JPH06268426A - アンテナ指向装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 船体が航行中に動揺、振動等を受けた場合で
も、常にアンテナを衛星に対して良好に指向することが
できるアンテナ指向装置を提供することを目的とする。 【構成】 アンテナ指向装置において、船体座標系に関
する船体の動揺角α、βを演算する動揺角演算部１００
と第２及び第３の加速度計４７、４８に作用する動揺加
速度Δｇ_X 、Δｇ_P を演算する動揺加速度演算部１０１
と更に加算器１０２、１０３を設け、この加算器１０
２、１０３によって加速度計４７、４８の出力信号より
動揺加速度Δｇ_X 、Δｇ_P を含まない出力信号を得るよ
うに構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は海事衛星通信等に使用し
て好適なアンテナを衛星方向へ指向させるためのアンテ
ナ指向装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来のアンテナ指向装置の例を示
す。アンテナ指向装置は基台３と斯かる基台３に装着さ
れた方位ジンバル４０と方位ジンバル４０の上端部のＵ
字形部材に装着された取り付け金具４１と斯かる取り付
け金具４１に取り付けられたアンテナ１４とを有する。

【０００３】基台３はブリッジ部３−１を有してよく、
斯かるブリッジ部３−１には上方に突出する円筒部１１
が装着されており、斯かる円筒部１１の内部には１対の
軸受２１−１、２１−２が取り付けられている。この軸
受２１−１、２１−２の内輪には方位軸２０が嵌合され
ており、方位軸２０の上端部にはアーム１３を介して方
位ジンバル４０が装着されている。

【０００４】斯くして方位軸２０が軸受２１−１、２１
−２によって支持された状態にて、方位ジンバル４０は
方位軸２０を通る軸線周りに回転することができる。方
位ジンバル４０は下側の支持軸部４０−１と上側のＵ字
形部４０−２とを有し、支持軸部４０−１の中心軸線即
ち方位軸線Ｚ−Ｚは図示のように方位軸２０を通る軸線
より偏倚して配置されている。尚、支持軸部４０−１は
方位軸２０を通る軸線に整合するように構成してもよ
い。

【０００５】方位ジンバル４０のＵ字形部４０−２に
は、より小さいＵ字形の取り付け金具４１が配置されて
おり、斯かる取り付け金具４１はその２つの脚部４１−
１、４１−２の各々に仰角軸３０−１、３０−２を有す
る。方位ジンバル４０のＵ字形部４０−２の２つの脚部
の各々には適当な軸受が装着されており、斯かる軸受に
よって仰角軸３０−１、３０−２は回転可能に支持され
ている。

【０００６】仰角軸３０−１、３０−２の中心軸線は仰
角軸線Ｙ−Ｙを構成しており、こうして、取り付け金具
４１は方位ジンバル４０のＵ字形部４０−２の２つの脚
部の間にて仰角軸線Ｙ−Ｙ周りに回転可能に支持されて
いる。仰角軸線Ｙ−Ｙは方位軸線Ｚ−Ｚに対して直角に
配置され、従って略水平な位置にある。尚、方位軸線Ｚ
−Ｚは船体に取り付けられたアンテナ指向装置の取り付
け面（船体面）に垂直である。

【０００７】Ｕ字形の取り付け金具４１の脚部４１−
１、４１−２にはアンテナ１４が装着されており、従っ
てアンテナ１４は取り付け金具４１と共に仰角軸線Ｙ−
Ｙ周りに回転することができる。アンテナ１４は中心軸
線Ｘ−Ｘを有しており、斯かる中心軸線は仰角軸線Ｙ−
Ｙに対して垂直である。

【０００８】取り付け金具４１には、仰角ジャイロ４４
と方位ジャイロ４５と第１の加速度計（図示なし）、第
２の加速度計４７及び第３の加速度計４８とが装着され
ている。仰角ジャイロ４４によって仰角軸線Ｙ−Ｙ周り
を回転するアンテナ１４の回転角速度が検出され、方位
ジャイロ４５によって仰角軸線Ｙ−Ｙ及びアンテナ１４
の中心軸線Ｘ−Ｘの双方に直交する軸線周りのアンテナ
１４の回転角速度が検出され、第１の加速度計によって
仰角軸線Ｙ−Ｙ周りのアンテナ１４の傾斜角度が検出さ
れ、第２の加速度計４７によって水平面に対する仰角軸
線Ｙ−Ｙの傾斜角度が検出され、第３の加速度計４８に
よって仰角軸線Ｙ−Ｙ及びアンテナ１４の中心軸線Ｘ−
Ｘの双方に直交する軸線の水平面に対する傾斜角度が検
出される。

【０００９】仰角ジャイロ４４と方位ジャイロ４５は、
例えば機械式ジャイロ、光学式ジャイロ等の積分型ジャ
イロの他、振動ジャイロ、レートジャイロ、光ファイバ
ジャイロ等の角速度検出型ジャイロであってよい。

【００１０】取り付け金具４１の一方の脚部には仰角軸
線Ｙ−Ｙと同軸的に仰角歯車３２が装着されている。斯
かる仰角歯車３２にはピニオン３５が噛み合わされてお
り、斯かるピニオン３５は方位ジンバル４０のＵ字形部
４０−２の一方の脚部に装着された仰角サーボモータ３
３の回転軸に取り付けられている。

【００１１】方位ジンバル４０のＵ字形部４０−２の一
方の脚部には仰角発信器３４が装着されており、斯かる
仰角発信器３４によってアンテナ１４の仰角軸線Ｙ−Ｙ
周りの回転角度θが検出されそれを指示する信号が出力
される。

【００１２】一方、方位軸２０の下端部には方位歯車２
２が取り付けられ、基台３のブリッジ部３−１上には方
位サーボモータ２３と方位発信器２４が取り付けられ、
方位サーボモータ２３及び方位発信器２４の回転軸にそ
れぞれ取り付けられたピニオン（図示なし）が方位歯車
２２に噛み合わされるように構成されている。

