JP3773403B2 - 追尾アンテナ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、指向性を持つ追尾型アンテナに関し、特に、回転軸の組立て角度を自動的に較正する追尾アンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、追尾アンテナは、受信精度を上げるために、組立て誤差やアンテナの歪等による指示方向の誤差を何らかの方法で較正する必要がある。
従来の追尾アンテナは、電波を受信している最中に誤差補正を行なう方法がとられている。
すなわち、図６に示すように、計算で求めた衛星の方向にアンテナ２０を向け、受信強度を測定しながらその方向の周囲にアンテナ２０を向け、その測定操作により、受信強度が最も強くなる方向を探し当てるという操作を行なうことにより補正を行なう「ステップトラック」と呼ばれる技術が一般に用いられている。
【０００３】
また、特開昭６２−１０９０３に開示されているように、過去一定時間のステップトラック補正の記録を利用して、補正値を予め推測する方式のものが提案されており、これによると精度の良い追尾を行なうことができる。
【０００４】
また、多関節ロボットの各関節の誤差成分を推測する技術として、特開昭６１−１３３４０９に開示されているように、多関節ロボットに対して、任意の一点を複数の姿勢で指示するという簡単な教示動作を行なうだけで、各関節の誤差成分を推測する方式のものが提案されており、これによると精度の良い補正値を算出することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、補正値を予め推測する方法は追尾精度を上げるという点では非常に有効であるが、従来の方法では短時間で、安価に実現できる推測手段を提供することができなかった。
【０００６】
例えば、電波を受信している最中に随時誤差補正を行なう上記特開昭６２−１０９０３による方式のものでは、一定時間ステップトラック動作を行ない、その記録を取らなければならない。その結果、適正な補正値の算出に時間がかかってしまうという問題がある。
【０００７】
また、教示動作を行なう特開昭６１−１３３４０９による方式のものでは、教示のための特別なツールが必要になるため、追尾アンテナ装置全体のコストが高くなってしまうという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、適正な補正値を短時間で算出でき、しかも、低コストで追尾アンテナ装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、追尾アンテナに係り、指向性を有するアンテナと、相異する向きの３軸以上の回転軸を備えて前記アンテナを任意の方向に向ける指示装置と、前記回転軸の回転角を決定する回転角算出装置と、少なくとも一つの衛星について、前記アンテナの設置位置からその衛星が観測できるはずの方向を計算する衛星位置算出装置と、前記アンテナが受信した電波の強度を測定する測定装置と、前記回転角算出装置の出力に対し前記各回転軸の回転角を増減させて、前記測定装置の電波強度出力を基に電波が最も強く受信可能にアンテナの向きを補正するステップトラック補正装置と、遺伝的アルゴリズムを用いてアンテナ追尾誤差補正値を推測する推定手段と、を備える追尾アンテナ装置であって、前記推定手段は、一つの衛星に対し複数のアンテナ指示姿勢でステップトラック補正を行なうことにより前記ステップトラック補正装置から得られる複数の３次元ベクトルと、前記衛星位置情報算出装置から得られる複数の３次元ベクトルとから、アンテナ指示姿勢に関わる複数の回転軸の回転角度に応じた最適な３次元ベクトルの組を推定することにより、自動的に追尾誤差を補正することを特徴とするものである。
【００１０】
また、前記指示装置の回転軸は、地面に垂直に配置される第１軸と、前記第１軸に対して垂直に配置される第２軸と、前記第２軸に対して垂直に配置される第３軸を備え、前記補正装置は、地面に対する第１軸の傾きおよび第１軸が仮定する方位角と設置された状態の方位角との誤差と、第１軸に対する第２軸の傾きと、第２軸に対する第３軸の傾きとを補正することが好ましい。
【００１１】
また、前記推定手段は、追尾誤差の推測をするためのプログラム記憶媒体を備えることが好ましい。
【００１２】
本発明によれば、ステップトラック補正による追尾アンテナ装置において、一つの衛星に対し複数の姿勢でステップトラック補正を行ない、自動的に追尾誤差補正値を推測する推定手段を備えることで、適正な補正値を短時間で算出でき、しかも、低コストで追尾アンテナ装置を提供することができる。
