JP2016180729A - Satellite tracking antenna device and satellite tracking method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、受波ビーム幅の狭小なアンテナにおいても、ロケット、人工衛星等の追尾対象を確実に捕捉するための待ち受け追尾用アンテナ駆動装置および方法に関するものである。 The present invention relates to a standby tracking antenna driving apparatus and method for reliably capturing a tracking target such as a rocket or an artificial satellite even with an antenna having a narrow reception beam width.
図６は従来の待ち受け追尾用アンテナ駆動方式を示す機能ブロック図である。図において、１は観測局内に設置された計算機であり、２はこの計算機１にて制御駆動されるアンテナである。
また、３は計算機１内に例えばソフトウェア的に実現され、人工衛星などの追尾対象のあらかじめ予測される軌道に従って、アンテナ２を駆動するための予報データを作成する予報データ演算部であり、４はその予測データ、５はその予報データ４が格納される予報データ格納部である。
６はこの予報データ格納部５に格納された予報データ４を基にアンテナへの指令角度を算出する指令値演算部であり、７はこの指令値演算部６にて算出されてアンテナ２へ送られるアンテナへの指令角度である。
次に動作について説明する。追尾対象の到来に先立ち、計算機１は予報データ演算部３にて、観測局の緯度・経度・高度及び追尾対象の位置と速度から予測される予報データ４を作成し、予報データ格納部５に格納する。
次いで、指令値演算部６は追尾対象の到来に備えて、アンテナ２が追尾対象の到来方向を指向するように、予報データ格納部５に格納された予報データ４を基に、アンテナへの指令角度７を作成してアンテナへ送る。アンテナ２はそのアンテナへの指令角度７に従って駆動され、指定された方向に指向する。
時刻が、予報データ４で予測した時刻（以下、予報時刻という）になると、予報時刻に対応して予報データ４で予測した角度（以下、アンテナの予報角度という）を基に、指令値演算回路６がリアルタイムにアンテナへの指令角度７を算出し、それをアンテナ２へ送る。アンテナ２はこのアンテナへの指令角度７にて駆動され、そのメインローブで追尾対象を捕捉する。
なお、このような従来の待ち受け追尾用アンテナ駆動方式に関連する技術が記載された文献としては、例えば“電波研究所季報”の第２６巻第１３６号（１９８０年２月）の第２６１〜２７３頁の論文「プログラム追尾系」などがある。
さて、このような従来の待受け追尾用アンテナ駆動方式は、軌道の時間ずれの絶対値が小さい場合は、平行移動で近似できるが、ある程度絶対値が大きいと、観測予報値を時間軸上で移動して、新しい観測値を生成することは、事実上不可能になる。
これに対し特許文献１では、平行移動による観測予報値の補正に代わる補正方式を採用した目標観測レーダ装置及び目標追尾方法を提供することにある。（特許文献１）
また、従来の待ち受け追尾用のアンテナ駆動方式は、時刻のずれやアンテナ角度のずれ等によって、予報データで予測した通りに追尾しなかった場合、追尾対象をアンテンナのメインローブで捕捉できないことがあり、その結果追尾対象から送信される電波を、十分な受信レベルで受信できずに、良好なデータが得られないという問題点があった。
係る問題点を解消するために、特許文献２は、追尾対象を補足した時にサイドローブで補足していた場合でも、メインローブで確実に再捕捉することができる待ち受け追尾用アンテナに係る駆動方式を提供することにある。（特許文献２）
FIG. 6 is a functional block diagram showing a conventional standby tracking antenna drive system. In the figure, reference numeral 1 denotes a computer installed in the observation station, and reference numeral 2 denotes an antenna controlled and driven by the computer 1.
Reference numeral 3 denotes a prediction data calculation unit that is realized in the computer 1 by software, for example, and generates prediction data for driving the antenna 2 in accordance with a predicted orbit of a tracking target such as an artificial satellite. The forecast data 5 is a forecast data storage unit in which the forecast data 4 is stored.
