(57)【要約】【課題】従来のものより低コストで信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる指向性アンテナ装置を提供すること。【解決手段】移動体２上で上方に延びるＡＺ軸回りに回転可能に支持されたＡＺフレーム３と、ＡＺフレーム３上で直交仰角軸（Ｘ軸）回りに回転可能に支持されたＸプラットフォーム４と、Ｘプラットフォーム４上で仰角軸（Ｙ軸）回りに回転可能に支持されたＹフレーム５と、Ｙフレーム５に支持された指向性アンテナ６とを備え、Ｘプラットフォーム４の直交仰角軸回りの傾斜を略零に維持すると共に、指向性アンテナ６の仰角を信号送出源に対する仰角に等しくなるよう維持した上で、角速度計７によって検出された角速度を基に得られたＸプラットフォーム４の方位の角速度ωΨ．ＸＰ．ｄｅｔに基づいて、指向性アンテナ６の方位をＲＳＳに基づいてサーチして微調整した方位に追従させる。【選択図】図２
2010114764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体上で上方に延びる方位軸と、
前記方位軸回りに回転可能に支持された方位軸構造体と、
前記方位軸構造体上で直交仰角軸回りに回転可能に支持された直交仰角軸半安定台と、
前記直交仰角軸半安定台上で仰角軸回りに回転可能に支持された仰角軸構造体と、
前記仰角軸構造体に支持された指向性アンテナと、
前記直交仰角軸と平行に前記直交仰角軸半安定台上に延在するＸＸＰ軸、前記仰角軸と平行に前記直交仰角軸半安定台上に延在するＹＸＰ軸、並びに、前記ＸＸＰ軸および前記ＹＸＰ軸に直交するＺＸＰ軸の各軸回りの角速度を検出するために前記直交仰角軸半安定台上に載置された角速度計と、
前記直交仰角軸半安定台の前記ＸＸＰ軸回り、および、前記ＹＸＰ軸回りの水準に対する傾斜角度を検出するために前記直交仰角軸半安定台上に載置された傾斜計と、
前記角速度計によって検出された前記ＸＸＰ軸回りの角速度と前記傾斜計によって検出された前記ＸＸＰ軸回りの傾斜角度とに基づいて、前記直交仰角軸半安定台のロール角を推定するロール角推定部と、
前記ロール角推定部によって推定されたロール角を零に近づけるように前記直交仰角軸回りに前記直交仰角軸半安定台を回動させる直交仰角軸制御部と、
前記角速度計によって検出された前記ＹＸＰ軸回りの角速度と前記傾斜計によって検出された前記ＹＸＰ軸回りの傾斜角度とに基づいて、前記直交仰角軸半安定台のピッチ角を推定するピッチ角推定部と、
前記移動体の位置から信号送出源を見た水準からの目標仰角と前記ピッチ角推定部によって推定されたピッチ角との和に前記仰角軸構造体の仰角を近づけるように前記仰角軸回りに前記仰角軸構造体を回動させる仰角軸制御部と、
前記方位軸回りに前記方位軸構造体を回動させる方位軸制御部と、
前記信号送出源から前記指向性アンテナに受信された無線信号の受信状態を監視するための受信状態監視信号を生成する受信状態監視信号生成部と、
前記方位軸制御部に前記方位軸構造体を回動させながら前記受信状態監視信号生成部によって生成された受信状態監視信号を監視し、該受信状態監視信号が予め定められた信号値よりも高い信号値を示したときの前記直交仰角軸半安定台の方位を目標方位として決定する目標方位サーチ部と、
前記角速度計によって検出された角速度を基に得られた前記直交仰角軸半安定台の方位の角速度に基づいて前記直交仰角軸半安定台の方位を推定し、推定した方位と前記目標方位との方位差を零に近づけるように前記方位軸制御部に前記方位軸構造体を回動させる方位推定部と、
前記目標仰角が予め定められた閾値以上である場合には、前記直交仰角軸制御部に前記直交仰角軸半安定台を前記直交仰角軸回りに一定の周期で交番的に摂動させ、該摂動に同期して前記受信状態監視信号を検波し、検波した信号に基づいて、前記目標方位を調整し、前記目標仰角が前記閾値未満である場合には、前記方位軸制御部に前記直交仰角軸半安定台の方位を微小角度ずつ変化させながら、変化させる前後の受信状態に基づいて、前記目標方位を調整する目標方位調整部と、を備えた指向性アンテナ装置。
【請求項２】
移動体上で上方に延びる方位軸と、
前記方位軸回りに回転可能に支持された方位軸構造体と、
前記方位軸構造体上で直交仰角軸回りに回転可能に支持された直交仰角軸半安定台と、
前記直交仰角軸半安定台上で仰角軸回りに回転可能に支持された仰角軸構造体と、
前記仰角軸構造体に支持された指向性アンテナと、
前記直交仰角軸と平行に前記直交仰角軸半安定台上に延在するＸＸＰ軸、前記仰角軸と平行に前記直交仰角軸半安定台上に延在するＹＸＰ軸、並びに、前記ＸＸＰ軸および前記ＹＸＰ軸に直交するＺＸＰ軸の各軸回りの角速度を検出するために前記直交仰角軸半安定台上に載置された角速度計と、
前記直交仰角軸半安定台の前記ＸＸＰ軸回り、および、前記ＹＸＰ軸回りの水準に対する傾斜角度を検出するために前記直交仰角軸半安定台上に載置された傾斜計と、
前記角速度計によって検出された前記ＸＸＰ軸回りの角速度と前記傾斜計によって検出された前記ＸＸＰ軸回りの傾斜角度とに基づいて、前記直交仰角軸半安定台のロール角を推定するロール角推定部と、
前記ロール角推定部によって推定されたロール角を零に近づけるように前記直交仰角軸回りに前記直交仰角軸半安定台を回動させる直交仰角軸制御部と、
前記角速度計によって検出された前記ＹＸＰ軸回りの角速度と前記傾斜計によって検出された前記ＹＸＰ軸回りの傾斜角度とに基づいて、前記直交仰角軸半安定台のピッチ角を推定するピッチ角推定部と、
前記移動体の位置から信号送出源を見た水準からの目標仰角と前記ピッチ角推定部によって推定されたピッチ角との和に前記仰角軸構造体の仰角を近づけるように前記仰角軸回りに前記仰角軸構造体を回動させる仰角軸制御部と、
