JP3234546B2 - 指向性アンテナ用三軸制御装置 - Google Patents

指向性アンテナ用三軸制御装置

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JP3234546B2
JP3234546B2 JP24655197A JP24655197A JP3234546B2 JP 3234546 B2 JP3234546 B2 JP 3234546B2 JP 24655197 A JP24655197 A JP 24655197A JP 24655197 A JP24655197 A JP 24655197A JP 3234546 B2 JP3234546 B2 JP 3234546B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、Az- X- Yマウン
トにて指向性アンテナを支持する指向性アンテナ装置、
例えばINMARSAT用の指向性アンテナ装置に関する。より
詳細には、本発明は、Az軸、X軸及びY軸回りでの回転
駆動によって、搭載に係る移動体例えば船舶の傾斜に対
し指向性アンテナを安定化しながら、指向性アンテナに
て目標例えば人工衛星を追尾させる指向性アンテナ装置
用三軸制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術及びその問題点】動揺する移動体に搭載さ
れた指向性アンテナにて目標からの信号を好適に受信し
続けるには、目標に対する移動体の相対移動に応じてま
た移動体の傾斜に応じて指向性アンテナのビーム方向を
変えてやればよい。これを可能にするため、通常は、一
般に複数本の機械軸を有するアンテナマウント(ペデス
タルとも呼ばれる)にて、指向性アンテナを移動体に支
持する。指向性アンテナのビームの向きは、これら複数
本の機械軸に適宜回転を付与することにより、変化させ
ることができる。従って、目標の位置(方位及び仰
角)、移動体の進行方向及び傾斜角(ロール角及びピッ
チ角)、各機械軸の角度位置等を入力しこれらに応じて
各機械軸に回転を付与することにより、移動体の傾斜に
拘わらず指向性アンテナのビームを所望方向に向けさせ
続けることができ(移動体の傾斜に対する指向性アンテ
ナの「安定化」)、また移動体の移動や傾斜に拘わらず
指向性アンテナのビームを目標の方向に向けることがで
きる(指向性アンテナによる目標の「追尾」)。
【0003】Az- X- Yマウントは、従来から用いられ
ていたX- Y-Az-Elマウントに比べ機械軸の本数が少な
く、従って機構が簡素小形で安価に実現できるアンテナ
マウントである。Az- X- Yマウントは、移動体非傾斜
時に鉛直上方向を向くよう移動体上に配設されたAz(Azi
muth) 軸、移動体非傾斜時に水平になるようAz軸上に配
設されたX軸、及びX軸に直交するようX軸上に配設さ
れ指向性アンテナを支持するY軸、という三本の機械軸
を備えている。Az- X- Yマウントを使用するときは、
大まかには、目標の方位追尾はAz軸、仰角追尾及びピッ
チ角に対する安定化はY軸、ロール角に対する安定化は
X軸への回転の付与にて、実行する。仰角に関わるY軸
はEl(Elevation) 軸と呼ばれることがあり、これに直交
するX軸はクロスEl軸と呼ばれることがある。下記文献
Harries et al.、SR145 及びSR150 は、Az- X- Yマウ
ントに関する先行技術文献の例である。
【0004】Harries et al.:“Naval Satellite Comm
unications Terminals”,G.Harriesand J.W.Heaviside,
IEE “Satellite Systems for Mobile Communications
andSurveillance" Conference Publication,No.95,1973
-03,pp.48-51. SR145 :「静止気象衛星による気象情報の自動送受信シ
ステムに関する研究報告書」社団法人日本造船研究協会
第 145研究部会、研究資料第 227号第29頁〜第32頁、特
に第29頁表 4.1及び第32頁図4.11、1975年3月 SR150 :「衛星を利用した船舶の運行システム及び船上
設備の研究」社団法人日本造船研究協会第 150研究部
会、研究資料第 246号第140頁〜第150頁、1976年3月
【0005】これらの文献中、Harries et al.及びSR14
5 はマルコーニ社等により開発されたシステムであるSC
OT I及びIIを開示している。SCOT I及びIIでは、Harrie
s etal.の第49頁第34行〜第38行及びSR145 の図4.11に
記載されているように、移動体の傾斜角を検出するセン
サをX軸上に取り付け、これらを利用してX軸及びY軸
に関する制御を実行している。即ち、X軸上のプラット
フォームに、X軸回りの傾斜角を検出する加速度計(acc
elerometer。重力加速度のプラットフォーム沿面方向成
分を検出し傾斜角を求める)及び角速度を検出するジャ
イロと、Y軸回りの傾斜角を検出する加速度計及び角速
度を検出するジャイロとを設け、これらから得られる傾
斜角や角速度を対応する軸の制御に利用している。SCOT
I及びIIは、更に、これら2文献からわかるように少な
くともAz軸(又はtraverse軸)については自動追尾、即
ち目標から送信される追尾信号を移動体側で受信できる
よう当該追尾信号に応じ機械軸を駆動する追尾方式を採
用している。従って、SCOTI及びIIでは、追尾信号受信
用の受信機が別途必要であり、そのため低価格化に限度
がある。また、移動体上又はその周辺の障害物(移動体
