JP6061348B2 - 衛星追尾アンテナシステムおよび衛星追尾アンテナ制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば船舶に搭載され、静止通信衛星の方向に衛星追尾アンテナ（例えばアンテナ反射鏡面）の指向方向を自動制御する衛星追尾アンテナシステムおよび衛星追尾アンテナ制御方法に関する。
地上移動通信網では電波が届かない外洋を航行する船舶においては、通常、衛星通信システムを用いて通信が確保されている。この通信を確保するためには、波浪等による船舶の動揺に対しても、常にアンテナ反射鏡面の主ビーム方向を一定の指向方向精度で静止通信衛星に向ける衛星追尾アンテナが船舶に搭載される。
この衛星追尾アンテナでは、２軸〜４軸のジンバル機構とそれに取り付けたエンコーダーによりジンバル角度をフィードバックし、船舶の動揺にかかわらず、アンテナ反射鏡面の主ビーム方向を静止通信衛星に常に向ける制御系を構成している（非特許文献１）。特に、制御系構成の特徴としては、１つのジンバル軸毎に独立に制御系を構成し、回転角度等のセンサ出力を用いて、モータによりジンバル軸が駆動されている。
ここで、図１に示すように、船舶に設置された衛星追尾アンテナが４つの駆動軸（Ｇi 軸、ｉは１〜４）を有するジンバルプラットフォームから構成されるとする。この場合、各軸の運動方程式は (1)〜(4) 式のように表される。
Ｉ11θ"1 ＝Ｔ1 …(1)
Ｉ22θ"2 ＝Ｔ2 …(2)
Ｉ33θ"3 ＝Ｔ3 …(3)
Ｉ44θ"4 ＝Ｔ4 …(4)
θi ：Ｇi 軸の回転角度
θ'i：Ｇi 軸の回転角速度
θ"i：Ｇi 軸の回転角加速度
Ｉii：構成物体ｉのＧi 軸回りの慣性能率
Ｔi ：構成物体ｉへのトルク
Ｉ11θ"1 ＝Ｔ1 …(1)
Ｉ22θ"2 ＝Ｔ2 …(2)
Ｉ33θ"3 ＝Ｔ3 …(3)
Ｉ44θ"4 ＝Ｔ4 …(4)
θi ：Ｇi 軸の回転角度
θ'i：Ｇi 軸の回転角速度
θ"i：Ｇi 軸の回転角加速度
Ｉii：構成物体ｉのＧi 軸回りの慣性能率
Ｔi ：構成物体ｉへのトルク
これに基づき、従来技術による４軸ジンバルの制御系は、図２のように、各Ｇi 軸独立で、制御則処理部、サーボモータ、追尾アンテナを構成する各物体（以下、構成物体という）ｉにより構成される。従来技術による制御系の処理手順を図３に示す。
図２および図３において、Ｇi 軸への回転角コマンドθicを入力し（Ｓ１）、Ｇi 軸の実測された回転角θi との差分を計算し（Ｓ２）、制御則に基づきサーボモータへのコマンドを計算し（Ｓ３）、サーボモータにより構成物体ｉへのトルクＴi を発生させる（Ｓ４）。このとき、構成物体ｉに作用する外乱トルクＴdiが加わって構成物体ｉがＧi 軸回りに回転し（Ｓ５）、Ｇi 軸の回転角度θi および回転角速度θ'iを計測し（Ｓ６）、ステップＳ２，Ｓ３にフィードバックする。
桧垣、土谷、"船舶用ブロードバンドアンテナにおける防振機構系と追尾制御系の設計手法について", 電子情報通信学会論文誌B, Vol.J91-B, No.12, pp.1578-1586, 2008
中型および大型の船舶に比して、大きな動揺を受ける小型船舶に搭載する衛星追尾アンテナの制御系を想定する。小型船舶において、仰角および方位角のみを駆動する２軸のジンバルによる衛星追尾アンテナを構成した場合、小型船舶であるが故に発生する２軸のジンバル間の干渉が大きくなる。通常、ジンバルを用いたアンテナ追尾機構はそのジンバル軸数に応じて２入力２出力から４入力４出力になるが、現在は中型・大型の船舶への搭載を前提としているために各軸に発生する角速度・角度変動は小さく、制御設計上問題にならないとして、１入力１出力の独立の設計あるいは、干渉係数なる評価指標による得られるゲイン余裕、位相余裕変動の小さい範囲で１入力１出力系の制御系設計がなされている。
