WO2011068140A1 - アンテナビーム指向装置及びアンテナビームの指向方法 - Google Patents

アンテナビーム指向装置及びアンテナビームの指向方法 Download PDF

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    • H01Q3/2658—Phased-array fed focussing structure

Definitions

  • the present invention relates to an antenna beam directing device and an antenna beam directing method, and more particularly to an antenna beam directing that is mounted on a satellite in an orbit including a reflector antenna having a phased array feeding system and corrects an antenna beam pointing error.
  • the present invention relates to an apparatus and an antenna beam directing method.
  • the beam width of an antenna beam has been narrowed with an increase in the size of a reflector to be mounted and an increase in the frequency of a reflected electromagnetic wave beam.
  • malfunctions due to errors in the antenna beam pointing direction have become prominent due to factors such as satellite attitude control errors and thermal deformation in the antenna reflector.
  • the electric field strength on the ground surface may decrease, and the satellite reception and transmission capabilities for the service area may decrease.
  • communication quality is degraded.
  • Antenna reflectors mounted on communication satellites are becoming larger (20m class to 30m class).
  • the attitude error information of the attitude sensor is input to the satellite, and the satellite corrects the antenna beam pointing direction using the attitude error information.
  • this method cannot recognize the pointing error due to the antenna itself.
  • a high-precision attitude sensor must be provided on the satellite, which makes the satellite complicated and expensive.
  • Patent Document 1 discloses a control method and a control apparatus for adaptively controlling a main beam in the direction of a desired wave signal so as to form a null in the direction of the interference wave signal and using an array antenna. That is, using the expected value maximization method, the calculation of the covariance matrix of the array antenna that maximizes the received signal vector and the desired wave signal so as to form a null in the direction of the interference wave signal using the covariance matrix.
  • the same channel interference by repeatedly calculating the weight for adaptively controlling the main beam in the direction of, the calculation of the symbol estimation value using the weight, and the reconstruction of the received signal vector using the symbol estimation value. The formation of the main beam with suppressed is repeated.
  • Patent Document 2 discloses a method for controlling the directivity of an array antenna that updates a weighting factor based on an error between an antenna signal and a known reference signal and corrects the error based on error information.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 discloses a directivity error compensation method and apparatus for an array-fed reflector multibeam antenna that compensates the directivity direction error of the multibeam antenna.
  • the pointing direction error compensator calculates the boresight direction error component and the reflection coefficient enlargement coefficient fluctuation component from the beam reception level or transmission level at three or more different geographical positions, and the calculated boresight direction
  • the phase shift amount for each antenna element constituting the array feed unit is calculated from the error component
  • the phase shift amount for each antenna element constituting the array feed unit is calculated from the calculated expansion coefficient variation component
  • the boresight variation component is calculated.
  • the phase shift amount to compensate the specified direction error is calculated.
  • a phase shift amount of the designated direction error is given to the output of the multi-beam forming apparatus.
  • the antenna beam directing device and the antenna beam directing method according to the above-described related arts include a large reflecting mirror, a high frequency of the reflected electromagnetic wave beam, a narrow beam width of the antenna beam, and a satellite attitude control.
  • problems such as the presence of errors and thermal deformation of the antenna reflector. Due to these, an error occurs in the antenna beam pointing direction.
  • the electric field strength at the ground surface of the radio wave transmitted from the communication satellite in orbit is reduced, and the reception capability and transmission capability of the satellite with respect to the service area are reduced. Thereby, communication quality falls.
  • the antenna reflector mounted on the communication satellite is increased in size (20 m class to 30 m class), and the antenna beam width is narrowed.
  • Patent Document 1 discloses a process for avoiding channel interference caused by a plurality of antenna elements, but does not describe a process for correcting the beam directing direction to a reference direction in consideration of an error.
  • Patent Document 2 discloses a process for updating a weighting factor in consideration of the movement of a target.
  • Patent Document 3 it is necessary to detect the reception levels of beams at three or more points. For this reason, calculation time and memory capacity for processing a plurality of signals are required, and the size of the apparatus cannot be avoided.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the related art, and does not add complicated and high-cost equipment, and does not require a command from the ground, and improves the pointing accuracy of the antenna beam.
  • An object of the present invention is to provide an antenna beam directing device and a control method thereof.
  • an antenna beam directing device includes an input signal vector generating means for generating an input signal vector from an input signal, a weight vector holding means for holding a weight vector, an input signal vector and a weight vector.
