JP2004029037A - 時刻発生装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】GPS受信機を利用して、絶対時刻に正確に同期した現在時刻を発生する時刻発生装置を具え、内部カウンタのリセットの時点でも、1秒間の間隔期間が保証され、非常に、1秒間の間隔精度が良く、かつ、絶対時刻と同期させた、高精度時刻発生装置を提供する。
【解決手段】時刻発生装置が、GPS受信機と、パルス発生手段と、記憶手段と、カウンタと、演算手段と、GPS受信機で得られるクロックパルスが、1msec〜10msecの所定の期間内に入っていることを確認して前記カウンタのリセット信号を生成するカウンタリセット信号生成手段とを具え、絶対時刻精度が、カウンタのリセットの時点でも、10msec以内の期間内で同期し、かつ、現在時刻が、リセットの時点でも、所定の精度範囲内に収まるように時刻補正をする絶対時刻と同期した時刻を発生させる。
【選択図】図7

Description

 この発明は、GPS(グローバル ポジショニング システム)受信機を用いて、絶対時刻に正確に同期した現在時刻を発生する低消費電力の時刻発生装置、及び、時刻発生方法に関する。
 地震探査、火山探査等の地球物理探査では人工的地震源により地表に地震波を加え、この地震波が地球の下方に進行し、種々の地下層の界面における弾性インピーダンスの差により反射又は屈折させられる。地表に沿ってかつ/又は地中穴に配置された地震計又は受振器と呼ばれる検出器は、検出する地震波の反射及び/又は屈折に応答してアナログの電気地震信号を発生し、このアナログ電気地震信号をサンプリングしてデジタル化し記録する。次に記録された地震データは、地下層の性質及び構造を決定するために引き続いて処理及び分析される。
 種々の携帯型の地震探査システムが知られている。第1のタイプの携帯型地震探査システムは、ケーブル無し地震記録システムを使用しており、この記録システムは地震計又は受振器が発生した地震信号をデジタル的に記録し、これを行うのに多導体ケーブル、若しくは地震データを中央の記録地点に送信するための無線又は有線の遠隔測定法の如き別の手段を必要としない。第2のタイプの携帯型地震探査システムは、各種の遠隔測定システムを用いており、これら遠隔測定法システムは獲得した地震データを無線通信リンク若しくはファイバ光学ケーブルによって中央の記録地点に中継するようになっている。
特開昭62−162987号公報 特開平5−60882号公報
 しかして地震火山探査システムにおいて、火山体の地中でマグマがどこにありどの様に移動しているのかが観測できると、的確に噴火等を予知することができるが、山岳地形の火山体等をケーブルで面的に中継する作業には膨大な作業及び危険ないし費用が伴ない、上述の第2のタイプの携帯型地震探査システムは現実的でない。また、無線通信リンクを用いて観測するシステムもあるが、無線通信リンク装置は装置全体が大きく重量が重く消費電力も大きいので、一般には車両等により運搬、設置されるようになっている。しかしながら観測地域は谷、川等の地形的障害により必ずしも車両等で360°の全方向からアクセスできず、人手により観測機材を運搬設置する第1のタイプの携帯型地震/火山探査システムが適応性、費用等の面で一般に優れている。
 かかる第1のタイプの携帯型地震探査システムの1つとして適応型地震グループ記録装置の一例が特許文献1に記載されている。この適応型地震計グループ記録装置では、RF送受信機によりオペレーティングプログラムをダウンロードしたり、地震信号の獲得、処理等を遠隔制御するようにしているが、複数の適応型地震計グループ記録装置を同時に作動させようとすると、各適応型地震計グループ記録装置は物理的距離がそれぞれ独立して設置されているため、簡単に精度良く時刻合わせをすることができないという問題点があった。この時刻合わせの精度は、マグマや断層等の距離計測精度に直接影響し、例えば、放送局の時報電波等を利用して時刻合わせを行うと、従来10msec以内に精度を高めることは極めて難しく、地震波の伝播速度を4〜6Km/秒とすると200〜400mの計測誤差は避けられなかった。
 かかる地球上の離れた各地点間において、各観測位置を精度良く求めると共に世界共通の絶対時刻を精度良く補正するシステムとしてGPSが知られている。そして測位用GPS受信機を用いて、絶対時刻に同期した現在時刻を発生する時刻発生装置が特許文献2に記載されている。しかしながら、上述の特許文献2に記載の時刻発生装置では測位用GPS受信機を24時間作動させ、1秒毎にGPS受信機から出力される同期用クロックパルスにより内部カウンタをリセットしているので、車や事務所等電源供給に何の不自由もしない環境では利用できるが、山岳地帯や砂漠等の電源供給の限られた環境ではGPS受信機の消費電力が約1.5W前後と比較的大きいので、手軽に利用できないという問題点があった。
 この発明は上述のような問題点を解決するためになされたもので、この発明の目的はGPS受信機を低消費電力モードで作動させ、低消費電力で絶対時刻に正確に同期した現在時刻を発生する時刻発生装置、及び、時刻発生方法を提供することにある。
