JPH0672916B2 - アンテナ指向装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は海事衛星通信等に使用されるアンテナの衛星方
向への指向装置に関する。

〔従来の技術〕

従来のアンテナ指向装置の第１の例は第２図に示す如く
構成されている。即ち、この指向装置は、４軸アンテナ
マウントと呼ばれ、同図に示す如く、アンテナ、ジンバ
ル等からなり、主として、船上に装備される機構部
（１）と船内に装備される制御部（２）とから構成され
る。同図において（３）は基台で、それに支柱（3A）が
植立され、その上端にフォーク状の部分（3B）が取り付
けられている。部分（3B）の両脚にロール軸々受
（４），（４′）（（４′）は図示せず）が設けられて
いる。この基台（３）が船体上に取付けられる。（５）
はロールジンバルで、ロール軸々受（４），（４′）と
対応する位置に、ロール軸（６），（６′）が夫々固設
され、これ等が上記ロール軸々受（４），（４′）に夫
々回動的に嵌合される。ロールジンバル（５）はロール
軸（６），（６′）と夫々90゜離れた位置にピッチ軸々
受（７），（７′）を有し、これ等にピッチジンバル
（８）の対応位置に固設されたピッチ軸（９），
（９′）が夫々回動的に嵌合される。ピッチジンバル
（８）は、ブリッジ（８−１）を介して上方に突出する
円筒部（10′）を有し、その内部に方位軸々受（９−
１），（９−１′）を互いに上下に離して固設する。

（10）は方位軸で、これは上記円筒部（10′）内の方位
軸々受（9-1），（9-1′）に回動的に嵌合すると共に、
下端に方位歯車（11）が、又上端にコ字状部材（12）が
夫々固設される。該コ字状部材（12）は、上記ロール軸
（６），（６′）又はピッチ軸（９），（９′）と同一
の高さの所に、仰角軸（13），（13′）を有する。これ
等仰角軸（13），（13′）は、夫々一端はアンテナ（1
4）が取付けられている取付部材（15），（15′）の対
応位置に設けた、仰角軸々受（16），（16′）に夫々回
動的に嵌合する。（17）は方位軸（10）と平行な軸のま
わりに高速で回転するフライホィールを内蔵するフライ
ホィールユニットで、ピッチジンバル（８）に固定され
る。このフライホィールユニット（17）を設けたこと
で、ピッチジンバル（８）、コ字状部材（12）、アンテ
ナ（14）等からなる部分は、ジャイロケースの一部を構
成し、これ等全体がジャイロとなる。

（18）はピッチトルカで、基台（３）のフォーク状の部
分（3B）のロール軸々受（４′）の位置に取付けられ、
上記フライホィールユニット（17）に対して、非接触時
に上記ロール軸（６），（６′）のまわりに、その入力
電流に比例したトルクを加え、その結果、ピッチジンバ
ル（８）以内をピッチ軸（９），（９′）のまわりにプ
リセッションさせる作用を行う。（19）はロールトルカ
で、ピッチジンバル（５）のピッチ軸々受（７′）の位
置に取付けられ、上記フライホィールユニット（17）に
対して非接触的に上記ピッチ軸（９），（９′）のまわ
りにその入力電流に比例したトルクを加え、その結果、
ピッチジンバル（８）以内をロール軸（６），（６′）
のまわりにプリセッションさせる作用を行う。（20）は
ロール傾斜計で、ピッチジンバル（８）上に取付けら
れ、ピッチジンバル（８）のロール軸（６），（６′）
まわりの傾斜を検出し、その出力は増幅器（22）を介し
て、上記ロールトルカ（19）にフィードバックされ、ピ
ッチジンバル（８）をロール軸（６），（６′）まわり
に関して、常に水平に保持する。（21）はピッチ傾斜計
で、ピッチジンバル（８）上に取付けられ、ピッチジン
バル（８）のピッチ軸（９），（９′）まわりの傾斜を
検出し、その出力は増幅器（23）を介してピッチトルカ
（18）にフィードバックされ、ピッチジンバル（８）を
ピッチ軸（９），（９′）まわりに関して常に水平に保
持する。即ち、上記２個のフィードバックループによ
り、ピッチジンバル（８）は常に水平に保持され、その
結果、方位軸（10）は常時、鉛直に保持されることにな
る。

