JP3451308B2 - 移動体通信用通信衛星追尾装置 - Google Patents

移動体通信用通信衛星追尾装置

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JP3451308B2
JP3451308B2 JP20823296A JP20823296A JP3451308B2 JP 3451308 B2 JP3451308 B2 JP 3451308B2 JP 20823296 A JP20823296 A JP 20823296A JP 20823296 A JP20823296 A JP 20823296A JP 3451308 B2 JP3451308 B2 JP 3451308B2
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antenna
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伸一 山本
健治 鈴木
克巳 酒井
淳平 宮崎
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独立行政法人通信総合研究所
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は移動体に搭載する衛
星通信用アンテナの衛星追尾装置に関し、特に移動体の
姿勢角始めその運動情報を、センサ融合処理を用いて、
広い周波数範囲にわたって正確に測定する手段を含む移
動体通信用通信衛星追尾装置に関する。
【0002】
【従来の技術】通信衛星と地上の移動体(多くの場合、
自動車)との通信では、Lバンド(1〜2GHz)程度
の低い周波数が使用され、特に情報量もさほど大きくな
い場合には無指向性アンテナが使用されている。しか
し、画像等のように大量の情報伝送を取り扱う場合は高
い周波数帯を使用することが必要となり、また送信電力
および受信分解能の限界から、鋭い指向性を持つアンテ
ナ(換言すれば高利得アンテナ)を使用することが必要
となる。鋭い指向性をもつアンテナを使用する場合、常
にそのビーム方向を衛星に向けることが必要となる。こ
れを追尾と呼んでいる。
【0003】追尾方式は閉ループ方式と開ループ方式に
大別される。前者は受信信号強度の情報を何らかの形で
追尾の制御量として利用する方式であり、代表的な例と
してモノパルス方式がある。図8はモノパルス法の原理
図であり、図9はモノパルス方式におけるアンテナのビ
ームパターンを示す。図8において、81はパラボラア
ンテナの主反射鏡、82は副反射鏡であり、前述の主反
射鏡81の焦点の位置に配置される。最初に主反射鏡軸
について左右対称に配置された2箇のフィードホーン8
3aおよび83bが使用された場合を考え、これらのフ
ィードホーンにより形成されたビームは、図8に示すよ
うに、夫々AおよびBにより表示される。図9にはビー
ムAおよびBの和信号および差信号の指向性が示されて
いる。このように構成されたアンテナを受信アンテナと
して使用し、差信号が零となるようにアンテナを駆動す
れば、アンテナは正しく電波の到来方向に指向する。方
位角(アジマス)および仰角(エレベーション)を弁別
するためには、4箇のホーンを組み合わせ、全ての和を
とって和信号(通信用の信号)とし、左右2組のホーン
の差信号を方位角誤差信号とし、更に上下2組のホーン
の差信号を仰角誤差信号とし、両誤差信号がともに零と
なるようにアンテナを駆動すれば、アンテナを正しく電
波の入射向方向に指向させることができる。
【0004】しかし、前述の閉ループ方式では、トンネ
ルあるいはその他の障害物のために衛星からの電波が到
達し得ない地区を移動体が通過するとき、その間に移動
体の姿勢が大きく変化すると、再度障害物がない地区に
進入した場合に、初期状態に戻って電波の到来方向を捜
索せねばならず、すぐには最適指向の状態に復帰するこ
とができない。またアンテナは少なくとも4箇のフィー
ドホーンを必要とするため大型化し、追尾機構に大きな
負担を与える。更に通信衛星追尾のアルゴリズムが被離
となるうえ、ソフトウェアの負担も増大する。また、衛
星からのビーコン電波がない場合は、移動体から衛星へ
向けて送信を行うことができない。また、一般にアップ
リンクとダウンリンクとにおいて周波数帯域を異にする
衛星通信においては、これら両帯域について追尾機構を
夫々設置せねばならず、追尾機構が移動体に比して過大
なものとなる恐れがある。
【0005】これに対し、開ループ方式に分類されるも
のとしては、磁気コンパスまたはジャイロコンパス等の
方位センサと慣性航法装置と組み合わせて使用するもの
が報告されている。しかし、ジャイロコンパスが高価な