 この発明は、時刻発生装置に関し、この発明の上記目的は、GPS受信信号から時刻データ及び絶対時刻に同期したクロックパルスを抽出するGPS受信機と、所定の周波数でパルス信号を発生する発振器と、前記GPS受信機で得られる最新の時刻データを基準時間として格納する記憶手段と、前記発振器で得られるパルス信号をカウントするカウンタと、このカウンタのカウント値を前記発振器の設定周波数で割り、その結果に前記記憶手段に格納された基準時間を加算して現在時刻を求める演算手段と、この演算手段及び前記GPS受信機に結合され、前記GPS受信機で得られるクロックパルスが、1msec〜10msec単位の所定の期間内に入っていることを確認して前記カウンタのリセット信号を生成するカウンタリセット信号生成手段とを具え、前記時刻発生装置の現在時刻を、前記カウンタのリセットの時点でも、10msec以内の期間内で、前記絶対時刻に同期させると共に、前記カウンタで計測されるカウンタ値の精度が、前記カウンタのリセットの時点でも、所定の精度の範囲内に収まるように、前記発振器の周波数安定精度に応じて時刻補正を行うことによって達成される。
 また、この発明の上記目的は、前記GPS受信機の前記電源オフ制御期間中、更に、前記演算手段を省電力モードで待機させたり、前記GPS受信機の前記電源オフ制御期間が、150分乃至6時間であるように設定することによっても達成される。
 この発明は、時刻発生装置を利用した時刻発生方法にも関し、この発明の上記目的は、前記時刻発生装置が、GPS受信信号から時刻データ及び絶対時刻に同期したクロックパルスを抽出するGPS受信機と、所定の周波数でパルス信号を発生する発振器と、前記GPS受信機で得られる最新の時刻データを基準時間として格納する記憶手段と、前記発振器で得られるパルス信号をカウントするカウンタと、このカウンタのカウント値を前記発振器の設定周波数で割り、その結果に前記記憶手段に格納された基準時間を加算して現在時刻を求める演算手段と、この演算手段及び前記GPS受信機に結合され、前記GPS受信機で得られるクロックパルスが、1msec〜10msec以内の所定の期間内に入っていることを確認して前記カウンタのリセット信号を生成するカウンタリセット信号生成手段とを具え、
 イ)前記GPS受信機により、GPS受信信号から、時刻データ及び絶対時刻に同期した同期クロックパルスを抽出すると共に、前記絶対時刻を記憶するGPS受信工程と、
 ロ)前記発振器からのパルス信号を前記カウンタで計測するパルス計測工程と、
 ハ)前記GPS受信工程の同期クロックパルスと、前記パルス計測工程のパルス信号とを、前記カウンタのリセットの時点でも、10msec以内の期間内で、前記絶対時刻に同期させると共に、前記カウンタで計測されるカウンタ値の精度が、前記カウンタのリセットの時点でも、所定の精度の範囲内に収まるように、前記発振器の周波数安定精度に応じて時刻補正を行う時刻補正工程とを含むことによって達成される。
 また、この発明の上記目的は、前記GPS受信工程で得られる連続した同期クロックパルスが、所定の期間内に入っていることを確認して、前記パルス計測工程の前記カウンタを、前記GPS受信工程の前記所定の期間内確認済みの同期クロックパルスによりリセットし、前記GPS受信工程の同期クロックパルスと、前記パルス計測工程のパルス信号とを同期せしめることによっても達成される。
 更にまた、この発明はセンサからのセンサ出力信号を獲得し、処理し、記憶するための自律型データ記録装置(Autonomous Data Recorder :ADRと略す)にも関し、この発明の上記目的は、イ)時刻発生装置、ロ)第1固体メモリハ)前記ADRに設けられており、記録パラメータのメニューを提供する複数のオペレーティングプログラムを前記ADRの前記第1固体メモリに電子的にダウンロードするための入力手段、ニ)前記ADRに設けられており、前記時刻発生装置の絶対時間に応答して、前記オペレーティングプログラムが提供する記録パラメータの前記メニューから記録パラメータの組を選択して前記センサ信号を獲得し処理するようにするための処理手段、及びホ)前記処理手段からの獲得され処理されたセンサデータを記憶するための第2固体メモリとを具えた自律型データ記録装置によって達成される。
 また、この発明は空間的に異なる地点に配備された自律型データ記録装置によってセンサ信号を獲得し、処理し、記憶し、統合処理するための物理探査方法にも関し、この発明の上記目的は、イ)GPS受信信号から絶対時刻を受信して絶対時刻精度を管理すると共に、常駐したオペレーティングプログラムが提供する記録パラメータのメニューから1組の記録パラメータを選択して待機する工程、ロ)前記選択された1組の記録パラメータに従って各自律型データ記録装置に電子的に結合された少なくとも1つのセンサにより発生されるセンサ信号を絶対時刻と共に獲得し処理する工程、ハ)前記各自律型データ記録装置に記録されたセンサ信号を統合処理装置に転送して、センサ信号の空間的特性を解析する工程を設けることによっても達成される。
 更にまた、この発明の上記目的はイ)GPS受信信号から空間位置及び絶対時刻を受信して絶対時刻精度を管理すると共に、常駐したオペレーティングプログラムが提供する記録パラメータのメニューから1組の記録パラメータを選択して待機する工程、ロ)前記選択された1組の記録パラメータに従って各自律型データ記録装置に電子的に結合された少なくとも1つのセンサにより発生されるセンサ信号を空間位置及び絶対時刻と共に獲得し処理する工程、ハ)前記各自律型データ記録装置に記録されたセンサ信号を統合処理装置に転送して、センサ信号の空間・時間特性を解析する工程から成る物理探査方法によっても達成される。
