JP2012112738A

JP2012112738A - 追尾装置及び追尾方法

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Publication number: JP2012112738A
Application number: JP2010260757A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Yamashita; 敏明山下
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2012-06-14

Abstract

【課題】飛行体に搭載された追尾アンテナと地上アンテナとの相対的な位置姿勢関係の変動値と互いの位置関係から制御モードを判定し、追尾アンテナ目標値を生成し、空間上を互いに移動する無人機と地上局に対して追尾アンテナ制御を実施する。
【解決手段】飛行体は飛行体位置推定信号と地上局情報予測信号に基づいて飛行体アンテナ制御モード信号を生成する飛行体アンテナ制御モード判定手段と、飛行体位置推定信号、地上局情報予測信号、飛行体アンテナ制御モード信号に基づいて飛行体アンテナ目標値信号を生成する飛行体アンテナ目標値生成手段を備え、地上局は地上局位置推定信号と飛行体情報予測信号に基づいて地上局アンテナ制御モード信号を生成する地上局アンテナ制御モード判定手段と、地上局位置推定信号、飛行体情報予測信号、及び地上局アンテナ制御モード信号に基づいて地上局アンテナ目標値信号を生成する地上局アンテナ目標値生成手段を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は通信機器間での通信を追尾する追尾装置及び追尾方法に係り、特に無人機などの移動体において移動体自体の運動や移動体が被る外的要因により生じる移動体の位置及び姿勢変動に関わらず移動体と地上局との間での無線通信を追尾する追尾装置及び追尾方法に関する。

図７は特許文献１に記載される関連する技術の追尾アンテナ制御装置のブロック図である。情報送信装置１００１を搭載する撮影機は図示しない中継機を介して図示しない地上局に撮像装置１１０１で取得した撮影データを送信する。また、撮影機は中継機との間で撮影機データｓａ及び中継機データｓｂを交換する。ｓａは撮影機の飛行状態を表す撮影機データである。ｓｂは中継機の飛行状態を表す中継機データである。情報送信装置１００１は撮像装置１１０１、送信部１１０２、空中線１１０３、機体情報取得部１１０４、ＧＰＳ受信機１１０５（ｇｌｏｂａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ：全地球測位システム）、空中線１１０６、データ無線部１１０７、演算部１１０８、駆動部１１０９を含む。演算部１１０８は、ＲＯＭ１１０８ｂ及びＣＰＵ１１０８ａを含む。

図７に示すように撮影機の情報送信装置１００１から送信用データｓｄが空中線１１０３を介して無線信号ｗｄとして送信される。この送信用データｓｄは中継機の中継用送信装置で空中線を介して受信されて地上局へ伝送される。情報送信装置１００１では撮影機データｓａ及び中継機データｓｂに基づいて空中線１１０３の指向特性と送信用データｓｄの変調方式及び出力レベルが制御される。例えば空中線１１０３の半値角が広角化されると送信用データｓｄの受信レベルの低下が予測される。このとき送信部１１０２に対して送信用データｓｄの変調方式及び出力レベルが制御される。

特許文献２はレーザ測距測方位装置により発射したレーザ光に対する反射レーザ光の受光により距離及び方向を検出する電波中継空中基地を開示する。

特許文献３は空中局が基準地球局から受けたデータリンク信号のキャリアに基づく搬送波信号を生じこの搬送波信号を地球局に送信する電波中継システムを開示する。

特許文献４は地上アンテナのビームアンテナアレイについて配置されるセルに割当てる伝送帯域によりサービスエリア内のセルの伝送容量を制御する無線通信システムを開示する。

特許文献５は移動体の絶対姿勢及び絶対方位の推定誤差を姿勢方位推定手段により補償しアンテナ方向制御により衛星を追尾する衛星アンテナ追尾用アンテナ制御装置を開示する。

特許文献６は航空機に搭載されるアンテナ架台の姿勢を姿勢推定フィルタより推定することにより機体のゆがみや応答遅れによる姿勢誤差を補正する衛星追尾用アンテナ制御装置を開示する。

特許文献７は移動体の位置と姿勢、受信電波強度、及び地上局の位置に基づいて地上局に対する通信の優先順位を判定してアンテナ切換と指向を制御するアンテナ駆動制御装置を開示する。

特開２００９−２３９７５８号公報（第１４頁、図２）特開平４−９６５２８号公報（第３頁、図１及び図２）特開平５−２５９９５２号公報（第５頁、図１）特開２０００−３１８８１号公報（第６頁、図２）特開２００２−１５８５２５号公報特開２００５−１８１１４９号公報特開２００７−２３５６４９号公報

しかし、特許文献１に記載される関連技術は図７に示されるように演算部１１０８において飛行体の機体姿勢や送信用データの受信レベルに応じて飛行運動を予測する。指向空中線１１０３の指向方向を制御する指向特性制御は送信用データの出力レベル制御や変調方式の選定処理と同時に実行される。このため指向空中線１１０３の指向精度を定量評価しながら指向方向誤差を低減することは困難である。従って特許文献１に記載された技術は増大する指向方向誤差に対して不安定であり継続的に映像信号を安定して伝送できないという問題がある。