コ字状部材（12）のピッチジンバル（８）に対する方位
角は、その回転子（図示せず）が方位歯車（11）と噛合
しているブリッジ（8-1）上に設けた方位角発信器（2
4）によって検出され、制御部（２）に送られる。又、
アンテナ（14）のコ字状部材（12）に対する仰角も、そ
の回転子（図示せず）が一方の仰角軸（13）に固定した
仰角歯車（25）に噛合している一方の取付部材（15）に
設けた仰角発信器（26）によって検出され、同時に制御
部（２）に送られる。制御部（２）においては、ジャイ
ロコンパス（図示せず）からの船首方位、衛星の方位
角、仰角等をもとに演算を行い、ブリッジ（8-1）上に
設けた方位サーボモータ（27）及び取付部材（15）に設
けた仰角サーボモータ（28）に、増幅器（27A）及び（2
8A）を介して命令を与え、アンテナ（14）を所要の衛星
方向に指向させる。

第３図は従来の二軸マウントと呼ばれるアンテナ指向装
置の他の例の斜視図である。同図において、第２図と同
一符号は互いに同一素子を示すものとする。同図におい
て基台（３）にブリッジ部（3-1）を設け、その上に上
方に突出する如く円筒部（10′）を植立し、その内部に
配した２個の方位軸々受（9-1），（9-1′）に方位軸
（10）を嵌合し、その上端にアーム（40-1）を介して、
方位ジンバル（40）を上記方位軸（10）の軸線のまわり
に回動的に支持する。方位ジンバル（40）の上端にフォ
ーク状部分（40-2）を固定する。このフォーク状部分
（40-2）は、上記方位軸（10）と直交し且つ水平方向に
２個の仰角軸々受（16），（16′）を有する。アンテナ
（14）を取付けるコ字状の取付金具（41）の両脚（41-
1），（41-1′）の対応する位置に設けた仰角軸（1
3），（13′）が仰角軸々受（16），（16′）に夫々回
動的に嵌合する。この取付金具（41）に、仰角軸（1
3），（13′）のまわりのアンテナ（14）の角度を検出
する仰角ジャイロ（44）と、仰角軸（13），（13′）及
びアンテナ（14）の軸（X-X）の双方に直交する軸のま
わりのアンテナ（14）の角度を検出する方位ジャイロ
（45）と、アンテナ（14）の仰角軸（13），（13′）ま
わりの傾斜角を検出する第１の加速度計（46）及びアン
テナ（14）のアンテナ軸（X-X）まわりの傾斜角を検出
する第２の加速度計（47）を夫々固設する。

又、取付金具（41）は、一方の仰角軸（13）と同軸的の
仰角歯車（48）を有する。方位ジンバル（40）のフォー
ク状部分（40-2）の対応位置に固設した仰角サーボモー
タ（49A）の回転軸に設けたピニオン（50）が、上記仰
角歯車（48）と噛合している。一方、方位軸（10）の下
端部に方位歯車（11）を取り付け、基台（３）のブリッ
ジ部（3-1）上に方位サーボモータ（52）及び方位発信
器（53）を取り付け、それ等の回転軸に設けたピニオン
（図示せず）を方位歯車（11）と夫々噛合させる。

仰角ジャイロ（44）、方位ジャイロ（45）に振動ジャイ
ロ、レートジャイロ等の微分型のジャイロを用いた場合
の制御ループを第３図に合わせて示す。仰角ジャイロ
（44）の出力は、積分器（54）、増幅器（55）を介して
仰角サーボモータ（49A）にフィードバックされ、船体
の角運動に対して仰角軸（13），（13′）まわりのアン
テナ（14）の角速度をゼロに保持する。

一方、第１の加速度計（46）の出力は、アークサイン演
算器（57）を介し、それより手動設定等による衛星高度
角θ_Ｓに対応した信号を減じた後、減衰器（56）を通し
て積分器（54）に入力される。このループは、アンテナ
（14）の仰角θを衛星高度角θ_Ｓに一致させる時定数を
持ったループで、減衰器（56）には、仰角ジャイロ（4
4）のドリフト変動を補償するため、積分特性を具備さ
せることも出来る。

