JP3157976B2 - 移動体用アンテナマウント - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、動揺を伴う船舶等に搭
載され、目標とする静止衛星等の追尾を行う移動体用ア
ンテナマウントに関する。

【０００２】

【従来の技術】船舶の動きには、ローリング（横揺
れ）、ピッチング（縦揺れ）、ヨーイング、サージン
グ、スウエイング、ヘビング、および前進、後進旋回が
あります。スウエイング、ヘビングは船の平行移動であ
り、静止衛星までの距離が十分に遠いため無視すること
ができる。ヨーイングは船首の左右の小さな動きでり、
アンテナの追尾としては、船の旋回と同様の動きとして
捉えることができる。また、前進、後進は船舶の速度を
考慮すると短時間においては、無視することができる。

【０００３】船舶に搭載されたアンテナを、船舶の移
動、または船首方向の回転、船舶のローリング、ピッチ
ング等にかかわらず、常時目標の静止衛星等に指向させ
て追尾を行う必要がある。そのアンテナの姿勢制御をす
る方式として、２〜４軸方式がある。３軸、４軸方式は
構造が複雑になるため、構造が簡単で小型となる２軸、
特にＡＺ−ＥＬ方式を用いることが多い。

【０００４】ＡＺ−ＥＬ方式について、図９に基づいて
説明する。船舶の架台に垂直なＡＺ軸１を回転自在に設
け、このＡＺ軸１に回転自在にＥＬ軸２を設ける。ＡＺ
軸１を回動して静止衛星Ｓに対する船首方向の垂直方向
に対する方位角ωに一致させ、ＥＬ軸２を回動して静止
衛星Ｓに対する水平面からの仰角θにアンテナ３を指向
させる。

【０００５】そして、船舶の平面に船首方向の船舶の傾
き（ピッチング）、およびそれと直交する方向の傾き
（ローリング）を２つの姿勢センサでそれぞれ検出して
補正角を演算し、船舶の動揺に対応してこの演算結果に
基づいてＡＺ軸１、およびＥＬ軸２の回動角を補正する
ことにより、船舶のピッチング、ローリング等の動揺に
かかわらずアンテナ３を常に静止衛星Ｓの方向に指向さ
せる。しかし、ＡＺ−ＥＬでは、アンテナ仰角が高くな
るに従って、動揺補正にための各軸の回転速度を、速く
しなければ衛星方向に指向させることができない。

【０００６】特開平６０−１０９９０２号公報の「衛星
追尾装置」は、空中線１はＥＬ方向を広くした楕円ビー
ム放射パターンを有し、ＡＺ駆動機構３は空中線１のＡ
Ｚ軸を回転させる。駆動処理回路１０は予報角度パター
ン記憶回路１１に記憶されている所定の日の駆動すべき
一定角度ステップ幅のステップ数に従って駆動機構３の
モータを駆動制御する。衛星からの電波情報を必要とせ
ずビーコン受信装置を不要とすることができる。この予
報角度パターン記憶回路１１には、正確に予測された静
止衛星の長期間の予報角度パターンが記憶されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平６０−
１０９９０２号公報は、地球上の位置より空中線のＡＺ
／ＥＬを制御するものである。つまり、移動体に搭載し
た場合の、動揺に対しての補償を解決していない。仮
に、上下方向６０度、左右方向２０度の楕円ビームパタ
ーンの空中線を用い、方位零度、仰角６０度の衛星方向
に空中線が指向しているとする。この時、±２１度のロ
ーリングを受けると、図４のようになり、楕円ビーム放
射パターンの範囲から衛星が殆ど外れてしまうことにな
る。

【０００８】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、動揺に対して衛星が外れることを防止する
ため、楕円ビームパターンのアンテナを備え、動揺に対
応したＡＺ軸の最適回転制御、また、ＥＬ軸の最適設定
角度制御を備えた移動体用アンテナマウントを提供する
ことを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の移動体用アンテナマウントにおいては、以下
について着目した。

