JP3428858B2

JP3428858B2 - 指向性アンテナ用三軸制御装置

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Publication number: JP3428858B2
Application number: JP14500997A
Authority: JP
Inventors: 光一江口
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1997-06-03
Filing date: 1997-06-03
Publication date: 2003-07-22
Anticipated expiration: 2017-06-03
Also published as: JPH10335917A

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
関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関わらず
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(Azimu
th)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Harr
ies 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 System for Mobile Communications an
d Surveillance”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、Ｘ軸及びＹ軸の傾斜角を検出す
るセンサをＸ軸上の安定台に取り付け、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(accelerometer。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(accelerometer) 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trav
erse）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、SC
OT I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９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、移
動体傾斜角検出手段、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Ｘ₀Ｙ₀Ｚ₀ 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_dＹ_dＺ_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_dＹ_dＺ_dをＸ_d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_hＹ_hＺ_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_dＹ_dＺ_d Ｘ_d，Ｙ_dh回りでのロール、ピッチｒ_ddet ｐ_ddet Ｘ_dＹ_dＺ_d Ｘ_d，Ｙ_dh回りでのロール、ピッチの検出値ｒ_x ｐ_y ＸＹＺＸ，Ｙ_h回りでのロール、ピッチｒ_xdet ｐ_ydet ＸＹＺＸ，Ｙ_h回りでのロール、ピッチの検出値ｒ_td ｐ_td ＸＹＺＸ_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の位置に関する変数方位仰角準拠座標系摘要 φ_th ε_th Ｘ₀Ｙ₀Ｚ₀ 既知の場合 φ_tvh ε_tvh Ｘ₀Ｙ₀Ｚ₀ ステップトラックにて獲得した場合 φ_tbd Ｘ_dＹ_dＺ_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_dＹ_dＺ_d Ｘ軸１２のベアリング角 φ_xbddet Ｘ_dＹ_dＺ_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_dＹ_dＺ_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１０Ｘ軸１２Ｙ軸１４摘要 φ_xbd ｘｙ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及び
／又は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（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）は、φ_xdh 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（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）は、φ_xbd、
ｘ及びｙを検出し、移動体傾斜角検出手段（移動体に固
定されｒ_d及びｐ_dを出力する動揺検出器例えば振動ジ
ャイロと振り子式傾斜計又はアクセラロメータ（加速度
計）の組合せや、この種のセンサから信号を入力する処
理部材）は、ｒ_d及びｐ_d又はｒ_x及びｐ_yを検出する。
従って、これら三手段により、次の各式に示される処理
が実行される。

【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ｘ＝ｘ_det …Ｘ軸１２角度位置検出ｙ＝ｙ_det …Ｙ軸１４角度位置検出ｒ_d ＝ｒ_ddet …Ｘ_d軸回りのロール角検出又はｒ_x＝ｒ_xdet…Ｘ軸回りのロール角検出ｐ_d ＝ｐ_ddet・ｃｒ_d …Ｙ_dh軸回りのピッチ角検出＋ロール影響除去又は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を有する変数及び
φ_g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。更に、上の式中ｐ_dに関する式にｃｒ_dなる係数
を含ませているのは、図３から明らかなように、ｐ_ddet
にｒ_dの影響分が含まれており、これを補償する必要が
あるからである。また、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。

【００２１】更に、Az軸制御手段は、φ_th及び上記移動
体方位データに基づきφ_tbhを求め、φ_tbh、ｒ_d及び
ｐ_d又はφ_xbd、ｒ_X及びｐ_yに基づきφ_tbd又はφ_xbh
を求め、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。

【００２２】

【数２】 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_tbd ＝ｔ^-1｛ｓφ_tbh・ｃｐ_d ／（ｃｒ_d・ｃφ_tbh−ｓｒ_d・ｓｐ_d・ｓφ_tbh）｝ Δφ_xtd＝φ_xbd−φ_tbd…ｒ_d,ｐ_dを検出する場合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）｝ …ｒ_{x ,}ｐ_yを検出する場合