前記方位軸回りに前記方位軸構造体を回動させる方位軸制御部と、
前記信号送出源から前記指向性アンテナに受信された無線信号の受信状態を監視するための受信状態監視信号を生成する受信状態監視信号生成部と、
前記方位軸制御部に前記方位軸構造体を回動させながら前記受信状態監視信号生成部によって生成された受信状態監視信号を監視し、該受信状態監視信号が予め定められた信号値よりも高い信号値を示したときの前記直交仰角軸半安定台の方位を目標方位として決定する目標方位サーチ部と、
前記角速度計によって検出された角速度を基に得られた前記直交仰角軸半安定台の方位の角速度に基づいて前記直交仰角軸半安定台の方位を推定し、推定した方位と前記目標方位との方位差を零に近づけるように前記方位軸制御部に前記方位軸構造体を回動させる方位推定部と、
前記目標仰角が予め定められた閾値以上である場合には、前記直交仰角軸制御部に前記直交仰角軸半安定台を前記直交仰角軸回りに一定の周期で交番的に摂動させ、該摂動に同期して前記受信状態監視信号を検波し、検波した信号に基づいて、前記目標方位を調整し、前記目標仰角が前記閾値未満である場合には、前記方位軸制御部に前記直交仰角軸半安定台の方位を一定の周期で交番的に摂動させ、該摂動に同期して前記受信状態監視信号を検波し、検波した信号に基づいて、前記目標方位を調整する目標方位調整部と、を備えた指向性アンテナ装置。
【請求項３】
前記方位推定部は、前記角速度計によって検出された角速度を基に得られた前記直交仰角軸半安定台の方位の角速度を積分する積分器を有し、前記目標方位サーチ部によって前記目標方位が定められたときに、前記積分器を零にリセットし、前記積分器による積分結果を前記方位差とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の指向性アンテナ装置。
【請求項４】
前記方位推定部は、前記角速度計によって検出された前記ＺＸＰ軸回りの角速度の直流成分を除去するための高域通過フィルタを有することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の指向性アンテナ装置。
【請求項５】
前記仰角軸構造体は、前記移動体に対して９０度を超える一定の仰角まで回動可能に支持されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の指向性アンテナ装置。
【請求項６】
前記目標仰角を微小角度ずつ変化させながら、変化させる前後の受信状態に基づいて、前記仰角軸制御部に前記仰角軸の仰角を調整させる仰角調整部を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の指向性アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指向性アンテナ装置に関し、特に、移動体に搭載され、人工衛星等の信号送出源から送出される無線信号を受信するための指向性アンテナの方向を調整する指向性アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の指向性アンテナ装置としては、人工衛星等の信号送出源の方位データや船舶のジャイロ・コンパスからの方位情報を利用して、アンテナ装置の各軸を制御するものや、信号送出源から送出される電波信号を利用して信号送出源の方向を検知し、この電波信号を追尾するもの等が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
指向性アンテナ装置の機構としては、図７に示すような方位軸（ＡＺ軸）−仰角軸（ＥＬ軸）よりなるＡＺ−ＥＬ機構や、方位軸−仰角軸−直交仰角軸（ＸＥＬ軸）よりなるＡＺ−ＥＬ−ＸＥＬ機構等のように、２乃至４軸からなる機構がある。
【０００４】
このような指向性アンテナ装置においては、ジャイロ・コンパス等から移動体１００の方位データΨＺ．ＧＣが得られる場合には、その方位データΨＺ．ＧＣと、移動体の揺れ（ロールおよびピッチ）を検出する移動体傾斜検出器１０１の検出データとから前述した機構の各軸の操作制御量を逐次計算することによって、信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる。
【０００５】
また、信号送出源から送出される電波信号をより精度よく追尾するために、信号送出源から送出される電波信号の受信状態の良否の目安となる受信状態監視信号を頼りに、目標方位データに微小角の摂動を与えて、試行錯誤的に受信状態の良い方向へアンテナを指向させるステップトラック方式を採用したものも知られている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
【０００６】
また、信号送出源からの電波信号を受信して信号送出源の方向を検知し、信号送出源から送出される電波信号を追尾するものも実用化されている。例えば、図７に示したような４つの受信素子とＡＺ−ＥＬ機構を備えたアンテナ装置のように、各受信素子に受信された受信信号の位相差、または、電界強度の差を利用して、アンテナのＸＡ軸回りの誤差信号とＹＡ軸回りの誤差信号との双方の誤差を同時に検出することで信号送出源から送出される電波信号を追尾するものも知られている。
【非特許文献１】中谷・正村他、「やさしい衛星通信」、オーム社、ｐ．４２
【特許文献１】特許第３３９３０２５号公報
