JP2018074456A - アンテナ装置および人工衛星 - Google Patents

Abstract

【課題】各アンテナのビーム範囲を絞らなくても、位相特性が異なる複数の受信信号が合成されないようにする。【解決手段】人工衛星に搭載されるアンテナ装置２００は、複数のアンテナ２０１と複数の受信経路２０３と計算機２１０とスイッチ２２０とを備える。複数のアンテナ２０１は異なる箇所に設けられている。複数の受信経路２０３は複数のアンテナ２０１に対応している。計算機２１０は、信号を受信する受信時刻に基づいて複数のアンテナ２０１から受信アンテナを選択する。スイッチ２２０は、受信アンテナに対応する受信経路２０３を受信時刻に受信回路２３０に接続する。【選択図】図４

Description

本発明は、人工衛星に搭載されるアンテナ装置に関するものである。

従来の人工衛星において、相手の人工衛星との位相特性に基づいて相手の人工衛星との距離を計測する場合、相手の人工衛星から到来する信号を複数のアンテナで受信してしまうと、位相特性が異なる複数の受信信号が合成されるため、正確な位相特性が得られなかった。位相特性とは、信号が送信されてから到来するまでの時間、すなわち、遅延時間を意味する。
各アンテナのビーム範囲を絞れば複数のアンテナで同一の信号を受信しないようにすることが可能であるが、複数のアンテナは信号の送信にも使用されるため、各アンテナのビーム範囲を絞ってしまうと送信特性に影響を及ぼしてしまう。

特許文献１には、複数の人工衛星に関連付けられた複数の受信機を備える衛星位置決定システムが開示されている。
特許文献２には、クロスリンクを利用して人工衛星の姿勢を決定するための方法および装置が開示されている。
特許文献３には、低軌道衛星を利用した測位システムが開示されている。

米国特許第６７７８８８６号公報 米国特許第７８７７１７３号公報 米国特許第８２９６０５１号公報

本発明は、各アンテナのビーム範囲を絞らなくても、位相特性が異なる複数の受信信号が合成されないようにすることを目的とする。

本発明のアンテナ装置は人工衛星に搭載される。
前記アンテナ装置は、
異なる方向に向けて異なる箇所に設けられる複数のアンテナと、
前記複数のアンテナに対応する複数の受信経路と
信号を受信する受信時刻に基づいて前記複数のアンテナから受信アンテナを選択する計算機と、
前記受信アンテナに対応する受信経路を前記受信時刻に受信回路に接続するスイッチとを備える。

本発明によれば、受信時刻に基づいて受信アンテナが選択されるため、各アンテナのビーム範囲を絞る必要がない。さらに、位相特性が異なる複数の受信信号が合成されることがない。

実施の形態１における衛星システム１００の構成図。 実施の形態１における準天頂衛星の軌跡を示す図。 実施の形態１における人工衛星１１０の構成図。 実施の形態１におけるアンテナ装置２００の構成図。 実施の形態１における送信信号の経路を示す図。 実施の形態１における受信信号の経路を示す図。 実施の形態１における受信経路切り替え方法のフローチャート。 実施の形態１における第１の衛星位置データ２１３を示す図。 実施の形態１における第２の衛星位置データ２１４を示す図。 実施の形態１における受信アンテナを示す図。 実施の形態２における受信経路切り替え方法のフローチャート。 実施の形態２における受信アンテナデータ２１５を示す図。

