JP2004317200A

JP2004317200A - 衛星測位システム及び飛行体測位システム

Info

Publication number: JP2004317200A
Application number: JP2003109198A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Mizuno; 友宏水野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2003-04-14
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】測位対象衛星を地上の測位用信号送信源を用いて測位する衛星測位システムを得る。
【解決手段】衛星測位システムは、測位用受信機を有する測位対象衛星と、複数の測位用信号送信源とを備える衛星測位システムにおいて、複数の測位用信号送信源の内の一つ以上が地上に設置され、これらの測位用信号送信源より送信された測位用信号を測位用受信機で受信して測位対象衛星の測位を行う。また、測位用信号を、複数の周波数で送信するようにしたものである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、衛星又は飛行体の位置を測定する衛星測位システム及び飛行体測位システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
安価で比較的高精度な測位技術として、米国国防総省により運用されている衛星航法システムであるＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）が挙げられる。これは約半日の周回周期となる軌道高度約２０，０００ｋｍの円軌道上に、公称２４機のＧＰＳ衛星が配設され、これらのＧＰＳ衛星から送信されるＬ帯（Ｌ１帯：１５７５．４２ＭＨｚ、Ｌ２帯：１２２７．６ＭＨｚ）の測位用電波（測位用信号）により観測点（測位点）と少なくとも４機の衛星との距離を演算することにより測位を行うものである。
【０００３】
図５は、このようなＧＰＳを用いた従来の衛星測位システムを示す構成図である。測位対象衛星１は、ＧＰＳ衛星２，３，４，５のそれぞれから送信される測位用信号を、測位対象衛星１に搭載した測位用受信機で同時に受信して、各ＧＰＳ衛星２，３，４，５からの航法メッセージを取得することによって、測位対象衛星１の位置を測定している。なお、ＧＰＳ衛星からの信号を受信して、地上の車両などの位置を算出するものは、例えば、特許文献１に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２―３１１１２２号公報（第２頁、図１１）
【非特許文献１】
土屋淳及び辻宏道著「新・ＧＰＳ測量の基礎」社団法人日本測量協会発行、２００２年１０月１日、ｐ．１３，１９−２２，２７，４２−４３，５１−５７，８８−９４，１２９
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＧＰＳ衛星が送信する測位用信号には、民間に公開されているＣ／Ａコード（Ｌ１帯のみ）と軍事用のＰコード（Ｌ１帯およびＬ２帯）の２種類がある。しかし、民間に公開されているＣ／Ａコード信号においても、軍事用に転用されるのを防ぐために、ＳＡ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＡｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ）により、ＧＰＳ衛星側で測位に必要な衛星位置の精度劣化やＣ／Ａコードのタイミングを変動させることにより、測位精度を劣化させる措置が与えられていた。現在はこのＳＡは発動されていないが、今後利用者に予告なく再発動、さらには精度劣化の加減も変更される可能性がある。
【０００６】
従来のＧＰＳ衛星を利用した衛星測位システムには次のような問題点がある。
（１）ＧＰＳ衛星の位置精度の限界は１０ｍ程度。
（２）衛星の保守・メンテナンスが事実上不可能（回収修理が不可能）。
（３）ＧＰＳ衛星の軌道高度約２０，０００ｋｍより高軌道の衛星の測位が実用上不可能（ＧＰＳ衛星のアンテナの方向は地球の方向を向いている）。
