JP2010050688A - 指向性アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のものより低コストで信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる指向性アンテナ装置を提供すること。
【解決手段】移動体２上で上方に延びるＡＺ軸回りに回転可能に支持されたＡＺフレーム３と、ＡＺフレーム３上で直交仰角軸（Ｘ軸）回りに回転可能に支持されたＸプラットフォーム４と、Ｘプラットフォーム４上で仰角軸（Ｙ軸）回りに回転可能に支持されたＹフレーム５と、Ｙフレーム５に支持された指向性アンテナ６とを備え、Ｘプラットフォーム４の直交仰角軸回りの傾斜を零に維持すると共に、指向性アンテナ６の仰角を信号送出源に対する仰角に等しくなるよう維持した上で、角速度計７によって検出されたＸプラットフォーム４の直交座標軸（Ｚ_ｘｐ軸）回りの角速度ω_{ｚ．ＸＰ．ｄｅｔ}に基づいて、指向性アンテナ６の方位をＲＳＳに基づいてサーチして微調整した方位に追従させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、指向性アンテナ装置に関し、特に、移動体に搭載され、人工衛星等の信号送出源から送出される無線信号を受信するための指向性アンテナの方向を調整する指向性アンテナ装置に関する。

従来、この種の指向性アンテナ装置としては、人工衛星等の信号送出源の方位データや船舶のジャイロ・コンパスからの方位情報を利用して、アンテナ装置の各軸を制御するものや、信号送出源から送出される電波信号を利用して信号送出源の方向を検知し、この電波信号を追尾するもの等が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

指向性アンテナ装置の機構としては、図８に示すような方位軸（ＡＺ軸）−仰角軸（ＥＬ軸）よりなるＡＺ−ＥＬ機構や、方位軸−仰角軸−直交仰角軸（ＸＥＬ軸）よりなるＡＺ−ＥＬ−ＸＥＬ機構等のように、２乃至４軸からなる機構がある。

このような指向性アンテナ装置においては、ジャイロ・コンパス等から移動体１００の方位データΨ_Ｚ．ＧＣが得られる場合には、その方位データΨ_Ｚ．ＧＣと、移動体の揺れ（ロールおよびピッチ）を検出する移動体傾斜検出器１０１の検出データとから前述した機構の各軸の操作制御量を逐次計算することによって、信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる。

また、信号送出源から送出される電波信号をより精度よく追尾するために、信号送出源から送出される電波信号の受信状態の良否の目安となる受信状態監視信号を頼りに、目標方位データに微小角の摂動を与えて、試行錯誤的に受信状態の良い方向へアンテナを指向させるステップトラック方式を採用したものも知られている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。

また、信号送出源からの電波信号を受信して信号送出源の方向を検知し、信号送出源から送出される電波信号を追尾するものも実用化されている。例えば、図８に示したような４つの受信素子とＡＺ−ＥＬ機構を備えたアンテナ装置のように、各受信素子に受信された受信信号の位相差、または、電界強度の差を利用して、アンテナのＸ_Ａ軸回りの誤差信号とＹ_Ａ軸回りの誤差信号との双方の誤差を同時に検出することで信号送出源から送出される電波信号を追尾するものも知られている。
中谷・正村他、「やさしい衛星通信」、オーム社、ｐ．４２ 特許第３３９３０２５号公報 特許第３１４２５０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された指向性アンテナ装置は、ある程度の正確さで移動体の方位データを得る必要があるため、車両等の陸上移動体や小型船舶に搭載する場合にも、陸上移動体や小型船舶にジャイロ・コンパスまたは慣性計測装置（Inertial Measurement Unit：ＩＭＵ）を設ける必要があり、設置コストがかかるといった課題があった。

また、特許文献２に記載された指向性アンテナ装置は、ある程度の正確さで真北からの信号送出源の方位データを得る必要があり、方位軸に０度から３６０度までの自由度を要するため、追尾精度を維持する為に、やや高価な角速度検出器等を必要とし、製造コストがかかるといった課題があった。

また、信号送出源からの電波信号を受信して信号送出源の方向を検知し、信号送出源から送出される電波信号を追尾するものは、複数の受信系が必要なため、製造コストがかかるといった課題があった。

なお、ジャイロ・コンパスから得られる方位データΨ_Ｚ．ＧＣやＩＭＵから得られる移動体の方位データΨ_{Ｚ．ＩＭＵ}を方位軸の制御に利用できる場合には、単一の受信系でも、ジンバル・ロック現象の起こりにくいＡＺ−ＥＬ−ＸＥＬ機構等を採用し、かつ、受信信号のＳ／Ｎ比を十分に確保できれば、前述したステップトラック方式を用いて信号送出源から送出される電波信号を安定して追尾することができる。