うえ、定期的保守点検を必要とし、自動車上での使用に
は、精度上、信頼性上および経済性の面からみて不適当
である。これは自動車の運動状態の変化(転回、加速、
減速等)が他の移動体(航空機、船舶等)のそれと比較
して頻繁であり、懸吊線等の繊細な機械機構の信頼性に
限界があるためである。
【0006】上述した状況から、移動体上の通信用アン
テナ系を用いた開ループ方式に大きな期待がかけられて
いる。例えば特開平6−177633に、このカテゴリ
に含まれるシステムの一例が開示されている。この発明
においては、移動体は全世界測位システム(global posi
tioning system、以下GPSと略記する)の受信機を搭
載し、これにより自己の位置を時々刻々に測定し、その
速度および走行の方位角を知ることができる。また、移
動体はその姿勢角を計測する手段(加速度センサ、傾斜
計等)を装備している。一般に通信衛星は静止衛星であ
り、その緯度、経度および高度は既知である。従って、
上述の諸データから移動体のアンテナ載置面を基準とし
た衛星の方位角および仰角を算出することができ、これ
に基づいてアンテナ制御部はアンテナを衛星に指向させ
ることができる。
【0007】この発明によれば、通信衛星より発射され
る電波は、移動体側では追尾制御用には使用されない。
また、移動体が障害物等により受信不能な地区に進入し
ても、GPS受信機が機能している限り、アンテナは正
しい方向に指向し、この地域を通過すると同時に正常な
通信機能を回復する。この方式では、ジャイロコンパス
等、高価で定期保守を要する機器は使用しないため、安
価であり、保守の手数は大幅に減少する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前述の移動体
通信用通信衛星追尾装置においては、移動体の姿勢角
は、これに固定された傾斜計を用いて計測されている。
一般に移動体に固定されたセンサは物理量を電気量に変
換し、これを時間の関数として出力するが、前記電気量
については周波数成分(フーリェ成分)を考えることが
可能である。ここで傾斜計は低い周波成分については正
確な値を出力するが、高い周波数成分については誤差が
増大する。このためアンテナを追尾が不正確となること
は避けられない。
【0009】
【課題を解決するための手段】上述の問題を解決するた
め、本発明は次の手段を採る。すなわち、移動体の姿勢
角を検出する手段として、低い周波数帯域および高い周
波数帯域に夫々適当なセンサを選択し、全周波数帯域を
これらのセンサに分担させる。すなわち、センサ融合処
理の導入により広い周波数帯にわたり測定精度の向上を
図るものである。具体的には、低周波領域を担当するセ
ンサとして従来例のように傾斜計を用い、高周波領域に
は光ファイバーを用いたレートジャイロを用いる。前述
の傾斜計の機能は、3つの直交軸に平行に配置された3
箇の加速度センサの出力に代数的演算を施すことにより
代用させることもできる。
【0010】
【発明の実施の形態】発明の構成の説明に先立ち、本発
明の理論的根拠について説明する。図1において、球形
は地球を意味し、NPおよびSPは夫々北極および南極
を示す。Sは通信衛星(多くの場合、静止衛星)を示
し、P3 は地球の表面とOS(Oは地球の中心)の交点
であり、またP0 は移動体の位置である。λおよびλs
は仰角、ΛおよびΛsは方位角である。点P3 において
局所NED基準座標系と呼ばれる直交座標系x3 3
3 を考える。この座標系は航法座標系とも呼ばれ、x3
軸は点P3 より北極(N)に向かう直線であり、y3
は点P3 より東(E)に向かう直線であり、またz3
は点P3 より地球中心O(または直下、D)に向かう直
線である。地球の半径をR0 とすれば、R0 は約 6.378
×106 mである。なお、移動体の高度は、R0 に比し、
3桁と小さいため、無視する。NED基準座標系は地球
表面上の任意の点において考えることのできる直交座標
系である。
【0011】ここで、座標系P3 での衛星S方向の単位
ベクトルSは、
【0012】
【数1】
【0013】と表すことができる。式(1)右辺は3行
1列の行列で、第1〜3行の行列要素は夫々x3 ,y3
およびz3 成分である。なお、S0 の左右に書かれた
[ ] 印は、この量が行列であることを示す記号である
(以下同じ)。次に同図に示すように、移動体の位置を
0 とし、P1 ,P2 およびP3 の3点を定める。ここ
で局所NED基準座標系P0 (x0 0 0 座標系)の
原点P0 より衛星Sを望む単位ベクトル単位を [S0 ]
と表せば、オイラー角回転の座標変換により次の関係を
得る。
【0014】
【数2】
