JP2009225395A - 磁力波伝搬を利用した通信事業 - Google Patents

Abstract

【課題】水中あるいは海水中を比較的に低損失で伝搬する磁力波を利用して移動体通信サービスを提供する。
【解決手段】陸上に固定された基地局２２内に設置された送受信機２２１に接続されたループアンテナ２２２によって磁力波を水中あるいは海水中において効率よく送受信し、一方、海上を移動する移動局２１に設置された送受信機２１１に接続されたループアンテナ２１２によって前記基地局２２との間あるいは別に設けたマーカ３１との間で磁力波を効率よく送受信することによって、固定局２２と移動局２１との間、あるいは移動局２１とマーカ３１との間で通信を行なう。
【選択図】図１

Description

この発明は、水中あるいは海水中を比較的に低損失で伝搬する磁力波を利用して通信サービスを行なうための通信事業に関するものである。

従来から海水中では電磁波の減衰が急激であるため電磁波の伝搬が難しいとされていたため、海水中での電磁波を利用した通信事業が行なわれていない問題点があった。（例えば、特許文献１、および非特許文献１、２、および３）
「工学系の基礎電磁気学」W.H.ヘイト著、山中他訳、朝倉書店刊、２７５頁〜２８０頁 「アンテナと電波伝搬」谷口慶治著、共立出版 １８８頁〜１８９頁

非特許文献１の２７５頁〜２８０頁に記載されている「９．３ 損失のある誘電体中の平面波」によれば、２７７頁の上から４行目に、「ＥｘあるいはＨｙの振幅は、水中を１ｍ／５２０（約２ｍｍ）伝播するごとに０．３６８の係数で減衰する。伝播するという言葉はこのようにたいへんあいまいに使用されている。減衰が大きいことが、水中でレーダーが使用されずにソナーが使われる理由である。」とされている。

また、非特許文献２の１８９頁、図５．３に示されている「水中を伝搬する電波の減衰特性」によれば、海水中では１ＭＨｚの電波が約１００ｄＢ／ｍの割合で減衰するとされている。

しかしながら、発明者らが海水中でループアンテナなどの磁界型アンテナあるいは磁流型アンテナを用いて伝搬実験を実施したところ、海水中において磁力波を利用することによって、前記非特許文献１あるいは非特許文献２に記載されている程の急激な伝播損失が生じないことを実験で確認している。

この発明は、水中あるいは海水中における磁力波を利用することによって、水中あるいは海水中における通信事業を実現するためのものである。

この発明に係わる磁力波を利用した通信事業は、従来電磁波の伝搬が難しいとされていた水中あるいは海水中において、磁力波の伝搬が電磁波の伝搬に比較してはるかに低損失であり長距離の伝搬が可能であることを利用して通信サービスを行なうためのものである。

従来、水中あるいは海水中での通信にはもっぱら音波あるいは超音波が用いられ、あるいは例えばＶＬＦ帯以下の極めて低い周波数帯の電磁波信号を用いることが一般的であり、ＬＦ帯以上の比較的に高い周波数帯の電磁波信号は、例えば海水中での減衰が２７ＭＨｚ帯において約１００ｄＢ／ｍと急激であるために、利用が難しいというのが定説であった。
本発明の磁力波を利用した通信事業では、１００ｋＨｚ以上の周波数帯において広い帯域幅の磁力波を利用することで、水中あるいは海水中において長距離通信が可能となり、広帯域で高品質の通信サービスを安価に提供することができる。

この発明に係わる磁力波を利用した通信事業は、図１および請求項第１項に本発明の第１の実施の形態を示すように、陸上に固定された基地局２２内に設置された送受信機２２１に接続されたループアンテナ２２２によって磁力波を水中あるいは海水中において効率よく送受信し、一方、海上を移動する移動局２１に設置された送受信機２１１に接続されたループアンテナ２１２によって前記基地局２２との間あるいは別に設けたマーカ３１との間で磁力波を効率よく送受信することによって、固定局２２と移動局２１との間、あるいは移動局２１とマーカ３１との間で移動体通信サービスを提供する。

