(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターンテーブルの回転軸と、該ターンテーブルの回転軸に直交する回転軸を有する直交仰角軸と、この直交仰角軸上にあってこの直交仰角軸に直交する仰角軸と、この仰角軸上にあってそのまわりに偏波面を回転できる偏波軸との４軸を方向検出センサの出力により制御して機械的に通信衛星を追尾する４軸制御機械追尾系と、
この機械追尾系の前記偏波軸に、電波の放射方向が通信衛星の方向と一致し、かつその放射電波の偏波面が前記偏波軸周りに回転できるよう取り付けられた平面アンテナとを具備するとともに、
アレイアンテナである前記平面アンテナが数多くのサブアレイからなり、この平面アンテナ中央部の、直交形態をなす少なくとも３個のサブアレイにより通信衛星から送信される電波を受信し、この受信信号を使用して通信衛星の方向を正確に検出する電波センサを構成し、
前記サブアレイの受信および送信給電線路をそれぞれ前記平面アンテナの電波を放射する面上および裏面上に配置し、前記電波センサとして使用されている前記少なくとも３個のサブアレイを除いた全てのサブアレイを、通信衛星への信号の送信と衛星からの電波の受信のために共用させ、
さらに、この平面アンテナの対角線の方向を通信衛星の静止軌道方向に一致するように設置したとき、前記平面アンテナから放射される直線偏波の偏波面が通信衛星の偏波面に一致するよう、平面アンテナ上の前記マイクロストリップ放射素子を回転させて取り付けるよう構成したことを特徴とする移動体ＳＮＧ装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、前記方向検出センサとしてジャイロセンサおよびＧＰＳが使用されることを特徴とする移動体ＳＮＧ装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、前記方向検出センサとして角速度センサのみが使用されることを特徴とする移動体ＳＮＧ装置。
【請求項４】
請求項１記載の移動体ＳＮＧ装置において、前記４軸制御機械追尾系に代えて、水平安定台の上にターンテーブルを設け、該ターンテーブル上に仰角調整用の仰角軸と偏波面調整用の偏波軸とを設けた３軸制御機械追尾系とすることを特徴とする移動体ＳＮＧ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は移動体ＳＮＧ（Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｎｅｗｓ  Ｇａｔｈｅｒｉｎｇ）装置に関する発明で、比較的小型で精度の良い機械追尾系と、構造および重量の増加を伴わないでアンテナの指向方向を検出できる電波センサを組み込んだ高利得平面アンテナを用いた移動体ＳＮＧ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動体ＳＮＧは高速で移動しながら通信衛星に電波を発射しなければならず、高度のアンテナ追尾技術が要求される。また、多くの通信衛星が運用されている静止軌道の中の特定の衛星に向けて確実に電波を送信する必要があるため、衛星から送信されている電波を受信してから、受信電波の到来方向に向けて電波を送信する電波センサを用いることが法令で義務づけられている。一方、パラボラアンテナを用いた移動体ＳＮＧ装置では、電波センサとして一次放射器に高次モード検出導波管を用いる必要があるため、一次放射器が極めて重くなり、しかも反射鏡より遠く離れた位置にあるにもかかわらずパラボラアンテナの一次放射器は、極めて高い取り付け位置精度が要求される。このため、従来の移動体ＳＮＧ装置では、重量が重くなるとともにアンテナの衛星追尾精度は約０．５度が限界となり、ＮＴＳＣのディジタル信号をかろうじて送信できる程度の電力でないと隣接衛星への混信を避けるために設けられた法令の基準を満たすことができなかった。本発明はテレビジョン画像を送信するアンテナと電波センサとを一枚の平面アンテナで実現し、このアンテナと高精度の機械追尾系とを組み合わせることにより小型軽量な移動体ＳＮＧ装置を実現せんとするものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
