JP2013207312A

JP2013207312A - 鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾装置及び予測的捕捉・追尾方法

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Publication number: JP2013207312A
Application number: JP2012070552A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Matsubara; 広松原; Shuichi Akeboshi; 秀一明星; Shinichiro Haruyama; 真一郎春山
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-10-07
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: JP6005377B2

Abstract

【課題】ビーコン光が遮られ、レーザ光を発射すべき方向を見失った場合にビーコン光を即座に捕捉することによって、通信の回復時間を短くすることができる、ビーコン光の予測的捕捉・追尾装置及び予測的捕捉・追尾方法を提供する。
【解決手段】鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾装置において、ミラー制御部２７と、このミラー制御部２７によって向きが制御されるミラー２９と、このミラー２９を介してレーザ光によるデータ送受信を行う基地局と、基地局と同じ構成の車上局とを設け、基地局又は車上局からのデータ通信のためのビーコン光が遮られ、レーザ光を発射すべき方向を見失ったとき、基地局では車上局を捕捉する場合、車上局では基地局を捕捉する場合に、ビーコン光の位置を予測してミラー２９をこの予測したビーコン光の方向に向けておくことで、ミラー２９の向きの制御を短時間で行い、高速な捕捉・追尾を行うようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾装置及び予測的捕捉・追尾方法に関するものである。

高速かつ大容量な通信技術として、レーザ光を用いた通信技術があり、ビル間通信や人工衛星を用いた通信で用いられている。このレーザ通信技術を高速移動する列車と地上間の通信に応用するため、本発明者らは検討を進めている（下記非特許文献１，２参照）。
図７は従来のレーザ光を使った鉄道用レーザ通信システムの模式図である。
この図において、地上側においては、１０１は第１の基地局、１０２は第２の基地局、１０３は第３の基地局、１０４は第４の基地局、…であり、それぞれの基地局１０１〜１０４はレーザ通信装置（図示なし）を有する。１０７は各基地局を接続する通信線である。

また、車上側においては、レール１１１上を走行する列車１１２に、レーザ通信装置１１４を有する車上局１１３が設けられる。Ｄは列車１１２の走行方向である。
レーザを使った光通信システムを鉄道で利用しようとすると、地上側の基地局（ここでは基地局１０３）は列車１１２の車上局１１３からのビーコン光１１５を、車上局１１３は基地局（ここでは基地局１０３）からのビーコン光１０８を、列車１１２の移動に合わせて探索・捕捉し、レーザ通信装置のミラー（図示なし）を正確に制御しながらビーコン光１１５，１０８に向けてレーザ光（信号光）を連続的に当てる（追尾する）ことで、双方向通信が実現できる。

特開２０１０−２５８８０９号公報

松原広他３名，"鉄道の通信環境を高速大容量化する"，ＲＲＲ，２０１０年６月中川伸吾他３名，"光で列車と通信する"，ＲＲＲ，２０１０年２月

しかしながら、光通信方式は信号光（レーザ光）やビーコン光に光を使用しているために、雨や霧などの他に、鳥や柱などの障害物に光が遮られても、通信に直接的な影響が出るという欠点がある。すなわち、ビーコン光が遮られると、レーザ光（信号光）を発射すべき方向を見失ってしまうため、ビーコン光が何処にあるかを再び探すことが必要となり、このビーコン光を再捕捉するまでの時間は通信が途切れ通信品質に大きく影響する。

