特許 7089556 ＨＡＰＳのサービスリンクにおけるアンテナ取付プレートからの反射波干渉抑制

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-14

(45)【発行日】2022-06-22

(54)【発明の名称】ＨＡＰＳのサービスリンクにおけるアンテナ取付プレートからの反射波干渉抑制

(51)【国際特許分類】

   H01Q 1/52 20060101AFI20220615BHJP

   H01Q 3/26 20060101ALI20220615BHJP

   H01Q 17/00 20060101ALI20220615BHJP

【ＦＩ】

H01Q1/52

H01Q3/26 Z

H01Q17/00

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020115954

(22)【出願日】2020-07-03

(65)【公開番号】P2022013417

(43)【公開日】2022-01-18

【審査請求日】2022-03-17

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】318002806

【氏名又は名称】ＨＡＰＳモバイル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098626

【弁理士】

【氏名又は名称】黒田 壽

(74)【代理人】

【識別番号】100128691

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 弘通

(72)【発明者】

【氏名】須藤 渉一

(72)【発明者】

【氏名】星野 兼次

(72)【発明者】

【氏名】林 合祐

【審査官】岸田 伸太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０３６０７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００８－５２３７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０８８０４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２３２２１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｑ １／５２

Ｈ０１Ｑ １７／００

Ｈ０１Ｑ ３／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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ンテナと、
前記アンテナが取り付けられたアンテナ取付部材と、を備え、
前記アンテナ取付部材の外部に露出した外側表面に、電波吸収体の層又は前記サービスリンクの周波数の電波を選択的に遮蔽する周波数選択性電磁遮蔽部材の層を有することを特徴とする通信中継装置。

【請求項2】

請求項１の通信中継装置において、
前記複数のアンテナ素子はそれぞれ、前記アンテナ素子のアンテナ主面に垂直なアンテナ指向ビームの方向が水平方向よりも下向きになるように傾斜させてアンテナ本体支持部に支持されている、ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項3】

請求項２の通信中継装置において、
前記複数のアンテナ素子はそれぞれ、前記アンテナ素子の下端部、中央部又は上端部が前記アンテナ本体支持部の外周面に支持され、その支持位置を中心にして回動して傾斜している、ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれかの通信中継装置において、
前記複数のアンテナ素子はそれぞれ、前記アンテナ素子のアンテナ主面に垂直なアンテナ指向ビームを細くする無給電素子を有する、ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項5】

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ンテナと、
前記アンテナが取り付けられたアンテナ取付部材と、を備え、
前記複数のアンテナ素子はそれぞれ、前記アンテナ素子のアンテナ主面に垂直なアンテナ指向ビームを細くする無給電素子を有する、ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれかの通信中継装置において、
前記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を更に備え、
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、
前記複数のアンテナ素子それぞれの直接波のビームパターンと前記アンテナ取付部材による反射波のビームパターンとを合成した合成ビームパターンに基づいて、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、
ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項7】

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ンテナと、
前記アンテナが取り付けられたアンテナ取付部材と、
前記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、
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、
前記複数のアンテナ素子それぞれの直接波のビームパターンと前記アンテナ取付部材による反射波のビームパターンとを合成した合成ビームパターンに基づいて、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、
ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項8】

請求項６又は７の通信中継装置において、
前記複数のアンテナ素子それぞれの直接波のビームパターンと前記アンテナ取付部材による反射波のビームパターンとを合成した合成ビームパターンに基づいて、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、
前記アンテナは、円柱周面形状又は多角柱周面形状の本体の外周面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ンテナであることを特徴とする通信中継装置。

【請求項10】

請求項９の通信中継装置において、
前記シリンダー型のアンテナは、前記円柱周面形状又は多角柱周面形状の本体の外周面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、前記本体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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、３次元化ネットワークの構築に適したＨＡＰＳ等の通信中継装置のサービスリンクにおけるリピータや基地局装置等の中継通信局のアンテナ取付プレートからの反射波干渉抑制の技術に関するものである。

【背景技術】

【0002】

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。こ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。

【0003】

特許文献１には、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、情報取得部で取得した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、セルのフットプリントの位置を固定するように、アレイアンテナの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、を備える空中滞在型の通信中継装置が開示されている。この通信中継装置によれば、装置の小型化を図るともにサービスエリアを構成する複数のセルのフットプリントの移動を抑制してフットプリントを固定することができる、とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０２０－０３６０７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記アレイアンテナなどのサービスリンクのアンテナを備える空中滞在型の通信中継装置では、アンテナから放射された電波の一部がアンテナ取付部材で反射するおそれがある。このような反射が発生すると、通信中継装置から離れているセルのフットプリント上の端末装置においては、通信中継装置からの直接波と反射波との重ね合わせが発生し、セルのフットプリントにおける通信品質が低下し、セルのフットプリントを安定に固定することが難しい、という課題がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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る。この通信中継装置は、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ンテナと、前記アンテナが取り付けられたアンテナ取付部材と、を備え、前記アンテナ取付部材の外部に露出した外側表面に、電波吸収体の層又は前記サービスリンクの周波数の電波を選択的に遮蔽する周波数選択性電磁遮蔽部材の層を有する。