Reference numeral 6 is a command value calculation unit for calculating a command angle to the antenna based on the forecast data 4 stored in the forecast data storage unit 5, and 7 is calculated by the command value calculation unit 6 and sent to the antenna 2. Is the command angle to the antenna.
Next, the operation will be described. Prior to arrival of the tracking target, the computer 1 generates forecast data 4 predicted from the latitude / longitude / altitude of the observation station and the position and speed of the tracking target in the forecast data calculation unit 3, and stores it in the forecast data storage unit 5. Store.
Next, in preparation for the arrival of the tracking target, the command value calculation unit 6 instructs the antenna based on the forecast data 4 stored in the forecast data storage unit 5 so that the antenna 2 points in the direction of arrival of the tracking target. Create angle 7 and send to antenna. The antenna 2 is driven in accordance with a command angle 7 to the antenna and is directed in a designated direction.
When the time is the time predicted by the forecast data 4 (hereinafter referred to as the forecast time), the command value calculation circuit is based on the angle predicted by the forecast data 4 (hereinafter referred to as the antenna forecast angle) corresponding to the forecast time. 6 calculates the command angle 7 to the antenna in real time and sends it to the antenna 2. The antenna 2 is driven at a command angle 7 to the antenna, and the tracking target is captured by the main lobe.
In addition, as a document describing a technique related to such a conventional standby tracking antenna drive system, for example, Vol. 26-136 (February 1980), Vol. There is a paper on the page "Program Tracking System".
Now, such a conventional standby tracking antenna drive method can be approximated by parallel movement when the absolute value of the time deviation of the orbit is small, but if the absolute value is large to some extent, the observation forecast value is moved on the time axis. Thus, it is virtually impossible to generate new observations.
On the other hand, in patent document 1, it is providing the target observation radar apparatus and target tracking method which employ | adopted the correction system replaced with correction | amendment of the observation forecast value by parallel movement. (Patent Document 1)
Also, the conventional antenna drive system for standby tracking may not be able to capture the tracking target with the main lobe of the antenna if tracking is not performed as predicted by the forecast data due to time lag or antenna angle lag. As a result, there is a problem that radio waves transmitted from the tracking target cannot be received at a sufficient reception level, and good data cannot be obtained.
In order to solve such a problem, Patent Document 2 discloses a driving method related to a standby tracking antenna that can be reliably re-acquired by a main lobe even when the tracking target is supplemented by a side lobe. It is to provide. (Patent Document 2)
観測予報値を用いて衛星を追尾するトラッキング方法において、時刻のずれやアンテナ角度のずれ等によって、予報データで予測した通りに追尾しない課題があった。
また、衛星の画像データ等を限られた時間内に地上局へ多数データ転送するには広帯域を確保できるＸバンド通信が適する。さらに、衛星の微弱な電波を確実に捉えるために地上局には大口径のパラボラアンテナが適する。一般的に、アンテナは大口径になるほど受信感度が上がる一方、受信ビームがシャープになることが知られている。Ｘバンド１２ｍのパラボラアンテナでは、送受波ビームが１度以内のシャープさになり、衛星の自動追尾において前記の問題に加えてさらに高精度のトラッキングが課題となる。
In the tracking method of tracking a satellite using observation forecast values, there is a problem that tracking is not performed as predicted by the forecast data due to a time lag or antenna angle lag.
Further, X-band communication capable of ensuring a wide band is suitable for transferring a large number of satellite image data and the like to a ground station within a limited time. Furthermore, a large-diameter parabolic antenna is suitable for the ground station in order to reliably capture the weak radio waves of the satellite. In general, it is known that the reception sensitivity increases as the aperture of the antenna increases, while the reception beam becomes sharper. In the X-band 12 m parabolic antenna, the transmitted / received beam becomes sharper than 1 degree, and in the automatic tracking of the satellite, in addition to the above problem, tracking with higher accuracy becomes a problem.
