JP6533983B2 - Tracking antenna system and tracking antenna device - Google Patents
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Description
本発明は、飛翔体を追尾するための追尾アンテナ装置および追尾アンテナシステムに関する。 The present invention relates to a tracking antenna device and a tracking antenna system for tracking a flying object.
地震や火災などの災害発生時では、民間報道機関や官省庁などによる初動対応として、無人飛行機（ＵＡＶ：Unmanned Aerial Vehicle）や無人ヘリコプタ（撮影用ヘリ）に搭載されたカメラにより現地が撮影され、撮影された映像情報がいち早くリアルタイムで地上局へ伝送されるというような技術が採用される場合がある。このような映像情報は、初動対応の判断源となる重要な情報であるため、映像情報を随時途切れさせることなく伝送することが要求される。 In the event of a disaster such as an earthquake or a fire, the local news is taken by a camera mounted on an unmanned aerial vehicle (UAV: Unmanned Aerial Vehicle) or an unmanned helicopter (shooting helicopter) as an initial response by the private press and government agencies. A technique may be adopted in which captured video information is transmitted to the ground station in real time as soon as possible. Such video information is important information that serves as a determination source for the initial response, and it is therefore required to transmit the video information without interruption.
特に、広域を高精度にリアルタイムで観測するには複数機の運用が不可欠であり、飛行状態及び航空電子搭載機器のみならずミッション機器の情報をリアルタイムで地上にブロードバンド伝送し、必要なコマンドを地上より送信する通信システムが必須である。このようなシステムは、大規模災害等により携帯電話等の公衆系通信システムが利用できない場合においても運用できる必要があるため、通信システムは必然的に自営系システムとなる。また、検査・監視対象となる建造物の規模から、その通信可能エリアは１キロメートル四方程度をカバーする必要がある。 In particular, in order to observe a wide area with high precision and in real time, it is essential to operate multiple aircrafts, and transmit information on mission equipment as well as flight status and avionics equipment on the ground in real time, and necessary commands on the ground. A communication system that transmits more is essential. Since such a system needs to be able to operate even when a public communication system such as a mobile phone can not be used due to a large scale disaster etc., the communication system inevitably becomes a self-owned system. In addition, according to the size of the building to be inspected and monitored, the communicable area needs to cover about 1 kilometer square.
特許文献１には、定時間毎にＧＰＳで無人航空機の位置が検出され、無人航空機の２時点の２つの位置の情報と、指向性アンテナの位置情報とに基づいて、指向性アンテナが無人航空機を追跡するのに必要なアンテナモーターの回転量をノート型パーソナル・コンピュータにより計算し、計算された回転量に応じてアンテナ・コントローラによりアンテナモーターが制御される構成が開示されている。 In Patent Document 1, the position of an unmanned aerial vehicle is detected by GPS every fixed time, and the directional antenna is an unmanned aerial vehicle based on information of two positions at two points in time of the unmanned aerial vehicle and position information of a directional antenna. A notebook personal computer calculates the amount of rotation of the antenna motor required to track the antenna, and the antenna controller is controlled by the antenna controller according to the calculated amount of rotation.
特許文献１に開示の技術では、１台の追尾アンテナで１機のＵＡＶを追尾するにあたり、ＵＡＶと追尾アンテナの最新の位置情報からアンテナの追尾方向を決定する。 In the technology disclosed in Patent Document 1, when tracking one UAV with one tracking antenna, the tracking direction of the antenna is determined from the latest position information of the UAV and the tracking antenna.
一方、非特許文献１には、航空機などの高速移動体の無線通信にミリ波帯を適用するために、長距離のミリ波帯通信を実現するアンテナの高性能化、移動体に搭載するための装置の小型・軽量化、航空機の姿勢に追随して電波の放射方向を高速に制御するアンテナ制御技術、ミリ波帯を用いた移動体通信に適したネットワーク技術が開示されている。 On the other hand, in Non-Patent Document 1, in order to apply the millimeter wave band to wireless communication of a high speed moving object such as an aircraft, to improve the performance of an antenna for realizing millimeter wave band communication over a long distance, An antenna control technique for controlling the radiation direction of radio waves at high speed following the attitude of an aircraft, and a network technique suitable for mobile communication using a millimeter wave band are disclosed.
非特許文献１の技術では、１台の航空機の航路予測に基づきハンドオーバーが実行され、航空機の移動を予測してハンドオーバー元とハンドオーバー先の追尾アンテナが追尾する構成である。 In the technology of Non-Patent Document 1, a handover is executed based on channel prediction of one aircraft, and movement of the aircraft is predicted, and tracking antennas at the handover source and at the handover destination track.
現状、産業用無人航空機及び無人ヘリコプタテレビ中継（ヘリテレ）向け画像伝送用無線通信システムに対しては、１．２ＧＨｚ帯においてチャネル当たり６ＭＨｚの周波数帯域が割り当てられている。しかしながら、複数のＵＡＶを用いて１ストリーム当たり８〜１０ＭＨｚ程度のビットレートを有するブロードバンドリアルタイム動画像伝送を行うには、帯域が不足している。 At present, a frequency band of 6 MHz per channel in the 1.2 GHz band is allocated to an industrial unmanned aerial vehicle and a wireless communication system for image transmission for an unmanned helicopter relay (helitere). However, in order to perform broadband real-time moving image transmission having a bit rate of about 8 to 10 MHz per stream using a plurality of UAVs, the bandwidth is insufficient.
このため、自営システムでこのような伝送を実現するにＩＥＥＥ８０２．１１ｇ／ｎ等に代表される無線ＬＡＮ（Local Area Network）が最も有力である。ただし、一般的な無線ＬＡＮデバイスの伝送可能距離は高々１００ｍ程度である。このため、大型建造物の周囲を周回する複数のＵＡＶに対して十分な受信電力を安定して確保するには多数の地上局（ＢＳ）が必要となる。 Therefore, a wireless LAN (Local Area Network) represented by IEEE 802.11g / n or the like is most effective for realizing such transmission in a private system. However, the transmittable distance of a general wireless LAN device is at most about 100 m. For this reason, a large number of ground stations (BSs) are required to stably secure sufficient received power for a plurality of UAVs orbiting a large building.
少数の地上局においてＵＡＶの飛行エリアをカバーする方法として、高利得の追尾アンテナを用いてＵＡＶを追尾することにより、伝送可能距離を延長することが考えられる。ただし、各ＵＡＶとこれを追尾する地上局追尾アンテナの関係を一対一に固定すると、地上局からの距離と見通し範囲によってＵＡＶの行動範囲が大きく制約される上、他の地上局と同一チャネル干渉が生じた場合における回避策の自由度も限定される。 As a method of covering the UAV's flight area at a small number of ground stations, it is conceivable to extend the transmittable distance by tracking the UAV using a high gain tracking antenna. However, if the relationship between each UAV and the ground station tracking antenna tracking this is fixed one-to-one, the action range of the UAV is greatly restricted by the distance from the ground station and the line-of-sight range. The degree of freedom of the workaround in the event of a failure is also limited.
このため、位置的に離れた複数の追尾アンテナで複数のＵＡＶを追尾する必要がある。 For this reason, it is necessary to track a plurality of UAVs with a plurality of positionally spaced tracking antennas.
しかし、特許文献１および非特許文献１に開示された技術は、同一エリアに存在する複数ＵＡＶの追尾を想定していない。 However, the techniques disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 do not assume tracking of a plurality of UAVs present in the same area.
また、ハンドオーバー時に急激な追尾方向の変動があると、所要受信電力が確保できない時間が長くなる恐れがある。 In addition, if there is a rapid change in the tracking direction at the time of handover, the time when the required reception power can not be secured may increase.
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、飛翔体からの信号を地上局で追尾しながら受信する構成において、複数の地上局による複数の飛翔体に対する追尾において、効率的かつ安定なハンドオーバーを実行することが可能な追尾アンテナシステムおよび追尾アンテナ装置を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide, in a configuration for receiving a signal from a flying object while tracking it at a ground station, a plurality of flights by a plurality of ground stations. To provide a tracking antenna system and a tracking antenna device capable of performing an efficient and stable handover in tracking with respect to the body.
この発明の１つの局面に従うと、追尾アンテナシステムであって、複数の飛翔体を備え、各複数の飛翔体は、自身の位置、速度および姿勢を把握するための測位手段と、無線信号を送受信可能な機体アンテナとを含み、複数の飛翔体との間で無線通信を行うための複数の地上局を備え、複数の地上局の各々は、追尾制御指示に応じて、複数の飛翔体のうちの対応する飛翔体の方向に通信指向性を駆動する指向性制御手段と、飛翔体からの受信信号強度を計測する信号強度計測手段とを含み、複数の地上局の各々が接続する飛翔体を選択するとともに、複数の地上局の通信指向性を制御するための追尾制御指示を生成するための制御局をさらに備え、制御局は、各飛翔体の位置、速度および姿勢の情報ならびに受信信号強度の情報に基づいて、地上局が、当該地上局の近傍側に位置する飛翔体を追尾しつつ、遠方側に位置する別の飛翔体を指向性のメインローブで捕捉するように、追尾制御指示を地上局に対して出力する。
According to one aspect of the present invention, there is provided a tracking antenna system comprising a plurality of projectiles, each of the plurality of projectiles transmitting and receiving radio signals with positioning means for grasping its position, velocity and attitude. And a plurality of ground stations for wireless communication with a plurality of aircraft including a possible airframe antenna, each of the plurality of ground stations corresponding to the tracking control instruction, among the plurality of aircraft, Of a plurality of ground stations each including a directivity control means for driving communication directivity in the direction of the corresponding projectile and a signal strength measurement means for measuring the received signal strength from the projectile; The control station is further provided with a control station for selecting and generating tracking control instructions for controlling communication directivity of a plurality of ground stations, the control station providing information on position, velocity and attitude of each projectile and received signal strength Based on the information of Upper station, while tracking the projectile located near side of the ground station, as another projectile located distally to capture the main lobe of the directivity, the tracking control instruction to the ground station Output.
好ましくは、制御局は、各飛翔体の位置、速度および姿勢の情報に基づいて、所定時間後の飛翔体の位置を推定する飛翔体位置推定手段と、推定された飛翔体の位置と受信信号強度の情報に基づいて、各地上局において、飛翔体についての伝搬損を推定し、推定された伝搬損が最小となる飛翔体を第１追尾対象に、２番目に最小となる飛翔体を第２追尾対象として選択する選択手段とを含む。 Preferably, the control station estimates the position of the projectile after a predetermined time based on the information of the position, velocity and attitude of each projectile, the position of the projectile estimated and the received signal Based on the intensity information, each ground station estimates the propagation loss of the flying object, and the flying object with the lowest estimated propagation loss is the first tracking target, and the flying object with the second smallest is the first. And 2) selecting means for selecting as a tracking target.
