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公開番号2025099628
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-03
出願番号2023216427
出願日2023-12-22
発明の名称アンテナ校正システム、アンテナ校正方法、及びアンテナ校正プログラム
出願人三菱電機株式会社
代理人弁理士法人クロスボーダー特許事務所
主分類H04B 7/08 20060101AFI20250626BHJP(電気通信技術)
要約【課題】アレーアンテナを構成するアンテナ素子間に生じる振幅差及び位相差を校正するシステムにおいて、アレーアンテナと校正局との間において信号送受信を繰り返すことなくアンテナ校正を行いたい。
【解決手段】DBF機能を有するアレーアンテナのアンテナ素子系統間における通過特性の差異を校正用信号に基づいて校正するアンテナ校正システム1は、推定値演算部9と校正値演算部10とを備える。推定値演算部9は、放射パターン設計値と、校正用信号と、通過特性差推定値と、信号到来方向推定値とに関する評価関数に基づく最適化問題を解くことにより、通過特性差推定値と、信号到来方向推定値とを算出する。校正値演算部10は、算出された通過特性差推定値と、算出された信号到来方向推定値及び放射パターン設計値とのいずれかに基づいて校正値を算出する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
ディジタルビームフォーミング機能を有するアレーアンテナのアンテナ素子系統間における通過特性の差異を、１つ以上のアンテナの各々から送信された校正用信号に基づいて校正するアンテナ校正システムであって、
前記アレーアンテナが備える各アンテナ素子の放射パターンの振幅及び位相値の設計値である放射パターン設計値と、前記アレーアンテナが備える各アンテナ素子が受信信号として受信した前記校正用信号と、前記アレーアンテナの各アンテナ素子系統に対応する推定値であって、前記アレーアンテナのアンテナ素子系統間における相対的な通過特性の差異の推定値である通過特性差推定値と、前記アレーアンテナから見た前記受信信号の到来方向の推定値である信号到来方向推定値とに関する評価関数に基づく最適化問題を解くことにより、前記通過特性差推定値と、前記信号到来方向推定値とを算出する推定値演算部と、
算出された前記通過特性差推定値と、算出された前記信号到来方向推定値及び前記放射パターン設計値とのいずれかに基づき、前記アレーアンテナのアンテナ素子系統間における相対的な通過特性の差異を校正することに用いられる校正値を算出する校正値演算部と
を備えるアンテナ校正システム。
続きを表示（約 3,200 文字）【請求項２】
前記評価関数は、
前記アレーアンテナが備える各アンテナ素子の受信信号と、
前記放射パターン設計値と、前記信号到来方向推定値と、前記通過特性差推定値とから求まる推定値であって、前記アレーアンテナが備える各アンテナ素子の受信信号の推定値である受信信号推定値と
の差分の大きさの和に対応する項と、
前記アレーアンテナの各アンテナ素子系統における通過特性から求まる複素量から基準となる複素量を減算することによって求まる誤差成分の大きさの和に対応する項と
の和から成る関数である請求項１に記載のアンテナ校正システム。
【請求項３】
前記評価関数は、
前記アレーアンテナが備える各アンテナ素子の受信信号と、
前記アレーアンテナが備える各アンテナ素子の前記放射パターン設計値と、前記信号到来方向推定値と、前記通過特性差推定値とから求まる推定値であって、前記アレーアンテナが備える各アンテナ素子の受信信号の推定値である受信信号推定値と
の差分の大きさに対応する項と、
前記アレーアンテナの各アンテナ素子系統における相対的な振幅差の推定値の大きさの和に対応する項と
の和から成る関数である請求項１に記載のアンテナ校正システム。
【請求項４】
前記評価関数において、前記アレーアンテナが備える各アンテナ素子の受信信号は、
前記アレーアンテナが備える１つのアンテナ素子の受信信号を基準とした場合における、前記アレーアンテナが備える他の各アンテナ素子の受信信号の相対値と、
前記アレーアンテナが備える１つのアンテナ素子の受信信号の複素共役値と、前記アレーアンテナが備える他の各アンテナ素子の受信信号との積の時間平均値により定義される相関値と
のいずれかにより表現される請求項１に記載のアンテナ校正システム。
【請求項５】
