JP6300322B2 - 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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本発明は、海洋で動揺を受ける船舶に搭載される衛星通信システムにおいて、アンテナ反射鏡面の指向方向（主ビーム方向）を静止通信衛星の方向に自動追尾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およびジンバル機構を回転させるジンバルプラットフォーム制御モータにより、ジンバル角度をフィードバック制御する制御系を構成し、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を行っている（非特許文献１）。特に、制御系構成の特徴としては、１つのジンバル軸ごと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。
また、指向方向誤差は、電波を送受信する給電系において、複数の受信素子を介して受信電力の大きさを測定することにより算定している。
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
小型船舶に搭載される衛星追尾アンテナでは、中型および大型の船舶に比して大きな動揺を受け、そのため仰角および方位角の指向方向の制御精度が大きく劣化する要因の１つとなっている。衛星追尾アンテナの外乱トルクは、海洋の波浪を通して船舶が動揺することによって受けるものであるため、船舶の動揺を小さくしない限り外乱トルクそのものを小さくすることができない。
しかしながら、その外乱トルクをリアルタイムで推定し、ジンバル駆動に使用するモータで外乱トルクを打ち消す補償トルクを発生させ、見かけ上の衛星追尾アンテナに作用する外乱トルクを小さくすることが可能であれば、制御精度の大きな向上につながる。
本発明は、この課題を解決するために、外乱トルクをリアルタイムで推定して高精度な衛星追尾制御を可能と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を提供することを目的とする。
第１の発明は、船舶上に設置される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、該ジンバル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、船舶上に設置して所定のジンバル軸方向の加速度を観測し、その加速度のスペクトル解析により船舶の動揺の固有振動数を検出する観測手段と、船舶の動揺の固有振動数を用いて、所定のジンバル軸に作用する動揺振動角成分まで含んだ外乱トルクを要素とする状態変数ベクトルを推定することで、外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段と、外乱トルク推定手段で推定された外乱トルクに対して逆位相の補償トルクを発生させ、動揺により発生する外乱トルクを打ち消して各ジンバル軸の制御を行う制御手段とを備え、外乱トルク推定手段は、外乱トルクの微分が、該外乱トルクと船舶の動揺の固有振動数の二乗に負符号を付した値との積で表されると仮定し、所定のジンバル軸のジンバルの回転角、該回転角の微分、外乱トルク、及び該外乱トルクの微分を要素とする状態変数ベクトル、所定のジンバル軸回りの慣性能率、所定のジンバル軸のジンバルに作用する非線型トルク、及び所定のジンバル軸回りに作用させる補償トルクと、状態変数ベクトルの微分との関係を表す状態方程式を用い、観測された所定のジンバル軸のジンバルの回転角、及び該回転角の微分を要素とする観測ベクトルを入力とするオブザーバーを適用して、状態変数ベクトルを推定する。
