(57)【要約】【課題】情報サービス対象が高速で移動する移動体である場合においても、ビームをこの移動体に追尾させることを可能とする、衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システムを提供する。【解決手段】情報サービス対象である複数の地上局３にサービス情報を送信するためのフェーズドアレーアンテナを搭載した衛星１と、複数の地上局３からの情報を信号処理することにより、フェーズドアレーアンテナのビームを制御するための情報を算出してその結果を衛星１に対して送信する一つ以上の地上基地局２とを備え、フェーズドアレーアンテナとして光制御フェーズドアレーアンテナを用い、地上基地局２から衛星１に送信されるビームパターンに関する情報を、ビームパターンに関するイメージ画像情報とし、フェーズドアレーアンテナのビームを地上局に追尾可能にする。【選択図】図１
2007013611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報サービス対象である複数の地上局にサービス情報を送信するためのフェーズドアレーアンテナを搭載した衛星と、
前記複数の地上局からの情報を信号処理することにより、前記フェーズドアレーアンテナのビームを制御するための情報を算出してその結果を前記衛星に対して送信する一つ以上の地上基地局と
を備え、
前記フェーズドアレーアンテナとして光制御フェーズドアレーアンテナを用い、
前記地上基地局から前記衛星に送信されるビームパターンに関する情報を、ビームパターンに関するイメージ画像情報とし、
前記フェーズドアレーアンテナのビームを前記地上局に追尾可能にする
ことを特徴とする衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システム。
【請求項２】
請求項１に記載の衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システムにおいて、
前記地上局から前記地上基地局への情報は、前記地上局の位置、前記地上局に搭載したセンサにより計測した計測結果情報、または前記衛星からのサービス情報の受信Ｓ／Ｎ比の内のいずれか一つ以上である
ことを特徴とする衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システムにおいて、
前記地上基地局は、他の衛星、もしくは地上における前記地上局以外からの気象情報をもとに、所望ビームパターンを算出する機能を有する
ことを特徴とする衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、衛星に搭載したフェーズドアレーアンテナから地上のサービス対象である地上局に対してサービス情報を送信する、衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システムに関するものであり、特に、地上からの情報をもとにフェーズドアレーアンテナを制御するシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システムとして、複数の地上局で受信した受信信号からアンテナ放射パターンを測定し、そのアンテナ放射パターンに基づいて衛星に搭載したフェーズドアレーアンテナの給電分布を制御するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、衛星からサービス情報信号以外に受信感度確認のためのパイロット信号を逐次送信し、各地上局における受信Ｓ／Ｎ比が所望の値を有しているかを逐次モニタすることにより、ある地上局における受信感度が劣化した場合にビームパターンを再形成してこの地上局方向のビーム強度を向上させ、所望のＳ／Ｎ比を保持するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２４９９３４号公報
【特許文献２】特開平７−１８３８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のように、従来の衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システムでは、地上局での受信信号をもとにフェーズドアレーアンテナのビームパターンを制御していた。
