ドローンはどうして遠くから操縦できるの？ 電波と通信のひみつ

第3弾では、ドローンが自分の場所やかたむきを知るしくみを見ました。今回は、ドローンと操縦する人のあいだを行き来する、目に見えない電波と通信の話です。
第3弾「ドローンはどうして迷子にならないの？」など、これまでの回を読んでいなくても、ここから読めます。

今回のナビゲーター

スカイ博士：ドローン研究ひとすじ40年。「なぜだと思う？」と問いを返します。

ひなた：小学4年生。口ぐせは「なんで？ やってみたい！」。みんなの代わりに、気になることを聞きます。

ひなた

この前、橋の点検の見学会に行ったの。操縦している人の送信機の画面に、橋の裏側がくっきり映ってた！ 映像は空からどうやって届くの？

スカイ博士

目には見えない電波に乗って届いておる。じゃが、電波が運んでいるのは映像だけではないぞ。

ひなた

ほかにも何か運んでるの？

スカイ博士

操縦する人からは「前へ進め」「止まれ」という指示が。ドローンからは映像のほかに、「いまここにいる」「電池はこれだけ残っている」という知らせが。ドローンと操縦する人は、飛んでいるあいだ、ずっと会話しておるんじゃ。

第1章 ドローンと操縦する人は、ずっと会話している

ドローンを操縦するときに手に持つ機械を、送信機そうしんきといいます（プロポ、コントローラーとも呼びます）。送信機とドローンは、目に見えない電波でつながっています。

第1弾では、ドローンの部品を人の体にたとえる表で、送信機との通信を耳と声にたとえました。人からの指示を受け取り、機体の状態を伝え返す、というはたらきです。耳で聞いて、声で答える。ドローンは指示を聞くだけでなく、自分のようすを声に出して知らせ続けています。

この会話には、向きがあります。このブログでは、操縦する人から機体へ向かう流れを上のぼり、機体から操縦する人へ向かう流れを下くだりと呼ぶことにします。

• 青：すすめ！などの指示 → ドローン
• オレンジ：カメラの映像 → 操縦する人
• 緑：電池・場所などの知らせ → 操縦する人

ひなた

指示は行きの道で、映像は帰り道を通ってくるんだね。

スカイ博士

うむ。しかも帰り道を通るのは、映像だけではない。次の章で、何が通っているのかを分けてみよう。

第2章 操縦の指示・映像・機体情報のちがい

ドローンと操縦する人のあいだを行き来する情報は、大きく分けて3種類あります。このブログでは、色で区別します。

• 青＝操縦の指示：「前へ」「上へ」「止まれ」「カメラを下へ向けて」など、操縦する人の操作を機体へ伝える情報です。スティックを動かしているあいだ、その動きが次々と送られます。
• オレンジ＝映像：カメラが写した景色を、操縦する人の画面へ届ける情報です。3つの中で、データの量がとびぬけて多いのが特徴です。
• 緑＝機体情報：位置、高さ、速さ、向き、電池の残り、電波の強さ、警告など、機体の「いまの状態」を知らせる情報です。こうした情報をテレメトリーと呼びます。

表は横にスクロールできます →

表1｜行き来する3つの情報。向きも、量も、届かないときに困ることもちがいます。

この3つを、ひとつの通信のしくみにまとめて運ぶドローンもあれば、操縦用と映像用で別々の電波を使う機体もあります。どう運ぶかは、機種によってちがいます。このブログでは考えやすいように、3本の色の道に分けて考えます。

ひなた

映像が見えていれば、電池の数字なんていらないんじゃない？

スカイ博士

なぜだと思う？ 映像に写るのは、カメラが向いている先の景色だけじゃ。電池の残りも、いまの高さも、映像には写らん。だから機体は、数字で自分のようすを知らせ続けるんじゃよ。

第3章 GNSSと通信は、別の仕事

第3弾で見たように、ドローンはGPSなどの衛星えいせいから届く電波を受け取って、自分の位置を求めています。GPSのように衛星を使って位置を求めるしくみを、まとめてGNSS（全球測位そくい衛星システム）と呼びます。

ここで大切なのは、GNSSの衛星は、操縦の指示も映像も運んでいないということです。衛星は、時刻などの情報が入った電波を、地上へ向けて出し続けているだけ。ドローンはそれを聞いて、自分の位置を計算します。衛星へ何かを送り返すことはありません。

