JP2019032280A - 衛星通信のレインセルモデル - Google Patents
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Abstract
【課題】静止衛星回線の長期信頼性の保証する従来の降雨減衰モデルは地点ごとの統計処理による確率分布を求める手法が主であり、移動体衛星通信等を対象とした地域内での降雨減衰の予測には対応しきれない。【解決手段】本発明ではリアルタイムの降雨減衰データと降雨強度データ、気象データを用いて、雨域からリアルタイムにレインセルモデルを構成する手段を提供し、構成されたレインセルモデルを時系列に展開して地域内の降雨減衰推定を可能とする衛星通信のレインセルモデルを提供する。【選択図】図２
Description
豊かな社会実現に向けて情報通信のインフラの拡充が要望されている。情報量の爆発に伴い衛星通信では周波数のひっ迫から従来以上に高い周波数の利活用が必要となってきている。より高い周波数帯としては、Ka帯、ミリ波帯、テラヘルツ帯、光帯があるが降雨による電波の減衰が発生する課題がある。また、固定地球局に対して移動基地局の要望も高まっている。
衛星通信の降雨減衰モデルは静止衛星と固定地球局間の降雨減衰量の統計処理を用いた降雨強度予測モデルが研究されている。この降雨強度予測モデルは定点の降雨強度を長時間間にわたって計測してもので、降雨減衰と降雨減衰との関係についても研究されている。従来のKa帯降雨減衰の測定系及び降雨強度の測定系の系統図を図１に示す。ここでは、Ka帯降雨減衰の測定系と降雨強度の測定系は独立に設置され、外部からの標準時刻を基準に時間同期が取られていて、両データの時刻同期が保証されている。
静止衛星回線の長期信頼性の保証する従来の降雨減衰モデルは地点ごとの統計処理による確率分布を求める手法が主であり、移動体衛星通信等では地球局の移動範囲をみた広域なリアルタイムの降雨予測が必要であり、従来のバッチ処理での降雨減衰予測では今後の衛星システムには対応できない。
本発明では雨域に対応した降雨強度分布をレインセルモデルの構造で表現し、降雨強度の時系列上データから中心点と標準偏差を計算し、降雨減衰の時系列上データから中心点と標準偏差を計算し、両データの中心点のディレイタイムおよび標準偏差の差からレインセルモデルの広がりとレインセルの移動時間とレインセルの移動方向を求める。また、降雨減衰の時系列上測定データのピーク値、降雨強度の時系列上測定データのピーク値、ディレイタイム、およびレインセルモデルの標準偏差からレインセル中心部の降雨強度を求める。また、レインセルモデルの移動速度を用いてレインセルモデルの降雨減衰のピーク値を示す位置、レインセルモデルの降雨強度のピーク値を示す位置を求める。レインセルモデルの構成から雨域内の降雨減衰と降雨強度が予測可能となる。
また、気象データは補助データとして活用する事により、より良いレインセルモデルの推定が出来る。図２にシリンドリカルな構造の時のレインセルモデルを示していて、降雨強度の分布はガウス分布であり、中心から等距離の半径の処は同じ降雨強度を示す。シリンドリカルな境界は例えば標準偏差がσで決めても良いし、σの数倍の処で境界としても良い。また、無限遠の半径の処では降雨強度は零に近づき、遠くのレインセルの影響はないことになり実際の状態に近い。
また、気象データは補助データとして活用する事により、より良いレインセルモデルの推定が出来る。図２にシリンドリカルな構造の時のレインセルモデルを示していて、降雨強度の分布はガウス分布であり、中心から等距離の半径の処は同じ降雨強度を示す。シリンドリカルな境界は例えば標準偏差がσで決めても良いし、σの数倍の処で境界としても良い。また、無限遠の半径の処では降雨強度は零に近づき、遠くのレインセルの影響はないことになり実際の状態に近い。
移動体衛星通信等では地球局の移動範囲をみた広域なリアルタイムの降雨予測が必要であり、従来のバッチ処理での降雨減衰予測では今後の衛星システムには対応できない。
本発明では雨域の降雨強度に対応したレインセルモデルの形状を当てはめ、レインセルモデルの中心点と中心点の降雨強度を求めるために、リアルタイムの降雨減衰データのピーク値とピーク時刻、降雨強度データのピーク値とピーク時刻の測定データを活用し、また気象データを用いて、レインセルモデルの構造を求めると事によりリアルタイムの広域な降雨減衰と降雨強度の予測を可能とする。求められたレインセルモデルを用いて移動地球局の移動にたいしても降雨減衰と降雨強度を推定可能とする手段を提供する。図３にレインセルモデルを適用した時の利用形態を示す。