本解決手段は、観測予報値を用いて衛星を追尾トラッキングする方法において、ビーム幅の異なる２つのアンテナ、受信機を用いて実際の衛星到来波を受信し、観測予報値誤差の補正に関する。
即ち、衛星のトラッキングは、ビーム幅がＸバンドのそれよりも広い、例えば３ｍのＳバンドアンテナと高感度・狭ビーム角の特性を持つ、例えば１２ｍのＸバンドアンテナを用いて行う。
予め衛星の軌道情報からアンテナ設置地点における衛星の到来時刻、方位、俯角を観測予報値として算出しておき、到来時の所定時刻前にＳバンド、Ｘバンドアンテナを前記算出した方位と俯角に導入し待機させる。
Ｓバンドアンテナが一旦衛星電波を受信し始めると、Ｘバンドアンテナはサーチモードに入る。Ｘバンドアンテナは、Ｓバンドアンテナのビーム中心を同心円とするサークル上をサーチする。
同心円の半径は、Ｘバンドアンテナのビーム幅に相当する長さを初期値とし、一周毎にビーム幅に相当する長さを増加させる。その間、受信レベルがピークになるポイントをサーチし、ピーク時点における方位・仰角を検出し、その時刻における観測予報値と比較し、誤差があれば予報値を補正する。
Ｓ，Ｘバンドアンテナは、前記補正後のデータに基づいて衛星のトラッキングを継続する。
The present solution relates to correction of an observation forecast value error by receiving an actual satellite arrival wave by using two antennas and receivers having different beam widths in a method of tracking tracking a satellite using an observation forecast value.
That is, the tracking of the satellite is performed by using, for example, a 3 m S-band antenna having a beam width wider than that of the X band, for example, and a 12 m X band antenna having high sensitivity and narrow beam angle characteristics.
The satellite arrival time, azimuth, and depression angle at the antenna installation point are calculated in advance as observation forecast values from the satellite orbit information, and the S-band and X-band antennas are introduced into the calculated azimuth and depression angles before the predetermined time of arrival. Then wait.
Once the S-band antenna begins to receive satellite radio waves, the X-band antenna enters search mode. The X-band antenna searches on a circle whose concentric circle is the beam center of the S-band antenna.
The radius of the concentric circle has a length corresponding to the beam width of the X-band antenna as an initial value, and increases the length corresponding to the beam width every round. Meanwhile, the point at which the reception level reaches the peak is searched, the azimuth / elevation angle at the peak time is detected, compared with the observation forecast value at that time, and if there is an error, the forecast value is corrected.
The S and X band antennas continue to track the satellite based on the corrected data.
時刻ずれやアンテナ角度のずれ等によって、予報データで予測した通りに追尾困難な状況にあっても、広いビームで確実に目標物を捕捉し、その情報を用いて狭いビームを導入することが可能になり、狭いビームによる追尾が確実なものになる。 Even if it is difficult to track as predicted by forecast data due to time offset or antenna angle deviation, it is possible to capture a target with a wide beam and introduce a narrow beam using that information. Thus, tracking with a narrow beam is ensured.
