JP2008160375A - 回転翼機におけるアンテナ配置方法及びその通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘリコプターなどの回転翼機において、アンテナの最適な設置様態を明確に示すことで、最小のアンテナ数で回転翼による信号遮断の影響を最小に抑制する最適なアンテナ配置方法と、その通信装置を提供する。
【解決手段】複数のアンテナと、各アンテナへの送信信号を分配する分配器と、各アンテナからの受信信号を合成する結合器とが、回転翼機に設けられた回転翼機通信装置において、回転翼による信号遮断の影響を抑制するために最適なアンテナの配置を求めるアンテナ配置方法であって、回転翼の数をBとし、回転翼の回転軸を中心として、基準となる第一のアンテナの設置角度をθ0とした場合、アンテナグループｔに属するアンテナの設置角度θtを、次式：

（nは、アンテナグループｔ内におけるアンテナ番号）
により算出される角度とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のアンテナと、各アンテナへの送信信号を分配する分配器と、各アンテナからの受信信号を合成する結合器とが、ヘリコプターなどの回転翼機に少なくとも設けられた回転翼機通信装置において、回転翼の数とアンテナの数とが与えられた場合に、回転翼による信号遮断の影響を抑制するために最適なアンテナの配置を求めるアンテナ配置方法と、それによる回転翼機の通信装置に関する。

災害救助等に当たり、ヘリコプターなどの回転翼機で撮影した映像を地上局へ伝送することで役立てる場合がある。
図１は、回転翼機で収集した情報を、人工衛星を介して、地上局へ伝送する様態を示す説明図である。
図示のように、回転翼機の機体と回転翼との間にアンテナが設置される場合が多いので、回転翼による送受信信号の遮断を克服する技術が必要である。回転翼機での通信には送信と受信とがあるが、電波干渉の問題点から、回転翼による送信信号（リターンリンク）の遮断が特に重大である。

人工衛星を介して地上局と通信するには、回転翼機での送信方式に以下の２通りの方式がある。なお、この２通りの区別は、人工衛星と地上局との距離による減衰を考慮するものであって、大型アンテナを搭載可能な静止衛星を介する場合は明確な区別とは言い難いものである。

回転翼機における１つの送信方式は、主に静止衛星との通信で考えられ、回転翼の回転に送信タイミングを同期させることで、送信信号の遮断を回避する方式である。
この方式では、回転翼による送信信号の反射は原理的には生じないので、電波観測や他の無線システムへの与干渉を回避できる。しかし、回転翼と送信タイミングとの同期装置の複雑化といった問題や、他衛星への与干渉を回避するための高精度な追尾装置と鋭い指向性アンテナによるアンテナ機構の複雑化といった問題があり、伝送レートの高速化が比較的容易である利点の一方で、広範な実用には適していない。

回転翼機におけるもう１つの送信方式は、主にイリジウムなどの周回衛星との通信で考えられ、回転翼の回転と送信タイミングとは非同期である。
この方式では、回転翼による送信信号の反射が生じるため、送信信号レベルは制限され、伝送レートの高速化は制限される。しかし、非同期構成とすることで送信装置は簡素化され、アンテナにはパッチアンテナなどの相対的に広いビーム幅を有する指向特性の鈍いアンテナを用いることができ、幅広い用途に適している。

主にこの後者の方式に関し、回転翼機に複数のアンテナを搭載することで、少なくとも1つのアンテナの信号が、回転翼により遮断されることを回避するための技術が既に提案されている。
特許文献１〜４は、回転翼機に複数のアンテナを搭載することを開示している。
特開平７−２１２１２２「衛星通信装置」 特開平５−１６７３４４「回転翼検知切換えアンテナ装置」 特開平１０−７６９９９「回転翼検知アンテナ切換装置」 特開２００２−２３６１７２「レーダ装置」

