JP2007129624A

JP2007129624A - アンテナ装置

Info

Publication number: JP2007129624A
Application number: JP2005322124A
Authority: JP
Inventors: Noboru Ito; 昇伊藤; Joji Oshima; 丈治大島; Satoshi Sofuku; 諭惣福
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-11-07
Filing date: 2005-11-07
Publication date: 2007-05-24

Abstract

【課題】アンテナ装置が受ける風により変形して生じるアンテナ指向誤差を推定し、これを補正して、アンテナ指向方向の設定を高精度化することができるアンテナ装置を得ることを目的とする。
【解決手段】駆動指令部６からの駆動指令値に追従するようにアンテナを方位軸及び仰角軸まわりに駆動する。基本的には、角度検出器１０の出力により角度情報がフィードバックされて、減算器１４において駆動指令値との差分が求められ、制御部７において駆動指令値に収束するよう制御される。また、アンテナ装置が受ける風は風向風速算出部１１により算出され、算出した風向及び風速から変形量推定部１２によりアンテナ指向方向誤差を推定し、加算器１３により角度検出器１０の出力値に加算し、アンテナ指向方向誤差が除去されるように駆動制御する。
【選択図】図３

Description

この発明は、アンテナ装置に吹きつける風によりアンテナ装置が変形して生じるアンテナ指向誤差を推定し、これを補正することができるアンテナ装置に関するものである。

電波天文学の分野では、近年になってミリ波からサブミリ波へとより高い周波数の電波を観測するという要求が高まってきている。高い周波数の電波天体の観測を行う場合、アンテナの反射鏡面とビームの指向追尾はより高い精度が必要となる。一方では、観測効率を高めるために、アンテナの大口径化が進み、また、昼夜のあらゆる天候で観測を実施できることが望まれている。口径が大きくなることによって、アンテナの自重変形が大きくなったり、また、日射による熱変形や風圧による変形が大きくなるため、高い指向追尾精度を得ることが困難となる。特に風の影響については、多くの天文用のアンテナ装置（望遠鏡装置）がドーム内に収納されて使用されることにより、その影響は抑制されるものである。例えば、特開平５−１９１７８号公報は、アンテナ装置で発生する「シーイング」、即ちアンテナ装置の温度と周囲温度との差により発生する陽炎を除去するために、アンテナ装置のドーム外の風を利用する従来技術を開示している。この従来技術は、アンテナ装置を収納するドームの前方側２箇所と後方側２箇所の計４箇所に窓を設け、ドーム外部に設けた風向風速計に基づいて、当該４箇所の窓の開閉を決めることにより、シーイングの発生を抑えるというものである。

特開平５−１９１７８号公報

特開平５−１９１７８号公報に記載された従来の技術によれば、アンテナ装置をドーム内に収納し、ドーム内の熱発生による陽炎が除去されるが、ドーム内に配置しないアンテナ装置においては風圧を受けてアンテナ装置が変形するという問題があり、これを解決する手段を提供するという課題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、アンテナ装置が受ける風によりアンテナ装置が変形して生じるアンテナ指向誤差を推定し、これを補正して、アンテナ指向方向の設定を高精度化することができるアンテナ装置を得ることを目的とする。

請求項１の発明に係るアンテナ装置は、アンテナベース部と、このアンテナベースに支持されて方位軸まわりに回転し主反射鏡を支持するヨーク部と、このヨーク部に設けられ風向と風速を計測する風向風速計と、この風向風速計により計測した風向及び風速からアンテナが受ける風の風向及び風速を算出する風向風速算出部と、この風向風速算出部により算出された風向及び風速からアンテナの変形により発生するアンテナ指向方向誤差を推定する変形量推定部と、この変形量推定部により推定したアンテナ指向方向誤差を補正するように上記主反射鏡を駆動する制御部とを備えたものである。

請求項２の発明に係るアンテナ装置は、請求項１の発明に係るアンテナ装置において、上記風向風速計は、上記ヨーク部の左右に設けられた２つ風向風速計により構成され、上記風向風速算出部は上記２つの風向風速計のいずれかを選択し、その選択した風向風速計により計測された風向及び風速に基づいて、アンテナが受ける風の風向及び風速を算出するものである。

請求項３の発明に係るアンテナ装置は、請求項１又は請求項２の発明に係るアンテナ装置において、上記風向風速算出部は、予め風洞実験又は数値流体計算により求めた上記風向風速計での風向及び風速とアンテナが受ける風の風向及び風速との関係に基づいて、上記風向風速計により計測した風向及び風速からアンテナが受ける風の風向及び風速を算出するものである。