また、特許文献１に記載された技術は高い捕捉精度を制御処理の前提とする。しかしながら実際の運用において常に高い捕捉精度が達成されているとは限らず、特許文献１に記載された技術は限定された条件下でのみ適用される。

特許文献２に記載された技術はレーザ測距方位装置から発射されるレーザ光に対する反射光を継続して受信して制御を行う。このため、運用初期に必要な初期捕捉(サーチ)や外乱などの影響により生じる相対位置誤差の増加により反射レーザ光が受信できなくなった場合に電波中継の継続が不可能になる。

特許文献３に記載された技術は位置が固定された地球局を基準局としている。このため、サービスエリアの変更処理はこれらの地球局の位置に制約される。従って、システムの拡張性が限定される。

特許文献４に記載された技術は無人機のカバーするエリアの変動に伝送容量及び伝送帯域の調整のみでは対応できない。

特許文献５に記載された技術は衛星相対方向算出手段により衛星の方位角を算出し衛星相対方向探索手段により衛星から送信される信号の受信レベルを用いて衛星の方向を探索する。衛星相対方向算出手段から得られた衛星相対方向に衛星相対方向探索手段から得られた衛星相対方向を重畳して指向を制御する。従って、急激な挙動時の通信断には対応できない。

特許文献６に記載された技術は航空機の位置と姿勢を計測する慣性参照ユニットに角速度センサを追加して機体の姿勢の変化を補正する。従って、衛星からの受信信号が航空機の挙動変化以外の原因で断絶した場合に追尾の継続が不可能になる。

特許文献７に記載された技術は既に捕捉した状態を前提としているため、仮にアンテナ切替時に通信断が生じた場合には改めて捕捉を実現するため別途適切なサーチ手法を適用する必要がある。

本発明は上記の点に鑑みなされたもので位置と姿勢と受信信号に基づいて制御モードを選択し該制御モードに従って追尾する追尾制御装置及び追尾制御方法を提供することを目的とする。

本発明の追尾アンテナ制御装置は飛行体と地上局の間で無線通信する情報伝送システムにおいて飛行体のアンテナ及び地上局のアンテナを制御する追尾アンテナ制御装置であって、飛行体は飛行体位置推定信号を生成する飛行体位置推定手段と、飛行体のアンテナが受信する信号のレベル変動値、地上局のアンテナからの電波のビーム幅情報、及び地上局の位置情報に基づいて地上局情報予測信号を生成する地上局情報生成手段と、飛行体位置推定信号と地上局情報予測信号に基づいて飛行体アンテナ制御モード信号を生成する飛行体アンテナ制御モード判定手段と、飛行体位置推定信号、地上局情報予測信号、及び飛行体アンテナ制御モード信号に基づいて飛行体アンテナ目標値信号を生成する飛行体アンテナ目標値生成手段を備え、地上局は地上局位置推定信号を生成する地上局位置推定手段と、地上局のアンテナが受信する信号のレベル変動値、飛行体のアンテナからの電波のビーム幅情報、及び飛行体の位置情報に基づいて飛行体情報予測信号を生成する飛行体情報生成手段と、地上局位置推定信号と飛行体情報予測信号に基づいて地上局アンテナ制御モード信号を生成する地上局アンテナ制御モード判定手段と、地上局位置推定信号、飛行体情報予測信号、及び地上局アンテナ制御モード信号に基づいて地上局アンテナ目標値信号を生成する地上局アンテナ目標値生成手段を備える。

本発明の追尾アンテナ制御方法は、飛行体と地上局の間で無線通信する情報伝送システムにおいて飛行体のアンテナ及び地上局のアンテナを制御する追尾アンテナ制御方法であって、飛行体位置推定信号を生成するステップと、飛行体のアンテナが受信する信号のレベル変動値、地上局のアンテナからの電波のビーム幅情報、及び地上局の位置情報に基づいて地上局情報予測信号を生成するステップと、飛行体位置推定信号と地上局情報予測信号に基づいて飛行体アンテナ制御モード信号を生成するステップと、飛行体位置推定信号、地上局情報予測信号、及び飛行体アンテナ制御モード信号に基づいて飛行体アンテナ目標値信号を生成するステップと、地上局位置推定信号を生成するステップと、地上局のアンテナが受信する信号のレベル変動値、飛行体のアンテナからの電波のビーム幅情報、及び飛行体の位置情報に基づいて飛行体情報予測信号を生成するステップと、地上局位置推定信号と飛行体情報予測信号に基づいて地上局アンテナ制御モード信号を生成するステップと、地上局位置推定信号、飛行体情報予測信号、及び地上局アンテナ制御モード信号に基づいて地上局アンテナ目標値信号を生成するステップを有する。

本発明によれば、位置と姿勢と受信信号に基づいて制御モードを選択し、該制御モードに従って追尾するようにしたので、移動体と地上局とのデータリンク系が確立されていない状況下においても、確実かつ高精度に追尾アンテナによる通信が確立される。

