JP2013164333A

JP2013164333A - 追尾アンテナ指向方向制御方法および装置

Info

Publication number: JP2013164333A
Application number: JP2012027476A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Suzuki; 義規鈴木; Kohei Suzaki; 皓平須崎; Takatoshi Sugiyama; 隆利杉山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2013-08-22

Abstract

【課題】グレーティングの影響により複数の到来方向の応答がある場合でも、正しい到来方向を推定して正しい指向方向制御を可能にする。
【解決手段】追尾アンテナに受信する信号の到来方向を推定する到来方向推定手段と、推定された到来方向に基づいて追尾アンテナの指向方向を制御する指向方向制御手段とを備えた追尾アンテナ指向方向制御装置において、到来方向推定手段は、追尾アンテナに受信する第１の周波数の信号および第２の周波数の信号からそれぞれ到来方向を推定する到来方向推定部と、到来方向推定部で第１の周波数の信号および第２の周波数の信号の到来方向としてそれぞれ複数の角度が検出されたときに、それぞれの角度ごとに差分の絶対値を算出し、当該差分の絶対値が最も小さい角度を追尾アンテナに受信する信号の到来方向と判定し、指向方向制御手段に出力する比較部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体衛星通信用地球局装置の追尾アンテナの指向方向を制御する追尾アンテナ指向方向制御方法および装置に関する。

衛星通信は広範なサービスエリアと災害に強い特徴を有しているため、地上回線の使用困難な洋上やデジタルディバイド地域、災害時の通信環境構築に広く利用されている。この衛星通信用のアンテナを船舶などの移動体に取り付ける場合、衛星からの電波の到来方向を推定し、その到来方向に基づいてアンテナの指向方向（仰角および方位角）を機械的に制御する追尾アンテナが用いられる。

電波の到来方向は、例えばＭＵＳＩＣアルゴリズム等の到来方向推定アルゴリズムを用いて推定する方法がある（非特許文献１）。しかし、衛星通信に用いる追尾アンテナの開口径が少なくとも60ｃｍ以上であり、使用する電波の波長（Ｋｕ帯の場合、約20ｍｍ）に対して非常に大きいため、従来の到来方向推定アルゴリズムでは正しい到来方向以外に、図５に示すようにグレーティングの影響で複数の到来方向を検出する問題がある。

なお、グレーティングとは、直接波および複数の反射波がアンテナに入射したときに、それらの経路差に応じて互いに強め合う方向があり、それぞれの方向にピークが立つ現象である。したがって、従来の追尾アンテナを備える移動体衛星通信用地球局装置では、センサ等の情報を利用し、到来方向の推定範囲を限定して正しい到来方向を推定する方法がとられている。

また、36,000ｋｍ上空の静止衛星を中継して通信する場合、伝搬損失が非常に大きいため、伝送速度や伝送容量を向上させるためには、地球局の性能を向上させる必要がある。これを低コストで実現する技術として、複数の追尾アンテナを使用する追尾アンテナ装置が検討されている（非特許文献２）。

図２は、複数の追尾アンテナを使用する追尾アンテナ装置の構成例を示す。
図２において、追尾アンテナ装置は、それぞれ追尾アンテナ＃１〜＃Ｎを含む複数Ｎ個の送受信装置２１−１〜２１−Ｎ、位相制御装置２２および変復調装置２３により構成される。位相制御装置２２は、複数の追尾アンテナ＃１〜＃Ｎからの送信信号が衛星アンテナに対して同相または所定の位相で送信されるように位相補償制御を行い、受信信号に関しては最大比合成（または同相合成）することで、ＥＩＲＰ（実効放射電力）およびＧ／Ｔ（受信性能）を向上させている。

