JP5713751B2 - 追尾アンテナ装置の調整方法、及び追尾アンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、衛星やロケット等の移動物体からの電波を受けてモノパルス追尾する地上局通信アンテナの追尾アンテナ装置の調整方法、及び追尾アンテナ装置に関するものである。

モノパルス追尾を行うアンテナでは、運用に先立ち追尾受信システムの応答を調整し、自動追尾に備えておく必要がある。この調整方法としては、アンテナに対して十分遠方に設置したコリメーション設備から調整用信号を放射し、この信号をアンテナで受信する方法が一般的である。しかし、設置条件の制約やコストの観点から外部にコリメーション設備を設けることが困難な場合がある。そのような場合、アンテナの反射鏡上あるいは副反射鏡上に調整用信号を放射する調整用アンテナを設置し、その調整用アンテナから放射した調整用信号により調整する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

特公平７−８３２１０号公報

モノパルス追尾装置では、アンテナの受信信号から生成した和信号と差信号を用いて追尾対象との角度誤差を検出する。この時、追尾アンテナ装置内の和信号と差信号の群遅延量に差がある場合、角度誤差に誤りが生じ正常な追尾ができない。そこで、外部コリメーション設備あるいは主反射鏡上に設置した調整用アンテナなど既知の方向から調整用信号をアンテナに入力し、角度誤差の検出値が既定の値となるようにアンテナ追尾回路で群遅延の補正を行う必要がある。しかしながら、調整用信号として単一周波数の連続波（ＣＷ波）を用いた場合、角度誤差検出値としては適切な値であっても、位相の不定性により群遅延が適切に調整できないという問題があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、位相の不定性によらず群遅延を適切に調整できる位相調整方法を採用した追尾アンテナ装置の調整方法、及び追尾アンテナ装置を提供することを目的とする。

この発明に係る追尾アンテナ装置の調整方法は、移動物体からの電波を受信する主反射鏡及び一次放射器を含むアンテナ、該アンテナによる受信信号の和信号と差信号を生成する給電回路、前記和信号と差信号から方位角誤差と仰角誤差を検出するアンテナ追尾回路を備え、前記アンテナ追尾回路で前記和信号と差信号を処理して得られた仰角誤差信号と方位角誤差信号を用いて前記アンテナの指向方向を制御し、前記移動物体のモノパルス追尾を行わせる追尾アンテナ装置において、前記主反射鏡上の仰角軸上または方位角軸上に、ＰＳＫ変調波信号を前記一次放射器に向けて放射する調整用アンテナを備えると共に、前記アンテナ追尾回路は、前記和信号と差信号の群遅延差を調整する可変遅延回路を備え、前記主反射鏡の仰角軸上の調整用アンテナから調整用信号を放射した場合は、調整用信号の周波数帯域内において方位角誤差信号を抑圧するように、また、前記主反射鏡の方位角軸上の調整用アンテナから調整用信号を放射した場合は、調整用信号の周波数帯域内において仰角誤差信号を抑圧するように、前記可変遅延回路で前記和信号と差信号の群遅延差の補正を行うようにしたものである。

また、この発明に係る追尾アンテナ装置は、移動物体からの電波を受信する主反射鏡及び一次放射器を含むアンテナ、該アンテナによる受信信号の和信号と差信号を生成する給電回路、前記和信号と差信号から方位角誤差と仰角誤差を検出するアンテナ追尾回路、該アンテナ追尾回路の出力である仰角誤差信号及び方位角誤差信号を受けてアンテナ制御用の指令値を生成する駆動制御回路、該駆動制御回路の出力によりアンテナを駆動する駆動機構、前記主反射鏡の仰角軸上または方位角軸上に設けられ、前記一次放射器に向けて信号を放射する調整用アンテナ、該調整用アンテナにＰＳＫ変調信号を供給する信号発生器を備え、前記アンテナ追尾回路は、前記和信号及び差信号の位相調整をする可変遅延回路及び角度誤差検出回路で構成されているものである。

この発明によれば、追尾アンテナ装置の校正において、位相の不定性による群遅延の補正誤りを回避することができ、追尾アンテナ装置のモノパルス追尾を正しく行うことを可能とする。

