JP2019220833A - Ｈａｐｓ周辺の突風探知に基づく飛行フィードバック制御 - Google Patents

Ｈａｐｓ周辺の突風探知に基づく飛行フィードバック制御 Download PDF

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Abstract

【課題】３次元化ネットワークの構築に適した上空の通信中継装置の強風による落下を防止することができる通信中継装置を提供する。【解決手段】高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）は、端末装置との間で無線通信を行う中継通信局を搭載し、自律制御又は外部から制御により上空を飛行可能な通信中継装置であって、ＨＡＰＳの周辺に発生している強風の影響を低減するように決定された飛行制御情報に基づいて通信中継装置の飛行を制御する飛行制御部を備える。飛行制御情報は、ＨＡＰＳの飛行の方向、速度、高度、姿勢、飛行ルート及び飛行パターンの少なくとも一つを制御するための情報を含む。【選択図】図１０

Description

本発明は、３次元化ネットワークの構築に適したＨＡＰＳの飛行制御に関するものである。
従来、移動通信システムの通信規格である３ＧＰＰのＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）−Ａｄｖａｎｃｅｄ（非特許文献１参照）を発展させたＬＴＥ−ＡｄｖａｎｃｅｄＰｒｏと呼ばれる通信規格が知られている（非特許文献２参照）。このＬＴＥ−ＡｄｖａｎｃｅｄＰｒｏでは、近年のＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）向けデバイスへの通信を提供するための仕様が策定された。更に、ＩｏＴ向けデバイス等の多数の端末装置（「ＵＥ（ユーザ装置）」、「移動局」、「通信端末」ともいう。）への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代の移動通信が検討されている（例えば、非特許文献３参照）。
３ＧＰＰ ＴＳ ３６．３００ Ｖ１０．１２．０（２０１４−１２）． ３ＧＰＰ ＴＳ ３６．３００ Ｖ１３．５．０（２０１６−０９）． Ｇ． Ｒｏｍａｎｏ，「３ＧＰＰ ＲＡＮ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ "５Ｇ"」，３ＧＰＰ，２０１６．
上記第５世代等の次世代の移動通信等において３次元化したネットワークを実現するように上空を飛行可能な無線中継装置を配置する場合、飛行中の無線中継装置が上空に発生した急激な上昇気流や下降気流（ダウンバースト）等による突然の強風（以下「突風」という。）を受けることによって機体姿勢が不安定となり落下するおそれがある。
本発明の一態様に係る通信中継装置は、端末装置との間で無線通信を行う中継通信局を搭載し、自律制御又は外部から制御により上空を飛行可能な通信中継装置であって、
前記通信中継装置の周辺に発生している強風の影響を低減するように決定された飛行制御情報に基づいて前記通信中継装置の飛行を制御する飛行制御手段を備える。
前記通信中継装置において、前記飛行制御情報は、前記通信中継装置の飛行の方向、速度、高度、姿勢、飛行ルート及び飛行パターンの少なくとも一つを含んでもよい。
また、前記通信中継装置において、前記通信中継装置の周辺における風の方向及び速度を観測することにより前記通信中継装置の周辺に発生している強風を探知するドップラーレーダと、前記ドップラーレーダによって探知された前記強風の影響を低減するように前記通信中継装置の飛行制御情報を決定する手段と、を備えてもよい。
また、通信中継装置において、外部に設けられたドップラーレーダによって探知された前記通信中継装置の周辺に発生している強風の情報を受信する手段と、前記通信中継装置の周辺に発生している前記強風の影響を低減するように前記通信中継装置の飛行制御情報を決定する手段と、を備えてもよい。
また、通信中継装置において、外部に設けられたドップラーレーダによって探知された前記通信中継装置の周辺に発生している強風の影響を低減するように決定された前記通信中継装置の飛行制御情報を受信する手段を備えてもよい。
前記ドップラーレーダは、前記通信中継装置と移動通信網との通信を中継する地上又は海上のフィーダ局に設けてもよい。
また、前記通信中継装置において、前記ドップラーレーダで前記強風を探知する探知対象空間は、前記通信中継装置の現在位置及び飛行ルートの情報に基づいて絞り込んでもよい。
また、前記通信中継装置において、前記ドップラーレーダで前記強風を探知する探知対象空間は、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に設けられた測定装置で測定された気象測定データの少なくとも一つに基づいて絞り込んでもよい。
また、前記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］以下であってもよい。
また、前記通信中継装置は１００［ｋｍ］以下の高度に位置してもよい。
本発明の他の態様に係るシステムは、前記いずれかの通信中継装置と、前記通信中継装置の周辺における風の方向及び速度を観測することにより前記通信中継装置の周辺に発生している強風を探知する地上又は海上に設けられたドップラーレーダと、前記通信中継装置を管理する管理装置と、を備え、前記管理装置は、前記ドップラーレーダによって探知された前記通信中継装置の周辺に発生している強風の情報と、前記通信中継装置の現在位置とに基づいて、前記通信中継装置の周辺に発生している前記強風の影響を低減するように前記通信中継装置の飛行制御情報を決定し、前記飛行制御情報を前記通信中継装置に送信する。
本発明の更に他の態様に係る管理装置は、前記いずれかの通信中継装置を管理する地上、海上又は上空に位置する管理装置であって、ドップラーレーダによって探知された前記通信中継装置の周辺に発生している強風の情報と、前記通信中継装置の現在位置とに基づいて、前記通信中継装置の周辺に発生している前記強風の影響を低減するように前記通信中継装置の飛行制御情報を決定する手段と、前記飛行制御情報を前記通信中継装置に送信する手段と、を備える。
本発明の更に他の態様に係る方法は、端末装置との間で無線通信を行う中継通信局を搭載し自律制御又は外部から制御により上空を飛行可能な通信中継装置の飛行を制御する方法であって、前記通信中継装置の周辺に発生している強風の影響を低減するように前記通信中継装置の飛行制御情報を決定することと、前記飛行制御情報に基づいて前記通信中継装置の飛行を制御することと、を含む。
また、本発明の更に他の態様に係るプログラムは、端末装置との間で無線通信を行う中継通信局を搭載し自律制御又は外部から制御により上空を飛行可能な通信中継装置の飛行の制御を、コンピュータ又はプロセッサに実行させるためのプログラムであって、前記通信中継装置の周辺に発生している強風の影響を低減するように前記通信中継装置の飛行制御情報を決定させるためのプログラムコードと、前記飛行制御情報に基づいて前記通信中継装置の飛行を制御させるためのプログラムコードと、を有する。
