(57)【要約】      （修正有）【課題】船体の大きな揺動に十分対応でき、かつ船体の大角度の揺動・周期に対応して衛星との受信時に必要な角度精度範囲内の所定角度以下にレンズアンテナを保持する。【解決手段】電波を集束する半球状のルーネベルグレンズ１１、電波を反射する反射板１２、電波の受信、又は送受信をするアンテナ素子を含む放射器１３、及び衛星に対する方位・仰角を含む角度状態を駆動・調整する細調整機構１４を有するレンズアンテナ部１０と、このレンズアンテナ部１０の下部に衛星に対する方位・仰角を含む水平角度状態を駆動・調整するアクティブ・ジンバル方式の粗調整機構２４を有する水平安定部２０を備え、船体Ｓの大角度の揺動・周期に対応して必要な角度精度範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部１０を保持するように粗調整機構２４を介して水平安定部２０を制御し、細調整機構１４により可能な所定角度以下にレンズアンテナ部１０を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波を集束する半球状のルーネベルグレンズ１１、電波を反射する反射板１２、電波の受信、又は送受信をするアンテナ素子を含む放射器１３、及び衛星に対する方位・仰角を含む角度状態を駆動・調整する細調整機構１４を有するレンズアンテナ部１０と、このレンズアンテナ部１０の下部に衛星に対する方位・仰角を含む水平角度状態を駆動・調整するアクティブ・ジンバル方式の粗調整機構２４を有する水平安定部２０を設け、水平安定部２０において船体Ｓの大角度の揺動・周期に対応して衛星との受信時に必要な角度精度範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部１０を保持するように粗調整機構２４を介して水平安定部２０をＰＩＤ制御と共に揺動予測制御し、レンズアンテナ部１０の細調整機構１４により可能な範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部１０を制御する衛星放送・通信用レンズアンテナ装置。
【請求項２】
前記水平安定部２０は、レンズアンテナ部１０の基部を複数軸方向に支持して衛星に対する方位・仰角を含む水平角度状態を駆動・調整するアクティブ・ジンバル方式の粗調整機構２４を有し、レンズアンテナ部１０は衛星に対する方位・仰角を含む角度状態を各調整機構の駆動部により所定範囲内にそれぞれ駆動・制御するアンテナ制御部１５を有し、水平安定部２０は衛星に対する方位・仰角を含む水平角度状態を粗調整機構２４の複数軸の駆動部により所定範囲内にそれぞれ駆動・制御する水平安定制御部２５を備え、水平安定制御部２５は船体Ｓの大角度の揺動・周期に対応して衛星との受信時に必要な角度精度範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部１０を保持するように水平安定部２０の粗調整機構２４を介して水平安定部２０をＰＩＤ制御と共に揺動予測制御し、アンテナ制御部１５はレンズアンテナ部１０の細調整機構１４により可能な範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部の細調整機構１４を介してレンズアンテナ部１０を制御するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の衛星放送・通信用レンズアンテナ装置。
【請求項３】
前記水平安定制御部２５は、水平安定部２０の調整機構の駆動部における出力軸の定常偏差を水平安定制御部２５へフィードバックする離散型ＰＩＤ制御回路に、船体のローリング、ピッチング、ヨーイングの角度状態を検出するセンサ２５ｓからの信号に基づき、それぞれの角度状態量の自己回帰モデル、最小ＡＩＣ法による演算回路を含む揺動予測制御回路２５Ｄで演算された予測制御信号を入力し、これにより船体の大角度の揺動・周期に対応して衛星との送信時に必要な角度精度範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部１０を保持するように水平安定部の調整機構を介して水平安定部を制御し、アンテナ制御部１５はレンズアンテナ部１０の調整機構により可能な範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部１０の調整機構を介してレンズアンテナ部１０を制御する２段制御により、衛星への電波送信時の国際基準角度以下の精度でレンズアンテナ部１０を追尾可能としたことを特徴とする請求項２に記載の衛星放送・通信用レンズアンテナ装置。
【請求項４】