前記校正用信号を送信する各アンテナの位置が既知である場合において、
前記推定値演算部は、前記信号到来方向推定値を、既知である前記校正用信号を送信する各アンテナの位置と、前記アレーアンテナの指向誤差の推定値とに基づいて算出する請求項４に記載のアンテナ校正システム。
【請求項６】
前記アンテナ校正システムは、さらに、
前記放射パターン設計値を示す情報を記憶している素子パターン記憶部
を備え、
前記アレーアンテナと、前記素子パターン記憶部と、前記推定値演算部と、前記校正値演算部とは、１つのプラットフォームと、１つの装置とのいずれかに搭載されている請求項４に記載のアンテナ校正システム。
【請求項７】
前記アンテナ校正システムは、さらに、
前記放射パターン設計値を示す情報を記憶している素子パターン記憶部と、
前記校正用信号を送信する各アンテナの位置を示す情報を記憶している校正用アンテナ位置情報記憶部と
を備え、
前記アレーアンテナと、前記素子パターン記憶部と、前記校正用アンテナ位置情報記憶部と、前記推定値演算部と、前記校正値演算部とは、１つのプラットフォームと、１つの装置とのいずれかに搭載されている請求項５に記載のアンテナ校正システム。
【請求項８】
前記アンテナ校正システムは、
第一の送受信アンテナと、
第一の送受信機と、
前記アレーアンテナが備える各アンテナ素子の受信信号に対応する情報を生成する受信信号情報生成処理部と
を備える校正用情報送受信装置と、
前記放射パターン設計値を示す情報を記憶している素子パターン記憶部と、
前記推定値演算部と、
前記校正値演算部と、
第二の送受信アンテナと、
第二の送受信機と
を備える校正値算出装置と
を備え、
前記校正用情報送受信装置は、生成された受信信号に対応する情報を、前記第一の送受信アンテナ及び前記第一の送受信機を用いて前記校正値算出装置に送信し、
前記校正値算出装置は、前記校正用情報送受信装置から送信された受信信号に対応する情報を、前記第二の送受信アンテナ及び前記第二の送受信機を用いて受信し、
前記推定値演算部は、受信した情報に基づいて、前記通過特性差推定値と、前記信号到来方向推定値とを算出し、
前記校正値演算部は、受信した情報に基づく校正値を算出し、
前記校正値算出装置は、算出された校正値を示す校正値情報を、前記校正用情報送受信装置に向けて、前記第二の送受信アンテナ及び前記第二の送受信機を用いて送信し、
前記校正用情報送受信装置は、前記校正値算出装置から送信された校正値情報を、前記第一の送受信アンテナ及び前記第一の送受信機を用いて受信し、受信した校正値情報が示す校正値を用いて校正処理を実行し、
前記アレーアンテナと、前記校正用情報送受信装置とは、１つのプラットフォームと、１つの装置とのいずれかに搭載されており、
前記校正値算出装置は、前記アレーアンテナ及び前記校正用情報送受信装置が搭載されているものとは別のプラットフォーム又は装置に設けられている請求項４に記載のアンテナ校正システム。
【請求項９】
前記アンテナ校正システムは、
第一の送受信アンテナと、
第一の送受信機と、
前記アレーアンテナが備える各アンテナ素子の受信信号に対応する情報を生成する受信信号情報生成処理部と
を備える校正用情報送受信装置と、
前記放射パターン設計値を示す情報を記憶している素子パターン記憶部と、
前記校正用信号を送信する各アンテナの位置を示す情報を記憶している校正用アンテナ位置情報記憶部と、
前記推定値演算部と、
前記校正値演算部と、
第二の送受信アンテナと、
第二の送受信機と
を備える校正値算出装置と
を備え、
前記校正用情報送受信装置は、生成された受信信号に対応する情報を、前記第一の送受信アンテナ及び前記第一の送受信機を用いて前記校正値算出装置に送信し、
前記校正値算出装置は、前記校正用情報送受信装置から送信された受信信号に対応する情報を、前記第二の送受信アンテナ及び前記第二の送受信機を用いて受信し、
前記推定値演算部は、受信した情報に基づいて、前記通過特性差推定値と、前記信号到来方向推定値とを算出し、
前記校正値演算部は、受信した情報に基づく校正値を算出し、
前記校正値算出装置は、算出された校正値を示す校正値情報を、前記校正用情報送受信装置に向けて、前記第二の送受信アンテナ及び前記第二の送受信機を用いて送信し、
前記校正用情報送受信装置は、前記校正値算出装置から送信された校正値情報を、前記第一の送受信アンテナ及び前記第一の送受信機を用いて受信し、受信した校正値情報が示す校正値を用いて校正処理を実行し、
前記アレーアンテナと、前記校正用情報送受信装置とは、１つのプラットフォームと、１つの装置とのいずれかに搭載されており、