また、本発明の更に他の態様に係る記録媒体は、コンピュータ又はプロセッサに読み取り可能なプログラムが記録された記録媒体であって、前記プログラムは、端末装置との間で無線通信を行う中継通信局を搭載し自律制御又は外部から制御により上空を飛行可能な通信中継装置の飛行の制御を、コンピュータ又はプロセッサに実行させるためのプログラムあり、前記通信中継装置の周辺に発生している強風の影響を低減するように前記通信中継装置の飛行制御情報を決定させるためのプログラムコードと、前記飛行制御情報に基づいて前記通信中継装置の飛行を制御させるためのプログラムコードと、を有する。
本発明によれば、３次元化ネットワークの構築に適した上空の通信中継装置の突風等の強風による落下を防止することができる。
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。 実施形態に係る通信システムに用いられるＨＡＰＳの一例を示す斜視図。 実施形態に係る通信システムに用いられるＨＡＰＳの他の例を示す側面図。 実施形態に係る複数のＨＡＰＳで上空に形成される無線ネットワークの一例を示す説明図。 更に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。 実施形態に係るＨＡＰＳの中継通信局の一構成例を示すブロック図。 実施形態に係るＨＡＰＳの中継通信局の他の構成例を示すブロック図。 実施形態に係るＨＡＰＳの中継通信局の更に他の構成例を示すブロック図。 実施形態に係るＨＡＰＳの各種飛行パターンを例示する説明図。 実施形態に係るＨＡＰＳの飛行制御系の一構成例を示す機能ブロック図。 実施形態に係るＨＡＰＳの飛行制御の一例を示すフローチャート。 実施形態に係るＨＡＰＳ及び遠隔制御装置の飛行制御系の一構成例を示す機能ブロック図。 実施形態に係るＨＡＰＳの飛行制御の他の例を示すシーケンス図。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
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世代又は第５世代以降の次々世代の移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。なお、本明細書に開示する通信システム、無線中継局、基地局、リピータ及び端末装置に適用可能な移動通信の標準規格は、第５世代の移動通信の標準規格、及び、第５世代以降の次々世代の移動通信の標準規格を含む。
図１に示すように、通信システムは、複数の空中浮揚型の通信中継装置としての高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）（「高高度疑似衛星」ともいう。）１０，２０を備えている。ＨＡＰＳ１０，２０は、所定高度の空域に位置して、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制御により地面又は海面から１００［ｋｍ］以下の高高度の空域（浮揚空域）５０に浮遊あるいは飛行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、中継通信局が搭載されたものである。
ＨＡＰＳ１０，２０の位置する空域５０は、例えば、高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏の空域である。この空域５０は、気象条件が比較的安定している高度１５［ｋｍ］以上２５［ｋｍ］以下の空域であってもよく、特に高度がほぼ２０［ｋｍ］の空域であってもよい。図中のＨｒｓｌ及びＨｒｓｕはそれぞれ、地面（ＧＬ）を基準にしたＨＡＰＳ１０，２０の位置する空域５０の下端及び上端の相対的な高度を示している。
セル形成目標空域４０は、本実施形態の通信システムにおける１又は２以上のＨＡＰＳで３次元セルを形成する目標の空域である。セル形成目標空域４０は、ＨＡＰＳ１０，２０が位置する空域５０と従来のマクロセル基地局等の基地局９０がカバーする地面近傍のセル形成領域との間に位置する、所定高度範囲（例えば、５０［ｍ］以上１０００［ｍ］以下の高度範囲）の空域である。図中のＨｃｌ及びＨｃｕはそれぞれ、地面（ＧＬ）を基準にしたセル形成目標空域４０の下端及び上端の相対的な高度を示している。
なお、本実施形態の３次元セルが形成されるセル形成目標空域４０は、海、川又は湖の上空であってもよい。
セル形成目標空域４０では、ＨＡＰＳ１０，２０のビーム１００，２００が通過していない領域（３次元セル４１，４２が形成されない領域）が発生するおそれがある。この領域を補完するため、図１の構成例のように、地上側又は海上側から上方に向かって放射状のビーム３００を形成して３次元セル４３を形成してＡＴＧ（Ａｉｒ Ｔｏ Ｇｒｏｕｎｄ）接続を行う基地局（以下「ＡＴＧ局」という。）３０を備えてもよい。
また、ＡＴＧ局３０を用いずに、ＨＡＰＳ１０，２０の位置やビーム１００，２００の発散角（ビーム幅）等を調整することにより、ＨＡＰＳ１０，２０の中継通信局が、セル形成目標空域４０に３次元セルがくまなく形成されるように、セル形成目標空域４０の上端面の全体をカバーするビーム１００，２００を形成してもよい。
なお、前記ＨＡＰＳ１０，２０で形成する３次元セルは、地上又は海上に位置する端末装置との間でも通信できるよう地面又は海面に達するように形成してもよい。
ＨＡＰＳ１０，２０の中継通信局はそれぞれ、移動局である端末装置と無線通信するためのビーム１００，２００を地面に向けて形成する。端末装置は、遠隔操縦可能な小型のヘリコプター等の航空機であるドローン６０に組み込まれた通信端末モジュールでもよいし、飛行機６５の中でユーザが使用するユーザ装置であってもよい。セル形成目標空域４０においてビーム１００，２００が通過する領域が３次元セル４１，４２である。セル形成目標空域４０において互いに隣り合う複数のビーム１００，２００は部分的に重なってもよい。
ＨＡＰＳ１０，２０の中継通信局はそれぞれ、地上又は海上に設置された中継局であるフィーダ局（「ゲートウェイ局」という。）７０を介して、移動通信網８０のコアネットワークに接続されている。ＨＡＰＳ１０，２０とフィーダ局７０との間の通信は、マイクロ波などの電波による無線通信で行ってもよいし、レーザ光などを用いた光通信で行ってもよい。
ＨＡＰＳ１０，２０はそれぞれ、内部に組み込まれたコンピュータ等で構成された制御部が制御プログラムを実行することにより、自身の浮揚移動（飛行）や中継通信局での処理を自律制御してもよい。例えば、ＨＡＰＳ１０，２０はそれぞれ、自身の現在位置情報（例えばＧＰＳ位置情報）及び飛行状態情報（例えば飛行方向及び飛行速度）、予め記憶した飛行制御情報（例えば、飛行ルート情報、飛行パターン情報、又は飛行スケジュール情報）、ＨＡＰＳ１０，２０の周辺に発生している強風（特に、突風）の情報、周辺に位置する他のＨＡＰＳの位置情報などを取得し、それらの情報に基づいて浮揚移動（飛行）や中継通信局での処理を自律制御してもよい。飛行制御情報は、ＨＡＰＳ１０，２０の飛行の方向、速度、高度、姿勢及び飛行ルートの少なくトも一つを制御するための情報である。飛行制御情報は、オペレータのマニュアル操作により予め記憶させてもよいし、管理装置としての遠隔制御装置８５から遠隔的に受信して記憶させてもよい。
