JP2011517771A - 電離層補正値を算出するネットワーク及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、電離層補正値を計算し、衛星ナビゲーションシステムのユーザに提供することを可能にするネットワークに関し、ネットワークが、
− 衛星（ＧＮＳＳ）によって伝送されたナビゲーション信号の遅延を計測可能な機上搭載のＲＦ受信機（２１）をそれぞれが備える複数の航空機（２）によって構成される航空ユーザセグメントと、遅延の前記測定値を地上セグメント（３００）に伝送するための、複数の航空機（２）と地上セグメント（３００）との間の航空データ通信手段（５）と、を備える航空セグメント（２００）と、
− グリッドの計算に使用される遅延の計測値であり、複数の航空機（２）から及び複数の地上局（ＳＢＡＳ Ｇ）からもたらされる遅延の計測値を、地上セグメント（３００）のレベルで受信する手段と、を有することを特徴とする。

Description

本発明の分野は、衛星ナビゲーションシステムに関連し、より詳細には電離層補正値を算出するネットワークと方法とに関する。

ここで「衛星ナビゲーションシステム」とは、広域ナビゲーションに専用の任意のシステムを示しており、例えば、ＧＰＳ又はＧＬＯＮＡＳＳ等の既存のＧＮＳＳ（全地球的航法衛星システム）システム、将来的なＧＡＬＩＬＥＯシステム、並びに同等のシステム及び派生物が挙げられる。衛星ナビゲーションシステムで使用される位置検出の原理は、当業者にはよく知られている。衛星によって伝送される無線信号はエンコードされ、この信号が受信機に到達して位置検出が行われるのにかかる時間は、衛星と受信機との間の距離（好ましくは、擬似距離と称する）を決定するために使用される。衛星ナビゲーションシステムの精度は、特定の数の誤差によって影響される。これらの誤差は、大域的寄与と局所的寄与の２つのカテゴリに分類することができる。大域的寄与の場合、電離層内の電磁波の通過に関連する誤差と、衛星に関する誤差（軌道及びクロック誤差）について述べることが可能である。局所的な寄与の場合、対流圏内の電磁波の通過に関する誤差、信号反射誤差、干渉に関する誤差、ホワイトゾーンに起因する誤差、受信機のノイズを述べることが可能である。正確さ、完全性、連続性、及び可用性について既存の衛星システムを改良するために、宇宙分野で「補強システム」として知られるシステムが提供されている。欧州の衛星補強システムＥＧＮＯＳは、ＧＰＳとＧＬＯＮＡＳＳという２つの衛星システムのパフォーマンスを向上させることができる。このシステムでは上記の誤差を補正するために擬似距離補正値を伝送する。

本発明は特に電離層誤差を補正することを意図する。地球表面からの距離が遠くなると、大気を構成する空気の密度が減少することが想起される。電離層の高度では、宇宙線及び太陽光線はもはやフィルタリングされない。これらの光線（紫外線及びＸ線）は活動的であり、空気を構成する原子から電子を引き離す。これはイオン化と称される。したがって、屈折率は変更され、結果として電離層を通過する信号の伝播速度に変動が生じる。ナビゲーション信号の伝搬速度が光の速度と等しいと仮定して遅延が算出される場合、電離層を通過すると、ナビゲーションコードの計測における遅延又は位相計測における加速に起因して誤った擬似距離の計測値がもたらされる。位置計算の精度を高めるために、１日を通して更に変動する可能性がある電離層誤差を推測することが必要である。

