JPH0518281B2

JPH0518281B2 -

Info

Publication number: JPH0518281B2
Application number: JP17642484A
Authority: JP
Inventors: Koichi Eguchi
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1984-08-24
Filing date: 1984-08-24
Publication date: 1993-03-11
Also published as: JPS6154702A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、船舶やオイル・リグ等のように動揺
を伴う移動体の上に設置され、その動揺を補償し
て指向性アンテナを常時衛星等の目標に指向せし
める動揺補償型アンテナ指向装置に関する。

（従来技術とその問題点）従来、動揺を補償して安全な台を得る方法とし
ては次に述べるように、ジヤイロを利用したサ
ーボ制御方式と、ジヤイロと振り子分銅とを組
合せた方式とが知られている。

船舶、海事衛星通信用のアンテナ・システムに
要求される一つの特徴として運用時間の長さと常
時動揺条件下におかれるために電気的な信頼性の
向上と同時に機械系の摩耗に対する配慮が十分な
されていなければならないということである。こ
れは、必然的にアンテナ支持装置の軸数を増やし
て各軸当りの可動範囲と運動量を減らしてやるこ
とで対応する傾向にあるため３軸以上の軸構成が
主流となりつつある。４軸構成の場合、安定台を
つくりその上に方位軸、仰角軸を備える形が構成
し易く、かつ実用性が高い。

安定台の作り方に関して姿勢センサすなわち傾
斜計や鉛直ジヤイロ装置などによつて傾斜角を検
出し、サーボ制御モータと組み合わせてサーボ・
ループを組み、さらに角速度センサすなわちレー
トジヤイロやガスレートセンサなどで安定化を計
るサーボ安定化方式が従来からあり、1970年代に
入つてから、ジヤイロと振り子分銅を組み合わせ
たパツシブな安定方式が提案されている。

しかし、これらの２つの代表的な安定台方式に
も、それぞれの長所と短所を持ち合わせている。
姿勢センサとサーボ制御システムの組み合わせ方
式においては姿勢センサや安定化用レート・セン
サの経費は決して小さくない。又ジヤイロと振り
子分銅、組み合わせのパツシブ方式は動揺の振幅
の大きい船舶やマスト上など船のロール中心から
離れた場所に設置されたときなど安定台の安定性
と傾いたときの水平への復元性の兼ね合いがむず
かしい。

水平安定台を２つの軸回りに回転できるように
支持し何らかの方法で水平安定台の安定を計つた
として、水平安定台に対する外乱としてどんなも
のがあるかを代表的な例として水平安定台を船舶
に塔載した場合について述べる。代表的なものと
して安定台の２つの軸ロール軸、ピツチ軸から伝
わる摩擦トルクと水平安定台に重心の偏りがある
場合の直線加速度によつて誘導されるトルクがあ
る。直線加速度としはロールピツチによる直線加
速度や波の衝撃（ウオーター・ハンマー）による
もの及び重力加速度ｇ及び船舶の加速、減速時の
進行方向の加速度、エンジンやスクリユーの回転
に起因する振動などが掲げられる。通常の船舶の
発進、停止、加速、減速による加速度は十分小さ
いのでうまく作られた安定台においてはほとんど
の場合無視出来る。重力加速度は、水平安定台の
２つの軸回りに重力に対して平衡をとつておけば
有害になることはない。

一般的にもつとも有害な外乱トルクは水平安定
台の軸の摩擦とロールピツチによつて誘導される
直線加速度、船体の受ける波の衝撃（ウオータ
ー・ハンマー）、船舶のエンジンやスクリユーの
回転に伴う船体振動による直線加速度である。こ
れらの影響はアンテナ装置がマスト上などに設備
されたとき一般に強調される。このような直線加
速度は安定台の構成の仕方によつては水平台への
有害な外乱トルクとなつて作用する。

例えばジヤイロと振り子分銅によつて安定台を
作る方式の場合、前記安定台の水平面よりの振り
子分銅の重心の位置をｌ、該分銅の質量ｍに対し
て、上記の種々の横方向直線加速度が作用したと
き、安定台に作用する外乱トルクはかなり大きな
ものになることがある。

例えば安定台の１つの軸に作用する外乱トルク
の総和をＮ→とするとジヤイロ効果によつて安定台
はもう１つの軸の回りに角度Ω→でもつてプリセツ
シヨン（才差運動）を起す。