本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態の無人機の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態の地上局の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態の構成を示す模式図である。本発明の実施形態におけるスパイラルシーケンスによる捕捉シーケンス目標軌跡の一例を示す図である。本発明の実施形態におけるスクエアシーケンスによる捕捉シーケンス目標軌跡の一例を示す図である。関連する技術を説明するためのブロック図である。

図１は本発明の実施形態に係る追尾アンテナ制御システムの一例を示すブロック図である。追尾アンテナ制御システム１は無人機１０１、及び無人機１０１に無線信号を送信し無人機１０１から無線信号を受信する地上局２０１を含む。

図２及び図３はそれぞれ本発明の実施形態に係る無人機１０１及び地上局２０１のブロック図を示す。

図２において無人機１０１は機上アンテナ１１１を含む。

無人機１０１はさらに機上加速度センサ１０２と、機上ＧＰＳ受信機１０３と、該機上加速度センサ１０２及び機上ＧＰＳ受信機１０３に接続された無人機位置推定器１０４を含む。該無人機位置推定器１０４は機上加速度センサ１０２から無人機加速度検出信号１１を受信する。該無人機位置推定器１０４は機上ＧＰＳ受信機１０３から無人機位置更新信号１２を受信する。該無人機位置推定器１０４は該無人機加速度検出信号１１と該無人機位置更新信号１２に基づいて無人機位置推定信号１６を生成する。

無人機１０１はさらに機上アンテナＡＧＣレベル検出器１０５と、地上局位置情報取得器１０６と、該機上アンテナＡＧＣレベル検出器１０５及び地上局位置情報取得器１０６に接続された地上局情報生成器１０７を含む。該地上局情報生成器１０７は該機上アンテナＡＧＣレベル検出器１０５から無人機ＡＧＣレベル検出信号１４を受信する。該地上局情報生成器１０７は地上局位置情報取得器１０６から地上局情報取得信号１５を受信する。該地上局位置情報取得器１０６は地上局２０１から地上局位置ビーム幅情報信号１３を受信する。該地上局位置情報取得器１０６は該地上局位置ビーム幅情報信号１３に基づいて地上局情報取得信号１５を生成する。該地上局情報生成器１０７は該無人機ＡＧＣレベル検出信号１４と地上局情報取得信号１５に基づいて地上局情報予測信号１７を生成する。

無人機１０１はさらに該無人機位置推定器１０４と該地上局情報生成器１０７に接続された機上アンテナ制御モード判定機１０８を含む。該機上アンテナ制御モード判定機１０８は該無人機位置推定器１０４から無人機位置推定信号１６を受信する。また、該機上アンテナ制御モード判定機１０８は該地上局情報生成器１０７から地上局情報予測信号１７を受信する。該機上アンテナ制御モード判定機１０８は該無人機位置推定信号１６と該地上局情報予測信号１７に基づいて機上アンテナ制御モード信号１８を生成する。該機上アンテナ制御モード信号１８は該機上アンテナ１１１に捕捉制御を実施するか追尾制御を実施するか判定した結果である。

無人機１０１はさらに該無人機位置推定器１０４と該地上局情報生成器１０７と該機上アンテナ制御モード判定機１０８に接続された機上アンテナ目標値生成器１０９を含む。該機上アンテナ目標値生成器１０９は該無人機位置推定器１０４から無人機位置推定信号１６を受信する。該機上アンテナ目標値生成器１０９は該地上局情報生成器から地上局情報推定信号１７を受信する。該機上アンテナ目標値生成器１０９は該機上アンテナ制御モード判定器１０８から機上アンテナ制御モード信号１８を受信する。該機上アンテナ目標値生成器１０９は該無人機位置推定信号１６と該地上局情報推定信号１７と該機上アンテナ制御モード信号１８に基づいて機上アンテナ目標値信号１９を生成する。該機上アンテナ目標値生成器１０９は機上アンテナ１１１に対する制御モード（捕捉制御または追尾制御）を決定した上で該機上アンテナ目標値信号１９を生成する。

無人機１０１はさらに該機上アンテナ目標値生成器１０９と該機上アンテナ１１１に接続された機上アンテナ制御器１１０を含む。該機上アンテナ制御器１１０は該機上アンテナ目標値生成器１０９から機上アンテナ目標値信号１９を受信する。該機上アンテナ制御器１１０は該機上アンテナ目標値信号１９に基づいて機上アンテナ制御信号２０を生成する。該機上アンテナ制御器１１０は該機上アンテナ制御信号２０を該機上アンテナ１１１に送信する。該機上アンテナ制御器１１０は該機上アンテナ１１１から機上アンテナ指向角信号２１を受信する。