【００２３】そして、Ｘ軸Ｙ軸制御手段は、ｒ_d、
ｐ_d、及びφ_xbdに基づきｒ_x及びｐ_yを求め又は検出
したｒ_x及びｐ_yを用い、Δθ_xを示すＸ軸制御用誤差信
号及びΔθ_yを示すＹ軸制御用誤差信号を生成し、生成
したＸ軸制御用誤差信号に基づきＸ軸にΔθ_x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、指向性アンテナのビー
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。Ｘ
軸Ｙ軸制御手段における演算の一例を次式に示す。ｒ_x
及びｐ_yを検出する構成では前半の２式は不要である。

【００２４】

【数３】ｒ_x ＝ｔ^-1｛（ｓｐ_d・ｓφ_xbd＋ｓｒ_d・
ｃｐ_d・ｃφ_xbd）／（ｃｒ_d・ｃｐ_d）｝ｐ_y ＝ｓ^-1（ｓｐ_d・ｃφ_xbd−ｓｒ_d・ｃｐ_d・ｓ
φ_xbd） Δθ_x＝ｘ＋ｒ_x Δθ_y＝ｙ−（π／2−ε_th−ｐ_y）

【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
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
_xdd）から演算又は擬制により求めたφ_xdhに基づき、
移動体仮想水平座標系内部での単純演算によりφ_tbd又
はφ_tbhを求め、更にこのφ_tbd又はφ_tbhに対するφ
_xbd又はφ_xbhの誤差即ちΔφ_xtdが補償されるようAz
軸に回転を付与している。このように良質な制御用御差
信号に基づき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、本発明において
は、目標の相対方位φ_xbdがダイナミックに変動する現
実の環境下でも良好な追尾を実行できる。また、Δθ_y
をｐ_yを利用して生成しているため、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。本発明によれば、更に、マウントを構成する機械軸
の位置関係をAz-Ｘ-Ｙマウントとすることができるか
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。

【００２６】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」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
者には自明であろう。

【００２７】

【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、
説明の便宜上、図１又は図２に示したマウントを想定す
る。

【００２８】図４に本発明の第１実施形態に係る装置の
構成を、図５に本発明の第２実施形態に係る装置の構成
を、それぞれ示す。これらの実施形態では、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１
６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。

【００２９】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２６上に支持されている。図中、符号２８、３０
及び３２にて表されているのは各々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３２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３８によって、回転が付与される。３軸演算制御回
路４０は、Az軸１０、Ｘ軸１２及びＹ軸１４或いはAz軸
構造物２８、Ｘ軸構造物３０及びＹ軸構造物３２に設け
られているポテンショメータ４８、５０及び５２からφ
_xbddet、ｘ_det及びｙ_detを入力し、これらを利用して
算出した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に出力する。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３４、３６及び３８のうち対応するもの
を駆動する。

【００３０】搭載に係る移動体２６には、ｒ_ddet又はｒ
_xdetを検出するための動揺検出器５４及びｐ_ddet又はｐ
_ydetを検出するための動揺検出器５６が搭載されてお
り、３軸演算制御回路４０はこれらの動揺検出器５４及
び５６からｒ_ddet及びｐ_ddet（図４）又はｒ_xdet及びｐ
_ydet（図５）を入力する。移動体２６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、コンパス類例えばジャイロコンパス２７を搭載
している。その好ましい一例として、図６に、ジャイロ
コンパス２７の構成を示す。この図のジャイロコンパス
２７は、Az軸５８、Ｘ軸６２及びＹ軸６４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はおおよそ真北方向
を向く。図４の移動体２６又は図５のジャイロコンパス
２７から３軸演算制御回路４０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２６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。

【００３１】図７及び図８に、第１及び第２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、
これら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。

【００３２】図示の如く、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１０２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
_tvh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。

