JPWO2018151250A1 - アンテナ装置、アンテナ制御装置およびアンテナ装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

方位角支持部（１０２）は、方位角軸を中心として回転できる。仰角支持部（１０４）は、仰角軸を中心として回転できる。補助支持部（１０３）は、仰角軸に垂直な補助軸を中心として回転できる。アンテナ制御装置（４００）は、パラボラアンテナ（１０８）を指向させる方向である指向指令方向を算出する。アンテナ制御装置（４００）は、通信対象を初期捕捉する際に、補助軸の原点をその回転範囲の中央とし、指向指令方向の方位角および仰角を方位角軸および仰角軸の原点として設定する。アンテナ制御装置（４００）は、指向指令方向へ向き、かつ方位角軸、仰角軸および補助軸のそれぞれの原点からの変化量の和が最小になるように、方位角支持部（１０２）と仰角支持部（１０４）と補助支持部（１０３）とを駆動する量を指示する駆動指令値を算出する。アンテナ制御装置（４００）は、駆動指令値に従って方位角支持部（１０２）と仰角支持部（１０４）と補助支持部（１０３）とを制御する。

Description

本発明は、アンテナ装置、アンテナ制御装置およびアンテナ装置の制御方法に関する。

パラボラアンテナなどの指向性を有するアンテナで人工衛星や地上基地局との間で無線通信するためには、アンテナを制御して通信対象の方向に指向させ、さらに追尾させる必要がある。アンテナの制御方法の一つである協調制御の例として特許文献１または２に記載の方法がある。

特許文献１には、移動体の光通信における光アンテナの指向角制御において、粗駆動機構および精駆動機構の二つの駆動機構を有する捕捉追尾制御装置が記載されている。

特許文献２には、移動体固定座標系における衛星の方位角および仰角を算出し、アンテナのジンバル座標系における方位角および仰角を受信信号がピークとなる方向へアンテナを駆動して検出し、軸ずれ量を計算し、軸ずれ量の変更を指令する衛星追尾用アンテナ制御装置が記載されている。

特開２０１２−２５３４８４号公報 特開２００３−３７４２４号公報

従来の協調制御では、アンテナ装置に固有な座標系の原点からの変化量が最小になるように駆動するように制御する。移動体にアンテナを搭載して通信する移動体通信では、アンテナの位置および向きが変化し、通信対象の初期捕捉時の制御量が変化する。

アンテナ装置は一般にアンテナが指向する方向である指向方向の方位角を変更する回転軸である方位角軸と仰角を変更する回転軸である仰角軸とを備える。仰角軸に垂直な回転軸であり指向方向を変更できる補助軸をさらに備えるアンテナ装置も用いられる。一般にこれらの軸には機械的な駆動範囲が定められており、補助軸は特に駆動範囲が狭いことがある。移動体通信において補助軸を備えるアンテナ装置を協調制御する場合、協調制御では各軸の角度を座標系の原点からの変化量が最小になるように駆動しようとするため、通信対象の初期捕捉時に補助軸の初期位置が原点からずれた状態を取ることがある。この状態で通信対象を追尾制御すると、補助軸の初期位置が原点からずれていることによって補助軸が駆動範囲の限界に達することがあり、補助軸が方位角軸および仰角軸を十分に補助できずに通信対象を追尾できなくなる場合があるという課題があった。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであって、通信対象を追尾できなくなることを防ぐことが可能なアンテナ装置、アンテナ制御装置およびアンテナ装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るアンテナ装置は、通信対象への電磁波を送信し、通信対象からの電磁波を受信するアンテナと、方位角支持部と、仰角支持部と、補助支持部と、制御装置とを備える。方位角支持部は、方位角軸を中心として回転可能にアンテナを支持する。仰角支持部は、決められた仰角軸回転範囲で仰角軸を中心として回転可能にアンテナを支持する。補助支持部は、仰角軸回転範囲よりも小さく決められた補助軸回転範囲で仰角軸に垂直な補助軸を中心として回転可能にアンテナを支持する。制御装置は、指向指令方向算出部、原点設定部および駆動指令値算出部を有する。指向指令方向算出部は、通信対象が存在する方向にアンテナを指向させる方向である指向指令方向を算出する。原点設定部は、通信対象を初期捕捉する際に、補助軸の原点を補助軸回転範囲の中央とし、方位角軸および仰角軸の原点を初期捕捉時の指向指令方向へアンテナが向く方位角軸および仰角軸の角度に設定する。駆動指令値算出部は、アンテナが指向指令方向へ向き、かつ方位角軸、仰角軸および補助軸のそれぞれの原点からの変化量の和が最小になるように、方位角支持部と仰角支持部と補助支持部とを駆動する量を指示する駆動指令値を算出する。

本発明によれば、通信対象を追尾できなくなることを防ぐことが可能なアンテナ装置、アンテナ制御装置およびアンテナ装置の制御方法を提供できる。

この発明の実施の形態に係るアンテナ装置を含む移動体通信システムの概要を示す模式図である。 実施の形態に係るアンテナ装置が搭載された移動局の構成を示すブロック図である。 実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す正面図である。 実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す側面図である。 実施の形態に係るアンテナ装置の指向方向を変更するための基礎支持部、方位角支持部、補助支持部、仰角支持部、および主反射鏡の関係を説明する模式図である。 実施の形態に係るアンテナ装置の指向方向を変更する際の回転軸の関係を説明する模式図である。 実施の形態に係るアンテナ装置の制御処理のフローチャートである。 実施の形態に係るアンテナ装置における情報の授受を示す図である。 実施の形態に係るアンテナ装置が通信対象を初期捕捉および追尾するシーケンスを示す図である。 従来の駆動指令値の生成手法を示す図である。 実施の形態に係るアンテナ装置における駆動指令値の生成手法を示す図である。 実施の形態に係るアンテナ装置が通信対象を捕捉する前のＡＺ軸の向きと通信対象が存在する向きとを示す図である。 実施の形態に係るアンテナ装置が通信対象を捕捉した後のＡＺ軸の向きと通信対象が存在する向きとを示す図である。

