御信号は、アーム駆動モータ１４１，１４２を制御する制御信号のほか、パラシュート射出モータ１３１を制御する制御信号や、ワイヤカッター１２１を制御する制御信号を含むことができる。

本実施の形態に係る観測装置１によれば、気球５００により高高度まで上昇した後に切り離された後、パラフォイル２００の駆動制御により滑空移動が可能となるので所望の観測地点において高高度での観測が可能となるとともに、所望の回収地点に着地又は着水することができる。特に、本実施の形態に係る観測装置１では、推進力を発生させるための機構を備えていないので、推進力発生機構による震動やノイズがなく、良好な観測環境を得ることができる。また、本実施の形態に係る観測装置１では、推進力を発生させるための機構を備えていないので、法令による飛行制限の影響を受けにくく、運用範囲が広いものとなる。

また、本実施の形態に係る観測装置１では、気球５００から切り離された後に観測地点上空まで移動するための誘導制御、到達した観測地点上空に滞在するための滞空制御、観測地点上空から回収地点まで移動するための誘導制御を行っているので、所望の観測地点での観測を確実に実施できるとともに、観測装置１の回収を確実に行うことができる。

また、本実施の形態に係る観測装置１では、滞空制御から回収地点への誘導制御への移行判定として、現地点並びに上昇中に測定した風速及び風向に基づき移動可能範囲を算出し、この移動可能範囲に基づき移行判定を行っているので、観測装置１の回収地点への不達を防止できる。

また、本実施の形態に係る観測装置１では、滞空制御として、上昇中に測定した風速及び風向並びに現在測定した風速及び風向の何れか一方或いは双方に基づき、風上にパラフォイル２００の機首が向くよう制御している。これにより、観測装置１の対地速度が小さくなるので、観測地点上空に長時間滞在することができる。

また、本実施の形態に係る観測装置１では、上昇中に測定した風速及び風向に基づき、ジェット気流などの強風高度帯域においては観測装置１が失速状態となるよう制御している。これにより、過酷な環境である強風高度帯域に長時間留まること無く同帯域を通過することができるので、観測装置１の破損や動作不良などのトラブル発生を防止できる。

また、本実施の形態に係る観測装置１では、パラフォイル２００は、展開した状態で観測装置本体１００に連結している。これにより、気球５００から安定した吊下姿勢を維持した状態で上空に引き揚げ、また安定的に切り離すことができる。また、パラフォイルを収納・展開する構成とすると展開時にパラフォイルの吊索や制御索が互いに又は観測装置本体と絡まるおそれがあるが、本実施の形態に係る観測装置ではこれを防止できる。さらに、滑空中にはダウンバースト（下降気流）遭遇時に発生する翼つぶれに起因する失速および墜落を防止することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る観測装置について説明する。本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、複数の回収地点を設定することにある。これに伴い、観測地点上空での滞空制御から回収地点への誘導制御への移行処理、回収地点への誘導制御が第１の実施の形態と異なる。他の構成・動作については第１の実施の形態と同様である。ここでは相違点のみを説明する。

本実施の形態では、外部メモリ１８２に複数の回収地点を記憶しておく。観測装置１の制御装置１７０は、帰還可能高度閾値の計算を複数の回収地点のそれぞれについて計算する。そして制御装置１７０は、最も大きい帰還可能高度閾値を用いて滞空制御から回収地点への誘導制御への移行判定を行う。

また、観測装置１の制御装置１７０は、回収地点の誘導制御中、定期的に、各回収地点について「到達可能性」を計算する。この到達可能性は、現在滑空中の観測装置１の滑空比を、回収地点に到達するために必要な滑空比で割ることにより算出する。現在滑空中の観測装置１の滑空比は、ＧＮＳＳ受信機１７１から取得した現在位置に基づき単位時間の水平移動距離を垂直の高度変化距離で割ることにより算出する。回収地点に到達するために必要な滑空比は、ＧＮＳＳ受信機１７１から取得した現在位置と回収地点の位置座標に基づき算出する。到達可能性が１より大きい場合、その回収地点に到達できることを意味し、到達可能性が１より小さい場合、その回収地点に到達できないことを意味する。制御装置１７０は、１以上であり且つ最も大きい到達可能性である回収地点を目標点として設定する。または、複数の回収地点のそれぞれに予め優先度を設定しておき、制御装置１７０は、到達可能性が１以上であり且つ優先度が最も大きい回収地点を目標として設定してもよい。また、制御装置１７０は、現在目標点として設定している回収地点を無線送受信機１８１を介して地上局に通知する。