一方、方位ジャイロ（45）の出力は、積分器（58）、増
幅器（59）を通して方位サーボモータ（52）にフィード
バックされ、アンテナ（14）を、アンテナ軸（X-X）及
び仰角軸（13），（13′）の双方に直交する軸のまわり
に船体の角運動に対して安定化させる。一方、アンテナ
の方位に対応した方位発信器（53）の出力から、マグネ
ットコンパス或いはジャイロコンパスからの船首方位φ
_Ｃ及び手動設定等による衛星方位φ_Ｓが差し引かれた
後、その信号を減衰器（60）を通して積分器（58）に入
力する。このループは、アンテナ方位φを、衛星方位φ
_Ｓに一致させる時定数をもったループで、減衰器（60）
は方位ジャイロ（45）のドリフト変動を補償するため、
積分特性を具備させることも出来る。即ち、第３図にお
いて、減衰器（56），（60）の出力端は、積分型ジャイ
ロのトルカに相当することになる。

尚、仰角ジャイロ（44）、方位ジャイロ（45）として、
従来の機械式ジャイロ、、チューンドドライジャイロ
（TDG）等の二軸自由度タイプのジャイロ、或いはレー
ト積分ジャイロ等の、出力が角速度でなく、角度である
ようなジャイロを使用する場合には、それ等のピックア
ップ出力を積分器（54），（58）を通さず、直接、増幅
器（55），（59）に入力すると共に、減衰器（56），
（60）の出力は、対応するジャイロのトルカに入力すれ
ば良いことになり、ジャイロの方式に制限されない。

又、仰角及び方位サーボモータ（49A），（52）とし
て、ギアードタイプのものを示したが、その代わりに歯
車系を必要としない直接駆動型のものを使用しても良い
し、ステップモータ、パルスモータ等も使用可能なこと
は勿論である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、第２図に示す従来の４軸マウントタイプ
のアンテナ指向装置にあっては、ピッチジンバルをロー
ル軸及びピッチ軸まわりに水平を保持するための２個の
水平制御系、衛星方向にアンテナを指向させるための方
位制御系、アンテナの仰角を制御するための仰角制御系
の４つの制御系統が必要であり、システムが高価であ
り、信頼性も低下する。又、中央部にフライホィールの
取付けられたピッチジンバルがあり、その周囲にロール
ジンバル、ロール軸々受を有する基台に取り付けたフォ
ーク状部分、コ字状部材等が配置され、その外側に大口
径のアンテナが配置されるため、機構部が大型となり、
取付場所の制限、装備の困難等、各種の問題がある。