【００１３】
また、前記指示装置の回転軸を、垂直に組み合わせた３軸として、補正装置により、地面に対する第１軸の傾きおよび第１軸が仮定する方位角と設置された状態の方位角との誤差と、第１軸に対する第２軸の傾きと、第２軸に対する第３軸の傾きとを補正することで、特別な装置を用いることなく簡単な構成で追尾アンテナ装置を構成することができる。
【００１４】
また、前記推定手段として、遺伝的アルゴリズムを用いて組立て誤差を補正するようにしたことで、高速な誤差の推定を行なうことができる。
さらに、前記推定手段として、追尾誤差の推測をするためのプログラム記憶媒体を用いることで、補正技術（補正プログラム等）の修正や変更・改良を容易に行なうことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は本実施形態に係る追尾アンテナの構成を示すブロック図、図２は前記追尾アンテナの構成を示す斜視図である。
本実施形態に係る追尾アンテナ装置１は、図１、図２に示すように、指向性を有するアンテナ２と、該アンテナ２の向きを方向付ける指示装置（図示省略）と、前記指示装置に駆動される３軸の回転軸、詳しくは相異する向きで係合配置される第１軸３、第２軸４および第３軸５と、前記それぞれの回転軸３、４、５の各回転角を算出する軸回転角算出装置６と、一つの通信衛星について前記アンテナ２の設置位置からその通信衛星が観測できるはずの方向を計算する通信衛星位置情報算出装置７と、前記アンテナ２が受信した電波の強度を測定する受信電波強度測定装置８と、ステップトラック補正装置９と、組立て誤差推定装置１０とを備えている。
【００１６】
実施形態において、前記軸回転角算出装置６は、通信衛星位置情報算出装置７が出力する通信衛星の方向情報に基づき、第１軸３、第２軸４および第３軸５の回転角を決定するものである。
前記ステップトラック補正装置９は、前記軸回転角算出装置６の出力により前記のそれぞれ第１軸３、第２軸４および第３軸５の回転角を微少量増減させて、受信電波強度測定装置８の電波強度出力が最も強く受信可能な方向にアンテナの向きを補正するものである。
【００１７】
このアンテナ２の向きの補正は、一つの衛星に対し複数の姿勢でステップトラック補正を行ない、前記組立て誤差推定装置１０によって自動的に追尾補正値を推定して行なうものになっている。
【００１８】
ここで、追尾アンテナ装置１の各部構成について詳細に説明する。
図１、図２に示すように、前記第１軸３は、その一端を該第１軸の回転を制御する第１軸回転装置３ａに連結されるとともに、該第１軸回転装置３ａより地面に対して略垂直に倒立配置され、その他端には第２軸４の回転を制御する第２軸回転装置４ａが設けられている。
【００１９】
前記第２軸４は、前記第１軸３に対して略垂直に配置されるとともに、一端部が前記第２軸回転装置４ａに連結され、その他端には第３軸５の回転を制御する第３回転装置５ａが設けられている。
【００２０】
前記第３軸５は、前記第２軸４に対してほぼ垂直にその一端を前記第３軸回転装置５ａに連結されるとともに、前記第２軸４に対して略垂直に配設され、その他端にはアンテナ２が配置されている。
【００２１】
前記軸回転装置３ａ、４ａ、５ａは、指示装置を構成する装置であって、各々第１軸３、第２軸４、第３軸５の回転を制御してアンテナ２の方向を変えるものである。
【００２２】
前記軸回転角算出装置６は、前記通信衛星位置情報算出装置７により得られる各々の軸回転装置３ａ、４ａ、５ａの回転角の組の中から、最適の一つを選択する計算装置である。
【００２３】
前記組立て誤差推定装置１０は、地面に対する第１軸３の傾きおよび第１軸３が仮定する方位角と設置された状態の方位角との誤差と、第１軸３に対する第２軸４の傾きと、第２軸４に対する第３軸５の傾きとを補正するものであって、前記ステップトラック補正装置９による補正値を記憶して、その補正値を得るために最適と思われる各軸の組立て誤差の値を、遺伝的アルゴリズムにより求める計算装置である。この遺伝的アルゴリズムは、公知の技術を適宜に用いるものである。（文献名：「遺伝的アルゴリズム」著者 坂和正敏、他
発行 朝倉書店 １９９５年）
【００２４】
ここで、本実施形態に係る追尾アンテナ装置１の１つ衛星に対する指示姿勢について説明する。
追尾アンテナ装置１により１つの衛星の方向を指示する場合、各々の軸３、４、５の回転角の取り方によって、一意には定まらず、例えば、図３の（ａ）、（ｂ）に示すように、回転角の組み合わせによって、複数のアンテナ指示姿勢が存在するわけである。
