(57)【要約】【課題】  高速で走行中の列車と地上との間で大容量のデータ伝送が可能な通信システムを提供することである。【手段】  地上側演算処理装置１１は、地上局１１〜１３から車上局への予測方向を、列車の位置と速度を含む列車データと、軌道の勾配とカーブを含む線路データ等に基づいて算出する。すると、アンテナ方向制御機構１１b〜１３bは、前記予測方向に地上局のアンテナの方向を合わせるように自動制御する。同時に、車上側演算処理装置３１は同様の処理を行って、車上局３０から地上局１１〜１３への予測方向を算出する。すると、アンテナ方向制御機構３５bは、前記予測方向に車上局のアンテナの方向を合わせるように自動制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道に沿って設置された複数の地上局と、軌道を走行する列車に搭載された車上局との間で光ビームにより通信を行う列車と地上との間の光通信システムにおいて、
前記地上局は、前記地上局の通信区間に入ってきた列車の列車データと当該区間の線路データに基づいて前記車上局の予測位置を算出し且つ自局アンテナの方向を前記車上局に合わせるための予測方向を算出する地上側演算処理手段と、前記地上側演算処理手段により算出された予測方向に追従するように自局のアンテナ方向制御機構を駆動する制御手段とを備えており、
且つ、前記車上局は、前記通信区間の自列車の列車データと当該区間の線路データに基づいて自局位置を計算し且つ自局アンテナの方向を前記地上局に合わせるための予測方向を算出する車上側演算処理手段と、前記車上側演算処理手段により算出された予測方向に追従するように自局のアンテナ方向制御機構を駆動する制御手段とを備えていることを特徴とする列車と地上との間の光通信システム。
【請求項２】
前記地上側演算処理手段は、複数の地上局によって共用されていることを特徴とする請求項１の列車と地上との間の光通信システム。
【請求項３】
前記地上局は通信部を共用しており、それぞれのアンテナとその角度調整機構とその制御手段が、軌道に沿って設置されていることを特徴とする請求項１又は２の列車と地上との間の光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速走行中の列車と地上との間で情報の伝達を行う光通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高速走行中の列車と地上との間で情報の伝達を行う通信システムは、空間波を用いた無線通信システム、漏洩同軸ケーブルを用いたＬＣＸ通信システムが一般的である。例えば、特開平９−３２７０５７（特許文献１）には、移動通信網と鉄道管理網とで構成された移動通信システムにおいて、ＰＨＳの端末が列車内で通信を行うため、前記端末の位置情報を列車内無線基地局及び位置情報データベースに記憶し、また、無線基地局位置データベースには鉄道網周辺に設置されている無線基地局の位置情報を記憶し、移動通信交換局に着信があった場合、各データベースの位置情報を照合し、前記端末が存在する列車を呼び出す無線基地局を選択し、ＰＨＳの列車内無線基地局経由で、前記端末に着信を行う移動通信システムが開示されている。
【０００３】
ところで、今後、列車内旅客向けにインターネット利用のサービスを提供することや業務用に大量の画像を伝送するなどを実現するためには、従来より格段に大容量（例えば１Gbps）の通信を可能にする必要がある。このような大容量通信は、上述の如き従来の通信システムでは不可能である。
【０００４】
そこで、従来よりも高い周波数（数１０GHz帯以上）の電波（ミリ波等）や光、赤外線等を使う方法が有力である。しかし、これらの電波や光の問題点としては、波長が非常に短いことから、電波の直進性が強く、電波のビーム幅が狭く、到達範囲の制限が大きいということである。上記の理由から、送受信のアンテナの向きをかなりの高精度で一致させる必要がある。即ち、電波発射の狙いを定める必要がある。このため、従来よりも高い周波数（数１０GHz帯以上）の電波（ミリ波等）や光、赤外線等を用いて高速移動体と地上との間で通信する通信システムは未だ実用化されるに到っていない。
【０００５】
自動化生産工場に設置された有軌道を移動する移動体に搭載された光送受波器と地上に設置された光送受波器との間での光通信システムは、特開２０００−２２２０３４号公報（特許文献２）に開示されている如く、実現可能である。自動化生産工場では、送信のための光路と受信のための光路とを同一にするように、軌道を設置できるからである。
【０００６】
