JP3393025B2 - 指向性アンテナ用三軸制御装置 - 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、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The Admiralty Surface and Weapons Establishmen
t, Portsmouth等により開発されたシステムであるSCOT
I及びIIを開示している。SCOT Iでは、Harries et al.
の49頁に記載されているように、クロスレベル(cross-l
evel)軸の回りに＋／−３０度、仰角(elevation)軸回り
に−２０度から＋１２０度の可動範囲を有している。仰
角軸に設けられた水平安定台は、３個のジャイロと２個
の加速度計を搭載しており、アンテナの指向制御のため
の姿勢基準となる。また、Harries et al.の51頁に記載
されているように、SCOT Iでは“コニカル・スキャン”
による自動追尾方式が採用されており、アンテナ・ビー
ムは１Ｈｚの円運動をする。これにより、衛星の方向と
アンテナの視線がずれていれば、受信信号に１Ｈｚの変
調が現れる。これにより、トラバース(traverse)軸（Az
軸とも呼ぶ）と仰角軸の制御信号を得る。しかし、アン
テナ・ビームに円運動を与えて“コニカル・スキャン”
を行うために、アンテナ構造は一般に複雑となり、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）。 S
R150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Δφ_xtd 又はΔφ_xth ）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
Δφ_xtd 又はΔφ_xth 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、マウントとしては基本的に従来のAz- Ｘ-Ｙマウ
ントを利用することにより、Ｘ- Ｙ -Az-El マウントよ
り機械軸の本数が少ないという利点を引き続き維持する
ことにある。本発明の第３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４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、傾
斜角検出手段、Az軸軸制御手段及び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Ｎ_M 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Ｘ_d 軸、Ｘ軸又は
Ｘ_td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、Ｙ_dh軸、Ｙ_h 軸又はＹ_th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 Ｙ₀ Ｚ₀ 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Ｘ_d Ｙ_d Ｚ_d 性質 移動体に固定された座標系 軸の定義 Ｘ_d ：移動体の尖頭方向 Ｙ_d ：Ｘ_d と直交、搭載面と平行 Ｚ_d ：Ｘ_d 及びＹ_d 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Ｘ_dhＹ_dhＺ_dh 性質 Ｘ_d Ｙ_d Ｚ_d をＸd 回りで−ｒ_d だけ回転させ、更にこの回 転の後の座標系をＹ_dhの回りで更に−ｐ_d だけ回転させるこ とにより得られる座標系 軸の定義 Ｘ_dh：−ｐ_d 回転の前にＸ_d であった軸 Ｙ_dh：−ｒ_d 回転の前にＹ_d であった軸、Ｘ_dhＹ_dh面＝水平 Ｚ_dh＝Ｚ₀ （ｅ）アンテナ水平座標系Ｘ_h Ｙ_h Ｚ_h 性質 ＸＹＺをＸ回りで−ｒ_x だけ回転させ、更にこの回転の後の 座標系をＹ_h の回りで更に−ｐ_y だけ回転させることにより 得られる座標系 軸の定義 Ｘ_h ：−ｐ_y 回転の前にＸであった軸 Ｙ_h ：−ｒ_x 回転の前にＹであった軸 Ｚ_h ＝Ｚ₀ （ｆ）目標水平座標系Ｘ_thＹ_thＺ_th 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 Ｘ_th：水平面での目標Ｔの方位 Ｙ_th：水平面にありＸ_thに直交する軸（図示せず） Ｚ_th＝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 ｒ_d ｐ_d Ｘ_d Ｙ_d Ｚ_d Ｘ_d ，Ｙ_dh回りでのロール、ピッチ ｒ_x ｐ_y ＸＹＺ Ｘ，Ｙ_h 回りでのロール、ピッチ ｒ_xdet ｐ_ydet ＸＹＺ Ｘ，Ｙ_h 回りでのロール、ピッチの検出 値 ｒ_td ｐ_td ＸＹＺ Ｘ_td，Ｙ_th回りでのロール、ピッチ Ｘ_td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Ｙ_td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 φ_xdd 搭載面 Ｘ_0dを基準としたＸ_d の方位 Ｘ_0dは搭載面上のＸ₀ 対応線 φ_xdh 水平面 Ｘ₀ を基準としたＸ_dhの方位 φ_g eg．搭載面 eg．搭載面上で検出したφ_xdd 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 φ_th ε_th Ｘ₀ Ｙ₀ Ｚ₀ 既知の場合 φ_tvh ε_tvh Ｘ₀ Ｙ₀ Ｚ₀ ステップトラックにて獲得した場合 φ_tbd Ｘ_d Ｙ_d Ｚ_d Ｘ_d を基準としたＸ_tdの方位 φ_tbh Ｘ_dhＹ_dhＺ_dh Ｘ_dhを基準としたＸ_th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 φ_xbd Ｘ_d Ｙ_d Ｚ_d Ｘ軸１２のベアリング角 φ_xbddet Ｘ_d Ｙ_d Ｚ_d 搭載面上で検出したφ_xbd の値 φ_xbh Ｘ_dhＹ_dhＺ_dh 水平面上でφ_xbd に相当する値 Δφ_xtd Ｘ_d Ｙ_d Ｚ_d ＝φ_xbd −φ_tbd 搭載面における方位追尾誤差 Δφ_xth Ｘ_dhＹ_dhＺ_dh ＝φ_xbh −φ_tbh 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 摘要 φ_xbd ｘ y 角度位置 φ_xbddet ｘ_det ｙ_det 角度位置検出値 Δφ_xtd Δθ_x Δθ_y 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φ_th及びε_th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φ_th及び／又はε_th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、φ_th及び／又はε_th
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φ_th及び／又はε_th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、φ_th及び／又は
ε_thとして仮想値φ_tvh 及び／又はε_{tv h} を入力する。
従って、φ_th及び／又はε_thが全く不明であるときで
も、目標の位置( φ_tvh 及び／又はε_tvh ) 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φ_tvh 及び／又はε_tvh を始点としてφ_tvh
及び／又はε_tvh を試行錯誤的にかつ微小角ずつ更新し
ながら、φ_th及び／又はε_thとしてφ_tvh 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φ_tvh 及び／又はε_tvh を更新でき、真のφ_th／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、φ_xdh 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φ_xdd ）を入力し、機械軸角度位置検出手段
は、φ_xbd 、ｘ及びｙを検出し、傾斜角検出手段は、Δ
ｘ_level 及びｐ_y を検出する。傾斜角検出手段は、より
詳細には、Ｘ軸１２又はＸ軸構造物に固定され、Ｘ軸の
水準からの傾きΔｘ_level 及び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ｐ_y を、検出する。ま
た、本発明では、後述のようにΔｘ_level 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ｘ_det 又はこれにΔｘ_levelを加
算した値は、ｒ_x と見なし得る値になる。従って、これ
ら三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
置検出手段は、Az軸１０、Ｘ軸１２及びＹ軸１４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。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】 φ_xdd ＝φ_g …移動体方位検出 φ_xbd ＝φ_xbddet …ベアリング角検出 Δｘ_level ＝Δｘ_level …Ｘ軸の水準からの傾きの検出 ｙ ＝ｙ_det …Ｙ軸１４角度位置検出 ｒ_x ＝ｘ_det …Ｘ軸回りのロール角検出 ｐ_y ＝ｐ_ydet …Ｙ_h 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φ_g 及びΔｘ_level 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φ_xdd に相当するφ_g を入力するものとしてい
るが、φ_xdd ではなくφ_xdh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、φ_th及び移動体方
位データに基づきφ_tbh を求め、φ_{xbd 、} ｒ_x 及びｐ_y
に基づきφ_xbh を求め、Δφ _xth 又はΔφ_xtd 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Δφ_xtd 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φ
_xdd 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、si
n を演算子ｓ、tan を演算子ｔにて各々表す。