好ましくは、制御局は、推定された伝搬損に基づいて、所定時間後の受信電力を予測する受信電力予測手段と、予測された受信電力に基づいて、第１および第２追尾対象の予測される受信電力が、同時に所定のしきい値以上となる追尾方向が存在する場合、第１追尾対象の予測受信電力と第２追尾対象の予測受信電力のうちの小さい方の値が最大となる方向を追尾方向に設定する追尾方向制御手段を含む。 Preferably, the control station predicts the first and second tracking targets based on the reception power prediction means for predicting reception power after a predetermined time based on the estimated propagation loss, and the predicted reception power. If there is a tracking direction in which the received power simultaneously exceeds the predetermined threshold value, the direction in which the smaller one of the predicted received power for the first tracking target and the predicted received power for the second tracking target is maximum And tracking direction control means for setting the tracking direction as the tracking direction.
好ましくは、制御局は、推定された伝搬損に基づいて、所定時間後の受信電力を予測する受信電力予測手段と、予測された受信電力に基づいて、第１追尾対象の予測受信電力が所定のしきい値以上となる追尾方向が存在し、第２追尾対象の予測受信電力が所定のしきい値に満たない場合、第１追尾対象の予測受信電力が所定のしきい値以上となる追尾方向の中で、第２追尾対象の予測受信電力が最大となる方向を追尾方向に設定する追尾方向制御手段を含む。 Preferably, the control station predicts the reception power after a predetermined time based on the estimated propagation loss, and the predicted reception power of the first tracking target is predetermined based on the predicted reception power. If there is a tracking direction that is greater than or equal to the threshold and the predicted reception power of the second tracking target does not meet the predetermined threshold, tracking that the predicted reception power of the first tracking target is greater than the predetermined threshold The tracking direction control unit is configured to set, as the tracking direction, the direction in which the predicted reception power of the second tracking target is the largest among the directions.
好ましくは、制御局は、推定された伝搬損に基づいて、所定時間後の受信電力を予測する受信電力予測手段と、予測された受信電力に基づいて、第１追尾対象の予測受信電力が所定のしきい値以上となる追尾方向が存在しない場合、第１追尾対象の予測受信電力が最大となる方向を追尾方向に設定する追尾方向制御手段を含む。 Preferably, the control station predicts the reception power after a predetermined time based on the estimated propagation loss, and the predicted reception power of the first tracking target is predetermined based on the predicted reception power. And a tracking direction control unit configured to set, as the tracking direction, a direction in which the predicted reception power of the first tracking target is maximum when there is no tracking direction equal to or higher than the threshold value of.
この発明の他の局面に従うと、複数の飛翔体に対して無線通信のための追尾を行うための追尾アンテナ装置であって、各複数の飛翔体は、自身の位置、速度および姿勢を把握するための測位手段と、無線信号を送受信可能な機体アンテナとを含み、通信指向性を変更可能な追尾アンテナと、飛翔体からの受信信号強度を計測する信号強度計測手段と、複数の飛翔体のうちの対応する飛翔体の方向に通信指向性を駆動する指向性制御手段とを備え、指向性制御手段は、各飛翔体の位置、速度および姿勢の情報ならびに受信信号強度の情報に基づいて、地上局が、当該地上局の近傍側に位置する飛翔体を追尾しつつ、遠方側に位置する別の飛翔体を指向性のメインローブで捕捉するように、通信指向性を制御する。 According to another aspect of the present invention, there is provided a tracking antenna device for tracking a plurality of projectiles for wireless communication, wherein each of the plurality of projectiles grasps its position, velocity and attitude. Tracking antenna capable of changing communication directivity, signal strength measurement means for measuring the strength of a received signal from a projectile, and a plurality of projectiles of a plurality of projectiles; And directivity control means for driving communication directivity in the direction of the corresponding one of the flying objects, and the directivity control means is based on the information on the position, velocity and attitude of each flight object and the information on received signal strength, The ground station controls the communication directivity so as to capture another flying object located on the far side with the directivity main lobe while tracking the flying object located on the near side of the ground station.
好ましくは、指向性制御手段は、各飛翔体の位置、速度および姿勢の情報により所定時間後に対して推定された飛翔体の位置と受信信号強度の情報に基づいて、各地上局において、飛翔体についての伝搬損を推定し、推定された伝搬損が最小となる飛翔体を第１追尾対象に、２番目に最小となる飛翔体を第２追尾対象として選択する選択手段とを含む。 Preferably, the directivity control means controls each of the ground stations based on the information of the position of the projectile and the received signal strength estimated for a predetermined time after the information of the position, velocity and attitude of each projectile. And selection means for estimating the propagation loss of the light source and selecting the second tracking target as the second tracking target, with the first tracking target as the flying object with the smallest estimated propagation loss.
好ましくは、指向性制御手段は、推定された伝搬損により所定時間後について予測された受信電力に基づいて、第１および第２追尾対象の予測される受信電力が、同時に所定のしきい値以上となる追尾方向が存在する場合、第１追尾対象の予測受信電力と第２追尾対象の予測受信電力のうちの小さい方の値が最大となる方向を追尾方向に設定する。 Preferably, the directivity control means determines that predicted reception powers of the first and second tracking targets are simultaneously equal to or more than a predetermined threshold based on the reception power predicted for a predetermined time after the estimated propagation loss. When there is a tracking direction that is, the direction in which the smaller one of the predicted reception power of the first tracking target and the predicted reception power of the second tracking target is the largest is set as the tracking direction.
好ましくは、指向性制御手段は、推定された伝搬損により所定時間後について予測された受信電力に基づいて、第１追尾対象の予測受信電力が所定のしきい値以上となる追尾方向が存在し、第２追尾対象の予測受信電力が所定のしきい値に満たない場合、第１追尾対象の予測受信電力が所定のしきい値以上となる追尾方向の中で、第２追尾対象の予測受信電力が最大となる方向を追尾方向に設定する。 Preferably, in the directivity control means, there is a tracking direction in which the predicted reception power of the first tracking target is equal to or higher than a predetermined threshold based on the reception power predicted for a predetermined time after the estimated propagation loss. When the predicted reception power of the second tracking target does not satisfy the predetermined threshold, predicted reception of the second tracking target in the tracking direction in which the predicted reception power of the first tracking target is equal to or higher than the predetermined threshold Set the direction in which the power is maximum as the tracking direction.
好ましくは、指向性制御手段は、推定された伝搬損により所定時間後について予測された受信電力に基づいて、第１追尾対象の予測受信電力が所定のしきい値以上となる追尾方向が存在しない場合、第１追尾対象の予測受信電力が最大となる方向を追尾方向に設定する。 Preferably, the directivity control means determines that there is no tracking direction in which the predicted reception power of the first tracking target is equal to or higher than a predetermined threshold based on the reception power predicted for a predetermined time after the estimated propagation loss. In this case, the direction in which the predicted reception power of the first tracking target is maximized is set as the tracking direction.
この発明の追尾アンテナシステムおよび追尾アンテナ装置によれば、複数の地上局による複数の飛翔体に対する追尾において、効率的かつ安定なハンドオーバーを実行することが可能である。 According to the tracking antenna system and the tracking antenna device of the present invention, it is possible to execute efficient and stable handover in tracking of a plurality of projectiles by a plurality of ground stations.
以下、本発明の実施の形態の追尾アンテナ装置を含む無線通信システムについて、図に従って説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。 Hereinafter, a wireless communication system including a tracking antenna device according to an embodiment of the present invention will be described according to the drawings. In the following embodiments, components and processing steps denoted by the same reference numerals are the same or equivalent, and the description thereof will not be repeated if not required.
なお、以下では、特に限定されないが、たとえば、飛翔体である移動局は無人航空機（ＵＡＶ：Unmanned Air Vehicle）であるものとして説明する。ただし、たとえば、無人ヘリコプター、ドローンなどでもよい。 In the following, although not particularly limited, for example, a mobile station which is a flying object will be described as an unmanned air vehicle (UAV). However, for example, an unmanned helicopter or a drone may be used.
以下に説明するように、本実施の形態の無線通信システムは、複数のＵＡＶによる同時観測を可能にする、ブロードバンド無線通信システムである。より具体的には、移動するＵＡＶの位置・速度・姿勢情報や信号強度情報、アンテナ指向性情報等を用いて、複数の地上局アンテナが追尾する方向、各ＵＡＶが接続する地上局、及び各通信リンクの使用チャネルを動的に制御する。 As described below, the wireless communication system of the present embodiment is a broadband wireless communication system that enables simultaneous observation by a plurality of UAVs. More specifically, the direction in which a plurality of ground station antennas track, the ground station to which each UAV is connected, and Dynamically control the channel used by the communication link.
安定したハンドオーバー実現に向けて、各追尾アンテナは可能な限り、複数、たとえば、２機のＵＡＶを追尾する。このとき、追尾方向の変動を抑えることにより、所望受信電力が所定値を下回る時間を減少させる。これにより、効率的なハンドオーバーの実現と、各ＵＡＶに対して所要受信電力の安定した確保を実現する。
[実施の形態]
図１は、本実施の形態の追尾アンテナ装置を含む無線通信システムの構成を示す概念図である。
For stable handover, each tracking antenna tracks multiple, for example, two UAVs as much as possible. At this time, by suppressing the fluctuation of the tracking direction, the time during which the desired received power falls below a predetermined value is reduced. As a result, it is possible to realize efficient handover and stably secure the required reception power for each UAV.
Embodiment
FIG. 1 is a conceptual view showing a configuration of a wireless communication system including a tracking antenna device of the present embodiment.
本システムは、追尾アンテナを有する複数の地上局２００．１〜２００．Ｍ（以下、総称する場合は「地上局２００」と呼ぶ。）、地上局２００に対してアプリケーションデータの伝送を行う複数の無人航空機１００．１〜１００．２（以下、総称する場合は「無人航空機１００」と呼ぶ）、ならびに集中制御的に各地上局・ＵＡＶのアンテナ制御を行うシステムサーバ３００より構成される。 The system comprises a plurality of ground stations 200.1-200. M (hereinafter generically referred to as “ground station 200”), a plurality of unmanned aerial vehicles 100.1 to 100.2 (hereinafter generically referred to as “unmanned aircraft” that transmit application data to ground station 200 An aircraft 100 ") and a system server 300 that performs antenna control of each ground station / UAV in a centralized control.
大規模な災害・事故発生時には当該エリアの情報を可能な限り同時に広く、リアルタイムで撮影、入手する必要がある。この場合、複数の無人航空機１００．１〜１００．２での撮影した画像を地上で受信する必要があり、このため１つの無人航空機に対して複数の追尾アンテナを用いて高速伝送に必要な伝送速度を確保可能な無線通信リンクを確保することになる。 In the event of a large-scale disaster or accident, it is necessary to capture and acquire information of the area in a wide, real-time manner as simultaneously as possible. In this case, it is necessary to receive images taken by a plurality of unmanned aerial vehicles 100.1 to 100.2 on the ground, and for this reason, transmission necessary for high-speed transmission using a plurality of tracking antennas for one unmanned aerial vehicle It will secure the wireless communication link that can secure the speed.
