(57)【要約】      （修正有）【課題】地球局装置から送信された直線偏波の信号を折り返す中継局装置（通信衛星）から、任意の偏波（円偏波、直線偏波）の信号を送信させる。【解決手段】地球局装置は、中継局装置から２つの互いに直交する円偏波の信号を送信させるための第１，第２の校正用信号を自装置から送信し、中継局装置から送信される各信号が所望の円偏波となるように自装置の送信信号の振幅および位相を校正する校正処理手段を備え、さらに校正処理手段で第１，第２の校正用信号の校正後の振幅および位相に対して、所定の誤差を与える信号処理を行って再度送信し、中継局装置から送信される２つの信号のうち、一方のみ交差偏波が増加した場合には校正を完了し、双方の交差偏波が増加した場合には再度校正を行う、もしくは校正後の送信信号の振幅および位相に対して所定の変換を行って校正を完了し、中継局装置で形成される任意の偏波の精度を維持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する偏波の信号を送受信する２つの直線偏波アンテナを備えた中継局装置から任意の偏波の信号を送信させる地球局装置を備えた衛星通信システムにおいて、
前記地球局装置は、
前記中継局装置から２つの互いに直交する円偏波の信号を送信させるための第１の校正用信号および第２の校正用信号を自装置から送信し、前記中継局装置から送信される各信号が所望の円偏波となるように自装置の送信信号の振幅および位相を校正する校正処理手段を備え、
さらに、前記校正処理手段で第１の校正用信号および第２の校正用信号の校正後の振幅および位相に対して、所定の誤差を与える信号処理を行って再度送信し、前記中継局装置から送信される２つの信号のうち、一方のみ交差偏波成分が増加した場合には校正を完了し、双方の交差偏波成分が増加した場合には再度校正を行う、もしくは校正後の送信信号の振幅および位相に対して所定の変換を行って校正を完了し、前記中継局装置で形成される任意の偏波の精度を維持する構成である
ことを特徴とする衛星通信システム。
【請求項２】
請求項１に記載の衛星通信システムにおいて、
前記校正後に、前記地球局装置および前記中継局装置の温度、経時的な特性変動に対して前記交差偏波成分が増加する場合に、校正係数を更新して前記交差偏波成分を小さくする
ことを特徴とする衛星通信システム。
【請求項３】
互いに直交する偏波の信号を送受信する２つの直線偏波アンテナを備えた中継局装置から任意の偏波の信号を送信させる衛星通信システムの地球局装置において、
前記中継局装置から２つの互いに直交する円偏波の信号を送信させるための第１の校正用信号および第２の校正用信号を自装置から送信し、前記中継局装置から送信される各信号が所望の円偏波となるように自装置の送信信号の振幅および位相を校正する校正処理手段を備え、
さらに、前記校正処理手段で第１の校正用信号および第２の校正用信号の校正後の振幅および位相に対して、所定の誤差を与える信号処理を行って再度送信し、前記中継局装置から送信される２つの信号のうち、一方のみ交差偏波成分が増加した場合には校正を完了し、双方の交差偏波成分が増加した場合には再度校正を行う、もしくは校正後の送信信号の振幅および位相に対して所定の変換を行って校正を完了し、前記中継局装置で形成される任意の偏波の精度を維持する構成である
ことを特徴とする地球局装置。
【請求項４】
請求項３に記載の地球局装置において、
前記校正後に、前記地球局装置および前記中継局装置の温度、経時的な特性変動に対して前記交差偏波成分が増加する場合に、校正係数を更新して前記交差偏波成分を小さくする
ことを特徴とする地球局装置。
【請求項５】
互いに直交する偏波の信号を送受信する２つの直線偏波アンテナを備えた中継局装置から任意の偏波の信号を送信させる衛星通信システムの地球局制御方法において、
