(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
追尾対象の衛星から受信した円偏波の信号から、高次モード信号及び第１基本モード信号を分離抽出する第１分離抽出手段と、
前記第１基本モード信号から、第２基本モード信号及び該第２基本モード信号の逆偏波成分信号を分離抽出する第２分離抽出手段と、
前記高次モード信号と前記第１基本モード信号との比に基づく衛星追尾用アンテナ制御信号における交差偏波特性に起因する誤差成分を、前記逆偏波成分信号と前記第２基本モード信号との比で表わされる係数で補償したアンテナ制御信号を送出する信号処理手段と、
前記信号処理手段から送出されたアンテナ制御信号を受信し、これに基づき前記衛星を追尾するようにアンテナを駆動するアンテナ駆動手段と、
を具えることを特徴とする衛星追尾装置
【請求項２】
追尾対象の衛星から受信した円偏波の信号から、高次モード信号及び第１基本モード信号を分離抽出する第１分離抽出手段と、
前記第１基本モード信号から、第２基本モード信号及び該第２基本モード信号の逆偏波成分信号を分離抽出する第２分離抽出手段と、
前記高次モード信号と前記第１基本モード信号との比に基づく衛星追尾用アンテナ制御信号における交差偏波特性に起因する誤差成分を、前記逆偏波成分信号と前記第２基本モード信号との比で表わされる係数で補償したアンテナ制御信号に基づき衛星の軌道位置を演算する衛星軌道位置演算手段と、
を具えることを特徴とする衛星軌道位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、衛星通信に関するものであり、特に、衛星通信用地球局アンテナに用いられる衛星追尾装置及び衛星軌道位置測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アンテナの衛星追尾は、追尾対象の衛星からの到来電波を追尾アンテナで受信し、その受信信号の振幅と位相とからアンテナ駆動装置の制御信号を生成して行う。
従来の高次モード衛星追尾方式は、アンテナ給電用円形導波管の高次伝搬モードであるＴＭ０１モード、ＴＥ０１モード、ＴＥ２１モードなどがアンテナのボアサイトに信号成分をもたずにヌル（零点）を持つこととから、これを利用して追尾対象の衛星からの到来電波による高次モード成分が常に零となるようにアンテナ位置を制御する方式である。また、アンテナのボアサイトに衛星が位置することから、アンテナの仰角と方位角とを用いて、衛星の軌道位置を測定することができる。以下、アンテナ追尾制御の一例として、右旋円偏波用ＴＭ０１モードを用いた追尾方式の技術を説明する。
【０００３】
アンテナ単体において、衛星からの到来電波を受信することによって発生するＴＭ０１モード信号の出力電圧Ｖｅは、図１の座標系を用いて
【数１】
0004233748.tif 000002
となる。ここで、
【数２】
0004233748.tif 000003
【数３】
0004233748.tif 000004
kは波数、aはアンテナ開口半径、ESは到来電波強度、K0は定数、ωは到来電波の角周波数、tは時間である。また、Jm()はm次の第一種ベッセル関数となり、θ成分のみからなる。
【０００４】
一方、衛星からの到来電波を受信することによって発生する円形導波管の基本モードであるＴＥ１１モード信号の出力電圧Ｖｒは、
【数４】
0004233748.tif 000005
となる。ここで、
【数５】
0004233748.tif 000006
【数６】
0004233748.tif 000007
K１は定数、φは到来電波の入射する角度である。このように、到来電波の入射する角度φの方向によりVrの位相が、３６０度変化する。
【０００５】
そして、Vrよりキャリア再生を行い、Vr、Veの各信号を同期検波すると、それぞれの検波出力vr、veは次式のようになる。
【数７】
0004233748.tif 000008
【数８】
0004233748.tif 000009
更に、veをvrで正規化すれば、
【数９】
0004233748.tif 000010
となり（Kは比例定数）、垂直方向及び水平方法の誤差信号電圧Errorv、Errorhがそれぞれ得られる。θが十分小さいときには、Errorは、
