(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信相手からの電波を受信して受信信号を生成するアンテナと、前記アンテナが向く方向である指向方向を変更可能に前記アンテナを支持するアンテナ架台と、前記アンテナ架台を駆動して前記指向方向を変更するアンテナ架台駆動部と、前記通信相手からの電波が到来する方向である到来方向を前記指向方向が追尾するように前記アンテナ架台駆動部を制御する追尾制御装置であって、
ある時点の前記指向方向を前記通信相手の予測軌道上の一点に対応付けて、その時点以降の前記指向方向を前記予測軌道にしたがって変化させる軌道である追尾軌道を前記予測軌道に基づき生成する追尾軌道生成部と、
前記追尾軌道を表す天球上の１個の点である基準天球点と前記指向方向との差である指向操作量の時間推移を表す操作シナリオを、前記受信信号の強度である信号強度の平均値を標準偏差で割った値であるレベル変動比に基づき生成する操作シナリオ生成部と、
前記操作シナリオにしたがって前記指向操作量が変化または静止する期間の少なくとも一部の期間で、前記受信信号を受信した際の前記指向操作量と前記信号強度とを含む方向強度ペアを生成する方向強度ペア生成部と、
前記追尾軌道と前記到来方向との差である指向方向誤差を、異なる前記指向操作量を含む少なくとも３個の前記方向強度ペアから求める指向方向誤差算出部と、
前記指向方向誤差に基づき前記追尾軌道を修正する追尾軌道修正部と
前記追尾軌道および前記操作シナリオにしたがって前記指向方向が変化するように前記アンテナ架台駆動部を制御する駆動制御部とを備えた追尾制御装置。
【請求項２】
前記操作シナリオで変更される前記指向操作量の大きさの基準となる角度である操作基準角を前記レベル変動比の増加に対して前記操作基準角が単調非増加になるように計算する角度幅計算部を備え、
前記操作シナリオにより前記基準天球点に対して変化または静止する前記指向操作量を天球上で表した軌跡を操作天球軌跡とし、前記操作天球軌跡の少なくとも一部を含む天球上の最小の凸な範囲を操作天球範囲とし、
前記操作シナリオ生成部が、前記操作天球範囲の最大の幅である最大幅が前記操作基準角に応じて決められた最大幅下限角以上である前記操作シナリオを生成する、
請求項１に記載の追尾制御装置。
【請求項３】
前記角度幅計算部は、前記指向方向誤差算出部で求める前記指向方向誤差の精度が決められた基準精度以下となる前記操作基準角を決める、
請求項２に記載の追尾制御装置。
【請求項４】
前記方向強度ペア生成部が、前記操作シナリオにしたがって前記指向操作量が変化または静止する期間の少なくとも一部の期間であるシナリオ計測期間において、決められた長さの単位期間に受信した前記受信信号の前記信号強度と前記単位期間での前記指向操作量とを含む前記方向強度ペアを生成し、
前記指向方向誤差算出部が、仮定するアンテナパターンと仮定する前記指向方向誤差とから前記方向強度ペアに含まれる前記指向操作量において推定する前記信号強度である推定信号強度を推定し、前記方向強度ペアに含まれる前記信号強度と前記推定信号強度との差の二乗の前記方向強度ペアについての和が最小になる前記指向方向誤差を決め、
前記操作天球範囲を、前記方向強度ペアに含まれる前記指向操作量に対応する天球上の点である計測天球点をすべて含む天球上の最小の凸な範囲に決める、
請求項２または請求項３に記載の追尾制御装置。
【請求項５】
前記操作シナリオ生成部が、前記最大幅をとる天球上の方向である最大幅天球方向と前回の前記操作シナリオでの前記最大幅天球方向との間の天球上の角度が交差下限角以上であり、かつ前記最大幅天球方向と直交する天球上の方向である最大幅直交天球方向での前記操作天球範囲の幅で前記最大幅を割った値である扁平率が扁平率下限値以上である前記操作シナリオを生成し、
前記指向方向誤差算出部が、前記最大幅天球方向と一致するか前記最大幅直交天球方向よりも前記最大幅天球方向に近く決められた天球上の方向での前記指向方向誤差を算出する、
請求項４に記載の追尾制御装置。
【請求項６】
前記操作シナリオ生成部が、仰角方向での前記操作天球範囲の幅を方位角方向での前記操作天球範囲の幅で割った値が前記扁平率下限値以上である前記操作シナリオと、方位角方向での前記操作天球範囲の幅を仰角方向での前記操作天球範囲の幅で割った値が前記扁平率下限値以上である前記操作シナリオとを交互に生成する、
請求項５に記載の追尾制御装置。
【請求項７】
前記操作シナリオ生成部が、前記最大幅天球方向に前記計測天球点の分布の偏りがない前記操作シナリオを生成する、
請求項５または請求項６に記載の追尾制御装置。
【請求項８】
前記操作シナリオ生成部が、前記最大幅をとる天球上の方向である最大幅天球方向と直交する天球上の方向である最大幅直交天球方向での前記操作天球範囲の幅である最大直交幅が前記操作基準角に応じて決められた最大直交幅下限角以上である前記操作シナリオを生成する、
請求項４に記載の追尾制御装置。
【請求項９】
前記操作シナリオ生成部が、前記最大直交幅を前記最大幅で割った値である真円率が最小真円率以上である前記操作シナリオを生成する、
請求項８に記載の追尾制御装置。
【請求項１０】
前記操作シナリオ生成部が、前記最大幅天球方向に前記計測天球点の分布の偏りがなく、かつ、前記最大幅直交天球方向に前記計測天球点の分布の偏りがない前記操作シナリオを生成する、
請求項８または請求項９に記載の追尾制御装置。
【請求項１１】
前記シナリオ計測期間の長さが、前記レベル変動比の減少に対して単調非減少になるように計算するシナリオ計測時間計算部をさらに備えた、
請求項４から請求項１０の何れか１項に記載の追尾制御装置。
【請求項１２】
前記操作シナリオにしたがって前記指向操作量が変化または静止する期間の少なくとも一部の期間であるシナリオ計測期間の長さが、前記レベル変動比の減少に対して単調非減少になるように計算するシナリオ計測時間計算部をさらに備え、
前記方向強度ペア生成部が、前記シナリオ計測期間において決められた長さの単位期間に受信した前記受信信号の前記信号強度と前記単位期間での前記指向操作量とを含む前記方向強度ペアを生成し、
前記指向方向誤差算出部が、仮定するアンテナパターンと仮定する前記指向方向誤差とから前記方向強度ペアに含まれる前記指向操作量において推定する前記信号強度である推定信号強度を推定し、前記方向強度ペアに含まれる前記信号強度と前記推定信号強度との差の二乗の前記方向強度ペアについての和が最小になる前記指向方向誤差を決め、
前記操作シナリオにより前記基準天球点に対して変化または静止する前記指向操作量を天球上で表した軌跡を操作天球軌跡とし、前記シナリオ計測期間で作成される前記方向強度ペアに含まれる前記指向操作量に対応する天球上の点である計測天球点をすべて含む天球上の最小の凸な範囲を操作天球範囲とし、
前記操作シナリオ生成部が、前記レベル変動比によらずに決められた操作基準角に基づく幅を有する前記操作天球範囲になる操作シナリオを生成する、
請求項１に記載の追尾制御装置。
【請求項１３】
前記シナリオ計測時間計算部は、前記指向方向誤差算出部で求める前記指向方向誤差の精度が決められた基準精度以下となるように前記シナリオ計測期間の長さを決める、
請求項１１または請求項１２に記載の追尾制御装置。
【請求項１４】
前記追尾軌道修正部が修正した前記追尾軌道に前記指向方向が変化する軌道である遷移軌道を生成する遷移軌道生成部をさらに備え、
前記駆動制御部が、前記遷移軌道にもしたがって前記指向方向が変化するように前記アンテナ架台駆動部を制御し、
前記操作シナリオ生成部が、前記遷移軌道にしたがって前記指向方向が変化する期間が前記シナリオ計測期間に含まれる前記操作シナリオを生成する、
請求項４から請求項１３の何れか１項に記載の追尾制御装置。
【請求項１５】
前記操作シナリオ生成部が、前記操作天球軌跡において静止時間以上の長さの期間で静止する天球上の点であり、かつその点に静止する期間の前記受信信号から前記方向強度ペアが生成される操作時天球点が少なくとも２個ある前記操作シナリオを生成し、
前記方向強度ペア生成部が、前記基準天球点または前記操作時天球点に静止する期間での前記信号強度の平均値を前記方向強度ペアの前記信号強度として前記方向強度ペアを生成し、
前記操作天球範囲が、前記方向強度ペアが生成される前記基準天球点または前記操作時天球点である計測天球点をすべて含む天球上の最小の凸な範囲であり、前記最大幅をとる天球上の方向を最大幅天球方向とし、
前記最大幅を決める前記計測天球点からの天球上の距離の前記最大幅天球方向の成分が前記操作基準角に応じて決められた操作下限角以上である前記計測天球点が存在する、
請求項２または請求項３に記載の追尾制御装置。
【請求項１６】
前記レベル変動比の減少に対して前記静止時間が単調非減少になるように計算する静止時間算出部をさらに備えた、
請求項１５に記載の追尾制御装置。
【請求項１７】
前記操作シナリオにより前記基準天球点に対して変化または静止する前記指向操作量を天球上で表した軌跡を操作天球軌跡とし、前記操作天球軌跡の少なくとも一部を含む天球上の最小の凸な範囲を操作天球範囲とし、
前記操作シナリオ生成部が、前記レベル変動比によらずに決められた操作基準角に基づく幅を有する前記操作天球範囲になり、かつ前記操作天球軌跡において静止時間以上の長さの期間で静止する天球上の点でありかつその点に静止する期間の前記受信信号から前記方向強度ペアが生成される操作時天球点が少なくとも２個ある前記操作シナリオを生成し、
前記レベル変動比の減少に対して前記静止時間が単調非減少になるように計算する静止時間算出部をさらに備え、
前記方向強度ペア生成部が、前記基準天球点または前記操作時天球点に静止する期間での前記信号強度の平均値を前記方向強度ペアの前記信号強度として前記方向強度ペアを生成し、
前記操作天球範囲を前記方向強度ペアが生成される前記基準天球点または前記操作時天球点である計測天球点をすべて含む天球上の最小の凸な範囲とし、前記操作天球範囲の最大の幅である最大幅をとる天球上の方向を最大幅天球方向とし、
前記最大幅を決める前記計測天球点からの天球上の距離の前記最大幅天球方向の成分が前記操作基準角に応じて決められた操作下限角以上である前記計測天球点が存在する、
請求項１に記載の追尾制御装置。
【請求項１８】
前記静止時間算出部は、前記指向方向誤差算出部で求める前記指向方向誤差の精度が決められた基準精度以下となる前記静止時間を決める、
請求項１６または請求項１７に記載の追尾制御装置。
【請求項１９】
前記操作シナリオ生成部が、前記方向強度ペアが生成される前記基準天球点から方位角を同じ角度だけ減少または増加させる２個の前記操作時天球点を有する前記操作シナリオ、前記基準天球点から仰角を同じ角度だけ減少または増加させる２個の前記操作時天球点を有する前記操作シナリオを交互に生成し、
前記指向方向誤差算出部が、方位角方向での前記指向方向誤差と仰角方向での前記指向方向誤差とを交互に算出する、
請求項１５から請求項１８の何れか１項に記載の追尾制御装置。
【請求項２０】
前記操作シナリオ生成部が、前記方向強度ペアが生成される前記基準天球点から方位角を同じ角度だけ減少または増加させる２個の前記操作時天球点と、前記基準天球点から仰角を同じ角度だけ減少または増加させる２個の前記操作時天球点とが存在する前記操作シナリオを生成する、
請求項１５から請求項１８の何れか１項に記載の追尾制御装置。
【請求項２１】
前記指向方向誤差算出部が、仮定するアンテナパターンと仮定する前記指向方向誤差とから前記方向強度ペアに含まれる前記指向操作量において推定する前記信号強度である推定信号強度を推定し、前記方向強度ペアに含まれる前記信号強度と前記推定信号強度との差の二乗の前記方向強度ペアについての和が最小になる前記指向方向誤差を決める、
請求項１５から請求項１８の何れか１項に記載の追尾制御装置。
【請求項２２】
前記操作シナリオ生成部が、前記最大幅天球方向と前回の前記操作シナリオでの前記最大幅天球方向との間の天球上の角度が交差下限角以上であり、かつ前記最大幅天球方向と直交する天球上の方向である最大幅直交天球方向での前記操作天球範囲の幅で前記最大幅を割った値である扁平率が扁平率下限値以上である前記操作シナリオを生成し、
前記指向方向誤差算出部が、前記最大幅天球方向と一致するか前記最大幅直交天球方向よりも前記最大幅天球方向に近く決められた天球上の方向での前記指向方向誤差を算出する、
請求項２１に記載の追尾制御装置。
【請求項２３】
前記操作シナリオ生成部が、前記最大幅天球方向と直交する天球上の方向である最大幅直交天球方向での前記操作天球範囲の幅である最大直交幅が前記操作基準角に応じて決められた最大直交幅下限角以上であり、かつ前記最大直交幅を決める前記計測天球点からの天球上の距離の前記最大幅直交天球方向の成分が前記操作基準角に応じて決められた副操作下限角以上である前記計測天球点が存在する前記操作シナリオを生成する、
請求項２１に記載の追尾制御装置。
【請求項２４】
前記レベル変動比がレベル変動比下限値以下および前記基準天球点にある時に受信した前記受信信号の前記信号強度である基準信号強度が強度下限値以下の何れか少なくとも一つが成立する条件である低レベル変動比低強度条件が成立する場合には、前記角度幅計算部が前記操作基準角として前記レベル変動比によらずに決められた固定操作基準角を出力する、
請求項２から請求項５、請求項１５、請求項１６の何れか１項に記載の追尾制御装置。
【請求項２５】
前記指向方向誤差算出部が算出した前記指向方向誤差の使用の可否を判断する指向方向誤差評価部と、
前記指向方向誤差評価部が前記指向方向誤差を使用不可と判断する場合に、前記基準天球点にある時に受信した前記受信信号の前記信号強度である基準信号強度と前記方向強度ペアに基づき、前記信号強度が増加する前記基準天球点から変化する天球上の方向である増加天球方向を決める増加天球方向決定部とをさらに備え、
前記追尾軌道修正部が、前記指向方向誤差評価部が前記指向方向誤差を使用不可と判断する場合に、前記レベル変動比によらずに決められた天球上の距離である移動基準角だけ前記増加天球方向に前記基準天球点が移動するように前記追尾軌道を修正し、使用不可と判断しない場合に、前記指向方向誤差に基づき前記追尾軌道を修正する、
請求項１から請求項２４の何れか１項に記載の追尾制御装置。
【請求項２６】
通信相手からの電波を受信して受信信号を生成するアンテナと、前記アンテナが向く方向である指向方向を変更可能に前記アンテナを支持するアンテナ架台と、前記アンテナ架台を駆動して前記指向方向を変更するアンテナ架台駆動部と、前記通信相手からの電波が到来する方向である到来方向を前記指向方向が追尾するように前記アンテナ架台駆動部を制御する追尾制御装置であって、
ある時点の前記指向方向を前記通信相手の予測軌道上の一点に対応付けて、その時点以降の前記指向方向を前記予測軌道にしたがって変化させる軌道である追尾軌道を前記予測軌道に基づき生成する追尾軌道生成部と、
前記追尾軌道を表す天球上の１個の点である基準天球点と前記指向方向との差である指向操作量の時間推移を表す操作シナリオを生成する操作シナリオ生成部と、
前記操作シナリオにしたがって前記指向操作量が変化または静止する期間の少なくとも一部の期間で、前記受信信号を受信した際の前記指向操作量と前記受信信号の強度である信号強度とを含む方向強度ペアを生成する方向強度ペア生成部と、
前記追尾軌道と前記到来方向との差である指向方向誤差を、異なる前記指向操作量を含む少なくとも３個の前記方向強度ペアから求める指向方向誤差算出部と、
前記指向方向誤差算出部が算出した前記指向方向誤差の使用の可否を判断する指向方向誤差評価部と、
前記指向方向誤差評価部が前記指向方向誤差を使用不可と判断する場合に、前記基準天球点にある時に受信した前記受信信号の前記信号強度である基準信号強度と前記方向強度ペアに基づき、前記信号強度が増加する前記基準天球点から変化する天球上の方向である増加天球方向を決める増加天球方向決定部と、
前記指向方向誤差評価部が前記指向方向誤差を使用不可と判断する場合に、前記信号強度の低下が許容可能な大きさに決められた天球上の距離である移動基準角だけ前記増加天球方向に前記基準天球点が移動するように前記追尾軌道を修正し、使用不可と判断しない場合に、前記指向方向誤差に基づき前記追尾軌道を修正する追尾軌道修正部と、
前記追尾軌道および前記操作シナリオにしたがって前記指向方向が変化するように前記アンテナ架台駆動部を制御する駆動制御部とを備えた追尾制御装置。
【請求項２７】
前記操作シナリオにより前記基準天球点に対して変化または静止する前記指向操作量を天球上で表した軌跡を操作天球軌跡とし、前記操作天球軌跡の少なくとも一部を含む天球上の最小の凸な範囲を操作天球範囲とし、
前記信号強度の平均値を標準偏差で割った値であるレベル変動比がレベル変動比下限値以下および前記基準信号強度が強度下限値以下の何れか少なくとも一つが成立する条件である低レベル変動比低強度条件が成立する場合に、前記操作シナリオ生成部が、前記操作天球範囲が最大の幅をとる方向である最大幅天球方向の前記操作天球範囲の幅である最大幅が前記信号強度の低下が許容可能な大きさであるような前記操作シナリオを生成する、
請求項２６に記載の追尾制御装置。
【請求項２８】
前記レベル変動比がレベル変動比下限値以下および前記追尾軌道にある時に受信した前記受信信号の前記信号強度である基準信号強度が強度下限値以下の何れか少なくとも一つが成立する条件である低レベル変動比低強度条件が成立する場合に、前記基準天球点から前記信号強度の低下が許容可能な大きさに決められた探査基準角に基づき決められた天球上の距離だけ離れた天球上の点であり、その天球上の点の前記指向操作量を含む前記方向強度ペアを生成する少なくとも１個の探査天球点が存在する、前記指向操作量の時間推移を表す探査シナリオを生成する探査シナリオ生成部と、
前記低レベル変動比低強度条件が成立する場合に、前記基準信号強度と前記探査天球点で生成された前記方向強度ペアに基づき、前記信号強度が増加する前記基準天球点から変化する天球上の方向である増加天球方向を決める増加天球方向決定部とをさらに備え、
前記駆動制御部が、前記探査シナリオにもしたがって前記指向方向が変化するように前記アンテナ架台駆動部を制御し、
前記追尾軌道修正部が、前記低レベル変動比低強度条件が成立する場合に、前記レベル変動比によらずに決められた天球上の距離である移動基準角だけ前記増加天球方向に前記基準天球点が移動するように前記追尾軌道を修正し、前記低レベル変動比低強度条件が成立しない場合に、前記指向方向誤差に基づき前記追尾軌道を修正する、
請求項１から請求項２３の何れか１項に記載の追尾制御装置。
【請求項２９】
通信相手からの電波を受信して受信信号を生成するアンテナと、前記アンテナが向く方向である指向方向を変更可能に前記アンテナを支持するアンテナ架台と、前記アンテナ架台を駆動して前記指向方向を変更するアンテナ架台駆動部と、前記通信相手からの電波が到来する方向である到来方向を前記指向方向が追尾するように前記アンテナ架台駆動部を制御する追尾制御装置であって、
ある時点の前記指向方向を前記通信相手の予測軌道上の一点に対応付けて、その時点以降の前記指向方向を前記予測軌道にしたがって変化させる軌道である追尾軌道を前記予測軌道に基づき生成する追尾軌道生成部と、
前記追尾軌道を表す天球上の１個の点である基準天球点と前記指向方向との差である指向操作量の時間推移を表す探査シナリオを生成する探査シナリオ生成部と、
前記探査シナリオにしたがって前記指向操作量が変化または静止する期間の少なくとも一部の期間で、前記受信信号の強度である信号強度とその前記受信信号を受信した際の前記指向操作量とを含む方向強度ペアを生成する方向強度ペア生成部と、
前記基準天球点にある時に受信した前記受信信号の前記信号強度である基準信号強度と、前記信号強度の低下が許容可能な大きさに決められた探査基準角に基づき決められた天球上の距離だけ前記基準天球点から離れた天球上の点である探査天球点の前記指向操作量を含む少なくとも１個の前記方向強度ペアとに基づき、前記信号強度が増加する前記基準天球点から変化する天球上の方向である増加天球方向を決める増加天球方向決定部と、
前記信号強度の低下が許容可能な大きさに決められた天球上の距離である移動基準角だけ前記増加天球方向に前記基準天球点が移動するように前記追尾軌道を修正する追尾軌道修正部と、
前記追尾軌道および前記探査シナリオにしたがって前記指向方向が変化するように前記アンテナ架台駆動部を制御する駆動制御部とを備えた追尾制御装置。
【請求項３０】
前記信号強度の平均値を標準偏差で割った値であるレベル変動比がレベル変動比下限値以下および前記基準信号強度が強度下限値以下の何れか少なくとも一つが成立する条件である低レベル変動比低強度条件が成立しない場合に、前記指向操作量の時間推移を表す操作シナリオを生成する操作シナリオ生成部と、
前記追尾軌道と前記到来方向との差である指向方向誤差を、前記操作シナリオにしたがって前記指向操作量が変化または静止する期間の少なくとも一部の期間で生成された、異なる前記指向操作量を含む少なくとも３個の前記方向強度ペアから求める指向方向誤差算出部とを備え、
前記駆動制御部は、前記操作シナリオにもしたがって前記指向方向が変化するように前記アンテナ架台駆動部を制御し、
前記低レベル変動比低強度条件が成立する場合に、前記探査シナリオ生成部が前記探査シナリオを生成し、前記増加天球方向決定部が前記増加天球方向を決め、
前記追尾軌道修正部が、前記低レベル変動比低強度条件が成立する場合に、前記移動基準角だけ前記増加天球方向に前記基準天球点が移動するように前記追尾軌道を修正し、前記低レベル変動比低強度条件が成立しない場合に、前記指向方向誤差に基づき前記追尾軌道を修正する、
請求項２９に記載の追尾制御装置。
【請求項３１】
前記探査シナリオ生成部が、前記基準天球点から前記探査天球点に向かう方向である探査天球方向が前回の前記探査シナリオの前記探査天球方向との間の天球上の角度が交差下限角以上であるような前記探査シナリオを生成し、
前記増加天球方向決定部が、前記探査天球点で生成した前記方向強度ペアに含まれる前記信号強度と前記基準信号強度を比較して、前記探査天球方向に基づき前記増加天球方向を決める、
請求項２８から請求項３０の何れか１項に記載の追尾制御装置。
【請求項３２】
前記探査シナリオ生成部が、天球上の第１の方向に少なくとも１個の前記探査天球点と、前記第１の方向との間の天球上の角度が交差下限角より大きい第２の方向に少なくとも１個の前記探査天球点とが存在する探査シナリオを生成し、
前記増加天球方向決定部が、前記探査天球点で生成した前記方向強度ペアに含まれる前記信号強度と前記基準信号強度を比較して、前記第１の方向および前記第２の方向に基づき前記増加天球方向を決める、
請求項２８から請求項３０の何れか１項に記載の追尾制御装置。
【請求項３３】
前記通信相手からの信号を受信していない場合の雑音の強度である背景雑音強度を決める背景雑音強度決定部と、
前記背景雑音強度を考慮して前記信号強度を計測する信号強度計測部とをさらに備えた、
請求項１から請求項３２の何れか１項に記載の追尾制御装置。
【請求項３４】
前記指向方向誤差から速度誤差を求める速度誤差計算部をさらに備え、
前記指向方向が前記速度誤差にもしたがって変化するように構成されている、
請求項１から請求項２８、請求項３０の何れか１項に記載の追尾制御装置。
【請求項３５】
前記駆動制御部が、前記速度誤差にもしたがって前記指向方向が変化するように前記アンテナ架台駆動部を制御する、
請求項３４に記載の追尾制御装置。
【請求項３６】
前記追尾軌道修正部が、前記速度誤差にも基づき前記追尾軌道を修正する、
請求項３４に記載の追尾制御装置。
【請求項３７】
通信相手からの電波を受信して受信信号を生成するアンテナと、
前記アンテナが向く方向である指向方向を変更可能に前記アンテナを支持するアンテナ架台と、
前記アンテナ架台を駆動して前記指向方向を変更するアンテナ架台駆動部と、
前記通信相手からの電波が到来する方向である到来方向を前記指向方向が追尾するように前記アンテナ架台駆動部を制御する請求項１から請求項３６の何れか１項に記載の追尾制御装置とを備えた追尾アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、通信相手と通信するためにアンテナが通信相手を追尾するように制御する追尾制御装置および追尾アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
深宇宙に存在する探査機からの電波は、人工衛星からの電波と比較して非常に微弱である。これは、探査機と地球との距離が、人工衛星の数１０倍から１０００倍を越える場合があるからである。深宇宙は、電波法施行規則での定義によれば、地球からの距離が２００万ｋｍ以上である宇宙である。探査機が対象とする小惑星などは、地球から数千万ｋｍの距離に存在する。これに対して、人工衛星は、例えば静止軌道上にある場合は、高度約３．６万ｋｍである。
【０００３】
探査機と通信する場合には、微弱な電波を受信する必要があり、強力な電波を高い指向性を持たせて送信する必要がある。そのために、口径が大きい大口径アンテナおよび低雑音の受信系を使用する必要がある。探査機とアンテナの指向方向の角度誤差を検出するために、別にアンテナおよび受信系を設ける方法は、雑音温度が上昇するので探査機の追尾には適用できない。
【０００４】
アンテナの指向方向の誤差を求めるために、５点法と呼ばれる方法が使用される(例えば、非特許文献１参照)。５点法は、追尾時の電波状況などにより探査機の予測軌道を修正した追尾軌道からアンテナの指向方向を決められた角度だけ変化させ、追尾軌道を表す１点(基準点)と変化させた４点の合計５点に決められた計測期間以上とどまり、その間の受信信号の信号強度を計測する。指向方向を変化させる４点は、方位角を同じ角度だけ減少または増加させた２点と、仰角を同じ角度だけ減少または増加させた２点である。方位角を増減させた２点と基準点で計測した信号強度を、指向方向に対する信号強度の変化をガウス関数で近似するアンテナパターンにあてはめて、ガウス関数がピークになる方位角を求める。仰角を増減させた２点と基準点で計測した信号強度をアンテナパターンにあてはめて、ガウス関数がピークになる仰角を求める。ガウス関数がピークになる方位角および仰角と現在の指向方向との差を、指向方向誤差とする。算出された指向方向誤差に応じて追尾軌道を変更し、変更した追尾軌道になるようにアンテナの指向方向を変化させる。５点法は、電波状況などの変化に対応するため、繰り返し実行される。指向方向誤差を求める１回のサイクルに５分程度を要する。
【０００５】
基準点のまわりにアンテナを操作させる場合、操作させる角度の値がある程度大きい方が、信号強度の差が大きくなり、指向方向誤差を精度よく算出できる。基準点から角度を変化させる際の角度について、類似した方法では、例えば、信号強度が３デシベル(ｄＢ)すなわち電力が半分になるビーム幅である半値幅などの大きな値を用いていた(例えば、特許文献１参照)。
【０００６】
また、受信系により受信した電波には、探査機からの電波だけでなく、探査機からの電波に伝送経路で加えられた雑音、探査機以外からアンテナに入射する宇宙背景放射、受信機で発生する熱雑音による雑音が重畳している。アンテナの指向方向誤差を正確に算出する上では、探査機からの電波とは無関係に発生する雑音(背景雑音と呼ぶ)の電力を測定し、受信した電波から生成した受信信号の電力から背景雑音の重畳による影響を除いて、探査機からの信号の電力を求める必要が有る。このため、従来の５点法では、背景雑音の電力を求めて補正を行うために、意図的に探査機から離れた方向にアンテナを向けて通信回線を遮断する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−２９７１５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】広沢春任、他４名、「大型アンテナの精密指向制御」、三菱電機技報、１９８５年、第５９巻、第９号、ｐ．６３１−６３６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の自動追尾装置では、アンテナの指向方向を変化させる角度を大きな固定した値としているため、アンテナの指向方向を変化させたときの信号強度の低下が通信回線の品質劣化の原因となるという課題があった。
【００１０】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、指向方向誤差を求めるために指向方向を変更する際に通信回線の品質を劣化させずに通信相手を追尾できる追尾制御装置および追尾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】
