(57)【要約】【課題】位置・速度の変動や動揺よる測定誤差を補正することでき、高精度な風速・風向の測定が可能な移動式水上風観測システムを提供する。【解決手段】水上（例えば、洋上）を移動可能な移動体（船舶１）に設置され、所望空間領域の風速・風向を測定する測風装置（超音波風速計２あるいはドップラーソーダ３）と、この測風装置に取り付けられ、測風装置の位置および揺動量を測定する位置・揺動量測定装置（慣性計測装置１０、ＧＰＳ２０、傾斜計３０、コンパス４０等）と、位置・揺動量測定装置の測定結果に基づいて測風装置が測定する風速・風向データを補正する補正装置とを備える。【選択図】図１
2005241441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水上を移動可能な移動体に設置され、所望空間領域の風速・風向を測定する測風装置と、上記測風装置に取り付けられ、上記測風装置の位置および揺動量を測定する位置・揺動量測定装置と、
上記位置・揺動量測定装置の測定結果に基づいて、上記測風装置が測定する風速・風向データを補正する補正装置とを備えたことを特徴とする移動式水上風観測システム。
【請求項２】
上記測風装置は、超音波風速計であることを特徴とする請求項１に記載の移動式水上風観測システム。
【請求項３】
上記測風装置は、ドップラーソーダであることを特徴とする請求項１に記載の移動式水上風観測システム。
【請求項４】
上記測風装置は、超音波風速計およびドップラーソーダとで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の移動式水上風観測システム。
【請求項５】
上記ドップラーソーダは、揺動抑制装置に載置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の移動式水上風観測システム。
【請求項６】
上記測風装置が測定する風速・風向データと基地局の風速計・風向計が計測する計測データとに基づいて、上記測風装置が稼働していない期間の風向・風速を推定できることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の移動式水上風観測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水上（例えば、洋上）での風力発電設備建設場所を選定するための水上風観測システムに係わり、さらに詳しくは、船舶等の水上移動体に超音波風速計やドップラーソーダ等の風速・風向観測機器を搭載し、複数の所望位置で容易に水上風の風速・風向を精度よく測定することができる移動式水上風観測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止の必要性が叫ばれている昨今、世界はもとより日本においても風力発電の導入が重要視されている。
ところが、山岳地帯の多い我が国においては、風力発電設備を設置できる適地は限られたおり、洋上風力発電の技術開発が急がれている。
風力発電設備導入の際には、精度の高い発電量予測が必要であり、陸上においいては、通常、高さ３０ｍ程度のポールに風速計・風向計を設置して、最低１年間の風況（風速、風向等）観測をおこなっている。
一方、洋上（海上）における従来の洋上風観測設備は、コンクリートまたは鋼製の基礎構造物を海中に設置し、この上に風速計・風向計などの機器を設置した固定式のものであった。
また、気象観測船やブイ（ｂｕｏｙ：浮標）に風速計・風向計を設置して、観測が行われることもあった。
【０００３】
なお、地上における移動式の風況（風速、風向等）精査の可能性あるいは実用化研究については、本願の出願人は、下記のような論文（非特許文献）を発表している。
【非特許文献１】移動式風況精査の可能性について、  第２３回風力エネルギー利用シンポジウム論文集、（２００１）、ｐｐ．１８４−１８７
【非特許文献２】移動式風況精査の実用化研究―ミニドップラーソーダによる短期間観測の有効性、  風力エネルギー（通巻６４）、（２００２）、ｐｐ．２６−３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような、コンクリートまたは鋼製の基礎構造物を海中に設置し、この上に風速計・風向計などの機器を設置した従来の固定式の洋上風観測方法では、観測設備の建設に多大の費用が嵩むと共に、観測点を変更することができない。
従って、観測点を増やそうとすれば、多数の固定式観測設備を設置しなければならず、莫大な費用が発生する。
また、気象観測船やブイ（ｂｕｏｙ：浮標）に風速計・風向計を設置したものでは、観測点の移動は容易であるが、自身（即ち、気象観測船やブイ）の移動速度の変化や動揺（揺動）があるために、正確な洋上風の風速・風向の測定（観測）は困難であった。
【０００５】