【0007】

前記通信中継装置において、前記複数のアンテナ素子はそれぞれ、前記アンテナ素子のアンテナ主面に垂直なアンテナ指向ビームの方向が水平方向よりも下向きになるように傾斜させてアンテナ本体支持部に支持してもよい。

【0008】

本発明の他の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る。この通信中継装置は、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ンテナと、前記アンテナが取り付けられたアンテナ取付部材と、を備え、前記複数のアンテナ素子はそれぞれ、前記アンテナ素子のアンテナ主面に垂直なアンテナ指向ビームの方向が水平方向よりも下向きになるように傾斜させてアンテナ本体支持部に支持されている。

【0009】

前記通信中継装置において、前記複数のアンテナ素子はそれぞれ、前記アンテナ素子の下端部、中央部又は上端部が前記アンテナ本体支持部の外周面に支持され、その支持位置を中心にして回動して傾斜していてもよい。

【0010】

前記通信中継装置において、前記複数のアンテナ素子はそれぞれ、前記アンテナ素子のアンテナ主面に垂直なアンテナ指向ビームを細くする無給電素子を有してもよい。

【0011】

本発明の更に他の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る。この通信中継装置は、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ンテナと、前記アンテナが取り付けられたアンテナ取付部材と、を備え、前記複数のアンテナ素子はそれぞれ、前記アンテナ素子のアンテナ主面に垂直な主ビームを細くする無給電素子を有する。

【0012】

前記通信中継装置において、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を更に備え、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、前記複数のアンテナ素子それぞれの直接波のビームパターンと前記アンテナ取付部材による反射波のビームパターンとを合成した合成ビームパターンに基づいて、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してもよい。

【0013】

本発明の更に他の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る。この通信中継装置は、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ンテナと、前記アンテナが取り付けられたアンテナ取付部材と、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、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、前記複数のアンテナ素子それぞれの直接波のビームパターンと前記アンテナ取付部材による反射波のビームパターンとを合成した合成ビームパターンに基づいて、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。

【0014】

前記通信中継装置において、前記複数のアンテナ素子それぞれの直接波のビームパターンと前記アンテナ取付部材による反射波のビームパターンとを合成した合成ビームパターンに基づいて、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。

【0015】

前記通信中継装置において、前記アンテナは、円柱周面形状又は多角柱周面形状の本体の外周面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ンテナであってもよい。前記シリンダー型のアンテナは、前記円柱周面形状又は多角柱周面形状の本体の外周面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、前記本体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、前記アンテナは、平面上に複数のアンテナ素子が配列した一又は複数の平面型のアンテナであってもよい。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、空中滞在型の通信中継装置のサービスリンクのアンテナが取り付けられたアンテナ取付部材での反射による指向性パターンの変動を抑え、セルのフットプリントを安定に固定することができ、その結果、通信品質の劣化を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】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。

【図2】実施形態に係る通信システムに用いられるＨＡＰＳの一例を示す斜視図。

【図3】実施形態に係る通信システムに用いられるＨＡＰＳの他の例を示す側面図。

【図4】実施形態に係るＨＡＰＳのサービスリンク用アンテナの搭載部分の構成の一例を示す断面図。

【図5】実施形態に係るＨＡＰＳのサービスリンク用アンテナの構成の一例を示す断面図。

【図6】サービスリンク用アンテナの直接波と反射波との関係の一例を示す説明図。

【図7】サービスリンク用アンテナで形成されるセルによるフットプリントの一例を示す説明図。

【図8】サービスリンク用アンテナの指向性特性における反射波の影響の一例を示すグラフ。

【図9】サービスリンク用アンテナの指向性における天頂角θ及び方位角φの定義を示す座標系の説明図。

【図10】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、実施形態に係るＨＡＰＳのアンテナ取付部材及びサービスリンク用アンテナの構成の一例を示す底面図及び側方断面図。

【図11】実施形態に係るＨＡＰＳのアンテナ取付部材の表面に電波吸収体の層を設けた場合のサービスリンク用アンテナの指向性特性の一例を示すグラフ。

【図12】参考比較例に係るアンテナ取付部材の表面に電波吸収体の層を設けない場合のサービスリンク用アンテナの指向性特性の一例を示すグラフ。

【図13】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、実施形態に係るＨＡＰＳのサービスリンク用アンテナの他の構成例を示す縦断面図。

【図14】（ａ）は、実施形態に係るＨＡＰＳにおけるアンテナ素子が傾斜したサービスリンク用アンテナの構成の一例を示す縦断面図。（ｂ）は、同サービスリンク用アンテナの指向性特性の一例を示すグラフ。

【図15】（ａ）は、参考例に係るアンテナ素子が傾斜していないサービスリンク用アンテナの構成の一例を示す縦断面図。（ｂ）は、同サービスリンク用アンテナの指向性特性の一例を示すグラフ。