この発明の一実施形態を、図１に示す。
観測予報値を用いて衛星を追尾トラッキングする方法において、ビーム幅の異なる２つのアンテナ、受信機を用いて実際の衛星到来波を受信し、観測予報値誤差を補正することを特徴とする。
一般に、アンテナの指向特性を示す送受波ビーム幅は、ビームのピーク周波数から３ｄBダウンした周波数幅と定義されている。３ｄBダウンのビーム幅は、アンテナ波長に比例しアンテナ面の幅に半比例することが知られている。例えば、３ｍSバンド（２GHｚ）と１２ｍXバンド（８GHｚ）のパラボラアンテナのビーム幅は図２の計算結果となる。
図３は、前記３ｍSバンドと前記１２ｍｘバンドのアンテナビーム幅を比較した図である。アンテナビーム幅の計算結果から、３ｍのＳバンドアンテナをビーム幅の広い衛星サーチ用とし、１２ｍのＸバンドアンテナをビーム幅の狭いデータ受信用として用いる。
先ずは、予め衛星の軌道情報からアンテナ設置地点における衛星の到来時刻、方位、俯角を観測予報値として算出しておき、到来時の所定時刻前にＳバンド、Ｘバンドアンテナを前記算出した方位と俯角に導入し待機させる。
ここで、衛星の軌道情報とは、所定時間毎に衛星の位置データを算出したデータ集合体である。
到来時の所定時刻前に両アンテナを受信状態とし、衛星電波の到来を待つ。
ビーム中心の制御を図４に示す通り、Ｓバンドアンテナが衛星電波を受信し始めると、Ｘバンドアンテナはサーチモードに入る。Ｘバンドアンテナは、Ｓバンドアンテナのビーム中心を同心円とするサークル上をサーチする。
同心円の半径は、Ｘバンドアンテナのビーム幅に相当する長さを初期値とし、一周毎にビーム幅に相当する長さを増加させる。その間、受信レベルがピークになるポイントをサーチし、ピーク時点における方位・仰角を検出し、その時刻における観測予報値と比較し、誤差があれば予報値を補正する。
補正に関しては以下の通りとする。予報値の仰角、方位角を時間軸で表すと図５の通りであり、予報カーブをΔT時間軸方向にずらせると破線のようになる。Ｘバンドアンテナの捕捉時における仰角、方位角を用いて多数の破線から最も近しい予報カーブを選択する。本予報カーブにおける仰角、方位角を補正後のデータとして入れ替える。
ここでは、ＳバンドとＸバンドを用いたが一実施例であり、ビーム幅の異なるアンテナの組合せであれば発明の効果は期待できる。
One embodiment of the present invention is shown in FIG.
In a method of tracking tracking a satellite using an observation forecast value, an actual satellite arrival wave is received using two antennas and receivers having different beam widths, and an observation forecast value error is corrected.
In general, the transmission / reception beam width indicating the directivity of the antenna is defined as a frequency width that is 3 dB down from the peak frequency of the beam. It is known that the beam width of 3 dB down is proportional to the antenna wavelength and half proportional to the width of the antenna surface. For example, the beam widths of parabolic antennas of 3 mS band (2 GHz) and 12 mX band (8 GHz) are the calculation results of FIG.
FIG. 3 is a diagram comparing the antenna beam widths of the 3 ms band and the 12 mx band. From the calculation result of the antenna beam width, the 3 m S-band antenna is used for satellite search with a wide beam width, and the 12 m X-band antenna is used for data reception with a narrow beam width.
First, the arrival time, azimuth, and depression angle of the satellite at the antenna installation point are calculated as observation forecast values in advance from the satellite orbit information, and the S-band and X-band antennas are calculated with the calculated azimuth and the predetermined time before arrival. Introduce into Mongkok and wait.
Here, the orbit information of the satellite is a data aggregate obtained by calculating the position data of the satellite every predetermined time.
Both antennas are set in a receiving state before a predetermined time when they arrive and wait for the arrival of satellite radio waves.
As shown in FIG. 4, when the S-band antenna starts to receive satellite radio waves, the X-band antenna enters the search mode. The X-band antenna searches on a circle whose concentric circle is the beam center of the S-band antenna.
The radius of the concentric circle has a length corresponding to the beam width of the X-band antenna as an initial value, and increases the length corresponding to the beam width every round. Meanwhile, the point at which the reception level reaches the peak is searched, the azimuth / elevation angle at the peak time is detected, compared with the observation forecast value at that time, and if there is an error, the forecast value is corrected.