が船舶であるときにはマスト等)によって追尾信号がブ
ロックされると、追尾動作が中断してしまう。
【0006】また、SR150では、第140頁第8行〜第10行
に記載されているように、移動体の傾斜角を検出するセ
ンサをAz軸上に取り付けている。SR150によれば、移動
体の傾斜による方位追尾誤差を低減可能である。ここで
いう方位追尾誤差は、目標の方位に関するデータが得ら
れた面(水平面)とアンテナマウントが配設されている
面(甲板面)とが同じ面ではないにも拘わらず、当該デ
ータをアンテナマウント特にAz軸の角度位置の制御に利
用することによって、生じる目標の追尾誤差である。こ
の方位追尾誤差は、移動体の傾斜角が大きいときに顕在
化する。図7に、本願発明の発明者によるシミュレーシ
ョンの結果を示す。これによれば、指向性アンテナの仰
角が5゜という低仰角であるときに、ロール角が25゜を
上回ると方位追尾誤差が顕著に増大する。なお、図の横
軸は、移動体仮想水平座標系における移動体に対する目
標の相対方位、図の縦軸は、移動体座標系におけるAz軸
のベアリング角の理想値から上記相対方位を減じた値即
ち方位追尾誤差である (座標系の定義等は後述)。SR
150では、Az軸回転台上の一対の傾斜センサにてX軸及
びY軸各々の回りの船体の傾斜角を検出し、傾斜角検出
値をX軸及びY軸の制御に利用すると共に、当該傾斜角
検出値に基づき移動体傾斜による方位追尾誤差を算出す
る。次に、船体に設けられているヨーイング検出器にて
船体のヨー角を検出し、方位追尾誤差からヨー角検出値
を減じた値をAz軸の制御量(Az軸制御用誤差信号)とす
る。従って、移動体傾斜により生じる目標方位の相対変
化が算入されているため、方位追尾誤差が顕在化しにく
いと考えられる。
【0007】しかしながら、移動体傾斜による方位追尾
誤差が移動体座標系にて定義される量であるのに対し、
ヨー角は水平座標系にて定義される量であるから、両者
の差であるAz軸制御量の物理的な意味は曖昧であり、ま
た、X軸が正確に目標の方位を向いていることが、移動
体傾斜による方位追尾誤差を導出する際の前提となって
いると見受けられる。現実には、目標の相対方位がダイ
ナミックに変動するという動揺条件下では、Az軸駆動用
モータのサーボ制御系の追従遅れ等によって生じるAz軸
角度位置の制御誤差を無視し得ない。従って、 SR150に
記載の方法にて得られる品質のAz軸制御用誤差信号を、
高精度追尾が要求される用途に利用できるかどうか、疑
問が残る。即ち、平均二乗誤差等で評価したとき無視し
得ない追尾誤差増大の原因となる恐れがある。
【0008】
【発明の概要】本発明の第1の目的は、サーボ制御系の
追従遅れ、ステップトラックの残留誤差等として生じる
方位追尾誤差(後に定義するΔφxtd 又はΔφxth )を
正確に推定する具体的手法の提供により、Az軸制御用の
誤差信号の品質を改善し、品質が改善された誤差信号を
用いたAz軸の制御により目標指向誤差特に方位追尾誤差
Δφxtd 又はΔφxth を低減し、更にはステップトラッ
ク性能に改善をもたらすことにある。本発明の第2の目
的は、目標探索及びステップトラックとの結合により、
初期的に目標位置が与えられていないときでも目標の追
尾及びアンテナの安定化を迅速に開始できるようにする
と共に、追尾の精度を高めることにある。本発明の第3
の目的は、移動体傾斜時における目標探索の具体的な手
法を提供することにある。
【0009】本発明は、指向性アンテナ特にそのアンテ
ナマウントの機械軸を制御する制御装置として把握でき
る。また、本発明にて制御対象とされるアンテナマウン
トは、Az- X- Yマウントである。本願では、本発明で
の制御対象たるAz- X- Yマウントを、移動体非傾斜時
に鉛直上方向を向くよう移動体に配設されたAz軸、移動
体非傾斜時に水平になるようAz軸上に配設されたX軸、
及びX軸に直交するようX軸上に配設されたY軸を有す
るマウントであると定義する。図1及び図2にこの定義
を満たすアンテナマウントの例を示す。これらの図に
は、移動体上の搭載面(船舶の場合デッキ等)に配設さ
れたAz軸10、このAz軸10と直交するようAz軸10上
に配設されたX軸12、並びにX軸12と直交するよう
X軸12上に配設されたY軸14を有し、図中Aにて表
されるビームを有する指向性アンテナをY軸14上にて
支持するAz- X- Yマウントが記載されている。なお、
図1に示されるマウントと図2に示されるマウントの間
の相違は、前者では各軸を各々軸心回転させることによ
りその軸の上の構造物を回転させるのに対し、後者では
各軸自体は軸心回転せず当該軸の回りの構造物のみを軸
心回転させる、という軸駆動形態の相違である。本願で
は、これらの軸駆動形態を、いずれも、「軸に回転を付
与する」という言葉で表現する。また、図1及び図2は
一例に過ぎないことに、留意されたい。
【0010】本発明の特徴の一つは、図1及び図2に示
されるように、X軸又はX軸構造物上にY軸と平行にな
るようYc軸(補助機械軸)14cを設けたことにあ
る。本発明は、少なくとも、目標位置入力手段、移動体
方位入力手段、機械軸角度位置検出手段、Yc軸14
c、第1及び第2傾斜角検出手段、Yc軸制御手段、補
助機械軸角度位置検出手段、Az軸制御手段並びにX軸Y
軸制御手段を備える制御装置として把握できる。これら
の手段の機能の定義及び説明のため、本願にて使用する
座標系及び変数を、表1〜表6の如く定義する。また、
これらの座標系及び変数の関係を、図3に模式的に示
す。なお、以下の説明を簡明にするため、ここでは、各
軸が互いに直交していることや、水平座標系における基
準方位として真北Nを用いることを仮定するが、当業者