実施の形態および図面において、同じ要素または互いに相当する要素には同じ符号を付している。同じ符号が付された要素の説明は適宜に省略または簡略化する。

実施の形態１．
人工衛星に搭載されるアンテナ装置について、図１から図１０に基づいて説明する。

＊＊＊構成の説明＊＊＊
図１に基づいて、衛星システム１００の構成を説明する。
衛星システム１００は、複数の人工衛星（１１０Ａ〜１１０Ｄ）を備えるシステムである。人工衛星（１１０Ａ〜１１０Ｄ）を区別しない場合、それぞれを人工衛星１１０という。
人工衛星１１０Ａ、人工衛星１１０Ｂおよび人工衛星１１０Ｃは、それぞれ軌道Ｚ_Ａ、軌道Ｚ_Ｂおよび軌道Ｚ_Ｃを周回する準天頂衛星である。準天頂衛星は、図２に示すように、日本とオーストラリアとを含んだ地域の上空を８の字に飛行する。準天頂衛星の軌道（Ｚ_Ａ、Ｚ_Ｂ、Ｚ_Ｃ）を準天頂軌道という。
人工衛星１１０Ｄは、赤道上空を通る軌道Ｅを周回する静止衛星である。静止衛星の軌道（Ｅ）を静止軌道という。
準天頂軌道（Ｚ_Ａ、Ｚ_Ｂ、Ｚ_Ｃ）は、静止軌道（Ｅ）に対して４５度の角度を成している。

衛星システム１００において、人工衛星１１０は、地球１０１に設けられた地上局と通信を行う。さらに、人工衛星１１０は、他の人工衛星１１０と通信を行う。

図３に基づいて、人工衛星１１０のアンテナ構成を説明する。
人工衛星１１０は、地上局との通信で使用されるアンテナ２０９を備える。
人工衛星１１０は、さらに、他の人工衛星１１０との通信で使用される複数のアンテナ（２０１Ａ〜２０１Ｄ）を備える。
複数のアンテナ（２０１Ａ〜２０１Ｄ）は、異なる方向に向けて異なる箇所に設けられている。つまり、複数のアンテナは、互いに異なる方向へ信号を送信し、互いに異なる方向から信号を受信する。
アンテナ（２０１Ａ〜２０１Ｄ）を区別しない場合、それぞれをアンテナ２０１という。

図４に基づいて、人工衛星１１０に搭載されるアンテナ装置２００の構成を説明する。
アンテナ装置２００は、複数のアンテナ（２０１Ａ〜２０１Ｄ）を備える。
アンテナ装置２００は、さらに、複数のアンテナに対応する複数のサーキュレータ（２０２Ａ〜２０２Ｄ）と複数の受信経路（２０３Ａ〜２０３Ｄ）と複数の送信経路（２０４Ａ〜２０４Ｄ）とを備える。
サーキュレータ２０２Ａ、受信経路２０３Ａおよび送信経路２０４Ａは、アンテナ２０１Ａに対応している。つまり、アンテナ２０１Ａは、サーキュレータ２０２Ａを介して、受信経路２０３Ａと送信経路２０４Ａとに接続されている。
サーキュレータ２０２Ｂ、受信経路２０３Ｂおよび送信経路２０４Ｂは、アンテナ２０１Ｂに対応している。つまり、アンテナ２０１Ｂは、サーキュレータ２０２Ｂを介して、受信経路２０３Ｂと送信経路２０４Ｂとに接続されている。
サーキュレータ２０２Ｃ、受信経路２０３Ｃおよび送信経路２０４Ｃは、アンテナ２０１Ｃに対応している。つまり、アンテナ２０１Ｃは、サーキュレータ２０２Ｃを介して、受信経路２０３Ｃと送信経路２０４Ｃとに接続されている。
サーキュレータ２０２Ｄ、受信経路２０３Ｄおよび送信経路２０４Ｄは、アンテナ２０１Ｄに対応している。つまり、アンテナ２０１Ｄは、サーキュレータ２０２Ｄを介して、受信経路２０３Ｄと送信経路２０４Ｄとに接続されている。

サーキュレータ（２０２Ａ〜２０２Ｄ）を区別しない場合、それぞれをサーキュレータ２０２という。
受信経路（２０３Ａ〜２０３Ｄ）を区別しない場合、それぞれを受信経路２０３という。
送信経路（２０４Ａ〜２０４Ｄ）を区別しない場合、それぞれを送信経路２０４という。