【００２５】
次に、追尾アンテナ装置１に存在し得る組立て誤差について説明する。
図４に示すように、複数の組立て誤差が生じ得る。すなわち、図中の符号Ｇｐは第１軸３のアンテナ台座のＸ方向への傾き誤差、Ｇｙは第１軸３のアンテナ台座のＹ方向への傾き誤差、Ｇｒはアンテナ台座の方位角の誤差、Ａｙは第１軸３の第２軸４と直交する方向への傾き誤差、Ａｐは第１軸３の第２軸４と平行な方向への傾き誤差、Ｂｐは第２軸４の可動方向と直交する方向への傾き誤差、Ｂｙは第２軸４の可動方向と平行な方向への傾き誤差、Ｃｐは第３軸５の可動方向と直交する方向への傾き誤差、Ｃｙは第３軸５の可動方向と平行な方向への傾き誤差を示すものである。
【００２６】
そして、これらの誤差と指示方向との関係は、回転行列を用いたベクトル演算で平易に表すことができる。例えば、アンテナ２を向けたい方向を「３次元ベクトルａ＝（ｘ ｙ ｚ）」で表し、アンテナ２が実際に向く方向を「３次元ベクトルａ’＝（ｘ’ ｙ’ ｚ’）」で表すと、上記の誤差が実際の指示方向に与える影響は、ベクトルの回転演算と考えることができるので、例えばアンテナ台座の方位角の誤差Ｇｒが「３次元ベクトルａ＝（ｘ ｙ ｚ）」に与える影響は、
【数１】

同様にアンテナ台座のＹ方向（例えば、東西方向）の傾き誤差Ｇｙが「３次元ベクトルａ＝（ｘ ｙ ｚ）」に与える影響は、
【数２】

のように表現することができるので、これらの誤差すべてがアンテナの指示方向に与える影響は、回転行列のすべての積をとって、
【数３】

のように表現することができる。
【００２７】
次に、本実施形態に係る追尾アンテナ装置１の処理について、フローチャートを参照して説明する。
図５は前記追尾アンテナ装置による誤差補正の処理を示すフローチャートである。
まず、Ｓ１において、組立て誤差推定装置１０は、第１軸３の回転角を任意に選択し、各軸回転角計算装置６に出力する。
Ｓ２で、各軸回転角計算装置６は、通信衛星位置情報算出装置７の示す通信衛星の方向情報を基に、アンテナ２面が通信衛星の方向に向くように第２軸４、第３軸５の回転角を決定する。
【００２８】
そして、Ｓ３で、ステップトラック補正装置９は、各軸回転角計算装置６が算出した回転角をそれぞれ第１軸回転装置３ａ、第２軸回転装置４ａ、第３軸回転装置５ａに出力して各軸を回転させる。
Ｓ４で、ステップトラック補正装置９は、受信電波強度測定装置８が出力する受信強度を調べながら、第１軸回転装置３ａ、第２軸回転装置４ａ、第３軸回転装置５ａの回転角を増減しながら、電波を最も強く受信できる回転角Ａ、Ｂ、Ｃの組を探す。
【００２９】
Ｓ５で、組立て誤差推定装置１０は、通信衛星位置情報算出装置７が示した「アンテナ面を向けたい方向 ３次元ベクトルａ＝（ｘ ｙ ｚ）」と、ステップトラック補正装置９が示したＡ、Ｂ、Ｃから得られる「誤差が無ければアンテナが向いているはずの方向 ３次元ベクトルａ’＝（ｘ’ ｙ’ ｚ’）」を算出し、
３次元ベクトルａ＝３次元ベクトルａ’・Ｒ（Ｇｒ，Ｇｙ，Ｇｐ，Ａｙ，Ａｐ，Ｂｙ，Ｂｐ，Ｃｙ，Ｃｐ）
の形で表現される９元の方程式を立てる。
そして、Ｓ６において、組立て誤差推定装置１０は、誤差成分の推定を行なうのに充分な数の方程式が集まるまで、各軸の回転角を変えてステップＳ１からＳ５を繰り返す。
Ｓ７で、前記組立て誤差推定装置１０は、遺伝的アルゴリズムを用いて高速に各誤差成分の最適な組を推定する。
このようにして、アンテナ組立て誤差の補正が行なわれる。
【００３０】
なお、Ｓ４において、ステップトラック補正装置９が最適な回転角Ａ、Ｂ、Ｃの値を探し出すアルゴリズム、およびＳ７において組立て誤差推定装置１０が誤差成分を探し出す遺伝的アルゴリズムは公知の技術を用いるものとする。
【００３１】
以上のように構成したので、本実施形態によれば、３軸を組み合わせてアンテナの向く方向を決めているので、簡単な構成で追尾アンテナ装置を実現できる。また、組立て誤差推定装置１０において遺伝的アルゴリズムを用いて組立て誤差を補正したので、通信衛星の移動を待つことなく、高速な誤差の推定を行なうことができるので、短時間で、かつ、特別な装置を設けることなくアンテナの指示方向補正を行なうことができる。
【００３２】
なお、本実施形態においては、垂直に組み合わせた３軸でアンテナの方向付けを行なっているが、本発明は、アンテナの回転角と誤差成分と指示方向の関係が定式化できて、通信衛星の方向を示す実際の回転角の組が複数サンプリングできるような構造であれば、軸の数は３軸に限定されるものではない。
