JP5016464B2 - ２軸ジンバル構造を有するアンテナの指向誤差を低減する制御方法およびその方法を備えた制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＡＺ（アジマス角）−ＥＬ（エレベーション角）軸ジンバルを有するアンテナの指向誤差を低減する制御方法およびそれらを用いた制御装置に関する。

飛行機や船舶等の移動局においては、通信を行う為、船体の動揺が発生しても、アンテナを通信衛星に対して追従動作させることが必要である。このような、通信衛星を追従させる方法として、アンテナの追従機構として、２軸、３軸または４軸のいずれかの機構により制御する方法がある。

例えば、２軸機構方式とは、アンテナを全周囲方向に旋回させるための垂直軸周りの旋回軸(以下、ＡＺ軸と呼ぶ)と、アンテナに俯仰動作を与えるための水平軸周りの回転軸(以下、ＥＬ軸と呼ぶ)とを有し、それぞれ独立回転が可能に設けられたものである。

この２軸機構方式は、簡易な機構で構成することができるが、複雑な動揺に追従できないという問題がある。衛星がＡＺ軸上のある場合に指向性誤差が非常に大きくなる。この指向性誤差は、ジンバルロック（Ｇｉｍｂａｌ Ｌｏｃｋ）現象と呼ばれ、種々の研究がなされている。

例えば、特許文献１には、衛星の高度角が９０°に近いときでも、ジンバルロック現象を回避し、衛星に対して良好に指向することができるアンテナ指向装置について開示されている。

特許文献１のアンテナ指向装置においては、中心軸線Ｘ−Ｘを有するアンテナと、アンテナを仰角軸線周りに回転可能に支持する支持機構と、仰角ジャイロ及び方位ジャイロと、水平面に対する中心軸線Ｘ−Ｘの傾斜角を検出する第１の加速度計と、水平面に対する仰角軸線の傾斜角を検出する第２の加速度計と、方位ジンバルの方位軸線周りの回転角を検出する方位発信器と、方位ジンバルに対するアンテナの仰角軸線周りの回転角を検出する仰角発信器とを備え、衛星の高度角が９０度付近にあるとき、仰角軸線が船体の傾斜軸線方向に整合するように制御している。

また、特許文献２には、船体が動揺し又は静的傾斜した場合でも、常にアンテナを衛星に対して良好に指向させることができるアンテナ指向装置について開示されている。

特許文献２記載のアンテナ指向装置においては、アンテナ指向装置において、傾斜補正値を演算する傾斜補正演算部とアンテナ指向装置の取り付け面の動揺角を演算する動揺角演算部と動揺角演算部より供給された動揺角と衛星方位角とより船首方位角に生ずるジンバリングエラーを演算するジンバリングエラー演算部とを設け、ジンバリングエラー演算部の出力信号を用いて船首方位角よりジンバリングエラーを除去するように構成されている。

また、特許文献３には、仰角軸線周りのアンテナの回転角θが９０°近くになった場合でも、常にアンテナを衛星に対して良好に指向させることができるアンテナ指向装置について開示されている。

特許文献３記載のアンテナ指向装置においては、船体面の動揺角を演算する動揺角演算部と仰角ジャイロ及び方位ジャイロの検出角速度偏差を演算するサーボ偏差補正演算部と方位サーボ偏差リミッタ値を演算する方位サーボ偏差リミッタ値演算部と方位サーボ偏差を制限するサーボ偏差リミッタとを設け、仰角軸線周りのアンテナの回転角が９０°近くになった場合でも、方位サーボモータが暴走しないように構成されている。
特開平０５‐２５９７２号公報 特開平０７−１５４１２７号公報 特開平０７−１５４１２８号公報

このように、従来のアンテナ指向装置において２軸、３軸、４軸の機構のうち、３軸機構および４軸機構は構造が複雑となり、かつ部品コストも高価となること、さらに小型化できないという課題を有する。

