JP5667711B2 - 航空移動局 - Google Patents

Description

本発明は、移動体通信システムおよび航空移動局に係り、特に航空機を移動体とする移動体通信システムおよび航空移動局に関する。

時分割多元接続通信技術を使用した移動体通信システムとして、特許文献１がある。航空機と地上局との通信においては、地上固定局の見通し距離内に存在する航空移動局と地上固定局を、ひとつのネットワークにより時分割により送信機会すなわちタイムスロットを割り当てる。つまり、地上局の通信覆域をセルとし、その範囲内に存在する航空局と地上固定局でひとつのネットワークを構成する。

無線回線において、時分割多元接続方式を用いた通信では送信できる総伝送量が限られる。このため、加入局数の増加、伝送量の増加、更新周期の増加に対し運用に必要とする伝送を行なうことが困難になる。

また、特許文献１に開示された技術では、航空機がセルを移動した場合、一旦ネットワークから離脱し、次のセルに加入する必要がある。高機動飛行（高速且つ急激な姿勢変化を伴なう飛行）を行なう航空機の場合、セルの境界領域において、ネットワークへの離脱、加入を何度も繰り返す場合がある。このような状況では、情報の欠落が発生する。

また、航空機群において、各航空機の位置関係に基づいて、ネットワークから離脱、加入するタイミングが異なる。このため、一時的に異なるネットワークに加入することになる。結果的に、同一の航空機群内で情報共有ができず、有効な運用が行なえない。

また、航空機における通信において主に使用される空中線は、無指向性であり、単一で使用される。このような場合、機体自身の遮蔽により空中線取付位置の反対側を飛行する航空機との通信は困難な状況である。複数航空機による群飛行を行なう場合、空中線取付位置側に位置する航空機とは通信できるが、反対側に位置する航空機とは通信できない。この結果、群内での情報共有および意思疎通が図れない問題点がある。

図１を参照して、従来の時分割多元接続通信技術を用いた４局の地上局と３機の航空機との間のタイムチャートを説明する。図１において、図１（ａ）は地上局Ａの送信と受信のタイムチャートである。図１（ｂ）は地上局Ｂの送信と受信のタイムチャートである。図１（ｃ）は地上局Ｃの送信と受信のタイムチャートである。図１（ｄ）は地上局Ｄの送信と受信のタイムチャートである。図１（ｅ）は航空機Ｂの送信と受信のタイムチャートである。図１（ｆ）は航空機Ａの送信と受信のタイムチャートである。図１（ｇ）は航空機Ｃの送信と受信のタイムチャートである。

図１において、各地上局と、各航空機とは、単一のネットワークで接続されている。また、各航空機は、機体の下方に空中線を設置している。このように、各航空機が機体の下方に空中線を設置しているのは、飛行時に地上局と交信するためである。航空機は、航空機Ａが中高度に位置し、航空機Ｂが高高度に位置し、航空機Ｃが低高度に位置する。

図１において、タイムスロット１、２は、地上局Ａが送信し、航空機Ａ〜航空機Ｃが受信する。タイムスロット３、４は、地上局Ｂが送信し、航空機Ａ〜航空機Ｃが受信する。タイムスロット９、１０は、地上局Ｃが送信し、航空機Ａ〜航空機Ｃが受信する。タイムスロット１１、１２は、地上局Ｄが送信し、航空機Ａ〜航空機Ｃが受信する。

一方、タイムスロット５、１３は、高高度の航空機Ｂが送信し、地上局Ａ〜地上局Ｄと、航空機Ａ、航空機Ｃが受信する。タイムスロット６、１４は、中高度の航空機Ａが送信し、地上局Ａ〜地上局Ｄと、航空機Ｂ、航空機Ｃが受信する。タイムスロット７、１５は、低高度の航空機Ｃが送信し、地上局Ａ〜地上局Ｄと、航空機Ａ、航空機Ｂが受信する。しかし、航空機Ａ〜航空機Ｃの空中線は、機体の下方に設置されているので、航空機Ａ、Ｂは、下方の航空機から送信された送信波を受信できない。

