JP4591526B2

JP4591526B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP4591526B2
Application number: JP2008069472A
Authority: JP
Inventors: 諭惣福; 淳治高木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2028-03-18
Also published as: US7843385B2; EP2104180A1; EP2104180B1; JP2009225283A; US20090237303A1

Description

この発明は、指向方向の補正をするために、指向方向に影響する支持構造の変位又は傾斜の測定を行うことができるアンテナ装置に関するものである。

電波天文学の分野では、近年になってミリ波からサブミリ波へとより高い周波数の電波を観測するという要求が高まってきている。高い周波数の電波天体の観測を行う場合、アンテナの反射鏡面とビームの指向追尾はより高い精度が必要となる。一方では、観測効率を高めるために、アンテナの大口径化が進み、また、昼夜のあらゆる天候で観測を実施できることが望まれている。口径が大きくなることによって、アンテナの自重変形が大きくなり、また、日射による熱変形や風圧による変形が大きくなるため、高い指向追尾精度を得ることが困難となる。このような高い指向追尾精度の要求を満足するためには、アンテナの反射鏡の指向誤差をリアルタイムに測定し、補正する技術が必要となる。アンテナの指向誤差に影響する要因として主反射鏡を支える構造部分の変形があり、この変形を測定する手段として、レーザ及びその光検出器を用いた光学的計測手段と、機械的手法による計測手段とが考えられる。しかし、前者については光学系内の大気揺らぎによる測定誤差の発生が大きく、また光検出画像の処理遅延のため高速な測定が困難であった。一方、機械的手法による計測手段として、アンテナ支持構造の中に熱変形や風による変形の影響を受けないフレーム構造体を設置することにより、アンテナ構造物の指向誤差を求める手段が特開２００７−１２９４５４号公報に開示されている。

特開２００２−１２９４５４

特開２００７−１２９４５４に開示された従来の装置は、アンテナ支持構造の中に熱変形や風による変形の影響を受けないフレーム構造体を設置して指向誤差を測定するものであり、測定された指向誤差によりアンテナ指向方向が補正されるというものであるが、実際には、フレーム構造体により測定した指向誤差や、アンテナ自体の器差誤差などの要因があり、これらの指向誤差に寄与する要因を取り込み、より高精度に指向誤差を補正するための追尾制御系の確立が必要であるという課題があり、特にサブミリ波による天体観測を行うための高精度アンテナ装置では、このような追尾制御系の構築が急務となっていたものである。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、構造的及び熱的に生じるアンテナ指向方向に生じる指向誤差を高精度に補正することができるアンテナ装置を得ることを目的とする。

請求項１の発明に係るアンテナ装置は、アンテナベース部と、このアンテナベースに支持されて方位軸まわりに回転し、２つの支柱を有して主反射鏡を支持するアンテナ架台部と、上記アンテナベース部及び上記アンテナ架台部に各６自由度拘束して設けられた複数のフレーム構造体からなるフレーム構造体群と、このフレーム構造体群の変位を測定する変位計群と、この変位計群による測定データに基づいてアンテナの指向誤差を算出し、算出した指向誤差から方位角に依存して機械的に発生する上記フレーム構造体群の変位で生じる誤差分を除去してメテロロジー補正量を算出するメテロロジー補正部と、方位角に依存して機械的に発生する上記アンテナの指向方向誤差である器差誤差を出力する器差補正部と、アンテナの駆動指令値を上記メテロロジー補正量及び上記器差誤差により補正してアンテナの駆動制御を行う制御回路とを備えたものである。

請求項２の発明に係るアンテナ装置は、請求項１の発明に係るアンテナ装置において、上記フレーム構造体群は、上記アンテナベース部に設けられ、弾性部材によって支持された第１のフレーム構造体、上記アンテナ架台部の基準部材上の３点にＺ軸変位を拘束して設けられ、６自由度拘束された第２のフレーム構造体、上記アンテナ架台部の上記支柱に設けられ、６自由度拘束された第３のフレーム構造体とを有し、上記変位計群は、上記第１のフレーム構造体に対する上記アンテナ架台部の基準部材の姿勢を測定する第１の測定装置、上記第２のフレーム構造体に対する上記第３のフレーム構造体の姿勢を測定する第２の測定装置、上記第３のフレーム構造体に対する上記主反射鏡の支持基準部材の変位を測定する第３の測定装置とを有するものである。

請求項３の発明に係るアンテナ装置は、請求項２の発明に係るアンテナ装置において、上記第１の測定装置は、上記第１のフレーム構造体上の３点に設けられ、上記アンテナ架台部の基準部材の３点のＺ軸方向変位を測定する３つの変位測定器を有するものである。

請求項４の発明に係るアンテナ装置は、請求項２の発明に係るアンテナ装置において、上記第２の測定装置は、上記第２のフレーム構造体上の２点に設けられ、上記第３のフレーム構造体の２点のＺ軸方向変位を測定する２つの変位測定器、上記第２のフレーム構造体の１点に設けられ、上記第３のフレーム構造体の１点のＹ軸方向変位を測定する１つの変位測定器を有するものである。

請求項５の発明に係るアンテナ装置は、請求項２の発明に係るアンテナ装置において、上記第３の測定装置は、上記第３のフレーム構造体上の１点に設けられ、上記主反射鏡の支持基準部材の１点のＺ軸方向変位を測定する１つの変位測定器を有するものである。

請求項６の発明に係るアンテナ装置は、請求項１の発明に係るアンテナ装置において、上記フレーム構造体群は、上記アンテナベース部に設けられ、弾性部材によって支持された第１のフレーム構造体、上記アンテナ架台部の基準部材上の３点においてバイポッド構造の支持部材により支持して設けられた第２のフレーム構造体、上記アンテナ架台部の上記支柱に設けられ、６自由度拘束された第３のフレーム構造体とを有し、上記変位計群は、上記第１のフレーム構造体に対する上記アンテナ架台部の基準部材の姿勢を測定する第１の測定装置、上記第２のフレーム構造体に対する上記第３のフレーム構造体の姿勢を測定する第２の測定装置、上記第３のフレーム構造体に対する上記主反射鏡の支持基準部材の変位を測定する第３の測定装置とを有するものである。

