JP5907535B2 - Satellite tracking antenna system and satellite tracking antenna control method - Google Patents
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Description
本発明は、例えば船舶に搭載され、静止通信衛星の方向に衛星追尾アンテナ（例えばアンテナ反射鏡面）の指向方向を自動制御する衛星追尾アンテナシステムおよび衛星追尾アンテナ制御方法に関する。 The present invention relates to a satellite tracking antenna system and a satellite tracking antenna control method that are mounted on, for example, a ship and automatically control the pointing direction of a satellite tracking antenna (for example, an antenna reflector) in the direction of a stationary communication satellite.
地上移動通信網では電波が届かない外洋を航行する船舶においては、通常、衛星通信システムを用いて通信が確保されている。この通信を確保するためには、波浪等による船舶の動揺に対しても、常にアンテナ反射鏡面を一定の指向方向精度で静止通信衛星に向ける衛星追尾アンテナが船舶に搭載される。 In a ship navigating in the open sea where radio waves do not reach in the ground mobile communication network, communication is usually secured using a satellite communication system. In order to ensure this communication, the ship is equipped with a satellite tracking antenna that always directs the antenna reflector mirror to the stationary communication satellite with a certain directivity accuracy even when the ship is shaken by waves or the like.
この衛星追尾アンテナでは、非特許文献１に記載されるように、２軸〜４軸のジンバル機構とそれに取り付けたエンコーダーによりジンバル角度をフィードバックし、船舶の動揺にかかわらず、アンテナ反射鏡面の主ビーム方向を静止通信衛星に常に向ける制御系を構成している。現状のＫｕ帯の通信衛星を使用した船舶向けの衛星通信サービスは、船上の衛星追尾アンテナに固定局と同様の追尾精度（指向方向0.2 度、ＸＰＤ＞27dB）が求められるため、大型の船舶のみを対象としているのが現実である。 In this satellite tracking antenna, as described in Non-Patent Document 1, the gimbal angle is fed back by a 2-axis to 4-axis gimbal mechanism and an encoder attached thereto, so that the main beam on the antenna reflector mirror surface regardless of the movement of the ship. A control system that always directs the direction to the geostationary communication satellite is constructed. The current satellite communication service for ships using Ku-band communication satellites requires the same tracking accuracy as the fixed station for the satellite tracking antenna on the ship (directivity direction 0.2 degrees, XPD> 27 dB), so only large ships The reality is that
小型船舶向けの衛星追尾アンテナを実現する場合、同じ波浪下において発生する動揺は、大型船より大きな揺れで、かつ、揺れの周期が早くなる。そのため、所望の指向方向精度を達成するには、ジンバル角度のみならずジンバル角速度をフィードバックする予測制御が極めて有効な手法となる。 When a satellite tracking antenna for a small ship is realized, the shaking generated under the same wave is a shaking larger than that of a large ship, and the shaking cycle is faster. Therefore, predictive control that feeds back not only the gimbal angle but also the gimbal angular velocity is an extremely effective method for achieving the desired pointing direction accuracy.
このジンバル角速度を得るには、エンコーダーによるジンバル角度を微分した出力を利用する手法がある。あるいは、レートジャイロを用いて、直接ジンバル角速度を測定する手法がある。しかし、前者の場合はノイズが大きくなり、後者の場合はレートジャイロ単独では角速度出力が時間とともにドリフトし、高周波（小型船舶向けの周期の早い動揺）対応の制御系用センサとしては使えないことがあった。 In order to obtain the gimbal angular velocity, there is a method of using an output obtained by differentiating the gimbal angle by an encoder. Alternatively, there is a method of directly measuring the gimbal angular velocity using a rate gyro. However, in the former case, the noise becomes large, and in the latter case, the rate gyro alone drifts the angular velocity output with time, and may not be used as a control system sensor for high frequency (fast oscillation for small vessels). there were.
本発明は、小型船舶で想定される動揺下でも予測制御に必要なアンテナ指向方向誤差とジンバル角速度を高精度に取得し、小型船舶用の衛星追尾制御に適用することができる衛星追尾アンテナシステムおよび衛星追尾アンテナ制御方法を提供することを目的とする。 The present invention provides a satellite tracking antenna system that can obtain an antenna pointing direction error and a gimbal angular velocity required for predictive control with high accuracy even under fluctuations assumed in a small ship, and can be applied to satellite tracking control for a small ship, and An object of the present invention is to provide a satellite tracking antenna control method.
