(57)【要約】【課題】本発明の目的課題は低速度領域から比較的高速度領域の計測が可能で、なおかつ広い気流角度に対応できる航空機用の対気速度計測装置、並びに高い製作精度が必要な部品が不要で、測定精度が高い気象観測用の風向風速気温計測装置を実現できる可動部が存在しない超音波エアデータセンサ・プローブを提供することにある。【解決手段】本発明の超音波エアデータセンサ・プローブは、計測される風速値が不連続に大きく変化した場合に、その検出値に使用する超音波の１周期の整数倍を減算し前検出値に最も近い誤差推定値に補正する。また、風速を算出するための超音波送受信機の組み合わせに冗長性を持たせることにより、内外雑音の影響を最も強く受けている信号や、故障した超音波送受信機による信号を使用しないで、風速を算出する。超音波受信機の表面との間に段差ができないように前記支持部を配列する。【選択図】      図４
2004264184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する１対の超音波送受信機により風速を間欠的に連続測定するシステムにおいて、検出値が不連続に変化したときは、その検出値に使用する超音波の１周期の整数倍を減算し前検出値に最も近い誤差推定値に補正することを特徴とする内外雑音の影響による測定誤差を低減させる超音波式エアデータ補正方法。
【請求項２】
対向する１対の超音波送受信機を伝搬経路の方向を異ならせて複数個配置組み合わせたものであって、該超音波送受信機の送受信表面がその支持部の面と滑らかに連続して凹凸の無い形状とすると共に、主な風速方向に対して前記支持部を前後に配置することにより、乱流の発生を低減させ測定の安定性を高めたことを特徴とする超音波式エアデータセンサ。
【請求項３】
対向する１対の超音波送受信機を伝搬経路の方向を異ならせて複数個配置組み合わせたものであって、その数は最低限必要な数より余分に冗長性を持たせて配置し、検知した風向情報に基づき風下側の超音波送受信機の測定値を利用しない風速ベクトル算出手段を備えることにより、装置自体により発生する後流の影響を受ける前記超音波送受信機の検出値を除外して測定精度を向上させたことを特徴とする超音波式エアデータセンサ。
【請求項４】
風下側の超音波送受信機の測定値を利用しない判定基準として誤差推定値の大小を利用する請求項３に記載の超音波式エアデータセンサ。
【請求項５】
対向する１対の超音波送受信機を伝搬経路の方向を異ならせて複数個配置組み合わせたものであって、その数は最低限必要な数より余分に冗長性を持たせて配置し、前記超音波送受信機が故障または測定不能状態となったことを検知する手段を備えることにより、前記超音波送受信機の一部が故障または測定不能状態となった際には前記超音波送受信機の検出値を除外して風速を測定することを特徴とする超音波式エアデータセンサ。
【請求項６】
故障または測定不能状態を判定基準として、超音波伝搬時間測定値が０または閾値を越えるものであることを利用する請求項５に記載の超音波式エアデータセンサ。
【請求項７】
基体に設置された超音波送受信機と該基体を中心に同心円状に配置された超音波送受信機間において１対の超音波伝搬経路が形成されるものにおいて、前記超音波送受信機を固定する支持棒を前記基体に貫通させた構造とすることにより、支持棒と基体との接合部分が破壊されても前記超音波送受信機支持部が脱落しないことを特徴とする超音波式エアデータセンサ。
【請求項８】
基体に設置された超音波送受信機と該基体を中心に同心円状に配置された超音波送受信機間において１対の超音波伝搬経路が形成される地上設置用のものにおいて、前記同心円状に配置された超音波送受信機は前記基体に設置された超音波送受信機より低い位置に取り付けることにより、基体の後流の影響を軽減させたことを特徴とする超音波式エアデータセンサ。
【請求項９】
基体に設置された超音波送受信機と該基体を中心に同心円状に配置された超音波送受信機間において１対の超音波伝搬経路が形成される地上設置用の多数の超音波式エアデータセンサを公衆通信回線で気象データの管理センターに接続すると共に、各地の端末機を公衆通信回線で気象データの管理センターに接続した広域気象観測システム。
【請求項１０】
