JP3640433B2 - アンテナ指向方向演算方法及びアンテナ指向方向制御装置 - Google Patents
アンテナ指向方向演算方法及びアンテナ指向方向制御装置 Download PDFInfo
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、アンテナ指向方向演算方法及びアンテナ指向方向制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、放送用中継車に使用するフィールド・ピック・アップ(以後、「FPU」と記す)装置のアンテナでは、鋭い指向性を必要とする。
従来は、現在の中継車の位置を地図上で確認し、地図上の位置から現在位置でのアンテナの方位を確認し、電波の強弱、即ち、受信レベルが最大となるようにアンテナを回転し、アンテナの向きを定めていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のアンテナ指向方向制御装置では、アンテナの設置には時間がかかる。特に、報道番組等の取材のような緊急性を要するときに、空中線の確立を迅速に行えないと、番組の視聴率にも影響を及ぼしてくる。
一方、アンテナの方位角・附仰角(附角又は仰角)を演算するシステムとして、例えばナビゲーションシステム、衛星捕捉システム、マイクロ波空中線制御システム等があるが、かかるシステムでは、方位角・附仰角の演算を衛星の位置を基準として行っている。
【0004】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、アンテナの方向を素早く確立することができるようなアンテナ指向方向演算方法及びアンテナ指向方向制御装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1にかかる発明のアンテナ指向方向演算方法では、航法衛星からの電波を受信し、該電波に基づいて、互いに指向させる2つのアンテナの緯度、経度を検出し、
検出された双方のアンテナの緯度、経度、及びその地表面上における曲率半径に基づいて、双方アンテナ間の距離を算出し、
双方のアンテナの位置における緯度線及び経度線によって囲まれた地表面上の矩形の各辺の距離を、双方のアンテナの緯度、経度、及び曲率半径に基づいて算出し、
算出された矩形の各辺及び2点間距離に基づいて矩形の内角を算出し、
演算された該矩形の内角に基づいて、互いに指向させる双方アンテナの方位角を演算し、
前記演算されたアンテナの方位角の基準となる方位座標系、及びアンテナを取り付けた移動体の基本姿勢を基準とする移動体座標系を定義し、
前記方位座標系に対する移動体座標系の回転角を検出し、
該回転角に基づいて方位座標系に対する移動体座標系の回転マトリクスを演算し、
演算された回転マトリクスに基づいて、方位座標系におけるアンテナの方位角を移動体座標系に座標変換するようにした。
【0006】
請求項2にかかる発明のアンテナ指向方向演算方法では、前記双方アンテナの方位角を、式(11)〜(18)に基づいて演算するようにした。
【0007】
請求項3にかかる発明のアンテナ指向方向演算方法では、前記航法衛星から受信した電波に基づいて、互いに指向させる2つのアンテナの地表面上からの高度を検出し、双方アンテナの高度差及び双方アンテナ間の距離に基づいて、一方のアンテナの高度を基準として、該アンテナをもう一方のアンテナに指向させるときの附仰角を演算するようにした。
【0008】
請求項4にかかる発明のアンテナ指向方向演算方法では、前記双方アンテナの附仰角を、式(19)又は式(20)に基づいて演算するようにした。
請求項5にかかる発明のアンテナ指向方向演算方法では、前記演算されたアンテナの附仰角の基準となる方位座標系、及びアンテナを取り付けた移動体の基本姿勢を基準とする移動体座標系を定義し、前記方位座標系に対する移動体座標系の回転角を検出し、該回転角に基づいて方位座標系に対する移動体座標系の回転マトリクスを演算し、演算された回転マトリクスに基づいて、方位座標系におけるアンテナの附仰角を移動体座標系に座標変換するようにした。
【0009】
請求項6にかかる発明のアンテナ指向方向制御装置では、図1の実線で示すように、
送受信用の2つのアンテナが互いに指向するように移動体に取り付けられたアンテナの方位角及び附仰角を演算し、制御するアンテナ指向方向制御装置において、 航法衛星からの電波を受信し、該電波に基づいて、互いに指向させる2つのアンテナの緯度及び経度を検出する位置検出手段と、