【００１１】
この発明に係る追尾制御装置は、通信相手からの電波を受信して受信信号を生成するアンテナと、アンテナが向く方向である指向方向を変更可能にアンテナを支持するアンテナ架台と、アンテナ架台を駆動して指向方向を変更するアンテナ架台駆動部と、通信相手からの電波が到来する方向である到来方向を指向方向が追尾するようにアンテナ架台駆動部を制御するものである。
【００１２】
ある時点の指向方向を通信相手の予測軌道上の一点に対応付けて、その時点以降の指向方向を予測軌道にしたがって変化させる軌道である追尾軌道を予測軌道に基づき生成する追尾軌道生成部と、追尾軌道を表す天球上の１個の点である基準天球点と指向方向との差である指向操作量の時間推移を表す操作シナリオを生成する操作シナリオ生成部と、操作シナリオにしたがって指向操作量が変化または静止する期間の少なくとも一部の期間で、受信信号の強度である信号強度とその受信信号を受信した際の指向操作量とを含む方向強度ペアを生成する方向強度ペア生成部と、追尾軌道と到来方向との差である指向方向誤差を、異なる指向操作量を含む少なくとも３個の方向強度ペアから求める指向方向誤差算出部と、指向方向誤差に基づき追尾軌道を修正する追尾軌道修正部と、追尾軌道および操作シナリオにしたがって指向方向が変化するようにアンテナ架台駆動部を制御する駆動制御部とを備えるものである。
【００１３】
操作シナリオ生成部は、操作シナリオを受信信号の強度である信号強度の平均値を標準偏差で割った値であるレベル変動比に基づき生成する。
【００１４】
あるいは、指向方向誤差算出部が算出した指向方向誤差の使用の可否を判断する指向方向誤差評価部と、指向方向誤差評価部が指向方向誤差を使用不可と判断する場合に、基準天球点にある時に受信した受信信号の信号強度である基準信号強度と方向強度ペアに基づき、信号強度が増加する基準天球点から変化する天球上の方向である増加天球方向を決める増加天球方向決定部とをさらに備える。追尾軌道修正部は、指向方向誤差評価部が指向方向誤差を使用不可と判断する場合に、信号強度の低下が許容可能な大きさに決められた天球上の距離である移動基準角だけ増加天球方向に基準天球点が移動するように追尾軌道を修正し、使用不可と判断しない場合に、指向方向誤差に基づき追尾軌道を修正する。
【００１６】
また、ある時点の指向方向を通信相手の予測軌道上の一点に対応付けて、その時点以降の指向方向を予測軌道にしたがって変化させる軌道である追尾軌道を予測軌道に基づき生成する追尾軌道生成部と、追尾軌道を表す天球上の１個の点である基準天球点と指向方向との差である指向操作量の時間推移を表す探査シナリオを生成する探査シナリオ生成部と、探査シナリオにしたがって指向操作量が変化または静止する期間の少なくとも一部の期間で、受信信号の強度である信号強度とその受信信号を受信した際の指向操作量とを含む方向強度ペアを生成する方向強度ペア生成部と、基準天球点にある時に受信した受信信号の信号強度である基準信号強度と、信号強度の低下が許容可能な大きさに決められた探査基準角に基づき決められた天球上の距離だけ基準天球点から離れた天球上の点である探査天球点の指向操作量を含む少なくとも１個の方向強度ペアとに基づき、信号強度が増加する基準天球点から変化する天球上の方向である増加天球方向を決める増加天球方向決定部と、信号強度の低下が許容可能な大きさに決められた天球上の距離である移動基準角だけ増加天球方向に基準天球点が移動するように追尾軌道を修正する追尾軌道修正部と、追尾軌道および探査シナリオにしたがって指向方向が変化するようにアンテナ架台駆動部を制御する駆動制御部とを備える。
【発明の効果】
【００１７】
この発明に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置によれば、指向方向誤差を求めるために指向方向を変更する際に通信回線の品質を劣化させることなく通信相手を追尾できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１に係る追尾制御装置で通信相手を追尾するために使用する軌道関連のデータの関係を例により説明する図である。
【図３】実施の形態１に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオでの指向方向の変化の軌跡を例により説明する図である。
【図４】実施の形態１に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオの動作シーケンスを例により説明する図である。
【図５】大口径アンテナの近軸アンテナパターンをガウス関数で近似する例と指向方向誤差を算出する５点法の概要を説明する模式図である。
【図６】実施の形態１に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】実施の形態１に係る追尾制御装置において背景雑音の電力を含む信号強度を使用する場合の指向方向誤差とその算出精度との関係を説明する図である。
【図８】実施の形態１に係る追尾制御装置が有する角度幅計算部が決めるレベル変動比と操作基準角との関係の１例を示す図である。
【図９】実施の形態１に係る追尾制御装置が有する角度幅計算部が決めるレベル変動比と操作基準角との関係の別の１例を示す図である。
【図１０】実施の形態１に追尾制御装置が有する遷移軌道作成部が作成する遷移軌道を例により説明する図である。
【図１１】実施の形態１に追尾制御装置が予測軌道と実際の到来方向とが速度誤差を有する場合の指向方向の軌跡を説明する図である。
【図１２】実施の形態１に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の速度誤差計算部を有する変形例の構成を示すブロック図である。
【図１３】実施の形態１に係る追尾制御装置の変形例が有する速度誤差計算部の構成の一例を説明するブロック図である。
【図１４】実施の形態１に追尾制御装置の変形例が有する遷移軌道作成部が作成する遷移軌道を例により説明する図である。
【図１５】実施の形態１に係る追尾制御装置の速度誤差計算部を有する変形例の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１６】実施の形態１に追尾制御装置の変形例が予測軌道と実際の到来方向とが速度誤差を有する場合の指向方向の軌跡を説明する図である。
【図１７】実施の形態１に係る追尾制御装置の変形例が有する遷移軌道生成部および速度誤差計算部の構成の別の一例を説明するブロック図である。
【図１８】実施の形態１に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の速度誤差計算部を有する別の変形例の構成を示すブロック図である。
【図１９】実施の形態１に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の変形例によるシミュレーション結果を示す図である。
【図２０】実施の形態１に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置による静止時間Ｔｓを調整した場合の探査機追尾のシミュレーション結果を示す図である。
【図２１】この発明の実施の形態２に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図２２】実施の形態２に係る追尾制御装置において計測天球点の間隔についての条件を説明するための図である。
【図２３】実施の形態２に係る追尾制御装置が指向方向誤差を求めるために使用する計測天球点の配置の一例を示す図である。
【図２４】実施の形態２に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図２５】この発明の実施の形態３に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図２６】実施の形態３に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオでの指向方向の変化の軌跡を例により説明する図である。
【図２７】実施の形態３に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオの動作シーケンスを例により説明する図である。
【図２８】実施の形態３に係る追尾制御装置が使用する操作天球軌跡の望ましい形状を例により説明する図である。
【図２９】実施の形態３に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図３０】この発明の実施の形態４に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図３１】実施の形態４に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオでの指向方向の変化の軌跡を例により説明する図である。
【図３２】実施の形態４に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオの動作シーケンスを例により説明する図である。
【図３３】実施の形態４に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図３４】実施の形態４に係る追尾制御装置において指向方向誤差を求める天球上の２方向の交差角度に関する条件を例により説明する図である。
【図３５】この発明の実施の形態５に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図３６】実施の形態５に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオでの指向方向の変化の軌跡を例により説明する図である。
【図３７】実施の形態５に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオの動作シーケンスを例により説明する図である。
【図３８】実施の形態５に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置において方位角または仰角の指令値に対する応答値の例を説明する図である。
【図３９】実施の形態５に係る追尾制御装置において増加天球方向を求めるために使用する方向強度ペアの区分を説明する図である。
【図４０】実施の形態５に係る追尾制御装置において信号強度の領域ごとの増加天球方向を示す図である。
【図４１】実施の形態５に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図４２】実施の形態５に係る追尾制御装置の初期のシミュレーション結果での指向方向誤差の軌跡を示す図である。
【図４３】実施の形態５に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の初期のシミュレーション結果での指向方向誤差、操作基準角およびレベル変動比の時間変化を示す図である。
【図４４】実施の形態５に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の初期のシミュレーション結果でのビーム方向誤差および信号強度の時間変化を示す図である。
【図４５】実施の形態５に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の後期のシミュレーション結果での指向方向誤差の軌跡を示す図である。
【図４６】実施の形態５に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の後期のシミュレーション結果での指向方向誤差、操作基準角およびレベル変動比の時間変化を示す図である。
【図４７】実施の形態５に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の後期のシミュレーション結果でのビーム方向誤差および信号強度の時間変化を示す図である。
【図４８】比較例としての実施の形態４に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の初期のシミュレーション結果での指向方向誤差の軌跡を示す図である。
【図４９】比較例としての実施の形態４に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の初期のシミュレーション結果での指向方向誤差、操作基準角およびレベル変動比の時間変化を示す図である。
【図５０】比較例としての実施の形態４に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の初期のシミュレーション結果でのビーム方向誤差および信号強度の時間変化を示す図である。
【図５１】比較例としての実施の形態４に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の後期のシミュレーション結果での指向方向誤差の軌跡を示す図である。
【図５２】比較例としての実施の形態４に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の後期のシミュレーション結果での指向方向誤差、操作基準角およびレベル変動比の時間変化を示す図である。
【図５３】比較例としての実施の形態４に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の後期のシミュレーション結果でのビーム方向誤差および信号強度の時間変化を示す図である。
【図５４】実施の形態５に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の初期のシミュレーション結果でのビーム方向誤差および信号強度の時間変化を比較例と対比して示す図である。
【図５５】実施の形態６に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図５６】実施の形態６に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図５７】実施の形態６に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の初期のシミュレーション結果での指向方向誤差の軌跡を示す図である。
【図５８】実施の形態６に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の初期のシミュレーション結果での指向方向誤差、操作基準角およびレベル変動比の時間変化を示す図である。
【図５９】実施の形態６に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の初期のシミュレーション結果でのビーム方向誤差および信号強度の時間変化を示す図である。
【図６０】実施の形態６に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の初期のシミュレーション結果でのビーム方向誤差および信号強度の時間変化を実施の形態５と対比して示す図である。
【図６１】実施の形態６に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の後期のシミュレーション結果での指向方向誤差の軌跡を示す図である。
【図６２】実施の形態６に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の後期のシミュレーション結果での指向方向誤差、操作基準角およびレベル変動比の時間変化を示す図である。
【図６３】実施の形態６に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の後期のシミュレーション結果でのビーム方向誤差および信号強度の時間変化を示す図である。
【図６４】この発明の実施の形態７に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図６５】実施の形態７に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオでの指向方向の変化の軌跡を例により説明する図である。
【図６６】実施の形態７に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオの動作シーケンスを例により説明する図である。
【図６７】実施の形態７に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置において方位角または仰角の指令値に対する応答値の例を説明する図である。
【図６８】実施の形態７に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図６９】この発明の実施の形態８に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図７０】実施の形態８に係る追尾制御装置が使用する探査シナリオでの指向方向の変化の軌跡を例により説明する図である。
【図７１】実施の形態８に係る追尾制御装置が使用する探査シナリオの動作シーケンスを例により説明する図である。
【図７２】実施の形態８に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図７３】この発明の実施の形態９に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。示す図である。
【図７４】実施の形態９に係る追尾制御装置が有する角度幅計算部が決めるレベル変動比とシナリオ計測時間との関係の１例を示す図である。
【図７５】実施の形態９に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
実施の形態１．
実施の形態１は、５点法において指向方向誤差を求めるために指向方向を変更する量をレベル変動比に応じて決めるようにした場合である。ここで、レベル変動比は、受信信号の信号強度の平均値を信号強度の標準偏差で割った値である。図１は、この発明の実施の形態１に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。追尾アンテナ装置１００は、通信相手の探査機９０(図示せず)からの電波を受信して受信信号を生成するアンテナである大口径アンテナ１と、大口径アンテナ１が向く方向である指向方向を変更可能に大口径アンテナ１を支持するアンテナ架台２と、アンテナ架台２を駆動して大口径アンテナ１の指向方向を変更するアンテナ架台駆動部３と、大口径アンテナ１が探査機９０からの電波が到来する方向(到来方向)を向いて追尾できるようにアンテナ架台駆動部３を制御する追尾制御装置４とを有して構成される。この明細書では探査機を例として説明するが、電波を放射する物体であれば探査機以外にもこの発明は適用できる。通信相手が深宇宙にある物体の場合の方が、この発明による効果が大きくなる。
【００２０】
大口径アンテナ１が出力する受信信号は、受信機５で増幅、周波数変換、同期検波、復調などの処理がされて、探査機９０が送信した情報が復元される。受信信号は、追尾制御装置４にも入力される。探索機９０を制御するために送信する送信信号は、送信機６で生成および必要な信号強度まで増幅されて大口径アンテナ１から探査機９０の方向に放射される。
【００２１】
大口径アンテナ１は例えば口径が５０ｍ程度の主反射鏡を有するパラボラアンテナである。大口径アンテナ１は、方位角および仰角で表現される指向方向をアンテナ架台２により変更できる。大口径アンテナ１の指向方向は、指向方向計測部７により計測される。計測された指向方向データ５１は、追尾制御装置４に入力される。指向方向は、北をゼロ度とする方位角と水平線をゼロ度とする仰角の組合せによる地平座標系で表す。
【００２２】
アンテナ架台２は、大口径アンテナ１を支持する仰角架台８と、仰角架台８を水平な仰角軸(ＥＬ軸)の回りに回転可能に支持する方位角架台９と、方位角架台９を鉛直な方位角軸(ＡＺ軸)の回りに回転可能に支持する基礎部１０とを有する。方位角をＡＺ角、ＡＺと呼ぶ場合がある。仰角をＥＬ角、ＥＬと呼ぶ場合がある。
【００２３】
アンテナ架台駆動部３は、方位角架台９に対する仰角架台８の仰角を変更する仰角駆動部１１と、基礎部１０に対する方位角架台９の方位角を変更する方位角駆動部１２とを有する。
【００２４】
追尾制御装置４は、入力される情報を処理する処理部および処理した結果のデータを記憶する記憶部として、アンテナ１からの受信信号の電力(強度)である信号強度を計測する信号強度計測部１３と、変動する信号強度の標準偏差で信号強度の平均値を割った値であるレベル変動比を計測するレベル変動比計測部１４と、記憶したデータから探査機９０からの信号とは無関係な雑音(背景雑音)の強度を求める背景雑音強度取得部１５と、計測したデータを記憶する計測データ記憶部１６とを有する。
【００２５】
計測データ記憶部１６は、指向方向データ５１、信号強度データ５２およびレベル変動比データ５３を記憶する。指向方向データ５１、信号強度データ５２およびレベル変動比データ５３は、時間の刻み幅ΔＴ(例えば１００msec)ごとに計測され、計測した時刻と対応付けて記憶される。計測データ記憶部１６には、より長い期間で例えば平均を取ったようなデータも記憶される。
【００２６】
追尾制御装置４は、アンテナ架台駆動部３を制御する駆動制御部１７と、駆動制御のために使用する駆動制御データ記憶部１８と、大口径アンテナ１の指向方向と到来方向の差である指向方向誤差を求める指向方向誤差算出部１９と、指向方向誤差を求めるために使用するデータを記憶する誤差算出用データ記憶部２０とを有する。
【００２７】
駆動制御データ記憶部１８には、探査機９０からの電波の予測される到来方向の時間変化である予測軌道を表す予測軌道データ５４、予測軌道と実際の到来方向の差である軌道誤差を表す軌道誤差データ５５、軌道誤差により予測軌道を修正した軌道である追尾軌道を表す追尾軌道データ５６、指向方向誤差算出部１９が算出する指向方向誤差を表す指向方向誤差データ５７、指向方向誤差を求めるために指向方向を変更する際の変更の仕方を表す操作シナリオ５８、求めた指向方向誤差により修正した追尾軌道に変更するための軌道である遷移軌道を表す遷移軌道データ５９が記憶される。遷移軌道は、想定する最大の指向方向誤差をアンテナ架台駆動部３の駆動可能速度で解消できるような期間ＴRで生成する。
【００２８】
探査機９０は地球から数万ｋｍから数千万ｋｍの距離の遠方に存在する。アンテナ装置１００が設置されている地点への探査機９０からの電波の到来方向は、地球の自転により変化する。また、地球は太陽の回りを公転しているため、季節により探査機９０の到来方向と通信可能な時間帯が変化する。さらに、探査機９０は、目標とする例えば小惑星に近づくように移動している。予測軌道は、宇宙空間内での探査機９０の位置と地球の位置と地球の自転、大気中での電波の伝播状態などを考慮して決められる。電波の伝播状態は、気象情報などにより変化させてもよい。
【００２９】
追尾軌道は、ある時点(時点アと呼ぶ)での大口径アンテナ１の指向方向を予測軌道における時点アの指向方向に対応付けた軌道である。追尾軌道は、時点ア以降に指向方向が到来方向を追尾するために使用する軌道である。到来方向は、通信時の実際の大気などの状況により予測軌道から変化する。追尾軌道を使用することで、到来方向の予測軌道からのズレを把握して追尾することができる。時点ア以降で指向方向誤差が発生しなければ、時点ア以降では追尾軌道と到来方向は一致する。軌道誤差は、指向方向誤差を積算したものである。軌道誤差は、ある時点での予測軌道と到来方向の差を表す。
【００３０】
駆動制御部１７には、追尾軌道データ５５、操作シナリオ５８および遷移軌道データ５９が入力されて、追尾軌道と操作シナリオと遷移軌道を重ね合わせた軌道で指向方向が変化するように、アンテナ架台駆動部３を制御する。駆動制御部１７は、少なくとも追尾軌道および操作シナリオにしたがって指向方向が変化するようにアンテナ架台駆動部３を制御する。
【００３１】
図２により、軌道関連のデータの関係を説明する。図２は、実施の形態１に係る追尾制御装置で通信相手を追尾するために使用する軌道関連のデータの関係を例により説明する図である。ある時刻t0での通信相手である探査機９０の到来方向の位置を星印で、指向方向の位置９１を白丸で、予測軌道データ５４での探査機９０の位置９２をひし形でそれぞれ示す。指向方向の位置９１は、予測軌道データ５４と平行な追尾軌道５６上を移動する。位置９１と位置９２の差が軌道誤差データ５５である。到来方向の位置９０と指向方向の位置９１との差が指向方向誤差データ５７である。指向方向誤差データ５７が計算できると、追尾軌道データ５６は、実際の到来方向の位置に合うように指向方向誤差データ５７により修正される。時刻t0以降の追尾軌道データ５６は、位置９０(通信相手が存在すると推定される位置)に予測軌道データ５４での位置９２を合わせた予測軌道データ５４となる。遷移軌道データ５９は、時刻t0+ＴRに追尾軌道データ５６と一致するように、位置９１から変化する軌道である。
【００３２】
追尾軌道から指向方向を変更する量、すなわち指向方向と追尾軌道の差を、指向操作量と呼ぶ。操作シナリオ５８は、指向操作量の時間推移を表す。操作シナリオ５８を作成する期間の長さは、数１０秒から十数分程度である。図３および図４により、操作シナリオ５８を説明する。図３は、実施の形態１に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオでの指向方向の変化の軌跡を例により説明する図である。図３は、操作シナリオ５８で変化する指向方向を地平座標系での天球上で表した図である。図４が、実施の形態１に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオの動作シーケンスを例により説明する図である。図３および図４は、５点法により指向方向誤差を求める場合の操作シナリオ５８を表す。
【００３３】
図３で、図における上下方向をＹ方向と呼ぶ。Ｙ方向は、仰角を変更する天球の大円になる方向である。天球上でＹ方向と直交する大円の方向をＸ方向と呼ぶ。Ｘ方向は、図における左右方向である。仰角を一定にして方位角を変更する天球上の軌跡は小円なので、厳密にはＸ方向とは異なる。変化が微小な範囲では方位角を変更する天球上の軌跡とＸ方向との差は無視できる。
【００３４】
追尾軌道からの変化量である指向操作量を分かりやすく表現するために、追尾軌道を地平座標系での天球上での１個の点として表す。１個の指向方向を表す天球上の点を天球点と呼ぶ。追尾軌道を表す天球点を基準天球点と呼ぶ。操作シナリオ５８の開始時点、中間時点または終了時点など適切に決めた操作シナリオ５８中の１時点での追尾軌道の指向方向あるいは期間中の追尾軌道の重心などで、基準天球点を表す。基準天球点Ｇ０の指向方向を、(方位角,仰角)＝(ｕ0,ｖ0)とする。
【００３５】
指向操作量で表現される天球点Ｇｊは、追尾軌道を表す基準天球点Ｇ０との角度差(天球上の２点Ｇ０とＧｊを結ぶ弧の大円での中心角)で表す。基準天球点Ｇ０との角度差は、基準天球点Ｇ０で直交する天球上の２個の大円での角度差に分解して表す。ここでは、方位角が変化せず仰角が変化する大円をＹ方向とする。基準天球点Ｇ０を通りＹ方向と直交する大円の方向をＸ方向とする。天球点Ｇjは、Ｘ方向の変化ΔｕとＹ方向の変化Δｖの組合せ、すなわちＧｊ＝(Δｕ,Δｖ)で表す。なお、基準天球点Ｇ０が原点であり、Ｇ０＝(０,０)である。基準天球点を通るＸ方向の大円をＸ軸と呼ぶ。基準天球点を通るＹ方向の大円をＹ軸と呼ぶ。
【００３６】
Ｙ方向は、方位角を一定にして仰角を変化させる天球上の方向(仰角方向と呼ぶ)と一致する。Ｘ方向は、仰角を一定にして方位角が変化する方向(方位角方向と呼ぶ)とは厳密には異なる。微小な角度であればＸ方向と方位角方向の差は無視できるので、Ｘ方向を方位角方向とも呼ぶ。なお、Ｘ方向とＹ方向は直交していればよく、Ｙ方向を仰角方向と一致させなくてもよい。
【００３７】
ここで、方位角の変化角度Δφは小円上での角度変化なので、Ｘ方向での変化角度Δｕとの間には、以下の関係がある。ｖ０は、基準天球点の仰角である。
Δｕ＝cos(ｖ0)*Δφ                        (1)
仰角の変化Δφは大円上での変化角度なので、Ｙ方向での変化角度Δｖとの間には、以下の関係がある。
Δｖ＝Δφ
【００３８】
