Transcript + の符号は となる長い場合なので考えなくて良い。

TRMM衛星高度変更時
(403km→350km)
運用提案
(2014/09/24)
情報通信研究機構
花土弘([email protected])
2014/09/12 の予測に基づくタイムライン
405
TRMM Altitude Descent
Prediction
392.5
10/25/14, 392.5
395
390
11/15/14, 390
385
357
375
355
340
365
9/17/15, 357
355
345
Yaw Maneuvers
Dense
Sampling
10/1/15, 355
12/21/15, 340
335
325
315
305
Nor
PR Wide Swath Observation
Normal LIS Science
Normal TMI Science
335
Normal PR
Obs.
PR Checkout
1/17/16,
PROCs
335
広範囲観測(PR Wide Swath Observation) の概要
• 通常観測の高度(403 km, 350 km)の間のPRの降雨エコー観測が
不能な期間(*)に、通常のアンテナ走査範囲(-17°〜+17°)より、
外側にビームを向けて、降雨エコーまでの距離が、PRのデータ収
集範囲に入るようにして観測を行う。
• ビームを通常のアンテナ走査範囲外に向けるために、128個の移
相器の位相コード(送信用と受信用)をアップロードする必要あり。
衛星高度: H=394 km
衛星高度: H=356 km
観測高度: h=0 km (地表)
観測高度: h=15 km
(*）PRのパルス繰り返し間隔が一定(360.24 μsec ≒2776 Hz)で変更できないためで、
DPRは可変なため(VPRF)は観測不能となる衛星高度はありません。
90° Yaw Maneuver Observation 実施時期
2014/11/15-11/25 の衛星高度の予測
(from NASA 2014/09/22)
この SMA の値を使って 、TRMM 衛星の高度を
次のスライドに示す近似式で計算してみる。
衛星の軌道長半径と衛星高度の近似式
1
2
- ae cos (q - w )
H (q ) = a - R E + R E f sin2 i × (1- cos2q )
地 球の形 状が楕円体による変化
衛星の軌道の離心 率による変化
ö
3 R E2 æ 1 2
3
+
J 2 ç sin i × cos2q - 1+ sin2 i ÷
2 a
2
è6
ø
J 2項の短周期摂動による変化
上の近似式を以下の H_1, H_2, H_3 に分解して、それぞれの大きさを見積もった。
H (q ) = H _1(q , a , i ) + H _ 2(q , a , e , w ) + H _ 3(q , a , i )
1
2
H _ 2(q , a , e , w ) = -ae cos (q - w )
H _1(q , a , i ) = a - R E + R E f sin2 i × (1- cos2q )
ö
3 R E2 æ 1 2
3
H _ 3(q , a , i ) =
J 2 ç sin i × cos2q - 1+ sin2 i ÷
2 a
2
è6
ø
地 球の形 状が楕円体による変化
衛星の軌道の離心 率による変化
J 2項の短周期摂動による変化
q : 衛星の緯度引数 (軌道面と赤道面の交線からの角度 )
a : 衛星の軌道長半径 (R E + SMA )
i : 衛星の軌道傾斜角 (35.0 deg)
e : 衛星の離心 率(6.4x 10-4 )
w : 衛星の近地点引数 (90.0deg)
R E : 地 球の赤道半径 (6378.137 km WGS - 84)
f : 地 球の扁平 率( 1
WGS - 84)
298.257233
J 2 : 地 球の重力ポテンシャル (1.082628x 10-3 )
衛星高度の緯度変化(近似式の各項の寄与)
地球の形状が楕円体である変化
日付と予測 SMA は
以前の軌道予測の値を
使っている。
衛星の軌道が楕円である変化
J2 項の短周期摂動
による変化
衛星高度の緯度変化(90° Yaw Maneuver Observation期間)
TRMM/PR (通常観測 403 km 設定)でのデータ収集範囲
90deg-Yaw Wide Swath Observation 期間(2014/10/27-11/05)
低緯度(最低高度386 km)での
降雨エコーの領域
(太線：地表、細線：高度15km）
中緯度(最高高度398 km)での
降雨エコーの領域
(太線：地表、細線：高度15km）
日付と予測 SMA は
以前の軌道予測の値を
使っていたために
更新が必要
90deg-Yaw Wide Swath Observation 期間(2014/10/27-11/05)
変更の方針（ビーム方向とレンジオフセット）
①走査外側で手前にする
（レンジオフセットをマイナスに）
①
①
②
②走査中央付近で遠目にする
（レンジオフセットをプラスに）
レンジオフセットの調整（①走
査外側で手前、②走査中央で
遠目）では、
斜線部はレンジが近くなり、
データ収集領域にすることが
できない。
→
ビーム方向を変更(走査角を
大きく）することでレンジを遠く
して観測領域にする。
レンジオフセットでの調整範囲
•
•
•
A/D は、2倍のオーバーサンプリングで400個のデータ(400x125m = 50 km)を行い、そ
こから Angle Bin Number (01-49)で決まった個数（レンジビン数）のデータが記録され
る。
レンジビン数は、観測モードで標準サンプリングで 122〜135個(下図青色の範囲）、外
部校正モードで2倍のオーバーサンプリングで 126個(下図赤色の範囲）。