検出された双方のアンテナの緯度、経度、及びその地表面上における曲率半径に基づいて、双方アンテナ間の距離を算出するアンテナ間距離算出手段と、
双方のアンテナの位置における緯度線及び経度線によって囲まれた地表面上の矩形の各辺の距離を、双方のアンテナの緯度、経度、及び曲率半径に基づいて算出する矩形辺距離算出手段と、
算出された矩形の各辺及び2点間距離に基づいて矩形の内角を算出する内角算出手段と、
演算された該矩形の内角に基づいて、互いに指向させる双方アンテナの方位角を演算する方位角演算手段と、
該演算された方位角に基づいてアンテナの方位角を制御する方位角制御手段と、
を備え、
前記方位角演算手段は、
前記演算されたアンテナの方位角の基準となる方位座標系に対し、アンテナを取り付けた移動体の基本姿勢を基準とする移動体座標系の回転角を検出する移動体姿勢検出手段と、
該回転角に基づいて方位座標系に対する移動体座標系の回転マトリクスを演算する回転マトリクス演算手段と、
該演算された回転マトリクスに基づいて、方位座標系におけるアンテナの方位角を移動体座標系に座標変換する座標変換手段と、
を備えるようにした。
【0010】
請求項7にかかる発明のアンテナ指向方向制御装置では、前記方位角演算手段は、双方アンテナの方位角を、式(11)〜(18)に基づいて演算するようにした。
【0011】
請求項8にかかる発明のアンテナ指向方向制御装置では、図1の破線で示すように、前記航法衛星からの電波に基づいて、地表面からの高度を検出する高度検出手段と、双方アンテナの高度差及び距離に基づいて、一方のアンテナの高度を基準として、該アンテナをもう一方のアンテナに指向させたときの附仰角を演算する附仰角演算手段と、該演算された附仰角に基づいてアンテナの附仰角を制御する附仰角制御手段と、を備えるようにした。
【0012】
請求項9にかかる発明のアンテナ指向方向制御装置では、前記附仰角演算手段は、前記演算されたアンテナの附仰角の基準となる方位座標系に対し、アンテナを取り付けた移動体の基本姿勢を基準とする移動体座標系の回転角を検出する移動体姿勢検出手段と、該回転角に基づいて方位座標系に対する移動体座標系の回転マトリクスを演算する回転マトリクス演算手段と、該演算された回転マトリクスに基づいて、方位座標系におけるアンテナの附仰角を移動体座標系に座標変換する座標変換手段と、を備えるようにした。
【0013】
【作用】
上記、請求項1にかかる発明のアンテナ指向方向演算方法によれば、航法衛星からの電波に基づいて、地球の物理的特質を考慮して地球物理の諸値を使用し、方位角を演算しているので、演算された方位角の演算精度が極めて高く、しかもリアルタイムで演算処理を行うことが可能となる。また、移動体の姿勢に関わらず、移動体に取り付けられたアンテナの方位角を高精度に演算することが可能となる。
【0014】
請求項2にかかる発明のアンテナ指向方向演算方法によれば、演算式(11)〜(18)を用いることにより、双方アンテナの方位角が演算される。
【0015】
請求項3にかかる発明のアンテナ指向方向演算方法によれば、航法衛星を利用してアンテナの附仰角を演算しているので、アンテナの附仰角を高精度に、しかもリアルタイムで演算処理することが可能となる。
請求項4にかかる発明のアンテナ指向方向演算方法によれば、演算式(19)〜(20)を用いることにより、アンテナの附仰角が演算される。
【0016】
請求項5にかかる発明のアンテナ指向方向演算方法によれば、移動体の姿勢に関わらず、移動体に取り付けられたアンテナの附仰角を高精度に演算することが可能となる。
請求項6にかかる発明のアンテナ指向方向制御装置によれば、航法衛星からの電波によって緯度及び経度を検出し、地球の物理的特質を考慮して地球物理の諸値を使用し、方位角を演算しているので、演算された方位角の演算精度が極めて高く、しかもリアルタイムでアンテナの方位角を制御することが可能となる。また、移動体の姿勢に関わらず、移動体に取り付けられたアンテナの方位角を高精度に制御することが可能となる。
【0017】
請求項7にかかる発明のアンテナ指向方向制御装置によれば、演算式(11)〜(18)を用いることにより、双方アンテナの方位角を高精度に制御することが可能となる。
【0018】
請求項8にかかる発明のアンテナ指向方向制御装置によれば、航法衛星を利用してアンテナの附仰角を演算しているので、アンテナの附仰角を高精度に、しかもリアルタイムに制御することが可能となる。
