(57)【要約】【課題】実機アンテナパターン取得システム、実機アンテナパターン取得方法、及び実機アンテナパターン取得プログラムを提供する。【解決手段】機上アンテナ３が設けられた飛行体１の実機アンテナパターンを取得するシステム１００であって、飛行体１に設けられた、飛行体１の位置を取得する位置取得器４と、飛行体１の機体姿勢を取得する機体姿勢取得器５と、地上局２のテレメータアンテナ１１の方位を取得する方位取得器１２と、機上アンテナ３から送信され、テレメータアンテナ１１を始端部として含む受信経路２２の終端において受信される電気信号の電力である受信電力を取得する受信電力取得器１３と、データ処理器１４と、を備え、データ処理器１４は、飛行体１の位置と、飛行体１の機体姿勢と、テレメータアンテナ１１の方位と、受信電力と、に基づいて機上アンテナ３のアンテナパターンデータである実機アンテナパターンデータを算出するよう構成されている。【選択図】図１
2020017790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機上アンテナが設けられた飛行体の実機アンテナパターンを取得するシステムであって、
前記飛行体の位置を取得する位置取得器と、
飛行体の機体姿勢を取得する機体姿勢取得器と、
地上局のテレメータアンテナの方位を取得する方位取得器と、
前記機上アンテナから送信され、前記テレメータアンテナを始端部として含む受信経路の終端において受信される電気信号の電力である受信電力を取得する受信電力取得器と、
データ処理器と、を備え、
前記データ処理器は、前記飛行体の位置と、前記飛行体の機体姿勢と、前記テレメータアンテナの方位と、前記受信電力と、に基づいて前記機上アンテナのアンテナパターンデータである実機アンテナパターンデータを算出するよう構成されている、実機アンテナパターン取得システム。
【請求項２】
前記データ処理器は、前記飛行体の機体姿勢と前記飛行体の位置とに基づいて前記飛行体から見た前記地上局の方角である地上局方角を算出することと、
前記飛行体の位置と前記地上局の位置とに基づいて前記地上局から見た前記飛行体の方角である飛行体方角を算出することと、
前記飛行体方角と前記テレメータアンテナの方位とに基づいて前記地上局による前記飛行体の自動追尾の誤差である自動追尾誤差を算出することと、
前記自動追尾誤差と前記地上局のテレメータアンテナのパターンデータである地上局アンテナパターンデータとに基づき前記地上局のアンテナ利得である地上局アンテナ利得を算出することと、
前記飛行体の位置と前記地上局の位置とに基づいて前記飛行体と前記地上局との間の距離である飛行体−地上局間距離を算出することと、
前記飛行体−地上局間距離に基づいて、前記機上アンテナと前記テレメータアンテナとの間を電波が伝搬する際の損失である自由空間伝搬損失を計算することと、
前記地上局アンテナ利得と、前記機上アンテナを終端部として含む送信経路の始端において送信される電気信号の電力である送信電力と、前記送信経路の損失と、前記受信経路の損失と、前記受信電力と、前記自由空間伝搬損失と、に基づいて前記機上アンテナの利得である実機アンテナ利得を算出することと、
前記地上局方角と前記実機アンテナ利得とに基づいて前記機上アンテナの前記実機アンテナパターンデータを算出することと、
を実行するよう構成されている、請求項１に記載の実機アンテナパターン取得システム。
【請求項３】
機上アンテナが設けられた飛行体の実機アンテナパターンを取得する方法であって、
前記方法は、
前記飛行体の位置を取得することと、
飛行体の機体姿勢を取得することと、
地上局のテレメータアンテナの方位を取得することと、
前記機上アンテナから送信され、前記テレメータアンテナを始端部として含む受信経路の終端において受信される電気信号の電力である受信電力を取得することと、
前記飛行体の位置と、前記飛行体の機体姿勢と、前記テレメータアンテナの方位と、前記受信電力と、に基づいて前記機上アンテナのアンテナパターンデータである実機アンテナパターンデータを算出することと、
を含む、実機アンテナパターン取得方法。
【請求項４】
前記実機アンテナパターンデータを算出することは、前記飛行体の機体姿勢と前記飛行体の位置とに基づいて前記飛行体から見た前記地上局の方角である地上局方角を算出することと、
前記飛行体の位置と前記地上局の位置とに基づいて前記地上局から見た前記飛行体の方角である飛行体方角を算出することと、
前記飛行体方角と前記テレメータアンテナの方位とに基づいて前記地上局による前記飛行体の自動追尾の誤差である自動追尾誤差を算出することと、
前記自動追尾誤差と前記地上局のテレメータアンテナのパターンデータである地上局アンテナパターンデータとに基づき前記地上局のアンテナ利得である地上局アンテナ利得を算出することと、
前記飛行体の位置と前記地上局の位置とに基づいて前記飛行体と前記地上局との間の距離である飛行体−地上局間距離を算出することと、
前記飛行体−地上局間距離に基づいて、前記機上アンテナと前記テレメータアンテナとの間を電波が伝搬する際の損失である自由空間伝搬損失を計算することと、
前記地上局アンテナ利得と、前記機上アンテナを終端部として含む送信経路の始端において送信される電気信号の電力である送信電力と、前記送信経路の損失と、前記受信経路の損失と、前記受信電力と、前記自由空間伝搬損失と、に基づいて前記機上アンテナの利得である実機アンテナ利得を算出することと、
前記地上局方角と前記実機アンテナ利得とに基づいて前記機上アンテナの前記実機アンテナパターンデータを算出することと、
を含む、請求項３に記載の実機アンテナパターン取得方法。
【請求項５】
コンピュータに、機上アンテナが設けられた飛行体の実機アンテナパターンを取得する方法を遂行させるプログラムであって、
前記方法は、
前記飛行体の位置を取得することと、
飛行体の機体姿勢を取得することと、
地上局のテレメータアンテナの方位を取得することと、