 また、この発明は空間的に異なる地点に配備された自律型データ記録装置によってセンセ信号を獲得し、処理し、記憶し、統合処理するための物理探査システムにも関し、この発明の上記目的は、イ)前記各自律型データ記録装置にオペレーティングプログラムが提供する記録パラメータのメニューから1組の記録パラメータを選択して設定するためのパラメータ選択設定手段と、ロ)前記選択された1組の記録パラメータに従って電子的に結合された少なくとも1つのセンサにより発生されるセンサ信号をGPS受信信号から獲得される絶対時刻と共に獲得し処理し記憶する自律型データ記録装置と、ハ)前記各自律型データ記録装置に記録されたセンサ信号を入力して、センサ信号の空間/時間的特性を解析する統合処理手段とを設けることによって達成される。
 更にまた、この発明の上記目的は物理探査に関心のある地域に配備された自律型データ記録装置によってセンサ信号を獲得し、処理し、記憶し、統合処理するための物理探査システムにおいて、イ)前記各自律型データ記録装置にオペレーティングプログラムが提供する記録パラメータのメニューから1組の記録パラメータを選択して設定するためのパラメータ選択設定手段と、ロ)前記選択された1組の記録パラメータに従って電子的に結合された少なくとも1つのセンサにより発生されるセンサ信号をGPS受信信号から獲得される空間位置及び絶対時刻と共に獲得し処理し記憶する自律型データ記録装置と、ハ)前記各自律型データ記録装置に記録されたセンサ信号を入力して、センサ信号の空間/時間的特性を解析する統合処理手段とを設けることによっても達成される。
[作用]
 この発明のデータ記録装置によれば、長大橋や超大型タンカー或いは大きな建物に、本発明のデータ記録装置を、複数個分散設置して、絶対時刻に同期したセンサ出力を記録すると、データ収集のためのケーブル敷設作業が不要となり、構造設計等の振動解析確認作業を容易に実施することができる。又、時刻補正時以外はGPS受信機の電源供給を停止できるので、低消費電力で絶対時刻補正が行える。従って、同一容量の電池であればより長時間の地震データが記録できると共に、携帯型データ記録装置の重量を著しく軽量化できる。更に、GPS時刻較正システムを利用して時刻補正するので、10μsec〜1msec単位の時刻補正が可能となり、物理探査の計測精度を飛躍的に高めることができる。
 この発明の時刻発生装置及び時刻発生方法によれば、低消費電力で正確な絶対時刻の補正が実現できる。また、従来の方法と比較して、1桁精度の高い時刻補正が実現できるので、物理探査精度を一段と向上させることができる。又、本発明のデータ記録装置を、長大橋や超大型タンカー或いは大きな建物に、複数個分散設置して、絶対時刻に同期した加速度センサ出力を記録すると、データ収集のためのケーブル敷設作業が不要となり、構造設計等の振動解析確認作業を容易に実施することができる。
 更に、移動体と地上とそれぞれ独立して絶対時刻に基づいた振動計測ができるので、従来計測不能であった移動体と地面との間の伝達関数等も容易に演算することができる。
 以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
 図1はこの発明の時刻発生装置のハードウェア構成の一例を示すもので、GPSアンテナ2で受信されたGPS信号はGPS受信機4に送られる。このGPS受信機4は入力GPS信号から測位データを検出出力すると共にその測位データ中に含まれている絶対時刻に基づく時刻データTDだけを抽出することができ、更に絶対時刻に同期したクロックパルス(以下、GPSパルス)CPを再生出力する。これらの測位データ、時刻データTD及びGPSパルスCPは、演算手段であるマイクロプロセッサ(以下、MPU)10等で構成された時刻補正部に送られる。
 この時刻補正部は、MPU10、発振器6、カウンタ及びタイマモジュール8(カウンタ又はタイマが論理回路と共に一個又は複数個内蔵されている。)、カウンタリセット手段12、記憶手段14及び入出力制御部16で構成される。GPSパルスCPはMPU10に送られると共に、リセット手段12を構成するアンドゲートの一方の端子にも入力され、他方の入力端子はMPU10から出力される制御信号XGが接続されるようになっている。またリセット手段12の出力RSTは計時用カウンタ8のリセット端子に接続され、ハードウェアで直接計時用カウンタ8をリセットするようになっている。
 一方、発振器6は一定の周波数信号を発生し、計時用タイマ8の発振源となるもので、その周波数精度により後述の時刻校正処理精度が決定されるので、できる限り精度の高いものが望ましく、例えば、温度補償付水晶発振器が好適である。タイマ/カウンタモジュール8は発振器6の出力信号をカウントするカウンタとして動作すると共に、MPU10からの設定条件によりタイマとしても動作可能となっており、例えば、MPU10の設定条件で1、2、5、10、20、50、100、200、500、1000、2000、5000ミリ秒の割込クロックを適当に選択して出力できるような構成のものが好ましい。そして、計時用カウンタ8は発振器6の出力信号をもとに設定された周波数のクロックを計数してMPU10にパラレル出力すると共に、MPU10が省電力モードで機能停止中は機能停止期間を計測するタイマとして単独で作動するようになっている。
 MPU10は、カウンタ8からのパルスカウント値をパラレル入力し、GPSパルスCPを割込み入力として図3に示す時刻校正処理ルーチンを起動して基準時間を更新すると共に現在時刻を求める。この現在時刻データは記憶手段14に格納されると共に、入出力制御部16を介して外部に出力される。
