JP3656575B2 - 衛星追尾用アンテナ制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は衛星追尾用アンテナ制御装置に関し、特に車両や船舶、航空機等の移動体に搭載されて通信衛星との間で通信を行う衛星追尾用アンテナ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、例えば特開平８−２７１５６１号公報に示された従来のアンテナ装置のブロック図である。図において、１は対向して配置されたアンテナからの送信波を受信するアンテナ、２はアンテナ１の指向方向を変更するアンテナ駆動部、３は電界強度測定用の電波を送信する送信部、４は電界強度測定のための受信信号を受信する受信部、５は電界強度を測定する電界強度測定部、６は測定した電界強度と測定時刻を記録するデータ記録部、７はアンテナ１の指向方向の変更、電界強度の測定、及びデータ記録における時刻の整合を行う時刻整合部、８はこれらのアンテナ駆動部２と送信部３と電界強度測定部５とデータ記録部６と時刻整合部７とを制御するアライメント制御部である。
【０００３】
指向性を有するアンテナを用いて２地点間で移動体通信を行う場合、互いに相手側の通信装置の位置を特定し、最も受信電界強度の高い方向を探知してアンテナを固定する必要がある。このため、図９に示した従来のアンテナ装置は、時刻整合部７により予め設定した時刻に相手側が送信した送信波をアンテナ１により受信し、この受信の際に、アンテナ駆動部２によりアンテナ１を走査する。アンテナ１を走査するとともに、電界強度測定部５により受信電界強度を測定し、データ記録部６により受信電界強度、時刻及びアンテナの指向方向とを記録し、得られた記録から相手側の通信装置の方向を決定することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように従来のアンテナ装置は構成されているので、２地点に配置されたアンテナ装置相互のアンテナ指向方向のアライメント調整が可能となる。しかし、移動体と通信衛星との間で相対位置関係が変化しながら通信するようなアンテナ装置においては、アンテナを相手側のアンテナ装置に指向させる際に、その移動体が有するジャイロ等の位置及び姿勢の情報に基づいてアンテナ駆動するオープンループ駆動制御と、受信レベルに基づくフィードバック駆動制御とを併用する場合があり、このジャイロ等の測定装置の基準軸（ジャイロ等は通常、移動体に固定されており、この意味において以下、「移動体固定座標系の軸」と呼ぶ。）とアンテナ駆動軸（以下、アンテナの「ジンバル座標系の軸」と呼ぶ。）との間に軸ずれがある場合には、オープンループ駆動制御内に軸ずれ分の指向方向誤差が発生し、高精度な追尾制御ができないという問題点があった。また、特に航空機等に搭載され、衛星との間で通信を行うアンテナ装置では、例えば空港の滑走路上では移動体固定座標系の軸とジンバル座標系の軸との軸ずれ量が既知となっていても、離陸後の気圧や気温等の環境変化より、さらに移動体固定座標系の軸とジンバル座標系の軸との軸ずれ量が変化するという問題点があった。
【０００５】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、移動体と通信衛星との間で通信を行う際に、移動体固定座標系とアンテナのジンバル座標系との間の軸ずれ量を算出し変更することにより、高精度なアンテナの衛星追尾制御が可能となり、また軸ずれ量の補正に関する保守性を高めた衛星追尾用アンテナ制御装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る衛星追尾用アンテナ制御装置は、移動体に設けられた慣性航法装置から出力される上記移動体の位置情報及び姿勢情報と追尾対象の衛星の位置情報とに基づいて、上記移動体に固定された移動体固定座標系における上記衛星の方位角及び仰角を算出する衛星方向算出部と、上記移動体固定座標系と上記移動体に搭載されたアンテナのジンバル座標系の軸ずれ量によって、上記衛星方向算出部において算出された上記衛星の方位角及び仰角を補正して駆動指令信号として出力する軸ずれ量補正部と、この駆動指令信号に基づいて駆動された上記アンテナを介して、上記衛星から送信される信号を受信する受信機と、この受信機により受信した受信信号のレベルがピークとなる方向に上記アンテナを駆動するピーク方向駆動制御部と、このピーク方向駆動制御部により駆動された上記アンテナのジンバル座標系における方位角及び仰角を検出する角度検出器と、この角度検出器により検出した上記アンテナのジンバル座標系における方位角及び仰角と、上記衛星方向算出部により算出した上記衛星の方位角及び仰角とのずれ量を算出し、上記軸ずれ量補正部へ軸ずれ量の変更を指令する軸ずれ量演算部とを備えたものである。
【０００７】
請求項２の発明に係る衛星追尾用アンテナ制御装置は、請求項１の発明に係る衛星追尾用アンテナ制御装置において、上記軸ずれ量演算部は、上記慣性航法装置から出力される上記移動体の姿勢情報に基づいて、上記移動体が直進していると判定した場合に、上記軸ずれ量補正部へ軸ずれ量の変更を指令するものである。
【０００８】
請求項３の発明に係る衛星追尾用アンテナ制御装置は、請求項１の発明に係る衛星追尾用アンテナ制御装置において、上記軸ずれ量演算部は、上記慣性航法装置から出力される上記移動体の高度情報に基づいて、上記移動体が所定の高度に達したと判定した場合に、上記軸ずれ量補正部へ軸ずれ量の変更を指令するものである。
【０００９】
請求項４の発明に係る衛星追尾用アンテナ制御装置は、請求項１の発明に係る衛星追尾用アンテナ制御装置において、上記軸ずれ量演算部は、上記移動体の出発時から所定の時間が経過したと判定した場合に、上記軸ずれ量補正部へ軸ずれ量の変更を指令するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る衛星追尾用アンテナ制御装置を図１によって説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の構成を示すブロック図である。図において、９は追尾対象の衛星であり、１０は衛星９との間で無線により通信するアンテナである。１１は、アンテナ１０を介して衛星９から送信される信号を受信する受信機、１２は受信機１１により受信した受信信号のレベルがピークとなる方向にアンテナ１０を駆動するピーク方向駆動制御部、１３はアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角を検出する角度検出器である。ピーク方向駆動制御部１２内において、１４は受信機１１により受信した受信信号の電力レベルに基づいて、受信信号がピークとなるアンテナ１０の方向を推定し、そのピーク方向への駆動量を出力するピーク方向推定部、１５は後述の駆動指令信号とピーク方向推定部１４から出力される駆動量とを加算し、ピーク方向推定後の駆動指令信号として出力する加算器、１６は加算器１５から出力される駆動指令信号と、角度検出器１３からのアンテナ１０方位角及び仰角とに基づいて、アンテナ１０を駆動指令信号が指令する角度に駆動するアンテナ駆動装置である。１７は移動体の位置情報及び姿勢情報を検出する慣性航法装置、１８は衛星９の位置を軌道情報に基づいて算出する衛星位置算出部、１９は慣性航法装置１７から出力される移動体の位置情報及び姿勢情報と、衛星位置算出部１８から出力される衛星９の位置情報とに基づいて、移動体固定座標系における衛星９の方位角及び仰角を算出する衛星方向算出部である。２０は移動体固定座標系とアンテナ１０のジンバル座標系との軸ずれ量により、衛星方向算出部１９により算出された衛星９の方位角及び仰角を補正して駆動指令信号として出力する軸ずれ量補正部、２１は角度検出器１３が出力するアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角と、衛星方向算出部１９により算出した衛星９の方位角及び仰角とのずれ量を算出し、軸ずれ量補正部２０へ軸ずれ量の変更を指令する軸ずれ量演算部である。
【００１１】
次に実施の形態１に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の動作について説明する。まず、移動体に搭載したアンテナ１０を衛星９の方向に指向させるためには、衛星の方向を決定しなければならない。衛星位置算出部１８は装置内に記憶している追尾対象衛星の軌道情報を用いて、例えば、衛星９の緯度及び経度及び高度等で表される衛星の位置を算出し出力する。一方、慣性航法装置１７には、移動体の姿勢を検出する３軸ジャイロや加速度を検出する３軸加速度計、地球磁気軸に対する移動体の方位を検出する磁気方位計、圧力差などを用いて移動体の高度を算出する高度計、移動体の位置を検出するGPS等が搭載され、これらの計測装置の検出値に基づき、例えば、緯度及び経度及び高度で表される移動体の位置と、例えば、ロール角及びピッチ角及び真方位で表される移動体の姿勢を算出し出力する。本発明に云う慣性航法装置とは、航空機、船舶等の移動体のみならず、車両や飛行船その他の移動体において搭載されている装置を指すものである。またその移動体の航行に使用される通常の慣性航法装置に加え、必ずしも航行の用に供するものでなくても、その移動体に搭載されてその移動体の位置情報や姿勢情報を検出する上記のような計測装置全般も特許請求の範囲及び発明の詳細な説明に記載された本発明の慣性航法装置に包含されるものであり、このことは以下の実施の形態においても同様である。
