JP5787475B2 - 衛星捕捉装置 - Google Patents

Description

本発明は、通信衛星にアクセスする無線局において、設置点の緯度に基づいて所望の静止衛星を捕捉する衛星捕捉装置に関する。

従来、衛星通信システムの地球局では、空中線系の主ローブの仰角および方位角は、以下の通りに設定されていた。
(1) 傾斜計を介して水平面に対する空中線系の姿勢の誤差が確認され、このような差が所望の精度で小さな値に圧縮される。
(2) ＧＰＳ（Global Positioning
System）を用いて地球局が設置された地点の緯度θlat および経度θlon が求められる。

(3) 方位磁石を用いて真北（真南）の方向が特定される。
(4) 上記緯度θlat および経度θlon の地点において、静止軌道上における所望の静止衛星の位置を示す方位角Θａｚおよび仰角Θｅが求められる。
(5) 空中線系の仰角が上記仰角Θｅに設定される。

(6) 上記方位角θｅまたは真北（真南）の方向を基準として、空中線系の方位角が上記方位角Θａｚに設定される。
(7) 静止衛星から到来した無線信号のレベルや信号空間上における誤差が所望の精度で小さな値となる値に方位角Θａｚが微調整されることにより、上記方位磁石の誤差の圧縮が図られる。

また、このような方位角Θａｚは、複数の衛星から同じ周波数帯の無線信号が受信された場合には、電界強度が高い受信波が到来した静止衛星の方位角に優先的に設定される。

なお、本発明に関連する先行技術としては、以下に列記する特許文献１ないし特許文献３がある。
(1) 「停止時における車両の方位角、ピッチ角及びロール角をそれぞれ独立的かつ自動的に検出する手段と；車両停止時において検出された前記方位角、ピッチ角及びロール角を停止時における車両の姿勢角として出力する手段と；車両停止位置情報に基づき取得された衛星の絶対方向（仰角及び方位角）を前記検出された姿勢角を用いて車両から見た衛星の相対方向（仰角及び方位角）へ座標変換する手段；車両に搭載されるアンテナの指向方向を前記座標変換した相対仰角及び相対方位角で定まる方向へ設定する手段と；前記設定した指向方向の周辺領域におけるその指向方向の制御を前記座標変換によって相対方向を求めて行う手段と；前記設定した指向方向において、または、前記指向方向の制御時において、受信電界強度値と基準値とを比較し受信電界強度値が基準値を超えるか否かによって衛星を捕捉したか否かを判断し、衛星を捕捉しない場合には、衛星に対する絶対仰角を所定の単位角度幅ごとに一定として方位方向に所定の範囲を走査する予め設定した走査パターンに基づいて前記アンテナの指向方向を走査せしめつつ衛星を捕捉する手段とを備える」ことにより、「車両停止時の姿勢角を自動的に検出し、それを用いて車両から見た衛星の相対方向を求めるようにしたので、正確にアンテナを衛星方向へ指向させることができる」する点に特徴がある衛星通信用の車載アンテナ…特許文献１

(2) 「ＧＰＳ２１と方位測定手段２５とを移動体１１に搭載し、ＧＰＳ２１で移動体１１の現在位置を、方位測定手段２５で絶対方位をそれぞれ測定し、これと衛星１５の位置情報とにより演算手段２６で移動体１１から衛星１５を見た時の仰角と方位角とを演算し、これら仰角と方位角とに、アンテナ１３の指向方向の仰角と、方位角とがそれぞれなるように設定手段２７により駆動手段１２を制御する」ことにより、「短時間で衛星を捕捉する」点に特徴がある衛星通信用移動体アンテナ制御装置…特許文献２

(3) 「受信周波数及び受信レベルに基づいて捕捉対象衛星からのビーコン信号を判別するビーコン受信判別装置７と、車載局１０及び捕捉対象衛星１の位置情報に基づいて方位角及び仰角を算出するアンテナ制御装置６と、アンテナ２を駆動するアンテナ駆動装置５とを備え、アンテナ制御装置６により算出された方位角を中心とする第１の角度範囲内においてアンテナ２を駆動し、ビーコン受信判別装置７からの判別信号に基づいてビーコン信号にロックオンする」ことにより、「車載局アンテナを短時間かつ確実に自動で捕捉対象衛星に指向させることができる」点に特徴がある車載中継局の衛星捕捉システム…特許文献３