特許文献１では、ヘリコプターの機体に一対のアンテナを、一方のアンテナのビームが回転翼により遮られるとき、他方のアンテナのビームが遮られないように、位置を調整して配置する。そして、各アンテナに送受分波器を介して接続される送信部及び受信部と、送信希望信号を各送信部に分配して供給する入力分配器と、各受信部からの受信希望信号を合成して受信信号を得る出力合成器とを設ける。
これによって、送受信信号の搬送波の同期再生を必要とする通信方式の場合も、回転翼の回転に同期した同期信号を必要とせず、回転翼の影響を回避して通信回線を維持することを開示している。

特許文献２では、少なくとも一つのアンテナから衛星を見る方向が回転翼により遮られるとき、他のアンテナから通信衛星を見る方向が回転翼により遮られない位置に、複数アンテナを配置する。そして、複数のアンテナと、回転翼の位置を検知する複数の検知器を設け、その検知器の信号に基づいて使用するアンテナを切換えることを開示している。

しかし、いずれの従来技術においても、複数アンテナの最適な配置方法については開示がない。
複数のアンテナを用いる場合においても、回転翼機の回転翼の数に応じた最適なアンテナ配置があるが、これに触れる従来技術はなかった。例えば特許文献１では、ブレードの遮断間隔の概念が考慮されていなかった。

なお、回転翼機での受信に関しては、時間をずらして送信された複数の独立した信号を受信して合成または選択することにより、一部の信号が劣化しても他の信号により受信品質を確保する時間ダイバーシチ方式が提案されている。

本発明は、ヘリコプターなどの回転翼機において、回転翼の数とアンテナの数とが与えられた場合に、アンテナの最適な設置様態を明確に示すことで、最小のアンテナ数で回転翼による信号遮断の影響を最小に抑制する最適なアンテナ配置方法と、その方法を実施する通信装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の回転翼機におけるアンテナ配置方法は次の構成を備える。
すなわち、複数のアンテナと、各アンテナへの送信信号を分配する分配器と、各アンテナからの受信信号を合成する結合器とが、回転翼機に少なくとも設けられた回転翼機通信装置において、回転翼の数とアンテナの数とが与えられた場合に、回転翼による信号遮断の影響を抑制するために最適なアンテナの配置を求めるアンテナ配置方法であって、回転翼の数をBとすると共に、回転翼の回転軸を中心として、基準となる第一のアンテナの設置角度をθ0とした場合、あるアンテナグループｔに属するアンテナの設置角度θtを、次式：


（ここで、nは、アンテナグループｔ内におけるアンテナ番号）
により算出される角度とする。

このアンテナ配置方法による効果は、アンテナの数が2の場合が最大である。
すなわち、アンテナの数を２とし、基準となる第一のアンテナに対する他方のアンテナの設置角度θ1を、次式：


（ここで、X mod YはXをYで割った余り）
により算出される角度としてもよい。

本発明の回転翼機における通信装置は、上記のアンテナ配置方法によって配置された複数のアンテナと、各アンテナへの送信信号を分配する分配器と、各アンテナからの受信信号を合成する結合器とを少なくとも備える。

ここで、リターンリンクに関して、回転翼機における各アンテナとデータ入出力部との間の接続において、データ入力部から出力されたデータを変調する変調器と、各アンテナとの間に、各アンテナへデータ分配する分配器を設置してもよい。

また、回転翼機における各アンテナとデータ入出力部との間の接続において、データ入力部から出力されたデータを各アンテナへデータ分配する分配器と、各アンテナとの間に、データを変調する変調器を設置してもよい。

フォーワードリンクに関して、回転翼機における各アンテナとデータ入出力部との間の接続において、 各アンテナと、データを復調する復調器との間に、各アンテナから出力されたデータを結合する結合器を設置してもよい。

また、回転翼機における各アンテナとデータ入出力部との間の接続において、各アンテナと、各アンテナから出力されたデータを結合する結合器との間に、データを復調する復調器が設置してもよい。

各アンテナの受信メトリックを、次式：



（ここで、M1、M2、…、MNは各アンテナの受信メトリック）
により求め、この結合メトリックを用いて復号処理を行うことで、ビット誤り率性能向上に寄与させてもよい。