校正処理手段で、前記中継局装置から２つの互いに直交する円偏波の信号を送信させるための第１の校正用信号および第２の校正用信号を自装置から送信し、前記中継局装置から送信される各信号が所望の円偏波となるように自装置の送信信号の振幅および位相を校正し、
さらに、前記校正処理手段で、第１の校正用信号および第２の校正用信号の校正後の振幅および位相に対して、所定の誤差を与える信号処理を行って再度送信し、前記中継局装置から送信される２つの信号のうち、一方のみ交差偏波成分が増加した場合には校正を完了し、双方の交差偏波成分が増加した場合には再度校正を行う、もしくは校正後の送信信号の振幅および位相に対して所定の変換を行って校正を完了し、前記中継局装置で形成される任意の偏波の精度を維持する
ことを特徴とする地球局制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載の地球局制御方法において、
前記校正後に、前記地球局装置および前記中継局装置の温度、経時的な特性変動に対して前記交差偏波成分が増加する場合に、校正係数を更新して前記交差偏波成分を小さくする
ことを特徴とする地球局制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地球局装置の送信信号の振幅位相を制御することにより、通信衛星のアンテナから任意の偏波（円偏波、直線偏波）信号を送信させる衛星通信システム、地球局装置および地球局制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信システムでは、一般的に直線偏波または円偏波が使用されている。通信衛星に搭載されるアンテナでは、Ｋｕ／Ｃ帯で直線偏波が使用され、Ｓ／Ｌ帯で円偏波の使用が一般的である。
【０００３】
送信アンテナと受信アンテナが異なる偏波（偏波面がずれている場合を含めて）を使用して通信を行う場合、受信電力の損失および直交する偏波面への信号漏えいが発生するため、偏波を合わせることが非常に重要である。ただし、円偏波使用の場合は電磁波の旋回する方向が合致していれば、アンテナを対向させるだけで偏波調整がなされる。一方、直線偏波を使用する場合は偏波の軸を調整する必要がある。そのため、直線偏波使用の衛星通信システムでは、通信衛星が搭載するアンテナに地球局側が方向・偏波軸の両方を合わせる必要があった。
【０００４】
また、直線偏波使用の衛星通信システムにおいて、水平偏波アンテナおよび垂直偏波アンテナを有する中継局装置（通信衛星）から円偏波を形成して送信し、地球局側で偏波調整を不要とする衛星通信システムがある（非特許文献１）。
【０００５】
図５は、中継局装置（通信衛星）から円偏波を送信させる従来の衛星通信システムの構成例を示す。
図５において、地球局装置１０は、円偏波形成回路１１、振幅位相設定回路１２−１、直線偏波変換回路１３、振幅位相設定回路１２−２、送信回路１４−１，１４−２、受信回路１５−１，１５−２、右旋円偏波アンテナ１６および左旋円偏波アンテナ１７により構成される。中継局装置２０は、水平偏波アンテナ２１および垂直偏波アンテナ２２と、中継回路２３−１，２３−２により構成される。
【０００６】
本構成では、右旋偏波信号入力Ｓr および左旋偏波信号入力Ｓl は、円偏波形成回路１１に入力し、直線偏波アンテナを用いて円偏波を形成するための信号処理がなされ、振幅位相設定回路１２−１で中継局装置２０の偏波間特性差を補償するための振幅位相が調整される。その後、直線偏波変換回路１３により、右旋円偏波アンテナ１６および左旋円偏波アンテナ１７を用いて直線偏波を形成するための信号処理を行い、振幅位相設定回路１２−２で地球局装置１０の送信回路１４−１，１４−２とアンテナの経路間特性補償を行い、中継局装置２０の水平偏波アンテナ２１および垂直偏波アンテナ２２と正対する直線偏波を形成する。なお、右旋円偏波アンテナ１６と左旋円偏波アンテナ１７のそれぞれから等振幅で出力された信号は空間合成された結果、直線偏波となる。
【０００７】
