JP2002131412A - 衛星通信測位システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 地上局からタイムマークを送出し、その信号
を通信衛星で中継して、各ユーザーに配信することによ
り、各ユーザーがそれぞれの位置を測位するための情報
を地上局から提供するという特徴を持った通信衛星を用
いた通信測位システムに関し、コストの低いシステムを
提供することを目的とする。 【解決手段】 地上局から少なくとも４つの通信衛星に
測位信号を送り、中継により上記の４つの通信衛星から
送出される際に、同時刻に信号が送出されるようにする
ために、地上局では、それぞれの衛星向けの送信する時
刻と受信する時刻との中央時刻が等しくなるように、そ
れぞれの衛星向けの信号送出時刻を調整する。また、衛
星内遅延にともなう測位誤差を消去するために、衛星の
位置情報として、それぞれの衛星の見掛けの位置情報を
用いて、それぞれの衛星による信号遅延から生じる測位
誤差とほぼ相殺するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、地上局からタイ
ムマークを送出し、その信号を通信衛星で中継して、各
ユーザーに配信することにより、各ユーザーがそれぞれ
の位置を測位するための情報を地上局から提供する衛星
通信測位システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】人工衛星を用いる測位システムとして
は、米国が運用するＧＰＳがすでに広く実用されてい
る。ＧＰＳにおいては、どの衛星も機上に原子時計を装
備し、原子時計どうしは衛星間で互いに精密に同期さ
れ、そのような原子時計が衛星上において発生した信号
をユーザに供給することによって、測位サービスを実現
している。

【０００３】上記の方式に対するものとして、「通信測
位」と称する次のような方式が理論上、可能であるとさ
れてきた。すなわちユーザに供給すべき信号は地球局に
て生成され、その信号を衛星による中継を介してユーザ
に供給することによって、測位サービスを行う。この方
式によれば、原子時計を搭載した特殊な衛星を用いる必
要が無く、一般的な通信衛星を用いてＧＰＳと同等な測
位システムが構成される。従って通信測位が可能であれ
ば、それはローコストな測位システムの実現につながる
ものと期待されてきた。

【０００４】ところが従来から考えられてきた通信測位
の方式には、次のような問題点があった。一般に、信号
が衛星内を通過するには、有限の時間がかかる。つまり
衛星中継においては衛星内での遅延が生じ、その遅延は
衛星に固有である。通信衛星の本来的な目的からいえ
ば、衛星内の遅延を一定不変に保つ必要は無く、実際に
温度など衛星の環境条件によって遅延は変化するものと
されている。ところが測位サービスの実施においては、
ユーザに向けて複数の衛星が信号を発信する時刻を、衛
星どうしで互いに精密に同期させなければならない。地
球局から到来した信号が衛星から発信される時刻を精密
に同期制御しようとすると、衛星の遅延を常に正しく知
ることが必要になる。衛星遅延を常に正しく知るために
は、衛星の打上げ前に遅延を測定し、その遅延は打上げ
後には一定不変に保たれるように衛星を構成するか、あ
るいは遅延が変化してもそれが衛星上で別途計測されて
地球局に通知されるような構成としなければならない。
いずれを採るにしても、衛星には特殊な仕様が課せられ
ることになって、一般的な通信衛星を用いて測位システ
ムを構成することは不可能になる。つまり通信測位が本
来もたらすはずのローコストなシステム構成が成り立た
なくなってしまうという問題点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】無線航法衛星システム
の代表例であるＧＰＳでは、ユーザー数に制限は無いが
衛星システムの維持費は莫大であった。また、上記の説
明のように、従来の衛星を用いた測位システムでは、衛
星には特殊な仕様が必要であるため、一般的な通信衛星
を用いて低コストの測位システムを構成することは不可
能であった。