本発明の実施の形態に係るアンテナ装置について、図１から図１３を参照して説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係るアンテナ装置を含む移動体通信システム１の概要を示す模式図である。図１に示すように、移動体通信システム１は、移動通信局である移動局１０と、移動局１０と通信する地上通信局である通信相手局２０と、移動局１０と通信相手局２０との通信を中継する中継局３０と、から構成される。図１に示す矢印は無線通信を示す。

図２は、実施の形態に係るアンテナ装置が搭載された移動局１０の構成を示すブロック図である。図２に示すように、移動局１０は、通信のための電磁波を放射および受信するアンテナ装置１００と、アンテナ装置１００を使用して無線通信する通信装置６００と、移動局１０の位置および機首方位を算出する位置取得部２００と、移動局１０の傾き（姿勢）を算出する動揺取得部３００と、これらが設置される移動体５００と、を備える。移動局１０は、通信相手局２０と直接通信する、または中継局３０を介して通信相手局２０と通信する移動通信局である。中継する場合には中継局３０が、中継しない場合には通信相手局２０が、移動局１０の通信対象である。

アンテナ装置１００および通信装置６００は、移動体５００に設置され、電磁波を送受信する通信相手局２０または中継局３０と無線通信する。図３は、アンテナ装置１００の構成を示す正面図であり、図４はアンテナ装置１００を図３に示す矢印Ａから見た側面図である。

アンテナ装置１００は、パラボラアンテナ１０８と、パラボラアンテナ１０８をその指向方向を変更可能に支持するアンテナ架台７００と、アンテナ架台７００が有する駆動部を制御するアンテナ制御装置４００とを有する。アンテナ架台７００は、移動体５００に設置される基礎支持部１０１と、基礎支持部１０１に支持される方位角支持部１０２と、方位角支持部１０２に支持される補助支持部１０３と、補助支持部１０３に支持される仰角支持部１０４とを有する。仰角支持部１０４は、パラボラアンテナ１０８を支持する。なお、アンテナ装置１００がアンテナ制御装置４００を含まないとして、アンテナ制御装置４００がアンテナ装置１００を制御すると考えてもよい。

アンテナ架台７００の指向方向を変更する駆動部であるアンテナ駆動装置８００は、方位角支持部１０２を基礎支持部１０１に対して回転駆動する方位角駆動装置１０１Ａと、補助支持部１０３を方位角支持部１０２に対して回転駆動する補助軸駆動装置１０２Ａと、仰角支持部１０４を補助支持部１０３に対して回転駆動する仰角駆動装置１０３Ａとを有する。

仰角支持部１０４に支持されるアンテナであるパラボラアンテナ１０８は、送受信する電磁波を反射する主反射鏡１０５と、主反射鏡１０５の焦点の位置に設けられた副反射鏡１０６と、副反射鏡１０６に向けて電磁波を送受信する主反射鏡１０５の光軸（ＰＯＬ軸）に沿って設けられた導波管型の輻射器１０７とから構成される。輻射器１０７は、ＰＯＬ軸の回りに偏波角変更部１０７Ａにより回転可能である。偏波角変更部１０７Ａは、アンテナ駆動装置８００に含まれる。

通信装置６００は、送受信する電磁波の電力を増幅するアンプ、送受信する電磁波の周波数を変換する周波数変換器およびその他の無線通信に通常用いる装置を備える。通信装置６００は、この発明とは関係が小さいので、通信装置６００についての詳細な説明は割愛する。

アンテナ装置１００は、基礎支持部１０１により、移動体５００（図２に図示）の基準面に設置される。基礎支持部１０１は、ＡＺ軸（方位角軸）を中心として方位角支持部１０２を回転させる方位角駆動装置１０１Ａを含む。ＡＺ軸および他の回転軸の詳細については後述する。

方位角支持部１０２は、基礎支持部１０１に、移動体５００の基準面に垂直な回転軸であるＡＺ軸を中心として回転可能に設置される。方位角支持部１０２は、基礎支持部１０１に載る平板状の部分と斜め上方に延びる軸（ＸＥＬ軸）とを有する。方位角支持部１０２には、補助支持部１０３をＸＥＬ軸（補助軸）中心として回転させる補助軸駆動装置１０２Ａが設けられている。

補助支持部１０３は、方位角支持部１０２の上端側に、ＸＥＬ軸を中心として回転可能に設置される。ＸＥＬ軸はＡＺ軸と交差する。補助支持部１０３には駆動範囲（回転が可能な角度範囲）が定められ、その範囲を超えては回転しない。補助支持部１０３は、水平な中央部と、中央部の両側に中央部に対して屈曲して斜め上方に延在する端部を有する。中央部がＸＥＬ軸の回りに回転可能に方位角支持部１０２に接続されている。補助支持部１０３の２つの端部のＥＬ軸方向の外側には、仰角支持部１０４が配置される。補助支持部１０３の２つの端部は、ＥＬ軸を介して仰角支持部１０４を回転可能に支持する。補助支持部１０３には、ＥＬ軸（仰角軸）を中心として仰角支持部１０４を回転させる仰角駆動装置１０３Ａが設けられている。

仰角支持部１０４は、ＥＬ軸を中心として回転可能に補助支持部１０３に設置される。ＸＥＬ軸がゼロ度を取る場合に、ＥＬ軸は移動体５００の基準面に平行でありＡＺ軸と直交する。ＥＬ軸は、ＡＺ軸と交差し、ＸＥＬ軸に垂直な回転軸である。ＡＺ軸、ＸＥＬ軸およびＥＬ軸は、１点で交差する。

偏波角変更部１０７Ａは、ＰＯＬ軸（偏波角軸）を中心として輻射器１０７を回転させる。また、輻射器１０７だけでなくパラボラアンテナ１０８全体をＰＯＬ軸の回りに回転させる場合もある。ＰＯＬ軸は、主反射鏡１０６の裏面側にその駆動部が設けられ、ＥＬ軸に垂直かつ主反射鏡１０５の光軸と一致した回転軸である。

