2016年12月19日 熊本無人機研究会講演会（＠熊本大学）

災害時等での小型無人機活用に向けた電波利用技術の動向と取組み

三浦

国立研究開発法人 情報通信研究機構
ワイヤレスネットワーク総合研究センター
龍 ryu@nict.go.jp、小野 文枝 fumie@nict.go.jp

1

講演内容
１．NICTにおけるこれまでの取組み～空飛ぶ電波タワーによる災害時の通信確保にむけて～

２．ドローンにおける無線の役割と運用体制～無人機の安全運用にむけて～

３．見通し外でのドローン運航のための無線技術の開発～無瞬断マルチホップ制御通信「タフ・ワイヤレス」～ドローン間位置情報共有ネットワーク「ドローンマッパー」

４．おわりに※ 本資料の一部は総務省電波政策2020懇談会第2回サービスワーキンググループワ
イヤレスビジネスタスクフォース資料から引用・更新したものを使用するとともに、内閣府の革新的イノベーション研究開発プログラム（ImPACT）の１つである「タフ・ロボティクス・チャレンジ」の成果も含んでいます。

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１

NICTにおけるこれまでの取組み
空飛ぶ電波タワーによる災害時の通信確保にむけて3

空飛ぶ電波タワーで孤立地域を上空からつなぐ！
無人機を経由したWi-Fiゾーン形成と安否確認の例

無人機を経由してWiFiがつながり，安否発信やメール・電話ができる

小型無人機

無人機の出動により家族の安否が確認される

迅速に展開可能地上局-A

スマホ・PC等
地上局-B

Wi-Fi ゾーン
インターネット等

孤立集落、避難所など
家族が取り残されるネットワーク
生存地域（役場等）

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試験研究用に3年前に導入した電動固定翼型小型無人機

手投げ発進

ランチャー発進

Puma-AE（米国製）
翼長 2.8m
重量 5.9kg
飛行時間 2～3時間
電波の到達距離（制御・テレメトリ、映像） 約15㎞（2GHz帯、出力１W）
約8㎞（5GHz帯、出力１W）※
発進／着陸方式 手投げ・ランチャー発進／失速回収5

小型無人飛行機システム（Puma-AE)構成

飛行制御・モニタ可能距離
は 15㎞ （2GHz帯制御リンクの場合）標準搭載ジンバルカメラ（可視光・赤外。可視光は動画・静止画VGA。）目標追尾機能あり。映像伝送距離は 15㎞（2GHz帯制御リンクの場合）

飛行制御・モニタ用地上局

目視見通し外（BVLOS）での計器飛行（IFR）可能

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画面付き専用コントロール端末

飛行経路設定・監視画面
ホームポジション（H）
搭載カメラの指向ポイント（＋のマーカ）

飛行位置（黄色のマーカ）

ウェイポイント（A,B,C,D）
着陸進入ポイント（E）

着陸ポイント（L）

機体の向き、高度、速度、バッテリ電圧、地上局からの相対位置、上空の風速・風向、飛行モードなどをリアルタイム表示※ その他、全部で175項目にわたる機体情報データを50msごとに受信・記録

7開発した小型無人機搭載用小型通信ペイロード
2 GHz帯 、5 GHｚ帯

周波数

（実験試験局免許）

送信出力・通信距離2GHz帯： 2W・最大約20km
5GHz帯： １W・最大約8ｋｍ

通信方式

MSK / TDMA/TDD（GPS同期）

アンテナ

λ/4 ホイップ （水平面無指向）

中継機数

1機中継あるいは2機中継（Air-to-Air）

伝送速度（無線／情報） 6M bps / 400 kbps
W90 x D100 x H116 (mm)
サイズ（アンテナ除く）
重さ
2GHz帯通信ペイロード（重量 500g）※5GHz帯の通信ペイロードは総務省委託研究「無人航空機を活用した無線中継システムと地上ネットワークの連携及び共用技術の研究開発」に基づいて開発されたものです。

