WO2015108095A1

WO2015108095A1 - アンテナ制御装置およびアンテナ装置

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Publication number: WO2015108095A1
Application number: PCT/JP2015/050876
Authority: WO
Inventors: 吉田　幸司; 直也上郷; 雄二酒井; 正伸堀本
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2015-01-15
Publication date: 2015-07-23
Also published as: CN105934852A; US20160336652A1; JP5840333B1; JPWO2015108095A1; CN105934852B; EP3096403A4; EP3096403B1; EP3096403A1; US9543646B2

Abstract

　垂直軸、水平軸および直交水平軸を有するアンテナ装置の指向方向を制御するアンテナ制御装置（２）は、アンテナ（１）が追尾する目標物が存在する方向である目標方向を取得する方向取得部（２０）と、垂直軸の回転範囲内に水平に固定されたＹ軸と天頂方向とを含む平面と目標表方向との間の角度であるＹ座標と、この平面に投影された目標方向と天頂方向との間の角度であるＸ座標に変換する座標変換部（７）と、アンテナの指向方向を制御する演算処理部（４）を有する。駆動指令値演算部（６）は、Ｙ座標に係数を乗じた値を垂直軸の回転角として指令する。演算処理部（４）は、アンテナ（１）の指向方向と目標方向の差が許容値以下になるように水平軸および直交水平軸の指令値を算出して指令する。

Description

アンテナ制御装置およびアンテナ装置

　本発明は、目標物を追尾しながら通信を行うアンテナの指向方向を制御するためのアンテナ制御装置およびアンテナ装置に関する。

　従来、予め得られている衛星の軌道予報値を用いて、アンテナの駆動軸を制御してアンテナのビームが向く方向を衛星に指向させ、衛星を追尾することが行われている。衛星通信地球局のアンテナ（地上アンテナ）を姿勢制御する方式として、鉛直軸（ＡＺ軸）および水平軸（ＥＬ軸）の回りに回転するように支持するＡＺ／ＥＬマウントが用いられる場合がある。

　ＡＺ／ＥＬマウントでは、目標物が天頂を通過するときに、ＡＺ軸を瞬時に１８０°回転させる必要が生じる場合がある。これをジンバルロックという。特許文献１には、ジンバルロックが発生しない空中線装置が記載されている。特許文献１の空中線装置は、空中線のビーム方向が設定仰角以下では個別に駆動制御される垂直軸、水平軸および直交水平軸のうち２軸の駆動入力に入力を与え、設定仰角以上では３軸全ての駆動入力に入力を与えるよう切り換える。そして、３軸駆動への切換後には３軸のうちの特定の軸の駆動入力に、３軸の現在値の演算で求められた該特定の軸の値を与える。

　また、衛星が天頂付近の軌道上に位置する場合ＡＺ／ＥＬ座標を用いて補間処理を行うと、天頂付近以外の軌道上に位置する時と比べて、アンテナを制御するための計算周期であるΔｔ秒あたりの各軸角度の変化率が大きくなり、求められたプログラム指令角度の誤差が大きくなる。これを回避するために、特許文献２の衛星追尾アンテナ駆動制御方法では、衛星の軌道予測情報に基づいて、所定の時間間隔ごとに衛星を指向するプログラム予測角度を算出する。そして、このプログラム予測角度よりも短い時間間隔で衛星を指向するプログラム指令角度を算出する補間処理に用いられる座標として、プログラム予測角度から衛星が天頂付近を通過すると予測された場合にはＸ／Ｙ座標を選択する。

特開平７－２０２５４１号公報特開２００１－２３７６２９号公報

　衛星通信地球局のアンテナ（地上アンテナ）を姿勢制御する方式として、垂直軸（ＡＺ軸）および水平軸（ＥＬ軸）の回りに回転するように支持するＡＺ／ＥＬマウントが用いられている。対象の衛星が準天頂軌道にあって、地上から見て８の字に見える周回軌道の８の字の輪の内側に地上アンテナが位置する場合に、天頂を内部に含む閉曲線を追尾することになるので、ＡＺ（Azimuth）軸およびＥＬ（Elevation）軸を駆動してアンテナの姿勢（ビーム方向）を制御すると、ＡＺ軸の回転角度は３６０度以上となる。この場合、無限回転に対応しないアンテナでは、ＡＺ軸を追尾方向と逆方向に回転させ信号ケーブルの巻きつきをほぐす作業（ケーブル巻き直し）などが必要であり、巻き直しの間は通信が途切れることが避けられない。

　垂直軸、水平軸および水平軸上にありそれに直交する直交水平軸の３軸マウントを用いたアンテナでも、これらの課題は同様である。なお、衛星軌道は摂動により変動することから、準天頂軌道では地上アンテナの位置が８の字の内側と外側の場合で遷移するので、両方の場合に対応するための制御が必要である。

　地上アンテナを姿勢制御する方式として、地上に水平に固定されたＸ軸とこれに水平面内で直交するＹ軸の回りに回転するように支持するＸ／Ｙマウントがある。Ｘ／Ｙマウント方式を用いる場合には、地上アンテナが８の字の輪の内側に位置する場合でもケーブルの巻き直しは不要である。しかし、アンテナの重心が高くなるなど機械的な要件が厳しくなる問題がある。

