JP2009284458A

JP2009284458A - アンテナ姿勢制御装置

Info

Publication number: JP2009284458A
Application number: JP2008264973A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Tsukahara; 大輔塚原; Koichi Natsume; 耕一夏目
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2028-10-14
Also published as: JP4535187B2

Abstract

【課題】衛星仰角の大小にかかわらず偏波角の誤差を小さく抑え、アンテナの交差偏波識別度の低下を防ぐ。
【解決手段】衛星方向演算部５により、移動体の位置と衛星位置情報に基づいて移動体から見た衛星方向を算出し、方位検出手段７により移動体の方位を検出し、動揺検出手段により移動体の水平面からの動揺成分を検出する。衛星仰角が所定値以上の場合には方位検出値から、一方、衛星仰角が所定値以下の場合には動揺検出値を用いて、姿勢算出部６により移動体の姿勢を算出し、算出された移動体の姿勢に基づいて偏波角度演算部１０によりアンテナ偏波角を算出し、アンテナ偏波角をアンテナ偏波角駆動制御部１１により調整する。
【選択図】図１

Description

この発明は、船舶等の移動体に搭載され、衛星を追尾する衛星通信用アンテナの偏波角制御を行うアンテナ姿勢制御装置に関するものである。

船舶等の移動体に搭載され通信衛星を介して通信を行う通信端末局においては、移動体上に設置された通信用アンテナの姿勢を移動体の運動に合わせて制御して絶えず衛星を追尾し、衛星との電波の指向性を最良の状態にして通信回線の確保、維持を行うことが必要である。また、このようなアンテナの追尾制御において、さらに良好なアンテナ利得を得るためには衛星からの電波の偏波角に対してアンテナの偏波方向を合わせる制御も必要とする。そのため、移動体搭載の衛星追尾用アンテナの姿勢制御において偏波角の制御も行えるようにする技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載されたアンテナの姿勢制御技術では、角速度検出手段を用いて検出した移動体の運動の角速度成分から移動体座標と地球座標との座標変換マトリックスを算出し、加速度検出手段を用いて検出した移動体運動の加速度成分と、地磁気方位コンパスまたはジャイロコンパスを用いて検出した移動体の方位に基づいて上記座標変換マトリックスのドリフト成分を除去し、地球座標系においてアンテナの取るべきコマンド方位角、コマンド俯仰角、コマンド偏波角からなるコマンド姿勢マトリクスを決定し、座標変換マトリクスを用いてコマンド姿勢マトリクスを移動体座標上でのアンテナ姿勢マトリクスに変換し、アンテナ姿勢マトリクスの要素成分に基づいて移動体に搭載されるアンテナの姿勢を制御するようにしている。

特開平７−７９１１１号公報

特許文献１に記載されたアンテナ姿勢制御技術では、移動体の方位を検出するために、移動体に搭載されている地磁気方位コンパスまたはジャイロコンパスを使用している。衛星追尾の際、アンテナの偏波方向を衛星偏波方向に合わせるための偏波角度制御成分の演算のためには、後述するように移動体の方位検出値を使用するが、方位検出値に誤差が含まれている場合には、制御される偏波角度成分の誤差として現れる。この偏波角度制御値の誤差は衛星仰角に依存し、衛星仰角が小さくなるほど発散していく。このため、追尾すべき衛星の仰角が小さくなるほど、方位検出値に含まれる誤差による偏波角度制御誤差が大きくなり、アンテナの交差偏波識別度が低下するという問題があった。

この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、衛星仰角の大小にかかわらず偏波角の制御誤差を小さく抑えて、アンテナの交差偏波識別度の低下を防ぐことが可能なアンテナ姿勢制御装置を得ることを目的とする。

