JP4651679B2 - 乱気流を遠隔的に測定するシステム - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、一般的には気象センサに、より具体的には晴天乱気流を遠隔的に感知するセンサに関する。

発明の背景
晴天乱気流は商業航空機の乗客の快適さに大きく影響し、乗客の中には乱気流にともなう自身の恐怖のため飛行を差し控えることさえある。晴天乱気流は前兆をほとんどともなわないか、まったくともなわずに発生するから、乗客は自身のシートベルトを締めて自身の座席にとどまる傾向がある。しかし、どの乗客もときには快適さや生理的理由から立ち上がらなければならない。したがって、航空機が乱気流の中を進まなければならない場合に、航空機搭乗員が混乱について、航空機がこれに直面する前に、乗客に注意を呼びかけることができれば有益だろう。

好ましくは、航空機は乱気流を全面的に回避するだろうが、その予防的措置ですら、乱気流を、これが発生する前に、検知するか、または予測することを要求する。多くの乱気流（例えば雷雨にともなう乱気流）は予測または検知できるが、晴天乱気流は現在利用できる技術では検知または予測できない。晴天乱気流を検知できない理由は、これが大気中にて様々な速度と方向で移動する、若干異なる温度と圧力と密度とを有する空気の塊からなるからである。これらの気団における僅かな差異は、ある１つの気団からのレーダー反射を別の気団からのレーダー反射から区別できるほど十分に示差的にレーダーを反射しない。

気象地図は乱気流が見込まれる場所を航空機搭乗員にある程度は指摘するが、これらの地図は完璧ではない。第１に、それらは得てして数時間以内に使い物にならなくなり、同じく完璧には程遠い基礎気象学モデルに基づいている。加えて、乱気流は幅広い幾何学的スケールにわたって発生する。一部の乱気流の範囲は何キロメートルに及び、数百キロメートルに及ぶことすらある（例えば、ジェット気流を取り巻く乱気流域）。かなりの速度の短時間の突風に晒される山の下流側に関連する乱気流等、数キロメートルかまたは１キロメートルの何分の１のスケールで乱気流域が発生することもある。これらのより少量の乱気流は、そのスケールのため、気象地図上に現れない。

航空業界はより良いアプローチの不在下で、各航空機のパイロットが自身のルートまたは「航空路」沿いに遭遇する晴天乱気流を報告の中で無線連絡するシステムを作った。同じ航空路を飛行する後続の航空機はこれらの報告に応じて操縦できるが、迂回路沿いに乱気流に遭遇するおそれがある。当然、所定の航空路に沿って、これが暫時空いた後に、飛行する第１の航空機搭乗員は、回避行動の基礎となる報告を得ない。同様に、空港があまりにも混雑していて到着することができないか、さもなくば（例えば悪天候により）閉鎖されるとき等に、予定外の迂回路にある航空機は、ルート沿いの乱気流を予測しようがない。

発明の要旨
乱気流を遠隔的に感知する装置及び方法は、特に晴天乱気流計器は、受信器と衛星との
間の視線方向にある（along a line of sight）大気乱流を測定するシステムを提供する。同システムは、乱気流測定を行うため衛星から受信器へ送信される信号の変化（強度、位相、及び周波数の変化を含み、ただし前記に限定されない）を使用する。ある実施形態において、受信器は、ＧＰＳ Ｌ１及びＬ２帯域を使用することにより信号変化に対する電離圏シンチレーションの寄与を推定するＧＰＳ受信器である。好ましくは、信号に対する対流圏乱気流の影響を単離するため、これらの電離圏効果は変化から取り除かれる。

他の好適な実施形態は陸上及び海上輸送手段上での使用に適し、受信器が輸送手段の動きを計上するため乱気流測定を調整することを可能にする慣性測定装置等の速度センサを含む。代案において、システムは輸送手段から速度情報を受け取るための入力を含むことができる。これらの輸送手段適合システムは、輸送手段の速度から速度誘発位相シフトとドップラー効果とを判断でき、測定される信号の変動からこれらの効果を取り除くことができる。システムはまた、現在視野内にある各ＧＰＳ衛星に対する方向を判定できるようにするため、輸送手段の機首方位を受信する入力を含むことができる。その方向は、航空機機首方位と相対的に、または地面（または地球）と相対的に、判定できる。さらにシステムは、横風効果のため測定された乱気流推定値を調整できる（乱気流の空気の塊に対する受信器の動きのため測定に導入される見掛け乱気流）。さらに、測定を行うため受信器は複数の衛星コンステレーション（例えばＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、及びＧａｌｉｌｅｏ）からの信号を使用できる。複数のコンステレーションの使用は、送信信号の入手可能性を高め、大気適用範囲を向上させ、乱気流測定の精度を高める。乱気流測定値は、航空機搭乗員、航空交通管制官またはコンピュータ、または他の航空機等、末端利用者へ伝達することができる。乱気流測定値を伝達できる形式は、可聴警報、航空機搭乗員ステーションディスプレイ上での乱気流強度オーバーレイ、または地図上での乱気流強度オーバーレイを含む。よって本発明の原理に従い操業する航空会社は、乱気流が見込まれるため座席へ戻る忠告を乗客が受ける機会がより少ない、より円滑なフライトを提供する。しかも、忠告が不正確な予報（例えば「誤警報」）に依拠する回数は減るであろう。同様に、乱気流周辺の航空機迂回路は回避され、これにより燃料消費は抑えられるであろう。

第２の好適な実施形態において、本発明は（乱気流を被る経路沿いに進む）電磁エネルギーの受信器を提供する。この受信器は、入力と、出力と、同入力及び出力と通信する回路とを含む。入力は第１の信号を受信し、同信号はこれの受信時現状の電磁エネルギーを現す。回路は、第１の信号と、移動プラットフォームの速度を表す第２の信号とを受け付ける。回路はまた、乱気流によって生じる電磁エネルギーの変化を判定することにより移動プラットフォームの速度によって生じる変化を取り除くため、第２の信号を用いて第１の信号を調整する。好適な実施形態において、回路は、対流圏乱気流によって専ら生じる変化を判定する。出力は、乱気流を表す第３の信号を生成する。

受信器は好ましくは、ＧＰＳ（全地球測位システム）か、または同様の回路を含み、移動プラットフォームの機首方位を表す第４の信号を受け付ける。受信器は、電磁エネルギーの供給源に対する方向を第４の信号から判定する。さらに回路は、第２の受信位置からの電磁エネルギーを表すもうひとつの信号を受け付けることができる。これらの実施形態において、回路は、乱気流によって生じるエネルギーの第２の変化をその信号から判定する。別の好適な実施形態において、回路は乱気流によって生じる変化の２つの測定値を相関する。より具体的に、受信器は第２の位置にあるアンテナが第１の位置へ移動するのにかかった時間に関し２つの測定値を相関する。

第３の好適な実施形態において、本発明は、アンテナと、速度センサと、電磁エネルギー受信器とを含む移動プラットフォームを提供する。アンテナは（乱気流を被る経路沿いに進んだ）電磁エネルギーを受信し、センサは、移動プラットフォームの速度を感知する。受信器は、乱気流によって生じたエネルギーの変化を判定するため、感知された速度を
用いて受信時現状の電磁エネルギーを選別する。移動プラットフォームはまた、受信器がエネルギーの供給源に対する方向を判定できるようにするため、プラットフォームの機首方位を表す信号を受信器へ提供できる。移動プラットフォーム（例えば航空機、陸上車輸送手段、または海上輸送手段）はまた、電磁エネルギーを受信するための第２のアンテナを含むことができ、これにより回路が第２の乱気流測定を行うことを可能にする。加えて回路は、第１のアンテナがエネルギーを受信した位置へ第２のアンテナが移動するのにかかった時間の量に関し２つの測定値を相関できる。好ましくは、アンテナは移動プラットフォームの側壁上に位置づけられる。

もうひとつの好適な実施形態において、本発明は乱気流を検知するためのシステムを提供する。この実施形態において、システムは少なくとも１つの移動プラットフォームと、少なくとも１つの移動プラットフォームの速度を判定するセンサと、少なくとも１つの電磁エネルギー送信器と、少なくとも１つの受信器とを含む。送信器は、乱気流を被る経路にわたり電磁エネルギーを送信し、受信器は（たとえ受信器から見て送信器が水平線に近くとも）エネルギーを受信する。送信器または受信器の内の少なくとも一方は移動プラットフォーム上にある。ここでも受信器は、乱気流によって生じるエネルギーの変化を判定する。変化を判定した受信器は、時間と、位置と、方向とを判定した変化に関連づけることもできる。システムは好ましくは、受信器によって行われた測定から乱気流の３次元モデル（コンピュータ支援断層撮影モデル）を作成する処理部を含む。そしてまた、そのモデルを発行‐閲覧アーキテクチャにて閲覧者へ配布するためネットワークを使用できる。別の好適な実施形態において、そのモデルは統計信頼区間を含む。さらに、エアデータセンサ、移動プラットフォーム上の慣性センサ、気象センサ、及び気象予報等、他の情報源からのデータでモデルを補うことができる。システムは好ましくは、空港の進入路または発進路等、あらかじめ選択された地理的領域上で乱気流を感知するべく構成される。