図３において地上局２０１は地上アンテナ２１１を含む。

地上局２０１はさらに地上局加速度センサ２０２と、地上局ＧＰＳ受信機２０３と、該地上局加速度センサ２０２及び地上局ＧＰＳ受信機２０３に接続された地上局位置推定器２０４を含む。該地上局位置推定器２０４は地上局加速度センサ２０２から地上局加速度検出信号３１を受信する。該地上局位置推定器２０４は地上局ＧＰＳ受信機２０３から地上局位置更新信号３２を受信する。該地上局位置推定器２０４は該地上局加速度検出信号３１と該地上局位置更新信号３２に基づいて地上局位置推定信号３６を生成する。

地上局２０１はさらに地上アンテナＡＧＣレベル検出器２０５と、無人機位置情報取得器２０６と、該地上アンテナＡＧＣレベル検出器２０５及び無人機位置情報取得器２０６に接続された無人機情報生成器２０７を含む。該無人機情報生成器２０７は該地上アンテナＡＧＣレベル検出器２０５から地上局ＡＧＣレベル検出信号３４を受信する。該無人機情報生成器２０７は無人機位置情報取得器２０６から無人機情報取得信号３５を受信する。該無人機位置情報取得器２０６は無人機１０１から無人機位置ビーム幅情報信号３３を受信する。該無人機位置情報取得器２０６は該無人機位置ビーム幅情報信号３３に基づいて無人機情報取得信号３５を生成する。該無人機情報生成器２０７は該地上局ＡＧＣレベル検出信号３４と無人機情報取得信号３５に基づいて無人機情報予測信号３７を生成する。

地上局２０１はさらに該地上局位置推定器２０４と該無人機情報生成器２０７に接続された地上アンテナ制御モード判定機２０８を含む。該地上アンテナ制御モード判定機２０８は該地上局位置推定器２０４から地上局位置推定信号３６を受信する。また、該地上アンテナ制御モード判定機２０８は該無人機情報生成器２０７から無人機情報予測信号３７を受信する。該地上アンテナ制御モード判定機２０８は該地上局位置推定信号３６と該無人機情報予測信号３７に基づいて地上アンテナ制御モード信号３８を生成する。該地上アンテナ制御モード信号３８は該地上アンテナ２１１に捕捉制御を実施するか追尾制御を実施するか判定した結果である。

地上局２０１はさらに該地上局位置推定器２０４と該無人機情報生成器２０７と該地上アンテナ制御モード判定機２０８に接続された地上アンテナ目標値生成器２０９を含む。該地上アンテナ目標値生成器２０９は該地上局位置推定器２０４から地上局位置推定信号３６を受信する。該地上アンテナ目標値生成器２０９は該無人機情報生成器から無人機情報推定信号３７を受信する。該地上アンテナ目標値生成器２０９は該地上アンテナ制御モード判定器２０８から地上アンテナ制御モード信号３８を受信する。該地上アンテナ目標値生成器２０９は該地上局位置推定信号３６と該無人機情報推定信号３７と該地上アンテナ制御モード信号３８に基づいて地上アンテナ目標値信号３９を生成する。該地上アンテナ目標値生成器２０９は地上アンテナ２１１に対する制御モード（捕捉制御または追尾制御）を決定した上で該地上アンテナ目標値信号３９を生成する。

地上局２０１はさらに該地上アンテナ目標値生成器２０９と該地上アンテナ２１１に接続された地上アンテナ制御器２１０を含む。該地上アンテナ制御器２１０は該地上アンテナ目標値生成器２０９から地上アンテナ目標値信号３９を受信する。該地上アンテナ制御器２１０は該地上アンテナ目標値信号３９に基づいて地上アンテナ制御信号４０を生成する。該地上アンテナ制御器２１０は該地上アンテナ制御信号４０を該地上アンテナ２１１に送信する。該地上アンテナ制御器２１０は該地上アンテナ２１１から地上アンテナ指向角信号４１を受信する。

次に、図２及び３に示す本実施例の動作について図４に示すような機上アンテナ１１１を搭載した無人ヘリコプターと地上局として地上に位置固定した地上アンテナ２１１とを含むデータ通信システムを例として説明する。なお、本発明は本実施例に限定されない。すなわち地上局は地上を移動してもよい。

無人機位置推定器１０４において位置推定値に対して機上加速度センサ１０２で検出された無人機加速度検出信号１１が無人機位置推定器１０４に入力される。例えば、線形確率システムなどの状態空間モデルに従って位置予測値が得られる。

このとき、機上ＧＰＳ受信機１０３により無人機位置更新信号１２が更新されない場合は位置予測値は更新されずに無人機位置推定信号１６として出力される。

一方、無人機位置更新信号１２が更新されている場合には無人機位置更新信号１２に対するカルマンフィルタ処理などの更新処理が行われる。更新処理の結果は無人機位置推定信号１６として出力される。

また地上局位置推定器２０４においてシステム状態量に対して地上局加速度センサ２０２で検出された地上局加速度検出信号が入力される。例えば、線形確率システム等の状態空間モデルに従ってシステム状態量予測値が得られる。このとき、地上局が地上へ位置固定されている点が考慮される。