請求項７の発明に係るアンテナ装置は、請求項６の発明に係るアンテナ装置において、上記第３のフレーム構造体は、上記主反射鏡の支持基準部材からのパラレルリンク機構により支持されているものである。

請求項８の発明に係るアンテナ装置は、請求項６の発明に係るアンテナ装置において、上記第３の測定装置は、上記第３のフレーム構造体上の１点に設けられ、上記主反射鏡の支持基準部材の１点のＹ軸方向変位を測定する１つの変位測定器を有するものである。

請求項１に記載の発明によれば、メテロロジー補正部により、変位計群による測定データに基づいてアンテナの指向誤差を算出し、算出した指向誤差から方位角に依存して機械的に発生するフレーム構造体群の変位で生じる誤差分を除去してメテロロジー補正量を算出し、器差補正部により、方位角に依存して機械的に発生するアンテナの指向方向誤差である器差誤差を出力し、制御回路により、アンテナの駆動指令値をメテロロジー補正量及び器差誤差により補正してアンテナの駆動制御をするので、高精度にアンテナ駆動制御を行うことができる。

請求項２乃至請求項５に記載の発明によれば、アンテナベース部に第１のフレーム構造体を、アンテナ架台部に６自由度拘束した第２のフレーム構造体及び第３のフレーム構造体を設け、第１の測定装置により第１のフレーム構造体に対するアンテナ架台部の基準部材の姿勢を、第２の測定装置により第２のフレーム構造体に対する第３のフレーム構造体の姿勢を、第３の測定装置により第３のフレーム構造体に対する主反射鏡の支持基準部材の変位を測定するので、各フレーム構造体に流れる荷重を抑制して各フレーム構造体の内部変形を抑制し、各測定装置による測定を高精度化することができる。

請求項６に記載の発明によれば、メテロロジー補正部により変位計群による測定データに基づいてアンテナの指向誤差を算出し、算出した指向誤差から方位角に依存して生じる誤差分を除去してメテロロジー補正量を算出し、制御回路によりアンテナの駆動指令値を上記メテロロジー補正量により補正してアンテナの駆動制御するので、高精度にアンテナ駆動制御を行うことができる。また、器差補正部から出力する方位角に依存して生じる上記アンテナの指向方向誤差である器差誤差によってもアンテナ駆動指令値を補正することにより、さらに高精度化を図ることができる。

請求項７又は請求項８に記載の発明によれば、主反射鏡の支持基準部材からのパラレルリンク機構により第３のフレーム構造体を支持し、また、第３の測定装置による変位測定をＹ軸方向とすることにより、第３のフレーム構造体のＸ軸まわりの回転剛性を高めることができる。

実施の形態１

この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置を図１から図９に基づき説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の断面図であり、図２は図１におけるＡＡ断面図（主反射鏡部分を除く）である。図１において、１は地面に固定設置されたアンテナベース部であり、２はアンテナベース部１により方位軸まわりに回転可能に支持されたアンテナ架台部である。アンテナ架台部２において、３は左右に設けた２つの支柱部であり、４は底部である。５はアンテナの主反射鏡であり、左右の支柱部３により仰角軸まわりに回転可能に支持されている。６は支柱部３上に設けられ、主反射鏡５の仰角軸を支持するハウジング部である。

７はアンテナベース部１内に設けた第１フレーム構造体であり、８はアンテナ架台部２の底部４に設けた第２フレーム構造体であり、９はアンテナ架台部２の支柱部３に設けた第３フレーム構造体である。これらの第１フレーム構造体７、第２フレーム構造体８、及び第３フレーム構造体はトラス構造を有しており、これらへの荷重の流れを抑制することにより剛体として扱えるものとする。即ち、これらのフレーム構造体はアンテナベース部１、アンテナ架台部２に設けられて支持されているが、この支持構造として、過拘束しない支持（キネマティックサポート：ｋｉｎｅｍａｔｅｉｃｓｕｐｐｏｒｔ）構造とする。また、インバー材料やＣＦＲＰ材料などの熱膨張率の低い部材を使用することにより、各フレーム構造体の内部熱変形を抑制する。

次に実施の形態１に係るアンテナ装置の動作について説明する。アンテナ架台部２は方位軸まわりに回転し、主反射鏡５はアンテナ架台部２により仰角軸まわりに回転可能に支持されているので、主反射鏡５を方位角及び仰角をそれぞれの駆動範囲内で駆動し位置決めしてアンテナの指向方向を設定することができる。なお、アンテナベース部１にはアンテナ架台部２を方位軸まわりに回転し位置決めする方位角駆動機構が、アンテナ架台部２のハウジング部６には、主反射鏡５を仰角軸まわりに回転し位置決めする仰角駆動機構を設けている。

次に、実施の形態１に関わるアンテナ装置の駆動制御について、図３及び図４に基づいて説明する。図３はこの発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の駆動制御系のブロック図であり、図４はメテロロジー補正部の構成を表わすブロック図である。なお、後述の実施の形態２におけるアンテナ装置の駆動制御系及びメトロロジー補正部のブロック図も図３及び図４と同様の構成である。図３において、１０は位置制御を行うサーボ制御回路であり、１１はサーボ制御回路１０からの駆動制御量により駆動するモータ、１２はモータ１１により駆動するアンテナ装置内の可動部、１３は可動部１２のＡＺ軸及びＥＬ軸まわりの回転の角速度を検出するレートセンサ、１４は可動部１２のＡＺ角度及びＥＬ角度を検出する角度検出器である。なお、サーボ制御回路１０からは方位角（ＡＺ角）及び仰角（ＥＬ角）に対するモータ１１の駆動制御量が出力され、モータ１１は方位角駆動モータと仰角駆動モータとからなり、ＡＺ及びＥＬ駆動制御量に基づき駆動される。１５は第１フレーム構造体、第２フレーム構造体及び第３フレーム構造体に設けた変位を測定する複数の測定装置からなる変位計群であり、１６は変位計群１５による測定データ群と角度検出器１４による角度データに基づいてメテロロジー補正量を演算して出力するメテロロジー補正部、１７は角度検出器１４による角度データに基づいてアンテナ固有の器差補正量を求めて出力する器差補正部である。

