JP2005337765A - モノパルス追尾方式 - Google Patents

Abstract

【課題】 基準信号発生器が不要で、受信系雑音温度の上昇を招来せず、正確な位相補正等が可能なモノパルス追尾方式を提供する。
【解決手段】 アンテナを衛星等の方向に指向させる際に、アンテナで受信した信号を和信号と差信号に分離し、両信号を増幅し、増幅した和信号と差信号をＩＦ帯の同一の周波数に変換した後、さらに互いに異なる周波数に変換し、周波数の異なる和信号と差信号を１本のケーブルで伝送し、ケーブルで伝送した和信号と差信号を周波数変換して、ＩＦ帯の同一の周波数に復元し、復元した和信号と差信号の電圧差及び位相差によりアンテナの位置を制御する。増幅した和信号と差信号をＩＦ帯の同一の周波数に変換した後、さらに互いに異なる周波数に変換するための局部発振用信号を、周波数の異なる和信号と差信号を伝送するケーブルを介して伝送し、伝送ケーブルを１本に集約することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モノパルス追尾方式に関し、特に、資源探査衛星、情報収集衛星、移動体通信衛星等と通信を行う衛星地上局用アンテナ設備等に用いられるモノパルス追尾方式に関する。

資源探査衛星、情報収集衛星、移動体通信衛星等の低軌道、中軌道を飛行する衛星を追尾する衛星地上局のアンテナ設備等には、ＴＭ０１やＴＥ２１の電波の姿態を用いたモノパルス自動追尾方式が採用されている。この方式は、受信信号（和信号）とＴＭ０１またはＴＥ２１モードカップラーから出力される追尾用信号（差信号）を用い、この２つの信号のレベル（電圧）差並びに位相差を検出し、これらの差を最小にする方向にアンテナを駆動することにより自動追尾制御を行っている。

図４は、従来のモノパルス追尾方式を実施するためのシステムの一例を示し、このシステムでは、モードカップラー付給電器（Ｆｅｅｄ）１０１から出力されるＲＦ帯（２、４、８、１２ＧＨｚ）の和信号及び差信号は、低雑音増幅器（ΣＬＮＡ、ΔＬＮＡ）１０４、１０５で増幅された後、受信周波数変換装置（ΣＤ／Ｃ、ΔＤ／Ｃ）１０６、１０７によりＩＦ帯（７０または１４０ＭＨｚ）に周波数変換され、ケーブルにより伝送され、追尾信号復調装置（ＴＲＫ ＤＥＭ）１３３に入力される。

追尾復調装置１３３では、２つの信号のレベル（電圧）差及び位相差を検出し、これらの差が最小になる仰角（ＥＬ）及び方位角（ＡＺ）制御用電圧を生成し、アンテナ制御装置（ＡＣＵ）１３４へこの信号を送出し、駆動制御装置（ＤＲＩＶＥ）１３５にてアンテナ制御装置１３４から送出される指令信号に従って仰角軸駆動電動機（ＥＬ ＤＲＩＶＥ ＭＯＴＯＲ）１０２、及び方位角軸駆動電動機（ＡＺ ＤＲＩＶＥ ＭＯＴＯＲ）１０３を駆動し、アンテナ１３６を衛星方向に指向させている。図５は、上記和信号、差信号のアンテナ１３６の指向方向に対する信号電圧の変化、及び和、差信号相対の位相の変化を示す。

ここで、追尾精度を向上させるためには、和、差間ルートの相対位相差変動を小さくする必要があり、両ルートの周囲温度の変化に対する位相変動量を同一にするため、また、ケーブルが動くことによる位相変動量を同一とするため、次の方策が採られていた。

（１）低雑音増幅器１０４、１０５、及び受信周波数変換装置１０６、１０７は、同一設計のものを用いる。
（２）ケーブルは、同一品を用い、路長も同一とする。
（３）建屋間は、位相変動を少なくするために波長の長いＩＦ帯で伝送する。
（４）建屋間のケーブルは、アンテナ１３６とともに動くため、捻廻角度、屈曲半径の変化により位相が変動しにくいケーブルを用い、また、布設長は同一とする。

