JP6347469B2 - 気象観測システム - Google Patents

Description

本発明は、気象の観測を行う気象観測システムおよび気象観測装置に関する。

ラジオゾンデは、気圧、気温、湿度などの気象要素を測定するセンサを搭載し、測定した情報を送信するための無線送信機を備えた気象観測器である。ラジオゾンデをゴム気球に吊るして空に飛ばし、地上から数十キロまでの大気の状態を観測する。

特許文献１には、気球と気象観測機器とを結ぶ吊り下げ紐が巻下器に巻き付けられた状態を維持する様に、気球と気象観測機器とがささえ紐で直接または間接的に結ばれており、放球してから所定時間経過した後に電源によるニクロム線で加熱することによりささえ紐が切断される様に構成される放球装置が開示されている。

特開２００５−１８０９８７号公報

ところで、ラジオゾンデを用いて上空の風向および風速を測定する場合、ゾンデを吊り下げた気球が流されていく様子を観測し、風向および風速を測定している。具体的には、地上から放たれた気球をレーダ追尾しつつ、３次元的に地理的位置を把握し、風向値および風速値を算出している。つまり、風向・風速を間接的に計測する構成であった。

当該手法では、風向および風速を算出するのに手間がかかり、精度が高くない問題がある。

本発明では、手間をかけず、かつ、高精度に風向および風速を計測することができる気象観測システムおよび気象観測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様における気象観測システムは、気象の観測を行う気象観測装置と、前記気象観測装置から出力されたデータを受信する処理装置とを備える気象観測システムにおいて、前記気象観測装置は、航空の用に供する機器であって、遠隔操作または自動操縦により飛行する航空部と、少なくとも、風向および風速を計測する気象観測部と、地磁気を計測する地磁気センサと、人工衛星から出力される電波を利用して位置を測定する位置測定部と、前記気象観測部により観測された観測データと、地磁気センサにより計測した地磁気データと、前記位置測定部により測定した位置データとを外部に送信する通信部と、を備え、前記処理装置は、前記通信部から送信されてきた、前記気象観測部により観測された観測データと、地磁気センサにより計測した地磁気データと、前記位置測定部により測定した位置データとを受信する受信部と、前記地磁気データと、前記位置データとを用いて、前記観測データに含まれている風向値および風速値を補正する補正部と、を備え、
補正部は、地磁気データと、位置データとを用いて、真風向を算出し、当該真風向を用いて観測データに含まれている風向値および風速値を補正することを特徴とする気象観測システム。

また、本発明の一態様における気象観測システムでは、前記補正部は、下記条件１および下記条件２により真風向を算出する構成でもよい。
条件１：Ｘ＝ＷＤ−ＭＤ
条件２：ＲＷＤ＝Ｘ＋ＭＣ
なお、ＷＤは、風向を示し、ＭＤは、磁気偏角を示し、ＲＷＤは、真風向を示し、ＭＣは、前記地磁気データを示す。

また、本発明の一態様における気象観測システムでは、前記補正部は、前記風速値をＸ方向成分の値とＹ方向成分の値に分け、下記条件３と下記条件５とから下記条件７に示す前記Ｘ方向成分の値を算出し、下記条件４と下記条件６とから下記条件８に示す前記Ｙ方向成分の値を算出し、算出した前記Ｘ方向成分の値と前記Ｙ方向成分の値に基づいて、風向値と風速値を補正する構成でもよい。
条件３：ＷＤＸ＝ｓｉｎ（ＲＷＤ×π／１８０）×ＷＳ
条件４：ＷＤＹ＝ｃｏｓ（ＲＷＤ×π／１８０）×ＷＳ
条件５：ＧＤＸ＝ｓｉｎ（ＧＤ×π／１８０）×ＧＳ
条件６：ＧＤＹ＝ｃｏｓ（ＧＤ×π／１８０）×ＧＳ
条件７：ＸＸ＝ＷＤＸ−ＧＤＸ
条件８：ＹＹ＝ＷＤＹ−ＧＤＹ
なお、ＲＷＤは、真風向を示し、ＷＳは、風速を示し、ＧＤは、前記航空部の移動方向を示し、ＧＳは、前記航空部の移動速度を示す。