よって、特許文献１から特許文献３に記載するように、小型化および軽量を目的として２軸機構について種々の開発がなされている。

しかしながら、特許文献１記載のアンテナ指向装置においては、天頂付近で“常に”ＥＬ軸を船首尾方向に固定していることから、一般的な衛星通信船舶地球局に求められる動揺の規格規格（例えば、ピッチ１０°、ロール３０°でアンテナ指向誤差±５°以内等）を満足することができないこととなる。すなわち、固定することにより、アンテナ指向誤差が±１０度となってしまい、激しい動揺が発生したときには、指向誤差が規格を満たさなくなる。

また、特許文献２記載のアンテナ指向装置においては、仰角ジャイロおよび方位ジャイロがアンテナに取り付けられているため、船体そのものの揺動を正確に認識することが困難という課題がある。

さらに、特許文献３記載のアンテナ指向装置においては、予測した船体動揺から(予測後の)衛星の方位角を算出し、その値とＡＺ軸の回転角との差分で出力を決定しているため、演算に多くの時間がかかり処理に多くのコストが必要となる。

本発明の目的は、簡易な構成および簡易な制御により２軸ジンバル構造を有するアンテナの指向誤差を低減するアンテナ指向制御装置を提供することである。

本発明の他の目的は、指向誤差の増加を抑制し、かつ機器の耐久性を維持することができる２軸ジンバル構造を有するアンテナの指向誤差を低減するアンテナ指向制御装置およびアンテナ指向制御方法を提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

（１）
本発明に係るアンテナ指向制御装置は、移動体に搭載する指向性アンテナを、２軸機構により衛星方位に指向制御させるアンテナ指向制御装置であって、指向性アンテナをエレベーション軸周りに回転可能に支持する支持部材と、指向性アンテナおよび支持部材を支持するとともにアジマス軸周りに回転可能な基台と、エレベーション軸周りに指向性アンテナを回転駆動させるエレベーション軸回転手段と、アジマス軸周りに指向性アンテナ、支持部材および基台を回転駆動させるアジマス軸回転手段と、移動体の移動および揺動を所定の周期ごとに認識し、かつ記録する記録手段と、衛星方位を測定する測定手段と、測定手段からの測定結果に基づいて指向性アンテナとの指向性誤差を検出する誤差検出手段と、測定手段からの測定結果および記録手段からの記録に基づいて、移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内に衛星が通過するか否かを判定する判定手段とを備え、判定手段は、衛星が移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内を通過しないと判定した場合に、誤差検出手段からの指向性誤差に応じてエレベーション軸およびアジマス軸を２軸制御により制御するように指示し、衛星が移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内を通過すると判定した場合に、誤差検出手段からの指向性誤差に応じて、仮想的なクロスエレベーション軸を想定し、エレベーション軸およびアジマス軸を制御する仮想３軸制御に基づいて、アジマス軸回転手段の動作およびエレベーション軸回転手段の動作を指示するものである。

本発明に係るアンテナ指向制御装置においては、移動体に搭載された指向性アンテナが２軸機構によるアンテナ指向制御装置により衛星方位に指向制御される。２軸機構とは、エレベーション軸およびアジマス軸周りに回転可能な機構である。移動体の移動および揺動が所定の周期ごとに認識され、かつ衛星方位が測定され、誤差検出手段により衛星と指向性アンテナとの指向性誤差が検出される。また、判定手段により移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内に衛星が通過するか否かが判定され、衛星が移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内を通過しないと判定された場合、エレベーション軸およびアジマス軸を制御する２軸制御が行われ、衛星が移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内を通過すると判定された場合、仮想的なクロスエレベーション軸を想定しエレベーション軸およびアジマス軸を制御する仮想３軸制御が行われる。

この場合、簡易な２軸構成および簡易な制御によりアンテナの指向誤差を低減することができる。すなわち、ジンバルロック現象が生じる場合であっても、仮想３軸制御を行うことにより、アジマス軸に対する制御指示が、仮想クロスエレベーション軸に対する制御指示に分割されるので、アンテナを衛星に指向させる制御指示が分割され、アジマス軸が無限大の回転速度で１８０度回転を繰り返すことを防止することができる。

