JP3348835B2 - アンテナ指向制御システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大気圏内を移動す
る物体を追尾する地上アンテナの指向制御に関わるアン
テナ指向制御システムに関し、特に、成層圏無線通信シ
ステムにおける中継機能を備えた飛行船に対して正確に
地上アンテナを指向させることができるアンテナ指向制
御システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】地上から２００ｋｍ程度の上空に無線中
継機能を備えた飛行船を配置し、飛行船を介して地上通
信局同士が通信を行う成層圏無線通信システムが開発さ
れている。飛行船は管制局によって一定位置に停留する
ように制御されるが、風等の影響で、飛行船の位置が変
動することは避けられない。そこで、通信局におけるア
ンテナを飛行船に追尾させるアンテナ指向制御を行う必
要がある。

【０００３】一般的なアンテナ追尾方式として、追尾対
象から一定の電力で送信されてくる電波を受信し、アン
テナの指向方向を変化させて受信電力が最大になる方向
を検出することによって追尾を実現するステップトラッ
ク方式がある。他の方式として、アンテナの主軸が追尾
対象を正確に向いているときには高次モードが発生しな
いことを利用して、受信電波の高次モードを検出するこ
とによってアンテナ指向方向のずれを検出し、ずれがな
くなるように制御する高次モード方式がある。

【０００４】また、カセグレンアンテナにおいて副反射
鏡を指向軸を中心として回転させ、円錐状にビームを走
査して得られる受信電力の変化を検出し、追尾対象の方
向を特定するコニカルスキャン方式等も知られている。

【０００５】しかし、ステップトラック方式には、受信
電力を検出してアンテナ指向制御を行うために、構成は
さほど複雑にはならないが追尾速度を高くすることがで
きないという課題がある。また、追尾対象を見失うと再
捕捉するまでの時間が長くなるという課題がある。高次
モード方式は、低雑音かつ高能率に構成することがで
き、また、高速な追尾を行うことができるが、高次モー
ドを検出するための回路が複雑になるという課題があ
る。コニカルスキャン方式も、高速な追尾を行うことが
できるが、副反射鏡を回転させることが必要であり、機
構系が複雑になるという課題がある。

【０００６】特開平１０−２０９９３３号公報に記載さ
れているように、大気圏を移動する物体を追尾するアン
テナ追尾方式として、ＧＰＳ衛星からの信号を利用する
方式がある。その方式では、大気圏を移動する物体がＧ
ＰＳ衛星からの信号を受信して自位置を検出し、自位置
を示す信号を地上局に送信する。地上局は、移動物体の
位置を示す信号にもとづいて、アンテナ指向方向を算出
する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ＧＰＳ衛星からの信号
を利用したアンテナ指向制御方式では、ステップトラッ
ク方式、高次モード方式、コニカルスキャン方式または
その他の一般的な追尾方式を用いないので、アンテナ追
尾制御のためのハードウェア構成が簡略化されるメリッ
トがある。しかし、ＧＰＳ衛星からの信号を用いた位置
検出には誤差が含まれる。従って、特開平１０−２０９
９３３号公報に記載されているような数ｍ程度の誤差は
さほど問題とはならないシステムでは有用であるが、高
品位の無線通信を行うためにより高精度の追尾を行うに
は限界がある。

【０００８】そこで、本発明は、大気圏内を移動する物
体を追尾するアンテナ指向制御システムであって、簡易
な構成で、より高精度の追尾を行うことができるアンテ
ナ指向制御システムを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によるアンテナ指
向制御システムは、被追尾対象からのＧＰＳデータによ
って被追尾対象の位置を認識する位置認識手段と、位置
認識手段によって被追尾対象がアンテナから遠くに位置
していることが認識されるとＧＰＳデータで認識された
位置にアンテナを指向させ、位置認識手段によって被追
尾対象がアンテナから近くに位置していることが認識さ
れると、被追尾対象からの所定の電波の受信電力にもと
づいて被追尾対象にアンテナを指向させるアンテナ駆動
手段と、アンテナの過去の追尾角変化から被追尾対象の
将来の位置を予測し、ＧＰＳデータが得られなくなると
予測位置をアンテナ駆動手段に与える位置予測手段とを
備える。

