JP4222245B2

JP4222245B2 - 移動体通信装置

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Publication number: JP4222245B2
Application number: JP2004105678A
Authority: JP
Inventors: 朝彦坂口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005295094A

Description

この発明は、静止衛星等の通信衛星を介して他の通信装置との通信を行う移動体通信装置に関する。

近年、通信衛星を利用した様々な衛星通信システムが開発されている。例えば、静止軌道上を移動する静止衛星は、地上から眺めると常に上空に静止しているように見えるので、常時通信することができる等のメリットがあり、インマルサット等の衛星移動通信、ＢＳ、ＣＳ等を用いた衛星放送、さらにＶＳＡＴ（ＶｅｒｙＳｍａｌｌＡｐｅｒｔｕｒｅＴｅｒｍｉｎａｌ）等の衛星通信システムに利用されている。このような衛星通信等においては、降雨等の気象条件によって信号が減衰したり、通信装置自体が発生するノイズ等のため、Ｃ／Ｎ比と呼ばれる信号対雑音比が低下する。

例えば、このような回線状況の劣化によって送信信号のＣ／Ｎの値が低下した場合に、送信電力をアップしてＣ／Ｎ値を高くするという方法があるが、送信信号の送信電力を上げるためには高出力のハイパワー増幅器を設ける必要があり、信号の受信誤り率を低減することが可能であるものの、設備規模が大きくなり、余分なコストも必要である。

これに対し、受信信号から抽出したビーコン信号のレベルを検出し、このレベル信号と予め設定した閾値とを比較することにより通信衛星との間の回線状況を判断し、回線状況が劣化したと判断した場合は伝送レートを低速に設定してＣ／Ｎ比を大きくするというものが提案されている。この手法によれば、例えば、降雨等の気象条件によって回線状況が劣化するような場合に、高出力のハイパワー増幅器等を設けていなくてもＣ／Ｎの値を大きくすることができ、より確実な通信を行うことができる。

なお、衛星通信等に用いられるアンテナとしては、パラボナアンテナのような回転型のアンテナやフェーズドアレイアンテナのような電子走査型のアンテナ等があり、用途や目的に応じて使い分けられているが、航空機等や搭載スペースが制限される車両等の移動体において使用される移動体通信装置においては、軽量化、薄型化が図れることから、パラボナアンテナのような回転型のアンテナよりもフェーズドアレイアンテナのような電子走査型のアンテナを用いることが望ましい。

特開２０００−２５２９０２公報（第２頁、従来の技術の欄、発明が解決しようとする課題の欄等）

しかし、従来の移動体通信装置では、移動体の位置や姿勢が変化するため、電子走査型のアンテナを用いた場合には、衛星に指向するアンテナビームの指向方向が移動体の位置や姿勢の変化に応じて法線方向から大きく傾き、アンテナビームの走査利得ひいては送信信号のＣ／Ｎ比が大幅に低下するという問題点があった。

すなわち、電子走査型のアンテナでは、アンテナビームの指向方向が送受信面の法線方向から傾くに従って走査利得が低下するという傾向があり、アンテナビームの走査利得が低下すると送信信号のＣ／Ｎの値も低下する。従って、電子走査型のアンテナを用いた場合には、回線状況に応じて伝送速度を変更したとしても、アンテナビームの走査利得が低下している状態では確実な通信を行うことが困難となる。

例えば、静止衛星の場合、衛星は赤道上空の静止軌道上を移動しているので、日本のような高緯度地域においては衛星が低仰角方向に位置することとなり、アンテナビームが法線方向から大幅に傾き、走査利得も大幅に低下する。

また、航空機等の場合には、運用制限、例えば、航空機の移動範囲やバンク（傾き）等が所定の角度以上になると通信継続が不可になるという条件を設定し、その運用制限の範囲内であれば確実に通信を行うことができる伝送速度（固定）を設定することにより、航空機等の位置や姿勢の変化にかかわらず確実な通信を確保しているが、この場合は、伝送速度が固定のため、走査利得が高くなる飛行姿勢であっても伝送速度を上げることができず、通信回線のマージンが増え、効率的な通信を行うことができないという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解消するためになされたものであり、高出力の増幅器等を設けることなく、アンテナ走査利得の変化に応じて効率的かつ確実な通信を行うことができる新規な移動体通信装置を得ることを目的とする。