【００１２】
衛星方向算出部１９は、衛星位置算出部１８から出力される衛星位置情報と、慣性航法装置１７から出力される移動体の位置及び移動体の姿勢の情報から、移動体に固定された移動体固定座標系における衛星の方位角及び仰角を算出し出力する。また、この衛星方向算出部１９から出力する衛星方向情報は移動体固定座標系における原点からみた衛星方向の単位ベクトルであってもよい。
【００１３】
軸ずれ量補正部９は、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星９の方位角及び仰角を、上記軸ずれ量補正部内に記憶している、例えばロール角及びピッチ角及びヨー角等のオイラー角で表された移動体固定座標系とアンテナ１０のジンバル座標系との軸ずれ量を用いて、上記ジンバル座標系における衛星９の方位角及び仰角に変換することによって補正し、アンテナ１０の駆動指令信号として出力する。この変換は、上記のオイラー角を用いて座標変換行列を作り、移動体固定座標系における衛星９の方位角及び仰角から一意に計算される移動体固定座標系における衛星方向の単位ベクトルに、この座標変換行列を乗じて得られるジンバル座標系における衛星方向の単位ベクトルからジンバル座標系における衛星の方位角及び仰角を一意に得ることで行われる。
【００１４】
軸ずれ量補正部２０から出力される駆動指令信号は、ピーク方向推定部１４から出力されるピーク方向への駆動量と加算されてアンテナ駆動装置１６に入力される。アンテナ駆動装置１６は、加算器１５からの駆動指令信号と角度検出器１３から出力されたアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角により算出されるフィードバック信号によってアンテナ１０を駆動する。このように駆動されたアンテナ１０を介して、衛星９から送信される信号を受信機１１により受信する。受信機１１は、アンテナ１０で受信された追尾対象衛星の高周波信号を平滑化処理し、その受信レベルをピーク方向推定部１４へ出力する。ここで、角度検出器１３は、アンテナ１０の方位角方向と仰角方向の機械系の回転を電気信号に変換することでアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角を検出し出力する。
【００１５】
ピーク方向推定部１４は、受信機１１から出力される受信信号のレベルと角度検出器４から出力されるアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角とにより、ジンバル座標系における受信信号のレベルのピーク方向を推定し、このピーク方向にアンテナ１０を駆動させるための駆動指令信号に対する補正量を駆動量として算出し、ここで算出された駆動量は上述のように加算器１５において、軸ずれ量補正部２０からの駆動指令信号に加算される。
【００１６】
ピーク方向推定部１４は、さらにアンテナ１０の指向方向が上記受信信号のレベルのピーク方向へ収束したかどうかを判定し、アンテナ１０の指向方向が収束していると判定している間は、収束している旨の制御信号を軸ずれ量演算部２１へ出力する機能を有する。
【００１７】
上記のようにピーク方向推定部１４からアンテナ１０の指向方向が収束している旨の制御信号が出力されている場合に、軸ずれ量演算部２１は、角度検出器１３から出力されるアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角とを、上記軸ずれ量演算部２１内の記憶装置に蓄積し、データの数が所定の値に達するごとに移動体固定座標系とアンテナ１０のジンバル座標系との軸ずれ量を算出し、軸ずれ量補正部２０内に記憶されている軸ずれ量の変更を指令し、上記記憶装置の初期化と、ピーク方向推定部１４におけるピーク方向への駆動量の初期化を行う。
【００１８】
軸ずれ量演算部２１の機能を代数的に説明するため、以下の座標系と変数を定義する。移動体固定座標系の３軸をｘｙｚ軸と定義する。このｘｙｚ軸は、それぞれ移動体のロール軸、ピッチ軸、ヨー軸に対応する。また、アンテナ１０のジンバル座標系の３軸をｘ’ｙ’ｚ’軸と定義する。このアンテナが移動体に理想的に取り付けられた場合、移動体固定座標系とジンバル座標系とは一致するため、軸の定義も移動体固定座標系のものと一致するが、通常は完全に座標系を一致させてアンテナ１０を移動体に取り付けることは困難であり、これらの座標系の軸には、ずれが生じている。移動体固定座標系基準のジンバル座標系のオイラー角φ＝（φ１、φ２、φ３）と定義する。このオイラー角は、それぞれロール回転角、ピッチ回転角、ヨー回転角に対応するものとする。移動体固定座標系からジンバル座標系への座標変換行列Ｗ（φ）と定義する。座標変換における座標回転はヨー回転、ピッチ回転、ロール回転の順に行うものとする。移動体固定座標系における衛星の方位角と仰角とをΨ＝（ψ，θ）と定義する。方位角は移動体固定座標系ｘ軸からｘｙ面内をｚ軸正方向から見て反時計回りに、仰角はｘｙ平面からｚ軸の正方向が正になるように測る。ジンバル座標系から見た衛星の方位角と仰角とをΨ’＝（ψ’，θ’）と定義する。定義は移動体固定座標系のものに準じる。上記両方位角および仰角の差をδΨ＝Ψ’−Ψ＝（δψ，δθ）＝（ψ’−ψ，θ’−θ）と定義する。さらに移動体固定座標系における衛星方向の単位ベクトルをｎと定義し、ジンバル座標系におけるアンテナの指向方向の単位ベクトルをｎ’と定義する。
【００１９】
軸ずれ量演算部２１において蓄積している複数組（Ψ，Ψ’）に対して、軸ずれ量φを算出するための式を導くために、以下でいくつかの基礎となる式を導出する。
【００２０】
移動体固定座標系とジンバル座標系の間の軸ずれは、アンテナを移動体に据え付ける際に微小なものとなるように据え付けられるものであり、また、据え付け後の機体の変形などによる軸ずれも微小なものであると予測できるので、軸ずれ量φは微小であると仮定してもよい。この仮定の下、座標変換行列Ｗ（φ）は以下のように近似できる。
【００２１】
【数１】
【００２２】
衛星方向算出部１９により算出した移動体固定座標系における衛星の方位角、仰角Ψを用いれば、移動体固定座標系における衛星方向の単位ベクトルｎは以下のようになる。
【００２３】
【数２】
【００２４】
角度検出器１３から出力されたアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角Ψ’を用いれば、アンテナ１０のジンバル座標系における指向方向の単位ベクトルｎ’は以下のようになる。
【００２５】
【数３】
【００２６】
数式（３）をΨと差δΨとを用いて、軸ずれ量φが微小であることからδΨも微少量であるとして書きなおすと、次のようになる。
【００２７】
【数４】
【００２８】
【数５】
【００２９】
座標変換行列、数式（１）を用いれば、単位ベクトルｎとｎ’との関係は次のように表せる。
【００３０】
【数６】
【００３１】
数式（４）と数式（６）とから、δΨとφとの間の関係式を次のように得ることができる。
【００３２】
【数７】
【００３３】
数式（７）において、Ｉは単位行列である。未知量であるφを陽に表すために、数式（７）の右辺を書きなおすと以下の式をえる。
【００３４】
【数８】
【００３５】
【数９】
【００３６】
さらに、数式（８）に適当な行列演算を加えることにより、以下の軸ずれ量φに対する観測方程式を得る。
【００３７】
【数１０】
【００３８】
【数１１】
【００３９】
複数組の（Ψ，Ψ’）が得られている場合、それらデータ組を（Ψｉ，Ψｉ’）、(ｉ=１，・・・，ｎ)と表せば、その差Ψｉ’− ΨｉをδΨｉとして、軸ずれ量φの最小二乗推定値を以下の数式（１２）で表すことができる。
【００４０】
【数１２】
【００４１】
ただし、Ｗｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）は、所定の３行３列の重みである。軸ずれ量演算部２１では、蓄積された複数組の値（Ψｉ，Ψｉ’）に対して、まず、その差δΨｉ＝Ψｉ’− Ψｉを計算し、その値と（Ψｉ，Ψｉ’）の値から、数式（１２）により軸ずれ量φの最小２乗推定値が算出される。この軸ずれ量φの最小２乗推定値を、軸ずれ量補正部２０に出力する。
【００４２】
もし、軸ずれ量演算部２１で算出される量δΨの測定誤差の誤差共分散行列Ｒが既知であるならば、軸ずれ量φの最尤推定値を以下のように得ることができる。
【００４３】
【数１３】
【００４４】
さらに、軸ずれ量φの推定誤差共分散行列を以下のように得ることができる。
【００４５】
【数１４】
【００４６】
