JP2006270806A - アンテナの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ビームアンテナを衛星の方向に指向させるとき、アンテナを微少な所定の角度で振らせて、受信信号レベルを監視することにより、最も受信信号レベルが大となる方向を検出してアンテナをその方向に制御するコニカルスキャン方式がある。しかし、電波環境の変化により、信号が最大となる方向を、いつも安定して検出できるとは限らないという課題があった。
【解決手段】 衛星の仰角を検出する衛星仰角算出部１３を設け、この出力にもとづいて、コニカルスキャンの振幅、周期、補正量を変化させるコニカルスキャンパラメータ決定部１４を設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、アンテナの指向方向を制御するもので、コニカルスキャンにより受信レベルのフィードバックを行ないつつ制御するものにおいて、相手局の追尾をより安定化させることができるようにしたアンテナの制御装置に関するものである。

移動体（揺動の激しい船舶など）に搭載された狭ビームアンテナ（以下アンテナ）を常に相手局（例えば通信衛星）に向けるように制御する場合、例えば、ジャイロで移動体の姿勢変化を検出し、姿勢変化によって発生したアンテナの指向方向と目標とする相手局方向とのずれを補正するようにアンテナを駆動する方式(ジャイロ追尾)が用いられる。以下、通信の相手局は人工衛星に搭載された局であるとして説明するが、これに限るものではない。
ジャイロには計測誤差があるため、アンテナの指向方向と衛星の方向とのずれが時系列で増大してゆく傾向がある。このずれを補正するために、ジャイロ追尾と併用して受信レベルによるピークサーチ(受信レベル追尾方式と言う)を用いるハイブリッド型追尾が行なわれる。
受信レベル追尾方式には、アンテナを幾つかの近接するポイントに駆動して、各ポイントで積分した受信レベル値を比較することで、受信レベルがピークとなる方向を検出するステップトラック方式や、アンテナの方向を円錐状に微小な角度範囲で回転（上下／左右に振る）させながら受信レベルを積分して、受信レベルのピーク方向を検出するコニカルスキャン方式などが用いられる。コニカルスキャン方式については、例えば特許文献１に開示されている。

ところが、このような受信レベル追尾方式は、受信レベルに重畳するノイズの大きさ（又はＳ／Ｎ比）の影響を受けやすく、その大きさによっては、追尾誤差が増大したり、追尾が不安定となって追尾外れを起こしたりするなどの問題が起こる。ノイズの大きさが電波環境の変化に拠らず一定している場合は、追尾特性が良好になるように受信レベル追尾のパラメータを最適調整しておくことで対処可能であるが、実環境においては、雨天による受信信号レベルの低下とノイズレベルの増大や、低仰角での海面フェージングによるノイズ増大など、受信信号レベルとノイズレベルはダイナミックに変化する。このため、特定の環境下で受信レベル追尾のパラメータの最適化を行なっても、上記の環境の変化により、追尾誤差が増大したり、追尾外れを起こすなどにより、通信を正常に維持できなくなるのである。
特開平５−９３７７１号公報

以上のように、従来のコニカルスキャン方式を含むいわゆる受信レベル追尾方式は、受信レベルに重畳するノイズの大きさの影響を受けやすく、電波環境の変化により、追尾誤差が増大したり、追尾外れを起こし、通信を正常に維持できなくなる場合があるという課題があった。
この発明は上記のような課題を解消し、コニカルスキャン方式を用いながら、受信信号レベルやノイズレベルが変化しても追尾誤差が大きく変化せず、追尾はずれが生じにくいアンテナ制御装置を提供することを目的とする。

この発明によるアンテナ制御装置は、指令された方向に指向する架台に搭載されたビームアンテナ、
検出した現在位置と前記架台の方向と、前記アンテナの目標の方位データとから前記アンテナの指向方向を演算する演算手段、
前記指向方向にコニカルスキャン指令値を加算して前記アンテナを円錐駆動させるコニカルスキャン指令値演算手段、
前記アンテナの受信信号から受信レベルを検出する追尾受信機、
コニカルスキャン中の前記受信レベルを積分する受信レベル積分手段、
コニカルスキャン１周期中の前記受信レベル積分値から前記アンテナ方向に対する前記目標の相対的な方向を推定し、その方向に前記アンテナを補正する補正値演算手段、
前記目標の方位データから得た目標仰角に応じて前記コニカルスキャンの振幅、周期、補正量の少なくとも１つを決定するコニカルスキャンパラメータ決定手段を備えたものである。

