JP5556154B2 - アンテナビーム指向装置及びアンテナビームの指向方法 - Google Patents
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Description
今後、通信衛星に搭載されるアンテナ反射鏡が大型化(20m級〜30m級)することに伴い、アンテナビーム幅も一層狭くなるので、この傾向はさらに顕著になると予想される。
また、他の補正方法として、衛星自体が、姿勢センサが有する姿勢誤差情報を入力し、該姿勢誤差情報を用いてアンテナビーム指向方向を修正する方法も考えられるが、この方法では、アンテナ自体による指向誤差が認識できなくなるばかりか、衛星に高精度姿勢センサを具備することが必須となり、衛星の複雑化、高額化を招くといった新たな問題点が生じることになる。
また、例えば、特許文献2には、アレイアンテナの指向性制御方法として、アンテナ信号と既知の参照信号との誤差に基づいて重み係数を更新し、誤差情報に基づいて補正することが開示されている。
また、通信衛星側での姿勢制御誤差の存在により、前述のとおり、軌道上の通信衛星から発信される電波については、地表面での電界強度が低下し、サービス領域に対する衛星の受信、送信能力が低下することにより、通信品質低下を招くといった問題点が有った。
また、今後、通信衛星に搭載されるアンテナ反射鏡が大型化(20m級〜30m級)することに伴い、アンテナビーム幅も狭くなるに連れて、この傾向は顕著になると予想される。
また、衛星自体が、姿勢センサが有する姿勢誤差情報を入力し、該姿勢誤差情報を用いてアンテナビーム指向方向を修正する方法では、アンテナ自体による指向誤差が認識できなくなることに加えて、衛星に高精度姿勢センサを具備することが必須となり、衛星の複雑化、高額化を招くといった新たな問題点を生じていた。
(1) フェーズドアレー給電系を有する反射鏡アンテナによる指向誤差補正に関する技術であること、
(2) 参照信号(ビーコン信号)の入力時に、入力ベクトル信号と重み付け係数ベクトルとの内積がゼロとなるようにして参照信号方向にヌルビームを誤差なく指向させ、このとき、ヌルパターンを構成する重みづけ係数(即ち、ヌル信号生成の重みづけ係数)を算出すること、
(3) このため、入力ベクトル信号の時間変化とヌル信号生成の重みづけ係数の時間変化との内積により、受信信号出力の時間変化を生成し、この受信信号出力の時間変化から、参照信号との誤差成分を算出して、最終的には、この誤差成分が零となるように制御すること、
(4) 入力ベクトル信号と重み付け係数ベクトルとの内積がゼロとなった時の重み付け係数ベクトルに基づき、指向方向が修正された、受信ビームまたは送信ビームを再生成すること、
を骨子としているが、前述の特許文献1,2,3に開示されている技術は、いずれも、上記の(2)及び(3)と一致する内容の記載が見られない。
本発明の他の目的は、反射鏡等を用いたフェーズドアレー給電系を有するアンテナを用いて、指向誤差の補正を軌道上で実施できるアンテナビームの指向方法を提供することにある。
より具体的には、本発明のアンテナビーム指向装置は、下記の手段を含む。
(1) 参照信号(ビーコン信号)の方向にアンテナヌルビームを形成する手段。
(2) 受信した参照信号から抽出される指向誤差情報により、誤差方向を検出する手段。
(3) 誤差検出信号に基づき放射素子のアンテナ重み付け係数を再生成する手段。
(4) 再生成されたアンテナ重付け係数に基づき、指向方向が修正された受信ビームを再形成する手段。
なお、上記の一連の手段は、デジタル処理ステップの閉ループで構成される。
以下、本発明のアンテナビーム指向装置及びアンテナビームの指向方法の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
同図において、本実施形態のアンテナビーム指向装置は、反射鏡11と、放射素子12と、入力ベクトル信号13と、重み付け係数ベクトル14と、重み付け係数再生成回路15と、を備える。なお、同図において、符号16は入力信号、符号17はビーム指向ズレ後入力信号、符号18はビームの発生信号Y(受信信号出力)、符号19はビーコン信号出力YFRS (ヌル信号発生信号)を、それぞれ示す。なお、重み付けベクトル14は、放射素子12毎に重み付ける重み付けベクトルである。
以下、本実施形態のアンテナビーム指向装置の理論面について説明する。
ビーム形成は、複数(多数)の放射素子12に生じる電気信号から成る入力信号ベクトル13と、該放射素子12に設定可能な重み付け係数ベクトル14との演算により行う。以下、この演算処理について説明する。
このとき、ビームの発生信号Yは、これらベクトルX,Wの内積で表される。この関係を(1)式に示す。
Y=XH・W ……………(1)