一方、第３図に示す二軸マウントタイプのアンテナ指向
装置においては、船舶が衛星の直下に位置した時にアン
テナ仰角θが90゜となり、仰角軸（13），（13′）と方
位軸（10）の双方に直交する軸まわりの角度外乱に対し
て追従不能となる、いわゆるジンバルロックが生じ、機
能不能となるという問題があった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を回避せんとするもので、その手段
は、基台（３）と、支持機構と、アンテナ（14）とより
なるアンテナ指向装置において、上記支持機構を、上記
基台に対して垂直な方位軸（10）のまわりに回動的に支
持すると共に、上記支持機構を、上部に上記方位軸と直
交する仰角軸々受（16），（16′）を有するフォーク状
部分（40-2）を構成した方位ジンバルと、上記仰角軸々
受に回動的に嵌合する仰角軸（13），（13′）が固設さ
れ且つ該仰角軸と直交する位置にＸ軸々受（64），（6
4′）を有する仰角ジンバル（61）と、上記Ｘ軸々受に
回動的に嵌合するＸ軸（63），（63′）が固設され、該
Ｘ軸と直交するアンテナ軸を有するアンテナ支持部材
（41）と該アンテナ支持部材に固定され、上記アンテナ
軸と平行な回転軸を有し、内部に高速で回転するフライ
ホィールを有するフライホィールユニット（44A）と、
上記アンテナ支持部材に固定され、上記アンテナ軸と平
行な入力軸を有する第１の加速度計（46）と、上記アン
テナ支持部材に固定され、上記仰角軸と、平行な入力軸
を有する第２の加速度計（47）と、上記アンテナ支持部
材に固定され、上記第１及び第２の加速度計の入力軸の
双方に直角な入力軸を有する第３の加速度計（60A）
と、上記基台に対する上記方位ジンバルの上記方位軸ま
わりの回転角を発信する方位発信器（53）と、上記基台
に固定され上記方位ジンバルに対して方位軸のまわりに
入力信号に比例したトルクを加える方位サーボモータ
（52）と、上記方位ジンバルに固設され上記仰角ジンバ
ルに対し上記仰角軸のまわりに入力信号に比例したトル
クを加えるＸ軸トルカ（49）と、上記仰角ジンバルに固
定され、上記Ｘ軸のまわりに上記アンテナを含むアンテ
ナ支持部材の上記Ｘ軸のまわりに入力信号に比例したト
ルクを加える仰角トルカ（62）と、上記方位発信器の出
力、ジャイロコンパスからの自船方位信号、自船の位
置、上記第１、第２、第３の加速度計の出力を入力と
し、仰角誤差信号、Ｘ軸誤差信号及び衛星方位誤差信号
を出力する演算部（68）とより構成し、上記衛星方位誤
差信号を上記方位サーボモータにフィードバックする方
位サーボループを設け、上記仰角誤差信号を上記仰角ト
ルカに入力すると共に、上記Ｘ軸誤差信号を上記Ｘ軸ト
ルカに入力し、上記誤差信号をゼロとなるようにしたこ
とを特徴とするアンテナ指向装置である。

〔作用〕

ジャイロコンパスからの船首方位信号と衛星方位角信号
とにより方位サーボ系によって方位ジンバルを衛星方向
に指向させる。アンテナ（14）にその回転軸がアンテナ
軸と平行となるように固設したフライホィールユニット
（44A）によりアンテナ（14）をアンテナ軸と直角な２
軸のまわりに船体動揺運動から安定化させる。アンテナ
（14）に取付けた互いに直交する３個の加速度計（4
6），（47），（60A）の出力とアンテナ（14）を指向さ
せるべき衛星の諸元から演算部（68）において、アンテ
ナの仰角誤差及びＸ軸誤差を演算し、これ等をＸ軸及び
仰角軸に取付けた２個のトルカ（62），（49）にフィー
ドバックして、上記誤差がゼロとなるように制御するこ
とによりアンテナ軸を常時、正しく衛星の方向に指向さ
せる。

〔実施例〕

第１図は本発明のアンテナ指向装置の一実施例を示す斜
視図である。同図において第２図及び第３図と同一符号
は互いに同一素子を示すものとする。

同図に示す本発明の一例において、基台（３）にブリッ
ジ部（3-1）を設け、その上に上方に突出する如く円筒
部（10′）を植立し、その内部の２個の方位軸々受（9-
1），（9-1′）に、方位軸（10）を嵌合し、その上端
に、方位ジンバル（40）を固定し、この方位ジンバル
（40）を上記方位軸（10）の軸線のまわりに回動的に支
持する。方位ジンバル（40）は、上方にフォーク状部分
（40-2）を有し、このフォーク部分（40-2）の先端に、
上記方位軸（10）と直交し、且つ水平方向に２個の仰角
軸々受（16），（16′）を設ける。（61）は四辺形状の
仰角シンバルで、これは、その一対の垂直方向の辺の中
央に、２個の仰角軸（13），（13′）を有し、これ等仰
角軸（13），（13′）は、上記方位ジンバル（40）の仰
角軸々受（16），（16′）にそれぞれ回動的に嵌合す
る。

仰角ジンバル（61）の一対の水平方向の辺は、上記仰角
軸（13），（13′）と直交する位置に、２個のＸ軸（6
3），（63′）を有する。これ等Ｘ軸（63），（63′）
は、アンテナ（14）を取付けるコ字状支持部材或いは取
付金具（41）の両脚（41-1），（41-1′）の対応する位
置に設けたＸ軸々受（64），（64′）に、それぞれ回動
的に嵌合する。この取付金具（41）に、その回転軸の方
向をアンテナ（14）の軸と平行となるように、フライホ
ィールユニット（44A）を取付ける。又、上記取付金具
（41）には、水平面に対するアンテナ軸（Ｚ軸）の傾斜
角を検出するＺ加速度計（46）、水平面に対する仰角軸
（13）（13′）即ちＹ軸の傾斜角を検出するＹ加速度計
（47）及び水平面に対するＸ軸の傾斜角を検出するＸ加
速度計（60A）とがそれぞれ取り付けられる。

