WO2019058991A1 - 気流データを利用したｈａｐｓ飛行制御 - Google Patents

Abstract

第５世代移動通信等の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とともに、消費エネルギーの低減を図ることができる通信中継装置を提供する。通信中継装置 は、端末装置との間で無線通信を行う無線中継局と、自律制御又は外部から制御により所定高度の空域に位置するように制御される浮揚体と、気流の風速及び風向を含む環境情報に基づいて、気流を利用した飛行を行うように制御する飛行制御手段と、を備える。

Description

気流データを利用したＨＡＰＳ飛行制御

　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）の飛行制御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、伝搬遅延が低く、広範囲の多数の端末と同時接続でき、高速通信可能で、単位面積あたりのシステム容量の大きい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という課題がある。また、このような３次元化したネットワークの実現する装置では消費エネルギーの低減という課題がある。

　本発明の一態様に係る通信中継装置は、端末装置との間で無線通信を行う無線中継局と、自律制御又は外部から制御により所定高度の空域に位置するように制御される浮揚体と、を備える空中浮揚型の通信中継装置であって、気流の風速及び風向を含む環境情報に基づいて、気流を利用した飛行を行うように制御する飛行制御手段を備える。

　前記通信中継装置において、前記環境情報は、複数の高度それぞれにおける気流の風速及び風向を含んでもよい。前記環境情報は、複数の高度それぞれにおける気圧及び気温を含んでもよい。また、前記環境情報は、過去の高層気象観測データの統計値、直近の高層気象観測データ及び前記通信中継装置自体に設けられた測定装置で測定された測定データの少なくとも一つから取得してもよい。

　また、前記通信中継装置において、前記飛行制御手段は、前記環境情報と、前記通信中継装置自体の状態を示す装置状態情報とに基づいて、気流を利用した飛行を行うように制御してもよい。前記装置状態情報は、前記通信中継装置自体の現在位置及び予め設定された設定飛行ルートの情報を含んでもよい。また、前記装置状態情報は、前記通信中継装置自体の対気速度、対地速度及び推進方向の少なくとも一つの情報を含んでもよい。

　また、前記通信中継装置において、前記環境情報に基づいて又は前記環境情報及び前記装置状態情報に基づいて、前記飛行制御手段による飛行制御内容を決定する手段を備え、前記飛行制御手段は、前記決定された飛行制御内容に基づいて飛行を制御してもよい。

　また、前記通信中継装置において、前記環境情報に基づいて又は前記環境情報及び前記装置状態情報に基づいて決定された前記通信中継装置自体の飛行制御内容の情報を外部装置から受信する手段を備え、前記飛行制御手段は、前記受信した飛行制御内容に基づいて飛行制御してもよい。前記外部装置は、通信中継装置を管理する地上又は上空の管理装置であってもよい。

　また、前記通信中継装置において、前記飛行制御内容は、前記通信中継装置自体の出発地点から目標地点までの目標飛行ルートを含み、前記飛行制御手段は、前記目標飛行ルートを飛行するように制御してもよい。

　また、前記通信中継装置において、前記飛行制御手段による飛行制御内容は、複数種類の飛行パターンの種類ごとに個別に設定してもよい。前記複数種類の飛行パターンは、離陸するときの飛行パターン、所定の高度範囲まで上昇するときの飛行パターン、所定の高度範囲内の滞在目標上空エリアに留まる飛行パターン、所定の高度範囲から下降するときの飛行パターン及び着陸するときの飛行パターンを含んでもよい。また、前記複数種類の飛行パターンは、所定の高度範囲に移動した後に滞在目標上空エリアまで横移動する飛行パターン、所定の姿勢を維持する時間帯を最大化する飛行パターン、２つの滞在目標上空エリア間を移動する飛行パターン、複数の滞在目標上空エリア間を巡回する巡回飛行パターン及び滞在目標上空エリアで時間帯に応じて上下移動する飛行パターンの少なくとも一つを含んでもよい。

　また、前記通信中継装置において、前記飛行制御内容は、前記環境情報及び前記装置状態情報の互いに異なる複数種類の条件で実行された複数回の飛行試験により得られた学習結果に基づいて決定されてもよい。

　また、前記通信中継装置において、バッテリー及び太陽光発電システムの少なくとも一方を備え、電力で飛行するものであってもよい。また、前記通信中継装置において、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成し、前記セル形成目標空域の高度は１０［ｋｍ］以下であってもよい。また、前記通信中継装置において、１００［ｋｍ］以下の高度に位置してもよい。