しかしながら、小型船舶で発生するようなより大きな動揺で、かつ、より高い周波数の外乱トルク環境において所望の指向方向精度を達成しようとした場合、ジンバル軸の非直交性により大きな軸間および他軸の運動による干渉トルクが発生し、指向方向精度が低下する、更には各軸独立に構成した１入力１出力の制御系の安定性が損なわれるという課題があった。
本発明は、このような課題を解決し、小型船舶で想定される動揺下でも高精度な衛星追尾制御が可能な衛星追尾アンテナシステムおよび衛星追尾アンテナ制御方法を提供することを目的とする。
第１の発明は、複数のジンバル軸より構成されるジンバルプラットフォームと、該プラットフォーム上に搭載される衛星追尾アンテナとを備えた衛星追尾アンテナシステムにおいて、複数のジンバル軸の回転角度および回転角速度と、既知である構成物体の物理特性とを用いて、各ジンバル軸に対して他の全てのジンバル軸の運動により発生する干渉成分を算定する干渉補償手段と、各ジンバル軸に対する干渉成分を打ち消すように制御トルクを発生し、各ジンバル軸の制御を行う制御手段とを備える。干渉補償手段は、以下に示す (5)〜(8) 式で表される運動方程式を解くことにより干渉成分を算定する。
第２の発明は、複数のジンバル軸より構成されるジンバルプラットフォームと、該プラットフォーム上に搭載される衛星追尾アンテナとを備え、該衛星追尾アンテナのアンテナ指向方向を制御する衛星追尾アンテナ制御方法において、複数のジンバル軸の回転角度および回転角速度と、既知である構成物体の物理特性とを用いて、各ジンバル軸に対して他の全てのジンバル軸の運動により発生する干渉成分を算定する干渉補償ステップと、各ジンバル軸に対する干渉成分を打ち消すように制御トルクを発生し、各ジンバル軸の制御を行う制御ステップとを有する。干渉補償ステップでは、以下に示す (5)〜(8) 式で表される運動方程式を解くことにより干渉成分を算定する。
本発明は、ジンバルプラットフォームの各軸の非直交性により発生する干渉成分（干渉トルク）を、構成物体である例えばアンテナ反射鏡面およびジンバルプラットフォームの質量、慣性能率等の物理特性、ジンバル軸の回転角度、回転角速度の情報を用いて補償し、安定で高精度な指向方向を達成することができる。これにより、小型船舶で発生するような大きな動揺で、かつ高い周波数の外乱トルク環境であっても、所望の指向方向精度を安定に達成することができる。
本発明は、従来の衛星追尾アンテナでは用いられていない他軸からの干渉の補償を各軸ごとに行うことを特徴とする。
図１に示したジンバルプラットフォームの４つの駆動軸（Ｇ1 ，Ｇ2 ，Ｇ3 ，Ｇ4 軸）の基準点からの回転角度および船舶に対する回転角速度を計測する。本計測方法については、軸毎に取り付けたセンサにより直接、あるいは、ジンバル軸毎に慣性航法装置を装着し、慣性航法装置間の相対オイラー角度、オイラー角速度からの計算により求める。これら得られた回転角度θi および回転角速度θ'i、追尾アンテナを構成する構成物体ｉの物理特性（慣性行列、質量、重心位置等）を用いて、制御対象とするジンバル軸に作用する他軸の運動の影響を補正する。