比較器を用いて、所定の閾値以上の受信信号のみを、次式：


（ここで、αは、0または1の値をとる重み）
により用いて、復号処理を行うことで、回転翼の遮断で著しく劣化した信号を省き特性向上に寄与させてもよい。

復調器の出力信号またはアンテナの出力信号に、次式：


（ここで、αは、受信信号出力または復調器出力に応じた値をとる重み）
の加重演算を用いて、復号処理を行うことで、信号に重要度をもたせて特性向上に寄与させてもよい。

各アンテナをそれぞれ異なるユーザと見なした多元接続によって、地上局と通信を行なうことで、各受信信号に生じうる時間的ズレによる通信性能劣化を抑制してもよい。

本発明によると、複数のアンテナを最適に配置することで、通信信号を回転翼に同期させることなく、最小のアンテナ数で回転翼の影響を最小に抑えることができる。
これにより、回転翼機と人工衛星を介した地上局との間で、送信及び受信ともに簡易な装置によって安定した通信が可能となる。
また、地上局の送受信装置において、繰り返し送信、最大比合成受信、インターリーバなどによる時間ダイバーシチ効果を得るための特別な装置を必ずしも必要としない利点もある。なお、インターリーバを誤り訂正と併用することによる時間ダイバーシチ効果による性能改善はある。

以下に、図面を基に本発明の実施形態を説明する。
回転翼機には、複数のアンテナが搭載され、各アンテナへの送信信号を分配するための分配器、並びに、各アンテナからの受信信号を合成するための結合器が少なくとも備わる。
また、回転翼機における各アンテナとデータ入出力部との間の接続において、リターンリンクに関しては、データ入力部から出力されたデータを符号化する符号器と、データを変調する変調器と、各アンテナへデータ分配する分配器とを備える。
フォーワードリンクに関しては、各アンテナから出力されたデータを結合する結合器と、データを復調する復調器と、データを復号化する復号器とを備える。

図２は、回転翼による送受信信号の強度劣化を示す説明図である。
回転翼による信号遮断は、ある程度の時間間隔を有する。その遮断時間（x）は、通常、信号フレーム長（y）より大きい。
回転翼による遮断間隔が狭ければ、アンテナを複数設けることによる効果は小さいが、本発明によると、その遮断間隔を最大化するためのアンテナ設置形態が得られる。
図示の例では、データをバースト信号としてフレーム構成を示したが、本発明は、データが連続信号の場合にも同様に適用可能である。

アンテナの配置は、回転翼の数とアンテナの数によって決まる。
図３は、アンテナ数が２、回転翼数が４の場合のアンテナ配置を示す平面説明図である。
回転翼の回転軸を中心として、基準となる第一のアンテナ#1の設置角度をθ0 = 0度とすると、図３（ａ）のように、アンテナ#2の設置角度はθ1=45度となる。図３（ｂ）（ｃ）（ｄ）のように90度を加算したθ1=135,225,315度でも同様である。

図４は、アンテナ数が２、回転翼数が３の場合のアンテナ配置を示す平面説明図である。
この場合のアンテナ#2の設置角度は、図４（ａ）のように、θ1=６０度となる。図４（ｂ）（ｃ）のように120度を加算したθ1=180,300度でも同様である。

これらのアンテナ数が2の場合を一般化すると、次のようになる。
基準となる第一のアンテナ#１に対する他方のアンテナ#2の設置角度θ1は、次式で算出される値となる。

（ここで、Bは回転翼数、nは任意の整数、X mod YはXをYで割った余り）

上式より、θ1のとり得る相異なる値はB通りとなる。
例えば、前述の通り、図３に例示した回転翼数が４の場合では、θ1のとり得る相異なる値は４通りあり、図４に例示した回転翼数が３の場合では、θ1のとり得る相異なる値は３通りある。

各アンテナは、必ずしも同一円周上に配置される必要なく、上記によって算出される設置角度であれば異なる円周上でもよい。また、実際の搭載に当たっては、必ずしも上記の算出値に厳密に設置する必要はなく、その算出値の近傍に設置することも可能である。
また、任意の整数nとしてアンテナ#1とアンテナ#2の距離が離れるような値をとることで、回転翼による遮断の影響をより低減できる場合もある。