しかし、従来、移動体（主に、船舶）搭載の衛星通信用指向性アンテナ装置でよく用いられているＡＺ−ＥＬ−ＸＥＬ機構等を採用した場合、方位データΨ_Ｚ．ＧＣまたはΨ_{Ｚ．ＩＭＵ}がジャイロ・コンパスやＩＭＵから得ることができない場合は、信号送出源から送出される電波信号を利用して、単一の受信系によるステップトラック方式を用いて追尾する場合で揺れの大きいときに追尾精度が劣化する傾向がある。従って、複数の受信系を用いたより製造コストの掛かる高性能な追尾方式を採用するか、または、ジャイロ・コンパスやＩＭＵを移動体に設けるなどの対策が必要となるといった課題を解決することができない。

本発明は、上述したような従来の課題を解決するためになされたもので、従来のものより低コストで信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる指向性アンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明の指向性アンテナ装置は、移動体上で上方に延びる方位軸と、前記方位軸回りに回転可能に支持された方位軸構造体と、前記方位軸構造体上で直交仰角軸回りに回転可能に支持された直交仰角軸半安定台と、前記直交仰角軸半安定台上で仰角軸回りに回転可能に支持された仰角軸構造体と、前記仰角軸構造体に支持された指向性アンテナと、前記直交仰角軸と平行に前記直交仰角軸半安定台上に延在するＸ_ＸＰ軸、前記仰角軸と平行に前記直交仰角軸半安定台上に延在するＹ_ＸＰ軸、並びに、前記Ｘ_ＸＰ軸および前記Ｙ_ＸＰ軸に直交するＺ_ＸＰ軸の各軸回りの角速度を検出するために前記直交仰角軸半安定台上に載置された角速度計と、前記移動体に対する前記直交仰角軸半安定台の前記Ｘ_ＸＰ軸回り、および、前記Ｙ_ＸＰ軸回りの傾斜角度を検出するために前記直交仰角軸半安定台上に載置された傾斜計と、前記角速度計によって検出された前記Ｘ_ＸＰ軸回りの角速度と前記傾斜計によって検出された前記Ｘ_ＸＰ軸回りの傾斜角度とに基づいて、前記直交仰角軸半安定台の水準に対する前記Ｘ_ＸＰ軸回りの傾斜を表すロール角を推定するロール角推定部と、前記ロール角推定部によって推定されたロール角を零に近づけるように前記直交仰角軸回りに前記直交仰角軸半安定台を回動させる直交仰角軸制御部と、前記角速度計によって検出された前記Ｙ_ＸＰ軸回りの角速度と前記傾斜計によって検出された前記Ｙ_ＸＰ軸回りの傾斜角度とに基づいて、前記直交仰角軸半安定台の前記Ｙ_ＸＰ軸回りの水準に対する傾斜を表すピッチ角を推定するピッチ角推定部と、目標とする仰角と前記ピッチ角推定部によって推定されたピッチ角との和に前記仰角軸構造体の仰角を近づけるように前記仰角軸回りに前記仰角軸構造体を回動させる仰角軸制御部と、前記方位軸回りに前記方位軸構造体を回動させる方位軸制御部と、信号送出源から前記指向性アンテナに受信された無線信号の受信状態を監視するための受信状態監視信号を生成する受信状態監視信号生成部と、前記方位軸制御部に前記方位軸構造体を回動させながら前記受信状態監視信号生成部によって生成された受信状態監視信号を監視し、該受信状態監視信号が予め定められた信号値よりも高い信号値を示したときの前記直交仰角軸半安定台の方位を目標方位として決定する目標方位サーチ部と、前記方位軸制御部に前記直交仰角軸半安定台の方位を微小角度ずつ変化させながら、変化させる前後の受信状態に基づいて、前記目標方位を調整する目標方位調整部と、前記角速度計によって検出された前記Ｚ_ＸＰ軸回りの角速度に基づいて前記直交仰角軸半安定台の方位を推定し、推定した方位と前記目標方位との方位差を零に近づけるように前記方位軸制御部に前記方位軸構造体を回動させる方位推定部と、を備えた構成を有している。

この構成により、本発明の指向性アンテナ装置は、直交仰角構造体の直交仰角軸回りの傾斜を零に維持すると共に、指向性アンテナの仰角を信号送出源に対する仰角に等しくなるよう維持した上で、受信状態監視信号に基づいてサーチして微調整した方位に指向性アンテナの方位を追従させるため、ジャイロ・コンパスおよびＩＭＵ、高価な角速度検出器ならびに複数の受信系を必要とせず、従来のものより低コストで信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる。

なお、前記方位推定部は、前記角速度計によって検出された前記Ｚ_ＸＰ軸回りの角速度の誤差を推定する誤差推定部と、前記角速度計によって検出された前記Ｚ_ＸＰ軸回りの角速度から前記誤差推定部によって推定された誤差を減じる減算器と、前記減算器による減算結果を積分する積分器と、を有し、前記目標方位サーチ部によって前記目標方位が決定されたときに、前記指向性アンテナから前記信号送出源を見た方位を表す目標方位データで前記積分器をリセットし、前記積分器による積分結果から前記目標方位データが表す方位を減じることによって前記方位差を算出するようにしてもよい。