The correction is as follows. The elevation angle and azimuth angle of the forecast value are represented on the time axis as shown in FIG. 5, and when the forecast curve is shifted in the ΔT time axis direction, a broken line is obtained. The closest forecast curve is selected from a number of broken lines using the elevation angle and azimuth angle at the time of capturing the X-band antenna. The elevation angle and azimuth angle in this forecast curve are replaced as corrected data.
Here, the S band and the X band are used. However, this is an example, and the effect of the invention can be expected if the antennas have different beam widths.
この実施形態によれば、時刻ずれやアンテナ角度のずれ等によって、予報データで予測した通りに追尾しなかった場合において、広いビームで確実に目標物を捕捉し、その情報を用いて狭いビームを導入することが可能になり、狭いビームによる追尾性能が向上する。 According to this embodiment, when tracking is not performed as predicted by the forecast data due to time shift or antenna angle shift, the target is reliably captured with a wide beam, and the narrow beam is captured using the information. It becomes possible to introduce, and the tracking performance by a narrow beam is improved.
この発明は、ロケット、人工衛星などの追尾対象を、大口径・Ｘバンド等の狭いビームアンテナにおいて、確実に追尾対象を捕捉するための待ち受け追尾用アンテナ駆動方式に利用可能である。 The present invention can be used for a standby tracking antenna drive system for reliably capturing a tracking target such as a rocket or an artificial satellite in a narrow beam antenna having a large aperture and an X band.
２ａ Sバンドアンテナ
２ｂ Xバンドアンテナ
４ 予報データ
７ａ Sバンドアンテナへの指令角度
７ｂ Xバンドアンテナへの指令角度
１０ａ Sバンド受信レベル
１０ｂ Xバンド受信レベル
2a S-band antenna 2b X-band antenna 4 Forecast data 7a Command angle to S-band antenna 7b Command angle to X-band antenna 10a S-band reception level 10b X-band reception level
Claims (5)
ビーム幅の異なる２つのアンテナと、
追尾対象の軌道データに基づいて観測予報値を作成する予報データ作成部と、
前記観測予報値に基づいてアンテナを駆動するアンテナ駆動部と、
前記アンテナ駆動部で駆動された２つのアンテナのうち、ビーム幅の広い方のアンテナで追尾対象を検出したのち、ビーム幅の狭い方のアンテナで広い方のビーム内をサーチし、追尾対象を捕捉した際の方位・仰角データに基づいて観測予報値の補正をする予報データ補正部と、を具備することを特徴とする衛星追尾アンテナ装置。 A tracking antenna that tracks the tracking target,
Two antennas with different beam widths;
A forecast data creation unit that creates observation forecast values based on the orbit data to be tracked;
An antenna drive unit for driving the antenna based on the observation forecast value;
Of the two antennas driven by the antenna drive unit, the tracking target is detected by the antenna having the wider beam width, and then the wider beam is searched by the antenna having the smaller beam width to capture the tracking target. A satellite tracking antenna apparatus comprising: a forecast data correction unit that corrects an observation forecast value based on azimuth / elevation angle data at the time.
ビーム幅の異なる２つのアンテナを用いて、
追尾対象の軌道データに基づいて観測予報値を作成する予報データを作成し、
前記観測予報値に基づいてアンテナを駆動し、
前記アンテナ駆動方式で駆動された２つのアンテナのうち、ビーム幅の広い方のアンテナで追尾対象を検出したのち、ビーム幅の狭い方のアンテナで広い方のビーム内をサーチし、追尾対象を捕捉した際の方位・仰角データに基づいて観測予報値の補正をすることを特徴とする衛星追尾方法。
An antenna tracking method for tracking a tracking target,
Using two antennas with different beam widths,
Create forecast data to create observation forecast values based on the orbit data to be tracked,
Driving the antenna based on the observed forecast value,
Of the two antennas driven by the antenna driving method, the tracking target is detected by the antenna having the wider beam width, and then the wider beam is searched by the antenna having the narrower beam width to capture the tracking target. The satellite tracking method is characterized in that the observation forecast value is corrected based on the azimuth / elevation angle data at the time.
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