この発明に係る移動体通信装置は、移動体に搭載され、衛星に送信する通信信号にデータの伝送速度を切り換え変調処理を施して変調信号を出力する変復調部と、送信面の法線方向から所定角度の範囲にアンテナビームを指向して前記変復調部から出力された変調信号を送信するアンテナ部と、このアンテナ部に位相情報に基づく位相量を与えて前記アンテナビームの指向方向を変化させる位相制御部と、前記移動体の位置及び姿勢を検出する状態検出部から出力された位置情報及び姿勢情報から前記アンテナビームを前記衛星に指向させる方向を検出し、その指向方向に応じた位相情報を前記位相制御部に出力するビーム方向検出部と、このビーム方向検出部より検出された前記アンテナビームの指向方向に応じて、この指向方向と前記法線方向との角度差が大きいほど前記変復調部における伝送速度を遅くするよう切り換える伝送速度制御部とを備えたものである。

この発明によれば、アンテナビームの走査利得の変化に応じて変復調部における伝送速度を切り換えるので、移動体の位置や姿勢が変化し、アンテナビームの走査利得の変化に応じて送信信号のＣ／Ｎが変化したとしても、Ｃ／Ｎの値に応じた最適な伝送速度を選択することができ、通信衛星を介した効率的かつ確実な通信を行うことができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について図１及び図４を用いて説明する。図１は実施形態１による移動体通信装置の構成等を示すブロック図、図２は図１に示す変復調部５の具体的構成を示す部分ブロック図、図３は図１に示す移動体装置１を搭載した移動体の例を示す移動体概要図である。図１に示すように、この実施の形態１による移動体通信装置は、通信衛星２を介して他の通信装置３ａ等と通信を行う。図１において、１は航空機、車両等の移動体に搭載する移動体通信装置、２は静止衛星、周回衛星等の通信衛星、３ａ，３ｂは他の通信装置であり、図３において、１３は移動体装置１を搭載した航空機である。なお、通信衛星２としては、静止軌道上を移動する静止衛星に限らず、低高度の周回軌道上を周回する周回衛星、その他準天頂衛星等を利用することできる。他の通信装置３ａ，３ｂとしては、移動体通信装置に限らず、パラボラアンテナ等を用いた固定の通信装置であってもよく、衛星通信が可能に構成された通信装置全般を対象とするものである。

また、図１において、４は音声信号やデータ信号等の衛星に送信する通信信号を出力する通信手段、５は複数の変復調処理部を有する可変レートモデム等の変復調部、６は変復調部５から出力された変調信号を所定の信号レベルまで増幅して出力する増幅部、７はフェーズドアレイアンテナ等の電子走査型のアンテナであって、アンテナビームを指向して増幅部６から出力された変調信号を送信するアンテナ部、８はアンテナ部７のアンテナ素子より構成された送受信面上に形成されたアンテナビーム、９はアンテナ素子の位相量を調節してアンテナビーム８を所定の方向に指向させる位相制御部、１０は移動体通信装置１が搭載された移動体の位置、姿勢等の状態を検出する慣性航法装置等の状態検出部、１１は状態検出部から出力された移動体の位置情報及び姿勢情報からアンテナビーム８を通信衛星２に指向させる方向を検出し、その指向方向に応じた位相情報を位相制御部９に出力するビーム方向検出部、１２はビーム方向検出部１１より検出されたアンテナビーム８の指向方向に応じて変復調部５に設けられた変調処理部を切り換える伝送速度制御部である。

なお、図１においては、移動体の位置、姿勢等を検出する状態検出部１０を移動体通信装置１内に設けているが、大型の航空機等の場合は、慣性航法装置等の移動体の位置等を検出する手段を別に設けている場合があり、その場合は、別に設けられた状態検出部から移動体の位置情報及び姿勢情報を取得すればよく、移動体通信装置１内に状態検出部を設ける必要はない。ビーム方向検出部１１はそのような別に設けられた状態検出部から出力された移動体の位置情報及び姿勢情報からアンテナビーム８を通信衛星２に指向させる方向を検出することができる。