（２）
移動体は、船舶であってもよい。

この場合、船舶における波による揺動が加わった場合であっても、容易な構成および簡易な制御により衛星に対してアンテナを指向させることができる。

（３）
移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲とは、アジマス軸延直線上よりも±５度の範囲内を示すことが好ましい。

この場合、移動体のピッチ揺動が１０度の場合でも、アンテナ指向誤差を±５度以下に抑制することが可能となるので、アンテナ指向の規格を確実に遵守することができる。

（４）
第２の発明に係るアンテナ姿勢制御方法は、移動体に搭載する指向性アンテナを、２軸機構により衛星方位に指向制御させるアンテナ姿勢制御方法であって、移動体の移動および揺動を所定の周期ごとに記録する記録工程と、衛星方位を測定する測定工程と、測定結果に基づいて指向性アンテナとの指向性誤差を検出する工程と、測定結果および移動体の記録に基づいて、移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内に衛星が通過するか否かを判定する工程とを備え、衛星が移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内存在しないと判定した場合に、誤差検出手段からの指向性誤差に応じてエレベーション軸およびアジマス軸を２軸制御により制御する工程と、衛星が移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内に存在すると判定した場合に、仮想的なクロスエレベーション軸を想定し、エレベーション軸およびアジマス軸を仮想３軸制御により制御する工程とを含むものである。

第２の発明に係るアンテナ姿勢制御方法においては、移動体の移動および揺動が所定の周期ごとに認識され、誤差検出手段により、衛星と指向性アンテナとの指向性誤差が検出される。また、移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内に衛星が存在するか否かが判定され、衛星が移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内に存在しないと判定された場合、エレベーション軸およびアジマス軸を制御する２軸制御を行い、衛星が移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内に存在すると判定した場合、仮想的なクロスエレベーション軸を想定しエレベーション軸およびアジマス軸を制御する仮想３軸制御を行う。

この場合、簡易な２軸構成および簡易な制御によりアンテナの指向誤差を低減することができる。すなわち、ジンバルロック現象が生じる場合であっても、仮想３軸制御を行うことにより、アジマス軸に対する制御指示が、仮想クロスエレベーション軸に対する制御指示に分割されるので、アンテナを衛星に指向させる制御指示が分割され、アジマス軸が無限大の回転速度で１８０度回転を繰り返すことを防止することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。本実施の形態においては、本発明に係るアンテナ指向制御装置およびアンテナ指向制御方法を衛星に対してアンテナを指向させる場合について説明する。なお、本発明は、対象物を衛星でなく、他の任意の信号発信源、例えば、船体、灯台等についても適用することができる。

（一実施の形態）
図１は、本発明に係る２軸のアンテナ指向制御装置のアンテナ装置の外観を示す模式的斜視図である。

図１に示すように、アンテナ装置１００は、アンテナ２００、支持部材３００、回転台４００、アンテナ指向制御装置５００（図示せず）からなる。

まず、アンテナ装置１００の回転台４００の回転駆動装置４１０の働きにより、アンテナ装置１００のアンテナ２００の中心を鉛直方向に延在するアジマス軸（以下、ＡＺ軸と呼ぶ）に沿ってアンテナ２００の指向方向が移動される。

また、支持部材３００の支持部の回転駆動装置３１０の働きにより、アンテナ２００の鉛直方向に沿って延在するエレベーション軸（以下、ＥＬ軸と呼ぶ）に沿ってアンテナ２００の指向方向が移動される。

また、回転駆動装置が設けられていないが、ＥＬ軸に垂直に交差するとともにアンテナ２００に沿って延在する仮想クロスエレベーション軸（以下、仮想ＥＬ軸と呼ぶ）を仮想的に存在しているものとして後述する制御を行う。

次に、図２は、図１に示すアンテナ指向制御装置５００の内部構成を示すブロック図である。

図２に示すように、アンテナ指向制御装置５００は、中央演算処理装置（以下、ＣＰＵと呼ぶ）５１０、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）５２０、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５３０、モータ駆動装置５４０，５４１、モータ５５０，５５１、信号受信処理装置５６０および船体側ジャイロセンサ５７０を備える。

