JP3700384B2 - Communication device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は通信装置に係り、特に衛星と通信するアンテナの追尾方式を改良した通信装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の通信装置としては、1990年12月14日付け電子情報通信学会誌に掲載の山本他「陸上移動衛星通信に適したアンテナ追尾システム」に記載されているようなものがある。
【0003】
これには2例が記載されており、
第1の例は、通信中継局からの信号を使用して、移動体に対する通信中継局位置を求めるクローズドループ方式を用いるというものである。
【0004】
第2の例は、既知の通信中継局位置情報と移動体に搭載した方位測定センサ情報により、移動体に対する通信中継局位置を求めるオープンループ方式を用いるというものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
クローズドループ方式の場合に、衛星からの信号の強度が最大となる点を探索する方式としてステップトラックという方式が一般的であるが、最大点以外にも、ローカルマキシマム点が複数存在するため、このローカルマキシマムに陥りやすく、自動でこの最大点を探索することが困難である等の問題点があった。
【0006】
また、受信レベルが低下したときに動作する修正ループは、通常でも衛星からの信号は1dB程度は変化するため、閾値を小さくすると、アンテナの振動が発生し、また閾値を大きくすると追尾精度が悪化するという問題があった。また、周囲のビルディングの反射波や降雨による通信信号レベルの変動によっても修正ループの制御が影響を受けやすいという問題があった。
【0007】
また、修正ループにはステップトラック方式を用いることが多いが、ステップトラック方式は探索を行うために、常にある程度の誤差が生じることは方式的に避けられないという問題があった。
【0008】
また、従来のクローズドループ方式を用いる追尾の場合には、最大信号強度と現在の受信信号との偏差に対してフィードバック的に修正されるため、常にある程度の誤差が生じることが方式的に避けられず、また、衛星の視位置が移動している場合や、通信装置が移動体に搭載されている場合などはこれら衛星の視位置や移動体の高速な変化が生じた場合には、高速な追尾ができないという問題があった。
【0009】
そこで、本発明の第一の目的は、衛星通信において衛星からの信号強度の最大点を探索して衛星を捕捉する際に、ローカルマキシマムに陥ることのない高速な自動捕捉を実現することのできる通信装置を提供するにある。
【0010】
また、本発明の第二の目的は、周囲のビルディング等からの反射波や降雨による通信信号レベルの変動等により通信電波の信号強度パターンが変動しても安定した追尾を実現することのできる通信装置を提供するにある。
【0011】
【発明を解決するための手段】
前記第一の目的を達成するため、本発明では、アンテナ指向角度の変化に対して通信強度が複数のローカルマキシムを持つようなパターンをデータベースとして有し、与えられたアンテナ指向角度と通信強度に対して適合するように前記パターンを更新し、前記データベースの更新されたパターンにおける位置を識別することで、前記通信強度が大きくなる位置にアンテナを駆動制御するように構成した。
【0012】
前記第二の目的を達成するための通信装置は、
通信装置使用時の受信信号の強度情報に基づいて、前記アンテナ指向性の特性のデータベースを再構築する通信装置である。
【0013】
本発明によれば、
事前に入力したアンテナ指向性の特性のデータベースを基にして、探索中の信号強度を評価し、アンテナの受信信号強度が最大となるようにアンテナの通信方向を制御できるために、ローカルマキシマムに陥ることのないアンテナの通信方向制御を実現できる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第一の実施例について、図面を用いて説明する。
【0015】
図1に示すように、通信装置100は、通信中継局として機能する衛星200を介して、地上局300と通信を行う。
【0016】
通信装置100は、衛星200と通信するためのアンテナ110,通信データ送信機120、及び通信データ受信機130を備えている。
【0017】
また、通信装置100はアンテナ駆動機構140及びアンテナ制御装置150を備えている。
【0018】
アンテナ制御装置150は、通信データ受信機130の信号を基に制御演算部151により、衛星200からの電波の強度が最大となる方向にアンテナ110を向ける方向を演算し、モータドライバ152を介して、アンテナ駆動機構140を駆動することにより、アンテナ110の通信方向を制御する。
【0019】
アンテナ駆動機構140は、図1の実施例では方位角−仰角方式となっており、アンテナ制御装置150からの信号により、サーボセンサ及びモータによって構成されるモータユニット141及び142が駆動され、減速機143及び144を介して、機構部145の構成要素でベアリングなどで構成される仰角機構146及び方位角機構147を駆動することにより、機構部145に取り付けられているアンテナ110の方向を変化させる。
【0020】
次に本実施例の動作について説明する。
【0021】
図2を用いてアンテナ制御装置150中に有するデータベース400の構造について説明する。
【0022】
図2に示されるのは、一般に多層パーセプトロンとよばれるデータベースであり、入力層510,中間層520,出力層530を有している。
【0023】
続いて、データベース構築のアルゴリズムを説明する。
【0024】
Ep :アンテナ指向性特性パターンに対する誤差関数
tpj:パターンpに対するj番目のユニットの期待出力(出力層530のみに定義)
opj:パターンpに対するj番目のユニットの実際の出力
wij:ユニットiからユニットjへの重み
fj :閾値関数
以下は、fj が
f(net)=1/(1+exp(−k・net) …(式1)
で定義されるシグモイド関数を使用するアルゴリズム1において説明する。
【0025】
(アルゴリズム1)
アルゴリズム1は以下のステップ1からステップ5において構成される。
【0026】
ステップ1:重みと閾値の初期化
すべての重みと閾値を小さな乱数によって決める。
【0027】
ステップ2:入力と期待出力の定時
アンテナ指向角度(Xp =x0,x1,・・・,xn-1)と電界強度(Tp =t0,t1,・・・,tm-1)をデータベースに与える。ここで、nおよびmはそれぞれ入力および出力のユニット数である。w0 を−θ(閾値)、x0 を常に1とする。Xp とTp は対になっている。
【0028】
ステップ3:ネットワーク出力の計算
入力層から出力層に向けての各ユニットの出力
opj=f[Σwijxi] …(式2)
を計算(iについて0からn−1まで)する。(式2)中のfは(式1)にて定義されたシグモイド関数である。
【0029】
ステップ4:重みの更新
(式3)を用いて出力層から入力層に向けて重みの更新を層ごとに行う。
【0030】
wij(t+1)=wij(t)+ηδpjopi+α(wij(t)−wij(t-1)) …(式3)
ここで、wij(t)は時刻t(t回目の学習)におけるユニットiからjへの重み、ηは重みの変化量を調整するゲイン項、δpjはパターンpに対するユニットの誤差量を表す。また、αはモーメント項で0<α<1である。
【0031】