　本発明の他の態様に係るシステムは、前記いずれかの通信中継装置を複数備えるシステムであって、前記複数の通信中継装置は、飛行時の空気抵抗を低減する相互位置関係を有する編隊を組んで飛行してもよい。

　本発明の他の態様に係る管理装置は、前記いずれかの通信中継装置を管理する地上又は上空に位置する管理装置であって、前記環境情報と前記装置状態情報とに基づいて前記通信中継装置の飛行制御内容を決定し、その決定した飛行制御内容を前記通信中継装置に送信してもよい。

　本発明によれば、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の伝搬遅延が低く、広範囲の多数の端末装置と同時接続でき、高速通信可能で、単位面積あたりのシステム容量の大きい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とともに、飛行時の消費エネルギーの低減を図ることができる。

図１は、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である。 図２は、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である。 図３は、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である。 図４は、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である。 図５は、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である。 図６は、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である。 図７は、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である。 図８は、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である。 図９は、実施形態のＨＡＰＳの各種飛行パターンを例示する説明図である。 図１０は、実施形態のＨＡＰＳの飛行制御系の一構成例を示す機能ブロック図である。 図１１は、実施形態のＨＡＰＳの飛行制御の一例を示すフローチャートである。 図１２は、実施形態のＨＡＰＳ及び遠隔制御装置の飛行制御系の一構成例を示す機能ブロック図である。 図１３は、実施形態のＨＡＰＳの飛行制御の他の例を示すシーケンス図である。 図１４は、実施形態のＨＡＰＳ及び遠隔制御装置の飛行制御系の他の構成例を示す機能ブロック図である。 図１５は、実施形態のＨＡＰＳの飛行制御の更に他の例を示すシーケンス図である。 図１６は、実施形態の複数のＨＡＰＳによる編隊飛行の一例を示す上面図である。 図１７Ａは、図１６の編隊飛行中のＨＡＰＳの主翼端部に形成される渦気流及び揚力の説明図である。 図１７Ｂは、図１６の編隊飛行中のＨＡＰＳの主翼端部の斜め後方に形成される揚力増大領域を示す上面図。

　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。
　なお、本明細書に開示する通信システム、無線中継局、基地局、リピータ及び端末装置に適用可能な移動通信の標準規格は、第５世代の移動通信の標準規格、及び、第５世代以降の次々世代の移動通信の標準規格を含む。

　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としての高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）（「高高度疑似衛星」ともいう。）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、地上又は海上に設置された中継局であるフィーダ局（ゲートウェイ）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遠隔制御装置８５によって制御できるようにしてもよい。この場合、ＨＡＰＳ１０，２０は、遠隔制御装置８５からの制御情報を受信したり遠隔制御装置８５に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、遠隔制御装置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や各種センサなどで取得した観測データなどの情報を、遠隔制御装置８５等の所定の送信先に送信するようにしてもよい。

　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、例えば旋回飛行を行ったり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、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に設けた遠隔制御装置８５又は他のＨＡＰＳ管理サーバ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世代又は第５世代以降の次々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のサーバ装置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通信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。

　本実施形態において、ＨＡＰＳ１０は離陸、上昇、所定の空域５０での滞在、下降、着陸などの様々な飛行パターンで飛させて運用される。しかしながら、ＨＡＰＳ１０は省電力のため飛行の動力が非力であるため、通常の飛行機と違って気流に逆らって希望通りの飛行経路（飛行ルート）で飛ぶことが難しい場合がある。また、気流に逆らって長時間飛行すると、飛行時の電力消費量が増加し、所定の滞在する滞在時間が短くなってしまう。

　そこで、本実施形態では、ＨＡＰＳ１０の各種飛行パターンごとに気流を積極的に利用して飛行するようにＨＡＰＳ１０を飛行制御することにより、ＨＡＰＳ１０を各種飛行パターンで飛行させて上記所定の空域５０に長期にわたって滞在させて通信サービス提供の運用を行うにあたり、飛行に要するエネルギー（電力消費量）を少なくする省エネルギー（省電力）を図っている。なお、以下の例では、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０のみの例であるが、無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０であってもよいし、これらのＨＡＰＳ１０，２０が混在していてもよい。