ここで、飛行ルート情報は、例えば、飛行開始位置、飛行中継位置及び飛行終了位置の位置情報（例えば、緯度、経度、高度）を含む情報である。また、飛行パターン情報は、後述の図９に例示するような各種飛行パターンを特定するための情報である。また、飛行スケジュール情報は、飛行ルート情報又は飛行パターン情報と、その飛行ルート・飛行パターンを飛行するときの時間又は時間帯の情報とを含む情報である。
また、ＨＡＰＳ１０，２０それぞれの浮揚移動（飛行）や中継通信局での処理は、移動通信網８０の通信センター等に設けられた管理装置としての遠隔制御装置８５によって制御できるようにしてもよい。この場合、ＨＡＰＳ１０，２０は、遠隔制御装置８５からの制御情報（例えば、飛行制御情報）を受信したり遠隔制御装置８５に各種情報を送信したりできるように制御用通信端末装置（例えば、移動通信モジュール）が組み込まれ、遠隔制御装置８５から識別できるように端末識別情報（例えば、ＩＰアドレス、電話番号など）が割り当てられるようにしてもよい。制御用通信端末装置の識別には通信インターフェースのＭＡＣアドレスを用いてもよい。また、ＨＡＰＳ１０，２０はそれぞれ、自身又は周辺のＨＡＰＳの浮揚移動（飛行）や中継通信局での処理に関する情報や各種センサなどで取得した観測データなどの情報を、遠隔制御装置８５等の所定の送信先に送信するようにしてもよい。
ＨＡＰＳ１０，２０の周辺に発生している突風等の強風は、例えば地上のフィーダ局７０に設けたドップラーレーダ７１によって探知することができる。ドップラーレーダ７１は、探知対象エリアに向けてマイクロ波又はレーザ光などを照射し、その探知対象エリアに存在している雨粒や雲の粒子からの反射波を用いて、風の方向及び速度に対応する粒子の移動速度と方向（レーダに近づいているのか遠ざかっているのか）をドップラー効果により観測する装置である。
なお、ドップラーレーダ７１で突風などの強風を探知する探知対象空間は、ＨＡＰＳ１０，２０自体の現在位置及び飛行ルートの情報に基づいて、その後の飛行に影響がでると予測される空間に絞り込んでもよい。この場合は、ドップラーレーダ７１による強風の探知をより効率的に短時間に行うことができる。
更に、ドップラーレーダ７１で突風などの強風を探知する探知対象空間は、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ＨＡＰＳ１０，２０自体に設けられた環境情報の測定装置で測定された気象測定データの少なくとも一つに基づいて、突風などの強風が発生する可能性がより高い空間に絞り込んでもよい。
高層気象観測データは、例えば、気象観測器（ラジオゾンデ）を用いて世界８００か所で同時刻に１日に２回観測される高層気象観測のデータである。ラジオゾンデは、気球の浮力によって約３６０ｍ／分で上昇しながら、上空の気温・気圧（高度）・湿度等を測定し、各測定値を電波で地上に送信する。ラジオゾンデのうち、ＧＰＳ信号を用いて風向・風速を計算するものを「ＧＰＳゾンデ」といい、ＧＰＳゾンデは複数のＧＰＳ衛星の電波を受信し、ＧＰＳゾンデの移動によって生じるＧＰＳ衛星信号の周波数のずれを利用することにより、風向・風速を求める。高層気象観測データは、例えば、複数の高度それぞれにおける高層天気図、高度と風向・風速との関係を示すグラフ、高度と気温・湿度との関係を示すグラフなどのデータ形式で、気象庁のＷＥＢサイトから取得することができる。
ＨＡＰＳ１０，２０に設けられる環境情報の測定装置としては、気圧計、気温計、湿度計などの各種センサがあり、これらのセンサにより、ＨＡＰＳ１０，２０の周辺の気圧、気温、湿度などの情報を測定して取得することができる。
図２は、実施形態に係る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中継通信局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、中継通信局１１０による無線中継処理が実行される。
ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０は、例えば旋回飛行を行ったり８の字飛行を行ったりすることにより揚力で浮揚し、所定の高度で水平方向の所定の範囲に滞在するように浮揚することができる。なお、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０は、プロペラ１０３が回転駆動されていないときは、グライダーのように飛ぶこともできる。例えば、昼間などのソーラーパネル１０２の発電によってバッテリー１０６の電力が余っているときに高い位置に上昇し、夜間などのソーラーパネル１０２で発電できないときにバッテリー１０６からモータへの給電を停止してグライダーのように飛ぶことができる。
また、ＨＡＰＳ１０は、他のＨＡＰＳや人工衛星と光通信に用いられる通信部としての３次元対応指向性の光アンテナ装置１３０を備えている。なお、図２の例では主翼部１０１の長手方向の両端部に光アンテナ装置１３０を配置しているが、ＨＡＰＳ１０の他の箇所に光アンテナ装置１３０を配置してもよい。なお、他のＨＡＰＳや人工衛星と光通信に用いられる通信部は、このような光通信を行うものに限らず、マイクロ波などの電波による無線通信などの他の方式による無線通信であってもよい。
また、図２中の一点鎖線で示すように、ＨＡＰＳ１０は、そのＨＡＰＳの周辺に発生して接近している突風などの強風を探知するドップラーレーダ１３５を備えてもよい。
図３は、実施形態に係る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、中継通信局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、中継通信局２１０による無線中継処理が実行される。
なお、飛行船本体２０１の上面に、太陽光発電機能を有するソーラーパネルを設け、ソーラーパネルで発電された電力をバッテリー２０４に蓄電するようにしてもよい。
また、無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０も、他のＨＡＰＳや人工衛星と光通信に用いられる通信部としての３次元対応指向性の光アンテナ装置２３０を備えている。なお、図３の例では飛行船本体２０１の上面部及び機器収容部２０３の下面部に光アンテナ装置２３０を配置しているが、ＨＡＰＳ２０の他の部分に光アンテナ装置２３０を配置してもよい。なお、他のＨＡＰＳや人工衛星と光通信に用いられる通信部は、このような光通信を行うものに限らず、マイクロ波などの電波による無線通信などの他の方式による無線通信を行うものであってもよい。
また、図３中の一点鎖線で示すように、ＨＡＰＳ２０においても、そのＨＡＰＳの周辺に発生して接近している突風などの強風を探知するドップラーレーダ２３５を備えてもよい。
図４は、実施形態に係る複数のＨＡＰＳ１０，２０で上空に形成される無線ネットワークの一例を示す説明図である。
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。
図５は、他の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。
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の実施形態では、ＨＡＰＳ１０と移動通信網８０のコアネットワークとの間の通信を、フィーダ局７０及び低軌道の人工衛星７２を介して行っている。この場合、人工衛星７２とフィーダ局７０との間の通信は、マイクロ波などの電波による無線通信で行ってもよいし、レーザ光などを用いた光通信で行ってもよい。また、ＨＡＰＳ１０と人工衛星７２との間の通信については、レーザ光などを用いた光通信で行っている。
