JP2021097403A - 衛星捕捉装置および衛星捕捉方法 - Google Patents

Abstract

【課題】方位センサに頼らずに通信衛星を捕捉することの可能な衛星捕捉装置を提供する。【解決手段】衛星通信システムにおいて、衛星通信装置は、衛星捕捉装置としての機能を備えたＶＳＡＴ装置であって、通信衛星からの電波を受信するアンテナ１０、方位角制御モータ２０ａ、仰角制御モータ２０ｂ、これらアンテナ１０、方位角制御モータ２０ａおよび仰角制御モータ２０ｂを搭載する本体部１１、傾斜センサ７１、補正部４０ａおよび捕捉部４０ｂを具備する。傾斜センサ７１は、本体部１１の傾斜情報を取得する。補正部４０ａは、アンテナ１０の方位角によらず地球座標系におけるアンテナ１０の仰角を一定とすべく、傾斜情報に基づいて仰角を補正する。捕捉部４０ｂは、捕捉モードにおける電波の受信強度に基づいて通信衛星を捕捉する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、例えば衛星捕捉装置および衛星捕捉方法に関する。

ＶＳＡＴ（Very Small Aperture Terminals）は、静止衛星と通信するための通信装置のうち、アンテナ開口が比較的小さな衛星通信装置として知られている。例えば車両に搭載可能なくらいに小型化、または一人で持ち運べるくらいに小型化したＶＳＡＴ装置も提供されていて、その機動性を活かして災害現場などでの利用が始まっている。移動通信インフラと連携して利用されることも多い。

衛星と通信するためには、衛星を正確に捕捉し、アンテナ面を衛星方向に正しく向ける必要がある。アンテナを手作業で正しく衛星に向けるのはスキルも必要となるため、衛星の自動捕捉機能が開発されている。

特開２０１３−２４３６５５号公報 特開平０６−９７７２１号公報 特開２０１８−１８９４４０号公報

方位センサを有した自動捕捉機能を備えるＶＳＡＴ装置では、方位センサが故障すると、通信衛星の方位を検知することが出来なくなる。また、方位センサは磁力を用いて方位を検知する方式をとるため、周囲に磁場の乱れがあると、検出される方位の誤差が大きくなる。このため、衛星を確実に、短時間で捕捉することの可能な技術が望まれている。

そこで、目的は、方位センサに頼らずに通信衛星を捕捉することの可能な衛星捕捉装置および衛星捕捉方法を提供することにある。

実施形態によれば、衛星捕捉装置は、通信衛星からの電波を受信するアンテナ、方位角制御モータ、仰角制御モータ、これらアンテナ、方位角制御モータおよび仰角制御モータを搭載する本体部、傾斜センサ、補正部、および捕捉部を具備する。傾斜センサは、本体部の傾斜情報を取得する。補正部は、アンテナの方位角によらず地球座標系におけるアンテナの仰角を一定とすべく、傾斜情報に基づいて仰角を補正する。捕捉部は、捕捉モードにおける電波の受信強度に基づいて通信衛星を捕捉する。

実施形態に係る衛星通信システムの一例を示す図。 実施形態に係る衛星通信装置を側面から見た図。 第１の実施形態に係わる衛星捕捉装置の一例を示す機能ブロック図。 衛星通信装置１が水平に設置された状態を示す図。 偏波軸ベクトルＶが変動しないことを示す図。 衛星通信装置１が傾いて設置された状態を示す図。 偏波軸ベクトルＶが変動することを示す図。 衛星通信装置１が傾いて設置された場合に、アンテナ１０の方位軸周りの回転とともに偏波軸が変動することを示す模式図。 衛星通信装置１がＸ軸に関して傾いて設置された場合の、偏波軸ベクトルＶの変化について説明するための図。 衛星通信装置１がＸ軸に関して傾いて設置された場合の、偏波軸ベクトルＶの変化について説明するための図。 衛星通信装置１がＹ軸に関して傾いて設置された場合の、偏波軸ベクトルＶの変化について説明するための図。 衛星通信装置１がＹ軸に関して傾いて設置された場合の、偏波軸ベクトルＶの変化について説明するための図。 アンテナ方位角ＡＺ_ＶＳＡＴとアンテナ仰角ＥＬ_ＶＳＡＴとの関係を示す図。 式（１）においてＡＺ_ＶＳＡＴ（＝φ）を０°〜３６０°の範囲で変化させたときの、衛星通信装置１のアンテナ仰角ＥＬ_ＶＳＡＴの変化を示す図。 式（１）による仰角ＥＬ_ＶＳＡＴの変化を、方位角φ（ＡＺ_ＶＳＡＴ）を横軸としてプロットしたグラフを示す図。 式（１）による仰角ＥＬ_ＶＳＡＴの変化を、方位角φ（ＡＺ_ＶＳＡＴ）を横軸としてプロットしたグラフを示す図。 方位角φ（ＡＺ_ＶＳＡＴ）に対する仰角制御モータ２０ｂの回転速度をプロットしたグラフを示す図。 図１０のグラフから６個の点をサンプリングした例を示す図。 方位角φ（ＡＺ_ＶＳＡＴ）に対する仰角制御モータ２０ｂの回転速度の一例を示す図。 図１３の６点を求めるための式を示す図。 サンプリング点を結ぶ直線とサインカーブとを比較して示す図。 図１６における直線とサインカーブとの誤差をプロットしたグラフを示す図。