アンテナ指向制御装置５００のＣＰＵ５１０は、信号受信処理装置５６０からアンテナ２００の受信信号と、船体側ジャイロセンサ５７０からの検出信号とを受信する。

ＣＰＵ５１０は、受信信号および検出信号に基づいて、ＲＯＭ５２０に記憶された制御プログラムの下、モータ駆動装置５４０，５４１に指示を与える。モータ駆動装置５４０は、ＣＰＵ５１０からの指示に基づいてモータ５５０を駆動させてアンテナ２００をＡＺ軸周りに回転させ、モータ駆動装置５４１は、ＣＰＵ５１０からの指示に基づいてモータ５５１を駆動させ、アンテナ２００をＥＬ軸周りに回転させる。

また、ＣＰＵ５１０は、同時に処理したデータをＲＡＭ５３０等の記憶装置に記憶させる。それにより、履歴データを出力または表示装置（図示せず）に表示させることができる。

以上により、アンテナ装置１００のアンテナ２００が適切に衛星８００に指向制御される。

以下、本発明に係るアンテナ装置１００のアンテナ指向制御方法について詳細に説明する。

まず図３から図５を用いてアンテナ指向制御におけるパラメータの定義について説明する。図３は地球座標系と地平座標系との関係を示す模式図である。図３に示す地球座標系は、地球を中心とする座標系であり、地平座標系は移動体の観測点より北方向を０度とする座標系である。

また、図４は、地平座標系と船体座標系との関係を示す模式図である。図４に示す船体座標系は、移動体である船首方位を０度とする座標系である。図５は、アンテナ方向ベクトルと船体座標系との関係を示す模式図である。

まず、図３から図５の関係をそれぞれ説明する上で、以下のパラメータを設定する。地球座標系の位置ベクトルを位置ベクトルＳ＝（Ｘ＿Ｓ，Ｙ＿Ｓ，Ｚ＿Ｓ）とし、衛星位置の緯度を緯度Ｌａｔ＿ｓとし、経度を経度Ｌｏｎ＿ｓとし、地球の中心から衛星までの距離を距離Ｒ＿ｓとする。

観測点位置の緯度を緯度Ｌａｔ＿０とし、観測点位置の経度を経度Ｌｏｎ＿０とする。地球座標系の位置ベクトルを位置ベクトルＯ＝（ｘ＿ｏ，ｙ＿ｏ，ｚ＿ｏ）とし、地球の中心から自船位置までの距離を距離Ｒ＿ｏ（＝Ｒ:地球の半径）とする。

観測点から衛星への方向ベクトルを方向ベクトルＳ‘＝（ｘ_ｓ',ｙ_ｓ',ｚ_ｓ'）とし、観測点から衛星までの距離を距離Ｒ＿ｓとする。この場合、観測点から衛星への方向ベクトルは、観測点から衛星までの距離Ｒ＿ｓを用いてｘ＿ｓ'＝（ｘ_ｓ−ｘ_ｏ）／Ｒ_ｓで表され、ｙ_ｓ'＝（ｙ_ｓ−ｙ_ｏ）／Ｒ_ｓで表され、ｚ_ｓ'＝（ｚ_ｓ−ｚ_ｏ）／Ｒ_ｓ’で表される。

また移動体である船体の姿勢は、それぞれ船体姿勢角のピッチをθｐ、ロールをθｒ、ヨーをθｙとし、移動体である船体の船首方向ベクトルをＤとし、アンテナ方位角をθａｚとし、アンテナ姿勢の仰角をθｅｌとし、アンテナ方向ベクトルをＡとする。

以上のパラメータを用いて地球座標系から地平座標系への変換式は、以下のように表される。

また、地球座標系における衛星方向ベクトル計算式は、以下のように表される。

次に、船体座標系から地平座標系への座標変換式は、以下のように表される。

さらに、地球座標系におけるアンテナ方向ベクトル計算式は以下のように表される。

以上の数式をアンテナ指向制御装置５００のＲＯＭ５２０に予め記憶させておき、ＣＰＵ５１０により衛星８００に対してアンテナ２００を指向させるアンテナ方向ベクトルの算出が行われる。

