(57)【要約】【課題】滞留させようとする成層圏下部で船体が持つ耐風能力を効率よく発揮させる。【解決手段】高度別の風速観測装置１３及び風速予測装置１４で得られる観測・予測情報に基づいて、最適高度解析装置１５により、予め決められた基準高度に対する制御高度範囲内で弱風が続く最適高度を解析し、その解析によって得られた最適高度を遠隔操縦装置１２からＳＰＦ（成層圏プラットフォーム）１１に通知し、その高度で滞留するようにＳＰＦ１１を操縦する。このようにＳＰＦ１１を基準高度に対して制御高度範囲内で弱風高度を辿るように昇降制御することで、ＳＰＦ１１が持つ耐風能力を効率よく発揮させることができ、結果的に船体耐風能力を向上させることができる。【選択図】　　　図３
2004009832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成層圏の高度別に風速を観測し、その観測結果に基づいて成層圏に滞留させるプラットフォームの高度を弱風高度に昇降させることを特徴とする成層圏プラットフォームの耐風速軽減方法。
【請求項２】
さらに、前記成層圏の高度別に風速の時間変化を予測し、弱風高度を辿るように前記プラットフォームの高度を昇降させることを特徴とする請求項１記載の成層圏プラットフォームの耐風速軽減方法。
【請求項３】
成層圏に滞留させるプラットフォームを鉛直方向に昇降させる昇降手段と、
地上にて前記プラットフォームの滞留位置における鉛直方向の高度別風速を観測する観測手段と、
前記観測手段の観測結果から前記プラットフォームの現在の滞留高度より弱風となる最適高度を解析する解析手段と、
この解析手段で得られた最適高度となるように前記プラットフォームを昇降させる遠隔操縦手段とを具備することを特徴とする成層圏プラットフォームの運用制御システム。
【請求項４】
さらに、前記プラットフォームの滞留位置における鉛直方向の高度別風速を予測する予測手段を備え、
前記解析手段は、前記予測手段の予測結果に基づいて前記滞留高度より弱風となる高度のうちその風速が所定時間継続すると予想される高度を最適高度とすることを特徴とする請求項３記載の成層圏プラットフォームの運用制御システム。
【請求項５】
前記解析手段は、前記高度別風速を前記プラットフォームの耐風速能力に相当する風速エネルギーに換算して解析処理を行うことを特徴とする請求項３記載の成層圏プラットフォームの運用制御システム。
【請求項６】
前記解析手段は、予め決められた前記プラットフォームの基準高度から鉛直方向の規定範囲内で最適高度を決定することを特徴とする請求項３記載の成層圏プラットフォームの運用制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成層圏に滞留されるプラットフォームを風速の変化に対して効率的な運用を図る成層圏プラットフォームの耐風速軽減方法とその運用制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
将来の本格的なマルチメディア通信時代に対応して、光ファイバ並みの高速大容量の無線アクセス手段を用意する必要がある。その一手段として、成層圏プラットフォームを用いた無線アクセスネットワークシステムが提案されている。このシステムは、地上系の通信網を補完することができ、広域サービスが可能で、かつ地上系ファイバ網に匹敵するような大容量ネットワークを構築できる可能性を秘めたシステムとして注目されている。その実現のために、地上約２０ｋｍ程度の成層圏に長期に渡って滞留できる大型の飛行船（成層圏プラットフォーム：以下、ＳＰＦ）の開発と、このＳＰＦを中継装置として活用するための通信・放送システムの開発が同時に進められている。
【０００３】
ところで、現在ではＳＰＦを成層圏下部において定高度で滞留させるには、耐風能力の大きい方がより滞留時間が長くなり有利である。しかしながら、一般に耐風能力を長時間向上させるには、船体規模や推進装置の電源性能を大幅に改善させなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、船体能力によらず、滞留させようとする成層圏下部での耐風速を軽減することができる成層圏プラットフォームの耐風速軽減方法と、この方法によるプラットフォームの運用を実現する運用制御システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明は以下のような特徴的構成を有する。
【０００６】
（１）成層圏プラットフォームの耐風速軽減方法としては、成層圏の高度別に風速を観測し、その観測結果に基づいて成層圏に滞留させるプラットフォームの高度を弱風高度に昇降させることを特徴とする。さらに、前記成層圏の高度別に風速の時間変化を予測し、弱風高度を辿るように前記プラットフォームの高度を昇降させることを特徴とする。
