JPH0620165B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は海事衛星通信等に使用されるアンテナ装置に関
する。

〔従来の技術〕

従来のアンテナ装置は、例えば第２図に示す如く構成さ
れている。即ち、このアンテナ装置は、同図に示す如
く、アンテナ、ジンバル等からなり、アンテナマウンド
とも言われ、主として、船上に装備される機構部(1)と
船内に装備される制御部(2)とから構成される。同図に
おいて(3)は基台で、それに支柱（3A）が植立され、そ
の上端にフォーク状の部分（3B）が取り付けられてい
る。部分（3B）の両脚にロール軸々受(4)，（４′）
（（４′）は図示せず）が設けられている。この基台
(3)が船体上に取付けられる。(5)はロールジンバルで、
ロール軸々受(4)，（４′）と対応する位置に、ロール
軸(6)，（６′）が夫々固設され、これ等が上記ロール
軸々受(4)，（４′）に夫々回動的に嵌合される。ロー
ルジンバル(5)はロール軸(6)、（６′）と夫々90゜離れ
た位置にピッチ軸々受(7)，（７′）を有し、これ等に
ピッチジンバル(8)の対応位置に固設されたピッチ軸
(9)、（９′）が夫々回動的に嵌合される。ピッチジン
バル(8)は、ブリッジ（8-1 ）を介して上方に突出する
円筒部(10′)を有し、その内部に方位軸々受（9-1 ），
（ 9-1′）を互いに上下に離して固設する。

（10）は方位軸で、これは上記円筒部（10′）内の方位
軸々受（9-1 ），（ 9-1′）に回動的に嵌合すると共
に、下端に方位歯車（11）が、又上端にコ字状部材（1
2）が夫々固設される。該コ字状部材（12）は、上記ロ
ール軸(6)，（６′）又はピッチ軸(9)，（９′）と同一
の高さの所に、仰角軸（13），（13′）を有する。これ
等仰角軸（13），（13′）は、夫々一端はアンテナ（1
4）が取付けられている取付部材（15），（15′）の対
応位置に設けた、仰角軸々受（16），（16′）に夫々回
動的に嵌合する。（17）は方位軸（10）と平行な軸のま
わりに高速で回転するフライホィールを内蔵するフライ
ホィールユニットで、ピッチジンバル(8)に固定され
る。このフライホィールユニット（17）を設けたこと
で、ピッチジンバル(8)、コ字状部材（12）、アンテナ
（14）等からなる部分は、ジャイロケースの一部を構成
し、これ等全体がジャイロとなる。

（18）はピッチトルカで、基台(3)のフォーク状の部分
（3B）のロール軸々受（４′）の位置に取付けられ、上
記フライホィールユニット（17）に対して、非接触時に
上記ロール軸(6)，（６′）のまわりに、その入力電流
に比例したトルクを加え、その結果、ピッチジンバル
(8)以内をピッチ軸(9)，（９′）のまわりにプリセッシ
ョンさせる作用を行う。（19）はロールトルカで、ピッ
チジンバル(5)のピッチ軸々受（７′）の位置に取付け
られ、上記フライホィールユニット（17）に対して非接
触的に上記ピッチ軸(9)，（９′）のまわりにその入力
電流に比例したトルクを加え、その結果、ピッチジンバ
ル(8)以内をロール軸(6)，（６′）のまわりにプリセッ
ションさせる作用を行う。（20）はロール傾斜計で、ピ
ッチジンバル(8)上に取付けられ、ピッチジンバル(8)の
ロール軸(6)，（６′）まわりの傾斜を検出し、その出
力は増幅器（22）に介して、上記ロールトルカ（19）に
フィードバックされ、ピッチジンバル(8)をロール軸
(6)，（６′）まわりに関して、常に水平に保持する。
（21）はピッチ傾斜計で、ピッチジンバル(8)上に取付
けられ、ピッチジンバル(8)のピッチ軸(9)，（９′）ま
わりの傾斜を検出し、その出力は増幅器（23）を介して
ピッチトルカ（18）にフィードバックされ、ピッチジン
バル(8)をピッチ軸(9)、（９′）まわりに関して常に水
平に保持する。即ち、上記２個のフィードバックループ
により、ピッチジンバル(8)は常に水平に保持され、そ
の結果、方位軸（10）は常時、鉛直に保持されることに
なる。

