JP2018157524A5

JP2018157524A5 - 通信システム、遠隔制御装置、及び、無線中継局を有する浮揚体を使用する方法

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Publication number: JP2018157524A5
Application number: JP2017054960A
Authority: JP
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2019-08-22
Anticipated expiration: 2037-03-21

Description

本発明の一態様に係る通信システムは、端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備える通信システムであって、前記無線中継局は、自律制御又は外部からの制御により地面又は海面から１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される複数の浮揚体それぞれに設けられ、前記複数の浮揚体は、前記無線中継局に電力を供給する電源部を有する低緯度対応の浮揚体と、前記低緯度対応の浮揚体よりも高い給電力で前記無線中継局に電力を供給可能な電源部を有する高緯度対応の浮揚体と、を含み、前記浮揚体が前記浮揚空域に位置するとき、前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元化セルを形成する。
前記通信システムにおいて、北回帰線又は南回帰線の周辺に位置する中緯度エリアでは、日照時間が異なる季節に応じて、前記低緯度対応の浮揚体と前記高緯度対応の浮揚体とを切り換えて用いてもよい。

また、前記通信システムにおいて、前記低緯度対応の浮揚体の電源部は、太陽光発電部と、バッテリーとを備え、前記高緯度対応の浮揚体の電源部は、太陽光発電部と、バッテリーと、外部からエネルギービームを受けて電力を発生する遠隔エネルギービーム受電部とを備えてもよい。ここで、前記エネルギービームは、マイクロ波ビーム又はレーザビームであってもよい。
また、前記通信システムにおいて、前記遠隔エネルギービーム受電部は、前記マイクロ波ビームを受けて直流電流に整流変換するレクテナ部と、前記レクテナ部から前記バッテリーに直流電流を出力する出力部と、を備えてもよい。
また、前記通信システムにおいて、前記遠隔エネルギービーム受電部は、前記エネルギービームを受けるためのパイロット信号をアンテナを介してエネルギービーム送信元に送信する送信部と、前記パイロット信号の送信方向を制御するパイロット信号制御部と、を備えてもよい。
また、地上又は海上に設けられ、前記無線中継局を備えた浮揚体に前記エネルギービームを送信して給電する給電装置を備えてもよい。
また、前記通信システムにおいて、自律制御又は外部からの制御により前記浮揚空域に位置するように制御され、前記無線中継局を備えた浮揚体に前記エネルギービームを送信して給電する給電用浮揚体を備えてもよい。
また、前記通信システムにおいて、前記高緯度対応の浮揚体の電源部は、前記浮揚体を浮揚移動させるための駆動装置に電力を供給する動力系電源と、前記無線中継局に電力を供給する通信系電源と、前記バッテリーから前記動力系電源及び前記通信系電源それぞれに供給する電力を調整する電力供給調整部と、を有してもよい。前記電力供給調整部は、前記無線中継局で無線信号を中継する端末装置の数に基づいて、前記バッテリーから前記動力系電源及び前記通信系電源それぞれに供給する電力を調整してもよい。

本発明の一実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図。他の実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図。実施形態の３次元化ネットワークを実現するＨＡＰＳの位置と各ＨＡＰＳで形成するビームと３次元セルとの関係を示す説明図。実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳの一例を示す斜視図。実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳの他の例を示す側面図。実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の一構成例を示すブロック図。実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の他の構成例を示すブロック図。実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の更に他の構成例を示すブロック図。季節に応じた通常ＨＡＰＳ及び高緯度対応ＨＡＰＳの選択利用の一例を示す説明図。実施形態の高緯度対応ＨＡＰＳに対する遠隔エネルギービーム給電の様子の一例を示す説明図。実施形態の高緯度対応ＨＡＰＳの遠隔エネルビーギーム受電部の一構成例を示すブロック図。実施形態のソーラ給電及び遠隔エネルギービーム給電に対応可能な高緯度対応ＨＡＰＳにおける給電制御系の一構成例を示すブロック図。

