JP5537944B2 - 大気中乱気流位置測定システムおよび方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は概ね航空機安全対策に関し、より詳細には乱気流の位置を測定するためのシステムに関する。

背景
晴天乱気流（ＣＡＴ）は、ジェット気流の位置、対流圏界面（ｔｒｏｐｏｐａｕｓｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ）の位置、激しい雷雨を含む局地的な厳しい気象の位置、および山岳地帯の位置を含む多数の異なる要因により、典型的なジェット機巡航高度において発生する。しかしながら、晴天乱気流現象はすべて共通に１つのことを有する。すなわち、その現象は晴天の大気中で発生し、今のところ、航空機が一旦乱気流領域に入ってしまったら、飛行高度を操作または変更する意外にこれらの現象を回避する方法はほとんどないということである。

乱気流（特にＣＡＴ）は、空の旅にとっては深刻な心配事である。航空会社によっては、予測または予め発見された乱気流の領域を回避するために強力な対策をとり、ときには乱気流を回避するために多くの余分な距離を飛行することもある。当該国の多くのエリアにおいては、航空会社が別の経路に切り替えるのに有効な選択肢の数は、空域収容能力または航空交通制御システム規制により制限される。乱気流の識別を向上させるのに多くの努力が払われているが、これらの努力は、１つ以上のフライトが荒れた大気内を飛行した後になって初めて有用であり、それらは常時空域をスキャンする方法を提供するものではない。今のところ、航空機が回避的行動をとるのに間に合うようにＣＡＴを検出するための、手ごろで信頼し得る方法がない。

ＣＡＴの問題点は、それが雲などの粒子状物質が存在しない晴天の大気中で発生することである。乱気流を検出する多くの既存の方法は、大気中の粒子状物質（水蒸気、塵など）の存在に依存しており、これは航空機（商用、軍用または無人飛行体（ＵＡＶ））が飛行することが可能な巡航高度におけるＣＡＴの検出に関しては役に立たない。例えば、定期航空機が飛行する高度の晴天の大気では、ＣＡＴは、大気中の粒子を頼りとするドップラーレーダまたはライダーシステムに対しては検出不可能なことが多い。

これまでの研究では、ＧＰＳ信号のシンチレーションを使用してＣＡＴを検出することが技術的に実行可能であることを示している。しかしながら、こうしたこれまでの方法は、ＧＰＳ受信機からの範囲に対して、乱気流を正確に位置付けるという問題を解決することはできなかった。従来方法は、単に信号の経路に沿った（衛星への見通し線に沿った）どこかにある乱気流の存在を判定することしかできなかった。他の評価される方法は、高価または重すぎて、航空機上に設置するには実用的でない。

従って、ＣＡＴを検出するための費用効率の高いシステムまたは方法を有し、航空機が乱気流領域の中を通る前に乱気流の範囲および高度をより正確に特定することによって航空交通量システム能力を高めることが望ましい。さらに、本システムおよび方法により、航空交通システムおよびオペレータは、これらの乱気流領域を回避するためにより正確にプランを立てることが可能となることが望ましい。

本発明の実施形態の他の望ましい特色および特徴は、添付図面ならびに前述の技術分野および背景と併せて、後に続く詳細な説明および添付請求項から明らかになるであろう。

簡単な要約
アンテナプラットフォームから大気乱気流までの範囲を計算するためのシステムおよび方法が開示される。方法は、第１のアンテナから、第１のアンテナと一定の距離で離された第２のアンテナへの干渉パターンの伝搬における時間シフトに対応する相関ラグ値を決定する。相関ラグ値とアンテナ距離間隔に基づいて、方法はアンテナプラットフォームから大気乱気流への範囲を計算して、その範囲を示す警告を発する。

方法は、第１のアンテナにおいて、第１のシリーズの干渉パターン振幅／位相をサンプリングして第１の振幅／位相パターンを取得し、第２のアンテナにおいて第２のシリーズの干渉パターン振幅／位相をサンプリングして第２の振幅／位相パターンを取得することにより、相関ラグ値を決定する。方法はその後、時間ラグのシーケンスにおける第１および第２のシリーズの干渉パターン振幅／位相の間の時間的相関係数を計算して、各時間ラグにおいて振幅／位相パターンがどの位十分一致しているかを決定する。方法は、振幅／位相パターンが最も緊密に一致している計算された時間的相関係数の最高値に対応する時間ラグを選択する。最高相関を有する時間ラグの値が相関ラグ値である。

相関ラグ値および、第１のアンテナから第２のアンテナまでのアンテナ距離間隔を使用して、乱気流領域までの範囲を計算する。乱気流領域までの範囲を示す警告が発せられ得る。

本明細書で説明される本発明の種々の例示的実施例は、以下のシナリオに対して適応するように乱気流領域の範囲を計算する：すなわち、アンテナプラットフォームは静止しているか移動しているかおよび／または乱気流領域は静止しているか移動しているかどうか、アンテナプラットフォームは衛星の見通し線上にあるかどうか、またはアンテナは水平方向および／もしくは垂直方向に離されているかどうかである。

本明細書で説明される技術は、乱気流領域の位置（範囲および高度）をより正確に測定することにより、航空交通システム能力を向上させ、航空交流システムプロバイダおよびオペレータがこれらの乱気流領域を回避するためにより正確にプランを立てるための手段を提供することができる。

図面の簡単な説明
以下の図と併せて考察する際に、詳細な説明および請求項を参照することにより、本発明のさらに完全な理解を引き出し得る。尚、すべての図を通して同じ参照番号は同様の素子を示す。

図１は大気中乱気流を位置付けるための環境の概略図である。 図２は大気中乱気流を位置付けるように構成されたシステムの概略図である。 図３は大気中乱気流を位置付けるための処理を図示するフローチャートである。 図４は大気中乱気流を位置付けるための別の処理を図示するフローチャートである。 図５は各アンテナにおいてサンプリングされる振幅パターンの例を図示する。 図６は時間的相関係数対相関ラグ値の例を図示する。 図７は乱気流までの種々の範囲に対する相関ピークを図示する。