乱気流を測定する方法は、さらに別の好適な実施形態によって提供される。この実施形態の方法は、乱気流を被る経路沿いに進んだ電磁エネルギーを受信することを含む。この方法はまた、送信器または受信器の速度を表す信号により（受信時現状の）電磁エネルギーを選別することによって、乱気流によって生じるエネルギーの変化を判定することを含む。電離圏によって生じる変化もまた、電磁エネルギーの変化から選別できる。方法は好ましくは、受信器と送信器との間の方向を判定することを含む。第２の位置で測定される乱気流によって生じる変化もまた判定できる。さらに、乱気流の３次元モデルを作成でき、モデルの閲覧者へ配布できる。

これより添付の図面を参照しながら、本発明のさらなる特徴及び利点、ならびに本発明の各種実施形態の構造及び動作を詳しく説明する。

明細書に編入されこれの一部をなす添付の図面は、本発明の典型的実施形態を図解するものであり、この説明とともに本発明の原理を説明するのに役立つ。

好適な実施形態の詳細な説明
現代の航空機の多くは、航行のため衛星（例えばＧＰＳまたはＧＬＯＮＡＳＳ）から放送される無線測位信号を利用する。大気乱流が原因し信号が壊れることにより、または変化することにより、ＧＰＳ受信器は信号との同期を失い、受信器は一時的に作動不能になることがある。この問題は、送信衛星が受信器から見て水平線に近いときにはより顕著となる。大気中を横断する信号の経路が大幅に長くなるばかりでなく、大気の上位部分より乱気流が格段に顕著となる対流圏の奥深くに信号経路が入り込む可能性がある。また、信号経路が地面に近づくにつれ多経路化が起こり、これが信号品質をさらに低下させる。乱気流はこれまで回避すべき問題とみなされてきたから、受信器アンテナは普通、水平線に
対する仰角が低い信号を拒絶するよう構成される。

しかし本発明の原理によると、変化した信号はこれが通過した乱気流の量の指摘を携える。１つの信号が運ぶ情報はこれの経路沿いの乱気流に関する情報だけだが、現在使用されている多数のＧＰＳ受信器及び衛星は、これらの装置の間で多数の経路に沿って有り余るほどの乱気流測定値を提供する。断層撮影法に似た処理により（例えばコンピュータ断層撮影法またはＣＡＴ）、これらの乱気流測定値は大気中の乱気流の３次元モデルの作成に役立てることができる。

本発明のより詳しい説明に入る前に、乱気流に関係する大気の構造を論じると有益である。大気の最下位部分は対流圏であり、ほとんどの商業・軍事航空が行われる空気の塊である。対流圏は地球の表面から始まり、日中は表面境界層と、混合層と、エントレインメント層と、「自由」大気の最下位到達範囲とからなる。表面境界層と、混合層と、エントレインメント層は通常、約１乃至３キロメートルにまで及ぶ。これらの層では地球の表面との摩擦抵抗効果が観察されるため、これらの層は大気境界層と総称されることがある。これらの下位レベル大気とは対照的に、「自由」大気における地面の効果は取るに足らないか、または存在しない。

表面境界層（大気境界層の約１０％）は地球と直に接する大気の層だから、空気と地面との間の機械的剪断と空気の動きに対する明白な障害物（例えば山または建物）によって支配される。これらの相互作用はミリメートルから数百キロメートルに及ぶ様々な規模で局所的渦を生じさせる。空気と地面の太陽加熱と放射冷却とは対流エリアを発達させ、これにより上昇・下降気流が生じる。よって表面境界層における風（すなわち乱気流）は全３次元に成分を有し、高さに関係しない。また、この層の空気の属性（例えば温度、圧力、及び湿度）には強度の垂直勾配がある。

表面境界層の上にある混合層は、表面境界層ほどには地面の影響を受けない。混合層における風は、一般的には数キロメートル以上の規模の、大規模な渦によって特徴づけられる。加えて、表面境界層から上昇する加熱された空気のプルームとエントレインメント層から沈下するより冷たい空気の塊もまた（すなわちタービュレ（tubule））、混合層の全体を通じて、通常ならばランダムな分布にて、存在する。よって、表面境界の小規模カオス流の多くは高度とともに放散する。

エントレインメント層は混合層のすぐ上にある。エントレインメント層では、上昇する加熱された空気のプルームがその周囲とともに熱力学的平衡に達し、上昇を止める。したがって、これらの熱プルームの最上部では積雲が形成され、これは極端な場合（例えば激しい雷雨）、対流圏の最上部にまで達することがある。温かい上昇空気プルームの近傍では、より冷たくより稠密な空気の塊が転置され、混合層の中へ沈下する。

夜には太陽放射からの加熱が止まり、地面と空気の放射冷却が支配し始める。よって昼間の乱気流を後押しするエネルギーは衰え、表面との摩擦によって地面近くの空気の層は安定する。この「安定層」の上にあるもうひとつの空気層は、昼間の大気から取り残された残留乱気流を含む。この「残留」層は通常、混合層とエントレインメント層とに相当する。

よって乱気流は普通、混合層にてタービュレ（turbule）と呼ばれる空気のセルが、タービュレと周囲の空気との密度の違いにより異なる速度で大気中を上下するときに発生する。乱気流はときとして、乱気流に取り込まれる（または乱気流からの）降水のため、見える、またはレーダーで検知できる。ただし多くの場合、検知可能な乱気流の兆候は発生せず、このため航空機が乱気流に遭遇するときには、これが「晴天」から到来するように
見える。

タービュレと周辺空気との密度差は主に温度、圧力、及び湿度とに関係するが、タービュレ中の空気の他の属性もまた周辺空気のそれと異なる。属性の相違のため、タービュレ中の空気の屈折率は混合層において近傍空気の屈折率と異なる。Ａｏは、屈折率「ｎ」が空気の属性に次のとおりに関係すると説明した。

（ｎ−１）ｘ１０^６＝ａ_１Ｐ／Ｔ＋ａ_２Ｐ_ｗ／Ｔ^２

ここでＴは気温、Ｐは気圧、Ｐ_ｗは水蒸気圧（すなわち湿度の尺度）、ａ_１は７７．６Ｋ
ｍｂａｒ^−１、ａ_２は３．７３ｘ１０^５ Ｋ^２ ｍｂａｒ^−１である。［Ａｏ， Ｃ．Ｏ． ｅｔ ａｌ．， Ｌｏｗｅｒ‐Ｔｒｏｐｏｓｐｈｅｒｅ Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｉｔｙ Ｂｉａｓ ｉｎ ＧＰＳ Ｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎ Ｒｅｔｒｉｅｖａｌｓ（ＧＰＳ掩蔽回復における低対流圏屈折率バイアス）， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， １０８（Ｄ１８）， Ｐａｇｅｓ １‐１２．］その結果、タービュレはこれを通過する電磁波を屈折させる。したがって、電磁波の（または信号の）経路沿いに起こる屈折の量は乱気流が信号経路を出入りする際に変化する。屈折量の変化は数通りの測定可能な変化を信号に引き起こす。より具体的には、これらの変化は、信号が進む経路に対する変化によって生じる電磁波の位相、強度、及び周波数の変化を含む。

また、信号経路は絶えず変化するから、信号は異なる経路から到着するように見える。経路は異なる長さを有するから、電磁波のあるひとつの瞬間的部分が電磁波信号の他の瞬間的部分を部分的に追い越すことがある。よって、電磁波の部分は建設的にかまたは破壊的に干渉することがある。その結果、受信器における信号強度はそれぞれ高くなるかまたは低くなる。よって、強度の急激な変化は信号経路沿いの乱気流の指摘になる。