前記機上アンテナから送信され、前記テレメータアンテナを始端部として含む受信経路の終端において受信される電気信号の電力である受信電力を取得することと、
前記飛行体の位置と、前記飛行体の機体姿勢と、前記テレメータアンテナの方位と、前記受信電力と、に基づいて前記機上アンテナのアンテナパターンデータである実機アンテナパターンデータを算出することと、
を含む、実機アンテナパターン取得プログラム。
【請求項６】
前記実機アンテナパターンデータを算出することは、前記飛行体の機体姿勢と前記飛行体の位置とに基づいて前記飛行体から見た前記地上局の方角である地上局方角を算出することと、
前記飛行体の位置と前記地上局の位置とに基づいて前記地上局から見た前記飛行体の方角である飛行体方角を算出することと、
前記飛行体方角と前記テレメータアンテナの方位とに基づいて前記地上局による前記飛行体の自動追尾の誤差である自動追尾誤差を算出することと、
前記自動追尾誤差と前記地上局のテレメータアンテナのパターンデータである地上局アンテナパターンデータとに基づき前記地上局のアンテナ利得である地上局アンテナ利得を算出することと、
前記飛行体の位置と前記地上局の位置とに基づいて前記飛行体と前記地上局との間の距離である飛行体−地上局間距離を算出することと、
前記飛行体−地上局間距離に基づいて、前記機上アンテナと前記テレメータアンテナとの間を電波が伝搬する際の損失である自由空間伝搬損失を計算することと、
前記地上局アンテナ利得と、前記機上アンテナを終端部として含む送信経路の始端において送信される電気信号の電力である送信電力と、前記送信経路の損失と、前記受信経路の損失と、前記受信電力と、前記自由空間伝搬損失と、に基づいて前記機上アンテナの利得である実機アンテナ利得を算出することと、
前記地上局方角と前記実機アンテナ利得とに基づいて前記機上アンテナの前記実機アンテナパターンデータを算出することと、
を含む、請求項５に記載の実機アンテナパターン取得プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実機アンテナパターン取得システム、実機アンテナパターン取得方法、及び実機アンテナパターン取得プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機のアンテナに関する各種の技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。航空機に各種のアンテナを装備する場合、アンテナ装備位置の妥当性やリンク解析の検討を行うためにアンテナパターンのデータが必要であった。
【０００３】
通常は、スケールモデル（模型）を制作し、電波暗室での試験を通してスケールモデルのアンテナパターンデータを取得し、このデータをアンテナの設計に反映していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１０−５０８７７３公表特許公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来、実機を実際の運用環境下で（つまり、飛行中に）アンテナパターンを取得することは行われていなかった。
【０００６】
アンテナパターンとは、アンテナの放射特性を図示したものである。アンテナパターンを見ると、どの方角にどれだけの利得で電波を放射できたかが判る。
【０００７】
スケールモデルの形状は実際の航空機に限りなく近づけるが、同一形状にするには限界があり、多少の形状誤差が生じるため、スケールモデルで取得したアンテナパターンデータは実際の航空機のアンテナパターンに対して誤差が生じる。この誤差は、実使用状態で取得したデータが存在しない限り、修正することができない。
【０００８】
一方、飛行中にデータを取得する場合は、航空機が実物であるため、このような誤差は存在しない。
【０００９】
しかしながら、飛行中にデータを取得するためには、地上局は、その設定受信感度を担保する方向を、正確に航空機に向けなければならない。しかも、航空機は移動することから、航空機を正確に追尾し続けなければならない。理想的な追尾状態では、地上局から見た航空機の方角と地上局のアンテナ方位とが一致している。しかし、実際には、地上局から見た航空機の方角と、地上局のアンテナ方位とに誤差が生じ得る。
【００１０】
ここで、地上局のアンテナは、一般に、航空機に搭載されているアンテナに比べて非常に大型である。その理由は、航空機から発せられた電波は元々低出力の電波であるのに加え、大気伝搬中の減衰によってさらに微弱になっているので、これを増幅して受信するためには、大型のアンテナが必要であるからである。また、地上局のアンテナは、微弱な電波を取得するために指向性が強い。従って、地上局のアンテナの向きが正確に航空機の方向に向けられていないと、そのアンテナが本来持っている受信性能（受信感度）を発揮することができず、そのため、受信電波の強さ（受信電力）が過少に評価されてしまう。つまり、地上局のアンテナの向きがずれていると、機上アンテナの利得が過少に計測され、アンテナパターンのうち当該箇所の利得が過少になって正確なアンテナパターンを得ることができない。このような問題は、航空機を含む飛行体に共通する。
【００１１】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、地上局から見た飛行体の方角と地上局のアンテナ方位との誤差を補完することが可能な実運用下での実機アンテナパターン取得システム、実機アンテナパターン取得方法、及び実機アンテナパターン取得プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明のある形態（aspect）に係る、実機アンテナパターン取得システムは、機上アンテナが設けられた飛行体の実機アンテナパターンを取得するシステムであって、前記飛行体の位置を取得する位置取得器と、飛行体の機体姿勢を取得する機体姿勢取得器と、地上局に設けられたテレメータアンテナと、前記テレメータアンテナの方位を取得する方位取得器と、前記機上アンテナから送信され、前記テレメータアンテナを始端部として含む受信経路の終端において受信される電気信号の電力である受信電力を取得する受信電力取得器と、データ処理器と、を備え、前記データ処理器は、前記飛行体の位置と、前記飛行体の機体姿勢と、前記テレメータアンテナの方位と、前記受信電力と、に基づいて前記機上アンテナのアンテナパターンデータである実機アンテナパターンデータを算出するよう構成されている。
