天線控制裝置及天線裝置的制造方法
【專利摘要】對具有垂直軸、水平軸及正交水平軸的天線裝置的指向方向進行控制的天線控制裝置(2)包括獲取天線(1)所追蹤的目標物存在的方向即目標方向的方向獲取部(20)；變換為包含在垂直軸的旋轉范圍內(nèi)水平固定的Y軸和天頂方向在內(nèi)的平面與目標方向間的角度即Y坐標、投影到該平面的目標方向與天頂方向間的角度即X坐標的坐標變換部(7)、以及控制天線的指向方向的運算處理部(4)。驅動指令值運算部(6)將Y坐標與系數(shù)相乘而得到的值指令作為垂直軸的旋轉角。運算處理部(4)計算出水平軸和正交水平軸的指令值并進行指令，以使得天線(1)的指向方向與目標方向的差成為允許值以下。
【專利說明】
天線控制裝置及天線裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及用于對追蹤目標物的同時進行通信的天線的指向方向進行控制的天線控制裝置及天線裝置。
【背景技術】
[0002]以往，使用預先獲得的衛(wèi)星的軌道預報值來控制天線的驅動軸，使天線的射束朝向的方向指向衛(wèi)星，以跟蹤衛(wèi)星。作為對衛(wèi)星通信地球站的天線(地面天線)進行姿態(tài)控制的方式，有時會使用以繞著垂直軸(AZ軸)和水平軸(EL軸)旋轉的方式進行支承的AZ/EL座架。
[0003]在AZ/EL座架中，在目標物通過天頂時，有時需要使AZ軸瞬時旋轉180°。將這種情況稱為萬向節(jié)死鎖(gimbal lock)。專利文件I中記載了不會產(chǎn)生萬向節(jié)死鎖的天線裝置。專利文獻I的天線裝置中，進行切換以使得在天線的射束方向為設定仰角以下時向單獨受到驅動控制的垂直軸、水平軸及正交水平軸中的二軸的驅動輸入提供輸入，在天線的射束方向為設定仰角以上時向三軸的所有驅動輸入提供輸入。接著，在向三軸驅動進行切換之后，向三軸中特定的軸的驅動輸入提供通過三軸的當前值運算而求得的該特定的軸的值。
[0004]此外，在衛(wèi)星位于天頂附近的軌道上的情況下，若使用AZ/EL坐標進行插值處理，則與衛(wèi)星位于天頂附近以外的軌道上時相比，每個用于控制天線的計算周期的各軸角度的變化率、即每△ t秒的各軸角度的變化率變大，所求得的程序指令角度的誤差變大。為了避免這種情況，專利文獻2的衛(wèi)星追蹤天線驅動控制方法中，基于衛(wèi)星的軌道預測信息，每隔規(guī)定的時間間隔計算指向衛(wèi)星的程序預測角度。接著，在根據(jù)程序預測角度而預測到衛(wèi)星通過天頂附近的情況下，選擇X/Y坐標來作為以比該程序預測角度要短的時間間隔計算指向衛(wèi)星的程序指令角度的插值處理所使用的坐標。
現(xiàn)有技術文獻專利文獻
[0005]專利文獻1:日本專利特開平7-202541號公報專利文獻2:日本專利特開2001-237629號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

發(fā)明所要解決的技術問題
[0006]作為對衛(wèi)星通信地球站的天線(地面天線)進行姿態(tài)控制的方式，使用以繞著垂直軸(AZ軸)和水平軸(EL軸)旋轉的方式進行支承的AZ/EL座架。在對象衛(wèi)星位于準天頂軌道，且從地面觀察時地面天線位于看起來為8字的環(huán)繞軌道的8字環(huán)的內(nèi)側的情況下，由于對內(nèi)部包含天頂?shù)拈]合曲線進行追蹤，因此，若驅動AZ(Azimuth)軸和EL(Elevat1n)軸來控制天線的姿勢(射束方向)，則AZ軸的旋轉角度為360度以上。該情況下，對于不支持無限旋轉的天線，需要進行使AZ軸向追蹤方向的反方向旋轉從而解開信號電纜的纏繞的操作(電纜重繞)等，由此在重繞期間將無法避免通信中斷。
[0007]即使是使用垂直軸、水平軸、以及位于水平軸上且與其正交的正交水平軸的三軸座架的天線，也同樣存在上述問題。另外，衛(wèi)星軌道會因攝動而變動，因此，由于在準天頂軌道中地面天線的位置會在8字的內(nèi)側和外側的情況間發(fā)生變化，因而需要進行與這兩種情況相對應的控制。
[0008]作為對地面天線進行姿勢控制的方式，使用以繞著水平固定于地面的X軸及在水平面內(nèi)與X軸正交的Y軸旋轉的方式進行支承的X/Y座架。在使用X/Y座架方式的情況下，即使地面天線位于8字環(huán)的內(nèi)側也不需要重繞電纜。但是，存在下述問題，S卩:天線的重心變高等機械上的重要條件變得嚴刻。
