JP6813520B2 - システム、管理装置及び飛行方法 - Google Patents

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Description

本発明は、第５世代通信の３次元化ネットワークの構築に適したＨＡＰＳ（高高度プラットフォーム局）等の無線中継装置の飛行を制御するシステム及び方法に関するものである。
従来、移動通信システムの通信規格である３ＧＰＰのＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）−Ａｄｖａｎｃｅｄ（非特許文献１参照）を発展させたＬＴＥ−ＡｄｖａｎｃｅｄＰｒｏと呼ばれる通信規格が知られている（非特許文献２参照）。このＬＴＥ−ＡｄｖａｎｃｅｄＰｒｏでは、近年のＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）向けデバイスへの通信を提供するための仕様が策定された。更に、ＩｏＴ向けデバイス等の多数の端末装置（「ＵＥ（ユーザ装置）」、「移動局」、「通信端末」ともいう。）への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代の移動通信が検討されている（例えば、非特許文献３参照）。
３ＧＰＰ ＴＳ ３６．３００ Ｖ１０．１２．０（２０１４−１２）． ３ＧＰＰ ＴＳ ３６．３００ Ｖ１３．５．０（２０１６−０９）． Ｇ． Ｒｏｍａｎｏ，「３ＧＰＰ ＲＡＮ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ "５Ｇ"」，３ＧＰＰ，２０１６．
上記第５世代移動通信等においてＩｏＴ向けデバイスを含む端末装置との間の無線通信にて３次元化したネットワークを実現するように上空を移動可能な複数の無線中継装置を配置する場合、複数の無線中継装置で形成する複数のセルのセル境界でハンドオーバーが頻発したり、隣接セルからの干渉が増大したりすることにより、通信品質が劣化するおそれがある。
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るシステムは、端末装置と無線通信する複数の無線中継装置を備えるシステムであって、前記複数の無線中継装置はそれぞれ、上空を飛行して移動可能に設けられ、地上又は海上に向けてセルを形成して前記セルに在圏する端末装置と無線通信する無線中継局を備え、自律制御により又は外部からの制御により、無線中継装置間の位置関係を維持するように互いに協調して飛行する。
前記システムにおいて、前記複数の無線中継装置はそれぞれ、水平方向における無線中継装置間の位置関係を維持する協調飛行を行ってもよい。
また、前記システムにおいて、前記複数の無線中継装置はそれぞれ、高さ方向における無線中継装置間の位置関係を維持するように協調飛行を行ってもよい。
また、前記システムにおいて、前記複数の無線中継装置はそれぞれ、前記無線中継装置の飛行方向及び飛行方向に対する姿勢が無線中継装置間で互いに同じになるように協調飛行を行ってもよい。
また、前記システムにおいて、前記複数の無線中継装置のいずれかの無線中継装置の飛行パターンが変化したとき、他の無線中継装置は、前記いずれかの無線中継装置の変化後の飛行パターンと同じ飛行パターンで飛行するように制御されてもよい。
また、前記システムにおいて、前記複数の無線中継装置は、各無線中継装置の位置に基づいて、地上又は海上の互いに異なる複数のエリアに対応する複数のグループに分類され、前記グループごとに前記無線中継装置の協調飛行の制御を行ってもよい。
また、前記システムにおいて、前記複数の無線中継装置のいずれかの無線中継装置を前記飛行の制御の基準となる無線中継装置に設定し、前記基準の無線中継装置を中心にして、前記基準の無線中継装置に協調して飛行するように他の無線中継装置の飛行を制御することにより、前記複数の無線中継装置の全体の協調飛行を制御してもよい。
また、前記システムにおいて、前記複数の無線中継装置を管理する管理装置を備え、前記管理装置は、前記複数の無線中継装置それぞれの現在位置、高度及び姿勢の少なくとも一つを含む情報を、前記複数の無線中継装置それぞれから地上又は海上のゲートウェイ局を経由して取得し、前記無線中継装置の情報に基づいて、前記協調の飛行を行うための制御情報を、前記ゲートウェイ局を経由して前記複数の無線中継装置それぞれに送信してもよい。
また、前記システムにおいて、前記複数の無線中継装置を管理する管理装置を備え、前記複数の無線中継装置のいずれか一つの無線中継装置は、他の無線中継装置それぞれの現在位置、高度及び姿勢の少なくとも一つを含む情報を前記他の無線中継装置から取得し、前記管理装置は、前記複数の無線中継装置それぞれの現在位置、高度及び姿勢の少なくとも一つを含む情報を、前記いずれか一つの無線中継装置から地上又は海上のゲートウェイ局を経由して取得し、前記無線中継装置の情報に基づいて、前記協調の飛行を行うための制御情報を、前記ゲートウェイ局を経由して前記いずれか一つの無線中継装置に送信し、前記ゲートウェイ局及び前記いずれか一つの無線中継装置を経由して前記他の無線中継装置に送信してもよい。
また、前記システムにおいて、前記無線中継装置は、その無線中継装置の近くに位置する他の無線中継装置の現在位置、高度及び姿勢の少なくとも一つを含む情報を前記他の無線中継装置から取得し、前記無線中継装置の情報に基づいて前記他の無線中継装置と協調して飛行するように制御することを特徴とするシステム。
本発明の他の態様に係る無線中継装置は、端末装置と無線通信する無線中継装置であって、上空を飛行して移動可能に設けられ、地上又は海上に向けてセルを形成して前記セルに在圏する端末装置と無線通信する無線中継局を備え、自律制御により又は外部からの制御により、当該無線中継装置の近くに位置する他の無線中継装置との位置関係を維持するように前記他の無線中継装置と協調して飛行する。
本発明の更に他の態様に係る管理装置は、端末装置と無線通信する複数の無線中継装置を管理する管理装置であって、上空を飛行して移動可能に設けられ地上又は海上に向けてセルを形成して前記セルに在圏する端末装置と無線通信する複数の無線中継装置それぞれの現在位置、高度及び姿勢の少なくとも一つを含む情報を、前記複数の無線中継装置それぞれから地上又は海上のゲートウェイ局を経由して取得し、前記複数の無線中継装置の情報に基づいて、無線中継装置間の位置関係を維持するように前記複数の無線中継装置が互いに協調して飛行するための制御情報を、前記ゲートウェイ局を経由して前記複数の無線中継装置それぞれに送信する。
本発明の更に他の態様に係る管理装置は、端末装置と無線通信する複数の無線中継装置を管理する管理装置であって、上空を飛行して移動可能に設けられ地上又は海上に向けてセルを形成して前記セルに在圏する端末装置と無線通信する複数の無線中継装置それぞれの現在位置、高度及び姿勢の少なくとも一つを含む情報を、前記複数の無線中継装置のいずれか一つの無線中継装置から地上又は海上のゲートウェイ局を経由して取得し、前記複数の無線中継装置の情報に基づいて、無線中継装置間の位置関係を維持するように前記複数の無線中継装置が互いに協調して飛行するための制御情報を、前記ゲートウェイ局を経由して前記いずれか一つの無線中継装置に送信し、前記ゲートウェイ局及び前記いずれか一つの無線中継装置を経由して他の無線中継装置に送信する。
本発明の更に他の態様に係る方法は、端末装置と無線通信する複数の無線中継装置の飛行方法であって、上空を飛行して移動可能に設けられ地上又は海上に向けてセルを形成して前記セルに在圏する端末装置と無線通信する複数の無線中継装置は、自律制御により又は外部からの制御により、自律制御により又は外部からの制御により、無線中継装置間の位置関係を維持するように互いに協調して飛行する。