にとっては、これらの仮定が単なる便宜によるものであ
ることが明らかであろう。例えば、図3では真北Nを用
いているが、その代わりに磁北NM を用いてもよいし、
また、いずれの座標系も共通の原点Oを有する右手系と
しているが、左手系でもよい。更に、以下の説明では、
方位に関する変数は準拠座標系の“X□”座標軸を基準
として表し、仰角に関する変数は準拠座標系の“X□Y
□”平面を基準として表すこととしている。また、水平
真北座標系等その“X□Y□”平面が水平の座標系を
“水平座標系”と総称する。加えて、本願では、当業者
による理解の上で支障のない場面では、ロールなる語を
d 軸、X軸又はXtd軸の回りでの移動体の傾斜(角)
という意味で、またピッチなる語を、Ydh軸、Yh 軸又
はYth軸回りでの移動体の傾斜(角)という意味で使用
する。
【0011】
【表1】 座標系の定義 (a)名称 水平真北座標系X0 0 0 性質 水平面に固定された座標系 軸の定義 X0 :真北(N)方向 Y0 :X0 と直交かつ水平 Z0 :X0 及びY0 と直交 (b)名称 移動体座標系Xd d d 性質 移動体に固定された座標系 軸の定義 Xd :移動体の尖頭方向 Yd :Xd と直交、搭載面と平行 Zd :Xd 及びYd と直交 (c)名称 Az軸回転台座標系XYZ 性質 Az軸回転台に固定された座標系 軸の定義 X:X軸12の方向 Y:Y軸14の方向 Z:Az軸10の方向 (d)名称 移動体水平座標系Xdhdhdh 性質 Xd d d をXd 回りで−rd だけ回転させ、更にこの回 転の後の座標系をYdhの回りで更に−pd だけ回転させるこ とにより得られる座標系 軸の定義 Xdh:−pd 回転の前にXd であった軸 Ydh:−rd 回転の前にYd であった軸、Xdhdh面=水平 Zdh=Z0 (e)名称 アンテナ水平座標系Xh h h 性質 XYZをX回りで−rx だけ回転させ、更にこの回転の後の 座標系をYh の回りで更に−py だけ回転させることにより 得られる座標系 軸の定義 Xh :−py 回転の前にXであった軸 Yh :−rx 回転の前にYであった軸 Zh =Z0 (f)名称 目標水平座標系Xththth 性質 水平面での目標Tの方位を基準とする仮想座標系 軸の定義 Xth:水平面での目標Tの方位 Yth:水平面にありXthに直交する軸(図示せず) Zth=Z0
【0012】
【表2】 移動体の傾斜角に関する変数 ロール ピッチ 準拠座標系 摘要d d d d d d ,Ydh回りでのロール、ピッチ rx y XYZ X,Yh 回りでのロール、ピッチ rtdtd XYZ Xtd,Yth回りでのロール、ピッチ Xtdは搭載面上での目標Tの方位線 尚、これと直交する方位線をYtdと呼ぶ
【0013】
【表3】 移動体の尖頭方向に関する変数 変数名 準拠面 摘要 φxdd 搭載面 X0dを基準としたXd の方位 X0dは搭載面上のX0 対応線 φxdh 水平面 X0 を基準としたXdhの方位 φg eg.搭載面 eg.搭載面上で検出したφxdd の値
【0014】
【表4】 目標Tの方向に関する変数 方位 仰角 準拠座標系 摘要 φth εth0 0 0 既知の場合 φtvh εtvh 0 0 0 ステップトラックにて獲得した場合 φtbd d d d d を基準としたXtdの方位 φtbh dhdhdhdhを基準としたXthの方位
【0015】
【表5】 アンテナビームAの方向に関する変数 方位 準拠座標系 摘要 φxbd d d d X軸12のベアリング角 φxbddetd d d 搭載面上で検出したφxbd の値 φxbh dhdhdh 水平面上でφxbd に相当する値 Δφxtd d d d =φxbd −φtbd 搭載面における方位追尾誤差 Δφxth dhdhdh =φxbh −φtbh 水平面における方位追尾誤差
【0016】
【表6】 各機械軸の状態変数及び制御変数 Az軸10 X軸12 Y軸14 Yc軸14c 摘要 φxbd x y yc 角度位置 φxbddetdet det ycdet 角度位置検出値 Δφxtd Δθx Δθy Δθyc 制御用誤差信号
【0017】本発明においては、まず、目標位置入力手
段によってφth及びεthが入力される。目標位置入力手
段は、例えば、外部からキーボード操作等により与えら
れるφth及び/又はεthを保持記憶する部材にて実現で
きる。目標位置入力手段は、また、φth及び/又はεth
が未知であるときにそれを探索する目標位置探索手段及
び探索により獲得したφth及び/又はεthを始点として
試行錯誤的な追尾を実行するステップトラック手段を有
する構成としても、実現できる。目標位置探索手段は、
指向性アンテナによる目標からの信号の受信状態が所定
水準を上回るまで、漸次更新しながら、φth及び/又は
εthとして仮想値φtvh 及び/又はεtv h を入力する。
従って、φth及び/又はεthが全く不明であるときで
も、目標の位置( φtvh 及び/又はεtvh ) を知ること
ができる。また、ステップトラック手段は、指向性アン
テナによる目標からの信号の受信状態が所定水準を上回
ったときのφtvh 及び/又はεtvh を始点としてφtvh
及び/又はεtvh を試行錯誤的にかつ微小角ずつ更新し
ながら、φth及び/又はεthとしてφtvh 及び/又はε
tvh を入力する。従って、受信品質がより良好になる方
向にφtvh 及び/又はεtvh を更新でき、真のφth/ε
thに接近到達できる。なお、“指向性アンテナによる目
標からの信号の受信状態が所定水準を上回”っているか
否かは、指向性アンテナの受信信号(又はこれを増幅、
周波数変換等した信号)のレベルの測定値のしきい値判