図１は、当業者には公知の、ＧＮＳＳ位置決めシステムとＳＢＡＳ（静止衛星型衛星航法補強システム）補強システムとを含む衛星ナビゲーションシステムのアーキテクチャについて説明している。航空機４は、ＥＧＮＯＳ補強システムに接続された機上搭載の受信機を備える。ＥＧＮＯＳはＳＢＡＳタイプのシステムであり、地上セグメント３００に、複数の地上局「ＳＢＡＳ Ｇ」によって構成されるインフラストラクチャを備え、宇宙セグメント１００に、複数の静止衛星「ＳＢＡＳ Ｓ」を備える。地上セグメントは、ＧＮＳＳ衛星からデータを受信して擬似距離を決定する、広域な地理的領域に広がる複数の地上局と、信号１０にグループ化される補正値を、ＳＢＡＳ Ｇ受信局によって伝送される擬似距離値から決定する中央制御・処理局１とを備える。静止衛星「ＳＢＡＳ Ｓ」は、この信号１０を、中央局１から航空機４の受信機へ中継する。

計算局１は、電離層補正データをコンパイルして、図２に示すように電離層補正値９１〜９４のグリッド９６を計算する。ナビゲーション信号が電離層を通過するとき、地上局「ＳＢＡＳ Ｇ」は衛星から地上局までの見通し線に対応する貫通点を決定する。地上局によって網羅される全体の担当区域は、電離層遅延測定値が対応する貫通点ごとにサンプリングされる。ある点が、電離層遅延補正グリッドの点に隣接している場合、電離層遅延９５の値は、隣接する貫通点の値９１〜９４を外挿することにより決定される。電離層補正値のグリッド９６のカバレッジ及び細かさは、地上局及び衛星のネットワークのカバレッジ及び細かさに比例する。

このような従来のシステム（ＧＮＳＳ及びＳＢＡＳ）はいくつかの問題を抱えている。第１の問題は、領域のカバレッジである。実際には、電離層補正値のグリッドのカバレッジは、アクセスが容易な地上領域にわたってのみ導入可能な地上局の分布に応じて変化する。このような限定された地上領域以外（例えば、海洋域又は山岳域）では、ナビゲーションシステムにパフォーマンスの低下がみられる。第２の問題は、補正値グリッドを計算するためのサンプル数である。遅延計測データが多ければ多いほど、補正値の精度は上がる。この計測値の数は、衛星の数及び地上局の数に直接関係するがこれらのコストは高い（保守やリアルタイムデータ通信ストリームもその理由）。第３の問題は計測の品質である。地上局で実行される計測は、反射の問題、干渉、及び対流圏等の局地的誤差の寄与によって影響される。

従来技術では、移動受信機を使用して電離層遅延を計測する発明について記載した米国特許第６，６７４，３９８Ｂ２号明細書が公知である。これらの計測値は宇宙セグメントに直接送信される。宇宙セグメントはこれらのデータを地上セグメントの計算システムに中継する。計算システムはそれらのデータをコンパイルして電離層補正値のグリッドを算出する。但し、この発明は、宇宙セグメントへの専用のユーザリンクを作成し、その可用性を保持する必要があり、非航空ユーザによって使用される可能性をそのまま残しているので、航空サービス用としては信頼に値しない。

より正確には、本発明は電離層補正値を計算して衛星ナビゲーションシステムのユーザに提供することを可能にするネットワークに関し、本発明の基本的な特徴は、衛星によって伝送されたナビゲーション信号の遅延を計測可能な機上搭載のＲＦ受信機をそれぞれが備える複数の航空機によって構成される航空ユーザセグメントと遅延の計測値を地上セグメントに伝送するために使用される複数の航空機及び地上セグメントの間の航空データ通信手段とを備える航空セグメントと、電離層補正値のグリッドの計算に使用される遅延の計測値であり、複数の航空機から及び複数の地上局からもたらされる遅延の計測値を受信する手段を備える地上セグメントと、を含めることである。

本発明は、衛星通信システムのアーキテクチャ並びに航空分野に既に存在する計測及び通信コンポーネントを使用して衛星ナビゲーションシステム用の電離層補正値のネットワークをもたらすという意味で、本発明は有利である。本発明は航空ネットワークの信頼性及びサービス品質を利用する。実際には、衛星伝送は航空分野で設計された伝送と同じレベルの完全性を示さないのである。航空ユーザの受信機自体もまた信頼に値する。本発明では、電離層補正値の通信のアーキテクチャを利用することにより、衛星通信アーキテクチャに限定された従来のソリューションと比較して、信頼性の向上を実現することが可能である。更に、航空機から地上セグメントへの通信リンク（航空機の数を考慮するように既に設計されている）が再度使用されるので、衛星への専用リンクの可用性を保持することは必要ない。

