JP4690916B2 - 衛星通信システム、アンテナ指向方向の調整方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、衛星通信システム、または、比較的直径の大きなパラボラアンテナを目標物（衛星）に向けて調整する際のアンテナ指向方向の調整方法及び調整装置に関する。

衛星通信などの地球局や、衛星からの電波を監視する施設などにおいて、比較的直径の大きな(例えば２メートル以上の)パラボラアンテナを使用する場合、設置時にその指向方向の調整を行い、できるだけ指向方向の誤差をなくす必要がある。しかしながら、衛星の軌道位置を測定しようとする場合、その指向方向の精度は、例えば０．０１度程度の値が要求されることがあり、設置時におこなった精度が十分良くなければならない。

従来、指向方向の調整においては、目標物に対する仰角及び方位角を、目盛を見ながら調整するが目盛自体に誤差がある場合、正確な調整ができない。目盛の誤差を求める場合、予め位置が特定できる目標物にアンテナを指向させ、目標物の位置と実際にアンテナが向いている方向との差を求めれば、誤差を算出できるが、目標物の位置が正確に分からない場合は、誤差の算出は難しい。

このため従来では、アンテナの指向方向を調整する場合、予め軌道の分かっている衛星をいくつか選び、その衛星からのビーコンに追尾させ、計算した軌道から、観測地点での指向方向の計算値を求め、それと実際に追尾したときの指向方向とを比較し、誤差を求めて補正している。

しかしながら、この方法では、衛星軌道についての詳細な情報を入手する必要があるが、衛星軌道についての情報は、一般的に入手することが難しい。

特許文献１には、アンテナの指向方向を調整するため、アンテナに入力される受信信号強度を求めてアンテナの方向を調整する方法及び装置が記載されているが、アンテナの絶対的な指向方向を高精度に補正する方法及び装置については、開示されていない。
特許第３５３４３９０号公報

従来、アンテナの指向方向を調整する場合、衛星の正確な位置情報を入手することが難しく、指向方向を高精度に補正することができないという問題点があった。

本発明は、衛星通信システムなどにおいて、パラボラアンテナの指向方向における誤差の補正値を、太陽から放射されているノイズを測定することにより算出するアンテナ指向方向の調整方法及び調整装置を提供することにある。

請求項１記載の本願発明は、指向性の強いアンテナを目標物に対して指向させるアンテナ指向方向の調整方法であって、前記アンテナを太陽の軌道方向に向け、太陽ノイズを受信する受信ステップと、前記太陽ノイズのノイズレベルのピークが観測される計算時刻と、前記受信した太陽ノイズを測定して実際にノイズレベルのピークが測定された時刻とのずれ量をもとに、前記アンテナの方位角と仰角の指向誤差を算出するステップと、前記目標物に対して前記アンテナの指向方向を調整する際に、前記算出された指向誤差を利用して前記アンテナの方位角と仰角を補正するステップとを有し、前記指向誤差を算出するステップは、前記受信ステップで受信した前記太陽ノイズを測定して前記ノイズレベルのピーク時刻を測定するため、ある時刻における太陽位置を算出するステップと、前記アンテナを算出された太陽位置の方向へ指向させるステップと、前記時刻を中心に予め設定した時間幅内で所定の時間間隔毎にノイズレベルを算出してスペクトラムを取得するステップと、前記スペクトラムから平均ノイズレベルを測定するステップと、前記平均ノイズレベルをもとにノイズレベルのピーク時刻を算出するステップと、を含むことを特徴とする。

請求項４記載の本願発明は、指向性の強いアンテナを目標物に対して指向させるアンテナ指向方向の調整装置であって、前記アンテナの方位角及び仰角を調整するためのアンテナ駆動部と、前記アンテナを太陽の軌道方向に向けたときの、太陽ノイズを受信する受信部と、前記太陽ノイズのノイズレベルのピークが観測される計算時刻と、前記受信した太陽ノイズを測定して実際にノイズレベルのピークが測定された時刻とのずれ量をもとに、前記アンテナの方位角と仰角の指向誤差を算出する算出部と、前記アンテナの目標物に対する指向方向を調整する際に、前記算出部で算出された指向誤差を用いて前記アンテナ駆動部を制御し、前記アンテナの方位角と仰角を補正するアンテナ制御部と、を具備し、前記算出部は、前記受信部で受信した前記太陽ノイズを測定して前記ノイズレベルのピーク時刻を測定するため、ある時刻における太陽位置を算出し、前記アンテナを算出された太陽位置の方向へ指向させ、前記時刻を中心に予め設定した時間幅内で所定の時間間隔毎にノイズレベルを算出してスペクトラムを取得し、前記スペクトラムから平均ノイズレベルを測定し、前記平均ノイズレベルをもとにノイズレベルのピーク時刻を算出することを特徴とする。

