JP4203413B2 - モバイルプラットフォームから衛星を正確に追跡して衛星と通信するための方法 - Google Patents

Description

発明の分野
この発明は、衛星通信システムに関し、より特定的に、送受信機能を実現するアンテナ開口部を有するモバイルプラットフォームで用いるためのシステムと、モバイルプラットフォームの移動中に、アンテナ開口部に目標となる衛星を正確に追跡させるための方法とに関する。

発明の背景
航空機、船舶および陸上車両等のモバイルプラットフォームから、高い精度で通信衛星を追跡することは、データ転送速度（目標から／へのピークエネルギ）の最適化、および目標となる衛星の近傍で軌道を描いて周回する衛星との衝突の防止の両方に対して必要とされる。追跡するためのさまざまな方法がこれまで用いられ、その方法の中には、「非天測位置推測法」または開ループが含まれており、既知の、衛星およびプラットフォームの位置ならびにプラットフォームの姿勢に基づいて、位置決め角度を修正する計算が行われる。「閉ループ」追跡方法等の他の方法は、信号の最適化法による何らかの形のフィードバック制御を利用する。これらの方法は、受信信号に対しては適切に作用するが、必要とされる帯域幅に対してフィードバック制御ループでの待ち時間を生じる距離にわたった、モバイルプラットフォームから衛星への送信信号に対しては適切に作用しない。このような状況は、たとえば、航空機および陸上車両等の高姿勢での加速を行なうモバイルプラットフォームと通信する静止衛星によって示される。

衛星から受信されるアンテナビームにアンテナ開口部をセンタリングすることに関する周知の技術の１つが連続ロービング（sequential lobing）である。連続ロービングは、ピーク受信信号の周囲の各４方向に、そのピーク信号から意図的に既知の距離だけアンテナ開口部を離すことを含む。このことは、図１に示される。図１ｂに示されるように、受信パワーまたは復号化された信号の測定値を用いて、ビームまたは信号の実際のピークがどこに位置しているかを計算し、次の周期に向けてそのビームを再びセンタリングする。受信専用アンテナは、この手法を極めて効果的に用いて、位置決め精度を維持することができる。しかしながら、この手法の欠点は、ビームが意図的に既知の中心から外されるため、このような受信ビームに従属して作動する送信アンテナが、同一の段階的な追跡を行ない、本質的に誤差を重ねることである。

アンテナを位置決めする第２の技術は、正確な位置決めを維持するために、開ループ計算という一層正確な方法に依存する。この手法の主な欠点は、モバイルプラットフォームの移動中も任意の正確な追跡が可能であるとしても、正確な開始地点を最初に確立すること（すなわち、モバイルプラットフォームに対して目標となる衛星の位置の正確な推定値を最初に決定すること）にある。

先行のシステムは、受信機能および送信機能を別個の開口部に分離して、受信ビームで連続ロービングを行なうことができ、次に、計算によって送信ビームを修正位置に従わせる。このことは、図２に示される。

送受信機能が物理的に同一のアンテナ開口部で実現されるアンテナでは、誤差の原因の
いくつかが解消されるものの、送信ビームの位置決め精度の要件が、連続ロービングのプロセス中に用いられるミスアライメントのステップサイズよりも小さいと、連続ロービングの技術を用いることができない。このような状況により、目標となる衛星に対する送信アンテナの位置決め角度において、依然として誤差（すなわちミスアライメント）が生じる。このことは、図３に示される。

したがって、送受信機能の両方を実現して、かつ、移動するプラットフォーム上に位置するアンテナを、目標となる衛星に正確に位置決めする方法が必要とされる。より特定的に、まず、送受信機能の両方を実現するアンテナ開口部に、目標となる衛星から信号を捕捉させた後に、その衛星によって送信された受信ビームのビーム中心を正確に決定させて、モバイルプラットフォームの慣性基準装置（ＩＲＵ）を用いて衛星を追跡させ、モバイルプラットフォームから衛星へのデータ送信を著しく妨げることなくアンテナ開口部の位置決めを周期的に「微調整」させる方法が必要とされる。

発明の概要
この発明は、モバイルプラットフォームから、衛星をより正確に追跡してその衛星と通信するための方法に向けられる。この発明の方法は、特に、上にアンテナ開口部が設置されたモバイルプラットフォームが移動する間に、目標となる衛星から情報を受信して、かつ、目標となる衛星に情報を送信することが求められるアンテナ開口部との使用に適している。