前記揺動予測制御回路２５Ｄにおけるそれぞれの角度状態量の自己回帰モデル、最小ＡＩＣ法による船体運動予測の演算を、船体揺動の時間変化に適合した時間間隔でバッチ処理するバッチ適応型船体運動予測アルゴリズムに基づいて演算処理するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の衛星放送・通信用レンズアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、移動体通信、特に船舶に設置され、静止衛星等との間で衛星放送・通信用の電波を受信又は衛星へ送信するのに用いられる衛星放送・通信用レンズアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両、船舶、航空機等の移動体と静止衛星等の衛星との間で放送・通信用の電波を送受信する衛星通信用アンテナ装置として、ルーネベルグアンテナ方式を利用したレンズアンテナ装置が種々提案されている。ルーネベルグアンテナ方式のレンズアンテナ装置の例として、例えば特許文献１の電波レンズアンテナ装置は、半球状の誘電体からなるルーネベルグレンズと定位置に固定する電波反射板を組み合わせ、レンズを跨ぐ円弧状の支持アームに複数個の１次放射器を位置調整可能に取り付けており、一次放射器の初期設定位置は、各一次放射器を支持アーム上で個別に動かして行う。
【０００３】
上記電波レンズアンテナ装置は、半球レンズのアジマス軸周りに放射器の位置を調整して電波ビームの方位角を制御する方位角調整手段と、半球レンズのエレベーション軸回り放射器の位置を調整して電波ビームの仰角を制御する方位角調整手段を具備しており、支持アームの両端の支軸を支点にして支持アームを回転させて仰角を変化させ、１次放射器を支持アーム上でアーム長手方向に移動させて方位角を変化させるように構成されている。この電波レンズアンテナ装置は、定位置に設置することが前提である。
【０００４】
特許文献２、３の移動体通信用レンズアンテナ装置は、アンテナを水平に保つ水平調整機構、アンテナの水平調整機構、アンテナの自己位置確認手段、方位確認手段、方位調整機構、自己位置確認手段と方位確認手段からの確認信号に基づいて仰角調整機構と方位調整機構の動きを制御して一次放射器を移動体の移動に伴って変動する電波の焦点に移動させる制御装置などを備えている。この電波レンズアンテナ装置も一次放射期の初期位置設定を必要とするが、設定の仕方は特許文献１のアンテナ装置と変わりがなく、初期設定の手間と時間が長く掛かる。
【０００５】
船舶用の衛星信号受信アンテナ装置としては、ＳＥＡＴＥＬ社のアンテナ装置が知られているが、このアンテナ装置はパラボラ方式のアンテナ装置であり、レドーム（カバー）で保護されたアンテナを衛星の方向に追尾させる追尾機構が組み込まれたアンテナ装置がデッキ上に設置され、アンテナで受信した衛星からの電波信号をデッキ下に設置された検出回路で検出して衛星からの放送・通信電波を受信し、モニター画面又はテレビ画面上で画像を見ることが出来る。
【特許文献１】特開２００２−２３２２３０号公報
【特許文献２】特開２００４−１９３７３１号公報
【特許文献３】特開２００４−２６６８１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、今日一般に船舶用衛星通信に用いられるアンテナはパラボラアンテナであり、その原理上単一の衛星との交信に用いられ、追尾装置が大掛かりで、複雑な割には費用効果が低い。そして、このような衛星と船舶との間での放送・通信の電波を送信する場合、受信電波の受信時では衛星方向に対して０．５度以下であればよく、追尾装置を通常の機構で実現することは比較的容易であるが、特に移動体の船舶からの送信時には宇宙空間に浮かぶ衛星に向けて電波を送信する際に、隣の衛星に電波が飛び込むのを避けるため、衛星方向に対して０．２度以下の角度誤差精度に押さえなければならないという厳しい制限が設けられている。
【０００７】
そこで、複数の衛星との送、受信に使用でき、かつ船舶の場合他の移動体と異なり航行中に受ける極めて大きな揺動に対応できるという厳しい条件に適合する可能性のあるアンテナ装置としては、原理的に上述したルーネベルグレンズ方式の電波レンズアンテナ装置が有力である。しかし、複数の衛星との送受信に使用する可能性はあるとしても、移動体である船体の揺動によって電波の焦点位置が大きく変動するため、レンズアンテナ装置において少なくとも仰角と方位の角度、及びヨー角度を含む水平状態調整機構を備える必要がある。
【０００８】