【図16】（ａ）は、実施形態に係るＨＡＰＳにおける無給電素子を有するサービスリンク用アンテナのビームの一例を示す説明図。（ｂ）は、参考例に係る無給電素子を有していないサービスリンク用アンテナのビームの一例を示す説明図。

【図17】（ａ）は、実施形態に係るＨＡＰＳにおける傾斜したアンテナ素子を有するサービスリンク用アンテナと電波吸収体の層を有するアンテナ取付部材とを組み合わせた構成の一例を示す断面図。（ｂ）は、実施形態に係るＨＡＰＳにおける傾斜したアンテナ素子及び無給電素子を有するサービスリンク用アンテナと電波吸収体の層を有するアンテナ取付部材とを組み合わせた構成の一例を示す断面図。

【図18】実施形態に係るＨＡＰＳにおけるデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）制御の一例を示すフローチャート。

【図19】実施形態に係るＨＡＰＳにおけるデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）制御の制御系の構成の一例を示す説明図。

【図20】実施形態に係るＨＡＰＳにおけるアンテナ取付部材による反射を考慮して決定したウェイトを用いてサービスリンク用アンテナに供給する信号の振幅及び位相を制御したときの指向性特性の一例を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0018】

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におけるＨＡＰＳ１０のセル構成の一例を示す説明図である。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世代又はその後の世代の移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。また、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。

【0019】

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を備えている。ＨＡＰＳ１０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に３次元セル（３次元エリア）を形成する。ＨＡＰＳ１０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）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としてのソーラープレーンに、中継通信局１１０が搭載されたものである。

【0020】

ＨＡＰＳ１０の位置する空域は、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。

【0021】

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は、ＨＡＰＳ１０が位置する空域と従来のマクロセル基地局等の基地局（例えばＬＴＥのｅＮｏｄｅＢ）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。

【0022】

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は、海、川又は湖の上空であってもよい。また、ＨＡＰＳ１０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６１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。

【0023】

ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０はそれぞれ、サービスリンク用アンテナ（以下「ＳＬアンテナ」という。）により、移動局である端末装置６１と無線通信するための複数のアンテナ指向ビーム（以下、省略して「ビーム」ともいう。）を地面に向けて形成する。端末装置６１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に組み込まれた通信端末モジュールでもよいし、飛行機の中でユーザが使用するユーザ装置であってもよい。セル形成目標空域においてビームが通過する領域が３次元セルである。セル形成目標空域において互いに隣り合う複数のビームは部分的に重なってもよい。

【0024】

ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０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（リピータ親機）７０と無線通信するリピータ子機である。

【0025】

なお、中継通信局１１０は、ｅＮｏｄｅＢ、ｇＮｏｄｅＢなどの機能を有する基地局であってもよい。この場合、基地局としての中継通信局１１０のバックホール回線がフィーダリンクに設定される。

【0026】

ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、フィーダリンク用アンテナ（以下「ＦＬアンテナ」という。）により無線通信可能な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とフィーダ局７０との間のフィーダリンクの通信は、マイクロ波又はミリ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。

【0027】

ＨＡＰＳ１０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１１０での処理を自律制御してもよい。例えば、ＨＡＰＳ１０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１１０での処理を自律制御してもよい。

【0028】

また、ＨＡＰＳ１０それぞれの浮揚移動（飛行）や中継通信局１１０での処理は、移動通信網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。）によって制御できるようにしてもよい。管理装置は、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は、管理装置からの制御情報を受信したり管理装置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。

【0029】

また、ＨＡＰＳ１０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１１０での処理に関する情報、ＨＡＰＳ１０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、ＨＡＰＳ１０の目標飛行ルート情報を含んでもよい。監視情報は、ＨＡＰＳ１０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の周辺の気流の風速及び風向、並びに、ＨＡＰＳ１０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。

【0030】

中継通信局１１０と端末装置６１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２１と端末装置６１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。

【0031】

また、ＨＡＰＳ１０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を介した地上の基地局との間のリンクを「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。

【0032】

なお、図１の例において、ＨＡＰＳ１０の高度が約２０ｋｍの成層圏に位置し、ＨＡＰＳ１０が複数のセル１００Ｃ（１）～１００Ｃ（７）を形成し、その複数セル（７セル）構成のセル１００Ｃ（１）～１００Ｃ（７）のフットプリント１００Ｆ（１）～１００Ｆ（７）からなるサービスエリア１０Ａ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。

【0033】

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。

【0034】

中継通信局１１０は、無線中継処理を主に行う本体装置と、端末装置６１との間の無線通信に用いられるＳＬアンテナと、フィーダ局７０との間の無線通信に用いられるＦＬアンテナとを有する。

【0035】

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。

【0036】

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。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。

【0037】

中継通信局２１０は、無線中継処理を主に行う本体装置と、端末装置６１との間の無線通信に用いられるＳＬアンテナと、フィーダ局７０との間の無線通信に用いられるＦＬアンテナとを有する。