  • Weight correction means for correcting the weight vector so that the value of the inner product is equal to the first value with respect to the reference signal, and a beam forming unit that forms a null beam in the direction of the reference signal It is characterized by providing.
  • an antenna beam directing method is an antenna beam directing method using an antenna beam directing device having an array feed system, and generating an input signal vector from an input signal; , Based on the inner product value of the input signal vector and the weight vector, a step of correcting the weight vector so that the inner product value is equal to the first value with respect to the reference signal; and a null beam in the direction of the reference signal And forming.
  • an antenna beam directing device including a reflector antenna having a phased array feeding system requires a command from the ground without adding complicated and costly equipment. High directivity accuracy can be obtained.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing the overall configuration of an antenna beam directing device according to an embodiment of the present invention.
  • the antenna beam directing device of the present embodiment includes a reflecting mirror 11, a radiating element 12, an input signal forming unit 13, a weighting unit 14, and a weighting coefficient regeneration circuit 15.
  • 16 is an input signal
  • 17 is an input signal after deviation from beam orientation
  • 18 is a beam generation signal output Y (received signal output)
  • 19 is a beacon signal output Y RFS (null signal generation signal output).
  • the weight assigning unit 14 assigns a weight to each radiating element 12.
  • the input signal forming unit 13 forms an input signal vector whose components are electrical signals generated in the plurality of radiating elements 12.
  • the weight assigning unit 14 assigns a weight set for each radiating element 12 to the component of the input signal vector.
  • a beam is formed.
  • this process will be described.
  • the vector generated by the input signal forming unit 13 is X
  • the weight vector provided by the weight assigning unit 14 is W.
  • the beam generation signal output Y is represented by the inner product of these vectors X and W.
  • the formation of a null beam in the reference beacon direction is considered.
  • the null beam has a large gain difference with respect to an angle change compared to a normal beam, has a high angle resolution, and is used for setting a pointing direction with high accuracy.
  • the null beam is generated, for example, by generating four multi-beams two-dimensionally and anti-phase synthesis of the four multi-beams.
  • the fact that the null beam is directed in the reference direction without error from the input signal of the beacon signal means that the inner product of the vector generated by the input signal forming unit 13 and the weight vector provided by the weight assigning unit 14 from the input signal of the beacon signal. Means zero.
  • the signal detected by the antenna beam directing device that is, the value of the beam generation signal output Y is zero.
  • the weighting factor at this time that is, the weighting vector assigned by the weighting unit 14 is a weighting factor that forms a null pattern with respect to the arrival direction of the input signal.
  • the satellite attitude control error and the influence of thermal deformation of the reflecting mirror appear in the change in the direction of the input signal. That is, the value of the vector component generated by the input signal forming unit 13 changes.
  • the weight assigning unit 14 assigns the null beam to the reference direction from the beacon signal input signal, that is, the inner product of the vector generated by the input signal forming unit 13 and the weight vector becomes zero.
  • the weight is corrected (reconstructed).
  • the process of generating the beam generation signal output Y18 is an inner product operation of the input signal vector and the weight vector as described above. This calculation is an input signal and weighting coefficient calculation. For this reason, even if the number of beams or the number of radiating elements is increased, only an increase in the number of vector dimensions can be handled. That is, the expansion of the equipment scale is small.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining processing of the antenna beam directing device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining processing of the antenna beam directing device according to the embodiment of the present invention.
  • the irradiation area of the antenna is an area indicated by 22 on the earth 21.
  • the beam pointing accuracy in the satellite attitude control system is 0.1 to 0.2 degrees.
  • the pointing accuracy required for satellite beams is 0.05 degrees or less. As the reflecting mirror becomes larger, this requirement becomes more severe, and it is 0.03 degrees or less. For this reason, improvement in pointing accuracy is essential.
  • the array feeding system is designed to cover the irradiation area 22. The array feeding system has a high gain with respect to the position of the ground beacon transmission station 23 included in the irradiation area 22.
  • FIG. 3 is a configuration diagram showing an example of a detailed equipment configuration and mounting of the antenna beam directing device according to the embodiment of the present invention.
  • the power feeding unit includes a receiving element (feed) 31, a low noise amplifier (LNA) 32, a frequency converter (DNC) 33, and an AD converter (ADC).
  • LNA low noise amplifier
  • DNC frequency converter
  • ADC AD converter
  • the digital beam forming circuit 35 generates a plurality of beams simultaneously (multi-beam generation).
  • a null beam in the direction of the beacon station is generated.
  • a reference signal is received by the generated null beam.