 このような構成において、図2のタイムチャート及び図3のフローチャートを参照してその動作を説明する。
 GPSシステムでは、図2(A)に示すように、GPS受信機4で得られるクロックパルスCPは絶対時刻に同期させて再生されており、通常は1秒間隔で再生出力されている。また、時刻データTDも正常な状態では1秒毎に更新されるようになっている。しかしながら、GPSアンテナ2の上空に高い樹木があったり、太陽の黒点活動により電離層の状態が急変したりすると、必ずしも毎回、確実にクロックパルスCPを1秒間隔で再生できるとは限らない。
 そこで、時刻補正部では、MPU10により図3に示す処理を実行して時刻データTDを校正し、基準時間及び現在時刻を求める。先ず、図2(A)の時刻t1にGPS受信機4から出力されたクロックパルスCPがMPU10に入力される(ステップS2)。すると、MPU10では次に出力されるクロックパルスCPをチェックするため、図2(B)に示すような期間t2だけ経過後、期間t3だけ低レベルとなるようなソフトウェアモノマルチルーチンを起動させる(ステップS8)と共に、図2(D)に示すタイミングでGPS受信機4から出力される最新の時刻データTDを読込む(ステップS6)。
 しかして、図2(A)の例では、所定の期間t3内に次のCPパルスが到達しなかったので(ステップS8)、ステップS2に戻り、GPS受信機4から出力されるCPパルスの入力待ちとなる。そして、図2(A)の時刻t4において再びCPパルスが出力されると、時期間t2だけ経過後、期間t3だけ低レベルとなるようなソフトウェアモノマルチルーチンを再び起動させる(ステップS8)と共に、図2(D)に示すタイミングでGPS受信機4から出力される最新の時刻データTDをMPU10に読込む(ステップS6)。
 次に、今回はチェック期間t3の期間内に次のCPパルスがGPS受信機4から出力された(ステップS8)ので、リセット手段12を介して計時用カウンタ8だけがCPパルスの立下がりのタイミングでハード的にリセットされると共に、ステップS6で読込んだ時刻データを秒以下の時刻を切り捨てた時間に調整した後、1秒を加えて基準時間として格納する(ステップS10)。例えばステップS6で入力した時刻が0:01:02.03秒であった場合、基準時間は0:01:03.00秒となる。
 かくして、基準時間の更新が終了すると、センサ入力等他の処理があるか否かチェックし(ステップS12)、無ければステップS2へ戻る。一方、他の処理がある場合は、更新した基準時間(秒)及びカウンタ8のカウント値(N)から次式を演算し、現在時刻(秒)を求めた後、他の処理を実行する(ステップS14)。
(数1)現在時刻(秒)=基準時間(秒)+カウント値(N)/タイマ周波数(Hz)
 尚、タイマ周波数(Hz)はタイマ8の設定周波数であり、タイマ周波数を1000Hzとすると、分解能は1ミリ秒となる。
 従って、上記構成による時刻発生装置は、GPS受信機4から出力されるCPパルス間隔をチェックして計時用カウンタ/タイマをリセットすると共に、チェック用CPパルスの到達時点でハードウェアカウンタ及びソフトウェア絶対時刻を同時に更新するようにしているのでタイマサービス・ルーチンにより任意の時点で現在時刻の読出しがあっても、絶対時刻に同期した現在時刻を正確に回答できる。また、CPパルスから生成されるリセットパルスRSTの間隔を、一定の周波数で分解して基準時間に加算することにより現在時刻を求めるようにしているので、絶対時刻に同期した精度の高い現在時刻を得ることもできる。
 図1に対応させて示す図4はこの発明の時刻発生装置の別の一実施例を示すものであり、それぞれ同一の番号を付した装置は同一の機能を果たすと共に、GPS受信機4及びデジタル回路20に電源供給手段42a及び42bを設け、不使用時にはMPU10に結合された電源制御手段40を介して電池30の電源をON−OFF制御して、電池30の消費電力低減を計ったものである。これは通常デジタル回路20及びMPU10が40mA、発信器6及びカウンタモジュール8が2mA程度の消費電力に対し、GPS受信機4が300mAと非常に消費電力が大きいので(各装置の電源電圧は5Vを想定しているが、電源電圧が3V前後に設定できれば、一段と消費電力を節約できることは明らかである。)、絶対時刻の同期調整が終了したら直ちにGPS受信機4の電源をオフすると、電池の消耗を大幅に低減でき、特に携帯型装置用時刻発生装置として有用である。
 図4の時刻発生装置の動作を図5のフローチャートを参照して説明すると、先ず、MPU10からGPS受信機4に対し、別の手段で入手した大まかな現在位置及び絶対時刻を入力し、図3と同様な処理を実行して、正確な現在位置の測位データを入手すると共に、GPS絶対時刻との同期をとる(ステップS20)。
 そして、図2(B)に示す次のCPパルス受信チェック期間t3内に、GPS受信機4からCPパルスを入力したら、GPS時刻データ+1を基準時間として記憶手段14に更新・格納すると共に、直ちに電源制御手段40にGPS受信機4の電源断指令PG1を出力する(ステップS22)。更に、発振器6の周波数安定精度(例えば、0.1ppm乃至10ppm)に応じて、次の電源投入時刻を計算し(例えば、0.1ppm精度であれば150分後、また10ppm精度であれば100秒であるが、通常は、1ppm精度で3〜6時間間隔で電源投入すると十分である。)、タイマのMPU起動用タイマ8へ次の電源投入割込発生時刻を設定し、電源制御手段40を介して、デジタル回路20の電源もオフする(ステップS22)。その後、MPU10は省電力モードへ移る(ステップS24)。この状態では発振器6及びカウンタモジュール8のみが作動しているので、消費電源は約2mAと1/150以下に節約できる。