基台（３）のブリッジ部（3-1）には、方位軸（10）の
下端に取付けられた方位歯車（11）とその回転子が噛合
する如く方位サーボモータ（52）及び方位発信器（53）
が取付けられる。方位サーボモータ（52）は、その入力
電流に比例したトルクを方位ジンバル（40）からアンテ
ナ（14）に至る可動部に、方位軸（10）のまわりに加え
る作用を有し、一方、方位発信器（53）は、基台（３）
に対する方位ジンバル（40）、即ちアンテナ（14）の回
転角を発信する。

方位ジンバル（40）の仰角軸々受（16）の位置に、Ｘ軸
トルカ（49）が取付けられ、その入力電流に比例したト
ルクを仰角ジンバル（61）からアンテナ（14）に至る可
動部に、仰角軸（13），（13′）のまわりに加える。仰
角ジンバル（61）のＸ軸々受（64）の位置に、仰角トル
カ（62）が取付けられ、その入力電流に比例したトルク
を、アンテナ（14）に対してＸ軸（63），（63′）のま
わりに加える。

方位発信器（53）の出力であるアンテナ回転角（φ）
は、ジャイロコンパスからのコンパス方位φ_Ｃ及び演算
部（68）からの衛星方位φ_Ｓと加算された後、増幅器
（69）を介して、方位サーボモータ（52）に入力され、
方位ジンバル（40）を常に衛星の方向を指向するように
制御する。

一方、演算部（68）には、手動入力される衛星方位
φ_Ｓ、衛星仰角θ_Ｓ、X,Y,Zの３個の加速度計（60A）
（47）（46）の出力が入力される。この３個の加速度計
の出力信号に対して、動揺等に起因する交番加速度がフ
ィルタされる。演算部（68）はアンテナの仰角誤差Δθ
及びＸ軸周りの誤差角ΔΨを演算する。尚、演算部（6
8）は、手動入力される衛星方位φ_Ｓ、衛星仰角θ_Ｓの
代わりに自船の緯度及び経度（λ、Ｌ）を入力して衛星
方位φ_Ｓ、衛星仰角θ_Ｓを演算することができる。衛星
方位φ_Ｓ、衛星仰角θ_Ｓは次の式によって求められる。

ここで、S_X、S_Y、S_Zは次の式によって与えられる。

S_X＝R_S｛cosλ_S cosλcos（L_S−Ｌ） ＋sinλ _Ssinλ−R/R_S｝ S_Y＝R_S｛cosλ_S sin（L_S−Ｌ）｝ S_Z＝R_S｛−cosλ_S sinλcos（L_S−Ｌ） ＋sinλ_S cosλ｝ ここで、R_S:衛星の高度、R:地球半径、λ_S:衛星の緯
度、L_S:衛星の経度、である。これらの値は予め演算部
（68）内に設定されている。

仰角誤差Δθは増幅器（67）を介して、仰角トルカ（6
2）に供給され、仰角誤差Δθがゼロとなるように、即
ち、アンテナ仰角θが正しく衛星仰角θ_Ｓと一致するよ
うにアンテナ（14）は、即ち、フライホィールユニット
（44A）は仰角軸、即ち、Ｙ軸周りにプリセッションさ
れる。Ｘ軸誤差角ΔΨは増幅器（55）を介して、Ｘ軸ト
ルカ（49）に供給され、Ｘ軸誤差角ΔΨがゼロとなるよ
うに、即ち、アンテナ方位角φが正しく衛生方位角φ_Ｓ
と一致するように、アンテナ（14）は、即ち、フライホ
ィールユニット（44A）はＸ軸周りにプリセッションさ
れる。