請求項４の発明に係るアンテナ装置は、請求項１又は請求項２の発明に係るアンテナ装置において、上記変形量推定部は、予め風洞実験又は数値流体計算により求めたアンテナが受ける風の風向及び風速とアンテナ指向方向誤差との関係に基づいて、上記風向風速算出部により算出された風向及び風速からアンテナの変形により発生するアンテナ指向方向誤差を推定するものである。

請求項５の発明に係るアンテナ装置は、アンテナベース部と、このアンテナベースに支持されて方位軸まわりに回転し主反射鏡を支持するヨーク部と、気象タワーからの風向及び風速に基づいてアンテナの変形により発生するアンテナ指向方向誤差を推定する変形量推定部と、この変形量推定部により推定したアンテナ指向方向誤差を補正するように上記主反射鏡を駆動する制御部とを備えたものである。

この発明によれば、ヨーク部に設けた風向風速計により計測した風向及び風速からアンテナが受ける風の風向及び風速を算出し、変形量推定部によりアンテナの変形によって発生するアンテナ指向方向誤差を推定し、推定したアンテナ指向方向誤差を補正するように主反射鏡を駆動するので、アンテナ指向方向の設定を高精度化することができる。また、気象タワーにて計測された風向及び風速に基づく制御を行うことにより、簡易な構成によって、アンテナ指向方向の設定を高精度化することができる。

実施の形態１

この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置を図１から図５に基づいて説明する。図１は実施の形態１に係るアンテナ装置の正面図であり、図２は図１に示すＡＡから見た断面図である。１はアンテナベース部、２はアンテナベース部１により方位軸（図１においてＺ軸）まわりに回転可能に支持されたヨーク部であり、３はヨーク部２に仰角軸（図１においてＸ軸）まわりに回転可能に支持された主反射鏡である。４はヨーク部２に固定され左右の側方に延在する梁部材であり、５は梁部材４の先端に設けた風向風速計である。梁部材４は、ヨーク部２に設けられてヨーク部２の方位軸まわりの回転とともに回転し、Ｚ軸方向の厚みを薄くして風圧の影響を小さくし、略水平にヨーク部２の左右に延在して設けたものである。

次に図３により、アンテナ装置の駆動系統について説明する。図３は実施の形態１に係るアンテナ装置の機能ブロック図である。図３において、６はアンテナの方位角と仰角を指令する駆動指令値を出力する駆動指令部であり、７は駆動指令値に基づいてＰＩＤ制御等の制御を行い後述のモータ８を駆動制御する制御部、８は制御部からの制御値により駆動されるモータである。モータ８は方位軸まわりにヨーク部を駆動するモータと、仰角軸まわりに主反射鏡３を駆動するモータとからなる。９はアンテナであり、モータ８により駆動される。１０は方位軸上及び仰角軸上に設けた角度検出器である。風向風速計５は図１及び図２に示すようにヨーク部２の左右に設けられており、図３においては、第１風向風速計５ａ、第２風向風速計５ｂと表している。１１は第１及び第２風向風速計からの出力に基づいて、アンテナ９が受ける風向と風速を算出する風向風速算出部であり、１２は風向風速算出部１１により算出した風向風速に基づいて、アンテナ部の変形量を推定し、指向誤差を求める変形量推定部である。変形量推定部１２は、指向誤差を方位角誤差と仰角誤差に換算して出力する。１３は角度検出器１０出力と変形量推定部１２出力とを加算して出力する加算器であり、１４は駆動指令部６が出力する駆動指令値から加算器１３出力を減算する減算器である。

図３に示す機能ブロックにより、本発明に係るアンテナ装置は、駆動指令部６からの駆動指令値に追従するようにアンテナを方位軸及び仰角軸まわりに駆動する。基本的には、角度検出器１０出力により角度情報がフィードバックされて、減算器１４において駆動指令値との差分が求められ、制御部において駆動指令値に収束するよう制御される。また、アンテナ装置が受ける風による影響は変形量推定部１２が出力するアンテナ指向誤差（方位角誤差、仰角誤差）を加算器１３により角度検出器１０の出力値に加算することによって、除去されるように動作する。