前記校正値算出装置は、前記アレーアンテナ及び前記校正用情報送受信装置が搭載されているものとは別のプラットフォーム又は装置に設けられている請求項５に記載のアンテナ校正システム。
【請求項１０】
前記アレーアンテナは、プラットフォームである人工衛星に搭載されており、
前記校正用信号を送信する各アンテナは地上に設置されている請求項６又は７に記載のアンテナ校正システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、アレーアンテナを構成するアンテナ素子間に生じる振幅差及び位相差を校正するシステムに関する。
続きを表示（約 3,600 文字）【背景技術】
【０００２】
複数のアンテナ素子によって構成されるアレーアンテナは、レーダ及び通信システムなど広く利用されている。近年、各アンテナ素子が受信する高周波信号をアンテナ素子単位でディジタル信号に変換（送信の場合、ディジタル信号から送信する高周波信号に変換）することによって高度なビーム形成及び信号の多重化などを実現するアレーアンテナとして、ＤＢＦ（ＤｉｇｉｔａｌＢｅａｍＦｏｒｍｉｎｇ）と呼ばれる機能を持つアレーアンテナ（以下、ＤＢＦアンテナと呼称）が普及している。ＤＢＦアンテナは、人工衛星に搭載されるアンテナにも利用され始めている。
【０００３】
受信用のＤＢＦアンテナでは、一般的に、各アンテナ素子が受信した高周波信号は低雑音増幅器によって増幅され、増幅された信号は周波数変換器によって中間周波数帯に周波数変換され、周波数変換された信号はアナログ－ディジタル変換器（以下、ＡＤ変換器）によってディジタル信号に変換される。当該ディジタル信号は、ディジタル信号処理により所定のビーム形成などを行うＤＢＦ信号処理部に入力される。ＤＢＦ信号処理部は、具体例として、所望のビームを形成するために必要な励振係数を各アンテナ素子の信号に乗算した後、全ての信号を合成して出力信号として出力する。
ここで、ＤＢＦ信号処理部において所望のビーム形成を実現するために、各アンテナ素子が受信した信号の高周波数帯におけるアンテナ素子間の振幅差及び位相差が、ディジタル信号、即ちベースバンド帯においても保存されている必要がある。一般的に、各アンテナ素子、各アンテナ素子に接続される低雑音増幅器と周波数変換器とＡＤ変換器、及びそれらをつなぐ入出力線（以下、これらをまとめてアンテナ素子系統と呼ぶ）などには個体差がある。そのため、アンテナ素子系統にはそれぞれ異なる電気特性（通過特性）がある。各アンテナ素子に接続される各コンポーネントの電気特性の差によって各アンテナ素子系統間に誤差が生じる。この誤差により、ベースバンド帯におけるアンテナ素子間の振幅差及び位相差が高周波数帯と異なるものとなり、結果として、所望のビーム形成を実現することができなくなる。
【０００４】
これに対して、アンテナ素子系統間における誤差（振幅差及び位相差）の影響を軽減するため、各アンテナ素子の受信ディジタル信号に所定の校正値を乗算することにより校正する方法がある。具体例として、特許文献１に記載の人工衛星に搭載されたＤＢＦアンテナでは、地上の通信装置（以下、校正に用いる地上の通信装置を校正局と呼称）から送信した校正用の高周波信号に対する各アンテナ素子の受信信号から、ディジタル信号領域において、自己相関値及び相互相関値（以下、自己相関値及び相互相関値をまとめて相関値と呼称）を算出し、算出した相関値に関する情報を、別の地上の通信装置（以下、地上局と呼称）に向けてテレメトリ信号として送信する。地上局に接続されている校正システムにおいて、受信した相関値に関する情報と、ＤＢＦアンテナの各アンテナ素子の放射パターンの振幅及び位相値の設計値（以下、放射パターン設計値と呼称）と、ＤＢＦアンテナから見た校正局の方向とに基づいて校正値を決定する。ＤＢＦアンテナから見た校正局の方向として、通常、人工衛星に姿勢誤差がない場合における設計方向を用いられる。しかしながら、人工衛星に姿勢誤差がある場合、設計方向と実際の校正局の方向とが互いに異なるため、校正値に誤差が生じる。
【０００５】