（２機リレー中継, 符号化率1/2）

500 g以下
5GHz帯通信ペイロード（重量 1100g）

ペイロードは簡単に入れ替え可能

通信用地上局

8これまで実証実験実績

北海道芽室町（農業ICT応用実験）
2014年6月
北海道大樹町（長距離通信実験等）
2013年6月、11月

合計２００回以上、１００時間以上のフライトを実施※各実験ごとに航空法に基づく飛行許可申請あるいは通報の手続きを実施

香川県坂出市（さぬきメディカルラリー・災害救助訓練等）
2014年5月、2015年5月、2016
年3月
徳島県佐那河内村（野生サル信号捕捉実験）2016年6月
熊本県人吉市（林業ICT基礎実験）2016年11月

岩手県奥州市・金ヶ崎町（岩手県総合防災訓練）2015年7月
東北大学青葉山（災害時中継実験、東北大学オープンキャンパス連携実験）
2013年3月、7月、2014年7月
福島スカイパーク（無線通信実験）
2015年12月
福島県富岡町（居住制限区域での野生イノシシ信号捕捉実験）2014年10月
大利根飛行場（テレビ東京WBS取材）
2013年12月
湘南国際村（フライト訓練）
2013年3月

高知県四万十町（山間部でのフェムトセル
中継実験、NHKニュースウォッチ９取材）
2015年2月

和歌山県白浜町（災害時中継実験、NHKニュースウォッチ９取材）
2014年3月

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事例１

中山間地域での災害時携帯電話中継実験（2015.2 高知県四万十町）

初めて携帯電話の中継を実証
超高速インターネット衛星（WINDS）

小型無人機Puma-AE（海抜高度1000m）

NICT鹿嶋宇宙技術センター（茨城県鹿嶋市）

災害時孤立想定地域

フェムトセル
通話ゾーン

フェムトセル
基地局

無線メッシュネットワーク（NerveNet）

インターネット
車載衛星地球局
四万十町の光ファイバー回線

携帯電話各社のネットワーク

10中山間地域での災害時携帯電話中継実験（2015.2 高知県四万十町）

地上局・フェムトセル局位置

地上局・衛星車載局位置

飛行・旋回
軌跡

離着陸ポイント・制御局位置

約４００ｍ

約２ｋｍ

11

事例２

岩手県総合防災訓練への参加（岩手県奥州市・金ヶ崎町

2015年7月12日）

情報伝達ルート／システム構成
河川の氾濫状況の映像をリア
ルタイムで災害対策本部等に届け、救助活動等に役立てる

災害対策本部（岩手県庁）■ 総務省 東北総合通信局■ 国立研究開発法人 情報通信研究機構（ＮＩＣＴ）
耐災害ICT研究センター
平成２７年7月3日時点

WINDS（超高速インターネット衛星「きずな」）

無人機に搭載したカメラにより北上川の氾濫地区の映像を配信

小型無人機
搭載ジンバルカメラ

見たい場所にカメラジンバル固定

NICT鹿島宇宙技術センター

インターネット

現地対策本部
（奥州市役所、奥州市江刺総合支所、金ヶ崎役場）

車載地球局

無人機地上局

現場前線基地北上川氾濫想定地区
平成19年9月18日奥州市桜木橋付近の空中写真（国土交通省岩手河川国道事務所提供）

12防災ヘリ・自衛隊ヘリとの初の空域分割同時飛行
初めて災害対応ヘリとの空域調整・同時飛行を経験
東北新幹線

県防災ヘリ飛行空域（海抜高度1000ft以下）

JR東北本線

陸自ヘリ飛行空域（海抜高度1000ft以下）

約1.6㎞
金ヶ崎町役場約1.6㎞

奥州市江刺総合支所

無人機飛行空域（海抜高度950ft以下）
無人機離着陸場所（胆沢川合流地点）

赤色のエリア：
氾濫想定区域13

無人機搭載カメラのライブ録画映像（北上川上空を飛行し、モニタ映像をYouTubeで本部にリアルタイム配信）14

事例3 ICT林業への活用に向けた基礎実験
実験の目的（熊本県人吉市2016.11）

地域の森林資源を活用し、地域の基幹産業として儲かる林業（ICT林業）の実現にむけ、無人機を活用した各種森林情報の収集と数値化・可視化技術の確立を図る。そのための最初の取組みとして、森林環境における基本的な電波伝搬特性データを取得する。
調査項目例： 距離特性、樹木による減衰特性・反射特性、機体姿勢変動の影響、季節特性（繁茂・落葉）、天候特性（乾燥・雨後）
実施主体： 九州G空間情報実践協議会協力：
熊本県人吉市
固定翼UAV（高高度、広範囲）搭載スペアナにて受信・記録

