JPWO2019026179A1 - 飛行情報収集システム、無線通信装置、中継機、飛行情報収集方法 - Google Patents

飛行情報収集システム、無線通信装置、中継機、飛行情報収集方法 Download PDF

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Abstract

ドローンに搭載された無線通信装置が、前記ドローンの情報を発信し、前記ドローンが飛行し得る高度と通信衛星の高度のあいだの第１高度を飛行する中継機が、前記無線通信装置から発信される前記ドローンの情報を受信し、前記中継機が、前記通信衛星を利用した衛星通信によって、前記ドローンの情報を地上局に送信し、前記地上局が、衛星通信によって前記中継機から前記ドローンの情報を収集する。これにより、回線断のリスクが低く、かつ、移動通信網不感地帯を含む広範なエリアにおいてドローンの飛行情報を収集することができる。

Description

本発明は、ドローンの飛行情報を収集するための技術に関する。
ドローン（無人航空機）は、物流、インフラ点検、災害対応をはじめとする様々な分野での利活用が期待されている。ドローンの安全かつ効率的な運用を実現するにあたっては、ドローンの飛行状況を正確かつリアルタイムに把握し、その情報を運航管理などに役立てる仕組みの整備が急務であると考えられる。
特開２０１５−１８８１５０号公報
そこで従来より、ＬＴＥ（Long Term Evolution）などの移動通信網を利用してドローンの飛行情報を収集する仕組みが検討されている。しかしながら、移動通信網を利用する方法では、狭いエリアに多数のドローンが集中した場合に、輻輳による通信の不調が発生するおそれがある。また、災害による基地局の破損・停電などが原因で回線がダウンする可能性があるため、災害地域でのドローンの利用はリスクが高い。さらに、移動通信網不感地帯（例えば、海上、山岳部、へき地、離島など）にドローンが入った場合には、飛行状況が全く把握できなくなり、安全な運航が保証できない。
特許文献１（特開２０１５−１８８１５０号公報）には、無人航空機が空撮したデータとその位置情報を衛星通信を利用して収集することによって、無人航空機の運用範囲を拡大するというアイデアが開示されている。しかしながら、このアイデアをドローン（特に小型のドローン）の運航管理にそのまま転用することには、いくつかの課題がある。一つは、衛星通信を行うための衛星通信装置が高額である点である。装置の導入コストが高いと、利用者が限定されてしまい、飛行情報収集システムの普及が進まないことが懸念される。二点目は、衛星通信装置の重さである。一般的な衛星通信装置は小型のものでもキログラムオーダーの重量があるため、小型のドローンには搭載することが難しい。三点目は、衛星通信装置の消費電力である。ドローンの限られたバッテリを通信のために消費することは、連続航行のネックになり、好ましくない。
本発明は上記実情に鑑みなされたものであって、回線断のリスクが低く、かつ、移動通信網不感地帯を含む広範なエリアにおいてドローンの飛行情報を収集するための技術を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、衛星通信を利用してドローンの飛行情報を収集する仕組みを実現するにあたり、ドローンへの実装を容易化するための技術を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、ドローンと通信衛星のあいだを飛行する中継機によって、ドローンからの情報の取得、および、衛星通信による地上局への情報転送を行う、という構成を採用する。
具体的には、本発明は、ドローンの飛行情報収集システムであって、ドローンに搭載される無線通信装置と、前記ドローンが飛行し得る高度と通信衛星の高度のあいだの第１高度を飛行する中継機と、前記通信衛星と衛星通信を行う地上局と、を備え、前記無線通信装置は、前記ドローンの情報を発信するものであり、前記中継機は、前記無線通信装置から発信される前記ドローンの情報を受信する受信装置と、前記受信装置により受信した前記ドローンの情報を前記通信衛星を利用した衛星通信によって前記地上局に送信する衛星通信装置とを有するものであり、前記地上局は、衛星通信によって前記中継機から前記ドローンの情報を収集するものであることを特徴とする飛行情報収集システムを提供する。
このシステムによれば、衛星通信を利用するため、ＬＴＥのような移動通信網に比べ、回線断のリスクを大幅に低減できるとともに、極めて広範なエリアにおいてドローンの飛行情報を収集することができる。また、ドローンに搭載する無線通信装置は、中継機との無線通信が可能なスペックであれば足りるため、衛星通信装置に比べて、大幅に小型化・軽量化・省電力化・低コスト化を図ることができる。したがって、ドローンへの実装が容易である。