【特許文献２】特許第３１４２５０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された指向性アンテナ装置は、ある程度の正確さで移動体の方位データを得る必要があるため、車両等の陸上移動体や小型船舶に搭載する場合にも、陸上移動体や小型船舶にジャイロ・コンパスまたは慣性計測装置（Inertial Measurement Unit：ＩＭＵ）を設ける必要があり、設置コストがかかるといった課題があった。
【０００８】
また、特許文献２に記載された指向性アンテナ装置は、ある程度の正確さで真北からの信号送出源の方位データを得る必要があり、方位軸に０度から３６０度までの自由度を要するため、追尾精度を維持する為に、やや高価な角速度検出器等を必要とし、製造コストがかかるといった課題があった。
【０００９】
また、信号送出源からの電波信号を受信して信号送出源の方向を検知し、信号送出源から送出される電波信号を追尾するものは、複数の受信系が必要なため、製造コストがかかるといった課題があった。
【００１０】
なお、ジャイロ・コンパスから得られる方位データΨＺ．ＧＣやＩＭＵから得られる移動体の方位データΨＺ．ＩＭＵを方位軸の制御に利用できる場合には、単一の受信系でも、ジンバル・ロック現象の起こりにくいＡＺ−ＥＬ−ＸＥＬ機構等を採用し、かつ、受信信号のＳ／Ｎ比を十分に確保できれば、前述したステップトラック方式を用いて信号送出源から送出される電波信号を安定して追尾することができる。
【００１１】
しかし、従来、移動体（主に、船舶）搭載の衛星通信用指向性アンテナ装置でよく用いられているＡＺ−ＥＬ−ＸＥＬ機構等を採用した場合、方位データΨＺ．ＧＣまたはΨＺ．ＩＭＵがジャイロ・コンパスやＩＭＵから得ることができない場合は、信号送出源から送出される電波信号を利用して、単一の受信系によるステップトラック方式を用いて追尾する場合で揺れの大きいときに追尾精度が劣化する傾向がある。従って、複数の受信系を用いたより製造コストの掛かる高性能な追尾方式を採用するか、または、ジャイロ・コンパスやＩＭＵを移動体に設けるなどの対策が必要となるといった課題を解決することができない。
【００１２】
本発明は、上述したような従来の課題を解決するためになされたもので、従来のものより低コストで信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる指向性アンテナ装置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】
【００１３】
本発明の指向性アンテナ装置は、移動体上で上方に延びる方位軸と、前記方位軸回りに回転可能に支持された方位軸構造体と、前記方位軸構造体上で直交仰角軸回りに回転可能に支持された直交仰角軸半安定台と、前記直交仰角軸半安定台上で仰角軸回りに回転可能に支持された仰角軸構造体と、前記仰角軸構造体に支持された指向性アンテナと、前記直交仰角軸と平行に前記直交仰角軸半安定台上に延在するＸＸＰ軸、前記仰角軸と平行に前記直交仰角軸半安定台上に延在するＹＸＰ軸、並びに、前記ＸＸＰ軸および前記ＹＸＰ軸に直交するＺＸＰ軸の各軸回りの角速度を検出するために前記直交仰角軸半安定台上に載置された角速度計と、前記直交仰角軸半安定台の前記ＸＸＰ軸回り、および、前記ＹＸＰ軸回りの水準に対する傾斜角度を検出するために前記直交仰角軸半安定台上に載置された傾斜計と、前記角速度計によって検出された前記ＸＸＰ軸回りの角速度と前記傾斜計によって検出された前記ＸＸＰ軸回りの傾斜角度とに基づいて、前記直交仰角軸半安定台のロール角を推定するロール角推定部と、前記ロール角推定部によって推定されたロール角を零に近づけるように前記直交仰角軸回りに前記直交仰角軸半安定台を回動させる直交仰角軸制御部と、前記角速度計によって検出された前記ＹＸＰ軸回りの角速度と前記傾斜計によって検出された前記ＹＸＰ軸回りの傾斜角度とに基づいて、前記直交仰角軸半安定台のピッチ角を推定するピッチ角推定部と、前記移動体の位置から信号送出源を見た水準からの目標仰角と前記ピッチ角推定部によって推定されたピッチ角との和に前記仰角軸構造体の仰角を近づけるように前記仰角軸回りに前記仰角軸構造体を回動させる仰角軸制御部と、前記方位軸回りに前記方位軸構造体を回動させる方位軸制御部と、前記信号送出源から前記指向性アンテナに受信された無線信号の受信状態を監視するための受信状態監視信号を生成する受信状態監視信号生成部と、前記方位軸制御部に前記方位軸構造体を回動させながら前記受信状態監視信号生成部によって生成された受信状態監視信号を監視し、該受信状態監視信号が予め定められた信号値よりも高い信号値を示したときの前記直交仰角軸半安定台の方位を目標方位として決定する目標方位サーチ部と、前記角速度計によって検出された角速度を基に得られた前記直交仰角軸半安定台の方位の角速度に基づいて前記直交仰角軸半安定台の方位を推定し、推定した方位と前記目標方位との方位差を零に近づけるように前記方位軸制御部に前記方位軸構造体を回動させる方位推定部と、前記目標仰角が予め定められた閾値以上である場合には、前記直交仰角軸制御部に前記直交仰角軸半安定台を前記直交仰角軸回りに一定の周期で交番的に摂動させ、該摂動に同期して前記受信状態監視信号を検波し、検波した信号に基づいて、前記目標方位を調整し、前記目標仰角が前記閾値未満である場合には、前記方位軸制御部に前記直交仰角軸半安定台の方位を微小角度ずつ変化させながら、変化させる前後の受信状態に基づいて、前記目標方位を調整する目標方位調整部と、を備えた構成を有している。
【００１４】