アンテナ数が３以上の場合も同様である。
一般に、回転翼の数をBとすると共に、回転翼の回転軸を中心として、基準となる第一のアンテナの設置角度をθ0とした場合、あるアンテナグループｔに属するアンテナの設置角度θtは、次式により算出される。

（ここで、nは、アンテナグループｔ内におけるアンテナ番号）

図５は、アンテナ数が８の場合のアンテナ配置を示す平面説明図である。
上式によって求めた8つのアンテナ角度（#1,#2,…#8）において、下位のグループ番号から順にアンテナ番号を埋めるように配置すればよい。
各グループのアンテナは360/B（度）の倍数の回転因子によって他象限に同様に展開される。例えば、回転翼数が４の場合、回転翼の回転不変性により、回転翼をx-y軸とするような第１象限のみを考えればよく、他の象限のアンテナ位置を求めるには90度の倍数の回転因子を加えればよい。
以上のように、回転翼機の通信装置を構成することで、地上局での送受信装置に特別な仕組みを必要とすることなく、回転翼による遮断の影響を最小限にし、安定した通信回線を実現できる。

図６は、アンテナ数が２の場合の双方向リンクを示すブロック図である。
回転翼機におけるリターンリンクでは、各アンテナとデータ入出力部との間の接続は、データ入力部、符号器、変調器、分配器、各アンテナの順になっている。すなわち、データ入力部から出力されたデータを変調する変調器と、各アンテナとの間に、各アンテナへデータ分配する分配器が配設される。

フォーワードリンクでは、各アンテナ、結合器、復調器、復号器、データ出力部の順になっている。すなわち、各アンテナと、データを復調する復調器との間に、各アンテナから出力されたデータを結合する結合器が配設される。

なお、図示のように、アンテナにサーキュレータを付設して、送受信信号を分離することで、送信アンテナと受信アンテナとを共用して装置規模を低減させてもよい。

一方、地上局におけるフォーワードリンクでは、アンテナとデータ入出力部との間の接続は、データ入力部、符号器、変調器、アンテナの順になっている。
また、地上局におけるリターンリンクでは、アンテナとデータ入出力部との間の接続は、アンテナ、復調器、復号器、データ出力部の順になっている。

図７は、アンテナ数が２の場合の双方向リンクを示す別実施例のブロック図である。
図６の実施例とは、変復調と結合分配の順序が異なる。
回転翼機におけるリターンリンクでは、各アンテナとデータ入出力部との間の接続は、データ入力部、符号器、分配器、変調器、各アンテナの順になっている。すなわち、データ入力部から出力されたデータを各アンテナへデータ分配する分配器と、各アンテナとの間に、データを変調する変調器が配設される。

フォーワードリンクでは、各アンテナ、復調器、結合器、復号器、データ出力部の順になっている。すなわち、各アンテナと、各アンテナから出力されたデータを結合する結合器との間に、データを復調する復調器が配設される。

図８及び９は、それぞれ、アンテナ数がNの場合のリターンリンク及びフォーワードリンクを示す別実施例のブロック図である。
図６の実施例と同様に、回転翼機におけるリターンリンクでは、各アンテナとデータ入出力部との間の接続は、データ入力部、符号器、変調器、分配器、各アンテナの順になっている。フォーワードリンクでは、各アンテナ、結合器、復調器、復号器、データ出力部の順になっている。
回転翼機での受信においては、回転翼による遮断の影響を受けた受信信号と、影響を受けない受信信号とが同時に存在するが、図９に示すように、特別な同期装置を必要とすることなく、各アンテナからの信号を同期加算するだけで、結合後の受信レベルを上げた後、復号処理を行えばよい。