【0015】衛星の高度をHs とするとき、R0 ≪Hs
であれば、座標系P3 での衛星方向の単位ベクトル [S
3 ] を空間的に座標系P0 まで平行移動したベクトルを
用いて解析を進めてもよいが、この条件が成立しない場
合には、座標系P0 より衛星を指向する単位ベクトルを
用いねばならない。このベクトルを [S0'] と表示すれ
ば [S0'] は次式のように表示することができる。
【0016】
【数3】
【0017】ここでLは測地点P0 から衛星Sまでの距
離である。一方、座標系P0 において、この座標系での
衛星の方位角(アジマス角)θzおよび仰角(エレベー
ション角)θy は夫々次式により表すことができる。
【0018】
【数4】
【0019】
【数5】
【0020】但しここで、
【0021】
【数6】
【0022】である。式(6)の各行列要素は式(2)
〜(6)より求めることができる。NED基準座標系
(x0 0 0 直交座標系)において、衛星を望む方位
角θz および仰角θy が求まったので、次にアンテナを
含む衛星追尾機構(後述の図4の42)に供給する制御
角を求める。ここで前述した移動体の位置におけるNE
D基準座標系のほかに、移動体(またはセンサ)に固定
された移動体座標および前述の衛星追尾機構に固定され
た追尾座標系を導入する。追尾が成功したとき、この座
標系のx軸はアンテナビームの中心軸と一致する。従っ
てこの座標系はx軸囲りには拘束されず、x軸の方向の
みが一致した無数の座標を代表するものと考える。
【0023】NED基準座標系より移動体座標系(x1
1 1 座標系)への空間回転行列を [φ] 、移動体座
標系より追尾座標系(x2 2 2 座標系)へのそれを
[ψ] 、更にNED基準座標系より追尾座標系のそれを
[θ] と夫々表示すれば、これらの空間回転行列の間に
は、図2に示すような関係があり、次の数式が成立す
る。
【0024】
【数7】
【0025】これらの行列はいずれも3行3列の正方行
列で、その具体的な形については、以下に順次説明す
る。なお行列の演算は複雑なので、その要点のみを説明
する。まず [ψ] は3つの空間回転行列の積により表示
される。
【0026】
【数8】
【0027】ここで、ψx ,ψy およびψz は夫々x,
yおよびz軸を回転軸とするオイラー角である。従っ
て、
【0028】
【数9】
【0029】次に [θ] は次のように2つの空間回転行
列の積として与えられる。
【0030】
【数10】
【0031】ここでθy およびθz は夫々zおよびy軸
を回転軸とするオイラーの角である。しかし、x軸を回
転軸とするオイラー角は零、即ちアンテナをx軸の回り
には回転させないことを意味するが、これは衛星より到
来する電波の偏波面をアンテナのそれに整合させるため
である。次に、移動体の姿勢角、即ちロール角φx 、ピ
ッチ角φy およびヨー角φz に関連する空間回転行列
〔φ〕について検討する。
【0032】
【数11】
【0033】ここで、 [φ] t は [φ] の転置行列を意
味し、式(11)右辺の行列要素は次式により与えられ
る。
【0034】
【数12】
【0035】式(7),式(10),式(11)および
式(12)より、
【0036】
【数13】
【0037】式(7)の関係より、式(9)および式
(13)右辺同士(いずれも1行3列の行列)は相等し
く、従って対応する行列要素も相等しい。この事実に着
目すれば、容易に次の関係を得る。
【0038】
【数14】
【0039】
【数15】
【0040】θy およびθz は式(4)および式(5)
により既知であり、c(1,1)〜c(3,3)はφx ,φy
よびφz の関数である。従って衛星追尾機構の制御角ψ
y およびψz は、姿勢角φx ,φy およびφz が求めら
れれば明らかとなる。なお、オイラー角の理論について
は、加藤寛一郎著「航空機力学入門」(東大出版協会)
に詳しい。
【0041】移動体を静止状態におき、衛星の初期捕捉
を行う訳であるが、θy およびθzは既知であり、φx
およびφy は傾斜計を読み取った値を使用する。そして
φzを−π〜πの間で走査すると、必ず受信電界が最大
となる位置がある。但し、最大値近傍の電界変動は緩や
かであるため、これが最大値−3dBとなる2つの走査
角を記憶しておき、これらの中心位置を受信電界最大位
置、すなわち最適ポインティングとする。そのときのφ
z が移動体の方位角となり、電波到来方向によるシステ
ムアラインメントが完了する。
【0042】移動体静止時の追尾は受信電界強度を用い
て行ったが、走行中はセンサを通じて移動体の運動情報
を取り込み、移動体の姿勢角 [φ] 、位置等をリアルタ
イムで検出し、前述の諸計算式に従ってアンテナ制御角
