(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナにより非静止衛星から受信した電波に基づき、大気の水蒸気分布を計測する大気計測システムにおいて、
衛星の軌道を計算し、各アンテナを衛星に向けるように指示し、且つ、アンテナの方向・位置及び衛星の軌道に起因する受信電波の到着時間差を計算する軌道予測計算機と、
前記軌道予測計算機からの指示に基づき衛星を捕捉し、その後衛星の追跡を行う第１及び第２アンテナと、
前記第１及び第２アンテナからの受信信号に基づき、それぞれ、第１及び第２受信データを出力する第１及び第２受信装置と、
複数の衛星位置での測定により、前記第１及び第２受信装置からの受信データを、前記軌道予測計算機により計算された到着時間差で補正して第１及び第２の補正受信データを計算し、さらに、天空上の各位置での第１及び第２の補正受信データの位相差を計算する相関処理装置と、
複数の衛星位置での測定により、前記相関処理装置で計算された位相差の時間変動に基づき、天球上の各位置での位相揺らぎを計算し、さらに、各測定で得られた位相ゆらぎを空間的に補間することにより、二次元の水蒸気分布を求めるデータ解析装置と、
を備えた大気測定システム。
【請求項２】
前記軌道予測計算機は、さらに、衛星の動きによる周波数のドップラーシフトを補正するためのドップラー補正用データを計算し、
前記第１及び２受信装置は、さらに、前記軌道予測計算機で計算されたドップラー補正用データに基づいて、受信データに対してドップラーシフト変化分を補正して出力するようにした
請求項１に記載の大気計測システム。
【請求項３】
前記相関処理装置は、前記第１及び第２受信装置からの受信データを乗じて、単位時間で積分することにより、到着時間差を正弦波振動の位相差として算出するようにした請求項１又は２に記載の大気計測システム。
【請求項４】
前記データ解析装置は、前記相関処理装置で計算された位相差に基づき、その平均からの揺らぎを計算することで、衛星の軌道毎の到着時間差の変動を求めるようにした請求項１乃至３のいずれかに記載の大気計測システム。
【請求項５】
前記データ解析装置は、さらに、到着時間差の時間的に一様な変化又は系統的な変化を計算した揺らぎから除くようにした請求項１乃至４のいずれかに記載の大気計測システム。
【請求項６】
前記データ解析装置により計算された水蒸気の二次元分布を可視表示する表示装置をさらに備えた請求項１乃至５のいずれかに記載の大気計測システム。
【請求項７】
第１及び第２のアンテナにより非静止衛星から受信した電波に基づき、大気の水蒸気分布を計測する大気計測方法において、
軌道予測計算機は、衛星の軌道を計算し、前記第１及び第２アンテナを衛星に向けるように指示し、
前記第１及び第２アンテナは、前記軌道予測計算機からの指示に基づき衛星を捕捉し、その後衛星の追跡を行い、
第１及び第２受信装置は、それぞれ、前記第１及び第２アンテナからの受信信号に基づき、第１及び第２受信データを出力し、
前記軌道予測計算機は、アンテナの方向・位置及び衛星の軌道に起因する受信電波の到着時間差を計算し、
相関処理装置は、複数の衛星位置での測定により、前記第１及び第２受信装置からの受信データを、前記軌道予測計算機により計算された到着時間差で補正して第１及び第２の補正受信データを計算し、さらに、天空上の各位置での第１及び第２の補正受信データの位相差を計算し、
データ解析装置は、複数の衛星位置での測定により、前記相関処理装置で計算された位相差の時間変動に基づき、天球上の各位置での位相揺らぎを計算し、さらに、各測定で得られた位相ゆらぎを空間的に補間することにより、二次元の水蒸気分布を求める
ようにした大気計測方法。
【請求項８】
前記軌道予測計算機は、さらに、衛星の動きによる周波数のドップラーシフトを補正するためのドップラー補正用データを計算し、
前記第１及び２受信装置は、さらに、前記軌道予測計算機で計算されたドップラー補正用データに基づいて、受信データに対してドップラーシフト変化分を補正して出力するようにした
請求項７に記載の大気計測方法。
【請求項９】
