JP2014531803A

JP2014531803A - クロスリンク測距及び正確な時刻源を用いた衛星コンステレーションの高性能時刻同期及び時刻転送

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Publication number: JP2014531803A
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Inventors: デーヴィッドエー．ウィーラン，; グレゴリーエム．ガット，; ピーターエム．ファイフ，
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Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2014-11-27
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Abstract

衛星コンステレーションの高性能時刻同期及び時刻転送を、クロスリンク測距及び正確な時刻源を用いて行なうシステム、方法、及び装置が本明細書に開示される。具体的には、本開示は概して、発振器の校正に関する測位、ナビゲーション、及び／又は時刻同期情報を向上させるシステムに関するものであり、更に詳細には、正確な時刻源にアクセスすることができる少なくとも１つの衛星を利用して、クロスリンク衛星ペアのローカル発振器を校正することに関するものである。少なくとも１つの実施形態では、クロスリンクすることができる衛星群の部分集合における時刻同期を利用して時刻を、クロスリンク衛星ネットワークを介して供給する。

Description

本開示は、衛星コンステレーションに関する時刻同期及び時刻転送の高性能時刻同期及び時刻転送に関するものである。詳細には、本開示は、クロスリンク測距及び正確な時刻源を用いた衛星コンステレーションの高性能時刻同期及び時刻転送に関するものである。

本開示は、衛星コンステレーションの高性能時刻同期及び時刻転送を、クロスリンク測距及び正確な時刻源を用いて行なう方法、システム、及び装置に関するものである。具体的には、本開示は、衛星コンステレーションの時刻同期を行なう方法を教示する。本開示の方法は、少なくとも１つの第１衛星により、少なくとも１つのクロスリンク測距信号を少なくとも１つの第２衛星に送信することを含む。１つ以上の実施形態では、少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星は、同期時刻を保有する時刻同期衛星である。前記方法は更に、少なくとも１つの第２衛星により、少なくとも１つのクロスリンク測距信号を受信することを含む。また、前記方法は、少なくとも１つの第１衛星から少なくとも１つの第２衛星に至る少なくとも１つの距離測定値を、少なくとも１つのクロスリンク測距信号の送信から少なくとも１つのクロスリンク測距信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算することを含む。更に、前記方法は、互い相対する少なくとも１つの第１衛星、及び少なくとも１つの第２衛星の時刻及び周波数の推定値を計算して、少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星の前記時刻及び前記周波数を、少なくとも１つの距離測定値、及び／又は少なくとも１つの時刻同期衛星からの前記同期時刻を使用することにより同期させることを含む。

１つ以上の実施形態では、少なくとも１つの第１衛星は、前記同期時刻を保有する時刻同期衛星であり、そして少なくとも１つの第２衛星は、前記同期時刻を保有しない非時刻同期衛星であり、。少なくとも１つの実施形態では、前記同期時刻は正確な時刻である。幾つかの実施形態では、少なくとも１つの時刻同期衛星は、前記同期時刻を、少なくとも１つの全地球測位システム（ＧＰＳ）信号、少なくとも１つのグローバルナビゲーション衛星システム（ＧＬＯＮＡＳＳ）信号、少なくとも１つのＧａｌｉｌｅｏ（ガリレオ）衛星信号、少なくとも１つのＢｅｉＤｏｕナビゲーションシステム信号、及び／又は原子時計から取得する。１つ以上の実施形態では、前記同期時刻は正確な時刻ではない。少なくとも１つの実施形態では、少なくとも１つの第２衛星は、前記同期時刻を保有する時刻同期衛星であり、そして少なくとも１つの第１衛星は、前記同期時刻を保有しない非時刻同期衛星であり、。

少なくとも１つの実施形態では、前記方法は更に、少なくとも１つの補正信号を生成して、少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星の前記時刻及び前記周波数を同期させることと、そして少なくとも１つの補正信号を、少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星に送信することと、を含む。幾つかの実施形態では、少なくとも１つの第１衛星、及び少なくとも１つの第２衛星は、低高度軌道（ＬＥＯ）衛星、中高度軌道（ＭＥＯ）衛星、及び／又は静止地球軌道（ＧＥＯ）衛星である。幾つかの実施形態では、前記ＬＥＯ衛星は、イリジウムＬＥＯ衛星、または次世代イリジウムＬＥＯ衛星である。

１つ以上の実施形態では、本開示の方法は、イリジウムＬＥＯ衛星コンステレーションを用いる。少なくとも１つの実施形態では、前記コンステレーションの前記イリジウムＬＥＯ衛星群の各イリジウムＬＥＯ衛星は、異なるスポットビームパターンを有する４８個のスポットビームを放射するアンテナ構造を有する。少なくとも１つの実施形態では、少なくとも１つのクロスリンク信号は、前記コンステレーションの前記イリジウム衛星群のうちの少なくとも１つのイリジウム衛星から送信することができる。イリジウム衛星の４８個のスポットビームを利用して、局所信号を地球表面に位置する、または地球表面近傍位に位置する受信源（例えば、基準局）に送信することができる。上に説明したイリジウムＬＥＯ衛星群のうちの１つのイリジウムＬＥＯ衛星を用いる場合、送信信号電力は、十分な強度を有することにより、前記信号が屋内空間を確実に伝搬することができ、そして信号符号化方法を用いて、屋内空間を確実に伝搬させることができることに注目されたい。更に、このシステムは、少なくとも１つの次世代イリジウム衛星、または既存のイリジウム衛星群を次世代イリジウム衛星と組み合わせた構成を用いることができることに注目されたい。

１つ以上の実施形態では、前記方法は更に、少なくとも１つの時刻同期衛星から少なくとも１つの測位信号を少なくとも１つの基準局に送信することを含む。前記方法は更に、少なくとも１つの基準局が、少なくとも１つの測位信号を受信することを含む。また、前記方法は、少なくとも１つの時刻同期衛星から少なくとも１つの基準局に至る少なくとも１つの測位距離測定値を、少なくとも１つの測位信号の送信から少なくとも１つの測位信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算することを含む。更に、前記方法は、少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星の軌道測位における推定値を、少なくとも１つの距離測定値、前記同期時刻、少なくとも１つの時刻同期衛星からの測位データ、及び／又は少なくとも１つの測位距離測定値を使用することにより計算することを含む。少なくとも１つの実施形態では、少なくとも１つの時刻同期衛星は、前記測位データを、少なくとも１つの全地球測位システム（ＧＰＳ）信号、少なくとも１つのグローバルナビゲーション衛星システム（ＧＬＯＮＡＳＳ）信号、少なくとも１つのＢｅｉＤｏｕナビゲーションシステム信号、及び／又は少なくとも１つのＧａｌｉｌｅｏ（ガリレオ）衛星信号から取得する。

少なくとも１つの実施形態では、前記方法は更に、少なくとも１つの基準局から、少なくとも１つの測位信号を少なくとも１つの時刻同期衛星に送信することを含む。また、前記方法は、少なくとも１つの時刻同期衛星が、少なくとも１つの測位信号を受信することを含む。更に、前記方法は、少なくとも１つの基準局から少なくとも１つの時刻同期衛星に至る少なくとも１つの測位距離測定値を、少なくとも１つの測位信号の送信から少なくとも１つの測位信号の受信までに経過した時間量（すなわち、この場合、時刻同期衛星に搭載される受信機の時計を基準とした少なくとも１つの測位信号を受信するまでの到達時間（ＴＯＡ）である）を使用することにより計算することを含む。更に、前記方法は、少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星の軌道測位における推定値を、少なくとも１つの距離測定値、前記同期時刻、少なくとも１つの時刻同期衛星からの測位データ、及び／又は少なくとも１つの測位距離測定値を使用することにより計算することを含む。幾つかの実施形態では、少なくとも１つの時刻同期衛星は、前記測位データを、少なくとも１つの全地球測位システム（ＧＰＳ）信号、少なくとも１つのグローバルナビゲーション衛星システム（ＧＬＯＮＡＳＳ）信号、少なくとも１つのＢｅｉＤｏｕナビゲーションシステム信号、及び／又は少なくとも１つのＧａｌｉｌｅｏ（ガリレオ）衛星信号から取得する。