請求項２乃至９のいずれかに記載の超音波式エアデータセンサと、大気圧センサと、真対気速度から等価対気速度を補正演算する手段とを備えることにより、ピトー管と同じ等価対気速度測定値を得る航空機用計測システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対気速度および風向風速気温を計測する超音波エアデータセンサに関するものであり、対気速度計測では、特に低速航空機に適した方式に関するものである。なお、対気速度とは気流に対する３次元的な物体の移動方向および速さを表すもので、操縦用の計測では対気速度計測の応答性はあまり重要ではないが、対気速度を利用した乱気流計測のためには応答性が重要となる。また、本明細書中で低速航空機とは、短距離離着陸機、垂直離着陸機、回転翼機、滑空機、飛行船、気球などを意味している。
【０００２】
【従来の技術】
通常、航空機で使用されているピトー管は、空気の総圧および静圧を測定して、その差の動圧から対気速度を求めるものであって、気流方向は矢羽根等により測定される。ところで、ピトー管で測定される動圧は、対気速度の２乗に比例する関係にあるために、低速では測定誤差が大きくなってしまい、ピト一管は低速域の速度計測には適していない。ピトー管が使用できるのは通常３０〜４０ｍ／ｓ以上の領域である。それより低速であるとか、気流方向が機体軸線と大きく異なる場合には、速度計測自体が不可能となる。そして、気流方向を測定するための矢羽根は、可動部分があるため矢羽根の質量による応答性の低下や振動が問題となってくる。したがって、対気速度センサとしてピト一管を搭載している一般の航空機は、低速域での対気速度計測値は測定誤差が大きいか、あるいは測定できないということになっている。ピトー管は、前述の通り低速域の気流が測定できないので当然、気象観測用の風向風速計としても適していない。
【０００３】
これに対して気象観測に用いられている超音波風速計は、一定区間を伝搬する超音波の伝搬時間が、風の影響で変化することを利用したもので、全方位的に所定の間隔で配設された複数個（一般的には６個が多い）の超音波送受信機は平面上のあらゆる方位の風を測定することができる。例えば特許文献１がこれに当たる。しかし、超音波送受信機同士の空気力学的干渉により、強風時の測定は困難で、航空機搭載が可能な大きさのもので２０ｍ／ｓ以下、地上設置用の大型装置でも６０ｍ／ｓ以下が測定可能領域である。この測定可能領域では航空機に利用するには高速側の計測範囲が充分とはいえず、気象観測用の超音波風速計は、航空機に搭載する対気速度計測器には適していない。超音波風速計を気象観測用として使用する場合でも、超音波送受信機同士の空気力学的干渉により、気流が影響を受け、特に風向の測定精度を劣化させる原因となっている。
【０００４】
気象観測用として最も一般的な風車型風向風速計は、可動部分があり質量が大きいために、対気速度計として航空機のブーム上に取り付けた場合、振動のおそれを回避するためブームの剛性を高くしなければならない。ブームは前記航空機自身による気流の撹乱の影響を受けにくくするために長くする必要があり、剛性を高めることは困難である。気流計測の応答性もあまり良くないので、航空機に搭載する対気速度計測器には適していない。気象観測用として使用する場合には、大変実用性が高いが、高精度に測定するためにプロペラや尾翼を精度良く製作する必要があり、可動部があるために機械部品が多く、現状よりも製造経費を低減させることは困難である。また、通常の気象観測では問題とならないが、特殊用途のために上下風を測定したり、極微弱風での風向、風速を測定したりすることは困難である。
【０００５】
本発明者が先に開発し既に特許出願をしている発明である航空機用超音波式対気速度センサ（特許文献２）は、上記従来装置の欠点を解決するためのもので、低速航空機搭載用として低速飛行時には充分使用可能である。しかし、該対気速度センサは対気速度５０ｍ／ｓ以上の領域で計測ノイズ成分が増大する上、気流角度によってはそれより低速度でも計測できないことがある。前者の原因は、超音波送受信機がその支持部の表面に対して傾斜して取り付けられていることにより前記超音波送受信機の表面と前記支持部との間に段差ができ、構造上高速度域では気流が乱れることにより発生するノイズであることが判明した。また、後者の原因は、前記支持部同士の位置関係から、前記超音波送受信機の一部が上流側の超音波送受信機支持部の後流領域に入る気流角度が存在することにより、下流側の超音波送受信機が受ける乱流の影響であることが判明した。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−３０７０８７号公報「超音波風向風速温度測定装置」
