(57)【要約】      （修正有）【課題】ＩｏＴ向けデバイスを含む端末装置との間の無線通信の伝搬遅延が低く、広範囲の多数の端末と同時接続でき、高速通信可能で、単位面積あたりのシステム容量の大きい３次元化したネットワークをエリアにかかわらず長期間にわたって安定的に実現する無線中継装置を提供する。【解決手段】端末装置との無線通信を中継する無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部からの制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体１２に設けられる。浮揚体１２は、太陽光発電パネル１０２が設けられた翼と、回転駆動源によって回転駆動可能なプロペラ１０３とを備える。前記翼は、浮力を主に生じさせる主翼部１０１と、主翼部１０１での太陽光発電を補助するように主翼部１０１とは別に太陽光発電パネル１０２が設けられた補助翼部１０９とを含む。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備えた無線中継装置であって、
前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部からの制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、
前記浮揚体は、太陽光発電パネルが設けられた翼と、回転駆動源によって回転駆動可能なプロペラとを備え、
前記翼は、前記浮揚体の飛行により浮力を主に生じさせる主翼と、前記主翼での太陽光発電を補助するように前記主翼とは別に太陽光発電パネルが設けられた補助翼とを含むことを特徴とする無線中継装置。
【請求項２】
端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備えた無線中継装置であって、
前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部からの制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、
前記浮揚体は、太陽光発電パネルが設けられた翼と、回転駆動源によって回転駆動可能なプロペラとを備え、
前記太陽光発電パネルの受光面は、面に垂直な方向が互いに異なる複数の受光面部分を有することを特徴とする無線中継装置。
【請求項３】
請求項２の無線中継装置において、
前記太陽光発電パネルの受光面は、面に垂直な方向が互いに異なる複数の平面状の受光面部分が連続的に繰り返し配置するように形成されていることを特徴とする無線中継装置。
【請求項４】
請求項２の無線中継装置において、
前記太陽光発電パネルの受光面は、波状に連続的に変化した面形状を有することを特徴とする無線中継装置。
【請求項５】
端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備えた無線中継装置であって、
前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部からの制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、
前記浮揚体は、太陽光発電パネルが設けられた翼と、回転駆動源によって回転駆動可能なプロペラとを備え、
前記翼の前記太陽光発電パネルが設けられた面が太陽の方向に向くように前記浮揚体を傾けて所定の巡回飛行経路を飛行するように制御する飛行制御手段を更に備えることを特徴とする無線中継装置。
【請求項６】
請求項５の無線中継装置において、
前記無線中継局は、前記端末装置と無線通信するためのビームを地面又は海面に向けて形成し、
前記浮揚体の傾きに基づいて前記ビームの方向及び発散角の少なくとも一つを調整するビーム調整手段を更に備えることを特徴とする無線中継装置。
【請求項７】
端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備えた無線中継装置であって、
前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部からの制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、
前記浮揚体は、太陽光発電パネルが設けられた翼と、回転駆動源によって回転駆動可能なプロペラと、バッテリーとを備え、
前記回転駆動源に電力を供給していないときに、前記プロペラから伝達された回転によって発電して前記バッテリーを充電する回生エネルギー供給手段を更に備えることを特徴とする無線中継装置。
【請求項８】
端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備えた無線中継装置であって、
前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部からの制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、
前記浮揚体は、太陽光発電パネルが設けられた翼と、回転駆動源によって回転駆動可能なプロペラと、バッテリーと、発電用風車と、前記発電用風車から伝達された回転によって発電して前記バッテリーに充電する発電機と、を備えることを特徴とする無線中継装置。
【請求項９】
請求項７又は８の無線中継装置において、
前記太陽光発電パネルが太陽光を受光している時間帯に、前記太陽光発電パネルで発電した電力を前記回転駆動源と前記バッテリーとに供給して前記無線中継装置を上昇させ、
前記太陽光発電パネルが太陽光を受光していない時間帯に、前記無線中継装置の自重による下降時に前記プロペラ若しくは前記発電用風車の回転又は気流による前記プロペラ若しくは前記発電用風車の回転が伝達された前記回転駆動源又は前記発電機によって発電された電力を前記バッテリーに供給することを特徴とする無線中継装置。
【請求項１０】
端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備えた無線中継装置であって、
前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部からの制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、
前記浮揚体は、太陽光発電パネルが設けられた翼と、回転駆動源によって回転駆動可能なプロペラと、バッテリーとを備え、
当該無線中継局の発熱部の発熱で生じた温度差によって発電し、発電した電力を前記バッテリーに供給する温度差発電手段を更に備えたことを特徴とする無線中継装置。
【請求項１１】
請求項１０の無線中継装置において、
前記発熱部は、前記無線中継局、前記太陽光発電パネル、前記バッテリーの充電を調整する充電調整部、前記回転駆動源、又は、前記無線中継局若しくは前記回転駆動源に供給する電力を調整する電力供給調整部であることを特徴とする無線中継装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかの無線中継装置において、
前記セル形成目標空域の高度は１０［ｋｍ］以下であることを特徴とする無線中継装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかの無線中継装置において、
高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏に位置することを特徴とする無線中継装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれかの無線中継装置において、
前記無線中継局は、移動体通信網の基地局又はリピータであることを特徴とする無線中継装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれかの無線中継装置と、前記無線中継装置を遠隔的に制御する遠隔制御装置とを備えた通信システム。
【請求項１６】