特開２０００−４９７３８号公報

以上のように既存の無線回線を使用する移動体通信システムでは、伝送できる容量に限界がある。このため加入局数、伝送情報量は、航空機での運用に十分ではない。

また、既存の移動体通信システムは、航空機が隣接するセルへ移動するごとにネットワークを再構築することになる。また、航空機がセル境界領域において高機動飛行を行なうと、航空機は、ネットワークからの離脱、加入を頻繁に繰り返し、その間の情報が欠落してしまう。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、航空機を移動体とする移動体通信システムにおいて、必要な伝送容量の通信を実現する。また、広範囲にわたり安定した移動体通信システムおよび航空移動局を提供することを目的とする。

上述した課題は、複数の航空移動局と、複数の地上局とから構成され、地上局から航空移動局への第１のデータ送信に用いる第１のネットワークと、複数の航空移動局間の第２のデータ交換および航空移動局から地上局への第２のデータ送信に用いる第２のネットワークとから構成される移動体通信システムにより、達成できる。

また、第１の受信部と、第２の受信部と、送信部とを備え、第１の受信部は、地上局からの無線信号を常時受信し、送信部は、予め定めたタイミングで送信し、第２の受信部は、タイミング以外の期間受信する航空移動局により、達成できる。

本発明によれば、航空機を移動体とする移動体通信システムにおいて、大容量伝送通信を提供することができる。また、広域にわたって通信が途絶することがない安定したネットワーク接続が可能な移動体通信システムおよび航空移動局を提供することができる。

従来の地上局と飛行機の送受信のタイムチャートである。 移動体通信システムの構成を説明するブロック図である。 航空機に搭載される通信装置のブロック図である。 地上局のブロック図である。 伝送フレーム構成および伝送方法を説明するタイムチャート（その１）である。 伝送フレーム構成および伝送方法を説明するタイムチャート（その２）である。 航空機群の位置関係と空中線覆域を説明する図である。 地上局と飛行機の送受信のタイムチャートである。 中継運用を説明するブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、実施例を用い図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実質同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。

まず、図２を参照して、移動体通信システムの構成を説明する。図２において、移動体通信システム１００は、管制所５と、３局の地上局４と、地対空ネットワーク２と、２つの航空機間ネットワーク１と、８機の航空機とから、構成される。

地対空ネットワーク２は、地上局４から航空機３へ情報を伝送する。航空機間ネットワーク１−１、１−２は、航空機３相互の情報交換を行なうためのネットワークである。管制所５は、航空機の運用を統制する。地上局４は、地上局の電波覆域が航空機の活動領域を網羅するようにここでは３局配置されている。また、個々の地上局４の電波覆域が重複するように各々配置される。

管制所５は、航空機３の運用に必要な航跡情報を生成し、航跡の位置に応じて送信する地上局４を割り当てる。また、管制所５は、航空機３に対する指令情報を作成し、航空機３の活動位置に応じて送信すべき地上局４を割り当てる。

地対空ネットワーク２は、地上局４と航空機３によりネットワークを構成している。この地対空ネットワーク２を通じて、各地上局４から全航空機３に対して、管制所５が確立した航跡情報の一斉放送および各航空機３に対する指令情報などを伝送する。

地上局４は、航跡情報について、どの航空機でも受信可能なように一斉放送する。一方、指令情報について、地上局４は、航空機３個々に対して送信先アドレスを付与した１対１伝送を行なう。なお、指令情報について、地上局４は、航空機３の群に対してマルチキャストアドレスを付与した１対ｎ伝送を行なうこともある。
地対空ネットワーク２は、時分割多元接続方式により地上局４に各々タイムスロットを割り当て、地上局４から飛行機３への、一方向の送信を行なう。

一方、航空機間ネットワーク１−１は、航空機３−５〜３−８によりネットワークを構成し、この航空機間ネットワーク１−１を通じて、航空機３−５〜３−８は、相互通信を行なう。同様に、航空機間ネットワーク１−２は、航空機３−１〜３−４によりネットワークを構成し、この航空機間ネットワーク１−２を通じて、航空機３−１〜３−４は、相互通信を行なう。

図２では、２つの航空機間ネットワーク１−１、１−２を示しているが、運用する航空機数および業務に応じて同一活動エリア内に１つまたは３つ以上の航空機間ネットワークを有することができる。