【００２２】

【数２】 ｒ_d ＝ｓ^-1（ｓｐ_y ・ｃｒ_x ・ｓφ_xbd −ｓｒ_x ・
ｓφ_xbd ） ｐ_d ＝ｔ^-1｛（ｓｒ_x ・ｓφ_xbd ＋ｓｐ_y ・ｃｒ_x
・ｃφ_xbd ）／（ｃｒ_x ・ｃｐ_y ）｝ φ_xdh ＝ｔ^-1｛（ｓφ_xdd ・ｃｒ_d ）／（ｃφ_xdd ・
ｃｐ_d −ｓφ_xdd ・ｓｒ_d ・ｓｐ_d ）｝ φ_tbh ＝φ_th−φ_xdh φ_xbh ＝ｔ^-1｛ｓφ_xbd ・ｃｐ_y／（ｃｒ_x ・ｃφ
_xbd −ｓｒ_x ・ｓｐ_y ・ｓφ_xbd ）｝ Δφ_xth ＝φ_xbh −φ_tbh Δφ_xtd ＝ｔ^-1｛ｓΔφ_xth ・ｃｐ_y／（ｃΔφ_xth ・
ｃｒ_x ＋ｓΔφ_xth ・ｓｒ_x ・ｓｐ_y ）｝