推定誤差共分散行列、数式（１４）により推定された軸ずれ量φの推定誤差の分散値を算出することが可能となる。よって、軸ずれ量演算部２１で算出される量δΨの測定誤差の誤差共分散行列Ｒが既知であるならば、実施の形態１の別の実施例として、軸ずれ量演算部２１の機能を以下のようにすることもできる。即ち、ピーク方向推定部１４からアンテナ１０の指向方向が収束している旨の制御信号が出力されているときに、角度検出器１３から出力されるアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角とを、上記軸ずれ量演算部２１内の記憶装置に蓄積し、データが蓄積されるごとに蓄積されたデータから軸ずれ量φの推定誤差の分散値を算出し、算出された推定誤差の分散値が所定の値を下回った時点で、蓄積されたデータから移動体固定座標系とアンテナ１０のジンバル座標系との軸ずれ量を算出し、軸ずれ量補正部２０内に記憶されている軸ずれ量の変更を行い、上記記憶装置の初期化と、ピーク方向推定部１４の補正量の初期化を行う。
【００４７】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置を図２から図４によって説明する。図２はこの発明の実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ演算部の構成を示すブロック図であり、図３はこの発明の実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ演算部での移動体直進判定を伴うデータ記憶処理の流れを示すフローチャートであり、図４はこの発明の実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ演算部での軸ずれ量算出の流れを示すフローチャートである。図２において、２２は角度検出器１３から出力されるアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角と、慣性航法装置１７から出力される移動体姿勢情報とを記憶する第１記憶装置部であり、この第１記憶装置部２２での記憶の処理は、ピーク方向推定部１４からアンテナ指向方向が収束している旨の制御信号が出力されている場合に行う。２３は第１記憶装置部２２に記憶されたアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角それぞれの平均値と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角それぞれの平均値と、慣性航法装置１７から出力される移動体の姿勢情報それぞれの分散値とを計算し出力する統計量算出部、２４は統計量算出部２３から出力される移動体の姿勢情報それぞれの分散値に基づき、第１記憶装置部２２が各データの記憶を行っている間に移動体が直進していたかを判定する移動体直進判定部、２５は統計量算出部２３から出力されるアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角それぞれの平均値と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角それぞれの平均値とを記憶する第２記憶装置部、２６は第２記憶装置部２５に記憶されたアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角それぞれの平均値と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角それぞれの平均値に基づき、軸ずれ量の算出を行う軸ずれ量算出部である。なお、この実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置は図１に示した衛星追尾用アンテナ制御装置において、軸ずれ演算部２１を図２に示すように構成したものである。
【００４８】
次に実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部２１の動作について図３及び図４のフローチャートを参照して説明する。まず、図３のステップＳ１において、第１記憶装置部２２は初期化される。次にステップＳ２において、第１記憶装置部２２は、ピーク方向推定部１４からアンテナ指向方向が収束している旨の制御信号が出力されている場合に、角度検出器１３から出力されるアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角と、慣性航法装置１７から出力される移動体姿勢情報とを取得し記憶する。次にステップＳ３において、データ数が所定の数に達したか、あるいはデータ取得開始から所定の時間が経過したかを条件判定し、いずれかの条件が満たされているときにステップＳ４へ移行する。条件が満たされていない場合にはステップＳ２のデータ取得を繰り返す。
【００４９】
ステップＳ４においては、統計量算出部１３により慣性航法装置１７から出力される移動体の姿勢情報それぞれの分散値を算出し、ステップＳ５において移動体直進判定部２４は、統計量算出部２３から出力される移動体の姿勢情報それぞれの分散値と、所定値との比較により移動体が直進していたかどうかを判定する。即ち、統計量算出部２３から出力される移動体の姿勢情報それぞれの分散値が所定値よりも小さいときに移動体が直進していたと判定し、ステップＳ６へ移行する。ステップＳ６では、統計量算出部２３により第１記憶装置部２２から出力されたアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角それぞれの平均値と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角それぞれの平均値を算出し、第２記憶装置部２５へ出力する。ここで第１記憶装置部２２内のデータは全て使用されたことになるので、第１記憶装置部２２から統計量算出部２３へのデータ出力後、第１記憶装置部２２のデータを消去し初期化しておく。また、ステップＳ５において移動体直進判定部２４が、移動体は直進していなかったと判定した場合には、再度のデータ取得のためにステップＳ１まで処理を戻す。直進していない場合に再度データ取得を行う理由は、移動体の姿勢が安定していない状態においては、アンテナによる衛星追尾制御が行われている状態にあり、この追尾制御時のアンテナ指向方向と衛星方向との誤差を軸ずれ量としないようにするためである。
【００５０】
次に図３の軸ずれ量演算フローを参照しながら、軸ずれ量演算部２１の処理を説明する。まず、第２記憶装置部２５はステップＳ７において記憶装置内が初期化されているものとし、ステップＳ８では上述の図３のステップＳ６における統計量算出部２３からの出力を受けとる。即ち、ステップＳ８において、第２記憶装置部２５は、統計量算出部２３から出力される上記アンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角それぞれの平均値と、上記衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角それぞれの平均値とを取得し記憶する。次にステップＳ９において、第２記憶装置部２５のデータ数が所定数に達しているかどうかを判定し、所定数に達している場合にはステップＳ１０へ移行し、達していない場合にはステップＳ８によるデータ取得と記憶を繰り返す。ステップＳ１０において、軸ずれ量算出部２６は、第２記憶装置部２５に記憶されたアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角それぞれの平均値と、上記衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角それぞれの平均値のデータ数が所定の数に達すると実施の形態１において説明した計算式に基づき、軸ずれ量の変更値を算出し、軸ずれ量補正部１０へ出力する。
【００５１】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る衛星追尾用アンテナ制御装置を図５及び図６により説明する。図５は、この発明の実施の形態３に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部の構成を示すブロック図であり、図６はこの発明の実施の形態３に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部での処理の流れを示すフローチャートである。図５において、２７はピーク方向推定部１４からアンテナ指向方向が収束している旨の制御信号が出力されている場合に、角度検出器１３から出力されるアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角とを取得し記憶する記憶装置部、２８は慣性航法装置１７から出力される移動体の高度により、移動体の高度が所定の値に達すると、記憶装置部２７にデータ取得の開始を指令する制御信号を出力する高度判定部、２９は記憶装置部に記憶されたアンテナ１のジンバル座標系における方位角及び仰角それぞれの平均値と、上記衛星方向算出部６から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角それぞれの平均値を算出し、算出したこれらの平均値に基づいて軸ずれ量の算出を行う軸ずれ量算出部である。なお、この実施の形態３に係る衛星追尾用アンテナ制御装置は図１に示した衛星追尾用アンテナ制御装置において、軸ずれ演算部２１を図３に示すように構成したものである。
【００５２】