【００１０】アンテナ駆動手段は、ＧＰＳデータで認識
された被追尾対象の位置があらかじめ定められた指向誤
差を越えるようになるとアンテナを駆動するように構成
されていてもよい。ここで、あらかじめ定められた指向
誤差とは、それを越えると通信品質が維持できなくなる
ような量である。

【００１１】アンテナ駆動手段は、被追尾対象がアンテ
ナから近くに位置しているときには、ステップトラック
方式によって被追尾対象にアンテナを指向させる構成で
あってもよい。

【００１２】位置認識手段は、アンテナの仰角が所定値
よりも小さくなる場合に被追尾対象がアンテナから遠く
に位置していると認識し、アンテナの仰角が所定値以上
になる場合に被追尾対象がアンテナから近くに位置して
いると認識するように構成される。なお、所定値とは、
仰角がその値以上になるとステップトラック方式等によ
る追尾を行った方が追尾精度がよくなると判断される値
であり、使用システムに応じて設定されるべき値であ
る。

【００１３】

【００１４】位置予測手段は、被追尾対象の移動軌跡の
平均変化率から被追尾対象の将来の位置を予測するよう
に構成される。

【００１５】位置予測手段は、被追尾対象の３方向
（ｘ，ｙ，ｚ方向）の移動軌跡にもとづいて被追尾対象
の将来の位置を予測するように構成されていてもよい。
その場合、３次元方向のそれぞれについて移動軌跡を解
析することができるので、解析処理が容易になる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明によるアンテナ指
向制御システムの一実施形態を示す説明図である。図１
において、飛行船１は成層圏に滞在している。そして、
飛行船１には、通信局３と通信を行うためのアンテナ１
１と、ＧＰＳデータを送信するための無指向性のアンテ
ナ１２とが設置されている。

【００１７】飛行船管制局２は、飛行船１から送信され
るＧＰＳデータを無指向性のアンテナ２１を介して受信
し、飛行船１の位置制御等を行う。通信局３は、飛行船
１の中継機能を利用して他の通信局等と無線通信を行
う。従って、その通信ための指向性のアンテナ３１を有
する。また、この実施の形態では、通信局３には、飛行
船１から送信されるＧＰＳデータを受信するための無指
向性のアンテナ３２が設けられている。なお、通信局３
と飛行船管制局２とは、通信回線４を介して情報のやり
とりを行うことができる。

【００１８】図２は、通信局の一構成例を示すブロック
図である。図２に示す例では、通信局３は、アンテナ３
１を介して受信した信号の周波数変換や復調を行うとと
もに変調や周波数変換等の処理を行ってアンテナ３１に
送信信号を出力する送受信装置３３、および、端末側の
回線から信号を受信するとともに送受信装置３３からの
信号を端末側に送信する端局系装置３４を備えている。

【００１９】また、アンテナ指向制御を行うために、追
尾装置３５と駆動装置３６とが備えられている。追尾装
置３５は、アンテナ３２を介してＧＰＳデータを受信す
るとともに、飛行船１から一定電力で送られてくる信号
をアンテナ３１を介して受信し、各信号にもとづいて、
アンテナ３１が飛行船を指向するように駆動装置３６に
駆動信号を与える。駆動装置３６は、追尾装置３５から
の駆動信号に応じて、アンテナ３１を回転させるモータ
等を駆動する。

【００２０】図３は、追尾装置３５の一構成例を示すブ
ロック図である。図３に示す例では、追尾装置３５は、
アンテナ３２を介して飛行船１からのＧＰＳデータを受
信するＧＰＳ信号受信部３５１、受信されたＧＰＳデー
タにもとづいて飛行船１の方位および飛行船１への仰角
を算出する演算部３５２、飛行船１から一定電力で送ら
れてくる信号（追尾信号）の受信電力を算出する受信電
力算出部３５３、および演算部３５３の演算結果と受信
電力算出部３５３の算出値を導入してアンテナ３１を駆
動するための駆動信号を生成する駆動量出力部３５４を
有している。