【００３３】
また、本実施形態においては、誤差成分の推定に遺伝的アルゴリズムを用いているが、本発明に用いられるアルゴリズムは、多変量の推定が行なえるアルゴリズムであれは、これに限定されるものではない。
【００３４】
また、本実施形態における組立て誤差推定装置１０に、遺伝的アルゴリズムを実装したプログラムを格納した記憶媒体と、そのプログラムを実行するためのＣＰＵを用いて、より汎用性の高い組立て誤差推定装置を構成するものであっても良い。この場合、補正技術（補正プログラム等）の修正や変更・改良を容易に行なうことができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の請求項１〜４記載の追尾アンテナ装置によれば、一つの衛星に対し複数の姿勢でステップトラック補正を行ない、自動的に追尾誤差補正値を推測する推定手段を備えることで、適正な補正値を短時間で算出でき、しかも、低コストで追尾アンテナ装置を実現できるという優れた効果を奏する。
また、垂直に組み合わせた３軸でアンテナの方向付けを行なうことで、簡単な構成で追尾機構を実現でき、さらに、アンテナ方向の誤差の推計を遺伝的アルゴリズムにより行なうことで、高速な誤差の推定が可能になるという効果を奏する。
また、アンテナ方向の誤差の推計を、媒体に記憶されたプログラムと、該プログラムを実行するためのＣＰＵにより行なうことで、補正技術そのものの修正や改良を行ないやすい追尾アンテナ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】前記追尾アンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図３】（ａ）は前記追尾アンテナ装置が任意の方向を指示する動作状態の一例を示す説明図、（ｂ）は前記追尾アンテナ装置が（ａ）と同じ方向を指示する動作状態の別の例を示す説明図である。
【図４】前記追尾アンテナ装置に生じ得る組立て誤差を示す説明図である。
【図５】前記追尾アンテナ装置による誤差補正の処理を示すフローチャートである。
【図６】従来のステップトラック補正によるアンテナ方向の補正方法を示す概念図である。
【符号の説明】
１ 追尾アンテナ装置
２ アンテナ
３ 第１軸
３ａ 第１軸回転装置
４ 第２軸
４ａ 第２軸回転装置
５ 第３軸
５ａ 第３軸回転装置
６ 軸回転角算出装置
７ 通信衛星位置情報算出装置
８ 受信電波強度測定装置
９ ステップトラック補正装置
１０ 誤差推定装置

Claims (3)

1. 指向性を有するアンテナと、
   相異する向きの３軸以上の回転軸を備えて前記アンテナを任意の方向に向ける指示装置と、
   前記回転軸の回転角を決定する回転角算出装置と、
   少なくとも一つの衛星について、前記アンテナの設置位置からその衛星が観測できるはずの方向を計算する衛星位置算出装置と、
   前記アンテナが受信した電波の強度を測定する測定装置と、
   前記回転角算出装置の出力に対し前記各回転軸の回転角を増減させて、前記測定装置の電波強度出力を基に電波が最も強く受信可能にアンテナの向きを補正するステップトラック補正装置と、
   遺伝的アルゴリズムを用いてアンテナ追尾誤差補正値を推測する推定手段と、
   を備える追尾アンテナ装置であって、
   前記推定手段は、一つの衛星に対し複数のアンテナ指示姿勢でステップトラック補正を行なうことにより前記ステップトラック補正装置から得られる複数の３次元ベクトルと、前記衛星位置情報算出装置から得られる複数の３次元ベクトルとから、アンテナ指示姿勢に関わる複数の回転軸の回転角度に応じた最適な３次元ベクトルの組を推定することにより、自動的に追尾誤差を補正することを特徴とする追尾アンテナ装置。
2. 前記指示装置の回転軸は、地面に垂直に配置される第１軸と、前記第１軸に対して垂直に配置される第２軸と、前記第２軸に対して垂直に配置される第３軸を備え、
   前記補正装置は、地面に対する第１軸の傾きおよび第１軸が仮定する方位角と設置された状態の方位角との誤差と、第１軸に対する第２軸の傾きと、第２軸に対する第３軸の傾きとを補正することを特徴とする請求項１に記載の追尾アンテナ装置。
3. 前記推定手段は、追尾誤差の推測をするためのプログラム記憶媒体を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の追尾アンテナ装置。

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