請求項9にかかる発明のアンテナ指向方向制御装置によれば、移動体の姿勢に関わらず、移動体に取り付けられたアンテナの附仰角を高精度に制御することが可能となる。
【0019】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図2〜図23に基づいて説明する。
図2は、アンテナ指向方向演算装置を用いた中継システム例を示す。
図2に示すように、現地の映像は、ヘリコプタ1に取り付けられたカメラ(図示せず)、カメラ2、あるいは、中継車4にケーブルで接続されたカメラ3によって撮影される。ヘリコプタ1、カメラ2からの映像信号を送信する可搬送信装置5、中継車4、中継基地局6、本部7には、映像信号送受信用のアンテナが備えられ、ヘリコプタ1、カメラ2、3からの映像信号は中継車4で中継された後、可搬送受信装置を備えた中継基地局6を介して本部7へと送信される。
【0020】
空中線を送受信するときは、これらのアンテナを互いに正対させる必要があり、ヘリコプタ1、中継車4、可搬送信装置5、中継基地局6、本部7には、アンテナ指向方向演算装置が備えられている。
また、図3は、移動体としてのヘリコプタ1、あるいは中継車4に搭載されるアンテナ指向方向制御装置を示し、このアンテナ指向方向制御装置は、位置検出手段としてのGPS受信機11と、コンピュータ12と、光ジャイロ13と、回転台14と、によって構成され、空中線の方位角(ヨー角)・附仰角(ピッチ角)を算出し、移動体マイクロ機器空中線を自動的に相手先アンテナに正対させる。
【0021】
尚、ヘリコプタ1には、移動体姿勢検出手段としての傾斜センサ(図示せず)が備えられている。
GPS受信機11は、例えばGPS(Global Positioning System)衛星1〜3からの電波を図示しないGPSアンテナで受信し、地球上の緯度、経度、及び高度データを算出する。
【0022】
光ファイバージャイロ13は、GPS衛星1〜3の電波の遮断中の方位角を補間するためのものである。光ファイバージャイロは、元々、アンテナの相対的な角度差を決定する相対方位計測機器であるが、角速度の積分を行う方式であるため、時間経過とともにベースドリフトが累計され、前記電波遮断中の方位角の補間のように、短時間経過後の絶対方位角測定には有利である。
【0023】
コンピュータ12は、GPS受信機11から緯度データ及び経度データを入力して、アンテナの方位角、附仰角を決定する。この演算処理については後述する。
回転台14は、コンピュータ12からの演算結果に基づいてアンテナ15を回転させ、アンテナ15の指向方向を制御する。この回転台14が方位角制御手段、附仰角演算手段に相当する。
【0024】
また、図4に示すように、ヘリコプタ1から基地局8を介して本部7に電波を送信する場合、ヘリコプタ1の位置データを無線機等により本部7へ伝送し、本部7から遠隔制御回線等により基地局8のアンテナをヘリコプタ1のアンテナに正対するように遠隔制御する。
図5は、可搬送信装置5、中継基地局6等に搭載された簡易型のアンテナ指向方向演算装置を示す。この装置は、GPSアンテナ21と、GPS受信機22と、キーボード23、ディスプレイ24、CPU25を有するハンディなコンピュータ26と、GPSデータインサータ27と、FPU送信機28と、FPUアンテナ29と、を備えているが、簡易型であるため、回転台を装備せず、ディスプレイ24に方位角等を表示して手動調整により、FPUアンテナ29の方向合わせを行おうとするものである。尚、GPSデータインサータ27は、自己の位置を示すGPSデータを映像信号に多重化するものであり、GPSデータは、FPU送信機28、FPUアンテナ29を介して本部7等に送信される。
【0025】
次にコンピュータ12の演算処理を図6のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップ(図中では「S」と記してあり、以下同様とする)1では、自己のアンテナの地球上の緯度、経度、及び高度データをGPS受信機11から入力する。
尚、前述のように、緯度、経度、及び高度データは、GPS衛星1〜3から受信した電波に基づいてGPS受信機11によって検出される。
【0026】
