JPH07209400A - 移動体搭載アンテナの制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アンテナを搭載する移動体の姿勢変動信号と
アンテナ指向角誤差信号を専用の検出器を用いてそれぞ
れ直接検出することで、高速かつ高精度なアンテナ追尾
を可能とする。 【構成】 従来の移動体姿勢角検出器４３に加えてアン
テナ指向角検出器４４、衛星位置算出器４５、切り替え
器４６を設けた。捕捉時にはアンテナ指向角検出器５０
とアンテナ指向角誤差検出器４４を検出器としてアンテ
ナ指向制御器５１、アンテナ駆動機構４９によってアン
テナ４１を制御する。このとき衛星位置算出器４５で
は、現在の衛星絶対位置である衛星目標位置信号５８を
生成し、衛星位置メモリ５９に格納する。また切り替え
器４６では、アンテナ指向角誤差信号５７がある電波強
度Ｖより上か下かを判断し、アンテナ指向角誤差信号５
７が強度Ｖより高い場合に限り、アンテナ指向角誤差信
号５７を用いた制御ループに切り替える働きをする。こ
の結果、連続的なアンテナ追尾制御が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は航空機、車両、船舶等の
移動体に搭載されるアンテナを電波発生源方向へ指向さ
せるための制御装置および制御方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来の移動体搭載アンテナの制御
装置の一実施例を示すブロック線図であり、１０は移動
体姿勢角変動信号、４１はアンテナ、４３は移動体姿勢
角検出器、４４はアンテナ指向角誤差検出器、４６は切
り替え器、４９はアンテナ駆動機構、５１はアンテナ指
向角制御器、５７はアンテナ指向角誤差信号である。

【０００３】従来の移動体搭載アンテナの制御装置の実
施例としては、たとえば電子情報通信学会ＳＡＮＥ９０
−５１、７ページなどに記されている。上記の制御装置
では、衛星からの電波を受信できる場合には、アンテナ
指向角誤差信号５７をアンテナ指向角誤差検出器４４に
よって検出し、その信号をアンテナ指向角制御器５１に
入力することでアンテナ４１の指向角制御を行うことが
できるが、建物などの電波遮蔽によって衛星からの電波
が受信できない場合には、アンテナ４１を搭載した移動
体の姿勢角変動を移動体姿勢角変動信号１０として移動
体姿勢角検出器４３により検出し、その移動体姿勢角変
動信号１０をアンテナ指向角制御器５１に入力してアン
テナ４１の指向角の補正を行っていた。このとき衛星か
らの電波を受信しているかどうかの判定は切り替え器４
６によって行われており、アンテナ指向角誤差信号５７
の電波強度によって切り替え器４６が自動的に切り替わ
るようになっていた。このとき移動体搭載アンテナの指
向角精度としては±１０〜１５°程度であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた従来の移動
体搭載アンテナ制御装置では、電波遮蔽などによりアン
テナ指向角誤差が直接検出できない場合でも、移動体の
姿勢角変動によってアンテナ指向角の補正は可能である
が、衛星位置信号や搭載アンテナの指向角信号などを併
用していないために、移動体指向角検出器の性能やノイ
ズ、移動体が被る外乱の影響を受ける場合には、達成で
きるアンテナ指向角の精度には限界があった。

【０００５】本発明の目的は、アンテナを搭載する移動
体の姿勢変動信号とアンテナ指向角誤差信号を専用の検
出器を用いてそれぞれ直接検出することで、高速かつ高
精度なアンテナ追尾を可能とする移動体搭載アンテナ制
御装置および制御方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の発明は、
移動体の姿勢角（ロール角、ピッチ角、ヨー角）変動を
検出する移動体姿勢角検出器と駆動制御信号に応じて移
動体に搭載されたアンテナを駆動するためのアンテナ駆
動機構とを有し、アンテナを電波発生源方向に追尾させ
るアンテナ制御装置において、移動体に搭載されたアン
テナの指向角誤差を検出するアンテナ指向角誤差検出器
と、アンテナの指向角を検出するためのアンテナ指向角
検出器と、移動体姿勢角検出器から出力される移動体姿
勢角信号とアンテナ指向角誤差検出器から出力されるア
ンテナ指向角誤差信号とアンテナ指向角検出器から出力
されるアンテナ指向角信号とを取り込み電波発生源の絶
対位置を生成する生成位置算出器と、衛星位置算出器が
発生する衛星絶対位置信号を保持する衛星位置メモリ
と、アンテナ指向角信号と移動体姿勢角信号を加算し生
成したアンテナ絶対指向角信号と、衛星位置メモリが発
生する衛星目標位置信号とアンテナ絶対指向角信号との
差であるアンテナ指向角疑似誤差信号と、アンテナ指向
角誤差信号とアンテナ指向角疑似誤差信号とを比較し各
々の信号強度に応じて出力する信号を切り替える切り替
え器と、切り替え器から出力された信号を利用してアン
テナへの制御信号を生成するアンテナ指向角制御器とを
具備したことを特徴とする。

