JP5907535B2 - 衛星追尾アンテナシステムおよび衛星追尾アンテナ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば船舶に搭載され、静止通信衛星の方向に衛星追尾アンテナ（例えばアンテナ反射鏡面）の指向方向を自動制御する衛星追尾アンテナシステムおよび衛星追尾アンテナ制御方法に関する。

地上移動通信網では電波が届かない外洋を航行する船舶においては、通常、衛星通信システムを用いて通信が確保されている。この通信を確保するためには、波浪等による船舶の動揺に対しても、常にアンテナ反射鏡面を一定の指向方向精度で静止通信衛星に向ける衛星追尾アンテナが船舶に搭載される。

この衛星追尾アンテナでは、非特許文献１に記載されるように、２軸〜４軸のジンバル機構とそれに取り付けたエンコーダーによりジンバル角度をフィードバックし、船舶の動揺にかかわらず、アンテナ反射鏡面の主ビーム方向を静止通信衛星に常に向ける制御系を構成している。現状のＫｕ帯の通信衛星を使用した船舶向けの衛星通信サービスは、船上の衛星追尾アンテナに固定局と同様の追尾精度（指向方向0.2 度、ＸＰＤ＞27dB）が求められるため、大型の船舶のみを対象としているのが現実である。

宮憲一監修、「衛星通信技術」、４版、第９章、電子通信学会編、昭和５８年３月２５日

小型船舶向けの衛星追尾アンテナを実現する場合、同じ波浪下において発生する動揺は、大型船より大きな揺れで、かつ、揺れの周期が早くなる。そのため、所望の指向方向精度を達成するには、ジンバル角度のみならずジンバル角速度をフィードバックする予測制御が極めて有効な手法となる。

このジンバル角速度を得るには、エンコーダーによるジンバル角度を微分した出力を利用する手法がある。あるいは、レートジャイロを用いて、直接ジンバル角速度を測定する手法がある。しかし、前者の場合はノイズが大きくなり、後者の場合はレートジャイロ単独では角速度出力が時間とともにドリフトし、高周波（小型船舶向けの周期の早い動揺）対応の制御系用センサとしては使えないことがあった。

本発明は、小型船舶で想定される動揺下でも予測制御に必要なアンテナ指向方向誤差とジンバル角速度を高精度に取得し、小型船舶用の衛星追尾制御に適用することができる衛星追尾アンテナシステムおよび衛星追尾アンテナ制御方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、船舶上に設置されるジンバルプラットフォームと、該ジンバルプラットフォーム上に搭載される衛星追尾アンテナとを備えた衛星追尾アンテナシステムにおいて、ジンバルプラットフォームおよび衛星追尾アンテナのそれぞれに、慣性計測装置が有するドリフトを補正する機能を備えたハイブリッド航法装置を設置し、各ハイブリッド航法装置から慣性座標系に対する姿勢角および姿勢角速度を取得し、該姿勢角および姿勢角速度からアンテナ指向方向誤差とジンバル角速度とを求め、衛星追尾アンテナにフィードバックしてアンテナ指向方向を予測制御する制御手段を備え、制御手段は、各ハイブリッド航法装置で得られる姿勢角速度を座標変換行列を用いて同一の座標系表示にした上でその差分をとり、得られた相対角速度をジンバル軸の構成に対応した新たな座標変換行列を用いて変換することでジンバル角速度を求める構成である。

第２の発明は、船舶上に設置されるジンバルプラットフォームと、該ジンバルプラットフォーム上に搭載される衛星追尾アンテナとを備え、該衛星追尾アンテナのアンテナ指向方向を制御する衛星追尾アンテナ制御方法において、ジンバルプラットフォームおよび衛星追尾アンテナのそれぞれに、慣性計測装置が有するドリフトを補正する機能を備えたハイブリッド航法装置を設置し、各ハイブリッド航法装置から慣性座標系に対する姿勢角および姿勢角速度を取得し、該姿勢角および姿勢角速度からアンテナ指向方向誤差とジンバル角速度とを求め、衛星追尾アンテナにフィードバックしてアンテナ指向方向を予測制御し、ジンバル角速度は、各ハイブリッド航法装置で得られる姿勢角速度を座標変換行列を用いて同一の座標系表示にした上でその差分をとり、得られた相対角速度をジンバル軸の構成に対応した新たな座標変換行列を用いて変換することで求める。