図１０及び１１は、それぞれ、アンテナ数がNの場合のリターンリンク及びフォーワードリンクを示す別実施例のブロック図である。
図７の実施例と同様に、回転翼機におけるリターンリンクでは、各アンテナとデータ入出力部との間の接続は、データ入力部、符号器、分配器、変調器、各アンテナの順になっている。フォーワードリンクでは、各アンテナ、復調器、結合器、復号器、データ出力部の順になっている。
回転翼機での通信装置には、アンテナと変復調器が一体となってものがある。この場合は、図示のように、各アンテナ直下に変復調器を配置した装置構成になり、符号器と復号器によってデータに誤り訂正が施さていれば、いずれのアンテナの受信信号も信頼度情報として同時に利用でき、ビットまたはシンボル毎での結合によりビット誤り率性能を向上できる。

アンテナ#1、#2、…、#Nの受信メトリックをM1、M2、…、MNとすると、その結合メトリックは次式で与えられる。

（ここで、M1、M2、…、MNは各アンテナの受信メトリック）

この結合メトリックを用いて復号処理を行うことで、ビット誤り率性能を向上できる。
また、受信メトリックの代わりに、ターボ符号や低密度パリティ検査符号などの復号で用いる対数尤度比を用いても同様である。

図１２及び１３は、アンテナ数がNの場合のフォーワードリンクを示す別実施例のブロック図である。
回転翼の遮断で著しく信号の劣化した受信信号を省くことで、全体の特性を改善することができる。この場合は、図示のように、比較器などを用いて所定の閾値以上の受信信号のみを、次式により用いればよい。

（ここで、αは、0または1の値をとる重み）

図１４及び１５は、アンテナ数がNの場合のフォーワードリンクを示す別実施例のブロック図である。
上記を更に一般化させた方式として、図示のように復調器の出力信号またはアンテナの出力信号に、次式により重みα（0または1に限定されない値）を乗算することで、信号に重要度をもたせて、特性改善を図ってもよい。なお、重みαは受信信号出力または復調器出力に応じて算出されるものである。

（ここで、αは、受信信号出力または復調器出力に応じた値をとる重み）

図１６及び１７は、回転翼による遮断時の受信波形を示すグラフ（平成14年度災害・防災情報のための衛星デジタル伝送技術に関する調査検討報告書（総務省））であり、図１６は、遮断率約２５％の最良ケース、図１７は、遮断率約３５％の最悪ケースである。
このグラフは、指向性の強いアンテナを用いて、回転翼による受信強度の影響を測定した実測データである。本発明で用いるように、相対的に広いビーム幅を有する指向特性の鈍いアンテナを用いた場合は、遮断率は更に大きくなるので、本発明の効果が顕著になることがわかる。

回転翼機と地上局を仲介する人工衛星の通信方式には、衛星上で周波数変換のみを行い信号波形の再生を行わないベントパイプ方式と、衛星上で信号波形やデータの復号符号化を行う再生中継方式があるが、本発明はどちらにも適用可能である。

また、本発明は、イリジウム等の周回衛星に限らず静止衛星にも適用可能である。静止衛星の場合には、特に、回転翼機のヘディングに応じて本発明のアンテナ配置方法が有効である。lang=EN-US> また、地上局の代わりに別の回転翼機を利用することも可能である。この場合は、双方の回転翼機に、本発明のアンテナ配置及び通信装置を設ければよい。

上述のリターンリンクでは、各アンテナから同一周波数の信号が同時に出力されることを主に想定しているが、地上局での各受信信号に時間的ズレが生じる場合には、相互の信号で干渉が生じ通信性能が劣化することがありうる。lang=EN-US> これに対しては、回転翼機に備わる各アンテナをそれぞれ異なるユーザと見なし、符号分割多重接続(CDMA)や周波数分割多元接続(FDMA）等の多元接続技術を用い、地上局では、各々の多元接続の一般的復調技術を用いることで対処できる。