【０００６】
一般的に、地上局が時間的に移動しない固定局である場合においては、ビームパターン形成の更新レートに対する要求は低いと考えられるが、地上局が例えば航空機といった移動体である場合においては、この移動体の位置情報を逐次把握して移動体を追尾するようにビームパターンを形成する必要がある。この場合には移動体を追尾できるだけのビームパターン形成の更新レートが必要と考えられる。
【０００７】
しかしながら、従来の衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システムでは、前記更新レートを向上させるための手段を有していなかったため、特に航空機等の高速で移動する移動体にサービス情報を提供するのが難しかった。
【０００８】
この発明は前記した点に鑑みてなされたもので、情報サービス対象が高速で移動する移動体である場合においても、ビームをこの移動体に追尾させることを可能とする、衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システムは、情報サービス対象である複数の地上局にサービス情報を送信するためのフェーズドアレーアンテナを搭載した衛星と、前記複数の地上局からの情報を信号処理することにより、前記フェーズドアレーアンテナのビームを制御するための情報を算出してその結果を前記衛星に対して送信する一つ以上の地上基地局とを備え、前記フェーズドアレーアンテナとして光制御フェーズドアレーアンテナを用い、前記地上基地局から前記衛星に送信されるビームパターンに関する情報を、ビームパターンに関するイメージ画像情報とし、前記フェーズドアレーアンテナのビームを前記地上局に追尾可能にすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、フェーズドアレーアンテナ方式として光制御フェーズドアレーアンテナを用い、衛星と地上基地局との間でやりとりする情報を、ビーム強度の輝度分布イメージ画像とすることで、衛星と地上基地局との間に必要な通信容量を低減することが可能となり、これに伴い、地上局が移動し、追尾して通信回線におけるＳ／Ｎ比を確保するような場合においても、追尾速度を向上させることができ、情報サービス対象が高速で移動する移動体である場合においても、ビームをこの移動体に追尾させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システムについて、図１〜図５を用いて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係る衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システムの構成を示す模式図である。
【００１２】
図１に示す衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システムは、情報サービス対象である複数の地上局３にサービス情報を送信するための光制御フェーズドアレーアンテナを搭載した衛星１と、複数の地上局３からの情報を信号処理することにより、前記光制御フェーズドアレーアンテナのビームを制御するためのビームパターン画像情報を算出してその結果を衛星１に送信する１つ以上の地上基地局２と、前記複数の地上局３と、気象衛星４と、サービス情報衛星５とを備えている。
【００１３】
図２は、前記衛星１の構成を示すブロック図である。
図２に示すように、衛星１は、フェーズドアレーアンテナを構成する複数のアレー素子１ａと、光／電気（Ｏ／Ｅ）変換部１ｂと、光信号処理部１ｃと、イメージマスク１ｄと、電気／光（Ｅ／Ｏ）変換部１ｅと、変調部１ｆと、サービス情報復調部１ｇと、サービス情報受信部１ｈと、イメージマスク制御部１ｉと、ビームパターン情報受信部１ｊと、サービス情報受信アンテナ１ｋと、ビームパターン情報受信アンテナ１ｌとを備えている。
【００１４】