一般に、図１のような４軸ジンバルの運動方程式は、 (5)〜(8) 式のように表される。 Ｃ11θ"1＋Ｃ21θ"2＋Ｃ31θ"3＋Ｃ41θ"4＋ｆ1 ＝Ｔ1 …(5)
Ｃ12θ"1＋Ｃ22θ"2＋Ｃ32θ"3＋Ｃ42θ"4＋ｆ2 ＝Ｔ2 …(6)
Ｃ13 θ" 1 ＋Ｃ23θ"2＋Ｃ33θ"3＋Ｃ43θ"4＋ｆ3 ＝Ｔ3 …(7)
Ｃ14θ"1＋Ｃ24θ"2＋Ｃ34θ"3＋Ｃ44θ"4＋ｆ4 ＝Ｔ4 …(8)
Ｃij：構成物体ｉから構成物体ｊへの干渉係数
ただし、Ｃiiは構成物体ｉのＧi 軸回りの慣性能率（Ｉii）
ｆi ：構成物体の回転角度（θ1,θ2,θ3,θ4)、回転角速度（θ'1,θ'2,θ'3,θ'4) により構成物体ｉに作用するトルク。当該角度、角速度と構成物体の物理特性 （慣性行列、質量、重心位置、重心から各軸までの最短距離）の関数
Ｔi ：構成物体ｉに作用する制御トルクおよび干渉トルクの総和
Ｃ12θ"1＋Ｃ22θ"2＋Ｃ32θ"3＋Ｃ42θ"4＋ｆ2 ＝Ｔ2 …(6)
Ｃ13 θ" 1 ＋Ｃ23θ"2＋Ｃ33θ"3＋Ｃ43θ"4＋ｆ3 ＝Ｔ3 …(7)
Ｃ14θ"1＋Ｃ24θ"2＋Ｃ34θ"3＋Ｃ44θ"4＋ｆ4 ＝Ｔ4 …(8)
Ｃij：構成物体ｉから構成物体ｊへの干渉係数
ただし、Ｃiiは構成物体ｉのＧi 軸回りの慣性能率（Ｉii）
ｆi ：構成物体の回転角度（θ1,θ2,θ3,θ4)、回転角速度（θ'1,θ'2,θ'3,θ'4) により構成物体ｉに作用するトルク。当該角度、角速度と構成物体の物理特性 （慣性行列、質量、重心位置、重心から各軸までの最短距離）の関数
Ｔi ：構成物体ｉに作用する制御トルクおよび干渉トルクの総和
船舶が小型化すると波の影響を受けやすくなり、従ってジンバルプラットフォーム全体が大きな動揺を受けることになる。これにより、これまで無視することができていたＧi 軸回りに対する、Ｇj 軸の角加速度に起因する干渉トルクＣijθ"jおよびＧj 軸の角度、角速度に起因する干渉トルクｆi は無視できなくなる。例えば、Ｇ1 軸には、Ｇ2 ，Ｇ3 ，Ｇ4 軸からＣ21θ"2，Ｃ31θ"3，Ｃ41θ"4，ｆ1 の干渉トルクを受けるが、これらは大きさ、位相不明なトルクとして制御系へ入力され、指向方向誤差の増加および制御系の安定余裕の減少、不安定化をもたらす。さらに、自軸回りと他軸回りの運動の相互作用によって、当該軸および他軸の独立に設計した制御系が共に不安定化することもありうる。
しかしながら、Ｇi 軸に対するこのような干渉トルクＣjiθ"j，ｆi は、 (5)〜(8) 式に基づき各構成物体の物理特性およびジンバル軸の回転角、回転角速度を用いることにより時々刻々算定が可能である。したがって、これら干渉トルクを打ち消すように、制御トルクにあらかじめ加算することにより、あたかも各軸を独立に設計可能となり、安定性を確保した上で、所望の指向方向精度の維持することができる。
図４は、本発明による干渉補償を行う制御系を示す。ここでは、Ｇ1 軸制御部２０−１のみを具体的に示すが、Ｇ2 軸制御部２０−２〜Ｇ4 軸制御部２０−４についても同様である。
図４において、Ｇi 軸の回転角度θi および回転角速度θ'iを計測して干渉補償器１０に入力し、さらに構成物体ｉの物理特性を用いて、他のＧj 軸の運動により発生する干渉トルクＣjiθ"j，ｆi を計算し、それぞれＧi 軸制御部２０−ｉに入力する。Ｇi 軸制御部２０−ｉは、図２に示す構成と同様の制御則処理部、サーボモータ、構成物体ｉに加えて、干渉補償器１０から干渉トルクを入力し、これを打ち消すようにモータコマンドへ合成するコマンド合成部を備える。