【００１０】ローリング、ピッチングは通常同時に発生
し、その合成角度はそれぞれ角度のベクトル加算とな
る。アンテナの指向方向を基準とし、その方向での上下
方向の動揺を合成ピッチング、左右方向の動揺を合成ロ
ーリングとする。合成ピッチング、合成ローリングの最
大値はアンテナの指向方向により変化する。ローリング
±１５度、ピッチング±１５度とすると方位零度（船首
を零度としたときの方位）のときは、合成ローリング、
合成ピッチングは元のローリング、ピッチングそのもの
となる。しかし、合成ローリング、および合成ピッチン
グは、方位４５度、１３５度、２２５度、３１５度では
最大となり、それぞれ約±２１度となる。よって、ロー
リング、ピッチングについては、合成ローリング、合成
ピッチングの考え方よりこの動きに対し補償する必要が
ある。前述の通り、±２１度の合成ローリングを受ける
と、楕円ビームパターンの範囲から衛星が外れてしま
う。これを解消するために、ＡＺ軸を回転させ、合成ロ
ーリングによるビームの移動を最小限にとめる。

【００１１】具体的には、２軸方式の移動体用アンテナ
マウントにおいて以下からの手段を備えた。

【００１２】放射ビームの仰角方向を広くした楕円ビ
ームパターンを有したアンテナと、 アンテナの仰角を所定の角度に設定するＥＬ軸駆動手
段と、 ロールまたはピッチのアンテナ方向に直角な成分であ
る合成ローリング（ＤＲ）を検出する動揺センサと、 設定されたアンテナの仰角（θ）と合成ローリングと
からＡＺ軸回転角度（ΔＡＺ）を算出する演算手段と、 演算手段で算出されたＡＺ軸回転角度の値に応じてア
ンテナのＡＺ軸を回転するＡＺ軸駆動手段。

【００１３】ここで、ＡＺ軸回転角度は、アンテナの仰
角と合成ローリングとの関数で数１により算出される。

【００１４】 ΔＡＺ＝ｔａｎ^-1（ｔａｎθ・ｓｉｎＤＲ） （１）

【００１５】

【作用】このように構成された移動体用アンテナマウン
トによれば、ＡＺ軸を最適に回転制御することにより、
ビームの移動は、図５（ａ）の通り減少する。また、±
２１度の合成ピッチングを受けると図５（ｂ）のように
なる。斜線部は、その範囲に衛星がある場合、外れない
領域である。斜線部のＥＬ方向の最大角は約１８度とな
る。言い換えるとこの斜線部に衛星があれば、±１５度
のローリング、ピッチングを受けても楕円ビームパター
ンの範囲から外れないことになる。

【００１６】以上より、仰角の範囲が１８度程度の領域
ではＥＬ軸を固定したままで使用することができる。ま
た、より広い領域での使用では、ＥＬ軸をプリセットす
ればよい。プリセット角は自船の航法装置を使用し、自
船の位置情報により切替える等の方法がある。また、切
替え時のＥＬ軸の速度も船舶の移動速度を考慮すると、
遅いもので良く、駆動モータも小出力のもので十分とな
る。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明
する。

【００１８】（構成）図１は本発明の構成を示すブロッ
ク図である。船舶の架台に垂直なＡＺ軸１を回転自在に
設け、このＡＺ軸１に回転自在にＥＬ軸２を設ける。Ａ
Ｚ軸１を回動して静止衛星Ｓに対する船首方向の垂直方
向に対する方位角ωに一致させ、ＥＬ軸２を回動して静
止衛星Ｓに対する水平面からの仰角θにアンテナ３を指
向させる。ＥＬ軸２は、航法装置４からの自船の位置情
報により、所定の仰角θが記憶回路５に記憶する。例え
ば、自船が石垣島、または南大東島沖を航行中は、仰角
θは５８度とする。ＥＬ軸駆動手段６は、この記憶され
た仰角に基づいて、ＥＬ軸２をプリセットする。動揺セ
ンサ７は、動揺により発生する合成ローリングＤＲを出
力する。また、演算手段８は、合成ローリングＤＲと仰
角θとから補正すべきＡＺ軸１の回転角ΔＡＺを算出す
る。ＡＺ軸駆動手段９は、回転角ΔＡＺに基づいてＡＺ
軸１を駆動する。