この構成により、本発明の指向性アンテナ装置は、信号送出源が天頂付近にある場合であっても、信号送出源から送出される電波信号を精度よく追尾することができる。

また、前記方位推定部は、前記角速度計によって検出された前記Ｚ_ＸＰ軸回りの角速度の直流成分を除去するための高域通過フィルタと、前記高域通過フィルタによって直流成分が除去された角速度を積分する積分器と、を有し、前記目標方位サーチ部によって前記目標方位が定められたときに、前記積分器を零にリセットし、前記積分器による積分結果を前記方位差とするようにしてもよい。

この構成により、本発明の指向性アンテナ装置は、目標方位データを設定する必要がなくなるため、より低コストで信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる。

前記目標方位調整部は、前記目標とする仰角が小さくなるにつれて、前記直交仰角軸半安定台の方位を変化させる角度を小さくするようにしてもよい。

この構成により、本発明の指向性アンテナ装置は、低仰角から高仰角まで広い仰角範囲で、安定、かつ、効率的に目標方位を調整することができる。

また、本発明の指向性アンテナ装置は、前記目標の仰角を微小角度ずつ変化させながら、変化させる前後の受信状態に基づいて、前記仰角軸制御部に前記仰角軸の仰角（延いては、指向性アンテナの仰角）を調整させる仰角調整部を備えるようにしてもよい。

この構成により、本発明の指向性アンテナ装置は、指向性アンテナの仰角も微調整することができるため、より正確に信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる。

本発明は、従来のものより低コストで信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる指向性アンテナ装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態としての指向性アンテナ装置を図１および図２に示す。

図１に示すように、本発明の第１の実施の形態としての指向性アンテナ装置１は、移動体２上で上方に延びる方位軸（以下、「ＡＺ軸」という。）と、ＡＺ軸回りに回転可能に支持された方位軸構造体（以下、「ＡＺフレーム」という。）３と、ＡＺフレーム３上で直交仰角軸（以下、「Ｘ軸」という。）回りに回転可能に支持された直交仰角軸半安定台（以下、「Ｘプラットフォーム」という。）４と、Ｘプラットフォーム４上で仰角軸（以下、「Ｙ軸」という。）回りに回転可能に支持された仰角軸構造体（以下、「Ｙフレーム」という。）５と、Ｙフレーム５に支持された指向性アンテナ６とからなるＡＺ−Ｘ−Ｙ（または、ＡＺ−ＸＥＬ−ＥＬともいう）機構によって構成されている。

ここで、Ｘプラットフォーム４上において、Ｘ軸と平行にＸプラットフォーム４上に延在する軸をＸ_ＸＰ軸とし、Ｙ軸と平行にＸプラットフォーム４上に延在する軸をＹ_ＸＰ軸とし、Ｘ_ＸＰ軸およびＹ_ＸＰ軸に直交する軸をＺ_ＸＰ軸とする。

Ｘプラットフォーム４上には、移動体２に対するＸプラットフォーム４のＸ_ＸＰ軸、Ｙ_ＸＰ軸およびＺ_ＸＰ軸の各軸回りの角速度（以下、それぞれω_{ｘ．ＸＰ．ｄｅｔ}、ω_{ｙ．ＸＰ．ｄｅｔ}、ω_{ｚ．ＸＰ．ｄｅｔ}と表す。）を検出するための角速度計７と、移動体２に対するＸプラットフォーム４のＸ_ＸＰ軸回りおよびＹ_ＸＰ軸の各軸回りの傾斜角度（以下、それぞれφ_{ＸＰ．ｉｎｃｌ．ｄｅｔ}、θ_{ＸＰ．ｉｎｃｌ．ｄｅｔ}と表す。）を検出するための傾斜計８とが載置されている。なお、傾斜計８は、加速度計によって構成されていてもよい。

図２において、指向性アンテナ装置１は、角速度計７によって検出された角速度ω_{ｘ．ＸＰ．ｄｅｔ}と傾斜計８によって検出された傾斜角度φ_{ＸＰ．ｉｎｃｌ．ｄｅｔ}とに基づいて、Ｘプラットフォーム４の水準に対するＸ_ＸＰ軸回りの傾斜を表すロール角φ_ＸＰ＾を推定するロール角推定部１０と、ロール角推定部１０によって推定されたロール角φ_ＸＰ＾を零に近づけるようにＸ軸回りにＸプラットフォーム４を回動させる直交仰角軸制御部１１とを備えている。

ロール角推定部１０は、図３に示すように、角速度ω_{ｘ．ＸＰ．ｄｅｔ}に含まれるオフセット成分を角速度ω_{ｘ．ＸＰ．ｄｅｔ}から減じる減算器５０と、減算器５０の出力ω_ｘ．ＸＰ＾積分する積分器５１と、積分器５１の出力φ_ＸＰ＾から傾斜角度φ_{ＸＰ．ｉｎｃｌ．ｄｅｔ}を減じる減算器５２と、減算器５２の出力に基づいて角速度ω_{ｘ．ＸＰ．ｄｅｔ}に含まれるオフセット成分を推定するオフセット推定部５３とを有し、Ｘプラットフォーム４の水準に対するＸ_ＸＰ軸回りの傾斜を表すロール角φ_ＸＰ＾を直交仰角軸制御部１１に出力するようになっている。ここで、オフセット推定部５３は、ディジタルＬＰＦ（Low Pass Filter）またはＰＩ（Proportion and Integration）フィルタ等によって構成される。