詳細な説明
以下の詳細な説明は本質的に一例にすぎず、本発明の実施形態またはかかる実施形態の用途および使用を限定することを意図しない。さらに、前述の技術分野、背景、簡単な要約または以下の詳細な説明において呈示されるいかなる明示的または暗示的理論にも制約されることを意図しない。

本発明の実施形態は、本明細書では機能的および／または論理的ブロック構成要素および種々の処理工程の観点から説明され得る。かかるブロック構成要素は、指定された機能を実行するように構成された任意の数のハードウェア、ソフトウェアおよび／またはファームウェア構成要素により実現され得ることは理解されるべきである。例えば、本発明の実施形態は、種々の集積回路構成要素、例えば、１つ以上のマイクロプロセッサまたは他の制御装置の制御の元で多様な機能を実施し得る、メモリ素子、デジタル信号処理素子、論理素子、ルックアップテーブルなどを採用し得る。加えて、本発明の実施形態は、任意の数の通信システムおよび任意の数のプラットフォームと連動して実施され、また本明細書で説明されるシステムは本発明の単に１つの例示的実施形態であることを当業者は理解するであろう。

簡潔さを期すために、信号処理、データ伝達、信号伝達、測定およびシステムの他の機能的側面（およびシステムの個々の動作構成要素）に関する従来技術は、本明細書では詳細に説明され得ない。さらに、本明細書に含まれる種々の図に示される接続回線は、種々要素間の例示的な機能的関係および／または物理的連結を表すように意図される。なお、本発明の実施形態では多くの代替もしくはさらなる機能的関係または物理的接続が存在し得る。

以下の説明は、共に「接続される」または「連結される」素子もしくはノードまたは特色を示す。本明細書で使用されるように、別途明示的に述べられる以外は、「接続される」は１つの素子／ノード／特色が別の素子／ノード／特色に直接結合される（または直接連通する）が、必ずしも機械的ではないことを意味する。同様に、別途明示的に述べられる以外は、「連結される」は１つの素子／ノード／特色が別の素子／ノード／特色に直接もしくは間接的に結合される（または直接もしくは間接的に連通する）が、必ずしも機械的ではないことを意味する。従って、図１に図示される環境および図２に示される概略は素子の例示的配置を描いているが、本発明の実施形態ではさらなる介在素子、装置、特色または構成要素が存在し得る（回路の機能性に悪影響を及ぼさないことを前提にして）。

ほとんどの大気圏乱気流では、タービュール（ｔｕｒｂｕｌｅ）と呼ばれる空気のセルが、異なる温度により異なる速度で昇降する。（よく似たものとしては、タービュールを冷たい空気の海で上昇する暖かい空気の泡とみなす）。乱気流の領域は、種々のサイズの多くのタービュールを含む。各タービュールはまさにレンズのように電磁波に影響を及ぼす。つまり、波がタービュールを通過する際に光またはＲＦ波を屈折させる。この屈折は波の位相および進行方向をわずかに変化させる。衛星などの遠距離源からの電磁信号は、波面が乱気流領域に達するまでは、平面波のように作用する、すなわち波面上のすべてのポイントが本質的に平行な経路に沿って進行する。しかし、乱気流領域内では、各信号経路は近隣の経路によって被る変化とは異なる位相および方向の変化を被る。従って、乱気流領域から出現する信号はもはや平面波ではなく、波面上の各ポイントは異なる位相を備えて、わずかに異なる方向に進行していく。それらがさらに進行するにつれて、これらの波要素は互いに建設的および破壊的干渉の領域を生み出す。建設的および破壊的干渉の空
間パターンは、強いまたは弱い信号強度の位置ならびに相対的に進行したまたは停滞した信号位相の位置を定義する。信号強度および信号位相の空間干渉パターンは、種々の位置に受信機を設置することにより測定可能である。タービュールが乱気流領域内を移動するにつれて、または信号源、例えば衛星が乱気流領域に対して移動するにつれて、空間干渉パターンは経時変化する。

説明目的で、乱気流の領域を単一大型固定レンズに置き換え、衛星信号を受信するプラットフォームも移動していないと仮定する。プラットフォーム上に位置する観察者の観点から、空を横切る衛星の進行を見ると、衛星そのものは横速度を有するので、単一の衛星からの衛星信号の源は横方向に進行するように見えるであろう。レンズがプラットフォームと衛星の間になる位置に衛星が移動すると、レンズがプラットフォームの位置にある信号に焦点を当てるように衛星、レンズおよびプラットフォームを配列しない限り、プラットフォームは衛星も見えないし、その信号も検出しないであろう。（焦点は上述の干渉パターンにおけるピークに相当する。）その後、衛星がさらに空を横切って移動すると、レンズは異なる位置にある衛星信号に焦点を当てるであろう。（これは、干渉パターン全体における横方向シフトに相当する。）
本発明の例示的実施形態は、第１の位置にある第１のアンテナから第２の位置にある第２のアンテナへの干渉パターンの伝搬を受信する際の時間シフトに対応する時間間隔を決定し、下記で詳細に説明されるように時間間隔に基づいて乱気流範囲を計算する。

図１は、本発明の例示的実施形態による環境１００の概略図である。環境１００は、プラットフォーム１１４（これは停留されたまたは飛行中の航空機、停泊中または移動中の船舶、静止するまたは移動中の地上車両または任意の適切に構成された構造体であり得る）上に位置付けられた複数の衛星受信アンテナ１１８／１１６（前方／後方）を使用して、衛星１０２から信号を受信する。本例では、乱気流領域１０６により影響を受けた干渉パターン１０８（上記段落にて説明された）は、第１の時間値１２０で後方アンテナ１１６を横断し、第２の時間値１２２で前方アンテナ１１８を横断する。下記で説明するような擬似距離測定アルゴリズムは、第１および第２の時間値の間の時間間隔（時間シフト）を解析することにより乱気流領域１０６の範囲１２６を推定する。

図２は、本発明の例示的実施形態により構成されたシステム２００の概略図である。図２に描かれた種々のブロックは、プラットフォーム全体またはシステム２００全体を通して位置付けられる任意の数の物理的構成要素またはモジュールにおいて実現され得る。実際のシステム２００は、多数の電気的制御ユニット（ＥＣＵ）、通信システム、機内コンピュータシステム、測定アーキテクチャ、ネットワークおよび図２に示されるもの意外の構成要素を含み得る。システム２００の従来のサブシステム、特色および側面は本明細書では詳細に説明しない。