しかし、単にこのような機構を設けたというだけでは船舶のような船体における複数衛星との電波の送、受信では、特許文献２、３の移動体通信用レンズアンテナ装置のように、複数の一次放射器の位置を同一のプラットホームに取り付けて自動的に調整する機構を備えたとしても、上記のような厳しい条件に対しては十分ではない。その理由として、上述したように、複数衛星との電波の送、受信時の大きな揺動による電波の送受信方向のずれが０．５度以下、特に衛星への送信時には０．２度以下という制限を守る必要があるが、現状では水平状態調整機能が不十分だからである。
【０００９】
上述した特許文献２、３による従来の移動体通信用電波レンズ装置では、上記水平状態調整機構が船体に一体に取り付けられているため、移動体通信用レンズアンテナ装置が船体の揺動と同じ周期で大きく揺動し、このような大きな揺れに対して現状の制御方法の調整ではサーボモータに対する一般的な離散型ＰＩＤ制御の指令信号による定常偏差（位相遅れ）に対する追尾性能が十分でなく大きな誤差が生じる。これは、船体の揺動に対する移動体通信用レンズアンテナ装置の水平状態調整機構による追尾性能が船体の大きな揺動に十分対応していないからである。従って、現状では船体の揺動周期内では上記電波方向の制限角度範囲内で制御することが出来ない。
【００１０】
この発明は、上記の問題に留意して、上記船体と一体に固定して取り付けられる従来のパッシブ型ジンバル方式の水平状態調整機構による追尾ではなく、船体の大きな揺動に十分対応できる支持機構を採用し、かつ船体Ｓの大角度の揺動・周期に対応して衛星との受信時に必要な角度精度範囲内の所定角度以下にレンズアンテナを保持することができる衛星放送・通信用レンズアンテナ装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、上記の課題を解決する手段として、電波を集束する半球状のルーネベルグレンズ、電波を反射する反射板、電波の受信、又は送受信をするアンテナ素子を含む放射器、及び衛星に対する方位・仰角を含む角度状態を駆動・調整する細調整機構を有するレンズアンテナ部と、このレンズアンテナ部の下部に衛星に対する方位・仰角を含む水平角度状態を駆動・調整するアクティブ・ジンバル方式の粗調整機構を有する水平安定部を設け、水平安定部において船体の大角度の揺動・周期に対応して衛星との受信時に必要な角度精度範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部を保持するように粗調整機構を介して水平安定部をＰＩＤ制御と共に揺動予測制御をし、レンズアンテナ部の細調整機構により可能な範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部を制御する衛星放送・通信用レンズアンテナ装置の構成としたのである。
【００１２】
上記の構成としたこの発明の衛星放送・通信用レンズアンテナ装置は、船舶用の衛星放送・通信用アンテナであり、対象とする船舶のサービスエリアが広く、使用される電波はＫｕバンドなどいわゆるブロードバンド帯域であり、船舶の運行管理、衛星放送の受信だけでなく、送受信などにもリアルタイムで画像、音声通信するのに用いられる。しかも、送受信の際に下記のように、送受信信号の対衛星と向き合う方向の角度誤差が所定の角度範囲以下に制御されるため、このレンズアンテナ装置は、複数衛星との送受信、又は受信が可能である。
【００１３】
このような衛星との送受信、又は受信で放送・通信を可能とするため、この衛星放送・通信用レンズアンテナ装置では、船体の大きな揺動があっても衛星と船舶との間での送、受信時に、水平安定部において船体の大角度の揺動・周期に対応して衛星との受信時に必要な角度精度範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部を保持する粗調整機構と、衛星に対する方位・仰角を含む角度状態を駆動・調整する細調整機構の２段の調整機構を介して船体上のレンズアンテナ部の水平状態を調整する。
【００１４】
この水平状態の調整では、まず水平安定部によりレンズアンテナ部の基部を複数軸方向に支持して衛星に対する方位・仰角を含む水平角度状態を駆動・調整するアクティブ・ジンバル方式の粗調整機構をＰＩＤ制御と共に揺動予測制御して粗調整が行われる。この粗調整により船体の大きな揺動角内にレンズアンテナ部を水平状態に保持した状態で、レンズアンテナ部の細調整機構によりレンズアンテナ部の放射器の衛星に対する設定方向が細調整され、２段階の調整が行われる。レンズアンテナ部の粗調整と細調整は、衛星からのビーコン信号を受信して衛星方向に少なくとも０．５度以下の角度誤差の角度精度範囲に向かうように行われる。
【００１５】