【0038】

なお、以下の実施形態の説明では、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の場合について図示して説明するが、通信中継装置は無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０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。

【0039】

図４は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０のＳＬアンテナ１３０が搭載されている部分の構成の一例を断面図である。図４において、ＳＬアンテナ１３０は、前述のポッド１０５の外壁である樹脂製のフェアリンク１０５ａの内部に収容され、ポッド１０５の内部空間を区画するように設けられたプレート状のアンテナ取付部材１０８の下面に取り付けられている。アンテナ取付部材１０８の上面には、中継通信局１１０の本体装置１２０が取り付けられている。アンテナ取付部材１０８は、例えば、高い強度が得られるとともに軽量化を図ることができるカーボン繊維強化樹脂で形成されている。

【0040】

図５は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０のＳＬアンテナ１３０の構成の一例を示す断面図である。図５において、ＳＬアンテナ１３０は、円柱周面形状又は多角柱周面形状のアンテナ本体支持部１３１の外周面に沿って複数のアンテナ素子１３２を分布させるように配置した、フットプリントの固定制御に適するシリンダー型のアレイアンテナである。特に本実施形態のＳＬアンテナ１３０は、円柱周面形状又は多角柱周面形状のアンテナ本体支持部１３１の外周面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、アンテナ本体支持部１３１の中心軸に平行な方向に複数組並べた構成を有する。すなわち、ＳＬアンテナ１３０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１３２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１３２が線形配置されている。アンテナ素子１３２は、例えば、アンテナ主面の中心からずれた所定の２箇所に給電ポイントを有する直線偏波の電波を効率的に送受信可能な平面アンテナ（パッチアンテナ）である。なお、ＳＬアンテナ１３０の最下部に、ＨＡＰＳ１０の真下方向にセルを作る平面アレイアンテナ等のアンテナを設けてもよい。

【0041】

上記構成のＨＡＰＳ１０において、ＳＬアンテナ１３０が取り付けられたアンテナ取付部材１０８が導電性を有するカーボン繊維強化樹脂で形成されているため、図６に示すようにＳＬアンテナ１３０のアンテナ素子１３２から放射された電波のビームの一部がアンテナ取付部材１０８の表面１０８ａで反射するおそれがある。このアンテナ取付部材１０８による反射が発生すると、ＨＡＰＳ１０から離れている地上のセルのフットプリント１００Ｆ（図１及び図７参照）上の端末装置６１が位置している遠方では、ＨＡＰＳ１０からの直接波と反射波との重ね合わせが発生する。

【0042】

なお、ＳＬアンテナ１３０は、平面上に複数のアンテナ素子が配列した一又は複数の平面型のアンテナであってもよい。

【0043】

図８は、ＳＬアンテナ１３０の指向性特性（ビームパターン）における反射波の影響の一例を示すコンピュータシミュレーションの結果のグラフである。図９は、ＳＬアンテナ１３０の指向性における天頂角（「垂直角度」ともいう。）θ及び方位角（「水平角」又は「ステアリング角」ともいう。）φの定義を示す座標系の説明図である。図９のｘ，ｙ，ｚ座標系において、ＳＬアンテナ１３０のアンテナ素子１３２の中央部が原点に位置し、ｚ軸のプラス方向（天頂方向）を基準にしたビームＢｍの方向の角度（図中下向きの角度がプラス）が天頂角θ［ｄｅｇ．］である。また、ビームＢｍをｘ－ｙ面に投影したビーム投影方向Ｂｍ’を基準にしたビームＢｍの方向の角度（図中上向きの角度がプラス）が仰角θ’［ｄｅｇ．］（＝９０［ｄｅｇ．］－θ）である。また、ｘ－ｙ面（水平面）においてｘ軸のプラス方向を基準にした上記ビーム投影方向Ｂｍ’の方向の角度（図中左回転方向の角度がプラス）が方位角φ（「水平偏角」ともいう。）［ｄｅｇ．］である。図示の例では、＋ｘ軸の方向の方位角φが０［ｄｅｇ．］であり、＋ｙ軸の方向の方位角φが９０［ｄｅｇ．］である。

【0044】

図８は、コンピュータシミュレーションを用いて、図９で定義される天頂角θが－９０［ｄｅｇ．］（地上に向かう鉛直方向）～＋９０［ｄｅｇ．］（天頂に向かう鉛直方向）の範囲でＳＬアンテナ１３０から十分離れた遠方におけるＳＬアンテナ１３０の利得［ｄＢｉ］を計算した結果を示している。図中の曲線Ｃ１０１は、アンテナ取付部材１０８の表面１０８ａでの反射を考慮した指向性特性のパターンであり、曲線Ｃ１０２は、反射がない場合の指向性特性の理想パターンである。図８中のＤ１０１で囲んだ領域での指向性特性に示すように、地上に向かう天頂角θの範囲において、ＳＬアンテナ１３０から十分離れた地上などの遠方では直接波と反射波との重ね合わせが発生するため、アンテナ利得Ｃ１０１が大きく変動してビームが乱れる。その結果、セルのフットプリント１００Ｆにおいて十分な品質の通信ができないことに加え、ＨＡＰＳ１０の移動や姿勢変化が起こるとセルのフットプリント１００Ｆも固定できない（変動する）。