　本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、アンテナの駆動範囲に制限がある場合であっても、天頂を内部に含む閉曲線となる軌道上の目標物を追尾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制御装置は、固定された基部と、基部に対して回転する回転軸である水平面に垂直な垂直軸と、垂直軸を駆動して回転させる垂直軸駆動部と、垂直軸により回転移動する方位角架台と、方位角架台に対して回転する回転軸である水平な水平軸と、水平軸を駆動して回転させる水平軸駆動部と、水平軸により回転移動する仰角架台と、仰角架台に対して回転する回転軸である水平軸に垂直な直交水平軸と、直交水平軸を駆動して回転させる直交水平軸駆動部と、直交水平軸により回転移動するアンテナとを備えた経緯台式架台で駆動されるアンテナ装置のアンテナの指向方向を制御する。方向取得部は、アンテナが追尾する目標物が存在する方向である目標方向を取得する。座標変換部は、垂直軸の回転範囲内で水平に固定されたＹ軸と、Ｙ軸に垂直かつ水平に固定されたＸ軸と、Ｘ軸およびＹ軸に垂直なＺ軸とに関して、変換される方向である被変換方向を、Ｙ軸とＺ軸を含む平面であるＹＺ平面に投影した被変換方向とＺ軸との間の角度であるＸ座標とＹＺ平面と被変換方向との間の角度であるＹ座標とに変換する。制御部は、水平面内で水平軸と垂直な方向とＹ軸との間の角度である架台方位角が、目標方向を座標変換部で変換したＹ座標に係数を乗算した角度である方位回転角になるように垂直軸を回転範囲内で回転させるための垂直軸駆動部への指令値を算出し、指向方向と目標方向との差が許容値以下になるように水平軸駆動部および直交水平軸駆動部への指令値を算出する。

　本発明によれば、アンテナの駆動範囲に制限がある場合であっても、天頂を内部に含む閉曲線となる軌道上の目標物を追尾できる。

本発明の実施の形態１に係るアンテナ制御装置およびアンテナ装置の構成例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である３軸制御空中線のマウントの相互関係を表す概念図である。アンテナの各軸の相互関係を示す概念図である。追尾する目標である衛星軌道の例を示す図である。ＡＺ／ＥＬマウントの座標と直交座標の関係を示す図である。Ｘ／Ｙマウントの座標と直交座標の関係を示す図である。実施の形態においてＡＺ角を算出するために想定する座標系の回転を示す図である。実施の形態１に係るアンテナ駆動制御の動作の一例を示すフローチャートである。本発明の実施の形態２に係るアンテナ駆動制御の動作の一例を示すフローチャートである。本発明の実施の形態３に係るアンテナ駆動制御の動作の一例を示すフローチャートである。ＡＺ軸を固定した場合と実施の形態１におけるＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸の動きの例を示す図である。実施の形態１の具体例のＡＺ角の変化を示す図である。実施の形態１の具体例のＥＬ角の変化を示す図である。実施の形態１の具体例のＣ－ＥＬ角の変化を示す図である。

　以下の説明では、垂直軸をＡＺ（Azimuth）軸、水平軸をＥＬ（Elevation）軸、直交水平軸をＣ－ＥＬ（Cross-Elevation）軸という。また、ＡＺ軸の角度をＡＺ角、ＥＬ軸の角度をＥＬ角、Ｃ－ＥＬ軸の角度をＣ－ＥＬ角という。

　実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ制御装置およびアンテナ装置の構成例を示すブロック図である。目標物からの信号などに基づき、３軸制御空中線であるアンテナ１のビーム方向が目標物に指向するように、アンテナ制御装置２はアンテナ１の各軸を駆動させる。ビーム方向すなわちアンテナ１が向く方向をアンテナの指向方向と呼ぶ。アンテナ制御装置２は、演算処理部４、追尾受信機８、予報値取得部９、検出値取得部１０、および各軸のサーボ制御部を備える。サーボ制御部は、アンテナ１の姿勢を制御する垂直軸（ＡＺ軸）駆動部１４、水平軸（ＥＬ軸）駆動部１５および直交水平軸（Ｃ－ＥＬ軸）駆動部１６のそれぞれに対応して、垂直軸（ＡＺ軸）サーボ制御部１１、水平軸（ＥＬ軸）サーボ制御部１２および直交水平軸（Ｃ－ＥＬ軸）サーボ制御部１３を含む。

　給電装置３は、アンテナ１が受信した衛星が放射する信号からＳＵＭ信号とＥＲＲ信号を生成し、追尾受信機８に伝送する。追尾受信機８は、ＳＵＭ信号とＥＲＲ信号から復調検波し、ＳＵＭ信号に対するＥＲＲ信号の位相差および振幅比に基づき、２軸角度誤差信号ΔＸ、ΔＹを出力する。追尾受信機８は、目標物である衛星が放射しアンテナ１が受信する信号からアンテナ１の水平軸および直交水平軸の角度誤差信号である２軸角度誤差信号を生成する受信部である。

　予報値取得部９は、図示しない衛星管制装置などから得られる軌道予報値から決まる衛星の存在する方向の方位角成分であるＰＡＺと仰角成分であるＰＥＬを取得する。角度ＰＡＺ、ＰＥＬのことを、軌道予報値とも呼ぶ。また、検出値取得部１０は、各駆動軸の角度の検出値を各軸の駆動部から取得する。追尾受信機８、予報値取得部９および検出値取得部１０は、アンテナが追尾する目標物（衛星）が存在する方向である目標方向を取得する方向取得部２０を構成する。追尾受信機８、予報値取得部９および検出値取得部１０のすべてが必要とは限らない。アンテナ制御装置２は、少なくとも、追尾受信機８または予報値取得部９を備えればよい。実施の形態１では、検出値取得部１０は不要である。検出値取得部１０は、実施の形態２で用いる。