図３に示すアンテナ装置の駆動制御系では、レートセンサ１３及び角度検出器１４の出力をサーボ制御回路１０へフィードバックしてＡＺ／ＥＬ角度指令値に対する位置制御を行っている。さらに、メテロロジー補正部１６及び器差補正部１７により、アンテナ装置の変形等によるアンテナ指向方向誤差分のオフセットを指令値から減算する制御を行っており、オフセット量は、主として機械的に生じている誤差（器差誤差）、熱変形及び風力による変形により生じている誤差（メテロロジー誤差）とからなる。器差補正部１７では器差誤差を、メテロロジー補正部１６ではメテロロジー誤差を求め、これらを補正量として出力するものである。器差補正部１７において求める器差誤差は、機械的に発生するアンテナ指向方向の誤差であり、例えば、アンテナ装置のＡＺ駆動軸と鉛直方向とのずれ、ＥＬ駆動軸と水平方向とのずれや、後述の軸受内輪３０の加工面のうねり等の種々の機械的要因によって発生し、再現性を有する。この器差誤差は、設定するＡＺ角及びＥＬ角ごとにアンテナが指向している方向を実測し、設定したＡＺ角及びＥＬ角との誤差ΔＡＺ_Ｋ及びΔＥＬ_Ｋを算出することにより予め求めておくことができ、また、ΔＡＺ_Ｋ及びΔＥＬ_ＫをＡＺ角及びＥＬ角の関数で表わしておくこともできる。

次に、メテロロジー補正部１６において求めるメテロロジー誤差は、アンテナ装置において生じる熱変形や風力の影響によってアンテナ装置が変形することによりアンテナ指向方向に生じる誤差である。このメテロロジー誤差は、アンテナベース部１に設けた第１フレーム構造体７、アンテナ架台部２に設けた第２フレーム構造体８及び第３フレーム構造体９の変位量を複数の測定装置からなる変位計群によって測定し、測定データ群から演算により求めることができる。図４において、２０は変位計群１５による測定データ群からアンテナ指向方向の誤差を推定演算する一次メテロロジー誤差演算部であり、この一次メテロロジー誤差演算部２０により、α（Ｘ軸回りの回転成分）、β（Ｙ軸回りの回転成分）、γ（Ｚ軸回りの回転成分）を求め、それらに基づくアンテナ指向方向の誤差（ΔＡＺ及びΔＥＬ）を演算する（演算方法は後述する）。２１は重複補正テーブルであり、ＡＺ角に応じて機械的に発生する第１乃至第３フレーム構造体の変位によって演算されるα_Ｃ、β_Ｃ、γ_Ｃを求め、それらに基づくアンテナ指向方向の誤差（ΔＡＺ_Ｃ及びΔＥＬ_Ｃ）を格納したテーブルであり、この誤差（ΔＡＺ_Ｃ及びΔＥＬ_Ｃ）は再現性を有する。例えば、後述の軸受内輪２９は加工面のうねりや粗さ等の影響によるフレーム構造体の変位成分が、本来検出すべきアンテナ装置の熱・風力変形成分とともに、後述する第１測定装置２６等により計測される。このような軸受内輪２９の加工面のうねり等の要因に基づく機械的に発生するアンテナ指向方向の誤差（ΔＡＺ_Ｃ及びΔＥＬ_Ｃ）は、器差補正部１７においても、軸受内輪２９のうねり成分やアンテナのＡＺ軸の鉛直度などを含む、ＡＺ回転に伴って機械的に発生する指向方向の誤差である器差誤差としても求められている。したがって、器差補正とメテロロジー補正において、機械的に発生するアンテナ指向方向の誤差が重複しないように、メテロロジー補正部１７では、減算器２２により、一次メテロロジー誤差演算部２０から出力するアンテナ指向誤差（ΔＡＺ、ΔＥＬ）から重複補正テーブル２１から出力するアンテナ指向誤差（ΔＡＺ_Ｃ、ΔＥＬ_Ｃ）を減算する。重複補正テーブル２１は、ＡＺ角度１度ごとにΔＡＺ_Ｃ及びΔＥＬ_Ｃを格納したテーブルであっても良いし、ΔＡＺ_Ｃ及びΔＥＬ_ＣがＡＺ角度の関数として表せるのであれば、その関数を格納したものであっても良い。また、重複補正テーブル２１は、比較的温度が一定で局所的な熱変形が少なく、風が穏やかで風力による変形が小さい時間帯に、アンテナの方位角を１周駆動し、そのときの一次メテロロジー補正部２０が出力するΔＡＺ及びΔＥＬをＡＺ角度ごとに記録して取得することができる。このように、重複補正テーブル２１からの出力を一次メテロロジー補正部２０からの出力から減算器２２により差し引くことにより、機械的に発生するアンテナ指向方向の誤差分が除去され、メテロロジー補正によって本来補正するアンテナの熱変形と風による変形に基づくアンテナ指向方向の誤差が算出される。

メテロロジー補正部１６と器差補正部１７とにより求められた各補正量は、加算器１８により加算され、加算結果は、減算器１９により角度指令値（ＡＺ角及びＥＬ角）から減算されることにより、機械的に生じるアンテナ指向方向の誤差分や、熱・風力によるアンテナ装置の変形によるアンテナ指向方向の誤差部が除去されて、より高精度にアンテナ指向方向の駆動制御を行うことができる。

