JP4509775B2 - ラジオゾンデ・システム、ラジオゾンデ・システム受信機、およびラジオゾンデ受信機における信号処理方法 - Google Patents

Description

本発明はラジオゾンデ・システムに関する。
本発明はまた、ラジオゾンデ・システム受信機およびラジオゾンデ受信機で使用される信号処理方法に関する。

大気圏上層部における気象観測は、観測気球に取り付けられたラジオゾンデを使用して行われる。一般に観測気球は、水素（またはヘリウム）ガスが充填されたゴム製の気球であり、ラジオゾンデを４０ｋｍの高さまで打ち上げるように寸法が決められている。ラジオゾンデは、無線周波送信機と、気象現象を記録するための様々な測定装置を含む。最も一般的に測定される変数は、気圧、湿度、温度（気圧（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）、温度（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）、湿度（Ｈｕｍｉｄｉｔｙ）の各用語からＰＴＵ測定と呼ばれている）ならびに風速および風向である。

風測定は、観測気球が大気中で風とともに、風と同一の速度で移動するとの想定に基づいて行われる。したがって、風速および風向の測定作業はラジオゾンデの動きを測定することによって実施できる。この測定は、例えばナビゲーション・システムなどを用いて実現できる。ナビゲーション・システムの最も一般的なものとしてロラン−Ｃ（Ｌｏｒａｎ−Ｃ）やＧＰＳがある。
観測セッションの結果、大気中の様々な高度におけるＰＴＵ測定値や風のデータを示すプロファイルが編集される。

従来技術の欠点は、従来の観測セッションに約２時間かかることであり、その結果地上観測ステーションからのラジオゾンデの最大距離は、例えば２００ｋｍにもなり得る。したがって、ラジオゾンデのバッテリおよび全体の性能に対し高い要求が設定される。バッテリは目的に応じた専用の特別タイプのものであり、またゾンデの性能を地上ステーションの受信アンテナに指向性アンテナを使用することで向上させている。

ラジオゾンデのバッテリおよび指向性受信アンテナはどちらも比較的高価な部品である。このシステムを、手ごろな価格で入手できる市販のバッテリを使用し、無指向性のアンテナを使用するように構成できれば、実質的にコスト節約となるはずである。

装置のコストや性能に加え、ある場合には装置のサイズもまた制限要因になり得る。この面倒な問題の良い例は、例えばハリケーンの発達を調査するために実施されるドロップ（投下）ゾンデ観測と呼ばれるものである。この場合、複数のラジオゾンデが航空機から所与の間隔で落とされ、その結果、複数のラジオゾンデが同時に空中に浮遊することになる。ラジオゾンデの追跡は、複数のシングルチャネル・ラジオゾンデ・ユニットを使用して行われる。航空機に乗せる装置のスペースをより効率的に使用し、重量を最小にするための最適な解決策は、おそらくより小型のマルチチャネル・ラジオゾンデ受信機であろう。

従来のラジオゾンデ受信機では、信号が本実施形態の場合のように中間周波数でサンプルされるのではなく、モデム回路を使用してデジタル変調が復調される。従来の解決策では、後の受信機における信号のデジタル処理が複雑になる。当技術分野では、マルチチャネル受信機の実施形態はこれまで知られていない。

本発明の目的は、まったく新しいタイプのラジオゾンデ・システム、ラジオゾンデ・システム受信機、およびラジオゾンデ・システム受信機で使用される信号処理方法を提供することであり、これらはすべて従来技術の上記の諸問題を克服することを可能にするものである。

本発明の目的は、所与の用途のニーズに適した、シングルチャネルまたはマルチチャネルのデジタル受信機を用いることによって達成される。
より詳細には、本発明によるラジオゾンデ・システムは、特許請求の範囲の請求項１の特徴部分に記載の内容によって特徴付けられる。

さらに、本発明によるラジオゾンデ・システム受信機は、特許請求の範囲の請求項３の特徴部分に記載の内容によって特徴付けられる。
さらに、本発明による信号処理方法は、特許請求の範囲の請求項５の特徴部分に記載の内容によって特徴付けられる。
本発明は、いくつかの大きな利点をもたらす。

ラジオゾンデ・システムの価格、サイズ、および性能に関する諸問題は、本発明による、ラジオゾンデ用に最適化された固有の特徴を有するマルチチャネル・デジタル受信機を使用することによって解決できる。
デジタル受信機では有効な誤り訂正アルゴリズムが容易に使用できる。その結果、従来技術で可能であったものよりも実質的により低い信号品質および強度を有する送信信号を、この受信機によってうまく検出できるようになる。

結果として、受信アンテナをより単純かつ安価にすることができる。特に、ラジオゾンデの送信電力レベルを下げることができ、それによってコスト効率の良い市販のバッテリが使用可能になる。
以下で、添付図面を参照し例示的実施形態を用いて本発明を詳細に説明する。