１つ以上の実施形態では、衛星コンステレーションの時刻同期を行なう方法は、少なくとも１つの第１衛星により、少なくとも１つの第１クロスリンク測距信号を少なくとも１つの第２衛星に送信することを含む。少なくとも１つの実施形態では、少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星は、同期時刻を保有する時刻同期衛星である。前記方法は更に、少なくとも１つの第２衛星により、少なくとも１つの第１クロスリンク測距信号を受信することを含む。また、前記方法は、少なくとも１つの第２衛星により、少なくとも１つの第２クロスリンク測距信号を少なくとも１つの第１衛星に送信することを含む。更に、前記方法は、少なくとも１つの第１衛星により、少なくとも１つの第２クロスリンク測距信号を受信することを含む。更に、前記方法は、少なくとも１つの第１衛星から少なくとも１つの第２衛星に至る少なくとも１つの第１距離測定値を、少なくとも１つの第１クロスリンク測距信号の送信から少なくとも１つの第１クロスリンク測距信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算することを含む。また、前記方法は、少なくとも１つの第２衛星から少なくとも１つの第１衛星に至る少なくとも１つの第２距離測定値を、少なくとも１つの第２クロスリンク測距信号の送信から少なくとも１つの第２クロスリンク測距信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算することを含む。更に、前記方法は、互いに相対する少なくとも１つの第１衛星、及び少なくとも１つの第２衛星の時刻及び周波数の推定値を計算して、少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星の前記時刻及び前記周波数を、少なくとも１つの第１距離測定値、少なくとも１つの第２距離測定値、及び／又は少なくとも１つの時刻同期衛星からの前記同期時刻を使用することにより同期させることを含む。

少なくとも１つの実施形態では、衛星コンステレーションの時刻同期を行なうシステムは、少なくとも１つのクロスリンク測距信号を少なくとも１つの第２衛星に送信するように構成される少なくとも１つの第１衛星を含む。前記システムは更に、少なくとも１つのクロスリンク測距信号を受信するように構成される少なくとも１つの第２衛星を含む。１つ以上の実施形態では、少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星は、同期時刻を保有する時刻同期衛星である。また、前記システムは、少なくとも１つの第１衛星から少なくとも１つの第２衛星に至る少なくとも１つの距離測定値を、少なくとも１つのクロスリンク測距信号の送信から少なくとも１つのクロスリンク測距信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算するように構成される少なくとも１つのプロセッサを含む。更に、前記システムは、互いに相対する少なくとも１つの第１衛星、及び少なくとも１つの第２衛星の時刻及び周波数の推定値を計算して、少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星の前記時刻及び前記周波数を、少なくとも１つの距離測定値、及び／又は少なくとも１つの時刻同期衛星からの前記同期時刻を使用することにより同期させるように更に構成される少なくとも１つのプロセッサを含む。

１つ以上の実施形態では、少なくとも１つのプロセッサは更に、少なくとも１つの補正信号を生成して、少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星の前記時刻及び前記周波数を同期させるように構成される。少なくとも１つの実施形態では、前記システムは更に、少なくとも１つの補正信号を、少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星に送信するように構成される少なくとも１つの送信機を含む。

少なくとも１つの実施形態では、少なくとも１つの時刻同期衛星は更に、少なくとも１つの測位信号を少なくとも１つの基準局に送信するように構成される。幾つかの実施形態では、少なくとも１つの基準局は、少なくとも１つの測位信号を受信するように構成される。１つ以上の実施形態では、少なくとも１つのプロセッサは更に、少なくとも１つの時刻同期衛星から少なくとも１つの基準局に至る少なくとも１つの測位距離測定値を、少なくとも１つの測位信号の送信から少なくとも１つの測位信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算し、そして少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星の軌道測位における推定値を、少なくとも１つの距離測定値、前記同期時刻、少なくとも１つの時刻同期衛星からの測位データ、及び／又は少なくとも１つの測位距離測定値を使用することにより計算するように構成される。

１つ以上の実施形態では、前記システムは更に、少なくとも１つの測位信号を少なくとも１つの時刻同期衛星に送信するように構成される少なくとも１つの基準局を含む。少なくとも１つの実施形態では、少なくとも１つの時刻同期衛星は更に、少なくとも１つの測位要求信号を受信するように構成される。幾つかの実施形態では、少なくとも１つのプロセッサは更に、少なくとも１つの基準局から少なくとも１つの時刻同期衛星に至る少なくとも１つの測位距離測定値を、少なくとも１つの測位信号の送信から少なくとも１つの測位信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算し、そして少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星の軌道測位における推定値を、少なくとも１つの距離測定値、前記同期時刻、少なくとも１つの時刻同期衛星からの測位データ、及び／又は少なくとも１つの測位距離測定値を使用することにより計算するように構成される。

少なくとも１つの実施形態では、衛星コンステレーションの時刻同期を行なうシステムは、少なくとも１つの第１クロスリンク測距信号を少なくとも１つの第２衛星に送信し、そして少なくとも１つの第２クロスリンク測距信号を受信するように構成される少なくとも１つの第１衛星を含む。前記システムは更に、少なくとも１つの第１クロスリンク測距信号を受信し、そして少なくとも１つの第２クロスリンク測距信号を送信するように構成される少なくとも１つの第２衛星を含む。１つ以上の実施形態では、少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星は、同期時刻を保有する時刻同期衛星である。また、前記システムは、少なくとも１つの第１衛星から少なくとも１つの第２衛星に至る少なくとも１つの第１距離測定値を、少なくとも１つの第１クロスリンク測距信号の送信から少なくとも１つの第１クロスリンク測距信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算するように構成される少なくとも１つのプロセッサを含む。更に、前記システムは、少なくとも１つの第２衛星から少なくとも１つの第１衛星に至る少なくとも１つの第２距離測定値を、少なくとも１つの第２クロスリンク測距信号の送信から少なくとも１つの第２クロスリンク測距信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算するように更に構成される少なくとも１つのプロセッサを含む。更に、前記システムは、互いに相対する少なくとも１つの第１衛星、及び少なくとも１つの第２衛星の時刻及び周波数の推定値を計算して、少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星の前記時刻及び前記周波数を、少なくとも１つの第１距離測定値、少なくとも１つの第２距離測定値、及び／又は少なくとも１つの時刻同期衛星からの前記同期時刻を使用することにより同期させるように更に構成される少なくとも１つのプロセッサを含む。

１つ以上の実施形態では、本開示のシステム及び方法は、次世代イリジウム衛星コンステレーションを用い、この場合、前記コンステレーションの部分集合には、ＧＰＳ受信機または別の正確な時刻同期源が装備される。これらの軌道面全体にわたって分散配置されるこの部分集合は、前記コンステレーション内の継続的な正確な時刻及び周波数との接続性を、ＧＰＳ受信機を装備していない衛星群までのクロスリンク距離測定を行なうことにより確保する。

少なくとも１つの実施形態では、次世代イリジウム衛星コンステレーションは、ＧＰＳ受信機または別の正確な時刻同期源を装備したコンステレーションの部分集合を含み、ＧＰＳ受信機または正確な時刻同期源を用いて正確な時刻同期データを、クロスリンクイリジウム（既存のコンステレーション）衛星群に供給する。