【００１３】図示のように、アンテナ指向装置を制御す
るために仰角制御ループと方位角制御ループが設けられ
ている。尚、アンテナ１４の中心軸線Ｘ−Ｘが水平面と
なす角をアンテナの仰角θ_A とし、アンテナ１４の中心
軸線Ｘ−Ｘが水平面上で子午線Ｎとなす角をアンテナの
方位角φ_A とする。

【００１４】仰角制御ループはアンテナの仰角θ_A が衛
星高度角θ_S に一致するようにアンテナ１４を仰角軸線
Ｙ−Ｙ周りに回転させるよう構成されており、第１の及
び第２のループを含む。第１のループにおいて、仰角ジ
ャイロ４４の出力は積分器５４及び増幅器５５を介して
仰角サーボモータ３３にフィードバックされる。それに
よって船体が揺動しても慣性空間に対するアンテナ１４
の仰角軸線Ｙ−Ｙ周りの角速度は常にゼロに保持され
る。

【００１５】第２のループにおいて、第３の加速度計４
８から仰角軸線Ｙ−Ｙ及びアンテナ１４の中心軸線Ｘ−
Ｘの双方に直交する軸線の水平面に対する傾斜角度θ_P
の正弦値を指示する出力信号が出力され、斯かる出力信
号はアークサイン演算器５７を経由した後、π／２によ
って加算され、更に、例えば手動設定された衛星高度角
θ_S を指示する信号によって減ぜられる。こうして得ら
れた角度信号は、更に、減衰器５６を経由して積分器５
４及び増幅器５５に入力され、仰角サーボモータ３３に
フィードバックされる。このループは、アンテナ１４の
仰角θ_A を衛星高度角θ_S に一致させるための適当な時
定数を有する。尚、減衰器５６に仰角ジャイロ４４のド
リフト変動を補償させるために積分特性を具備させるこ
とも可能である。

【００１６】方位角制御ループは、衛星高度角が高いと
きにジンバルロック現象が発生することを防止するため
の機能を有しており、衛星高度角が高いときにはアンテ
ナ１４の仰角軸線Ｙ−Ｙが船体の傾斜軸線方位に整合す
るように方位ジンバル４０の方位を制御するように構成
されている。

【００１７】この制御は、次の原理に基づいている。即
ち、船体の動揺は必ず水平面内の１つの回転軸線（船体
の傾斜軸線に平行）周りの回転運動であると考えること
ができる。従って、仰角軸線Ｙ−Ｙが常にこの回転軸線
の方位φ_T に整合するように方位ジンバル４０の方位を
制御すれば、衛星高度角が高いときでも常にアンテナ１
４の中心軸線Ｘ−Ｘを天頂方向に指向させることができ
る。

【００１８】斯かる機能は方位ジャイロ４５及び第２の
加速度計４７と仰角発信器３４と仰角軸線傾斜演算器８
０と傾斜軸線方位演算器８５と増幅器５９とを含むルー
プによって提供される。

【００１９】方位ジャイロ４５によって出力された仰角
軸線Ｙ−Ｙ及びアンテナ１４の中心軸線Ｘ−Ｘの双方に
直交する軸線周りのアンテナ１４の回転角速度ω_P を表
す信号と第２の加速度計４７によって出力された水平面
に対する仰角軸線Ｙ−Ｙの傾斜角度η’を表す信号とは
それぞれ仰角軸線傾斜演算器８０に入力され、斯かる仰
角軸線傾斜演算器８０によって水平面に対する仰角軸線
Ｙ−Ｙの傾斜角ηが求められる。

【００２０】仰角発信器３４より出力された仰角軸線Ｙ
−Ｙ周りのアンテナ１４の回転角度θは適当な減算器６
１にて衛星高度角θ_S が減算され水平面に対する船体の
仰角軸線Ｙ−Ｙ周りの回転角度、即ち、水平面に対する
取り付け面の傾斜角度ξ（＝θ_S −θ）が求められる。
傾斜軸線方位演算器８５には、仰角軸線傾斜演算器８０
から出力された水平面に対する仰角軸線Ｙ−Ｙの傾斜角
ηと減算器６１より得られた水平面に対する船体の仰角
軸線Ｙ−Ｙ周り回転角度ξ（＝θ_S −θ）と方位発信器
２４から出力された方位軸線Ｚ−Ｚ周りのアンテナ１４
の回転角φとをそれぞれ表す信号が供給される。

【００２１】傾斜軸線方位演算器８５では、仰角軸線Ｙ
−Ｙの傾斜角ηと船体の回転角度ξとから傾斜軸線方位
φ_T が演算され、斯かる傾斜軸線方位φ_T は方位発信器
２４から出力されたアンテナの回転角φと比較されて方
位偏差信号Δφが演算される。方位偏差信号Δφを表す
信号は傾斜軸線方位演算器８５より増幅器５９に出力さ
れる。こうして方位角制御ループでは、方位偏差信号Δ
φがゼロとなるように、即ち、仰角軸線Ｙ−Ｙの方位が
傾斜軸線方位φ_T に整合するように、方位ジンバル４０
の方位角が制御される。

【００２２】図４は仰角軸線傾斜演算器８０の構成を示
す図であり、斯かる図を参照して仰角軸線傾斜演算器８
０の動作を説明する。

【００２３】仰角軸線傾斜演算器８０は積分器８１と第
１の比較器８２と係数器８３と第２の比較器８４とを有
するように構成されている。方位ジャイロ４５から仰角
軸線傾斜演算器８０には入力端子８０ａを経由して、仰
角軸線Ｙ−Ｙ及びアンテナ１４の中心軸線Ｘ−Ｘの双方
に直交する軸線周りのアンテナ１４の回転角速度ω_Pを
指示する信号が入力され、斯かる信号は第１の比較器８
２を経由して積分器８１に入力され、そこで積分されて
仰角軸線Ｙ−Ｙの傾斜角ηが求められる。斯かる傾斜角
ηを指示する信号は出力端子８０ｃを経由して傾斜軸線
方位演算器８５に出力される。