請求項６記載の本願発明は、指向性の強いアンテナと、このアンテナを衛星に指向させるための方向調整装置とからなる衛星通信システムであって、前記方向調整装置は、前記アンテナの方位角及び仰角を調整するためのアンテナ駆動部と、前記アンテナを太陽の軌道方向に向けたときの、太陽ノイズを受信する受信部と、前記太陽ノイズのノイズレベルのピークが観測される計算時刻と、前記受信した太陽ノイズを測定して実際にノイズレベルのピークが測定された時刻とのずれ量をもとに、前記アンテナの方位角と仰角の指向誤差を算出する算出部と、前記アンテナの目標物に対する指向方向を調整する際に、前記算出部で算出された指向誤差を用いて前記アンテナ駆動部を制御し、前記アンテナの方位角と仰角を補正するアンテナ制御部とから成り、
前記算出部は、前記受信部で受信した前記太陽ノイズを測定して前記ノイズレベルのピーク時刻を測定するため、ある時刻における太陽位置を算出し、前記アンテナを算出された太陽位置の方向へ指向させ、前記時刻を中心に予め設定した時間幅内で所定の時間間隔毎にノイズレベルを算出してスペクトラムを取得し、前記スペクトラムから平均ノイズレベルを測定し、前記平均ノイズレベルをもとにノイズレベルのピーク時刻を算出することを特徴とする。

本発明によれば、アンテナの指向誤差を太陽ノイズの測定を行うことにより求めることができ、口径の大きいパラボラアンテナを設置する場合、高精度で指向方向を調整することができる。

以下、この発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に関わる装置の構成を示すブロック図である。この装置は、反射鏡（パラボラ）付き受信アンテナ１０、受信部２０、測定部３０、測定処理部４０、アンテナ制御部５０、アンテナ駆動部６０、解析処理部７０、結果表示部８０から構成されている。

受信アンテナ１０は、目的とする測定対象に対応した周波数帯が受信でき、衛星からの微弱な電波を受信可能で十分な開口面の大きさの反射鏡（パラボラ）を持っている必要がある。

受信部２０は、受信した信号を測定部３０で測定できるレベルまで増幅し、測定部３０は、受信部２０で増幅された信号の受信レベルを測定する。測定処理部４０は、アンテナ制御部５０に対して、アンテナ指向方向の指示を出したり、測定部３０の測定制御等を行う。

アンテナ制御部５０は、測定処理部４０からの指示に従い、アンテナ１０の制御を行う。アンテナ駆動部６０は、アンテナ制御部５０からの指示に従い、アンテナを駆動させる。

解析処理部７０は、測定処理部４０で処理された測定結果について解析処理を行い、アンテナの指向誤差を算出する。結果表示部８０は、解析処理部７０で算出したアンテナの指向誤差の結果を表示する。指向誤差とは、目標物に対してアンテナ１０が指向している方向と、目標物の実際の位置とのズレを表す。

アンテナの指向誤差がある場合、方位角と仰角について補正する必要がある。ここでは、方位角についての指向誤差をΔＡＺとし、仰角についての指向誤差をΔＥＬとする。

本発明では、以下の原理を利用して指向誤差を求める。即ち、或る時刻の太陽の位置を計算し、その方向へアンテナを指向して太陽の通過を待てば、指向方向に誤差がない場合に限り、計算時刻ぴったりに太陽からのノイズレベルのピークが観測されるはずである。逆にオフセットがある場合、ノイズレベルのピークは、計算した時刻からずれることになる。

本発明では、この観測されるノイズのピーク時刻と計算した時刻とのズレの時間から方位角、仰角についての指向誤差を算出するものである。以下、方位角、仰角についての指向誤差を算出する方法について図２以降の図面を参照して説明する。

図２は、本発明の調整方法の全体の処理を示すフローチャートである。図２において、ステップＳ１１は測定処理部４０での測定処理ステップであり、測定部３０で測定した結果について測定処理を行う。ステップＳ１２は、解析処理部７０での解析処理ステップであり、測定処理部４０で測定処理した結果について解析処理を行う。さらに、ステップＳ１３では、解析処理部７０での解析結果を結果表示部８０に表示する。