図１に示すように、通信システムは、複数の高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）１０，２０を備え、所定高度のセル形成目標空域４０に、図中ハッチング領域で示すような３次元セル（３次元エリア）４１，４２を形成する。ＨＡＰＳ１０，２０は、自律制御又は外部からの制御により地面又は海面から１００［ｋｍ］以下の高高度の浮揚空域（以下、単に「空域」ともいう。）５０に浮遊して位置するように制御される浮揚体（例えば、ソーラープレーン、飛行船）に無線中継局が搭載されたものである。

図２は、他の実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。図２の例では、３次元化ネットワークが形成される場所が、地面（ＧＬ）の起伏があって標高が変動している内陸部や山岳地帯の場合の例である。この場合、地面の標高にかかわらず、地面（ＧＬ）からのセル形成目標空域４０の相対的な高度が一定に維持されるように、下方に位置する地面の標高（地形データ）に基づいてＨＡＰＳ１０の高度が制御される。例えば、標高が低い平野部ではＨＡＰＳ１０の高度を２０［ｋｍ］に制御し、平地よりも３０００［ｍ］ほど標高が高い山岳地帯ではＨＡＰＳ１０の高度を２３［ｋｍ］に制御する。これにより、平野部及び山岳地帯のいずれにおいても、地面から高さが一定のほぼ同じサイズの３次元セル４１を形成することができ、セル形成目標空域４０の上端面におけるビーム１００のスポットの大きさも一定に維持することができる。また、ＨＡＰＳ１０は、ＨＡＰＳ１０の高度の制御に代えて又はその高度の制御に加えて、下方の地面の起伏に応じて、ほぼ同じサイズの３次元セル４１を形成するように、ビーム１００の発散角（ビーム幅）やビームの方向を微調整（トラッキング）してもよい。

ここで、ＨＡＰＳ１０の高度Ｈｒｓ１及びＨＡＰＳ２０の高度Ｈｒｓ２が同一高度（Ｈｒｓ）であり、各ビームの発散角θ１、θ２が同一角度（θ）であると仮定すると、ＨＡＰＳ１０，２０のビーム１００，２００によってセル形成目標空域４０の上端面の全体をカバーするための条件式は、次式（４）のようになる。

ここで、ＨＡＰＳ１０の高度Ｈｒｓ１及びＨＡＰＳ２０の高度Ｈｒｓ２が同一高度（Ｈｒｓ）であり、各ビームの発散角θ１、θ２が同一角度（θ）であると仮定すると、ＨＡＰＳ１０，２０それぞれとセル形成目標空域４０の下端に位置する端末装置とが互いに通信することができる条件式は、次式（７）のようになる。

図４は、実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳ１０の一例を示す斜視図である。図４のＨＡＰＳ１０はソーラープレーンタイプのＨＡＰＳである。上面に太陽光発電機能を有する太陽光発電部としてのソーラパネル１０２が設けられ長手方向の両端部側が上方に反った主翼部１０１と、主翼部１０１の短手方向の一端縁部にバス動力系の推進装置としての複数のモータ駆動のプロペラ１０３とを備える。主翼部１０１の下面の長手方向の２箇所には、板状の連結部１０４を介して、ミッション機器が収容される複数の機器収容部としてのポッド１０５が連結されている。各ポッド１０５の内部には、ミッション機器としての無線中継局１１０と、バッテリー１０６とが収容されている。また、各ポッド１０５の下面側には離発着時に使用される車輪１０７が設けられている。ソーラパネル１０２で発電された電力はバッテリー１０６に蓄電され、バッテリー１０６から供給される電力により、プロペラ１０３のモータが回転駆動され、無線中継局１１０による無線中継処理が実行される。

図５は、実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳ２０の他の例を示す斜視図である。図５のＨＡＰＳ２０は、無人飛行船タイプのＨＡＰＳであり、ペイロードが大きいため大容量のバッテリーを搭載することができる。ＨＡＰＳ２０は、浮力で浮揚するためのヘリウムガス等の気体が充填された飛行船本体２０１と、バス動力系の推進装置としてのモータ駆動のプロペラ２０２と、ミッション機器が収容される機器収容部２０３とを備える。機器収容部２０３の内部には、無線中継局２１０とバッテリー２０４とが収容されている。バッテリー２０４から供給される電力により、プロペラ２０２のモータが回転駆動され、無線中継局２１０による無線中継処理が実行される。