特許第２９２６７４８号公報 特開平８−１２５４３０号公報 特開２００３−３０９４１５号公報

ところで、上述した従来例では、方位磁石による方位角θｅの計測、あるいは真北（真南）の方向の特定には、高い鉄塔、高圧線、大きな建造物等による地磁気の乱れに起因して大きな誤差を生じる可能性がある。

また、渓谷、あるいは比較的高い山に近い低地では、ＧＰＳ衛星から到来する受信波の数が好適な値となるとは限らないため、ＧＰＳを用いた地球局の緯度θlatおよび経度θlon の特定の精度は、必ずしも十分ではなかった。

さらに、同じ周波数帯の受信波が受信された複数の静止衛星の内、電界強度が高い受信波が到来した方向にある静止衛星は、その受信波の電界強度が地形・気象現象等に応じた伝搬路の特性によって広範に変動し得るため、必ずしも所望の静止衛星とはならなかった。

また、従来例では、同じ帯域内で受信される受信波の送信源に該当する静止衛星の数が多い場合には、これらの静止衛星の内、受信波の電界強度が最も高い静止衛星から順番に捕捉の対象とするために、所望の静止衛星を捕らえるまでに長時間を要する場合があった。

本発明は、構成が大幅に変更されることなく、始動時における空中線系の主ローブの方位角の如何にかかわらず効率的に所望の静止衛星を捕捉できる衛星捕捉装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、方位探索手段は、空中線系の位置の緯度に対して静止軌道上における所望の静止衛星の位置を与える仰角に前記空中線系の主ローブの仰角を設定し、かつ前記主ローブの方位角を掃引することによって、前記所望の静止衛星から到来すべき無線信号が受信された方位を求める。方位絞り込み手段は、前記方位探索手段によって求められ、かつ前記仰角の方向で前記静止軌道と交叉する二点の方位の内、前記静止軌道上における既知の静止衛星の配置と、前記空中線系の位置とで定まる前記所望の静止衛星の方位を識別する。

すなわち、空中線系の主ローブの方位角および仰角が如何なるものであっても、所望の静止衛星の方位角は、既知の仰角に対して静止軌道上で交叉する２つの方位の内、既存の静止衛星の配置に基づいて選択された一方の方位として特定される。

本発明によれば、方位磁針や方位センサが用いられることなく、所望の静止衛星の捕捉が確度高く効率的に実現される。
本発明によれば、所望の静止衛星の捕捉に要する処理量および時間が大幅に削減される。

本発明によれば、空中線系の主ローブの幅が小さく設定可能であるほど、所望の静止衛星の捕捉の効率が高められる。
本発明が適用された衛星通信システムでは、静止衛星を介する通信路の確保が安価に、かつ速やかに達成される。

本発明の一実施形態を示す図である。 本実施形態におけるシーケンサの動作フローチャートである。 本実施形態の動作原理を説明する図である。 静止衛星テーブルの構成を示す図である。 目的方位ポインタテーブルの構成を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す図である。
図において、車外装置１０は、所定のケーブルを介して接続された車内装置２０と共に車両等の移動体に搭載される。
車外装置１０は、以下の要素から構成される。

(1) 所望の静止衛星との間に無線伝送路を形成する平面アンテナ１１
(2) 平面アンテナ１１の給電点に接続され、上記無線伝送路を介して送受信される無線信号を中間周波帯またはベースバンドにおいて車内装置２０に引き渡す送受信部１２

(3) これらの平面アンテナ１１および送受信部１２から構成される無線部１０ＲＦを物理的に可動させることにより、上記無線伝送路の方位角、仰角および偏波をそれぞれ可変するサーボ機構１３ＡＺ、１３Ｅ、１３Ｐ
(4) サーボ機構１３ＡＺによって可変される方位角を所定の範囲（例えば、０〜２πラジアン）に制限するリミットスイッチ１４
(5) ＧＰＳを利用することにより平面アンテナ１１（無線部１０ＲＦ）が位置する地点Ｐの緯度ｌａｔおよび経度ｌｏｎを得る測位部（ＧＰＳ）１５