追尾軌道から変化させた指向方向を表す天球点を、操作時天球点と呼ぶ。図３および図４に示す操作シナリオ５８では、４個の操作時天球点Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４に変化して基準天球点Ｇ０に戻るように指向方向が変化する。図３では、基準天球点および操作時天球点を白丸で表す。Ｇ１とＧ２は、Ｇ０からＸ方向にΔｕだけ減少または増加させた指向方向を表す。つまり、Ｇ１＝(−Δｕ,０)、Ｇ２＝(Δｕ,０)である。Ｇ３とＧ４は、Ｇ０からＹ方向にΔｖだけ減少または増加させた指向方向を表す。つまり、Ｇ３＝(０,−Δｖ)、Ｇ４＝(０,Δｖ)である。
【００３９】
図３において、点線で表す指向操作量が変化する天球上での軌跡を操作天球軌跡６０と呼ぶ。操作天球軌跡６０を示す点線には、図４で示す期間も表示する。基準天球点Ｇ０および操作時天球点Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４を含む天球上の最小の凸な範囲を操作天球範囲６１と呼ぶ。操作天球範囲６１は、図３では破線で表す。
【００４０】
図４は、指向方向誤差を求めるために指向方向を変化させる１連の動作のシーケンスを表す。指向方向誤差を計算する１回のサイクルに要する時間をＴＬとする。期間Ｔ０１では、指向方向が基準天球点Ｇ０(０,０)である。基準天球点Ｇ０での平均の受信信号の信号強度を計測する。指向方向が基準天球点である期間に受信した受信信号の信号強度を基準信号強度と呼ぶ。レベル変動比も計測する。
【００４１】
指向方向が基準天球点および操作時天球点で静止する期間の長さは、静止時間(数秒程度、Ｔｓで表す)以上であるようにする。アンテナ駆動系には時間遅れやオーバシュートなどが発生するため、アンテナ架台駆動部３に対する指令値としてはＴｓに数秒を加えた時間で操作時天球点に静止するような指令値を生成する必要がある。
【００４２】
期間Ｔ０２で、最新のレベル変動比または期間Ｔ０１あるいはもっと長い期間での信号電力の平均と分散から計算したレベル変動比に基づき操作シナリオ５８を生成する。期間Ｔ０３から操作シナリオ５８にしたがって指向方向を変更する。期間Ｔ０３では、Ｇ０からＧ１(−Δｕ,０)に指向方向を変更する。期間Ｔ０４では、ＴｓだけＧ１の状態をとり、受信信号の信号強度を計測する。期間Ｔ０５では、Ｇ１からＧ０に指向方向を変更する。期間Ｔ０６では、ＴｓだけＧ０の状態をとり、受信信号の信号強度を計測する。期間Ｔ０７では、Ｇ０からＧ２(Δｕ,０)に指向方向を変更する。期間Ｔ０８では、ＴｓだけＧ２の状態をとり、受信信号の信号強度を計測する。
【００４３】
期間Ｔ０９では、Ｇ２からＧ３(０,−Δｖ)に指向方向を変更する。期間Ｔ１０では、ＴｓだけＧ３の状態をとり、受信信号の信号強度を計測する。期間Ｔ１１では、Ｇ３からＧ０に指向方向を変更する。期間Ｔ１２では、ＴｓだけＧ０の状態をとり、受信信号の信号強度を計測する。期間Ｔ１３では、Ｇ０からＧ４(０,Δｖ)に指向方向を変更する。期間Ｔ１４では、ＴｓだけＧ４の状態をとり、受信信号の信号強度を計測する。期間Ｔ１５では、指向方向誤差(ｘ,ｙ)を算出し、追尾軌道を修正する。
【００４４】
期間Ｔ１６では、修正した追尾軌道に変化するように指向方向を変更する。期間Ｔ１７は、次のサイクルの最初の期間である。変更した追尾軌道に対応するＧ０での受信信号の信号強度およびレベル変動比を計測する。
【００４５】
仰角を先に変更してもよく。方位角および仰角の少なくとも一方で、角度を増加させる天球点を先に取るようにしてもよい。方位角と仰角とで、増減する角度を異ならせてもよい。基準天球点から方位角を同じ角度だけ増減させた２個の操作時天球点と、基準天球点から仰角を同じ角度だけ増減させた２個の操作時天球点とを取る操作シナリオであればよい。
【００４６】
図１の説明に戻る。追尾制御装置４は、駆動制御のための処理部として、予測軌道データ５４を外部から取得して生成する予測軌道データ生成部２１と、予測軌道データ５４および指向方向誤差データ５７から追尾軌道データ５６を生成または修正する追尾軌道生成部２２と、操作シナリオ５８を生成する操作シナリオ生成部２３、遷移軌道データ５９を生成する遷移軌道生成部２４とを有する。なお、駆動制御部１７がステップ状に方位角または仰角を変更する操作指令に対して適切にアンテナ架台駆動部３を制御できる場合には、遷移軌道データ５９および遷移軌道生成部２４は無くてもよい。追尾軌道生成部２２は、指向方向誤差に基づき追尾軌道を修正する追尾軌道修正部でもある。追尾軌道生成部２２は、指向方向誤差データ５７から軌道誤差データ５５を修正する。
【００４７】
誤差算出用データ記憶部２０には、操作天球範囲６１の大きさを決める基準となる操作基準角６２、基準天球点および操作時天球点で受信信号を受信するために静止する時間である静止時間６３、受信信号の信号強度と受信信号を受信した時の指向方向のペアである方向強度ペア６４が記憶される。操作基準角６２に基づき、天球上での操作天球範囲６１の最大の幅である最大幅の大きさを決める。
【００４８】
追尾制御装置４は、指向方向誤差を求めるための処理部として、操作基準角６２を求める角度幅計算部２５と、静止時間６３を求める静止時間計算部２６と、方向強度ペア６４を生成する方向強度ペア生成部２７とを有する。さらに、各処理部の起動および終了を管理する処理制御部２８を有する。
【００４９】
角度幅計算部２５は、指向方向が追尾軌道上にある時に受信した受信信号のレベル変動比から操作基準角６２を決める。すなわち、指向方向誤差算出部１９で求める指向方向誤差の精度が決められた基準精度以下になるように、角度幅計算部２５は操作基準角を決める。角度幅計算部２２は、レベル変動比の増加に対して単調非増加になるように操作基準角６２を決める。レベル変動比が悪く操作基準角６２が大きくなりすぎる場合は、操作基準角６２を許容できる上限に設定する。そして、静止時間計算部２６によりレベル変動比に応じて静止時間Ｔsを決める。静止時間計算部２６は、レベル変動比が閾値以上の場合はＴｓを標準値Ｔs0とする。レベル変動比が閾値未満の場合は、レベル変動比の減少に対して静止時間Ｔsが単調非減少になるように静止時間を計算する。方向強度ペア生成部２７は、天球点Ｇ０からＧ４でそれぞれ１個の方向強度ペア６４を生成する。
【００５０】
静止時間計算部２６を有さなくてもよい。静止時間計算部２６を有さない場合は、レベル変動比が小さい場合に指向方向算出誤差の算出精度が低下する場合がある。レベル変動比が小さい場合は指向方向誤差が大きい場合であるので、指向方向誤差の算出精度が低くても指向方向誤差を小さくする効果はあまり低下しないので、問題にはならない。
【００５１】
指向方向誤差算出部１９は、アンテナパターンを仮定して指向方向誤差を算出する。大口径アンテナ１のメインローブについての角度と信号強度の関係を表す近軸アンテナパターンをガウス関数であると仮定する。指向方向誤差算出部１９は、５点法により指向方向誤差を算出する。５点法では、基準天球点Ｇ０と方位角を変更した操作時天球点Ｇ１、Ｇ２で生成した３個の方向強度ペアを使用して、指向方向誤差の方位角成分を算出する。指向方向誤差の仰角成分は、基準天球点Ｇ０と仰角を変更した操作時天球点Ｇ３、Ｇ４で生成した３個の方向強度ペアを使用して算出する。なお、指向方向誤差の方位角成分を、方位角誤差とも呼ぶ。指向方向誤差の仰角成分を、仰角誤差とも呼ぶ。
【００５２】
アンテナパターンと計測した５個の異なる指向方向での信号強度から指向方向誤差を算出する５点法の概要について説明する。図５は、大口径アンテナの近軸アンテナパターンをガウス関数で近似する例と指向方向誤差を算出する５点法の概要を説明する模式図である。縦軸は信号強度（ｎObs＝ＰSIGのＴsでの平均値）を示し、横軸は、ＡＺ方向のアンテナ１の変更角を示している。５点法は、アンテナ１の指向方向を変更した際に得られた信号強度の強弱に応じて、ガウス関数の未知数である、振幅、指向方向誤差および減衰係数を算出する方法である。図５では、ＡＺ方向の指向方向誤差ΔＡＺの推定方法を示している。図には示さないが、ＥＬ方向の指向方向誤差の推定方法も同様である。
【００５３】
大口径アンテナ１の近軸アンテナパターンを表すために、以下の変数を定義する。
ｕ：Ｘ方向の変位量。基準天球点Ｇ０からの変位。
ｖ：Ｙ方向の変位量。基準天球点Ｇ０からの変位。
ｘ：指向方向誤差のＸ成分。基準天球点Ｇ０からの変位。
ｙ：指向方向誤差のＸ成分。基準天球点Ｇ０からの変位。
ｎEst：大口径アンテナ１が(u,v)を指向した場合に、アンテナパターンから決まる大口径アンテナ１が受信する信号強度の推定値。
ｃEst：信号強度ｎEstの自然対数値。ｃEst＝ln(ｎEst)。ln()は、ネイピア数を底とする自然対数を表す。
ｎ0：大口径アンテナ１の指向方向が到来方向と一致した場合の信号強度。
σx：Ｘ方向での減衰係数。
σy：Ｙ方向での減衰係数。
【００５４】
また、実際に観測した信号強度を、以下の変数で表現する。
ｎObsj：Ｇｊで生成した方向強度ペア４に含まれる信号強度。j＝0,1,2,3,4。
ｃObsj：信号強度ｎjの自然対数値。ｃObsj＝ln(ｎObsj)、j＝0,1,2,3,4。
【００５５】
大口径アンテナ１の近軸アンテナパターンを表す式を、式(2)に示す。
ｎEst＝ｎ0*exp(-((u - x)/σx)２ - ((v - y)/σy)２)       (2)
自然対数をとって式(2)を表すと、以下のようになる。
ｃEst＝ln(n0) - ((u - x)/σx)２ - ((v - y)/σy)２        (3)
Ｇｊ(j=0,1,2,3,4)の信号強度の推定値ｃEstjが実測値ｃObsjと一致する場合には、以下の式が成立する。
ｃObs0＝ln(n0) - (x/σx)２ - (y/σy)２                  (4)
ｃObs1＝ln(n0) - ((-Δｕ-x)/σx)２ - (y/σy)２           (5)
ｃObs2＝ln(n0) - ((Δｕ-x)/σx)２ - (y/σy)２            (6)
ｃObs3＝ln(n0) - (x/σx)２ - ((-Δｖ-y)/σy)２           (7)
ｃObs4＝ln(n0) - (x/σx)２ - ((Δｖ-y)/σy)２            (8)
【００５６】
式(4)、式(5)、式(6)から、以下のようにσx２、ｘ、ln(n0)を計算できる。
σx２＝(Δｕ)２/((ｃObs0 - (ｃObs1+ｃObs2)/2)               (9)
ｘ＝(1/4)*Δｕ*(ｃObs2-ｃObs1)/(ｃObs0-(ｃObs1+ｃObs2)/2)  (10)
ln(n0)＝ｃObs0+(1/16)*(ｃObs2-ｃObs1)２/(ｃObs0-(ｃObs1+ｃObs2)/2)
+(y/σy)２                                   (11)
【００５７】
式(4)、式(7)、式(8)から、以下のようにσy２、ｙ、ln(n0)を計算できる。
σy２＝(Δｖ)２/((ｃObs0 - (ｃObs3+ｃObs4)/2)              (12)
ｙ＝(1/4)*Δｖ*(ｃObs4-ｃObs3)/(ｃObs0-(ｃObs3+ｃObs4)/2)  (13)
ln(n0)＝ｃObs0+(x/σx)２ 
+(1/16)*(ｃObs4-ｃObs3)２/(ｃObs0-(ｃObs3+ｃObs4)/2)  (14)
【００５８】
式(11)と式(14)とから、以下のようになる。
ln(n0)＝ｃObs0+(1/16)*(ｃObs2-ｃObs1)２/(ｃObs0-(ｃObs1+ｃObs2)/2)  
+(1/16)*(ｃObs4-ｃObs3)２/(ｃObs0-(ｃObs3+ｃObs4)/2)  (15)
【００５９】
ｃObs0すなわちｎObs0は、図４に示す期間Ｔ０１、Ｔ０６、Ｔ１２で計測される。ｘを計算する場合には、期間Ｔ０６で計測した値を使用する。ｙを計算する場合には、期間Ｔ１２で計測した値を使用する。そうすることで、時間的に連続した区間での信号強度を使用して指向方向誤差ｘおよびｙを計算できる。そのため、信号強度が１Ｈｚ未満の低い周波数で変動する成分を有する場合に、低周波数の変動成分の影響を少なくして指向方向誤差を計算できる。期間Ｔ０１、Ｔ０６、Ｔ１２の平均をｃObs0としてもよい。期間Ｔ０１のｃObs0を使用し、操作シナリオの途中にＧ０で静止する期間Ｔ０６、Ｔ１２をなくしてもよい。
【００６０】
以上のように、５点法では、基準天球点Ｇ０と方位角を変更した操作時天球点Ｇ１、Ｇ２で生成した３個の方向強度ペアから式(10)により、方位角誤差ｘを計算でき、基準天球点Ｇ０と仰角を変更した操作時天球点Ｇ３、Ｇ４で生成した３個の方向強度ペアから式(13)により、仰角誤差ｙを計算できる。
【００６１】
動作を説明する。図６は、実施の形態１に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。ステップＳ０１で、探査機９０と通信するよりも前の時間帯に、予測軌道データ生成部２１が外部から探査機９０の予測軌道データを取得する。取得した例えば１秒ごと予測軌道データをアンテナ駆動用に例えば５０msecなどの細かい時間の刻み幅での値を内挿計算で求め、判明している時間誤差があれば補正する。生成した予測軌道データ５４を、駆動制御データ記憶部１８に格納する。通信可能な時間帯に入り探査機９０と通信を開始する際には、ステップＳ０２で、追尾軌道生成部２２が予測軌道データ５４をそのまま追尾軌道データ５５とする。ステップＳ０３で、追尾軌道データ５５に基づき、通信開始時にその時間帯に探査機９０が存在すると予測される方向に大口径アンテナ１を向ける。ステップＳ０４で、駆動制御部１７が追尾軌道データ５５にしたがい探査機９０を追尾して受信信号を受信する。
【００６２】
ステップＳ０５で、刻み幅ΔＴの長さの期間である単位期間での受信信号の信号強度ＰRXを計測する。受信信号には、宇宙空間で発生する宇宙背景放射など雑音や大口径アンテナ１や受信機で発生する雑音などの探査機９０からの信号とは無関係な雑音も含まれる。背景雑音強度取得部１５は、予め計測した背景雑音ＰBNを記憶しておき、要求があればＰBNを出力する。なお、宇宙背景放射の空間的な変動を考慮して、天球を複数の領域に分けて、領域ごとに背景雑音ＰBNを記憶しておき、その時点での指向方向に応じてＰBNを出力してもよい。ステップＳ０６で、背景雑音強度取得部１５が背景雑音ＰBNを求め、探査機９０からの信号の強度ＰSIGを、以下の式で計算する。なお、信号強度ＰRXが対数値で計測される場合は、真数に戻してからＰBNを減算する。
ＰSIG＝ＰRX−ＰBN                          (16)
ＰBNは、例えば-170dBm程度の値を設定する。また、ＰRXは、-150dBm程度の値である。
【００６３】
Ｓ０４からＳ０６の処理は常時、実施している。処理を説明する都合で、Ｓ０７以降の前に動作するように表現しているだけである。
【００６４】
ステップＳ０７で、静止時間Ｔｓ以上で計測した信号強度ＰSIGの平均と分散から、レベル変動比計測部１４がレベル変動比ＲLEVを計算する。レベル変動比ＲLEVは、決められた期間での信号強度ＰSIGから以下の式で計算する。計測した信号強度ＰSIGとレベル変動比ＲLEVは、計測データ記憶部１６に記憶される。さらに、基準天球点Ｇ０での方向強度ペア６４を生成する。
ＲLEV＝(ＰSIGの標準偏差)/(ＰSIGの平均値)    (17)
レベル変動比ＲLEVの替わりに、ＲLEVの逆数であるレベル変動率ＶLEVを使用してもよい。
ＶLEV＝(ＰSIGの平均値)/(ＰSIGの標準偏差)    (18)
【００６５】
なお、従来の５点法においては、背景雑音ＰBNによる補正を行うために、あえて探査機から離れた方向にアンテナを向けるなどをしてＰBNの測定を行っていた。そのため、従来の５点法では、通信ができない期間が存在していた。追尾アンテナ装置１００では、大口径アンテナ１を常に探査機９０の方向またはその近傍に向けて通信が継続できるように、背景雑音強度取得部１５が背景雑音ＰBNを記憶するようにした。
【００６６】
背景雑音を除いて信号強度を計算することの必要性について説明する。観測される信号強度ｎObsとアンテナパターンから決まる信号強度ｎEstと雑音の電力ｎzの間には、以下の関係がある。ここで、雑音の電力ｎｚはＰBNを減算した後に残る雑音の電力である。
ｎObs＝ｎEst＋ｎz                        (19)
ここで、式(2)を簡単のためＸ方向だけにして式(19)に代入すると、以下となる。
ｎObs＝ｎ0*exp(-((u - x)/σx)２)＋ｎz      (20)
【００６７】
(u - x)をアンテナパターンで信号強度が半分すなわち約３ｄＢ低下する角度幅(全幅)Δθ0で正規化した値と考えると、式(20)は以下のようになる。Δθ0を半値幅と呼ぶ。正規化とは、(u - x)＝(u - x)/Δθ0とすることである。半値幅は全幅なので、(u - x)＝０．５の場合に３ｄＢ低下する。
ｎObs＝ｎ0*exp(-ln(8)*(u - x)２)＋ｎz       (21)
式(21)の両辺の対数をとって、以下となる。
ｃObs＝ln(ｎ0)＋ln(exp(-ln(8)*(u - x)２)＋ｎz/ｎ0)  (22)
【００６８】
式(10)は、雑音の電力ｎｚを考慮していない式である。式(10)のｃObsjを、ｎzを考慮した式(22)に置き換えた式で得られる解をｘ＋Δｘとする。Δｘは、指向方向誤差ｘの算出精度を意味する。背景雑音ＰBNを除去後の信号ＰSIGに残る雑音ｎzで、信号強度ｎ0を割った値Ｒz＝ｎ0/ｎzを補正後レベル変動比と呼ぶ。補正後レベル変動比Ｒzをいくつかの値に設定して、指向方向誤差ｘを変化させた際のΔｘの値をグラフにしたものが、図７である。図７は、実施の形態１に係る追尾制御装置において背景雑音の電力を含む信号強度を使用する場合の指向方向誤差とその算出精度との関係を説明する図である。
【００６９】
図７では、横軸に指向方向誤差ｘをとり、縦軸に算出精度Δｘをとる。半値幅(全幅)を１０mdegとし、指向方向を２mdeg変化させる場合を示す。図７で、破線で表すグラフ９５はＲz＝０ｄｂの場合、一点鎖線のグラフ９６はＲz＝１０ｄｂの場合、実線のグラフ９７はＲz＝２０ｄｂの場合である。
【００７０】
図７では、指向方向誤差が大きく、かつ、補正後レベル変動比Ｒzが小さい場合には指向方向誤差の算出精度が悪化することを示している。一方、指向方向誤差が−２．０から＋２．０mdegの範囲内(指向方向誤差の適正範囲)であれば、補正後レベル変動比Ｒzが小さい場合でも指向方向誤差の算出精度が悪化しないことを示している。さらに、指向方向誤差が適正範囲内であれば、指向方向誤差の算出誤差を低減でき、精度よく追尾できることを示している。
【００７１】
フローチャートの説明に戻る。ステップＳ０８で、角度幅計算部２５が操作基準角Δθを求めることが初回かどうかチェックする。初回である場合(Ｓ０８でＹＥＳ)は、ステップＳ０９で、操作基準角Δθを半値幅Δθ0から以下の式で計算する。また、静止時間計算部２６が、静止時間Ｔsを標準値Ｔs0とする。
Δθ＝(1/2)*Δθ0                         (23)
式(2)のアンテナパターンで、σxとσyの標準的な値をσ0とすると、Δθ0とσ0の間には、以下の関係がある。
Δθ0＝√(ln(８))*σ0                      (24)
【００７２】
初回でない場合(Ｓ０８でＮＯ)は、ステップＳ１０で、角度幅計算部２５がレベル変動比ＲLEVに応じて操作基準角Δθを計算する。また、静止時間計算部２６が、静止時間Ｔsを計算する。決め方は後で説明する。
【００７３】
ステップＳ１１で、操作シナリオ生成部２３が図３および図４に示すような５点法での操作シナリオ５８を生成する。ここで、Ｘ方向(方位角)を変更する角度ΔｕとＹ方向(仰角)を変更する角度Δｖは、以下のように計算する。なお、ΔｕおよびΔｖのどちらかまたは両方を、Δθに係数を乗算した値になるように設定してもよい。なお、方位角を変更する角度は式(1)を考慮した値とする。
Δｕ＝Δθ
Δｖ＝Δθ
【００７４】
ステップＳ１２で、操作シナリオ５８にしたがって駆動制御部１７がアンテナ架台駆動部３を制御して指向方向を変更する。操作シナリオ５８を実施中も受信信号を受信して、操作時天球点Ｇ１〜Ｇ４で静止する間に得られた信号強度ＰSIGの平均を含む方向強度ペア６４を生成する。図３の期間Ｔ０３から期間Ｔ１１までが、操作シナリオ５８にしたがって指向方向を変化させる期間である。
【００７５】
ステップＳ１３で、指向方向誤差算出部１９が５点法による式(10)および式(13)で指向方向誤差を算出する。ステップＳ１４で、追尾軌道生成部２２が指向方向誤差から追尾軌道および軌道誤差を修正する。ステップＳ１５で、遷移軌道生成部２４が修正後の追尾軌道に遷移する遷移軌道を生成する。ステップＳ１６で、遷移軌道にしたがって駆動制御部１７がアンテナ架台駆動部３を制御して指向方向を変更する。図３の期間Ｔ１２が遷移軌道にしたがって指向方向が変化する期間である。その後、ステップＳ０４に戻り、指向方向誤差を求めて修正する次のサイクルに入る。
【００７６】
２回目以降でも同様に動作する。ステップＳ０８が初回でないので、ステップＳ１０でレベル変動比ＲLEVに応じて操作基準角Δθと静止時間Ｔsを計算する。
【００７７】
図８は、実施の形態１に係る追尾制御装置が有する角度幅計算部がレベル変動比から操作基準角を決める例を示す図である。図８では、横軸がレベル変動比ＲLEVであり、縦軸が操作基準角Δθを半値幅Δθ0で割った値である。操作基準角Δθを半値幅Δθ0で割った値を正規化操作基準角γ(＝Δθ/Δθ0)と呼ぶ。図８は、指向方向を変化させることによる信号強度の変化と雑音の大きさが適正かどうかをシミュレーションにより確認して求めたものである。図８に示すグラフは、レベル変動比ＲLEVと正規化操作基準角γの組をシミュレーションでいくつか求めて、下に示す関数形で補間したものである。なお、図８に示す例では、α＝４/３、β０＝１５、β＝０．１である。
γ＝Δθ/Δθ0＝β0*ＲLEV-α＋β            (25)
【００７８】
図８では、操作基準角Δθが異常値となることを防止するため、正規化操作基準角の最大値Δθmaxを０．４０に設定し、最小値Δθminを０．０２５に設定している。正規化操作基準角の最大値は、レベル変動比ＲLEVが悪い、すなわち閾値ＲTH未満[ＲLEV＜ＲTH])である場合に、操作基準角Δθが大きくなりすぎることも防止する。正規化操作基準角の最大値および最小値は上述の例にかぎらず、適宜調整してよい。
【００７９】
図８において、レベル変動比ＲLEVが大きい場合つまり雑音が小さい場合には、小さい操作基準角Δθが設定される。レベル変動比ＲLEVが小さい場合つまり雑音が大きい場合には、大きい操作基準角Δθの値が設定される。
【００８０】
操作基準角Δθと、アンテナ指向方向を追尾軌道(基準天球点)からΔθだけ変化させて指向方向誤差を求める際の指向方向誤差の算出誤差の関係を以下に説明する。天球上の１方向(例えば仰角方向)での指向方向誤差ｙは、基準天球点Ｇ０と操作時天球点Ｇ３、Ｇ４とで受信される受信信号の信号強度ｃObs0、ｃObs3、ｃObs4から、以下のように計算できる。操作時天球点Ｇ３、Ｇ４は、基準天球点Ｇ０から仰角を操作基準角Δθだけ減少または増加させた天球点である。
ｙ＝(1/4)*Δθ*(ｃObs4-ｃObs3)/(ｃObs0-(ｃObs3+ｃObs4)/2)  (26)
【００８１】
信号強度ｃObs0、ｃObs3、ｃObs4には雑音が重畳されている。操作基準角Δθだけ減少または増加させた指向方向でのアンテナパターンから計算する信号強度の変化(ｃObs0-ｃObs3)や(ｃObs0-ｃObs4)が雑音に対して十分に大きくないと、指向方向誤差ｙを必要な精度で求めることができない。一方、操作基準角Δθを必要以上に大きくすると、信号強度の低下量が大きくなり通信品質が低下する。信号強度の低下量は、アンテナパターンから予測できる。このため、指向方向誤差の算出誤差が許容できる範囲内で、操作基準角Δθを最小に設定することが望ましい。
【００８２】
操作基準角が小さいほど、基準天球点から変化させた指向方向での探査機からの信号の信号強度の低下は少なく、受信回線の品質は保たれる。その反面、アンテナパターンへのあてはめを精度良く行うためには、基準天球点で受信した信号の信号強度と、基準天球点から変化させたそれぞれの指向方向で受信した信号の信号強度との差である変化量が、レベル変動比で決まる信号強度の変動に対して十分に大きいことが必要である。このため、追尾制御装置４では、受信回線の品質を保ちながら探査機を精度良く追尾するために、信号強度の変動に応じた操作基準角だけ大口径アンテナ１の指向方向を変化させて指向方向誤差を求める。
【００８３】
操作基準角Δθの算出方法について説明する。操作基準角Δθだけ指向方向を変化させた場合の信号強度(対数値)の低下量をＶc＝(Δθ/σ0)２とする。信号強度ｃObs0、ｃObs3、ｃObs4に独立にΔｃの雑音が重畳する場合に、指向方向誤差の推定値ｙの誤差を|Δｙ|とする。|Δｙ|は以下のように計算できる。
|Δｙ|＝(Δc/Ｖc)*√((1/8)*(Δθ2*Ｖc)+(3/2)*ｙ2)      (27)
式(27)は、|Δｙ|がΔcに比例することを意味する。また、Ｖcがｙよりも十分に小さい場合は|Δｙ|がＶcに反比例し、Ｖcがｙよりも十分に大きい場合は|Δｙ|が√(Ｖc)に反比例することを意味する。したがって、式(27)は雑音Δｃが大きくなっても|Δｙ|を変化させないためには、Δｃが大きくなるとＶcを大きくする必要があることを示している。
【００８４】
レベル変動比ＲLEVとΔｃの関係を説明する。信号強度ｎObsが標準偏差Δｎだけ変化した際に、Δcの変化が発生するとする。以下のようになる。式(28)では、ＲLEVは真数である。
ｎObs+Δｎ＝ｎObs*(１＋１/ＲLEV)          (28)
式(28)の対数をとって、以下となる。
Δc＝ln(１＋１/ＲLEV)                      (29)
ＲLEVをデシベル値で表現した値に変更すると、式(29)は以下のようになる。
Δc＝ln(１＋１０-(ＲＬＥＶ/10))            (30)
【００８５】
半値幅Δθ0に対して、操作基準角Δθを正規化したものを、Ｖe＝(Δθ/Δθ0)とする。ｙ、Δｙも半値幅で正規化した値で表現する。式(27)は、以下のようになる。
|Δｙ|＝(Δc/(ln(8)*Ve2))*√((1/8)*Ve2+(3/2)*ｙ2)  (31)
【００８６】
式(31)をＶeについて解くと、以下のようになる。
Ve2＝(Δc/ln(8)/|Δy|)2*(1/16)
＋√((Δc/ln(8)/|Δy|)2*(3/2)*y2+(Δc/ln(8)/|Δy|)4*(1/16)2)  (32)
【００８７】
式(32)により、指向方向誤差の推定値|ｙ|とその推定誤差|Δｙ|に対して、その|ｙ|および|Δｙ|を得るために必要な最小の正規化操作基準角Ｖeを求められる。レベル変動比ＲLEVが悪く|Ｖe|＞|Δｙ|である場合には、式(32)は適切である。ＲLEVが良い場合には、レベル変動比ＲLEVが悪い場合と同じ|Δｙ|を使用すると、式(32)で計算される|Ｖe|は、|Ｖe|＜|Δｙ|となる。これは、指向方向誤差の悪化を招くほど|Ｖe|を小さくすることを意味し、適切ではない。レベル変動比ＲLEVに応じて|Δｙ|を変化させる方法として、|Ｖe|≧|Δｙ|が成立するとして解析する。なお、Ｋを１程度の定数として、|Ｖe|≧Ｋ*|Δｙ|、としてもよい。
【００８８】
Ｖe＝Δｙを式(32)に代入すると、以下となる。
Ve6−(Δc/ln(8))2*(Ve2/8+(3/2)*y2)＝０          (33)
【００８９】
３次方程式の解の公式により、式(33)の解は以下のようになる。
Ve2＝3√((3/4)*d*y2 + √(((3/4)*d*y2)2-(d/24)3) )
+3√((3/4)*d*y2 - √(((3/4)*d*y2)2-(d/24)3) )  (34)
ここで、ｄ＝(Δc/ln(8))2である。
【００９０】
式(32)もｄを使用して表現すると、以下となる。
Ve2＝(d/|Δy|2)*(1/16)
＋√((d/|Δy|2)*(3/2)*y2 + (d/|Δy|2)2*(1/16)2)  (35)
【００９１】
式(35)または式(34)で求まるＶeの大きい方を使用するとして、ＲLEVに対するＶeの変化をグラフにすると、図９のようになる。図９は、実施の形態１に係るレベル変動比ＲLEVと操作基準角Δθとの関係の別の１例を示す図である。図９は、|ｙ|＝０．２とし、|Ｖe|＞|Δｙ|である場合に|Δｙ|＝０．０５とした場合である。図９には、図８のシミュレーションで求めたグラフも破線で示す。シミュレーションと理論値とがよく一致していることが分る。