第２の発明は、船舶上に設置される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、該ジンバル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、船舶上に設置して所定のジンバル軸方向の加速度を観測し、その加速度のスペクトル解析により船舶の動揺の固有振動数を検出する第１のステップと、第１のステップで検出された船舶の動揺の固有振動数を用いて、所定のジンバル軸に作用する動揺振動角成分まで含んだ外乱トルクを要素とする状態変数ベクトルを推定することで、外乱トルクを推定する第２のステップと、第２のステップで推定された外乱トルクに対して逆位相の補償トルクを発生させ、動揺により発生する外乱トルクを打ち消して各ジンバル軸の制御を行う第３のステップとを有し、第２のステップでは、外乱トルクの微分が、該外乱トルクと船舶の動揺の固有振動数の二乗に負符号を付した値との積で表されると仮定し、所定のジンバル軸のジンバルの回転角、該回転角の微分、外乱トルク、及び該外乱トルクの微分を要素とする状態変数ベクトル、所定のジンバル軸回りの慣性能率、所定のジンバル軸のジンバルに作用する非線型トルク、及び所定のジンバル軸回りに作用させる補償トルクと、状態変数ベクトルの微分との関係を表す状態方程式を用い、観測された所定のジンバル軸のジンバルの回転角、及び該回転角の微分を要素とする観測ベクトルを入力とするオブザーバーを適用して、状態変数ベクトルを推定する。
本発明は、外乱トルクをリアルタイムで推定してそれを打ち消すようにジンバル軸を制御することにより、船舶の動揺に対する衛星追尾アンテナの仰角および方位角の指向方向の制御精度を高め、特に小型船舶に対して中型船舶と動揺の制御精度を有する衛星追尾アンテナを実現することができる。
４軸ジンバル機構による衛星追尾アンテナの構成例を示す図である。 本発明の衛星追尾アンテナの制御系の構成例を示す図である。 船舶の動揺固有振動数の測定方法を説明する図である。 外乱推定オブザーバーを用いた制御系の構成例を示す図である。 加速度計測装置１１の配置例を示す図である。 ２軸シンバルの仰角（Ｇ4 軸）に関する制御系の構成例を示す図である。 ４軸シンバルのＧ1 軸およびＧ2 軸に関する制御系の構成例を示す図である。
図１は、４軸ジンバル機構による衛星追尾アンテナの構成例を示す。
図１において、船舶に搭載され、アンテナ反射鏡面の主ビーム方向を静止通信衛星に向けるための衛星追尾アンテナは、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を用いて仰角および方位角の指向方向制御が実施される。指向方向誤差のうち、指向方向制御精度の定常偏差については、使用するセンサの精度と制御対象である衛星追尾アンテナに作用する外乱トルクの大きさによって、外乱に対する良好な応答性は制御帯域によって決まる。よって、より高い指向方向制御精度を達成するためには、高い精度を有するセンサの使用と外乱トルクを小さくすること、制御系の高帯域化が必要である。
本発明は、外乱トルクに着目し、等価的に衛星追尾アンテナに作用する外乱トルクが小さくなるように、まず衛星追尾アンテナに作用する外乱トルクの固有振動数を計測する。これは、衛星追尾アンテナが搭載される船舶の動揺の固有振動数である。この固有振動数を状態推定器のパラメータに使用し、ある時間の外乱トルクの大きさを推定するとともに、この外乱トルクの値に対して逆位相の補償トルクをジンバルプラットフォーム制御モータで発生させ、衛星追尾アンテナに対して動揺により発生する外乱トルクを見かけ上打ち消すと同時に指向方向制御を行う。
図２は、本発明の衛星追尾アンテナの制御系の構成例を示す。
図２において、加速度計測装置１１およびスペクトル解析装置１２からなる観測器は、船舶の慣性航法装置または加速度計を用いて、制御対象の衛星追尾アンテナのジンバル軸方向の加速度を計測し、その加速度スペクトルを解析して動揺の固有振動数を検出する。外乱トルク推定装置１３は、観測された動揺の固有振動数に基づいて、衛星追尾アンテナの各ジンバル軸に作用する外乱トルクを推定する。外乱トルク打ち消し制御装置１４は、外乱トルク推定装置１３で推定された外乱トルクに対する逆位相の補償トルクをジンバルプラットフォーム制御モータ１５で発生させ、衛星追尾アンテナに対して動揺により発生する外乱トルクを打ち消す。
海洋を航行する船舶の動揺は、波浪による強制振動により発生し、理論的には複数の固有振動数でそれぞれ異なる振幅を正弦波の重ね合わせと考えられるが、現実には１つの大きな振幅を有する正弦波で代表されることが多い。