信号経路の変化は信号の周波数シフトも生じさせる。変化する経路の長さの効果は、まるで衛星が経路の長さが変化する速度で実際に後退しているかのように、同じであるから、これらの周波数シフトが発生する。この現象は、互いに相対的に移動する送信器と受信器とによって生じるドップラー効果に類似する。よって、周波数の急激な変化もまた信号経路沿いの乱気流を指摘する。従来の利用可能なＧＰＳ受信器は普通、周波数を測定し、検知されたドップラー効果をもとに受信器の機首方位と速度とを計算する。ただしこれらの従来のＧＰＳ受信器は、正確な平均受信器速度を提供するために、意図的に短期変動を平滑化する。よって、従来の利用可能なＧＰＳ受信器は変動を問題として扱うが、本実施形態の受信器は、平均化機能に先駆け信号を拾得し別の乱気流指摘を提供する周波数検知部を含む。

今度はタービュレによって生じる位相シフトについて、信号はある瞬時にあるひとつの経路から到着し、次の瞬時には若干異なる経路から到着するから、これらのシフトもまた生じる。異なる経路は大抵は異なる長さを有するから、ある瞬時に到着する信号は、別の瞬時に到着する信号とは異なる距離を進んだことになる。経路の長さの相違によって、信号はある時点にて、別の時点に対し、位相シフトを被る。よって、位相の変化もまた信号経路沿いの乱気流のもうひとつの指標になる。

対流圏乱気流は、宇宙へ送信される、または宇宙から送信される、信号の変化の（すなわちシンチレーションの）ただひとつの原因ではない。地球の電離圏もまた、周波数に強く左右される形で信号を変化させる。よって本発明の受信器は、信号に対する電離圏効果を測定するため異なる周波数を有する信号を使用する。その結果、受信器は信号から電離圏変化を取り除くことができ、これにより対流圏効果（すなわち対流圏乱気流）に起因す
る変化だけを残す。

好適な実施形態において、本発明は、信号品質を測定する航空機に搭載された高品質ＧＰＳ受信器の使用に、航空機と人工衛星との相対的位置を計算するコンピュータ航行システムを組み合わせる。受信器はＧＰＳ信号品質をもとに航空機と人工衛星との間の乱気流を推定する。航空機の経路にて強い乱気流が検知される場合には、航空機搭乗員に向けて警告を発することができる。さもなくば、乱気流の測定値を回収し、乱気流が発生している場所とこれが発生している度合いとを示す大気の３次元モデルの構築に役立てることができる。

同様の参照番号が同様の要素を指示する添付の図面を参照し、図１は、本発明の原理に従い構築された全地球乱気流測定システム１０を図解する。

図１に示す典型的システム１０は、衛星１２、１４、１６、１８、及び２０からなるコンステレーションと、複数の移動プラットフォーム２２、２４、及び２６と、大気中に発生するかもしれない乱気流３０の塊を検知するよう配置された地上局２８とを含む。乱気流３０は積乱雲（すなわち雷雨）として示されているが、本発明の原理は、存在の視覚的兆候をおびない乱気流に、そしてレーダーによって検知できない乱気流に等しく十分に摘要される。また、図１は対流圏３２（約１１マイルの高度まで延在）と電離圏３４（約４００マイルの高度まで延在）とを示している。

衛星１２、１４、１６、１８、及び２０は、一般的には地球に、または大気を有する他の何らかの天体に向けて信号を電磁エネルギー（例えば無線周波エネルギー）の形で送信する任意の衛星であってよい。衛星は好ましくは、全地球測位サービスを提供するシステム（例えば全地球測位システム、ＧＬＯＮＡＳＳ、またはＧａｌｉｌｅｏシステム）、遠隔通信を提供するシステム（例えばＩｒｉｄｉｕｍ、Ｇｌｏｂａｌｓｔａｒ、Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔ、Ｏｒｂｃｏｍｍ、またはＴｅｌｅｄｅｓｉｃシステム）、または無関係の衛星の集まり等、衛星コンステレーションの構成要素である。同様に、使用される具体的な移動プラットフォーム２２、２４、及び２６は重大でない。ただし典型的移動プラットフォームは、航空機２２及び２４と船２６、ならびに他の航空、宇宙、海上、及び陸上輸送手段を含む。各衛星は好ましくは、システム１０の地球部分２２、２４、２６、及び２８にて受信器によって受信される信号を放送するための送信器を所持するが、受信器と送信器との位置は、本発明の範囲から逸脱することなく逆転または交替できる。

図１では、送信器と受信器との間の信号伝送が様々な信号経路によって図解されている。例えば、航空機２２によって受信される２つの信号と、船２６によって受信される１つの信号とを、それぞれ経路３６、３８と経路４０とを介し送信する衛星１２が示されている。経路４２を介し航空機２２へ送信する衛星１４も示されている。同様に、衛星１６は経路４４を介し航空機２４へ送信し、衛星１８は経路４６を介し船２６へ送信している。図１から明らかなように、システム１０の受信部分の各々は１つまたは複数の信号を受信できる。

これらの経路３６、３８、４０、４２、４４、及び４６の大多数は電離圏３４と対流圏３２の両方を通過し、これらの大気部分の各々の状態によって変化を受ける。これらの変化は通常、瞬間的な位相シフトと、周波数シフトと、信号がシステム１０の地球部分２２、２４、２６、及び２８にて受信されるときの信号の強度変化とを含む。システム１０の多くの部分は移動する。よって経路３６、３８、４０、４２、４４、及び４６は３次元曲面を形成しながら大気中を掃引し、これに沿って信号は、送信器と受信器とからなる任意の対が互いに可視である間進む。システム１０の可動構成要素が動くにつれ、経路は様々
な度合いの乱気流３０に遭遇する。例えば、経路３６、３８、４０、及び２４は比較的安定した大気部分を横断する様子が示されており、他方経路４２及び４６はいずれも、位置と角度は異なれど、乱気流３０の塊を貫通する様子が示されている。よって乱気流３０が経路４２及び４６上を進む信号を変化させる程度は、大気が他の経路３６、３８、４０、及び４４上を進む信号を変化させるより大きい。

今度は図２を参照し、本実施形態の好適な実施形態に従い構成された受信器１１０がブロック図形式で図解されている。展望を得るため、簡略化されたシステム１００もまた示されており、これは典型的受信器１１０へ信号１０８を放送する衛星または送信器１０６を含む。受信器１１０は、次のようないくつかの入力と出力と構成要素とを含む：送信信号入力１１２、信号拒絶部１１４、信号迂回路１１６、信号調整／復調部１１８、位相検知部１２０、周波数検知部１２２、振幅または強度検知部１２４、及び信号処理部１２６。受信器１１０はまた、電離圏乱気流検知部１３２と、関係反転部１３４と、信号方向発見部１３６とを含む。受信器１１０はまた、移動プラットフォームに搭載されたシステムと接続するため、移動プラットフォームシステム入力１２７と、位相シフト推定部１２８と、周波数シフト推定部１３０と、１対の関係反転部１２９及び１３１とを含む。受信器１１０の構成要素（及びその同等物）は図示されたとおり互いに相互接続され、あるいはまたソフトウェアにて実施できる。受信器１１０はさらに、衛星１０６から信号を受信するため入力１１２を介して１つまたは複数のアンテナ１３８と通信する。受信器１１０はまた、入力１２７を介して移動プラットフォームのＩＮＳ（慣性航法システム）及びＦＣＳ（航空管制システム）１４０と通信する。後ほど説明するとおり、受信器１１０は出力１４２にて乱気流ベクトルを生成する。

作動時に送信器１０６は、乱気流を被る経路に沿って進む電子信号１０８を送信する。乱気流は信号１０８を変化させ、その結果、位相シフトを、周波数シフトを、または信号がアンテナ１３８にて受信されるときの信号強度の変化（すなわちフェージングと強調）を引き起こす。アンテナ１３８は信号入力１１２へ信号を誘導する。測位用途のため適切に設計されたアンテナなら普通、送信器１０６が水平線に極端に近い場合に、ノイズによって着信信号が壊れるおそれがあるため、信号１０８を拒絶する。この特徴は拒絶部１１４のところに図示されているが、アンテナ１３８から独立した構成要素は通常ならば必要とされない。本発明は特に、低仰角でノイズの多い信号１０８を、それらが大気中の信号１０８の経路沿いの乱気流３０（図１参照）の有益な指摘を担うから、追求する。よって迂回路１１６は、たとえ信号１０８が水平線に近くても、全ての信号１０８を信号調整部１１８へ伝達するアンテナ１３８を図示している。ノイズの多い信号のための迂回路機能１１６もまた通常なら、アンテナ１３８から独立した構成要素ではなく、アンテナ１３８の１つの特徴である。