各無人航空機１００．１〜１００．２は、後に説明するように、ＧＰＳ（global positioning system）ハイブリッド慣性航法装置を搭載し、無人航空機１００．１〜１００．２の位置、速度、姿勢角度、ならびに姿勢各速度等のテレメトリデータを計測する。ここで、計測された各テレメトリデータは、テレメトリデータ伝送用の無線通信デバイスを用いて地上局２００に伝送される。また、無人航空機１００．１〜１００．２には、特に限定されないが、たとえば、複数の指向性アンテナが搭載される。その場合はシステムサーバ３００からの指令に基づき使用するアンテナを選択する。 Each unmanned aerial vehicle 100.1 to 100.2, as described later, is equipped with a GPS (global positioning system) hybrid inertial navigation system, and the unmanned aerial vehicle 100.1 to 100.2 position, velocity, attitude angle, and Measure telemetry data such as attitude and speed. Here, each measured telemetry data is transmitted to the ground station 200 using a wireless communication device for telemetry data transmission. Moreover, although not particularly limited, for example, a plurality of directional antennas are mounted on the unmanned aerial vehicles 100.1 to 100.2. In that case, the antenna to be used is selected based on a command from the system server 300.
なお、以下では、説明の簡単のために、無人航空機は、２機であるものとして説明するが、その数は、より多くてもよい。 In addition, although the unmanned aerial vehicle is demonstrated as what is two aircraft below for simplicity of explanation, the number may be more.
図１においては、地上局２００．１〜２００．Ｍは、追尾アンテナ装置を有し、無人航空機１００．１〜１００．２の方向にアンテナを指向させることが可能である。地上局２００．１〜２００．Ｍは、それぞれ、対応する指向性アンテナ１０．１〜１０．Ｍ（Ｍ：自然数。以下、総称する場合は「指向性アンテナ１０」と呼ぶ）により、移動局と無線通信をするものとする。複数の無人航空機１００を運用している場合は、地上局の近傍に位置する無人航空機１００をサイドローブで追尾しつつ、遠方から接近する別の無人航空機１００をメインローブで捕捉する。 In FIG. 1, the ground station 200.1-200. M has a tracking antenna arrangement and can point the antenna in the direction of the unmanned aerial vehicle 100.1-100.2. Ground station 200.1-200. M are respectively corresponding directional antennas 10.1 to 10.. It is assumed that wireless communication is performed with the mobile station by M (M: natural number; hereinafter, when collectively referred to as “directional antenna 10”). When a plurality of unmanned aerial vehicles 100 are operated, while tracking the unmanned aerial vehicle 100 located in the vicinity of the ground station with side lobes, another unmanned aerial vehicle 100 approaching from a distance is captured with the main lobe.
なお、複数の無人航空機１００が同時にメインローブの範囲に入っている状態では、メインローブのみで、近傍側の無人航空機も遠方側の無人航空機も同時に追尾することになる。 In addition, in the state where the plurality of unmanned aerial vehicles 100 are simultaneously in the range of the main lobe, the unmanned aerial vehicle on the near side and the unmanned aerial vehicle on the distant side simultaneously track only the main lobe.
図１では、指向性アンテナ１０．１〜１０．Ｍの指向性のメインローブの範囲を、ビーム方向ＢＭ．１１〜ＢＭ．Ｍ１として、サイドローブの範囲を、ビーム方向ＢＭ．１２〜ＢＭ．Ｍ２として示す。 In FIG. 1, directional antennas 10.1 to 10. The range of the main lobe of the directivity of M, the beam direction BM. 11 to BM. As M1, the range of the side lobe, the beam direction BM. 12 to BM. Shown as M2.
各地上局２００では、無人航空機１００からのテレメトリデータ、ならびに無線ＬＡＮにより伝送されるアプリケーションデータ（たとえば、画像データ）を受信する。その際、いずれかの無線インタフェースにおいて、受信電力計測部２２．１〜２２．Ｍ（総称する場合は、「受信電力計測部２２」と呼ぶ。）が、各無人航空機１００が送信した信号の受信電力を計測し、これらの情報をシステムサーバ３００へ送信する。そして、システムサーバ３００の指示に基づき追尾アンテナの追尾方向と無線ＬＡＮの使用周波数チャネルを変更すると共に、使用周波数チャネル・無線ＬＡＮの接続先地上局および使用指向性アンテナに関する情報を無人航空機１００に伝送する。 Each ground station 200 receives telemetry data from the unmanned aerial vehicle 100 as well as application data (for example, image data) transmitted by the wireless LAN. At that time, in any of the wireless interfaces, the received power measurement units 22.1 to 22. M (collectively referred to as “received power measurement unit 22”) measures the received power of the signal transmitted by each unmanned aerial vehicle 100, and transmits these pieces of information to the system server 300. Then, based on the instruction of the system server 300, the tracking direction of the tracking antenna and the use frequency channel of the wireless LAN are changed, and information on the connection destination ground station of the use frequency channel and wireless LAN and the use directional antenna is transmitted to the UAV 100 Do.
システムサーバ３００は、無人航空機１００．１〜１００．２から地上局２００．１〜２００．Ｍ経由で伝送される無人航空機１００．１〜１００．２の位置・姿勢情報と、地上局２００．１〜２００．Ｍで受信する無人航空機１００．１〜１００．２の信号強度の情報に基づいて、目的とする通信に必要な伝送速度確保が可能な無線通信リンクを監視し、後に説明するように、無人航空機１００．１〜１００．２と無線通信を接続し追尾する地上局を、地上局２００．１〜２００．Ｍのうちから、随時、選択し、選択した地上局、たとえば、地上局２００．１および２００．Ｍの追尾方向の制御を行う。 The system server 300 includes unmanned aerial vehicles 100.1 to 100.2 to ground stations 200.1 to 200. M. Position / attitude information of unmanned aerial vehicles 100.1-100.2 transmitted via M, and ground stations 200.1-200. Based on the information of the signal strength of the unmanned aerial vehicle 100.1 to 100.2 received by M, the wireless communication link capable of securing the transmission speed necessary for the target communication is monitored, and the unmanned aerial vehicle will be described later. The ground station that connects and tracks wireless communication with 100.1 to 100.2 is referred to as ground station 200.1 to 200. From M, a ground station selected and selected at any time, for example, ground stations 200.1 and 200. Control the tracking direction of M.
すなわち、システムサーバ３００では、無人航空機１００から送信されたテレメトリデータ、地上局にて計測した受信電力、地上局位置、そして各アンテナの指向性パタンから、無人航空機１００と地上局２００間の伝搬損（距離減衰およびシャドウイング）を算出する。また、一定時間後の各無人航空機１００の位置を予測し、その地点において所要の受信電力と通信機会が得られるよう、地上局アンテナの追尾方向と無人航空機１００の使用アンテナ、各地上局における無線ＬＡＮの使用周波数チャネル、ならびに各無人航空機１００の接続先地上局を決定する。 That is, in the system server 300, the propagation loss between the unmanned aircraft 100 and the ground station 200 from the telemetry data transmitted from the unmanned aircraft 100, the received power measured by the ground station, the ground station position, and the directivity pattern of each antenna. Calculate (distance attenuation and shadowing). In addition, the tracking direction of the ground station antenna and the antenna used by the unmanned aerial vehicle 100 and the radios at each ground station are predicted so as to predict the position of each unmanned aerial vehicle 100 after a predetermined time and obtain required reception power and communication opportunities at that point. The use frequency channel of LAN and the connection ground station of each unmanned aerial vehicle 100 are determined.
地上局２００．１および２００．Ｍでは、それぞれ、システムサーバ３００からの追尾方向の制御信号に応じて、追尾アンテナ制御部２０．１および２０．Ｍが、駆動部３０．１および３０．Ｍをそれぞれ制御し駆動して、指向性アンテナ１０．１および１０．Ｍの方向を制御する。指向性の駆動方法としては、たとえば、２軸以上の軸数を有するジンバル機構により駆動される構成としてもよいし、あるいは、アレーアンテナとして電子的に指向性を制御してもよい。
（無人航空機１００の構成）
図２は、本実施の形態の無人航空機１００の構成を説明するための機能ブロック図である。
Ground stations 200.1 and 200. In M, according to control signals in the tracking direction from system server 300, tracking antenna control units 20.1 and 20.m. M, drive units 30.1 and 30. M to control and drive the directional antennas 10.1 and 10.. Control the direction of M. The directivity may be driven by, for example, a gimbal mechanism having two or more axes, or directivity may be controlled electronically as an array antenna.
(Configuration of the UAV 100)
FIG. 2 is a functional block diagram for explaining the configuration of unmanned aerial vehicle 100 of the present embodiment.
無人航空機１００は、複数の指向性アンテナ１２０と、指向性アンテナ１２０のアンテナのうち、無線リンクに使用するアンテナを選択するための切換装置１２４と、選択されたアンテナにより通信を行うための無線部１２２と、無人航空機１００の飛行の制御や通信の制御を行うための搭載コンピュータ１２８と、無人航空機１００の位置や姿勢を計測するためのＧＰＳおよびジャイロを含むハイブリッド航法装置１２６と、上空からの画像（静止画、動画）を撮影するための撮像装置１３０とを含む。 The unmanned aerial vehicle 100 communicates with a plurality of directional antennas 120 and a switching device 124 for selecting an antenna to be used for a wireless link among the antennas of the directional antennas 120, and a wireless unit for communicating with the selected antenna. 122, an on-board computer 128 for controlling the flight and control of communication of the unmanned aerial vehicle 100, a hybrid navigation device 126 including a GPS and a gyro for measuring the position and attitude of the unmanned aerial vehicle 100, and an image from the sky And an imaging device 130 for shooting (still image, moving image).
ハイブリッド航法装置１２６により計測された無人航空機１００の位置、速度、姿勢角（ヨー角、ロール角、ピッチ角）、姿勢角速度の情報は、テレメトリデータとして、選択されたアンテナから地上局に対して、たとえば、一定時間間隔で送信される。選択されたアンテナ１２０からの受信電波強度の情報は、地上局２００で計測される。また、地上局からの指示に従って、撮像装置１３０で撮影された画像データも、同様にして、選択されたアンテナから地上局２００に対して送信される。 Information on the position, velocity, attitude angle (yaw angle, roll angle, pitch angle) and attitude angular velocity of the unmanned aerial vehicle 100 measured by the hybrid navigation device 126 is transmitted from the selected antenna to the ground station as telemetry data. For example, it is transmitted at fixed time intervals. Information on the received radio wave strength from the selected antenna 120 is measured by the ground station 200. Also, in accordance with an instruction from the ground station, the image data captured by the imaging device 130 is similarly transmitted to the ground station 200 from the selected antenna.
切換装置１２４により、アンテナ１２０のうちの特定のアンテナを選択する方法としては、たとえば、利得が最も大きくなるようなアンテナを随時選択するように構成することができる。 As a method of selecting a specific antenna of the antennas 120 by the switching device 124, for example, an antenna that maximizes the gain can be selected as needed.
なお、無人航空機１００の指向性アンテナ１２０については、上述のとおり複数個設けてもよいが、アンテナ数が１個であり、指向性を地上局からの指示により変更できるアンテナを設け、切換装置１２４により指向性を切換える構成としてもよい。 Although a plurality of directional antennas 120 of the unmanned aerial vehicle 100 may be provided as described above, the number of antennas is one, and an antenna capable of changing the directivity according to an instruction from the ground station is provided. The directivity may be switched by
図３は、システムサーバ３００の構成を説明するための機能ブロック図である。 FIG. 3 is a functional block diagram for explaining the configuration of system server 300. Referring to FIG.
