特許 7621187 角度誤差検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-16

(45)【発行日】2025-01-24

(54)【発明の名称】角度誤差検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 3/32 20060101AFI20250117BHJP

   G01S 13/44 20060101ALI20250117BHJP

   G01S 3/42 20060101ALI20250117BHJP

【ＦＩ】

G01S3/32

G01S13/44

G01S3/42 C

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2021088680

(22)【出願日】2021-05-26

(65)【公開番号】P2022181637

(43)【公開日】2022-12-08

【審査請求日】2024-04-02

(73)【特許権者】

【識別番号】000232483

【氏名又は名称】日本電波工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002756

【氏名又は名称】弁理士法人弥生特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小林 薫

【審査官】▲高▼場 正光

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１６５５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／１４３４６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３５８６９５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開昭６３－１６３１８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国登録特許第１０－２０９８８６２（ＫＲ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ３／００ － Ｇ０１Ｓ ３／７４

Ｇ０１Ｓ ７／００ － Ｇ０１Ｓ ７／４２

Ｇ０１Ｓ １３／００ － Ｇ０１Ｓ １３／９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アンテナの正面方向に対する、追尾対象からの周波数信号の受信方向の角度誤差を検出する角度誤差検出装置において、
前記アンテナに設けられ、搬送波により変調された前記周波数信号を受信し、第１の受信信号として出力する第１の受信部と、前記第１の受信部で受信した周波数信号とは異なる位置にて前記周波数信号を第２の受信信号として受信すると共に、前記第１の受信信号及び前記第２の受信信号から得られる和信号と、差信号との位相が９０°ずれた状態となる位置に配置された第２の受信部と、
前記第１の受信信号と前記第２の受信信号とに基づき和信号と、差信号とを取得し、各々、和信号用信号路、差信号用信号路へと出力する受信信号出力部と、
前記和信号用信号路を介して得られた前記和信号、及び前記差信号用信号路を介して得られた前記差信号を、各々、前記搬送波を用いて直交復調し、これら和信号及び差信号について、各々、同相成分（Ｉ成分）、直交成分（Ｑ成分）を取得する復調部と、
前記同相成分を複素平面上の実部、前記直交成分を虚部として複素ベクトル表示したとき、前記差信号のベクトルと、前記和信号のベクトルの共役ベクトルとを乗算して得られる乗算ベクトルの虚部の値に基づき前記角度誤差を検出する角度誤差検出部と、
前記乗算ベクトルの実部の値に基づき、前記差信号の位相を補正して当該実部の値をゼロにするための補正値を取得する補正値取得部と、
前記補正値取得部にて補正した補正値に基づき、前記差信号の位相を補正する位相補正部と、を備えたことを特徴とする角度誤差検出装置。

【請求項2】

前記位相補正部は、前記差信号用信号路を通過した前記差信号が、前記復調部に入力される位置にて当該差信号の位相を補正することを特徴とする請求項１に記載の角度誤差検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は追尾対象に対するアンテナの角度誤差を検出する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

通信衛星や航空機などの追尾対象から出力される周波数信号である通信信号を受信する受信システムには、アンテナの正面方向に対する通信信号の受信方向のずれ（角度誤差）を検出した結果に基づいて、通信信号の受信方向がアンテナの正面方向と揃うようにアンテナの向きを変えることができるもの（追尾受信システム）がある。

【0003】

角度誤差の検出手法としては、アンテナ内に設けられた、配置位置の異なる２つの開口部（第１の受信部、第２の受信部）にて各々、受信された通信信号の振幅差を求め、この振幅差に基づいて角度誤差を求める手法が知られている。
この手法においては、第１の受信部にて受信した通信信号Ａと、第２の受信部にて受信した通信信号Ｂとの和信号Ａ＋Ｂ、及び差信号Ａ－Ｂを用いて角度誤差を求める計算が行われる。