また、本発明の一態様における気象観測システムでは、前記気象観測部は、前記航空部の回転翼よりも高い位置に配置されている構成である。

本発明によれば、手間をかけず、かつ、高精度に風向および風速を計測することができる。

気象観測システムの構成を示す図である。 処理装置に表示される画像を模式的に示す図である。 風向風速計測器の構成を示す図である。 気象観測装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る気象観測システムおよび気象観測装置について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態を説明する全図において、共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。

気象観測システム１は、図１に示すように、ネットワーク２０を介して、気象の観測を行う気象観測装置１０と、気象観測装置１０から出力されたデータを受信する処理装置３０とを備える。なお、処理装置３０は、気象観測装置１０から出力されたデータを、ネットワーク２０を介さずに直接受信してもよい。

気象観測装置１は、航空の用に供する機器であって、遠隔操作または自動操縦により飛行する航空部１１と、少なくとも、風向および風速を計測する気象観測部１２と、地磁気を計測する地磁気センサ１３と、人工衛星から出力される電波を利用して位置を測定する位置測定部１４と、気象観測部１２により観測された観測データと、地磁気センサ１３により計測した地磁気データと、位置測定部１４により測定した位置データとを外部に送信する通信部１５と、を備える。また、航空部１１は、全体を制御する制御部１７を備える。なお、航空部１１は、上述以外の要素も備えており、例えば、空撮用のカメラ部１６や、バッテリなどを備えている。

航空部１１は、いわゆる無人航空機（ミニサーベイヤー）により構成されており、航空の用に供することができる飛行機、回転翼航空機、滑空機、飛行船などの機器であって、制御部１７の制御によって遠隔操作又は自動操縦により飛行する機器である。自動操縦とは、プログラムにより自動的に操縦を行うことをいう。航空部１１は、制御部１７の制御によって、垂直方向の離着陸、水平方向の飛行、空中でのホバリングなどを行うことができる。制御部１７は、ジャイロセンサのデータに基づいて、飛行時やホバリング時などの航空部１１の姿勢制御を行う。また、制御部１７は、通信部１５を介して外部から受信した遠隔操作用の信号に基づいて、航空部１１の飛行状態および着陸状態を制御する。さらに、制御部１７は、自動飛行（オートパイロット）プログラムに基づいて、自律的に航空部１１の飛行状態および着陸状態を制御することもできる。

気象観測部１２は、風向および風速を計測する風向風速計測器１２ａと、温度と湿度と気圧を計測する計測器１２ｂとにより構成される。なお、風向および風速を計測する上では、計測器１２ｂは必須の構成ではない。風向風速計測器１２ａは、航空部１１の回転翼よりも高い位置に配置されている。なお、風向風速計測器１２ａは、航空部１１の本体上部に配置され、計測器１２ｂは、航空部１１の本体下部に配置されている例を図１に示しているが、配置場所は図１に限られない。

地磁気センサ１３は、いわゆる電子コンパスであり、２軸タイプまたは３軸タイプの磁気センサにより構成されており、地磁気を計測して方位を算出する。

位置測定部１４は、いわゆるＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）装置であり、人工衛星が発信する電波を利用して、緯度・経度・高度などを算出する。

通信部１５は、例えば、気象観測部１２により観測された観測データと、地磁気センサ１３により計測した地磁気データと、位置測定部１４により測定した位置データとを所定の周波数を有する搬送波で変調を行い変調後の信号を出力する。