図２の信号調整部１１８は２つの部分に分割できる：一方の部分は比較的ノイズが少ない信号を調整し位置データを生成するもので、他方の部分は全ての信号を調整し乱気流データの生成を支援するものである。信号は信号調整部１１８のしかるべきノードで拾得され、検知部１２０、１２２、及び１２４へ伝達される。検知部１２０、１２２、及び１２４は信号１０８を調べることにより、位相シフトと、周波数シフトと、信号１０８のフェージングまたは強調とをそれぞれ検知する。これらの変化の規模とそれらが検知される割合は信号処理部１２６（または同等のアナログ回路）へ供給され、同信号処理部は、信号１０８がアンテナ１３８へ至る際に採った経路沿いの乱気流の量の示度にそのデータを変換する。乱気流は一般的に、乱気流によって生じる信号１０８への変化の組み合わせに比例する。

移動プラットフォーム（すなわちアンテナ１３８）の動きと、信号１０８に及ぶ電離圏効果とを計上するため、受信器１１０によって行われる乱気流測定には調整を施すことも
できる。アンテナ１３８の動きは、移動プラットフォームの速度の組み合わせと（ｘ、ｙ、及びｚ次元の任意の組み合わせ）、移動プラットフォームの、これのロール軸と、ピッチ軸と、ヨー軸の周りの回転とによって生じる。よって、受信信号はアンテナ１３８の動きによって生じる変化（特に位相と強度の変動）を含むことがある。相応に、ＩＮＳ／ＦＣＳシステム１４０は、移動プラットフォームの６自由度（６ＤＯＦ）運動を入力１２７を介して受信器１１０へ伝える信号を受信器１１０に提供する。位相シフト推定部１２８と周波数シフト推定部１３０は、移動プラットフォームの動きによって受信信号へ導入される位相と周波数の変化を判定するため、速度データに働きかける。より具体的には、航空機１２２の定常線速度と関連するドップラー効果とは周波数推定部１３０によって容易く判定できる。定常速度は比較的一定であるから、定常速度によって導入される位相差は一般的に、この方法で測定される乱気流にほとんど寄与しない。ただし、移動プラットフォーム速度が位相シフトを引き起こす限りにおいて、位相シフト推定部１２８は速度から位相シフトを判定する。同様に、位相シフト推定部１２８は移動プラットフォームの加速によって生じる位相シフトを判定する。重ねて、ある瞬時に到着する信号は次の瞬時に到着する信号とはわずかに異なる距離を進むから位相差が生じ、その距離は加速に従い変化する。よって、信号の位相は、異なる時点の信号到着間の移動プラットフォームの移動によって決まる量によりシフトするように見える。

航空機の直線速度とは対照的に、回転速度はより急速な変化を被る。これらの角加速は制御入力、航空機が直接経験する局所乱気流、そして航空機に作用する空気力を含むいくつかの原因から発生する。よって位相及び周波数シフト推定部１２８及び１３０は、航空機上のアンテナの位置と方向の情報を、感知された回転移動と併せて用いることにより、瞬間的な線速度と回転から発生する加速とによって生じるドップラー及び位相シフトを判定する。反転部１２９及び１３１は得られた信号を反転させ、その結果を処理部１２６へ伝達する。そして処理部１２６は、アンテナ１３８の動きによって生じる変化を取り除くため、位相、周波数、及び強度検知部１２０、１２２、及び１２４によって生成された変化の規模と割合とを伝える信号を調整する。信号調整の手段は、例えばフィルタアルゴリズムであってよい。調整された規模及び割合信号はその後、処理部１２６によって、大気中を通じる信号１０８経路沿いの乱気流の測定値に変換される。相応に、図２の処理部１２６は、アンテナ１３８の動きのため補正された乱気流の測定値を生成する。

対流圏乱気流によって信号に生じる変化に加え、電離圏もまた、信号と電離圏の荷電粒子との相互作用を通じて信号に変化をもたらす。電離圏シンチレーションは周波数に強く依存するから、電離圏シンチレーション検知部１３２は、Ｌ１及びＬ２ ＧＰＳ信号１０８（ＧＰＳシステムが約１５７５ＭＨｚのＬ１周波数にてひとつの信号を、そして約１２２８ＭＨｚのＬ２周波数にてもうひとつの信号を使用することを思い出されたい）を比較することにより、電離圏によって信号１０８に導入されるシンチレーションの量を検知できる。反転部１３４は電離圏シンチレーション検知部１３２からの出力を反転させ、反転した信号を処理部１２６へ伝達する。処理部１２６は、反転した電離圏シンチレーション信号を用いて乱気流推定値から電離圏シンチレーションの効果を取り除く。よって処理部１２６は、アンテナの動きと電離圏の効果を排除した、信号１０８が遭遇した対流圏乱気流を指摘する信号を生成する。

電離圏シンチレーションは仰角（すなわち、水平線より上の衛星の見かけの高さ）に対し比較的一定であり、他方対流圏シンチレーションは仰角とともに大きく変化する。この仰角と対流圏シンチレーションとの関係は逆相関である。それゆえ高い仰角では電離圏シンチレーションが優勢であり、低い仰角では対流圏（乱気流誘発）シンチレーションが優勢である。よって好適な実施形態において、アンテナ１３８と受信器１１０とは低仰角（約５度のＧＰＳシステムデフォルトマスク角度に満たない）信号を受け付けることに適している。

受信器１１０の次の段階では（図２で図解するように）、追加の情報が乱気流測定値に関連づけられる。特に、方向発見部１３６は、移動プラットフォームＩＮＳ／ＦＣＳシステム１４０から入力１２７を介し機首方位及び方向情報を受け取る。加えて方向発見部１３６は、どちらのアンテナ１３８Ａまたは１３８Ｂが信号１０８を受信したか、そしてどの衛星１０６が信号を生成したかについて、信号調整部１１８から情報を受け取る。これらのアンテナ１３８Ａ及び１３８Ｂは、図１の航空機２２上の２つのアンテナ２３及び２５に相当する。航空機２２上の各アンテナの位置と航空機に対するアンテナの方向とを把握する方向発見部１３６は、アンテナ１３８Ａまたは１３８Ｂによって受信された信号１０８を送信した衛星１０６に対する方向を判定する。本実施形態の方向発見部１３６は、信号１０８が受信された方向と時間とを、これが処理部１２６から受け取る乱気流測定値に関連づける。したがって、方向発見部１３６によって生成される出力は、（処理部１２６からの）乱気流測定値の振幅と発見部１３６によって発見される（３次元）方向とによって規定される時間変動ベクトルである。この乱気流ベクトルは、信号１０８の受信時における信号１０８経路沿いの対流圏乱気流の総量を反映する。

図１はまた、３つのアンテナ２３、２５、及び２７を有する航空機２２を含むもうひとつの好適な実施形態を示している。アンテナの各々は、乱気流の測定のため、図２の受信器１１０等、受信器と通信する。図示されたとおり、航空機２２は右向きに飛行しており、一般的には航空機の速度の方向に一定の距離を置いて相隔たるアンテナ２３及び２５を有する。アンテナ２３及び２５は好ましくは航空機２２の側壁上にあり、航空機２２から真横に向く。アンテナ２７は航空機２２の機首に位置し、進行方向に沿って前を向く。航空機２２が動くにつれ、アンテナ２３及び２５と衛星１２との間の経路３６及び３８もまた動き、受信器１１０は乱気流測定を続ける。経路３６及び３８が動くにつれ、経路は、大気中の様々な乱気流３０の領域に入り、これらの中を通り、これらから出る。対照的に、アンテナ２７は前を向くから、ほとんどの衛星からアンテナ２７へ至る経路は航空機の動きの結果としてごく僅かしか動かない（ただしそれらは航空機が衛星に向かって動くにつれ短縮する）。それゆえ横向きのアンテナ２３及び２５が受け取る信号は、前向きのアンテナ２７が受け取る信号より著しい乱気流誘発変動を有する。

ある期間Δｔにわたり、航空機２２は、先行アンテナ２５が経路３８沿いに信号を受信した場所から、経路３８がかつて位置していたところに位置する経路３６沿いに後続アンテナ２３が信号を受信する場所にかけて、一定の距離を移動する。毎秒２００メートルの典型的な航空機巡航速度で約１０メートルのアンテナ離隔の場合、Δｔは約５０ミリ秒である。ＧＰＳ信号に測定可能な変化を引き起こすのに十分に大きいタービュレは普通、格段に遅い時間的尺度で変化する。よってタービュレそのものの変化は別として、後続アンテナ２３は期間Δｔの終わりに、先行アンテナ２５が（以前に）期間Δｔの始めに受信したタービュレによる変化とほぼ同じ変化を受けた信号を受信する。つまり、経路３８沿いにアンテナ２５によってなされる乱気流測定は、経路３６沿いにアンテナ２３によってなされる乱気流測定とほぼ同じになる。