本実施の形態に係る観測装置１によれば、複数の回収地点を設定することができ、最も到達可能性が高い回収地点に観測装置１が着地又は着水するので、観測装置１の回収を確実に行うことができる。その他の作用・効果は第１の実施の形態と同様である。

以上、本発明の一実施の形態について詳述したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよい。

例えば、上記実施の形態では、パラフォイル２００として滑空時の進行面に生じる空気（ラムエアー）を利用して翼を膨らませるラムエアー型を用いたが、空気や窒素ガス等の気体を翼内部に充填した密閉型パラフォイルを用いてもよい。

また、上記実施の形態では、観測により取得した観測データを外部メモリ１８２に記録し、観測装置１を回収した後に当該観測データを活用するようにしたが、観測中に随時、観測データを無線送受信機１８１を介して地上局に送信するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、地上局と観測装置との通信規格としてＬＰＷＡを用いたが、通信規格や通信経路を不問である。例えば、地上局と観測装置間の通信を、通信事業者網を介して行ってもよいし通信事業者網を介することなく直接行ってもよい。また、互いに通信規格や通信経路の異なる通信手段を複数備え、高度や位置によって適宜切り替えるようにしてもよい。例えば、高高度ではＬＰＷＡによる通信を行い、地上に近い高度では５Ｇ（5th Generation）などの携帯通信網を介した通信を行うようにしてもよい。複数の通信手段の選定及び切り替え処理は、通信可能距離・通信圏・通信速度・コスト等に鑑みて最適なもの及び切り替えタイミングを決定すればよい。また、通信手段の切り替えに伴い通信内容を切り替えてもよい。

また、上記実施の形態では、上空から地上又は海上を撮像した画像データを取得対象とする観測装置について説明したが、観測対象や観測による取得データについては不問である。例えば、上空における気象、大気成分、音、地球外からの各種放射体を観測するものであってよい。

１…観測装置１
１００…観測装置本体
１０１，１０２…制御アーム
１２０…連結分離装置
１２１…ワイヤカッター
１５０…下方撮像用カメラ
１７０…制御装置
１７１…ＧＮＳＳ受信機
１７２…慣性計測ユニット
１７４…対地レーザ高度センサ
１７５…超音波風速風向センサ
１８１…無線送受信機
１８２…外部メモリ
２００…パラフォイル
２０１…翼
２０２…吊索
２０３…制御索
２１０…梁部材
３００…連結ロッド
４００…ロープ
４１１…通信中継装置
５００…気球

Claims

気球に吊下げられて所定の切り離し高度まで上昇した後に気球から切り離されて降下する観測装置であって、
パラフォイルと、
パラフォイルの制御索を操作する駆動装置と、
気球から切り離された後に回収地点まで移動するよう駆動装置を制御する制御手段と、を備えた
ことを特徴とする観測装置。
前記制御手段は、気球から切り離された後に観測地点上空まで移動するための制御である観測地点移動制御、到達した観測地点上空に滞在するための制御である滞空制御、観測地点上空から回収地点まで移動するための制御である回収地点移動制御を行う
ことを特徴とする請求項１記載の観測装置。
前記制御手段は、滞空制御中に現地点から移動可能範囲を算出し、回収地点及び算出した移動可能範囲に基づき滞空制御から回収地点移動制御に移行する
ことを特徴とする請求項２記載の観測装置。
風速及び風向を測定する風速風向測定手段を備え、
前記制御手段は、現地点並びに上昇中に測定した風速及び風向に基づき移動可能範囲を算出する
ことを特徴とする請求項３記載の観測装置。
風速及び風向を測定する風速風向測定手段を備え、
前記制御手段における滞空制御は、上昇中に測定した風速及び風向並びに現在測定した風速及び風向の何れか一方或いは双方に基づき、風上にパラフォイルの機首が向くよう駆動装置を制御する
ことを特徴とする請求項２記載の観測装置。
風速及び風向を測定する風速風向測定手段を備え、
前記制御手段は、上昇中に測定した風速及び風向に基づき、強風高度帯域においては観測装置が失速状態となるよう駆動装置を制御する
ことを特徴とする請求項１乃至５何れか１項記載の観測装置。
前記パラフォイルは、展開した状態で観測装置の筐体に連結している
ことを特徴とする請求項１乃至６何れか１項記載の観測装置。
地上局との間で無線通信を行う通信手段であって、地上局との間で直接通信ができない場合には前記気球に付設した通信中継装置を介して地上局と通信を行う通信手段を備えた
ことを特徴とする請求項１乃至７何れか１項記載の観測装置。