(57)【要約】【課題】  受信レベルから指向誤差角を直接検出し、天候や気温による受信レベルの変動の影響を低減するアルゴリズムを用いることにより高速で高精度の追尾制御を実現する。【解決手段】  指向方向可変手段を駆動し、目標物方向を探索するための指向方向可変パタンに応じてアンテナの指向方向を可変させ、指向方向可変手段の駆動により、指向方向可変パタンに応じて指向方向が可変するアンテナの受信信号を入力し、受信レベルを検出し、検出された受信レベルを所定の積分区間で積分し、各積分区間の受信レベル積分値を出力し、得られた２つの積分区間の受信レベル積分値比Ａを計算し、この受信レベル積分値比Ａと指向方向可変パタンを決めるパタンパラメータを入力し、所定の計算式を用いてアンテナの指向誤差角ｅを計算し、計算された指向誤差角ｅを補正するようにアンテナの指向方向を可変させる。【選択図】        図２
2008215854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナの指向方向を電波を発する目標物に自動追尾させる追尾アンテナ装置において、
前記アンテナの指向方向を可変する指向方向可変手段と、
前記目標物方向を探索するための指向方向可変パタンに応じて前記アンテナの指向方向を可変させ、また指向誤差角ｅを補正するように前記アンテナの指向方向を可変させる指示を前記指向方向可変手段に与えるアンテナ指向方向制御手段と、
前記指向方向可変パタンを決定するパタンパラメータを記憶するパタンパラメータ記憶手段と、
前記指向方向可変手段の駆動により、前記指向方向可変パタンに応じて指向方向が可変する前記アンテナの受信信号を入力し、受信レベルを検出する受信レベル検出手段と、
前記受信レベル検出手段で検出された受信レベルを、前記パタンパラメータ記憶手段から与えられる積分区間で積分し、各積分区間の受信レベル積分値を出力する受信レベル積分手段と、
前記受信レベル積分手段で得られる少なくとも２つの受信レベル積分値を記憶する受信レベル積分値記憶手段と、
前記受信レベル積分値記憶手段に記憶された２つの積分区間の受信レベル積分値比Ａを計算する受信レベル積分値比計算手段と、
前記受信レベル積分値比計算手段で計算された受信レベル積分値比Ａと、前記パタンパラメータ記憶手段から与えられるパタンパラメータを入力し、所定の計算式を用いて前記アンテナの指向誤差角ｅを計算し、得られた指向誤差角ｅを前記アンテナ指向方向制御手段に与える指向誤差角計算手段と
を備えたことを特徴とする追尾アンテナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の追尾アンテナ装置において、
前記指向方向可変パタンは、前記受信レベル積分手段の積分区間で正弦波状に指向方向を変化させるパタンであることを特徴とする追尾アンテナ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の追尾アンテナ装置において、
前記指向誤差角ｅを補正する前記アンテナの指向方向可変パタンは連続的であることを特徴とする追尾アンテナ装置。
【請求項４】
アンテナの指向方向を電波を発する目標物に自動追尾させる追尾制御方法において、
前記アンテナの指向方向を可変する指向方向可変手段を駆動し、前記目標物方向を探索するための指向方向可変パタンに応じて前記アンテナの指向方向を可変させる第１のステップと、
前記指向方向可変手段の駆動により、前記指向方向可変パタンに応じて指向方向が可変する前記アンテナの受信信号を入力し、受信レベルを検出する第２のステップと、
前記第２のステップで検出された受信レベルを所定の積分区間で積分し、各積分区間の受信レベル積分値を出力する第３のステップと、
前記第３のステップで得られた２つの積分区間の受信レベル積分値比Ａを計算する第４のステップと、
前記第４のステップで計算された受信レベル積分値比Ａと、前記指向方向可変パタンを決めるパタンパラメータを入力し、所定の計算式を用いて前記アンテナの指向誤差角ｅを計算する第５のステップと、
前記第５のステップで計算された指向誤差角ｅを補正するように前記アンテナの指向方向を可変させる第６のステップと
を有することを特徴とする追尾制御方法。
【請求項５】
請求項４に記載の追尾制御方法において、
前記指向方向可変パタンは、前記受信レベル積分手段の積分区間で正弦波状に指向方向を変化させるパタンであることを特徴とする追尾制御方法。
【請求項６】
請求項４に記載の追尾制御方法において、
前記指向誤差角ｅを補正する前記アンテナの指向方向可変パタンは連続的であることを特徴とする追尾制御方法。
【請求項７】