処理装置３０は、気象観測装置１０から送信されてきた観測データを処理するための所定のアプリケーションがインストールされており、当該アプリケーションにより観測データを処理し、表示する。図２は、当該アプリケーションにより表示される画像の一例である。表示画像には、図２に示すように、風速表示範囲を設定する項目と、海面気圧を設定する項目と、詳細は後述する補正後の風向値および風速値と、各種観測データ（温度、湿度、気圧高度、気圧、最大気圧）と、ＧＰＳデータと、コンパス角度と、磁場偏角を設定する項目（図２中では、７．５度に設定されている）などが表示される。ＧＰＳデータとは、位置測定部１４で測定された位置（緯度（北緯）、経度（東経））と、当該位置の時間的変化から算出された移動方向と移動速度が含まれている。また、コンパス角度とは、磁気センサ１３により観測したデータである。また、表示画像の右側には、風向がグラフィカルに表示される。表示画像の下側には、湿度と、気圧と、温度と、風速と、風向との時間的な変化がグラフで表示される。また、風向と風速を補正する際において、コンパス、ＧＰＳ、磁気偏角をオン／オフする機能も有している。なお、図２に示す表示画像の各項目や、項目のレイアウトは、一例である。

また、処理装置３０は、図１に示すように、通信部１５から送信されてきた、気象観測部１２により観測された観測データと、地磁気センサ１３により計測した地磁気データと、位置測定部１４により測定した位置データとを受信する受信部３１と、地磁気データと、位置データとを用いて、観測データに含まれている風向値および風速値を補正する補正部３２とを備える。

受信部３１は、例えば、通信部１５から送信されてきた信号を受信し、受信した信号を復調する。受信部３１は、復調して得られた、地磁気データと、位置データとを用いて、観測データを補正部３２に出力する。

ここで、風向風速計測器１２ａによる風向および風速の測定原理について図３を用いて説明する。なお、図３は、風向風速計測器１２ａの斜視図を示し、位置測定部１４を省略してある。

風向風速計測器１２ａは、例えば、超音波（２０ｋＨｚ以上の周波数の信号）を利用して風向風速を計測する。音は、風の影響で速度が変化する。例えば、風上で発生した音の速度は、風の速度が加わる。したがって、超音波の進行方向と風の向きが同じであれば、超音波の速度が速くなる。また、風下で発生した音の速度は、風の速度の分だけ減る。したがって、超音波の進行方向と風の向きが逆であれば、超音波の速度が遅くなる。

このような性質を利用して、風向風速計測器１２ａは、音波の発信部と受信部を向かい合わせに設けて、その間の音速を測定する。なお、一組の測定では、測定系に風が斜めに入ってきた場合などにおいて、正確な風速を測定することができない。

そこで、風向風速計測器１２ａは、図３に示すように、アンテナａ、アンテナｂおよびアンテナｃを等間隔に配置し、アンテナａ−アンテナｂ間、アンテナｂ−アンテナｃ間およびアンテナｃ−アンテナａ間の３方向の風のベクトル、つまり風の方向と風速を同時に算出している。なお、アンテナの数は３つに限られず、４つ以上であってもよい。

＜風向風速計測器１２ａの取り付け方法＞
つぎに、風向風速計測器１２ａの取り付け方法について説明する。風向風速計測器１２ａは、航空部１１に取り付ける際に、取り付ける方向（前後左右方向）が設定されている。航空部１１は、進行基準方向（北方向）が設定されている。風向風速計測器１２ａの前方向が航空部１１の進行基準方向に一致するように、風向風速計測器１２ａを航空部１１に取り付けられる。なお、航空部１１の進行方向は、地磁気センサ１３で計測することができるが、航空部１１の進行基準方向が北方向になるように風向風速計測器１２ａを航空部１１に取り付けることが好ましい。また、風向風速計測器１２ａは、航空部１１の回転翼による気流の乱れの影響を受けないように、回転翼よりも高い位置に配置することが好ましい。より具体的には、風向風速計測器１２ａのアンテナの土台が、回転翼の中心から１５ｃｍ以上高い位置に配置されることが好ましい。

＜真風向の算出＞
風向風速計測器１２ａにより計測した風向は、風向測定時の航空部１１の向き（地磁気センサ１３により計測した値）と、航空部１１が存在する地域の磁気偏角に基づいて、修正され、真風向にする。なお、磁気偏角は、観測地点によって決められており、例えば、国土地理院から発表されている磁気偏角一覧図を参照して求める。磁気偏角は、図２に示す磁場偏角を設定する項目に入力する。なお、日本は、磁北が真北より西側に傾いているため、磁針方位は西偏で示される。