図５は、実施の形態に係るアンテナ装置の指向方向を変更するための基礎支持部１０１、方位角支持部１０２、補助支持部１０３、仰角支持部１０４および主反射鏡１０５の関係を説明する模式図である。図５では、それぞれの支持部は回転軸と軸受とによって模式的に示されている。図５に示すように、方位角支持部１０２は基礎支持部１０１にＡＺ軸を中心として回転可能に支持される。補助支持部１０３は方位角支持部１０２にＸＥＬ軸を中心として回転可能に支持される。仰角支持部１０４は補助支持部１０３にＥＬ軸を中心として回転可能に支持される。主反射鏡１０５は仰角支持部１０４に支持される。なお、アンテナ装置によっては、補助支持部が仰角支持部に支持され、偏波角変更部が補助支持部に支持される場合もある。

図３および図４に戻り、パラボラアンテナ１０８の構造を説明する。主反射鏡１０５は、例えば放物面状の反射面を有し、輻射器１０７が発信し、副反射鏡１０６で反射された電磁波または通信相手局２０もしくは中継局３０から発信されて入射する電磁波を反射する。主反射鏡１０５は、仰角支持部１０４に支持される。

輻射器１０７は、主反射鏡１０５の光軸がＰＯＬ軸と一致するように、ＰＯＬ軸を中心として回転可能に設置される。輻射器１０７はホーンアンテナであるが、これに限られない。主反射鏡１０５と副反射鏡１０６と輻射器１０７とがアンテナであるパラボラアンテナ１０８を構成する。パラボラアンテナ１０８は、通信対象への電磁波を送信し、通信対象からの電磁波を受信する。なお、主反射鏡１０５の焦点の位置に輻射器を設ける構成のアンテナを使用してもよい。

基礎支持部１０１と、方位角支持部１０２と、補助支持部１０３と、仰角支持部１０４とは、支持対象であるパラボラアンテナ１０８を支持する。

アンテナ装置１００が駆動する際の回転軸について、より詳細に説明する。図６は、アンテナ装置１００の指向方向を変更する際の回転軸の関係を説明する模式図である。図６において太線矢印の方向は、パラボラアンテナ１０８が指向している方向である。

図６に示すように、ＡＺ軸は、パラボラアンテナ１０８を方位角が変化する方向に駆動する駆動軸である。ＡＺ軸は方位角軸とも呼ぶ。

ＥＬ軸は、パラボラアンテナ１０８を仰角が変化する方向に駆動する駆動軸である。ＥＬ軸は、ＸＥＬ軸がゼロ度である場合にＡＺ軸に垂直である。ＥＬ軸は仰角軸とも呼ぶ。

ＰＯＬ軸は、送信する電磁波の偏波の方向である偏波角を回転させるために駆動する駆動軸である。パラボラアンテナ１０８では、輻射器１０７を回転させることで、ＰＯＬ軸を回転させる。ＰＯＬ軸はＥＬ軸に垂直であり、パラボラアンテナ１０８の指向方向に一致する。ＰＯＬ軸を中心として輻射器１０７が駆動されることで、送信する電磁波の偏波方向が制御される。ＰＯＬ軸は偏波角軸とも呼ぶ。

ＸＥＬ軸は、ＡＺ軸およびＥＬ軸の駆動を補助する補助駆動軸である。ＸＥＬ軸は、ＥＬ軸に垂直である。ＸＥＬ軸は補助軸とも呼ぶ。ＸＥＬ軸を中心とする回転の決められた回転可能な角度範囲を、補助軸回転範囲と呼ぶ。ＥＬ軸を中心とする回転の決められた回転可能な角度範囲を、仰角回転範囲と呼ぶ。補助軸回転範囲は、仰角回転範囲よりも小さい。

ＡＺ軸、ＥＬ軸、ＰＯＬ軸およびＸＥＬ軸の角度は、それぞれ固有の原点を有する。原点は一般にその構造に応じて定められる。回転軸の回転可能角度が３６０°未満である場合は、正負の方向の回転可能角度がそれぞれ等しくなるような点が原点であることが望ましい。ここでは、各軸の回転可能な角度範囲は、以下であるとする。ＡＺ軸は全方位方向を向くことができ、回転角度範囲に制限は存在しない。ＥＬ軸は、０度から１８０度の範囲で変化可能である。ＸＥＬ軸は、例えば＋２０度から−２０度の範囲で変化可能である。ＰＯＬ軸は３６０度のどの角度も取ることができ、回転角度範囲に制限は存在しない。

図２に戻り、移動局１０の構成を説明する。位置取得部２００は、少なくとも二つのＧＰＳ（Global Positioning System）端末２０１Ａ，２０１Ｂを含む。ＧＰＳ端末２０１Ａ，２０１Ｂを合わせてＧＰＳ端末２０１という。位置取得部２００は、ＧＰＳ端末２０１が取得した位置から移動体５００の位置を算出する。また、ＧＰＳ端末２０１Ａ，２０１Ｂの位置の相対関係から、移動体５００の先頭（機首）が向く方位である機首方位を算出する。位置取得部２００は、算出した移動体５００の位置および機首方位をアンテナ制御装置４００に提供する。位置取得部２００は、移動体５００に設置される。

動揺取得部３００は３軸のジャイロスコープ３０１を含み、ジャイロスコープ３０１が測定したピッチ、ヨー、ロールの３軸の回転角および角速度に基づいて移動体５００の３軸の傾きを動揺推定値として算出する。動揺取得部３００は、算出したピッチ、ヨー、ロールの３軸の回りの回転角の推定値をアンテナ制御装置４００に提供する。動揺取得部３００は、移動体５００に設置される。動揺取得部３００は、アンテナ装置１００に含まれていても良い。なお、角速度を考慮して移動体５００の３軸の傾きを推定しない場合もある。

