WO2012017927A1 - アレーアンテナの較正装置及び較正方法 - Google Patents

Abstract

　アレーアンテナの各系統を環境の状態変化に対応させた高精度な較正を行なうために、衛星などに搭載されるアレーアンテナを較正する較正装置２０Ａであって、アレーアンテナ１１により受信された信号に対して所定の信号処理が行なわれた複数の入力信号Ｘｉ（ｔ，Ｐ）の相関を算出して、アレーアンテナの系統を較正するための重み係数βＷを算出する較正係数算出ユニット２１と、重み係数βＷに基づきアレーアンテナの系統を較正する較正実行ユニット２７と、を備える。

Description

アレーアンテナの較正装置及び較正方法

　本発明は、衛星等に搭載されたアレーアンテナの較正装置及び較正方法に関する。

　アレーアンテナの指向性特性およびサイドローブ特性は、各アレー系統が十分に較正されていることを前提としている。そこで、アレーアンテナは、素子毎に独立に重付け係数を設定し、これに基づき指向性を決定している。
　このようなアレーアンテナの較正に関する技術として、特開２００４−１０４７５１号公報にアンテナ間結合によるパターン歪みを補正する方法が開示されている。この較正方法を行なうアンテナ装置は、ウエイト演算回路、ＡＤ／ＤＡ変換器、アップコンバータ／ダウンコンバータ、ＲＦ回路部、アンテナ素子までの全てを含んだ各アンテナ間の相互インピーダンス行列、所望入力信号行列に基づき、相互インピーダンス行列の逆行列を計算して、所望入力信号行列に逆行列をかけた信号行列を各アンテナの入力信号とする補正演算部を備えている。そして、アンテナ装置は、各アンテナの相互結合によるアンテナ放射パターンのばらつきを抑え、アダプティブ動作を正確に行なう。
　また、特開２００４−５６０３１９号公報は、異種のアンテナを電気長が近接する様に配置された状態から、各アンテナによって形成されるアンテナ指向性を能動的に変化させられるアレーアンテナ装置を開示している。このアレーアンテナ装置は、入射角依存性のないパラメータによって表された各アンテナ間の素子間結合を示す行列を格納する行列テーブルと、各アンテナのアンテナ指向性合成処理を行う指向性合成部と、指向性合成部が出力する指向性合成ベクトルデータに対して行列テーブルに格納された行列の逆行列を乗算して、この乗算結果を各アンテナに対する重み付け係数として出力する相互結合補償部とを備える。これにより、アンテナ素子間の相互結合による影響をなくして、所望のアンテナ指向性合成や到来波分別を行うようにしている。
　さらに、特開２００８−２１６１５２号公報は、無線信号として狭帯域を用いても、高精度に人の移動やドアの開閉などのイベントを検出するイベント検出装置を開示している。このイベント検出装置は、送信機が送信した電波を受信する複数のアンテナと、該複数のアンテナによって受信した信号を受信ベクトルとして該受信ベクトルから相関行列を演算する相関行列演算手段と、該相関行列演算手段によって演算された相関行列を固有値展開して信号部分空間を張る固有ベクトルを演算する固有ベクトル演算手段と、該固有ベクトル演算手段によって演算された固有ベクトルの経時変化を検出してイベントを検出するイベント検出手段とを有する。これにより、狭帯域信号を用いても、高精度にイベントを検出できるようにしている。

特開２００１−１０４７５１号公報 特開２００４−５６０３１９号公報 特開２００８−２１６１５２号公報

　しかしながら、上述した各特許文献１~３においては、軌道上に位置する衛星等に搭載されている増幅器やケーブル等が熱的影響等を受けて特性変化を起こした場合に、この熱的影響等によるアレーアンテナの指向性特性やサイドローブ特性の変動を、通信機能を動作させながら較正することができない問題があった。
　そこで、本発明では、通信機能と並行して較正が行えるアレーアンテナの較正装置及び較正方法を提供することである。