なお、構成物体ｉ毎の物理特性としては、慣性行列Ｉi 、質量ｍi 、重心位置Ｒ ig、接続点位置（接続点までの距離）ｒ iGj があり、これらは構成物体ｉに設定した座標系を基準に表される。
図５は、本発明による制御系の処理手順を示す。
図４および図５において、Ｇi 軸への回転角コマンドθicを入力し（Ｓ１）、Ｇi 軸の実測された回転角θi との差分を計算し（Ｓ２）、制御則に基づきサーボモータへのコマンドを計算する（Ｓ３）。一方、干渉補償器１０では、Ｇi 軸の回転角度θi と、回転角速度θ'iと、構成物体ｉの物理特性（定数）を入力し、(5)〜(8)式に基づいて干渉トルクＣjiθ"j，ｆi および外乱トルクＴdiを計算し、それらをモータコマンドへ変換してＧi 軸制御部２０−ｉのコマンド合成部に入力し、それらを打ち消すようにモータコマンドを合成する（Ｓ11）。そして、サーボモータにより構成物体ｉへのトルクＴi を発生させ（Ｓ４）、構成物体ｉがＧi 軸回りに回転し（Ｓ５）、Ｇi 軸の回転角度θi および回転角速度θ'iを計測し（Ｓ６）、ステップＳ２，Ｓ３にフィードバックする。
図４および図５において、Ｇi 軸への回転角コマンドθicを入力し（Ｓ１）、Ｇi 軸の実測された回転角θi との差分を計算し（Ｓ２）、制御則に基づきサーボモータへのコマンドを計算する（Ｓ３）。一方、干渉補償器１０では、Ｇi 軸の回転角度θi と、回転角速度θ'iと、構成物体ｉの物理特性（定数）を入力し、(5)〜(8)式に基づいて干渉トルクＣjiθ"j，ｆi および外乱トルクＴdiを計算し、それらをモータコマンドへ変換してＧi 軸制御部２０−ｉのコマンド合成部に入力し、それらを打ち消すようにモータコマンドを合成する（Ｓ11）。そして、サーボモータにより構成物体ｉへのトルクＴi を発生させ（Ｓ４）、構成物体ｉがＧi 軸回りに回転し（Ｓ５）、Ｇi 軸の回転角度θi および回転角速度θ'iを計測し（Ｓ６）、ステップＳ２，Ｓ３にフィードバックする。
なお、本補償法は、ジンバルプラットフォームの軸数によらず、４軸未満、４軸以上の場合も動揺に適用可能である。また、図１に示す衛星追尾アンテナにおける構成物体１〜４の定義を図６に示す。
１０ 干渉補償器
２０−１ Ｇ1 軸制御部
２０−２ Ｇ2 軸制御部
２０−３ Ｇ3 軸制御部
２０−４ Ｇ4 軸制御部
２０−１ Ｇ1 軸制御部
２０−２ Ｇ2 軸制御部
２０−３ Ｇ3 軸制御部
２０−４ Ｇ4 軸制御部
Claims (2)
- 複数のジンバル軸より構成されるジンバルプラットフォームと、該プラットフォーム上に搭載される衛星追尾アンテナとを備えた衛星追尾アンテナシステムにおいて、
前記複数のジンバル軸の回転角度および回転角速度と、既知である構成物体の物理特性とを用いて、各ジンバル軸に対して他の全てのジンバル軸の運動により発生する干渉成分を算定する干渉補償手段と、
前記各ジンバル軸に対する干渉成分を打ち消すように制御トルクを発生し、前記各ジンバル軸の制御を行う制御手段と
を備え、
前記干渉補償手段は、４つのジンバル軸の回転角度および回転角速度と、既知である構成物体の物理特性とを用い、以下の運動方程式を解くことにより前記干渉成分を算定することを特徴とする衛星追尾アンテナシステム。
Ｃ 11 θ" 1 ＋Ｃ 21 θ" 2 ＋Ｃ 31 θ" 3 ＋Ｃ 41 θ" 4 ＋ｆ 1 ＝Ｔ 1