アンテナ制御装置４００は、アンテナ駆動装置８００を協調制御して通信対象の通信相手局２０または中継局３０を捕捉させ、追尾させる。アンテナ制御装置４００は、アンテナ駆動装置８００を制御するパラメータを算出してアンテナ駆動装置８００を制御する制御部４０１と、データおよびプログラムを記憶する記憶部４０２と、ユーザから入力を受け付け、ユーザへ情報を提示するインタフェース４０３と、を備える。アンテナ制御装置４００は、移動体５００に設置される。

制御部４０１は処理装置である。制御部４０１は、指向指令方向算出部４０１Ａ、駆動指令値算出部４０１Ｂおよび原点設定部４０１Ｃを有する。指向指令方向算出部４０１Ａは、パラボラアンテナ１０８を指向させる方向である指向指令方向を算出する。駆動指令値算出部４０１Ｂは、パラボラアンテナ１０８が指向指令方向へ向くよう方位角支持部１０２と補助支持部１０３と仰角支持部１０４と偏波角変更部１０７Ａとを駆動する量を指示する駆動指令値を算出する。アンテナ駆動装置８００は、駆動指令値に基づいて方位角支持部１０２と補助支持部１０３と仰角支持部１０４と偏波角変更部１０７Ａとを制御して駆動する。制御部４０１は中央処理装置（ＣＰＵ）を含むが、これに限られない。アンテナ制御装置４００は、方位角支持部１０２と補助支持部１０３と仰角支持部１０４と偏波角変更部１０７Ａとを駆動する制御装置である。

指向指令方向算出部４０１Ａは、位置取得部２００が取得した移動体５００の位置と、通信対象の通信相手局２０または中継局３０の外部から取得する位置とを基に、パラボラアンテナ１０８を通信対象が存在する向きに指向させる方向である指向指令方向を算出する。

原点設定部４０１Ｃは、通信対象を初期捕捉する際に、ＡＺ軸、ＥＬ軸、ＰＯＬ軸およびＸＥＬ軸のそれぞれで原点方向を置き換える。初期捕捉は、通信対象との通信を開始する前、および通信対象を追尾できなくなった時に実施する。具体的には、制御部４０１は、初期捕捉時にパラボラアンテナ１０８が通信対象へ向くＡＺ軸、ＥＬ軸およびＰＯＬ軸の角度を、ＡＺ軸、ＥＬ軸およびＰＯＬ軸の原点としてそれぞれ設定し直す。即ち、ＡＺ軸、ＥＬ軸およびＰＯＬ軸のアンテナ装置に固有な座標系の原点を、初期捕捉時にパラボラアンテナ１０８が指向指令方向を向くＡＺ軸、ＥＬ軸およびＰＯＬ軸の角度で置き換える。なお、ＸＥＬ軸は、初期捕捉時の指向指令方向ではゼロ度なので、ＸＥＬ軸では原点を変更しない。ＸＥＬ軸は、可動範囲（補助軸回転範囲）の中央がゼロ度であるとする。なお、差が許容できる程度以下であれば、ＡＺ軸、ＥＬ軸およびＰＯＬ軸の原点と通信対象へ向くＡＺ軸、ＥＬ軸およびＰＯＬ軸の角度との差があってもよい。また、ゼロ度との差が十分に小さい値であれば、ＸＥＬ軸の原点はゼロ度でなくてもよい。

駆動指令値算出部４０１Ｂは、初期捕捉時に算出した指向指令方向と、位置取得部２００が取得した移動体５００の機首方位と、動揺取得部３００が取得した移動体５００の傾きと、方位角支持部１０２、補助支持部１０３、仰角支持部１０４および輻射器１０７の角度とを基に、パラボラアンテナ１０８が指向指令方向を向くように方位角支持部１０２と補助支持部１０３と仰角支持部１０４と輻射器１０７とを駆動する量を指示する駆動指令値を算出する。

制御部４０１は、算出した駆動指令値に基づいて方位角支持部１０２と仰角支持部１０４と輻射器１０７とを駆動し、パラボラアンテナ１０８を通信対象の向きへ指向させる。

記憶部４０２は、通信対象の通信対象の通信相手局２０または中継局３０の位置情報、制御部４０１が駆動指令値を算出するプログラムおよび方位角支持部１０２と補助支持部１０３と仰角支持部１０４と輻射器１０７とを駆動する駆動指令値を算出するプログラムを記憶する。記憶部４０２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含むが、これに限られない。

インタフェース４０３は、ユーザからの入力を受け付け、ユーザへ情報を提示する。ユーザからの入力には、例えば、通信対象の指定、ユーザから制御処理の開始および終了の指示、および送信する信号の指示が含まれる。インタフェース４０３は、受け付けた指示を制御部４０１に提供し、制御部４０１から取得した情報をユーザに提示する。インタフェース４０３は、ユーザからの入力を受け付けるボタン、キー、タッチパッド、ユーザへの情報の提示する液晶ディスプレイ、スピーカ、および出力と入力を兼ねるタッチパネルなどの１個または複数個を含むが、これに限られない。

移動体５００は、アンテナ装置１００、位置取得部２００および動揺取得部３００が設置される例えば自動車である。

図１に戻り、移動体通信システム１の構成を説明する。通信相手局２０は、移動局１０と直接通信する、または中継局３０を介して移動局１０と通信する地上通信局である。

中継局３０は、移動局１０と通信相手局２０との通信を中継する例えば通信衛星である。

図７は、アンテナ制御装置４００が実行する制御処理のフローチャートである。アンテナ制御装置４００がアンテナ駆動装置８００を制御して通信対象を初期捕捉する捕捉処理について、図７のフローチャートを参照して説明する。ここでは、移動局１０は中継局３０を介して通信相手局２０と通信を行っているものとする。中継局３０は、例えば通信衛星である。即ち、アンテナ制御装置４００はアンテナ駆動装置８００を制御してパラボラアンテナ１０８に中継局３０を捕捉させる。