【数１０】
0004233748.tif 000011
と簡単になって（Ｃは比例定数）、両信号をアンテナ制御信号としてアンテナ駆動部の水平、垂直軸に加えて誤差信号を最小になるような制御を行えば、常にθ＝０となるようにアンテナを制御することができる。この従来技術による衛星追尾装置の構成を表わすブロック図を図２に示す。追尾対象の衛星Ａからの到来電波（信号）をアンテナ１で受信し、高次モード結合器２によりこの受信した信号から高次モード信号Ｖｅを分離抽出し、偏分波器３により基本モード信号Ｖｒを分波し、同期検波器４においてVrよりキャリア再生を行い、Vr、Veの各信号の同期検波を行い、信号処理部５において検波出力vr、veから誤差信号電圧Errorv（垂直方向の誤差）、Errorh（水平方向の誤差）を求める。これらの誤差信号電圧に基づきアンテナ駆動装置６において、アンテナＡのボアサイトに追尾対象衛星を捉えるようにアンテナの仰角及び方位角を調節する。以上の従来技術は、例えば、宮憲一監修、電子通信学会編「改訂・衛星通信技術」の５．６章・追尾方式（158~162ページ）、或いは、佐藤敏雄、西田昌弘による論文「宇宙通信用アンテナの自己追尾装置」（国際通信の研究Ｎｏ．４７、30~39ページ）に記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法は、衛星からの到来電波が完全に円偏波である場合の考察である。ところが、衛星から地上に到来する電波の偏波面は、衛星の姿勢や伝搬経路の降雨などによって一般に楕円偏波となる。また、アンテナのボアサイトからずれた方向から電波が到来すると、アンテナの交差偏波識別度が劣化し、さらに楕円偏波として受信される。
【０００７】
この楕円偏波の影響を鑑みて高次モードと基本モードの受信出力電圧Ｖe、Ｖrの式（１）、（４）を書き直すと、
【数１１】
0004233748.tif 000012
【数１２】
0004233748.tif 000013
ここで
【数１３】
0004233748.tif 000014
a(θ)は、到来電波がボアサイトから外れたことが原因で到来電波が楕円偏波となったときの楕円偏波率である。
bは、降雨減衰やアンテナの不完全性、変形が原因で到来電波が楕円偏波となったとき、その楕円偏波率が(1-b)/(1+b)となる値である。
γは、降雨減衰やアンテナの不完全性、変形が原因で到来電波が楕円偏波となったとき、その楕円長軸の傾きである。θが十分小さいときには、a(θ)=0と見なせるので
【数１４】
0004233748.tif 000015
となる。ここで従来技術の信号処理を行うと、
【数１５】
0004233748.tif 000016
となり、アンテナを制御する誤差信号電圧Errorには、bやγの項が残ってしまう。その結果、以下の問題が生じる。
【０００８】
１．衛星をアンテナのボアサイトへ追尾する方法では、誤差信号電圧Errorをf0(θ)=0によって零に追い込むため、到来電波が楕円偏波になることによる追尾精度の影響は少ない。しかし、誤差信号電圧を零に追い込むまでの収束性は楕円偏波の影響を受けて劣化し、収束時間が遅くなる、或いは最悪の場合発散する（収束しない）。従って、例えば低軌道衛星のような高速に移動する衛星を追尾することは難しくなる。
２．衛星をアンテナのボアサイトから外れた位置で追尾する場合、誤差信号電圧をある基準電圧値に一致させるようにアンテナを制御する。ところが到来電波が楕円偏波になると誤差信号電圧が変動してしまうので、この変動が追尾誤差の原因となり、高精度の追尾が行えない。
３．衛星の軌道位置は、（１０）式の比例定数Cを予め求めておけば、誤差信号電圧を測定することで（１０）式よりθやφを逆算し、衛星の軌道位置を求めることができる。ところが、到来電波が楕円偏波になると誤差信号電圧が変動してしまうので、この変動がθやφを求めるときの誤差の原因となり、高精度の衛星軌道位置の測定が行えない。
【０００９】
