(57)【要約】【課題】経緯台式のアンテナにおいて、風力や日射熱により発生する架台の変形に起因する指向誤差を、ＥＬ角度検出器をひとつ追加した構成と補正アルゴリズムにより補正して指向精度を保つ。【解決手段】ＥＬ軸を支持する架台の両端にそれぞれＥＬ角度検出器を設け、風力または日射熱による架台の変形によってＥＬ軸にねじれが生じた際に各ＥＬ角度検出器で検出した仰角の角度差を算出するＥＬ角度差計算手段と、算出された仰角の角度差に基づいてＥＬ指令値を補正するＥＬ歪み量補正手段と、算出された仰角の角度差、架台の高さおよび架台の両端間の長さに基づいて方位角誤差を算出するＡＺ誤差算出手段と、算出された方位角誤差に基づいてＡＺ指令値を補正するＡＺ歪み量補正手段を備える。【選択図】図６
2008211487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＥＬ指令値、ＡＺ指令値を対応するＥＬ制御系、ＡＺ制御系に与えてアンテナをＥＬ軸とＡＺ軸の周りに回転させることによって当該アンテナを目標に指向させるアンテナ装置において、
ＥＬ軸の両端を回転可能に支持する架台の両端にそれぞれＥＬ角度検出器を設け、その一方のＥＬ角度検出器をＥＬ制御系と共用する構成とし、
風力または日射熱による前記架台の変形によってＥＬ軸にねじれが生じた際に前記各ＥＬ角度検出器で検出した仰角の角度差を算出するＥＬ角度差計算手段と、
前記ＥＬ角度差計算手段で算出された仰角の角度差に基づいてＥＬ指令値を補正するＥＬ歪み量補正手段と、
前記ＥＬ角度差計算手段で算出された仰角の角度差、前記架台の高さおよび前記架台の両端間の長さに基づいて方位角誤差を算出するＡＺ誤差算出手段と、
前記ＡＺ誤差算出手段で算出された方位角誤差に基づいてＡＺ指令値を補正するＡＺ歪み量補正手段を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
ＥＬ角度差計算手段は、
ＥＬ角度差計算手段で算出された仰角の角度差、架台の高さ、および前記角度差と架台のねじれ成分による方位角の指向誤差の関係を表す比例定数もしくは係数を乗じてＥＬ軸の変形量を算出し、
当該ＥＬ軸の変形量を前記架台の両端間の長さで除して方位角誤差を算出することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
比例定数もしく係数は、風力または日射熱による架台の変形を有限要素法によるシミュレーションを用いて求めた値としたことを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
【請求項４】
比例定数もしくは係数は、アンテナ運用段階において蓄積した、両ＥＬ角度検出器の検出角度の差とアンテナの指向性誤差との関係データに基づいて求めた最適値としたことを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大型パラボラアンテナの指向性を改善するアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パラボラアンテナは、周知のように、天体観測用の電波望遠鏡、衛星対地上局間通信、レーダなどのアンテナとして用いられているが、近年、分解能の向上を図り、より精密な観測を行えるようするため、その主反射鏡（以下、主鏡と呼ぶ）が大型化される傾向にある。また、主鏡の大型化に伴ってそれを支持するための架台も当然大型化される。大型パラボラアンテナの多くは外気にさらされるため、風力による影響を受けやすい。特に、主鏡が大きくなると風を受ける面積が大きくなるため、主鏡を支える架台に対しても大きな力がかかるようになり、架台が弾性変形するという現象が起こる。また、大型パラボラアンテナは日射や外気温の影響も受けやすく、温度分布により熱変形という現象も起こる。そのため、主鏡の指向方向を決めるために駆動するＡＺ（Azimuth；方位角）軸、ＥＬ（Elevation；仰角）軸の角度情報をエンコーダによって検出し、フィードバックすることにより方位角、仰角を補正する技術が適用されている（例えば特許文献１参照）。
また、ＡＺ角度検出器、ＥＬ角度検出器の上にそれぞれ２セットの光ビーム発生器と光位置検出器を設け、ＡＺ用光位置検出器の出力の差からＡＺ軸のねじれ成分を求めるとともに、ＥＬ用光位置検出器の出力の和とＡＺ用光位置検出器の出力の和との差からＥＬ軸のねじれ成分を求め、これらの成分によって各々の軸に直結された角度検出器からの角度信号を補正してアンテナ指向角度を検出するようにする技術が提案されている（例えば特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３１５０１２号公報