端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備えた無線中継装置と、前記無線中継装置を遠隔的に制御する遠隔制御装置とを備えた通信システムであって、
前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部からの制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、
前記浮揚体は、太陽光発電パネルが設けられた翼と、回転駆動源によって回転駆動可能なプロペラと、バッテリーとを備え、
前記無線中継装置は、
前記翼の前記太陽光発電パネルが設けられた面が太陽の方向に向くように前記浮揚体を傾けて所定の巡回飛行経路を飛行するように制御する飛行制御手段と、
前記回転駆動源に電力を供給していないときに、前記プロペラから伝達された回転によって発電して前記バッテリーを充電する回生エネルギー供給手段と、
当該無線中継装置の発熱部の発熱で生じた温度差によって発電し、発電した電力を前記バッテリーに供給する温度差発電手段と、を更に備え、
前記遠隔制御装置は、前記太陽光発電パネルで受光する光量、前記無線中継装置の高度、前記温度差、前記無線中継装置の周辺の気流、前記バッテリーの残量及び前記無線中継装置の消費電力量の少なくとも一つに基づいて、前記太陽光発電パネルと前記飛行制御手段と前記回生エネルギー供給手段と前記温度差発電手段とを遠隔的に制御することを特徴とする通信システム。
【請求項１７】
請求項１６の通信システムにおいて、
前記浮揚体は、発電用風車と、前記発電用風車から伝達された回転によって発電して前記バッテリーを充電する発電機と、を更に備えることを特徴とする通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第５世代通信等の３次元化ネットワークにおける無線中継装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、移動通信システムの通信規格である３ＧＰＰのＬＴＥ（Ｌｏｎｇ  Ｔｅｒｍ  Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）−Ａｄｖａｎｃｅｄ（非特許文献１参照）を発展させたＬＴＥ−ＡｄｖａｎｃｅｄＰｒｏと呼ばれる通信規格が知られている（非特許文献２参照）。このＬＴＥ−ＡｄｖａｎｃｅｄＰｒｏでは、近年のＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）向けデバイスへの通信を提供するための仕様が策定された。更に、ＩｏＴ向けデバイス等の多数の端末装置（「ＵＥ（ユーザ装置）」、「移動局」、「通信端末」ともいう。）への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代の移動通信が検討されている（例えば、非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】３ＧＰＰ  ＴＳ  ３６．３００  Ｖ１０．１２．０（２０１４−１２）．
【非特許文献２】３ＧＰＰ  ＴＳ  ３６．３００  Ｖ１３．５．０（２０１６−０９）．
【非特許文献３】Ｇ．  Ｒｏｍａｎｏ，「３ＧＰＰ  ＲＡＮ  ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｏｎ  “５Ｇ”」，３ＧＰＰ，２０１６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記第５世代移動通信等においてＩｏＴ向けデバイスを含む端末装置との間の無線通信の伝搬遅延が低く、広範囲の多数の端末と同時接続でき、高速通信可能で、単位面積あたりのシステム容量の大きい３次元化したネットワークをエリアにかかわらず長期間にわたって安定的に実現したいという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様に係る無線中継装置は、端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備えた無線中継装置であって、前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部からの制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、前記浮揚体は、太陽光発電パネルが設けられた翼と、回転駆動源によって回転駆動可能なプロペラとを備え、前記翼は、浮力を主に生じさせる主翼部と、前記主翼部での太陽光発電を補助するように前記主翼部とは別に太陽光発電パネルが設けられた補助翼部とを有する。
【０００６】
本発明の他の態様に係る無線中継装置は、端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備えた無線中継装置であって、前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部からの制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、前記浮揚体は、太陽光発電パネルが設けられた翼と、回転駆動源によって回転駆動可能なプロペラとを備え、前記太陽光発電パネルの受光面は、面に垂直な方向が互いに異なる複数の受光面部分を有する。
前記無線中継装置において、前記太陽光発電パネルの受光面は、面に垂直な方向が互いに異なる複数の平面状の受光面部分が連続的に繰り返し配置するように形成されていてもよいし、波状に連続的に変化した面形状を有してもよい。
【０００７】
本発明の更に他の態様に係る無線中継装置は、端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備えた無線中継装置であって、前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部からの制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、前記浮揚体は、太陽光発電パネルが設けられた翼と、回転駆動源によって回転駆動可能なプロペラとを備え、前記翼の前記太陽光発電パネルが設けられた面が太陽の方向に向くように傾けて所定の巡回飛行経路を飛行するように制御する飛行制御手段を更に備える。
前記無線中継装置において、前記無線中継局は、前記端末装置と無線通信するためのビームを地面又は海面に向けて形成し、前記浮揚体の傾きに基づいて前記ビームの方向及び発散角の少なくとも一つを調整するビーム調整手段を更に備えてもよい。
【０００８】
本発明の更に他の態様に係る無線中継装置は、端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備えた無線中継装置であって、前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部からの制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、前記浮揚体は、太陽光発電パネルが設けられた翼と、回転駆動源によって回転駆動可能なプロペラと、バッテリーとを備え、前記回転駆動源に電力を供給していないときに、前記プロペラから伝達された回転によって発電して前記バッテリーを充電する回生エネルギー供給手段を更に備える。
また、本発明の更に他の態様に係る無線中継装置は、端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備えた無線中継装置であって、前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部からの制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、前記浮揚体は、太陽光発電パネルが設けられた翼と、回転駆動源によって回転駆動可能なプロペラと、バッテリーと、発電用風車と、前記発電用風車から伝達された回転によって発電して前記バッテリーを充電する発電機と、を備える。