本実施の形態においては、アンテナ２００を駆動させるためのモータ５５０，５５１としてパルスモータを用いる。したがって、モータ５５０，５５１においては、パルス数をカウントすることによりモータの駆動角を算出することができる。また、パルスモータの励磁力は、アンテナ２００を保持するのに十分な励磁力を有するものを用いる。

また、モータ５５０の駆動については、従来、アンテナ２００が水平状態から垂直状態になる場合、すなわち０度から９０度までの回転移動をさせることとしていたが、本実施の形態においては、０度から１５０度までの回転移動をさせることとしている。なお、この回転移動については、０度から１５０度までに限定されず、他の任意の角度、０度から１２０度までとしてもよい。

モータ５５０，５５１の駆動は、ＣＰＵ５１０によりモータ駆動装置５４０，５４１を介して駆動角に比例したパルス数で行われる。

続いて、本発明に係るアンテナ指向制御装置１００において生じるジンバルロック現象について説明する。

図６はジンバルロック現象を説明するための模式図である。図６（ａ）は、衛星側から船体を見た場合を示す図であり、図６（ｂ）は船体の側部から衛星と船体との関係を示す模式図である。

ここで、図６（ａ），（ｂ）の船体７００は、船首方向に移動していると仮定する。この場合、衛星８００は、船体７００との関係で、衛星８００ａ、衛星８００ｂ、衛星８００ｃ、衛星８００ｄの順に相対的に移動することとなる。

この船体７００のＡＺ軸の延長線上に衛星８００が存在する場合、すなわち、衛星８００が船体７００の天頂方向に存在する場合、２軸機構のアンテナ指向制御装置５００は、ＡＺ軸周りにモータ５５０を無限大の速度で、１８０度回転させる必要がある。すなわち、アンテナ２００を衛星８００に指向させるためにＡＺ軸の延長線上を通過した直後に、無限大の回転速度が要求される。特に船体７００においては、海面の波による揺動が加算されるため、衛星８００が通過したり、戻ったりするため、複数回にわたってＡＺ軸周りにモータ５５０が無限大の速度で、１８０度回転させられることとなる。

なお、ジンバルロック現象は、船体７００のＡＺ軸の延長線上に衛星８００が存在する場合のみならず、船体７００のＡＺ軸の延長線上近傍に衛星８００が存在する場合においても発生する。

図７に示すように、ジンバルロック現象は、船体７００のＡＺ軸の延長線上に衛星８００が通過する場合だけではなく、船体７００のＡＺ軸の延長線上から一定の範囲内を衛星８００が通過する場合においても生じる。

本実施の形態において、この図７に示す範囲Ａは、ジンバルロック現象が生じる可能性の高い範囲、すなわち、船体７００のＡＺ軸に対して±５度の角度θ（図６（ｂ）参照）を有する範囲内とする。

なお、本実施の形態においては、図７に示す範囲Ａを±５度の範囲としたが、これに限定されず、他の任意の角度θ、例えば±１０度に設定してもよい。

また、図７に示すように、船体７００が移動することにより、衛星の動きが、衛星８００ａ〜８００ｄの順に移動する場合、ジンバルロック現象が生じる。

続いて、アンテナ指向制御装置５００におけるＲＯＭ５１０に記憶された制御プログラムについて説明する。

図８は本発明に係るアンテナ指向制御装置５００の制御フローの一例を示すフローチャートである。まずアンテナ指向制御装置５００のＣＰＵ５１０におけるフローの概要について説明し、その後、各詳細工程について説明を行う。

まず、ＣＰＵ５１０は、船体７００に設けられた船体側ジャイロセンサ５７０から船体の姿勢角（θｐ，θｒ，θｙ）を受信する（ステップＳ１）。次に、ＣＰＵ５１０は、信号受信処理装置５６０から衛星８００からの信号を受信する（ステップＳ２）。ここで、衛星８００は常に信号を発信しており、ＣＰＵ５１０は受信信号を常にアンテナ２００を介して信号受信処理装置５６０から信号を受信する。ＣＰＵ５１０は、受け取った信号に基づいて、衛星８００の位置を連続して射影する（ステップＳ３）。