現時点で、このビーコン光の探索方法はいくつか提案されているが、いずれの方法も時間がかかるため、早急に通信が再開できないといった問題があった。
本発明は、上記状況に鑑みて、ビーコン光が遮られ、レーザ光を発射すべき方向を見失った場合に、地上局は車上局のビーコン光を、車上局は地上局のビーコン光を、それぞれ即座に捕捉することによって、通信の回復時間を短くすることができる、鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾装置及び予測的捕捉・追尾方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾装置において、記憶部と、制御部と、この制御部によって向きが制御されるミラーとを備え、このミラーを介してレーザ光によるデータ送受信を行う地上レーザ通信装置を具備する基地局と、記憶部と制御部と、この制御部によって向きが制御されるミラーとを備え、このミラーを介してレーザ光によるデータ送受信を行う車上レーザ通信装置を具備する車上局とを設け、前記基地局又は前記車上局からのデータ通信のためのビーコン光が遮られ、レーザ光を発射すべき方向を見失ったとき、前記基地局で前記車上局からのビーコン光を捕捉するため、または前記車上局で前記基地局からのビーコン光を捕捉するために、前記記憶部に格納された情報を元にビーコン光の位置を予測して前記ミラーをこの予測したビーコン光の方向に向けておくことで、ビーコン光の速やかな捕捉・追尾を行うようにしたことを特徴とする。

〔２〕鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法において、基地局は、記憶部を備え、制御部によってミラーの向きが制御され、前記ミラーを介してレーザ光によるデータ送受信を行い、車上局は、記憶部を備え、制御部によってミラーの向きが制御され、前記ミラーを介してレーザ光によるデータ送受信を行い、前記基地局又は前記車上局からのデータ通信のためのビーコン光が遮られ、レーザ光を発射すべき方向を見失ったとき、ビーコン光の受信が途切れたか否かをチェックし、途切れた場合には、ビーコン光の受信が途切れた位置が追尾範囲か否かをチェックし、次いで、求められた追尾可能範囲か否かをチェックし、追尾可能範囲である場合には、前記地上局で前記車上局からのビーコン光を捕捉するために、または、前記車上局で前記地上局からのビーコン光を捕捉するために、ビーコン光の位置を予測して、この予測したビーコン光の方向に向けて予めミラーの向きを制御しておくことによって、ビーコン光の速やかな捕捉・追尾を行うことを特徴とする。

〔３〕上記〔２〕記載の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法において、基地局は前記ミラーの動的制御を実施する初期値の設定方法として予め列車の現れる方向に向けておくようにしたことを特徴とする。
〔４〕上記〔２〕記載の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法において、前記基地局又は車上局は、列車のスピードとレールのカーブ形状が急激に変化しない特性を利用して、ビーコン光の角速度の変化を計算して、ビーコン光の位置を予測して前記ミラーの向きを制御することを特徴とする。

〔５〕上記〔２〕記載の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法において、前記基地局は、列車のスピードとレールのカーブ形状が急激に変化しない特性を利用して、前記基地局は、過去の列車によって捕捉されたビーコン光の位置情報を前記記憶部に蓄積しておき、この過去のビーコン光の位置情報からビーコン光の位置を予測し、前記ミラーの向きを制御することを特徴とする。

〔６〕上記〔２〕記載の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法において、前記車上局は、列車のスピードとレールのカーブ形状が急激に変化しない特性を利用して、前記車上局は、前記基地局の位置情報を予め記憶部に記憶しており、ＧＰＳを用いて自車位置を把握し、この自車位置に対応する基地局からビーコン光の位置を予測し、前記ミラーの向きを制御することを特徴とする。

〔７〕上記〔２〕記載の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法において、前記車上局は、列車のスピードとレールのカーブ形状が急激に変化しない特性を利用して、ビーコン光を受信した際に、ビーコン光を発信している基地局ＩＤを認識し、ビーコン光を捕捉している状態の間、ミラーの角速度の変化をトレースし、ビーコン光の受信が途切れたか否かをチェックし、途切れた場合には、ビーコン光の受信が途切れた位置が追尾範囲か否かをチェックし、経過時間をパラメータとして、受信した基地局ＩＤに対応する記憶部のトレース情報を元にビーコン光の方向を計算し、次いで求められた追尾可能範囲か否かをチェックし、追尾可能範囲である場合には、計算したビーコン光の方向にミラーを向け、ビーコン光が検知されたか否かをチェックし、ビーコン光の捕捉・追尾を開始し、通信を再開できるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、ビーコン光が遮られ、レーザ光を発射すべき方向を見失った場合、ビーコン光を予測することによって高速に捕捉することができ、結果的に通信の回復時間を短くすることができる。