次に、フレーム構造体及び変位計群１５の構成及びメテロロジー補正量の演算方法について説明する。図５はこの発明の実施の形態１に係る第１フレーム構造体７の構成を示す構成図である。図５に示すように、第１フレーム構造体７は、リング状部材２３とトラス部材２４とにより構成されたフレーム構造体である。このフレーム構造体は、図５中の点線で示すトラス部材によって剛性を増すように補強することもできる。第１フレーム構造体７はアンテナベース部１の地面への設置部分に近い位置に設置するものであり、具体的には、弾性部材である板ばね２５を３箇所に配置して設置する。板ばね２５は、それぞれ長手方向がＺ方向、短手方向がＺ軸を中心とする円周方向（この円周上に板ばねが配置される）になるように設けるものであり、３つの板ばね２５によって第１フレーム構造体７を６自由度のみ拘束する。リング状部材２３上には、第１測定装置２０を設ける。第１測定装置２０は、３つの接触式又は非接触式の変位測定器により構成し、各々の測定器はＺ軸方向の変位を測定するものである。

図６は、第１測定装置２６による変位測定部分を拡大した断面図であり、２７はアンテナベース部１のフランジ、２８はフランジ２７に固定された軸受外輪、２９は可動側であるアンテナ架台部２に連結する軸受内輪である。軸受外輪２８と軸受内輪２９との間にはローラーが配置されており、軸受内輪２９は軸受外輪２８に対して滑らかに方位軸まわりに回転できる。第１測定装置２６は軸受内輪２９の下面のＺ軸変位を３箇所で測定することにより、軸受内輪２９のＺ軸方向変位、Ｘ軸まわりの回転変位θｘ、Ｙ軸回りの回転変位θｙを測定することができる。この軸受内輪２９はアンテナ架台部２の基準部材となり、第１測定装置２６によって、この基準部材の姿勢を計測することができ、軸受のうねりやアンテナ架台部２の底部４の変位や傾きを測定することができる。なお、第１測定装置２６の測定機器を増やすことにより、その他の変位（Ｘ軸方向変位、Ｙ軸方向変位、Ｚ軸まわりの回転変位）を測定することができる。

図７は、アンテナ架台部２内のフレーム構造体の模式図である。アンテナ架台部２の底部４には第２フレーム構造体８が、アンテナ架台部２の支柱部３には第３フレーム構造体９が収納されている。３０はアンテナ架台部２の基準部材である軸受内輪２９に設けられ、第２フレーム構造体８をリンク結合して、Ｚ方向変位を拘束する３つの支持部材である。この支持部材３０は、理想的には軸受内輪２９に設けるのが良いが、軸受内輪２９に剛性の高いフランジを固定してその上に設ける構成でも良く、このときには、軸受内輪２９とフランジが基準部材となると考えれば良い。３１はアンテナ架台部２の底部４の枠体に設けられ、第２フレーム構造体８をリンク結合して、Ｙ方向変位を拘束する２つの支持部材であり、３２はアンテナ架台部２の底部４の枠体に設けられ、第２フレーム構造体８をリンク結合して、Ｘ方向変位を拘束する１つの支持部材である。これらの支持部材３０、３１、３２により、第２フレーム構造体は、アンテナ架台部２の基準部材および底部４の枠体に対して、６自由度のみ拘束して支持されている。

この第２フレーム構造体８の拘束方法によれば、アンテナ架台部２の底部４の枠体の変形を受けて、Ｚ軸まわりの回転変位θｚが発生するので、これを測定する必要がある。図７において、３３は地面又はアンテナベース部１に固定され、Ｚ軸方向に伸びる方位軸ポールであり、３４は方位軸ポール３３に対するアンテナ架台部２の回転角度を検出する角度検出器（例えばロータリエンコーダやレゾルバなど）である。角度検出器３４はアンテナ架台部２の底部４の中央部において、上記基準部材に固定して設けられており、アンテナ架台部２の底部４の枠体の変形による影響を受けにくい。したがって、第２フレーム構造体８に接触式又は非接触式の変位測定器３５を設け、角度検出器３４の外周部分に設けたフランジ３６の変位を測定して角度換算すれば、第２フレーム構造体８のＺ軸まわりの回転変位θｚを測定することができる。

図７において、３７は主反射鏡５を支持するハウジング６の座部であり、主反射鏡５の支持基準部材である。また、３８はアンテナ架台部２の支柱部３に設けられ、第３フレーム構造体９をリンク結合して、Ｘ方向変位を拘束する３つの支持部材であり、３９はアンテナ架台部２の支柱部３の枠体に設けられ、第３フレーム構造体９をリンク結合して、Ｙ方向変位を拘束する１つの支持部材であり、４０は座部３７に設けられ、第２フレーム構造体８をリンク結合して、Ｚ方向変位を拘束する１つの支持部材である。また、４１は座部３７に設けられ、ＹＺ平面内で斜めに第３フレーム構造体９をリンク結合して、Ｘ軸まわりの回転変位を拘束する１つの支持部材である。これらの支持部材３８、３９、４０、４１により、第３フレーム構造体９は、アンテナ架台部２の支柱部３およびハウジング６の座部３７に対して、６自由度のみ拘束して支持されている。

この第３フレーム構造体９の支持方法によれば、第３フレーム構造体９は支柱部３のＸ軸方向の変位の影響を受けるが、この変位はアンテナ指向方向にほとんど寄与しないので、この変位成分は測定する必要がない。４２は第３フレーム構造体９の第２フレーム構造体８に対する姿勢を検出する第２測定装置である。第２測定装置４２は、第２フレーム構造体８上に設けられ、第３フレーム構造体９の底部におけるＹ軸方向の両端部のＺ軸方向変位をそれぞれ測定する２つの接触式又は非接触式の変位測定器と、第２フレーム構造体８上に設けられ、第３フレーム構造体９の底部のＹ軸方向変位を測定する１つの接触式又は非接触式の変位測定器とから構成し、これらの構成を左右の支柱部３に設ける。ここで、これらの第２測定装置４２によっては、完全な意味での第３フレーム構造体９の姿勢、即ち、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸まわりの回転変位のすべてを求めることができないが、後述のように第２測定装置４２により、アンテナ指向誤差に影響する第３フレーム構造体の姿勢を測定することが可能である。