前記無線中継装置において、前記太陽光発電パネルが太陽光を受光している時間帯に、前記太陽光発電パネルで発電した電力を前記回転駆動源と前記バッテリーとに供給して前記無線中継装置を上昇させ、前記太陽光発電パネルが太陽光を受光していない時間帯に、前記無線中継装置の自重による下降時に前記プロペラ若しくは前記発電用風車の回転又は気流による前記プロペラ若しくは前記発電用風車の回転が伝達された前記回転駆動源又は前記発電機によって発電された電力を前記バッテリーに供給してもよい。
【０００９】
本発明の更に他の態様に係る無線中継装置は、端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備えた無線中継装置であって、前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部からの制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、前記浮揚体は、太陽光発電パネルが設けられた翼と、回転駆動源によって回転駆動可能なプロペラと、バッテリーとを備え、当該無線中継装置の発熱部の発熱で生じた温度差によって発電し、発電した電力を前記バッテリーに供給する温度差発電手段を更に備える。
前記無線中継装置において、前記発熱部は、前記無線中継局、前記太陽光発電パネル、前記バッテリーの充電を調整する充電調整部、前記回転駆動源、又は、前記無線中継局若しくは前記回転駆動源に供給する電力を調整する電力供給調整部であってもよい。
【００１０】
本発明の更に他の態様に係る通信システムは、前記いずれかの無線中継装置と、前記無線中継装置を遠隔的に制御する遠隔制御装置とを備える。
【００１１】
また、本発明の更に他の態様に係る通信システムは、端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備えた無線中継装置と、前記無線中継装置を遠隔的に制御する遠隔制御装置とを備える。前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部からの制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、前記浮揚体は、太陽光発電パネルが設けられた翼と、回転駆動源によって回転駆動可能なプロペラと、バッテリーとを備える。前記無線中継装置は、前記翼の前記太陽光発電パネルが設けられた面が太陽の方向に向くように傾けて所定の巡回飛行経路を飛行するように制御する飛行制御手段と、前記回転駆動源に電力を供給していないときに、前記プロペラから伝達された回転によって発電して前記バッテリーを充電する回生エネルギー供給手段と、当該無線中継装置の発熱部の発熱で生じた温度差によって発電し、発電した電力を前記バッテリーに供給する温度差発電手段と、を更に備える。前記遠隔制御装置は、前記太陽光発電パネルで受光する光量、前記無線中継装置の高度、前記温度差、前記無線中継装置の周辺の気流、前記バッテリーの残量及び前記無線中継装置の消費電力量の少なくとも一つに基づいて、前記太陽光発電パネルと前記飛行制御手段と前記回生エネルギー供給手段と前記温度差発電手段とを遠隔的に制御する。
前記通信システムにおいて、前記浮揚体は、発電用風車と、前記発電用風車から伝達された回転によって発電する発電機と、前記発電機で発電された電力を前記バッテリーに供給して充電するエネルギー供給手段と、を更に備えてもよい。
【００１２】
前記無線中継装置及び前記通信システムにおいて、前記セル形成目標空域の高度は１０［ｋｍ］以下であってもよい。また、前記無線中継装置は、高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏に位置してもよいし、前記無線中継局は移動体通信網の基地局又はリピータであってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、無線通信の伝搬遅延が低い第５世代移動通信等の３次元化ネットワークを長期間にわたって安定的に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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】実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳの一例を示す斜視図。
【図３】実施形態の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】実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の一構成例を示すブロック図。
【図５】実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の他の構成例を示すブロック図。
【図６】実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の更に他の構成例を示すブロック図。
【図７】実施形態のＨＡＰＳに対する遠隔エネルギービーム給電の様子の一例を示す説明図。
【図８】実施形態のＨＡＰＳの遠隔エネルギービーム受電部の一構成例を示すブロック図。
【図９】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ実施形態のソーラープレーンタイプのＨＡＰＳの更に他の構成例を示す上面図。
【図１０】（ａ）は実施形態のソーラープレーンタイプのＨＡＰＳの更に他の構成例における主翼部を示す部分斜視図。（ｂ）は太陽の南中高度が低い場合の同ＨＡＰＳの主翼部の部分断面図。（ｃ）は太陽の南中高度が高い場合の同ＨＡＰＳの主翼部の部分断面図。
【図１１】（ａ）は実施形態のソーラープレーンタイプのＨＡＰＳの巡回飛行ルートの一例を示す説明図。（ｂ）は図１１（ａ）の巡回飛行ルート中のＦ１地点におけるＨＡＰＳのバンクの様子を示す説明図。
【図１２】（ａ）は実施形態のソーラープレーンタイプのＨＡＰＳの巡回飛行ルートの他の例を示す説明図。（ｂ）は図１２（ａ）中のＦ２地点におけるＨＡＰＳのバンクの様子を示す説明図。
【図１３】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ実施形態のＨＡＰＳのバンクしていないとき及びバンクしているときのＨＡＰＳの中心軸とビームとの関係の一例を示す説明図。
【図１４】実施形態のＨＡＰＳで形成するマルチビームの一例を示す説明図。
【図１５】（ａ）は実施形態のソーラープレーンタイプのＨＡＰＳの日中における上昇飛行の一例を示す説明図。（ｂ）は同ＨＡＰＳの夜間における下降飛行の一例を示す説明図。
【図１６】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ実施形態の発電用風車を備えたＨＡＰＳの更に他の構成例を示す上面図。
【図１７】実施形態のＨＡＰＳにおける温度差発電（排熱発電）系の構成例を示す説明図。
【図１８】複数種類の発電方法による給電に対応可能なＨＡＰＳにおける給電制御系の一構成例を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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の全体構成の一例を示す概略構成図である。本実施形態に係る通信システムは、多数の端末装置（「移動局」、「移動機」又は「ユーザ装置（ＵＥ）」ともいう。）への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。
【００１６】
図１に示すように、通信システムは、複数の無線中継装置としての高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）１０，２０を備え、所定高度のセル形成目標空域４０に、図中ハッチング領域で示すような３次元セル（３次元エリア）４１，４２を形成する。ＨＡＰＳ１０，２０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］以下の高高度の浮揚空域（以下、単に「空域」ともいう。）５０に浮遊して位置するように制御される浮揚体（例えば、ソーラープレーン、飛行船）に無線中継局が搭載されたものである。