航空機間ネットワーク１は、時分割多元接続方式により各航空機３にタイムスロットを割り当て、双方向通信を行なう。航空機間ネットワーク１により送信するデータは、自機が保有するレーダ航跡情報、ステータス情報、自機位置情報、群内のリーダからの指令情報などにより構成される。

各航空機３が送信するレーダ航跡情報、ステータス情報、位置情報は、すべての航空機３および地上局４で受信可能なように一斉放送とする。群内の指令情報は、送信先アドレスを付与し送信する。なお、図２において、地上局４が受信する各航空機３からのレーダ航跡情報、ステータス情報、位置情報を示す矢印は、図示していない。

航空機３−５〜３−８は、地対空ネットワーク２と航空機間ネットワーク１−１の双方のネットワークに加入し、地上局４は、地対空ネットワーク２に加入し、戦術移動体通信ネットワークを実現する。また、地上局４は、航空機間ネットワーク１−１のチャネルに同調した受信装置を備える。これにより、管制所５は、航空機３相互の通信を地上局がモニタ（受信）することができる。これによって、航空機３から管制所５へのダウンリンクを行なうことなく、各航空機３のステータス情報、航空機位置情報、レーダ航跡情報を管制所５が把握することができる。ダウンリンクが不要であるため、ダウンリンク期間を航跡情報等の伝送に割り振ることができる。この結果、効率のよいネットワーク１００が構築できる。

地対空ネットワーク２と航空機間ネットワーク１−１、１−２は、相互の干渉を防ぐためタイムスロットについて、ＧＰＳ時刻を基に双方のネットワークは同期させている。また、各ネットワークで使用する送受信周波数は、干渉が生じないよう制御された周波数を使用した周波数ホッピングパターンを使用する。また、航空機間ネットワーク１間では、各々異なる周波数ホッピングパターンを使用する。これにより、相互干渉を回避する。

航空機３において、２つのネットワークを通じ受信した航跡情報、僚機ステータス情報等を基に、パイロットは、周辺状況の把握が可能である。また管制所５において、管制官も航空機の状況が把握できる。この結果、効果的な運用が行なえる。

図３を参照して、航空機３における２系統のネットワーク通信を同時に実現する構成を説明する。図３において、航空機３に搭載される通信装置３００は、上位システムであるミッションコンピュータ１６と、リンク処理部１７と、２系統の受信部１８と、送信部１９と、空中線共有部２０と、上方空中線２２と、下方空中線２３と、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信機２１とから、構成される。

受信部１８−１は、航空機間ネットワーク１からの無線信号を受信する。受信部１８−２は、地対空ネットワーク２からの無線信号を受信する。送信部１９は、航空機間ネットワーク１に送信する。上方空中線２２は、機体上方から／への無線信号を送受信する。下方空中線２３は、機体下方から／への無線信号を送受信する。空中線共用部２０は、受信部１８−１と送信部１９おのおのに対し、タイムスロットに応じて上方空中線２２または下方空中線２３を切り替え接続する。空中線共用部２０は、受信部１８−２を下方空中線２３に固定接続する。

ＧＰＳ受信機２１が受信したＧＰＳ時刻は、タイムスロット制御および周波数ホッピングの同期確立の基準とする。リンク処理部１７は、送受信データの伝送制御を行なう。上位システム１６は、送信データを生成する。上位システム１６は、また受信データをパイロットへ伝達する。

地対空ネットワーク受信のために使用される受信部１８−１は、常時受信状態に設定する。また、他方の受信部１８−２と送信部１９とは、半二重通信で使用される。送信部１９は、自機に割り当てられたタイムスロットで送信を行なう。受信部１８−２は、自機に割り当てられたタイムスロット以外で受信を行なう。

空中線共用部２０は、２系統の空中線の切り替え制御を行なう。空中線共用部２０は、同時に、自機の送信部１９が出力する送信波が受信部１８−１に回り込み、干渉を与えないようフィルタとしての機能を有している。

図４を参照して、地上局の構成を説明する。図４において、地上局４は、管制所間インタフェース２４と、ｎ＋１系統のリンク処理部２５と、ｎ系統の受信部２６と、送信部２７と、分配器２８と、受信空中線２９と、送信空中線３０と、ＧＰＳ受信機３１とから構成される。ここで、ｎは自然数である。