本発明では雨域の降雨強度に対応したレインセルモデルの形状を当てはめ、レインセルモデルの中心点と中心点の降雨強度を求めるために、リアルタイムの降雨減衰データのピーク値とピーク時刻、降雨強度データのピーク値とピーク時刻の測定データを活用し、また気象データを用いて、レインセルモデルの構造を求めると事によりリアルタイムの広域な降雨減衰と降雨強度の予測を可能とする。求められたレインセルモデルを用いて移動地球局の移動にたいしても降雨減衰と降雨強度を推定可能とする手段を提供する。図３にレインセルモデルを適用した時の利用形態を示す。
本発明の実施の形態を図により説明する。図４は、本発明の実施形態のレインセル推定システムの主要構成を示す図である。図中、１０は降雨減衰データ入手手段、１１は降雨強度データ入手手段、１２は気象データ入手手段、１３はレインセル解析手段、１４はレインセル予測手段、１５はレインセル表示手段、１６はレインセル予測データ出力手段である。
レインセルモデルと各々入手手段で得られたデータの関係を説明する。例として降雨強度f(t)をガウス分布とした時には式１で表される。降雨強度の測定データをd(t)とするとμ=0として、積分範囲を±Tでは標準偏差は式２を用いて求まる。
レインセルモデルと各々入手手段で得られたデータの関係を説明する。例として降雨強度f(t)をガウス分布とした時には式１で表される。降雨強度の測定データをd(t)とするとμ=0として、積分範囲を±Tでは標準偏差は式２を用いて求まる。
ここで、
t ：降雨強度測定の時間
σ：レインセルの降雨強度分布の標準偏差
μ：レインセルの降雨強度分布の中心点
ここで、
t ：降雨強度測定の時間
σ：レインセルの降雨強度分布の標準偏差
t0：レインセルの降雨強度分布の中心時間
レインセルの中心点の位置は降雨減衰のピーク値と降雨強度ピーク値との位置関係は図５に表す。図５の降雨減衰ピークのＰ点と降雨強度ピークのＳ点との時間差ΔTは、レインセルの移動速度をv(km/sec)として式３で表される。
降雨強度R(mm/h)と降雨減衰Ｌ(dB)の関係は非特許文献１に挙げたITU-Rの勧告を用いて式４で表される。
ここで、パラメータk、αはITU-Rで決まっていて、例えば２１GHｚでは以下が推奨されている。
k=0.11274
α=1.00400
レインセル内の減衰RLはレインセルの中心からの距離をパラメータとして伝搬路に沿って積分すれば求められる。伝搬路上のレインセルの中心からの距離l0からl0+bはレインセル内の伝搬路上の積分領域である。
ここで、
r(l)：伝搬路上の単位長当たりの降雨減衰量(dB)である。
l0：レインセルの中心からの地球局への距離
b：レインセルの中心部以遠の積分領域
ξ：目的とする衛星の仰角
k=0.11274
α=1.00400
レインセル内の減衰RLはレインセルの中心からの距離をパラメータとして伝搬路に沿って積分すれば求められる。伝搬路上のレインセルの中心からの距離l0からl0+bはレインセル内の伝搬路上の積分領域である。
ここで、
r(l)：伝搬路上の単位長当たりの降雨減衰量(dB)である。
l0：レインセルの中心からの地球局への距離
b：レインセルの中心部以遠の積分領域
ξ：目的とする衛星の仰角
降雨減衰はレインセルの移動に伴い衛星伝搬路上から離れると式１で示される変化を示す。この変化は降雨減衰特性の測定データをRL(t)とするとt0=0として、積分範囲を±Tでは標準偏差σRXは式６を用いて求まる。
ここで、
t ：降雨減衰測定の時間
σRX：レインセルの降雨減衰分布の標準偏差
t0：レインセルの降雨強度分布の中心時間
ここで、
t ：降雨減衰測定の時間
σRX：レインセルの降雨減衰分布の標準偏差
t0：レインセルの降雨強度分布の中心時間
降雨減衰はレインセルの移動に伴い、積分範囲を-l0〜∞として式５を用いて求まる。ここで、レインセルの移動速度vと、移動時間Δtからレインセルの移動距離は、ΔB=vΔtとなる。レインセルの移動方向δからΔBだけ移動したときのマイナス方向のセル内積分長lは式７で求まる。
ここで、
ｌ0：降雨減衰がピーク値のときのマイナス方向のセル内積分長
式５に式７のセル内積分長を与えて、式６を用いて降雨減衰のσRXが求まる。