計測は、航空セグメントのレベルでも実行されるので、局所誤差の寄与の影響を受けない。したがって、計算システムによって計算される補正値は、より正確である。

本発明は、図２に示すように、より正確な電離層補正データ９１〜９５を提供することを意図し、この電離層補正データの地理的カバレッジ９６はより広範囲にわたり、細かなサンプリングが行われる電離層遅延計測値の数は、飛行している航空機２の数の密度に比例するので、密度が高くなると正確さを増す電離層補正値のグリッド９６を提供することが可能である。本発明では、電離層補正値のグリッド９６のサンプリングがより細かく行われるので、検出される電離層擾乱を小さくすることが可能である。

本発明に係る電離層補正値を計算するためのネットワークは、要件を大幅に上回る測定上の可能性を備えているので、「ＳＢＡＳ Ｇ」地上局の数を減らし、ＳＢＡＳ型衛星補強システムのコストを削減することが可能である。更に、電離層補正値を計算するためのネットワークは、航空機からの測定を実施するので、カバレッジが海洋域及び山岳域によって制限されることはない。したがって、これらの地帯の外れでパフォーマンスの低下が発生することはなくなる。

以下の非制限的な説明を添付の図面を参照しながら読めば、本発明をよく理解でき、他の利点も明らかになるであろう。

従来技術に係る衛星システムのアーキテクチャを示す。 地上セグメントの計算システムによって算出された電離層補正値のグリッド領域を示す。宇宙内の任意の点における補正値の外挿により計算する方法を示す。 電離層補正値を計算してユーザに提供することが可能な、本発明に係るネットワークを示し、本ネットワークのアーキテクチャは宇宙セグメントと航空セグメントを備える。

以下に説明する本発明（図３に示すような）は、衛星ナビゲーションシステムのための電離層補正値を計算して伝送するネットワークに関する。「ＥＧＮＯＳ」システム又は「ＷＡＡＳ」システム等の補正データを提供可能なＳＢＡＳ補強システムを使用する任意のＧＮＳＳ衛星ナビゲーションシステム（「ＧＰＳ」システム又は将来の「Ｇａｌｉｌｅｏ」システム）に、本ネットワークが適用されることは明らかである。本発明の基本的な特徴は、電離層データを計算するためのネットワークのアーキテクチャに、航空セグメント２００を含めることであり、この航空セグメントは、電離層遅延を計測し、航空要件に基づいて設計された伝送手段５を使用してこれらの計測値を地上セグメント３００に通信する航空機２によって構成されるユーザセグメントを備える。このような計測手段２１及び伝送手段５は、従来の衛星ネットワークのみの場合に比べて高い信頼性とサービス品質を提供し、従来のネットワークの場合よりも電離層遅延９１〜９４の計測数を数多く取得することが可能である。

宇宙セグメント１００は、ナビゲーション信号７及び８を異なる周波数で伝送する複数のＧＮＳＳで構成される。例えば、Ｇａｌｉｌｅｏ ＧＮＳＳシステムは、航空ユーザに対して周波数Ｌ１（１５６３〜１５８７ＭＨｚ）、Ｅ５ａ（１１６４〜１１８９ＭＨｚ）、及びＥ５ｂ（１１８９〜１２１４ＭＨｚ）にて伝送することができる。宇宙セグメント１００はまた、「ＳＢＡＳ Ｓ」衛星によって構成され、この衛星が送信する信号６は、航空機４及び２等の航空ユーザ、又は自動車若しくは船舶等の非航空ユーザに位置補正データを伝達する。航空機に組み込まれている計測手段２１は、前述したように異なる周波数のナビゲーション信号７及び８を受信することが可能な無線周波数（ＲＦ）受信機である。これらのＲＦ受信機２１は、当業者には公知の計算方法を使用して高高度で電離層を通過するナビゲーション信号の遅延を計測することができるので、前述したように局所的な誤差の寄与を回避し、結果としてより精度の高い計測を実現することができる。伝送手段５は、航空機２と地上セグメント３００との間の高周波通信手段（航空分野の当業者には公知の）を使用する。

