JP7726482B2 - Wireless communication system, main lobe direction calculation device, and main lobe direction calculation method - Google Patents
Wireless communication system, main lobe direction calculation device, and main lobe direction calculation methodInfo
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Description
本発明は、無線通信システム、メインローブ方向算出装置及びメインローブ方向算出方法に関する。 The present invention relates to a wireless communication system, a main lobe direction calculation device, and a main lobe direction calculation method.
近年、無人航空機（ＵＡＶ：Unmanned Aerial Vehicle）を用いた高高度擬似衛星（ＨＡＰＳ：High Altitude Platform Station、又はHigh Altitude Pseudo Satellite）などの飛行体（飛翔体）を媒体とする無線通信システムが検討されている。 In recent years, wireless communication systems using flying objects (air vehicles) such as high altitude platform stations (HAPS) or high altitude pseudo satellites (UAVs) have been under consideration.
この種の無線通信システムでは、端末などの無線機は、飛翔体を経由して地上基地局（地上局）に接続し、ネットワークに接続する。このとき、飛翔体は、端末と地上基地局との間の媒体として通信のリレーを行う。つまり、当該無線通信システムには、地上基地局の設置が困難な海洋や山岳などにおいても通信サービスの提供を可能にするという利点がある。 In this type of wireless communication system, radio devices such as terminals connect to a terrestrial base station (ground station) via the flying object, and then connect to the network. At this time, the flying object acts as a medium between the terminal and the terrestrial base station, relaying communications. In other words, this wireless communication system has the advantage of making it possible to provide communication services even in places where it is difficult to install terrestrial base stations, such as oceans or mountains.
また、飛翔体を媒体とする無線通信システムでは、アンテナからのビーム方向を高精度に設定することが望ましい。 Furthermore, in wireless communication systems that use flying objects as a medium, it is desirable to set the beam direction from the antenna with high precision.
例えば、飛翔体としての衛星が搭載するアンテナのアンテナパターンを短時間で測定するために、複数地点でのアンテナパターンを同時測定し、測定誤差を補正する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。 For example, in order to measure the antenna pattern of an antenna mounted on a satellite as a flying object in a short period of time, a method is known in which the antenna pattern is measured simultaneously at multiple points and measurement errors are corrected (see, for example, Non-Patent Document 1).
指向させるアンテナの主ビーム（メインローブ）方向は、指向させるアンテナのジンバルへの取り付け角誤差や、ジンバルの飛翔体への取り付け角誤差により、仰角・方位角共に設計した方向からずれることがある。 The direction of the antenna's main beam (main lobe) may deviate from the designed direction in both elevation and azimuth due to errors in the mounting angle of the antenna to the gimbal, or errors in the mounting angle of the gimbal to the aircraft.
アンテナの主ビームを高精度で設定するためには、アンテナを指向させるためのジンバルを制御し、予め定められた細かい角度幅で仰角及び方位角を変更して所定の範囲を走査したときの受信電力を測定することが一般的である。 To set the antenna's main beam with high precision, it is common to control the gimbal that points the antenna, change the elevation and azimuth angles in small, predetermined angular increments, and measure the received power when scanning a specified range.
しかしながら、上述した方法では、所定の範囲の走査に多くの時間がかかってしまうという問題があった。 However, the above method had the problem that it took a long time to scan a specified area.
本発明は、飛翔体と地上局との間で行う無線通信におけるメインローブの方向を効率的に算出することができる無線通信システム、メインローブ方向算出装置及びメインローブ方向算出方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a wireless communication system, a main lobe direction calculation device, and a main lobe direction calculation method that can efficiently calculate the direction of the main lobe in wireless communication between an airborne vehicle and a ground station.
本発明の一態様にかかる無線通信システムは、無指向性アンテナを備える地上局と、仰角及び方位角を変更可能にされた指向性アンテナを備えて前記無指向性アンテナからの距離が一定となる水平な円軌道上を飛行する飛翔体とが相互に無線通信を行う無線通信システムにおいて、順次に変更された前記指向性アンテナの仰角それぞれに対し、前記指向性アンテナが送信又は受信する電力が、予め定められた前記指向性アンテナのサイドローブに相当する電力を超える前記指向性アンテナの方位角の範囲を検出する範囲検出部と、前記範囲検出部が検出した前記指向性アンテナの仰角それぞれに対する方位角の範囲それぞれと、前記指向性アンテナの既知のアンテナパターンとに基づいて、前記指向性アンテナのメインローブの方向を示す仰角及び方位角を算出する算出部とを有することを特徴とする。 One aspect of the present invention provides a wireless communication system in which a ground station equipped with an omnidirectional antenna and a flying object equipped with a directional antenna whose elevation angle and azimuth angle can be changed and flying on a horizontal circular orbit at a constant distance from the omnidirectional antenna communicate wirelessly with each other. The system includes a range detection unit that detects the range of azimuth angles of the directional antenna in which the power transmitted or received by the directional antenna exceeds a predetermined power equivalent to a side lobe of the directional antenna for each of the sequentially changed elevation angles of the directional antenna, and a calculation unit that calculates the elevation angle and azimuth angle indicating the direction of the main lobe of the directional antenna based on the azimuth angle ranges for each elevation angle of the directional antenna detected by the range detection unit and the known antenna pattern of the directional antenna.