本発明によれば、上空を移動可能な複数の無線中継装置で形成する複数のセルのセル境界におけるハンドオーバーの頻発や隣接セルからの干渉の増大による通信品質の劣化を抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図。 実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳの一例を示す斜視図。 実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳの他の例を示す側面図。 実施形態の複数のＨＡＰＳで上空に形成される無線ネットワークの一例を示す説明図。 更に他の実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図。 実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の一構成例を示すブロック図。 実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の他の構成例を示すブロック図。 実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の更に他の構成例を示すブロック図。 （ａ）及び（ｂ）は実施形態に係る複数のＨＡＰＳの協調飛行の一例を示す説明図。 （ａ）及び（ｂ）は比較例に係る無秩序飛行状態の複数のＨＡＰＳの一例を示す説明図。 （ａ）及び（ｂ）は実施形態に係る複数のＨＡＰＳの協調飛行の他の例を示す説明図。 （ａ）及び（ｂ）は比較例に係る無秩序飛行状態の複数のＨＡＰＳの他の例を示す説明図。 （ａ）〜（ｃ）はＨＡＰＳが飛行している上空の風の強さに応じて決定される飛行ルートの形状の例を示す説明図。 実施形態に係るＨＡＰＳのグループ協調飛行の一例を示す説明図。 実施形態に係るＨＡＰＳのアンカー機体を中心とした協調飛行の一例を示す説明図。 実施形態に係るＨＡＰＳの協調飛行を制御可能な集中制御型の制御システムの一例を示す説明図。 実施形態に係るＨＡＰＳの協調飛行を制御可能な集中制御型の制御システムの他の例を示す説明図。 実施形態に係るＨＡＰＳの協調飛行を制御可能な自律制御側の制御システムの一例を示す説明図。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。
本実施形態に係る通信システムは、多数の端末装置への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。
図１に示すように、通信システムは、複数の空中浮揚型の通信中継装置（無線中継装置）としての高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）１０，２０を備えている。ＨＡＰＳ１０，２０は、所定高度の空域に位置して、所定高度のセル形成目標空域４０に図中ハッチング領域で示すような３次元セル（３次元エリア）４１，４２を形成する。ＨＡＰＳ１０，２０は、自律制御又は外部から制御により地面又は海面から１００［ｋｍ］以下の高高度の空域（浮揚空域）５０に浮遊あるいは飛行して位置するように制御される浮揚体（例えば、ソーラープレーン、飛行船）に、無線中継局が搭載されたものである。
ＨＡＰＳ１０，２０の位置する空域５０は、例えば、高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏の空域である。この空域５０は、気象条件が比較的安定している高度１５［ｋｍ］以上２５［ｋｍ］以下の空域であってもよく、特に高度がほぼ２０［ｋｍ］の空域であってもよい。図中のＨｒｓｌ及びＨｒｓｕはそれぞれ、地面（ＧＬ）を基準にしたＨＡＰＳ１０，２０の位置する空域５０の下端及び上端の相対的な高度を示している。
セル形成目標空域４０は、本実施形態の通信システムにおける１又は２以上のＨＡＰＳで３次元セルを形成する目標の空域である。セル形成目標空域４０は、ＨＡＰＳ１０，２０が位置する空域５０と従来のマクロセル基地局等の基地局（例えばＬＴＥのｅＮｏｄｅＢ）９０がカバーする地面近傍のセル形成領域との間に位置する、所定高度範囲（例えば、５０［ｍ］以上１０００［ｍ］以下の高度範囲）の空域である。図中のＨｃｌ及びＨｃｕはそれぞれ、地面（ＧＬ）を基準にしたセル形成目標空域４０の下端及び上端の相対的な高度を示している。
なお、本実施形態の３次元セルが形成されるセル形成目標空域４０は、海、川又は湖の上空であってもよい。
ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局はそれぞれ、移動局である端末装置と無線通信するためのビーム１００，２００を地面に向けて形成する。端末装置は、遠隔操縦可能な小型のヘリコプター等の航空機であるドローン６０に組み込まれた通信端末モジュールでもよいし、飛行機６５の中でユーザが使用するユーザ装置であってもよい。セル形成目標空域４０においてビーム１００，２００が通過する領域が３次元セル４１，４２である。セル形成目標空域４０において互いに隣り合う複数のビーム１００，２００は部分的に重なってもよい。
ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局はそれぞれ、例えば、地上（又は海上）側のコアネットワークに接続された中継局としてのゲートウェイ局（「フィーダ局」ともいう。）７０と無線通信する基地局、又は、地上（又は海上）側の基地局に接続された中継局としてのフィーダ局（リピーター親機）７０と無線通信するリピーター子機である。ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局はそれぞれ、地上又は海上に設置されたフィーダ局７０を介して、移動通信網８０のコアネットワークに接続されている。ＨＡＰＳ１０，２０とフィーダ局７０との間の通信は、マイクロ波などの電波による無線通信で行ってもよいし、レーザ光などを用いた光通信で行ってもよい。
ＨＡＰＳ１０，２０はそれぞれ、内部に組み込まれたコンピュータ等で構成された制御部が制御プログラムを実行することにより、自身の浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理を自律制御してもよい。例えば、ＨＡＰＳ１０，２０はそれぞれ、自身の現在位置情報（例えばＧＰＳ位置情報）、予め記憶した位置制御情報（例えば、飛行スケジュール情報）、周辺に位置する他のＨＡＰＳの位置情報などを取得し、それらの情報に基づいて浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理を自律制御してもよい。
また、ＨＡＰＳ１０，２０それぞれの浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理は、移動通信網８０の通信センター等に設けられた管理装置としての管理装置（「遠隔制御装置」ともいう。）８５によって制御できるようにしてもよい。管理装置８５は、例えば、ＰＣなどのコンピュータ装置やサーバ等で構成することができる。この場合、ＨＡＰＳ１０，２０は、管理装置８５からの制御情報を受信したり管理装置８５に監視情報などの各種情報を送信したりできるように制御用通信端末装置（例えば、移動通信モジュール）が組み込まれ、管理装置８５から識別できるように端末識別情報（例えば、ＩＰアドレス、電話番号など）が割り当てられるようにしてもよい。制御用通信端末装置の識別には通信インターフェースのＭＡＣアドレスを用いてもよい。また、ＨＡＰＳ１０，２０はそれぞれ、自身又は周辺のＨＡＰＳの浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理に関する情報、ＨＡＰＳ１０，２０の状態に関する情報や各種センサなどで取得した観測データなどの監視情報を、管理装置８５等の所定の送信先に送信するようにしてもよい。制御情報は、ＨＡＰＳの目標飛行ルート情報を含んでもよい。監視情報は、ＨＡＰＳ１０，２０の現在位置、飛行ルート履歴情報、対気速度、対地速度及び推進方向、ＨＡＰＳ１０，２０の周辺の気流の風速及び風向、並びに、ＨＡＰＳ１０，２０の周辺の気圧及び気温の少なくとも一つの情報を含んでもよい。