コ字状部材（12）のピッチジンバル(8)に対する方位角
は、その回転子（図示せず）が方位歯車（11）と噛合し
ているブリッジ（8-1 ）上に設けた方位角発信器（24）
によって検出され、制御部(2)に送られる。又、アンテ
ナ（14）のコ字状部材（12）に対する仰角も、その回転
子（図示せず）が一方の仰角軸（13）に固定した仰角歯
車（25）に噛合している一方の取付部材（15）に設けた
仰角発信器（26）によって検出され、同時に制御部(2)
に送られる。制御部(2)においては、ジャイロコンパス
（図示せず）からの船首方位、衛星の方位角、仰角等を
もとに演算を行い、ブリッジ（8-1 ）上に設けた方位サ
ーボモータ（27）及び取付部材（15）に設けた仰角サー
ボモータ（28）に、増幅器（27A ）及び（28A ）を介し
て命令を与え、アンテナ（14）を所要の衛星方向に指向
させる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、かかる従来のアンテナ装置にあっては、
ピッチジンバルをロール軸及びピッチ軸まわりに水平を
保持するための２個の水平制御系、衛星方向にアンテナ
を指向させるための方位制御系、アンテナの仰角を制御
するための仰角制御系の４つの制御系統が必要であり、
システムが高価であり、信頼性も低下する。又、中央部
にフライホィールの取付けられたピッチジンバルがあ
り、その周囲にロールジンバル、ロール軸々受を有する
基台に取り付けたフォーク状部分、コ字状部材等が配置
され、その外側に大口径のアンテナが配置されるため、
機構部が大型となり、取付場所の制限、装備の困難等、
各種の問題がある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、アンテナ軸(X-X) を有するアンテナ(14)と、
アンテナ(14)をアンテナ軸(X-X) に直交する仰角軸(1
3),(13′)の周りに回転可能に支持する方位ジンバル(4
0)と、方位ジンバル(40)を仰角軸(13),(13′)に直交す
る方位軸(10)の周りに回転可能に支持する基台(3)と、
アンテナ(14)を支持するアンテナ支持部材(41)に固定さ
れ仰角軸(13),(13′)と平行な入力軸を有する第１のジ
ャイロ(44)と、アンテナ支持部材(41)に固定されアンテ
ナ軸(X-X) と仰角軸(13),(13′)の双方に直交する入力
軸を有する第２のジャイロ(45)と、、アンテナ支持部材
(41)に固定されアンテナ軸(X-X) の水平面に対する傾斜
角を指示する傾斜角信号を発生するために用いられる加
速度計(46)と、基台(3) に対する方位ジンバル(40)の方
位軸(10)周りの回転角を指示する回転角信号を発生する
方位発信器(53)と、アンテナ(14)を仰角軸(13),(13′)
の周りに回転制御するための仰角制御ループと、アンテ
ナ(14)を方位軸(10)の周りに回転制御するための方位制
御ループと、を有し、 仰角制御ループは第１のジャイロ(44)と第１のジャイロ
(44)の出力信号を入力する第１の積分器(54)と第１の積
分器(54)の出力信号を入力する仰角サーボモータ(49)と
を有しアンテナ(14)を仰角軸(13),(13′)の周りに慣性
空間に対して安定化するための仰角安定化ループと加速
度計(46)と加速度計(46)より出力された傾斜角信号に衛
星の高度角を減算する第１の加算器(65)と第１の加算器
(65)の出力を入力する第１の積分器(54)とを有しアンテ
ナ(14)を仰角を衛星の高度角に一致させるための仰角拘
束ループとを有し、 方位制御ループは第２のジャイロ(45)と第２のジャイロ
(45)の出力信号を入力する第２の積分器(54)と第２の積
分器(58)の出力信号を入力する方位サーボモータ(52)と
を有しアンテナ(14)を方位軸(10)の周りに慣性空間に対
して安定化するための方位安定化ループと方位発信器(5
3)と衛星方位角より方位発信器(53)より出力された方位
角及びジャイロコンパス方位角を減算する第２の加算器
(66)と第２の加算器(66)の出力を入力する第２の積分器
(58)とを有しアンテナ(14)の方位角を衛星の方位角に一
致させるための方位角拘束ループとを有することを特徴
とするアンテナ装置である。

