特許 7411611 光無線通信システム及び光無線通信方法

(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】2023-12-27

(45)【発行日】2024-01-11

(54)【発明の名称】光無線通信システム及び光無線通信方法

(51)【国際特許分類】

   H04B 10/112 20130101AFI20231228BHJP

   H04B 10/073 20130101ALI20231228BHJP

   G05D 1/46 20240101ALI20231228BHJP

【ＦＩ】

H04B10/112

H04B10/073

G05D1/10

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021117242

(22)【出願日】2021-07-15

(65)【公開番号】P2023013228

(43)【公開日】2023-01-26

【審査請求日】2022-03-24

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】501440684

【氏名又は名称】ソフトバンク株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100180806

【弁理士】

【氏名又は名称】三浦 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100151459

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 健一

(72)【発明者】

【氏名】今井 弘道

(72)【発明者】

【氏名】林 英誉

【審査官】鴨川 学

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０２２０７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／２２５９４５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１６９８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２０７７００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｂ １０／１１２

Ｈ０４Ｂ １０／０７３

Ｇ０５Ｄ １／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の地上局、及び該複数の地上局とそれぞれ接続され、互いに光無線通信を行う複数の飛行体を含む光無線通信システムであって、
前記複数の飛行体のそれぞれは、
機体を所定の高度まで上昇させる飛行制御部と、
通信相手を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に基づいて前記通信相手の位置を特定する位置特定部と、
前記通信相手に向かって光を送出する出力部と、
前記通信相手の出力部から送出された光を受光する受光部と、
前記通信相手との間で光無線通信を行う光無線通信部と、
光無線通信により前記通信相手から取得した情報を前記複数の地上局のうち自己が接続された地上局に送信する通信部と、を備え、
前記出力部は、前記通信相手からの受光状態が良好である場合に、前記通信相手に光を送出し、
前記通信相手が前記出力部から送出された光を受信したことに応じて、前記受光部が前記通信相手から送出された光を受光した場合に、前記通信相手との間で光無線通信を行い、
前記複数の飛行体が、予め設定した高度に到達するまでに、前記通信相手から光を正常に受光できなかった場合は、前記複数の地上局は前記複数の飛行体が移動すべき位置の再算出を行い、
前記複数の飛行体は、再算出された位置に移動し、
前記複数の飛行体が、現在の高度が、到達可能な最高高度であると判断した場合は、前記複数の飛行体が取得した周辺の気象状況に関する情報、及び通信できなかった経路に関する情報のうちの少なくとも１つを前記複数の地上局のうち自己が接続された地上局にフィードバックする、
ことを特徴とする光無線通信システム。

【請求項2】

前記複数の飛行体は、前記通信相手から受光した光の光量が一定時間内に閾値を指定回数以上超えた場合に、受光状態が良好であると判定する判定部をさらに有する、請求項１に記載の光無線通信システム。

【請求項3】

前記複数の飛行体は、前記通信相手からの受光状態が良好である場合は、前記通信相手に送出する光を生成する光生成部をさらに有する、請求項１または２に記載の光無線通信システム。

【請求項4】

前記複数の飛行体は、前記通信相手からの受光状態が良好ではない場合は、さらに高度を上昇させる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光無線通信システム。

【請求項5】

前記複数の飛行体は、前記複数の地上局と無線もしくは有線で接続されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光無線通信システム。

【請求項6】

複数の地上局、及び該複数の地上局とそれぞれ接続され、互いに光無線通信を行う複数の飛行体を含む光無線通信システムであって、
前記複数の飛行体のそれぞれは、
機体を所定の高度まで上昇させる飛行制御部と、
通信相手を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に基づいて前記通信相手の位置を特定する位置特定部と、
前記通信相手に向かって光を送出する出力部と、
前記通信相手の出力部から送出された光を受光する受光部と、
前記通信相手との間で光無線通信を行う光無線通信部と、
光無線通信により前記通信相手から取得した情報を前記複数の地上局のうち自己が接続された地上局に送信する通信部と、を備え、
前記出力部は、前記通信相手からの受光状態が良好である場合に、前記通信相手に光を送出し、
前記通信相手が前記出力部から送出された光を受信したことに応じて、前記受光部が前記通信相手から送出された光を受光した場合に、前記通信相手との間で光無線通信を行い、
前記複数の飛行体は、
前記複数の地上局から、前記通信相手の飛行体の高度情報を予め取得し、
前記高度情報及び前記通信相手の検出結果に基づいて、前記通信相手の飛行体の位置を算出する、
光無線通信システム。

【請求項7】

複数の地上局、及び該複数の地上局とそれぞれ接続され、互いに光無線通信を行う複数の飛行体を含む光無線通信システムであって、
前記複数の飛行体のそれぞれは、
機体を所定の高度まで上昇させる飛行制御部と、
通信相手を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に基づいて前記通信相手の位置を特定する位置特定部と、
前記通信相手に向かって光を送出する出力部と、
前記通信相手の出力部から送出された光を受光する受光部と、
前記通信相手との間で光無線通信を行う光無線通信部と、
光無線通信により前記通信相手から取得した情報を前記複数の地上局のうち自己が接続された地上局に送信する通信部と、を備え、
前記出力部は、前記通信相手からの受光状態が良好である場合に、前記通信相手に光を送出し、
前記通信相手が前記出力部から送出された光を受信したことに応じて、前記受光部が前記通信相手から送出された光を受光した場合に、前記通信相手との間で光無線通信を行い、
前記複数の地上局は、前記複数の飛行体のうち、自己が接続された飛行体の周辺の気象情報に基づいて前記所定の高度を算出する、
光無線通信システム。

【請求項8】

前記所定の高度は、大気境界層を超える高度である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光無線通信システム。

【請求項9】

前記複数の飛行体は、前記通信相手から、受光状態が良好であることを示す情報を受信した後、光無線通信を行う前に前記通信相手の飛行体の認証を行う認証部をさらに有する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光無線通信システム。

【請求項10】

複数の地上局、及び該複数の地上局とそれぞれ接続され、互いに光無線通信を行う複数の飛行体を含む光無線通信システムであって、
前記複数の飛行体のそれぞれは、
機体を所定の高度まで上昇させる飛行制御部と、
通信相手を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に基づいて前記通信相手の位置を特定する位置特定部と、
前記通信相手に向かって光を送出する出力部と、
前記通信相手の出力部から送出された光を受光する受光部と、
前記通信相手との間で光無線通信を行う光無線通信部と、
光無線通信により前記通信相手から取得した情報を前記複数の地上局のうち自己が接続された地上局に送信する通信部と、を備え、
前記出力部は、前記通信相手からの受光状態が良好である場合に、前記通信相手に光を送出し、
前記通信相手が前記出力部から送出された光を受信したことに応じて、前記受光部が前記通信相手から送出された光を受光した場合に、前記通信相手との間で光無線通信を行い、
前記出力部は、多段的に前記通信相手の位置を確認するために、前記通信相手に対して指向性が異なる複数種類の光を送出する、
光無線通信システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光無線通信システム及び光無線通信方法に関する。

【背景技術】

【0002】

これまでに、ドローン等の無人航空機に搭載された光無線通信装置が報告されている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、複数の方向に光を発する発光部と、複数の方向からの光を受光する受光部と、他の光無線通信装置に対して送信する送信データに基づいて発光部の発光を制御することによって送信データを送信するデータ送信部と、受光部が受光した、他の光無線通信装置によって発光された光に基づいて、他の光無線通信装置からデータを受信するデータ受信部とを備える光無線通信装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２１－６４８５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来の光無線通信装置においては、大気の揺らぎや、雨や雲等の外乱の影響を受けた場合には、光無線通信を行うことが難しいという問題があった。