[0009]本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，其目的在于，即使在天線的驅動范圍存在限制的情況下，也能對呈現(xiàn)為內(nèi)部包含天頂?shù)拈]合曲線的軌道上的目標物進行追蹤。
解決技術問題的技術方案
[0010]為了達到上述目的，本發(fā)明所涉及的天線控制裝置對由經(jīng)瑋臺式架臺驅動的天線裝置的天線的指向方向進行控制，該天線裝置包括:固定的基部;相對于基部進行旋轉的旋轉軸即垂直于水平面的垂直軸；驅動垂直軸并使其旋轉的垂直軸驅動部；利用垂直軸進行旋轉移動的方位角架臺；相對于方位角架臺進行旋轉的旋轉軸即水平的水平軸;驅動水平軸并使其旋轉的水平軸驅動部;利用水平軸進行旋轉移動的仰角架臺；相對于仰角架臺進行旋轉的旋轉軸即垂直于水平軸的正交水平軸;驅動正交水平軸并使其旋轉的正交水平軸驅動部；以及利用正交水平軸進行旋轉移動的天線。方向獲取部獲取天線所追蹤的目標物的存在方向即目標方向。坐標變換部關于在垂直軸的旋轉范圍內(nèi)被固定為水平的Y軸、垂直于Y軸且固定為水平的X軸、以及垂直于X軸和Y軸的Z軸，將被變換的方向即被變換方向變換為投影到包含Y軸和Z軸的平面即YZ平面的被變換方向與Z軸間的角度即X坐標、以及YZ平面與被變換方向間的角度即Y坐標。控制部計算出用于使垂直軸在旋轉范圍內(nèi)旋轉的對垂直軸驅動部進行指令的指令值，以使得在水平面內(nèi)與水平軸垂直的方向與Y軸之間的角度即架臺方位角成為利用坐標變換部對目標方向進行變換后得到的Y坐標與系數(shù)相乘而得到的角度即方位旋轉角，并計算出對水平軸驅動部及正交水平軸驅動部進行指令的指令值，以使得指向方向與目標方向之差成為允許值以下。
發(fā)明效果
[0011]根據(jù)本發(fā)明，即使在天線的驅動范圍存在限制的情況下，也能夠對呈現(xiàn)為內(nèi)部包含天頂?shù)姆忾]曲線的軌道上的目標物進行追蹤。
【附圖說明】
[0012]圖1是表示本發(fā)明的實施方式I所涉及的天線控制裝置及天線裝置的結構例的框圖。
圖2是表示實施方式所涉及的天線裝置即三軸控制天線的座架的相互關系的概念圖。 圖3是表示天線的各軸的相互關系的概念圖。
圖4是表示作為追蹤目標的衛(wèi)星軌道的示例的圖。
圖5是表示AZ/EL座架的坐標和正交坐標的關系的圖。
圖6是表不X/Y座架的坐標和正交坐標的關系的圖。
圖7是表示實施方式中為了計算AZ角而設想的坐標系的旋轉的圖。 圖8是表示實施方式I所涉及的天線驅動控制的動作的一個示例的流程圖。
圖9是表示本發(fā)明的實施方式2所涉及的天線驅動控制的動作的一個示例的流程圖。
圖10是表示本發(fā)明的實施方式3所涉及的天線驅動控制的動作的一個示例的流程圖。 圖11是表示AZ軸固定的情況與實施方式I的EL軸及C-EL軸的動作的示例的圖。
圖12是表示實施方式I的具體例的AZ角的變化的圖。
圖13是表示實施方式I的具體例的EL角的變化的圖。
圖14是表示實施方式I的具體例的C-EL角的變化的圖。
【具體實施方式】
[0013]在下述說明中，將垂直軸稱為AZ(Azimuth)軸，水平軸稱為EL(Elevat1n)軸，正交水平軸稱為^1^((>0 88416￥&1:;[011)軸。此外，將AZ軸的角度稱為AZ角，EL軸的角度稱為EL角，C-EL軸的角度稱為C-EL角。
[0014]實施方式1.圖1是表示本發(fā)明的實施方式I所涉及的天線控制裝置及天線裝置的結構例的框圖。基于來自目標物的信號等，天線控制裝置2驅動三軸控制天線即天線I的各軸，以使得天線I的射束方向指向目標物。將射束方向即天線I所朝向的方向稱為天線的指向方向。天線控制裝置2包括運算處理部4、追蹤接收機8、預報值獲取部9、檢測值獲取部10、以及各軸的伺服控制部。伺服控制部包括分別對應于控制天線I的姿勢的垂直軸(AZ軸)驅動部14、水平軸(EL軸)驅動部15以及正交水平軸(C-EL軸)驅動部16的垂直軸(AZ軸)伺服控制部11、水平軸(EL軸)伺服控制部12以及正交水平軸(C-EL軸)伺服控制部13。
[0015]供電裝置3根據(jù)天線I接收到的衛(wèi)星發(fā)射的信號生成SUM信號和ERR信號，并傳輸給追蹤接收機8。追蹤接收機8根據(jù)SUM信號和ERR信號進行解調(diào)檢波，基于ERR信號相對于SUM信號的相位差和振幅比，輸出二軸角度誤差信號△ X、△ Y。追蹤接收機8是根據(jù)作為目標物的衛(wèi)星所發(fā)射且由天線I接收的信號，來生成天線I的水平軸及正交水平軸的角度誤差信號即二軸角度誤差信號的接收部。