また、図３は、前記地上基地局２の構成を示すブロック図である。
図３に示すように、地上基地局２は、気象衛星情報受信部２ａと、地上局情報受信部２ｂと、ビームパターン演算部２ｃと、ビームパターン情報送信部２ｄと、地上局情報受信アンテナ２ｅと、気象衛星情報受信アンテナ２ｆと、ビームパターン情報送信アンテナ２ｇとを備えている。
【００１５】
さらに、図４は、前記地上局３の構成を示す模式図である。
図４に示すように、地上局３は、サービス情報復調部３ａと、受信Ｓ／Ｎ比演算部３ｂと、自局位置情報受信部３ｃと、自局センサ情報保存部３ｄと、自局情報保存部３ｅと、衛星サービス情報受信アンテナ３ｆと、自局位置情報受信アンテナ３ｇと、自局情報送信アンテナ３ｈとを備えている。
【００１６】
図２に示す衛星１の構成において、光／電気変換部１ｂと光信号処理部１ｃとの間は光ファイバケーブルにより接続され、電気／光変換部１ｅとイメージマスク１ｄとの間、およびイメージマスク１ｄと光信号処理部１ｃとの間は、空間を光信号が伝播する構成となっている。その他の部品間の接続は、すべて電線ケーブルにより接続されている。
【００１７】
ここで、アレー素子１ａ、光／電気変換部１ｂ、光信号処理部１ｃ、イメージマスク１ｄおよび電気／光変換部１ｅを含む構成のアンテナは、例えば文献［１］（小西他著、“光ファイバアレーで励振を行う光制御アレーンテナのビーム走査特性”、電子情報通信学会論文誌、Ｂ−ＩＩ、J78-B-II, No. 3, pp. 150-159, 1995）に記載されている、いわゆる光制御フェーズドアレーアンテナである。この光制御フェーズドアレーアンテナは、所望のアンテナビームパターンを入力情報として、各アレー素子の励振振幅と位相を同時に、かつ一括して制御するものである。つまり、従来から広く知られているフェーズドアレーアンテナとは異なり、アレー素子１ａに与える振幅と位相とを逐次演算して与えるものではない。光制御フェーズドアレーアンテナでは、フェーズドアレーアンテに与える入力情報は、前記振幅と位相ではなく、フェーズドアレーアンテナから地上を電磁波により照射した際の地上付近におけるビーム強度の輝度分布イメージ画像である。この画像をもとにイメージマスク１ｄを生成し、このイメージマスク１ｄを通過した電気／光変換部１ｅからの光信号を信号処理することで、所望のビームパターンを生成する構成となっている。
【００１８】
図２に示す構成を有する衛星１は、地上基地局２からのビームパターン情報をもとに所望のビームパターンをフェーズドアレーアンテナにより形成し、さらに前記アンテナから放射される電磁波ビームに図１に示したサービス情報衛星５からのサービス情報に基づいた変調を施し、サービス対象である地上局３に対し情報サービスを行う機能を有している。このとき、サービス情報の内容としては、各地上局３近傍の気象情報、乗客向けのエンターテイメント情報、さらには電話等の音声情報と言った情報である。
【００１９】
また、図１に示す構成において、衛星１は、サービス情報をサービス情報衛星５から光通信をはじめとした衛星間通信により受信する構成となっているが、サービス情報衛星５でなくとも、図１に示した地上基地局２以外の他の地上基地局から受信する構成としてもよい。
【００２０】
また、図３に示す地上基地局２の構成において、ビームパターン演算部２ｃはビームパターン情報送信部２ｄに、ビームパターン情報送信部２ｄはビームパターン情報送信アンテナ２ｇに、各々電線ケーブルにより接続されている。
【００２１】
また、気象衛星情報受信部２ａは、気象衛星４からの雲・降雨分布等の気象情報を受信し、ビームパターンを形成するための一つの情報としてビームパターン演算部２ｃに送る機能を有している。
【００２２】
また、地上局情報受信部２ｂは、各地上局３からの情報を受信し、ビームパターンを形成するための一つの情報としてビームパターン演算部２ｃに送る機能を有している。
【００２３】
また、ビームパターン演算部２ｃは、地上局３からの地上局情報および気象衛星４からの降雨・雲分布等の気象情報に基づいて、地上局３にサービス情報を効率よく送信するのに最適なビームパターンを算出する機能を有している。
【００２４】