前記中継機は、無人飛行機であるとよい。無人飛行機は、条件が許す限り連続航行できるなど、有人飛行機に比べて運用が容易だからである。前記中継機は、予め決められたエリアを周回飛行するとよい。また、前記中継機は、飛行および通信のためのエネルギーを発電する太陽電池を有するとよい。前記第１高度は、２０ｋｍ以上２５ｋｍ以下の高度であるとよい。
前記無線通信装置は、前記ドローンとは独立した電源を有するとよい。独立した電源を有することで、ドローンの電源との接続が不要になる。したがって、無線通信装置のドローンへの取り付けが容易になる。また、無線通信装置の動作がドローンのバッテリーを消費することがないので、ドローンの飛行性能（航行距離など）に影響を与えるおそれがない。さらに、万が一ドローンが故障ないしバッテリー切れを起こしても、無線通信装置による情報発信は継続できる。
前記無線通信装置から発信される前記ドローンの情報は、前記ドローンの位置および高度の情報と時間情報を少なくとも含むとよい。位置（例えば緯度・経度）と高度と時間の情報があれば、ドローンの飛行状態を把握できるからである。前記無線通信装置は、前記ドローンの情報を蓄積するメモリーを有するとよい。これにより、無線通信装置がフライトレコーダーとしての役割を担うこともできる。
前記無線通信装置は、前記ドローンの位置および高度を測定するためのＧＰＳユニットを有するとよい。ドローン自体にもＧＰＳユニットが内蔵されていることが多いため、ドローン側から位置情報を取得する構成も採り得るが、その場合は無線通信装置とドローン側の制御ユニットとを接続する必要が生じる。これに対し、本発明のようにドローンとは独立したＧＰＳユニットを無線通信装置に設けることで、無線通信装置のドローンへの取り付けが容易になる。また、万が一ドローンが故障したとしても、無線通信装置による測位は継続できる。
なお、上述した飛行情報収集システムの構成の一部である「無線通信装置」、「中継機」、「地上局」をそれぞれ一つの発明として捉えてもよい。また、上述した飛行情報収集システムの動作を「飛行情報収集方法」の発明として捉えてもよい。
本発明によれば、衛星通信を利用することによって、回線断のリスクが低く、かつ、移動通信網不感地帯を含む広範なエリアにおいてドローンの飛行情報を収集することのできるシステムを実現できる。また、個々のドローンに搭載する通信装置のコスト・重量・サイズ・消費電力を大幅に低減できるので、ドローンへの実装を容易化することができる。
図１はドローンの飛行情報収集システムの全体像を示す図である。 図２は小電力通信ユニットの構成を模式的に示すブロック図である。 図３は無人飛行機に搭載される通信ユニットの構成を模式的に示すブロック図である。
以下、図面を参照して本発明を実施するための好ましい形態の一例を説明する。ただし、以下の実施形態に記載されているシステム及び装置の構成や動作は一例であり、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
（システム構成）
図１は、本発明の実施形態に係るドローンの飛行情報収集システムの全体像を示している。この飛行情報収集システム１は、監視エリア内に存在するドローンの飛行情報（緯度、経度、高度、速度、密集状況など）をリアルタイムに収集し、それらの情報をドローンの運航管理に活用したり、ドローン運用者や第三者へ提供するサービスを行うシステムである。
飛行情報収集システム１は、概略、ドローン２に搭載される小電力通信ユニット１０と、ドローン２と通信衛星３のあいだの中継を行う中継機である無人飛行機１１と、衛星通信により無人飛行機１１と通信を行う地上局である管理センター１２とを備えている。図１では、３台のドローン２（小電力通信ユニット１０）と１つの中継機（無人飛行機１１）が示されているが、飛行情報収集システム１には２以上の中継機を設けてもよいし、１つの中継機で数十から数百台のドローン２との通信を行ってもよい。
ドローン２は、遠隔操作または自動操縦により飛行可能な無人の飛行体であり、例えば、マルチコプター（回転翼航空機）、ラジコン機、農薬散布用ヘリコプターなどが該当する。典型的には、マルチコプタータイプのドローン２を想定しているが、用途（ホビー用、荷物搬送用、空撮用、災害作業用など）によって大きさは十数ｃｍから数ｍ程度と様々である。なお我が国では、有人の航空機に衝突するおそれを避けるため、航空法において、地表または水面から１５０ｍ以上の高さの空域においてドローン２を飛行させることは原則禁止されている。
小電力通信ユニット１０は、小型軽量で小電力の無線通信装置である。本実施形態では、大きさが５ｃｍ×５ｃｍ×１．５ｃｍ程度、重さが２００ｇ以下のものを想定している。小電力通信ユニット１０は、ドローン２に最初から搭載されている場合もあるし、ドローン２に対し後付けされる場合もある。後付けの場合は、例えば、両面テープや面ファスナーによってドローン２本体に小電力通信ユニット１０を貼りつける。