【００２１】次に、図４および図５の説明図を参照して
動作を説明する。飛行船１は、ＧＰＳ衛星からの信号を
受信する機能を備え、ＧＰＳ衛星からの各信号にもとづ
いて自身の位置を求める。また、プロペラ等の推進装置
を有する。そして、自位置の３次元の座標データ（ｘ，
ｙ，ｚ）をＧＰＳデータとしてアンテナ１２から常時送
信している。飛行船管制局２は、アンテナ２１を介して
ＧＰＳデータを受信し、飛行船１が規定位置からはずれ
たら、ずれの補正を指示する信号を出力する。飛行船１
は、補正指示信号に応じて推進装置を駆動する。なお、
飛行船１が規定位置からのずれを検出して自律的にずれ
を補正するようにしてもよい。

【００２２】飛行船１が風等の影響で移動すると、アン
テナ３１から見た飛行船１の仰角が変化する。また、飛
行船１の移動方向がそのときのアンテナ３１の方位角と
ずれている場合には、飛行船１の移動によって方位角も
変化する。そして、飛行船１が遠くにあるほど、追尾角
度偏差（方位角および仰角の偏差）は小さい。例えば、
図４に示すように、飛行船１の移動間隔が等しくても、
ビーム５１からビーム５２に移る場合の追尾角偏差は、
ビーム５２からビーム５３へ移る場合のビーム追尾角偏
差よりも小さい。逆に、追尾角偏差が同じでも、飛行船
１が遠くにあるほど飛行船１の移動量は大きくなってい
る。

【００２３】すなわち、図５に示すように、飛行船１が
距離Ｌを移動する場合に、飛行船１が遠くにあるときの
アンテナ３１から飛行船１を見込む角度の変化βは、飛
行船１が近くにあるときの角度の変化αよりも小さい。
つまり、飛行船１の変動を追尾するアンテナ３１の角速
度は、飛行船１がアンテナ３１よりも遠くにあるほど小
さい。しかし、同一の角速度に対する飛行船１の移動量
は、飛行船１がアンテナ３１から離れているほど大きく
なる。なお、飛行船１が遠くにある場合とは、アンテナ
３１の仰角が小さい場合であり、飛行船１が近くにある
場合とは、アンテナ３１の仰角が大きい場合である。あ
るいは、角速度の大小で遠近を規定することもできる。

【００２４】ステップトラック方式のような追尾信号の
受信電力の変動にもとづいてアンテナ指向方向を制御す
るような方式では、受信電力は距離に依存する。する
と、アンテナ３１と被追尾対象との間の距離が変動する
と制御誤差が生ずる。そして、仰角が小さいときには、
位置の分解能が小さくなり、かつ、角速度に対して飛行
船１の移動量が大きいので追尾対象を見失いやすい。

【００２５】そこで、この実施の形態では、角速度に対
して移動量が大きい場合、すなわち、飛行船１がアンテ
ナ３１から遠くにあってアンテナ３１の仰角が小さい場
合には、飛行船１からのＧＰＳデータにもとづいてアン
テナ指向制御を行う。そして、角速度に対して移動量が
小さい場合、すなわち、飛行船１がアンテナ３１から近
くにある場合には、ステップトラック方式によってアン
テナ指向制御を行う。

【００２６】具体的には、通信局３の追尾装置３５にお
いて、演算部３５２は、飛行船１からのＧＰＳデータに
もとづいて、通信局３から見た飛行船１の３次元の位置
を時々刻々認識している。そして、飛行船１が遠くにあ
ってアンテナ３１の仰角が小さい場合には、ＧＰＳデー
タによる飛行船１の相対位置にもとづいてアンテナ３１
の指向制御を行う。

【００２７】つまり、駆動量出力部３５４は、演算部３
５２の演算結果から、アンテナ３１のビーム内から飛行
船１が、あらかじめ決められている指向誤差を越える程
度にはずれたことを検出すると、ビーム内に飛行船１が
入るようにアンテナ３１の向きを移動させるための駆動
信号を駆動装置３６に与える。従って、アンテナ３１
は、常に飛行船１を追尾することができる。このよう
に、アンテナ３１の仰角が小さいときには追尾信号の受
信電力にもとづくアンテナ指向制御を行っていないの
で、飛行船１が大きく移動しても、飛行船１を見失うこ
とはない。