また、図７において、４３は主反射鏡５の支持基準部材であるハウジング６の座部３７の変位を測定する第３測定装置である。第３測定装置４３は、第３フレーム構造体９の上部におけるＹ軸上の端部に設けられ、座部３７のＺ軸方向変位を測定する１つの接触式又は非接触式の変位測定器により構成し、左右の支柱部３内に設ける。なお、第３測定装置は、第３フレーム構造体９に対する座部３７の相対的な変位を測定するものである。また配置については、支持部材４０と支持部材４１による第３フレーム構造体９上の支持点が、第３フレーム構造体９の上部におけるＹ軸方向の一端部にあたり、他の一端部に第３測定装置を設ける。

上記の第１測定装置２６、変位測定器３５、第２測定装置４２、及び第３測定装置４３により図３に示す変位計群が構成されており、これらの測定データ群に基づいて、アンテナ指向方向のＸ、Ｙ、Ｚ軸まわりの回転変位を算出する原理を図８によって説明する。地面に固定された座標系として、地面と方位軸の交点を原点とし、鉛直上向きをＺ_Ｐ方向とする座標系（Ｘ_Ｐ、Ｙ_Ｐ、Ｚ_Ｐ）を用いる。また、アンテナ架台部２における左右の支柱部３の上部（厳密にはハウジング６）と仮想的に剛結合する線分上の中点（方位軸と仰角軸との交点ともいえる）を原点とし、鉛直上向きをＺ_Ｙ方向とし、この線分とともに変位する座標系（Ｘ_Ｙ、Ｙ_Ｙ、Ｚ_Ｙ）を用いる。なお、左右の支柱部３上部を結ぶ仰角軸方向をＸ_Ｙ方向とし、Ｘ_Ｙ方向はＸ_Ｐ方向と平行であるとする。Ｙ_Ｐ方向、Ｙ_Ｙ方向はそれぞれ座標系内の他の２方向と直交する。また、アンテナ架台部２は方位軸まわりに回転するものであり、この方位角をθ_ＡＺとする。図９は、座標系（Ｘ_Ｙ、Ｙ_Ｙ、Ｚ_Ｙ）を座標系（Ｘ_Ｐ、Ｙ_Ｐ、Ｚ_Ｐ）に投影した模式図であり、方位角θ_ＡＺは、図９に示すように、Ｚ_Ｐ軸正方向から座標系（Ｘ_Ｐ、Ｙ_Ｐ、Ｚ_Ｐ）の原点を見て、時計回りの向きを正の回転として定義するものとする。また、主反射鏡５の仰角θ_ＥＬを天頂方向９０度、水平方向０度として定義する。

図８において、各変位測定器は丸印により記載され、丸印中の識別番号により識別されているもとし、測定した変位ｄは、添え字に識別番号を付してｄ_１、ｄ_２、・・・、ｄ_１３と表現する。第１測定装置２６において、識別番号１と３の変位測定器は、Ｙ_Ｐ方向と平行な線上にあって、Ｘ_Ｐ軸に対象な位置関係にある。また識別番号２の変位測定器は、Ｚ_ＰＸ_Ｐ面内にある。識別番号１，２、３の変位測定器は、方位軸を中心とする半径Ｒの円周上に等間隔に配置しているものとする。変位測定器３５は識別番号４と５の変位測定器により構成し、第２測定装置４２は識別番号６、７、８、１０、１１、１２の変位測定器により構成し、第３測定装置４３は識別番号９及び１３の変位測定器により構成する。また、Ａ乃至Ｄは演算に必要な箇所の寸法を表しており、Ａは第２フレーム構造体８のＸ_Ｐ方向の寸法を、Ｂは識別番号４と５の変位測定器間の寸法、Ｃは識別番号６と７の変位測定器間、識別番号１０と１１の変位測定器間の寸法を、Ｄは第３フレーム構造体９のＺ_Ｐ方向の寸法を表している。

本発明に係る測定原理によれば、アンテナ架台部２等の変形により生じる座標系（Ｘ_Ｙ、Ｙ_Ｙ、Ｚ_Ｙ）のＸ_Ｙ軸の回転変位成分α、Ｙ_Ｙ軸の回転変位成分β、Ｚ_Ｙ軸の回転変位成分γを算出することができ、さらに、これを方位角変位ΔＡＺ、仰角変位ΔＥＬに変換することができるものである。

まず、アンテナ架台部２の基準部材（図６、図７に示す軸受内輪２９）の傾きを算出する。Ｘ_Ｐ軸まわりの傾きをＲｏｔＸ_Ｐ、Ｙ_Ｐ軸まわりの傾きをＲｏｔＹ_Ｐと表記すると、これらの傾きは、識別番号１乃至３の変位測定器により測定したｄ_１、ｄ_２、ｄ_３から次式のように求められる。

このＲｏｔＸ_Ｐ、ＲｏｔＹ_Ｐによる回転変位成分α、β、γへの寄与α_Ｂ、β_Ｂ、γ_Ｂは、次式により求めることができる。

次に、アンテナ架台部２の底部４と支柱部３の変形について考える。識別番号４と５の変位測定器により測定したｄ_４、ｄ_５から、アンテナ架台部２の底部４の枠体の変形による回転変位成分γへの寄与γ_Ｙ１を次の式により求めることができる。

識別番号６、７、９、１０、１１、１３の変位測定器により測定したｄ_６、ｄ_７、ｄ_９、ｄ_１０、ｄ_１１、ｄ_１３から、左右の支柱部３の高さの差が求められ、回転変位成分βに寄与し、その寄与量β_Ｙは次式により求められる。

また、識別番号６、７、８、１０、１１、１２の変位測定器により測定したｄ_６、ｄ_７、ｄ_８、ｄ_１０、ｄ_１１、ｄ_１２から、左右の支柱部３それぞれのＹ_Ｙ方向への変位を求めることができ、これらの差分に基づいて、回転変位成分γへの寄与γ_Ｙ２を次式により求めることができる。

また、識別番号９及び識別番号１３の変位測定器により測定したｄ_９及びｄ_１３から、仰角軸を支持するハウジング６の座部３７の傾き（回転変位成分αに寄与）が求められる。ここで、左右のハウジング６については、通常は一方に駆動位置決め装置を設け、他方は回転フリーとすることから、駆動位置決め装置側でのハウジング６の傾きのみが、回転変位成分αに寄与する。いま、駆動位置決め装置を識別番号９の変位測定器により測定されるハウジング６側に設けたとして、そのハウジング６の傾きから回転変位成分αへの寄与α_Ｙを次の式により求める。