【０００７】
（２）成層圏プラットフォームの運用制御システムとしては、成層圏に滞留させるプラットフォームを鉛直方向に昇降させる昇降手段と、地上にて前記プラットフォームの滞留位置における鉛直方向の高度別風速を観測する観測手段と、前記観測手段の観測結果から前記プラットフォームの現在の滞留高度より弱風となる最適高度を解析する解析手段と、この解析手段で得られた最適高度となるように前記プラットフォームを昇降させる遠隔操縦手段とを具備することを特徴とする。さらに、前記プラットフォームの滞留位置における鉛直方向の高度別風速を予測する予測手段を備え、前記解析手段は、前記予測手段の予測結果に基づいて前記滞留高度より弱風となる高度のうちその風速が所定時間継続すると予想される高度を最適高度とすることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の実施形態を説明するに先立ち、本発明による耐風速軽減方法の基本的な原理を説明する。
【０００９】
ＳＰＦを滞留させる高度１７〜２３ｋｍ付近の成層圏下部では、鉛直方向において、数時間単位で弱風高度が変化しており、その変動の振幅は最大１０ｍ／ｓ程度であることがわかっている。図１に実際に観測した鉛直風速の時系列変化の様子を示す。この図から、鉛直方向に弱風高度がいくつもあり、その高度が数時間周期で変化していることがわかる。
【００１０】
本発明は、弱風高度の周期的変化を利用し、ＳＰＦを基準高度（２０ｋｍ）から±３ｋｍ程度の範囲で昇降させて弱風高度に滞留させることで、最大１０ｍ／ｓ程度耐風速を軽減し、実質的に耐風能力を向上させることを特徴とする。
【００１１】
図２を参照して、高度制御を行った場合の耐風速値の軽減効果を説明する。
【００１２】
図２は、基準高度２０ｋｍからの制御許容幅（±ｋｍ）に対する風速（ｍ／ｓ）の変化幅を観測した様子を示している。この観測では、比較的風の強かった日の１６時から翌日８時までの１７時間のうち、その制御高度内の最弱風速を観測時刻毎に集計し、その中の制御許容幅０．５ｋｍ毎の最大、最小、平均値を求めた。図２からわかるように、基準高度２０ｋｍでは、高度制御しなければ最大風速が３３ｍ／ｓであったが、制御高度幅を±１ｋｍとすると最大風速を２５ｋｍまで軽減でき、同様に±３ｋｍとすれば２０ｍ／ｓまで軽減することができる。
【００１３】
ここで、図２から、基準高度２０ｋｍに対して±３ｋｍで平均風速が横這いとなることがわかる。したがって、ＳＰＦ昇降のためのエネルギー効率の面から、制御高度幅を基準高度２０ｋｍに対して±３ｋｍとすることが妥当であるといえる。
【００１４】
尚、ＳＰＦの昇降により通信形態への影響が懸念されるが、通信領域、その領域でのゲインが多少増減するものの、上記の範囲内ならばほとんど影響されないと予想される。
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１６】
図３は、本発明に係る成層圏プラットフォームの運用制御システムの全体構成を示すブロック図である。図３において、１１は成層圏下部１７〜２３ｋｍの範囲に滞留するＳＰＦであり、このＳＰＦ１１には高度制御装置１１１、操舵・推進装置１１２及び通信装置１１３が搭載される。高度制御装置１１１は、ブロアにより飛行船内の空気を排出することで上昇させ、飛行船内に空気を吸入することで自重により下降させる。操舵・推進装置１１２は、太陽電池を利用したバッテリー（図示せず）により駆動され、風に対向するように操舵して耐風速に見合う推進力を発生する。通信装置１３は、地上からの通信または放送信号を中継伝送するものであるが、これとは別にＳＰＦ遠隔操縦用のテレメトリコマンド等の情報を受け取ることができる。
【００１７】
地上にはＳＰＦ１１を指定高度に滞留させる遠隔操縦装置１２が配置される。ＳＰＦ１１は、通信装置１１３により遠隔操縦装置１２からのテレメトリコマンド等による滞留高度情報を受け取り、高度制御装置１１１によって指定高度に昇降させ、指定高度で滞留するように操舵・推進装置１１２を駆動する。
【００１８】
また、地上には、ＳＰＦ滞留位置の略直下に大型大気レーダ（ウインド・プロファイラ等）による高度別風速観測装置１３を配置し、この装置１３によってＳＰＦ滞留位置における鉛直方向の高度別風速（具体的には風速変化の実況値）を観測する。
【００１９】
また、高度別風速予測装置１４により定期的に（例えば１７時間毎）高度別の風速を予測する。この高度別風速予測装置１４は、気象庁ＲＳＭ（Ｒｅｇｉｏｎａｌ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ　Ｍｏｄｅｌ）などによって公表されているＧＰＶ（Ｇｒｉｄ　Ｐｏｉｎｔ　Ｖａｌｕｅ）データ（格子点上の気象要素の予測データ）を用いて格子点間隔の狭い（鉛直方向５００ｍ程度）三次元気象予測モデルを作成し、このモデルから局地予測を行うもので、高度別に１時間毎の風速変化傾向を予測する。モデルとしては、対流圏から伝播してくる小さな波の表現が可能な性能を有する完全圧縮モデルを用いる。