　図９は、実施形態のＨＡＰＳ１０の各種飛行パターンを例示する説明図である。図９は、ＨＡＰＳ１０の離陸から着陸までの一連の飛行における９種類の飛行パターンを例示している。なお、図９において、前述の図１，５と共通する部分については同じ符号を付し、それらの説明は省略する。

　本実施形態のＨＡＰＳ１０は、図９の複数の飛行パターンごとに、気流などの環境情報及びＨＡＰＳ１０の対気速度などの装置状態情報に基づいて、以下のように最も省エネルギーになるように最適な飛行制御を行う。

　図９中の「離陸」は、ＨＡＰＳ１０が地面（又は、海面若しくは海上の船舶）から離陸するときの飛行パターンである。この離陸飛行パターンでは、ＨＡＰＳ１０が速やかに離陸できるように気流に向かい風状態で離陸するように飛行制御を行う。

　図９中の「上昇」は、ＨＡＰＳ１０が離陸した後、所定の空域５０（例えば成層圏の空域）まで上昇するときの飛行パターンである。この上昇飛行パターンでは、ＨＡＰＳ１０の対気速度を一定にして気流に逆らわないで上昇するように飛行制御を行う。また、偏西風や偏東風など風が強いエリアでは風上に向かって上昇するように飛行制御を行う。

　図９中の「２地点間移動（トランジット）」は、ＨＡＰＳ１０が上昇完了した位置から、通信サービス提供のための運用時の滞在位置（通信サービス提供地点）まで移動するときの飛行パターンである。この２地点間移動の飛行パターンでは、風の弱い高度を狙って対気速度一定で移動するように飛行制御を行う。また、高度の低い風の強いエリアの風下に移動先がある場合はあえて高度を下降させて流されて移動し、所定場所についたら高度を上げるように飛行制御を行う。気流に流されるときは、グライディング（滑空）飛行で発電しながら移動するように飛行制御を行ってもよい。

　図９中の「ステーション・キーピング」は、ＨＡＰＳ１０が運用時の滞在位置に滞在するときの飛行パターンである。このステーション・キーピングの飛行パターンでは、所定の滞在エリア内に留まるように飛行制御を行う。このステーション・キーピングの飛行パターンでは、太陽光があたる昼間のソーラーパネル１０２による太陽光発電を行う飛行と、次の夜間のグライディングによる夜間気流発電を行う飛行とを繰り返すように飛行制御を行ってもよい。

　図９中の「グライディング（夜間発電）」は、ＨＡＰＳ１０が夜間時にプロペラの回転による発電（風力発電）を行う飛行パターンである。このグライディング（夜間発電）の飛行パターンでは、位置エネルギーを利用してゆっくりと旋回しながら所定のエリア内で滑空するように飛行制御を行う。

　図９中の「姿勢維持」は、ＨＡＰＳ１０の滞在時にソーラーパネル１０２による発電を効率的に行うように姿勢を維持する飛行パターンである。この姿勢維持の飛行パターンでは、ソーラーパネル１０２の受光面を太陽に向ける時間を最大化するように姿勢を維持する飛行経路（例えば、変形長円形状の巡回飛行経路）で飛行するように飛行制御を行う。

　図９中の「巡回」は、ＨＡＰＳ１０が複数の滞在位置間を巡回するときの飛行パターンである。この巡回飛行パターンの２地点間移動では、前記２地点間移動の飛行パターンと同様に、風の弱い高度を狙って対気速度一定で移動するように飛行制御を行う。また、高度の低い風の強いエリアの風下に移動先がある場合はあえて高度を下降させて流されて移動し、所定場所についたら高度を上げるように飛行制御を行う。気流に流されるときは、グライディング（滑空）飛行で発電しながら移動するように飛行制御を行ってもよい。

　図９中の「下降」は、ＨＡＰＳ１０が所定の空域５０（例えば成層圏の空域）から地面（又は、海面）の近傍まで下降するときの飛行パターンである。この下降飛行パターンでは、ＨＡＰＳ１０が可能な限り風に逆らわない飛行経路で下降するように飛行制御を行う。

　図９中の「着陸」は、ＨＡＰＳ１０が地面（又は、海面若しくは海上の船舶）に着陸するときの飛行パターンである。この下降飛行パターンでは、ＨＡＰＳ１０が可能な限り風に逆らわない飛行経路で着陸するように飛行制御を行う。

　図１０は、実施形態のＨＡＰＳ１０の飛行制御系の一構成例を示す機能ブロック図である。図１０の飛行制御系は、ＨＡＰＳ１０自身が環境情報及び装置状態情報に基づいて飛行制御内容を決定する自律制御型の飛行制御系の例である。