本発明は、船舶に設置されるプラットフォームとプラットフォーム上に搭載される衛星追尾アンテナのそれぞれにハイブリッド航法装置を設置し、小さなノイズでかつドリフトを補償しながら、予測制御に必要なアンテナ指向方向誤差とジンバル角速度を高精度に取得することができる。これにより、小型船舶で想定される高速／大振幅の動揺環境下においても、衛星追尾アンテナの制御系に適用することができる。

本発明の衛星追尾アンテナシステムの実施例構成を示す図である。 本発明の衛星追尾アンテナシステムを簡略化した構成を示す図である。 本発明の衛星追尾アンテナシステムの制御系構成を示す図である。

本発明の衛星追尾アンテナシステムでは、中型および大型の船舶に比して大きな動揺を受ける小型船舶において発生する高振幅、高周波の外乱トルク環境でも、所定のアンテナ指向方向精度を達成するために必要となるジンバル角速度出力を、小さなノイズでかつドリフトを抑制して取得するためにハイブリッド航法装置を利用する。

このハイブリッド航法装置は、一般的には、航空機の航法に使用されており、慣性計測装置（ＩＭＵ）、ＧＰＳおよび拡張カルマンフィルターから構成される。慣性座標系において、ノイズが小さく、ドリフト補償し、高周波の姿勢角と姿勢角速度の検出が可能という特長を有する。

しかしながら、単体のハイブリッド航法装置では、アンテナ指向方向の誤差角度は観測可能であるが、ジンバル角速度を得ることができない。ジンバル角速度を得るためには、船舶全体の角速度ではなく、衛星追尾アンテナと船舶との相対角速度が必要になるためである。したがって、単体のハイブリッド航法装置では、船舶の衛星追尾アンテナの制御には使用できない。

そのため本発明では、図１に示すように、船舶に設置される複数駆動軸を有するジンバルプラットフォームと、ジンバルプラットフォーム上に搭載される衛星追尾アンテナのそれぞれに、ハイブリッド航法装置Ｂ，Ａを装着する。これにより、本発明では、制御に必要な衛星追尾アンテナと船舶との相対角速度を直接、観測することが可能となる。

本ハイブリッド航法装置は、ＩＭＵに内蔵されているレートジャイロにより、高い周波数までの船舶の動揺運動を計測にするとともに、ＧＰＳを組み合わせることにより、レートジャイロが有するドリフトを補正する。これにより、算出される姿勢角誤差の増大を抑えて一定値以内に誤差を収めることができる。さらに、本ハイブリッド航法装置は、ＧＰＳ用受信アンテナを除いて、動く対象物の任意の位置に装着可能である。

衛星追尾アンテナに搭載したハイブリッド航法装置Ａを用いて、衛星追尾アンテナに設定したアンテナ座標系（Ｏ_A −Ｘ_A Ｙ_A Ｚ_A ）の慣性座標系（Ｏ_I −Ｘ_I Ｙ_I Ｚ_I ）に対する姿勢角θ_A および姿勢角速度ω_A を取得する。一方、船舶のジンバルプラットフォームに搭載したハイブリッド航法装置Ｂを用いて、船舶に設定した船舶座標系（Ｏ_S −Ｘ_S Ｙ_S Ｚ_S ）の慣性座標系に対する姿勢角θ_B および姿勢角速度ω_B を取得する。姿勢角速度ω_A ，ω_B については、すでにドリフトを補正した後の出力である。また、姿勢角θ_A ，θ_B は、オイラー角であり、３つの角度を成分とするベクトル（３×１）であり、姿勢角速度ω_A ，ω_B もそれぞれの座標系の軸回りの角速度を成分とするベクトル（３×１）である。このように２つのオイラー角θ_A ，θ_B と、２つの角速度ベクトルω_A 、ω_B が得られる。