図２は小電力通信ユニット１０の構成を模式的に示すブロック図である。小電力通信ユニット１０は、主なハードウエアとして、ＣＰＵ（制御回路）１０１、記録用メモリーカード１０２、送受信装置１０３、ＧＰＳ（Global Positioning System）ユニット１０４、電源装置１０５、バッテリー１０６を有する。また、小電力通信ユニット１０は、外部（例えばドローン２自体の制御ユニット）とのデータＩ／Ｏを有する。
ＣＰＵ１０１は、小電力通信ユニット１０の各部の制御、各種の演算やデータ処理、記録用メモリーカード１０２の読み書きなどを行うプロセッサである。記録用メモリーカード１０２は、不揮発性の記憶媒体であり、例えば飛行情報の蓄積に使われる。また、記録用メモリーカード１０２には、小電力通信ユニット１０を一意に特定するための固体識別記号が記憶されている。送受信装置１０３は、無人飛行機１１とのあいだで無線通信を行うための特定小電力無線モジュールである。無線の周波数や出力は装置構成、運用、法令などに合わせて任意に設計できる。例えば、９２０ＭＨｚ帯からギガヘルツ帯の周波数で０．０１Ｗから１Ｗ程度の出力の無線を用いることができる。ＧＰＳユニット１０４は、ＧＰＳ衛星からの信号を受信し、緯度・経度・高度などの位置情報を出力する回路である。電源装置１０５は、バッテリー１０６の電力をＣＰＵ１０１、記録用メモリーカード１０２、送受信装置１０３、ＧＰＳユニット１０４へと供給する回路である。バッテリー１０６は、一次電池または二次電池であり、少なくとも小電力通信ユニット１０を数日間動作させることが可能な容量を有する電池が用いられる。例えばリチウムイオン電池などが好適である。
本実施形態の小電力通信ユニット１０は、ドローン２とは独立した、処理系・電源・位置センサを有している点が特徴の一つである。これにより、ドローン２を改修したりしなくとも、簡単に小電力通信ユニット１０を取り付けることができる。また、飛行情報収集に関わる処理（測位、情報の発信など）を行うことが、ドローン２側の制御ユニットの負荷になったり、ドローン２のバッテリーを消費したりすることがないので、ドローン２の飛行性能（航行距離、速度など）に影響を与えるおそれがない。さらに、万が一ドローン２が故障ないしバッテリー切れで飛行不能になった場合でも、小電力通信ユニット１０が独自に測位した位置情報を発信し続けるので、ドローン２の捜索・回収が容易になるとともに、被害の範囲を予測できるという利点もある。ＣＰＵ１０１が飛行情報を記録用メモリーカード１０２に蓄積していくことで、フライトレコーダーとしての役割を担うこともできる。
無人飛行機１１は、ドローン２と通信衛星３のあいだの中継を行う飛行体である。本実施形態では、太陽エネルギーにより航行するソーラープレーンを用いる。太陽エネルギーを利用することで、長時間の連続航行が可能になるとともに、運用コストの大幅な低減が可能となるからである。無人飛行機１１は、予め決められたエリアを周回飛行するようにプログラムされている。同じエリアを周回飛行することで、通信品質の安定を図ることができる。例えば、半径約１ｋｍの円軌道で無人飛行機１１を周回させるとよい。飛行高度としては、成層圏、そのなかでも高度２０ｋｍ以上２５ｋｍ以下の範囲が好ましい。この高度範囲は風が比較的弱くかつ安定しているため、無人飛行機１１の安定航行が容易だからである。
図３は、無人飛行機１１に搭載される通信ユニット１１０の構成を模式的に示すブロック図である。この通信ユニット１１０は、ＣＰＵ（制御回路）１１１、記録用メモリーカード１１２、送受信装置１１３、衛星通信装置１１４を有する。無人飛行機１１は、飛行および通信のためのエネルギーを発電する太陽電池１１５およびバッテリー１１６を有しており、通信ユニット１１０への給電はこのバッテリー１１６から行われる。
ＣＰＵ１１１は、通信ユニット１１０の各部の制御、各種の演算やデータ処理、記録用メモリーカード１１２の読み書きなどを行うプロセッサである。記録用メモリーカード１１２は、不揮発性の記憶媒体であり、例えば飛行情報の蓄積に使われる。送受信装置１１３は、ドローン２の小電力通信ユニット１０から発信されるドローン２の情報を受信するための通信モジュールである。衛星通信装置１１４は、通信衛星３を利用した衛星通信を行うための装置である。