δpjは出力層に対しては、
δpj=k・opj(1−opj)(tpj−opj) …(式4)
中間層に対しては、
δpj=k・opj(1−opj)Σδpkwjk …(式5)
として計算される。式5のΣの和はユニットjが属する層の上の層に属するユニットk全てにわたってとるものとする。
【0032】
ステップ5:繰り返し
ステップ2からステップ4を実際の出力が期待出力に充分近づくまで繰り返す。
【0033】
このアルゴリズム1によって、重みWijがデータベース400内にアンテナ方向変化と通信強度とを対応させるデータとして蓄積される。
【0034】
図3に標準的なアンテナの指向性の特性を示す。
【0035】
図3の横軸は、アンテナの通信信号強度が最大となる方向(角度)を0とした相対角度となっている。図3の縦軸は、アンテナの通信信号強度最大点を0とした相対利得がデシベル単位となっている。アルゴリズム1においては、横軸のデータをXp 、縦軸のデータをTp として使用する。
【0036】
通信装置100において、通信を開始すると、アンテナ制御装置150によりアンテナ110を駆動し、通信データ受信機130を介してアンテナ制御装置150に取り込んだ通信データの強度と、モータユニット141および142を介してアンテナ制御装置150に取り込んだモータユニット141および142の駆動角度情報によって、前述のアルゴリズム1に基づいて構築されたデータベース400を使用し、図3のアンテナ指向性の特性パターン中の現在位置を識別できる。現在位置を識別した後は、図3中の天長角(度)が0になるようにアンテナ110を駆動することにより、通信強度の最大点を細くできる。
【0037】
次に、本発明の第二の実施例について説明する。
【0038】
図2の通信装置において、データベース400は既に構築されており、メモリー500に記憶されている。メモリー500はROM等の読み出し専用のメモリーであるとする。
【0039】
通信を開始する際に、メモリー500中のデータベース400は別のメモリー600に読み出される。メモリー600はRAM等の読み出しと書き込みができるメモリーであるとする。
【0040】
通信装置100において、通信を開始すると、第一の実施例に記載した方法により、通信強度最大点を捕捉する。
【0041】
捕捉後に、アンテナ制御装置150によりアンテナ110を駆動し、通信データ受信機130を介してアンテナ制御装置150に取り込んだ通信データの強度と、モータユニット141および142を介してアンテナ制御装置150に取り込んだモータユニット141および142の駆動角度情報によって、前述のアルゴリズム1に基づいてメモリー600中のデータベース400を再構築する。
【0042】
また、この発明は、上記の実施例中のデータベースの態様に限定されることなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施しうる。
【0043】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、アンテナの受信信号強度が最大となるようなアンテナの通信方向を短時間で捕捉でき、また、さまざまなアンテナ指向性の特性パターンの変動要因に対してもロバストで高精度な通信方向制御の可能な通信装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる第一の実施例の通信装置のシステム構成図である。
【図2】本発明にかかる第一の実施例のデータベースの構成図である。
【図3】アンテナの指向性特性を示す図である。
【図4】本発明にかかる第二の実施例の移動通信装置のシステム構成図である。
【符号の説明】
100…通信装置、110…アンテナ、120…通信データ送信機、130…通信データ受信機、140…アンテナ駆動機構、141…モータユニット、142…モータユニット、143,144…減速機、145…機構部、146…仰角機構、147…方位角機構、150…アンテナ制御装置、151…制御演算部、152…モータドライバ、200…衛星、300…固定局、400…データベース、410…入力層、420…中間層、430…出力層、500,600…メモリー。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a communication device, and more particularly to a communication device having an improved antenna tracking method for communicating with a satellite.
[0002]
[Prior art]
Conventional communication devices include those described in Yamamoto et al., “Antenna Tracking System Suitable for Land Mobile Satellite Communication” published in the Journal of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers dated December 14, 1990.
[0003]
There are two examples listed here,
In the first example, a closed loop method is used in which a signal from a communication relay station is used to obtain the position of the communication relay station with respect to the moving body.
[0004]
In the second example, an open loop method is used in which the position of the communication relay station with respect to the mobile body is determined based on the known position information of the communication relay station and the direction measurement sensor information mounted on the mobile body.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the closed loop method, a step track method is generally used as a method for searching for a point where the intensity of the signal from the satellite is maximum, but there are a plurality of local maximum points in addition to the maximum point. There is a problem that it is easy to fall into a local maximum and it is difficult to automatically search for this maximum point.
[0006]
