(57)【要約】【課題】従来の可変ビームパターン放送衛星では、地上に設置した１つの送信局から放送衛星に向けて送信されるサービスエリア内の降雨に関するデータから求められるサービスエリア内の電波減衰量分布を受信して処理しているので、アメダス降水量を使用する方法では、１時間以内の降水量についての情報は得られないなどの欠点があった。【解決手段】サービスエリア内の地上に設置した複数の送信局から同時に発射された電波を受信するアレーアンテナ９、アレーアンテナにより受信された各送信局毎の受信電力を高分解能到来方向推定法により測定する手段１０、その測定した受信電力と、回線設計に基づいた受信電力の計算値または降雨減衰が無い状態での受信電力１１とを複数の送信局ごとに比較して電波の減衰量分布を求める手段、および、その求めた電波の減衰量分布に従って、放送用フェーズドアレーアンテナ１２を構成する各素子アンテナに供給する信号の移相量と減衰量を制御する手段１３を具えて構成した。【選択図】        図２
2004193963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サービスエリア内の地上に設置した複数の送信局から同時に発射された電波を受信するアレーアンテナ、
該アレーアンテナにより受信された各送信局毎の受信電力を高分解能到来方向推定法により測定する手段、
該手段により測定した受信電力と、回線設計に基づいた受信電力の計算値または降雨減衰が無い状態での受信電力とを前記複数の送信局ごとに比較して電波の減衰量分布を求める手段、および
該手段により求めた電波の減衰量分布に従って、放送用フェーズドアレーアンテナを構成する各素子アンテナに供給する信号の移相量と減衰量を制御する手段を具えて構成し、該構成によりサービスエリア内で局所的な降雨があっても該サービスエリア内で回線計算に基づいた所定の受信電力が得られるようにしたことを特徴とする可変ビームパターン放送衛星。
【請求項２】
請求項１記載の可変ビームパターン放送衛星において、該衛星はさらに
前記アレーアンテナにより受信された全送信局からの受信電波到来方向を高分解能到来方向推定法により測定する手段、および
該手段により測定した受信電波到来方向と、放送衛星に姿勢変動を生じないときの受信電波到来方向とを比較して放送衛星の姿勢変動量を求める手段
を具え、
前記放送衛星の姿勢変動量を求める手段により求めた放送衛星の姿勢変動量を前記求めた電波の減衰量分布に加味して、放送用フェーズドアレーアンテナを構成する各素子アンテナに供給する信号の移相量と減衰量を制御するようにしたことを特徴とする可変ビームパターン放送衛星。
【請求項３】
請求項２記載の可変ビームパターン放送衛星において、前記求めた放送衛星の姿勢変動量を放送衛星の姿勢制御系に供給して放送衛星の姿勢制御を行うとともに、電気的に放射パターンを補正して姿勢変動量を補償するようにしたことを特徴とする可変ビームパターン放送衛星。
【請求項４】
請求項２または３記載の可変ビームパターン放送衛星において、前記全送信局からの受信電波到来方向を高分解能到来方向推定法により測定することに代えて、１つの送信局からの受信電波到来方向をモノパルス法により測定するようにし、該測定した受信電波到来方向と、放送衛星に姿勢変動を生じないときの受信電波到来方向とを比較して放送衛星の姿勢変動量を求めるようにしたことを特徴とする可変ビームパターン放送衛星。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放送衛星からの送信電波にサービスエリア内で局所的な降雨があっても、降雨減衰が無い状態の所定の受信電力が得られるようにし、また、放送衛星に姿勢変動を生じても姿勢変動を伴わないときの、所定の放射パターンが得られるようにした可変ビームパターン放送衛星に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可変ビームパターン放送衛星（特許文献１参照）により放送サービスを行う際には、同放送衛星からの送信電波の放射パターンを制御するために、サービスエリア内の電波減衰量分布の変化を正確かつ迅速に把握する必要がある。従来、このような目的に対し、時々刻々変化するサービスエリア内の電波減衰量分布の変化を推定する手段として、
１．地上に設置した雨量計による測定データから推定する方法、
２．気象衛星から得られた気象解析画像を用いて推定する方法、および
３．地上に設置した送信局から、放送衛星に向けて、一定の周期で、順番に規定電力の電波を発射し、放送衛星において受信した電波の電力を測定する方法
が検討されている。
【０００３】