【0005】

本開示の一実施形態に係る光無線通信システム及び光無線通信方法は、通信を行う通信装置同士の間に外乱が存在する場合においても、外乱を回避することにより安定した長距離の光／ミリ波無線通信を行うことを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一実施形態に係る光無線通信システムは、複数の地上局、及び該複数の地上局とそれぞれ接続され、互いに光無線通信を行う複数の飛行体を含む光無線通信システムであって、複数の飛行体のそれぞれは、機体を所定の高度まで上昇させる飛行制御部と、通信相手を検出する検出部と、検出部による検出結果に基づいて通信相手の位置を特定する位置特定部と、通信相手に向かって光を送出する出力部と、通信相手の出力部から送出された光を受光する受光部と、通信相手との間で光無線通信を行う光無線通信部と、光無線通信により通信相手から取得した情報を複数の地上局のうち自己が接続された地上局に送信する通信部と、を備え、出力部は、通信相手からの受光状態が良好である場合に、受光部が受光した光とは異なる光を送出し、受光部が、通信相手から、出力部が送出した光とは異なる光を受光した場合に、通信相手との間で光無線通信を行うことを特徴とする。

【0007】

本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、複数の飛行体は、通信相手から受光した光の光量が一定時間内に閾値を指定回数以上超えた場合に、受光状態が良好であると判定する判定部をさらに有してよい。

【0008】

本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、複数の飛行体は、通信相手からの受光状態が良好である場合は、受光した光とは異なる光を生成する光生成部をさらに有してよい。

【0009】

本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、複数の飛行体は、通信相手からの受光状態が良好ではない場合は、さらに高度を上昇させてよい。

【0010】

本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、複数の飛行体が、予め設定した高度に到達するまでに、通信相手から光を正常に受光できなかった場合は、複数の地上局は複数の飛行体が移動すべき位置の再算出を行い、複数の飛行体は、再算出された位置に移動してよい。

【0011】

本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、複数の飛行体が、現在の高度が、到達可能な最高高度であると判断した場合は、複数の飛行体が取得した周辺の気象状況に関する情報、及び通信できなかった経路に関する情報のうちの少なくとも１つを複数の地上局のうち自己が接続された地上局にフィードバックしてよい。

【0012】

本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、複数の飛行体は、複数の地上局と無線もしくは有線で接続されてよい。

【0013】

本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、複数の飛行体は、複数の地上局から、通信相手の飛行体の高度情報を予め取得し、高度情報及び通信相手の検出結果に基づいて、通信相手の飛行体の位置を算出してよい。

【0014】

本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、複数の地上局は、複数の飛行体のうち、自己が接続された飛行体の周辺の気象情報に基づいて所定の高度を算出してよい。

【0015】

本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、所定の高度は、大気境界層を超える高度であってよい。

【0016】

本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、複数の飛行体は、通信相手から、受光状態が良好であることを示す情報を受信した後、光無線通信を行う前に通信相手の飛行体の認証を行う認証部をさらに有してよい。

【0017】

本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、出力部は、多段的に通信相手の位置を確認するために、通信相手に対して指向性が異なる複数種類の光を送出してよい。

【0018】

本開示の一実施形態に係る光無線通信方法は、複数の地上局とそれぞれ接続された複数の飛行体同士の間で光無線通信を行う方法であって、複数の飛行体のそれぞれは、機体を所定の高度まで上昇させ、通信相手を検出し、検出結果に基づいて通信相手の位置を特定し、通信相手に向かって光を送出し、通信相手から送出された光を受光し、通信相手からの受光状態が良好である場合に、受光した光とは異なる光を送出し、通信相手から、送出した光とは異なる光を受光した場合に、通信相手との間で光無線通信を行い、光無線通信により通信相手から取得した情報を複数の地上局のうち自己が接続された地上局に送信することを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

本開示の一実施形態に係る光無線通信システム及び光無線通信方法によれば、通信を行う通信装置同士の間に外乱が存在する場合においても、外乱を回避することにより安定した長距離の光／ミリ波無線通信を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本開示の一実施形態に係る光無線通信システムの概略構成図である。

【図2】本開示の一実施形態に係る光無線通信システムを構成する飛行体及び地上局のブロック図である。

【図3】本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、飛行体が大気境界層より高い位置に配置された場合において、飛行体と大気境界層との間の位置関係を概略的に示す図である。

【図4】本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、飛行体同士の間で実行される光無線通信の手順について説明するためのフローチャートである。

【図5】本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、飛行体と飛行体同士の間に存在する雲との位置関係を概略的に示す図である。

【図6】本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、雲より高い位置に配置された飛行体と、雲の上空に存在する乱気流との間の位置関係を概略的に示す図である。

【図7】本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、雲よりさらに高い位置に配置された飛行体と、雲との間の位置関係を概略的に示す図である。

【図8】本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、種々の高度に配置された飛行体と、雲との間の位置関係を概略的に示す図である。

【図9】本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、飛行体が所定の高度まで上昇しても光無線通信を実行できなかった場合に、飛行体を新たな位置に配置する手順について説明するためのフローチャートである。

【図10】本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、飛行体が所定の高度まで上昇しても光無線通信を実行できなかった場合に、飛行体を新たな位置に配置する方法について説明するための概略図である。

【図11】本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、飛行体同士の間で実行される光無線通信の準備を完了するまでの手順について説明するためのシーケンス図である。

【図12】本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、地上局が気象情報に基づいて飛行体の配置位置を決定する例について説明するための概略図である。

【図13】本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、飛行体同士の間で実行される認証から光無線通信を実行するまでの手順について説明するためのシーケンス図である。

【図14】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、指向性が低いビーコン光及び指向性が高いビーコン光を通信相手に照射する様子を示す図である。

【図15】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、指向性が低いビーコン光及び指向性が高いビーコン光の照射範囲及び飛行体の移動経路を示す図である。

【図16】本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、通信相手を多段的に確認する方法について説明するためのフローチャートである。

【図17】本開示の一実施形態に係る光無線通信システムにおいて、通信相手の位置を多段的に確認する方法の他の例について説明するための図である。

【図18】本開示の一実施形態の変形例１に係る光無線通信システムにおいて、地上局と飛行体とを有線接続する場合の概略構成を示す図である。

【図19】本開示の一実施形態の変形例２に係る光無線通信システムにおいて、海上局と飛行体とを有線接続する場合の概略構成を示す図である。

【図20】本開示の一実施形態の変形例３に係る光無線通信システムにおいて、地上局と無人航空機との間で光無線通信を行う場合の概略構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図面を参照して、本発明に係る光無線通信システム及び光無線通信方法について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

【0022】

（光無線通信システムの概略構成）
図１に、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００の概略構成を示す。光無線通信システム１０００においては、複数の地上局（２０１、２０２）が地表面３０上に配置され、これらと通信可能に接続された複数の飛行体（１０１、１０２）同士の間で光無線通信が実行される。図１には、複数の飛行体として、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２の２機の飛行体を用いる例を示したが、このような例には限られず、複数の飛行体は３機以上の飛行体であってもよい。同様に、図１には、複数の地上局として、第１地上局２０１及び第２地上局２０２の２つの地上局を用いる例を示したが、このような例には限られず、複数の地上局は３つ以上の地上局であってもよい。例えば、第１飛行体１０１は、第２飛行体１０２と光無線通信行い、かつ、図示しない他の飛行体と光無線通信を行うようにしてもよい。

【0023】

複数の飛行体（１０１、１０２）の例としてドローンを用いる例について説明するが、このような例には限定されず、飛行体は、気球や飛行機等、空中を移動可能な他の移動体であってもよい。複数の飛行体（１０１、１０２）は、複数の地上局（２０１、２０２）と電波を用いて通信を行うことができる。一方、複数の飛行体（１０１、１０２）同士は光またはミリ波を用いた無線通信を実行する。光無線通信により、メガビット毎秒からギガビット毎秒程度の通信速度が得られる。光無線通信により、電波の混信や、雑音、干渉等による影響を受けることなく、安定した通信が可能である。また、光無線通信によれば、通信を傍受されることがなく、高い秘匿性が得られる。