本発明の実施例を示す鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾装置の概要を示す模式図である。本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾装置の要部構成図である。本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法における第２の方法を示すフローチャートである。本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法における第３の方法を示すフローチャートである。本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法における第４の方法を示すフローチャートである。本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法における第５の方法を示すフローチャートである。従来のレーザ光を使った鉄道用レーザ通信システムの模式図である。

本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾装置は、記憶部と、制御部と、この制御部によって向きが制御されるミラーとを備え、このミラーを介してレーザ光によるデータ送受信を行う地上レーザ通信装置を具備する基地局と、記憶部と制御部と、この制御部によって向きが制御されるミラーとを備え、このミラーを介してレーザ光によるデータ送受信を行う車上レーザ通信装置を具備する車上局とを設け、前記基地局又は前記車上局からのデータ通信のためのビーコン光が遮られ、レーザ光を発射すべき方向を見失ったとき、前記基地局で前記車上局からのビーコン光を捕捉するため、または前記車上局で前記基地局からのビーコン光を捕捉するために、前記記憶部に格納された情報を元にビーコン光の位置を予測して前記ミラーをこの予測したビーコン光の方向に向けておくことで、ビーコン光の速やかな捕捉・追尾を行うようにした。

また、鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法は、基地局は、記憶部を備え、制御部によってミラーの向きが制御され、前記ミラーを介してレーザ光によるデータ送受信を行い、車上局は、記憶部を備え、制御部によってミラーの向きが制御され、前記ミラーを介してレーザ光によるデータ送受信を行い、前記基地局又は前記車上局からのデータ通信のためのビーコン光が遮られ、レーザ光を発射すべき方向を見失ったとき、ビーコン光の受信が途切れたか否かをチェックし、途切れた場合には、ビーコン光の受信が途切れた位置が追尾範囲か否かをチェックし、次いで、求められた追尾可能範囲か否かをチェックし、追尾可能範囲である場合には、前記地上局で前記車上局からのビーコン光を捕捉するために、または、前記車上局で前記地上局からのビーコン光を捕捉するために、ビーコン光の位置を予測して、この予測したビーコン光の方向に向けて予めミラーの向きを制御しておくことによって、ビーコン光の速やかな捕捉・追尾を行う。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明は、レーザ（信号）光の的になるビーコン光を如何に素早く捕捉・追尾するかということを狙いとしている。つまり、ビーコン光が遮られてレーザ光を発射すべき方向が分からなくなった場合に、ビーコン光を速やかに捕捉し、レーザ通信の回復までの時間を短縮するものである。

なお、ここで、捕捉とはビーコン光をキャッチすることとする。また、追尾とは見つけたビーコン光にミラーを正確に制御しながら相手の通信装置に向けて信号光を発射し通信を継続できるようにすることとする。
図１は本発明の実施例を示す鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾装置の概要を示す模式図である。

この図において、地上側１には、基地局２（Ａ，Ｂ，Ｃ，…）が配置され、この基地局２（Ａ，Ｂ，Ｃ，…）は、レーザ通信装置３を有する。４は各基地局２（Ａ，Ｂ，Ｃ，…）を接続する通信路である。
また、車上（移動）側１０では、レール１１上を走行する列車１２には、車上局１３が設けられ、この車上局１３にはレーザ通信装置１４が搭載される。Ｄは列車１２の走行方向である。なお、レーザ通信装置３，１４はどちらも同じ構成のものを用いてよい。