システムサーバ３００は、周知のコンピュータシステムと同様に構成され、記憶装置に格納されたプログラムに基づいて、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置が、演算処理を行うことで、図３に示すような各機能を実行するものとする。 The system server 300 is configured in the same manner as a well-known computer system, and as shown in FIG. 3, an arithmetic device such as a CPU (Central Processing Unit) performs arithmetic processing based on a program stored in a storage device. Perform each function.
システムサーバ３００は、地上局２００（図３では、例示的に地上局２００．ｍ−１および２００．ｍを示す）との間で通信するための通信インタフェース（以下、通信Ｉ／Ｆ）３０２と、無人航空機１００から送信され地上局２００で受信されて伝送されてきた無人航空機１００の位置、速度、姿勢角、姿勢角速度の情報を取得する位置・姿勢情報取得部３０４と、位置・姿勢情報取得部３０４からの情報により、地上局２００の各々が、無人航空機１００を追尾する方向を制御するための追尾方向制御信号を生成する追尾方向制御部３０６とを備える。追尾方向制御部３０６は、無人航空機１００において高利得となるアンテナ１２０を選択するために、無人航空機１００側から送信されてくる無人航空機１００の位置、速度、姿勢角及び姿勢角速度等の情報を用いて、追尾を担当している地上追尾アンテナ１０との相対姿勢角より、最大利得となるアンテナを選択する指示を、追尾方向制御信号として併せて生成する。あるいは、無人航空機１００のアンテナ１２０が指向性を変更できる構成であれば、利得最大となるように、その指向性を変更させる信号を追尾方向制御信号として併せて生成してもよい。追尾方向制御信号は、それぞれ、対応する地上局２００に伝送される。以下では、便宜上、複数のアンテナから選択を行うものとして説明する。 System server 300 has a communication interface (hereinafter, communication I / F) 302 for communicating with ground station 200 (in FIG. 3, exemplarily, ground stations 200.m-1 and 200.m are shown). A position / attitude information acquisition unit 304 for acquiring information on the position, velocity, attitude angle, and attitude angular velocity of the unmanned aircraft 100 transmitted from the unmanned aerial vehicle 100 and received and transmitted by the ground station 200; Each of the ground stations 200 includes a tracking direction control unit 306 that generates a tracking direction control signal for controlling the direction in which the unmanned aircraft 100 is to be tracked, based on the information from the unit 304. The tracking direction control unit 306 uses information such as the position, velocity, attitude angle, attitude angular velocity, etc. of the unmanned aerial vehicle 100 transmitted from the unmanned aerial vehicle 100 side to select the antenna 120 with high gain in the unmanned aerial vehicle 100. Based on the relative attitude angle with the ground tracking antenna 10 in charge of tracking, an instruction to select the antenna having the maximum gain is also generated as a tracking direction control signal. Alternatively, as long as the antenna 120 of the unmanned aerial vehicle 100 can change the directivity, a signal for changing the directivity may be generated as the tracking direction control signal so as to maximize the gain. The tracking direction control signals are transmitted to the corresponding ground stations 200, respectively. In the following, for convenience, description will be made assuming that selection is made from a plurality of antennas.
システムサーバ３００は、さらに、地上局２００で受信された無人航空機１００からの受信信号強度に関する情報を取得する信号強度情報取得部３１０と、信号強度情報取得部３１０からの情報により、無人航空機１００の追尾を担当する追尾アンテナを備えた地上局の選択を制御するための接続局指示信号を生成する接続局制御部３１２とを備える。接続局指示信号は、それぞれ、対応する地上局２００に伝送される。 The system server 300 further obtains a signal strength information acquisition unit 310 that acquires information related to the received signal strength from the unmanned aircraft 100 received by the ground station 200, and information from the signal strength information acquisition unit 310. The connection station control unit 312 generates a connection station instruction signal for controlling selection of a ground station provided with a tracking antenna in charge of tracking. Each connection station instruction signal is transmitted to the corresponding ground station 200.
接続局制御部３１２は、一定時間後の各無人航空機１００位置を予測し、その時点において所要の受信電力と通信機会が得られるよう、各地上局における無線ＬＡＮの使用周波数チャネル、ならびに各無人航空機１００の接続先地上局を決定するための処理を実行し、結果を、接続局指示信号として出力する。追尾方向制御部３０６は、後に説明するように、位置・姿勢情報取得部３０４からの情報および接続局制御部３１２からの情報に基づき、地上局アンテナの追尾方向と無人航空機１００の使用アンテナを決定して追尾方向制御信号を生成する。 The connection station control unit 312 predicts the position of each unmanned aerial vehicle 100 after a predetermined time, and at this time, the frequency channels used by the wireless LAN in each ground station and each unmanned aerial vehicle so as to obtain required reception power and communication opportunities. A process for determining the connection destination ground station of 100 is executed, and the result is output as a connection station indication signal. The tracking direction control unit 306 determines the tracking direction of the ground station antenna and the use antenna of the unmanned aerial vehicle 100 based on the information from the position / attitude information acquisition unit 304 and the information from the connection station control unit 312 as described later. And generates a tracking direction control signal.
システムサーバ３００は、さらに、無人航空機１００からの撮像情報を地上局２００経由で受信する撮像データ取得部３２０と、取得した撮像データを格納するための記憶装置３２２とを備える。 The system server 300 further includes an imaging data acquisition unit 320 that receives imaging information from the unmanned aerial vehicle 100 via the ground station 200, and a storage device 322 for storing the acquired imaging data.
なお、システムサーバ３００は、複数の無人航空機１００および複数の追尾アンテナ１０の組合せを集中管理するために１つのサーバーとして設置されてもよいし、あるいは分散配置された複数のサーバーによって構成されてもよい。 The system server 300 may be installed as one server to centrally manage a combination of a plurality of unmanned aerial vehicles 100 and a plurality of tracking antennas 10, or may be configured by a plurality of servers distributed. Good.
図４は、システムサーバ３００により、無人航空機１００．１および１００．２を追尾する際の地上局２００およびシステムサーバ３００の処理の概念を説明するための図である。 FIG. 4 is a diagram for explaining the concept of processing of ground station 200 and system server 300 when tracking unmanned aerial vehicles 100.1 and 100.2 by system server 300. Referring to FIG.
また、図５は、図４に示した概念を実行するための無線航空機１００、地上局２００およびシステムサーバ３００の処理の流れを説明するためのフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart for explaining the process flow of the wireless aircraft 100, the ground station 200, and the system server 300 for executing the concept shown in FIG.
なお、図４においては、時刻ｔ＝ｔ１において追尾アンテナ１０．ｍおよび１０．ｍ−１により、無人航空機１００．１を追尾していた状態から、時刻ｔ＝ｔ１＋τの状態が推定され、追尾アンテナ１０．ｍおよび１０．ｍ−１により、無人航空機１００．１および１００．２の追尾を続行する状態の概念を示している。 In FIG. 4, at time t = t1, the tracking antenna 10.2. m and 10. From m 1, the state at time t = t 1 + τ is estimated from the state in which the unmanned aerial vehicle 100.1 was being tracked, and the tracking antenna 10. m and 10. The concept of the state of continuing tracking of the unmanned aerial vehicles 100.1 and 100.2 is shown by m-1.
図４および図５を参照して、まず、システムサーバ３００において、それまでに無人航空機１００から受信しているテレメトリデータや無人航空機１００からの受信信号強度の情報に基づいて、追尾方向制御部３０６が追尾方向制御信号を生成して、地上局２００に対して送信し（Ｓ１００）、接続局制御部３１２が追尾を担当する追尾アンテナ（接続先地上局）の変更や無線ＬＡＮの使用周波数チャネルの決定あるいは変更が必要であるかを算出して（Ｓ１０２でＹ）、接続局指示として、地上局２００へ送信する（Ｓ１０４）。 Referring to FIGS. 4 and 5, first, in system server 300, tracking direction control unit 306 based on the telemetry data received from unmanned aircraft 100 so far and the information of the received signal strength from unmanned aircraft 100. Generates a tracking direction control signal and transmits it to the ground station 200 (S100), and the connected station control unit 312 changes the tracking antenna (connection destination ground station) in charge of tracking, or uses the frequency channel of the wireless LAN It is calculated whether determination or change is necessary (Y in S102), and it is transmitted to the ground station 200 as a connection station instruction (S104).
なお、初期設定としては、たとえば、全ての地上局２００からの情報に基づいて、システムサーバ３００が、追尾方向制御信号および接続局指示信号を算出するものとすることができる。 As the initial setting, for example, the system server 300 can calculate the tracking direction control signal and the connection station instruction signal based on the information from all the ground stations 200.
地上局２００は、システムサーバ３００からの追尾方向制御信号や接続局指示信号の制御信号を受信し（Ｓ２００）、接続局指示で接続地上局の変更の指示がある場合（Ｓ２０２）は、接続地上局を変更するハンドオーバーのための指示を生成し（Ｓ２０４）、追尾方向制御信号に応じて、追尾アンテナの指向方向の制御を実行する（Ｓ２０６）。 The ground station 200 receives the control signal of the tracking direction control signal and the connection station instruction signal from the system server 300 (S200), and when there is an instruction to change the connection ground station by the connection station instruction (S202), the connection ground An instruction for handover for changing a station is generated (S204), and control of the pointing direction of the tracking antenna is executed according to the tracking direction control signal (S206).
地上局２００は、さらに、無人航空機１００に対して、必要に応じて、アンテナ１２０のうちから送受信に使用するアンテナを選択する指示をしたり、ハンドオーバーの指示をしたり、撮像情報の送信を指示する制御信号を、送信する（Ｓ２０８）。 The ground station 200 further instructs the unmanned aerial vehicle 100 to select an antenna to be used for transmission and reception from among the antennas 120 as necessary, instructs handover, and transmits imaging information. The control signal to instruct is transmitted (S208).
無人航空機１００では、搭載コンピュータ１２８が、ハイブリッド完成航法装置から位置や姿勢等の情報を取得し（Ｓ３００）、Ｓ２０８で地上局２００から送信された制御信号を受信する（Ｓ３０２）。 In the unmanned aerial vehicle 100, the on-board computer 128 acquires information such as position and attitude from the hybrid completion navigation system (S300), and receives the control signal transmitted from the ground station 200 in S208 (S302).
無人航空機１００では、さらに、地上局２００からの指示に基づく搭載コンピュータ１２８の制御により、切換装置１２４によりアンテナ１２０のうちの１つのアンテナの選択の処理や、ハンドオーバーが指示されている場合は、地上局を選択する処理を行う（Ｓ３０４）。 In the case of the unmanned aerial vehicle 100, further, under the control of the on-board computer 128 based on an instruction from the ground station 200, processing of selecting one of the antennas 120 by the switching device 124 and handover are instructed. A process of selecting a ground station is performed (S304).
続いて、無人航空機１００では、自身の位置や姿勢等に関する情報を地上局２００に対して送信し（Ｓ３０６）、地上局２００からの指示に応じて、撮像情報を地上局２００に対して送信する（Ｓ３０８）。 Subsequently, the unmanned aerial vehicle 100 transmits information on its own position, posture, and the like to the ground station 200 (S306), and transmits imaging information to the ground station 200 in accordance with an instruction from the ground station 200. (S308).
