JP2012044596A

JP2012044596A - 追尾アンテナ装置

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Publication number: JP2012044596A
Application number: JP2010186200A
Authority: JP
Inventors: Kohei Suzaki; 皓平須崎; Yoshinori Suzuki; 義規鈴木; Sei Kobayashi; 聖小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2030-08-23
Also published as: JP5606217B2

Abstract

【課題】移動体衛星通信用地球局装置において、高い追尾性能と軽量化および低コスト化を図ることができる追尾アンテナ装置を提供する。
【解決手段】それぞれがアンテナの指向方向を追尾する指向方向追尾手段を備え、アレー状に配置された複数のアンテナ装置と、複数のアンテナ装置の各アンテナの励振位相および振幅を制御し、各アンテナが有する指向方向誤差を補償する指向方向誤差補償手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体衛星通信用地球局装置における指向方向を追尾する追尾アンテナ装置に関する。

追尾アンテナ装置は、各種センサ情報や通信の相手方からの受信信号から指向方向推定や指向方向誤差量を検出し、アンテナの指向方向（仰角および方位角）を機械的に制御を行う。

従来の追尾アンテナ装置は、ジャイロコンパス（方位) やＧＰＳセンサを用いて自局位置から衛星搭載アンテナの方向を推定し、角速度センサの積分量および指向方向の円錐走査時の受信レベルをモニタすることにより、自局アンテナの姿勢、指向方向誤差を推定することで、指向方向追尾のための制御量を決定する構成になっている（非特許文献１）。

一方、フェーズドアレーアンテナでは、仰角方向はモノパルス方式により指向方向誤差を検出し、フェーズドアレーアンテナによる電子走査を行い、方位角方向は機械駆動によりアンテナを回転させ、受信レベルをモニタしながら指向方向誤差を補償している（非特許文献２）。

井上他，次世代ブロードバンド実現に向けた船舶用アンテナシステム， Journal of the JIME vol.41 ， No.6(2006) 吉田他，超薄型衛星追尾アンテナシステムの開発と評価，2006年電子情報通信学会ソサイエティ大会， B-3-7，2006，金沢菊間，アダプティブアンテナ技術，オーム社(2003) 吉田他，高精度衛星自動追尾アンテナの構成と制御方式の検討，信学技報A ・ P2003-4

従来の追尾アンテナ装置は、機械的に指向方向を制御する場合、非常に高精度なセンサを必要とするとともに、高速かつ非常に細かな制御を要するために高性能（高トルク、高スピード）なモータが複数個必要になりコスト高の要因になる。さらに、高性能なモータはそれ自身の重量が重くなり、アンテナ重量の増大をもたらす。

一方、フェーズドアレーアンテナは、各素子の励振分布を調整して指向方向を制御している。一次元のみの走査であっても、少なくとも数十の移相器を備える必要があり、非常に高価なものとなる。

本発明は、機械的な指向方向追尾装置の課題とフェーズドアレーアンテナが有する課題を考慮し、高い追尾性能と軽量化および低コスト化を図ることができる追尾アンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明の追尾アンテナ装置は、それぞれがアンテナの指向方向を追尾する指向方向追尾手段を備え、アレー状に配置された複数のアンテナ装置と、複数のアンテナ装置の各アンテナの励振位相および振幅を制御し、各アンテナが有する指向方向誤差を補償する指向方向誤差補償手段とを備える。

指向方向誤差補償手段は、各アンテナに到来する信号の到来方向を推定する信号到来方向推定部と、信号到来方向推定部で推定された到来方向推定値を用いて各アンテナの励振位相および振幅を制御する重み係数を決定する重み係数決定部と、重み係数に応じて各アンテナから送信する送信信号の位相および振幅を制御する位相・振幅制御部とを備える構成である。

さらに、信号の到来方向に対する各アンテナの指向方向のずれである指向誤差を検出する手段を備え、重み係数決定部は、指向誤差を補償するように各アンテナに対応する重み係数を設定する構成である。