現実には、様々なエラー源が２つのアンテナ２３及び２５によって行われる測定に不整合を引き起こすことが見込まれる。ただしエラー源のほとんどは、真にランダムであるか（例えば受信器１１０における熱ノイズ）、または両アンテナにとって共通である（例えばＧＰＳ衛星上でのタイミング変動）。後者の場合のエラーは同時に起こるが、異なる場所で起こる。つまり、両アンテナ２３及び２５にとって共通の同時エラーは、経路３６沿いにアンテナ２３によってなされる測定に影響し、且つ経路３８沿いにアンテナ２５によってなされる測定に影響する。以前の測定サイクルと以降の測定サイクルの両方で、両経路３６及び３８沿いの測定は影響を受けないと見込まれる。

ランダム及び共通モードエラーを解消するため、受信器１１０は、２つのアンテナ２３及び２５によって行われる測定から得たデータの２つの時間系列を相関する。２つの時間系列の内一方は、先行アンテナ２５からの乱気流関係データのサンプルを含む（例えば、振幅変化、位相シフト、または周波数シフト）。乱気流データの他方の時間系列は後続アンテナ２３から回収され、Δｔにより、同じ場所で取られた第１の系列のサンプルに対し遅延される。したがって、これら２つの時間系列で、相関係数ｒ（Δｔ）の規模は、２つのアンテナ２３及び２５間の間隔の規模でタービュレによって生じるパラメータ変化のため極大化される。Δｔ≠０を持つ相関係数はまた、２組のデータにてランダムエラーの影響を極小化する。

好適な実施形態において、図２の受信器１１０は連続的に相関係数ｒ（Δｔ）を判定し、ｒ^２（Δｔ）に比例する出力信号を提供する。この出力は、衛星に向けた視線沿いの乱気流の指標として使用でき、単一のアンテナ（例えばアンテナ２３のみ）に基づく指標よりエラーに対し堅牢である。別の実施形態において、本発明は大型航空機の全長に沿って３つ以上のＧＰＳアンテナを提供する。多くの航空機はすでに予備アンテナを有するから、これらの航空機へ加えるべき設備はごく僅かか皆無である。これらの実施形態において、受信器１１０は全アンテナによって得られる測定データ集合のための相関係数を計算する。各アンテナの時間系列は、全データ集合が同じ信号経路をカバーするよう適切なインターバルで遅延される。

もうひとつの代替実施形態において、本発明は、精密な航行信号を提供するよう設計された衛星とは別の衛星からの信号を使用する。例として、通信衛星と気象衛星を挙げる。通信衛星の候補として、Ｉｒｉｄｉｕｍ、ＧｌｏｂａｌＳｔａｒ、ＩＣＯ、及び同様のコンステレーションの衛星を挙げる。これらの衛星を使用する利点のひとつとして、それらは測位衛星より数が多く、それ故ある特定の視線沿いに、またはある特定の領域の上方で、乱気流を測定するより頻繁な機会を提供する。通信衛星を使用する実施形態の場合には、受信器が２つ以上のアンテナからの信号を相関することにより、衛星のクロックにおけるタイミングエラーによって生じる送信信号の位相と周波数の変動を拒絶すると好ましい。

今度は図３を参照し、本発明の原理に従い構成された別のシステム２００が図解されている。図３は、受信器２１０によって生成される乱気流ベクトルをシステム２００がいかに配布し使用するかを概括的に示している点が図２と異なり、一方図２は、受信器１１０が乱気流ベクトルをいかに生成するかを概括的に図解する。簡潔に、送信器２０６はアンテナ２３８へ信号を送信する。移動プラットフォーム上のシステム２４０は、移動プラットフォームの速度と機首方位と方向に関する情報を受信器２１０に提供する。受信器２１０はこれらの信号から乱気流ベクトルを生成し、好ましくはその間に、受信器２１０が配置された移動プラットフォームの速度のための受信現状信号を調整する。図３はまた、電離圏シンチレーションと、対流圏乱気流と、異なる対流圏乱気流尺度間の相関と、各々の乱気流測定が行われた方向とにそれぞれ関する情報を携える別個の信号２５４、２５６、２５８、及び２６０を提供する受信器２１０を図解する。

図３はまた、ネットワーク２６２と、コンピュータまたは処理部２６４と、気象予報モデル２６５と、１組のエアデータセンサ２６６と、１組の気象センサ２６８と、１組の慣性センサ２７０と、航空交通管制システム２７４を含む閲覧者集団２７２とを含む、本実施形態のさらなる態様をいくつか示している。処理部２６４は、Ｂｏｅｉｎｇ^ＳＭシステムによるＣｏｎｎｅｘｉｏｎ等、航空機搭載ネットワークを含むネットワーク２６２を介し、多数の乱気流ベクトルと関連情報とを受信する。処理部２６４は乱気流情報から、多数の受信器２１０によって測定された乱気流の３次元モデルを作成する。処理部２６４は好ましくは、３次元モデルを作るため、乱気流ベクトルの一群に対し断層撮影アルゴリズ
ムを実行する。

断層撮影法は、物体または塊を通過する経路に沿って取られた量の１組の測定値から量の２次元または３次元分布を判断する一連の処理である。断層撮影処理の典型的産物として３次元物体の断面描写がある。医用ＣＡＴスキャンの基礎にあたるコンピュータ軸断層撮影（ＣＡＴ）は断層撮影の１例である。ＣＡＴスキャンのときに測定される量は、組織密度の代わりになるｘ線吸収率である。ＣＡＴスキャンは患者の体の多数の点と点を結ぶ各々の線に沿って総合のｘ線吸収を測定する。断層撮影アルゴリズムは、体内の多数の地点にてｘ線吸収率を推定するため、これらの１次元ｘ線吸収測定値群を使用する。そしてＣＡＴスキャン装置は、２次元描写で、またはＸ線を吸収した構造の３次元電子モデルで、それらの測定値を表示する。

再び図１を参照し、経路３６、３８、４０、４２、４４、及び４６の各々は、大気中の乱気流３０の単一の１次元測定値を表す。電離圏シンチレーションと送信器または受信器の移動との影響を取り除くため、これらの測定値は調整できる。また、図示された送信衛星１２、１４、１６、１８、及び２０と移動プラットフォーム２２、２４、及び２６とは動き、これにより信号経路が大気中を掃引する。経路３６、３８、４０、４２、４４、及び４６の移動は、１つの送信器と１つの受信器とからなる任意の対での多数の乱気流３０測定を可能にする。また、地上局２８との間の経路（図示せず）は動くが、ただし地上局２８にて固定された１つの末端の周りを旋回する特別な場合を表すことに注意されたい。乱気流３０は、高速で移動する衛星１２、１４、１６、１８、及び２０と移動プラットフォーム２２、２４、及び２６より遅い速度で動き、発達するから、測定値は、それらが測定された後暫くの間有効であり続ける。さらに、米国だけでも典型的なピーク飛行時間帯に凡そ５，０００の航空機が飛んでおり、どの場所からでも少なくとも４つのＧＰＳ衛星は見えるから、図１のシステムは、乱気流３０の検知に最も関心が集まる時間帯に米国上で２０，０００の倍数の乱気流３０の測定を可能にする。この概算には、様々な種類の見込まれる受信器（例えば、手持ち型受信器、海上輸送手段、陸上輸送手段、局、及びそれらの同等物）と様々な種類の見込まれる送信器（例えば、他の測位システム衛星、通信衛星、及びそれらの同等物）とが含まれていないから、実際の見込まれる測定数は２０，０００を大きく上回る。これらの受信器（すなわちサンプリングノード）はどれも、ネットワークを介して処理部２６４と通信する。処理部２６４はネットワーク２６２を介して通信するから、その位置は重大でなく、移動プラットフォームまたはサンプリングノードのいずれかに搭載することさえできるであろう。