セル形成目標空域４０では、ＨＡＰＳ１０，２０のビーム１００，２００が通過していない領域（３次元セル４１，４２が形成されない領域）が発生するおそれがある。この領域を補完するため、図１の構成例のように、地上側又は海上側から上方に向かって放射状のビーム３００を形成して３次元セル４３を形成してＡＴＧ（Ａｉｒ Ｔｏ Ｇｒｏｕｎｄ）接続を行う基地局（以下「ＡＴＧ局」という。）３０を備えてもよい。
また、ＡＴＧ局３０を用いずに、ＨＡＰＳ１０，２０の位置やビーム１００，２００の発散角（ビーム幅）等を調整することにより、ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局が、セル形成目標空域４０に３次元セルがくまなく形成されるように、セル形成目標空域４０の上端面の全体をカバーするビーム１００，２００を形成してもよい。
なお、前記ＨＡＰＳ１０，２０で形成する３次元セルは、地上又は海上に位置する端末装置との間でも通信できるよう地面又は海面に達するように形成してもよい。
図２は、実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳ１０の一例を示す斜視図である。
図２のＨＡＰＳ１０は、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳであり、長手方向の両端部側が上方に沿った主翼部１０１と、主翼部１０１の短手方向の一端縁部にバス動力系の推進装置としての複数のモータ駆動のプロペラ１０３とを備える。主翼部１０１の上面には、太陽光発電機能を有する太陽光発電部としての太陽光発電パネル（以下「ソーラーパネル」という。）１０２が設けられている。また、主翼部１０１の下面の長手方向の２箇所には、板状の連結部１０４を介して、ミッション機器が収容される複数の機器収容部としてのポッド１０５が連結されている。各ポッド１０５の内部には、ミッション機器としての無線中継局１１０と、バッテリー１０６とが収容されている。また、各ポッド１０５の下面側には離発着時に使用される車輪１０７が設けられている。ソーラーパネル１０２で発電された電力はバッテリー１０６に蓄電され、バッテリー１０６から供給される電力により、プロペラ１０３のモータが回転駆動され、無線中継局１１０による無線中継処理が実行される。
ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０は、例えば所定の目標飛行ルートに基づいて円形状に旋回飛行を行ったり「Ｄ」の字飛行を行ったり「８」の字飛行を行ったりすることにより揚力で浮揚し、所定の高度で水平方向の所定の範囲に滞在するように浮揚することができる。なお、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０は、プロペラ１０３が回転駆動されていないときは、グライダーのように飛ぶこともできる。例えば、昼間などのソーラーパネル１０２の発電によってバッテリー１０６の電力が余っているときに高い位置に上昇し、夜間などのソーラーパネル１０２で発電できないときにバッテリー１０６からモータへの給電を停止してグライダーのように飛ぶことができる。
また、ＨＡＰＳ１０は、他のＨＡＰＳや人工衛星と光通信に用いられる通信部としての３次元対応指向性の光アンテナ装置１３０を備えている。なお、図２の例では主翼部１０１の長手方向の両端部に光アンテナ装置１３０を配置しているが、ＨＡＰＳ１０の他の箇所に光アンテナ装置１３０を配置してもよい。なお、他のＨＡＰＳや人工衛星と光通信に用いられる通信部は、このような光通信を行うものに限らず、マイクロ波などの電波による無線通信などの他の方式による無線通信であってもよい。
図３は、実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳ２０の他の例を示す斜視図である。
図３のＨＡＰＳ２０は、無人飛行船タイプのＨＡＰＳであり、ペイロードが大きいため大容量のバッテリーを搭載することができる。ＨＡＰＳ２０は、浮力で浮揚するためのヘリウムガス等の気体が充填された飛行船本体２０１と、バス動力系の推進装置としてのモータ駆動のプロペラ２０２と、ミッション機器が収容される機器収容部２０３とを備える。機器収容部２０３の内部には、無線中継局２１０とバッテリー２０４とが収容されている。バッテリー２０４から供給される電力により、プロペラ２０２のモータが回転駆動され、無線中継局２１０による無線中継処理が実行される。
なお、飛行船本体２０１の上面に、太陽光発電機能を有するソーラーパネルを設け、ソーラーパネルで発電された電力をバッテリー２０４に蓄電するようにしてもよい。
また、無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０も、他のＨＡＰＳや人工衛星と光通信に用いられる通信部としての３次元対応指向性の光アンテナ装置２３０を備えている。なお、図３の例では飛行船本体２０１の上面部及び機器収容部２０３の下面部に光アンテナ装置２３０を配置しているが、ＨＡＰＳ２０の他の部分に光アンテナ装置２３０を配置してもよい。なお、他のＨＡＰＳや人工衛星と光通信に用いられる通信部は、このような光通信を行うものに限らず、マイクロ波などの電波による無線通信などの他の方式による無線通信を行うものであってもよい。
図４は、実施形態の複数のＨＡＰＳ１０，２０で上空に形成される無線ネットワークの一例を示す説明図である。
複数のＨＡＰＳ１０，２０は、上空で互いに光通信によるＨＡＰＳ間通信ができるように構成され、３次元化したネットワークを広域にわたって安定に実現することができるロバスト性に優れた無線通信ネットワークを形成する。この無線通信ネットワークは、各種環境や各種情報に応じたダイナミックルーティングによるアドホックネットワークとして機能することもできる。前記無線通信ネットワークは、２次元又は３次元の各種トポロジーを有するように形成することができ、例えば、図４に示すようにメッシュ型の無線通信ネットワークであってもよい。
図５は、他の実施形態に係る通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。
なお、図５において、前述の図１と共通する部分については同じ符号を付し、その説明は省略する。
図５の実施形態では、ＨＡＰＳ１０と移動通信網８０のコアネットワークとの間の通信を、フィーダ局７０及び低軌道の人工衛星７２を介して行っている。この場合、人工衛星７２とフィーダ局７０との間の通信は、マイクロ波などの電波による無線通信で行ってもよいし、レーザ光などを用いた光通信で行ってもよい。また、ＨＡＰＳ１０と人工衛星７２との間の通信については、レーザ光などを用いた光通信で行っている。
図６は、実施形態のＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０の一構成例を示すブロック図である。
図５の無線中継局１１０，２１０はリピータータイプの無線中継局の例である。無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、３Ｄセル形成アンテナ部１１１と、送受信部１１２と、フィード用アンテナ部１１３と、送受信部１１４と、リピーター部１１５と、監視制御部１１６と、電源部１１７とを備える。更に、無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、ＨＡＰＳ間通信などに用いる光通信部１２５と、ビーム制御部１２６とを備える。