【００２４】第２の加速度計４７からは入力端子８０ｂ
を経由して、水平面に対する仰角軸線Ｙ−Ｙの傾斜角度
η’を表す信号が入力され、斯かる傾斜角度η’は第２
の比較器８４にて仰角軸線Ｙ−Ｙの傾斜角ηと比較さ
れ、その偏差量はゲイン１／τの係数器８３を介して第
１の比較器８２にネガティブフィードバックされる。こ
のフィードバックループは水平儀のループである。図６
において、Ｓはラプラス演算子、τは時定数を表す。

【００２５】アンテナ１４の仰角θ_A 即ち衛星の高度角
θ_S が９０°近傍にある場合を考える。方位ジャイロ４
５から出力される信号は、仰角軸線Ｙ−Ｙ及びアンテナ
１４の中心軸線Ｘ−Ｘの双方に垂直な軸線周りのアンテ
ナ１４の回転角速度を指示するが、アンテナ１４の高度
角θ_A が高くなると斯かる信号は水平面に対する仰角軸
線Ｙ−Ｙの水平軸線周りの回転角速度ω_P を指示するよ
うになる。斯かる角速度ω_P を積分器８１によって直接
積分して仰角軸線Ｙ−Ｙの水平面に対する傾斜角ηを求
めてもよいが、方位ジャイロ４５のドリフトに起因する
誤差が増加するから、第２の加速度計４７からの出力
η’と比較してから第１の積分器８１にて積分するよう
に構成されている。

【００２６】こうして求めた傾斜角ηは、方位ジャイロ
４５のドリフトに起因する誤差が除去され、且つ船体の
揺動による水平加速度による影響も除去されている。

【００２７】図５は傾斜軸線方位演算器８５の構成を示
す図であり、斯かる図を参照して傾斜軸線方位演算器８
５の動作を説明する。傾斜軸線方位演算器８５は除算器
８６と加算器８７と比較器８８とを有するように構成さ
れている。

【００２８】仰角軸線傾斜演算器８０からの出力信号即
ち水平面に対する仰角軸線Ｙ−Ｙの傾斜角ηを指示する
信号は入力端子８５ａを経由して除算器８６に供給さ
れ、減算器６１からの出力信号即ち仰角軸線Ｙ−Ｙ周り
の船体の回転角度ξを指示する信号は入力端子８５ｂを
経由して除算器８６に供給される。除算器８６では、Δ
φ_T ＝η／ξなる演算がなされて傾斜軸線方位偏差Δφ
_T が求められ、加算器８７では、斯かる傾斜軸線方位偏
差Δφ_T が積算されて傾斜軸線の方位φ_T が求められ、
斯かる傾斜軸線の方位φ_T を指示する信号が比較器８８
に供給される。

【００２９】一方、比較器８８には、入力端子８５ｃを
経由して、方位発信器２４から得られたアンテナの回転
角φを表す信号が供給される。比較器８８では、傾斜軸
線方位φ_T とアンテナの回転角φとが比較されてその偏
差Δφが求められ、斯かる偏差を指示する偏差信号は出
力端子８５ｄを経由して増幅器５９に供給される。

【００３０】こうして、方位ジンバル４０の方位は、偏
差Δφが零となるように、即ち、方位ジンバル４０の方
位角φ_A が傾斜軸線方位φ_T に等しくなるように制御さ
れる。この結果、水平面に対する仰角軸線Ｙ−Ｙの傾斜
角ηが零となったときに方位ジンバル４０は静止する。
即ち、方位制御ループによって、仰角軸線Ｙ−Ｙが船体
の傾斜軸線の方位に整合するべく方位ジンバル４０の方
位が制御されるように構成されている。

【００３１】次に図６を参照して傾斜軸線方位演算器８
５の機能を説明する。仰角軸線Ｙ−Ｙ（図６で線ＯＹ）
が船体の傾斜軸線方位φ_T に整合していれば、仰角軸線
Ｙ−Ｙの傾斜角ηはゼロであるが、実際には、図示のよ
うに、仰角軸線Ｙ−Ｙが船体の傾斜軸線方位φ_T に対し
て方位誤差Δφ_T だけわずかに変位していると仮定す
る。従って、仰角軸線Ｙ−Ｙは水平面に対して傾斜角η
だけ傾斜している。

【００３２】減算器６１から得られた船体の傾斜角をξ
とすれば、方位誤差Δφ_T は、近似的にΔφ_T ＝η／ξ
である。方位ジンバル４０を方位軸線Ｚ−Ｚ周りに方位
角度Δφ_T だけ回転すれば、仰角軸線Ｙ−Ｙが船体の傾
斜軸線方位φ_T に整合し、仰角軸線Ｙ−Ｙの傾斜角ηが
ゼロとなる。

【００３３】斯くして、除算器８６にて方位誤差Δφ_T
＝η／ξが演算され、更に、それが積算されて船体の傾
斜軸線方位φ_T が求められる。傾斜軸線方位φ_T に対し
て方位発信器２４より得られたアンテナの回転角φが比
較されてその差がゼロとなるように、即ち傾斜軸線方位
φ_T がアンテナの方位角φ_A に等しくなるように制御さ
れる。

【００３４】こうして、アンテナ指向装置は、３つのサ
ーボループからなる２つの制御ループによってアンテナ
１４の中心軸線Ｘ−Ｘが衛星方向を指向するように、制
御される。

【００３５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
アンテナ指向装置では以下のように問題があった。アン
テナ指向装置は例えば船舶のマスト上に取り付けられ
る。従ってアンテナ指向装置の取り付け位置は、通常、
船体の動揺中心より隔置されている。そのために、船体
がピッチやロールの如き動揺運動した場合、第２及び第
３の加速度計４７、４８はアンテナ指向装置の取り付け
面の静的な傾斜運動ばかりでなく、船体の動揺に起因す
る動的な傾斜運動即ち動揺加速度を検出することとな
る。