【0024】

光無線通信においては、赤外線から可視光線までの間の波長の電磁波（光線）が用いられる。光は電波よりも直進性が高いため、通信相手の位置を正確に把握する必要がある。そこで、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００においては、まず、第１飛行体１０１は、予め取得した第２飛行体１０２の位置情報と、第２飛行体１０２の検出結果から第２飛行体１０２の位置を把握する。次に、第１飛行体１０１は、第２飛行体１０２にビーコン光Ｂ１を送出する。第２飛行体１０２は、第１飛行体１０１から送出されたビーコン光Ｂ１を正常に受光できているか否かを、ビーコン光Ｂ２を用いて第１飛行体１０１に通知する。

【0025】

第１飛行体１０１と第２飛行体１０２との間に、雲や雨等の外乱の要因となるものが無ければ、互いの通信相手のビーコン光を正常に受光することができる。しかしながら、第１飛行体１０１と第２飛行体１０２との間に、乱層雲等の雲や雨等が存在すると、これらに遮られて通信相手のビーコン光を正常に受光することができない。従って、ビーコン光を正常に受光できた場合には、通信相手との間に、雲や雨等の局所的な外乱が存在しないと判断することができる。このように、ビーコン光を利用することにより、外乱を回避した光無線通信を行うことができる。

【0026】

第１飛行体１０１は、第２飛行体１０２がビーコン光Ｂ１を正常に受光できていることを、第２飛行体１０２から受光したビーコン光Ｂ２に基づいて認識することができた場合は、光軸が合っていると判断する。同様に、第２飛行体１０２から、第１飛行体１０１に向かってビーコン光Ｂ２を送出する。第１飛行体１０１は、第２飛行体１０２から送出されたビーコン光Ｂ２を正常に受光できているか否かを、ビーコン光Ｂ１を用いて第２飛行体１０２に通知する。第２飛行体１０２は、第１飛行体１０１がビーコン光Ｂ２を正常に受光できていることを、第１飛行体１０１から受光したビーコン光Ｂ１に基づいて認識することができた場合は、光軸が合っていると判断する。両者の光軸が合っている場合に、無線通信リンクが確立されていると判断し、光無線通信を実行する。

【0027】

（飛行体の構成）
図２に本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００を構成する飛行体（１０１、１０２）及び地上局（２０１、２０２）のブロック図を示す。飛行体（１０１、１０２）は、飛行制御部１と、検出部２と、位置特定部３と、出力部４と、受光部５と、光無線通信部６と、通信部７と、判定部８と、光生成部９と、認証部１０と、を備え、これらはバス１１により接続されている。位置特定部３、判定部８、及び認証部１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭなどを含む飛行体（１０１、１０２）内のコンピュータにより、ソフトウエア（プログラム）として実現される。また、飛行体（１０１、１０２）は、互いの向きを合わせるためのトラッキング装置や、向きを合わせるためのソフトウエアを有してよい。

【0028】

飛行制御部１は、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２のそれぞれの機体を所定の高度まで上昇させる。第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２をドローンにより構成した場合、飛行制御部１は、高度計と、モータと、プロペラと、制御装置とを含んでよい。高度計として、例えば、気圧センサを用いてよい。気圧センサによって気圧を測定し、測定値から高度を算出することができる。制御装置は、ドローンのプロペラの回転数を制御することができる。第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２は、目標とする高度を予め記憶しているか、あるいは、それぞれ第１地上局２０１及び第２地上局２０２から目標とする高度に関する情報（高度情報）が通知されるようにしてよい。第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２は、高度計で測定した高度が目的とする高度に到達するまで上昇することができる。例えば、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２は、地上局（２０１、２０２）から上空数［ｋｍ］の高度まで上昇することができる。第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２は、光無線通信を実行する際には、互いにほぼ同じ高度まで上昇することが好ましい。

【0029】

図３に、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００において、飛行体（１０１、１０２）が大気境界層４１より高い位置に配置された場合において、飛行体（１０１、１０２）と大気境界層４１との間の位置関係を概略的に示す。地球上の大気は、大別して、大気境界層と、自由大気とに分けられる。第１地上局２０１及び第２地上局２０２は、大気境界層に含まれ、両者の間には複数の建造物３１や山岳３２等が存在する。また、昼間においては地表面３０が太陽光で温められて対流４２が生じる。あるいは、塵等によって光が遮られる場合もある。大気境界層４１より低い位置に配置した飛行体（１０１、１０２）を用いて光無線通信を行う場合、光の直進性により、複数の建造物３１や山岳３２等により光が遮られたり、対流４２により光が曲げられたりする恐れがある。そこで、飛行体（１０１、１０２）は大気境界層４１を超える自由大気に配置されることが好ましい。即ち、光無線通信を実行する際における飛行体（１０１、１０２）の高度ｈ１は、大気境界層４１の高度ｈ０より高いことが好ましい。ここで、大気境界層４１の高度ｈ０は、一般的に約１［ｋｍ］である。

【0030】

検出部２は、通信相手を検出する。例えば、検出部２としてカメラ等の撮像装置を用いてよい。例えば、第１飛行体１０１のカメラは、第２飛行体１０２の画像を撮像し、第２飛行体１０２のカメラは、第１飛行体１０１の画像を撮像する。検出部２としての撮像装置は、撮像した画像を予め記憶している通信相手の画像と対比して画像解析を行うことにより、通信相手を検出してよい。

【0031】

あるいは、検出部２として、ＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）等のセンサを用いて第２飛行体１０２の位置を把握してよい。ＬｉＤＡＲによれば、レーザ光をパルス状に照射し、第２飛行体１０２に当たって跳ね返ってくるまでの時間差を計測し、距離や位置、形状を高精度に測定することができる。また、レーザ光を様々な方向に照射することにより、広範囲に渡って第２飛行体１０２を検出することができる。

【0032】

また、検出部２として、ミリ波レーダを用いてよい。ミリ波レーダによれば、電波を使って、第２飛行体１０２に当たって跳ね返ってくるまでの時間差を計測し、距離や方向を測定することができる。ミリ波レーダによれば、夜間や悪天候下においても第２飛行体１０２の方向と距離が計測可能である。

【0033】

位置特定部３は、検出部２が検出した第２飛行体１０２の検出結果に基づいて通信相手の位置を特定する。例えば、検出部２としてカメラ等の撮像装置を用いた場合、撮像した第２飛行体１０２の画像を予め取得した第２飛行体１０２の画像を用いて画像解析することにより第１飛行体１０１から第２飛行体１０２までの距離や方向を算出してよい。検出部２としてミリ波レーダやＬｉＤＡＲを用いた場合は、検出結果から第１飛行体１０１から第２飛行体１０２までの距離や方向に関する情報を得ることができる。

【0034】

位置特定部３は、複数の地上局（２０１、２０２）から、通信相手の飛行体（１０２、１０１）の高度情報を予め取得し、高度情報及び通信相手の検出結果に基づいて、通信相手の飛行体（１０２、１０１）の位置を算出してよい。

【0035】

出力部４は、位置特定部３が特定した通信相手の位置に向かって光を送出する。出力部４が送出する光はビーコン光であってよい。ビーコン光は、光無線通信に用いる光と同じ光であってよい。また、ビーコン光は、光無線通信に用いる光より指向性が高くない光であってよい。また、ビーコン光は、雨や霧等を透過しやすい波長の光であってよい。第１飛行体１０１と第２飛行体１０２との間で光無線通信を実行する前に、互いにビーコン光をやり取りすることによって、相手との間で光無線通信を実行できる状態（無線通信リンクが確立された状態）にあるか否かを判断することによって、通信を開始する準備を整えることができる。従って、ビーコン光を送受信する所定期間は、通信相手との間の光軸合わせを開始してから、光軸合わせが完了するまでの期間としてよい。ビーコン光は、例えば、数［ｋｍ］離れた位置からでも到達可能なレーザ光であってよい。出力部４は、例えば、発光ダイオードやレーザダイオード等の発光素子であってよい。

【0036】

受光部５は、通信相手の出力部４から送出された光を受光する。即ち、第１飛行体１０１の受光部５は、第２飛行体１０２の出力部４から送出されたビーコン光Ｂ２を受光し、第２飛行体１０２の受光部５は、第１飛行体１０１の出力部４から送出されたビーコン光Ｂ１を受光する。受光部５は、例えば、フォトダイオード、太陽電池、あるいはＣＭＯＳイメージセンサ等の受光素子であってよい。