３Ｄセル形成アンテナ部１１１は、セル形成目標空域４０に向けて放射状のビーム１００，２００を形成するアンテナを有し、端末装置と通信可能な３次元セル４１，４２を形成する。送受信部１１２は、３Ｄセル形成アンテナ部１１１とともに第一無線通信部を構成し、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、３Ｄセル形成アンテナ部１１１を介して、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置に無線信号を送信したり端末装置から無線信号を受信したりする。
フィード用アンテナ部１１３は、地上又は海上のフィーダ局７０と無線通信するための指向性アンテナを有する。送受信部１１４は、フィード用アンテナ部１１３とともに第二無線通信部を構成し、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、フィード用アンテナ部１１３を介して、フィーダ局７０に無線信号を送信したりフィーダ局７０から無線信号を受信したりする。
リピーター部１１５は、端末装置との間で送受信される送受信部１１２の信号と、フィーダ局７０との間で送受信される送受信部１１４の信号とを中継する。リピーター部１１５は、所定周波数の中継対象信号を所定のレベルまで増幅するアンプ機能を有する。リピーター部１１５は、中継対象信号の周波数を変換する周波数変換機能を有してもよい。
監視制御部１１６は、例えばＣＰＵ及びメモリ等で構成され、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、ＨＡＰＳ１０，２０内の各部の動作処理状況を監視したり各部を制御したりする。特に、監視制御部１１６は、制御プログラムを実行することにより、プロペラ１０３，２０２を駆動するモータ駆動部１４１を制御して、ＨＡＰＳ１０，２０を目標位置へ移動させ、また、目標位置近辺に留まるように制御する。
電源部１１７は、バッテリー１０６，２０４から出力された電力をＨＡＰＳ１０，２０内の各部に供給する。電源部１１７は、太陽光発電パネル等で発電した電力や外部から給電された電力をバッテリー１０６，２０４に蓄電させる機能を有してもよい。
光通信部１２５は、レーザ光等の光通信媒体を介して周辺の他のＨＡＰＳ１０，２０や人工衛星７２と通信する。この通信により、ドローン６０等の端末装置と移動通信網８０との間の無線通信を動的に中継するダイナミックルーティングが可能になるとともに、いずれかのＨＡＰＳが故障したときに他のＨＡＰＳがバックアップして無線中継することにより移動通信システムのロバスト性を高めることができる。
ビーム制御部１２６は、ＨＡＰＳ間通信や人工衛星７２との通信に用いるレーザ光などのビームの方向及び強度を制御したり、周辺の他のＨＡＰＳ（無線中継局）との間の相対的な位置の変化に応じてレーザ光等の光ビームによる通信を行う他のＨＡＰＳ（無線中継局）を切り替えるように制御したりする。この制御は、例えば、ＨＡＰＳ自身の位置及び姿勢、周辺のＨＡＰＳの位置などに基づいて行ってもよい。ＨＡＰＳ自身の位置及び姿勢の情報は、そのＨＡＰＳに組み込んだＧＰＳ受信装置、ジャイロセンサ、加速度センサなどの出力に基づいて取得し、周辺のＨＡＰＳの位置の情報は、移動通信網８０に設けた管理装置８５、又は、ＨＡＰＳ管理サーバやアプリケーションサーバ等のサーバ８６から取得してもよい。
図７は、実施形態のＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０の他の構成例を示すブロック図である。
図７の無線中継局１１０，２１０は基地局タイプの無線中継局の例である。
なお、図７において、図６と同様な構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図７の無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、モデム部１１８を更に備え、リピーター部１１５の代わりに基地局処理部１１９を備える。更に、無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、光通信部１２５とビーム制御部１２６とを備える。
モデム部１１８は、例えば、フィーダ局７０からフィード用アンテナ部１１３及び送受信部１１４を介して受信した受信信号に対して復調処理及び復号処理を実行し、基地局処理部１１９側に出力するデータ信号を生成する。また、モデム部１１８は、基地局処理部１１９側から受けたデータ信号に対して符号化処理及び変調処理を実行し、フィード用アンテナ部１１３及び送受信部１１４を介してフィーダ局７０に送信する送信信号を生成する。
基地局処理部１１９は、例えば、ＬＴＥ／ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄの標準規格に準拠した方式に基づいてベースバンド処理を行うｅ−ＮｏｄｅＢとしての機能を有する。基地局処理部１１９は、第５世代等の将来の移動通信の標準規格に準拠する方式で処理するものであってもよい。
基地局処理部１１９は、例えば、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置から３Ｄセル形成アンテナ部１１１及び送受信部１１２を介して受信した受信信号に対して復調処理及び復号処理を実行し、モデム部１１８側に出力するデータ信号を生成する。また、基地局処理部１１９は、モデム部１１８側から受けたデータ信号に対して符号化処理及び変調処理を実行し、３Ｄセル形成アンテナ部１１１及び送受信部１１２を介して３次元セル４１，４２の端末装置に送信する送信信号を生成する。
図８は、実施形態のＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０の更に他の構成例を示すブロック図である。
図８の無線中継局１１０，２１０はエッジコンピューティング機能を有する高機能の基地局タイプの無線中継局の例である。なお、図８において、図６及び図７と同様な構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図８の無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、図７の構成要素に加えてエッジコンピューティング部１２０を更に備える。
エッジコンピューティング部１２０は、例えば小型のコンピュータで構成され、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０における無線中継などに関する各種の情報処理を実行することができる。
例えば、エッジコンピューティング部１２０は、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置から受信したデータ信号に基づいて、そのデータ信号の送信先を判定し、その判定結果に基づいて通信の中継先を切り換える処理を実行する。より具体的には、基地局処理部１１９から出力されたデータ信号の送信先が自身の３次元セル４１，４２に在圏する端末装置の場合は、そのデータ信号をモデム部１１８に渡さずに、基地局処理部１１９に戻して自身の３次元セル４１，４２に在圏する送信先の端末装置に送信するようにする。一方、基地局処理部１１９から出力されたデータ信号の送信先が自身の３次元セル４１，４２以外の他のセルに在圏する端末装置の場合は、そのデータ信号をモデム部１１８に渡してフィーダ局７０に送信し、移動通信網８０を介して送信先の他のセルに在圏する送信先の端末装置に送信するようにする。
