広域にわたるUAV運航管理のための高高度プラットフォーム中継制御リンクの開発

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 ワイヤレスシステム研究室
三浦 龍、松田 隆志、児島 史秀
スカパーJSAT（株） 宇宙事業部門 スペースインテリジェンス事業部
鈴木 淳、高盛 哲美
1本日の内容１．研究の背景
２．目指すシステムのイメージと研究開発目的
３．技術開発課題
４．HAPS搭載アンテナの設計・試作概要
５．多元接続方式の設計概要
６．国際標準化活動
７．今後の予定
参考１ 2002年に実施した高高度実証実験
参考２ ソフトバンク・HAPSモバイルによる成層圏飛行の成功※ 本内容は、総務省の「電波資源拡大のための研究開発（JPJ000254)」によって実施した成果を含みます。

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１．研究の背景
 地上系通信ネットワークの成熟とエリア拡大の限界
 大規模災害にも対応できるレジリエンスの重要性の増大
 地球環境・人口減少を背景としたロボット社会・新モビリ
ティ社会への移行の流れ
地上系通信ネットワーク（2次元5G）から上空・宇宙を含む非地上系通信ネットワーク（3次元B5G・6G）への展開3

２．目指すシステムのイメージと研究開発目的
B5G・6G時代の3次元ネットワークのイメージ

HAPSとは衛星

HAPS

有人機

有人機
ドローン

空飛ぶクルマ地上網

ITUでは1997年の世界無線通信会議（WRC）
において「High Altitude Platform Station (高高度プラットフォーム無線局）」が定義され、無線通信規則（RR）に初めて記載。High Altitude
Platform Systemとして使われることもある。高度20km前後に滞空する飛しょう体（飛行機、飛行船、バルーン等）に搭載して運用する。

本研究開発の目的
 HAPSを中継基地とし、広域に多数分布する無人機群の運航管理を行うCNPCリンク（コマンド・テレメトリのための非ペイロード通信 or C2リンク）を開発・実証する。
 衛星経由よりも低コストでかつ海洋や山岳・森林地帯等の通信インフラが貧弱な地域を含めた広域をカバーするシステムの実現を目指す。

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３．技術開発課題（総務省受託 令和元年度～3年度）(1) 長距離・広角度の多元接続技術（NICT担当）(2) 周波数共用技術（スカパーJSAT担当）(3) 高秘匿暗号化技術（スカパーJSAT担当）
長距離広角度マルチビームアンテナ

 HAPS搭載マルチビームアンテナによる地上マルチセル形成と機体位置・姿勢変動補償技術
 ユーザリンクとフィーダリンクの周波数共用を可能とする多元接続技術（5030-5091MHz帯航空移動バンドの利用想定）

HAPS中継局

WRC-19において無人機のCNPCリンク用として国際合意

フィーダリンク

ユーザリンク
低高度無人機群（ユーザ端末）ゲートウェイ（GW）局
地上制御局
地上マルチセル形成
地上ネットワーク経由

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４．HAPS搭載アンテナの設計・試作概要
HAPS搭載アンテナの機能要件
 地上とその上空のユーザ端末に向けたユーザリンク用として19本の送受信マルチビームを同時あるいは時分割で形成し、地上とその上空にマルチセルを提供
 HAPS1機で直下方向を中心とした130°の広角カバレッジとを提供
 HAPS機体の移動、方位変動、姿勢変動を相殺し、地上セルの位置変動と電波強度変動を軽減
 同一周波数帯（5030-5091MHz）でユーザリンクとフィーダリンクを共用 アンテナ素子当りの送信出力は2W以下（消費電力低減のため）

HAPS搭載アンテナの設計概要
項目仕様

アンテナ型式DBFアレーアンテナ

アンテナ素子数16アンテナ素子送受共用平面パッチ（一次試作）

配列方式

ハニカム配列周波数5030-5091 MHz

送信出力/素子

2 W以下

65°方向利得

12 dBi以上（目標）

y304
202

305
306

303
201
100

203
204

307
308

302
301
200
205

309

300

x

311
310

HAPS搭載アンテナ
素子配列

HAPS搭載アンテナ
試作機外観

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５．多元接続方式の設計概要
時分割ビーム切替えによるユーザリンク・フィーダリンクの周波数共用（セル間干渉の低減）と送信電力の節減