〔作用〕

アンテナ軸と直交する入力軸を有する仰角ジャイロの出
力を仰角サーボモータに、方位ジャイロの出力を方位サ
ーボモータにそれぞれ入力し、アンテナをアンテナ軸と
直交する２個の軸のまわりに船体運動から安定化させ
る。入力軸をアンテナ軸と平行となるようにアンテナに
直接取付けた加速度計の出力から衛星高度角を差し引い
たものを、ジャイロの等価的なトルカにフィードバック
し、アンテナの仰角を衛星高度に一致させる。アンテナ
の船体に対する方位を発信する方位発信器の出力に衛星
方位角及びジャイロコンパスからの船首方位角を加減算
したものを方位ジャイロの等価的なトルカにフィードバ
ックし、アンテナを衛星方位に一致させる。

〔実施例〕

第１図は本発明のアンテナ装置の一実施例を示す斜視図
である。同図において、第２図と同一符号は互いに同一
素子を示すものとする。

同図に示す本発明の一例においては、基台(3)にブリッ
ブ（3-1 ）を設け、その上に上方に突出する如く円筒部
（10′）を植立し、その内部に配した２個の方位軸々受
（9-1 ），（ 9-1′）に方位軸（10）を嵌合し、その上
端にアーム（40-1）を介して、方位ジンバル（40）を上
記方位軸（10）の軸線のまわりに回動的に支持する。方
位ジンバル（40）の上端にフォーク状部分（40-2）を固
定する。このフォーク状部分（40-2）は、上記方位軸
（10）と直交し且つ水平方向に２個の仰角軸々受（1
6），（16′）を有する。アンテナ(14)を取付けるコ字
状の取付金具（41）の両脚（41-1），（41-1′）の対応
する位置に設けた仰角軸（13），（13′）が仰角軸々受
（16），（16′）に夫々回動的に嵌合する。この取付金
具(41)に、入力軸が仰角軸(13)，(13′）と平行であっ
て且つ仰角軸(13),(13′)の周りのアンテナ(14)の角速
度を検出する仰角ジャイロ(44)と、入力軸が仰角軸(1
3),(13′)及びアンテナ(14)のアンテナ軸(x-x) の双方
に直交するする軸線と平行であって且つ該軸線の周りの
アンテナ(14)の角速度を検出する方位ジャイロ(45)と、
入力軸が上記アンテナ(14)のアンテナ軸(x-x) と平行で
あって且つアンテナ(14)のアンテナ軸(x-x) の水平面に
対する傾斜角を検出するために使用される加速度計(46)
が固設されている。

又、取付金具（41）は、一方の仰角軸（13）と同軸的の
仰角歯車（48）を有する。方位ジンバル（40）のフォー
ク状部分（40-2）の対応位置に固設した仰角サーボモー
タ（49）の回転軸に設けたピニオン（50）が、上記仰角
歯車（48）と噛合している。一方、方位軸（10）の下端
部に方位歯車（11）を取り付け、基台(3)のブリッジ部
（3-1 ）上に方位サーボモータ（52）及び方位発信器
（53）を取り付け、それ等の回転軸に設けたピニオン
（図示せず）を方位歯車（11）と夫々噛合させる。

仰角ジャイロ（44）、方位ジャイロ（45）に振動ジャイ
ロ、レートジャイロ等の微分型のジャイロを用いた場合
の制御ループを第１図に合わせて示す。仰角ジャイロ
（44）の出力は、積分器（54）、増幅器（55）を介して
仰角サーボモータ（49）にフィードバックされ、船体の
角運動に対して仰角軸（13），（13′）まわりのアンテ
ナ(14)の角速度をゼロに保持する。

一方、第１の加速度計（46）の出力は、アークサイシ演
算器（57）を介し、それより図示しない衛星高度角設定
器からの衛星高度角θｓに対応した信号を第１の加算器
(65)において減じた後、減衰器(56)を通して第１の積分
器(54)に入力される。