天球面内の衛星の軌道を複数の小領域に区切り、その小領域の中心又は重心を代表点として、複数の軌道に関しての各代表点での位相差を測定するようにした請求項７又は８に記載の大気計測方法。
【請求項１０】
非静止衛星からの受信信号として、無変調波、変調波又はこれら両電波の内、いずれかを用いることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の大気計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気計測システム及び方法に係り、特に、大気中の水蒸気及び雨滴の分布を、低高度軌道（高度数ｋｍ〜数１０００ｋｍ）あるいは中高度軌道（高度、数１０００〜１万ｋｍ程度）の地球周回軌道を回る衛星から放射される電波を利用して、簡便、かつ短時間で計測する大気計測システム及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、地表面から数ｋｍという低高度又は中高度における水蒸気や雨滴の分布を調べる方法としては、例えば、気象衛星により撮影された可視光画像あるいは赤外線画像を利用する方法、気象レーダーにより電波の反射波を計測する方法、気象観測機器を搭載した気球や飛行機などを飛ばして直接計測する方法、水蒸気ラジオメータにより大気からの電波放射量を計測する方法などがある。また、静止衛星からの電波を用い、受信強度の変化を監視する方法や複数のアンテナ間での到着時間差（到来時間差）を計測する方法などもある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の各方法では、目に見えない雲、すなわち水蒸気のかたまりが高層大気中の風によってどのように動いていくかを検出することは困難である場合が想定される。例えば、従来の測定技術のうち、気象衛星画像を利用する方法や気象レーダーによる方法は、主に雨滴成分の検出に適しているが、雨滴になる前の水蒸気成分の検出は難しい場合が想定される。また、気球や飛行機などによる直接計測では、水蒸気と雨滴の両方が検出可能であるが、測定点は検出器の周囲のみであり、広範囲の測定を行おうとすると長い時間を要する。また、水蒸気ラジオメータを用いる方法では、雨滴による吸収水蒸気と雨滴の両方を検出することができるが、両者の分離が困難である。
【０００４】
ここで、水蒸気成分と雨滴成分の寄与を分離することができるようにした差動ラジオメータが提案されている。しかしながら、この差動ラジオメータを用いた場合でも雨滴成分が多いときには水蒸気成分の検出が非常に困難である場合が想定される。また、静止衛星の電波を複数のアンテナで受信して到着時間差を測る方法は、水蒸気成分の変動に対して高い感度を有しているが、天球上で電波源の位置が固定されているため、広範囲の測定を行うことは困難である。
【０００５】
本発明の目的のひとつは、以上の点に鑑み、地上から低高度乃至中高度における大気の流れを広範囲、高精度かつ簡便に検出する大気計測システム及び方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、水滴へと成長する前の水蒸気の分布を高感度で捉えることができる大気計測システム及び方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、水蒸気成分の変動に対して高い感度を有している衛星電波の到着時間差を、非静止型の衛星の信号を用いて測定する方法に拡張した。本発明では、静止衛星のビーコン電波の代わりに、非静止型衛星が出力するビーコン波、下りのユーザーリンク信号（顧客用信号）、下りのフィーダリンク信号（管制用信号）等の無変調波及び／又は変調波を用いる。これにより、従来の方法では衛星の位置が天球上で一定であるために行うことができなかった広範囲の水蒸気分布の計測を行うことが可能となる。また、非静止衛星としては、近年、急速に発展してきた衛星通信用の低軌道地球周回衛星システムあるいは中軌道地球周回衛星システムに用いられる衛星群を使用する。この衛星群は、常に天球上に1機ないし複数機の衛星が見えており、また、それらが天球上を高速に移動していくことから、広範囲の水蒸気分布の計測を短時間で実現できる。
【０００７】
本発明の第１の解決手段によると、