送信部２７は、送信空中線３０から、地対空ネットワークへの送信を行なう。リンク処理部２５−（ｎ＋１）は、通信制御を行なう。管制所間インタフェース２４は、管制所との間の情報の授受を行なう。リンク処理部２５−（ｎ＋１）、送信部２７、管制所間インタフェース２４は、送信機能を実現する。これらの構成は、送信所に設置される。

一方、受信所は、受信空中線２９、分配器２８、ｎ台の受信部２６、ｎ台のリンク処理部２５で構成される。空中線２９は、航空機間ネットワーク１から航空機３の交信電波を受信する。受信部２６およびリンク処理部２５は、航空機間ネットワーク１毎に周波数ホッピングパターンが異なるため、存在する航空機間ネットワークの数（ｎ）の系統を備える。また、分配器２８は、単一の空中線２９からの受信信号を各受信部２５へ振り分ける。リンク処理部２５は、通信制御を行なう。

ＧＰＳ受信機３１が受信したＧＰＳ時刻は、タイムスロット制御および周波数ホッピングの同期確立の基準とする。空中線２９、３０は、複数の航空機が地上局位置に対し色々な方角を同時に飛行するため、水平無指向性方式の空中線を使用する。

図５を参照して、伝送フレーム構成および伝送方法を説明する。図５において、図５（ａ）は航跡情報である。図５（ｂ）は地上局の送信データである。図５（ｃ）は地対空ネットワークのフレーム構成である。図５（ｄ）は航空機間ネットワークのフレーム構成である。図５（ｅ）は僚機の送信データである。図５（ｆ）は僚機のレーダ航跡情報である。図５（ｇ）はリーダ機の送信データである。図５（ｈ）はリーダ機のレーダ航跡情報である。

図５Ａ（ｃ）において、地対空ネットワーク２は、前述したように時分割多元接続方式であり、２ｔ秒を１周期とする。タイムフレームは、複数のタイムスロット７により構成され、基準局、地上局１から地上局Ｘの送信局にタイムスロットを割り当てる。基準局は、地上局のうちの代表局である。基準局は、ネットワーク管理のために必要な情報の伝送を行なう。地対空ネットワーク２のタイムスロットは、後述する図５（ｄ）の航空機間ネットワークのタイムスロットとタイミング同期している。

図５Ａ（ｂ）において、地上局１からの送信データ８は、航跡情報と指令情報が含まれ、それぞれ一斉放送、およびアドレス付けした１対１伝送である。さらに、図５Ａ（ａ）において、航跡情報９は、航跡番号１から航跡番号ｎまでの複数の航跡情報から構成され、ひとつのタイムスロットで１航跡情報の伝送を行なう。なお、各地上局に割り当てるタイムスロット数は、伝送する航跡情報数、または指令情報の数により変更が可能である。

図５Ｂ（ｄ）において、航空機間ネットワ−ク１は、前述のように時分割多元接続方式であり、ｔ秒を１周期とする。タイムフレームは、複数のタイムスロット７により構成される。タームフレームは、基準局、航空機１から航空機ｎの送信局にタイムスロットを割り当てる。基準局は航空機のうちの代表機であり、ネットワーク管理のために必要な情報の伝送を行うものである。また、ネットワークに新規加入を必要とする航空機が、加入要求を送信するスロットを備える。

航空機３は、リーダ機と僚機（従属機）では伝送する内容が異なる。図５Ｂ（ｇ)において、リーダ機の送信データ１１は、レーダ航跡情報、僚機宛指令情報、自機ステータス情報および受領確認により構成される。

レーダ航跡情報は、自機のレーダで取得した航跡情報を僚機に対して伝送し、情報の共有を図るものである。リーダ機のレーダ航跡情報１２は、レーダ航跡番号１からｙまでの情報を一斉放送形式で送信する。ｙは自然数であり、レーダ航跡情報数である。

レーダ航跡情報の伝送においては、リーダ機のレーダ航跡情報に１２示すように１航跡あたり２タイムスロットを使用し、同じ情報を２回送信している。これは、接続する空中線を上方、下方で切り替えを実施し、送信を行うためである。