図１を参照すると、図示のラジオゾンデ・システムはラジオゾンデ１を含んでいる。ラジオゾンデ１は、従来どおりの方法で、ガス（ヘリウムまたは水素ガスを使用）を充填した気球によって大気圏上層まで上げられる。一般にラジオゾンデ１の送信機は、通常は気圧、湿度、および温度のデータを運ぶデジタル変調された４００ＭＨｚ信号を地上ステーションに送信する。したがってラジオゾンデ１は、気象および位置データの獲得に必要なあらゆる機器類、およびその情報を送信するための送信機を含む。送信された情報は、地上ステーション、または、例えば航空機に設置された受信ステーションでさらに処理される。本発明によれば、送信機の信号は無指向性のアンテナ２で受信することができる。その理由は、デジタル変調方法と誤り訂正方法の併用によりこの新規の受信機の感度が改善されるからである。通常、ラジオゾンデ１の位置データ信号は独立したアンテナ３によって受信される。アンテナ２および３によって受信された信号はどちらも、デジタル受信機４に取り込まれてさらに処理される。気象データは受信機の無線周波数モジュール６でさらに処理され、ラジオゾンデの位置データは位置データ・モジュール５でさらに処理される。どちらのモジュールからのデータ・ストリームもコンピューティング・モジュール７でさらに処理され、その後ラジオゾンデ・データ信号は地上局の端末処理装置８に送られる。位置データは、ＧＰＳシステム、ロラン−Ｃ、あるいは他の同等のナビゲーション・システムを用いて、同様にうまく取得することができる。

図２はラジオゾンデ・システムでの使用に適したデジタル受信機の基本構成を示す。受信機は、様々なフロントエンド・モジュール１１を使用することで、アンテナ１０から受信した様々な周波数帯域のデータに応答する。例えばヨーロッパでは、ラジオゾンデ用に以下の帯域が割り振られている。
４００．１５〜４０６ＭＨｚ
１６６８．４〜１７００ＭＨｚ

図１に示した４００ＭＨｚ受信機では、信号はまずＲＦフロントエンド・モジュール１１で第１の中間周波数（ＩＦ）にダウンコンバートされる。次にこの信号は、Ａ／Ｄ変換器１２によってサンプリングされ、デジタル・ミキサ（ＤＤＣ）１３を使用して第２の中間周波数に再度ダウンコンバートされる。１６８０ＭＨｚ受信機に取り込まれる受信信号は、サンプリングの前に数回ダウンコンバートされる可能性がある。それ以外では、この受信機は４００ＭＨｚ受信機と同様に信号処理を実施する。

マルチチャネル・システムは、複数のデジタル・ミキサ１３を使用することによって実装できる。次に、コンバータ１２の入力信号は、例えば４００ＭＨｚラジオゾンデ周波数帯域の全体をカバーできるので、デジタル・ミキサ１３の助けにより選択的なチャネルろ波が行われる。さらに、シグナル・プロセッサ１４によってデータ信号を処理する。フロントエンド・プロセッサ１５を使用してこの信号をさらに処理し、その信号をＬＡＮ（ローカル・エリア・ネットワーク）接続１６またはシリアル・ポート１７を介して送信して、Ｗｉｎｄｏｗｓ、ＮＴもしくはＬｉｎｕｘオペレーティング・システムおよび／またはそれらの上で動作するソフトウェアなど通常のコンピュータ環境で気象および位置データを利用できるようにする。実際には、フロントエンド・プロセッサ１５は、ＮＴオペレーティング・システムなど適切なソフトウェアが動作する通常のＰＣである。

図３のブロック図は、１つのチャネルにおける端末処理の一部を詳細に示したものである。
図３に示したように、サンプリングされた信号はミキサ１３でデジタル的にダウンコンバートされる（３１）。シグナル・プロセッサ１４は、本方法についての以下のステップを順に実施する。
− 自動周波数制御（３２）
− 復調（３３）
− チャネルの非理想的な挙動を補償するチャネル等化（３４）
− 誤り訂正（３５）
− エラー・チェック（３６）
最後に、フロントエンド・プロセッサ１５が、エンドユーザにデータを送信する（３７）。

一般に、ラジオゾンデ信号の中心周波数は監視され、しかもこの中心周波数の変化は自動的に補償されるので、ゾンデ自体には低価格の発振器を使用することができる。しかし本発明に関し、ラジオゾンデの発振器が十分高い品質であることを条件として、中心周波数の監視は省略することができる。

信号は、シグナル・プロセッサを用いて復調される。データ・チャネルを介した送信は、デジタル変調（例えば、ＧＭＳＫ）によって行われる。
復調の後で、データ信号は最新の技術を使用して訂正される。デジタル・データ信号については、リードソロモン（Ｒｅｅｄ−Ｓｏｌｏｍｏｎ）符号方式などのモデム誤り訂正方法が使用できる。