また、ビームパターン情報送信部２ｄは、ビームパターン演算部２ｃで算出したビームパターンを、１枚の画像情報、つまりフェーズドアレーアンテナから地上を照射した際の地上付近におけるビーム強度の輝度分布イメージ画像として衛星１に送信する機能を有している。
【００２５】
また、図４に示す地上局３の構成において、地上局３は、衛星搭載フェーズドアレーアンテナを利用して気象情報、エンターテイメント情報といったサービス情報を提供するサービス対象となるものであり、図中では具体的に航空機の場合が記載されている。この地上局３は、航空機でなくとも、船舶等の他の移動体でも良いし、移動体ではない固定局、例えば災害予報センター等であっても良い。
【００２６】
また、サービス情報復調部３ａは、衛星１からのサービス情報を復調して乗客に情報を提供する機能を有している。
【００２７】
また、受信Ｓ／Ｎ比演算部３ｂは、衛星１からのサービス情報の受信信号のＳ／Ｎ比を演算する機能を有しており、この情報は衛星１からのビームパターンを決めるための一つの情報として利用される。
【００２８】
また、自局位置情報受信部３ｃは、図１には示されていない他の衛星からのＧＰＳ情報等を利用し、自局の位置を検出する機能を有している。この情報も、受信Ｓ／Ｎ比と同様、衛星１からのビームパターンを決めるための一つの情報として利用される。
【００２９】
また、自局センサ情報保存部３ｄでは、各地上局３が搭載しているセンサにより計測した情報が保存されており、例えば自局に搭載した加速度計による計測結果から求めた乱気流情報、電磁波レーダによる自局近傍の雲・降雨情報、気温・気圧情報、ピトー管を用いて計測した飛行速度情報といった情報が挙げられる。
【００３０】
また、自局情報保存部３ｅでは、受信Ｓ／Ｎ比演算部３ｂ、自局位置情報受信部３ｃ、および自局センサ情報保存部３ｄからの、受信Ｓ／Ｎ比、自局位置、センサ情報（乱気流情報、雲・降雨情報、気温・気圧情報、飛行速度情報）、さらには自局の種類に関する情報（航空機、船舶等）の内、一つ以上を選択して地上基地局２に送信する機能を有している。
【００３１】
次に、この発明の実施の形態１に係る衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システムの動作について説明する。
まず、サービス対象である地上局３は、衛星１からのサービス情報を、衛星サービス情報受信アンテナ３ｇを介してサービス情報復調部３ａおよび受信Ｓ／Ｎ比演算部３ｂに送る。サービス情報復調部３ａでは、受信した信号を復調して自局内の乗客、パイロット等にサービス情報を提供する。また、受信Ｓ／Ｎ比演算部３ｂでは、受信した信号のＳ／Ｎ比を演算する。このとき、雑音電力は受信Ｓ／Ｎ比演算部３ｂで生じる電子回路熱雑音等の電力となるが、この電力は予め計測しておく。信号が入力された際に受信Ｓ／Ｎ比演算部３ｂでモニタする値は前記雑音電力と信号電力とが重畳されたものとなるが、前記重畳された状態の電力から予め計測した雑音電力を引くことで信号電力を求める。求めた信号電力と前記雑音電力とを比較することで、受信Ｓ／Ｎ比を算出することができる。
【００３２】
また、地上局３は、図１には示されていない他の衛星からのＧＰＳ情報等の位置情報を、自局位置情報受信アンテナ３ｇを介して自局位置情報受信部３ｃに送り、自局の位置を検出する。
【００３３】
また、地上局３は、自局が搭載しているセンサにより計測した、乱気流情報、自局近傍の雲・降雨情報、気温・気圧情報、および飛行速度情報といった情報を、自局センサ情報保存部３ｄに逐次保存する。
【００３４】
次に、地上局３は、自局情報保存部３ｅにおいて、受信Ｓ／Ｎ比演算部３ｂ、自局位置情報受信部３ｃ、および自局センサ情報保存部３ｄからの、受信Ｓ／Ｎ比、自局位置、センサ情報（乱気流情報、雲・降雨情報、気温・気圧情報、飛行速度情報）、さらには自局の種類に関する情報（航空機、船舶等）といった自局情報を保存する。さらに、これらの情報の内、一つ以上を選択して自局情報送信アンテナ３ｈを介して地上基地局２に送信する。
【００３５】
次に、地上基地局２では、全ての地上局３からの情報を、地上局情報受信アンテナ２ｅを介し、地上局情報受信部２ｂにて受信する。