可変ビームパターン放送衛星は、特許文献１に詳細に説明されているが、簡単に説明するならば、地上に設置した１つの送信局から放送衛星に向けて送信されるサービスエリア内の降雨に関するデータから求められるサービスエリア内の電波減衰量分布を受信し、受信した電波減衰量分布に基づいて放送用フェーズドアレーアンテナを構成する各素子アンテナに供給する信号の移相量と減衰量を制御することにより、サービスエリア内で局所的な降雨があっても、降雨減衰が無い状態の所定の受信電力が得られるようにした放送衛星である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２４４８６７号公報
【特許文献２】
特開平７−３３５３９５号公報
【非特許文献１】
松戸ほか、「次世代の衛星回線降雨減衰補償法−Ｏｎｂｏａｒｄ  Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ  Ｓｈａｒｉｎｇ  による−」ＡＰ９１−９２，ｐ．ｐ．３９−４０
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術１．，２．の方法に関しては、雨量等の気象データからサービスエリア内の電波減衰量を推定する手法として、例えば、非特許文献１に記載されているように、日本全国で１時間毎に得られるアメダス降水量を使用する方法が知られている。しかし、この方法は、１時間以内の降水量についての情報は得ることができないという欠点がある。
【０００６】
また、上記３．の方法に関しては、特許文献２に記載の方法がある。この方法は、放送衛星側に測定装置を搭載しデータを集約するので、データ集約のための大規模な通信網を必要としない。しかし、地上送信局を時系列で切り換えて受信電力を求めるため、多数の地上送信局から情報を得るためには時間がかかり、即時性に欠けるという欠点がある。
【０００７】
また、既存の雨量計や衛星からの気象解析画像から電波減衰量分布を推定する手法も考えられるが、確立した手法はない。
【０００８】
本発明の目的は、上述の欠点を有しない方法でサービスエリア内の電波減衰量を正確に把握し、その把握した電波減衰量に基づいて放送用フェーズドアレーアンテナを構成する各素子アンテナに供給する信号の移相量と減衰量を制御することにより、サービスエリア内で局所的な降雨があるときには、降雨減衰を補償する放射パターンが得られるようにし、また、放送衛星に姿勢変動が生じたときには、姿勢変動分だけ放射方向を一律補正する放射パターンが得られるような可変ビームパターン放送衛星を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明可変ビームパターン放送衛星は、サービスエリア内の地上に設置した複数の送信局から同時に発射された電波を受信するアレーアンテナ、該アレーアンテナにより受信された各送信局毎の受信電力を高分解能到来方向推定法により測定する手段、該手段により測定した受信電力と、回線設計に基づいた受信電力の計算値または降雨減衰が無い状態での受信電力とを前記複数の送信局ごとに比較して電波の減衰量分布を求める手段、および該手段により求めた電波の減衰量分布に従って、放送用フェーズドアレーアンテナを構成する各素子アンテナに供給する信号の移相量と減衰量を制御する手段を具えて構成し、該構成によりサービスエリア内で局所的な降雨があっても該サービスエリア内で回線計算に基づいた所定の受信電力が得られるようにしたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明可変ビームパターン放送衛星は、さらに前記アレーアンテナにより受信された全送信局からの受信電波到来方向を高分解能到来方向推定法により測定する手段、および該手段により測定した受信電波到来方向と、放送衛星に姿勢変動を生じないときの受信電波到来方向とを比較して放送衛星の姿勢変動量を求める手段を具え、前記放送衛星の姿勢変動量を求める手段により求めた放送衛星の姿勢変動量を前記求めた電波の減衰量分布に加味して、放送用フェーズドアレーアンテナを構成する各素子アンテナに供給する信号の移相量と減衰量を制御するようにしたことを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明可変ビームパターン放送衛星は、前記求めた放送衛星の姿勢変動量を放送衛星の姿勢制御系に供給して放送衛星の姿勢制御を行うとともに、電気的に放射パターンを補正して姿勢変動量を補償するようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明可変ビームパターン放送衛星は、前記全送信局からの受信電波到来方向を高分解能到来方向推定法により測定することに代えて、１つの送信局からの受信電波到来方向をモノパルス法により測定するようにし、該測定した受信電波到来方向と、放送衛星に姿勢変動を生じないときの受信電波到来方向とを比較して放送衛星の姿勢変動量を求めるようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照し、発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明可変ビームパターン放送衛星のサービスエリア内の電波減衰量分布を観測するシステムを概念図にて示している。