図２において、直交仰角軸制御部１１は、ロール角推定部１０によって出力されるＸプラットフォーム４のロール角φ_ＸＰ＾を零に近づけるためのＸ軸の制御量を算出するＸ軸制御器１２と、この制御量に応じてＸプラットフォーム４をＸ軸回りに回動させるＸ軸モータ１３と、Ｘ軸減速器１４とによって構成される。

また、指向性アンテナ装置１は、角速度計７によって検出された角速度ω_{ｙ．ＸＰ．ｄｅｔ}と傾斜計８によって検出された傾斜角度θ_{ＸＰ．ｉｎｃｌ．ｄｅｔ}とに基づいて、Ｘプラットフォーム４のＹ_ＸＰ軸回りの水準に対する傾斜を表すピッチ角θ_ＸＰ＾を推定するピッチ角推定部１５と、Ｙフレーム５の仰角を移動体（または、指向性アンテナ６）の位置から見た目標（すなわち、信号送出源）の水準からの仰角λ_Ｔ＾（以下、「目標仰角」という。）とピッチ角推定部１５によって推定されたピッチ角θ_ＸＰ＾との和（λ_Ｔ＾＋θ_ＸＰ＾）に近づけるようにＹ軸回りにＹフレーム５を回動させる仰角軸制御部１６とを備えている。ここで、目標仰角とは、移動体の位置からみた目標（すなわち、信号送出源）の（水準からの）仰角である。

ピッチ角推定部１５は、図４に示すように、角速度ω_{ｙ．ＸＰ．ｄｅｔ}に含まれるオフセット成分を角速度ω_{ｙ．ＸＰ．ｄｅｔ}から減じる減算器６０と、減算器６０の出力ω_ｙ．ＸＰ＾を積分する積分器６１と、積分器６１の出力θ_ＸＰ＾から傾斜角度θ_{ＸＰ．ｉｎｃｌ．ｄｅｔ}を減じる減算器６２と、減算器６２の出力に基づいて角速度ω_{ｙ．ＸＰ．ｄｅｔ}に含まれるオフセット成分を推定するオフセット推定部６３とを有し、Ｘプラットフォーム４の水準に対するＹ_ＸＰ軸回りの傾斜を表すピッチ角θ_ＸＰ＾を仰角軸制御部１６に出力するようになっている。ここで、オフセット推定部６３は、ディジタルＬＰＦまたはＰＩフィルタ等によって構成される。

図２において、仰角軸制御部１６は、Ｙフレーム５のピッチ角θ_ＸＰ＾を目標仰角λ_Ｔ＾とピッチ角θ_ＸＰ＾との和（λ_Ｔ＾＋θ_ＸＰ＾）に近づけるためのＹ軸の制御量を算出するＹ軸制御器１７と、この制御量に応じてＹフレーム５をＹ軸回りに回動させるＹ軸モータ１８と、Ｙ軸減速器１９とによって構成される。

また、指向性アンテナ装置１は、ＡＺ軸回りにＡＺフレーム３を回動させる方位軸制御部２０を備えている。方位軸制御部２０は、後述する方位推定部２７によって出力された制御信号の値に応じたＡＺ軸の制御量を算出するＡＺ軸制御器２１と、この制御量に応じてＡＺフレーム３をＡＺ軸回りに回動させるＡＺ軸モータ２２と、ＡＺ軸減速器２３とによって構成される。

また、指向性アンテナ装置１は、信号送出源から指向性アンテナ６に受信された無線信号の受信状態を監視するための受信状態監視信号（Received Signal Strength、以下「ＲＳＳ」という。）を生成する受信状態監視信号生成回路を有する受信機２４と、方位軸制御部２０にＡＺフレーム３を回動させながらＲＳＳを監視し、ＲＳＳが予め定められた信号値よりも高い信号値を示したときのＸプラットフォーム４の方位を目標方位として決定する目標方位サーチ部２５と、方位軸制御部２０にＸプラットフォーム４の方位を微小角度ずつ変化させながら、変化させる前後のＲＳＳに基づいて、目標方位を調整する目標方位調整部２６と、角速度計７によって検出された角速度ω_{ｚ．ＸＰ．ｄｅｔ}に基づいて、Ｘプラットフォーム４の方位を推定し、推定した方位と目標方位との方位差を零に近づけるよう方位軸制御部２０にＡＺフレーム３を回動させる方位推定部２７とを備えている。

目標方位サーチ部２５は、方位軸制御部２０にＸプラットフォーム４の方位をＡＺ軸回りに（例えば、０度から３６０度に渡って）変化させるための制御信号δΨ_{ＸＰ．ｓｒｃｈ}＾を方位推定部２７に出力しながら、ＲＳＳを監視し、ＲＳＳが予め定められた信号値よりも高い信号値を示したときに方位推定部２７にリセット信号Ｒｓｔを出力するようになっている。