図３は、測定処理部４０での前記ステップＳ１１の詳細な処理フローを示す。図３において、ステップＳ２１では、ある時刻ｔｍにおける太陽位置（ＡＺｍ，ＥＬｍ）を算出する。ステップＳ２２では、算出された太陽位置（ＡＺｍ，ＥＬｍ）の方向へアンテナを指向させる。ＡＺは方位角を意味し、ＥＬは仰角を意味する。

ステップＳ２３では、時刻（ｔｍ−Ｔ／２）から時刻（ｔｍ＋Ｔ／２）までの時間（Ｔ）の間に時間間隔ΔＴでＮ＋１回スペクトラムの取得を行う。ｍ番目のスペクトラムを取得した時刻ｔmnは、（１）式のように表される。

図５は、アンテナの指向誤差を測定する際の説明図であり、時刻ｔmを中心に、（ｔｍ−Ｔ／２）の期間から（ｔｍ＋Ｔ／２）までの期間において、ΔＴの間隔で平均ノイズレベルを測定する場合を示している。

ステップＳ２４では、取得したＮ＋１個のスペクトラムについて、平均ノイズレベルＰniose(m,n)を算出する。さらに、ステップＳ２５では、得られたＮ＋１個の平均ノイズレベルＰniose(m,n)についてのグラフからピーク時刻ｔm’を算出する。

１つの測定中においては、測定環境の変化がないことが望まれる。例えば、測定中に太陽に雲がかかるなど受信される太陽ノイズの変化がある場合には、正確にピークの時間が測定できない。この場合を除く仕組みが必要である。

それを実現するためには、グラフのシンメトリ性を利用する。即ち、算出したピークからあるレベルだけ低いレベル（閾値）をもとめ、閾値を超えた範囲の面積について、ある時刻で左右に分けた場合、左右の面積が等しくなる時刻が、ピークとなっていない場合は、グラフがシンメトリにならないと判断し、この測定結果は除外する。

例えば図６に示すように、ピークレベルを順次測定し閾値を越えた範囲ＸdBにあるノイズレベルの左右の面積ＳＡ，ＳＢが等しくなる時刻をtＡとし、計算上で算出したピークレベルの発生時刻をtＢとしたとき、その時刻の差が許容値以内にあれば、その測定結果を採用し、許容値を超える場合は、その測定結果は除外する。

ステップＳ２６では、ステップＳ２１〜ステップＳ２５を予め定めた測定回数Ｍ回繰り返し行い、{ｔm，ｔm’}，（ｍ＝１，…，Ｍ）のデータの組を得る。

図４は、解析処理部７０での処理フローを示す。ステップＳ３１では、測定処理部４０で得られた{ｔm，ｔm’}，（ｍ＝１，…，Ｍ）のデータの組から、アンテナ指向オフセット量（ΔＡＺ,ΔＥＬ）を推定する。

時刻ｔkの時に太陽の位置が（ＡＺｋ，ＥＬｋ）であるとすると、アンテナをこの位置に指向するように指示した場合、（ΔＡＺ,ΔＥＬ）だけの指向誤差があるため、実際には（ＡＺｋ＋ΔＡＺ，ＥＬｋ＋ΔＥＬ）に指向してしまう。

アンテナが（ＡＺｋ＋ΔＡＺ，ＥＬｋ＋ΔＥＬ）に指向しているとき、ノイズレベルがピークになる点は、太陽がアンテナの指向方向に一番接近する点である。つまりアンテナの指向方向から太陽位置の軌跡に垂線を下ろしたときに交わる点である。

図７は、太陽の軌跡を実線で示し、オフセットのあるアンテナの指向方向を点線で示し、ノイズレベルがピークになる点、つまりアンテナの指向方向から太陽位置の軌跡に垂線（Ｌ１，Ｌ２）を下ろしたときに交わる点をＰ１、Ｐ２としている。

この点の時刻は、測定したグラフから分かる。点Ｐ１の時刻をｔk’とする。太陽の軌跡をＥＬ＝ｆ（ＡＺ）と表したとき、アンテナ指向方向から太陽位置の軌跡に下ろした垂線Ｌ１の方程式は、（２）式のようになる。