エッジコンピューティング部１２０は、３次元セル４１，４２に在圏する多数の端末装置から受信した情報を分析する処理を実行してもよい。この分析結果は３次元セル４１，４２に在圏する多数の端末装置に送信したり、移動通信網８０に設けた管理装置８５、又は、管理装置としてのＨＡＰＳ管理サーバやアプリケーションサーバ（アプリサーバ）等のサーバ８６などに送信したりしてもよい。
無線中継局１１０、２１０を介した端末装置との無線通信の上りリンク及び下りリンクの複信方式は、特定の方式に限定されず、例えば、時分割複信（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ：ＴＤＤ）方式でもよいし、周波数分割複信（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ：ＦＤＤ）方式でもよい。また、無線中継局１１０、２１０を介した端末装置との無線通信のアクセス方式は、特定の方式に限定されず、例えば、ＦＤＭＡ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、又は、ＯＦＤＭＡ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）であってもよい。また、前記無線通信には、ダイバーシティ・コーディング、送信ビームフォーミング、空間分割多重化（ＳＤＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）等の機能を有し、送受信両方で複数のアンテナを同時に利用することにより、単位周波数当たりの伝送容量を増やすことができるＭＩＭＯ（多入力多出力：Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術を用いてもよい。また、前記ＭＩＭＯ技術は、１つの基地局が１つの端末装置と同一時刻・同一周波数で複数の信号を送信するＳＵ−ＭＩＭＯ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術でもよいし、１つの基地局が複数の異なる端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信又は複数の異なる基地局が１つの端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信するＭＵ−ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術であってもよい。
以下、端末装置と無線通信する無線中継装置が、無線中継局１１０を有するソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０である場合について説明するが、以下の実施形態は、無線中継局２１０を有する無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０等の上空を移動可能な他の無線中継装置にも同様に適用できる。
また、無線中継局１１０を有するＨＡＰＳ１０とフィーダ局としてのゲートウェイ局（以下「ＧＷ局」と略す。）７０を介した基地局９０との間のリンクを「フィーダリンク」といい、ＨＡＰＳ１０と端末装置６１の間のリンクを「サービスリンク」という。特に、ＨＡＰＳ１０とＧＷ局７０との間の区間を「フィーダリンクの無線区間」という。また、ＧＷ局７０からＨＡＰＳ１０を経由して端末装置６１に向かう通信のダウンリンクを「フォワードリンク」といい、端末装置６１からＨＡＰＳ１０を経由してＧＷ局７０に向かう通信のアップリンクを「リバースリンク」という。
本実施形態の上空を移動可能な複数のＨＡＰＳ１０により地上又は海上に複数のセル１００Ａを形成する場合、セル境界部分の大きさやセル間の距離が変化し、セル境界でハンドオーバーが頻発して通信品質が劣化するおそれがある。
そこで、本実施形態のＨＡＰＳ１０は、自律制御により又は外部からの制御により、ＨＡＰＳ間の位置関係を維持するように同じ飛行形態で互いに協調して飛行するように制御されている。これにより、通信品質としてのＳＩＮＲ（所要信号対干渉・雑音電力比）が劣化しているＳＩＮＲ劣化領域の大きさが一定となる。
図９（ａ）及び（ｂ）は実施形態に係る複数のＨＡＰＳ１０の協調飛行の一例を示す説明図である。また、図１０（ａ）及び（ｂ）は、比較例に係る無秩序飛行状態の複数のＨＡＰＳ１０の一例を示す説明図である。図９（ａ），（ｂ）及び図１０（ａ），（ｂ）はそれぞれ、飛行制御対象の複数のＨＡＰＳ１０（１）〜１０（６）、その飛行ルート１０Ｆ（１）〜１０Ｆ（６）及びセル１００Ａ（１）〜１００Ａ（６）を、鉛直方向の上方から見た図である。また、図中のセル境界のクロスハッチングで示した領域はＳＩＮＲ劣化領域Ａである。なお、図９の例では、ＨＡＰＳ１０の数が６機の場合について示しているが、ＨＡＰＳ１０の数は２〜５機であってもよいし、７機以上であってもよい。
図９において、複数のＨＡＰＳ１０はそれぞれ、自律制御により又は外部からの制御により、鉛直方向の下方にセル１００Ａ（１）〜１００Ａ（６）を形成しながら、互いに同じ円形の飛行ルート１０Ｆ（１）〜１０Ｆ（６）に沿って繰り返し循環飛行するように飛行制御される。そして、各ＨＡＰＳ１０は、自律制御により又は外部からの制御により、ＨＡＰＳ間の水平方向の位置関係（例えばＨＡＰＳ間の距離）を維持するように互いに協調して飛行するように制御される。
例えば、図９（ａ）に示す飛行タイミングにおいて、複数のＨＡＰＳ１０（１）〜１０（６）はそれぞれ、鉛直方向の下方にセル１００Ａ（１）〜１００Ａ（６）を形成しながら、水平方向における飛行ルート１０Ｆ（１）〜１０Ｆ（６）の図中右端の位置を図中上方に向かう協調飛行を行うように制御される。その後、図９（ｂ）に示す飛行タイミングにおいて、複数のＨＡＰＳ１０（１）〜１０（６）はそれぞれ、鉛直方向の下方にセル１００Ａ（１）〜１００Ａ（６）を形成しながら、水平方向における飛行ルート１０Ｆ（１）〜１０Ｆ（６）の図中上端の位置を図中左方に向かう協調飛行を行うように制御される。図９（ａ）及び（ｂ）に示すように飛行時間が経過しても、複数のＨＡＰＳ１０（１）〜１０（６）によって形成されるセル１００Ａ（１）〜１００Ａ（６）のＳＩＮＲ劣化領域Ａの大きさは維持される。このように飛行することでＳＩＮＲ劣化を抑制できる一方、セル境界線に変化を起こさないように協調飛行を行うことで、ハンドオーバーの発生を抑制することができる。
これに対し、図１０（ａ）及び（ｂ）の比較例のように複数のＨＡＰＳ１０（１）〜１０（６）が互いに協調せずに無秩序に飛行する場合は、セル境界のＳＩＮＲ劣化領域Ａの大きさにばらつきがあり、また、セル間にＳＩＮＲ劣化領域Ｂが発生しやすい。しかも、それらのＳＩＮＲ劣化領域Ａ，Ｂの大きさは、ＨＡＰＳ１０（１）〜１０（６）の飛行に応じて変化する。
なお、図９の例において、複数のＨＡＰＳ１０（１）〜１０（６）はそれぞれ、高さ方向におけるＨＡＰＳ間の位置関係を維持するように協調飛行を行ってもよい。例えば、複数のＨＡＰＳ１０（１）〜１０（６）は、互いに同じ高度を維持するように協調飛行を行ってもよい。この場合は、ＨＡＰＳ１０（１）〜１０（６）が共に昇降することで、所望信号と干渉信号が共に減増するため、ＳＩＮＲの劣化が一定となる。
また、図９の例において、複数のＨＡＰＳ１０（１）〜１０（６）はそれぞれ、飛行方向に対する姿勢（例えば、進行方向に対するローリングやピッチング等の傾き）がＨＡＰＳ間で互いに同じになるように協調飛行を行ってもよい。
図１１（ａ）及び（ｂ）は実施形態に係る複数のＨＡＰＳ１０の協調飛行の他の例を示す説明図である。また、図１２（ａ）及び（ｂ）は、比較例に係る無秩序飛行状態の複数のＨＡＰＳ１０の他の例を示す説明図である。図１１及び図１２はＨＡＰＳ１０が鉛直方向から傾いた方向にセルを形成している例である。なお、図１１、１２において、前述の図９、１０と共通する部分については説明を省略する。