また、この船体７００上の射影を短時間で連続して繰り返し算出しているため、仮に船体７００が波にあおられたりしても、次の瞬間には、衛星８００の予測経路が確実に算出される。なお、さらに短時間で算出するのみならず、短時間と長時間とで算出することにより、センサ感度による外乱などを除去して、確実な制御を行うことも可能である。また、単に、衛星８００と船体７００との関係から衛星８００の予測経路を算出するのみでなく、衛星８００と船体７００との関係にさらに、船体７００の操舵装置の操作または推進装置の駆動状態を予測パラメータに含めて、衛星８００の予測経路を算出してもよい。

次いで、ＣＰＵ５１０は、船体７００のＡＺ軸上（範囲Ａ内）を衛星８００が通過するか否かを判定する（ステップＳ５）。本実施の形態においては、船体７００のＡＺ軸から±５度の範囲Ａ内に衛星８００が通過するか否かの判定を行う。衛星８００が船体７００のＡＺ軸から±５度の範囲Ａ内を通過すると判定した場合、ＣＰＵ５１０は、後述する仮想３軸制御を行う。一方、衛星８００が船体７００のＡＺ軸から±５度の範囲内を通過しないと判定した場合、ＣＰＵ５１０は、２軸制御を行う。本実施の形態における駆動デューティの駆動パターンを以下に示す。

ＣＰＵ５１０は、表１で示した駆動デューティの内いずれか一つを選択し、モータ駆動制御装置５４０，５４１を介してモータ５５０，５５１を駆動させる（ステップＳ８）。それにより、アンテナ２００がＡＺ軸周りおよびＥＬ軸周りに回転し、アンテナ指向ベクトルが０となる。

まず、ＣＰＵ５１０は、予見部において、ＥＬ軸と衛星方向ベクトルとの成す角を算出する（ステップＳ９）。そして、ＣＰＵ５１０は、算出したＥＬ軸と衛星方向ベクトルとの成す角に基づいて駆動デューティを選択する（ステップＳ１０）。駆動デューティの駆動パターンは表１と同様である。

本実施の形態においてシミュレーションのための駆動デューティは、ＡＺ軸に対して−１８００〜＋１８００までの範囲で、３６００ｐｐｓステップで１１パターン設定し、ＥＬ軸に対して−１０００〜＋１０００までの範囲で、２０００ｐｐｓステップで１１パターン設定し、ＥＬ‘軸に対して−１０００〜＋１０００までの範囲で、２０００ｐｐｓステップで１１パターン設定している。

次に、ＣＰＵ５１０は、選択した駆動デューティを用いてモータ５５０，５５１のシミュレーションを行い、各軸の駆動角（θａｚ，θｅｌ）を算出する（ステップＳ１１）。

次いで、ＣＰＵ５１０は、算出された駆動角（θａｚ，θｅｌ）と検出された船体姿勢角（θｐ，θｒ，θｙ）を用いてアンテナ方向ベクトルを求める（ステップＳ１２）。求めたアンテナ方向ベクトルと衛星方向ベクトルとのなす角（アンテナ方向ベクトルと衛星方向ベクトルとの差：以下、指向誤差と呼ぶ。）を算出し、評価部に与える。

ＣＰＵ５１０は、評価部において、予見部から与えられた指向誤差を予め設定したメンバシップ関数に入力する（ステップＳ１３）。

図９は、メンバシップ関数の具体例を示す図である。図９（ａ），（ｂ）に示すように、本実施の形態においては、メンバシップ関数を可変なものとしている。図９（ａ）は、指向誤差が小さな値の場合を示し、図９（ｂ）は、指向誤差が大きな値の場合を示す。

これらのメンバシップ関数は、入力された指向誤差に対して、０〜１の評価値を出力する関数である。すなわち、指向誤差に応じてメンバシップ関数を可変にすることにより、指向誤差が大きい場合に最終的にモータへの出力不足を生じさせることを防止でき、また指向誤差が小さい場合に最終的にモータへの過度の出力を生じさせることを防止することができる。