　アンテナ制御装置２の演算処理部４は、追尾受信機８からの２軸角度誤差信号ΔＸ、ΔＹ、および、予報値取得部９が取得した軌道予報値ＰＡＺ、ＰＥＬに基づき、アンテナ１の駆動指令値を演算する。演算処理部４は、誤差信号処理部５、駆動指令値演算部６および座標変換部７を含む。誤差信号処理部５は、２軸角度誤差信号ΔＸ、ΔＹを、アンテナ１の駆動に適するように変換処理をする。座標変換部７は、軌道予報値ＰＡＺ、ＰＥＬを駆動指令値演算に適した座標系に変換する。駆動指令値演算部６は、アンテナの各軸の駆動量を制限範囲内に抑えると共に、ビーム方向を目標物に指向させるための駆動指令値を算出する制御部である。

　実施の形態２で説明するが、座標変換部７には、検出値取得部１０が取得する各駆動軸の角度の検出値を入力することもできる。図１において、座標変換部７の入力側に図示した切替スイッチは、そのことを意味している。

　図２は、実施の形態に係るアンテナ装置である３軸制御空中線のマウントの相互関係を表す概念図である。３軸制御空中線は、垂直軸２４、水平軸２５および直交水平軸２６の３軸を備える。垂直軸２４は、基部２３に支持され、基部２３に対して垂直線の回りに回動可能である。垂直軸２４は、主にアンテナ１の方位角追尾の作用を担う。水平軸２５は、垂直軸２４と共に回転し、アンテナ１が地平線から天頂を通って反対側の地平線まで指向できるようにほぼ１８０°回動可能である。水平軸２５は、主に仰角追尾を担う。

　直交水平軸２６は、水平軸２５と共に回転し、水平軸２５に直交する直線の回りに、ある角度範囲で回動可能である。一般的には、直交水平軸２６の回動角度範囲は、水平軸２５の回転角範囲より小さい。アンテナ１は、直交水平軸２６に固定される。垂直軸２４、水平軸２５および直交水平軸２６によりアンテナ１のビーム方向１９を任意の所望の方向に向けることができる。アンテナ制御装置２はこれらを制御することにより、アンテナのビーム方向を目標物に追尾させる。

　アンテナ装置は、経緯台式架台（ＡＺ／ＥＬマウント）で駆動される。アンテナ装置は、水平に固定された基部２３と、基部２３に対して回転する回転軸である水平面に垂直な垂直軸２４と、垂直軸２４を駆動して回転させる垂直軸駆動部１４と、垂直軸２４により回転移動する方位角架台と、方位角架台に対して回転する回転軸である水平な水平軸２５と、水平軸２５を駆動して回転させる水平軸駆動部１５と、水平軸２５により回転移動する仰角架台と、仰角架台に対して回転する回転軸である水平軸に垂直な直交水平軸２６と、直交水平軸２６を駆動して回転させる直交水平軸駆動部１６と、直交水平軸２６により回転移動するアンテナ１とを備える。

　水平面内で水平軸２５と垂直な方向に、方位角架台は向く。方位角架台が向く方向と方位の基準となる方向との間の角度を架台方位角と呼ぶ。仰角架台は、水平軸２５に平行な方向と直交水平軸２６とを含む平面の法線である仰角架台法線の方向を向く。仰角架台法線と水平面との間の角度を架台仰角と呼ぶ。直交水平軸２６が回転していなければ、架台方位角がアンテナ１の指向方向の方位角になり、架台仰角がアンテナ１の指向方向の仰角になる。

　図３は、アンテナの各軸の相互関係を示す概念図である。図３に示すようにＸ_ＡＮＴ－Ｙ_ＡＮＴ座標系は主反射鏡に固定されている。Ｘ_ＡＮＴ軸がＥＬ軸に対応し、Ｙ_ＡＮＴ軸がＣ－ＥＬ軸に対応する。誤差信号処理部５は、Ｘ_ＡＮＴ軸およびＹ_ＡＮＴ軸の角度誤差を示す信号である２軸角度誤差信号ΔＸ、ΔＹをアンテナ駆動に適するように変換処理を行い、水平軸（ＥＬ軸）サーボ制御部１２および直交水平軸（Ｃ－ＥＬ軸）サーボ制御部１３に対して駆動指令を出し、アンテナ１を駆動させる。誤差信号処理部５は、アンテナ１の指向方向と目標方向との差が許容値以下になるように水平軸駆動部１５および直交水平軸駆動部１６への指令値を算出する制御部である。

　実施の形態３で説明するが、水平軸駆動部１５および直交水平軸駆動部１６への指令値として、駆動指令値演算部６で計算した指令値を使用することもできる。図１にしました、水平軸（ＥＬ軸）サーボ制御部１２および直交水平軸（Ｃ－ＥＬ軸）サーボ制御部１３に入力側に図示した２個の切替スイッチは、そのことを示している。

　予報値取得部９は衛星位置の予測値である軌道予報値ＰＡＺ、ＰＥＬを取得し、座標変換部７に伝送する。図４は、追尾する目標である衛星軌道の例を示す図である。図４は、地表に固定された観測点から見える準天頂衛星の軌道を衛星が天頂方向になる地球表面での位置の軌跡として示す。準天頂衛星は、地表に固定された観測点（例えば、アンテナ１の設置地点）から見ると、例えば南北に長い８の字の軌道を描く。

　座標変換部７ではＡＺ－ＥＬ座標系を駆動指令値演算するためのＸ－Ｙ座標系に変換した後、駆動指令値演算部６に伝送する。駆動指令値演算部６では入力された軌道予報値に基づき駆動指令値を演算し、各軸のサーボ制御部に出力する。駆動指令値演算部６と座標変換部７での処理例を以下に示す。