このような方位、仰角を含む水平状態の調整を精度良く行うため、上記衛星放送・通信用レンズアンテナ装置において、レンズアンテナ部は衛星に対する方位・仰角を含む角度状態を各調整機構の駆動部により所定範囲内にそれぞれ駆動・制御するアンテナ制御部を有し、水平安定部は衛星に対する方位・仰角を含む水平角度状態を粗調整機構の複数軸の駆動部により所定範囲内にそれぞれ駆動・制御する水平安定制御部を備え、水平安定制御部は船体の大角度の揺動・周期に対応して衛星との受信時に必要な角度精度範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部を保持するように水平安定部の粗調整機構を介して水平安定部をＰＩＤ制御と共に揺動予測制御し、アンテナ制御部はレンズアンテナ部の細調整機構により可能な範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部の細調整機構を介してレンズアンテナ部を制御するように構成することが出来る。
【００１６】
また、上記第２の構成の衛星放送・通信用レンズアンテナ装置において、水平安定制御部は、水平安定部の調整機構の駆動部における出力軸の偏差を水平安定制御部へフィードバックする離散型ＰＩＤ制御回路に、船体のローリング、ピッチング、ヨーイングの角度状態を検出するセンサからの信号に基づき、それぞれの角度状態量の自己回帰モデル、最小ＡＩＣ法による演算回路を含む揺動予測制御回路で演算された予測制御信号を入力する。
【００１７】
そして、これにより船体の大角度の揺動・周期に対応して衛星との送信時に必要な角度精度範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部を保持するように水平安定部の調整機構を介して水平安定部を制御し、アンテナ制御部はレンズアンテナ部の調整機構により可能な範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部の調整機構を介してレンズアンテナ部を制御する２段制御により、衛星への電波送信時の国際基準角度以下の精度でレンズアンテナ部を追尾可能とすることが出来る。
【００１８】
さらに、前記揺動予測制御回路におけるそれぞれの角度状態量の自己回帰モデル、最小ＡＩＣ法による船体運動予測の演算を、船体揺動の時間変化に適合した時間間隔でバッチ処理するバッチ適応型船体運動予測アルゴリズムに基づいて演算処理するようにした衛星放送・通信用レンズアンテナ装置とすることが出来る。このようなアルゴリズムを用いる場合、揺動予測制御は、ローリング、ピッチングについては１ステップ先の船体揺動運動を指示する制御信号でよいが、ヨー角度への揺動予測制御信号は２ステップ先の制御信号を定常偏差信号に付加して制御するとよい。
【発明の効果】
【００１９】
この発明の衛星放送・通信用レンズアンテナ装置は、電波を集束する半球状のルーネベルグレンズ、反射板、電波の受信、又は送受信をする放射器、及び衛星に対する方位・仰角を含む角度状態を駆動・調整する細調整機構を有するレンズアンテナ部と、このレンズアンテナ部の下部に衛星に対する方位・仰角を含む水平角度状態を駆動・調整する粗調整機構を有する水平安定部２０を設け、水平安定部において船体の大角度の揺動・周期に対応して衛星との受信時に必要な角度精度範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部を保持するように粗調整機構を介して水平安定部を制御し、レンズアンテナ部の細調整機構により可能な範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部を２段制御するように構成したから、
アクティブ型ジンバル方式の水平状態調整機構による追尾により、船体の大きな揺動に十分対応できる支持機構で、かつ船体Ｓの大角度の揺動・周期に対応して衛星との受信時に必要な角度精度範囲内の所定角度以下にレンズアンテナを保持することができ、従って衛星と移動する船舶との間で放送・通信用電波を所定の角度範囲内の角度誤差範囲内で受信、又は送信が可能となるという利点が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、この発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は実施形態の衛星放送・通信用レンズアンテナ装置の一部断面を含む正面図、図２は図１の矢視II―IIから見た側面図である。図示のように、この実施形態の衛星放送・通信用レンズアンテナ装置Ａは、上部のレンズアンテナ部１０と、その基板を支持する水平安定部２０と、図示しないそれぞれの制御回路とからなる。レンズアンテナ部１０は、半球状の誘電体のルーネベルグレンズ（以下単にレンズという）１１、このレンズの半割り面に接合して取り付けられる電波の反射板１２、レンズの中心付近で反射される電波が入、出射され、レンズの外周適宜半径位置に取り付けられる複数（図示の例では２つ）の放射器（送、受信器）１３、及びこの放射器１３の方位、仰角状態を調整する細調整機構１４とを備えている。