 かくして、上述の電源再投入時刻に至ると、タイマ8からタイマ割込が発生し、MPU10に再起動がかかる(ステップS26)。MPU10は再起動されると、先ずデジタル回路20及びGPS受信機4の電源を電源制御手段40を介して再投入する(ステップS28)。続いて、MPU10はGPS受信機4からのCPパルス入力待ちとなり(ステップS30)、CPパルスが到達すると、次のCPパルス到達迄の時間間隔をチェックするためのソフトウェアモノマルチルーチンを起動させると共に、GPS受信機4から時刻データTDが出力された場合には(ステップS32)、このGPS時刻データをMPU10へ読込む(ステップS34)。
 かくして、所定のチェック期間t3内に次のCPパルスが到達すると(ステップS36)、リセット手段12を介してハード的にカウンタモジュール8の計時用カウンタがリセットされ、再びカウントが開始されると共に、MPU10から電源制御手段40を介して直ちにGPS受信機4の電源供給がカットされ、ステップS34で読込んだGPS時刻データ+1が基準時間として記憶手段14に更新格納される(ステップS38)。
 続いて、他の処理があるか否かチェックし(ステップS40)、有る場合には、基準時間及びカウンタ値から現在時刻を演算すると共にセンサ入力等他の処理を実行する(ステップS42)。その後、ステップS22と同様に、次の電源投入時刻を演算してタイマ8の再起動用タイマへ設定した後、デジタル回路20の電源供給をカットし(ステップS44)、ステップS24へ移り、MPU10の省電力モードへ移る。
 以下、ステップS24乃至S44の処理を繰り返す。かかる電源制御手段により、GPS絶対時間に同期した絶対時刻を高精度で長時間、最小の消費電力で維持することが可能となり、特に、電池容量に制限のある携帯型装置において有効な時刻発生方法である。尚、上述のフローチャートにおいてステップS28のGPS受信機への電源投入からステップS38のGPS受信機電源断迄の期間は通常30秒乃至2分程度である。
 次に、この時刻発生装置を地球物理探査へ応用した例を述べる。図6は火山体の構造探査の一例であり、ダイナマイト100a,100b等により人工地震を発生させ、この地震波を予め空間的に分散設置した多数の観測点(200a〜200m)で記録し、後でこの記録データを収集解析してマグマや火山体の地下構造を演算するものである。しかして、複雑な火山地帯の中にできるだけ均一に観測点を設定するためには、機械の運搬は人手に頼るしかなく、小型・軽量・低消費電力の携帯型高精度記録装置を提供する必要がある。
 図4に対応させて示す図7はかかる携帯用自律型データ記録装置200aの一例であり、それぞれ同一の番号を付した装置は同一の機能を果たすと共に、プリアンプ52a〜52m、低減フィルタ54a〜54m、マルチプレクサ56及びAD変換手段58で構成されたアナログ回路50がMPU10に結合され、その電源は電源制御手段40から出力される制御信号PGkによりオンオフ制御されると共に、操作メニュー等が液晶等で構成された表示手段20bに表示され入力手段70を介して各種記録パラメータを選択/設定するようになっている。又プリアンプ52a〜52mの先には地震センサ60a〜60cや温度センサ等が接続されるようになっている。
 このような構成においてその動作を図8乃至図10を参照して説明すると、先ず、データ記録装置200aにセンサ等の測定条件をダウンロードし又は表示手段20bと入力手段70を操作して初期設定する(図8のステップS60)。又、各観測地点に到着したならば、大まかな空間位置及び絶対時刻をダウンロードデータ又は入力手段70を介してMPU10に入力し、これらデータをGPS受信機4に転送して、図3のフローチャートと同一の処理を実行し、正確な現在位置の測位データをGPS受信機4から読出すと共に、GPSクロックパルスCPによりGPS絶対時刻との同期をとる(ステップS60)。
 かくして、初期設定が終了すると、MPU10から電源制御手段40へGPS受信機4及びアナログ回路50の電源断指令を出力し、その後タイマ8の再起動用タイマへ時刻補正のための次の電源投入時刻を設定して、デジタル回路20a及び20bの電源をカットする(ステップS62)。
 その後、MPU10は省電力モードへ移り(ステップS64)、この状態では、発振器6及びカウンタモジュール8のみが作動しているので、消費電流は大幅に節約できる。
 しかして上述の電源再投入時刻に至ると、タイマモジュール8からタイマ割込が発生し、MPU10に再起動がかかる(ステップS66)。MPU10は再起動されると、先ず、再起動の要因が時刻補正のためのものか、指定時刻でのセンサ計測のためのものか、他の処理のためのものか判定する。そして、GPS時刻補正のための再起動の場合には(ステップS68)、デジタル回路20a及びGPS受信機4の電源を投入して図5のステップS28乃至S38と同様のGPS時刻補正処理を行ない(ステップS70)、ステップS84へ移る。