以下、本発明の基本的構成について説明する。
鉄道という環境の特殊性について整理すると、列車１２はレール１１の上しか走らない（すなわち、予め決められた場所しか走行しない）という特性があるので、
（１）列車１２がレール１１の上しか走らないということは、常に車上局１３（車上搭載のレーザ通信装置１４）も同じ場所又はほぼ同じ場所を通る（軌跡を辿る）ことになる。

（２）列車１２のスピードは劇的に変化せず、劇的に方向が変化するようなカーブも存在しないので、ビーコン光の位置は不規則な変化はしない。
このような鉄道環境固有の状態を考慮し、本発明では、何らかの障害物によってレーザ光が遮られても、下記の方法によって、列車１２の動き（ビーコン光の移動）等を予測することでビーコン光の速やかな捕捉・追尾が可能になる。

図２は本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾装置の要部構成図である。
この図において、２０は通信回線、２１はレーザ通信装置であり、このレーザ通信装置２１は、全体を統括する制御部２２、制御部２２に接続される記憶部２３、ビーコン光送信部２４、制御部２２に接続されるビーコン光受信部２５、制御部２２に接続される信号光送受信部２６、制御部２２に接続されるミラー制御部２７、ミラー制御部２７に接続されるミラーアクチュエータ２８、ミラーアクチュエータ２８によって駆動されるミラー２９を備えている。

そこで、ビーコン光送信部２４からはビーコン光（送信）３１が発射され、一方、ビーコン光（受信）３２はミラー２９によって反射されてビーコン光受信部２５で受信される。レーザ光である信号光（送受信）３３はミラー２９によって反射されて信号光送受信部２６で送受信される。そして、送受信された信号は通信回線２０を介してやりとりされ、光通信を可能にする。

制御部２２はレーザ通信装置２１の全体を統括的に制御する。
ミラー２９はビーコン光（受信）の捕捉や信号光の向きを合わせるために用いられ、ミラーアクチュエータ２８に取り付けられていて、ミラーアクチュエータ２８が上下左右に傾くことによって、ミラー２９の角度を変えることができる。ミラーアクチュエータ２８を電気的に制御する部分がミラー制御部２７であり、制御部２２から指令を受けて動作する。

ビーコン光送信部２５は、相手（基地局にとっては車上局、車上局にとっては基地局）の通信装置に自分を捕捉してもらうために、ビーコン光３１を発射する。
相手からのビーコン光を捕捉・追尾するためにビーコン光受信部２５が設けられており、このビーコン光受信部２５に正しくビーコン光が当たるようにミラー２９の角度を連続的に調整することによってビーコン光を捕捉・追尾する。ビーコン光を正確に追尾できると、相手のレーザ装置に向けて正確に信号光を発射することができる。信号光送受信部２６は、レーザ光である信号光３３の受信と送信を行う（ここでは図示しないが、内部的には送信部と受信部は分割されている）。送信部から発射されたレーザ光３３はミラー２９の制御によって相手のビーコン光に向けられ、相手の信号送受信部２６の受信部に届く。受信部に届いたレーザ光３３は電気信号に変換されて通信データとして認識される。

記憶部２３は、ミラー２９の予測的制御を行うための、ビーコン光のトレース情報、ミラー２９の角度の情報、地上局の位置情報などを格納する（下記実施例参照）。
なお、本発明において、トレース情報とは、「ビーコン光の向き」と「経過時間」や「自車位置」の情報を意味する。
次に、本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法における第１の方法（第１実施例）について説明する。

第１の方法は、基地局において、ビーコン光を捕捉するための予測方法として、列車の現れる方向にミラーを調整しておくという方法である。上記したように、列車はレール上を走っているため、常に列車の現れる位置は一定である。このことから、ビーコン光が現れる角度も常に同じであることが考えられるので、記憶部に列車の現れる方向を記憶させておき、予め列車の現れる方向を予測して基地局のレーザ通信装置のミラーを向けておくことにより、ビーコン光を捕捉・追尾するまでのミラーの調整時間を短縮し、早く通信を再開することができる。従来は、ビーコンを捕捉できる範囲全体を探す手順を踏んでいたので、本発明の第１の方法により、ビーコン光の捕捉までの時間を短縮できるだけでなく、ミラーの調整量が少なくなるので調整時間を短縮することができる。