また、本発明の一態様にかかるメインローブ方向算出装置は、無指向性アンテナを備える地上局に対し、前記無指向性アンテナからの距離が一定となる水平な円軌道上を飛行して無線通信を行う飛翔体が備える仰角及び方位角を変更可能にされた指向性アンテナのメインローブ方向を算出するメインローブ方向算出装置において、順次に変更された前記指向性アンテナの仰角それぞれに対し、前記指向性アンテナが送信又は受信する電力が、予め定められた前記指向性アンテナのサイドローブに相当する電力を超える前記指向性アンテナの方位角の範囲を検出する範囲検出部と、前記範囲検出部が検出した前記指向性アンテナの仰角それぞれに対する方位角の範囲それぞれと、前記指向性アンテナの既知のアンテナパターンとに基づいて、前記指向性アンテナのメインローブの方向を示す仰角及び方位角を算出する算出部とを有することを特徴とする。 Furthermore, one aspect of the present invention provides a main lobe direction calculation device that calculates the main lobe direction of a directional antenna with variable elevation and azimuth angles provided on an air vehicle that flies on a horizontal circular orbit at a constant distance from an omnidirectional antenna and communicates wirelessly with a ground station equipped with the omnidirectional antenna. The main lobe direction calculation device includes: a range detection unit that detects the range of azimuth angles of the directional antenna in which the power transmitted or received by the directional antenna exceeds a predetermined power equivalent to a side lobe of the directional antenna for each of the sequentially changed elevation angles of the directional antenna; and a calculation unit that calculates the elevation and azimuth angles indicating the direction of the main lobe of the directional antenna based on the azimuth angle ranges for each elevation angle of the directional antenna detected by the range detection unit and the known antenna pattern of the directional antenna.
また、本発明の一態様にかかるメインローブ方向算出方法は、無指向性アンテナを備える地上局に対し、前記無指向性アンテナからの距離が一定となる水平な円軌道上を飛行して無線通信を行う飛翔体が備える仰角及び方位角を変更可能にされた指向性アンテナのメインローブ方向を算出するメインローブ方向算出方法において、順次に変更された前記指向性アンテナの仰角それぞれに対し、前記指向性アンテナが送信又は受信する電力が、予め定められた前記指向性アンテナのサイドローブに相当する電力を超える前記指向性アンテナの方位角の範囲を検出する工程と、検出した前記指向性アンテナの仰角それぞれに対する方位角の範囲それぞれと、前記指向性アンテナの既知のアンテナパターンとに基づいて、前記指向性アンテナのメインローブの方向を示す仰角及び方位角を算出する工程とを含むことを特徴とする。 Furthermore, one aspect of the present invention provides a main lobe direction calculation method for calculating the main lobe direction of a directional antenna with variable elevation and azimuth angles provided on an air vehicle that communicates wirelessly with a ground station equipped with an omnidirectional antenna while flying on a horizontal circular orbit at a constant distance from the omnidirectional antenna, the method comprising the steps of: detecting, for each of the sequentially changed elevation angles of the directional antenna, a range of azimuth angles of the directional antenna in which the power transmitted or received by the directional antenna exceeds a predetermined power equivalent to a side lobe of the directional antenna; and calculating the elevation and azimuth angles indicating the direction of the main lobe of the directional antenna based on the detected azimuth angle ranges for each of the elevation angles of the directional antenna and the known antenna pattern of the directional antenna.
本発明によれば、飛翔体と地上局との間で行う無線通信におけるメインローブの方向を効率的に算出することができる。 The present invention makes it possible to efficiently calculate the direction of the main lobe in wireless communication between an airborne vehicle and a ground station.
まず、本発明がなされるに至った背景について、より具体的に説明する。図７は、無線通信システム１の構成例を示す図である。無線通信システム１は、飛翔体（飛行体）２０を介して端末（又は移動局）３が地上局（地上基地局）４に接続されている。なお、地上局４は、インターネットなどのネットワーク５に接続されている。 First, the background to the invention will be explained in more detail. Figure 7 is a diagram showing an example configuration of a wireless communication system 1. In the wireless communication system 1, a terminal (or mobile station) 3 is connected to a ground station (terrestrial base station) 4 via an air vehicle (aircraft) 20. The ground station 4 is connected to a network 5 such as the Internet.
飛翔体２０は、例えば固定翼型の無人航空機（ＵＡＶ）などであり、端末３と地上局４との間でリレー通信を行い、地上局４を介してネットワーク５に常時接続されている。なお、飛翔体２０は、衛星などと通信を行うものであってもよい。 The flying object 20 is, for example, a fixed-wing unmanned aerial vehicle (UAV), which performs relay communication between the terminal 3 and the ground station 4 and is constantly connected to the network 5 via the ground station 4. The flying object 20 may also communicate with a satellite or the like.