一方、地上局２００では、無人航空機１００からの位置や姿勢等に関する情報を受信し（Ｓ２１０）、併せて、無人航空機１００における地上局２００からの信号の受信強度に関する情報を取得し（Ｓ２１２）、無人航空機１００からの撮像情報を受信して（Ｓ２１４）、無人航空機１００から受信した情報をシステムサーバ３００に伝送する（Ｓ２１６）。 On the other hand, the ground station 200 receives information on the position, attitude, and the like from the unmanned aerial vehicle 100 (S210), and acquires information on the reception intensity of the signal from the ground station 200 in the unmanned aerial vehicle 100 (S212). The imaging information from the unmanned aerial vehicle 100 is received (S214), and the information received from the unmanned aerial vehicle 100 is transmitted to the system server 300 (S216).
システムサーバ３００では、地上局２００からステップＳ２１６で送信された信号を受信して（Ｓ１０６）、地上局２００に対する追尾方向制御信号および接続局指示信号を算出する（Ｓ１０８）。
（ＵＡＶ追尾アルゴリズム）
以下では、図５のステップＳ１０８において、システムサーバ３００が、追尾方向制御や接続局の制御を行う処理について説明する。
The system server 300 receives the signal transmitted in step S216 from the ground station 200 (S106), and calculates a tracking direction control signal and a connection station indication signal for the ground station 200 (S108).
(UAV tracking algorithm)
Hereinafter, processing in which the system server 300 performs tracking direction control and control of a connected station in step S108 of FIG. 5 will be described.
ハイブリッド慣性航法装置１２６にて計測されたテレメトリデータは、地上局２００へ無線インタフェースにて伝送された後、システムサーバ３００に集約される。 The telemetry data measured by the hybrid inertial navigation system 126 is transmitted to the ground station 200 via the wireless interface, and then collected in the system server 300.
このため、システムサーバ３００が収集したテレメトリデータは測定が完了してから多少なり時間が経過したものである。また、地上局アンテナの追尾方向を決定してから制御が反映されて指向方向が静定するまでにも数１００ｍｓオーダの時間を要する。そこで、以下に説明する「ＵＡＶ追尾アルゴリズム」では、所定の時間τが経過した後の各ＵＡＶの位置を線形予測し、その位置において所要の受信電力が得られるよう、地上局アンテナの追尾方向を決定する。 For this reason, the telemetry data collected by the system server 300 is a certain amount of time after the measurement is completed. In addition, it takes several hundreds of ms in order to determine the tracking direction of the ground station antenna and to determine the directivity direction after the control is reflected. Therefore, in the “UAV tracking algorithm” described below, the tracking direction of the ground station antenna is set to linearly predict the position of each UAV after a predetermined time τ has elapsed, and to obtain the required received power at that position. decide.
以下に説明するように、本実施の形態では、主として、各地上局が状況に応じて、最大２機のＵＡＶを追尾する手法について説明する。 As described below, in the present embodiment, a method will be mainly described in which each ground station tracks up to two UAVs according to the situation.
ただし、比較のため、以下では、２種類のＵＡＶ追尾アルゴリズムについて説明する。一方は各地上局がそれぞれ単一のＵＡＶを追尾するものであり、もう一方は各地上局が状況に応じて最大２機のＵＡＶを追尾するものである。以下、前提としてＵＡＶは１個のアンテナを搭載しているものとする。
[（アルゴリズムＩ）減衰量が最小となるＵＡＶを追尾するアルゴリズム]
広いエリアにおいて複数の地上局アンテナにより複数のＵＡＶを追尾する場合、各地上局は基本的に自身の近傍に位置するＵＡＶを追尾するのが適切である。ただし、付近に障害物が存在してＵＡＶと地上局との間に遮蔽が発生する場合は、遮蔽の影響が小さい地上局がＵＡＶを追尾することが望ましい。
However, for comparison, two types of UAV tracking algorithms will be described below. One is for each ground station to track a single UAV, and the other is for each ground station to track up to two UAVs according to the situation. Hereinafter, it is assumed that the UAV is equipped with one antenna.
[(Algorithm I) Algorithm for Tracking UAV with Minimum Attenuation Amount]
When tracking a plurality of UAVs with a plurality of ground station antennas in a wide area, it is appropriate for each ground station to basically track UAVs located near itself. However, when there is an obstacle in the vicinity and shielding occurs between the UAV and the ground station, it is desirable that the ground station whose influence of the shielding is small should track the UAV.
そこで、１番目のアルゴリズム（以下、アルゴリズムＩ）では、各地上局は自身との間の伝搬損（距離減衰およびシャドウイング）が最も小さいＵＡＶを追尾する。以下、追尾対象および追尾方向を決定する手順を述べる。 Therefore, in the first algorithm (hereinafter, algorithm I), each ground station tracks a UAV having the smallest propagation loss (distance attenuation and shadowing) with itself. Hereinafter, the procedure for determining the tracking target and the tracking direction will be described.
［ステップＩ−１：地上局アンテナ-ＵＡＶ間の伝搬損の推定］
第ｍ地上局（ｍ＝１，…，Ｍ）において、第ｎＵＡＶ（ｎ＝１，…，Ｎ）が送信した信号の受信電力ｐm，n［ｄＢｍ］を測定し、システムサーバ３００に送信する。なお、受信電力が小さく信号の復調に失敗した場合は、受信電力を所定の設定値ｐfail[ｄＢｍ]に設定する。
[Step I-1: Estimation of Propagation Loss Between Ground Station Antenna and UAV]
At the m-th ground station (m = 1,..., M), the reception power pm , n [dBm] of the signal transmitted by the n-th UAV (n = 1,..., N) is measured and transmitted to the system server 300 . If the received power is small and demodulation of the signal fails, the received power is set to a predetermined set value p fail [dBm].
次に、接続局制御部３１２は、第ｍ地上局と第ｎＵＡＶの距離ｄm，nに基づき、自由空間伝搬を仮定して距離減衰Ｌm，n［ｄＢ］を算出する。 Next, based on the distance d m, n between the m-th ground station and the n- th UAV, the connection station control unit 312 calculates the distance attenuation L m, n [dB] on the assumption of free space propagation.
続いて、接続局制御部３１２は、第ｎＵＡＶの位置情報に基づき第ｍ地上局から見て第ｎＵＡＶが位置する方向を算出し、地上局アンテナが現在追尾している方向との間の角度差(θm，n，φm，n)（θm，nは水平方向、φm，nは垂直方向）を求め、地上局アンテナにおける指向性利得ｇbs（θm，n，φm，n）［ｄＢ］を算出する。 Subsequently, the connection station control unit 312 calculates the direction in which the n-th UAV is located as viewed from the m-th ground station based on the position information of the n-th UAV, and the angle difference between the ground station antenna and the direction currently being tracked (θ m, n , φ m, n ) (θ m, n is in the horizontal direction, φ m, n is in the vertical direction), and directivity gain g bs (θ m, n , φ m, n ) at the ground station antenna ) Calculate [dB].
同様に、接続局制御部３１２は、第ｎＵＡＶから見て第ｍ地上局が位置する方向と第ｎＵＡＶの姿勢方向との間の角度差（θm，nハット，φm，nハット）（文字Ｘの頭部に^を付したものを、Ｘハットとよぶ。）から、ＵＡＶ側の指向性利得ｇUAV（θm，n，φm，n）［ｄＢ］を求める。 Similarly, the connection station control unit 312 sets the angle difference (θ m, n hat, φ m, n hat) between the direction in which the m-th ground station is located and the attitude direction of the n- UAV as viewed from the n-UAV The directional gain g UAV (θ m, n , φ m, n ) [dB] on the UAV side is obtained from the head with X attached with ^ as the X hat.
最後に、接続局制御部３１２は、第ｎＵＡＶの送信電力Ｐn［ｄＢｍ］を用いて、第ｍ地上局と第ｎＵＡＶとの間のシャドウイングレベルＳm，n［ｄＢ］を次式より求める。送信電力Ｐnは、予め規定された値であってもよいし、たとえば、所定のタイミングで、第ｎＵＡＶから地上局２００に送信されてくるものとしてもよい。 Finally, using the transmission power P n [dBm] of the n-th UAV, the connection station control unit 312 obtains the shadowing level S m, n [dB] between the m-th ground station and the n-th UAV according to the following equation . The transmission power P n may be a previously defined value, or may be transmitted from the n-th UAV to the ground station 200 at a predetermined timing, for example.
[ステップＩ−２：ＵＡＶの位置予測]
接続局制御部３１２は、各ＵＡＶの位置情報と速度情報から、一定時間τ経過後のＵＡＶ位置を線形予測により算出する（Ｓ４０２）。
[Step I-2: UAV Position Prediction]
The connection station control unit 312 calculates the UAV position after the elapse of a predetermined time τ by linear prediction from the position information and the speed information of each UAV (S402).
そして、接続局制御部３１２は、第ｍ地上局と時間τ経過後の第ｎＵＡＶの予測位置との間の距離ｄm，nに基づき、τ経過後の距離減衰Ｌm，nハットを推定する。また、接続局制御部３１２は、ステップＩ−２と同様の手順により、τ経過後に第ｎＵＡＶから見て第ｍ地上局が位置する方向と第ｎＵＡＶの姿勢方向との間の角度差（θm，nハット，φm，nハット）を算出し、これに基づきＵＡＶ側の指向性利得ｇUAV（θm，nハット，φm，nハット）を求める。 Then, based on the distance d m, n between the m-th ground station and the predicted position of the n- th UAV after the lapse of time τ, the connection station control unit 312 estimates the distance attenuation L m, n hat after the lapse of τ. . In addition, the connection station control unit 312 sets the angle difference (θ m) between the direction in which the mth ground station is located and the attitude direction of the nUAV as viewed from the nUAV after τ elapses, according to the same procedure as step I-2. , N hat, φ m, n hat) are calculated, and the directional gain g UAV (θ m, n hat, φ m, n hat) on the UAV side is calculated based on the calculated values .
[ステップＩ−３：追尾対象とするＵＡＶの決定]
接続局制御部３１２は、シャドウイングの発生状況がτの間変化しないものとして、τ経過後のＵＡＶ側指向性利得ｇUAV（θm，nハット，φm，nハット）を考慮した伝搬損を以下の式により導出する。
[Step I-3: Determination of UAV to be Followed]
The connection point control unit 312 assumes that the shadowing occurrence status does not change for τ, and the propagation loss taking into account the UAV-side directivity gain g UAV (θ m, n hat, φ m, n hat) after τ elapses. Is derived by the following equation.
接続局制御部３１２は、各地上局は、この伝搬損が最小となるＵＡＶを追尾対象となるように接続地上局を選択するものとし、追尾方向制御部３０６は、当該ＵＡＶの位置する方向を追尾方向とする。
[（アルゴリズムＩＩ）２機のＵＡＶの同時追尾を行うアルゴリズム]
図６は、２機のＵＡＶの同時追尾を行うアルゴリズムを説明するためのフローチャートである。
The connected station control unit 312 selects each connected ground station so that each ground station tracks the UAV with the smallest propagation loss, and the tracking direction control unit 306 determines the direction in which the UAV is located. The tracking direction is used.