【００９２】
静止時間計算部２６は、レベル変動比ＲLEVと閾値ＲTHを比較して、以下のように静止時間Ｔsを決める。なお、ＲLEV≧ＲTHの場合は、角度幅計算部２５は操作基準角Δθをレベル変動比ＲLEVに応じて設定し、ＲLEV＜ＲTHの場合は最大値Δθmaxを設定する。このように静止時間Ｔsを決めることで、指向方向誤差計算部１９が算出する指向方向誤差の精度が決められた基準精度以下にできる。
ＲLEV≧ＲTHの場合  Ｔs＝Ts0
ＲLEV＜ＲTHの場合  Ｔs＝Ｔs0*(１０(ＲTH-ＲLEV)/10)2
このようにＴｓを決める理由は、平均する期間がα倍になると、平均値の変動の大きさは１/√(α)倍になるからである。なお、レベル変動比ＲLEVを複数の区間に分けて、各区間でのＴｓをＲLEVの減少に対して単調非減少になるように決めた長さを取るようにしてもよい。
【００９３】
閾値ＲTHを大きく設定して、静止時間Ｔsの変更する場合を多くしてもよい。ＲTHを小さく設定して、Ｔsを変更する場合が少なくなるようにしてもよい。指向方向誤差を算出するために要する時間と算出精度が適切になるように、操作基準角ΔθとＴsとを決めればよい。
【００９４】
遷移軌道生成部２４は、指向方向誤差が長さＴRの期間でゼロになる遷移軌道を作成する。図１０は、実施の形態１に追尾制御装置が有する遷移軌道作成部が作成する遷移軌道を例により説明する図である。図１０では、Ｘ方向についてだけ示すがＹ方向についても同様である。図１０(A)に、Ｘ方向の変位量ｕの時間推移を示す。図１０(B)に、ｕの速度dｕ/dtの時間推移を示す。指向方向誤差ｘが時間ＴＲをかけてゼロになる遷移軌道を示している。速度dｕ/dtは、ゼロから瞬時に最高速度ＶmaxになりＴＲではゼロに戻る。最高速度Ｖmaxは一定値であり、時間ＴＲ＝ｘ/Ｖmaxとｘに応じて決める。なお、図１０に示すのは指令値の変化であり、実際のアンテナの指向方向は時間遅れやオーバシュートなどが発生する。時間ＴＲを一定にして、最高速度Ｖmax＝ｘ/ＴＲとしてもよい。加速度の変化がなめらかになるように遷移軌道を決めてもよい。
【００９５】
予測軌道と実際の到来方向の間で、その差が時間の経過とともに一定または変動する変化率で変化する速度誤差が存在する場合がある。速度誤差は、到来方向が変化する天球上の速度ベクトルと追尾軌道が変化する天球上の速度ベクトルの差のベクトルである。天球は角度を表すので、速度誤差は軌道上で指向方向が変化する角速度の差である角速度偏差である。
【００９６】
速度誤差が存在する状況では、図１０に示す遷移軌道を作成する場合には、図１１に示すように指向方向誤差の発生と解消が繰り返されることになる。一定の速度誤差が存在する場合には、指向方向誤差は一定の速度で減少または増加することになる。図１１は、実施の形態１に追尾制御装置が予測軌道と実際の到来方向とが速度誤差を有する場合の指向方向の軌跡を説明する図である。図を見やすくするため、図１１では操作シナリオによる指向方向の変化は表示しない。追尾軌道と遷移軌道とを重ね合わせた軌跡８１は、遷移軌道が終了した時点で追尾軌道と到来方向の軌跡８２が一致するが、その後は到来方向の軌跡８２が軌跡８１からしだいに離れていくことを繰り返す。
【００９７】
予測軌道に速度誤差がある場合に指向方向誤差を低減するために、速度誤差を推定して計算する速度誤差計算部２９を備えるように実施の形態１を変形させることができる。図１２は、実施の形態１に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の速度誤差計算部を有する変形例の構成を示すブロック図である。追尾アンテナ装置１００Ａが有する追尾制御装置４Ａは、速度誤差計算部２９を備えることに加えて、遷移軌道生成部２４Ａ、駆動制御データ記憶部１８Ａおよび駆動制御部１７Ａを変更する。
【００９８】
図１３は、実施の形態１に係る追尾制御装置の変形例が有する速度誤差計算部の構成の一例を説明するブロック図である。追尾制御装置４Ａが有する速度誤差計算部２９は、(ｘ,ｙ)で表される指向方向誤差データ５７が計算されるごとに起動される。速度誤差計算部２９は、方位角誤差ｘが入力されて方位角速度誤差dｘ/dtを出力する方位角速度誤差計算部２９Ｘと、仰角誤差ｙが入力されて仰角速度誤差dｙ/dtを出力する仰角速度誤差計算部２９Ｙとを有する。速度誤差データ６５は、(dｘ/dt, dｙ/dt)である。
【００９９】
方位角速度誤差計算部２９Ｘは、方位角誤差ｘに定数Ｗ１を乗算する乗算器３０Ｘ、方位角速度誤差計算部２９Ｘの前回の出力値dｘ/dtｎ−１を記憶するホールド回路３１Ｘ、乗算器３０Ｘの出力とホールド回路３１Ｘの出力を加算する加算器３２Ｘとを有する。加算器３２Ｘの出力が、du/dtｎである。du/dtｎが速度誤差データ６５のＸ成分である。
仰角速度誤差計算部２９Ｙも同様な構成である。仰角速度誤差計算部２９Ｙは、入力の仰角誤差ｙからdv/dtｎを生成して出力する。dv/dtｎが速度誤差データ６５のＹ成分である。
【０１００】
定数Ｗ１は、１サイクルに要する時間ＴＬで指向方向誤差ｘがｘ*(１-Ｋｃ)に減少する方位角速度誤差dｘ/dtになるように決める。Ｋｃは１未満の値であり、１／３程度を設定する。
【０１０１】
遷移軌道生成部２４Ａには、指向方向誤差(ｘ,ｙ)と速度誤差(dｘ/dtｎ,dｙ/dtｎ)が入力される。添え字のｎは、時間経過を表す。ｎ−１が前回で、ｎが今回である。遷移軌道生成部２４Ａは、図１４のような遷移軌道を生成する。図１４(A)に示すＸ方向の変位量ｕの時間推移は、図１０(A)の場合と同様である。ただし、Ｖmax＝ｘ/ＴＲ＋dｘ/dtｎ−１、あるいはＴＲ＝ｘ/(Ｖmax - dｘ/dtｎ−１)となるようにする。図１４(B)に示す速度dｕ/dtの時間推移は、時刻t0でdｘ/dtｎ−１であり、時刻t0+ＴＲでdｘ/dtｎである。
【０１０２】
駆動制御データ記憶部１８Ａには、速度誤差を表す速度誤差データ６５も記憶される。駆動制御部１７Ａは、速度誤差データ６５も参照して動作する。駆動制御部１７Ａは、速度誤差にもしたがって指向方向が変化するようにアンテナ架台駆動部３を制御する。より具体的には、駆動制御部１７Ａは、追尾軌道データ５６、操作シナリオ５８および遷移軌道データ５９で決まる速度に速度誤差が加算された速度で指向方向が変化するようにアンテナ架台駆動部３を制御する。駆動制御部１７Ａではなく、追尾軌道生成部が速度誤差も考慮して追尾軌道を修正するようにしてもよい。速度誤差による指向方向誤差を小さくできるような構成であれば、どのような構成でもよい。
【０１０３】
図１５は、実施の形態１に係る追尾制御装置の速度誤差計算部を有する変形例の処理の流れを示すフローチャートである。図６と異なる点だけを説明する。ステップＳ０４Ａで、駆動制御部１７Ａが追尾軌道データ５５および速度誤差データ６５にしたがい探査機９０を追尾して受信信号を受信する。速度誤差データ６５の初期値はゼロとする。
【０１０４】
ステップＳ１５Ａの前に、ステップＳ１７で速度誤差計算部２９が速度誤差を計算する。ステップＳ１５Ａで、遷移軌道生成部２４Ａが修正後の追尾軌道に遷移する遷移軌道を速度誤差も考慮して生成する。
【０１０５】
図１６は、実施の形態１に追尾制御装置の変形例が予測軌道と実際の到来方向とが速度誤差を有する場合の指向方向の軌跡を説明する図である。速度誤差も考慮する変形例での軌跡８３は、指向方向誤差がしだいに小さくなり、実際の到来方向の軌跡８２とほぼ一致する。図１６には、速度誤差を考慮しないで追尾軌道と遷移軌道とを重ね合わせた軌跡８１も破線で示す。
【０１０６】
指向方向誤差を求める１サイクルの時間ＴＬを短くでき、指向方向誤差を解消する時間ＴＲと同程度にできる場合は、図１７に示す遷移軌道生成部２４Ｂおよび速度誤差計算部２９Ａを使用することができる。図１７は、実施の形態１に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の変形例が有する遷移軌道生成部および速度誤差計算部の構成の別の一例を説明するブロック図である。
【０１０７】
遷移軌道生成部２４Ｂは、方位角が修正後の追尾軌道に変化するための方位角遷移軌道生成部２４Ｘと、仰角修正後の追尾軌道に変化するための仰角遷移軌道生成部２４Ｙとを有する。速度誤差計算部２９Ａは、方位角速度誤差計算部２９ＸＡと仰角速度誤差計算部２９ＹＡとを有する。速度誤差計算部２９Ａは、遷移軌道生成部２４Ｂの内部に存在する。
【０１０８】
方位角遷移軌道生成部２４Ｘは、方位角誤差ｘに定数Ｗｃを乗算する乗算器３３Ｘ、乗算器３３Ｘの出力Ｗｃ*ｘを２分する分配器３４Ｘ、分配器３４Ｘの一方の出力と方位角速度誤差計算部２９ＸＡの出力を加算する加算器３５Ｘ、加算器３５Ｘの出力を積分する積分器３６Ｘを有する。積分器３６Ｘの出力Σｘが遷移軌道データ５９のＸ成分になる。Ｗｃ＝１／ＴＲとし、時間ＴＲが経過すると方位角誤差ｘを解消できるようにする。
仰角遷移軌道生成部２４Ｙも、同様な構成である。
【０１０９】
方位角速度誤差計算部２９ＸＡは、分配器３４Ｘのもう一方の出力が入力されて定数Ｗｃを乗算する乗算器３０Ｘ、乗算器３０Ｘの出力を積分する積分器３７Ｘを有する。積分器３７Ｘの出力は加算器３５Ｘに入力される。Ｗ１は、図１３に示す方位角速度誤差計算部２９Ｘの場合と同様に決める。
方位角速度誤差計算部２９ＹＡは、同様な構成である。
【０１１０】
図１８は、実施の形態１に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の速度誤差計算部を有する別の変形例の構成を示すブロック図である。図１２と異なる点だけを説明する。追尾アンテナ装置１００Ｂが有する追尾制御装置４Ｂでは、遷移軌道生成部２４Ｂを変更する。速度誤差データ６５は、遷移軌道生成部２４Ｂだけが参照する。遷移軌道生成部２４Ｂは、速度誤差も考慮して遷移軌道データ５９を生成する。遷移軌道生成部２４Ｂが生成する遷移軌道は、指向方向誤差を求める１サイクルに対するものであり、速度誤差を遷移軌道で補正することができる。
【０１１１】
図１５にブロック図を示す追尾制御装置４Ａの動作をシミュレーションで確認した結果を説明する。以下のシミュレーションにおいて、アンテナビームの半値幅は１０mdegに設定されている。また、初回の操作基準角Δθはアンテナビームの半値幅の１／２である５mdegに設定されている。速度誤差計算部２９を設けた効果を確認するため、このシミュレーションにおいて、探査機の位置と基準天球点との間の誤差を毎回の測定で１mdegずつ増加させるシミュレーション設定としている。
【０１１２】
図１９は、追尾制御装置４Ａによるシミュレーション結果を示す図である。図１９(A)から(D)において、横軸は５点法の実施回数を示している。図１９(A)は、信号強度(単位はｄＢ)の時間変化を示している。信号強度ｎObs0(実線)、ｎObs1(一点鎖線)およびｎObs2(破線)は、それぞれ、大口径アンテナ１がＧ０、Ｇ１およびＧ２の方向を向いた際の信号強度の値を示している。また、図１９(B)は、操作基準角Δθ(単位はmdeg)を示す。図１９(C)は、指向方向誤差および積算指向方向誤差を示す(単位はいずれもmdeg)。積算指向方向誤差は、計算した指向方向誤差を積算した値である。図１９(C)において、Ａが指向方向誤差を示し、Ｂが積算指向方向誤差を示している。さらに、図１９(D)は、レベル変動比ＲLEVを示している。ここで、補正後レベル変動比は、１５ｄＢである。また、初期のレベル変動比ＲLEVが１８ｄＢであり、信号強度の測定時間すなわち静止時間Ｔsの調整を行わないでシミュレーションする。
【０１１３】
１回目に５点法を実施する際、操作基準角Δθがアンテナビームの半値幅の半分である５mdegに設定されている。そのため、図１９(A)では、１回目は信号強度の低下が大きいが、２回目以降は、０．８ｄＢ以内の信号強度低下に抑えることができている。これは、図１９(B)に示す通り、レベル変動比ＲLEVに対応する操作基準角として１．８mdegから２．２mdegの範囲内の値が、２回目以降では選択されていることによる。また、図１９(C)のＢに示される積算指向方向誤差が、シミュレーション設定により毎回の測定で１mdegずつ増加していることから分かるとおり、速度誤差計算部２９の出力は、探査機の位置と基準天球点との間の誤差に追従している。この結果とともに、図１９(C)のＡに示される指向方向誤差が、２回目以降では−１．０mdegから＋１．０mdegの範囲内である。図７に示した指向方向誤差の適正範囲である−２．０mdegから＋２．０mdegに制御できており、大口径アンテナ１が探査機に正しく指向するように制御されていることがわかる。２回目以降は、レベル変動比ＲLEVが、図１９(D)に示す通り１８ｄＢ付近で推移していることがわかる。
【０１１４】
角度幅計算部２５は、レベル変動比計測部１４が算出したレベル変動比ＲLEVを用いて、適切な操作基準角を設定している。これにより、追尾制御装置４Ａは通信回線の品質を劣化させずに通信相手を追尾できる。なお、品質が劣化するとは、通信する上で支障が出るほど低下することを意味する。
【０１１５】
図２０は、追尾制御装置４Ａによる信号強度を平均する時間である静止時間Ｔｓを調整した場合の探査機追尾のシミュレーション結果を示す図である。図２０(A)から(D)において、横軸は５点法の実施回数を示している。図２０(A)では、縦軸が、信号強度を示している。また、信号強度ｎObs0(実線)、ｎObs1(一点鎖線)、ｎObs2(破線)は、それぞれ、大口径アンテナ１がＧ０、Ｇ１およびＧ２の方向を向いた際の信号強度の値を示している。また、図２０(B)では、縦軸が操作基準角Δθを示す。図２０(C)では、縦軸は、指向方向誤差あるいは積算指向方向誤差を示す。また、Ａが指向方向誤差を示し、Ｂが積算指向方向誤差を示している。図２０(D)がレベル変動比ＲLEVを示している。
【０１１６】
補正後レベル変動比は１５ｄＢであり、レベル変動比ＲLEVの初期値が１８ｄＢに設定されている。なお、図２０ではレベル変動比ＲLEVが２８ｄＢになるように信号強度を平均する時間である静止時間Ｔｓが静止時間計算部２６により調整されている。探査機の位置と基準天球点との間の誤差を毎回の測定で１mdegずつ増加させるシミュレーション設定としている。
【０１１７】
１回目に５点法を実施する際、操作基準角Δθは、アンテナビームの半値幅の半分である５mdegに設定されているため、信号強度の低下が大きい。しかし、図２０(A)に示す通り、２回目以降における信号強度ｎObs0，ｎObs1，およびｎObs2は、いずれも信号強度の低下が０．１ｄＢ以内に抑制できている。これは、図２０(B)に示す通り、レベル変動比ＲLEVに対応する操作基準角として０．５５mdegから０．６５mdegの範囲内の値が、２回目以降には選択されていることによるものである。図２０(C)のＢに示される積算指向方向誤差が、シミュレーション設定により毎回の測定で１mdegずつ増加していることから分かるとおり、速度誤差計算部２９の出力は、探査機の方向と基準天球点との間の誤差に追従している。この結果とともに、２回目以降は、図２０(C)においてＡに示される指向方向誤差が、概ね−０．２０mdegから＋０．２０mdegの範囲内である。図７に示した指向方向誤差の適正範囲である−２．０mdegから＋２．０mdegに制御できており、大口径アンテナ１が探査機に正しく指向するように制御されていることがわかる。図２０(D)に示す通り、２回目以降におけるレベル変動比ＲLEVも同様に２７．９６５mdegから２８．００５ｄＢの範囲内の値を推移していることがわかる。図１９(A)に比べて、図２０(A)では、レベル変動比ＲLEVが改善するように静止時間Ｔｓを静止時間計算部２６が設定しているため、通信回線品質の劣化をさらに抑制し、高精度に通信相手を追尾することが可能である。
【０１１８】
以上のように、実施の形態１に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置においては、角度幅計算部２５が信号強度のレベル変動比に対応させて操作基準角を算出し、操作シナリオ生成部２３は操作基準角をもとに操作時天球点を算出し、指向方向誤差算出部１９は、基準天球点および操作時天球点について取得した受信信号の電力から、探査機からの信号強度を算出する。そのため、受信信号のレベル変動に対しても、通信回線の品質を劣化させずに通信相手を追尾できる追尾制御装置および追尾アンテナ装置を得ることができる。また、静止時間計算部２６が静止時間Ｔｓを調整することで、信号強度の変動比を向上させて操作基準角を小さくして指向方向誤差を算出できる。その結果、信号強度の変動の影響を抑制して通信回線の品質を劣化させることなく通信相手を追尾できる。
【０１１９】
レベル変動比に応じて操作基準角を計算する以外の方法でも、レベル変動比に基づき操作シナリオを生成し、操作シナリオに基づき指向方向を変化させることで、指向方向誤差を求めるために指向方向を変化させる際の信号強度の低下を小さくすることができる。そうすることで、通信回線の品質を劣化させることなく通信相手を追尾できる。
【０１２０】
指向方向誤差を積算する制御ループを設けることで、探査機の到来方向が予測軌道から変動しても、大口径アンテナ１を探査機に安定的に追従させることが可能になる。
【０１２１】
速度誤差計算部２９を備えることで、到来方向と基準天球点との間に速度誤差(角速度偏差)が有る場合にも大口径アンテナ１を探査機に追尾させることができる。
【０１２２】
通信回線の品質を劣化させずに通信相手を追尾できる追尾制御装置および追尾アンテナ装置を得ることができる。また、静止時間計算部２６が静止時間Ｔｓを調整しているため、指向方向誤差算出部１９が使用する信号強度のレベル変動比を向上させることができる。その結果、信号強度の変動の影響を抑制して探査機の追尾を行うことができる。また、信号強度計測部１３が、予め測定したノイズの値を用いて受信機における受信レベルを補正し、探査機からの信号の信号強度を算出しているため、宇宙背景放射等のノイズの値を測定するために大口径アンテナ１の指向方向誤差を計算する時ごとに通信回線を遮断する必要がない。
【０１２３】
なお、この実施の形態１では、ＡＺ方向、ＥＬ方向のそれぞれについて、基準天球点および基準天球点を中心に対称な２つの操作時天球点について取得した受信電力から、指向方向誤差を算出するが、これらの基準天球点、操作時天球点に加えて、任意の操作時天球点について取得した受信電力も使用して指向方向誤差を算出してもよい。操作時天球点は対称でなくてもよい。
【０１２４】
なお、実施の形態１および実施の形態２では、大口径アンテナ１は、ＥＬ/ＡＺマウントであるものとして説明を行ったが、Ｘ／Ｙマウントであってもこの発明の形態１および２に係る発明を適用可能である。
【０１２５】
５点法とは異なる方法として、一般に、大口径アンテナ１を５個以上の異なる方向に指向させたときの信号強度をもとに指向方向誤差を求めることができる。１個の指向方向として基準天球点を使用する場合は、大口径アンテナ１の指向方向を基準天球点と、基準天球点のほかの少なくとも４個の操作時天球点に指向させたときの信号強度をもとに指向方向誤差を求めることができる。すなわち、追尾制御装置は、基準天球点と基準信号強度との組または操作時天球点と信号強度との組である方向強度ペアを少なくとも５個を用いて指向方向誤差を求める。
実施の形態２以降では、大口径アンテナ１を基準天球点に指向させたときの信号強度と、大口径アンテナ１の指向方向を３個以上の異なる方向に変更させたときの信号強度をもとに指向方向誤差を求める構成について示す。
【０１２６】
信号強度計測部およびレベル変動比計測部のどちからまたは両方は、受信機など追尾制御装置とは異なる装置が備えるようにしてもよい。信号強度およびレベル変動比が追尾制御装置で使用できれば、どのような構成でもよい。
以上のことは、他の実施の形態にもあてはまる。
【０１２７】
実施の形態２．
実施の形態１では、５点法すなわち、基準天球点、基準天球点から方位角を同じ角度だけ増減させた２個の操作時天球点および基準天球点から仰角を同じ角度だけ増減させた２個の操作時天球点の合計５個の天球点で信号強度を計測して、５個の信号強度をアンテナパターンにあてはめて指向方向誤差を求めた。５点法では、指向方向誤差を求める計算式が簡潔であるという利点がある。この実施の形態２では、制約条件を守った上である程度の自由度を持たせて配置した少なくとも４個の操作時天球点で計測した信号強度をアンテナパターンにあてはめて指向方向誤差を求める。指向方向誤差およびアンテナパターンを仮定して、基準天球点および操作時天球点での信号強度の推定値をもとめ、推定値と実測値の差の二乗の方天球点についての和が最小になるように指向方向誤差を決める。なお、アンテナパターンにおいて変形係数(σy/σx)が既知であるとする場合には、操作時天球点は３個でもよい。
【０１２８】
図２１は、この発明の実施の形態２に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。実施の形態２では、追尾アンテナ装置１００Ｃが有する追尾制御装置４Ｃは、操作シナリオ生成部２３Ａ、角度幅計算部２５Ａ、指向方向誤差算出部１９Ａを変更している。なお、実施の形態１の場合の図１と同じまたは対応する構成については、それらの構成の説明を省略する。
なお、速度制御部を持つ実施の形態１の変形例にも、同様な変更を適用できる。
【０１２９】
操作シナリオ生成部２３Ａは、角度幅計算部２５Ａが算出した操作基準角をもとに、探査機の方向を求めるために大口径アンテナ１を基準天球点Ｇ０から(Ｎ−１)個の操作時天球点Ｇｊに変化させる操作シナリオ５８を算出する。
【０１３０】
操作天球範囲６１を、基準天球点Ｇ０と操作時天球点Ｇｊをすべて含む天球上の最小の凸な範囲とする。操作シナリオ５８を作成する際には、操作天球範囲６１がレベル変動比に応じて適切な大きさを持つようにすることを考慮する。また、操作時天球点と基準天球点との距離に関して、基準天球点から十分に離れた２個の操作時天球点が、直交する天球上の２方向のそれぞれで存在するようにする。この条件を「天球点の間隔条件」と呼ぶ。
【０１３１】
操作天球範囲６１の大きさ、すなわち操作基準角Δθの大きさについての条件を検討する。まず、Ｙ方向について検討する。操作天球範囲６１をＹ軸に射影した幅が、操作基準角Δθの２倍であるとする。天球点Ｇｊでの信号強度ｃObsjに独立にΔｃの雑音が重畳する場合に、半値幅Δθ0で正規化して表現すると、指向方向誤差の推定値ｙの誤差を|Δｙ|は、以下の式で計算できる。ここで、Ｖe＝(Δθ/Δθ0)である。
|Δｙ|＝(Δc/(ln(8)*Ve2))*√(ηy*Ve2+ξy*(ｙ-ρy)2)        (36)
式(36)は、５点法の場合の式(31)と同様の形式である。ηy、ξyおよびρyは、操作時天球点Ｇｊの配置から決まる定数である。式(36)が一般形であり、５点法の場合にηy＝(1/8)、ξy＝(3/2)、ρy＝０を代入したものが、式(31)である。
【０１３２】
天球上のＹ軸と直交するＸ軸に関しても、同様に以下となる。
|Δｘ|＝(Δc/(ln(8)*Ve2))*√(ηx*Ve2+ξx*(ｘ-ρx)2)        (37)
【０１３３】
式(35)および式(34)も一般式で表現すると、以下となる。ここで、ｄ＝(Δc/ln(8))2である。
Ve2＝(d/|Δy|2)*(ηy/2)
＋√((d/|Δy|2)*ξy*(y-ρy)2 + (d/|Δy|2)2*(ηy/2)2)     (38)
Ve2＝3√((ξy/2)*d*(y-ρy)2 
+ √(((ξy/2)*d*(y-ρy)2)2-((ηy/3)*d)3) )
+3√((ξy/2)*d**(y-ρy)2 
- √(((ξy/2)*d*(y-ρy)2)2-((ηy/3)*d)3) )      (39)
【０１３４】
角度幅計算部２５Ａは、式(38)および式(39)を使用してレベル変動比ＲLEVから操作基準角Δθを決める。そのために、操作時天球点Ｇｊの配置に応じて、ηy、ξyおよびρyなどの定数を計算し、ＲLEVからΔθを決める式(38)および式(39)を準備しておく。あるいは、５点法の場合の操作基準角ΔθFを使用するようにしてもよい。その理由は、天球点の間隔条件を満足する必要があるので、操作時天球点Ｇｊの配置が変化してもレベル変動比から操作基準角Δθを決める式は、５点法の場合と大きくは変わらないと考えられるからである。操作時天球点Ｇｊの配置に対して、一般に天球点の数が増えるとξyなどは減少するので、ΔθFを使用しても操作基準角が小さすぎて指向方向誤差の算出精度が悪化することはない。より正確に計算できるように、操作時天球点Ｇｊの配置に対応させて係数Ｋgを求めておき、Δθ＝Ｋg*ΔθFとしてもよい。
【０１３５】
図２２を使用して、天球上の１方向での天球点の間隔条件について説明する。図２２は、実施の形態２に係る追尾制御装置において操作時天球点の間隔についての条件を説明するための図である。図２２では、Ｘ軸上に２個の操作時天球点Ｇ１、Ｇ２を、その間隔が２*Δθとなるように配置した、２つの場合を示している。図２２(A)は、５点法のようにＧ１とＧ２を同じ距離だけＧ０から離した場合である。図２２(B)は、Ｇ１をＧ０の近くに配置した場合である。図２２(B)の場合には、図２２(A)の場合と比較して指向方向誤差ｘを推定する際の誤差|Δｘ|が大きくなる。
【０１３６】
図２２(B)に示すように、Ｇ０＝(０, ０)、Ｇ１＝(-ε*Δθ, ０)、Ｇ２＝((２-ε)*Δθ, ０)とする。導出の過程は省略するが、|Δｘ|を表す式(37)において、ηx、ξxおよびρxを以下のように設定した式で計算できる。
ηx＝(3/8)ε(2-ε)/(4-2ε+ε2)                  (40)
ξx＝(1/2)(4-2ε+ε2)/ε/(2-ε)                 (41)
ρx＝(1/3)(1-ε)(8-10ε+5ε2)/(4-2ε+ε2)        (42)
【０１３７】
式(41)は、εが０または２に近づくとξxが急激に大きくなることを意味する。ξxが大きいことは、|Δｘ|が大きくなり指向方向誤差の算出精度が悪化することを意味する。算出精度を許容できる下限以上を維持するには、算出精度からξxひいてはεを決める必要がある。εを例えば０．３などのように決めて、最大幅を決める天球点からε*Δ以上の天球点が存在するように天球点を配置すれば、必要とする算出精度で指向方向誤差を得ることができる。
【０１３８】
天球上の１方向で操作時天球点Ｇｊが３個以上の場合は、基準天球点Ｇ０との距離がε*Δθ以上の操作時天球点が２個以上あるようにすればよい。そうすれば、Ｇ０との距離がε*Δθ未満の距離の操作時天球点があってもよい。一般に、ある操作時天球点の配置に対して、全体の幅が変わらないように操作時天球点を追加した配置では、追加前よりもξyが小さくなる。
【０１３９】
指向方向誤差を計算する際には、基準天球点Ｇ０で作成した方向強度ペアを使用する方が速く指向方向誤差を計算できるので有利である。基準天球点Ｇ０は必ずしも使用しなくてもよい。基準天球点Ｇ０を使用しない場合には、直交する天球上の２方向のそれぞれに関して、２個の操作時天球点の間隔の最大値が２*Δθ以上であり、両端の操作時天球点からの距離がε*Δθ以上であるように、操作時天球点を配置すればよい。
【０１４０】
操作天球範囲６１は、天球上に配置される操作時天球点Ｇｊから決まる。操作天球範囲６１が最大の幅をとる方向を、最大幅天球方向または主操作天球方向と呼ぶ。操作天球範囲６１の最大の幅を最大幅または主操作天球幅と呼ぶ。最大幅天球方向と直交する天球上の方向を最大幅直交天球方向または副操作天球方向と呼ぶ。最大幅直交天球方向での操作天球範囲６１の幅を最大直交幅または副操作天球幅と呼ぶ。主操作天球幅および最大直交幅が、ともに２*Δθ以上であるようにする。さらに、最大幅天球方向での両端の天球点からの距離の最大幅天球方向の成分がε*Δθ以上であるような天球点が存在し、かつ、最大幅直交天球方向での両端の天球点からの距離の最大幅直交天球方向の成分がε*Δθ以上であるような天球点が存在するようにすればよい。最大幅天球方向での両端の天球点を、最大幅を決める天球点とも呼ぶ。
【０１４１】