そして、飛翔体２０は、機体の下部等に指向性アンテナ（図８参照）を備え、端末３及び地上局４に対して電波を向けることにより、端末３及び地上局４それぞれとの間で通信リンクを張る。 The flying object 20 is equipped with a directional antenna (see Figure 8) on the bottom of the aircraft, and by directing radio waves toward the terminal 3 and the ground station 4, establishes a communication link with each of them.
図８は、地上局４と無線通信を行う飛翔体２０を正面から見た状態を示す図である。飛翔体２０は、例えば垂直尾翼６、翼７、及び指向性アンテナ８を備え、当該飛翔体２０よりも下方に位置する地上局４などに向けて指向性アンテナ８が電波を発射することにより、地上局４などと通信リンクを張る。指向性アンテナ８は、例えば飛翔体２０の機体の下部に配置されている。 Figure 8 shows a front view of an air vehicle 20 that communicates wirelessly with a ground station 4. The air vehicle 20 includes, for example, a vertical tail 6, wings 7, and a directional antenna 8, and establishes a communication link with the ground station 4 or the like located below the air vehicle 20 by emitting radio waves from the directional antenna 8 toward the ground station 4 or the like. The directional antenna 8 is located, for example, on the bottom of the air vehicle 20's body.
また、指向性アンテナ８は、例えば２軸シンバルにより仰角及び方位角を制御可能にされている。また、指向性アンテナ８は、２軸ジンバルに取り付けられた角度測定器（図示せず）によって基準点からの仰角及び方位角を測定可能にされており、測定された仰角及び方位角を示す情報を送信可能にされている。また、指向性アンテナ８は、後述するコマンド信号などにより、仰角及び方位角を制御可能にされている。 The elevation angle and azimuth angle of the directional antenna 8 can be controlled, for example, by a two-axis gimbal. The directional antenna 8 can measure the elevation angle and azimuth angle from a reference point using an angle measuring device (not shown) attached to the two-axis gimbal, and can transmit information indicating the measured elevation angle and azimuth angle. The elevation angle and azimuth angle of the directional antenna 8 can also be controlled by a command signal, which will be described later.
飛翔体２０は、端末３と地上局４との間でリレー通信を行うため、端末３及び地上局４それぞれと通信リンクを張ることが可能である空中の領域に留まる必要がある。そこで、飛翔体２０のような固定翼型の飛行体は、空中を旋回することにより、端末３及び地上局４それぞれと通信リンクを張ることが可能である空中の領域に留まる。 Because the flying object 20 performs relay communication between the terminal 3 and the ground station 4, it must remain in an area of the air where it can establish a communication link with both the terminal 3 and the ground station 4. Therefore, a fixed-wing flying object such as the flying object 20 circles in the air to remain in an area of the air where it can establish a communication link with both the terminal 3 and the ground station 4.
図９は、無線通信システム１において、飛翔体２０と地上局４との間で行う無線通信におけるメインローブの方向を算出する方法を模式的に示す図である。 Figure 9 is a diagram showing a schematic diagram of a method for calculating the direction of the main lobe in wireless communication between the flying object 20 and the ground station 4 in the wireless communication system 1.
飛翔体２０に設けられた指向させるアンテナの主ビーム方向は、指向させるアンテナのジンバルへの取り付け角の誤差や、ジンバルの飛翔体２０への取り付け角の誤差により、仰角及び方位角共に設計された方向に対してずれることがある。 The main beam direction of the directional antenna mounted on the flying object 20 may deviate from the designed direction in both elevation and azimuth due to errors in the mounting angle of the directional antenna to the gimbal, or errors in the mounting angle of the gimbal to the flying object 20.
飛翔体２０と地上局４との間で行う無線通信におけるメインローブの方向を高精度で算出するためには、アンテナを指向させるためのジンバルを制御して、図９に示したように予め定められた細かい角度幅で仰角及び方位角を順次に変更し、所定の範囲で走査したときの受信電力を測定する。 In order to calculate with high accuracy the direction of the main lobe in wireless communication between the flying object 20 and the ground station 4, the gimbal for pointing the antenna is controlled to sequentially change the elevation angle and azimuth angle in predetermined small angular increments as shown in Figure 9, and the received power is measured when scanning over a specified range.
メインローブの方向が設計された方向に対してずれている場合には、無線通信システム１は、メインローブの補正すべき角度を飛翔体２０に対してフィードバックし、飛翔体２０のアンテナ角度を補正する。 If the direction of the main lobe deviates from the designed direction, the wireless communication system 1 feeds back to the flying object 20 the angle at which the main lobe should be corrected, and corrects the antenna angle of the flying object 20.
図１は、一実施形態にかかる無線通信システム１０の構成を例示する図である。図１に示すように、一実施形態にかかる無線通信システム１０は、飛翔体（飛行体）２０と、メインローブ方向算出装置３０とを有する。 Figure 1 is a diagram illustrating the configuration of a wireless communication system 10 according to one embodiment. As shown in Figure 1, the wireless communication system 10 according to one embodiment includes an air vehicle (flying object) 20 and a main lobe direction calculation device 30.