制御処理が開始されると、アンテナ制御装置４００は、位置取得部２００が算出した移動体５００の位置および機首方位を取得する（ステップＳ１０１）。

移動体５００の位置および機首方位を取得すると、アンテナ制御装置４００は、動揺取得部３００が算出した移動体５００の傾きを取得する（ステップＳ１０２）。

移動体５００の傾きを取得すると、アンテナ制御装置４００は、取得した移動体５００の位置と通信対象の中継局３０の位置とを基に、指向指令方向を算出する（ステップＳ１０３）。

指向指令方向を算出すると、初期捕捉時かどうかをチェックする（ステップＳ１０４）。初期捕捉時である場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、アンテナ制御装置４００は、原点方向を置き換える（ステップＳ１０５）。

原点方向を置き換えた後、または初期捕捉時でない場合（ステップＳ１０４：ＮＯ）は、アンテナ制御装置４００は、算出した指向指令方向と、取得した移動体５００の機首方位および傾きと、方位角支持部１０２、補助支持部１０３、仰角支持部１０４および輻射器１０７の角度とを基に、方位角支持部１０２、補助支持部１０３、仰角支持部１０４および輻射器１０７を駆動する駆動指令値を算出する（ステップＳ１０６）。

駆動指令値を算出すると、アンテナ駆動装置８００は、算出した駆動指令値に基づいて方位角支持部１０２と補助支持部１０３と仰角支持部１０４と輻射器１０７とを駆動する（ステップＳ１０７）。

駆動指令値に基づいて駆動する中で周期的に、アンテナ制御装置４００は、インタフェース４０３が制御終了の指示を受け付けたかどうかチェックする（ステップＳ１０８）。受け付けた場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、制御処理を終了する。受け付けていない場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、ステップＳ１０１に戻る。Ｓ１０１からＳ１０８の処理は、周期的に繰り返し実行される。

以上の制御処理を実行することによって、本実施の形態に係るアンテナ装置は、初期捕捉処理において原点方向を置き換えることにより、補助軸であるＸＥＬ軸が初期捕捉時にゼロ度（可動範囲の中央）からずれることを防ぐことができる。

図８は、アンテナ装置１００での情報の授受を示す図である。図８に示すように、位置取得部２００は移動体５００の位置および機首方位を算出し、アンテナ制御装置４００に提供する。動揺取得部３００は移動体５００のピッチ、ヨー、ロールの３軸の回りの回転角を動揺推定値として算出し、アンテナ制御装置４００に提供する。

アンテナ制御装置４００は、移動体５００の位置および機首方位と通信対象の位置とを基にＡＺ軸、ＥＬ軸、ＰＯＬ軸およびＸＥＬ軸を駆動する量を指示する駆動指令値を算出し、アンテナ駆動装置８００に提供する。アンテナ駆動装置８００は、受領した駆動指令値に基づき、ＡＺ軸、ＥＬ軸、ＰＯＬ軸およびＸＥＬ軸を駆動する。

図９は、アンテナ装置１００が通信対象を初期捕捉および追尾するシーケンスを示す図である。図９では、動作を位置取得部２００と、動揺取得部３００と、アンテナ制御装置４００と、アンテナ駆動装置８００とに分けて説明する。

まず、アンテナ装置１００（アンテナ制御装置４００およびアンテナ駆動装置８００を含む）と、位置取得部２００と、動揺取得部３００とを含むシステムが起動される（ステップＳ２０１）。

システムが起動されると、位置取得部２００は移動体５００の位置および機首方位を算出し（ステップＳ２０２）、算出した移動体５００の位置および機首方位をアンテナ制御装置４００に提供する（ステップＳ２０３）。

ステップＳ２０２，Ｓ２０３と並行して、動揺取得部３００は移動体５００のピッチ、ヨー、ロールの３軸の回りの回転角を動揺推定値として算出し（ステップＳ２０４）、アンテナ制御装置４００に提供する（ステップＳ２０５）。

移動体５００の位置および機首方位並びに動揺推定値が提供されると、アンテナ制御装置４００は、提供された移動体５００の位置および機首方位並びに動揺推定値を受領する（ステップＳ２０６）。

移動体５００の位置および機首方位並びに動揺推定値を受領すると、アンテナ制御装置４００は、受領した移動体５００の位置および機首方位と、動揺推定値と、通信対象の位置とを基に、原点を置き換えて駆動指令値を生成し（ステップＳ２０７）、生成した駆動指令値をアンテナ駆動装置８００に通知する（ステップＳ２０８）。駆動指令値の生成については詳細に後述する。

駆動指令値が通知されると、アンテナ駆動装置８００は、通知された駆動指令値を受領する（ステップＳ２０９）。

駆動指令値を受領すると、アンテナ駆動装置８００は、受領した駆動指令値に基づいて駆動軸であるＡＺ軸、ＥＬ軸、ＰＯＬ軸およびＸＥＬ軸を駆動し、通信対象を捕捉する（ステップＳ２１０）。通信対象を捕捉すると、続いてアンテナ駆動装置８００は通信対象を追尾する（ステップＳ２１１）。通信対象の追尾時は、ステップＳ２０２からステップＳ２１０までを、ステップＳ２０７での原点を置き換えないで、決められた周期で繰り返す。

図９の駆動指令値の生成（ステップＳ２０７）およびその周辺の動作について、図１０および図１１を参照して説明する。図１０は従来の駆動指令値の生成手法を示す図であり、図１１は本実施の形態における駆動指令値の生成手法を示す図である。図１０および図１１のボックス上に示されているのは移動局１０の構成要素であり、ボックス内に示されているのはその構成要素が保有する情報または実行する動作である。なお、理解を容易にするため、従来の手法についても本実施の形態の構成要素を用いて説明する。

まず、従来の手法について説明する。図１０に示すように、アンテナ制御装置４００は、保有する通信対象の位置と、位置取得部２００が算出した移動体５００の位置および機首方位とを基に指向指令方向を算出する。