次に、本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法における第２の方法（第２実施例）について説明する。
第２の方法は、ミラーの角速度の変化からビーコン光の向きを予測する方法である。ビーコン光が遮られる（結果的にレーザ光が途切れる）直前までの角速度の変化を記憶部にトレース（記憶）しておき、信号が途切れている間も同じように角速度の変化があると仮定してビーコン光の向きを予測する。これは上記したように、列車のスピードが劇的に変化しないことと、レールのカーブ方向も急激に変わらないという性質を利用し、予測を行っているものである。なお、この予測方法は、基地局にも車上局にも適用可能である。

図３は本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法における第２の方法を示すフローチャートである。
以下、第２の方法を図３を参照しながら詳細に説明する。
（１）ビーコン光を捕捉している状態の間、ミラーの角速度の変化をトレースする（ステップＳ１）。

（２）次に、ビーコン光の受信が途切れたか否かをチェックする（ステップＳ２）。ステップＳ２においてＮＯの場合にはステップＳ１へ戻る。
（３）ステップＳ２においてＹＥＳの場合には、ビーコン光の受信が途切れた位置が追尾範囲か否かをチェックする（ステップＳ３）。ステップＳ２においてＮＯの場合はステップＳ１へ戻る。

（４）ステップＳ３においてＹＥＳの場合には、ビーコン光の等角加速度運動と仮定し、途切れてからの経過時間をパラメータとしてビーコン光の位置を計算する（ステップＳ４）。なお、ここでは、ビーコン光の等角加速度運動として予測しているが、より簡単な等角速度運動として予測してもよいし、線路のカーブ等を考慮したより緻密な予測をするようにしてもよい。

（５）次いで、求められた位置が追尾可能範囲か否かをチェックする（ステップＳ５）。ステップＳ５においてＮＯの場合はエンドとする。
（６）ステップＳ６においてＹＥＳの場合には、ミラーアクチュエータを制御し、計算した位置の方向にミラーを向ける（ステップＳ６）。
（７）次に、ビーコン光が検知されたか否かをチェックする（ステップＳ７）。ステップＳ７においてＹＥＳの場合には、ビーコン光の捕捉・追尾を開始し、通信を再開する（ステップＳ８）。ステップＳ７においてＮＯ（ビーコン光が検知されない）場合には、ステップＳ４へ戻る。

次に、本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法における第３の方法（第３実施例）について説明する。
第３の方法は、基地局において、ビーコン光が検知される向きを学習しておき予測するという方法である。ビーコン光が遮られる（結果的にレーザ光が途切れる）直前までのビーコン光の向きを記憶部でトレース（記憶）しておき、過去に学習して記憶部に格納しておいたビーコン光のトレース情報を元に、経過時間をパラメータとして予測する。なお、トレースしていたビーコン光のスピードが過去の学習時のビーコン光のスピードと異なる場合は、予測位置に誤差を生じることになるので、スピードに差がある場合はこれを補正するようにする。この方法は上記第２の方法と比較するとより正確にビーコン光の位置を予測することができる。

図４は本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法における第３の方法を示すフローチャートである。
以下、第３の方法を図４を参照しながら詳細に説明する。
（１）ビーコン光を捕捉している状態の間、ミラーの角速度の変化をトレースする（ステップＳ１１）。

（２）次に、ビーコン光の受信が途切れたか否かをチェックする（ステップＳ１２）。ステップＳ１２においてＮＯ（途切れなかった）場合にはステップＳ１１へ戻る。
（３）ステップＳ１２においてＹＥＳの場合には、ビーコン光の受信が途切れた位置が追尾範囲か否かをチェックする（ステップＳ１３）。
（４）ステップＳ１３においてＹＥＳの場合には、経過時間をパラメータとして、記憶部に格納されている過去のトレース情報を元にビーコン光の位置を計算（予測）する（ステップＳ１４）。