  • a received signal is input and a null beam output is obtained. Based on this null beam output, the direction of the formed beam is corrected as described below.
  • the null beam output is zero as described above.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a closed loop of the weight coefficient resetting process by digital processing.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the antenna pointing direction and the beacon arrival direction. When the arrival direction of the beacon wave deviates from the antenna directing direction, an error signal is generated as described above.
  • the detection signal increases. Further, the detection error increases as the error sensitivity increases.
  • the directivity direction is specified by each of the two components included in the two-dimensional error signal.
  • the error signal is converted into a change value of the phase component of the weight coefficient by the weight coefficient regeneration circuit 36. Thereby, it changes so that the deviation from the directivity direction of a multi beam may become minute.
  • the weight vector W before correction is generated inside the beam forming processor.
  • the weight vector W does not depend on time if it is not corrected.
  • Based on the weight vector W a fixed beam is generated.
  • the phase change ( ⁇ ) is taken into consideration for the weight vector W (t) when corrected by the error.
  • W (t) W ⁇ exp (i ⁇ n ).
  • ⁇ n is represented by 2 ⁇ ⁇ ⁇ d ⁇ n ⁇ sin ⁇ / ⁇ .
  • ⁇ n is a phase rotation component of the weight coefficient of the nth radiating element counted from the reference radiating element.
  • d is the distance between the radiating elements
  • ⁇ is the beam directing direction angle as viewed from the power feeding section
  • ⁇ is the signal wavelength. According to this relational expression, the directional deviation is corrected, and the null signal generation signal output Y RFS is minimized.
  • the corrected weighting coefficient does not individually correct the directivity direction for each of the plurality of beams.
  • the weighting coefficient collectively corrects (corrects) the directivity direction of the beam direction for multi-beams.
  • ⁇ is a beam directing angle as viewed from the power feeding unit. When a reflecting mirror is provided, this beam is reflected by the reflecting mirror, and a beam (secondary pattern) is generated in a desired direction. Therefore, ⁇ is different from the beam pointing direction of the antenna.
  • the change in the beam direction viewed from the power supply unit has a unique relationship with the change in the final beam direction (secondary pattern) when the shape of the reflector is fixed. Therefore, by generating a phase change, a beam is generated in a desired direction of the entire antenna.
  • the signal output Y (t) is calculated by the inner product of the input vector X (t) and the weighting factor W (t) for generating the null signal.
  • the input vector X (t) and the weighting factor W (t) for generating the null signal depend on time t. Note that time t is a parameter for indicating temporal variation of the weighting coefficient.
  • a differential equation for the weighting coefficient W (t) is derived by varying this error amount. In the operation of the digital processing step closed loop shown in FIG. 4, control is performed so that the error component e (t) becomes zero according to this differential equation.
  • the weighting coefficient on the actual digital circuit is composed of a time difference, and is sequentially updated at every sample time.
  • the beam directing direction on the orbit is corrected by adding a simple calculation function. That is, as shown in FIG. 3, it is only necessary to add only a simple vector operation function to the operation processor of an existing beam forming device without adding a special device. For example, there is no need to add a unique antenna for estimating the direction of arrival of the antenna beam, a mechanism for correcting the directivity of the antenna beam, or a phase shifter for changing the phase plane of the radio wave. Therefore, the cost of the apparatus is suppressed.
  • the weighting factor is applied to the receiving antenna in FIG. 3, but the beam directing direction may be corrected at the transmitting antenna simultaneously with the receiving antenna.
  • the present invention is applied to an antenna of a phased array feeding unit system using a reflector, but the method of the present invention may also be applied to a direct radiation type phased array antenna.
  • the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention. This application claims the priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2009-275711 for which it applied on December 3, 2009, and takes in those the indications of all here.
  • the present invention is applicable to an antenna beam directing device.
  • the present invention is suitably applied to an antenna beam directing device that includes a reflector antenna having a phased array feed system and corrects an on-orbit pointing error.
  • the present invention can be used as a method for correcting the directivity direction of an antenna beam used on a geostationary satellite.