この構成により、本発明の指向性アンテナ装置は、直交仰角構造体の直交仰角軸回りの傾斜を略零に維持すると共に、指向性アンテナの仰角を信号送出源に対する仰角に等しくなるよう維持した上で、受信状態監視信号に基づいてサーチして微調整した方位に指向性アンテナの方位を追従させるため、ジャイロ・コンパスおよびＩＭＵ、高価な角速度検出器ならびに複数の受信系を必要とせず、従来のものより低コストで信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる。
【００１５】
本発明の指向性アンテナ装置は、移動体上で上方に延びる方位軸と、前記方位軸回りに回転可能に支持された方位軸構造体と、前記方位軸構造体上で直交仰角軸回りに回転可能に支持された直交仰角軸半安定台と、前記直交仰角軸半安定台上で仰角軸回りに回転可能に支持された仰角軸構造体と、前記仰角軸構造体に支持された指向性アンテナと、前記直交仰角軸と平行に前記直交仰角軸半安定台上に延在するＸＸＰ軸、前記仰角軸と平行に前記直交仰角軸半安定台上に延在するＹＸＰ軸、並びに、前記ＸＸＰ軸および前記ＹＸＰ軸に直交するＺＸＰ軸の各軸回りの角速度を検出するために前記直交仰角軸半安定台上に載置された角速度計と、前記直交仰角軸半安定台の前記ＸＸＰ軸回り、および、前記ＹＸＰ軸回りの水準に対する傾斜角度を検出するために前記直交仰角軸半安定台上に載置された傾斜計と、前記角速度計によって検出された前記ＸＸＰ軸回りの角速度と前記傾斜計によって検出された前記ＸＸＰ軸回りの傾斜角度とに基づいて、前記直交仰角軸半安定台のロール角を推定するロール角推定部と、前記ロール角推定部によって推定されたロール角を零に近づけるように前記直交仰角軸回りに前記直交仰角軸半安定台を回動させる直交仰角軸制御部と、前記角速度計によって検出された前記ＹＸＰ軸回りの角速度と前記傾斜計によって検出された前記ＹＸＰ軸回りの傾斜角度とに基づいて、前記直交仰角軸半安定台のピッチ角を推定するピッチ角推定部と、前記移動体の位置から信号送出源を見た水準からの目標仰角と前記ピッチ角推定部によって推定されたピッチ角との和に前記仰角軸構造体の仰角を近づけるように前記仰角軸回りに前記仰角軸構造体を回動させる仰角軸制御部と、前記方位軸回りに前記方位軸構造体を回動させる方位軸制御部と、前記信号送出源から前記指向性アンテナに受信された無線信号の受信状態を監視するための受信状態監視信号を生成する受信状態監視信号生成部と、前記方位軸制御部に前記方位軸構造体を回動させながら前記受信状態監視信号生成部によって生成された受信状態監視信号を監視し、該受信状態監視信号が予め定められた信号値よりも高い信号値を示したときの前記直交仰角軸半安定台の方位を目標方位として決定する目標方位サーチ部と、前記角速度計によって検出された角速度を基に得られた前記直交仰角軸半安定台の方位の角速度に基づいて前記直交仰角軸半安定台の方位を推定し、推定した方位と前記目標方位との方位差を零に近づけるように前記方位軸制御部に前記方位軸構造体を回動させる方位推定部と、前記目標仰角が予め定められた閾値以上である場合には、前記直交仰角軸制御部に前記直交仰角軸半安定台を前記直交仰角軸回りに一定の周期で交番的に摂動させ、該摂動に同期して前記受信状態監視信号を検波し、検波した信号に基づいて、前記目標方位を調整し、前記目標仰角が前記閾値未満である場合には、前記方位軸制御部に前記直交仰角軸半安定台の方位を一定の周期で交番的に摂動させ、該摂動に同期して前記受信状態監視信号を検波し、検波した信号に基づいて、前記目標方位を調整する目標方位調整部と、を備えた構成を有している。
【００１６】
この構成により、本発明の指向性アンテナ装置は、直交仰角構造体の直交仰角軸回りの傾斜を略零に維持すると共に、指向性アンテナの仰角を信号送出源に対する仰角に等しくなるよう維持した上で、受信状態監視信号に基づいてサーチして微調整した方位に指向性アンテナの方位を追従させるため、ジャイロ・コンパスおよびＩＭＵ、高価な角速度検出器ならびに複数の受信系を必要とせず、従来のものより低コストで信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる。
【００１７】
なお、前記方位推定部は、前記角速度計によって検出された角速度を基に得られた前記直交仰角軸半安定台の方位の角速度を積分する積分器を有し、前記目標方位サーチ部によって前記目標方位が定められたときに、前記積分器を零にリセットし、前記積分器による積分結果を前記方位差とするようにしてもよい。
【００１８】
この構成により、本発明の指向性アンテナ装置は、目標方位データを設定する必要がなくなるため、より低コストで信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる。
【００１９】
また、前記方位推定部は、前記角速度計によって検出された前記ＺＸＰ軸回りの角速度の直流成分を除去するための高域通過フィルタを有するようにしてもよい。
【００２０】
この構成により、本発明の指向性アンテナ装置は、角速度計の検出値から角速度計のドリフトやオフセットを除去することができる。
【００２１】
また、前記仰角軸構造体は、前記移動体に対して９０度を超える一定の仰角まで回動可能に支持されていてもよい。
【００２２】
この構成により、本発明の指向性アンテナ装置は、信号送出源が天頂付近にある状態で、移動体に動揺が発生したときに、方位軸の１８０度に近い急激な回転を防止することができる。
【００２３】
また、本発明の指向性アンテナ装置は、前記目標仰角を微小角度ずつ変化させながら、変化させる前後の受信状態に基づいて、前記仰角軸制御部に前記仰角軸の仰角（延いては、指向性アンテナの仰角）を調整させる仰角調整部を備えるようにしてもよい。
【００２４】