【００２１】
上記複数の放射器１３は、それぞれレンズ外周面に沿って延びる半円弧状のアーム１４ａに沿って設置され、反射板１２を介して衛星方向に入、出射される電波に対応する方向に位置設定される。そして、細調整機構１４は、アーム１４ａの仰角を変化させるため、アーム１４ａを支持するアーム支持柱１４ｂに取り付けた歯車１４ｃとピニオン１４ｄからなる回転伝達機構を駆動部のサーボモータ１４ｓｙにより歯車１４ｃの中心軸の周りに回転させて調整し、反射板１２を支持する支持機構１６を設置した基板１７を大歯車１４Ｇと小歯車１４ｅを介してｚ軸周りに回転させる駆動部のサーボモータ１４ｓｚにより基板１７上のレンズアンテナ部１０の主要部を回転させるように構成されている。１８はレドーム（保護カバー）である。
【００２２】
レンズアンテナ部１０の下部の水平安定部２０には、レンズアンテナ部１０の方位、仰角、水平状態を粗調整する粗調整機構２４を備えている。この粗調整機構２４は、図１、図２、図４に示すように、船体の甲板（デッキ）上に設置、固定され、船体のローリングとピッチングに対しそれぞれの駆動部のサーボモータ２４ｓｘ、２４ｓｙの回転により船体の揺動と逆振幅・同位相で揺動安定台２１ａのプラットホーム２１を動作させるアクティブ型ジンバル方式の仰角・水平調整機構２４ｖｈと、ヨーイングに対し船のジャイロコンパスからの船首方位信号を受けてターンテーブル２２（取付けアーム２２ａを含む）を駆動部のサーボモータ２４ｓｚにより回転させる方式の方位調整機構２４ｄｃｔによる３軸制御により角度補償して粗調整するように構成されている（図５の写真をも参照）。
【００２３】
粗調整機構２４は、図１〜５に示すように、ターンテーブル２２を含みその下方に延びるアクティブ型のジンバル機構からなる。このジンバル機構は、１対の仰角支持調整板２３ａ、これと直交方向の１対の仰角支持調整板２３ｂ、及びジンバル機構ボックス２０Ｂ(立方体形状)、ターンテーブル２２を回転させるためのテーブル回転機構２３ｃを備えている。ターンテーブルの下層の取付けアーム２２ａ(図３参照)の下面に設けたテーブル回転機構２３ｃから下方にｙ軸方向の仰角支持調整板２３ｂがジンバル機構ボックス２０Ｂの両側面に回転自在に取り付けられ、ジンバル機構ボックス２０Ｂ内に内装されたサーボモータ２４ｓｙの出力軸で１対の仰角支持調整板２３ｂをｙ軸周りに回転駆動させる。
【００２４】
一方、仰角支持調整板２３ｂと直交するｘ軸方向の仰角支持調整板２３ａがジンバル機構ボックス２０Ｂの両側面に回転自在に取り付けられ、片側の仰角支持調整板２３ａの外側に取り付けられたサーボモータ２４ｓｘの出力軸で１対の仰角支持調整板２３ａをｘ軸周りに回転駆動する。さらに、１対の仰角支持調整板２３ｂの上端は、テーブル回転機構２３ｃの歯車装置の下面に取り付けられ、図２に示すように、テーブル回転機構２３ｃの延長部に取り付けたサーボモータ２４ｓｚの出力軸でｚ軸周りに回転駆動する。
【００２５】
また、図６の（ａ）図のブロック図に示すように、レンズアンテナ部１０にはアンテナ制御部１５が設けられており、上記放射器１３の電波信号、細調整機構１４の駆動部は、信号線、制御ラインによりアンテナ制御部１５（詳細な細調整機構１４についての制御部の回路は図示省略）に接続され、このアンテナ制御部１５からの指令により放射器１３と複数の衛星との電波信号の受信、送信が行われ、また細調整機構１４の駆動部へ制御信号を送信してレンズアンテナ部１０の方位、仰角の調整が行われる。上記指令、制御の詳細については後で説明する。
【００２６】
放射器１３は、図示の例では、送受信用放射器１３ａと、受信用放射器１３ｂの複数の放射器を備えている。送受信用放射器１３ａは、図７の（ａ）図に示すように、船上で衛星へ送信する信号を国際基準角度である０．２度以下で送信可能とするため、（ｂ）図に示すように、放送・通信衛星Ｅからのビーコン信号Ｂを楕円走査しながら受信し、検出器１３ｃとビーコン受信機１３ｄを介してビーコン信号Ｂのピーク位置を精度よく検出すると、その方向を計算により割り出して、送受信用放射器１３ａの衛星に対する方向を追尾させる。
【００２７】