図２および請求項第１項に示す本発明の第２の実施の形態を示すように、海上の船舶あるいはブイなどに設置された中継局２４内の中継機２４１には、海水中の移動局２５ａ、２５ｂ、２５ｃに向けてアンテナ２４２ｂが接続され、大気中の衛星中継局２６などに向けてアンテナ２４２ａが接続されている。
前記中継局２４と海水中の移動局２５ａ、２５ｂ、２５ｃとの間、あるいはマーカ３１と前記移動局２５ａ、２５ｂ、２５ｃの間で通信ネットワークが構成され、前記中継局２４と衛星局２６との間で通信ネットワークが構成され、前記中継局２４は両者間の移動体通信サービスを提供する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態を示すシステム構成図であり、磁力波による移動体通信サービスの例である。
図１において、２１は移動局、２２は固定局、２３は固定電話局、３１はマーカ、２１１、２２１は送受信機、２１２、２２２、３１１はループアンテナ、２３１は公衆電話網、１１１は海表面、１１２は岸壁など、１１３は海底である。
ループアンテナ２１２からは磁力波が放射され、長距離を低損失で伝搬してループアンテナ２２２によって受信され、ループアンテナ３１１から放射された磁力波はループアンテナ２１２によって受信され、逆に、ループアンテナ２２２から放射された磁力波はループアンテナ２１２によって受信される。

海水中での電磁波の伝搬では、ダイポールアンテナなどの電界型アンテナから放射される電界変動によって伝搬される電磁波の伝搬損失が２７ＭＨｚ帯において約１００ｄＢ／ｍと急激に減衰するのに対して、ループアンテナ２１２、２２２、３１１などの磁界型アンテナから放射される磁界変動あるいは磁流変動にって伝搬される磁力波の伝搬損失が２７ＭＨｚ帯においてもはるかに低損失であることが実験において確認されており、下記の理論式によって裏付けられる。

海水中の分子イオンに力Ｆが加わった場合の加速度αは、運動の方程式から
Ｆ＝ｍα＝ｍ（ｄｖ／ｄｔ） −−−−（１）
と表わされる。ここで、ｍ＝分子イオン当りの質量とする。

分子イオンがｖ（ｍ／ｓ）で移動しているときに流れる電流はｉ＝ｑｖで表わされるから、両辺を微分すると
（ｄｉ／ｄｔ）＝ｑ（ｄｖ／ｄｔ） となり、従って、
（ｄｖ／ｄｔ）＝（１／ｑ）（ｄｉ／ｄｔ） −−−−（２）
で表現される。ここで、ｑ＝分子イオンあたり電荷量（クーロン）とする。

（２）式を（１）式に代入して、
Ｆ＝（ｍ／ｑ）（ｄｉ／ｄｔ） −−−−（３）
となり、分子イオンに加わる力Ｆと変位電流（ｄｉ／ｄｔ）との関係が得られる。

一方、移動している分子イオンに磁界が加わった場合のローレンツ力Ｆは、Ｆ＝ｑｖＢとなり、磁界の方向と垂直な方向に力Ｆが働くことになる。
ここで、移動している分子イオンでなく、静止している分子イオンに磁界変動が加わったときには、
Ｆ＝ｑＢｖ＝−ｑ（ｄＢ／ｄｔ）＝−ｑμ（ｄＨ／ｄｔ） −−−−（４）
となる。

（３）と（４）から、（ｍ／ｑ）（ｄｉ／ｄｔ）＝−ｑμ（ｄＨ／ｄｔ）
（ｄｉ／ｄｔ）＝−（ｑ・ｑ／ｍ）μ（ｄＨ／ｄｔ） −−−−（５）
となり、磁界変動と変位電流との関係式が得られる。

水中あるいは海水中の分子イオン数のほぼ半数を占めるＨ＋イオンの電荷はｑ＝１．６×１０＾−１９クーロン、質量はｍ＝１．６７×１０＾−２７（ｋｇ／個）であるので、（ｑ・ｑ／ｍ）を求めると、
（ｑ・ｑ／ｍ）＝（１．６×１０＾−１９）＾２／（１．６７×１０＾−２７）
＝（１５．３×１０＾−１２） −−−−（６）
となる。ここで、＾はべき数を示す。
ここで、（６）式と誘電率ε０＝８．８５４＾−１２とを比較すると、（ｑ・ｑ／ｍ）はその約２倍であり、従って伝搬速度が光の速度の７６％程度に短縮されることが分かる。

以上の検討結果により、１.分子イオンに加わった磁界変動が分子イオンにローレンツ力として働き、２.分子イオンに加わったローレンツ力が分子イオンに加速度を与えることによって分子イオンが磁界変動の周波数で振動を生じ、３.分子イオンが振動することによって変位電流が流れ、４.変位電流が新たな磁界変動を生み出すことが連続的に行なわれ、水中あるいは海水中を低損失で伝搬することが分かる。