１つ以上の実施形態では、正確な時刻同期源に合わせる衛星（すなわち、時刻同期衛星）、及び／又は衛星ペア（すなわち、時刻同期衛星以外の衛星）を利用して、測位、ナビゲーション、及び時刻同期（ＰＮ＆Ｔ）メッセージを、ＧＰＳ信号を受信可能な受信機を有する地上のユーザに送信して、ユーザが正確な時刻を維持することができる、または正確な時刻を測距信号として使用することができるようにする。

少なくとも１つの実施形態では、これらの衛星クロスリンクは、異なるミッションを有する複数のコンステレーションに跨って設けることができる。

１つ以上の実施形態では、これらの衛星クロスリンクは、同じミッションではなくても同様のミッションを有する少なくとも２つの衛星集合（すなわち、イリジウム衛星及び次世代イリジウム衛星のような、同様のミッションを有する２つの衛星集団のような）に跨って設けることができる。

少なくとも１つの実施形態では、少なくとも１つの衛星は、位置解及び時刻解を、ＧＰＳ衛星群を利用して求めることができる。幾つかの実施形態では、少なくとも１つの衛星は、位置解及び時刻解を、ＧＰＳ衛星及びイリジウム衛星の組み合わせを利用して求めることができる。

１つ以上の実施形態では、本開示のシステムは、正確な時刻同期源を有する少なくとも１つのＬＥＯ衛星（すなわち、時刻同期衛星）と、前出の前記ＬＥＯ衛星とクロスリンクすることにより、正確な時刻同期データを受信することができる少なくとも１つのＬＥＯ衛星（すなわち、時刻同期衛星以外の衛星）と、そして正確な時刻基準をＬＥＯ衛星の時刻基準に関連付ける少なくとも１つの地上基準局と、を含む。

少なくとも１つの実施形態では、本開示のシステムは、ＬＥＯ衛星コンステレーションを含み、この場合、ＬＥＯ衛星群の部分集合は、正確な時刻同期源（例えば、ＧＰＳ受信機）を備えることによりＧＰＳ信号を受信可能であり（すなわち、時刻同期衛星）、そしてコンステレーションの衛星群のうちの残りの衛星群（すなわち、時刻同期衛星以外の衛星）は、前出の衛星群（すなわち、時刻同期衛星群）とクロスリンクすることにより、コンステレーション内の衛星群の全てが、正確な時刻同期データを受信することができるようになる。前記システムは更に、正確な時刻基準をＬＥＯ衛星の時刻基準に関連付ける少なくとも１つの地上基準局を含む。

１つ以上の実施形態では、本開示のシステムは、正確な時刻同期源を有する少なくとも１つのＬＥＯ衛星（すなわち、時刻同期衛星）と、そして前出の前記ＬＥＯ衛星（すなわち、時刻同期衛星）とクロスリンクすることにより、正確な時刻同期データを受信することができる少なくとも１つのＬＥＯ衛星（すなわち、時刻同期衛星以外の衛星）と、を含む。前記システムは更に、正確な時刻基準をＬＥＯ衛星の時刻基準に関連付ける少なくとも１つの地上基準局と、そしてＧＰＳ信号を受信可能なユーザ受信装置と、を含む。

少なくとも１つの実施形態では、衛星オペレータは、衛星運行のためにクロスリンク測定を利用して、例えば衛星の発振器の周波数ドリフトを推定することができ、そして衛星の時刻バイアス成分項及びバイアス誤差項を用いて、衛星の時刻及び周波数を許容限界値に収まるように調整するコマンドを計算することができる。

１つ以上の実施形態では、正確に時刻同期させた到達時間（ＴＯＡ）測定値の最大限の利点を生かすために、本発明では、正確なＴＯＡ測定及びドップラー測定を地上基準局で行なって軌道の視線方向成分を最適に推定し、この視線方向成分を軌道決定に使用することができる。

特徴、機能、及び利点は、本発明の種々の実施形態において個別に実現することができる、または更に他の実施形態において組み合わせることができる。

本開示のこれらの特徴、態様、及び利点、及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明、添付の請求項、及び添付の図面を参照することにより一層深く理解される。

図１は、本開示の少なくとも１つの実施形態による衛星コンステレーションの高性能時刻同期及び時刻転送を、クロスリンク測距及び正確な時刻源を用いて行なう本開示のシステムが用いることができる例示的な衛星コンステレーションの模式図を描いている。図２は、本開示の少なくとも１つの実施形態による衛星コンステレーションの高性能時刻同期及び時刻転送を、クロスリンク測距及び正確な時刻源を用いて行なう本開示のシステムの模式図である。図３は、本開示の少なくとも１つの実施形態による衛星コンステレーションの高性能時刻同期及び時刻転送を、クロスリンク測距及び正確な時刻源を用いて行なう本開示の方法のフロー図である。図４は、本開示の少なくとも１つの実施形態による時刻同期を、クロスリンク測距及び地上局の時計基準を用いて行なう詳細な方法のフロー図である。図５は、本開示の少なくとも１つの実施形態による時刻同期を、クロスリンク測距、及びＧＰＳ受信機を搭載した少なくとも１つのイリジウム衛星を用いて行なう詳細な方法のフロー図である。図６は、本開示の少なくとも１つの実施形態による時刻同期及び軌道決定を、クロスリンク測距及び地上到達時間（ＴＯＡ）測定値を用いて行なって、イリジウムコンステレーションエフェメリスを推定する詳細な方法のフロー図である。図７は、本開示の少なくとも１つの実施形態によるクロスリンク測距を用いて達成可能な精度を示すグラフである。

本明細書において開示される方法及び装置は、衛星コンステレーションの高性能時刻同期及び時刻転送に関する動作システムを提供する。具体的には、当該システムは、クロスリンク測距及び正確な時刻源を用いた衛星コンステレーションの高性能時刻同期及び時刻転送に関するものである。

本開示は概して、発振器を校正するために測位、ナビゲーション、及び時刻同期情報の向上を実現するシステムに関するものであり、更に詳細には、クロスリンク衛星ペアのローカル発振器を校正するために正確な時刻源にアクセスすることができる少なくとも１つの衛星を利用することに関するものである。少なくとも１つの実施形態では、クロスリンクすることができる衛星群の部分集合の正確な時刻を利用して時刻を、クロスリンク衛星ネットワークを介して供給する。

本開示のシステム及び方法は、少なくとも５つの主要な特徴を有している。主要な第１の特徴は、衛星ペアの時刻を、クロスリンク（衛星間光データリンク）を利用して推定することである。この特定の特徴は、衛星コンステレーション内の衛星の正確な時刻を、地上における追跡局を利用することなく推定する方法に基づいている。クロスリンクネットワーク接続される衛星集合は、これらの衛星の直ぐ傍に隣接するネットワーク接続ペアに到達する正確な到達時間（ＴＯＡ）（すなわち、これらの衛星固有の宇宙飛行体（ＳＶ）発振器及び時刻情報について）測定を行なうことができる。これの利点は、これによりネットワーク接続衛星ペア群が他の衛星の利点を活用することができることであり、全ての衛星に同様に装備することに関連する高コストを伴なわないようにすることができる。本発明の少なくとも１つの実施形態では、クロスリンク測距は、“ｎｏｒｍａｌ（普通の）” クロスリンク通信プロトコルの一部として完了させることができる。１つの実施形態では、コスト効率を更に高めるために、衛星群のうちの幾つかの衛星に、ＧＰＳ時刻及び周波数を極めて高精度に求めることができるＧＰＳ受信機を装備することができ、そしてＧＰＳ時刻及び周波数を利用して、ＧＰＳ受信機を装備した衛星の発振器を校正する。このように、ＧＰＳを搭載した衛星は、これらの測定値の全てをＧＰＳ時刻に合わせることができる。これらのクロスリンク測定値の全てを収集し、そしてフィルタリングして、ＧＰＳ時刻に対する各ＳＶ時刻のバイアス成分及びバイアス誤差を推定することができる。これらのバイアス成分項及びバイアス誤差項を地上の受信機が利用して、任意のＳＶ時刻をＧＰＳ時刻に補正することができる。ＧＰＳ信号を同期に利用するのではなく、本開示のシステム及び方法は、同期をとる種々の異なる手段を用いることができ、これらの手段として、これらには限定されないが、少なくとも１つのグローバルナビゲーション衛星システム（ＧＬＯＮＡＳＳ）信号、少なくとも１つのＧａｌｉｌｅｏ（ガリレオ）衛星信号、少なくとも１つのＢｅｉＤｏｕナビゲーションシステム信号、及び／又は原子時計を挙げることができることに注目されたい。更に、本開示のシステム及び方法は、ＬＥＯ，ＧＥＯ，及び／又はＭＥＯ衛星コンステレーションのような種々の種類の衛星コンステレーションに使用することができることに注目されたい。