複数のアンテナにより非静止衛星から受信した電波に基づき、大気の水蒸気分布を計測する大気計測システムにおいて、
衛星の軌道を計算し、各アンテナを衛星に向けるように指示し、且つ、アンテナの方向・位置及び衛星の軌道に起因する受信電波の到着時間差を計算する軌道予測計算機と、
前記軌道予測計算機からの指示に基づき衛星を捕捉し、その後衛星の追跡を行う第１及び第２アンテナと、
前記第１及び第２アンテナからの受信信号に基づき、それぞれ、第１及び第２受信データを出力する第１及び第２受信装置と、
複数の衛星位置での測定により、前記第１及び第２受信装置からの受信データを、前記軌道予測計算機により計算された到着時間差で補正して第１及び第２の補正受信データを計算し、さらに、天空上の各位置での第１及び第２の補正受信データの位相差を計算する相関処理装置と、
複数の衛星位置での測定により、前記相関処理装置で計算された位相差の時間変動に基づき、天球上の各位置での位相揺らぎを計算し、さらに、各測定で得られた位相ゆらぎを空間的に補間することにより、二次元の水蒸気分布を求めるデータ解析装置と、
を備えた大気測定システムを提供する。
【０００８】
本発明の第２の解決手段によると、
第１及び第２のアンテナにより非静止衛星から受信した電波に基づき、大気の水蒸気分布を計測する大気計測方法において、
軌道予測計算機は、衛星の軌道を計算し、前記第１及び第２アンテナを衛星に向けるように指示し、
前記第１及び第２アンテナは、前記軌道予測計算機からの指示に基づき衛星を捕捉し、その後衛星の追跡を行い、
第１及び第２受信装置は、それぞれ、前記第１及び第２アンテナからの受信信号に基づき、第１及び第２受信データを出力し、
前記軌道予測計算機は、アンテナの方向・位置及び衛星の軌道に起因する受信電波の到着時間差を計算し、
相関処理装置は、複数の衛星位置での測定により、前記第１及び第２受信装置からの受信データを、前記軌道予測計算機により計算された到着時間差で補正して第１及び第２の補正受信データを計算し、さらに、天空上の各位置での第１及び第２の補正受信データの位相差を計算し、
データ解析装置は、複数の衛星位置での測定により、前記相関処理装置で計算された位相差の時間変動に基づき、天球上の各位置での位相揺らぎを計算し、さらに、各測定で得られた位相ゆらぎを空間的に補間することにより、二次元の水蒸気分布を求める
ようにした大気計測方法を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に関する大気計測システム１００の概略構成図である。
大気計測システム１００は、例えば、第１衛星追跡アンテナ１０、第１受信装置１５、第２衛星追跡アンテナ２０、第２受信装置２５、軌道予測計算機３０、基準信号源３５、相関処理装置４０、データ解析装置５０、衛星６０、記憶装置７０及び出力装置８０を含む。また、記憶装置７０は、例えば、第１データファイル７１及び第２データファイル７２を及び第３データファイル７３含む。なお、衛星６０は、例えば、地球の周回軌道を低高度（高度数ｋｍ〜数１０００ｋｍ）乃至中高度（高度、数１０００ｋｍ〜１万ｋｍ程度）で回る非静止型衛星であって、ビーコン信号を放射している。
【００１０】
第１衛星追跡アンテナ１０及び第２衛星追跡アンテナ２０は、非静止型衛星６０からのビーコン電波を受信するためのアンテナである。各アンテナ１０、２０は、例えば、距離ｄだけ離して設置される。この距離ｄは、検出したい大気構造の大きさにより変えることになる。この距離ｄは、一例を示すと通常は１００ｍ程度とすることができるが、この距離は適宜設定しうる。なお、各アンテナ１０、２０は、この例では、同一規格であって衛星６０の動きを追跡する。第１及び第２受信装置１５、２５は、各アンテナ１０、２０に接続され、さらに、有線又は無線で相関処理装置４０と接続される。第１受信装置１５及び第２受信装置２５は、衛星電波（ビーコン波）の受信機であって、例えば、受信信号を増幅・周波数変換し、計算機に取り込める信号に変換して出力する。
【００１１】