【００１７】
ＨＡＰＳ１０，２０の位置する空域５０は、例えば、高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏の空域である。ＨＡＰＳ１０，２０の位置する空域５０は、気象条件が比較的安定している高度が１５［ｋｍ］以上及び２５［ｋｍ］以下の範囲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。図中のＨｒｓｌ及びＨｒｓｕはそれぞれ、地面（ＧＬ）を基準にしたＨＡＰＳ１０，２０の位置する空域５０の下端及び上端の相対的な高度を示している。
【００１８】
セル形成目標空域４０は、本実施形態の通信システムにおける一又は複数の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４０は、ＨＡＰＳ１０，２０が位置する空域５０と従来のマクロセル基地局等の基地局９０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。図中のＨｃｌ及びＨｃｕはそれぞれ、地面（ＧＬ）を基準にしたセル形成目標空域４０の下端及び上端の相対的な高度を示している。
【００１９】
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４０は、海、川又は湖の上空であってもよい。
【００２０】
ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局はそれぞれ、移動局である端末装置と無線通信するためのビーム１００，２００を地面に向けて形成する。端末装置は、遠隔操縦可能な小型のヘリコプターであるドローン６０に組み込まれた通信端末モジュールでもよいし、飛行機６５の中でユーザが使用するユーザ端末装置であってもよい。セル形成目標空域４０においてビーム１００，２００が通過する領域が３次元セル４１，４２である。セル形成目標空域４０において互いに隣り合う複数のビーム１００，２００は部分的に重なってもよい。
【００２１】
ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局はそれぞれ、地上又は海上に設置された中継局であるフィーダ局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。
【００２２】
ＨＡＰＳ１０，２０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）や無線中継局での処理を自律制御してもよい。例えば、ＨＡＰＳ１０，２０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）や無線中継局での処理を自律制御してもよい。
【００２３】
また、ＨＡＰＳ１０，２０それぞれの浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理は、移動通信網８０の通信センター等に設けられた通信オペレータの遠隔制御装置８５によって制御できるようにしてもよい。この場合、ＨＡＰＳ１０，２０は、遠隔制御装置８５からの制御情報を受信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、遠隔制御装置８５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。また、ＨＡＰＳ１０，２０はそれぞれ、自身又は周辺のＨＡＰＳの浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理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情報を、遠隔制御装置８５等の所定の送信先に送信するようにしてもよい。
【００２４】
セル形成目標空域４０では、ＨＡＰＳ１０，２０のビーム１００，２００が通過していない領域（３次元セル４１，４２が形成されない領域）が発生するおそれがある。この領域を補完するため、図１の構成例のように、地上側又は海上側から上方に向かって放射状のビーム３００を形成して３次元セル４３を形成してＡＴＧ（Ａｉｒ  Ｔｏ  Ｇｒｏｕｎｄ）接続を行う基地局（以下「ＡＴＧ局」という。）３０を備えてもよい。
【００２５】
また、ＡＴＧ局を用いずに、ＨＡＰＳ１０，２０の位置やビーム１００，２００の発散角（ビーム幅）等を調整することにより、ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局が、セル形成目標空域４０に３次元セルがくまなく形成されるように、セル形成目標空域４０の上端面の全体をカバーするビーム１００，２００を形成してもよい。
【００２６】
なお、上記ＨＡＰＳ１０，２０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。
【００２７】
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である。上面に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無線中継局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、無線中継局１１０による無線中継処理が実行される。
【００２８】
ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０は、例えば旋回飛行を行ったり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。
【００２９】
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２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、無線中継局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、無線中継局２１０による無線中継処理が実行される。
【００３０】
なお、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。
【００３１】
図４は、実施形態のＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０の一構成例を示すブロック図である。図４の無線中継局１１０，２１０はリピータータイプの無線中継局の例である。無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、３Ｄセル（３次元セル）形成アンテナ部１１１と送受信部１１２とフィード用アンテナ部１１３と送受信部１１４とリピーター部１１５と監視制御部１１６と電源部１１７とを備える。
【００３２】
３Ｄセル形成アンテナ部１１１は、セル形成目標空域４０に向けて放射状のビーム１００，２００を形成するアンテナを有し、端末装置と通信可能な３次元セル４１，４２を形成する。送受信部１１２は、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、３Ｄセル形成アンテナ部１１１を介して、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置に無線信号を送信したり端末装置から無線信号を受信したりする。
【００３３】
フィード用アンテナ部１１３は、地上又は海上のフィーダ局７０と無線通信するための指向性アンテナを有する。送受信部１１４は、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、３Ｄセル形成アンテナ部１１１を介して、フィーダ局７０に無線信号を送信したりフィーダ局７０から無線信号を受信したりする。
【００３４】
