(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの温度測定センサが各測定装置において使用される、特にラジオゾンデ（１）、ロケット、または投下ゾンデを用いるとき気温測定の放射誤差を補正する方法に関する。本発明によれば、外気に対するゾンデ（１）の運動状態が、温度測定と本質的に同時に測定され、測定結果の結果を用いて温度測定の誤差を補正する。
2010530527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの温度測定センサが各測定装置において使用される、特にラジオゾンデ（１）、ロケット、または投下ゾンデを用いるときの気温測定の放射誤差を補正する方法において、
前記気温測定と本質的に同時に、外気に対する前記ゾンデ（１）の運動状態が、前記ゾンデ（１）の上昇速度の２乗に前記ゾンデ（１）に作用する水平気流の各成分の２乗を加算し、前記測定の結果を用いることによって測定され、それによって前記気温測定の前記誤差を補正することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記外気に対する前記ゾンデ（１）の前記運動状態が、以下の式
【数１】
2010530527.tif 000004
ただし、
ｖｚｉ＝（ｚｉ＋１−ｚｉ）／（ｔｉ＋１−ｔｉ）、
ｖｘｉ，通気＝ｖｚｉ−平均値（ｖｘｉ−ｎ／２〜ｖｘｉ＋ｎ／２）
ｖｙｉ，通気＝ｖｙｉ−平均値（ｖｙｉ−ｎ／２〜ｖｙｉ＋ｎ／２）
を用いて計算されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ゾンデ（１）の前記運動状態が、ＧＰＳ測位を利用して測定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記ゾンデ（１）の前記運動状態が、レーダを利用して測定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記ゾンデ（１）の前記運動状態が、前記ゾンデの無線送信機のドップラ偏移を利用して測定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項６】
前記ゾンデ（１）の前記運動状態が、無線航法を利用して測定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項７】
前記ゾンデ（１）の前記運動状態が、ラジオ・ディレクショニングを利用して測定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項８】
前記ゾンデ（１）の前記運動状態が、慣性測定を利用して測定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項９】
前記ゾンデ（１）の前記運動状態が、前記ゾンデの無線送信機の加速度測定を利用して測定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項１０】
前記ゾンデ（１）の前記運動状態が、傾斜測定を利用して測定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項１１】
前記ゾンデ（１）の前記運動状態が、力測定を利用して測定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項１２】
前記ゾンデ（１）の相対的な前記運動状態が、瞬時に、またはより長い期間にわたって平均値として測定されることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記ゾンデ（１）の測定した前記運動状態が、ゾンデ・バルーン振り子の振り子の周期の運動状態の平均値と比較されることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプリアンブルに記載のゾンデの温度測定誤差を補償する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゾンデは、ガス気球に取り付けられ、典型的には様々な高度で気温、気圧および湿度、ならびに風を測定する気象観測装置である。