[(Algorithm II) Algorithm for Simultaneous Tracking of Two UAVs]
FIG. 6 is a flowchart for explaining an algorithm for simultaneously tracking two UAVs.
なお、同時追尾するＵＡＶは、２機であるものとして説明するが、地上局の追尾能力によっては、これ以上の機数を同時追尾してもよい。 Although two UAVs to be simultaneously tracked are described, depending on the tracking capability of the ground station, the number of more than this number may be simultaneously tracked.
複数の地上局２００でＵＡＶの追尾を行う場合は、必然的に地上局間でＵＡＶのハンドオーバーを行う必要がある。 When tracking a UAV with multiple ground stations 200, it is necessarily necessary to perform a handover of the UAV between the ground stations.
このため、複数のＵＡＶを運用している場合は、上述したように、地上局の近傍に位置するＵＡＶをサイドローブで追尾しつつ、遠方から接近する別のＵＡＶをメインローブで捕捉する必要がある場合がある。 Therefore, when using multiple UAVs, as described above, it is necessary to track a UAV located in the vicinity of the ground station with a side lobe and capture another UAV approaching from a distance with the main lobe. There may be.
図６に示した２番目のアルゴリズムではこのような状況に対応するために、アルゴリズムＩのステップＩ−３にて述べた、ＵＡＶ側指向性利得を考慮した伝搬損ＬTが最小となるＵＡＶと、２番目に最小となるＵＡＶの２機を追尾対象とする。 In the second algorithm shown in FIG. 6, in order to cope with such a situation, the UAV with the smallest propagation loss L T taking into account the UAV-side directivity gain described in step I-3 of algorithm I The two smallest UAVs are the tracking targets.
以下、図６を参照して、追尾対象および追尾方向を決定する手順を述べる。 The procedure for determining the tracking target and the tracking direction will be described below with reference to FIG.
まず、接続局制御部３１２は、処理の開始後、システムサーバ３００では、ステップＩ−１と同一の処理を行うことで、地上局アンテナ-ＵＡＶ間の伝搬損を推定する（Ｓ４０２）。 First, after starting the process, the connection station control unit 312 performs the same process as in step I-1 in the system server 300 to estimate the propagation loss between the ground station antenna and the UAV (S402).
さらに、接続局制御部３１２は、ステップＩ−２と同一の処理を行って、ＵＡＶの位置予測を行う（Ｓ４０４）。 Further, the connection station control unit 312 performs the same process as step I-2 to predict the position of the UAV (S404).
続いて、接続局制御部３１２は、以下の手続きにより、各地上局が追尾対象とする２機のＵＡＶの選定を行う（Ｓ４０６）。 Subsequently, the connection station control unit 312 selects two UAVs to be tracked by each ground station according to the following procedure (S406).
具体的には、ステップＩ−３と同一の処理により、τ経過後のＵＡＶ側指向性利得ｇUAV（θm，nハット，φm，nハット）を考慮した伝搬損ＬTを算出する。そして、各地上局において、それぞれＵＡＶ側指向性利得を考慮した伝搬損が最小となるＵＡＶを第１追尾対象に、２番目に最小となるＵＡＶを第２追尾対象に設定する。 Specifically, the propagation loss L T in consideration of the UAV-side directivity gain g UAV (θ m, n hat, φ m, n hat) after τ elapses is calculated by the same processing as step I-3. Then, in each ground station, the UAV with the smallest propagation loss in consideration of the UAV-side directivity gain is set as the first tracking target, and the UAV with the second minimum is set as the second tracking target.
続いて、追尾方向制御部３０６は、追尾方向の決定のために、各地上局２００での第１追尾対象と第２追尾対象のＵＡＶについて、推定した伝搬損ＬTにより、アンテナの追尾可能範囲におけるτ経過後の受信電力を予測する（Ｓ４１０）。 Subsequently, the tracking direction control unit 306 uses the estimated propagation loss L T for the first tracking target and the second tracking target UAV at each ground station 200 to determine the tracking direction, and the antenna trackable range The received power after τ elapses at is estimated (S410).
そして、追尾方向制御部３０６は、各追尾方向における予測受信電力と次式で示される受信電力しきい値ｐthre［ｄＢｍ］の比較を行う。 The tracking direction control unit 306 then compares the predicted received power in each tracking direction with the received power threshold value p thre [dBm] represented by the following equation.
ここで、ｐreq［ｄＢｍ］は所要受信電力、ｐmrgn［ｄＢｍ］は所要受信電力に対するマージン量である。 Here, p req [dBm] is a required reception power, and p mrgn [dBm] is a margin for the required reception power.
本アルゴリズムでは以下の３種類のケースに対し、それぞれ下記の方法により、追尾方向制御部３０６が追尾方向を決定する。 In this algorithm, the tracking direction control unit 306 determines the tracking direction according to the following methods for the following three types of cases.
ケースＡ：第１追尾対象ＵＡＶの予測受信電力が受信電力しきい値以上となる追尾方向が存在しない場合（Ｓ４１２でＮ）
図７は、ケースＡの場合の予想受信電力を示す概念図である。
Case A: There is no tracking direction in which the predicted reception power of the first tracking target UAV is equal to or higher than the reception power threshold (N in S412)
FIG. 7 is a conceptual diagram showing the expected received power in case A. In FIG.
第１追尾対象ＵＡＶの予測受信電力が最大となる方向を追尾方向に設定する（Ｓ４１２）。 The direction in which the predicted reception power of the first tracking target UAV is maximum is set as the tracking direction (S412).
ケースＢ：第１追尾対象ＵＡＶの予測受信電力が受信電力しきい値以上となる追尾方向が存在するが、そこでは第２追尾対象ＵＡＶの予測受信電力が受信電力しきい値に満たない場合（Ｓ４１４で１機の場合）
図８は、ケースＢの場合の予想受信電力を示す概念図である。
Case B: There is a tracking direction in which the predicted reception power of the first tracking target UAV is equal to or higher than the reception power threshold, but there is a case where the predicted reception power of the second tracking target UAV does not satisfy the reception power threshold ( In the case of one machine at S414)
FIG. 8 is a conceptual diagram showing predicted received power in case B. In FIG.
第１追尾対象ＵＡＶの予測受信電力が受信電力しきい値ｐthre以上となる追尾方向の中で、第２追尾対象ＵＡＶの予測受信電力が最大となる方向を追尾方向に設定する。 Among the tracking directions in which the predicted reception power of the first tracking target UAV is equal to or higher than the reception power threshold value p thre , the direction in which the predicted reception power of the second tracking target UAV is the largest is set as the tracking direction.
ケースＣ：両追尾対象ＵＡＶの受信電力が同時に受信電力しきい値以上となる追尾方向が存在する場合（Ｓ４１４で２機の場合）
図９は、ケースＣの場合の予想受信電力を示す概念図である。
Case C: When there is a tracking direction in which the received power of both tracking targets UAV simultaneously exceeds the received power threshold (in the case of two machines in S414)
FIG. 9 is a conceptual diagram showing predicted received power in case C. In FIG.
両追尾対象ＵＡＶの予測受信電力が同時に受信電力しきい値ｐthre以上となる追尾方向の中で、第１追尾対象ＵＡＶの予測受信電力と第２追尾対象ＵＡＶの予測受信電力の小さい方の値が最大となる方向を追尾方向に設定する（Ｓ４２４）。 Among the tracking directions in which the predicted received power of both tracking targets UAV simultaneously exceeds the received power threshold value p thre , the smaller of the predicted received power of the first tracking target UAV and the predicted received power of the second tracking target UAV The direction in which is the largest is set as the tracking direction (S424).
以上のように制御することで、可能なかぎり、各地上局２００が、２機の無人航空機１００を同時に追尾している状態が実現できるので、ハンドオーバーが必要となったときには、ハンドオーバー元の地上局で追尾している無人航空機１００を、ハンドオーバー先の地上局でも追尾している状態となっている確率を高めることができ、効率的なハンドオーバーを実現することができる。しかも、ハンドオーバー元とハンドオーバー先で受信電力が所定のしきい値以上に維持される確率も高めることができるので、所要受信電力が確保できない時間を小さく抑えることが可能である。 By performing the control as described above, it is possible to realize a state in which each ground station 200 is simultaneously tracking two unmanned aerial vehicles 100 as much as possible. It is possible to increase the probability that the unmanned aircraft 100 being tracked by the ground station is in the state of being tracked also by the ground station at the handover destination, and efficient handover can be realized. In addition, since the probability that the received power is maintained at or above the predetermined threshold between the handover source and the handover destination can be increased, it is possible to minimize the time when the required reception power can not be secured.
[計算機シミュレーション]
以下では、大型建造物の周囲を複数のＵＡＶが周回飛行する状況を想定し、提案ＵＡＶ追尾アルゴリズム適用時における所要受信電力に対するアウテージ率を評価する。
[Computer simulation]
In the following, it is assumed that a plurality of UAVs fly around a large building, and the outage rate to the required received power when the proposed UAV tracking algorithm is applied is evaluated.
（シミュレーション諸元）
図１０は、シミュレーション諸元を示す図である。
(Simulation specifications)
FIG. 10 is a diagram showing simulation specifications.
図１１は、シミュレーションにおける建造物と地上局（ＢＳ）の位置関係、ならびにＵＡＶの飛行経路を示す図である。 FIG. 11 is a diagram showing the positional relationship between the structure and the ground station (BS) in the simulation, and the flight path of the UAV.
建造物は縦横各４００ｍ、高さ５０ｍの立方体とし、建造物の中央部を中心とした半径３２０ｍの円周上を、３機のＵＡＶが時速６０kmで時計回りに一定高度で周回する。 The building is a cube 400 meters long by 50 meters high, and three UAVs rotate clockwise at a constant altitude of 60 km per hour on a circumference of 320 meters around the central part of the building.
また、建造物の中央部から四隅の方向にそれぞれ５００ｍ離れた場所に４台の地上局ＢＳ１〜ＢＳ４が設置される。各地上局には追尾アンテナが１台設けられるとし、追尾アンテナの指向性パタンは追尾方向を中心として３６０°対称とした。 Also, four ground stations BS1 to BS4 are installed at locations 500 m away from each other in the direction of the four corners from the central part of the building. One tracking antenna is provided for each ground station, and the directivity pattern of the tracking antenna is 360 ° symmetrical around the tracking direction.
図１２は、追尾アンテナにおける追尾方向との間の角度差に対する指向性パタンを示す図である。 FIG. 12 is a diagram showing a directivity pattern with respect to an angle difference between the tracking antenna and the tracking direction.
なお、本指向性パタンは直径７５cmのパラボラアンテナにおいて、２．４４２ＧＨｚの信号を送受信することを想定して解析的に求めたものであり、メインローブの半値幅は約９．７°である。また、各ＵＡＶには等方性アンテナが１台搭載されるとした。 In addition, this directivity pattern is analytically obtained on the assumption that a signal of 2.442 GHz is transmitted / received by a parabolic antenna with a diameter of 75 cm, and the half width of the main lobe is about 9.7 °. Also, it is assumed that each UAV is equipped with one isotropic antenna.