飛翔体２０は、機体の下部等に指向性アンテナ（図８参照）を備え、上空を旋回しながら、メインローブ方向算出装置３０に接続されたアンテナ４１，４２に対して電波を向けることにより、メインローブ方向算出装置３０との間で通信リンクを張る。例えば、飛翔体２０は、仰角及び方位角を変更可能にされた指向性アンテナ８を備えてアンテナ４１からの距離が一定となる水平な円軌道上を飛行する。 The flying object 20 is equipped with a directional antenna (see Figure 8) on the bottom of the aircraft, and while circling in the sky, it directs radio waves toward antennas 41 and 42 connected to the main lobe direction calculation device 30, thereby establishing a communication link with the main lobe direction calculation device 30. For example, the flying object 20 is equipped with a directional antenna 8 whose elevation angle and azimuth angle can be changed, and flies on a horizontal circular orbit at a constant distance from the antenna 41.
アンテナ４１は、例えば中継回線（ミリ波帯）用の棒状アンテナ（無指向性アンテナ）であり、メインローブ方向算出装置３０が中継回線により送信する電波を受信する。受信機５１は、アンテナ４１を介して受信した電波の受信電力を測定し、測定した受信電力をメインローブ方向算出装置３０に対して出力する。 Antenna 41 is, for example, a rod-shaped antenna (omnidirectional antenna) for a relay line (millimeter wave band) and receives radio waves transmitted by main lobe direction calculation device 30 via the relay line. Receiver 51 measures the received power of the radio waves received via antenna 41 and outputs the measured received power to main lobe direction calculation device 30.
アンテナ４２は、例えば１６９ＭＨｚ帯のＴＴ＆Ｃ回線用の棒状アンテナ（無指向性アンテナ）であり、メインローブ方向算出装置３０がＴＴ＆Ｃ回線により送受信するテレメトリ信号及びコマンド信号の電波を送受信する。受信機５２は、アンテナ４２を介して受信した電波から、飛翔体２０に設けられた指向性アンテナ８の仰角及び方位角を取得し、取得した仰角及び方位角をメインローブ方向算出装置３０に対して出力する。 The antenna 42 is, for example, a rod-shaped antenna (omnidirectional antenna) for a 169 MHz band TT&C line, and transmits and receives radio waves of telemetry signals and command signals that the main lobe direction calculation device 30 transmits and receives over the TT&C line. The receiver 52 acquires the elevation angle and azimuth angle of the directional antenna 8 installed on the flying object 20 from the radio waves received via the antenna 42, and outputs the acquired elevation angle and azimuth angle to the main lobe direction calculation device 30.
なお、図１に示した飛翔体２０は、図７，８を用いて説明した飛翔体２０と実質的に同一であるとする。また、メインローブ方向算出装置３０は、例えば図７に示した地上局４の内部に設けられ、図示しない送信機を介して飛翔体２０に電波を送信し、飛翔体２０の各部を制御可能にされている。 The flying object 20 shown in Figure 1 is substantially the same as the flying object 20 described using Figures 7 and 8. The main lobe direction calculation device 30 is installed, for example, inside the ground station 4 shown in Figure 7, and transmits radio waves to the flying object 20 via a transmitter (not shown), enabling control of each part of the flying object 20.
図２は、飛翔体２０が送出する電波と、アンテナ４１及びアンテナ４２との位置関係を模式的に示す図である。図２（ａ）は、飛翔体２０の軌道を上方から見た場合の飛翔体２０が送出する電波と、アンテナ４１及びアンテナ４２との位置関係を模式的に示す図である。図２（ｂ）は、飛翔体２０の軌道を側方から見た場合の飛翔体２０が送出する電波と、アンテナ４１及びアンテナ４２との位置関係を模式的に示す図である。 Figure 2 is a diagram that schematically shows the positional relationship between the radio waves emitted by flying object 20 and antennas 41 and 42. Figure 2(a) is a diagram that schematically shows the positional relationship between the radio waves emitted by flying object 20 and antennas 41 and 42 when the trajectory of flying object 20 is viewed from above. Figure 2(b) is a diagram that schematically shows the positional relationship between the radio waves emitted by flying object 20 and antennas 41 and 42 when the trajectory of flying object 20 is viewed from the side.
飛翔体２０は、アンテナ４１（及びアンテナ４２）を中心として、半径Ｒの円軌道上を飛行する。しかし、飛翔体２０に設けられた指向性アンテナ８は、メインローブの方向が設計値に対して方位角方向及び仰角方向にずれることがある。 The flying object 20 flies on a circular orbit with radius R, centered on antenna 41 (and antenna 42). However, the direction of the main lobe of the directional antenna 8 mounted on the flying object 20 may deviate from the design value in the azimuth and elevation directions.