【0037】

光無線通信部６は、通信相手との間で光無線通信を行う。光無線通信には、例えば、波長１．３～１．６［μｍ］の光を用いてよい。また、光無線通信に用いる光をビーコン光と同じ光を用いてよい。第１飛行体１０１と第２飛行体１０２の光無線通信部６の光軸は一致している必要がある。上述したように、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２は、ビーコン光等により光軸を合わせる機構である出力部４及び受光部５を備えているため、光無線通信部６の光軸を出力部４の光軸と合わせておくことが好ましい。光無線通信部６は、発光素子と受光素子とを備えている。光無線通信を行うことにより、第１飛行体１０１と第２飛行体１０２との間で情報を送受信することができる。ビーコン光に光無線通信と同じ光を用いる場合には、光無線通信部６と、出力部４及び受光部５とを共通化するようにしてもよい。

【0038】

ここで、出力部４は、通信相手からの受光状態が良好である場合に、受光部５が受光した光とは異なる光を送出し、受光部５が、通信相手から、出力部４が送出した光とは異なる光を受光した場合に、光無線通信のリンクが確立されたものと判断し、通信相手との間で光無線通信を行う。即ち、第１飛行体１０１の出力部４は、第２飛行体１０２から送出されたビーコン光を正常に受光できている場合は、受光部５が受光したビーコン光とは異なるビーコン光を第２飛行体１０２に送出する。同様に、第２飛行体１０２の出力部４は、第１飛行体１０１から送出されたビーコン光を正常に受光できている場合は、受光部５が受光したビーコン光とは異なるビーコン光を第１飛行体１０１に送出する。そして、第１飛行体１０１の受光部５が、第２飛行体１０２から、出力部４が送出したビーコン光とは異なるビーコン光を受光し、かつ、第２飛行体１０２の受光部５が、第１飛行体１０１から、出力部４が送出したビーコン光とは異なるビーコン光を受光した場合に、光無線通信のリンクが確立されたものと判断し、第１飛行体１０１と第２飛行体１０２との間で光無線通信を行う。このように、互いに送出したビーコン光とは異なるビーコン光を受光した場合に、光無線通信のリンクが確立されたものと判断することができる。

【0039】

第１飛行体１０１と第２飛行体１０２との間に、雲等の外乱が存在する場合には、通信相手から送出されたビーコン光を正常に受光することができない。従って、ビーコン光を正常に受光できない場合は、第１飛行体１０１と第２飛行体１０２との間に、雲等の外乱が存在し、光無線通信を行うことが難しいと判断することができる。

【0040】

通信部７は、光無線通信により通信相手から取得した情報を複数の地上局（２０１、２０２）のうち、自己が接続された地上局に送信する。即ち、第１飛行体１０１の通信部７は、第２飛行体１０２から取得した情報を第１地上局２０１に送信し、第２飛行体１０２の通信部７は、第１飛行体１０１から取得した情報を第２地上局２０２に送信する。通信部７は、電波を用いて、地上局（２０１、２０２）との間で通信を行ってよい。

【0041】

また、地上局（２０１、２０２）がデータを電波等により無線で飛行体（１０１、１０２）に送信した後、飛行体（１０１、１０２）同士の間で光無線通信を行う例には限られず、飛行体（１０１、１０２）が予め地上局（２０１、２０２）からデータを受信して保持しておき、光無線通信により通信相手に送信するようにしてもよい。

【0042】

複数の飛行体（１０１、１０２）は、通信相手から受光した光の光量が一定時間内に閾値を指定回数以上超えた場合に、受光状態が良好であると判定する判定部８をさらに有してよい。即ち、第１飛行体１０１の判定部８は、第２飛行体１０２から受光したビーコン光の光量が、一定時間内に閾値を指定回数以上超えた場合に、第２飛行体１０２からの受光状態が良好であると判定する。同様に、第２飛行体１０２の判定部８は、第１飛行体１０１から受光したビーコン光の光量が、一定時間内に閾値を指定回数以上超えた場合に、第１飛行体１０１からの受光状態が良好であると判定する。第１飛行体１０１と第２飛行体１０２と間で、ある時点で瞬間的に光無線通信リンクが確立された場合であっても、その後の気象状況の変化等により、局所的な外乱となる雲等が発生し、光無線通信リンクが確立されなくなる場合も生じうる。そこで、光無線通信リンクが確立された状態が確実に維持されていることを担保するために、受光したビーコン光の強度が一定時間内に閾値を指定回数以上超えることを条件としている。ここで、指定回数は任意に設定することができるが、受光したビーコン光の強度が閾値を１回超えた場合に光無線通信リンクが確立したものと判断すると、安定性を担保できない恐れもあるため、指定回数を複数回とすることが好ましい。

【0043】

複数の飛行体（１０１、１０２）は、通信相手からの受光状態が良好である場合は、受光した光とは異なる光を生成する光生成部９をさらに有してよい。光生成部９は、例えば、受光したビーコン光のパルスとは、幅、間隔、及び振幅の少なくとも１つが異なるパルスを有するビーコン光を生成してよい。

【0044】

複数の飛行体（１０１、１０２）は、通信相手から、受光状態が良好であることを示すビーコン光を受光した後、光無線通信を行う前に通信相手の飛行体の認証を行う認証部１０をさらに有することが好ましい。認証を行う手順については後述する。認証部１０が、光無線通信を実行する前に通信相手の認証を行うことにより、不正な通信相手との間で通信を行うことを防止することができる。

【0045】

（地上局の構成）
複数の地上局（２０１、２０２）は、それぞれ、通信部２１と、位置算出部２２と、気象情報取得部２３と、を備えており、これらはバス２４により接続されている。

【0046】

通信部２１は、複数の飛行体（１０１、１０２）と通信を行う。即ち、第１地上局２０１の通信部２１は、第１飛行体１０１の通信部７と通信を行い、第２地上局２０２の通信部２１は、第２飛行体１０２の通信部７と通信を行う。

【0047】

位置算出部２２は、複数の飛行体（１０１、１０２）が、外乱の影響を受けない位置を算出する。即ち、第１地上局２０１の位置算出部２２は、第１飛行体１０１が外乱の影響を受けない位置を算出し、第２地上局２０２の位置算出部２２は、第２飛行体１０２が外乱の影響を受けない位置を算出する。

【0048】

気象情報取得部２３は、位置算出部２２が複数の飛行体（１０１、１０２）が、外乱の影響を受けない位置を算出する場合に考慮する気象情報を取得する。気象情報取得部２３は、例えば、複数の飛行体（１０１、１０２）の周辺の天候、気圧、気温、雲の位置、雲の種類、雲の高さ、降水量、風向き、風速等の少なくとも１つに関する気象情報を取得することが好ましい。位置算出部２２は、気象情報取得部２３が取得した気象情報に基づいて、複数の飛行体（１０１、１０２）のそれぞれが外乱の影響を受けない位置を算出することができる。

【0049】

図３に示した例では、地上局（２０１、２０２）を建築物に設ける例を示したが、自動車等の移動体に搭載するようにしてもよい。

【0050】

（光無線通信システムの動作手順）
図４に、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００において、飛行体（１０１、１０２）同士の間で実行される光無線通信の手順について説明するためのフローチャートを示す。まず、ステップＳ１０１において、図３に示すように、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２が、所定の高度ｈ１まで上昇する。ここで、上述したように、高度ｈ１は、大気境界層４１の高度ｈ０より高いことが好ましい。

【0051】

次に、ステップＳ１０２において、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２の検出部２が、互いに通信相手を検出する。

【0052】

次に、ステップＳ１０３において、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２の位置特定部３が、検出結果に基づいて通信相手の位置を特定し、出力部４が、ビーコン光（Ｂ１、Ｂ２）を所定期間送出する。

【0053】

次に、ステップＳ１０４において、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２の受光部５が、通信相手から送出されたビーコン光（Ｂ２、Ｂ１）を受光する。

【0054】

次に、ステップＳ１０５において、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２の判定部８が、一定時間内に閾値以上のビーコン光（Ｂ２、Ｂ１）を指定回数以上受光したか否かを判定する。