【００１３】
この構成によれば、飛行体の機体姿勢と飛行体の位置とに基づいて飛行体から見た地上局の方角を算出するとともに、飛行体の位置と地上局の位置とに基づいて地上局から見た飛行体の方角を算出することができる。そして、飛行体の方角とテレメータアンテナの方位とに基づいて地上局による飛行体の自動追尾の誤差を算出することができる。この自動追尾の誤差が、地上局から見た飛行体の方角と地上局のアンテナ方位との誤差に相当する。
【００１４】
そして、自動追尾の誤差と地上局のテレメータアンテナのアンテナパターンデータとに基づき地上局のアンテナ利得を算出することができる。地上局のアンテナ利得は、所要のパラメータを用いた演算によって、機上アンテナのアンテナパターンに変換できる。
【００１５】
従って、この構成によれば、データ処理器を、このような演算を行うように構成することによって、地上局から見た飛行体の方角と地上局のアンテナ方位との誤差を補完して実運用下での実機アンテナパターンを取得することができる。
【００１６】
前記データ処理器は、前記飛行体の機体姿勢と前記飛行体の位置とに基づいて前記飛行体から見た前記地上局の方角である地上局方角を算出することと、前記飛行体の位置と前記地上局の位置とに基づいて前記地上局から見た前記飛行体の方角である飛行体方角を算出することと、前記飛行体方角と前記テレメータアンテナの方位とに基づいて前記地上局による前記飛行体の自動追尾の誤差である自動追尾誤差を算出することと、前記自動追尾誤差と前記地上局のテレメータアンテナのパターンデータである地上局アンテナパターンデータとに基づき前記地上局のアンテナ利得である地上局アンテナ利得を算出することと、前記飛行体の位置と前記地上局の位置とに基づいて前記飛行体と前記地上局との間の距離である飛行体−地上局間距離を算出することと、前記飛行体−地上局間距離に基づいて、前記機上アンテナと前記テレメータアンテナとの間を電波が伝搬する際の損失である自由空間伝搬損失を計算することと、前記地上局アンテナ利得と、前記機上アンテナを終端部として含む送信経路の始端において送信される電気信号の電力である送信電力と、前記送信経路の損失と、前記受信経路の損失と、前記受信電力と、前記自由空間伝搬損失と、に基づいて前記機上アンテナの利得である実機アンテナ利得を算出することと、前記地上局方角と前記実機アンテナ利得とに基づいて前記機上アンテナの前記実機アンテナパターンデータを算出することと、を実行するよう構成されていてもよい。
【００１７】
この構成によれば、データ処理器が、地上局のアンテナ利得を機上アンテナのアンテナパターンに変換するための演算として、飛行体の位置と地上局の位置とに基づいて飛行体と地上局との間の距離である飛行体−地上局間距離を算出するとともに、飛行体−地上局間距離に基づいて機上アンテナとテレメータアンテナとの間の自由空間伝搬損失を計算し、且つ、地上局のアンテナ利得と、送信電力と、送信経路の損失と、受信経路の損失と、受信電力と、自由空間伝搬損失と、に基づいて機上アンテナの利得である実機アンテナ利得を算出する。
従って、より精度良く、地上局から見た飛行体の方角と地上局のアンテナ方位との誤差を補完して実運用下での実機アンテナパターンを取得することができる。
【００１８】
また、本発明の他の形態（aspect）に係る、実機アンテナパターン取得方法は、機上アンテナが設けられた飛行体の実機アンテナパターンを取得する方法であって、前記方法は、前記飛行体の位置を取得することと、飛行体の機体姿勢を取得することと、地上局のテレメータアンテナの方位を取得することと、前記機上アンテナから送信され、前記テレメータアンテナを始端部として含む受信経路の終端において受信される電気信号の電力である受信電力を取得することと、前記飛行体の位置と、前記飛行体の機体姿勢と、前記テレメータアンテナの方位と、前記受信電力と、に基づいて前記機上アンテナのアンテナパターンデータである実機アンテナパターンデータを算出することと、を含む。
【００１９】
また、本発明のさらなる他の形態（aspect）に係る、実機アンテナパターン取得プログラムは、コンピュータに、機上アンテナが設けられた飛行体の実機アンテナパターンを取得する方法を遂行させるプログラムであって、前記方法は、前記飛行体の位置を取得することと、飛行体の機体姿勢を取得することと、地上局のテレメータアンテナの方位を取得することと、前記機上アンテナから送信され、前記テレメータアンテナを始端部として含む受信経路の終端において受信される電気信号の電力である受信電力を取得することと、前記飛行体の位置と、前記飛行体の機体姿勢と、前記テレメータアンテナの方位と、前記受信電力と、に基づいて前記機上アンテナのアンテナパターンデータである実機アンテナパターンデータを算出することと、を含む。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、地上局から見た飛行体の方角と地上局のアンテナ方位との誤差を補完することが可能な実運用下での実機アンテナパターン取得システム、実機アンテナパターン取得方法、及び実機アンテナパターン取得プログラムを提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る実機アンテナパターン取得システムの一例の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】図２は、実運用下での実機アンテナパターンデータを算出するためのパラメータ及び演算を示すフローチャートである。