システム２００は概ね、第１のアンテナ２１４および第２のアンテナ２１６を含む複数のアンテナ、受信機２２０、相関器モジュール２２４を含む処理論理素子２２２、時間的相関係数および対応する相関ラグ値２２８のテーブルを含むか、またはそれと通信するメモリモジュール２２６、および通信ネットワークアーキテクチャ２３０を含む。

第１のアンテナ２１４および第２のアンテナ２１６は受信機２２０に連結されて、下記で説明されるように乱気流計算に必要なデータを提供するように構成される。アンテナはプラットフォームの長さもしくは幅に沿って一定の距離Ｌ_０だけ離され得るか、および／またはプラットフォームの高さに沿って距離Ｈ_０だけ離され得る。各アンテナは、受信干渉パターンを生成する入射電磁エネルギに応答するが、この際電磁エネルギは乱気流領域１０６にさらされた経路に沿って進行する。

本発明の例示的実施形態は、最少で２つのアンテナを必要とする。但し、プラットフォームの設計に依存して、プラットフォームの通常の操縦により、衛星信号が遮断され、深刻なマルチパスフェージングを被り得る。この点において、アンテナに対する代替位置が要求され得る。プラットフォームは、航空機、船舶、地上車両、または地上構造体を含み得るが、これらに限定されない。例えば、航空機に関しては、３つのアンテナを使用し得るが、これに限定されない。すなわち、１つのアンテナは垂直安定板および／または翼端上に位置付けされ得、２つのアンテナは胴体に沿って位置付けされて、複数の信号入力を特定衛星から取得し得る。また、さらなるアンテナを加えて、航空機の動き（例えば、旋回、上昇または下降）による信号の変化を補償するように、さらなるデータ源を提供し得る。衛星信号は、ＧＰＳ信号、ＧＰＳプラスＧＬＯＮＡＳＳおよびガリレオ信号またはＧＰＳプラスｉＧＰＳ信号であり得るが、これらに限定されない
受信機２２０はアンテナに連結され、受信された干渉パターンの特性を測定するように構成される。アンテナによって受信された信号はアルゴリズムで解析され、プラットフォーム（例えば、航空機）の相対的な動きを衛星の相対的な動きと比較する。この比較アルゴリズムは、衛星、例えば、ＧＰＳ衛星が衛星の位置およびスピード、ＧＰＳシステム時間、時計の誤差ならびにデータの健全および精度に関する情報を含む１セットのコードを送信するという事実を利用する。この情報により、ＧＰＳ衛星の相対位置および動きが高精度に予測可能となる。

例えば、概ね、航空機上のＧＰＳ受信機は、衛星の各粗捕捉（Ｃ／Ａ）コードを受信機のデータベースに含まれるコードの同一レプリカと一致させる。受信機のコードをシフトさせて衛星信号に一致させ、またこのシフトを衛星内部時計と比較することにより、受信機は衛星への距離を推定することができる。但し、複数のアンテナと本明細書で説明される擬似距離測定アルゴリズムを使用することにより、乱気流領域１０６の範囲をＧＰＳ信号の位相と時間シフトを解析して推定することも可能である。

加えて、航空機の位置および相対的な動きは、機上飛行管理コンピュータシステム（図２では図示されない）により高精度に測定される。その後、航空機からの衛星の距離および衛星の速度と共にこのデータを使用して、下記で詳細に説明されるような擬似距離測定アルゴリズムを用いた乱気流領域１０６までの範囲を計算する。受信機２２０はＧＰＳ受信機、ＧＰＳプラスＧＬＯＮＡＳＳおよびガリレオ受信機またはＧＰＳプラスｉＧＰＳ受信機であり得るが、これらに限定されない。

処理論理素子２２２は受信機２２０に連結され、任意の数の個別の処理モジュール、相関器または本明細書においてより詳細に説明されるタスク、処理および動作を実行するように構成された構成要素を含み得る。１つの処理ブロックだけが図２に示されるが、実際の実装は任意の数の個別の物理的および／または論理的プロセッサを利用し得、それらはシステム２００全体に分散され得る。実際に、処理論理素子２２２は、本明細書で説明される機能を行うように設計された、汎用プロセッサ、コンテンツアドレス可能メモリ、デジタル信号プロセッサ、アプリケーション特有集積回路、フィールドプログラム可能ゲートアレイ、任意の適切なプログラム可能論理装置、個別のゲートまたはトランジスタ論理、個別のハードウェア構成要素またはそれらの任意の組み合わせで実装または実行され得る。プロセッサは、マイクロプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械として実現され得る。プロセッサはまた、計算装置の組み合わせ、例えばデジタル信号プロセッサとマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサコアと連動した１つ以上のマイクロプロセッサ、または任意の他のかかる構成としても実装され得る。

相関器モジュール２２４は処理論理素子２２２に連結または実装されて、時間的相関係数ｒ（Δｔ）ｓおよび対応する相関ラグΔｔｓを計算して、下記の図４の文脈においてよ
り詳細に説明される相関ラグ値を選択するように構成される。相関モジュール２２４は、並列処理相関器または直列処理相関器を含み得るが、これに限定されない。相関ラグ値は前方アンテナにおける信号変化と後方アンテナにおけるその後の信号変化Δｔとの間の時間間隔であり、下記の図４から図７の文脈においてより詳細に説明されるように、時間的相関係数は各時間ラグΔｔの各アンテナにおいて振幅／位相パターンがどの位十分一致しているかの尺度である。

メモリモジュール２２６は、システム２００の動作をサポートするようにフォーマットされた適切な量のメモリを有する任意の適切なデータ記憶領域であり得る。メモリモジュール２２６は、必要に応じてデータを記憶、保持および提供して、下記に説明するような方法でシステム２００の機能性をサポートするように構成される。実用的実施形態では、メモリモジュール２２６はＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、または当技術分野で既知の任意の他の形式の記憶媒体として実現され得る。メモリモジュール２２６は処理論理素子２２２に連結されて、プラットフォーム位置および速度、衛星の位置および速度、干渉パターンの振幅／位相シリーズ、並びにサンプリング間隔に対応する測定データ値を記憶するように構成され得るが、これらに限定されない。さらに、メモリモジュール２２６は、下記で詳細に説明するように擬似距離測定アルゴリズムを用いて乱気流領域１０６までの範囲を計算する目的で、時間的相関係数および対応する相関ラグ２２８のテーブルを含む動的に更新するデータベースを代表し得る。