　本発明にかかる較正装置は、宇宙空間に配置されたアレーアンテナを較正する較正装置であって、アレーアンテナにより受信された信号に対して系統毎に所定の信号処理が行なわれた複数の入力信号を受け付けて、該複数の入力信号の相関を算出して、アレーアンテナを較正するための重み係数を算出する較正係数算出ユニットと、重み係数に基づきアレーアンテナを較正する較正実行ユニットと、を備える。
　また、較正方法は、宇宙空間に配置されたアレーアンテナを較正する較正方法であって、アレーアンテナにより受信された信号に対して系統毎に所定の信号処理が行なわれた複数の入力信号を受け付けて、該複数の入力信号の相関を算出して、アレーアンテナの系統を較正するための重み係数を算出する較正係数算出ステップと、重み係数に基づきアレーアンテナを較正する較正実行ステップと、を含む。

　本発明によれば、環境の状態変化に対応して高精度に較正できるようになり、信頼性が向上する。

　図１は、本発明の第１の実施形態にかかるアレーアンテナ装置が衛星に搭載されて、地上基地と通信する様子を示す模式図である。
　図２は、第１の実施形態のアレーアンテナ装置及び較正装置のブロック図である。
　図３は、第１の実施形態のアンテナの各系統の較正手順を示すフローチャートである。
　図４は、本発明の第２の実施形態にかかるアレーアンテナ装置が衛星に搭載されて、地上基地と通信する様子を示す模式図である。
　図５は、第２の実施形態のアレーアンテナ装置及び較正装置のブロック図である。

　本発明の実施形態を説明する。
＜第１の実施形態＞
　図１は、アレーアンテナ装置１０を搭載した衛星３等と、地上基地２等との通信状態を示す模式図である。また、図２は、較正装置２０Ａを含んだアレーアンテナ装置１０のブロック図である。
　較正用信号Ｇ１が地上基地２から衛星３に送信される。衛星３は、アレーアンテナにより較正用信号Ｇ１を受信する。そして、較正装置２０Ａが、受信した較正用信号Ｇ１に基づき各アンテナを較正するための重み係数を算出して、各アンテナの系統が較正される。
　なお、較正用信号Ｇ１として、ビーコンが例示できるが、これに限定するものではない。
　このような、アレーアンテナ装置１０は、アンテナ１１（１１ａ~１１ｎ）、ＬＮＡ［Ｌｏｗ　Ｎｏｉｓｅ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ］１２（１２ａ~１２ｎ）、ＤＮＣ［Ｄｏｗｎ　Ｃｏｎｖｅｔｅｒ］１３（１３ａ~１３ｎ）、ＡＤＣ［Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ］１４（１４ａ~１４ｎ）、ＤＢＦ［Ｄｉｇｔａｌ　Ｂｅａｍ　Ｆｏｒｍｉｎｇ］１５及び、較正装置２０Ａを含む。そして、１つ毎のアンテナ１１、ＬＮＡ１２、ＤＮＣ１３、ＡＤＣ１４によって１つの系統が形成される。図２においては、ｎ個の系統が形成されている場合が示されている。
　アンテナ１１で受信された較正用信号Ｇ１は、ＬＮＡ１２で増幅され、ＤＮＣ１３で低周波信号に周波数変換され、その後、ＡＤＣ１４でディジタル信号に変換される。以下の説明では、このディジタル化された信号を、受信時刻をｔとして入力信号Ｘｉ（ｔ，Ｐ）と記載する。ここで、添え字ｉはｉ系統に入力した信号であることを示している。また、符号Ｐは後述するように、系統の温度変化や放射線の入射等の外乱要因により、それぞれの系統の特性が変化することを示すパラメータである。即ち、Ｐ＝０の場合は、外部要因が無い場合を示している。
