JP2019054490A - 気流データを利用したhaps飛行制御 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の一実施形態に係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。
本実施形態に係る通信システムは、多数の端末装置への同時接続や低遅延化などに対応する第5世代移動通信の3次元化ネットワークの実現に適する。
図2のHAPS10は、ソーラープレーンタイプのHAPSであり、長手方向の両端部側が上方に沿った主翼部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の上面には、太陽光発電機能を有する太陽光発電部としての太陽光発電パネル(以下「ソーラーパネル」という。)102が設けられている。また、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。ソーラーパネル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3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。
複数のHAPS10,20は、上空で互いに光通信によるHAPS間通信ができるように構成され、3次元化したネットワークを広域にわたって安定に実現することができるロバスト性に優れた無線通信ネットワークを形成する。この無線通信ネットワークは、各種環境や各種情報に応じたダイナミックルーティングによるアドホックネットワークとして機能することもできる。前記無線通信ネットワークは、2次元又は3次元の各種トポロジーを有するように形成することができ、例えば、図4に示すようにメッシュ型の無線通信ネットワークであってもよい。
なお、図5において、前述の図1と共通する部分については同じ符号を付し、その説明は省略する。
図5の無線中継局110,210はリピータータイプの無線中継局の例である。無線中継局110,210はそれぞれ、3Dセル形成アンテナ部111と、送受信部112と、フィード用アンテナ部113と、送受信部114と、リピーター部115と、監視制御部116と、電源部117とを備える。更に、無線中継局110,210はそれぞれ、HAPS間通信などに用いる光通信部125と、ビーム制御部126とを備える。
図7の無線中継局110,210は基地局タイプの無線中継局の例である。
なお、図7において、図6と同様な構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図7の無線中継局110,210はそれぞれ、モデム部118を更に備え、リピーター部115の代わりに基地局処理部119を備える。更に、無線中継局110,210はそれぞれ、光通信部125とビーム制御部126とを備える。
図8の無線中継局110,210はエッジコンピューティング機能を有する高機能の基地局タイプの無線中継局の例である。なお、図8において、図6及び図7と同様な構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図8の無線中継局110,210はそれぞれ、図7の構成要素に加えてエッジコンピューティング部120を更に備える。
図11において、HAPS10は、前述の複数種類の飛行パターンから一つの飛行パターンを選択し(S101)、環境情報及び装置状態情報の最新情報を取得する(S102)。次に、HAPS10は、選択した飛行パターンについて、取得した環境情報及び装置状態情報に基づいて飛行制御データベースを参照し、最も省エネルギーとなる目標飛行経路と消費電力量とを予測し、その目標飛行経路でHAPS10を飛行させるための飛行制御内容(例えば、複数のプロペラ103それぞれの回転駆動の制御パラメータの値)を決定し(S103)、その決定した飛行制御内容に基づいて飛行制御を実行する(S104)。次に、HAPS10は、飛行制御中又は飛行制御後に飛行結果情報(例えば、実際の飛行経路及び消費電力量の実測値)を取得し(S105)、取得した飛行結果情報と前述の目標飛行経路及び消費電力量の予測結果とに基づいて前述の機械学習を行い(S106)、省エネルギー飛行制御の精度を高めるように飛行制御データベースを更新する(S107)。