Also, in the correction loop that operates when the reception level decreases, the signal from the satellite usually changes by about 1 dB. Therefore, if the threshold value is decreased, antenna vibration occurs, and if the threshold value is increased, the tracking accuracy deteriorates. There was a problem to do. There is also a problem that the control of the correction loop is easily affected by fluctuations in the communication signal level due to reflected waves of the surrounding buildings and rainfall.
[0007]
In addition, although the step track method is often used for the correction loop, the step track method has a problem that a certain amount of error always occurs due to the search because the search is performed.
[0008]
Also, in the case of tracking using the conventional closed loop method, since a correction is made in a feedback manner with respect to the deviation between the maximum signal strength and the current received signal, a certain amount of error is always avoided. In addition, when the satellite viewing position is moving, or when the communication device is mounted on a moving body, if the satellite viewing position or the moving body changes rapidly, the satellite There was a problem that tracking was not possible.
[0009]
Accordingly, a first object of the present invention is to realize high-speed automatic acquisition without falling into a local maximum when acquiring a satellite by searching for the maximum point of the signal strength from the satellite in satellite communication. To provide a communication device.
[0010]
In addition, the second object of the present invention is communication that can realize stable tracking even if the signal intensity pattern of the communication radio wave fluctuates due to fluctuations in the communication signal level due to reflected waves from surrounding buildings, etc., or rainfall. To provide the equipment.
[0011]
[Means for Solving the Invention]
In order to achieve the first object, in the present invention, the database has a pattern in which the communication intensity has a plurality of local maximums with respect to a change in the antenna directivity angle, and the given antenna directivity angle and communication intensity are obtained. The antenna is driven and controlled at a position where the communication strength is increased by updating the pattern so as to be matched and identifying the position in the updated pattern in the database .
[0012]
A communication device for achieving the second object is:
The communication device reconstructs the database of antenna directivity characteristics based on received signal strength information when the communication device is used.
[0013]
According to the present invention,
Based on the antenna directivity characteristics database input in advance, the signal strength under search can be evaluated, and the communication direction of the antenna can be controlled so that the received signal strength of the antenna is maximized, resulting in a local maximum. The communication direction control of the antenna can be realized.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
As shown in FIG. 1, the communication device 100 communicates with the ground station 300 via a satellite 200 that functions as a communication relay station.