コンピュータに、請求項４に記載の各ステップを実行させるためのコンピュータ読み取り可能なプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両などの移動体に搭載され、電波を発する目標物を自動追尾する追尾アンテナ装置、追尾制御方法およびそのプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶、飛行機、電車、自動車などの移動体において、衛星放送の受信や衛星通信を利用した高速インターネットアクセスを実現するためには、移動中においても衛星を精度よく追尾するアンテナ装置が必要になる。衛星からの電波を利用したアンテナ追尾方式には、モノパルス方式とステップトラック方式がある。
【０００３】
モノパルス方式は、２つ以上の給電部をもつアンテナを使用し、衛星に正対している状態（指向誤差角０度）のときに、各給電部の受信信号の位相差が０度であることを利用し、指向誤差が生じると受信信号間に位相差が生じるため、これを検出して指向誤差角を求めてアンテナの方向を制御する方式である。しかし、２つ以上の給電部が必要となるため大型になりやすく、またモノパルス信号の生成、検出のための回路が必要になることなどから高価となる。
【０００４】
ステップトラック方式は、アンテナの指向方向を変化させながら、最も受信レベルが高くなる方向を探索する方式である。通常、受信レベルのみを使用するため、通常のシングルホーンのアンテナなどを使用でき、低コストの追尾アンテナを実現できる特長がある。ステップトラック方式のアルゴリズムは、受信レベルを所定の時間積分し、前回の積分値と比較した結果、前回よりも大きくなっていればアンテナの指向方向を前回駆動した方向と同じ方向に所定の角度（ステップ角度）回転させ、前回よりも小さくなっていれば逆方向に回転させるものである。その中でも、例えば特許文献１ではステップ前後の受信レベル差に応じてステップ角度を可変し、速やかに収束を図ろうとするものがある。また、受信レベルそのものに応じてステップ角度を決定する方法も知られている。
【特許文献１】特許２９５０２４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１などのステップトラック方式では、受信レベルの積分値の比較（差分）によって受信レベルの高い方向が分かるのみであり、指向誤差角度を直接検出して回転角度を制御する構成になっていないので、収束に時間がかかり、その間の誤差が大きい問題がある。さらに、例えば衛星通信の場合、受信レベルは天候や気温によって変動するため、受信レベルを基準にすればそれらの影響が避けられない問題がある。
【０００６】
本発明は、受信レベルから指向誤差角を直接検出し、天候や気温による受信レベルの変動の影響を低減するアルゴリズムを用いることにより、収束が早くかつ高い指向精度をもつ追尾アンテナ装置、追尾制御方法およびその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】
【０００７】
第１の発明は、アンテナの指向方向を電波を発する目標物に自動追尾させる追尾アンテナ装置において、アンテナの指向方向を可変する指向方向可変手段と、目標物方向を探索するための指向方向可変パタンに応じてアンテナの指向方向を可変させ、また指向誤差角ｅを補正するようにアンテナの指向方向を可変させる指示を指向方向可変手段に与えるアンテナ指向方向制御手段と、指向方向可変パタンを決定するパタンパラメータを記憶するパタンパラメータ記憶手段と、指向方向可変手段の駆動により、指向方向可変パタンに応じて指向方向が可変するアンテナの受信信号を入力し、受信レベルを検出する受信レベル検出手段と、受信レベル検出手段で検出された受信レベルを、パタンパラメータ記憶手段から与えられる積分区間で積分し、各積分区間の受信レベル積分値を出力する受信レベル積分手段と、受信レベル積分手段で得られる少なくとも２つの受信レベル積分値を記憶する受信レベル積分値記憶手段と、受信レベル積分値記憶手段に記憶された２つの積分区間の受信レベル積分値比Ａを計算する受信レベル積分値比計算手段と、受信レベル積分値比計算手段で計算された受信レベル積分値比Ａと、パタンパラメータ記憶手段から与えられるパタンパラメータを入力し、所定の計算式を用いてアンテナの指向誤差角ｅを計算し、得られた指向誤差角ｅをアンテナ指向方向制御手段に与える指向誤差角計算手段とを備える。
【０００８】
