JPH07321534A - アンテナシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型無人機にも搭載できるアンテナシステム
を構成する。 【構成】 複数のフェイズドアレイアンテナ３を機体に
分散配置する。方位センサ６で機体の方位を検出し、こ
の方位検出結果に応じてアンテナ制御器４でいずれかの
アンテナを活性化して画像信号等のデータ７を送信す
る。 【効果】 地上局２を常に指向することができると共
に、機体の軽量化を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアンテナシステムに関
し、特に飛翔体に搭載され該飛翔体と外部の局との間で
データの授受を行うためのアンテナシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、飛行機に観測機器を搭載し、種
々の情報を地上へ伝送して必要な情報を得ることがしば
しば行われる。特に、小型無人機は有人機と異なり、人
が近づけない危険な場所（例えば、火山の火口の中）に
近づいて種々の情報を伝送することができる。

【０００３】この場合、周知のテレビカメラ、ＩＲ（ｉ
ｎｆｒａｒｅｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）ラインスキャ
ナ、合成開口レーダ、レーザ測距儀等の各種センサ機器
（以下、情報収集機器と呼ぶ）を小型無人機に搭載し、
遠隔地の安全な場所に画像データや非画像データを伝送
するのである。なお、飛行機等の飛翔体により得られる
画像の分解能を高める公知技術として特開昭５６―６１
６７０号公報がある。

【０００４】従来、飛行機から画像信号等の多量のデー
タを地上へ伝送する場合、伝送距離を確保するためにハ
イゲインを有するパラボラアンテナが使用されている。
このパラボラアンテナは指向性を有するので、飛行機の
姿勢にかかわらず常に地上局の方向にアンテナを向ける
必要がある。このため、アンテナを３６０度回転させる
機構を設けると共に、アンテナを覆うドームを設ける必
要があった。そして、このドームは機体の上部又は下部
に突き出ていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したパラボラアン
テナは、伝送する電波の周波数から小型化するには限度
がある。したがって、パラボラアンテナを収納したアン
テナドームを機体の上部又は下部に突き出すことは、飛
行機にとって空力的に大きな抵抗となるため、有人機に
おいても小型機になるほど飛行性能に悪影響を及ぼす。

【０００６】また、飛行機の姿勢に応じてアンテナを常
に地上局に向けておく必要性からアンテナ駆動装置には
速い応答速度が求められる。したがって、駆動力の大き
なモータが必要となり巻線数が多くなる他、モータ用電
源も出力の大きなものが必要になる。よって、小型有人
機よりも更に小型の無人機においてはアンテナを搭載す
ると飛行自体ができなくなる場合があるという欠点があ
る。このため、実質的にトラッキングアンテナを搭載す
ることはできないという欠点があった。

【０００７】なお、先述した特開昭５６―６１６７０号
公報は、飛翔体により得られる画像の分解能を高めるも
のにすぎず、この公知技術によっても上述した従来技術
の欠点を解決することはできない。

【０００８】本発明は上述した従来技術の欠点を解決す
るためになされたものであり、その目的は小型無人機に
も搭載することのできるアンテナシステムを提供するこ
とである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によるアンテナシ
ステムは、飛翔体に搭載されるアンテナシステムであっ
て、前記飛翔体に分散配置された第１〜第Ｎの（Ｎは２
以上の整数）フェイズドアレイアンテナと、前記飛翔体
の方位を検出する方位検出手段と、この検出結果に応じ
て前記第１〜第Ｎのフェイズドアレイアンテナのうちの
いずれかのアンテナを活性化する制御手段とを含むこと
を特徴とする。

【００１０】

【作用】複数のフェイズドアレイアンテナを飛翔体に分
散配置する。飛翔体の方位を検出し、この検出結果に応
じてそれらフェイズドアレイアンテナのうちのいずれか
のアンテナを活性化してデータを授受する。

【００１１】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。

【００１２】図１は、本発明によるアンテナシステムの
一実施例の構成を示す概略図である。図において、本発
明の一実施例によるアンテナシステムは、小型無人機１
に搭載されるものであり、複数のアンテナモジュール３
と、小型無人機１の方位を検出する方位センサ６と、ア
ンテナモジュール３のうちのいずれか１つを活性化する
アンテナ制御器４と、方位センサ６の方位検出結果であ
る位置情報９に応じて制御器４を制御するアンテナ制御
用計算機５とを含んで構成されており、地上局２にデー
タ７を送信するものである。

