WO2020100715A1

WO2020100715A1 - Ｈａｐｓにおけるサービスリンクのアンテナ構成及びビームフォーミング制御

Info

Publication number: WO2020100715A1
Application number: PCT/JP2019/043705
Authority: WO
Inventors: 兼次星野; 渉一須藤; 太田　喜元
Original assignee: Ｈａｐｓモバイル株式会社
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2020-05-22
Also published as: JP7152270B2; JP2020080459A

Abstract

小型化を図るともにセルのフットプリントの移動を抑制することができる空中浮揚型の通信中継装置を提供する。通信中継装置は、端末装置と間のサービスリンクの無線通信を行うセルを形成する複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報を取得する情報取得部と、通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、通信中継装置に予め設定した基準方向の向きを基準にして、セルのフットプリントの位置を固定するように通信中継装置からセルの中心に向かうアンテナ指向ビームの目標ビーム幅、目標水平角度及び目標垂直角度を決定し、目標ビーム幅、目標水平角度及び目標垂直角度を有するアンテナ指向ビームを形成するようにアレイアンテナの前記複数のアンテナ素子それぞれを介して送受信される複数の送受信信号の位相及び振幅を制御する制御部とを備える。

Description

ＨＡＰＳにおけるサービスリンクのアンテナ構成及びビームフォーミング制御

　本発明は、３次元化ネットワークの構築に適したＨＡＰＳ等の無線中継装置におけるサービスリンクのアンテナ構成及びビームフォーミング制御に関するものである。

　従来、空中に浮揚して滞在可能な高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）（「高高度疑似衛星」ともいう。）等の通信中継装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この空中浮揚型の通信中継装置における通信回線は、その通信中継装置と移動通信網側のゲートウェイ（ＧＷ）局との間のフィーダリンクと、通信中継装置と端末装置との間のサービスリンクとで構成される。

米国特許出願公開第２０１６／００４６３８７号明細書

Hui Li, Xin Xu, Mingchuan Yang and Qing Guo, "Compensative mechanism based on steerable antennas for High Altitude Platform movement," 2011 6th International ICST Conference on Communications and Networking in China (CHINACOM), Harbin, 2011, pp. 870-874.

　上記空中浮揚型の通信中継装置では、その通信中継装置が位置している成層圏等での気流や気圧などの影響により姿勢や位置が変動すると、地上等に形成されるセルのフットプリントが移動する。このため、サービスエリア内の多数の端末装置が一斉にハンドオーバ（ＨＯ）するＨＯの頻発が想定され、ＨＯの頻発による制御信号の増加やＨＯ失敗による通信断が発生するおそれがある。

　非特許文献１には、ＨＡＰ（高高度プラットフォーム）のアンテナの方向を機械的に制御することによりＨＡＰが形成するセルのフットプリントを固定する技術が提案されているが、制御機構が大型になり重量が大きくなるため、小型の通信中継装置に搭載するのが難しい。

　本発明の一態様に係る通信中継装置は、端末装置と無線通信する空中滞在型の通信中継装置であって、前記端末装置と間のサービスリンクの無線通信を行うセルを形成する複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報を取得する情報取得部と、前記情報取得部で取得した前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記通信中継装置に予め設定した基準方向の向きを基準にして、前記セルのフットプリントの位置を固定するように前記通信中継装置から前記セルの中心に向かうアンテナ指向ビームの目標ビーム幅、目標水平角度及び目標垂直角度を決定し、前記目標ビーム幅、前記目標水平角度及び前記目標垂直角度を有するアンテナ指向ビームを形成するように前記アレイアンテナの前記複数のアンテナ素子それぞれを介して送受信される複数の送受信信号の位相及び振幅を制御する制御部と、を備える。
　前記通信中継装置において、サービスエリアを構成する複数のセル形成し、前記制御部は、前記通信中継装置に予め設定した基準方向の向きを基準にして、前記複数のセルのフットプリントそれぞれを固定するように前記通信中継装置から前記複数のセルそれぞれの中心に向かう複数のアンテナ指向ビームそれぞれの目標ビーム幅、目標水平角度及び目標垂直角度を決定し、前記複数のセルのそれぞれについて、前記目標ビーム幅、前記目標水平角度及び前記目標垂直角度を有するアンテナ指向ビームを形成するように前記複数の送受信信号の位相及び振幅を制御してもよい。

　前記通信中継装置において、前記通信中継装置が移動する前の前記通信中継装置の鉛直方向下方の地点から前記セルの中心までの地表距離をｄｎ［ｋｍ］とし、前記通信中継装置が移動する前の前記通信中継装置の高度をｈ［ｋｍ］とし、前記通信中継装置の水平方向及び垂直方向における移動距離をそれぞれΔｄ［ｋｍ］及びΔｈ［ｋｍ］とし、補正係数をβとしたとき、前記通信中継装置が移動した後の前記目標垂直角度θｓｔｒ，ｎ［度］は次式（１）を満たすようにしてもよい。

　また、前記通信中継装置において、前記通信中継装置が移動する前の前記通信中継装置の鉛直方向下方の地点から前記セルの中心までの地表距離をｄｎ［ｋｍ］とし、前記通信中継装置が移動する前の前記通信中継装置の高度をｈ［ｋｍ］とし、前記通信中継装置の水平方向及び垂直方向における移動距離をそれぞれΔｄ［ｋｍ］及びΔｈ［ｋｍ］とし、前記セルの中心及びセル境界から前記通信中継装置を見たときの仰角をθｎ［度］及びθｅｄｇｅ，ｋ［度］としたとき、前記通信中継装置が移動した後の前記目標ビーム幅θｂｗ，ｎ［度］は次式（２）及び（３）を満たすようにしてもよい。

　前記通信中継装置において、前記アレイアンテナは、円柱周面形状に沿って複数のアンテナ素子を分布させるように配置したシリンダー型のアレイアンテナであってもよい。
　また、前記通信中継装置において、前記シリンダー型のアレイアンテナは、前記円柱周面形状の周方向に複数のアンテナ素子を並べたサーキュラー型のアレイアンテナを、前記円柱周面形状の中心軸に平行な方向に複数組並べて構成してもよい。
　また、前記通信中継装置において、前記円柱周面形状の周方向に複数のアンテナ素子が並んだサーキュラー型のアレイアンテナ及び前記円柱周面形状の中心軸に平行な方向に複数のアンテナ素子が並んだリニア型のアレイアンテナのそれぞれに対して、前記複数の送受信信号の位相及び振幅の制御を互いに独立に行ってもよい。
　また、前記通信中継装置において、前記シリンダー型のアレイアンテナの底面部に複数のアンテナ素子を更に配置してもよい。

　前記通信中継装置において、前記目標水平角度と所望のビームパターンとに基づいて、前記複数のアンテナ素子に対する複数の送受信信号それぞれに適用するウェイトを計算し、前記複数のウェイトに基づいて、前記複数の送受信信号の位相及び振幅の制御を行ってもよい。
　また、前記通信中継装置において、前記通信中継装置に予め設定した基準方向の向きを基準にしたアンテナ指向ビームの複数の水平角度について所望のビームパターンを得るように予め決定したウェイトの位相及び振幅の近似式を記憶し、前記基準方向の向きを基準にして、前記セルのフットプリントを固定するようにアンテナ指向ビームの目標水平角度を求め、前記目標水平角度と前記近似式とに基づいて、前記複数のアンテナ素子に対する複数の送受信信号それぞれに適用するウェイトを計算し、前記複数のウェイトに基づいて、前記複数の送受信信号の位相及び振幅の制御を行ってもよい。
　また、前記通信中継装置において、前記通信中継装置に予め設定した基準方向の向きを基準にして、前記セルのフットプリントを固定するようにアンテナ指向ビームの目標水平角度を求め、前記目標水平角度に基づいて、前記複数のアンテナ素子に対する複数の送受信信号それぞれに適用するウェイトを、前記目標水平角度を中心としたガウス分布の関数で計算し、前記複数のウェイトに基づいて、前記複数の送受信信号の位相及び振幅の制御を行ってもよい。
　また、前記通信中継装置において、前記目標水平角度とは反対側に位置する背面側のアンテナ素子について前記ウェイトをゼロにしてもよい。

　前記通信中継装置において、前記アレイアンテナは、平面形状にそって複数のアンテナ素子を２次元的に分布させるように配置した複数の平面型のアレイアンテナを、各アレイアンテナのビームの向きが互いに異なるように配置して構成し、前記複数の平面型のアレイアンテナの間で前記セルの形成に用いるアレイアンテナを切り替えるアンテナ切り替え部を備えてもよい。
　また、前記通信中継装置において、前記平面型のアレイアンテナを、角錐形状、角柱形状又はそれらを組み合わせた形状における複数の外面部それぞれに配置してもよい。
　また、前記通信中継装置において、前記通信中継装置に予め設定した基準方向の向きを基準にして、前記セルのフットプリントを固定するようにアンテナ指向ビームの目標水平角度と目標垂直角度を求め、現在の水平角度と目標水平角度との差が所定の閾値以下のときは、使用中の平面型のアレイアンテナに対して前記送受信信号の位相及び振幅の制御を行い、現在の水平角度と目標水平角度との差が前記閾値よりも大きくなったときに、前記平面型のアレイアンテナを切り替えて前記送受信信号の位相及び振幅の制御を行ってもよい。