平成５年１１月１９日公開
【特許文献２】
特開２００１−２７８１９６号公報「航空機用超音波式対気速度センサ」
平成１３年１０月１０日公開
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的課題は、上記の問題点を解決するもの、すなわち低速度領域から比較的高速度領域の計測が可能で、なおかつ広い気流角度に対応できる航空機用の対気速度計測装置、並びに高い製作精度が必要な部品が不要で、測定精度が高い気象観測用の風向風速気温計測装置を実現できる可動部が存在しない超音波エアデータセンサ・プローブを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波式エアデータ補正方法は、対向する１対の超音波送受信機により風速を間欠的に連続測定するシステムにおいて、検出値が不連続に変化したときは、その検出値に使用する超音波の１周期の整数倍を減算し前検出値に最も近い誤差推定値に補正するものである。
本発明の超音波式エアデータセンサは、乱流の発生を低減させ測定の安定性を高めるため、超音波送受信機の送受信表面がその支持部の面と滑らかに連続して凹凸の無い形状とすると共に、主な風速方向に対して前記支持部を前後に配置する。また、対向する１対の超音波送受信機を伝搬経路の方向を異ならせて複数個配置組み合わせたものであって、その数は最低限必要な数より余分に冗長性を持たせて配置風速を算出するための超音波送受信機の組み合わせに冗長性を持たせることにより、内外雑音の影響を最も強く受けている信号や、故障した超音波送受信機による信号を使用しないで、風速を算出するようにした。
対気速度計として航空機に搭載するときは、支持棒と基体との接合部分が破壊されても超音波送受信機支持部が脱落しないように、前記超音波送受信機を固定する支持棒を前記基体に貫通させた構造とする。
基体に設置された超音波送受信機と該基体を中心に同心円状に配置された超音波送受信機間において１対の超音波伝搬経路が形成される地上設置用の超音波式エアデータセンサは、基体の後流の影響を軽減させるため、同心円状に配置された超音波送受信機は基体に設置された超音波送受信機より低い位置に取り付ける。
本発明の広域気象観測システムは、基体に設置された超音波送受信機と該基体を中心に同心円状に配置された超音波送受信機間において１対の超音波伝搬経路が形成される地上設置用の多数の超音波式エアデータセンサを公衆通信回線で気象データの管理センターに接続すると共に、各地の端末機を公衆通信回線で気象データの管理センターに接続した。
本発明に係る航空機用計測システムは、ピトー管と同じ等価対気速度測定値を得るために超音波式エアデータセンサと、大気圧センサと、真対気速度から等価対気速度を補正演算する手段とを備える。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、超音波風速計の原理を示す図である。超音波が空気中を伝搬する場合、超音波が風と順方向に伝搬するときは、風速分だけ伝搬速度が速くなり、逆方向のときは風速分だけ伝搬速度が遅くなる。したがって、距離を速度で割った関係にある超音波の伝搬時間と風速との関係は以下の式の通りになる。
Ｗ＝Ｄ／２×（ｔ２−ｔ１）／（ｔ１×ｔ２）‥‥（１）
ただし、
Ｗ  ：風速
Ｄ  ：超音波送受信機の間隔
ｔ１：風速に順方向の超音波の伝搬時間
ｔ２：風速に逆方向の超音波の伝搬時間
同時に超音波の伝搬速度が気温によって変化することを利用して、以下の式により気温を求めることができる。
Ｔ＝Ｔ０×（ａ／ａ０）２×（１＋Ｗｖ２／ａ２）‥‥（２）
ａ＝Ｄ／２×（ｔ１＋ｔ２）／（ｔ１×ｔ２）    ‥‥（３）
ただし、
Ｔ  ：気温
Ｔ０：標準温度
ａ  ：音速
ａ０：標準温度での音速
Ｗｖ：超音波伝搬方向に垂直な風速成分
【００１０】