図13において、遠隔制御装置85は、前述のHAPS10で用いる複数種類の飛行パターンから一つの飛行パターンを選択する(S201)。一方、HAPS10は、環境情報及び装置状態情報の最新情報を取得し(S202)、遠隔制御装置85に送信する(S203)。次に、遠隔制御装置85は、選択した飛行パターンについて、HAPS10から受信した環境情報及び装置状態情報に基づいて飛行制御データベースを参照し、最も省エネルギーとなる目標飛行経路と消費電力量とを予測し、その目標飛行経路でHAPS10を飛行させるための飛行制御内容(例えば、複数のプロペラ103それぞれの回転駆動の制御パラメータの値)を決定し(S204)、その決定した飛行制御内容をHAPS10に送信する(S205)。HAPS10は、遠隔制御装置85から受信した飛行制御内容に基づいて飛行制御を実行する(S206)。次に、HAPS10は、飛行制御中又は飛行制御後に飛行結果情報(例えば、実際の飛行経路及び消費電力量の実測値)を取得し(S207)、取得した飛行結果情報を遠隔制御装置85に送信する(S208)。遠隔制御装置85は、HAPS10から受信した飛行結果情報と前述の目標飛行経路及び消費電力量の予測結果徒に基づいて前述の機械学習を行い(S209)、省エネルギー飛行制御の精度を高めるように飛行制御データベースを更新する(S210)。
図15において、遠隔制御装置85は、前述のHAPS10で用いる複数種類の飛行パターンから一つの飛行パターンを選択し(S301)、環境情報の最新情報を取得する(S302)。一方、HAPS10は、装置状態情報の最新情報を取得し(S303)、遠隔制御装置85に送信する(S304)。次に、遠隔制御装置85は、選択した飛行パターンについて、自身が取得した環境情報とHAPS10から受信した装置状態情報に基づいて飛行制御データベースを参照し、最も省エネルギーとなる目標飛行経路と消費電力量とを予測し、その目標飛行経路でHAPS10を飛行させるための飛行制御内容(例えば、複数のプロペラ103それぞれの回転駆動の制御パラメータの値)を決定し(S305)、その決定した飛行制御内容をHAPS10に送信する(S306)。その後の制御は、前述の図12と同様である。
図16の例は、6機のHAPS10が進行方向Fの先頭部分を頂点としてV字型(雁行の形状)に編隊を組んで飛行している例である。HAPS10が水平飛行しているとき、図17(a)に示すように、主翼部101の長手方向両端部では上方に回り込むような空気の流れ(翼端渦)Sが生じ、図17(b)に示すように主翼部101の斜め後方に揚力が大きくなる部分Rが発生する。この揚力が大きくなる部分Rに後続のHAPS10が順次位置するように編隊を組むことにより、先頭以外のHAPS10の揚力をかせぐことができ、複数のHAPSの編隊全体の消費エネルギー(消費電力量)を減らすことができる。
10A〜10E 部分構造体
20 HAPS(飛行船タイプ)
40 セル形成目標空域
41,42,43 3次元セル
50 HAPSが位置する空域
60 ドローン
65 飛行機
70 フィーダ局
72 人工衛星
75 マイクロ波給電局
80 移動通信網
85 遠隔制御装置(管制センター)
100,200、300 ビーム
101 主翼部
102 ソーラーパネル(太陽光発電パネル)
103,202 プロペラ
104 連結部
105 ポッド
106 バッテリー
107 車輪
108 受電用ポッド
110,210 無線中継局
111 3次元(3D)セル形成アンテナ部
112 送受信部
113 フィード用アンテナ部
114 送受信部
115 リピーター部
116 監視制御部
117 電源部
118 モデム部
119 基地局処理部
120 エッジコンピューティング部
125 光通信部
126 ビーム制御部
130,230 光アンテナ装置
141 モータ駆動部
161 環境情報取得部
162 装置状態情報取得部
163 飛行制御データベース
164 飛行パターン選択部
165 飛行制御内容決定部
166 駆動制御部
167 飛行結果情報取得部
168 環境情報送信部
169 装置状態情報送信部
170 飛行制御内容受信部
171 飛行結果情報送信部
851 環境情報受信部
852 装置状態情報受信部
853 飛行制御データベース
854 飛行パターン選択部
855 飛行制御内容決定部
856 飛行制御内容送信部
857 飛行結果情報受信部
Claims (20)
- 端末装置との間で無線通信を行う無線中継局と、
自律制御又は外部から制御により所定高度の空域に位置するように制御される浮揚体と、を備える空中浮揚型の通信中継装置であって、
気流の風速及び風向を含む環境情報に基づいて、気流を利用した飛行を行うように制御する飛行制御手段を備えることを特徴とする通信中継装置。 - 請求項1の通信中継装置において、
前記環境情報は、複数の高度それぞれにおける気流の風速及び風向を含むことを特徴とする通信中継装置。 - 請求項1又は2の通信中継装置において、