図６は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０，２０の中継通信局１１０，２１０の一構成例を示すブロック図である。
図５の中継通信局１１０，２１０はリピータータイプの中継通信局の例である。中継通信局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、中継通信局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。
３Ｄセル形成アンテナ部１１１は、セル形成目標空域４０に向けて放射状のビーム１００，２００を形成するアンテナを有し、端末装置と通信可能な３次元セル４１，４２を形成する。送受信部１１２は、３Ｄセル形成アンテナ部１１１とともに第一無線通信部を構成し、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、３Ｄセル形成アンテナ部１１１を介して、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置に無線信号を送信したり端末装置から無線信号を受信したりする。
フィード用アンテナ部１１３は、地上又は海上のフィーダ局７０と無線通信するための指向性アンテナを有する。送受信部１１４は、フィード用アンテナ部１１３とともに第二無線通信部を構成し、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、フィード用アンテナ部１１３を介して、フィーダ局７０に無線信号を送信したりフィーダ局７０から無線信号を受信したりする。
リピーター部１１５は、端末装置との間で送受信される送受信部１１２の信号と、フィーダ局７０との間で送受信される送受信部１１４の信号とを中継する。リピーター部１１５は、周波数変換機能を有してもよい。
監視制御部１１６は、例えばＣＰＵ及びメモリ等で構成され、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、ＨＡＰＳ１０，２０内の各部の動作処理状況を監視したり各部を制御したりする。特に、監視制御部１１６は、制御プログラムを実行することにより、プロペラ１０３，２０２を駆動するモータ駆動部１４１を制御して、ＨＡＰＳ１０，２０を目標位置へ移動させ、また、目標位置近辺に留まるように制御する。
電源部１１７は、バッテリー１０６，２０４から出力された電力をＨＡＰＳ１０，２０内の各部に供給する。電源部１１７は、太陽光発電パネル等で発電した電力や外部から給電された電力をバッテリー１０６，２０４に蓄電させる機能を有してもよい。
光通信部１２５は、レーザ光等の光通信媒体を介して周辺の他のＨＡＰＳ１０，２０や人工衛星７２と通信する。この通信により、ドローン６０等の端末装置と移動通信網８０との間の無線通信を動的に中継するダイナミックルーティングが可能になるとともに、いずれかのＨＡＰＳが故障したときに他のＨＡＰＳがバックアップして無線中継することにより移動通信システムのロバスト性を高めることができる。
ビーム制御部１２６は、ＨＡＰＳ間通信や人工衛星７２との通信に用いるレーザ光などのビームの方向及び強度を制御したり、周辺の他のＨＡＰＳ（中継通信局）との間の相対的な位置の変化に応じてレーザ光等の光ビームによる通信を行う他のＨＡＰＳ（中継通信局）を切り替えるように制御したりする。この制御は、例えば、ＨＡＰＳ自身の位置及び姿勢、周辺のＨＡＰＳの位置などに基づいて行ってもよい。ＨＡＰＳ自身の位置及び姿勢の情報は、そのＨＡＰＳに組み込んだＧＰＳ受信装置、ジャイロセンサ、加速度センサなどの出力に基づいて取得し、周辺のＨＡＰＳの位置の情報は、移動通信網８０に設けた遠隔制御装置８５又は他のＨＡＰＳ管理サーバから取得してもよい。
図７は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０，２０の中継通信局１１０，２１０の他の構成例を示すブロック図である。
図７の中継通信局１１０，２１０は基地局タイプの中継通信局の例である。
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の中継通信局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、中継通信局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。
モデム部１１８は、例えば、フィーダ局７０からフィード用アンテナ部１１３及び送受信部１１４を介して受信した受信信号に対して復調処理及び復号処理を実行し、基地局処理部１１９側に出力するデータ信号を生成する。また、モデム部１１８は、基地局処理部１１９側から受けたデータ信号に対して符号化処理及び変調処理を実行し、フィード用アンテナ部１１３及び送受信部１１４を介してフィーダ局７０に送信する送信信号を生成する。
基地局処理部１１９は、例えば、ＬＴＥ／ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄの標準規格に準拠した方式に基づいてベースバンド処理を行うｅ−ＮｏｄｅＢとしての機能を有する。基地局処理部１１９は、第５世代等の将来の移動通信の標準規格に準拠する方式で処理するものであってもよい。
基地局処理部１１９は、例えば、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置から３Ｄセル形成アンテナ部１１１及び送受信部１１２を介して受信した受信信号に対して復調処理及び復号処理を実行し、モデム部１１８側に出力するデータ信号を生成する。また、基地局処理部１１９は、モデム部１１８側から受けたデータ信号に対して符号化処理及び変調処理を実行し、３Ｄセル形成アンテナ部１１１及び送受信部１１２を介して３次元セル４１，４２の端末装置に送信する送信信号を生成する。
図８は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０，２０の中継通信局１１０，２１０の更に他の構成例を示すブロック図である。
図８の中継通信局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中継通信局の例である。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の中継通信局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。
エッジコンピューティング部１２０は、例えば小型のコンピュータで構成され、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、ＨＡＰＳ１０，２０の中継通信局１１０，２１０における無線中継などに関する各種の情報処理を実行することができる。