また、図２において、５ａは高速の伝送速度に設定された変復調処理部、５ｂは中速の伝送速度に設定された変復調処理部、５ｃは低速の伝送速度に設定された変復調処理部、５ｄは変復調部５に設けられた変復調処理部５ａ乃至５ｃの中からいずれかの変復調処理部を選択する選択手段である。実施の形態１では３つの変復調処理部を設けるものについて説明するが、２つの場合でも４つの場合でもよく、これに限られるものではない。なお、実施の形態１では選択手段５ｄを用いて複数の変復調処理部からいずれか１つの変復調処理部を選択する構成としたが、伝送速度を可変にできる１つの変復調処理部を設け、断続的又は連続的に伝送速度を切り換えるように構成してもよい。

次に動作について説明する。移動体通信装置１の利用者は、図３に示すような移動体１３によって移動しながら他の通信装置３ａ，３ｂ等との通信を行う。図３において、１３ａは航空機１３のアンテナ搭載位置を示しており、移動体の種類、形等に応じて適宜適当な箇所に移動体通信装置１のアンテナ部７を配置する。なお、図３では移動体装置１を搭載する移動体の例として航空機１３を示したが、自動車等の車両に搭載しても同様に通信することができるものである。

まず、通信手段４は、音声信号やデータ信号等の衛星に送信する通信信号を出力する。変復調部５は、通信手段４から出力された通信信号に所定の変調処理を施して変調信号を出力する。具体的には、予め設けられた複数の変復調処理部のうち伝送速度制御部１２によって選択された変復調処理部によって通信信号に変調処理を施して変調信号を出力する。変復調部５に設けられた各変復調処理部はそれぞれ異なる伝送レート、すなわち伝送速度が設定されており、変復調部５は各変調処理部に応じた伝送速度の変調信号を出力する。増幅部６は、変復調部５から出力された変調信号を所定のレベルまで増幅処理してアンテナ部７に出力する。

アンテナ部７は、位相制御部９によりアンテナ素子の位相量が調節され、通信衛星２の方向を指向するようにアンテナビーム８を形成し、増幅部６において増幅した変調信号を送信信号として通信衛星２に送信する。位相制御部９は、ビーム方向検出部１１から出力された位相情報に基づいてアンテナ素子の位相量を調節する。ビーム方向検出部１１は、状態検出部１０において検出された移動体の位置情報及び姿勢情報等から通信衛星２にアンテナビーム８を指向させる方向を算出し、その方向にアンテナビーム８を指向させるための位相情報を位相制御部９に出力する。なお、状態検出部１０は、例えば、移動体に搭載された慣性航法装置（ＩｎｅｒｔｉａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ：ＩＮＳ）等であり、この状態検出部１０により移動体通信装置１が搭載された移動体の位置、姿勢（バンク角度、ピッチ角度）、速度、進行方向等を検出する。

また、アンテナビーム８を通信衛星２に指向させるためには、移動体の位置情報等だけでなく通信衛星２の位置情報も把握しておく必要があるが、通信衛星２が静止衛星の場合は通信衛星２の位置が変化しないので、ビーム方向検出部１１は、予め記憶部等に記憶した静止衛星の位置情報と移動体通信装置１が搭載された移動体の位置情報及び姿勢情報からアンテナビーム８を指向させる方向を検出する。なお、通信衛星２が周回衛星等の場合は、通信衛星の位置が常に変化するため、対応する周回衛星の周回情報を予め記憶部に記憶しておき、そのよう周回衛星の現在位置と移動体通信装置１が搭載された移動体の位置情報及び姿勢情報からアンテナビーム８を指向させる方向を検出する。