衛星通信システムは、複数の地球局が、静止軌道上の通信衛星を介して、通信するシステムである。この種のシステムの一例として、例えば都道府県等の広域の自治体の防災システムに適用される。例えば、災害現場等に設置された衛星通信装置からの生の映像を県庁所在地等の地球局に衛星回線で送信することができる。これにより災害状況を迅速かつ正確に知ることができるようになる。また、衛星回線を用いて、ＶｏＩＰ（Voice over IP）通話やＴＶ会議を行うこともでき、関係部署間の情報共有や災害対応協議にも利用することができる。

図１は、ＶＳＡＴを利用した衛星通信システムの一例を示す図である。このシステムは、静止軌道上の通信衛星ＳＡＴを中核として形成される。本実施のシステムが都道府県防災システムに適用される場合は、地上側には、固定局１１１，１１４〜１１ｎが都道府県庁所在地などに設置され、車載局１１２あるいは可搬局１１３は、災害現場などに設置する。固定局１１１，１１４〜１１ｎ、車載局１１２、および可搬局１１３は、それぞれ超小型の衛星通信装置であるＶＳＡＴ装置を備え、通信衛星ＳＡＴを経由して互いに通信することが可能である。

例えば、車載局１１２あるいは可搬局１１３は、災害現場の映像を、衛星回線で主要拠点（固定局１１１）や各拠点（固定局１１４〜１１ｎ）に送信することで、災害状況の把握の一助とすることができる。また、衛星回線によるＶｏＩＰ（Voice over IP）通話やＴＶ会議により、関係部署間の情報共有や災害対応協議にも利用できる。

この種の自治体の防災システムでは、ＶＳＡＴ装置に対する回線割り当て方式は、通信が必要な時に回線設定を要求して割り当てを受けるＤＡＭＡ（Demand Assignment Multiple Access：接続要求割り当て）による回線設定方式が用いられることが多い。地上の幾つかの地点に設けられた制御局が、ＤＡＭＡに関する制御を担う。

図２は、実施形態に係る衛星通信装置を側面から見た図である。図２に示される衛星通信装置１は、衛星捕捉装置としての機能を備えたＶＳＡＴ装置である。衛星通信装置１のサイズはユーザが持ち運べる程度に小型化され、重量も抑えられている。この衛星通信装置１は、例えば災害現場に運んで非常用の通信局として利用することができる。

図２に示される衛星通信装置１は、本体部１１、この本体部１１を支える支持脚１２、モータユニット（ＭＵ）１３、支持柱３、制御ユニット４、および、アンテナ１０を備える。ここで、送信電波及び受信電波のエネルギーロスを最小限にするために、アンテナ１０の指向性は鋭く設計されている。このため、通信衛星を捕捉するためには、互いに異なる３つの軸である、通信衛星への方位角（Azimuth angle：ＡＺ）、仰角（Elevation angle：ＥＬ）、偏波角（Polar angle：ＰＯＬ）を正確に合わせる必要がある。

本体部１１は、プロセッサ（ＣＰＵ（Central Processing Unit）あるいはＭＰＵ（Micro Processing Unit）など）およびメモリを備える、いわゆる組み込み型のコンピュータである。本体部１１は、長方形形状のユニットである。