移動体ＳＮＧ装置では周波数割り当てが二次業務であるため、従来の固定局ＳＮＧ装置に適用されている値より軸外放射電力密度が１３ｄＢから１６ｄＢ低く制限されている（無線設備規則４９条１８）。このため、パラボラアンテナ方式では、アンテナ重量の増加を伴う高次モードを使った電波センサを使うことが避けられなかった。一方、機械追尾技術の向上に伴い、ジャイロセンサ、ＧＰＳ  （Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）、地磁気センサ、傾斜センサ等の電波センサ以外のセンサを用いて高精度の機械追尾が可能になってきた。パラボラアンテナを使った機械追尾方式で問題になるのはセンサのドリフトと、このセンサのドリフトを取り除くための電波センサを重量と精度を犠牲にせずにパラボラアンテナのどこに取り付けるかという問題である。
【０００４】
本発明はこの問題を解決するために、送信アンテナとして、サブアレイ単位でできた平面アンテナを用い、その平面アンテナの中心部の３個のサブアレイをビーコン受信アンテナとして使うことにより、重量増を伴わずにしかも極めて高い精度の電波センサを実現することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明の移動体ＳＮＧ装置は、ターンテーブルの回転軸と、該ターンテーブルの回転軸に直交する回転軸を有する直交仰角軸と、この直交仰角軸上にあってこの直交仰角軸に直交する仰角軸と、この仰角軸上にあってそのまわりに偏波面を回転できる偏波軸との４軸を方向検出センサの出力により制御して機械的に通信衛星を追尾する４軸制御機械追尾系と、この機械追尾系の前記偏波軸に、電波の放射方向が通信衛星の方向と一致し、かつその放射電波の偏波面が前記偏波軸周りに回転できるよう取り付けられた平面アンテナとを具備するとともに、アレイアンテナである前記平面アンテナが数多くのサブアレイからなり、この平面アンテナ中央部の、直交形態をなす少なくとも３個のサブアレイにより通信衛星から送信される電波を受信し、この受信信号を使用して通信衛星の方向を正確に検出する電波センサを構成し、前記サブアレイの受信および送信給電線路をそれぞれ前記平面アンテナの電波を放射する面上および裏面上に配置し、前記電波センサとして使用されている前記少なくとも３個のサブアレイを除いた全てのサブアレイを、通信衛星への信号の送信と衛星からの電波の受信のために共用させ、さらに、この平面アンテナの対角線の方向を通信衛星の静止軌道方向に一致するように設置したとき、前記平面アンテナから放射される直線偏波の偏波面が通信衛星の偏波面に一致するよう、平面アンテナ上の前記マイクロストリップ放射素子を回転させて取り付けるよう構成したことを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明の移動体ＳＮＧ装置においては、前記４軸制御機械追尾系に代えて、水平安定台の上にターンテーブルを設け、該ターンテーブル上に仰角調整用の仰角軸と偏波面調整用の偏波軸とを設けた３軸制御機械追尾系とすることもできる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明では例えば１６個のサブアレイから成る平面アンテナにおいて、電波センサ用のビーコン受信アンテナとして中央の直交形態をなす少なくとも３個のサブアレイを衛星の方向検出に使い、残りのサブアレイ全部を送信波と受信波用の給電線路に分けておのおの合成し、最終的には一点で給電することにより、極めて簡単な構造でしかも電波センサも兼ね備えた平面アンテナに、ターンテーブル、直交仰角、仰角および偏波角を、それぞれ調整できる機械制御を組み合わせることにより小型軽量な移動体ＳＮＧ装置を実現している。
【０００８】
【実施例】
以下添付図面を参照し、実施例により本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明移動体ＳＮＧ（Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｎｅｗｓ  Ｇａｔｈｅｒｉｎｇ）装置に係る第１の実施例の構成を示す図で、ターンテーブル回転軸２、直交仰角軸３、仰角軸４、偏波軸５の４軸制御機械追尾系の偏波軸に平面アンテナ６が固定されている。平面アンテナ６の中央部には、アレイアンテナ表面のセンサ用および受信用給電線路を示す図２、および同裏面の送信用給電線路を示す図３を参照すれば明らかなように、３個の電波センサ用アンテナ（それぞれが１個のサブアレイに対応）１６を有し、残り１３個の総てのサブアレイ１７の放射素子１８は、送信用の励振端子１９（裏面）と受信用の励振端子２０（表面）にそれぞれマイクロストリップ線路により結ばれている。この平面アンテナ（アレイアンテナ）６はこの場合１６個のサブアレイ（１６および１７）からなり、各サブアレイは８×８個＝６４個のマイクロストリップ放射素子１８よりなっている。
【０００９】