ここで、ｆ’（ＡＺｋ’）は、ＡＺ＝ＡＺｋにおけるｆ（ＡＺ）の微分した値である。時刻ｔにおけるＡＺ角、ＥＬ角の値をＡＺ（ｔ），ＥＬ（ｔ）で表すと、
ｆ’（ＡＺｋ’）は、ＡＺ＝ＡＺｋ’＝ＡＺ（ｔｋ’）のときの関数の傾きとして、（３）式で算出できる。

ここでアンテナが実際に指向している方向（ＡＺｋ＋ΔＡＺ，ＥＬｋ＋ΔＥＬ）は、上式を満足しているため、（２）式のＥＬの項に（ＥＬｋ＋ΔＥＬ）を代入し、ＡＺの＝項にＡＺ＋ΔＡＺ代入すると、（４）式のようになる。

ここで、未知の変数はΔＡＺ，ΔＥＬの２つの変数で、あとのパラメータは全て既知となる。

また、点Ｐ２の時刻をｔl’とし、時刻ｔl’について同様なことを行うと、（５）式を得ることができる。

これらの連立方程式を解いて、ΔＡＺ，ΔＥＬを算出すれば、求めるべきアンテナ指向誤差を求めることができる。

したがって、測定処理部４０で得られた{ｔm，ｔm’}，（ｍ＝１，…，Ｍ）のデータの組から、アンテナ指向オフセット量（ΔＡＺ，ΔＥＬ）を推定した場合、全部で（６）式に示す推定結果が得られる。

ステップＳ３２では、得られたＪ個の推定値は、推定誤差が増大する場合が考えられるため、推定誤差の小さいものを抽出する。

（ΔＡＺ，ΔＥＬ）は、以下の（７），（８）式で推定する。

太陽は、ＡＺ方向について考えてみれば、０．０１度を約２．４秒で移動しているので、測定間隔ΔＴ＝２秒であることを考慮すると、（９）式の分解能で測定を行っているといえる。

しかしながら、誤差算出直線のなす角θ、つまり垂線Ｌ１とＬ２のなす角が図８に示すように鋭角の場合で、ＡＺｋ’の検出結果が分解能δだけずれていた場合、検出誤差は、１／sinθ倍になるため、誤差が拡大するといえる。

目標精度をε＝０．０１度以下とした場合、（１０）式の関係が成り立つ。

したがって、誤差算出直線のなす角θが（１１）式を満足する場合の（ΔＡＺ、ΔＥＬ）の推定値を用いると良い。

ステップ３３では、ステップ３２で抽出された誤差の少ない推定の平均値を計算し、（ΔＡＺ，ΔＥＬ）の推定値とする。

このように、本発明では、アンテナの指向誤差を太陽のノイズの測定を行うことにより求めることができ、口径の大きいパラボラアンテナを設置する場合、目盛を見ながら方位角と仰角の調整を行い、求めた誤差量を加減算して調整量を補正することにより正確に目標物（衛星）に指向させることができる。したがって、高精度で指向方向を調整することができる。

本発明の実施形態に関わるアンテナ指向方向の調整装置の構成を示すブロック図である。 同実施形態における調整装置の全体の動作を示すフローチャート。 同実施形態における調整装置の測定処理部の動作を示すフローチャート。 同実施形態における調整装置の解析処理部の動作を示すフローチャート。 同実施形態におけるアンテナの指向誤差の測定動作を説明する説明図。 同実施形態におけるノイズピークレベルの算出動作を説明する説明図。 同実施形態におけるアンテナの指向誤差の算出動作を説明する説明図。 同実施形態におけるアンテナの指向誤差算出時の検出誤差について説明する説明図。

符号の説明

１０…受信アンテナ
２０…受信部
３０…測定部
４０…測定処理部
５０…アンテナ制御部
６０…アンテナ駆動部
７０…解析処理部
８０…表示部

Claims (6)