本体部１１は、その内部に、衛星捕捉のために方位角を制御する方位角制御モータ２０ａを備える。方位角制御モータ２０ａは、方位角モータ制御部（ＡＺ）３０ａ（図３を参照）により制御され、アンテナ１０の方位角を制御する。方位角制御モータ２０ａは、捕捉モードにおいて、回転軸Ａ１（方位軸またはＡＺ軸）を中心にして、水平方向にモータユニット１３を回転させる。

本体部１１の上面に、モータユニット１３が設けられる。モータユニット１３は、捕捉モードにおいて、アンテナ１０を仰角方向に動作させる、仰角制御モータ２０ｂを備える。仰角制御モータ２０ｂは、仰角モータ制御部（ＥＬ）３０ｂ（図３を参照）により制御され、アンテナ１０の仰角を制御する。すなわち仰角制御モータ２０ｂは、回転軸Ａ２を中心に、本体部１１の上面に対して上下に支持柱３を動かす。支持柱３は制御ユニット４の側面を両側から支持し、制御ユニット４と一体的に動く。これにより、制御ユニット４に取り付けられたアンテナ１０の仰角が制御される。

制御ユニット４は、捕捉モードにおいてアンテナ１０の偏波角を制御する偏波角制御モータ２０ｃを備える。偏波角制御モータ２０ｃは、偏波角モータ制御部（ＰＯＬ）３０ｃ（図３を参照）により制御される。偏波角制御モータ２０ｃは、捕捉モードにおいてアンテナ１０を回転軸Ａ３（偏波軸またはＰＯＬ軸）周りに、信号処理部１８ごと回転させる。

アンテナ１０は、通信衛星ＳＡＴからの電波を受信し、また、通信衛星ＳＡＴに向け電波を送信する。アンテナ１０のサイズは例えば５０ｃｍ×５０ｃｍである。アンテナ１０は、図示されるような平面アンテナに限定されず、例えばパラボラアンテナを用いることもできる。また、アンテナ１０の背面に、信号処理部１８が設けられる。

図３は、図２に示される衛星通信装置１の一例を示す機能ブロック図である。図３において、アンテナ部１０の背面に設けられた信号処理部１８は、送信部５１、ハイブリッド回路５２、受信部５３、および受信電波強度算出部５０を備える。送信部５１は、本体部１１からの送信信号を送信レベルにまで増幅し、ハイブリッド回路５２を介してアンテナ１０から通信衛星ＳＡＴに向け送信する。受信部５３は、アンテナ１０で捕捉された通信衛星ＳＡＴからの信号をハイブリッド回路５２経由で受信し、得られた受信信号を本体部１１に送る。受信電波強度算出部５０は、アンテナ１０で受信された受信信号の受信感度を算出し、得られた値を本体部１１に送る。

本体部１１は、プロセッサ４０、変調部６１、復調部６２、メモリ４４、スピーカ１００、位置センサ７０、傾斜センサ７１、ユーザ入力装置８０、及び表示装置９０を備える。このうちスピーカ１００、位置センサ７０、ユーザ入力装置８０、表示装置９０、および傾斜センサ７１は、インタフェース部（Ｉ／Ｆ）１４を介してプロセッサ４０への内部バスに接続される。

変調部６１は、無線帯域の送信信号を生成して信号処理部１８の送信部５１に送る。復調部６２は、信号処理部１８からの受信信号をベースバンド信号に復調する。

スピーカ１００は、自動捕捉制御に関わる情報をユーザに音で通知する。位置センサ７０は、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）により、衛星通信装置１の設置場所の位置情報（例えば緯度および経度）を取得する。取得された位置情報はプロセッサ４０に渡される。

ユーザ入力装置８０は、自動捕捉制御に関わるユーザからの指示を入力するためのユーザインタフェースである。ユーザ入力装置８０は、例えば、捕捉対象衛星を選択するためのタッチパネルなどを備える。

表示装置９０は、自動捕捉制御に関わる情報を表示する。例えば、現在の処理状態（キャリブレーション中、衛星捕捉中、トラッキング中など）をＬＥＤ（Light Emitting Diode）で表示しても良い。あるいは、捕捉成功、捕捉失敗のような捕捉結果を終了コードと共に液晶パネルに表示しても良い。