（４）ＧＰＳ衛星のＳＡ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＡｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ）の発動などによる測位精度劣化の懸念。
（５）民間に公開されたＬ１帯（１５７５．４２ＭＨｚ）の一周波数のみでの測位であり、大気伝播による誤差の補正に限界（３〜５ｍ）がある。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、測位対象衛星あるいは測位対象飛行体を地上の一つ以上の測位用信号送信源を用いて測位する衛星測位システムおよび飛行体測位システムを得ることを目的とする。
また、比較的高い精度で測位できる衛星測位システムおよび飛行体測位システムを得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる衛星測位システムは、測位用受信機を有する測位対象衛星と、複数の測位用信号送信源とを備える衛星測位システムにおいて、複数の上記測位用信号送信源の内の一つ以上が地上に設置され、これらの測位用信号送信源より送信された測位用信号を上記測位用受信機で受信して上記測位対象衛星の測位を行うようにしたものである。
また、上記測位用信号を、複数の周波数で送信するようにしたものである。
【０００９】
さらに、この発明に係わる飛行体測位システムは、測位用受信機を有する測位対象飛行体と、複数の測位用信号送信源とを備える飛行体測位システムにおいて、複数の上記測位用信号送信源の内の一つ以上が地上に設置され、これらの測位用信号送信源より送信された測位用信号を上記測位用受信機で受信して上記測位対象飛行体の測位を行うようにしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１である衛星測位システムを示す構成図である。図２は測位対象衛星に搭載された測位用受信機を示す構成図である。この実施の形態１では、ＧＰＳ衛星に代って、地上に設置した複数の測位用地上局６，７，８，９を用いている。測位対象衛星１の測位用受信機１１は、測位用地上局６，７，８，９から送信される測位用信号（電波）を受信するアンテナ部１２，受信部１３と、受信された測位用信号から航法メッセージと呼ばれる各測位用地上局６，７，８，９からの信号を復調する復調部１４と、復調された信号から軌道情報などを取得するデータ解析部１５と、復調された信号からの各測位用地上局６，７，８，９の送信時刻を算出するとともに、データ解析部１５で取得された詳細軌道情報などを用いて測位対象衛星１の現在位置を測定する測位部１６と、逐次近似計算で初期位置として使用する前回の測位結果を記録する記録部１７とを備えている。
【００１１】
測位用地上局６，７，８，９を用いて、測位対象衛星１の位置を算出するためには、各測位用地上局６，７，８，９から測位対象衛星１までの伝搬時間を測定し、距離に変換する。各測位用地上局６，７，８，９の位置を中心として、測定した伝搬時間から求めた距離を半径とする球を仮定する。ここで、各測位用地上局６，７，８，９から測位対象衛星１までの伝搬時間を測定する際に、測位対象衛星１の時計誤差が含まれるので、この時計誤差をδｔとすると、仮定した球の方程式はそれぞれ次に式（１）（２）（３）（４）となる。
【００１２】
｛（Ｘｉ１―Ｘｒ）^２＋（Ｙｉ１―Ｙｒ）^２＋（Ｚｉ１―Ｚｒ）^２｝^１／２＝ｃ（τｉ１＋δｔ）−−−−（１）
｛（Ｘｉ２―Ｘｒ）^２＋（Ｙｉ２―Ｙｒ）^２＋（Ｚｉ２―Ｚｒ）^２｝^１／２＝ｃ（τｉ２＋δｔ）−−−−（２）
｛（Ｘｉ３―Ｘｒ）^２＋（Ｙｉ３―Ｙｒ）^２＋（Ｚｉ３―Ｚｒ）^２｝^１／２＝ｃ（τｉ３＋δｔ）−−−−（３）
｛（Ｘｉ４―Ｘｒ）^２＋（Ｙｉ４―Ｙｒ）^２＋（Ｚｉ４―Ｚｒ）^２｝^１／２＝ｃ（τｉ４＋δｔ）−−−−（４）
【００１３】
但し、（Ｘｉ１，Ｙｉ１，Ｚｉ１），（Ｘｉ２，Ｙｉ２，Ｚｉ２），（Ｘｉ３，Ｙｉ３，Ｚｉ３），
（Ｘｉ４，Ｙｉ４，Ｚｉ４）は、それぞれ既知の第１，第２，第３，第４測位用地上局６，７，８，９の位置（例えば、地球中心座標系であるＷＧＳ−８４系の位置、非特許文献１のｐ．５３−５７参照）、
（Ｘｒ，Ｙｒ，Ｚｒ）は求める測位対象衛星１の位置（同じく、地球中心座標系であるＷＧＳ−８４系の位置）、