（５）ステップＳ１３においてＮＯの場合には、ステップＳ１１でトレースしたビーコン光のトレース情報（ビーコン光の軌跡と時間経過）を統計データとして記憶部に記録する（ステップＳ１５）。
（６）ステップＳ１４に次いで、求められた位置が追尾可能範囲か否かをチェックする（ステップＳ１６）。

（７）ステップＳ１６において、ＹＥＳの場合には、ミラーアクチュエータを制御し、計算した位置の方向にミラーを向ける（ステップＳ１７）。
（８）次いで、ビーコン光が検知されたか否かをチェックする（ステップＳ１８）。ステップＳ１８においてＮＯの場合には、ステップＳ１４に戻る。
（９）ステップＳ１８においてＹＥＳの場合にはビーコン光の捕捉・追尾を開始し、通信を再開する（ステップＳ１９）。

次に、本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法における第４の方法（第４実施例）について説明する。
第４の方法は、車上局において、上記第２の方法以外の予測方法として、自分（列車）の位置から地上局の場所を予測し、ビーコン光の位置を予測する方法である。そこで、ＧＰＳ（図示なし）を用いて自分の位置を把握し、基地局のトレース情報を予め記憶部に格納しておくことにより、ビーコン光が遮られても、その自車位置における基地局の場所からビーコン光の向きを予測することができる。

図５は本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法における第４の方法を示すフローチャートである。
以下、第４の方法を図５を参照しながら詳細に説明する。
（１）ビーコン光を捕捉している状態の間、ミラーの角速度の変化をＧＰＳデータ（列車の位置情報）とともにトレースする（ステップＳ２１）。

（２）次に、ビーコン光の受信が途切れたか否かをチェックする（ステップＳ２２）。ステップＳ２２においてＮＯの場合には、ステップＳ２１へ戻る。
（３）ステップＳ２２において、ＹＥＳの場合にはビーコン光の受信が途切れた位置が追尾範囲か否かをチェックする（ステップＳ２３）。
（４）ステップＳ２３において、ＹＥＳの場合には、ＧＰＳのデータ（列車の位置情報）をパラメータとして、記憶部に格納されている地上局の位置情報とトレース情報を元にビーコン光の位置を計算（予測）する（ステップＳ２４）。

（５）ステップＳ２３において、ＮＯの場合には、ビーコン光のトレース情報（ＧＰＳデータおよびビーコン光の軌跡と時間経過）を統計データとしてデータベースに記憶する（ステップＳ２５）。
（６）ステップＳ２４に次いで求められた位置が追尾可能範囲か否かをチェックする（ステップＳ２６）。ステップＳ２６においてＮＯの場合には、エンドとする。

（７）ステップＳ２６においてＹＥＳの場合には、ミラーアクチュエータを制御し、計算した位置の方向にミラーを向ける（ステップＳ２７）。
（８）次いで、ビーコン光が検知されたか否かをチェックする（ステップＳ２８）。ステップＳ２８においてＮＯの場合には、ステップＳ２４へ戻る。
（９）ステップＳ２８においてＹＥＳの場合には、ビーコン光の捕捉・追尾を開始し、通信を再開する（ステップＳ２９）。

次に、本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法における第５の方法（第５実施例）について説明する。
第５の方法は、車上局において、自分の位置を知る方法として、通信している基地局のＩＤに対応したビーコン光の向きを学習しておくことによって、上記第３の方法と同様に、ビーコン光の位置を予測することができる。