　前記通信中継装置において、サービスエリアの位置を基準にした前記通信中継装置の予測移動経路における互いに異なる複数組の位置及び姿勢それぞれに対応づけて、前記送受信信号に適用するウェイトを予め計算して保存し、前記保存している複数組の絶対的な位置及び姿勢それぞれに対応するウェイトから、前記情報取得部で取得した前記通信中継装置の位置及び姿勢に対応するウェイトを選択し、前記選択したウェイトに基づいて前記送受信信号の位相及び振幅の制御を行ってもよい。

　本発明によれば、空中浮揚型の通信中継装置の小型化を図るともにサービスエリアを構成するセルのフットプリントの移動を抑制することができる。

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の中継通信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の中継通信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の中継通信局の更に他の構成例を示すブロック図である。図９は、実施形態に係るＨＡＰＳのセル構成の一例を示す説明図である。図１０Ａは、比較例に係るＨＡＰＳの回転運動（旋回）及び並進運動によるセルのフットプリントの移動の一例を示す説明図である。図１０Ｂは、比較例に係るＨＡＰＳの回転運動（旋回）及び並進運動によるセルのフットプリントの移動の一例を示す説明図である。図１１Ａは、実施形態に係るＨＡＰＳの回転運動（旋回）及び並進運動によるセルのフットプリントの移動の一例を示す説明図である。図１１Ｂは、実施形態に係るＨＡＰＳの回転運動（旋回）及び並進運動によるセルのフットプリントの移動の一例を示す説明図である。図１２は、実施形態に係るＨＡＰＳの姿勢変化を示す角度の定義を示す説明図である。図１３Ａは、ＨＡＰＳの旋回パターンの例を示す説明図である。図１３Ｂは、ＨＡＰＳの旋回パターンの例を示す説明図である。図１３Ｃは、ＨＡＰＳの旋回パターンの例を示す説明図である。図１４Ａは、実施形態に係るフットプリント固定制御の一例を示す説明図である。図１４Ｂは、実施形態に係るフットプリント固定制御の一例を示す説明図である。図１５Ａは、他の実施形態に係るフットプリント固定制御に用いられるシリンダー型アレイアンテナの一部分機能を構成するサーキュラーアレイアンテナの一例を上方から見た説明図である。図１５Ｂは、図１５Ａのシリンダー型アレイアンテナの他の部分機能を構成するリニアアレイアンテナの一例を側方から見た説明図である。図１６は、サーキュラーアレイアンテナとリニアアレイアンテナとを組み合わせて構成したシリンダー型のアレイアンテナの一構成例を示す斜視図である。図１７は、シリンダー型のアレイアンテナを用いたフットプリント固定制御における水平角度（φ）及び垂直角度（θ）の説明図である。図１８は、シリンダー型のアレイアンテナにおける水平角度（φ）及び垂直角度（θ）それぞれに対するＤＢＦ制御を行うアンテナ素子の説明図である。図１９は、シリンダー型のアレイアンテナのＤＢＦ制御で形成される３次元的な指向性ビームの一例を示す説明図である。図２０は、実施形態に係るＨＡＰＳのアンテナ構成の一部を構成するサーキュラーアレイアンテナの一例を示す説明図である。図２１は、図２０のサーキュラーアレイアンテナの水平方向におけるビームパターンの計算機シミュレーション結果の一例を示すグラフである。図２２は、実施形態に係るＨＡＰＳのアンテナ構成の一部を構成するリニアアレイアンテナの一例を示す説明図である。図２３は、実施形態に係るＨＡＰＳのアレイアンテナとセルの配置との関係の一例を示す説明図である。図２４は、図２３のアレイアンテナの垂直方向におけるビームパターンの計算機シミュレーション結果の一例を示すグラフである。図２５Ａは、図２３のアレイアンテナについて評価した受信電力の距離特性の評価結果の一例を示すグラフである。図２５Ｂは、図２３のアレイアンテナについて評価した受信電力の距離特性の評価結果の一例を示すグラフである。図２６Ａは、図２３のアレイアンテナについて評価したセル境界位置の変動の評価結果の一例を示すグラフである。図２６Ｂは、図２３のアレイアンテナについて評価したセル境界位置の変動の評価結果の一例を示すグラフである。図２７は、実施形態に係るアンテナ構成及びＤＢＦ制御の制御系の一例を示すブロック図である。図２８は、実施形態に係るアンテナ構成及びＤＢＦ制御の制御系の他の例を示すブロック図である。図２９は、実施形態に係るアンテナ構成及びＤＢＦ制御の制御系の更に他の例を示すブロック図である。図３０は、実施形態に係る平面アレイアンテナの一例を示す斜視図である。図３１は、平面アレイアンテナの水平方向のビームフォーミング制御の一例を示す説明図である。図３２は、実施形態に係るアンテナ構成及びＤＢＦ制御の制御系の更に他の例を示すブロック図である。

　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世代又は第５世代以降の次々世代の移動通信の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、中継通信局、基地局、リピーター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（無線中継装置）としての高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）、（「高高度疑似衛星」、「成層圏プラットフォーム」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の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、中継通信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、地上（又は海や湖などの水上）の高度が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。

　ＨＡＰＳは人工衛星の飛行高度よりも低く、地上や海上の基地局よりも高い場所を飛行するため、衛星通信よりも小さい伝搬ロスでありながら、高い見通し率を確保できる。この特徴から、ＨＡＰＳから直接地上のセルラ携帯端末（ＵＥ：ＵｓｅｒＥｑｕｉｐｍｅｎｔ）等の移動局である端末装置に対して通信サービスを提供することも可能である。携帯通信サービスをＨＡＰＳから提供することで、これまで多数の地上又は海上の基地局でカバーされていた広いエリアを少数のＨＡＰＳで一度にカバーできるため、低コストで安定した通信サービスを提供できるメリットがある。

　ＨＡＰＳ１０，２０の中継通信局はそれぞれ、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の中継通信局はそれぞれ、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の中継通信局はそれぞれ、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）や中継通信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）や中継通信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）や中継通信局での処理は、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）や中継通信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の中継通信局が、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反った主翼部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中継通信局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、中継通信局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、中継通信局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、中継通信局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の中継通信局１１０，２１０の一構成例を示すブロック図である。
　図６の中継通信局１１０，２１０はリピータータイプの中継通信局の例である。中継通信局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、中継通信局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（中継通信局）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（中継通信局）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の中継通信局１１０，２１０の他の構成例を示すブロック図である。
　図７の中継通信局１１０，２１０は基地局タイプの中継通信局の例である。
　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の中継通信局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、中継通信局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の中継通信局１１０，２１０の更に他の構成例を示すブロック図である。
　図８の中継通信局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中継通信局の例である。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の中継通信局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の中継通信局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。

　中継通信局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、中継通信局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。

　なお、以下の実施形態では、端末装置６１と無線通信する通信中継装置が、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０及び無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０のいずれの一方の場合について図示して説明するが、通信中継装置はＨＡＰＳ１０，２０のいずれであってもよい。また、以下の実施形態は、ＨＡＰＳ１０，２０以外の他の空中浮揚型の通信中継装置にも同様に適用できる。

　また、ＨＡＰＳ１０，２０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、ＨＡＰＳ１０，２０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ＨＡＰＳ１０，２０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ＨＡＰＳ１０，２０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」ともいう。

　図９は実施形態に係るＨＡＰＳ２０のセル構成の一例を示す説明図である。また、図１０Ａ及び図１０Ｂはそれぞれ比較例に係るＨＡＰＳの回転運動（ヨー回転の旋回）及び並進運動によるセルのフットプリントの移動の一例を示す説明図である。図１１Ａ及び図１１Ｂはそれぞれ実施形態に係るＨＡＰＳの回転運動（ヨー回転の旋回）及び並進運動によるセルのフットプリントの移動の一例を示す説明図である。なお、図１０Ｂ及び図１１Ｂでは一部３セルのみ図示し、他の４セルは省略している。

　図９、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて、通信中継装置は無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０であるが、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０であってもよい。また、図示の例において、ＨＡＰＳ２０の高度が約２０ｋｍの成層圏に位置し、ＨＡＰＳ２０が複数のセル２００Ｃ（１）～２００Ｃ（７）を形成し、その複数セル（７セル）構成のサービスエリア２０Ａの直径は１００～２００ｋｍであるが、これらに限定されるものではない。