　図１０において、ＨＡＰＳ１０の飛行制御系は、環境情報取得部１６１と装置状態情報取得部１６２と飛行制御データベース１６３と飛行パターン選択部１６４と飛行制御内容決定部１６５と駆動制御部１６６とモータ駆動部１４１と飛行結果情報取得部１６７とを備える。

　環境情報取得部１６１は、複数の高度それぞれにおける気流の風速及び風向を含む環境情報を取得する。環境情報は、複数の高度それぞれにおける気圧及び気温を含んでもよい。環境情報は、過去の高層気象観測データの統計値、直近の高層気象観測データ及びＨＡＰＳ１０自体に設けられた測定装置で測定された測定データの少なくとも一つから取得することができる。

　高層気象観測データは、例えば、気象観測器（ラジオゾンデ）を用いて世界８００か所で同時刻に１日に２回観測される高層気象観測のデータである。ラジオゾンデは、気球の浮力によって約３６０ｍ／分で上昇しながら、上空の気温・気圧（高度）・湿度等を測定し、各測定値を電波で地上に送信する。ラジオゾンデのうち、ＧＰＳ信号を用いて風向・風速を計算するものを「ＧＰＳゾンデ」といい、ＧＰＳゾンデは複数のＧＰＳ衛星の電波を受信し、ＧＰＳゾンデの移動によって生じるＧＰＳ衛星信号の周波数のずれを利用することにより、風向・風速を求める。高層気象観測データは、例えば、複数の高度それぞれにおける高層天気図、高度と風向・風速との関係を示すグラフ、高度と気温・湿度との関係を示すグラフなどのデータ形式で、気象庁のＷＥＢサイトから取得することができる。

　ＨＡＰＳ１０に設けられる環境情報の測定装置としては、気圧計、気温計、湿度計などの各種センサがあり、これらのセンサにより、ＨＡＰＳ１０の周辺の気圧、気温、湿度などの情報を測定して取得することができる。

　装置状態情報取得部１６２は、ＨＡＰＳ１０自体の状態を示す装置状態情報を取得する。装置状態情報は、ＨＡＰＳ１０自体の現在位置及び予め設定された設定飛行経路の情報を含む。また、装置状態情報は、ＨＡＰＳ１０自体の対気速度、対地速度及び推進方向の少なくとも一つの情報を含んでもよい。ＨＡＰＳ１０に設けられる装置状態情報の測定装置としては、加速度計、角速度計、磁気計（方位センサ）、絶対圧計、差圧計、ＧＰＳ受信機、姿勢角センサなどの各種センサがあり、これらのセンサにより、ＨＡＰＳ１０の現在位置（緯度、経度、高度）、対気速度、対地速度、推進方向などの情報を測定して取得することができる。

　飛行制御データベース１６３は、前記複数種類の飛行パターンごとに、最も省エネルギーとなる目標飛行経路でＨＡＰＳ１０を飛行させるための飛行制御内容（例えば、複数のプロペラ１０３それぞれの回転駆動の制御パラメータの値）と、前記環境情報及び装置状態情報との関係を示す関係データを記憶している。飛行制御データベース１６３は、飛行制御内容と、環境情報及び装置状態情報と、実際の飛行結果情報とに基づいて機械学習して前記関係データを更新する人工知能（ＡＩ）の機能も有している。機械学習は、例えば、前記複数種類の飛行パターンごとに、飛行経路（飛行ルート）、飛行時間及び電力消費量の少なくとも一つの予測値と実際の測定値との差異が小さくなるように前記関係データを修正するように行う。

　飛行パターン選択部１６４は、前記複数の飛行パターンから次の飛行で用いる飛行パターンを選択する。

　飛行制御内容決定部１６５は、飛行パターン選択部１６４で選択した飛行パターンについて、前記環境情報及び装置状態情報の最新取得データに基づいて飛行制御データベース１６３を参照し、最も省エネルギーとなる目標飛行経路と消費電力量とを予測し、その目標飛行経路でＨＡＰＳ１０を飛行させるための飛行制御内容（例えば、複数のプロペラ１０３それぞれの回転駆動の制御パラメータの値）を決定する。飛行制御内容決定部１６５は、予め設定された複数種類の飛行制御内容を記憶しておき、それらの複数種類の飛行制御内容から最も省エネルギーとなる一つの飛行制御内容を選択することにより、飛行制御内容を決定してもよい。