一方、送信機とドローンのあいだの通信は、指示と映像と機体情報が行き来する道です。同じ「電波」でも、送る側も、受け取る側も、運ぶ中身もちがいます。ドローンのまわりには、ほかにも役目のちがう電波があります。

• 場所を知る：GNSS（GPSなど）
• やりとりする：送信機との通信
• 遠くとつなぐ：携帯電話の回線（LTE・5G）
• 名札を出す：リモートID

片方だけうまくいかないこともある

GNSSと操縦の通信は別のしくみなので、片方だけがうまくいかなくなることがあります。

• GNSSは使えるのに、操縦の通信が切れる：機体が遠くへ行きすぎたときや、建物・山のかげに入ったときなどです。空が開けていれば衛星の電波は届くので、機体は自分の位置がわかります。だから設定によっては、飛び立った場所へ自分で戻れることがあります（第5章）。
• 通信はできるのに、GNSSが不安定になる：高い建物に囲まれた場所、橋の下、屋根のある場所、強い電波のじゃまがある場所などです。指示は届いても、機体は自分の位置をうまくつかめず、その場にとどまる力が弱くなったり、風に流されやすくなったりします。

ひなた

GPSで映像も送ってるんだと思ってた！

スカイ博士

よくある思いちがいじゃ。GPSの衛星は「位置を知る手がかり」を配っているだけ。映像を運んでいるのは、送信機とドローンの通信なんじゃよ。GNSSのくわしいしくみは、第3弾を読み返してみるとよい。

第4章 電波が苦手な場所と、映像の遅れ

電波は、光の仲間

電波は、光と同じ速さで進みます。総務省の子ども向けページによると、1秒間に地球を7周半するほどの速さです。金属に当たるとはね返り、紙や木、ガラスは通りぬけやすい。地面ではね返ったり、山の上で曲がったりもします。

電波には、周波数（1秒間に波がくり返す回数）のちがいによって性質の差があり、周波数が高い電波ほど、光のようにまっすぐ進む性質が強くなります。ドローンの操縦や映像には、こうしたまっすぐ進みやすい電波がよく使われています。だから、送信機とドローンのあいだが見通せるかどうかが、とても大切なのです。

届きにくくなる7つの条件

1. 遠くなる：離れるほど、届く電波は弱くなります。
2. あいだに物がある：建物、山、しげった木、人の体などは、電波を弱めたり、さえぎったりします。機体が建物の裏や山の向こうへ回りこむと、まっすぐの道がふさがれます。
3. 低いところを飛ぶ：地面に近いほど、建物や木にさえぎられやすくなります。
4. アンテナの向き：送信機のアンテナには、電波をやりとりしやすい向きがあります。説明書の図のとおりに向けると、つながりやすくなります。
5. はね返り：金属の多い場所では、はね返った電波どうしが重なって、強くなったり弱くなったりします。
6. じゃまな電波：近くで同じ周波数の電波が出ていると、聞き取りにくくなります。これを干渉かんしょうといいます。
7. 混雑：ドローンでよく使う2.4GHz帯（ギガヘルツたい）は、Wi-FiやBluetoothと同じ電波の「道」を分け合っています。人がたくさん集まる場所や街の中では、道がこみあいます。

ただし、「かべがあれば必ず切れる」わけでも、「周波数が高いほど必ず悪い」わけでもありません。物のふちで曲がった電波や、はね返った電波で届くこともあります。周波数ごとに得意なことと苦手なことがあり、電波の強さ、アンテナ、まわりの電波のようすなど、いくつもの条件が重なって、届き方が決まるのです。

カタログの距離は「いちばんよい条件」の数字

ドローンの説明書には、「最大伝送距離」という数字がのっています。ある小型ドローンの説明書には、さえぎる物も電波のじゃまもない条件で、最大6km（日本向けの基準）とあります。でも同じ説明書には、電波のじゃまが多い街の中では、届く距離がずっと短くなることも書かれています。さらに、この数字は電波をやりとりできるいちばん遠い距離であって、1回の飛行で飛べる距離ではない、ともことわっています。

もうひとつ大切なのは、電波が届く距離と、安全に飛ばせる範囲は別ということです。日本のルールでは、ドローンはふつう、操縦する人が自分の目で見える範囲で飛ばします。目で見えない所まで飛ばす目視外もくしがい飛行は、許可・承認などの手続きと、安全のための準備が必要な飛ばし方です。電波が6km届くとしても、6km先の機体を目で見ることはできません。