　図９において、成層圏に位置するＨＡＰＳ２０を用いた地上（又は水上）の端末装置６１と直接通信する通信サービスは、サービスエリアの拡大、災害時の通信手段として非常に魅力的である。ＨＡＰＳ２０の通信回線はＧＷ局７０とＨＡＰＳ２０との間を結ぶフィーダリンク（ＦＬ）と、ＨＡＰＳ２０と端末装置６１との間を結ぶサービスリンク（ＳＬ）から成る。サービスリンクにおいて十分な通信容量を確保するためには、１つのＨＡＰＳで複数のセルを構成する複数セル構成が前提となる。

　しかし、ＨＡＰＳ２０は成層圏などの空中での気流や気圧などの影響により回転運動（旋回）又は並進運動して姿勢や位置が変動する。そのため、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように複数セル構成では地上（又は水上）に形成されるセル２００Ｃ（１）～２００Ｃ（７）のフットプリント２００Ｆ（１）～２００Ｆ（７）が移動することでサービスエリア内のセル境界部２００Ｈ（図中の斜線部）に位置する多数の端末装置６１が一斉にハンドオーバ（ＨＯ）することが想定され、ＨＯによる制御信号の増加やＨＯ失敗による通信断が発生するおそれがある。また、ＨＯのみならず端末装置での受信電力の低下（カバーエリアから外れる）の影響も考えられる。

　そこで、本実施形態では、上記ＨＯの頻発や受信電力の低下に対する対策として、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すようにＨＡＰＳ２０が回転や並進移動によって姿勢や位置が変動してもフットプリント２００Ｆ（１）～２００Ｆ（７）が移動しないように、サービスリンクアンテナを構成するとともに、ＨＡＰＳ２０の位置及び姿勢（例えば、所定方位に対する）の少なくとも一方の情報に基づいてサービスリンクアンテナに対して送受信される信号についてデジタル信号の振幅及び位相を制御するデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）制御（以下、「フットプリント固定制御」ともいう。）を適用している。

　ＨＡＰＳ２０自身の位置及び姿勢の情報は、そのＨＡＰＳ２０に組み込んだＧＰＳ受信装置、ジャイロセンサ、加速度センサ、慣性センサなどの出力に基づいて取得してもよい。例えば、ＨＡＰＳ２０自身の位置及び姿勢の情報は、ＨＡＰＳ２０に組み込んだＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）システムと慣性測定ユニット（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）とを組み合わせたＧＮＳＳ慣性航法システム（ＧＮＳＳ／ＩＮＳ）の出力に基づいて取得してもよい。

　図１２は、実施形態に係るＨＡＰＳの姿勢変化を示す角度の定義を示す説明図である。図１２に示すように、ＨＡＰＳ２０の前後方向（前方の進行方向）に沿ったロール軸Ｙを中心とした回転角度がロール角θｒであり、ＨＡＰＳ２０の左右方向に沿ったピッチ軸Ｘを中心とした回転角度がピッチ角θｐであり、ＨＡＰＳ２０の上下方向に沿ったヨー軸Ｚを中心とした回転角度がヨー角θｙである。例えば、ＨＡＰＳ２０が一般的な飛行機や飛行船等であると想定した場合、ロール回転及びピッチ回転は±１０度程度であり、ヨー回転は３６０度無限に回転するものと想定できる。また、ＨＡＰＳ２０の左右方向及び前後方向の移動（並進運動）は±５ｋｍ程度であり、ＨＡＰＳ２０の上下方向の移動（並進運動）については高度２０～２４ｋｍ程度を移動するものと想定できる。

　本実施形態では、ＨＡＰＳ２０等の通信中継装置の機体は上空において三次元的な動き（例えば経度、緯度及び高度の変化、並びに、ロール軸、ピッチ軸及びヨー軸を中心にした回転）を示すので、例えばロール角θｒ、ピッチ角θｐ及びヨー角θｙを考慮して三次元的な動きに対応するようにＤＢＦ制御を適用してもよい。特に、本実施形態では、ＨＡＰＳ２０のヨーイング（機体の上下方向の軸を中心とした回転運動）によるフットプリントの移動に耐性のあるサービスリンクアンテナのアンテナ構成及びＤＢＦ制御を適用している。

　図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３ＣはそれぞれＨＡＰＳの旋回パターンの例を示す説明図である。図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃに示すようにソーラープレーンタイプの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１３Ａ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１３Ｂ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１３Ｃ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におけるＨＡＰＳの旋回パターンに対応するようにＤＢＦ制御を適用してもよい。特に、図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃに示すようにＨＡＰＳが旋回パターンで飛行する場合、ヨー軸Ｚの周りに無限回転し（ヨー角が３６０度変化）、ロール角及びピッチ角については±数度程度（例えば、絶対値で１０度以下）を想定してＤＢＦ制御を適用してもよい。

　図１４Ａ及び図１４Ｂはそれぞれ実施形態に係るフットプリント固定制御の一例を示す説明図である。図１４ＡはＨＡＰＳ２０の旋回前の図であり、図１４ＢはＨＡＰＳ２０が図中Ｒ方向に回転した旋回後の図である。ＨＡＰＳ２０は、サービスリンクアンテナ（例えば、前述の３次元セル形成アンテナ部１１１）として、端末装置と間のサービスリンクの無線通信を行うセル２００Ｃを形成する複数のアンテナ素子４０１を有するアレイアンテナ４００を備える。更に、ＨＡＰＳ２０は、デジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）制御部５００と、ＧＰＳアンテナを有するＧＮＳＳ／ＩＮＳ６００とを備える。ＤＢＦ制御部５００は、ＨＡＰＳ２０の位置及び姿勢の情報と、目標とするセルの位置情報とに基づいて、サービスリンクのアレイアンテナ４００の各アンテナ素子４０１に対して送受信される信号についてデジタル信号の振幅及び位相を制御する。これにより、アレイアンテナ４００の主ビーム７０１及びサイドローブ７０２からなるアンテナ指向ビーム（以下、単に「ビーム」ともいう。）７００の方向が目標のフットプリント形成位置に向かうように制御され、ＨＡＰＳ２０がヨー軸Ｚを中心にして回転（旋回）しても、アレイアンテナ４００で形成されるセル２００Ｃのフットプリント２００Ｆの位置を固定することができる。なお、図１４Ｂ中のビーム７００’は、ＤＢＦ制御を行わない場合のビームの方向である。

　図１５Ａは他の実施形態に係るフットプリント固定制御に用いられるシリンダー型アレイアンテナの一部分機能を構成するサーキュラーアレイアンテナ４１０の一例を上方から見た説明図である。図１５Ｂは同シリンダー型アレイアンテナの他の部分機能を構成するリニアアレイアンテナ４２０の一例を側方から見た説明図である。ＨＡＰＳ２０は上下昇降、横移動、回転等様々な動きが考えられるため、それぞれの動きに対応するようにサービスリンクアンテナの指向性ビーム（アンテナ指向ビーム）の方向を制御するＤＢＦ制御が必要である。特にＨＡＰＳ２０の動きのうちヨー軸（Ｚ軸）を中心とした旋回であるヨーイングではＨＡＰＳ２０が３６０度回転するためフットプリント固定のためのビーム方向制御が必要不可欠である。

　前述の図１０Ｂ及び図１１Ｂに示すＨＡＰＳ２０の前後移動の並進運動においては、前後の移動距離だけフットプリントがずれる。一方、前述の図１０Ａ及び図１１Ａに示すＨＡＰＳ２０のヨー回転の回転運動では、ＨＡＰＳ２０から遠方ほどフットプリントの移動による影響が大きい。カバレッジ半径をＲとして、１度ヨー回転することにより変位するカバレッジ端でのセルの変位距離は２πＲ／３６０で表せる。従って、カバレッジ半径を１００ｋｍとすると、１度回転するだけで約１．７ｋｍも変位することとなる。つまり、並進運動よりも回転運動によるフットプリントの移動への影響が大きい。特にヨー回転はロール回転やピッチ回転と異なり無限に回転するため全方位対応のビームフォーミング制御が必要である。

　そこで、本実施形態では、ＨＡＰＳ２０の機体の動きをヨー回転（旋回）とそれ以外（ロール回転、ピッチ回転や移動）に分解し、ヨー回転（旋回）として３６０度無限回転を考慮したサーキュラーアレイアンテナ（サーキュラー型のアクティブアレイ）４１０（図１５Ａ参照）と、ロール回転及びピッチ回転として±数度を考慮したリニアアレイアンテナ（リニア型のアクティブアレイ）４２０（図１５Ｂ参照）とを組み合わせてサービスリンクアンテナを構成している。この組み合わせ構成により、水平方向及び垂直方向の三次元的なビームフォーミング及びステアリングが実現できる。水平方向は主にＨＡＰＳ２０のヨー回転に対応し、垂直方向は主にＨＡＰＳ２０のピッチ回転、ロール回転及び並進運動に対応することができる。