マルチロータUAV（低高度、近距離）

主な対象周波数帯：
140MHz帯（特定小電力）
400MHz帯（同上）920MHz帯（同上）
2.4GHz帯（小電力ﾃﾞｰﾀ通信）
5GHz帯（実験試験局）

送信

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森林内および森林上空の飛行による測定風景（熊本県人吉市2016.11）

飛行軌跡（固定翼）

森林内を飛行マルチロータUAV

森林上空の飛行（固定翼）林業作業現場

送信機

UAV制御局

固定翼UAVのランチャー発進

16

２ ドローンにおける無線の役割と運用体制
無人機の安全運用に向けて

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ドローンの安全運航に向けた課題• 墜落事故リスクの増大• 異なるユーザ、異なる業種のドローン間での衝突リスクの増大• 有人機とのニアミス・接触リスクの増大• 無線妨害（通信・GPS）リスクの増大• 違法行為への悪用リスクの増大• ハッキングリスクの増大

警察UAV

非常時

国交UAV

消防UAV

メディアUAV

平常時
送電線点検
環境調査
電波の監視

測量

橋梁点検線路点検

輸送・宅配

電波技術の果たす役割が期待されます

道路点検

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ドローンの安全運航におけるワイヤレス技術の役割• 墜落事故リスクの増大• 異なるユーザ、異なる業
種のドローン間での衝突リスクの増大

無線リンクの高信頼化（干渉対策、共用技術、広域化、冗長化など）
ネットワークを介した運航管理シス
テムの実現（位置、ID、時間など）• 有人機とのニアミス・接
触リスクの増大搭載型の衝突回避システムの実
現（電波や画像など）• 無線妨害（通信・GPS）リ
スクの増大

ネットワークを介した電波管理シス
テムの実現（チャネル、スロット、時間、場所など）• 違法行為への悪用リスクの増大• ハッキングリスクの増大

不審な電波等のセンシングシステ
ムの実現（識別、位置など）制御通信の暗号化等のセキュリ
ティ技術

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ロボット制御用無線リンクの現状
主に2.4GHz帯ISMバンド使用（一部920MHz帯、73MHz帯の使用も）無線LAN（Wi-Fi）

干渉電子レンジ

2.4GHz帯の混雑例

ホビー用、業務用が共用（周波数ホッピング・直接拡散方式等）

2400
ロボット（ドローン含む）

制御

2483.5MHz
映像・テレメトリ
カメラ伝送
方向制御
 免許不要 ローコストWifi AnalyzerのHPより

 通常は問題ないが、電波が混雑したときの安全性は担保されず、制御用（コマンド・テレメトリ）としては推奨されない（画像は可） 出力が小さく、長距離運用には適さない。通常、制御で1㎞程度、画像・テレメトリで200～300m程度。（使用するアンテナ方式による）

20

ロボット制御用無線リンクの現状

21

特にドローンの場
合は機体の安全飛行に直結

これからの主なロボット用周波数
画像伝送

コマンド・テレメトリ（ロボットの制御や位置情報等）

免許不要バンド（共用、既存：特定小電力/小電力データ通信）
2.4GHz帯（～10mW/MHz,約84MHz幅）
920MHz帯（～20mW、約7MHz幅）

 近距離を対象（～1㎞） 免許人同士の運用調整は不要

従来通り、ホビーと一部の業務で利用

免許バンド（共用、無人移動体画像伝送システム、平成28年9月から免許開始）
2.4GHz帯（～1W, 約10MHz幅）
5.7GHz帯（～1W, 約120MHz幅）
169MHz帯（～1W, 約340+190kHz幅）（上空は10mW ） 長距離まで対象（～5㎞） 広帯域伝送用として適す
 免許人同士の運用調整が必要