以下、説明を簡単にするために、図２に示すように船舶はＸ軸回りに動揺し、アンテナ指向方向はエレベーションのみに変動、すなわち同一平面内の回転運動のみと想定する。

船舶が動揺しないで静止し、その上に搭載している衛星追尾アンテナの主ビーム方向が所定の衛星方向に向いている状態を基準にすると、船舶動揺時には、船舶のジンバルプラットフォームに搭載したハイブリッド航法装置Ｂで得られる姿勢角θ_B は、水平静止状態からの船体姿勢誤差角となり、衛星追尾アンテナに搭載したハイブリッド航法装置Ａで得られる姿勢角θ_A は、アンテナ主ビーム方向の衛星方向からのずれ（アンテナ指向方向誤差）を算出することとなり、これらの差分が制御すべきジンバル角度θ_G となる。

図３は、本発明における制御系の構成例を示す。
図３において、ハイブリッド航法装置Ａ，Ｂで得られる姿勢角速度ω_A ，ω_B は、座標変換行列を用いて同ーの座標系表示にした上で、その差分をとることにより、相対角速度を得る。この相対角速度をジンバル軸の構成に対応した新たな座標変換行列を用いて、ジンバル軸回りの角速度（ジンバル角速度) ω_G が得られる。そして、ハイブリッド航法装置Ａで得られる姿勢角θ_A とジンバル角速度ω_G をフィードバック制御信号として予測制御系を構成することにより、大きい振幅と早い動揺に対応することが可能となる。ここでは、設定角度θ_ADからハイブリッド航法装置Ａで得られる姿勢角θ_A を減算し、さらにジンバル角速度ω_G を加算して衛星追尾アンテナ１０の角度を調整するサーボモータ１１の制御信号とする。ＫおよびＫ_D は重み係数である。

１０ 衛星追尾アンテナ
１１ サーボモータ
Ａ，Ｂ ハイブリッド航法装置

Claims (2)

1. 船舶上に設置されるジンバルプラットフォームと、該ジンバルプラットフォーム上に搭載される衛星追尾アンテナとを備えた衛星追尾アンテナシステムにおいて、
   前記ジンバルプラットフォームおよび前記衛星追尾アンテナのそれぞれに、慣性計測装置が有するドリフトを補正する機能を備えたハイブリッド航法装置を設置し、
   前記各ハイブリッド航法装置から慣性座標系に対する姿勢角および姿勢角速度を取得し、該姿勢角および姿勢角速度からアンテナ指向方向誤差とジンバル角速度とを求め、前記衛星追尾アンテナにフィードバックしてアンテナ指向方向を予測制御する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記各ハイブリッド航法装置で得られる姿勢角速度を座標変換行列を用いて同一の座標系表示にした上でその差分をとり、得られた相対角速度をジンバル軸の構成に対応した新たな座標変換行列を用いて変換することでジンバル角速度を求める構成である
   ことを特徴とする衛星追尾アンテナシステム。
2. 船舶上に設置されるジンバルプラットフォームと、該ジンバルプラットフォーム上に搭載される衛星追尾アンテナとを備え、該衛星追尾アンテナのアンテナ指向方向を制御する衛星追尾アンテナ制御方法において、
   前記ジンバルプラットフォームおよび前記衛星追尾アンテナのそれぞれに、慣性計測装置が有するドリフトを補正する機能を備えたハイブリッド航法装置を設置し、
   前記各ハイブリッド航法装置から慣性座標系に対する姿勢角および姿勢角速度を取得し、該姿勢角および姿勢角速度からアンテナ指向方向誤差とジンバル角速度とを求め、前記衛星追尾アンテナにフィードバックしてアンテナ指向方向を予測制御し、
   前記ジンバル角速度は、前記各ハイブリッド航法装置で得られる姿勢角速度を座標変換行列を用いて同一の座標系表示にした上でその差分をとり、得られた相対角速度をジンバル軸の構成に対応した新たな座標変換行列を用いて変換することで求める
   ことを特徴とする衛星追尾アンテナ制御方法。