各ＵＡＶは、自身の位置および速度を１００ｍｓ毎に計測し、地上局へ送信するとした。ここで、計測誤差および計測データのロストは発生しないものとし、計測データの伝送遅延は５０ｍｓとした。 Each UAV measured its position and velocity every 100 ms and transmitted it to the ground station. Here, it is assumed that no measurement error and measurement data are lost, and the transmission delay of the measurement data is 50 ms.
地上局の追尾方向制御は５００ｍｓ毎に行われるとし、追尾アンテナの制定時間に関する以下の公知文献に開示の検討結果に基づき、算出した追尾方向は２５０ｍｓ後に追尾アンテナに反映されるとした。 The tracking direction control of the ground station is performed every 500 ms, and the calculated tracking direction is reflected on the tracking antenna after 250 ms based on the examination result disclosed in the following known documents regarding the establishment time of the tracking antenna.
公知文献１：上羽正純、竹内僚太郎、樋口健、“複数無人航空機による同時観測を可能とする高精度・高応答追尾アンテナ制御技術の検討、”信学技報 Vol.114 No.449 SAT2014-52 pp.7-11, Feb.2015.
なお、追尾方向制御に際しては上記追尾制御遅延を踏まえ、取得したＵＡＶの位置および速度情報から２５０ｍｓ後のＵＡＶ位置を一次予測により求めた。
Known literature 1: Masazumi Ueha, Ryotaro Takeuchi, Takeshi Higuchi, "Study on high-precision, high-response tracking antenna control technology that enables simultaneous observation with multiple unmanned aerial vehicles," Technical Report Vol. 114 No. 449 SAT 2014 -52 pp.7-11, Feb. 2015.
In tracking direction control, based on the tracking control delay, the UAV position 250 ms after was obtained from the obtained position and velocity information of the UAV was determined by primary prediction.
アプリケーションデータ伝送における所要受信電力は-７０ｄＢｍとした。これは、ＭＡＣ効率が６０％程度のＩＥＥＥ８０２．１１ｇ無線ＬＡＮにおいて、１周波数チャネルにおいて８〜１０ＭＨｚ程度のビットレートを２ストリーム収容するのに必要な物理層伝送レート３６Ｍｂ／ｓに対する規格上の最低要求感度に相当する。 The required received power for application data transmission was -70 dBm. This is the minimum requirement on the standard for the physical layer transmission rate of 36 Mb / s required to accommodate two streams of bit rates of about 8 to 10 MHz in one frequency channel in an IEEE 802.11g wireless LAN with MAC efficiency of about 60%. It corresponds to the sensitivity.
シャドウイングの算出に必要な受信電力は無線ＬＡＮの受信フレームから得ることを想定した。なお、無線ＬＡＮフレームの最小感度は-８６ｄＢｍ（ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ無線ＬＡＮにおける物理層伝送レート６Ｍｂ／ｓの最低要求感度から数ｄＢ低い値）とし、受信電力がこれより低い場合は受信電力値を-１２０ｄＢｍとした。 It is assumed that the received power required for shadowing calculation is obtained from the received frame of the wireless LAN. Note that the minimum sensitivity of the wireless LAN frame is -86 dBm (a value several dB lower than the minimum required sensitivity for the physical layer transmission rate of 6 Mb / s in the IEEE 802.11g wireless LAN), and if the received power is lower than this It was 120 dBm.
伝搬路は自由空間伝搬とし、簡単のため建造物や大地による反射および回折は発生しないとした。また、ＵＡＶが送信する無線ＬＡＮ信号の中心周波数は２．４４２ＧＨｚとし、ＵＡＶと地上局との間が建造物により見通し外となる場合は十分に大きなシャドウイングを受けるとした。 The propagation path is assumed to be free space propagation, and for the sake of simplicity, it is assumed that reflection and diffraction by a building or ground do not occur. In addition, the central frequency of the wireless LAN signal transmitted by the UAV is 2.442 GHz, and if the space between the UAV and the ground station is out of sight due to a structure, it receives a sufficiently large shadowing.
（シミュレーション結果）
図１３は、アルゴリズムＩＩの所要受信電力に対するマージンｐmrgn対所要受信電力のアウテージ率特性を示す第１の図である。
(simulation result)
FIG. 13 is a first diagram showing a margin pmrgn with respect to required reception power of algorithm II and an outage ratio characteristic of the required reception power.
ここで、ＵＡＶの送信電力が１３ｄＢｍ、飛行高度が３０ｍとしている。なお、アルゴリズムＩＩにおいて受信電力マージンｐmrgnを無限大とすると、アルゴリズムＩと同一の処理となる。 Here, the transmission power of the UAV is 13 dBm and the flight altitude is 30 m. When the received power margin p mrgn is infinite in algorithm II, the processing is the same as that of algorithm I.
ＵＡＶが１２０°間隔で飛行している場合（図中の“Angle spacing between ＵＡＶs: １２０degrees”）、アルゴリズムＩを適用した場合のアウテージ率は約４.３％である。 When the UAV is flying at 120 ° intervals (“Angle spacing between UAVs: 120 degrees” in the figure), the outage rate when algorithm I is applied is about 4.3%.
これに対して、アルゴリズムＩＩでは１０ｄＢ以下の受信電力マージンを設定すると、アルゴリズムＩと比較してアウテージ率が劣化している。これは、ＵＡＶの位置予測に誤差が含まれており、かつビーム幅が狭いアンテナを使用しているため、追尾方向の誤差により第１追尾対象ＵＡＶの所要受信電力が満たせない状況が発生しやすくなるためである。 On the other hand, in the algorithm II, when the reception power margin of 10 dB or less is set, the outage probability is deteriorated compared to the algorithm I. This is because an error is included in the position prediction of the UAV and an antenna with a narrow beam width is used, so it is easy for a situation where the required reception power of the first tracking target UAV can not be satisfied due to an error in the tracking direction. In order to
一方、受信電力マージンが１５ｄＢの場合は最良の特性が得られており、アウテージ率は約１．６％まで改善する。 On the other hand, when the reception power margin is 15 dB, the best characteristics are obtained, and the outage rate improves to about 1.6%.
これは第１追尾対象ＵＡＶの受信電力に余裕がある状況のみ第２追尾対象ＵＡＶへの利得が高くなるよう追尾方向制御を行うことで、第１追尾対象ＵＡＶの受信電力確保に関する安定性と第２追尾対象ＵＡＶの受信電力向上との間のバランスが取れていることを示している。 This is by performing tracking direction control so that the gain to the second tracking target UAV is high only in a situation where there is a margin for the received power of the first tracking target UAV, and stability and the first regarding securing the reception power of the first tracking target UAV (2) It shows that the reception power improvement of the tracking target UAV is well balanced.
ＵＡＶの間隔をランダムにした場合（図中の“Angle spacing between ＵＡＶs: random”）、アルゴリズムＩを適用した場合のアウテージ率は約５．６％であり、１２０°間隔で飛行している場合と比較して劣化している。これは、ＵＡＶが少数の地上局の近傍に集まり、狭いビーム幅では全てのＵＡＶに対して十分な受信電力を確保できないケースが発生するためと考えられる。 When the interval of UAV is made random (“Angle spacing between UAVs: random” in the figure), the outage rate when algorithm I is applied is approximately 5.6%, and when flying at intervals of 120 ° It has deteriorated in comparison. This is considered to be due to the case where UAVs gather near a small number of ground stations and a narrow beam width can not secure sufficient received power for all UAVs.
アルゴリズムＩＩを適用した場合、受信電力マージンが１５ｄＢのアウテージ率は約５．３％であり、アルゴリズムＩと比較してわずかにアウテージ率が改善している。ただし、ＵＡＶが１２０°間隔で飛行している場合と比較して、受信電力マージンが１０ｄＢ以上では、ほとんどアウテージ率に差が見られない。このことから、複数のＵＡＶを同時運用する場合、個々のＵＡＶにおいて所要受信電力を確保するには飛行経路に関して一定の制約が生じることが分かる。 When Algorithm II is applied, the outage rate with a received power margin of 15 dB is about 5.3%, and the outage rate is slightly improved compared to Algorithm I. However, when the received power margin is 10 dB or more, almost no difference in the outage rate is observed as compared with the case where the UAV flies at intervals of 120 °. From this, it can be understood that, in the case of simultaneously operating a plurality of UAVs, certain constraints on the flight path arise in order to secure the required reception power in each UAV.
図１４は、アルゴリズムＩＩの所要受信電力に対するマージンｐmrgn［ｄＢｍ］対所要受信電力のアウテージ率特性を示す第２の図である。 FIG. 14 is a second diagram illustrating margin p mrgn [dBm] for required received power of algorithm II versus the outage ratio characteristics of required received power.
ここでは、ＵＡＶの送信電力が１６ｄＢｍ、飛行高度が３０ｍである。 Here, the transmission power of the UAV is 16 dBm and the flight altitude is 30 m.
ＵＡＶが１２０°間隔で飛行している場合、アルゴリズムＩにおけるアウテージ率は約２．８％であり、送信電力が１３ｄＢｍの場合（図１３）と比較して約１．５％改善している。 When the UAV is flying at 120 ° intervals, the outage rate in Algorithm I is about 2.8%, which is an improvement of about 1.5% as compared to the case where the transmission power is 13 dBm (FIG. 13).
一方、アルゴリズムＩＩを適用すると、受信電力マージンが１５ｄＢ以下では送信電力が１３ｄＢｍの場合と比較してアウテージ率が劣化する。一方、受信電力マージンが２０ｄＢ以上ではアウテージ率が改善し、受信電力マージンが２０ｄＢの時に最良のアウテージ率０．７％が得られている。 On the other hand, when algorithm II is applied, the outage probability is degraded when the reception power margin is 15 dB or less compared to when the transmission power is 13 dBm. On the other hand, when the received power margin is 20 dB or more, the outage ratio improves, and when the received power margin is 20 dB, the best outage ratio of 0.7% is obtained.
また、ＵＡＶの間隔をランダムにした場合、アルゴリズムＩおよびアルゴリズムＩＩの最良点（受信電力マージンが２０ｄＢ）におけるアウテージ率はそれぞれ約４．４％および約４．２％であり、送信電力が１３ｄＢｍの場合と比較して１％程度改善している。 Furthermore, when the UAV interval is random, the outage rates at the best points of algorithm I and algorithm II (receive power margin is 20 dB) are approximately 4.4% and 4.2%, respectively, and the transmit power is 13 dBm. It has improved about 1% compared to the case.
以上から、アルゴリズムＩＩを有効に機能させるには、ＵＡＶの送信電力等の状況に応じて適応的に受信電力マージンを調整する必要があることが分かる。 From the above, it can be seen that it is necessary to adjust the reception power margin adaptively according to the conditions such as the transmission power of the UAV in order to make the algorithm II function effectively.
図１５は、アルゴリズムＩＩの所要受信電力に対するマージンｐmrgn［ｄＢｍ］対所要受信電力のアウテージ率特性を示す第３の図である。 FIG. 15 is a third diagram showing margin p mrgn [dBm] for required received power of algorithm II versus the outage ratio characteristics of required received power.