【０００７】このときアンテナ指向角誤差検出器として
はＲＦセンサ、アンテナ駆動機構としてはＤＣサーボモ
ータ、サーボアンプとキヤ、角度検出器としてはロータ
リエンコーダ、姿勢角検出器としては光ファイバジャイ
ロなどによって構成することができる。

【０００８】第２の発明は、第１の発明のアンテナ指向
角制御器において、移動体の動揺特性を２次の伝達関数
によってモデル化し実現したＡＲモデル制御器と、積分
器から構成されることを特徴とする。このときＡＲモデ
ル制御器は２次のフィルタ回路によって構成することが
できる。

【０００９】第３の発明は、移動体に搭載されたアンテ
ナを電波発生源方向に追尾させるアンテナ制御方法にお
いて、電波発生源の位置をアンテナが受信する電波強度
から決定した上で、移動体の姿勢角（ロール角、ピッチ
角、ヨー角）信号とアンテナの指向角信号を検出し、次
に検出したアンテナ指向角誤差信号の電波強度から電波
が受信可能かどうか判定し、電波発生源からの電波が受
信可能な状態では、アンテナ指向角誤差信号を用いたア
ンテナの指向角制御を行いながら、移動体姿勢角信号と
アンテナ指向角信号とアンテナ指向角誤差信号とを足し
合わせ衛星絶対位置信号を算出した上で、衛星絶対位置
信号を記録手段によって記録し移動体姿勢角信号とアン
テナ指向角信号の検出から再び繰り返す処理を行い、ま
た電波発生源からの電波が障害物などにより遮蔽された
場合には、電波受信時に記録した衛星絶対位置信号をア
ンテナの目標指向角とし、移動体姿勢角信号とアンテナ
指向角信号とを足し合わせた信号と衛星絶対位置信号と
の差信号を用いたアンテナの指向角制御を行った上で、
移動体姿勢角信号とアンテナ指向角信号の検出処理へ戻
る処理を実施することを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明においては、検出したアンテナ指向角誤
差信号とアンテナ指向角信号と移動体姿勢角検出信号か
ら電波発生源の絶対位置を算出するための衛星位置算出
器により電波発生源の位置を任意の場所でも検出可能で
あり、さらに算出した信号を保持するための衛星位置メ
モリとを装備することにより、障害物などによる電波遮
蔽時にもアンテナの指向制御を持続することで遮蔽時か
ら受信時への切り替えが連続的に可能である。さらにア
ンテナ指向制御器としてＡＲモデル制御器を装備するこ
とで、移動体が動揺しても搭載したアンテナの指向精度
を維持することができる。

【００１１】

【実施例】次に、本発明を図面を参照しながら説明す
る。

【００１２】図１は、第１の発明である移動体搭載アン
テナの制御装置の一実施例を示すブロック図である。図
において、４１はアンテナ、４２は移動体、４３は姿勢
角検出器、４４はアンテナ指向角誤差信号、４５は衛星
位置算出器、４６は切り替え器、４７はＡＲモデル制御
器、４８は積分器、４９はアンテナ駆動機構、５０はア
ンテナ指向角検出器、５１はアンテナ指向角制御器、５
２はアンテナ指向角信号、５３はアンテナ絶対指向角信
号、５５は移動体姿勢角検出信号、５７はアンテナ指向
角誤差信号、５８は衛星絶対位置信号、５９は衛星位置
メモリ、６０は衛星目標位置信号である。

