(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
取付構体に対して併設して配置される複数のアンテナと、
これら複数のアンテナを、前記取付構体に対して互いに直交する二軸回りに回転自在に取付け配置する複数のアンテナ支持機構と、
これら複数のアンテナ支持機構を、二つ以上を一組として、駆動制御して各前記アンテナの二軸回りの回転角を制御し、この一組のアンテナのビーム領域を所望の地域に指向制御するビーム領域設定手段と
を具備することを特徴とするマルチビームアンテナ装置。
【請求項２】
前記複数のアンテナ支持機構は、前記複数のアンテナを、隣接する組みのアンテナのビーム領域の一部と重なるように設定することを特徴とする請求項１記載のマルチビームアンテナ装置。
【請求項３】
前記取付構体は、飛翔体であり、前記ビーム領域設定手段は、組毎に前記飛翔体の位置・姿勢に基づいて前記複数のアンテナ支持機構を選択的に駆動制御して前記複数のアンテナのビーム領域を初期状態に保持することを特徴とする請求項１又は２記載のマルチビームアンテナ装置。
【請求項４】
前記複数のアンテナ及び前記複数のアンテナ支持機構は、少なくとも一つが冗長系を構成し、前記アンテナ支持機構が選択的に駆動制御されてビーム領域が所望の地域に指向制御されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のマルチビームアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば成層圏に配備される飛行体や宇宙空間に配備される人工衛星等の飛翔体に搭載して所望の地域との通信を行うのに好適するマルチビームアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、通信の分野においては、複数の飛行船を成層圏に配備して、これら飛行船に搭載したアンテナ装置を用いて地上における所望の地域の通信サービスを実行する構想が進められている。このようなアンテナ装置としては、マルチビームアンテナ装置が有効であると考えられている。
【０００３】
このような従来のマルチビームアンテナ装置には、例えば図７に示すようにホーンアンテナと称する複数のアンテナ１を所定に開き角を有して、いわゆる花弁状に固定配置して、各ビーム領域の一部が重なるように設定したアンテナ部２が備えられる。
【０００４】
この複数のアンテナ１が花弁状に固定配置されたアンテナ部２は、互いに直交する二軸（Ｘ軸、Ｙ軸）回りに回転自在に形成されたアンテナ支持機構、例えばＸ―Ｙ（二軸）ジンバル３に対していわゆるロール軸及びピッチ軸と称する二軸回りの回転角が調整可能に組付けられる。そして、このＸ―Ｙジンバル３は、その基部が、飛翔体の電気系に対して、例えば図示しないロータリージョイントと称する結合機構４を介して電気的に接続された状態で、いわゆるヨー軸回りに回転自在に取付け配置される。
【０００５】
上記構成において、アンテナ部２は、Ｘ―Ｙジンバル３により二軸回りが角度調整されると共に、結合機構４によりヨー軸回りが回転調整されることにより、その複数のアンテナ１が所望の地域に指向され、そのビーム領域内の地域との信号の送受が実行される。
【０００６】
ところが、上記マルチビームアンテナ装置では、そのＸ―Ｙジンバル３に対して電力を供給するために、該Ｘ―Ｙジンバル３をロータリジョイント等の結合機構４を介して飛翔体内の電気系と電気的に接続させて取付配置しなければならない構成上、その取付構造が非常に複雑となり、動作制御の信頼性の低下を招いている。
【０００７】
これによれば、アンテナ部２の複数のアンテナ１の一つが故障して、所望のサービス地域への通信サービスが困難となった場合、一旦、地上に回収して、その修理を含む交換作業を行わなければならないことにより、その保守作業が非常に面倒であるという問題を有する。
【０００８】