【０００６】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
システムコストの低い衛星通信測位システムを提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、複数の地球局と複数の通信衛星とユーザー局からな
る衛星通信測位システムで、１つの地球局からは、各衛
星に向けてそれぞれの信号が送出され、その送出された
信号はそれぞれの衛星で中継された後にユーザ局と主局
とで受信される構成と、上記の１つの地球局では、それ
ぞれの衛星に向けてそれぞれの信号を送出したそれぞれ
の時刻と、それぞれの衛星からの信号が上記の１つの地
球局に着信した時刻との中央時刻が、どの衛星について
も同一となるように、各衛星に対する信号送出時刻を制
御する構成と、いずれの地球局も、地球局と衛星との間
で信号が往復する構成と、上記の１つの地球局は、複数
の地球局と衛星との間で信号が往復する各時間から割り
出した各距離に基づいて衛星の位置を決定する機能を有
し、その決定されたそれぞれの衛星の位置をユーザに通
報する構成と、各々の地球局から到来した信号の中継に
おいて、それぞれの衛星は同じ中継器チャンネルを用い
て、各々の地球局から到来した信号に同じ遅延を与える
構成と、衛星が信号を発信する時刻が変移することに起
因するそれぞれの衛星位置の誤差を含む衛星位置データ
と、衛星が信号を発信する時刻が変移することに起因す
る着信時刻の誤差を含む着信時刻データと、を用いて、
ユーザー局の位置を算出する構成と、を含むことを特徴
としている。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。先ず、図１〜図３を用い
て、その基本形態を説明する。

【０００９】本発明に関して、衛星を用いる測位サービ
スは、４機またはそれより多くの衛星を用いて行われ
る。以下の説明では衛星数を４とするが、それは最小で
４を意味するもので、より多くの衛星を用いることを妨
げない。

【００１０】図１は、通信測位の基本形態を示すもの
で、地上に設けた主地球局（主局）Ｅが生成した信号
が、衛星中継を介してユーザ局Ｕに供給される形態を表
している。信号は主局から４衛星のそれぞれに向けて送
出され、各衛星で中継された信号は、どれも主局とユー
ザ局の両方に着信する。このとき、主局における信号の
送出時刻と着信時刻の中央の時刻が、図２に示すよう
に、衛星Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４について皆同一となる
ように、各衛星に対する送出時刻を制御する。具体的に
は上記の中央時刻が、どの衛星についても、主局の時計
が示すＴという時刻に一致するように、送出時刻を制御
する。信号の送出は一定の間隔をもって反復されるなか
で、前回の送出において時刻の一致にずれが検出された
なら、今回の送出ではそれを修正するように送出時刻を
フィードバック制御することにより、上記の制御は行わ
れる。このような制御によれば、衛星で中継された信号
が各衛星から発信される瞬間が、すべて時刻Ｔに同期さ
れる。４衛星が発信した信号がユーザ局に向かうところ
に着目すれば図３のようになって、衛星同士で互いに同
期した信号がユーザ局に供給されるから、これはＧＰＳ
によるユーザへの信号供給と同等である。図１と図２の
構成に加え、各衛星の位置をユーザに通報するならば、
ＧＰＳに同等な測位サービスが実現する。以上が通信測
位の基本概念を述べたものであるが、ここでは衛星の遅
延の影響を考慮していなかった。

【００１１】図４は、ある一つの衛星に遅延があること
に伴い、測位上の問題が発生することを表す。衛星に遅
延Ｄがあると、主局における送出と着信の中央の時刻Ｔ
において、信号はまだ衛星の内部を通過中であり、通過
を終えた信号が衛星から実際に発信される時刻はＴ’に
変移する。その変移は遅延Ｄの半分に等しい。遅延Ｄは
各衛星に固有であるから、時刻Ｔから時刻Ｔ’への変移
は衛星ごとに異なるであろう。その結果、各衛星が信号
を発信する時刻は互いに同期されなくなるため、正しい
測位サービスの提供が不可能になる。ここで当然の措置
として、遅延Ｄを衛星の打上げ前に測定しておき、それ
に基づいて信号送出の時刻制御に補正を施すことが考え
られる。しかしながら遅延は打上げ後に変化し得るか
ら、測定補正の後にもなお、遅延には未知の部分が残さ
れる。このような未知遅延の問題が解決されない限り、
高精度な測位サービスの実施は不可能である。