この追尾は上記細調整機構１４と粗調整機構２４のそれぞれのサーボモータを駆動して船体の揺動の時間範囲内で所定角度以内となるように調整制御が行われ、その結果がモニター画面１３ｅ上に表示される。受信用放射器１３ｂは、他の衛星からの放送・通信信号を受信してモニター画面１３ｅに表示する。ただし、以上の調整は後述するように、下記の粗調整機構２４による粗調整と、細調整機構１４による細調整との２段階調整により行うことが出来る。
【００２８】
さらに、図６の（ｂ）図のブロック図に示すように（但し、図中では３軸のモータのうち１つをフィードバック制御する場合を代表させて示している）、水平安定部２０の水平安定制御部２５は、上記粗調整機構２４のピッチング角度に対応する仰角を調整するサーボモータ２４ｓｙによりピッチング軸を、ローリング角度に対応する水平角度を調整するサーボモータ２４ｓｘによりローリング軸を、又ヨーイングに対し振れ角を調整するサーボモータ２４ｓｚによりヨーイング軸をそれぞれの出力軸の定常偏差信号をフィードバック回路２５Ａ(ディジタル)により制御回路２５Ｃへフィードバックする。
【００２９】
そして離散型（ディジタル）の制御信号で制御する離散型ＰＩＤフィードバック制御に基づく信号により各駆動軸を駆動し、かつ各サーボモータ２４ｓｘ、２４ｓｙ、２４ｓｚの出力軸の出力偏差を検出するセンサ２４ｈ、ピッチング、ローリング角度に対して設定されたリミット角度を検出するリミットスイッチ（図示せず）の信号により制御する３軸の制御回路２５Ｃを備えている。
【００３０】
上記制御回路２５Ｃには、さらに水平安定部２０外の適宜位置に設置された船体のピッチング、ローリングを検出する光ファイバジャイロ方式の揺動検出センサ２５ｓの信号と、図示しない船体のヨーイング振れ角度を検出する船のジャイロコンパスからの船首方位を表す信号とに基づいてそれぞれの角度状態量の自己回帰モデル、最小ＡＩＣ法による演算回路を含む揺動予測制御回路２５Ｄからの揺動予測制御信号を付加する信号ラインが接続されている。又、図示していないが、上記船のジャイロコンパスの検出信号から衛星放送・通信用レンズアンテナ装置Ａの現在位置を検出し、この現在位置信号に基づいて上記制御回路２５Ｃや揺動予測制御回路２５Ｄにおける各種の演算が行われるようになっている。
【００３１】
揺動予測制御回路２５Ｄは、上述したように、角度状態量の自己回帰モデル、最小ＡＩＣ法による演算回路を含むものであるが、自己回帰モデルは状態量の時系列データを一般に｛ｘ（ｔ）｜t＝０，．．．，Ｎ−１｝とすると、ｍ次の前向き自己回帰モデルは、ｍ個前までのデータから現在の信号ｘ（ｌ）を線形予測するモデルであり、
ｘ（ｌ）＝Σａｍ（ｉ）ｘ（ｌ−ｉ）＋εｆｍ（ｌ）              （１）
の式で定義される。ここで、ａｍ（ｉ）ｍｉ＝１及びεｆｍ（ｌ）は、それぞれ前向き自己回帰係数及び前向き予測誤差である。
【００３２】
上記一般式による線形予測モデルに対して船体の揺動に適合するモデルとして、この実施形態の船体の揺動モデルＡＲ（Auto Regressive Model）は、以下の式で表される統計モデルである。
ｘ（n）＝a(1)x(n-1)+a(2)x(n-2)+・・・+a(M)x(n-M)+v(n)        （２）
ここで、ｘ（n）は時刻ｎにおける船体の揺動Ｍは、最小ＡＩＣ法で求めた次数である。ａ（Ｍ）は自己回帰係数、ｖ（ｎ）は予測誤差である。
【００３３】
図９は上記数式（２）、最小ＡＩＣ法を用いて求めたコンテナ船の横揺れの予測結果であり、６１０秒近くまでのデータを用いて最小ＡＩＣ法を適用してＡＲモデルを構成し、その先を２０秒間(６３０秒まで)に亘って予測した結果であり、予測曲線に対して測定された横揺れデータの角度誤差、時間誤差(位相遅れ)は、所定以下の値を示しており、横揺れのデータは十分な精度で船体運動を予測している。なお、図中の波形は、ａ−予測誤差の上限、ｂ−横揺れの予測、ｃ−予測誤差の下限である。従って、上記（２）式で表される揺動モデルＡＲが船体運動を表すモデルとして適合することが理解される。
【００３４】
上記揺動モデルＡＲと最小ＡＩＣ法による制御アルゴリズムの演算は、図８に示すフローチャートに従って測定データに基づいて行われる。図示のように、ステップＳ１で揺動検出センサ２５ｓからの船体のピッチング、ローリングの測定データ、船のジャイロコンパスからの船首方位の測定データが揺動予測制御回路２５Ｄに入力されると、次にＳ２で揺動モデルＡＲの演算が行われる。この演算では（２）式における自己回帰係数ａ（Ｍ）、予測誤差ｖ（ｎ）な数値が計算され、その測定時のモデルが設定され、Ｓ３で最小ＡＩＣ法による演算が行われ、モデルの係数、誤差が実際の船体運動の変化に最も近い状態となる値を計算で求める。
【００３５】
さらに、Ｓ４では下記の２次補間公式により予測値を補正する。補間の公式の図式的な関係を図１０に示す。