主に画像伝送用（コマンド・テレメトリにも使用可）

 長距離まで対象（～5㎞） バックアップ用として適す
 免許人同士の運用調整が必要

バックアップ用、5fps程度の小サイズ画像伝送可能。

同一地域とその周辺において、異業種にまたがるロボットユーザ間の相互調整及び、同一周波数帯を使用するロボット以外の事業者との調整が必要（電波の安全運用のため）

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ドローンのための運航管理・電波管理システムの構成例（電波管理システムは地上・海上ロボットも対象）
有人機

運航管理サーバ（機体ID、飛行経路・空域、飛行位置および相互調整支援機能等を提供）

位置・運航情報等

近距離運用ドローン・ロボット（免許不要バンド利用、電波は管理されないが、運航管理サービスのみ受ける）

目視・電波見通し内

ID、経路、位置の登録

連携

安全情報、気象情報、相互調整等

公衆網等

電波伝搬
シミュレータ
電波の使用登録

電波管理サーバ

Web共有、相互調整、無線リソース割当て等（免許バンドの周波数、出力等の共有と無線リソース配分機能、および相互調整支援機能等を提供。）

映像・制御・テレメトリ回線

目視見通し外電波見通し内・外
長距離運用ドローン・ロボット（免許バンド利用、電波と運航管理サービスの両方を受ける）

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NASA UTMプロジェクトにおける段階的な推進構想

UTM: UAS Traffic Management

No.

内容

提供サービスBuild 1（～2015.8）

予約空域でのUASへの情報提供システム

無人地域での運航／気象、航空交通情報等の提供

Build 2（～2016.10）

BVLOSでのUASの動的な運航管理システム

人口低密度地域での運航／動的な空域情報、混雑予測、相互調整の提供

Build 3（～2018.1）

BVLOSでのUASの衝突・ニアミス回避システム

人口中密度地域での運航／インターネット経由での空域モニタリング、有人機・無人機
統合衝突管理Build 4（～2019.3）

BVLOSでの大規模UAS交通管制システム

人口高密度地域での運航／全国規模への展開

https://prod.nais.nasa.gov/
eps/eps_data/162405OTHER-002-001.pdf より

http://utm.arc.nasa.gov/index.shtml より

24

電波管理システムの日本における段階的な展開例
運航管理団体等

運航情報、電波情報登録（機体ID、飛行計画、電波情報、連絡先等）
Webによるスケジューラ機能
ユーザ間の調整

異業種間（ロボット以外含む）にまたがる相互調整機能の提供

利用形態レベル 1（目視内・操縦飛行）

電波管理システム（運用調整）

利用形態レベル2（目視内・自動飛行）

相互連携が必要
運航管理システム（＋個体管理）「小型無人機の利活用と技術開発のロードマップ」（小型無人機に係る環境整備に向けた官民協議会）より

Build 1
（スケジューラ機能）2016年9月以降開始予定

既に実現

Build 2

各ドローン・ロボット
ユーザ（伝搬条件適用）

2016年～2017年

利用形態レベル3（無人地帯での目視外・自動飛行）

Build 3
（準リアルタイム化）

特定の実証
拠点にて実証・運用

2018年～2019年

利用形態レベル4（有人地帯での目視外・高度な自動飛行）
2020年～

Build 4
（リアルタイム化）

全国規模で運用・海外展開へ

日本無人機運航管理コンソーシアム（JUTM）の設立（平成28年7月11日プレスリリース）■名称及び目的・事業内容

名称
目的・事業内容
一般財団法人 総合研究奨励会
無人機の安全運行と社会実装推進に必要な技術開発と環境整備の実現
日本無人機運行管理コンソーシアム ①安全運行、環境整備に関するシンポジウム【JAPAN UTM Consortium】②ロボットテストフィールドとの連携、運行管理システム、衝突回避技術などの（UTM:Unmanned System Traffic ＆Radio
研究開発、事業モデルの社会実証Management System)③国との研究交流会、異業種・産官学間連携、NASA-UTMなどとの交流④無人移動体画像伝送システムの運用調整
略称：JUTM⑤その他、上記関連事業■運営委員会メンバー