また、これによれば、サービス地域における一部の地域の通信負荷が時間帯や季節等により変動したりすると、その対応が困難となるために、予め変動分を考慮しなければならないという問題を有する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来のマルチビームアンテナ装置では、取付構造が複雑で、動作制御の信頼性が低いうえ、その保守作業が非常に面倒であると共に、運用の多様化が困難であるという問題を有する。
【００１０】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、簡易な構成で、信頼性の高い安定した通信を実現し得、且つ、運用の多様化の促進を図り得るようにしたマルチビームアンテナ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、取付構体に対して併設して配置される複数のアンテナと、これら複数のアンテナを、前記取付構体に対して互いに直交する二軸回りに回転自在に取付け配置する複数のアンテナ支持機構と、これら複数のアンテナ支持機構を、二つ以上を一組として、駆動制御して各前記アンテナの二軸回りの回転角を制御し、この一組のアンテナのビーム領域を所望の地域に指向制御するビーム領域設定手段とを備えてマルチビームアンテナ装置を構成したものである。
【００１２】
上記構成によれば、複数のアンテナは、そのアンテナ支持機構の二軸回りの回転角が制御されると、その回転角に応じてビーム領域の指向方向がそれぞれ制御され、協働して所望のビームパターンを形成する。
【００１３】
これにより、二軸回りの回転角が調整可能なアンテナ支持機構を備えるだけの構成で、高精度なビーム領域の制御が実現されて、複数のアンテナと取付構体側の電気系とを電気的結合する取付構造の簡略化の促進が図れる。この結果、動作制御の信頼性の向上が図れ、しかも、アンテナシステムとしての運用の多様化の促進を図ることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１及び図２は、この発明の一実施の形態に係るマルチビームアンテナ装置を示すもので、図１は、複数、例えば１６個のアンテナ１０ａ〜１０ｐの配置状態を背面側から見た状態を示し、図２は、１６個のアンテナ１０ａ〜１０ｐの配置状態を先端側から見た状態を示す。
【００１６】
即ち、１６個のアンテナ１０ａ〜１０ｐは、例えばホーンアンテナで形成され、略同様にアンテナ支持機構を形成する、例えば二軸（Ｘ−Ｙ）マウント１１ａ〜１１ｐを介して取付構体、例えば成層圏に配備される飛行船等の飛翔体１２にそれぞれ指向調整自在に所定の間隔を有して併設配置される。これら１６個のアンテナ１０ａ〜１０ｐは、例えば３個一組として１５個のアンテナ１０ａ〜１０ｏでアンテナ群１０Ａ〜１０Ｅを形成して、残りの１個のアンテナ１０ｐが冗長系を構成する。
【００１７】
上記アンテナ１０ａ〜１０ｐを二軸回りに回転自在に保持す１６個の二軸マウント１１ａ〜１１ｐは、図３及び図４に示すようにＸ軸駆動部１３及びＹ軸駆動部１４が第１及び第２の支持部材１５、１６を介して互いに直交し、且つ、交叉しないＸ軸及びＹ軸を介して回転自在に連設される。
【００１８】
例えば、Ｘ軸駆動部１３は、減速部１３１及び駆動モータ１３２で構成される。これら減速部１３１及び駆動モータ１３２は、上記第１の支持部材１５に組付けられ、この第１の支持部材１５は、上記飛翔体１２に取り付けられる。そして、この第１の支持部材１５に取り付けられたＸ軸駆動部１３には、回動部材１７の一端がＸ軸回りに回転自在に結合される。
【００１９】
この回動部材１７の他端には、上記第２の支持部材１６が固定配置される。第２の支持部材１６には、上記Ｙ軸駆動部１４を構成する、例えば減速部１４１及び駆動モータ１４２が取付配置される。そして、Ｙ軸駆動部１４には、上記アンテナ１０ａ（１０ｂ〜１０ｐ）の基部がＹ軸回りに回転自在に組付けられる。