複数のＨＡＰＳ１０はそれぞれ、自律制御により又は外部からの制御により、自身のローリングにより鉛直方向から傾いた方向にセル１００Ａ（１）〜１００Ａ（６）を形成しながら、互いに同じ円形の飛行ルート１０Ｆ（１）〜１０Ｆ（６）に沿って繰り返し循環飛行するように飛行制御される。そして、各ＨＡＰＳ１０は、自律制御により又は外部からの制御により、ＨＡＰＳ間の水平方向の位置関係（例えばＨＡＰＳ間の距離）を維持するように互いに協調して飛行するように制御される。
例えば、図１１（ａ）に示す飛行タイミングにおいて、複数のＨＡＰＳ１０（１）〜１０（６）はそれぞれ、図中右側端が左側端よりも高くなるローリングにより、鉛直方向の下方から図中右方向にシフトした位置にセル１００Ａ（１）〜１００Ａ（６）を形成しながら、水平方向における飛行ルート１０Ｆ（１）〜１０Ｆ（６）の図中右端の位置を図中上方に向かう協調飛行を行うように制御される。その後、図１１（ｂ）に示す飛行タイミングにおいて、複数のＨＡＰＳ１０（１）〜１０（６）はそれぞれ、図中上側端が下側端よりも高くなるローリングにより、鉛直方向の下方から図中上方向にシフトした位置にセル１００Ａ（１）〜１００Ａ（６）を形成しながら、水平方向における飛行ルート１０Ｆ（１）〜１０Ｆ（６）の図中上端の位置を図中左方に向かう協調飛行を行うように制御される。図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように飛行時間が経過しても、ローリング品柄飛行している複数のＨＡＰＳ１０（１）〜１０（６）によって形成されるセル１００Ａ（１）〜１００Ａ（６）のＳＩＮＲ劣化領域Ａの大きさは維持される。このように飛行することでＳＩＮＲ劣化を抑制できる一方、セル境界線に変化を起こさないように協調飛行を行うことで、ハンドオーバーの発生を抑制することができる。
これに対し、図１２（ａ）及び（ｂ）の比較例のように複数のＨＡＰＳ１０（１）〜１０（６）が互いに協調せずに無秩序に飛行する場合は、セル境界のＳＩＮＲ劣化領域Ａの大きさにばらつきがあり、また、セル間のＳＩＮＲが劣化しているＳＩＮＲ劣化領域Ｂが発生しやすい。しかも、それらのＳＩＮＲ劣化領域Ａ，Ｂの大きさは、ＨＡＰＳ１０（１）〜１０（６）の飛行に応じて変化する。
なお、図１１の例において、複数のＨＡＰＳ１０（１）〜１０（６）はそれぞれ、高さ方向におけるＨＡＰＳ間の位置関係を維持するように協調飛行を行ってもよい。
また、図９及び図１１の例では、複数のＨＡＰＳ１０が協調飛行するように制御される飛行ルートの形状が円形の場合について説明したが、協調飛行制御対象のＨＡＰＳ１０の飛行ルートは円形以外の形状であってもよい。
図１３（ａ）〜（ｃ）はＨＡＰＳ１０が飛行している上空の風Ｗの強さに応じて決定される飛行ルート１０Ｆの形状の例を示す説明図である。図１３に示すようにＨＡＰＳ１０が飛行している高度の空域（例えば成層圏）での風速により飛行ルートの形状を変更する場合がある。例えば、図１３（ａ）のほぼ無風時には、風Ｗの方向にかかわらずＨＡＰＳ１０の飛行ルートとして円形の飛行ルートに決定する。また、図１３（ｂ）の穏風時には、風が吹いている方向に向かって（風Ｗに逆って）飛行している時間帯がなるべく短くなるように、ＨＡＰＳ１０の飛行ルートとして、円形の一部円弧の部分が直線になった「Ｄ」字形の飛行ルートに決定する。また、図１３（ｃ）の強風時には、風が吹いている方向に向かって（風Ｗに逆って）飛行している時間帯がより短くなるように、ＨＡＰＳ１０の飛行ルートとして、「８」の字形の飛行ルートに決定する。このように上空の風Ｗの強さに応じて飛行ルート１０Ｆの形状を変更した場合、本実施形態では、その変更後の形状の飛行ルート１０Ｆに従って、複数のＨＡＰＳ１０が上記協調飛行を行うように制御される。
また、複数のＨＡＰＳ１０は、太陽光を受けることができる昼間の時間帯に太陽光発電でバッテリーを充電しながら螺旋状に上昇するように飛行し、太陽光を受けることができない夜間の時間帯に螺旋状に下降するグライディング飛行によって位置エネルギーから変換されるプロペラの回転エネルギーでバッテリーを充電するように飛行する場合がある。このように昼夜の螺旋状の上昇又は下降の飛行ルートで飛行する場合においても、本実施形態では、その昼間又は夜間の螺旋状の飛行ルートに従って、複数のＨＡＰＳ１０が上記協調飛行を行うように制御される。
また、本実施形態において、互いに隣り合うＨＰＡＳ間の距離は数百ｋｍ（例えば約２００ｋｍ）あり、安定した成層圏といえども気象条件など環境が異なり、協調して同じ飛行形態をとるのが効率的でない場合がある。そのため、ＨＡＰＳ１０が飛行している高度の空域（例えば、成層圏）の気象環境条件に応じて複数のＨＡＰＳ１０をグループ分けして協調飛行を行ってもよい。ＨＡＰＳ１０のグループは気象環境条件に応じて変化させてもよい。
図１４は、実施形態に係るＨＡＰＳのグループ協調飛行の一例を示す説明図である。図１４において、天候や上空の風速等の気象環境条件を考慮して、日本国をカバーする複数のＨＡＰＳ１０が、複数の日本国の北海道エリアを主にカバーするＨＡＰＳのグループＧ１と、北海道を除く東日本エリアを主にカバーするＨＡＰＳのグループＧ２と、沖縄を含む西日本エリアを主にカバーするＨＡＰＳのグループＧ３とにグループ分けされている。これらのグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３ごとに前述のＨＡＰＳ１０の協調飛行の制御を行うことにより、天候や上空の風速等の気象環境条件に応じた飛行ルートの形状（飛行形態）でＨＡＰＳ１０を飛行させることができ、ＨＡＰＳ１０に無理な飛行をさせなくて済む。
図１５は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０のアンカー機体を中心とした協調飛行の一例を示す説明図である。図１５中のＨＡＰＳ間の矢印は制御情報の送信方向を示している。図１５の例では、協調飛行制御対象の複数のＨＡＰＳ１０のうちいずれかの一つのＨＡＰＳを飛行の制御の基準となるＨＡＰＳ（以下「アンカーＨＡＰＳ」という。）１０Ａに設定している。そして、その基準のアンカーＨＡＰＳ１０Ａを中心にして各ＨＡＰＳ１０の制御情報を順次送信していくことにより、複数のＨＡＰＳ１０の全体が互いに協調飛行を行うように制御する。これにより、ＨＡＰＳ１０を用いた通信サービスを提供しているエリアにおける協調飛行制御対象のすべてのＨＡＰＳが互いに協調飛行を行うことができ、当該通信サービス提供エリアにおいてセル境界におけるハンドオーバーの頻発や隣接セルからの干渉の増大による通信品質の劣化をより確実に抑制することができる。なお、アンカーＨＡＰＳ１０Ａは複数であってもよい。
図１６は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０の協調飛行を制御可能な集中制御型の制御システムの一例を示す説明図である。図１６において、地上又は海上のコントロールセンターに設けられた管理装置８５は、複数のＨＡＰＳ１０それぞれの前述の監視情報としての機体の情報（例えば、緯度、経度、高度、飛行方向の方位、水平面からの傾き）を、複数のＨＡＰＳ１０それぞれと通信可能なＧＷ局（中継装置）７０を介して受信する。管理装置８５は、各ＨＡＰＳ１０から受信した機体の情報を記憶手段としてのＨＡＰＳデータベースに集約して記憶する。また、管理装置８５は、ＨＡＰＳ１０ごとに、対応する機体の情報に基づいて上記協調飛行を行うための制御情報を生成又は選択し、その制御情報をＧＷ局（中継装置）７０を介してＨＡＰＳ１０に送信する。各ＨＡＰＳ１０は、受信した制御情報に基づいて、上記協調飛行を行うように制御する。以上のように、図１６の例では、地上又は海上における管理装置８５から、複数のＨＡＰＳ１０の全体が互いに協調飛行を行うように、各ＨＡＰＳ１０を集中制御することができる。