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Abstract

　大規模な機器の追加をせずに、アンテナビームの指向精度を向上させるアンテナビーム指向装置及び指向方法を提供する。アレイ給電系を備えたアンテナビーム指向装置は、入力信号により入力信号ベクトルを生成する入力信号ベクトル生成手段と、重みベクトルを保持する重みベクトル保持手段と、入力信号ベクトルと重みベクトルとの内積の値をもとに参照信号に対して前記内積の値が第１の値に等しくなるように重みベクトルを補正する重み補正手段と、参照信号の方向にヌルビームを形成するビーム形成部とを備えることを特徴とする。

Description

アンテナビーム指向装置及びアンテナビームの指向方法
本発明はアンテナビーム指向装置及びアンテナビームの指向方法に係り、特に、フェーズドアレイ給電系を有する反射鏡アンテナを備える軌道上の衛星等に搭載されて、アンテナビームの指向誤差を補正するアンテナビーム指向装置及びアンテナビームの指向方法に関する。
近年、アンテナビーム指向装置において、搭載する反射鏡の大型化、反射電磁波ビームの周波数の高周波数化に伴い、アンテナビームのビーム幅が狭くなっている。さらに、衛星の姿勢制御の誤差と、アンテナ反射鏡における熱変形等の要因により、アンテナビーム指向方向の誤差に起因する誤作動が顕著になってきた。例えば、軌道上の通信衛星から発信される電波に対して、地表面での電界強度が低下し、サービス領域に対する衛星の受信及び送信能力が低下することがある。それにより、通信品質低下が生じている。
通信衛星に搭載されるアンテナ反射鏡は大型化（２０ｍ級乃至３０ｍ級）している。このため、アンテナビーム幅は一層狭くなるので、今後、上記の傾向はさらに顕著になると予想される。
関連する技術においては、上記の通信品質低下を避けるために、アンテナ反射鏡に駆動機構が設置され、該駆動機構によりアンテナビーム方向が補正された。しかしながら、この方法は、複雑で高価な反射鏡駆動機構を必要とし、衛星を大型化する。
また、他の関連する技術における補正方法においては、衛星に、姿勢センサが有する姿勢誤差情報を入力し、該衛星が該姿勢誤差情報を用いてアンテナビーム指向方向を修正する。しかしながら、この方法では、アンテナ自体による指向誤差が認識できない。その上、高精度姿勢センサが衛星に具備されなければならず、衛星が複雑化し高額になる。
特許文献１は、干渉波信号の方向にヌルを形成するように所望波信号の方向に主ビームを適応制御し、アレイアンテナをする制御方法および制御装置を開示する。すなわち、期待値最大化法を用いて、受信信号ベクトルを最大化するアレイアンテナの共分散行列の演算と、その共分散行列を用いた干渉波信号の方向にヌルを形成するように所望波信号の方向に主ビームを適応制御するためのウェイトの演算と、該ウェイトを用いたシンボル推定値の演算と、及びシンボル推定値を用いた受信信号ベクトルの再構成の演算を反復し、同一チャンネル干渉を抑制した主ビームの形成を反復する。
また、特許文献２は、アンテナ信号と既知の参照信号との誤差に基づいて重み係数を更新し、誤差情報に基づいて補正するアレイアンテナの指向性制御方法を開示する。特許文献３は、マルチビームアンテナの指向方向誤差を補償するアレイ給電反射鏡マルチビームアンテナの指向誤差補償方法及びその装置を開示する。すなわち、指向方向誤差補償装置が、異なる３地点以上の地理的位置におけるビームの受信レベルまたは送信レベルから、ボアサイト方向誤差成分及び反射鏡の拡大係数変動成分を算出し、該算出したボアサイト方向誤差成分からアレイ給電部を構成するアンテナ素子毎の移相量を算出し、該算出した拡大係数変動成分からアレイ給電部を構成するアンテナ素子毎の移相量を算出し、ボアサイト変動成分を補償する移相量と拡大係数成分を補償する移相量とに基づいて、指定方向誤差を補償する移相量を算出する。マルチビーム形成装置の出力に、指定方向誤差の移相量が与えられる。
特開２００５−２５２６９４号公報 国際公開第２００６／１２６２４７号パンフレット 特開２００６−２４２７５２号公報
しかしながら、上記の関連技術のアンテナビーム指向装置及びアンテナビームの指向方法は、搭載する反射鏡の大型化、反射電磁波ビームの周波数の高周波数化、アンテナビームのビーム幅の狭さ、衛星の姿勢制御誤差の存在、アンテナ反射鏡の熱変形等の問題点を有する。これらに起因して、アンテナビーム指向方向に誤差が生じる。また、通信衛星の姿勢制御に誤差により、軌道上の通信衛星から発信される電波の地表面での電界強度が低下し、サービス領域に対する衛星の受信能力と送信能力が低下する。これにより、通信品質が低下する。