また、地上基地局２では、気象衛星４からの雲・降雨分布等の気象情報を、気象衛星情報受信アンテナ２ｈを介して気象衛星情報受信部２ａにより受信する。
【００３６】
次に、地上基地局２では、ビームパターン演算部２ｃにおいて、気象衛星情報受信部２ａからの気象情報および地上局情報受信部２ｂからの地上局情報に基づいて、地上局３にサービス情報を効率よく送信するのに最適なビームパターンを算出する。
【００３７】
このとき、前記最適ビームパターンは、全ての地上局３に対して同じ電力を送信するパターンに対応していても構わないが、ビームパターン演算部２ｃが、地上局３の地域的な数密度分布に応じて、数密度の大きい地域に対して送信電力を大きくするようなパターンを算出する機能、さらには、重要性の高い地上局を選定し、このような地上局に対し衛星１からの送信電力を大きくするようなパターンを算出する機能をさらに有していれば、より有効な運用が可能となる。
【００３８】
さらに、ビームパターンを算出するにおいて、各地上局３からの受信Ｓ／Ｎ比に関する情報を利用し、例えば受信Ｓ／Ｎ比の低い地上局３が存在する位置について衛星１からの送信電力を大きくするようなパターンを算出する機能をさらに有していれば、さらに有効な運用が可能となる。
【００３９】
次に、地上基地局２では、ビームパターン情報送信部２ｄにおいて、ビームパターン演算部２ｃで算出したビームパターンを、１枚の画像情報、つまりフェーズドアレーアンテナから地上を照射した際の地上付近におけるビーム強度の輝度分布イメージ画像に変換し、このイメージ画像情報を、ビームパターン情報送信アンテナ２ｇを介して衛星１に向けて送信する。
【００４０】
次に、衛星１では、サービス情報受信部１ｈにおいて、サービス情報受信アンテナ１ｋを介してサービス情報衛星５からのサービス情報を受信する。サービス情報受信部１ｈからの信号は、サービス情報復調部１ｇにおいて復調された後、変調部１ｆに送られる。変調部１ｆでは、サービス情報復調部１ｇからの信号をもとにサービス情報に対応した変調信号を生成し、この信号により電気／光変換部１ｅから出力される光信号に対して変調（例えばＡＭ強度変調）をかける。
【００４１】
また、衛星１では、それと並行して、ビームパターン情報受信部１ｊにおいて、ビームパターン情報受信アンテナ１ｌを介して地上基地局２からのビームパターン情報（ビーム強度の輝度分布イメージ画像）を受信し、受信したビームパターン情報を、イメージマスク制御部１ｉに送る。
【００４２】
イメージマスク制御部１ｉでは、前記ビームパターン情報（ビーム強度の輝度分布イメージ画像）をもとにイメージマスク１ｄを生成する。なお、前記イメージマスク１ｄは、前記ビーム強度の輝度分布イメージ画像における輝度分布を、光透過率の分布に置き換えた１枚のプレートである。つまり、ビームパターンにおいて照射強度を大きくしたい地域については光透過率が高く、そうでない地域については光透過率が低いという特性を有している。
【００４３】
次に、電気／光変換部１ｅから出力された光信号は、イメージマスク１ｄを透過した後、光信号処理部１ｃに入力される。
光信号処理部１ｃは、イメージマスク１ｄを透過した光信号を光領域におけるフーリエ変換等の光信号処理により信号処理した後、複数の光／電気変換部１ｂに送る。
光／電気変換部１ｂでは、入力された信号を電気信号に変換する。この時点で、各光／電気変換部１ｂから出力される電気信号は、所望のビームパターンおよびイメージマスクに対応した、各アレー素子１ａに与える位相および振幅となる。
複数のアレー素子１ａは、入力された位相と振幅に基づいて電磁波を地上に向けて送信する。これにより、地上に対して、サービス情報を所望のビームパターンで送信することが可能となる。
【００４４】
前記した衛星１、地上基地局２、および地上局３の動作を繰り返し行うことにより、地上局３が移動する場合においても、地上局３を追尾して通信回線におけるＳ／Ｎ比を所望の値に保持し、連続的なサービス提供の実現が可能となる。
【００４５】