この現象を、従来の（ア）電界変動によって変位電流が流れ、（イ）変位電流が流れることによって新たな磁界変動が生じ、（ウ）磁界変動によって新たな電界変動が生じることが継続的に発生する電磁波の伝搬と区別するために、磁力波による伝搬と名づけることとする。
磁力波による伝搬では、磁界変動の方向と伝搬の方向が同一の場合を垂直偏波とし、磁界変動の方向と伝搬方向とが直角の場合を水平偏波とする。

従来の電磁気学では、たとえば海水中では比誘電率が高く波長が短縮されるので、水中では減衰が急激に起こり、高い周波数の電磁波信号は海水中での伝送には不向きであるとされている。
しかしながら、磁力波を送受信するのに適するループアンテナなどの磁界型アンテナを用いた海水中での伝送実験から、海水中での磁力波を利用すれば大気中における電磁波の伝搬と同程度の損失で海水中でも長距離の通信が可能であることを確認しており、上記の理論的な検討と良く合致している。

電磁波が海上伝搬するときには、非特許文献３に示すＺｅｎｎｅｃｋの理論によれば、海表面の上側に電磁界が集中して進行方向に伝搬されるため低損失で長距離の伝搬が可能であるとされている。
一方、発明者らが、海水中で磁力波の伝搬実験を実施した際、図３に示すように、長距離（１．５ｋｍ）の区間で伝搬損失がほとんど増加しない現象を確認しており、Ｚｅｎｎｅｃｋの理論が海水中から海表面をみた側でも同様に表面波伝搬が存在するものと考えられる。

前記磁力波の伝搬を通信サービスに利用すれば、例えば、船舶の喫水線より低い位置に設置されたアンテナは船舶間あるいは船舶と海岸局との通信を行うのに適しており、しかも高速で広帯域のデータ通信が可能となることから、通信事業に利用できる付加価値が大きい通信手段となる。
また、前記固定局あるいは移動局あるいはマーカあるいはこれらの組合せから少なくとも水上あるいは海上を航行する船舶の安全な航行を支援し誘導するために必要な情報を間欠的に発信し、かつ／または水中あるいは海水中を潜行する潜航艇あるいは水中グライダの自力潜行を支援し誘導するために必要な情報を間欠的に発信することで、前記通信サービスの利用価値をあげることができる。

図２は、本発明の第２の実施の形態を示すシステム構成図である。図２において、２４は中継局、２５ａ、２５ｂは移動局、２６は固定局、２７は衛星局、３１はマーカ、２４１ａ、２４１ｂ、２５１ａ、２５１ｂ、２６２、および３１１はループアンテナ、２４１、２５１ａ、２５１ｂ、２６１は送受信機、１１１は海表面、１１３は海底である。
前記中継局２４の送受信機２４１に接続されたループアンテナ２４２ｂが例えば海水中に設置され、前記中継局２４の送受信機２４１に接続されたダイポールアンテナ２４２ａが大気中に設置され、前記送受信機２４１によって単方向中継および／あるいは双方向中継が行なわれる。

前記中継局２４の送受信機２４１に接続されたループアンテナ２４２ｂと移動局２５ａ、２５ｂ、固定局２６、およびマーカ３１との間で水中あるいは海水中における通信ネットワークを構成し、前記中継局２４の送受信機２４１に接続されたループアンテナ２４２ａと衛星局２７との間で大気中における通信ネットワークを構成し、前記中継局２４は両者間の中継器の役割を担っている。
また、前記中継局２４は前記水中あるいは海水中における通信ネットワーク内で中継機能を持たせることも可能である。
また、前記中継局２４の通過帯域幅を広帯域特性とすることで、例えば、地上と海水中との間でブロードバンドな通信サービスを可能とする。

また、１００ｋＨｚ帯以上で、必要な帯域幅の単方向あるいは双方向中継局を構成することができる。
また、ダイポールアンテナ２４２ａをループアンテナに置き換え、ループアンテナ２４２ｂとともに水中あるいは海水中に設置することによって、移動局２５ａ、２５ｂ、固定局２６、およびマーカ３１との間で単方向中継局および／あるいは双方向中継局を構成することができる。

