JP2018059798A - 電波伝送システムおよび電波伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】重量や電源容量に制約のある滞空型の機体を用いて高効率な電波放射を実現する。
【解決手段】実施形態の電波伝送システムは、地上から滞空する機体へ向けてマイクロ波を放射する地上設備と、前記滞空する機体に備えられ、前記地上設備から放射されるマイクロ波を受けて当該マイクロ波を位相調整した上で目標の領域へ向けて再放射するアンテナ装置を有する機体装備とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電波伝送システムおよび電波伝送方法に関する。

遠隔地にある対象物の探知やその対象物までの距離・方向の測定を行うものとして、レーダが知られている。レーダには、地上に設置するレーダのほか、航空機に搭載されるレーダ（航空機搭載レーダ）などがある。

地上レーダは、地上に設置されることから大きさや重量、電源容量の制約は比較的小さく、大型で大出力のものを設置することができ、高性能（小さなものを遠距離で探知可能）なものを実現できるが、見通し範囲に限界があり、遠方に行くほど低空領域が監視範囲から外れてくることになる。

航空機搭載レーダは、航空機に搭載されていることから、前方に進出し、高高度から監視でき、地上レーダでは見通し外となる遠方の低空領域も見通すことができるという利点がある。しかしながら、航空機搭載レーダは航空機に搭載されるものであるため、寸法、重量、電源容量の制約が大きく、地上レーダと比べて性能面で劣る。また、地上レーダが運用面、整備面での準備を行えば２４時間３６５日の運用が可能であるのに対して、航空機搭載レーダは運用時間がせいぜい数時間から十時間程度であり、２４時間３６５時間の運用を行うためには機数を増やして複数クルー制を組んでローテーションで対応する等の必要があり、人的・コスト的負担が非常に大きくなる。

一方、成層圏プラットフォームに代表されるように、高高度（概ね成層圏まで）に長時間滞空可能なもの（HALE：High Altitude Long Endurance）として、滞空型プラットフォームが知られている。通常の航空機の高度を３万フィートとすると航空機搭載レーダの見通し距離は概ね４００ｋｍであるが、滞空型プラットフォームが成層圏（高度約２０ｋｍ）まで上がれば約６００ｋｍの見通し確保が可能となり、地上レーダの見通し（高度５００ｍの山頂に設置した場合で１００ｋｍ弱）と比べて格段に改善されることになる。連続運用性に関しては、例えば成層圏プラットフォームであれば成層圏に年オーダーで定点滞留でき、航空機搭載レーダと比べると常続性が格段に向上する。

特許第３４０４７１１号公報

上記のとおり、滞空型プラットフォームには利点が多々あるものの、欠点も多く、滞空型プラットフォームに搭載されるレーダ（滞空型プラットフォーム搭載レーダ）の実現は難しいと考えられている。

例えば、滞空型プラットフォーム搭載レーダは、見通しや連続運用性に関しては圧倒的に地上レーダや航空機搭載レーダよりも優れるが、搭載可能な重量や供給可能な電源容量に関しては航空機搭載レーダと同様、制約が大きい。レーダは供給された電源を空間に放出（送信）・受信することにより目標を探知するが、供給される電源が少ないとレーダとして空間に放出できるエネルギーが少なく、レーダの性能は限定的なものとなる。また、レーダのアンテナは送信素子やそれらの発熱を冷却するための冷却機構が重量の多くを占める。そのため、滞空型プラットフォームは大型の母機であるが故に大型のレーダを設置可能な面積を有するという利点があるにもかかわらず、重量の制約によりレーダを大型化できない（レーダを高性能化できない）というジレンマがある。

すなわち、滞空型プラットフォームは、巨大とすることができるので巨大なアンテナを設置するスペースはあるものの、重量の制約からアンテナの大型化が難しく、結果的に重量や電源容量の制約から十分な性能を有するレーダを搭載できないという問題がある。電源の変換効率も著しく悪く、太陽電池の変換効率、電源の変換効率、レーダの送信モジュールの変換効率を考慮すると、一例としてわずか１０％程度しか活用できていないと試算される。

発明が解決しようとする課題は、重量や電源容量に制約のある滞空型の機体を用いて高効率な電波放射を実現することのできる電波伝送システムおよび電波伝送方法を提供することにある。

実施形態の電波伝送システムは、地上から滞空する機体へ向けてマイクロ波を放射する地上設備と、前記滞空する機体に備えられ、前記地上設備から放射されるマイクロ波を受けて当該マイクロ波を位相調整した上で目標の領域へ向けて再放射するアンテナ装置を有する機体装備とを含む。