[0016]
The communication device 100 includes an antenna 110 for communicating with the satellite 200, a communication data transmitter 120, and a
[0017]
In addition, the communication device 100 includes an antenna driving mechanism 140 and an antenna control device 150.
[0018]
The antenna control device 150 calculates the direction in which the antenna 110 is directed in the direction in which the intensity of the radio wave from the satellite 200 is maximum based on the signal of the
[0019]
The antenna driving mechanism 140 is an azimuth-elevation system in the embodiment of FIG. 1, and
[0020]
Next, the operation of this embodiment will be described.
[0021]
The structure of the
[0022]
FIG. 2 shows a database generally called a multilayer perceptron, which has an input layer 510, an intermediate layer 520, and an output layer 530.
[0023]
Next, a database construction algorithm will be described.
[0024]
E p : error function t pj for antenna directivity characteristic pattern: expected output of j-th unit for pattern p (defined only for output layer 530)
o pj : Actual output of the j-th unit for pattern p w ij : Weight from unit i to unit j f j : Below threshold function, f j is f (net) = 1 / (1 + exp (−k · net ) (Formula 1)
This will be described in
[0025]
(Algorithm 1)
[0026]
Step 1: Initialization of weights and thresholds All weights and thresholds are determined by small random numbers.
[0027]
Step 2: Fixed antenna directivity angle (X p = x 0 , x 1 ,..., X n-1 ) and electric field strength (T p = t 0 , t 1 ,. -1 ) to the database. Here, n and m are the numbers of input and output units, respectively. Let w 0 be −θ (threshold) and x 0 be always 1. X p and T p are paired.
[0028]
Step 3: Output of each unit from the calculation input layer of the network output to the output layer o pj = f [Σw ij x i] ... ( Equation 2)
Is calculated (from 0 to n-1 for i). F in (Expression 2) is a sigmoid function defined in (Expression 1).
[0029]
Step 4: Update the weight for each layer from the output layer to the input layer using the weight update (Formula 3).
[0030]
w ij (t + 1) = w ij (t) + ηδ pj o pi + α (w ij (t) −w ij (t−1) ) (Equation 3)
Here, w ij (t) represents the weight from unit i to j at time t (t-th learning), η represents a gain term for adjusting the amount of change in weight, and δ pj represents the unit error amount for pattern p. . Α is a moment term and 0 <α <1.
[0031]
δ pj is for the output layer
δ pj = k · o pj (1−o pj ) (t pj −opj ) (Formula 4)
For the middle tier
δ pj = k · o pj (1-o pj ) Σδ pk w jk ... (Formula 5)
Is calculated as The sum of Σ in Equation 5 is assumed to be over all the units k belonging to the layer above the layer to which the unit j belongs.
[0032]
Step 5:
[0033]
According to this
[0034]
FIG. 3 shows the directivity characteristics of a standard antenna.
[0035]
The horizontal axis in FIG. 3 represents a relative angle with the direction (angle) in which the communication signal strength of the antenna is maximized being zero. In the vertical axis of FIG. 3, the relative gain with the maximum communication signal strength point of the antenna as 0 is in decibels. In
[0036]
When communication is started in the communication device 100, the antenna 110 is driven by the antenna control device 150, the strength of the communication data taken into the antenna control device 150 via the
[0037]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0038]
In the communication apparatus of FIG. 2, the
[0039]
When communication is started, the
[0040]
When communication is started in the communication apparatus 100, the maximum communication strength point is captured by the method described in the first embodiment.
[0041]
After capture, the antenna 110 is driven by the antenna control device 150, the strength of the communication data taken into the antenna control device 150 through the
[0042]
The present invention is not limited to the database mode in the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the communication direction of the antenna that maximizes the received signal strength of the antenna can be captured in a short time, and the variation pattern of various antenna directivity characteristic patterns can be obtained. It is possible to provide a communication device capable of robust and highly accurate communication direction control.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram of a communication apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a database according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing directivity characteristics of an antenna.
FIG. 4 is a system configuration diagram of a mobile communication device according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Communication apparatus, 110 ... Antenna, 120 ... Communication data transmitter, 130 ... Communication data receiver, 140 ... Antenna drive mechanism, 141 ... Motor unit, 142 ... Motor unit, 143, 144 ... Reduction gear, 145 ... Mechanism part DESCRIPTION OF
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| JP09872898A JP3700384B2 (en) | 1998-04-10 | 1998-04-10 | Communication device |
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