最大幅は、例えば２*Δθという最大幅下限角以上の値をとるようにする。最大幅下限角は、操作基準角Δθに応じて決められていれば、２*Δθ以外の値でもよい。また、最大幅を決める天球点からの距離、例えばε*Δθを操作下限角と呼ぶ。操作下限角は、操作基準角Δθに応じて決められていれば、ε*Δθ以外の値でもよい。最大直交幅についても、例えば２*Δθという最大直交幅下限角以上の値をとるようにする。最大直交幅下限角は、操作基準角Δθに応じて決められていれば、２*Δθ以外の値でもよい。最大直交幅下限角は、最大幅下限角と同じまたは小さく決める。また、最大直交幅を決める天球点からの距離、例えばε*Δθを副操作下限角と呼ぶ。副操作下限角は、操作基準角Δθに応じて決められていれば、ε*Δθ以外の値でもよい。副操作下限角は、操作下限角と同じまたは小さく決める。
【０１４２】
最大幅および最大直交幅がどちらも、操作基準角Δθから決まる幅以上である必要がある。最大直交幅を最大幅で割った値を真円率とよぶ。真円率は１に近い方が望ましい。最大直交幅が最大幅直交天球方向で指向方向誤差を基準精度で計算できる値である場合には、最大幅は必要以上に大きく指向方向を変更することになり、信号強度の減少も必要量以上になる。最大幅と最大直交幅が同じでない場合も、真円率が例えば０．８以上などのように決められた最小真円率以上であればよい。
【０１４３】
なお、最小真円率未満であってもよい。最小真円率未満の場合は、最大直交幅を最大直交幅下限角(例えば、２*Δθ)以上にするので、最大幅が大きくなり信号強度の低下も大きくなる可能性が高くなり望ましくない。最大幅を最幅下限角(例えば、２*Δθ)にすると、最大幅直交天球方向での指向方向誤差の計算精度が劣化する可能性がある。なお、計測天球点の数が多ければ計算精度は、問題にならない場合がある。
【０１４４】
なお、アンテナパターンにおいて変形係数(σy/σx)が既知であるとする場合は、最大幅直交天球方向での操作天球範囲６１の幅が、Δθ以上であるようにする。また、最大幅直交天球方向では、天球点の間隔条件を考慮しなくてもよい。これらのことは、他の実施の形態でも同様である。
【０１４５】
このように操作時天球点を選べば、すべての操作時天球点が同一大円上に配置されることはない。すべての天球点が同一大円上に配置されると、その大円に垂直な天球上の方向での指向方向誤差を求めることができない。同一大円上でなくても大円からの差が微小であれば、計算誤差が大きくなる。天球点の間隔条件は、直交する天球上の２方向のそれぞれに関して、有意に差がある２個の天球点の組が少なくとも２組が存在するように操作時天球点を選択する必要があることを意味する。実施の形態１で使用した５点法は、ここで説明した操作時天球点に関する条件を満足するように配置された操作時天球点を使用する方法である。
【０１４６】
以上、説明した条件が満足すれば、操作時天球点Ｇｊは自由に決めてよい。例えば、図２３に示すような配置で操作時天球点Ｇｊを決めてもよい。図２３は、実施の形態２に係る追尾制御装置が指向方向誤差を求めるために使用する操作時天球点の配置の一例を示す図である。操作時天球点Ｇｊの数を増やせば、指向方向操作誤差をより正確に求めることができる。Ｘ方向とＹ方向は、互いに直交していれば天球上の任意の方向でよい。
【０１４７】
操作時天球点の配置に関する条件をすべて満足するように操作時天球点を配置すれば、高速かつ精度よく指向方向誤差を算出できる。満足しない条件があったとしても、他の条件が十分に満足していれば精度の悪化にはつながらない場合がある。精度が低下する、あるいは指向方向誤差の計算に要する時間が最短でないことを許容すれば、操作時天球点の配置に関する条件がすべて充足するようにしなくてもよい。
【０１４８】
指向方向誤差算出部１９Ａは、少なくとも５個の異なる指向方向での受信信号の信号強度から指向方向誤差を算出する。算出方法を説明する。そのために、以下の変数を定義する。５点法の場合で定義した変数も使用する。ここで、指向方向誤差を算出する方向強度ペア６４を作成した天球点を計測天球点と呼ぶ。
Ｎ：計測天球点の数。
uj：計測天球点ＧjのＸ座標。
vj：計測天球点ＧjのＹ座標。
k：アンテナパターンの変形係数。k＝(σx/σy)２。k＝１で、真円。
mj：天球点(uj,vj)と到来方向を表す天球点(x,y)との距離の二乗を表す変数。
mj＝ (uj - x)２ + k*(vj - y)２                    (43)
ｂ：計算式を簡潔に表現するための変数。ｂ＝ln(n0)
ａ：計算式を簡潔に表現するための変数。ａ＝(１/σx)２
ｎEstj：計測天球点Ｇjでの、アンテナパターンから決まる信号強度推定値。
ｃEstj：信号強度推定値ｎEstjの自然対数値。ｃEstj＝ln(ｎEstj)。
ｃEstj＝ｂ−ａ*ｍj                              (44)
Ｅ：Ｎ個の(uj,vj)で信号強度cjを検出した場合の観測結果から、アンテナパターンを推測する際に最小化の対象である誤差関数。ΣはＮ個の合計を意味し、表記を簡単化して、通常はΣの下および上に書かれるjやＮなどは省略する。
Ｅ(b, a, x, y, k)＝Σ(cObsj - cEstj)２＝Σ(cObsj - (b - a*mj))２  (45)
【０１４９】
式(45)が最小になるように(b, a, x, y, k)を決めることで、指向方向誤差(ｘ,ｙ)を求める。式(45)を変形して、以下となる。
Ｅ＝Σ(cObsj−b+a*mj)2
＝N*b2-2*Σ(cObsj+a*mj)*b +Σ(cObsj+a*mj)2
＝N*(b-Σ(cObsj+a*mj)/N) 2 +Σ(cObsj+a*mj)2 - (Σ(cObsj+a*mj))2/N  (46)
【０１５０】
式(46)は、(a, x, y, k)が決まった状態において、以下の式(47)のようにｂを決めれば、Ｅを最小化できることを意味する。
b＝Σ(cObsj+a*mj)/N                        (47)
式(47)のようにｂを決める前提で、式(46)はｂを含まない、以下の式に変形できる。
Ｅ＝Σ(cObsj+a*mj)2 - (Σ(cObsj+a*mj))2/N    (48)
【０１５１】
式(48)をａの二次式として表現する。式を簡潔に表現するために、以下の変数を使用する。
Pc＝ΣcObsj
c0＝(ΣcObsj)/N＝Pc/N
Sc＝ΣcObsj2
Pd＝Σmj
m0＝(Σmj)/N＝Pd/N
Td＝ΣcObsj*mj
Qd＝Σmj2
【０１５２】
上に示す変数を使用して、式(48)を変形すると、以下のようになる。
Ｅ＝Σ(cObsj+a*mj)2 - (Σ(cObsj+a*mj))2/N  
＝Σ(cObsj2+2*cObsj*a*mj+(a*mj)2)-(ΣcObsj+a*Σmj)2/N
＝((Σmj2)*a2+2(ΣcObsj*mj)*a+ΣcObsj2)
- ((Σmj) 2*a2 + 2a*(ΣcObsj)*(Σmj)+(ΣcObsj)2)/N
＝(Qd - Pd2/N)*a2+2(Td - Pc*Pd/N)*a+Sc-Pc2/N
＝(Qd - Pd2/N)*(a-(Pc*Pd/N -Td)/(Qd - Pd2/N))2+Sc-Pc2/N 
-(Pc*Pd/N -Td)2/(Qd - Pd2/N)
＝(Qd - Pd2/N)*(a-(Pc*Pd/N -Td)/(Qd - Pd2/N))2
+(Sc-Pc2/N) -(Pc*Pd/N -Td)2/(Qd - Pd2/N)          (49)
【０１５３】
ここで、以下となる。
Sc-Pc2/N＝ΣcObsj2 - N*c02 ＝Σ(cObsj2 - c02)＝Σ(cObsj - c0)2＞0
Qd - Pd2/N＝Σmj2 - N*m02 ＝Σ(mj2 - m02)＝Σ(mj - m0)2＞0
Pc*Pd/N -Td＝c0*Σmj- ΣcObsj*mj ＝Σ(c0 - cObsj)*mj＞0    (50)
なお、mj1＜mj2であれば、cObsj1＞cObsj2であるので、式(50)＞0である。
【０１５４】
これらを使用して、式(49)を表現すると、以下となる。
Ｅ＝(Σ(mj2 - m02))*(a-(Σ(c0 - cObsj)*mj)/(Σ(mj2 - m02)))2
+(Σ(cObsj2 - c02))-(Σ(c0 - cObsj)*mj)2/(Σ(mj2 - m02))  (51)
【０１５５】
式(51)は、(x, y, k)が決まった状態において、以下の式(52)のようにａを決めれば、Ｅを最小化できることを意味する。
a＝(Σ(c0 - cObsj)*mj)/(Σ(mj - m0)2)                         (52)
【０１５６】
式(52)のようにａを決める前提で、式(51)はａを含まない、以下の式に変形できる。
Ｅ＝(Σ(cObsj - c0)2)-(Σ(c0 - cObsj)*mj)2/(Σ(mj - m0)2)      (53)
【０１５７】
指向方向誤差(ｘ,ｙ)を求めるために、式(53)を陽にｘ,ｙを含む式に変形する。そのために、以下の変数を定義する。
gj＝uj2 - 2uj*x + k*(vj2 - 2vj*y)              (54)
h＝x2+k*y2
【０１５８】
ここで、座標の原点をΣuj＝０、Σvj＝０となるように決めると、以下となる。
g0＝(1/N)Σgj
＝(1/N)Σ(uj2 - 2uj*x + k*(vj2 - 2vj*y))
＝(1/N)Σ(uj2 + k*vj2)                      (55)
【０１５９】
gjとｈを使用することで、以下となる。
mj＝gj + h
m0＝(Σ(gj + h))/N＝(1/N)Σgj + h＝g0 + h
Σ(mj - m0)2＝Σ((gj+h) - (g0+h))2＝Σ(gj-g0)2
Σ(c0 - cObsj)*mj＝Σ(c0 - cObsj)*(gj + h)＝Σ(c0 - cObsj)*gj
【０１６０】
したがって、式(52)および式(53)は、ｈを含まない以下の式で表現できる。
a＝(Σ(c0 - cObsj)*gjj)/(Σ(gj - g0)2)                    (56)
Ｅ＝(Σ(cObsj - c0)2)-(Σ(c0 - cObsj)*gj)2/(Σ(gj - g0)2)  (57)
【０１６１】
式(57)において、第１項の(Σ(cObsj - c0)2)は、x,y,kに依存しない定数項である。したがって、Ｅの最小化は、以下のＦの最大化と等価である。
Ｆ＝(Σ(c0 - cObsj)*gj)2/(Σ(gj - g0)2)                  (58)
【０１６２】
式(58)で表されるＦは、分母、分子とも、kまたは、xおよびyの２次式である。したがって、k＝１または、(x,y)＝(0,0)の初期値を与えて、ｋを定数と見て(x,y)を求める処理と、(x,y)を定数と見てｋを求めることを繰り返すことで、Ｆを最大とする(x, y, k)を求めることができる。
【０１６３】
式(58)を最大化する(x,y)を求める方法を説明する。そのために、以下の変数を使用する。
Qg＝Σ((uj2+ k*vj2)2 - g02)
Su＝Σuj2
Sv＝Σ(k*vj)2
Sw＝Σuj*k*vj
Tu＝Σ(uj2+ k*vj2)*uj
Tv＝Σ(uj2+ k*vj2)*k*vj
Sg＝Σ(gj - g0)2
x0＝(1/2)*(Tu - (Sw/Sv)*Tv)/(Su - Sw2/Sv)
y0＝(1/2)*(Tv - (Sw/Su)*Tu)/(Sv - Sw2/Su)
Qcg＝c0*N*g0 -ΣcObsj*(uj2 + k*vj2)＝ΣcObsj*(g0 - (uj2 + k*vj2))
Tcu＝ΣcObsj*uj
Tcv＝ΣcObsj*k*vj
Scg＝Σ(c0 - cObsj)*gj
【０１６４】
式(58)の分母を表すSgは、以下のようになる。
Sg＝Σ(gj - g0)2
＝Qg+4(x2*Su + 2x*y*Sw+ y2*Sv- x*Tu -y*Tv)        (59)
【０１６５】
x0とy0を使用することで、xとyの１次の項を消去できる。
Sg＝Rg+4((x-x0)2*Su + 2(x-x0)*(y-y0)*Sw + (y -y0)2*Sv)  (60)
ここで、Rgは以下である。
Rg＝Qg-4(x02*Su + 2x0*y0*Sw + y02*Sv)               (61)
【０１６６】
式(58)の分子を表すScgは、以下のようになる。
Scg＝Σ(c0 - cObsj)*gj
＝Qcg+ 2x*Tcu + 2y*Tcv      
＝Rcg + 2(x-x0)*Tcu + 2(y-y0)*Tcv                (62)
ここで、Rcgは以下である。
Rcg＝Qcg + 2x0*Tcu + 2y0*Tcv                      (63)
【０１６７】
式(62)で表されるＦの分子であるＳｃｇは、ＴｃｕとＴｃｖから決まる角度だけ座標系を回転させると１変数(ｐとする)で表現できる。式(60)で表されるＦの分母であるＳｇは、座標系を回転させても２変数の２次形式である。Ｓｃｇで使用されない方の変数をｑとする。Ｆを最大化するには、Ｓｇを小さくする必要がある。ｑを含む２次の項とｑを含まない２次の項でＳｇを表現すると、Ｓｇを小さくするには、ｑを含む２次の項がゼロである必要がある。そうすると、Ｓｇもｐだけの式で表現できる。すなわちＦがｐだけの関数になるので、Ｆをｐで微分してＦを最大にするｐを決定できる。ｑはｐから一意に決まるので、Ｆを最大にするｐとｑを決定できる。座標系を逆回転させて、Ｆを最大にするｘとｙが得られる。
【０１６８】
このような解法により、導出の過程は省略するが、Ｆを最大にするｘとｙは以下の式で計算できる。
x-x0＝(1/2)*(Tcu - (Sw/Sv)*Tcv)/(Su - Sw2/Sv)/a  (64)
y-y0＝(1/2)*(Tcv - (Sw/Su)*Tcu)/(Sv - Sw2/Su)/a  (65)
a＝Rcg/Rg                                      (66)
【０１６９】
x0＝y0＝Tu＝Tw＝Sw＝０となる場合には、以下のように式がより簡単になる。なお、例えば図２３に示すように、Ｘ軸およびＹ軸に対称に計測天球点Ｇj＝(uj,vj)を配置すれば、x0＝y0＝Tu＝Tw＝Sw＝０となる。
x＝2*(Tcu/Su)/a                                  (67)
y＝2*(Tcv/Sv)/a                                  (68)
a＝Qcg/Qg                                       (69)
【０１７０】
指向方向誤差の推定誤差の評価に使用する式(36)、式(37)におけるηx、ξx、ρx、ηy、ξy、ρyとは、以下の関係がある。
ηx＝１/(4Su)、ξx＝１/Rg、ρx＝x0
ηy＝１/(4Sv)、ξy＝１/Rg、ρy＝y0
これらの値を計測天球点の配置から計算して、操作基準角を決めるＫｇなどの係数を決めてもよい。
【０１７１】
指向方向誤差(x,y)を既知として、ｋを最適化する方法を説明する。そのために、以下の変数を定義する。
g0＝Su0+k*Sv0
Su0＝(1/N)Σ(uj2)
Sv0＝(1/N)Σ(vj2)
Qku＝Σ(uj2 -2uj*x - Su0)2
Qkv＝Σ(vj2-2*vj*y -Sv0)2
Qkw＝Σ(uj2 -2uj*x - Su0)*(vj2-2*vj*y -Sv0))
Qkcu＝Σ(c0-cObsj)*(uj2 -2uj*x)
Qkcv＝Σ(c0-cObsj)*(vj2 -2vj*y)
【０１７２】
これらの変数を使用すると、以下となる。
Sg＝Σ(gj -g0)2＝Qku + 2k*Qkw + k2*Qkv                      (70)
Scg＝Σ(c0-cObsj)*gj＝Qkcu + k*Qkcv                          (71)
よって、Ｆ(k)は、以下のようになる。
Ｆ(k)＝(Scg)2/Sg＝(Qkcu + k*Qkcv)2/(Qku + 2k*Qkw + k2*Qkv)  (72)
【０１７３】
式(70)で表されるＦ(k)は、以下の場合のｋで最大になる。
k＝(Qkcv*Qku - Qkcu*Qkw)/(Qkcu*Qkv -Qkcv*Qkw)              (73)
【０１７４】
動作を説明する。図２４は、実施の形態２に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。実施の形態１の場合の図６と異なる点だけを説明する。ステップＳ１０Ａで、角度幅計算部２５Ａが操作時天球点の配置およびレベル変動比に応じて操作基準角Δθを決める。ステップＳ１１Ａで、操作シナリオ生成部２３Ａが操作基準角Δθに応じて決まる最大幅を有する操作天球範囲が得られる操作シナリオを作成する。操作時天球点の配置には、ある程度の自由度がある。ステップＳ１３Ａで、指向方向誤差算出部１９Ａが５個以上の方向強度ペアに含まれる指向操作量と信号強度をアンテナパターンから推定される推定信号強度の差の二乗和が最小になるように、最小二乗法で指向方向誤差を算出する。
【０１７５】
以上のように、実施の形態２に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置においては、５点法よりも自由に設定した計測天球点の配置を考慮して、角度幅計算部２５Ａがレベル変動比に応じて操作基準角を算出し、操作シナリオ生成部２３Ａは操作基準角をもとに操作シナリオを生成する。指向方向誤差算出部１９Ａは、操作シナリオを実行して得られたＮ個の方向強度ペアから指向方向誤差を算出する。
【０１７６】
実施の形態１と同様に、操作基準角をレベル変動比に応じて変化させる操作シナリオに基づき指向方向を変化させるので、指向方向誤差を求めるために指向方向を変化させる際の信号強度の低下を小さくすることができる。通信回線の品質を劣化させることなく通信相手を追尾できる。
【０１７７】
実施の形態３．
実施の形態３では、指向方向誤差をより高速に計算するために、指向方向を変更中も短い時間間隔で方向強度ペアを生成して指向方向誤差を求めるように実施の形態２を変更した場合である。図２５は、この発明の実施の形態３に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。実施の形態３においては、追尾アンテナ装置１００Ｄが有する追尾制御装置４Ｄは、信号強度計測部１３Ａ、角度幅計算部２５Ｂ、方向強度ペア生成部２７Ａ、操作シナリオ生成部２３Ｂ、指向方向誤差算出部１９Ｂ、誤差算出用データ記憶部２０Ａを変更している。また、静止時間計算部２６を有さず、シナリオ計測時間計算部３８を有する。誤差算出用データ記憶部２０Ａは、静止時間６３を記憶せず、シナリオ計測時間６６を記憶する。なお、実施の形態２の場合の図２１と同じまたは対応する構成については、それらの構成の説明を省略する。
速度誤差計算部を有する場合にも、同様な変更を適用できる。
【０１７８】
信号強度計測部１３Ａは、決められた時間の刻み幅ΔＴの長さの期間である単位期間での信号強度を計測する。刻み幅ΔＴの整数倍を単位期間としてもよい。単位期間よりも長い期間で平均した信号強度は作成する必要はない。記録などのために、単位期間よりも長い期間で平均した信号強度を作成してもよい。方向強度ペア生成部２７Ａは、単位期間での信号強度と指向方向データ５１から方向強度ペア６４を生成する。
【０１７９】
この実施の形態３では、指向操作量が変化しない操作時天球点だけでなく指向方向が変化している状態でも方向強度ペア６４を作成する。操作シナリオにしたがって指向操作量が変化または静止する期間の少なくとも一部の期間を、シナリオ計測期間と呼ぶ。操作天球範囲は、シナリオ計測期間で作成される方向強度ペア６４に含まれる指向操作量に対応する天球上の点である計測天球点のすべてを含む最少の凸な範囲とする。操作シナリオ５８を作成する期間の長さは、数１０秒程度から数分程度である。
【０１８０】
図２６は、実施の形態３に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオでの指向方向の変化の軌跡を例により説明する図である。図２６は、指向方向の変化を天球上で表した図である。白丸で表す計測天球点は約２０個あるが、５点法の場合と同様に、方位角が最小になる計測天球点をＧ１とし、方位角が最大になる計測天球点をＧ２とする。また、仰角が最小になる計測天球点をＧ３とし、仰角が最大になる計測天球点をＧ４とする。図２７に、指向方向誤差を求めるための１連の動作のシーケンスを表す。図２７は、実施の形態３に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオの動作シーケンスを例により説明する図である。
【０１８１】
期間Ｔ２１では、指向方向が基準天球点Ｇ０(０,０)である状態で基準信号強度およびレベル変動比を計測する。期間Ｔ２２で、レベル変動比に基づき操作シナリオ５８を生成する。期間Ｔ２１、Ｔ２２の合計で３秒とする。
【０１８２】
期間Ｔ２３から操作シナリオ５８にしたがって指向方向を変更する。期間Ｔ２３では、Ｇ０からＧ１(−Δθ,０)に向かって方位角を減少させる。期間Ｔ２４ではＧ１で静止する。期間Ｔ２５では、Ｇ１からＧ０に向かって方位角を増加させる。期間Ｔ２６では、Ｇ０に静止する。期間Ｔ２７では、Ｇ０からＧ２(Δθ,０)に向かって方位角を増加させる。期間Ｔ２８ではＧ２で静止する。Ｔ２９では、Ｇ２からＧ０に向かって方位角を減少させる。期間Ｔ３０ではＧ０で静止する。
【０１８３】
方位角を変化させる期間Ｔ２３、Ｔ２５、Ｔ２７、Ｔ２９の長さは１秒とする。Ｇ１またはＧ２に留まる期間Ｔ２４、Ｔ２８は、０秒とする。Ｇ０に留まる期間Ｔ２６は２秒とする。Ｔ３０は、静止すると判断できる時間(遅れ時間Ｔddと呼ぶ、例えば１秒)とする。アンテナの指向方向は、指令値に対して応答が遅れたり、オーバシュートが発生したりする。時間の値は１例であり、適切になるように調整する。
【０１８４】
期間Ｔ３１から仰角を変更する。Ｔ３１では、Ｇ０からＧ３(０,−Δθ)に向かって仰角を減少させる。期間Ｔ３２ではＧ３で静止する。期間Ｔ３３では、Ｇ３からＧ０に向かって仰角を増加させる。期間Ｔ３４ではＧ０で静止する。期間Ｔ３５では、Ｇ０からＧ４(０,Δθ)に向かって仰角を増加させる。期間Ｔ３６ではＧ４で静止する。期間Ｔ３７ではＧ４からＧ０に向かって仰角を減少させる。期間Ｔ３８ではＧ０で静止する。期間Ｔ３９ではＧ０での静止を継続し、指向方向誤差(ｘ,ｙ)を計算する。
【０１８５】
仰角を変化させる期間Ｔ３１、Ｔ３３、Ｔ３５、Ｔ３７の長さは１秒とする。Ｇ３またはＧ４に留まる期間Ｔ３２、Ｔ３６は、０秒とする。Ｇ０に留まる期間Ｔ３６は２秒とする。Ｔ３８は、遅れ時間Ｔddとする。
【０１８６】
期間Ｔ４０では、追尾軌道を修正し、修正した追尾軌道に対応するＧ０(ｘ,ｙ)に変化するように指向方向を変更する。期間Ｔ４１は、次のサイクルの最初の期間（Ｔ２１）である。指向方向の動揺が収まった後で、受信信号の信号強度およびレベル変動比を計測する。期間Ｔ４０は、１秒とする。
【０１８７】
少なくとも期間Ｔ２３〜Ｔ３８を含む期間で、単位期間ごとに方向強度ペアを生成する。なお、大口径アンテナ１の応答には時間遅れがあるので、遅れ時間Ｔddを考慮して方向強度ペアを生成する期間を決める。
【０１８８】
Ｇ２からＧ３へ変化する操作シナリオとしてもよい。Ｇ１〜Ｇ４で静止する時間を長くしてもよい。
【０１８９】
指向方向誤差を精度よく計算するには、操作天球範囲の境界および内部に計測天球点が偏りなく存在するようにする必要がある。図２８は、実施の形態３に係る追尾制御装置が使用する計測天球点の望ましい分布を例により説明する図である。例えば、図２８(A)に示すような計測天球点の分布は、基準天球点の近傍に集中しているため、指向方向誤差を精度よく求めることが難しい。必要な精度は得られていても、より少ない数の計測天球点で計算した場合と同程度の精度であり、計測天球点の数が多いために、計算時間が長くなる場合もある。操作天球範囲に偏りなく計測天球点を分布させた図２８(B)に示すような分布であれば、図２８(A)の場合よりも指向方向誤差を精度よくかつ速く求めることができる。
【０１９０】
操作天球範囲の境界および内部に計測天球点が偏りなく存在する条件は、実施の形態２での天球点の間隔条件に相当する条件である。この条件を「計測天球点の非偏在条件」と呼ぶ。
【０１９１】
計測天球点の非偏在条件は、最大幅天球方向および最大幅直交天球方向で考慮する。最大幅天球方向に関しては、操作天球範囲６１を最大幅直交天球方向で区切って３つ以上の領域に分ける。各領域Ｍjに入る計測天球点のすべての計測天球点に対する割合Ｐjが、割合下限値(Ｐminj)未満である領域が存在しない場合に、最大幅天球方向に偏りが無いと判断する。すなわち、以下が成立する場合である。
すべてのＭｊで、Ｐj≧Ｐminj    最大幅天球方向に偏りがない
どれかのＭｊで、Ｐj＜Ｐminj    最大幅天球方向に偏りがある
割合下限値Ｐminjは、各領域の面積または最大幅天球方向での長さの全体に対する割合Ｗjに対して、係数μを乗じた値とする。係数μは、例えば０．２から０．６程度の値とする。Ｐminjを割合Ｗjによらずに決めてもよい。
Ｐminj＝μ*Ｗj
【０１９２】
最大幅直交天球方向に関しては、操作天球範囲６１を最大幅天球方向で区切って３つ以上の領域に分ける。各領域Ｌjに入る計測天球点のすべての計測天球点に対する割合Ｑjが、割合下限値(Ｑminj)未満である領域が存在しない場合に、最大幅天球方向に偏りが無いと判断する。すなわち、以下が成立する場合である。
すべてのＬｊで、Ｑj≧Ｑminj    最大幅直交天球方向に偏りがない
どれかのＬｊで、Ｑj＜Ｑminj    最大幅直交天球方向に偏りがある
割合下限値Ｑminjは、各領域の面積または最大幅直交天球方向での長さの全体に対する割合Ｚjに対して、係数νを乗じた値とする。係数νは、例えば０．２から０．６程度の値とする。Ｑminjを割合Ｚjによらずに決めてもよい。
Ｑminj＝ν*Ｚj
【０１９３】
偏りの有無を別の方法で判断するようにしてもよい。指向方向誤差の算出精度に影響が出る程度の計測天球点の偏りを判断できる方法であれば、どのような方法でもよい。
【０１９４】
操作天球範囲の境界および内部に計測天球点が偏りなく存在させることで、指向方向誤差を精度よく、あるいは同じ精度ならば高速で指向方向誤差を計算できる。なお、計測天球点が偏りなく存在するかどうか考慮しないで、操作シナリオを作成してもよい。
【０１９５】
角度幅計算部２５Ｂは、操作シナリオによる操作天球軌跡の形状を考慮して、レベル変動比から操作基準角Δθを決める。操作時天球点Ｇｊの配置を考慮する方法と同様な方法で、操作天球軌跡の形状を考慮する。
【０１９６】
シナリオ計測時間計算部３８は、シナリオ計測期間の長さＴxを、レベル変動比ＲLEVと閾値ＲTHを比較して以下のように決める。ここで、Ｔxの標準値をＴx0とする。
ＲLEV≧ＲTHの場合  Ｔx＝Ｔx0
ＲLEV＜ＲTHの場合  Ｔx＝Ｔx0*(１０(ＲTH-ＲLEV)/10)2
なお、レベル変動比ＲLEVを複数の区間に分けて、各区間でのＴxをＲLEVの減少に対して単調非減少になるように決めた長さを取るようにしてもよい。
【０１９７】
シナリオ計測時間計算部３８を有さなくてもよい。シナリオ計測時間計算部３８を有さない場合は、レベル変動比が小さい場合に指向方向算出誤差の算出精度が低下する場合がある。レベル変動比が小さい場合は指向方向誤差が大きい場合であるので、指向方向誤差の算出精度が低くても指向方向誤差を小さくする効果はあまり低下しないので、問題にはならない。
【０１９８】
操作シナリオ生成部２３Ｂは、操作天球範囲の最大幅直交天球方向での幅が２Δθになるように操作シナリオを決める。
【０１９９】
指向方向誤差算出部１９Ｂは、実施の形態２の場合と同様に、指向方向誤差およびアンテナパターンを仮定して、方向強度ペアに含まれる指向操作量で決まる指向方向での信号強度の推定値をもとめ、推定値と実測値の差の二乗の方向強度ペアについての和が最小になるように指向方向誤差を決める。信号強度cObsjが小さい場合には雑音の影響が大きく誤差が大きくなりやすいと思われるので、信号強度が大きい場合の誤差を小さい場合の誤差より大きく評価するために、観測した信号強度cObsjの二乗で重み付けするものとする。なお、cObsj＞０となるように、必要であれば計測したcObsjに定数を加算したものをcObsjとする。
信号強度cObsjで重み付けすることは、他の実施の形態にも適用できる。信号強度以外による重み付けを実施してもよい。
【０２００】