ここでは、ＵＡＶの送信電力を１６ｄＢｍとし、３機のＵＡＶの飛行高度をそれぞれ３０ｍ、６０ｍおよび９０ｍした場合を示す。 In this case, the transmission power of the UAV is 16 dBm, and the flying altitudes of three UAVs are 30 m, 60 m and 90 m, respectively.
ＵＡＶの飛行間隔が１２０°の場合、アルゴリズムＩのアウテージ率とアルゴリズムＩＩの最良アウテージ率はそれぞれ２．６％および０．７％である。これは、全ＵＡＶの飛行高度が３０ｍである場合とほぼ同じ値である。 When the UAV flight interval is 120 °, the outage rate of Algorithm I and the best outage rate of Algorithm II are 2.6% and 0.7%, respectively. This is approximately the same value as when all UAVs have a flight altitude of 30 m.
ＵＡＶの飛行間隔をランダムにした場合、アルゴリズムＩのアウテージ率は５．４％であり、全ＵＡＶの飛行高度が３０ｍの場合と比較して１％程度劣化している。 When the UAV flight interval is made random, the outage rate of Algorithm I is 5.4%, and it is degraded by about 1% compared to the case where the flight altitude of all UAVs is 30 m.
一方、アルゴリズムＩＩの最良アウテージ率は４．５％であり、全ＵＡＶの飛行高度が３０ｍの場合からの劣化量は０．３％に止まっている。これは、複数のＵＡＶが同方向かつ違う高度で飛行している場合に、アルゴリズムＩＩが効果的に機能したと考えられる。 On the other hand, the best outage rate of Algorithm II is 4.5%, and the amount of deterioration from the case where the flight altitude of all UAVs is 30 m is only 0.3%. It is considered that Algorithm II worked effectively when multiple UAVs are flying in the same direction and at different altitudes.
以上説明したように、シミュレーションの結果、地上局が状況に応じて２機のＵＡＶを追尾するアルゴリズムは、ＵＡＶの飛行方向や飛行高度に差がある場合に、常に１機のＵＡＶを追尾するアルゴリズムと比較して良好なアウテージ率を達成することが可能である。 As described above, as a result of simulation, the algorithm for the ground station to track two UAVs according to the situation is an algorithm that always tracks one UAV when there is a difference between the UAV flight direction and the flight altitude. It is possible to achieve a better outage rate as compared to.
なお、状況に応じて追尾対象とするＵＡＶ数を決定する際の、要求受信電力に対するマージンの最適値が状況によって変化することから、マージンの値は適応的に変化させることが望ましい。 It should be noted that the value of the margin is desirably changed adaptively because the optimum value of the margin for the required received power changes depending on the situation when determining the number of UAVs to be tracked according to the situation.
以上のように、本実施の形態の追尾アンテナシステムおよび追尾アンテナ装置によれば、複数の地上局による複数の飛翔体に対する追尾において、効率的かつ安定なハンドオーバーを実行することが可能である。 As described above, according to the tracking antenna system and the tracking antenna device of the present embodiment, it is possible to execute efficient and stable handover in tracking of a plurality of projectiles by a plurality of ground stations.
今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time is an illustration of a configuration for specifically implementing the present invention, and does not limit the technical scope of the present invention. The technical scope of the present invention is indicated not by the description of the embodiment but by the scope of claims, and includes modifications within the scope of wording and meaning of the scope of claims. Is intended.
１０．１〜１０．Ｍ 指向性アンテナ、３０．１〜３０．Ｍ 駆動部、１００．１，１００．２ 無人航空機、１２０ アンテナ、２００．１〜２００．Ｍ 地上局、１２２ 無線部、１２４ 高周波スイッチ、１２６ ハイブリッド慣性航法装置、１２８ 搭載コンピュータ、１３０ 撮像装置、３００ システムサーバ、３０２ 通信Ｉ／Ｆ、３０４ 位置・姿勢情報取得部、３０６ 追尾方向制御部、３１０ 信号強度情報取得部、３１２ 接続局制御部、３２０ 撮像データ取得部、３２２ 記憶装置。 10.1-10. M directional antenna, 30.1-30. M drive, 100.1, 100.2 unmanned aerial vehicles, 120 antennas, 200.1-200. M ground station, 122 radio units, 124 high frequency switches, 126 hybrid inertial navigation devices, 128 computers, 130 imaging devices, 300 system servers, 302 communication I / F, 304 position / attitude information acquisition units, 306 tracking direction control units, 310 signal strength information acquisition unit, 312 connection station control unit, 320 imaging data acquisition unit, 322 storage device.
Claims (10)
複数の飛翔体を備え、
各前記複数の飛翔体は、
自身の位置、速度および姿勢を把握するための測位手段と、
無線信号を送受信可能な機体アンテナとを含み、
前記複数の飛翔体との間で無線通信を行うための複数の地上局を備え、
前記複数の地上局の各々は、
追尾制御指示に応じて、前記複数の飛翔体のうちの対応する飛翔体の方向に通信指向性を駆動する指向性制御手段と、
前記飛翔体からの受信信号強度を計測する信号強度計測手段とを含み、
前記複数の地上局の各々が接続する飛翔体を選択するとともに、前記複数の地上局の通信指向性を制御するための追尾制御指示を生成するための制御局をさらに備え、
前記制御局は、各前記飛翔体の位置、速度および姿勢の情報ならびに前記受信信号強度の情報に基づいて、前記地上局が、当該地上局の近傍側に位置する飛翔体を追尾しつつ、遠方側に位置する別の飛翔体を指向性のメインローブで捕捉するように、前記追尾制御指示を前記地上局に対して出力する、追尾アンテナシステム。 A tracking antenna system,
Equipped with multiple flight vehicles,
Each of the plurality of vehicles is
Positioning means for grasping its position, velocity and attitude;
Including an airframe antenna capable of transmitting and receiving radio signals;
A plurality of ground stations for wireless communication with the plurality of aircraft;
Each of the plurality of ground stations is
Directivity control means for driving communication directivity in the direction of a corresponding one of the plurality of flying objects in accordance with a tracking control instruction;
Signal strength measuring means for measuring the strength of the received signal from the projectile,
A control station for selecting a flying object to which each of the plurality of ground stations is connected and for generating a tracking control instruction for controlling communication directivity of the plurality of ground stations;
The control station is based on the information on the position, velocity and attitude of each of the projectiles and the information on the received signal strength that the ground station is tracking the projectile located in the vicinity of the ground station. A tracking antenna system which outputs the tracking control instruction to the ground station so as to capture another flying object located on the side with a directional main lobe.
前記各前記飛翔体の位置、速度および姿勢の情報に基づいて、所定時間後の前記飛翔体の位置を推定する飛翔体位置推定手段と、
前記推定された飛翔体の位置と前記受信信号強度の情報に基づいて、各前記地上局において、前記飛翔体についての伝搬損を推定し、推定された伝搬損が最小となる飛翔体を第１追尾対象に、２番目に最小となる飛翔体を第２追尾対象として選択する選択手段とを含む、請求項１記載の追尾アンテナシステム。 The control station
A projectile position estimating means for estimating the position of the projectile after a predetermined time based on the information of the position, velocity and attitude of each of the projectiles;
Each of the ground stations estimates the propagation loss of the projectile based on the information of the estimated position of the projectile and the received signal strength, and the projectile having the smallest estimated propagation loss is selected. The tracking antenna system according to claim 1, wherein the tracking target includes selecting means for selecting a second smallest flying object as a second tracking target.
前記予測された受信電力に基づいて、前記第１および第２追尾対象の予測される受信電力が、同時に所定のしきい値以上となる追尾方向が存在する場合、前記第１追尾対象の予測受信電力と第２追尾対象の予測受信電力のうちの小さい方の値が最大となる方向を追尾方向に設定する追尾方向制御手段を含む、請求項２記載の追尾アンテナシステム。 The control station is a reception power prediction unit that predicts reception power after the predetermined time based on the estimated propagation loss;
If there is a tracking direction in which the predicted received powers of the first and second tracking targets simultaneously exceed a predetermined threshold value based on the predicted received power, predicted reception of the first tracking target 3. The tracking antenna system according to claim 2, further comprising: tracking direction control means for setting, as a tracking direction, a direction in which the smaller one of the power and the predicted reception power of the second tracking target is maximum.
前記予測された受信電力に基づいて、前記第１追尾対象の予測受信電力が所定のしきい値以上となる追尾方向が存在し、前記第２追尾対象の予測受信電力が前記所定のしきい値に満たない場合、前記第１追尾対象の予測受信電力が前記所定のしきい値以上となる追尾方向の中で、前記第２追尾対象の予測受信電力が最大となる方向を追尾方向に設定する追尾方向制御手段を含む、請求項２記載の追尾アンテナシステム。 The control station is a reception power prediction unit that predicts reception power after the predetermined time based on the estimated propagation loss;
Based on the predicted reception power, there is a tracking direction in which the predicted reception power of the first tracking target is equal to or higher than a predetermined threshold, and the predicted reception power of the second tracking target is the predetermined threshold If the predicted reception power of the first tracking target is equal to or higher than the predetermined threshold value, the direction in which the predicted reception power of the second tracking target is maximum is set as the tracking direction. The tracking antenna system according to claim 2, comprising tracking direction control means.
前記予測された受信電力に基づいて、前記第１追尾対象の予測受信電力が所定のしきい値以上となる追尾方向が存在しない場合、前記第１追尾対象の予測受信電力が最大となる方向を追尾方向に設定する追尾方向制御手段を含む、請求項２記載の追尾アンテナシステム。 The control station is a reception power prediction unit that predicts reception power after the predetermined time based on the estimated propagation loss;
If there is no tracking direction in which the predicted reception power of the first tracking target is greater than or equal to a predetermined threshold value based on the predicted received power, the direction in which the predicted reception power of the first tracking target is maximum The tracking antenna system according to claim 2, further comprising: tracking direction control means for setting a tracking direction.
通信指向性を変更可能な追尾アンテナと、
前記飛翔体からの受信信号強度を計測する信号強度計測手段と、
前記複数の飛翔体のうちの対応する飛翔体の方向に通信指向性を駆動する指向性制御手段とを備え、
前記指向性制御手段は、各前記飛翔体の位置、速度および姿勢の情報ならびに前記受信信号強度の情報に基づいて、地上局が、当該地上局の近傍側に位置する飛翔体を追尾しつつ、遠方側に位置する別の飛翔体を指向性のメインローブで捕捉するように、前記通信指向性を制御する、追尾アンテナ装置。 A tracking antenna device for performing tracking for wireless communication with a plurality of projectiles, wherein each of the plurality of projectiles has positioning means for grasping its position, velocity and attitude, and a radio signal Including an airframe antenna capable of transmitting and receiving
Tracking antenna which can change communication directivity,
Signal strength measurement means for measuring the strength of the received signal from the projectile;
Directivity control means for driving communication directivity in the direction of a corresponding one of the plurality of projectiles;
The directional control means, the position of each of the flying object, based on the information of speed and attitude and information of the received signal strength, the land top station, while tracking the projectile located near side of the ground station A tracking antenna device for controlling the communication directivity so as to capture another projectile located on the far side with a main lobe of directivity.
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