[0016]預報值獲取部9獲取根據(jù)從未圖示的衛(wèi)星管制裝置等獲得的軌道預報值來決定的衛(wèi)星存在的方向的方位角分量即PAZ和仰角分量即PEL。角度PAZ、PEL也稱為軌道預報值。檢測值獲取部10從各軸的驅動部獲取各驅動軸的角度的檢測值。追蹤接收機8、預報值獲取部9以及檢測值獲取部10構成獲取天線所追蹤的目標物(衛(wèi)星)存在的方向即目標方向的方向獲取部20。未必一定要設置全部追蹤接收機8、預報值獲取部9及檢測值獲取部10。天線控制裝置2至少具備追蹤接收機8或預報值獲取部9即可。實施方式I中不需要設置檢測值獲取部
10。在實施方式2中使用檢測值獲取部10。
[0017]天線控制裝置2的運算處理部4基于來自追蹤接收機8的二軸角度誤差信號ΔΧ、ΔY、以及預報值獲取部9所獲取到的軌道預報值PAZ、PEL，來運算天線I的驅動指令值。運算處理部4包括誤差信號處理部5、驅動指令值運算部6以及坐標變換部7。誤差信號處理部5對二軸角度誤差信號A Χ、Δ Y進行變換處理，以適合天線I的驅動。坐標變換部7將軌道預報值PAZ、PEL變換成適合驅動指令值運算的坐標系。驅動指令值運算部6是計算用于將天線的各軸的驅動量抑制在限制范圍內(nèi)、且使射束方向指向目標物的驅動指令值的控制部。
[0018]在實施方式2中將進行說明，坐標變換部7也能夠輸入檢測值獲取部10所獲取的各驅動軸的角度的檢測值。圖1中，坐標變換部7的輸入側所圖示的切換開關示出了該情況。
[0019]圖2是表示實施方式所涉及的天線裝置即三軸控制天線的座架的相互關系的概念圖。三軸控制天線具備垂直軸24、水平軸25以及垂直水平軸26這三軸。垂直軸24由基部23支承，能夠相對于基部23繞著垂直線轉動。垂直軸24主要承擔天線I的方位角追蹤的作用。水平軸25與垂直軸24—起旋轉，天線I以能夠從地平線起通過天頂并指向至相反側的地平線為止的方式大致可轉動180°。水平軸25主要承擔仰角追蹤的作用。
[0020]正交水平軸26與水平軸25—起旋轉，能夠繞著與水平軸25正交的直線在某一角度范圍內(nèi)進行轉動。通常，正交水平軸26的轉動角度范圍比水平軸25的旋轉角度范圍要小。天線I固定于正交水平軸26。利用垂直軸24、水平軸25及正交水平軸26能夠使天線I的射束方向19朝向任意的所希望的方向。天線控制裝置2通過對這些軸進行控制，從而能夠使天線的射束方向追蹤目標物。
[0021]天線裝置由經(jīng)瑋臺式架臺(AZ/EL座架)來驅動。天線裝置包括:水平固定的基部23、相對于基部23旋轉的旋轉軸即與水平面垂直的垂直軸24、驅動垂直軸24使其旋轉的垂直軸驅動部14、利用垂直軸24進行旋轉移動的方位角架臺、相對于方位角架臺旋轉的旋轉軸即水平的水平軸25、驅動水平軸25使其旋轉的水平軸驅動部15、利用水平軸25進行旋轉移動的仰角架臺、相對于仰角架臺旋轉的旋轉軸即與水平軸垂直的正交水平軸26、驅動正交水平軸26使其旋轉的正交水平軸驅動部16、以及利用正交水平軸26進行旋轉移動的天線
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[0022]方位角架臺朝向水平面內(nèi)與水平軸25垂直的方向。方位角架臺朝向的方向與作為方位基準的方向間的角度稱為架臺方位角。仰角架臺朝向包含平行于水平軸25的方向和正交水平軸26在內(nèi)的平面的法線即仰角架臺法線的方向。仰角架臺法線與水平面間的角度稱為架臺仰角。若正交水平軸26不旋轉，則架臺方位角成為天線I的指向方向的方位角，架臺仰角成為天線I的指向方向的仰角。
[0023]圖3是表示天線的各軸的相互關系的概念圖。圖3所示的Xant-Yant坐標系固定于主反射鏡。Xant軸對應于EL軸，Yant軸對應于C-EL軸。誤差信號處理部5對表不Xant軸及Yant軸的角度誤差的信號即二軸角度誤差信號A Χ、Δ Y進行變換處理以使其適合天線驅動，然后向水平軸(EL軸)伺服控制部12和正交水平軸(C-EL軸)伺服控制部13輸出驅動指令，對天線I進行驅動。誤差信號處理部5是計算對水平軸驅動部15和正交水平軸驅動部16進行指令的指令值的控制部，以使得天線I的指向方向與目標方向的差成為允許值以下。
[0024]實施方式3中將要進行說明，作為對水平軸驅動部15和正交水平軸驅動部16進行指令的指令值，也可以使用驅動指令值運算部6計算得到的指令值。圖1中所示的在水平軸(EL軸)伺服控制部12和正交水平軸(C-EL軸)伺服控制部13的輸入側所圖示的兩個切換開關示出了該情況。