以上により算出されるα_Ｂ、β_Ｂ、γ_Ｂ、α_Ｙ、β_Ｙ、γ_Ｙ１、γ_Ｙ２に基づく単純和により、回転変位成分α、β、γを次式により求めることができる。

次に回転変位成分α、β、γから、アンテナ指向誤差ΔＡＺ及びΔＥＬを求める。回転変位成分αはΔＥＬに直接付加され、βは主反射鏡５の仰角θ_ＥＬに応じてΔＡＺに付加され、γは符号が逆になりΔＡＺに付加されるので、ΔＡＺ、ΔＥＬは次の式により求めることができる。

以上のとおり、本発明によって、各変位測定器によって測定した変位に基づいて、アンテナ指向方向の誤差を算出することができ、図３及び図４に示した追尾制御系におけるメテロロジー補正部１６により、フレーム構造体において機械的に発生する変位量を除き熱変形及び風力による変形によるアンテナ指向方向の誤差分（メテロロジー補正量）を算出して、より高精度にアンテナ指向方向の位置制御を行うことができる。また、第１フレーム構造体７を弾性部材により支持し、第２フレーム構造体８、第３フレーム構造体９はそれぞれ６自由度拘束し過拘束とならず、これらの構造体に流れる荷重を抑制して各構造体が内部変形するのを防ぐことができ、各変位測定器による変位測定の精度を高めることができる。

実施の形態２

この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置を図１０乃至図１２を用いて説明する。実施の形態２に係るアンテナ装置は、実施の形態１に係るアンテナ装置と比較して、第２フレーム構造体８及び第３フレーム構造体９の支持方法、及び第３測定装置（実施の形態１における第３測定装置４３）による測定方法が異なるものである。一方、図１及び図２に示されるアンテナ装置の断面、図３に示すアンテナ装置の駆動制御系、図４に示すメテロロジー補正部の構成、図５に示す第１フレーム構造体７の構成、及び図６に示す第１測定装置による変位測定部分の構成は、実施の形態２に係るアンテナ装置においても実施の形態１に係るアンテナ装置と同等である。したがって、実施の形態２において特に説明する場合を除き、実施の形態２に係るアンテナ装置の構成、動作及び作用効果は、図１乃至図６を用いて実施の形態１において説明したアンテナ装置の構成、動作及び作用効果と同一又は相当するものとする。

実施の形態２に係る第１フレーム構造体７及び第１測定装置２６の構成は実施の形態１において図５及び図６を用いて説明したものと同一であり説明を省略する。図１０はこの発明の実施の形態２に係るアンテナ架台部内のフレーム構造体の模式図であり、図１１はこの発明の実施の形態２に係る第２フレーム構造体を支持する支持部材の外観図であり、図１２は測定の原理を説明する模式図である。アンテナ架台部２の底部４には第２フレーム構造体８が、アンテナ架台部２の支柱部３には第３フレーム構造体９が収納されている。図１０において、４４はアンテナ架台部２の基準部材である軸受内輪２９に設けられ、第２フレーム構造体８をリンク結合して、Ｚ方向変位を拘束する３つの支持部材である。この支持部材４４は、理想的には軸受内輪２９に設けるのが良いが、軸受内輪２９に剛性の高いフランジを固定してその上に設ける構成でも良く、このときには、軸受内輪２９とフランジが基準部材となると考えれば良い。ここで、支持部材４４には図１２に示すようなバイポッド構造を用いる。バイポッド構造は６自由度のうち、Ｚ方向とθ方向のみを拘束し、Ｒ軸回りの回転を拘束しない支持機構であり、これを用いることにより、第２フレーム構造体８の傾きを、軸受内輪２９と一致させることができる。アンテナを方位軸まわりに回転可能に支持する軸受（軸受外輪２８、軸受内輪２９及びローラーからなる軸受）は、アンテナ架台部２の支持方法にもよるが、アキシャル：Ｚ軸(高さ)方向に変動して軸受内輪２９が傾く。仮に、板ばね１２のような部材により第２フレーム構造体８を支持したとすると、３箇所の支持点でそれぞれＲ軸まわりの回転が拘束されて過拘束となり第２フレーム構造体８を歪めてしまう結果となり、第２フレーム構造体８の傾きが軸受内輪２９と一致しなくなる。そこで、第２フレーム構造体８を軸受内輪２９から支持する３点には、図１１に示すバイポッド構造の支持部材４４を用いる。３箇所に設けた支持部材４４により、第２フレーム構造体はアンテナ架台部２の基準部材に対して６自由度のみ拘束して支持されている。

この第２フレーム構造体８の拘束方法によれば、アンテナ架台部２の底部４の枠体の変形は、理想的には第２フレーム構造体８の変位に影響しないものとすることができるが、軸受内輪３８の傾きによる変位は発生する可能性があり、第２フレーム構造体８のＺ軸まわりの回転変位θｚを測定するものとする。図７において、４５は地面又はアンテナベース部１に固定され、Ｚ軸方向に伸びる方位軸ポールであり、４６は方位軸ポール４５に対するアンテナ架台部２の回転角度を検出する角度検出器（例えばロータリエンコーダやレゾルバなど）である。角度検出器４６はアンテナ架台部２の底部４の中央部において、上記基準部材に固定して設けられており、アンテナ架台部２の底部４の枠体の変形による影響を受けにくい。したがって、第２フレーム構造体８に接触式又は非接触式の変位測定器４７を設け、角度検出器４６の外周部分に設けたフランジ４８の変位を測定して角度換算すれば、第２フレーム構造体８のＺ軸まわりの回転変位θｚを測定することができる。