また、降雨減衰のσRXはレインセルの移動方向δによって、sinδだけσRXが広がるので、降雨減衰のσRXと降雨強度のσとの関係はからレインセルの移動方向δによって式８で表される。
ここで、
ｌ0：降雨減衰がピーク値のときのマイナス方向のセル内積分長
式５に式７のセル内積分長を与えて、式６を用いて降雨減衰のσRXが求まる。
また、降雨減衰のσRXはレインセルの移動方向δによって、sinδだけσRXが広がるので、降雨減衰のσRXと降雨強度のσとの関係はからレインセルの移動方向δによって式８で表される。
レインセル解析手段は入力される測定データを用いてレインセルの諸元推定は以下の手順による。
＜1＞ レインセルの降雨強度の正規化標準偏差を計算
＜2＞ 降雨減衰の正規化標準偏差を計算
＜3＞ レインセルの降雨強度と降雨減衰の正規化標準偏差からレインセルの移動方向の計算
＜4＞ 降雨減衰のピーク値からレインセル中心部の降雨強度計算
＜5＞ 降雨強度のピーク値からレインセル中心部と測定点の最短距離を計算
＜6＞ レインセルの移動方向と測定点のレインセルとの最短距離からレインセル諸元の計算
ここで、レインセル諸元はレインセルのモデルを決定するものであり、レインセルの降雨強度、移動速度、移動方向、レインセル中心部の降雨強度、図５におけるＰ，Ｓ点の座標と各々の時間等を含むものを言う。また、気象データとは、雨域のレインセル範囲、緯度経度と位置、レインセルの移動速度、移動方向、降雨量等の補助的データを意味する。レインセル予測データには上記レインセル諸元と気象データ等の補助的データも含まれる。
＜1＞ レインセルの降雨強度の正規化標準偏差を計算
＜2＞ 降雨減衰の正規化標準偏差を計算
＜3＞ レインセルの降雨強度と降雨減衰の正規化標準偏差からレインセルの移動方向の計算
＜4＞ 降雨減衰のピーク値からレインセル中心部の降雨強度計算
＜5＞ 降雨強度のピーク値からレインセル中心部と測定点の最短距離を計算
＜6＞ レインセルの移動方向と測定点のレインセルとの最短距離からレインセル諸元の計算
ここで、レインセル諸元はレインセルのモデルを決定するものであり、レインセルの降雨強度、移動速度、移動方向、レインセル中心部の降雨強度、図５におけるＰ，Ｓ点の座標と各々の時間等を含むものを言う。また、気象データとは、雨域のレインセル範囲、緯度経度と位置、レインセルの移動速度、移動方向、降雨量等の補助的データを意味する。レインセル予測データには上記レインセル諸元と気象データ等の補助的データも含まれる。
レインセル予測手段では、レインセル解析手段でレインセルの諸元と補助的データからレインセルの移動方向を決めて、地域内の各地点の２次元の降雨強度分布と２次元の降雨強度分布を時系列に計算表示する。
また、降雨分布はガウス分布で説明したが、降雨強度および降雨減衰から表現される分布の適用も可能で、関数型分布あるいは数値型分布であっても良い。
レインセル予測データ表示は数値でも良いし、画像でも良い。また、レインセル予測データの外部出力はアナログ信号でも良いし、デジタル信号でも良い。
また、降雨分布はガウス分布で説明したが、降雨強度および降雨減衰から表現される分布の適用も可能で、関数型分布あるいは数値型分布であっても良い。
レインセル予測データ表示は数値でも良いし、画像でも良い。また、レインセル予測データの外部出力はアナログ信号でも良いし、デジタル信号でも良い。
図６は降雨強度測定装置の代表的な構成を示している。また、図７は降雨減衰測定装置の代表的な構成を示している。いずれも同じ場所に在ってもよいし、離れた場所に在ってもよい。
図６は定点の降雨強度を示す測定器以外にも降雨レーダのデータ、光或いは電波伝搬の減衰から降雨強度を推定してもよい。
図７の降雨減衰測定装置は受信装置の一部を利用して降雨減衰測定してもよい。
図６は定点の降雨強度を示す測定器以外にも降雨レーダのデータ、光或いは電波伝搬の減衰から降雨強度を推定してもよい。
図７の降雨減衰測定装置は受信装置の一部を利用して降雨減衰測定してもよい。
図８は、本発明の実施形態２のレインセル推定システムの主要構成を示す図である。図中、４０は外部データ入手手段、４１はレインセル解析手段、４２はレインセル予測手段、４３〜４５は降雨強度測定装置、４６〜４８は降雨減衰測定装置、４９は気象データ入手手段である。
外部データ入手手段は４３から４５の複数の降雨強度測定装置からのデータを収集、４６から４８の複数の降雨減衰測定装置からのデータを収集、および４９の気象データを入手し、レインセル解析手段ではレインセル情報を共有してより広範囲でより精度のよいレインセル諸元と予測データを得ることができる。