リピーター部１１５は、端末装置との間で送受信される送受信部１１２の信号と、フィーダ局７０との間で送受信される送受信部１１４の信号とを中継する。リピーター部１１５は、周波数変換機能を有してもよい。
【００３５】
監視制御部１１６は、例えばＣＰＵ及びメモリ等で構成され、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、ＨＡＰＳ１０，２０内の各部の動作処理状況を監視したり各部を制御したりする。電源部１１７は、バッテリー１０６，２０４から出力された電力をＨＡＰＳ１０，２０内の各部に供給する。電源部１１７は、太陽光発電パネル等で発電した電力や外部から給電された電力をバッテリー１０６，２０４に蓄電させる機能を有してもよい。
【００３６】
図５は、実施形態のＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０の他の構成例を示すブロック図である。図５の無線中継局１１０，２１０は基地局タイプの無線中継局の例である。なお、図５において、図４と同様な構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図５の無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、モデム部１１８を更に備え、リピーター部１１５の代わりに基地局処理部１１９を備える。
【００３７】
モデム部１１８は、例えば、フィーダ局７０からフィード用アンテナ部１１３及び送受信部１１４を介して受信した受信信号に対して復調処理及び復号処理を実行し、基地局処理部１１９側に出力するデータ信号を生成する。また、モデム部１１８は、基地局処理部１１９側から受けたデータ信号に対して符号化処理及び変調処理を実行し、フィード用アンテナ部１１３及び送受信部１１４を介してフィーダ局７０に送信する送信信号を生成する。
【００３８】
基地局処理部１１９は、例えば、ＬＴＥ／ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄの標準規格に準拠した方式に基づいてベースバンド処理を行うｅ−ＮｏｄｅＢとしての機能を有する。基地局処理部１１９は、第５世代等の将来の移動通信の標準規格に準拠する方式で処理するものであってもよい。
【００３９】
基地局処理部１１９は、例えば、ＬＴＥ／ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄの標準規格に準拠した方式に基づいてベースバンド処理を行うｅ−ＮｏｄｅＢとしての機能を有する。基地局処理部１１９は、第５世代等の将来の移動通信の標準規格に準拠する方式で処理するものであってもよい。基地局処理部１１９は、例えば、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置から３Ｄセル形成アンテナ部１１１及び送受信部１１２を介して受信した受信信号に対して復調処理及び復号処理を実行し、モデム部１１８側に出力するデータ信号を生成する。また、基地局処理部１１９は、モデム部１１８側から受けたデータ信号に対して符号化処理及び変調処理を実行し、３Ｄセル形成アンテナ部１１１及び送受信部１１２を介して３次元セル４１，４２の端末装置に送信する送信信号を生成する。
【００４０】
図６は、実施形態のＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０の更に他の構成例を示すブロック図である。図６の無線中継局１１０，２１０はエッジコンピューティング機能を有する高機能の基地局タイプの無線中継局の例である。なお、図６において、図４及び図５と同様な構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図６の無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、図５の構成要素に加えてエッジコンピューティング部１２０を更に備える。
【００４１】
エッジコンピューティング部１２０は、例えば小型のコンピュータで構成され、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０における無線中継などに関する各種の情報処理を実行することができる。
【００４２】
例えば、エッジコンピューティング部１２０は、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置から受信したデータ信号に基づいて、そのデータ信号の送信先を判定し、その判定結果に基づいて通信の中継先を切り換える処理を実行する。より具体的には、基地局処理部１１９から出力されたデータ信号の送信先が自身の３次元セル４１，４２に在圏する端末装置の場合は、そのデータ信号をモデム部１１８に渡さずに、基地局処理部１１９に戻して自身の３次元セル４１，４２に在圏する送信先の端末装置に送信するようにする。一方、基地局処理部１１９から出力されたデータ信号の送信先が自身の３次元セル４１，４２以外の他のセルに在圏する端末装置の場合は、そのデータ信号をモデム部１１８に渡してフィーダ局７０に送信し、移動通信網８０を介して送信先の他のセルに在圏する送信先の端末装置に送信するようにする。
【００４３】
エッジコンピューティング部１２０は、３次元セル４１，４２に在圏する多数の端末装置から受信した情報を分析する処理を実行してもよい。この分析結果は３次元セル４１，４２に在圏する多数の端末装置に送信したり移動通信網８０のサーバなどに送信したりしてもよい。
【００４４】
無線中継局１１０、２１０を介した端末装置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、無線中継局１１０、２１０を介した端末装置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、上記無線通信には、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、上記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通信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。
【００４５】
図７は、高緯度対応可能なＨＡＰＳ（ソーラープレーンタイプ）１１に対する遠隔エネルギービーム給電の様子の一例を示す説明図である。図７中のＨＡＰＳ１０において、図２と共通する構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図７において、高緯度対応ＨＡＰＳ１１は、主翼部１０１の長手方向の両端部側それぞれに受電用ポッド１０８を備えている。受電用ポッド１０８の内部には、遠隔エネルギービーム受電部としてのマイクロ波受電部１３０とバッテリー１０６とが収容されている。マイクロ波受電部１３０は、地上又は海上の給電装置としてのマイクロ波給電局７５又は空中の給電装置としての給電用飛行船２５から送信された高出力の給電用マイクロ波ビーム７５０又は２５０を受けて電力に変換して出力する。マイクロ波受電部１３０から出力された電力は、バッテリー１０６に蓄電される。
【００４６】
給電用飛行船２５は、例えば、気流にまかせてドリフトし、静止中のＨＡＰＳに順次、給電用マイクロ波ビームを送信して給電する。
【００４７】
図８は、高緯度対応可能なＨＡＰＳ１１のマイクロ波受電部１３０の一構成例を示すブロック図である。図８において、マイクロ波受電部１３０は、レクテナ部１３１とレクテナ制御部１３２と出力装置１３３とパイロット信号送信アンテナ部１３４とビーム方向制御部１３５とを備える。レクテナ部１３１は、地上又は海上のマイクロ波給電局７５又は給電用飛行船２５から送信された高出力の給電用マイクロ波ビーム７５０又は２５０を受けて整流する。レクテナ制御部１３２は、レクテナ部１３１による給電用マイクロ波ビームの受電処理及び整流処理を制御する。出力装置１３３は、レクテナ部１３１から出力される整流後の電力をバッテリー１０６に出力する。パイロット信号送信アンテナ部１３４は、給電用マイクロ波ビーム７５０又は２５０の受電に先立って、給電用マイクロ波ビームを案内するレーザビーム等からなるパイロット信号のビームを、マイクロ波給電局７５又は給電用飛行船２５に向けて送信する。ビーム方向制御部１３５は、パイロット信号のビームの方向を制御する。