基準信号源３５は、第１受信装置１５及び第２受信装置２５を同期して動作させるための同期信号を生成する。基準信号源３５は、例えば、有線又は無線で第１及び第２受信装置１５、２５と接続されており、第１受信装置１５及び第２受信装置２５を同期して動作させる。ここで、各アンテナ１０、２０で受信した信号間の到着時間差（到来時間差、遅延）を求めるためには、例えば、第１受信装置１５及び第２受信装置２５に含まれる周波数変換で使用する局部発振信号が基準信号に同期している必要がある。
【００１２】
軌道予測計算機３０は、例えば、衛星の位置・動きについてのデータを予め保持し、そのデータに基づき、アンテナ１０、２０の方位の指示と衛星６０の動きによる受信周波数変化（ドップラーシフト）及び到着時間差の変化の補正のためのデータを計算する。軌道予測計算機３０は、また、衛星６０の軌道を計算し、各アンテナ１０、２０を向ける方向を指示する。また、軌道予測計算機３０は、衛星６０の動きによる周波数変化と電波到着時間差の変化の補正量を求める。相関処理装置４０は、例えば、第１及び第２受信装置１５、２５で受信した信号と軌道予測計算機３０からのデータに基づき、衛星電波の到着時間差を求める。データ解析装置５０は、例えば、測定した到着時間差から大気中の水蒸気分布を推定し、可視化を行う。データ解析装置５０は、例えば、二次元の水蒸気分布を計算する。記憶装置７０は、第２受信装置１５、２５、相関処理装置４０、軌道予測計算機３０等の各装置から各ファイルのデータを読出し／書込みすることができる。出力装置８０は、例えば、データ解析装置５０により計算された水蒸気の２次元分布を適宜の表示装置、記録媒体又は他の装置に出力する。
【００１３】
図２は、本発明に関する大気計測システム１００のフローチャートである。
軌道予測計算機３０は、例えば、衛星６０の軌道を計算（地平線からの出現から地平線への没入まで）する（Ｓ１０１）。この際、軌道予測計算機３０は、各アンテナ１０、２０に対して、計算した衛星６０の地平線からの出現位置の方向に、アンテナ１０、２０を向けるように指示する。各アンテナ１０、２０は、ステップＳ１０１で軌道予測計算機３０により指示されたように、衛星６０の出現位置へアンテナを向け、衛星６０を待ち受ける（Ｓ１０３）。つぎに、各アンテナ１０、２０は、衛星６０が出現したか否かを判定し（Ｓ１０５）、衛星６０が出現した後、各アンテナ１０、２０は、この衛星６０の追跡を行い、第１及び第２受信装置１５、２５は、衛星６０から送信される信号（例えば、ビーコン波、下りのユーザーリンク信号（顧客用信号）、下りのフィーダリンク信号（管制用信号）等の無変調波、変調波、あるいは、これら両方の電波）の受信を開始して、それを連続的に受信する（Ｓ１０７）。
【００１４】
軌道予測計算機３０は、ステップＳ１０７で各アンテナ１０、２０が追跡した衛星６０の動きによる周波数のドップラーシフトによる変化分を補正するためのドップラ補正用データを計算し、それを第１及び２受信装置１５、２５へ与える。第１及び２受信装置１５、２５は、ドップラ補正用データに基づいて、ビーコン信号のドップラーシフト変化分の補正を行う（Ｓ１０９）。第１及び第２受信装置１５、２５は、ここでは、受信周波数の同調をドップラーシフトの周波数分調整することで、ドップラ補正を行うことができる。さらに、軌道予測計算機３０は、衛星６０とアンテナ１０、２０との位置・角度を考慮して、両アンテナ１０、２０から受信した信号の到着時間差を計算する（Ｓ１１１）。なお、これらのステップＳ１０９、Ｓ１１１の処理は、相関処理装置４０内で行うことも可能である。また、アンテナ１０、２０の間隔が比較的短い場合、ドップラーシフトの差は無視できる場合がある。この場合、ドップラーシフトの補正処理（Ｓ１０９）は省略するようにしてもよい。
【００１５】