【００１３】本発明の移動体搭載アンテナの制御装置
は、図６に示した従来の移動体搭載アンテナの制御装置
に加えてアンテナ指向角検出器５０、衛星位置算出器４
５、衛星位置メモリ５９を設けたものであり、アンテナ
指向角制御器５１からアンテナ駆動機構４９に制御信号
を与えることでアンテナの指向角４１を制御するもので
ある。しかし搭載アンテナの制御装置では、アンテナ４
１を駆動することでアンテナ指向角誤差検出器４４の動
作範囲内に衛星を追い込める場合（このことを一般に捕
捉という）と、電波遮蔽などによって衛星を捕捉できな
い場合があり、そのため捕捉状態に応じてアンテナ指向
角制御器５１が得られる信号は異なる。本制御器では、
捕捉状態に応じて自動的に制御ループを切り替えるため
の切り替え器４６を装備しており、アンテナ指向角誤差
信号５７がある電波強度Ｖ（スレッシュホールド）より
上か下かをこの切り替え器４６で判断した上で制御ルー
プを切り替えることで、アンテナ指向角誤差信号５７が
強度Ｖより高い場合（衛星位置をアンテナ指向角検出器
４４によって捕捉している場合）にはアンテナ指向角誤
差信号５７を用いた制御ループを、アンテナ指向角誤差
５７が強度Ｖより低い場合にはアンテナ指向角検出器５
０と姿勢角検出器４３から検出される信号と衛星位置メ
モリ５９から出力される衛星目標位置信号６０を用いる
制御ループが構成できる。

【００１４】ここで衛星位置が捕捉可能な場合には、ア
ンテナ４１の指向方向をアンテナ指向角検出器５０によ
って検出する信号と、アンテナ指向角誤差検出器４４に
よって検出するアンテナ指向角誤差信号５７をアンテナ
指向角制御器５１へ入力しアンテナ指向角制御器５１が
発生する信号との間で差をとり、その差信号をアンテナ
駆動機構４９で使用することで、フィードバック型の制
御ループを構成する。この制御ループでは、アンテナ指
向角検出器５０によって検出される信号はアンテナ４１
の指向角精度を向上させるため補助的に使用しているだ
けで、主な制御はアンテナ指向角誤差信号５７をもとに
移動体４２の動揺によりアンテナ４１が受ける影響をア
ンテナ指向角制御器５１によって抑制しアンテナ指向角
制御を行う。このとき衛星位置算出器４５では、検出さ
れるアンテナ指向角誤差信号５７とアンテナ指向角信号
５２を足し合わせた信号に、さらに姿勢角検出器４３か
ら検出する移動体姿勢角検出信号５５を足し合わせ、現
在の衛星絶対位置である衛星絶対位置信号５８を算出
し、衛星位置メモリ５９に格納する。ここでアンテナ指
向角誤差信号５７をｒｆ、アンテナ指向角信号５２を
θ、移動体姿勢角検出信号をφとしたとき、衛星位置算
出器４５が発生する衛星絶対位置信号５８ｒｓとの間に
は、 ｒｓ＝ｒｆ＋θ＋φ （１） の関係が成立する。また衛星位置メモリ５９では、衛星
位置算出器４５によって衛星絶対位置信号５８が更新さ
れない限り、同一の衛星目標位置信号６０を発生する。