　サーキュラーアレイアンテナ４１０は、円周形状に沿って複数のアンテナ素子４１１を分布させるように配置したアレイアンテナである。サーキュラーアレイアンテナ４１０の各アンテナ素子４１１に対してアンテナウェイト（振幅及び位相）を制御するＤＢＦ制御を適用することにより、図中のＲ方向にＨＡＰＳ２０の機体がヨー回転（旋回）した場合に、セルのフットプリント２００Ｆの位置を固定することができる。サーキュラーアレイアンテナ４１０は、アンテナ指向ビームが地上に向かう方向に対して水平方向に向くため、カバレッジが広い場合でも対応可能である。

　リニアアレイアンテナ４２０は、地上と垂直に線状に複数のアンテナ素子４２１を分布させるように配置したアレイアンテナである。リニアアレイアンテナ４２０の各アンテナ素子４２１に対してアンテナウェイト（振幅及び位相）を制御するＤＢＦ制御を適用することにより、図中のＲ方向にＨＡＰＳ２０の機体がヨー回転（旋回）以外の動き（ロール回転、ピッチ回転、移動など）をした場合に、セルのフットプリント２００Ｆの位置を固定することができる。

　図１５Ａ及び図１５Ｂのアンテナ構成のＤＢＦ制御では、平面アレイアンテナの考え方と同様に、例えば、水平（サーキュラーアレイ）と垂直（リニアアレイ）に対してそれぞれ個別にウェイトを算出し、積を取ることで各アンテナ素子に対するウェイトを決定する。これにより、アンテナ全体の指向性をサーキュラーアレイとリニアアレイの指向性の積として表すことができる。ただし、ＨＡＰＳ２０の斜め下（水平面から４５度以上）の方向のエリアについてはアンテナ素子毎に偏波が崩れることにより正しくセルを形成することは難しいので、ＨＡＰＳ２０の真下方向のエリアについては、例えば後述のように別途平面アレイアンテナ等を用いることでセルを形成するようにしてもよい。

　図１６は、サーキュラーアレイアンテナ４１０とリニアアレイアンテナ４２０とを組み合わせて構成したシリンダー型のアレイアンテナ４３０の一構成例を示す斜視図である。シリンダー型のアレイアンテナ４３０は、特にヨーイングによるフットプリントの移動に耐性のあるアンテナ構成である。このアレイアンテナ４３０では、水平方向にはどの方向から見てもアンテナの形状が変わらないようにアンテナ素子４３１が円形に配置 (サーキュラーアレイ)され、垂直方向には縦方向のビーム方向制御に対応するためアンテナ素子４３１が線形配置されている。なお、ＨＡＰＳ２０の真下方向にセルを作る場合は別途平面アレイアンテナ等のアンテナを設けてもよい。

　シリンダー型のアレイアンテナ４３０では、水平方向の各アンテナ素子としてアクティブ素子を用いることで、ビーム方向制御のための位相制御のみならずサイドローブ低減のための電力制御 (振幅制御)も可能となる。また、シリンダー型のアレイアンテナ４３０において、垂直方向に対しては重量、消費電力の増加を抑えるため各アンテナ素子４３１に固定位相を与えて下向きの固定チルトを適用してもよい。また、水平方向の各アンテナ素子として水平方向と同様にアクティブ素子を用いてよく、この場合は、上下昇降や横移動に対応した垂直ビーム方向制御及びサイドローブ低減も可能である。

　図１７は、シリンダー型のアレイアンテナ４３０を用いたフットプリント固定制御における水平角度（以下「水平ステアリング角」ともいう。）φ及び垂直角度（以下「垂直ステアリング角」ともいう。）θの説明図である。図１８はシリンダー型のアレイアンテナ４３０における水平角度（φ）及び垂直角度（θ）それぞれに対するＤＢＦ制御を行うアンテナ素子の説明図である。図１９は、シリンダー型のアレイアンテナ４３０のＤＢＦ制御で形成される３次元的なアンテナ指向ビームの一例を示す説明図である。シリンダー型のアレイアンテナ４３０を用いる場合、目標とする位置のセルのフットプリント２００Ｆの中心位置の方向に対して、ＨＡＰＳ２０のアレイアンテナ４３０から見た目標水平角度（φ）及び目標垂直角度（θ）を求める（図１７参照）。ここで、水平角度（φ）は、例えば、アレイアンテナ４３０から目標のフットプリント２００Ｆの中心に向かう目標ビームベクトル２００Ｖの水平面（図中のＸ－Ｙ面）における投影ベクトルのＸ軸に対する角度である。垂直角度（θ）は、目標ビームベクトル２００ＶとＨＡＰＳ２０の上下方向とを含む垂直面における目標ビームベクトル２００Ｖの水平面に対する角度である。

　目標フットプリント２００Ｆに対するアンテナ指向ビームの目標水平角度（φ）についてのＤＢＦ制御（位相制御）は図１８中の横方向に並んだ横方向アンテナ素子群４３２に対して行う。一方、目標フットプリント２００Ｆに対するアンテナ指向ビームの目標垂直角度（θ）についてのＤＢＦ制御（位相制御）は図１８中の縦方向に並んだ縦方向アンテナ素子群４３３に対して行う。このように横方向アンテナ素子群４３２及び縦方向アンテナ素子群４３３に対してＤＢＦ制御（位相制御）を互いに独立に行うことにより、図１９に示すように所定の目標ビームベクトル２００Ｖの方向に主ビーム７０１を有するアンテナ指向ビーム７００が形成される。

　次に、本実施形態のＨＡＰＳ１０、２０の複数セル構成における水平ビームフォーミング制御について説明する。

　多セル構成のＨＡＰＳでは、その機体の移動に応じたビーム方向制御のみならず、セル間干渉を低減するためのサイドローブ低減も同時に実現する必要がある。本実施形態では、ビーム方向、サイドローブレベル及びビーム幅を予め考慮した所望パターンを定義し、所望パターンに近似するアンテナウェイトを計算している。

　図２０は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０，２０のアンテナ構成（例えば、シリンダー型のアレイアンテナ４３０）の一部を構成するサーキュラーアレイアンテナ４１０の一例を示す説明図である。図２０において、サーキュラーアレイアンテナ４１０の素子数をＮ、半径をｒ、ｎ（１≦ｎ≦Ｎ）番目のアンテナ素子４１１が位置する角度及び指向方向をφｎ、アンテナ指向ビームの水平角度（水平ステアリング角度）をφ_０とする。各アンテナ素子４１１に適用するアンテナウェイト（以下「ウェイト」ともいう。）をｗ∈Ｃ^Ｎ×１、ウェイトｗを用いて計算される水平方向のアンテナ指向性をａ∈Ｃ^Ｎφ×１として、ａとｗの関係を次式（４）のように表す。

　但し、Ｎφは水平方向の全方位（－１８０度～１８０度）のサンプリング個数である。例えば、１度単位でサンプリングすれば、Ｎφ＝３６０となる。

　ここで、Ｆ∈Ｃ^Ｎφ×Ｎは素子間隔や各アンテナ素子４１１の指向性パターンによって決まる行列であり、そのｍ行ｎ列目の要素ｆｍｎは次式（５）のように表せる。

　但し、φｍは－１８０度～１８０度の水平角度であり、λは波長であり、各アンテナ素子４１１の水平方向の指向性を、φ＝０度をアンテナ正面方向としてｇ（φ）と定義する。このように、与えられたアンテナウェイトｗに対する指向性ａは、Ｆを用いた行列形式で表すことができる。したがって、任意のアンテナ指向性に対するウェイトｗは、次式（６）のようにＦの逆行列を用いて解くことができる。

　但し、Ｆは列数（アンテナ素子数）よりも行数（水平角のサンプリング個数）の方が大きい非正則行列であるため、逆行列を求めることはできない。そこで、本例では、||Ｆｗ－ａ||^２を最小とするＭｏｏｒｅ－Ｐｅｎｒｏｓｅの一般逆行列Ｆ^＋を使用している。これにより、所望の指向性ａに最も近いアンテナウェイトｗを算出することができる。

　一例として、Ｎ＝１６、ｒ＝０．１９（素子間隔０．５λに相当）、各アンテナ素子４１１の指向性を、一般的なパッチアンテナの特性に近いｃｏｓｉｎｅで表される指向性ｇ（φ）＝ｃｏｓ^α（φ）ｃｏｓ^α（θ）（但し、α＝１．３（半値幅約８０度、最大利得約８．６ｄＢｉ）、－９０度＞φ，φ＞９０度はｇ（φ）＝０）を用いて評価する。但し、本例では水平面での特性検討のため、θ＝０度とする。また、所望アンテナ指向性を、ａの要素をａｍとして、次式（７）のガウス分布で与える。