第１及び２受信装置１５、２５は、それぞれ、ステップＳ１０９でドップラ補正処理を行った第1及び第２の受信信号（この処理を省略した場合は、そのままの第1及び第２の受信信号）を、有線又は無線で相関処理装置４０に送信する。また、軌道予測計算機３０は、ステップＳ１１１で計算した衛星の動き自体に起因する到着時間差を、データ相関処理装置４０に送信する。相関処理装置４０は、第１及び第２受信装置１５、２５からの第1及び第２の受信信号を、軌道予測計算機３０からの到着時間差データで補正する。相関処理装置４０は、その補正された第１及び第２受信データを、軌道予測計算機３０により予め計算された天球上での衛星６０の測定時間ごとの位置に関するデータ（衛星識別子、衛星６０の方位角、仰角）と、測定時間データ（時間）等に対応して第１データファイル７１を作成し、それを記憶装置７０の第１データファイル７１に記憶する（Ｓ１１３）。到着時間差は、第１の原因として、衛星６０の動きにより衛星６０と各アンテナ１０、２０間の距離差が変わることにより変化する。また、到着時間差は、第２の原因として、衛星６０の動きにより衛星６０と各アンテナ１０、２０間の電波の伝播経路が変化し、伝播経路中にある大気の水蒸気量の場所ごとの揺らぎを反映して変化する。第１の原因による到着時間差の変化は、各測定時間ごとの衛星の位置を軌道要素などを用いて推定し、引き去ることができる。このようにすると、第２の原因による到着時間差の変化のみが残ることになる。
【００１６】
図３は、第１データファイル７１の説明図である。第１データファイル７１は、例えば、衛星識別子、時間、衛星の方位角、衛星の仰角、第１受信データ、第２受信データを含む。ここでは、ある衛星６０の各測定時間毎の位置を示すための汎用性のある位置データは、「衛星の方位角」「衛星の仰角」で表されている。なお、この例では、第１データファイル７１の形式は、各受信データ（サンプルごと）に対して、時間、衛星の方位角、仰角が付加されているが、データは、例えば数万サンプル／秒であるので、各サンプルに付加データ（時間、衛星の方位角、仰角）が付くとその処理およびデータ量も膨大になる。そこで、データをブロック化し（例えば１秒ごとのブロック）、各ブロックの先頭に時間、衛星の方位角、仰角を付加するようにしてもよい。そして、データを処理した後（例えば相関処理後）で時間、衛星の方位角、仰角が必要なときはブロックの先頭の情報を元にして一次関数等の関数による補間計算により求めることができる。
【００１７】
つぎに、アンテナ１０、２０は、衛星６０が地平線へ没入したか否かを判定する（Ｓ１１５）。ここで、衛星６０が没入していない場合、再びステップＳ１０９へ戻り、以降ステップＳ１１１、Ｓ１１３を繰返し、第１データファイル７１へデータを追加する。一方、ステップＳ１１５で衛星６０が没入した場合、測定した衛星６０の数が所要数を満たすか否かを判定する（Ｓ１１７）。ここで、所要数を満たさない場合、再びステップＳ１０１へ戻り、以上の処理を、出現する衛星ごとに繰り返す。
【００１８】
つぎに、ステップＳ１１７で測定した衛星６０の数が所要数を満たす場合、相関処理装置４０は、ステップＳ１１３で作成された第１データファイル７１を読み出し、さらに、第１及び２受信装置１５、２５からの補正処理を行った受信データに対して、単位時間ごと（たとえば、０．１秒ごと）の信号間の到着時間差を計算する（Ｓ１１８：詳細は後述）。また、受信した信号が、無変調波（例えば、正弦波振動をする信号）の場合は、第１衛星追跡アンテナ１０と第２衛星追跡アンテナ２０の受信信号を掛け算し、単位時間積分することにより、到着時間差を正弦波振動の位相差という量として求めることができる。一方、受信した信号が、変調波の場合又は無変調波と変調波の両電波の場合にも、受信した信号は正弦波を重畳した信号なので、無変調波と同様の方法で、それらの平均として位相差という量を求めることができる。
【００１９】
データ解析装置５０は、記憶された到着時間差データ及び天球上での衛星位置データに基づいて、天球上の各位置での水蒸気分布・位相揺らぎ（水蒸気分布の揺らぎ）を計算する（Ｓ１１９：詳細は後述）。例えば、水蒸気分布は、到着時間差の時間変動を時間積分することにより求められる。データ解析装置５０は、上述のような複数の衛星位置による複数回の測定により、天球上で異なる軌道に対応する水蒸気分布が求められるので、各測定で得られた結果を空間的に補間することにより、二次元の水蒸気分布を求める（Ｓ１２１：詳細は後述）。
【００２０】
以下、上述のステップＳ１１９及びＳ１２１の処理について、具体的に説明する。
（相関処理装置４０における到着時間差の算出：Ｓ１１８について）
図４は、観測点から見上げたときの空（天球面）を示す図である。