傾斜センサ７１は、設置場所における本体部１１（衛星通信装置１）の傾斜量を取得する。例えば、加速度センサを用いて設置場所における地球の重力加速度を検知することで、衛星通信装置１の傾斜量を取得することができる。取得された傾斜量はプロセッサ４０に渡される。傾斜センサ７１から出力される傾斜情報（傾斜量など）は、衛星通信装置１の姿勢を示す指標として利用することができる。

プロセッサ４０は、方位角モータ制御部（ＡＺ）３０ａに制御信号を与えて、アンテナ１０の方位角を制御する。またプロセッサ４０は、仰角モータ制御部（ＥＬ）３０ｂに制御信号を与えて、アンテナ１０の仰角を制御する。またプロセッサ４０は、偏波角モータ制御部（ＰＯＬ）３０ｃに制御信号を与えて、アンテナ１０の偏波角を制御する。

なお、方位角制御モータ２０ａおよび方位角モータ制御部（ＡＺ）３０ａは、本体部１１に設けられる。仰角制御モータ２０ｂおよび仰角モータ制御部（ＥＬ）３０ｂは、モータユニット１３（図２）に設けられる。また、偏波角制御モータ２０ｃおよび偏波角モータ制御部（ＰＯＬ）３０ｃは、制御ユニット４（図２）に設けられる。

ところで、プロセッサ４０は、補正部４０ａ、および捕捉部４０ｂを備える。
捕捉部４０ｂは、捕捉モードにおける電波の受信強度に基づいて通信衛星ＳＡＴを捕捉する。すなわち捕捉部４０ｂは、アンテナ１０の方位角、仰角、偏波角をそれぞれ方位角モータ制御部（ＡＺ）３０ａ、仰角モータ制御部（ＥＬ）３０ｂ、偏波角モータ制御部（ＰＯＬ）３０ｃに指示し、受信信号の受信強度がピークとなる角度を検出して、捕捉目標の通信衛星ＳＡＴを捕捉する。

補正部４０ａは、アンテナ１０の方位角方向の回転に連動して、アンテナ１０の仰角を変化させる。その際、補正部４０ａは、傾斜センサ７１でセンシングされた衛星通信装置１の傾斜情報４４ａに基づき、装置座標系に対するアンテナ１０の仰角を補正して、地球座標系におけるアンテナ１０の仰角をアンテナ１０の方位角によらず一定とする。

補正部４０ａは、アンテナ１０の方位角方向の回転角度に対応するアンテナ１０の仰角を、傾斜情報４４ａに基づいて算出する。また、補正部４０ａは、算出した仰角に対応する仰角制御モータ２０ｂの回転速度を算出する。

メモリ４４は、傾斜情報４４ａと、衛星目標角テーブル４４ｂとを記憶する。傾斜情報４４ａは、傾斜センサ７１でセンシングされた、本体部１１の傾斜情報である。衛星目標角テーブル４４ｂは、地上での位置情報（例えば緯度、経度）に、捕捉すべき通信衛星の衛星目標角（方位角、仰角、偏波角）を対応付けたテーブルである。例えば、北海道札幌市の緯度は１４１．４°、経度は４３．１°であり、この位置において、或る通信衛星Ａの目標角は（方位角、仰角、偏波角）＝（１５１．２°、３６．１°、１０．４°）である。

次に、通信衛星ＳＡＴの捕捉における作用を説明する。
本体部１１が起動されると、捕捉モードが開始されて初回の衛星捕捉処理がスタートし、アンテナ１０を用いて通信衛星ＳＡＴを捕捉するための処理が開始される。

ここで、図４Ａ〜図４Ｄを参照して、衛星通信装置１の傾斜が衛星捕捉にもたらす影響について説明する。これらの図において、地球を基準とする座標系（以下、地球座標系という）での鉛直方向を、小文字のｚ軸で示す。また、衛星通信装置１を基準とする座標系（以下、装置座標系という）での座標軸を、大文字のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸で示す。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は互いに直交し、このうちＺ軸が図２の回転軸Ａ１（方位軸、ＡＺ軸）に一致する。Ｘ軸、およびＹ軸は、例えば、それぞれ本体部１１（図２）の幅方向、および奥行き方向に一致する。