ところが、高速鉄道においては、特許文献２に開示されている方法で送信のための光路と受信のための光路とを同一にすることは不可能である。そこで、特開平１０−４１８９３号公報（特許文献３）には、列車が線路上を移動するのに伴って生じる車上投受光器と対列車投受光器とを結ぶ線の角度変化に常に応じられるように、即ち列車が線路上を移動しても光ビーム信号の送受信が常時できるように、対列車投光用の光ビーム信号を指向性のやや広いものとした列車情報伝送装置が開示されている。なお、前記列車情報伝送装置は、軌道に沿って設置された光ビーム信号の投光器及び受光器と、複数の各駅に設置され、前記投光器及び受光器を通じて相互に光ビーム通信を行う光ビーム通信端末と、前記光ビーム通信端末のうち、両末端に位置するもの同士の間を信号伝送できるように結び、ループ伝送路を形成する末端間通信手段とを備えて成る列車情報伝送装置であって、車上に前記光ビーム信号に投光器及び受光器を設置して構成されたものである。
【０００７】
しかしながら、対列車投光用の光ビーム信号を指向性のやや広いものとすると、到達距離が短くなるから、軌道に沿って設置される光ビーム信号の投光器及び受光器の数が多くなり、システムの構築と保守のコスト増を招くという問題がある。また、指向性のやや広い対列車投光用の光ビーム信号は、霧や雨の影響を受け易いから、信号伝送の品質の安定性に欠けるという問題もある。
【０００８】
特開２００１−３３９３５０号公報（特許文献４）には、道路脇に所定距離を隔てて設置された複数の固定局と、前記道路を走行する車両に搭載された移動局との間で光ビームを用いて通信を行う移動体空間通信システムが開示されている。この通信システムにおいて、移動局は自位置をＧＰＳで測位し、測位により得られた位置情報を固定局に無線送信する。固定局は受信した移動局の位置情報と自局の位置とから、前記移動局との間で通信が可能か否かを判定する。これによって、固定局は通信すべき相手である移動局を確実に捕捉できるようになる。
【０００９】
通信可能であると判定したときには、前記移動局の位置情報と自局の位置の情報に基づいて所定の演算を行い、自局のアンテナ方向制御機構を駆動して前記移動局の方向に自局のアンテナの方向を合わせ、その後は、前記移動局の方向に自動追尾させる。上記の自動追尾は、前記固定局が前記移動局からの光信号を捕捉して行われる。同時に、移動局は、上述の固定局におけるのと同様の演算制御を行って、自局のアンテナ方向制御機構を駆動して前記移動局の方向に自局のアンテナの方向を合わせ、その後は、前記移動局の方向に自動追尾させる。上記の自動追尾は、前記移動局が前記固定局からの光信号を捕捉して行われる。
【００１０】
上述の光通信システムは、固定局と移動局との間で、相互に自動追尾して通信を行うものであるから、光ビーム信号を指向性のやや広いものとする必要がない。しかしながら、自動追尾は相手側局の光信号を捕捉しながら行うものであるため、高速鉄道には適用できないという問題がある。
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−４１８９３号公報
【特許文献２】特開２０００−２２２０３４号公報
【特許文献３】特開平１０−４１８９３号公報
【特許文献４】特開２００１−３３９３５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、高速で走行中の列車と地上との間で大容量のデータ伝送が可能な通信システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の課題を解決するために、軌道に沿って配置された地上局から前記軌道を走行する列車に搭載された車上局の予測方向を、前記列車の位置と速度を含む列車データと、軌道の勾配とカーブを含む線路データに基づいて地上側演算処理装置によって算出し、地上側制御装置によって前記地上局のアンテナの方向を前記予測角度に追従させるようにした。
同時に、前記地上局と前記車上局との間を結ぶ線と基準線との間の予測角度を、前記列車の位置と速度を含む列車データと、軌道の勾配とカーブを含む線路データに基づいて車上側演算処理装置によって算出し、車上側制御装置によって前記車上局のアンテナの方向を前記予測角度に追従させるようにした。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、高速で走行中の列車と地上との間で大容量のデータ伝送が可能になり、それを列車内で再発信することで、旅客が携帯電話等の携帯型情報機器によって映像データを含む大量のデータを入手できるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を実施するための最良の形態は、軌道に沿って設置された複数の地上局と、軌道を走行する列車に搭載された車上局との間で光ビームにより通信を行う列車と地上との間の通信システムであって、列車データと線路データに基づいて地上局と車上局のそれぞれのアンテナを最適な方向に自動的に追従させるようにしたことを特徴とする光通信システムである。