【００３６】従って、仰角制御ループにて演算されるア
ンテナ１４の仰角は斯かる動揺加速度に起因する誤差を
含むこととなり、実際のアンテナ１４の仰角を衛星高度
角に一致させることができなくなる欠点かあった。更
に、方位制御ループにおいても、仰角軸線傾斜演算器８
０によって演算される水平面に対する仰角軸線Ｙ−Ｙの
傾斜角ηは斯かる動揺加速度に起因する誤差を含むこと
となり、実際のアンテナ１４の方位角を衛星方位角に一
致させることができなくなる欠点かあった。従って、ア
ンテナ１４の中心軸線Ｘ−Ｘが本来指向すべき衛星方向
より偏倚してしまう欠点があった。

【００３７】本発明は、斯かる点に鑑み、船体が航行中
に動揺、振動等を受けた場合でも、常にアンテナ１４を
衛星に対して良好に指向することができるアンテナ指向
装置を提供することを目的とする。

【００３８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、中心軸
線Ｘ−Ｘを有し支持部材４１に装着されたアンテナ１４
と、上記中心軸線Ｘ−Ｘに直交する仰角軸線Ｙ−Ｙを有
し支持部材４１に装着されたアンテナ１４を仰角軸線Ｙ
−Ｙ周りに回転可能に支持する方位ジンバル４０と、方
位ジンバル４０を仰角軸線Ｙ−Ｙに直交する方位軸線Ｚ
−Ｚ周りに回転可能に支持する基台３と、仰角軸線Ｙ−
Ｙに平行な入力軸線を有し支持部材４１に装着された第
１のジャイロ４４と、中心軸線Ｘ−Ｘと仰角軸線Ｙ−Ｙ
の両者に直交する入力軸線を有し支持部材４１に装着さ
れた第２のジャイロ４５と、水平面に対する仰角軸線Ｙ
−Ｙの傾斜角度を指示する信号を出力する仰角軸線加速
度計４７と、仰角軸線Ｙ−Ｙとアンテナ１４の中心軸線
Ｘ−Ｘの双方に直交する軸線ＯＰの水平面に対する傾斜
角度を指示する信号を出力するＯＰ軸線加速度計４８
と、基台３に対する方位ジンバル４０の方位軸線Ｚ−Ｚ
周りの回転角を指示する信号を出力する方位発信器２４
と、方位ジンバル４０に対するアンテナ１４の仰角軸線
Ｙ−Ｙ周りの回転角を指示する信号を出力する仰角発信
器３４と、第２のジャイロ４５より出力された中心軸線
Ｘ−Ｘと仰角軸線Ｙ−Ｙの双方に直交する軸線周りのア
ンテナ１４の回転角速度を指示する信号と仰角軸線加速
度計４７より出力された水平面に対する仰角軸線Ｙ−Ｙ
の傾斜角度を指示する信号とを入力し水平面に対する仰
角軸線Ｙ−Ｙの傾斜角を演算する仰角軸線傾斜演算器８
０と、仰角軸線傾斜演算器８０より出力された仰角軸線
Ｙ−Ｙの傾斜角と仰角発信器３４から出力された仰角軸
線Ｙ−Ｙ周りのアンテナ１４の回転角とを入力し船体の
傾斜軸線の方位を演算する仰角軸方位演算器８５と、を
有し、衛星の高度角が９０度付近にあるときは仰角軸線
Ｙ−Ｙの方位が船体の傾斜軸線の方位に整合するように
方位ジンバル４０の方位が制御され、アンテナ１４の中
心軸線Ｘ−Ｘが衛星方向に指向するように構成されたア
ンテナ指向装置において、方位発信器２４より供給され
た基台３に対する方位ジンバル４０の方位軸線Ｚ−Ｚ周
りの回転角φと仰角発信器３４より供給された方位ジン
バル４０に対するアンテナ１４の仰角軸線Ｙ−Ｙ周りの
回転角θ及び衛星高度角θ_S とから得られた船体の傾斜
値ξとより船体座標系に対する船体の動揺角α、βを演
算する動揺角演算部１００と、この動揺角演算部１００
より供給された動揺角α、βと動揺中心からアンテナ指
向装置までの動揺半径Ｒと仰角発信器３４より得られた
方位ジンバル４０に対するアンテナ１４の仰角軸線Ｙ−
Ｙ周りの回転角θと方位発信器２４より供給された方位
ジンバル４０の方位軸線Ｚ−Ｚ周りの回転角φを指示す
る信号とより仰角軸線加速度計４７及びＯＰ軸線加速度
計４８に作用する動揺加速度Δｇ_X 、Δｇ_P を演算する
動揺加速度演算部１０１と、仰角軸線加速度計及びＯＰ
軸線加速度計４７、４８の各出力信号に動揺加速度演算
部１０１の各出力信号を加算する加算器１０２、１０３
と、を設け、仰角軸線加速度計及びＯＰ軸線加速度計４
７、４８の出力信号より動揺加速度Δｇ_X 、Δｇ_P の成
分を含まない出力信号を得るように構成されている。

【００３９】本発明によれば、アンテナ指向装置におい
て、動揺角演算部１００は次式によってアンテナ指向装
置の取り付け面の動揺角α、βを演算する。 α＝ξｃｏｓφ β＝−ξｓｉｎφ 但し、α：動揺角（ピッチ角） β：動揺角（ロール角） ξ：最大傾斜値 φ：アンテナ１４の船首方位に対する回転角