図６は本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法における第５の方法を示すフローチャートである。
以下、第５の方法を図６を参照しながら詳細に説明する。
（１）ビーコン光を受信した際に、ビーコン光を発信している基地局ＩＤを認識する（ステップＳ３１）。ここでは、基地局の情報として基地局ＩＤのみを使っているが、基地局のミラー角度の情報をリアルタイムに伝送して、この情報、ビーコン光の軌跡の情報を一緒に記憶部に記憶しておき、より緻密な予測を行うようにしてもよい。

（２）次いで、ビーコン光を捕捉している状態の間、ミラーの角速度の変化をトレースする（ステップＳ３２）。
（３）次いで、ビーコン光の受信が途切れたか否かをチェックする（ステップＳ３３）。ステップＳ３３においてＮＯの場合には、ステップＳ３２に戻る。
（４）ステップＳ３３においてＹＥＳの場合には、ビーコン光の受信が途切れた位置が追尾範囲か否かをチェックする（ステップＳ３４）。

（５）ステップＳ３４においてＹＥＳの場合には、経過時間をパラメータとして、受信した基地局ＩＤに対応する記憶部のトレース情報を元にビーコン光の位置を計算（予想）する（ステップＳ３５）。
（６）ステップＳ３４においてＮＯの場合には、ビーコン光のトレース情報（ビーコン光の軌跡と時間経過）を、基地局ＩＤ毎に統計データとして記憶部に記録し（ステップＳ３６）、エンドとする。

（７）ステップＳ３５に次いで求められた追尾可能範囲か否かをチェックする（ステップＳ３７）。ステップＳ３７においてＮＯの場合には、エンドとする。
（８）ステップＳ３７においてＹＥＳの場合には、ミラーアクチュエータを制御し、計算した位置の方向にミラーを向ける（ステップＳ３８）。
（９）次いで、ビーコン光が検知されたか否かをチェックする（ステップＳ３９）。ステップＳ３９において、ＮＯの場合には、ステップＳ３５へ戻る。

（１０）ステップＳ３９において、ＹＥＳの場合には、ビーコン光の捕捉・追尾を開始し、通信を再開する（ステップＳ４０）。
このように、本発明によれば、ビーコン光が遮られ、レーザ光を発射すべき方向を見失った場合、ビーコン光の位置を予測することによって速やかに捕捉することができ、結果的に通信の回復時間を短くすることができる。

また、列車だけではなく、ある一定の場所を高速に移動するものに対するもの（例えば、移動する作業用ロボット、自動運転されている自動車など）との通信手段としても利用することができる。これにより、地上側からの制御が、この通信方式を通して実現可能となる。
また、上記実施例ではビーコン光の予測ができる場合について述べているが、ビーコン光の予測ができなくなる／外れる場合（例えば、追尾可能範囲を超えた場合、長時間ビーコン光が遮られた場合）には、これまでの方法、つまりミラーをスキャンしながらビーコン光を探し、ビーコン光を見つけたら、改めて捕捉・追尾し始めるという制御になる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾装置及び予測的捕捉・追尾方法は、ビーコン光が遮られ、レーザ光を発射すべき方向を見失って追尾する場合に、即座にビーコン光を捕捉することができ、結果として通信の回復時間を短くすることができる、鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾装置及び予測的捕捉・追尾方法として利用可能である。

１地上側
２（Ａ，Ｂ，Ｃ，…）基地局
３，１４レーザ通信装置
４通信路
１０車上（移動）側
１１レール
１２列車
１３車上局（移動局）
２０通信回線
２１レーザ通信装置
２２制御部
２３記憶部
２４ビーコン光送信部
２５ビーコン光受信部
２６信号光送受信部
２７ミラー制御部
２８ミラーアクチュエータ
２９ミラー
３１ビーコン光（送信）
３２ビーコン光（受信）
３３レーザ光である信号光（送受信）