また、前記アンテナは移動体に搭載されているものである。

この発明のアンテナ制御装置は、移動体などの動揺する基台上に設置されたビームアンテナを、コニカルスキャン方式を用いながら、受信信号レベルやノイズレベルが変化しても追尾誤差が大きく変化せず、追尾はずれが生じにくいという効果が得られる。

本発明の実施の形態について説明する前に、本発明の概要について図１により説明する。図において移動体２００の上に搭載され、図示しない電動又は油圧モータなどにより任意の方向に指向できる架台２０１の上に狭ビームアンテナ（以下アンテナ）１が搭載されている。以下の説明では、説明の都合上、架台２０１そのものをアンテナ１と呼んで、両者を特に区別しないこととする。
架台２０１の前記電動モータはアンテナ駆動制御装置１９９によって制御される。アンテナ駆動制御装置１９９は衛星方向算出部４から指令される指向方向データに基づいて、内蔵する制御部９９と、駆動制御部（モータをサーボ制御する電子駆動回路）２を介して架台２０１を駆動する。
図には示さないが、制御部９９の内部には後述するコニカルスキャンを行うための駆動信号を発する回路があり、この回路が発生するコニカルスキャン信号のパラメータ（少なくとも振幅／周期／補正ステップ幅の一つ以上を含む）はコニカルスキャンパラメータ決定部１４から指令される。そしてコニカルスキャンパラメータ決定部１４はコニカルスキャンのパラメータをパラメータ決定要素Ａの値にもとづいて決定する。
以下に説明する各実施の形態は、それぞれパラメータ決定要素Ａが異なっているのである。即ち、
実施の形態１では、パラメータ決定要素Ａは衛星仰角である。
実施の形態２では、パラメータ決定要素Ａは受信レベルの積分結果である。
実施の形態３では、パラメータ決定要素Ａはノイズレベルの積分結果である。

実施の形態１．
図２に本発明の実施の形態１の移動体に搭載されたアンテナの制御装置の構成例を示す。図２のものは、例えば船舶に搭載されるものであって、衛星通信送受信用のパラボラアンテナ１の指向方向を制御する。制御装置にはレートジャイロなどのロール角速度検出器８、ピッチ角速度検出器７、ヨー角速度検出器6が搭載されており、それらの出力値から船舶の姿勢角度を演算・推定する姿勢角度推定部５を有している。
衛星方向算出部4は内部メモリに保持されている衛星緯度・経度・高度とＧＰＳから取得した船舶の緯度・経度から、船舶から見た衛星の方向ベクトルを演算し出力する。動揺補正演算部3は、衛星方向算出部4から出力された衛星方向ベクトルにコニカルスキャン指令値演算部１０から出力されるコニカルスキャン指令値を加算したベクトルに、姿勢角推定部５から出力される姿勢角に補正値演算部１２から出力される姿勢角補正値を加算した角度で、動揺補正演算を行い、衛星方向ベクトルを動揺補正後の衛星方向ベクトル、すなわち、アンテナ方向ベクトル指令値に変換する。駆動制御部2は、動揺補正部3から出力されたアンテナ指向方向ベクトル指令値の方向にアンテナが指向するようにアンテナ駆動機構に搭載された各モータに駆動信号を出力し、アンテナ1はこの駆動信号により衛星方向に指向される。

衛星仰角演算部１３は、衛星方向演算部4から出力される衛星方向ベクトルから衛星仰角を算出し出力する。コニカルスキャンパラメータ決定部１４は、衛星仰角演算部１３から出力される衛星仰角と所定の値とを比較して、その結果からコニカルスキャンパラメータ(振幅、周期、補正ステップ幅の少なくとも１つ)を決定し出力する。コニカルスキャン指令値演算部は、コニカルスキャンパラメータ決定部から出力されるコニカルスキャン振幅、周期およびコニカルスキャン開始からの経過時間に応じて、コニカルスキャンを行うために衛星方向ベクトル指令値にオフセットするベクトル値を算出し出力する。