次に実施の形態３に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部２１の動作について図６のフローチャートを参照して説明する。軸ずれ演算機能がスタートすると、ステップＳ１１において、高度判定部２８によって移動体の高度が所定の高度に達したかどうかを判定する。移動体が所定の高度に達していない場合には、処理はこの判定の直前に帰還する。移動体が所定の高度に達していると判定した場合には、ステップＳ１２に移行し、記憶装置部２７を初期化する。次にステップＳ１３に移行し、記憶装置部２７により各データを取得する。記憶装置部２７は、ピーク方向推定部１４からアンテナ指向方向が収束している旨の制御信号が出力されている場合に、角度検出器１３から出力されるアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角とを取得し記憶する。次にステップＳ１４に移行し、記憶装置部２７に記憶したデータ数が所定の数に達しているかどうかを判定する。所定の数に達していない場合には、ステップＳ１３に帰還してデータ取得を行う。記憶装置部２７に記憶したデータ数が所定の数に達すると、ステップＳ１５に移行し、記憶装置部２７に記憶した全データを用いて軸ずれ量を算出し、軸ずれ量補正部２０へ出力する。その後、処理は移動体の高度を判定するステップＳ１１に帰還する。
【００５３】
実施の形態３は、移動体の高度の変化によって生じる温度変化や、移動体の機体内外の気圧差等に起因する機体の変形によって生じる移動体固定座標系とジンバル座標系と軸ずれを逐次補正することができる。特に高度変化の激しい航空機等の移動体において、航行中に軸ずれ量の補正することによって、アンテナの高精度な衛星追尾制御が可能となる。
【００５４】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る衛星追尾用アンテナ制御装置を図７により説明する。図７は、この発明の実施の形態４に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部の構成を示すブロック図である。図７において、３０は移動体の電源が入った時点あるいは移動体の出発時等の時間原点から所定の時間が経過したかどうかを判定する時間経過判定部である。図７において、図５と同一の符号を付した回路は図５のそれらの回路と同一又は相当する回路を示す。この図７に示す軸ずれ演算部２１は、実施の形態３において説明した図５の軸ずれ演算部２１の高度判定部２８を時間経過判定部３０に置き換え、高度判定部２８に対する慣性航法装置１７からの入力を消去したものである。なお、この実施の形態４に係る衛星追尾用アンテナ制御装置は図１に示した衛星追尾用アンテナ制御装置において、軸ずれ演算部２１を図７に示すように構成したものである。
【００５５】
時間経過判定部１９は、移動体の電源が入った時点あるいは移動体の出発時等の時間原点から所定の時間が経過すると、記憶装置部にデータ取得の開始を指令する制御信号を出力し、その後、記憶装置部２７及び軸ずれ量算出部２９が行う処理は、実施の形態３において図５及び図６により説明した処理と同様である。このように移動体の電源が入った時点あるいは移動体の出発時等の時間原点からの所定時間経過によって、軸ずれ量の算出を行い軸ずれ量補正部２０における軸ずれ量補正値を変更することにより、衛星追尾用アンテナ制御装置の保守性が向上する。
【００５６】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る衛星追尾用アンテナ制御装置を図８により説明する。図８は、この発明の実施の形態５に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部の構成を示すブロック図である。図８において、３１は高度判定部２８による移動体の高度判定、又は時間経過判定部３０による時間経過判定を行う軸ずれ量取得条件判定部である。図８において、図２と同一の符号を付した回路は図２のそれらの回路と同一又は相当する回路を示す。また、図８における高度判定部２８及び時間経過判定部３０は図５及び図７において同一符号を付した回路と同一又は相当する回路を示す。
【００５７】
実施の形態５に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部２１は、図２及び図２に対応する実施の形態２において説明した軸ずれ量演算部２１において、第２記憶装置部２５が図４のステップＳ８のデータ取得及び記憶を行う条件として、高度判定部２８での高度判定又は時間経過判定部３０での時間経過判定を付加したものである。即ち、高度判定部２８での高度判定又は時間経過判定部３０での時間経過判定により、第２記憶装置部２５はデータの取得及び記憶を開始し、データ数が所定数に達すると軸ずれ量算出部２６において軸ずれ量を算出する。このように構成した軸ずれ量演算部により、衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量を算出及び変更することによって、移動体の複雑な運用形態に対応して高精度な衛星追尾制御とその制御装置の保守が可能となる。
【００５８】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、受信信号レベルがピークとなる方向に駆動されたアンテナのジンバル座標系における方位角及び仰角と、慣性航法装置からの位置及び姿勢情報に基づいて算出した衛星の移動体固定座標系における方位角及び仰角とに基づいてジンバル座標系と移動体固定座標系の軸ずれ量を算出して変更するので、高精度にアンテナを衛星方向に追尾制御することができる。
【００５９】
請求項２の発明によれば、移動体が直進していることを条件として軸ずれ量を算出し変更するので、アンテナによる衛星追尾制御時のアンテナ指向方向と衛星方向との誤差が軸ずれ量として混入することを抑制することができる。
【００６０】
請求項３の発明によれば、移動体が所定の高度に達したことを条件として軸ずれ量を算出し変更するので、移動体の高度の変化に起因する機体の変形によって生じる移動体固定座標系とジンバル座標系と軸ずれを補正することができる。
【００６１】
請求項４の発明によれば、移動体の電源が入った時点あるいは移動体の出発時等の時間原点からの所定時間経過によって、軸ずれ量を算出し変更するので、衛星追尾用アンテナ制御装置の保守性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 この発明の実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ演算部の構成を示すブロック図である。
【図３】 この発明の実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ演算部での移動体直進判定を伴うデータ記憶処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】 この発明の実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ演算部での軸ずれ量算出の流れを示すフローチャートである。
【図５】 この発明の実施の形態３に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部の構成を示すブロック図である。
【図６】 この発明の実施の形態３に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部での処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】 この発明の実施の形態４に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部の構成を示すブロック図である。
【図８】 この発明の実施の形態５に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部の構成を示すブロック図である。
【図９】 従来のアンテナ装置のブロック図である。
【符号の説明】
１１ 受信機
１２ ピーク方向駆動制御部
１３ 角度検出器
１９ 衛星方向算出部
２０ 軸ずれ量補正部
２１ 軸ずれ量演算部
２４ 移動体直進判定部
２８ 高度判定部
３０ 時間経過判定部
【発明の属する技術分野】
この発明は衛星追尾用アンテナ制御装置に関し、特に車両や船舶、航空機等の移動体に搭載されて通信衛星との間で通信を行う衛星追尾用アンテナ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、例えば特開平８−２７１５６１号公報に示された従来のアンテナ装置のブロック図である。図において、１は対向して配置されたアンテナからの送信波を受信するアンテナ、２はアンテナ１の指向方向を変更するアンテナ駆動部、３は電界強度測定用の電波を送信する送信部、４は電界強度測定のための受信信号を受信する受信部、５は電界強度を測定する電界強度測定部、６は測定した電界強度と測定時刻を記録するデータ記録部、７はアンテナ１の指向方向の変更、電界強度の測定、及びデータ記録における時刻の整合を行う時刻整合部、８はこれらのアンテナ駆動部２と送信部３と電界強度測定部５とデータ記録部６と時刻整合部７とを制御するアライメント制御部である。