[0025]預報值獲取部9獲取衛(wèi)星位置的預測值即軌道預報值PAZ、PEL，并傳輸給坐標變換部7。圖4是表示作為追蹤目標的衛(wèi)星軌道的示例的圖。圖4示出從固定于地表的觀測點所能觀察到的準天頂衛(wèi)星的軌道以作為衛(wèi)星在成為天頂方向時的地球表面的位置軌跡。對于準天頂衛(wèi)星，若從固定于地表的觀測點(例如，天線I的設置地點)觀察，則可繪制出例如南北較長的8字軌道。
[0026]坐標變換部7中將AZ-EL坐標系變換成用于進行驅動指令值運算的X-Y坐標系之后，傳輸給驅動指令值運算部6。驅動指令值運算部6中基于輸入的軌道預報值對驅動指令值進行運算，并輸出至各軸的伺服控制部。以下示出驅動指令值運算部6和坐標變換部7中的處理例。
[0027]圖5是表示AZ/EL座架的坐標和正交坐標的關系的圖?？紤]以地表的某一點作為原點的坐標系。正交坐標系中，將垂直于水平面的方向即天頂方向設為z軸，將水平面的南設為X軸的正方向，水平面的東設為y軸的正方向。AZ/EL座架的坐標、S卩AZ-EL坐標系中，將北設為作為方位基準的方向，ΑΖ = 0°，從天頂觀察按順時針取AZ角，從水平面起的仰角設為EL角。南的方位為180° (或-180° )。水平為EL = 0°，天頂為EL = 90°。將AZ-EL坐標系的矢徑設為R，表示相同點的正交坐標系(x、y、z)與AZ-EL坐標系(R、AZ、EL)的關系由下式表示。
X= -R.cos EL.cos AZ (I)y = R.cos EL.sin AZ (2)z = R.sin EL (3)
[0028]圖6是表示X/Y座架的坐標和正交坐標的關系的圖。正交坐標與圖5相同。X/Y座架的坐標、即X-Y坐標系以天頂方向作為原點(0° )，繞東西方向上水平固定的X軸(正交坐標的y軸)向北旋轉的方向的角度設為角度X。即，將從東觀察天頂方向時從天頂起順時針旋轉得到角度X。接著，將包含南北方向上水平固定的Y軸(正交坐標的X軸)和作為天頂方向的Z軸在內(nèi)的YZ平面中垂直于角度X的方向作為旋轉軸，向東旋轉的方向的角度設為角度Y。天頂方向為X = 0°、Y = 0°。角度X在朝北的情況下為X = 90°，朝南的情況下為X = _90°。角度Y在朝東的情況下為Y=90°，朝西的情況下為Υ=_90°。
[0029]將X-Y坐標系的矢徑設為R，表示相同點的正交坐標系(X、y、ζ)與X-Y坐標系(R、X、Y)的關系由下式表示。
X = -R.cos Y.sin X (4)y = R.sin Y (5)z = R.cos Y.cos X (6)
[0030]X軸和Y軸均為水平，彼此正交。將垂直于X軸和Y軸的天頂方向設為Z軸。投影到包含Y軸和Z軸的平面即YZ平面的被變換的方向即被變換方向與Z軸之間的角度成為X坐標。YZ平面與被變換方向間的角度為Y坐標。
[0031 ]這里，能夠按下式對AZ-EL坐標系和X-Y坐標系進行相互的變換。 tan AZ = tan Y/sin X (7) sin EL = Cos X.cos Y (8) tan X = Cos AZ/tan EL (9) sin Y = sin AZ.cos EL (10)
坐標變換部7使用上述變換式等，對AZ-EL坐標或其他的坐標系與X-Y坐標進行相互變換。
[0032]圖7是表示實施方式中為了計算AZ角而設想的坐標系的旋轉的圖。圖7示出從天頂觀察地面時使坐標系繞AZ軸(ζ軸)順時針旋轉角度AZl的情況。
[0033]考慮從天頂觀察地面時，使X/Y座架的X-Y坐標系繞AZ軸順時針旋轉AZl后得到的X1-Y1坐標、及AZ-EL坐標的變換式。若認為角度AZ變?yōu)榻嵌?AZ-AZl)，則變換式如下所示。
tan(AZ_AZl) = tan Yl/sin Xl (11)sin EL = Cos Xl.cos Yl (12)tan Xl = cos(AZ_AZl)/tan EL (13)sin Yl = sin(AZ-AZl).cos EL (14)
另外，也可以考慮將使目標方向繞AZ軸旋轉而得到的方位角變更后目標方向變換為X-Y坐標。
[0034]角度AZ和角度EL可由角度AZl及角度Xl、角度Yl來表示。
AZ = tan—Htan Yl/sin Xl)+ΑΖ1 (15)
EL = Sirf1(CC)S Xl.cos Yl) (16)
角度Xl和角度Yl可由角度AZ、角度EL及角度AZl來表示。
Xl= tan_1(cos(AZ-AZl)/tan EL) (17)