ステップ2では、相手先アンテナの緯度、経度、及び高度データを入力する。自己のアンテナを正対させるためには、相手の緯度、経度、及び高度データを予め既知としておく必要がある。相手先アンテナが本部7のように設置位置が固定されているときは、予めその位置を登録しておけばよいが、ヘリコプタ1のような移動体の場合には、GPSデータインサータ27を用いて緯度等の位置データをヘリコプタ1から中継車4又は本部7に送信するか、あるいは、無線等を用いて送信する。
【0027】
ステップ3では、入力した自己及び相手先アンテナの緯度、経度、及び高さデータを、直交座標に変換する。
例えば、中継車4の位置をA地点,本部7の位置をB地点としてA地点,B地点の極座標を、夫々、A(φA ,λA ,hA )、B(φB ,λB 、hB )とし、A地点,B地点の直交座標を、夫々、A(UA ,VA ,WA )、B(UB ,VB ,WB )として、極座標から直交座標に変換すると、A地点,B地点の座標は、以下のように表される。
【0028】
UA =(NA +hA )cos φA cos λA ・・・・・・・・・・・(1)
VA =(NA +hA )cos φA sin λA ・・・・・・・・・・・(2)
WA =(NA (1−e2)+hA )sin φA ・・・・・・・・・・・(3)
UB =(NA +hB )cos φB cos λB ・・・・・・・・・・・(4)
VB =(NA +hB )cos φB sin λB ・・・・・・・・・・・(5)
WB =(NA (1−e2)+hB )sin φB ・・・・・・・・・・・(6)
但し、NA :A地点における東西線曲率半径(図7参照)
NB :B地点における東西線曲率半径(図7参照)
e:離心率(e2 =0.006674372230614)
緯度、経度の単位:度
高度の単位 :km
ステップ4では、A地点,B地点間の距離を求める。
【0029】
A地点,B地点間の距離LABは、次式(7) によって算出される。
LAB=((UA −UB )2+(VA −VB )2+(WA −WB )2)1/2 ・・・(7)
NA =R0 /(1−e2 sin2φA )1/2
NB =R0 /(1−e2 sin2φB )1/2
但し、R0 :赤道半径(R0 =6377.397155km)
このステップ4がアンテナ間距離算出手段に相当する。
【0030】
ステップ5では、図8に示すように、A地点の緯度線と経度線、及びB地点の緯度線と経度線に囲まれた外形を矩形とみなし、矩形の辺の距離a、b、cを算出する。
この矩形は、例えば、赤道近辺では、長方形となるが、日本国のように赤道から離れると、極側の一辺が赤道側の一辺より短い台形とみなすことができる。
【0031】
図7は、子午線を含む面での地球の断面を示す。この図において、地表面上のH地点から、北極と南極を結ぶP−P′軸上への垂線H−H1 の距離をMとする。また、図9は、地球の斜視図、図10は、地球のP−P′矢視図を示す。
M=NA *cosφであるから、距離a、bは、夫々、次式(8),(9) によって算出される。
【0032】
a=NA cos φA *|λA −λB |*π/180 rad ・・・・・・(8)
b=NB cos φB *|λA −λB |*π/180 rad ・・・・・・(9)
距離cについては、図9及び図10に示すように地表面上の距離cは、
c=ρ*φ
であるから、
c=(NA +NB )/2*|φA −φB |*π/180 rad
NA ≒NB とすると、
c=NA cos φA * θ
c=NA cos φA *|λA −λB |*π/180 rad ・・・・・・(10)
となる。
【0033】
ステップ4で算出されたA地点,B地点間の距離LABは、この矩形の対角線の距離となる。
このステップ5が矩形辺距離算出手段に相当する。
ステップ6では、図11に示すように、矩形の内角θを余弦定理により算出し、さらに内角θA ,θB を算出する。
【0034】
このステップ6が内角算出手段に相当する。
ステップ7では、A地点からB地点をみたときの方位角αA ,B地点からA地点をみたときの方位角αB を演算する。
例えば、図11では、A地点における経度線に対する対角線LABの角度(1/2×π+θA )が方位角αA 、B地点における経度線に対する対角線LABの角度θB が方位角αB となる。但し、高度を同一とする。
【0035】
このA地点、B地点の方位角αA ,αB を、場合分けして算出する。
(1) 緯度φA >φB かつ経度λA ≦λB の場合(図11参照)
(1-1) A地点からB地点をみた場合の方位角αA