また、自機ステータス情報は、自己の位置、残燃料、残燃料等の状態を各航空機へ伝送するものであり一斉放送形式にて送信される。また、僚機宛指令情報は、リーダ機のみが送信するものであり、僚機に対して指示を与えるために１対１伝送をするものである。さらに、受領確認は、地上局からの指令情報に対する受領可否、リーダ機からの僚機宛指令情報に対する受領可否について一斉放送形式で送信する。

一方、僚機の送信データ１４は、図５Ｂ（ｅ）において、レーダ航跡情報、自機ステータス情報および受領確認により構成される。僚機の送信データ１４は、僚機宛指令情報がないことを除いて、リーダ機の送信データ１１と同じなので、説明を省く。これは、図５Ｂ（ｆ）の僚機のレーダ航跡情報についても同様である。

図６を参照して、以下の説明で前提となる航空機群の位置関係を説明する。図６において、航空機群は、３機の航空機３−Ａ〜３−Ｃにて構成される。航空機３−Ａの上方に航空機３−Ｂが飛行している。また、航空機３−Ａの下方に航空機３−Ｃが飛行している。

航空機−Ａを基準とすると、航空機３−Ｂは、航空機３−Ａの上方空中線覆域を飛行している。また、航空機３−Ｃは、航空機３−Ａの下方空中線覆域を飛行している。したがって、航空機３−Ａは、航空機３−Ｂとの通信に、上方空中線２２を用いる。また、航空機３−Ａは、航空機３−Ｃとの通信に、下方空中線２３を用いる。

図７を参照して、時分割多元接続通信技術を用いた４局の地上局と３機の航空機との間のタイムチャートを説明する。図７において、図７（ａ）は地上局Ａの送信と受信のタイムチャートである。図７（ｂ）は地上局Ｂの送信と受信のタイムチャートである。図７（ｃ）は地上局Ｃの送信と受信のタイムチャートである。図７（ｄ）は地上局Ｄの送信と受信のタイムチャートである。図７（ｅ）は航空機Ｂの送信と受信のタイムチャートである。図７（ｆ）は航空機Ａの送信と受信のタイムチャートである。図７（ｇ）は航空機Ｃの送信と受信のタイムチャートである。

図７において、各地上局と、各航空機とは、地対空ネットワークと、航空機間のネットワークで接続されている。また、各航空機は、機体の下方に下方空中線、機体の上方に上方空中線を設置している。航空機は、図６で説明したように、航空機Ａが中高度に位置し、航空機Ｂが高高度に位置し、航空機Ｃが低高度に位置する。

図７において、地上局Ａは、タイムスロット１〜４で地対空ネットワーク２に送信する。地上局Ｂは、タイムスロット５〜８で地対空ネットワーク２に送信する。地上局Ｃは、タイムスロット９〜１２で地対空ネットワーク２に送信する。地上局Ｄは、タイムスロット１３〜１６で地対空ネットワーク２に送信する。

航空機Ｂは、タイムスロット１、９で上方空中線２２から航空機間ネットワーク１に送信する。航空機Ｂは、タイムスロット２、１０で下方空中線２３から航空機間ネットワーク１に送信する。航空機Ａは、タイムスロット３、１１で上方空中線２２から航空機間ネットワーク１に送信する。航空機Ａは、タイムスロット４、１２で下方空中線２３から航空機間ネットワーク１に送信する。航空機Ｃは、タイムスロット５、１３で上方空中線２２から航空機間ネットワーク１に送信する。航空機Ｃは、タイムスロット６、１４で下方空中線２３から航空機間ネットワーク１に送信する。
航空機Ａ〜Ｂは、連続する２タイムスロットにおいて、同一データを空中線を切り替えて送信する。

地上局Ａ〜Ｄは、航空機Ａ〜Ｃの下方空中線２３から送信された電波を受信する。
航空機Ｂは、航空機Ａおよび航空機Ｃの上方空中線２２から送信された電波を受信する。航空機Ａは、航空機Ｃの上方空中線２２から送信された電波を受信する。また、航空機Ａは、航空機Ｂの下方空中線２３から送信された電波を受信する。航空機Ｃは、航空機Ａおよび航空機Ｂの下方空中線２２から送信された電波を受信する。航空機Ａ〜Ｃは、各タイムスロットで、地上局Ａ〜Ｄから送信された電波を受信する。
なお、図７は理想的な受信状態を記載しており、航空機からの電波を特定の地上局のみ受信する場合もある。逆に、航空機は、特定の地上局の電波のみしか受信できない場合もある。