管理センター１２は、衛星通信用のアンテナ１２０と情報処理装置１２１を有している。情報処理装置１２１は、ＣＰＵ、メモリー、ストレージ装置、表示装置、ネットワークインターフェイスなどを備える汎用のコンピュータにより構成することができる。情報処理装置１２１は、例えば、ドローン２の位置情報を収集する機能、収集した位置情報をもとにエリア内を航行するドローン２の飛行状況の把握や運航管理を行う機能、収集した位置情報やそれを加工した情報をインターネットを介してドローン２の運用者４や第三者に提供する機能などを有する。これらの機能は、ストレージ装置に格納されたプログラムをメモリーにロードし、ＣＰＵがそのプログラムを実行することによって実現されるものである。なお、情報処理装置１２１は、１台のコンピュータで構成してもよいし、複数台のコンピュータにより構成してもよい。
（システムの動作）
図１を参照しつつ、飛行情報収集システム１によるドローンの飛行情報収集方法について説明する。
飛行情報収集システム１の利用に際して、ドローン２の運用者４は、対象となる機体の情報を管理センター１２に対し登録する。例えば、運用者４は、携帯端末（モバイルコンピュータ、タブレット端末、スマートフォンなど）からインターネットを介して管理センター１２の情報処理装置１２１にアクセスし、ユーザ登録を行うとともに、ドローン２に搭載した小電力通信ユニット１０の固体識別記号の登録を行う。これにより、運用者４は、飛行情報収集システム１のサービスを利用可能となる。
運用者４が、小電力通信ユニット１０の電源をオンにし、ドローン２の飛行を開始すると、小電力通信ユニット１０が所定の時間間隔（例えば、数十ミリ秒から数十秒に１回）でＧＰＳによる測位を行い、その情報を発信するとともに記録用メモリーカード１０２に記録する。小電力通信ユニット１０から発信される情報はテレメトリー情報とも呼ばれる。テレメトリー情報には、少なくとも緯度・経度・高度・測位時刻・固体識別記号の情報が含まれているとよい。他にも、速度（位置の時間微分）や加速度（速度の時間微分）の情報をテレメトリー情報に含めてもよい。
無人飛行機１１は、自身の監視エリア（通信可能エリア）内のドローン２から発信されたテレメトリー情報を受信し、その情報を衛星通信によって管理センター１２へと転送する。ここで、無人飛行機１１は、テレメトリー情報を受信する度に順次転送してもよいし、複数台のドローン２のテレメトリー情報をまとめて転送してもよい。
管理センター１２の情報処理装置１２１は、受信したテレメトリー情報を基に、ドローン２の位置、速度、飛行方向などを算出し、それらの飛行情報を固体識別記号に紐づけてデータベースに蓄積する。情報処理装置１２１はこの情報をドローン２の飛行状態の把握、運航管理など、様々な目的に使用することができる。例えば、情報処理装置１２１は、監視エリア内に存在するすべてのドローン２の飛行情報を表示した地図をリアルタイムに生成し、Ｗｅｂサイトを通じて公開してもよい。また、ドローン２の運用者４に対し、登録した機体（個体識別記号）の飛行情報を配信するサービスを提供してもよい。
（システムの利点）
以上述べた飛行情報収集システム１によれば、衛星通信を利用するため、ＬＴＥのような移動通信網に比べ、回線断のリスクを大幅に低減できるとともに、広範なエリア（移動通信網が使えない地域も含む）においてドローン２の飛行情報を収集することができる。また、ドローン２に搭載する小電力通信ユニット１０は、無人飛行機１１との無線通信が可能なスペックであれば足りるため、一般的な衛星通信装置に比べて、大幅に小型化・軽量化・省電力化・低コスト化を図ることができる。しかも、独立した電源をもつので、取り付けにあたりドローン２の改修が必要ない。したがって、小電力通信ユニット１０の導入および実装が容易である。このことは、本システム１のサービスを普及させる上で非常に有利な点である。また、例えば災害発生時には災害現場の周辺に数多くのドローンが飛行するケースも考えられるが、そのような場合でも各運用者に小電力通信ユニット１０を配布しドローンに取り付けてもらうだけで、災害現場周辺の運航管理を容易に実現できる。
（変形例）
上記実施形態の構成は本発明の一具体例を示したものにすぎない。本発明の飛行情報収集システムは上記実施形態の構成以外にも様々な構成を採ることができる。
例えば、上記実施形態では、ドローン２の情報を無人飛行機１１および通信衛星３を経由して管理センター１２に収集する方法を示したが、逆に、管理センター１２から発信した信号を通信衛星３および無人飛行機１１を経由してドローン２へと送信してもよい。後者のような仕組みを利用すれば、運用者４がインターネットを介して管理センター１２にアクセスし、ドローン２への制御命令を入力することで、ドローン２の遠隔操作を行うことも可能となる。
また上記実施形態では、無人のドローン２のみを対象としたが、有人航空機や、地上走行型または海上走行型の無人機の運航状況の把握にも利用できる。また装置（機械）に限らずあらゆる移動体の状況把握にも適用できる。例えば、野生動物の行動調査や人の行動の把握などにも展開可能である。
またドローン２から位置情報以外の情報を収集することも好ましい。例えば、小電力通信ユニット１０またはドローン２に搭載されたセンサで得られる情報（画像、温度、照度、気圧、降雨量、風速、騒音など）を収集してもよい。