　図５は、ＡＺ／ＥＬマウントの座標と直交座標の関係を示す図である。地表のある点を原点として座標系を考える。直交座標系は、水平面に垂直な方向である天頂方向をｚ軸、水平面の南をｘ軸の正の方向、水平面の東をｙ軸の正の方向とする。ＡＺ／ＥＬマウントの座標、すなわちＡＺ－ＥＬ座標系は、北を方位の基準となる方向としてＡＺ＝０°として、天頂から見て時計回りにＡＺ角をとり、水平面からの仰角をＥＬ角とする。南の方位は１８０°（または－１８０°）である。水平はＥＬ＝０°、天頂はＥＬ＝９０°である。ＡＺ－ＥＬ座標系の動径をＲとして、同じ点を表す直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）と、ＡＺ－ＥＬ座標系（Ｒ、ＡＺ、ＥＬ）の関係は、次の式で表せる。
　　ｘ＝－Ｒ・cosＥＬ・cosＡＺ　　　　　　　　　　　　　（１)
　　ｙ＝Ｒ・cosＥＬ・sinＡＺ　　　　　　　　　　　　　　（２）
　　ｚ＝Ｒ・sinＥＬ　　　　　　　　　　　　　　　　　　(３)

　図６は、Ｘ／Ｙマウントの座標と直交座標の関係を示す図である。直交座標は、図５と同様とする。Ｘ／Ｙマウントの座標、すなわちＸ－Ｙ座標系は、天頂方向を原点（０°）として、東西方向に水平に固定されたＸ軸（直交座標のｙ軸）の回りに北に向かって回転する方向での角度を角度Ｘとする。すなわち、天頂方向を東から見て天頂から時計回りに角度Ｘをとる。そして南北方向に水平に固定されたＹ軸（直交座標のｘ軸）と天頂方向であるＺ軸を含むＹＺ平面において角度Ｘに垂直な方向を回転軸として、東に向かって回転する方向での角度を角度Ｙとする。天頂方向はＸ＝０°、Ｙ＝０°である。角度Ｘは、北向きの場合にはＸ＝９０°であり、南向きの場合にはＸ＝－９０°である。角度Ｙは、東向きの場合にはＹ＝９０°、西向きの場合にはＹ＝－９０°である。

　Ｘ－Ｙ座標系の動径をＲとして、同じ点を表す直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）と、Ｘ－Ｙ座標系（Ｒ、Ｘ、Ｙ）の関係は、次の式で表せる。
　　ｘ＝－Ｒ・cosＹ・sinＸ　　　　　　　　　　　　　 (４)
　　ｙ＝Ｒ・sinＹ　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５)
　　ｚ＝Ｒ・cosＹ・cosＸ　　　　　　　　　　　　　　（６)

　Ｘ軸とＹ軸は、どちらも水平であり、互いに直交している。Ｘ軸およびＹ軸に垂直な天頂方向をＺ軸とする。Ｙ軸とＺ軸を含む平面であるＹＺ平面に投影した、変換される方向である被変換方向とＺ軸との間の角度がＸ座標になる。ＹＺ平面と被変換方向の間の角度がＹ座標である。

　そこで、ＡＺ－ＥＬ座標系とＸ－Ｙ座標系は以下の式で相互に変換できる。
　　tanＡＺ＝tanＹ／sinＸ　　　　　　　　　　　　　 (７)
　　sinＥＬ＝cosＸ・cosＹ　　　　　　　　　　　　　 (８)
　　tanＸ＝cosＡＺ／tanＥＬ　　　　　　　　　　　　 (９)
　　sinＹ＝sinＡＺ・cosＥＬ　　　　　　　　　　　　 (10）
　座標変換部７は、上述の変換式などを用いて、ＡＺ－ＥＬ座標または他の座標系とＸ－Ｙ座標を相互に変換する。

　図７は、実施の形態においてＡＺ角を算出するために想定する座標系の回転を示す図である。図７は、座標系を天頂から地上を見た際の時計回りに、ＡＺ軸（ｚ軸）の回りに角度ＡＺ１だけ回転させる様子を示す。

　Ｘ／ＹマウントのＸ－Ｙ座標系を、天頂から地上を見た際の時計回りにＡＺ軸の回りにＡＺ１だけ回転させたＸ１－Ｙ１座標と、ＡＺ－ＥＬ座標との変換式を考える。角度ＡＺが角度（ＡＺ－ＡＺ１）になると考えれば、変換式は以下のようになる。
　　tan（ＡＺ－ＡＺ１）＝tanＹ１／sinＸ１　　　　　　　　 (11)
　　sinＥＬ＝cosＸ１・cosＹ１　　　　　　　　　　　　　　 (12)
　　tanＸ１＝cos（ＡＺ－ＡＺ１）／tanＥＬ　　　　　　　　 (13)
　　sinＹ１＝sin（ＡＺ－ＡＺ１）・cosＥＬ　　　　　　　　 (14)
　なお、目標方向をＡＺ軸の回りに回転させた方位角変更後目標方向をＸ－Ｙ座標に変換すると考えてもよい。

　角度ＡＺと角度ＥＬは、角度ＡＺ１および角度Ｘ１、角度Ｙ１で表せる。
　　ＡＺ＝tan^－１（tanＹ１／sinＸ１）＋ＡＺ１　　　　　　　 (15)
　　ＥＬ＝sin^－１（cosＸ１・cosＹ１）　　　　　　　　　　　 (16)
　また、角度Ｘ１と角度Ｙ１は、角度ＡＺ、角度ＥＬおよび角度ＡＺ１で表せる。
　　Ｘ１＝tan^－１（cos（ＡＺ－ＡＺ１）／tanＥＬ）　　　　　 (17)
　　Ｙ１＝sin^－１（sin（ＡＺ－ＡＺ１）・cosＥＬ）　　　　　 (18)