第１の発明は、船舶上に設置されるジンバルプラットフォームと、該ジンバルプラットフォーム上に搭載される衛星追尾アンテナとを備えた衛星追尾アンテナシステムにおいて、ジンバルプラットフォームおよび衛星追尾アンテナのそれぞれに、慣性計測装置が有するドリフトを補正する機能を備えたハイブリッド航法装置を設置し、各ハイブリッド航法装置から慣性座標系に対する姿勢角および姿勢角速度を取得し、該姿勢角および姿勢角速度からアンテナ指向方向誤差とジンバル角速度とを求め、衛星追尾アンテナにフィードバックしてアンテナ指向方向を予測制御する制御手段を備え、制御手段は、各ハイブリッド航法装置で得られる姿勢角速度を座標変換行列を用いて同一の座標系表示にした上でその差分をとり、得られた相対角速度をジンバル軸の構成に対応した新たな座標変換行列を用いて変換することでジンバル角速度を求める構成である。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a satellite tracking antenna system including a gimbal platform installed on a ship and a satellite tracking antenna mounted on the gimbal platform . An inertial measurement device is provided for each of the gimbal platform and the satellite tracking antenna. A hybrid navigation device having a function of correcting the drift of the vehicle is installed, the attitude angle and the attitude angular velocity with respect to the inertial coordinate system are obtained from each hybrid navigation device, and the antenna pointing direction error and the gimbal angular velocity are obtained from the attitude angle and the attitude angular velocity the calculated, and fed back to the satellite tracking antenna comprising a control means for predicting controls the antenna directivity direction, control means, and a posture angular velocity obtained by the hybrid navigation system to the same coordinate system displayed using the coordinate transformation matrix Taking the difference above, the relative angular velocity obtained Which is the configuration for obtaining the gimbal angular velocity by converting with a new coordinate transformation matrix corresponding to the configuration of the gimbal axis.
第２の発明は、船舶上に設置されるジンバルプラットフォームと、該ジンバルプラットフォーム上に搭載される衛星追尾アンテナとを備え、該衛星追尾アンテナのアンテナ指向方向を制御する衛星追尾アンテナ制御方法において、ジンバルプラットフォームおよび衛星追尾アンテナのそれぞれに、慣性計測装置が有するドリフトを補正する機能を備えたハイブリッド航法装置を設置し、各ハイブリッド航法装置から慣性座標系に対する姿勢角および姿勢角速度を取得し、該姿勢角および姿勢角速度からアンテナ指向方向誤差とジンバル角速度とを求め、衛星追尾アンテナにフィードバックしてアンテナ指向方向を予測制御し、ジンバル角速度は、各ハイブリッド航法装置で得られる姿勢角速度を座標変換行列を用いて同一の座標系表示にした上でその差分をとり、得られた相対角速度をジンバル軸の構成に対応した新たな座標変換行列を用いて変換することで求める。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a satellite tracking antenna control method comprising a gimbal platform installed on a ship and a satellite tracking antenna mounted on the gimbal platform, wherein the antenna tracking direction of the satellite tracking antenna is controlled. A hybrid navigation device having a function of correcting the drift of the inertial measurement device is installed on each of the platform and the satellite tracking antenna, and the attitude angle and the attitude angular velocity with respect to the inertial coordinate system are obtained from each hybrid navigation device, and the attitude angle is obtained. Then, the antenna pointing direction error and the gimbal angular velocity are obtained from the attitude angular velocity and fed back to the satellite tracking antenna to predict and control the antenna pointing direction . The gimbal angular velocity is calculated using the coordinate transformation matrix for the attitude angular velocity obtained by each hybrid navigation device. It was to display the same coordinate system In taking the difference, the resulting relative angular velocity determined by conversion using the new coordinate transformation matrix corresponding to the configuration of the gimbal axis.
本発明は、船舶に設置されるプラットフォームとプラットフォーム上に搭載される衛星追尾アンテナのそれぞれにハイブリッド航法装置を設置し、小さなノイズでかつドリフトを補償しながら、予測制御に必要なアンテナ指向方向誤差とジンバル角速度を高精度に取得することができる。これにより、小型船舶で想定される高速／大振幅の動揺環境下においても、衛星追尾アンテナの制御系に適用することができる。 The present invention installs a hybrid navigation device on each of a platform installed on a ship and a satellite tracking antenna mounted on the platform, and compensates for drift with small noise and antenna pointing direction error necessary for predictive control. The gimbal angular velocity can be acquired with high accuracy. As a result, the present invention can be applied to a satellite tracking antenna control system even in a high-speed / large-amplitude fluctuation environment assumed for small ships.