【０００３】
現在、通気ファクタとして上昇速度だけが用いられている。水平速度は、特に単一ゾンデ探測において重要である。従来は、ゾンデの水平速度が重要であること、または空気に対する水平速度が決定できることは理解されていなかった。
【０００４】
気温測定における最も重大な誤差原因は、温度センサの放射誤差である。この誤差は、ゾンデが上昇し、それによりゾンデを囲む空気の密度が減少するにつれて特に増大する。温度センサは、常に温度センサ自体の温度を測定する。温度センサが外気温度を測定するためには、センサと外気の間で熱交換が行われなければならない。対流熱伝達によって、センサの温度は外気温度の方に向かう。通常、放射熱伝達によって、センサの温度は外気温度から外れる。高度が増大するにつれて、大気圧は減少し、センサと外気の間の対流熱伝達は弱まる。一方、ゾンデが上昇するにつれて、放射熱伝達は強くなる。このため、センサの温度は、常に大気放射の状態に従って、外気温度と同じではなく、より高いかより低いかのどちらかである。
【０００５】
温度センサと周囲雰囲気の間の熱伝達は、平衡状態における式によって以下の通り説明される。
−Ｈ（ＴＳ−Ｔ）−σεＡＴＳ４＋εＲ＋γＳ＝０      （１）
であり、ここで、ＴＳは、センサの温度（Ｋ）、
Ｔは、空気の温度（Ｋ）、
Ｈは、対流熱伝達係数（Ｗ／Ｋ）、
σは、ステファン・ボルツマン定数（５．６７×１０−８Ｗ／ｍ２Ｋ４）、
εは、センサの表面の輻射率、
Ａは、センサの表面積（ｍ２）、
Ｒは、センサに作用する長波熱放射の出力（Ｗ）、
γは、短波（太陽）放射に対するセンサの表面の吸収係数、
Ｓは、センサに作用する太陽放射の出力（Ｗ）
である。
【０００６】
式中、第１項の−Ｈ（ＴＳ−Ｔ）は、対流熱伝達を示す。終わりから３つの項は、放射熱伝達を示す。−σεＡＴＳ４の項は、センサにより放出される熱放射を示し、εＲはセンサによって吸収されるものを示しており（いわゆる長波放射、λ＝５〜５０μｍ）、γＳの項は、吸収される太陽放射（短波放射、λ＝０．２〜２．５μｍ）を表す。
【０００７】
放射誤差を推定するために、同じ寸法だが異なったやり方で表面仕上げされた２つ以上のセンサが使用され得る。それぞれの表面仕上げは、熱放射に対して異なる輻射率および太陽放射に対して異なる吸収係数を有する。それに対応して、異なるやり方で表面仕上げされたセンサは、様々な大きさの放射誤差を有し、異なる温度を示し、その温度の大きさは大気放射の状態に依存する。それ自体の熱伝達方程式（１）は、センサの形状および寸法が相互に同じであり、各表面仕上げの光学特性が知られている場合には、センサごとに記述することができ、それによって２つ以上の式からなる式群、加えて対応するいくつかの未知数が得られる。次いで、残りの未知数（それらのうち、Ｔは大気の実際の温度）は、この式群から解くことができる。この方法の短所は、測定の不正確さとセンサの幾何学的配置の両方の点でセンサ同士の相違が測定誤差を増大させることである。いくつかの（少なくとも２つの）センサを含むゾンデは、ゾンデのコストも増大させ、その結果、そのようなマルチ熱センサ・ゾンデは、コストを理由に標準的な探測に使用されていない。
【０００８】
放射誤差は、センサの寸法を小さくさせ、それによって対流熱伝達が、放射熱伝達と比べて促進されることによってある程度の限界まで減少させることができる。別のやり方は、できる限り小さい吸収係数を有する表面仕上げでセンサを表面仕上げすることである。これら方法は共に、既知の解決策において使用されている。しかし、寸法も吸収係数も無限に小さくなるように減少させることはできないので、放射誤差は、これらの方法を用いて完全になくすことはできない。残りの放射誤差は、大気放射の状態および気圧、ならびにゾンデの上昇速度を活用することによって計算的に除かれるように補正される。
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、ラジオゾンデ探測における温度測定の放射誤差を補償する方法に関する。この方法によれば、少なくとも１つの温度測定センサが各ゾンデにおいて用いられる。標準的なゾンデが、温度および湿度のほかに風速および風向も測定する。この風は、各瞬時でのゾンデの位置または速さを測定することによって測定される。