を算出する。これによって衛星追尾を行う。安定した追
尾を行うためには、全ての運動パラメータの精度を向上
させねばならないのは勿論であるが、取り分け姿勢角
[φ] の精度が最も大きく追尾性能を左右する。周波数
領域の高域と低域でセンサの役割りを分担し、更にその
分担比率を運動パラメータに基づいて合理的に変化させ
る。姿勢角φx ,φy およびφz は、夫々次の式(1
6)に示す漸化式により、逐次近似的に算出される。こ
こでは演算手順の説明の便宜上、φx 〜φz の記号を用
いず、cn によりこれらを代表させている。
【0043】
【数16】
【0044】ここで、 n :サンプリングの順序を示す整数 an :低周波領域担当のセンサ(傾斜計、GPS等)の
角度出力 bn :高周波領域担当センサ(レートジャイロ)の角度
出力 cn :システム角度出力、 νn :重み関数(0≦νn
≦1) K :リミット係数、 α:非線形化次数 である。ここでc0 (cn の零近似値)はロール角
φx 、ピッチ角φy の場合には夫々静止時に傾斜計から
得られる値を、またヨー角φz の場合には電波到来方向
によるシステムアラインメントから得られる値を使用す
る。この式を用い、システムの運動状態に応じて、α、
νn 等の最適数値を設定し、実時間でセンサ融合を行
い、姿勢角の精度を改善する。
【0045】なお、センサ融合処理はあくまで同一の時
間間隔でデータを取得することが前提条件となってい
る。しかし、システムを構成するセンサのうち、GPS
には特有の性質があって、サンプリングが不安定、その
間隔が長い、またはデータの瞬断が頻繁に発生する等の
問題があり、前述の漸化式を用いた処理方法に適用する
には種々の困難を伴う。そこで、データ自体は高周波領
域において大きな誤差が発生するものの、帰還量は極め
て低い周波成分であることから、処理のうえで次のよう
な工夫を施す。 (1)帰還量の算出においては、なるべく(システムと
GPSの)同時刻のデータを対応させて使用し、それが
できない場合には、以前の時刻での帰還量を現在時刻の
帰還量として作用させる。なお、帰還量とは前述の式
(16)右辺の第1項である。 (2)システム演算ループにおいて作用される帰還量
は、これをシステムの演算ループの時間と、GPSのサ
ンプリング時間との比率分に分割して、システムループ
サイクルに作用させる。具体的に説明すれば、システム
ループのデータ演算サイクルはτ(sec)により表示
され、GPS以外のセンサーはこの時間間隔で周期を取
ってデータサンプリングが行われているものとする。こ
れに対し、GPSは時間間隔T(sec)でデータを出
力するものとする。ここで、
【0046】
【数17】
【0047】の関係があり、mは1に比べ著しく大きな
整数である。時間Tの間にGPSの出力データがβ°変
動したものとすれば、GPSのデータの変化率はβ/T
(°/sec)となる。このため各システムループの演
算サイクルでは、GPSの出力データの変化量は、
【0048】
【数18】
【0049】としてこの演算サイクルに作用させる。 (3)GPSデータの瞬断があった場合には、瞬断検出
の直前ループサイクルの帰還量を使用して、定常帰還を
継続する。またシステムでは、図3に示すように車輪速
計の出力を速度参照として利用する。最初に参照速度に
よる帰還がない場合、即ちK1 =K2 =0の場合を考え
てみる。角速度は積分されてシステム姿勢角が得られ、
更にこれを用いて加速度を積分してシステム姿勢が得ら
れる。しかし、この場合は参照速度(車輪速計等)が活
かされていないため、角速度に定数項的な誤差が含まれ
ていると、姿勢角に積分された時点で時間に関する次数
が上り、姿勢角に含まれる誤差は時間とともに増大す
る。これを係数として使用しながら加速度を積分する
と、システム速度の誤差は時間と共に増大し、発散す
る。
【0050】これに対し、K1 ,K2 ≠0の場合には、
図3中央部の加え合せ点ではシステム速度出力と参照速
度の差が偏差として取得され、入力側に帰還される。こ
れによってセンサ出力に含まれる定数項的誤差は除去さ
れる。また、この方法はピッチ姿勢角の向上にも利用す
ることができる。ピッチ角の値に誤差があると、これが
重力加速度に漏れ込み、速度誤差が発生する。参照速度
とシステム速度との偏差をとり、適切なゲインでピッチ
角に負帰還をかけることにより、ピッチ角の精度を向上
させることができる。この効果は移動体の加減速時に顕
著となる。これらの処理の概念を漸化式で表現すると次
のようになる。
【0051】
【数19】
【0052】
【数20】
【0053】ここで、 νn :システム出力速度、 pn :システム出力ピッチ