さらに、この正弦波として表される波浪により励起される船舶の動揺は、船舶の重心およびメタセンターの影響を加味した固有振動を有する正弦波となる。いずれにしても船舶の動揺が１つの固有振動数のみを有する正弦波であると仮定した場合、衛星追尾アンテナの１つの軸（以下ｉ軸）に作用する外乱トルクｄi は、 (1)式のように表される。
Figure 0006300322
一方、衛星追尾アンテナのジンバルによる運動方程式はｉ軸のみを取り出すと、 (2)式のように表される。
Figure 0006300322
 ｇi ：ジンバルのうちｉ軸に関する要素
θi ：ｉ軸のジンバルの回転角
Ｉi ：ｉ軸回りの慣性能率
ｆi ：ｉ軸のジンバルに作用する非線型トルク（内部干渉、軸間トルク）をＩi で
除した量
Ｔi ：ｉ軸回りに作用させる制御トルク
Ｄi ：ｉ軸回りに作用する外乱トルクに関する要素
また、Ｘ Di の微分は、 (3)式で表すことができる。
Figure 0006300322
(2)式および (3)式について、状態変数ベクトルを拡張してＸ i とし、さらにこれを用いて１つの状態方程式で表すと、 (4)式のようになる。さらに、Ｘ i の観測量は、 (5)式のように表される。
Figure 0006300322
この場合、状態量Ｘ i は、 (4)式および (5)式の行列Ａi ，Ｃi より生成される可観測行列を用いて、可観測であるならば、状態推定理論の１つであるオブザーバーを適用して推定できることが分かっている。ただし、この場合、行列Ａi ，Ｃi の各要素が既知であることが必要である。各要素は、本質的に衛星追尾アンテナのダイナミクスであり、ωi は (1)式で明らかなように船舶の動揺固有振動数であって、外乱であるため、別途その固有振動数を測定により明らかにする必要がある。
このため、図３に示すように、船舶の位置する局地座標系を基準にして、その基準座標系と船舶上に搭載した観測器（加速度計測装置１１，スペクトル解析装置１２）により、船舶の動揺波形（ａ＝−ｒω2 ｄ、ｒは重心からの距離）を観測してスペクトル解析することにより、主たる動揺の固有振動数ω＾を把握する。
以上の準備の後、図４に示すように外乱推定オブザーバー（外乱トルク推定装置）において、状態変数ベクトルＸ i を推定する。オブザーバーは (6)式に示すように、観測ベクトルＹ i と、状態変数ベクトルの推定値Ｘ＾ i より得られる推定観測量Ｃi Ｘ＾ i との差分に比例定数行列Ｇi をかけて推定することができる。
Figure 0006300322
外乱トルクＸ Di は、状態変数ベクトルの推定値Ｘ＾ i の構成要素より分かるため、制御器（外乱トルク打ち消し制御装置１４）は、この外乱トルクの大きさを打ち消す補償トルクを、ジンバルプラットフォーム制御モータで発生する駆動トルクｕ ai に印加し、衛星追尾アンテナに入力される外乱トルクを見かけ上ゼロにする。
船舶の動揺は、船舶のヨー軸回りにはかなり小さいため、ロール軸とピッチ軸回りの動揺について扱うものとする。船舶の動揺を引き起こす波浪運動は、１つの正弦波と仮定しているため、それにより発生する加速度は、重心とロール軸とピッチ軸上以外の任意の位置で測定可能である。例えば図５に示す加速度計測装置１１のように、ヨー軸方向に検出軸を有する１つの加速度計あるいは、慣性航法装置に組み込まれたヨー軸方向の加速度を検出する加速度センサを用いて当該加速度を検出する。検出した加速度信号は、図２および図３に示すスペクトル解析装置１２に入力され、最もエネルギー密度の大きい周波数を動揺の周波数として求める。
次に、図１において、２軸ジンバルを用いた衛星追尾アンテナの場合、ロール軸およびピッチ軸回りの動揺の影響を受けるのは、仰角に関するＧ4 軸である。よって、Ｇ4 軸に関して、図６に示すような制御系を構成する。観測器でＧ4 軸の回転角および回転角速度を計測し、外乱推定オブザーバーでＧ4 軸回りの外乱トルクを推定し、その外乱トルクを打ち消す補償トルクをジンバルプラットフォーム制御モータにより発生させつつ、所望の目標とする制御器を組み込む。