次に風向風速計５に基づき風向風速算出部１１がアンテナ９への風向風速を算出する手段について説明する。図４は、アンテナ装置に特定方向から風が吹いたときの風向風速計の出力を模式的に表した模式図である。図４に示す風向風速計による風向及び風速は、風洞実験、又は数値流体解析によって求めることができる。図４（ａ）は、アンテナの正面方向（＋Ｙ方向：θｗ＝０度）から単位風速１の風が吹いてきた場合であり、第１風向風速計５ａの出力は、風向θｄ＝−５度、風速１．０８となる。図４（ｂ）は、アンテナに対してθｗ＝６０度から単位風速１の風が吹いている場合であり、第１風向風速計５ａ計測値は、風向θｄ＝−１６度、風速０．８５となる。この場合、第２風向風速計５ｂはアンテナ装置の風下にあり、淀み領域に位置する。図４（ｃ）は、アンテナに対してθｗ＝１２０度から単位風速１の風が吹いている場合であり、第１風向風速計５ａ計測値は、風向θｄ＝−８度、風速０．８２となる。また図４（ｄ）は、アンテナに対してθｗ＝１８０度から単位風速１の風が吹いている場合であり、第１風向風速計５ａ計測値は、風向θｄ＝＋９度、風速１．０９となる。但し、θｄは実際の風向θｗと第１風向風速計５ａが示す風向との差である。

図５は、実際の風と第１風向風速計５ａによる計測値との間の風向差及び風速比を示すグラフである。図５（ａ）は風向差θｄを表しており、図５（ｂ）は風速比Ｍを縦軸に、計測値の風向θｗを横軸とする。横軸θｗは０度〜１８０度であり、０度〜−１８０度の場合には、実際の風と第２風向風速計５ｂによる計測値との間の風向差及び風速比が、図５と同様に得られるが図示は省略する。この図５に示す関係を例えばアンテナ仰角１０度ごとに関数あるいはデータテーブルとして保持し、第１風向風速計５ａ（又は第２風向風速計５ｂ）の計測値をもとに実際の風向及び風速を求めることができる。

ここで、第１風向風速計５ａと第２風向風速計５ｂのいずれの計測値を採用して、上記の関数やデータテーブルにより実際の風向及び風速を求めるかについて説明する。第１風向風速計５ａ計測値を風向θｗ１、風速Ｖ１、第２風向風速計５ｂ計測値をθｗ２、風速Ｖ２とする。第１風向風速計５ａと第２風向風速計５ｂのいずれを選ぶかの一つのアルゴリズムとして、まず、Ｖ１＞２×Ｖ２であれば第１風向風速計５ａを選択し、Ｖ２＞２×Ｖ１であれば第２風向風速計５ｂを選択する。それ以外のときは、０度＜（θｗ１＋θｗ２）÷２＜１８０度のときは第１風向風速計５ａを選択し、−１８０度＜（θｗ１＋θｗ２）÷２＜０度のときは第２風向風速計５ｂを選択する。選択した風向風速計５の計測値である風向θｗから、図５（ａ）による関数又はデータベースに基づいて風向差θｄを求め、θｗにθｄを加算して、アンテナ装置が受けている実際の風の風向とする。また、選択した風向風速計５の計測値である風向θｗから、図５（ｂ）による関数又はデータベースに基づいて風速比Ｍを求め、選択した風向風速計５の計測値である風速Ｖを用いて、アンテナ装置が受けている実際の風速をＶ／Ｍとして算出する。図５に示す関係を仰角１０度ごとに関数あるいはデータテーブルとして保持し、第１風向風速計５ａ（又は第２風向風速計５ｂ）の計測値をもとに実際の風向及び風速を求めることができる。以上のようにして、図３に示す風向風速算出部１１は、アンテナ装置が受ける風向と風速を算出する。

次に、図３に示す変形量推定部１２における変形量の推定について説明する。先に述べた数値流体解析によれば、さらにアンテナ装置が特定方向から受ける風によって、アンテナ装置の表面上の各部に加えられる風圧を計算することができる。この表面各部での風圧を、アンテナ装置の有限要素構造解析モデルに入力すれば、アンテナ装置が風圧により、どのように変形するか推定することができ、さらに変形によって生じるアンテナ指向誤差を求めることができる。即ち、アンテナ装置が受ける風の風向及び風速に対するアンテナ指向誤差（方位角誤差及び仰角誤差）を予め数値解析により求め、変形量推定部１２に、関数又はデータテーブルとして保持する。風向風速算出部１１からアンテナ装置が受ける風の風向及び風速が入力されると、変形量推定部１２は、保持している関数又はデータテーブルに基づいて、アンテナ指向方向誤差（方位角誤差と仰角誤差）を推定し出力する。なお、変形量推定部１２が保持する関数又はデータテーブルは、例えばアンテナ仰角１０度ごとの関数又はデータテーブルとする。このように実施の形態１に説明した発明によれば、アンテナ装置が受ける風によりアンテナ装置が変形して発生するアンテナ指向方向誤差を推定し、推定したアンテナ指向方向誤差を補正するように主反射鏡を駆動するので、アンテナ指向方向の設定を高精度化することができる。