このとき地上局ＧＰＳ受信機２０３により地上局位置更新信号３２が更新されていない場合には状態量予測値は更新されずに地上局位置推定信号３６として出力される。

一方、地上局位置更新信号３２が更新されている場合には地上局位置更新信号３２に対するカルマンフィルタ処理などの更新処理が行われる。更新処理の結果は地上局位置推定信号３６として出力される。

地上局位置情報取得器１０６は地上局位置ビーム幅情報信号１３を受信する。地上局位置情報取得器１０６は該地上局位置ビーム幅情報信号１３に基づき指定時刻での地上局位置情報と地上アンテナ２１１が発生するビーム幅情報とを組み合わせて地上局情報取得信号１５を生成する。機上アンテナＡＧＣレベル検出器１０５は指定時刻毎に検出された機上アンテナ指向角と地上アンテナ指向角との指向角誤差の時系列情報に基づき無人機ＡＧＣレベル検出信号１４を生成する。地上局情報生成器１０７は地上局情報取得信号１５と無人機ＡＧＣレベル検出信号１４とを用いて地上局情報予測信号１７を生成する。ただし、地上局は地上に固定されているため地上局情報取得信号１５に含まれる地上局位置情報は時間的に変動せず常に固定値をとる。機上アンテナ１１１が地上局の地上アンテナ２１１を捕捉できない場合は機上アンテナ１１１はＡＧＣレベルを検出できない。このとき、機上アンテナＡＧＣレベル検出器１０５が生成する無人機ＡＧＣレベル検出信号の値はゼロである。

無人機位置情報取得器２０６は無人機位置ビーム幅情報信号３３を受信する。無人機位置情報取得器２０６は該無人機位置ビーム幅情報信号３３に基づき指定時刻での無人機位置情報と機上アンテナ１１１が発生するビーム幅情報とを組み合わせて無人機情報取得信号３５を生成する。地上アンテナＡＧＣレベル検出器２０５は指定時刻毎に検出された地上アンテナ指向角と機上アンテナ指向角との指向角誤差の時系列情報に基づき地上局ＡＧＣレベル検出信号３４を生成する。無人機情報生成器２０７は無人機情報取得信号３５と地上局ＡＧＣレベル検出信号３４を用いて無人機情報予測信号３７を生成する。地上アンテナ２１１が無人機に搭載された機上アンテナ１１１を捕捉できない場合は地上アンテナ２１１はＡＧＣレベルを検出できない。このとき、地上アンテナＡＧＣレベル検出器２０５が生成する地上局ＡＧＣレベル検出信号３４の値はゼロである。

機上アンテナ制御モード判定器１０８は無人機位置推定信号１６と地上局情報予測信号１７に基づき無人機と地上局の相対的な位置関係を推測する。機上アンテナ制御モード判定器１０８は該位置関係に基づいて機上アンテナ１１１が地上局の捕捉または追尾が可能かどうかを判定する。機上アンテナ制御モード判定器１０８は該判定の結果を機上アンテナ制御モード信号１８として生成する。

地上アンテナ制御モード判定器２０８は地上局位置推定信号３６と無人機情報予測信号３７に基づき地上局と無人機の相対的な位置関係を推測する。地上アンテナ制御モード判定機２０８は該位置関係に基づいて地上アンテナ２１１が無人機の捕捉または追尾が可能かどうかを判定する。地上アンテナ制御モード判定器２０８は該判定の結果を地上アンテナ制御モード信号３８として生成する。

機上アンテナ目標生成器１０９は機上アンテナ制御モード信号１８を受信する。機上アンテナ目標生成器１０９は機上アンテナ制御モード信号１８に基づき機上アンテナ１１１を捕捉モードとして制御すべきか追尾モードとして制御すべきかを判定する。機上アンテナ目標生成器１０９が追尾モードを選択した場合は地上局情報予測信号１７と無人機位置推定信号１６とに基づいて地上局２０１と無人機１０１の位置差分値を機上アンテナ目標値信号１９として生成する。機上アンテナ制御モード信号１８は機上アンテナ１１１のビーム幅情報を含む。機上アンテナ目標生成器１０９が捕捉モードを選択した場合は機上アンテナ目標生成器１０９は該位置差分値と該ビーム幅情報に応じ適切な捕捉シーケンス及びサーチプロフィルを選択する。機上アンテナ目標生成器は該捕捉シーケンス及びサーチプロファイルを機上アンテナ目標値信号１９として生成する。

地上アンテナ目標生成器２０９は地上アンテナ制御モード信号３８を受信する。地上アンテナ目標生成器２０９は地上アンテナ制御モード信号３８に基づき地上アンテナ２１１を捕捉モードとして制御すべきか追尾モードとして制御すべきかを判定する。地上アンテナ目標生成器２０９が追尾モードを選択した場合は無人機情報予測信号３７と地上局位置推定信号３６とに基づいて地上局２０１と無人機１０１の位置差分値を地上アンテナ目標値信号３９として生成する。地上アンテナ制御モード信号３８は地上アンテナ２１１のビーム幅情報を含む。地上アンテナ目標生成器２０９が捕捉モードを選択した場合は地上アンテナ目標生成器２０９は該位置差分値と該ビーム幅情報に応じ適切な捕捉シーケンス及びサーチプロフィルを選択する。地上アンテナ目標生成器は該捕捉シーケンス及びサーチプロフィルを地上アンテナ目標値信号３９として生成する。