映像は、少し遅れて届く

映像が画面に出るまでには、いくつもの小さな仕事があります。カメラが撮った景色は、そのままでは大きすぎるので、機体の中で小さくまとめます（圧縮あっしゅく）。それを電波で送り、送信機が受け取って、もとの映像にもどし、画面に表示します。一つひとつはとても短い時間でも、積み重なると遅れ（遅延ちえん）になります。

• 1 撮る → 2 小さくまとめる（圧縮）
• 3 送る → 4 受け取る
• 5 もとにもどす（復元）→ 6 画面に出す

メーカーの説明書や仕様表には、遅れの目安として0.13秒や0.2秒といった数字がのっています。ただし、「機体と送信機が近く、電波のじゃまがないとき」「まわりの環境や、使うスマートフォンによって変わる」といった条件つきです。電波が弱くなると、映像がカクカクしたり、止まったりすることもあります。

0.2秒は短く感じますが、秒速10mで飛んでいるドローンは、0.2秒で2m進みます。画面に映っているのは、ほんの少し前の景色です。だから、近くに物があるときはゆっくり飛ばします。遠くから点検するときも、ズームで細かい所を見ながら機体を少しずつ動かすので、遅れを見込んだ操作が欠かせません。

ひなた

テレビの生中継みたいに、ちょっと遅れて見えてるんだ。

スカイ博士

そのとおり。だからプロは、映像だけにたよらず、機体情報の数字や、自分の目でも確かめるんじゃ。

第5章 通信が切れたときに起こること

ひなた

もし電波が切れちゃったら、ドローンは落ちちゃうの？

スカイ博士

多くのドローンには、通信が切れたときにどう動くかを決めておくしくみがある。じゃが、動き方はひとつではない。なぜだと思う？

ひなた

うーん……場所によって、戻ったほうがいいときと、戻らないほうがいいときがあるから？

スカイ博士

いいところに気がついた。木や電線の多い場所、風の強い日、電池が少ないとき。ちょうどよい動き方は、そのときどきでちがうんじゃ。

動き方は、機種と設定で決まる

通信が切れたときのおもな動き方には、次のようなものがあります。

• その場で止まって待つ（ホバリング）
• その場に降りる（着陸）
• 飛び立った場所へ戻る（自動帰還。RTH＝Return to Homeともいいます）

どれになるかは、機種、設定、飛行モードによってちがいます。ある小型ドローンの説明書では、送信機の信号が切れたときの動きを「戻る・着陸・ホバリング」から選べます。「戻る」を選んでいても、戻り始めるのは、ホームポイント（戻る場所）を記録できていて、GPSの電波がよく、コンパスが正常なときに、信号が切れてから11秒より長くたったとき、と書かれています。待つ時間は機種によってちがい、同じメーカーでも6秒としている機種があります。

映像だけが切れて、操縦はまだできる、ということもあります。この説明書では、そのときは「戻りますか」とたずねる表示が出る、としています。

「戻る」にも条件がある

自動で戻るためには、いくつもの条件がそろっている必要があります。

• 戻る場所：ホームポイントを、飛び立つ前に正しく記録できていること。
• 自分の位置：GNSSで位置がしっかりわかること。説明書には、GPSの電波が弱いと戻れないこと、戻るとちゅうで弱くなると、しばらくその場で待ってから降りることが書かれています。
• 電池：戻るのに十分な電池が残っていること。
• 風：向かい風が強いと、戻るのに時間も電池も多くかかります。
• 障害物：戻る道に、木や建物、電線がないこと。障害物を自動でよけられない機体もあり、そのときは戻るときの高さの設定が大切です。

だから、「通信が切れたら必ず自動で帰ってくる」わけではありません。飛ばす前に、設定と条件を人が確かめておくことが大切なのです。第3弾でも、自動で戻るしくみには条件があることを見ました。