【0055】

第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２の判定部８が、一定時間内に閾値以上のビーコン光（Ｂ２、Ｂ１）を指定回数以上受光したと判定した場合（ステップＳ１０５において「Ｙｅｓ」）は、ステップＳ１０６において、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２は、通信相手に受光したビーコン光とは異なるビーコン光を送出する。

【0056】

一方、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２の判定部８が、一定時間内に閾値以上のビーコン光（Ｂ２、Ｂ１）を指定回数以上受光していないと判定した場合（ステップＳ１０５において「Ｎｏ」）は、ステップＳ１１０において、第１地上局２０１及び第２地上局２０２が、それぞれ、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２に対して、新たな移動位置を指定する。

【0057】

ステップＳ１０６において、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２が、通信相手に受光したビーコン光とは異なるビーコン光を送出した後、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２の受光部５は、通信相手から送出したビーコン光とは異なるビーコン光を受光したか否かを判断する。ここで、ステップＳ１０７において、「Ｙｅｓ」となるのは、第１飛行体１０１と第２飛行体１０２の両者が共に通信相手から送出したビーコン光とは異なるビーコン光を受光した場合である。この条件を満足する場合は、ステップＳ１０８において、光無線通信のリンクが確立できたことになり、ステップＳ１０９において、光無線通信を実行する。

【0058】

一方、ステップＳ１０７において、第１飛行体１０１と第２飛行体１０２の少なくとも一方が、通信相手から送出したビーコン光とは異なるビーコン光を受信しなかった場合は、光無線通信のリンクが確立されていないと判断する。この場合、ステップＳ１１０において、第１地上局２０１及び第２地上局２０２が、それぞれ、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２に対して、新たな移動位置を指定する。その後、ステップＳ１１１において、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２は、指定された新たな高度まで上昇し、ステップＳ１０２に戻る。

【0059】

ここで、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２が大気境界層４１の高度ｈ０を超える高度ｈ１に配置されたにもかかわらず、通信相手から送出されたビーコン光を正常に受光できない場合の例について説明する。図５に、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００において、飛行体（１０１、１０２）と、飛行体（１０１、１０２）同士の間に存在する雲５０との間の位置関係を概略的に示す。例えば、雲５０が第１飛行体１０１と第２飛行体１０２との間に発生し、雲５０が地表面３０から高度ｈｃの高さまで延びているとする。例えば、高度ｈｃは、数ｋｍから十数ｋｍである。この場合、雲５０の高度ｈｃが、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２の高度ｈ１を超えているとすると、第１飛行体１０１から送出されたビーコン光Ｂ１及び第２飛行体１０２から送出されたビーコン光Ｂ２は雲５０によって遮られ、通信相手に到達することができない。このような場合は、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２は、通信相手から送出されたビーコン光を正常に受光することができない。

【0060】

ステップＳ１１０において、飛行体（１０１、１０２）の新たな移動位置を地上局（２０１、２０２）が指定した後、ステップＳ１１１において、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２は、指定された新たな高度まで上昇し、ステップＳ１０２に戻る。この場合、第１地上局２０１及び第２地上局２０２が、それぞれ第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２に、新たな位置情報として、両者の間に生じた雲５０を超える高度に関する情報を通知することができる。

【0061】

第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２が高度に上昇すれば、雲５０の影響を受けることなく通信相手から送出されるビーコン光を受光する可能性が高くなる。しかしながら、雲５０の上部において乱気流や薄い雲の発生等により外乱が発生する場合もあり得る。図６に、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００において、雲５０より高い位置に配置された飛行体（１０１、１０２）と、雲５０の上空に存在する乱気流６０との間の位置関係を概略的に示す。第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２が高度ｈ２まで上昇し、高度ｈ２が雲５０の高度ｈｃを超えているものとする。この場合、雲５０の上部に発生した乱気流６０や薄い雲等によって外乱が生じ、通信相手に到達するビーコン光Ｂ１及びＢ２の光量が減少する場合が考えられる。このような場合は、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２は、ステップＳ１０５において、再度、通信相手が送出するビーコン光を正常に受光できないと判断する。

【0062】

この場合、ステップＳ１１１において、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２は、再度、指定された新たな高度まで上昇し、ステップＳ１０２に戻る。

【0063】

例えば、第１地上局２０１及び第２地上局２０２は、雲５０の高度ｈｃを十分に超える高度を新たに指定することができる。図７に、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００において、雲５０よりさらに高い高度ｈ３に配置された飛行体（１０１、１０２）と、雲５０との間の位置関係を概略的に示す。高度ｈ３において、雲５０によって生じる乱気流等の外乱の影響を受けることが無い場合は、第１飛行体１０１と第２飛行体１０２との間で光無線通信を実行することができる。

【0064】

以上のように、飛行体（１０１、１０２）は、通信相手が送出するビーコン光を正常に受光できない場合は、次第に高度を上昇させていき、ビーコン光を正常に受光できる高度を見出す。図８に、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００において、種々の高度に配置された飛行体（１０１、１０２）と、雲５０との間の位置関係を概略的に示す。飛行体（１０１、１０２）が高度ｈ１に位置しているときは、大気境界層４１の高度ｈ０を超えているため、雲５０等の外乱が無ければ、光無線通信を実行することができる。しかしながら、雲５０が飛行体（１０１、１０２）同士の間に発生した場合は、外乱となり、雲５０が存在する領域Ｒ１の上端の高度ｈｃに至るまで飛行体（１０１、１０２）同士の間で光無線通信を行うことはできない。

【0065】

そこで、雲５０による外乱の影響を避けるために、飛行体（１０１、１０２）が高度ｈ２（＞ｈｃ）まで上昇すると、雲５０による直接的な影響は回避できるものの、乱気流や薄い雲等が発生する領域Ｒ２による影響を受けて光無線通信を行うことができない場合が生じうる。

【0066】

そのような場合は、乱気流や薄い雲等が発生する領域Ｒ２を避けるために、更に上方の領域Ｒ３を挟むように、飛行体（１０１、１０２）を高度ｈ３（＞ｈ２）の位置まで上昇させることにより、光無線通信を実行することができる。

【0067】

以上のようにして、第１飛行体１０１と第２飛行体１０２は、ビーコン光を正常に受信できることを確認した後に、無線通信リンクを確立するようにしているため、両者の間に生じる局所的な外乱を避けて、第１飛行体１０１と第２飛行体１０２との間の光無線通信リンクを確立することができる。

【0068】

（飛行体の新たな位置の再算出）
上述したように、飛行体（１０１、１０２）がある高度で通信相手との間で光無線通信リンクを確立できなかった場合は、地上局（２０１、２０２）は飛行体（１０１、１０２）にさらに上昇するように指令を発する。しかしながら、飛行体（１０１、１０２）が上昇可能な高度にも限界が存在する。そこで、飛行体（１０１、１０２）が上昇可能な最高高度に達した場合に、地上局（２０１、２０２）が飛行体（１０１、１０２）に移動すべき他の位置を指令する手順について説明する。図９に、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００において、飛行体（１０１、１０２）が所定の高度まで上昇しても光無線通信を実行できなかった場合に、飛行体（１０１、１０２）を新たな位置に配置する手順について説明するためのフローチャートを示す。図１０に、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００において、飛行体（１０１、１０２）が所定の高度まで上昇しても光無線通信を実行できなかった場合に、飛行体を新たな位置に配置する方法について説明するための概略図を示す。

【0069】

まず、ステップＳ２０１において、飛行体（１０１、１０２）が所定の高度まで上昇しても外乱等により通信相手と光無線通信を行うことができなかった場合に、飛行体（１０１、１０２）が地上局（２０１、２０２）によって指定された新たな高度まで上昇する。次に、ステップＳ２０２において、飛行体（１０１、１０２）が光無線通信リンクの確立を試み、成功した場合（「Ｙｅｓ」）はステップＳ２０３において光無線通信を実行する。