中継局装置２０の水平偏波アンテナ２１および垂直偏波アンテナ２２に受信し、中継回路２３−１，２３−２を介して水平偏波アンテナ２１および垂直偏波アンテナ２２から折り返し送信される直線偏波の信号は、空間合成によって右旋円偏波および左旋円偏波の信号となり、基地局装置１０の右旋円偏波アンテナ１６および左旋円偏波アンテナ１７に受信される。右旋円偏波アンテナ１６および左旋円偏波アンテナ１７に受信した信号は受信回路１５−１，１５−２に入力してそれぞれ受信信号レベルが検出され、受信レベルが小さくなるように、振幅位相設定回路１２−１，１２−２をフィードバック制御する。
【０００８】
このように、地球局装置１０では送受共用の右旋円偏波アンテナ１６および左旋円偏波アンテナ１７から信号を送信し、中継局装置（通信衛星）２０の水平偏波アンテナ２１および垂直偏波アンテナ２２から送信される直線偏波の信号が空間合成によって右旋円偏波および左旋円偏波の信号となるように、受信回路１５−１，１５−２で受信信号をモニタして送信信号の振幅・位相を調整している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】鈴木、小林聖、“Ｋｕ帯移動体衛星通信におけるモニタアンテナを共用するＧＢＰＦ基地局構成、”信学技報、SAT2011-8 、pp.1-6、July 2011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
直線偏波アンテナを用いる通信衛星から円偏波を形成する従来技術では、直交する２つの水平偏波アンテナおよび垂直偏波アンテナから、それぞれ等振幅の信号を90度の位相差をつけて出力している。そして、地球局装置のアンテナを円偏波アンテナ（右旋円偏波アンテナおよび左旋円偏波アンテナ）とすることで、直接、通信衛星から受信する円偏波の状態をモニタし、高精度に円偏波が形成されるようにフィードバック制御を行っている。しかし、従来の衛星通信システムおよび地球局装置では、円偏波の形成に特化しており、任意の直線偏波（水平偏波、垂直偏波）を形成することができなかった。
【００１１】
本発明は、地球局装置から送信された直線偏波の信号を折り返す中継局装置（通信衛星）から、任意の偏波（円偏波、直線偏波）の信号を送信させることができる衛星通信システム、地球局装置および地球局制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明は、互いに直交する偏波の信号を送受信する２つの直線偏波アンテナを備えた中継局装置から任意の偏波の信号を送信させる地球局装置を備えた衛星通信システムにおいて、地球局装置は、中継局装置から２つの互いに直交する円偏波の信号を送信させるための第１の校正用信号および第２の校正用信号を自装置から送信し、中継局装置から送信される各信号が所望の円偏波となるように自装置の送信信号の振幅および位相を校正する校正処理手段を備え、さらに、校正処理手段で第１の校正用信号および第２の校正用信号の校正後の振幅および位相に対して、所定の誤差を与える信号処理を行って再度送信し、中継局装置から送信される２つの信号のうち、一方のみ交差偏波成分が増加した場合には校正を完了し、双方の交差偏波成分が増加した場合には再度校正を行う、もしくは校正後の送信信号の振幅および位相に対して所定の変換を行って校正を完了し、中継局装置で形成される任意の偏波の精度を維持する構成である。
第１の発明の衛星通信システムにおいて、校正後に、地球局装置および中継局装置の温度、経時的な特性変動に対して交差偏波成分が増加する場合に、校正係数を更新して交差偏波成分を小さくするようにしてもよい。
【００１３】