図９は降雨範囲の雨域を複数のレインセルC1〜C5で表したもので、複数のレインセル推定システムを用いてレインセルC1〜C5を解析して、広範囲のレインセルの動きを予測可能となっていることが判る。
外部データ入手手段は４３から４５の複数の降雨強度測定装置からのデータを収集、４６から４８の複数の降雨減衰測定装置からのデータを収集、および４９の気象データを入手し、レインセル解析手段ではレインセル情報を共有してより広範囲でより精度のよいレインセル諸元と予測データを得ることができる。
図９は降雨範囲の雨域を複数のレインセルC1〜C5で表したもので、複数のレインセル推定システムを用いてレインセルC1〜C5を解析して、広範囲のレインセルの動きを予測可能となっていることが判る。
図１０は、本発明の実施形態３の地区レインセル推定システムの主要構成を示す図である。本発明の実施の形態を図により説明する。図中、５１は地区レインセル推定システム、５２〜５４はレインセル推定システムで通信の相手方が異なり、アンテナの方向、無線周波数も違ってもよい。各々のレインセル推定システムで推定されたレインセルモデルは複数の方向の降雨減衰を共有してより広範囲でより精度のよいレインセル諸元と予測データを得ることができる。
図１１は、本発明の実施形態４の高度レインセル推定システムの主要構成を示す図である。本発明の実施の形態を図により説明する。図中、６１は高度レインセル推定システム、６２は高さ方向の降雨強度を測定する装置である。レインセル推定システムに高さ方向の降雨強度分布を加味することにより精度のよいレインセル諸元と降雨減衰等の予測データを得ることができる。
図１２は、本発明の実施形態５のレインセル推定手段の主要処理ステップを示す図である。図中、７０は降雨減衰データ入手ステップ、７１は降雨強度データ入手ステップ、７２は気象データ入手ステップ、７３はレインセル解析ステップ、７４はレインセル予測ステップ、７５はレインセル表示ステップ、７６はレインセル予測データ出力ステップである。
レインセルモデルを活用した実施例を図３に示す。ここでは、複数の移動体の地球局に対して、レインセルモデルを適用して、各々降雨減衰の予想を可能としてスムーズな高速衛星通信が可能となる。
レインセル推定システムの複数配置は静止型であっても良いし、移動型であっても良い。衛星通信に対して説明しているが、地上系の無線システム、光通信にも対応できるのは明らかである。
１ レインセル推定システム
１０ 降雨減衰データ入手手段
１１ 降雨強度データ入手手段
１２ 気象データ入手手段
１３ レインセル解析手段
１４ レインセル予測手段
１５ レインセル表示手段
１６ レインセル予測データ出力手段
１０ 降雨減衰データ入手手段
１１ 降雨強度データ入手手段
１２ 気象データ入手手段
１３ レインセル解析手段
１４ レインセル予測手段
１５ レインセル表示手段
１６ レインセル予測データ出力手段
Claims (5)
- レインセル推定システムであって、（１）降雨減衰データ入手手段、降雨強度データ入手手段、気象データ入手手段、レインセル解析手段、レインセル予測手段、レインセル表示手段、レインセル予測データ出力手段と、を備え、（２）レインセル解析手段は降雨減衰データ入手手段、降雨強度データ入手手段、および気象データ入手手段からのデータから時間系列の降雨減衰データと降雨強度データを用いてレインセルのピーク値を見つけピーク値から降雨分布の標準偏差を求め、レインセルの構成を決めて、（３）レインセル予測手段ではレインセル解析手段からのレインセルの構成データと気象入手データから風速を用いて、レインセルの構造から時系列でレインセルの位置を予測し、レインセル予測データを表示および外部に出力することを特徴とするレインセル推定システム。
- 請求項１に記載するレインセル推定システムであって、（１）前記レインセル推定システムに新たに、複数の回線からの前記降雨減衰データ入手手段を複数備え、２）レインセル解析手段は複数の前記降雨減衰データ入手手段、降雨強度データ入手手段、および気象データ入手手段からのデータから時間系列の降雨減衰データと複数の降雨強度データを用いてレインセルのピーク値を見つけピーク値から降雨分布の標準偏差を求め、レインセルの構成を決めて、（３）レインセル予測手段ではレインセル解析手段からのレインセルの構成データから時系列でレインセルの位置を予測し、レインセル予測データを表示および外部に出力することを特徴とするレインセル推定システム。