メインローブ方向算出装置３０（図１）は、上述したように例えば地上局４の内部に設けられ、記憶部３１、範囲検出部３２、算出部３３及び補正部３４を有する。 The main lobe direction calculation device 30 (Figure 1) is provided, for example, inside the ground station 4, as described above, and includes a memory unit 31, a range detection unit 32, a calculation unit 33, and a correction unit 34.
記憶部３１は、閾値電力値（Ｐｔｈ）３１０及びアンテナパターン３１２などを記憶する。閾値電力値３１０は、飛翔体２０の旋回半径及び高度により定まる距離に応じた伝搬損失、アンテナ４１のサイドロープを超えるアンテナゲイン、並びに指向性アンテナ８からの送信出力などによって予め定められている。アンテナパターン３１２は、アンテナ４１のビーム幅を含むアンテナパターンを示す情報であり、予め定め設定されている。 The memory unit 31 stores a threshold power value (Pth) 310 and an antenna pattern 312. The threshold power value 310 is determined in advance based on the propagation loss corresponding to the distance determined by the turning radius and altitude of the flying object 20, the antenna gain exceeding the side lobe of the antenna 41, and the transmission output from the directional antenna 8. The antenna pattern 312 is information indicating the antenna pattern including the beam width of the antenna 41, and is set in advance.
範囲検出部３２は、順次に変更された指向性アンテナ８の仰角それぞれに対し、指向性アンテナ８が送信又は受信する電力が、予め定められた指向性アンテナ８のサイドローブに相当する電力を超える指向性アンテナ８の方位角の範囲を検出し、算出部３３に対して出力する。 For each sequentially changed elevation angle of the directional antenna 8, the range detection unit 32 detects the range of azimuth angles of the directional antenna 8 in which the power transmitted or received by the directional antenna 8 exceeds the power corresponding to a predetermined side lobe of the directional antenna 8, and outputs this to the calculation unit 33.
図３は、範囲検出部３２が、指向性アンテナ８の仰角それぞれに対し、指向性アンテナ８のサイドローブに相当する電力を超える指向性アンテナ８の方位角の範囲を検出する動作を模式的に示す図である。 Figure 3 is a diagram showing the operation of the range detection unit 32 to detect the range of azimuth angles of the directional antenna 8 that exceed the power corresponding to the side lobes of the directional antenna 8 for each elevation angle of the directional antenna 8.
メインローブ方向算出装置３０は、指向性アンテナ８の仰角をある角度に固定した状態において、指向性アンテナ８を方位角方向（開始方位角～終了方位角）まで走査させつつ、受信電力を取得する。メインローブ方向算出装置３０は、指向性アンテナ８を方位角方向（開始方位角～終了方位角）まで走査させ終えると、仰角を予め定められた幅で変更し、さらに指向性アンテナ８を方位角方向（開始方位角～終了方位角）まで走査させつつ、受信電力を取得する。 The main lobe direction calculation device 30 acquires received power while scanning the directional antenna 8 in the azimuth direction (from the starting azimuth angle to the ending azimuth angle) with the elevation angle of the directional antenna 8 fixed at a certain angle. After scanning the directional antenna 8 in the azimuth direction (from the starting azimuth angle to the ending azimuth angle), the main lobe direction calculation device 30 changes the elevation angle by a predetermined amount and further acquires received power while scanning the directional antenna 8 in the azimuth direction (from the starting azimuth angle to the ending azimuth angle).
例えば、範囲検出部３２は、メインローブが存在する大まかな位置を検出するために、受信電力が閾値電力Ｐｔｈを超えるまで、仰角の角度を予め定められた角度ｄθだけ増加させながら方位角方向に走査を行う。角度ｄθは、アンテナパターンにおいて、メインローブゲインからサイドローブゲインに到達するまでのビーム幅角度２Φの２分の１以下とする。 For example, to detect the approximate location of the main lobe, the range detection unit 32 scans in the azimuth direction while increasing the elevation angle by a predetermined angle dθ until the received power exceeds the threshold power Pth. The angle dθ is set to be equal to or less than half the beam width angle 2Φ from the main lobe gain to the side lobe gain in the antenna pattern.
図４は、メインローブ及びサイドローブの電力に対する閾値電力（閾値Ｐｔｈ）の大きさを例示する図である。図４に示すように、閾値Ｐｔｈは、サイドローブよりも大きい。例えば、範囲検出部３２は、受信電力を閾値電力値３１０（閾値Ｐｔｈ）と比較し、受信電力が閾値Ｐｔｈを超える範囲を検出するので、サイドローブの電力は閾値電力以下となり、メインローブによる電力のみの範囲を検出することができる。 Figure 4 is a diagram illustrating the magnitude of the threshold power (threshold Pth) for the power of the main lobe and side lobe. As shown in Figure 4, the threshold Pth is larger than the side lobe. For example, the range detection unit 32 compares the received power with the threshold power value 310 (threshold Pth) and detects the range in which the received power exceeds the threshold Pth. Therefore, the power of the side lobe is below the threshold power, and it is possible to detect the range in which only the power due to the main lobe is present.