ここで、複数の追尾アンテナ＃１〜＃Ｎが設置される移動体（例えば船舶）が停止していれば、図３(a) に示すように、衛星電波の到来方向θs に応じた追尾アンテナ＃１，＃Ｎの経路長差Ｄ_Kは一定である。しかし、船舶が動揺すれば、図３(b) に示すように到来方向θs が船の傾きθt だけ変化し、その経路長差Ｄ_Kも変動する。したがって、上記の到来方向推定アルゴリズムに基づいて電波の到来方向θs を逐次推定し、得られた到来方向θs から算出される各追尾アンテナ間の経路長差に基づいて、送信信号が衛星アンテナに対して同相または所定の位相で送信されるように位相補償量を逐次制御する必要がある。

菊間、アダプティブアンテナ技術、オーム社、2003年須崎、鈴木、小林、「ＥＳＶ用分散アレーアンテナの船上環境における経路長変動補償方法の検討」、衛星通信研究会 SAT2011-9、2011

従来の追尾アンテナの指向方向制御は、センサ等の情報を利用し、到来方向推定アルゴリズムで得られる到来方向の推定範囲を限定し、グレーティングの影響を排除して正しい到来方向を推定する方法がとられていた。図２に示す追尾アンテナ装置においても、各追尾アンテナにおける到来方向に基づいて各追尾アンテナ間の経路長差を算出し、対応する位相補償量を制御していた。

しかし、センサ情報を利用できない場合や、センサ情報による到来方向の推定範囲内にグレーティングの応答が入った場合は、正しい到来方向を推定できずに、誤った到来方向により追尾アンテナの指向方向誤差を発生させる要因になっていた。また、図３に示す追尾アンテナ装置においても、誤った到来方向に基づいて誤った位相補償量を与えることになっていた。

本発明は、追尾アンテナの開口径が大きく、グレーティングの影響により複数の到来方向の応答があり、かつセンサ情報等による到来方向の推定範囲の限定ができない場合でも、正しい到来方向を推定して正しい指向方向制御を可能にする追尾アンテナ指向方向制御方法および装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、追尾アンテナに受信する信号の到来方向を推定する到来方向推定手段と、推定された到来方向に基づいて追尾アンテナの指向方向を制御する指向方向制御手段とを備えた追尾アンテナ指向方向制御装置において、到来方向推定手段は、追尾アンテナに受信する第１の周波数の信号および第２の周波数の信号からそれぞれ到来方向を推定する到来方向推定部と、到来方向推定部で第１の周波数の信号および第２の周波数の信号の到来方向としてそれぞれ複数の角度が検出されたときに、それぞれの角度ごとに差分の絶対値を算出し、当該差分の絶対値が最も小さい角度を追尾アンテナに受信する信号の到来方向と判定し、指向方向制御手段に出力する比較部とを備える。

第１の発明の追尾アンテナ指向方向制御装置において、第１の周波数の信号として通信信号を用い、第２の周波数の信号として衛星を識別するためのビーコン信号または他のユーザが利用する通信信号を用いるのが好ましい。

第１の発明の追尾アンテナ指向方向制御装置において、追尾アンテナに受信する信号の到来方向が逐次変化するときに、比較部で判定した到来方向に連続する到来方向を指向方向制御手段に出力するのが好ましい。

第２の発明は、到来方向推定手段で追尾アンテナに受信する信号の到来方向を推定し、指向方向制御手段で推定された到来方向に基づいて追尾アンテナの指向方向を制御する追尾アンテナ指向方向制御方法において、到来方向推定手段は、追尾アンテナに受信する第１の周波数の信号および第２の周波数の信号からそれぞれ到来方向を推定し、第１の周波数の信号および第２の周波数の信号の到来方向としてそれぞれ複数の角度が検出されたときに、それぞれの角度ごとに差分の絶対値を算出し、当該差分の絶対値が最も小さい角度を追尾アンテナに受信する信号の到来方向と判定して指向方向制御手段に出力する。

第２の発明の追尾アンテナ指向方向制御方法において、第１の周波数の信号として通信信号を用い、第２の周波数の信号として衛星を識別するためのビーコン信号または他のユーザが利用する通信信号を用いるのが好ましい。