b2=c2+LAB 2 −2cLABcos(π−αA )
より、
αA =π−arccos((c2+LAB 2 −b2)/2cLAB) ・・・・・・・・(11)
(1−2) B地点からA地点をみた場合の方位角αB
a2 =c2+LAB 2 −2cLABcos(2π−αB )
より
αB =2π−arccos((c2+LAB 2 −a2)/2cLAB) ・・・・・・・(12)
(2) 緯度φA >φB かつ経度λA >λB の場合(図12参照)
(2-1) A地点からB地点をみた場合の方位角αA
αA =π+arccos((c2+LAB 2 −b2)/2cLAB) ・・・・・・・・(13)
(2−2) B地点からA地点をみた場合の方位角αB
αB =arccos((c2+LAB 2 −a2)/2cLAB) ・・・・・・・・・・(14)
(3) 緯度φA ≦φB かつ経度λA ≦λB の場合(図13参照)
(3-1) A地点からB地点をみた場合の方位角αA
αA =arccos((c2+LAB 2 −b2)2c LAB) ・・・・・・・・・・(15)
(3−2) B地点からA地点をみた場合の方位角αB
αB =π+arccos((c2+LAB 2 −a2)/2cLAB) ・・・・・・・・(16)
(4) 緯度φA ≦φB かつ経度λA <λB の場合(図14参照)
(4-1) A地点からB地点をみた場合の方位角αA
αA =2π−arccos((c2+LAB 2 −b2)/2cLAB) ・・・・・・・(17)
(4−2) B地点からA地点をみた場合の方位角αB
αB =π−arccos((c2+LAB 2 −a2)/2cLAB) ・・・・・・・・(18)
このステップ7が方位角演算手段に相当する。
【0036】
ステップ8では、移動体の附仰角を算出する。
ここでは、A地点からのB地点に対する附仰角について考える。
(1) hB >Hの時は仰角となる(図15参照)。
この仰角は、次式に基づいて演算される。
(2) hB ≦Hの時は附角となる(図18参照)。
【0037】
この附角は、次式に基づいて演算される。
このステップ8が附仰角演算手段に相当する。
【0038】
装置の傾きの調整を行う必要がなければ、ここでこのルーチンを終了させる。
装置の傾きの調整を行う必要があるときは、ステップ9→10に進む。
ステップ10では、アンテナの方位角及び附仰角の基準となる方位座標系、及びアンテナを取り付けた移動体の基本姿勢を基準とする移動体座標系を定義し、方位座標系に対する移動体座標系の回転角を検出する。
【0039】
例えば図17において、移動***置での真北をベースとする方位座標系の座標軸(X0 ,Y0 ,Z0 )を定義し、ヘリコプタ1の左右方向、前後方向、垂直方向の座標軸を、夫々、移動体座標系の座標軸(X1 ,Y1 ,Z1 )として定義する。方位座標系に対する移動体座標系の回転角の検出には、前述の傾斜センサを用いる。尚、ヘリコプタ1の基本姿勢は、移動体座標系の座標軸(X1 ,Y1 ,Z1 )が方位座標系の座標軸(X0 ,Y0 ,Z0 )に一致しているときである。
【0040】
ステップ11では、移動体座標系の座標を、方位座標系の座標で表す回転マトリックスを計算する。
このヘリコプタ1の基本姿勢に対し、Z0 軸回りの回転1(図18参照)と、ヘリコプタ1の前後方向の傾斜に係る回転2(図19参照)と、ヘリコプタ1の左右方向の傾斜に係る回転3(図20参照)と、に分けて考え、ヘリコプタ1を回転1,2,3の順に回転させたときの回転マトリクスを計算する。但し、この回転順に限定されるものではない。
(1) 回転1による移動体座標の回転
最初は、図17に示すように、方位座標系と移動体座標系とが一致しているので、各軸の方向余弦は以下の通りとなる。
【0041】
X1 軸→(1、0、0)
Y1 軸→(0、1、0)
Z1 軸→(0、0、1)
図18に示すように、Z0 軸回りに角度θだけ回転させたとき、このときの座標r1 は、回転前の座標r0 から次式(21)によって算出される。
【0042】
【数1】
となる。また、変換後の座標軸(X1 ,Y1 ,Z1 )は、以下の通りである。
X1 軸→( cosθ, -sinθ, 0)
Y1 軸→(+sinθ, cosθ, 0)
Z1 軸→( 0, 0 , 1)
(2) 回転2による移動体座標の回転
この回転2は、図19に示すように、ヘリコプタ1の前後方向の傾斜であるから、前記変換されたX1 軸回りの回転となる。
【0043】