図４Ａは、衛星通信装置１が水平に設置された状態を示す。この状態では、装置座標系におけるＺ軸（以下、「装置座標系Ｚ軸」という。）と、地球座標系における鉛直軸（以下、「地球座標系ｚ軸」という。）とが重なっている。図中、符号Ｖは、偏波軸（図２の回転軸Ａ３）を示し、アンテナ面に垂直方向のベクトルである（偏波軸ベクトル）。図４Ａの状態からアンテナ１０を方位軸（図２の回転軸Ａ１）周りに３６０度回転させると、偏波軸ベクトルＶは装置座標系Ｚ軸を中心とする円を描く。このとき、装置座標系Ｚ軸と地球座標系ｚ軸とが一致しているので、図４Ｂに示されるように、装置座標系Ｚ軸を一辺とする平面上で偏波軸ベクトルＶは変動しない。

一方、図４Ｃは、衛星通信装置１が傾いて設置された状態を示す。この状態では、装置座標系Ｚ軸と地球座標系ｚ軸とがずれている。この状態からアンテナ１０を方位軸（図２の回転軸Ａ１）周りに３６０度回転させると、偏波軸ベクトルＶは装置座標系Ｚ軸を中心とする円を描く。しかし、装置座標系Ｚ軸と地球座標系ｚ軸とがずれているので、図４Ｄに示されるように、装置Ｚ軸を一辺とする平面上で、偏波軸ベクトルＶは変動することになる（図中２点鎖線）。

図５は、衛星通信装置１が傾いて設置された場合に、アンテナ１０の方位軸周りの回転とともに偏波軸ベクトルＶが変動することを示す模式図である。図５に示されるように、装置座標系Ｚ軸と偏波軸ベクトルＶとのなす角θは、アンテナ１０が方位軸周りに回転するにつれθｍｉｎ〜θｍａｘの範囲で変化する（図中２点鎖線）。よってθを、アンテナ１０の方位角φの関数として、θ＝θ（φ）と表す。

また、衛星通信装置１のアンテナ仰角（以下、「装置基準仰角」という。）を、ＥＬ_ＶＳＡＴ（φ）とする。地球座標系ｚ軸と偏波軸ベクトルＶとのなす角（以下、「地球基準仰角」という）を、ＥＬ′_ＳＡＴとする。このとき、θ（φ）＝ＥＬ_ＶＳＡＴ（φ）＝ＥＬ′_ＳＡＴとなるφが存在する。θの最小値および最大値を、定数αを用いてθｍｉｎ＝ＥＬ′_ＳＡＴ−α，θｍａｘ＝ＥＬ′_ＳＡＴ＋αと表記する。

図６Ａおよび図６Ｂは、衛星通信装置１がＸ軸（アンテナ面に対して水平方向）に関して傾いて設置された場合の、偏波軸ベクトルＶの変化について説明するための図である。図中、点線は地球座標系を示し、水平の点線がｘ軸、垂直の点線が地球座標系ｚ軸である。二点鎖線は装置Ｘ軸を示し、Ｘ軸とｘ軸とのなす角Ｉ_{Ｘ，ＶＳＡＴ}を、傾斜角αとする（Ｉ_{Ｘ，ＶＳＡＴ}＝α°）。

図６Ａは、アンテナ１０の方位角φが０°である状態（ＡＺ_ＶＳＡＴ＝０°）を示す。この状態において、地球座標系ｚ軸と偏波軸ベクトルＶとのなす角である地球基準仰角ＥＬ′_ＳＡＴがθであれば（ＥＬ′_ＳＡＴ＝θ）、装置基準仰角ＥＬ_ＶＳＡＴは、これより傾斜角αだけ小さい角度になる（ＥＬ_ＶＳＡＴ＝θ−α）。この状態から方位角制御モータ２０ａを駆動して（図２）、アンテナ１０を方位軸周りに１８０°回転させると、図６Ｂの状態になる。

図６Ｂは、アンテナ１０の方位角φが１８０°である状態（ＡＺ_ＶＳＡＴ＝１８０°）を示す。図６Ａと比較してアンテナ開口（aperture）がちょうど正反対を向いている。このため、装置基準仰角ＥＬ_ＶＳＡＴは、地球基準仰角ＥＬ′_ＳＡＴよりも傾斜角αだけ大きい角度になる（ＥＬ_ＶＳＡＴ＝θ＋α）。