この構成により、本発明の指向性アンテナ装置は、指向性アンテナの仰角も微調整することができるため、より正確に信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、従来のものより低コストで信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる指向性アンテナ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態としての指向性アンテナ装置を図１および図２に示す。
【００２８】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態としての指向性アンテナ装置１は、移動体２上で上方に延びる方位軸（以下、「ＡＺ軸」という。）と、ＡＺ軸回りに回転可能に支持された方位軸構造体（以下、「ＡＺフレーム」という。）３と、ＡＺフレーム３上で直交仰角軸（以下、「Ｘ軸」という。）回りに回転可能に支持された直交仰角軸半安定台（以下、「Ｘプラットフォーム」という。）４と、Ｘプラットフォーム４上で仰角軸（以下、「Ｙ軸」という。）回りに回転可能に支持された仰角軸構造体（以下、「Ｙフレーム」という。）５と、Ｙフレーム５に支持された指向性アンテナ６とからなるＡＺ−Ｘ−Ｙ（または、ＡＺ−ＸＥＬ−ＥＬともいう。）機構によって構成されている。
【００２９】
ここで、Ｘプラットフォーム４上において、Ｘ軸と平行にＸプラットフォーム４上に延在する軸をＸＸＰ軸とし、Ｙ軸と平行にＸプラットフォーム４上に延在する軸をＹＸＰ軸とし、ＸＸＰ軸およびＹＸＰ軸に直交する軸をＺＸＰ軸とする。
【００３０】
Ｘプラットフォーム４上には、移動体２に対するＸプラットフォーム４のＸＸＰ軸、ＹＸＰ軸およびＺＸＰ軸の各軸回りの角速度を検出するための角速度計７と、Ｘプラットフォーム４のＸＸＰ軸回りおよびＹＸＰ軸の各軸回りの水準に対する傾斜角度（以下、それぞれφＸＰ．ｉｎｃｌ．ｄｅｔ、θＸＰ．ｉｎｃｌ．ｄｅｔと表す。）を検出するための傾斜計８とが載置されている。なお、傾斜計８は、加速度計によって構成されていてもよい。
【００３１】
角速度計７は、移動体２に対するＸプラットフォーム４のＸＸＰ軸、ＹＸＰ軸およびＺＸＰ軸の各軸回りの各角速度（以下、それぞれωｘ．ＸＰ．ｄｅｔ、ωｙ．ＸＰ．ｄｅｔ、ωｚ．ＸＰ．ｄｅｔと表す。）を検出する３つのセンサと、各センサによって検出された角速度をオイラー角の座標系で表現した角速度（以下、それぞれωφ．ＸＰ．ｄｅｔ、ωθ．ＸＰ．ｄｅｔ、ωΨ．ＸＰ．ｄｅｔと表す。）に変換するオイラー角角速度変換部とを有している。
【００３２】
オイラー角角速度変換部は、以下に示す数式に基づいて当該変換を行うようになっている。なお、以下に示す数式において、θＸＰ＾は、後述するピッチ角推定部１５によって推定されたピッチ角を示し、φＸＰ＾は、後述するロール角推定部１０によって推定されたロール角を示している。
【００３３】
【数１】
2010114764.tif 000003
【００３４】
なお、ロール角φＸＰ＾は、後述するように略零に維持されるため、オイラー角角速度変換部は、以下に示す近似式に基づいて当該変換を行うようにしてもよい。
【００３５】
【数２】
2010114764.tif 000004
【００３６】
すなわち、オイラー角角速度変換部は、以下の数式に基づいて各角速度ωφ．ＸＰ．ｄｅｔ、ωθ．ＸＰ．ｄｅｔ、ωΨ．ＸＰ．ｄｅｔを算出するようにしてもよい。
【００３７】
【数３】
2010114764.tif 000005
【００３８】
また、検出精度を緩めても構わない場合には、ｔａｎθＸＰ＾を略０とし、ｃｏｓθＸＰ＾を略１としてもよい。すなわち、角速度計７からオイラー角角速度変換部を除き、各角速度ωφ．ＸＰ．ｄｅｔ、ωθ．ＸＰ．ｄｅｔ、ωΨ．ＸＰ．ｄｅｔを以下のようにしてもよい。
【００３９】
【数４】
2010114764.tif 000006
【００４０】
また、オイラー角角速度変換部による変換を行うか否かを利用者が切り換えることができるスイッチを角速度計７に設けるようにしてもよい。
【００４１】
図２において、指向性アンテナ装置１は、角速度計７によって検出された角速度ωφ．ＸＰ．ｄｅｔと傾斜計８によって検出された傾斜角度φＸＰ．ｉｎｃｌ．ｄｅｔとに基づいて、Ｘプラットフォーム４のロール角φＸＰ＾を推定するロール角推定部１０と、ロール角推定部１０によって推定されたロール角φＸＰ＾を零に近づけるようにＸ軸回りにＸプラットフォーム４を回動させる直交仰角軸制御部１１とを備えている。
【００４２】
ロール角推定部１０は、図３に示すように、角速度ωφ．ＸＰ．ｄｅｔに含まれるオフセット成分を角速度ωφ．ＸＰ．ｄｅｔから減じる減算器５０と、減算器５０の出力ωφ．ＸＰ＾を積分する積分器５１と、積分器５１の出力φＸＰ＾から傾斜角度φＸＰ．ｉｎｃｌ．ｄｅｔを減じる減算器５２と、減算器５２の出力に基づいて角速度ωφ．ＸＰ．ｄｅｔに含まれるオフセット成分を推定するオフセット推定部５３とを有し、Ｘプラットフォーム４のロール角φＸＰ＾を直交仰角軸制御部１１に出力するようになっている。ここで、オフセット推定部５３は、ディジタルＬＰＦ（Low Pass Filter）またはＰＩ（Proportion and Integration）フィルタ等によって構成される。
【００４３】
図２において、直交仰角軸制御部１１は、ロール角推定部１０によって出力されるＸプラットフォーム４のロール角φＸＰ＾に後述する目標方位調整部２６によって出力される調整信号Δφの値を加算する加算器２８と、加算器２８による加算結果を零に近づけるためのＸ軸の制御量を算出するＸ軸制御器１２と、この制御量に応じてＸプラットフォーム４をＸ軸回りに回動させるＸ軸モータ１３と、Ｘ軸減速器１４とによって構成される。