【図３】図３は、航空機及び地上局の位置の座標変換を示す模式図であり、（ａ）は地球中心の座標系を示す模式図、（ｂ）は機体中心の座標系を示す模式図である。
【図４】図４は、機体の基準姿勢の座標系に合わせる座標系の軸の回転を示す模式図である。
【図５】図５は、機体の基準姿勢の座標系から機体姿勢を考慮した座標系への変換を示す模式図であり、（ａ）はRollingによる座標変換を示す模式図、（ｂ）はPitchingによる座標変換を示す模式図、（ｃ）はYawingによる座標変換を示す模式図である。
【図６】図６は、機体を基準とした座標系による地上局の位置ベクトルから角度Azimuthの算出を示す模式図である。
【図７】図７は、機体を基準とした座標系による地上局の位置ベクトルから角度Conicalの算出を示す模式図である。
【図８】図８は、地上局から見た航空機の位置の算出を示す模式図である。
【図９】図９は、ｘｙｚ座標系からＥＮＵ座標系への変換を示す模式図である。
【図１０】図１０はＥＮＵ座標系による地上局の位置ベクトルからの角度ＡＺ及び角度ＥＬの算出を示す模式図であって、（ａ）は角度ＡＺの算出を示す模式図、（ｂ）は角度ＥＬの算出を示す模式図である。
【図１１】図１１は、自動追尾誤差を示す模式図である。
【図１２】図１２は、地上局のアンテナ利得を示す模式図である。
【図１３】図１３は、航空機と地上局との距離を示す模式図である。
【図１４】図１４は、自由空間伝搬損失を示す模式図である。
【図１５】図１５は、航空機のアンテナ利得を示す模式図である。
【図１６】図１６は、実機アンテナパターンを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、以下では、座標、回転行列、及び送信アンテナのアンテナ利得を表すアルファベット記号の添え字を、図では下付けして表すが、明細書では下付けしないで表す。下付けすると、添え字が小さくなって読み取れないからである。また、本発明は、以下の実施形態に限定されない。
【００２３】
（実施形態）
［実機アンテナパターン取得システムの構成］
図１は、本発明の実施形態に係る実機アンテナパターン取得システムの一例の構成を示す機能ブロック図である。本実施形態では、飛行体が航空機である場合について例示する。
【００２４】
図１を参照すると、本実施形態の実機アンテナパターン取得システム１００は、測定対象である機上アンテナ３が設けられた、飛行体の一例としての航空機１の機器と、地上局２の機器と、で構成される。実機アンテナパターン取得システム１００は、主要な要素として、航空機１の位置を取得する位置取得器４と、航空機１の機体姿勢を取得する機体姿勢取得器５と、地上局２のテレメータアンテナ１１の方位を取得する方位取得器１２と、機上アンテナ３から送信され、テレメータアンテナ１１を始端部として含む通信経路（受信経路）２２の終端において受信される電気信号の電力である受信電力を取得する受信電力取得器１３と、データ処理器１４と、を備える。
【００２５】
データ処理器１４は、航空機１の位置と、航空機１の機体姿勢と、テレメータアンテナ１１の方位と、受信電力と、に基づいて機上アンテナ３のアンテナパターンデータである実機アンテナパターンデータを算出するよう構成されている。
【００２６】
以下、実機アンテナパターン取得システム１００を詳しく説明する。
【００２７】
実機アンテナパターン取得システム１００は、航空機１に設けられた位置取得器４、機体姿勢取得器５、機上通信器７、機上通信制御器８、及び通信経路（送信経路）２１と、地上局２に設けられたテレメータアンテナ１１、方位取得器１２、受信電力取得器１３、データ処理器１４、記憶器１５、表示器１６、アンテナ駆動機構１７、追尾制御機構１８、地上通信制御器１９、地上通信器２０、及び通信経路（受信経路）２２を含む。
【００２８】
航空機１は特に限定されない。航空機１として、周知のものを用いることができる。機上アンテナ３は、航空機１の適所に設けられる。機上アンテナの形態、設置態様等は、特に限定されない。機上アンテナ３として、周知のものを用いることができる。
【００２９】
位置取得器４は、航空機１の位置を取得する。位置取得器４として、ＧＰＳが例示される。位置取得器４は、ここでは、航空機１の位置として、航空機１の緯度、経度、及び高度を取得する。機体姿勢取得器５は、航空機１の姿勢（以下、機体姿勢という）を取得する。機体姿勢取得器５として、ジャイロセンサ、３次元加速度センサ等が例示される。機体姿勢取得器５は、ここでは、機体姿勢として、角度Pitch、角度Roll、及び角度Yawを取得する。
【００３０】
機上通信制御器８は、プロセッサ等の演算処理機能を有する演算器で構成される。機上通信制御器８は、各種の情報を送信信号に変換し、この送信信号を機上通信器７に送る。また、機上通信器７からの受信信号を受け取り、この受信信号を適宜処理する。機上通信制御器８は、ここでは、位置取得器４からの航空機１の位置（緯度、経度、及び高度）及び機体姿勢取得器５からの機体姿勢（角度Pitch、角度Roll、及び角度Yaw）を、それぞれ、送信信号に変換し、これらの送信信号を機上通信器７に送る。
【００３１】
機上通信器７は、機上通信制御器８からの送信信号を無線信号に変調し、通信経路２１を介して、機上アンテナ３に送る。また、機上通信器７は、機上アンテナ３からの無線信号を、通信経路２１を介して受け取り、この無線信号を受信信号に復調して、機上通信制御器８に送る。
【００３２】
機上アンテナ３は、機上通信器７からの無線信号を電波として空間に放射する。また、機上アンテナ３は、空間を伝搬して来る電波を無線信号に変換し、この無線信号を機上通信器７に送る。