【００２８】飛行船１が通信局３の上空に近づくと、演
算部３５２は、演算結果からそのことを認識することが
できる。その場合には、駆動量出力部３５４に対して、
飛行船１が近くにあることを知らせる。すると、駆動量
出力部３５４は、ステップトラック方式でアンテナ指向
制御を行う。すなわち、駆動量出力部３５４は、受信電
力算出部３５３が算出する追尾信号の受信電力が大きく
なるようにアンテナ３１を駆動する駆動信号を出力す
る。なお、演算部３５２は、飛行船１が通信局３の上空
に近づいたことを、ＧＰＳデータではなく、アンテナ３
１の仰角によって認識してもよい。

【００２９】このように、アンテナ３１の仰角が大きく
角速度が速い場合には、比較的精度のよいステップトラ
ック方式によってアンテナ指向制御が行われる。この場
合、角速度に対して飛行船１の移動量は小さいので、ス
テップトラック方式によって精度のよい追尾を行うこと
ができる。

【００３０】アンテナ３１の指向制御がＧＰＳデータに
もとづいて行われている場合、降雨等の影響で追尾が困
難になることが予想される。そのような場合でも追尾が
行えるように、この追尾装置３５は、飛行船１の位置予
測制御も行う。飛行船１は、成層圏に停留し、風力で押
し流されることを防ぐために、風向きと反対方向に推進
する推進装置を有する。すると、飛行船の垂直および水
平方向の移動は、風力と推進力のバランスの結果得られ
る周期と振幅とを有する運動となる。

【００３１】図６は、飛行船１の運動のリサージュ波形
例を示す説明図である。例えば、飛行船１が移動軌跡６
を描いたとする。追尾装置３５の演算部３５３は、飛行
船１からの３次元のＧＰＳデータまたはアンテナ３１の
仰角と方位角の変化から、東西方向の移動軌跡６１、南
北方向の移動軌跡６２および垂直方向の移動軌跡６３を
算出する。そして、各移動軌跡６１，６２，６３におけ
る周期（例えば山と山との間）と振幅（周期方向と直交
するする方向の山と山との間）を解析する。

【００３２】なお、図６に示された波形は単なる一例で
あって、現実には移動軌跡６には周期性が存在すると考
えられる。つまり、風は、比較的長期間にわたって一定
の風向と風速を有する。そして、飛行船１は、風力によ
って押し流されると推進力によって元の位置に戻ろうと
する。従って、風で押し流される移動と元に戻ろうとす
る移動とが繰り返される。すると、一定期間内での３次
元の移動軌跡６１，６２，６３を解析すれば、将来の飛
行船１の移動の仕方を予測することができる。例えば、
演算部３５３は、移動軌跡６１，６２，６３の平均的な
周期と振幅とを求め、ＧＰＳデータが入力されなくなっ
たら、過去の平均的な周期と振幅とを、今後の飛行船１
の動きとする。

【００３３】以上のように、演算部３５３は、ＧＰＳデ
ータまたはアンテナ３１の角変位にもとづいて常に所定
期間内の飛行船１の平均的な移動の仕方を把握する。そ
して、ＧＰＳデータが得られなくなったら、過去の平均
的な移動の仕方から飛行船１の位置を予測する。予測位
置は、駆動量出力部３５４に与えられる。従って、ＧＰ
Ｓデータにもとづいてアンテナ指向制御が行われている
ときに、降雨等に起因してＧＰＳデータが入力されなく
なっても、駆動量出力部３５４は、アンテナ３１の追尾
制御を行うことができる。

【００３４】上記の実施の形態では、通信局３におい
て、アンテナ３２によってＧＰＳデータが受信された
が、通信に使用される指向性のアンテナ３１をＧＰＳデ
ータ受信用に兼用してもよい。図７は、そのような実施
の形態を示す説明図である。その場合には、図７に示す
ように、通信局３においてＧＰＳデータ受信専用の無指
向性のアンテナ３２は不要である。