【００４８】
なお、図７及び図８の遠隔エネルギービーム給電では、エネルギービームとしてマイクロ波ビームを用いた場合について説明したが、レーザビームなどの他のエネルギービームを用いてもよい。
【００４９】
次に、高緯度の地域での使用に適するように太陽光発電機能を高めることができるソーラープレーンタイプのＨＡＰＳについて説明する。
【００５０】
図９（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、実施形態に係るソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１２の更に他の構成例を示す上面図である。なお、図９（ａ）及び（ｂ）のＨＡＰＳ１２において、図２と共通する構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図９（ａ）及び（ｂ）のＨＡＰＳ１２は、そのＨＡＰＳ１２の飛行により浮力を主に生じさせる主翼部１０１とは別に、ソーラーパネル１０２が設けられた補助翼部１０９を備える。補助翼部１０９は、図９（ａ）のように主翼部１０１に接するように設けてもよいし、図９（ｂ）のように主翼部１０１から話して設けてもよい。この補助翼部１０９のソーラーパネル１０２により、主翼部１０１での太陽光発電を補助し、ＨＡＰＳ１２の太陽光発電機能を高めることができるため、高緯度の地域での使用に適する。
【００５１】
なお、補助翼部１０９は、主翼部１０１と一体的に形成される翼全体の飛行時の空気抵抗を低下させる形状であってもよい。また、補助翼部１０９は折り畳み可能に構成してもよく、地上から所定の浮揚空域の高度まで上昇するときには補助翼部１０９を折り畳むことにより上昇時間を短くしてもよい。その後、所定の浮揚空域の高度まで上昇したときに、折り畳んでいた補助翼部１０９を展開することにより、補助翼部１０９のソーラーパネル１０２による発電を開始することができる。
【００５２】
図１０（ａ）は実施形態のソーラープレーンタイプのＨＡＰＳの更に他の構成例における主翼部１０１を示す部分斜視図であり、図１０（ｂ）及び（ｃ）は同ＨＡＰＳの主翼部１０１の部分断面図である。なお、図１０（ａ）〜（ｃ）において、図２と共通する構成要素については説明を省略する。図中のＡ方向は主翼部１０１の長手方向である。
【００５３】
図１０（ａ）〜（ｃ）のＨＡＰＳのソーラーパネル１０２は、主翼部１０１の上面部に形成されたパネル収容部１０１ａ内に設けられている。パネル収容部１０１ａの上面には、光を透過しつつソーラーパネル１０２を保護する透明板１０１ｂが設けられている。ソーラーパネル１０２の受光面は、面に垂直な方向が互いに異なる複数の平面状の受光面部分１０２ａ，１０２ｂがＡ方向に連続的に繰り返し配置するよう、断面が蛇腹形状（鋸歯形状）に形成されている。なお、ソーラーパネル１０２の受光面は、波状に連続的に変化した面形状を有してもよい。
【００５４】
また、図示の例では、ソーラーパネル１０２は、太陽９００の南中高度α［°］に応じて主翼部１０１の長手方向（Ａ方向）に伸縮制御可能に構成されている。例えば、図１０（ｂ）に示すように南中高度α［°］が小さく、主翼部１０１の上面に対して比較的低い角度から太陽光９０１が入射する場合は、ソーラーパネル１０２を矢印Ａの長手方向に縮めるように制御する。これにより、受光面部分１０２ａに対する太陽光９０１の入射角（受光面部分１０２ａに垂直な方向と太陽光９０１の入射方向とがなす角度）を小さくし、ソーラーパネル１０２の単位面積当たりの受光量の低下を抑制することができる。
【００５５】
一方、図１０（ｃ）に示すように南中高度α［°］が大きく、主翼部１０１の上面に対して比較的高い角度から太陽光９０１が入射する場合は、ソーラーパネル１０２を矢印Ａの長手方向に伸ばすように制御する。これにより、受光面部分１０２ａに対する太陽光９０１の入射角を小さくし、ソーラーパネル１０２の単位面積当たりの受光量の低下を抑制することができる。このようにソーラーパネル１０２を伸縮制御することにより、主翼部１０１の上面に対する太陽９００の南中高度が変化する場合でもソーラーパネル１０２の単位面積当たりの受光量の低下を抑制することができる。
【００５６】
なお、本実施形態のソーラープレーンタイプのＨＡＰＳでは、主翼部１０１の両端部が上方に反っている。そのため、ソーラーパネル１０２の単位面積当たりの受光量の低下をより確実に抑制するように、ソーラーパネル１０２の矢印Ａの長手方向における伸縮の程度を、主翼部１０１の長手方向における中心からの距離に応じて変化させてもよい。より具体的には、例えば、主翼部１０１の長手方向における中心からの距離によらずに受光面部分１０２ａに対する太陽光９０１の入射角が一定になるように、ソーラーパネル１０２の矢印Ａの長手方向における伸縮の程度を変化させてもよい。
【００５７】
図１１（ａ）は実施形態のソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０の巡回飛行ルート９１０の一例を示す説明図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の巡回飛行ルート９１０中のＦ１地点におけるＨＡＰＳ１０のバンク（傾き）の様子を示す説明図である。なお、図１１においてはＨＡＰＳ１０の巡回飛行ルートについて示しているが、前述の他のＨＡＰＳ１１，１２についても同様な巡回飛行ルートで飛行してもよい。
【００５８】
図１１（ａ）において、ＨＡＰＳ１０は、円形状の巡回飛行ルート９１０ではなく、主翼部１０１の上面のソーラーパネル１０２に対する太陽光９０１の入射角が小さくなる飛行経路ができるだけ長くなるように設定した変形長円形状の巡回飛行ルート９１１を飛行している。例えば、図１１（ａ）の巡回飛行ルート９１０中のＦ１地点では、ＨＡＰＳ１０は、図１１（ｂ）に示すようにバンクした状態で飛行することにより、主翼部１０１の上面のソーラーパネル１０２が太陽９００の方向を向くようにしている。
【００５９】
図１２（ａ）は実施形態のソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０の巡回飛行ルート９１０の他の例を示す説明図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の巡回飛行ルート９１０中のＦ２地点におけるＨＡＰＳ１０のバンク（傾き）の様子を示す説明図である。なお、図１２においてもＨＡＰＳ１０の巡回飛行ルートについて示しているが、前述の他のＨＡＰＳ１１，１２についても同様な巡回飛行ルートで飛行してもよい。
【００６０】
図１２（ａ）において、ＨＡＰＳ１０は、通常の８の字形状の巡回飛行ルート９１５ではなく、主翼部１０１の上面のソーラーパネル１０２に対する太陽光９０１の入射角が小さくなる飛行経路ができるだけ長くなるように設定した変形８の字形状の巡回飛行ルート９１６を飛行している。例えば、図１２（ａ）の巡回飛行ルート９１６中のＦ２地点では、ＨＡＰＳ１０は、図１２（ｂ）に示すようにバンクした状態で飛行することにより、主翼部１０１の上面のソーラーパネル１０２が太陽９００の方向を向くようにしている。
【００６１】
なお、ＨＡＰＳ１０が図１１及び図１２の巡回飛行ルート９１１，９１６を飛行する場合、ＨＡＰＳ１０は、前述のセル形成目標空域４０（図１参照）の上端面のほぼ同じエリアにほぼ同じサイズの３次元セルのスポットが位置するように、ＨＡＰＳ１０のバンク（傾き）に基づいてビームの方向及び発散角（ビーム幅）を調整してもよい。
【００６２】
例えば、図１３（ａ）に示すようにＨＡＰＳ１０が水平方向Ｈに対して傾いていないときは、ＨＡＰＳ１０は中心軸Ｃに沿った方向にビーム１００を形成し、図１３（ｂ）に示すようにＨＡＰＳ１０が水平方向Ｈに対して角度θだけ傾いているときは、ＨＡＰＳ１０は中心軸Ｃから上記角度θと同じ角度θ’だけ傾いた方向にビーム１００の方向を調整する。