定、特定周波数帯域における受信信号の信号電力対雑音
電力比C/Noの測定値のしきい値判定、或いは復調部が受
信信号の周波数、位相等に同期したことを示す復調部か
らの同期信号の有無の判定等により、検出することがで
きる。このような探索及びステップトラックを傾斜時で
も実行することにより、初期的に目標位置が与えられて
いないときでも、あるいは何等かの理由で目標の位置を
見失ったときでも、目標の追尾及びアンテナの安定化を
迅速に開始できかつ高い追尾精度を実現できる。
【0018】また、移動体方位入力手段は、φxdh と見
なし又はこれに変換することが可能な移動体方位データ
(例えばφxdd )を入力し、機械軸角度位置検出手段
は、φxbd 、x及びyを検出し、第1及び第2傾斜角検
出手段は、Δxlevel 及びΔyclevel を検出する。第
1傾斜角検出手段は、例えば、X軸12又はX軸構造物
に固定するか、さもなくばYc軸14c又はYc軸構造
物に固定しておき、X軸12の水準からの傾きΔx
level を検出するために用いる。第2傾斜角検出手段
は、Yc軸14c又はYc軸構造物に固定しておき、Y
c軸14cの水準からの傾きΔyclevel を検出するた
めに用いる。更に、補助機械軸角度位置検出手段は、Y
c軸14cの角度位置ycを検出する。本発明では、後
述のようにΔxle vel に基づきX軸ヌル制御を行ってい
るため、機械軸角度位置検出手段にて得られるxの検出
値xdet からΔxlevelを減算(符号の取り方によって
は加算)した値は、X軸線回りの移動体の水準からの横
傾斜角たるロール角rx と見なし得る値になる。更に、
本発明においては、Yc軸制御手段が、Δyclevel
示すYc軸制御信号Δθycを生成し、生成したΔθyc
基づきYc軸14cにΔyclevel を補償する方向の回
転を付与するという手順で、Yc軸ヌル制御を行ってい
るため、補助機械軸角度位置検出手段にて得られるy
det からΔyclevel を減算(符号の取り方によっては
加算)した値は、X軸線回りの移動体の水準からの縦傾
斜角たるピッチ角py と見なしうる値になる。従って、
これらの手段により実行される入力処理を式にて表す
と、次のようになる。なお、移動体方位入力手段は、φ
g を出力する航法装置例えばジャイロコンパス、磁気コ
ンパス、慣性航法装置、電波航法装置や、この種の装置
から信号を入力する処理部材にて実現できる。機械軸角
度位置検出手段及び補助機械軸角度位置検出手段は、Az
軸10、X軸12、Y軸14及びYc軸14c各々に付
設された角度センサ例えばポテンショメータや、この種
のセンサから信号を入力する処理部材にて実現できる。
第1及び第2傾斜角検出手段は、例えば振動ジャイロと
振り子式傾斜計の組合せ又は加速度計や、この種のセン
サから信号を入力する処理部材にて実現できる。
【0019】
【数1】 φxdd =φg …移動体方位検出 φxbd =φxbddet …ベアリング角検出 Δxlevel =Δxlevel …X軸の水準からの傾きの検出 y =ydet …Y軸14角度位置検出 yc =ycdet …Yc軸14c角度位置検出 rx =xdet −Δxlevel …X軸回りのロール角検出 py =ycdet −Δyclevel …Yh 軸回りのピッチ角検出
【0020】これらの式中、添字det を有する変数並び
にφg 、Δxlevel 及びΔycleve l は入力値例えば航
法装置やセンサの出力である。また、これらの式では、
移動体方位データとしてφxdd に相当するφg を入力す
るものとしているが、φxddではなくφxdh に相当する
データや、あるいはそれ以外のデータ(但し移動体の進
行方位を直接又は間接に示すデータに限る)を入力して
もよい。例えば、方位が1/6度増減する度にパルスを
生成するタイプの方位データでもよい。移動体方位デー
タとしてどのようなデータを入力できるか、また入力に
際してどの様な変換処理を施せばよいか等は、移動体方
位データを与える装置(例えばジャイロコンパスや航法
装置)の構造や出力形式により定まる。
【0021】更に、Az軸制御手段は、φth及び移動体方
位データに基づきφtbh を求め、φxbd 、 x 及びpy
に基づきφxbh を求め、Δφxtd を示すAz軸制御用誤差
信号を生成し、生成したAz軸制御用誤差信号に基づきAz
軸10にΔφxtd を補償する方向の回転を付与すること
により、指向性アンテナのビームにて目標をその方位に
関し追尾させる。移動体方位データとしてφxdd を入力
する例でのAz軸制御手段における演算の一例を、次式に
示す。なお、本願では、cos を演算子c、sinを演算子
s、tan を演算子tにて各々表す。
【0022】
【数2】 rd =s-1(spy ・crx ・sφxbd −srx ・sφxbd ) pd =t-1{(srx ・sφxbd +spy ・crx ・cφxbd ) /(crx ・cpy )} φxdh =t-1{(sφxdd ・crd ) /(cφxdd ・cpd −sφxdd ・srd ・spd )} φtbh =φth−φxdh φxbh =t-1{sφxbd ・cpy /(crx ・cφxbd −srx ・spy ・sφxbd )} Δφxth =φxbh −φtbh Δφxtd =t-1{sΔφxth ・cpy /(cΔφxth ・crx +sΔφxth ・srx ・spy )}
【0023】そして、X軸Y軸制御手段は、X軸制御用
誤差信号及びY軸制御用誤差信号を生成する。即ち、X
軸Y軸制御手段は、Δxlevel を示すX軸制御用誤差信
号と、少なくともpy に基づき求めたyの誤差Δθy
示すY軸制御用誤差信号とを生成し、生成したX軸制御