【0070】

一方、ステップＳ２０２において、光無線通信リンクを確立することができなかった場合（「Ｎｏ」）は、ステップＳ２０４において、飛行体（１０１、１０２）の現在の高度が、到達可能な最高高度ｈｍであるか否かを判断する。この判断は、飛行体（１０１、１０２）が予め記憶している最高高度ｈｍに関する情報と現在の高度とを対比することにより行われる。あるいは、地上局（２０１、２０２）が、予め記憶している最高高度ｈｍに関する情報と、飛行体（１０１、１０２）に指示した現在の高度とを対比することにより行ってもよい。

【0071】

ステップＳ２０４において、飛行体（１０１、１０２）の現在の高度が、到達可能な最高高度であると判断した場合（「Ｙｅｓ」）は、ステップＳ２０５において、飛行体（１０１、１０２）が取得した周辺の気象状況等に関する情報、及び通信できなかった経路に関する情報等の少なくとも１つを地上局（２０１、２０２）にフィードバックしてよい。飛行体（１０１、１０２）は、自己の周辺の気象状況を観測するためのセンサ等を備えてよい。例えば、飛行体（１０１、１０２）自体が電波装置等を備え、リアルタイムで外乱の要因となる雲の位置や降水量等を検出してよい。このようにすることにより、飛行体（１０１、１０２）自体が観測するデータを用いて、地上局（２０１、２０２）は飛行体（１０１、１０２）の周辺の局所的な外乱の発生状況をより正確に把握することができる。

【0072】

次に、ステップＳ２０６において、地上局（２０１、２０２）が、飛行体（１０１、１０２）から取得した気象情報、及び気象情報配信サービス４０から取得した気象情報の少なくとも一方に基づいて、局所的な外乱が少ない新たな位置（Ｑ１、Ｑ２）を再算出し、現在の位置（Ｐ１、Ｐ２）に存在する飛行体（１０１、１０２）に送信する。この場合、新たな位置（Ｑ１、Ｑ２）の高度は最高高度ｈｍより低く、大気境界層より高い高度ｈ１とすることが好ましい。その後、ステップＳ２０２に戻って、指定された新たな位置（Ｑ１、Ｑ２）において光無線通信リンクの確立を試みる。

【0073】

一方、ステップＳ２０４において、飛行体（１０１、１０２）の現在の高度が、到達可能な最高高度ではないと判断した場合（「Ｎｏ」）は、ステップＳ２０１に戻って、飛行体（１０１、１０２）はさらに新たな高度まで上昇し、光無線通信リンクの確立を試みる。

【0074】

以上のようにして、飛行体（１０１、１０２）が最高高度に達した後であっても、新たな位置に移動することにより外乱を回避して光無線通信を実行することができる。

【0075】

（光無線通信開始までのシーケンス）
次に、飛行体が高度を上昇させてから、光無線通信の開始準備を完了させるまでのシーケンスについて説明する。図１１に、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００において、飛行体同士の間で実行される光無線通信の準備を完了するまでの手順について説明するためのシーケンス図を示す。

【0076】

まず、ステップＳ３０１において、第１地上局２０１が、気象情報や第２地上局２０２の位置情報等を基に局所的な外乱の影響が少ない位置を算出する。同様に、ステップＳ３０２において、第２地上局２０２が、気象情報や第１地上局２０１の位置情報等を基に局所的な外乱の影響が少ない位置を算出する。

【0077】

図１２に、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００において、地上局（２０１、２０２）が気象情報に基づいて飛行体（１０１、１０２）の配置位置（Ａ１、Ａ２）を決定する例について説明するための概略図を示す。地上局（２０１、２０２）は、気象情報配信サービス４０から提供される気象情報に基づいて、飛行体（１０１、１０２）が上昇を行う位置の周辺に発生している雲５０の位置や、降雨５１の状況、雲５０の移動方向５２に関する情報等を取得することができる。地上局（２０１、２０２）は、これらの気象情報に基づいて、外乱の影響が少ない位置（Ａ１、Ａ２）を算出する。第１飛行体１０１は位置Ａ１に移動し、第２飛行体１０２は位置Ａ２に移動することにより、外乱の影響を回避して光無線通信リンクの確立を試みることができる。

【0078】

次に、ステップＳ３０３において、第１地上局２０１が、指定位置に上昇するように第１飛行体１０１に命令を発する。同様に、ステップＳ３０４において、第２地上局２０２が、指定位置に上昇するように第２飛行体１０２に命令を発する。

【0079】

次に、ステップＳ３０５において、第１飛行体１０１が指定位置まで上昇する。同様に、ステップＳ３０６において、第２飛行体１０２が指定位置まで上昇する。ここで、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２はほぼ同一の高度まで上昇することが好ましい。

【0080】

次に、ステップＳ３０７において、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２が、高度情報や光学的な観測等を利用して通信相手の位置を把握し、機器または通信装置の角度を調整する。光学的な観測データには、検出部２により検出された通信相手の検出結果に関するデータを含んでよい。また、通信相手の位置を把握するための機器には出力部４及び受光部５が含まれてよい。さらに通信装置には光無線通信部６が含まれてよい。

【0081】

次に、ステップＳ３０８において、互いの飛行体（１０１、１０２）が、通信相手に向けてビーコン光を常に送出する。ここで、「常に」とは、通信相手と光無線通信リンクが確立するまでの所定期間であってよい。

【0082】

次に、ステップＳ３０９において、通信相手のビーコン光の到達光量を閾値と比較し、通信相手のビーコン光の到達光量が閾値を超えない場合、各飛行体（１０１、１０２）は高度を上昇させる。飛行体（１０１、１０２）は目標とする新たな高度まで上昇する。目標とする高度は、各飛行体（１０１、１０２）が予め記憶していてもよく、地上局（２０１、２０２）から指示されてもよい。また、飛行体（１０１、１０２）は、ほぼ同じ高度まで上昇することが好ましい。

【0083】

その後、飛行体（１０１、１０２）は、新たな高度に上昇した後に、通信相手に向けてビーコン光を送出する。ここでは、ステップＳ３１０において、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２が、最大まで高度を上昇させたが、通信相手のビーコン光の到達光量が閾値を超えないと判断したものとする。

【0084】

次に、ステップＳ３１１において、第１飛行体１０１は、第１地上局２０１に対して、局所的な外乱が少ない位置を再算出するよう命令すると共に、第１飛行体１０１が取得した気象情報や経路情報を第１地上局２０１にフィードバックする。同様に、ステップＳ３１２において、第２飛行体１０２は、第２地上局２０２に対して、局所的な外乱が少ない位置を再算出するよう命令すると共に、第２飛行体１０２が取得した気象情報や経路情報を第２地上局２０２にフィードバックする。

【0085】

次に、ステップＳ３１３において、第１地上局２０１が、気象情報や第２地上局２０２の位置情報等を基に局所的な外乱の影響が少ない位置を再算出する。同様に、ステップＳ３１４において、第２地上局２０２が、気象情報や第１地上局２０１の位置情報等を基に局所的な外乱の影響が少ない位置を再算出する。

【0086】

次に、ステップＳ３１５において、第１地上局２０１が、指定位置に上昇するよう第１飛行体１０１に命令を発する。同様に、ステップＳ３１６において、第２地上局２０２が、指定位置に上昇するよう第２飛行体１０２に命令を発する。

【0087】

次に、ステップＳ３１７において、互いの飛行体（１０１、１０２）が、通信相手に向けてビーコン光を常に送出する。

【0088】

次に、ステップＳ３１８において、互いの飛行体（１０１、１０２）が通信相手のビーコン光の到達光量が一定時間内に閾値を指定回数以上超えたことを確認する。

【0089】

次に、ステップＳ３１９において、互いの飛行体（１０１、１０２）が、先ほどとはパルスの異なるビーコン光を送出する。

【0090】

次に、ステップＳ３２０において、互いの飛行体（１０１、１０２）が通信相手のビーコン光のパルスが変化したことを確認する。

【0091】

以上のようにして、第１飛行体１０１と第２飛行体１０２との間の光無線通信を開始する準備が完了する。

【0092】

（飛行体の認証及び光無線通信の実行）
次に、飛行体の認証から通信の完了までのシーケンスについて説明する。図１３に、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００において、飛行体（１０１、１０２）同士の間で実行される認証から光無線通信を実行するまでの手順について説明するためのシーケンス図を示す。