本開示のシステム及び方法の主要な第２の特徴は、クロスリンク測定を行なう２次的用途に関するものである。この特徴の場合、同じクロスリンク測定値集合をコンステレーションオペレータが必要な衛星操作に関して使用して、例えば衛星発振器の周波数ドリフトを推定し、そして衛星時刻バイアス成分項及びバイアス誤差項を用いて、衛星時刻及び周波数を許容範囲に収まるように調整するコマンドを計算することができる。

本開示の主要な第３の特徴は、地上インフラストラクチャ要求を最小限に抑えるために軌道上でバイアス処理を行なうことに関するものである。この特徴の場合、ＴＯＡ測定値を処理して衛星時刻バイアス成分及びバイアス誤差を推定する操作を、クロスリンクネットワーク接続衛星群に分散して行なって、地上処理の必要性を最小限に抑える、または全く無くすことにより、これらの推定項を地上とコンタクトすることなく利用することができる。

本開示のシステム及び方法の主要な第４の特徴は、ＧＰＳ時刻同期衛星の利点を活用する衛星ペアに関するものである。この主要な特徴は、ＧＰＳ時刻同期衛星が、当該衛星のＧＰＳ時刻及び周波数情報を利用して、ローカル発振器を同期させる構成と同様である。この特徴の場合、残りの衛星群は、これらの衛星の発振器を、このプロセスで推定される時刻及び周波数情報により同期させることができる。

本開示のシステム及び方法の主要な第５の特徴は、軌道決定に関するものである。この特徴の場合、クロスリンクＴＯＡ測定値、及びＧＰＳ搭載衛星に同期するまばらな配置の衛星を用いて軌道決定を行なう。これらのクロスリンクＴＯＡ測定値を処理して、全ての測定値に共通する時刻基準を確保する。これらのクロスリンク測定値は、測定の見通し線が、鉛直高度にほぼ直交するので、衛星高度の比較的小さな変化の影響を受け難い。正確に時刻同期して行なわれるＴＯＡ測定の利点を最も大きくするために、本発明は、正確なＴＯＡ測定及びドップラー測定を、地上基準局で行なって、軌道情報の視線方向成分を最適に推定する。

以下の説明では、非常に多くの詳細を開示して、当該システムに関する更に完全な説明を提供する。しかしながら、この技術分野の当業者であれば、本開示のシステムはこれらの特定の詳細を用いることなく実施することができることを理解できるであろう。他の例では、公知の特徴は、当該システムを不必要に不明瞭にすることがないように詳細には説明していない。

１つ以上の実施形態によるシステム及び方法を提供して、衛星を利用する測位、ナビゲーション、及び時刻同期（ＰＮ＆Ｔ）を、クロスリンク及び正確な時刻源を利用して向上させることにより、正確な時刻同期情報を供給して衛星ペアのローカル発振器を校正する。少なくとも１つの実施形態では、衛星ペアは、この構成を利用して、代表的な軌道上操作を、クロスリンクプロトコルの一部として行なうことができる。少なくとも１つの実施形態では、１つよりも多くのクロスリンクを利用して時刻を、これらのクロスリンクを経由して、少なくとも２つの衛星ペア（例えば、１つの衛星が情報を２つの衛星に、同じ平面で１つが前方に進み、そして１つが後方に進んでいる状態で送信する）に供給することができる。少なくとも１つの実施形態では、クロスリンクすることができる衛星部分集合の正確な時刻を利用して時刻を、クロスリンク衛星ネットワークを介して供給する。少なくとも１つの実施形態では、このプロセスを用いて、時刻をコンステレーション全体に亘って供給することができる。少なくとも１つの実施形態では、本開示の方法を更に用いて、絶対的または相対的なポイント位置を、距離を測定して軌道決定することにより求めることができる。

幾つかの実施形態では、衛星ペアを利用して、ＰＮ＆Ｔメッセージ（すなわち、正確な衛星位置及び時刻同期情報）を地上のユーザに送信して、ユーザが時刻精度を向上させることができる、または衛星信号を測距信号として使用することができるようにする。少なくとも１つの実施形態では、少なくとも１つのＬＥＯ衛星からの通信信号は、時刻及び周波数を、ＧＰＳ信号を受信可能な地上受信機に、衛星クロスリンク及び正確な時刻同期源を利用して供給するように適合させている。少なくとも１つの実施形態では、少なくとも１つのＬＥＯ衛星はイリジウム衛星（すなわち、既存のイリジウムコンステレーションの）及び／又は次世代イリジウム衛星である。

少なくとも１つの実施形態では、正確な時刻同期源は、衛星コンステレーション内でクロスリンクすることができるＬＥＯ衛星群の部分集合に搭載される少なくとも１つのＧＰＳ受信機を含む。少なくとも１つの実施形態では、クロスリンクは、高いクロスリンク適合性を示す少なくとも２つの異なる衛星構成に跨って実現することができる。

少なくとも１つの実施形態では、ＧＰＳ受信機は、ＬＥＯコンステレーション内の衛星部分集合に搭載され、そしてＧＰＳ受信機を用いて、より正確な時刻をこれらの衛星で、ＧＰＳ受信機のような同様の搭載時刻同期源を用いることなく、時刻同期情報を衛星の関連クロスリンクを経由して渡すことにより維持する。

関連する発明では、ＬＥＯ衛星からの通信信号は、時刻及び周波数を、衛星の電波到達範囲に収まり、かつＧＰＳ信号を受信可能な地上受信機、または地上近傍の受信機に供給するように適合させることができる。このプロセスの重要部分では、信号送信時の幾つかの標準に対する衛星の時刻に関する情報を保有する。便利な標準時刻はＧＰＳ時刻であるが、各衛星の時刻を推定するためには、衛星の基準発振器の性能によって異なるが、地上の監視局の膨大なネットワークが必要になってしまう。ＧＰＳ受信機をＬＥＯ衛星に搭載すると、当該衛星上での位置、速度、及び時刻を求める最良の手段を提供することができる。軌道が十分低いと、ＧＰＳ位置及び時刻同期情報の可用性及び精度は、ＧＰＳ受信機が地球の表面に在る場合とほぼ同等になる。しかしながら、衛星コンステレーションの不具合は、このような受信機を各衛星に搭載すると、コストが非常に高く付いてしまうので、実装することができず、これが、例示的な実施形態において、コンステレーションのほんの一部のみが、この高コストのハードウェアを含むことにより、性能を最大化し、そしてアーキテクチャのコストを最小限に抑えている理由である。前に説明したように、クロスリンク衛星群は、測定値を、クロスリンクを介して渡すことができるので、これらの衛星によって当該システムが、地上監視局をより少なくした状態で動作することができることにより、別の利点を更にもたらすことができる。