第２の発明の追尾アンテナ指向方向制御方法において、追尾アンテナに受信する信号の到来方向が逐次変化するときに、比較部で判定した到来方向に連続する到来方向を指向方向制御手段に出力するのが好ましい。

本発明は、異なる周波数の信号から推定される到来方向を比較することにより、グレーティングの影響による複数の到来方向から本来の到来方向を選択することができ、到来方向の誤推定を回避することができる。

従来はセンサ等の情報を利用してグレーティングの影響を排除していたが、本発明によりセンサ情報を不要であり、かつ到来方向の誤推定を回避できるので、より簡易に追尾アンテナの指向方向制御が可能になる。また、衛星通信においては、ビーコン波や別の周波数を利用するユーザが存在するため、到来方向の誤推定回避のために異なる周波数の信号を送信する必要がない。

本発明の追尾アンテナ指向方向制御装置の実施例構成を示す図である。複数の追尾アンテナを使用する追尾アンテナ装置の構成例を示す図である。追尾アンテナ装置の動作例を示す図である。グレーティングの発生の概念を示す図である。異なる周波数の信号を用いて到来方向を推定した解析例を示す図である。異なる周波数の信号に対する応答値の角度差を示す図である。

図１は、本発明の追尾アンテナ指向方向制御装置の実施例構成を示す。
図１において、追尾アンテナ１１から受信部１２に受信する第１の周波数の所望信号と第２の周波数の参照信号は、それぞれの周波数に対応した第１到来方向推定部１３および第２到来方向推定部１４に入力される。第１到来方向推定部１３では、第１の周波数の所望信号を到来方向推定アルゴリズムに基づいて処理し、当該所望信号の到来方向を推定する。第２到来方向推定部１４では、第２の周波数の参照信号を到来方向推定アルゴリズムに基づいて処理し、当該参照信号の到来方向を推定する。それぞれ推定される到来方向には、グレーティングの影響により複数の到来方向が含まれている。

比較部１５は、第１到来方向推定部１３および第２到来方向推定部１４から出力された到来方向（角度）について、それぞれ対応する角度の差分（絶対値）を算出し、その絶対値が最小の角度を正しい到来方向として選択し、指向方向制御部１６に出力する。指向方向制御部１６は、入力された到来方向に追尾アンテナ１１の指向方向が向くように制御する。

図４は、グレーティングの発生の概念を示す。方向１はアンテナの正面方向（θ＝0 ）で２つの波源の距離が等しく、波源から等位相の信号が発生した場合に強めあう。一方、方向２および方向３は、各波源との距離差がそれぞれ１波長および２波長であるため、方向２および方向３でも同相となり強めあう。到来方向検出において、複数の応答が発生する理由がこれに相当する。なお、グレーティングに伴う応答値の角度間隔は、波源間の距離が大きくなるほど狭くなり、波源間の距離が半波長以下になると距離差が１波長以下になるため、グレーティングは発生しない。したがって、使用する電波の波長に対して開口径が格段に大きい衛星通信用の追尾アンテナではグレーティングの発生は避けられない。

本実施例の構成では、第１の周波数の所望信号として通信信号を用い、第２の周波数の参照信号として別の周波数の信号、例えば衛星を識別するためのビーコン信号や他のユーザが利用する信号を用いて到来方向推定を行う。周波数が異なる場合でも、本来の到来方向は同じである。しかし、グレーティングに伴う応答値の角度間隔は、周波数が高く波長が短くなるほど等価的に狭くなり、周波数が低い場合は逆に広くなる。そのため、複数の周波数を用いて到来方向を推定することで、到来方向以外に応答する角度には差が生ずる。すなわち、周波数を変えても応答値が一致した角度のみが、本来の到来方向と見なすことができる。