【0093】

まず、ステップＳ４０１において、第１飛行体１０１が、光／ミリ波無線通信でハッシュ化した任意の文字列を第２飛行体１０２に送信する。

【0094】

次に、ステップＳ４０２において、第２飛行体１０２が、ハッシュ化した文字列に第２飛行体１０２の属性情報を含めた状態で光／ミリ波無線通信で第１飛行体１０１に送信する。

【0095】

次に、ステップＳ４０３において、第１飛行体１０１が、第２飛行体１０２の公開鍵で暗号化した任意の文字列を光／ミリ波無線通信で第２飛行体１０２に送信する。

【0096】

次に、ステップＳ４０４において、第２飛行体１０２が、受信した文字列を第２飛行体１０２の秘密鍵で復号化する。

【0097】

次に、ステップＳ４０５において、第２飛行体１０２が、復号化した文字列を第１飛行体１０１の公開鍵で暗号化した文字列を光／ミリ波無線通信で第１飛行体１０１に送信する。

【0098】

以上のようにして、第１飛行体１０１による第２飛行体１０２の認証が完了する。上記のステップＳ４０１からＳ４０５までの工程を第１飛行体１０１と第２飛行体１０２とを入れ替えて実行することにより、第２飛行体１０２による第１飛行体１０１の認証を行うことができる。

【0099】

次に、ステップＳ４０６において、第１飛行体１０１が、第２飛行体１０２の認証が完了したことを光／ミリ波無線通信で第２飛行体１０２を経由して第２地上局２０２に通知する。

【0100】

次に、ステップＳ４０７において、第２地上局２０２が、第２飛行体１０２及び第１飛行体１０１を経由して光／ミリ波無線通信で第１地上局２０１に情報を送信する。

【0101】

同様に、第２飛行体１０２による第１飛行体１０１の認証が完了している場合は、ステップＳ４０８において、第１地上局２０１が、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２を経由して光／ミリ波無線通信で第２地上局２０２に情報を送信する。

【0102】

以上の説明においては、第１飛行体１０１と第２飛行体１０２との間で認証を行う例について説明したが、このような例には限られない。即ち、第１地上局２０１と第２地上局２０２との間で認証を行うようにしてもよい。あるいは、飛行体（１０１、１０２）間の認証と、地上局（２０１、２０２）間の認証の両者を行うようにしてもよい。

【0103】

以上のようにして、第１地上局２０１と第２地上局２０２との間で、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２を介して光無線通信を実行することができる。

【0104】

上述した例では、第１地上局２０１と第２地上局２０２との間で、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２を経由してデータを送受信する例について説明したがこのような例には限られない。即ち、第１飛行体１０１と第２飛行体１０２との間でデータを送受信するようにしてもよい。

【0105】

（通信相手の多段的確認方法）
上記の説明においては、第１飛行体１０１と第２飛行体１０２との間でビーコン光を送受信することにより光無線通信リンクの確立を行う方法について説明したが、指向性が異なる複数種類のビーコン光を送出することにより、多段的に通信相手の位置を確認することもできる。図１４（ａ）及び（ｂ）に、それぞれ、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００において、指向性が低いビーコン光及び指向性が高いビーコン光を通信相手に照射する様子を示す。図１５（ａ）及び（ｂ）に、それぞれ、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００において、指向性が低いビーコン光及び指向性が高いビーコン光の照射範囲及び飛行体の移動経路を示す。図１６に、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００において、通信相手の位置を多段的に確認する方法について説明するためのフローチャートを示す。

【0106】

ここでは、第１飛行体１０１が第２飛行体１０２に対してビーコン光を送出する場合を例にとって説明する。まず、ステップＳ５０１において、図１４（ａ）及び図１５（ａ）に示すように、第１飛行体１０１は、広い領域を照射する指向性が低いビーコン光Ｂ１１を第２飛行体１０２に送出する。

【0107】

次に、ステップＳ５０２において、第１飛行体１０１は、第２飛行体１０２から、第１飛行体１０１が送出したビーコン光とは異なるビーコン光を受光したか否かを判定する。ここでは、図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、３つのケースについて説明する。

【0108】

第１のケースは、第２飛行体１０２が、第１の位置Ｐ１０に存在し、指向性が低いビーコン光Ｂ１１と指向性が高いビーコン光Ｂ１２の両者を受光できるケースである。

【0109】

第２のケースは、第２飛行体１０２が、第２の位置Ｐ２０に存在し、指向性が低いビーコン光Ｂ１１は受光できるものの、指向性が高いビーコン光Ｂ１２は受光できないケースである。

【0110】

第３のケースは、第２飛行体１０２が、第３の位置Ｐ３０に存在し、指向性が低いビーコン光Ｂ１１と指向性が高いビーコン光Ｂ１２の両者を受光できないケースである。

【0111】

例えば、第１及び第２のケースでは、位置Ｐ１０及びＰ２０が、指向性が低いビーコン光Ｂ１１の照射領域の範囲内に含まれる。そのため、第１及び第２のケースでは、第２飛行体１０２は第１飛行体１０１に対して、受光したビーコン光とは異なるビーコン光を送出し、第１飛行体１０１はこれを受光することにより、第２飛行体１０２が、指向性が低いビーコン光Ｂ１１の照射範囲に存在することを確認することができる。この場合は、ステップＳ５０４において、第１飛行体１０１は、指向性が高いビーコン光Ｂ１２を第２飛行体１０２に送出する。

【0112】

これに対して、第３のケースにおいては、位置Ｐ３０が、指向性が低いビーコン光Ｂ１１の照射範囲に含まれていないため、第２飛行体１０２はビーコン光Ｂ１１受光することができない。この場合は、ステップＳ５０３において、第２飛行体１０２は、ビーコン光Ｂ１１を受光できるように別の場所に移動する。例えば、図１５（ａ）に示すように、位置Ｐ３０に配置された第２飛行体１０２が矢印Ｍ３１のように位置Ｐ３１に移動したものとする。この場合は、位置Ｐ３１が、指向性が低いビーコン光Ｂ１１の照射範囲に含まれるため、第２飛行体１０２はビーコン光Ｂ１１を受光することができる。そして、第２飛行体１０２は、受光したビーコン光とは異なるビーコン光を第１飛行体１０１に送出し、ステップＳ５０２において、第１飛行体１０１は、第２飛行体１０２から、送出したビーコン光とは異なるビーコン光を受光する。次に、ステップＳ５０４において、第１飛行体１０１は、指向性が高いビーコン光を第２飛行体１０２に送出する。

【0113】

図１４（ｂ）及び図１５（ｂ）に示すように、指向性が高いビーコン光Ｂ１２を第２飛行体１０２に送出した場合、第１のケースでは、位置Ｐ１０がビーコン光Ｂ１２の照射範囲に含まれるため、受光することができる。この場合、ステップＳ５０５において、第１飛行体１０１は第２飛行体１０２から、送出したビーコン光とは異なるビーコン光を受光する。

【0114】

これに対して、第２のケースでは、位置Ｐ２０は指向性が高いビーコン光Ｂ１２の照射領域の範囲に含まれないため、ビーコン光Ｂ１２を受光できず、送出したビーコン光とは異なるビーコン光を送出しない。その結果、ステップＳ５０５においては、第１飛行体１０１は第２飛行体１０２から、送出したビーコン光とは異なるビーコン光を受光できず、ステップＳ５０６において、第２飛行体１０２はビーコン光Ｂ１２が受光できるように他の位置に移動する。