図１において、４軸ジンバルを用いた衛星追尾アンテナの場合には、図７に示すように、その動揺による外乱トルクの影響を受けるのは、Ｇ1 軸およびＧ2 軸のみである。２軸ジンバルの衛星追尾アンテナの場合と同様に、観測器でＧ1 ，Ｇ2 軸の回転角および回転角速度を計測し、外乱推定オブザーバーでＧ1 軸回りおよびＧ2 軸回りの外乱トルクを推定し、軸ごとに外乱トルクを打ち消す補償トルクをジンバルプラットフォーム制御モータにより発生させつつ、所望の目標とする制御器を組み込む。ただし、図４に示したように動揺の周波数については、共通に使用可能である。
１１ 加速度計測装置
１２ スペクトル解析装置
１３ 外乱トルク推定装置
１４ 外乱トルク打ち消し制御装置
１５ ジンバルプラットフォーム制御モータ

Claims (2)

  1. 船舶上に設置される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、該ジンバル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、
    前記船舶上に設置して所定のジンバル軸方向の加速度を観測し、その加速度のスペクトル解析により前記船舶の動揺の固有振動数を検出する観測手段と、
    前記船舶の動揺の固有振動数を用いて、前記所定のジンバル軸に作用する動揺振動角成分まで含んだ外乱トルクを要素とする状態変数ベクトルを推定することで、前記外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段と、
    前記外乱トルク推定手段で推定された外乱トルクに対して逆位相の補償トルクを発生させ、前記動揺により発生する外乱トルクを打ち消して前記各ジンバル軸の制御を行う制御手段と
    を備え、
    前記外乱トルク推定手段は、
    前記外乱トルクの微分が、該外乱トルクと前記船舶の動揺の固有振動数の二乗に負符号を付した値との積で表されると仮定し、
    前記所定のジンバル軸のジンバルの回転角、該回転角の微分、前記外乱トルク、及び該外乱トルクの微分を要素とする前記状態変数ベクトル、前記所定のジンバル軸回りの慣性能率、前記所定のジンバル軸のジンバルに作用する非線型トルク、及び前記所定のジンバル軸回りに作用させる補償トルクと、前記状態変数ベクトルの微分との関係を表す状態方程式を用い、観測された前記所定のジンバル軸のジンバルの回転角、及び該回転角の微分を要素とする観測ベクトルを入力とするオブザーバーを適用して、前記状態変数ベクトルを推定する
    ことを特徴とする衛星追尾アンテナシステム。
  2. 船舶上に設置される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、該ジンバル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、
    前記船舶上に設置して所定のジンバル軸方向の加速度を観測し、その加速度のスペクトル解析により前記船舶の動揺の固有振動数を検出する第１のステップと、
    前記第１のステップで検出された前記船舶の動揺の固有振動数を用いて、前記所定のジンバル軸に作用する動揺振動角成分まで含んだ外乱トルクを要素とする状態変数ベクトルを推定することで、前記外乱トルクを推定する第２のステップと、
    前記第２のステップで推定された外乱トルクに対して逆位相の補償トルクを発生させ、前記動揺により発生する外乱トルクを打ち消して前記各ジンバル軸の制御を行う第３のステップと
    を有し、
    前記第２のステップでは、
    前記外乱トルクの微分が、該外乱トルクと前記船舶の動揺の固有振動数の二乗に負符号を付した値との積で表されると仮定し、
    前記所定のジンバル軸のジンバルの回転角、該回転角の微分、前記外乱トルク、及び該外乱トルクの微分を要素とする前記状態変数ベクトル、前記所定のジンバル軸回りの慣性能率、前記所定のジンバル軸のジンバルに作用する非線型トルク、及び前記所定のジンバル軸回りに作用させる補償トルクと、前記状態変数ベクトルの微分との関係を表す状態方程式を用い、観測された前記所定のジンバル軸のジンバルの回転角、及び該回転角の微分を要素とする観測ベクトルを入力とするオブザーバーを適用して、前記状態変数ベクトルを推定する
    ことを特徴とする衛星追尾アンテナ制御方法。
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