超音波の伝搬時間計測のためには、パルス状の超音波を送受信機から送出し、それを対向する送受信機で受信しそのそのタイミングを計る。このとき、受信時の信号レベルが気流や雑音など何らかの影響で低下すると、パルス信号の先頭を認識することができずに、前記超音波の波長の整数倍分に相当する計測時間の遅れが生ずることがある。なお、自動的に利得を増大する回路を設けたとしても、相対的に雑音のレベルが高くなるので、完全にこの遅れを除去できるとは限らない。この遅れが原因で計測信号に大きな不連続が生ずるので、不連続の大きさに応じて以下の式で得られるτの整数倍を伝搬時間計測値から減ずれば、正しい計測値を求めることができる。
τ＝１／ｆ      ‥‥（４）
ただし、
τ：１波長分の時間
ｆ：使用する超音波の周波数
【００１１】
前記不連続量は風速に応じて変化し、以下の式により推定することができる。風下側の受信信号に１波長分の遅れが生じた場合、
ｄＷ＝Ｗ−Ｄ／２×［（ｔ２−ｔ１−τ）／｛（ｔ１＋τ）×ｔ２｝］  ‥‥（５）
風上側の受信信号に１波長分の遅れが生じた場合、
ｄＷ＝Ｗ−Ｄ／２×［（ｔ２−ｔ１＋τ）／｛ｔ１×（ｔ２＋τ）｝］  ‥‥（６）
両方の受信信号に１波長分の遅れが生じた場合、
ｄＷ＝Ｗ−Ｄ／２×［（ｔ２−ｔ１）／｛（ｔ１＋τ）×（ｔ２＋τ）｝］‥‥（７）
ただし、
ｄＷ：不連続量推定値
Ｗ  ：風速
Ｄ  ：超音波送受信機の間隔
ｔ１：風速に順方向の超音波の伝搬時間
ｔ２：風速に逆方向の超音波の伝搬時間
τ：１波長分の時間
【００１２】
予め不連続量と判定するための敷居値を設定しておき、測定値が不連続に変化した場合に、その不連続量に最も近い別記不連続量推定値の整数倍を測定値から差し引き、その値を正確な測定値として利用する。測定値の不連続量は、現実的には１波長分の遅れのみ、つまり前記推定値の１倍であることが最も多い。なお、不連続量推定値による測定値の補正は、超音波の受信レベルが低下したときのみ実施する。なぜなら、不正な状態から正常な状態に復帰したときにも同様の不連続が生じてしまうからである。
風上風下両方の受信信号に同数の波長分の遅れが生じた場合には、不連続量が小さいため、現実には通常の測定値変動と明らかな差が認識できない。しかし、一般的には風下側の受信信号の方が気流の乱れの影響を受けやすいため、圧倒的に不連続の原因になりやすく、風上風下両方の受信信号に同数の波長分の遅れが生ずることは確率的に極めてまれである。
【００１３】
従来、気象観測用の超音波風速計は全方位の風速を等しい精度で検出する必要から、６個の超音波送受信機を６本の支持棒に取り付けていたため形状が複雑となり、空気力学的乱流や音響騒音が生じやすかった。しかし、一般的に航空機は１方向にのみ高速で飛行し、他の方向は飛行できないか、または非常に低速で飛行する。したがって、航空機用対気速度センサとしては、あらゆる方位の気流が同じように測定できる必要はなく、比較的高速域が測定できるのは１方向のみでよい。したがって、１方向の気流の計測を重視する観点から超音波風速計で必要な超音波送受信機の配列を工夫すると共に、装置の全体形状を単純化し、空気力学的騒音や気流の乱れを低減させることを考えた。特に、超音波送受信機の上流に物体があると、気流の乱れの影響を受けやすいため、１方向の気流を重視して、超音波送受信機の上流に気流の乱れを生じさせる構造物を配置しないようにすることは重要である。本発明者の先の発明である特許文献２「航空機用超音波式対気速度センサ」では、上記目的をある程度達成することができたが、超音波送受信機がその支持部の表面に対して傾斜して取り付けられていることにより前記超音波送受信機の表面と別記支持部との間に段差ができ、高速度域では気流が乱れてノイズが発生してしまった。本発明では、超音波の送受信軸が支持部の表面に垂直になるように全体の構成を工夫したことにより、前記超音波送受信機の表面が支持部の表面と滑らかに接続され、気流の乱れを最小限にすることができるよになった。この形状は気象観測用の風向風速計として利用する場合にも有効である。
【００１４】
前記超音波送受信機の配列を如何に工夫しても、あらゆる方向の気流に対応する場合、必ず気流の乱れの影響を受ける気流方向が存在する。このため、本発明では前記超音波送受信機の組み合わせを最低限必要な３組よりも余分に配置することにより冗長性を持たせ、不正なデータを使用しないことにより利用率と測定精度を向上させるようにした。この構成は、前記超音波送受信機の１部が故障した場合でも有効に作動する機能をも担保するものである。
【００１５】