地上セグメントは、電離層補正値のグリッドを計算するのに使用される電離層遅延の計測ソースを集中化及び選択する手段（図３に図示せず）を備え、遅延の計測は複数の航空機２及び複数の「ＳＢＡＳ Ｇ」地上局によってもたらされる。航空機２からの計測値は数の上で多くなる可能性があるので、計算局１は電離層補正グリッドの計算に最適なソースを選択する機能を備える。計算システム１は主に複数の航空機２からの遅延９１〜９４の計測値をコンパイルする。地上セグメントはまた、電離層補正値のグリッド９６のデータ１０を宇宙セグメント１００へ伝送する手段３を備える。

有利には、電離層補正データ９１〜９５を計算し、衛星ナビゲーションシステムのユーザに提供することを可能にする方法では、以下のステップを実行する。
− 航空ユーザセグメントのレベル及び地上セグメントＳＢＡＳ Ｇのレベルでの遅延９１〜９４を計測するステップ。
− 複数の航空機によって計測された遅延を地上セグメント３００への伝送するステップ。遅延データの伝送は航空通信ネットワーク５によって実行される。
− 航空ユーザセグメント２００のレベルで実行される計測から主にもたらされるデータをコンパイルすることにより、電離層補正値のグリッド９６を計算するステップ。
− 電離層補正値のグリッド９６のデータ９１〜９５を宇宙セクタ１００に伝送するステップ。

航空ユーザセグメントのレベルでの遅延の計測は、航空機２の飛行段階でリアルタイム且つ連続的に実行されるのが有利である。本発明は、様々な地理的領域において日中の異なる時刻に電離層をリアルタイムでサンプリングすることが可能である。ユーザに最適な電離層補正値を提供するために、本方法の全てのステップがリアルタイムで連続的に実行される。

地上セグメント３００の計算システム１は、電離層補正値のグリッド９６を計算するために最適なソースを使用するよう、遅延計測ソースの選択の手段を含むことが有利である。実際には、飛行中の航空機２の集団により、必要とされるよりも多くの計測値を提供することができる。

航空ユーザセグメントからの遅延計測数が最小閾値よりも少なくなった場合（例えば、航空ネットワークの完全停止といった、考えられないような場合）、計算システムは地上局からの遅延計測値を選択するのが有利である。安全対策として、遅延測定値の最低限の個数を保証するために、最低数の「ＳＢＡＳ Ｇ」地上局がサービス状態に維持される。

有利には、ユーザセグメント２００の航空機２はまた、ＲＦ受信機２１の動作信頼性と地上局３００の計算システム１（遅延を計測するＲＦ受信機２１の信頼性を査定する手段を有する）の動作信頼性の指標を受信する手段と、ＲＦ受信機２１の信頼性の指標をユーザセグメント２００の航空機２へ伝送する手段と、を含む。電離層補正のグリッド９６の計算において、地上局は、隣接する値について、矛盾した値を特定することができる。例えば、低めの値を示す地理的領域で、高い方に離れた電離層遅延値が検出された場合、計測が正しくないこと、及び問題の航空機のＲＦ受信機２１で誤動作が発生している可能性が高いことを推測することができる。計算システム１は、更に、遅延を計測可能な機内搭載ＲＦ受信機を備える複数の航空機に、そのＲＦ受信機の信頼性の指標を伝送可能であることが有利である。本発明は、ナビゲーションシステムの航空ユーザセグメントと衛星ナビゲーションシステムの制御機構との間の連動システムをセットアップすることが可能である。航空機の機内で実行された遅延の計測結果にアクセスする代わりに、制御機構は、航空機の機内に搭載されたＲＦ受信機の信頼性を示すことができる。