【0045】

そこで、本実施形態のＨＡＰＳ１０では、以下に説明するように、アンテナ取付部材１０８による反射の影響を抑制してセルのフットプリント１００Ｆにおける通信品質の低下を抑制するとともに、セルのフットプリント１００Ｆを安定に固定するための各種の反射対策の構成を備えている。

【0046】

〔反射対策の構成例１〕
図１０（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、実施形態に係るＨＡＰＳ１０のアンテナ取付部材１０８及びＳＬアンテナ１３０の構成の一例を示す底面図及び側方断面図である。本構成例では、アンテナ取付部材１０８のＳＬアンテナ１３０側の表面に、表面に多数の突起を有するシート状の電波吸収体１０９を貼り付けることにより電波吸収体１０９の層を形成している。このようにアンテナ取付部材１０８の表面に電波吸収体１０９の層を設けることにより、ＳＬアンテナ１３０から放射された電波がアンテナ取付部材１０８で反射されるのを防止することができる。これにより、アンテナ取付部材１０８での反射による指向性パターンの変動を抑え、セルのフットプリントを安定に固定することができ、その結果、通信品質の劣化を防止することができる。

【0047】

図１１は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０のアンテナ取付部材１０８の表面に電波吸収体１０９の層を設けた場合のＳＬアンテナ１３０の指向性特性の一例を示すグラフである。図１２は、参考比較例に係るアンテナ取付部材１０８の表面に電波吸収体の層を設けない場合のＳＬアンテナの指向性特性の一例を示すグラフである。図１１及び図１２はそれぞれ、有限長のアンテナ取付部材による反射を考慮したリニアアレイアンテナを想定して行ったコンピュータシミュレーションによる計算結果を示し、図中の横軸の天頂角θのプラス側が水平方向から下を向いた方向（地上を向いた方向）を示している。図１１の計算では、電波吸収体１０９による電波の吸収を２０［ｄＢ］とした。電波吸収体１０９の層を設けた場合は、図１１の曲線Ｃ２０１に示すように、反射のない場合の破線で示した曲線Ｃ２０２とほぼ同様なビームパターンが得られた。一方、電波吸収体１０９の層を設けない場合は、図１２の曲線Ｃ３０１に示すように、反射のない場合の破線で示した曲線Ｃ３０２から大きくずれて変動するビームパターンになる。

【0048】

なお、電波吸収体１０９は、アンテナ取付部材１０８のＳＬアンテナ１３０が取り付けられて表面の全面に貼り付けてもよいし、アンテナ取付部材１０８の表面の一部（例えば、ＳＬアンテナ１３０から放射された電波が反射しやすい部分）に部分的に貼り付けてもよい。また、電波吸収体１０９の代わりに、特定の周波数の電波を選択的に遮蔽する周波数選択性電磁遮蔽部材（ＦＳＳ）を貼り付けてもよい。この場合、サービスリンクの送信（ダウンリンク）の周波数及びサービスリンクの受信（アップリンク）の周波数のそれぞれに応じて別々の種類の周波数選択性電磁遮蔽部材（ＦＳＳ）を用意し、別々に貼り付けることもできる。

【0049】

〔反射対策の構成例２〕
図１３（ａ）、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）はそれぞれ、実施形態に係るＨＡＰＳ１０のＳＬアンテナ１３０の他の構成例を示す縦断面図である。本構成例では、ＳＬアンテナ１３０の複数のアンテナ素子１３２がそれぞれ、各アンテナ素子（平面アンテナ）１３２のアンテナ主面に垂直なビームＢｍの方向が水平方向よりも下向きになるように所定角度ψだけ傾斜させてアンテナ本体支持部１３１に支持されている。このように各アンテナ素子１３２を傾斜させることにより、ＳＬアンテナ１３０から放射された電波がアンテナ取付部材１０８で反射されるのを防止できる。これにより、アンテナ取付部材１０８での反射による指向性パターンの変動を抑え、セルのフットプリントを安定に固定することができ、その結果、通信品質の劣化を防止することができる。

【0050】

アンテナ素子（平面アンテナ）１３２の傾斜角度ψは、例えば、最上部のアンテナ素子１３２とアンテナ取付部材１０８の表面との距離やビーム幅などに応じて設定させる。例えば、最上部のアンテナ素子１３２の鉛直方向中心とアンテナ取付部材１０８の表面との距離が５～１０［ｃｍ］の場合、アンテナ素子（平面アンテナ）１３２の傾斜角度ψは１０［ｄｅｇ．］～３０［ｄｅｇ．］に設定し、より好ましくは２０［ｄｅｇ．］に設定してもよい。