指向方向可変パタンは、受信レベル積分手段の積分区間で正弦波状に指向方向を変化させるパタンであることを特徴とする。また、指向誤差角ｅを補正するアンテナの指向方向可変パタンは連続的であることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、アンテナの指向方向を電波を発する目標物に自動追尾させる追尾制御方法において、アンテナの指向方向を可変する指向方向可変手段を駆動し、目標物方向を探索するための指向方向可変パタンに応じてアンテナの指向方向を可変させる第１のステップと、指向方向可変手段の駆動により、指向方向可変パタンに応じて指向方向が可変するアンテナの受信信号を入力し、受信レベルを検出する第２のステップと、第２のステップで検出された受信レベルを所定の積分区間で積分し、各積分区間の受信レベル積分値を出力する第３のステップと、第３のステップで得られた２つの積分区間の受信レベル積分値比Ａを計算する第４のステップと、第４のステップで計算された受信レベル積分値比Ａと、指向方向可変パタンを決めるパタンパラメータを入力し、所定の計算式を用いてアンテナの指向誤差角ｅを計算する第５のステップと、第５のステップで計算された指向誤差角ｅを補正するようにアンテナの指向方向を可変させる第６のステップとを有する。
【００１０】
指向方向可変パタンは、受信レベル積分手段の積分区間で正弦波状に指向方向を変化させるパタンであることを特徴とする。指向誤差角ｅを補正するアンテナの指向方向可変パタンは連続的であることを特徴とする。
【００１１】
第３の発明は、コンピュータに、第２の発明の各ステップを実行させるためのコンピュータ読み取り可能なプログラムである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、アンテナの指向方向を所定の指向方向可変パタンに応じて可変させ、そのときに受信レベルを検出し、２つの積分区間の受信レベル積分値の比と指向方向可変パタンに応じて指向方向誤差を直接算出することができる。このとき、天候や温度による受信レベルの変動に影響されない。したがって、この指向方向誤差を用いてアンテナの指向方向を補正することにより、従来のステップトラック方式と比較して高速で高精度な制御が可能である。またモノパルス方式と比較して低コストで構成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の追尾アンテナ装置の実施形態を示す。図２は、本発明の追尾制御方法の処理手順を示す。本発明は、受信レベルから指向誤差角を直接検出する計算アルゴリズムを用いるものであるが、ここでは説明を容易にするために、追尾アンテナの一次元方向（仰角方向または方位角方向）の指向誤差角を検出し、追尾アンテナの指向方向を一次元方向に制御する手順について説明する。なお、追尾アンテナを２次元方向に制御する場合も、基本的な指向誤差角の検出および制御手順は同様である。
【００１４】
図１において、アンテナ１１は、指向方向可変手段１２により指向方向が駆動制御される。なお、指向方向の駆動制御では、目標物方向を探索するために指向方向を可変させる制御と、得られた指向誤差角ｅを補正して指向誤差角０にする制御に分けられる。アンテナ指向方向制御手段１３は、目標物方向を探索するための指向方向可変パタンに応じてアンテナ１１の指向方向を可変させる指示、また得られた指向誤差角ｅを補正してアンテナ１１を目標方向に同定させる指示を指向方向可変手段１２に与える。例えば、指向方向可変パタンがステップ状であればステップ角ａと積分区間Ｔに応じた指向方向を設定する。また、指向方向可変パタンが正弦波状であれば振幅ａと周期Ｔに応じた指向方向を設定する。パタンパラメータ記憶手段１４は、指向方向可変パタンを決定するパタンパラメータを記憶する。
【００１５】
まず、アンテナ１１が目標物方向を探索するために、アンテナ指向方向制御手段１３がパタンパラメータ記憶手段１４から与えられるパタンパラメータに応じた指向方向可変パタンを計算し、時間に応じた指向方向を指向方向可変手段１２に与える。アンテナ１１は、指向方向可変手段１２の制御により指向方向可変パタンに応じて指向方向を可変させる（図２：Ｓ１）。
【００１６】
受信レベル検出手段１５は、指向方向が可変するアンテナ１１の受信信号を入力し、検出した受信レベルを受信レベル積分手段１６に出力する（Ｓ２）。受信レベル積分手段１６は、パタンパラメータ記憶手段１４から与えられる積分区間に応じて受信レベルを積分し、その積分値を受信レベル積分値記憶手段１７に記憶する（Ｓ３）。受信レベル積分値比計算手段１８は、２つの積分区間に応じた受信レベルの積分値比Ａを計算する（Ｓ４）。指向誤差角計算手段１９は、受信レベル積分値比計算手段１８で計算された受信レベル積分値比Ａと、パタンパラメータ記憶手段１４から与えられるパタンパラメータを入力し、所定の計算式を用いて指向誤差角ｅを計算し、得られた指向誤差角ｅをアンテナ指向方向制御手段１３に与える（Ｓ５）。アンテナ指向方向制御手段１３は、得られた指向誤差角ｅを補正する指向方向を指向方向可変手段１２に指示し、指向方向可変手段１２はアンテナ１１の指向方向を制御する（Ｓ６）。