レンジオフセットでの調整範囲は①走査外側で手前にするか、②走査中央付近で少し
遠目にするぐらいで、それほど大きな変更はできない。
・レンジオフセットの値
は、
+127 〜 -128 なので、
全ての範囲で設定でき
るわけではない。
②
①
①
ビーム角度を14.2 °以上にしてレンジを遠くする(Plan
1)
ビーム角度を 14.2 °以上に
して、ビーム幅の間隔で
アングルビンを配置すると、
外側のアングルビンは
レンジが大きくなりすぎて
データ収集ができない。
→
あまりビーム角を大きく
しないことにする。
ビーム角度を14.2 °〜22°にして
収集範囲に収まるように(Plan 2)
ビーム角度を 14.2 °〜
22°にすることで
データ収集ができそう。
→
ただしこのビーム走査だと、
footprint の配置が
一様でないので、
ビーム走査方法を変更
ビーム角度を14.2 °〜22°にして
収集範囲に収まる+ビーム走査を変更(Plan 3)
レンジオフセットを調整し
て、
地表付近から
高度15km まで
収集範囲とすることも可
能。
ただし、footprint の位置は
一様でなく、KaPR のよう
に、2回目のビーム走査
は、走査角を ½ footprint
ずらす方法に再調整。
ビーム角度を14.2 °〜22°にして収集範囲に収まる+ビーム走査を変更
+KaPRの高感度モードのように ½ footprint ずらす(Plan 4)
レンジオフセットの設定
は、
正は127までで、負は-128
までという制約がある。
左図のようにデータ収集
するためにはアングルビ
ン番号２２〜２８で、オフ
セットを127を越える値に
設定する必要があるの
で、
このビーム走査は利用で
きない。
ビーム角度を14.2 °〜22°にして収集範囲に収まる+ビーム走査を変更
+KaPRの高感度モードのように ½ footprint ずらす+オフセットの制約を満足させる(Plan 5)
レンジオフセットを
微調整して、レンジが遠く
なる、衛星高度が高い場
合(398 km)でも、地表面
エコーを十分取れるように
変更した。
また、レンジが近くなる、
衛星高度が低い場合(386
km)で高度15 km まで観
測できるように設定。
Wide Swath 観測用設定ファイル作成の問題点 その１
PR通常観測不能期間を３分割して
#1= 394 ~ 376km
#2= 375 ~ 364km
#3= 363 ~ 356km
設定ファイルを準備するとすると、周回毎の高度変動(約11km)
を考慮して、作成するためにビーム走査範囲がかなり狭く観測
幅がかなり狭くなる。
→ 通常観測不能期間の分割を増やす
高度2km (約10日間)毎 394-356kmだと18分割
高度4km (約20日間)毎 394-356kmだと 9分割
高度6km (約30日間)毎 394-356kmだと 6分割
高度12km (約60日間)毎 394-356kmだと 3分割（現状）
Wide Swath 観測用設定ファイル作成の問題点 その2
90° Yaw Maneuver Observation では、1スキャン内で２回の
subscan があり、KaPRと類似の走査にしたが、より走査幅が狭
い場合にはどうするか？
衛星進
行方向
走査幅
上図は、 90° Yaw Maneuver Observation の設定ファイルで、Wide Swath
観測を行った場合で、走査幅が小さくなった場合、サブスキャン数を増やして、
along-track 方向の oversample を高くする方法と、cross-track方向のビーム
間隔を増やす方法があり、両者が均等に oversample になるようにしようと思う
がそれでよいか？
通常のビーム走査範囲外にビームを向けた場合のアンテナパターン
グレーティング
ローブ
通常のビーム
走査範囲
メインビーム
アンテナパターンの計算は一様励振でエレメントファクタは考慮していない。
衛星高度：H, 観測高度:h, ビーム走査角度:Θ, 地球半径:R と レンジ:r の関係式
右図の三角形で、余弦定理より
r:観測レンジ
( R  h )  ( R  H )  r  2( R  H ) r cos 
2
2
2
H:衛星高度
r  2( R  H ) cos   r  ( H  2 R  h )( H  h )  0
2
r  ( R  H ) cos  
+ の符号は
くて良い。
Θ:ビーム
走査角
( R  H ) cos   ( H  2 R  h )( H  h )
2
2
となる長い場合なので考えな
h:観測高度
R:地球半径
衛星高度と観測高度と観測レンジの関係
320 km
R:地球半径
観測レンジ
370 km
420 km
470 km
0°
衛星高度 350
衛星高度 350
衛星高度 403
衛星高度 403
10 °
km
km
km
km
(高度 0 km)
(高度 15 km)
(高度 0 km)
(高度 15 km)
20 °
ビーム走査角度
30 °
40 °
観測モードと外部校正(限定走査) モードの違い
• 観測モードは、一スキャン(0.6秒)で、観測角度ビン(01〜49)の49方向で、下
図の青色のレンジ範囲のエコーを収集する。
レンジ方向の分解能は 250 m 間隔
• 外部校正(限定走査)モードは、走査角度ビン(001-103)から、指定された走査
角度ビン(004〜100)を中心に、±3の7つの方向を一スキャンで、7回繰り返し
観測を行う。収集されるレンジは、レンジ方向の分解能が 125 m 間隔と2倍の
オーバーサンプルで、下図の赤色の範囲と観測モードの半分程度となる。
外部校正モード
レンジビン数 126 15.75 km
観測モード
レンジビン数 122〜135
30.5 km 〜 33.75 km
真下方向のみ 140 km 35 km
grating lobe の方向