ここで、ＥＬ′_ＳＡＴ＝９０°−ＥＬ_ＳＡＴである。通信衛星ＳＡＴの仰角ＥＬ（ＥＬ_ＳＡＴ）は水平軸と通信衛星ＳＡＴとのなす角である。

図７Ａおよび図７Ｂは、衛星通信装置１がＹ軸（アンテナ面に対して、仰角方向）に関して傾いて設置された場合の、偏波軸ベクトルＶの変化について説明するための図である。Ｙ軸とｙ軸とのなす角Ｉ_{Ｙ，ＶＳＡＴ}を、傾斜角βとする（Ｉ_{Ｙ，ＶＳＡＴ}＝β°）。

図７Ａは、アンテナ１０の方位角φが９０°である状態（ＡＺ_ＶＳＡＴ＝９０°）を示す。この状態において、装置基準仰角ＥＬ_ＶＳＡＴは、地球基準仰角ＥＬ′_ＳＡＴ（＝θ）よりも傾斜角βだけ小さい角度になる（ＥＬ_ＶＳＡＴ＝θ−β）。この状態から方位角制御モータ２０ａを駆動して（図２）、アンテナ１０を方位軸周りに１８０°回転させると、図７Ｂの状態になる。

図７Ｂは、アンテナ１０の方位角φが−９０°（つまり２７０°）である状態（ＡＺ_ＶＳＡＴ＝−９０°）を示す。図７Ａと比較してアンテナ開口（aperture）がちょうど正反対方向を向いているので、装置基準仰角ＥＬ_ＶＳＡＴは、地球基準仰角ＥＬ′_ＳＡＴよりも傾斜角βだけ大きい角度になる（ＥＬ_ＶＳＡＴ＝θ＋β）。図６Ａ〜図７Ｂにおける、ＡＺ_ＶＳＡＴ（方位角）と装置基準仰角ＥＬ_ＶＳＡＴとの関係をまとめると、図８の表が得られる。

図８は、アンテナの方位角ＡＺ_ＶＳＡＴと装置基準仰角ＥＬ_ＶＳＡＴとの関係を示す。図８において、Ｉ_Ｘは図６Ａ、図６Ｂのαであり、Ｉ_Ｙは図７Ａ、図７Ｂのβである。Ｉ_ＸおよびＩ_Ｙをパラメータとして、図８の関係を線形代数３次元回転方程式に当てはめると、式（１）が得られる。

式（１）の右辺第１項は、ＥＬ′_ＳＡＴ＝θである。右辺第２項は、Ｘ軸に関する傾き成分の修正を示す。右辺第３項は、Ｙ軸に関する傾き成分の修正を示す。式（１）を極座標系で表すと、式（１′）となる。式（１）を極座標系に変換する際のパラメータは式（２）に示される。

図９は、式（１）においてＡＺ_ＶＳＡＴ（＝φ）を０°〜３６０°の範囲で変化させたときの、衛星通信装置１の装置基準仰角ＥＬ_ＶＳＡＴの変化を示す図である。つまり図９は、式（１）を用いたシミュレーションにより、図５の模式図に数学的な裏付けを与えるものである。図９において、θは方位角φの関数であり、φは式（１）、（１′）のＡＺ_ＶＳＡＴであるので、ＥＬ_ＶＳＡＴの変化を計算することができる。

図１０は、式（１）による装置基準仰角ＥＬ_ＶＳＡＴの変化を、方位角φ（ＡＺ_ＶＳＡＴ）を横軸としてプロットしたグラフを示す。図１０は、異なる２つの条件下でのグラフを示す。図中、太い点線は、Ｉ_Ｘ＝３°、Ｉ_Ｙ＝０°の条件下での計算結果を示す。細い点線は、Ｉ_Ｘ＝３°、Ｉ_Ｙ＝３°の条件下での計算結果を示す。式（２）に示される、全体的な傾きの大きさが大きくなるほど、装置基準仰角ＥＬ_ＶＳＡＴの変化量も大きくなることが分かる。

図１１は、さらに様々な条件下での曲線をプロットした図である。装置の傾きが変化すると、波形の大きさと位相だけが変わることが示される。
式（１）の変数である方位角φ（ＡＺ_ＶＳＡＴ）を時間ｔの関数として表すと、式（３）を得る。