【００１２】上記の遅延の問題を解決するための、本発
明による技術を次に説明する。説明において「遅延」と
は、上述のごとく測定補正の後になお残された、未知の
遅延のことを指すものとする。

【００１３】図５は、衛星の位置を決定する方法を示
す。これは、測位サービスに不可欠の要素である。主局
Ｅのほかに、Ｅ１、Ｅ２という副地球局（副局）を設け
る。地球局は合計３局となるが、この３局とは必要最小
限の局数である。以下、地球局を合計３局とした場合に
ついて先ず説明する。どの地球局に関しても、地球局と
衛星Ｓとの間で信号が往復するように構成し、信号が往
復するに要する時間から距離を測定するものとする。こ
れにより３地球局から衛星に至る距離がそれぞれ測定さ
れたならば、それに基づいて衛星の位置が良く知られた
方法により幾何学的に決定される。一般に地球局から衛
星に至る距離は変化するものであるから、理想的な位置
決定を得るには、ひとつの衛星と３地球局との間の距離
を同時に測定するのがよいが、１地球局づつ交代に測定
するのであっても、補間法を適用して幾何学的な位置決
定が可能である。図５は一つの衛星に対する位置決定を
表しているが、これを各衛星に適用して位置を随時決定
する。図５では３箇所の地球局が一直線に並ぶかのよう
に描いているが、これは模式図であって、実際には幾何
学的な位置決定に適した配置を選んで地球局を設ける。
主局Ｅにおいては、図１に示したように、ユーザ局にあ
てて送出した信号が衛星中継を経て再び主局に着信する
から、その信号の往復によって距離を測定してもよい。

【００１４】図６は、測位システムを成す複数の衛星の
なかで任意の一衛星に関して、衛星に遅延があることに
ともなう位置決定への影響を表す模式図である。ここ
で、どの地球局から衛星に到来したどの信号も、みな同
じ中継器チャンネルを通り、従って同じ遅延を受けるよ
うに構成する。このような遅延の存在によって、３地球
局から衛星に至る距離の測定には、それぞれ同じ大きさ
の余剰分が含まれる。これに応じて衛星位置の決定は、
真の衛星Ｓの位置から、見かけの衛星Ｓ’の位置に変移
する。つまり遅延があるために、衛星の位置は３地球局
から等しく遠ざかるように変移して決定される。ここで
理想的な測位サービスを考えると、その実現のために
は、「真の位置にある衛星Ｓが、時刻Ｔ’に信号を発信
した」という物理的な真実をデータとしてユーザに通報
しなければならない。（時刻Ｔ’は図４を参照する。）
ところが衛星位置として実際に知り得るのは、見かけの
衛星Ｓ’の位置だけである。そこで上記の通報データが
言う衛星の位置を、真の衛星Ｓの位置のかわりに見かけ
の衛星Ｓ’の位置に置き換える。すると図６から明らか
なように、真の衛星Ｓからユーザ局Ｕへの信号伝搬に要
する時間に比べて、見かけの衛星Ｓ’からユーザ局Ｕへ
の伝搬時間は大きいから、その食い違いが誤差として働
いて、測位の結果に誤差を引き起こす。

