JP2008228045A - 衛星追尾用アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】厳しい振動条件下でも機械剛性が確保され、長寿命で信頼性が高く、かつ低コストで小形軽量が可能な衛星追尾用アンテナ装置を得る。
【解決手段】この発明に係る衛星追尾用アンテナ装置は、移動体１１に取り付けられる取付架台１２と、アンテナリフレクタ２１、このアンテナリフレクタ２１の姿勢を変化させるアンテナ駆動機構及びこのアンテナ駆動機構を載置したアンテナ架台１３を有するアンテナ本体とを備え、移動体１１に搭載され、アンテナリフレクタ２１が衛星を追尾する衛星追尾用アンテナ装置において、アンテナ架台１３と取付架台１２との間に移動体１１からアンテナ本体への振動の伝達を防止する防振支持機構３１，３３が設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、船舶、車両、航空機等の移動体に搭載され衛星との間で通信を行う衛星追尾用アンテナ装置に関する。

従来の衛星追尾用アンテナ装置として、例えば特許文献１に記載されたアンテナ装置では、アンテナを含む支持構造物の台を、相交叉するＸ軸及びＹ軸により回動可能に支持すると共に、支持構造物を含めた台の重心位置がＸ軸及びＹ軸の交叉位置より下側になるように各構造物が配置されている。この支持構造物には、Ｘ軸及びＹ軸各々回りでの台の角速度信号を出力する角速度検出器が設けられており、この角速度検出器から得られる信号から直流成分を除去し又は減衰させた上で、Ｘ軸及びＹ軸にて台を回転駆動している。

特開平１０−１０７５３０号公報（段落番号０００５）

上記構成の衛星追尾用アンテナ装置では、移動体からの振動（例えば船舶のエンジン振動）がそのまま入力され、アンテナ装置の上部まで伝達する。このため、例えば船舶のエンジン振動など恒常的な振動環境下に配置する場合には、機械強度を確保するために、各構成部品を大きく、そして肉厚を厚くする必要があり、アンテナ装置全体の構造が大きく、また重くなり、従ってアンテナ装置のコストが嵩むという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、厳しい振動条件下でも機械剛性が確保され、長寿命で信頼性が高く、かつ低コストで小形軽量が可能な衛星追尾用アンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る衛星追尾用アンテナのマウント機構は、移動体に取り付けられる取付架台と、アンテナリフレクタ、このアンテナリフレクタの姿勢を変化させるアンテナ駆動機構及びこのアンテナ駆動機構を載置したアンテナ架台を有するアンテナ本体とを備え、前記移動体に搭載され、前記アンテナリフレクタが衛星を追尾する衛星追尾用アンテナ装置において、前記アンテナ架台と前記取付架台との間に前記移動体から前記アンテナ本体への振動の伝達を防止する防振支持機構が設けられている。

この発明に係る衛星追尾アンテナによれば、厳しい振動条件下でも機械剛性が確保され、長寿命で信頼性が高く、かつ低コストで小形軽量が可能となる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による衛星追尾用アンテナ装置を示す側面図、図２は図１の衛星追尾用アンテナ装置を示す平面図である。なお、以下の説明では、アンテナ装置と略称する。
このアンテナ装置は、移動体１１に取り付けられた取付架台１２と、この取付架台１２に防振支持機構３１，３２，３３，３４を介して支持されたアンテナ架台１３と、このアンテナ架台１３に載置されたアジマス（ＡＺ）駆動モータ１４と、このＡＺ駆動モータ１４とクロスエレベーション（ｘＥＬ）アーム１５を介して接続されたクロスエレベーション（ｘＥＬ）モータ１６と、このｘＥＬモータ１６とエレベーション（ＥＬ）アーム１７を介して接続されたエレベーション（ＥＬ）モータ１８と、このＥＬモータ１８とポラリゼーション（ＰＯＬ）アーム１９を介して接続されたポラリゼーション（ＰＯＬ）モータ２０と、このＰＯＬモータ２０に接続されたアンテナリフレクタ２１とを備えている。
また、アンテナ装置は、アンテナ架台１３に載置され、ＡＺ駆動モータ１４、ｘＥＬモータ１６、ＥＬモータ１８、ＰＯＬモータ２０を駆動し、アンテナリフレクタ２１を制御するアンテナ駆動制御部２２と、アンテナ架台１３に取り付けられアンテナ架台１３の、Ｘ軸回りの回転（ロール）、Ｙ軸回りの回転（ピッチ）及びＺ軸回りの回転（ヨー）の姿勢角速情報をアンテナ駆動制御部２２へ出力するレートジャイロ２３とを備えている。