ｆ（ｘ）＝ｆ０＋ｒΔｆ０＋[ｒ（ｒ−１）/2]Δ２ｆ０，
ｒ＝（ｘ−ｘ０）/h，０≦ｒ≦２，
Δ２ｆ０＝Δｆ１−Δｆ０，＝ｆ２−２ｆ０＋ｆ１，
Δｆ０＝ｆ１−ｆ０，  Δｆ１＝ｆ２−ｆ１
以上の公式による予測値の補正が行われると、その予測値が測定されたデータから想定される揺動モデルＡＲに適合するかをＳ５で判断し、適合しないときはＳ２に戻り上記演算を繰り返す。
【００３６】
Ｓ５での判断が適正と判断されると、Ｓ６でその予測信号を出力し、この制御信号の生成を繰り返す。Ｓ５での判断においては、次のような手順で揺動モデルＡＲの更新を行いそれぞれの揺動モデルＡＲの適合性を判断する。
ＡＩＣ１＝（ｎ＋ｍ）ｌｏｇσ１２                更新モデル
ＡＩＣ２＝ｎｌｏｇσ２２＋２（Ｋ０＋Ｋ２＋２）    併合モデル
ＡＩＣ１<ＡＩＣ２                               更新モデル採用
ＡＩＣ１>ＡＩＣ２                               併合モデル採用
以上の判断基準で更新モデルと併合モデルとの測定データに対する適合性を判断して次々とモデルを更新し、揺動予測制御が行われる。
【００３７】
また、上記船体の揺動予測制御のアルゴリズムを演算する場合、船体揺動の時間的変化に対して所定のサンプリング周期でデータが測定されているが、そのデータの所定間隔Ｔ１毎に採用された揺動モデルＡＲの設定に対して、さらにその時間間隔を大きく定めた所定のバッチ処理時間間隔Ｔ２でバッチ処理するようにして揺動モデルＡＲを更新させる。この揺動予測制御信号を用いてその船体の運動を先読みし、アクチュエータとしてのサーボモータ２４ｓｘ、２４ｓｙ、２４ｓｚの追従時間遅れの時間分を先行出力して、より水平度の維持精度を向上させる。
【００３８】
上記の構成としたこの実施形態の衛星放送・通信用レンズアンテナ装置Ａは、レンズアンテナ部１０と水平安定部２０のそれぞれの制御部からの制御信号により制御が行われる。この場合、アンテナ制御部１５は、従来のレンズアンテナ装置と同様に、衛星から走査して受信したビーコン信号に基づいて放射器１３の方位、仰角状態を調整する細調整機構１４を介して上述したような衛星に対する方位、角度の細調整を行う。しかし、この細調整は、上述した粗調整機構２４による粗調整をすることが前提である。
【００３９】
粗調整機構２４による船の揺動に対する粗調整は、細調整機構１４による細調整と並行して、船体のピッチング、ローリングを検出する光ファイバジャイロ方式の揺動検出センサ２５ｓの信号と、船のジャイロコンパスからの船首方位を表す信号と、船体の現在位置を表すジャイロコンパスからの現在位置信号から、３軸のサーボモータ２４ｓｘ、２４ｓｙ、２４ｓｚにフィードバック回路２５Ａからのフィードバック信号と、揺動予測制御回路２５Ｄの上述した揺動予測制御信号を入力して行われる。
【００４０】
この場合、図１１に示すように、例えば船体Ｓが（ａ）図のように水平状態から、（ｂ）図のように水平方向に対してー１０度傾斜した場合、水平安定部２０の揺動安定台２１ａを粗調整機構２４のジンバル機構により１０度逆振幅・同位相で傾斜させると、結果的に水平安定部２０が水平に保持される。このとき、船体の揺動に対して水平安定部２０の追尾動作に時間的な遅れが生じると水平安定部２０を水平に保持することができない。しかし、所定時間間隔(サンプリング時間)Ｔ１(この例では０．５秒)で作成された上記揺動モデルＡＲを用いて制御した場合、十分な水平安定度が得られている。
【００４１】
上記粗調整機構２４による調整結果の一例として、図１２に練習船汐路丸の通常航海時に測定した（ａ）ローリング、（ｂ）ピッチング、（ｃ）ヨーの船体揺動角度の目標値誤差データを示す。図中で１６０秒付近を境(一点鎖線より以降)にローリング角度、ピッチング角度、ヨーイング角度について目標値誤差が減少していることが分かる。この場合、ローリングとピッチングのデータは、所定時間間隔Ｔ１（０．５秒）で測定され、１ステップ（５０ｍｓｅｃ）先の予測時間間隔での予測データを入力することにより制御を行い、この目標値誤差データをスペクトラム解析した結果、練習船汐路丸の固有周期の周波数に誤差データの周波数成分が集中し、船体の揺動に対して十分な精度で追尾していることが分かった。
【００４２】
一方、ヨーに対してはローリング、ピッチングについての予測時間間隔での予測データの挿入では、予測時間間隔が短すぎる（図１３の(ａ）図参照）ことを見出した。このため、ヨーの角度信号については、図１３の(ｂ)図に示すように、２ステップ（１００ｍｓｅｃ）先まで予測時間間隔を長くする予測制御信号を制御回路２５Ｃに入力してシミュレーションしたところ、図１３の(ｃ)図に示すように、船体のヨー角度の変化（１２０〜−１０）に対してヨー角度の誤差データは約１秒後にはほぼゼロとなり、この状態が持続することが分かった。