本発明の衛星追尾アンテナシステムでは、中型および大型の船舶に比して大きな動揺を受ける小型船舶において発生する高振幅、高周波の外乱トルク環境でも、所定のアンテナ指向方向精度を達成するために必要となるジンバル角速度出力を、小さなノイズでかつドリフトを抑制して取得するためにハイブリッド航法装置を利用する。 In the satellite tracking antenna system of the present invention, it is necessary to achieve a predetermined antenna pointing direction accuracy even in a high-amplitude, high-frequency disturbance torque environment generated in a small vessel that is subject to large fluctuations compared to medium and large vessels. The hybrid navigation device is used to obtain the gimbal angular velocity output with low noise and suppressed drift.
このハイブリッド航法装置は、一般的には、航空機の航法に使用されており、慣性計測装置（ＩＭＵ）、ＧＰＳおよび拡張カルマンフィルターから構成される。慣性座標系において、ノイズが小さく、ドリフト補償し、高周波の姿勢角と姿勢角速度の検出が可能という特長を有する。 This hybrid navigation apparatus is generally used for aircraft navigation, and is composed of an inertial measurement unit (IMU), a GPS, and an extended Kalman filter. The inertial coordinate system has features of low noise, drift compensation, and detection of high-frequency attitude angles and attitude angular velocities.
しかしながら、単体のハイブリッド航法装置では、アンテナ指向方向の誤差角度は観測可能であるが、ジンバル角速度を得ることができない。ジンバル角速度を得るためには、船舶全体の角速度ではなく、衛星追尾アンテナと船舶との相対角速度が必要になるためである。したがって、単体のハイブリッド航法装置では、船舶の衛星追尾アンテナの制御には使用できない。 However, with a single hybrid navigation device, the error angle in the antenna pointing direction can be observed, but the gimbal angular velocity cannot be obtained. This is because, in order to obtain the gimbal angular velocity, the relative angular velocity between the satellite tracking antenna and the vessel is required, not the angular velocity of the entire vessel. Therefore, a single hybrid navigation device cannot be used to control a satellite tracking antenna of a ship.
そのため本発明では、図１に示すように、船舶に設置される複数駆動軸を有するジンバルプラットフォームと、ジンバルプラットフォーム上に搭載される衛星追尾アンテナのそれぞれに、ハイブリッド航法装置Ｂ，Ａを装着する。これにより、本発明では、制御に必要な衛星追尾アンテナと船舶との相対角速度を直接、観測することが可能となる。 Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 1, hybrid navigation apparatuses B and A are mounted on a gimbal platform having a plurality of drive shafts installed on a ship and a satellite tracking antenna mounted on the gimbal platform. Thereby, in this invention, it becomes possible to observe directly the relative angular velocity of the satellite tracking antenna required for control, and a ship.
本ハイブリッド航法装置は、ＩＭＵに内蔵されているレートジャイロにより、高い周波数までの船舶の動揺運動を計測にするとともに、ＧＰＳを組み合わせることにより、レートジャイロが有するドリフトを補正する。これにより、算出される姿勢角誤差の増大を抑えて一定値以内に誤差を収めることができる。さらに、本ハイブリッド航法装置は、ＧＰＳ用受信アンテナを除いて、動く対象物の任意の位置に装着可能である。 The hybrid navigation apparatus measures the swaying motion of a ship up to a high frequency by a rate gyro built in the IMU and corrects drift of the rate gyro by combining GPS. Thereby, an increase in the calculated attitude angle error can be suppressed and the error can be kept within a certain value. Furthermore, this hybrid navigation apparatus can be mounted at any position of the moving object except for the GPS receiving antenna.