目標方位調整部２６は、方位軸制御部２０にＸプラットフォーム４の方位を微小角度ずつ変化させながら、変化させる前後のＲＳＳに基づいて、Ｘプラットフォーム４の方位を調整するステップトラック処理を実行するようになっている。

ここで、ステップトラック処理における第ｎステップのステップ角をΔΨ_ＳＴ（ｎ）とし、受信状態監視信号ＲＳＳの値をＲ（ｎ）とし、受信状態監視信号ＲＳＳの増分をΔＲ（ｎ）＝Ｒ（ｎ）−Ｒ（ｎ−１）とし、ｎ_０をｎ以下の正の整数とする。

目標方位調整部２６は、ステップトラックにおけるステップ毎にステップ角ΔΨ_ＳＴを以前のステップの受信状態監視信号ＲＳＳの増分のベクトルデータ｛ΔＲ（ｎ−１），ΔＲ（ｎ−２），・・・・，ΔＲ（ｎ−ｎ_０）｝と、以前のステップにおけるステップ角のベクトルデータ｛ΔΨ_ＳＴ（ｎ−１），・・・・，ΔΨ_ＳＴ（ｎ−ｎ_０）｝との関数として決定するようになっている。例えば、目標方位調整部２６は、ΔΨ_{ｃ０．ＳＴ}を予め定められた正の微小角としてΔΨ_ＳＴ（ｎ）を以下に示す式を用いて決定するようになっている。

ΔΨ_ＳＴ（ｎ）＝ΔΨ_{ｃ０．ＳＴ}×ｓｉｇｎ｛ΔＲ（ｎ−１）×ΔΨ_ＳＴ（ｎ−１）｝
ここで、ｓｉｇｎ｛ｘ｝は、ｘの符号を表す関数とする。

この場合には、ΔΨ_ＳＴ（ｎ）が零になったとき、ΔΨ_ＳＴ（ｎ＋１）以後もすべて零になってしまうため、ΔΨ_ＳＴ（ｎ）を零にしないような処理を施す必要がある。このため、目標方位調整部２６は、ΔΨ_ＳＴ（ｎ）が零になるときには、例えば、ΔΨ_ＳＴ（ｎ）をΔΨ_ＳＴ（ｎ−１）と決定するようになっている。

さらに、追尾性能を向上させるために、目標方位調整部２６は、ステップ角ΔΨ_ＳＴ（ｎ）を決定するときに目標仰角λ_Ｔ＾を考慮するようにすることが好ましい。具体的には、目標仰角λ_Ｔ＾が小さくなるにつれて、ステップ角ΔΨ_ＳＴ（ｎ）を小さくするように目標方位調整部２６を構成する。

例えば、ΔΨ_{ｃ０．ＳＴ}およびΔΨ_{ｃ１．ＳＴ}を予め定められた正の微小角とし、ε_ｍｉｎを零割防止の予め定められた正の微小角とした場合に、目標方位調整部２６は、ΔΨ_ＳＴ（ｎ）を以下に示す式を用いて決定するようにしてもよい。

ΔΨ_ＳＴ（ｎ）＝｛ΔΨ_{ｃ０．ＳＴ}＋ΔΨ_{ｃ１．ＳＴ}／ｃｏｓ（λ_Ｔ＾-ε_ｍｉｎ）｝×ｓｉｇｎ｛ΔＲ（ｎ−１）×ΔΨ_ＳＴ（ｎ−１）｝

目標方位調整部２６は、このように決定したステップ角ΔΨ_ＳＴを一定の時間間隔で方位推定部２７に出力するようになっている。

図５に示すように、方位推定部２７は、角速度ω_{ｚ．ＸＰ．ｄｅｔ}の直流成分を除去するための高域通過フィルタ（以下、「ＨＰＦ」という。）７０と、角速度ω_{ｚ．ＸＰ．ｄｅｔ}に含まれる誤差ω_{ｚ．ＸＰ．ｏｆｓ}＾を推定する誤差推定部７１と、直流成分が除去された角速度ω_{ｚ．ＸＰ．ｄｅｔ}から誤差ω_{ｚ．ＸＰ．ｏｆｓ}＾を減じる減算器７２と、減算器７２の減算結果ω_ｚ．ＸＰ＾を積分する積分器７３と、積分器７３をリセットするためのスイッチ７４と、積分器７３の積分結果に目標方位調整部２６から入力されたステップ角ΔΨ_ＳＴを加算する加算器７５と、加算器７５の加算結果と目標方位Ψ_Ｔ＾とを加算する加算器７６と、加算器７６の加算結果δΨ_ＸＰ／Ｔ＾を誤差推定部７１に入力させるか否かを切り替えるスイッチ７７と、加算器７６の加算結果を表す制御信号δΨ_ＸＰ／Ｔ＾と目標方位サーチ部２５から入力された制御信号δΨ_{ＸＰ．ｓｒｃｈ}＾との間で方位軸制御部２０に出力する制御信号Ψ_{ＡＺ．ｃｍｎｄ}を選択するスイッチ７８とを有している。