【００４４】
また、指向性アンテナ装置１は、角速度計７によって検出された角速度ωθ．ＸＰ．ｄｅｔと傾斜計８によって検出された傾斜角度θＸＰ．ｉｎｃｌ．ｄｅｔとに基づいて、Ｘプラットフォーム４のピッチ角θＸＰ＾を推定するピッチ角推定部１５と、Ｙフレーム５の仰角を目標仰角θＴ＾とピッチ角推定部１５によって推定されたピッチ角θＸＰ＾との和（θＴ＾＋θＸＰ＾）に近づけるようにＹ軸回りにＹフレーム５を回動させる仰角軸制御部１６とを備えている。ここで、目標仰角θＴ＾とは、移動体（または、指向性アンテナ６）の位置から信号送出源を見た水準からの仰角である。
【００４５】
ピッチ角推定部１５は、図４に示すように、角速度ωθ．ＸＰ．ｄｅｔに含まれるオフセット成分を角速度ωθ．ＸＰ．ｄｅｔから減じる減算器６０と、減算器６０の出力ωθ．ＸＰ＾を積分する積分器６１と、積分器６１の出力θＸＰ＾から傾斜角度θＸＰ．ｉｎｃｌ．ｄｅｔを減じる減算器６２と、減算器６２の出力に基づいて角速度ωθ．ＸＰ．ｄｅｔに含まれるオフセット成分を推定するオフセット推定部６３とを有し、Ｘプラットフォーム４の水準に対するＹＸＰ軸回りの傾斜を表すピッチ角θＸＰ＾を仰角軸制御部１６に出力するようになっている。ここで、オフセット推定部６３は、ディジタルＬＰＦまたはＰＩフィルタ等によって構成される。
【００４６】
図２において、仰角軸制御部１６は、Ｙフレーム５のピッチ角θＸＰ＾を目標仰角θＴ＾とピッチ角θＸＰ＾との和（θＴ＾＋θＸＰ＾）に近づけるためのＹ軸の制御量を算出するＹ軸制御器１７と、この制御量に応じてＹフレーム５をＹ軸回りに回動させるＹ軸モータ１８と、Ｙ軸減速器１９とによって構成される。
【００４７】
また、指向性アンテナ装置１は、ＡＺ軸回りにＡＺフレーム３を回動させる方位軸制御部２０を備えている。方位軸制御部２０は、後述する方位推定部２７によって出力された制御信号の値に応じたＡＺ軸の制御量を算出するＡＺ軸制御器２１と、この制御量に応じてＡＺフレーム３をＡＺ軸回りに回動させるＡＺ軸モータ２２と、ＡＺ軸減速器２３とによって構成される。
【００４８】
また、指向性アンテナ装置１は、信号送出源から指向性アンテナ６に受信された無線信号の受信状態を監視するための受信状態監視信号（Received Signal Strength、以下「ＲＳＳ」という。）を生成する受信状態監視信号生成回路を有する受信機２４と、方位軸制御部２０にＡＺフレーム３を回動させながらＲＳＳを監視し、ＲＳＳが予め定められた信号値よりも高い信号値を示したときのＸプラットフォーム４の方位を目標方位として決定する目標方位サーチ部２５と、角速度計７によって検出された角速度ωΨ．ＸＰ．ｄｅｔに基づいて、Ｘプラットフォーム４の方位を推定し、推定した方位と目標方位との方位差を零に近づけるよう方位軸制御部２０にＡＺフレーム３を回動させる方位推定部２７と、目標方位を調整する目標方位調整部２６とを備えている。
【００４９】
ここで、指向性アンテナ装置１では、信号送出源をサーチするサーチモードと、信号送出源を追尾する追尾モードとの何れか一方のモードが不図示の制御回路によって選択されるようになっている。例えば、指向性アンテナ装置１の状態は、起動時にサーチモードとなり、信号送出源がサーチされると、追尾モードとなる。
【００５０】
目標方位サーチ部２５は、指向性アンテナ装置１の状態がサーチモードにあるときに作動するようになっており、目標方位調整部２６は、指向性アンテナ装置１の状態が追尾モードにあるときに作動するようになっている。
【００５１】
目標方位サーチ部２５は、方位軸制御部２０にＸプラットフォーム４の方位を（例えば、０度から３６０度に渡って）変化させるための制御信号δΨＸＰ．ｓｒｃｈ＾を方位推定部２７に出力しながら、ＲＳＳを監視し、ＲＳＳが予め定められた信号値よりも高い信号値を示したときに方位推定部２７にリセット信号Ｒｓｔを出力するようになっている。
【００５２】
目標方位調整部２６は、目標仰角θＴ＾が予め定められた閾値ＴＨ以上である場合には、Ｘ軸制御器１２にＸプラットフォーム４をＸ軸回りに一定の周期で交番的に摂動させるための調整信号Δφを方位推定部２７に出力し、この調整信号Δφによる摂動に同期してＲＳＳを検波し、検波した信号に基づいて、目標方位を調整するための補正信号ΔωΨ．ＸＰ．ＤＩＺを生成するＸ軸ディザー処理を実行し、Ｘ軸ディザー処理によって得られた補正信号ΔωΨ．ＸＰ．ＤＩＺを方位推定部２７に出力するようになっている。
【００５３】
ここで、閾値ＴＨは、図示しない入力装置を介して、任意に設定できるようにしてもよい。また、Ｘ軸制御器１２によるＸ軸回りのＸプラットフォーム４の摂動の周波数は、従来の指向性アンテナ装置によって行われているディザー処理による摂動の周波数の数十分の１、すなわち１Ｈｚ程度でよい。
【００５４】
目標方位調整部２６は、目標仰角θＴ＾が閾値ＴＨ未満である場合には、方位推定部２７を介して方位軸制御部２０にＸプラットフォーム４の方位を微小角度ずつ変化させながら、変化させる前後のＲＳＳに基づいて、Ｘプラットフォーム４の方位を調整するステップトラック処理を実行するようになっている。
【００５５】
ここで、ステップトラック処理における第ｎステップのステップ角をΔΨＳＴ（ｎ）とし、受信状態監視信号ＲＳＳの値をＲ（ｎ）とし、受信状態監視信号ＲＳＳの増分をΔＲ（ｎ）＝Ｒ（ｎ）−Ｒ（ｎ−１）とし、ｎ０をｎ以下の正の整数とする。
【００５６】