二方向にクロスリンク通信することができるイリジウムのような衛星コンステレーションの場合、正確なＴＯＡ測定値を利用して、互いの衛星に相対する衛星時刻を推定することができる。ＴＯＡ測定値によって、衛星のローカル発振器が、周波数誤差を時刻の関数として加味して動作するようになる過程、またはそうではなく、ＧＰＳに対する時刻バイアスを加味して動作するようになる過程の関係を求めることができる。少なくとも１つの実施形態では、地上からのＴＯＡ測定値を利用して、衛星平面におけるＧＰＳ時刻に対するこれらの衛星の相対時刻の関係を定義することができる。

図１は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、衛星コンステレーションの高性能時刻同期及び時刻転送を、クロスリンク測距及び正確な時刻源を用いて行なうために本開示のシステムが用いることができる例示的な衛星コンステレーションの模式図１００を描いている。この図では、５個の衛星１１０，１２０，１３０，１４０，及び１５０が地球１６０を周回しているものとして図示されている。衛星１１０，１２０，１４０，及び１５０は、イリジウムＬＥＯ衛星であり、そして衛星１３０は、次世代ＬＥＯイリジウム衛星である。これらの５個の衛星のうちの１つの衛星（衛星１３０）は、ＧＰＳ受信機を装備して、ＧＰＳ信号をＧＰＳ衛星（図示せず）から受信するようになっている。従って、この衛星１３０は、時刻同期衛星（ｔｉｍｉｎｇｓａｔｅｌｌｉｔｅ）と表記される。５個の衛星のうちの残りの４個（衛星１１０，１２０，１４０，及び１５０）はＧＰＳ受信機を装備していないので、これらの衛星は非時刻同期衛星（ｎｏｎ−ｔｉｍｉｎｇｓａｔｅｌｌｉｔｅ）と表記される。５個の衛星は、クロスリンク信号を、コンステレーション内のこれらの衛星の近傍の衛星に対して送受信する。例えば、衛星１３０は、クロスリンク信号を、衛星１１０，１２０，及び１４０に対して送受信しているものとして図示されている。

図２は、本開示の少なくとも１つの実施形態による衛星コンステレーションの高性能時刻同期及び時刻転送を、クロスリンク測距及び正確な時刻源を用いて行なう本開示のシステムの模式図２００である。この図では、少なくとも１つのＧＰＳ衛星２１０が、ＧＰＳ信号２１５を第１イリジウム衛星（Ｓａｔ１）２２０に送信しているものとして図示されている。ＧＰＳ信号２１５は、正確な時刻情報と、そして任意であるが、エフェメリスデータと、を含む。次世代ＬＥＯイリジウム衛星であるＳａｔ１−２２０はＧＰＳ受信機を装備しているので、Ｓａｔ１−２２０は、ＧＰＳ信号２１５を受信することができる。Ｓａｔ１−２２０は、Ｓａｔ１−２２０がＧＰＳ信号２１５から受信するＧＰＳ時刻同期情報をオペレーションセンター２５０に渡し、そして任意であるが、幾つかの実施形態では、当該Ｓａｔ１−２２０に搭載される発振器をＧＰＳ同期時刻に合わせる。Ｓａｔ１−２２０は、正確な時刻情報を受信することができるので、Ｓａｔ１−２２０は“ｔｉｍｉｎｇｓａｔｅｌｌｉｔｅ（時刻同期衛星）”と表記される。他の実施形態では、時刻同期衛星は正確な時刻情報を、ＧＰＳ信号以外の手段を介して取得する、例えば原子時計から取得することができる。

Ｓａｔ１−２２０は更に、第１Ｋバンドクロスリンク測距信号２２５を別のイリジウム衛星（Ｓａｔ２）２３０に送信しているものとして図示されている。第１Ｋバンドクロスリンク測距信号２２５は、正確な時刻情報を含む。Ｓａｔ１−２２０とは異なり、ＬＥＯイリジウム衛星であるＳａｔ２−２３０はＧＰＳ受信機を装備しておらず、そして正確な時刻情報を有していない。従って、Ｓａｔ２−２３０は、“ｎｏｎ−ｔｉｍｉｎｇｓａｔｅｌｌｉｔｅ（非時刻同期衛星）”と表記される。Ｓａｔ２−２３０がＫバンドクロスリンク測距信号２２５を受信した後、Ｓａｔ２−２３０は、第２Ｋバンドクロスリンク測距信号２２６をＳａｔ１−２２０に送信する。一旦、Ｓａｔ１−２２０が第２Ｋバンドクロスリンク測距信号２２６をＳａｔ２−２３０から受信すると、Ｓａｔ１−２２０は、Ｋバンドクロスリンク測距信号２２７をＳａｔ２−２３０に送信する。Ｋバンドクロスリンク測距信号２２７は、クロスリンク測距データ（例えば、第１Ｋバンドクロスリンク測距信号２２５の送信から第１Ｋバンドクロスリンク測距信号２２５の受信までに経過した時間量、及び第２Ｋバンドクロスリンク測距信号２２６の送信から第２Ｋバンドクロスリンク測距信号２２６の受信までに経過した時間量）だけでなく、Ｓａｔ１−２２０がＧＰＳ信号２１５から取得する正確な時刻情報を含む。次に、Ｓａｔ２−２３０は、信号２３５を無線で、そして任意であるが有線で地上オペレーションセンター２５０に、地上のフィーダリンク局２４０を介して送信する。信号２３５は、クロスリンク測距データ及び正確な時刻情報を含む。

一旦、オペレーションセンター２５０が信号２３５を受信すると、オペレーションセンター２５０の少なくとも１つのプロセッサが、Ｓａｔ１−２２０からＳａｔ２−２３０に至るクロスリンク距離測定値を、第１Ｋバンドクロスリンク測距信号２２５の送信から第１Ｋバンドクロスリンク測距信号２２５の受信までに経過した時間量を用いることにより、そして／または第２Ｋバンドクロスリンク測距信号２２６の送信から第２Ｋバンドクロスリンク測距信号２２６の受信までに経過した時間量を用いることにより計算する。更に、オペレーションセンター２５０の少なくとも１つのプロセッサは、互いの衛星に相対する、そしてＧＰＳ時刻（すなわち、正確な時刻）に対するＳａｔ１−２２０及びＳａｔ２−２３０の時刻及び周波数の推定値を計算して、Ｓａｔ１−２２０及びＳａｔ２−２３０の時刻及び周波数を、Ｓａｔ１−２２０がＧＰＳ信号２１５から取得したクロスリンク距離測定値及び正確な時刻情報を利用することにより同期させる。

幾つかの実施形態では、Ｓａｔ１−２２０は任意であるが、第１Ｌバンド測位信号２５５を地上基準局２６０に送信する。地上基準局２６０が第１Ｌバンド測位信号２５５を受信した後、基準局２６０は、第２Ｌバンド測位信号２５６をＳａｔ１−２２０に送信する。一旦、Ｓａｔ１−２２０が第２Ｌバンド測位信号２５６を基準局２６０から受信すると、Ｓａｔ１−２２０はＬバンド測距測位信号２５７を基準局２６０に送信する。Ｌバンド測距測位信号２５７は、視線測距データ（例えば、第１Ｌバンド測位信号２５５の送信から第１Ｌバンド測位信号２５５の受信までに経過した時間量、及び第２Ｌバンド測位信号２５６の送信から第２Ｌバンド測位信号２５６の受信までに経過した時間量）；Ｓａｔ１−２２０がＧＰＳ信号２１５から取得する正確な時刻情報、及びエフェメリスデータ；及び任意であるが、クロスリンク測距データ（例えば、第１Ｋバンドクロスリンク信号２２５の送信から第１Ｋバンドクロスリンク信号２２５の受信までに経過した時間量、及び第２Ｋバンドクロスリンク信号２２６の送信から第２Ｋバンドクロスリンク信号２２６の受信までに経過した時間量）を含む。次に、基準局２６０は、信号２６５を無線及び／又は有線のいずれかで地上オペレーションセンター２５０に送信する。信号２６５は、視線測距データ、正確な時刻情報、エフェメリスデータ、及び任意であるが、クロスリンク測距データを含む。