この発明の実施の形態１に係る追尾アンテナ装置のブロック図である。 実施の形態１の角度誤差検出回路の構成図である。 角度誤差ベクトルと位相の不定性の説明図である。 実施の形態１の角度誤差信号の校正についての説明図である。 この発明の実施の形態２に係る追尾アンテナ装置のブロック図である。 正規化誤差感度推定の説明図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るアンテナ追尾装置を示すものである。この発明の実施の形態１に係る追尾アンテナ装置は、主反射鏡４、副反射鏡２及び３、及び一次放射器１からなる複反射鏡アンテナと、主反射鏡４上に設けられた調整用アンテナ１２と、この調整用アンテナ１２に信号を供給する信号発生器１３と、一次放射器１に接続された給電回路５と、低雑音増幅器（ＬＮＡ）６及び７と、受信回路８と、アンテナ追尾回路９と、駆動制御回路１０と、さらにアンテナ駆動機構１１を備えている。なお、前記アンテナは、複反射鏡アンテナの代わりに、主反射鏡と一次放射器を備えた単反射鏡アンテナでもよい。

調整用アンテナ１２は信号発生器１３で生成された調整用信号２０を放射するためのアンテナであり、追尾アンテナの主反射鏡４上の仰角軸上及び方位角軸上の既知の位置に設置されるが、本実施の形態の説明では仰角軸上に設置されたものだけを図示している。調整用信号２０は、信号発生器１３により生成された帯域幅を持つＰＳＫ変調波信号である。調整用信号２０は主反射鏡４、副反射鏡２、３、及び一次放射器１を介して給電回路５に入力される。

給電回路５では、受信した信号の和信号１５と差信号１６が生成される。ＬＮＡ６とＬＮＡ７は和信号１５と差信号１６をそれぞれ適切なレベルに増幅する。和信号１５は受信回路８とアンテナ追尾回路９に入力される。差信号１６はアンテナ追尾回路９に入力される。アンテナ追尾回路９は周波数変換器２１、可変遅延回路２２、２３、角度誤差検出回路２４により構成され、その出力が駆動制御回路１０に供給される。

図２は角度誤差検出回路２４の構成を示すもので、これは、π／２移相器３０と、乗算器３１、３２と、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）３３、３４とから構成されていて、可変遅延回路２２、２３をそれぞれ経て入力される和信号１５と差信号１６とから、方位角誤差信号１８（ΔＡＺ）及び仰角誤差信号１７（ΔＥＬ）を生成する。

和信号１５と差信号１６を乗算器３１で乗算し、ＬＰＦ３３によりＤＣ成分を取り出したものが方位角誤差信号ΔＡＺとなり、和信号１５をπ／２移相器３０でπ/２位相シフ
トしたものと差信号１６を乗算器３２で乗算し、ＬＰＦ３４によりＤＣ成分を取り出したものが仰角誤差信号ΔＥＬとなる。

運用状態においては、移動物体１４から放射された電波１９の到来方向とアンテナ指向方向の誤差がアンテナ追尾回路９により検出される。駆動制御回路１０では、移動物体１４の変位に伴う方位角誤差信号ΔＡＺ及び仰角誤差信号ΔＥＬからＡＺ駆動指令値及びＥＬ駆動指令値を生成し、前記誤差信号を抑圧するようにアンテナを制御し、アンテナ指向方向を移動物体１４の方向に追尾させるようアンテナ駆動機構１１が動作する。

アンテナ追尾回路９により検出される角度誤差信号をベクトル図で表したものが図３であり、アンテナ追尾回路９の角度誤差検出回路２４は給電回路５の出力信号について直交軸成分を取り出す機能として表せる。調整用アンテナ１２を主反射鏡４の仰角軸上に設置した場合、調整用信号２０とアンテナ指向方向の方位角は一致するため、方位角誤差信号が０となるように和信号１５と差信号１６の群遅延差を可変遅延回路２２、２３を用いて補正することでアンテナ追尾回路の校正を行う。

ここで、調整用信号２０がＣＷ波の場合は、誤差信号ベクトルにはある周波数成分しか含まれないため、位相の不定性により群遅延差が一致せずとも方位角誤差信号が０となる場合がある。調整用信号２０としてＰＳＫ変調波信号を用いた場合、図４に示すように、誤差信号ベクトルは複数の周波数成分を持ち、群遅延が不一致である場合は誤差信号ベクトルに周波数の広がりが表れる。