通信ネットワークアーキテクチャ２３０は、処理論理素子２２２および測定アーキテクチャ（図２では図示されない）に連結され得る。通信ネットワークアーキテクチャ２３０はＣＡＴデータを通信および報告するように構成される。ＣＡＴデータは、リアルタイムの報告および飛行中の天気予報の両方を向上させるように統合得る、多くの気象情報源のうちの１つである。ＣＡＴデータは、ＣＡＴデータサービスプロバイダから通信ネットワークアーキテクチャ２３０を介してソフトウェアアプリケーションへ送信される。通信ネットワークアーキテクチャ２３０は、地上通信ネットワークまたは、衛星通信ネットワークなどの無線通信ネットワークであり得るが、これに限定されない。Ｓｙｓｔｅｍ Ｗｉｄｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ （ＳＷＩＭ）システムなどの１セットのミドルウェアは、自動的に多くの源からのデータを通信ネットワークアーキテクチャ２３０を介して読み取り、そのデータを多くの異なるユーザおよびアプリケーションが使用するために必要に応じて再フォーマットする。ＳＷＩＭは、大気圏気象プロフィール情報、航空機状態構成、リアルタイムＣＡＴ追跡およびドップラ気象レーダの統合を可能とする。この点において、システム２００は通信ネットワークアーキテクチャ２３０のユーザまでの乱気流領域１０６を示す警告を発し得る。

本発明の例示的実施形態は、以下に基づいて、乱気流領域までの範囲を計算する。すなわち、衛星の速度ベクトルに対するプラットフォームの測定速度ベクトルと、プラットフォーム１１４までの衛星の距離１２４と、衛星のスピードと、下記で詳細に説明されるように乱気流領域１０６により影響を受ける干渉パターンのスピード／速度Ｖ_ｉとに基づく。

図１を参照して、衛星１０２が速度Ｖ_ｓで、プラットフォーム１１４から一定の距離１２４（Ｒ_ｓ）で右に移動し、かつプラットフォーム１１４も乱気流領域１０６も共に静止している場合、プラットフォーム１１４から乱気流領域１０６までの距離１２６（Ｒ_ｔ）は固定され、唯一の移動物体は衛星１０２となる。この点において、干渉パターン１０８が進行するように見える（衛星信号は空間において直線であると仮定して）水平スピードＶ_ｉは以下の関係により表される：

乱気流領域１０６までの距離Ｒ_ｔは、上記式（１）の項を再配列することにより得られ得る：

式（２）に示されるように、乱気流領域１０６とプラットフォーム１１４との間の距離Ｒ_ｔは、既知の範囲Ｒ_ｓと衛星のスピードＶ_ｓ（両者とも衛星が提供するナビゲーションデータから決定可能である）と、乱気流領域１０６によって投げかけられる衛星画像の未知のスピードＶ_ｉの関数である。Ｖ_ｉの値は、下記の図３の文脈で詳細に説明されるように、前方アンテナにおける信号の変化と後方アンテナにおけるその後の信号変化Δｔとの間の時間間隔Δｔの関数として決定され得る。これらの信号変化は信号振幅／位相、信号位相またはその両者の変化であり得る。

図３は、本発明の例示的実施形態による乱気流領域を位置付けるための大気中乱気流位置測定処理３００を図示するフローチャートである。処理３００に関連して実行される種々のタスクは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、またはそれらの任意の組み合わせにより実行され得る。図示目的で、処理３００の以下の説明は、図１および図２に関連して上記の素子を参照し得る。実際の実施形態では、処理３００の一部は、システム２００の異なる素子、例えば、第１のアンテナ２１４、第２のアンテナ２１６、受信機２２０、処理論理素子２２２、相関器モジュール２２４、メモリモジュール２２６、および通信ネットワークアーキテクチャ２３０により実行され得る。

処理３００は相関ラグ値に基づいて範囲を計算するための測定データを得ることにより開始し得る（タスク３０２）。例えば、測定データは、プラットフォームの水平速度、衛星の水平速度、乱気流領域の水平速度、アンテナの水平方向距離間隔、衛星からプラットフォームの距離、プラットフォームの垂直速度、衛星の垂直速度、乱気流領域の垂直速度およびアンテナの垂直方向距離間隔を含み得るが、これらに限定されない。

上記で説明したように、式（１）で表される干渉パターン１０８のスピードの未知の値、Ｖ_ｉは、時間間隔Δｔの関数として決定可能である。従って、処理３００はその後、下記の図４の文脈で詳細に説明されるように、第１のアンテナおよび第２のアンテナにおける干渉パターンの伝搬を受信する際の時間シフトに対応する時間間隔Δｔ（相関ラグ値）を決定して（タスク３０４）、時間間隔Δｔに基づいて範囲Ｒ_ｔの計算を進める（タスク３０６）。

本明細書で説明する本発明の種々の実施形態は、以下のシナリオに基づいて乱気流領域からの範囲Ｒ_ｔを計算する。すなわち、プラットフォームおよび／または乱気流領域は静止および／または移動しているかどうか、プラットフォームは衛星のほぼ水平の見通し線上にあるか、またはアンテナは下記でより詳細に説明されるように水平方向にまたは垂直方向に離れているかどうかに基づく。

１つの例示的実施形態では、図１を参照して、後方アンテナ１１６および前方アンテナ
１１８は水平方向に離れていて、プラットフォーム１１４も乱気流領域１０６も共に静止している。アンテナは距離Ｌ_０だけプラットフォーム１１４上で離され得る。本例では、干渉パターン１０８は、時間ｔ_１（参照番号１２０で識別される）で後方アンテナ１１６を横断し、時間間隔Δｔ後に、画像は時間ｔ_２（参照番号１２２で識別される）で前方アンテナ１１８を横断する。