アンテナ装置２００は、さらに、計算機２１０とスイッチ２２０と受信回路２３０とを備える。
計算機２１０は、プロセッサ２１１とメモリ２１２とを備えるコンピュータである。例えば、プロセッサ２１１はＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）であり、メモリ２１２はＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）である。
スイッチ２２０は、受信回路２３０に接続する受信経路２０３を切り替える回路である。つまり、スイッチ２２０は、いずれかの受信経路２０３を受信回路２３０に接続する回路である。具体的には、スイッチ２２０は高周波スイッチである。
受信回路２３０は受信信号を復号する回路である。受信信号はアンテナ２０１によって受信される信号である。
計算機２１０、スイッチ２２０および受信回路２３０は、信号線を介して互いに接続されている。

＊＊＊動作の説明＊＊＊
アンテナ装置２００の動作は通信方法に相当する。また、通信方法の手順は衛星通信プログラムの手順に相当する。通信方法は送信方法と受信方法とを含む。送信方法は信号を送信する方法であり、受信方法は信号を受信する方法である。

図５に基づいて、送信方法を説明する。
図５において、太線は送信信号が流れる信号線を示している。送信信号はアンテナ２０１から送信される信号である。
送信信号は全ての送信経路２０４を流れる。そして、それぞれのサーキュレータ２０２は、対応する送信経路２０４から入力される送信信号を、対応するアンテナ２０１へ出力する。その結果、送信信号は全てのアンテナ２０１から送信される。

図６に基づいて、受信信号がアンテナ２０１Ａに到来する場合の受信方法を説明する。図６において、太線は受信信号が流れる信号線を示している。
受信信号がアンテナ２０１Ａに到来する場合、スイッチ２２０は、受信経路２０３Ａを受信回路２３０に接続する。そして、サーキュレータ２０２Ａは、アンテナ２０１Ａから入力される受信信号を受信経路２０３Ａに出力する。その結果、受信信号は受信回路２３０に入力される。

受信信号がアンテナ２０１Ｂ、アンテナ２０１Ｃまたはアンテナ２０１Ｃに到来する場合も同様である。
つまり、受信信号がアンテナ２０１Ｂに到来する場合、スイッチ２２０は受信経路２０３Ｂを受信回路２３０に接続し、サーキュレータ２０２Ｂはアンテナ２０１Ｂから入力される受信信号を受信経路２０３Ｂに出力し、受信信号は受信回路２３０に入力される。
また、受信信号がアンテナ２０１Ｃに到来する場合、スイッチ２２０は受信経路２０３Ｃを受信回路２３０に接続し、サーキュレータ２０２Ｃはアンテナ２０１Ｃから入力される受信信号を受信経路２０３Ｃに出力し、受信信号は受信回路２３０に入力される。
また、受信信号がアンテナ２０１Ｄに到来する場合、スイッチ２２０は受信経路２０３Ｄを受信回路２３０に接続し、サーキュレータ２０２Ｄはアンテナ２０１Ｄから入力される受信信号を受信経路２０３Ｄに出力し、受信信号は受信回路２３０に入力される。

受信回路２３０は、入力された受信信号を復号する。具体的には、受信回路２３０は、受信信号に対してダウンコンバートおよびアナログデジタル変換を行う。これにより、受信信号に含まれる情報が得られる。