本発明の追尾アンテナ装置は、通常のフェーズドアレーアンテナと違い各アンテナ装置が指向方向追尾手段を備え、各アンテナ装置で粗調整した指向方向を、さらに各アンテナの励振位相および振幅を調整する高精度な電気的指向方向制御を行うことにより、高い追尾性能を得ることができる。特に、各アンテナ装置の指向方向追尾手段は、分解能の高い高精度な追尾機能を必要とせず粗調整だけで対応できるので、簡単な構成で軽量化および低コスト化を図ることができる。

さらに、信号の到来方向に対する各アンテナの指向方向のずれを検出し、アンテナ指向方向の補正を行うことにより、高い追尾性能と軽量化および低コスト化を図ることができる。

本発明の実施例１の追尾アンテナ装置の構成例を示す図である。実施例１のアンテナパターンの計算例を示す図である。本発明の実施例２の追尾アンテナ装置の構成例を示す図である。実施例１，２のアンテナパターンの計算例を示す図である。実施例１，２のアンテナパターンの計算例（拡大図）を示す図である。

図１は、本発明の実施例１の追尾アンテナ装置の構成例を示す。
図１において、本実施例の追尾アンテナ装置は、２つ以上の第１から第Ｎのアンテナ装置１０−１〜１０−Ｎ、送信装置２０、受信装置３０で構成される。

アンテナ装置１０−１〜１０−Ｎは、それぞれアンテナ１１および指向方向追尾部１２で構成される。各アンテナ装置１０の指向方向追尾部１２は、単体でトラッキング制御などのクローズドループ制御や動揺抑制制御などのオープンループ制御のような衛星追尾機構（非特許文献４）を備えている。ただし、従来の課題である高性能モータや高精度センサを使用しないため、各アンテナ装置単体の追尾性能は、従来の追尾アンテナ装置に対して劣る。

送信装置２０は、変調部２１、各アンテナ装置対応の位相・振幅制御部２２−１〜２２−Ｎで構成される。受信装置３０は、複数のアンテナ１１における受信信号を合成する最大比合成部３１、最大比合成した受信信号を復調する復調部３２、衛星からの信号到来方向を推定する信号到来方向推定部３３、到来方向推定量に基づき重み係数を決定する重み係数決定部３４で構成される。

受信装置２０の信号到来方向推定部３３は、受信信号を元に Capon法や MUSIC法やモノパルス法などに代表される到来方向推定法（非特許文献２，３）を用いて到来方向推定値θを求める。重み係数決定部３４は、信号到来方向推定部３３で推定された到来方向推定値θを用いて、送信装置２０の位相・振幅制御部２２−１〜２２−Ｎへ与える位相係数α₁〜α_Nおよび振幅係数Ａ₁〜Ａ_Nを決定する。送信装置２０の位相・振幅制御部２２−１〜２２−Ｎは、重み係数決定部３４から与えられる位相係数および振幅係数を用い、変調部２１で変調された信号の位相・振幅を調整し、アンテナ装置１０−１〜１０−Ｎへ出力する。

ここで、位相係数α₁〜α_Nは、到来方向推定値θ、任意に定めたアンテナ基準点から各アンテナ間距離ｄ₁〜ｄ_N、送信信号波長λを用いて
α_k＝πｄ_ksinθ／λ
ｋ＝１，２，…，Ｎ
で与えられる。

振幅係数Ａ₁〜Ａ_Nは、本実施例では全て１としたが、一部のアンテナ装置へのブロッキング発生時には当該アンテナ装置の振幅係数を０などの値に変化させて合成出力の調整を行うようにしてもよい。

この位相係数α₁〜α_Nおよび振幅係数Ａ₁〜Ａ_Nを位相・振幅制御部２２−１〜２２−Ｎに与えることによって、各アンテナが各々有している指向方向誤差を補償し、指向方向を調整することができる。