Ｎ→＝Ω→×Ｈ→ ……(1) ここでＨ→：ジヤイロ回転体のスピン軸回りの角
運動量ベクトル水平台がほぼ水平のときは(1)式の３つのベクト
ルは互いにほぼ直交しているのでスカラー量で表
現出来て、Ｎ＝Ω・Ｈ ……(2) となる。よつて Ω＝Ｎ／Ｈ ……(3) 横方向直線加速度をＡとすると振り子分銅
（pendulum weight）に作用するトルクは、Ｎ≒mAl＋Tf ……(4) （但しTfは軸の摩擦トルク）よつて Ω＝Ｎ／Ｈ≒mAl／Ｈ＋Tf／Ｈ ……(5) 水平安定台の傾きが小さいときは、ほぼ(5)式で
プリセツシヨンが起ると考えてよい。

ここで注意すべきことは(5)式の右辺の第１項が
直線加速度Ａ及び振り子分銅のmlに比例するこ
とである。振り子分銅のmlを大きくすると直線
加速度が大きいとき、外乱トルクもひいてはプリ
セツシヨンの角速度もほぼ比例的に大きくなるこ
とを意味し、船体の受ける大きな波の衝撃やマス
トの振動等による大きな加速度によつて不安定に
なる恐れがあり、好ましくない。逆にダンピング
（制振）用の振り子分銅のmlを小さくすると安定
台の制振作用がにぶり、安定台の復元性及び静的
な精度（水平の場合）が落ちる。

このように、ジヤイロと振り子分銅の組み合わ
せ方式は、直線加速度の大きい動揺条件のもとで
は精度を上げることが困難である。

従つて、本件出願人は既に特願昭53−123762
（特開昭55−50704号）において、これらの欠点を
改善する一つの方法を提案した。即ち、振り子分
銅による重力方向へのら旋状の運動に基づく起立
（復元）を計るのではなく、レベルセンサ（とサ
ーボ系）による起立制御系を構成して、より直線
的に復元を計る方法を提案した。該方式は種々の
利点をもち、かなりの経済性も備えているが、レ
ベル・センサが比較的高価であるという点にまだ
改善の余地が残されている。さらに従来の多くの
提案が船の旋回やヨーイングを補償する為にジヤ
イロ・コンパスやマグネツト・コンパスの電気的
出力を必要としたが、今後小形船舶への衛星追尾
アンテナ装置の普及が進むことを考えれば、コン
パスの電気的出力を期待できないことも充分に考
えられ、何らかの改善が必要とされる。

（本発明が解決しようとする問題点）本発明は、ジヤイロと振り子分銅の組合わせ方
式がもつ前述欠点を改善して、船体運動に起因す
る（水平）直線加速度の影響を殆んど受けること
がなくて、かつ安価な角度検出器（ポテンシヨメ
ータ）とサーボ系による起立制御系をもつ、衝星
通信用アンテナとして好適な、フライホイール動
揺補償型アンテナ指向装置を提供することを目的
とする。

また、本発明の別の目的は、コンパス（ジヤイ
ロ・コンパスまたはマグネツト・コンパス）等の
出力に頼らないで船舶の旋回やヨーイングを補償
して目標を追尾する、構成の比較的簡単なフライ
ホイール動揺補償型アンテナ指向装置を提供する
にある。

（実施例）以下図面に示す本発明実施例につき詳細に述べ
る。第１図においてレードーム１内にフライホイ
ール動揺補償型アンテナ指向装置が収容され、そ
の水平安定台２は第１軸（Ｙ軸）３と第２軸（Ｘ
軸）４とを有するジンバル機構５に支持されてお
り、水平安定台２には、フライホイール６を一端
に備えた方位軸７がほぼ垂直に取付けられてい
て、方位軸７の他端にはアンテナ８が固定されて
いる。尚、ジンバル機構５は支柱９によつて支持
されている。ここで、水平安定台２を支持する第
１軸（Ｙ軸）３の回りの摩擦トルクは、水平安定
台２の第２の軸（Ｘ軸）４の回りにプリセツシヨ
ンを起こし、逆に第２の軸４の回りの摩擦トルク
は水平安定台２の第１の軸３の回りのプリセツシ
ヨンを引起すように作用する。プリセツシヨンの
角速度は前述の如く、 Ωｆ＝Tf／Ｈ ……(1) Tf：摩擦トルクＨ：フライホイールの角運動量 Ωｆ：摩擦トルクによるプリセツシヨンの角速
度で表わされ、Ｈが充分大きければ、プリセツシヨ
ンの角速度Ωｆは小さくなる。