この発明の方法は、まず、衛星に対し、モバイルプラットフォームの慣性基準装置（ＩＲＵ）と、アンテナ開口部に関連するアンテナコントローラに記憶された、目標となる衛星のおよその位置に関する情報との使用を要求することを含む。衛星からの信号が捕捉されると、従来の連続ロービングのプロセスが実行されて、開口部によって受信された受信ビームに対してアンテナ開口部を一層正確にセンタリングする。連続ロービングのプロセスが完了すると、次に、モバイルプラットフォームから、アンテナを用いてデータまたは他の情報を衛星に送信する。送信中に、航空機のＩＲＵに代わり、アンテナにローカルな「レートジャイロ」の形を取った第２の慣性基準装置が用いられて、目標となる衛星に位置決めされたアンテナ開口部を維持する。

アンテナコントローラは、アンテナから目標となる衛星へのデータまたは他の情報の送信を周期的に中断し、再びアンテナの受信能力を用いて連続ロービングのプロセスを実行する。このプロセスが完了すると、アンテナからの送信が再び使用可能にされ、したがって、アンテナを用いて情報を衛星に送信することが可能になる。アンテナ開口部からの送信と、連続ロービングのプロセスの実行中における送信の阻止とを交互に行なうこのようなプロセスを絶えず繰返して、この態様でなければ最終的に許容できないレベルにまで累積するおそれのある慣性基準ドリフト誤差を除去する。

上述の方法は、アンテナからのデータまたは他の情報の送信を著しく妨げない。なぜなら、連続ロービングのプロセスをわずか数ミリ秒間で実行できるためである。

この発明の応用範囲の領域は、さらに、以下に示される詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明および特定の例が、この発明の好ましい実施例を示しているものの、この発明の範囲を限定するようには意図されず、単に例示のために意図されていることを理解されたい。

この発明は、詳細な説明および添付の図面から、より完全に理解されるであろう。

好ましい実施例の詳細な説明
好ましい実施例の以下の説明は、本質的に単なる例示であって、この発明、その適用例または使途を限定するようには意図されない。

図４を参照すると、目標となる衛星１４と通信するアンテナ開口部１２を有するモバイルプラットフォーム１０が示される。アンテナ開口部１２は、送受信機能の両方を実現して衛星１４から信号を受信するだけでなく、衛星にデータおよび他の情報を送信する能力を有するように適合される。衛星１４は、一般に、地上局（図示せず）に信号を送信するための１つ以上のトランスポンダー１６を備える。モバイルプラットフォーム１０が、図２および図３に示されるように、慣性基準装置（ＩＲＵ）、アンテナコントローラ、および送信／受信アンテナサブシステムを含み、アンテナ開口部１２の位置決めを制御することも認識されたい。

また、図４ではモバイルプラットフォームが固定翼航空機として示されているが、この発明の方法を船舶または地上車両等のあらゆるモバイルプラットフォームに適用できることも認識されたい。

次に、図５を参照して、この発明の方法を説明する。この方法は、まず、ステップ１８に示されるように、航空機１０のＩＲＵを用いて衛星１４から信号を捕捉することを含む。次に、ステップ２０に示されるように、図１に関して説明された連続ロービングのプロセスを用いて、この信号を最適化する。連続ロービングのプロセスが実行されている間、アンテナ開口部１２が受信専用モードで作動していることを認識されたい。ステップ２０は、本質的に、航空機１０のアンテナコントローラに対し、アンテナ開口部１２が衛星１４から受信した受信ビームにアンテナ開口部１２をセンタリングさせる。

連続ロービングのプロセスが完了すると、ステップ２２に示されるように、アンテナ１２を用いてデータの送信を開始することができる。ステップ２４に示されるように、航空機１０の姿勢および位置が変化するにつれて、アンテナ１２にローカルな、アンテナレートジャイロサブシステムの形を取った別の慣性基準装置を用いて、必要に応じてアンテナ１２を再び位置決めすることによって衛星１４を追跡し、衛星１４に位置決めされたアンテナを維持する。

アンテナ１２からの送信は、ステップ２６に示されるように周期的に阻止されて、ステップ２８に示されるように、連続ロービングのプロセスが再び実行される。ステップ２８は、本質的に、アンテナ１２を受信ビームに一層正確にセンタリングして、ステップ２０で最初に連続ロービングのプロセスが実行されたために生じていたおそれのある、あらゆる慣性基準ドリフト誤差を除去する。