干渉パターンスピードＶ_ｉは、２つのアンテナを横断する干渉パターン間の観察された時間間隔Δｔから計算される。干渉パターンが移動していくスピードは以下の関係に基づいて決定される：

式（３）から上記式（２）にＶ_ｉを代入して、時間間隔Δｔの関数として乱気流領域からの範囲Ｒ_ｔを計算するための関係を生成する。

従って、第１の例示的実施形態によると、方法は、以下の関係に基づいて範囲Ｒ_ｔを計算する：

ここで、Ｒ_ｔは静止する乱気流領域から静止するプラットフォームまでの範囲であり、Ｒ_ｓは静止するプラットフォームと衛星との間の距離であり、Ｌ_０は第１のアンテナと第２のアンテナとの間の水平方向距離間隔であり、Δｔは衛星の水平速度であり、Δｔは相関ラグである。

第２の例示的実施形態では、後方アンテナおよび前方アンテナは水平方向に離され、乱気流領域は上記で説明されたように静止しているが、プラットフォームは移動している（上記の第１の例示的実施形態とは異なる）。このために、先の式はプラットフォームの移動を考慮するように調整する必要がある。この場合、干渉パターンは時間ｔ_１に後方アンテナに到達する。前方アンテナはこの瞬間（ｔ_１）は距離Ｌ_０離れている。但し、干渉パターンが前方アンテナの元の位置（ｔ_１における位置）に到達するとき（時間ｔ_２）は、第２の前方アンテナは移動している（図１では図示されない）。画像は最終的には時間ｔ_３において前方アンテナに追いつく（図１では図示されない）。こうした状況でのタイミングは下記の式（５）により示される：

式（５）では、Ｖ_ａはプラットフォームの速度である。そこで、干渉パターンスピードは以下の関係に基づいて計算される：

式（６）の式（２）への代入により、乱気流領域１０６までの範囲Ｒ_ｔが得られる。
従って、第２に例示的実施形態によると、方法は以下の関係に基づいて範囲を計算する：

ここで、Ｒ_ｔは静止する乱気流領域から移動するプラットフォームまでの範囲であり、Ｒ_ｓ、Ｌ_０およびΔｔは上記で説明した通りであり、Ｖ_ａはプラットフォームの水平速度である。

第１および第２の例示的実施形態は、静止する乱気流気団に基づいて乱気流領域までの範囲Ｒ_ｔを計算した。しかしながら、風が乱気流領域を移動させ得るので、これは常に当てはまるとは限らない。

第３の例示的実施形態では、後方アンテナおよび前方アンテナは上記で説明したように水平方向に離されているが、第１および第２の例示的実施形態とは異なり、乱気流領域もプラットフォームも両者とも移動している。状況は下記の式（８）において数学的に表される：

式（８）を式（２）に挿入すると、範囲Ｒ_ｔが得られる。
従って、第３の例示的実施形態により、方法は以下の関係に基づいて範囲Ｒ_ｔを計算する。

ここで、Ｒ_ｔは移動する乱気流領域から移動するプラットフォームまでの範囲であり、Ｒ_ｓ、Ｌ_０、ΔｔおよびＶ_ａは上記で説明した通りであり、Ｖ_ｔは乱気流領域の水平速度である。

式（９）は、時間間隔Δｔと風スピードＶ_ｔの関数として範囲Ｒ_ｔを与え、式（９）は風が十分に既知であるときにそのまま使用可能である。これは、北アメリカ、ヨーロッパ、オーストラリア、および日本に近いエリアのような十分に機器化された地域に亘って当てはまり得る。風がプラットフォームから衛星までのベクトルに沿っておおよそ均一であると分かっている場合、Ｖ_ｔの値が式（９）に挿入されて範囲Ｒ_ｔを取得し得る。風がプラットフォームから衛星までのベクトルに沿ってスムーズに変化する（乱気流ゾーン内における風とは別に）場合は、Ｒ_ｔの第１の推定値を使用して、Ｖ_ｔが推定可能な位置を３Ｄモデルを用いて選定することができる。Ｖ_ｔのこの値を式（９）に挿入して、Ｒ_ｔの新規の値を推定する。処理はＲ_ｔとＶ_ｔの単一の値に収束するまで繰り返す。

テキサスの大きさの気団の水平方向の動きは通常秒速数十メータ単位で測定される。同様の気団の垂直方向の動きは通常秒速センチメータ単位で測定される。この点において、ほとんどすべての状況で、乱気流領域はゼロの有効垂直スピードを有すると仮定するのが無難である。それゆえに、垂直スピードはほとんど完全に、既知の衛星の動き、既知のプラットフォームの動きおよびプラットフォームから乱気流領域までの未知の範囲によるものであるという信頼性のもとで、垂直方向に離された衛星アンテナを使用して干渉パターンの垂直スピードを測定するのに使用され得る。

第４の例示的実施形態では、上記で説明された第１、第２および第３の例示的実施形態に対して、第１のアンテナと第２のアンテナは垂直方向に離されており、プラットフォームも乱気流領域も共に静止している。

第４の例示的実施形態によると、方法は以下の関係に基づいて範囲Ｒ_ｔを計算する：

ここで、Ｒ_ｔは静止する乱気流領域１０６から静止するプラットフォームまでの範囲であり、Ｒ_ｓおよびΔｔは上記で説明した通りであり、Ｈ_０は第１のアンテナと第２のアンテナ間の垂直方向距離間隔であり、Ｖ_ｓｚは衛星の垂直速度である。

第５の例示的実施形態では、第１のアンテナと第２のアンテナは垂直方向に離され、乱気流領域は上記の第４の実施形態の文脈で説明されるように静止しているが、第４の実施形態の文脈に対して、この場合プラットフォームは移動する。
第５の例示的実施形態によると、方法は以下の関係に基づいて範囲Ｒ_ｔを計算する：

ここで、Ｒ_ｔは静止する乱気流領域から移動するプラットフォームまでの範囲であり、Ｒ_ｓ、Ｈ_０、ΔｔおよびＶ_ｓｚは上記で説明した通りであり、Ｖ_ａｚはプラットフォーム
の垂直速度である。