以下、前記事項について数式で示す。
・和信号 Ss(t)=Aexp(j2πf0t) （１）
・差信号 Sd(t)=KA(X+jY)exp(j2πf0(t+τ0+τ)) （２）
・A:受信信号の振幅、f0:信号の周波数、X:方位角ずれ量、Y:仰角ずれ量、K:振幅比、
τ0:群遅延差、τ:群遅延補正量
各信号の定義式(１)、式(２)より角度誤差検出回路の出力は以下となる。
・方位角誤差信号 ΔAZ=Re[Sd(t)/Sa(t)]=Re[K(X+jY)exp(j2πf0(τ0+τ))]
=K(X×cos(2πf0(τ0+τ))-Y×sin(2πf0(τ0+τ))) （３）
・仰角誤差信号 ΔEL=Re[jSd(t)/Sa(t)]=Re[K(jX-Y)exp(j2πf0(τ0+τ))]
= K(-X×sin(2πf0(τ0+τ))-Y×cos(2πf0(τ0+τ))) （４）
調整用アンテナ１２が追尾アンテナの仰角軸上に設置されている場合はX=0であり、ΔAZ=0となるように群遅延補正量τを決定する。
・ΔAZ=-KY×sin(2πf0(τ0+τ))=0 （５）
⇒ τ=-τ0+n/f0 （n:整数） （６）
式（６）より群遅延差が0ではない（n≠0）解が存在し得る。
ＰＳＫ変調波などの帯域幅を持った信号を用いて構成を行う場合を考える。すなわち、ｆ0だけでなくf0+ΔfにおいてもΔAZ=0となるようにτを決定する。
・ΔAZ=-KY×sin(2π(f0+Δf)(τ0+τ)=0 （７）
⇒ τ=-τ0+n/(f0+Δf) （n:整数） （８）
式（５）と式（７）がΔfによらず成り立つことより、n=0以外に解が存在しないため群遅延差を一致させる校正となる。

実施の形態２．
図５は実施の形態２に係る追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。なお、図１に示した移動物体１４は図示を省略している。実施の形態２が実施の形態１と異なる点は、調整用アンテナを追尾アンテナの方位角上及び仰角軸上の既知の位置に二つ以上設置し、信号発生器からの信号を、二つ以上の調整用アンテナに切替えて加える切替えスイッチを設けていることである。その他の構成は実施の形態１と同じである。即ち、図５において、主反射鏡４の仰角軸上には、仰角軸上の見込み角EL1の位置に設置された調整用アンテナ
１２Ａと、この調整用アンテナ１２Ａとは異なる仰角軸上の見込み角EL2の位置に設置された調整用アンテナ１２Ｂが配置されている。これら２つの調整用アンテナ１２Ａと１２Ｂは切替えスイッチ４０を介して、ＰＳＫ変調波信号を生成する信号発生器１３に接続されている。

調整用アンテナ１２Ａと１２Ｂについて、実施の形態１と同様にアンテナ追尾回路の校正を行うと、仰角軸上の見込み角EL1とEL2に設けた調整用アンテナ１２Ａと１２Ｂを切替えた時、調整用アンテナ１２Ａから調整用信号２０を放射したときと、調整用アンテナ１２Ｂから調整用信号２０を放射したときにおける角度誤差検出回路２４の処理結果からΔEL1とΔEL2の仰角誤差信号が得られる。

ここで、正規化誤差感度は、移動物体１４からの電波１９の到来方向とアンテナ指向方向の微小差における誤差信号の大きさであり、図６に示す誤差感度曲線の原点における微分値である。EL1とEL2を、誤差感度曲線が線形である角度範囲にした場合、２点を結ぶ線の傾きは原点付近を通過し、仰角の正規化誤差感度を推定することが可能である。

以上は仰角の正規化誤差感度を得る方法であるが、主反射鏡４の方位角軸上に、方位角軸上の、ある見込み角の位置に設置された調整用アンテナと、この調整用アンテナとは異なる見込み角の位置に設置された調整用アンテナを配置し、同様な処理を方位角方向についても行うことで、方位角の正規化誤差感度も得ることが可能である。これらの正規化誤差感度を用いることで、追尾アンテナ装置の調整が十分か否かを判断することが可能である。