前記送信用の励振端子１９は高出力の固体化送信機または進行波管送信機で構成されたＴＶ、オーダワイヤ送信機に接続され、前記受信用端子はオーダワイヤ受信機に接続される。偏波角制御は通信衛星の偏波面が使用場所により変化するのを補正するための機構で、極めて緩慢な動作で良いので軽量な低出力のモータで駆動する。
【００１０】
機械追尾系におけるアンテナマウントの軸構成は種々提案されている（詳しくは、結城、唐沢、塩川、武田：“２軸Ａｚ−Ｅｌアンテナマウントの制御方式”，電子情報通信学会技術報告，ＳＡＮＥ８３−５３，ｐｐ１〜６を参照されたい）。中でも、上記文献の２頁図１（ｃ）に示されるようなターンテーブル回転軸２、直交仰角軸３、仰角軸４、偏波軸５の４軸制御機械追尾系は、本発明図４に示すように仰角軸（紙面に垂直）４と偏波軸５が直交しており、更に、ターンテーブルの回転軸２と直交仰角軸３をベクトル合成した回転軸７を偏波軸５に直交させることができるので、アンテナの指向方向（偏波軸に一致している）を、偏波軸を回転させることなく通信衛星に向けることができる。なお、通信衛星では偏波として直線偏波を使用しており（送信と受信でお互いに直交する偏波を使用する）、良好な通信を確保するためには偏波を正確に合わせる必要がある。従って、この４軸制御機械追尾方式を使用すれば、アンテナの指向方向制御により、偏波面の回転が生じることはない。この結果、直交仰角軸が無い３軸制御方式に比べて正確で高速な追尾制御が可能となる。
【００１１】
加速度センサ８（ジャイロセンサ等を使う）はターンテーブル回転軸２、仰角軸４、直交仰角軸３の３軸を通信衛星からの電波を使わずに制御するセンサで、移動体ＳＮＧ装置がトンネルの中或いは高層建築物などで衛星からの電波が受信できないとき（このときは他の通信回線への不要放射を防ぐため衛星への電波の送信も中止する必要がある）にも、移動体ＳＮＧのアンテナを目的とする衛星に指向させておき、衛星が可視範囲に入った時直ちに電波の送信を開始できるものである。ＧＰＳ９と地磁気センサ１０は移動体ＳＮＧ装置の位置と方向を検出するもので偏波面の傾きとアンテナの仰角の計算に用いるとともに、加速度センサ８の粗校正に使う。アンテナの中央部の３個のサブアレイ１６は衛星からのビーコン波を受信し、衛星の方向を正確に検出するための電波センサ用のアンテナで、各サブアレイアンテナに到着する衛星からの電波の路長差を検出しているため極めて精度が高い。図２、図３より明らかなように、受信用アンテナの給電線はアンテナ表面側、送信用の給電線はアンテナ裏面側と完全に別になっているため送信波との混信が少なく、送受分離フィルタは簡単な構造のものでよい。電波センサ用のマイクロストリップ放射素子を除いて、総てのマイクロストリップ放射素子１８の送信波の励振端（給電点）と受信波の励振端（給電点）はそれぞれマイクロストリップ線路で結合され、送信用コネクタと受信用コネクタに導かれている。
【００１２】
図５はマイクロストリップ放射素子１８の形状を示している。１４ＧＨｚ帯の送信波と１２ＧＨｚ帯の受信波で共振させるため長方形（ａ，ｂ，ａ＞ｂ）になっている。同図には同時に放射素子の送信用給電点２１、受信用給電線２２を示してある。また、静止衛星の軌道方向にはできるだけサイドローブを低くするため、１６個のサブアレイ（１６，１７）から成るアレイアンテナ６全体を正方形の形とし、この正方形の対角線２３の方向を静止衛星の軌道方向に一致するように配置する。このとき、アンテナの偏波面の方向は衛星の偏波面の方向に一致するように各マイクロストリップ放射素子１８は図６のように回転させてある。アンテナの偏波面の傾きは送信している地理的場所により変化するので、追尾系の偏波軸５をＧＰＳ９で検出した送信点の場所の情報により、あらかじめコンピュータにより計算されている偏波面の傾きに合うように偏波軸を回転させる。この偏波面の傾きの場所による変化は１００ｋｍ移動しても約１度であるので、偏波軸５の回転は極めて遅くてよい。また、衛星の仰角および方位角についても移動体ＳＮＧの稼働している場所により定まった値になっているので、ＧＰＳと地磁気センサを用いておおよその値を計算により求め、電波センサにより常に精密に校正する。角速度センサは移動体ＳＮＧ装置の瞬時の動きを高精度で検出し、アンテナの指向方向を衛星に向けるが、センサ出力の積分による誤差の積み重ねは時間とともに増大するので、衛星が可視範囲にある限り常時校正し、常に正しい値で衛星を追尾する。
【００１３】