一方、方位ジャイロ（45）の出力は、積分器（58）、増
幅器（59）を通して方位サーボモータ（52）にフィード
バックされ、アンテナ（14）を、アンテナ軸（x-x ）及
び仰角軸（13），（13′）の双方に直交する軸のまわり
に船体の角運動に対して安定化させる。一方、アンテナ
の方位に対応した方位発信器（53）の出力から、マグネ
ットコンパス或はジャイロコンパスからの船首方位φｃ
及び図示しない衛星方位角設定器による衛星方位φｓが
第２の加算器(66)において差し引かれた後、その信号を
減衰器（60）を通して積分器（58）に入力する。

次に本例のアンテナ装置の動作について説明する。本例
のアンテナ装置には船体が動揺しても常にアンテナ(14)
を慣性空間に対して安定化させるための速い制御ループ
とアンテナ(14)のアンテナ軸(x-x) が常に衛星方向を指
向するように制御する遅い制御ループが設けられてい
る。

先ず速い制御ループについて説明する。斯かる速い制御
ループはアンテナ(14)を仰角軸(13)，(13′)周りに回転
制御する仰角安定化ループとアンテナ(14)を方位軸(10)
周りに回転制御する方位安定化ループとを有する。

仰角安定化ループはアンテナ軸(x-x) と直交する入力軸
を有する仰角ジャイロ(44)、第１の積分器(54)、第１の
増幅器(55)及び仰角サーボモータ(49)を有し、船体の動
揺によってアンテナ(14)が慣性空間に対して仰角軸(1
3),(13′)周りに回転偏倚しようとすると斯かる偏角が
仰角ジャイロ(44)によって検出され、命令信号が仰角サ
ーボモータ(49)に供給され、仰角ジャイロ(44)の出力が
直ちにゼロになるように回転制御される。

同様に、方位安定化ループはアンテナ軸(x-x)と仰角軸
(13),(13′)の双方に直交する入力軸を有する方位ジャ
イロ(45)、第２の積分器(58)、第２の増幅器(59)及び方
位サーボモータ(52)を有し、船体の動揺によってアンテ
ナ(14)が慣性空間に対して方位軸(10)周りに回転偏倚し
ようとすると斯かる偏角が方位ジャイロ(45)によって検
出され、命令信号が方位サーボモータ(52)に供給され、
方位ジャイロ(45)の出力が直ちにゼロになるように回転
制御される。

こうして、本例によれば、船体が動揺した時、アンテナ
(14)は仰角軸(13),(13′)周りに及び方位軸(10)周りに
回転制御され、それによってアンテナ軸(x-x) は慣性空
間に対して常に一定方向を指向する。（但し、このと
き、アンテナ(14)はアンテナ軸(x-x) の周りに何ら制御
していないのでアンテナ(14)は船体と共に回転運動して
いることがある。）この技術はジャイロを用いた安定プ
ラットホームとして知られている。

次に遅い制御ループについて説明する。上述の速い制御
ループは、船体の動揺に対してアンテナ軸(x-x) を慣性
空間に対して常に一定方向に指向させるように機能する
が、それだけではアンテナ軸(x-x) を長時間にわたって
衛星方向に指向させることはできない。最初に、アンテ
ナ軸(x-x) が衛星方向を指向していたとしても、時間の
経過とともに、アンテナ軸(x-x) は衛星方向を指向しな
くなり、所謂指向誤差が生ずる。斯かる指向誤差はジャ
イロ自身の持つ不完全さ（これをジャイロドリフトと言
う。）に起因する。斯かる指向誤差を補正するのが遅い
制御ループであり、斯かる遅い制御ループはアンテナ(1
4)を仰角軸(13),(13′)周りに回転制御する仰角拘束ル
ープとアンテナ(14)を方位軸(10)周りに回転制御する方
位拘束ループとを有する。