【特許文献２】特許第２５６０４７５号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上のような特許文献１に記載された技術を適用した場合、風力変形、熱変形を受けていても、アンテナの方位角、仰角は指令値通りに制御できているように見える。しかし、実際には風力や熱による架台の変形は仰角や方位角を決めるＥＬ軸のねじれ歪みとなって現れるため、現エンコーダ（１個のＥＬ角度検出器）だけでは検出できない指向誤差となる。このことが大型パラボラアンテナにおいて一定以上の指向精度を達成できない要因となっていた。
一方、特許文献２に記載された技術の場合、実際の構造では架台が光ビームを遮るため、それを防ぐ構造とするには限界ある。また、光ビームの熱的な安定性にも問題がある。特に、光ビームは光ビーム発生器そのものの発熱や周辺の熱の影響を受けて温度ドリフトを起こしやすいので、結果として架台の熱変形量を測定しているのか、そのビームの熱ドリフトを計測しているかの切分けが困難となる。なお、特許文献２には、ＥＬ角度検出器を２個備える場合の記載があるが、通常は１個使用するので、これは単なる予備用と考えられる。
【０００５】
この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、経緯台式のアンテナにおいて、風力や日射熱により発生する架台の変形に起因する指向誤差を、ＥＬ角度検出器を一つ追加した構成と補正アルゴリズムにより補正して指向精度を保つアンテナ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るアンテナ装置はＥＬ指令値、ＡＺ指令値を対応するＥＬ制御系、ＡＺ制御系に与えてアンテナをＥＬ軸とＡＺ軸の周りに回転させることによって当該アンテナを目標に指向させるアンテナ装置において、ＥＬ軸の両端を回転可能に支持する架台の両端にそれぞれＥＬ角度検出器を設け、その一方のＥＬ角度検出器をＥＬ制御系と共用する構成とし、風力または日射熱による架台の変形によってＥＬ軸にねじれが生じた際に各ＥＬ角度検出器で検出した仰角の角度差を算出するＥＬ角度差計算手段と、ＥＬ角度差計算手段で算出された仰角の角度差に基づいてＥＬ指令値を補正するＥＬ歪み量補正手段と、ＥＬ角度差計算手段で算出された仰角の角度差、架台の高さおよび架台の両端間の長さに基づいて方位角誤差を算出するＡＺ誤差算出手段と、ＡＺ誤差算出手段で算出された方位角誤差に基づいてＡＺ指令値を補正するＡＺ歪み量補正手段を備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、風力や日射熱により発生する架台の変形に起因するＥＬ軸のねじれに関する成分をＥＬ軸上に設置した２つのＥＬ角度検出器で検出した角度の差として求め、この角度差に基づいて仰角および方位角の誤差を補正するアルゴリズムを本来のＥＬ制御系、ＡＺ制御系のシステムに組み込むようにしたので、架台の変形による指向誤差が発生しても、それを補正して指向精度を高く保つことができる。また、ＥＬ角度検出器としてはエンコーダやレゾルバを用いるので、ＥＬ角度検出器の検出出力は自身の熱影響を受けることが無い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成を示す外観図で、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は側面図である。
図において、このアンテナ装置は、ＡＺ軸、ＥＬ軸の周りにアンテナを回転することでアンテナの指向を決める経緯台式のパラボラアンテナである。地上に架台基礎８を設置し、その上に方位角を変えるＡＺ回転台６が水平に設けられている。ＡＺ回転台６は上にヨーク（架台）７を固定して、モータ（図示せず）によりＡＺ軸１０を中心に回転可能になっている。また、ヨーク７とＡＺ軸１０との間にはアンテナの方位角を検出するＡＺ角度検出器１１が設けられている。ヨーク７の両肩部分には主鏡（主反射鏡）４および受信機室５を支持するＥＬ軸２が設けられている。主鏡４の指向する仰角は、主鏡４とヨーク７間に設けられたＥＬ回転駆動部１によりＥＬ軸２を回転させることで設定される。そのため、ＥＬ回転駆動部１はヨーク７下部に設置されたモータとその回転をＥＬ軸２に伝えるギア構造を備えている。ＥＬ軸２を支持するヨーク７の肩部の軸受け部にはアンテナの仰角を検出するＥＬ角度検出器３が設けられている。ＥＬ角度検出器３、ＡＺ角度検出器１１としては、エンコーダあるいはレゾルバが用いられる。