誤り訂正アルゴリズムは、限られた数のエラーしか訂正できないので、例えばチェックサムの検証などを使用した、データ完全性についての他のチェックが必要になる。この目的で、データは受信データの完全性を示すのに適した１つまたは複数のチェックサム・アルゴリズムによって補完される。チェックサムの計算には、複数の異なるアルゴリズムが使用できる。

チャネル等化はまた、事前に（a priori）知られたトレーニング・キャラクタ系列を使用して実施することもできる。次に伝送チャネルの伝達関数は、既知の文字列および受信機の文字列を使用して計算でき、この計算された伝達関数を使用することで信号訂正が可能になる。チャネル等化は本発明の機能に関して必須の動作ではないが、有利にはシステム性能を向上させるために使用できる。

シグナル・プロセッサ１４は、さらにフロントエンド・プロセッサ１５のサーバ・プロセスにデータを送信し、次いでそのプロセスが、ローカル・エリア・ネットワーク１６を介してエンドユーザ・プロセスにデータを分配する。

本発明によるシステムの実施形態を概略的に示す図である。 本発明による、ラジオゾンデ・システムでの使用に適したデジタル受信機のブロック図である。 本発明による信号処理方法の流れ図である。

Claims (9)

1. 気象および／または位置データを獲得する手段ならびに無線周波数経路を介して前記気象および／または位置データを示す信号を下り伝送する手段を有する少なくとも１つのラジオゾンデ（１）と、
   前記気象および／または位置データを示す信号を受信する信号取込み手段（２、３）と、
   前記受信信号を処理する受信機手段（４）と
   を含み、前記受信機手段が
   前記受信信号の周波数をサンプリングに適した中間周波数にダウンコンバートするＲＦ回路要素（１１）と、
   前記サンプリングを前記中間周波数で行うサンプリング手段（１２）であって、前記中間周波数にダウンコンバートされた信号を前記サンプリングによりデジタルデータに変換するサンプリング手段（１２）と、
   デジタルミキシングにより、前記デジタルデータに変換された信号であってサンプルされた信号から所望の周波数帯域を選択的にろ波する少なくとも１つのデジタル・ミキサ手段（１３）と、
   前記所望の周波数帯域で並列信号処理を行うプロセッサ手段（１４）と
   を含むことを特徴とするシステム。
2. 前記システムが、前記気象および位置データを、例えばＰＣ環境で表示させるポストプロセッサ手段（１５、１６、１７）をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のラジオゾンデ・システム。
3. ラジオゾンデから気象および／または位置データを示す信号を受信するラジオゾンデ・システム受信機において、
   前記気象および／または位置データを示す信号を受信する信号取込み手段（２、３）と、
   前記受信信号を処理する手段（４）と
   を含み、前記受信信号を処理する手段が、
   前記受信信号の周波数をサンプリングに適した中間周波数にダウンコンバートするＲＦ回路要素（１１）と、
   前記中間周波数で前記サンプリングを行うサンプリング手段（１２）であって、前記中間周波数にダウンコンバートされた信号を前記サンプリングによりデジタルデータに変換するサンプリング手段（１２）と、
   デジタルミキシングにより、前記デジタルデータに変換された信号であって前記サンプルされた信号から所望の周波数帯域を選択的にろ波する少なくとも１つのデジタル手段（１３）と、
   前記所望の周波数帯域で並列信号処理を行うプロセッサ手段（１４）と
   を含むことを特徴とする受信機。
4. 前記受信機は、前記気象および位置データを、例えばＰＣ環境で表示させるポストプロセッサ手段（１５、１６、１７）を含むことを特徴とする、請求項３に記載のラジオゾンデ・システム受信機（４）。
5. ラジオゾンデ（１）によって送信された信号を信号取込み手段（２、３）によって受信する工程と、
   前記受信信号をサンプリングに適する中間周波数にダウンコンバートする工程と
   を含む、ラジオゾンデ・システム受信機（４）で使用される信号処理方法であって、
   前記中間周波数にダウンコンバートされた信号を前記サンプリングによりデジタルデータに変換することにより、前記中間周波数でサンプリングを実施し、
   デジタルミキシングにより、前記デジタルデータに変換された信号であって前記サンプルされた信号の所望の周波数帯域を選択的にろ波し、かつ
   前記所望の周波数帯域で並列信号処理を実施する
   ことを特徴とする方法。
6. 前記サンプル信号（３０）がデジタル手段（３１）によってダウンコンバートされることを特徴とする、請求項５に記載の信号処理方法。
7. 前記サンプルされた信号が、自動周波数制御（３２）を使用して追跡されることを特徴とする、請求項５乃至６に記載の信号処理方法。
8. データ伝送チャネルの非理想の挙動を補償するために前記サンプルされた信号のチャネル等化（３４）が実施されることを特徴とする、請求項５、６または７に記載の信号処理方法。
9. 誤り訂正（３５）およびチェックサム検証（３６）を使用して前記サンプルされた信号が処理されることを特徴とする、請求項５乃至８のいずれか１項に記載の信号処理方法。

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