従来、上記の方策を施しても、機器やケーブルの温度変化による絶対位相の変動量は、和、差系で同一にすることはできず、この相対位相差が追尾精度の悪化をもたらしていた。特に、アンテナは、追尾信号復調装置が設置される局舎とは離れた場所に建設されるため、建屋間伝送ケーブル長が長くなり、このケーブルの温度変化による和差系相対位差の変動が追尾精度変化の要因になっていた。また、アンテナ内に布設されるケーブルは、アンテナの駆動に伴い、捻廻角度、屈曲半径が変化し、この時の位相の変化量も和、差間のケーブルで同一ではないため、この位相差も追尾精度悪化の要因となっていた（図６参照）。尚、同図における＊は、和信号と差信号との間の固定位相差であって、この位相差は、追尾信号復調装置１３３でオフセットされる。

これらの問題を改善するため、特許文献１乃至４には、同一の基準信号を、和、差信号受信系の入力に挿入し、復調装置の前段で２つの系の基準信号の位相差を検出し、位相補正を行う技術が記載さている。また、特許文献５及び６には、差信号を変調し、和信号と合成する技術が記載さている。

特開２０００−２１６６１７号公報 特開平９−２６４９４２号公報 特開平３−２０４０１０号公報 特開昭６４−６８６７６号公報 特開平１１−２３１０４６号公報 実開平４−２１９８５号公報

しかし、上記特許文献１乃至４の方式を実施するには、基準信号発生器を設ける必要があった。さらに、基準信号と和、差信号の周波数が異なるため、周波数間隔が広く、位相の変化量がリニアでない場合には、正確な位相補正ができないという問題があった。

また、特許文献５及び６に記載の方式では、周波数変換器や低雑音増幅器の入力で角度誤差の情報（差信号）を和信号に変調し、信号伝送路を１つにすることにより、建屋間ケーブルにて発生する相対位相差を根本的になくしているが、変換器や増幅器入力に変調を行うための回路素子等を挿入する必要があり、受信系雑音温度の上昇を招いていた。

そこで、本発明は、上記従来のモノパルス追尾方式における問題点に鑑みてなされたものであって、基準信号発生器が不要で、受信系雑音温度の上昇を招くことがなく、正確な位相補正等が可能なモノパルス追尾方式を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、モノパルス追尾方式であって、アンテナで受信した信号を和信号と差信号に分離し、該分離した和信号と差信号を増幅し、該増幅した和信号と差信号をＩＦ帯の同一の周波数に変換した後、さらに互いに異なる周波数に変換し、該周波数の異なる和信号と差信号を１本のケーブルで伝送し、該ケーブルで伝送した和信号と差信号を周波数変換して、前記ＩＦ帯の同一の周波数に復元し、該復元した和信号と差信号の電圧差及び位相差により、前記アンテナの位置を制御することを特徴とする。

そして、本発明によれば、アンテナを資源探査衛星等の方向に指向させるにあたって、和信号と差信号をケーブルを介して伝送した際に、伝送前と同一の和、差信号間の相対位相差を得ることができるため、基準信号発生器が不要で、受信系雑音温度の上昇を招くことがなく、正確な位相補正が可能となる。また、電波干渉計等、複数のアンテナで受信した同一周波数の信号を相対位相差を保ちながら伝送する必要がある設備等において同様の効果を奏する。

前記モノパルス追尾方式において、前記１本のケーブルで伝送される和信号と差信号の周波数を、各々Ｆ＋ｆ、Ｆ−ｆ、または各々Ｆ−ｆ、Ｆ＋ｆとすることができる。

また、前記増幅した和信号と差信号をＩＦ帯の同一の周波数に変換した後、さらに互いに異なる周波数に変換するための局部発振用信号を、前記周波数の異なる和信号と差信号を伝送するケーブルを介して伝送することができる。これによって、伝送ケーブルを１本に集約することができる。