【０００３】
指向性を有するアンテナを用いて２地点間で移動体通信を行う場合、互いに相手側の通信装置の位置を特定し、最も受信電界強度の高い方向を探知してアンテナを固定する必要がある。このため、図９に示した従来のアンテナ装置は、時刻整合部７により予め設定した時刻に相手側が送信した送信波をアンテナ１により受信し、この受信の際に、アンテナ駆動部２によりアンテナ１を走査する。アンテナ１を走査するとともに、電界強度測定部５により受信電界強度を測定し、データ記録部６により受信電界強度、時刻及びアンテナの指向方向とを記録し、得られた記録から相手側の通信装置の方向を決定することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように従来のアンテナ装置は構成されているので、２地点に配置されたアンテナ装置相互のアンテナ指向方向のアライメント調整が可能となる。しかし、移動体と通信衛星との間で相対位置関係が変化しながら通信するようなアンテナ装置においては、アンテナを相手側のアンテナ装置に指向させる際に、その移動体が有するジャイロ等の位置及び姿勢の情報に基づいてアンテナ駆動するオープンループ駆動制御と、受信レベルに基づくフィードバック駆動制御とを併用する場合があり、このジャイロ等の測定装置の基準軸（ジャイロ等は通常、移動体に固定されており、この意味において以下、「移動体固定座標系の軸」と呼ぶ。）とアンテナ駆動軸（以下、アンテナの「ジンバル座標系の軸」と呼ぶ。）との間に軸ずれがある場合には、オープンループ駆動制御内に軸ずれ分の指向方向誤差が発生し、高精度な追尾制御ができないという問題点があった。また、特に航空機等に搭載され、衛星との間で通信を行うアンテナ装置では、例えば空港の滑走路上では移動体固定座標系の軸とジンバル座標系の軸との軸ずれ量が既知となっていても、離陸後の気圧や気温等の環境変化より、さらに移動体固定座標系の軸とジンバル座標系の軸との軸ずれ量が変化するという問題点があった。
【０００５】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、移動体と通信衛星との間で通信を行う際に、移動体固定座標系とアンテナのジンバル座標系との間の軸ずれ量を算出し変更することにより、高精度なアンテナの衛星追尾制御が可能となり、また軸ずれ量の補正に関する保守性を高めた衛星追尾用アンテナ制御装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る衛星追尾用アンテナ制御装置は、移動体に設けられた慣性航法装置から出力される上記移動体の位置情報及び姿勢情報と追尾対象の衛星の位置情報とに基づいて、上記移動体に固定された移動体固定座標系における上記衛星の方位角及び仰角を算出する衛星方向算出部と、上記移動体固定座標系と上記移動体に搭載されたアンテナのジンバル座標系の軸ずれ量によって、上記衛星方向算出部において算出された上記衛星の方位角及び仰角を補正して駆動指令信号として出力する軸ずれ量補正部と、この駆動指令信号に基づいて駆動された上記アンテナを介して、上記衛星から送信される信号を受信する受信機と、この受信機により受信した受信信号のレベルがピークとなる方向に上記アンテナを駆動するピーク方向駆動制御部と、このピーク方向駆動制御部により駆動された上記アンテナのジンバル座標系における方位角及び仰角を検出する角度検出器と、この角度検出器により検出した上記アンテナのジンバル座標系における方位角及び仰角と、上記衛星方向算出部により算出した上記衛星の方位角及び仰角とのずれ量を算出し、上記軸ずれ量補正部へ軸ずれ量の変更を指令する軸ずれ量演算部とを備えたものである。
【０００７】
請求項２の発明に係る衛星追尾用アンテナ制御装置は、請求項１の発明に係る衛星追尾用アンテナ制御装置において、上記軸ずれ量演算部は、上記慣性航法装置から出力される上記移動体の姿勢情報に基づいて、上記移動体が直進していると判定した場合に、上記軸ずれ量補正部へ軸ずれ量の変更を指令するものである。
【０００８】
請求項３の発明に係る衛星追尾用アンテナ制御装置は、請求項１の発明に係る衛星追尾用アンテナ制御装置において、上記軸ずれ量演算部は、上記慣性航法装置から出力される上記移動体の高度情報に基づいて、上記移動体が所定の高度に達したと判定した場合に、上記軸ずれ量補正部へ軸ずれ量の変更を指令するものである。
【０００９】
請求項４の発明に係る衛星追尾用アンテナ制御装置は、請求項１の発明に係る衛星追尾用アンテナ制御装置において、上記軸ずれ量演算部は、上記移動体の出発時から所定の時間が経過したと判定した場合に、上記軸ずれ量補正部へ軸ずれ量の変更を指令するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る衛星追尾用アンテナ制御装置を図１によって説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の構成を示すブロック図である。図において、９は追尾対象の衛星であり、１０は衛星９との間で無線により通信するアンテナである。１１は、アンテナ１０を介して衛星９から送信される信号を受信する受信機、１２は受信機１１により受信した受信信号のレベルがピークとなる方向にアンテナ１０を駆動するピーク方向駆動制御部、１３はアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角を検出する角度検出器である。ピーク方向駆動制御部１２内において、１４は受信機１１により受信した受信信号の電力レベルに基づいて、受信信号がピークとなるアンテナ１０の方向を推定し、そのピーク方向への駆動量を出力するピーク方向推定部、１５は後述の駆動指令信号とピーク方向推定部１４から出力される駆動量とを加算し、ピーク方向推定後の駆動指令信号として出力する加算器、１６は加算器１５から出力される駆動指令信号と、角度検出器１３からのアンテナ１０方位角及び仰角とに基づいて、アンテナ１０を駆動指令信号が指令する角度に駆動するアンテナ駆動装置である。１７は移動体の位置情報及び姿勢情報を検出する慣性航法装置、１８は衛星９の位置を軌道情報に基づいて算出する衛星位置算出部、１９は慣性航法装置１７から出力される移動体の位置情報及び姿勢情報と、衛星位置算出部１８から出力される衛星９の位置情報とに基づいて、移動体固定座標系における衛星９の方位角及び仰角を算出する衛星方向算出部である。２０は移動体固定座標系とアンテナ１０のジンバル座標系との軸ずれ量により、衛星方向算出部１９により算出された衛星９の方位角及び仰角を補正して駆動指令信号として出力する軸ずれ量補正部、２１は角度検出器１３が出力するアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角と、衛星方向算出部１９により算出した衛星９の方位角及び仰角とのずれ量を算出し、軸ずれ量補正部２０へ軸ずれ量の変更を指令する軸ずれ量演算部である。
【００１１】
次に実施の形態１に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の動作について説明する。まず、移動体に搭載したアンテナ１０を衛星９の方向に指向させるためには、衛星の方向を決定しなければならない。衛星位置算出部１８は装置内に記憶している追尾対象衛星の軌道情報を用いて、例えば、衛星９の緯度及び経度及び高度等で表される衛星の位置を算出し出力する。一方、慣性航法装置１７には、移動体の姿勢を検出する３軸ジャイロや加速度を検出する３軸加速度計、地球磁気軸に対する移動体の方位を検出する磁気方位計、圧力差などを用いて移動体の高度を算出する高度計、移動体の位置を検出するGPS等が搭載され、これらの計測装置の検出値に基づき、例えば、緯度及び経度及び高度で表される移動体の位置と、例えば、ロール角及びピッチ角及び真方位で表される移動体の姿勢を算出し出力する。本発明に云う慣性航法装置とは、航空機、船舶等の移動体のみならず、車両や飛行船その他の移動体において搭載されている装置を指すものである。またその移動体の航行に使用される通常の慣性航法装置に加え、必ずしも航行の用に供するものでなくても、その移動体に搭載されてその移動体の位置情報や姿勢情報を検出する上記のような計測装置全般も特許請求の範囲及び発明の詳細な説明に記載された本発明の慣性航法装置に包含されるものであり、このことは以下の実施の形態においても同様である。
【００１２】
衛星方向算出部１９は、衛星位置算出部１８から出力される衛星位置情報と、慣性航法装置１７から出力される移動体の位置及び移動体の姿勢の情報から、移動体に固定された移動体固定座標系における衛星の方位角及び仰角を算出し出力する。また、この衛星方向算出部１９から出力する衛星方向情報は移動体固定座標系における原点からみた衛星方向の単位ベクトルであってもよい。
【００１３】