方位推定部２７には、不図示の制御回路からモード信号Ｍｏｄｅが入力されるようになっており、方位推定部２７は、モード信号Ｍｏｄｅに応じてサーチモードとステップトラックモードとの何れかのモードをとるようになっている。

サーチモードにおいて、スイッチ７７は、加算器７６の加算結果δΨ_ＸＰ／Ｔ＾を誤差推定部７１に入力させる状態となり、スイッチ７８は、方位軸制御部２０に出力する制御信号Ψ_{ＡＺ．ｃｍｎｄ}として目標方位サーチ部２５から入力された制御信号δΨ_{ＸＰ．ｓｒｃｈ}＾を選択するようになっている。

一方、トラックモードにおいて、スイッチ７７は、加算器７６の加算結果δΨ_ＸＰ／Ｔ＾を誤差推定部７１に入力させない状態となり、スイッチ７８は、方位軸制御部２０に出力する制御信号Ψ_{ＡＺ．ｃｍｎｄ}として加算器７６の加算結果を表す制御信号δΨ_ＸＰ／Ｔ＾を選択するようになっている。

スイッチ７４は、目標方位サーチ部２５からリセット信号Ｒｓｔが入力されたときに、指向性アンテナ６から信号送出源を見た方位を表す目標方位データΨ_Ｔ＾で積分器７３をリセットするようになっている。ここで、目標方位データΨ_Ｔ＾は、ＧＰＳ（Global Positioning System）等によって得られる移動体２の緯度および経度（好ましくは、指向性アンテナ装置１の緯度および経度）と、信号送出源の既知の方位情報とを用いて算出することができる。

なお、角速度計７のドリフトやオフセットが十分に小さい場合には、方位推定部２７からＨＰＦ７０を省いてもよい。また、ＨＰＦ７０を用いるか否かをユーザが切り替えられるように方位推定部２７を構成してもよい。

以上のように構成された指向性アンテナ装置１において、ロール角推定部１０および直交仰角軸制御部１１によってＸプラットフォーム４の水準に対するＸ_ＸＰ軸回りの傾斜が零に維持され、ピッチ角推定部１５および仰角軸制御部１６によってＹフレーム５の仰角が調整され、指向性アンテナ６の仰角が信号送出源に対する仰角に等しくなるよう維持される。

一方で、指向性アンテナ装置１の起動時には、方位推定部２７の状態がサーチモードとなり、目標方位サーチ部２５および方位軸制御部２０によって信号送出源の方位がサーチされ、信号送出源の方位がサーチされたときのＸプラットフォーム４の方位が目標方位データΨ_Ｔ＾が表す方位として決定される。

次いで、方位推定部２７の状態がステップトラックモードに遷移し、方位推定部２７および方位軸制御部２０によってＸプラットフォーム４の方位が、目標方位調整部２６のステップトラック処理によって目標方位から微調整された方位に追従する。

このように、本発明の第１の実施の形態の指向性アンテナ装置１は、Ｘプラットフォーム４の直交仰角軸回りの傾斜を零に維持すると共に、指向性アンテナ６の仰角を信号送出源に対する仰角に等しくなるよう維持した上で、ＲＳＳに基づいてサーチして微調整した方位に指向性アンテナ６の方位を追従させるため、ジャイロ・コンパスおよびＩＭＵ、高価な角速度検出器ならびに複数の受信系を必要とせず、従来のものより低コストで信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる。

なお、本実施の形態においては、目標方位調整部２６がＡＺフレーム３に対してＡＺ軸周りにステップトラック処理を施すものとして説明したが、本発明においては、Ｙフレーム５に対してＹ軸回りにステップトラック処理を施す仰角調整部をさらに設けるようにしてもよい。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態としての指向性アンテナ装置を図６に示す。なお、本実施の形態では、本発明の第１の実施の形態の指向性アンテナ装置１の構成要素と同一な構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。

図６に示すように、本発明の第２の実施の形態としての指向性アンテナ装置８０は、本発明の第１の実施の形態の指向性アンテナ装置１に対して、方位推定部２７に代えて、方位推定部８１を設けた点が相違する。

図７に示すように、方位推定部８１は、角速度ω_{ｚ．ＸＰ．ｄｅｔ}の直流成分を除去するためのＨＰＦ９０と、直流成分が除去された角速度ω_ｚ．ＸＰ＾を積分する積分器９１と、積分器９１の積分結果に目標方位調整部２６から入力されたステップ角ΔΨ_ＳＴを加算する加算器９２と、加算器９２の加算結果を表す制御信号δΨ_ＸＰ／Ｔ＾と目標方位サーチ部２５から入力された制御信号δΨ_{ＸＰ．ｓｒｃｈ}＾との間で方位軸制御部２０に出力する制御信号Ψ_{ＡＺ．ｃｍｎｄ}を選択するスイッチ９３とを有している。