　駆動制御部１６６は、飛行制御内容決定部１６５で決定された飛行制御内容に基づいて、ＨＡＰＳ１０の各プロペラ１０３のモータ駆動部１４１に制御信号を送信し、各プロペラ１０３の回転を個別に制御する。この各プロペラ１０３の回転の個別制御により、飛行しているＨＡＰＳ１０の、進行方向、速度、姿勢（ロール角（バンク角）、ピッチ角、ヨー角）などを制御することができる。なお、ＨＡＰＳ１０の飛行制御の方法としては、プロペラ１０３の回転の個別制御の代わりに又はプロペラ１０３の回転の個別制御に加えて、ＨＡＰＳ１０に動翼（例えば、エルロン、ラダー、エレベータ等）を設け、その動翼を制御する方法を採用してもよい。

　飛行結果情報取得部１６７は、前記決定した飛行制御内容で飛行制御したときのＨＡＰＳ１０の飛行結果情報（例えば、実際の飛行経路及び消費電力量の実測値）を取得する。この飛行結果情報は、例えばＨＡＰＳ１０に設けられたＧＰＳ受信機やモータ駆動電源の電力計で測定され、前述の飛行制御データベース１６３での機械学習で用いられる。

　図１１は実施形態のＨＡＰＳ１０の飛行制御の一例を示すフローチャートである。図１１の例は、図１０の飛行制御系に対応する自律制御型の飛行制御の例である。
　図１１において、ＨＡＰＳ１０は、前述の複数種類の飛行パターンから一つの飛行パターンを選択し（Ｓ１０１）、環境情報及び装置状態情報の最新情報を取得する（Ｓ１０２）。次に、ＨＡＰＳ１０は、選択した飛行パターンについて、取得した環境情報及び装置状態情報に基づいて飛行制御データベースを参照し、最も省エネルギーとなる目標飛行経路と消費電力量とを予測し、その目標飛行経路でＨＡＰＳ１０を飛行させるための飛行制御内容（例えば、複数のプロペラ１０３それぞれの回転駆動の制御パラメータの値）を決定し（Ｓ１０３）、その決定した飛行制御内容に基づいて飛行制御を実行する（Ｓ１０４）。次に、ＨＡＰＳ１０は、飛行制御中又は飛行制御後に飛行結果情報（例えば、実際の飛行経路及び消費電力量の実測値）を取得し（Ｓ１０５）、取得した飛行結果情報と前述の目標飛行経路及び消費電力量の予測結果とに基づいて前述の機械学習を行い（Ｓ１０６）、省エネルギー飛行制御の精度を高めるように飛行制御データベースを更新する（Ｓ１０７）。

　図１２は、実施形態のＨＡＰＳ１０及び遠隔制御装置８５の飛行制御系の一構成例を示す機能ブロック図である。図１２の飛行制御系は、遠隔制御装置８５が環境情報及び装置状態情報に基づいて決定した飛行制御内容をＨＡＰＳ１０に送信して飛行制御させる遠隔制御型の飛行制御系の例である。なお、図１２において、図１０と同様な部分については同じ符号を付し、それらの説明は省略する。

　図１２において、ＨＡＰＳ１０の飛行制御系は、環境情報送信部１６８と装置状態情報送信部１６９と飛行制御内容受信部１７０と飛行結果情報送信部１７１とを更に備える。環境情報送信部１６８、装置状態情報送信部１６９及び飛行結果情報送信部１７１はそれぞれ、環境情報取得部１６１、装置状態情報取得部１６２及び飛行結果情報取得部１６７で取得した環境情報、装置状態情報及び飛行結果情報を遠隔制御装置８５に送信する。飛行制御内容受信部１７０は、遠隔制御装置８５で決定されて送信されてきた飛行制御内容を受信する。

　また、図１２において、遠隔制御装置８５の飛行制御系は、環境情報受信部８５１と装置状態情報受信部８５２と飛行制御データベース８５３と飛行パターン選択部８５４と飛行制御内容決定部８５５と飛行制御内容送信部８５６と飛行結果情報受信部８５７とを備える。図中の飛行制御データベース８５３、飛行パターン選択部８５４及び飛行制御内容決定部８５５は、図１０中のＨＡＰＳ１０における飛行制御データベース１６３、飛行パターン選択部１６４及び飛行制御内容決定部１６５と同様な機能を有する。環境情報受信部８５１、装置状態情報受信部８５２及び飛行結果情報受信部８５７はそれぞれ、ＨＡＰＳ１０で取得されて送信されてきた環境情報、装置状態情報及び飛行結果情報を受信する。また、飛行制御内容送信部８５６は、飛行制御内容決定部８５５で決定した飛行制御内容をＨＡＰＳ１０に送信する。