【００１３】ここで、これらアンテナモジュール３等は
無人機１内に分散配置される。特に、アンテナモジュー
ル３は無人機１の機体の前、後、胴体面上に分散して配
置され、機体姿勢に応じて切替えられて使用される。つ
まり、無人機１の進行方向前方に指向性を有する前方ア
ンテナ群と、その進行方向後方に指向性を有する後方ア
ンテナ群と、その進行方向略直角方向に指向性を有する
中央アンテナ群とから構成され、これらを切替えて使用
することにより常にアンテナビームを地上局２に指向し
てデータ７を伝送するのである。

【００１４】なお、各アンテナモジュール３は本実施例
ではフェイズドアレイアンテナ（ｐｈａｓｅｄ ａｒｒ
ａｙ ａｎｔｅｎｎａ）モジュールであるものとする。

【００１５】図２は、アンテナモジュール３を分散配置
した場合のアンテナパターン図であり、同図（ａ）が側
面図、同図（ｂ）が正面図である。

【００１６】これらの図（ａ）及び（ｂ）に示されてい
るように、無人機１の全周囲３６０度をカバーするため
に、前方に４枚のアンテナモジュールＡ１〜Ａ４、中央
に４枚のアンテナモジュールＢ１〜Ｂ４、後方に４枚の
アンテナモジュールＣ１〜Ｃ４を取付けられている。各
アンテナモジュールからは、図示のような扇形のアンテ
ナパターンが生じることになり、無人機１の全周囲３６
０度をカバーすることができる。

【００１７】すなわち、機体からみて地上局が進行方向
前方に位置していれば、アンテナモジュールＡ１〜Ａ４
のいずれかを活性化するのである。また、地上局が進行
方向後方に位置していれば、アンテナモジュールＣ１〜
Ｃ４のいずれかを活性化するのである。同様に、地上局
が進行方向略直角方向に位置していれば、アンテナモジ
ュールＢ１〜Ｂ４のいずれかを活性化するのである。

【００１８】図３は本発明の実施例によるアンテナシス
テムの構成を示すブロック図であり、図１と同等部分は
同一符号により示されている。なお、情報収集機器８は
テレビカメラ、ＩＲラインスキャナ、合成開口レーダ、
レーザ測距儀等の各種センサ機器であり、画像データ及
び非画像データが出力される。

【００１９】アンテナモジュール３は全て同一の構成で
あり、送信モジュール３―３と、移相器３―２と、アン
テナ素子３―１とを含んで構成されている。

【００２０】かかる構成において、まず無人機１の発進
前に地上局２の位置情報及び自機１の発進位置情報を初
期データ１０としてアンテナ制御用計算機５にインプッ
トする。無人機１の発進後は方位センサ６からの位置情
報９に応じてアンテナ制御器４が最適なアンテナモジュ
ールを選別しそのモジュールのみを活性化すると共に、
アンテナモジュールの移相器３―２を調整して常に地上
局２へアンテナビームの中心を指向させる。

【００２１】機体姿勢が変化し現在活性化中のアンテナ
モジュールがその位相制御可能範囲を越える場合には、
アンテナ制御器４は他の最適なアンテナモジュールを選
別して活性化する。これにより、常に地上局２にアンテ
ナビームがトラッキングするように制御される。

【００２２】さらに、アンテナ制御器４は情報収集機器
８から出力されるデータ８０を入力し、選別したアンテ
ナモジュール内の各送信モジュール３―３へデータ８０
を入力せしめることにより、送信波を変調する。データ
８０により変調された送信波は移相器３―２を経て各ア
ンテナ素子３―１により空中で地上局２を指向したアン
テナビームが合成され送信される。つまり、地上局２を
常に指向することができるのである。

【００２３】ここで、最適なアンテナモジュールの選別
方法について図面を参照して説明する。

【００２４】図４は無人機の機首方位と地上局の位置と
の関係を示す図である。図において、無人機の発進前に
方位センサ６は機首方位Ｋを出力する。例えば、基準方
位を「北」とすると、北からの角度Ａ0 を出力するので
ある。

【００２５】また、発進地点からみた地上局２の初期方
位を入力しておく。例えば、同じく基準方位を「北」と
すると、北からの角度Ｂ0 を入力しておくのである。

【００２６】以上により、無人機のアンテナが地上局２
に向って指向すべき角度は、Ｂ0 −Ａ0 であることがわ
かる。この結果、機首からＢ0 −Ａ0 の角度をカバーす
るアンテナモジュールを選別することができるのであ
る。