図２および図３を参照して本発明の基本原理を説明する。図２はプローブ形状を示したもので、Ａは前方からの正面図であり、Ｂは側面図である。基体１に４本の支持棒１１，１２，１３，１４を軸の先端部が互いに平行で軸芯が四角形の各頂点に位置するように植設し、その先端部は流線形状として超音波送受信機支持部となっている。このプローブ形状は、超音波計測の安定性確保の観点から航空機の主たる検出成分となる流速方向が機体前方からの軸方向と一致する気流に対し最も気流に乱れを生じさせないようにすることを考慮して案出したものである。本発明を航空機の対気速度計測に適用する場合、前述したように機体に対して流速方向は前方から後方に向かう成分が主となる。したがって、その成分を検出するために超音波送受信機は前後方向に位置を違えた配置を必須とし、送受信軸に合わせて設置するために、前記超音波送受信機の表面はＸ軸に垂直な面とは傾斜することになる。このため、前記支持棒の先端を流線型状にしたうえで、その表面と前記超音波送受信機の表面が平行で滑らかにつながるような前記超音波送受信機の配置を考えた。そして超音波を送受信する複数個の伝搬経路を形成させて流体の流速成分が重畳される伝搬時間情報を基にその流体の流速成分を３次元情報として計測するものである。具体的には従来の超音波風速計の３組６個の超音波送受信機を４組８個として、図３に示したような形態、すなわち、プローブの取り付け方向として基体１および支持棒１１，１２，１３，１４の軸方向が航空機の前方に向くように機体に固定し、この基体１および支持棒１１，１２，１３，１４に超音波送受信機を取り付け、超音波送受信経路が形成されるようにした。機体の前後方向の異なる位置に配置された超音波送受信機間で超音波送受信経路が形成されているので、機体の前後方向の成分の流速が検知できるのである。しかもこの方向の気流に対してはプローブの基体１および支持棒１１，１２，１３，１４が最も抵抗が少ない構造となっているため、流れの状態が安定して精度の良い計測ができる。なお、図４に示すように支持棒１１，１２，１３，１４の軸線を前方に向かって若干の開き角を持たせることにより、支持棒の長さを短くすることができるので、剛性を高めることができ、重量も軽減される。
【００１６】
本発明を地上での気象観測用の風向風速計に適用して使用する場合は、航空機に取り付ける場合の前方を、鉛直方向上方に向けて使用する。この場合、水平方向のあらゆる方位からの気流に対応する必要があるが、本発明による形状は必ずしも全方位からの気流に対して適しているわけではない。ところが気象観測の場合、最大で６０ｍ／ｓの風速が測れれば充分であり、航空機の対気速度ほど高速の気流を計測する必要がない。さらに後述する冗長性により、風下側の超音波送受信機による信号を利用しないことになるので、あらゆる方位の気流に対して常に最適な信号を利用して、高精度に風向風速を計測することができる。地上での気象観測用の場合、重量の制限が航空機搭載用ほど厳しくないので、航空機搭載用よりも大型にして強風計測性能を向上させることも可能である。
【００１７】
上記のような超音波送受信機の配置構成により、３次元的な対気速度あるいは風向風速を求めることができる。そしてこの配置は矢印で示した方向の流速計測を最も重視したものである。図３のように機体の前後方向にＸ軸を、左右方向にＹ軸をそして上下方向にＺ軸の直交座標形を定義し、対気速度のＸＹＺ成分をＶｘ、Ｖｙ、Ｖｚとすると、計測される各組の超音波送受信機間の超音波伝搬方向の気流の速度成分Ｗｎは、以下の式で表される。
Ｗｎ＝Ｖｘｓｉｎθｎ＋（Ｖｙｓｉｎφｎ＋Ｖｚｃｏｓφｎ）×ｃｏｓθｎ  ‥‥（８）
ただし、
Ｖｘ：対気速度のＸ方向成分
Ｖｙ：対気速度のＹ方向成分
Ｖｚ：対気速度のＺ方向成分
Ｗｎ：気流の超音波送受信機方向（経路ｎ）の速度成分
θｎ：ＹＺ面とＷｎとの成す角
φｎ：ＹＺ面内でのＺ軸とＷｎとの成す角
ここで仮に各センサの配列を図３のようにそれぞれ直角、つまりφ１を９０度、φ２を１８０度、φ３を２７０度とすると、
Ｗ１＝Ｖｘｓｉｎθ１＋Ｖｙｃｏｓθｌ    ‥‥（９）
Ｗ２＝Ｖｘｓｉｎθ２−Ｖｙｃｏｓθ２    ‥‥（１０）
Ｗ３＝Ｖｘｓｉｎθ３−Ｖｙｃｏｓθ３    ‥‥（１１）
となり、さらにθ１＝θ２＝θ３＝θとすると、
Ｖｘ＝（Ｗ１＋Ｗ３）／２ｓｉｎθ    ‥‥（１２）
Ｖｙ＝（Ｗ１−Ｗ３）／２ｃｏｓθ    ‥‥（１３）
Ｖｚ＝（Ｗ１＋Ｗ３−２×Ｗ３）／２ｃｏｓθ  ‥‥（１４）
となり、この演算式によって対気速度を求めることができる。