(6) 平面アンテナ１１の基部の水平面に対する傾斜角を得る傾斜計１６
(7) 上記送受信部１２、サーボ機構１３ＡＺ、１３Ｅ、１３Ｐ、リミットスイッチ１４、測位部１５および傾斜計１６にそれぞれ接続された入出力ポートに併せて、車内装置２０との連係に供される通信ポートを有するシーケンサ１７

また、車内装置２０は、以下の要素から構成される。
(1) 送受信部１２と相互に中間周波帯またはベースバンドで既述の無線信号を引き渡し、かつ既定のフレーム構成に基づくフレームの列をシンボル列として出力する信号処理部２１
(2) 信号処理部２１およびシーケンサ１７と連係することにより、操作者に所定の情報を提供し、その操作者によって行われる操作にかかわる仲立ちをする表示装置部２２

図２は、本実施形態におけるシーケンサの動作フローチャートである。
図３は、本実施形態の動作原理を説明する図である。
以下、図１〜図３を参照して本発明の第一の実施形態の動作を説明する。

シーケンサ１７は、始動時に、傾斜系１６を介して水平面に対する平面アンテナ１１の基部の傾斜角を計測する。シーケンサ１７は、その傾斜角が所定の精度で０度でない場合には、表示操作部２２を介してその旨を操作者に通知し、可能である場合には、傾斜補償機構（図示されない。）を駆動することにより、上記基部の水平面に対する傾斜を補償する。

また、シーケンサ１７の主記憶には、図４に示され、かつ以下の通りに構成された静止衛星テーブル１７Ｔが予め配置される。
(1) 既存の静止衛星のユニークな識別子ＩＤ１〜ＩＤＮに個別に対応するレコードの集合として構成される。

(2) 個々のレコードには、以下の項目が個別に格納されたフィールドが含まれる。
2-1) 静止軌道上における該当する静止衛星（以下、「目的静止衛星」という。）の経度ＬＡＴｉ
2-2) 目的静止衛星から到来する無線信号の占有帯域Ｂｉ
2-3) この無線信号の変復調に適用される変復調方式Ｍｉ
2-4) このような変復調方式Ｍｉに基づいて上記無線信号として伝送されるフレームのフレーム構成Ｆｉ
2-5) 目的静止衛星からダウンリンクを介して到来する無線信号の偏波ＰＯＬｉ

シーケンサ１７は、操作者が表示操作部２２を介して「目的静止衛星の識別子ＩＤｎ」を指定すると、以下の処理を行う。
(1) 静止衛星テーブル１７Ｔのレコードの内、上記識別子ＩＤｎに対応するレコード（以下、「目的レコード」という。）を特定し（図２ステップＳ１）、その目的レコードの各フィールドに格納されている経度ＬＡＴｉ、占有帯域Ｂｉ、変復調方式Ｍｉ、フレーム構成Ｆｉ、偏波ＰＯＬｉを取得する（図２ステップＳ２）。

(2) 送受信部１２に、これらの占有帯域Ｂｉ、変復調方式Ｍｉ、フレーム構成Ｆｉに基づく無線信号の送受信、変復調を指示する（図２ステップＳ３）。
(3) 測位部１５によって得られた緯度ｌａｔおよび経度ｌｏｎに併せて、上記経度ＬＡＴｉを所定の座標系に適用することにより、平面アンテナ１１（無線部１０ＲＦ）が位置する地点Ｐから目的静止衛星の方向を示す方位角θａｚおよび仰角θｅを算出する（図２ステップＳ４）。

(4) 上記緯度ｌａｔおよび経度ｌｏｎに基づいて既述の偏波ＰＯＬｉを補正することにより、目的静止衛星から地点Ｐに到来する無線信号の偏波ＰＯＬｉ′を特定する（図２ステップＳ５）。
(5) サーボ機構１３Ｐを介して平面アンテナ１１（無線部１０ＲＦ）の姿勢を調整することにより、その平面アンテナ１１の偏波を上記偏波ＰＯＬｉ′に一致させる（図２ステップＳ６）。

(6) サーボ機構１３Ｅを介して無線部１０ＲＦの姿勢を調整することにより、水平面に対する平面アンテナ１１の主ローブの仰角を上記仰角θｅに設定する（図２ステップＳ７、図３(a))。
(7) サーボ機構１３ＡＺを介して０ラジアン〜２πラジアンに亘って無線部１０ＲＦの方位角θａｚを可変しつつ、上記送受信部１２によって既述の占有帯域Ｂｉを介して無線信号が受信された時点における無線部１０ＲＦの方位角の全てθａｚ１、θａｚ２を特定する（図２ステップＳ８）。

