(57)【要約】【課題】  従来のビーム方向制御装置によるフェイズドアレイの位相・減衰量の設定間隔は搭載ソフトウェアの動作周期によって決定されるが、ビーム制御誤差を小さくするために動作周期を短くすることは一般的に困難である。本発明は、搭載ソフトウェアの動作周期を短くすること無く、ビーム制御周期の短縮を図ることを目的としたものである。【解決手段】  本発明に係わるビーム方向制御装置は、フェーズドアレーアンテナと、衛星絶対位置、絶対速度、姿勢角情報に基づき前記フェーズドアレーアンテナを制御する位相値、減衰量及び、位相値・減衰量線形補間係数を演算する中央処理装置モジュールと、前記中央演算処理装置モジュールにて演算された値に基づき前記フェーズドアレーアンテナの位相値及び減衰値を演算すると共に、前記フェーズドアレーアンテナに制御コマンドを送信するアンテナインターフェースモジュールとを備えるものである。【選択図】  図２
2005244540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェーズドアレーアンテナと、
衛星絶対位置、絶対速度、姿勢角情報に基づき前記フェーズドアレーアンテナを制御する初期位相値、初期減衰量及び、位相・減衰量線形補間係数を演算する中央処理装置モジュールと、
前記中央演算処理装置モジュールにて演算された値に基づき前記フェーズドアレーアンテナの位相値及び減衰値を演算すると共に、前記フェーズドアレーアンテナに制御コマンドを送信するアンテナインターフェースモジュールと、を備えるビーム方向制御装置。
【請求項２】
前記中央処理装置モジュールの演算時間の間に、アンテナインターフェースモジュールでは複数回の演算結果を出力する請求項１に記載のビーム方向制御装置。
【請求項３】
前記中央処理装置モジュールは、衛星絶対航法・姿勢決定装置からの衛星絶対位置、絶対速度、姿勢角情報に基づき位相値、減衰量及び、位相値・減衰量線形補間係数を演算する請求項１または、請求項２に記載のビーム方向制御装置。
【請求項４】
前記アンテナインターフェースモジュールに複数のフェーズドアレーアンテナを備える請求項１から請求項３のいずれかに記載のビーム方向制御装置。
【請求項５】
前記中央処理装置モジュールに複数のアンテナインターフェースモジュールを備える請求項１から請求項３のいずれかに記載のビーム方向制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星のフェイズドアレイアンテナのビーム方向を制御するビーム方向制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
衛星姿勢制御の高精度化に伴い、高利得化可能で姿勢擾乱が伴わないフェイズドアレイアンテナを用いた通信はこれから一般的になると思われる。フェイズドアレイアンテナのビーム方向制御の一例として、地上局選択を地上からの指令ではなく衛星が自律的に最適な地上局を選択する従来技術が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開2003-198440
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のフェイズドアレイアンテナのビーム方向制御装置では、ビーム方向及び衛星−地上局間のスラントレンジを制御周期毎に計算し、それを元に各素子の位相値及び減衰値を求め、アレイに設定することによってビーム方向制御を行っている。いったん設定したビームの方向は次に設定するまで同じ方向を向いたままなので、衛星が姿勢制御を行うにつれて地上局方向からずれていってしまう。特に低軌道周回衛星による地球観測においては撮像効率を上げるために姿勢レートが高くなる傾向にある。ビーム方向のずれの大きさは姿勢レートとビーム制御周期の積に比例するため、姿勢レートを上げるためにはビーム制御周期を短くしなければならない。一方、従来のビーム制御装置ではビーム方向・スラントレンジの計算、各素子の位相値・減衰値の計算・設定の全てをビーム方向制御装置の搭載ソフトウェアによって行なっているが、搭載ソフトウェアはビーム制御以外の機能も受け持っていることが多く、それらに対する制約によりソフトウェアの動作周期を単純に短くすることはできない。
【０００５】