図１７は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０の協調飛行を制御可能な集中制御型の制御システムの他の例を示す説明図である。図１７において、地上又は海上のコントロールセンターに設けられた管理装置８５は、複数のＨＡＰＳ１０のうちいずれか一つのアンカーＨＡＰＳ１０Ａを介して、複数のＨＡＰＳ１０のすべての機体の情報（例えば、緯度、経度、高度、飛行方向の方位、水平面からの傾き）を受信する。管理装置８５は、アンカーＨＡＰＳ１０Ａを介して受信した複数のＨＡＰＳ１０のすべての機体の情報をＨＡＰＳデータベースに集約して記憶する。また、管理装置８５は、複数のＨＡＰＳ１０のすべてについて、機体の情報に基づいて上記協調飛行を行うための制御情報を生成又は選択し、その複数の制御情報をＧＷ局（中継装置）７０及びアンカーＨＡＰＳ１０Ａを介して各ＨＡＰＳ１０に送信する。各ＨＡＰＳ１０は、受信した制御情報に基づいて、上記協調飛行を行うように制御する。以上のように、図１７の例では、地上又は海上における管理装置８５から、複数のＨＡＰＳ１０の全体が互いに協調飛行を行うように、各ＨＡＰＳ１０を集中制御することができる。特に、図１７の例では、複数のＨＡＰＳ１０のいずれかがＧＷ局７０と通信できない状況になっている場合でもＨＡＰＳ１０の協調飛行を制御できる。なお、図１７の例において、機体の情報及び制御情報の送受信に用いられるアンカーＨＡＰＳ１０Ａ及びＧＷ局７０はそれぞれ複数であってもよい。
図１８は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０の協調飛行を制御可能な自律制御側の制御システムの一例を示す説明図である。図１８において、複数のＨＡＰＳ１０はそれぞれ、隣り合っているＨＡＰＳ１０との間で、機体の情報（例えば、緯度、経度、高度、飛行方向の方位、水平面からの傾き）を交換し、上記協調飛行を行うための制御情報を生成又は選択し、その制御情報に基づいて上記協調飛行を行うように制御する。以上のように、図１８における複数のＨＡＰＳ１０は、複数のＨＡＰＳ１０の全体が互いに協調飛行を行うように自律制御することができる。特に、図１８の例では、複数のＨＡＰＳ１０のすべてがＧＷ局７０と通信できない状況になっている場合でもＨＡＰＳ１０の協調飛行を制御できる。
なお、本明細書で説明された処理工程並びにＨＡＰＳ１０，２０等の通信中継装置の無線中継局、フィーダ局、ゲートウェイ局、管理装置、監視装置、遠隔制御装置、サーバ、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、基地局及び基地局装置の構成要素は、様々な手段によって実装することができる。例えば、これらの工程及び構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせで実装されてもよい。
ハードウェア実装については、実体（例えば、無線中継局、フィーダ局、ゲートウェイ局、基地局、基地局装置、無線中継局装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、管理装置、監視装置、遠隔制御装置、サーバ、ハードディスクドライブ装置、又は、光ディスクドライブ装置）において前記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、１つ又は複数の、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子デバイス、本明細書で説明された機能を実行するようにデザインされた他の電子ユニット、コンピュータ、又は、それらの組み合わせの中に実装されてもよい。
また、ファームウェア及び／又はソフトウェア実装については、前記構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、本明細書で説明された機能を実行するプログラム（例えば、プロシージャ、関数、モジュール、インストラクション、などのコード）で実装されてもよい。一般に、ファームウェア及び／又はソフトウェアのコードを明確に具体化する任意のコンピュータ／プロセッサ読み取り可能な媒体が、本明細書で説明された前記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段の実装に利用されてもよい。例えば、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば制御装置において、メモリに記憶され、コンピュータやプロセッサにより実行されてもよい。そのメモリは、コンピュータやプロセッサの内部に実装されてもよいし、又は、プロセッサの外部に実装されてもよい。また、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、ＦＬＡＳＨメモリ、フロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、磁気又は光データ記憶装置、などのような、コンピュータやプロセッサで読み取り可能な媒体に記憶されてもよい。そのコードは、１又は複数のコンピュータやプロセッサにより実行されてもよく、また、コンピュータやプロセッサに、本明細書で説明された機能性のある態様を実行させてもよい。
また、本明細書で開示された実施形態の説明は、当業者が本開示を製造又は使用するのを可能にするために提供される。本開示に対するさまざまな修正は当業者には容易に明白になり、本明細書で定義される一般的原理は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他のバリエーションに適用可能である。それゆえ、本開示は、本明細書で説明される例及びデザインに限定されるものではなく、本明細書で開示された原理及び新規な特徴に合致する最も広い範囲に認められるべきである。
１０，１０（１）〜１０（６） ＨＡＰＳ（ソーラープレーンタイプ）
１０Ａ アンカーＨＡＰＳ
１０Ｆ（１）〜１０Ｆ（６） 飛行ルート
２０ ＨＡＰＳ（飛行船タイプ）
４０ セル形成目標空域
４１，４２，４３ ３次元セル
５０ ＨＡＰＳが位置する空域
６０ ドローン
６１ 端末装置
６５ 飛行機
７０ ゲートウェイ局（ＧＷ局）
７２ 人工衛星
８０ 移動通信網
８５ 管理装置（管制センター、コントロールセンター）
８６ サーバ
９０ 基地局（ｅＮｏｄｅＢ）
１００，２００、３００ ビーム
１００Ａ，１００Ａ（１）〜１００Ａ（６） セル
１１０，２１０ 無線中継局
Ａ，Ｂ ＳＩＮＲ劣化領域

Claims (16)

  1. 端末装置と無線通信する複数の無線中継装置を備えるシステムであって、
    前記複数の無線中継装置はそれぞれ、
    上空を飛行して移動可能に設けられ、
    地上又は海上に向けてセルを形成して前記セルに在圏する端末装置と無線通信する無線中継局を備え、
    自律制御により又は外部からの制御により、無線中継装置間の位置関係を維持するように互いに協調して飛行し、
    前記無線中継装置の飛行方向及び飛行方向に対する姿勢が無線中継装置間で互いに同じになるように協調飛行を行う、ことを特徴とするシステム。
  2. 請求項１のシステムにおいて、
    前記複数の無線中継装置のいずれかの無線中継装置の飛行パターンが変化したとき、他の無線中継装置は、前記いずれかの無線中継装置の変化後の飛行パターンと同じ飛行パターンで飛行するように制御されることを特徴とするシステム。
  3. 端末装置と無線通信する複数の無線中継装置を備えるシステムであって、
    前記複数の無線中継装置はそれぞれ、
    上空を飛行して移動可能に設けられ、
    地上又は海上に向けてセルを形成して前記セルに在圏する端末装置と無線通信する無線中継局を備え、
    自律制御により又は外部からの制御により、無線中継装置間の位置関係を維持するように互いに協調して飛行し、