第６の例示的実施形態では、第１のアンテナおよび第２のアンテナは垂直方向に離され、プラットフォームは、上記第４および第５の実施形態の文脈で説明されるように移動するが、第４および第５の実施形態に対して、この場合はプラットフォームも乱気流領域も両者とも移動している。

第６の例示的実施形態によると、方法は以下の関係に基づいて範囲を計算する：

ここで、Ｒ_ｔは移動する乱気流領域から移動するプラットフォームまでの範囲であり、Ｒ_ｓ、Ｈ_０、Δｔ、Ｖ_ａｚおよびＶ_ｓｚは上記で説明した通りであり、Ｖ_ｔｚは乱気流領域の垂直速度である。

第７の例示的実施形態では、航空機−衛星見通し線は水平線から数度である。また、第７の例示的実施形態では、第１のアンテナおよび第２のアンテナは垂直方向に離され、プラットフォームも乱気流領域も共に上記第６の実施形態の文脈で説明されるように移動する。但し、第６の例示的実施形態に対して、パラメータはプラットフォーム−衛星見通し線のための補正により影響を受ける。

従って、第７の例示的実施形態によると、方法は以下の関係に基づいて範囲を計算する：

ここで、Ｒ_ｔは移動する乱気流領域から移動するプラットフォームまでの範囲であり、Ｒ_ｔはプラットフォーム−衛星見通し線に対して補正されており、Ｒ_ｓは移動するプラットフォームと衛星間の距離であり、Ｖ_ｔ＿ｅｌは昇降単位ベクトル上に投射された移動する乱気流領域の垂直速度であり、Ｈ_０＿ｅｌは、昇降単位ベクトル上に投射された第１のアンテナおよび第２のアンテナとの間の垂直方向距離間隔であり、Δｔは上記で説明されたように相関ラグであり、Ｖ_ａ＿ｅｌは昇降単位ベクトル上に投射された移動するプラットフォームの垂直速度であり、Ｖ_ｓ＿ｅｌは昇降単位ベクトル上に投射された衛星の垂直速度であり、ｅは、航空機−衛星ベクトルＲ_ｓの昇降単位ベクトルＥである。Ｅは増加する昇降角度方向である。ＥはＲ_ｓが水平のときには垂直だが、Ｒ_ｓが水平でなければ、すなわち、プラットフォームから見ると衛星が正確に水平線にない場合は、垂直方向から斜めに離れる。Ｅは以下のように定義される：

ここで、Ｅ、Ｒｓ、およびｋはベクトル量であり、ｋはｚ方向（垂直方向）における単位ベクトルであり、「×」はクロス積を示し、縦バーはベクトル絶対値を示す。任意のベクトルＡのＥへの投射を計算するためにドット積が使用される：

例えば、Ｖ_ｔ＿ｅｌの値は、以下のように式（１３ｂ）で計算されることができる：

なお、プラットフォーム−衛星ベクトルが実質的に非水平である場合、Ｖ_ｔ＿ｅｌはゼロと仮定することはできない。

上記実施形態による乱気流領域からの範囲の計算の後、処理３００は範囲を示す警告を発して（タスク３０８）、停止する。

上述のように、乱気流気団は衛星信号の位相をシフトさせ、気団は「でこぼこ」した屈曲度を有するので、位相シフトは信号の経路に依存して変化する。これは規則正しい、均一な衛星信号を干渉パターンにする。一般的に、干渉パターンは、同一の源からわずかに異なる経路を進行する２つ以上の信号が一緒に運ばれる場合に生じる山と谷のパターンである。干渉パターンは時間と位置と共に変化する。先頭アンテナが最初に干渉パターンを検出して、その後に後続のアンテナが続き、先頭および後続のアンテナにおける干渉検出の時間差を確立して、下記で詳細に説明されるように乱気流領域までの範囲Ｒ_ｔを計算する。

図４は本発明の例示的実施形態による大気中乱気流位置測定処理４００を図示するフローチャートである。処理４００と関連して実行される種々のタスクが、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェアまたはそれらの任意の組み合わせにより実行され得る。図示目的で、処理４００の以下の説明は図１、図２および図３と関連して上記で述べた素子を参照し得る。実際の実施形態では、処理４００の一部はシステム２００の異なる素子、例えば、第１のアンテナ２１４、第２のアンテナ２１６、受信機２２０、処理論理素子２２２、相関器モジュール２２４、メモリモジュール２２６、および通信ネットワークアーキテクチャ２３０により実行され得る。

処理４００は、上記の図３の文脈で説明されるように、相関ラグ値に基づいて範囲を計算するための測定データを得ることにより開始し得る（タスク４０２）。本例示的実施形態は時間相関技術を使用して、先頭（前方）および後続（後方）アンテナの間の時間差を測定する。先頭および後続アンテナからの信号の相関は、先頭および後続アンテナで干渉パターンを受信する際に、乱気流領域により生じる時間シフトに対応するΔｔの値の相関
ピークを生み出す（衛星画像スピードは航空機の動き、風などに対して補正される）。本発明の本例証的実施形態は、Δｔの多くの値に対する相関係数ｒ（Δｔ）を計算して、最高値（ピーク相関値）を有するものを、最大の乱気流までの範囲を印をつけるように選択する。本実施形態は、先頭および後続アンテナにおける信号振幅測定を使用して相関係数を計算する。代替実施形態は、信号位相測定または信号位相および信号振幅の組み合わせを使用して、相関係数を計算し得る。

干渉パターンスピードＶ_ｉがプラットフォームのスピードとほぼ正確に同じであるとき、一方のアンテナから他方へと移動する干渉パターンに対するΔｔは数秒であり得る。最大相関係数ｒ（Δｔ）は、乱気流パターンが経時変化するので、より長いΔｔでは減少し得る。時間的干渉性は、異なる時間的瞬間で観察される信号間の相関または予測可能な関係を示す。好適な実施形態は、乱気流の時間的干渉性間隔を使用して、短いΔｔでｒ（Δｔ）値を引き下げ、長いΔｔでｒ（Δｔ）値を引き上げて、すべての範囲で乱気流強度の公平な比較を提供する。