一般に水平安定台２に対する摩擦トルクは方向
がほぼ周期的に変化する。これは船舶のロールや
ピツチの方向がほぼ周期的に変化することによ
る。この為、うまく構成された水平安定台２は単
調に片方に傾いてゆくことはない。しかし、何ら
かの補償を施さないと軸の摩擦トルクの左右のア
ンバランス、水平安定台上の構造物の微妙なバラ
ンスのくずれや地球の自転等に起因するドリフト
が発生する。このように、フライホイールの効果
は外乱トルクの比較的周波数の高い成分に対して
は有効であるが、それだけでは不充分であること
がわかる。即ち、低周波のドリフトを補償する手
段が要求される。本発明においては第１図に示す
ように、水平安定台２を支える第１の軸３と水平
安定台２を支えるジンバル機構５との間にポテン
シヨメータの如き第１の角度検出器１０及びトル
クモータの如き第１の制御手段１１を設け、さら
に前記ジンバル機構５を支え、前記第１の軸３と
（水平面において）直交する第２の軸４と支柱９
との間に第２の角度検出器１２及び第２の制御手
段１３を設ける。第２図に示すように、第１の角
度検出器１０の出力θ′yを増幅したあと、第２の
制御手段１３を駆動し、第２の角度検出器１２の
出力θ′xを増幅したあと、第１の制御手段１１を
駆動する。ちなみに、支持台（支柱）９が水平の
ときは、第１の角度検出器１０の出力θ′yは第１
の軸３の回りの水平安定台２の水平からの傾き
θyと一致し、θyが零になるように第２の制御手
段１３を駆動し、同様に第２の角度検出器１２の
出力θ′xは第２の軸４の回りの水平安定台２の傾
きθxと一致し、θxが零となるように第１の制御
手段１１を駆動する。従つて水平安定台２がほぼ
水平に維持される。一般に、支持台（支柱）９が
動揺しているときは、ロール角ｒ、ピツチ角Ｐ、
水平安定台の第１の軸３の回りの水平からの傾き
θy、同じく第２の軸４の回りの傾きθxとすると、
第１及び第２の角度検出器１０，１２の出力θ′y，
θ′xは、 θ′y＝θy−Ｐ，θ′x＝θx−ｒ ……(2) で表わされる。又、第１の軸３、第２の軸４に加
える制御トルクT₁，T₂はθ′x，θ′yの関数で表わ
される。

T₁＝f₁（θ′x），T₂＝f₂（θ′y） ……(3) 制御トルクT₁，₂による各々の軸のプリセツシ
ヨンの角速度Ω₁，Ω₂は摩擦を無視すると、 Ω₁≒T₁／Ｈ，Ω₂≒T₂／Ｈ ……(4) で表わされる。

関数f₁（θ′x），f₂（θ′y）の最も基本体なものと
し
て、 T⁽⁰⁾ ₁＝−K₁θ′x＝−K₁（θx−ｒ） T⁽⁰⁾ ₂＝−K₂θ′y＝K₂（θy−Ｐ） …(5) が掲げられる。上式や(2)式において、Ｐやｒの項
は外乱項として働く。しかし、船体のロールｒと
ピツチＰの値は交番的に符号を変え、平均値とし
ては零に近い値を示す為、ロールやピツチの数周
期以上を考えると（角運動量ＨとK₁，K₂の値を
適正に設定すれば）ピツチＰやロールｒの外乱項
の影響を充分抑えることが出来ると共に、(2)式や
(5)式に含まれる安定台の傾きを示す信号θ′x，θ′y
の作用で安定台は復元し、かつほぼ水平に維持す
ることができる。

簡単化されたモデルによつて、制御トルクT₁，
T₂の作用を以下に説明する。まず、ピツチがな
くて（ｐ＝ｏ）、正弦波状のローリングｒのみが
発生しているものとする。即ちｐ(t)＝０ｒ(t)＝Rsin ωrt ……(6) とする。水平安定台２の傾きθxの初期値をθx
（０）とする。さらに、第１軸３及び第２軸４の
回りの構造物の重量的バランスがほぼ完全であ
り、各軸の摩擦トルクは制御トルクに比べて無視
できるものとすると、初期値θx（０）からｔ秒後
の水平安定台の傾きθx(t)は次式で近似できる。

θx(t)＝∫^t ₀Ω₁dt＋θx₁（０）∫^t ₀T₁／Ｈdt＋θx
（０） ……(7) T₁を(7)式に代入すると、 θx(t)＝−K₁／Ｈ∫^t ₀｛θx(t)−ｒ(t)｝dt＋θx（０
）＝−K₁／Ｈ∫^t ₀｛θx(t)−Rsin ωrt｝dt＋θx（０）
上式を微分してラプラス変換すると、 Sθx(S)−θx（０）−K₁／Ｈ｛θx(S)−Rωr／S²＋
ωr²｝（ｔ＞０）……(8) となる。