 また、指定時刻でのセンサ計測の場合には(ステップS72)、先ずデジタル回路20a及びアナログ回路50の電源を投入した後、プリアンプ、フィルタ及びAD変換パラメータ等を記憶手段14から読出し、所定のレジスタ等にそれぞれ設定する(ステップS74)。その後、指定時刻迄カウンタ8を監視し(ステップS76)、指定時刻となったなら、基準時間及びカウンタ値から現在時刻を演算して記憶手段14に記憶すると共に、センサ60a〜60mの出力を順次切換えて、AD変換手段58によりデジタル化し、記憶手段14に所定の回数だけを書込む。
 この様子を図9(A)乃至(F)及び図10を参照して更に詳しく説明すると、MPUI0は図9(A)のように待機モードと記録モードとをそれぞれ切替えて実行するようになっており、その間に発振器6の精度が所定の精度より悪化する少し手前の時刻でGPS受信機4に電源を再供給して絶対時刻精度が所定の精度範囲内に必ず収まるように制御している(図9(B))。しかして、待機モードでは、消費電力を低減させるため、アナログ回路50、デジタル回路20a及びMPU10の電源をカットすると共に、記録に必要な時のみ各装置に電源を供給するように、電源制御手段40により各装置の電源をきめ細かくオンオフ制御するようにしている。そして、記録iのサンプリングモードでは、図9(C)の時点t30でMPU10を再起動させ、デジタル回路20a及びアナログ回路50に電源を供給すると共に、マルチプレクサ56をパラメータで指定された順番で順次切換え、AD変換してセンサ出力60a〜60mを順次デジタル化するようになっている(図9(D))。更に、測定開始指定時刻t32の手前のプリトリガ開始時点t31から上述したAD変換データを図10に示すようなフォーマットで記憶手段14に書込むようになっている(図9(E)及び(F))。
 すなわち、記録i番目のデータとしては、測定位置、測定時刻、プリアンプゲイン、フィルタ条件、AD変換条件、プリトリガ期間(ウインドウ期間)、外部増幅器ゲイン、温度/湿度及び各センサのAD変換値等があり、記憶手段14としては、フラッシュメモリ又はバッテリ内蔵RAM等の電源のオンオフにより記憶内容が消えないメモリが望ましい。
 かくして、指定時刻でのセンサ計測が終了すると、アナログ回路50の電源をカットした後(ステップS78)、ステップS84へ移る。
 また、システムのダウンロード、記録データの外部への転送、テストプログラムの実行、パラメータ設定等の他の処理を実行する場合には(ステップS80)、それぞれ必要な装置にのみ電源を供給し、各処理を実行するようになっている(ステップS82)。
 更に、ステップS84では、次のGPS時刻補正開始時刻と記録iの開始時刻とを比較し、どちらか早い方の時刻をタイマ8の再起動用タイマに設定して、デジタル回路20aの電源をカットする(ステップS84)。
 尚、図11に示すようにGPSアンテナ2の周囲に太陽電池パネル1を貼付けたアンテナを用意し、GPSアンテナ2に太陽が当たる間は、太陽電池パネル1によりバッテリ30を充電するようにすると、電池寿命を更に延長することが可能である。
 一方、データ記録装置200aのプログラミング構造を図12に基づいて説明すると、図示しないパーソナルコンピュータ等で作成された操作オペレーティングプログラム500やダウンロード可能アルゴリズム510等は入出力制御手段16を介してROM等に書込まれたMPUオペレーティングプログラム410の制御の基にバファメモリ420に一度読込まれ、フラッシュメモリ等の所定のアドレスへ書込まれるようになっている。又各記録モードでサンプリングしたセンサ出力はセンサデータメモリ600へ順次書込まれるようになっている。このようなプログラミング構造を採用すると、操作メニューへのデータ設定やフィルタアルゴリズムをハードウェア構成を何も変更せずに容易に変更できて大変便利である。
 又、上述のデータ記録装置を長大橋や超大型タンカー或いは大きな建物に複数個分散設置して、絶対時刻に同期した加速度センサ出力を記録すると、データ収集のためのケーブル敷設作業が不要となり、構造設計等の振動解析確認作業を容易に実施することができる。更に、南極/北極等で地磁気センサ出力を絶対時刻と共に記録することにより、オーロラ現象の解析にも役立てることができる。更に又、上述のデータ記録装置の一方を地面に固定して振動計測し、他方のデータ記録装置を車等の移動体に固定して、地面の振動及び車の振動を絶対時刻に基づいて同時計測することにより、移動体と地面との間の伝達関数等を求めることも可能となり、従来不可能であった各種振動計測が容易に実現できる。
この発明の時刻発生装置の一実施例を示すハードウェアブロック図である。 その動作を説明するためのタイムチャートである。 その動作を説明するためのフローチャートである。 この発明の別の時刻発生装置の一実施例を示すハードウェアブロック図である。 その動作を示すためのフローチャートである。 火山探査の原理を説明するための図である。 この発明のデータ記録装置のハードウェア構成の一例を示す図である。 その動作を説明するためのフローチャートである。 その動作を説明するためのタイムチャートである。 読取装置の記録フォーマットの一例である。 この発明の充電兼用のGPSアンテナの一例である。 この発明のデータ記録装置のプログラム構造を説明するための図である。
符号の説明
 2 GPSアンテナ
 4 GPS受信機
 6 発振器
 8 タイマ・カウンタ・モジュール
 10 MPU
 12 リセット手段
 14 記憶手段
 16 入出力制御手段
 20,20a デジタル回路
 20b 表示手段
 30 電池
 40 電源制御手段
 50 アナログ回路
 60a〜60m センサ
 70 入力手段