【００１７】
なお、ステップＳ５で求めた指向誤差角ｅに基づいてステップＳ６でアンテナ１１の指向方向を制御しても、その間に移動体が移動している場合には、新たな指向誤差角ｅが生じることになる。この場合には、ステップＳ６で位相誤差角ｅを補正しながら、次の位相誤差角ｅを計算するためのステップＳ１の処理を同時に行うようにしてもよい。以上の各ステップの処理は、コンピュータに読み取り可能なプログラムとして構成し、コンピュータで実行するようにしてもよい。
【００１８】
図３は、アンテナ１１の一例を示す。ここに示すアンテナ１１は、移動体のルーフなどに設置するためのものであり、特に薄型化のために方位角方向には機械的にアンテナを回転させ、仰角方向には電子的にビームを走査するために２つの給電部１，２を有する１次元のフェーズドアレイアンテナとする。方位角方向および仰角方向の指向誤差角ｅは、それぞれの方向の受信レベルを検出して算出するが、仰角方向はモノパルス方式で指向誤差角ｅを検出してもよく、この場合は方位角方向の指向誤差角ｅを本発明を用いて算出する。また、図３のアンテナ１１の場合、算出された方位角方向の指向誤差角ｅは、アンテナ１１をステップモータなどを駆動して機械的に回転させることにより調整し、仰角方向の指向誤差角ｅは電子的にビーム方向を設定することにより調整する。
【００１９】
ここで、受信レベル積分値比Ａから追尾アンテナの指向誤差角ｅを算出する計算式の導出について説明する。
【００２０】
アンテナ１１が指向誤差角θのときの受信レベルＰ(θ)は、次式で表される。
Ｐ(θ)＝Ｐmax Ｇ(θ)         …(1) 
ここで、Ｐmax は指向誤差角０度のときの受信レベル（ピーク電力）、Ｇ(θ)はアンテナパタンである。
【００２１】
まず、簡単のために、図４に示すように従来のステップトラック方式と同様に、ステップ状にアンテナ１１を駆動する指向方向可変パタンについて説明する。ステップトラック方式とは、受信レベルを一定時間積分し、指向誤差角が小さくなる方向へステップさせる方式である。前回の受信レベル積分値Ａ1 、今回の受信レベル積分値Ａ2 は、式(1) を使って以下のように計算できる。
Ａ1 ＝∫0T Ｐmax Ｇ(ｅ−ａ) dt        …(2-1) 
Ａ2 ＝∫0T Ｐmax Ｇ(ｅ) dt            …(2-2) 
ここで、ａはアンテナ１１の指向方向のステップ角、ｅは今回の受信レベル検出時の指向誤差角、Ｔはステップ時間（積分区間）である。
【００２２】
それぞれの受信レベル積分値から受信レベル積分値比Ａを計算すると、
Ａ＝Ａ2 ／Ａ1                         …(3) 
であり、式(3) を変形して
Ａ2 −ＡＡ1 ＝０                      …(4) 
を指向誤差角ｅについて解き、次回のステップ角を−ｅとすれば、アンテナ１１を指向誤差角０度になるように制御することができる。
【００２３】
指向誤差角ｅを算出する計算方法を以下に示す。最初にアンテナパタンＧを示す。ここでは、アンテナパタンとしてsinc関数で近似する例を示す。
Ｇ＝（sinψ／ψ)2，  ψ＝(θ0／θh)θ，  θ0＝1.39156 rad     …(5) 
ここで、θh は半値半角である。他の近似曲線には、ガウス関数近似やベッセル関数近似や cos関数近似などがあるが、半値半角程度の範囲ではどの近似方法を使用してもほとんど変わらない。また、これらと異なるアンテナパタンをもつアンテナを使用する場合は、そのアンテナパタンの近似曲線を使えればよい。ψを微小角、ｋ＝θ0／θhとすると、
Ｇ(θ)≒１−ψ2／３＝１−ｋ2θ2／３                            …(6) 
が成り立つ。この式(6) を式(2) に代入し、さらに式(4) に代入すると、
（１−Ａ)ｅ2＋２Ａａｅ−３(１−Ａ)／ｋ2−Ａａ2 ＝０            …(7) 
が得られる。
この式(7) を指向誤差角ｅについて解けば、
【００２４】
【数１】
2008215854.tif 000003
【００２５】
と求めることができる。
ただし、Ａ≒１のときに式(8) を用いると、数値計算誤差（桁落ち）が大きくなるため、式(7) でＡ＝１としてｅ＝ａ／２で求める。また、ａ≒０のときは、例えばオフセット誤差を与え、計算誤差を抑制する。
【００２６】
以上の計算式を用いることにより、指向誤差角計算手段では探索パタンのパラメータから得られるステップ角ａと、受信レベル積分値比Ａにより、指向誤差角ｅを直接求めることができる。
【００２７】