ここで、任意の単位ベクトルを(n1 ,n2 ,n3 )として、単位ベクトル(n1 ,n2 ,n3 )に平行で、かつ原点を通る直線を軸として角度Θだけ回転させる回転マトリクスMR は、次式(22)によって表される。
【0044】
【数2】
X1 軸回りに角度φだけ回転させたときの回転マトリクスを算出するには、この単位ベクトル(n1 ,n2 ,n3 )に、Z1 軸回りの角度θの回転(cosθ,sinθ,0) を代入し、角度Θに角度φを代入して回転マトリクスMR を演算する。結果として算出される回転マトリクスMR1は、以下の通りである。
【0045】
【数3】
従って、X1 軸の回りに角度φだけ回転させたときの座標r2 は、回転前の座標r1 から次式(24)によって算出される。
r2 = MR1 r1 ・・・・・・・・・・・・(24)
また、変換後の座標軸(X2 ,Y2 ,Z2 )は、以下の通りである。
【0046】
X2 →(+cosθ ,-sinθ , 0 )
Y2 →(+sinθ*sinθ, cosθ*cosφ, sinφ)
Z2 →(-sinθ*sinφ, -cosθ*sinφ, cosφ)
(3) 回転3による移動体座標の回転
この回転3は、図20に示すように、ヘリコプタ1の左右方向の傾斜であるから、前記変換されたY2 軸の回りの回転となる。
【0047】
Y2 軸の回りに角度ψだけ回転させたときの回転マトリクスを算出するには、単位ベクトル(n1 ,n2 ,n3 )に、Y2 軸の回りに角度φだけ回転したときの値(+sinθ*cosφ,cosθ*cosφ,sinφ) を代入し、式(22)によって表される回転マトリクスMR の角度Θに角度ψを代入して回転マトリクスMR を演算する。結果として算出された回転マトリクスMR2は、以下の通りである。
【0048】
【数4】
従って、Y2 軸の回りに角度ψだけ回転させたときの座標r3 は、回転前の座標r2 から次式(25)によって算出される。
r3 = MR2 r2 ・・・・・・・・・・・・(26)
また、変換後の座標軸(X3 ,Y3 ,Z3 )は、以下の通りである。
【0049】
【数5】
このステップ11が回転マトリクス演算手段に相当する。
ステップ12では、方位座標系における方位角ベクトル、仰角ベクトルを移動体座標系に座標変換する。
例えば、ある直交座標系O-x0y0z0の単位ベクトルを、原点を同一とする他の直交座標系O-x1y1z1の単位ベクトルに変換することを考える。
【0050】
直交座標系O-x0y0z0の各々の座標軸x0,y0,z0上の単位ベクトルを、e1 ,e2 ,e3 とし、直交座標系O-x1y1z1の各々の座標軸x1,y1,z1上の単位ベクトルをe11,e12,e13とし、単位ベクトルe1iのO-x0y0z0に関する方向余弦を(li ,mi ,ni )とすると、単位ベクトルe11,e12,e13は、次式によって表される。
【0051】
【数6】
一般に、直交座標系O-x1y1z1上の座標(x1,y1,z1)を、直交座標系O-x0y0z0の座標(x0,y0,z0)から変換するマトリクスは、次式(27)によって表される。
【0052】
【数7】
また、方位座標系における方位角ベクトル、仰角ベクトルを、移動体座標系の方位角ベクトル、仰角ベクトルに変換するマトリクスMR3は、次式(28)によって表される。
【0053】
【数8】
図21に示すように、方位座標系を前述の座標系O-x0y0z0として、その合成ベクトルP(x0,y0,z0)を、方位角α0 、仰角β0 で表すと、合成ベクトルP(x0,y0,z0)は式(28)より以下のように表される。
【0054】
P(x0,y0,z0)=(sinα0 *cosβ0 ,cosα0 *cosβ0 ,sinβ0 )
また、図22に示すように、移動体座標系を前述の座標系O-x1y1z1として、上記のマトリクスで変換した移動体座標系の合成ベクトルP(x1,y1,z1)は、以下のようになる。
(1) 方位角α1
(1-1) x1≧0かつy1≧0のとき第1象限
α1 =1/2*π−arctan(x1/y1) ・・・・・・・・・・・(29)
(1−2) x1≧0かつy1<0のとき第2象限
α1 =1/2*π+arctan(x1/y1) ・・・・・・・・・・・(30)
(1−3) x1≧0かつy1≧0のとき第3象限
α1 =3/2*π−arctan(x1/y1) ・・・・・・・・・・・(31)
(1−4) x1<0かつy1<0のとき第4象限