目標方位調整部２６は、ステップトラックにおけるステップ毎にステップ角ΔΨＳＴを以前のステップの受信状態監視信号ＲＳＳの増分のベクトルデータ｛ΔＲ（ｎ−１），ΔＲ（ｎ−２），・・・・，ΔＲ（ｎ−ｎ０）｝と、以前のステップにおけるステップ角のベクトルデータ｛ΔΨＳＴ（ｎ−１），・・・・，ΔΨＳＴ（ｎ−ｎ０）｝との関数として決定するようになっている。例えば、目標方位調整部２６は、ΔΨｃ０．ＳＴを予め定められた正の微小角としてΔΨＳＴ（ｎ）を以下に示す式を用いて決定するようになっている。
【００５７】
ΔΨＳＴ（ｎ）＝ΔΨｃ０．ＳＴ×ｓｉｇｎ｛ΔＲ（ｎ−１）×ΔΨＳＴ（ｎ−１）｝
ここで、ｓｉｇｎ｛ｘ｝は、ｘの符号を表す関数とする。
【００５８】
この場合には、ΔΨＳＴ（ｎ）が零になったとき、ΔΨＳＴ（ｎ＋１）以後もすべて零になってしまうため、ΔΨＳＴ（ｎ）を零にしないような処理を施す必要がある。このため、目標方位調整部２６は、ΔΨＳＴ（ｎ）が零になるときには、例えば、ΔΨＳＴ（ｎ）をΔΨＳＴ（ｎ−１）と決定するようになっている。
【００５９】
目標方位調整部２６は、このように決定したステップ角ΔΨＳＴを調整信号ΔΨとして一定の時間間隔で方位推定部２７に出力するようになっている。
【００６０】
図５に示すように、方位推定部２７は、角速度ωΨ．ＸＰ．ｄｅｔの直流成分を除去するためのＨＰＦ９０と、直流成分が除去された角速度ωΨ．ＸＰ＾に方位推定部２７から出力された補正信号ΔωΨ．ＸＰ．ＤＩＺを加算する加算器９４と、加算器９４の加算結果を積分する積分器９１と、積分器９１の積分結果に目標方位調整部２６から入力された調整信号ΔΨを加算する加算器９２と、加算器９２の加算結果を表す制御信号δΨＸＰ／Ｔ＾と目標方位サーチ部２５から入力された制御信号δΨＸＰ．ｓｒｃｈ＾との間で方位軸制御部２０に出力する制御信号ΨＡＺ．ｃｍｎｄを選択するスイッチ９３とを有している。
【００６１】
スイッチ９３には、サーチモードと、追尾モードとの何れか一方のモードを表すモード信号Ｍｏｄｅが制御回路から入力されるようになっている。スイッチ９３は、サーチモードにおいて、方位軸制御部２０に出力する制御信号ΨＡＺ．ｃｍｎｄとして目標方位サーチ部２５から出力された制御信号δΨＸＰ．ｓｒｃｈ＾を選択し、追尾モードにおいて、方位軸制御部２０に出力する制御信号ΨＡＺ．ｃｍｎｄとして加算器９２の加算結果を選択するようになっている。
【００６２】
積分器９１は、目標方位サーチ部２５からリセット信号Ｒｓｔが入力されたときに、積分値を零にリセットするようになっている。
【００６３】
なお、角速度計７のドリフトやオフセットが十分に小さい場合には、方位推定部２７からＨＰＦ９０を省いてもよい。また、ＨＰＦ９０を用いるか否かをユーザが切り替えられるように方位推定部２７を構成してもよい。
【００６４】
以上のように構成された指向性アンテナ装置１において、ロール角推定部１０および直交仰角軸制御部１１によってＸプラットフォーム４の水準に対するＸＸＰ軸回りの傾斜が略零に維持され、ピッチ角推定部１５および仰角軸制御部１６によってＹフレーム５の仰角が調整され、指向性アンテナ６の仰角が信号送出源に対する仰角に等しくなるよう維持される。
【００６５】
一方で、指向性アンテナ装置１の起動時には、指向性アンテナ装置１の状態がサーチモードとなり、目標方位サーチ部２５および方位軸制御部２０によって信号送出源の方位がサーチされ、信号送出源の方位がサーチされたときのＸプラットフォーム４の方位が目標方位として決定される。
【００６６】
次いで、指向性アンテナ装置１の状態が追尾モードに遷移し、目標仰角θＴ＾が閾値ＴＨ以上である場合には、目標方位調整部２６のＸ軸ディザー処理によってＸプラットフォーム４の方位が目標方位から微調整された方位に追従する。一方、目標仰角θＴ＾が閾値ＴＨ未満である場合には、目標方位調整部２６のステップトラック処理によってＸプラットフォーム４の方位が目標方位から微調整された方位に追従する。
【００６７】
このように、本発明の第１の実施の形態の指向性アンテナ装置１は、Ｘプラットフォーム４の直交仰角軸回りの傾斜を略零に維持すると共に、指向性アンテナ６の仰角を信号送出源に対する仰角に等しくなるよう維持した上で、ＲＳＳに基づいてサーチして微調整した方位に指向性アンテナ６の方位を追従させるため、ジャイロ・コンパスおよびＩＭＵ、高価な角速度検出器ならびに複数の受信系を必要とせず、従来のものより低コストで信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる。
【００６８】
なお、本発明において、目標仰角θＴ＾を微小角度ずつ変化させながらＹ軸制御部１７にＹフレーム５の仰角、すなわち、指向性アンテナ６の仰角を調整させるステップトラック処理を実行する仰角調整部を指向性アンテナ装置１にさらに設けるようにしてもよい。
【００６９】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態としての指向性アンテナ装置を図６に示す。なお、本実施の形態では、本発明の第１の実施の形態の指向性アンテナ装置１の構成要素と同一な構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７０】
図６に示すように、本発明の第２の実施の形態としての指向性アンテナ装置８０は、本発明の第１の実施の形態の指向性アンテナ装置１に対して、目標方位調整部２６に代えて、目標方位調整部８１を設けた点が相違する。目標方位調整部８１は、目標方位調整部２６と同様に、指向性アンテナ装置８０の状態が追尾モードのときに作動するようになっている。
【００７１】