最後に、伝送速度制御部１２の動作について図４を用いて詳細に説明する。図４はアンテナビーム８の指向方向とその走査利得との関係を示すデータテーブルであって、例えば、伝送速度制御部１２の記憶手段（図示省略する。）に設けられた変換テーブルの例を示す変換テーブル説明図である。図４において、０°がアンテナ部７の送受信面の法線方向であり、横軸は法線方向からのアンテナビーム８の傾き（ビーム角度）、縦軸はアンテナビーム８のビーム角度、すなわちアンテナビーム８の指向方向に対するアンテナ部７の走査利得を示す。図４に示すように、アンテナビーム８が法線方向から傾くほど走査利得は低下する。なお、Ｒａはアンテナビーム８の指向方向が４５°の場合における走査利得、Ｒｂはアンテナビーム８の指向方向が６０°付近の場合における走査利得、Ｒｃはアンテナビーム８の指向方向が７０°付近の場合における走査利得である。

伝送速度制御部１２は、ビーム方向検出部１１より検出されたアンテナビーム８の指向方向と図４に示すような変換テーブルとからアンテナ部７の走査利得を求め、その走査利得に応じた選択信号により変復調部５の切換手段５ｄを切り換える。例えば、走査利得がＲａ以上の場合は高速の変復調処理部５Ａ、Ｒａ〜Ｒｂの間の場合は中速の変復調処理部５Ｂ、Ｒｂ〜Ｒｃの間の場合は低速の変復調処理部５Ｃをそれぞれ選択するように変復調部５の切換手段５ｄを制御する。このように、伝送速度制御部１２によって通信信号に変調処理を施す変復調処理部が切り換えられ、切り換えられた変復調処理部により変調処理を施した通信信号が変調信号として増幅部６に出力される。なお、走査利得がＲｃ以下の場合には、通信継続が困難な状態であり、通信継続が困難であることを表示部（図示省略する。）に表示するようにしてもよい。

例えば、移動体通信装置１を搭載した移動体の位置又は姿勢が変化し、アンテナビーム８の指向方向を別の方向に変更する場合、ビーム方向検出部１１が状態検出部１０からの位置情報及び姿勢情報に基づいてアンテナビーム８を通信衛星２に指向させる方向を検出し、そのアンテナビームの指向方向の情報が伝送速度制御部１２に出力される。伝送速度制御部１２は、ビーム方向検出部１１から出力されたアンテナビームの指向方向の情報と記憶部に予め記憶した変換テーブルとから、ビーム方向検出部１１により検出された方向にアンテナビーム８を指向させた場合の走査利得を求め、この走査利得に応じた伝送速度の変復調処理部によって通信信号の変復調処理を施すよう変復調部５の切換手段５ｄを切り換える。変復調部５は切換手段５ｄにより変復調処理部が切り換えられると、切り換えた後の変復調処理部によって通信手段４から出力された通信信号に変調処理を施して変調信号を出力する。

以上のように、実施の形態１による移動体通信装置では、移動体通信装置１を搭載した移動体の位置又は姿勢が変化し、アンテナビーム８の指向方向を別の方向に変更する場合に、ビーム方向検出部１１においてアンテナビームを通信衛星２に指向させる方向を検出し、その情報と予め記憶した変換テーブルとからビーム方向検出部１１により検出された方向にアンテナビーム８を指向させた場合の走査利得を求め、この走査利得に応じた伝送速度の変復調処理部によって通信信号の変復調処理を施すよう変復調部５の変復調処理部を切り換えるので、移動体の位置や姿勢が変化し、アンテナビームの走査利得の変化に応じて送信信号のＣ／Ｎが変化したとしても、Ｃ／Ｎの値に応じた最適な伝送速度を選択することができ、通信衛星を介した効率的かつ確実な通信を行うことができる。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２について説明する。実施の形態１では、通信衛星２が静止衛星の場合を例に説明したが、日本のような高緯度地域においては静止衛星が低仰角方向に位置するため、アンテナ部７の送受信面を地上と平行に配置した場合にはアンテナビーム８の指向方向がほぼ低仰角方向となる。一般にＣ／Ｎが高くなる程、伝送速度を高くできるため、電子走査型のアンテナを用いる場合では、送受信面の法線方向にアンテナビームを指向させて通信衛星に送信信号を送信することが望ましい。そこで、実施の形態２では、アンテナビームの指向方向が送受信面のほぼ法線方向となる移動体通信装置について説明する。