【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、Δｘ_level を示すＸ軸制御用誤差信
号と、少なくともｐ_y に基づき求めたｙの誤差Δθ_y 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Δｘ_level 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軸にΔθ_y 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、Δθ_yの式では、ｙの誤差をΔθ_y 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軸を制御してもよい。また、Δθ_y 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、Δφ_xtd に代えΔφ_xth 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】 Δθ_x ＝Δｘ_level …Ｘ軸回り動揺補償 Δθ_y ＝ｙ−（π／２−ε_th−ｐ_y ） …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φ_xbd ）を移動体水平座標系での値
φ_xdh 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φ_xdh に基づ
き（より具体的にはΔφ_xtd 又はΔφ_xth を用いて）、
Az軸に回転を付与している。このようにしてAz軸に係る
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φ_xbd 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、Δｘ_level 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、φ_xdd 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、φ_xbd 、ｒ_x 及びｐ_y に基づきｒ_d 及びｐ_d
を求めこのｒ_d 及びｐ_d に基づき移動体方位データをφ
_xdh に変換し、その結果をφ_tbh 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、ｐ_y を
利用してΔθ_y 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】本発明によれば、更に、マウントがAz- Ｘ
- Ｙマウントであるから、従来のＸ- Ｙ−Az-El マウン
トより機械軸の本数が少ないという利点を引き続き維持
することができる。

【００２８】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。

【００２９】

【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。

【００３０】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。

【００３１】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。図中、符号２８、３０
及び３２で示されているのはAz軸構造物、Ｘ軸構造物及
びＹ軸構造物である。これらの構造物２８、３０及び３
２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及びＹ軸１４には、各
々、Az軸モータ３４、Ｘ軸モータ３６及びＹ軸モータ３
８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軸制御用誤差信号又は
Ｙ軸制御用誤差信号であるΔφ_xtd 、Δθ_x 及びΔθ_y
を、Az軸モータ駆動回路４２、Ｘ軸モータ駆動回路４４
及びＹ軸モータ駆動回路４６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
及びＹ軸モータ駆動回路４６は、各々、Δφ_xtd 、Δθ
_x 及びΔθ_y のうち対応するものに基づき、モータ３
４、３６及び３８のうち対応するものを駆動する。その
ため、第１実施形態でも第２実施形態でも、Az軸１０、
Ｘ軸１２及びＹ軸１４又はこれに対応する構造物２８、
３０若しくは３２に、それぞれφ_xbddet、ｘ_det又はｙ
_det 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又は５２が搭載されている。ま
た、この実施形態は２個の動揺検出器を用いており、そ
のうち１個（５６）はＸ軸１２又はＸ軸構造物３０に搭
載されｐ_ydetを検出して３軸演算制御回路４０に供給す
る。更に、３軸演算制御回路４０は、φ_xbddet等に基づ
き算出したΔφ_xtd 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ｙ_det 等に基づき算出したΔ
θ_y をＹ軸制御用誤差信号としてＹ軸モータ駆動回路４
６に、それぞれ供給している。

【００３２】本実施形態では、Ｘ軸１２又はＸ軸構造物
３０に搭載されている動揺検出器５４A にてΔｘ_level
を検出し、検出したΔｘ_level を３軸演算制御回路４０
に供給している。３軸演算制御回路４０は、Δｘ_level
を打ち消すべくΔθ_x 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）。従って、本実施形態
においては、Ｘ軸１２又はＸ軸構造物３０に設けられて
いるポテンショメータ５０から、実質的にｒ_x として扱
うことが可能なｘ_det が得られる。本実施形態では、こ
のような方法によってＸ軸１２回りでの動揺補償及びｒ
_x の検出を行い、検出されたｒ_x 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５４A 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。

【００３３】移動体は、更に、φ_g 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φ_g は、ロータ７０の回転軸の向き
と移動体の進行方向との差φ_xdd に相当している。ここ
では、φ_g が、実用上問題のない精度で、真のφ_xdd と
一致しているものとする。

【００３４】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。

【００３５】本実施形態に係る３軸演算制御回路４０
は、φ_th及びε_th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φ_th及びε_th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φ_th及び
ε_th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φ_th及びε_th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、φ_th及びε_thの仮想値であるφ_tvh
及びε_tvhを徐変させこれをφ_th及びε_th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。φ_tvh 及
びε_tvh を徐変させるには、例えば、後段に供給すべき
φ_{tv h} 及びε_tvh 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φ_tvh 及びε_tvh は、真のφ_th及びε_thと見なすこと
ができる。また、ステップトラック部１０４は、φ_th及
びε_thの入力又は探索の後、φ_tvh 及びε_tvh 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φ_tvh 及びε_tvh の変化方向を検出し、その方向
にφ_tvh 及びε_tvh を徐変させる。なお、信号受信品質
を検出評価する方法やφ_tvh 及びε_tvh 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。