図１において、１乃至６は放送衛星のサービスエリア内に分散して設置された地上送信局、７は本発明可変ビームパターン放送衛星である。
【００１４】
動作につき説明する。
地上送信局１乃至６は、同時に既知の電力レベルで放送衛星７に向けてそれぞれパイロット電波を発射する。このとき、放送衛星７の測定用アレーアンテナから見た各地上送信局１乃至６の方向は既知であるとする。放送衛星７は、同衛星に搭載した測定用アレーアンテナのアレー素子により地上送信局１乃至６から発射された各パイロット電波を受信し、それら受信した電波それぞれについて高分解能到来方向推定法を用いて受信電力を測定する。このようにして得られた測定値からサービスエリア内の電波減衰量分布を得る。
高分解能到来方向推定法については、後述する。
【００１５】
このとき、放送衛星７の測定用アレーアンテナから見た各パイロット電波の到来方向は、放送衛星７の姿勢変動によっても変動するので高分解能到来方向推定法によりパイロット電波の到来方向も探索する。
【００１６】
別の方法として、モノパルス法を用い、地上送信局１乃至６のうち代表的な送信局からのパイロット電波到来方向の変位量を測定し、全地上送信局１乃至６からのパイロット電波到来方向をその変位量だけ一律補正することによっても、パイロット電波の到来方向を知ることができる。
【００１７】
本発明では、このようにして得られたサービスエリア内の電波減衰量分布とパイロット電波到来方向に基づいて、放送用フェーズドアレーアンテナを構成する各素子アンテナに供給する信号の移相量と減衰量を制御して、激しい降雨地域に対しては、送信電力を増力し、また、放送衛星に姿勢変動が生じたときには、フェーズドアレーアンテナの電波放射方向を一律ずらすことにより、降雨減衰や衛星の姿勢変動に起因する放送遮断時間を短縮するようにする。
【００１８】
図２は、本発明可変ビームパターン放送衛星で電波減衰量分布を求めるための一構成例をブロック図にて示している。なお、本発明放送衛星は、図示のように、受信電波到来方向・受信電力測定部と送信アンテナ制御部とから構成されている。
図２において、８−１，８−２，・・・，８−Ｎは地上送信局、９はアレーアンテナ（パイロット電波受信アンテナ）、１０は受信電波到来方向・受信電力測定部、１１は通常時受信電力値記憶部、１２は放送用フェーズドアレーアンテナ（送信アンテナ）、１３は移相器・減衰器制御部、１４は移相器・減衰器、および１５は信号分配増幅器である。
【００１９】
動作につき説明する。
本発明においては、図２に示すように、複数の地上送信局８−１，８−２，・・・，８−Ｎから互いに相関のない信号で変調されたパイロット電波を同時に規定の送信電力で送信し、これら送信されたパイロット電波をアレーアンテナ９のそれぞれの素子で受信する。
【００２０】
受信されたパイロット電波は、まず、受信電波到来方向・受信電力測定部１０において、アレーアンテナ９のそれぞれの素子で受信した信号の時間平均値で構成する相関行列の固有値および固有ベクトルと、（１）式で示す方向ベクトル
【外１】
2004193963.tif 000003
を用いて高分解能到来方向推定法により、パイロット電波の到来方向と受信電力を測定する。
【００２１】
【数１】
2004193963.tif 000004
【００２２】
上記において、方向ベクトル〔外１〕は次のいずれかの方法で決定することができる。すなわち、
１．計算により決定する。
２．１個の波源と回転台上に設置した素子アンテナとを対向して配置し、上記波源より正弦波を発射し、回転台を回して素子アンテナを回転させ、各素子アンテナの出力を直交同期検波することにより決定する。
【００２３】
通常時受信電力値記憶部１１は、回線設計に基づいた受信電力の計算値または降雨減衰が無い状態での受信電力を記憶している記憶部である。この記憶部１１に記憶している値と上記方法による実則値とを比較することにより、電波減衰量分布を求めることができる。求めた電波減衰量分布は、放送用フェーズドアレーアンテナ１２を構成する各素子アンテナに供給する信号の移相量と減衰量を制御するために、移相器・減衰器制御部１３を介して移相器・減衰器１４に供給する。
【００２４】
他方、放送番組信号は信号分配増幅器１５に供給され、フェーズドアレーアンテナ１２を構成する各素子アンテナごとの信号に分配され、かつ増幅される。これら信号は各素子アンテナごとの移相器・減衰器１４に供給され、供給された信号の移相量、減衰量が制御される。かくして、サービスエリア内で局所的な降雨があってもそのサービスエリア内で回線計算に基づいた所定の受信電力が得られるようになる。