【００４０】本発明によれば、アンテナ指向装置におい
て、動揺加速度演算部１０１は次式によって仰角軸線加
速度計及びＯＰ軸線加速度計４７、４８に作用する動揺
加速度Δｇ_X 、Δｇ_P を演算する。 Δｇ_X ＝Ｒ（α₂ ｓｉｎφ＋β₂ ｃｏｓφ−α₁ ²ｓｉｎβｓｉｎφ）／ｇ Δｇ_P ＝Ｒ〔（α₂ ｃｏｓφ−β₂ ｓｉｎφ）ｓｉｎθ＋（β₁ ²＋α₁ ²ｃｏ ｓβ）ｃｏｓθ＋α₁ ²ｓｉｎβｓｉｎφｓｉｎθ〕／ｇ 但し、α₁ 、β₁ ：動揺角α、βの時間１次微分 α₂ 、β₂ ：動揺角α、βの時間２次微分 ｇ：重力の加速度 Ｒ：動揺半径 θ：上記仰角発信器より得られた上記方位ジンバルに対
する上記アンテナの上記仰角軸線周りの回転角

【００４１】

【作用】本発明によれば、動揺角演算部１００において
数１の式によって動揺角α、βが求められ、動揺加速度
演算部９５において数２の式によって動揺加速度Δ
ｇ_X、Δｇ_P が求められ、加算器１０２、１０３におい
て第２の加速度計（仰角軸線加速度計）４７及び第３の
加速度計（ＯＰ軸線加速度計）４８の出力値が動揺加速
度Δｇ_X 、Δｇ_P によって補正されるから、アークサイ
ン演算器５７には船体の動揺の影響が排除された船体の
実際の傾斜に基づく加速度が供給される。従って、船体
が動揺しても、斯かる動揺に影響されることなくアンテ
ナ１４の中心軸線Ｘ−Ｘを衛星方向に正確に指向させる
ことができる。

【００４２】

【実施例】以下に図１〜図２を参照して本発明の実施例
について説明する。尚図１〜図２において図３の対応す
る部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明は省
略する。

【００４３】図１は本発明のアンテナ指向装置の１例を
示しており、アンテナ指向装置は基台３と斯かる基台３
に装着された方位ジンバル４０と方位ジンバル４０の上
端部のＵ字形部材に装着された取り付け金具４１と斯か
る取り付け金具４１に取り付けられたアンテナ１４とを
有する。

【００４４】アンテナ１４は中心軸線Ｘ−Ｘを有してお
り、アンテナ１４と斯かるアンテナ１４に装着された取
り付け金具４１とからなる組立体は中心軸線Ｘ−Ｘに直
交する仰角軸線Ｙ−Ｙの周りに回転可能に支持されてい
る。方位ジンバル４０は仰角軸線Ｙ−Ｙと直交する方位
軸線Ｚ−Ｚ周りに回転可能に基台３に支持されている。
こうして、２軸に回転可能な支持機構が構成され、斯か
る支持機構はアンテナ１４の中心軸線Ｘ−Ｘが衛星を指
向するように制御される。

【００４５】取り付け金具４１には、仰角ジャイロ４４
及び方位ジャイロ４５と第１の加速度計（図示なし）、
第２の加速度計４７及び第３の加速度計４８が装着され
ている。

【００４６】仰角ジャイロ４４によって仰角軸線Ｙ−Ｙ
周りを回転するアンテナ１４の回転角速度が検出され、
方位ジャイロ４５によって仰角軸線Ｙ−Ｙ及びアンテナ
１４の中心軸線Ｘ−Ｘの双方に直交する軸線周りのアン
テナ１４の回転角速度が検出され、第２の加速度計４７
によって水平面に対する仰角軸線Ｙ−Ｙの傾斜角度が検
出される。

【００４７】第３の加速度計４８はアンテナ１４の中心
軸線Ｘ−Ｘ及び第２の加速度計４７の入力軸線の双方に
直交する入力軸線を有するように取り付けられる。従っ
て、第３の加速度計４８はアンテナ１４の中心軸線Ｘ−
Ｘ及び仰角軸線Ｙ−Ｙの双方に直交する軸線の水平面に
対する傾斜角度を検出する。

【００４８】仰角ジャイロ４４と方位ジャイロ４５は例
えば振動ジャイロ、レートジャイロ等の角速度検出型ジ
ャイロであってよい。

【００４９】本例のアンテナ指向装置は、図３の従来例
と同様に仰角制御ループと方位角制御ループとを有し、
斯かる方位制御ループは衛星高度角が高いときにジンバ
ルロックを防止する機能を有する。従って、本例によれ
ば、衛星高度角が高いときにはアンテナ１４の仰角軸線
Ｙ−Ｙが船体の傾斜軸線方位に整合するように、即ち、
衛星高度角が高いときにはアンテナ１４の仰角軸線Ｙ−
Ｙが水平面上にあるように、方位ジンバル４０の方位を
制御するように構成されている。

【００５０】斯かる機能は上述のように、方位ジャイロ
４５及び第２の加速度計４７と仰角発信器３４と仰角軸
線傾斜演算器８０と傾斜軸線方位演算器８５と増幅器５
９とを含むループによって提供される。

【００５１】本例の制御ループは、従来の方位角制御ル
ープと比較して、新たに動揺角演算部１００及び動揺加
速度演算部１０１が設けられ、斯かる動揺加速度演算部
１０１の出力信号は加算器１０２、１０３に供給される
ように構成されている点が異なる。

【００５２】動揺角演算部１００は方位発信器２４より
出力された船体に対するアンテナ１４の方位軸線Ｚ−Ｚ
周りの回転角度φを指示する信号と加算器６１より出力
された仰角軸線Ｙ−Ｙ周りの船体の傾斜角度ξを指示す
る信号とを入力し、船体座標系における動揺角、即ち、
ピッチ角α及びロール角βを演算する。

【００５３】動揺加速度演算部１０１は動揺角演算部１
００より出力された動揺角α、βを指示する信号と方位
発信器２４より出力された船体に対するアンテナ１４の
方位軸線Ｚ−Ｚ周りの回転角度φを指示する信号と仰角
発信器３４より出力された仰角軸線Ｙ−Ｙ周りのアンテ
ナ１４の回転角度θを指示する信号と動揺中心からアン
テナ指向装置（が取り付けられた船体の取り付け位置）
までの距離即ち動揺半径Ｒを指示する信号とを入力し、
第２及び第３の加速度計４７、４８に加わる動揺加速度
Δｇ_X 、Δｇ_P を演算する。斯かる動揺加速度Δｇ_X 、
Δｇ_P はそれぞれ加算器１０２、１０３に供給される。