本発明は上記の課題を解決するため、ソフトウェアの動作周期を従来のままに抑えながらビーム制御周期を短くすることを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係わるビーム方向制御装置は、フェーズドアレーアンテナと、衛星絶対位置、絶対速度、姿勢角情報に基づき前記フェーズドアレーアンテナを制御する位相値、減衰量及び、位相値・減衰量線形補間係数を演算する中央処理装置モジュールと、前記中央演算処理装置モジュールにて演算された値に基づき前記フェーズドアレーアンテナの位相値及び減衰値を演算すると共に、前記フェーズドアレーアンテナに制御コマンドを送信するアンテナインターフェースモジュールとを備えるものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、ソフトウェアの動作周期を従来のままに抑えながらビーム制御周期を短くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１に本発明の実施の形態１におけるビーム方向制御装置の構成図を示す。図に示すビーム方向制御装置１には各種の装置が接続されているが、ここでは発明の要旨とする部分のみを説明する。
【０００９】
ビーム方向制御装置１は中央処理装置モジュール２（以下MPUモジュールと略す）と複数もしくは単一のアンテナインターフェースモジュール３（以下アンテナI/Fモジュールと略す）から構成される。
【００１０】
MPUモジュール２は搭載ソフトウェアを実行するためのものであり、主として、プログラムを実行する中央処理装置４（以下MPUと略す）、プログラムコードを記憶しておく読み出し専用記憶装置５（以下ROMと略す）、プログラムの実行結果等を記憶しておくランダムアクセスメモリ６（以下RAMと略す）から構成される。なお、このMPUモジュール２は必ずしもこの構成でなくてもよく、プログラムコードを実行する素子、プログラムコードを記憶しておく素子、データを（一時的・恒久的を問わず）記憶しておく素子、外部との入出力が行えるポート等を装備していればよい。MPUモジュール２にはデータレシーバ７を介して衛星絶対航法・姿勢決定装置８が接続されており、衛星の絶対位置・絶対速度、姿勢角度・姿勢角速度の情報が適宜入力される。
【００１１】
アンテナI/Fモジュール３はMPUモジュール２とバスバッファ９を介して接続される。MPUモジュール２とアンテナI/Fモジュール３とが直接接続できれば、バスバッファ９は不要となる。アンテナI/Fモジュール３は主としてフィールドプログラマブルゲートアレイ１０（以下FPGAと略す）から構成されている。FPGA１０は、MPUモジュール２の出力からフェイズドアレイアンテナ12の位相値・減衰値演算を行い、その演算結果はコマンドドライバ11を介してフェイズドアレイアンテナ12へ出力される。
【００１２】
なお、MPUモジュール２から識別が可能であれば、アンテナI/Fモジュール３は複数枚接続されていてもよい。同様にして、MPUモジュール２から識別が可能であれば、一枚のアンテナI/Fモジュール３で複数のフェイズドアレイアンテナ１２の制御を行う構成であってもよい。
【００１３】
次に、MPUモジュール２のMPU４で実行される搭載ソフトウェア及び、アンテナI/Fモジュール３上のFPGA１０の機能のブロック図を図２に示す。なお、図２の機能ブロック図において、ビーム方向制御装置１の機能は搭載ソフトウェア機能実装部１３に、アンテナI/Fモジュール３の機能はFPGA機能実装部１９に対応するよう記載さしているが、これに限定されるわけではない。
【００１４】
MPUで実行される搭載ソフトウェア機能実装部13は、衛星絶対航法・姿勢決定装置８から入力された衛星位置・速度及び姿勢角度・角速度を受け取る。ビーム方向・スラントレンジ計算部14では、衛星位置・速度及び姿勢角度・姿勢角速度を元に、ビーム方向ベクトル（以下、数式ではそのベクトルの成分を[u(t),v(t),w(t)]で表現する）及び衛星−地上局間のスラントレンジ（以下、数式ではL(t)で表現する）を計算する。
【００１５】
ビーム方向・スラントレンジ変化率計算部15では、ビーム方向・スラントレンジ計算部14で得られたビーム方向ベクトル及びスラントレンジを微分フィルタに掛け、ビーム方向及びスラントレンジの変化率（時間微分）を求める。
【００１６】
位相・減衰量計算部16では、フェイズドアレイアンテナの減衰量及び各素子に設定すべき位相値を以下の式に基づいて行う。
【００１７】
【数１】
2005244540.tif 000003
【００１８】
【数２】
2005244540.tif 000004