Claims (8)

1. 電離層補正値を計算し、衛星ナビゲーションシステムのユーザに提供することを可能にするネットワークであって、
   − 異なる周波数でのナビゲーション信号（７、８）及び位置補正データ（９１〜９５）をユーザセグメントに伝送する複数の衛星（ＧＮＳＳ、ＳＢＡＳ Ｓ）によって構成される宇宙セグメント（１００）と、
   − 計算システム（１）と宇宙セグメント（１００）へのデータの伝送手段（３）とを備える地上セグメントであり、前記計算システム（１）が、電離層補正値（９１〜９５）のグリッド（９６）を算出するために複数の地上局（ＳＢＡＳ Ｇ）からの電離層遅延計測値をコンパイルし、前記伝送手段（３）が電離層補正値の前記グリッド（９６）を前記宇宙空間（１００）に伝送する地上セグメントと、を含むネットワークにおいて、
   − 前記衛星（ＧＮＳＳ）によって伝送された前記ナビゲーション信号の遅延を計測可能な機上搭載のＲＦ受信機（２１）をそれぞれが備える複数の航空機（２）によって構成される航空ユーザセグメントと、遅延の前記測定値を、地上セグメント（３００）に伝送するための、前記複数の航空機（２）と前記地上セグメント（３００）との間の航空データ通信手段（５）と、を備える航空セグメント（２００）と、
   − 前記グリッド（９６）の前記計算に使用される遅延の計測値であり、前記複数の航空機（２）から及び前記複数の地上局（ＳＢＡＳ Ｇ）からもたらされる遅延の計測値を、前記地上セグメントのレベルで受信する手段と、を有することを特徴とするネットワーク。
2. 前記地上セグメント（３００）の前記計算システム（１）が、前記電離層補正値グリッド（９６）の計算に最も適した計測ソースを使用するよう、前記遅延計測ソースを選択する手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のネットワーク。
3. 前記ユーザセグメントの前記航空機（２）が、前記ＲＦ受信機の動作信頼性の指標を受信する手段を含むことを特徴とする請求項２に記載のネットワーク。
4. 前記地上セグメントの前記計算システムが、遅延を計測する前記ＲＦ受信機（２１）の信頼性を査定する手段と、前記ＲＦ受信機の信頼性の指標を前記ユーザセグメントの前記航空機（２）へ伝送する手段と、を備えることを特徴とする請求項３に記載のネットワーク。
5. 電離層補正データを計算し、衛星ナビゲーションシステムのユーザに提供することを可能にする方法であって、
   − 前記航空ユーザセグメントのレベルで、及び前記グランドセグメント（３００）のレベルで、遅延を計測するステップと、
   − 前記複数の航空機（２）によって計測された前記遅延を前記地上セグメント（３００）に伝送するステップであり、前記データの前記伝送が航空通信ネットワーク（５）によって実行されるステップと、
   − 前記航空ユーザセグメントのレベルで実行された前記測定から主にもたらされるデータをコンパイルすることにより、電離層補正値のグリッド（９６）を計算するステップと、
   − 電離層補正値のグリッド（９６）の前記データ（９１〜９５）を前記宇宙空間（１００）に伝送するステップと、を実行するために請求項４に記載のネットワークを使用することを特徴とする方法。
6. 前記ステップがリアルタイムで且つ連続的に実行されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 電離層補正値の前記グリッド（９６）を計算するために、前記航空ユーザセグメントからの遅延計測値の数が最小閾値より小さくなった場合に前記計算システムが前記地上局（ＳＢＡＳ Ｇ）からの遅延計測値を選択することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記計算システムが（１）が、遅延を測定できる機上搭載のＲＦ受信機（２１）を備える前記複数の航空機に、前記ＲＦ受信機（２１）の信頼性の指標を伝送することを特徴とする請求項７に記載の方法。

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