軸ずれ量補正部９は、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星９の方位角及び仰角を、上記軸ずれ量補正部内に記憶している、例えばロール角及びピッチ角及びヨー角等のオイラー角で表された移動体固定座標系とアンテナ１０のジンバル座標系との軸ずれ量を用いて、上記ジンバル座標系における衛星９の方位角及び仰角に変換することによって補正し、アンテナ１０の駆動指令信号として出力する。この変換は、上記のオイラー角を用いて座標変換行列を作り、移動体固定座標系における衛星９の方位角及び仰角から一意に計算される移動体固定座標系における衛星方向の単位ベクトルに、この座標変換行列を乗じて得られるジンバル座標系における衛星方向の単位ベクトルからジンバル座標系における衛星の方位角及び仰角を一意に得ることで行われる。
【００１４】
軸ずれ量補正部２０から出力される駆動指令信号は、ピーク方向推定部１４から出力されるピーク方向への駆動量と加算されてアンテナ駆動装置１６に入力される。アンテナ駆動装置１６は、加算器１５からの駆動指令信号と角度検出器１３から出力されたアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角により算出されるフィードバック信号によってアンテナ１０を駆動する。このように駆動されたアンテナ１０を介して、衛星９から送信される信号を受信機１１により受信する。受信機１１は、アンテナ１０で受信された追尾対象衛星の高周波信号を平滑化処理し、その受信レベルをピーク方向推定部１４へ出力する。ここで、角度検出器１３は、アンテナ１０の方位角方向と仰角方向の機械系の回転を電気信号に変換することでアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角を検出し出力する。
【００１５】
ピーク方向推定部１４は、受信機１１から出力される受信信号のレベルと角度検出器４から出力されるアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角とにより、ジンバル座標系における受信信号のレベルのピーク方向を推定し、このピーク方向にアンテナ１０を駆動させるための駆動指令信号に対する補正量を駆動量として算出し、ここで算出された駆動量は上述のように加算器１５において、軸ずれ量補正部２０からの駆動指令信号に加算される。
【００１６】
ピーク方向推定部１４は、さらにアンテナ１０の指向方向が上記受信信号のレベルのピーク方向へ収束したかどうかを判定し、アンテナ１０の指向方向が収束していると判定している間は、収束している旨の制御信号を軸ずれ量演算部２１へ出力する機能を有する。
【００１７】
上記のようにピーク方向推定部１４からアンテナ１０の指向方向が収束している旨の制御信号が出力されている場合に、軸ずれ量演算部２１は、角度検出器１３から出力されるアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角とを、上記軸ずれ量演算部２１内の記憶装置に蓄積し、データの数が所定の値に達するごとに移動体固定座標系とアンテナ１０のジンバル座標系との軸ずれ量を算出し、軸ずれ量補正部２０内に記憶されている軸ずれ量の変更を指令し、上記記憶装置の初期化と、ピーク方向推定部１４におけるピーク方向への駆動量の初期化を行う。
【００１８】
軸ずれ量演算部２１の機能を代数的に説明するため、以下の座標系と変数を定義する。移動体固定座標系の３軸をｘｙｚ軸と定義する。このｘｙｚ軸は、それぞれ移動体のロール軸、ピッチ軸、ヨー軸に対応する。また、アンテナ１０のジンバル座標系の３軸をｘ’ｙ’ｚ’軸と定義する。このアンテナが移動体に理想的に取り付けられた場合、移動体固定座標系とジンバル座標系とは一致するため、軸の定義も移動体固定座標系のものと一致するが、通常は完全に座標系を一致させてアンテナ１０を移動体に取り付けることは困難であり、これらの座標系の軸には、ずれが生じている。移動体固定座標系基準のジンバル座標系のオイラー角φ＝（φ１、φ２、φ３）と定義する。このオイラー角は、それぞれロール回転角、ピッチ回転角、ヨー回転角に対応するものとする。移動体固定座標系からジンバル座標系への座標変換行列Ｗ（φ）と定義する。座標変換における座標回転はヨー回転、ピッチ回転、ロール回転の順に行うものとする。移動体固定座標系における衛星の方位角と仰角とをΨ＝（ψ，θ）と定義する。方位角は移動体固定座標系ｘ軸からｘｙ面内をｚ軸正方向から見て反時計回りに、仰角はｘｙ平面からｚ軸の正方向が正になるように測る。ジンバル座標系から見た衛星の方位角と仰角とをΨ’＝（ψ’，θ’）と定義する。定義は移動体固定座標系のものに準じる。上記両方位角および仰角の差をδΨ＝Ψ’−Ψ＝（δψ，δθ）＝（ψ’−ψ，θ’−θ）と定義する。さらに移動体固定座標系における衛星方向の単位ベクトルをｎと定義し、ジンバル座標系におけるアンテナの指向方向の単位ベクトルをｎ’と定義する。
【００１９】
軸ずれ量演算部２１において蓄積している複数組（Ψ，Ψ’）に対して、軸ずれ量φを算出するための式を導くために、以下でいくつかの基礎となる式を導出する。
【００２０】
移動体固定座標系とジンバル座標系の間の軸ずれは、アンテナを移動体に据え付ける際に微小なものとなるように据え付けられるものであり、また、据え付け後の機体の変形などによる軸ずれも微小なものであると予測できるので、軸ずれ量φは微小であると仮定してもよい。この仮定の下、座標変換行列Ｗ（φ）は以下のように近似できる。
【００２１】
【数１】
衛星方向算出部１９により算出した移動体固定座標系における衛星の方位角、仰角Ψを用いれば、移動体固定座標系における衛星方向の単位ベクトルｎは以下のようになる。
【００２３】
【数２】
角度検出器１３から出力されたアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角Ψ’を用いれば、アンテナ１０のジンバル座標系における指向方向の単位ベクトルｎ’は以下のようになる。
【００２５】
【数３】
数式（３）をΨと差δΨとを用いて、軸ずれ量φが微小であることからδΨも微少量であるとして書きなおすと、次のようになる。
【００２７】
【数４】
【数５】
座標変換行列、数式（１）を用いれば、単位ベクトルｎとｎ’との関係は次のように表せる。
【００３０】
【数６】
数式（４）と数式（６）とから、δΨとφとの間の関係式を次のように得ることができる。
【００３２】
【数７】
数式（７）において、Ｉは単位行列である。未知量であるφを陽に表すために、数式（７）の右辺を書きなおすと以下の式をえる。
【００３４】
【数８】
【数９】
さらに、数式（８）に適当な行列演算を加えることにより、以下の軸ずれ量φに対する観測方程式を得る。
【００３７】
【数１０】
【数１１】
複数組の（Ψ，Ψ’）が得られている場合、それらデータ組を（Ψｉ，Ψｉ’）、(ｉ=１，・・・，ｎ)と表せば、その差Ψｉ’− ΨｉをδΨｉとして、軸ずれ量φの最小二乗推定値を以下の数式（１２）で表すことができる。
【００４０】
【数１２】
ただし、Ｗｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）は、所定の３行３列の重みである。軸ずれ量演算部２１では、蓄積された複数組の値（Ψｉ，Ψｉ’）に対して、まず、その差δΨｉ＝Ψｉ’− Ψｉを計算し、その値と（Ψｉ，Ψｉ’）の値から、数式（１２）により軸ずれ量φの最小２乗推定値が算出される。この軸ずれ量φの最小２乗推定値を、軸ずれ量補正部２０に出力する。
【００４２】
もし、軸ずれ量演算部２１で算出される量δΨの測定誤差の誤差共分散行列Ｒが既知であるならば、軸ずれ量φの最尤推定値を以下のように得ることができる。
【００４３】
【数１３】
さらに、軸ずれ量φの推定誤差共分散行列を以下のように得ることができる。
【００４５】
【数１４】
推定誤差共分散行列、数式（１４）により推定された軸ずれ量φの推定誤差の分散値を算出することが可能となる。よって、軸ずれ量演算部２１で算出される量δΨの測定誤差の誤差共分散行列Ｒが既知であるならば、実施の形態１の別の実施例として、軸ずれ量演算部２１の機能を以下のようにすることもできる。即ち、ピーク方向推定部１４からアンテナ１０の指向方向が収束している旨の制御信号が出力されているときに、角度検出器１３から出力されるアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角とを、上記軸ずれ量演算部２１内の記憶装置に蓄積し、データが蓄積されるごとに蓄積されたデータから軸ずれ量φの推定誤差の分散値を算出し、算出された推定誤差の分散値が所定の値を下回った時点で、蓄積されたデータから移動体固定座標系とアンテナ１０のジンバル座標系との軸ずれ量を算出し、軸ずれ量補正部２０内に記憶されている軸ずれ量の変更を行い、上記記憶装置の初期化と、ピーク方向推定部１４の補正量の初期化を行う。