一旦、オペレーションセンター２５０が信号２６５を受信すると、オペレーションセンター２５０の少なくとも１つのプロセッサは、Ｓａｔ１−２２０から基準局２６０に至る視線距離測定値を、第１Ｌバンド測位信号２５５の送信から第１Ｌバンド測位信号２５５の受信までに経過した時間量、及び／又は第２Ｌバンド測位信号２５６の送信から第２Ｌバンド測位信号２５６の受信までに経過した時間量を利用することにより計算する。また、オペレーションセンター２５０の少なくとも１つのプロセッサは、Ｓａｔ１−２２０及び／又はＳａｔ２−２３０に関する軌道位置情報の推定値を、クロスリンク距離測定値、正確な時刻情報、エフェメリスデータ、及び視線距離測定値を利用することにより計算する。

別の実施形態では、クロスリンク測距は、図２に示すような二方向測距ではなく、一方向測距に過ぎないことに留意されたい。また、他の実施形態では、視線測距は、図２に示すような二方向測距ではなく、一方向測距（アップリンク測距またはダウンリンク測距のいずれか）とすることができる。また、幾つかの実施形態では、一方向測距シナリオ及び二方向測距シナリオの両方のシナリオの場合、第１クロスリンク測距信号を送信する衛星は時刻同期衛星であり、そして第１クロスリンク測距信号を受信する衛星は、図２の事例におけるような非時刻同期衛星であることに留意されたい。他の実施形態では、一方向測距シナリオ及び二方向測距シナリオの両方のシナリオの場合、第１クロスリンク測距信号を送信する衛星は非時刻同期衛星であり、そして第１クロスリンク測距信号を受信する衛星は時刻同期衛星である。更に、本開示のシステム及び方法では、コンステレーション内の衛星群のうちのいずれの衛星を時刻同期衛星とし、そしていずれの衛星を非時刻同期衛星とするかについて、これらの衛星を種々の他の異なる形で組み合わせることができることに留意されたい。

更に、幾つかの実施形態では、計算を実行する少なくとも１つのプロセッサは、地上オペレーションセンター２５０のような地上局（すなわち、陸上位置）に設けられるのではなく、衛星に設けられることに留意されたい。従って、計算を実行する少なくとも１つのプロセッサが必要とするデータは、少なくとも１つのプロセッサに、無線及び／又は有線とすることができる種々の異なる経路を介して送信する必要があるということになる。また、クロスリンク信号及び視線測位信号は、Ｋバンド及びＬバンド以外の他の周波数とすることができることに留意されたい。更に、１つ以上の実施形態では、本開示のシステム及び方法は、フィーダリンクを用いて信号を渡すということはしない。少なくとも１つの実施形態では、本開示のシステム及び方法は、１つよりも多くのフィーダリンクを用いて信号を渡す。更に、他の実施形態では、時刻同期衛星は、当該時刻同期衛星の時刻同期情報を少なくとも１つのグローバルナビゲーション衛星システム（ＧＬＯＮＡＳＳ）信号、少なくとも１つのＧａｌｉｌｅｏ（ガリレオ）衛星信号、少なくとも１つのＢｅｉＤｏｕナビゲーションシステム信号、及び／又は原子時計から受信することができることに留意されたい。これらの場合では、時刻同期衛星は、ＧＬＯＮＡＳＳ受信機、Ｇａｌｉｌｅｏ（ガリレオ）受信機、及び／又はＢｅｉＤｏｕ受信機を装備することにより、ＧＬＯＮＡＳＳ信号、Ｇａｌｉｌｅｏ（ガリレオ）衛星信号、及び／又はＢｅｉＤｏｕ信号をそれぞれ受信することができる。更に、幾つかの実施形態では、時刻同期情報は正確な時刻ではなく、そして時刻同期衛星は時刻同期情報を、当該時刻同期衛星固有の内部発振器から簡単に取得することができることに留意されたい。

図３は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、衛星コンステレーションの高性能時刻同期及び時刻転送を、クロスリンク測距及び正確な時刻源を用いて行なう本開示の方法３００のフロー図である。方法３００を開始３１０するとき、少なくとも１つの第１衛星は、少なくとも１つのクロスリンク測距信号を少なくとも１つの第２衛星に送信する（ステップ３２０）。１つ以上の実施形態では、少なくとも１つの第１衛星、及び／又は少なくとも１つの第２衛星は、同期時刻（例えば、ＧＰＳ時刻）を有する時刻同期衛星である。第２衛星（群）は、クロスリンク測距信号（群）を第１衛星（群）から受信する（ステップ３３０）。

第２衛星（群）がクロスリンク測距信号（群）を受信した後、少なくとも１つのプロセッサは、第１衛星（群）から第２衛星（群）に至る少なくとも１つの距離測定値を、クロスリンク測距信号（群）の送信からクロスリンク測距信号（群）の受信までに経過した時間量を利用することにより計算する（ステップ３４０）。次に、少なくとも１つのプロセッサは、互いの衛星に相対し、そして同期時刻に相対する第１衛星（群）及び第２衛星（群）の時刻及び周波数の推定値を計算して、第１衛星（群）及び／又は第２衛星（群）の時刻及び周波数を、少なくとも１つの距離測定値及び同期時刻を利用することにより同期させる（ステップ３５０）。少なくとも１つのプロセッサが、時刻及び周波数の推定値を計算した後、当該方法は終了する（ステップ３６０）。

図４は、本開示の少なくとも１つの実施形態による時刻同期を、クロスリンク測距及び地上局の基準時計を用いて行なう詳細な方法４００のフロー図である。方法４００を開始４１０するときに、地上制御局が宇宙飛行体（ＳＶ）（例えば、イリジウム衛星）の時刻及び周波数を、ＧＰＳ時刻及び最小ドリフトにほぼ合わせる（ステップ４２０）。このステップ（ステップ４２０）では、地上制御局がＳＶの時刻、周波数、及び軌道を、地上局（例えば、追跡管制（ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ，ｔｒａｃｋｉｎｇ，ａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ／ｃｏｍｍａｎｄ：ＴＴＡＣ）地球局）を通過するたびに推定する。

次に、地上局は、このデータを使用して、コマンドを生成することにより、ＳＶの時刻及び周波数を、特定の時間間隔で、または種々の時間間隔で調整する（例えば、当該地上局は、コマンドを約１２時間ごとに生成する）。次に、ＳＶは、当該ＳＶのデータクロック（すなわち、時刻）、及び当該ＳＶの基本クロック周波数発振器を、コマンドの指示通りに調整する。当該データクロックは、複数のＬバンドフレームについて、他のサービスの邪魔にならないように調整される。

ＳＶの時刻及び周波数の各々を調整した後、これらのＳＶの全ては、Ｋバンドクロスリンクメッセージバーストが、有効なクロスリンク群の全てに到達する到達時間（ＴＯＡ）を計算する（ステップ４３０）。当該ＴＯＡは、ＳＶクロスリンク受信機データクロックにより行なわれる調整に基づいて計算されて、データの同期性を維持する。