【００１５】このような測位誤差の発生を防ぐために
は、同じく通報データが言うところの信号発信時刻を調
整すればよい。すなわち図４を参照すれば、ユーザ局Ｕ
に通報すべき信号発信時刻を、実際の時刻Ｔ’よりも早
い時刻に変移させることによって、上記の伝搬時間のく
いちがいを補償することができる。そのようして変移さ
せるべき発信時刻は、近似的に時刻Ｔに一致する。すな
わち「見かけの衛星Ｓ’の位置にある衛星が、時刻Ｔに
信号を発信した」とのデータをユーザ局Ｕに通報するな
らば、測位サービスが精度良く実施されるのである。言
いかえると、測位サービスに必要なユーザ局Ｕ向け通報
データを作るに際しては、各衛星の位置としてそれぞれ
の見かけの位置をそのまま用い、また信号発信時刻とし
ては、主局における送出と着信の中央時刻Ｔをそのまま
用いればよい。

【００１６】上記を要約すると、ある衛星に遅延がある
ことによって、ユーザ局Ｕ向け通報データには２種類の
誤差が発生する。その一つは、信号発信時刻を真の発信
時刻から送出着信中央時刻に変移させる誤差であり、も
う一つは、衛星位置を真の位置から見かけの位置に変移
させる誤差である。通報データをユーザ局Ｕが受け取っ
て測位の計算処理を行う過程においては、上記の２種類
の誤差が互いに打ち消し合うように働く結果、測位誤差
の発生は抑止されるのである。このような誤差の打ち消
し合いによる抑止の効果は、前述したごとく、一つの衛
星に向けて各地球局から到来したどの信号も、その衛星
の同じ中継器チャンネルを通り、従って同じ遅延を受け
るように構成したことによって得られたものである。

【００１７】図６に即した上記の説明では、一つの衛星
に関して「誤差の打ち消し合いによる抑止の効果」が働
くことを述べたが、この抑止の効果はどの衛星に関して
も働くように実際の測位システムを構成する。

【００１８】上述の、誤差の打ち消し合いによる抑止の
効果が良好に働くためには、付加条件として、地球局や
ユーザ局から衛星に至る距離が、地球局やユーザ局が存
在する領域の広がりの大きさに比べて十分大きいこと
と、加えてユーザ局は、主局と副局が取り囲む領域の内
部または付近にあることを必要とする。この付加条件に
よって、各地球局およびユーザ局がそれぞれ衛星を見る
視線が互いに平行に近くなるために、前記２種類の誤差
の働きが互いに打ち消し合いやすくなるのである。「衛
星に至る距離が十分大きい」という要求条件は、衛星を
静止衛星の高度に置くことによって充足されることを、
次に述べる例によって示す。

【００１９】日本国内および近海を測位サービスの対象
に定め、測位用の通信衛星を、静止軌道上の東経１２０
度、１４０度、１６０度にそれぞれ置く。もう一つの衛
星は、準天頂衛星と呼ばれる衛星であって日本の上空付
近にとどまる衛星とする。準天頂衛星とは、静止衛星と
同じ高度の近円軌道にあるが、赤道に対して傾斜角をも
たせることによって、定期的に日本上空に飛来して一定
時間とどまることを特徴とする衛星である。そのような
衛星を複数（３機を基本とする）用意すれば、常に欠落
なくどれか１機は日本上空付近にとどまるように配置で
きることが知られている。衛星４機をすべて静止軌道に
置いたのでは、幾何学的な配置が悪いために測位は困難
であるが、上述のごとく静止衛星と準天頂衛星を組み合
わせるならば、幾何学的な配置が改善されて測位が可能
となることが従来から知られていた。地球局は、主局を
東関東に、副局を日本北端と九州南端に置く。以上のよ
うに配置した通信測位システムに関して、前述のごとく
「誤差の打ち消し合いによる抑止の効果」が働くように
構成するならば、距離換算で４００ｍの未知の遅延がど
れかの衛星にあっても、それに起因する測位誤差は水平
方向に１ｍを超えないことが数値シミュレーションによ
って示された。つまり高度３６０００ｋｍにある静止衛
星や準天頂衛星は、前述の「衛星への距離が十分大き
い」という要求条件を充足する。