また、通信衛星に搭載されるアンテナ反射鏡は大型化（２０ｍ級乃至３０ｍ級）し、アンテナビーム幅が狭くなる。このため、今後、この傾向は顕著になると予想される。
さらに、アンテナ反射鏡に設置された駆動機構によりアンテナビーム方向を補正する方法は、複雑で高価な反射鏡駆動機構を必要とする。このため、この方法には衛星の大型化という問題点がある。
また、衛星自体に入力された、姿勢センサが有する姿勢誤差情報を用いてアンテナビーム指向方向を修正する方法は、アンテナ自体による指向誤差が認識できない。さらに、この方法は、衛星に搭載する高精度姿勢センサを必要とする。これにより、この方法は、衛星が複雑化し、高額化になるという問題点を有する。
特許文献１は、複数のアンテナ素子によるチャネルの干渉を回避する処理を開示するが、誤差を考慮して、ビームの指向方向を参照方向に補正する処理は記載しない。従って、アンテナビームの指向方向は高い精度で制御されない。
特許文献２は、標的の動きを考慮して、重み係数を更新する処理を開示するが、基準方向への参照の動作がないため、誤差の増大に対して不安定な状態に対応できない。
特許文献３の開示する指向誤差補償方法では、３地点以上のビームの受信レベルの検出が必要である。このため、複数の信号を処理するための演算時間とメモリ容量が必要になり、装置の大型化が避けられない。
本発明は、上記関連する技術の問題点に鑑みてなされたものであって、複雑で高コストな機器を追加せずに、地上からのコマンドを要求せずに、アンテナビームの指向精度を高めるアンテナビーム指向装置及びその制御方法の提供を目的とする。
前記課題を解決するために、本発明によるアンテナビーム指向装置は、入力信号により入力信号ベクトルを生成する入力信号ベクトル生成手段と、重みベクトルを保持する重みベクトル保持手段と、入力信号ベクトルと重みベクトルとの内積の値をもとに、参照信号に対して内積の値が第１の値に等しくなるように重みベクトルを補正する重み補正手段と、参照信号の方向にヌルビームを形成するビーム形成部とを備えることを特徴とする。
前記課題を解決するために、本発明によるアンテナビームの指向方法は、アレイ給電系を備えたアンテナビーム指向装置による、アンテナビームの指向方法であって、入力信号により入力信号ベクトルを生成するステップと、入力信号ベクトルと重みベクトルとの内積の値をもとに、参照信号に対して内積の値が第１の値に等しくなるように重みベクトルを補正するステップと、参照信号の方向にヌルビームを形成するステップと
を有することを特徴とする。
本発明のアンテナビーム指向装置によれば、フェーズドアレイ給電系を有する反射鏡アンテナを備えたアンテナビーム指向装置において、複雑でコストアップとなる機器を追加することなく、また、地上からのコマンドを必要とせずに、高い指向精度が得られる。
本発明の実施形態に係るアンテナビーム指向装置の全体構成を示す構成図である。 本発明の実施形態に係るアンテナビーム指向装置の処理を説明する図である。 本発明の実施形態に係るアンテナビーム指向装置の詳細な構成を示す図である。 重み係数再設定の処理を示す説明図である。 アンテナ指向方向とビーコン到来方向との関係を示す説明図である。
以下、本発明のアンテナビーム指向装置及びアンテナビームの指向方法について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るアンテナビーム指向装置の全体構成を示す構成図である。
図１において、本実施形態のアンテナビーム指向装置は、反射鏡１１と、放射素子１２と、入力信号形成部１３と、重み付与部１４と、重み係数再生成回路１５とを備える。図１において、１６は入力信号、１７はビーム指向逸脱後の入力信号、１８はビームの発生信号出力Ｙ（受信信号出力）、１９はビーコン信号出力ＹＲＦＳ（ヌル信号発生信号出力）をそれぞれ示す。重み付与部１４は、放射素子１２毎に重みを付与する。
以下、本実施形態のアンテナビーム指向装置における処理の一例を説明する。
入力信号形成部１３は、複数の放射素子１２において生成される電気信号を成分とする入力信号ベクトルを形成する。重み付与部１４は、該入力信号ベクトルの成分に、放射素子１２毎に設定された重み（ｗｅｉｇｈｔ）を付与する。これらの処理により、ビームが形成される。以下、この処理について説明する。
ここで、入力信号形成部１３で生成されるベクトルをＸ、重み付与部１４で付与する重みベクトルをＷとする。