作動時に、各サンプリングノードは、ノード２２、２４、２６、または２８から送信衛星１２、１４、１６、１８、及び２０の内１つまたは複数へ至る視線に沿って対流圏乱気流３０を絶えず測定する。サンプリングノード２２、２４、２６、または２８は、各測定に関連する位置、方向、及び時間を含むその１次元乱気流測定値を処理部２６４へ送信する。処理部２６４はモデルを作成するため１組の測定値を調べ、乱気流３０が存在するところの地点、または塊を識別する。図１は、この処理がいかに比較的少量の測定値サンプルに作用するかを示している。図解のとおり、経路３６、３８、４０、及び４４の多くは大気中で所与のタービュレ３０を逸する。ただし他の経路４２及び４６はタービュレ３０と交差し、高度のシンチレーションによって特徴づけられる対応する測定値に帰結する。経路３６、３８、４０、４２、４４、及び４６からなる多数の対の各々を調べてそれらが交差（または凡そ交差）するか否かを、そして両経路が高乱気流を呈するか否かを、判断することにより、処理部２６４は経路（ここでは経路４２及び４６）の対の交差のところで、または「凡その」交差のところで、乱気流３０の塊を識別する。凡その交差は、経路が必ずしも交差するのではなく、注目する乱気流３０の規模でお互いから一定の距離内を通過することを意味する。経路の両方で乱気流の高い指摘をともなう経路交差を識別したら、乱気流３０の識別と測定とを向上させるため、第１の交差に接近する別の経路を調べ
ることができる。交差する経路４２及び４６からなる第１の対のいずれか一方に交差する別の経路を調べることにより、交差する経路４２及び４６の一方の経路沿いのどこかではなく、乱気流３０の中の交差点で、測定された乱気流が実際に発生していることを確認できる。換言すると、（例えば）経路４４が経路４６と交差し、ただし乱気流を指摘しないという事実をもとに、経路４６の経路４２との交差点付近で乱気流３０が見つかることを確認できる。好適な実施形態において、モデルを作成するためのプログラムはコンピュータ読み取り可能媒体に格納される。その媒体は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードドライブ、ＣＤ、フロッピー（登録商標）ディスク、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、大容量記憶装置、プログラムが転送されるところのネットワーク、またはそれらの同等物のいずれであってもよい。

図１に示す経路３６、３８、４０、４２、４４、及び４６のサンプルは比較的少量ではあるが、好ましくは使用されるであろうはるかに多数の経路を代表する。ただし、送信衛星１２、１４、１６、１８、及び２０の移動性とサンプリングノード２２、２４、２６、及び２８により、経路４２及び４６が動く間に多数の測定が行われるため、２つの経路４２及び４６の交差点の近くで多数の測定を行うことが可能となる。さらに、経路４２及び４６は各経路４２及び４６沿いの多数の測定のため乱気流の塊３０と交差し続けるから、処理部は、経路４２及び４６を、それらが互いに（且つまたタービュレ３０に）近づく期間中に、比較することによって、タービュレ３０の位置を識別できる。よって、高乱気流を各々持つ経路の交差を検知した処理部は、交差する経路４２及び４６に関連する測定値の時間系列に沿って後ろ向きに（及び前向きに）調べることにより、タービュレ３０の存在とその位置を確認できる。その結果、本発明はタービュレ３０の迅速な初期位置特定と、これの後に続くより入念且つ正確な初期推定確認チェックを可能にする。さらに、いくらかの期間に及ぶ所与の経路３６、３８、４０、４２、４４、及び４６の測定値の各時間系列は統計的に処理できるから、そのモデルは各タービュレ３０の位置に関連する統計信頼区間を含むことができる。また、所与の領域にわたり交差する経路３６、３８、４０、４２、及び４６だけを比較することにより、そして対流圏３２の上方で、または表面境界層の中で、生じる経路交差を処理しないことによって、処理効率を達成できる。

処理部２６４がモデルを作成（または修正）したらネットワーク２６２を用いてモデルを配布できる。ネットワーク２６２は好ましくは、ネットワーク２６２上の実体がモデルを閲覧でき、処理部２６４が発行者として働く、発行者‐閲覧者アーキテクチャを含む。こうすると、閲覧者２７２へ提供される情報の量または質を損なうことなく乱気流モデルを配布するための帯域幅要求を制限できる。加えて、乱気流３０が発生するあらかじめ選択された地理的区域に従ってモデルを分割でき、その結果閲覧者２７２はモデルに含まれる全情報の地理的部分集合を閲覧できる。閲覧者（例えば、測定ノードにもなりうる航空機）の多くにあらかじめ搭載されたＧＰＳ設備の存在により、ネットワーク２６２上での位置本位閲覧サービス実施の成就は容易くなる。加えて、システムの構成要素間で乱気流関連情報を中継するため、従来の空中‐地上間双方向通信システム（例えば無線機）を使用できる。よって、乱気流を測定した航空機を除く、乱気流の付近にある航空機に向けて、地上から乱気流警告を送信できる。乱気流を測定した航空機が乱気流の影響を受けるおそれがある場合には、搭載システムが航空機搭乗員、またはオートパイロットへ乱気流情報を伝達できるから、しかるべき回避措置に着手できる。

とりわけ興味深いある種の閲覧者２７２は米国の航空交通管制（ＡＴＣ）システム２７４と他国におけるこれの対等物である。乱気流モデルはＡＴＣシステム２７４へ配布でき、そこからさらにこれを航空交通管制に役立てるため管制センターと航空交通管制塔（ＡＴＣＴ）とへ配布できる。もうひとつの典型的閲覧者２７２は、悪天候の予報にモデルを役立てることができる国立測候所である。他の好適な実施形態において、閲覧者２７２は、断層撮影乱気流情報を航行表示の上に重ねることができるディスプレイ装置を含むこと
ができる。

他の好適な実施形態において、処理部は他の情報源からのデータでモデルを増強できる。例えば気象モデル２６４は、送信器と受信器との間の信号経路が暫くの間掃引しなかったところの大気の塊で乱気流の推定を提供できる。また、システム２００と通信する各航空機（または移動プラットフォーム）には普通、エアデータセンサ２６６が装備される。エアデータセンサは同時性、限局性の乱気流測定を提供するから、エアデータセンサ２６６は乱気流モデルの中の情報を確認できる、または増強できる。もうひとつの典型的情報源は移動プラットフォームに搭載された慣性センサ２７０である。これらのセンサ２７０もまた、システムが別に遠隔的に感知する乱気流を直接的に同時に測定する。同様にシステム２００は、信号掃引が稀なエリアにおいて気象測器２６８（例えば気象観測所）で乱気流モデルを増強できる。よって、モデルを通じて配布される情報をただ増強することに加え、モデルを較正し調整するため、センサ２６６、２６８、及び２７０からなる一群を使用できる。

今度は図４を参照し、本発明の原理に従う方法３１０が図解されている。一般的に、方法３１０は乱気流によって変化した電磁エネルギーを受信することと、乱気流によって生じた変化を検知することと、乱気流の３次元モデルを作成することとを含む。より具体的には、図４は、送信器から放射するエネルギーが動作３１２で送信され、動作３１４で乱気流に遭遇する様子を示している。動作３１６における変化が示すとおり、乱気流のためエネルギーの位相または周波数がシフトするか、あるいはエネルギーに対するフェージングまたは強調が起こる。動作３１８では変化したエネルギーが受信される。動作３２０及び３２２は、それぞれ移動する受信器と向きを変える受信器とを示しており、その機首方位と位置は動作３２４で判定される。動作３２６には、電磁エネルギーの変化が検知される様子が示されている。動作３２８は、信号から選別される電離圏シンチレーションを示している。同様に、動作３３０は受信器の動きの影響を乱気流測定値から取り除く。動作３３２では、エネルギーが受信されたときの方向と位置と時間とが乱気流の測定値に関連
づけられる。乱気流が複数の場所で、または複数の時間に、測定された場合には、動作３３４におけるように測定値を相関できる。統計的に有意義なモデルを可能にする程度に十分な乱気流測定値が集まったら（動作３３６により指摘されるように）、動作３３８にて乱気流の３次元モデルを作成する。加えて動作３４０では、気象データや気象予報等、他の関連情報でモデルを増強できる。さらに乱気流モデルは、動作３４２で示すとおり、末端利用者へ配布できる。

本発明の原理とその実用化を最もよく説明することにより、他の当業者が企図された特定の用途に適した様々な修正とともに様々な実施形態において本発明を最もよく利用できるようにするため、実施形態を選び、説明した。

説明され図解された構成及び方法には、本発明の範囲から逸脱することなく様々な修正を施すことができるため、説明に記載された、または添付の図面に表示された、内容はどれも、制限するものではなく例証的と解釈されることを意図する。例えば、ただ乱気流を回避する代わりに、検知された乱気流を有利に使用できる。ある典型的実施形態においては、移動プラットフォームをレーザーから保護するため、移動プラットフォームはレーザー装置から乱気流をはさんだ反対側に配置される。同様に、移動プラットフォームは、乱気流が存在していても移動プラットフォームに搭載されたレーザーが標的に当たるよう操縦できる。よって、本発明の幅と範囲とは、典型的実施形態のいずれによっても制限されるべきものでなく、請求項とその同等物に従い規定されるべきものである。