また、図１０は、評価値の分布図を示す模式図である。図１０においては、ＡＺ軸方向に＋方向に大きく、ＥＬ軸方向に少し−方向に駆動させることで評価が高くなっている。ここで評価が高いとは、指向誤差が０に近く制御できることを示す。

また、図１１は、評価値の分布図の他の例を示す模式図である。図１１においては、図１０と異なり、二箇所で評価が高くなっている。すなわち、ＡＺ軸に対して＋方向に大きめに駆動させ、ＥＬ軸に対して−方向に小さめに駆動させると評価が高くなり、また、ＡＺ軸に対して−方向に大きめに駆動させ、ＥＬ軸に対して−方向に小さめに駆動させると評価が高くなる。

ＥＬ軸に対しての駆動においては、いずれも−方向に小さめに駆動させることにより、評価が高くなるので、ＥＬ軸に対する制御出力の決定には問題が生じない。しかし、ＡＺ軸に対する制御出力の決定に関しては、＋方向と−方向とで全く逆方向に駆動させることとなっているため、ファジイ合成部において相殺が生じて制御出力として駆動されない状態となる。

この場合、ＣＰＵ５１０は、近傍層の抽出を行い、評価を行った場合の評価値が最大となるポイントをＲＡＭ５３０に記憶させる。そして、後述するファジィ合成部ではその評価値が最大となるポイントの近傍のみで合成を行う。その結果、評価が高いポイントが複数発生した場合でも、評価が最大となる方向へ駆動させることができる。

次に、図１２、図１３および図１４は、仮想３軸制御の効果を説明するためのシミュレーションの結果を示す図である。

図１２は、船体７００に対するピッチおよびロールを示し、図１３は、図１２のピッチおよびロールが与えられた場合の２軸制御の結果を示し、図１４は図１２のピッチおよびロールが与えられた場合の仮想３軸制御の結果を示す。

図１２においては、実線がピッチ（°）を示し、破線がロール（°）を示す。したがって、本シミュレーションにおいては、船体７００に±３０ｄｅｇのピッチを与え、±１０ｄｅｇのロールを与える。

図１３および図１４においては、実線がＡＺ軸の回転（ｄｅｇ）を示し、破線が指向誤差（ｄｅｇ）を示す。

図１３においては、ＡＺ回転軸が急激に変化しているのに対し、図１４においては、ＡＺ回転軸が急激に変化していない。すなわち、図１３においては、ＡＺ軸の回転が、±３００の範囲で変化しているのに対し、図１４においては、−１００から−３００の範囲で変化している。したがって、２軸制御よりも仮想３軸制御における制御方式の方が、ＡＺ軸が無限大の速度で回転することがないため、エラーとして表示される指向誤差も低減されていることがわかる。

以上のことから、簡易な２軸構成および簡易な制御によりアンテナ２００の指向誤差を確実に低減することができる。すなわち、ジンバルロック現象が生じる場合であっても、仮想３軸制御を行うことにより、ＡＺ軸に対する制御指示が、仮想クロスエレベーション軸に対する制御指示に分割されるので、アンテナ２００を衛星８００に指向させる制御指示が分割され、ＡＺ軸が無限大の回転速度で１８０度回転を繰り返す、いわゆるジンバルロック現象を防止することができる。

上記実施の形態においては、船体７００が移動体に相当し、アンテナ２００が指向性アンテナおよび測定手段に相当し、衛星８００の方位が衛星方位に相当し、アンテナ装置１００がアンテナ装置に相当し、支持部材３００が支持部材に相当し、回転台４００が基台に相当し、モータ駆動制御装置５４０およびモータ５５０がアジマス軸回転手段に相当し、モータ駆動制御装置５４１およびモータ５５１がエレベーション軸回転手段に相当し、ＲＯＭ５２０またはＲＡＭ５３０が記録手段に相当し、ＣＰＵ５１０が、誤差検出手段および判定手段に相当し、範囲Ａが一定の範囲に相当する。