　ここで、ＡＺ軸を角度ＡＺ１だけ回転させたと考えると、角度Ｘ１および角度Ｙ１は、ＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸の回転角度の指令値に相当する。駆動指令値演算部６では、上述の変換式から、駆動指令値Ｘ１およびＹ１を算出する。

　本実施の形態では、［ａ，ｂ］でａからｂまでの閉区間を表して、ＡＺ軸の回転範囲を［－１８０°，１８０°］とする。すなわち、回転範囲の中心から±１８０°を超えて回転させないこととする。回転範囲の中心は、ＡＺ＝０°すなわち北方向である。ここで、ＡＺ軸の回転角ＡＺ１を、ＡＺ軸の回転範囲の中心の方向に水平に固定されたＹ軸に対する回転角度であるＹ座標に、係数－ｋを乗算した値ＡＺ１＝－ｋＹとする。ＡＺ１は、ＡＺ軸を回転させる方位回転角である。ここで、－ｋとしている理由は、準天頂軌道上の衛星を追尾する場合には衛星が南に存在している場合に直交水平軸の回転角が大きくなるので、ＡＺ軸を回転させることで、直交水平軸の回転角を低減させるためである。係数ｋは、Ｘ座標の値により変化させてもよい。

　Ｙ座標は、アンテナの目標の方向の、天頂方向およびＹ軸を含む平面に対する角度であるから、Ｙ座標の範囲は［－９０°，９０°］である。アンテナケーブルの巻き直しが問題になるのは、天頂を内部に含む閉曲線を周回するように見える軌道である。その場合、Ｙ座標は、［－９０°，９０°］に含まれるある範囲を往復することになるから、例えば、－１≦ｋ≦１（条件１）の範囲に設定すれば、角度ＡＺ１は［－１８０°，１８０°］の外に出ることはない。なお、ＡＺ１が［－１８０°，１８０°］の範囲内に入れば、ｋの絶対値が１より大きくてもよい。

　また、ＡＺ軸を角度ＡＺ１だけ回転させた後のＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸に対する駆動指令値Ｘ１およびＹ１について、ＥＬ軸の可動範囲が［－Ｅｘ，Ｅｘ］、Ｃ－ＥＬ軸の可動範囲が［－Ｃｘ，Ｃｘ］である場合、係数ｋを、以下の条件２および条件３を満足する値に設定する。角度Ｘ１は、ＥＬ軸を回転させた後の仰角架台法線と天頂方向との間の角度である水平軸回転角である。角度Ｙ１は、Ｃ－ＥＬ軸を回転させた後のアンテナの指向方向と仰角架台法線との間の角度である直交水平軸回転角である。
　なお、ＥＬ軸の可動範囲が［－９０°，９０°］であり、Ｃ－ＥＬ軸の可動範囲が［－９０°，９０°］である場合には、条件１が満足されれば、条件２および条件３も満足することになる。

　－Ｅｘ≦Ｘ１≦Ｅｘとするためには、
　　tanＸ１＝cos（ＡＺ－ＡＺ１）／tanＥＬ
から、正接関数tanは奇関数なので、
　　－tanＥｘ≦cos（ＡＺ－ＡＺ１）／tanＥＬ≦tanＥｘ　　　　　 (19)
である。ＡＺ１＝－ｋＹとおいて、以下の条件２を得る。
条件２：
　　（１／Ｙ）・（cos^－１（－tanＥｘ・tanＥＬ）－ＡＺ）≦ｋ
　　　　　　　　　≦（１／Ｙ）（cos^－１（tanＥｘ・tanＥＬ）－ＡＺ）
　Ｙ＝０の場合は、係数ｋは不定になるが、その場合は、ＡＺ１＝０としてよいので、ｋ＝０と考える。

　－Ｃｘ≦Ｙ１≦Ｃｘとするためには、
　　sinＹ１＝sin（ＡＺ－ＡＺ１）・cosＥＬ
から、正弦関数sinは奇関数なので、
　　－sinＣｘ≦sin（ＡＺ－ＡＺ１）・cosＥＬ≦sinＣｘ　　　　　 (20)
である。ＡＺ１＝－ｋＹとおいて、以下の条件３を得る。
条件３：
　　（１／Ｙ）・（－sin^－１（sinＣｘ／cosＥＬ）－ＡＺ）≦ｋ
　　　　　　　　　≦（１／Ｙ）・（sin^－１（sinＣｘ／cosＥＬ）－ＡＺ）

　上述の条件１、条件２および条件３を満たす係数ｋを設定して、ＡＺ軸の回転角をＡＺ１＝－ｋＹとする。そうすれば、アンテナの目標の方向が天頂を内部に含む閉曲線を周回する場合でも、アンテナの巻き直しが発生せず、ＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸の可動範囲で駆動できる。そこで、ＡＺ軸、ＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸の可動範囲から、上述の条件１ないし３を満たす係数ｋを予め設定しておいて、ＡＺ軸の回転角を決定すればよい。追尾対象の衛星の軌道が、例えば、準天頂衛星に特定され、アンテナを設置する地表上の範囲が限定できれば、アンテナを設置する際にＡＺ軸の回転範囲の中心の方向を、例えば、南北方向に限定して、係数ｋを最大値に設定できる。