ところで、無線部１０ＲＦの仰角が上記仰角θｅに保たれつつ、図３(b) に一点鎖線の矢印で示すようにその無線部１０ＲＦの方位角が可変される過程では、占有帯域がＢｉに制限された送受信部１２によって無線信号が受信される方位の数は、目的静止衛星が正常に作動している場合には、以下に記述する通り「２」または「１」となる。

仰角θｅが一定に保たれつつ方位角θａｚが可変される過程では、その仰角θｅの方向と静止軌道とが交叉する点は、図３(b) に示すように、一般に、目的静止衛星の位置Ａと、その目的静止衛星以外の静止衛星（以下、「影像静止衛星」という。）が位置し得る位置Ｂとの２点のみとなる。

また、影像静止衛星の送信波の占有帯域は、目的静止衛星によって送信される送信波の占有帯域Ｂｉに共通の帯域があるとは限らない。
したがって、無線部１０ＲＦの仰角θｅが一定に保たれた状態でその無線部１０ＲＦの方位角が可変される過程では、受信部１２が占有帯域Ｂｉ内の無線信号を受信し得る方位角は、上記θａｚ１、θａｚ２の双方または何れか一方となる。

シーケンサ１７は、これらの方位角θａｚ１、θａｚ２の双方または一方を特定した（図２ステップＳ８）後、既存の静止衛星の全てに関するデータベース（図示されない。）を参照することにより、「点Ｐにおける上記方位角θａｚ１、θａｚ２の方向の内、目的静止衛星が位置する一方の方位角を示すポインタ」を求め、図５に示す目的方位ポインタテーブル１１ｔに格納する（図２ステップＳ９）。

なお、このようなポインタについては、以下では、上記方位角θａｚ１、θａｚ２で示される方位の内、目標静止衛星が位置する方位が点Ｐに対して西側にある場合には「１」に設定され、反対に東側にある場合に「０」に設定される２値情報であると仮定する。

さらに、シーケンサ１７は、無線信号が受信された時点における平面アンテナ１１の主ローブの方位角の数Ｎａｚを計数し（図２ステップＳ１０）、以下の手順に基づいて目的静止衛星の方位角θａｚを特定する。

(1) 上記数Ｎａｚが「２」である場合には、θａｚ１とθａｚ２との内、目的ポインタテーブル１１ｔに登録されている二値情報の値（＝１／０）に対応する一方（点Ｐの西側／東側）を指す方位角（θａｚ１またはθａｚ２）を目的静止衛星の方位角θａｚとする（図２ステップＳ１１）。

(2) 上記数Ｎａｚが「１」である場合には、該当する１つの方位角（θａｚ１またはθａｚ２）を目的静止衛星の方位角θａｚとする（図２ステップＳ１２）。
(3) 上記数Ｎａｚが「０」または「３」以上である場合には、目的静止衛星の方位角θａｚを特定できないため、既述の処理を再試行する（図２ステップＳ１３）。

すなわち、平面アンテナ１１（無線部１０ＲＦ）の主ローブの仰角や方位角の初期値が如何なるものであっても、目的静止衛星の方位角は、既述の位置Ｐにおいて既知である目的静止衛星の仰角に対して静止軌道に交叉する２つ方位の内、既知でしる現用の静止衛星の配置に基づいて選択された一方の方位として特定される。
したがって、本実施形態によれば、方位磁針や方位センサーが用いられないにもかかわらず、目的静止衛星が確度高く、かつ効率的に捕捉される。

なお、本実施形態では、平面アンテナ１１の基部の水平面に対する傾斜角は、目的静止衛星の方位角θａｚを求めるために行われる処理の開始時に補償されている。

しかし、このような傾斜角の補償は、サーボ機構１３ＡＺ、１３Ｅ、１３Ｐを介する平面アンテナ１１（無線部１０ＲＦ）の方位角、仰角および偏波の設定や可変の際に逐次行われてもよい。

また、本実施形態では、目的ポインタテーブル１１ｔには、平面アンテナ１１（無線部１０ＲＦ）の位置Ｐにおける目的静止衛星の方向の特定に供される二値情報のみが格納されている。