Yl = sin_1(sin(AZ-AZl).cos EL) (18)
[0035]這里，若考慮將AZ軸旋轉角度AZl，則角度Xl和角度Yl相當于EL軸和C-EL軸的旋轉角度的指令值。驅動指令值運算部6中，根據(jù)上述變換式，計算驅動指令值Xl和Y1。
[0036]本實施方式中，用[a，b]來表示從a到b的閉區(qū)間，將AZ軸的旋轉范圍設為[-180°，180° ]。即，設為從旋轉范圍的中心起旋轉不超過土 180°。旋轉范圍的中心為ΑΖ = 0°即北方向。這里，將AZ軸的旋轉角AZI設為相對于在AZ軸的旋轉范圍的中心方向上水平固定的Y軸的旋轉角度即Y坐標與系數(shù)_k相乘后的值AZl = -kY ^Zl是使AZ軸旋轉的方位旋轉角。這里，設為-k的理由是因為在對準天頂軌道上的衛(wèi)星進行追蹤的情況下，若衛(wèi)星存在于南，則正交水平軸的旋轉角變大，因此，通過使AZ軸旋轉，可減小正交水平軸的旋轉角。系數(shù)k可以根據(jù)X坐標的值而變化。
[0037]Y坐標是天線的目標方向上相對于包含天頂方向和Y軸在內(nèi)的平面的角度，因此，Y坐標的范圍為[-90°，90°]。天線電纜的重繞成為問題的是看起來環(huán)繞內(nèi)部包含天頂?shù)拈]合曲線的軌道。該情況下，Y坐標在[-90°，90°]所包含的范圍往復，因此，例如，若設定為一
k彡1(條件I)的范圍，則角度AZl不會超出[-180°，180°]外。另外，若AZl在[-180°，180°]的范圍內(nèi)，則k的絕對值可以大于I。
[0038]此外，關于使AZ軸旋轉角度AZl后的針對EL軸和C-EL軸的驅動指令值Xl和Yl，在EL軸的可動范圍為[-Ex，Ex]、C-EL軸的可動范圍為[_Cx，Cx]的情況下，將系數(shù)k設定為滿足下述條件2和3的值。角度Xl是使EL軸旋轉后的仰角架臺法線與天頂方向間的角度即水平軸旋轉角。角度Yl是使C-EL軸旋轉后的天線的指向方向與仰角架臺法線間的角度即正交水平軸旋轉角。
另外，在EL軸的可動范圍為[-90°，90°]，C-EL軸的可動范圍為[-90°，90°]的情況下，只要滿足條件I，則也滿足條件2和條件3。
[0039]為了設為-ExOCl 彡 Ex
根據(jù)tan Xl = cos(AZ-AZl )/tan EL由于正切函數(shù)tan為奇函數(shù)，
因此，-tan Ex^；cos(AZ-AZl)/tan EL^itan Ex (19)
。設AZI = -kY，得到下述條件2。
條件2:
(1/Y).(cos—H-tan Ex.tan EL)-AZXk<(1/Y)(cos—1I^tan Ex.tan EL)-AZ) Y= O的情況下，系數(shù)k不確定，但該情況下，由于可使AZl = O，因此可認為k = O。
[0040]為了設為-Cx 彡 Yl SCx，
根據(jù)sin Yl = sin(AZ-AZl).cos EL
由于正弦函數(shù)sin為奇函數(shù)，因此
-sin Cx^isin(AZ-AZl).cos EL^isin Cx (20)
。設AZI = -kY，得到下述條件3。
條件3:
(1/Y).(-sin—Hsin Cx/cos EL)-AZXk<(1/Y).(sin—Hsin Cx/cos EL)-AZ)
[0041]設定滿足上述條件1、條件2及條件3的系數(shù)k，將AZ軸的旋轉角設為AZl=_kY。由此，即使在天線的目標方向環(huán)繞內(nèi)部包含天頂?shù)拈]合曲線的情況下，也不會發(fā)生天線重繞的情況，能在EL軸和C-EL軸的可動范圍內(nèi)對其進行驅動。這里，根據(jù)AZ軸、EL軸及C-EL軸的可動范圍，預先設定滿足上述條件I至3的系數(shù)k，決定AZ軸的旋轉角即可。對于追蹤對象的衛(wèi)星的軌道，例如確定為準天頂衛(wèi)星，若能夠限定設置天線的地表上的范圍，則設置天線時AZ軸的旋轉范圍的中心的方向例如可限定為南北方向，可將系數(shù)k設定為最大值。
[0042]圖8是表示實施方式I所涉及的天線驅動控制的動作的一個示例的流程圖。預報值獲取部9獲取軌道預報值PAZ、PEL作為目標方向(步驟Sll)。坐標變換部7根據(jù)軌道預報值PAZ、PEL變換為X/Y座架的X-Y坐標值(步驟S12)。驅動指令值運算部6使用預先設定為滿足上述條件的系數(shù)k，根據(jù)變換后的X-Y坐標值計算AZ軸的驅動量AZI = -kY(步驟S13)。在旋轉角AZl=-kY下，驅動AZ軸(步驟S14)。