第２の発明は、互いに直交する偏波の信号を送受信する２つの直線偏波アンテナを備えた中継局装置から任意の偏波の信号を送信させる衛星通信システムの地球局装置において、中継局装置から２つの互いに直交する円偏波の信号を送信させるための第１の校正用信号および第２の校正用信号を自装置から送信し、中継局装置から送信される各信号が所望の円偏波となるように自装置の送信信号の振幅および位相を校正する校正処理手段を備え、さらに、校正処理手段で第１の校正用信号および第２の校正用信号の校正後の振幅および位相に対して、所定の誤差を与える信号処理を行って再度送信し、中継局装置から送信される２つの信号のうち、一方のみ交差偏波成分が増加した場合には校正を完了し、双方の交差偏波成分が増加した場合には再度校正を行う、もしくは校正後の送信信号の振幅および位相に対して所定の変換を行って校正を完了し、中継局装置で形成される任意の偏波の精度を維持する構成である。
第２の発明の地球局装置において、校正後に、地球局装置および中継局装置の温度、経時的な特性変動に対して交差偏波成分が増加する場合に、校正係数を更新して交差偏波成分を小さくするようにしてもよい。
【００１４】
第３の発明は、互いに直交する偏波の信号を送受信する２つの直線偏波アンテナを備えた中継局装置から任意の偏波の信号を送信させる衛星通信システムの地球局制御方法において、校正処理手段で、中継局装置から２つの互いに直交する円偏波の信号を送信させるための第１の校正用信号および第２の校正用信号を自装置から送信し、中継局装置から送信される各信号が所望の円偏波となるように自装置の送信信号の振幅および位相を校正し、さらに、校正処理手段で、第１の校正用信号および第２の校正用信号の校正後の振幅および位相に対して、所定の誤差を与える信号処理を行って再度送信し、中継局装置から送信される２つの信号のうち、一方のみ交差偏波成分が増加した場合には校正を完了し、双方の交差偏波成分が増加した場合には再度校正を行う、もしくは校正後の送信信号の振幅および位相に対して所定の変換を行って校正を完了し、中継局装置で形成される任意の偏波の精度を維持する。
第３の発明の地球局制御方法において、校正後に、地球局装置および中継局装置の温度、経時的な特性変動に対して交差偏波成分が増加する場合に、校正係数を更新して交差偏波成分を小さくするようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、衛星通信システムの地球局装置において、円偏波の信号を用いて校正を行った後、中継局装置から直線偏波の信号を送信させようとしても、地球局装置の偏波形成手段の出力側から中継局装置の各アンテナまでの伝達関数Ｇの値によって、所望の偏波が形成できない場合があるという課題を解決し、中継局装置から任意の偏波（円偏波および直線偏波）の信号を送信させることが可能となる。これにより、地球局側が備えるアンテナの偏波によらず、偏波ずれに伴う電力損失がない、効率のよい通信を実現することができる。
【００１６】
また、地球局装置が使用する偏波の状態で、円偏波および直線偏波アンテナを通信衛星に搭載する必要がなく、通信衛星に備える直線偏波アンテナのみで円偏波を形成することが可能であり、通信衛星の開発コストの削減に大きく寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の衛星通信システムの実施例構成を示す図である。
【図２】本発明における校正係数決定処理手順例を示すフローチャートである。
【図３】従来手法と本発明手法の検証結果を示す図である。
【図４】本発明の衛星通信システムの適用例を示す図である。
【図５】中継局装置（通信衛星）から円偏波を送信させる従来の衛星通信システムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
直線偏波のアンテナから実用的な任意の偏波（円偏波、直線偏波）形成するためには、直交する水平偏波アンテナおよび垂直偏波アンテナのそれぞれから、適切な振幅比および位相差をつけて信号を出力する必要がある。円偏波の場合は、等振幅の信号を90度の位相差をつけて出力するが、任意の偏波角の直線偏波を形成するためには、直交する２つの偏波アンテナのそれぞれから、偏波軸の角度に応じた振幅比の同相信号または逆相信号を出力する必要がある。