指向指令方向を算出すると、アンテナ制御装置４００は、パラボラアンテナ１０８を指向指令方向へ向けるＡＺ軸、ＥＬ軸、ＰＯＬ軸およびＸＥＬ軸の角度であるアンテナ指向角度を算出する。さらに、アンテナ指向角度を実現するＡＺ軸、ＥＬ軸、ＰＯＬ軸およびＸＥＬ軸の駆動指令値を算出し、アンテナ駆動装置８００に提供する。このとき、アンテナ原点方向は装置固有の原点方向である。

駆動指令値が提供されると、アンテナ駆動装置８００は、受領した駆動指令値に基づいてＡＺ軸、ＥＬ軸、ＰＯＬ軸およびＸＥＬ軸を駆動し、通信対象を捕捉する。

一方、本実施の形態では、図１１に示すように、アンテナ装置４００はアンテナ原点方向を初期捕捉時の指向指令方向に置き換えてから、パラボラアンテナ１０８を指向指令方向へ向けるＡＺ軸、ＥＬ軸、ＰＯＬ軸およびＸＥＬ軸の角度であるアンテナ指向角度を算出する。さらに、アンテナ指向角度を実現するＡＺ軸、ＥＬ軸、ＰＯＬ軸およびＸＥＬ軸の駆動指令値を算出し、アンテナ駆動装置８００に提供する。このようにアンテナ原点方向の置き換えを行ってからアンテナ指向角度および駆動指令値を算出することで、初期捕捉時にＸＥＬ軸がゼロ度からずれることがなくなり、ＸＥＬ軸の角度が適正化される。

以上の手法によって、本実施の形態に係るアンテナ装置は、初期捕捉時に原点方向を置き換えることにより、補助軸であるＸＥＬ軸が初期捕捉時にゼロ度からずれることを防ぐことができる。

従来の手法でＸＥＬ軸の角度が最適値（ゼロ度）にならない理由を説明する。アンテナ装置１００の支持構造が、ＡＺ軸、ＸＥＬ軸、ＥＬ軸、ＰＯＬ軸の順に支持する場合であるＡＺ−ＸＥＬ−ＥＬ−ＰＯＬの軸構成の場合に、アンテナを(φAZ,φEL,φPOL,φXEL)に向ける場合の、方向変換行列Ｔは、以下のようになる。

アンテナ装置１００の支持構造が、ＡＺ軸、ＥＬ軸、ＸＥＬ軸、ＰＯＬ軸の順に支持する場合であるＡＺ−ＥＬ−ＸＥＬ−ＰＯＬの軸構成の場合に、アンテナを(φAZ,φEL,φPOL,φXEL)に向ける場合の、方向変換行列Ｔは、以下のようになる。

ＡＺ−ＥＬ−ＰＯＬの軸構成の場合に、アンテナを(φAZ,φEL,φPOL)に向ける場合の、方向変換行列Ｔは、以下のようになる。

詳細は省略するが、ＡＺ−ＸＥＬ−ＥＬ−ＰＯＬの軸構成の場合に、(φAZ0,φEL0,φPOL0)の方向にアンテナを向けるため各軸の角度φAZ,φEL,φPOL,φXEL)の間には、以下の関係が成立する。
sinφEL＝sinφEL0/cosφXEL (1)
φAZ＝φAZ0−α (2)
φPOL＝φPOL0−β (3)
ここで、α、βは、以下を満足する。
sinα＝tanφXEL*tanφEL0 (4)
sinβ＝sinφXEL/cosφEL0 (5)

従来の方法では、アンテナを(φAZ0,φEL0,φPOL0)に向け、かつ以下の目的関数ｆが最小になるように各軸の角度（φAZ,φEL,φPOL,φXEL)を決めていた。なお、アンテナ装置の座標系の原点の方向を変える前のアンテナの方向を(0,0,0,0)とする。目的関数ｆは、ＡＺ軸、ＸＥＬ軸、ＥＬ軸およびＰＯＬ軸の原点からの変化量の二乗和が最小になる場合である。二乗和でなくても、ＡＺ軸、ＸＥＬ軸、ＥＬ軸およびＰＯＬ軸の原点からの変化量の絶対値の和など、原点からの変化量の和を最小にできるものであれば、目的関数ｆはどのようなものでもよい。なお、二乗和を使用する方が解析は容易になる。
ｆ＝(φAZ)^２＋(φXEL)^２＋(φEL)^２＋(φPOL)^２ (6)
式(6)を、各軸を単位角だけ変更する場合のコストに相当する重み付け係数を乗算した重み付け二乗和を求める式としてもよい。

ここで、sinφXEL≒φXEL、cosφXEL≒１として、式(6)を最小とするような角度（φAZ,φEL,φPOL,φXEL)について考察する。
式(1),(2),(3)は、それぞれ以下のようになる。
φEL≒φEL0 (1A)
φAZ≒φAZ0−φXEL*tanφEL0 (2A)
φPOL≒φPOL0−φXEL/cosφEL0 (3A)

式(1A),(2A),(3A)を式(6)に代入すると、以下のようになる。
ｆ≒(φAZ0−φXEL*tanφEL0)^２＋φXEL^２＋φEL0^２＋(φPOL0−φXEL/cosφEL0)^２
＝(２+sin^２φEL0)*(φXEL/cosφEL0)^２
−２(φAZ0*sinφEL0＋φPOL0)*(φXEL/cosφEL0)
＋φAZ0^２＋φPOL0^２
＝(２+sin^２φEL0)
*(φXEL/cosφEL0−(φAZ0*sinφEL0＋φPOL0)/(２+sin^２φEL0))^２
＋φAZ0^２＋φPOL0^２−(φAZ0*sinφEL0＋φPOL0)^２/(２+sin^２φEL0) (6A)

式(6A)は、以下を満足するφXELで最小値をとることを意味する。
φXEL＝(φAZ0*sinφEL0＋φPOL0)*cosφEL0/(２+sin^２φEL0) (7)
式(7)は、φAZ0＋φPOL0/sinφEL0がゼロでない場合に、φXELがゼロにならないことを意味する。