【0051】

図１３（ａ）の構成例では、アンテナ素子１３２の下端部１３２ａがアンテナ本体支持部１３１の外周面に支持され、その支持位置を中心にして本体外側に回動させて傾斜させている。この構成例では、アンテナ素子１３２のビームがアンテナ本体支持部１３１に干渉しにくいので、アンテナ本体支持部１３１の外周面の部分にビーム通過を確保するための逃げ部分を形成する必要がない。

【0052】

図１３（ｂ）の構成例では、アンテナ素子１３２の中央部１３２ｂがアンテナ本体支持部１３１の外周面に支持され、その支持位置を中心にして回動させて傾斜させている。

【0053】

図１３（ｃ）の構成例では、アンテナ素子１３２の上端部１３２ｃがアンテナ本体支持部１３１の外周面に支持され、その支持位置を中心にして本体内側に回動させて傾斜させている。この構成例では、アンテナ素子１３２のアンテナ本体支持部１３１の外周面から突出する部分が少ないため、ＳＬアンテナ１３０の小型化ができる。

【0054】

図１４（ａ）は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０におけるアンテナ素子１３２が傾斜したＳＬアンテナ１３０の構成の一例を示す縦断面図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＳＬアンテナ１３０のアンテナ素子１３２の傾斜の効果の一例を示す指向性特性（ビームパターン）の一例を示すコンピュータシミュレーションの結果のグラフである。図１４中のＤ４０１で囲んだ領域での指向性特性に示すように、地上に向かう天頂角θの範囲において、４種類の方位角φのいずれについてもアンテナ利得Ｃ４０１の変動が小さくビームが安定している。

【0055】

一方、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すアンテナ素子１３２が傾斜していない場合の参考比較例では、図１５中のＤ５０１で囲んだ領域での指向性特性に示すように、地上に向かう天頂角θの範囲において、４種類の方位角φのいずれについてもアンテナ利得Ｃ４０１が大きく変動し、ビームが乱れている。

【0056】

〔反射対策の構成例３〕
図１６（ａ）は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０における無給電素子１３３を有するＳＬアンテナ１３０のビームの一例を示す説明図である。図１６（ａ）において、ＳＬアンテナ１３０の傾斜している複数のアンテナ素子１３２それぞれの前方の所定距離に導電性の無給電素子１３３が配置されている。無給電素子１３３は、例えばアンテナ本体支持部１３１に連結された支持フレーム又は支持アームにより支持されている。図示の例では、２個の無給電素子１３３が配置されているが、無給電素子１３３の個数は１個でもよいし、３個以上であってもよい。

【0057】

ＳＬアンテナ１３０の複数のアンテナ素子１３２のそれぞれの前方に無給電素子１３３を配置することにより、各アンテナ素子１３２のビームの幅が、図１６（ｂ）の無給電素子１３３を配置していない参考例の構成よりも狭くなる。従って、ＳＬアンテナ１３０から放射された電波がアンテナ取付部材１０８で反射されるのを防止することができる。これにより、アンテナ取付部材１０８での反射による指向性パターンの変動を抑え、セルのフットプリントを安定に固定することができ、その結果、通信品質の劣化を防止することができる。

【0058】

なお、上記構成例２（アンテナ素子の傾斜）、構成例３（無給電素子の配置）又はそれらの両方は、上記構成例１（アンテナ取付部材１０８の表面に設けた電波吸収体１０９の層）と組み合わせてもよい。

【0059】

例えば、図１７（ａ）に示すように、アンテナ取付部材１０８の表面に電波吸収体１０９の層を設けるとともに、ＳＬアンテナ１３０の複数のアンテナ素子１３２のそれぞれを傾斜させてもよい。

【0060】

また、図１７（ｂ）に示すように、アンテナ取付部材１０８の表面に電波吸収体１０９の層を設けるとともに、ＳＬアンテナ１３０の傾斜させた複数のアンテナ素子１３２の前方に無給電素子１３３を配置してもよい。

【0061】

〔反射対策の構成例４〕
本構成例では、アンテナ取付部材１０８の表面による反射がある場合でも図１のフットプリント１００Ｆ（１）～１００Ｆ（７）を固定できるように、当該反射を考慮して、ＳＬアンテナ１３０の各アンテナ素子１３２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。）を行っている。

【0062】

上記ＤＢＦ制御は、アンテナ取付部材１０８の表面による反射を考慮するとともに、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行ってもよい。

【0063】

ＨＡＰＳ１０自身の位置及び姿勢の情報は、そのＨＡＰＳ１０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、ＨＡＰＳ１０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。

【0064】

ＨＡＰＳ１０の姿勢変化は、例えば、次のようなロール角θｒ、ピッチ角θｐ及びヨー角θｙの変化で定義してもよい。ロール角θｒは、ＨＡＰＳ１０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である。ピッチ角θｐは、ＨＡＰＳ１０の左右方向に沿ったピッチ軸Ｘを中心とした回転角度である。ヨー角θｙは、ＨＡＰＳ１０の上下方向に沿ったヨー軸Ｚを中心とした回転角度である。本実施形態のＨＡＰＳ１０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、本実施形態のＤＢＦ制御は、ＨＡＰＳ１０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固定に効果を有する。

