JP7726482B2 - 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 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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）。

鈴木義規、外２名、「Short Time Measuring Method of Onboard Antenna Pattern and In-Orbit Test Results of Beam Forming Network on Engineering Test Satellite VIII」、電子情報通信学会論文誌、安心・安全な社会を支える衛星通信とその応用技術論文特集、２００８年、Ｂ Ｖｏｌ．Ｊ９１－Ｂ、Ｎｏ．１２、pp.1569-1577

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

一実施形態にかかる無線通信システムの構成を例示する図である。 （ａ）は、飛翔体の軌道を上方から見た場合の飛翔体が送出する電波と、アンテナとの位置関係を模式的に示す図である。（ｂ）は、飛翔体の軌道を側方から見た場合の飛翔体が送出する電波と、アンテナとの位置関係を模式的に示す図である。 範囲検出部が、指向性アンテナの仰角それぞれに対し、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指向性アンテナ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。 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。 算出部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。 無線通信システム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。 無線通信システムの構成例を示す図である。 地上局と無線通信を行う飛翔体を正面から見た状態を示す図である。 無線通信システムにおいて、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算出する方法を模式的に示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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）。

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）。

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）。

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）。

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）。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (6)

1. 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無線通信システム。
2. 予め設定された前記指向性アンテナの仰角及び方位角を、前記算出部が算出した仰角及び方位角に合わせるように、前記指向性アンテナの仰角及び方位角を補正する補正部をさらに有すること
   を特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 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メインローブ方向算出装置。
4. 予め設定された前記指向性アンテナの仰角及び方位角を、前記算出部が算出した仰角及び方位角に合わせるように、前記指向性アンテナの仰角及び方位角を補正する補正部をさらに有すること
   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。
5. 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メインローブ方向算出方法。
6. 予め設定された前記指向性アンテナの仰角及び方位角と、算出した仰角及び方位角との差を算出する工程をさらに含むこと
   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。