ステップ２８で実行された連続ロービングのプロセスが完了すると、ステップ３０に示されるように、航空機１０のアンテナレートジャイロを用いることによる衛星１４の追跡が再開される。フィードバック線３２に示されるように、このプロセスは、航空機１０の飛行中に絶えず繰返される。一般に、ステップ２６〜３０は、わずか数ミリ秒間で実行することができ、ステップ２４は、数秒から数分間で実行することができる。したがって、連続ロービングが周期的に実行されるこれらの時間は、航空機１０のアンテナレートジャイロを用いて衛星１４を追跡する時間フレームに比べ、極めて短い。その結果、アンテナ１２からのデータ送信の中断が極めて短くなり、衛星１４に情報および／またはデータを送信するためのアンテナ１２の使用を著しく妨げない。

図６は、この発明の好ましい実施例に従ったシステム３４の略ブロック図である。モータおよびセンササブシステム３６を用いて、アンテナの位置決めをモニタして制御する。レートジャイロサブシステム３８を用いて、アンテナ開口部４０を方向付けるのに用いられる慣性基準情報を提供する。

図７は、位置決め誤差対時間と、繰返される周期的な連続ロービングがどのように働いてアンテナ１２を「再びセンタリング」するのかとを示すグラフである。波形４４の部分４２は、徐々に増大する慣性ドリフト誤差を示す。スパイク波４６は、連続ロービングが実行されて受信ビームに対してアンテナを再びセンタリングする間にアンテナ１２の送信機能が阻止される、極めて短い時間（典型的には数ミリ秒間）を示す。

この発明の説明が本質的に単なる例示であるために、この発明の骨子から逸脱しない変更例は、この発明の範囲内にあるものと意図される。このような変更例を、この発明の精神および範囲からの逸脱と考えるべきではない。

衛星から受信されたビームのビーム中心にアンテナ開口部を位置決めすることのできる連続ロービングのプロセスを示す図である。 衛星から受信されたビームのビーム中心にアンテナ開口部を位置決めすることのできる連続ロービングのプロセスを示す図である。 モバイルプラットフォーム上に配置された別個の受信用のアンテナ開口部であって、受信用のアンテナ開口部の位置決め方向に送信用のアンテナ開口部が従属して作動していること、および、２つのアンテナ開口部がモバイルプラットフォーム上で物理的に離れていることによる、２つのアンテナ開口部間の本質的なミスアライメントを示す図である。 送受信機能を実現するアンテナ開口部の略図であり、送信中の位置決め精度の要件が受信ビームで実行される連続ロービングのプロセスで用いられるステップサイズよりも小さい場合に存在する誤差の程度を示す図である。 目標となる衛星と通信して送受信機能を実現するアンテナ開口部を有するモバイルプラットフォームの略図である。 モバイルプラットフォーム上に配置された、送受信機能の両方を実現するアンテナ開口部で、目標となる衛星をより正確に捕捉して追跡するための、この発明の好ましい方法に従って実施されるステップを示すフロー図である。 この発明の好ましい実施例に従ったシステムの略ブロック図である。 この発明の方法が、アンテナで連続ロービングを周期的に実行することによって、どのように慣性ドリフト誤差を絶えず修正するかを示すグラフである。

Claims (12)