さらに、前記増幅した和信号を分岐させた後、互いに異なる２つの周波数にて伝送し、伝送路の受電端にて周波数を復元した後、両信号の位相差を比較することにより、前記伝送路の相対位相差を補正することができる。これによって、和信号と差信号に重畳する局部発振信号の周波数が大きくなる場合に対応することができる。

本発明によれば、基準信号発生器が不要で、受信系雑音温度の上昇を招くことがなく、正確な位相補正等が可能なモノパルス追尾方式を提供することが可能となる。

次に、本発明の第１の実施の形態について図１を参照して詳細に説明する。尚、本図では、追尾に関わる機器の系統のみを示し、信号の送受信に関わる機器の系統は省略している。

ＴＭ０１／ＴＥ２１モードカップラ付給電器（Ｆｅｅｄ）１は、受信用信号（和信号）とともに、モノパルス追尾に必要なＴＭ０１モード（円偏波またはＴＥ２１モード（直線偏波））の差信号を取り出す。仰角軸駆動電動（ＥＬ ＤＲＩＶＥ ＭＯＴＯＲ）２及び方位角軸駆動電動機（ＡＺ ＤＲＩＶＥ ＭＯＴＯＲ）３は、各々アンテナ１８を上下方向及び右／左廻りに駆動する。低雑音増幅器（ΣＬＮＡ、ΔＬＮＡ）４、５は、モードカップラ付給電器１から出力される和信号及び差信号を低雑音増幅する。

局部発振器（ＬＯ ＯＳＣ１）６は、低雑音増幅されたＲＦ帯の和差信号をＩＦ帯に変換するため、ＲＦとＩＦの差に相当する周波数を発振する。信号分配器（Ｈ１）７は、局部発振器６からの出力信号を分配する。混合器（ＭＩＸ１、ＭＩＸ２）８、９は、ＲＦ信号と局部発振周波数を混合し、これらの差に相当する周波数を出力する。

帯域通過濾波器（ＢＰＦ１、ＢＰＦ２）１０、１１は、混合器８、９から出力される信号のうち、ＩＦ帯に必要な信号のみを通過させる。信号分配器（Ｈ４）１２は、和、差系ＩＦ帯信号の周波数をさらに変換するため、室内から送出される局部発振信号を分岐させる。周波数混合器（ＭＩＸ３、ＭＩＸ４）１３、１４は、帯域通過濾波器１０、１１から出力されるＩＦ帯信号と局部発振器信号を混合し、その周波数の差に相当する信号を出力する。帯域通過濾波器（ＢＰＦ３）１５は、周波数混合器１３から出力される信号のうち、ＩＦ信号（ｆΣ）と局部信号（ｆＬ）の周波数差（ｆΣ−ｆＬ）に相当する信号を通過させる。帯域通過濾波器（ＢＰＦ４）１６は、ＩＦ信号（ｆ△）と局部信号（ｆＬ）との周波数差（ｆ△＋ｆＬ）に相当する信号を通過させる。

信号合成器（Ｈ５）１７は、帯域通過濾波器１５、１６から出力される周波数の異なる信号を合成し、アンテナ１８の内部の捻回ケーブルにその信号を送る。信号分配／合成器（Ｈ１１）２１は、建屋間ケーブルにて送出された信号を分配する。局部発振器（ＬＯ ＯＳＣ２）２２は、周波数の異なる和、差系ＩＦ帯信号の周波数を同一の周波数に復元するため、その差に相当する周波数（ｆＬ）を出力する。信号分配器（Ｈ１３、Ｈ１２）２３、２４は、局部発振器２２から出力される信号を分岐させる。混合器（ＭＩＸ１１、ＭＩＸ１２）２５、２６は、信号分配／合成器２１から出力される信号と局部発振器２２から出力される信号（分配器２３、２４経由）とを混合し、その差に相当する周波数の信号を出力する。帯域通過濾波器（ＢＰＦ１１）２７は、周波数混合器２５から出力される信号のうち、ｆΣに相当する周波数の信号を通過させる。帯域通過濾波器（ＢＰＦ１２）２８は、周波数混合器２６から出力される信号のうち、ｆ△に相当する周波数の信号を通過させる。