【００１６】
即ち、軌道に沿って設置された複数の地上局と、軌道を走行する列車に搭載された車上局との間で光ビームにより通信を行う列車と地上との間の通信システムにおいて、前記地上局は地上側演算処理手段と前記地上局のアンテナ方向制御機構を駆動する制御手段とを備えており、且つ、前記車上局は車上側演算処理手段と前記車上局のアンテナ方向制御機構を駆動する制御手段とを備えている。
【００１７】
前記地上局において、前記地上側演算処理手段は自局の通信区間に入ってきた列車の列車データと当該区間の線路データに基づいて前記車上局の予測位置を算出し且つ前記地上局のアンテナの方向を前記車上局に合わせるための予測方向を算出する。そして、前記制御手段は前記予測方向に追従するように前記地上局のアンテナ方向制御機構を駆動する。前記予測方向は、緯度と経度の２つのそれぞれの角度で与えられる。
【００１８】
同時に、前記車上局において、前記車上側演算処理手段は前記通信区間の自列車の列車データと当該区間の線路データに基づいて自局位置を計算し且つ車上アンテナの方向を前記地上局に合わせるための予測方向を算出する。そして、前記制御手段は前記予測方向に追従するように前記車上局のアンテナ方向制御機構を駆動する。前記予測方向は、緯度と経度の２つのそれぞれの角度で与えられる。
【実施例】
【００１９】
図１に示す本発明の一実施例の光通信システムにおいて、軌道に沿って配置された複数の地上局は、軌道に沿って配置された複数の地上送受信局１１、１２、１３、これら複数の地上送受信局に共用の地上側演算制御装置２１、通信部２２、切替部２３、及びデータベース２４とで構成されている。
【００２０】
地上送受信局１１は、送受信アンテナ１１ａとアンテナ方向制御機構１１ｂとを含んで構成されている。また、地上送受信局１２は、送受信アンテナ１２ａとアンテナ方向制御機構１２ｂとを含んで構成されている。更に、地上送受信局１３は、送受信アンテナ１３ａとアンテナ方向制御機構１３ｂとを含んで構成されている。
【００２１】
一方、車上局３０は、車上側演算制御装置３１、通信部３２、データベース３４、及び車上送受信局３５とで構成されている。そして、車上送受信局３５は、送受信アンテナ３５ａとアンテナ方向制御機構３５ｂとを含んで構成されている。
【００２２】
ところで、方位は緯度と経度の２つで特定されるものである。しかしながら、説明を複雑にしないために、アンテナからの光ビームの入出射方向となる予測方向は１つの予測角度のみで与えられるものとして、本発明を説明する。
【００２３】
図３において、複数の地上送受信局の送受信アンテナ１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａは軌道１に沿って設置されている。送受信アンテナ１１ａと１２ａの間の距離はＬ1、送受信アンテナ１２ａと１３ａの間の距離はＬ2、地上送受信局の送受信アンテナ１３ａと１４ａの間の距離はＬ3である。地上送受信局１１の通信区間はＤ1、地上送受信局１２の通信区間はＤ2、地上送受信局１３の通信区間はＤ3である。
【００２４】
車上局３０を搭載した列車は、軌道１上を図の右から左の方向に移動する。すると、送受信アンテナ１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａは、そのアンテナ方向を前記列車の移動に追従させる。即ち、図３において、送受信アンテナ１２ａは角度α1の範囲でリアルタイムに方向を変え、送受信アンテナ１３ａは角度α2の範囲でリアルタイムに方向を変え、送受信アンテナ１４ａは角度α3の範囲でリアルタイムに方向を変える。
【００２５】
車上局３０を搭載した列車は、軌道１上を図の右から左の方向に移動すると、車上局３０のアンテナ３５ａも方向をリアルタイムに変える。図４の如き位置関係であれば、地上送受信局の送受信アンテナ１１ａは角度αの範囲でリアルタイムに方向を変え、車上局３０のアンテナ３５ａは角度βの範囲でリアルタイムに方向を変える。
【００２６】