図５は、シミュレーションの結果を示す。最初に 0.1°の指向方向誤差を与えた。ここでは半値半角θh を 0.5°とし、ｅ＜0.01°と得られたときに、次のステップ角ａとして    ａ＝−sign(e)×0.01°
とした。また、受信レベルのＣ／Ｎを30dB、積分回数を 100回とした。図４より、高速に指向誤差を補正し、その後は問題なくトラッキング動作できていることが確認できる。
【００２８】
また、図６のように探索パタンとして正弦波状にアンテナ１１を駆動する方法もある。以下、図６のようにアンテナ１１を駆動した場合の指向誤差角ｅの算出方法について説明する。
【００２９】
受信レベルの積分区間を半周期とした場合の受信レベル積分値Ａ1 ，Ａ2 は、式(1) を使って以下のように計算できる。
Ａ1 ＝∫0T/2 Ｐmax Ｇ(ｅ＋ａsinφ) dt        …(9-1) 
Ａ2 ＝∫T/2T Ｐmax Ｇ(ｅ＋ａsinφ) dt        …(9-2) 
ここで、ｅは指向誤差角、ａは振幅、Ｔは周期である。また、φ＝ωｔ、ω＝２π／Ｔである。
【００３０】
上記と同様に、式(9) を式(4) に代入すると、
π(１−Ａ)ｅ2−４ａ(１＋Ａ)ｅ＋π(１−Ａ)(ａ2／２−３／ｋ2）＝０    …(10)が得られる。
この式(10)を指向誤差角ｅについて解けば、
【００３１】
【数２】
2008215854.tif 000004
【００３２】
と求めることができる。
ただし、Ａ≒１のときに式(11)を用いると、数値計算誤差（桁落ち）が大きくなるため、式(10)でｅ＝０とすればよい。この方式では、上記のようなオフセット誤差を与える必要はない。
【００３３】
以上の計算式を用いることにより、指向誤差角計算手段では探索パタンのパラメータから得られる振幅ａと、受信レベル積分値比Ａにより、指向誤差角ｅを直接求めることができる。
【００３４】
図７は、シミュレーションの結果を示す。シミュレーション条件として振幅ａを0.01°、半値半角θh を 0.5°とした。また、受信レベルのＣ／Ｎを30dB、積分回数を 100回とした。実際の指向誤差角は、図の結果に加えて振幅ａが加算される。図６より、本方式でも問題なくトラッキング動作できていることが確認できる。本方式は、ステップ状に駆動する方式と比較して、モータのトルクやギアの騒音を抑えることができる。
【００３５】
ところで、指向誤差角ｅの判明後にアンテナ１１の指向方向を一気に補正する方式は、次のような問題がある。第１は、高速に回転させることからモータなどの駆動部に高いトルクが要求され、モータなどの大型化が必要なことである。第２は、反転時にギアのバックラッシュで騒音が発生し、ギアの磨耗が早くなることである。そこで、得られた指向誤差角ｅについて一気に補正せず、正弦波状に駆動しながら１周期かけて指向誤差角ｅを補正する方法がある。この駆動パタンを図８に示す。
【００３６】
図８において、破線は移動体が静止しているときに、算出された指向誤差角ｅを補正する方向にアンテナ１１の指向方向を正弦波状に駆動した場合の駆動パタンである。このパタンは、大きなトルクを必要とせず、また静音化にも有効である。一方、移動体が移動中であれば、実線に示すように新たな指向誤差角ｅが生じ、上記の手順によってこの指向誤差角ｅを算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の追尾アンテナ装置の実施形態を示す図。
【図２】本発明の追尾制御方法の処理手順を示すフローチャート。
【図３】アンテナ１１の一例を示す図。
【図４】ステップ状にアンテナ１１を駆動する方式を説明する図。
【図５】シミュレーション結果を示す図。
【図６】正弦波状にアンテナ１１を駆動する方式を説明する図。
【図７】シミュレーション結果を示す図。
【図８】指向誤差角ｅの補正方法を説明する図。
【符号の説明】
【００３８】
１１  アンテナ
１２  指向方向可変手段
１３  アンテナ指向方向制御手段
１４  パタンパラメータ記憶手段
１５  受信レベル検出手段
１６  受信レベル積分手段
１７  受信レベル積分値記憶手段
１８  受信レベル積分値比計算手段
１９  指向誤差角計算手段
【図１】
2008215854.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
2008215854.tif 000008
【図５】
2008215854.tif 000009
【図６】
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【図７】
2008215854.tif 000011
【図８】
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