1. 送受信機能を実現するアンテナ開口部を、目標に正確に位置決めして、前記目標を追跡するための方法であって、前記アンテナ開口部は、慣性基準システム（ＩＲＵ）を有する車両上に配置され、前記方法は、
   ａ） 前記アンテナ開口部を使用可能にして前記目標を最初に捕捉するために、前記ＩＲＵを用いるステップと、
   ｂ） 前記目標から送信された受信ビームに前記アンテナ開口部を一層正確にセンタリングするために、前記アンテナが受信専用機能を実現している間に連続ロービングのプロセスを用いるステップと、
   ｃ） 前記アンテナ開口部が送信している間に前記目標を追跡するために、前記アンテナ開口部に配置された追加のＩＲＵからの情報を用いるステップと、
   ｄ） 慣性基準ドリフト誤差を修正するために、前記送信を中断し、前記アンテナが受信専用機能を実現している間に、再度前記連続ロービングのプロセスを実行するステップとを含む、方法。
2. ステップｃ）は、ステップｂ）の前記連続ロービングのプロセスよりも長い時間実行される、請求項１に記載の方法。
3. 送受信機能を実現するアンテナ開口部を、目標に正確に位置決めして、前記目標を追跡するための方法であって、前記アンテナ開口部は、慣性基準システム（ＩＲＵ）を有するモバイルプラットフォーム上に配置され、前記方法は、
   ａ） 前記アンテナ開口部を使用可能にして前記目標を最初に捕捉するために、前記ＩＲＵを用いるステップと、
   ｂ） 前記目標から受信された受信ビームで連続ロービングのプロセスを実行して、前記目標に前記アンテナ開口部をセンタリングするために、前記アンテナ開口部を受信専用モードで用いるステップと、
   ｃ） ステップｂ）が完了すると、前記目標に位置決めされた前記アンテナ開口部を維持するためにアンテナレートジャイロを用いるステップと、
   ｄ） 前記目標から受信された受信ビームで前記連続ロービングのプロセスを実行して、前記目標に前記アンテナ開口部を再度センタリングするために、前記アンテナレートジャイロの使用を中断し、前記アンテナ開口部を受信専用モードで用いるステップとを含む、方法。
4. ステップｃ）は、前記目標に位置決めされた前記アンテナ開口部を維持するために前記アンテナレートジャイロが用いられている間に、前記アンテナ開口部から情報を送信するステップを含む、請求項３に記載の方法。
5. 送受信機能を実現するアンテナ開口部を、目標に正確に位置決めして、前記目標を追跡するための方法であって、前記アンテナ開口部は、慣性基準システム（ＩＲＵ）を有するモバイルプラットフォーム上に配置され、前記ＩＲＵは、前記目標を最初に捕捉するために用いられ、前記方法は、
   ａ） 前記目標から受信された受信ビームで連続ロービングのプロセスを実行して、前記目標に前記アンテナ開口部をセンタリングするために、前記アンテナ開口部を受信専用モードで用いるステップと、
   ｂ） 前記連続ロービングのプロセスが完了すると、次に、前記アンテナ開口部が用いられて前記目標に情報を送信する間に、前記目標に位置決めされた前記アンテナ開口部を維持するためにアンテナレートジャイロを用いるステップと、
   ｃ） 前記目標から受信された受信ビームで前記連続ロービングのプロセスを実行して前記ＩＲＵの慣性基準ドリフト誤差を修正し、それによって前記目標に位置決めされた前記アンテナ開口部を維持するために、前記アンテナレートジャイロの使用を中断し、前記アンテナ開口部を受信専用モードで用いるステップとを含む、方法。
6. ステップｃ）は、ステップａ）よりも短い時間実行される、請求項５に記載の方法。
7. 送受信機能を実現するアンテナ開口部を、目標に正確に位置決めして、前記目標を追跡するための方法であって、前記アンテナ開口部は、慣性基準システム（ＩＲＵ）を有するモバイルプラットフォーム上に配置され、前記方法は、
   前記アンテナ開口部が受信専用モードで作動して前記目標に前記アンテナ開口部を位置決めする間に連続ロービングのプロセスを実行し、前記アンテナ開口部が送信プラス受信モードにあるときに前記アンテナ開口部にローカルなジャイロを用いて前記目標に位置決めされた前記アンテナ開口部を維持するために、前記受信専用モードおよび前記送信プラス受信モードで前記アンテナ開口部を交互に用いるステップを含む、方法。
8. 前記連続ロービングのプロセスを実行する前に、前記目標を最初に捕捉するために前記ＩＲＵを用いるステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記連続ロービングのプロセスは、前記アンテナ開口部が前記送信プラス受信モードで用いられる時間よりも実質的に短い時間フレーム内で実行される、請求項７に記載の方法。
10. 送受信機能を実現するアンテナ開口部を、目標に正確に位置決めして、前記目標を追跡するための方法であって、前記アンテナ開口部は、慣性基準システム（ＩＲＵ）を有するモバイルプラットフォーム上に配置され、前記ＩＲＵは、前記目標を最初に捕捉するために用いられ、前記方法は、
    ａ） 前記目標から受信された受信ビームで連続ロービングのプロセスを実行して、前記目標に前記アンテナ開口部をセンタリングするために、前記アンテナ開口部を受信専用モードで用いるステップと、
    ｂ） 前記連続ロービングのプロセスが完了すると、次に、前記アンテナ開口部が送信プラス受信モードで用いられて前記目標に情報を送信する間に、前記目標に位置決めされた前記アンテナ開口部を維持するためにアンテナレートジャイロを用いるステップと、
    ｃ） 前記目標から受信された受信ビームで前記連続ロービングのプロセスを再び実行して、それによって前記目標に位置決めされた前記アンテナ開口部を維持するために、前記アンテナ開口部からの送信を中断し、前記アンテナ開口部を受信専用モードで用いるステップとを含む、方法。
11. 前記連続ロービングのプロセスは、前記アンテナ開口部が前記送信プラス受信モードにある時間よりも実質的に短い時間フレーム内で実行される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記連続ロービングのプロセスは、約１秒未満で実行される、請求項１１に記載の方法。

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