【0004】

一方、追尾受信システムにおいては、角度誤差の計算を行う演算機をアンテナの近傍位置に配置できるとは限らず、例えばアンテナと演算機とを、数十メートル～数百メートル離して配置しなければならない場合がある。
この場合には、アンテナ側で得られた和信号、差信号は、通信ケーブルなどを含む信号路（和信号用信号路、差信号用信号路）を介して演算機側に供給される。

【0005】

しかしながら、これらの信号路の長さが厳密に揃っていないと、和信号と差信号との間に位相差が形成され、正確な角度誤差の算出を阻む要因となる。また、通信ケーブルの劣化の度合いの違いや通信ケーブルが配置されている空間の温度の違いなども、和信号と差信号との間に位相差を形成する要因となる。

【0006】

ここで特許文献１、２には、和信号や差信号が送信される各信号路（特許文献１には「受信チャンネル」と記載され、特許文献２には「系統」と記載されている）に対し、これら和信号や差信号と切り替えてパイロット信号を供給し、異なる信号路を通過したパイロット信号の位相差を検出した結果に基づいて和信号や差信号の補正を行う技術が記載されている。
しかしながら、これら特許文献１、２には、和信号・差信号とパイロット信号との切り替えを行わずに、各信号路に起因する位相差をリアルタイムで検出し、補正に活用する技術は記載されていない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特表昭５６－５００３９４号公報

【文献】特開２０１０－６６０６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明はこのような事情の下になされたものであり、追尾受信に用いられるアンテナの角度誤差検出を行う際に、和信号や差信号が信号路（和信号用信号路、差信号用信号路）を通過することに伴う位相の変化をリアルタイムで把握し、補正することが可能な角度誤差検出装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本角度誤差検出装置は、アンテナの正面方向に対する、追尾対象からの周波数信号の受信方向の角度誤差を検出する角度誤差検出装置において、
前記アンテナに設けられ、搬送波により変調された前記周波数信号を受信し、第１の受信信号として出力する第１の受信部と、前記第１の受信部で受信した周波数信号とは異なる位置にて前記周波数信号を第２の受信信号として受信すると共に、前記第１の受信信号及び前記第２の受信信号から得られる和信号と、差信号との位相が９０°ずれた状態となる位置に配置された第２の受信部と、
前記第１の受信信号と前記第２の受信信号とに基づき和信号と、差信号とを取得し、各々、和信号用信号路、差信号用信号路へと出力する受信信号出力部と、
前記和信号用信号路を介して得られた前記和信号、及び前記差信号用信号路を介して得られた前記差信号を、各々、前記搬送波を用いて直交復調し、これら和信号及び差信号について、各々、同相成分（Ｉ成分）、直交成分（Ｑ成分）を取得する復調部と、
前記同相成分を複素平面上の実部、前記直交成分を虚部として複素ベクトル表示したとき、前記差信号のベクトルと、前記和信号のベクトルの共役ベクトルとを乗算して得られる乗算ベクトルの虚部の値に基づき前記角度誤差を検出する角度誤差検出部と、
前記乗算ベクトルの実部の値に基づき、前記差信号の位相を補正して当該実部の値をゼロにするための補正値を取得する補正値取得部と、
前記補正値取得部にて補正した補正値に基づき、前記差信号の位相を補正する位相補正部と、を備えたことを特徴とする。

【0010】

上述の角度誤差検出装置は、以下の構成を備えていてもよい。
（ａ）前記位相補正部は、前記差信号用信号路を通過した前記差信号が、前記復調部に入力される位置にて当該差信号の位相を補正すること。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、角度誤差検出に用いられる和信号及び差信号を直交復調して複素ベクトル表示した際、これらのベクトルが直交した状態を維持するように復調前の差信号をフィードバック補正するので、信号路を通過することに起因する和信号、差信号間の位相の変化をリアルタイムで把握し、補正することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】角度誤差検出装置を備えた追尾受信システムの構成図である。