具体的には、通信衛星２として日本の天頂方向付近を移動する準天頂衛星を使用するものである。準天頂衛星システムは、複数の通信衛星から構成される通信衛星の少なくとも１機が常時日本の天頂方向付近に位置するように配置する衛星システムであり、送信信号を送信する通信衛星２はほぼ真上に位置することから、地上と平行にアンテナ部７の送受信面を配置することによりアンテナビーム８をほぼアンテナ部８の送受信面の法線方向に指向させることができる。

図５は、図１に示すような衛星システムにおいて、準天頂衛星を通信衛星２とした場合と静止衛星を通信衛星２とした場合とのそれぞれのアンテナビーム８の指向方向について比較した比較説明図である。図５において、７ｂはアンテナ部７の送受信面、８ａは送受信面７ｂの法線方向に形成されたアンテナビーム、８ｊは準天頂衛星を通信衛星２とした場合の最低仰角方向に形成されたアンテナビーム、８ｓは静止衛星を通信衛星２とした場合の最低仰角方向に形成されたアンテナビームである。

図５に示すように、準天頂衛星を通信衛星２とした場合は、最低仰角の角度が高仰角となるので、変復調部５に設けた複数の変復調処理部のうち、高速の伝送速度に設定された変復調処理部により変調処理を施すことができ、通信信号の高速伝送を実現することができる。また、移動体の姿勢（バンク角度、ピッチ角度）を大きくすることができるので、移動体の運用制限にも余裕を持たせることができる。なお、実施の形態２では、本発明に係る移動体通信装置を国内及びその周辺地域において使用する場合、いわゆる準天頂衛星について説明したが、海外の地域で使用する場合も同様であり、図１に示すような移動体通信装置１を使用する地域の天頂方向付近を移動する準天頂衛星と同様な通信衛星を用いる衛星システムに適用しても同様の効果を得ることができる。

実施の形態１による移動体通信装置の構成等を示すブロック図である。図１に示す変復調部６の具体的構成を示す部分ブロック図である。図１に示す移動体装置１を搭載した移動体の例を示す移動体概要図である。図１に示すアンテナビーム８の指向方向と走査利得との関係を示すデータテーブルの例を示す変換テーブル説明図である。実施の形態２による移動体通信装置１の説明図であって、準天頂衛星を通信衛星２とした場合と静止衛星を通信衛星２とした場合とのそれぞれのアンテナビーム８の指向方向について比較した比較説明図である。

符号の説明

１移動体通信装置、２通信衛星、３他の通信装置、４通信手段、
５変復調部、５ａ変復調処理部Ａ、５ｂ変復調処理部Ｂ、
５ｃ変復調処理部Ｃ、６増幅部、７アンテナ部、７ｂ送受信面、
８アンテナビーム、９位相制御部、１０状態検出部、１１ビーム方向検出部、
１２伝送速度制御部、１３移動体。

Claims

移動体に搭載され、衛星に送信する通信信号にデータの伝送速度を切り換え変調処理を施して変調信号を出力する変復調部と、送信面の法線方向から所定角度の範囲にアンテナビームを指向して前記変復調部から出力された変調信号を送信するアンテナ部と、このアンテナ部に位相情報に基づく位相量を与えて前記アンテナビームの指向方向を変化させる位相制御部と、前記移動体の位置及び姿勢を検出する状態検出部から出力された位置情報及び姿勢情報から前記アンテナビームを前記衛星に指向させる方向を検出し、その指向方向に応じた位相情報を前記位相制御部に出力するビーム方向検出部と、このビーム方向検出部より検出された前記アンテナビームの指向方向に応じて、この指向方向と前記法線方向との角度差が大きいほど前記変復調部における伝送速度を遅くするよう切り換える伝送速度制御部とを備えたことを特徴とする移動体通信装置。
前記変復調部は、複数の変復調処理部を有する可変レートモデムであることを特徴とする請求項１に記載の移動体通信装置。
前記伝送速度制御部は、前記アンテナビームの指向方向を前記アンテナ部の走査利得に変換する変換テーブルに基づいて前記変復調部における伝送速度を切り換えることを特徴とする請求項１に記載の移動体通信装置。
前記衛星は、日本の天頂方向付近を移動する準天頂衛星であることを特徴とする請求項１に記載の移動体通信装置。