　図１３は、実施形態のＨＡＰＳの飛行制御の他の例を示すシーケンス図である。図１３の例は、図１２の飛行制御系に対応する遠隔制御型の飛行制御の例である。
　図１３において、遠隔制御装置８５は、前述のＨＡＰＳ１０で用いる複数種類の飛行パターンから一つの飛行パターンを選択する（Ｓ２０１）。一方、ＨＡＰＳ１０は、環境情報及び装置状態情報の最新情報を取得し（Ｓ２０２）、遠隔制御装置８５に送信する（Ｓ２０３）。次に、遠隔制御装置８５は、選択した飛行パターンについて、ＨＡＰＳ１０から受信した環境情報及び装置状態情報に基づいて飛行制御データベースを参照し、最も省エネルギーとなる目標飛行経路と消費電力量とを予測し、その目標飛行経路でＨＡＰＳ１０を飛行させるための飛行制御内容（例えば、複数のプロペラ１０３それぞれの回転駆動の制御パラメータの値）を決定し（Ｓ２０４）、その決定した飛行制御内容をＨＡＰＳ１０に送信する（Ｓ２０５）。ＨＡＰＳ１０は、遠隔制御装置８５から受信した飛行制御内容に基づいて飛行制御を実行する（Ｓ２０６）。次に、ＨＡＰＳ１０は、飛行制御中又は飛行制御後に飛行結果情報（例えば、実際の飛行経路及び消費電力量の実測値）を取得し（Ｓ２０７）、取得した飛行結果情報を遠隔制御装置８５に送信する（Ｓ２０８）。遠隔制御装置８５は、ＨＡＰＳ１０から受信した飛行結果情報と前述の目標飛行経路及び消費電力量の予測結果徒に基づいて前述の機械学習を行い（Ｓ２０９）、省エネルギー飛行制御の精度を高めるように飛行制御データベースを更新する（Ｓ２１０）。

　図１４は、実施形態のＨＡＰＳ１０及び遠隔制御装置８５の飛行制御系の他の構成例を示す機能ブロック図である。図１４の飛行制御系は、環境情報をＨＡＰＳ１０で取得する代わりに遠隔制御装置８５で取得し、その他の部分は図１２の例と同じである。

　図１５は、実施形態のＨＡＰＳ１０の飛行制御の更に他の例を示すシーケンス図である。図１５の例は、図１４の飛行制御系に対応する遠隔制御型の飛行制御の例である。
　図１５において、遠隔制御装置８５は、前述のＨＡＰＳ１０で用いる複数種類の飛行パターンから一つの飛行パターンを選択し（Ｓ３０１）、環境情報の最新情報を取得する（Ｓ３０２）。一方、ＨＡＰＳ１０は、装置状態情報の最新情報を取得し（Ｓ３０３）、遠隔制御装置８５に送信する（Ｓ３０４）。次に、遠隔制御装置８５は、選択した飛行パターンについて、自身が取得した環境情報とＨＡＰＳ１０から受信した装置状態情報に基づいて飛行制御データベースを参照し、最も省エネルギーとなる目標飛行経路と消費電力量とを予測し、その目標飛行経路でＨＡＰＳ１０を飛行させるための飛行制御内容（例えば、複数のプロペラ１０３それぞれの回転駆動の制御パラメータの値）を決定し（Ｓ３０５）、その決定した飛行制御内容をＨＡＰＳ１０に送信する（Ｓ３０６）。その後の制御は、前述の図１２と同様である。

　以上、本実施形態によれば、複数種類の飛行パターンごとに、最も省エネルギーとなる目標飛行経路を予測して飛行制御を行うことにより、飛行時の消費エネルギーの低減を図ることができる。

　なお、上記実施形態において、複数のＨＡＰＳ１０を離陸させて上昇させ、所定の空域５０（例えば成層圏）に達したら、飛行時の空気抵抗を低減する相互位置関係を有する編隊（例えば、雁行の形状の編隊）を組んで飛行するように飛行制御を行ってもよい。この場合は、前述の所定の空域５０（例えば成層圏）に達した後の２地点間移動（トランジット）の飛行パターン等において移動に要するエネルギーを少なくすることができ、更に飛行時の消費エネルギー（消費電力量）の低減を図ることができる。