角 un :参照速度(ここでは車輪速計の出力) K1 ,K2 :帰還係数 を意味する。
【0054】本発明の一実施例を図4に示す。この実施
例は、諸センサーの出力データを処理する演算部41、
アンテナ制御機構部42および映像受信部43から成り
立っている。衛星の初期捕捉は前述したように、衛星よ
り到来する電波を平面アンテナ421を方位角の360
°範囲に走査させながら受信することにより行われる。
このとき、受信電圧はBSチューナー431を経てスペ
クトラムアナライザ433アナログ電圧として取り込ま
れ、監視される。しかし、この受信電圧は、移動体の走
行中には、追尾情報としては使用しない。その代わりに
演算部41には、GPS411から位置および方位情報
を、レートジャイロ412から角速度を、加速度センサ
412からは加速度を、車輪速計414からは参照速度
を、夫々供給され、これらのデータは各種インターフェ
イスを介して演算部41に取り込まれる。加速度センサ
412の出力は、時間について積分されて速度情報とな
るほか、代数的演算を施されて傾斜計と等価の機能を果
たす。演算部41はこれらの情報を前述した手法によっ
て演算処理し、各種の運動パラメータをプラズマディス
プレイ415またはカラー液晶ディスプレイ416に表
示しながら、アンテナ制御機構部42に向けて制御信号
を出力する。この信号は方位角・仰角制御回路422に
取り込まれ、これに基づいて同回路は方位角および仰角
制御電圧を方位角サーボモータ423および仰角サーボ
モータ424へ向けて夫々出力する。これによりアンテ
ナビームは常に一定精度で衛星に指向する。平面アンテ
ナ421で受信された信号はBSチューナー431に供
給され、テレビ受像機432に映し出される。
【0055】また、同システムのソフトウェアの概要図
を図5に示す。GPS、レートジャイロ、加速度センサ
および車輪速計の4センサには、さまざまの処理が行わ
れて、システム出力としては位置、姿勢角、速度、アン
テナ制御情報および衛星情報等が準備されている。GP
Sより導出された緯度、経度、高度情報は、主としてシ
ステム位置情報の低域補正として使用される。また、G
PS方位情報はシステム方位角の低域補正用として使用
される。レートジャイロの出力は姿勢情報源となり、四
元数にその姿勢情報が保持される。四元数は他の姿勢補
情報もとり入れて、リアルタイムで定面を維持する。こ
の四元数をもとにして、移動体座標系のベクトル量をN
ED基準座標系のベクトル量に座標変換する座標変換行
列が生成される。この座標変換行列から移動体の姿勢角
が算出される。
【0056】一方、加速センサの出力は傾斜計の情報と
して使用されるほか、座標変換行列によってNED基準
座標系に変換され、積分されてNED基準座標系での速
度を得る。これを積分して位置を算出するとともに、再
度移動体座標系の速度を得て、車輪速計との偏差を求め
た後、速度の補正やピッチ角の補正に使用される。衛星
の位置情報は、システムの算出する移動体の位置および
姿勢から、アンテナ追尾機構に送る制御角を算出するの
に利用される。
【0057】図5はシステムのフローチャートの一例を
示し、○印は加算的処理が主体の合流点、×印(○で囲
まれた×印)は乗算的な処理が主体の合流点、α1 はロ
ール角の帰還係数、α2 はピッチ角の帰還係数、α3
ヨー角の帰還係数(いずれも式(16)に対応する処
理)、またβは速度の帰還係数(式(19)に対応する
処理)である。図5において、左側の下線を引かれた項
目は、情報の入力源を意味し、左側のそれらは出力情報
の総称を示している。前述の諸項目についてその役割お
よび機能について順次説明する。GPS GPSから出力される緯度、経度、高度および方位の値
が使用される。
【0058】このうち、緯度、経度および高度について
は、システムが計算した直前の値との偏差をとり、NE
D基準座標の速度偏差を求める。これを変換行列を用い
て移動体座標系の値に変換し、帰還係数βを乗じて移動
体座標系の値に変換し、移動体座標系の速度偏差とし
て、単純積分処理の前に帰還する。即ち、GPSのデー
タを用いて、システムの位置誤差発散を防ぐ役割を果た
している。
【0059】方位角の値は、前述のものとは別に、シス
テムが計算した直前のヨー角との偏差をとり、これを帰
還量としてヨー角速度の領域に帰還する訳であるが、こ
の帰還係数を車輪速計から得られる速度情報の関数とし
て記述する。具体的に説明すれば次のようになる。GP
Sの出力方位の信頼性は移動速度に依存するから、高速
度では帰還係数を大きくしてGPSの依存度を高め、逆
に低速度では帰還係数を小さくしてGPSの依存度を小
さくする。結果として、幅広い方位精度維持が可能とな
る。閾値等の切り分けではなく、連続的に係数を操作す