ｃは光速、
τｉ１，τｉ２，τｉ３，τｉ４は、それぞれ測定した第１，第２，第３，第４測位用地上局６，７，８，９の位置から測位対象衛星１の位置までの間の伝搬時間、
δｔは測位対象衛星１の時計誤差である。
【００１４】
第１，第２，第３，第４測位用地上局６，７，８，９の位置は、ＶＬＢＩや通常のＧＰＳによる干渉測位等により、数ｃｍ以下の精度で正確に確定し固定できる（例えば、非特許文献１のｐ．１２９参照）。これらの位置は、各第１，第２，第３，第４測位用地上局６，７，８，９から送信される軌道情報を用いて算出できる。従って、未知数となるのは、測位対象衛星１の位置（Ｘｒ，Ｙｒ，Ｚｒ）と測位対象衛星１の時計誤差δｔの４個である。未知数が４個であるので、第１，第２，第３，第４測位用地上局６，７，８，９についての４個の連立方程式（１）（２）（３）（４）を解くことにより、測位対象衛星１の位置（Ｘｒ，Ｙｒ，Ｚｒ）を算出することができる。２次元の連立方程式であるので、当然解は２組算出されることになるが、１つの解は大きく離れた点となるので、正しい位置を容易に判定できる。
【００１５】
ところで、２次元の連立方程式は簡単に解くことができないため、未知数をその仮定値と補正値との和で表し、補正量について展開する。補正量については小さいと仮定して、２次以降の項を省略して１次元の連立方程式とする手法がよく用いられる。算出した補正量については仮定値に加えて、とりあえずの解とする。さらに更新された仮定値を用いて、同様な連立方程式を繰り返し解き、補正量が必要な精度まで収束したと判断した時点で計算を打ち切る。この手法は逐次近似法と呼ばれている。逐次近似法で位置を算出する場合においては、必ず初期位置（仮定点）が必要である。そのため、測位対象衛星１の測位用受信機１１の記憶部１７には、測位部１６で得た測位結果を記憶しておき、次に測位対象衛星１の測位を逐次近似法で求める時の初期位置（仮定点）として、記憶してある前回の測位結果を用いてもよい。
【００１６】
このように、実施の形態１では、ＧＰＳ衛星に代って、地上に設置した複数の測位用地上局６，７，８，９を用いて、これらから送信された測位用信号を測位対象衛星１の測位用受信機で受信して、測位対象衛星１の測位を行うようにしている。そのため、次のようなメリットが期待できる。
【００１７】
（１）測位用信号送信源の位置が常に地上に固定され、測位用信号送信源の位置を高精度に測定可能である。
（２）測位用信号の発信器（例えば、セシウム発信器など）の精度を、地上であるため、比較的容易に較正維持可能である。
（３）（例えばＧＰＳ衛星の）軌道高度約２０，０００ｋｍより高軌道の衛星の測位も可能である。これは測位用地上局のアンテナが上方を向いて、角度調整が容易であるためである。
（４）独自の測位用信号送信源が確保できるので、ＧＰＳ衛星のＳＡ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＡｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ）の発動などによる測位精度劣化の影響が無い。
【００１８】
（５）測位用信号の周波数を任意に選定でき、さらに複数の周波数を用いることにより大気伝播による誤差の補正が可能である。測位用地上局から同時に２周波数の測位用信号を送信し、測位対象衛星１の測位用受信機１１で、ダイプレキサ（ＤＩＰ）で周波数分離して受信し、測位対象衛星１の測位を行うようにすれば、大気伝播による誤差の補正が可能である。（非特許文献１のｐ．９０の２波型単独測位受信機参照）
（６）通信用衛星（測位対象衛星）の測位においては、測位用信号の周波数を通信信号の周波数と同一の周波数帯とすることにより、アンテナを共用することが可能である。
【００１９】
（７）航空機（飛行体）の測位にも転用可能である（例えば、空港周辺の航空機の測位にも転用可能である）。すなわち、測位対象航空機に測位用受信機を搭載し、地上に設置した複数（４個）の測位用信号送信源（４機の測位用地上局）より送信された測位用信号を上記測位用受信機で受信して測位対象航空機の測位を行うようにしてもよい。
【００２０】
次に測位誤差について説明する。ＧＰＳの標準的な利用方法である単独測位（一点測位）で説明する。
【００２１】
従来例（Ｃ／Ａコードによる４機のＧＰＳ衛星利用の場合）：