【００１９】（動作説明）図２に合成ピッチングと合成
ローリングの概念を示す。通常、ローリングとピッチン
グは同時に発生し、その合成角度はそれぞれの角度のベ
クトル加算となる。アンテナの指向方位を基準とし、そ
の上下方向の動揺を合成ピッチング（ＤＰ）、左右方向
の動揺を合成ローリング（ＤＲ）とする。それらの値
は、船首方向を零としたときの相対方位をφ、ピッチン
グ角をＰ、ローリング角をＲとすると数２、数３で表さ
れる。

【００２０】 ＤＰ＝ｔａｎ^-1（ｔａｎＰ・ｃｏｓφ＋ｔａｎＲ・ｓｉｎφ） （２）

【００２１】 ＤＲ＝ｔａｎ^-1（ｔａｎＲ・ｃｏｓφ＋ｔａｎＰ・ｓｉｎφ） （３）

【００２２】またそれらの最大値は、アンテナの指向方
向により変化し、例えば図３に示すように方位４５度で
最大となり、約±２１度となる。しかし、通常、船舶は
縦横の長さが異なるため、ローリングよりピッチングの
方が小さく、周期も異なる。つまり、ローリング、ピッ
チングが同時に同振幅、同周期となる確率は非常に小さ
い。したがって、計算上、合成ローリング、合成ピッチ
ングの最大値を±２１度とするが、追尾の実現において
は±１５度に対して補償できればよい。

【００２３】衛星仰角をカバーするため、半値角がＥＬ
方向に６０度、ＡＺ方向に２０度と長楕円のアンテナを
用いる。しかし、合成ローリングＤＲにより衛星から見
た半値角範囲が移動する。この移動の影響は、仰角が高
いほど大きくなり、半値角範囲内から衛星が外れる場合
もある（図４）。これを解消するために、ＡＺ軸を回転
させ、合成ローリングによる半値角範囲の移動を最小限
に押さえる。その時の回転角度ΔＡＺは、衛星仰角
（θ）と合成ローリングとの関数で数１となる。この補
正をすることにより、半値角の移動は減少させることが
できる。図５（ａ）は、方位４５度、仰角５８度、合成
ピッチング２１度、合成ローリング２１度の条件におい
て、合成ローリング前のアンテナビームと、合成ローリ
ング後のアンテナビームを示す。ＡＺ軸の補正をする
と、合成ローリング前、後のアンテナビームに重なり部
分ができ、半値角範囲内から衛星が外れないことが判
る。

【００２４】（合成ローリングＲの算出方法）図７に基
づいて、合成ローリングＲの算出方法を説明する。図７
の（ａ）は動揺センサの周波数特性図、（ｂ）は動揺セ
ンサの処理を示した機能ブロック図である。船舶の動揺
を検出する動揺センサは、ＡＺ軸に直角な水平面上で、
アンテナ指向方向に取り付けられたレートセンサ１とレ
ベルセンサとから構成される（図６）。レートセンサ１
とレベルセンサは、ロールまたはピッチのアンテナ方向
に直角な成分である合成ローリング角ＤＲを検出する。
アンテナ部・高周波部は船舶の重心より離れた高い位置
に設置される。そのため、横加速度による動揺検出誤差
を除去し、速い周期の動揺を検出する。速い周期の動揺
に対してはレートセンサ１が、遅い周期の動揺に対して
はレベルセンサが受け持つ。したがって、センサの応答
は、図７（ａ）に示すような周波数特性となる。

【００２５】レートセンサ１とレベルセンサより検出し
た信号は、アンテナ制御回路でＡ／Ｄ変換を行い、図７
（ｂ）に示す信号処理を経て合成される。レートセンサ
１は特性上、出力信号には、温度によるＤＣドリフトオ
フセット電圧が重畳されるが、ＤＣカット、ハイパスフ
イルタ処理で除去される。

【００２６】（楕円ビームの実現手段）アンテナは、反
射板と、反射板に固定された１段４列の輻射器とによっ
て構成されている。各輻射器は、その中心がＥＬ軸に垂
直な一直線上に配置され、同相のビームを放射すること
により、ＥＬ方向に６０度、ＡＺ方向に２０度と長楕円
のアンテナパターンを形成することができる。