【００２０】一般的な通信衛星は、衛星上にて遅延を厳
密に測定管理するような機能を有しないが、そのような
衛星であっても、打上げ前に測定した遅延に対して打上
げ後の遅延の変化が４００ｍ以内にとどまるという要請
に応えることは容易である。従って上記例の測位システ
ムは、一般的な通信衛星４機を動員することにより構成
可能である。その際、各衛星について遅延を互いに一致
させるといった措置は不要である。

【００２１】以上の説明では、地球局数を合計３局とし
た。副局数を増した測位システムについても、同じ説明
は成り立つ。一例として、副局を３局として合計４局の
地球局を用いる場合は次のようになる。衛星の位置を幾
何学的に決定するための距離測定としては、３局の地球
局を用いることが必要十分であった。距離測定に４局の
地球局を用いると、１局分が余剰になる。このようなと
きは最小自乗法を用いて最も確からしい１点を衛星位置
として決定する。この場合でも、衛星の遅延が発生させ
る２種類の誤差である、信号発信時刻が変移する誤差
と、衛星位置が変移する誤差とが、互いに打ち消し合う
ように働いて測位誤差の発生が抑止される効果は、前述
の説明におけると同様に働く。同じことが、副局数をさ
らに多くした場合についても同様に成り立つ。

【００２２】このように、遅延を厳密に測定管理する特
殊な機能を衛星に求めることなしに、一般的な通信衛星
を用いて、信号の生成や送出制御のすべては地球局にて
行うことにより、ＧＰＳと同等な測位サービスを提供す
る測位システムを構成することが可能になる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、遅
延を厳密に測定管理する特殊な機能をもった衛星を用い
る必要はなく、通常の通信衛星を用いても、信号の生成
や送出制御を上記の様に地球局で行うことにより、既に
用いられているＧＰＳと同等な測位サービスを提供する
測位システムを構成することが可能になった。このよう
に、本発明によりローコストな衛星通信測位システムを
実現できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】通信測位の基本形態を示す模式図である。

【図２】主局における信号送出時刻の制御形態を示す模
式図である。

【図３】衛星からユーザ局への信号供給形態を示す模式
図である。

【図４】遅延に伴う発信時刻の変移を示す模式図であ
る。

【図５】衛星位置の決定における、信号の流れを示す模
式図である。

【図６】遅延に伴う衛星位置のみかけの変移を示す模式
図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の地球局と複数の通信衛星とユーザ
   ー局からなる衛星通信測位システムで、 １つの地球局からは、各衛星に向けてそれぞれの信号が
   送出され、その送出された信号はそれぞれの衛星で中継
   された後にユーザ局と主局とで受信される構成と、 上記の１つの地球局では、それぞれの衛星に向けてそれ
   ぞれの信号を送出したそれぞれの時刻と、それぞれの衛
   星からの信号が上記の１つの地球局に着信した時刻との
   中央時刻が、どの衛星についても同一となるように、各
   衛星に対する信号送出時刻を制御する構成と、 いずれの地球局も、地球局と衛星との間で信号が往復す
   る構成と、 上記の１つの地球局は、複数の地球局と衛星との間で信
   号が往復する各時間から割り出した各距離に基づいて衛
   星の位置を決定する機能を有し、その決定されたそれぞ
   れの衛星の位置をユーザに通報する構成と、 各々の地球局から到来した信号の中継において、それぞ
   れの衛星は同じ中継器チャンネルを用いて、各々の地球
   局から到来した信号に同じ遅延を与える構成と、 衛星が信号を発信する時刻が変移することに起因するそ
   れぞれの衛星位置の誤差を含む衛星位置データと、衛星
   が信号を発信する時刻が変移することに起因する着信時
   刻の誤差を含む着信時刻データと、を用いて、ユーザー
   局の位置を算出する構成と、を含むことを特徴とする衛
   星通信測位システム。