アンテナ駆動制御部２２は、レートジャイロ２３からの移動体１１の姿勢角速度情報、移動体１１の慣性参照ユニットから出力される移動体１１の姿勢角度情報及び位置情報、衛星の方向を示すテーブル参照値から衛星方向を演算する衛星方向演算部と、この衛星方向演算部の結果から各モータ１４，１６，１８，２０の軸の角度指令値を演算するモータ駆動指令演算部とを備えている。

上記構成のアンテナ装置は、船舶や車両や航空機等の移動体１１に搭載され、衛星からのビームを追尾するアンテナリフレクタ２１を制御する。
このアンテナリフレクタ２１を駆動するアンテナ駆動機構は、各モータ１４，１６，１８，２０及び各アーム１５，１７，１９から構成されている。
また、アンテナリフレクタ２１、アンテナ駆動機構、アンテナ架台１３、アンテナ駆動制御部２２及びレートジャイロ２３等の防振支持機構３１，３２，３３，３４により支持されている構成集合体をアンテナ本体と呼ぶ。
このアンテナ本体は一端部が取付架台１２に取り付けられ、他端部がアンテナ架台１３の側縁部に、それぞれ四方方向に延びて取り付けられたこの防振支持機構３１，３２，３３，３４は、移動体１１からの振動（例えばエンジン振動など）を減衰し、アンテナ駆動機構への振動伝達を小さくしている。
従って、アンテナ駆動機構の各構成要素１４，１６，１８，２０，１５，１７，１９の機械強度を高めるために、それぞれを大きく、肉厚を厚くする必要が無く、長寿命で信頼性が高く、低コスト、小形軽量な衛星追尾アンテナ装置が得られる。

図３はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置のｘｚ平面での解析モデル図である。
この解析モデル図では、１２は取付架台、２４は重心をＧとする、上記アンテナ本体の等価質量ｍ及び等価イナーシャI、３５，３６，３７，３８は防振支持機構３１，３２，３３，３４のパラメータを等価的に置き換えたばねダンパモデルを示している。
また、ｃ_１は垂直方向減衰定数、ｋ_１は垂直方向ばね定数、ｃ_２は水平方向減衰定数、ｋ_２は水平方向ばね定数、ｂはばねダンパ支持半径、ｈはばねダンパ支持高さ、ｇは重力加速度、ｘ_ｉは水平変位入力、ｙ_ｉは垂直変位入力を示している。

垂直方向ｚに対する運動方程式については一般的な１自由度防振モデルとなる。
従って、固有振動数ｆは以下の（１）式で表せ、このｆの約１．４倍より大きいときに防振支持される。

一方、水平方向の振動に対する運動方程式は、防振支持機構のばね定数は、アンテナ装置のアンテナ架台１３が大きく水平方向に変化しないように支持するためにある程度の剛性が必要である。
ここで、傾斜角θのｓｉｎ成分をｓｉｎθ≒θで近似して、変位入力のマトリックス運動方程式は、（２）式のようになる。

振動の入力に対して重力の影響は小さいレベルであり、重力項は無視できる。この運動方程式に、パラメータを与えて水平方向の振動に対するアンテナ本体への伝達特性を描くと図４のようになる。

ここで、実線はアンテナ装置のアンテナ本体の下部の振動伝達レベルを示し、破線はアンテナ本体の上部の振動伝達レベルを示している。
防振支持機構３１，３２，３３，３４がない場合は純粋な機械構造系だけの共振となるため、共振倍率は１０倍以上（２０ｄＢ以上)となるが、防振支持機構３１，３２，３３，３４の減衰作用、防振作用により、振動振幅レベルは大きく低下し、１０ｄＢ以下になっている。

以上のように、取付架台１２、アンテナ本体の等価質量ｍ、等価イナーシャＩ、及びばねダンパモデル３５，３６，３７，３８による解析モデルで垂直及び水平方向の振動伝達レベルは小さくなるので、長寿命で信頼性が高く、ひいては低コスト、小形軽量なアンテナ装置が得られる。