【００１８】
各超音波送受信機の組により得られる超音波伝搬方向の気流の速度成分が、不連続に変化した場合に、その不連続量に最も近い前記不連続推定値の整数倍を差し引くことにより、測定誤差を低減させることができる。そのときの整数倍をＮとすると、正常な測定が行われているときにはＮの値は０であるが、気流の乱れや故障などにより測定値に不連続な変化が生ずるとＮに値が増加する。それぞれの超音波送受信機の組のＮの値を常時監視して、Ｎの値が最も大きい超音波送受信機の組の測定値を使用しないことにより、前記演算式により最終的に得られる対気速度の信頼性および計測精度が向上する。
【００１９】
さらに、超音波伝搬時間の測定値が０または閾値を越える値となった場合にも、該当する超音波送受信機の組の測定値を使用しない。このような状態は、超音波送受信機の故障、または気流の乱れや騒音による計測不能状態が考えられるからである。
【００２０】
航空機の外部に露出して物体を取り付ける場合、強度計算か強度試験によりその物体が充分な強度であることを確認することは当然であるが、経年変化や腐食による劣化についても考慮する必要がある。本発明では支持棒１１，１２，１３，１４を基体１に貫通させる構造としているため、万一、溶接などによる前記基体と前記支持棒との接合部が破壊された場合に、前記支持棒がずれたり回転したりすることになっても脱落する心配がない。
【００２１】
航空機は、通常ピトー管により得られる等価対気速度を操縦計器に表示させ、操縦士はそれを利用して飛行する。なぜなら機体に対する気流の影響力は、気流の速度だけではなく大気の密度にも関係するからである。超音波センサで得られる対気速度は真対気速度であるため、大気圧センサと組み合わせることによって、以下の補正式で等価対気速度を算出し、従来のピトー管と同等な測定値を得る計測システムを構築することができる。
ＶＥＡＳ＝ＶＴＡＳ｛Ｐ／（ρｏＲＴ）｝０．５ ‥‥（１５）
ただし、
ＶＥＡＳ：等価対気速度
ＶＴＡＳ：真対気速度
Ｐ：大気圧
Ｒ：ガス常数
Ｔ：大気温度
ρｏ：標準大気密度
【００２２】
【実施例】
以下では、回転翼機における対気速度計測用に製作した例を図４に示し、本実施例について記述する。一般的な回転翼機では前進方向の対気速度が最大８０ｍ／ｓ程度で、それ以外の方向、例えば上下左右に飛行する場合の速度は極低速である。本発明の適用により、回転翼機のほぼ全飛行速度領域で対気速度が計測できることが見込まれる。本実施例は４つの支持棒１１，１２，１３，１４の軸が基体１の軸に対し平行ではなく、図に示されたように等しい若干の開き角β（この実施例では１０度）を持って取り付けられている。これは回転翼機において高速状態すなわち強い気流を受けるのは前方方向に限られるため、それに対して構造的に剛性が高く重量が少ない必要があることと、気流を乱す構造的ではあるが、その際の気流の乱れは後流として生じるため、超音波伝搬経路には影響がないことを勘案して想到したものである。ちなみにこの実施例では超音波送受信機間の伝搬経路長は５０ｍｍ、θ角は２０度、使用される超音波の波長は２００ｋＨｚとした。また、基体１および各支持棒先端には氷着を防止するための防氷ヒータを内蔵している。なお、超音波は機体の対気速度に応じて風下側に流されるため、超音波送受信機は直線的に対向配置させるのではなく図４に示すようにそれぞれ風上側にα角向けて設置するようにした。それによって超音波の伝搬経路は図示したように風上側に膨らんだ弓形となる。超音波送受信機の送受信面は凹凸形状とならないように支持棒表面となめらかな連続面に形成する。この実施例で使用される超音波送受信機の指向性は片側１５度であるため、αを１０度とし音速を３４０ｍ／ｓとすると、機体の対気速度が６０ｍ／ｓのときに超音波の覆域の中心点で送受信が行われ、前進約１５０ｍ／ｓ〜後進約３０ｍ／ｓの範囲が、指向性に基づく測定範囲となる。
【００２３】
図５は計測値の不連続変化量推定値を示す。回転翼機の最高速度は通常７０ｍ／ｓ以下であるため、超音波経路方向気流成分が３０ｍ／ｓを越えることはまずない。また、風上風下両方の受信信号に同数の波長分の遅れが生じた場合には、図に示すように不連続量が小さいため、通常の測定値変動と明らかな差が認識できない。これらを勘案して不連続量と判定するための閾値は±３ｍ／ｓと設定し、測定値が±３ｍ／ｓを越えて不連続に変化した場合に、その不連続量に最も近い前記不連続量推定値の整数倍を測定値から差し引き、その値を正確な測定値として利用する。測定値の不連続量は、現実的には１波長分の遅れのみ、つまり前記推定値の１倍であることが最も多い。なお、データの更新周期は５０ｍ秒であり、この間に実際に±３ｍ／ｓ以上の流速変化が生ずることは、通常の物理現象として考えられないので、この補正により測定値が悪影響を受けることはない。