【００３３】
地上局２は、テレメータアンテナ１１を備える。テレメータアンテナ１１として、周知の地上アンテナを用いることができる。テレメータアンテナ１１は、アンテナ駆動機構１７によって、水平軸及び垂直軸の周りに回動されて、その向き（方位）を変化させられる。
【００３４】
方位取得器１２は、テレメータアンテナ１１の方位を取得する。方位取得器１２は、例えば、テレメータアンテナ１１を駆動する２つの回転軸に取り付けられた回転角センサによって構成される。方位取得器１２はテレメータアンテナ１１の方位を追尾制御機構１８及びデータ処理器１４に送る。
【００３５】
追尾制御機構１８は、方位取得器１２からのテレメータアンテナ１１の方位に基づいて、アンテナ駆動機構１７を介して、テレメータアンテナ１１を、航空機１（正確には航空機１の機上アンテナ３）を追尾するよう制御する。
【００３６】
テレメータアンテナ１１は、空間を伝搬して来る電波を無線信号に変換し、この無線信号を、通信経路（受信経路）２２を介して、地上通信器２０に送る。また、テレメータアンテナ１１は、地上通信器２０からの無線信号を、通信経路２２を介して受け取り、これを電波として空間に放射する。
【００３７】
地上通信器２０は、テレメータアンテナ１１からの無線信号を受信信号に復調し、この受信信号を地上通信制御器１９に送る。また、地上通信器２０は、地上通信制御器１９からの送信信号を無線信号に変調し、テレメータアンテナ１１に送る。
【００３８】
地上通信制御器１９は、プロセッサ等の演算処理機能を有する演算器で構成される。地上通信制御器１９は、地上通信器２０からの受信信号を受け取り、この受信信号をデータ処理器１４に送る。また、地上通信制御器１９は、各種の情報を送信信号に変換し、この送信信号を地上通信器２０に送る。
【００３９】
受信電力取得器１３は、地上通信器２０の受信電力を取得する。受信電力取得器１３として、電力計が例示される。受信電力取得器１３は、取得した受信電力をデータ処理器１４に送る。
【００４０】
データ処理器１４は、プロセッサ等の演算器で構成される。記憶器１５は、メモリ等で構成される。データ処理器１４は、例えば、マイクロコントローラのＣＰＵで構成され、記憶器１５は、マイクロコントローラのメモリで構成される。
【００４１】
データ処理器１４は、実機アンテナパターンデータを算出する。記憶器１５は、実機アンテナパターンデータを算出するのに必要なデータを記憶する。
【００４２】
具体的には、データ処理器１４は、機上アンテナ３から発せられる電波に載せられた、位置取得器４からの航空機１の位置（緯度、経度、及び高度）及び機体姿勢取得器５からの機体姿勢（角度Pitch、角度Roll、及び角度Yaw）を、テレメータアンテナ１１、通信経路２２、地上通信器２０、及び地上通信制御器１９を介して、受け取る。データ処理器１４は、これらのデータと、方位取得器１２からのテレメータアンテナ１１の方位及び受信電力取得器１３からの受信電力と、記憶器１５に記憶された所要のデータとを用いて、実機アンテナパターンデータを作成する。
【００４３】
データ処理器１４は、入力器（図示せず）のユーザによる操作に応じて、表示器１６に所要の表示（例えば、実機アンテナパターン）の表示を行う。表示器１６は、例えば、液晶タッチパネルで構成される。データ処理器１４、記憶器１５、入力器、及び表示器１６が、例えば、パーソナルコンピュータとして構成されていてもよい。
【００４４】
［実機アンテナパターンの算出方法］
図２は、実運用下での実機アンテナパターンデータを算出するためのパラメータ及び演算を示すフローチャートである。
【００４５】
図２に示す実運用下での実機アンテナパターンデータの算出方法は、図１の実機アンテナパターン取得システム１００によって、実行される。
【００４６】
以下、図１〜図１６を用いて、実機アンテナパターンデータの算出方法を説明する。
【００４７】
図１及び図２を参照すると、記憶器１５には、予め、地上局２の位置情報（緯度、経度、及び高度）と、地上局２のアンテナパターンデータ（図１２参照）と、送信電力ＰＴＸと、送信経路（通信経路）２１の電力損失ＬＴＸと、受信経路（通信経路）２２の電力損失ＬＲＸと、が記憶されている。これらのデータ（パラメータ）は既知であり、且つ、固定値である。データ処理器１４は、これらのデータを記憶器１５から読み出して以下の演算に用いる。また、データ処理器１４は、航空機１に関するデータを、リアルタイムで、航空機１の送信系及び地上局２の受信系を介して取得する。航空機１の送信系は、機上通信制御器８、機上通信器７、通信経路２１及び機上アンテナ３を含む。地上局２の受信系は、テレメータアンテナ１１、通信経路２２、地上通信器２０、及び地上通信制御器１９を含む。
【００４８】
航空機１に関するデータは、航空機１の位置（緯度、経度、及び高度）及び機体姿勢（Pitch、Roll、及びYaw）である。
【００４９】
また、地上局２の地上通信制御器１９と航空機１の機上通信制御器８とが、所定の手順により互いに相手を識別した上で、追尾制御機構１８が、テレメータアンテナ１１による航空機１の追尾を開始する。
【００５０】
以下、具体的に実機アンテナパターンの作成方法を説明する。
【００５１】
＜航空機１から見た地上局２の方角計算＞
図３は、航空機及び地上局の位置の座標変換を示す模式図であり、（ａ）は地球中心の座標系を示す模式図、（ｂ）は機体中心の座標系を示す模式図である。
【００５２】
データ処理器１４は、取得した航空機１の位置及び機体姿勢を用いて、航空機１から見た地上局２の位置ベクトルの座標変換を行い、それを通じて、航空機１から見た地上局２の方角を算出する。
【００５３】
図３（ａ）を参照すると、地球を中心とするｘｙｚ座標系において、取得した航空機１の位置座標は、（ｘａ，ｙａ，ｚａ）と表され、地上局２の位置座標は、（ｘｇ，ｙｇ，ｚｇ）と表され、航空機１から見た地上局２の位置ベクトルは、（ｘｇ−ｘａ，ｙｇ−ｙａ，ｚｇ−ｚａ）と表される。この座標系では、角度φが緯度を表し、角度λが経度を表す。