図５は上記構成のアンテナ装置において、水平に対して取付架台１２（移動体１１）を角度θ＝３０ｄｅｇで傾斜したときの側面図で、この移動体１１の最大傾斜角の例である。
この最大傾斜角は、移動体１１の種類にもよるが、例えば船舶などに搭載するアンテナ装置では、悪天候時に海が荒れたとき船舶が大きく動揺するので、アンテナ装置も大きく傾斜する。
例えば、アンテナリフレクタ２１の直径が１ｍ級の衛星通信用のアンテナ装置を搭載する大型の客船などの例では、傾斜角度が３０ｄｅｇにも達するため、このような数値例としている。
この図において、移動体１１の水平状態（水平面）からの最大傾斜角をθ、アンテナ本体の重心Ｇからアンテナ架台１３の面に沿って平行に延びてアンテナ架台１３の端面までの距離（防振支持半径）をＲ、重心Ｇからアンテナ架台１３の面に対して垂直に延びてアンテナ架台までの距離（重心高さ）をＨとしたときに、この実施の形態のアンテナ装置では、防振支持半径Ｒと重心高さＨとの関係がＲ≧Ｈｔａｎθの関係にある。

一方、図６は図５のアンテナ装置の対比例を示すアンテナ装置の側面図であり、図５と同様に、水平に対して取付架台１２（移動体１１）を角度θ＝３０ｄｅｇで傾斜したときの側面図である。
この対比例のアンテナ装置では、防振支持半径Ｒと重心高さＨの関係がＲ＜Ｈｔａｎθの関係にある。

図５のＲ≧Ｈｔａｎθの関係にある、この実施の形態１のアンテナ装置によれば、アンテナ装置の最大傾斜角度が３０ｄｅｇとなっても、アンテナ重心Ｇは、始点Ａより内側にあるために、両防振機構３１，３３に対しては圧縮荷重が作用する。
このようにアンテナ装置の取付架台１２が水平位置から傾斜角度３０ｄｅｇまで傾斜する場合に対して、防振支持機構３１，３３には圧縮荷重で支持され、移動体１１の姿勢変動が急激に変化することはないので、追尾精度は良好である。

一方、Ｒ＜Ｈｔａｎθの関係にある対比例の場合、重心Ｇが始点Ａより左側になった瞬間においては、防振支持機構３１は圧縮荷重のままであるが、防振支持機構３３の支点Ｂにはモーメント作用により圧縮荷重から引張荷重に変化する。
このために、アンテナ装置は急激に傾斜し、アンテナリフレクタ２１の追尾精度が瞬間的に悪化するという不都合がある。

このように、この実施の形態によるアンテナ装置によれば、Ｒ≧Ｈｔａｎθの関係にあるので、船舶等の移動体１１の動揺傾斜時に安定的な防振支持が可能となり、急激な傾斜角度変動を抑制できるため、追尾指向精度が高い。

図７は上述した実施の形態１のアンテナ装置の防振支持機構３１，３２，３３，３４として、ワイヤーロープ式の防振器３１Ａ，３３Ａを用いた例を示している。
この防振器３１Ａ，３３Ａは、アンテナリフレクタ２１側に４５ｄｅｇ折曲された取付架台１２Ａの周縁部とアンテナ架台１３の周縁部との間に取り付けられている。
なお、この図７は断面図であるために示されていないが、紙面に対して垂直方向にも一対の防振器が取付架台１２Ａの周縁部とアンテナ架台１３の周縁部との間に取り付けられている。
この防振器３１Ａ，３３Ａ及び図示されていない防振器は、ワイヤーの素線の擦れを摩擦減衰で与えて防振支持するものである。
この防振器３１Ａ，３３Ａ及び図示されていない防振器は、４５ｄｅｇ折曲された取付架台１２Ａの周縁部とアンテナ架台１３の周縁部との間に取り付けられているので、アンテナ装置に対して移動体１１を通じて水平方向の振動についても垂直方向と同様に防振効果を得ることができる。
勿論、この防振器３１Ａ，３３Ａ及び図示されていない防振器は、フラットな取付架台１２とアンテナ架台１３との間に取り付けることもできる。この場合には、移動体１１の振動環境において、垂直方向の減衰効果をより期待したいときには有効である。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す側面図である。
この実施の形態では、ＡＺ駆動モータ１４には、アンテナ本体の中心と重心Ｇとの位置ずれに対して静的バランスをとるカウンターウェイト２５が板ばね２６を介して取り付けられている。
他の構成は、実施の形態１の同様である。

このアンテナ装置では、アンテナ装置の重心Ｇがアンテナ架台１３の中心点から水平方向にずれた場合、それに対して釣り合う重心Ｇｗのカウンターウェイト２５が備えられているので、アンテナ装置は静的なバランスが確保されている。