区分法人名等
代 表 東京大学
幹 事 ANAホールディングス株式会社
幹 事 株式会社NTTドコモ
幹 事 日本郵便株式会社
幹 事 富士重工業株式会社
幹 事 ヤマトホールディングス株式会社
幹 事 株式会社日立製作所
幹 事 東京大学
幹 事 国立研究開発法人 産業技術総合研究所
幹 事 国立研究開発法人 情報通信研究機構
幹 事 国立研究開発法人 宇宙航空研究開発機構
幹 事 国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
オブザーバ 福島県
事務局 株式会社日立製作所■ワーキンググループ

WG1：航空情報共有（主査：電子航法研究所）
WG2：衝突回避・識別・通信（主査：産総研）
WG3：運用調整（主査：工学院大）26

３

見通し外でのドローン運航のための無線技術の開発
無瞬断マルチホップ制御通信システム 「タフ・ワイヤレス」
飛しょう体間位置情報共有ネットワーク 「ドローンマッパー」※ 本研究開発は内閣府の革新的イノベーション研究開発プログラム（ImPACT）の１つである「タフ・ロボティクス・チャレンジ」（PM：田所諭東北大教授）において、国立研究開発法人産業技術総合研究所と共同で実施しているものである。

27

見通し内運用と見通し外運用
障害物なし

障害物なし
（でも遠い）～数100m（ドローンの大きさによる）①目でも見えるし、電波も届く（VLOS＋RLOS）
VLOS=Visual Line-of-Sight
RLOS=Radio Line-of-Sight～数100m以上（ドローンの大きさによる）②目では見えないが、電波は届く
BVLOS＋RLOS
BVLOS=Beyond Visual Line-of-Sight
BVLOS
BRLOS

障害物あり
あるいは、非常に遠い③目でも見えないし、電波も届かない
BVLOS＋BRLOS
BRLOS=Beyond Radio Line-of-Sight

VLOS
RLOS

BVLOS
RLOS

28直接電波見通し外での無線リンク維持の技術① 衛星による中継
これまで取り組んできた無線中継技術が適用可能② 別のドローンによる中継
VLOS・RLOS運航

BVLOS運航
BRLOS運航
低高度での運送、観測、撮影、捜索 等
完全な計器飛行ができなければならない③ 公衆網・携帯電話網等の地上インフラを中継（地上局や基地局をハンドオーバ）

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直接電波見通し外での無線リンク維持の技術（携帯電話ネットワークインフラの活用）

総務省 電波利用ホームページより

 平成28年度7月13日省令改正： 携帯電話等を無人航空機に搭載して使用することについて、既設の無線局等の運用等に支障を与えない範囲で試験的に導入。
 携帯電話事業者のみが実用化試験局免許を取得して試験評価のための運用が可能。
 電波見通しを越えてコマンド送信、テレメトリ受信、画像伝送が可能だが、その性能、既存の携帯電話ネットワークへの影響等ついて、評価が進行中。
 災害時等には輻輳により使用不能となるリスクあり。

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無瞬断マルチホップ制御通信「タフワイヤレス」（他のロボット・ドローンによる中継）目的ロボット同士が協力することにより、見通し外で活動するロボットへの遠隔制御を可能にコンクリートの建物、壁、樹木、山など中継用ロボット（飛行）
障害物を超えて見通し外制御

特徴

 マルチホップで見通し外のロボットを遠隔制御
 応答遅延時間を保証（約50～60ミリ秒）
 経路間の切換えは、ほぼ無瞬断 特定のフライトコントローラ機種に依存しない
 920MHz帯を使用、免許不要、他と共用可能
 災害時、携帯電話が不通でも使用可能