【００１５】次に、一度衛星を捕捉した後に遮蔽などに
よりその位置を見失った時の機能と再捕捉について説明
する。アンテナ指向角誤差検出器４４が目標の衛星を見
失うケースとして、建物などの障害物によって電波が遮
蔽される場合がある。このような場合には、アンテナ指
向角誤差検出器４４により検出されるアンテナ指向角誤
差信号５７の強度が低下するため、切り替え器４６は自
動的にアンテナ指向角誤差検出器４４を使用した制御ル
ープから衛星位置メモリ５９を用いる制御ループに切り
替わる。この状態では、衛星位置メモリ５９に格納され
た衛星目標位置信号５８を制御ループの目標値とし、角
度検出器５０で検出する信号と姿勢角検出器４３によっ
て検出される移動体姿勢角検出信号５５を足し合わせた
アンテナ絶対指向角信号５３を制御ループの検出信号と
して、衛星目標位置信号５８とアンテナ絶対指向角信号
５３の差信号をアンテナ指向角制御器５１へ入力し、そ
の出力信号をアンテナ駆動機構４９に入力することでア
ンテナ４１のフィードバック制御を行う。このように制
御ループを構成することで、電波遮蔽時でもアンテナ４
１の高精度指向角制御が達成できる。そして、再びアン
テナ指向角誤差検出器４４によってアンテナ指向角誤差
信号５７が受信可能になった時、その受信強度Ｖの増加
とともに切り替え器４６が切り替わり、自動的にアンテ
ナ指向角誤差検出器４４を用いた制御ループに切り替わ
ることで、再捕捉を自動的かつ迅速に実施することを可
能とする。

【００１６】以上示したように、衛星捕捉状態と捕捉不
可能な状態をアンテナ指向角誤差検出器４４により検出
されるアンテナ指向角誤差信号５７の強度Ｖに応じて、
切り替え器４６により自動的に切り替えるアンテナ制御
装置において、捕捉時に作成した衛星目標位置信号６０
を遮蔽時に用いることで、衛星が捕捉できているかどう
かの状態に関わらず連続的で高精度なアンテナ指向角制
御が可能となる。なお、特公昭６３−２６１９２８号公
報「車両用受信装置」では、衛星など電波発生源の位置
情報をＣＤ−ＲＯＭ等にあらかじめ記録しておく必要が
あるが、本発明では受信可能な電波を捕捉することで、
捕捉時の移動体・アンテナの姿勢から電波発生源の位置
を算出するため、電波発生源の位置を事前に記録してお
く必要が無く、その場所で電波発生源（ここでは衛星）
からの電波を捕捉できさえすればたとえ未知の場所であ
っても本発明は適用可能である。

【００１７】第２の発明では、アンテナ指向角制御器５
１をＡＲモデル制御器４７と積分器４８によって構成し
たものである。

【００１８】このＡＲモデル制御器４７とは、あらかじ
め計測しておいた移動体の動揺特性（周波数１．４Ｈ
ｚ、振幅±１°）をもとに、その特性を再現できるよう
に構成した確率的近似モデルのことで、正式には自己回
帰モデル（ＡｕｔｏＲｅｇｒｅｓｓｉｖｅ ｍｏｄｅ
ｌ）と呼ばれる（このモデルを一般にＡＲモデルとい
う）。ここではこのＡＲモデル制御器４７を｛（ｂ０ｓ
² ＋ａ１ｓ＋ａ２）／（ｓ²＋ｂ１ｓ＋ｂ２）：ｓはラ
プラス演算子、ａ１、ａ２、ｂ０、ｂ１、ｂ２は設計パ
ラメータ｝の形式で表し、周波数１．４Ｈｚ、振幅±１
°の特性を持つようにＢｕｒｇ’ｓ ｌａｔｔｉｃｅ−
ｂａｓｅｄ法を使ってこの設計パラメータ（ａ１、ａ
２、ｂ０、ｂ１、ｂ２）を決定する。本発明では、こう
して作成したＡＲモデル制御器４７を積分器と組み合わ
せることでアンテナ指向角制御器５１を構成する。

【００１９】このアンテナ指向角誤差制御器５１では、
車両動揺が原因となって生じるアンテナ指向角誤差に対
し、その動揺特性に追従することでアンテナ指向角誤差
を減少することが可能なＡＲモデル制御器４７と、衛星
目標位置信号６０に対して定常偏差をゼロとするための
積分器４８の作用により、移動体に搭載されたアンテナ
の高速で高精度な指向角制御が可能である。