天球面は、例えば、図中、大きな円で示した地平線６００と、地平線６００に囲まれた天球面内に太い実線で示した衛星６０の軌道６０１、６０２とを含む。また、軌道６０２は、例えば、複数の小区間（図中、楕円で示した領域）６０３に区切られる。この小区間６０３の（略）中心又は重心には、偏差の代表点６０４が示されている。相関処理装置４０は、この小区間６０３毎に衛星６０から放射された電波が２台のアンテナ１０、２０に到着する時間の差（位相差）を測定する。
【００２１】
図５は、大気計測システム１００における相関処理装置４０での処理を示す説明図である。
まず、第１衛星追跡アンテナ１０および第２衛星追跡アンテナ２０で受信した衛星６０のビーコン電波ｓ１（ｔ）、ｓ２（ｔ）は、信号の強度をＡ１及びＡ２、位相をΦ１（ｔ）及びΦ２（ｔ）、周波数をｆとして、
ｓ１（ｔ）＝Ａ１・sin（２πｆｔ＋Φ１（ｔ））      （１）
ｓ２（ｔ）＝Ａ２・sin（２πｆｔ＋Φ２（ｔ））      （２）
というように正弦波信号として表すことができる。ここで、ｔは時間である。なお、厳密には各アンテナ１０、２０で衛星６０の動きによるドップラーシフトの量が異なるが、アンテナ１０とアンテナ２０の距離が所定範囲（例えば、１００ｍ程度）のときは、２台の各アンテナ１０、２０の間でも衛星６０の動きによるドップラーシフトはほぼ同じなので、受信周波数が２台の各アンテナ１０、２０で同じとしてもその影響は無視できる。
【００２２】
ここで、位相Φ１（ｔ）及びΦ２（ｔ）は、衛星６０とアンテナ１０、アンテナ２０のまでの距離をそれぞれｒ１、ｒ２、電波の伝播速度をｖ１、ｖ２（ｖ１≒ｖ２≒光の速度）とすると、
Φ１（ｔ）＝２πｆ・ｒ１／ｖ１＝２πｆτ１      （３）
Φ２（ｔ）＝２πｆ・ｒ２／ｖ２＝２πｆτ２      （４）
というように表される。なお、τ１、τ２は、衛星６０から放射された電波がアンテナ１０およびアンテナ２０に到達するまでにかかる時間(伝播時間)である。
これらの信号の相互相関結果をｃ（ｔ）とすると、次式（５）が成り立つ。
【００２３】
【数１】
0003733330.tif 000002
【００２４】
すなわち、２つの信号の積をとり、時間Ｔで平均したものとして与えられる。（１）式と（２）式を（５）式に代入し、平均時間Ｔが受信周波数の逆数１／ｆに比べて十分に長いとすると、次式（６）が成り立つ。
【００２５】
【数２】
0003733330.tif 000003
【００２６】
となる。ここで、ΔΦ（ｔ）は相互相関位相であり、ΔΦ（ｔ）＝Φ２（ｔ）−Φ１（ｔ）＝２πｆ（τ１−τ２）である。衛星の動きによる到着時間差の変化分を補正すると、τ１−τ２は「衛星６０からアンテナ１０を結ぶ伝播路上にある水蒸気などの揺らぎによる伝播時間の揺らぎ」と「衛星６０からアンテナ２０を結ぶ伝播路上にある水蒸気などの揺らぎによる伝播時間の揺らぎ」の差を表しており、位相差ΔΦ（ｔ）もそれに比例した量になっている。なお、（５）式のｃ（ｔ）から直接ΔΦ（ｔ）をもとめることはできないので、アンテナ２０の受信信号を９０度位相をずらした信号である、
ｓ２´（ｔ）＝Ａ２・sin（２πｆｔ＋Φ２（ｔ）＋π／２）＝Ａ２・cos（２πｆｔ＋Φ２（ｔ））
を取り出し、これと（１）式との相互相関を計算する。これにより、次式（７）が成り立つ。
【００２７】
【数３】
0003733330.tif 000004
【００２８】
つぎに、（６）式と（７）式から、次式（８）として求める。
ΔΦ（ｔ）＝tan−１（ｃ´（ｔ）／ｃ（ｔ））      （８）
【００２９】
図６は、大気計測システム１００における相関処理装置４０での処理を主に示すフローチャートである。なお、ここでは、上述のアンテナ１０とアンテナ２０との位相差ΔΦ（ｔ）を算出する際に用いた各数式と対応させて説明する。
まず、相関処理装置４０は、上述のｃ（ｔ）とｃ´（ｔ）との初期化を行う（Ｓ２０１）。すなわち、ｃ（ｔ）＝０、ｃ´（ｔ）＝０とする。つぎに、第１受信装置１５は、アンテナ１０で衛星６０からのビーコン電波ｓ１（ｔ）を第１データファイル７１から読出す（Ｓ２０３）。また、第２受信装置２５は、アンテナ２０で衛星６０からのビーコン電波ｓ２（ｔ）を第１データファイル７１から読出す（Ｓ２０７）。