図５(a),(b) は、異なる周波数 12.25ＧHzと 12.35ＧHzの信号を用いて到来方向を推定した解析例を示す。

図６は、異なる周波数の信号に対する応答値の角度差を示す。ここでは、図５(a) の周波数 12.25ＧHzにおいて推定した到来方向を横軸として、図５(b) の周波数12.35 ＧHzにおいて推定した到来方向との差分を縦軸に示す。40.0度で差分が最小となっていることから、当該方向が正しい到来方向であると判定できる。このように同一の通信衛星から送信される異なる周波数の信号を用いて到来方向を推定し、結果を比較することで正しい到来方向の判定が可能となる。

なお、移動体に備える追尾アンテナでは、意図をに伴って到来方向が変化するが、連続的な変化であるため、初期の到来方向推定後は連続的な検出結果を常に正しい到来方向とするようにしてもよい。

図２に示す追尾アンテナ装置においても、この正しい到来方向に基づいて各追尾アンテナ間の経路長差を算出し、対応する位相補償量を制御することにより、各追尾アンテナからの送信信号を衛星アンテナに対して同相または所定の位相で送信することができる。

１１追尾アンテナ
１２受信部
１３第１到来方向推定部
１４第２到来方向推定部
１５比較部
１６指向方向制御部
２１送受信装置
２２位相制御装置
２３変復調装置

Claims

追尾アンテナに受信する信号の到来方向を推定する到来方向推定手段と、
前記推定された到来方向に基づいて前記追尾アンテナの指向方向を制御する指向方向制御手段と
を備えた追尾アンテナ指向方向制御装置において、
前記到来方向推定手段は、
前記追尾アンテナに受信する第１の周波数の信号および第２の周波数の信号からそれぞれ到来方向を推定する到来方向推定部と、
前記到来方向推定部で前記第１の周波数の信号および第２の周波数の信号の到来方向としてそれぞれ複数の角度が検出されたときに、それぞれの角度ごとに差分の絶対値を算出し、当該差分の絶対値が最も小さい角度を前記追尾アンテナに受信する信号の到来方向と判定し、前記指向方向制御手段に出力する比較部と
を備えたことを特徴とする追尾アンテナ指向方向制御装置。
請求項１に記載の追尾アンテナ指向方向制御装置において、
前記第１の周波数の信号として通信信号を用い、前記第２の周波数の信号として衛星を識別するためのビーコン信号または他のユーザが利用する通信信号を用いる
ことを特徴とする追尾アンテナ指向方向制御装置。
請求項１に記載の追尾アンテナ指向方向制御装置において、
前記追尾アンテナに受信する信号の到来方向が逐次変化するときに、前記比較部で判定した到来方向に連続する到来方向を前記指向方向制御手段に出力する
ことを特徴とする追尾アンテナ指向方向制御装置。
到来方向推定手段で追尾アンテナに受信する信号の到来方向を推定し、
指向方向制御手段で前記推定された到来方向に基づいて前記追尾アンテナの指向方向を制御する
追尾アンテナ指向方向制御方法において、
前記到来方向推定手段は、
前記追尾アンテナに受信する第１の周波数の信号および第２の周波数の信号からそれぞれ到来方向を推定し、
前記第１の周波数の信号および第２の周波数の信号の到来方向としてそれぞれ複数の角度が検出されたときに、それぞれの角度ごとに差分の絶対値を算出し、当該差分の絶対値が最も小さい角度を前記追尾アンテナに受信する信号の到来方向と判定して前記指向方向制御手段に出力する
ことを特徴とする追尾アンテナ指向方向制御方法。
請求項４に記載の追尾アンテナ指向方向制御方法において、
前記第１の周波数の信号として通信信号を用い、前記第２の周波数の信号として衛星を識別するためのビーコン信号または他のユーザが利用する通信信号を用いる
ことを特徴とする追尾アンテナ指向方向制御方法。
請求項４に記載の追尾アンテナ指向方向制御方法において、
前記追尾アンテナに受信する信号の到来方向が逐次変化するときに、前記比較部で判定した到来方向に連続する到来方向を前記指向方向制御手段に出力する
ことを特徴とする追尾アンテナ指向方向制御方法。