しかしながら、このアンテナ装置では、図８の紙面に対して垂直方向の振動が発生した場合には、実施の形態１の解析結果と同様に、ある周波数領域においてはアンテナ本体の上部と下部とでは異なる振動レベルとなり、紙面に対して垂直な方向で倒れが発生し易くなる。このため、アンテナ装置の重心Ｇに対して、質量ｍ１×加速度ａ１×半径Ｒ１の回転トルクが発生し、ＡＺ駆動モータ１４に対して作用する。
一方、カウンターウェイト２５の重心Ｇｗに対しても同様に、質量ｍ２×加速度ａ２×半径Ｒ２の回転トルクが発生し、ＡＺ駆動モータ１４に対して作用する。

ここで、質量×半径に対しては、静的な釣り合いをとるようにしているので同じレベルの値になっているが、加速度の値についてはアンテナ装置の傾斜が効いてくるために、高さＨ１と高さＨ２との比となる（特に１次周波数付近で顕著）。
従って、ｍ１×ａ１×Ｒ１＞ｍ２×ａ２×Ｒ２となり、アンテナリフレクタ２１には、ＡＺ駆動モータ１４の軸周りの回転運動が発生し、追尾指向精度の悪化を招く。
アンテナ本体と防振器３１，３３とで決定される共振周波数と、カウンターウェイト２５と板ばね２６とで決定される共振周波数とを一致させ、アンテナ本体と防振器３１，３３で決定される共振倍率に対してカウンターウェイト２５と板ばね２６で決定される共振倍率を（Ｈ１/Ｈ２）程度になるように調整し、発生加速度を同じレベルにする。

この実施の形態のアンテナ装置によれば、カウンターウェイト２５を板ばね２６で支持することにより、動的なバランスも図り、ＡＺ駆動モータ１４の軸周りの発生モーメントが抑制されるので、追尾指向精度が向上する。

実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３によるアンテナ装置の水平方向の振動に対する１軸の制御モデルを示している。
アンテナ装置では、衛星追尾への指向精度に対しては、移動体１１からの垂直方向の振動より水平方向の振動の方が与える影響が大きい。この理由は、垂直方向の振動に対しては防振支持機構３１，３２，３３，３４に等しく荷重が加わるので、アンテナ装置は傾斜しないが、水平方向の振動に対しては、防振支持機構３１，３２，３３，３４に加わる荷重に差があり、アンテナ本体全体にモーメントが発生し傾斜するためである。

次に、図９に示すような水平方向の振動に対する１軸の制御モデルを用いて指向誤差について検討する。
図９の制御モデル図において、アンテナリフレクタ２１を軸受支持しているアンテナマウント部４１、リフレクタを動作させるための駆動モータ４２、駆動モータ４２の軸に発生するモータフリクション４３、アンテナリフレクタ２１とアンテナマウント部４１に発生するアンテナフリクション４４、駆動モータ４２とアンテナリフレクタ２１間の駆動ベルト４５が、それぞれ示されている。さらに、θはアンテナマウント部４１に対するアンテナリフレクタ２１の角度、ξは取付架台１２に対するアンテナマウント部４１の傾斜角、φは取付架台１２に対するアンテナリフレクタ２１の角度を示している。
図１０はこの実施の形態のアンテナ装置において、水平方向の振動に対するアンテナマウント部４１の傾斜角についての解析結果を示している。

図１０において横軸は振動の周波数（単位Ｈｚ）、縦軸は水平方向の振動振幅ａに対するアンテナマウント部４１の傾斜角度ξ（単位ｄｅｇ/ｍ）を示している。
この解析結果は、実施の形態１のモデルから求めた例であるが、特に周波数が４〜４０Ｈｚの帯域において伝達率が大きくなることが分かる。従って、この帯域については制御方法を工夫する必要がある。

図１１はこの発明の実施の形態３によるアンテナマウント部４１の制御方法を示すブロック図である。
アンテナ駆動機構５３に対して、駆動モータ４２の角度エンコーダによるモータ角度が検出され、この角度検出値５６と、微分した各角速度をフィードバックし（負符号）、慣性参照ユニット５４と衛星方向のテーブルの参照値５５から各駆動モータ４２への駆動指令を演算する制御が行われる。
一方でレートジャイロによるアンテナリフレクタ２１の角速度検出値５１はフィードフォワードすることで（正符号）、上記の周波数帯域（４〜４０Ｈｚ）でのアンテナマウント部４１の傾斜の影響を小さくすることができ、アンテナリフレクタ２１の追尾精度を確保することができる。