【００２４】
図６は回転翼機に本実施例によるセンサを設置搭載した例を示す。回転翼機は、前進速度が他の方向に卓越して大きく、しかもメインロータＲの吹き下ろしという現象を伴う。したがって、対気速度計測においてその影響を避けるため、センサＳはメインロータＲの先端よりも前方に位置するように、機体前方方向に一致する長いロッド状の基体１の先端に支持棒１１、１２、１３、１４が取り付けられた形態で搭載される。なお、超音波風速計によって測定される対気速度は真対気速度であるが、気圧計Ｂを同時に搭載してその計測値によって補正することにより、通常の航空機で使用するピトー管と同様に等価対気速度を得ることができる。
【００２５】
本発明を気象観測用の地上風向風速計に適用した例を図７に示す。回転翼機用のものと同じ形態でも問題ないが、上下方向の気流を測定する必要がないときには、図のように支持棒を３本として、上から見たときの支持棒の軸芯が三角形の各頂点に位置するように植設する。基体１に取り付けた超音波送受信機と支持棒１１、１２、１３に取り付けた超音波送受信機とは、図のように上下方向にずれた位置に配置することによって、後流に基づく気流の乱れの影響を少なくすることができる。また地上設置の場合、支持棒脱落時の危険性は搭載時ほど高くはないので、支持棒を基体に貫通させる必要性は少ない。気温の計測は、一定かつ既知の超音波伝搬経路間を往復する超音波の伝搬時間を測定することにより求められ、空中の気温を直接計測できるので百葉箱は不要である。以上により、風向風速および気温を計測するシステムを構成する。
【００２６】
超音波風速計は故障が少なく、定期的なメンテナンスも不要なことから、トンネル内などメンテナンスが困難な場所で使用されている。図８はこの利点を生かして本発明による多数の超音波式エアデータセンサを公衆通信回線で接続した広域気象観測システムヘの応用例を示す。メンテナンスが困難な無人の観測点を含めて多数の観測点を各地に配置し、それぞれの観測点に超音波式エアデータセンサを設置して公衆通信回線で気象データの管理センターにつなぐ。中央に管理者のサーバーシステムを設置してセンター機能を持たせ、各地の利用者側にはデータ受信と解析を行うことができる端末機を備える。利用者は端末機で自身の設置するセンサだけでなく、他の地域のデータをも含めて観測データを受信することができるし、共通のソフトをインストールするなりして備えることにより、解析処理を端末機で行うこともできる。管理者は、通信用のサーバーを管理するとともにセンサの故障モニタなどを行う。信号処理器では風向風速気温を演算する必要はなく、単に計測信号を公衆通信回線に送出するだけである。前記演算は汎用計算機上で動作するソフトウェアを利用者が自身の解析システムにインストールして行う。このことにより、信号処理器のハードウェア経費が低減されるとともにソフトウェアの改良に対応しやすくなる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の超音波式エアデータ補正方法は、対向する１対の超音波送受信機により風速を間欠的に連続測定するシステムにおいて、検出値が不連続に変化したときは、その検出値に使用する超音波の１周期の整数倍を減算し前検出値に最も近い誤差推定値に補正するものであるから、内外雑音の影響による測定誤差を有効に低減させることができる。
【００２８】
また、本発明の超音波式エアデータセンサは、対向する１対の超音波送受信機を伝搬経路の方向を異ならせて複数個配置組み合わせたものであって、該超音波送受信機の送受信表面がその支持部の面と滑らかに連続して凹凸の無い形状とすると共に、主な風速方向に対して前記支持部を前後に配置した構成を採ることにより、乱流の発生を低減させ測定の安定性を高めた。
【００２９】