　図２１は、図２０のサーキュラーアレイアンテナ４１０の水平方向におけるビームパターンの計算機シミュレーション結果の一例を示すグラフである。計算では、アンテナ素子４１１の素子数Ｎ＝１６、半径ｒ＝０．１９［ｍ］のサーキュラーアレイアンテナとし、周波数ｆｃを２［ＧＨｚ］、素子間隔を０．５λ、σを０．３（半値幅４０度相当）とした。また、φｎ＝－１６８．７５度～１６８．７５度の範囲でアンテナ素子４１１の素子間隔を均等に設定した。また、各アンテナ素子４１１のビームパターンをｃｏｓ^ｍφ（但し、ｍ＝１．３、９０度＜φ及びφ＜－９０度の範囲は０）とした。

　図２１では、計算機シミュレーションの一例として、水平ステアリング角φ_０を０度，１０度，２０度，１８０度，－１２０度（＝２４０度），－６０度（＝３００度）として計算したサーキュラーアレイアンテナ４１０の水平面内の指向性ビームパターンＣ３１，Ｃ３２，Ｃ３３，Ｃ３４，Ｃ３５，Ｃ３６を示す。

　図２１に示す通り、メインビームが半値幅約４０度のビームを形成できており、水平面内のどの方向に対してもビームの形状をほとんど変えることなくビーム方向を制御できていることが分かる。

　以上より、例えばＨＡＰＳ２０の機体のヨーイング（ヨー回転）の回転角度をφ_Ｙａｗとすると、ＨＡＰＳ２０の機体に対して逆向きの回転角（φ_０＝－φ_Ｙａｗ）を与えることでセルのフットプリントの固定が可能である。また、１つのアレイアンテナで水平方向に複数セルを多重させる場合は、セル毎に異なるφ_０を設定して多重することで実現できる。例えば、水平方向に６０度毎に６セルを形成する場合は、φ_０（ｋ）＝６０ｋ／－φ_Ｙａｗ（但し、セル番号ｋ＝０～５）となる。

　更に、前述の図１５Ａ及び図１５Ｂのシリンダー型のアレイアンテナ４３０を用いてハンドオーバ（ＨＯ）回数の計算機シミュレーション評価を行った。シミュレーション評価では、１つのＨＡＰＳ、７セル構成（中央１セル、周辺６セル）において、上記ウェイトを用いた水平方向のＤＢＦ制御を適用しない場合（φ_Ｙａｗ≡０）と適用する場合のハンドオーバ回数の評価を行った。ここでは簡単のため、ＨＡＰＳはヨーイングの回転運動（ヨー回転）のみ行うものとし、一例として１０分で１回転（１秒間に０．６度回転）するものとする。アンテナ構成の評価諸元を表１に示す。

　周辺６セルはシリンダー型のアレイアンテナ４３０で形成し、中央１セルは下向きの平面アレイアンテナでカバーする。シリンダー型のアレイアンテナ４３０の垂直方向及び平面アレイアンテナはそれぞれ表１に記載した半値幅となるように各アンテナ素子に異なる振幅を与えている。

　ハンドオーバの頻発を抑えるため、在圏セルに対する隣接セルの受信電力の比が３ｄＢ以内であればハンドオーバを行わず、３ｄＢを上回ったときに隣接セルへハンドオーバを行うものとする。ＨＡＰＳの高度を２０［ｋｍ］、半径１００［ｋｍ］の円内を評価対象エリアとし、１秒間当たりに発生するＨＯ率（１００［ｋｍ］エリア内の全ＵＥ（端末装置）に対するハンドオーバしたＵＥ数の割合）を、ＤＢＦ制御を適用しない場合と適用する場合で評価したところ、適用しない場合で０．９６％、適用する場合で０％（ハンドオーバ発生なし）となった。

　以上示したように、本実施形態のサーキュラーアレイアンテナやシリンダー型アレイアンテナなどのアンテナ構成と上記ＨＡＰＳ１０，２０の位置及び姿勢の情報に基づいて計算したウェイトを用いたＤＢＦ制御とを適用することにより、ＨＡＰＳ１０，２０のヨーイング回転等の姿勢や位置の変動によるセルのフットプリントの移動を抑制することができる。従って、ＨＡＰＳ１０、２０のヨー回転によるハンドオーバをなくすことができ、フットプリントの移動に起因したハンドオーバの頻発（多数の端末装置が一斉にハンドオーバする現象）を抑制し、ハンドオーバによる制御信号の増加及びハンドオーバ失敗による通信断を抑制することができる。

　次に、本実施形態のＨＡＰＳ１０、２０の複数セル構成における垂直ビームフォーミング制御について説明する。ＨＡＰＳ１０、２０のピッチ回転、ロール回転や並進運動に対してはリニアアレイアンテナによる垂直方向のビームフォーミング制御によりフットプリントの固定が可能である。

　前述のシリンダー型のアレイアンテナ４３０を構成するサーキュラーアレイアンテナ４１０による水平ビームフォーミングの場合と同様に、垂直ビームフォーミングも所望のアンテナ指向性とアンテナウェイトの関係性を行列で表現することにより、適切なアンテナウェイトを求めることが可能である。

　図２２は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０，２０のアンテナ構成（例えば、シリンダー型のアレイアンテナ４３０）の一部を構成するリニアアレイアンテナ４２０の一例を示す説明図である。図２２において、リニアアレイアンテナ４２０のアンテナ素子４２１の素子数をＮ、素子間隔をｄ［ｍ］、目標の垂直角度である垂直ステアリング角度をθ_０とする。但し、図中の下方向の角度が負の角度である。

　前述の式（４）において、リニアアレイアンテナ４２０におけるウェイトをｗ∈Ｃ^Ｎ×１、垂直方向のアンテナ指向性をａ∈Ｃ^Ｎθ×１、アレイファクタとアンテナ素子の指向性によって決定される行列をＦ∈Ｃ^Ｎθ×Ｎとすると、Ｆのｍ行ｎ列目の要素ｆｍｎは、次式（８）のように表せる。

　但し、θ_ｍは－９０度～＋９０度の垂直角度、各素子の垂直方向の指向性を、θ＝０をアンテナ正面方向として、ｇ（θ）と定義する。

　以上より、任意のアンテナ指向性に対するウェイトｗは、前述の式（６）と同様に、Ｆの逆行列を用いて解くことができる。

　本実施形態の垂直ビームフォーミング制御において、ＨＡＰＳから見て地表上で垂直方向に連なるセルに対して与える目標のビーム幅及び垂直ステアリング角は、以下に示すように決定して設定する。

　垂直ビームフォーミング制御における目標のビーム幅と垂直ステアリング角度は、セル毎に、ＨＡＰＳの動作に応じて適切に設定する必要がある。

　図２３は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０，２０のアレイアンテナ４００とセルの配置との関係の一例を示す説明図である。図２３の例において、ＨＡＰＳのサービスリンク用のアレイアンテナ４００として、底面に平面アレイアンテナが配置されたシリンダー型のアレイアンテナを用いている。アレイアンテナ４００の直下地点（０ｋｍ）から２０ｋｍ以内のエリアでは下向きの平面アレイアンテナの部分でカバーし、直下地点から２０～１００ｋｍまでのエリアをシリンダー型のアレイアンテナでカバーしている。図中の実線で示すアレイアンテナ４００はＨＡＰＳが移動した後のアンテナ位置を示し、破線で示すアレイアンテナ４００’はＨＡＰＳが移動する前のアンテナ位置を示している。

　ここで、シリンダー型のアレイアンテナを構成しているリニアアレイアンテナで複数のセルに分割するモデルを考える。ＨＡＰＳのアレイアンテナ４００の直下地点からｎ（＝１，２、・・・）番目のセルのフットプリント２００Ｆ（ｎ）の中心までの地表距離をｄ_ｎ［ｋｍ］とし、直下地点から各セルのフットプリント２００Ｆ（ｎ）のセル境界までの地表距離をｄ_{ｅｄｇｅ，ｋ}［ｋｍ］とし、ＨＡＰＳの飛行高度（＝アレイアンテナ４００の中心の高度）をｈ［ｋｍ］（図示の例では、２０ｋｍ）とする。

　ＨＡＰＳがｘ軸（前後）方向にΔｄ［ｋｍ］、ｚ軸（上下）方向にΔｈ［ｋｍ］移動すると、各セルのフットプリントの中心及びセル境界におけるＨＡＰＳのアレイアンテナ４００に対する仰角（θ_ｎ，θ_{ｅｄｇｅ，ｋ}）は、次式（９）のように表せる。