 100,100a 時刻発生装置
 200a,200n データ記録装置

Claims (29)

  1.  時刻発生装置であって、GPS受信信号から時刻データ及び絶対時刻に同期したクロックパルスを抽出するGPS受信機と、所定の周波数でパルス信号を発生する発振器と、前記GPS受信機で得られる最新の時刻データを基準時間として格納する記憶手段と、前記発振器で得られるパルス信号をカウントするカウンタと、このカウンタのカウント値を前記発振器の設定周波数で割り、その結果に前記記憶手段に格納された基準時間を加算して現在時刻を求める演算手段と、この演算手段及び前記GPS受信機に結合され、前記GPS受信機で得られるクロックパルスが、1msec〜10msec単位の所定の期間内に入っていることを確認して前記カウンタのリセット信号を生成するカウンタリセット信号生成手段とを具え、
     前記時刻発生装置の現在時刻を、前記カウンタのリセットの時点でも、10msec以内の期間内で、前記絶対時刻に同期させると共に、
     前記カウンタで計測されるカウンタ値の精度が、前記カウンタのリセットの時点でも、所定の精度の範囲内に収まるように、前記発振器の周波数安定精度に応じて時刻補正を行うようにしたことを特徴とする時刻発生装置。
  2.  少なくとも1つのセンサからのセンサ信号を獲得し、記録するための時刻発生装置であって、GPS受信信号から時刻データ及び絶対時刻に同期したクロックパルスを抽出するGPS受信機と、所定の周波数でパルス信号を発生する発振器と、前記GPS受信機で得られる最新の時刻データを基準時間として格納する記憶手段と、前記発振器で得られるパルス信号をカウントするカウンタと、このカウンタのカウント値を前記発振器の設定周波数で割り、その結果に前記記憶手段に格納された基準時間を加算して現在時刻を求める演算手段と、この演算手段及び前記GPS受信機に結合され、前記GPS受信機で得られるクロックパルスが、1msec〜10msec単位の所定の期間内に入っていることを確認して前記カウンタのリセット信号を生成するカウンタリセット信号生成手段とを具え、
     前記時刻発生装置の現在時刻を、前記カウンタのリセットの時点でも、10msec以内の期間内で、前記絶対時刻に同期させると共に、
     前記カウンタで計測されるカウンタ値の精度が、前記カウンタのリセットの時点でも、所定の精度の範囲内に収まるように、前記発振器の周波数安定精度に応じて時刻補正を行い、更に、
     前記センサ信号を、前記絶対時刻と同期した現在時刻と共に獲得し、前記記憶手段に記録するようにしたことを特徴とする時刻発生装置。
  3.  前記演算手段に結合され、前記GPS受信機の電源をオンオフ制御する電源制御手段を更に具え、前記カウンタで計測されるカウンタ値の精度が、所定の精度範囲内となるように、前記GPS受信機及びカウンタリセット信号生成手段に、前記電源制御手段により間欠的に電源を供給するようにした請求項1又は2に記載の時刻発生装置。
  4.  前記電源制御手段により、前記GPS受信機及びカウンタリセット信号生成手段の電源をオフ制御した場合、次にこの電源をオン制御する迄の時間を前記カウンタに設定した後、当該設定時間経過中、更に前記演算手段を省電力モードで待機させるようにした請求項3に記載の時刻発生装置。
  5.  前記GPS受信機の前記電源オフ制御期間が、100秒乃至6時間である請求項3又は4に記載の時刻発生装置。
  6.  前記発振器が、周波数安定精度で、0.1ppm乃至10ppmの精度である請求項1乃至5のいずれか1項に記載の時刻発生装置。
  7.  前記発振器が、温度補償付発振器である請求項1乃至6のいずれか1項に記載の時刻発生装置。
  8.  前記時刻発生装置の電源が充電可能な電池で構成された請求項1乃至7のいずれか1項に記載の時刻発生装置。
  9.  太陽電池で前記電池に充電するようにした請求項8に記載の時刻発生装置。
  10.  前記GPS受信機に接続されるGPSアンテナが太陽電池を兼備した請求項1乃至9のいずれか1項に記載の時刻発生装置。
  11.  前記記憶手段が、フラッシュメモリ、又は、バッテリーバックアップされた半導体RAMメモリで構成されている請求項1乃至10のいずれか1項に記載の時刻発生装置。
  12.  前記時刻発生装置が携帯型時刻発生装置である請求項1乃至11のいずれか1項に記載の時刻発生装置。
  13.  前記カウンタが、1、2、5、10、20、50、100、200、500、1000、2000、又は5000ミリ秒のクロックを出力できる請求項1乃至12のいずれか1項に記載の時刻発生装置。
  14.  前記GPS受信機から、当該時刻発生装置の空間位置も記録するようにした請求項1乃至13のいずれか1項に記載の時刻発生装置。
  15.  前記センサが、加速度センサ、磁気センサ、地震計、又は、受振器である請求項2乃至14のいずれか1項に記載の時刻発生装置。
  16.  前記センサの記録データに、測定位置、測定時刻、プリアンプゲイン、フィルタ条件、AD変換条件、プリトリガ期間、ウインドウ期間、外部増幅器ゲイン、温度/湿度データ、又は、各センサのAD変換値を含む請求項2乃至15のいずれか1項に記載の時刻発生装置。
  17.  時刻発生装置を利用した時刻発生方法であって、