指向方向誤差算出部１９Ｂは、Ｘ方向での指向方向誤差ｘとＹ方向での指向方向誤差ｙを交互に繰り返し求める。ｘ、ｙの変化が十分に小さくなった時点で計算を終了する。実施の形態２と同様な変数を使用するが、アンテナパターンの変形係数ｋ(σy/σx)は使用せず。以下の変数を使用する。なお、実施の形態２と同様な方法で、式(75)に相当するｋとａで表される式を最小化してもよい。
ａx：計算式を簡潔に表現するための変数。ａx＝(１/σx)２
ａy：計算式を簡潔に表現するための変数。ａy＝(１/σy)２
mxj：天球点(uj,vj)の到来方向を表す天球点(x,y)との距離を表す変数mjのＸ成分。
myj：変数mjのＹ成分。
mxj＝(uj - x)２
myj＝(vj - y)２
mj＝(uj - x)２+(vj - y)２＝mxj+myj
【０２０１】
信号強度推定値ｃEstjは、以下の式で計算する。
cEstj＝ｂ - ａx*mxj - ａy*myj                                (74)
誤差関数Ｅは、以下の式で計算する。式(75)が最小になるように(b, ax, ay, x, y)を決めることで、指向方向誤差(ｘ,ｙ)を求める。
Ｅ(b, ax, ay, x, y)＝ΣcObsj２*(cObsj - cEstj)２ 
＝ΣcObsj２*(cObsj - (ｂ - ａx*mxj - ａy*myj))２  (75)
【０２０２】
式(75)を、ｂを含む項と含まない項に分離して表現すると、以下のようになる。
Ｅ＝ΣcObsj２*(cObsj−b+ａx*mxj+ａy*myj)2
＝b2*ΣcObsj２-2*ΣcObsj２*(cObsj+ａx*mxj+ａy*myj)*b 
+ΣcObsj２*(cObsj+ａx*mxj+ａy*myj)2
＝ΣcObsj２*(b-ΣcObsj２*(cObsj+ａx*mxj+ａy*myj)/ΣcObsj２) 2 
+ ΣcObsj２*(cObsj+ａx*mxj+ａy*myj)2 
- (ΣcObsj２*(cObsj+ａx*mxj+ａy*myj))2/ΣcObsj２    (76)
【０２０３】
式(76)は、(ax, ay, x, y)が決まった状態において、以下の式(77)のようにｂを決めれば、Ｅを最小化できることを意味する。
b＝ΣcObsj２*(cObsj+ａx*mxj+ａy*myj)/ΣcObsj２              (77)
式(77)のようにｂを決める前提で、式(76)はｂを含まない、以下の式に変形できる。
Ｅ＝ΣcObsj２*(cObsj+ａx*mxj+ａy*myj)2 
- (ΣcObsj２*(cObsj+ａx*mxj+ａy*myj))2/ΣcObsj２         (78)
【０２０４】
式(78)をａxとａyの二次式として表現する。式を簡潔に表現するために、以下の変数を使用する。ここで、Pc、c0、Scなどは、実施の形態２の場合とcObsj2による重み付けをしている点は異なるが、同じ目的で使用する変数なので、同じ変数で表す。
Rc＝ΣcObsj2
Pc＝ΣcObsj3，c0＝Pc/Rc
Sc＝ΣcObsj4
Pdx＝ΣcObsj2*mxj，mx0＝Pdx/Rc
Pdy＝ΣcObsj2*myj，my0＝Pdy/Rc
Pd＝ΣcObsj2*mj＝ΣcObsj2*(mxj+myj)＝Pdx+Pdy，m0＝Pd/Rc＝mx0+my0
Tdx＝ΣcObsj3*mxj, 
Tdy＝ΣcObsj3*myj, 
Td＝ΣcObsj3*(mxj+myj)＝Tdx+Tdy
Qdx＝ΣcObsj2*mxj2
Qdy＝ΣcObsj2*myj2
Qdw＝ΣcObsj2*mxj*myj
Qd＝ΣcObsj2*mj2＝ΣcObsj2*(mxj+myj)2＝Qdx+Qdy+2*Qdw
【０２０５】
上に示す変数を使用して、式(78)を変形すると、以下のようになる。
Ｅ＝ΣcObsj2*(cObsj+ａx*mxj+ａy*myj)2 
- (ΣcObsj2*(cObsj+ａx*mxj+ａy*myj))2/ΣcObsj２
＝Qdx*ax2+Qdy*ay2+2*Qdw*ax*ay+2*Tdx*ax+2*Tdy*ax+Sc-(Pc+Pdx*ax+Pdy*ay)2/Rc
＝(Qdx - Pdx2/Rc)*ax2 - 2*(Pc*Pdx/Rc - Tdx)*ax 
+ (Qdy - Pdy2/Rc)*ay2 - 2*(Pc*Pdy/Rc - Tdy)*ay
+ 2*(Qdw - Pdx*Pdy/Rc)*ax*ay 
+ Sc - Pc2/Rc                                     (79)
【０２０６】
ここで、以下となる。
Sgu＝Qdx-Pdx2/Rc＝ΣcObsj2*(mxj-mx0)2＞0  
Sgv＝Qdy-Pdy2/Rc＝ΣcObsj2*(myj-my0)2＞0
Qcd＝Qc - Pc2/Rc＝ΣcObsj2*(cObsj-c0)2＞0
Tgu＝Pc*Pdx/Rc -Tdx＝ΣcObsj2*(c0 - cObsj)*mxj＞0
Tgv＝Pc*Pdy/Rc -Tdy＝ΣcObsj2*(c0 - cObsj)*myj＞0
Sgw＝Qdw - Pdx*Pdy/Rc＝ΣcObsj2*(mxj-mx0)*(myj-my0)
【０２０７】
これらを使用して、式(79)を表現すると、以下となる。
Ｅ＝Sgu*ax2+2*Sgw*ax*ay+Sgv*ay2-2*Tgu*ax-2*Tgv*ay+Qcd      (80)
＝ΣcObsj2*(mxj-mx0)2*ax2+ΣcObsj2*(myj-my0)2*ay2
+ 2*ΣcObsj2*(mxj-mx0)*(myj-my0)*ax*ay
- 2*ΣcObsj2*(c0 - cObsj)*mxj*ax
- 2*ΣcObsj2*(c0 - cObsj)*myj*ay + ΣcObsj2*(cObsj-c0)2
＝ΣcObsj2*((mxj-mx0)*ax+(myj-my0)*ay - (c0 - cObsj))2      (81)
【０２０８】
実施の形態２の場合と同様に、mxjをgxjにmyjをgyjにそれぞれ置き換えて表現することを検討する。以下の変数を定義する。
gxj=uj２-2*uj*x
gyj=vj２-2*vj*y
Pu＝ΣcObsj2*uj
Su＝ΣcObsj2*uj2
Tu＝ΣcObsj2*uj3
Qu＝ΣcObsj2*uj4
Pv＝ΣcObsj2*vj
Sv＝ΣcObsj2*vj2
Tv＝ΣcObsj2*vj3
Qv＝ΣcObsj2*vj4
Sw＝ΣcObsj2*uj*vj
Twu＝ΣcObsj2*uj2*vj
Twv＝ΣcObsj2*uj*vj2
Qw＝ΣcObsj2*uj2*vj2
gx0＝ΣcObsj2*gxj/Rc＝(Su-2*Pu*x)/Rc
gy0＝ΣcObsj2*gyj/Rc＝(Sv-2*Pv*y)/Rc
Qug＝Qu - Su2/Rc
Qvg＝Qv - Sv2/Rc
Qwg＝Qw - Su*Sv/Rc
Tug＝Tu - Su*Pu/Rc
Tvg＝Tv - Sv*Pv/Rc
Twug＝Twu - Sv*Pu/Rc
Twvg＝Twv - Sv*Pv/Rc
Sug＝Su - Pu2/Rc
Svg＝Sv - Pv2/Rc
Swg＝Sw - Pu*Pv/Rc
Tcu＝ΣcObsj2*(cObsj-c0)*uj
Tcv＝ΣcObsj2*(cObsj-c0)*vj
Qcu＝ΣcObsj2*(cObsj-c0)*uj2
Qcv＝ΣcObsj2*(cObsj-c0)*vj2
【０２０９】
これらの変数を使用することで、mxjやmyjを用いて定義した変数は以下のようになる。
Sgu＝ΣcObsj2*(mxj-mx0)2＝ΣcObsj2*(gxj2-gx02)＝Qug-4Tug*x+4Sug*x2
Sgv＝ΣcObsj2*(myj-my0)2＝ΣcObsj2*(gyj2-gy02)＝Qvg-4Tvg*y+4Svg*y2
Sgw＝ΣcObsj2*(mxj-mx0)*(myj-my0)
＝ΣcObsj2*(gxj*gyj-gx0*gy0)
＝Qwg-2Twu*x-2Twvg*y+4Sw*x*y              (82)
Tgu＝ΣcObsj2*(c0 - cObsj)*(mxj-mx0)＝ΣcObsj2*(c0 - cObsj)*gxj
＝Qcu-2Tcu*x
Tgv＝ΣcObsj2*(c0 - cObsj)*(myj-my0)＝ΣcObsj2*(c0 - cObsj)*gyj
＝Qcv-2Tcv*y
【０２１０】
式(80)を、以下のように変形する。
Ｅ＝Sgu*ax2+2*Sgw*ax*ay+Sgv*ay2-2*Tgu*ax-2*Tgv*ay+Qcd
＝Sgu*(ax-ax0)2+2*Sgw*(ax-ax0)*(ay-ay0)+Sgv*(ay-ay0)2
+Qcd-(Sgu*ax02+2*Sgw*ax0*ay0+Sgv*ay02)    (83)
ここで、ax0とay0は、以下の式で求められる。
ax0＝(Tgu - (Sgw/Sgv)*Tgv)/(Sgu - Sgw2/Sgv)      (84)
ay0＝(Tgv - (Sgw/Sgu)*Tgu)/(Sgv - Sgw2/Sgu)      (85)
【０２１１】
式(83)は、ax＝ax0、ay＝ay0と決めれば、Ｅが最小になることを意味する。ax0とay0は、それぞれ式(84)と式(85)により計算できる。
【０２１２】
QcdはcObsjだけから決まる定数なので、式(83)はaxとayを含まない、以下の式(86)の最大化に変換できる。
Ｆd＝Sgu*axo2+2Sgw*ax0*ay0+Sgv*ay02                        (86)
【０２１３】
式(86)に式(84)と式(85)を代入して変形すると、以下となる。
Ｆd＝(Sgv*Tgu2 - 2*Sgw*Tgu*Tgv + Sgu*Tgv2)/(Sgu*Sgv - Sgw2)  (87)
【０２１４】
式(87)は、Sgw＝０であれば、以下のように簡単な形に変形できる。
Ｆd＝Tgu2/Sgu + Tgv2/Sgv
＝(Qcu-2Tcu*x)2/(Qug-4Tug*x+4Sug*x2) 
+(Qcv-2Tcv*y)2/(Qvg-4Tvg*y+4Svg*y2)             (88)
【０２１５】
しかし、Sgwは式(82)のように、ｘとｙに依存して変化する。したがって、Sgw＝０が常に成立すると仮定する式(88)で表されるＦｄを最大化するｘとｙを計算することはできない。
【０２１６】
ｙを定数と見て式(87)をｘの式と考えると、以下のようになる。
Ｆd＝(Tgu-Sgw*(Tgv/Sgv))2/(Sgu-Sgw2/Sgv)+Tgv2/Sgv    (89)
式(87)を、ｘを定数と見てｙについての式と考えると、以下のようになる。
Ｆd＝(Tgv-Sgw*(Tgu/Sgv))2/(Sgv-Sgw2/Sgu)+Tgu2/Sgu    (90)
【０２１７】
ｙを定数と見て式(89)をｘについて解くことと、ｘを定数と見て式(90)をｙについて解くことを、ｘおよびｙの変化が閾値以下になるまで繰り返すことで、式(87)を最大にするｘおよびｙを求めることができる。
【０２１８】
ｘについての式(89)を解くために、以下の変数を定義する。
Qwx＝Qwg-2Twvg*y
Twx＝Twug-2Swg*y
Sgw＝Qwg-2Twug*x-2Twvg*y+4Swg*x*y＝Qwx-2Twx*x
av＝Tgv/Sgv
Qux＝Qug- Qwx2/Sgv
Tugx＝Tug-Qwx*Twx/Sgv
Sugx＝Sug - Twx2/Sgv
Sgu-Sgw2/Sgv＝Qug-4Tug*x+4Sug*x2-(Qwx-2Twx*x)2/Sgv＝Qux-4Tugx*x+4Sugx*x2
Qcux＝Qcu-Qwx*av
Tcux＝Sug-Twx*av
Tgu-Sgw*av＝Qcu-2Sug*x-(Qwx-2Twx*x)*av＝Qcux - 2Tcux*x
【０２１９】
式(89)をこれらの変数を使用して変形すると、以下のようになる。
Ｆd＝(Tgu-Sgw*av)2/(Sgu-Sgw2/Sgv)+Tgv2/Sgv
＝(Qcux - 2Tcux*x)2/(Qux-4Tugx*x+4Sugx*x2)+Tgv2/Sgv  (91)
【０２２０】
式(91)を最大にするｘと、ｘから決まるax0は以下のようになる。
ｘ＝(Tcux*Qux - Qcux*Tugx)/(Tcux*Tugx - Qcux*Sugx)     (92)
ax0＝(1/2)*Tcux*(Tugx2 - Qux)/(Tcux*Tugx - Qcux*Sugx)   (93)
【０２２１】
ｙについての式(90)を解くために、ｘについての式(89)を解いた場合と同様に、以下の変数を定義する。
Qwy＝Qwg-2Twug*x
Twy＝Twvg-2Swg*x
Sgw＝Qwg-2Twvg*y-2Twug*x+4Swg*x*y＝Qwy-2Twy*y
au＝Tgu/Sgu
Qvy＝Qvg- Qwy2/Sgu
Tvgy＝Tvg-Qwy*Twy/Sgu
Svgy＝Svg - Twy2/Sgu
Sgv-Sgw2/Sgu＝Qvg-4Tvg*y+4Svg*y2-(Qwy-2Twy*y)2/Sgu＝Qvy-4Tvgy*y+4Svgy*y2
Qcvy＝Qcv-Qwy*au
Tcvy＝Svg-Twy*au
Tgv-Sgw*au＝Qcv-2Svg*y-(Qwy-2Twy*y)*au＝Qcvy - 2Tcvy*y
【０２２２】
式(89)をこれらの変数を使用して変形すると、以下のようになる。
Ｆd＝(Tgv-Sgw*au)2/(Sgv-Sgw2/Sgu)+Tgu2/Sgu
＝(Qcvy - 2Tcvy*y)2/(Qvy-4Tvgy*y+4Svgy*y2)+Tgu2/Sgu  (94)
【０２２３】
式(94)を最大にするｙと、ｙから決まるax0は以下のようになる。
ｙ＝(Scvy*Qvy - Tcvy*Tvgy)/(Scvy*Tvgy - Tcvy*Svgy)      (95)
ay0＝(1/2)*Scvy*(Tvgy2 - Qvy)/(Scvy*Tvgy - Tcvy*Svgy)    (96)
【０２２４】
動作を説明する。図２９は、実施の形態３に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。実施の形態２の場合の図２４と異なる点だけを説明する。ステップＳ１０Ｂで、角度幅計算部２５Ｂが計測天球点の配置およびレベル変動比に応じて操作基準角Δθを決める。また、シナリオ計測時間計算部３８が、シナリオ計測期間の長さＴxをレベル変動比ＲLEVに応じて決める。ステップＳ１１Ｂで、操作シナリオ生成部２３Ｂが操作基準角Δθに応じて決まる最大幅を有する操作天球範囲が得られる操作シナリオを作成する。操作シナリオの長さはＴxに応じて決める。
【０２２５】
ステップＳ１２Ａで、操作シナリオ５８にしたがって駆動制御部１７Ａがアンテナ架台駆動部３を制御して指向方向を変更する。操作シナリオ５８を実施中で指向方向が変化している時も、単位期間ごとに方向強度ペア６４を生成する。ステップＳ１３Ｂで、指向方向誤差算出部１９Ｂが、単位期間ごとに生成された方向強度ペアに含まれる指向操作量と信号強度をアンテナパターンから推定される推定信号強度の差の二乗和が最小になるように、指向方向誤差を算出する。
【０２２６】
アンテナの指向方向を変化させている時も方向強度ペアを生成して、より多く方向強度ペアを用いて指向方向誤差を計算するようにしたので、指向方向誤差を計算する１サイクルの時間を１０数秒程度に高速化できる。高速化することで、指向方向誤差を素早く算出して、電波がゆらぐ方向にアンテナを向けることができる。なお、１サイクル時間が長いと電波伝播などによる電波ゆらぎがある場合の角度誤差を補正できなくなる可能性がある。
【０２２７】
実施の形態１と同様に、操作基準角をレベル変動比に応じて変化させる操作シナリオに基づき指向方向を変化させるので、指向方向誤差を求めるために指向方向を変化させる際の信号強度の低下を小さくすることができる。通信回線の品質を劣化させることなく通信相手を追尾できる。
【０２２８】
実施の形態４．
実施の形態４では、方位角誤差ｘと仰角誤差ｙを交互に計算するように実施の形態３を変更した場合である。図３０は、この発明の実施の形態４に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。実施の形態４においては、追尾アンテナ装置１００Ｅが有する追尾制御装置４Ｅは、操作シナリオ生成部２３Ｃ、指向方向誤差算出部１９Ｃを変更している。なお、実施の形態３の場合の図２５と同じまたは対応する構成については、それらの構成の説明を省略する。実施の形態１および２に対しても、方位角誤差ｘと仰角誤差ｙを交互に計算するように変更することができる。
速度誤差計算部を有する場合も同様な変更を適用できる。
【０２２９】
図３１と図３２を使用して操作シナリオについて説明する。図３１は、実施の形態４に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオでの指向方向の変化の軌跡を例により説明する図である。図３１(A)に、方位角を変更する操作シナリオ(方位角シナリオ)での操作天球軌跡を示す。図３１(B)に、仰角を変更する操作シナリオ(仰角シナリオ)での操作天球軌跡を示す。計測天球点Ｇ０からＧ４は、図２６と同様に定義する。
【０２３０】
図３２に、指向方向誤差を求めるための１連の動作のシーケンスを表す。図３２は、実施の形態４に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオの動作シーケンスを例により説明する図である。
【０２３１】
図３２について、実施の形態３の場合の図２７と異なる点だけを説明する。方位角シナリオと仰角シナリオを交互に生成して実行するので、期間Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ３０、Ｔ３８、Ｔ３９が変更になる。期間Ｔ２１の変更内容は、後で説明する。期間Ｔ２２Ａで、レベル変動比に基づき方位角を変更する操作シナリオ５８を生成する。期間Ｔ２３からＴ２９で方位角シナリオを実行する。したがって、１サイクルの期間ＴLは、図２７の場合の半分未満になる。
【０２３２】
図２７での期間Ｔ３０は、方位角シナリオを実行することで生成された方向強度ペアから方位角誤差を計算して追尾軌道を修正することと、仰角シナリオを生成する処理を並行して実施することになる。そのため、期間Ｔ３０は、３個の区間に分かれる。期間Ｔ３０-１ではＧ０で静止する。期間Ｔ３０-１の長さは、静止すると判断できる時間とする。期間Ｔ３０-２では、Ｇ０での静止を継続し、方位角誤差ｘを計算し、レベル変動比を計算する。期間Ｔ３０-３では、レベル変動比に基づき仰角を変更する操作シナリオ５８を生成する。期間Ｔ３０-１およびＴ３０-２の長さは、それぞれ指向方向誤差、操作シナリオを作成する上で必要十分な時間とする。
【０２３３】
期間Ｔ３０-３で、仰角シナリオを作成することと並行して、方位角誤差ｘに基づき追尾軌道を修正し、方位角を方位角誤差ｘだけ変化させる。その結果、期間Ｔ３１以降では、Ｇ０(ｘ,０)、Ｇ３(ｘ,−Δθ)、Ｇ４(ｘ,Δθ)になる。期間Ｔ３１からＴ３７で仰角シナリオを実行する。
【０２３４】
方位角シナリオと仰角シナリオを交互に生成し実行するので、期間Ｔ３０-１からＴ３０-３までは、仰角シナリオを生成する期間であるとともに、方位角誤差を求めて解消する期間でもある。同様に、期間Ｔ３８からＴ４０Ａまでは、方位角シナリオを生成する期間であるとともに、仰角誤差を求めて解消する期間でもある。したがって、Ｇ０で静止する期間Ｔ３８は、期間Ｔ３０-１に対応する期間となる。Ｇ０での静止を継続する期間Ｔ３９では、期間３０-２と同様に、仰角誤差ｙを計算し、レベル変動比を計算する。期間Ｔ４０Ａでは、期間３０-３と同様に、レベル変動比に基づき方位角シナリオを生成する。期間４０Ａでは、方位角シナリオを作成することと並行して、追尾軌道を修正し、仰角を仰角誤差ｙだけ変化させる。
【０２３５】
したがって、仰角シナリオが実行後の期間Ｔ３８ＡおよびＴ３９Ａで実行する処理は、期間Ｔ２１で実行する処理と同じになる。期間Ｔ２１は２個の区間に分かれる。期間Ｔ３８(Ｔ２１-１)では、Ｇ０で静止する。期間Ｔ３９Ａ(Ｔ２１-２)では、Ｇ０での静止を継続し、仰角誤差ｙを計算する。期間Ｔ４０Ａ(Ｔ２２Ａ)では、仰角誤差ｙに基づき追尾軌道を修正し、仰角を仰角誤差ｙだけ変化させる。その結果、期間Ｔ２３以降では、Ｇ０(ｘ,ｙ)、Ｇ３(−Δθ,ｙ)、Ｇ４(Δθ,ｙ)になる。
【０２３６】
操作シナリオ生成部２３Ｃは、方位角を変更する方位角シナリオと仰角を変更する仰角シナリオを交互に生成する。基準信号強度およびレベル変動比を、方位角シナリオと仰角シナリオを１回ずつ実行するごとに求める。方位角シナリオまたは仰角シナリオを１回または３回以上実行することに、基準信号強度およびレベル変動比を求めてもよい。操作シナリオ生成部２３Ｃは、操作天球範囲の最大幅が２Δθになるように操作シナリオを決める。
【０２３７】
指向方向誤差算出部１９Ｃは、指向方向誤差(ｘ,ｙ)のうちｘとｙを交互に計算する。ｘまたはｙを計算する方法は、実施の形態３の場合と同様に、方向強度ペアに含まれる指向操作量で決まる指向方向での信号強度の推定値を求める。そして、推定値と実測値の差の二乗の方向強度ペアについての和が最小になるように指向方向誤差を決める。その際に、ｘを求める際には、ｙとａｙは前回に求まった値を定数として扱う。ｙを求める際には、ｘとａｘは前回に求まった値を定数として扱う。
【０２３８】
まず、ｘを計算する方法を説明する。実施の形態３と同様な変数を使用する。前回に求まったyをy0としayをay0とする。また、定数として扱える変数を、Sgv0などのように末尾に"0"を付加して表現する。これらの変数を使用すると、式(80)は以下のようになる。
Sgu＝Qug-4Tu*x+4Su*x2
Sgv0＝Qvg-4Tv*y0+4Sv*y02
Qwx0＝Qwg-2Twv*y0
Twx0＝Twu-2Sw*y0
Sgw＝Qwx0-2Twx0*x
Tgu＝Qcu-2Tcu*x
Tgv0＝Qcv-2Tcv*y0
Ｅ＝Sgu*ax2+2*Sgw*ax*ay0+Sgv0*ay02-2*Tgu*ax-2*Tgv0*ay0+Qcd  (97)
【０２３９】
式(97)を、axについて解くと以下のようになる。
ax0＝(Tgu-Sgw*ay0)/Sgu                                  (98)
Ｅ＝Sgu*(ax-ax0)2-Sgu*ax02+Sgv0*ay02-2*Tgv0*ay0+Qcd     (99)
式(99)は、ax＝ax0と決めれば、Ｅが最小になることを意味する。
【０２４０】
式(99)を最小化することは、ax＝ax0として、定数項を除くと、以下のＦdxの最大化と等価である。
Qcux0＝Qcu-Qwx0*ay0
Tcux0＝Su-Twx0*ay0
Ｆdx＝Sgu*ax02＝(Qcux0-2Tcux0*x)2/(Qug-4Tu*x+4Su*x2)    (100)
【０２４１】
式(100)を最大にするｘと、ｘから決まるax0は以下のようになる。
ｘ＝(Tcux0*Qug - Qcux0*Tu)/(Tcux0*Tu - Qcux0*Su)       (101)
ax0＝(1/2)*Tcux0*(Tu2 - Qu)/(Tcux0*Tu - Qcux0*Su)       (102)
【０２４２】
ｙを計算する方法も同様である。前回に求まったxをx0としaxをax0とする。式(80)は以下のようになる。
Sgv＝Qvg-4Tv*y+4Sv*y2
Sgu0＝Qug-4Tu*x0+4Su*x02
Qwy0＝Qwg-2Twu*x0
Twy0＝Twv-2Sw*x0
Sgw＝Qwy0-2Twy0*y
Tgv＝Qcv-2Tcv*y
Tgu0＝Qcu-2Tcu*x0
Ｅ＝Sgv*ay2+2*Sgw*ay*ax0+Sgu0*ax02-2*Tgv*ay-2*Tgu0*ax0+Qcd  (103)
【０２４３】
式(103)を、ayについて解くと以下のようになる。
ay0＝(Tgv-Sgw*ax0)/Sgv                                      (104)
Ｅ＝Sgv*(ay-ay0)2-Sgv*ay02+Sgu0*ax02-2*Tgu0*ax0+Qcd         (105)
式(105)は、ay＝ay0と決めれば、Ｅが最小になることを意味する。
【０２４４】
式(105)を最小化することは、ay＝ay0として、定数項を除くと、以下のＦdyの最大化と等価である。
Qcvy0＝Qcv-Qwy0*ax0
Tcvy0＝Sv-Twy0*ax0
Ｆdy＝Sgv*ay02＝(Qcvy0-2Tcvy0*y)2/(Qvg-4Tv*y+4Sv*y2)      (106)
【０２４５】
式(106)を最大にするyと、yから決まるay0は以下のようになる。
y＝(Tcvy0*Qvg - Qcvy0*Tv)/(Tcvy0*Tv - Qcvy0*Sv)          (107)
ay0＝(1/2)*Tcvy0*(Tv2 - Qv)/(Tcvy0*Tv - Qcvy0*Sv)         (108)
【０２４６】
詳細は省略するが、y0およびay0を定数としてcObsjにy0で表される値を加算したものをcObsjと扱って、式(78)をｘについての式で表現する方法でもxおよびax0を計算できる。x0およびax0を定数としてcObsjにx0で表される値を加算したものをcObsjと扱って、式(78)をyについての式で表現する方法yおよびay0を計算できる。
【０２４７】
動作を説明する。図３３は、実施の形態４に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。実施の形態３の場合の図２９と異なる点だけを説明する。ステップＳ１１Ｃで、操作シナリオ生成部２３Ｃが操作基準角Δθに応じて決まる最大幅を有する操作天球範囲が得られる操作シナリオ５８を作成する。操作シナリオの長さはＴxに応じて決める。操作シナリオ生成部２３Ｃは、方位角(ＡＺ)を変更する操作シナリオ５８と仰角(ＥＬ)を変更する操作シナリオ５８を交互に生成する。
【０２４８】
ステップＳ１２Ｂで、操作シナリオ５８にしたがって駆動制御部１７がアンテナ架台駆動部３を制御して指向方向を変更する。方位角誤差ｘを変更して方位角が完全に静止する前に、仰角を変更する操作シナリオ５８の実行を開始する。ステップＳ１３Ｃで、指向方向誤差算出部１９Ｃが、単位期間ごとに生成された方向強度ペアに含まれる指向操作量と信号強度をアンテナパターンから推定される推定信号強度と観測された信号強度との差の二乗和が最小になるように、指向方向誤差を算出する。指向方向誤差算出部１９Ｃは、方位角誤差ｘと仰角誤差ｙを交互に算出する。
【０２４９】
方位角を変更する操作シナリオ５８を生成および実行して方位角誤差ｘを求めることと、仰角を変更する操作シナリオ５８を生成および実行して仰角誤差ｙを求めることを交互に実施するように、実施の形態１または２を変更することもできる。
【０２５０】
方位角と仰角という直交する天球上の方向で交互に指向方向誤差を求めたが、交差下限角以上の角度で交差する天球上の２方向で交互に指向方向誤差を求めてもよい。天球上の１方向をＸ方向とする。Ｘ方向と交差角度τで交差する方向をＱ方向とする。Ｘ方向と直交する方向をＹ方向とする。Ｘ方向とＱ方向で交互に指向方向誤差を求めて補正する場合で検討する。
【０２５１】
図３４により、交差角度τが満足すべき交差下限角τminについて検討する。図３４は、実施の形態４に係る追尾制御装置において指向方向誤差を求める天球上の２方向の交差角度に関する条件を例により説明する図である。
【０２５２】
指向方向誤差(ｘ,ｙ)を絶対値ｒとＸ方向となす角度φで表すと、以下のようになる。指向方向誤差(ｘ,ｙ)の絶対値をビーム方向誤差と呼ぶ。
ｘ＝ｒ*cosφ
ｙ＝ｒ*sinφ
最初にＸ方向で指向方向誤差を求めると、ｘが計算できる。指向方向誤差ｘを解消するように追尾軌道を修正すると、残る指向方向誤差は(０,ｙ)になる。
【０２５３】
次にＱ方向で指向方向誤差を求めると、Ｑ方向にｙ*sinτの誤差が計算できる。Ｑ方向にｙ*sinτの誤差をＸ方向とＹ方向に分解すると、(ｙ*sinτ*cosτ,ｙ*sin2τ)になる。したがって、Ｑ方向で計算した誤差(ｙ*sinτ*cosτ,ｙ*sin2τ)をを解消するように追尾軌道を修正すると、残る誤差は(-ｙ*sinτ*cosτ,ｙ*cos2τ)になる。Ｘ方向およびＱ方向で指向方向誤差を求めて解消した後に残るビーム方向誤差ｒzは、以下のようになる。
ｒz＝|ｙ*cosτ|＝|ｒ*sinφ*cosτ|        (109)
【０２５４】
角度φはランダムに決まるので、φについて０からπの範囲での平均ｒz0を求めると、以下のようになる。
ｒz0＝(１/π)*∫(|ｒ*sinφ*cosτ|)dφ＝ｒ*(２/π)*|cosτ|