例えば、エッジコンピューティング部１２０は、３次元セル４１，４２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。より具体的には、基地局処理部１１９から出力されたデータ信号の送信先が自身の３次元セル４１，４２に在圏する端末装置の場合は、そのデータ信号をモデム部１１８に渡さずに、基地局処理部１１９に戻して自身の３次元セル４１，４２に在圏する送信先の端末装置に送信するようにする。一方、基地局処理部１１９から出力されたデータ信号の送信先が自身の３次元セル４１，４２以外の他のセルに在圏する端末装置の場合は、そのデータ信号をモデム部１１８に渡してフィーダ局７０に送信し、移動通信網８０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ようにする。
エッジコンピューティング部１２０は、３次元セル４１，４２に在圏する多数の端末装置から受信した情報を分析する処理を実行してもよい。この分析結果は３次元セル４１，４２に在圏する多数の端末装置に送信したり移動通信網８０のサーバ装置などに送信したりしてもよい。
中継通信局１１０、２１０を介した端末装置との無線通信の上りリンク及び下りリンクの複信方式は、特定の方式に限定されず、例えば、時分割複信（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ：ＴＤＤ）方式でもよいし、周波数分割複信（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ：ＦＤＤ）方式でもよい。また、中継通信局１１０、２１０を介した端末装置との無線通信のアクセス方式は、特定の方式に限定されず、例えば、ＦＤＭＡ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、又は、ＯＦＤＭＡ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）であってもよい。また、前記無線通信には、ダイバーシティ・コーディング、送信ビームフォーミング、空間分割多重化（ＳＤＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）等の機能を有し、送受信両方で複数のアンテナを同時に利用することにより、単位周波数当たりの伝送容量を増やすことができるＭＩＭＯ（多入力多出力：Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術を用いてもよい。また、前記ＭＩＭＯ技術は、１つの基地局が１つの端末装置と同一時刻・同一周波数で複数の信号を送信するＳＵ−ＭＩＭＯ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術でもよいし、１つの基地局が複数の異なる通信端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信又は複数の異なる基地局が１つの端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信するＭＵ−ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術であってもよい。
なお、以下の説明では、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０のみの例であるが、無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０であってもよいし、これらのＨＡＰＳ１０，２０が混在していてもよい。
図９は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０の各種飛行パターンを例示する説明図である。図９は、ＨＡＰＳ１０の離陸から着陸までの一連の飛行における９種類の飛行パターンを例示している。なお、図９において、前述の図１，５と共通する部分については同じ符号を付し、それらの説明は省略する。
本実施形態のＨＡＰＳ１０は、図９の複数の飛行パターンごとに、気流などの環境情報及びＨＡＰＳ１０の対気速度などの装置状態情報に基づいて、以下のように最も省エネルギーになるように最適な飛行制御を行う。
図９中の「離陸」は、ＨＡＰＳ１０が地面（又は、海面若しくは海上の船舶）から離陸するときの飛行パターンである。この離陸飛行パターンでは、ＨＡＰＳ１０が速やかに離陸できるように気流に向かい風状態で離陸するように飛行制御を行う。
図９中の「上昇」は、ＨＡＰＳ１０が離陸した後、所定の空域５０（例えば成層圏の空域）まで上昇するときの飛行パターンである。この上昇飛行パターンでは、ＨＡＰＳ１０の対気速度を一定にして気流に逆らわないで上昇するように飛行制御を行う。また、偏西風や偏東風など風が強いエリアでは風上に向かって上昇するように飛行制御を行う。
図９中の「２地点間移動（トランジット）」は、ＨＡＰＳ１０が上昇完了した位置から、通信サービス提供のための運用時の滞在位置（通信サービス提供地点）まで移動するときの飛行パターンである。この２地点間移動の飛行パターンでは、風の弱い高度を狙って対気速度一定で移動するように飛行制御を行う。また、高度の低い風の強いエリアの風下に移動先がある場合はあえて高度を下降させて流されて移動し、所定場所についたら高度を上げるように飛行制御を行う。気流に流されるときは、グライディング（滑空）飛行で発電しながら移動するように飛行制御を行ってもよい。
図９中の「ステーション・キーピング」は、ＨＡＰＳ１０が運用時の滞在位置に滞在するときの飛行パターンである。このステーション・キーピングの飛行パターンでは、所定の滞在エリア内に留まるように飛行制御を行う。このステーション・キーピングの飛行パターンでは、太陽光があたる昼間のソーラーパネル１０２による太陽光発電を行う飛行と、次の夜間のグライディングによる夜間気流発電を行う飛行とを繰り返すように飛行制御を行ってもよい。
図９中の「グライディング（夜間発電）」は、ＨＡＰＳ１０が夜間時にプロペラの回転による発電（風力発電）を行う飛行パターンである。このグライディング（夜間発電）の飛行パターンでは、位置エネルギーを利用してゆっくりと旋回しながら所定のエリア内で滑空するように飛行制御を行う。
図９中の「姿勢維持」は、ＨＡＰＳ１０の滞在時にソーラーパネル１０２による発電を効率的に行うように姿勢を維持する飛行パターンである。この姿勢維持の飛行パターンでは、ソーラーパネル１０２の受光面を太陽に向ける時間を最大化するように姿勢を維持する飛行経路（例えば、変形長円形状の巡回飛行経路）で飛行するように飛行制御を行う。
図９中の「巡回」は、ＨＡＰＳ１０が複数の滞在位置間を巡回するときの飛行パターンである。この巡回飛行パターンの２地点間移動では、前記２地点間移動の飛行パターンと同様に、風の弱い高度を狙って対気速度一定で移動するように飛行制御を行う。また、高度の低い風の強いエリアの風下に移動先がある場合はあえて高度を下降させて流されて移動し、所定場所についたら高度を上げるように飛行制御を行う。気流に流されるときは、グライディング（滑空）飛行で発電しながら移動するように飛行制御を行ってもよい。
図９中の「下降」は、ＨＡＰＳ１０が所定の空域５０（例えば成層圏の空域）から地面（又は、海面）の近傍まで下降するときの飛行パターンである。この下降飛行パターンでは、ＨＡＰＳ１０が可能な限り風に逆らわない飛行経路で下降するように飛行制御を行う。