図１０において、４９は主反射鏡５を支持するハウジング６の座部であり、主反射鏡５の支持基準部材である。また、５０はアンテナ架台部２の支柱部３に設けられ、第３フレーム構造体９をリンク結合して、Ｘ方向変位を拘束する３つの支持部材であり、５１はアンテナ架台部２の支柱部３の枠体に設けられ、第３フレーム構造体９をリンク結合して、Ｙ方向変位を拘束する１つの支持部材であり、５２は座部４９に設けられ、第２フレーム構造体８をリンク結合して、Ｚ方向変位を拘束する２つの支持部材である。２つの支持部材５２はパラレルリンク機構であり、この機構によってＺ方向変位とＸ軸まわりの回転変位が拘束されることにより、第３フレーム構造体９は、常に座部４９と平行の位置関係を保たれる。また、第３フレーム構造体９が支持部材５２によって支持されることにより、実施の形態１において第３フレーム構造体９が支持部材４０と４１によって支持されることに比較して、第３フレーム構造体９のＸ軸まわりの回転（α回転）剛性を高くすることができる。これらの支持部材５０、５１、５２により、第３フレーム構造体９は、アンテナ架台部２の支柱部３およびハウジング６の座部４９に対して、６自由度のみ拘束して支持されている。

この第３フレーム構造体９の支持方法によれば、第３フレーム構造体９は支柱部３のＸ軸方向の変位の影響を受けるが、この変位はアンテナ指向方向にほとんど寄与しないので、この変位成分は測定する必要がない。５３は第３フレーム構造体９の第２フレーム構造体８に対する姿勢を検出する第２測定装置である。第２測定装置５３は、第２フレーム構造体８上に設けられ、第３フレーム構造体９の底部におけるＹ軸方向の両端部のＺ軸方向変位をそれぞれ測定する２つの接触式又は非接触式の変位測定器と、第２フレーム構造体８上に設けられ、第３フレーム構造体９の底部のＹ軸方向変位を測定する１つの接触式又は非接触式の変位測定器とから構成し、これらの構成を左右の支柱部３に設ける。ここで、これらの第２測定装置５３によっては、完全な意味での第３フレーム構造体９の姿勢、即ち、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸まわりの回転変位のすべてを求めることができないが、後述のように第２測定装置５３により、アンテナ指向誤差に影響する第３フレーム構造体の姿勢を測定することが可能である。

また、図１０において、５４は主反射鏡５の支持基準部材であるハウジング６の座部４９の変位を測定する第３測定装置である。第３測定装置５４は、第３フレーム構造体９の上部に設けられ、座部４９のＹ軸方向変位を測定する１つの接触式又は非接触式の変位測定器により構成し、左右の支柱部３内に設ける。なお、第３測定装置５４は、第３フレーム構造体９に対する、座部４９と剛体的に変位するフランジ５５の相対的な変位を測定するものである。

上記の第１測定装置２６、変位測定器４７、第２測定装置５３、及び第３測定装置５４により図３に示す変位計群が構成されており、これらの測定データ群に基づいて、アンテナ指向方向のＸ、Ｙ、Ｚ軸まわりの回転変位を算出する原理を図１２によって説明する。尚、使用する座標系（Ｘ_Ｐ、Ｙ_Ｐ、Ｚ_Ｐ）、座標系（Ｘ_Ｙ、Ｙ_Ｙ、Ｚ_Ｙ）、方位角θ_ＡＺ、及び仰角θ_ＥＬは実施の形態１において図９を用いて説明したとおりであり、説明を省略する。

図１２において、各変位測定器は丸印により記載され、丸印中の識別番号により識別されているもとし、測定した変位ｄは、添え字に識別番号を付してｄ_１、ｄ_２、・・・、ｄ_１３と表現する。第１測定装置２６において、識別番号１と３の変位測定器は、Ｙ_Ｐ方向と平行な線上にあって、Ｘ_Ｐ軸に対象な位置関係にある。また識別番号２の変位測定器は、Ｚ_ＰＸ_Ｐ面内にある。識別番号１，２、３の変位測定器は、方位軸を中心とする半径Ｒの円周上に等間隔に配置しているものとする。変位測定器４７は識別番号４と５の変位測定器により構成し、第２測定装置５３は識別番号６、７、８、１０、１１、１２の変位測定器により構成し、第３測定装置５４は識別番号９及び１３の変位測定器により構成する。また、Ａ乃至Ｃは演算に必要な箇所の寸法を表しており、Ａは第２フレーム構造体８のＸ_Ｐ方向の寸法を、Ｂは識別番号４と５の変位測定器間の寸法、Ｃは識別番号６と７の変位測定器間、識別番号１０と１１の変位測定器間の寸法を表わす。また、係数Ｍは、第３フレーム構造体の単位回転（α回転）に対するＹ方向変位量の係数であり、主として第３フレーム構造体の高さ（Ｚ方向）と第３フレーム構造体の支持部材５２の長さの比によって決まるものである。さらに詳細には、Ｙ方向変位を検出する識別番号８及び１１の変位測定器において、α回転したときに出力される値を補正するための係数である。

識別番号６、７、１０、１１の変位測定器により測定したｄ_６、ｄ_７、ｄ_１０、ｄ_１１から、左右の支柱部３の高さの差が求められ、回転変位成分βに寄与し、その寄与量β_Ｙは次式により求められる。

また、識別番号６、７、８、９、１０、１１、１２、１３の変位測定器により測定したｄ_６、ｄ_７、ｄ_８、ｄ_９、ｄ_１０、ｄ_１１、ｄ_１２、ｄ_１３から、左右の支柱部３それぞれのＹ_Ｙ方向への変位を求めることができ、これらの差分に基づいて、回転変位成分γへの寄与γ_Ｙ２を次式により求めることができる。

また、識別番号９及び識別番号１３の変位測定器により測定したｄ_９及びｄ_１３から、仰角軸を支持するハウジング６の座部４９の傾き（回転変位成分αに寄与）が求められる。ここで、左右のハウジング６については、通常は一方に駆動位置決め装置を設け、他方は回転フリーとすることから、駆動位置決め装置側でのハウジング６の傾きのみが、回転変位成分αに寄与する。いま、駆動位置決め装置を識別番号９の変位測定器により測定されるハウジング６側に設けたとして、そのハウジング６の傾きから回転変位成分αへの寄与α_Ｙを次の式により求める。