これらのＳＶの全てがＴＯＡを計算した後、これらのＳＶの全ては、これらのＳＶのクロスリンクＴＯＡ測定値を地上に送信して処理する（ステップ４４０）。これらのＴＯＡ測定値は、生の測定値とすることができる、または曲線フィッティングで表わすことができる。これらのＳＶの全てがクロスリンクＴＯＡ測定値を地上に送信した後、イリジウムＳＶを追跡している地上受信機は、ＴＯＡ測定及びドップラー測定を、ＧＰＳ時刻を基準にして行なう（ステップ４５０）。このステップ（ステップ４５０）では、地上受信機は、ＧＰＳ受信機及びイリジウム受信機の両方を駆動している共通の周波数標準を有する。ＴＯＡ測定値及びドップラー測定値はＧＰＳ時刻に関連付けられる。

地上受信機がこれらの測定を行なった後、地上処理によって、ＧＰＳ時刻に対するクロックバイアス及びクロックドリフトを全てのＳＶについて推定する（ステップ４６０）。更新頻度は、ＳＶクロスリンクを２次リンクに合わせるときのＴＯＡの更新頻度に基づいている。集中処理によって、イリジウムエフェメリスデータを利用して飛行時間値を、ＴＯＡデータが生成され、かつＳＶ間で、そしてＳＶ−地上間でコンタクトする位置の全てについて計算する。次に、集中処理によって、飛行時間値を測定値から取り出す。次に、集中処理によって、互いのＳＶに相対するＳＶ群のクロックバイアス及びドリフトを推定して、当該ＳＶをＧＰＳ時刻に、地上受信機追跡データを入手できる場合に合わせる。

地上処理によって推定を行なった後、クロックバイアス及びドリフト推定値を用いて、イリジウムＳＶクロック補正項を生成する（ステップ４７０）。これらの補正項を生成した後、当該方法４００は終了する（ステップ４８０）。

図５は、本開示の少なくとも１つの実施形態による時刻同期を、クロスリンク測距、及びＧＰＳ受信機を装備した少なくとも１つのイリジウム衛星を用いて行なう詳細な方法５００のフロー図である。この方法５００を開始５１０するときに、地上制御局は宇宙飛行体（ＳＶ）（例えば、イリジウム衛星）の時刻及び周波数を、ＧＰＳ時刻及び最小ドリフトにほぼ合わせる（ステップ５２０）。このステップ（ステップ５２０）では、地上制御局がＳＶ時刻、周波数、及び軌道を、地上局（例えば、ＴＴＡＣ地球局）を通過するたびに推定する。次に、地上局は、このデータを使用して、コマンドを生成することにより、ＳＶの時刻及び周波数を特定の時間間隔、または種々の時間間隔で調整する（例えば、当該地上局は、コマンドを約１２時間ごとに生成する）。次に、ＳＶは、当該ＳＶのデータクロック（すなわち、時刻）、及び当該ＳＶの基本クロック周波数発振器を、コマンドの指示通りに調整する。データクロックは、複数のＬバンドフレームについて、他のサービスの邪魔にならないように調整される。

ＳＶの時刻及び周波数の各々を調整した後、ＳＶ周波数発振器で駆動されるＧＰＳ受信機を装備したこれらのＳＶはそれぞれ、これらのＳＶの位置、速度、及び時刻（ｔｉｍｅ，ｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｔｉｍｅ：ＰＶＴ）を求め、そしてＧＰＳ時刻に対するこれらのＳＶの発振器のクロックバイアス及びドリフトを計算する（ステップ５３０）。次に、これらのＳＶの全てが、Ｋバンドクロスリンクメッセージバーストが、有効なクロスリンク群の全てに到達する到達時間（ＴＯＡ）を計算する（ステップ５４０）。ＴＯＡは、ＳＶクロスリンク受信機データクロックにより行なわれる調整に基づいて計算されて、データの同期性を維持する。

これらのＳＶの全てがＴＯＡを計算した後、これらのＳＶの全ては、これらのＳＶのクロスリンクＴＯＡ測定値を地上に送信して処理する（ステップ５５０）。これらのＴＯＡ測定値は、生の測定値とすることができる、または曲線フィッティングで表わすことができる。ＧＰＳ受信機を装備したこれらのＳＶは、これらのＳＶの計算クロックバイアス及びドリフトを地上に送信して処理する。

これらのＳＶの全てが、これらのＳＶのＴＯＡ測定値を地上に送信して処理した後、地上処理によって、ＧＰＳ時刻に対するクロックバイアス及びクロックドリフトを全てのＳＶについて推定する（ステップ５６０）。集中処理によって、イリジウムエフェメリスデータを利用して飛行時間値を、ＴＯＡデータが生成され、かつＳＶ間で、そしてＳＶ−地上間でコンタクトする位置の全てについて計算する。次に、集中処理によって、これらの飛行時間値を測定値から取り出す。次に、集中処理によって、互いのＳＶに相対するＳＶ群のクロックバイアス及びドリフトを推定して、ＳＶをＧＰＳ時刻に、ＳＶのＧＰＳ利用基準発振器のクロックバイアス測定値及びドリフト測定値を用いて合わせる。

地上処理によって推定を行なった後、クロックバイアス及びドリフト推定値を用いて、イリジウムＳＶクロック補正項を生成する（ステップ５７０）。これらの補正項を生成した後、当該方法５００は終了する（ステップ５８０）。

図６は、本開示の少なくとも１つの実施形態による時刻同期及び軌道決定を、クロスリンク測距、及び地上到達時間（ＴＯＡ）測定値を用いて行なってイリジウムコンステレーションエフェメリスを推定する詳細な方法６００のフロー図である。この方法６００を開始６１０するときに、地上制御局は宇宙飛行体（ＳＶ）（例えば、イリジウム衛星）の時刻及び周波数を、ＧＰＳ時刻及び最小ドリフトにほぼ合わせる（ステップ６２０）。このステップ（ステップ６２０）では、地上制御局がＳＶの時刻、周波数、及び軌道を、地上局（例えば、ＴＴＡＣ地球局）を通過するたびに推定する。次に、地上局は、このデータを使用して、コマンドを生成することにより、ＳＶの時刻及び周波数を特定の時間間隔、または種々の時間間隔で調整する（例えば、当該地上局は、コマンドを約１２時間ごとに生成する）。次に、ＳＶは、当該ＳＶのデータクロック（すなわち、時刻）、及び当該ＳＶの基本クロック周波数発振器を、コマンドの指示通りに調整する。データクロックは、複数のＬバンドフレームについて、他のサービスの邪魔にならないように調整される。

ＳＶの時刻及び周波数の各々を調整した後、ＳＶ周波数発振器で駆動されるＧＰＳ受信機を装備したこれらのＳＶはそれぞれ、これらのＳＶの位置、速度、及び時刻（ｔｉｍｅ，ｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｔｉｍｅ：ＰＶＴ）を求め、そしてＧＰＳ時刻に対するこれらのＳＶの発振器のクロックバイアス及びドリフトを計算する（ステップ６３０）。次に、これらのＳＶの全てが、Ｋバンドクロスリンクメッセージバーストが、有効なクロスリンク群の全てに到達する到達時間（ＴＯＡ）を計算する。ＴＯＡは、ＳＶクロスリンク受信機データクロックにより行なわれる調整に基づいて計算されて、データの同期性を維持する。

これらのＳＶの全てがこれらのＴＯＡを計算した後、これらのＳＶの全ては、これらのＳＶのクロスリンクＴＯＡ測定値を地上に送信して処理する（ステップ６５０）。これらのＴＯＡ測定値は、生の測定値とすることができる、または曲線フィッティングで表わすことができる。ＧＰＳ受信機を装備したこれらのＳＶは、これらのＳＶの計算クロックバイアス及びドリフトを地上に送信して処理する。