本発明の超音波式エアデータセンサは、対向する１対の超音波送受信機を伝搬経路の方向を異ならせて複数個配置組み合わせたものであって、その数は最低限必要な数より余分に冗長性を持たせて配置し、検知した風向情報に基づき風下側の超音波送受信機の測定値を利用しない風速ベクトル算出手段を備える構成を採用したことにより、装置自体により発生する後流の影響を受ける前記超音波送受信機の検出値を除外して測定精度を向上させた。また、風下側の超音波送受信機の測定値を利用しない判定基準として誤差推定値の大小を利用するものは影響のない時には前記超音波送受信機の検出値をも有効に取り込むことができる。
【００３０】
対向する１対の超音波送受信機を伝搬経路の方向を異ならせて複数個配置組み合わせたものであって、その数は最低限必要な数より余分に冗長性を持たせて配置し、前記超音波送受信機が故障または測定不能状態となったことを検知する手段を備える構成を採用した本発明の超音波式エアデータセンサは、前記超音波送受信機の一部が故障または測定不能状態となった際には前記超音波送受信機の検出値を除外して風速を測定することにより安定した測定を可能とする。
【００３１】
基体に設置された超音波送受信機と該基体を中心に同心円状に配置された超音波送受信機間において１対の超音波伝搬経路が形成されるものにおいて、前記超音波送受信機を固定する支持棒を前記基体に貫通させた構造とする本発明の超音波式エアデータセンサは、支持棒と基体との接合部分が破壊されても前記超音波送受信機支持部が脱落することがない。
【００３２】
基体に設置された超音波送受信機と該基体を中心に同心円状に配置された超音波送受信機間で１対の超音波伝搬経路が形成される地上設置用のものにおいて、前記同心円状に配置された超音波送受信機は前記基体に設置された超音波送受信機より低い位置に取り付ける構成を採用した本発明の超音波式エアデータセンサは、従来の気象観測用超音波風速計よりもセンサの支持棒により発生する気流の乱れの影響を受けにくいので、全方位の気流に対して高精度となり、強風時の計測能力も向上する。また、このセンサには可動部が無く、高度の製作精度が要求されない超音波風速計として精度の高い計測ができる。しかも、同時に気温が計測でき、百葉箱を必要としないため観測システム全体を小型化できる。
【００３３】
基体に設置された超音波送受信機と該基体を中心に同心円状に配置された超音波送受信機間において１対の超音波伝搬経路が形成される地上設置用の多数の超音波式エアデータセンサを公衆通信回線で気象データの管理センターに接続すると共に、各地の端末機を公衆通信回線で気象データの管理センターに接続した広域気象観測システムは、大がかりなハードを必要とせず、広域の気象状態を簡便に情報収集できると共に、センターで処理した各地の気象情報を各端末でも簡単に利用することができる。
【００３４】
本発明に係る超音波式エアデータセンサと、大気圧センサと、真対気速度から等価対気速度を補正演算する手段とを備えた本発明の航空機用計測システムは、ピトー管と同じ等価対気速度測定値を得ることができ、その結果として低速飛行時の速度表示が従来より高精度となり、航空機の飛行安全性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な超音波風速計の原理説明図である。
【図２】本発明によるエアデータセンサ・プローブを航空機用に具体化した形状であり、Ａは前方からの正面図であり、Ｂは側面図である。
【図３】本発明によるエアデータセンサでの気流測定原理図である。
【図４】本発明によるエアデータセンサを回転機用に具体化した実施例を示す図である。
【図５】本発明によるエアデータセンサの測定値の不連続変化量推定値を示す図である。
【図６】本発明によるエアデータセンサを回転翼機用に設置搭載した例を示す図である。
【図７】本発明によるエアデータセンサ・プローブを気象観測用に具体化した形状であり、Ａは上方からの図であり、Ｂは側面図である。
【図８】本発明によるエアデータセンサを広域気象観測システムに応用した例を示す図である。
【符号の説明】
Ｗ  風速
Ｄ  超音波伝搬距離
Ｖ  対気速度
ａ  音速
Ｒ  メインロータ
Ｂ  気圧計
Ｓ  センサ・プローブ
１  基体
１１，１２，１３，１４  支持棒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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