• 待つ・降りる・戻るは、順番ではなく設定の例
• 戻る設定でも、必ず戻れるわけではありません

第6章 携帯電話の回線と、リモートID

送信機と直接話す方法、携帯電話の回線を通る方法

ここまでの通信は、送信機とドローンが直接電波でやりとりする方法でした。もうひとつ、スマートフォンと同じ携帯電話の回線（LTE・5Gなど）を通ってやりとりする方法もあります。ドローンの電波は近くの基地局きちきょくへ届き、そこからネットワークを通って、遠くの事務所のパソコンなどへつながります（図2の3段目）。送信機の電波が届かない遠くの場所とも、回線を通じてつながれるのが強みです。

でも、携帯電話の回線があれば、どこまでも飛ばせるわけではありません。

• 携帯電話の回線は、もともと地上で使うためにつくられています。空の上で使うと通信が安定しないことがあり、地上の携帯電話にえいきょうするおそれもあります。だから上空で使うには、携帯電話会社への手続き（上空用のプランなど）が必要です。ふだんのスマートフォンやSIMカードを、そのままドローンにのせて使ってはいけません。
• 山おくや海の上など、電波の届かない圏外けんがいの場所があります。
• 基地局やネットワークを通るぶん、遅れが出ることがあります。
• 目で見えない所を飛ばすには、通信とは別に、航空法の手続きと、機体・人・手順の準備がいります。

スカイ博士

回線は「道」じゃ。道があっても、交通ルールと、もしものときの準備がなければ、遠くまで行ってはならん。

リモートIDは「わたしはだれ？」を知らせる名札の電波

日本では2022年6月から、100グラム以上のドローンは国に登録することになりました。登録したドローンは、リモートIDという電波を出しながら飛ぶのが原則です。ルールが今の形になるまでの歴史は、第2弾で紹介しています。

リモートIDは、登録記号（国が決めた登録番号）や製造番号、位置・速さ・時刻などを、1秒に1回以上、BluetoothやWi-Fiの電波でまわりへ発信します。受信機で受け取ると、どの登録のドローンが飛んでいるのかがわかります。持ち主の名前や住所などの個人情報は入っていません。また、飛んでいるあいだ、操縦する人がリモートIDの発信を止められないしくみになっています。

リモートIDは名札のようなものなので、次のことはしません。

• ドローンを操縦する（操縦の通信とは別のしくみです）
• 位置を求める（GNSSなどで求めた位置を、知らせているだけです）
• ほかの機体とぶつからないように、よけてくれる
• どこまでも追いかける（電波が届くのは、機体のまわりだけです）

なお、制度が始まる前の期間に登録を申しこんだ機体、届け出た区域の中で安全の対策をとって飛ばす場合、30m以内のじょうぶなひもでつないで飛ばす場合などは、リモートIDがなくてもよいとされています。

親子で挑戦｜3本の情報の道ゲーム

• 青：ひなた役 → 中継役 → ドローン役
• オレンジ・緑：ドローン役 → 中継役 → ひなた役

ひなた

通信断カードが出たとき、ドローン役が勝手に動いたら、どこにいるのか全然わからなくなっちゃった！

スカイ博士

それが大事な発見じゃ。本物の現場でも、もしものときの動きは、飛ばす前に決めて確かめておく。だから、離れていても「いまはこうしているはずだ」と考えられるんじゃよ。

今日わかったこと

1. ドローンと操縦する人のあいだでは、情報が両方向に流れている。
2. 操縦の指示は機体へ（上り）。映像と、位置・高さ・電池などの機体情報（テレメトリー）は、操縦する人へ（下り）。
3. 3つの情報をどう運ぶかは、機種によってちがう。
4. GNSSの衛星の電波は、位置を求める手がかり。操縦の指示や映像は運ばない。
5. 電波は、距離、物のかげ、高さ、アンテナの向き、はね返り、じゃまな電波、混雑で届きにくくなる。でも、かべがあれば必ず切れるわけではない。
6. 映像は少し遅れて届く。カタログの距離や遅れの数字は、条件つき。通信できる距離と、安全に飛ばせる範囲は同じではない。
7. 通信が切れたときの動きは、機種・設定・飛行モードと、そのときの条件で変わる。必ず帰ってくるわけではない。
8. 携帯電話の回線があるだけでは、遠くまで飛ばせない。リモートIDは名札の電波で、操縦や衝突よけはしない。

ひなた

映像が空から届くのは、ドローンがずっと話しかけてくれているからなんだね。

スカイ博士

うむ。そして、話が聞こえなくなったときにどうするかを、人が先に決めておく。それが、目に見えない電波と上手につきあうコツじゃ。