ここで、具体的な真風向の算出手法について説明する。なお、真風向を「ＲＷＤ」とし、風向（風向風速計測器１２ａにより計測した風向値）を「ＷＤ」とし、磁気偏角を「ＭＤ」とし、地磁気センサ１３で得られた角度を「ＭＣ」とする。補正部３２は、（１）式によりＸを求める。なお、日本では、磁北は、真北よりも西を指す。ただし、Ｘが０未満の時は、Ｘを「＋３６０」にする。
Ｘ＝ＷＤ−ＭＤ ・・・（１）

補正部３２は、（１）式で求めたＸを用いて真風向（ＲＷＤ）を算出する。
ＲＷＤ＝Ｘ＋ＭＣ ・・・（２）
例えば、航空部１１が９０度（東方向）の時に風向が０度ならば、真風向（ＲＷＤ）は、９０度になる。なお、真風向（ＲＷＤ）が３６０度以上の時は、真風向（ＲＷＤ）を「−３６０度」にする。

＜風向および風速の補正＞
補正部３２は、（２）式によって、風向（ＷＤ）を真風向（ＲＷＤ）に補正したあと、位置測定部１４で測定された位置（緯度（北緯）、経度（東経））の時間的変化から算出された航空部１１の移動方向と移動速度によって、風向と風速を補正する。なお、以下では、補正した風向を補正風向ＨＳと称し、補正した風速を補正風速ＨＤと称する。

風向風速計測器１２ａで計測した風速値をＸ方向成分（横）とＹ方向成分（縦）に分けて補正する。なお、Ｘ方向成分は、右方向を正（＋）とし、Ｙ方向成分は、上方向を正（＋）とする。

風速（風向風速計測器１２ａにより計測した風速値）を「ＷＳ」とすると、風向によるＸ方向成分の値（ＷＤＸ）は、（３）式によって算出され、風向によるＹ方向成分の値（ＷＤＹ）は、（４）式によって算出される。
ＷＤＸ＝ｓｉｎ（ＲＷＤ×π／１８０）×ＷＳ ・・・（３）
ＷＤＹ＝ｃｏｓ（ＲＷＤ×π／１８０）×ＷＳ ・・・（４）
なお、「ＲＷＤ×π／１８０」の項目は、角度をラジアンに変換したものである。

同様に、航空部１１の移動速度を「ＧＳ」とし、航空部１１の移動方向を「ＧＤ」とすると、位置測定部１４によるＸ方向成分の値（ＧＤＸ）は、（５）式により算出され、位置測定部１４によるＹ方向成分の値（ＧＤＹ）は、（６）式により算出される。
ＧＤＸ＝ｓｉｎ（ＧＤ×π／１８０）×ＧＳ ・・・（５）
ＧＤＹ＝ｃｏｓ（ＧＤ×π／１８０）×ＧＳ ・・・（６）

補正部３２は、Ｘ方向成分の値（ＸＸ）を（３）式と（５）式とから算出し、Ｙ方向成分の値（ＹＹ）を（４）式と（６）式とから算出する。
ＸＸ＝ＷＤＸ−ＧＤＸ ・・・（７）
ＹＹ＝ＷＤＹ−ＧＤＹ ・・・（８）

また、補正部３２は、Ｘ方向成分の値（ＸＸ）とＹ方向成分の値（ＹＹ）の双方または一方が０のときには、エラーが生じないように、条件１〜５に応じて、補正風向ＨＳと補正風速ＨＤを算出する。

補正部３２は、条件１においては、補正風向を０度、つまり、風向を補正せず、また、補正風速ＨＳを０、つまり、風速を補正しない。なお、条件１とは、Ｘ方向成分の値（ＸＸ）が０、つまり、「ＷＤＸ＝ＧＤＸ」であり、Ｙ方向成分の値（Ｙ）が０、つまり、「ＷＤＹ＝ＧＤＹ」である。