【００５４】
図３（ｂ）に示すように、データ処理器１４は、航空機１から見た地上局２の位置ベクトルを航空機１の機体軸を中心としたＸＹＺ座標系に変換する。この変換により得られた、航空機１から見た地上局２の位置ベクトルから、後述するように、角度Azimuth及び角度Conicalが算出される。
【００５５】
図４は、機体の基準姿勢の座標系に合わせる座標系の軸の回転を示す模式図である。
【００５６】
図４を参照すると、この変換では、まず、ｘｙｚ座標系の軸を回転させることにより、航空機１の機体の基準姿勢のＸＹＺ座標系にｘｙｚ座標系を合わせる。この航空機１の機体の基準姿勢のＸＹＺ座標系では、Ｘ軸が航空機１を原点とし、北方向を正の向きとする座標軸であり、Ｙ軸が航空機１を原点とし、東方向を正の向きとする座標軸であり、Ｚ軸が航空機１を原点とし、地表面に対し垂直下向を正の向きとする座標軸である。
【００５７】
この座標変換は、ｘｙｚ座標系の軸を図４に示すように回転させることにより行われる。
【００５８】
まず、参照符号Ｒ１で示すように、ｚ軸を中心にｘｙｚ座標系をλの角度だけ回転させる。これにより、ｙ軸が東方向を向く。このｚ軸中心の回転は、航空機１から見た地上局２の位置ベクトルに回転行列Ｒｚ（λ）を掛ける演算に相当する。
【００５９】
次に、参照符号Ｒ２で示すように、ｙ軸を中心にｘｙｚ座標系を（１８０°＋９０°−φ）＝（２７０°−φ）の角度だけ回転させる。ｘｙｚ座標系を（９０°−φ）回転させることにより、ｚ軸が地表面に対して上を向き、さらにｘｙｚ座標系を１８０°回転させることにより、ｚ軸が地表面に対して下を向く。このｙ軸中心の回転は、航空機１から見た地上局２の位置ベクトルに回転行列Ｒｙ（２７０°−φ）を掛ける演算に相当する。
【００６０】
ここで、航空機１の機体の基準姿勢のＸＹＺ座標系における地上局２の位置ベクトルを（North，East，Down）で与える。この位置ベクトル（North，East，Down）は、地上局２が、航空機１の位置から、北方向、東方向、及び下方向に対して、それぞれ、どれだけ離れているかを示す位置ベクトルである。
【００６１】
この位置ベクトル（North，East，Down）は、数１の式で表される。
【００６２】
【数１】
2020017790.tif 000003
【００６３】
次に、データ処理器１４は、機体の基準姿勢の座標系を、機体姿勢を考慮した座標系に変換する。以下、機体姿勢を考慮した座標系を「機体軸を基準とした座標系」と呼ぶ。
この場合、機体の基準姿勢の座標系において位置ベクトル（North，East，Down）で与えられた地上局２の位置ベクトルは、機体軸を基準とした座標系では、（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）と表される。
【００６４】
図５は、機体の基準姿勢の座標系から機体軸を基準とした座標系への変換を示す模式図であり、（ａ）はRollingによる座標変換を示す模式図、（ｂ）はPitchingによる座標変換を示す模式図、（ａ）はYawingによる座標変換を示す模式図である。
【００６５】
この座標変換では、まず、図５（ａ）に示すように、ＸＹＺ座標系を、Ｘ軸を中心にRollingによる角度Rollだけ回転させる。このＸ軸中心の回転は、位置ベクトル（North，East，Down）に回転行列Ｒｘ（Roll）を掛ける演算に相当する。
【００６６】
次に、図５（ｂ）に示すように、ＸＹＺ座標系を、Ｙ軸を中心にPitchingによる角度Pitchだけ回転させる。このＹ軸中心の回転は、位置ベクトル（North，East，Down）に回転行列Ｒｙ（Pitch）を掛ける演算に相当する。
【００６７】
次に、図５（ｃ）に示すように、ＸＹＺ座標系を、Ｚ軸を中心にYawingによる角度Yawだけ回転させる。このＹ軸中心の回転は、位置ベクトル（North，East，Down）に回転行列Ｒｚ（Yaw）を掛ける演算に相当する。
【００６８】
この機体軸を基準としたＸＹＺ座標系における地上局２の位置ベクトル（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）は、数２の式で表される。
【００６９】
【数２】
2020017790.tif 000004
【００７０】
なお、回転行列の詳細を示すと、数２の式は、数３の式で表される。
【００７１】
【数３】
2020017790.tif 000005
【００７２】
ここで、位置ベクトル（North，East，Down）において、回転行列の詳細を示すと、数４の式で表される。
【００７３】
【数４】
2020017790.tif 000006
【００７４】
次に、データ処理器１４は、航空機１の機体軸を基準としたＸＹＺ座標系における地上局２の位置ベクトル（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）から、角度Azimuthと角度Conicalとを算出する。
【００７５】
図６は、機体軸を基準とした座標系による地上局の位置ベクトルからの角度Azimuthの算出を示す模式図である。図７は、機体を基準とした座標系による地上局の位置ベクトルからの角度Conicalの算出を示す模式図である。
【００７６】
航空機１から見た地上局２の方角は、角度Azimuthと角度Conicalとによって、一義的に定まる。
【００７７】
図６を参照すると、角度Azimuthは、数５の式で求められる。
【００７８】
【数５】
2020017790.tif 000007
【００７９】
図７を参照すると、角度Conicalは、数６の式で求められる。
【００８０】
【数６】
2020017790.tif 000008
【００８１】
これらの式に上述のＸｇ、Ｙｇ、及びＺｇを代入することにより、角度Azimuth及び角度Conicalが求まる。