【００３５】また、上記の各実施の形態では、通信局３
において、ＧＰＳデータはアンテナ３１またはアンテナ
３１で受信されたが、図８に示すように、通信回線４を
介して飛行船管制局２からＧＰＳデータの供給を受ける
ようにしてもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、アンテ
ナ指向制御システムを、被追尾対象がアンテナから遠く
に位置していることが認識されるとＧＰＳデータで認識
された位置にアンテナを指向させ、被追尾対象がアンテ
ナから近くに位置していることが認識されると、被追尾
対象からの所定の電波の受信電力にもとづいて被追尾対
象にアンテナを指向させるように構成したので、ＧＰＳ
データにもとづく追尾と受信電力にもとづく追尾のそれ
ぞれの利点を生かした精度のよいアンテナ指向制御を実
現できる効果がある。また、被追尾対象がアンテナから
近くに位置してときにはステップトラック方式等によっ
てアンテナ指向制御が行われるので、複雑な制御回路や
機構を用いなくてもよい。

【００３７】また、アンテナの過去の追尾角変化から被
追尾対象の将来の位置を予測するように構成されている
ので、被追尾対象からＧＰＳデータが受信されなくなっ
ても、予測にもとづいてアンテナ指向制御を継続するこ
とができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるアンテナ指向制御システムの一
実施形態を示す説明図である。

【図２】 通信局の一構成例を示すブロック図である。

【図３】 追尾装置の一構成例を示すブロック図であ
る。

【図４】 飛行船の移動の様子を示す説明図である。

【図５】 飛行船の移動とアンテナから飛行船を見込む
角度の変化との関係を示す説明図である。

【図６】 飛行船の運動のリサージュ波形例を示す説明
図である。

【図７】 本発明によるアンテナ指向制御システムの他
の実施形態を示す説明図である。

【図８】 本発明によるアンテナ指向制御システムのさ
らに他の実施形態を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 飛行船 ２ 通信局 ３ 飛行船管制局 ４ 通信回線 １１，３１ アンテナ １２，２１，３２ アンテナ

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被追尾対象の位置を示す被追尾対象から
   のＧＰＳデータにもとづいてアンテナを被追尾対象に追
   尾させるアンテナ指向制御システムであって、 ＧＰＳデータによって被追尾対象の位置を認識する位置
   認識手段と、 前記位置認識手段によって被追尾対象がアンテナから遠
   くに位置していることが認識されるとＧＰＳデータで認
   識された位置にアンテナを指向させ、前記位置認識手段
   によって被追尾対象がアンテナから近くに位置している
   ことが認識されると、被追尾対象からの所定の電波の受
   信電力にもとづいて被追尾対象にアンテナを指向させる
   アンテナ駆動手段と、アンテナの過去の追尾角変化から被追尾対象の将来の位
   置を予測し、ＧＰＳデータが得られなくなると予測位置
   を前記アンテナ駆動手段に与える位置予測手段と を備え
   たことを特徴とするアンテナ指向制御システム。
2. 【請求項２】 アンテナ駆動手段は、ＧＰＳデータで認
   識された被追尾対象の位置があらかじめ定められた指向
   誤差を越えるようになるとアンテナを駆動する請求項１
   記載のアンテナ指向制御システム。
3. 【請求項３】 アンテナ駆動手段は、被追尾対象がアン
   テナから近くに位置しているときには、ステップトラッ
   ク方式によって被追尾対象にアンテナを指向させる請求
   項１または請求項２記載のアンテナ指向制御システム。
4. 【請求項４】 位置認識手段は、アンテナの仰角が所定
   値よりも小さくなる場合に被追尾対象がアンテナから遠
   くに位置していると認識し、アンテナの仰角が所定値以
   上になる場合に被追尾対象がアンテナから近くに位置し
   ていると認識する請求項１ないし請求項３記載のアンテ
   ナ指向制御システム。
5. 【請求項５】 位置予測手段は、被追尾対象の移動軌跡
   の平均変化率から被追尾対象の将来の位置を予測する請
   求項１ないし請求項４記載のアンテナ指向制御システ
   ム。
6. 【請求項６】 位置予測手段は、被追尾対象の３方向の
   移動軌跡にもとづいて 被追尾対象の将来の位置を予測す
   る請求項５記載のアンテナ指向制御システム。