しかし、このような目的ポインタテーブル１１ｔは、例えば、以下の何れの形態で構成されてもよい。
(1) 以下の項目の双方または何れか一方に対応したレコードの集合として構成される。
1-1) 平面アンテナ１１（無線部１０ＲＦ）が位置し得る地点Ｐ１〜Ｐｎの全て
1-2) 目的静止衛星として指定され得る全ての静止衛星

(2) 図５に点線および破線で示すように、上記レコード毎に、既述の地点Ｐ１〜Ｐｎと目的静止衛星との双方または何れか一方に対して定まる仰角が登録（格納）されたフィールドが含まれる。

さらに、本実施形態では、平面アンテナ１１の主ローブの幅が一定に保たれている。
しかし、本発明はこのような構成に限定されず、例えば、以下の通りに構成されてもよい。

(1) 平面アンテナ１１に代えて、主ローブの幅を可変できるビームフォーミング機能を有する平面アンテナ１１ａが備えられる。
(2) シーケンサ１７は、送受信部１２に占有帯域Ｂｉ、変復調方式Ｍｉ、フレーム構成Ｆｉに基づく無線信号の送受信、変復調方式を指示する（図２ステップＳ３）処理に併せて、図１に点線で示すように、平面アンテナ１１ａに所定の指示を与えることによって、その平面アンテナ１１ａの主ローブの幅を通常の値より小さな値に設定する（図２ステップＳ２０）。

(3) このように主ローブの幅が狭められることにより、影像静止衛星から到来する無線信号のレベルが抑圧されるために、既述の方位角の数Ｎａｚが「２」となる可能性が少なくなり、目的静止衛星の捕捉に要する処理の処理量が平均的に小さな値に抑えられる。

また、このような構成における平面アンテナ１１の主ローブの幅は、目的静止衛星を介して行われる通常の通信に適用される値より単に小さな値に設定されるだけではなく、以下の通りに設定されてもよい。

(1) 想定される影像静止衛星が上記主ローブによる照射域の範囲外となる値
(2) 影像静止衛星となり得る全ての静止衛星が上記主ローブによる照射域の範囲外となる値
(3) 影像静止衛星から到来し得る無線信号のレベルが送受信部１２の受信感度以下に抑えられる値

また、本実施形態では、目的静止衛星の仰角および方位角を粗く特定する処理が行われている。

しかし、本発明は、このような処理に限定されず、例えば、既述の仰角θｅおよび方位角θａｚが求められた後、サーボ機構１３Ｅ、１３ＡＺを介してこれらの仰角θｅと方位角θａｚとの双方または何れか一方が微調整されることによって、フレーム同期の確立が図られ、かつ信号空間上における信号点の誤差やビット誤り率等の伝送品質が最大化されることより、衛星捕捉の精度が高められてもよい。

また、本発明は、通信衛星にアクセスする地球局に限らず、例えば、地球以外の惑星等に形成され、その惑星上から見た静止軌道上に位置する通信衛星を捕捉する無線局にも、同様に適用可能である。
さらに、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲において多様な実施形態の構成が可能であり、構成要素の全てまたは一部に如何なる改良が施されてもよい。

１０ 車外装置
１０ＲＦ 無線部
１１，１１ａ 平面アンテナ
１２ 送受信部
１３ＡＺ，１３Ｅ，１３Ｐ サーボ機構
１４ リミットスイッチ
１５ 測位部（ＧＰＳ）
１６ 傾斜計
１７ シーケンサ
１７ｔ 目的方位ポインタテーブル
１７Ｔ 静止衛星テーブル
２０ 車内装置
２１ 信号処理部
２２ 表示操作部

Claims (1)

1. 空中線系の位置の緯度に対して静止軌道上における所望の静止衛星の位置を与える仰角に前記空中線系の主ローブの仰角を設定し、かつ前記主ローブの方位角を掃引することによって、前記所望の静止衛星から到来すべき無線信号が受信された方位を求める方位探索手段と、
   前記方位探索手段によって求められ、かつ前記仰角の方向で前記静止軌道と交叉する二点の方位の内、前記静止軌道上における既知の静止衛星の配置と、前記空中線系の位置とで定まる前記所望の静止衛星の方位を識別する方位絞り込み手段と
   を備えたことを特徴とする衛星捕捉装置。