【００８２】
このようにして、データ処理器１４は、航空機１から見た地上局２の方角を算出する。
【００８３】
＜地上局２から見た航空機１の方角計算＞
データ処理器１４は、取得した航空機１の位置座標を用いて、地上局２から見た航空機１の位置を算出する。
【００８４】
図８は、地上局から見た航空機の位置の算出を示す模式図である。図９は、ｘｙｚ座標系からＥＮＵ座標系への変換を示す模式図である。
【００８５】
具体的には、データ処理器１４は、まず、図８に示すように、地上局２から見た航空機１の位置ベクトルをＥＮＵ座標系に変換する。
【００８６】
ｘｙｚ座標系では、地上局２から見た航空機１位置ベクトルは、（ｘａ−ｘｇ，ｙａ−ｙｇ，ｚａ−ｚｇ）と表される。
【００８７】
図９を参照すると、この変換では、ｘｙｚ座標系の軸を回転させることにより、ＥＮＵ座標系にｘｙｚ座標系を合わせる。このＥＮＵ座標系では、Ｅ軸が航空機１を原点とし、東方向を正の向きとする座標軸であり、Ｎ軸が航空機１を原点とし、北方向を正の向きとする座標軸であり、Ｕ軸が航空機１を原点とし、地表面に対し垂直上方向を正の向きとする座標軸である。
【００８８】
この座標変換は、ｘｙｚ座標系の軸を図９に示すように回転させることにより行われる。
【００８９】
まず、参照符号Ｒ３で示すように、ｚ軸を中心にｘｙｚ座標系をλの角度だけ回転させる。これにより、ｙ軸がＥ軸に一致する。このｚ軸中心の回転は、地上局２から見た航空機１の位置ベクトルに回転行列Ｒｚ（λ）を掛ける演算に相当する。
【００９０】
次に、参照符号Ｒ４で示すように、Ｅ軸(ｙ軸)を中心にｚ軸を（９０°−φ）の角度だけ回転させる。これにより、ｚ軸がＵ軸に一致する。このＥ軸(ｙ軸)中心の回転は、地上局２から見た航空機１の位置ベクトルに回転行列Ｒｙ（９０°−φ）を掛ける演算に相当する。
【００９１】
次に、参照符号Ｒ５で示すように、Ｕ軸(ｚ軸)を中心にｘｙｚ座標系を９０°の角度だけ回転させる。これにより、ｘ軸がＥ軸に一致し、ｙ軸がＮ軸に一致する。このＵ軸(ｚ軸)中心の回転は、地上局２から見た航空機１の位置ベクトルに回転行列Ｒｚ（９０°）を掛ける演算に相当する。
【００９２】
ここで、ＥＮＵ座標系における航空機１の位置ベクトルを（East，North，Up）で与える。この位置ベクトル（East，North，Up）は、航空機１が、地上局２の位置から、東方向、北方向、及び上方向に対して、それぞれ、どれだけ離れているかを示す位置ベクトルである。
【００９３】
この位置ベクトル（East，North，Up）は、数７の式で表される。
【００９４】
【数７】
2020017790.tif 000009
【００９５】
位置ベクトル（East，North，Up）で与えられた航空機１の位置ベクトルは、ＥＮＵ座標系の座標軸では、（Ｅａ，Ｎａ，Ｕａ）と表される。
【００９６】
次に、データ処理器１４は、この位置ベクトル（Ｅａ，Ｎａ，Ｕａ）から角度ＡＺと角度ＥＬとを算出する。
【００９７】
図１０はＥＮＵ座標系による地上局の位置ベクトルからの角度ＡＺ及び角度ＥＬの算出を示す模式図であって、（ａ）は角度ＡＺの算出を示す模式図、（ｂ）は角度ＥＬの算出を示す模式図である。
【００９８】
地上局２から見た航空機１の方角は、角度ＡＺと角度ＥＬとによって、一義的に定まる。図１０（ａ）に示すように、角度ＡＺは、数８の式で求まる。
【００９９】
【数８】
2020017790.tif 000010
【０１００】
図１０（ｂ）に示すように、角度ＥＬは、数９の式で求まる。
【０１０１】
【数９】
2020017790.tif 000011
【０１０２】
これらの式に上述のＥａ、Ｎａ、及びＵａを代入することにより、角度ＡＺ及び角度ＥＬが求まる。
【０１０３】
このようにして、データ処理器１４は、地上局２から見た航空機１の方角を算出する。
【０１０４】
＜自動追尾誤差＞
図１１は、自動追尾誤差を示す模式図である。図１１を参照すると、地上局２から見た航空機１の方角に対するテレメータアンテナ１１の方角の差角が自動追尾誤差角になる。テレメータアンテナ１１の方角は、リアルタイムで方位取得器１２からデータ処理器１４に送られる。
【０１０５】
データ処理器１４は、上述のように算出した地上局２から見た航空機１の方角から、リアルタイムで受け取るテレメータアンテナ１１の方角を減算することによって、自動追尾誤差角を算出する。
【０１０６】
＜地上局２のアンテナ利得＞
図１２は、地上局のアンテナ利得を示す模式図である。図１２を参照すると、テレメータアンテナ１１のアンテナパターン（既知）において、テレメータアンテナ１１の中心軸（対称軸）から自動追尾誤差角だけずれた方位の利得が地上局２のアンテナ利得ＧＲＸになる。
【０１０７】
データ処理器１４は、テレメータアンテナ１１のアンテナパターンと自動追尾誤差とを用いて、このような演算をすることによって、地上局２のアンテナ利得ＧＲＸを算出する。
【０１０８】
＜航空機１と地上局２間の距離＞
図１３は、航空機１と地上局２との距離を示す模式図である。図１３を参照すると、航空機１と地上局２との距離Ｄは、ｘｙｚ座標系における地上局２から航空機１を見た位置ベクトルの絶対値であり、数１０に示す式で表される。
【０１０９】
【数１０】
2020017790.tif 000012
【０１１０】
データ処理器１４は、この演算を行うことにより、航空機１と地上局２間の距離Ｄを算出する。
【０１１１】
＜自由空間伝搬損失＞
図１４は、自由空間伝搬損失を示す模式図である。図１４を参照すると、自由空間伝搬損失ＬＤは、数１１で示す式で表される。
【０１１２】
【数１１】
2020017790.tif 000013
【０１１３】
ここで、ｆは、この実機アンテナパターンの測定に使用する電波の周波数であり、ｃは、電波の速度（光速）であり、Ｄは、航空機１と地上局２との距離である。
【０１１４】