【００４７】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置を図２から図４によって説明する。図２はこの発明の実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ演算部の構成を示すブロック図であり、図３はこの発明の実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ演算部での移動体直進判定を伴うデータ記憶処理の流れを示すフローチャートであり、図４はこの発明の実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ演算部での軸ずれ量算出の流れを示すフローチャートである。図２において、２２は角度検出器１３から出力されるアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角と、慣性航法装置１７から出力される移動体姿勢情報とを記憶する第１記憶装置部であり、この第１記憶装置部２２での記憶の処理は、ピーク方向推定部１４からアンテナ指向方向が収束している旨の制御信号が出力されている場合に行う。２３は第１記憶装置部２２に記憶されたアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角それぞれの平均値と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角それぞれの平均値と、慣性航法装置１７から出力される移動体の姿勢情報それぞれの分散値とを計算し出力する統計量算出部、２４は統計量算出部２３から出力される移動体の姿勢情報それぞれの分散値に基づき、第１記憶装置部２２が各データの記憶を行っている間に移動体が直進していたかを判定する移動体直進判定部、２５は統計量算出部２３から出力されるアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角それぞれの平均値と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角それぞれの平均値とを記憶する第２記憶装置部、２６は第２記憶装置部２５に記憶されたアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角それぞれの平均値と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角それぞれの平均値に基づき、軸ずれ量の算出を行う軸ずれ量算出部である。なお、この実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置は図１に示した衛星追尾用アンテナ制御装置において、軸ずれ演算部２１を図２に示すように構成したものである。
【００４８】
次に実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部２１の動作について図３及び図４のフローチャートを参照して説明する。まず、図３のステップＳ１において、第１記憶装置部２２は初期化される。次にステップＳ２において、第１記憶装置部２２は、ピーク方向推定部１４からアンテナ指向方向が収束している旨の制御信号が出力されている場合に、角度検出器１３から出力されるアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角と、慣性航法装置１７から出力される移動体姿勢情報とを取得し記憶する。次にステップＳ３において、データ数が所定の数に達したか、あるいはデータ取得開始から所定の時間が経過したかを条件判定し、いずれかの条件が満たされているときにステップＳ４へ移行する。条件が満たされていない場合にはステップＳ２のデータ取得を繰り返す。
【００４９】
ステップＳ４においては、統計量算出部１３により慣性航法装置１７から出力される移動体の姿勢情報それぞれの分散値を算出し、ステップＳ５において移動体直進判定部２４は、統計量算出部２３から出力される移動体の姿勢情報それぞれの分散値と、所定値との比較により移動体が直進していたかどうかを判定する。即ち、統計量算出部２３から出力される移動体の姿勢情報それぞれの分散値が所定値よりも小さいときに移動体が直進していたと判定し、ステップＳ６へ移行する。ステップＳ６では、統計量算出部２３により第１記憶装置部２２から出力されたアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角それぞれの平均値と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角それぞれの平均値を算出し、第２記憶装置部２５へ出力する。ここで第１記憶装置部２２内のデータは全て使用されたことになるので、第１記憶装置部２２から統計量算出部２３へのデータ出力後、第１記憶装置部２２のデータを消去し初期化しておく。また、ステップＳ５において移動体直進判定部２４が、移動体は直進していなかったと判定した場合には、再度のデータ取得のためにステップＳ１まで処理を戻す。直進していない場合に再度データ取得を行う理由は、移動体の姿勢が安定していない状態においては、アンテナによる衛星追尾制御が行われている状態にあり、この追尾制御時のアンテナ指向方向と衛星方向との誤差を軸ずれ量としないようにするためである。
【００５０】
次に図３の軸ずれ量演算フローを参照しながら、軸ずれ量演算部２１の処理を説明する。まず、第２記憶装置部２５はステップＳ７において記憶装置内が初期化されているものとし、ステップＳ８では上述の図３のステップＳ６における統計量算出部２３からの出力を受けとる。即ち、ステップＳ８において、第２記憶装置部２５は、統計量算出部２３から出力される上記アンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角それぞれの平均値と、上記衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角それぞれの平均値とを取得し記憶する。次にステップＳ９において、第２記憶装置部２５のデータ数が所定数に達しているかどうかを判定し、所定数に達している場合にはステップＳ１０へ移行し、達していない場合にはステップＳ８によるデータ取得と記憶を繰り返す。ステップＳ１０において、軸ずれ量算出部２６は、第２記憶装置部２５に記憶されたアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角それぞれの平均値と、上記衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角それぞれの平均値のデータ数が所定の数に達すると実施の形態１において説明した計算式に基づき、軸ずれ量の変更値を算出し、軸ずれ量補正部１０へ出力する。
【００５１】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る衛星追尾用アンテナ制御装置を図５及び図６により説明する。図５は、この発明の実施の形態３に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部の構成を示すブロック図であり、図６はこの発明の実施の形態３に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部での処理の流れを示すフローチャートである。図５において、２７はピーク方向推定部１４からアンテナ指向方向が収束している旨の制御信号が出力されている場合に、角度検出器１３から出力されるアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角とを取得し記憶する記憶装置部、２８は慣性航法装置１７から出力される移動体の高度により、移動体の高度が所定の値に達すると、記憶装置部２７にデータ取得の開始を指令する制御信号を出力する高度判定部、２９は記憶装置部に記憶されたアンテナ１のジンバル座標系における方位角及び仰角それぞれの平均値と、上記衛星方向算出部６から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角それぞれの平均値を算出し、算出したこれらの平均値に基づいて軸ずれ量の算出を行う軸ずれ量算出部である。なお、この実施の形態３に係る衛星追尾用アンテナ制御装置は図１に示した衛星追尾用アンテナ制御装置において、軸ずれ演算部２１を図３に示すように構成したものである。
【００５２】
次に実施の形態３に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部２１の動作について図６のフローチャートを参照して説明する。軸ずれ演算機能がスタートすると、ステップＳ１１において、高度判定部２８によって移動体の高度が所定の高度に達したかどうかを判定する。移動体が所定の高度に達していない場合には、処理はこの判定の直前に帰還する。移動体が所定の高度に達していると判定した場合には、ステップＳ１２に移行し、記憶装置部２７を初期化する。次にステップＳ１３に移行し、記憶装置部２７により各データを取得する。記憶装置部２７は、ピーク方向推定部１４からアンテナ指向方向が収束している旨の制御信号が出力されている場合に、角度検出器１３から出力されるアンテナ１０のジンバル座標系における方位角及び仰角と、衛星方向算出部１９から出力される移動体固定座標系における衛星方向の方位角及び仰角とを取得し記憶する。次にステップＳ１４に移行し、記憶装置部２７に記憶したデータ数が所定の数に達しているかどうかを判定する。所定の数に達していない場合には、ステップＳ１３に帰還してデータ取得を行う。記憶装置部２７に記憶したデータ数が所定の数に達すると、ステップＳ１５に移行し、記憶装置部２７に記憶した全データを用いて軸ずれ量を算出し、軸ずれ量補正部２０へ出力する。その後、処理は移動体の高度を判定するステップＳ１１に帰還する。