仰角拘束ループはアンテナ軸(x-x) と平行な入力軸を有
する加速度計(46)、アークサイン演算器(57)、第１の加
算器(65)、第１の減衰器(56)、第１の積分器(54)、第１
の増幅器(55)及び仰角カーボモータ(49)を有する。加速
度計(46)によって出力された傾斜角信号はアンテナ軸(x
-x) の仰角θの正弦値を含む。

図３に本例の加速度計(46)の原理を簡略的に示す。加速
度計(46)はアンテナ軸(x-x) に平行な入力軸を有するよ
うに取り付けられ、従って、その出力Ａは図示のように
Ａ＝ｇｓｉｎθである。

こうして、加速度計(46)の出力である仰角θの正弦値信
号はアークサイン演算器(57)に供給され、そこでアーク
サイン演算がなされてアンテナ軸(x-x) の仰角θが求め
られる。尚、本例では加速度計(46)及びアークサイン演
算器(57)によって仰角θが求められたが、その代わりに
仰角θを求めるための傾斜計を用いてもよい。

第１の加算器(65)では、アークサイン演算器(57)より出
力されたアンテナ軸(x-x) の仰角θに対して図示しない
衛星高度角設定器より出力された衛星高度角θ_Ｓが減算
され、仰角偏差θ−θ_Ｓが求められる。斯かる仰角偏差
θ−θ_Ｓは第１の減衰器(56)を経由して第１の積分器(5
4)に供給される。この仰角拘束ループは仰角偏差θ−θ
_Ｓがゼロになるようにアンテナ(14)を仰角軸(13),(1
3′)周りに回転制御するように機能する。仰角拘束ルー
プは１次遅れ特性を有する第１の減衰器(56)を有し、比
較的遅い制御であるため１種のフィルタと等価な特性を
有する。従って、船体が動揺して加速度計(46)によって
交番的的成分を含む出力が供給されても、このループは
斯かる交番的成分の影響を受けない特徴がある。

同様に、方位拘束ループはアンテナ(14)の方位角を検出
する方位発信器(53)、第２の加算器(66)、第２の減衰器
(60)、第２の積分器(58)、第２の増幅器(59)及び方位サ
ーボモータ(52)を有する。

図４を参照して第２の加算器(66)の動作を説明する。第
２の加算器(66)では、ジャイロコンパス又はマグネット
コンパスより供給された船首方位φ_Ｃと方位発信器(53)
より供給されたアンテナ方位φ_Ａの和φ_Ｃ＋φ_Ａが目標
とする衛星方位φ_Ｓと比較される。斯かる衛星方位φ_Ｓ
は図示しない衛星方位設定器より供給される。両者の差
が方位偏差である。この方位拘束ループは方位偏差φ_Ｓ
−（φ_Ｃ＋φ_Ａ）がゼロになるようにアンテナ(14)を方
位軸(10)周りに回転制御するように機能する。方位拘束
ループは１次遅れ特性を有する第２の減衰器(60)を有
し、比較的遅い制御である。

斯かる遅い制御ループ即ち仰角拘束ループ及び方位拘束
ループの時定数は例えば１秒〜数百秒である。

尚、仰角ジャイロ（44）方位ジャイロ（45）として、従
来の機械式ジャイロ、チューンドドライジャイロ（TDG
）等の二軸自由度タイプのジャイロ、或いはレート積
分ジャイロ等の、出力が角速度でなく、角度であるよう
なジャイロを使用する場合には、それ等のピックアップ
出力を積分器（54），（58）を通さず、直接、増幅器
（55），（59）に入力すると共に、減衰器（56），（6
0）の出力は、対応するジャイロのトルカに入力すれば
良いことになり、ジャイロの方式に制限されない。

又、仰角及び方位サーボモータ（49），（52）として、
ギアードタイプのものを示したが、その代わりに歯車系
を必要としない直接駆動型のものを使用しても良いし、
ステップモータ、パルスモータ等も使用可能なことは勿
論である。

更に、方位発信器（53）としては、シンクロ電機が一般
的であるが、ポテンショメータ、エンコーダ等の同様の
機能のものであれば、使用可能である。

〔発明の効果〕

本発明によるアンテナ装置の効果は次の通りである。従
来のアンテナ装置におけるロールジンバル及びピッチジ
ンバルが不要となり、大幅な小型化、低コスト化が可能
となる。又、歯車系、サーボモータ、角度発信器、増幅
器等のコンポーネントが半減したため、装置全体の信頼
性を向上出来る。加えて、小型化したことにより、装備
スペースが狭くてすみ、又全体が軽量化されたことによ
り、取付場所の強度を余り必要としないこと等、装備工
事を大幅に簡素化出来る。