【００１０】
ゾンデおよびバルーンの組立体は、空気と共に水平方向に動くので、振り子運動によって生じるゾンデの速度は、水平方向に空気に対するゾンデの速度と同じである。ゾンデの上昇速度の２乗が水平速度に加えられる場合には、センサの全通気は計算することができる。
【００１１】
本発明は、放射誤差を補正するときに、ゾンデの上昇速度の代わりに、外気に対するゾンデの実際の飛行速度を用いることに基づいている。したがって、計算的な補正は、相当により正確になる。
【００１２】
本発明によれば、温度測定に加えて温度センサの通気が、ゾンデが飛行する速さに基づいて測定される。
【００１３】
より詳細には、本発明による方法は、請求項１の特徴部分に記載されたものを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
たくさんの利点が、本発明を利用して得られる。
【００１５】
この種の方法は、前述の従来の放射補正方法を上回るいくつかの利点を有する。
【００１６】
１．放射誤差の補正は、実質的により精確になる。ゾンデの上昇速度は典型的には５〜７ｍ／秒で変動し、ゾンデの横方向速度は典型的には２〜２０ｍ／秒で変動する。実際の通気速度を考慮に入れることによって、それに対応して温度測定の放射誤差の補正が、放射誤差を補正するときにより精確になる。
【００１７】
２．気候学的な探測の連続における探測の配置の変化は、測定システムの変化に依存する誤差を減少させることにより、温度センサの通気が変化する場合に考慮に入れられる。
【００１８】
３．単一の温度センサで十分である。
【００１９】
標準的なゾンデが、温度および湿度のほかに風速および風向も測定する。この風速は、ゾンデの瞬時位置または速さを測定することによって、最も一般的にはＧＰＳ測位を用いることによって得られる。レーダ、無線航法、またはラジオ・ディレクショニングが、ゾンデの位置または速さを測定するために使用されてもよい。
【００２０】
本発明を添付図面によって実施形態により検討することにする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ゾンデ・バルーンの組合せの動きの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１において、ゾンデ１は、ひも３によってバルーンに取り付けられている。ゾンデ１の運動は、垂直運動ｈおよび水平運動ｓ２、ならびにゾンデ１をひも３の端部で振動させる振り子運動で形成される。ゾンデ１の経路は、振動していない状態を符号ｓ１によって、および振動している状態を符号ｓ１’によって示される。
【００２３】
ゾンデ１の運動によって引き起こされる通気を以下により詳細に検討することにする。
【００２４】
バルーンとゾンデの組合せは、気流によって運ばれて水平方向に飛ぶ。上層大気（成層圏）では、風の渦（すなわち風速および風向の局所的な変化）が小さいので、バルーン２およびゾンデ１は、風の流れの速さまで水平方向に急速に加速し、それによって風により引き起こされる推力が無くなる。定常風の領域では、バルーン２およびゾンデ１の組合せは、水平面内で非常に正確に外気の動きに従う。すなわち、バルーンおよびゾンデの共通の重心は、静かな空気中で空気と共に水平方向に移動する。垂直方向においては、バルーンの浮力が、空気に対して上向きの上昇速度を生み出す。
【００２５】
空気抵抗は、気圧が低下するにつれて急激に減少する。上層大気中に非常に低い空気抵抗が広がっているとき、ゾンデは、バルーンから吊るされた振り子のように非常に激しく振動する。この振り子運動は、単一ゾンデ試験の場合は特に激しいが、マルチ・ゾンデ試験においてはかなりより弱い。この振り子は振り子の周期を有し、この振り子の周期は振り子の長さの平方根に比例している。言い換えれば、振り子の１周期の後、ゾンデ１は、バルーンに対して振り子の元の位置にある。水平面内でのゾンデ１の運動データを振り子の１周期にわたって平均することによって、問題の期間についてのバルーン２および振り子の重心の運動が知られることになるが、この運動は外気の動きでもある。この平均によって緩和されたゾンデの瞬時の運動は、つまり外気に対する水平方向のゾンデの運動である。ゾンデの垂直運動がこれに加えられると、そこではゾンデの通気を瞬時ごと別々に計算することができる。