【００２７】次に、無人機はその飛行中、地上からの管
制によって次々と方位を変えるが、機首方位角度Ａは方
位センサにより刻々とデータが更新され、常にそのとき
の角度を知ることができる。

【００２８】また、無人機における基準方位（北）から
地上局２の方位角Ｂは以下の手順により知ることができ
る。すなわち、無人機内の計算機は飛行した時間、速
度、一定時間毎の機首方位の履歴等から、無人機の位置
座標を随時計算することができる。一方、地上局２の位
置座標は既知であるので、無人機の位置座標と地上局２
の位置座標とから無人機における基準方位から地上局２
の方位角Ｂを計算することができるのである。この方位
角Ｂの計算は飛行中常時行うが、アンテナのトラッキン
グシステムから得られる補正角によっても補正を行う。

【００２９】この補正した方位角Ｂと、機首方位角Ａと
から、機首から地上局２への方位角Ｂ−Ａが得られ、飛
行中も最適なアンテナモジュールを選別することができ
るのである。

【００３０】以上の説明において、機首方位角と地上局
への方位角との関係を示したものが図５である。図に示
されているように、飛行時刻Ｔ0 、Ｔ1 、Ｔ2 、Ｔ3 に
応じて機体の位置が刻々と変化するが、各時刻における
機首方位角Ａ0 、Ａ1 、Ａ2、Ａ3 及び基準方位から地
上局２の方位角Ｂ0 、Ｂ1 、Ｂ2 、Ｂ3 がわかるので、
地上局２の方位角Ｂ0 −Ａ0 、Ｂ1 −Ａ1 、Ｂ2 −Ａ2
、Ｂ3 −Ａ3 がわかるのである。

【００３１】さらに、各アンテナモジュールについて説
明する。各アンテナモジュールは周知のフェイズドアレ
イアンテナモジュールである。フェイズドアレイアンテ
ナモジュールは、超小型のアンテナ素子３―１、移相器
３―２及び送信モジュール３―３とを含んで構成されて
いる。

【００３２】まず、単一フェイズドアレイアンテナモジ
ュールは、図３を再度参照すると、アンテナ素子３―１
から送信すべき送信波を発生する。移相器３―２は、こ
の送信モジュール３―３が発生する送信波の位相を、ア
ンテナ制御器４からの指示にしたがって変化制御する。
アンテナ素子３―１は、移相器３―２で位相調整した送
信波を空間に送出する。

【００３３】次に、フェイズドアレイアンテナモジュー
ルはその構成品である各単一フェイズドアレイアンテナ
モジュールの各送信波の位相を夫々変えることによっ
て、真正面を中心に左右及び上下に各約４５度の範囲で
アンテナの指向方位を高速度で変えることができるので
ある。

【００３４】ここで例えば、図６（ａ）に示されている
ように、アンテナ素子３―１ａ、３―１ｂ…３―１ｎが
真正面を指向する場合は、各素子３―１ａ〜３―１ｎか
らの電波の位相は全て同一になる。これに対し、同図
（ｂ）に示されているように、各アンテナ素子が真正面
からα度の方位を指向する場合は各素子３―１ａ〜３―
１ｎからの電波の位相は夫々異なるものになる。

【００３５】この夫々異なる位相を作出すものが移相器
３―２である。移相器３―２は位相遅れが夫々異なる線
路を組合せることによって０度から３６０度まで位相を
変えることができるのである。

【００３６】図７にその一例が示されている。図におい
ては入力端子１００と出力端子２００との間に４つのス
イッチＳＷ１〜ＳＷ４が設けられ、各スイッチには夫々
同一の長さの線路Ｓ０の他、異なる長さの線路Ｓ１〜Ｓ
４が接続されている。したがって、各スイッチＳＷ１〜
ＳＷ４を切替えることにより、種々の長さの線路を入力
端子１００と出力端子２００との間に形成することがで
きる。

【００３７】ここで、線路Ｓ０を位相遅れ零度用の線路
とし、線路Ｓ１を位相遅れ２２．５度用、線路Ｓ２を位
相遅れ４５度用、線路Ｓ３を位相遅れ９０度用、線路Ｓ
４を位相遅れ１８０度用の線路とすれば、スイッチＳＷ
１〜ＳＷ４の切替接続の組合せにより、零度から３６０
度まで２２．５度の間隔で位相を変化させることができ
るのである。例えば、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を全て図
中下側にセットすれば、３３７．５度の位相遅れを作出
すことができる。

【００３８】以上のように本実施例では、フェイズドア
レイアンテナモジュールを機体表面に分散配置すること
により空力的な影響は最小であり、またアンテナ駆動装
置も不要となって機体の軽量化を図ることができるので
ある。