　図１６は、実施形態の複数のＨＡＰＳ１０による編隊飛行の一例を示す上面図である。また、図１７Ａは、図１６の編隊飛行中のＨＡＰＳ１０の主翼端部に形成される渦気流及び揚力の説明図であり、図１７Ｂは、ＨＡＰＳ１０の主翼端部の斜め後方に形成される揚力増大領域を示す上面図である。
　図１６の例は、６機のＨＡＰＳ１０が進行方向Ｆの先頭部分を頂点としてＶ字型（雁行の形状）に編隊を組んで飛行している例である。ＨＡＰＳ１０が水平飛行しているとき、図１７Ａに示すように、主翼部１０１の長手方向両端部では上方に回り込むような空気の流れ（翼端渦）Ｓが生じ、図１７Ｂに示すように主翼部１０１の斜め後方に揚力が大きくなる部分Ｒが発生する。この揚力が大きくなる部分Ｒに後続のＨＡＰＳ１０が順次位置するように編隊を組むことにより、先頭以外のＨＡＰＳ１０の揚力をかせぐことができ、複数のＨＡＰＳの編隊全体の消費エネルギー（消費電力量）を減らすことができる。

　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、遠隔制御装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）及び基地局における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、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）、遠隔制御装置、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　ＨＡＰＳ（ソーラープレーンタイプ）
　１０Ａ～１０Ｅ　部分構造体
　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
　６５　飛行機
　７０　フィーダ局
　７２　人工衛星
　７５　マイクロ波給電局
　８０　移動通信網
　８５　遠隔制御装置（管制センター）
　１００，２００、３００　ビーム
　１０１　主翼部
　１０２　ソーラーパネル（太陽光発電パネル）
　１０３，２０２　プロペラ
　１０４　連結部
　１０５　ポッド
　１０６　バッテリー
　１０７　車輪
　１０８　受電用ポッド
　１１０，２１０　無線中継局
　１１１　３次元（３Ｄ）セル形成アンテナ部
　１１２　送受信部
　１１３　フィード用アンテナ部
　１１４　送受信部
　１１５　リピーター部
　１１６　監視制御部
　１１７　電源部
　１１８　モデム部
　１１９　基地局処理部
　１２０　エッジコンピューティング部
　１２５　光通信部
　１２６　ビーム制御部
　１３０，２３０　光アンテナ装置
　１４１　モータ駆動部
　１６１　環境情報取得部
　１６２　装置状態情報取得部
　１６３　飛行制御データベース
　１６４　飛行パターン選択部
　１６５　飛行制御内容決定部
　１６６　駆動制御部
　１６７　飛行結果情報取得部
　１６８　環境情報送信部
　１６９　装置状態情報送信部
　１７０　飛行制御内容受信部
　１７１　飛行結果情報送信部
　８５１　環境情報受信部
　８５２　装置状態情報受信部
　８５３　飛行制御データベース
　８５４　飛行パターン選択部
　８５５　飛行制御内容決定部
　８５６　飛行制御内容送信部
　８５７　飛行結果情報受信部

Claims (20)