このとき、ビームの発生信号出力Ｙは、これらベクトルＸ，Ｗの内積で表される。なお、マルチビームのシステムでは、ビームの発生信号出力Ｙは、ビームの本数だけ存在する。ここで、参照ビーコン方向へのヌルビームの形成を考える。該ヌルビームは、通常のビームに比較して角度変化に対して大きな利得差を有し、角度分解能が高く、高い精度の指向方向の設定に利用される。該ヌルビームは、例えば、２次元的に４個のマルチビームを生成し、４個のマルチビームの逆位相合成により生成される。
ビーコン信号の入力信号から、参照方向にヌルビームが誤差なく指向することは、ビーコン信号の入力信号から、入力信号形成部１３で生成されるベクトルと、重み付与部１４で付与する重みベクトルとの内積がゼロであることを意味する。
本実施例に係るアンテナビーム指向装置により検出される信号、すなわち、ビームの発生信号出力Ｙの値がゼロである。
このときの重み係数、すなわち重み付与部１４が付与する重みベクトル、が、入力信号の到来方向に対してヌルパタンを形成する重み係数である。
衛星の姿勢制御の誤差、及び、反射鏡の熱変形の影響は、入力信号の方向の変化に現れる。すなわち、入力信号形成部１３が生成するベクトルの成分の値が変化する。この場合、ビーコン信号の入力信号から、参照方向にヌルビームが指向するように、すなわち、入力信号形成部１３が生成するベクトルと重みベクトルとの内積がゼロになるように重み付与部１４の付与する重みが補正（再構成）される。これにより、指向方向のずれを補償した重み係数が再生成される。このヌルビームは、その他の通信用ビームと異なり、通信の用途に限定されない。
次に、本発明の実施形態に係るアンテナビーム指向装置の動作を説明する。
ビームの発生信号出力Ｙ１８を生成する処理は、上述のとおり、入力信号ベクトルと重みベクトルとの内積演算である。この演算は、入力信号と重み係数の演算である。このため、ビーム数或は放射素子数が増加しても、ベクトルの次元数の増加のみ対応できる。すなわち、機器の規模の拡張は小さい。
実際の運用に際しては、ＲＦセンサ（ＲＦＳ）からの参照信号を所与として、この信号出力Ｒと、入力信号ベクトル及び重みベクトルの内積との差異が最小になるように制御が行われる。
設置場所が予め把握されている地上局から受信した入力信号から、生成されたビーコン信号出力ＹＲＦＳ１９は、その信号出力の大きさを最小にするために、ヌルビーム出力として、重み係数再構成回路１５に入力される。重み係数再構成回路１５は、この信号出力に含まれる指向方向からの偏位情報に基づいて重み係数を更新（再構成）する。この重み係数の再構成は、重みベクトルの成分の位相成分の変更に対応する。
図２は、本発明の実施形態に係るアンテナビーム指向装置の処理を説明する説明図である。
図２は、本発明の実施形態に係るアンテナビーム指向装置を搭載する静止衛星２０、地球２１、地上のビーコン送信局２３を示す。なお、アンテナの照射領域は、地球２１上の２２で示される領域である。
衛星の姿勢制御系におけるビーム指向精度は０．１乃至０．２度である。これに対し、近年、衛星ビームに要求される指向精度は０．０５度以下である。反射鏡が大型化すると、この要求はさらに厳しくなり、０．０３度以下である。このため、指向精度の向上は必須である。
アレイ給電系は照射領域２２を覆うように設計される。アレイ給電系は、照射領域２２に含まれる地上のビーコン送信局２３の位置に対し高い利得を有する。アンテナを追加することなくヌルビームが形成される。衛星の姿勢制御誤差は、一般に、ヨー軸（Ｙ軸）周りが一番大きく、照射領域２２に対する見込み角が大きい程、誤差の影響が大きい。図２に示す実施例では、地上ビーコン局を１局だけとしたが、一般に、地上ビーコン局は２局以上配置して良い。
図３は、本発明の実施形態に係るアンテナビーム指向装置の詳細な機器構成と実装の一例を示す構成図である。
図３において、給電部は、受信素子（ｆｅｅｄ）３１と、低雑音増幅器（ＬＮＡ：ｌｏｗ　ｎｏｉｓｅ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）３２と、周波数変換器（ＤＮＣ：ｄｏｗｎ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）３３と、ＡＤ変換器（ＡＤＣ：ａｌａｎｌｏｇ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）３４と、デジタルビーム形成（ＤＢＦ：ｄｉｇｉｔａｌ　ｂｅａｍ　ｆｏｒｍｉｎｇ）回路３５と、重み係数再生成回路３６を含む。