【００２０】
上記高度別風速観測装置１３及び高度別風速予測装置１４で得られた情報は、最適高度解析装置１５に送られ、最適高度の解析に供される。この最適高度解析装置１５は、例えばワークステーション等による情報処理によって実現され、観測及び予測情報をインプットすることで、予め登録された解析プログラムにより最適高度を特定することができる。上記遠隔操縦装置１２は解析装置１５で得られた最適高度で滞留するようにＳＰＦ１１を操縦する。
【００２１】
上記構成において、図４を参照して上記最適高度の解析手順を説明する。
【００２２】
図４は、上記最適高度解析プログラムの処理手順を示すもので、まず、高度別風速予測装置１４で定期的（例えば１７時間毎）に得られる予測情報を取り込んで（ステップＳ１）、予め図５に示すような風速エネルギーの高度−時間分布（以下、風速エネルギー予測分布）を求めておく（ステップＳ２）。ここで、風速エネルギーはＳＰＦ１１が耐風速によって生じるエネルギーで、（１／２）ρｖ３［ｗ／ｍ２］（ρ：大気密度、ｖ：風速）で表される。予測情報が更新された場合には、その更新情報に基づいて高度−時間分布も更新する（ステップＳ３）。
【００２３】
次に、高度別風速観測装置１３から定期的（例えば数分毎）に観測情報を取り込み（ステップＳ４）、その観測情報から現在時刻での高度別風速エネルギー状況を把握し（ステップＳ５）、予め求められた風速エネルギー予測分布から現在のＳＰＦ高度での風速エネルギーが強まる傾向にあるか判断する（ステップＳ６）。現状維持または弱まる傾向にある場合にはその高度を維持させてステップＳ４からの処理に戻り、強まる傾向にある場合には、ＳＰＦ１１の制御高度幅内での弱風高度を検索し（ステップＳ７）、数時間に渡って風速エネルギーが最小となる高度を特定して（ステップＳ８）、その高度を最適高度として遠隔操縦装置１２に指示する（ステップＳ９）。以後、ステップＳ４に戻り、定期的に最適高度を求める。
【００２４】
上記の処理によるＳＰＦ１１の高度制御結果を図５中に示す。図５において、矢印Ａは従来の定高度（２０ｋｍ）による滞留制御を行った場合であり、矢印Ｂは本発明による弱風追跡高度制御を行った場合を示している。このことから、上記高度制御を行うことで、定高度制御に比して風速エネルギーを飛躍的に低減することができることがわかる。
【００２５】
以上のように、本実施形態による耐風速軽減方法を利用したＳＰＦ運用制御システムは、高度別風速の観測及び予測を行い、その観測及び予測結果に基づいて、ＳＰＦを基準高度に対して制御高度範囲内で弱風高度を辿るように昇降制御する構成となっている。したがって、ＳＰＦが持つ耐風能力を効率よく発揮させることができるようになり、結果的に船体耐風能力を向上させることができる。
【００２６】
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施可能であることはいうまでもない。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、船体能力によらず、滞留させようとする成層圏下部で耐風速を軽減することができる成層圏プラットフォームの耐風速軽減方法と、この方法によるプラットフォームの運用を実現する運用制御システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の耐風速軽減方法を説明するために、観測した鉛直風速の時系列変化の様子を示す図。
【図２】本発明の耐風速軽減方法による高度制御を行った場合の耐風速値の軽減効果を説明するために、基準高度からの制御許容幅に対する風速の変化幅を観測した様子を示す図。
【図３】本発明の一実施形態である成層圏プラットフォームの運用制御システムの全体構成を示すブロック図。
【図４】上記実施形態の最適高度解析プログラムの処理手順を示すフローチャート。
【図５】上記最適高度解析で求める風速エネルギーの高度−時間分布を示す図。
【符号の説明】
１１…ＳＰＦ（成層圏プラットフォーム）
１１１…高度制御装置
１１２…操舵・推進装置
１１３…通信装置
１２…遠隔制御装置
１３…高度別風速観測装置
１４…高度別風速予測装置
１５…最適高度解析装置
【図１】
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【図２】
2004009832.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004009832.tif 000006
【図５】
2004009832.tif 000007