　図８は、実施の形態１に係るアンテナ駆動制御の動作の一例を示すフローチャートである。予報値取得部９で目標方向として軌道予報値ＰＡＺ、ＰＥＬを取得する（ステップＳ１１）。座標変換部７は、軌道予報値ＰＡＺ、ＰＥＬからＸ／ＹマウントのＸ－Ｙ座標値に変換する（ステップＳ１２）。駆動指令値演算部６は、上述の条件を満たすように予め設定された係数ｋを用いて、変換したＸ－Ｙ座標値から、ＡＺ軸の駆動量ＡＺ１＝－ｋＹを算出する（ステップＳ１３）。そして、回転角ＡＺ１＝－ｋＹで、ＡＺ軸を駆動させる（ステップＳ１４）。

　この時、ＡＺ軸の駆動により目標物とアンテナのビーム方向との間に角度誤差が生じる。そこで、誤差信号処理部５は、追尾受信機８から角度誤差信号ΔＸ、ΔＹを取得する（ステップＳ１５）。その時点でのアンテナ１の指向方向に角度誤差信号ΔＸ、ΔＹを加えた方向が目標方向になる。誤差信号処理部５は、２軸角度誤差信号ΔＸ、ΔＹが小さくなるように、ＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸の指令値を算出し（ステップＳ１６）、指令値でＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸を駆動する（ステップＳ１７）。演算処理部４は、ステップＳ１１に戻って、次の軌道予報値取得から上述の処理を繰り返す。

　実施の形態１では、ＡＺ軸の回転範囲の中心の方向およびＹ軸が北に配置された場合を説明した。ＡＺ軸の回転範囲の中心の方向とＹ軸のどちらかまたは両方は、北向きでなくても構わない。ＡＺ軸の回転範囲の中心を任意の方位に設置しても、Ｙ軸をＡＺ軸の回転範囲内にとり、Ｘ軸をＹ軸に水平面内で直交する方向にとって、変換式および条件１～３を計算すればよい。そして、Ｙ軸からの回転角ＡＺ１を、Ｙ座標に係数－ｋを乗じた値とする。

　アンテナ１で追尾する目標が準天頂衛星の場合、図４に示されるように、軌道は南北に大きく東西に小さい。準天頂衛星を追尾する場合、ＡＺ軸の回転範囲の中心を北または南に設置して、Ｙ軸を南北方向にとれば、ＡＺ軸の回転角度を小さくできる。

　実施の形態２．
　実施の形態２に係るアンテナ制御装置の構成は、実施の形態１に係るアンテナ制御装置の構成と同じであるが、演算処理部４における駆動指令値演算部６の入力として、アンテナ１のＡＺ軸の検出角度ＲＡＺ、ＥＬ軸の検出角度ＲＥＬ、およびＣ－ＥＬ軸の検出角度ＲＣ－ＥＬを用いる。座標変換部７は、検出値取得部１０から、検出角度ＲＡＺ、ＲＥＬおよびＲＣ－ＥＬを入力して座標変換する。すなわち、図１のアンテナ制御装置２で、予報値取得部９および検出値取得部１０と座標変換部７の間のスイッチを、検出値取得部９側に設定することに相当する。

　この場合、Ｃ－ＥＬ軸の検出角度ＲＣ－ＥＬは０°でなくても、アンテナのビーム方向は一意に定まるので、Ｘ－Ｙ座標値を算出できる。前に示した(15)式と(16)式において、ＡＺ１＝ＲＡＺ、Ｘ１＝ＲＥＬ、Ｙ１＝ＲＣ－ＥＬを代入することで、その時点でのアンテナ１の指向方向の方位角成分ＡＺと仰角成分ＥＬを求めることができる。そして、ＡＺ―ＥＬ座標をＸ－Ｙ座標に変換する。駆動指令値演算部６は、変換したＸ－Ｙ座標値から、係数ｋを用いてＡＺ軸の回転角を算出できる。演算処理部４は、追尾受信機８からの２軸角度誤差信号ΔＸ、ΔＹに基づいて、ＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸を駆動する。ＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸を駆動した結果は、ＲＥＬおよびＲＣ－ＥＬに反映されるので、それに合わせて、ＡＺ軸の駆動にフィードバックされる。このフィードバックループを用いた駆動指令値演算により、実施の形態１と同様の効果を得られる。この実施の形態２では、アンテナ１が目標物をほぼ正確に捕捉できており、各時点でのアンテナ１の垂直軸、水平軸および直交水平軸の検出角度を決まる方向を目標方向と扱って垂直軸の回転角を求めている。アンテナ１の垂直軸、水平軸および直交水平軸の検出角度を使用して目標方向を生成している。

　図９は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ駆動制御の動作の一例を示すフローチャートである。追尾する目標物を初期捕捉（ステップＳ２１）した後、検出値取得部１０で検出角度ＲＡＺ、ＲＥＬおよびＲＣ－ＥＬを取得する（ステップＳ２２）。座標変換部７は、ＲＡＺ、ＲＥＬおよびＲＣ－ＥＬからＸ／ＹマウントのＸ－Ｙ座標値に変換する（ステップＳ２３）。駆動指令値演算部６は、上述の条件を満たすように予め設定された係数ｋを用いて、変換したＸ－Ｙ座標値から、ＡＺ軸の駆動量ＡＺ１＝－ｋＹを算出する（ステップＳ２４）。そして、ＡＺ１＝－ｋＹで、ＡＺ軸を駆動させる（ステップＳ２５）。