この発明の請求項１に係るアンテナ姿勢制御装置は、移動体の位置を検出する位置検出手段と、この位置検出手段により検出した移動体の位置検出値と衛星位置情報とに基づいて、移動体の位置から見た衛星方向を算出する衛星方向演算部と、移動体の方位を検出する方位検出手段と、移動体の水平面に対する動揺を検出する動揺検出手段と、衛星仰角が所定値以上の場合には上記方位検出手段により検出した方位検出値に基づいて移動体の姿勢を算出し、衛星仰角が所定値以下の場合には上記動揺検出手段により検出した動揺検出値に基づいて移動体の姿勢を算出する姿勢算出部と、この姿勢算出部により算出した移動体の姿勢と、上記衛星方向演算部により算出した衛星方向とに基づいて衛星からの電波の偏波角を算出する偏波角度算出部と、この偏波角度算出部により算出した偏波角に基づいてアンテナの偏波角を調整する偏波角調整手段とを備えたものである。

この発明の請求項２に係るアンテナ姿勢制御装置は、移動体の位置を検出する位置検出手段と、この位置検出手段により検出した移動体の位置検出値と衛星位置情報とに基づいて、移動体の位置から見た衛星方向を算出する衛星方向演算部と、上記衛星方向へアンテナを追尾制御する追尾制御部と、移動体の方位を検出する方位検出手段と、移動体の水平面に対する動揺を検出する動揺検出手段と、上記衛星方向演算部により算出した移動体の位置から見た衛星方向、上記追尾制御部により追尾制御したアンテナの移動体固定基準座標系における指向方向、及び、衛星仰角が所定値以上の場合には上記方位検出手段により検出した方位検出値若しくは衛星仰角が所定値以下の場合には上記動揺検出手段により検出した動揺検出値に基づいて移動体の姿勢を算出する姿勢算出部と、この姿勢算出部により算出した移動体の姿勢と、上記衛星方向演算部により算出した衛星方向とに基づいて、衛星からの電波の偏波角を算出する偏波角度算出部と、この偏波角度算出部により算出した偏波角に基づいてアンテナの偏波角を調整する偏波角調整手段とを備えたものである。

この発明によれば、移動体の姿勢の算出において、衛星仰角が所定値以上の場合には移動体の方位検出値を、また、衛星仰角が所定値以下の場合には移動体の水平面に対する動揺検出値を使用するように構成しているので、衛星仰角の大小にかかわらず偏波角の誤差を小さく抑えることができ、交差偏波成分の影響を抑えることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるアンテナ姿勢制御装置の機能構成を示すブロック図である。衛星追尾アンテナの基本的な姿勢制御は、追尾制御部３からの指示に従って駆動制御部２内のアンテナ軸駆動制御部１３がアンテナの指向方向（アンテナ鏡面１の向く方向）を変えることにより行われる。追尾制御部３では、アンテナ軸をコニカルスキャン方式やステップトラック方式などの駆動制御方式を用いて、衛星からの受信波の強度がより大きくなるようにアンテナ角度指令値を生成し、生成したアンテナ角度指令値をアンテナ軸駆動制御部１１に指令して、アンテナ指向方向が衛星方向を向くように追尾制御している。アンテナの駆動制御は、簡便にはアンテナ軸に設けた角度検出器が出力するアンテナ軸の角度をモニタし、アンテナ角度指令値に追従するよう、アンテナ軸に設けた駆動モータが駆動されることにより行われるが、移動体の動揺が速い場合には、アンテナ軸等に角速度センサを設け、この角速度センサから出力されるアンテナの角速度情報を用いて運動補償を行い、アンテナ指向方向の駆動制御がより安定化するようにする。