一実施形態に係る電波伝送システムを、レーダの送信機能の観点から示した図。 同実施形態に係る電波伝送システムを、電力の伝送機能の観点から示した図。 同実施形態の電波伝送システムの基本的な動作の流れを示すフローチャート。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

図１は、一実施形態に係る電波伝送システムを、レーダの送信機能の観点から示した図である。また、図２は、同実施形態に係る電波伝送システムを、電力の伝送機能の観点から示した図である。

最初に、図１を参照して、レーダの送信機能の観点に基づく電波伝送システムの構成について説明する。

機体Ｐは滞空型プラットフォームとして滞空する飛行船等であり、太陽電池などの小規模な電源で滞空や移動のほか必要な情報処理等を行うことができる。

本実施形態の電波伝送システムは、地上から機体Ｐへ向けてマイクロ波を放射する地上設備１と、地上設備１から放射されるマイクロ波を受けて当該マイクロ波を位相調整した上で目標の領域へ向けて再放射するアンテナ装置２と、地上設備１との間で各種情報を送受する情報送受信装置３とを含み、少なくともレーダの送信機能を実現するものである。アンテナ装置２および情報送受信装置３は、滞空する機体Ｐに備えられる機体装備４の一部であり、省電力化および軽量化が図られている。

なお、本実施形態の電波伝送システムは、滞空する又は地上に設置された受信・信号処理装置５をさらに含む構成であってもよい。受信・信号処理装置５は、レーダの受信機能を実現する。

地上設備１は、地上に設置される設備であり、通信機１１、ビーム指向角計算装置１２、位相量計算装置１３、および送信機１４を備えている。地上に設置される地上設備１は、寸法、重量及び電源容量の制約はあまりないため、大型かつ大電力を送信可能な送信機を設置することが可能である。

一方、滞空型プラットフォーム側のアンテナ装置２は、複数のアンテナ素子とこれらに対応して設けられる複数の移相器とを備えたフェーズドアレイ方式のアンテナ装置であり、電源を不要とする。各アンテナ素子は、地上設備１側の送信機により放射されるマイクロ波を受信するとともに、各移相器にそれぞれ設定される位相量で当該マイクロ波を再放射する。各移相器は、例えばＭ行Ｎ列の二次元アレイを構成しており、各移相器にそれぞれ設定される位相量がマイクロ波の再放射する方向を決定づける。

情報送受信装置３は、通信機３１、自己位置算出装置３２、および設定部３３を備えている。情報送受信装置３で消費される電力は小さく、太陽電池等の小規模な電源の一部を使用するだけで足りる。

地上設備１に備えられる通信機１１は、滞空型プラットフォーム側の通信機３１と間で確立される所定の通信回線を通じて情報の通信を行うものである。例えば、通信機１１は、機体Ｐに関わる情報（アンテナ装置２の個々の移相器に現在設定されているマイクロ波の位相量の情報、機体Ｐの位置情報など）を受信したり、制御情報（アンテナ装置２の個々の移相器に設定すべきマイクロ波の位相量を指示する制御情報など）を通信機１１へ送信したりすることができる。

ビーム指向角計算装置１２は、滞空型プラットフォーム側から通信機３１および通信機１１を介して伝えられてくる機体Ｐの位置情報に基づき、マイクロ波が機体Ｐに対して指向性をもって放射されるように放射ビームの指向角を計算して放射の制御を行うものである。

位相量計算装置１３は、アンテナ装置２を構成する個々のアンテナ素子に対応する個々の移相器に設定すべきマイクロ波の位相量を計算して求めるものである。地上設備１から機体Ｐに照射された電波をアンテナ装置２の各アンテナ素子が受け、それをどの方向に再放射するかを決定づけるのが、各移相器に設定される位相量である。

より具体的には、位相量計算装置１３は、例えば滞空型プラットフォーム側から通信機１１により所定の通信回線を通じて送られてくる機体Ｐに関わる情報（アンテナ装置２の個々の移相器に現在設定されているマイクロ波の位相量の情報、機体Ｐの位置情報など）あるいはその他の情報に基づき、アンテナ装置２からマイクロ波が目標の領域に向かって再放射される（ビーム走査される）ように当該アンテナ装置２を構成する個々のアンテナ素子に対応する個々の移相器に設定すべきマイクロ波の位相量を計算して求め、求めた位相量の設定を滞空型プラットフォーム側に対して指示する制御情報を生成する。生成された制御情報は、通信機１１により所定の通信回線を通じて、もしくは送信機１４により放射されるマイクロ波に含めて、滞空型プラットフォーム側に伝えられる。