図２は、実施例１のアンテナパターンの計算例であり、追尾アンテナ装置の指向方向追尾機能を解析的に検証した例である。

信号到来方向は−５度とし、追尾アンテナ装置を構成する２つのアンテナ１，２の指向方向をそれぞれ、−5.25度および−4.25度とした。アンテナ１，２の個別のアンテナパターンに対して、位相・振幅制御部２２−１，２２−２に重み係数決定部３４で求めた値に設定した時の空間合成後のアンテナパターンを示す。Ｋｕ帯における船舶搭載用の衛星追尾アンテナでは、指向方向誤差 0.2度が要求される。本実施例では、図２のように個々のアンテナ指向方向が要求性能を逸脱していても (アンテナ１誤差：−0.25度、アンテナ2 誤差：0.75度) 、合成後のアンテナパターンのメインビームは誤差0.2 度以内に収まっていることが確認できる。

このように、実施例１の構成では、個々のアンテナ装置は、高性能なモータや高精度センサを有していないため、アンテナ単体の指向方向追尾性能は劣っているが、個々のアンテナの指向方向誤差を検出し、これを打ち消す電気的な制御を行うことで要求性能を満足することができる。

図３は、本発明の実施例２の追尾アンテナ装置の構成例を示す。
本実施例の追尾アンテナ装置は、図１に示す実施例１の追尾アンテナ装置において、各アンテナ装置１０−１〜１０−Ｎに、それぞれ指向方向追尾部１２の制御量を元に各アンテナ１１の指向方向を検出する指向方向検出部１３を備える。さらに、受信装置３０は、各アンテナ装置１０−１〜１０−Ｎの指向方向検出部１３と信号到来方向推定部３３の結果から指向誤差を求める指向誤差検出部３５を備える。重み係数決定部３４は、信号到来方向推定部３３で得られる到来方向推定量と、指向誤差検出部３５で得られる指向誤差量に基づき、送信装置２０の位相・振幅制御部２２−１〜２２−Ｎに与える重み係数を決定する。その他の構成は、実施例１と同様である。

具体的には、各アンテナ装置１０−１〜１０−Ｎの指向方向検出部１３は、アンテナ１１の指向方向θ＋φ₁〜θ＋φ_Nを求める。指向誤差検出部３５は、この指向方向θ＋φ₁〜θ＋φ_Nと、信号到来方向推定部３３で実施例１で説明した到来方向推定法を用いて求めた到来方向推定値θを用いて、各アンテナ１１−１〜１１−Ｎの指向誤差φ₁〜φ_Nを推定する。このとき得られたθの値と指向誤差φ₁〜φ_Nを用いて、重み係数決定部３４は送信装置２０の位相・振幅制御部２２−１〜２２−Ｎに与える重み係数を決定する。

各アンテナの指向誤差が大きくなるほど、各アンテナの信号到来方向での放射電力が小さくなる。実施例１の重み係数決定部３４で求められた補正係数は、到来方向への出力信号を最大にする補正係数だが、指向方向誤差が若干残ってしまう。そこで、実施例２ではこの残留指向方向誤差を補正する係数を決定する。ここでは指向誤差を平均化し、その情報を元に信号の合成パターンを、平均化された指向誤差方向と到来方向の相対的な位置関係と逆の方向へずらすことで、到来方向外に存在したピークの抑圧を行う。

送信側へ与える位相係数β₁〜β_Nは、指向誤差φ₁〜φ_N、任意に定めたアンテナ基準点から各アンテナ間距離ｄ₁〜ｄ_N、送信信号波長λ、係数γを用いて
β_k＝α_k＋γ(πｄ_ksin ((φ₁＋φ₂＋…＋φ_N)／Ｎ)／λ)
＝πｄ_k(sinθ＋γsin ((φ₁＋φ₂＋…＋φ_N)／Ｎ))／λ
ｋ＝１，２，…，Ｎ
で与えられる。