【００３６】本実施形態における３軸演算制御回路４０
は、更に、φ_g を入力しφ_xdd として後段に供給する移
動体方位入力部１０６、Δｘ_level を入力しＸ軸ヌル制
御のためのΔθ_x を生成すると共にｘ_det 及びｐ_ydetを
入力しこれらをそれぞれｒ_x及びｐ_y として後段に出力
する移動体傾斜角入力部１０８、並びにφ_xbddet及びｙ
_det を入力しこれらをそれぞれφ_xbd 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φ_th、φ_xdd、ｒ_x 、ｐ_y 及びφ_xbd を入力し、これ
らに基づきΔφ_xtd を生成し出力する。Ｘ軸Ｙ軸制御部
１１４は、ｐ_y 、ε_th及びｙに基づきΔθ_y を生成し出
力する一方でΔθ_x 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Δφ_xtd に代え制御用誤差信号としても
よい。

【００３７】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、Ｘ_td，Ｘ_th 目標Ｔの
方位線、Ｘ₀ Ｙ₀ Ｚ₀水平真北座標系、Ｘ_d Ｙ_d Ｚ_d
移動体座標系、ＸＹＺ Az軸回転台座標系、Ｘ_dhＹ_dhＺ
_dh 移動体水平座標系、Ｘ_h Ｙ_h Ｚ_h アンテナ水平座
標系、ｒ_d ，ｒ_x ，ｒ_xdet，ｒ_td ロール、ｐ_d ，
ｐ_y ，ｐ_ydet，ｐ_td ピッチ、φ_xdd ，φ_g ，φ_xdh
移動体方位、φ_th，φ_tvh ，φ_tbd ，φ_tbh 目標の方
位、ε_th，ε_tvh 目標の仰角、φ_xbd ，φ_xbddet，φ
_xbh Ｘ軸のベアリング角、Δφ_{xt d} ，Δφ_xth 方位
追尾誤差、ｘ，ｙ，ｘ_det ，ｙ_det Ｘ，Ｙ軸の角度位
置、Δｘ_level Ｘ軸の水準からの傾斜角、Δφ_xtd ，
Δθ_x ，Δθ_y 各機械軸の制御用誤差信号、１０ Az
軸、１２ Ｘ軸、１４ Ｙ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）、３０ Ｘ軸構造物、３２ Ｙ軸構
造物、３４ Az軸モータ、３６ Ｘ軸モータ、３８ Ｙ
軸モータ、４０ ３軸演算制御回路、４２ Az軸モータ
駆動回路、４４Ｘ軸モータ駆動回路、４６ Ｙ軸モータ
駆動回路、４８，５０，５２ 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、１
０６ 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。

Claims (3)

(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φ_th及び
   仰角ε_th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φ_xdh と見なし又はφ_xdh 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
   φ_xbd、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軸構造物に
   固定され、Ｘ軸の水準からの傾きΔｘ_level 及びＸ軸線
   方向の移動体の水準からの傾斜角ｐ _y を、検出する傾斜
   角検出手段と、 φ_th及び上記移動体方位データに基づき水平座標系にお
   ける上記移動体に対する上記目標の相対方位φ_tbh を求
   め、φ_xbd 、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ｒ_x 、及び傾斜角検出手段にて検出された
   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φ_xbh を求め、φ_tbh に対するφ_xbh の誤差Δφ
   _xth 又は移動体座標系における対応する値Δφ_xtd 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軸に誤差Δφ _xth 又はΔφ_xtd 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、 Δｘ_level を示すＸ軸制御用誤差信号と少なくともｐ_y
   に基づき求めたｙの誤差Δθ_y 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Δｘ_level 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Δθ_y 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、Δｘ_level に基づくＸ軸ヌル制御を行い、その
   際機械軸角度位置検出手段にて検出されるｘ又はこれと
   Δｘ_level を加算した値をｒ_x と見なし、このｒ_x をAz
   軸制御用誤差信号の生成に利用することを特徴とする制
   御装置。
2. 【請求項２】 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φ_xdd を示すデータであり、
   Az軸制御手段が、φ_xbd 、ｒ_x 及びｐ_y に基づき移動体
   のロール角ｒ_d 及びピッチ角ｐ_d を求め、ｒ_d 及びｐ_d
   に基づき移動体方位データをφ_xdh に変換し、その結果
   をφ_tbh の導出に用いることを特徴とする請求項１記載
   の制御装置。
3. 【請求項３】 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、φ_th及
   び／又はε_thとして仮想値φ_tvh 及び／又はε_tvh 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φ_tvh 及び／又はε_tvh
   を始点としてφ_tvh 及び／又はε_tvh を試行錯誤的にか
   つ微小角ずつ更新しながら、φ_th及び／又はε_thとして
   φ_tvh 及び／又はε_tvh 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又は２記載の制御装
   置。