位置検出手段４は、ＧＰＳ（Global Positioning System）等により、移動体の現在の位置（緯度、経度）を検出しており、その位置検出値を衛星方向演算部５に与えている。衛星方向演算部５では、位置検出手段４で取得された移動体の位置検出値と、追尾対象である衛星の位置（緯度、経度、高度）情報から、アンテナ位置（即ち移動体）から見た衛星方向を算出する。移動体が航空機である場合には、移動体の現在位置には高度も含まれる。姿勢算出部６では、衛星方向演算部５で算出された衛星方向（後述のＬＬＮ座標系における方向）と、追尾制御部３による追尾制御の結果得られるアンテナ指向方向（後述の移動体に固定された座標系での方向）と、方位検出手段７により検出する方位検出値若しくは動揺検出手段８により検出する動揺検出値とに基づき、移動体の姿勢（ロール角、ピッチ角、ヨー角）を算出する。選択部９では、衛星方向の衛星仰角の大きさに応じて、方位検出値と動揺検出値を切り替えて姿勢算出部６に与える。ここで、方位検出手段７は例えば磁気方位センサやジャイロコンパス等の移動体の方位測定に好適な装置であり、動揺検出手段８は例えば傾斜計や慣性航法装置などの移動体の水平面の動揺を検出するのに好適な装置である。偏波角算出部１０では、姿勢算出部６により算出された移動体の姿勢と、衛星方向演算部５で算出された衛星方向とに基づいて衛星からの電波の偏波角を移動体の姿勢を基準に算出し、駆動制御部２内のアンテナ偏波角駆動制御部１２に与える。アンテナ偏波角駆動制御部１２では、与えられたアンテナの偏波角となるようにアンテナの偏波角を調整する。なお、アンテナの偏波角調整は、アンテナをその指向方向まわりに機械的に回転させる駆動機構を備えてその駆動機構を駆動することによって、あるいは受信電波の直交２軸を回転させる偏波変換器によっても行うことができる。

次に姿勢算出部６での移動体の姿勢の算出手法について説明する。まず、座標系について説明する。移動体固定座標系とは、図２に示すように、移動体の機首方向をｘ軸、移動体の機体の底方向をｚ軸、このｘ軸とｚ軸とで右手系を構成するようにｙ軸をとった座標系である。また、移動体のＬＬＮ（ＬｏｃａｌＬｅｖｅｌＮｏｒｔｈ）座標系とは、移動体位置を原点に、真北方向をＸ軸、地球中心方向をＺ軸、このＸ軸とＺ軸とで右手系を構成するようにＹ軸をとった座標系である。また、移動体のＬＬＮ座標系のベクトルＵから移動体固定座標系のベクトルｕへの座標変換は、移動体の姿勢角度であるロール角ψ、ピッチ角θ、ヨー角φを用いて次の式のように行われる。

まず、移動体の方位検出値を既知量として使用して移動体の姿勢を算出する場合について述べる。アンテナ指向方向は、衛星からの受信波の強度がより大きくなる方向に追尾制御されて衛星方向を指向する。アンテナ偏波角度は、次の方法により算出されてアンテナ偏波角指令値として出力され、オープンループでアンテナ偏波角駆動制御部により調整制御される。既知量である、移動体の位置と衛星位置から計算されたＬＬＮ座標系の衛星方向ベクトルＰ、アンテナ指向方向ベクトルＱ（移動体固定座標系での衛星方向ベクトル）、および方位検出手段７から入力する方位検出値（ヨー角）φ_ｔから、未知量である移動体のロール角ψ_Ｓとピッチ角θ_Ｓを算出することにより移動体の姿勢が算出される。そして、方位検出値と、求まったロール角とピッチ角を用いて、移動体の位置と衛星位置および衛星の偏波角情報から算出された、ＬＬＮ座標系の衛星偏波方向ベクトルＲを座標変換し、移動体固定座標系での衛星偏波方向ベクトルＴを算出する。このベクトルをもって、アンテナ偏波角度の指令値を算出し、その方向にアンテナ偏波角度を調整制御する。この手順を以下に詳細に説明する。

ＬＬＮ座標系での衛星方向ベクトルＰと、移動体固定座標系でのアンテナ指向方向ベクトル(移動体固定座標系での衛星方向ベクトル)Ｑ、方位角（ヨー角）検出値φ_ｔ、算出したい姿勢の値であるロール角ψ_Ｓ、ピッチ角θ_Ｓ、に対して、次の関係式が成り立つ。

ベクトルＱは単位ベクトルであるため、変数の自由度は２である。このため式（２）は左辺の自由度２に対して右辺の未定変数がψ_Ｓとθ_Ｓの２つであるため、ψ_Ｓとθ_Ｓを算出することができる。
移動体の位置と衛星位置および衛星の偏波角情報から算出された、ＬＬＮ座標系の衛星偏波方向ベクトルＲと、上記で求まった動揺値ψ_Ｓとθ_Ｓおよび方位検出値φ_ｔから、移動体固定座標系での衛星偏波方向ベクトルＴを次の式から算出することができる。