【図2】角度誤差検出装置の概要構成を示すブロック図である。

【図3】比較形態に係る角度誤差検出装置のブロック図である。

【図4】直交復調された和信号及び差信号を用いて角度誤差を求める手法に係る説明図である。

【図5】前記和信号及び差信号の位相のずれが角度誤差の検出結果へ及ぼす影響を示す説明図である。

【図6】実施形態に係る角度誤差検出装置のブロック図である。

【図7】前記実施形態に係る角度誤差検出装置に含まれる回路の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１は、本発明の実施の形態に係る角度誤差検出装置を備えた追尾受信システム１の構成例を示している。
当該追尾受信システム１は、追尾対象から出力された通信信号（周波数信号）を受信するアンテナ１１と、このアンテナ１１の向きを変化させるアンテナ駆動機構１５と、アンテナ１１から取得した通信信号の和信号及び差信号に基づき、アンテナ１１の正面方向に対する通信信号の受信方向のずれ（角度誤差）を検出する角度誤差検出装置１２と、角度誤差検出装置１２にて検出された角度誤差に基づいてアンテナ１１の駆動方向や駆動量を求める追尾制御部１３と、追尾制御部１３にて決定された駆動方向や駆動量に基づき、アンテナ駆動機構１５の駆動制御を行うアンテナ駆動部１４と、を備える。

【0014】

図２は、上述の追尾受信システム１に含まれるアンテナ１１及び角度誤差検出装置１２を示すブロック図である。
例えば図２に示す追尾対象８は、予め設定された周波数の通信信号を出力する。この通信信号は、前記予め設定された周波数を有する搬送波によって変調されたベースバンド信号を含んでいる。

【0015】

アンテナ１１は、互いに受信位置が異なる第１の受信部２ａ、第２の受信部２ｂを備える。方位方向の測角を行う場合は、第１の受信部２ａ、第２の受信部２ｂは横方向に異なる位置に配置され、高さ方向の測角を行う場合は、第１の受信部２ａ、第２の受信部２ｂは高さ方向に異なる位置に配置される。

【0016】

これら第１、第２の受信部２ａ、２ｂにて受信された通信信号Ａ、Ｂは、例えばアンテナ１１側に設けられた加算部２１、２２を経て、各々、和信号Ａ＋Ｂ、差信号Ａ－Ｂとして出力される。
なお、図２に示した例においては、アンテナ１１側で和信号、差信号を得る場合について説明したが、これらの信号を得る加算部２１、２２は、角度誤差検出装置１２側に設けてもよい。

【0017】

図３は、本発明を適用する前の比較形態に係る角度誤差検出装置１２ａのブロック図を示している。角度誤差検出装置１２ａは、不要な成分をろ波する受信フィルタ３１ａ、３１ｂや、ろ波後の和信号、差信号を増幅する可変増幅器３２ａ、３２ｂが設けられた受信処理部３と、信号処理ブロック４とを備える。受信処理部３と信号処理ブロック４との間は、和信号が通過する和信号用信号路３３ａ、及び差信号が通過する差信号用信号路３３ｂによって接続されている。
アンテナ１１に設けられた加算部２１、２２と、前記受信処理部３とは、本例の受信信号出力部を構成している。

【0018】

信号処理ブロック４は、受信処理部３にて増幅された和信号、差信号のＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換部４３と、ディジタル変換された和信号、差信号を復調する復調部４１と、差信号の信号レベルに基づき角度誤差を求める角度誤差検出部４２と、を備える。
ここで受信処理部３側に設けられた既述の可変増幅器３２ａ、３２ｂは、Ａ／Ｄ変換部４３側に設けられたＡＧＣ制御部４３２と組み合わせて動作するＡＧＣ（自動利得制御部）を構成している。