図７を図１と対比することにより、本実施例において、航空機間の通信不良を解消し、地上局との通信量を確保することができることは、明確である。
航空機の活動エリア内の全ての地上局を、ひとつの地対空ネットワークに所属させることにより、航空機がひとつの地上局の電波覆域から隣接する地上局の電波覆域へ移動するような場合においても、ネットワークからの離脱、加入の手続きが不要である。このため通信が途切れることなく安定した運用が可能となる。

地上局Ａから航空機Ｃまでの全参加局の総送信機会は、図１に比べ２倍とすることができる。また、飛行位置関係に基づく通信不良の発生が回避できるため、情報の損失のない伝送が実現でき、より多くの情報伝送が可能となる。
以上のように、本実施例によれば、効率的で通信途絶を回避した安定な移動体通信を実現することが可能である。

図８を参照して、航空機の一部が地上局の電波覆域を逸脱し運用する中継運用を説明する。図８において、航空機３−１〜３−３が、地上局の通信覆域外へ逸脱または山陰などの電波の到達しない空域を飛行するような場合、指定された航空機３−４は、中継局となる。航空機３−４は、地上局４から送信される地対空ネットワーク２のデータについて、通信覆域外へ逸脱した航空機群（被中継機と言う）３−１〜３−３へ中継する。航空機３−４は、また被中継機群の航空機間ネットワーク１−２のデータを地上局４へ中継する。 中継運用を行なう場合、受信部１８−１は、地対空ネットワークからのデータを受信する。受信部１８−２は、被中継航空機群からの航空機間ネットワークデータを受信する。送信部は、地対空ネットワークから受信したデータのうち被中継群へ中継するデータと、被中継群の航空機間ネットワークデータを時分割多重で送信する。

本実施例に拠れば、航空機の一部が地上局の電波覆域を逸脱する場合も、効率的で通信途絶を回避した安定な移動体通信を実現することが可能である。

１…航空機間ネットワーク、２…地対空ネットワーク、３…航空機、４…地上局、５…管制所、６…地対空ネットワークのタイムフレーム、７…タイムスロット、８…地上局送信データ、９…地上局送信航跡情報、１０…航空機間ネットワークのタイムフレーム、１１…リーダ機の送信データ、１２…リーダ機の送信航跡情報、１３…僚機の送信データ、１４…僚機の送信航跡情報、１６…上位システム、１７…リンク処理部、１８…受信部、１９…送信部、２０…空中線共用部、２１…ＧＰＳ、２２…上方空中線、２３…下方空中線、２４…管制所間インタフェース、２５…リンク処理部、２６…受信部、２７…送信部、２８…分配器、２９…受信空中線、３０…送信空中線、１００…移動体通信システム、３００…通信装置。

Claims (5)

1. 第１の受信部と、第２の受信部と、送信部とを備えた航空移動局において、
   前記第１の受信部は、地上局からの無線信号を常時受信し、
   前記送信部は、予め定めたタイミングで送信し、
   前記第２の受信部は、前記タイミング以外の期間受信することを特徴とする航空移動局。
2. 請求項１に記載の航空移動局であって、
   さらに、前記送信部による送信と前記第１の受信部の受信との間の干渉を防止するフィルタ機能を具備した空中線共用部を備えることを特徴とする航空移動局。
3. 請求項１または請求項２に記載の航空移動局であって、
   さらに、上方に第１の空中線と、下方に第２の空中線とを備え、
   異なるタイミングで、前記第１の空中線と前記第２の空中線とから、同一データを送信することを特徴とする航空移動局。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一に記載の航空移動局であって、
   前記第１の受信部は、前記航空移動局の移動エリア内の全ての地上局が所属している地対空ネットワークと通信することを特徴とする航空移動局。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一に記載の航空移動局であって、
   前記第１の受信部は、前記地上局からの無線信号を直接受信できない場合、他の航空移動局経由で受信することを特徴とする航空移動局。

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