受信信号から得られた受信情報は、計算機２１０によって処理される。

例えば、受信情報の内容および計算機２１０の処理は以下の通りである。
受信情報は送信時刻、送信元位置および送信元姿勢である。送信時刻とは、受信信号が送信された時刻である。送信元位置とは送信元衛星の位置であり、送信元姿勢とは送信元衛星の姿勢である。送信元衛星とは、受信信号を送信した人工衛星１１０である。つまり、図６における送信元衛星は、他の人工衛星１１０である。
計算機２１０は衛星間測距を行う。衛星間測距とは、衛星間距離を算出する処理である。衛星間距離とは、送信元衛星と受信衛星との距離である。受信衛星とは、受信信号を受信した人工衛星１１０である。つまり、図６における受信衛星は、自己の人工衛星１１０である。
具体的には、計算機２１０は、送信時刻から受信時刻までの遅延時間を算出し、算出された遅延時間に電波の速度を乗じて衛星間距離を算出する。受信時刻とは、受信信号が受信される時刻である。
さらに、計算機２１０は、他の人工衛星毎の衛星間距離を用いて、自己の人工衛星１１０の位置を算出する。

以下に、受信経路切り替え方法を説明する。
受信経路切り替え方法とは、受信経路２０３を切り替える方法である。
受信経路切り替え方法において、計算機２１０は、信号を受信する受信時刻に基づいて複数のアンテナ２０１から受信アンテナを選択する。そして、スイッチ２２０は、受信アンテナに対応する受信経路２０３を受信時刻に受信回路２３０に接続する。
受信アンテナとは、送信元衛星から送信される信号を受信することが可能なアンテナ２０１である。つまり、受信アンテナは、信号が到来する方向をビーム範囲に含む。ビーム範囲とは、信号の送受信が可能な角度の範囲である。

図７に基づいて、受信経路切り替え方法の手順を説明する。
例えば、図７の手順は定期的に実行される。
自己の人工衛星１１０を自己衛星という。

ステップＳ１１０において、計算機２１０は、受信時刻および送信元衛星を決定する。
例えば、計算機２１０は、前回の受信時刻から所定時間後の時刻を今回の受信時刻として算出する。
例えば、他の人工衛星１１０の順番が予め決められており、計算機２１０は、前回の送信元衛星の次の人工衛星１１０を今回の送信元衛星として選択する。

ステップＳ１２０において、計算機２１０は、受信時刻における自己衛星の位置と姿勢とを第１の衛星位置データ２１３から取得する。
第１の衛星位置データ２１３は、自己衛星の時刻毎の位置と姿勢とを示すデータであり、メモリ２１２に予め記憶されている。
例えば、第１の衛星位置データ２１３は、図８に示すように時刻と位置と姿勢とが互いに対応付けられたデータである。計算機２１０は、第１の衛星位置データ２１３から、受信時刻に対応付けられた位置と姿勢とを取得する。

ステップＳ１３０において、計算機２１０は、他の人工衛星１１０毎の第２の衛星位置データ２１４から、送信元衛星の第２の衛星位置データ２１４を選択する。
そして、計算機２１０は、受信時刻における送信元衛星の位置と姿勢とを送信元衛星の第２の衛星位置データ２１４から取得する。
第２の衛星位置データ２１４は、他の人工衛星１１０の時刻毎の位置と姿勢とを示すデータであり、メモリ２１２に予め記憶されている。
例えば、第２の衛星位置データ２１４は、図９に示すように時刻と位置と姿勢とが互いに対応付けられたデータである。計算機２１０は、送信元衛星の第２の衛星位置データ２１４から、受信時刻に対応付けられた位置と姿勢とを取得する。

ステップＳ１４０において、計算機２１０は、ステップＳ１２０で取得された自己衛星の位置と姿勢と、ステップＳ１３０で取得された送信元衛星の位置と姿勢とに基づいて、受信アンテナを選択する。
例えば、計算機２１０は、自己衛星の位置と送信元衛星の位置とを用いて送信元衛星から信号が到来する到来方向を算出する。そして、計算機２１０は、自己衛星の姿勢を用いて、到来方向をビーム範囲に含むアンテナ２０１を受信アンテナとして選択する。受信アンテナを選択する際、計算機２１０はアンテナ情報データを参照する。アンテナ情報データは、自己衛星に設けられたアンテナ２０１毎にアンテナ２０１が設けられている箇所とアンテナ２０１のビーム範囲とを示すデータであり、メモリ２１２に予め記憶されている。
自己衛星の位置と姿勢と送信元衛星の位置と姿勢とが図１０に示すような関係である場合、計算機２１０は、自己衛星のアンテナ２０１Ｂを受信アンテナとして選択する。