     前記時刻発生装置が、GPS受信信号から時刻データ及び絶対時刻に同期したクロックパルスを抽出するGPS受信機と、所定の周波数でパルス信号を発生する発振器と、前記GPS受信機で得られる最新の時刻データを基準時間として格納する記憶手段と、前記発振器で得られるパルス信号をカウントするカウンタと、このカウンタのカウント値を前記発振器の設定周波数で割り、その結果に前記記憶手段に格納された基準時間を加算して現在時刻を求める演算手段と、この演算手段及び前記GPS受信機に結合され、前記GPS受信機で得られるクロックパルスが、1msec〜10msec単位の所定の期間内に入っていることを確認して前記カウンタのリセット信号を生成するカウンタリセット信号生成手段とを具え、
     イ)前記GPS受信機により、GPS受信信号から、時刻データ及び絶対時刻に同期した同期クロックパルスを抽出すると共に、前記絶対時刻を記憶するGPS受信工程と、
     ロ)前記発振器からのパルス信号を前記カウンタで計測するパルス計測工程と、
     ハ)前記GPS受信工程の同期クロックパルスと、前記パルス計測工程のパルス信号とを、前記カウンタのリセットの時点でも、10msec以内の期間内で、前記絶対時刻に同期させると共に、
       前記カウンタで計測されるカウンタ値の精度が、前記カウンタのリセットの時点でも、所定の精度の範囲内に収まるように、前記発振器の周波数安定精度に応じて時刻補正を行う時刻補正工程とを含むことを特徴とする時刻発生方法。
  18.  少なくとも1つのセンサからのセンサ信号を獲得し、記録するための時刻発生装置を利用した時刻発生方法であって、
     前記時刻発生装置が、GPS受信信号から時刻データ及び絶対時刻に同期したクロックパルスを抽出するGPS受信機と、所定の周波数でパルス信号を発生する発振器と、前記GPS受信機で得られる最新の時刻データを基準時間として格納する記憶手段と、前記発振器で得られるパルス信号をカウントするカウンタと、このカウンタのカウント値を前記発振器の設定周波数で割り、その結果に前記記憶手段に格納された基準時間を加算して現在時刻を求める演算手段と、この演算手段及び前記GPS受信機に結合され、前記GPS受信機で得られるクロックパルスが、1msec〜10msec単位の所定の期間内に入っていることを確認して前記カウンタのリセット信号を生成するカウンタリセット信号生成手段とを具え、
     イ)前記GPS受信機により、GPS受信信号から、時刻データ及び絶対時刻に同期した同期クロックパルスを抽出すると共に、前記絶対時刻を記憶するGPS受信工程と、
     ロ)前記発振器からのパルス信号を前記カウンタで計測するパルス計測工程と、
     ハ)前記GPS受信工程の同期クロックパルスと、前記パルス計測工程のパルス信号とを、前記カウンタのリセットの時点でも、10msec以内の期間内で、前記絶対時刻に同期させると共に、
       前記カウンタで計測されるカウンタ値の精度が、前記カウンタのリセットの時点でも、所定の精度の範囲内に収まるように、前記発振器の周波数安定精度に応じて時刻補正を行う時刻補正工程と、
     ニ)前記センサ信号を、前記絶対時刻と同期した現在時刻と共に獲得し、前記記憶手段に記録するセンサ信号記録工程とを含むことを特徴とする時刻発生方法。
  19.  前記演算手段に結合され、前記GPS受信機の電源をオンオフ制御する電源制御手段を更に具え、前記カウンタで計測されるカウンタ値の精度が、所定の精度範囲内となるように、前記GPS受信機及びカウンタリセット信号生成手段に、前記電源制御手段により間欠的に電源を供給するGPS電源制御工程を更に含む請求項17又は18に記載の時刻発生方法。
  20.  前記電源制御手段により、前記GPS受信機及びカウンタリセット信号生成手段の電源をオフ制御した場合、次にこの電源をオン制御する迄の時間を前記カウンタに設定した後、当該設定時間経過中、更に前記演算手段を省電力モードで待機させる工程を含む請求項19に記載の時刻発生方法。
  21.  前記GPS受信機の前記電源オフ制御期間が、100秒乃至6時間である請求項19又は20に記載の時刻発生方法。
  22.  前記発振器が、周波数安定精度で、0.1ppm乃至10ppmの精度である請求項17乃至21のいずれか1項に記載の時刻発生方法。
  23.  前記発振器が、温度補償付発振器である請求項17乃至22のいずれか1項に記載の時刻発生方法。
  24.  前記時刻発生装置の電源が充電可能な電池で構成された請求項17乃至23のいずれか1項に記載の時刻発生方法。
  25.  前記記憶手段が、フラッシュメモリ、又は、バッテリーバックアップされた半導体RAMメモリで構成されている請求項17乃至24のいずれか1項に記載の時刻発生方法。
  26.  前記時刻発生装置が携帯型時刻発生装置である請求項17乃至25のいずれか1項に記載の時刻発生方法。
  27.  前記GPS受信機から、当該時刻発生装置の空間位置を記録する工程を更に含む請求項17乃至26のいずれか1項に記載の時刻発生方法。
  28.  前記センサが、加速度センサ、磁気センサ、地震計、又は、受振器である請求項18乃至27のいずれか1項に記載の時刻発生方法。
  29.  前記センサの記録データに、測定位置、測定時刻、プリアンプゲイン、フィルタ条件、AD変換条件、プリトリガ期間、ウインドウ期間、外部増幅器ゲイン、温度/湿度データ、又は、各センサのAD変換値を含む請求項18乃至28のいずれか1項に記載の時刻発生方法。
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