送信機１４は、ビーム指向角計算装置１２により計算された指向角でマイクロ波を滞空型プラットフォーム側の機体Ｐへ向けて放射するものである。この送信機１４は、機体Ｐに対してマイクロ波を正確に照射できるものであれば、パラボラ方式でもフェーズドアレイ方式でも構わない。

一方、滞空型プラットフォーム側の情報送受信装置３に備えられる通信機３１は、地上設備１側の通信機１１と間で確立される所定の通信回線を通じて情報の通信を行うものである。例えば、通信機３１は、機体Ｐに関わる情報（アンテナ装置２の個々の移相器に現在設定されているマイクロ波の位相量の情報、機体Ｐの位置情報など）を通信機１１へ送信したり、通信機１１から送信されてくる制御情報（アンテナ装置２の個々の移相器に設定すべきマイクロ波の位相量を指示する制御情報など）を受信したりすることができる。

自己位置算出装置３２は、ＧＰＳ（Global Positioning System）を利用して機体Ｐの現在位置を時々刻々算出し当該現在位置を示す位置情報を生成するものである。生成された位置情報は、通信機３１により所定の通信回線を通じて地上設備１側の通信機１１へ伝えられる。

設定部３３は、通信機３１により所定の通信回線を通じて伝えられてくる制御情報、もしくは地上設備１側の送信機１４により放射されるマイクロ波に含めて伝えられてくる制御情報に従って、アンテナ装置２の個々の移相器の位相量を設定する。

アンテナ装置２から再放射された（ビーム走査された）マイクロ波のうち、目標物Ｔに照射されたマイクロ波の反射波は、滞空する又は地上に設置される受信・信号処理装置５により受信され、目標物Ｔの位置や方向を特定するための処理が行われる。

このように構成される電波伝送システムによれば、重量や電源容量に制約のある滞空型プラットフォームを用いて、高効率な電波放射を行うレーダ（見通し外監視レーダ）の送信機能を実現することができる。

次に、図２を参照して、電力の伝送機能の観点に基づく電波伝送システムの構成について説明する。なお、図１と共通する要素には同一の符号を付している。

図２に示す電波伝送システムの基本構成は、図１に示した電波伝送システムのそれと同じである。よって、例えば、通常時は電波伝送システムを図１に示すように目標物Ｔを捉えるレーダの送信機能として動作させ、天災等が生じた非常時には、図２に示すように被災地（例えば、インフラが寸断され陸路での発電機輸送も困難な被災地）の給電設備の受電部Ｒに向けてマイクロ波を放射し、電力の伝送機能として動作させるよう動作モードを変えるような使い方が可能となる。

そのほか、一時的な利用あるいは緊急用として、離島など（発電所や送電ケーブルなどが整備されていない地域）の給電設備の受電部Ｒに向けてマイクロ波を放射し、電力の伝送機能として動作させるようにしてもよい。

マイクロ波の照射を受けた受電部Ｒは、マイクロ波のエネルギーを電力に変換し、給電ネットワークＮを通じて個々の施設や家に必要な電力を供給する。

なお、受電部Ｒにマイクロ波を照射させるためには、アンテナ装置２からのビームを走査させるのではなくビーム一定の方向に維持させる必要がある。そのため、ビーム指向角計算装置１２は、アンテナ装置２からマイクロ波が電力供給先の受電部Ｒに対して一定の指向性をもって再放射されるように当該アンテナ装置４を構成する個々のアンテナ素子に対応する個々の移相器の位相量を指示する制御情報を生成し、その生成した制御情報を滞空型プラットフォーム側に伝える。これにより、設定部３３は、伝えられてくる制御情報に従って、アンテナ装置２の個々の移相器の位相量を設定する。

このように構成される電波伝送システムによれば、レーダの送信機能として高効率な電波放射を行うだけでなく、電力の伝送機能としても高効率な電波放射を行うことができる。

次に、図３のフローチャートを参照して、同実施形態の電波伝送システムの基本的な動作の流れについて説明する。

まず、情報送受信装置３は、自己位置算出装置３２により、機体Ｐの現在位置を時々刻々算出して当該現在位置を示す位置情報を生成し、生成された位置情報を通信機３１により所定の通信回線を通じて地上設備１側の通信機１１へ伝える（ステップＳ１１）。また、情報送受信装置３は、必要であれば、アンテナ装置２の個々の移相器に現在設定されているマイクロ波の位相量の情報も地上設備１側の通信機１１へ伝える。