【0019】

次に、図４、図５を参照し、上述の構成を備える角度誤差検出装置１２ａにより、和信号、差信号を用いて角度誤差を検出する手法の一例、及び図３に示す比較形態に係る角度誤差検出装置１２ａの問題点について説明する。

【0020】

図４（ａ）は、加算部２１、２２から出力された和信号、差信号を直交復調して得られた直交成分（Ｑ成分）を実軸（Ｒｅ軸）、同相成分（Ｉ成分）を虚軸（Ｉｍ）軸にプロットしてベクトル表示した図である。図４（ａ）に示すように、通常、和信号及び差信号は、互いに異なる信号レベルを有し、和信号のベクトル、差信号のベクトルの長さが異なっている場合がある。

【0021】

また、図４（ａ）に示す和信号、差信号の信号レベルは角度誤差（アンテナ１１の正面方向に対する通信信号の受信方向のずれ）に応じても変化する。このとき、角度誤差が小さい範囲においては、和信号（Σ）に対する差信号（Δ）の信号レベルの比が、角度誤差（θ）にほぼ対応する関係（θ∝Δ／Σ）があることを利用して角度誤差を検出する。

【0022】

一方、追尾受信システム１が設けられている通信施設などにおいては、和信号をメインの復調系（不図示）にて復調し、後段の処理が行われるため、復調される和信号の信号レベルが一定であることが求められる。

【0023】

そこで、和信号、差信号の増幅を行う可変増幅器３２ａ、３２ｂにおいて、和信号側の可変増幅器３２ａは、出力される信号レベルが一定となるように和信号を増幅する。一方、差信号側の可変増幅器３２ｂは、和信号側の可変増幅器３２ａと同じゲインにて増幅を行う。
この結果、可変増幅器３２ｂから出力される差信号の信号レベル（複素ベクトル表示された差信号のベクトルの長さ）は、可変増幅器３２ａから出力される和信号の信号レベル（一定値）にて規格化された値（「Δ／Σ」に対応する値）になる（図４（ｃ））。

【0024】

またここで、第１の受信部２ａ、第２の受信部２ｂは、直交復調され、複素ベクトル表示された和信号のベクトルと差信号のベクトルとが直交する関係、即ち、和信号と差信号との位相が９０°ずれた関係となる位置に配置されている。この直交関係を利用し、図４（ｂ）に示すように、差信号のベクトルが虚軸方向を向くように、ベクトルを回転させることにより、演算後の差信号のベクトルの虚部の値が「Δ／Σ」に対応する値となる。

【0025】

差信号のベクトルを回転させる手法として、本例の復調部４１は、差信号のベクトルに対し、和信号のベクトルと共役なベクトル（図４（ａ）中に破線で示してある）を乗算する演算を行う。この演算の結果得られた乗算ベクトルの虚部に対応する値を読み取ることにより、角度誤差に対応する「Δ／Σ」の値を取得することができる。

【0026】

ここで図４（ａ）～（ｃ）を用いて説明した上述の手法は、和信号用信号路３３ａ、差信号用信号路３３ｂを介して取得した和信号、差信号の位相関係が直交した状態を維持しつつ、これらの信号が復調部４１に入力される場合に正しい角度誤差を得ることができる。

【0027】

一方で、既述のように、これらの信号路３３ａ、３３ｂは、例えば長さが数十メートル～数百メートルの通信ケーブルを備える場合がある。この際、双方の通信ケーブルの長さが厳密に揃っていなかったり、劣化の度合や配置環境の温度が異なっていたりすることにより、これらの信号路３３ａ、３３ｂを通過する際に和信号－差信号の位相にずれが生じる場合がある。

【0028】

図５（ａ）は、前記位相のずれに伴い、和信号のベクトルと差信号のベクトルとが互いに直交する関係でなくなった状態を示している。同図中には、差信号用信号路３３ｂを通過する前の真の差信号のベクトル（図４（ａ）に記載の差信号のベクトルに対応する）を破線で示している。