補正部３２は、条件２においては、補正風向ＨＤを０度、つまり、風向を補正せず、補正風速ＨＳを「ＨＳ＝ＷＳ」により算出する。なお、条件２とは、Ｘ方向成分の値（ＸＸ）が０であり、Ｙ方向成分の値（ＹＹ）が正（＋）である。

補正部３２は、条件３においては、補正風向ＨＤを１８０度にし、補正風速ＨＳを「ＨＳ＝ＷＳ」により算出する。なお、条件３とは、Ｘ方向成分の値（ＸＸ）が０であり、Ｙ方向成分の値（ＹＹ）が負（−）である。

補正部３２は、条件４においては、補正風向ＨＤを９０度にし、補正風速ＨＳを「ＨＳ＝ＷＳ」により算出する。なお、条件４とは、Ｙ方向成分の値（ＹＹ）が０であり、Ｘ方向成分の値（ＸＸ）が正（＋）である。

補正部３２は、条件５においては、補正風向ＨＤを２７０度にし、補正風速ＨＳを「ＨＳ＝ＷＳ」により算出する。なお、条件５とは、Ｙ方向成分の値（ＹＹ）が０であり、Ｘ方向成分の値（ＸＸ）が負（−）である。

また、補正部３２は、Ｘ方向成分の値（ＸＸ）とＹ方向成分の値（ＹＹ）の双方とも０でないときには、補正風速ＨＳを（９）式から算出する。
ＨＳ＝√（（ＸＸ^２）＋（ＹＹ^２）） ・・・（９）

また、補正部３２は、Ｘ方向成分の値（ＸＸ）とＹ方向成分の値（ＹＹ）の双方とも０でないときには、補正風向ＨＤを以下のように算出する。

補正部３２は、Ｄを（１０）式から算出し、条件６〜１０に応じて、補正風向ＨＤを算出する。
Ｄ＝（ｔａｎ^−１（ＸＸ／ＹＹ））×１８０／π ・・・（１０）
なお、Ｄは、絶対値とする。

補正部３２は、条件６においては、補正風向ＨＤを０、つまり、風向を補正しない。なお、条件６とは、「Ｄ＝０」または「Ｄ＝３６０」である。

補正部３２は、条件７においては、補正風向ＨＤを「ＨＤ＝Ｄ」により算出する。なお、条件７とは、Ｘ方向成分の値（ＸＸ）とＹ方向成分の値（ＹＹ）の双方が正（＋）である。

補正部３２は、条件８においては、補正風向ＨＤを「ＨＤ＝１８０−Ｄ」により算出する。なお、条件８とは、Ｘ方向成分の値（ＸＸ）が正（＋）であり、Ｙ方向成分の値（ＹＹ）が負（−）である。

補正部３２は、条件９においては、補正風向ＨＤを「ＨＤ＝１８０＋Ｄ」により算出する。なお、条件９とは、Ｘ方向成分の値（ＸＸ）とＹ方向成分の値（ＹＹ）の双方が負（−）である。

補正部３２は、条件１０においては、補正風向ＨＤを「ＨＤ＝３６０−Ｄ」により算出する。なお、条件１０とは、Ｘ方向成分の値（ＸＸ）が負（−）であり、Ｙ方向成分の値（ＹＹ）が正（＋）である。

このようにして、気象観測システム１は、風向風速計測器１２ａにより上空の風向値および風速値を計測し、補正部３２により地磁気センサ１３の値と位置測定部１４の値に基づいて、風向値と風速値を補正するので、風向と風速の観測時に航空部１１が常に真北を向いていなくても、風向値と風速値を求めることができ、手間をかけず、かつ、高精度に風向および風速を計測することができる。

また、気象観測システム１は、航空部１１からリアルタイムに風向と風速を取得することができ、測定地点における現在の風向と風速を知ることができる。

また、気象観測システム１は、無人航空機である航空部１１を利用するので、セスナ機による風向風速観測に比べて安価に、かつ所望する任意の場所での風向および風速を観測できる。