【0065】

図１８は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０におけるデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）制御の一例を示すフローチャートである。なお、図１８の制御例では、説明を簡略化するため、アンテナ素子１３２の中心を通る垂直面における任意の天頂角θの方向にアンテナ素子１３２から放射される送信信号について説明する。

【0066】

図１８の制御例では、まず、アンテナ取付部材１０８による反射を考慮して各アンテナ素子１３２のビームの複素振幅行列（合成ビームパターン）を決定する（Ｓ１０１）。例えば、アンテナ素子１３２の中心を通る垂直面における任意の天頂角θの方向にアンテナ素子１３２から放射される送信信号の直接波の複素振幅行列の要素（直接ビームパターン）をｒ・ｅｘｐ（ｉθ）とすると、アンテナ素子１３２から放射された送信信号がアンテナ取付部材１０８で反射されて天頂角θ及び方位角φの方向に向かう反射波は位相がθ’’変化し、振幅もｒからｒ’’に変化するので、その反射波の複素振幅行列の要素（反射ビームパターン）はｒ’’・ｅｘｐ｛ｉ（θ＋θ’’）｝で表される。遠方の地上では直接波と反射波が合成されて到達されるので、その合成された送信信号の複素振幅行列の要素（合成ビームパターン）はｒ・ｅｘｐ（ｉθ）＋ｒ’’・ｅｘｐ｛ｉ（θ＋θ’’）｝で表される。この合成パターンの信号ｒ・ｅｘｐ（ｉθ）＋ｒ’’・ｅｘｐ｛ｉ（θ＋θ’’）｝が一つのアンテナ素子１３２から送信されると仮定し、合成された送信信号の複素振幅行列の要素（合成パターン）ｒ・ｅｘｐ（ｉθ）＋ｒ’’・ｅｘｐ｛ｉ（θ＋θ’’）｝を用いて、各アンテナ素子１３２のビームの補正後の複素振幅行列（合成ビームパターン）として決定する。

【0067】

次に、地上でセル間干渉が発生しないように、ＳＬアンテナ１３０の垂直方向に並んでいる複数のアンテナ素子１３２からなるリニアアレイアンテナで形成する目標セル（位置及びサイズ）を設定する（Ｓ１０２）。

【0068】

次に、ＨＡＰＳ１０の位置情報及び姿勢情報に基づいて、ＨＡＰＳ１０に予め設定した基準方向の向きを基準にして、目標セルのフットプリントの位置を固定するようにＨＡＰＳ１０から目標セルの中心に向かう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する（Ｓ１０３）。

【0069】

次に、上記目標セルに向かうビームの目標ビーム幅、目標水平角度及び目標垂直角度に基づき、上記ＳＬアンテナ１３０におけるリニアアレイアンテナを構成する複数のアンテナ素子１３２の合成パターンｒ・ｅｘｐ（ｉθ）＋ｒ’’・ｅｘｐ｛ｉ（θ＋θ’’）｝を用いた行列演算（逆行列演算）により、複数のアンテナ素子１３２に適用する複数のウェイトを計算する（Ｓ１０４）。

【0070】

次に、前記複数のウェイトに基づいて、複数のアンテナ素子１３２から送信する送信信号の位相及び振幅を制御するＤＢＦ制御を行う（Ｓ１０５）。例えば、ＳＬアンテナ１３０の全体の構造を数式化し、ＳＬアンテナ１３０の全体の複数のアンテナ素子１３２について、前記複数のウェイトにより、複数のアンテナ素子１３２から送信する送信信号の位相及び振幅を制御する。

【0071】

図１９は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０におけるアンテナ取付部材１０８による反射を考慮して決定したウェイトを用いてＳＬアンテナに供給する信号の振幅及び位相を制御したときの指向性特性の一例を示すグラフである。図１９は、コンピュータシミュレーションを用いて、上記ＤＢＦ制御を行ったときのＳＬアンテナ１３０から十分離れた遠方におけるＳＬアンテナ１３０の利得［ｄＢｉ］を計算した結果を示している。図中の曲線Ｃ６０１は、上記ＤＢＦ制御を行った場合の指向性特性のパターンであり、曲線Ｃ６０２は、上記ＤＢＦ制御を行わない場合の指向性特性のパターンである。本構成例のＤＢＦ制御を行うことにより、図１９中のＤ６０１，Ｄ６０２で囲んだ目標セルから外れた領域で上記反射に起因した不要電波の放射レベルを、ＤＢＦ制御を行なわない場合よりも低く抑えることができる。

【0072】

本構成例のＤＢＦ制御を行うことにより、ＳＬアンテナ１３０から放射された電波がアンテナ取付部材１０８で反射された反射波の影響を抑えることができる。従って、アンテナ取付部材１０８での反射による指向性パターンの変動を抑え、セルのフットプリントを安定に固定することができ、その結果、通信品質の劣化を防止することができる。