本発明の原理に従い晴天乱気流を検知する全地球システムを示す。 本発明の好適な実施形態の無線受信器を概略的に示す。 図１のシステムのシステムアーキテクチャを示す。 本発明の原理に従う方法を示す。

Claims (74)

1. 経路に沿って進みアンテナに入射する電磁エネルギーの受信器であって、アンテナは入射電磁エネルギーに反応して受信信号を生成し、経路は乱気流に晒され、受信器は、
   受信信号を受け付けるための入力と、
   入力と通信する回路と、回路は受信信号を受け付け且つ移動プラットフォームの速度を表す信号を受け付け、受信器と電磁エネルギーの供給源との内の少なくとも一方は移動プラットフォーム上にあり、回路は供給源と受信器との相対的な動きに起因する受信信号に関連するシフトを取り除くため速度信号を用いて受信信号を処理し、これにより回路は、乱気流によって生じる電磁エネルギーの変化を判定し、
   乱気流を表す信号を出力するため回路と通信する出力とを備え、
   乱気流は電離圏乱気流と対流圏乱気流とを含み、受信器は電離圏乱気流によって生じる電磁エネルギーの変化を判定し、電離圏乱気流によって生じる電磁エネルギーの変化を用いて受信信号を処理するための回路をさらに備え、出力は対流圏乱気流を表す、受信器。
2. 移動プラットフォームの機首方位を表す信号を受け付け、機首方位信号を用いて電磁エネルギーの供給源に対する方向を判定するための回路をさらに備える、請求項１に記載の受信器。
3. 速度は、直線速度または角速度の内少なくも一方を含む、請求項１に記載の受信器。
4. 受信器は全地球測位システム受信器をさらに備える、請求項１に記載の受信器。
5. 受信器を移動プラットフォームへ結合するための結合器をさらに備える、請求項１に記載の受信器。
6. 受信信号は第１の位置における入射電磁エネルギーを表し且つ第１の受信信号であり、変化は第１の変化であり、回路はさらに第２のアンテナから第２の受信信号を受け付けるのに適し、第２のアンテナは第２の位置にあり、回路は供給源と受信器との相対的な動きに起因する第２の受信信号に関連するシフトを取り除くため速度信号を用いて第２の受信信号を処理し、これにより回路は乱気流によって生じる電磁エネルギーの第２の変化を判定する、請求項１に記載の受信器。
7. 電磁エネルギーの第１の変化と電磁エネルギーの第２の変化とを相関するための回路をさらに備える、請求項６に記載の受信器。
8. 電磁エネルギーの第１の変化と電磁エネルギーの第２の変化との相関をさらに表す出力信号をさらに備える、請求項７に記載の受信器。
9. 供給源は衛星である、請求項１に記載の受信器。
10. 電磁エネルギーの変化を判定するにあたって位相差、強度差、または周波数差の内の少なくとも１つを判定するための回路をさらに備える、請求項１に記載の受信器。
11. 移動プラットフォームであって、
    入射電磁エネルギーに反応して受信信号を生成する少なくとも１つのアンテナと、電磁エネルギーは乱気流を被る経路に沿って進み、
    移動プラットフォームの速度を判定するためのセンサと、
    アンテナ及びセンサと通信する受信器とを備え、受信器は、
    受信信号を受け付け、速度を表す信号をセンサから受け付けるための入力と、
    入力と通信する回路と、回路は電磁エネルギーの供給源と受信器との相対的な動きに起因する受信信号に関連するシフトを取り除くため速度信号を用いて受信信号を処理し、これにより回路は乱気流によって生じる電磁エネルギーの変化を判定し、
    乱気流を表す信号を出力するため回路と通信する出力とを含み、
    乱気流は電離圏乱気流と対流圏乱気流とを含み、受信器は電離圏乱気流によって生じる電磁エネルギーの変化を判定し、電離圏乱気流によって生じる電磁エネルギーの変化を用いて受信信号を処理するための回路をさらに備え、出力は対流圏乱気流を表す、移動プラットフォーム。
12. 移動プラットフォームの機首方位を判定するためのセンサと、機首方位を表す信号を機首方位センサから受け付けるための入力と、機首方位信号を用いて電磁エネルギーの供給源に対する方向を判定するための回路とをさらに備える、請求項１１に記載の移動プラットフォーム。
13. 変化は第１の変化であり、アンテナは移動プラットフォーム上の第１の位置にある第１のアンテナであり、受信信号は第１の受信信号であり、移動プラットフォームは入射電磁エネルギーに反射性して第２の受信信号を生成する第２のアンテナをさらに備え、第２のアンテナは移動プラットフォーム上の第２の位置にあり、回路は第２の受信信号を受け付け、且つ供給源と受信器との相対的な動きに起因する受信信号に関連するシフトを取り除くため速度信号を用いて第２の受信信号を処理し、これにより回路は乱気流によって生じる電磁エネルギーの第２の変化を判定する、請求項１１に記載の移動プラットフォーム。
14. 電磁エネルギーの第１の変化と電磁エネルギーの第２の変化とを関連付けるための回路をさらに備える、請求項１３に記載の移動プラットフォーム。
15. 第１の位置と第２の位置との間の距離と速度信号とによって定められる期間を用いて電磁エネルギーの第１の変化と電磁エネルギーの第２の変化とをさらに関連付けるための回路をさらに備える、請求項１４に記載の移動プラットフォーム。
16. 受信電磁エネルギーの第１の変化と電磁エネルギーの第２の変化との相関をさらに表す出力信号をさらに備える、請求項１５に記載の移動プラットフォーム。
17. 供給源は衛星である、請求項１１に記載の移動プラットフォーム。
18. 移動プラットフォームは航空機である、請求項１１に記載の移動プラットフォーム。
19. 乱気流を検知するシステムであって、
    少なくとも１つの移動プラットフォームと、
    少なくとも１つの移動プラットフォームの速度を判定するためのセンサと、
    乱気流を被る経路に沿って電磁エネルギーを送信するための少なくとも１つの送信器と、
    電磁エネルギーを受信するための少なくとも１つの受信器とを備え、
    送信器と受信器の内の少なくとも一方は移動プラットフォーム上にあり、受信器は受信信号を生成するため入射電磁エネルギーに反応するアンテナを含み、受信器は速度を表す信号をセンサから受け付け、受信器は電磁エネルギーの供給源と受信器との相対的な動きに起因する受信信号に関連するシフトを取り除くため速度信号を用いて受信信号を処理し、これにより受信器は乱気流によって生じる電磁エネルギーの変化を判定し、受信器は乱気流を表す信号を出力し、
    乱気流は電離圏乱気流と対流圏乱気流とを含み、受信器は電離圏乱気流によって生じる電磁エネルギーの変化を判定し、電離圏乱気流によって生じる電磁エネルギーの変化を用いて受信信号を処理するための回路をさらに備え、出力は対流圏乱気流を表す、システム。
20. 移動プラットフォームの内の第１の移動プラットフォームは、航空機と、衛星と、陸上輸送手段と、海上輸送手段とからなるグループから選ばれる、請求項１９に記載のシステム。
21. 出力信号を受信し、出力信号を用いて乱気流の３次元モデルを作成するための処理部をさらに備える、請求項１９に記載のシステム。
22. ３次元モデルは断層撮影モデルである、請求項２１に記載のシステム。
23. 処理部と通信するネットワークをさらに備え、処理部はネットワークを介して乱気流の３次元モデルを配布する、請求項２１に記載のシステム。
24. ネットワークは閲覧‐発行者アーキテクチャをさらに備える、請求項２３に記載のシステム。
25. ネットワークと通信する航空交通管制システムをさらに備える、請求項２３に記載のシステム。
26. 処理部は３次元モデルに関連する統計信頼区間を判定する、請求項２１に記載のシステム。
27. 処理部と通信する少なくとも１つの気象センサをさらに備え、処理部はセンサによって感知される状態に基づき気象予報を判定し、且つ気象予報により乱気流の３次元モデルを増強する、請求項２１に記載のシステム。
28. 処理部によってアクセスできる少なくとも１つの気象モデルをさらに備え、処理部はモデルに基づき気象予報を判定し、且つ気象予報により乱気流の３次元モデルを増強する、請求項２１に記載のシステム。
29. 少なくとも１つの移動プラットフォームはエアデータセンサまたは慣性センサの内の少なくとも一方を含む移動プラットフォームをさらに備え、少なくとも１つのセンサは処理部と通信し且つ第４の信号を生成し、処理部は乱気流の３次元モデルを増強するため第４の信号を使用する、請求項２１に記載のシステム。
30. 少なくとも１つの移動プラットフォームは陸上輸送手段または海上輸送手段の内の少なくとも一方を含む、請求項１９に記載のシステム。
31. 受信器は移動プラットフォーム上にある、請求項１９に記載のシステム。
32. 出力信号は、受信器の位置と、電磁エネルギーに関連する方向と、電磁エネルギーの受信に関連する時間とを含む、請求項１９に記載のシステム。
33. 送信器は受信器から見て水平線に近い、請求項１９に記載のシステム。