上式を解いて従つて、K₁R／ωrHを充分小さく設定し、ｔ≫Ｈ／K₁ が成り立つ範囲では、 θx(t)０となり、水平安定台の機能が発揮されることが示
された。以上の如く、T₁，T₂として(7)式に基づ
く最も基本的な場合について簡単化されたモデル
について、その動作を述べた。

一般の動揺状態、即ちローリング、ピツチング
が同時に発生している状態でも、安定台の機能が
発揮されることがコンピユータ、シミユレーシヨ
ン等によつても示されている。また、第３図ａに
示すように縦軸に示す制御トルクT₁（T₂）を横軸
に示すθ′x（θ′y）の非線形関数（飽和特性等）と
することによつて、安定台の安定性能をさらに改
善することもできる。第３図ｂ及びｃは、水平安
定台２の傾きに対する制御出力の特性及び入力に
対する制御出力の特性を示す。目標（衛星等）を
追尾するには動揺補償の他に船の旋回ヨーイング
に対する補償と船の航行等に伴う目標の方位の変
動に対する補償が必要とされる。従来、船舶（海
事）衛星通信装置で実用されている通常の方法
は、船舶の装備するコンパスの電気的出力をコン
パス・レピータを介して装置に取り込んで船の旋
回、ヨーイングを補償していた。しかし今後、、
海事衛星通信装置等の小形船への普及を考えた場
合、ジヤイロ・コンパスや電気的出力を取り出せ
る型のマグネツト・コンパスを装備している小形
船（特に100屯以下の船）は極めて少ない為に、
コンパスの電気的出力で補償する方法にだけ頼る
ことは必ずしも得策とは言えない。従つてここで
は船の旋回やヨーイングを補償するために方位軸
７に支持される上部構造物（ターン・テーブル
等）に角速度検出器（レート・センサ）１４を設
置して、該角速度検出器１４の電気的出力θ_Aを通
常ほぼ零に維持するように、方位軸モータ１５お
よび方位軸ポテンシヨメータ１６を含む方位軸サ
ーボ・ループを構成し、該ループのドリフトを補
正しつつ、目標を追尾するために該方位軸サーボ
系に追尾用受信レベル信号を利用したステツプ・
トラツクによる補正を導入する。これは一定時間
ごとにアンテナの方位軸７を微小角だけ駆動し、
すなわち微少角度だけ補正し、その度に受信レベ
ル信号の大きさをチエツクし、前回（補正前の）
の受信レベル信号と（微小角だけ）補正後の受信
レベル信号を比較し、補正後の受信レベル信号が
前回（即ち補正前）のそれに較べて増大している
場合は次の補正の方向を前回と同じく、減少して
いる場合は次の（補正の）方向を前回と逆にする
ことによつて漸次最大受信レベル方向を追尾す
る。

上記の補正の処理手続を第４図に流れ図として
示している。

すなわち、第４図のステツプ410では方位軸７
の移動方向が時計方向（CW）であるか、反対に
反時計方向（CCW）であるかを判断し、ステツ
プ411，412で微少角△θだけ補正した後ステツプ
413で測定した補正後の受信レベル信号が前回の
ものとステツプ414で比較され、前回に比べて増
大した場合はまだ補正量が不充分ということでス
テツプ410に戻り、この補正量△θを何回も繰返
すことになる。ステツプ414で前回に比べて減少
した場合には、その時のCWフラグがONであれ
ばそのCWフラグをステツプ416でOFFにして反
時計方向の補正動作（ステツプ410→412→413→
414→410を開始するが、ステツプ414が減少した
と判断すると、すなわち反時計方向の補正が充分
と判断すると、ステツプ415→417と移り、時計方
向のフラグ（CWフラグ）がONされる。すなわ
ち、前述の時計方向の補正動作（ステツプ410→
411→413→414→410）が開始される。一方、受信
レベル信号の生成法はいくつか考えられるが代表
的なものとしては増幅率を制御できる端子付の増
幅器（通常AGC付増幅器と呼ばれる。）を利用し
て第５図に示すような自動利得制御（AGC）増
幅回路系を構成し、AGC制御電圧を取り出して
スレツシヨルド回路を通して受信レベル信号を得
る方法である。