【００２０】ここでは本制御装置の効果を明確にするた
め、実際の系を模擬し評価を行った。図２は本発明の効
果を検証するために用いた移動体搭載アンテナの追尾制
御系ブロック図である。図２において４７はＡＲモデル
制御器、４８は積分器、５１はアンテナ指向制御器、６
０は衛星目標位置信号、６１はアンテナ絶対指向角、６
２はアンテナ駆動系モデル、６３はアンテナモデル、６
４は移動体動揺データである。この評価では、アンテナ
指向角誤差検出器４４を用いた系をモデルとして実現す
ることが難しいため、任意の衛星位置目標信号６０をあ
らかじめ与えた上で検証を行った。また、移動体の動揺
については、実験車両による動揺試験によって取得した
移動体動揺データ６４を時系列データとして使用した。
図３にこの時系列化した動揺データを、また図４にこの
検証で得られたアンテナ指向角誤差の変化を示す。図３
に示したように、この車両の動揺は６秒以降に激しく変
化しているが、これに対してアンテナ指向誤差は図４に
示したように、その指向角誤差が±０．１°（約±０．
００１７ｒａｄ）以内となっており、ＡＲモデル制御器
４７と積分器４８から構成したアンテナ指向角制御器５
１が、アンテナ指向精度に対して車両動揺の及ぼす影響
を十分抑制していることがわかる。

【００２１】第３の発明を、図５に示すフローチャート
を用いて説明する。図５ではまず、ブロック１０１、１
０２において、捕捉可能な電波源を受信する電波強度か
ら判断し、電波源の捕捉を行う。これにより電波源の捕
捉が完了すると、ブロック１０３において移動体姿勢角
検出信号とアンテナ指向角検出信号を取得し、ブロック
１０４において電波源を捕捉中であるかどうかを、受信
している電波強度から判別する。このとき前記ブロック
１０４において捕捉可能と判別した場合には、アンテナ
指向角誤差信号を取得し、ブロック１０６においてこの
アンテナ指向角誤差信号をアンテナ指向角制御器へ入力
する。ブロック１０７においては前記ブロック１０３に
おいて取得した移動体姿勢角検出信号とアンテナ指向角
検出信号と、前記ブロック１０５で取得したアンテナ指
向角誤差信号を足し合わせる。さらにブロック１０８で
は、前記ブロック１０７で算出した衛星絶対位置信号を
衛星位置メモリ内に格納し、前記ブロック１０３の操作
に戻る。また前記ブロック１０４にて電波源が遮蔽など
により捕捉不可能となった場合には、前記ブロック１０
８において衛星位置メモリ内に格納した衛星絶対位置信
号をブロック１０９において取得する。次にブロック１
１０では、前記ブロック１０３にて取得した移動体姿勢
角検出信号とアンテナ指向角検出信号とを足し合わせて
作成した信号と、前記ブロック１０９において取得した
衛星絶対位置信号との差をとり、その信号をアンテナ指
向角制御器の操作量とする。ブロック１１１では前記ブ
ロック１１０において算出したアンテナ指向角制御器の
操作量をアンテナ指向角制御器へ入力し前記ブロック１
０３の操作に戻る。以上に示した操作を繰り返し行うこ
とで、一度捕捉した電波源に対する移動体搭載アンテナ
の指向角制御が、電波遮蔽を生じても連続的に行うこと
が可能となり、その結果、アンテナの指向角精度の向上
が実現できる。

【００２２】

【発明の効果】本発明を適用するならば、衛星を捕捉し
ている状態で障害物などにより突然衛星からの電波が遮
蔽された場合でも、衛星捕捉時に衛星絶対位置算出しそ
の信号を用いてアンテナ指向制御を行うことで、捕捉が
できない状態から捕捉可能な状態へ連続的な切り替えが
可能で、その結果、状態変化に対する即応性を向上さ
せ、高精度アンテナ指向制御が達成できる。さらに移動
体の動揺特性をモデル化したＡＲモデル制御器をアンテ
ナ指向制御系として利用することで、指向制御系が移動
体の動きに対して迅速に対応することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図。