【００５３】
実施の形態３は、移動体の高度の変化によって生じる温度変化や、移動体の機体内外の気圧差等に起因する機体の変形によって生じる移動体固定座標系とジンバル座標系と軸ずれを逐次補正することができる。特に高度変化の激しい航空機等の移動体において、航行中に軸ずれ量の補正することによって、アンテナの高精度な衛星追尾制御が可能となる。
【００５４】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る衛星追尾用アンテナ制御装置を図７により説明する。図７は、この発明の実施の形態４に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部の構成を示すブロック図である。図７において、３０は移動体の電源が入った時点あるいは移動体の出発時等の時間原点から所定の時間が経過したかどうかを判定する時間経過判定部である。図７において、図５と同一の符号を付した回路は図５のそれらの回路と同一又は相当する回路を示す。この図７に示す軸ずれ演算部２１は、実施の形態３において説明した図５の軸ずれ演算部２１の高度判定部２８を時間経過判定部３０に置き換え、高度判定部２８に対する慣性航法装置１７からの入力を消去したものである。なお、この実施の形態４に係る衛星追尾用アンテナ制御装置は図１に示した衛星追尾用アンテナ制御装置において、軸ずれ演算部２１を図７に示すように構成したものである。
【００５５】
時間経過判定部１９は、移動体の電源が入った時点あるいは移動体の出発時等の時間原点から所定の時間が経過すると、記憶装置部にデータ取得の開始を指令する制御信号を出力し、その後、記憶装置部２７及び軸ずれ量算出部２９が行う処理は、実施の形態３において図５及び図６により説明した処理と同様である。このように移動体の電源が入った時点あるいは移動体の出発時等の時間原点からの所定時間経過によって、軸ずれ量の算出を行い軸ずれ量補正部２０における軸ずれ量補正値を変更することにより、衛星追尾用アンテナ制御装置の保守性が向上する。
【００５６】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る衛星追尾用アンテナ制御装置を図８により説明する。図８は、この発明の実施の形態５に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部の構成を示すブロック図である。図８において、３１は高度判定部２８による移動体の高度判定、又は時間経過判定部３０による時間経過判定を行う軸ずれ量取得条件判定部である。図８において、図２と同一の符号を付した回路は図２のそれらの回路と同一又は相当する回路を示す。また、図８における高度判定部２８及び時間経過判定部３０は図５及び図７において同一符号を付した回路と同一又は相当する回路を示す。
【００５７】
実施の形態５に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部２１は、図２及び図２に対応する実施の形態２において説明した軸ずれ量演算部２１において、第２記憶装置部２５が図４のステップＳ８のデータ取得及び記憶を行う条件として、高度判定部２８での高度判定又は時間経過判定部３０での時間経過判定を付加したものである。即ち、高度判定部２８での高度判定又は時間経過判定部３０での時間経過判定により、第２記憶装置部２５はデータの取得及び記憶を開始し、データ数が所定数に達すると軸ずれ量算出部２６において軸ずれ量を算出する。このように構成した軸ずれ量演算部により、衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量を算出及び変更することによって、移動体の複雑な運用形態に対応して高精度な衛星追尾制御とその制御装置の保守が可能となる。
【００５８】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、受信信号レベルがピークとなる方向に駆動されたアンテナのジンバル座標系における方位角及び仰角と、慣性航法装置からの位置及び姿勢情報に基づいて算出した衛星の移動体固定座標系における方位角及び仰角とに基づいてジンバル座標系と移動体固定座標系の軸ずれ量を算出して変更するので、高精度にアンテナを衛星方向に追尾制御することができる。
【００５９】
請求項２の発明によれば、移動体が直進していることを条件として軸ずれ量を算出し変更するので、アンテナによる衛星追尾制御時のアンテナ指向方向と衛星方向との誤差が軸ずれ量として混入することを抑制することができる。
【００６０】
請求項３の発明によれば、移動体が所定の高度に達したことを条件として軸ずれ量を算出し変更するので、移動体の高度の変化に起因する機体の変形によって生じる移動体固定座標系とジンバル座標系と軸ずれを補正することができる。
【００６１】
請求項４の発明によれば、移動体の電源が入った時点あるいは移動体の出発時等の時間原点からの所定時間経過によって、軸ずれ量を算出し変更するので、衛星追尾用アンテナ制御装置の保守性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 この発明の実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ演算部の構成を示すブロック図である。
【図３】 この発明の実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ演算部での移動体直進判定を伴うデータ記憶処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】 この発明の実施の形態２に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ演算部での軸ずれ量算出の流れを示すフローチャートである。
【図５】 この発明の実施の形態３に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部の構成を示すブロック図である。
【図６】 この発明の実施の形態３に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部での処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】 この発明の実施の形態４に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部の構成を示すブロック図である。
【図８】 この発明の実施の形態５に係る衛星追尾用アンテナ制御装置の軸ずれ量演算部の構成を示すブロック図である。
【図９】 従来のアンテナ装置のブロック図である。
【符号の説明】
１１ 受信機
１２ ピーク方向駆動制御部
１３ 角度検出器
１９ 衛星方向算出部
２０ 軸ずれ量補正部
２１ 軸ずれ量演算部
２４ 移動体直進判定部
２８ 高度判定部
３０ 時間経過判定部
Claims (4)
- 移動体に設けられた慣性航法装置から出力される上記移動体の位置情報及び姿勢情報と追尾対象の衛星の位置情報とに基づいて、上記移動体に固定された移動体固定座標系における上記衛星の方位角及び仰角を算出する衛星方向算出部と、上記移動体固定座標系と上記移動体に搭載されたアンテナのジンバル座標系の軸ずれ量によって、上記衛星方向算出部において算出された上記衛星の方位角及び仰角を補正して駆動指令信号として出力する軸ずれ量補正部と、この駆動指令信号に基づいて駆動された上記アンテナを介して、上記衛星から送信される信号を受信する受信機と、この受信機により受信した受信信号のレベルがピークとなる方向に上記アンテナを駆動するピーク方向駆動制御部と、このピーク方向駆動制御部により駆動された上記アンテナのジンバル座標系における方位角及び仰角を検出する角度検出器と、この角度検出器により検出した上記アンテナのジンバル座標系における方位角及び仰角と、上記衛星方向算出部により算出した上記衛星の方位角及び仰角とのずれ量を算出し、上記軸ずれ量補正部へ軸ずれ量の変更を指令する軸ずれ量演算部とを備えたことを特徴とする衛星追尾用アンテナ制御装置。
- 上記軸ずれ量演算部は、上記慣性航法装置から出力される上記移動体の姿勢情報に基づいて、上記移動体が直進していると判定した場合に、上記軸ずれ量補正部へ軸ずれ量の変更を指令することを特徴とする請求項１に記載の衛星追尾用アンテナ制御装置。
- 上記軸ずれ量演算部は、上記慣性航法装置から出力される上記移動体の高度情報に基づいて、上記移動体が所定の高度に達したと判定した場合に、上記軸ずれ量補正部へ軸ずれ量の変更を指令することを特徴とする請求項１に記載の衛星追尾用アンテナ制御装置。
- 上記軸ずれ量演算部は、上記移動体の出発時から所定の時間が経過したと判定した場合に、上記軸ずれ量補正部へ軸ずれ量の変更を指令することを特徴とする請求項１に記載の衛星追尾用アンテナ制御装置。
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