以上のように、この実施の形態３のアンテナ装置によれば、アンテナ角速度検出５１の出力をフィードフォワード制御することで、移動体１１からアンテナマウント部４１への振動伝達に対する傾斜の影響を小さくできるので、追尾精度が高く、信頼性が向上する。

この発明の実施の形態１による衛星追尾用アンテナ装置を示す側面図である。 図１の衛星追尾用アンテナ装置を示す平面図である。 図１の衛星追尾用アンテナ装置のｘ−ｚ平面での解析モデルである。 図１のアンテナ本体の振動に対する伝達特性図である。 図１の衛星追尾用アンテナ装置における一使用態様を示す側面図である。 図５の衛星追尾用アンテナ装置と異なる例の衛星追尾用アンテナ装置における一使用態様を示す側面図である。 図１の防振支持機構の一例としてワイヤーロープ式の防振器を用いたときの衛星追尾用アンテナ装置の側面図である。 この発明の実施の形態２による衛星追尾用アンテナ装置を示す側面図である。 この発明の実施の形態３による衛星追尾用アンテナ装置のアンテナマウント部の水平方向の振動に対する制御モデル図である。 図９のアンテナマウント部における、水平方向の振動に対する傾斜角の解析結果を示す図である。 図９の衛星追尾用アンテナ装置のマウント機構の制御方法を示すブロック図である。

符号の説明

１１ 移動体、１２ 取付架台、１３ アンテナ架台、１４ アジマス駆動モータ、１５ クロスエレベーションアーム、１６ クロスエレベーションモータ、１７ エレベーションアーム、１８ エレベーションモータ、１９ ポラリゼーションアーム、２０ ポラリゼーションモータ、２１ アンテナリフレクタ、２２ アンテナ駆動制御部、２３ レートジャイロ、３１，３２，３３，３４ 防振支持機構、３１Ａ，３３Ａ 防振器、５２ モータ駆動指令演算部、５３ アンテナ駆動機構、５４ 慣性参照ユニット。

Claims (5)

1. 移動体に取り付けられる取付架台と、
   アンテナリフレクタ、このアンテナリフレクタの姿勢を変化させるアンテナ駆動機構及びこのアンテナ駆動機構を載置したアンテナ架台を有するアンテナ本体とを備え、
   前記移動体に搭載され、前記アンテナリフレクタが衛星を追尾する衛星追尾用アンテナ装置において、
   前記アンテナ架台と前記取付架台との間に前記移動体から前記アンテナ本体への振動の伝達を防止する防振支持機構が設けられていることを特徴とする衛星追尾用アンテナ装置。
2. 前記防振支持機構は、前記アンテナ架台の端部と前記取付架台との間に互いに対向して設けられており、
   前記移動体の水平状態からの最大傾斜角度をθ、
   前記アンテナ本体の重心Ｇから前記アンテナ架台に沿って端面まで延びた距離をＲ、
   前記重心Ｇから前記アンテナ架台の面に対して垂直に延びてアンテナ架台までの距離をＨとしたときに、
   ｔａｎθ≦Ｒ／Ｈの関係式が成立することを特徴とする請求項第１項に記載の衛星追尾用アンテナ装置。
3. 前記防振支持機構は、ワイヤーロープ式の摩擦減衰による防振器であることを特徴とする請求項１または２に記載の衛星追尾用アンテナ装置。
4. 前記アンテナ本体には、アンテナ本体の中心と前記重心Ｇとの位置ずれに対して静的バランスをとるカウンターウェイトが板ばねを介して取り付けられ、前記板ばねにより、前記アンテナ本体と前記防振支持機構とによる共振周波数と、前記カウンターウェイトと前記板ばねとの共振周波数とが一致するようになっていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の衛星追尾用アンテナ装置。
5. 前記アンテナ本体は、前記アンテナ駆動機構を構成するモータに駆動信号を送るアンテナ駆動制御部と、前記移動体の姿勢角速度情報を出力するレートジャイロとを有し、
   前記アンテナ駆動制御部は、前記移動体の慣性参照ユニットから出力された、前記移動体の姿勢角度情報及び位置情報、並びに衛星の方向を示すテーブル参照値から各前記モータへの指令を演算するモータ駆動指令演算部を含み、このモータ駆動指令演算部は、前記移動体の前記姿勢角速度情報を各前記モータへフィードフォワード制御することを特徴とする請求項第１〜４の何れか１項に記載の衛星追尾用アンテナ装置。

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