【００５４】第１の加算器１０２は第２の加速度計４７
の出力信号と動揺加速度演算部１０１の対応する出力信
号とを加算し、それによって生成された修正加速度信号
を仰角軸線傾斜演算器８０に供給する。第２の加算器１
０３は第３の加速度計４８の出力信号と動揺加速度演算
部１０１の対応する出力信号とを加算し、それによって
生成された修正加速度信号をアークサイン演算器５７に
供給する。

【００５５】図２を参照して本例の動揺角演算部１０１
及び動揺加速度演算部１０２の機能と動作を説明する。
図２は、半径１の単位球面を考え、斯かる単位球面とア
ンテナ１４の中心軸線Ｘ−Ｘ（図２にて線分ＯＸ）、仰
角軸線Ｙ−Ｙ（図２にて線分ＯＹ、ＯＹ’）、方位軸線
Ｚ−Ｚ（図２にて線分ＯＺ、ＯＺ’）、及びアンテナ１
４の中心軸線Ｘ−Ｘと仰角軸線Ｙ−Ｙの双方に直交する
軸線（図２にて線分ＯＰ、ＯＰ’）、の関係を示す図で
ある。衛星高度角θ_S が高く（θ_S ≒９０°とす
る。）、アンテナ１４の中心軸線Ｘ−Ｘは天頂方向を指
向している。方位軸線Ｚ−Ｚは船体面（アンテナ指向装
置の取り付け面）に常に垂直である。

【００５６】ここで、船体面に固定された座標系を考え
る。斯かる船体座標系は船体面上にＸＹ平面をとり、船
体面に垂直上方にＺ軸をとる。即ち、船体面上にて船首
方向にＹ軸をとりＹ軸に垂直にＸ軸をとり、方位軸線Ｚ
−Ｚ方向にＺ軸をとる。船体面が水平面に整合している
ときは、図示のように、Ｘ軸は線分ＯＥに沿っており、
Ｙ軸は線分ＯＣに沿っている。

【００５７】次に、船体がピッチ又はロール運動した場
合を考える。斯かる船体の動揺は船体内の１つの静止し
た点周りの回転運動であると考えることができる。斯か
る回転運動の中心点が動揺中心Ｏ_M であり、動揺中心Ｏ
_M 周りの回転角度が動揺角である。船体の斯かる動揺は
また動揺中心Ｏ_M を通る船体内の１つの回転軸線周りの
回転運動であると考えることができる。動揺中心Ｏ_M は
船体の重心付近に存在し、その位置は動揺毎に変化する
ことができる。

【００５８】アンテナ指向装置は例えば船舶のマスト上
に取り付けられ、従って、斯かるアンテナ指向装置の取
り付け位置は通常船体の動揺中心Ｏ_M より隔置されてい
る。アンテナ指向装置の取り付け位置と船体の動揺中心
Ｏ_M との間の距離を動揺半径Ｒと称する。

【００５９】衛星高度角θ_S が高く（θ_S ≒９０°）、
方位制御ループによるジンバルロック防止機能が作動し
ているものとする。仰角軸線Ｙ−Ｙは船体の傾斜軸線方
位に整合するように制御され、従って、アンテナ１４の
仰角軸線Ｙ−Ｙが水平面上にあるように制御されてい
る。衛星高度角θ_S が高く、θ_S ≒９０°では、アンテ
ナ１４の中心軸線Ｘ−Ｘと仰角軸線Ｙ−Ｙの双方に直交
する軸線ＯＰは略水平面上にある。

【００６０】船体が動揺中心Ｏ_M 周りに動揺角ξだけ回
転したと仮定する。即ち、船体が第１の回転軸線周りに
回転角度（動揺角）ξだけ回転した場合を考える。斯か
る船体の回転運動によって、例えば図示のように、船体
面が仰角軸線Ｙ−Ｙ（ＯＹ）周りに回転角度ξだけ回転
する。このとき、仰角軸線Ｙ−Ｙは第１の回転軸線に平
行である。

【００６１】斯かる船体面の運動によって、方位軸線Ｚ
−Ｚは線ＯＺから線ＯＺ’に移動する。アンテナ１４の
中心軸線Ｘ−Ｘも移動するが、制御ループによってアン
テナ１４の中心軸線Ｘ−Ｘは衛星方向を指向するように
制御される。即ち、アンテナ１４の中心軸線Ｘ−Ｘは線
ＯＸから偏倚した位置に移動し再び線ＯＸまで移動す
る。同様にアンテナ１４の中心軸線Ｘ−Ｘと仰角軸線Ｙ
−Ｙの双方に直交する線ＯＰは線ＯＰから偏倚した位置
に移動し再び元の位置、即ち、略水平面上にある線Ｏ
Ｐ’まで移動する。

【００６２】線ＯＸ、線ＯＹ及び線ＯＰは互いに直交す
る長さ１の線であり、三角形ＸＹＰは１辺がπ／２の等
辺球面三角形となる。単位球面上にて船体面上の点Ｘと
水平面上の点Ｐ（点Ｐ’）を直線で結ぶ。弧ＸＰは点Ａ
にて船体面と直交し、更に点Ｐ（点Ｐ’）にて水平面Ｏ
ＹＰ（ＯＹ’Ｐ’）と直交する。ここで、∠ＸＯＡ＝θ
＝弧ＸＡ、∠ＰＯＡ＝弧ＰＡ＝ξであり、ξは動揺運動
による最大傾斜値を示す。尚、衛星高度角θ_S は、θ_S
＝∠ＰＯＸ＝∠ＸＯＡ＋∠ＰＯＡ＝θ＋ξ＝弧ＸＰであ
る。アンテナ１４の仰角軸線Ｙ−Ｙが船首方位ＯＤとな
す角∠ＤＯＹ’は、∠ＤＯＹ’＝∠ＤＯＡ＋∠ＡＯＹ’
＝φ＋π／２である。