目標方位調整部８１は、目標仰角θＴ＾が閾値ＴＨ以上である場合には、Ｘ軸制御器１２にＸプラットフォーム４をＸ軸回りに一定の周期で交番的に摂動させるための調整信号Δφを方位推定部２７に出力し、この調整信号Δφによる摂動に同期してＲＳＳを検波し、検波した信号に基づいて、目標方位を調整するための補正信号ΔωΨ．ＸＰ．ＤＩＺを生成するＸ軸ディザー処理を実行し、Ｘ軸ディザー処理によって得られた補正信号ΔωΨ．ＸＰ．ＤＩＺを方位推定部２７に出力するようになっている。
【００７２】
ここで、閾値ＴＨは、図示しない入力装置を介して、任意に設定できるようにしてもよい。また、Ｘ軸制御器１２によるＸ軸回りのＸプラットフォーム４の摂動の周波数は、従来の指向性アンテナ装置によって行われているディザー処理による摂動の周波数の数十分の１、すなわち１Ｈｚ程度でよい。
【００７３】
目標方位調整部８１は、目標仰角θＴ＾が閾値ＴＨ未満である場合には、ＡＺ軸制御器２１にＸプラットフォーム４をＡＺ軸回りに一定の周期で交番的に摂動させるための調整信号ΔΨを方位推定部２７に出力し、この摂動に同期してＲＳＳを検波し、検波した信号に基づいて、目標方位を調整するための補正信号ΔωΨ．ＸＰ．ＤＩＺを生成するＡＺ軸ディザー処理を実行し、Ｘ軸ディザー処理によって得られた補正信号ΔωΨ．ＸＰ．ＤＩＺを方位推定部２７に出力するようになっている。
【００７４】
なお、ＡＺ軸制御器２１によるＸプラットフォーム４の方位の摂動の周波数は、従来の指向性アンテナ装置によって行われているディザー処理による摂動の周波数の数十分の１、すなわち１Ｈｚ程度でよい。
【００７５】
以上のように構成された指向性アンテナ装置８０において、ロール角推定部１０および直交仰角軸制御部１１によってＸプラットフォーム４の水準に対するＸＸＰ軸回りの傾斜が略零に維持され、ピッチ角推定部１５および仰角軸制御部１６によってＹフレーム５の仰角が調整され、指向性アンテナ６の仰角が信号送出源に対する仰角に等しくなるよう維持される。
【００７６】
一方で、指向性アンテナ装置８０の起動時には、指向性アンテナ装置８０の状態がサーチモードとなり、目標方位サーチ部２５および方位軸制御部２０によって信号送出源の方位がサーチされ、信号送出源の方位がサーチされたときのＸプラットフォーム４の方位が目標方位として決定される。
【００７７】
次いで、指向性アンテナ装置８０の状態が追尾モードに遷移し、目標仰角θＴ＾が閾値ＴＨ以上である場合には、目標方位調整部８１のＸ軸ディザー処理によってＸプラットフォーム４の方位が目標方位から微調整された方位に追従する。一方、目標仰角θＴ＾が閾値ＴＨ未満である場合には、目標方位調整部８１のＡＺ軸ディザー処理によってＸプラットフォーム４の方位が目標方位から微調整された方位に追従する。
【００７８】
このように、本発明の第２の実施の形態の指向性アンテナ装置８０は、Ｘプラットフォーム４の直交仰角軸回りの傾斜を略零に維持すると共に、指向性アンテナ６の仰角を信号送出源に対する仰角に等しくなるよう維持した上で、ＲＳＳに基づいてサーチして微調整した方位に指向性アンテナ６の方位を追従させるため、ジャイロ・コンパスおよびＩＭＵ、高価な角速度検出器ならびに複数の受信系を必要とせず、従来のものより低コストで信号送出源から送出される電波信号を追尾することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第１の実施の形態としての指向性アンテナ装置の外観図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態としての指向性アンテナ装置のブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態としての指向性アンテナ装置を構成するロール角推定部のブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態としての指向性アンテナ装置を構成するピッチ角推定部のブロック図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態としての指向性アンテナ装置を構成する方位推定部のブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態としての指向性アンテナ装置のブロック図である。
【図７】従来の指向性アンテナ装置の外観図である。
【符号の説明】
【００８０】
１、８０  指向性アンテナ装置
２、１００  移動体
３  ＡＺフレーム
４  Ｘプラットフォーム
５  Ｙフレーム
６  指向性アンテナ
７  角速度計
８  傾斜計
１０  ロール角推定部
１１  直交仰角軸制御部
１２  Ｘ軸制御器
１３  Ｘ軸モータ
１４  Ｘ軸減速器
１５  ピッチ角推定部
１６  仰角軸制御部
１７  Ｙ軸制御器
１８  Ｙ軸モータ
１９  Ｙ軸減速器
２０  方位軸制御部
２１  ＡＺ軸制御器
２２  ＡＺ軸モータ
２３  ＡＺ軸減速器
２４  受信機
２５  目標方位サーチ部
２６、８１  目標方位調整部
２７  方位推定部
２８、９２、９４  加算器
５０、５２、６０、６２  減算器
５１、６１、９１  積分器
５３、６３  オフセット推定部
９０  ＨＰＦ
９３  スイッチ
１０１  移動体傾斜検出器
【図１】
2010114764.tif 000007
【図２】
2010114764.tif 000008
【図３】
2010114764.tif 000009
【図４】
2010114764.tif 000010
【図５】
2010114764.tif 000011
【図６】
2010114764.tif 000012
【図７】
2010114764.tif 000013