　この時、ＡＺ軸の駆動により目標物とアンテナのビーム方向との間に角度誤差が生じる。そこで誤差信号処理部５は、追尾受信機８から２軸角度誤差信号ΔＸ、ΔＹを取得する（ステップＳ２６）。誤差信号処理部５は、２軸角度誤差信号ΔＸ、ΔＹが小さくなるように、ＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸の指令値を算出し（ステップＳ２７）、指令値でＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸を駆動する（ステップＳ２８）。演算処理部４は、ステップＳ２２に戻って、次の検出値取得から上述の処理を繰り返す。

　以上説明したように、実施の形態２では、外部からの軌道予報値の取得を不要にできる。実施の形態２では、予報値取得部９は不要である。

　実施の形態３．
　実施の形態３に係るアンテナ制御装置の構成は、実施の形態１に係るアンテナ制御装置の構成と同じであるが、本実施の形態のアンテナ制御装置２が備える２つの動作モードのうち、軌道予報値に基づきアンテナ１を制御するプログラム追尾（ＰＲＯＧ）モードを使用する。この場合、目標物からの信号を使用せず、予報値取得部９から得た軌道予報値の方向にアンテナ１のビーム方向１９を指向させる。

　実施の形態１あるいは実施の形態２では、目標物からの信号に基づきアンテナ１の姿勢を制御する自動追尾（ＡＵＴＯ）モードを使用している。すなわち、追尾受信機８が出力する２軸角度誤差信号を誤差信号処理部５で処理し、角度誤差が小さくなるようにＣ－ＥＬ軸およびＥＬ軸を駆動する。また、実施の形態２ではアンテナの検出角度に基づきＡＺ軸を駆動する。これに対し、実施の形態３に係わるＰＲＯＧモードでは、予報値ＰＡＺ、ＰＥＬからＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸の指令値（Ｘ１、Ｙ１）を算出する。

　座標変換部７は、予報値取得部９で取得した軌道予報値ＰＡＺ、ＰＥＬからＸ－Ｙ座標値に変換する。駆動指令値演算部６は、変換したＸ－Ｙ座標値からＡＺ軸の回転角ＡＺ１を算出すると同時に、Ｘ－Ｙ座標値からＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸の指令値Ｘ１、Ｙ１を算出する。そして、指令値ＡＺ１、Ｘ１およびＹ１で、ＡＺ軸、ＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸を駆動する。実施の形態３では、図１のアンテナ制御装置２で、誤差信号処理部５および駆動指令値演算部６と水平軸サーボ制御部１２および直交水平軸サーボ制御部１３の間のスイッチを、ＰＲＯＧ側に設定する。

　図１０は、本発明の実施の形態３に係るアンテナ駆動制御の動作の一例を示すフローチャートである。軌道予報値取得のステップＳ３１からＡＺ１でＡＺ軸を駆動するステップＳ３４までの動作は、図８のステップＳ１１からステップＳ１４と同様である。実施の形態３では、２軸角度誤差信号に代えて、軌道予報値からＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸の指令値を算出し（ステップＳ３５）、指令値でＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸を駆動する（ステップＳ３６）。演算処理部４は、ステップＳ３１に戻って、次の軌道予報値取得から上述の処理を繰り返す。

　実施の形態３に係るアンテナ制御装置２は、軌道予報値に基づきＡＺ軸、ＥＬ軸、Ｃ－ＥＬ軸の駆動指令値演算を行うことで、実施の形態１と同様の効果を得られる。実施の形態３では、追尾受信機８および誤差信号処理部５はなくてもよい。

　具体例．
　図１１は、ＡＺ軸を固定した場合と実施の形態１におけるＥＬ軸およびＣ－ＥＬ軸の動きの例を示す図である。横軸はＥＬ軸の角度（Ｘ）、縦軸はＣ－ＥＬ軸の角度（Ｙ）である。図１１は、具体例として、準天頂軌道の衛星を追尾する場合であって、地上アンテナの設置位置が準天頂衛星軌道の８の字の内側にあって、準天頂軌道が天頂を内部に含む閉曲線に見えるアンテナ装置で、ＡＺ軸を０°に固定する場合と、実施の形態１の構成を用いた場合を示す。図１１の例は、Ｃ－ＥＬ軸の駆動範囲を［－１０°，１０°］とした場合のＥＬ角（Ｘ角）およびＣ－ＥＬ角（Ｙ角）の変化を示す。

　従来のＡＺ軸を０°の位置に固定した場合、Ｃ－ＥＬ角（Ｙ角）の絶対値が１０°を越え、アンテナの駆動範囲外となるため対応ができない。一方、実施の形態１のようにＡＺ１＝－ｋＹ（ｋ＝１）とした場合、Ｃ－ＥＬ角（Ｙ角）は［－１０°，１０°］の範囲内の変化に抑えられている。

　図１２は、実施の形態１の具体例のＡＺ角の変化を示す図である。図１３は、実施の形態１の具体例のＥＬ角の変化を示す図である。図１４は、実施の形態１の具体例のＣ－ＥＬ角の変化を示す図である。それぞれ、図１１の実施の形態１の具体例の場合を示す。横軸は時間（単位：秒）、縦軸はアンテナの各軸の検出角度（単位：度）である。ＡＺ軸の変化は［－２０°，２０°］の範囲内に抑えられており、巻き直し運用が不要であることが分かる。

　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、様々な実施の形態およ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、本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。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、特許請求の範囲内およ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、本発明の範囲内とみなされる。

　本出願は、２０１４年１月１７日に出願された、明細書、特許請求の範囲、図および要約書を含む、日本国特許出願２０１４－６４８２号に基づく優先権を主張するものである。日本国特許出願２０１４－６４８２号の開示内容は参照により全体として本出願に含まれる。