【００２５】
次に、放送衛星の姿勢変動量の観測について説明する。
図３は、本発明可変ビームパターン放送衛星で衛星の姿勢変動量を求めるための一構成例をブロック図にて示している。
図３において、１６は通常時到来角記憶部であり、それ以外の構成要素は、図２に受信電波到来方向・受信電力測定部として示したものと同じである。
なお、本発明可変ビームパターン放送衛星の送信アンテナ制御部は図２におけるのと変わらないので、図３においては、可変ビームパターン放送衛星の受信電波到来方向・受信電力測定部のみを示している。
【００２６】
動作につき説明する。
本発明においては、図３に示すように、地上送信局８−１，８−２，・・・，８−Ｎから互いに相関のない信号で変調されたパイロット電波を同時に規定の送信電力で送信し、これら送信されたパイロット電波をアレーアンテナ９のそれぞれの素子で受信する。受信したパイロット電波について、ここでは、受信電力ではなく、その（パイロット電波の）到来角を測定する。そして、その測定値した到来角を、通常時到来角記憶部１６に記憶している通常時の到来角と比較することにより、放送衛星の姿勢変動量を求めることができる。
【００２７】
求めた姿勢変動量は、上述の電波減衰量分布と同様、移相器・減衰器制御部１３を介して移相器・減衰器１４（図２参照）に供給し、フェーズドアレーアンテナ１２から放射される放送番組信号の位相量、減衰量を制御する。これにより、放送電波の放射方向が衛星自体の姿勢変動を補償するように変えられる。
また、求めた姿勢変動量は、放送衛星の姿勢制御系（図示しない）に供給して衛星自体の姿勢変動を補償するようにすることもできる。
【００２８】
なお、放送衛星の姿勢変動による放射パターンへの影響は、所定の放射パターンが同一方向に同一距離だけずれたかたちになるため、代表的な１つの地上送信局からのパイロット電波を受信して、これから高分解能到来方向推定法により放送衛星の姿勢変動量を求めるようにしてもよい。
【００２９】
以上の説明では、各地上送信局からのパイロット電波の受信電力や到来方向に基づいて求めた電波減衰量分布や衛星の姿勢変動量により、それぞれ放送用フェーズドアレーアンテナを制御して所定の放射パターンを確保するものとしたが、放送衛星の姿勢変動量を電波減衰量分布に加味して、放送用フェーズドアレーアンテナを構成する各素子アンテナに供給して信号の移相量と減衰量を制御することも可能である。
【００３０】
以下に、パイロット電波の受信電力や到来方向を測定するのに用いる高分解能到来方向推定法について説明する。
高分解能到来波推定法と呼ばれるアルゴリズムとして、Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｃｌａｓｉｆｆｉｃａｔｉｏｎ（ＭＵＳＩＣ）や  Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ  ｖｉａ  Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  （ＥＳＰＲＩＴ）が知られている。
【００３１】
図４は、ＭＵＳＩＣアルゴリズムを用いて受信電波到来方向・受信電力を測定する手順を示している。
アンテナのアレー素子（破線枠の左側に示す複数のアレー素子）で受信されたパイロット電波について、枠内に（ア）から（ケ）で示すように、Ｄ／Ｃでダウンコンバートした後、Ａ／Ｄ、相関行列演算、平均化処理、固有値・固有ベクトル演算、到来角推定、到来角比較、逆行列演算、受信電力推定、受信電力比較の処理を順次行う。
なお、これらの処理のすべては、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）により実施するものとし、また、破線枠外に示す方向ベクトル記憶部、通常時受信電力記憶部（図２に符号１１で示す）、および通常時到来角記憶部（図３に符号１６で示す）は半導体メモリー等で実現するものとする。
【００３２】
次に、図４に基づいて、パイロット電波の到来方向や受信電力を測定する信号処理手順を詳細に説明する。
（ア）のＡ／Ｄでは、各アレー素子で受信された信号をサンプリングしてデジタル信号にする。
（イ）の相関行列演算では、（２）式に示す相関行列値を求める。
【００３３】
【数２】
2004193963.tif 000005
【００３４】
（ウ）の平均化処理では、（イ）で求めた相関行列値を時間平均化する。
（エ）の固有値・固有ベクトル演算では、（２）式に示す相関行列の固有値および固有べクトルを求める。