式（３）を時間で微分すると、式（４）が得られる。式（４）は、仰角制御モータ２０ｂの回転速度の変化を示す。

図１２は、方位角（ＡＺ_ＶＳＡＴ）に対する仰角制御モータ２０ｂの回転速度をプロットしたグラフである。図１２に示される条件は図１０と同様で、太い点線は、Ｉ_Ｘ＝３°、Ｉ_Ｙ＝０°の条件下での計算結果を示し、細い点線は、Ｉ_Ｘ＝３°、Ｉ_Ｙ＝３°の条件下での計算結果を示す。式（３）の時間微分であるので、図１２の各グラフの曲線はサインカーブ（正弦波）を描く。つまり、仰角制御モータ２０ｂの回転速度が正弦波状に変化するので、モータの回転速度を制御する信号も正弦波状に変化させる必要がある。例えばパルスデューティー比でモータの速度を制御する場合、パルスデューティー比を滑らかに変化させるためには非常に多くの計算を要し、コンピュータリソースが過大に消費される恐れがある。

そこで実施形態では、補正部４０ａは、式（１）〜（３）を用いて算出された仰角の値を複数のポイントにわたってサンプリングした値に基づいて仰角制御モータ２０ｂの回転速度を算出する。つまり、補正部４０ａは、方位角φに対する装置基準仰角ＥＬ_ＶＳＡＴの変化を示す曲線（例えば図１０、図１１のグラフ）に沿った幾つかの点の値をサンプリングし、その値から仰角制御モータ２０ｂの回転速度を算出する。

図１３は、図１０のグラフから６個の点をサンプリングした例を示す図である。図１３においては、グラフの極小値と極大値とをサンプリングし、さらに、極小値の左右の２点、および極大値の左右の２点の、合わせて６個の点の値をサンプリングする。図中、黒丸はＩ_Ｘ＝３°、Ｉ_Ｙ＝０°の曲線のサンプリング点を示し、白丸はＩ_Ｘ＝３°、Ｉ_Ｙ＝３°の曲線のサンプリング点を示す。

図１４は、図１３のサンプリング結果から得られた仰角制御モータ２０ｂの回転速度を示す図である。いずれの条件でも、回転速度は４ステップの階段状を示すが概ね図１２の曲線に沿っているといえる。式（５）に、サンプリングにより得られた仰角制御モータ２０ｂの回転速度を示す。式（５）の添え字ｎｏｗは現在の値を示し、ｎｅｘｔは次の値（横軸の増加する方向の値）を示す。なお、方位角制御モータ２０ａの回転速度ＡＺ_{ｍｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ}は、ソフトウェアでの設定により任意の値とすることができる。

図１４に示されるように、制御量が４段階で済むことから、方位角モータ制御部（ＡＺ）３０ａ、仰角モータ制御部（ＥＬ）３０ｂ、偏波角モータ制御部（ＰＯＬ）３０ｃの回路を格段に簡略化できる。ひいては、メモリやプロセッサ速度などの必要なリソースを節約して、コストを削減することもできる。

図１５は、図１３の６点を求めるための式を示す図である。図１５に示されるように、極小値および極大値に対して、左右で例えば３０°ずつ異なる位置の値をサンプリングすればよい。なお、１点目を示す式（６）は、位相が３６０°変化すると式（７）のようになってしまうので、適宜、値を入れ替えればよい。

図１６は、サンプリング点を結ぶ直線とサインカーブとを比較して示す図である。つまり図１６は、図１０のグラフと図１３のグラフとを、同じスケールでプロットしたグラフである。

図１７は、図１６における直線とサインカーブとの誤差をプロットしたグラフを示す図である。図１７によれば、Ｉ_Ｘ＝３°、Ｉ_Ｙ＝３°の条件下での誤差が、Ｉ_Ｘ＝３°、Ｉ_Ｙ＝０°の条件下での誤差よりも大きく変動することが示される。しかし、誤差の最大値でも高々０．３°未満に収まっていることが示され、工学的な制御量としては十分な精度を得られている。一般に、１°以下の誤差を達成することができれば十分といえる。もちろん、サンプリングポイントの数を増やすほど精度は高まるので、装置に実装可能なコンピュータリソースに応じて、適切なサンプリングポイントの数を決めればよい。

以上述べたように実施形態では、衛星通信装置１の捕捉モードで方位角方向に３６０度サーチを行う際に、傾斜センサ７１で衛星通信装置１の傾きを測定し、傾斜情報を得る。そして、傾斜情報に基づいて、式（１）〜（３）に示すような線形代数３次元回転方程式から、簡易的な装置基準仰角（ＥＬ_ＶＳＡＴ）を計算するための式を導く。さらに、６点サンプリングアルゴリズムへ単純化することで、ソフトウェア実装の制限を緩和し、最小限のリソースで通信衛星ＳＡＴを確実に捕捉できるようにした。