地上設備１は、情報送受信装置３から伝えられる情報を通信機１１により受信すると、位相量計算装置１３により、アンテナ装置２からマイクロ波が目標の領域に向かって再放射されるように当該アンテナ装置２の個々の移相器に設定すべきマイクロ波の位相量を計算して求め、求めた位相量を示す制御情報を通信機１１により所定の通信回線を通じて、もしくは送信機１４により放射されるマイクロ波に含めて、滞空型プラットフォーム側へ伝える。また、地上設備１は、ビーム指向角計算装置１２により、滞空型プラットフォーム側から伝えられてきた機体Ｐの位置情報に基づいて、マイクロ波が機体Ｐに対して指向性をもって放射されるように放射ビームの指向角を計算して放射の制御を実施する（ステップＳ１２）。

すると、情報送受信装置３は、設定部３３により、通信機３１により所定の通信回線を通じて伝えられてくる制御情報、もしくは地上設備１側の送信機１４により放射されるマイクロ波に含めて伝えられてくる制御情報に従って、アンテナ装置２の個々の移相器の位相量を設定する。一方、アンテナ装置２は、各アンテナ素子により、地上設備１側の送信機により放射されるマイクロ波を受信するとともに、各移相器にそれぞれ設定された位相量で当該マイクロ波を再放射する（ステップＳ１３）。

このように本実施形態によれば、重量や電源容量に制約のある滞空型プラットフォームを用いるに際し、レーダの送信機能として高効率な電波放射を行うだけでなく、電力の伝送機能としても高効率な電波放射を行うことができる。また、従来の滞空型プラットフォームを利用した方法では、電源の変換効率が著しく悪く、太陽電池の変換効率、電源の変換効率、レーダの送信モジュールの変換効率を考慮すると、わずか１０％程度しか活用できていないのに対し、本実施形態によれば各部の変換部の数を大幅に低減でき、約５０％の変換効率を達成すると試算することもできる。

以上詳述したように、実施形態によれば、重量や電源容量に制約のある滞空型の機体を用いて高効率な電波放射を実現することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…地上設備、２…アンテナ装置、３…情報送受信装置、４…機体装備、５…受信・信号処理装置、１１…通信機、１２…ビーム指向角計算装置、１３…位相量計算装置、１４…送信機、３１…通信機、３２…自己位置算出装置、３３…設定部、Ｐ…滞空型プラットフォーム（機体）、Ｔ…目標物、Ｒ…受電部、Ｎ…給電ネットワーク。

Claims (7)

1. 地上から滞空する機体へ向けてマイクロ波を放射する地上設備と、
   前記滞空する機体に備えられ、前記地上設備から放射されるマイクロ波を受けて当該マイクロ波を位相調整した上で目標の領域へ向けて再放射するアンテナ装置を有する機体装備と
   を含む電波伝送システム。
2. 前記機体装備は、ＧＰＳ（Global Positioning System）を利用して前記機体の現在位置を算出し当該現在位置を示す位置情報を前記地上設備へ所定の通信回線を通じて伝える手段を備え、
   前記地上設備は、前記機体装備から伝えられる位置情報に基づき、マイクロ波が前記機体の現在位置に対して指向性をもって放射されるように制御する手段を備えている、請求項１に記載の電波伝送システム。
3. 前記地上設備は、前記アンテナ装置からマイクロ波が目標の領域に向かって再放射されるように当該アンテナ装置を構成する個々のアンテナ素子に対応する個々の移相器の位相量を指示する制御情報を前記機体装備へ所定の通信回線を通じてもしくは放射するマイクロ波に含めて伝える手段を備え、
   前記機体装備は、前記地上設備から伝えられる制御情報に従って、前記アンテナ装置を構成する個々のアンテナ素子に対応する個々の移相器の位相量を設定する手段を備えている、請求項１又は２に記載の電波伝送システム。
4. 前記地上設備および前記機体装備は、レーダの送信機能を実現するものである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電波伝送システム。
5. 前記地上設備および前記機体装備は、更に、目標地へ電力を伝送する電力伝送機能を実現するものである、請求項４に記載の電波伝送システム。
6. 前記地上設備は、前記アンテナ装置からマイクロ波が電力供給先の目標物に対して一定の指向性をもって再放射されるように当該アンテナ装置を構成する個々のアンテナ素子に対応する個々の移相器の位相量を指示する制御情報を前記機体装備へ所定の通信回線を通じてもしくは放射するマイクロ波に含めて伝える手段を備え、
   前記機体装備は、前記地上設備から伝えられる制御情報に従って、前記アンテナ装置を構成する個々のアンテナ素子に対応する個々の移相器の位相量を設定する手段を備えている、請求項５に記載の電波伝送システム。
7. 地上設備により、地上から滞空する機体へ向けてマイクロ波を放射する工程と、
   前記滞空する機体に備えられるアンテナ装置により、前記地上設備から放射されるマイクロ波を受け、当該マイクロ波を位相調整した上で目標の領域へ向けて再放射する工程と、
   を含む電波伝送方法。