- 請求項１又は２に記載のレインセル推定システムであって、（１）前記レインセル推定システムが区域内に複数配置され、複数のレインセル推定システムからのレインセル予測データを収集するレインセル予測データ収集手段と、収集された複数のレインセル予測データから地域内の複数レインセルの構造から時系列で複数レインセルの位置を予測する区域内レインセル推定手段と、を備え、区域内レインセル予測データを表示および外部に出力することを特徴とするレインセル推定システム。
- 請求項１から３のいずれか１項に記載のレインセル推定システムであって、推定するレインセルの降雨強度分布が高さ方向にも分布を持つことを特徴とするレインセル推定システム。
- 請求項１に記載のレインセル推定システムに用いるプログラムであって、（１）降雨減衰データ入手ステップ、降雨強度データ入手ステップ、気象データ入手ステップ、レインセル解析ステップ、レインセル予測ステップ、レインセル表示ステップ、レインセル予測データ出力ステップと、を備え、（２）レインセル解析ステップは降雨減衰データ入手ステップ、降雨強度データ入手ステップ、および気象データ入手ステップからのデータから時間系列の降雨減衰データと降雨強度データを用いてレインセルのピーク値を見つけピーク値から降雨分布の標準偏差を求め、レインセルの構成を決めて、（３）レインセル予測ステップではレインセル解析ステップからのレインセルの構成データと気象入手データから風速を用いて、レインセルの構造から時系列でレインセルの位置を予測し、レインセル予測データを表示および外部に出力することを特徴とするプログラム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017154614A JP2019032280A (ja) | 2017-08-09 | 2017-08-09 | 衛星通信のレインセルモデル |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP2017154614A JP2019032280A (ja) | 2017-08-09 | 2017-08-09 | 衛星通信のレインセルモデル |
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| JP2019032280A true JP2019032280A (ja) | 2019-02-28 |
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ID=65523399
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2017154614A Pending JP2019032280A (ja) | 2017-08-09 | 2017-08-09 | 衛星通信のレインセルモデル |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2019032280A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113093311A (zh) * | 2021-03-24 | 2021-07-09 | 中国联合网络通信集团有限公司 | 降雨分布观测方法及装置、基站、系统 |
| CN114170427A (zh) * | 2021-11-12 | 2022-03-11 | 河海大学 | 基于雨胞的无线微波雨衰减模型ssim图像相似度评价方法 |
-
2017
- 2017-08-09 JP JP2017154614A patent/JP2019032280A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN113093311B (zh) * | 2021-03-24 | 2022-09-27 | 中国联合网络通信集团有限公司 | 降雨分布观测方法及装置、基站、系统 |
| CN114170427A (zh) * | 2021-11-12 | 2022-03-11 | 河海大学 | 基于雨胞的无线微波雨衰减模型ssim图像相似度评价方法 |
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