本発明は、上記の好ましい実施の形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。

本発明に係る２軸のアンテナ指向制御装置のアンテナ装置の外観を示す模式的斜視図 図１に示すアンテナ指向制御装置の内部構成を示すブロック図 地球座標系と地平座標系との関係を示す模式図 地平座標系と船体座標系との関係を示す模式図 アンテナ方向ベクトルと船体座標系との関係を示す模式図 ジンバルロック現象を説明するための模式図 他のジンバルロック現象を説明するための他の模式図 本発明に係るアンテナ指向制御装置の制御フローの一例を示すフローチャート メンバシップ関数の具体例を示す図 評価値の分布図を示す模式図 評価値の分布図の他の例を示す模式図 船体７００に対するピッチおよびロールを示す図 図１２のピッチおよびロールが与えられた場合の２軸制御の結果を示す図 図１２のピッチおよびロールが与えられた場合の仮想３軸制御の結果を示す図

符号の説明

１００ アンテナ装置
２００ アンテナ
３００ 支持部材
４００ 回転台
５１０ ＣＰＵ
５２０ ＲＯＭ
５３０ ＲＡＭ
５４０，５４１ モータ駆動制御装置
５５０，５５１ モータ
７００ 船体
８００ 衛星
Ａ 範囲

Claims (4)

1. 移動体に搭載する指向性アンテナを、２軸機構により衛星方位に指向制御させるアンテナ装置であって、
   前記指向性アンテナをエレベーション軸周りに回転可能に支持する支持部材と、
   前記指向性アンテナおよび前記支持部材を支持するとともにアジマス軸周りに回転可能な基台と、
   前記エレベーション軸周りに前記指向性アンテナを回転駆動させるエレベーション軸回転手段と、
   前記アジマス軸周りに前記指向性アンテナ、前記支持部材および前記基台を回転駆動させるアジマス軸回転手段と、
   前記移動体の移動および揺動を所定の周期ごとに認識し、かつ記録する記録手段と、
   前記衛星方位を測定する測定手段と、
   前記測定手段からの測定結果に基づいて前記指向性アンテナとの指向性誤差を検出する誤差検出手段と、
   前記測定手段からの測定結果および前記記録手段からの記録に基づいて、前記移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内に前記衛星が通過するか否かを判定する判定手段とを備え、
   前記判定手段は、
   前記衛星が前記移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内を通過しないと判定した場合に、前記誤差検出手段からの指向性誤差に応じて前記エレベーション軸および前記アジマス軸を２軸制御により制御するように指示し、
   前記衛星が前記移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内を通過すると判定した場合に、前記誤差検出手段からの指向性誤差に応じて、仮想的なクロスエレベーション軸を想定し、前記エレベーション軸および前記アジマス軸を制御する仮想３軸制御に基づいて、前記アジマス軸回転手段の動作および前記エレベーション軸回転手段の動作を指示することを特徴とするアンテナ指向制御装置。
2. 前記移動体は、船舶であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ指向制御装置。
3. 前記移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲とは、前記アジマス軸延直線上よりも±５度の範囲内を示すことを特徴とする請求項１または２記載のアンテナ指向制御装置。
4. 移動体に搭載する指向性アンテナを、２軸機構により衛星方位に指向制御させるアンテナ姿勢制御方法であって、
   前記移動体の移動および揺動を所定の周期ごとに記録する記録工程と、
   前記衛星方位を測定する測定工程と、
   測定結果に基づいて前記指向性アンテナとの指向性誤差を検出する工程と、
   測定結果および前記移動体の記録に基づいて、前記移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内に前記衛星が通過するか否かを判定する工程とを備え、
   前記衛星が前記移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内を通過しないと判定した場合に、前記誤差検出手段からの指向性誤差に応じて前記エレベーション軸および前記アジマス軸を２軸制御により制御する工程と、
   前記衛星が前記移動体のアジマス軸延直線状の一定の範囲内を通過すると判定した場合に、前記誤差検出手段からの指向性誤差に応じて、仮想的なクロスエレベーション軸を想定し、前記エレベーション軸および前記アジマス軸を仮想３軸制御により制御する工程とを含むことを特徴とするアンテナ姿勢制御方法。

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