【００４３】
以上のように、粗調整機構２４による粗調整と細調整機構１４による細調整の制御を行うことにより衛星に対する方位、仰角を含む設定角度の精度を要求精度０．５度以下の誤差を上回る精度（最大誤差０．３度以下）で角度状態を保持できる。以上の測定結果から、この実施形態の衛星放送・通信用レンズアンテナ装置では、上記２段制御をする際に、ローリング、ピッチングについては、１ステップ先の揺動予測制御信号を送信し、ヨー角度については、２ステップ先の揺動予測制御信号を送信することにより国際基準である０．２度以下の角度誤差範囲内でも十分な精度で水平角度状態を保持できることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
この発明の衛星放送・通信用レンズアンテナ装置は、電波を集束する半球状のルーネベルグレンズ、反射板、アンテナ素子を含む放射器、及び方位・仰角を含む角度状態を駆動・調整する細調整機構を有するレンズアンテナ部と、その下部にアクティブ・ジンバル方式の粗調整機構を有する水平安定部を設け、水平安定部において船体の大角度の揺動・周期に対応して衛星との受信時に必要な角度精度範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部を保持するように粗調整機構を介して水平安定部を制御し、レンズアンテナ部の細調整機構により可能な範囲内の所定角度以下にレンズアンテナ部を制御するものであり、船舶の運行管理や衛星放送との送受信において、Ｋｕバンド等のブロードバンド帯域でのリアルタイムの画像、音声通信を移動体である船舶と衛星間で行うのに広く使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施形態の衛星放送・通信用レンズアンテナ装置Ａの全体外観正面図
【図２】図１の矢視II−IIからの側面図
【図３】図１の矢視III−IIIからの平面図
【図４】粗調整機構の支持板のみを取り出して図示した模式図
【図５】図４の矢視Ｖから見た粗調整機構の外観写真
【図６】（ａ）アンテナ制御部のブロック図、（ｂ）水平安定部の水平安定制御部のブロック図
【図７】（ａ）衛星への送信信号制限角度の説明図、（ｂ）受信信号の走査方法の説明図
【図８】水平安定制御部の揺動予測制御回路による予測制御信号の生成プログラムのフローチャート
【図９】船体の一揺動モデルＡＲに揺動予測制御を実施した例の測定結果の変化曲線
【図１０】予測値補間法の説明図
【図１１】粗調整機構による船体と粗調整機構との角度変化を説明する模式図
【図１２】船体揺動の(ａ)ローリング角についての調整後の目標値誤差データ、（ｂ）ピッチング角についての調整後の目標値誤差データ、（ｃ）ヨー角度についての調整後の目標値誤差データを示す図
【図１３】ヨー角度の（ａ）１ステップ先の予測制御信号による変化曲線、（ｂ）２ステップ先の予測制御信号による変化曲線、（ｃ）２ステップ先の制御信号入力による制御結果の変化曲線をそれぞれ表す図
【符号の説明】
【００４６】
１０      レンズアンテナ部
１１      ルーネベルグレンズ
１２      反射板
１３      放射器
１３ａ    送受信用放射器
１３ｂ    受信用放射器
１３ｃ    検出器
１３ｄ    ビーコン受信機
１４      細調整機構
１４ｓｒ、１４ｓｔ  サーボモータ
１５      アンテナ制御部
１６      支持機構
１７      基板
１８      レドーム
２０      水平安定部
２０Ｂ    ジンバル機構ボックス
２１      プラットホーム
２１ａ    揺動安定台
２２      ターンテーブル
２２ａ    取付けアーム
２３ａ    仰角支持調整板
２３ｂ    仰角支持調整板
２３ｃ    テーブル回転機構
２４      粗調整機構
２４ｖｈ  仰角・水平調整機構
２４ｄｃｔ  方位調整機構
２４ｓｘ、２４ｓｙ、２４ｓｚ  サーボモータ
２４ｈ    センサ
２５      水平安定制御部
２５Ａ    フィードバック回路
２５Ｃ    制御回路
２５Ｄ    揺動予測制御回路
Ａ        衛星放送・通信用レンズアンテナ装置
Ｂ        ビーコン信号
Ｓ        船体
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図５】
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