図９中の「着陸」は、ＨＡＰＳ１０が地面（又は、海面若しくは海上の船舶）に着陸するときの飛行パターンである。この下降飛行パターンでは、ＨＡＰＳ１０が可能な限り風に逆らわない飛行経路で着陸するように飛行制御を行う。
本実施形態において、飛行中のＨＡＰＳ１０が上空に発生した急激な上昇気流や下降気流（ダウンバースト）等による突風等の強風を受けることによって機体姿勢が不安定となり落下するおそれがある。そこで、本実施形態では、ＨＡＰＳ１０の周辺に発生している突風等の強風を探知し、その探知結果に基づいての影響を低減するように飛行制御情報を決定し、その飛行制御情報に基づいてＨＡＰＳ１０の飛行を制御することにより、ＨＡＰＳ１０の落下を防止している。
飛行制御情報は、ＨＡＰＳ１０の飛行の方向、速度、高度、姿勢及び飛行ルートの少なくトも一つを制御するための情報を含む。飛行制御情報は、例えば、探知された強風の発生領域を回避する飛行ルート若しくは飛行パターンでＨＡＰＳ１０を飛行させたり、探知された強風が向かい風になる向きにＨＡＰＳ１０の姿勢を変化させて飛行させたりするように決定する。
図１０は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０の飛行制御系の一構成例を示す機能ブロック図である。図１０の飛行制御系は、ＨＡＰＳ１０自身が飛行制御情報を決定して飛行制御する自律制御型の飛行制御系の例である。
図１０において、ＨＡＰＳ１０の飛行制御系は、環境情報取得部１６１と装置状態情報取得部１６２と飛行制御データベース１６３と飛行パターン記憶部１６４と飛行制御情報決定部１６５と飛行制御部１６６とモータ駆動部１４１と飛行結果情報取得部１６７とを備える。なお、飛行制御データベース１６３、飛行パターン記憶部１６４、飛行制御情報決定部１６５及び飛行制御部１６６の少なくとも一部は、前述のエッジコンピューティング部１２０で構成してもよい（図８参照）。
環境情報取得部１６１は、ＨＡＰＳ１０の周辺に発生している強風の探知情報（以下「強風探知情報」ともいう。）を含む環境情報を取得する。ＨＡＰＳ１０の周辺に発生している強風は、例えば、地上のフィーダ局７０に設置されたドップラーレーダ７１により、ＨＡＰＳ１０の周辺における風の方向及び速度を観測して探知することができる。環境情報取得部１６１は、ドップラーレーダ７１で探知されたＨＡＰＳ１０の周辺における強風探知情報を、ＨＡＰＳの管理装置である遠隔制御装置８５を介して受信することにより取得することができる。なお、ＨＡＰＳ１０がドップラーレーダ１３５を備えている場合は、そのドップラーレーダ１３５から、ＨＡＰＳ１０の周辺に発生している突風等の強風探知情報を取得することができる。
装置状態情報取得部１６２は、ＨＡＰＳ１０自体の状態を示す装置状態情報を取得する。装置状態情報は、ＨＡＰＳ１０自体の現在位置及び予め設定された設定飛行経路の情報を含む。また、装置状態情報は、ＨＡＰＳ１０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んでもよい。ＨＡＰＳ１０に設けられる装置状態情報の測定装置としては、加速度計、角速度計、磁気計（方位センサ）、絶対圧計、差圧計、ＧＰＳ受信機、姿勢角センサなどの各種センサがあり、これらのセンサにより、ＨＡＰＳ１０の現在位置（緯度、経度、高度）、対気速度、対地速度、推進方向などの情報を測定して取得することができる。
飛行制御データベース１６３は、ＨＡＰＳ１０の周辺に発生する突風等の強風の位置及び種類を含む環境情報と、突風等の強風の探知結果に基づいて決定した飛行制御情報と、装置状態情報との関係を示す関係データを記憶している。飛行制御データベース１６３は、飛行制御情報と環境情報と装置状態情報と制御後の実際の飛行制御結果情報（例えばＨＡＰＳ１０の位置及び姿勢、周辺の風速など）とに基づいて機械学習して前記関係データを更新する人工知能（ＡＩ）の機能も有している。機械学習は、例えば、制御前における突風等の強風の位置及び種類を含む環境情報や飛行パターンごとに、突風等の強風の影響が最も小さくなるように、前記関係データを修正するように行う。
飛行パターン記憶部１６４は、ＨＡＰＳ１０において選択可能な複数の飛行パターンが記憶されている。
飛行制御情報決定部１６５は、飛行パターン記憶部１６４に記憶されている複数種類の飛行パターンから選択された飛行パターンについて、前記環境情報及び装置状態情報の最新取得データに基づいて飛行制御データベース１６３を参照し、突風などの強風の影響が最も小さくなる飛行制御情報（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）を決定する。
飛行制御部１６６は、飛行制御情報決定部１６５で決定された飛行制御情報に基づいて、ＨＡＰＳ１０の各プロペラ１０３のモータ駆動部１４１に制御信号を送信し、各プロペラ１０３の回転を個別に制御する。この各プロペラ１０３の回転の個別制御により、飛行しているＨＡＰＳ１０の、進行方向、速度、姿勢（ロール角（バンク角）、ピッチ角、ヨー角）などを制御することができる。なお、ＨＡＰＳ１０の飛行制御の方法としては、プロペラ１０３の回転の個別制御の代わりに又はプロペラ１０３の回転の個別制御に加えて、ＨＡＰＳ１０に動翼（例えば、エルロン、ラダー、エレベータ等）を設け、その動翼を制御する方法を採用してもよい。
飛行結果情報取得部１６７は、前記決定した飛行制御情報で飛行制御したときのＨＡＰＳ１０の飛行結果情報（例えば、ＨＡＰＳ１０の位置及び姿勢、周辺の風速など）を取得する。この飛行結果情報は、例えばＨＡＰＳ１０に設けられたＧＰＳ受信機、ジャイロセンサ、風速計等の測定装置で測定され、前述の飛行制御データベース１６３での機械学習で用いられる。
図１１は実施形態に係るＨＡＰＳ１０の飛行制御の一例を示すフローチャートである。図１１の例は、図１０の飛行制御系に対応する自律制御型の飛行制御の例である。
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）、ＨＡＰＳ１０の周辺に発生した突風等の強風の探知結果を含む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、探知した突風等の強風の影響を低減することができる飛行制御情報（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情報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、ＨＡＰＳ１０の位置及び姿勢、周辺の風速など）を取得し（Ｓ１０５）、取得した飛行結果情報に基づいて前述の機械学習を行い（Ｓ１０６）、突風等の強風の位置や種類及び飛行パターンごとに、突風等の強風の影響を最も低減することができるように飛行制御データベースを更新する（Ｓ１０７）。
図１２は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０及び遠隔制御装置８５の飛行制御系の一構成例を示す機能ブロック図である。図１２の飛行制御系は、遠隔制御装置８５が強風探知結果、環境情報及び装置状態情報に基づいて決定した飛行制御情報をＨＡＰＳ１０に送信して飛行制御させる遠隔制御型の飛行制御系の例である。なお、図１２において、図１０と同様な部分については同じ符号を付し、それらの説明は省略する。また、図１２のＨＡＰＳ１０における飛行制御部１６６は、前述のエッジコンピューティング部１２０で構成してもよい（図８参照）。