【００６３】船体の動揺運動によって、船体座標系ＸＹ
Ｚも移動する。船体座標系のＸ軸は線分ＯＥから線分Ｏ
Ｆに移動し、Ｙ軸は線分ＯＣから線分ＯＤに移動し、Ｚ
軸は線分ＯＺから線分ＯＺ’に移動する。ここで、∠Ｃ
ＯＤ＝α＝弧ＣＤ、∠ＥＯＦ＝β＝弧ＥＦである。従っ
て、最大傾斜値ξは動揺角（ピッチ角）α、動揺角（ロ
ール角）βを合成したものであるから、次の数１の式が
成り立つ。

【００６４】

【数１】 α＝ξｃｏｓφ β＝−ξｓｉｎφ

【００６５】ここにαは動揺角（ピッチ角）、βは動揺
角（ロール角）、ξは最大傾斜値、φはアンテナ１４の
船首方位に対する回転角である。

【００６６】動揺角演算部１００は、加算器６１より供
給された最大傾斜値ξと方位発信器２４より供給された
アンテナ１４の船首方位に対する回転角φとを使用し
て、数１の式に基づいて動揺角（ピッチ角）α、動揺角
（ロール角β）を求める演算を実行する。

【００６７】動揺加速度演算部１０１は、上述のよう
に、動揺角演算部１００より供給された動揺角α、βと
仰角発信器３４より出力された船体面に対するアンテナ
１４の中心軸線Ｘ−Ｘの傾斜角θと方位発信器２４より
供給されたアンテナ１４の船首方位に対する回転角φと
動揺半径Ｒとより、第２及び第３の加速度計４７、４８
の各々に加わる動揺加速度Δｇ_X 、Δｇ_P を演算する。
この演算式を次の数２に示す。

【００６８】

【数２】 Δｇ_X ＝Ｒ（α₂ ｓｉｎφ＋β₂ ｃｏｓφ−α₁ ²ｓｉｎβｓｉｎφ）／ｇ Δｇ_P ＝Ｒ〔（α₂ ｃｏｓφ−β₂ ｓｉｎφ）ｓｉｎθ＋（β₁ ²＋α₁ ²ｃｏ ｓβ）ｃｏｓθ＋α₁ ²ｓｉｎβｓｉｎφｓｉｎθ〕／ｇ

【００６９】ここに、α₁ 、β₁ は動揺角の時間につい
ての１次微分、α₂ 、β₂ は動揺角の時間についての２
次微分、ｇは重力の加速度、Ｒは動揺半径、θは仰角発
信器３４より得られた方位ジンバル４０に対するアンテ
ナ１４の仰角軸線Ｙ−Ｙ周りの回転角である。

【００７０】第２の動揺加速度Δｇ_X を指示する信号は
加算器１０２に供給され、第３の動揺加速度Δｇ_P を指
示する信号は加算器１０３に供給される。

【００７１】各加算器１０２、１０３では、対応する各
加速度計４７、４８より供給された加速度と対応する動
揺加速度Δｇ_X 、Δｇ_P が加算され、それによって修正
された各加速度が生成される。斯かる修正加速度は各加
速度計４７、４８に加わる動揺加速度の成分を含まない
値に補正されている。こうして、アークサイン演算部５
７には、動揺加速度の成分を含む各加速度計４７、４８
からの加速度値ではなく、動揺加速度の成分を含まない
加速度値が供給される。

【００７２】尚、図１に示していないが、各加算器１０
２、１０３の出力側に、仰角制御ループの第２のループ
の時定数及び仰角軸線傾斜演算器８０内の時定数τと比
較して充分小さい時定数を有するローパスフィルタを設
けてもよい。

【００７３】本例によれば、動揺角演算部１００と動揺
加速度演算部１０１を設けることによって、第２及び第
３の加速度計４７、４８に作用する動揺加速度の影響を
排除することができ、アークサイン演算部５７には船体
の実際の傾斜に基づく加速度が供給される。従って、船
体が動揺しても、高い精度にてアンテナ１４の中心軸線
Ｘ−Ｘを衛星方向に指向させることができる。

【００７４】以上本発明の実施例について詳細に説明し
てきたが、本発明は上述の実施例に限ることなく本発明
の要旨を逸脱することなく他の種々の構成が採り得るこ
とは当業者にとって容易に理解されよう。

【００７５】

【発明の効果】本発明によれば、動揺角演算部１００に
おいて数１の式によって動揺角α、βが求められ、動揺
加速度演算部１０１において数２の式によって動揺加速
度Δｇ _X 、Δｇ_P が求められ、加算器１０２、１０３に
おいて第２及び第３の加速度計４７、４８の出力値が動
揺加速度成分Δｇ_X 、Δｇ_P によって補正されるから、
アークサイン演算部５７には船体の実際の傾斜に基づく
加速度が供給される利点がある。

【００７６】本発明によれば、仰角制御ループにおい
て、アークサイン演算部５７には船体の実際の傾斜に基
づく加速度が供給されるから、船体の動揺加速度の影響
を排除することができ、船体が急激に動揺しても高い精
度にてアンテナ１４を衛星方向に指向させることができ
る利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるアンテナ指向装置の例を示す図で
ある。