【００３０】
つぎに、相関処理装置４０は、ステップＳ２０５、Ｓ２０９で読出したデータを、次式に基づいて、それぞれｃ（ｔ）、ｃ´（ｔ）を算出する（Ｓ２１１）。
ｃ（ｔ）＝ｃ（ｔ）＋ｓ１（ｔ）・ｓ２（ｔ）
ｃ´（ｔ）＝ｃ´（ｔ）＋ｓ１（ｔ）・ｓ´２（ｔ）
【００３１】
ここで、相関処理装置４０は、算出したデータ数が所要数を満たすか否かを判定する（Ｓ２１３）。ここで、所要数を満たさない場合、相関処理装置４０は、再びステップＳ２０３、２０７へ戻り、データ読込み、算出処理を繰返す。一方、ステップＳ２１３で所要数を満たす場合、相関処理装置４０は、ステップＳ２１１で算出したｃ（ｔ）、ｃ´（ｔ）を、データ数で割ることにより、ｃ（ｔ）、ｃ´（ｔ）のそれぞれの平均を求める（Ｓ２１５）。つぎに、ステップＳ２１５で算出したｃ（ｔ）、ｃ´（ｔ）のそれぞれの平均に基づいて、（８）式に従い位相差
ΔΦ（ｔ）を求める（Ｓ２１７）。
【００３２】
図７に、第２データファイル７２の説明図を示す。この例では、衛星識別子、時間、衛星の方位角、衛星の仰角、位相差Φ（到着時間差）、ゆらぎσΦを含む。ここでは、相関処理装置４０は、ゆらぎσΦ以外のデータを第２データファイルに書込む。
【００３３】
（データ解析装置５０における位相揺らぎ（水蒸気分布の揺らぎ）の算出：Ｓ１１９について）
データ解析装置５０は、第２データファイル７２を参照し、小領域ごとに代表点に対応して、読み出した位相差Φに基づき、さらに到着時間差の変化（例えば、偏差σΦ（ｔ））を算出する。
ここで、到着時間差の変化を示す偏差σΦ（ｔ）について説明する。
【００３４】
ステップＳ１１９の処理では、大気中の水蒸気の局所的な不均一さを検出することを目指しているので、測定量（到達時間差）から到着時間差の系統的な変化（たとえば、時間の経過に対する一様な増加あるいは減少）を引き去った後、平均からのゆらぎ（すなわち、標準偏差）を求める。ここで、系統的な変化は、例えば、水蒸気、空気の層により生じて、衛星６０が出現してから没入するまでの間に測定される大きな変動のことである。この変動は、ハイパスフィルタ等により補正された信号を所定周波数以上パスさせることで除いたり、所定の１次、２次、３次式等の近似式を用いて除いたりすることができる。標準偏差を、衛星６０の軌道６０２の小区間６０３ごとに求めるようにすると、この量は天球上の局所的な部分における水蒸気量等の空間的なゆらぎに対応している（参考文献：G.Brussaard and P.A. Watson, "Atmospheric modelling and millimetre wave propagation, Chapman & Hall, 1995のp.54の記述など）。
【００３５】
以上のような操作を衛星６０の軌道６０１、６０２に沿って、また、さまざまな衛星の軌道に沿っておこなうと、天球上（二次元空間）のさまざまな場所での水蒸気量等の空間的なゆらぎが得られる。
到着時間差のゆらぎσΦ（ｔ）は、相互相関位相ΔΦ（ｔ）の揺らぎと等価なので、相互相関位相ΔΦ（ｔ）のゆらぎは、次式（９）より算出される。
【００３６】
【数４】
0003733330.tif 000005
【００３７】
ここで、Ｔはデータを平均する区間であり、観測点から見た衛星６０の天球上での角移動速度をｕ［radian/sec］、二次元画像の所要解像度をΔθとすると、Ｔ＝Δθ／ｕ
によって与えられる。なお、所要解像度をあまり小さく取るとデータの信頼度が下がるので、最適な値、範囲が存在する（例えば、Δθ＝１[deg]程度）。この値又は範囲は、アンテナの位置、気象条件、地域、気候等により予め適宜定めることができる。データ解析装置５０は、第２データファイル７２の該当エリアに、ゆらぎσΦを書込む。
【００３８】
図８は、相互相関位相ΔΦ（ｔ）と、相関位相のゆらぎσΦ（ｔ）との対応関係を示す図である。
相互相関位相ΔΦ（ｔ）は、例えば、上述した（６）式、（７）式を用いて算出されるものであり、横軸を時間ｔとし、さらに、横軸は、データを平均するための区間であるＴ時間毎に区切られている。なお、衛星６０は、軌道６０２に含まれる複数の小区間６０３をＴ時間で移動することになる。また、相関位相のゆらぎσΦ（ｔ）は、例えば、上述した（９）式を用いて算出されるものであり、横軸を時間ｔとし、さらに、縦軸には、小区間６０３に含まれる偏差の代表点６０４に対応した位置での値（図中、○印）が示されている。