【００６３】
また、ＨＡＰＳ１０が図１１及び図１２の巡回飛行ルート９１１，９１６を飛行するときに高度が変化する場合は、その高度の変化に基づいて、前述のセル形成目標空域４０（図１参照）の上端面の３次元セルのスポットサイズが所定サイズに維持されるようにビーム１００の発散角（ビーム幅）を調整してもよい。
【００６４】
なお、ＨＡＰＳ１０がセル形成目標空域４０に向けて形成するビームは、図１３に示すようなシングルビーム１００でもよいし、前述のセル形成目標空域４０（図１参照）の上端面の所定の位置に、３次元セルを構成する複数スポットを形成する図１４に示すようなマルチビーム１００ａ〜１００ｇであってもよい。
【００６５】
また、本実施形態のＨＡＰＳ１０〜１２は、プロペラ１０３の回転駆動源であるモータに電力を供給していないときに、気流等によって回転するプロペラ１０３から伝達された回転によって発電してバッテリー１０６を充電する回生エネルギー供給手段を備えてもよい。この回生エネルギー供給手段は、例えばプロペラ１０３を駆動するモータを兼用することができる。
【００６６】
図１５（ａ）は実施形態のソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０の日中における上昇飛行の一例を示す説明図であり、図１５（ｂ）はＨＡＰＳ１０の夜間における下降飛行の一例を示す説明図である。なお、図１５においてはＨＡＰＳ１０の上昇飛行及び下降飛行について示しているが、前述の他のＨＡＰＳ１１，１２についても同様な上昇飛行及び下降飛行を行ってもよい。
【００６７】
図１５（ａ）に示すように、ＨＡＰＳ１０のソーラーパネル１０２が太陽光を受光している日中の時間帯には、ソーラーパネル１０２で発電した電力をプロペラ１０３のモータとバッテリー１０６とに供給してＨＡＰＳ１０を螺旋状に上昇させる。一方、図１５（ｂ）に示すように、ＨＡＰＳ１０のソーラーパネル１０２が太陽光を受光していない時間帯には、ＨＡＰＳ１０で位置エネルギーを利用したグライダーモードで螺旋状に下降する。このＨＡＰＳ１０の自重による螺旋状の下降時にプロペラ１０３の回転又は周囲を流れる気流によるプロペラ１０３の回転が伝達されたモータによって発電された電力がバッテリー１０６に供給され、バッテリー１０６が充電される。このように夜間にプロペラのモータからの回生エネルギーによってバッテリー１０６を充電することができるため、バッテリー１０６の容量を減らしたり、バッテリー１０６の搭載量を減らしたりすることができる。
【００６８】
また、本実施形態のＨＡＰＳは、上記モータへの無給電時におけるプロペラ１０３の回転を利用した回生エネルギーによるバッテリー１０６の充電に加えて、又は、その回生エネルギーによるバッテリー１０６の充電に代えて、駆動用のプロペラ１０３とは別に設けた発電用風車で発電した電力（電気エネルギー）でバッテリー１０６を充電するように構成してもよい。
【００６９】
図１６（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ実施形態の発電用風車１２５を備えたＨＡＰＳ１３の更に他の構成例を示す上面図である。なお、図１６（ａ）及び（ｂ）のＨＡＰＳ１３において、図２及び図９と共通する構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図１６（ａ）のＨＡＰＳ１３は、主翼部１０１の上面の進行方向前部分に、発電用風車１２５と、発電用風車１２５から伝達された回転によって発電してバッテリー１０６を充電する発電機１２６とを更に備えている。また、図１６（ｂ）のＨＡＰＳ１３は、主翼部１０１の長手方向両端の側面に、発電用風車１２５と、発電用風車１２５から伝達された回転によって発電してバッテリー１０６を充電する発電機１２６とを更に備えている。
【００７０】
発電用風車１２５は、気流の方向（風向き）と回転軸とがほぼ平行になった状態で使用される水平軸風車であってもよいし、気流の方向（風向き）と回転軸とが交差した状態（ほぼ垂直になった状態）で使用される垂直軸風車であってもよい。水平軸風車は、２又は３の翼を有するプロペラ型風車、４以上の翼を有する多翼型風車、セイルウィング型風車又はオランダ型風車であってもよい。また、垂直型風車は、クロスフロー型風車、風車円筒を縦半分に切断して円周方向にずらして配置したサボニウス型風車、風車飛行機の羽根と同じ断面を持つ垂直翼形のジャイロミル型風車、風車飛行機の羽根と同じ断面を持つ翼形を弓形に曲げて垂直軸（回転軸）に取り付けたダリウス型風車、又は、ジャイロミル型とサボニウス型の両方の機能を合わせ持ち揚力と抗力を使って上下二段のブレードが双方向に回転するトルネード型風車であってもよい。
【００７１】
発電用風車１２５を用いた発電及びバッテリー１０６の充電は、プロペラ１０３の回転駆動時及び非駆動時のいずれにおいても行うことができる。例えば、図１５（ａ）のＨＡＰＳ上昇時及び図１５（ｂ）のＨＡＰＳ下降時のいずれにおいても発電用風車１２５によって発電した電力でバッテリー１０６を充電できる。特に、ＨＡＰＳのソーラーパネルが太陽光を受光していない夜間の時間帯に、発電用風車１２５によって発電した電力でバッテリー１０６を充電できるので、バッテリー１０６の容量を減らしたり、バッテリー１０６の搭載量を減らしたりすることができる。
【００７２】
また、本実施形態のＨＡＰＳ１０〜１３は、ＨＡＰＳ１０〜１３の発熱部の発熱で生じた温度差によって発電し、発電した電力をバッテリー１０６に供給する温度差発電手段を備えてもよい。
【００７３】
図１７は、実施形態のＨＡＰＳ１０における温度差発電（排熱発電）系の構成例を示す説明図である。なお、図１７では、ＨＡＰＳ１０について示しているが、前述の他のＨＡＰＳ１１，１２，１３についても同様な温度差発電（排熱発電）系を備えてもよい。
【００７４】
図１７において、充電調整装置（レギュレータ）１４５は、ソーラーパネル１０２から出力される電力、電圧又は電流を調整してバッテリー１０６へ供給するときに発熱する。また、無線中継局１１０はバッテリー１０６から電力が供給されて動作するときに発熱する。これらの発熱部である充電調整装置１４５及び無線中継局１１０の表面と、その周辺の低温部分との間に生じた温度差をゼーベック効果により電力に変換する温度差発電手段としての熱電素子（例えば、スピンゼーベック素子、ゼーベック素子（「ペルチェ素子」とも呼ばれる））１５０を、充電調整装置１４５及び無線中継局１１０それぞれの表面に設けている。熱電素子１５０は、例えば、Ｐ型半導体とＮ型半導体とを導体でサンドイッチした構造を有するものであってもよい。熱電素子１５０から出力される電力は、充電調整装置１４５を介してバッテリー１０６に供給され、バッテリー１０６の充電に用いられる。なお、前記低温部分は、ＨＡＰＳの移動中に外気で空冷されるＨＡＰＳの外気に接している部分であってもよい。
【００７５】
なお、熱電素子を設ける発熱源は、充電調整装置１４５及び無線中継局１１０の表面のほか、プロペラを回転駆動するモータ等の回転駆動源、発電用風車１２５に連結された発電機１２６、又は、無線中継局１１０若しくはモータに供給する電力を調整する電力供給調整部であってもよい。また、熱電素子１５０を設ける発熱源は、日中の太陽光を受けて高温になるソーラーパネル１０２であってもよい。また、発熱源に設ける温度差発電手段としては、熱電素子１５０のほか、スターリングエンジン発電装置などの他の温度差発電手段を用いてもよい。スターリングエンジン発電装置は、例えば、温度差によりディスプレーサ及びパワーピストンが動いて発電するディスプレーサ型の低温度差スターリングエンジン、又は、温度差により２つのピストンが所定の位相差で動いて発電する２ピストン型の低温度差スターリングエンジンを用いたものであってもよい。また、熱電素子１５０やスターリングエンジン発電装置などの温度差発電手段熱と、前記高温部及び前記低温部分の少なくとも一方との間における熱伝導経路には、ヒートパイプを用いてもよい。
【００７６】