又、トルクの大きいサーボモータで方位ジンバルやアン
テナを駆動するタイプのため、アンテナからの信号を送
る同軸ケーブル等の剛性が受信性能へ与える影響を、完
全になくすることが出来る。加えて、仰角系には加速度
計によるフィードバックループ、方位系にはジャイロコ
ンパスによるフィードバックループをそれぞれ設けたた
め、仰角ジャイロ、方位ジャイロにレートジャイロ等の
低価格、低精度のジャイロを使用することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のアンテナ装置の例、第２図は従来のア
ンテナ装置の例、第３図は加速度計の動作を説明する
図、第４図は加算器の動作を説明する図である。 図に於て、(3)は基台、（10）は方位軸、（11）は方位
歯車、（13），（13′）は仰角軸、（14）はアンテナ、
（40）は方位ジンパル、（40-2）はフォーク状部分、
（41）は取付金具、（44）は仰角ジャイロ、（45）は方
位ジャイロ、（46）は加速度計、（48）は仰角歯車、
（49）は仰角サーボモータ、（50）はピニオン、（52）
は方位サーボモータ、（53）は方位発信器、（54），
（58）は積分器、（55），（59）は増幅器、（56），
（60）は減衰器、（57）はアークサイン演算器、(65),
(66) は加算器を夫々示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小斎 弥祐 東京都大田区南蒲田２丁目16番46号 株式 会社東京計器内 (56)参考文献 特開 昭60−85602（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アンテナ軸を有するアンテナと、該アンテ
   ナを上記アンテナ軸に直交する仰角軸の周りに回転可能
   に支持する方位ジンバルと、該方位ジンバルを上記仰角
   軸に直交する方位軸の周りに回転可能に支持する基台
   と、上記アンテナを支持するアンテナ支持部材に固定さ
   れ上記仰角軸と平行な入力軸を有する第１のジャイロ
   と、上記アンテナ支持部材に固定され上記アンテナ軸と
   上記仰角軸の双方に直交する入力軸を有する第２のジャ
   イロと、上記アンテナ支持部材に固定され上記アンテナ
   軸の水平面に対する傾斜角を指示する傾斜角信号を発生
   するために用いられる加速度計と、上記基台に対する上
   記方位ジンバルの上記方位軸周りの回転角を指示する回
   転角信号を発生する方位発信器と、上記アンテナを上記
   仰角軸の周りに回転制御するための仰角制御ループと、
   上記アンテナを上記方位軸の周りに回転制御するための
   方位制御ループと、を有し、 上記仰角制御ループは上記第１のジャイロと上記第１の
   ジャイロの出力信号を入力する第１の積分器と該第１の
   積分器の出力信号を入力する仰角サーボモータとを有し
   上記アンテナを上記仰角軸の周りに慣性空間に対して安
   定化するための仰角安定化ループと上記加速度計と上記
   加速度計より出力された傾斜角信号に衛星の高度角を減
   算する第１の加算器と該第１の加算器の出力を入力する
   上記第１の積分器とを有し上記アンテナの仰角を衛星の
   高度角に一致させるための仰角拘束ループとを有し、 上記方位制御ループは上記第２のジャイロと上記第２の
   ジャイロの出力信号を入力する第２の積分器と該第２の
   積分器の出力信号を入力する方位サーボモータとを有し
   上記アンテナを上記方位軸の周りに慣性空間に対して安
   定化するための方位安定化ループと上記方位発信器と衛
   星方位角より上記方位発信器より出力された方位角及び
   ジャイロコンパス方位角を減算する第２の加算器と該第
   ２の加算器の出力を入力する上記第２の積分器とを有し
   上記アンテナの方位角を衛星の方位角に一致させるため
   の方位角拘束ループとを有することを特徴とするアンテ
   ナ装置。