【図２】単位球面上におけるアンテナ指向装置の動作を
説明する説明図である。

【図３】従来のアンテナ指向装置の例を示す図である。

【図４】従来の仰角軸線傾斜演算器の構成例を示す図で
ある。

【図５】従来の傾斜軸線方位演算器の構成例を示す図で
ある。

【図６】船体の傾斜軸線と仰角軸線の関係を示す図であ
る。

【符号の説明】

３ 基台 ３−１ ブリッジ部 １１ 円筒部 １３ アーム １４ アンテナ ２０ 方位軸 ２１−１、２１−２ 軸受 ２２ 方位歯車 ２３ 方位サーボモータ ２４ 方位発信器 ３０−１、３０−２ 仰角軸 ３１−１、３１−２ 軸受 ３２ 仰角歯車 ３３ 仰角サーボモータ ３４ 仰角発信器 ３５ ピニオン ４０ 方位ジンバル ４０−１ 支持軸部 ４０−２ Ｕ字形部 ４１ 取り付け金具 ４１−１、４１−２ 脚部 ４４ 仰角ジャイロ ４５ 方位ジャイロ ４７、４８ 加速度計 ５４ 積分器 ５５ 増幅器 ５６ 減衰器 ５７ アークサイン演算器 ５９ 増幅器 ６１ 減算器 ８０ 仰角軸線傾斜演算器 ８１ 積分器 ８２ 比較器 ８３ 係数器 ８４ 比較器 ８５ 傾斜軸線方位演算器 ８６ 除算器 ８７ 加算器 ８８ 比較器 １００ 動揺角演算部 １０１ 動揺加速度演算部 １０２、１０３ 加算器 Ｘ−Ｘ アンテナ中心軸線 Ｙ−Ｙ 仰角軸線 Ｚ−Ｚ 方位軸線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 一輝 東京都大田区南蒲田２丁目16番46号 株式 会社トキメック内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中心軸線を有し支持部材に装着されたア
   ンテナと、上記中心軸線に直交する仰角軸線を有し上記
   支持部材に装着されたアンテナを上記仰角軸線周りに回
   転可能に支持する方位ジンバルと、該方位ジンバルを上
   記仰角軸線に直交する方位軸線周りに回転可能に支持す
   る基台と、上記仰角軸線に平行な入力軸線を有し上記支
   持部材に装着された第１のジャイロと、上記中心軸線と
   仰角軸線の両者に直交する入力軸線を有し上記支持部材
   に装着された第２のジャイロと、水平面に対する上記仰
   角軸線の傾斜角度を指示する信号を出力する仰角軸線加
   速度計と、上記仰角軸線とアンテナの中心軸線の双方に
   直交する軸線の水平面に対する傾斜角度を指示する信号
   を出力するＯＰ軸線加速度計と、上記基台に対する上記
   方位ジンバルの上記方位軸線周りの回転角を指示する信
   号を出力する方位発信器と、上記方位ジンバルに対する
   上記アンテナの上記仰角軸線周りの回転角を指示する信
   号を出力する仰角発信器と、上記第２のジャイロより出
   力された上記中心軸線と仰角軸線の双方に直交する軸線
   周りの上記アンテナの回転角速度を指示する信号と上記
   仰角軸線加速度計より出力された水平面に対する上記仰
   角軸線の傾斜角度を指示する信号とを入力し水平面に対
   する上記仰角軸線の傾斜角を演算する仰角軸線傾斜演算
   器と、該仰角軸線傾斜演算器より出力された上記仰角軸
   線の傾斜角と上記仰角発信器から出力された上記仰角軸
   線周りの上記アンテナの回転角とを入力し船体の傾斜軸
   線の方位を演算する仰角軸方位演算器と、を有し、衛星
   の高度角が９０度付近にあるときは上記仰角軸線の方位
   が上記船体の傾斜軸線の方位に整合するように上記方位
   ジンバルの方位が制御され、上記アンテナの中心軸線が
   衛星方向に指向するように構成されたアンテナ指向装置
   において、 上記方位発信器より供給された上記基台に対する上記方
   位ジンバルの上記方位軸線周りの回転角と上記仰角発信
   器より得られた上記方位ジンバルに対する上記アンテナ
   の上記仰角軸線周りの回転角及び衛星高度角とから得ら
   れた船体の傾斜値とより船体座標系に対する船体の動揺
   角を演算する動揺角演算部と、該動揺角演算部より供給
   された動揺角と動揺中心からアンテナ指向装置までの動
   揺半径と上記仰角発信器より得られた上記方位ジンバル
   に対する上記アンテナの上記仰角軸線周りの回転角と上
   記方位発信器より供給された上記方位ジンバルの上記方
   位軸線周りの回転角とより上記仰角軸線加速度計及びＯ
   Ｐ軸線加速度計に作用する動揺加速度を演算する動揺加
   速度演算部と、上記仰角軸線加速度計及びＯＰ軸線加速
   度計の各出力信号に上記動揺加速度演算部の各出力信号
   を加算する加算器と、を設け、上記加速度計の出力信号
   より上記動揺加速度の成分を含まない出力信号を得るよ
   うに構成されていることを特徴とするアンテナ指向装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のアンテナ指向装置におい
   て、上記動揺角演算部は次式によってアンテナ指向装置
   の取り付け面の動揺角を演算することを特徴とするアン
   テナ指向装置。 α＝ξｃｏｓφ β＝−ξｓｉｎφ 但し、α：動揺角（ピッチ角） β：動揺角（ロール角） ξ：最大傾斜値 φ：アンテナ１４の船首方位に対する回転角
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のアンテナ指向装置
   において、上記動揺加速度演算部は次式によって上記仰
   角軸線及びＯＰ軸線加速度計に作用する動揺加速度Δｇ
   _X 、Δｇ_P を演算することを特徴とするアンテナ指向装
   置。 Δｇ_X ＝Ｒ（α₂ ｓｉｎφ＋β₂ ｃｏｓφ−α₁ ²ｓｉｎβｓｉｎφ）／ｇ Δｇ_P ＝Ｒ〔（α₂ ｃｏｓφ−β₂ ｓｉｎφ）ｓｉｎθ＋（β₁ ²＋α₁ ²ｃｏ ｓβ）ｃｏｓθ＋α₁ ²ｓｉｎβｓｉｎφｓｉｎθ〕／ｇ 但し、α₁ 、β₁ ：動揺角α、βの時間１次微分 α₂ 、β₂ ：動揺角α、βの時間２次微分 ｇ：重力の加速度 Ｒ：動揺半径 θ：上記仰角発信器より得られた上記方位ジンバルに対
   する上記アンテナの上記仰角軸線周りの回転角