アンテナ１は衛星からの送信波を受信して受信波を追尾受信機９に出力する。追尾受信機９は受信波の受信レベルを算出し出力する。受信レベル積分演算部１１は、追尾受信機９から出力される受信レベルとコニカルスキャン指令値演算部１０から出力されるコニカルスキャン開始からの経過時間ｔを用いて、受信レベルの積分を行い、補正値演算部１２にコニカルスキャン１周期分の積分値を出力する。補正値演算部１２は受信レベル積分演算部１１からのコニカルスキャン１周期分の積分値の出力と、コニカルスキャンパラメータ決定部から出力される補正ステップ幅から、姿勢角の誤差を補正するためのオフセット値を演算し出力する。

コニカルスキャン指令値演算部のコニカルスキャン指令値の演算は、コニカルスキャン振幅をA、コニカルスキャン周期をT、コニカルスキャン開始からの経過時間をtとして次のようになる。

Ａ＝ｓｉｎ（２π／Ｔ ×ｔ）

衛星方向演算部4が出力する衛星方向ベクトル指令値をXsとしたとき、Xsに直行しかつ互いにも直行する単位ベクトルVベクトルとHベクトルを適当に定める。図３にXs、V、Hの関係図とを示す。このとき、コニカルスキャン指令値加算後の衛星方向ベクトル指令値Xs’は次のように定められる。

Xs’ = Xs + A×V×cos(2π/T×t) + A×H×sin(2π/T×t) ・・・（１）

この値を動揺補正部3に向けて出力する。図４にXs’の軌道を示す。

受信レベル積分演算部１１で行われる受信レベルの積分は、ＩｃとＩｓの２つがあり、追尾受信機９からの受信レベルCと、コニカルスキャン指令値演算部１０から出力されるコニカルスキャン開始からの経過時間tとを用いて、次のように表される。

補正値演算部は次のようにして姿勢角補正値を算出する。姿勢角度のオフセット誤差がそれぞれロールがΔψ、ピッチがΔθ、ヨーがΔφ、受信レベル積分演算部からの出力がＩｃとＩｓであるとき、補正ステップ幅δとオフセット誤差のとの関係は次のように表される。この式から、各オフセット誤差を算出し、前回値に足しこむでから出力する。

ここでVとHは式（１）で定められたベクトルである。
補正量を姿勢角度ではなく、角速度に帰還する形態も考えられる。この場合、ロール角速度のオフセット誤差をΔωｘ、ピッチ角速度のオフセット誤差をΔωｙ、ヨー角速度のオフセット誤差をΔωｚとすると、式（５）で求まるΔψ、Δθ、Δφを用いてその値は下記のように表される。この式から、各オフセット誤差を算出し、前回値に足し込んでから出力する。

ここでψはロール角度推定値、θはピッチ角度推定値、φはヨー角度推定値、Tはコニカルスキャン周期である。
コニカルスキャンパラメータ決定部１４はコニカルスキャン１周期毎に、衛星仰角算出部１３からの衛星仰角を参照し、その値と所定の値との大小関係から、コニカルスキャンパラメータを決定して出力する。船舶においては、低仰角では海面フェージングの影響により受信レベルのノイズが増大し、追尾安定性が悪化する傾向がある。これを回避するために低仰角ではコニカルスキャンの振幅を大きくすることでアンテナ指向方向(コニカルスキャン軌道の中心)と衛星方向との誤差に対する受信レベル変化の感度を上げることで、ノイズの影響の相対的な軽減を図る。また周期を短くし、一回あたりの補正幅を小さくすることで、ノイズによる誤った方向にステップする量を確率的に減少させる。
衛星仰角ＥＬの変化に対して、振幅、周期、補正ステップ幅の少なくとも１つのパラメータを変化させる例を表１に示す。ここではＥＬの変化に対して段階的に変化させているが、無論連続的に変化するように設定してもよい。