【００２７】（アンテナ装置への応用）図８は、本発明
を用いたアンテナ装置のブロック図である。アンテナ部
は、１段４列のパッチアンテナであり、仰角制御を簡略
化を図っている。また、仰角制御信号等は、赤外線信号
を利用することにより、アンテナ回転部の機械的接触部
分を最小限度にしている。発光器、受光器で、その赤外
線信号を送受する。動揺センサ７は、船舶ローリング±
１５度における、揺れの角速度を検出し、アンテナ制御
部にデータを送出する。アンテナ制御部には、図１に示
す航法装置４、記憶手段５、演算手段８等から構成され
る。また、仰角制御回路は図１のＥＬ軸駆動手段６、旋
回制御回路は図１のＡＺ軸駆動手段９に相当する。

【００２８】図６に示すように、船舶の旋回を検出する
センサは、アンテナ３のＡＺ軸方向に取り付けられたレ
ートセンサ２と、磁気方位センサがある。レートセンサ
２は、ＡＺ軸に関し、その旋回方向と回転角速度を検出
する。磁気センサは、地磁気によりアンテナの方位角を
検出する。

【００２９】静止衛星Ｓからの信号は、アンテナ３で受
信し、ロータリカプラを介して高周波部のＲＦ部に入力
される。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の移動体用ア
ンテナマウントによれば、放射ビームの仰角方向を広く
した楕円ビームパターンを有したアンテナ３と、アンテ
ナ３の仰角を所定の角度に設定するＥＬ軸駆動手段６
と、合成ローリングＤＲを検出する動揺センサ７と、ア
ンテナ３の仰角θと合成ローリングＤＲとからＡＺ軸回
転角度ΔＡＺを算出する演算手段８と、ＡＺ軸１を回転
するＡＺ軸駆動手段９とを備える。そのため、±１５度
のローリング、ピッチングを受けてもアンテナビームの
範囲から外れない。また、船舶の移動速度を考慮する
と、ＥＬ軸２の駆動速度は、遅くて良く、そのため駆動
モータも小出力のものにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】合成ピッチングと合成ローリングを説明するた
めの概念図である。

【図３】方位４５度における合成ピッチングと合成ロー
リングの最大値を示す図である。

【図４】動揺によるアンテナ指向方向偏移を示す図であ
る。

【図５】方位４５度、仰角５８度、合成ピッチング２１
度、合成ローリング２１度の条件において、（ａ）はＡ
Ｚ軸補正後のアンテナ指向方向偏移を示す図、（ｂ）は
合成ピッチング２１度でも衛星の外れない領域を示した
図である。

【図６】センサの動揺方向の関係を示した図である。

【図７】（ａ）は動揺センサの周波数特性図、（ｂ）は
動揺センサの処理を示した機能ブロック図である。

【図８】本発明の移動体用アンテナマウントをアンテナ
装置に使用した一実施例を示すブロック図である。

【図９】従来のＡＺ−ＥＬ方式の移動体用アンテナマウ
ントを示す原理図である。

【符号の説明】

１…ＡＺ軸、２…ＥＬ軸、３…アンテナ、４…航法装
置、５…記憶手段、６…ＥＬ軸駆動手段、７…動揺セン
サ、８…演算手段、９…ＡＺ軸駆動手段。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】船舶に搭載されたアンテナ（３）と、該ア
   ンテナを回転制御するＥＬ軸（２）と、ＡＺ軸（１）と
   を備えた移動体用アンテナマウントにおいて、前記アン
   テナは放射ビームの仰角方向を広くした楕円ビームパタ
   ーンを有し、アンテナの仰角を所定の角度に設定するＥ
   Ｌ軸駆動手段（６）と、ロールまたはピッチのアンテナ
   指向方向に直角な成分である合成ローリングを検出する
   動揺センサ（７）と、アンテナの仰角と合成ローリング
   とからＡＺ軸回転角度を算出する演算手段（８）と、Ａ
   Ｚ軸回転角度の値に応じてアンテナのＡＺ軸を回転する
   ＡＺ軸駆動手段（９）とを有することを特徴とする移動
   体用アンテナマウント。