従って、この発明の実施の形態１に係る衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システムによれば、フェーズドアレーアンテナ方式として光制御フェーズドアレーアンテナを用い、衛星１と地上基地局２との間でやりとりする情報を、各アレー素子１ａの振幅と位相ではなく、１枚のビーム強度の輝度分布イメージ画像としている。つまり、アレー素子の数が膨大となり、前記振幅・位相情報がそれに伴って膨大となる場合においても、この発明によれば、衛星側でビーム形成に必要な情報は同じ情報容量を持つ１つの画像情報である。したがって、衛星１と地上基地局２との間に必要な通信容量を低減することが可能となる。これに伴い、地上局３が移動し、追尾して通信回線におけるＳ／Ｎ比を確保するような場合において、追尾速度を向上させる効果が生じる。
【００４６】
また、地上基地局２におけるビームパターン演算部２ｃにおいて、現在位置だけでなく、移動速度および移動予定経路に関する情報を利用して、ある時間内における地上局の移動経路範囲を予め予測し、この経路範囲をカバーするようにイメージマスクおよびビームパターンを形成しておけば、上述したビームパターンの追尾速度を低減することが可能となり、衛星１におけるフェーズドアレーアンテナのビーム制御負荷を低減することが可能となる。
【００４７】
また、この発明では、地上局３におけるサービス情報の受信Ｓ／Ｎ比を地上局３におけるビームパターンの演算に利用している。したがって、例えばある地上局３上空に雲層が存在するために衛星１からのサービス情報が重畳された電磁波が減衰し、サービス情報回線におけるＳ／Ｎ比が劣化するような場合においても、この劣化情報をもとにフェーズドアレーアンテナのビームパターンにおいてこの地上局の方向に対して照射強くすることが可能となる。したがって、前記雲層下の地上局のサービス情報回線に関しても所望のＳ／Ｎ比を確保することが可能となる。
【００４８】
また、ビームパターンを決定するための情報として、地上局３からの情報だけでなく、地上における他の測器、例えば気象に関する情報や、他の衛星、例えば気象衛星の雲画像の情報を利用しているので、雲等により電波の減衰が大きい地域にはより大きいパワーの電磁波を送信するようにビームパターン強度を決めることができ、このような地域にも所望のＳ／Ｎ比でサービス情報を提供することが可能となる。
【００４９】
さらに、これらの情報を、サービス情報として地上局３に提供すれば、別の効果を生む。例えば地上もしくは他の衛星からの乱気流情報をはじめとした気象情報をサービス情報に付加すれば、地上局の安全運行に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る衛星搭載フェーズドアレーアンテナ運用システムの構成を示す模式図である。
【図２】図１の衛星１の構成を示すブロック図である。
【図３】図１の地上基地局２の構成を示すブロック図である。
【図４】図１の地上局３の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  衛星、１ａ  アレー素子、１ｂ  光／電気変換部、１ｃ  光信号処理部、１ｄ  イメージマスク、１ｅ  電気／光変換部、１ｆ  変調部、１ｇ  サービス情報復調部、１ｈ  サービス情報受信部、１ｉ  イメージマスク制御部、１ｊ  ビームパターン情報受信部、１ｋ  サービス情報受信アンテナ、１ｌ  ビームパターン情報受信アンテナ、２  地上基地局、２ａ  気象衛星情報受信部、２ｂ  地上局情報受信部、２ｃ  ビームパターン演算部、２ｄ  ビームパターン情報送信部、２ｅ  地上局情報受信アンテナ、２ｆ  気象衛星情報受信アンテナ、２ｇ  ビームパターン情報送信アンテナ、３  地上局、３ａ  サービス情報復調部、３ｂ  受信Ｓ／Ｎ比演算部、３ｃ  自局位置情報受信部、３ｄ  自局センサ情報保存部、３ｅ  自局情報保存部、３ｆ  衛星サービス情報受信アンテナ、３ｇ  自局位置情報受信アンテナ、３ｈ  自局情報送信アンテナ、４  気象衛星、５  サービス情報衛星。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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