34. 少なくとも１つの移動プラットフォームはあらかじめ選択された地理的領域内にある、請求項１９に記載のシステム。
35. 地理的領域は、空港への進入路または空港からの発進路の内の少なくとも一方を含む、請求項３４に記載のシステム。
36. 第１のアンテナであるアンテナをさらに備えたシステムであって、受信信号は第１の受信信号であり、受信器は第２のアンテナを含み、受信器と第１のアンテナと第２のアンテナとは移動プラットフォーム上にあり、経路は送信器と第１のアンテナとの間にあり且つ第１の経路であり、第２の経路は第２のアンテナと送信器との間にあり、第１のアンテナと第２のアンテナとは少なくとも１つの受信器と通信し、第２のアンテナは入射電磁エネルギーに反応して第２の受信信号を生成し、受信器は電磁エネルギーの供給源と受信器との相対的速度に起因する第２の受信信号に関連するシフトを取り除くため速度信号を用いて第２の受信信号を処理し、これにより受信器は乱気流によって生じる電磁エネルギーの第２の変化を判定する、請求項１９に記載のシステム。
37. 電磁エネルギーの第１の変化と電磁エネルギーの第２の変化とを関連付けるための回路をさらに備える、請求項３６に記載のシステム。
38. ある距離を置いて相隔たる第１のアンテナと第２のアンテナとをさらに備え、回路は距離と移動プラットフォームの速度とによって定められる期間を用いて電磁エネルギーの第１の変化と電磁エネルギーの第２の変化とをさらに関連付ける、請求項３７に記載のシステム。
39. 乱気流を予報する方法であって、
    乱気流を被る経路に沿って進んだ電磁エネルギーを受信するステップと、乱気流は電磁エネルギーを変化させ、
    電磁エネルギーの送信器または電磁エネルギーを受信した受信器の内の一方の速度により受信時現状の電磁エネルギーを選別することによって乱気流によって生じる変化を判定するステップとを含み、
    乱気流は電離圏乱気流と対流圏乱気流とを含み、前記方法は、対流圏乱気流によって生じる電磁エネルギーの変化部分を判定するステップをさらに含む方法。
40. 受信器と送信器との間の方向を判定するステップをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
41. 速度は線速度または角速度の内の少なくとも一方を含む、請求項３９に記載の方法。
42. 受信器と送信器の内の少なくとも一方を移動プラットフォームへ結合するステップをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
43. 電磁エネルギーを受信するステップは第１の位置で行われ、電磁エネルギーの変化は電磁エネルギーの第１の変化であり、方法は第２の位置で電磁エネルギーを受信するステップと、そして第２の位置における受信時現状の電磁エネルギーを速度により選別することによって乱気流によって生じる電磁エネルギーの第２の変化を判定するステップとをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
44. 電磁エネルギーの第１の変化と電磁エネルギーの第２の変化とを関連付けるステップをさらに含む、請求項４３に記載の方法。
45. 第１の位置での電磁エネルギーの受信と第２の位置での電磁エネルギーの受信との間の時間差を計上することを含む関連付けるステップをさらに含み、時間差は速度と第１の位置と第２の位置との間の距離とによって決定する、請求項４４に記載の方法。
46. 電磁エネルギーを受信するステップは衛星から受信するステップをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
47. 電磁エネルギーの変化を判定するステップは、位相差、強度差、または周波数差の内の少なくとも１つを検知するステップをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
48. 乱気流の３次元モデルを作成するステップをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
49. ３次元モデルは断層撮影モデルである、請求項４８に記載の方法。
50. ネットワークを介して３次元モデルを配布するステップをさらに含む、請求項４８に記載の方法。
51. ３次元モデルを閲覧するステップ、またはこれを発行するステップの内の少なくとも一方をさらに含む、請求項４８に記載の方法。
52. ３次元モデルに関連する統計信頼区間を判定するステップをさらに含む、請求項４８に記載の方法。
53. 気象予報により３次元モデルを増強するステップをさらに含む、請求項４８に記載の方法。
54. 乱気流にてセンサにより乱気流データを回収するステップと、そしてデータにより３次元モデルを増強するステップとをさらに含む、請求項４８に記載の方法。
55. 乱気流は空港に関連する、請求項３９に記載の方法。
56. 電磁エネルギーの受信を低仰角にて受け付けるステップをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
57. 電磁エネルギーに変化を引き起こした乱気流を回避するステップをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
58. 電磁エネルギーに変化を引き起こした乱気流に基づき警告を発するステップをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
59. コンピュータに、
    複数の１次元乱気流測定値を受け付けさせ、複数の測定値の各々は経路に沿って取られ、複数の測定値の内の少なくとも１つの測定値は少なくとも１つの測定を行ったシステムに関連する速度のため調整される、
    経路の内の少なくとも２つの凡その交差を判定させ、
    凡その交差における乱気流の量を判定させ、
    凡その交差における乱気流の量を指摘させ、
    電離圏シンチレーションの影響を取り除くため複数の測定値を調整させる、実行可能命令を格納する、コンピュータ読み取り可能媒体。
60. 位置は測定値の各々に関連づけられる、請求項５９に記載の媒体。
61. システムに関連する機首方位は測定値の各々に関連づけられる、請求項５９に記載の媒体。
62. 複数の測定値は複数のＧＰＳ信号から導き出される、請求項５９に記載の媒体。
63. 複数の１次元測定値は第１の複数であり、媒体はコンピュータに第２の複数の１次元乱気流測定値を受け付けさせる実行可能命令を格納する、請求項５９に記載の媒体。
64. コンピュータに第１の複数の測定値と第２の複数の測定値とを関連付けさせる実行可能命令を格納する、請求項６３に記載の媒体。
65. 第１の複数の測定値と第２の複数の測定値とはシステムの速度に関連する期間によって分離される、請求項６３に記載の媒体。
66. 複数の測定値は位相差、強度差、または周波数差の内の少なくとも１つから導き出される、請求項５９に記載の媒体。
67. 仰角は測定値の各々に関連づけられ、少なくとも１つの仰角は低い、請求項５９に記載の媒体。
68. モデルは断層撮影モデルである、請求項５９に記載の媒体。
69. コンピュータにモデルをあらかじめ選択された地理的限界に制限させる実行可能命令を格納する、請求項５９に記載の媒体。
70. コンピュータにモデルの外部の供給源から乱気流情報を受け付けさせ、且つ情報によりモデルを増強させる実行可能命令を格納する、請求項５９に記載の媒体。
71. 供給源は気象センサ、気象予報、エアデータセンサ、または慣性センサの内の少なくとも１つである、請求項７０に記載の媒体。
72. コンピュータに乱気流の量の指摘を表示するオーバーレイを作成させる実行可能命令を格納する、請求項５９に記載の媒体。
73. コンピュータに乱気流の量に関連する統計信頼区間を判定させる実行可能命令を格納する、請求項５９に記載の媒体。
74. コンピュータに、
    受信信号を受け付けさせ、ここで受信信号は入射電磁エネルギーに反応するアンテナによって生成され、電磁エネルギーは乱気流を被る経路に沿って進み、
    移動プラットフォームの速度を表す信号を受け付けさせ、アンテナと電磁エネルギーの供給源の内の少なくとも一方は移動プラットフォーム上にあり、
    供給源とアンテナとの相対的な動きに起因する受信信号に関連するシフトを取り除くことにより乱気流によって生じる電磁エネルギーの変化を判定するため、速度信号を用いて受信信号を処理させ、
    乱気流は電離圏乱気流と対流圏乱気流とを含み、電離圏乱気流によって生じる電磁エネルギーの変化を判定し、電離圏乱気流によって生じる電磁エネルギーの変化を用いて受信信号を処理させ、
    乱気流を表す信号を出力させる、実行可能命令を格納する、コンピュータ読み取り可能媒体。

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