【０００９】
ヨーク７の肩部の軸受け部の構造例を図５に示す。ＥＬ軸２は、ＥＬ固定側であるヨーク座面に載っているベアリング９によって回転可能に支持されている。ＥＬ角度検出器３は、ＥＬ固定側であるヨーク７に支持されており、ＥＬ軸２にその中心を合せて固定された軸３１の回転角度（つまり仰角）を検出するようになっている。
以上の説明は従来からある大型パラボラアンテナの一般的な構成と同様であるが、この発明の場合には、ヨーク７の左右両肩部にＥＬ角度検出器３を１個ずつ、計２個を備え、以下に述べる特徴を与える。
【００１０】
図２は、パラボラアンテナを上部から見た図で、主鏡４が風を受けてヨーク７が変形し、ＥＬ軸２にねじれが生じ、ＡＺ軸が実質上ずれた状態になるのを模式的に表したものである。図２（ａ）は正常な状態を表しているが、主鏡４が斜め方向からの風を受けた場合、風向きに正対する面に力がかかるため、主鏡４の片側（図では左側）に風力が集中し、対応するヨークが図２（ｂ）に示す７’のようにねじれ、ＡＺ軸２が歪んで主鏡４の方位角が変わることになる。
図３は、ヨーク７をＥＬ軸上から見た図で、図２のように風を受けた場合、あるいはヨーク７の片側だけが日射を受けた場合にヨーク７が変形し、ＥＬ軸２がねじれる状態を模式的に表したものである。ヨーク７はＥＬ軸２付近で変形が大きく、軸受座面が水平位置から下方に傾く。すなわちＥＬ軸２は時計方向にねじれて変形するため、主鏡４の仰角が変わることになる。
【００１１】
図４は、図２および図３で説明したヨーク構造の変形によって引き起こされるＥＬ軸２の変形と仰角および方位角の変化の関係を示す。ヨーク７の２つのＥＬ軸受座面の傾きが左右で異なる場合、左右のＥＬ角度検出器３は異なる角度の値を検出することになる。その角度差はＥＬ軸２のねじれ量と密接な相関があるので、この角度差を算出して指向誤差を補正すればよい。以下に具体的な補正式を導出する。
ＥＬ角度検出器３は、ヨーク７とＥＬ軸２との相対回転角を検出するもので、パラボラアンテナ装置が鋼体で風力などの荷重による歪が無い場合にはそのまま正しい仰角を検出することになる。しかし、上述したようにヨーク７が変形した場合、左右のＥＬ角度検出器３には、仰角以外の要素が入り込むことになる。例えば、左右のＥＬ角度検出器３の検出角に差がある場合は、その差はヨーク７の左右のねじれによるＥＬ軸２の変形分を表している。右側のＥＬ角度検出器３の検出角（仰角測定値）をＥR 、左側のレゾルバの検出角（仰角測定値）をＥL とすると、その角度差χは（１）式のようになる。この角度差χを仰角補正に用いる。
χ＝ＥR −ＥL                     （１）
【００１２】
ここで、ヨーク７が直線的に傾いているとすれば、ＥＬ軸２の左右間で生じる前後（±Ｙ）方向の変形量Ｄは、ヨーク７の高さＨとχ（ｒａｄ）を用いて（２）式で表せる。
Ｄ＝Ｈ・χ                        （２）
実際には、ヨーク７は単純な変形をするわけではないので、式（２）に角度差χと架台のねじれ成分による方位角の指向誤差との関係を表す比例定数もしくは係数Ｃ乗じて（３）とする。Ｃは後述する方法で得られる。片持梁に近い変形を考慮し、Ｃを高次の式の係数とすればより精度を高めることが可能である。
Ｄ＝Ｃ・Ｈ・χ                    （３）
次に、ＥＬ軸２を支持しているヨーク両端間の距離（または正常時のＥＬ軸の長さと同じ）をＬとおけば、ＡＺ軸の誤差（方位角誤差）θAZは（４）で表せる。この誤差θAZを算出して方位角補正に用いる。
θAZ＝Ｄ／Ｌ＝Ｃ・Ｈ・χ／Ｌ      （４）
【００１３】
ここで、上記比例定数Ｃの決め方としては二つの方法が考えられる。
一つは、ヨークの変形を引き起こす典型的な風力変形や熱変形のモードを考え、ＥＬ軸がねじれた場合の左右のＥＬ角度検出器の検出角度の差（上記角度差χ）と、指向ずれ量（上記式（４）の左辺；θAZ）の関係をＦＥＭ（Finite Element Method；有限要素法）を用いて求める方法である。なお、角度差χをＥＬ軸受座面の傾きの差とすれば、解析は比較的容易となる。
また、もう一つの方法は、アンテナの実運用段階に入ってから左右のＥＬ角度検出器の検出角度の差と、アンテナのポインティング（指向性）誤差との関係をモニタすることで、データ（経験則）を積み上げ、最適値を求める方法である。実機を用いて比例定数（高次の場合は係数）を決定することにより、上記ＦＥＭによるシミュレーションのみに頼ったＡＺ、ＥＬ補正値計算に比べて高い指向精度を持たせることができる。
【００１４】
図６は、この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の制御機能構成を示すブロック図である。