衛星追尾アンテナに搭載したハイブリッド航法装置Ａを用いて、衛星追尾アンテナに設定したアンテナ座標系（ＯA −ＸA ＹA ＺA ）の慣性座標系（ＯI −ＸI ＹI ＺI ）に対する姿勢角θA および姿勢角速度ωA を取得する。一方、船舶のジンバルプラットフォームに搭載したハイブリッド航法装置Ｂを用いて、船舶に設定した船舶座標系（ＯS −ＸS ＹS ＺS ）の慣性座標系に対する姿勢角θB および姿勢角速度ωB を取得する。姿勢角速度ωA ，ωB については、すでにドリフトを補正した後の出力である。また、姿勢角θA ，θB は、オイラー角であり、３つの角度を成分とするベクトル（３×１）であり、姿勢角速度ωA ，ωB もそれぞれの座標系の軸回りの角速度を成分とするベクトル（３×１）である。このように２つのオイラー角θA ，θB と、２つの角速度ベクトルωA 、ωB が得られる。 Using the hybrid navigation system A mounted on the satellite tracking antenna, the inertial coordinate system (O I -X I Y I Z I ) of the antenna coordinate system (O A -X A Y A Z A ) set for the satellite tracking antenna The attitude angle θ A and the attitude angular velocity ω A are acquired. On the other hand, by using a hybrid navigation device B mounted on a ship of the gimbal platform, ship coordinate system set to the ship the (O S -X S Y S Z S) posture angle theta B and posture angular velocity omega B against the inertial coordinate system get. The attitude angular velocities ω A and ω B are outputs after the drift has already been corrected. The posture angles θ A and θ B are Euler angles, are vectors (3 × 1) having three angles as components, and the posture angular velocities ω A and ω B are the angular velocities around the axes of the respective coordinate systems. It is a vector (3 × 1) as a component. Thus, two Euler angles θ A and θ B and two angular velocity vectors ω A and ω B are obtained.
以下、説明を簡単にするために、図２に示すように船舶はＸ軸回りに動揺し、アンテナ指向方向はエレベーションのみに変動、すなわち同一平面内の回転運動のみと想定する。 Hereinafter, for the sake of simplicity, it is assumed that the ship fluctuates around the X axis as shown in FIG. 2 and the antenna directing direction fluctuates only in elevation, that is, only rotational movement within the same plane.
船舶が動揺しないで静止し、その上に搭載している衛星追尾アンテナの主ビーム方向が所定の衛星方向に向いている状態を基準にすると、船舶動揺時には、船舶のジンバルプラットフォームに搭載したハイブリッド航法装置Ｂで得られる姿勢角θB は、水平静止状態からの船体姿勢誤差角となり、衛星追尾アンテナに搭載したハイブリッド航法装置Ａで得られる姿勢角θA は、アンテナ主ビーム方向の衛星方向からのずれ（アンテナ指向方向誤差）を算出することとなり、これらの差分が制御すべきジンバル角度θG となる。 Hybrid navigation installed on the ship's gimbal platform when the ship is shaken, based on the condition that the ship is stationary without shaking and the main beam direction of the satellite tracking antenna mounted on it is directed to the specified satellite direction. The attitude angle θ B obtained by the device B is the hull attitude error angle from the horizontal stationary state, and the attitude angle θ A obtained by the hybrid navigation device A mounted on the satellite tracking antenna is the satellite main beam direction from the satellite direction. A deviation (antenna directivity direction error) is calculated, and these differences become the gimbal angle θ G to be controlled.
図３は、本発明における制御系の構成例を示す。
図３において、ハイブリッド航法装置Ａ，Ｂで得られる姿勢角速度ωA ，ωB は、座標変換行列を用いて同ーの座標系表示にした上で、その差分をとることにより、相対角速度を得る。この相対角速度をジンバル軸の構成に対応した新たな座標変換行列を用いて、ジンバル軸回りの角速度（ジンバル角速度) ωG が得られる。そして、ハイブリッド航法装置Ａで得られる姿勢角θA とジンバル角速度ωG をフィードバック制御信号として予測制御系を構成することにより、大きい振幅と早い動揺に対応することが可能となる。ここでは、設定角度θADからハイブリッド航法装置Ａで得られる姿勢角θA を減算し、さらにジンバル角速度ωG を加算して衛星追尾アンテナ１０の角度を調整するサーボモータ１１の制御信号とする。ＫおよびＫD は重み係数である。
FIG. 3 shows a configuration example of a control system in the present invention.