【００２６】
本発明の動作は、ゾンデの経路がどのように測定されたかに少しも依存しない。最もよくあるやり方は、ＧＰＳ測位、ＧＰＳ信号の周波数偏移の測定、レーダ、無線航法、またはラジオ・ディレクショニングである。ゾンデの相対的な運動状態は、ゾンデによって送信される搬送波周波数のドップラ偏移から測定することもでき、ゾンデに付随する追加コストは無い。もちろん、ゾンデの相対的な運動状態は、慣性測定センサ、加速度センサ、傾斜センサ、または力センサ（ゾンデとバルーンの間のひもの張力の測定）などのこのためのセンサを用いて測定することもできる。
【００２７】
数学的記述
位置に基づく全ての測位方法は、ゾンデの座標を直交座標系または球座標系で与える。これら座標は、直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）に変換することができ、ここでｚ軸は、ゾンデの高さを示すように選択されてよい。ゾンデの位置は、瞬時ｔｉで、直交座標系内において、３つの数ｘｉ、ｙｉおよびｚｉによって示すことができ、ここでｘｉは、ゾンデのｘ軸上の座標系原点からの距離であり、ｙｉおよびｚｉは、同様にゾンデのｙ軸およびｚ軸上の距離である。
【００２８】
ゾンデの各軸方向の瞬間速度は、以下の通りである。
ｖｘｉ＝（ｘｉ＋１−ｘｉ）／（ｔｉ＋１−ｔｉ）、ｘ軸方向の瞬間速度
ｖｙｉ＝（ｙｉ＋１−ｙｉ）／（ｔｉ＋１−ｔｉ）、ｙ軸方向の瞬間速度
ｖｚｉ＝（ｚｚｉ＋１−ｚｉ）／（ｔｉ＋１−ｔｉ）、ｚ軸方向の瞬間速度、すなわち上昇速度
【００２９】
多くの測位方法（例えば、ドップラ周波数偏移に基づく方法）は、瞬時位置の代わりに、座標状態ごとに直接的な瞬間速度値を与える。
【００３０】
ゾンデ・ひも・バルーン・システムは、振り子を形成する。振り子のまる１周期の後、振り子は常に、同じ元の運動状態にある。このことは、１つまたは複数の完全な振り子の周期にわたって平均がなされる場合には、振り子運動によって生じる速度成分が相殺されることを意味する。静かな空気中の気流によって運ばれるゾンデ・バルーン・システムは、ｘ、ｙ平面内で運動する。こうして、（ｘ軸およびｙ軸の方向に）１つまたは複数の振り子の周期にわたって平均されたゾンデの水平速度は、ゾンデを囲む空気、すなわち風の水平速度に対応する。
ｖｘｉ，風＝平均値（ｖｘｉ−ｎ／２〜ｖｘｉ＋ｎ／２）
ｖｙｉ／風＝平均値（ｖｙｉ−ｎ／２〜ｖｙｉ＋ｎ／２）
ここで、ｎは、１つまたは複数の完全な振り子の周期にわたってのサンプル数に対応する。
【００３１】
気流によって運ばれるゾンデ／バルーン・システムは、ｘ、ｙ平面内で運動する。ゾンデのセンサに作用する通気は、ゾンデの上昇速度および振り子運動によって生じる水平気流に起因する。ゾンデに作用する水平気流は、ゾンデの瞬時水平速度を計算し、ゾンデの外気の水平速度を減じることによって得られる。
ｖｘｉ，通気＝ｖｘｉ−ｖｘｉ，風
ｖｙｉ，通気＝ｖｙｉ−ｖｙｉ，風
【００３２】
ゾンデに作用する全通気は、以下の通り、ゾンデの上昇速度の２乗にゾンデに作用する水平気流の各成分の２乗を加算することによって各瞬時で得られる。
【００３３】
【数１】
2010530527.tif 000003
【００３４】
ゾンデの温度測定および湿度測定の精度は、ゾンデのセンサに作用するこの全通気を考慮に入れることによって、上昇速度に関するｖｚｉの項だけが考慮に入れられる状況に比べて、かなり改善することができる。
【００３５】
（無線搬送信号の周波数偏移に基づくゾンデの運動状態の測定などの）測位方法または運動状態測定方法の一部は、振り子運動の複数の水平速度座標のうちの１つの座標だけを与える。その場合には他の座標は、同じであると推定されるはずであり、その結果、通気の測定精度はほんの少し失われる。
【図１】
2010530527.tif 000005
【国際調査報告】
2010530527.tif 000006
2010530527.tif 000007
2010530527.tif 000008