図５に実施の形態１の動作のフローチャートを示す。アンテナ１が衛星を捕捉している状態でコニカルスキャンフラグがＯＮされると、コニカルスキャンの動作がスタートし、ブロック１００からブロック１０１へ移る。コニカルスキャンフラグはコニカルスキャン機能の外側で指定されるフラグで、これがＯＮのときはコニカルスキャンが行われ、ＯＦＦのときはコニカルスキャンが行われない。
ループの先頭のブロック１０２で毎回値の参照が行われ、本フラグがＯＦＦになっていたら、コニカルスキャン動作を終了する。ブロック１０１では、コニカルスキャンで使用するパラメータを初期化するためのフラグをＯＮにしたのち、ブロック１０２にうつる。ブロック１０２でＹＥＳの判定が行われたら、ブロック１０４で初期化フラグのＯＮ／ＯＦＦの参照が行われる。ＯＮの場合は、動作がコニカルスキャンがはじまって最初のループであるか、前回のループでコニカルスキャンの1周期が完了し、再びコニカルスキャンを開始する場合のどちらかである。この場合、コニカルスキャンパラメータの初期化を行うためブロック１０５に遷移する。そうでなければ、動作はコニカルスキャン1周期の途中の状態にあることを意味するので、パラメータの初期化はスキップして、ブロック１０９にうつる。

パラメータの初期化はブロック１０５から１０８までの一連の処理として行われる。ブロック１０５では、まずコニカルスキャンパラメータの決定処理が行われる。ここで、衛星仰角に応じたコニカルスキャンパラメータを決定する処理が行われる。ブロック１０５はコニカルスキャン1周期毎(周期1秒程度)に行われるので、船舶の移動等により衛星仰角が徐々に変化する場合や、衛星が静止衛星ではなく、位置が刻々と変わる場合でも、その変化に迅速に対応し、適切なコニカルスキャンパラメータを動作が行われることとなる。ブロック１０６ではコニカルスキャン１周期中単調増加し、コニカルスキャン指令値の算出や受信レベル積分やコニカルスキャンの完了判定に用いられる時間ｔを０クリアする。ブロック１０７で受信レベル積分値ＩｃとＩｓを0クリアして新しく積分を開始する準備をしたのち、最後にブロック１０８で初期化フラグをＯＦＦとして、コニカルスキャン１周期が完了するまで初期化が行われないようにする。
ブロック１０９では時刻ｔがコニカルスキャン周期より大きいかどうかの判定が行われる。コニカルスキャン周期以下である場合は、コニカルスキャンの1周期が完了していないとして、受信レベル積分を継続させるべくブロック１１０にうつる。そうでない場合は、コニカルスキャン１周期が完了したものとしてブロック１１３うつり補正値演算を行う。

コニカルスキャン1周期中の一連の処理をブロック１１０から１１２までで行う。まずブロック１１０で受信レベルの積分を行う。次にコニカルスキャン指令値の演算を行い衛星方向ベクトルに加算する。最後に時間ｔを１演算ループ周期ｄｔ分だけ増やして、ブロック１１５にうつる。

コニカルスキャン1周期が完了した際の処理をブロック１１３と１１４に示した。ブロック１１３では姿勢角のオフセット誤差値の演算が行われ、オフセット誤差の前回値に足しこまれる。ブロック１１４では初期化フラグがＯＮされ、次演算ループの先頭でコニカルスキャンパラメータの初期化が行われるようにする。
ブロック１１５では、次の演算ループが開始されるまでのウェイトを行い、次のループ開始時にはブロック１０２の直前に戻り、上記に動作を繰り返す。
図２のコニカルスキャンパラメータ決定手段１４はこの発明に言う第１のコニカルスキャンパラメータ決定手段である。

実施の形態２．
図６に本発明の実施の形態２の構成を示す。ブロック１から１２までは実施の形態１の図２で説明したものと同じであるので詳細な説明は省略する。図６では、図２中に衛星の仰角を算出する部分として記載した衛星仰角算出部１３がない。代わり、受信レベル積分演算部１１の出力からコニカルスキャン1周期中の受信レベル積分結果がコニカルスキャンパラメータ決定部１４に入力される。