代表的な捕捉シーケンス及びサーチプロファイルとしてスパイラルシーケンスとスクエアシーケンスがある。スパイラルシーケンスは任意の点を開始点としその点を中心にアンテナ指向方向をらせん状に回転させることで追尾目標となるターゲットアンテナの位置を探索する。スクエアシーケンスはターゲットアンテナの移動に対応した駆動と同時にターゲットアンテナの移動方向と直交する方向へ一定振幅往復するアンテナ捕捉を駆動する。
スクエアシーケンスは矩形領域での探索である。

図５はビーム幅値が与えられた時のスパイラルシーケンスによる捕捉シーケンス目標の軌跡の一例を示す。図６はビーム幅値が与えられた時のスクエアシーケンスによる捕捉シーケンス目標の軌跡の一例を示す。図５に示される軌跡と図６に示される軌跡のいずれも始点と示された点から捕捉を開始する。捕捉のサーチの領域はビーム幅値によって決定される。この領域は図中で破線の矩形で示される。図５で「移動方向」と示される方向は追尾目標となるターゲットアンテナの移動方向である。

なお、図５に示されるスパイラルシーケンスは追尾目標が比較的低速移動もしくは静止している場合に適した捕捉シーケンスである。一方、図６に示されるスクエアシーケンスは追尾目標が常時移動する場合に適するシーケンスである。これらのシーケンスは状況に応じて選択される。

機上アンテナ目標生成器１０９は機上アンテナ制御モード信号１８に基づき捕捉モードと追尾モードのいずれかを選定する。捕捉モードが選定された場合は図５または図６に示すシーケンスに従う。実行すべきプロファイルは機上アンテナ制御モード信号１８に含まれるビーム幅値情報により決定される。シーケンスの範囲は地上局情報予測信号１７と無人機位置推定信号１６に基づいた地上局２０１と無人機１０１の位置差分値から導出され機上アンテナ目標値信号１９として生成される。一方、追尾モードが選定された場合は該位置差分値が機上アンテナ目標値信号１９として生成される。

地上アンテナ目標生成器２０９は地上アンテナ制御モード信号３８に基づき捕捉モードと追尾モードのいずれかを選定する。捕捉モードが選定された場合は図５または図６に示すシーケンスに従う。実行すべきプロファイルは地上アンテナ制御モード信号３８に含まれるビーム幅値情報により決定される。シーケンスの範囲は無人機情報予測信号３７と地上局位置推定信号３６に基づいた地上局２０１と無人機１０１の位置差分値から導出され地上アンテナ目標値信号３９として生成される。一方、追尾モードが選定された場合は該位置差分値が地上アンテナ目標値信号３９として生成される。

機上アンテナ制御器１１０は機上アンテナ１１１から機上アンテナ指向角信号２１を受信する。機上アンテナ制御器１１０は生成された機上アンテナ目標値信号１９と該機上アンテナ指向角信号２１に基づき機上アンテナ制御信号２０を生成する。これにより機上アンテナ１１１の指向方向が制御される。

地上アンテナ制御器２１０は地上アンテナ２１１から地上アンテナ指向角信号４１を受信する。地上アンテナ制御器２１０は生成された地上アンテナ目標値信号３９と該地上アンテナ指向角信号４１に基づき地上アンテナ制御信号４０を生成する。これにより地上アンテナ２１１の指向方向が制御される。

本実施例によれば無人機側において地上局情報生成器１０７は無人機と地上局の互いの位置情報を推定する。機上アンテナ制御モード判定器１０８は捕捉モードと追尾モードのいずれかを判定する。機上アンテナ目標値生成器１０９は判定結果に従って機上アンテナ目標値信号１９を生成する。地上局側において無人機情報生成器２０７は無人機と地上局の互いの位置情報を推定する。地上アンテナ制御モード判定器２０８は捕捉モードと追尾モードのいずれかを判定する。地上アンテナ目標値生成器２０９は判定結果に従って地上アンテナ目標値信号３９を生成する。以上の処理により機上アンテナ１１１と地上アンテナ２１１との間で捕捉制御から追尾制御へ円滑に移行する。

従って、本実施例によれば無人機位置推定器１０４と地上局情報生成器１０７と地上局位置推定器２０４と無人機情報生成器２０７の組み合わせにより無人機位置と地上局位置の推定値の精度が向上する。無人機を利用した地上局との情報伝送システムの構築において捕捉制御モードと追尾制御モードとの選択及び制御モード間の移行が課題である。
しかしながら本実施例においては適切な制御モードの選定が容易である。また、生成されるアンテナ目標値の高い精度が確保される。これにより追尾アンテナによる無人機と地上局の間の安定的なデータリンクが実現される。