るのが特徴である。レートジャイロ それぞれの軸について処理が異なるので、個別的に説明
する。なお、ここに記述したx,yおよびzは、移動体
座標系を基準とするものである。四元数とは、姿勢の情
報を確保している、スカラ1、ベクトル3の成分からな
り、複素数の概念を拡張したようなものといえよう。変
換行列は、移動体座標系で記述されるベクトル量を、N
ED基準座標系での値に変換する3行3列の空間回転行
列である。
【0060】変換行列から、ロール、ピッチおよびヨー
の姿勢角を算出し、出力する。また、この姿勢角とその
地点における衛星方位の仰角から、制御方位角および仰
角を算出する。x角速度 x軸回りの回転角速度には、システムが計算した直前の
ロール角から、加速センサのyおよびz成分に現れる加
速度(等速直線運動では重力加速度のみ)から得られた
ロール角(通常傾斜計と呼ばれるものと同じ出力とな
る)を差し引いた偏差を帰還し、精度を高める。但し、
加速度センサの方から得られるロール角は基本的に重力
加速度以外の加速度、つまり発進加速度、制動加速度、
遠心加速度および振動加速度等が発生すると、大きな誤
差をもたらす。従って、自動車の運動の場合、カーブ走
行時にy方向に大きな遠心力が発生するために、加速度
センサから得られるロール角の依存度を下げなければ、
システム全体の精度が下がってしまう。ヨー角速度と速
度の積はy方向の遠心加速度に比例するので、帰還係数
をこの値の関数で記述することにより、カーブ走行時の
システムの精度の低下を防ぐことができる。y角速度
軸回りの回転速度にはシステムが計算した直前のピッチ
角から、加速度センサのxおよびz成分に現れる加速度
(等速直線運動では重力加速度のみ)から得られたピッ
チ角(通常傾斜計と呼ばれるものと同じ出力となる)を
差し引いた偏差を帰還し、精度を高める。これはx軸の
場合と全く同じであるが、これに加えて、車輪速度から
システムが計算した直前の速度を差し引いたものに1/
gを乗じて帰還させている。z角速度センサ z軸角速度については、CPSの項で述べたので省略す
る。加速度センサ 加速度センサの出力は、積分として速度、位置を計算す
るほか、yおよびz成分を演算して得られるロール角
と、xおよびz成分を演算して得られるピッチ角を帰還
用の参照情報として用いる。x加速度 レートジャイロy軸帰還用ピッチ角(システムピッチ角
ではない)の生成要素として利用されるほか、システム
が計算した直前のx速度から、車輪速計より得られた速
度を差し引き、これに帰還係数βを乗じて帰還させる。
これを移動体座標系のx加速度として座標変換処理に入
力させる。y加速度 レートジャイロx軸帰還用ロール角(システムロール角
ではない)の生成要素として利用されるほか、システム
が計算した直前のy速度を差し引き、これを移動体座標
系のy加速度として、座標変換処理に入力させる。自動
車の左右方向に速度が発生しないことを仮定とした処理
である。Z加速度 レートジャイロx軸帰還用ロール角(システムロール角
ではない)、y軸帰還用ピッチ角(システムのピッチ角
ではない)の生成要素として利用されるほか、システム
の計算した直前のz速度を差し引き、これを移動体座標
系のy加速度として、座標変換処理に入力させる。自動
車の上下方向に速度が発生しないこと仮定した処理であ
る。
【0061】以上の加速度入力を、変換行列を用いてN
ED基準座標系に変換し、積分してNED基準座標系の
速度を得る。これから、位置としての緯度、経度および
高度を計算するほか、移動体座標系に逆変換して移動体
座標系の速度を算出する。特に移動体座標系のx方向の
速度はシステム速度として(自動車の進行速度に該当す
る)出力される。車輪速センサ 車輪回転計からの車輪速は、システム速度との偏差を取
って、x加速度、y角速度に帰還され、ピッチ姿勢角の
向上および速度精度の向上に役立つ。衛星パラメータ トラッキングの対象となる衛星の、緯度、経度および高
度を数値で与える。これとシステムから得られた位置か
ら、NED基準座標系においての衛星の方位角および仰
角を算出する。また、システム姿勢角との演算から制御
方位角および制御仰角を算出する。スペクトラムアナライザ 衛星からの電波の強さを読み取り、電界強度および受信
率を評価する。
【0062】式(15)で示すセンサ融合法に基づいて
設計・試作された移動体通信用通信衛星追尾装置につい
て、郊外地で行った実験の結果を図6および図7に示
す。図6において縦軸はピッチ角および移動体の速度を
示し、横軸は経過時間である。図6の上段はピッチ角を
示し、太い線で示したものが傾斜計の出力で、加減速時
にオフセット的(定数項的)誤差が含まれていることが