【００２２】
この発明の実施の形態１の場合：
測位対象衛星の測位用受信機の誤差はＰコード相当：０．１〜０．３ｍ
（この実施の形態１ではコードのビット率を任意選定できるが、仮にＰコード相当とする。）
大気伝播の誤差は、電離層分と対流圏分に分けられるが、電離層分については２周波数測定により消去でき、対流圏分のみとなる：０．３ｍであるので、

測位用信号送信源となる測位用地上局の位置誤差は、ＶＬＢＩや干渉測位等から：０．０５ｍ程度
座標変換の誤差はジオイド高の補正に関するものであり、測位対象衛星の測位では無視が可能である。
ＰＤＯＰ（ｐｏｓｉｔｉｏｎｄｉｌｕｔｉｏｎｏｆｐｒｅｃｉｓｉｏｎ）は、測位用地上局の配置あるいは分布がよくないと精度が劣化するもので、測位対象衛星を頂点としたピラミットのベース（底面）の４角にそれぞれ測位用地上局がある配置のとき、概して、測位対象衛星の高さに対して、４角にそれぞれ測位用地上局があるベースの面積が広いほど、精度がよくなる。したがって、
【００２３】

【００２４】

上記ＰＤＯＰの値は、地球上のみで、最も良く測位用地上局を配置した場合（ベース面積が広くなるように配置した場合）の値である。
【００２５】
このときのＰＤＯＰの値を縦軸にとり、測位対象衛星の軌道高度［ｋｍ］を横軸にとった場合を図３に示す。図３から判るように、高度が低いほどＰＤＯＰの値は小さくなり、精度が増すので、航空機（飛行体）の測位にも利用できる。
測位対象衛星が高軌道の場合は、ＰＤＯＰの値が現状のＧＰＳ衛星による場合より劣化するが、このような場合は、測位用信号送信源となる測位用地上局のいくつかを、ＧＰＳ衛星のような衛星送信源に代え、測位用信号送信源として地上と衛星とを混ぜて、システムを構築すると、ＰＤＯＰの劣化を改善することができる。遠い将来は月にも衛星送信源を設置できれば、効果が期待される。飛行体の測位の場合も、測位用信号送信源の立地条件を考慮して、測位用信号送信源として地上と衛星とを混ぜてシステムを構築してもよい。なお、図１において、測位用地上局のアンテナとして、反射鏡アンテナの例を挙げているが、測位用地上局のアンテナ形式は、測位対象の数や位置に応じて適切なものを選定すれば良く、反射鏡アンテナに限定するものではない。
【００２６】
実施の形態２．
実施の形態１で、測位対象衛星の測位用受信機により得られた測位対象衛星の位置情報により、測位対象衛星の位置を、測位対象衛星に搭載されたエンジン（のガス噴射）で補正することにより、測位対象衛星の位置を予定されていた正規の位置に精度良く保つことができる。
【００２７】
実施の形態３．
図４は実施の形態３の衛星測位システムを示す構成図である。実施の形態３では、測位用地上局６，７，８，９の他に、管制用地上局１０を備えている。実施の形態１で、図２を参照して、測位対象衛星１の測位用受信機１１で、自己の位置情報を測位部１６で得ると、この位置情報（データ）で高周波発振信号を変調部１８で変調し、それを送信部１９で増幅して、アンテナ１２より送信する。これを、管制用地上局１０で受信する。
【００２８】
測位対象衛星１では、実施の形態２で示したように、測位対象衛星１の測位用受信機１１により得られた測位対象衛星１の位置情報により、測位対象衛星１の位置を、測位対象衛星１に搭載されたエンジン（のガス噴射）で補正することにより、測位対象衛星１の位置を予定されていた正規の位置に保つわけであるが、測位対象衛星１に搭載されたエンジンのエネルギーが枯渇しかけている場合もある。その場合は、測位対象衛星１の測位用受信機１１により得られた測位対象衛星１の位置情報を、測位対象衛星１から地上の管制局１０に送信し、管制局１０で予定されていた測位対象衛星１の位置情報を実際の測位対象衛星１の位置情報に補正することにより、システムを修正して運用するようにしても良い。