In FIG. 3, the attitude angular velocities ω A and ω B obtained by the hybrid navigation devices A and B are displayed in the same coordinate system using the coordinate transformation matrix, and the relative angular velocities are obtained by taking the difference therebetween. . An angular velocity (gimbal angular velocity) ω G around the gimbal axis is obtained by using this relative angular velocity and a new coordinate transformation matrix corresponding to the configuration of the gimbal axis. Then, by configuring the predictive control system using the attitude angle θ A and the gimbal angular velocity ω G obtained by the hybrid navigation apparatus A as feedback control signals, it becomes possible to cope with a large amplitude and fast shaking. Here, the attitude angle θ A obtained by the hybrid navigation apparatus A is subtracted from the set angle θ AD , and the gimbal angular velocity ω G is added to obtain a control signal for the servo motor 11 that adjusts the angle of the satellite tracking antenna 10. K and the K D are weighting factors.
１０ 衛星追尾アンテナ
１１ サーボモータ
Ａ，Ｂ ハイブリッド航法装置
10 Satellite tracking antenna 11 Servo motor A, B Hybrid navigation system
Claims (2)
前記ジンバルプラットフォームおよび前記衛星追尾アンテナのそれぞれに、慣性計測装置が有するドリフトを補正する機能を備えたハイブリッド航法装置を設置し、
前記各ハイブリッド航法装置から慣性座標系に対する姿勢角および姿勢角速度を取得し、該姿勢角および姿勢角速度からアンテナ指向方向誤差とジンバル角速度とを求め、前記衛星追尾アンテナにフィードバックしてアンテナ指向方向を予測制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記各ハイブリッド航法装置で得られる姿勢角速度を座標変換行列を用いて同一の座標系表示にした上でその差分をとり、得られた相対角速度をジンバル軸の構成に対応した新たな座標変換行列を用いて変換することでジンバル角速度を求める構成である
ことを特徴とする衛星追尾アンテナシステム。 In a satellite tracking antenna system comprising a gimbal platform installed on a ship and a satellite tracking antenna mounted on the gimbal platform,
Installed on each of the gimbal platform and the satellite tracking antenna is a hybrid navigation device having a function of correcting the drift of the inertial measurement device ,
Obtain the attitude angle and attitude angular velocity for the inertial coordinate system from each hybrid navigation device, determine the antenna pointing direction error and gimbal angular velocity from the attitude angle and attitude angular velocity, and feed back to the satellite tracking antenna to predict the antenna pointing direction Control means for controlling ,
The control means displays the attitude angular velocity obtained by each hybrid navigation apparatus in the same coordinate system display using a coordinate transformation matrix, takes the difference, and obtains the obtained relative angular velocity as a new corresponding to the configuration of the gimbal axis. A satellite tracking antenna system characterized in that a gimbal angular velocity is obtained by conversion using a simple coordinate conversion matrix .
前記ジンバルプラットフォームおよび前記衛星追尾アンテナのそれぞれに、慣性計測装置が有するドリフトを補正する機能を備えたハイブリッド航法装置を設置し、
前記各ハイブリッド航法装置から慣性座標系に対する姿勢角および姿勢角速度を取得し、該姿勢角および姿勢角速度からアンテナ指向方向誤差とジンバル角速度とを求め、前記衛星追尾アンテナにフィードバックしてアンテナ指向方向を予測制御し、
前記ジンバル角速度は、前記各ハイブリッド航法装置で得られる姿勢角速度を座標変換行列を用いて同一の座標系表示にした上でその差分をとり、得られた相対角速度をジンバル軸の構成に対応した新たな座標変換行列を用いて変換することで求める
ことを特徴とする衛星追尾アンテナ制御方法。 In a satellite tracking antenna control method comprising a gimbal platform installed on a ship, and a satellite tracking antenna mounted on the gimbal platform, and controlling the antenna pointing direction of the satellite tracking antenna,
Installed on each of the gimbal platform and the satellite tracking antenna is a hybrid navigation device having a function of correcting the drift of the inertial measurement device ,
Obtain the attitude angle and attitude angular velocity for the inertial coordinate system from each hybrid navigation device, determine the antenna pointing direction error and gimbal angular velocity from the attitude angle and attitude angular velocity, and feed back to the satellite tracking antenna to predict the antenna pointing direction control and,
The gimbal angular velocities are obtained by displaying the attitude angular velocities obtained by the respective hybrid navigation devices in the same coordinate system using a coordinate transformation matrix, taking the difference, and obtaining the obtained relative angular velocities corresponding to the configuration of the gimbal axis. A satellite tracking antenna control method characterized in that the satellite tracking antenna is obtained by conversion using a coordinate conversion matrix .
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