コニカルスキャンパラメータ演算部14では、この受信レベル積分結果IcとIsを用いて、衛星方向とコニカルスキャンの中心方向の角度誤差εを推定し、その結果を用いてコニカルスキャンパラメータの演算を行なう。
上記εは下記の式により推定される。

ただし、Bはアンテナのビーム幅、Aはコニカルスキャンの振幅である。
この値を用いて、たとえば、表2に示すようなコニカルスキャンパラメータの決定が行われる。

εがビーム幅より大きいとき、つまり追尾誤差が大きいときは、振幅を大きくして追尾誤差に対する受信レベル変化の感度を上げて追尾の安定性・収束性を向上させる。また、補正ステップ幅を大きくして追尾誤差の収束速度を向上させる。
図６のコニカルスキャンパラメータ決定手段１４はこの発明に言う第２のコニカルスキャンパラメータ決定手段である。

実施の形態３．
図７に本発明の実施の形態３の構成を示す。ブロック１から１２までは実施の形態１で説明した内容と同じであるので詳細な説明を省略する。図７では、追尾受信機９から出力される受信レベルの所定時間Tm毎の分散値を出力する受信レベルノイズ演算部１５を備えており、このブロックから出力された受信レベルノイズ算出値がコニカルスキャンパラメータ決定部１４に入力している。受信レベルのノイズρは、時間Tm内に入力した受信レベル値がN個あり、その各値を(i=1,2,…,N)とすると、その値は次の式で計算される。

この値を用いて、たとえば、表3に示すようなコニカルスキャンパラメータの決定が行われる。

受信レベルノイズが大きいときに、コニカルスキャンの振幅を大きくすることでアンテナ指向方向(コニカルスキャン軌道の中心)と衛星方向との誤差に対する受信レベル変化の感度を上げることで、ノイズの影響の相対的な軽減を図る。これにより、受信レベルのノイズの変動による追尾外れを起こしにくい追尾を実現できる事になる。図７のコニカルスキャンパラメータ決定手段１４はこの発明に言う第３のコニカルスキャンパラメータ決定手段である。

本発明の概要について説明する構成説明図である。 本発明の実施の形態1の移動体上のアンテナ制御装置の機能ブロック図である。 コニカルスキャン指令値演算時に使用する衛星方向ベクトルと直交する2つのベクトルを示した図である。 コニカルスキャン指令値演算時に使用する衛星方向ベクトルと直交する2つのベクトルと、コニカルスキャンの軌道との対応関係を示した図である。 本発明の実施の形態１の動作フローチャートである。 本発明の実施の形態２の移動体上のアンテナ制御装置の機能ブロック図をである。 本発明の実施の形態３の移動体上のアンテナ制御装置の機能ブロック図をである。

符号の説明

Ａ パラメータ決定要素、 １ アンテナ、 ２ 駆動制御部、
３ 動揺補正演算部、 ４ 衛星方向算出部、 ５ 姿勢角推定部、
６ ヨー角速度検出器、 ７ ピッチ角速度検出器、 ８ ロール角速度検出器、
９ 追尾受信機、 １０ コニカルスキャン指令値演算部、
１１ 受信レベル積分演算部、 １２ 補正値演算部、
１３ 衛星仰角算出部、 １４ コニカルスキャンパラメータ決定部、
１５ 受信レベルノイズ演算部、
１９９ アンテナ駆動制御装置、 ２００ 移動体、 ２０１ 架台。

Claims (5)