次に、この方位検出値に誤差δφ_ｔが含まれている場合を考える。式（２）と同様な計算を行うと、算出されるロール角とピッチ角は、ロール角真値ψ_ｔとピッチ角真値θ_ｔにはならず、それにたいして、誤差δψ_Ｓとδθ_Ｓを含むものになる。すなわち、この関係は次の式により表わすことができる。

一方、ロール角真値ψ_ｔとピッチ角真値θ_ｔ、方位角（ヨー角）真値φ_ｔに対して、次の式が成り立つ。

式（４）と式（５）との比較を行って次の式を得る。

この式（６）を整理するため、ＬＬＮ座標系での衛星方向Ｐを、方位角（Ａｚ）方向の角度α、俯仰角（Ｅｌ）方向の角度βを用いて表記すると次式のようになる。

これを式（６）に適用し、簡単のためφ_ｔ＋α＝０としても一般性は維持できるためこれを用いて簡略化すると、次式が得られる。

次に式（８）をδψ_Ｓ、δθ_Ｓ、δφ_ｔの２次の微小量は無視するという方針で整理すると次式が得られる。

この式から、誤差δφ_ｔに対する、誤差δψ_Ｓとδθ_Ｓの量を示す式が次の通り得られる。

式（１１）式から、ヨー角（方位検出値）の誤差であるδφ_ｔが、−ｃｏｓβ／ｓｉｎ（β−θ）倍されてロール角の誤差δψ_Ｓになって現れることが分かる。

次に、ロール角とヨー角に動揺推定誤差がある場合、それがどのように偏波角度の制御誤差になるかについて述べる。偏波角方向とロール角、ヨー角誤差との関係は図３に示すようになる。図３から分かる通り、偏波角方向の誤差をδρとすると、δρはヨー角誤差とロール角誤差の射影の合計となる。したがって次式が得られる。

式（１１）と式（１２）をまとめると次式が得られる。

式（１３）から、偏波角方向の誤差δρは、ヨー角誤差δφに比例し、衛星仰角βが小さくなるほど発散していくことが分かる。

一方、既知量としてロール、ピッチ平面内での動揺検出値を利用した場合も、同様に整理すると次式の関係が得られる。

式（１４）から、偏波角方向の誤差δρは、ロール角誤差δψ（実際にはロール角誤差とピッチ角誤差の合成）に比例し、衛星仰角βが大きくなるほど発散していくことが分かる。

以上のように、偏波角方向の誤差は、既知量として移動体の方位検出値を利用した場合には衛星仰角が小さくなるほど大きくなり、一方、移動体の動揺検出値を利用した場合には衛星仰角が大きくなるほど大きくなることが分かる。したがって、衛星仰角が境界となる所定値より小さな場合には動揺検出値を使用し、一方、衛星仰角が所定値より大きな場合には方位検出値を使用してアンテナの姿勢成分を算出すれば、偏波角の制御誤差を小さく抑えることが可能となる。
なお、方位検出値および動揺検出値に含まれる誤差は、それぞれ検出に使用する機器の性能によって決定されるため、図４に示すように偏波角の制御誤差を常に最小に抑えられる衛星仰角をパラメータとして与えることで、両検出値の選択の切り替えを行えばよい。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、移動体の姿勢によって生じる偏波角を求める際に、移動体の姿勢成分の算出において、衛星仰角が所定値以上の場合には移動体の方位検出値を、また、衛星仰角が所定値以下の場合には移動体の水平面に対する動揺検出値を使用するように構成しているので、衛星仰角の大小にかかわらず偏波角の算出における誤差を小さく抑えることができ、交差偏波成分による影響を抑えることができる。また、アンテナの交差偏波識別度の低下を防ぐことが可能となり、衛星トランスポンダを使用する際に、裏偏波への影響を小さく抑えることができ、衛星周波数の有効利用を図ることが可能となる。