α1 =3/2*π+arctan(x1/y1) ・・・・・・・・・・・(32)
(2) 仰角β1
β1 =arcsin(z1) ・・・・・・・・・・・・・・・(33)
となる。
【0055】
このステップ12が座標変換手段に相当する。
かかる構成によれば、GPS衛星から受信した電波に基づいて、2つのアンテナの緯度、経度、及び高さを検出し、これらの緯度線及び経度線に囲まれた地球表面上の矩形の二辺及び対角線の距離を算出し、余弦定理に基づいて台形の内角、方位角を算出し、前記検出された高さデータに基づいて仰角又は附角を演算することにより、アンテナの正確な指向方向を素早く決定し、アンテナの指向方向を確立させることができる。
【0056】
また、移動体の姿勢を検出し、方位座標系を移動体座標系に、又は移動体座標系を方位座標系に座標変換してアンテナの方位角、仰角を決定するようにしたので、移動体の姿勢にかかわらず、正確にアンテナの指向方向を決定することができる。
【0057】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1にかかる発明のアンテナ指向方向演算方法によれば、演算された方位角の演算精度が極めて高く、しかもリアルタイムで演算処理を行うことができる。また、移動体の姿勢に関わらず、移動体に取り付けられたアンテナの方位角を高精度に演算することができる。
請求項2にかかる発明のアンテナ指向方向演算方法によれば、演算式(11)〜(18)を用いることにより、双方アンテナの方位角を高精度に演算することができる。
【0058】
請求項3にかかる発明のアンテナ指向方向演算方法によれば、航法衛星を利用してアンテナの附仰角を演算しているので、アンテナの附仰角を高精度に、しかもリアルタイムで演算処理することができる。
【0059】
請求項4にかかる発明のアンテナ指向方向演算方法によれば、演算式(19)〜(20)を用いることにより、アンテナの附仰角を高精度に演算することができる。
請求項5にかかる発明のアンテナ指向方向演算方法によれば、移動体の姿勢に関わらず、移動体に取り付けられたアンテナの附仰角を高精度に演算することができる。
【0060】
請求項6にかかる発明のアンテナ指向方向制御装置によれば、アンテナの方位角を、極めて高精度に、しかもリアルタイムで制御することが可能となる。また、移動体の姿勢に関わらず、移動体に取り付けられたアンテナの方位角を高精度に制御することができる。
請求項7にかかる発明のアンテナ指向方向制御装置によれば、演算式(11)〜(18)を用いることにより、アンテナの方位角が高精度に制御される。
【0061】
請求項8にかかる発明のアンテナ指向方向制御装置によれば、航法衛星を利用してアンテナの附仰角を演算しているので、アンテナの附仰角を高精度に、しかもリアルタイムに制御することができる。
請求項9にかかる発明のアンテナ指向方向制御装置によれば、移動体の姿勢に関わらず、移動体に取り付けられたアンテナの附仰角を高精度に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の構成を示すクレーム対応図。
【図2】中継システム例を示す図。
【図3】本発明の一実施例を示すブロック図。
【図4】図2のヘリコプタから電波を送信する一例を示す説明図。
【図5】図2の可搬送信装置等に使用される簡易装置の構成をブロック図。
【図6】図2及び図5のコンピュータの演算処理を示すフローチャート。
【図7】図6の演算処理の説明図。
【図8】同上説明図。
【図9】同上説明図。
【図10】同上説明図。
【図11】同上説明図。
【図12】同上説明図。
【図13】同上説明図。
【図14】同上説明図。
【図15】同上説明図。
【図16】同上説明図。
【図17】同上説明図。
【図18】同上説明図。
【図19】同上説明図。
【図20】同上説明図。
【図21】同上説明図。
【図22】同上説明図。
【符号の説明】
1 ヘリコプタ
2,3 カメラ
4 中継車
5 可搬送信装置
6 中継基地局
7 本部
Claims (9)
- 航法衛星からの電波を受信し、該電波に基づいて、互いに指向させる2つのアンテナの緯度、経度を検出し、
検出された双方のアンテナの緯度、経度、及びその地表面上における曲率半径に基づいて、双方アンテナ間の距離を算出し、
双方のアンテナの位置における緯度線及び経度線によって囲まれた地表面上の矩形の各辺の距離を、双方のアンテナの緯度、経度、及び曲率半径に基づいて算出し、