本発明は、ヘリコプターなどの回転翼機によって映像や音声等の情報伝送が必要な災害救助場面などの情報収集分野一般に利用でき、産業上利用価値が高い。

回転翼機で収集した情報を、人工衛星を介して地上局へ伝送する様態を示す説明図 回転翼による送受信信号の強度劣化を示す説明図 アンテナ数が２、回転翼数が４の場合のアンテナ配置を示す平面説明図 アンテナ数が２、回転翼数が３の場合のアンテナ配置を示す平面説明図 アンテナ数が８の場合のアンテナ配置を示す平面説明図 アンテナ数が２の場合の双方向リンクを示すブロック図 同、別実施例図 アンテナ数がNの場合のリターンリンクを示す別実施例のブロック図 同、フォーワードリンクを示す別実施例のブロック図 アンテナ数がNの場合のリターンリンクを示す別実施例のブロック図 同、フォーワードリンクを示す別実施例のブロック図 アンテナ数がNの場合のフォーワードリンクを示す別実施例のブロック図 同、別実施例図 アンテナ数がNの場合のフォーワードリンクを示す別実施例のブロック図 同、別実施例図 回転翼による低遮断時の受信波形を示すグラフ 同、高遮断時のグラフ

Claims (11)

1. 複数のアンテナと、各アンテナへの送信信号を分配する分配器と、各アンテナからの受信信号を合成する結合器とが、回転翼機に少なくとも設けられた回転翼機通信装置において、
   回転翼の数とアンテナの数とが与えられた場合に、回転翼による信号遮断の影響を抑制するために最適なアンテナの配置を求めるアンテナ配置方法であって、
   回転翼の数をBとすると共に、回転翼の回転軸を中心として、基準となる第一のアンテナの設置角度をθ0とした場合、あるアンテナグループｔに属するアンテナの設置角度θtを、次式：
   
   
   （ここで、nは、アンテナグループｔ内におけるアンテナ番号）
   により算出される角度とする
   ことを特徴とする回転翼機におけるアンテナ配置方法。
2. アンテナの数を２とし、基準となる第一のアンテナに対する他方のアンテナの設置角度θ1を、次式：
   
   
   （ここで、X mod YはXをYで割った余り）
   により算出される角度とする
   請求項１に記載の回転翼機におけるアンテナ配置方法。
3. 請求項１または２に記載のアンテナ配置方法によって配置された複数のアンテナと、各アンテナへの送信信号を分配する分配器と、各アンテナからの受信信号を合成する結合器とを少なくとも備える
   ことを特徴とする回転翼機通信装置。
4. 回転翼機における各アンテナとデータ入出力部との間の接続において、
   データ入力部から出力されたデータを変調する変調器と、各アンテナとの間に、各アンテナへデータ分配する分配器が設置される
   請求項３に記載の回転翼機通信装置。
5. 回転翼機における各アンテナとデータ入出力部との間の接続において、
   データ入力部から出力されたデータを各アンテナへデータ分配する分配器と、各アンテナとの間に、データを変調する変調器が設置される
   請求項３に記載の回転翼機通信装置。
6. 回転翼機における各アンテナとデータ入出力部との間の接続において、
   各アンテナと、データを復調する復調器との間に、各アンテナから出力されたデータを結合する結合器が設置される
   請求項３に記載の回転翼機通信装置。
7. 回転翼機における各アンテナとデータ入出力部との間の接続において、
   各アンテナと、各アンテナから出力されたデータを結合する結合器との間に、データを復調する復調器が設置される
   請求項３に記載の回転翼機通信装置。
8. 各アンテナの受信メトリックを、次式：
   
   
   
   
   （ここで、M1、M2、…、MNは各アンテナの受信メトリック）
   により求め、この結合メトリックを用いて復号処理を行う
   請求項３ないし７に記載の回転翼機通信装置。
9. 比較器を用いて、所定の閾値以上の受信信号のみを、次式：
   
   
   （ここで、αは、0または1の値をとる重み）
   により用いて、復号処理を行う
   請求項８に記載の回転翼機通信装置。
10. 復調器の出力信号またはアンテナの出力信号に、次式：
    
    
    （ここで、αは、受信信号出力または復調器出力に応じた値をとる重み）
    の加重演算を用いて、復号処理を行う
    請求項８に記載の回転翼機通信装置。
11. 各アンテナをそれぞれ異なるユーザと見なした多元接続によって、地上局と通信を行なう請求項３ないし１０に記載の回転翼機通信装置。