また、本実施例においては地上局が地上へ位置固定されているとしてシステム状態量予測値を得たが地上局が移動する場合への適用は容易である。この場合、必要な処理における関係式を一部変更することにより無人機と地上局が空間上を互いに移動するシステムへの本発明の適用は容易である。

本実施例で示した機上アンテナ制御モード判定器１０８と地上アンテナ制御モード判定器２０８は無人機及び地上局の位置情報だけでなくその時間変化やそれぞれのアンテナで選定されたビーム幅値の情報を利用する。機上アンテナ制御モード判定器１０８と地上アンテナ制御モード判定器２０８は該時間変化及び該ビーム幅値の情報に基づいてアンテナ制御モードと目標値プロファイルを同時に生成する独自技術である。従って、本実施例は特許文献１などの関連技術の組み合わせにより容易に類推できるものではない。

また、本発明はＧＰＳ受信機と加速度センサとを組み合わせた無人機位置推定処理方式に基づく指向アンテナの捕捉及び追尾を制御する。本実施例においては無人機に搭載されたアンテナと地上アンテナとの相対的な位置姿勢関係と受信信号レベル変動値に基づいて制御モードが判定される。該制御モードの判定と追尾アンテナへの目標値生成機能を併用して空間上にある無人機と地上局の間で通信する。特許文献３乃至５に記載された技術とはこの構成が明確に異なる。

以上説明したように、本発明によれば無人機と地上局とのデータリンク系が確立されていない状況でも無人機と地上局それぞれの位置推定精度を向上させつつ通信相手の位置予測精度を改善する。さらに、捕捉あるいは追尾の制御に適切な目標プロファイルが生成される。これにより追尾アンテナの制御性能が確保される。本発明は追尾アンテナによる無人機と地上局との間の安定したデータリンクとの特徴を有する。

本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、宇宙機や飛翔体や無人航空機や無人自動車両など様々な移動体において装備される追尾アンテナ制御装置として容易に適用することが可能となる。

１追尾アンテナ制御システム
１１無人機加速度検出信号
１２無人機位置更新信号
１３地上局位置ビーム幅情報信号
１４無人機ＡＧＣレベル検出信号
１５地上局情報取得信号
１６無人機位置推定信号
１７地上局情報予測信号
１８機上アンテナ制御モード信号
１９機上アンテナ目標値信号
２０機上アンテナ制御信号
２１機上アンテナ指向角信号
３１地上局加速度検出信号
３２地上局位置更新信号
３３無人機位置ビーム幅情報信号
３４地上局ＡＧＣレベル検出信号
３５無人機情報取得信号
３６地上局位置推定信号
３７無人機情報予測信号
３８地上アンテナ制御モード信号
３９地上アンテナ目標値信号
４０地上アンテナ制御信号
４１地上アンテナ指向角信号
１０１無人機
１０２機上加速度センサ
１０３機上ＧＰＳ受信機
１０４無人機位置推定器
１０５機上アンテナＡＧＣレベル検出器
１０６地上局位置情報取得器
１０７地上局情報生成器
１０８機上アンテナ制御モード判定器
１０９機上アンテナ目標値生成器
１１０機上アンテナ制御器
１１１機上アンテナ
２０１地上局
２０２地上局加速度センサ
２０３地上局ＧＰＳ受信機
２０４地上局位置推定器
２０５地上アンテナＡＧＣレベル検出器
２０６無人機位置情報取得器
２０７無人機情報生成器
２０８地上アンテナ制御モード判定器
２０９地上アンテナ目標値生成器
２１０地上アンテナ制御器
２１１地上アンテナ
１００１情報送信装置
１１０１撮像装置
１１０２送信部
１１０３空中線
１１０４機体情報取得部
１１０５ＧＰＳ受信機
１１０６空中線
１１０７データ無線部
１１０８演算部
１１０８ａＣＰＵ
１１０８ｂＲＯＭ
１１０９駆動部