用誤差信号に基づきX軸12にΔxlevel を0にする方
向の回転を付与することにより(X軸ヌル制御)、指向
性アンテナを移動体のX軸回りの動揺に対抗して安定化
し、生成したY軸制御用誤差信号に基づきY軸14にΔ
θy を補償する方向の回転を付与することにより、ビー
ムにて目標をその仰角に関し追尾させかつ指向性アンテ
ナを移動体のY軸回りの動揺に対抗して安定化する。こ
こで、X軸Y軸制御手段における演算の一例を次式に示
す。なお、Δθy の式では、yの誤差をΔθy としこれ
をY軸制御用誤差信号としているが、仰角誤差を0に漸
近させるようY軸14を制御してもよい。また、Δθy
の式にπ/2が現れているのは、俯角に換算するためで
ある。更に、Δφxtd に代えΔφxth を近似値として方
位追尾に使用することもできる。
【0024】
【数3】 Δθx =Δxlevel …X軸回り動揺補償 Δθy =y−(π/2−εth−py ) …仰角追尾+Y軸回り動揺補償
【0025】このように、本発明によれば、移動体座標
系と水平座標系との間での座標変換を行ない良質の制御
誤差信号特にAz軸制御用誤差信号を得ているため方位追
尾誤差が小さくなる。更に、本発明においては、移動体
方位データ(例えばφxbd )を移動体水平座標系での値
φxdh へ変換し又はこれと見なし、更に移動体水平座標
系における方位追尾誤差が抑制されるようφxdh に基づ
き(より具体的にはΔφxtd 又はΔφxth を用いて)、
Az軸10に回転を付与している。このようにしてAz軸1
0に係る制御を行いつつステップトラックによる目標追
尾を行っているため、本発明によれば、目標の相対方位
φxbd がダイナミックに変動する現実の環境下で良好な
追尾を実行できる。
【0026】また、X軸ヌル制御及びYc軸ヌル制御を
行っておりセンサ特性の線形領域のみを利用できるた
め、Δxlevel やΔyclevel を検出するセンサの線形
性は広範囲に亘り良好である必要はないから、安価なセ
ンサを利用できる。更に、φxd d を示す移動体方位デー
タを入力しているときでも、Az軸制御手段にて、
φxbd、rx 及びpy に基づきrd 及びpd を求めこの
d 及びpd に基づき移動体方位データをφxdh に変換
し、その結果をφtbh の導出に用いるようにすれば、更
に正確な制御を実現できる。加えて、py を利用してΔ
θy を生成することにより、Az軸回りでの正確な制御と
併せ、目標追尾誤差を向上させることができる。
【0027】なお、本発明は、「制御装置」としてのみ
でなく、「制御方法」「三軸指向性アンテナ装置」等と
しても把握できる。これらのカテゴリへの書換えは、当
業者には容易であろう。
【0028】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
関し図面に基づき説明する。なお、発明の概要の欄で定
義した座標系、変数及びそれらの符号に関しては、以下
の説明でも引き続き使用する。また、以下の説明でも、
便宜上、図1又は図2に示したマウントを想定する。
【0029】本発明の一実施形態に係る装置の構成を図
4に示す。この実施形態では、ビームAを有するパラボ
ラアンテナ16が、目標に信号を送信しまた目標から信
号を受信するための送受信アンテナとして使用されてい
る。但し、パラボラアンテナ16以外のアンテナを使用
してもよいし、送受信アンテナとしてではなく受信アン
テナとして使用してもよい。ダイプレクサ18はパラボ
ラアンテナ16を送受信共用化する手段であり、図示し
ない送信機から供給される送信信号をパラボラアンテナ
16に供給する機能及びパラボラアンテナ16による受
信信号を増幅・周波数変換回路20に供給する機能を有
している。増幅・周波数変換回路20は、受信信号を増
幅し、また無線周波数からより低い中間周波数へと周波
数変換する。増幅及び周波数変換を経た受信信号は、中
間周波数増幅器22により増幅された後、復調部24に
供給される。復調部24は、供給を受けた受信信号から
データを復調し、図示しない後段の回路に供給する。復
調部24は、更に、受信信号のレベルを示す受信レベル
信号を出力し、また、内蔵する同期回路が受信信号の周
波数、位相等に同期したときそのことを示す同期検出信
号を出力する。
【0030】パラボラアンテナ16は、Az軸10、X軸
12及びY軸14を有するAz- X-Yマウントによっ
て、移動体上に支持されている。このマウントは、更
に、パラボラアンテナ16の支持には関わっていない補
助機械軸であるYc軸14cを有している。図中、符号
28、30、32及び32cで示されているのはAz軸構
造物、X軸構造物、Y軸構造物及びYc軸構造物であ
る。これらの構造物28、30、32及び32cには、
各軸のフレーム(又はジンバル)、モータ等、対応する
軸に回転が付与されるとこれに伴い回転する各種の部材
が含まれ得る。またAz軸構造物28をAz軸回転台とも呼
ぶ。Az軸10、X軸12、Y軸14及びYc軸14cに
は、各々、Az軸モータ34、X軸モータ36、Y軸モー
タ38及びYc軸モータ38cによって、回転が付与さ
れる。3軸演算制御回路40は、各々Az軸制御用誤差信
号、X軸制御用誤差信号、Y軸制御用誤差信号又はYc
軸制御用誤差信号であるΔφxtd 、Δθx 、Δθy 及び
Δθycを、Az軸モータ駆動回路42、X軸モータ駆動回
路44、Y軸モータ駆動回路46及びYc軸モータ駆動
回路46cのうち対応するものに供給し、Az軸モータ駆
動回路42、X軸モータ駆動回路44、Y軸モータ駆動
回路46及びYc軸モータ駆動回路46cは、各々、Δ
φxtd 、Δθx 、Δθy 及びΔθycのうち対応するもの