　ここで、ビーム幅をセル境界の間の角度と考えると、ｎ番目のセルの目標ビーム幅θ_ｂｗ，ｎ［度］は、次式（１０）のように表すことができる。

　一方、垂直ステアリング角はＨＡＰＳが移動してもセルのフットプリントの位置が移動しないようにするため、各セルに対するアンテナ指向ビームの垂直ステアリング角θ_{ｓｔｒ，ｎ}が常にセルのフットプリントの中心に向くように制御する。但し、セル間の境界位置は各ビームのセル境界における利得が変わるため、ＨＡＰＳの移動に伴って多少移動することが考えられる。そこで、本実施形態ではＨＡＰＳの移動距離に対して補正係数βを掛けることで垂直ステアリング角を補正している。補正を考慮した垂直ステアリング角θｓｔｒ，ｎを、次式（１１）のように定義する。

　図２３に示すように、垂直方向のセル数を２セル、各セルの地表上のフットプリント２００Ｆの半径を２０ｋｍと仮定し、前記式（７）及び（８）に基づいてＨＡＰＳ移動前のビーム幅を計算すると、第１番目のセル（セル＃１）が２６．６度であり、第２番目のセル（セル＃２）が７．１度である。また、垂直ステアリング角は、セル＃１が２６．６度であり、セル＃２が１４．０度である。

　図２３の例において、垂直面内のアンテナパターンについて評価を行った。ここでは、リニアアレイの素子数をＮ＝８、素子間隔をｄ＝０．６５λ、各アンテナ素子の指向性を前述のようにｃｏｓｉｎｅを用いたアンテナ指向性（ただし、φ＝０ｄｅｇ．）とした。所望のアンテナ指向性は前述の式（７）と同じガウス分布を用いた。また、上記算出されるビーム幅に合わせ、セル＃１はσ＝０．２０度、セル＃２はσ＝０．０５度とした。

　図２４は、図２３のアレイアンテナ４００の垂直方向におけるビームパターンＣ４１，Ｃ４２の計算機シミュレーション結果の一例を示すグラフである。図２４に示すように、セル＃１とセル＃２の利得の差は約４ｄＢとなった。ビーム幅はセル＃１が１１度、セル＃２が２８度となったため、その分約４ｄＢの利得差が生じている。また、セル＃１の方は地上側にビームを向けていることで天空側にグレーティングローブが出てきていることが分かる。

　次に、ＨＡＰＳの移動前後でのセル境界の位置について評価を行う。ここでは、ｚ軸（上下）方向の移動距離をΔｈ＝０ｋｍ（飛行高度ｈ＝２０ｋｍ）とし、ｘ軸（前後）方向の移動距離Δｄ＝－５，＋５ｋｍとして、第１のＤＢＦ制御方式（Ｉ）：「ビーム幅制御あり、垂直ステアリング角補正なし」と、第２のＤＢＦ制御方式（ＩＩ）「ビーム幅制御なし、垂直ステアリング角補正あり」の２方式について評価を行う。評価は地表距離をパラメータとし、送信電力を４３ｄＢｍとして各距離の仰角に対応する垂直面内アンテナ利得を加算し、直線距離に応じた自由空間伝搬損（ｆｃ＝２ＧＨｚ）を差し引いた受信電力で行った。ここでは、セル境界の移動を考慮して予め補正係数βを調整し、β＝１．７としている。

　図２５Ａ及び図２５Ｂはそれぞれ、図２３のアレイアンテナ４００のＤＢＦ制御方式（Ｉ）及び（ＩＩ）について評価した受信電力の距離特性の評価結果の一例を示すグラフである。図２５Ａはアレイアンテナ４００のＤＢＦ制御方式（Ｉ）の評価結果であり、図２５Ｂはアレイアンテナ４００のＤＢＦ制御方式（ＩＩ）の評価結果である。図２５Ａ及び図２５Ｂにおける横軸は、ＨＡＰＳの直下からの地表上の距離［ｋｍ］であり、縦軸は受信電力「ｄＢｍ」である。

　図２５Ａにより、前述の式（１０）及び（１１）のビーム幅及び垂直ステアリングの制御を行うことで、ＨＡＰＳの移動に対してセル境界をほとんど固定できていることが分かる。一方、図２５Ｂにより、ビーム幅制御を行わなくても垂直ステアリング角の補正だけでセル境界の位置をほとんど固定できていることが分かる。また、利得の観点からも、図２５Ａに示すアレイアンテナ４００の方式（Ｉ）の場合と概ね同じ特性が実現できていることが分かる。

　図２６Ａ及び図２６Ｂはそれぞれ、図２３のアレイアンテナ４００の複数種類のＤＢＦ制御方式について評価したセル境界位置（セル端の位置）の変動の評価結果の一例を示すグラフである。図２６Ａが高度２０ｋｍ、図２６Ｂが２４ｋｍの場合の評価結果である。図中の横軸はＨＡＰＳの水平方向の移動距離（－５ｋｍ≦Δｄ≦５ｋｍ）である。図２５Ａ及び図２５Ｂの場合と同様に、前述の式（１１）中の補正係数βは、β＝１．７に固定している。

　図２６Ａ及び図２６Ｂにより、ビーム制御を一切行わない場合は移動距離分（１０ｋｍ）だけセル境界も移動し、ビーム幅制御を行わずステアリング補正も行わないと図２６Ａ及び図２６Ｂのいずれの場合も４ｋｍ変位することが分かる。一方、前述のＤＢＦ制御方式（Ｉ）及び（ＩＩ）においては、同一高度であればセル境界のずれが約１ｋｍ以内に収められ、最大高度である２４ｋｍを加味してもセル（フットプリント）の変位する距離は約２ｋｍ以内に収められることが分かる。

　図２７は、実施形態に係るアンテナ構成及びＤＢＦ制御の制御系の一例を示すブロック図である。図２７の例は、Ｎ個のアンテナ素子４１１からなるサーキュラーアレイアンテナ４１０を複数段有するシリンダー型のアレイアンテナで一つのセル（＃０）を形成する例である。サーキュラーアレイアンテナ４１０の各アンテナ素子４１１の位置では、図示の都合上省略しているが、垂直方向にＬ個のアンテナ素子が配列したリニアアレイアンテナが形成されている。本例のアレイアンテナは、全体でＮ×Ｌ個のアンテナ素子を有することになる。

　なお、図２７では、図示を簡略化するため、ダウンリンク及びアップリンクについてはダウンリンクのみ記載している。また、図２７では、水平偏波及び垂直偏波の一方の偏波（片偏波）のみ記載しているが、他方の偏波の信号について送受信する場合は同様なＤＢＦ制御部が追加して設けられる。

　ＤＢＦ制御部５００は、ウェイト計算部５０１とウェイト演算部５０２とを備える。ウェイト計算部５０１は、ＧＮＳＳ／ＩＮＳで取得したＨＡＰＳ１０，２０の位置及び姿勢のデータと、目標のセルの位置情報とに基づいて、シリンダー型のアレイアンテナを構成するサーキュラーアレイアンテナ４１０の複数のアンテナ素子４１１（０～Ｎ－１）及びリニアアレイアンテナの複数のアンテナ素子（０～Ｌ－１）で送信される送信信号（デジタルのベースバンド信号）に適用する前述のウェイト（振幅及び位相のベクトルデータ）を計算する。

　ウェイト演算部５０２は、ウェイト計算部５０１で計算したウェイトをデジタル送信信号に適用することにより、シリンダー型のアレイアンテナを構成する第１段目のサーキュラーアレイアンテナの複数のアンテナ素子４１１（０～Ｎ－１）に対応する複数のデジタル送信信号（０～Ｎ－１）を生成する。同様に、第２段目～第Ｌ段目それぞれのサーキュラーアレイアンテナの複数のアンテナ素子４１１（０～Ｎ－１）に対応する複数のデジタル送信信号（０～Ｎ－１）を生成する。ウェイト演算部５０２から出力された複数のデジタル送信信号（０～Ｎ－１）はそれぞれ、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）５１０でアナログ信号に変換され、周波数変換器５１１で所定の送信周波数ｆｃに変換され、電力増幅器（ＰＡ）５１２で所定の電力まで増幅された後、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）５１３を介して、複数段のサーキュラーアレイアンテナそれぞれの対応するアンテナ素子４１１（０～Ｎ－１）に供給される。

　以上のＤＢＦ制御により、複数段のサーキュラーアレイアンテナ４１０で構成されるシリンダー型のアレイアンテナから目標の位置に向けてアンテナ指向ビーム７００を形成し、フットプリントを固定した状態でセル内に在圏する端末装置に送信信号を送信することができる。

　なお、図２７において、複数段（０～Ｌ－１）のサーキュラーアレイアンテナ４１０の複数のアンテナ素子４１１（０～Ｎ－１）それぞれによって受信された複数のアップリンクの受信信号は、ＤＵＰ５１３を介してローノイズアンプで増幅された後、周波数変換器で所定の周波数に変換され、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）でデジタル信号に変換されてウェイト演算部５０２に供給される。ウェイト演算部５０２で複数のデジタル信号に上記複数のウェイトを適用した後互いに加算されることにより、上記所定のセル内に在圏する端末装置からの受信信号を生成することができる。