ｒz0/ｒ＝(２/π)*|cosτ|                (110)
【０２５５】
式(110)は、τ＝π/２の場合にはｒz0＝０となり、τがπ/２に近いほどｒz0/ｒが小さくなることを意味する。ｒz0/ｒが閾値γth以下になる交差角度τを、交差下限角τminとする。τminは以下の式で計算できる。
τmin＝cos-1((π/２)*γth)              (111)
【０２５６】
式(111)より、γthを例えば０．１とすると、τmin＝８０．６度となる。指向方向誤差を求める天球上の２方向であるＸ方向とＱ方向の間の交差角τが交差下限角τmin以上の角度であれば、Ｘ方向とＱ方向で１回ずつ指向方向誤差を求め解消することで、ビーム方向誤差ｒを、γth倍以下にすることができる。
【０２５７】
残った誤差(-ｙ*sinτ*cosτ,ｙ*cos2τ)のその後の様子を説明する。新たに指向方向誤差が発生しないとすると、次にＸ方向の指向方向誤差を求めて解消すると、残る誤差は(０,ｙ*cos2τ)になる。さらに、Ｑ方向誤差を求めて解消すると、残る誤差は(-ｙ*sinτ*cos3τ,ｙ*cos4τ)になる。Ｘ方向およびＱ方向で２回ずつ指向方向誤差を求めて解消した後に残るビーム方向誤差ｒz2は、以下のようになる。
ｒz2＝|ｙ*cos3τ|＝|cos2τ|*ｒz        (112)
φについて０からπの範囲での平均をとると、以下のようになる。
ｒz20＝ｒ*(２/π)*|cos3τ|
ｒz20/ｒ＝(２/π)*|cos3τ|            (113)
【０２５８】
ｒz20/ｒが閾値γth以下になる交差角度τをτmin2とする。τmin2は以下の式で計算できる。
τmin2＝cos-1(3√((π/２)*γth))       (114)
【０２５９】
式(114)より、γthを例えば０．１とすると、τmin2＝５７．３度となる。τmin2を交差下限角にしてもよい。
【０２６０】
Ｘ方向を主に変化させてＹ方向も変化させるような操作シナリオを作成してもよい。操作天空範囲の最大幅を最大直交幅で割った値である扁平率が、例えば２などのように決められた扁平率下限値以上であればよい。Ｙ方向を主に変化させる場合でも同様である。扁平率が扁平率下限値未満の場合は、最大幅直交天球方向でも指向方向がある程度の大きさで変化することになるので、最大幅直交天球方向での減衰係数の推定値と実際の値にずれがある場合は、指向方向誤差の推定精度が低下する可能性がある。
【０２６１】
Ｘ方向の指向方向誤差を計算するためにＸ方向だけでなくＹ方向も変更する場合は、最大幅天球方向がＸ方向とずれる場合がある。指向方向誤差を求めるＸ方向が、最大幅直交天球方向よりも最大幅天球方向の方に近いことは当然である。Ｙ方向を主に変化させる場合でも同様である。
【０２６２】
Ｘ方向（方位角方向）とＹ方向（仰角方向）とで分けて交互に指向方向誤差を計算する点以外では、実施の形態３と同様に動作して同様の効果がある。
【０２６３】
Ｘ方向とＹ方向とで分けて交互に指向方向誤差を計算して補正するので、２方向同時に指向方向誤差を計算する場合よりも、指向方向誤差を修正する周期を半分にでき、より速く指向方向誤差を解消できる。
【０２６４】
実施の形態５．
実施の形態１から４では、通信開始時の指向方向誤差が不明の場合に大きな操作基準角Δθで指向方向を変更する。そのため、通信開始時の信号強度が小さいまたはレベル変動比が小さい場合は、大きなΔθで指向方向を変更すると、信号強度がさらに低下して通信ができなくなる可能性がある。この実施の形態５では、信号強度が小さいまたはレベル変動比が小さい場合に、操作基準角を半値幅の１０％程度以下の固定値に設定し、算出された指向方向誤差の使用可否を判断し、使用不可である場合は信号強度が増加する方向に固定の角度だけ基準天球点(追尾軌道)を移動させるように、実施の形態４を変更した場合である。さらに、速度誤差計算部も備えるようにしている。
実施の形態１から３を変更することもできる。速度誤差計算部を有しない場合にも適用できる。
【０２６５】
図３５は、この発明の実施の形態５に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。なお、実施の形態４の場合の図３０と同じまたは対応する構成については、それらの構成の説明を省略する。
【０２６６】
追尾アンテナ装置１００Ｆが有する追尾制御装置４Ｆは、駆動制御データ記憶部１８Ｂ、角度幅計算部２５Ｃ、操作シナリオ生成部２３Ｄ、指向方向誤差算出部１９Ｄおよび追尾軌道生成部２２Ａを変更している。また、指向方向誤差評価部３９、信号強度が増加する基準天球点から変化する天球上の方向である増加天球方向を決める増加天球方向決定部４０を有する。シナリオ計測時間計算部３８を有しない。シナリオ計測時間Ｔxは、レベル変動比によらない値とする。さらに、実施の形態１の変形例と同様な速度計算部２９、遷移軌道生成部２４Ａおよび駆動制御部１７Ａを有する。
【０２６７】
シナリオ計測時間計算部３８を有しない理由は、信号強度が小さいまたはレベル変動比が小さい場合に、操作基準角を半値幅の１０％程度以下の固定値に設定するので、シナリオ計測時間Ｔxを長くしてレベル変動比を向上させる必要が無いからである。
【０２６８】
角度幅計算部２５Ｃは、レベル変動比がレベル変動比下限値以下および基準信号強度が強度下限値以下の何れか少なくとも一つが成立する条件である低レベル変動比低強度条件が成立する場合に、操作基準角Δθをレベル変動比によらない微小な固定値ΔθSに設定する。ΔθSは半値幅Δθ0の１０％程度の値とする。そうすることで、操作天球範囲６１の最大幅を信号強度の低下が許容可能な大きさにすることができる。
【０２６９】
単位期間ごとに方向強度ペアを生成するので、後で説明する図３６および図３７の操作シナリオでは、指向方向誤差の算出精度を評価する式(37)でのηxおよびξxは、５点法の場合の１／１０程度の値になる。そのため、角度幅計算部２５Ｃは、５点法での図８により求まる操作基準角ΔθFとすると、Δθ＝(1/3)ΔθFで計算する。また、上限値を半値幅Δθ0として、(1/5)Δθ0とする。初回のΔθも(1/5)Δθ0とする。
【０２７０】
誤差算出用データ記憶部２０Ｂは、固定値ΔθSである固定操作基準角６７を有する。固定操作基準角６７は、レベル変動比によらずに決められた操作基準角である。駆動制御データ記憶部１８Ｂは、増加天球方向データ６８も記憶する。駆動制御データ記憶部１８Ｂは、増加天球方向へ追尾軌道を移動させる角度である移動基準角６９も記憶する。移動基準角６９は、レベル変動比によらない固定値であり、例えば固定値ΔθSの２倍程度以下に決めておく。角度幅計算部２５Ｃは、誤差算出用データ記憶部２０Ｂを参照して固定値ΔθSを取得する。固定操作基準角６７および移動基準角６９は、信号強度の低下が許容可能な大きさに決める。
【０２７１】
操作シナリオ生成部２３Ｄは、低レベル変動比低強度条件が成立する場合に、操作基準角を固定値ΔθSにして操作シナリオを生成する。指向方向誤差算出部１９Ｄは、最小化計算時に計算不可な状況を検出した場合は、計算不可を出力する。指向方向誤差評価部３９は、指向方向誤差の使用可否を判断する。指向方向誤差評価部３９は、指向方向誤差算出部１９Ｄが計算不可を出力する場合、または計算された指向方向誤差が妥当かどうか評価し妥当でない場合に、指向方向誤差を使用不可と判断する。そうでない場合は、使用可能と判断する。
【０２７２】
指向方向誤差評価部３９が使用不可と判断する場合は、増加天球方向決定部４０は、基準信号強度と少なくとも１個の探査天球点で生成された方向強度ペアに基づき、信号強度が増加する基準天球点から変化する天球上の方向である増加天球方向を決める。追尾軌道生成部２２Ａは、増加天球方向データ６８および移動基準角６９を参照して、指向方向誤差評価部３９が使用不可と判断する場合は、移動基準角だけ増加天球方向に基準天球点が移動するように追尾軌道を修正する。
【０２７３】
操作シナリオ生成部２３Ｄは、図３６および図３７に示すような操作シナリオを生成する。図３６は、実施の形態５に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオを例により説明する図である。図３６(A)に、方位角を変更する操作シナリオでの操作天球軌跡を示す。図３６(B)に、仰角を変更する操作シナリオでの操作天球軌跡を示す。計測天球点Ｇ０からＧ４は、図２６および図３１と同様に定義する。
図３７に、指向方向誤差を求めるための１連の動作のシーケンスを表す。図３７は、実施の形態５に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオの動作シーケンスを例により説明する図である。
【０２７４】
図３７について、実施の形態４の場合の図３２と異なる点だけを説明する。期間Ｔ２１については、後で説明する。期間Ｔ２２Ｂでは、方位角シナリオを生成する。そのため、低レベル変動比低強度条件が成立するかどうかチェックする。低レベル変動比低強度条件が成立する場合には、操作基準角を固定値ΔθSにして方位角シナリオを生成する。成立しない場合は、角度幅計算部２５Ｃが決定した操作基準角Δθを使用して方位角シナリオを生成する。
図３７では、操作基準角が固定値ΔθSである場合を示す。
【０２７５】
期間Ｔ３０-２Ｂでは、指向方向誤差算出部１９Ｄが方位角誤差ｘを計算する。指向方向誤差評価部３９が方位角誤差ｘの使用可否を判断する。使用不可の場合は、増加天球方向決定部４０が増加天球方向を決める。期間Ｔ３０-３Ｂでは、追尾軌道生成部２２Ｂが、増加天球方向と移動基準角により、または方位角誤差ｘにより追尾軌道を修正する。方位角を変化させながら仰角シナリオを生成する。
【０２７６】
期間Ｔ３９Ｂ（Ｔ２１−２Ｂ）では、指向方向誤差算出部１９Ｄが仰角誤差ｙを計算する。指向方向誤差評価部３９が仰角誤差ｙの使用可否を判断する。使用不可の場合は、増加天球方向決定部４０が増加天球方向を決める。
【０２７７】
期間Ｔ４０Ｂ（Ｔ２２Ｂ）では、追尾軌道生成部２２Ｂが、増加天球方向と移動基準角により、または仰角誤差ｙにより追尾軌道を修正する。仰角を変化させながら方位角シナリオを生成する。
【０２７８】
図３７に示す方位角および仰角の変化は、指令値の変化である。実際の方位角および仰角は、慣性や制御系の遅れなどにより、図３８のように変化する。図３８は、実施の形態５に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置において方位角または仰角の指令値θaに対する応答値θbの例を説明する図である。応答値θbは、指向方向計測部７により計測されれた指向方向データ５１での方位角または仰角である。図３８では、ΔθS＝１mdegであり、ｔ＝１秒から期間Ｔ５３が始まるとして、期間Ｔ６０までの指令値と実際のアンテナの指向方向を表す応答値とを示す。応答値θbは指令値θaに対して、約０．７秒の遅れがある。
【０２７９】
増加天球方向決定部４０が、増加天球方向を求める方法を説明する。方向強度ペア生成部２７Ａは、単位期間(１００msec)ごとに方向強度ペアを生成する。応答値θbの指令値θaに対する遅れ時間Ｔddを予め決めておき、指令値θaを変化させる期間Ｔ２１などを、図３９に示すように、Ｔddだけ後の時間に移動させた期間として指令値θbが変化する期間dＴ２１などのように表現する。図３９は、実施の形態５に係る追尾制御装置において増加天球方向を求めるために使用する方向強度ペアの区分を説明する図である。
【０２８０】
指令角θa＜０に対応する期間dＴ２３〜dＴ２５に生成された方向強度ペアに含まれる信号強度の平均をＤ１とする。指令角θa＝０に対応する期間dＴ２６に生成された方向強度ペアに含まれる信号強度の平均をＤ２とする。指令角θa＞０に対応する期間dＴ２７〜dＴ２９に生成された方向強度ペアに含まれる信号強度の平均をＤ３とする。Ｄ２は基準信号強度に対応する。Ｄ１は角度減少時の信号強度であり、Ｄ３は角度増加時の信号強度である。基準信号強度Ｄ２を計測する期間を、Ｄ１を計算する期間とＤ３を計算する期間の間に配置しているので、信号強度が時間的に変動する場合でも基準信号強度Ｄ２をＤ１およびＤ３に対して平均的な値とすることができる。
【０２８１】
信号強度に有意な差があるかどうか判断するための閾値をＰdthとする。Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を比較して、以下のように増加天球方向Ｚdrを決定する。
(1) Ｄ１-Ｄ２≧ＰdthかつＤ３-Ｄ２≦Ｐdth    Ｚdr＝角度が減少
(2) Ｄ１-Ｄ２≦ＰdthかつＤ３-Ｄ２≧Ｐdth    Ｚdr＝角度が増加
(3) Ｄ１-Ｄ２＜ＰdthかつＤ３-Ｄ２＜Ｐdth    Ｚdr＝不明
(4) Ｄ１-Ｄ３≧ＰdthかつＤ３-Ｄ２＞Ｐdth    Ｚdr＝角度が減少
(5) Ｄ３-Ｄ１≧ＰdthかつＤ１-Ｄ２＞Ｐdth    Ｚdr＝角度が増加
(6) |Ｄ３-Ｄ１|＜ＰdthかつＤ３-Ｄ２＞ＰdthかつＤ１-Ｄ２＞Ｐdth
Ｚdr＝不明
上記(4)から(6)は、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のどれかが異常な値をとる場合である。(4)から(6)で不明としてもよいが、Ｄ１とＤ３が正常と考えれば上記のように判断してよい。上記の内容をＤ１−Ｄ２とＤ３−Ｄ２の平面上で表すと図４０のようになる。図４０は、実施の形態５に係る追尾制御装置において信号強度の領域ごとの増加天球方向を示す図である。
【０２８２】
動作を説明する。図４１は、実施の形態５に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。実施の形態４の場合の図３３と異なる点だけを説明する。ステップＳ０８の前にステップＳ２１で、レベル変動比ＲLEVがレベル変動比下限値ＲMTH以下(ＲLEV≦ＲMTH)または、信号強度ＰLEVが強度下限値ＰMTH以下(ＰLEV≦ＰMTH)であるという低レベル変動比低電力条件が成立するかどうかチェックする。成立しない場合(Ｓ２１でＮＯ)は、Ｓ０８に進む。成立する場合(Ｓ２１でＹＥＳ)は、ステップＳ２２で、角度幅計算部２５Ｃが、操作基準角Δθをレベル変動比によらない固定値ΔθSに設定する。ステップＳ２２の実行後は、ステップＳ１１Ｃに進む。ステップＳ０９Ａでは、初回のΔθ＝(1/5)Δθ0と設定する。
【０２８３】
ステップＳ１４Ｃの前に、ステップＳ２３で、指向方向誤差評価部３９が指向方向誤差の使用可否を判断する。使用不可の場合(Ｓ２３でＮＯ)は、ステップＳ２４で、増加天球方向決定部４０は、基準信号強度Ｄ２と方向強度ペアから計算したＤ１、Ｄ３に基づき、図４０に示す条件で、信号強度が増加する基準天球点から変化する天球上の方向である増加天球方向を決める。ステップＳ２５で、追尾軌道生成部２２Ａは、移動基準角だけ増加天球方向に基準天球点が移動するように追尾軌道を修正する。ステップＳ２５の実行後は、ステップＳ１７へ進む。
【０２８４】
シミュレーション結果を説明する。シミュレーション条件は、以下である。アンテナが到来方向を向いた場合の信号強度ｎ0＝−１００dbmで、レベル変動比ＲLEV＝２０ｄＢである。予測軌道の速度誤差がＸ方向(方位角方向)に0.04mdeg/sあり、Ｙ方向(仰角方向)に-0.04mdeg/sある。半値幅Δθ0＝１１mdeg、初期の指向方向誤差が(７mdeg, -７mdeg)である。操作基準角は、レベル変動比が閾値ＲMTH(ここでは、２０ｄＢ)以下である場合は、固定値ΔθS＝１mdegとし、閾値ＲMTHより大きい場合はレベル変動比に応じて決めた操作基準角Δθとする。１サイクルが１８秒で、図３７に示す動作シーケンスで指向方向誤差を求めることを繰り返す。Ｘ方向(方位角)とＹ方向(仰角)の操作シナリオを交互に生成するが、Ｘ方向とＹ方向の操作シナリオを実行することを１サイクルとする。操作基準角Δθは、１サイクルごとに、１サイクル前の受信信号で生成したレベル変動比ＲLEVを基づいて計算する。１０００秒までシミュレーションしており、２００秒までを初期、２００秒以降を後期と呼ぶ
【０２８５】
図４２から図４４が初期のシミュレーション結果である。図４５から図４７が後期のシミュレーション結果である。図４２は、実施の形態５に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の初期のシミュレーション結果での指向方向誤差の軌跡を示す図である。指向方向誤差の軌跡は、１秒ごとの位置を白丸で示し直線で結ぶ。指向方向誤差の結果で決まる基準天球点の位置を白抜きのひし形で示す。ビーム方向誤差ｒ＝７mdegとｒ＝１．５mdegの円も示す。
【０２８６】
図４３は、初期のシミュレーション結果での指向方向誤差、操作基準角およびレベル変動比の時間変化を示す図である。図４３(A)に、計算された方位角誤差ｘおよび仰角誤差ｙの時間変化を示す。方位角誤差ｘを実線とし、仰角誤差ｙを破線で表現する。図４３(A)には、計算された指向方向誤差の計算異常の有無も示す。計算異常の指向方向誤差は使用せず、増加天球方向に移動基準角(ここでは、ΔθS)だけ移動する。図４３(B)に、操作基準角Δθおよびレベル変動比ＲLEVの時間変化を示す。操作基準角Δθを実線で表し、レベル変動比ＲLEVを破線で表す。操作基準角Δθを実施する期間に操作基準角Δθを決める際に使用したレベル変動比ＲLEVを表示する。
【０２８７】
図４４は、初期のシミュレーション結果でのビーム方向誤差および信号強度の時間変化を示す図である。図４４(A)に、ビーム方向誤差の時間変化を示す。図４４(B)に、信号強度ＰSIGの時間変化を示す。信号強度は、指向方向誤差が存在しない場合の信号強度ｎ0を０ｄＢとし、ｎ0からの減少量をｄＢで表す。
後期のシミュレーション結果を示す図４５および図４７も同様である。図４５は、図４２よりも狭い範囲を拡大して示す。
【０２８８】
比較例として、レベル変動比が小さい場合もレベル変動比に応じて操作基準角を決める実施の形態４の場合のシミュレーション結果を図４８から図５３に示す。図５４に、１００秒までのビーム方向誤差と信号強度を実施の形態５および４で比較して示す。この実施の形態５が実線であり、比較例としての実施の形態４が破線である。
【０２８９】
最初にＸ方向で指向方向誤差を計算し、Ｘ方向とＹ方向で指向方向誤差を交互に計算する。Ｙ方向で１回目の指向方向誤差の計算異常が発生する。比較例の実施の形態４では、指向方向誤差が使用できるかどうか、換言すると、異常な値でないかどうかをチェックしておらず、指向方向を大きく変化させて、指向方向誤差が大きくなる。その結果、図５４に示すように、ビーム方向誤差が３mdeg以下になるまでに要する時間が、この実施の形態５の場合よりも３０秒ぐらい長くなっている。比較例で指向方向誤差が大きい４０秒から８０秒の期間では、信号強度も低下している。
【０２９０】
これに対して、この実施の形態５では、通信開始時で指向方向誤差が大きく低レベル変動比低強度条件が成立する場合に、操作基準角をレベル変動比によらず必要十分に小さく決められた固定操作基準角ΔθSを使用する。そして、指向方向誤差が使用できるかどうか評価し、使用不可の場合は信号強度が増加する方向を求め、増加する方向に決められた移動基準角だけ指向方向を変更する。移動基準角は、信号強度の低下が許容可能な大きさである。Ｙ方向で１回目の指向方向誤差の計算異常が発生する場合も、図４２から図４４に示すように、計算異常を検出して、仰角が増加する方向が増加天球方向であると判断して、固定移動基準角ΔθSだけ仰角を増加させる。そうすることで、信号強度が大きく低下して通信できなくなる事態が発生しなくなる。また、５０秒以降でレベル変動比ＲLEVが閾値２０ｄＢを超えて、低レベル変動比低強度条件が成立しなくなると、実施の形態３と同様に、レベル変動比の増加に対して操作基準角が単調非増加になるように操作基準角を決めるので、操作シナリオを実行する際の信号強度の低下を必要最小限にすることができる。
【０２９１】
シミュレーション条件として、予測軌道の速度誤差がＸ方向(方位角方向)に0.04mdeg/sあり、Ｙ方向(仰角方向)に-0.04mdeg/sあるとしている。そのため、指向方向誤差(ｘ,ｙ)は、ｘが負でｙが正の領域に多く存在する。この実施の形態５および実施の形態４のどちらも、３００秒以降は、ビーム方向誤差が１．５mdeg未満の範囲に入っており、速度誤差に対応できている。４００秒以降は、実施の形態５および実施の形態４の動作はほぼ同じになっている。また、方位角または仰角を交互に修正しているが、指向方向誤差(ｘ,ｙ)を表すひし形は、速度誤差の影響により計算しない方の値も変化する。
【０２９２】
実施の形態１から４と同様に、レベル変動比に基づき生成された操作シナリオに基づき指向方向を変化させるので、指向方向誤差を求めるために指向方向を変化させる際の信号強度の低下を小さくすることができる。通信回線の品質を劣化させることなく通信相手を追尾できる。
【０２９３】
操作シナリオを生成し、操作シナリオに基づき指向方向を変化させて方向強度ペアを生成して、方向強度ペアから指向方向誤差を求める構成であればどのような構成にも、指向方向誤差評価部および増加天球方向決定部を追加し、指向方向誤差が指向不可の場合に増加天球方向に決められた角度だけ指向方向を変更する構成を適用できる。操作シナリオ生成部は、低レベル変動比低強度条件が成立する場合に、操作天球範囲の最大幅が信号強度の低下が許容可能な大きさであるような操作シナリオを生成するものであることが望ましい。
【０２９４】
指向方向誤差評価部は、指向方向の使用可否を判断できるものであればどのような構成でもよい。増加天球方向決定部は信号強度が増加する基準天球点(追尾軌道)から変化する天球上の方向である増加天球方向を決めることができれば、どのような構成でもよい。増加天球方向決定部が増加天球方向を決める際に使用する方向強度ペアは、操作シナリオを実行中に得られたものを使用してもよいし、指向方向誤差が使用不可であると判明した後に指向方向を変更して生成した方向強度ペアを使用してもよい。
【０２９５】
実施の形態６．
実施の形態６は、角度幅計算部２５を有しない、すなわち低レベル変動比低強度条件が成立しない場合も固定操作基準角ΔθSを使用するように実施の形態５を変更した場合である。図５５は、実施の形態６に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。図３５と異なる点だけを説明する。
【０２９６】
追尾アンテナ装置１００Ｇが有する追尾制御装置４Ｇは、角度幅計算部を有さない。誤差算出用データ記憶部２０Ｃは、操作基準角６２を有さない。操作シナリオ生成部２３Ｅは、常に固定操作基準角ΔθSに基づく操作シナリオ５８を生成する。
【０２９７】
動作を説明する。図５６は、実施の形態６に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。図４１と異なる点だけを説明する。ステップＳ２１、Ｓ０８、Ｓ０９Ａ、Ｓ１０が存在せず、常にＳ２２が実行される。
【０２９８】
追尾制御装置４Ｇも、指向方向誤差の使用可否を判断する。指向方向誤差が使用不可である場合に、基準信号強度と方向強度ペアに基づき、信号強度が増加する基準天球点から変化する天球上の方向である増加天球方向を決める。移動基準角だけ増加天球方向に基準天球点が移動するように追尾軌道を修正する。
【０２９９】
シミュレーション結果を説明する。シミュレーション条件は、実施の形態５の場合と同様である。ただし、常に操作基準角は固定値ΔθS＝１mdegとする。
【０３００】
図５７から図６３に、実施の形態６に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置のシミュレーション結果を示す。図５７から図５９が初期のシミュレーション結果である。図６０に、１００秒までのビーム方向誤差および信号強度の時間変化を、実施の形態６と実施の形態５と対比して示す。図６１から図６３が後期のシミュレーション結果である。実施の形態６を実線で表し、実施の形態５を破線で表す。
【０３０１】
半値幅の９０％と大きく指向方向がずれている場合でも、指向方向誤差が小さくなるように追尾軌道を移動させて、到来方向を指向方向が追尾できている。初期では、実施の形態６と実施の形態５は、ほぼ同様に動作する。６０秒から１００秒ぐらいの期間で、実施の形態６の方が指向方向誤差が０．１mdegから１mdeg程度大きくなっているが、信号強度への影響はほとんどない。
【０３０２】
この実施の形態６でも、通信開始時で指向方向誤差が大きく低レベル変動比低強度条件が成立する場合に、操作基準角をレベル変動比によらず必要十分に小さく決められた固定操作基準角ΔθSを使用するので、信号強度が大きく低下して通信できなくなる事態が発生しない。
【０３０３】
後期でも、実施の形態６の方が、指向方向誤差が少し大きくなる期間があるが、信号強度への影響はほとんどない。信号強度の低下は、０．１ｄＢ未満である。
【０３０４】
指向方向誤差が使用できるかどうか評価し、使用不可の場合は信号強度が増加する方向を求め、増加する方向に決められた移動基準角だけ指向方向を変更する。移動基準角は、信号強度の低下が許容可能な大きさである。そうすれることで、信号強度が大きく低下して通信できなくなる事態が発生しなくなる。このことは、指向方向誤差を計算し指向方向誤差に基づき追尾軌道を修正する追尾制御装置であれば、実施の形態５および６とは異なる構成の場合にも適用できる。
【０３０５】
実施の形態７．
実施の形態７は、指向操作量が一定の状態で作成された方向強度ペアを使用して指向方向誤差を求めるように実施の形態５を変更した場合である。図６４は、この発明の実施の形態７に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。実施の形態５の場合の図３５と異なる点だけを説明する。
【０３０６】
追尾アンテナ装置１００Ｈが有する追尾制御装置４Ｈは、実施の形態１の追尾制御装置４と同様な信号強度計測部１３、角度幅計算部２５、静止時間計算部２６、方向強度ペア生成部２７を有する。シナリオ計測時間計算部３８を有しない。誤差算出用データ記憶部２０Ｄ、操作シナリオ生成部２３Ｆ、指向方向誤差算出部１９Ｅ、増加天球方向４０Ａを変更している。
【０３０７】
誤差算出用データ記憶部２０Ｄは、シナリオ計測時間６６を有さず、静止時間６３を有する。操作シナリオ生成部２３Ｆは、図６５と図６６に示すように、方位角シナリオと仰角シナリオを交互に作成する点で実施の形態１の場合の操作シナリオ生成部２３とは異なる。指向方向誤差算出部１９Ｅは、方位角誤差ｘと仰角誤差ｙを交互に計算する点で、実施の形態１の場合の指向方向誤差算出部１９とは異なる。
【０３０８】
図６５は、実施の形態７に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオでの指向方向の変化の軌跡を例により説明する図である。図６６は、実施の形態７に係る追尾制御装置が使用する操作シナリオの動作シーケンスを例により説明する図である。
【０３０９】
図６５は、図３６と比較して、計測天球点が操作時天球点だけである点が異なる。図６６について、図３７と異なる点を説明する。１サイクルが６６秒であり、操作時天球点Ｇ１〜Ｇ４に留まる期間Ｔ２４、Ｔ２８、Ｔ３２、Ｔ３６の長さは、８秒とする。基準天球点Ｇ０に留まる期間Ｔ２６、Ｔ３４は、１０秒とする。他の期間の長さは、図３７の場合と同じである。方向強度ペアは、期間Ｔ２１−１、Ｔ２４、Ｔ２６、Ｔ２８、Ｔ３２、Ｔ３４、Ｔ３６の終了時点で生成する。図３７で説明したように、期間Ｔ３７の後は期間Ｔ２１-１になる。
【０３１０】
期間Ｔ３０-２ではＧ０での静止を継続し、指向方向誤差算出部１９Ｅが方位角誤差ｘを計算する。期間Ｔ２２ＡではＧ０での静止を継続し、指向方向誤差算出部１９Ｅが仰角誤差ｙを計算する。
【０３１１】
指向方向誤差算出部１９Ｅは、実施の形態１の指向方向誤差算出部１９と同様であるが、方位角誤差ｘと仰角誤差ｙを別のタイミングで計算する点が異なる。増加天球方向４０Ａは、基準天球点および操作時天球点で生成した信号強度を比較して増加天球方向を決める。
【０３１２】
図６７は、実施の形態７に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置において方位角または仰角の指令値に対する応答値の例を説明する図である。基準天球点また操作時天球点に応答値で５秒ぐらい静止する。Ｔ２８、Ｔ３２、Ｔ３６の終了直前の静止する区間が、静止時間Ｔs以上に静止する区間になる。
【０３１３】