[0043]此時，通過AZ軸的驅動在目標物與天線的射束方向之間產(chǎn)生角度誤差。于是，誤差信號處理部5從追蹤接收機8獲取角度誤差信號△ X、△ Y(步驟S15)。此時的天線I的指向方向加上角度誤差信號A X、Δ Y而得到的方向成為目標方向。誤差信號處理部5計算EL軸和C-EL軸的指令值以使得二軸角度誤差信號△ X、△ Y變小(步驟S16)，以指令值驅動EL軸和C-EL軸(步驟S17)。運算處理部4返回步驟Sll，從下一次軌道預報值獲取開始，反復進行上述處理。
[0044]實施方式I中，說明了將AZ軸的旋轉范圍的中心方向和Y軸配置于北的情況。也可以將AZ軸的旋轉范圍的中心方向和Y軸的任一個或雙方配置為不朝北。即使將AZ軸的旋轉范圍的中心設置為任意的方位，只要使Y軸處于AZ軸的旋轉范圍內(nèi)，使X軸成為在水平面內(nèi)與Y軸正交的方向，計算變換式及條件I?3即可。接著，將從Y軸起的旋轉角AZl設為Y坐標與系數(shù)_k相乘后的值。
[0045]在利用天線I進行追蹤的目標為準天頂衛(wèi)星的情況下，如圖4所示，軌道南北較大東西較小。在對準天頂衛(wèi)星進行追蹤的情況下，若將AZ軸的旋轉范圍的中心設置為北或南，Y軸為南北方向，則能夠減小AZ軸的旋轉角度。
[0046]實施方式2.實施方式2所涉及的天線控制裝置的結構與實施方式I所涉及的天線控制裝置的結構相同，但作為運算處理部4中的驅動指令值運算部6的輸入，使用天線I的AZ軸的檢測角度RAZ、EL軸的檢測角度REL、以及C-EL軸的檢測角度RC-EL。坐標變換部7從檢測值獲取部10輸入檢測角度RAZ、REL及RC-EL進行坐標變換。即，相當于在圖1的天線控制裝置2中，將預報值獲取部9及檢測值獲取部10與坐標變換部7之間的開關設定到檢測值獲取部9 一側。
[0047]該情況下，即使C-EL軸的檢測角度RC-EL不為0°，天線的射束方向也唯一確定，因此能夠計算出X-Y坐標值。在上述示出的式(15)和式(16)中，通過代入AZl =RAZ、X1=REL、Y1 = RC — EL，能夠求出該時刻的天線I的指向方向的方位角分量AZ和仰角分量EL。將AZ-EL坐標變換為X-Y坐標。驅動指令值運算部6根據(jù)變換后的X-Y坐標值，使用系數(shù)k可計算出AZ軸的旋轉角。運算處理部4基于來自追蹤接收機8的二軸角度誤差信號ΔΧ、Δ Y來驅動EL軸和C-EL軸。驅動EL軸和C-EL軸的結果反映到REL和RC-EL，因此，相應地反饋到AZ軸的驅動。通過使用了該反饋環(huán)的驅動指令值運算，可得到與實施方式I相同的效果。該實施方式2中，天線I能夠大致準確地捕捉目標物，將決定各時刻的天線I的垂直軸、水平軸及正交水平軸的檢測角度的方向處理作為目標方向來求得垂直軸的旋轉角。使用天線I的垂直軸、水平軸及正交水平軸的檢測角度生成目標方向。
[0048]圖9是表示本發(fā)明的實施方式2所涉及的天線驅動控制的動作的一個示例的流程圖。在初始捕捉追蹤目標物(步驟S21)之后，利用檢測值獲取部10獲取檢測角度RAZ、REL及RC-EL(步驟S22)。坐標變換部7根據(jù)RAZ、REL及RC-EL變換為X/Y座架的X-Y坐標值(步驟S23)。驅動指令值運算部6使用預先設定為滿足上述條件的系數(shù)k，根據(jù)變換后的X-Y坐標值計算AZ軸的驅動量AZl =-kY(步驟S24)。在AZl =-kY下，驅動AZ軸(步驟S25)。
[0049]此時，通過AZ軸的驅動在目標物與天線的射束方向之間產(chǎn)生角度誤差。于是，誤差信號處理部5從追蹤接收機8獲取二軸角度誤差信號ΔΧ、Δ Y(步驟S26)。誤差信號處理部5計算EL軸和C-EL軸的指令值以使得二軸角度誤差信號△ X、△ Y變小(步驟S27)，以指令值驅動EL軸和C-EL軸(步驟S28)。運算處理部4返回步驟S22，從下一次檢測值獲取開始反復進行上述處理。
[0050]如上所述，實施方式2中，不需要從外部獲取軌道預報值。實施方式2中不需要設置預報值獲取部9。
[0051 ]實施方式3.實施方式3所涉及的天線控制裝置的結構與實施方式I所涉及的天線控制裝置的結構相同，但在本實施方式的天線控制裝置2所具備的兩個動作模式中，使用基于軌道預報值控制天線I的程序追蹤(PROG)模式。該情況下，不使用來自目標物的信號，而使天線I的射束方向19指向從預報值獲取部9獲得的軌道預報值的方向。