    前記複数の無線中継装置のいずれかの無線中継装置の飛行パターンが変化したとき、他の無線中継装置は、前記いずれかの無線中継装置の変化後の飛行パターンと同じ飛行パターンで飛行するように制御される、ことを特徴とするシステム。
  4. 請求項１乃至３のいずれかのシステムにおいて、
    前記複数の無線中継装置はそれぞれ、水平方向における無線中継装置間の位置関係を維持するように協調飛行を行うことを特徴とするシステム。
  5. 請求項１乃至４のいずれかのシステムにおいて、
    前記複数の無線中継装置はそれぞれ、高さ方向における無線中継装置間の位置関係を維持するように協調飛行を行うことを特徴とするシステム。
  6. 請求項１乃至５のいずれかのシステムにおいて、
    前記複数の無線中継装置は、各無線中継装置の位置に基づいて、地上又は海上の互いに異なる複数のエリアに対応する複数のグループに分類され、
    前記グループごとに前記無線中継装置の協調飛行の制御を行うことを特徴とするシステム。
  7. 請求項１乃至５のいずれかのシステムにおいて、
    前記複数の無線中継装置のいずれかの無線中継装置を前記飛行の制御の基準となる無線中継装置に設定し、
    前記基準の無線中継装置を中心にして前記複数の無線中継装置の全体が互いに協調飛行を行うように制御することを特徴とするシステム。
  8. 請求項１乃至７のいずれかのシステムにおいて、
    前記複数の無線中継装置を管理する管理装置を備え、
    前記管理装置は、
    前記複数の無線中継装置それぞれの現在位置を含む情報を、前記複数の無線中継装置それぞれから地上又は海上のゲートウェイ局を経由して取得し、
    前記無線中継装置の情報に基づいて、前記協調の飛行を行うための制御情報を、前記ゲートウェイ局を経由して前記複数の無線中継装置それぞれに送信することを特徴とするシステム。
  9. 請求項１乃至７のいずれかのシステムにおいて、
    前記複数の無線中継装置を管理する管理装置を備え、
    前記複数の無線中継装置のいずれか一つの無線中継装置は、他の無線中継装置それぞれの現在位置を含む情報を前記他の無線中継装置から取得し、
    前記管理装置は、
    前記複数の無線中継装置それぞれの現在位置、高度及び姿勢の少なくとも一つを含む情報を、前記いずれか一つの無線中継装置から地上又は海上のゲートウェイ局を経由して取得し、
    前記無線中継装置の情報に基づいて、前記協調の飛行を行うための制御情報を、前記ゲートウェイ局を経由して前記いずれか一つの無線中継装置に送信し、前記ゲートウェイ局及び前記いずれか一つの無線中継装置を経由して前記他の無線中継装置に送信することを特徴とするシステム。
  10. 請求項１乃至７のいずれかのシステムにおいて、
    前記無線中継装置は、その無線中継装置の近くに位置する他の無線中継装置の現在位置を含む情報を前記他の無線中継装置から取得し、前記無線中継装置の情報に基づいて前記他の無線中継装置と協調して飛行するように制御することを特徴とするシステム。
  11. 端末装置と無線通信する複数の無線中継装置を管理する管理装置であって、
    上空を飛行して移動可能に設けられ地上又は海上に向けてセルを形成して前記セルに在圏する端末装置と無線通信する複数の無線中継装置それぞれの現在位置を含む情報を、前記複数の無線中継装置それぞれから地上又は海上のゲートウェイ局を経由して取得し、
    前記複数の無線中継装置の情報に基づいて、無線中継装置間の位置関係を維持するように前記複数の無線中継装置が互いに協調して飛行し、前記無線中継装置の飛行方向及び飛行方向に対する姿勢が無線中継装置間で互いに同じになるように協調飛行を行うための制御情報を、前記ゲートウェイ局を経由して前記複数の無線中継装置それぞれに送信することを特徴とする管理装置。
  12. 端末装置と無線通信する複数の無線中継装置を管理する管理装置であって、
    上空を飛行して移動可能に設けられ地上又は海上に向けてセルを形成して前記セルに在圏する端末装置と無線通信する複数の無線中継装置それぞれの現在位置を含む情報を、前記複数の無線中継装置それぞれから地上又は海上のゲートウェイ局を経由して取得し、
    前記複数の無線中継装置の情報に基づいて、無線中継装置間の位置関係を維持するように前記複数の無線中継装置が互いに協調して飛行し、前記複数の無線中継装置のいずれかの無線中継装置の飛行パターンが変化したとき、他の無線中継装置が前記いずれかの無線中継装置の変化後の飛行パターンと同じ飛行パターンで飛行するように制御するための制御情報を、前記ゲートウェイ局を経由して前記複数の無線中継装置それぞれに送信することを特徴とする管理装置。
  13. 端末装置と無線通信する複数の無線中継装置を管理する管理装置であって、
    上空を飛行して移動可能に設けられ地上又は海上に向けてセルを形成して前記セルに在圏する端末装置と無線通信する複数の無線中継装置それぞれの現在位置を含む情報を、前記複数の無線中継装置のいずれか一つの無線中継装置から地上又は海上のゲートウェイ局を経由して取得し、
    前記複数の無線中継装置の情報に基づいて、無線中継装置間の位置関係を維持するように前記複数の無線中継装置が互いに協調して飛行し、前記無線中継装置の飛行方向及び飛行方向に対する姿勢が無線中継装置間で互いに同じになるように協調飛行を行うための制御情報を、前記ゲートウェイ局を経由して前記いずれか一つの無線中継装置に送信し、前記ゲートウェイ局及び前記いずれか一つの無線中継装置を経由して他の無線中継装置に送信することを特徴とする管理装置。
  14. 端末装置と無線通信する複数の無線中継装置を管理する管理装置であって、
    上空を飛行して移動可能に設けられ地上又は海上に向けてセルを形成して前記セルに在圏する端末装置と無線通信する複数の無線中継装置それぞれの現在位置を含む情報を、前記複数の無線中継装置のいずれか一つの無線中継装置から地上又は海上のゲートウェイ局を経由して取得し、
    前記複数の無線中継装置の情報に基づいて、無線中継装置間の位置関係を維持するように前記複数の無線中継装置が互いに協調して飛行し、前記複数の無線中継装置のいずれかの無線中継装置の飛行パターンが変化したとき、他の無線中継装置が前記いずれかの無線中継装置の変化後の飛行パターンと同じ飛行パターンで飛行するように制御するための制御情報を、前記ゲートウェイ局を経由して前記いずれか一つの無線中継装置に送信し、前記ゲートウェイ局及び前記いずれか一つの無線中継装置を経由して他の無線中継装置に送信することを特徴とする管理装置。
  15. 端末装置と無線通信する複数の無線中継装置の飛行方法であって、
    上空を飛行して移動可能に設けられ地上又は海上に向けてセルを形成して前記セルに在圏する端末装置と無線通信する複数の無線中継装置は、自律制御により又は外部からの制御により、無線中継装置間の位置関係を維持するように互いに協調して飛行し、前記無線中継装置の飛行方向及び飛行方向に対する姿勢が無線中継装置間で互いに同じになるように協調飛行を行う、ことを特徴とする飛行方法。
  16. 端末装置と無線通信する複数の無線中継装置の飛行方法であって、
    上空を飛行して移動可能に設けられ地上又は海上に向けてセルを形成して前記セルに在圏する端末装置と無線通信する複数の無線中継装置は、自律制御により又は外部からの制御により、無線中継装置間の位置関係を維持するように互いに協調して飛行し、前記複数の無線中継装置のいずれかの無線中継装置の飛行パターンが変化したとき、他の無線中継装置は、前記いずれかの無線中継装置の変化後の飛行パターンと同じ飛行パターンで飛行することを特徴とする飛行方法。
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