例えば、(φAZ0,φEL0,φPOL0)＝(175度, 42.7度, -75度)に向ける場合には、（φAZ,φEL,φPOL,φXEL)＝(170度, 43.4度, -50.7度, 21.7度)になる。これは、式(6)で目的関数ｆを計算することでも確認できる。
（φAZ,φEL,φPOL,φXEL)＝(170度, 43.4度, -50.7度, 21.7度)の場合の目的関数ｆの値をｆ１とする。（φAZ,φEL,φPOL,φXEL)＝(175度, 42.7度, -75度, 0度)の場合の目的関数ｆの値をｆ２とする。ｆ１とｆ２は、以下の値である。
ｆ１＝３３８２４．９４
ｆ２＝３８０７３．２９
ｆ２＞ｆ１であり、φXEL＝０の場合に、目的関数ｆが最小値にならないことが分る。

本実施の形態の利点について、図を参照して説明する。図１２は、捕捉前のアンテナ装置１００のＡＺ軸の向きと通信対象である中継局３０が存在する向きとを示す図である。図１３は、捕捉後のアンテナ装置１００のＡＺ軸の向きと通信対象である中継局３０が存在する向きとを示す図である。アンテナ装置１００は、図１２に示す状態から捕捉処理を実施し、図１３に示すアンテナ装置１００が中継局３０を捕捉した状態になる。

図１２に示すように、点線の矢印で表す初期捕捉時の通信対象が存在する向きと実線の矢印で表すＡＺ軸の装置固有の原点方向とは一般に一致しない。この状態で従来の協調制御によって駆動指令値を算出して制御する場合は、ＸＥＬ軸が原点（ゼロ度）からずれた状態で通信対象の初期捕捉が完了することがある。ＸＥＬ軸が原点からずれた状態でその後の通信対象を追尾する場合は、初期位置が原点からずれていることの影響によりＸＥＬ軸が駆動範囲の限界（上限または下限）に達し、それ以上はＡＺ軸およびＥＬ軸を補助することができずに通信対象を追尾できなくなってしまう場合がある。特に、ＸＥＬ軸はＡＺ軸およびＥＬ軸を補助するための駆動軸であることから駆動範囲が小さく設計されることがあり、ＸＥＬ軸の初期位置が原点からずれている場合は駆動範囲がすぐに限界に達してしまう。

本実施の形態の捕捉処理を行って、初期捕捉時に原点方向の置き換えを行ってから駆動指令値を算出して制御する場合は、ＸＥＬ軸の初期角度がゼロ度で通信対象の捕捉が完了する。初期捕捉時にＸＥＬ軸が原点（ゼロ度）からずれていない状態でその後の通信対象を追尾することで、ＸＥＬ軸の駆動範囲を十分に活用することができ、通信対象を追尾できなくなることを防ぐことができる。さらに、ＸＥＬ軸が初期捕捉時に可動範囲の中央であるゼロ度であることにより、追尾のための演算処理を効率化することができ、通信対象に追従する動作にかかる時間および駆動量を削減し、動作に要するエネルギーを削減し、装置の寿命を延ばすことができる。

原点方向を置き換えない場合でも、最初の捕捉時のＡＺ軸、ＥＬ軸、ＰＯＬ軸およびＸＥＬ軸の角度は本実施の形態で原点方向を置き換える場合と同じ値に設定できる。そのためには、初期状態から最初に通信対象を捕捉するときにＸＥＬ軸がゼロになるように駆動指令値を算出すればよい。しかし、この場合、通信対象の追尾を開始する、即ち２回目以降に通信対象を補足する際に、協調制御によりＸＥＬ軸がアンテナ装置に固有な座標系での原点に近い値（ＸＥＬ軸の可動範囲の境界値に近い値）で算出されてしまう。その後の追尾においてＸＥＬ軸が可動範囲の境界値を取り続け、ＸＥＬ軸が協調制御で算出される角度を取れなくなる。そのため、ＸＥＬ軸が可動範囲の境界値になった後は、通信対象を追尾できなくなる場合が発生する。本実施の形態では２回目以降に通信対象を捕捉する際に、ＸＥＬ軸は可動範囲の中央に設定された原点を基準として変更され、その後の追尾で可動範囲の境界の値をとらないようにできる。また、最初と２回目以降との通信対象の捕捉において、駆動指令値を算出する計算ロジックを切り換える必要もない。

本発明の実施の形態は上述のものに限られず、変形が可能である。例えば、移動体５００は自動車であるとしたが、これに限られない。列車、船舶、固定翼機、回転翼機などを含む他の種類の移動体であっても良い。また、移動体を追尾するアンテナ装置に本発明を適用してもよい。

また、アンテナ装置１００はＡＺ軸、ＥＬ軸、ＰＯＬ軸、ＸＥＬ軸を持つとしたが、これに限られない。ＰＯＬ軸を持たない３軸の構成であっても良い。また、ＸＥＬ軸および別の補助軸を持つ５軸以上の構成であっても良い。

また、基礎支持部１０１は方位角支持部１０２を回転させる駆動装置を含むとしたが、これに限られない。方位角支持部１０２が自身を回転させる駆動装置を含んでも良い。方位角支持部１０２、補助支持部１０３、仰角支持部１０４についても同様である。

この他にも、各支持部と回転軸とは任意の組み合わせが可能である。どのような組み合わせであったとしても、基礎支持部１０１と、方位角支持部１０２と、補助支持部１０３と、仰角支持部１０４とは、支持対象であるパラボラアンテナ１０８を支持する。

また、アンテナ装置１００は、主反射鏡１０５と副反射鏡１０６と輻射器１０７とから構成されるパラボラアンテナ１０８を備えるとしたが、これに限られない。副反射鏡を備えないアンテナであっても良く、反射鏡を備えないアレイアンテナや平面アンテナなど他の種類のアンテナであっても良い。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