に基づき、モータ34、36、38及び38cのうち対
応するものを駆動する。そのため、本実施形態では、Az
軸10、X軸12、Y軸14及びYc軸14c又はこれ
に対応する構造物28、30、32若しくは32cに、
それぞれφxbddet、xdet 、ydet 又はycdet を検出
して3軸演算制御回路40に供給するポテンショメータ
48、50、52及び52cが搭載されている。また、
この実施形態はYc軸14c又はYc軸構造物32cに
搭載される2個の動揺検出器54及び56を用いてお
り、そのうち動揺検出器54はΔxlevel を検出し、検
出したΔxlevel を3軸演算制御回路40に供給してい
る。この動揺検出器54は、X軸12又はX軸構造物3
0上に設けてもよい。また、動揺検出器56は、Δyc
det を検出し3軸演算制御回路40に供給している。更
に、3軸演算制御回路40は、φxbddet等に基づき算出
したΔφxtd をAz軸制御用誤差信号としてAz軸モータ駆
動回路42に、またydet 等に基づき算出したΔθy
Y軸制御用誤差信号としてY軸モータ駆動回路46に、
それぞれ供給している。
【0031】本実施形態では、3軸演算制御回路40
は、Δxlevel を打ち消すべくΔθxを発生させ、X軸
モータ駆動回路44に供給する(X軸ヌル制御)一方
で、Δyclevel を打ち消すべくΔθycを発生させ、Y
c軸モータ駆動回路46cに供給する(Yc軸ヌル制
御)。従って、本実施形態においては、ポテンショメー
タ50から得られるxdetと動揺検出器54から得られ
るΔxlevelとの差を実質的にrx として扱うことがで
き、また、ポテンショメータ52cから得られるycde
tと動揺検出器56から得られるΔyclevelとの差を実
質的にpy として扱うことができる。本実施形態では、
このような方法によってX軸12回りでの動揺補償並び
にrx 及びpy の検出を行い、検出されたrx 及びpy
を後述のようにAz軸制御用誤差信号の生成にも利用して
いるため、信頼性の高いAz軸制御用誤差信号を得ること
ができる。更に、動揺検出器54及び56の特性の中で
も線形の領域のみを使用でき、従って線形性がさほど良
好でない動揺検出器を使用できる等の利点がある。
【0032】移動体は、更に、φg を3軸演算制御回路
40に提供する装置、例えば各種の航法装置、コンパス
類を搭載している。図4では、かかる装置として、ジャ
イロコンパス26が示されている。図5に、ジャイロコ
ンパス26の一例構成を示す。この図のジャイロコンパ
ス26は、Az軸58、X軸62及びY軸66を有してお
り、また、アンテナマウントのAz軸10と同じ搭載面上
にAz軸58にて追従環60を回転可能に支持し、追従環
60上にX軸62にて外ジンバル64を回転可能に支持
し、外ジンバル64上にY軸66にて内ジンバル68を
回転可能に支持し、そして内ジンバル68の内側に回転
するロータ70を配置した構成を有している。このよう
なジャイロコンパスではロータ70は真北方向を向く。
従って、ジャイロコンパス26から3軸演算制御回路4
0に与えられているφg は、ロータ70の回転軸の向き
と移動体の進行方向との差φxdd に相当している。ここ
では、φg が、実用上問題のない精度で、真のφxdd
一致しているものとする。
【0033】図6に、本実施形態における3軸演算制御
回路40の機能構成を示す。なお、この図はブロック図
として作成されているが、これは機能説明の便宜による
ものであり、本発明をソフトウエア的に実施できないこ
とを意味するものではない。
【0034】本実施形態に係る3軸演算制御回路40
は、φth及びεthを入力する目標位置入力部100を備
えている。目標位置入力部100は、図示しない回路に
より外部から入力されるφth及びεthをその内部に保持
記憶する。目標位置入力部100は、目標位置探索部1
02及びステップトラック部104を有している。目標
位置探索部102は、電源投入後まだ外部からφth及び
εthが与えられていないとき等、目標Tの位置が不明な
ときに、復調部24からの受信レベル信号や同期検出信
号を利用して、目標Tからの受信信号品質が所定水準を
上回るに至るφth及びεthを探索する。即ち、十分な受
信レベルが得られるまで或いは復調部24が受信信号に
同期するまでの間、φth及びεthの仮想値であるφtvh
及びεtvhを徐変させこれをφth及びεthとして後段に
供給することにより、目標の位置を探索する。φtvh
びεtvh を徐変させるには、例えば、後段に供給すべき
φtv h 及びεtvh 各々を記憶するレジスタ上の値に微小
値を加算していく等の方法を用いればよい。目標Tの位
置探索に際しては、統計処理のため、上述のデータを時
間軸に沿って複数組使用するのが好ましい。探索終了時
のφtvh 及びεtvh は、真のφth及びεthと見なすこと
ができる。また、ステップトラック部104は、φth
びεthの入力又は探索の後、φtvh 及びεtvh を試行錯
誤的に徐変させることにより、信号受信品質が向上する
ようなφtvh 及びεtvh の変化方向を検出し、その方向
にφtvh 及びεtvh を徐変させる。なお、信号受信品質
を検出評価する方法やφtvh 及びεtvh を徐変させる方
法については、探索におけるそれらと同一乃至類似の方
法を用いることができる。
【0035】本実施形態における3軸演算制御回路40
は、更に、φg を入力しφxdd として後段に供給する移
動体方位入力部106、Δxlevel 及びΔyclevel
びにxdet 及びycdet を入力し X軸ヌル制御のため
のΔθx 並びにrx 及びpyを後段に出力する移動体傾
斜角入力部108、並びにφxbddet及びydet を入力し