【００３９】さらに、アンテナ制御器４等の他の機器を
機体内に分散して配置できるため、小型無人機への搭載
が可能になる。すなわち、小型無人機はその名の通り、
有人機に比べて軽量小型であり、運用が簡便な点にその
特徴がある。このため、搭載スペース、重量ともに制限
があり、機器の搭載には機体の前後、左右の重量バラン
スを確認しながらバラスト（ｂａｌｌａｓｔ）等を調整
する必要がある。

【００４０】アンテナ制御器４及び計算機５は小型無人
機への搭載に当り、機器間を接続するケーブルを延ばす
ことにより、分散配置できるのである。これは、小型無
人機の限りある空きスペースを有効に利用できるのみな
らず、機体の重量バランスを考慮しつつ各機器を取付け
ることによりバラストによる調整（通常重量増となる）
を大巾に低減できるというメリットがある。

【００４１】特に、機体の重量バランス上、バラストを
大巾に増加すると発進できなくなる場合もあるので、か
かるバラストによる調整を低減できるというメリットは
大きい。

【００４２】なお、以上の実施例においては無人機を例
に説明したが、有人機やその他の飛翔体にも本発明が適
用できることは明らかである。

【００４３】また、フェイズドアレイアンテナの数や配
置は上述の実施例に限定されるものではないことは勿論
である。

【００４４】さらに、上述の実施例においては、アンテ
ナを活性化することはデータをアンテナから送信するこ
とを意味しているが、これに限らずデータをアンテナか
ら受信する場合や送受信する場合にも本発明が適用でき
ることは明らかである。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、複数のフ
ェイズドアレイアンテナを飛翔体に分散配置し、飛翔体
の方位検出結果に応じてそれらフェイズドアレイアンテ
ナのうちのいずれかのアンテナを活性化することにより
機体の軽量化を図ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるアンテナシステムを小型
無人機に搭載した場合を示す概略構成図である。

【図２】図１のアンテナシステムによるアンテナパター
ン図であり、（ａ）が側面図、（ｂ）が正面図である。

【図３】本発明の実施例によるアンテナシステムの構成
を示すブロック図である。

【図４】無人機の機首方位と地上局の位置との関係を示
す図である。

【図５】機首方位角と地上局への方位角との関係を示す
図である。

【図６】（ａ）は各アンテナ素子が真正面を指向する場
合における各電波の位相の関係を示す図、（ｂ）は各ア
ンテナ素子が真正面からα度の方位を指向する場合にお
ける各電波の位相の関係を示す図である。

【図７】移相器の一構成例を示す図である。

【符号の説明】 １ 小型無人機 ２ 地上局 ３ アンテナモジュール ３―１ アンテナ素子 ３―２ 移相器 ３―３ 送信モジュール ４ アンテナ制御器 ５ アンテナ制御用計算機 ６ 方位センサ ８ 情報収集機器 １０ 初期データ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 飛翔体に搭載されるアンテナシステムで
   あって、前記飛翔体に分散配置された第１〜第Ｎの（Ｎ
   は２以上の整数）フェイズドアレイアンテナと、前記飛
   翔体の方位を検出する方位検出手段と、この検出結果に
   応じて前記第１〜第Ｎのフェイズドアレイアンテナのう
   ちのいずれかのアンテナを活性化する制御手段とを含む
   ことを特徴とするアンテナシステム。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、予め定められた基準方
   向と前記検出結果との方位差を算出する手段と、この算
   出結果に応じて前記第１〜第Ｎのフェイズドアレイアン
   テナのうちのいずれかのアンテナを活性化する手段とを
   含むことを特徴とする請求項１記載のアンテナシステ
   ム。
3. 【請求項３】 前記第１〜第Ｎのフェイズドアレイアン
   テナの各々は、複数のアンテナ素子からなるアンテナア
   レイと、この複数のアンテナ素子に対応して設けられ前
   記方位検出手段の検出結果に応じて対応アンテナ素子に
   所定位相遅延を与える移相器とを含むことを特徴とする
   請求項１又は２記載のアンテナシステム。
4. 【請求項４】 前記第１〜第Ｎのフェイズドアレイアン
   テナは、前記飛翔体の進行方向前方に指向性を有する前
   方アンテナ群と、該進行方向後方に指向性を有する後方
   アンテナ群と、該進行方向略直角方向に指向性を有する
   中央アンテナ群とからなることを特徴とする請求項１〜
   ３のいずれかに記載のアンテナシステム。