Ｃ 12 θ" 1 ＋Ｃ 22 θ" 2 ＋Ｃ 32 θ" 3 ＋Ｃ 42 θ" 4 ＋ｆ 2 ＝Ｔ 2
Ｃ 13 θ" 1 ＋Ｃ 23 θ" 2 ＋Ｃ 33 θ" 3 ＋Ｃ 43 θ" 4 ＋ｆ 3 ＝Ｔ 3
Ｃ 14 θ" 1 ＋Ｃ 24 θ" 2 ＋Ｃ 34 θ" 3 ＋Ｃ 44 θ" 4 ＋ｆ 4 ＝Ｔ 4
Ｃ ij ：構成物体ｉから構成物体ｊへの干渉係数
ただし、Ｃ ii は構成物体ｉのＧ i 軸回りの慣性能率（Ｉ ii ）
ｆ i ：構成物体の回転角度（θ 1 ,θ 2 ,θ 3 ,θ 4 )、回転角速度（θ' 1 ,θ' 2 ,θ' 3 ,θ' 4 ) により構成物体ｉに作用するトルク。当該角度、角速度と構成物体の物理特性 （慣性行列、質量、重心位置、重心から各軸までの最短距離）の関数
Ｔ i ：構成物体ｉに作用する制御トルクおよび干渉トルクの総和 - 複数のジンバル軸より構成されるジンバルプラットフォームと、該プラットフォーム上に搭載される衛星追尾アンテナとを備え、該衛星追尾アンテナのアンテナ指向方向を制御する衛星追尾アンテナ制御方法において、
前記複数のジンバル軸の回転角度および回転角速度と、既知である構成物体の物理特性とを用いて、各ジンバル軸に対して他の全てのジンバル軸の運動により発生する干渉成分を算定する干渉補償ステップと、
前記各ジンバル軸に対する干渉成分を打ち消すように制御トルクを発生し、前記各ジンバル軸の制御を行う制御ステップと
を有し、
前記干渉補償ステップでは、４つのジンバル軸の回転角度および回転角速度と、既知である構成物体の物理特性とを用い、以下の運動方程式を解くことにより前記干渉成分を算定することを特徴とする衛星追尾アンテナ制御方法。
Ｃ 11 θ" 1 ＋Ｃ 21 θ" 2 ＋Ｃ 31 θ" 3 ＋Ｃ 41 θ" 4 ＋ｆ 1 ＝Ｔ 1
Ｃ 12 θ" 1 ＋Ｃ 22 θ" 2 ＋Ｃ 32 θ" 3 ＋Ｃ 42 θ" 4 ＋ｆ 2 ＝Ｔ 2
Ｃ 13 θ" 1 ＋Ｃ 23 θ" 2 ＋Ｃ 33 θ" 3 ＋Ｃ 43 θ" 4 ＋ｆ 3 ＝Ｔ 3
Ｃ 14 θ" 1 ＋Ｃ 24 θ" 2 ＋Ｃ 34 θ" 3 ＋Ｃ 44 θ" 4 ＋ｆ 4 ＝Ｔ 4
Ｃ ij ：構成物体ｉから構成物体ｊへの干渉係数
ただし、Ｃ ii は構成物体ｉのＧ i 軸回りの慣性能率（Ｉ ii ）
ｆ i ：構成物体の回転角度（θ 1 ,θ 2 ,θ 3 ,θ 4 )、回転角速度（θ' 1 ,θ' 2 ,θ' 3 ,θ' 4 ) により構成物体ｉに作用するトルク。当該角度、角速度と構成物体の物理特性 （慣性行列、質量、重心位置、重心から各軸までの最短距離）の関数
Ｔ i ：構成物体ｉに作用する制御トルクおよび干渉トルクの総和
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| JP2014024321A JP6061348B2 (ja) | 2014-02-12 | 2014-02-12 | 衛星追尾アンテナシステムおよび衛星追尾アンテナ制御方法 |
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| JP2014024321A JP6061348B2 (ja) | 2014-02-12 | 2014-02-12 | 衛星追尾アンテナシステムおよび衛星追尾アンテナ制御方法 |
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