【図２】評価に用いたアンテナの追尾制御系ブロック
図。

【図３】評価に用いた移動体の動揺データを示す図。

【図４】検証によって得られたアンテナ指向角誤差の時
間変化を示す図。

【図５】移動体搭載アンテナ制御方法フローチャート。

【図６】従来の移動体搭載アンテナの制御装置を示す構
成図。

【符号の説明】

１０ 移動体姿勢角変動信号 ４１ アンテナ ４２ 移動体 ４３ 姿勢角検出器 ４４ アンテナ指向角誤差検出器 ４５ 衛星位置算出部 ４６ 切り替え器 ４７ ＡＲモデル制御器 ４８ 積分器 ４９ アンテナ駆動機構 ５０ アンテナ指向角検出器 ５１ アンテナ指向角制御器 ５２ アンテナ指向角信号 ５３ アンテナ絶対指向角信号 ５５ 移動体姿勢角検出信号 ５７ アンテナ指向角誤差信号 ５８ 衛星目標位置信号 ５９ 衛星位置メモリ ６０ 衛星目標位置信号 ６１ アンテナ絶対指向角 ６２ アンテナ駆動系モデル ６３ アンテナモデル ６４ 移動体動揺データ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】移動体の姿勢角（ロール角、ピッチ角、ヨ
   ー角）変動を検出する移動体姿勢角検出器と駆動制御信
   号に応じて前記移動体に搭載されたアンテナを駆動する
   ためのアンテナ駆動機構とを有し、前記アンテナを電波
   発生源方向に追尾させるアンテナ制御装置において、前
   記移動体に搭載されたアンテナの指向角誤差を検出する
   アンテナ指向角誤差検出器と、前記アンテナの指向角を
   検出するためのアンテナ指向角検出器と、前記移動体姿
   勢角検出器から出力される移動体姿勢角信号と前記アン
   テナ指向角誤差検出器から出力されるアンテナ指向角誤
   差信号と前記アンテナ指向角検出器から出力されるアン
   テナ指向角信号とを取り込み電波発生源の絶対位置を生
   成する衛星位置算出器と、前記衛星位置算出器が発生す
   る衛星絶対位置信号を保持する衛星位置メモリと、前記
   アンテナ指向角信号と前記移動体姿勢角信号を加算し生
   成したアンテナ絶対指向角信号と、前記衛星位置メモリ
   が発生する衛星目標位置信号と前記アンテナ絶対指向角
   信号との差であるアンテナ指向角疑似誤差信号と、前記
   アンテナ指向角誤差信号と前記アンテナ指向角疑似誤差
   信号とを比較し各々の信号強度に応じて出力する信号を
   切り替える切り替え器と、前記切り替え器から出力され
   た信号を利用して前記アンテナへの制御信号を生成する
   アンテナ指向角制御器とを具備したことを特徴とする移
   動体搭載アンテナの制御装置。
2. 【請求項２】前記アンテナ指向角制御器は、前記移動体
   の動揺特性を２次の伝達関数によってモデル化し実現し
   たＡＲモデル制御器と、積分器とから構成される請求項
   １記載の移動体搭載アンテナの制御装置。
3. 【請求項３】移動体に搭載されたアンテナを電波発生源
   方向に追尾させるアンテナ制御方法において、前記電波
   発生源の位置を前記アンテナが受信する電波強度から決
   定した上で、前記移動体の姿勢角（ロール角、ピッチ
   角、ヨー角）信号と前記アンテナの指向角信号を検出
   し、次に検出したアンテナ指向角誤差信号の電波強度か
   ら電波が受信可能かどうか判定し、前記電波発生源から
   の電波が受信可能な状態では、前記アンテナ指向角誤差
   信号を用いた前記アンテナの指向角制御を行いながら、
   前記移動体姿勢角信号と前記アンテナ指向角信号と前記
   アンテナ指向角誤差信号とを足し合わせ衛星絶対位置信
   号を算出した上で、前記衛星絶対位置信号を記録手段に
   よって記録し前記移動体姿勢角信号と前記アンテナ指向
   角信号の検出から再び繰り返す処理を行い、また前記電
   波発生源からの電波が障害物などにより遮蔽された場合
   には、電波受信時に記録した前記衛星絶対位置信号を前
   記アンテナの目標指向角とし、前記移動体姿勢角信号と
   前記アンテナ指向角信号とを足し合わせた信号と前記衛
   星絶対位置信号との差信号を用いた前記アンテナの指向
   角制御を行った上で、前記移動体姿勢角信号と前記アン
   テナ指向角信号の検出処理へ戻る処理を実施することを
   特徴とする移動体搭載アンテナの制御方法。