【００１９】
これを実現するためには、図５に示す従来の地球局装置の円偏波形成回路１１で行っていた信号処理に加えて、直線偏波を形成する信号処理を行えばよい。本信号処理を表す円偏波形成（直交２偏波使用）の伝達関数Ｆc と、直線偏波形成（直交２偏波使用）の伝達関数Ｆl は、次のようになる。ここで、θは偏波軸の角度であり、θ＝０は水平偏波、θ＝π／２は垂直偏波となる。
【数１】
2013168788.tif 000003
【００２０】
上記の信号処理で所定の偏波形成が実現できる前提条件は、円偏波形成回路１１における出力間の相対的な信号状態が中継局装置２０の水平偏波アンテナ２１および垂直偏波アンテナ２２から出力されることである。すなわち、円偏波形成回路１１の後段から、中継局装置２０の水平偏波アンテナ２１および垂直偏波アンテナ２２までの伝達関数Ｇが、次のように表せることである。ここで、g は利得である。
【数２】
2013168788.tif 000004
【００２１】
このとき、右旋偏波信号入力Ｓr および左旋偏波信号入力Ｓl に対して、円偏波を形成する処理を行った時の中継局装置２０における水平偏波アンテナ２１の出力信号Ｓh および垂直偏波アンテナ２２の出力信号Ｓνは、
【数３】
2013168788.tif 000005
と記述できる。出力信号Ｓh および出力信号Ｓνは、等振幅で位相関係がそれぞれ＋90度、−90度となっており、円偏波形成のための出力を得ていることが確認できる。
【００２２】
図５に示す従来の地球局装置１０では、受信回路１５−１，１５−２において、直交する信号成分をモニタし、それぞれの受信電力が最小値になるように振幅位相設定回路１２−１，１２−２を制御しているため、円偏波形成回路１１の後段から、中継局装置２０の水平偏波アンテナ２１および垂直偏波アンテナ２２までの伝達関数Ｇ′が、
【数４】
2013168788.tif 000006
となり、円偏波の形成条件を満たすことになる。なお、円偏波形成時において、式(2) の伝達関数Ｇと式(4) に示す伝達関数Ｇ′のどちらの状態になるかは、送信回路やアンテナ、中継回路の特性に依存する。
【００２３】
この状態で、直線偏波を形成する信号処理を行うと、
【数５】
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となり、伝達関数Ｇの状態に応じて、水平偏波アンテナ２１の出力信号Ｓh と垂直偏波アンテナ２２の出力信号Ｓνの相対関係が異なるため、所定の偏波が形成されない場合があることが確認できる。
【００２４】
任意偏波の形成については伝達関数Ｇの状態の特定が重要であり、これを実現する地球局装置１０の実施例構成を図１に示し、地球局装置１０の制御手順の例を図２に示す。
【００２５】
図１に示す本実施例の地球局装置１０は、図４に示す円偏波形成回路１１に代えて、任意偏波形成回路１８および校正状態検出用処理回路１９を備えた構成であり、その他は図５に示す従来の地球局装置１０および中継局装置２０と同様である。
【００２６】
まず、任意偏波形成回路１８は、従来の方法と同様に、校正用信号Ｓ１および校正用信号Ｓ２に対して右旋円偏波および左旋円偏波を形成する信号処理を行う。円偏波を高精度に形成するため、地球局装置１０の受信回路１５−１，１５−２のそれぞれにおいて、校正用信号Ｓ１および校正用信号Ｓ２の直交する信号成分をモニタし、それぞれの受信電力が最小になるように振幅位相設定回路１２−１，１２−２を制御する。
【００２７】
次に、任意偏波形成回路１８における円偏波形成のための信号処理に対して、以下のように誤差要因erを付加する。
【数６】
2013168788.tif 000008
【００２８】
校正用信号Ｓ１および校正用信号Ｓ２に対して、中継局装置２０の水平偏波アンテナ２１の出力信号Ｓh および垂直偏波アンテナ２２の出力信号Ｓνは、次のように表すことができる。
【数７】