この発明は、上述のように問題点を解決するためになされたものであり、観測点の移動が容易な船舶等の水上（例えば、洋上や湖上）移動体に風観測設備を搭載していながら、水上移動体の位置・速度の変動や動揺よる測定誤差を補正することができ、高精度な風速・風向の測定が可能な移動式水上風観測システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る移動式水上風観測システムは、水上を移動可能な移動体に設置され、所望空間領域の風速・風向を測定する測風装置と、上記測風装置に取り付けられ、上記測風装置の位置および揺動量を測定する位置・揺動量測定装置と、上記位置・揺動量測定装置の測定結果に基づいて、上記測風装置が測定する風速・風向データを補正する補正装置とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、船舶等の水上（例えば、洋上）移動体に風観測設備を搭載していながら、水上移動体の位置・速度の変動や動揺よる測定誤差を補正することでき、高精度な風速・風向の測定が可能な移動式水上風観測システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明による移動式水上（例えば、洋上）風観測システムを概念的に説明するための図である。
図に示すように、水上の移動体である船舶１には、大気中の所望位置（即ち、測風をしたい所望の空間領域）の風速・風向を測定するための超音波風速計２あるいはドップラーソーダ（音響測風レーダー）３が設置されている。
さらに、三杯型風速計や矢羽根型風向計で構成されるメカ式の風速・風向計４も設置されている。
また、船舶１にはＧＰＳ（GlobalPositioning System：全地球測位システム）が設置されており、所定の軌道を周回する複数のＧＰＳ衛星６からの電波を受信することによって船舶１の現在位置が高精度に特定される。
【０００９】
従って、船舶１に設置されている超音波風速計２およびドップラーソーダ（音響観測レーダー）３の現在位置も高精度に特定される。
また、超音波風速計２あるいはドップラーソーダ３には、加速度計とジャイロで構成される慣性計測装置（ＩＭＵ：inertial measurement unit）、方位の測定を行うコンパス（磁気コンパス）および傾斜計が取り付けられている。
なお、超音波風速計とは、気流中を伝わる音波のドップラーシフトを利用して風速変動を測定する機器であり、ドップラーソーダとは音波を用いたリモートセンシング機器の一種であり、気流中の微少な温度変動により散乱される音波のドップラーシフトを利用して風速測定を行うものである。
【００１０】
船舶１に設置された超音波風速計２あるいはドップラーソーダ３によって所定位置（所望の空間領域）の風速・風向を測定する場合、船舶１が移動中であったり、揺動していると、超音波風速計２あるいはドップラーソーダ３自身も同時に移動し揺動している。
従って、超音波風速計２あるいはドップラーソーダ３の計測データに誤差が生じる。
図２は、本実施の形態による移動式水上風観測システムにおいて、移動体１の移動や揺動量を解析する方法を説明するためのブロックである。
図において、１０は慣性計測装置であり、３軸加速度計１１および３軸ジャイロ１２で構成されている。
また、２０はＧＰＳ、３０は姿勢を計測する傾斜計、４０は方位を計測する磁気コンパス（単にコンパスと略す）、５０はカルマンフィルタである。
【００１１】
図２に基づいて、移動あるいは揺動する船舶１に設置された超音波風速計２（図示せず）あるいはドップラーソーダ３（図示せず）の位置、方位、姿勢、加速度、角速度検出方法の説明を行う。
慣性計測装置１０（即ち、３軸加速度計１１および３軸ジャイロ１２）によって、X軸・Y軸・Z軸の加速度およびX軸・Y軸・Z軸まわりの角速度を計測する。
しかし、慣性計測装置１０の計測値は、ドリフト（即ち、入力回転とは無関係な静止状態での零点誤差）による誤差が発生するために、これらの計測値とＧＰＳ２０、傾斜計３０、コンパス４０による位置・方位・姿勢データからカルマンフィルタ５０を用いて誤差推定値を導き、得られた誤差推定値を用いて慣性計測装置１０が計測する計測値の逐次補正を行う。
以上によって、移動体に設置されている超音波風速計２あるいはドップラーソーダ３の位置、方位、姿勢、３軸の加速度、３軸の角速度を正確に検出する。
【００１２】
次に、風速補正方法の具体的な説明を行う。
超音波風速計２またはドップラーソーダ３に取り付けられた慣性計測装置１０における３軸加速度計１１の計測値から重力加速度を差し引いた加速度ベクトルを
【００１３】
【数１】
2005241441.tif 000003
【００１４】
とし、この加速度ベクトルを数値積分し、３軸の速度ベクトルを、
【００１５】
【数２】
2005241441.tif 000004
【００１６】
とする。
また、計測される姿勢データを、ロール角（α）、ピッチ角（β）、ヨー角（γ）とし、真の座標系の単位ベクトルを、
【００１７】
【数３】
2005241441.tif 000005
【００１８】
とし、超音波風速計またはドップラーソーダの座標系における単位ベクトルを、
【００１９】
【数４】
2005241441.tif 000006
【００２０】
とすると、この時の測風装置（即ち、超音波風速計２またはドップラーソーダ３）の座標系は、図３に示される。
ここで、超音波風速計２による生の計測値（即ち、補正前の計測値）のベクトルを、
【００２１】
【数５】
2005241441.tif 000007
【００２２】
とすると、超音波風速計２における真の風速ベクトル（即ち、補正後の風速ベクトル）は、
【００２３】
【数６】
2005241441.tif 000008
【００２４】
の式で導かれる。
一方、ドップラーソーダ３による生の風速計測値を
【００２５】
【数７】