　１　アンテナ、２　アンテナ制御装置、　３　給電装置、４　演算処理部、５　誤差信号処理部（制御部）、６　駆動指令値演算部（制御部）、７　座標変換部、８　追尾受信機（受信部）、９　予報値取得部、１０　検出値取得部、１１　垂直軸（ＡＺ軸）サーボ制御部、１２　水平軸（ＥＬ軸）サーボ制御部、１３　直交水平軸（Ｃ－ＥＬ軸）サーボ制御部、１４　垂直軸（ＡＺ軸）駆動部、１５　水平軸（ＥＬ軸）駆動部、１６　直交水平軸（Ｃ－ＥＬ軸）駆動部、１９　ビーム方向、２０　方向取得部、２３　基部、２４　垂直軸、２５　水平軸、２６　直交水平軸。

Claims

　固定された基部と、前記基部に対して回転する回転軸である水平面に垂直な垂直軸と、前記垂直軸を駆動して回転させる垂直軸駆動部と、前記垂直軸により回転移動する方位角架台と、前記方位角架台に対して回転する回転軸である水平な水平軸と、前記水平軸を駆動して回転させる水平軸駆動部と、前記水平軸により回転移動する仰角架台と、前記仰角架台に対して回転する回転軸である前記水平軸に垂直な直交水平軸と、前記直交水平軸を駆動して回転させる直交水平軸駆動部と、前記直交水平軸により回転移動するアンテナとを備えた経緯台式架台で駆動されるアンテナ装置の前記アンテナの指向方向を制御するアンテナ制御装置であって、
　前記アンテナが追尾する目標物が存在する方向である目標方向を取得する方向取得部と、
　前記垂直軸の回転範囲内で水平に固定されたＹ軸と、前記Ｙ軸に垂直かつ水平に固定されたＸ軸と、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸に垂直なＺ軸とに関して、変換される方向である被変換方向を、前記Ｙ軸と前記Ｚ軸を含む平面であるＹＺ平面に投影した前記被変換方向と前記Ｚ軸との間の角度であるＸ座標と前記ＹＺ平面と前記被変換方向との間の角度であるＹ座標とに変換する座標変換部と、
　水平面内で前記水平軸と垂直な方向と前記Ｙ軸との間の角度である架台方位角が、前記目標方向を前記座標変換部で変換した前記Ｙ座標に係数を乗算した角度である方位回転角になるように前記垂直軸を前記回転範囲内で回転させるための前記垂直軸駆動部への指令値を算出し、前記指向方向と前記目標方向との差が許容値以下になるように前記水平軸駆動部および前記直交水平軸駆動部への指令値を算出する制御部とを備えたアンテナ制御装置。
　前記架台方位角が前記方位回転角である場合に、前記目標方向から決まる前記水平軸および前記直交水平軸の角度がそれぞれ前記水平軸および前記直交水平軸の可動範囲に入るように、前記係数を決める、
　請求項１に記載のアンテナ制御装置。
　前記Ｙ軸を前記垂直軸の回転範囲の中心に配置する、
　請求項１または請求項２に記載のアンテナ制御装置。
　前記方向取得部は、前記目標物の軌道予報値を取得する軌道予報取得部と、前記目標物が放射し前記アンテナが受信する信号から前記アンテナの前記水平軸および前記直交水平軸の角度誤差信号である２軸角度誤差信号を生成する受信部とを有し、前記軌道予報値を使用して前記目標方向を生成し、
　前記制御部は、前記２軸角度誤差信号から前記水平軸および前記直交水平軸の指令値を算出する、
　請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のアンテナ制御装置。
　前記方向取得部は、前記垂直軸、前記水平軸および前記直交水平軸の検出角度を取得する検出部と、前記目標物が放射し前記アンテナが受信する信号から前記アンテナの前記水平軸および前記直交水平軸の角度誤差信号である２軸角度誤差信号を生成する受信部とを有し、前記垂直軸、前記水平軸および前記直交水平軸の前記検出角度を使用して前記目標方向を生成し、
　前記制御部は、前記２軸角度誤差信号から前記水平軸および前記直交水平軸の指令値を算出する、
　請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のアンテナ制御装置。
　前記方向取得部は、前記目標物の軌道予報値を前記目標方向として取得する軌道予報取得部を有し、
　前記制御部は、前記目標方向を前記方位回転角で前記垂直軸の回りに回転させた後の方向である方位角変更後目標方向を前記座標変換部で変換した前記Ｘ座標および前記Ｙ座標に基づき前記水平軸および前記直交水平軸への指令値を算出する、
　請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のアンテナ制御装置。
　前記目標物は、準天頂衛星であって、
　前記垂直軸の回転範囲の中心は、北または南であり、前記Ｙ軸は、南北方向である、
　請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のアンテナ制御装置。
　固定された基部と、
　前記基部に対して回転する回転軸である水平面に垂直な垂直軸と、
　前記垂直軸を駆動して回転させる垂直軸駆動部と、
　前記垂直軸により回転移動する方位角架台と、
　前記方位角架台に対して回転する回転軸である水平な水平軸と、
　前記水平軸を駆動して回転させる水平軸駆動部と、
　前記水平軸により回転移動する仰角架台と、
　前記仰角架台に対して回転する回転軸である前記水平軸に垂直な直交水平軸と、
　前記直交水平軸を駆動して回転させる直交水平軸駆動部と、
　前記直交水平軸により回転移動するアンテナと、
　前記アンテナの指向方向を制御する、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のアンテナ制御装置とを備えたアンテナ装置。