図１２において、ＨＡＰＳ１０の飛行制御系は、環境情報送信部１６８と装置状態情報送信部１６９と飛行制御情報受信部１７０と飛行結果情報送信部１７１とを更に備える。環境情報送信部１６８、装置状態情報送信部１６９及び飛行結果情報送信部１７１はそれぞれ、環境情報取得部１６１、装置状態情報取得部１６２及び飛行結果情報取得部１６７で取得した環境情報、装置状態情報及び飛行結果情報を遠隔制御装置８５に送信する。飛行制御情報受信部１７０は、遠隔制御装置８５で決定されて送信されてきた飛行制御情報を受信する。
また、図１２において、遠隔制御装置８５の飛行制御系は、環境情報受信部８５１と装置状態情報受信部８５２と飛行制御データベース８５３と飛行パターン選択部８５４と飛行制御情報決定部８５５と飛行制御情報送信部８５６と飛行結果情報受信部８５７と強風探知情報取得部８５８とを備える。図中の飛行制御データベース８５３、飛行パターン選択部８５４及び飛行制御情報決定部８５５は、図１０中のＨＡＰＳ１０における飛行制御データベース１６３、飛行パターン記憶部１６４及び飛行制御情報決定部１６５と同様な機能を有する。環境情報受信部８５１、装置状態情報受信部８５２及び飛行結果情報受信部８５７はそれぞれ、ＨＡＰＳ１０で取得されて送信されてきた環境情報、装置状態情報及び飛行結果情報を受信する。また、飛行制御情報送信部８５６は、飛行制御情報決定部８５５で決定した飛行制御情報をＨＡＰＳ１０に送信する。
飛行結果情報受信部８５７は、フィーダ局７０に設置されたドップラーレーダ７１で探知された突風等の強風探知情報を受信して取得する。環境情報受信部８５１は、強風探知情報以外の環境情報を、ＨＡＰＳ１０から受信して取得する。
図１３は、実施形態に係るＨＡＰＳの飛行制御の他の例を示すシーケンス図である。図１３の例は、図１２の飛行制御系に対応する遠隔制御型の飛行制御の例である。
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）。フィーダ局７０に設置されたドップラーレーダ７１は、ＨＡＰＳ１０の周辺に発生している突風などの強風を探知し（Ｓ２０２）、その強風探知情報を遠隔制御装置８５に送信する（Ｓ２０３）。ＨＡＰＳ１０は、強風探知情報以外の環境情報と装置状態情報の最新情報とを取得し（Ｓ２０４）、遠隔制御装置８５に送信する（Ｓ２０５）。
次に、遠隔制御装置８５は、選択した飛行パターンについて、ドップラーレーダ７１から受信した強風探知情報とＨＡＰＳ１０から受信した環境情報及び装置状態情報とに基づいて飛行制御データベースを参照し、その探知された強風の影響を低減することができる飛行制御情報（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（Ｓ２０６）、その決定した飛行制御情報をＨＡＰＳ１０に送信する（Ｓ２０７）。
ＨＡＰＳ１０は、遠隔制御装置８５から受信した飛行制御情報に基づいて飛行制御を実行する（Ｓ２０８）。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、ＨＡＰＳ１０の位置及び姿勢、周辺の風速など）を取得し（Ｓ２０９）、取得した飛行結果情報を遠隔制御装置８５に送信する（Ｓ２１０）。遠隔制御装置８５は、ＨＡＰＳ１０から受信した飛行結果情報に基づいて前述の機械学習を行い（Ｓ２１１）、突風等の強風の位置や種類及び飛行パターンごとに、突風等の強風の影響を最も低減することができるように飛行制御データベースを更新する（Ｓ２１２）。
以上、本実施形態によれば、ＨＡＰＳ１０の周辺に発生している突風等の強風を探知し、その探知結果に基づいての影響を低減するように飛行制御情報を決定し、その飛行制御情報に基づいてＨＡＰＳ１０の飛行を制御することにより、ＨＡＰＳ１０の落下を防止することができる。
なお、上記実施形態では、ＨＡＰＳ１０の周辺に発生している突風等の強風をドップラーレーダで探知しているが、飛行制御データベースに格納されている情報とＨＡＰＳ１０における現在の環境情報及び装置状態情報とに基づいてＨＡＰＳ１０の周辺における突風等の強風の発生を予測し、その強風の影響を低減するようにＨＡＰＳ１０の飛行を制御してもよい。
なお、本明細書で説明された処理工程並びにＨＡＰＳ１０，２０等の通信中継装置の中継通信局、フィーダ局、遠隔制御装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）及び基地局における基地局装置の構成要素は、様々な手段によって実装することができる。例えば、これらの工程及び構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせで実装されてもよい。
ハードウェア実装については、実体（例えば、中継通信局、フィーダ局、基地局装置、中継通信局装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、遠隔制御装置、ハードディスクドライブ装置、又は、光ディスクドライブ装置）において前記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、１つ又は複数の、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子デバイス、本明細書で説明された機能を実行するようにデザインされた他の電子ユニット、コンピュータ、又は、それらの組み合わせの中に実装されてもよい。
また、ファームウェア及び／又はソフトウェア実装については、前記構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、本明細書で説明された機能を実行するプログラム（例えば、プロシージャ、関数、モジュール、インストラクション、などのコード）で実装されてもよい。一般に、ファームウェア及び／又はソフトウェアのコードを明確に具体化する任意のコンピュータ／プロセッサ読み取り可能な媒体が、本明細書で説明された前記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段の実装に利用されてもよい。例えば、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば制御装置において、メモリに記憶され、コンピュータやプロセッサにより実行されてもよい。そのメモリは、コンピュータやプロセッサの内部に実装されてもよいし、又は、プロセッサの外部に実装されてもよい。また、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、ＦＬＡＳＨメモリ、フロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、磁気又は光データ記憶装置、などのような、コンピュータやプロセッサで読み取り可能な媒体に記憶されてもよい。そのコードは、１又は複数のコンピュータやプロセッサにより実行されてもよく、また、コンピュータやプロセッサに、本明細書で説明された機能性のある態様を実行させてもよい。