前記環境情報は、複数の高度それぞれにおける気圧及び気温を含むことを特徴とする通信中継装置。 - 請求項1乃至3のいずれかの通信中継装置において、
前記環境情報は、過去の高層気象観測データの統計値、直近の高層気象観測データ及び前記通信中継装置自体に設けられた測定装置で測定された測定データの少なくとも一つから取得されることを特徴とする通信中継装置。 - 請求項1乃至4のいずれかの通信中継装置において、
前記飛行制御手段は、前記環境情報と、前記通信中継装置自体の状態を示す装置状態情報とに基づいて、気流を利用した飛行を行うように制御することを特徴とする通信中継装置。 - 請求項5の通信中継装置において、
前記装置状態情報は、前記通信中継装置自体の現在位置及び予め設定された設定飛行ルートの情報を含むことを特徴とする通信中継装置。 - 請求項5又は6の通信中継装置において、
前記装置状態情報は、前記通信中継装置自体の対気速度、対地速度及び推進方向の少なくとも一つの情報を含むことを特徴とする通信中継装置。 - 請求項1乃至7のいずれかの通信中継装置において、
前記環境情報に基づいて又は前記環境情報及び前記装置状態情報に基づいて、前記飛行制御手段による飛行制御内容を決定する手段を備え、
前記飛行制御手段は、前記決定された飛行制御内容に基づいて飛行を制御することを特徴とする通信中継装置。 - 請求項1乃至8のいずれかの通信中継装置において、
前記環境情報に基づいて又は前記環境情報及び前記装置状態情報に基づいて決定された前記通信中継装置自体の飛行制御内容の情報を外部装置から受信する手段を備え、
前記飛行制御手段は、前記受信した飛行制御内容に基づいて飛行制御することを特徴とする通信中継装置。 - 請求項9の通信中継装置において、
前記外部装置は、前記通信中継装置を管理する地上又は上空の管理装置であることを特徴とする通信中継装置。 - 請求項8乃至10のいずれかの通信中継装置において、
前記飛行制御内容は、前記通信中継装置自体の出発地点から目標地点までの目標飛行ルートを含み、
前記飛行制御手段は、前記目標飛行ルートを飛行するように制御することを特徴とする通信中継装置。 - 請求項8乃至11のいずれかの通信中継装置において、
前記飛行制御手段による飛行制御内容は、複数種類の飛行パターンの種類ごとに個別に設定されていることを特徴とする通信中継装置。 - 請求項12の通信中継装置において、
前記複数種類の飛行パターンは、離陸するときの飛行パターン、所定の高度範囲まで上昇するときの飛行パターン、所定の高度範囲内の滞在目標上空エリアに留まる飛行パターン、所定の高度範囲から下降するときの飛行パターン及び着陸するときの飛行パターンを含むことを特徴とする通信中継装置。 - 請求項12又は13の通信中継装置において、
前記複数種類の飛行パターンは、所定の高度範囲に移動した後に滞在目標上空エリアまで横移動する飛行パターン、所定の姿勢を維持する時間帯を最大化する飛行パターン、2つの滞在目標上空エリア間を移動する飛行パターン、複数の滞在目標上空エリア間を巡回する巡回飛行パターン及び滞在目標上空エリアで時間帯に応じて上下移動する飛行パターンの少なくとも一つを含むことを特徴とする通信中継装置。 - 請求項8乃至14のいずれかの通信中継装置において、
前記飛行制御内容は、前記環境情報及び前記装置状態情報の互いに異なる複数種類の条件で実行された複数回の飛行試験により得られた学習結果に基づいて決定されることを特徴とする通信中継装置。 - 請求項1乃至15のいずれかの通信中継装置において、
バッテリー及び太陽光発電システムの少なくとも一方を備え、電力で飛行することを特徴とする通信中継装置。 - 請求項1乃至16のいずれかの通信中継装置において、
地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に3次元セルを形成し、
前記セル形成目標空域の高度は10[km]以下であることを特徴とする通信中継装置。 - 請求項1乃至17のいずれかの通信中継装置において、
100[km]以下の高度に位置することを特徴とする通信中継装置。 - 請求項1乃至18のいずれかの通信中継装置を複数備えるシステムであって、
前記複数の通信中継装置は、飛行時の空気抵抗を低減する相互位置関係を有する編隊を組んで飛行することを特徴とするシステム。 - 請求項1乃至18のいずれかの通信中継装置を管理する地上又は上空に位置する管理装置であって、
前記環境情報に基づいて又は前記環境情報及び前記装置状態情報に基づいて、前記通信中継装置の飛行制御内容を決定し、その決定した飛行制御内容を前記通信中継装置に送信することを特徴とする管理装置。
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