　図２７において、ウェイト演算部５０２には、アンテナ切り換え制御の機能を持たせてもよい。

　図２８は、実施形態に係るアンテナ構成及びＤＢＦ制御の制御系の他の例を示すブロック図である。図２８の例は、Ｎ個のアンテナ素子４１１からなるサーキュラーアレイアンテナ４１０を複数段有するシリンダー型のアレイアンテナでＭ個のセル（＃０～＃Ｍ－１）を形成する例である。なお、図２８において、図２７と共通する部分については説明を省略する。

　図２８において、ＤＢＦ制御部５００は、ウェイト計算部５０１と、Ｍ個のセル（＃０～＃Ｍ－１）に対応するＭ個のウェイト演算部５０２とを備える。ウェイト計算部５０１は、複数のウェイト演算部５０２それぞれに供給するセル数分のウェイトを計算する。ここで計算されるウェイトはベクトルではなく行列である。

　複数のウェイト演算部５０２はそれぞれ、ウェイト計算部５０１で計算したウェイトを適用して、セル毎にビームフォーミングを行うためのウェイト演算を行ってＮ個のアンテナ素子４１１それぞれに供給する複数のデジタル送信信号を生成して出力する。ウェイト演算部５０２から出力されたデジタル送信信号は、アンテナ素子ごとに多重化（加算）されることにより、複数セルについて同時に異なる方向へのビーム制御が可能である。

　図２８のＤＢＦ制御では、複数段のサーキュラーアレイアンテナ４１０で構成されるシリンダー型のアレイアンテナから互いに異なる複数の目標位置それぞれに向けてアンテナ指向ビーム７００を形成し、フットプリントを固定した状態で各セル内に在圏する端末装置に送信信号を送信することができる。

　図２９は、実施形態に係るアンテナ構成及びＤＢＦ制御の制御系の更に他の例を示すブロック図である。図２９の例は、６個の平面型のアレイアンテナとしての平面アレイアンテナ４４０（０）～４４０（５）でアンテナ切替とＤＢＦ制御を行い、ＨＡＰＳ１０，１２０のヨー回転対応のフットプリント固定制御を行って６個のセル（＃０～＃Ｍ－１）を形成する例である。各平面アレイアンテナ４４０（０）～４４０（５）はＮ個のアンテナ素子４４１を有し、各アレイアンテナのビームの向きが互いに異なるように配置されている。なお、図２９において、図２７と共通する部分については説明を省略する。

　図２９において、ＤＢＦ制御部５００は、ウェイト計算部５０１と、６個の平面アレイアンテナ４４０（０）～４４０（５）に対応するように設けられた６個のウェイト演算部５０２（０）～５０２（５）とを備える。なお、平面アレイアンテナ４４０及びウェイト演算部５０２それぞれの個数は６個以外であってもよい。

　また、図２９の例では、ＤＢＦ制御部５００とは別に、アンテナ切替部５２０を備える。アンテナ切替部５２０は、平面アレイアンテナ４４０（０）～４４０（５）の間で、６個のセル（＃０～＃Ｍ－１）それぞれを形成する平面アレイアンテナ４４０（０）～４４０（５）を切り替える。例えば、平面アレイアンテナ４４０（０）～４４０（５）の間で、第１番目のセル（＃０）を形成する平面アレイアンテナを切り替えるようにウェイト演算部５０２（０）～５０２（５）への接続を切り替える。

　図３０は、図２９の制御系でＤＢＦ制御される平面アレイアンテナ４４０（０）～４４０（５）の一例を示す斜視図である。図示の例では、６個の平面アレイアンテナ４４０（０）～４４０（５）はそれぞれ、平面形状にそって複数のアンテナ素子４４１が２次元的に分布するように配置されている。また、平面アレイアンテナ４４０（０）～４４０（５）は、下向きの角錐形状（６角錐形状）の６つの斜面それぞれに配置されている。この複数の角錐形状（６角錐形状）下端に底面を設け、その底面に真下方向にセルを形成するための平面アレイアンテナ４４０を設けてもよい。また、複数の平面アレイアンテナ４４０は、角柱形状（例えば６角柱形状）における複数の外面部それぞれに配置してもよい。

　図２９の制御系によるＤＢＦ制御は例えば次のように行う。水平方向のＤＢＦ制御では、各平面アレイアンテナ４４０（０）～４４０（５）で位相制御を行うことにより、水平方向（横方向）の所定の角度範囲（例えば３０度）で各平面アレイアンテナ４４０（０）～４４０（５）の指向性ビームをステアリングする。そして、ステアリングで振れる角度が限界まできたとき、例えば位相制御により各平面アレイアンテナの垂直な法線方向に対して±３０度まで指向性ビームをステアリングしたとき、各セルに対応する平面アレイアンテナ４４０（０）～４４０（５）を切り替える。一方、垂直方向のＤＢＦ制御は、例えば、前述のシリンダー型のアレイアンテナ４３０における垂直方向の制御と同様に行う。

　図３１は、平面アレイアンテナ４４０（０）～４４０（５）の水平方向のビームフォーミング制御の一例を示す説明図である。図３１の例は、ＨＡＰＳ１０，２０の機体が右回転しているときの例である。図中左の回転前の状態では、平面アレイアンテナ４４０（５）の法線方向の図中上方にビーム７００によってセルが形成される。この状態から機体が図中矢印Ｒで示す右回転方向に例えば２９度以下で回転（旋回）する場合は、図中中央時に示すように、平面アレイアンテナ４４０（５）の位相制御によりビーム７００が左回転方向にステアリングされ、セルの位置が維持される。そして、図中右の状態に示すように、機体が図中矢印Ｒで示す右回転方向に例えば閾値の３０度又はそれ以上回転（旋回）する場合は、平面アレイアンテナ４４０（５）の位相制御によるビーム７００のステアリングが難しくなるため、上記セルを形成するための平面アレイアンテナを平面アレイアンテナ４４０（５）から隣の平面アレイアンテナ４４０（０）に切り替え、その切り替え後の平面アレイアンテナ４４０（０）に対して位相制御を行うことでビーム７００が右回転方向にステアリングされ、セルの位置が維持される。

　なお、図２９の例において、アンテナ切り換えを含めたウェイトを適用することにより、アンテナ切替部５２０を別途設けずに、アンテナ切り換え処理を含めたＤＢＦ制御をウェイト演算部５０２で行うようにしてもよい。

　図３２は、実施形態に係るアンテナ構成及びＤＢＦ制御の制御系の更に他の例を示すブロック図である。なお、図３２において、図２７と共通する部分については説明を省略する。
　図３２の制御系では、ＨＡＰＳ１０，２０の機体の旋回が同じ回転及び移動の繰り返し運動である（周期性がある）ことに着目し、サービスエリアの位置を基準にしたＨＡＰＳ１０，２０の予測移動経路における互いに異なる複数組の機体の位置及び姿勢（傾き角度及び向き）に応じたウェイトを予め計算してメモリ等の記憶部５１４に保存しておく。そして、ウェイト読込部５０４により、ＧＮＳＳ／ＩＮＳデータから計算した機体の姿勢及び位置に基づいて記憶部５１４を参照し、計算した機体の姿勢及び位置に対応するウェイトを読み込み、ウェイト演算部５０２での送信信号の演算に用いる。図３２の例では、逐次ウェイト計算が不要であることから計算量及び消費電力を大幅に減らすことができる。

　以上、本実施形態によれば、上記構成のアレイアンテナ及びＤＢＦ制御とを適用することにより、ＨＡＰＳ１０，２０の姿勢や位置の変動によるセルのフットプリントの移動を抑制し、ＨＯの頻発、ＨＯによる制御信号の増加及びＨＯ失敗による通信断を抑制することができる。しかも、アレイアンテナの指向性ビームの制御に、大型で重い機械的な制御機構でなく、小型で軽量化が容易なＤＢＦ制御を用いているため、ＨＡＰＳ１０，２０の小型化を図ることができる。

　上記各実施形態におけるＤＢＦ制御は、ＨＡＰＳ１０，２０が自立的に判断して行ってもよいし、遠隔制御装置８５やサーバ８６等の外部装置からの制御指令によって行ってもよい。また、上記ＤＢＦ制御は所定の時間間隔で定期的に行ってもよいし、ＨＡＰＳ１０，２０の移動距離又は姿勢変化が所定よりも大きくなったときに行ってもよい。

　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中継通信局、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、中継通信局、フィーダ局、ゲートウェイ局、基地局、基地局装置、中継通信局装置、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、前記媒体は非一時的な記録媒体であってもよい。また、前記プログラムのコードは、コンピュータ、プロセッサ、又は他のデバイス若しくは装置機械で読み込んで実行可能であれよく、その形式は特定の形式に限定されない。例えば、前記プログラムのコードは、ソースコード、オブジェクトコード及びバイナリコードのいずれでもよく、また、それらのコードの２以上が混在したものであってもよい。