また、前記媒体は非一時的な記録媒体であってもよい。また、前記プログラムのコードは、コンピュータ、プロセッサ、又は他のデバイス若しくは装置機械で読み込んで実行可能であれよく、その形式は特定の形式に限定されない。例えば、前記プログラムのコードは、ソースコード、オブジェクトコード及びバイナリコードのいずれでもよく、また、それらのコードの２以上が混在したものであってもよい。
また、本明細書で開示された実施形態の説明は、当業者が本開示を製造又は使用するのを可能にするために提供される。本開示に対するさまざまな修正は当業者には容易に明白になり、本明細書で定義される一般的原理は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他のバリエーションに適用可能である。それゆえ、本開示は、本明細書で説明される例及びデザインに限定されるものではなく、本明細書で開示された原理及び新規な特徴に合致する最も広い範囲に認められるべきである。
１０ ＨＡＰＳ（ソーラープレーンタイプ）
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
７１ ドップラーレーダ
７２ 人工衛星
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 中継通信局
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
１３５，２３５ ドップラーレーダ
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 飛行パターン記憶部
１６５ 飛行制御情報決定部
１６６ 飛行制御部
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 飛行制御情報受信部
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 飛行パターン記憶部
８５５ 飛行制御情報決定部
８５６ 飛行制御情報送信部
８５７ 飛行結果情報受信部
８５８ 強風探知情報取得部

Claims (14)

  1. 端末装置との間で無線通信を行う中継通信局を搭載し、自律制御又は外部から制御により上空を飛行可能な通信中継装置であって、
    前記通信中継装置の周辺に発生している強風の影響を低減するように決定された飛行制御情報に基づいて前記通信中継装置の飛行を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。
  2. 請求項１の通信中継装置において、
    前記飛行制御情報は、前記通信中継装置の飛行の方向、速度、高度、姿勢、飛行ルート及び飛行パターンの少なくとも一つを制御するための情報を含むことを特徴とする通信中継装置。
  3. 請求項１又は２の通信中継装置において、
    前記通信中継装置の周辺における風の方向及び速度を観測することにより前記通信中継装置の周辺に発生している強風を探知するドップラーレーダと、
    前記ドップラーレーダによって探知された前記強風の影響を低減するように前記通信中継装置の飛行制御情報を決定する手段と、を備えることを特徴とする通信中継装置。
  4. 請求項１又は２の通信中継装置において、
    外部に設けられたドップラーレーダによって探知された前記通信中継装置の周辺に発生している強風の情報を受信する手段と、
    前記通信中継装置の周辺に発生している前記強風の影響を低減するように前記通信中継装置の飛行制御情報を決定する手段と、を備えることを特徴とする通信中継装置。
  5. 請求項１又は２の通信中継装置において、
    外部に設けられたドップラーレーダによって探知された前記通信中継装置の周辺に発生している強風の影響を低減するように決定された前記通信中継装置の飛行制御情報を受信する手段を備えることを特徴とする通信中継装置。
  6. 請求項４又は５の通信中継装置において、
    前記ドップラーレーダは、前記通信中継装置と移動通信網との通信を中継する地上又は海上のフィーダ局に設けられていることを特徴とする通信中継装置。
  7. 請求項３乃至６のいずれかの通信中継装置において、
    前記ドップラーレーダで前記強風を探知する探知対象空間は、前記通信中継装置の現在位置及び飛行ルートの情報に基づいて絞り込まれることを特徴とする通信中継装置。
  8. 請求項３乃至７のいずれかの通信中継装置において、
    前記ドップラーレーダで前記強風を探知する探知対象空間は、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に設けられた測定装置で測定された気象測定データの少なくとも一つに基づいて絞り込まれることを特徴とする通信中継装置。
  9. 請求項１乃至８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。
  10. 請求項１乃至９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。
  11. 請求項１乃至１０のいずれかの通信中継装置と、前記通信中継装置の周辺における風の方向及び速度を観測することにより前記通信中継装置の周辺に発生している強風を探知する地上又は海上に設けられたドップラーレーダと、前記通信中継装置を管理する管理装置と、を備えるシステムであって、
    前記管理装置は、前記ドップラーレーダによって探知された前記通信中継装置の周辺に発生している強風の情報と、前記通信中継装置の現在位置とに基づいて、前記通信中継装置の周辺に発生している前記強風の影響を低減するように前記通信中継装置の飛行制御情報を決定し、前記飛行制御情報を前記通信中継装置に送信することを特徴とするシステム。
  12. 請求項１乃至１０のいずれかの通信中継装置を管理する地上、海上又は上空に位置する管理装置であって、
    ドップラーレーダによって探知された前記通信中継装置の周辺に発生している強風の情報と、前記通信中継装置の現在位置とに基づいて、前記通信中継装置の周辺に発生している前記強風の影響を低減するように前記通信中継装置の飛行制御情報を決定する手段と、
    前記飛行制御情報を前記通信中継装置に送信する手段と、を備えることを特徴とする管理装置。
  13. 端末装置との間で無線通信を行う中継通信局を搭載し自律制御又は外部から制御により上空を飛行可能な通信中継装置の飛行を制御する方法であって、
    前記通信中継装置の周辺に発生している強風の影響を低減するように前記通信中継装置の飛行制御情報を決定することと、
    前記飛行制御情報に基づいて前記通信中継装置の飛行を制御することと、を含むことを特徴とする方法。
  14. 端末装置との間で無線通信を行う中継通信局を搭載し自律制御又は外部から制御により上空を飛行可能な通信中継装置の飛行の制御を、コンピュータ又はプロセッサに実行させるためのプログラムであって、
    前記通信中継装置の周辺に発生している強風の影響を低減するように前記通信中継装置の飛行制御情報を決定させるためのプログラムコードと、
    前記飛行制御情報に基づいて前記通信中継装置の飛行を制御させるためのプログラムコードと、を有することを特徴とするプログラム。
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