そこで、特許文献１では、姿勢誤差がない場合における校正局の方向を中心として適当なサンプリンググリッドを定義し、定義したサンプリンググリッドの交点を１つ選択し、選択した交点に校正局があるものと仮定して校正値を算出する。さらに、算出した校正値をＤＢＦアンテナに反映し、再度、校正局から校正用の高周波信号を送信し、送信された信号に対するＤＢＦアンテナにおける受信強度を測定する。このとき、測定された受信強度を、放射パターン設計値と、ＤＢＦアンテナから見た校正局の方向と、励振係数とを用いて計算及び予測することができる。実際の校正局の方向と選択した交点とが一致する場合、当該受信強度の測定値及び計算値は等しくなる。この性質を利用することにより、特許文献１では、受信強度の測定値及び計算値の差分を評価し、当該差分が最小となるように、交点の選択と、校正値の算出と、算出した校正値のＤＢＦアンテナへの反映と、校正局からの高周波信号の受信強度の測定と、受信強度の測定値及び計算値の差分の評価とを繰り返し行い、上記差分が最小となる交点に対応する校正局の方向に基づいて校正値を決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０２３－１０５４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１が開示しているアンテナ校正方法では、ＤＢＦアンテナが搭載されるプラットフォームに姿勢誤差がある場合においても、比較的高い精度でアンテナ校正を行うことができる。しかしながら、校正値の決定にあたり、校正値の算出と、ＤＢＦアンテナへの反映と、校正局からの高周波信号の受信強度測定とから成る手順を繰り返し行う必要があり、上記サンプルグリッドの定義によっては、ＤＢＦアンテナと校正局間で信号送受信を多数回繰り返し行うこととなる。そのため、当該アンテナ校正方法には校正値決定までに長時間を要するという課題がある。特に、人工衛星及び航空機などのように姿勢誤差が時間的に変動するようなプラットフォームにＤＢＦアンテナが搭載されている場合において、上記手順の間に姿勢誤差が変動してしまうと、複数の交点において受信強度の測定値及び計算値の差分が最小となる。そのため、正確に校正値を算出することができず、校正誤差が発生してしまう可能性がある。
【０００８】
本開示は、アレーアンテナを構成するアンテナ素子間に生じる振幅差及び位相差を校正するシステムにおいて、アレーアンテナと校正局との間において信号送受信を繰り返すことなくアンテナ校正を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示に係るアンテナ校正システムは、
ディジタルビームフォーミング機能を有するアレーアンテナのアンテナ素子系統間における通過特性の差異を、１つ以上のアンテナの各々から送信された校正用信号に基づいて校正するアンテナ校正システムであって、
前記アレーアンテナが備える各アンテナ素子の放射パターンの振幅及び位相値の設計値である放射パターン設計値と、前記アレーアンテナが備える各アンテナ素子が受信信号として受信した前記校正用信号と、前記アレーアンテナの各アンテナ素子系統に対応する推定値であって、前記アレーアンテナのアンテナ素子系統間における相対的な通過特性の差異の推定値である通過特性差推定値と、前記アレーアンテナから見た前記受信信号の到来方向の推定値である信号到来方向推定値とに関する評価関数に基づく最適化問題を解くことにより、前記通過特性差推定値と、前記信号到来方向推定値とを算出する推定値演算部と、
算出された前記通過特性差推定値と、算出された前記信号到来方向推定値及び前記放射パターン設計値とのいずれかに基づき、前記アレーアンテナのアンテナ素子系統間における相対的な通過特性の差異を校正することに用いられる校正値を算出する校正値演算部とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、推定値演算部が、ディジタルビームフォーミング機能を有するアレーアンテナが備える各アンテナ素子の放射パターン設計値と、アレーアンテナが備える各アンテナ素子の受信信号と、アレーアンテナの各アンテナ素子系統に対応する通過特性差推定値と、校正用信号の信号到来方向推定値とに関する評価関数に基づく最適化問題を解くことにより、通過特性差推定値と、信号到来方向推定値とを算出する。また、校正値演算部が、算出された通過特性差推定値と、算出された信号到来方向推定値及び放射パターン設計値とのいずれかに基づいて校正値を算出する。
従って、本開示によれば、アレーアンテナを構成するアンテナ素子間に生じる振幅差及び位相差を校正するシステムにおいて、アレーアンテナと校正局との間において信号送受信を繰り返すことなくアンテナ校正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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