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の衛星測位システムによれば、測位用受信機を有する測位対象衛星と、複数の測位用信号送信源とを備える衛星測位システムにおいて、複数の上記測位用信号送信源の内の一つ以上が地上に設置され、これらの測位用信号送信源より送信された測位用信号を上記測位用受信機で受信して上記測位対象衛星の測位を行うようにしたので、測位対象衛星を地上の一つ以上の測位用信号送信源を用いて測位することができる。
また、上記測位用信号を、複数の周波数で送信するようにすれば、大気伝播による誤差の補正が可能である。
【００３０】
さらに、この発明に係わる飛行体測位システムによれば、測位用受信機を有する測位対象飛行体と、複数の測位用信号送信源とを備える飛行体測位システムにおいて、複数の上記測位用信号送信源の内の一つ以上が地上に設置され、これらの測位用信号送信源より送信された測位用信号を上記測位用受信機で受信して上記測位対象飛行体の測位を行うようにしたので、測位対象飛行体を地上の一つ以上の測位用信号送信源を用いて測位することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１である衛星測位システムを示す構成図である。
【図２】測位対象衛星に搭載された測位用受信機を示す構成図である。
【図３】ＰＤＯＰと測位対象衛星の軌道高度との関係を示す曲線図である。
【図４】実施の形態３の衛星測位システムを示す構成図である。
【図５】従来の衛星測位システムを示す構成図である。
【符号の説明】
１測位対象衛星２，３，４，５ＧＰＳ衛星
６，７，８，９測位用地上局１０管制用地上局
１１測位用受信機１２アンテナ部
１３受信部１４復調部
１５データ解析部１６測位部
１７記録部１８変調部
１９送信部。

Claims

測位用受信機を有する測位対象衛星と、複数の測位用信号送信源とを備える衛星測位システムにおいて、複数の上記測位用信号送信源の内の一つ以上が地上に設置され、これらの測位用信号送信源より送信された測位用信号を上記測位用受信機で受信して上記測位対象衛星の測位を行うようにしたことを特徴とする衛星測位システム。
上記測位用信号を、複数の周波数で送信するようにしたことを特徴とする請求項１記載の衛星測位システム。
上記測位対象衛星が通信用衛星の場合において、通信信号の周波数と上記測位用信号の周波数を同一の周波数帯とすることを特徴とする請求項１記載の衛星測位システム。
上記測位対象衛星の測位用受信機により得られた上記測位対象衛星の位置情報により、上記測位対象衛星の位置を補正するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の衛星測位システム。
上記測位対象衛星の測位用受信機により得られた上記測位対象衛星の位置情報を、上記測位対象衛星から地上の管制局に送信し、上記管制局で予定されていた上記測位対象衛星の位置情報を実際の上記測位対象衛星の位置情報に補正するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の衛星測位システム。
測位用受信機を有する測位対象飛行体と、複数の測位用信号送信源とを備える飛行体測位システムにおいて、複数の上記測位用信号送信源の内の一つ以上が地上に設置され、これらの測位用信号送信源より送信された測位用信号を上記測位用受信機で受信して上記測位対象飛行体の測位を行うようにしたことを特徴とする飛行体測位システム。