入力信号形成部１３により生成される入力信号ベクトルと、重み付与部１４で付与される重みベクトルとの演算は、デジタルビーム形成回路３５で実行される。デジタルビーム形成回路３５は、複数のビームを同時生成（マルチビーム生成）する。
デジタルビーム形成回路３５のビーム形成において、ビーコン局方向へのヌルビームが生成される。
生成されたヌルビームにより、参照信号を受信する。受信信号が入力されて、ヌルビーム出力が得られる。このヌルビーム出力を元に、以下に述べるように、形成されるビームの方向が補正される。
ヌルビームがビーコン局へ指向している場合は、上述のとおり、ヌルビーム出力はゼロである。しかし、衛星の姿勢、反射鏡の熱変形により、ヌルビームがビーコン局方向から外れると、２次元誤差信号が発生する。この誤差信号が検出される場合、ヌルビーム信号及び通常のビーム信号が検出される。ヌルビーム信号は通常ビーム信号で規格化される。これにより、ビーコン信号の低下か、誤差信号の低下かが識別される。
図４は、デジタル処理による重み係数再設定の処理の閉ループを示す説明図である。
図５は、アンテナ指向方向とビーコン到来方向との関係を示す説明図である。
ビーコン波の到来方向が、アンテナ指向方向から逸脱すると、上述のように誤差信号が発生する。指向方向の偏位が増加すると検出信号は大きくなる。また、誤差感度が大きいほど検出信号は大きくなる。指向方向は、２次元の誤差信号に含まれる２つの成分のそれぞれにより特定される。誤差信号は、重み係数再生成回路３６により、重み係数の位相成分の変更値に変換される。これにより、マルチビームの指向方向からの偏位が微小になるように変更される。
図４において、補正前の重みベクトルＷはビーム形成プロセッサの内部で発生される。重みベクトルＷは、補正されない場合は、時間によらない。重みベクトルＷをもとに、固定ビームが生成される。誤差により補正される場合の重みベクトルＷ（ｔ）は、位相変化分（θ）が考慮される。この重みベクトルＷ（ｔ）の位相変化分（θ）依存性は、例えば、Ｗ（ｔ）＝Ｗ・ｅｘｐ（ｉθｎ）である。ここで、θｎは、２・π・ｄ・ｎ・ｓｉｎφ／λで表わされる。θｎは基準となる放射素子から数えてｎ番目の放射素子の重み係数の位相回転成分である。また、ｄは放射素子の間隔距離、φは給電部からみたビームの指向方向角、λは信号の波長である。この関係式に従って、指向方向偏位が補正され、ヌル信号発生信号出力ＹＲＦＳが最小化される。なお、補正後の重み係数は、複数のビームのそれぞれに対して、指向方向を個別に補正しない。該重み係数は、マルチビームに対して、一括してビーム方向の指向方向を修正（補正）する。
さらに、φは給電部からみたビーム指向角度であり、反射鏡を有する場合は、このビームが反射鏡で反射され、所望の方向にビーム（２次パタン）が生成される。よって、φは、アンテナのビーム指向方向とは異なる。しかし、給電部からみたビーム方向の変化は、反射鏡形状を固定した場合の最終ビーム方向（２次パタン）の変化と一意的な関係を有する。このため位相変化分を発生させることにより、アンテナ全体の所望する方向にビームが生成される。
ヌルビームの指向方向の偏位が許容範囲内に収まるまで、以上の処理を反復する。
次に、デジタル処理ステップ閉ループの動作の制御を説明する。
図４に示すように、入力ベクトルＸ（ｔ）と、ヌル信号生成の重み係数Ｗ（ｔ）との内積により、信号出力Ｙ（ｔ）が算出される。入力ベクトルＸ（ｔ）と、ヌル信号生成の重み係数Ｗ（ｔ）はそれぞれ時刻ｔに依存する。なお、時刻ｔは、重み係数の時間的変動を示すためのパラメタである。
ここで、誤差量ｅ（ｔ）として、ＲＦセンサビームを生成する重み係数と地上からの参照信号方向の入力ベクトルとの内積で表される検出信号と、参照信号との差異の２乗とする。すなわち、ｅ（ｔ）＝（Ｒ−Ｙ（ｔ））２により、誤差量を得る。
この誤差量を変分して、重み係数Ｗ（ｔ）についての微分方程式が導出される。
図４に示すデジタル処理ステップ閉ループの動作では、この微分方程式に従って、誤差成分ｅ（ｔ）がゼロとなるように制御が行われる。
実際のデジタル回路上での重みづけ係数は、時間の差分で構成され、サンプル時刻毎に逐次更新される。
本発明のアンテナビーム指向装置によれば、簡単な演算機能の付加により、軌道上でのビーム指向方向の補正が行われる。すなわち、図３に示されるように、特別な機器を追加することなく、既成のビーム形成機器の演算プロセッサに簡単なベクトル演算機能のみを付加すればよい。例えば、アンテナビーム到来方向の推定をする固有のアンテナや、アンテナビームの指向を修正する機構や、電波の位相面を可変する移相器等の追加は不要である。従って、装置のコストが抑制される。