まず、経緯台式パラボラアンテナの一般な方位角、仰角の設定制御について説明する。図外のオペレーション装置からアンテナを目標に指向させるためのＡＺ指令値、ＥＬ指令値が与えられる。ＡＺ制御部２０２では、与えられたＥＬ指令値に応じた制御信号を生成しＡＺ回転駆動部２０３に与える。ＡＺ回転駆動部２０３では、モータを駆動してＡＺ軸を中心に架台を回転しアンテナの開口面の方位を変えていく。このときのアンテナの方位角はＡＺ角度検出器１１で検出され、減算器２０１に与えられる。減算器２０１では、ＡＺ指令値と検出された方位角との差を求めてＡＺ制御部２０２に与える。ＡＺ制御部２０２は、その差分が０になるまでＡＺ回転駆動部２０３を制御する。このようなフィードバックの方法は、仰角の設定制御を行う構成、すなわち減算器１０１、ＥＬ制御部１０２、ＥＬ回転駆動部１、ヨークの片方に取り付けた第１ＥＬ角度検出器３Ａからなるループにおいても同様である。
【００１５】
この発明では、上記ＥＬ、ＡＺ制御系の構成に対して、ヨークの反対側の肩部に取り付けられた第２ＥＬ角度検出器３Ｂ、ＥＬ角度差計算部１０６、ＥＬ歪み量補正部１０７、ＡＺ誤差計算部２０６、ＡＺ歪み量補正部２０７を追加している。
ＥＬ軸の両端に設けられた第１ＥＬ角度検出器３Ａと第２ＥＬ角度検出器３Ｂから得られる検出角（仰角測定値）はＥＬ角度差計算部１０６に与えられる。ＥＬ角度差計算部１０６では、（１）式に従って両検出角からＥＬ角度差を算出する。上述したように風力や熱による架台の変形がＥＬ軸のねじれ歪となって現れた場合、ＥＬ角度差は有限値を呈する。このＥＬ角度差はＥＬ歪み量補正部１０７とＡＺ誤差計算部２０６に与えられる。ＥＬ歪み量補正部１０７では、ＥＬ角度をＥＬ指令値に加減することによりＥＬ指令値を補正して、ＥＬ制御系に出力する。一方、ＡＺ誤差計算部２０６では、（２）〜（４）式に従って、与えられたＥＬ角度差、ＥＬ軸を支持するヨークの高さおよびＥＬ軸の長さに基づいて方位角誤差を算出し、ＡＺ歪み量補正部２０７に出力する。ＡＺ歪み量補正部２０７では、ＡＺ誤差計算部２０６で算出された方位角誤差をＡＺ指令値に加減することによりＡＺ指令値を補正して、ＡＺ制御系に出力する。
【００１６】
以上のように、この実施の形態１によれば、風力や日射熱により発生する架台の変形に起因するＥＬ軸のねじれに関する成分をＥＬ軸上に設置した２つのＥＬ角度検出器で検出した角度の差として求め、この角度差に基づいてＥＬ指令値を補正し、また角度差、架台の高さおよび前記架台の両端間の長さに基づいて方位角誤差を算出してＡＺ指令値を補正して、補正した指令値を本来のＥＬ制御系、ＡＺ制御系のシステムに組み込むようにしたので、架台の変形による指向誤差が発生しても、これを補正して指向精度を高く保つことができる。また、ＥＬ角度検出器としてはエンコーダやレゾルバを用いるので、ＥＬ角度検出器の検出出力は熱の影響を受けない検出角を得ることができるため、角度差に検出器自身の熱誤差が現れることが無い。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成を示す外観図である。
【図２】風力によるＥＬ軸のねじれ現象でＡＺ軸がずれる状態を模式的に示す説明図である。
【図３】風力または日射熱によるヨークの変形でＥＬ軸がねじれる状態を模式的に示す説明図である。
【図４】ＥＬ軸の変形と仰角および方位角の変化の関係を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るヨークの軸受け部の構造例を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の制御機能構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  ＥＬ回転駆動部、２  ＥＬ軸、３  ＥＬ角度検出器、４  主鏡、５  受信機室、６  ＡＺ回転台、７  ヨーク（架台）、８  架台基礎、９  ベアリング、１０  ＡＺ軸、１１  ＡＺ角度検出器、１０１，２０１  減算器、１０２  ＥＬ制御部、３Ａ  第１ＥＬ角度検出器、３Ｂ  第２ＥＬ角度検出器、１０６  ＥＬ角度差計算部、１０７  ＥＬ歪み量補正部、２０２  ＡＺ制御部、２０３  ＡＺ回転駆動部、２０６  ＡＺ誤差計算部、２０７  ＡＺ歪み量補正部。
【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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