【0029】

和信号のベクトルと差信号のベクトルとの直交関係が崩れてしまうと、和信号と共役なベクトルにより差信号のベクトルを回転させても、演算後の乗算ベクトルは、虚軸方向からずれてしまう。このため、乗算ベクトルの虚部の値を読み取っただけでは、正しいベクトルの長さを読み取ることができず、角度誤差の検出結果にずれ（検出誤差）が生じてしまう。
なお図示の便宜上、図５においては、差信号に位相のずれが生じ、和信号と差信号との直交関係が崩れてしまった場合について説明したが、和信号側で位相のずれが生じた場合や、差信号と和信号との双方で位相のずれが生じた場合も同様の問題が生じる。

【0030】

以上に説明した課題に対応するため、図６に示すように、本例の角度誤差検出装置１２は、図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明した和信号のベクトルに対する差信号のベクトルの直交関係のずれの大きさを検出し、当該検出結果に基づいて補正値を取得する補正値取得部４４を備え、この補正値に基づき復調部４１に入力される差信号の位相の補正を行う機能を有する。

【0031】

図７は、復調部４１、角度誤差検出部４２及びＡ／Ｄ変換部４３の回路の構成例を示している。
図７の復調部４１は、搬送波の周波数に対応する周波数信号（例えば余弦波）を出力する周波数発振部４１１と、当該周波数信号の位相を９０°進めた周波数信号（例えば正弦波）を得る位相回転器４１２とを備える。

【0032】

乗算器４１３ａは、和信号用信号路３３ａを介してＡ／Ｄ変換部４３に供給され、ディジタル変換された後の和信号に周波数発振部４１１からの周波数信号を乗算する。そして、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４１４ａにて不要成分を取り除くことによりＩ成分（Ｉ１）を取り出す。また、乗算器４１３ｂは、前記ディジタル変換された和信号に位相回転器４１２にて位相を９０°進めた周波数信号を乗算し、ＬＰＦ４１４ｂにて不要成分を取り除くことにより、Ｑ成分（Ｑ１）を取り出す。

【0033】

同様に乗算器４１３ｃは、差信号用信号路３３ｂを介してＡ／Ｄ変換部４３に供給され、ディジタル変換された後の差信号に周波数発振部４１１からの周波数信号を乗算する。そしてＬＰＦ４１４ｃにて不要成分を取り除くことによりＩ成分（Ｉ２）を取り出す。また、乗算器４１３ｄは、前記ディジタル変換された差信号に位相回転器４１２にて位相を９０°進めた周波数信号を乗算し、ＬＰＦ４１４ｄにて不要成分を取り除くことにより、Ｑ成分（Ｑ２）を取り出す。

【0034】

角度誤差検出部４２は、和信号のＩ１、Ｑ１、差信号のＩ２、Ｑ２を用い、図４（ａ）、（ｂ）を用いて説明した考え方に基づき差信号のベクトルを回転させる。即ち、複素ベクトル表示された差信号のベクトル（Ｉ２，Ｑ２）に対し、和信号と共役なベクトル（Ｉ１，－Ｑ１）を乗算し、演算後の乗算ベクトル（Ｉ１Ｉ２＋Ｑ１Ｑ２，Ｉ１Ｑ２－Ｉ２Ｑ１）の虚部の値である「Ｉ１Ｑ２－Ｉ２Ｑ１」を取得する。具体的には、乗算器４２１ｂにて得られた「Ｉ１Ｑ２」と乗算器４２１ａにて得られた「Ｉ２Ｑ１」との差分値が加算器４２２より出力される。

【0035】

そして、係数乗算器４２３にて、当該差分値を実際の角度誤差に変換するための、予め設定された変換係数を乗算すると、アンテナ１１の正面方向に対する通信信号の受信方向のずれ量である角度誤差を得ることができる。