制御対象ロボット（地上）制御対象ロボット
（飛行）

遠隔操縦者

中継用ロボット（地上）

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タフ・ワイヤレス試作機
UGV
UGV
制御対象ロボット

中継用ロボット

端末局
中継局2(被制御局)

中継局1

ロボットコントローラ(ロボット想定)
バッテリ

オペレータ
制御局

制御用
PC

ロボットコントローラ
データモニタ画面

 エンドツーエンドの遅延時間を一定以内に保証 中継経路は瞬時に自動切換え 920MHz帯特定小電力無線を使用（中継局間の距離は見通しで約1㎞程度）

32

実証実験
（東北大学青葉山キャンパス）中継局用ドローン

中継用ドローンを経由してロボットを制御・監視

20m～30m

操縦者側制御局（制御コマンド送信・テレメトリ受信）

操縦者からは直接は通信がつながらない環境
小型四輪ロボット（制御対象）

33

想定
シナリオ

タフ・ワイヤレスによる長距離ハンドオーバ飛行の例

災害時（携帯電話回線使用不能）や山間部・離島等における長距離飛行でのドローン・ロボット運航の維持制御対象ドローン局（見通し外まで飛行）

TW
モジュール

ウェイポイント飛行（途中、手動割り込み可能）

～1km

～1km
離着陸

～1km

TW
モジュール
制御局
（オートパイロット）

離着陸地点A

見通し外制御

TW
モジュール

離着陸

TW
モジュール

離着陸地点B
中継局1

中継局2

34

フィールド実験

合計 1ホップ（ダイレクトリンク）～３ホップ（中継リンク）を無瞬断切換え

中継局１（地上固定）

中継局２（UGV移動）制御局（地上固定）

端末局（ドローン搭載）

産総研RCPV35

制御局、中継局の配置と飛行ルートN

見通し外高度制御地点

ここで高度を下げると制御局から見通し外となる

離着陸地点

見学者テント

地形による遮蔽36

マルチホップによる見通し外ドローン制御実験（2017年11月＠東北大学青葉山キャンパス）タフワイヤレス経由のマルチホップ
制御により遠ざかっていくドローン（3ホップで無線中継）

37

飛しょう体間位置情報共有システム「ドローンマッパー」
特徴

目的
1～2kmの範囲で無人機どうし、あるいは有人ヘリとの間で位置情報を共有し、将来の衝突回避・運行管理に向けた基盤をめざす

有人ヘリ

 インフラや基地局が不要な小容量ネットワーク（NICTがベンチャー企業と共同開発した「端末間通信技術」がベース）
 放送型プロトコルで通信手順を単純化
 2ホップ先までカバー、見通し外も検知可能
 920MHz帯使用、免許不要、他と共用可能（無線デバイスはARIB STD T108）
 国際規格化が進行中の技術を採用（IEEE802.15.8)

同種・異種飛しょう体間での位置・ID情報共有

遠隔操縦者
遠隔操縦者

38

フィールド実験とモニタ画面
Androidタブレット画面

近くを飛行する他の飛しょう体（ドローン・有人ヘリ等）の位置

自分（操縦者）の位置

各局のID
緯度・経度
高度
速度
時刻 等

自分のドローン位置
警告範囲（設定可能）
飛行の様子※警告の方法は今後改善を予定

モニタ画面

39

４

おわりに

 無線技術は無人機・ドローンの安全運航に不可欠な要素の１つ。
 既存の電波システムは、将来の見通し外運用を想定した場合、必ずしも無人機の制御に適してない。（信頼性と到達距離）
 国内で新たに制度化された周波数帯や、ITUやICAOで検討されている国際的な周波数帯をどのように利用していくかが、今後の無人機技術の発展とビジネス展開にとって重要。
 特に、長距離運用に使われる免許バンドは、業種のカベを超えた全体的な運用調整のルールのもとで、運航管理システムと一体となった運用が必要。
 NICTは、様々な分野でのドローン活用の基盤となる無線技術の高度化と高信頼化の取組みを通じて、ドローン運用の安全性向上とビジネス拡大に貢献予定。

40

ご清聴ありがとうございました。

41