なお、アンテナを駆動して指向方向を変化させるためには、アンテナの各軸に駆動機構を設ける必要があり、２軸駆動や３軸駆動の機械駆動方式が用いられている。２軸駆動の場合、方位軸（ＡＺ軸）及び仰角軸（ＥＬ軸）によるＡＺ／ＥＬ機械駆動方式や、水平２軸によるＸＹ機械駆動方式がよく用いられる。また、３軸駆動の場合には、ＡＺ／ＥＬ機械駆動方式にクロスＥＬ軸駆動を付加する機械駆動方式や、ＡＺ／クロスＥＬ駆動にＥＬ軸駆動を付加する機械駆動方式、ＡＺ駆動にＸＹ駆動を付加する機械駆動方式などが用いられる。２軸駆動は、軸数が少ないことから簡便な機構で構成される反面、いわゆる天頂モードが追尾の特異点となってしまう。天頂モードを避ける手段として、３軸駆動による駆動方式は有効な駆動方式を提供する。また、コニカルスキャン駆動制御方式では、アンテナ指向方向を所定の微小な円錐頂角の円錐状に回転させて受信レベルをモニタし、徐々にアンテナ指向方向をずらしながら空間サーチして、衛星からの受信波のレベルがより大きくなるように駆動制御するなどの手法が用いられるものである。また、ステップトラック駆動制御方式では、アンテナ指向方向をステップ状にずらして空間サーチを行い、衛星からの受信波のレベルがより大きくなるように駆動制御するなどの手法が用いられるものである。

この発明の実施の形態１によるアンテナ姿勢制御装置の機能構成を示すブロック図である。アンテナを搭載する移動体の固定座標系における各軸と移動体の姿勢成分との関係を示す説明図である。移動体位置のＬＬＮ座標系における各軸と偏波角方向の関係を示す説明図である。偏波角制御誤差と衛星仰角の関係を示す説明図である。

符号の説明

１アンテナ鏡面、２駆動制御部、３追尾制御部、４位置検出手段、５衛星方向算出部、６姿勢算出部、７方位検出手段、８動揺検出手段、９選択部、１０偏波角度算出部、１１アンテナ軸駆動制御部、１２アンテナ偏波角駆動制御部。

Claims

移動体の位置を検出する位置検出手段と、この位置検出手段により検出した移動体の位置検出値と衛星位置情報とに基づいて、移動体の位置から見た衛星方向を算出する衛星方向演算部と、移動体の方位を検出する方位検出手段と、移動体の水平面に対する動揺を検出する動揺検出手段と、衛星仰角が所定値以上の場合には上記方位検出手段により検出した方位検出値に基づいて移動体の姿勢を算出し、衛星仰角が所定値以下の場合には上記動揺検出手段により検出した動揺検出値に基づいて移動体の姿勢を算出する姿勢算出部と、この姿勢算出部により算出した移動体の姿勢と、上記衛星方向演算部により算出した衛星方向とに基づいて衛星からの電波の偏波角を算出する偏波角度算出部と、この偏波角度算出部により算出した偏波角に基づいてアンテナの偏波角を調整する偏波角調整手段とを備えたことを特徴とするアンテナ姿勢制御装置。
移動体の位置を検出する位置検出手段と、この位置検出手段により検出した移動体の位置検出値と衛星位置情報とに基づいて、移動体の位置から見た衛星方向を算出する衛星方向演算部と、上記衛星方向へアンテナを追尾制御する追尾制御部と、移動体の方位を検出する方位検出手段と、移動体の水平面に対する動揺を検出する動揺検出手段と、上記衛星方向演算部により算出した移動体の位置から見た衛星方向、上記追尾制御部により追尾制御したアンテナの移動体固定基準座標系における指向方向、及び、衛星仰角が所定値以上の場合には上記方位検出手段により検出した方位検出値若しくは衛星仰角が所定値以下の場合には上記動揺検出手段により検出した動揺検出値に基づいて移動体の姿勢を算出する姿勢算出部と、この姿勢算出部により算出した移動体の姿勢と、上記衛星方向演算部により算出した衛星方向とに基づいて、衛星からの電波の偏波角を算出する偏波角度算出部と、この偏波角度算出部により算出した偏波角に基づいてアンテナの偏波角を調整する偏波角調整手段とを備えたことを特徴とするアンテナ姿勢制御装置。