Claims

端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備える通信システムであって、
前記無線中継局は、自律制御又は外部からの制御により地面又は海面から１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される複数の浮揚体それぞれに設けられ、
前記複数の浮揚体は、
前記無線中継局に電力を供給する電源部を有する低緯度対応の浮揚体と、
前記低緯度対応の浮揚体よりも高い給電力で前記無線中継局に電力を供給可能な電源部を有する高緯度対応の浮揚体と、を含み、
中緯度エリアでは、日照時間が異なる季節に応じて、前記低緯度対応の浮揚体と前記高緯度対応の浮揚体とを切り換えて用いることを特徴とする通信システム。
請求項１の通信システムにおいて、
前記低緯度対応の浮揚体の電源部及び前記高緯度対応の浮揚体の電源部はそれぞれ、太陽光発電部とバッテリーとを備え、
前記高緯度対応の浮揚体の電源部の太陽光発電部及びバッテリーの少なくとも一方の給電力は、前記低緯度対応の浮揚体の電源部よりも高いことを特徴とする通信システム。
請求項１又は２の通信システムにおいて、
前記浮揚体の電源部は、外部からエネルギービームを受けて電力を発生する遠隔エネルギービーム受電部を備えることを特徴とする通信システム。
請求項３の通信システムにおいて、
前記エネルギービームは、マイクロ波ビーム又はレーザビームであることを特徴とする通信システム。
請求項３又は４の通信システムにおいて、
前記遠隔エネルギービーム受電部は、前記エネルギービームを受けて直流電流に整流変換するレクテナ部と、前記レクテナ部から直流電流を出力する出力部と、を備えることを特徴とする通信システム。
請求項３乃至５のいずれかの通信システムにおいて、
前記遠隔エネルギービーム受電部は、前記エネルギービームを受けるためのパイロット信号をアンテナを介してエネルギービーム送信元に送信する送信部と、前記パイロット信号の送信方向を制御するパイロット信号制御部と、を備えることを特徴とする通信システム。
請求項３乃至６のいずれかの通信システムにおいて、
地上又は海上に設けられ、前記無線中継局を備えた浮揚体に前記エネルギービームを送信して給電する給電装置を備えることを特徴とする通信システム。
請求項３乃至７のいずれかの通信システムにおいて、
自律制御又は外部からの制御により前記浮揚空域に位置するように制御され、前記無線中継局を備えた浮揚体に前記エネルギービームを送信して給電する給電用浮揚体を備えることを特徴とする通信システム。
請求項１乃至８のいずれかの通信システムにおいて、
前記浮揚体の電源部は、
バッテリーと、
前記浮揚体を浮揚移動させるための駆動装置に電力を供給する動力系電源と、
前記無線中継局に電力を供給する通信系電源と、
前記バッテリーから前記動力系電源及び前記通信系電源それぞれに供給する電力を調整する電力供給調整部と、を有することを特徴とする通信システム。
請求項９の通信システムにおいて、
前記通信系電源が電力を必要とする場合には、前記動力系電源へ供給する電力の供給量を減らし、前記浮揚体の飛行モードを、位置エネルギーを利用したグライダーモードに移行するように制御することを特徴とする通信システム。
請求項９又は１０の通信システムにおいて、
前記電力供給調整部は、前記無線中継局で無線信号を中継する端末装置の数に基づいて、前記バッテリーから前記動力系電源及び前記通信系電源それぞれに供給する電力を調整することを特徴とする通信システム。
請求項３、４、５、６、７、８、１０又は１１の通信システムにおいて、
前記複数の浮揚体のうち前記高緯度対応の浮揚体についてのみ、前記エネルギービームによる給電、前記通信系電源が電力を必要とする場合の制御及び前記端末装置の数に基づく前記電力の調整の少なくとも一つを行うことを特徴とする通信システム。
請求項１乃至１２のいずれかの通信システムにおいて、
前記無線中継局がセルを形成するセル形成目標空域の地面又は海面からの高度は１０［ｋｍ］以下であることを特徴とする通信システム。