また上記実施形態では、中継機として無人飛行機を例示したが、有人の飛行機でもよい。あるいは、飛行船、気球、ヘリコプターなどの飛行体を中継機として利用することもできる。また上記実施形態では、中継機の飛行高度として成層圏（特に２０ｋｍ〜２５ｋｍ）を例示したが、中継機の飛行高度はこの範囲に限られない。少なくとも、ドローンが飛行し得る高度と通信衛星の高度のあいだを飛行すればよく、数百ｍ〜数ｋｍ程度の高度でも構わない。
１：飛行情報収集システム
２：ドローン
３：通信衛星
４：ドローンの運用者
１０：小電力通信ユニット
１１：無人飛行機
１２：管理センター
１２０：衛星通信用のアンテナ
１２１：情報処理装置

Claims (12)

  1. ドローンの飛行情報収集システムであって、
    ドローンに搭載される無線通信装置と、
    前記ドローンが飛行し得る高度と通信衛星の高度のあいだの第１高度を飛行する中継機と、
    前記通信衛星と衛星通信を行う地上局と、を備え、
    前記無線通信装置は、前記ドローンの情報を発信するものであり、
    前記中継機は、前記無線通信装置から発信される前記ドローンの情報を受信する受信装置と、前記受信装置により受信した前記ドローンの情報を前記通信衛星を利用した衛星通信によって前記地上局に送信する衛星通信装置とを有するものであり、
    前記地上局は、衛星通信によって前記中継機から前記ドローンの情報を収集するものである
    ことを特徴とする飛行情報収集システム。
  2. 前記中継機は、無人飛行機である
    ことを特徴とする請求項１に記載の飛行情報収集システム。
  3. 前記中継機は、予め決められたエリアを周回飛行する
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の飛行情報収集システム。
  4. 前記中継機は、飛行および通信のためのエネルギーを発電する太陽電池を有する
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の飛行情報収集システム。
  5. 前記第１高度は、２０ｋｍ以上２５ｋｍ以下の高度である
    ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の飛行情報収集システム。
  6. 前記無線通信装置は、前記ドローンとは独立した電源を有する
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の飛行情報収集システム。
  7. 前記無線通信装置から発信される前記ドローンの情報は、前記ドローンの位置および高度の情報と時間情報を少なくとも含む
    ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の飛行情報収集システム。
  8. 前記無線通信装置は、前記ドローンの位置および高度を測定するためのＧＰＳユニットを有する
    ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の飛行情報収集システム。
  9. 前記無線通信装置は、前記ドローンの情報を蓄積するメモリーを有する
    ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の飛行情報収集システム。
  10. ドローンに搭載される無線通信装置であって、
    前記ドローンが飛行し得る高度と通信衛星の高度のあいだの第１高度を飛行する中継機に対し、前記ドローンの情報を発信する
    ことを特徴とする無線通信装置。
  11. ドローンが飛行し得る高度と通信衛星の高度のあいだの第１高度を飛行する中継機であって、
    前記ドローンに搭載された無線通信装置から発信される前記ドローンの情報を受信する受信装置と、
    前記受信装置により受信した前記ドローンの情報を、前記通信衛星を利用した衛星通信によって、地上局に送信する衛星通信装置と、
    を有することを特徴とする中継機。
  12. ドローンの飛行情報収集方法であって、
    ドローンに搭載された無線通信装置が、前記ドローンの情報を発信し、
    前記ドローンが飛行し得る高度と通信衛星の高度のあいだの第１高度を飛行する中継機が、前記無線通信装置から発信される前記ドローンの情報を受信し、
    前記中継機が、前記通信衛星を利用した衛星通信によって、前記ドローンの情報を地上局に送信し、
    前記地上局が、衛星通信によって前記中継機から前記ドローンの情報を収集する
    ことを特徴とする飛行情報収集方法。
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