【００２０】
これにより、アンテナ１０ａ（１０ｂ〜１０ｐ）は、Ｙ軸駆動部１４が駆動されると、該Ｙ軸駆動部１４により、第２の支持部材１６に対してＹ軸回りに回転制御される。そして、アンテナ１０ａ（１０ｂ〜１０ｐ）は、Ｘ軸駆動部１３が駆動されると、回動部材１７、第２の支持部材１６を介してＹ軸駆動部１４と一体的にＸ軸回りに回転制御される。
【００２１】
上記１６個の二軸マウント１１ａ〜１１ｑの各Ｘ軸駆動部１３及びＹ軸駆動部１４には、その各入力端に図５に示すように駆動制御部１８がそれぞれ接続される。駆動制御部１８には、その第１の入力端に図示しない指令部からのビーム領域指令情報が入力されると共に、その第２の入力端に上記飛翔体１２の位置・姿勢情報が入力される。
【００２２】
駆動制御部１８は、これらビーム領域指令情報及び位置・姿勢情報に基づいて１５個のアンテナ１０ａ〜１０ｏが、サービス地域に向くようにヨー軸（Ｚ軸）回りを二軸（Ｘ軸、Ｙ軸）に変換した値を含む各二軸マウント１１ａ〜１１ｏの各Ｘ軸回りのＸ軸駆動信号及びＹ軸回りのＹ軸駆動信号をそれぞれ算出して各Ｘ軸駆動部１３及びＹ軸駆動部１４に出力する。
【００２３】
ここで、上記１５個の二軸マウント１１ａ〜１１ｏのＸ軸駆動部１３及びＹ軸駆動部１４は、それぞれ駆動制御部１８からのＸ軸駆動信号及びＹ軸駆動信号に基づいてＸ軸及びＹ軸回りの回転角が制御されて、各アンテナ１１ａ〜１１ｏをそれぞれ所望のサービス地域に指向するように制御する。この際、１５個のアンテナ１０ａ〜１０ｏは、その３個１組のアンテナ群１０Ａ〜１０Ｅの各ビーム領域Ａ〜Ｅが、例えば図６に示すように隣接するビーム領域の一部と重なるように所望のビームパターンを有するように設定される。
【００２４】
上記構成において、駆動制御部１８は、上記指令部（図示せず）からビーム領域指令情報及び飛翔体１２の位置・姿勢情報が入力される。すると、駆動制御部１８は、そのビーム領域情報と飛翔体１２の位置・姿勢情報とに基づいて１５個のアンテナ１０ａ〜１０ｐそれぞれが所望のサービス地域に向くようにヨー軸（Ｚ軸）回りを二軸（Ｘ軸、Ｙ軸）回りに変換した値を含む各Ｘ軸回りのＸ軸駆動信号及びＹ軸回りのＹ軸駆動信号をそれぞれ算出して各Ｘ軸駆動部１３及びＹ軸駆動部１４に出力する。
【００２５】
ここで、各Ｘ軸駆動部１３は、入力したＸ軸駆動信号に基づいて駆動モータ１３２を駆動して、減速部１３１を介して回動部材１７を第１の支持部材１５に対して回転駆動し、アンテナ１０ａ〜１０ｏを第２の支持部材１６とともにＸ軸回りの回転角を制御する。
【００２６】
同時に、各Ｙ軸駆動部１４は、入力したＹ軸駆動信号に基づいて駆動モータ１４２を駆動して、減速部１４１を介してアンテナ１０ａ〜１０ｏをＹ軸回りに回転駆動し、Ｙ軸回りの回転角を制御する。
【００２７】
ここで、上記１５個のアンテナ１０ａ〜１０ｏは、例えばビーム領域Ａ〜Ｅが図６に示すような所望のビームパターンを形成するよう設定され、サービス地域への通信サービスが実行される。
【００２８】
この通信サービス状態において、飛翔体１２の位置・姿勢が変化すると、上記駆動制御部１８には、その変化量に対応した飛翔体１２の位置・姿勢情報が入力される。ここで、駆動制御部１８は、飛翔体１２の位置・姿勢情報に基づいて１５個のアンテナ１０ａ〜１０ｏがそれぞれ所望のサービス地域に向くように、そのヨー軸（Ｚ軸）回りを二軸（Ｘ軸、Ｙ軸）回りに変換した値を含む各Ｘ軸回りのＸ軸駆動信号及びＹ軸回りのＹ軸駆動信号をそれぞれ算出して各Ｘ軸駆動部１３及びＹ軸駆動部１４に出力する。
【００２９】
ここで、各Ｘ軸駆動部１３は、入力したＸ軸駆動信号に基づいて駆動モータ１３２を駆動して、減速部１３１を介して回動部材１７を第１の支持部材１５に対して回転駆動し、アンテナ１０ａ〜１０ｏを第２の支持部材１６とともにＸ軸回りの回転角を制御する。
【００３０】