方位推定部８１には、方位推定部２７と同様に、不図示の制御回路からモード信号Ｍｏｄｅが入力されるようになっており、方位推定部８１は、モード信号Ｍｏｄｅに応じてサーチモードとステップトラックモードとの何れかのモードをとるようになっている。

サーチモードにおいて、スイッチ９３は、方位軸制御部２０に出力する制御信号Ψ_{ＡＺ．ｃｍｎｄ}として目標方位サーチ部２５から入力された制御信号δΨ_{ＸＰ．ｓｒｃｈ}＾を選択するようになっている。

一方、トラックモードにおいて、スイッチ９３は、方位軸制御部２０に出力する制御信号Ψ_{ＡＺ．ｃｍｎｄ}として加算器７６の加算結果を表す制御信号δΨ_ＸＰ／Ｔ＾を選択するようになっている。

積分器９１は、目標方位サーチ部２５からリセット信号Ｒｓｔが入力されたときに、積分値を零にリセットするようになっている。

以上のように構成された指向性アンテナ装置８０において、ロール角推定部１０および直交仰角軸制御部１１によってＸプラットフォーム４の水準に対するＸ_ＸＰ軸回りの傾斜が零に維持され、ピッチ角推定部１５および仰角軸制御部１６によってＹフレーム５の仰角が調整され、指向性アンテナ６の仰角が信号送出源に対する仰角に等しくなるよう維持される。

一方で、指向性アンテナ装置１の起動時には、方位推定部８１の状態がサーチモードとなり、目標方位サーチ部２５および方位軸制御部２０によって信号送出源の方位がサーチされ、信号送出源の方位がサーチされたときのＸプラットフォーム４の方位が目標方位として決定される。

次いで、方位推定部８１の状態がステップトラックモードに遷移し、方位推定部８１および方位軸制御部２０によってＸプラットフォーム４の方位が、目標方位調整部２６のステップトラック処理によって目標方位から微調整された方位に追従する。

このように、本発明の第２の実施の形態の指向性アンテナ装置８０は、Ｘプラットフォーム４の直交仰角軸回りの傾斜を零に維持すると共に、指向性アンテナ６の仰角を信号送出源に対する仰角に等しくなるよう維持した上で、ＲＳＳに基づいてサーチして微調整した方位に指向性アンテナ６の方位を追従させるため、ジャイロ・コンパスおよびＩＭＵ、高価な角速度検出器ならびに複数の受信系を必要とせず、従来のものより低コストで信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる。

また、本発明の第２の実施の形態の指向性アンテナ装置８０は、本発明の第１の実施の形態の指向性アンテナ装置１に対して、目標方位データΨ_Ｔ＾を設定する必要がなくなるため、より低コストで信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる。

なお、本発明の第１の実施の形態の指向性アンテナ装置１は、本発明の第２の実施の形態の指向性アンテナ装置８０に対して、目標方位データΨ_Ｔ＾を設定するため、信号送出源が天頂付近にある場合の追従性が高くなる。

また、本発明の第１の実施の形態の指向性アンテナ装置１と、本発明の第２の実施の形態の指向性アンテナ装置８０とを組み合わせ、信号送出源の仰角に応じて、方位推定部２７と方位推定部８１とを切り換えて使用できるようにしてもよい。

本発明の第１の実施の形態としての指向性アンテナ装置の外観図である。 本発明の第１の実施の形態としての指向性アンテナ装置のブロック図である。 本発明の第１の実施の形態としての指向性アンテナ装置を構成するロール角推定部のブロック図である。 本発明の第１の実施の形態としての指向性アンテナ装置を構成するピッチ角推定部のブロック図である。 本発明の第１の実施の形態としての指向性アンテナ装置を構成する方位推定部のブロック図である。 本発明の第２の実施の形態としての指向性アンテナ装置のブロック図である。 本発明の第２の実施の形態としての指向性アンテナ装置を構成する方位推定部のブロック図である。 従来の指向性アンテナ装置の外観図である。

符号の説明

１、８０ 指向性アンテナ装置
２、１００ 移動体
３ ＡＺフレーム
４ Ｘプラットフォーム
５ Ｙフレーム
６ 指向性アンテナ
７ 角速度計
８ 傾斜計
１０ ロール角推定部
１１ 直交仰角軸制御部
１２ Ｘ軸制御器
１３ Ｘ軸モータ
１４ Ｘ軸減速器
１５ ピッチ角推定部
１６ 仰角軸制御部
１７ Ｙ軸制御器
１８ Ｙ軸モータ
１９ Ｙ軸減速器
２０ 方位軸制御部
２１ ＡＺ軸制御器
２２ ＡＺ軸モータ
２３ ＡＺ軸減速器
２４ 受信機
２５ 目標方位サーチ部
２６ 目標方位調整部
２７、８１ 方位推定部
５０、５２、６０、６２、７２ 減算器
５１、６１、７３、９１ 積分器
５３、６３ オフセット推定部
７０、９０ ＨＰＦ
７１ 誤差推定部
７４、７７、７８、９３ スイッチ
７５、７６、９２ 加算器
１０１ 移動体傾斜検出器