データ処理器１４は、この演算を行うことにより、自由空間伝搬損失ＬＤを算出する。
【０１１５】
＜航空機１のアンテナ利得＞
図１５は、航空機１のアンテナ利得を示す模式図である。図１及び図１５を参照すると、
受信電力ＰＲＸは、送信電力ＰＴＸから送信経路（通信経路２１）の電力損失ＬＴＸを減算し、この減算結果に送信アンテナ（機上アンテナ３）の利得Ｇａを加算し、この加算結果から自由空間伝搬損失ＬＤを減算し、この減算結果に受信アンテナ（テレメータアンテナ１１）の利得ＧＲＸを加算し、この加算結果から受信経路（通信経路２２）の電力損失ＬＲＸを減算したものになる。
【０１１６】
すなわち、
ＰＲＸ＝ＰＴＸ−ＬＴＸ＋Ｇａ−ＬＤ＋ＧＲＸ−ＬＲＸ
である。
【０１１７】
ここで、ＰＲＸ、ＬＴＸ、ＬＲＸは既知であり、ＰＲＸは測定値であり、ＬＤ及びＧＲＸは上述の計算値である。
【０１１８】
よって、この式から未知数Ｇａを求めると、
Ｇａ＝ＰＲＸ−ＰＴＸ＋ＬＴＸ＋ＬＤ−ＧＲＸ＋ＬＲＸ  ［ｄＢ］となる
このＧａが実機のアンテナ利得である。
【０１１９】
データ処理器１４は、この演算を行うことにより、実機のアンテナ利得を演算する。
【０１２０】
＜実機アンテナパターン表示＞
データ処理器１４は、この実機のアンテナ利得を航空機１から見た地上局２の方角と対応させて、実機アンテナパターンデータの一部とする。
【０１２１】
そして、航空機１は、航空機１から見た地上局２の方角を、Azimuth成分については全角度範囲に渡って変化させるとともにConical成分については、所定の範囲に渡って変化させるように飛行し、データ処理器１４は、時々刻々の実機のアンテナ利得及び航空機１から見た地上局２の方角を互いに対応させて、実機アンテナパターンデータを作成する。実機アンテナパターンデータは、Azimuth成分とConical成分とに分けて作成される（図１６参照）。なお、実機アンテナパターンデータのAzimuth成分及びとConical成分から３Ｄの実機アンテナパターンを生成することもできる。
【０１２２】
データ処理器１４は、この実機アンテナパターンデータを記憶器１５に記憶させ、かつ、入力部からの入力に応じて、記憶器１５から実機アンテナパターンデータを読み出して表示器１６に表示する。
【０１２３】
図１６は、実機アンテナパターンを示す模式図である。図１６に示すように、実機アンテナパターンは、例えば、Azimuth成分とConical成分とに分けて表示される。
【０１２４】
なお、例えば、実機アンテナパターンを３Ｄ表示してもよい。
【０１２５】
以上に説明したように、本実施形態によれば、航空機１の機体姿勢と航空機１の位置とに基づいて航空機１から見た地上局２の方角を算出するとともに、航空機１の位置と地上局２の位置とに基づいて地上局２から見た航空機１の方角を算出する。そして、航空機１の方角とテレメータアンテナ１１の方位とに基づいて地上局２による航空機１の自動追尾の誤差を算出する。この自動追尾の誤差が、地上局２から見た航空機１の方角と地上局２のテレメータアンテナ１１の方位との誤差に相当する。
【０１２６】
そして、自動追尾の誤差と地上局２のテレメータアンテナ１１のアンテナパターンデータとに基づき地上局２のアンテナ利得を算出する。そして、地上局のアンテナ利得を、所要のパラメータを用いた演算によって、機上アンテナ３のアンテナパターンに変換する。
【０１２７】
従って、本実施形態によれば、地上局２から見た航空機１の方角と地上局２のアンテナ方位との誤差を補完して実運用下での実機アンテナパターンを取得することができる。
【０１２８】
（その他の実施形態）
上記実施形態では実機アンテナパターン取得システム（方法）を航空機１に適用したが、これを航空機以外の飛行体に適用してもよい。航空機以外の飛行体として、ドローン、ロケット、ミサイル等が例示される。これらの場合にも、実施形態１を実質的にそのまま適用することができる。
【０１２９】
上記説明から、当業者にとっては、多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明の実機アンテナパターン取得システム、実機アンテナパターン取得方法、及び実機アンテナパターン取得プログラムは、地上局から見た航空機の方角と地上局のアンテナ方位との誤差を補完することが可能な実運用下での実機アンテナパターン取得システム、実機アンテナパターン取得方法、及び実機アンテナパターン取得プログラムとして有用である。
【符号の説明】
【０１３１】
１  航空機
２  地上局
３  機上アンテナ
４  位置取得器
５  機体姿勢取得器
７  機上通信器
８  機上通信制御器
１１  テレメータアンテナ
１２  方位取得器
１３  受信電力取得器
１４  データ処理器
１５  記憶器
１６  表示器
１７  アンテナ駆動機構
１８  追尾制御機構
１９  地上通信制御器
２０  地上通信器
２１  通信経路
２２  通信経路
１００  実機アンテナパターン取得システム
【図１】
2020017790.tif 000014
【図２】
2020017790.tif 000015
【図３】
2020017790.tif 000016
【図４】
2020017790.tif 000017
【図５】
2020017790.tif 000018
【図６】
2020017790.tif 000019
【図７】
2020017790.tif 000020
【図８】
2020017790.tif 000021
【図９】
2020017790.tif 000022
【図１０】
2020017790.tif 000023
【図１１】
2020017790.tif 000024
【図１２】
2020017790.tif 000025
【図１３】
2020017790.tif 000026
【図１４】
2020017790.tif 000027
【図１５】
2020017790.tif 000028
【図１６】
2020017790.tif 000029