また、気象観測システム１は、気象観測部１２により観測した気象観測データ（風速、風向、温度、湿度、気圧など）を地上に配置されている処理装置３０へ送信することができるので、航空部１１がどの方向に飛行していても、処理装置３０にインストールされているアプリケーションによって気象観測データを処理して、真の風向および風速、温度、湿度、気圧などをリアルタイムに記録し、表示することができる。

なお、気象観測装置１０は、図４に示すように、補正部３２を内蔵する構成でもよい。当該構成の場合には、補正されたデータが処理装置３０に出力されてくるので、処理装置３０による補正処理が不要になるメリットがある。

１ 気象観測システム、１０ 気象観測装置、１１ 航空部、１２ 気象観測部、１２ａ 風向風速計測器、１２ｂ 計測器、１３ 地磁気センサ、１４ 位置測定部、１５ 通信部、１６ カメラ部、１７ 制御部、２０ ネットワーク、３０ 処理装置、３１ 受信部、３２ 補正部。

Claims (4)

1. 気象の観測を行う気象観測装置と、前記気象観測装置から出力されたデータを受信する処理装置とを備える気象観測システムにおいて、
   前記気象観測装置は、
   航空の用に供する機器であって、遠隔操作または自動操縦により飛行する航空部と、
   少なくとも、風向および風速を計測する気象観測部と、
   地磁気を計測する地磁気センサと、
   人工衛星から出力される電波を利用して位置を測定する位置測定部と、
   前記気象観測部により観測された観測データと、地磁気センサにより計測した地磁気データと、前記位置測定部により測定した位置データとを外部に送信する通信部と、を備え、
   前記処理装置は、
   前記通信部から送信されてきた、前記気象観測部により観測された観測データと、地磁気センサにより計測した地磁気データと、前記位置測定部により測定した位置データとを受信する受信部と、
   前記地磁気データと、前記位置データとを用いて、前記観測データに含まれている風向値および風速値を補正する補正部と、を備え、
   前記補正部は、前記地磁気データと、前記位置データとを用いて、真風向を算出し、当該真風向を用いて前記観測データに含まれている風向値および風速値を補正することを特徴とする気象観測システム。
2. 前記補正部は、下記条件１および下記条件２により真風向を算出する請求項１記載の気象観測システム。
   条件１：Ｘ＝ＷＤ−ＭＤ
   条件２：ＲＷＤ＝Ｘ＋ＭＣ
   なお、ＷＤは、風向を示し、ＭＤは、磁気偏角を示し、ＲＷＤは、真風向を示し、ＭＣは、前記地磁気データを示す。
3. 前記補正部は、前記風速値をＸ方向成分の値とＹ方向成分の値に分け、下記条件３と下記条件５とから下記条件７に示す前記Ｘ方向成分の値を算出し、下記条件４と下記条件６とから下記条件８に示す前記Ｙ方向成分の値を算出し、算出した前記Ｘ方向成分の値と前記Ｙ方向成分の値に基づいて、風向値と風速値を補正する請求項１または２記載の気象観測システム。
   条件３：ＷＤＸ＝ｓｉｎ（ＲＷＤ×π／１８０）×ＷＳ
   条件４：ＷＤＹ＝ｃｏｓ（ＲＷＤ×π／１８０）×ＷＳ
   条件５：ＧＤＸ＝ｓｉｎ（ＧＤ×π／１８０）×ＧＳ
   条件６：ＧＤＹ＝ｃｏｓ（ＧＤ×π／１８０）×ＧＳ
   条件７：ＸＸ＝ＷＤＸ−ＧＤＸ
   条件８：ＹＹ＝ＷＤＹ−ＧＤＹ
   なお、ＲＷＤは、真風向を示し、ＷＳは、風速を示し、ＧＤは、前記航空部の移動方向を示し、ＧＳは、前記航空部の移動速度を示す。
4. 前記気象観測部は、前記航空部の回転翼よりも高い位置に配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載の気象観測システム。