Claims (5)

1. 移動体上で上方に延びる方位軸と、
   前記方位軸回りに回転可能に支持された方位軸構造体と、
   前記方位軸構造体上で直交仰角軸回りに回転可能に支持された直交仰角軸半安定台と、
   前記直交仰角軸半安定台上で仰角軸回りに回転可能に支持された仰角軸構造体と、
   前記仰角軸構造体に支持された指向性アンテナと、
   前記直交仰角軸と平行に前記直交仰角軸半安定台上に延在するＸ_ＸＰ軸、前記仰角軸と平行に前記直交仰角軸半安定台上に延在するＹ_ＸＰ軸、並びに、前記Ｘ_ＸＰ軸および前記Ｙ_ＸＰ軸に直交するＺ_ＸＰ軸の各軸回りの角速度を検出するために前記直交仰角軸半安定台上に載置された角速度計と、
   前記移動体に対する前記直交仰角軸半安定台の前記Ｘ_ＸＰ軸回り、および、前記Ｙ_ＸＰ軸回りの傾斜角度を検出するために前記直交仰角軸半安定台上に載置された傾斜計と、
   前記角速度計によって検出された前記Ｘ_ＸＰ軸回りの角速度と前記傾斜計によって検出された前記Ｘ_ＸＰ軸回りの傾斜角度とに基づいて、前記直交仰角軸半安定台の水準に対する前記Ｘ_ＸＰ軸回りの傾斜を表すロール角を推定するロール角推定部と、
   前記ロール角推定部によって推定されたロール角を零に近づけるように前記直交仰角軸回りに前記直交仰角軸半安定台を回動させる直交仰角軸制御部と、
   前記角速度計によって検出された前記Ｙ_ＸＰ軸回りの角速度と前記傾斜計によって検出された前記Ｙ_ＸＰ軸回りの傾斜角度とに基づいて、前記直交仰角軸半安定台の前記Ｙ_ＸＰ軸回りの水準に対する傾斜を表すピッチ角を推定するピッチ角推定部と、
   目標とする仰角と前記ピッチ角推定部によって推定されたピッチ角との和に前記仰角軸構造体の仰角を近づけるように前記仰角軸回りに前記仰角軸構造体を回動させる仰角軸制御部と、
   前記方位軸回りに前記方位軸構造体を回動させる方位軸制御部と、
   信号送出源から前記指向性アンテナに受信された無線信号の受信状態を監視するための受信状態監視信号を生成する受信状態監視信号生成部と、
   前記方位軸制御部に前記方位軸構造体を回動させながら前記受信状態監視信号生成部によって生成された受信状態監視信号を監視し、該受信状態監視信号が予め定められた信号値よりも高い信号値を示したときの前記直交仰角軸半安定台の方位を目標方位として決定する目標方位サーチ部と、
   前記方位軸制御部に前記直交仰角軸半安定台の方位を微小角度ずつ変化させながら、変化させる前後の受信状態に基づいて、前記目標方位を調整する目標方位調整部と、
   前記角速度計によって検出された前記Ｚ_ＸＰ軸回りの角速度に基づいて前記直交仰角軸半安定台の方位を推定し、推定した方位と前記目標方位との方位差を零に近づけるように前記方位軸制御部に前記方位軸構造体を回動させる方位推定部と、を備えた指向性アンテナ装置。
2. 前記方位推定部は、前記角速度計によって検出された前記Ｚ_ＸＰ軸回りの角速度の誤差を推定する誤差推定部と、
   前記角速度計によって検出された前記Ｚ_ＸＰ軸回りの角速度から前記誤差推定部によって推定された誤差を減じる減算器と、
   前記減算器による減算結果を積分する積分器と、を有し、
   前記目標方位サーチ部によって前記目標方位が決定されたときに、前記指向性アンテナから前記信号送出源を見た方位を表す目標方位データで前記積分器をリセットし、前記積分器による積分結果から前記目標方位データが表す方位を減じることによって前記方位差を算出することを特徴とする請求項１に記載の指向性アンテナ装置。
3. 前記方位推定部は、前記角速度計によって検出された前記Ｚ_ＸＰ軸回りの角速度の直流成分を除去するための高域通過フィルタと、
   前記高域通過フィルタによって直流成分が除去された角速度を積分する積分器と、を有し、
   前記目標方位サーチ部によって前記目標方位が定められたときに、前記積分器を零にリセットし、前記積分器による積分結果を前記方位差とすることを特徴とする請求項１に記載の指向性アンテナ装置。
4. 前記目標方位調整部は、前記目標とする仰角が小さくなるにつれて、前記直交仰角軸半安定台の方位を変化させる角度を小さくすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の指向性アンテナ装置。
5. 前記目標の仰角を微小角度ずつ変化させながら、変化させる前後の受信状態に基づいて、前記仰角軸制御部に前記仰角軸の仰角を調整させる仰角調整部を備えた請求項１乃至請求項４の何れかに記載の指向性アンテナ装置。

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