ステップＳ１５０において、スイッチ２２０は、受信アンテナに対応する受信経路２０３を受信回路２３０に接続する。

＊＊＊実施の形態１の効果＊＊＊
実施の形態１によれば、受信時刻に基づいて受信アンテナが選択されるため、複数のアンテナ２０１で信号を受信しないように各アンテナ２０１のビーム範囲を絞る必要がない。したがって、複数のアンテナ２０１の送信特性に影響が及ばない。
さらに、位相特性が異なる複数の受信信号が合成されることがない。すなわち、受信アンテナと他のアンテナ２０１との位相特性が合成されない。そのため、それぞれの受信経路２０３の位相特性を把握していれば、自己衛星と送信元衛星との距離の計測精度が向上する。
また、受信信号は送信経路２０４のような合成分配回路を経由しないため、受信信号は不要な分配によって減衰することがない。したがって、受信信号を増幅するための増幅器が不要となる。

＊＊＊他の構成＊＊＊
第１の衛星位置データ２１３および第２の衛星位置データ２１４は更新されてもよい。
具体的には、地上局から人工衛星１１０に更新データが送信される。更新データは、新たな第１の衛星位置データ２１３の内容を示すデータと、新たな第２の衛星位置データ２１４の内容を示すデータとを含む。例えば、更新データは、新たな第１の衛星位置データ２１３と新たな第２の衛星位置データ２１４である。人工衛星１１０の計算機２１０は、メモリ２１２に記憶されている第１の衛星位置データ２１３と第２の衛星位置データ２１４とを更新データに基づいて更新する。

第１の衛星位置データ２１３および第２の衛星位置データ２１４は、テーブル形式のデータでなくてもよい。例えば、第１の衛星位置データ２１３および第２の衛星位置データ２１４は、時刻に対応する位置および姿勢を算出するための計算式であってもよい。計算機２１０は、計算式を計算することによって、時刻に対応する位置および姿勢を算出する。

実施の形態２．
実施の形態１とは異なる手順で受信経路２０３を切り替える形態について、主に実施の形態１と異なる点を、図１１および図１２に基づいて説明する。

＊＊＊構成の説明＊＊＊
衛星システム１００、人工衛星１１０およびアンテナ装置２００の構成は、実施の形態１と同じである。

＊＊＊動作の説明＊＊＊
アンテナ装置２００の動作は、受信経路２０３を切り替える手順を除いて、実施の形態１と同じである。

図１１に基づいて、受信経路切り替え方法の手順を説明する。
例えば、図１１の手順は定期的に実行される。

ステップＳ１２０において、計算機２１０は受信時刻を決定する。
例えば、計算機２１０は、前回の受信時刻から所定時間後の時刻を今回の受信時刻として算出する。

ステップＳ２２０において、計算機２１０は、受信アンテナデータ２１５を用いて、受信時刻に対応する受信アンテナを選択する。
受信アンテナデータ２１５は、複数のアンテナ２０１のうちのいずれかのアンテナ２０１を時刻毎に示すデータであり、メモリ２１２に予め記憶されている。
例えば、受信アンテナデータ２１５は、図１２に示すように時刻とアンテナ識別子とが互いに対応付けられたデータである。計算機２１０は、受信アンテナデータ２１５から、受信時刻に対応付けられたアンテナ識別子を取得する。取得されたアンテナ識別子で識別されるアンテナ２０１が受信アンテナとなる。