追尾信号復調装置（ＴＲＫ ＤＥＭ）３３は、和（ｆΣ）及び差（ｆ△）信号のレベル差及び位相差に基づき、衛星指向角度とアンテナ指向実角度差に相当する仰角軸及び方位軸に分けた電圧を出力する。アンテナ制御装置（ＡＣＵ）３４は、追尾信号復調装置３３から出力される角度誤差電圧に基づき、駆動指令信号を出力するとともにアンテナ設備全体の集中監視制御を行う。電動機駆動装置（ＤＲＩＶＥ）３５は、アンテナ制御装置３４からの指令信号より、仰角軸駆動電動機２及び方位軸駆動電動機３を駆動する

次に、上記構成を有するモノパルス追尾方式を用いたシステム動作について、次の３つの段階に分けて説明する。

（１）周波数変換
和信号、差信号をＩＦ帯の同一の周波数に変換した後、さらに異なる周波数に変換する。
（２）周波数多重伝送
周波数の異なる和、差信号を、１つのケーブルにて伝送する。
（３）周波数復元
伝送された周波数の異なる２つの信号をさらに周波数変換し、同一周波数の信号を取り出し（（１）と同一の信号）、追尾信号復調装置へ送る。

（１）周波数変換
ＴＭ０１／ＴＥ２１モードカップラ付給電器１から出力されるＲＦ帯の微弱な和信号及び差信号は、低雑音増隔器４、５にて各々低雑音増幅される。増幅されたＲＦ帯の信号は、周波数混合器８、９にて局部発振器６から出力される信号と混合され、帯域通過濾波器１０、１１にてＩＦ帯の信号のみが抽出される（２つの帯域通過濾波器１０、１１の通過特性は同一で、和信号、差信号の周波数は同じである）。

ＩＦ帯の和信号は、周波数混合器１３にて局部発振器２２からの出力信号ｆＬと混合され、帯域通過濾器１５にて（ｆΣ−ｆＬ）の周波数に相当する信号のみが抽出される。一方、差信号は、周波数混合器１４にて局部発振器２２からの出力信号ｆＬと混合され、帯域通過濾波器１６にて（ｆ△＋ｆＬ）の周波数に相当する信号のみが抽出される。従って、和、差ＩＦ帯信号の周波数差は２ｆＬである。

（２）周波数多重伝送
周波数の異なる和、差信号は、信号合成器１７にて合成され、１本のＩＦ帯ケーブル（ＣＡＢＬＥ）にて室内設置機器へ伝送される。尚、ＴＭ０１／ＴＥ２１モードカップラ付給電器１から信号合成器１７までの機器は、アンテナ１８の主反射鏡背面の小室（センターハブ）に設置される。ＩＦ帯ケーブルは、センターハブから室内機器間を結ぶ信号ケーブルであり、アンテナ１８の駆動とともに捻廻角度や屈曲半径が変化するアンテナ１８の内部の布設ケーブルを含む。

（３）周波数の復元
ＩＦ帯ケーブルにて伝送された信号は、信号分配／合成器２１にて分岐される。和系の（ｆΣ−ｆＬ）の周波数に相当する信号は、周波数混合器２５にて局部発振器２２からの出力信号ｆＬと混合され、ｆΣ（＝ｆΣ−ｆＬ＋ｆＬ）の周波数に相当する信号が帯域通過濾波器２７を通して抽出される。一方、差系の（ｆ△＋ｆＬ）の周波数に相当する信号は、周波数混合器２６にて和系と同様に局部発振器２２からの出力信号ｆＬと混合され、ｆ△（＝ｆ△＋ｆＬ−ｆＬ）の周波数に相当する信号が帯域通過濾波器２８を通して抽出される。