動作を説明する。図６８は、実施の形態７に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。実施の形態５の場合の図４１と異なる点だけを説明する。ステップＳ０９で、初回にΔθ＝Δθ0/２と設定する。Ｓ２２Ａで、シナリオ計測時間Ｔxではなく静止時間Ｔsを固定値に設定する。ステップＳ１１Ｃで、方位角(ＡＺ)と仰角(ＥＬ)で交互に５点法と同様な天球点の配置になる操作シナリオを生成する。ステップＳ１３Ｄで、指向方向誤差算出部１９Ｅが５点法により、式(10)で方位角誤差ｘと式(13)で仰角誤差ｙを交互に算出する。ステップＳ２４Ａで、基準天球点および操作時天球点で生成した方向強度ペアを使用して増加天球方向を決める。
【０３１４】
５点法を実行して指向方向誤差を計算する点で、実施の形態５とは異なるが、他の点では同様に動作し、同様の効果がある。実施の形態２も同様に変更できる。
【０３１５】
実施の形態８．
実施の形態８は、低レベル変動比低強度条件が成立する場合に、指向方向誤差を計算することなく、信号強度が増加する基準天球点から変化する天球上の方向である増加天球方向を決め、信号強度の低下が許容可能な大きさにレベル変動比によらずに決められた移動基準角だけ増加天球方向に移動するように実施の形態５を変更する場合である。図６９は、この発明の実施の形態８に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。実施の形態５の場合の図３５と異なる点だけを説明する。実施の形態６や実施の形態７を変更することもできる。速度誤差計算部を備えなくてもよい。
【０３１６】
追尾アンテナ装置１００Ｊが有する追尾制御装置４Ｊは、誤差算出用データ記憶部２０Ｅ、駆動制御用データ記憶部１８Ｃ、増加天球方向決定部４０Ａおよび駆動制御部１７Ｂを変更している。実施の形態３と同様な操作シナリオ生成部２３Ｂおよび指向方向誤差算出部１９Ｂを有する。指向方向誤差評価部３９を有さず、探査シナリオ７０を生成する探査シナリオ生成部４１を有する。探査シナリオ７０は、増加天球方向を求めるために指向方向を変化させる際の変化の仕方を表すものである。つまり、探査シナリオ７０は、基準天球点（追尾軌道）と指向方向の差である指向操作量の時間推移を表す。
【０３１７】
駆動制御用データ記憶部１８Ｃは、増加天球方向を求めるための探査シナリオ７０を記憶する。誤差算出用データ記憶部２０Ｅには、探査シナリオ７０で指向方向を変更する角度の基準になる探査基準角７１も記憶する。探査シナリオ生成部４１は、増加天球方向を求めるために指向方向をＸ方向とＹ方向の２方向で微小角度だけ変更する探査シナリオ７０を生成する。なお、Ｘ方向は方位角が変化する方向とし、Ｙ方向は仰角が変化する方向とする。駆動制御部１７Ｂは、探査シナリオ７０にもしたがってアンテナ架台駆動部３を制御する。探査基準角７１は、信号強度の低下が許容可能な大きさに決める。
【０３１８】
増加天球方向決定部４０Ａは、探査シナリオ７０を実行中に生成された方向強度ペアに基づき増加天球方向を決める。増加天球方向は、Ｘ方向またはＹ方向に限定しない。
【０３１９】
低レベル変動比低電力条件が成立しない場合は、操作シナリオ生成部２３Ｂが操作シナリオ５８を生成し、成立する場合は探査シナリオ生成部４１が探査シナリオ７０を生成して増加天球方向決定部４０Ａが増加天球方向を決定する。
【０３２０】
図７０と図７１を参照して、探査シナリオ生成部４１が生成する探査シナリオ７０を説明する。図７０は、実施の形態８に係る追尾制御装置が使用する探査シナリオでの指向方向の変化の軌跡を例により説明する図である。探査シナリオ７０による指向操作量の軌跡を探査天球軌跡と呼ぶ。図７１は、実施の形態８に係る追尾制御装置が使用する探査シナリオの動作シーケンスを例により説明する図である。ここで説明する探査シナリオでは、Ｘ方向とＹ方向に探査して両方向での信号強度の増減を考慮して増加天球方向を決める。
【０３２１】
探査シナリオ７０は、指向方向誤差を計算するために使用しない。そのため、操作シナリオ５８で考慮する計測天球点の配置に対する条件は、探査シナリオ７０では考慮しなくてもよい。探査シナリオ７０を実行中に方向強度ペアを生成する天球点を探査天球点と呼ぶ。探査天球点は、計測天球点でもある。
【０３２２】
図７０は、探査シナリオ７０での指向方向の変化を天球上で表した図である。白丸で表す計測天球点は約２０個あるが、５点法の場合と同様に、方位角が最小になる計測天球点をＧ１とし、方位角が最大になる計測天球点をＧ２とする。また、仰角が最小になる計測天球点をＧ３とし、仰角が最大になる計測天球点をＧ４とする。Ｇ２を含めてＧ０から方位角を増加させた天球点は、破線の白丸で表現する。これは、これらの天球点を条件付けで使用することを意味する。Ｇ０からＧ１を往復しただけでは増加天球方向を決定できない場合だけ、Ｇ０からＧ２を往復する軌跡を使用する。Ｇ４を含めてＧ０から仰角を増加させた天球点は、破線の白丸で表現する。Ｇ０からＧ４を往復する軌跡も、Ｇ０からＧ３を往復しただけでは増加天球方向を決定できない場合だけ使用する。
【０３２３】
探査シナリオは、信号強度の低下が許容可能な大きさに決められた探査基準角に基づき決められた天球上の距離だけ基準天球点から離れた天球上の点であり、その天球上の点の指向操作量を含む方向強度ペアを生成する少なくとも１個の探査天球点が存在するものであれば、どのようなものでもよい。
【０３２４】
期間Ｔ５１では、指向方向が基準天球点Ｇ０(０,０)である状態で基準信号強度を計測する。期間Ｔ５２で、探査シナリオ７０を生成する。期間Ｔ５１、Ｔ５２の合計で３秒とする。探査シナリオ７０の実行中は、単位期間ごとに方向強度ペアを生成する。
【０３２５】
期間Ｔ５３から探査シナリオ７０にしたがって指向方向を変更する。期間Ｔ５３では、Ｇ０からＧ１(−ΔθS,０)に向かって方位角を減少させる。期間Ｔ５４ではＧ１で静止する。期間Ｔ５５では、Ｇ１からＧ０に向かって方位角を増加させる。期間Ｔ５６では、Ｇ０に静止する。期間Ｔ５３、Ｔ５４、Ｔ５５の長さは、１秒とする。期間Ｔ５６は、Ｔdd以上の長さとする。
【０３２６】
期間Ｔ５７では、Ｇ０での静止を継続する。増加天球方向決定部４０Ａは、方位角方向での方位角増加方向ＺdrAを決定する。期間Ｔ５６、Ｔ５７の合計で３秒とする。
【０３２７】
期間Ｔ５７でＺdrAが「不明」でない場合、期間Ｔ５８〜Ｔ６２を省略する。ＺdrAが「不明」である場合は、期間Ｔ５８で、Ｇ０からＧ２に向かって方位角を増加させる。期間Ｔ５９では、Ｇ２に静止する。期間Ｔ６０では、Ｇ２からＧ０に向かって方位角を減少させる。期間Ｔ６１では、Ｇ０に静止する。期間Ｔ５８、Ｔ５９、Ｔ６０の長さは、１秒とする。期間Ｔ６１は、Ｔdd以上の長さとする。
【０３２８】
期間Ｔ６２では、Ｇ０での静止を継続する。増加天球方向決定部４０Ａは、方位角方向での方位角増加方向ＺdrAを決定する。期間Ｔ６１、Ｔ６２の合計で３秒とする。
【０３２９】
期間Ｔ５７または期間Ｔ６２の後は、期間Ｔ６３では、Ｇ０からＧ３(０,−Δθ)に向かって仰角を減少させる。期間Ｔ６４ではＧ３で静止する。期間Ｔ６５では、Ｇ３からＧ０に向かって仰角を増加させる。期間Ｔ６６では、Ｇ０に静止する。期間Ｔ６３、Ｔ６４、Ｔ６５の長さは、１秒とする。期間Ｔ６６は、Ｔdd以上の長さとする。
【０３３０】
期間Ｔ６７では、Ｇ０での静止を継続する。増加天球方向決定部４０Ａは、仰角方向での仰角増加方向ＺdrBを決定する。期間Ｔ６６、Ｔ６７の合計で３秒とする。
期間Ｔ６７でＺdrBが「不明」でない場合、期間Ｔ６８〜Ｔ７２を省略する。ＺdrBが「不明」である場合は、期間Ｔ６８で、Ｇ０からＧ２に向かって仰角を増加させる。期間Ｔ６９では、Ｇ２に静止する。期間Ｔ７０では、Ｇ２からＧ０に向かって仰角を減少させる。期間Ｔ７１では、Ｇ０に静止する。期間Ｔ６８、Ｔ６９、Ｔ７０の長さは、１秒とする。期間Ｔ７１は、Ｔdd以上の長さとする。
【０３３１】
期間Ｔ７２では、Ｇ０での静止を継続する。増加天球方向決定部４０Ａは、仰角方向での仰角増加方向ＺdrBを決定する。期間Ｔ７１、Ｔ７２の合計で３秒とする。
探査シナリオ７０の各期間の長さは、適宜調整すればよい。
【０３３２】
常に期間Ｔ５８〜Ｔ６２およびＴ６８〜Ｔ７２を実行する探査シナリオを使用してもよい。条件分岐を有するシナリオとしては、ある部分を省略するかどうかだけでなく、条件により動作内容を切り替えるようなものでもよい。
【０３３３】
図７０および図７１で示す探査シナリオのように、計測した信号強度に応じて以降に実行する動作を変化させるような操作シナリオを作成するようにしてもよい。
【０３３４】
動作を説明する。図７２は、実施の形態８に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。実施の形態５の場合の図４１と異なる点だけを説明する。
【０３３５】
ステップＳ２１で低レベル変動比低電力条件が成立する場合(Ｓ２１でＹＥＳ)は、ステップＳ３１で、探査シナリオ生成部４１が探査シナリオ７０を生成する。ステップＳ３２で、駆動制御部１７Ｂは、追尾軌道データ５６と探査シナリオ７０を参照してアンテナ架台駆動部３を制御する。ステップＳ３３で、増加天球方向決定部４０Ａが、増加天球方向を決定する。ステップＳ３４で、追尾軌道生成部２２Ｃは、増加天球方向データ６８および移動基準角６９も参照して追尾軌道データ５６を修正する。ステップＳ３４の実行後は、ステップＳ１７に進む。
【０３３６】
増加天球方向決定部４０Ａが、増加天球方向を決定する方法を説明する。増加天球方向決定部４０Ａは、期間Ｔ５７、Ｔ６２、Ｔ６７、Ｔ７２で起動される。期間Ｔ５７では、増加天球方向決定部４０Ａは、遅れ時間Ｔddを考慮したｄＴ５１〜ｄＴ５２の期間に生成された方向強度ペアに含まれる信号強度の平均をＤＡ２として計算する。ＤＡ２は、基準天球点Ｇ０での信号強度すなわち基準信号強度である。ｄＴ５３〜ｄＴ５５の期間に生成された方向強度ペアに含まれる信号強度の平均をＤＡ１として計算する。ＤＡ１は角度減少時の信号強度である。
【０３３７】
増加天球方向決定部４０Ａは、ＤＡ１とＤＡ２を比較して、以下のように方位角方向での方位角増加方向ＺdrAを決定する。
(1) ＤＡ１-ＤＡ２≧Ｐdth    ＺdrA＝角度が減少
(2) ＤＡ２-ＤＡ１≦Ｐdth    ＺdrA＝角度が増加
(3) |ＤＡ１-ＤＡ２|＜Ｐdth   ＺdrA＝不明
【０３３８】
期間Ｔ６２では、増加天球方向決定部４０Ａは、遅れ時間Ｔddを考慮したｄＴ５６〜ｄＴ５７の期間に生成された方向強度ペアに含まれる信号強度の平均をＤＡ２として計算する。ＤＡ２は、基準信号強度である。ｄＴ５８〜ｄＴ６０の期間に生成された方向強度ペアに含まれる信号強度の平均をＤＡ３として計算する。ＤＡ３は角度増加時の信号強度である。
【０３３９】
増加天球方向決定部４０Ａは、ＤＡ３とＤＡ２を比較して、以下のように方位角方向での方位角増加方向ＺdrAを決定する。
(1) ＤＡ３-ＤＡ２≧Ｐdth    ＺdrA＝角度が増加
(2) ＤＡ２-ＤＡ３≦Ｐdth    ＺdrA＝角度が減少
(3) |ＤＡ３-ＤＡ２|＜Ｐdth   ＺdrA＝不明
【０３４０】
期間Ｔ６７では、増加天球方向決定部４０Ａは、遅れ時間Ｔddを考慮したｄＴ６１〜ｄＴ６２の期間に生成された方向強度ペアに含まれる信号強度の平均をＤＢ２として計算する。ＤＢ２は、基準信号強度である。ｄＴ６３〜ｄＴ６５の期間に生成された方向強度ペアに含まれる信号強度の平均をＤＢ１として計算する。ＤＢ１は角度減少時の信号強度である。
【０３４１】
増加天球方向決定部４０Ａは、ＤＢ１とＤＢ２を比較して、以下のように仰角方向での仰角増加方向ＺdrBを決定する。
(1) ＤＢ１-ＤＢ２≧Ｐdth    ＺdrB＝角度が減少
(2) ＤＢ２-ＤＢ１≦Ｐdth    ＺdrB＝角度が増加
(3) |ＤＢ１-ＤＢ２|＜Ｐdth   ＺdrB＝不明
【０３４２】
期間Ｔ７２では、Ｇ０での静止を継続する。増加天球方向決定部４０Ａは、遅れ時間Ｔddを考慮したｄＴ６６〜ｄＴ６７の期間に生成された方向強度ペアに含まれる信号強度の平均をＤＢ２として計算する。ＤＢ２は、基準信号強度である。ｄＴ６８〜ｄＴ７０の期間に生成された方向強度ペアに含まれる信号強度の平均をＤＢ３として計算する。ＤＢ３は角度増加時の信号強度である。
【０３４３】
増加天球方向決定部４０Ａは、ＤＢ３とＤＢ２を比較して、以下のように仰角方向での仰角増加方向ＺdrBを決定する。
(1) ＤＢ３-ＤＢ２≧Ｐdth    ＺdrB＝角度が増加
(2) ＤＢ２-ＤＢ３≦Ｐdth    ＺdrB＝角度が減少
(3) |ＤＢ３-ＤＢ２|＜Ｐdth   ＺdrB＝不明
【０３４４】
増加天球方向決定部４０Ａは、方位角増加方向ＺdrAと仰角増加方向ＺdrBから増加天球方向Ｚdrを決定する。Ｚdrは、Ｘ方向(方位角方向)とＹ方向(仰角方向)の成分を持つ、単位ベクトルである。ＺdrAとＺdrBから、以下のようにＺdrを決定する。
(ア)ＺdrA＝角度が増加、ＺdrB＝角度が増加    Ｚdr＝(１/√２, １/√２)
(イ)ＺdrA＝角度が増加、ＺdrB＝角度が減少    Ｚdr＝(１/√２, −１/√２)
(ウ)ＺdrA＝角度が増加、ＺdrB＝不明          Ｚdr＝(１, ０)
(エ)ＺdrA＝角度が減少、ＺdrB＝角度が増加    Ｚdr＝(−１/√２, １/√２)
(オ)ＺdrA＝角度が減少、ＺdrB＝角度が減少    Ｚdr＝(−１/√２, −１/√２)
(カ)ＺdrA＝角度が減少、ＺdrB＝不明          Ｚdr＝(−１, ０)
(キ)ＺdrA＝不明、ＺdrB＝角度が増加          Ｚdr＝(０, １)
(ク)ＺdrA＝不明、ＺdrB＝角度が減少          Ｚdr＝(０, −１)
(ケ)ＺdrA＝不明、ＺdrB＝不明                Ｚdr＝(０, ０)
【０３４５】
Ｘ方向とＹ方向のそれぞれでの信号強度の変化量を考慮して、増加天球方向Ｚdrを決めてもよい。Ｘ方向とＹ方向のそれぞれでの信号強度の変化量を、変数ＶxとＶyで表す。Ｖxは以下のように、計算する。なお、ＤＡ３を計測していない場合は、|ＤＡ３-ＤＡ２|＝０とする。
(A1)ＺdrA＝角度が増加    Ｖx＝max(|ＤＡ１-ＤＡ２|, |ＤＡ３-ＤＡ２|)
(A2)ＺdrA＝角度が減少    Ｖx＝−max(|ＤＡ１-ＤＡ２|, |ＤＡ３-ＤＡ２|)
(A3)ＺdrA＝角度が不明    Ｖx＝０
【０３４６】
同様に、Ｖxは以下のように、計算する。なお、ＤＢ３を計測していない場合は、|ＤＢ３-ＤＢ２|＝０とする。
(B1)ＺdrB＝角度が増加    Ｖy＝max(|ＤＢ１-ＤＢ２|, |ＤＢ３-ＤＢ２|)
(B2)ＺdrB＝角度が減少    Ｖy＝−max(|ＤＢ１-ＤＢ２|, |ＤＢ３-ＤＢ２|)
(B3)ＺdrB＝角度が不明    Ｖy＝０
【０３４７】
ベクトル(Ｖx,Ｖy)の絶対値をＶrr＝√(Ｖx２＋Ｖy２)とする。増加天球方向Ｚdrは、以下のように決定する。
(1)Ｖrr＝０            Ｚdr＝(０, ０)
(2)Ｖrr≠０            Ｚdr＝(Ｖx/Ｖrr, Ｖy/Ｖrr)
【０３４８】
増加天球方向決定部４０Ａは、求めた増加天球方向Ｚdrを増加天球方向データ６８として、駆動制御データ記憶部１８Ｃに格納する。
【０３４９】
探査天球点へ移動する方向は、Ｘ方向およびＹ方向ではなくてもよい。天球上の任意の方向である第１の方向と、操作シナリオで規定したのと同じ交差下限角以上の角度で第１の方向と交差する第２の方向であればよい。第１の方向および第２の方向で少なくとも１個の探査天球点を生成するものであればよい。増加天球方向を決定するための探査シナリオは、Ｘ方向とＹ方向を交互に実行するものでもよい。基準天球点から探査天球点に向かう探査天球方向は、Ｘ方向やＹ方向でなくてもよく、前回の探査シナリオの探査天球方向と交差下限角以上の角度で交差する探査シナリオを交互に生成してもよい。天球点に静止時間だけ静止して方向強度ペアを生成するものでもよい。コニカルスキャンのように基準天球点の周囲を微小角度で回転させてもよい。増加天球方向決定部は、基準信号強度と探査天球点で生成した方向強度ペアに含まれる信号強度を比較して、増加天球方向を生成できるものであれば、どのようなものでもよい。
【０３５０】
この実施の形態８でも、指向方向誤差を求めるために指向方向を変化させる際の信号強度の低下を小さくすることができる。通信回線の品質を劣化させることなく通信相手を追尾できる。
【０３５１】
操作シナリオを生成および実行しないで、探査シナリオを実行することで増加天球方向を決め、増加天球方向に移動基準角だけ追尾軌道を移動させるようにしてもよい。操作シナリオを生成および実行する場合は、操作シナリオを生成して、操作シナリオにしたがって指向方向を変更する期間の少なくとも一部の期間で方向強度ペアを生成し、少なくとも３個の方向強度ペアから指向方向誤差を求める構成であればどのような構成でもよい。
【０３５２】
探査シナリオを生成する構成は、信号強度の低下が許容できる程度である探査シナリオを生成するものであれば、どのような構成でもよい。増加天球方向に移動させる移動基準角も、信号強度の低下が許容できる程度の大きさであればよい。基準信号強度の大きさにより、移動基準角の大きさを変更するようにしてもよい。例えば、基準信号強度が大きい場合には移動基準角を小さく、基準信号強度が小さい場合には移動基準角を大きくしてもよい。
【０３５３】
実施の形態９．
この実施の形態９では、操作基準角をレベル変動比によらず信号強度の低下が許容可能な大きさで固定にしてシミュレーション期間をレベル変動比に応じて変更する場合である。図７３は、この発明の実施の形態９に係る追尾制御装置および追尾アンテナ装置の構成を示すブロック図である。実施の形態３の場合の図２５と異なる点だけを説明する。
実施の形態１、２、４から８を同様に変更できる。速度誤差計測部を有する場合も同様である。
【０３５４】
追尾アンテナ装置１００Ｋが有する追尾制御装置４Ｋは、角度幅計算部２５Ｂを有さない。誤差算出用データ記憶部２０Ｃは、固定操作基準角６７を有する。操作シナリオ生成部２３Ｇは、シナリオ計測時間Ｔxをレベル変動比ＲLEVに応じて決める。
【０３５５】
シナリオ計測時間算出部３８Ａは、図７４に示すようにレベル変動比ＲLEVに応じてシナリオ計測時間Ｔxおよび１サイクルの時間ＴLを算出する。図７４は、実施の形態９に係る追尾制御装置が有する角度幅計算部が決めるレベル変動比とシナリオ計測時間との関係の１例を示す図である。Ｔxは、図２７において方向強度ペアを生成する期間の長さである。ＴL＝Ｔx＋固定時間(この場合は、６秒)の関係がある。シナリオ計測時間算出部３８Ａは、シナリオ計測時間算出部３８と比較してレベル変動比ＲLEVがより大きい範囲でシナリオ計測時間Ｔxおよび１サイクルの時間ＴLを算出する。
【０３５６】
図７４は、図３２に示す操作シナリオを実行する際に、ＴL＝１８秒でレベル変動比ＲLEV＝２０ｄＢと同等なＲLEVになるように、ＲLEVに応じてＴxおよびＴLを変化させる場合である。ＴＬは長くすると高速化の効果がなくなるので、図７４ではＴＬの上限は３００秒である。
【０３５７】
実施の形態１の変形例と同様な速度誤差計算部２９を有する。駆動制御用データ記憶部１８Ａは、速度データ６５も有する。追尾軌道生成部２２Ｂは、速度誤差データ６５も参照して追尾軌道を修正する。
【０３５８】
動作を説明する。図７５は、実施の形態９に係る追尾制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【０３５９】
実施の形態３の場合の図２９と異なる点だけを説明する。ステップＳ０８〜Ｓ１０がなく、ステップＳ０７の次にステップ４１を実施する。ステップＳ４１では、指向方向誤差計算部１９Ｂが算出する指向方向誤差の精度が決められた基準精度以下になるように、シシナリオ計測時間算出部３８Ａがシナリオ計測時間Ｔxを決める。
【０３６０】
ステップＳ０４Ａ、Ｓ１５Ａ、Ｓ１７は、実施の形態１の変形例の場合の図１５と同様に動作する。
【０３６１】
レベル変動比が小さい場合は、指向方向誤差を算出する１サイクルの時間が長くなり、大きい場合は１サイクルが短くなる。指向方向誤差を算出するために指向方向を変更する変更シナリオを実行中での信号強度の低下を従来よりも小さくでき、通信品質を維持できる。
【０３６２】
この実施の形態８でも、レベル変動比に基づき生成された操作シナリオに基づき指向方向を変化させるので、指向方向誤差を求めるために指向方向を変化させる際の信号強度の低下を小さくすることができる。通信回線の品質を劣化させることなく通信相手を追尾できる。
【０３６３】
本発明はその発明の精神の範囲内において各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の変形や省略が可能である。
【符号の説明】
【０３６４】
１  大口径アンテナ
２  アンテナ架台
３  アンテナ架台駆動部
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ、４Ｈ、４Ｊ、４Ｋ  追尾制御装置
５  受信機
６  送信機
７  指向方向計測部
８  仰角架台
９  方位角架台
１０  基礎部
１１  仰角駆動部
１２  方位角駆動部
１３、１３Ａ  信号強度計測部
１４  レベル変動比計測部
１５  背景雑音強度取得部
１６  計測データ記憶部
１７、１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ  駆動制御部
１８、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ  駆動制御データ記憶部
１９、１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄ、１９Ｅ  指向方向誤差算出部
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ  誤差算出用データ記憶部
２１  予測軌道データ生成部
２２、２２Ａ、２２Ｂ  追尾軌道生成部（追尾軌道修正部）
２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ、２３Ｅ、２３Ｆ、２３Ｇ  操作シナリオ生成部
２４、２４Ａ、２４Ｂ  遷移軌道生成部
２４Ｘ  方位角遷移軌道生成部
２４Ｙ  仰角遷移軌道生成部
２５、２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ  角度幅計算部
２６  静止時間計算部
２７、２７Ａ  方向強度ペア生成部
２８  処理制御部
２９、２９Ａ  速度誤差計算部
２９Ｘ、２９ＸＡ  方位角速度誤差計算部
２９Ｙ、２９ＹＡ  仰角速度誤差計算部
３０Ｘ、３０Ｙ  乗算器
３１Ｘ、３１Ｙ  ホールド回路
３２Ｘ、３２Ｙ  加算器
３３Ｘ、３３Ｙ  乗算器
３４Ｘ、３４Ｙ  分配器
３５Ｘ、３５Ｙ  加算器
３６Ｘ、３６Ｙ  積分器
３７Ｘ、３７Ｙ  積分器
３８  シナリオ計測時間計算部
３９  指向方向誤差評価部
４０、４０Ａ  増加天球方向決定部
４１  探査シナリオ生成部
５１  指向方向データ
５２  信号強度データ
５３  レベル変動比データ
５４  予測軌道データ
５５  軌道誤差データ
５６  追尾軌道データ
５７  指向方向誤差データ
５８  操作シナリオ
５９  遷移軌道データ
６０  操作天球軌跡
６１  操作天球範囲
６２  操作基準角
６３  静止時間
６４  方向強度ペア
６５  速度誤差データ
６６  シナリオ計測時間
６７  固定操作基準角
６８  増加天球方向データ
６９  移動基準角
７０  探査シナリオ
７１  探査基準角
８１、８２、８３  軌跡
９０  探査機(通信相手)
９１、９２  位置
９５、９６、９７  グラフ
Ｇ０  基準天球点(計測天球点)
Ｇｊ  操作時天球点(計測天球点)
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ、１００Ｇ、１００Ｈ、１００Ｊ、１００Ｋ  追尾アンテナ装置
【図１】
0006686944.tif 000002
【図２】
0006686944.tif 000003
【図３】
0006686944.tif 000004
【図４】
0006686944.tif 000005
【図５】
0006686944.tif 000006
【図６】
0006686944.tif 000007
【図７】
0006686944.tif 000008
【図８】
0006686944.tif 000009
【図９】
0006686944.tif 000010
【図１０】
0006686944.tif 000011
【図１１】
0006686944.tif 000012
【図１２】
0006686944.tif 000013
【図１３】
0006686944.tif 000014
【図１４】
0006686944.tif 000015
【図１５】
0006686944.tif 000016
【図１６】
0006686944.tif 000017
【図１７】
0006686944.tif 000018
【図１８】
0006686944.tif 000019
【図１９】
0006686944.tif 000020
【図２０】
0006686944.tif 000021
【図２１】
0006686944.tif 000022
【図２２】
0006686944.tif 000023
【図２３】
0006686944.tif 000024
【図２４】
0006686944.tif 000025
【図２５】
0006686944.tif 000026
【図２６】
0006686944.tif 000027
【図２７】
0006686944.tif 000028
【図２８】
0006686944.tif 000029
【図２９】
0006686944.tif 000030
【図３０】
0006686944.tif 000031
【図３１】
0006686944.tif 000032
【図３２】
0006686944.tif 000033
【図３３】
0006686944.tif 000034
【図３４】
0006686944.tif 000035
【図３５】
0006686944.tif 000036
【図３６】
0006686944.tif 000037
【図３７】
0006686944.tif 000038
【図３８】
0006686944.tif 000039
【図３９】
0006686944.tif 000040
【図４０】
0006686944.tif 000041
【図４１】
0006686944.tif 000042
【図４２】
0006686944.tif 000043
【図４３】
0006686944.tif 000044
【図４４】
0006686944.tif 000045
【図４５】
0006686944.tif 000046
【図４６】
0006686944.tif 000047
【図４７】
0006686944.tif 000048
【図４８】
0006686944.tif 000049
【図４９】
0006686944.tif 000050
【図５０】
0006686944.tif 000051
【図５１】
0006686944.tif 000052
【図５２】
0006686944.tif 000053
【図５３】
0006686944.tif 000054
【図５４】
0006686944.tif 000055
【図５５】
0006686944.tif 000056
【図５６】
0006686944.tif 000057
【図５７】
0006686944.tif 000058
【図５８】
0006686944.tif 000059
【図５９】
0006686944.tif 000060
【図６０】
0006686944.tif 000061
【図６１】
0006686944.tif 000062
【図６２】
0006686944.tif 000063
【図６３】
0006686944.tif 000064
【図６４】
0006686944.tif 000065
【図６５】
0006686944.tif 000066
【図６６】
0006686944.tif 000067
【図６７】
0006686944.tif 000068
【図６８】
0006686944.tif 000069
【図６９】
0006686944.tif 000070
【図７０】
0006686944.tif 000071
【図７１】
0006686944.tif 000072
【図７２】
0006686944.tif 000073
【図７３】
0006686944.tif 000074
【図７４】
0006686944.tif 000075
【図７５】
0006686944.tif 000076