1. 　端末装置との間で無線通信を行う無線中継局と、
   　自律制御又は外部から制御により所定高度の空域に位置するように制御される浮揚体と、を備える空中浮揚型の通信中継装置であって、
   　気流の風速及び風向を含む環境情報に基づいて、気流を利用した飛行を行うように制御する飛行制御手段を備えることを特徴とする通信中継装置。
2. 　請求項１の通信中継装置において、
   　前記環境情報は、複数の高度それぞれにおける気流の風速及び風向を含むことを特徴とする通信中継装置。
3. 　請求項１又は２の通信中継装置において、
   　前記環境情報は、複数の高度それぞれにおける気圧及び気温を含むことを特徴とする通信中継装置。
4. 　請求項１乃至３のいずれかの通信中継装置において、
   　前記環境情報は、過去の高層気象観測データの統計値、直近の高層気象観測データ及び前記通信中継装置自体に設けられた測定装置で測定された測定データの少なくとも一つから取得されることを特徴とする通信中継装置。
5. 　請求項１乃至４のいずれかの通信中継装置において、
   　前記飛行制御手段は、前記環境情報と、前記通信中継装置自体の状態を示す装置状態情報とに基づいて、気流を利用した飛行を行うように制御することを特徴とする通信中継装置。
6. 　請求項５の通信中継装置において、
   　前記装置状態情報は、前記通信中継装置自体の現在位置及び予め設定された設定飛行ルートの情報を含むことを特徴とする通信中継装置。
7. 　請求項５又は６の通信中継装置において、
   　前記装置状態情報は、前記通信中継装置自体の対気速度、対地速度及び推進方向の少なくとも一つの情報を含むことを特徴とする通信中継装置。
8. 　請求項１乃至７のいずれかの通信中継装置において、
   　前記環境情報に基づいて又は前記環境情報及び前記装置状態情報に基づいて、前記飛行制御手段による飛行制御内容を決定する手段を備え、
   　前記飛行制御手段は、前記決定された飛行制御内容に基づいて飛行を制御することを特徴とする通信中継装置。
9. 　請求項１乃至８のいずれかの通信中継装置において、
   　前記環境情報に基づいて又は前記環境情報及び前記装置状態情報に基づいて決定された前記通信中継装置自体の飛行制御内容の情報を外部装置から受信する手段を備え、
   　前記飛行制御手段は、前記受信した飛行制御内容に基づいて飛行制御することを特徴とする通信中継装置。
10. 　請求項９の通信中継装置において、
    　前記外部装置は、前記通信中継装置を管理する地上又は上空の管理装置であることを特徴とする通信中継装置。
11. 　請求項８乃至１０のいずれかの通信中継装置において、
    　前記飛行制御内容は、前記通信中継装置自体の出発地点から目標地点までの目標飛行ルートを含み、
    　前記飛行制御手段は、前記目標飛行ルートを飛行するように制御することを特徴とする通信中継装置。
12. 　請求項８乃至１１のいずれかの通信中継装置において、
    　前記飛行制御手段による飛行制御内容は、複数種類の飛行パターンの種類ごとに個別に設定されていることを特徴とする通信中継装置。
13. 　請求項１２の通信中継装置において、
    　前記複数種類の飛行パターンは、離陸するときの飛行パターン、所定の高度範囲まで上昇するときの飛行パターン、所定の高度範囲内の滞在目標上空エリアに留まる飛行パターン、所定の高度範囲から下降するときの飛行パターン及び着陸するときの飛行パターンを含むことを特徴とする通信中継装置。
14. 　請求項１２又は１３の通信中継装置において、
    　前記複数種類の飛行パターンは、所定の高度範囲に移動した後に滞在目標上空エリアまで横移動する飛行パターン、所定の姿勢を維持する時間帯を最大化する飛行パターン、２つの滞在目標上空エリア間を移動する飛行パターン、複数の滞在目標上空エリア間を巡回する巡回飛行パターン及び滞在目標上空エリアで時間帯に応じて上下移動する飛行パターンの少なくとも一つを含むことを特徴とする通信中継装置。
15. 　請求項８乃至１４のいずれかの通信中継装置において、
    　前記飛行制御内容は、前記環境情報及び前記装置状態情報の互いに異なる複数種類の条件で実行された複数回の飛行試験により得られた学習結果に基づいて決定されることを特徴とする通信中継装置。
16. 　請求項１乃至１５のいずれかの通信中継装置において、
    　バッテリー及び太陽光発電システムの少なくとも一方を備え、電力で飛行することを特徴とする通信中継装置。
17. 　請求項１乃至１６のいずれかの通信中継装置において、
    　地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成し、
    　前記セル形成目標空域の高度は１０［ｋｍ］以下であることを特徴とする通信中継装置。
18. 　請求項１乃至１７のいずれかの通信中継装置において、
    　１００［ｋｍ］以下の高度に位置することを特徴とする通信中継装置。
19. 　請求項１乃至１８のいずれかの通信中継装置を複数備えるシステムであって、
    　前記複数の通信中継装置は、飛行時の空気抵抗を低減する相互位置関係を有する編隊を組んで飛行することを特徴とするシステム。
20. 　請求項１乃至１８のいずれかの通信中継装置を管理する地上又は上空に位置する管理装置であって、
    　前記環境情報に基づいて又は前記環境情報及び前記装置状態情報に基づいて、前記通信中継装置の飛行制御内容を決定し、その決定した飛行制御内容を前記通信中継装置に送信することを特徴とする管理装置。

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