　較正装置２０Ａは、重み係数を算出する較正係数算出ユニット２１と、重み係数に基づきアレーアンテナ１１の各系統を較正する較正実行ユニット２７とを備える。較正係数算出ユニット２１は、相関行列算出部２２、固有値算出部２３、固有ベクトル算出部２４、特性変化判断部２５、重み係数算出部２６を備える。なお、図２に示すように、入力信号Ｘｉ（ｔ，Ｐ）は、較正装置２０Ａに入力されると共にＤＢＦ１５に入力される。従って、較正装置２０Ａは、アレーアンテナ装置１０における通信部分の動作と並列して動作する。
　先に定義したように、入力信号Ｘｉ（ｔ，Ｐ）は、ある時刻ｔにおけるｉ系統の入力信号である。厳密には、入力信号Ｘｉ（ｔ，Ｐ）は、アンテナ１１で受信された較正用信号Ｇ１を信号処理したＤＢＦ１５に入力する直前の信号である。アンテナ１１からＤＢＦ１５の間には、ＬＮＡ１２、ＤＮＣ１３、ＡＤＣ１４等の複数の電子機器が存在して、これらの電子機器が所定の信号処理を行う。
　衛星３が静止衛星である場合には、衛星３の位置に応じて太陽からの光の量が変化する。この結果、例えば太陽、地球、衛星の順番に並ぶと（衛星から見て日蝕の状態、地球の影に入った状態）、衛星の温度は低下する。逆に太陽、衛星、地球の順番に並ぶと衛星の温度は高くなる。また、宇宙空間には、種々の放射線（アルファ線やガンマ線等）が存在して、これらの放射線が電子機器に入射することがある。
　電子機器は半導体デバイス等の電子デバイスを多数含んでいるため、温度の変化や放射線の入射によりデバイス特性が変化する。この結果、ＤＢＦ１５には、温度変化が無い場合や放射線の被曝を受けない場合の入力信号Ｘｉ（ｔ，Ｐ＝０）と異なる入力信号Ｘｉ（ｔ，Ｐ≠０）が入力することになる。以下、このような温度や放射線による特性変化を外乱による特性変化と記載する。
　説明したように、電子デバイス等は、外乱による特性変化を起して、電子機器の特性も変化する。通常、地上で使用されている電子装置であれば、部品交換や較正等のメンテナンスを行なえる。しかし、宇宙空間にある衛星ではかかるメンテナンスを行うことができない。
　そこで、本実施形態では、衛星に搭載されているアレーアンテナ装置１０が外乱による特性変化を起こしても、入力信号Ｘｉ（ｔ，Ｐ）に基づき較正処理が行えるようにする。なお、較正処理は、リアルタイムに入力する入力信号Ｘｔ（ｔ，Ｐ）に基づき行うことも可能である。また較正処理は、突発的なノイズ等による影響を軽減するために、一定時間の入力信号Ｘｔ（ｔ，Ｐ）の平均値に基づき行うことも可能である。以下の説明では、リアルタイムに入力する入力信号Ｘｔ（ｔ，Ｐ）に基づき行う場合を例に説明する。
　かかる較正は、較正装置２０Ａにおける較正係数算出ユニット２１で較正パラメータ（重み係数）の算出が行われ、重み係数に基づき較正が行われる。
　較正係数算出ユニット２１における相関行列算出部２２は、各系統の入力信号Ｘｉ（ｔ，Ｐ）を受け付ける。このとき、各入力信号Ｘｉ（ｔ，Ｐ）の相関行列Ｒｘｘを式（１）に従って定義する。