本出願は、２０１７年２月１７日に出願された、日本国特許出願特願２０１７−０２８０３４号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０１７−０２８０３４号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。

本発明は、アンテナ装置、アンテナ制御装置およびアンテナ装置の制御方法に利用することができる。

１…移動体通信システム、１０…移動局、２０…通信相手局、３０…中継局、１００…アンテナ装置、１０１…基礎支持部、１０１Ａ…方位角駆動装置、１０２…方位角支持部、１０２Ａ…補助軸駆動装置、１０３…補助支持部、１０３Ａ…仰角駆動装置、１０４…仰角支持部、１０５…主反射鏡、１０６…副反射鏡、１０７…輻射器、１０７Ａ…偏波角変更部、１０８…パラボラアンテナ、２００…位置取得部、２０１，２０１Ａ，２０１Ｂ…ＧＰＳ端末、３００…動揺取得部、３０１…ジャイロスコープ、４００…アンテナ制御装置（制御装置）、４０１…制御部、４０１Ａ…指向指令方向算出部、４０１Ｂ…駆動指令値算出部、４０１Ｃ…原点設定部、４０２…記憶部、４０３…インタフェース、５００…移動体、６００…通信装置、７００…アンテナ架台、８００…アンテナ駆動装置。

Claims (6)

1. 通信対象への電磁波を送信し、前記通信対象からの電磁波を受信するアンテナと、
   方位角軸を中心として回転可能に前記アンテナを支持する方位角支持部と、
   決められた仰角軸回転範囲で仰角軸を中心として回転可能に前記アンテナを支持する仰角支持部と、
   前記仰角軸回転範囲よりも小さく決められた補助軸回転範囲で前記仰角軸に垂直な補助軸を中心として回転可能に前記アンテナを支持する補助支持部と、
   前記通信対象が存在する方向に前記アンテナを指向させる方向である指向指令方向を算出する指向指令方向算出部と、前記通信対象を初期捕捉する際に、前記補助軸の原点を前記補助軸回転範囲の中央とし、前記方位角軸および前記仰角軸の前記原点を初期捕捉時の前記指向指令方向へ前記アンテナが向く前記方位角軸および前記仰角軸の角度に設定する原点設定部と、前記アンテナが前記指向指令方向へ向き、かつ前記方位角軸、前記仰角軸および前記補助軸のそれぞれの原点からの変化量の和が最小になるように、前記方位角支持部と前記仰角支持部と前記補助支持部とを駆動する量を指示する駆動指令値を算出する駆動指令値算出部とを有する制御装置とを備えた、
   アンテナ装置。
2. 前記方位角支持部の一端部が接続され、移動体に設置される基礎支持部をさらに備える、
   請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記仰角軸および前記補助軸に垂直な偏波角軸の回りに、前記アンテナが有する輻射器または前記アンテナを回転させる偏波角変更部をさらに備える、
   請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記原点設定部は、前記通信対象を初期捕捉する際に、初期捕捉時の前記指向指令方向へ前記アンテナが向く前記偏波角軸の角度を前記偏波角軸の原点として設定し、
   前記駆動指令値算出部は、前記方位角軸、前記仰角軸、前記補助軸および前記偏波角軸のそれぞれの原点からの変化量の和が最小になるように、前記方位角支持部と前記仰角支持部と前記補助支持部と前記輻射器とを駆動する量を指示する駆動指令値を算出する、
   請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 通信対象への電磁波を送信し、前記通信対象からの電磁波を受信するアンテナと、方位角軸を中心として回転可能に前記アンテナを支持する方位角支持部と、決められた仰角軸回転範囲で仰角軸を中心として回転可能に前記アンテナを支持する仰角支持部と、前記仰角軸回転範囲よりも小さく決められた補助軸回転範囲で前記仰角軸に垂直な補助軸を中心として回転可能に前記アンテナを支持する補助支持部と、を備えるアンテナ装置を制御するアンテナ制御装置であって、
   前記通信対象が存在する方向に前記アンテナを指向させる方向である指向指令方向を算出する指向指令方向算出部と、
   前記通信対象を初期捕捉する際に、前記補助軸の原点を前記補助軸回転範囲の中央とし、前記方位角軸および前記仰角軸の前記原点を初期捕捉時の前記指向指令方向へ前記アンテナが向く前記方位角軸および前記仰角軸の角度に設定する原点設定部と、
   前記アンテナが前記指向指令方向へ向き、かつ前記方位角軸、前記仰角軸および前記補助軸のそれぞれの原点からの変化量の和が最小になるように、前記方位角支持部と前記仰角支持部と前記補助支持部とを駆動する量を指示する駆動指令値を算出する駆動指令値算出部とを備えたアンテナ制御装置。
6. 通信対象への電磁波を送信し、前記通信対象からの電磁波を受信するアンテナと、方位角軸を中心として回転可能に前記アンテナを支持する方位角支持部と、決められた仰角軸回転範囲で仰角軸を中心として回転可能に前記アンテナを支持する仰角支持部と、前記仰角軸回転範囲よりも小さく決められた補助軸回転範囲で前記仰角軸に垂直な補助軸を中心として回転可能に前記アンテナを支持する補助支持部と、を備えるアンテナ装置を制御する制御方法であって、
   前記通信対象が存在する方向に前記アンテナを指向させる方向である指向指令方向を算出し、
   前記通信対象を初期捕捉する際に、前記補助軸の原点を前記補助軸回転範囲の中央とし、前記アンテナが前記指向指令方向へ向く前記方位角軸および前記仰角軸の角度を前記方位角軸および前記仰角軸の原点として設定し、
   前記アンテナが前記指向指令方向へ向き、かつ前記方位角軸、前記仰角軸および前記補助軸のそれぞれの原点からの変化量の和が最小になるように、前記方位角支持部と前記仰角支持部と前記補助支持部とを駆動する量を指示する駆動指令値を算出し、
   前記駆動指令値に従って前記方位角支持部と前記仰角支持部と前記補助支持部とを制御する、
   アンテナ装置の制御方法。