図３は、本発明の実施の形態１および２において、海水中での磁力波の伝搬特性を示す図であり、５０１は縦軸、５０２はループアンテナ間の距離、５０３は海水中での磁力波の伝搬損失の実測データである。
縦軸５０１により減衰度（ｄB)を示し、横軸５０２によりループアンテナ間の距離を示し、実測データ５０３によって伝搬特性を示している。
実測データ５０３によれば、ループアンテナ間の距離が１０ｍ〜１．５ｋｍの範囲において海水中での磁力波の伝搬損失の変化が少なく、低損失で伝搬しており、電磁波の表面波伝搬と類似した現象が海水中においても観測されることが分かる。
なお、表面波伝播による伝送損失は、海表面からの深さが増すとともに増加し、ほぼ６ｄＢ／ｏｃｔの割合で増加することが実験で確かめられている。

以上の説明ではループアンテナを用いる場合について述べたが、磁界型アンテナ、あるいは磁流型アンテナ、あるいはフエライトコア上に巻かれたフエライトアンテナ、あるいはヘリカルアンテナ、あるいはスパイラルアンテナ、あるいはスロットアンテナ、あるいはループスパイラルアンテナ、あるいはマイクロストリップアンテナなど、比較的に大きな磁界変動および／あるいは磁流変動を送信しかつ／または受信するアンテナを用いても同様な効果が得られる。

また、前記固定局あるいは中継局あるいは移動局あるいはマーカあるいはこれらの組合せが少なくとも相互間の相対距離および／あるいは相互間の方向を高精度で測定する機能を有することで、前記通信サービスの付加価値を高めることができる。
また、磁力波を利用して行なう前記通信サービスが公衆通信サービスであり、あるいは専用通信サービスであり、あるいは固定間通信サービスであり、あるいは移動体通信サービスであり、あるいはデータ収集サービスであり、あるいは情報発信サービスであり、あるいは安全管理サービスであり、あるいは案内サービスであり、あるいはこれらの組合せとして提供できる。

また、前記磁力波が水中あるいは海水中において比較的に遠距離を低損失で伝搬する特性を有し、１００ｋＨｚ以上の周波数帯において必要な帯域幅を占有することができる。
また、前記固定局および中継局あるいは移動局あるいはマーカあるいはこれらの組合せが水上あるいは海上を航行する複数の移動体に設置され、あるいは水中あるいは海水中を潜行する複数の移動体に搭載され、あるいは複数のダイバーあるいは海水浴客あるいは船舶の乗組員あるいは水中あるいは海水中の生物によって携帯され、あるいは水中あるいは海水中あるいは水底あるいは海底に離散的に設置された複数のセンサーに接続され、あるいは水中あるいは海水中あるいは水底あるいは海底に離散的に固定され、あるいはこれらの組合せとして、移動体相互間の長距離通信、船舶の衝突防止、遭難者の探索、あるいは地殻変動の監視ネットワークなど幅広いサービスを提供できる。

また、前記固定局あるいは中継局あるいは移動局あるいはマーカあるいはこれらの組合せから少なくとも水上あるいは海上を移動する移動体の安全な移動を支援し誘導するために必要な情報を間欠的に発信し、かつ／または水中あるいは海水中を移動する移動体の自律移動を支援し誘導するために必要な情報を間欠的に発信することで前記通信サービスの付加価値を高めることができる。

また、前記固定局あるいは中継局あるいは移動局あるいはマーカあるいはこれらの組合せを海上のブイに搭載し、あるいは海底のアンカーに固定することことで恒常的な設備として運用することができる。

また、前記固定局あるいは中継局あるいは移動局あるいはマーカあるいはこれらの組合せが波動および／あるいは潮流のエネルギによって発電された電力を利用して運用することができる。
また、塩分濃度が０％から１０％までの真水中あるいは海水中で磁力波を利用し、アナログ通信あるいはデジタル通信、あるいはスペクトル拡散符号を用い音声通信あるいはデータ通信など、広帯域で高速度の通信が可能である。

また、前記通信サービスが、新技術あるいは新システムあるいは新サービスの開発業務を含み、および／あるいは機器の製造と販売業務およびアフタサービスを含み、および／あるいは機器のレンタルあるいはリース業務を含むことで、当該通信事業を将来に渡って継続し発展させることができる。

本発明は上記のように構成されているため、水中あるいは海水中において、広帯域長距離通信サービス、船舶の水先案内サービス、船舶の安全救援サービス、ダイバーの安全救援サービス、海上遭難者の探索と救援サービス、海水中でのセンシングサービスなどへの展開が可能であり、また、スペクトル拡散通信システムを適用した秘匿通信サービス、あるいは高速大容量のデータ通信サービス、あるいは画像通信を含むマルチメデイア通信サービスなどの高付加価値の通信サービスを実現することができる。