なお、ここでは右旋円偏波についての追尾誤差、測定誤差について考えたが、直線偏波においても交差偏波識別度は降雨などにより円偏波と同様に劣化する。従って、直線偏波の到来電波で衛星を追尾する場合であっても。上述と同じく追尾誤差や測定誤差を生じる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明による衛星追尾装置は、
追尾対象の衛星から受信した円偏波の信号から、高次モード信号及び第１基本モード信号を分離抽出する第１分離抽出手段と、
前記第１基本モード信号から、第２基本モード信号及び該第２基本モード信号の逆偏波成分信号を分離抽出する第２分離抽出手段と、
前記高次モード信号と前記第１基本モード信号との比に基づく衛星追尾用アンテナ制御信号における交差偏波特性に起因する誤差成分を、前記逆偏波成分信号と前記第２基本モード信号との比で表わされる係数で補償したアンテナ制御信号を送出する信号処理手段と、
前記信号処理手段から送出されたアンテナ制御信号を受信し、これに基づき前記衛星を追尾するようにアンテナを駆動するアンテナ駆動手段と、
を具えることを特徴とするものである。
本発明によれば、降雨などで交差偏波識別度が劣化しても、その影響を受けない（補償された）誤差信号を得ることができる。よって、衛星を高精度に追尾することが可能となる。
【００１１】
更に、本発明による衛星軌道位置測定装置は、
追尾対象の衛星から受信した円偏波の信号から、高次モード信号及び第１基本モード信号を分離抽出する第１分離抽出手段と、
前記第１基本モード信号から、第２基本モード信号及び該第２基本モード信号の逆偏波成分信号を分離抽出する第２分離抽出手段と、
前記高次モード信号と前記第１基本モード信号との比に基づく衛星追尾用アンテナ制御信号における交差偏波特性に起因する誤差成分を、前記逆偏波成分信号と前記第２基本モード信号との比で表わされる係数で補償したアンテナ制御信号に基づき衛星の軌道位置を演算する衛星軌道位置演算手段と、
を具えることを特徴とするものである。
本発明によれば、上記の装置と同様に降雨などで交差偏波識別度が劣化しても、その影響を受けない（補償された）誤差信号を得ることができ、高精度に衛星軌道位置を測定することができる。さらに、複数の衛星の軌道位置を同時に高精度に測定することが可能となる。
【００１２】
上述したように、衛星追尾を行うための受信信号として、従来の基本モード信号、高次モード信号の他に、新たに、基本モードの交差偏波成分の信号（逆旋信号、或いは逆偏波成分信号）を追加する。
ここでは一例として、衛星からは右旋円偏波の信号が送信されたものとし、降雨の影響などにより、受信アンテナでは、左旋円偏波の信号成分も発生しているものとする。衛星追尾では、TE１１モードの右旋円偏波成分を基本モード信号、TE１１モードの左旋円偏波成分を逆旋信号とする。
【００１３】
逆旋信号の出力電圧Ｖｌは、従来技術の右旋円偏波と同じ受信条件とすれば、
【数１６】
0004233748.tif 000017
となる。θが十分小さいときには、a(θ)=0と見なせるので、
【数１７】
0004233748.tif 000018
となる。これより、逆旋信号からbとγとを求められるので、（１５）式のbやγの項を（１７）式で補正することができる。
よって、逆旋信号を衛星追尾のための信号に追加すことにより、高精度な衛星追尾、或いは高精度な衛星軌道位置の測定が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施例について、図面を参照して説明する。
図３は、本発明による実施例１の衛星追尾装置の構成を示すブロック図である。本追尾装置は、アンテナ１、高次モード結合器２、偏分波器３、同期検波器４、信号処理部５、アンテナ駆動部６を具える。追尾対象の衛星からの右旋円偏波の到来電波を、アンテナ１で受信する。アンテナ１で受信された信号は、円形導波管を介して高次モード結合器２に伝送され、ここで高次モード信号Veを取り出す。基本モード信号はさらに偏分波器３に伝送され、右旋基本モード信号Vｒと逆旋信号Vlとに分離される。Ve、Vr、Vlは同期検波器４で共通のキャリアにより同期検波を行った後、信号処理部５へ送出する。信号処理部５では、検波後の右旋基本モード信号vｒと逆旋信号vlと高次モード信号ve受け取り、これらの信号に基づき、下記の信号処理を行い誤差信号電圧Errorv、Errorhを求め、これらの信号をアンテナ駆動部６へ送出する。アンテナ駆動部６は誤差信号電圧Errorv、Errorhを受け取り、これらの信号に基づきアンテナ１の仰角と方位角とを調節する。