【００３３】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１０
６、ｒ_ddet及びｐ_ddet（図７）又はｒ_xdep及びｐ
_ydet（図８）を入力しｒ_d及びｐ_d（図７）又はｒ_x及
びｐ_y（図８）に変換して後段に供給する移動体傾斜角
入力部１０８、φ_xbddet、ｘ_det及びｙ_detを入力しφ
_xbd 、ｘ及びｙとして後段に供給する機械軸角度位置入
力部１１０を有している。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_d又はｒ
_x、ｐ_d又はｐ_y及びφ_xb _dを入力し、これらに基づきΔ
φ_xtdを生成し出力する。Ｘ軸Ｙ軸制御部１１４は、ｒ
_d又はｒ_x、ｐ_d又はｒ_y、φ_xbd、ε_th、ｘ及びｙに基
づき、Δθ_x及びΔθ_yを生成し出力する。生成の方法
については発明の概要の欄を参照されたし。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】本発明の第１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】本発明の第２実施形態に係る装置の構成を示
すブロック図である。

【図６】第１及び第２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７】第１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８】第２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９】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、Ｘ₀Ｙ₀Ｚ₀水平真北座標系、Ｘ_dＹ_dＺ_d
移動体座標系、ＸＹＺ Az軸回転台座標系、Ｘ_dhＹ_dhＺ
_dh 移動体仮想水平座標系、Ｘ_hＹ_hＺ_h アンテナ水
平座標系、ｒ_d，ｒ_ddet，ｒ_x，ｒ_td ロール、ｐ_d，
ｐ_ddet，ｐ_y，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_xtd，Δφ_xth 方位
追尾誤差、ｘ，ｙ，ｘ_det，ｙ_det Ｘ，Ｙ軸の角度位
置、Δφ_xtd，Δθ_x，Δθ_y 各機械軸の制御用誤差
信号、１０ Az軸、１２Ｘ軸、１４Ｙ軸、１６パラ
ボラアンテナ、２４復調部、２６移動体、２８ Az
軸構造物（回転台）、３０Ｘ軸構造物、３２Ｙ軸構
造物、３４ Az軸モータ、３６Ｘ軸モータ、３８Ｙ
軸モータ、４０３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、４６Ｙ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、１０２
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、
１１４Ｘ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) H01Q 3/08 H01Q 1/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】移動体非傾斜時に鉛直方向を向くよう移
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軸と直交するよう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上記移動体
の方位φ _xdhに変換することが可能な水平真北座標系に
おける移動体の尖頭方向を示す移動体方位データを入力
する移動体方位入力手段と、移動体の尖頭方向から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、上記移動体のロール
角ｒ_d及びピッチ角ｐ_dを検出する移動体傾斜角検出手
段と、を備える制御装置において、 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
ける移動体の尖頭方向から上記目標の相対方位φ_tbhを
求め、φ_tbh、ｒ_d及びｐ_dに基づき移動体座標系にお
ける上記目標の相対方位φ_tbdを求め、φ_tbdに対する
φ_xbdの誤差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、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、ｒ_d、ｐ_d、及びφ_xbdに基づきAz軸回転台座標系にお
ける上記移動体のロール角ｒ_x及びピッチ角ｐ_yを求
め、ｒ_xに対するｘの誤差Δθ_xを示すＸ軸制御用誤差
信号及び少くともｐ_yに基づき求めたｙの誤差Δθ_yを
示すＹ軸制御用誤差信号を生成し、生成したＸ軸制御用
誤差信号に基づきＸ軸にΔθ_x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、を備えることを特徴とする制御装置。
【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に変換することが可能な水平
真北座標系における移動体の尖頭方向を示す移動体方位
データを入力する移動体方位入力手段と、移動体の尖頭
方向から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、Az軸又は
Az軸構造物に固定され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を検出する移動体傾
斜角検出手段と、を備える制御装置において、 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移動体の尖頭方向から上記目標
の相対方位φ_tbhを求め、φ_xbd、ｒ_x及びｐ_yに基づき
水平座標系におけるAz軸の仮想的な角度信号φ_xbhを求
め、φ_tbhに対するφ_xbhの誤差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、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、ｒ_xに対するｘの誤差Δθ_xを示すＸ軸制御用誤差信号及
び少くともｐ_yに基づき求めたｙの誤差Δθ_yを示すＹ軸
制御用誤差信号を生成し、生成したＸ軸制御用誤差信号
に基づきＸ軸にΔθ_x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軸周
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
軸周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。
【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。