同時に、各Ｙ軸駆動部１４は、入力したＹ軸駆動信号に基づいて駆動モータ１４２を駆動して、減速部１４１を介してアンテナ１０ａ〜１０ｏをＹ軸回りに回転駆動し、Ｙ軸回りの回転角を制御する。
【００３１】
このようにして、１５個のアンテナ１０ａ〜１０ｏは、二軸マウント１１ａ〜１１ｏを介して飛翔体１２の位置・姿勢の変動分が補正されることにより、そのビーム領域Ａ〜Ｅが初期のサービス地域への指向が保たれる。これにより、１５個のアンテナ１０ａ〜１０ｏは、飛翔体１２の位置・姿勢の変動に影響を受けることなく、所望のサービス地域への高精度な指向制御が行われて安定した通信サービスが継続される。
【００３２】
また、通信サービス状態において、例えば所望のサービス地域の通信負荷が増加されると、上記指令部（図示せず）は、ビーム重畳指令情報を上記駆動制御部１８に出力する。
【００３３】
すると、駆動制御部１８は、入力したビーム重畳指令情報に基づいて、例えば１５個のアンテナ１０ａ〜１０ｏのいずれか１個を重畳要求のサービス地域に向くように、そのヨー軸（Ｚ軸）回りを二軸（Ｘ軸、Ｙ軸）回りに変換した値を含むＸ軸回りのＸ軸駆動信号及びＹ軸回りのＹ軸駆動信号をそれぞれ算出して、そのＸ軸駆動部１３及びＹ軸駆動部１４に出力する。
【００３４】
ここで、Ｘ軸駆動部１３は、入力したＸ軸駆動信号に基づいて駆動モータ１３２を駆動して、減速部１３１を介して回動部材１７を第１の支持部材１５に対して回転駆動し、アンテナ１０ａ（１０ｂ〜１０ｏ）を第２の支持部材１６とともにＸ軸回りの回転角を制御する。
【００３５】
同時に、Ｙ軸駆動部１４は、入力したＹ軸駆動信号に基づいて駆動モータ１４２を駆動して、減速部１４１を介してアンテナ１０ａ〜１０ｏをＹ軸回りに回転駆動し、Ｙ軸回りの回転角を制御する。
【００３６】
このようにして、１５個のアンテナ１０ａ（１０ｂ〜１０ｏ）の１個は、ビーム重畳情報に対応してビーム領域が変更されて他のビーム領域に重畳される。これにより、所望のサービス地域への通信容量が増加されて安定した通信サービスが実行される。
【００３７】
また、通信サービス状態において、１５個のアンテナ１０ａ〜１０ｏのいずれかが故障して、そのサービス地域の通信サービスを実行するのが困難となった場合、上記指令部（図示せず）は、アンテナ切替信号を上記駆動制御部１８に出力する。
【００３８】
すると、駆動制御部１８は、入力したアンテナ切替信号に応動して冗長系のアンテナ１０ｐが、故障したアンテナ１０ａ（１０ｂ〜１０ｏ）のビームパターンに対応するように、その二軸マウント１１ｐのＸ軸駆動部１３のＸ軸駆動信号及びＹ軸駆動部１４のＹ軸駆動信号を生成して該Ｘ軸駆動部１３及びＹ軸駆動部１４に出力する。
【００３９】
ここで、Ｘ軸駆動部１３及びＹ軸駆動部１４は、冗長系の二軸マウント１１ｐのＸ軸及びＹ軸回りの回転角を制御して、アンテナ１０ｐを故障したアンテナ１０ａ（１０ｂ〜１０ｏ）のビーム方向に設定する。
【００４０】
同時に、駆動制御部１８は、故障したアンテナ１０ａ（１０ｂ〜１０ｏ）の停止信号を生成して故障したアンテナ１０ａ（１０ｂ〜１０ｏ）をオフ制御する。これにより、他のアンテナ（１０ａ〜１０ｏ）の中の１４個及び冗長系のアンテナ１０ｐは、協働して初期のサービス地域への所望のビームパターンを形成して該サービス地域への安定した高品質な通信サービスが実行される。
【００４１】
このように、上記マルチビームアンテナ装置は、１６個のアンテナ１０ａ〜１０ｐを、それぞれ飛翔体１２に対して二軸マウント１１ａ〜１１ｐを介して互いに直交する二軸回りに回転自在に取付け配置して、この二軸マウント１１ａ〜１１ｐを選択的に駆動制御してアンテナ１１ａ〜１１ｐの二軸回りの回転角を制御し、該アンテナ１１ａ〜１１ｐのビーム領域Ａ〜Ｅを所望の地域に指向制御するように構成した。
【００４２】
これによれば、アンテナ１０ａ〜１０ｐは、その二軸マウント１１ａ〜１１ｐの二軸回りの回転角が制御されると、その回転角に応じてビーム領域Ａ〜Ｅの指向方向がそれぞれ制御され、協働して所望のビームパターンを形成して、通信サービスを実行する。