ここで、＜Ｘ１｜等は、ベクトルを表し、｜Ｘ１＞は、＜Ｘ１｜の複素共役の関係となっている。
　相関行列Ｒｘｘの固有値をλ、固有ベクトルをＷとすると、行列方程式は、式（２）となる。
　ＲｘｘＷ＝λＷ…（２）
そこで、単位行列をＩとすると、固有方程式は、式（３）となる。
　｜Ｒｘｘ−λＩ｜＝０…（３）
　固有値算出部２３は、式（３）を解くことにより固有値λを求める。固有値λは複数存在するので、その最大値をλｍａｘとする。最大固有値λｍａｘを用いると、式（２）は、式（４）と書ける。
　（Ｒｘｘ−λｍａｘＩ）Ｗ＝０…（４）
　固有ベクトル算出部２４は、式（４）で示したようにして固有ベクトルＷを算出する。
　さて、外乱による特性変化を起こす前の固有ベクトルをＷｃ、特性変動を起こした後の固有ベクトルをＷとすると、Ｗ≠Ｗｃである。そこで、特性変化判断部２５は、固有ベクトルＷｃを記憶し、その後に算出された固有ベクトルＷと等しいか否かを判断する。このことで、較正装置２０Ａは、較正処理の必要性を判断する。このとき、一致の度合いを設定しなければ、実質的に特性変動していない場合でも、較正処理が実行されることになる。そこで、特性変化判断部２５には、固有ベクトルＷと、固有ベクトルＷｃの一致度を判断するための基準となる特性変動判定基準Ｔが格納されている。特性変化判断部２５は、式（５）に従い、固有ベクトルＷと固有ベクトルＷｃとの内積Ｋを求め、この値Ｋが特性変動判定基準Ｔより大きくなった場合（Ｋ＞Ｔ）には、外乱により特性変動が発生したと判断する。
　Ｋ＝＜Ｗ｜Ｗｃ＞　…（５）
　内積Ｋが特性変動判定基準Ｔより大きい場合（Ｋ＞Ｔ）には、特性変化判断部２５は、固有ベクトルＷを重み係数算出部２６に出力する。
　重み係数算出部２６は、重み係数βＷを算出する。このときのβは比例係数であり、例えば固有値ベクトルＷのノルムが１となるようにβを設定する。このようにして算出された重み係数βＷは較正実行ユニット２７に出力される。較正実行ユニット２７は重み係数を用いてアンテナ１１の各系統を較正する。
　このように較正処理は、通信処理と並列に行うため、通信処理中の場合であっても、当該通信処理を中断させることなく較正が行える。
　図３は、較正装置２０Ａにおけるアンテナの各系統の較正手順を示すフローチャートである。上述したように、アレーアンテナを構成する個々のアンテナ１１からの各入力信号は、ＬＮＡ１２、ＤＮＣ１３、ＡＤＣ１４を経てＤＢＦ１５に入力されると共に、較正装置２０Ａにおける較正係数算出ユニット２１に入力される。較正係数算出ユニット２１の相関行列算出部２２は、温度環境の変動の影響等を受けた各入力信号Ｘｉ（ｔ，Ｐ）に基づき相関行列Ｒｘｘを算出する（ステップＳ１）。
　そして、固有値算出部２３は、この相関行列Ｒｘｘの固有値を算出し、最大値の固有値を最大固有値λｍａｘとして出力する（ステップＳ２）。固有ベクトル算出部２４は、最大固有値λｍａｘの固有ベクトルＷを算出する（ステップＳ３）。
　そして、特性変化判断部２５は、得られた固有ベクトルＷと格納されている固有ベクトルＷｃとの内積を求めて、その値が特性変動判定基準Ｔより大きいか否かを判断する（ステップＳ４）。
　内積が特性変動判定基準Ｔより大きい場合（特性変動が生じて較正処理が必要と判断された場合）は、ステップＳ５に進み、較正が不要と判断された場合にはステップＳ１に戻る。
　較正処理が必要と判断された場合、重み係数算出部２６は、固有ベクトルＷのノルムが１となるように比例係数βを算出して、各信号を較正するための重み係数βＷを算出する（ステップＳ５）。算出された重み係数βＷは、較正実行ユニット２７に送られ、各アンテナ１１の各系統が較正される（ステップＳ６）。
　以上説明したように、宇宙環境等の特殊な環境下特有の特性変動が生じても、自動的に較正処理が行えるため、高品質な通信を保つことができるようになる。
＜第２の実施形態＞
　次に、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。図４は、アレーアンテナ装置１０が衛星３等に搭載され、地上基地２，４と通信する様子を示す模式図である。
　このとき、地上基地４は、較正処理を行う際の重み係数の算出を行うためのリソースであり、地上基地２と同じでも良い。即ち、第１の実施形態においては、較正装置２０Ａを衛星３に搭載して、重み係数を算出して較正を行った。しかし、衛星３には十分な演算リソースが搭載できない場合もある。そこで、本実施形態では、地上基地４とテレメトリ、コマンド回線を介して通信することにより、入力信号Ｘｉ（ｔ，Ｐ）を一度地上基地４に送信し、地上基地４において重み係数を算出する。
　図５は、このようなアレーアンテナ装置１０及び較正装置２０Ｂのブロック図である。
　この較正装置２０Ｂは、衛星３側に設けられた送受信機２９及び較正実行ユニット２７、地上基地４に設けられた送受信機２８及び較正係数算出ユニット２１を備える。
　そして、衛星３側の送受信機２９は、アレーアンテナを構成する各アンテナ１１からの入力信号Ｘｉ（ｔ，Ｐ）を受信すると、これを地上基地４に送信する。地上基地４の送受信機２８は、この入力信号Ｘｉ（ｔ，Ｐ）を受信すると、先に述べた手順で重み係数βＷを算出する。算出された重み係数βＷは、送受信機２８から送信され、送受信機２９により受信されて、較正実行ユニット２７に送られる。較正実行ユニット２７は、受信した重み係数βＷに基づき各アンテナの系統を較正する。
　従って、重み係数を算出する十分な演算リソースが衛星３に搭載されていない場合でも、温度の変動等の影響によりデバイス特性が変化しても、所望のアンテナパターン、サイドローブ等を得ることができるようになる。
　なお、本発明の具体的な構成は前述の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の変更があってもこの発明に含まれる。
　この出願は、２０１０年８月２日に出願された日本出願特願２０１０−１７３３３８号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。