1. 指向性の強いアンテナを目標物に対して指向させるアンテナ指向方向の調整方法であって、
   前記アンテナを太陽の軌道方向に向け、太陽ノイズを受信する受信ステップと、
   前記太陽ノイズのノイズレベルのピークが観測される計算時刻と、前記受信した太陽ノイズを測定して実際にノイズレベルのピークが測定された時刻とのずれ量をもとに、前記アンテナの方位角と仰角の指向誤差を算出するステップと、
   前記目標物に対して前記アンテナの指向方向を調整する際に、前記算出された指向誤差を利用して前記アンテナの方位角と仰角を補正するステップとを有し、
   前記指向誤差を算出するステップは、前記受信ステップで受信した前記太陽ノイズを測定して前記ノイズレベルのピーク時刻を測定するため、ある時刻における太陽位置を算出するステップと、前記アンテナを算出された太陽位置の方向へ指向させるステップと、前記時刻を中心に予め設定した時間幅内で所定の時間間隔毎にノイズレベルを算出してスペクトラムを取得するステップと、前記スペクトラムから平均ノイズレベルを測定するステップと、前記平均ノイズレベルをもとにノイズレベルのピーク時刻を算出するステップと、を含むことを特徴とするアンテナ指向方向の調整方法。
2. 前記指向誤差を算出するステップは、前記ノイズレベルのピーク時刻の測定結果を解析して前記指向誤差を算出する解析ステップと、前記解析ステップで算出された指向誤差を可視表示する表示ステップを有することを特徴とする請求項１記載のアンテナ指向方向の調整方法。
3. 前記解析ステップは、計算により求めたノイズレベルのピーク発生時刻と、受信した太陽ノイズを測定して求めたノイズレベルのピーク発生時刻とのずれ量をもとに、前記指向誤差を推定するステップと、前記推定を複数回行い、予め設定した誤差値よりも小さい値を示す推定誤差を抽出するステップと、抽出された推定誤差の平均値を算出するステップと、を含むことを特徴とする請求項２記載のアンテナ指向方向の調整方法。
4. 指向性の強いアンテナを目標物に対して指向させるアンテナ指向方向の調整装置であって、
   前記アンテナの方位角及び仰角を調整するためのアンテナ駆動部と、
   前記アンテナを太陽の軌道方向に向けたときの、太陽ノイズを受信する受信部と、
   前記太陽ノイズのノイズレベルのピークが観測される計算時刻と、前記受信した太陽ノイズを測定して実際にノイズレベルのピークが測定された時刻とのずれ量をもとに、前記アンテナの方位角と仰角の指向誤差を算出する算出部と、
   前記アンテナの目標物に対する指向方向を調整する際に、前記算出部で算出された指向誤差を用いて前記アンテナ駆動部を制御し、前記アンテナの方位角と仰角を補正するアンテナ制御部と、を具備し、
   前記算出部は、前記受信部で受信した前記太陽ノイズを測定して前記ノイズレベルのピーク時刻を測定するため、ある時刻における太陽位置を算出し、前記アンテナを算出された太陽位置の方向へ指向させ、前記時刻を中心に予め設定した時間幅内で所定の時間間隔毎にノイズレベルを算出してスペクトラムを取得し、前記スペクトラムから平均ノイズレベルを測定し、前記平均ノイズレベルをもとにノイズレベルのピーク時刻を算出することを特徴とするアンテナ指向方向の調整装置。
5. 前記算出部は、前記ノイズレベルのピーク時刻の測定結果を解析して前記指向誤差を算出する解析部と、前記解析部で算出された指向誤差を可視表示する表示部を有することを特徴とする請求項４記載のアンテナ指向方向の調整装置。
6. 指向性の強いアンテナと、このアンテナを衛星に指向させるための方向調整装置とからなる衛星通信システムであって、前記方向調整装置は、
   前記アンテナの方位角及び仰角を調整するためのアンテナ駆動部と、
   前記アンテナを太陽の軌道方向に向けたときの、太陽ノイズを受信する受信部と、
   前記太陽ノイズのノイズレベルのピークが観測される計算時刻と、前記受信した太陽ノイズを測定して実際にノイズレベルのピークが測定された時刻とのずれ量をもとに、前記アンテナの方位角と仰角の指向誤差を算出する算出部と、
   前記アンテナの目標物に対する指向方向を調整する際に、前記算出部で算出された指向誤差を用いて前記アンテナ駆動部を制御し、前記アンテナの方位角と仰角を補正するアンテナ制御部とから成り、
   前記算出部は、前記受信部で受信した前記太陽ノイズを測定して前記ノイズレベルのピーク時刻を測定するため、ある時刻における太陽位置を算出し、前記アンテナを算出された太陽位置の方向へ指向させ、前記時刻を中心に予め設定した時間幅内で所定の時間間隔毎にノイズレベルを算出してスペクトラムを取得し、前記スペクトラムから平均ノイズレベルを測定し、前記平均ノイズレベルをもとにノイズレベルのピーク時刻を算出することを特徴とする衛星通信システム。

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