なお、マルチビームのシステムでは、通常はベクトルY(ビームの発生信号)がビ−ム数個だけ存在する。ここで、周知の、参照ビーコン方向へのヌルビームの形成を考える。該ヌルビームは、通常のビームに比較して角度変化に対して大きな利得差を有しており、角度分解能が高く、指向方向の高精度設定に優れている。該ヌルビ−ムは、2次元的に4個のマルチビームの生成を考慮して、それぞれを逆位相合成することにより生成することができる。
Y=XH RFS・WRFS=0 ……………(2)
ビーコン方向にヌルビームが誤差なく指向することは、ビーコン信号の入力に関する電気ベクトル(ここでは入力ベクトル信号13)と、重み付け係数(ここでは重み付け係数ベクトル14)との内積がゼロとなることを意味している。即ち、検出信号(ここではビームの発生信号Y18)がゼロとなるので、このとき、到来方向に対してヌルパターンを構成する重みづけ係数(ヌル信号生成の重み付け係数)が(2)式により算出される。
衛星の姿勢制御誤差や、反射鏡熱変形により指向方向がずれる現象は、(2)式での電気ベクトルXRFSの方向が変化したことに相当する。よって、この場合でも、(2)式の右辺がゼロになるように、重み付け係数(ここでは重み付け係数ベクトル14)を変化(再構成)させることより、指向方向のずれを補償した重み付け係数が再生成可能となる。このヌルビームは、その他の通信用ビームと異なり、通信用途に限定する必要はない。
ビームの発生信号Y18を生成する演算は、前述のとおり、入力信号ベクトル13と重み付け係数ベクトル14との内積演算であり、よって、信号と重み付け係数の積和演算となる。これらはデジタル演算処理として実行されるため、ビーム数や放射素子数が増加しても、演算上の増加のみで、機器の規模は大きくすることなく済ませることができる利点を有する。
設置場所が予め把握されている地上局からの信号を、ヌルビームにより受信したビーコン信号出力YFRS 19は、その信号を最小化するために、重み付け再構成回路15に入力される。重み付け再構成回路15は、この指向軸ズレ情報に基づいて重み付け係数を更新(再構成)する。この重み付け係数の再構成は、複素数量の位相成分の変化に対応する。
同図は、静止衛星20(本発明の実施形態に係るアンテナビーム指向装置を搭載している)、地球21、アンテナの照射領域22、地上のビーコン送信局23を示している。
衛星の姿勢制御系では、ビーム指向精度は約0.1〜0.2°程度となる。これに対して、近年の衛星ビームの指向精度要求は0.05°以下程度であり、反射鏡が大型化すると、この要求はさらに厳しくなり、0.03°以下となるため、高指向精度化することが必須となる。
アレー給電系は照射領域22を覆う設計としており、その領域の一部にある地上局ビーコン送信局23の場所に対して高い利得を有しており、ヌルビームの形成も追加のアンテナを必要とせずに実現可能である。衛星の姿勢制御誤差は、一般に、ヨー軸(Y軸)周りが一番大きくなり、両者の見込み角が大きい程、その効果は大きい。図2に示す実施例では、地上ビーコン局を1局だけとしたが、一般に、地上ビーコン局は2局以上配置しても良い。
同図に示す機器構成例では、給電部が、受信素子(feed)31と、低雑音増幅器(LNA)32と、周波数変換器(DNC) 33と、AD変換器(ADC) 34と、デジタルビーム形成回路(DBF)35と、重み付け再生成回路36と、を備えて構成されている。
入力信号ベクトル13の入力信号ベクトルと、重み付け係数ベクトル14の重み付け係数との積和演算は、デジタルビーム形成回路35で実施される。デジタルビーム形成回路35では、同時に多数のビーム生成(マルチビーム生成)が可能である。
デジタルビーム形成回路35のデジタルビーム形成において、ビーコン局方向へのヌルビーム生成が可能である。
ビーコン局へのヌルビームが正しく指向している場合は、前述のとおり、ヌルビーム出力はゼロとなる。しかしながら、衛星の姿勢、反射鏡の熱変形により、ヌルビームがビーコン局方向から外れるに連れて、2次元誤差信号が発生する。この誤差信号検出のヌルビーム及び通常のビームを検出し、通常ビーム信号で規格化する。これは、単純なビーコン信号の低下か、誤差信号の低下かを識別するためである。
X=KX・θ・sinΦ ……………(3)
Y=KY・θ・cosΦ ……………(4)
ここで、Kは、それぞれの方向での誤差感度を示すパラメータであり、通常ビーム(和信号)に比較して大きな誤差感度を有する。即ち、ビ−コン到来方向を識別する空間角度分解能を高めることができる。
また、図5は、アンテナ指向方向とビーコン到来方向との関係を示す説明図である。