図７は本発明装置に係る第１の実施例の追尾系の構成ブロック線図を示す図で、ターンテーブル１の回転軸２、直交仰角軸３、仰角軸４および偏波軸５の各軸に取り付けられた方位用センサ１１、直交仰角用センサ１２、仰角用センサ１３および偏波用センサ１４の出力信号は、ＣＰＵ（誤差補正装置）２５で、少なくとも３個の平面アンテナのサブアレイ１６の電波センサで捕捉したビーコン信号を処理したビーコン信号処理装置２６からの信号、ＧＰＳ９からの信号および地磁気センサ１０からの信号を用いて精密に校正され、各軸のサーボコントローラであるターンテーブル回転軸サーボコントローラ２７、直交仰角軸サーボコントローラ２８、仰角軸サーボコントローラ２９および偏波軸サーボコントローラ３０に制御信号が送られ、各サーボコントローラの出力は各軸のモータドライバ３１，３２，３３および３４に供給され、高精度モータにより各軸が駆動制御される。
【００１４】
図８は本発明の平面アンテナ６の放射パターン３５で、移動体ＳＮＧに適用されている無線設備規則４９条の１８のカーブ３６を重ねて描いてある。アンテナの指向方向における軸外放射電力密度は、ディジタル画像を伝送するのに十分な３０ｄＢＷ／４０ｋＨｚと成るよう送信機の送信電力と信号伝送レートを決める。このとき、図８から明らかなように、本発明のアンテナのサイドローブ特性は無線設備規則４９条の１８の規定を充分に満たしていることがわかる。
【００１５】
図９は本発明機械追尾系の第２の実施例を示した図で、水平安定台４１の上に、ターンテーブル４２と、仰角調整用の仰角軸４３と偏波面回転機構４４とによる３軸の機械追尾機構を設けた構造である。水平安定台は、傾斜センサにより常に水平安定台面上を水平に保つ装置であり、同じ原理に基づくものが船舶用の衛星放送移動受信装置にすでに使用されている。この機械駆動系においても場所による偏波面のずれ以外には衛星の方向の追尾による偏波面の回転はない。また、水平安定台によりターンテーブルが常に水平に保たれるので、衛星の仰角も送信場所による変化のみである。従って、仰角軸と偏波軸はともに極めて簡単な駆動装置により回転させるだけで、第１の実施例とほぼ同じ効果を得ることができる。
【００１６】
以上２実施例により本願発明を詳細に説明してきたが、本願発明はこれに限定されることなく、請求項に記載された発明の要旨内で各種の変形、変更の可能なことは自明であろう。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の平面アンテナおよび機械追尾機構の構成によれば、軽量化した送受信部が構成でき、さらに機構部の負荷が大幅に軽量化されることにより簡易、小型で高精度の機械追尾系が実現できる。これによって、装置全体が小型で分解組立が容易な移動体ＳＮＧ装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置に係る第１の実施例の構成を示す図。
【図２】第１の実施例に用いる平面アンテナのおもて面の構成を示す図。
【図３】第１の実施例に用いる平面アンテナのうら面の構成を示す図。
【図４】第１の実施例で偏波軸を回転させることなく偏波軸の方向のみを制御できることを示す図。
【図５】第１の実施例でマイクロストリップ放射素子の形状を示す図。
【図６】第１の実施例で放射素子の傾きを示す図。
【図７】第１の実施例の追尾系の構成を示す図。
【図８】第１の実施例の送信アンテナの軸外放射電力密度（ｄＢＷ／４０ｋＨｚ）を示す図。
【図９】本発明装置に係る機械追尾系の第２の実施例の略構成図。
１，４２  ターンテーブル
２    ターンテーブル回転軸
３    直交仰角軸
４，４３  仰角軸
５，４４  偏波軸
６，４０  平面アンテナ
７    ２と３のベクトル合成後の軸
８    加速度センサ
９    ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）
１０  地磁気センサ
１１  方位用センサ
１２  直交仰角用センサ
１３  仰角用センサ
１４  偏波用センサ
１５  追尾制御器
１６  サブアレイ（電波用センサ）
１７  サブアレイ（送受信用）
１８  マイクロストリップ放射素子
１９  送信用励振端子
２０  受信用励振端子
２１  送信用給電点
２２  受信用給電線
２３  ６の対角線方向
２５  ＣＰＵ（誤差補正装置）
２６  ビーコン信号処理装置
２７  ターンテーブル回転軸サーボコントローラ
２８  直交仰角軸サーボコントローラ
２９  仰角軸サーボコントローラ
３０  偏波軸サーボコントローラ
３１〜３４  モータドライバ
３５  ６の放射パターン例
３６  無線設備規則４９条の１８のカーブ
４１  水平安定台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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