ステップＳ２３０において、スイッチ２２０は、受信アンテナに対応する受信経路２０３を受信回路２３０に接続する。

＊＊＊実施の形態２の効果＊＊＊
受信アンテナデータ２１５を用いることにより、実施の形態１と比べて、受信経路２０３を切り替える手順を少なくすることができる。つまり、計算機２１０の負荷を軽減することができる。
なお、受信アンテナデータ２１５は、実施の形態１における図７のステップＳ１２０からステップＳ１４０までの処理を時刻毎に予め実行することによって、生成することができる。受信アンテナデータ２１５は、地上局で生成されてもよいし、人工衛星１１０の計算機２１０によって生成されてもよい。

＊＊＊他の構成＊＊＊
受信アンテナデータ２１５は更新されてもよい。
具体的には、地上局から人工衛星１１０に更新データが送信される。更新データは、新たな受信アンテナデータ２１５の内容を示すデータである。例えば、更新データは、新たな受信アンテナデータ２１５である。人工衛星１１０の計算機２１０は、メモリ２１２に記憶されている受信アンテナデータ２１５を更新データに基づいて更新する。

受信アンテナデータ２１５は、テーブル形式のデータでなくてもよい。例えば、受信アンテナデータ２１５は、時刻に対応するアンテナを選択するための関数であってもよい。計算機２１０は、関数を演算することによって、時刻に対応するアンテナを選択する。

＊＊＊実施の形態の補足＊＊＊
実施の形態は、好ましい形態の例示であり、本発明の技術的範囲を制限することを意図するものではない。実施の形態は、部分的に実施してもよいし、他の形態と組み合わせて実施してもよい。フローチャート等を用いて説明した手順は、適宜に変更してもよい。

１００ 衛星システム、１０１ 地球、１１０ 人工衛星、２００ アンテナ装置、２０１ アンテナ、２０２ サーキュレータ、２０３ 受信経路、２０４ 送信経路、２０９ アンテナ、２１０ 計算機、２１１ プロセッサ、２１２ メモリ、２１３ 第１の衛星位置データ、２１４ 第２の衛星位置データ、２１５ 受信アンテナデータ、２２０ スイッチ、２３０ 受信回路。

Claims (7)

1. 人工衛星に搭載されるアンテナ装置であって、
   異なる箇所に設けられた複数のアンテナと、
   前記複数のアンテナに対応する複数の受信経路と
   信号を受信する受信時刻に基づいて前記複数のアンテナから受信アンテナを選択する計算機と、
   前記受信アンテナに対応する受信経路を前記受信時刻に受信回路に接続するスイッチと
   を備えるアンテナ装置。
2. 前記複数のアンテナに対応する複数の送信経路と、
   前記複数のアンテナと前記複数の送信経路と前記複数の受信経路とに対応する複数のサーキュレータとを備え、
   それぞれのサーキュレータは、対応する送信経路から入力される信号を対応するアンテナへ出力し、対応するアンテナから入力される信号を対応する受信経路へ出力する
   請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記計算機は、前記人工衛星の時刻毎の位置と姿勢とを示す第１の衛星位置データから前記受信時刻における前記人工衛星の位置と姿勢とを取得し、信号を送信する送信元衛星の時刻毎の位置を示す第２の衛星位置データから前記受信時刻における前記送信元衛星の位置を取得し、前記人工衛星の位置と姿勢と前記送信元衛星の位置とに基づいて、前記送信元衛星から送信される信号を受信することが可能なアンテナを前記受信アンテナとして選択する
   請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記計算機は、地上局から送信される更新データに基づいて前記第１の衛星位置データと前記第２の衛星位置データとを更新する
   請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記計算機は、前記複数のアンテナのうちのいずれかのアンテナを時刻毎に示す受信アンテナデータを用いて、前記受信時刻に対応するアンテナを前記受信アンテナとして選択する
   請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
6. 前記計算機は、地上局から送信される更新データに基づいて前記受信アンテナデータを更新する
   請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のアンテナ装置が搭載された人工衛星。

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