【0036】

ここで図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明したように、和信号のベクトルと差信号のベクトルとの直交関係が崩れている場合には、演算後の乗算ベクトルに実部の値が発生する（図５（ｂ））。乗算ベクトルと虚軸との成す角度φが十分に小さい場合には、前記角度φは、乗算ベクトルの実部の値にほぼ等しい。

【0037】

そこで補正値取得部４４は、差信号のベクトルと、和信号と共役なベクトルとの乗算結果に基づき、実部の値である「Ｉ１Ｉ２＋Ｑ１Ｑ２」を求める。具体的には、乗算器４４１ａにて得られた「Ｉ１Ｉ２」と乗算器４４１ｂにて得られた「Ｑ１Ｑ２」との加算値が加算器４４２より出力される。

【0038】

そして、ディジタル変換後、復調部４１に入力される前の差信号が、同じく復調部４１に入力される前の和信号と直交した状態を維持するように、補正値算出部４４３にて、前記角度φを相殺するための補正値を取得する。例えば補正値算出部４４３は、前記差信号のベクトルの実部の値に所定の係数を乗算すると共に、当該乗算結果の正負の符号を反転させる。

【0039】

しかる後、補正値算出部４４３にて取得された補正値は、復調部４１に差信号を入力する位置の手前に配置された位相補正部４５に入力される。位相補正部４５においては、補正値算出部４４３から取得した補正値に基づき、差信号の位相を遅らせ、または進ませる位相補正を行う。なお、補正値の符号の反転は、位相補正部４５側で行ってもよい。

【0040】

上述の構成を備える補正値取得部４４、位相補正部４５を用いることにより、和信号との間に位相のずれが発生した場合であっても、復調部４１、補正値取得部４４を用いた各種演算を行うことにより、当該位相のずれに対応する値（既述の乗算ベクトルの実部の値）を得ることができる。

【0041】

そして、この値に基づいて補正値を取得し、差信号の位相のフィードバック補正に用いることにより、和信号との間の位相のずれを小さくすることができる。この結果、角度誤差検出部４２にて取得される乗算ベクトルの虚部の値を、実際の「Δ／Σ」の値に近づけ、より正しい角度誤差を検出することができる。

【0042】

また、図５（ｂ）に示す乗算ベクトルと虚軸とが成す角度φは、差信号のベクトルと和信号のベクトルとが直交した状態からの相対的なずれ量である。このため、和信号が和信号用信号路３３ａを通過する過程にて位相のずれが生じた場合、または和信号及び差信号の双方においてずれが生じた場合であっても、差信号側の位相を補正することにより、これらのずれの補正を行うことができる。

【0043】

本実施の形態に係る角度誤差検出装置１２によれば以下の効果がある。角度誤差検出に用いられる和信号及び差信号を直交復調して複素ベクトル表示した際、これらのベクトルが直交した状態を維持するように復調前の差信号をフィードバック補正するので、信号路３３ａ、３３ｂを通過することに起因する和信号、差信号間の位相の変化をリアルタイムで把握し、補正することができる。

【0044】

なお、補正値取得部４４を用いた差信号の位相の補正は、ディジタル変換された後の差信号に対して実施する場合に限定されない。例えばディジタル変換前のアナログの差信号の位相を補正してもよい。

【0045】

また、本発明の角度誤差検出装置の適用対処は、通信用の追尾受信システムに限定されない。例えばレーダーシステム内に本発明の角度誤差検出装置を設けてもよい。この場合は、追尾対象は探知目標となり、追尾対象からの周波数信号は、探知対象に周波数信号を照射して、反射された信号となる。

【符号の説明】

【0046】

１ 追尾受信システム
２ａ、２ｂ 受信部
２１、２２ 加算部
３ 受信処理部
３３ａ 和信号用信号路
３３ｂ 差信号用信号路
４１ 復調部
４２ 角度誤差検出部
４４ 補正値取得部
８ 追尾対象
１１ アンテナ
１２、１２ａ
角度誤差検出装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】