次に、図１、図３、図４を参照して、地上局アンテナの自動追尾がどのようにして行われるか説明する。図３は、列車２が地上送受信局１１の通信区間Ｄ1から地上送受信局１２の通信区間はＤ2に入る瞬間を示している。このとき、列車２が通信区間Ｄ1から信区間Ｄ2に入る瞬間を示す信号は、図示しない列車位置検出システムから地上側演算制御装置２１に入力される。
【００２７】
すると、地上側演算制御装置２１は切替え部２３を制御して通信部２２を地上送受信局１１から地上送受信局１２に切替える。続いて、地上側演算制御装置２１は通信区間Ｄ2に入ってきた列車２の列車データと当該区間の線路データ、及び地上局の配置データに基づいて、自局と車上局３０との間の予測相対位置を算出する。続いて、地上側演算制御装置２１は地上送受信局１２のアンテナ１２ａの方向を車上局３０に合わせるための予測角度α2を算出し、この予測角度α2を地上送受信局１２のアンテナ方向制御機構１２ｂに与える。すると、サーボ機構であるアンテナ方向制御機構１２ｂは、予測角度α2に基づいてアンテナ１２ａの方向を自動的に制御する。このようにして、アンテナ１２ａは車上局３０の方向に自動追尾する。
【００２８】
同時に、車上局３０おいて、車上側演算制御装置３１は前記通信区間Ｄ2の自列車の列車データと当該区間の線路データ、及び地上局の配置データに基づいて、自局と地上送受信局１２との予測相対位置を算出する。続いて、車上側演算制御装置３１は車上送受信局３５のアンテナ３５ａの方向を地上送受信局１２に合わせるための予測角度βを算出し、この予測角度βを車上送受信局３５のアンテナ方向制御機構３５ｂに与える。すると、サーボ機構であるアンテナ方向制御機構３５ｂは、予測角度βに基づいてアンテナ３５ａの方向を自動的に制御する。このようにして、アンテナ３５ａは地上送受信局１２の方向に自動追尾する。
【００２９】
列車２が地上送受信局１２の通信区間Ｄ2から地上送受信局１３の通信区間はＤ3に入ると、地上送受信局１３と車上局３０とが光通信を行うようになるが、地上送受信局１２から地上送受信局１３への通信の切替え、地上送受信局１３のアンテナの自動追尾、及び車上局３０のアンテナの自動追尾は、上述と同様に行われる。
【００３０】
ところで、列車位置信号を地上側演算制御装置２１に与えられ列車位置検出システムは、従来の列車無線通信システムを利用することができる。或いは、地上局の通信区間が切替る位置に列車検出用センサを設置し、この列車検出用センサの信号を地上側演算制御装置２１に無線送信するシステムを構築してもよい。
【００３１】
また、車上側演算制御装置３１に与えられ列車位置検信号は、上述の列車検出用センサの信号を利用することができるが、車上の列車制御システムを利用して入手するようにしてもよい。
【００３２】
なお、上述の実施例では、地上側において地上送受信局１１〜１３は通信部２２と地上側演算制御装置２１を共用しているとしたが、地上送受信局１１〜１３がそれぞれ通信部を備えるようにしてもよい。或いは、地上送受信局１１〜１３がそれぞれ地上側演算制御装置２１を備えるようにしてもよい。また、複数の地上局の等間隔に配置されるものではなく、軌道のカーブや勾配等の各種の条件を考慮して決められるものであることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施例の通信システムの概要並びに地上局のブロック構成を示した図である。
【図２】車上局の一実施例のブロック構成を示した図である。
【図３】地上局の配置関係、地上局と車上局の位置関係、及び地上局の通信区間の一例を示した図である。
【図４】地上局の通信区間における当該地上局のアンテナの可変角度α並びに車上局のアンテナの可変角度βの一例を示した図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  軌道
２  列車
１１、１２、１３  地上送受信局
１１a、１２a、１３a   アンテナ
１１b、１２b、１３b   アンテナ方向制御機構
２１  地上側演算制御装置
２２  通信部
２３  切替部
２４  データベース
３０  車上局
３１  車上側演算制御装置
３２  通信部
３４  データベース
３５  車上送受信局
３５a   アンテナ
３５b   アンテナ方向制御機構
【図１】
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【図２】
2006033545.tif 000004
【図３】
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【図４】
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