【００４３】
従って、二軸回りの回転角が調整可能な二軸マウント１１ａ〜１１ｐを備えるだけの構成で、高精度なビーム領域Ａ〜Ｅの制御が実現されて、アンテナ１０ａ〜１０ｐと飛翔体側の電気系とを電気的結合する取付構造の簡略化の促進が図れる。この結果、動作制御の信頼性の向上が図れると共に、アンテナシステムとしての運用の多様化の促進を図ることができる。
【００４４】
なお、上記実施の形態では、上記１５個のアンテナ１０ａ〜１０ｏが協働して所望のビームパターンを形成するように構成した場合で説明したが、これに限ることなく、例えが１５個のアンテナ１０ａ〜１０ｏを、アンテナ１０ａ〜１０ｈで送信系を形成し、アンテナ１０ｇ〜１０ｏで受信系を構成する如く分離して指向制御するように構成することも可能である。
【００４５】
また、上記実施の形態では、アンテナ支持機構として、互いに直交し、且つ、交叉しない二軸（Ｘ軸及びＹ軸）を備える二軸マウント１１ａ〜１１ｐを用いて構成した場合で説明したが、これに限ることなく、その他、互いに直交する二軸が交叉する支持構造を有するいわゆる二軸（Ｘ―Ｙ）ジンバル等を用いて構成することも可能である。
【００４６】
さらに、上記実施の形態では、冗長系を含めて１６個のアンテナ１０ａ〜１０ｐを３個１組としてアンテナ群１０Ａ〜１０Ｅの５群に分けて飛翔体１２に併設配置するように構成した場合で説明したが、この数に限ることなく、各種の構成可能である。
【００４７】
また、上記実施の形態では、冗長系を１個のアンテナ１０ｐで形成するように構成した場合で説明したが、これに限ることなく、その他、２個以上の冗長系アンテナを備えて構成してもよい。そして、このような冗長系アンテナとしては、特に備えることなく、必要に応じて他のアンテナを援用するように構成することも可能である。
【００４８】
よって、この発明は、上記実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記実施形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。
【００４９】
例えば実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述したように、この発明によれば、簡易な構成で、信頼性の高い安定した通信を実現し得、且つ、運用の多様化の促進を図り得るようにしたマルチビームアンテナ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態に係るマルチビームアンテナ装置を一方に方向から見た状態を示した斜視図である。
【図２】図１と異なる他方から見た状態を示した斜視図である。
【図３】図１のアンテナ及び二軸マウントを取り出して示した斜視図である。
【図４】図２のアンテナ及び二軸マウントを取り出して示した斜視図である
【図５】図１の制御系を取り出して示したブロック図である。
【図６】図１の１５個のアンテナのビームパターンの例を示した図である。
【図７】従来のマルチビームアンテナ装置を示した斜視図である。
【符号の説明】
１０ａ〜１０ｐ  …  アンテナ。
１０Ａ〜１０Ｅ  …  アンテナ群。
１１ａ〜１１ｐ  …  二軸マウント。
１２  …  飛翔体。
１３  …  Ｘ軸駆動部。
１３１  …  減速部。
１３２  …  駆動モータ。
１４  …  送受信機。
１４１  …  減速部。
１４２  …  駆動モータ。
１５  …  第１の支持部材。
１６  …  第６の支持部材。
１７  …  回動部材。
１８  …  駆動制御部。
Ａ〜Ｅ  …  ビーム領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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