マルチビーム多元接続方式の概要
項目

仕様

ビーム数 ユーザリンク
フィーダリンク

19（地上セル数）
2～3

サービス覆域角度範囲

130°

周波数繰返し数3

合成送信電力 ユーザ端末向け
GW局向け

50 ～100 ｍW
200mW

各ビームの複信方式

TDD

多元接続方式 ユーザリンク
フィーダリンク

OFDMA/TDMA
TDMA

単位フレーム長（RTCA DO362A準拠）

50ms

１サイクル当りのフレーム数
コマンドリンク
テレメトリリンク（1サイクルで全覆域をカバー）

1

1
4

2

収容台数 ユーザリンク
フィーダリンク

5100台/サイクル
3800台/サイクル

同一周波数帯域（5030-5091MHz）を利用
ユーザリンクにおける全周波数帯域
f(1)
f(1)

フィーダリンクにおける全周波数帯域

f(2)

f(3)

f(2)

f(3)

周波数繰返し数=3の場合（コマンドフレーム 25 ms＋
テレメトリフレーム 25 ms）

3

1

2
3
1

1
2

3
ユーザリンクフットプリント（19マルチセル）計算例

GW局③：f3
グループA
GW局②：（7セル）
f2

2
3

1

グループB
（6セル）

GW局①：f
１

2
3

3
1

グループC
（6セル）

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６．国際標準化活動（ICAO・RTCA）• 5030 – 5091 MHz (航空移動業務)の無人機での利用はICAO RPASパネルと RTCAで審議• HAPS中継C2リンクは、日本が提案し、国際標準の１つとしてRTCAにて1次案が承認（2020年12月）
Note: HAPS=High Altitude Platform Station
ICAO=International Civil Aviation Organization
RPAS=Remotely Piloted Aircraft System
RTCA=Radio Technical Commission for Aeronautics
RPASパネル/RTCAで提案されている3種類の5GHz帯C2リンク
SAT system

C2 Link (solid line)
relay link (dashed line)

Ka, Ku,C, FSS

Terrestrial system

Airborne single relay system

Japan Proposal
H-RPA

LOS C2Link
SAT C-band(EUROCA MOPS)

Non-Payload

PayloadC2Link for L-RPAS
Terrestrial C-band

C2Link for H-RPAS
Terrestrial C-band
Relay Link of
C2Link for L-RPAS
C-band or Other-band

Terrestrial
radio groundstation(GRS)
Terrestrial
radio ground station(GRS)

L-RPA

LOS C2Link
Terrestrial C-band

Terrestrial
radio ground station(GRS)
SA

L-RPA

LOS C2Link
Terrestrial C-band(RTCA)

RemoteRemotepilot
Remotepilot
stationpilot
stationstationTerrestrial
radio ground station(GRS)8

７．今後の予定
 HAPS搭載局・地上局・ユーザ端末局のハードウェア・ソフトウェアの開発
 ユーザリンク覆域特性の改善手法検討
 ビーム間アイソレーションの改善手法の検討
 小型有人航空機を用いたスケールダウンモデルによる飛行実証
R1年度①長距離・広角度アレーアンテナ②広角度対応ビーム形成③空間・周波数多元接続

R2年度

R3年度

基本設計

部分試作の単体評価と他のサブシステムとの統合開発完了・総合実証評価

基本設計部分試作と単体評価

開発完了・総合実証評価

基本設計

ソフトウェア開発

開発完了・総合実証評価

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（参考1）2002年に実証成功したNASA高高度ソーラー無人機
による通信中継実験（NICT・NASA）
2002年、ハワイ・カウアイ島において、NICTは独自に米国NASAと連携し、ソーラー無人機
Pathfinder Plusを用いた高度20ｋｍでの世界初の携帯電話中継と直接デジタル放送実験に成功。
日米連携体制CRL（NICT）NASA

TAO

AeroViron
ment

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（参考2）ソフトバンク・HAPSモバイルによるソーラー無人機による成層圏飛行実証の成功（2020年9月）
HAPSモバイル プレスリリースより
https://www.hapsmobile.com/ja/

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