１ 一次放射器、 ２ 副反射鏡、
３ 副反射鏡、 ４ 主反射鏡、
５ 給電回路、 ６ ＬＮＡ、
７ ＬＮＡ、 ８ 受信回路、
９ アンテナ追尾回路、 １０ 駆動制御回路、
１１ アンテナ駆動機構、 １２ 調整用アンテナ、
１２Ａ 調整用アンテナ、 １２Ｂ 調整用アンテナ、
１３ 信号発生器、 １４ 移動物体、
１５ 和信号、 １６ 差信号、
１７ 仰角誤差信号、 １８ 方位角誤差信号、
１９ 移動物体からの電波、 ２０ 調整用信号、
２１ 周波数変換器、 ２２ 可変遅延回路、
２３ 可変遅延回路、 ２４ 角度誤差検出回路、
３０ π／２移相器、 ３１ 乗算器、
３２ 乗算器、 ３３ 低域通過フィルタ、
３４ 低域通過フィルタ、 ４０ 切替えスイッチ。

Claims (8)

1. 移動物体からの電波を受信する主反射鏡及び一次放射器を含むアンテナ、該アンテナによる受信信号の和信号と差信号を生成する給電回路、及び前記和信号と差信号から方位角誤差と仰角誤差を検出するアンテナ追尾回路を備え、前記アンテナ追尾回路で前記和信号と差信号を処理して得られた仰角誤差信号と方位角誤差信号を用いて前記アンテナの指向方向を制御し、前記移動物体のモノパルス追尾を行わせる追尾アンテナ装置において、前記主反射鏡上の仰角軸上及び方位角軸上に、ＰＳＫ変調波信号を前記一次放射器に向けて放射する調整用アンテナを備えると共に、前記アンテナ追尾回路は、前記和信号と差信号の群遅延差を調整する可変遅延回路を備え、前記主反射鏡の仰角軸上の調整用アンテナから調整用信号を放射した場合は、調整用信号の周波数帯域内において方位角誤差信号を抑圧するように、また、前記主反射鏡の方位角軸上の調整用アンテナから調整用信号を放射した場合は、調整用信号の周波数帯域内において仰角誤差信号を抑圧するように、前記可変遅延回路で前記和信号と差信号の群遅延差の補正を行うようにしたことを特徴とする追尾アンテナ装置の調整方法。
2. 前記調整用アンテナは、切替えスイッチを介して信号発生器に接続される複数のアンテナであって、該各アンテナは、仰角軸上及び方位角軸上の異なる見込み角の位置に設置され、前記複数の調整用アンテナを切替えることにより、前記調整用アンテナの主反射鏡上の位置とその調整用アンテナから調整用信号を放射した場合の誤差信号を測定し、前記主反射鏡の仰角軸上及び方位角軸上の調整用アンテナから調整用信号を放射した場合の測定結果により仰角方向及び方位角方向の正規化誤差感度を推定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の追尾アンテナ装置の調整方法。
3. 移動物体からの電波を受信するための前記アンテナは、主反射鏡と副反射鏡と一次放射器とを含む複反射鏡アンテナであることを特徴とする請求項１または２に記載の追尾アンテナ装置の調整方法。
4. 移動物体からの電波を受信するための前記アンテナは、複数のアンテナを含むアレーアンテナであることを特徴とする請求項１または２に記載の追尾アンテナ装置の調整方法。
5. 移動物体からの電波を受信する主反射鏡及び一次放射器を含むアンテナ、該アンテナによる受信信号の和信号と差信号を生成する給電回路、前記和信号と差信号から方位角誤差と仰角誤差を検出するアンテナ追尾回路、該アンテナ追尾回路の出力である仰角誤差信号及び方位角誤差信号を受けてアンテナ制御用の指令値を生成する駆動制御回路、該駆動制御回路の出力によりアンテナを駆動する駆動機構、前記主反射鏡の仰角軸上及び方位角軸上に設けられ、前記一次放射器に向けて信号を放射する調整用アンテナ、及び該調整用アンテナにＰＳＫ変調信号を供給する信号発生器を備え、前記アンテナ追尾回路は、前記和信号及び差信号の位相調整をする可変遅延回路及び角度誤差検出回路で構成されていることを特徴とする追尾アンテナ装置。
6. 前記調整用アンテナは、切替えスイッチを介して前記信号発生器に接続される複数のアンテナであって、該各アンテナは、仰角軸上及び方位角軸上において異なる見込み角の位置に設置されていることを特徴とする請求項５に記載の追尾アンテナ装置。
7. 移動物体からの電波を受信するための前記アンテナは、主反射鏡と副反射鏡と一次放射器とを含む複反射鏡アンテナであることを特徴とする請求項５または６に記載の追尾アンテナ装置。
8. 移動物体からの電波を受信するための前記アンテナは、複数のアンテナを含むアレーアンテナであることを特徴とする請求項５または６に記載の追尾アンテナ装置。

Images