[0052]實施方式I或實施方式2中，使用基于來自目標物的信號來控制天線I的姿勢的自動追蹤(AUTO)模式。即，利用誤差信號處理部5處理追蹤接收機8輸出的二軸角度誤差信號，并驅動C-EL軸和EL軸以使得角度誤差變小。實施方式2中基于天線的檢測角度驅動AZ軸。與此相對地，實施方式3所涉及的PROG模式中，根據(jù)預報值PAZ、PEL計算EL軸和C-EL軸的指令值(X1、Y1)。
[0053]坐標變換部7根據(jù)預報值獲取部9獲取到的軌道預報值PAZ、PEL來變換為X-Y坐標值。驅動指令值運算部6在根據(jù)變換后的X-Y坐標值計算出AZ軸的旋轉角AZl的同時，根據(jù)X-
Y坐標值計算出EL軸和C-EL軸的指令值Xl、Y1。接著，以指令值AZl、X1及Yl驅動AZ軸、EL軸及C-EL軸。實施方式3中，將圖1的天線控制裝置2中，誤差信號處理部5及驅動指令值運算部6與水平軸伺服控制部12及正交水平軸伺服控制部13之間的開關設定為PROG—側。
[0054]圖10是表示本發(fā)明的實施方式3所涉及的天線驅動控制的動作的一個示例的流程圖。從軌道預報值獲取的步驟S31到以AZl驅動AZ軸的步驟S34為止的動作與圖8的步驟Sll到步驟S14相同。實施方式3中，不使用二軸角度誤差信號，而根據(jù)軌道預報值計算EL軸和C-EL軸的指令值(步驟S35)，以指令值驅動EL軸和C-EL軸(步驟S36)。運算處理部4返回步驟S31，從下一次軌道預報值獲取開始，反復進行上述處理。
[0055]實施方式3所涉及的天線控制裝置2通過基于軌道預報值進行AZ軸、EL軸、C-EL軸的驅動指令值運算，可獲得與實施方式I相同的效果。實施方式3中，可以沒有追蹤接收機8和誤差信號處理部5。
[0056]具體例.圖11是表示AZ軸固定的情況與實施方式I的EL軸及C-EL軸的動作的示例的圖。橫軸為EL軸的角度(X)，縱軸為C-EL軸的角度(Y)。圖11示出下述情況作為具體例，S卩:在對準天頂軌道的衛(wèi)星進行追蹤的情況下，在地面天線的設置位置位于準天頂衛(wèi)星軌道的8字的內(nèi)側，準天頂軌道可視為內(nèi)部包含天頂?shù)拈]合曲線的天線裝置中，將AZ軸固定為0°的情況、以及使用實施方式I的結構的情況。圖11的示例中，示出在將C-EL軸的驅動范圍設為[-10°，10°]的情況下EL角(X角)及C-EL角(Y角)的變化。
[0057]在現(xiàn)有的將AZ軸固定為0°位置的情況下，C-EL角(Y角)的絕對值超過10°，由于變?yōu)樘炀€的驅動范圍外從而無法應對。另一方面，如實施方式I所示那樣在設為AZl = — kY(k=1)的情況下，C-EL角(Y角)可抑制為在[-10°，10°]的范圍內(nèi)變化。
[0058]圖12是表示實施方式I的具體例的AZ角的變化的圖。圖13是表示實施方式I的具體例的EL角的變化的圖。圖14是表示實施方式I的具體例的C-EL角的變化的圖。分別示出圖11的實施方式I的具體例。橫軸為時間(單位:秒)，縱軸為天線的各軸的檢測角度(單位:度)。可知AZ軸的變化可抑制在[-20°，20° ]的范圍內(nèi)，不需要進行重繞。
[0059]本發(fā)明中，在不脫離本發(fā)明的廣義精神與范圍的情況下，能夠提出各種實施方式以及變形。另外，上述實施方式僅用來對本發(fā)明進行說明，而不對本發(fā)明的范圍進行限定。本發(fā)明的范圍由權利要求的范圍來表示，而不是由實施方式來表示。并且，在權利要求的范圍內(nèi)及與其同等發(fā)明意義的范圍內(nèi)實施的各種變形也視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0060]本申請基于2014年I月17日提出申請的包含說明書、權利要求書、附圖以及摘要的日本專利申請2014-6482號主張優(yōu)先權。日本專利申請2014-6482號的公開內(nèi)容通過援引整體包含于本申請中。
標號說明
[0061]I天線，2天線控制裝置，3供電裝置，4運算處理部，5誤差信號處理部(控制部)，6驅動指令值運算部(控制部)，7坐標變換部，8追蹤接收機(接收部)，9預報值獲取部，10檢測值獲取部，11垂直軸(AZ軸)伺服控制部，12水平軸(EL軸)伺服控制部，13正交水平軸(C-EL軸)伺服控制部，14垂直軸(AZ軸)驅動部，15水平軸(EL軸)驅動部，16正交水平軸(C-EL軸)驅動部，19射束方向，20方向獲取部，23基部，24垂直軸，25水平軸，26正交水平軸。
【主權項】