算出部３３（図１）は、範囲検出部３２が検出した指向性アンテナ８の仰角それぞれに対する方位角の範囲それぞれと、指向性アンテナ８の既知のアンテナパターン（アンテナパターン３１２）とに基づいて、指向性アンテナ８のメインローブの方向を示す仰角及び方位角を算出する。 The calculation unit 33 (Figure 1) calculates the elevation angle and azimuth angle indicating the direction of the main lobe of the directional antenna 8 based on the range of azimuth angles for each elevation angle of the directional antenna 8 detected by the range detection unit 32 and the known antenna pattern of the directional antenna 8 (antenna pattern 312).
図５は、算出部３３がメインローブの方向を示す仰角及び方位角を算出する方法を模式的に示す図である。図５において、横軸は方位角方向の角度を示し、縦軸は仰角方向の角度を示す。 Figure 5 is a diagram showing a schematic diagram of how the calculation unit 33 calculates the elevation angle and azimuth angle that indicate the direction of the main lobe. In Figure 5, the horizontal axis represents the angle in the azimuth direction, and the vertical axis represents the angle in the elevation direction.
算出部３３は、メインローブのゲインが閾値Ｐｔｈを超える所定値となる方向をプロットした曲線（メインローブの裾野）が、メインローブの方向を中心とする真円と見なせる場合には、走査により受信電力がＰｔｈを超えた時の仰角角度をθ１とする。 If the curve (base of the main lobe) plotting the direction in which the main lobe gain exceeds the threshold value Pth by a predetermined value can be regarded as a perfect circle centered in the direction of the main lobe, the calculation unit 33 determines that the elevation angle at which the received power exceeds Pth through scanning is θ1.
また、算出部３３は、仰角角度θ１での走査中に最初に閾値Ｐｔｈを超えたときの方位角角度をψ１とし、閾値Ｐｔｈを超えた後、最初に閾値Ｐｔｈを下回ったときの方位角角度をψ２とする。 The calculation unit 33 also sets the azimuth angle when the threshold value Pth is first exceeded during scanning at the elevation angle θ1 as ψ1, and the azimuth angle when the threshold value Pth is exceeded and then the azimuth angle when the threshold value Pth is first exceeded and then falls below the threshold value Pth as ψ2.
そして、算出部３３は、メインローブの方向となる仰角を下式（１）、（２）を用いて算出し、方位角を下式（３）を用いて算出する。 The calculation unit 33 then calculates the elevation angle, which is the direction of the main lobe, using the following equations (1) and (2), and calculates the azimuth angle using the following equation (3).
閾値Ｐｔｈを超える所定値となる方向をプロットした曲線（メインローブの裾野）が、メインローブの方向を中心とする真円と見なせない楕円又はその他の幾何学形状である場合には、算出部３３は、当該幾何学形状を表す方程式に基づいてメインローブの方向を算出する。 If the curve (the base of the main lobe) plotting the direction where a predetermined value exceeds the threshold value Pth is an ellipse or other geometric shape that cannot be considered a perfect circle centered on the main lobe direction, the calculation unit 33 calculates the main lobe direction based on an equation that represents that geometric shape.
補正部３４は、予め設定された指向性アンテナ８の仰角及び方位角（例えば指向性アンテナ８の設計上の仰角及び方位角）を、算出部３３が算出した仰角及び方位角に合わせるように、指向性アンテナ８の仰角及び方位角を補正する。例えば、補正部３４は、指向性アンテナ８の仰角及び方位角の設計値に対する算出値の差を算出し、算出した差を補正値とする。当該補正値がメインローブ方向算出装置３０（又は地上局４）から飛翔体２０へ送信（フィードバック）されると、飛翔体２０は、指向性アンテナ８の仰角及び方位角を修正する。 The correction unit 34 corrects the elevation angle and azimuth angle of the directional antenna 8 so that the preset elevation angle and azimuth angle of the directional antenna 8 (e.g., the design elevation angle and azimuth angle of the directional antenna 8) match the elevation angle and azimuth angle calculated by the calculation unit 33. For example, the correction unit 34 calculates the difference between the calculated value and the design value of the elevation angle and azimuth angle of the directional antenna 8, and sets the calculated difference as the correction value. When this correction value is transmitted (feedback) from the main lobe direction calculation device 30 (or ground station 4) to the flying object 20, the flying object 20 corrects the elevation angle and azimuth angle of the directional antenna 8.
次に、無線通信システム１０を用いたメインローブ方向の算出方法について説明する。図６は、無線通信システム１０を用いたメインローブ方向の算出方法を例示するフローチャートである。図６に示すように、まず、アンテナ４１を中心として一定半径Ｒで飛翔体２０を旋回飛行させる（Ｓ１００）。 Next, a method for calculating the main lobe direction using the wireless communication system 10 will be described. Figure 6 is a flowchart illustrating an example of a method for calculating the main lobe direction using the wireless communication system 10. As shown in Figure 6, first, the flying object 20 is caused to fly in a circle with a constant radius R centered on the antenna 41 (S100).