図１８は、複数種類の発電方法（発電系）による給電に対応可能なＨＡＰＳにおける給電制御系（エネルギー・マネージメント・システム）１４０の一構成例を示すブロック図である。図１８において、ＨＡＰＳの給電制御系１４０は、バス動力系電源１４１とミッション系電源１４２と電力供給調整装置１４３と制御部１４４と充電調整装置１４５と制御用通信端末装置（例えば、移動通信モジュール）１４６とを備える。バス動力系電源１４１は、モータ１４１ａ駆動のプロペラ１０３等のバス動力系に電力を供給し、ミッション系電源１４２は無線中継局１１０等の通信設備（ミッション系）に電力を供給する。電力供給調整装置１４３は、バッテリー１０６から出力される電力について、バス動力系電源１４１及びミッション系電源１４２それぞれへ供給する電力を調整する。充電調整装置１４５は、複数種類の発電方法（発電系）であるソーラーパネル（太陽光発電パネル）１０２、熱電素子１５０、回生エネルギーを供給するモータ１４１ａそれぞれからの充電経路を切り替えたり、複数種類の発電方法（発電系）の組み合わせを変更したり、各充電経路の電力を調整したりする。なお、複数種類の発電方法（発電系）には、発電用風車１２５に連結された発電機１２６による発電を含めてもよいし、マイクロ波受電部１３０を含めてもよい。
【００７７】
制御部１４４は、バッテリー１０６からの電力の出力と、電力供給調整装置１４３による電力供給の調整と、バス動力系電源１４１及びミッション系電源１４２それぞれからの電力の出力と、充電調整装置１４５による複数種類の発電方法（発電系）の組み合わせ、切り替え及び充電電力調整と、を制御する。これらの制御部１４４による制御は、制御部１４４に予め組み込まれている制御プログラムによって自律的に行ってもよいし、地上等に設けられた通信センターにある通信オペレータの遠隔制御装置８５から送信されてくる制御情報に基づいて行ってもよい。
【００７８】
図１８の給電制御系（エネルギー・マネージメント・システム）１４０における制御は、次のように状況に応じたアルゴリズムにより効率的なエネルギーマネジメントを行うように実行する。例えば、バッテリー１０６に蓄電された電力を、制御部１４４からの指示により、電力供給調整装置１４３にて、バス動力系へ供給する電力とミッション系へ供給する電力のバランスを状況に応じて調整変更する。また、ＨＡＰＳで形成する３次元セル内にアクティブユーザ数（端末装置の数）が少ない場合は、ミッション系からバス動力系への給電量を融通して高緯度対応ＨＡＰＳの高度を上げ（前述の図１５（ａ）参照）、位置エネルギーとして蓄えるように制御してもよい。また、ミッション系が電力を必要とする場合には、バス動力系への供給量を減らし、ＨＡＰＳの飛行モードを、位置エネルギーを利用したグライダーモード（前述の図１５（ｂ）参照）に移行するように制御してもよい。
【００７９】
また、制御部１４４は、自律制御により、又は、遠隔制御装置８５からの制御情報に基づく制御により、外部環境（例えば、太陽光の光量、気流、周辺のＨＡＰＳの数、接続中の端末装置の数）、高度、バッテリー残量、無線中継局１１０等の消費電力、時間帯などに応じて、複数種類の発電方法（発電系）の組み合わせ、切り替え及び充電電力調整、折り畳み可能なソーラーパネル（例えば図１０参照）の伸縮などを制御してもよい。
【００８０】
以上、本実施形態によれば、従来の地上の基地局９０とは異なり、地面又は海面の所定高度範囲（例えば、５０［ｍ］以上１０００［ｍ］以下の高度範囲）のセル形成目標空域４０に広域の３次元セル４１，４２を形成し、その３次元セル４１，４２に在圏する複数の端末装置と移動通信網８０との通信を中継することができる。しかも、上記３次元セル４１，４２を形成するＨＡＰＳ１０，２０は、人工衛星よりも低い高度（例えば成層圏の高度）に位置するので、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置と移動通信網８０との間の無線通信における伝搬遅延が、人工衛星を介した衛星通信の場合よりも小さい。このように３次元セル４１，４２を形成できるとともに無線通信の伝搬遅延が低いので、無線通信の伝搬遅延が低い第５世代移動通信の３次元化ネットワークを実現することができる。
【００８１】
特に、本実施形態によれば、蛇腹状や波状のソーラーパネル１０２を用いたりＨＡＰＳの飛行ルート制御を行ったりすることでソーラーパネル１０２による太陽光発電機能を高めたり、ＨＡＰＳの無給電下降中の回生エネルギーでバッテリー１０６を充電したり、温度差発電（排熱発電）系を設けたりすることにより、高緯度地域や夜間においても、無線通信の伝搬遅延が低い第５世代移動通信の３次元化ネットワークを長期間にわたって安定的に実現することができる。
【００８２】
なお、本明細書で説明された処理工程並びに無線中継装置の無線中継局、フィーダ局、遠隔制御装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）及び基地局における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。
【００８３】
ハードウェア実装については、実体（例えば、無線中継局、フィーダ局、基地局装置、無線中継局装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、遠隔制御装置、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）において上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。
【００８４】
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、上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上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）、ＦＬＡＳＨ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。
【００８５】
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】
【００８６】
１０，１１，１２，１３  ＨＡＰＳ（ソーラープレーンタイプ）
２０  ＨＡＰＳ（飛行船タイプ）
２５  給電用飛行船
３０  ＡＴＧ局
４０  セル形成目標空域
４１，４２，４３  ３次元セル
５０  ＨＡＰＳが位置する空域
６０  ドローン
６５  飛行機
７０  フィーダ局
７５  マイクロ波給電局
８０  移動通信網
８５  遠隔制御装置
１００，２００，３００  ビーム
１０１  主翼部
１０２  ソーラーパネル（太陽光発電パネル）
１０３  プロペラ
１０４  連結部
１０５  ポッド
１０６  バッテリー
１０７  車輪
１０８  受電用ポッド
１０９  補助翼部
１１０，２１０  無線中継局
１１１  ３次元（３Ｄ）セル形成アンテナ部
１１２  送受信部
１１３  フィード用アンテナ部
１１４  送受信部
１１５  リピーター部
１１６  監視制御部
１１７  電源部
１１８  モデム部
１１９  基地局処理部
１２０  エッジコンピューティング部
１２５  発電用風車
１２６  発電機
１３０  遠隔エネルギービーム受電部
１３１  レクテナ部
１３２  レクテナ制御部
１３３  出力装置
１３４  パイロット信号送信アンテナ部
１３５  ビーム方向制御部
１４０  給電制御系
１４１  バス動力系電源
１４２  ミッション系電源
１４３  電力供給調整装置
１４４  制御部
１４５  充電調整装置（レギュレータ）
１４６  制御用通信端末装置
９００  太陽
９０１  太陽光
９１０  円形状の巡回飛行ルート
９１１  変形長円形状の巡回飛行ルート
９１２  ８の字形状の巡回飛行ルート
９１３  変形８の字形状の巡回飛行ルート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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