復元された和系信号及び差信号は、追尾信号複調装置３３に入力される。追尾信号復調装置３３は、和、差信号の電圧差及び位相差により、アンテナ１８を衛星方向に駆動するための誤差信号をアンテナ制御装置３４に出力し、アンテナ制御装置３４は、この信号に基づいて電動機駆動装置３５へ制御命令信号を出力し、電動機駆動装置３５は、仰角／方位軸駆動電動機２、３を駆動し、アンテナ１８を衛星方向に指向させる。

次に、本発明の第２の実施の形態について、図２を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、第１の実施の形態の構成に、さらに、周波数混合器１３、１４用の局部発振信号を和差信号伝送ケーブルに重畳するための周波数合成器（ＭＰＸ）４１と、アンテナセンターハブ側において局部発振信号を抽出する周波数分配器（ＭＰＸ）４０とが追加される。

周波数混合器１３、１４用の局部発振信号は、局舎（室内）に設置された局部発振機２２より出力され、信号分配器２３を経由し、周波数合成器４１にて和差信号伝送ケーブルに重畳される。この伝送ケーブルにてアンテナセンターハブに送出された局部発振信号は、周波数分配器４０より抽出され、信号分配器１２にて分配され、周波数混合器１３、１４用に局部発振信号として入力される。第１の実施の形態では、センターハブ内に局部発振用信号を伝送するためのＬＯ帯ケーブル（ＣＡＢＬＥ）が必要となるが、本実施の形態では、局部発振用信号を和、差信号伝送用ケーブルを用いて伝送するため、ＬＯ帯ケーブル（ＣＡＢＬＥ）が不要となる。

次に、本発明の第３の実施の形態について、図３を参照して詳細に説明する。上記第１の実施の形態では、アンテナ１８〜局舎間を伝送する和、差信号の周波数、（ｆΣ−ｆＬ）、（ｆ△＋ｆＬ）において、ｆＬの周波数がｆΣ、ｆ△に対して十分に小さい場合には、２つの周波数における位相特性は、直線の関係にあるとみなすことができる。しかし、狭い帯域の濾波器を製作することは困難であり、ｆＬの周波数が大きくなる場合には、その位相差を検出して補正する必要がある。そこで、本実施の形態では、和信号を２つの異なる周波数で伝送し、同一の周波数に復元後、位相差を検出し、その補正を行う。

本実施の形態では、第１の実施の形態の構成に、さらに、帯域通過濾波器１０から出力された和信号系の信号を、和差信号系へと分岐させる信号分配器（Ｈ２）５１と、差信号系ルートにおいて混合器１４に入力される信号を選択する切替器（ＳＷ）５２と、帯域通過濾波器２７、２８から出力される信号を分岐させる信号分配器（Ｈ１４、Ｈ１５）５３、５４と、信号分配器５３、５４から送出される２つの和信号の位相差を検出する位相差検出器（ＰＨＡＳＥ ＤＥＴ）５５と、位相差検出器５５から送出される制御信号により差信号系の位相差を制御する位相差補正器（ＰＨＡＳＥ ＳＨＩＦＴ）５６とが追加される。

本実施の形態では、同時に、差信号ルートにも和信号を伝送することにより、ＩＦケーブルで発生する２つの信号の周波数における位相差を検出し、差信号系位相補性を行っている。この機能は、和信号受信時に有効となるため、地上の電波発生源（コリメーション設備またはボアサイト）が存在しない場合には、衛星を追尾している時に稼動させる必要がある。このため、アンテナ制御装置３４では、位相差の検出・構成時には誤差信号を無視し、駆動指令を出力しないようにしている。