Claims

記憶部と、制御部と、該制御部によって向きが制御されるミラーとを備え、該ミラーを介してレーザ光によるデータ送受信を行う地上レーザ通信装置を具備する基地局と、記憶部と制御部と、該制御部によって向きが制御されるミラーとを備え、該ミラーを介してレーザ光によるデータ送受信を行う車上レーザ通信装置を具備する車上局とを設け、前記基地局又は前記車上局からのデータ通信のためのビーコン光が遮られ、レーザ光を発射すべき方向を見失ったとき、前記基地局で前記車上局からのビーコン光を捕捉するため、または前記車上局で前記基地局からのビーコン光を捕捉するために、前記記憶部に格納された情報を元にビーコン光の位置を予測して前記ミラーを該予測したビーコン光の方向に向けておくことで、ビーコン光の速やかな捕捉・追尾を行うようにしたことを特徴とする鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾装置。
基地局は、記憶部を備え、制御部によってミラーの向きが制御され、前記ミラーを介してレーザ光によるデータ送受信を行い、車上局は、記憶部を備え、制御部によってミラーの向きが制御され、前記ミラーを介してレーザ光によるデータ送受信を行い、前記基地局又は前記車上局からのデータ通信のためのビーコン光が遮られ、レーザ光を発射すべき方向を見失ったとき、ビーコン光の受信が途切れたか否かをチェックし、途切れた場合には、ビーコン光の受信が途切れた位置が追尾範囲か否かをチェックし、次いで、求められた追尾可能範囲か否かをチェックし、追尾可能範囲である場合には、前記地上局で前記車上局からのビーコン光を捕捉するために、または、前記車上局で前記地上局からのビーコン光を捕捉するために、ビーコン光の位置を予測して、該予測したビーコン光の方向に向けて予めミラーの向きを制御しておくことによって、ビーコン光の速やかな捕捉・追尾を行うことを特徴とする鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法。
請求項２記載の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法において、基地局は前記ミラーの動的制御を実施する初期値の設定方法として予め列車の現れる方向に向けておくようにしたことを特徴とする鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法。
請求項２記載の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法において、前記基地局又は車上局は、列車のスピードとレールのカーブ形状が急激に変化しない特性を利用して、ビーコン光の角速度の変化を計算して、ビーコン光の位置を予測して前記ミラーの向きを制御することを特徴とする鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法。
請求項２記載の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法において、前記基地局は、列車のスピードとレールのカーブ形状が急激に変化しない特性を利用して、前記基地局は、過去の列車によって捕捉されたビーコン光の位置情報を前記記憶部に蓄積しておき、該過去のビーコン光の位置情報からビーコン光の位置を予測し、前記ミラーの向きを制御することを特徴とする鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法。
請求項２記載の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法において、前記車上局は、列車のスピードとレールのカーブ形状が急激に変化しない特性を利用して、前記車上局は、前記基地局の位置情報を予め記憶部に記憶しており、ＧＰＳを用いて自車位置を把握し、該自車位置に対応する基地局からビーコン光の位置を予測し、前記ミラーの向きを制御することを特徴とする鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法。
請求項２記載の鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法において、前記車上局は、列車のスピードとレールのカーブ形状が急激に変化しない特性を利用して、ビーコン光を受信した際に、ビーコン光を発信している基地局ＩＤを認識し、ビーコン光を捕捉している状態の間、ミラーの角速度の変化をトレースし、ビーコン光の受信が途切れたか否かをチェックし、途切れた場合には、ビーコン光の受信が途切れた位置が追尾範囲か否かをチェックし、経過時間をパラメータとして、受信した基地局ＩＤに対応する記憶部のトレース情報を元にビーコン光の位置を計算し、次いで求められた追尾可能範囲か否かをチェックし、追尾可能範囲である場合には、計算した位置の方向にミラーを向け、ビーコン光が検知されたか否かをチェックし、ビーコン光の捕捉・追尾を開始し、通信を再開できるようにしたことを特徴とする鉄道用レーザ通信システムにおけるビーコン光の予測的捕捉・追尾方法。