【００１９】
ここでA(t)は時刻tにおけるフェイズドアレイアンテナの減衰量、Ψmn(t)は時刻tにおける各素子の位相値、(m,n)は素子番号、a及びbは定数、Dx, Dyは素子間距離、Ψ(0)mnは素子(m,n)の初期位相（定数）である。
【００２０】
数式１及び数式２より、時刻t+△tにおける減衰量及び位相値は、時刻tにおける値を用いて以下の式のように近似計算することができる。
【００２１】
【数３】
2005244540.tif 000005
【００２２】
【数４】
2005244540.tif 000006
【００２３】
位相・減衰量線形補間係数計算部17では、上記の性質に基づき、ビーム方向ベクトル及びその微分値、減衰量及びその微分値から、以下の式に基づいて線形補間係数（α、β、γ）を求める。
【００２４】
【数５】
2005244540.tif 000007
【００２５】
【数６】
2005244540.tif 000008
【００２６】
【数７】
2005244540.tif 000009
【００２７】
固定小数点変換部18では、位相・減衰量計算部16で求められた位相値及び減衰量、位相・減衰量線形補間係数計算部17で求められた位相値・減衰量線形補間係数を固定小数点に変換し、アンテナI/Fモジュール３上のFPGA１０に伝送する。
【００２８】
FPGA機能実装部19では、搭載ソフトウェア機能により出力された時刻tにおけるである初期位相値、初期減衰値及び位相・減衰量線形補間係数から、位相・減衰量線形補間計算部20において以下の式に基づいて時刻t+△tにおける位相・減衰量を計算する。
【００２９】
【数８】
2005244540.tif 000010
【００３０】
【数９】
2005244540.tif 000011
【００３１】
コマンド変換部21では補間計算した位相・減衰値をコマンドに変換し、フェイズドアレイアンテナ12へ送信する。
【００３２】
MPU４で実行される搭載ソフトウェアの動作周期をT1、FPGA１０の動作周期をT2とすると、搭載ソフトウェアはビーム制御以外のタスクも行わなければならないのに対して、FPGA１０は位相・減衰量の補間計算とフェイズドアレイアンテナ１２へのコマンド送信専用とすることができ、T1>T2とすることが可能である。したがって、この実施の形態によれば、搭載ソフトウェア単独でビーム制御する場合に比べて短い時間間隔でビーム制御を行うことが可能となり、結果として制御誤差を小さくすることができる。
【００３３】
ある搭載ソフトウェアの処理を分割する場合、複数のMPU４を用いてソフトウェアを並列動作させる形態も考えられるが、一般的に言ってMPUはFPGA１０に比べて高価であり、モジュールの実装も複雑になる。一方、この実施の形態によれば、FPGA１０を用いることによるコストの低減が可能であり、さらに、FPGA１０における線形補間計算は固定小数点数の加算及び乗算のみなので、比較的簡単なロジックで実装可能である。
【００３４】
以上のように本発明によれば、ソフトウェアの動作周期を従来のままに抑えながらビーム制御周期を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の実施の形態１におけるビーム方向制御装置を説明するための図である。
【図２】この発明の実施の形態１に示すビーム方向制御装置の機能ブロック図である。
【符号の説明】
【００３６】
1  ビーム方向制御装置、2  中央処理装置モジュール（MPUモジュール）、3  アンテナインターフェースモジュール（アンテナI/Fモジュール）、4  中央処理装置（MPU）、5  読み出し専用記憶装置（ROM）、6  ランダムアクセスメモリ（RAM）、7  データレシーバ、8  衛星絶対航法・姿勢決定装置、9  バスバッファ、10  フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）、11  コマンドドライバ、12  フェイズドアレイアンテナ、13  搭載ソフトウェア機能実装部、14  ビーム方向・スラントレンジ計算部、15  ビーム方向・スラントレンジ変化率計算部、16  位相・減衰量計算部、17  位相・減衰量線形補間係数計算部、18  固定小数点変換部、19  FPGA機能実装部、20  位相・減衰量線形補間計算部、21  コマンド変換部
【図１】
2005244540.tif 000012
【図２】
2005244540.tif 000013