1.一種天線的控制裝置，對由經(jīng)瑋臺式架臺驅動的天線裝置的天線的指向方向進行控制，該天線裝置包括:固定的基部；相對于所述基部旋轉的旋轉軸即垂直于水平面的垂直軸;驅動所述垂直軸并使其旋轉的垂直軸驅動部;利用所述垂直軸進行旋轉移動的方位角架臺；相對于所述方位角架臺旋轉的旋轉軸即水平的水平軸;驅動所述水平軸并使其旋轉的水平軸驅動部;利用所述水平軸進行旋轉移動的仰角架臺；相對于所述仰角架臺旋轉的旋轉軸即垂直于所述水平軸的正交水平軸;驅動所述正交水平軸并使其旋轉的正交水平軸驅動部；以及利用所述正交水平軸進行旋轉移動的所述天線，該天線控制裝置的特征在于，包括: 方向獲取部，該方向獲取部獲取所述天線所追蹤的目標物存在的方向即目標方向； 坐標變換部，該坐標變換部關于所述垂直軸的旋轉范圍內(nèi)被固定為水平的Y軸、垂直于所述Y軸且固定為水平的X軸、以及垂直于所述X軸和所述Y軸的Z軸，將被變換的方向即被變換方向變換為投影到包含所述Y軸和所述Z軸在內(nèi)的平面即YZ平面的所述被變換方向與所述Z軸間的角度即X坐標、以及所述YZ平面與所述被變換方向間的角度即Y坐標;以及 控制部，該控制部計算出用于使所述垂直軸在所述旋轉范圍內(nèi)旋轉的對所述垂直軸驅動部進行指令的指令值，以使得在水平面內(nèi)與所述水平軸垂直的方向與所述Y軸之間的角度即架臺方位角成為利用所述坐標變換部對所述目標方向進行變換后的所述Y坐標與系數(shù)相乘后的角度即方位旋轉角，并計算出對所述水平軸驅動部及所述正交水平軸驅動部進行指令的指令值，以使得所述指向方向與所述目標方向的差成為允許值以下。2.權利要求1所述的天線控制裝置，其特征在于， 以下述方式?jīng)Q定所述系數(shù)，即:在所述架臺方位角為所述方位旋轉角的情況下，使得由所述目標方向決定的所述水平軸及所述正交水平軸的角度分別進入所述水平軸及所述正交水平軸的可動范圍。3.權利要求1或2所述的天線控制裝置，其特征在于， 所述Y軸配置在所述垂直軸的旋轉范圍的中心。4.權利要求1至3的任一項所述的天線控制裝置，其特征在于， 所述方向獲取部包括獲取所述目標物的軌道預報值的軌道預報獲取部、以及根據(jù)所述目標物所輻射出且由所述天線接收的信號來生成所述天線的所述水平軸及所述正交水平軸的角度誤差信號即二軸角度誤差信號的接收部，所述方向獲取部使用所述軌道預報值生成所述目標方向， 所述控制部根據(jù)所述二軸角度誤差信號計算出所述水平軸及所述正交水平軸的指令值。5.權利要求1至3的任一項所述的天線控制裝置，其特征在于， 所述方向獲取部包括獲取所述垂直軸、所述水平軸及所述正交水平軸的檢測角度的檢測部；以及根據(jù)所述目標物所輻射出且由所述天線接收的信號來生成所述天線的所述水平軸及所述正交水平軸的角度誤差信號即二軸角度誤差信號的接收部，所述方向獲取部使用所述垂直軸、所述水平軸及所述正交水平軸的所述檢測角度生成所述目標方向， 所述控制部根據(jù)所述二軸角度誤差信號計算出所述水平軸及所述正交水平軸的指令值。6.權利要求1至3的任一項所述的天線控制裝置，其特征在于， 所述方向獲取部具有獲取所述目標物的軌道預報值以作為所述目標方向的軌道預報獲取部， 所述控制部基于利用所述坐標變換部對方位角變更后目標方向進行變換而得到的所述X坐標及所述Y坐標來計算對所述水平軸及所述正交水平軸進行指令的指令值，其中，所述方位角變更后目標方向是使所述目標方向繞所述垂直軸旋轉所述方位旋轉角后的方向。7.權利要求1至6的任一項所述的天線控制裝置，其特征在于， 所述目標物為準天頂衛(wèi)星， 所述垂直軸的旋轉范圍的中心是北或南，所述Y軸是南北方向。8.一種天線裝置，其特征在于，包括: 固定的基部； 相對于所述基部旋轉的旋轉軸即垂直于水平面的垂直軸； 驅動所述垂直軸并使其旋轉的垂直軸驅動部； 利用所述垂直軸進行旋轉移動的方位角架臺； 相對于所述方位角架臺旋轉的旋轉軸即水平的水平軸； 驅動所述水平軸并使其旋轉的水平軸驅動部； 利用所述水平軸進行旋轉移動的仰角架臺； 相對于所述仰角架臺旋轉的旋轉軸即垂直于所述水平軸的正交水平軸； 驅動所述正交水平軸并使其旋轉的正交水平軸驅動部； 利用所述正交水平軸進行旋轉移動的天線；以及 控制所述天線的指向方向的權利要求1至7的任一項所述的天線控制裝置。
【文檔編號】H01Q3/02GK105934852SQ201580004777
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2015年1月15日
【發(fā)明人】吉田幸司, 上鄉(xiāng)直也, 酒井雄二, 堀本正伸
【申請人】三菱電機株式會社