請求項１３の通信システムにおいて、
前記セル形成目標空域の地面又は海面からの高度は５０［ｍ］以上１［ｋｍ］以下であることを特徴とする通信システム。
請求項１乃至１４のいずれかの通信システムにおいて、
前記無線中継局を設けた浮揚体は、地面又は海面から１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏に位置することを特徴とする通信システム。
請求項１乃至１５のいずれかの通信システムにおいて、
前記無線中継局は、移動体通信網の基地局処理部及びリピーター部の少なくとも一つを備えることを特徴とする通信システム。
請求項１乃至１６のいずれかの通信システムにおいて、
前記無線中継局は、エッジコンピューティング部を有することを特徴とする通信システム。
請求項１７の通信システムにおいて、
前記エッジコンピューティング部は、前記無線中継局が形成するセルに在圏する端末装置から受信したデータ信号に基づいて、そのデータ信号の送信先を判定し、その判定の結果に基づいて通信の中継先を切り換える処理を実行することを特徴とする通信システム。
請求項１８の通信システムにおいて、
前記エッジコンピューティング部は、
前記データ信号の送信先が自身のセルに在圏する端末装置の場合は、そのデータ信号を前記エッジコンピューティング部で折り返して自身のセルに在圏する送信先の端末装置に送信し、
前記データ信号の送信先が自身のセル以外の他のセルに在圏する端末装置の場合は、そのデータ信号をフィーダ局に送信し、移動通信網を介して送信先の他のセルに在圏する送信先の端末装置に送信することを特徴とする通信システム。
請求項１７の通信システムにおいて、
前記エッジコンピューティング部は、前記無線中継局が形成するセルに在圏する複数の端末装置から受信した情報を分析し、その分析の結果を前記端末装置若しくはサーバに送信する処理を実行することを特徴とする通信システム。
請求項１乃至２０のいずれかの通信システムにおいて、
前記浮揚体は、前記無線中継局に供給する電力を発電する太陽光発電パネルが設けられた翼と前記翼に設けられた回転駆動可能なプロペラとを備えたソーラープレーン、又は、前記無線中継局に電力を供給するバッテリーを備えた飛行船であることを特徴とする通信システム。
請求項１乃至２１のいずれかの通信システムにおいて、
前記浮揚体が前記浮揚空域に位置するとき、前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元化セルを形成することを特徴とする通信システム。
請求項１乃至２２のいずれかの通信システムにおける前記浮揚体及び前記無線中継局の少なくとも一方を遠隔的に制御する遠隔制御装置。
請求項２３の遠隔制御装置において、
前記浮揚体の浮揚移動又は前記無線中継局での処理を制御する制御情報を前記浮揚体に送信することを特徴とする遠隔制御装置。
請求項２３又は２４の遠隔制御装置において、
前記複数の浮揚体は、
前記無線中継局に電力を供給する電源部を有する低緯度対応の浮揚体と、
前記低緯度対応の浮揚体よりも高い給電力で前記無線中継局に電力を供給可能な電源部を有する高緯度対応の浮揚体と、を含み、
中緯度エリアでは、日照時間が異なる季節に応じて、前記低緯度対応の浮揚体と前記高緯度対応の浮揚体とを切り換えるように制御することを特徴とする遠隔制御装置。
端末装置との無線通信を中継する無線中継局を有する浮揚体を使用する方法であって、
自律制御又は外部からの制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に前記浮揚体を位置させることと、
前記無線中継局に電力を供給する電源部を有する低緯度対応の浮揚体を、低緯度エリアで用いることと、
前記低緯度対応の浮揚体よりも高い給電力で前記無線中継局に電力を供給可能な電源部を有する高緯度対応の浮揚体を、高緯度エリアで用いることと、
を含むことを特徴とする方法。
請求項２６の方法において、
前記低緯度対応の浮揚体と前記高緯度対応の浮揚体とを、中緯度エリアでは、日照時間が異なる季節に応じて切り換えて用いることを含むことを特徴とする方法。