【００１５】
信号処理部５の処理を説明する。同期検波器４の出力信号Ve、Vrには従来技術と同様の処理を行い、式（１５）を得る。一方、Vlの検波出力vlは、
【数１８】
0004233748.tif 000019
となるから、これをvrで除することにより、
【数１９】
0004233748.tif 000020
を求めることができる。ここで（１５）、（１９）式より
【数２０】
0004233748.tif 000021
となりｂやγの項を消去することができる。従って、降雨などで交差偏波識別度が劣化しても、その影響を受けない（補償された）誤差信号を得ることができる。よって、衛星を高精度に追尾することが可能となる。
【００１６】
図４は、本発明による実施例２の複数衛星軌道測定装置の構成を示すブロック図である。本測定装置は、アンテナ１、高次モード結合器２、偏分波器３、同期検波器４、信号処理部５、衛星位置計算部１０、データ表示部１２を具える。衛星からの到来電波を受信・信号処理して誤差信号Error（式（２０）に相当）を求めるまでは、実施例１と同様である。そして、衛星位置計算部１０は、信号処理部５から誤差信号Errorを受け取り、この誤差信号Errorから（２０）式を用いてθ及びφを逆算し、これにより衛星軌道位置を求め、これをデータ表示部１２へ送出する。衛星位置計算部から受け取った衛星軌道位置のデータは、データ表示部１２で表示する。説明の便宜上、信号の流れは１つの衛星からについて説明したが、図４に示すように本装置では複数の衛星軌道の位置を同時に捕捉し、表示することが可能であることに注目されたい。従って、ここで、同期検波器４では、測定する衛星に応じた到来電波の周波数をチューニングして検波を行う。また、アンテナは、複数の衛星の軌道位置からの到来電波をカバーできる程度の指向性を持つ（適当に小型の）アンテナが望ましい。
【００１７】
本装置によれば、実施例１と同様に降雨などで交差偏波識別度が劣化しても、その影響を受けない（補償された）誤差信号を得ることができ、高精度に衛星軌道位置を測定することができる。さらに、複数の衛星の軌道位置を同時に高精度に測定することが可能となる。
【００１８】
なお、本発明は、上述した実施例により何ら限定されるものではなく、幾多の変形、修正が可能である。例えば、信号処理部及び衛星位置計算部は、同一のＣＰＵに読み込まれた１つのプログラムにより実現することも可能である。
【００１９】
本発明によれば、従来の基本モード信号、高次モード信号に加えて、衛星からの到来電波の基本モード信号の逆偏波成分を受信し、これらを信号処理することにより、降雨などでの交差偏波識別度劣化による追尾精度或いは衛星軌道位置の測定精度の劣化を除去することができる。
このため、衛星追尾アンテナ制御の収束性が良くなり、高速に移動する衛星の追尾へも対応できるようになる。また、衛星がアンテナのボアサイトから外れた位置で追尾或いは測定する場合も、高精度に追尾或いは測定できるようになる。また、複数の衛星の軌道位置を同時に高精度に測定できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  衛星の追尾を説明するための座標図である。
【図２】  従来技術での衛星追尾装置の構成を説明するブロック図である。
【図３】  本発明による実施例１の衛星追尾装置の構成を示すブロック図である。
【図４】  本発明による実施例２の衛星軌道位置測定装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  アンテナ
２  高次モード結合器
３  偏分波器
４  同期検波器
５  信号処理部
６  アンテナ駆動部
１０  衛星位置計算部
１２  データ表示部
Ａ，Ｂ，Ｃ  衛星
【図１】
0004233748.tif 000022
【図２】
0004233748.tif 000023
【図３】
0004233748.tif 000024
【図４】
0004233748.tif 000025