なお、本実施形態では、図３において受信アンテナに重み係数を適用したが、受信アンテナと同時に、送信アンテナにおいて、ビーム指向方向を補正してもよい。
また、本実施形態では、本発明が反射鏡使用のフェーズドアレイ給電部方式のアンテナに適用される例を示したが、本発明の方法を、直接放射型フェーズドアレイアンテナにも適用してもよい。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２００９年１２月３日に出願された日本出願特願２００９−２７５７１１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
本発明は、アンテナビーム指向装置に適用可能である。本発明は特に、フェーズドアレイ給電系を有する反射鏡アンテナを備えて軌道上での指向誤差を補正するアンテナビーム指向装置に好適に適用される。また、本発明は、静止衛星上で使用されるアンテナビームの指向方向を修正する方法として使用可能である。
　１　アンテナビーム指向装置
　２　給電部
　１１　反射鏡
　１２，３１　放射素子
　１３　入力信号ベクトル
　１４　重みベクトル
　１５　重み係数再生成回路
　１６　入力信号
　１７　ビーム指向ズレ後入力信号
　１８　受信信号出力
　１９　ビーコン信号出力
　２０　静止衛星
　２１　地球
　２２　サービス領域（例）
　２３　ビーコン地上局
　３２　低雑音受信機
　３３　周波数変換器
　３４　ＡＤ変換器
　３５　デジタルビーム形成回路
　３６　重み係数再生成回路

Claims (8)

  1. 　アレイ給電系を備えたアンテナビーム指向装置であって、
    　入力信号により入力信号ベクトルを生成する入力信号ベクトル生成手段と、
    　重みベクトルを保持する重みベクトル保持手段と、
    　前記入力信号ベクトルと前記重みベクトルとの内積の値をもとに、参照信号に対して前記内積の値が第１の値に等しくなるように前記重みベクトルを補正する重み補正手段と、
    　前記参照信号の方向にヌルビームを形成するビーム形成部と
    を備えることを特徴とするアンテナビーム指向装置。
  2. 　前記形成されたヌルビームによる参照信号を受信し、
    　前記重み補正手段は、前記参照信号により生成される入力信号ベクトル及び重みベクトルの内積と、前記第１の値とにより誤差成分を生成し、前記誤差成分をゼロにするように、前記重みベクトルを補正することを特徴とする請求項１に記載のアンテナビーム指向装置。
  3. 　前記重み補正手段は、前記重みベクトルの成分の位相の変更により、前記重みベクトルを補正することを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナビーム指向装置。
  4. 　生成されるビームの方向は、前記重みベクトルの成分の位相の変更により制御されることを特徴とする請求項３に記載のアンテナビーム指向装置。
  5. 　アレイ給電系を備えたアンテナビーム指向装置による、アンテナビームの指向方法であって、
    　入力信号により入力信号ベクトルを生成するステップと、
    　前記入力信号ベクトルと前記重みベクトルとの内積の値をもとに、参照信号に対して前記内積の値が第１の値に等しくなるように前記重みベクトルを補正するステップと、
    　前記参照信号の方向にヌルビームを形成するステップと
    を有することを特徴とするアンテナビーム指向方法。
  6. 　前記形成されたヌルビームによる参照信号を受信するステップと、
    　前記参照信号により生成される入力信号ベクトル及び重みベクトルの内積と、前記第１の値とにより誤差成分を生成し、前記誤差成分をゼロにするように、前記重みベクトルを補正するステップとをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のアンテナビーム指向方法。
  7. 　前記重みベクトルは、前記重みベクトルの成分の位相の変更により、補正されることを特徴とする請求項５または６に記載のアンテナビーム指向方法。
  8. 　生成されるビームの方向を、前記重みベクトルの成分の位相の変更により制御するステップをさらに有することを特徴とする請求項７に記載のアンテナビーム指向方法。
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