　２，４　地上基地
　３　衛星
　１０　アレーアンテナ装置
　２０Ａ，２０Ｂ　較正装置
　２１　較正係数算出ユニット
　２２　相関行列算出部
　２３　固有値算出部
　２４　固有ベクトル算出部
　２５　特性変換判断部
　２６　重み係数算出部
　２７　較正実行ユニット
　２８，２９　送受信機

Claims (10)

1. 　宇宙空間に配置されたアレーアンテナを較正する較正装置であって、
   　前記アレーアンテナにより受信された信号に対して系統毎に所定の信号処理が行なわれた複数の入力信号を受け付けて、該複数の入力信号の相関を算出して、前記アレーアンテナを較正するための重み係数を算出する較正係数算出ユニットと、
   　前記重み係数に基づき前記アレーアンテナを較正する較正実行ユニットと、
   を備えることを特徴とする較正装置。
2. 　請求項１に記載の較正装置であって、
   　前記較正係数算出ユニットは、
   　前記入力信号の相関行列を算出する相関行列算出部と、
   　前記相関行列算出部により算出された相関行列の最大固有値を算出する固有値算出部と、
   　前記最大固有値の固有ベクトルを算出する固有ベクトル算出部と、
   　前記固有ベクトルのノルムが１となるように比例係数を算出し、該比例係数と前記固有ベクトルとの積を重み係数として出力する重み係数算出部と、
   を備えることを特徴とする較正装置。
3. 　請求項２に記載の較正装置であって、
   　外乱により前記較正装置内の電子機器が特性変動を起こしたか否かを判断する特性変化判断部を備えることを特徴とする較正装置。
4. 　請求項１乃至３のいずれか１項に記載の較正装置であって、
   　前記較正係数算出ユニットが、衛星に搭載されていることを特徴とする較正装置。
5. 　請求項１乃至３のいずれか１項に記載の較正装置であって、
   　前記較正係数算出ユニットが、地上基地に設置されて、前記衛星から前記入力信号を受信して、該入力信号に基づき前記重み係数を算出して衛星に送信することを特徴とする較正装置。
6. 　請求項１乃至５のいずれか１項に記載の較正装置であって、
   　前記複数の入力信号は、ＤＢＦ（Ｄｉｇｔａｌ　Ｂｅａｍ　Ｆｏｒｍｉｎｇ）部に入力される各系統の信号を分岐して用いることを特徴とする較正装置。
7. 　宇宙空間に配置されたアレーアンテナを較正する較正方法であって、
   　前記アレーアンテナにより受信された信号に対して系統毎に所定の信号処理が行なわれた複数の入力信号を受け付けて、該複数の入力信号の相関を算出して、前記アレーアンテナの系統を較正するための重み係数を算出する較正係数算出ステップと、
   　前記重み係数に基づき前記アレーアンテナを較正する較正実行ステップと、
   を含むことを特徴とする較正方法。
8. 　請求項７に記載の較正方法であって、
   　外乱により電子機器が特性変動を起こしたか否かを判断する特性変化判断ステップを含むことを特徴とする較正方法。
9. 　請求項７又は８に記載の較正方法であって、
   　前記較正係数算出ステップは、
   　前記入力信号の相関行列を算出する相関行列算出ステップと、
   　前記相関行列算出ステップにより算出された前記相関行列の最大固有値を算出する固有値算出ステップと、
   　前記最大固有値の固有ベクトルを算出する固有ベクトル算出ステップと、
   　前記固有ベクトルのノルムが１となるように比例係数を算出し、該比例係数と前記固有ベクトルとの積を重み係数として出力する重み係数算出ステップと、
   を含むことを特徴とする較正方法。
10. 　請求項７乃至９のいずれか１項に記載の較正方法であって、
    　前記較正係数算出ステップは、
    　前記入力信号を地上基地に送信するステップと、
    　地上基地で算出された重み係数を衛星に送信するステップと、
    を含むことを特徴とする較正方法。

Images