これらをそれぞれφxbd 及びyとして後段に出力する機
械軸角度位置入力部110を備えている。3軸演算制御
回路40は、更に、Az軸制御部112及びX軸Y軸制御
部114を備えている。Az軸制御部112はφth、φ
xdd 、rx 、py及びφxbd を入力し、これらに基づき
Δφxtd を生成し出力する。X軸Y軸制御部114は、
y 、εth及びyに基づきΔθy を生成し出力する一方
でΔθx を入出力する。これらの部材の機能に関して
は、発明の概要の欄の記載を参照されたし。なお、Δφ
xth をΔφxtd に代え制御用誤差信号としてもよい。
【0036】このような構成、特にAz軸制御部112に
て実行されるAz軸制御用誤差信号の生成手順により、前
述した各種の利点を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明を適用できるアンテナマウントの一例
構成を示す軸構成図である。
【図2】 本発明を適用できるアンテナマウントの他の
一例構成を示す軸構成図である。
【図3】 本発明の原理を説明するための座標関係図で
ある。
【図4】 本発明の一実施形態に係る装置の構成を示す
ブロック図である。
【図5】 この実施形態にて使用できるジャイロコンパ
スの一例構成を示す軸構成図である。
【図6】 この実施形態における3軸演算制御回路の機
能構成を示すブロック図である。
【図7】 従来における方位追尾誤差の問題を明らかに
するため発明者が行ったシミュレーションの結果を示す
図である。
【符号の説明】
A アンテナビーム、T 目標、Xtd,Xth 目標Tの
方位線、X0 0 0水平真北座標系、Xd d d
移動体座標系、XYZ Az軸回転台座標系、Xdhdh
dh 移動体水平座標系、Xh h h アンテナ水平座
標系、rd ,rx ,rtd ロール、pd ,py ,ptd
ピッチ、φxdd ,φg ,φxdh 移動体方位、φth,φ
tvh ,φtbd ,φtbh 目標の方位、εth,εtvh
標の仰角、φxbd ,φxbddet,φxbh X軸のベアリン
グ角、Δφxtd ,Δφxth 方位追尾誤差、x,y,y
c,xdet ,ydet ,ycdet X,Y,Yc軸の角度
位置、Δxlevel X軸の水準からの傾斜角、Δyc
level Yc軸の水準からの傾斜角、Δφxtd ,Δ
θx ,Δθy ,Δθyc 各機械軸の制御用誤差信号、1
0 Az軸、12 X軸、14 Y軸、14c Yc軸、
16 パラボラアンテナ、24 復調部、26 ジャイ
ロコンパス、28 Az軸構造物(回転台)、30X軸構
造物、32 Y軸構造物、32c Yc軸構造物、34
Az軸モータ、36 X軸モータ、38 Y軸モータ、
38c Yc軸モータ、40 3軸演算制御回路、42
Az軸モータ駆動回路、44 X軸モータ駆動回路、4
6 Y軸モータ駆動回路、46c Yc軸モータ駆動回
路、48,50,52,52cポテンショメータ、5
4,56 動揺検出器、100 目標位置入力部、10
2目標位置探索部、104 ステップトラック部、10
6 移動体方位入力部、108 移動体傾斜角入力部、
110 機械軸角度位置入力部、112 Az軸制御部、
114 X軸Y軸制御部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01S 3/00 - 3/72 H01Q 3/00 - 3/20

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 移動体非傾斜時に鉛直上方向を向くよう
    移動体に配設されたAz軸、移動体非傾斜時に水平になる
    よう上記Az軸上に配設されたX軸、及び上記X軸に直交
    するよう上記X軸上に配設され指向性アンテナを支持す
    るY軸を有するアンテナマウントにて、使用される制御
    装置であって、水平座標系における目標の方位φth及び
    仰角εthを入力する目標位置入力手段と、水平座標系に
    おける移動体の方位φxdh と見なし又はφxdh に変換す
    ることが可能な移動体方位データを入力する移動体方位
    入力手段と、Az軸、X軸及びY軸各々の角度位置
    φxbd、x及びyを検出する機械軸角度位置検出手段
    と、を備える制御装置において、 X軸又はX軸構造物上にY軸と平行になるよう設けられ
    たYc軸と、 X軸又はX軸構造物に固定され、X軸の水準からの傾き
    Δxlevel を検出する第1傾斜角検出手段と、 Yc軸又はYc軸構造物に固定され、Yc軸の水準から
    の傾きΔyclevel を検出する第2傾斜角検出手段と、 Δyclevel を示すYc軸制御信号を生成し、生成した
    Yc軸制御信号に基づきYc軸にΔyclevel を補償す
    る方向の回転を付与することにより、Δycle vel に基
    づくYc軸ヌル制御を行うYc軸制御手段と、 Yc軸の角度位置ycを検出する補助機械軸角度位置検
    出手段と、 xとΔxlevel との差又は和をX軸線回りの水準からの
    移動体の横傾斜角たるロール角rx とみなしまたycと
    Δyclevel との差又は和をX軸線方向の水準からの移
    動体の縦傾斜角たるピッチ角py と見なした上で、φth
    及び上記移動体方位データに基づき水平座標系における
    上記目標の相対方位φtbh を求め、φxb d 、rx 及びp
    y に基づき水平座標系におけるAz軸の仮想的な角度位置
    φxbh を求め、φtbh に対するφxbh の誤差Δφxth
    らAz軸の制御誤差Δφxtd を示すAz軸制御用誤差信号を