次に、メインローブ方向算出装置３０は、飛翔体２０の指向性アンテナ８に対する走査のために、仰角の初期値、方位角の開始角度及び方位角の終了角度を設定する（Ｓ１０２）。 Next, the main lobe direction calculation device 30 sets the initial elevation angle, the start azimuth angle, and the end azimuth angle for scanning the directional antenna 8 of the flying object 20 (S102).
メインローブ方向算出装置３０は、設定仰角で方位角方向に走査して受信電力Ｐを測定する（Ｓ１０４）。 The main lobe direction calculation device 30 measures the received power P by scanning in the azimuth direction at the set elevation angle (S104).
メインローブ方向算出装置３０は、受信電力Ｐが閾値Ｐｔｈよりも大きいか否かを判定し、大きい場合（Ｓ１０６:Ｙｅｓ）にはＳ１１０の処理に進み、その他の場合（Ｓ１０６:Ｎｏ）にはＳ１０８の処理進む（Ｓ１０６）。 The main lobe direction calculation device 30 determines whether the received power P is greater than the threshold value Pth, and if it is greater (S106: Yes), proceeds to processing S110; otherwise (S106: No), proceeds to processing S108 (S106).
メインローブ方向算出装置３０は、仰角を変更（変更幅ｄθ）し、Ｓ１０４の処理に戻る（Ｓ１０８）。 The main lobe direction calculation device 30 changes the elevation angle (change amount dθ) and returns to processing S104 (S108).
そして、メインローブ方向算出装置３０は、受信電力が閾値Ｐｔｈよりも大きいときの方位角、その後に受信電力が閾値Ｐｔｈ以下となったときの方位角、このときの仰角、及び、既知のアンテナパターンに基づいて、主ビーム（メインローブ）方向を示す仰角及び方位角を算出する（Ｓ１１０）。 Then, the main lobe direction calculation device 30 calculates the elevation angle and azimuth angle indicating the main beam (main lobe) direction based on the azimuth angle when the received power is greater than the threshold Pth, the azimuth angle when the received power subsequently falls below the threshold Pth, the elevation angle at this time, and the known antenna pattern (S110).
このように、無線通信システム１０は、順次に変更された指向性アンテナ８の仰角それぞれに対し、指向性アンテナ８が送信（又は受信）する電力が、予め定められた指向性アンテナ８のサイドローブに相当する電力を超える指向性アンテナ８の方位角の範囲を検出し、検出した指向性アンテナ８の仰角それぞれに対する方位角の範囲それぞれと、指向性アンテナ８の既知のアンテナパターンとに基づいて、指向性アンテナ８のメインローブの方向を示す仰角及び方位角を算出する。 In this way, for each of the sequentially changed elevation angles of the directional antenna 8, the wireless communication system 10 detects the azimuth angle range of the directional antenna 8 in which the power transmitted (or received) by the directional antenna 8 exceeds the power corresponding to the predetermined side lobe of the directional antenna 8, and calculates the elevation angle and azimuth angle indicating the direction of the main lobe of the directional antenna 8 based on each of the detected azimuth angle ranges for each elevation angle of the directional antenna 8 and the known antenna pattern of the directional antenna 8.
よって、無線通信システム１０は、仰角及び方位角方向の走査回数を削減させ、走査時間を短縮させて、飛翔体２０と地上局４（メインローブ方向算出装置３０）との間で行う無線通信におけるメインローブの方向を効率的に算出することができる。 Therefore, the wireless communication system 10 can reduce the number of scans in the elevation and azimuth directions, shorten the scan time, and efficiently calculate the direction of the main lobe in wireless communication between the flying object 20 and the ground station 4 (main lobe direction calculation device 30).
なお、メインローブ方向算出装置３０が有する各機能は、それぞれ一部又は全部がハードウェアによって構成されてもよいし、ＣＰＵ等のプロセッサが実行するプログラムとして構成されてもよい。 Note that each function of the main lobe direction calculation device 30 may be partially or entirely configured by hardware, or may be configured as a program executed by a processor such as a CPU.
すなわち、メインローブ方向算出装置３０は、コンピュータとプログラムを用いて実現することができ、プログラムを記憶媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。 In other words, the main lobe direction calculation device 30 can be implemented using a computer and a program, and the program can be recorded on a storage medium or provided via a network.