Claims

飛行体と地上局の間で無線通信する情報伝送システムにおいて前記飛行体のアンテナ及び前記地上局のアンテナを制御する追尾アンテナ制御装置であって、
前記飛行体は、
飛行体位置推定信号を生成する飛行体位置推定手段と、
前記飛行体のアンテナが受信する信号のレベル変動値、前記地上局のアンテナからの電波のビーム幅情報、及び前記地上局の位置情報に基づいて地上局情報予測信号を生成する地上局情報生成手段と、
前記飛行体位置推定信号と前記地上局情報予測信号に基づいて飛行体アンテナ制御モード信号を生成する飛行体アンテナ制御モード判定手段と、
前記飛行体位置推定信号、前記地上局情報予測信号、及び前記飛行体アンテナ制御モード信号に基づいて飛行体アンテナ目標値信号を生成する飛行体アンテナ目標値生成手段を備え、
前記地上局は、
地上局位置推定信号を生成する地上局位置推定手段と、
前記地上局のアンテナが受信する信号のレベル変動値、前記飛行体のアンテナからの電波のビーム幅情報、及び前記飛行体の位置情報に基づいて飛行体情報予測信号を生成する飛行体情報生成手段と、
前記地上局位置推定信号と前記飛行体情報予測信号に基づいて地上局アンテナ制御モード信号を生成する地上局アンテナ制御モード判定手段と、
前記地上局位置推定信号、前記飛行体情報予測信号、及び前記地上局アンテナ制御モード信号に基づいて地上局アンテナ目標値信号を生成する地上局アンテナ目標値生成手段を備えることを特徴とする追尾アンテナ制御装置。
前記飛行体アンテナ制御モード判定手段は捕捉制御モードと追尾制御モードのいずれかを選定し、
前記飛行体アンテナ目標値生成手段は前記追尾制御モードが選定された場合に前記地上局情報予測信号と前記飛行体位置推定信号に基づいて前記飛行体と前記地上局との位置差分値を生成し、該位置差分値に従って前記地上局のアンテナの追尾を制御することを特徴とする請求項１に記載の追尾アンテナ制御装置。
前記飛行体アンテナ目標値生成手段は前記捕捉制御モードが選定された場合に前記差分値と前記飛行体アンテナ制御モード信号に含まれる前記地上局のアンテナからの電波のビーム幅情報に基づいて捕捉シーケンス及びサーチプロファイルを選択し、前記飛行体アンテナ目標値信号を生成することを特徴とする請求項２に記載の追尾アンテナ制御装置。
前記地上局アンテナ制御モード判定手段は捕捉制御モードと追尾制御モードのいずれかを選定し、
前記地上局アンテナ目標値生成手段は前記追尾制御モードが選定された場合に前記飛行体情報予測信号と前記地上局位置推定信号に基づいて前記飛行体と前記地上局との位置差分値を生成し、該位置差分値に従って前記地上局のアンテナの追尾を制御することを特徴とする請求項１に記載の追尾アンテナ制御装置。
前記地上局アンテナ目標値生成手段は前記捕捉制御モードが選定された場合に前記差分値と前記地上局アンテナ制御モード信号に含まれる前記飛行体のアンテナからの電波のビーム幅情報に基づいて捕捉シーケンス及びサーチプロファイルを選択し、前記地上局アンテナ目標値信号を生成することを特徴とする請求項４に記載の追尾アンテナ制御装置。
飛行体と地上局の間で無線通信する情報伝送システムにおいて前記飛行体のアンテナ及び前記地上局のアンテナを制御する追尾アンテナ制御方法であって、
飛行体位置推定信号を生成するステップと、
前記飛行体のアンテナが受信する信号のレベル変動値、前記地上局のアンテナからの電波のビーム幅情報、及び前記地上局の位置情報に基づいて地上局情報予測信号を生成するステップと、
前記飛行体位置推定信号と前記地上局情報予測信号に基づいて飛行体アンテナ制御モード信号を生成するステップと、
前記飛行体位置推定信号、前記地上局情報予測信号、及び前記飛行体アンテナ制御モード信号に基づいて飛行体アンテナ目標値信号を生成するステップと、
地上局位置推定信号を生成するステップと、
前記地上局のアンテナが受信する信号のレベル変動値、前記飛行体のアンテナからの電波のビーム幅情報、及び前記飛行体の位置情報に基づいて飛行体情報予測信号を生成するステップと、
前記地上局位置推定信号と前記飛行体情報予測信号に基づいて地上局アンテナ制御モード信号を生成するステップと、
前記地上局位置推定信号、前記飛行体情報予測信号、及び前記地上局アンテナ制御モード信号に基づいて地上局アンテナ目標値信号を生成するステップを有することを特徴とする追尾アンテナ制御方法。
前記飛行体アンテナ制御モード信号は捕捉制御モードと追尾制御モードのいずれか一つを含み、
前記追尾制御モードが選定された場合に前記地上局情報予測信号と前記飛行体位置推定信号に基づいて前記飛行体と前記地上局との位置差分値を生成し、該位置差分値に従って前記地上局のアンテナの追尾を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６に記載の追尾アンテナ制御方法。
前記捕捉制御モードが選定された場合に前記差分値と前記飛行体アンテナ制御モード信号に含まれる前記地上局のアンテナからの電波のビーム幅情報に基づいて捕捉シーケンス及びサーチプロファイルを選択し、前記飛行体アンテナ目標値信号を生成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に記載の追尾アンテナ制御方法。
前記地上局アンテナ制御モード信号は捕捉制御モードと追尾制御モードのいずれか一つを含み、
前記追尾制御モードが選定された場合に前記飛行体情報予測信号と前記地上局位置推定信号に基づいて前記飛行体と前記地上局との位置差分値を生成し、該位置差分値に従って前記地上局のアンテナの追尾を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６に記載の追尾アンテナ制御方法。
前記捕捉制御モードが選定された場合に前記差分値と前記地上局アンテナ制御モード信号に含まれる前記飛行体のアンテナからの電波のビーム幅情報に基づいて捕捉シーケンス及びサーチプロファイルを選択し、前記地上局アンテナ目標値信号を生成するステップをさらに有することを特徴とする請求項９に記載の追尾アンテナ制御方法。