2013168788.tif 000009
【００２９】
このとき、伝達関数Ｇが式(2) の状態であれば、校正用信号Ｓ１に対しては等振幅性と90度位相が実現しているため、円偏波が形成される。一方、校正用信号Ｓ２に対しては円偏波形成条件が崩れるため、干渉電力が検出される。さらに、伝達関数Ｇが式(4) の状態であれば、円偏波の形成条件が崩れるため、校正用信号Ｓ１および校正用信号Ｓ２の両者に対して干渉電力が検出されるため、伝達関数の状態が特定できる。
【００３０】
そこで、伝達関数Ｇが式(2) の状態になるように、再度、振幅位相設定回路１２−１，１２−２を最適化する、もしくは、振幅位相設定回路１２−１においては逆数を設定し、振幅位相設定回路１２−２においては、180 °移相させた設定とすることで、任意偏波形成回路１８の設定に応じた偏波が中継局装置２０で形成される。伝達関数Ｇが式(2) の状態に特定された後は、er＝１に戻す。
【００３１】
本手法を解析により検証した結果を述べる。図３(1) は従来手法において、円偏波を形成し、送信回路１４−１，１４−２および中継回路２３−１，２３−２の通過振幅位相特性を固定した場合の、干渉成分が最小となる振幅位相設定回路１２−１，１２−２を最適化した結果である。これより、２種類の解が存在することが確認できる。
【００３２】
本発明による偏波形成のための伝達関数Ｇの特定を行った結果を図３(2) に示す。前者の結果は、両者の信号成分に対する干渉成分の比が上昇しているため、伝達関数Ｇが式(4) の状態であり、後者の結果は、一方の干渉成分のみが増加しているため、伝達関数Ｇが式(2) の状態であることが特定できる。なお、伝達関数Ｇの特定においては、信号成分に対する干渉成分の比が10 dB 以下になるerを選択することが好ましい。
【００３３】
また、地球局装置および中継局装置を構成する周波数変換手段、増幅手段、中継手段は高周波のアナログ信号を扱うため、時々刻々と通過利得・位相に変動が生じ、これに伴い形成偏波の誤差が発生する。これに対処するために、校正用の信号を設け、振幅位相設定回路１２−１，１２−２の各係数を交互に微小量変化させて、常に受信レベルが最小となるような制御を行うことで、校正精度と形成偏波精度の維持を行うことも好ましい。
【００３４】
上記の校正処理により、伝達関数Ｇを特定することにより、通信衛星から任意の偏波を形成することが可能となるため、ユーザの偏波に合わせることが可能となる。これにより、図４に示すようにユーザ局１に垂直偏波、ユーザ局２に水平偏波、ユーザ局３に45度偏波、ユーザ局４に右旋偏波、ユーザ局５に左旋偏波が混在する衛星通信システムを実現することができる。この場合は、任意偏波形成回路１８において、校正用信号Ｓ１，Ｓ２に加え、各ユーザ信号ｕ１〜ｕ５に対してそれぞれ対応する偏波を形成するための重み付けを行えばよい。なお、図４に示す各ユーザの偏波を実現する重み付け処理の例を以下に示す。校正用信号Ｓ１，Ｓ２に用いた重み付けの値と、右旋偏波のユーザ局４および左旋偏波のユーザ局５に用いる重み付けの値は同じである。
【００３５】
【数８】
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【符号の説明】
【００３６】
１０  地球局装置
１１  円偏波形成回路
１２−１，１２−２  振幅位相設定回路
１３  直線偏波変換回路
１４−１，１４−２  送信回路
１５−１，１５−２  受信回路
１６  右旋円偏波アンテナ
１７  左旋円偏波アンテナ
１８  任意偏波形成回路
１９  校正状態検出用処理回路
２０  中継局装置
２１  水平偏波アンテナ
２２  垂直偏波アンテナ
２３−１，２３−２  中継回路
【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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