    生成し、生成したAz軸制御用誤差信号に基づきAz軸にΔ
    φx td を補償する方向の回転を付与することにより、上
    記指向性アンテナのビームにて上記目標をその方位に関
    し追尾させるAz軸制御手段と、 Δxlevel を示すX軸制御用誤差信号と少なくともpy
    に基づき求めたyの誤差Δθy を示すY軸制御用誤差信
    号とを生成し、生成したX軸制御用誤差信号に基づきX
    軸にΔxlevel を補償する方向の回転を付与することに
    より、Δxleve l に基づくX軸ヌル制御を行い上記指向
    性アンテナを上記移動体のX軸回りの動揺に対抗して安
    定化し、生成したY軸制御用誤差信号に基づきY軸にΔ
    θy を補償する方向の回転を付与することにより、上記
    ビームにて上記目標をその仰角に関し追尾させかつ上記
    指向性アンテナを上記移動体のY軸回りの動揺に対抗し
    て安定化するX軸Y軸制御手段と、 を備えることを特徴とする制御装置。
  2. 【請求項2】 移動体非傾斜時に鉛直上方向を向くよう
    移動体に配設されたAz軸、移動体非傾斜時に水平になる
    よう上記Az軸上に配設されたX軸、及び上記X軸に直交
    するよう上記X軸上に配設され指向性アンテナを支持す
    るY軸を有するアンテナマウントにて、使用される制御
    装置であって、水平座標系における目標の方位φth及び
    仰角εthを入力する目標位置入力手段と、水平座標系に
    おける移動体の方位φxdh と見なし又はφxdh に変換す
    ることが可能な移動体方位データを入力する移動体方位
    入力手段と、Az軸、X軸及びY軸各々の角度位置
    φxbd、x及びyを検出する機械軸角度位置検出手段
    と、を備える制御装置において、 X軸又はX軸構造物上にY軸と平行になるよう設けられ
    たYc軸と、 共にYc軸又はYc軸構造物に固定され、それぞれX軸
    の水準からの傾きΔxlevel 及びYc軸の水準からの傾
    きΔyclevel を検出する第1及び第2傾斜角検出手段
    と、 Δyclevel を示すYc軸制御信号を生成し、生成した
    Yc軸制御信号に基づきYc軸にΔyclevel を補償す
    る方向の回転を付与することにより、Δycle vel に基
    づくYc軸ヌル制御を行うYc軸制御手段と、 Yc軸の角度位置ycを検出する補助機械軸角度位置検
    出手段と、 xとΔxlevel との差又は和をX軸線回りの水準からの
    移動体の横傾斜角たるロール角rx とみなしまたycと
    Δyclevel との差又は和をX軸線方向の水準からの移
    動体の縦傾斜角たるピッチ角py と見なした上で、φth
    及び上記移動体方位データに基づき水平座標系における
    上記目標の相対方位φtbh を求め、φxb d 、rx 及びp
    y に基づき水平座標系におけるAz軸の仮想的な角度位置
    φxbh を求め、φtbh に対するφxbh の誤差Δφxth
    らAz軸の制御誤差Δφxtd を示すAz軸制御用誤差信号を
    生成し、生成したAz軸制御用誤差信号に基づきAz軸にΔ
    φx td を補償する方向の回転を付与することにより、上
    記指向性アンテナのビームにて上記目標をその方位に関
    し追尾させるAz軸制御手段と、 Δxlevel を示すX軸制御用誤差信号と少なくともpy
    に基づき求めたyの誤差Δθy を示すY軸制御用誤差信
    号とを生成し、生成したX軸制御用誤差信号に基づきX
    軸にΔxlevel を補償する方向の回転を付与することに
    より、Δxleve l に基づくX軸ヌル制御を行い上記指向
    性アンテナを上記移動体のX軸回りの動揺に対抗して安
    定化し、生成したY軸制御用誤差信号に基づきY軸にΔ
    θy を補償する方向の回転を付与することにより、上記
    ビームにて上記目標をその仰角に関し追尾させかつ上記
    指向性アンテナを上記移動体のY軸回りの動揺に対抗し
    て安定化するX軸Y軸制御手段と、 を備えることを特徴とする制御装置。
  3. 【請求項3】 移動体方位入力手段にて入力される移動
    体方位データが、水平面を移動体の傾斜に応じ傾斜させ
    た面における移動体の方位φxdd を示すデータであり、
    Az軸制御手段が、φxbd 、rx 及びpy に基づき移動体
    座標系における移動体のロール角rd 及びピッチ角pd
    を求め、rd 及びpd に基づき移動体方位データをφ
    xdh に変換し、その結果をφtbh の導出に用いることを
    特徴とする請求項1又は2記載の制御装置。
  4. 【請求項4】 上記目標位置入力手段が、 上記指向性アンテナによる上記目標からの信号の受信状
    態が所定水準を上回るまで、漸次更新しながら、φth
    び/又はεthとして仮想値φtvh 及び/又はεtvh を入
    力する目標位置探索手段と、 上記指向性アンテナによる上記目標からの信号の受信状
    態が所定水準を上回ったときのφtvh 及び/又はεtvh
    を始点としてφtvh 及び/又はεtvh を試行錯誤的にか
    つ微小角ずつ更新しながら、φth及び/又はεthとして
    φtvh 及び/又はεtvh を入力するステップトラック手
    段と、 を備えることを特徴とする請求項1乃至3記載の制御装
    置。
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