１，１０・・・無線通信システム、３・・・端末、４・・・地上局、８・・・指向性アンテナ、２０・・・飛翔体（飛行体）、３０・・・メインローブ方向算出装置、３１・・・記憶部、３２・・・範囲検出部、３３・・・算出部、３４・・・補正部、４１，４２・・・アンテナ、５１，５２・・・受信機、３１０・・・閾値電力値、３１２・・・アンテナパターン 1, 10... Wireless communication system, 3... Terminal, 4... Ground station, 8... Directional antenna, 20... Flying object (aircraft), 30... Main lobe direction calculation device, 31... Memory unit, 32... Range detection unit, 33... Calculation unit, 34... Correction unit, 41, 42... Antenna, 51, 52... Receiver, 310... Threshold power value, 312... Antenna pattern
Claims (6)
順次に変更された前記指向性アンテナの仰角それぞれに対し、前記指向性アンテナが送信又は受信する電力が、予め定められた前記指向性アンテナのサイドローブに相当する電力を超える前記指向性アンテナの方位角の範囲を検出する範囲検出部と、
前記範囲検出部が検出した前記指向性アンテナの仰角それぞれに対する方位角の範囲それぞれと、前記指向性アンテナの既知のアンテナパターンとに基づいて、前記指向性アンテナのメインローブの方向を示す仰角及び方位角を算出する算出部と
を有することを特徴とする無線通信システム。 A wireless communication system in which a ground station equipped with an omnidirectional antenna and a flying object equipped with a directional antenna whose elevation angle and azimuth angle are changeable and flying on a horizontal circular orbit at a constant distance from the omnidirectional antenna perform wireless communication with each other,
a range detection unit that detects, for each of the sequentially changed elevation angles of the directional antenna, a range of azimuth angles of the directional antenna in which power transmitted or received by the directional antenna exceeds a predetermined power corresponding to a side lobe of the directional antenna;
a calculation unit that calculates the elevation angle and azimuth angle that indicate the direction of a main lobe of the directional antenna, based on each of the azimuth angle ranges for each elevation angle of the directional antenna detected by the range detection unit and a known antenna pattern of the directional antenna.
を特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。 2. The wireless communication system according to claim 1, further comprising a correction unit that corrects the elevation angle and azimuth angle of the directional antenna so that the preset elevation angle and azimuth angle of the directional antenna match the elevation angle and azimuth angle calculated by the calculation unit.
順次に変更された前記指向性アンテナの仰角それぞれに対し、前記指向性アンテナが送信又は受信する電力が、予め定められた前記指向性アンテナのサイドローブに相当する電力を超える前記指向性アンテナの方位角の範囲を検出する範囲検出部と、
前記範囲検出部が検出した前記指向性アンテナの仰角それぞれに対する方位角の範囲それぞれと、前記指向性アンテナの既知のアンテナパターンとに基づいて、前記指向性アンテナのメインローブの方向を示す仰角及び方位角を算出する算出部と
を有することを特徴とするメインローブ方向算出装置。 A main lobe direction calculation device calculates the main lobe direction of a directional antenna with variable elevation and azimuth angles provided on a flying object that flies on a horizontal circular orbit at a constant distance from a ground station equipped with an omnidirectional antenna and performs wireless communication with the ground station,
a range detection unit that detects, for each of the sequentially changed elevation angles of the directional antenna, a range of azimuth angles of the directional antenna in which power transmitted or received by the directional antenna exceeds a predetermined power corresponding to a side lobe of the directional antenna;
a calculation unit that calculates the elevation angle and azimuth angle that indicate the direction of the main lobe of the directional antenna, based on each of the azimuth angle ranges for each elevation angle of the directional antenna detected by the range detection unit and a known antenna pattern of the directional antenna.
を特徴とする請求項３に記載のメインローブ方向算出装置。 4. The main lobe direction calculation device according to claim 3, further comprising a correction unit that corrects the elevation angle and azimuth angle of the directional antenna so that the preset elevation angle and azimuth angle of the directional antenna match the elevation angle and azimuth angle calculated by the calculation unit.
順次に変更された前記指向性アンテナの仰角それぞれに対し、前記指向性アンテナが送信又は受信する電力が、予め定められた前記指向性アンテナのサイドローブに相当する電力を超える前記指向性アンテナの方位角の範囲を検出する工程と、
検出した前記指向性アンテナの仰角それぞれに対する方位角の範囲それぞれと、前記指向性アンテナの既知のアンテナパターンとに基づいて、前記指向性アンテナのメインローブの方向を示す仰角及び方位角を算出する工程と
を含むことを特徴とするメインローブ方向算出方法。 A main lobe direction calculation method for calculating the main lobe direction of a directional antenna with variable elevation and azimuth angles provided on a flying object that flies on a horizontal circular orbit at a constant distance from a ground station equipped with an omnidirectional antenna and performs wireless communication with the ground station, comprising:
detecting a range of azimuth angles of the directional antenna in which the power transmitted or received by the directional antenna exceeds a predetermined power corresponding to a side lobe of the directional antenna, for each of the elevation angles of the directional antenna that are sequentially changed;
and calculating an elevation angle and an azimuth angle indicating the direction of the main lobe of the directional antenna based on each of the detected azimuth angle ranges for each elevation angle of the directional antenna and a known antenna pattern of the directional antenna.
を特徴とする請求項５に記載のメインローブ方向算出方法。 6. The main lobe direction calculation method according to claim 5, further comprising the step of calculating a difference between a preset elevation angle and azimuth angle of the directional antenna and the calculated elevation angle and azimuth angle.
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