　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）
　２０　ＨＡＰＳ（飛行船タイプ）
　２０Ａ　サービスエリア
　６１　端末装置
　７０　ゲートウェイ局（ＧＷ局）
　８０　移動通信網
　９０，９０（１），９０（２）　基地局（ｅＮｏｄｅＢ）
　１００Ａ　セル
　１１０，２１０　中継通信局
　２００Ｃ，２００Ｃ（１）～２００Ｃ（７）　３次元セル
　２００Ｆ，２００Ｆ（１）～２００Ｆ（７）　フットプリント
　４００　アレイアンテナ
　４０１，４１１，４２１，４３１　アンテナ素子
　４１０　サーキュラーアレイアンテナ
　４２０　リニアアレイアンテナ
　４３０　シリンダー型のアレイアンテナ
　４３２　横方向アンテナ素子群
　４３３　縦方向アンテナ素子群
　４４０　平面アレイアンテナ
　４４１　アンテナ素子
　５００　ＤＢＦ制御部
　５０１　ウェイト計算部
　５０２　ウェイト演算部
　５０３　加算器
　５０４　ウェイト読込部
　５１４　記憶部
　５２０　アンテナ切替部
　６００　ＧＮＳＳ／ＩＮＳ（ＧＰＳアンテナ）
　７００　アンテナ指向ビーム
　７０１　主ビーム
　７０２　サイドローブ

Claims

　端末装置と無線通信する空中滞在型の通信中継装置であって、
　前記端末装置と間のサービスリンクの無線通信を行うセルを形成する複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、
　前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報を取得する情報取得部と、
　前記情報取得部で取得した前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記通信中継装置に予め設定した基準方向の向きを基準にして、前記セルのフットプリントの位置を固定するように前記通信中継装置から前記セルの中心に向かうアンテナ指向ビームの目標ビーム幅、目標水平角度及び目標垂直角度を決定し、前記目標ビーム幅、前記目標水平角度及び前記目標垂直角度を有するアンテナ指向ビームを形成するように前記アレイアンテナの前記複数のアンテナ素子それぞれを介して送受信される複数の送受信信号の位相及び振幅を制御する制御部と、を備えることを特徴とする通信中継装置。
　請求項１の通信中継装置において、
　サービスエリアを構成する複数のセル形成し、
　前記制御部は、
　　前記通信中継装置に予め設定した基準方向の向きを基準にして、前記複数のセルのフットプリントそれぞれを固定するように前記通信中継装置から前記複数のセルそれぞれの中心に向かう複数のアンテナ指向ビームそれぞれの目標ビーム幅、目標水平角度及び目標垂直角度を決定し、
　　前記複数のセルのそれぞれについて、前記目標ビーム幅、前記目標水平角度及び前記目標垂直角度を有するアンテナ指向ビームを形成するように前記複数の送受信信号の位相及び振幅を制御することを特徴とする通信中継装置。
　請求項１又は２の通信中継装置において、
　前記通信中継装置が移動する前の前記通信中継装置の鉛直方向下方の地点から前記セルの中心までの地表距離をｄｎ［ｋｍ］とし、前記通信中継装置が移動する前の前記通信中継装置の高度をｈ［ｋｍ］とし、前記通信中継装置の水平方向及び垂直方向における移動距離をそれぞれΔｄ［ｋｍ］及びΔｈ［ｋｍ］とし、補正係数をβとしたとき、
　前記通信中継装置が移動した後の前記目標垂直角度θｓｔｒ，ｎ［度］は次式（１）を満たすことを特徴とする通信中継装置。
　請求項１乃至３のいずれかの通信中継装置において、
　前記通信中継装置が移動する前の前記通信中継装置の鉛直方向下方の地点から前記セルの中心までの地表距離をｄｎ［ｋｍ］とし、前記通信中継装置が移動する前の前記通信中継装置の高度をｈ［ｋｍ］とし、前記通信中継装置の水平方向及び垂直方向における移動距離をそれぞれΔｄ［ｋｍ］及びΔｈ［ｋｍ］とし、前記セルの中心及びセル境界から前記通信中継装置を見たときの仰角をθｎ［度］及びθｅｄｇｅ，ｋ［度］としたとき、
　前記通信中継装置が移動した後の前記目標ビーム幅θｂｗ，ｎ［度］は次式（２）及び（３）を満たすことを特徴とする通信中継装置。
　請求項１乃至４のいずれかの通信中継装置において、
　前記アレイアンテナは、円柱周面形状に沿って複数のアンテナ素子を分布させるように配置したシリンダー型のアレイアンテナであることを特徴とする通信中継装置。
　請求項５の通信中継装置において、
　前記シリンダー型のアレイアンテナは、前記円柱周面形状の周方向に複数のアンテナ素子を並べたサーキュラー型のアレイアンテナを、前記円柱周面形状の中心軸に平行な方向に複数組並べて構成したことを特徴とする通信中継装置。
　請求項５又は６の通信中継装置において、
　前記円柱周面形状の周方向に複数のアンテナ素子が並んだサーキュラー型のアレイアンテナ及び前記円柱周面形状の中心軸に平行な方向に複数のアンテナ素子が並んだリニア型のアレイアンテナのそれぞれに対して、前記複数の送受信信号の位相及び振幅の制御を互いに独立に行うことを特徴とする通信中継装置。
　請求項５乃至７のいずれかの通信中継装置において、
　前記シリンダー型のアレイアンテナの底面部に複数のアンテナ素子を更に配置したことを特徴とする通信中継装置。
　請求項１乃至８のいずれかの通信中継装置において、
　前記目標水平角度と所望のビームパターンとに基づいて、前記複数のアンテナ素子に対する複数の送受信信号それぞれに適用するウェイトを計算し、
　前記複数のウェイトに基づいて、前記複数の送受信信号の位相及び振幅の制御を行うことを特徴とする通信中継装置。
　請求項１乃至８のいずれかの通信中継装置において、
　前記通信中継装置に予め設定した基準方向の向きを基準にしたアンテナ指向ビームの複数の水平角度について所望のビームパターンを得るように予め決定したウェイトの位相及び振幅の近似式を記憶し、
　前記基準方向の向きを基準にして、前記セルのフットプリントを固定するようにアンテナ指向ビームの目標水平角度を求め、
　前記目標水平角度と前記近似式とに基づいて、前記複数のアンテナ素子に対する複数の送受信信号それぞれに適用するウェイトを計算し、
　前記複数のウェイトに基づいて、前記複数の送受信信号の位相及び振幅の制御を行うことを特徴とする通信中継装置。
　請求項１乃至８のいずれかの通信中継装置において、
　前記目標水平角度に基づいて、前記複数のアンテナ素子に対する複数の送受信信号それぞれに適用するウェイトを、前記目標水平角度を中心としたガウス分布の関数で計算し、
　前記複数のウェイトに基づいて、前記複数の送受信信号の位相及び振幅の制御を行うことを特徴とする通信中継装置。
　請求項９乃至１１のいずれかの通信中継装置において、
　前記目標水平角度とは反対側に位置する背面側のアンテナ素子について前記ウェイトをゼロにすることを特徴とする通信中継装置。
　請求項１乃至４のいずれかの通信中継装置において、
　前記アレイアンテナは、平面形状にそって複数のアンテナ素子を２次元的に分布させるように配置した複数の平面型のアレイアンテナを、各アレイアンテナのビームの向きが互いに異なるように配置して構成し、
　前記複数の平面型のアレイアンテナの間で前記セルの形成に用いるアレイアンテナを切り替えるアンテナ切り替え部を備えることを特徴とする通信中継装置。
　請求項１３の通信中継装置において、
　前記平面型のアレイアンテナを、角錐形状、角柱形状又はそれらを組み合わせた形状における複数の外面部それぞれに配置したことを特徴とする通信中継装置。
　請求項１３又は１４の通信中継装置において、
　現在の水平角度と目標水平角度との差が所定の閾値以下のときは、使用中の平面型のアレイアンテナに対して前記送受信信号の位相及び振幅の制御を行い、
　現在の水平角度と目標水平角度との差が前記閾値よりも大きくなったときに、前記平面型のアレイアンテナを切り替えて前記送受信信号の位相及び振幅の制御を行うことを特徴とする通信中継装置。
　請求項１乃至８のいずれかの通信中継装置において、
　サービスエリアの位置を基準にした前記通信中継装置の予測移動経路における互いに異なる複数組の位置及び姿勢それぞれに対応づけて、前記送受信信号に適用するウェイトを予め計算して保存し、
　前記保存している複数組の絶対的な位置及び姿勢それぞれに対応するウェイトから、前記情報取得部で取得した前記通信中継装置の位置及び姿勢に対応するウェイトを選択し、
　前記選択したウェイトに基づいて前記送受信信号の位相及び振幅の制御を行うことを特徴とする通信中継装置。