上記によれば、風向風速算出部１１と変形量推定部１２には予め風洞実験や数値解析により求めた関数又はデータベースが保持され、これに基づき風向及び風速の算出とアンテナ指向方向誤差の推定が行われるが、アンテナ装置が観測拠点に設置され実際に運用された場合に、実際の風を受けた場合に、アンテナ指向方向に偏差が生じることが考えられる。これは、数値解析と実ハードウェアとの各種条件の相違から生じるものである。設置されたアンテナ装置が実際の風を受けて生じるアンテナ指向方向の偏差に基づいて、風向風速算出部１１が保持する関数又はデータテーブル（具体的には、風向差θｄ及び風速比Ｍ）を修正することにより、さらに高精度なアンテナ指向方向の制御が可能となる。

実施の形態２

実施の形態１においては、アンテナ装置のヨーク部２に取り付けた風向風速計５によりアンテナ装置が受ける風の風向及び風速を算出するようにしたが、実施の形態２においては、図６に示すようにアンテナ装置まわりの風の流れの影響を受けない場所に気象タワー１５を設け、この気象タワーの計測結果により、アンテナ装置が受ける風の風向及び風速としてもよい。

この場合、図３に示すブロック図中の第１風向風速計５ａ、第２風向風速計５ｂ及び風向風速算出部１１は、気象タワー１５により代替され、気象タワー１５はアンテナが受ける風の風向及び風速を出力する。この気象タワー１５からの風向及び風速により変形量推定部１２は、アンテナ指向方向誤差（方位角誤差及び仰角誤差）を推定して出力する。この実施の形態２において、図３におけるその他の機能ブロックは実施の形態１において説明したものと同様に機能し、駆動指令値に基づくアンテナの駆動とアンテナ指向誤差の除去とが行われる。この実施の形態２によれば、気象タワー１５がアンテナ装置まわりの風の影響を受けないよう離れた場所に設置する必要があり、その分、アンテナ装置が実際に受ける風の風向及び風速の値からのずれが生じる可能性はあるが、風向風速算出部１１を省略することにより、簡易な構成にすることができるものである。

この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の正面図である。図１におけるＡＡから見た断面図である。この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の機能ブロック図である。アンテナ装置に特定方向から風が吹いたときの風向風速計の出力を模式的に表した模式図である。実際の風と第１風向風速計５ａによる計測値との間の風向差及び風速比を示すグラフである。この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成図である。

符号の説明

１アンテナベース部
２ヨーク部
３主反射鏡
５風向風速計
７制御部
１１風向風速算出部
１２変形量推定部
１５気象タワー

Claims

アンテナベース部と、このアンテナベースに支持されて方位軸まわりに回転し主反射鏡を支持するヨーク部と、このヨーク部に設けられ風向と風速を計測する風向風速計と、この風向風速計により計測した風向及び風速からアンテナが受ける風の風向及び風速を算出する風向風速算出部と、この風向風速算出部により算出された風向及び風速からアンテナの変形により発生するアンテナ指向方向誤差を推定する変形量推定部と、この変形量推定部により推定したアンテナ指向方向誤差を補正するように上記主反射鏡を駆動する制御部とを備えたことを特徴とするアンテナ装置。
上記風向風速計は、上記ヨーク部の左右に設けられた２つ風向風速計により構成され、上記風向風速算出部は上記２つの風向風速計のいずれかを選択し、その選択した風向風速計により計測された風向及び風速に基づいて、アンテナが受ける風の風向及び風速を算出することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
上記風向風速算出部は、予め風洞実験又は数値流体計算により求めた上記風向風速計での風向及び風速とアンテナが受ける風の風向及び風速との関係に基づいて、上記風向風速計により計測した風向及び風速からアンテナが受ける風の風向及び風速を算出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
上記変形量推定部は、予め風洞実験又は数値流体計算により求めたアンテナが受ける風の風向及び風速とアンテナ指向方向誤差との関係に基づいて、上記風向風速算出部により算出された風向及び風速からアンテナの変形により発生するアンテナ指向方向誤差を推定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
アンテナベース部と、このアンテナベースに支持されて方位軸まわりに回転し主反射鏡を支持するヨーク部と、気象タワーからの風向及び風速に基づいてアンテナの変形により発生するアンテナ指向方向誤差を推定する変形量推定部と、この変形量推定部により推定したアンテナ指向方向誤差を補正するように上記主反射鏡を駆動する制御部とを備えたことを特徴とするアンテナ装置。