ビーコン波の到来方向が、アンテナ指向方向からズレを生じた場合は、(3)式及び(4)式に従って誤差信号が発生する。指向方向のズレの大きさに比例して検出信号は大きくなり、また、誤差感度が大きいほど検出信号は大きくなり、指向方向は、それぞれの信号の極性により判別できるため認識することができる。(3)式及び(4)式で示される誤差信号は、重み付け再生成回路36により、重み付けの位相成分の変更値に変換されてマルチビームの指向方向を微小に変更する。
これにより、指向方向ズレは補正され、YRFSは最小化される。なお、補正後の重み付け係数は、多数のビーム毎に指向方向を個別に補正するものではなく、マルチビーム一括ビーム方向の指向方向を修正(補正)することになる。
Wpost(t)=W・eiθn
(θ=2・π・d・n・sinψ/λ) ……………(5)
Y(t)が算出されたなら、RFセンサビームを生成する重み付け係数と地上からの参照信号方向の入力ベクトルとの内積で表される検出信号と、参照信号との差異(即ち誤差成分)は(6)式で示される。
e(t)=(R−Y(t))2=(R−WH(t)・X(t))2…(6)
図4に示すデジタル処理ステップ閉ループの動作としては、この誤差成分が最終的に0となるように制御するものとする。
重み付け係数の変動は、(7)式の微分方程式で示される。
∇We(t)2=0
dW(t)/dt=A・∇We(t)2 ……………(7)
実際のデジタル回路上での重みづけ係数は、時間の差分で構成され、サンプル時刻毎に逐次更新されるものである。
例えば、アンテナビーム到来方向の推定をする固有のアンテナや、アンテナビームの指向を修正する機構や、電波の位相面を可変する移相器等の追加は不要であり、よって、実装面において、装置のコストを抑制することができる効果が有る。
なお、本実施形態では、図3において、受信アンテナに重み付け係数を適用する場合を示したが、受信アンテナと同時に、送信アンテナについても、ビーム指向方向の修正・補正を行うことが可能である。
また、本実施形態では、反射鏡使用のフェーズドアレー給電部方式のアンテナに本発明の方法を適用する場合を示したが、本発明の方法は、直接放射型フェーズドアレーアンテナに対しても適用可能である。
12,31 放射素子
13 入力信号ベクトル
14 重み付け係数ベクトル
15 重み付け係数再生成回路
16 入力信号
17 ビーム指向ズレ後入力信号
18 受信信号出力
19 ビーコン信号出力
20 静止衛星
21 地球
22 サービス領域( 例)
23 ビーコン地上局
32 低雑音受信機
33 周波数変換器
34 AD変換器
35 デジタルビーム形成回路
36 重み付け再生成回路
Claims (6)
- フェーズドアレー給電系を有する反射鏡アンテナを備えたアンテナビーム指向装置であって、
参照信号であるビーコン信号の入力時に、入力ベクトル信号と重み付け係数ベクトルとの内積がゼロとなるように、参照信号方向にヌルビームを指向させる手段と、
前記入力ベクトル信号と前記重み付け係数ベクトルとの内積がゼロとなった時の前記重み付け係数ベクトルを、指向方向のずれを補償した重み付け係数とする手段と
を備えるアンテナビーム指向装置。 - 前記参照信号方向に前記ヌルビームを指向させた時に、ヌル信号生成の際の重みづけ係数を生成する手段と、
前記生成された重み付け係数を経過時間と共に再構成する手段と、
前記入力ベクトル信号の時間変化と前記ヌル信号生成の重み付け係数の時間変化との内積により、受信信号出力の時間変化を生成する手段と、
前記受信信号出力の時間変化から、前記参照信号との誤差成分を算出する手段と、
前記誤差成分が零となった時の前記ヌル信号生成の重みづけ係数を、指向方向のずれを補償した重み付け係数とする手段と
を更に備える請求項1に記載のアンテナビーム指向装置。 - 前記ヌルビームにより参照信号を受信し、デジタルサンプリングして2次元の指向方向誤差信号を検出する
請求項2に記載のアンテナビーム指向装置。 - 前記入力ベクトル信号と前記重み付け係数ベクトルとの内積がゼロとなった時の前記重み付け係数ベクトルに基づき、放射素子のアンテナ重み付け係数を再構成する
請求項2又は3に記載のアンテナビーム指向装置。 - 前記指向方向のずれを補償した重み付け係数を得るための演算を含む各手段をデジタル処理で実行する
請求項2又は3に記載のアンテナビーム指向装置。 - フェーズドアレー給電系を有する反射鏡アンテナを使用したアンテナビームの指向方法であって、
参照信号であるビーコン信号の入力時に、入力ベクトル信号と重み付け係数ベクトルとの内積がゼロとなるように、参照信号方向にヌルビームを指向させる段階と、
前記入力ベクトル信号と前記重み付け係数ベクトルとの内積がゼロとなった時の前記重み付け係数ベクトルを、指向方向のずれを補償した重み付け係数とする段階と
を含むアンテナビームの指向方法。
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