算出された矩形の各辺及び2点間距離に基づいて矩形の内角を算出し、
演算された該矩形の内角に基づいて、互いに指向させる双方アンテナの方位角を演算するアンテナ指向方向演算方法であって、
前記演算されたアンテナの方位角の基準となる方位座標系、及びアンテナを取り付けた移動体の基本姿勢を基準とする移動体座標系を定義し、
前記方位座標系に対する移動体座標系の回転角を検出し、
該回転角に基づいて方位座標系に対する移動体座標系の回転マトリクスを演算し、
演算された回転マトリクスに基づいて、方位座標系におけるアンテナの方位角を移動体座標系に座標変換することを特徴とするアンテナ指向方向演算方法。 - 前記航法衛星から受信した電波に基づいて、互いに指向させる2つのアンテナの地表面上からの高度を検出し、
双方アンテナの高度差及び双方アンテナ間の距離に基づいて、一方のアンテナの高度を基準として、該アンテナをもう一方のアンテナに指向させるときの附仰角を演算することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のアンテナ指向方向演算方法。 - 前記演算されたアンテナの附仰角の基準となる方位座標系、及びアンテナを取り付けた移動体の基本姿勢を基準とする移動体座標系を定義し、
前記方位座標系に対する移動体座標系の回転角を検出し、
該回転角に基づいて方位座標系に対する移動体座標系の回転マトリクスを演算し、
演算された回転マトリクスに基づいて、方位座標系におけるアンテナの附仰角を移動体座標系に座標変換することを特徴とする請求項3又は請求項4に記載のアンテナ指向方向演算方法。 - 送受信用の2つのアンテナが互いに指向するように移動体に取り付けられたアンテナの方位角及び附仰角を演算し、制御するアンテナ指向方向制御装置であって、
航法衛星からの電波を受信し、該電波に基づいて、互いに指向させる2つのアンテナの緯度及び経度を検出する位置検出手段と、
検出された双方のアンテナの緯度、経度、及びその地表面上における曲率半径に基づいて、双方アンテナ間の距離を算出するアンテナ間距離算出手段と、
双方のアンテナの位置における緯度線及び経度線によって囲まれた地表面上の矩形の各辺の距離を、双方のアンテナの緯度、経度、及び曲率半径に基づいて算出する矩形辺距離算出手段と、
算出された矩形の各辺及び2点間距離に基づいて矩形の内角を算出する内角算出手段と、
演算された該矩形の内角に基づいて、互いに指向させる双方アンテナの方位角を演算する方位角演算手段と、
該演算された方位角に基づいてアンテナの方位角を制御する方位角制御手段と、
を備え、
前記方位角演算手段は、
前記演算されたアンテナの方位角の基準となる方位座標系に対し、アンテナを取り付けた移動体の基本姿勢を基準とする移動体座標系の回転角を検出する移動体姿勢検出手段と、
該回転角に基づいて方位座標系に対する移動体座標系の回転マトリクスを演算する回転マトリクス演算手段と、
該演算された回転マトリクスに基づいて、方位座標系におけるアンテナの方位角を移動体座標系に座標変換する座標変換手段と、
を備えたことを特徴とするアンテナ指向方向制御装置。 - 前記航法衛星からの電波に基づいて、地表面からの高度を検出する高度検出手段と、
双方アンテナの高度差及び距離に基づいて、一方のアンテナの高度を基準として、該アンテナをもう一方のアンテナに指向させたときの附仰角を演算する附仰角演算手段と、
該演算された附仰角に基づいてアンテナの附仰角を制御する附仰角制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項6または請求項7に記載のアンテナ指向方向制御装置。 - 前記附仰角演算手段は、
前記演算されたアンテナの附仰角の基準となる方位座標系に対し、アンテナを取り付けた移動体の基本姿勢を基準とする移動体座標系の回転角を検出する移動体姿勢検出手段と、
該回転角に基づいて方位座標系に対する移動体座標系の回転マトリクスを演算する回転マトリクス演算手段と、
該演算された回転マトリクスに基づいて、方位座標系におけるアンテナの附仰角を移動体座標系に座標変換する座標変換手段と、
を備えたことを特徴とする請求項8に記載のアンテナ指向方向制御装置。
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-
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