第１項は実施例１で求めたα_kであり、第２項で残留指向誤差を補正する。本実施例ではγ＝0.125 とした。この係数γは元のアンテナパターンと、アンテナ間の距離などによって決定される合成後のアンテナパターンに依存する係数であり、システムごとに適切に設計をする必要がある。具体的には、（合成後のアンテナビーム幅／元のアンテナのビーム幅) の値以下にすることが望ましい。

振幅係数Ｂ₁〜Ｂ_Nは、本実施例では全て１としたがアンテナ指向方向ずれφ_kが大きい場合や、一部のアンテナ装置へのブロッキング発生時には当該アンテナ装置の係数を０などの値に変化させて合成出力の調整を行うようにしてもよい。

この位相係数α₁〜α_Nおよび振幅係数Ｂ₁〜Ｂ_Nを位相・振幅制御部２２−１〜２２−Ｎに与えることによって、各アンテナが各々有している指向方向誤差を補償し、指向方向を調整することができる。

図４は、実施例１，２のアンテナパターンの計算例であり、追尾アンテナ装置の指向方向追尾機能を解析的に検証した例である。図５は、図４のメインビーム近辺を拡大した図である。

信号到来方向は−５度とし、追尾アンテナ装置を構成する２つのアンテナ装置の指向方向をそれぞれ、−5.25度および−4.25度とした。実施例１，２の空間合成後のアンテナパターンをそれぞれ実線および一点鎖線で表す。Ｋｕ帯における船舶搭載用の衛星追尾アンテナでは、指向方向誤差 0.2度が要求される。実施例１，２では、個々のアンテナ指向方向が要求性能を逸脱していても (アンテナ１誤差：−0.25度、アンテナ2 誤差：0.75度) 、合成後のアンテナパターンのメインビームは誤差0.2 度以内に収まっていることが図５により確認できる。また、実施例１では指向方向が−5.05度だったのに対して、実施例２では指向方向が−4.99度と５度に近づいていることがわかる。

このように、実施例２の構成では、個々のアンテナ装置は、高性能なモータや高精度センサを有していないため、アンテナ単体の指向方向追尾性能は劣っているが、個々のアンテナの指向方向誤差を検出し、これを打ち消す電気的な制御を行うことで要求性能を満足することができる。

１０アンテナ装置
１１アンテナ
１２指向方向追尾部
１３指向方向検出部
２０送信装置
２１変調部
２２位相・振幅制御部
３０受信装置
３１最大比合成部
３２復調部
３３信号到来方向推定部
３４重み係数決定部
３５指向誤差検出部

Claims

それぞれがアンテナの指向方向を追尾する指向方向追尾手段を備え、アレー状に配置された複数のアンテナ装置と、
前記複数のアンテナ装置の各アンテナの励振位相および振幅を制御し、前記各アンテナが有する指向方向誤差を補償する指向方向誤差補償手段と
を備えたことを特徴とする追尾アンテナ装置。
請求項１に記載の追尾アンテナ装置において、
前記指向方向誤差補償手段は、
前記各アンテナに到来する信号の到来方向を推定する信号到来方向推定部と、
前記信号到来方向推定部で推定された到来方向推定値を用いて前記各アンテナの励振位相および振幅を制御する重み係数を決定する重み係数決定部と、
前記重み係数に応じて前記各アンテナから送信する送信信号の位相および振幅を制御する位相・振幅制御部と
を備えたことを特徴とする追尾アンテナ装置。
請求項２に記載の追尾アンテナ装置において、
前記信号の到来方向に対する前記各アンテナの指向方向のずれである指向誤差を検出する手段を備え、
前記重み係数決定部は、前記指向誤差を補償するように前記各アンテナに対応する重み係数を設定する構成である
ことを特徴とする追尾アンテナ装置。