尚、X,Y,Zの３個の加速度計（60A），（47），（46）の
出力を、A_X,A_Y,A_Zとすれば、簡単なベクトルの計算によ
り、仰角誤差Δθ及びＸ軸誤差角ΔΨは、近似的に次式
によって計算される。

Δθ＝sin^-1（−A_Z/g）−θ_Ｓ又は 但し、ｇは重力加速度を示す。

尚、方位発信器（53）としてはシンクロ電機が一般的で
あるが、ポテンションメータ、エンコーダ等の同様の機
能のものであれば使用可能である。

〔発明の効果〕

本発明によるアンテナ指向装置は、第２図に示す従来の
４軸タイプのアンテナ指向装置に比較して、制御軸が一
軸減少出来、小型、軽量化が可能となると共に、製造コ
ストが低減できる。又、フライホィールユニットを直接
アンテナに取付ける構造の為、小型のものでよく、一層
の軽量化が可能となる。

又、第３図に示す２軸タイプのアンテナ指向装置に比較
して、方位軸が衛星方向を向いた場合に生ずるジンバル
ロックの影響をなくすことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のアンテナ指向装置の一例の略線的斜視
図、第２図は従来のアンテナ指向装置の略線的斜視図、
第３図は従来のアンテナ指向装置の他の例の略線的斜視
図である。 図に於て、（３）は基台、（10）は方位軸、（11）は方
位歯車、（13），（13′）は仰角軸、（63），（63′）
はＸ軸、（14）はアンテナ、（40）は方位ジンバル、
（61）は仰角ジンバル、（40-2）はフォーク状部分、
（41）は取付金具、（44A）はフライホィールユニッ
ト、（46），（47），（60A）は加速度計、（49）はＸ
軸トルカ、（62）は仰角トルカ、（52）は方位サーボモ
ータ、（53）は方位発信器、（55），（67），（69）は
増幅器、（68）は演算部をそれぞれ示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アンテナ軸を有するアンテナと、該アンテ
   ナを上記アンテナ軸に直交するＸ軸周りに回転可能に支
   持する仰角ジンバルと、該仰角ジンバルを上記アンテナ
   軸及びＸ軸の両者に直交する仰角軸（Ｙ軸）周りに回転
   可能に支持する方位ジンバルと、該方位ジンバルを上記
   仰角軸に直交する方位軸周りに回転可能に支持する基台
   と、内部に上記アンテナ軸に平行な回転軸周りに高速で
   回転するフライホィールを含み上記アンテナを慣性空間
   に対して安定化させるために上記アンテナに取り付けら
   れたフライホィールユニットと、上記アンテナに対して
   上記Ｘ軸周りにトルクを加える仰角トルカを含む仰角軸
   制御ループと、上記アンテナに対して上記仰角軸周りに
   トルクを加えるＸ軸トルカを含むＸ軸制御ループと、上
   記基台に対する上記方位軸周りの上記アンテナの回転角
   を検出する方位発信器と上記基台に対して上記方位ジン
   バルを上記方位軸周りに回転させるための方位サーボモ
   ータとを含み上記アンテナの方位を衛星方位に一致する
   ように上記アンテナを上記方位軸周りに回転制御するた
   めの方位軸制御ループと、を有するアンテナ指向装置に
   おいて、 水平面に対する上記Ｘ軸の傾斜角を検出するために設け
   られたＸ加速度計と、水平面に対する上記仰角軸（Ｙ
   軸）の傾斜角を検出するために設けられたＹ加速度計
   と、水平面に対する上記アンテナ軸の傾斜角を検出する
   ために設けられたＺ加速度計と、上記３つのループにて
   生ずる上記アンテナの指向誤差を演算する演算器と、を
   設け、該演算器は上記３つの加速度計より得られた３つ
   の傾斜角信号と外部より供給された衛星仰角信号とを入
   力して、上記仰角軸（Ｙ軸）周りの指向誤差を指示する
   仰角軸誤差信号と上記Ｘ軸周りの指向誤差を指示するＸ
   軸誤差信号とを生成し、上記仰角軸誤差信号を上記仰角
   軸制御ループに供給し、上記Ｘ軸誤差信号を上記Ｘ軸制
   御ループに供給するように構成されていることを特徴と
   するアンテナ指向装置。