このように、処理４００は、後方アンテナおいて干渉パターンに対応する第１のシリーズの信号振幅／位相をサンプリングして（タスク４０６）、前方アンテナおいて干渉パターンに対応する第２のシリーズの信号振幅／位相をサンプリングする（タスク４０８）ことにより、相関ラグの計算（参照番号４０４）を進める。本実施形態では、第１および第２のシリーズの信号振幅／位相は、同一サンプリング間隔でサンプリングされる。図５は各アンテナでサンプリングされた振幅パターンの例を図示する。干渉パターン１０８の第１のシリーズの信号振幅５０２は、前方アンテナ１１８でサンプリングされ、干渉パターン１０８の第２のシリーズの信号振幅５０４は、後方アンテナ１１６でサンプリングされる。本例では、２５６サンプルが各アンテナで使用される。

本例における衛星は地球低軌道である。本例のプラットフォームは航空機である。衛星の進行方向は航空機機首方位から約１２５o逸れている、すなわち、衛星は航空機に対して後方に移動しているように見える。衛星のスピードＶ_ｓは秒速約７０００メータであるが、航空機から衛星の見通し線に直行する方向には単に約４０００ｍ／ｓである。航空機から衛星への距離Ｒ_ｓは約４２００ｋｍである。航空機の真の対気速度Ｖ_ａは約２００ｍ／ｓである。前方および後方アンテナは約２０メートル離間している。

その後、処理４００は、第１のシリーズの信号振幅５０２と第２のシリーズの信号振幅５０４間の時間的相関係数ｒ（Δｔ）ｓを計算して（タスク４１０）、時間的相関係数に対応する相関ラグ値Δｔｓを計算し続ける（タスク４１２）。相関ラグ値は、前方アンテナにおける信号変化と後方アンテナにおけるその後の信号変化Δｔとの間の時間間隔（上記図１の文脈で説明されるように）であり、その値は、例えば、信号振幅が前方アンテナに達する（検出される）時間を測定して、それを信号振幅が後方アンテナに達する時間から減算することにより計算される。時間干渉性は、異なる時間的瞬間で観察される信号間の相関または予測される関係を示す。従って、各アンテナでの測定された信号振幅の統計的一致が、Δｔの計算値における時間的相関係数（振幅がどの位十分一致しているか）を決定する。代替実施形態は、信号位相測定または信号位相および信号振幅の組み合わせを使用して、時間的相関係数を計算し得る。

処理４００は、計算された時間的相関係数と対応する相関ラグ値を記憶して（タスク４１４）、計算された時間的相関係数の最高値に対応する相関ラグ値を選択する（タスク４１６）。例えば、図６において、時間的相関係数の最高値は、約４つのサンプル６０２において（相関係数のピークにおいて）発生する。これは、時間ｔ_ｉにおける前方アンテナに到達する信号が特定位置の乱気流領域を突き進む場合、時間ｔ_ｉ＋４で後方アンテナに到達する信号が同じ位置を突き進む。約０．０５秒のサンプル間隔を考慮すると、これは
約０．２秒の相関ラグ値である。アンテナ間（Ｌ_０）が約２０メートルとすると、それは航空機の後部に向かう約１００ｍ／ｓの相対画像速度Ｖ_ｉに相当する。航空機は約２００ｍ／ｓ（Ｖ_ａ）で移動しているので、真の画像速度Ｖ_ｉは前方に約１００ｍ／ｓである。衛星が約４２００ｋｍの範囲Ｒ_ｓで後方から約４０００ｍ／ｓ（Ｖ_ｓ）移動しているとすると、約１００ｍ／ｓの画像スピードＶ_ｉは、航空機から約１０５ｋｍの位置で乱気流領域を突き進んだこと示す。

図７は、キロメータ単位で乱気流領域までの種々の範囲（参照番号７０２〜７１２で識別される）に対する相関ピークを図示する。図７で示されるように、ピーク相関値はΔｔの正および負の値両方で発生し得る。Δｔの負の値は、干渉パターンスピードＶ_ｉが正でプラットフォームより速い場合に発生し、すなわち干渉パターン（乱気流領域により影響を受ける振幅のシリーズ）は、先頭（前方）アンテナより以前に後続（後方）アンテナに影響を及ぼす。これは、高速移動の低軌道にある衛星がＧＰＳ信号を生成するｉＧＰＳで発生し得る。

とりわけ、図７に示すように、範囲が増加する（参照番号７０８〜７１２により識別される）につれて、相関ピークはより大きい正の時間間隔Δｔ（前方から後方アンテナ）へと移動する。但し、逆行する衛星に関しては、特定範囲で特異性がある。範囲がその特異性へと近づくと、この場合約２００ｋｍ（図７では図示されない）で相関ピークは急速に前進して、その後、負のΔｔｓにラップ（ｗｒａｐ ａｒｏｕｎｄ）する。その後、左（参照番号７０２〜７０６により識別される）から原点（Δｔ＝０）に近づき、範囲が増加するにつれて漸近的に原点に接近する。

処理４００はその後、範囲を計算し続けて（タスク４１８）、上記図３の文脈で説明したように範囲を示す警告を発する（タスク４２０）。

上述の本発明の例示的実施形態は、乱気流領域の中心までの範囲を決定する。しかしながら、本発明の別の例示的実施形態によると、相関ピークの幅を調べることにより乱気流領域の厚さが決定され得る。タービュールはすべて同じ範囲にあり、それゆえに同じスピードで移動する画像を投げかけるので、薄い領域は高く、狭い相関ピークを有する（Δｔが狭い）。一部のタービュールは他のタービュールより遠く離れていて画像はわずかに異なるスピードで移動する多くの成分を有しているので、厚い領域はより幅の広いピークを有する。所定量の衛星信号シンチレーションに関しては、強度は乱気流領域の測定された厚さに反比例する。この点において、処理４００は、時間相関曲線のピークが相対的に幅が広い（Δｔの幅が広い）場合は、対応して低い乱気流強度を有した厚い乱気流領域を示し、時間相関曲線のピークが相対的に狭い場合は、相対的に高い乱気流強度を有した薄い乱気流領域を示す。

本明細書で説明される本発明の実施形態は、乱気流領域（ＣＡＴを含む）の位置（範囲および高度）をより正確に特定することにより、航空交通システム能力を向上させ、航空交通システムプロバイダおよびオペレータが乱気流領域を回避するためにより正確なプランを立てて、輸送または旅行中の乗客の安全性および快適性を高めることができる。