本発明の第１の実施の形態を示すシステム構成図 本発明の第２の実施の形態を示すシステム構成図 本発明の第１と第２の実施の形態による伝搬特性を示す図

符号の説明

２１ 海上移動局
２２ 基地局
２３ 固定電話局
２４ 中継局
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、 水中あるいは海水中の移動局
２６ 固定局
２７ 衛星局
３１ マーカ

１１１ 海表面
１１２ 岸壁など
１１３ 海底面
２１１、２２１ 送受信機
２３１ 公衆電話網
２４１ 中継機
２４２ａ２４２ｂ ループアンテナ
２５１ａ〜２５１ｃ、２６１ 送受信機
２６２ ループアンテナ
３１１ ループアンテナ

Claims (11)

1. 水中あるいは海水中に設置されたアンテナ手段と、前記アンテナ手段に接続された通信手段とから構成され、
   前記アンテナ手段が水中あるいは海水中において磁力波を効率よく放射しかつ／または受信し、
   前記通信手段が固定局あるいは中継局あるいは移動局あるいはマーカあるいはこれらの組合せであり、
   前記アンテナ手段および通信手段の一部あるいは全部が前記磁力波を利用して通信サービスを行なうことを特徴とする磁力波を利用した通信事業
   
2. 前記磁力波が水中あるいは海水中において比較的に遠距離を低損失で伝搬する特性を有し、１００ｋＨｚ以上の周波数帯において必要な帯域幅を占有することを特徴とする請求項第１項に記載の磁力波を利用した通信事業
   
3. 前記固定局あるいは中継局あるいは移動局あるいはマーカあるいはこれらの組合せが少なくとも相互間の相対距離および／あるいは相互間の方向を高精度で測定する機能を有することを特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載の磁力波を利用した通信事業
   
4. 前記固定局あるいは中継局あるいは移動局あるいはマーカあるいはこれらの組合せが、水中あるいは海水中において通信ネットワークを構成することを特徴とする前記請求項第１項から第３項のいずれかに該当する磁力波を利用した通信事業
   
5. 前記中継局が、前記水中あるいは海水中における通信ネットワークと大気中における通信ネットワークとの間の単方向あるいは双方向の中継機能を有することを特徴とする前記請求項第１項から第３項のいずれかに該当する磁力波を利用した通信事業
   
6. 前記通信サービスが、公衆通信サービスであり、あるいは専用通信サービスであり、あるいは固定間通信サービスであり、あるいは移動体通信サービスであり、あるいはデータの収集・配信サービスであり、あるいは情報の発受信サービスであり、あるいはこれらの組合せであることを特徴とする前記請求項第１項から第５項のいずれかに該当する磁力波を利用した通信事業
   
7. 前記固定局および中継局あるいは移動局あるいはマーカあるいはこれらの組合せが、水上あるいは海上を航行する移動体に設置され、あるいは水中あるいは海水中を潜航する移動体に搭載され、あるいは人間を含む生物によって携帯されあるいは装着され、あるいは水中あるいは海水中あるいは水底あるいは海底に離散的に設置されあるいは固定され、あるいはこれらの組合せであることを特徴とする請求項第１項から第６項のいずれかに該当する磁力波を利用した通信事業
   
8. 前記固定局あるいは中継局あるいは移動局あるいはマーカあるいはこれらの組合せから報知情報あるいは報知データが間欠的に発信され、前記固定局あるいは中継局あるいは移動局あるいはマーカあるいはこれらの組合せによって前記報知情報あるいは報知データを受信することを特徴とする請求項第１項から第６項のいずれかに該当する磁力波を利用した通信事業
   
9. 前記マーカから少なくとも前記マーカの識別番号あるいは識別符号が発信され、および／あるいは前記マーカの位置情報が発信されることを特徴とする請求項第８項に記載する磁力波を利用した通信事業
   
10. 前記固定局あるいは中継局あるいは移動局あるいはマーカあるいはこれらの組合せが海上のブイに搭載され、あるいは海底のアンカーに固定されることを特徴とする請求項第１項から第９項のいずれかに該当する磁力波を利用した通信事業
    
11. 前記通信サービスが、新技術あるいは新システムあるいは新サービスの開発業務を含み、および／あるいは機器の製造と販売業務およびアフタサービスを含み、および／あるいは機器のレンタルあるいはリース業務を含むことを特徴とする請求項第１項から第１０項のいずれかに該当する磁力波を利用した通信事業

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