1. 指令された方向に指向する架台に搭載されたビームアンテナ、
   位置検出手段により検出した現在位置と、前記アンテナの目標の方位データとから前記アンテナの指向方向を演算する演算手段、
   前記指向方向にコニカルスキャン指令値を加算して前記アンテナを目標方位の周囲に円錐駆動させるコニカルスキャン指令値演算手段、
   前記アンテナの受信信号から受信レベルを検出する追尾受信機、
   コニカルスキャン中の前記受信レベルを積分する受信レベル積分手段、
   コニカルスキャン１周期中の前記受信レベル積分値から前記アンテナ方向に対する前記目標の相対的な方向を推定し、その方向に前記アンテナの方向を補正する補正値演算手段、
   前記目標の方位データから得た目標仰角にもとづいて前記コニカルスキャンの振幅、周期、補正量の少なくとも１つを決定するコニカルスキャンパラメータ決定手段を備えたことを特徴とするアンテナ制御装置
2. 前記アンテナは移動体に搭載されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ制御装置。
3. 移動体上に搭載され、指令された方向に指向する架台に搭載された衛星通信用アンテナ、
   前記移動体の姿勢変化を検出し姿勢角を推定する姿勢角推定手段、
   前記衛星の位置情報と前記移動体の位置情報とから、前記衛星の方向を演算する衛星方向演算手段、
   前記移動体の姿勢角にもとづいて前記衛星方向を補正しアンテナ方向指令値を算出する動揺補正手段、
   前記アンテナ方向指令値にコニカルスキャン指令値を加算して前記アンテナを円錐駆動させるコニカルスキャン指令値演算手段、
   前記アンテナの受信信号から受信レベルを検出する追尾受信機、
   コニカルスキャン中の受信レベルを積分する受信レベル積分手段、
   コニカルスキャン１周期中の受信レベル積分値からアンテナ方向に対する衛星の相対的な方向を推定し、その方向にアンテナが指向するようにアンテナ方向を補正する補正値演算手段、
   前記衛星の仰角にもとづいてコニカルスキャンの振幅、周期、補正量を決定する第１のコニカルスキャンパラメータ決定手段を備えたことを特徴とするアンテナ制御装置。
4. 移動体上に搭載され、指令された方向に指向する架台に搭載された衛星通信用アンテナ、
   前記移動体の姿勢変化を検出し姿勢角を推定する姿勢角推定手段、
   前記衛星の位置情報と前記移動体の位置情報とから、前記衛星の方向を演算する衛星方向演算手段、
   前記移動体の姿勢角にもとづいて前記衛星方向を補正しアンテナ方向指令値を算出する動揺補正手段、
   前記アンテナ方向指令値にコニカルスキャン指令値を加算して前記アンテナを円錐駆動させるコニカルスキャン指令値演算手段、
   前記アンテナの受信信号から受信レベルを検出する追尾受信機、
   コニカルスキャン中の受信レベルを積分する受信レベル積分手段、
   コニカルスキャン１周期中の受信レベル積分値からアンテナ方向に対する衛星の相対的な方向を推定し、その方向にアンテナが指向するようにアンテナ方向を補正する補正値演算手段、
   コニカルスキャン中の前記受信レベルの積分結果にもとづいて、コニカルスキャンの振幅、周期、補正量を決定する第２のコニカルスキャンパラメータ決定手段を備えたことを特徴とするアンテナ制御装置。
5. 移動体上に搭載され、指令された方向に指向する架台に搭載された衛星通信用アンテナ、
   前記移動体の姿勢変化を検出し姿勢角を推定する姿勢角推定手段、
   前記衛星の位置情報と前記移動体の位置情報とから、前記衛星の方向を演算する衛星方向演算手段、
   前記移動体の姿勢角にもとづいて前記衛星方向を補正しアンテナ方向指令値を算出する動揺補正手段、
   前記アンテナ方向指令値にコニカルスキャン指令値を加算して前記アンテナを円錐駆動させるコニカルスキャン指令値演算手段、
   前記アンテナの受信信号から受信レベルを検出する追尾受信機、
   コニカルスキャン中の受信レベルを積分する受信レベル積分手段、
   コニカルスキャン１周期中の受信レベル積分値からアンテナ方向に対する衛星の相対的な方向を推定し、その方向にアンテナが指向するようにアンテナ方向を補正する補正値演算手段、
   検出された受信レベルのノイズを算出する受信レベルノイズ算出手段、
   前記受信レベルノイズの値にもとづいて、コニカルスキャンの振幅、周期、補正量を決定する第３のコニカルスキャンパラメータ決定手段を備えたことを特徴とするアンテナ制御装置。

Images