【００３９】
（データ解析装置５０における水蒸気の二次元分布の算出：Ｓ１２１について）
図９は、水蒸気の二次元分布図を作成する際の天球面を示す図である。
天球面は、例えば、地平線６００、測定の代表点（図中、○印）６１０、衛星の軌道（図中、○印を含む実線）６３０、格子の交点６２０を含む。格子の交点６２０は、例えば、上述の補間処理を用いて、二次元分布を求める点である。
【００４０】
天球上での水蒸気量等の空間的なゆらぎの測定点の分布は一様ではなく、衛星６０の軌道に沿った部分に局在している。二次元分布図を作るためには、まず、天球面を格子状に区切り、データ解析装置５０は、第２データファイル７２に記憶されたデータを読み出し、位置データを格子状の２次元座標に変換して第３データファイルを作成し記憶する。さらに、データ解析装置５０は、第２データファイルを読み出し、記憶された測定の代表点６１０のゆらぎの値等のデータから格子の交点６２０でのゆらぎの値を推定する。この処理は、二次元補間アルゴリズムにより行う。補間法としては、例えば、二次元空間でのスプライン補間法、キュービックコンボリューション法などの汎用のアルゴリズムを使うことができる。
【００４１】
図１０は、第３データファイルの説明図を示す。この例では、Ｘ、Ｙ座標に対するゆらぎが記憶される。
なお、上述の大気計測システム１００では、２つのアンテナ（第１衛星追跡アンテナ１０と第２衛星追跡アンテナ２０）を用いて衛星６０を追跡しているが、アンテナの数は、これに限られず、更に多くのアンテナを用いることもできる。これにより、測定精度、測定効率を上げることができる。また、本発明の応用として、まだ雲の動きとして捉えることができない気象前線最先端部の大気の乱れなどを詳細に検出し、気象災害のより早い予測に利用できることも期待できる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によると、以上説明した通り、地上から高度数ｋｍの高度における大気の流れを広範囲、高精度かつ簡便に検出することができる。また、本発明は、水滴へと成長する前の水蒸気の分布を高感度で捉えることができる。また、本発明は、従来の高層大気状態の測定法に比べて、簡便かつ安価な方法で上層の大気の様子を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関する大気計測システム１００の概略構成図。
【図２】本発明に関する大気計測システム１００のフローチャート。
【図３】第１データファイル７１の説明図。
【図４】観測点から見上げたときの空（天球面）を示す図。
【図５】大気計測システム１００における相関処理装置４０での処理を示す説明図。
【図６】大気計測システム１００における相関処理装置４０での処理を主に示すフローチャート。
【図７】第２データファイル７２の説明図。
【図８】相互相関位相ΔΦ（ｔ）と、相関位相のゆらぎσΦ（ｔ）との対応関係を示す図。
【図９】水蒸気の二次元分布図を作成する際の天球面を示す図。
【図１０】第３データファイルの説明図。
【符号の説明】
１０  第１衛星追跡アンテナ
１５  第１受信装置
２０  第１衛星追跡アンテナ
２５  第２受信装置
３０  軌道予測計算機
４０  相関処理装置
５０  データ解析装置
６０  衛星
７０  記憶装置
７１  第１データファイル
１００  大気計測システム
【図１】
0003733330.tif 000006
【図２】
0003733330.tif 000007
【図３】
0003733330.tif 000008
【図４】
0003733330.tif 000009
【図５】
0003733330.tif 000010
【図６】
0003733330.tif 000011
【図７】
0003733330.tif 000012
【図８】
0003733330.tif 000013
【図９】
0003733330.tif 000014
【図１０】
0003733330.tif 000015