アンテナ１８の自動追尾開始前や、慣性駆動で正確な誤差信号を必要としない時には、アンテナ制御装置３４より位相差検出器５５へＰＨＡＳＥ ＤＥＴ ＯＮ信号を出力する。位相検出器５５は、切替器５２に制御信号を出力し、ＳＷの状態を１側に切替える。その結果、差信号ルートに同一の和信号ｆΣが伝送されるため、位相差検出器５５にて２つの和信号の位相差を検出し、位相補正器５６へその補正値を指令し、位相補正器５６はその補正を行う。

本発明にかかるモノパルス追尾方式の第１の実施の形態を実施するためのシステムを示す全体構成図である。 本発明にかかるモノパルス追尾方式の第２の実施の形態を実施するためのシステムを示す全体構成図である。 本発明にかかるモノパルス追尾方式の第３の実施の形態を実施するためのシステムを示す全体構成図である。 従来のモノパルス追尾方式の一例を実施するためのシステムを示す全体構成図である。 従来のモノパルス追尾用信号の一例を示す図である。 従来の和差系信号の位相の変化の一例を示す図である。

符号の説明

１ ＴＭ０１／ＴＥ２１モードカップラ付給電器
２ 仰角軸駆動電動機
３ 方位角軸駆動電動機
４ 低雑音増幅器
５ 低雑音増幅器
６ 局部発振器
７ 信号分配／合成器
８ 周波数混合器
９ 周波数混合器
１０ 帯域通過濾波器
１１ 帯域通過濾波器
１２ 信号分配／合成器
１３ 周波数混合器
１４ 周波数混合器
１５ 帯域通過濾波器
１６ 帯域通過濾波器
１７ 信号合成器
１８ アンテナ
２１ 信号分配／合成器
２２ 局部発振器
２３ 信号分配／合成器
２４ 信号分配／合成器
２５ 周波数混合器
２６ 周波数混合器
２７ 帯域通過濾波器
２８ 帯域通過濾波器
３３ 追尾信号復調装置
３４ アンテナ制御装置
３５ 電動機駆動装置
４０ 周波数分配器
４１ 周波数合成器
５１ 信号分配器
５２ 切替器
５３ 信号分配器
５４ 信号分配器
５５ 位相検出器
５６ 位相補正器

Claims (4)

1. アンテナで受信した信号を和信号と差信号に分離し、
   該分離した和信号と差信号を増幅し、
   該増幅した和信号と差信号をＩＦ（ＩＮＴＥＲＭＥＤＩＡＴＥ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ）帯の同一の周波数に変換した後、さらに互いに異なる周波数に変換し、
   該周波数の異なる和信号と差信号を１本のケーブルで伝送し、
   該ケーブルで伝送した和信号と差信号を周波数変換して、前記ＩＦ帯の同一の周波数に復元し、
   該復元した和信号と差信号の電圧差及び位相差により、前記アンテナの位置を制御することを特徴とするモノパルス追尾方式。
2. 前記１本のケーブルで伝送される和信号と差信号の周波数を、各々Ｆ＋ｆ、Ｆ−ｆ、または各々Ｆ−ｆ、Ｆ＋ｆとすることを特徴とする請求項１に記載のモノパルス追尾方式。
3. 前記増幅した和信号と差信号をＩＦ帯の同一の周波数に変換した後、さらに互いに異なる周波数に変換するための局部発振用信号を、前記周波数の異なる和信号と差信号を伝送するケーブルを介して伝送することを特徴とする請求項１または２に記載のモノパルス追尾方式。
4. 前記増幅した和信号を分岐させた後、互いに異なる２つの周波数にて伝送し、伝送路の受電端にて周波数を復元した後、両信号の位相差を比較することにより、前記伝送路の相対位相差を補正することを特徴とする請求項１、２または３に記載のモノパルス追尾方式。

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