【0073】

なお、上記ＤＢＦ制御において、ＳＬアンテナ１３０のビームの方位角（ステアリング角）φについても複数のアンテナ素子１３２から送信する送信信号の位相及び振幅を制御してもよい。例えば、ＳＬアンテナ１３０の周方向に並んでいる複数のアンテナ素子１３２からなるサーキュラーアレイアンテナについて、複数のアンテナ素子１３２に適用する複数のウェイトを更に計算し、その複数のウェイトを更に適用して複数のアンテナ素子１３２から送信する送信信号の位相及び振幅を制御してもよい。

【0074】

また、上記ＤＢＦ制御において、ＳＬアンテナ１３０のアンテナ素子１３２のウェイトは複素数形式(振幅と位相)で表示されるため、そのウェイトを毎回逆行列から計算していては計算量が多く、電力の消費も激しい。そこで、予め複数の天頂角θ及び方位角（ステアリング角）φについて上記逆行列を用いてウェイトを正確に計算し、そのウェイトと天頂角θ及び方位角（ステアリング角）φとの関係を近似した近似式を作成し、その近似式の情報をメモリ等の記憶部に保持させておいてもよい。そして、ＨＡＰＳ１０の機体の位置及び姿勢（向きを含む）をＧＮＳＳ／ＩＮＳ等の情報取得手段で検知し、その検知結果の値に基づいて、サービスリンクのビーム（３次元セル）を形成する方向の目標の方位角であるステアリング角（指向性ビームを形成する角度）φを決定し、その目標ステアリング角φを元に上記予め作成して保持しておいた近似式からウェイトの振幅及び位相の値を計算してもよい。このように記憶部に保持した近似式を用いてウェイトの振幅及び位相の値を計算することにより、計算量削減による電力消費の低減を図ることができる。

【0075】

図２０は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０におけるデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）制御の制御系の構成の一例を示す説明図である。図２０の例は、シリンダー型のＳＬアンテナ１３０のＮ個のアンテナ素子１３２からなるリニアアレイアンテナで一つのセル（＃０）を形成する例である。なお、図２０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２０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。

【0076】

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、ＳＬアンテナ１３０を構成するリニアアレイアンテナの複数のアンテナ素子１３２（０～Ｎ－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。

【0077】

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、複数のアンテナ素子１３２（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、対応するアンテナ素子１３２（０～Ｎ－１）に供給される。

【0078】

以上のＤＢＦ制御により、リニア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。

【0079】

なお、図２０において、サービスエリアの位置を基準にしたＨＡＰＳ１０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に保存しておいてもよい。ウェイト計算部５０１は、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。この場合、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。

【0080】

また、上記構成例４におけるＤＢＦ制御は、ＨＡＰＳ１０が自立的に判断して行ってもよいし、遠隔制御装置やサーバ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。

【0081】

なお、本構成例４に係るＤＢＦ制御は、前述の構成例１（アンテナ取付部材１０８の表面に設けた電波吸収体１０９の層）、上記構成例２（アンテナ素子の傾斜）、構成例３（無給電素子の配置）、又は、それらの構成例のいずれか二つ又は三つを組み合わせた構成と組み合わせてもよい。例えば、前述の図１０、図１３、図１６又は図１７のＳＬアンテナ１３０の各アンテナ素子についてウェイトを計算し、そのウェイトを用いて複数のアンテナ素子１３２から送信する送信信号の位相及び振幅を制御してもよい。

【0082】

以上、本実施形態によれば、ＨＡＰＳ１０のサービスリンクのＳＬアンテナ１３０が取り付けられたアンテナ取付部材１０８での反射による指向性パターンの変動を抑え、セルのフットプリントを安定に固定することができ、その結果、通信品質の劣化を防止することができる。

【0083】

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、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。

【0084】

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。

【0085】

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）、フラッシュメモリ、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。

【0086】

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ばよく、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。

【0087】

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。

【符号の説明】

【0088】

１０ ＨＡＰＳ（ソーラープレーンタイプ）
１０Ａ サービスエリア
２０ ＨＡＰＳ（飛行船タイプ）
６１ 端末装置
７０ ゲートウェイ局（ＧＷ局）
８０ 移動通信網
１００Ａ セル
１００Ｃ，１００Ｃ（１）～１００Ｃ（７） ３次元セル
１００Ｆ，１００Ｆ（１）～１００Ｆ（７） フットプリント
１１０，２１０ 中継通信局
１３０ サービスリンク用アンテナ（ＳＬアンテナ）
１３１ アンテナ本体支持部
１３２ アンテナ素子
１３２ａ 下端部
１３２ｂ 中央部
１３２ｃ 上端部
１３３ 無給電素子
５００ ＤＢＦ制御部
５０１ ウェイト計算部
５０２ ウェイト演算部
５１０ ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）
５１１ 周波数変換器
５１２ 電力増幅器（ＰＡ）
５１４ 記憶部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】