2005241441.tif 000009
【００２６】
とし、音波送信時の移動体（即ち、ドップラーソーダ３）の速度計測データを、
【００２７】
【数８】
2005241441.tif 000010
【００２８】
とし、送信音波の後方散乱波受信時における移動体（即ち、ドップラーソーダ３）の速度計測データを、
【００２９】
【数９】
2005241441.tif 000011
【００３０】
とすると、ドップラーソーダ３における真の風速ベクトル（即ち、補正後の風速ベクトル）は、
【００３１】
【数１０】
2005241441.tif 000012
【００３２】
として導かれる。
なお、風速の３成分、即ち、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の風速ベクトルを合成することによって風向ベクトルを得ることができるので、上述の真の風速ベクトルを合成することにより、真の風向ベクトルも得ることが可能である。
また、上述の説明では、慣性計測装置１０の出力を補正する方式の場合について述べているが、図４に示すように誤差推定値を慣性計測値１０に帰還する方式であってもよい。
【００３３】
以上説明したように、本実施の形態による移動式水上風観測システムは、水上を移動可能な移動体（即ち、船舶１）に設置され、所望空間領域の風速・風向を測定する測風装置（即ち、超音波風速計２あるいはドップラーソーダ３）と、測風装置に取り付けられ、測風装置の位置および揺動量を測定する位置・揺動量測定装置（即ち、慣性計測装置１０、ＧＰＳ２０、傾斜計３０、コンパス４０等）と、位置・揺動量測定装置の測定結果に基づいて測風装置が測定する風速・風向データを補正する補正装置（図示なし）とを備えたものである。
これにより、船舶等の水上移動体に風観測設備を搭載していながら、水上移動体の位置・速度の変動や動揺よる測定誤差を補正することでき、高精度な風速・風向の測定が可能な移動式水上風観測システムを実現できる。
【００３４】
なお、測風装置として、超音波風速計２およびドップラーソーダ３の両方を備え、両者が測定する測風データ（風速および風向データ）をそれぞれ補正して、補正された風速データ・風向データを得てもよい。
この場合、両者の補正された風速データ・風向データを用いることにより、さらに精度のよい真の測風データを得ることができる。
【００３５】
また、基地局の風速計・風向計が計測する計測データを用いて、上記測風装置が稼働していない期間（時間）の風向・風速を推定してもよい。
この場合、例えば、基地局から得る計測データと移動体１に設置された測風装置が測定する風速・風向データを回帰分析して相関を得ることにより、基地局から得る計測データと得られた相関に基づいて、測風装置が稼働していない時間（期間）の風速・風向を推定することができる。
【００３６】
実施の形態２．
図５は、実施の形態２による移動式水上（例えば、洋上）風観測システムに用いられるドップラーソーダの揺動抑制装置の構成を示す図である。
本実施の形態による移動式水上風観測システムは、ドップラーソーダが揺動抑制装置に
載置され、移動体である船舶が揺動しても、ドップラーソーダの揺動が抑制されることを特徴とする。
図５に示すように、本実施の形態では、ドップラーソーダ７０は、固定台６０に取り付けられた第１の軸６１により符号Ａで示す方向に回動可能に支持され、かつ、固定台６０に取り付けられた第２の軸６２により符号Ｂで示す方向に回動可能に支持されている。
従って、移動体である船舶が揺動しても、ドップラーソーダ７０の揺動は抑制されるので、さらに、精度の高い移動式水上風観測システムを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
この発明は、船舶等の移動体の移動や揺動に起因する誤差が補正でき、精度の高い移動式水上風観測システムの実現に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による移動式水上風観測システムを概念的に説明するための図である。
【図２】実施の形態１による移動式水上風観測システムにおいて、移動体１の移動や揺動量を解析する方法を説明するためのブロックである。
【図３】測風装置の座標系を示す図である。
【図４】実施の形態１による移動式水上風観測システムにおいて、移動体１の移動や揺動量を解析する他の方法を説明するためのブロックである。
【図５】実施の形態２による移動式水上風観測システムに用いられるドップラーソーダの揺動抑制装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  移動体（船舶）        ２  超音波風速計        ３  ドップラーソーダ
４  メカ式風速・風向計    ５  ＧＰＳ              ６  ＧＰＳ衛星
１０  慣性計測装置        １１  ３軸加速度計      １２  ３軸ジャイロ
２０  ＧＰＳ              ３０  傾斜計            ４０  コンパス
【図１】
2005241441.tif 000013
【図２】
2005241441.tif 000014
【図３】
2005241441.tif 000015
【図４】
2005241441.tif 000016
【図５】
2005241441.tif 000017