ここで、βは１よりも十分小さく、仰角θ_ＥＬはπ／２よりも十分小さいものとする。

以上のとおり、本発明によって、各変位測定器によって測定した変位に基づいて、アンテナ指向方向の誤差を算出することができ、図３及び図４に示した追尾制御系におけるメテロロジー補正部１６により、フレーム構造体において機械的に発生する変位量を除き熱変形及び風力による変形によるアンテナ指向方向の誤差分（メテロロジー補正量）を算出して、より高精度にアンテナ指向方向の位置制御を行うことができる。また、第１フレーム構造体７を弾性部材により支持し、第２フレーム構造体８をバイポッド構造の支持部材により支持し、第３フレーム構造体９は座面よりパラレルリンク機構を用いて支持し、それぞれ６自由度拘束することにより、各フレーム構造体の支持が過拘束とならず、これらのフレーム構造体に流れる荷重を抑制して各構造体が内部変形するのを防ぐことができ、各変位測定器による変位測定の精度を高めることができる。

この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の断面図である。図１におけるＡＡ断面図（主反射鏡部分を除く）である。この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の駆動制御系のブロック図である。メテロロジー補正部の構成を表わすブロック図である。この発明の実施の形態１に係る第１フレーム構造体７の構成を示す構成図である。第１測定装置による変位測定部分を拡大した断面図である。アンテナ架台部内のフレーム構造体の模式図である。第１乃至第３測定装置による測定原理を表わす模式図である。座標系（Ｘ_Ｙ、Ｙ_Ｙ、Ｚ_Ｙ）を座標系（Ｘ_Ｐ、Ｙ_Ｐ、Ｚ_Ｐ）に投影した模式図である。この発明の実施の形態２に係るアンテナ架台部内のフレーム構造体の模式図である。この発明の実施の形態２に係る第２フレーム構造体を支持する支持部材の外観図である。第１乃至第３測定装置による測定原理を表わす模式図である。

符号の説明

１アンテナベース部
２アンテナ架台部
３支柱部
４底部
５主反射鏡
７第１のフレーム構造体
８第２のフレーム構造体
９第３のフレーム構造体
１０サーボ制御回路
１６メテロロジー補正部
１７器差補正部
２６第１の測定装置
２９軸受内輪（アンテナ架台部の基準部材）
３０支持部材
３７座部（主反射鏡の支持基準部材）
４２第２の測定装置
４３第３の測定装置
４４支持部材（バイポッド構造の支持部材）
４９座部（主反射鏡の支持基準部材）
５３第２の測定装置
５４第３の測定装置
５２支持部材（パラレルリンク機構）

Claims

アンテナベース部と、このアンテナベースに支持されて方位軸まわりに回転し、２つの支柱を有して主反射鏡を支持するアンテナ架台部と、上記アンテナベース部及び上記アンテナ架台部に各６自由度拘束して設けられた複数のフレーム構造体からなるフレーム構造体群と、このフレーム構造体群の変位を測定する変位計群と、この変位計群による測定データに基づいてアンテナの指向誤差を算出し、算出した指向誤差から方位角に依存して機械的に発生する上記フレーム構造体群の変位で生じる誤差分を除去してメテロロジー補正量を算出するメテロロジー補正部と、方位角に依存して機械的に発生する上記アンテナの指向方向誤差である器差誤差を出力する器差補正部と、アンテナの駆動指令値を上記メテロロジー補正量及び上記器差誤差により補正してアンテナの駆動制御を行う制御回路とを備えたことを特徴とするアンテナ装置。
上記フレーム構造体群は、上記アンテナベース部に設けられ、弾性部材によって支持された第１のフレーム構造体、上記アンテナ架台部の基準部材上の３点にＺ軸変位を拘束して設けられ、６自由度拘束された第２のフレーム構造体、上記アンテナ架台部の上記支柱に設けられ、６自由度拘束された第３のフレーム構造体とを有し、上記変位計群は、上記第１のフレーム構造体に対する上記アンテナ架台部の基準部材の姿勢を測定する第１の測定装置、上記第２のフレーム構造体に対する上記第３のフレーム構造体の姿勢を測定する第２の測定装置、上記第３のフレーム構造体に対する上記主反射鏡の支持基準部材の変位を測定する第３の測定装置とを有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
上記第１の測定装置は、上記第１のフレーム構造体上の３点に設けられ、上記アンテナ架台部の基準部材の３点のＺ軸方向変位を測定する３つの変位測定器を有することを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
上記第２の測定装置は、上記第２のフレーム構造体上の２点に設けられ、上記第３のフレーム構造体の２点のＺ軸方向変位を測定する２つの変位測定器、上記第２のフレーム構造体の１点に設けられ、上記第３のフレーム構造体の１点のＹ軸方向変位を測定する１つの変位測定器を有することを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
上記第３の測定装置は、上記第３のフレーム構造体上の１点に設けられ、上記主反射鏡の支持基準部材の１点のＺ軸方向変位を測定する１つの変位測定器を有することを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
上記フレーム構造体群は、上記アンテナベース部に設けられ、弾性部材によって支持された第１のフレーム構造体、上記アンテナ架台部の基準部材上の３点においてバイポッド構造の支持部材により支持して設けられた第２のフレーム構造体、上記アンテナ架台部の上記支柱に設けられ、６自由度拘束された第３のフレーム構造体とを有し、上記変位計群は、上記第１のフレーム構造体に対する上記アンテナ架台部の基準部材の姿勢を測定する第１の測定装置、上記第２のフレーム構造体に対する上記第３のフレーム構造体の姿勢を測定する第２の測定装置、上記第３のフレーム構造体に対する上記主反射鏡の支持基準部材の変位を測定する第３の測定装置とを有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
上記第３のフレーム構造体は、上記主反射鏡の支持基準部材からのパラレルリンク機構により支持されていることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ装置。
上記第３の測定装置は、上記第３のフレーム構造体上の１点に設けられ、上記主反射鏡の支持基準部材の１点のＹ軸方向変位を測定する１つの変位測定器を有することを特徴とする請求項６に記載のアンテナ装置。