（効果）以上述べたとおり、本発明によれば、ジヤイロ
と振り子分銅の組合せ方式が有する欠点が解消さ
れ、船体運動に起因する直線加速度の影響を殆ん
ど受けることなく、船舶の旋回やヨーイングを補
償して目標を追尾することができる、構成の比較
的簡単なフライホイール動揺補償型アンテナ指向
装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例装置のうち機械的構
成部分を示す斜視図、第２図は、本発明の実施例
を示すブロツク回路図、第３図ａ，ｂ，ｃは、本
発明実施例における制御トルク出力の特性を示す
グラフ、第４図は、最大受信レベル方向を追尾す
るための補正処理手順を示すフローチヤート、お
よび第５図は、本発明の実施例における受信レベ
ル信号を発生する回路を示すブロツク図である。１……レードーム、２……水平安定台、３……
第１軸、４……第２軸、５……ジンバル機構、６
……フライホイール、７……方位軸、８……アン
テナ、９……支柱、１０…第１軸ポテンシヨメー
タ、１１……第１軸モータ、１２……第２軸ポテ
ンシヨメータ、１３……第２軸モータ、１４……
方位軸角速度検出器、１５……方位軸モータ、１
６……方位軸ポテンシヨメータ、１７……仰角
軸、１８……仰角軸モータ、１９……フライホイ
ールモータ、２０……仰角軸ポテンシヨメータ。

Claims

【特許請求の範囲】１指向性アンテナと、複数個の制御軸を有する
アンテナ支持装置と、これらを収容するレドーム
およびアンテナ制御装置とを備えた動揺補償型ア
ンテナ指向装置において、前記アンテナ支持装置
が水平安定台を備え、該水平安定台に直接的又は
間接的に載置され、該水平安定台の水平面に対し
て常に直交する方向のスピン・ベクトルを有する
電動式フライホイール手段と、前記水平安定台を
その第１軸のまわりに所定の範囲で回転可能に支
持するジンバル機構と、前記水平安定台と前記ジ
ンバル機構との相対的な傾き（角変位）を検出し
て電気信号に変換する第１角度検出手段と、前記
水平安定台を制御するために前記ジンバル機構又
は水平安定台に取付けられる第１制御手段と、前
記ジンバル機構を、前記水平安定台の第１軸と互
いに直交する第２軸のまわりにも所定の範囲で回
転し得るように、支持する支柱と、該支柱と前記
ジンバル機構との相対的な傾き（角変位）を検出
して電気信号に変換する第２角度検出器と、前記
支柱又は前記ジンバル機構に取付けられて、前記
ジンバル機構を制御する第２制御手段と、前記水
平安定台に載置され、前記水平安定台の第１及び
第２軸と直交し、水平面で回転可能な状態で支持
された方位軸と、該方位軸を制御する方位軸制御
手段と、前記方位軸及び前記水平安定台の第１及
び第２軸の３つの軸線がほぼ一点で交わるように
構成され、かつ前記方位軸に直交し、前記指向性
アンテナを仰角方向に指向するための仰角軸と、
減速機を介して前記仰角軸を駆動制御する仰角軸
制御手段と、前記水平安定台及びその水平安定台
に載置される構造物の全体が、前記水平安定台の
第１及び第２軸のまわりでほゞ平衡可能であり、
また前記アンテナ制御装置が前記第１角度検出手
段からの電気的出力信号を増幅する第１の増幅手
段を備え、該第１増幅手段の電気的出力信号を前
記第２制御手段に供給するように構成され、同様
に前記第２角度検出手段からの電気的出力信号を
増幅する第２増幅手段を備え、該第２増幅手段か
らの電気的出力信号を前記第１制御手段に供給す
るように構成されたことを特徴とする動揺補償型
アンテナ指向装置。２特許請求の範囲第１項の装置であつて、前記
電動式フライホイール手段が前記方位軸に支持さ
れた構造物に載置されることを特徴とする動揺補
償型アンテナ指向装置。３特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
装置であつて、追尾用受信レベル信号を発生する
受信機を備え、前記アンテナ支持装置が前記方位
軸のまわりの回転角速度を検出して電気的信号に
変換する角速度検出手段を備え、前記回転角速度
信号をループ・フイルタを経由して前記方位軸制
御手段に供給するように前記方位軸にサーボ・ル
ープを構成し、さらに前記追尾用受信レベル信号
を受けて前記追尾用受信レベル信号が増大する方
向へ、少くとも前記方位軸に関して階段状に補正
を行うことを特徴とする動揺補償型アンテナ指向
装置。