すなわち、衛星通信装置１の位置情報から、補足すべき通信衛星ＳＡＴの目標角（ＥＬ_ＳＡＴ）を求める。そして、方位角によらずに通信衛星ＳＡＴに対して常に同じ仰角となるように装置基準仰角（ＥＬ_ＶＳＡＴ）を制御することで、衛星通信装置１の傾きを補正しつつ３６０度サーチを実施できるようにした。従って実施形態によれば、方位センサに頼らずに通信衛星ＳＡＴを捕捉することの可能な衛星捕捉装置および衛星捕捉方法を提供することが可能になる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…衛星通信装置、３…支持柱、４…制御ユニット、１０…アンテナ、１１…本体部、１２…支持脚、１３…モータユニット、１４…インタフェース部、１８…信号処理部、２０ａ…方位角制御モータ、２０ｂ…仰角制御モータ、２０ｃ…偏波角制御モータ、３０ａ…方位角モータ制御部（ＡＺ）、３０ｂ…仰角モータ制御部（ＥＬ）、３０ｃ…偏波角モータ制御部（ＰＯＬ）、４０…プロセッサ、４０ａ…補正部、４０ｂ…捕捉部、４４…メモリ、４４ａ…傾斜情報、４４ｂ…衛星目標角テーブル、５０…受信電波強度算出部、５１…送信部、５２…ハイブリッド回路、５３…受信部、６１…変調部、６２…復調部、７０…位置センサ、７１…傾斜センサ、８０…ユーザ入力装置、９０…表示装置、１００…スピーカ、１１１…固定局、１１２…車載局、１１３…可搬局、１１４〜１１ｎ…固定局。

Claims (8)

1. 通信衛星からの電波を受信するアンテナと、
   前記通信衛星を捕捉する捕捉モードにおいて前記アンテナを方位角方向に回転させる方位角制御モータと、
   前記アンテナの仰角を制御する仰角制御モータと、
   前記アンテナ、前記方位角制御モータ、および前記仰角制御モータを搭載する本体部と、
   前記本体部の傾斜情報を取得する傾斜センサと、
   前記アンテナの方位角によらず地球座標系における前記アンテナの仰角を一定とすべく、前記傾斜情報に基づいて前記仰角を補正する補正部と、
   前記捕捉モードにおける前記電波の受信強度に基づいて前記通信衛星を捕捉する捕捉部と
   を具備する衛星捕捉装置。
2. 前記地球座標系における前記アンテナの仰角は、地上における位置情報に対応付けられる、捕捉すべき通信衛星の目標角である、請求項１に記載の衛星捕捉装置。
3. 前記補正部は、前記アンテナの前記方位角方向の回転角度に対応する当該アンテナの仰角を前記傾斜情報に基づいて算出する、請求項１に記載の衛星捕捉装置。
4. 前記補正部は、前記算出された仰角に対応する前記仰角制御モータの回転速度を算出する、請求項３に記載の衛星捕捉装置。
5. 前記補正部は、前記算出された仰角の値を複数のポイントにわたってサンプリングした値に基づいて前記仰角制御モータの回転速度を算出する、請求項４に記載の衛星捕捉装置。
6. 前記補正部は、前記算出された仰角が前記回転角度に対して描く曲線に沿って前記仰角の値をサンプリングする、請求項５に記載の衛星捕捉装置。
7. 前記曲線がサインカーブである場合に、前記補正部は、当該サインカーブのピークの近傍の６点をサンプリングする、請求項６に記載の衛星捕捉装置。
8. 通信衛星を捕捉する捕捉モードにおいて、前記通信衛星からの電波を受信するアンテナを方位角制御モータで方位角方向に回転させる過程と、
   仰角制御モータで前記アンテナの仰角を制御する過程と、
   前記アンテナ、前記方位角制御モータおよび前記仰角制御モータを搭載する本体部の傾斜情報を傾斜センサで取得する過程と、
   前記アンテナの方位角によらず地球座標系における前記アンテナの仰角を一定とすべく、前記傾斜情報に基づいて前記仰角を補正する過程と、
   前記捕捉モードにおける前記電波の受信強度に基づいて前記通信衛星を捕捉する過程とを具備する衛星捕捉方法。

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