分かる。これに対し、細い線で示したものがシステムの
出力であり、加減速の影響はかなり軽減されたものと見
ることができる。一方、図6下段の速度については、階
段的出力の方が車輪回転計の出力であり、走行距離に対
するパルスの分解能が十分でないためにこのような出力
となる。この間を滑らかに辿っているのがシステム出力
速度であり、より精度の良好な値が得られたものと評価
することができる。
【0063】このシステムで放送衛星を追尾したときの
状況を図7に示す。縦軸は相対受信電力(dB)、また
横軸は、移動体床面下向きの軸と鉛直下向きの軸がなす
角度をθとする。移動体のロール角をφ1 、ピッチ角を
φ2 とすると、
【0064】
【数21】
【0065】の関係がある。縦軸は静止時、正常受信時
の最大電力探索値を0dBとして走行時の相対受信電力
の変化をプロットしたものである。相対受信電力が−1
0dB以上のときは±5°の精度で衛星に指向できてい
ることになる。鉛直線となす角が5°以上の領域は方位
1軸だけの追尾では全く受信不可能な領域であるが、か
なりのデータ点が存在し、かなりの確率で受信が達成さ
れていることが分かる。但し、この追尾実験結果には建
物等による電波の遮断(一般的にシャドウイング)も含
まれているため、この影響を考えると、実際の追尾達成
度はここに示すものよりは良好であることが想定され
る。
【0066】本発明の変形例として、先ず地磁気が磁北
を指すことを利用した、磁気コンパスを追加したシステ
ムを挙げることができる。この場合、静止時にアンテナ
のビームを電波の到来方向に向ける初期作業において、
磁気コンパスによって予め方位を知ることができるの
で、電界強度を調べることなく、一気にアンテナビーム
を衛星方向の近くへ向けることができ、移動体方位初期
化を高速化することができる。また、GPSが何らかの
理由で長時間測位が不能となったとき、補助的な方位情
報として使用することができる。
【0067】また、本発明の衛星追尾装置は、移動体か
ら衛星を追尾するため、移動体の各種運動パラメータ
(姿勢角、速度、位置等)を内部計算し、最終的に追尾
用アンテナ系制御角を得ているが、見方を変えれば、移
動体の加速度、角速度、速度、姿勢(方位を含む)およ
び位置をリアルタイムで出力する、移動体用の運動計測
装置または位置評定装置として扱うことができる。
【0068】本発明の移動体通信用通信衛星追尾装置を
移動体に組み込むことにより、Kuバンド程度以上の高
い周波数領域で高利得アンテナを使用して安定した衛星
通信を行うことが可能となる。これよりも低い周波数帯
では無指向性アンテナが使用されてきたが、サイズが小
さく、ビームの鋭いアンテナを製作できる高い周波数帯
では、電波電力を有効に利用することができる。従っ
て、電波送信に使用される電力も小さくて済み、電源供
給に限度がある移動体での送信に適している。通信衛星
側から見ると受信側の利得が向上するので、送信電力を
小さくすることができ、衛星の小型化および低コスト化
が可能となる。
【0069】また、通信衛星の場合、地上局とは異な
り、極めて広範囲なサービスエリアを持っているため、
広範囲の複数の移動局に情報を与えたり、逆に移動局か
らの情報を得ることができる。幸い、本発明の衛星追尾
装置では、移動体自身の位置およびその他の運動パラメ
ータがリアルタイムで得られるため、通信衛星を介して
地上の基地局に移動体から得た情報を蓄積することがで
きる。逆に地上基地局から衛星を介して移動局に情報を
与えることも可能である。これは従来の地上に中継局を
設置する場合に比べて経費を削減でき、地上中継局を持
たないため、災害時の緊急通信用などに威力を発揮する
と考えられる。
【0070】本発明の方式とモノパルス方式を比較した
場合、本発明では追尾中には電界強度の情報を全く利用
していないため、閉ループ追尾の弱点を全てクリアして
いる。具体的に述べれば、追尾のための複雑な制御アル
ゴリズムを必要とせず、トンネル通過等のシャドウィン
グの後には素速く正常追尾に復帰することができる。ま
た、アンテナ自体はモノパルス方式では制御軸数×2箇
だけ必要であったが、本発明では1箇だけでよく、アン
テナ部のコストが半減するほか、アンテナ搭載制御部へ
の荷重が軽減され、小型化および低コスト化が可能とな
る。
【0071】一方、GPSを使用せず、代わりにジャイ
ロコンパスあるいは磁気コンパスを使用したものと比較
した場合、低コストで位置情報が得られ、地球上で仰角
>0の地点であれば、必ず衛星方向を指向する特徴をも
つ。これはGPSを使用しない場合、位置情報の精度が
著しく低下し、これを補うためには著しく高精度で高価
な慣性センサを用いなければならないためである。GP