（オ）の到来角推定では、地上送信局を制御することにより既知である到来波数ＬとＫ−Ｌ個の固有ベクトルより、（３）式に示す評価関数を計算し、あらかじめ求めておいた方向ベクトルを用いて、ＭＵＳＩＣスペクトラムを得る。このようにして得られた到来角に対するスペクトラムのピークを探すことにより、受信電波の到来方向を測定する。ＭＵＳＩＣスペクトラムのピークを探す際、モノパルスセンサー等により代表的な地上送信局からのパイロット電波到来方向の変位量を測定し、全地上送信局の方向にこの変位量だけ補正することで受信電波到来方向の探索にかかる時間を短縮することができる。
【００３５】
【数３】
2004193963.tif 000006
【００３６】
（カ）の到来角比較では、（オ）で得られた受信電波到来方向をあらかじめ記憶しておいた通常時の受信電波到来方向と比較することにより、衛星の姿勢変動量を求める。
（キ）の逆行列演算では、（オ）で得られた受信電波到来方向に対する方向ベクトルを並べた方向行列と相関行列とから、（４）式に示す一般逆行列Ｓを計算する。
【００３７】
【数４】
2004193963.tif 000007
【００３８】
（ク）の受信電力推定では、（キ）で得られた一般逆行列Ｓの対角成分より、受信電力を求める。
（ケ）の受信電力比較では、（ク）で得られた受信電波到来方向の受信電力値をあらかじめ紀憶しておいた回線設計に基づいた受信電力の計算値または降雨減衰が無い状態での受信電力と比較することにより電波減衰量分布を求める。
【００３９】
高分解能到来方向推定法を用いて受信電波到来方向および受信電力が測定可能な地上局からの到来電波数は、放送衛星に搭載しているアレーアンテナの素子数より１を減じた数までである。一方、精度の高い電波減衰量分布を求めようとすると、多くの地上送信局を設置する必要が生じ、そのため、観測用アレーアンテナの素子数も大きなものとなり、実現困難となる。
【００４０】
そこで、本発明では、同時にパイロット電波を送信する地上送信局をグループ化し、１グループ当たりの送信局数をアレーアンテナの素子数から１を減じた数以下とし、グループ化した地上送信局について放送衛星からの制御信号により順次切り換えて受信電力を測定することで、精度の高い電波減衰量分布を求め、かつアレーアンテナのアンテナ素子数を小さくすることができる。
パイロット電波を発射する地上送信局の選択および制御は、上記のように、放送衛星からの制御信号、または、無線あるいは有線の通信網によってそれぞれの地上送信局に送られた制御信号によって行う。
【００４１】
図５は、地上送信局をグループ化して、放送衛星からの制御信号によりパイロット電波を発射するグループ化した地上送信局の選択および制御をおこなう場合の一構成例を示している。
図５において、放送衛星に搭載された地上送信局制御部では、特定のグループ化した地上送信局を選択し、パイロット電波の送信開始または終了を指示する制御信号を制御アンテナから各グループあて送信する。そして、制御信号を受信したグループ化した地上送信局は、指示に従って、パイロット電波の送信を開始し、あるいは終了する。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、サービスエリア内に分散して地上送信局を設置し、複数の地上送信局からのパイロット電波の受信電力および受信電波到来方向を高分解能到来方向推定法により測定することにより、電波減衰量分布および放送衛星の姿勢変動量を迅速かつ正確に観測し、放送衛星からの送信電波の強さおよび放射パターンを電波減衰量分布に基づいて制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明可変ビームパターン放送衛星のサービスエリア内の電波減衰量分布を観測するシステムを概念図にて示している。
【図２】本発明可変ビームパターン放送衛星で電波減衰量分布を求めるための一構成例をブロック図にて示している。
【図３】本発明可変ビームパターン放送衛星で衛星の姿勢変動量を求めるための一構成例をブロック図にて示している。
【図４】ＭＵＳＩＣアルゴリズムを用いて受信電波到来方向・受信電力を測定する手順を示している。
【図５】地上送信局をグループ化して、放送衛星からの制御信号によりパイロット電波を発射するグループ化した地上送信局の選択および制御をおこなう場合の一構成例を示している。
【符号の説明】
１乃至６  地上送信局
７  放送衛星
８−１，８−２，・・・  ，８−Ｎ  地上送信局
９  アレーアンテナ（受信アンテナ）
１０  受信電波到来方向・受信電力測定部
１１  通常時受信電力値記憶部
１２  放送用フェーズドアレーアンテナ（送信アンテナ）
１３  移相器・減衰器制御部
１４  移相器・減衰器
１５  信号分配増幅器
１６  通常時到来角記憶部
【図１】
2004193963.tif 000008
【図２】
2004193963.tif 000009
【図３】
2004193963.tif 000010
【図４】
2004193963.tif 000011
【図５】
2004193963.tif 000012