【0115】

例えば、第２飛行体１０２が位置Ｐ２０から矢印Ｍ２１に向かって位置Ｐ２１に移動したものとする。この場合、位置Ｐ２１はビーコン光Ｂ１２の照射範囲に含まれないため、依然としてビーコン光Ｂ１２を受光することができない。その結果、第２飛行体１０２は、元の位置Ｐ２０に戻り、矢印Ｍ２１とは反対側の矢印Ｍ２２の方向に向かって位置Ｐ２２に移動する。この場合は、位置Ｐ２２がビーコン光Ｂ１２の照射範囲に含まれるため、ビーコン光Ｂ１２を受光することができる。そこで、第２飛行体１０２は、受光したビーコン光とは異なるビーコン光を第１飛行体１０１に送出し、ステップＳ５０５において、第１飛行体１０１は、第２飛行体１０２から送出したビーコン光とは異なるビーコン光を受光する。

【0116】

次に第３のケースについて検討すると、位置Ｐ３１はビーコン光Ｂ１２の照射範囲に含まれないため、ビーコン光Ｂ１２を受光することができない。そこで、第２のケースと同様に、ステップＳ５０６において、移動を行い、結果的に矢印Ｍ３２の方向に向かって位置Ｐ３２に移動したものとする。この場合は、位置Ｐ３２がビーコン光Ｂ１２の照射範囲に含まれるため、ビーコン光Ｂ１２を受光することができる。そこで、第２飛行体１０２は、受光したビーコン光とは異なるビーコン光を第１飛行体１０１に送出し、ステップＳ５０５において、第１飛行体１０１は、第２飛行体１０２から送出したビーコン光とは異なるビーコン光を受光する。

【0117】

上記の説明では、第１飛行体１０１から指向性が異なる２種類のビーコン光（Ｂ１１、Ｂ１２）を送出することにより、第１飛行体１０１が第２飛行体１０２の位置を確認する手順について説明した。次に、同様にして、第２飛行体１０２が、指向性が低いビーコン光Ｂ２１と指向性が高いビーコン光Ｂ２２を用いて、第１飛行体１０１の位置を確認することができる。

【0118】

以上のようにして、第２飛行体１０２が、指向性が高いビーコン光を受光した場合、ステップＳ５０７において、第１飛行体１０１と第２飛行体１０２との間で光無線通信リンクが確立する。次に、ステップＳ５０８において、第１飛行体１０１と第２飛行体１０２との間で光無線通信を実行する。

【0119】

このように、照射範囲が異なる（指向性が異なる）２種類のビーコン光を用いることにより、広い範囲から開始して多段的に目的とする通信相手の位置を確認することができる。即ち、最初に指向性が低いビーコン光を用いて通信相手の位置を確認することができるため、次の指向性が高いビーコン光を用いる段階では、高度の微調整（微小な高度の上げ下げ）を行うことにより、効率的に通信相手の位置を確認することができる。上述した例では、ビーコン光の指向性を２通りに変えた例を示したが、このような例には限定されず、指向性を３通り以上に変えたビーコン光を用いて多段的に通信相手の位置を確認するようにしてもよい。

【0120】

上記の例では、ビーコン光の指向性を変えて通信相手に送出する例について説明したが、このような例には限られず、ビーコン光とマイクロ波を組み合わせて通信相手の位置を確認するようにしてもよい。図１７に、本開示の一実施形態に係る光無線通信システム１０００において、通信相手の位置を多段的に確認する方法の他の例について説明するための図を示す。

【0121】

図１７に示すように、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２は、ビーコン光とマイクロ波（Ｂ１３、Ｂ２３）を相手に常に送出する。雲５０等の外乱の影響により、ビーコン光は通信相手まで到達することができない。しかしながら、雲５０を透過するようなマイクロ波、例えば、合成開口レーザは通信相手まで届くため、通信相手を捕捉することができる。このようにマイクロ波で通信相手を捕捉できるため、高度調整の効率化を行うことができる。

【0122】

上記の例ではマイクロ波を用いる場合を例にとって説明したが、このような例には限られず、波長の異なる複数のビーコン光を用いるようにしてもよい。

【0123】

（変形例１）
上記の説明においては、地上局と飛行体とを無線接続する例について説明したが、このような例には限られず、地上局と飛行体とを有線接続するようにしてもよい。図１８に、本開示の一実施形態の変形例１に係る光無線通信システム１００１において、地上局と飛行体とを有線接続する場合の概略構成を示す。

【0124】

図１８に示すように、第１地上局２０１と第１飛行体１０１とをケーブル７０を用いて有線接続するようにしてもよい。有線接続を行うことにより電波を用いて無線接続する場合に比べて、雑音による影響を低減することができる。また、有線接続の場合は電源ケーブルを含めることができ、第１地上局２０１から第１飛行体１０１への充電を容易に行うことができる。

【0125】

また、図１８に示した例では、第１地上局２０１と第１飛行体１０１とをケーブル７０を用いて有線接続する例を示したが、このような例には限られず、第２地上局２０２と第２飛行体１０２とをケーブルを用いて有線接続するようにしてもよい。

【0126】

（変形例２）
上記の変形例１においては、地上局と飛行体とを有線接続する例について説明したが、このような例には限られず、海上局と飛行体とを有線接続するようにしてもよい。図１９に、本開示の一実施形態の変形例２に係る光無線通信システム１００２において、海上局と飛行体とを有線接続する場合の概略構成を示す。

【0127】

図１９に示すように、第１海上局３０１と第１飛行体１０１とをケーブル７０を用いて有線接続するようにしてもよい。有線接続を行うことにより電波を用いて無線接続する場合に比べて、雑音による影響を低減することができる。また、有線接続の場合は電源ケーブルを含めることができ、第１海上局３０１から第１飛行体１０１への充電を容易に行うことができる。

【0128】

また、図１９に示した例では、第１海上局３０１と第１飛行体１０１とをケーブル７０を用いて有線接続する例を示したが、このような例には限られず、第２海上局３０２と第２飛行体１０２とをケーブルを用いて有線接続するようにしてもよい。

【0129】

（変形例３）
上記の説明においては、地上局同士を、飛行体を介して光無線通信を行う例について示したが、このような例には限られず、地上局とＨＡＰＳ（High Altitude Platform Station）等の無人航空機との間で光無線通信を実行するようにしてもよい。図２０に、本開示の一実施形態の変形例３に係る光無線通信システム１００３において、地上局と無人航空機との間で光無線通信を行う場合の概略構成を示す。

【0130】

地表面３０から高度約２０［ｋｍ］の外乱が少ない成層圏を飛ぶ無人航空機４００に基地局であるＨＡＰＳを設置してもよい。このような構成とすることにより、災害時でも途絶えることが無い、安定的な通信サービスを提供することができる。また、図２０に示すように、第１地上局２０１と第１飛行体１０１とをケーブル７０を用いて有線接続するようにしてもよい。

【0131】

（複数の地上局の協調利用）
以上の説明においては、複数の地上局として、第１地上局２０１及び第２地上局２０２を配置し、複数の飛行体として、第１飛行体１０１及び第２飛行体１０２を配置する例を示したが、このような例には限定されない。即ち、地上局の数は３つ以上であってもよく、飛行体の数は３機以上であってもよい。

【0132】

例えば、第１地上局及び第２地上局と、それぞれに接続された２機の飛行体が設けられた場合、これらの飛行体が最高高度に到達しても雨雲が途切れず光無線通信を行うことができないような状況にあるものとする。このような場合、雨雲が積乱雲等のように局所的な外乱を生じ、鉛直方向には広い範囲で外乱を生じているものの、水平方向には狭い範囲でのみ外乱を生じさせている場合が考えられる。このような場合、第２地上局の近隣に第３地上局が存在する場合、第１地上局は、第３地上局と接続された飛行体との間で光無線通信を行うように通信経路を切り替えるようにしてもよい。このように、地上局と飛行体の複数のセットを協調して利用することにより、外乱による影響を効率的に回避することができる。

【符号の説明】

【0133】

１ 飛行制御部
２ 検出部
３ 位置特定部
４ 出力部
５ 受光部
６ 光無線通信部
７ 通信部
８ 判定部
９ 光生成部
１０ 認証部
１１ バス
４１ 大気境界層
５０ 雲
１０１ 第１飛行体
１０２ 第２飛行体
２０１ 第１地上局
２０２ 第２地上局
３０１ 第１海上局
３０２ 第２海上局

【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】