Sを用いる場合、使用に供する慣性センサは低コストの
もので済む。
【0072】なお、上述の説明において、姿勢角センサ
として、低い周波数領域においては傾斜計(3軸加速セ
ンサの出力に代数的演算を施して傾斜値を導出するもの
を含む)を、高い周波数領域においてはレートジャイロ
を使用する旨を述べたが、センサの種類はこれに限定さ
れるものではなく、希望の性能ものが開発されれば、こ
れを使用しても差し支えない。また、周波数領域は高低
領域に2分割するものに限らず、使用するセンサの性能
に応じ、他の適当な整数で分割して差し支えない。
【0073】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明の移動体通信
用衛星追尾装置によれば、移動体の運動情報を検出する
手段として低い周波数領域および高い周波数領域に適当
なセンサを夫々選択し、全周波数帯域をこれらセンサに
分担させ、また移動体の運動状態に応じてこれらのセン
サへの依存度を適切に調整するようにしたため、移動体
の運動状態に関わりなく、常に一定の精度でアンテナビ
ーム方向を衛星方向に指向させることができるようにな
った。
【図面の簡単な説明】
【図1】宇宙空間の衛星と地上にある移動体の位置関係
を示したものである。
【図2】追尾を行う上での廻転と座標系の関係を示した
ものである。
【図3】速度偏差帰還によるピッチ姿勢角および速度の
精度改善法のブロック線図である。
【図4】本発明を車載用通信衛星追尾システムに応用し
たハードウェアの構成図である。
【図5】本発明を車載用通信衛星追尾システムに応用し
たソフトウェアのブロック線図である。
【図6】移動体走行時のピッチ角および速度のシステム
出力の時間経過を示したものである。
【図7】本発明を応用した車載用通信衛星追尾システム
での傾斜角と相対受信電力によって受信状況の分布を示
した図である。
【図8】閉ループ追尾の代表的な例である、モノパルス
方式の原理を示したものである。
【図9】モノパルス方式のビームパターンの合成を示し
た図である。
【符号の説明】
41 演算部 411 GPS 412 レートジャイロ 413 加速度センサ 414 車輪速計 415 プラズマディスプレイ 416 カラー液晶ディスプレイ 42 アンテナ機構制御部 421 平面アンテナ 422 方位角・仰角制御回路 423 方位角サーボモータ 424 仰角サーボモータ 43 映像部 431 BSチューナ 432 テレビ受像機 433 スペクトラムアナライザ 81 主反射鏡 82 副反射鏡 83a,83b フィードホーン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮崎 淳平 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日 立電線株式会社日高工場内 (56)参考文献 特開 平8−116207(JP,A) 特開 平7−283642(JP,A) 特開 平7−249917(JP,A) 特開 平7−154856(JP,A) 特開 平4−291805(JP,A) 特開 平9−257924(JP,A) 特許2708092(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01S 3/00 - 3/74 H01Q 3/00 - 3/46

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】3軸加速度センサ、3軸角速度センサ、傾
    斜計、GPS装置、速度計およびアンテナ方向制御装置
    を具備する移動体通信用通信衛星追尾装置において、 移動体の運動情報を求める上で、周波数領域を複数箇の
    それに分割し、夫々にセンサまたは装置の担当を配分
    し、移動体の運動の状態に応じた最適値に、その担当配
    分を動的に変化させる制御手段を有することを特徴とす
    る移動体通信用通信衛星追尾装置。
  2. 【請求項2】前記周波数領域を2箇のそれに分割し、低
    周波領域には傾斜計の担当を配分し、高周波領域には3
    軸角速度センサの担当を配分することを特徴とする請求
    項1記載の移動体通信用通信衛星追尾装置。
  3. 【請求項3】前記傾斜計は前記3軸加速度センサの出力
    に代数的演算を施す手段を有することを特徴とする請求
    項2記載の移動体通信用通信衛星追尾装置。
  4. 【請求項4】前記3軸角速度センサはレートジャイロで
    あることを特徴とする請求項2記載の移動体通信用通信
    衛星追尾装置。
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