少なくとも１つの例示的実施形態が前述の詳細な説明において呈示されているが、膨大な数の変形が存在することを理解すべきである。また、例示的実施形態（単数または複数）単に一例にすぎず、本発明の範囲、適用性または構成を限定することを決して意図しないことも理解すべきである。むしろ、前述の詳細な説明は、例示的実施形態（単数または複数）を実施するための便利なロードマップを当業者に提供するであろう。添付の請求項およびその法的同等物で述べられる本発明の範囲から逸脱することなく、素子の機能および配置において種々の変更がなされ得ることは理解されるべきである。

Claims (16)

1. 乱気流領域の位置を計算するための方法であって、前記方法は、
   プラットフォーム上の第１及び第２のアンテナが、衛星からの電磁信号の干渉パターンを受信するステップと、
   第１のアンテナおよび第２のアンテナにおいて受信された干渉パターンの伝搬における相関ラグ値を決定するステップであって、前記相関ラグ値は前記乱気流領域によって生じた時間シフトに対応し、前記乱気流領域は前記電磁信号の経路内にあるステップと、
   前記相関ラグ値に基づいて前記位置を計算するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記相関ラグ値を決定するステップは、
   サンプリング間隔で前記第１のアンテナにおいて、前記干渉パターンに対応する第１のシリーズの信号振幅をサンプリングするステップと、
   前記サンプリング間隔で前記第２のアンテナにおいて、前記干渉パターンに対応する第２のシリーズの信号振幅をサンプリングするステップと、
   前記第１および前記第２のシリーズの信号振幅の間の時間的相関係数を計算するステップと、
   前記時間的相関係数に対応する相関ラグ値を計算するステップと、
   前記時間的相関係数の最高値に対応する前記相関ラグ値を選択するステップと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記位置を示す警告を発するステップをさらに含む、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記相関ラグ値に基づいて前記位置を計算するためのデータを得るステップであって、前記データは、
   前記プラットフォームの水平速度と、
   衛星の水平速度と、
   前記乱気流領域の水平速度と、
   前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとの間の水平方向距離間隔と、
   前記衛星から前記プラットフォームの距離と、
   前記プラットフォームの垂直速度と、
   前記衛星の垂直速度と、
   前記乱気流領域の垂直速度と、
   前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとの間の垂直方向距離間隔と、
   を含むステップを、さらに含む、請求項１から請求項３のいずれかに記載の方法。
5. 第１のシリーズの信号振幅および前記第２のシリーズの信号振幅と、
   前記計算された時間的相関係数と、
   前記相関ラグ値と
   前記サンプリング間隔と、
   を記憶するステップをさらに含む、請求項２から請求項４のいずれかに記載の方法。
6. 前記計算された時間的相関係数の最高値は、時間的相関曲線のピークにある、請求項２から請求項５のいずれかに記載の方法。
7. 前記時間的相関曲線の前記ピークに基づいて前記乱気流領域の厚さを決定するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記時間的相関曲線の前記ピークは相対的に幅が広い場合は、厚い乱気流領域を示すステップと、
   前記時間的相関曲線の前記ピークは相対的に幅が狭い場合は、薄い乱気流領域を示すステップと、
   をさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 乱気流領域の位置を計算するためのシステムであって、前記システムは、
   プラットフォーム上の複数のアンテナであって、各々衛星からの電磁信号の干渉パターンを受信するように入射電磁エネルギに応答し、前記電磁エネルギは前記乱気流領域にさらされた経路に沿って進行する、複数のアンテナと、
   前記アンテナに連結され、前記受信された干渉パターンの特性を測定するように構成される受信機と、
   前記受信機に連結された処理論理素子であって、
   相関ラグ値を決定し、前記相関ラグ値は、第１のアンテナおよび第２のアンテナにおいて受信された干渉パターンの伝搬において、前記乱気流領域により生じる時間シフトに対応し、
   前記相関ラグ値に基づいて前記位置を計算するように構成される処理論理素子と、
   を含む、システム。
10. 前記処理論理素子はさらに、
    前記第１のアンテナにおいておよびサンプリング間隔で、前記受信された干渉パターンに対応する第１のシリーズの信号振幅をサンプリングして、
    前記第２のアンテナにおいておよび前記サンプリング間隔で、前記受信された干渉パターンに対応する第２のシリーズの信号振幅をサンプリングするように構成される、請求項９に記載のシステム。
11. 前記処理論理素子と連結され、
    前記第１および前記第２のシリーズの信号振幅の間の時間的相関係数を計算して、
    前記計算された時間的相関係数に対応する相関ラグ値を計算して、
    前記計算された時間的相関係数の最高値に対応する前記相関ラグ値を選定するように構成される、相関器モジュールをさらに含む、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記処理論理素子に連結され、
    前記第１および前記第２のシリーズの信号振幅と、
    前記計算された時間的相関係数と、
    前記相関ラグ値と、
    前記サンプリング間隔と、
    を記憶するように構成される、メモリモジュールをさらに含む、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記受信機は衛星受信機を含む、請求項９から請求項１２のいずれかに記載のシステム。
14. 前記処理論理素子に連結され、前記位置を示す警告を発するように構成される通信ネットワークをさらに含む、請求項９から請求項１３のいずれかに記載のシステム。
15. 前記処理論理素子はさらに、
    前記第１のアンテナにおいておよびサンプリング間隔で、前記受信された干渉パターンに対応する第１のシリーズの信号位相をサンプリングして、
    前記第２のアンテナにおいておよび前記サンプリング間隔で、前記受信された干渉パターンに対応する第２のシリーズの信号位相をサンプリングするように構成される、請求項９から請求項１４のいずれかに記載のシステム。
16. 前記相関器モジュールはさらに、
    前記第１と第２のシリーズの信号位相との間の時間的相関係数を計算して、
    前記計算された時間的相関係数に対応する相関ラグ値を計算して、
    前記計算された時間的相関係数の最高値に対応する前記相関ラグ値を選択するように構成される、請求項１１から請求項１５のいずれかに記載のシステム。

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