これらのＳＶの全てが、これらのクロスリンクＴＯＡ測定値を地上に送信した後、イリジウムＳＶを追跡している地上受信機は、ＧＰＳ時刻を基準とするＴＯＡ測定及びドップラー測定を行なう（ステップ６６０）。このステップ（ステップ６６０）では、地上受信機は、ＧＰＳ受信機及びイリジウム受信機の両方を駆動している共通の周波数標準を有する。ＴＯＡ測定値及びドップラー測定値はＧＰＳ時刻に関連付けられる。

地上受信機がこれらの測定を行なった後、地上処理によって、ＧＰＳ時刻に対するクロックバイアス及びクロックドリフトを全てのＳＶについて推定する（ステップ６７０）。集中処理によって、イリジウムエフェメリスデータを利用して飛行時間値を、ＴＯＡデータが生成され、かつＳＶ間で、そしてＳＶ−地上間でコンタクトする位置の全てについて計算する。次に、集中処理によって、飛行時間値を測定値から取り出す。次に、集中処理によって、互いのＳＶに相対するＳＶ群のクロックバイアス及びドリフトを推定してＳＶをＧＰＳ時刻に、イリジウムＳＶのＧＰＳ利用基準発振器のクロックバイアス測定値及びドリフト測定値を用いて合わせる。

地上処理によって推定を行なった後、地上処理によって、イリジウムＳＶ軌道推定値を、クロスリンク及びダウンリンク（すなわち、視線）ＴＯＡ測定値を用いて更新する（ステップ６８０）。次に、イリジウムＳＶクロックバイアス及びドリフト推定値を用いて、イリジウムＳＶクロック補正項を生成する（ステップ６８５）。これらの補正項を生成した後、イリジウムＳＶ軌道推定値を用いて、ＳＶエフェメリスを生成する（ステップ６９０）。ＳＶエフェメリスを生成した後、当該方法６００は終了する（ステップ６９５）。

図７は、本開示の少なくとも１つの実施形態によるクロスリンク測距により実現可能な精度を表わすグラフである。このグラフは、測距誤差（縦軸目盛：メートル（ｍ））を時間（横軸目盛：秒（ｓ））の関数として表わしている。この精度は、片側で、約２０ナノ秒のクロスリンク時刻同期精度、及び約６メートルの測距精度を表わしている。イリジウム衛星ネットワーク全体は、４０ナノ秒未満の時刻同期誤差、及び１２メートル未満の測距誤差を有していると予測される。非常に多くの測定値を用いて、これらの誤差を更に小さくすることができる。

特定の例示的な実施形態及び方法を本明細書において開示してきたが、これまでの開示内容から、この技術分野の当業者には、このような実施形態及び方法の変更及び変形を、開示される技術の真の思想及び範囲から逸脱しない範囲で加えることができることは明白である。各例が他の例とは軽微な点でしか異ならないような、開示される技術の多くの他の例が存在する。従って、開示される技術は、添付の請求項、及び準拠法の規則及び原則が要求する範囲にのみ限定されるものとする。

Claims

衛星コンステレーションの時刻同期を行なう方法であって、該方法は：
少なくとも１つの第１衛星により、少なくとも１つのクロスリンク測距信号を少なくとも１つの第２衛星に送信することであって、前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星のうちの少なくとも一方が、同期時刻を保有する時刻同期衛星である、前記送信することと、
前記少なくとも１つの第２衛星により、前記少なくとも１つのクロスリンク測距信号を受信することと、
前記少なくとも１つの第１衛星から前記少なくとも１つの第２衛星に至る少なくとも１つの距離測定値を、前記少なくとも１つのクロスリンク測距信号の送信から前記少なくとも１つのクロスリンク測距信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算することと、
互いに相対し、そして前記同期時刻に相対する、前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星の時刻及び周波数の推定値を計算して、前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星の前記時刻及び前記周波数を、前記少なくとも１つの距離測定値、及び前記少なくとも１つの時刻同期衛星からの前記同期時刻のうちの少なくとも一方を使用することにより同期させることと、
を含む、方法。
前記少なくとも１つの第１衛星は、前記同期時刻を保有する時刻同期衛星であり、そして前記少なくとも１つの第２衛星は、前記同期時刻を保有しない非時刻同期衛星である、請求項１に記載の方法。
前記同期時刻は正確な時刻である、請求項１に記載の方法。
前記少なくとも１つの時刻同期衛星は、前記同期時刻を、少なくとも１つの全地球測位システム（ＧＰＳ）信号、少なくとも１つのグローバルナビゲーション衛星システム（ＧＬＯＮＡＳＳ）信号、少なくとも１つのＧａｌｉｌｅｏ（ガリレオ）衛星信号、少なくとも１つのＢｅｉＤｏｕナビゲーションシステム信号、及び原子時計のうちの少なくとも１つから取得する、請求項３に記載の方法。
前記同期時刻は正確な時刻ではない、請求項１に記載の方法。
前記少なくとも１つの第２衛星は、前記同期時刻を保有する時刻同期衛星であり、そして前記少なくとも１つの第１衛星は、前記同期時刻を保有しない非時刻同期衛星である、請求項１に記載の方法。
前記方法は更に：
少なくとも１つの補正信号を生成して、前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星のうちの少なくとも一方の前記時刻及び前記周波数を同期させることと、
前記少なくとも１つの補正信号を、前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星のうちの少なくとも一方に送信することと、
を含む、請求項１に記載の方法。
前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星は、低高度軌道（ＬＥＯ）衛星、中高度軌道（ＭＥＯ）衛星、及び静止地球軌道（ＧＥＯ）衛星のうちの少なくとも１つの衛星である、請求項１に記載の方法。
前記方法は更に：
前記少なくとも１つの時刻同期衛星により、少なくとも１つの測位信号を少なくとも１つの基準局に送信することと、
前記少なくとも１つの基準局により、前記少なくとも１つの測位信号を受信することと、
前記少なくとも１つの時刻同期衛星から前記少なくとも１つの基準局に至る少なくとも１つの測位距離測定値を、前記少なくとも１つの測位信号の送信から前記少なくとも１つの測位信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算することと、
前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星のうちの少なくとも一方の衛星についての軌道測位における推定値を、前記少なくとも１つの距離測定値、前記同期時刻、前記少なくとも１つの時刻同期衛星からの測位データ、及び前記少なくとも１つの測位距離測定値のうちの少なくとも１つを使用することにより計算することと、
を含む、請求項１に記載の方法。
前記少なくとも１つの時刻同期衛星は、前記測位データを、少なくとも１つの全地球測位システム（ＧＰＳ）信号、少なくとも１つのグローバルナビゲーション衛星システム（ＧＬＯＮＡＳＳ）信号、少なくとも１つのＢｅｉＤｏｕナビゲーションシステム信号、及び少なくとも１つのＧａｌｉｌｅｏ（ガリレオ）衛星信号のうちの少なくとも１つの信号から取得する、請求項９に記載の方法。
前記方法は更に：
少なくとも１つの基準局により、少なくとも１つの測位信号を前記少なくとも１つの時刻同期衛星に送信することと、
前記少なくとも１つの時刻同期衛星により、前記少なくとも１つの測位信号を受信することと、
前記少なくとも１つの基準局から前記少なくとも１つの時刻同期衛星に至る少なくとも１つの測位距離測定値を、前記少なくとも１つの測位信号の送信から前記少なくとも１つの測位信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算することと、
前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星のうちの少なくとも一方の衛星についての軌道測位における推定値を、前記少なくとも１つの距離測定値、前記同期時刻、前記少なくとも１つの時刻同期衛星からの測位データ、及び前記少なくとも１つの測位距離測定値のうちの少なくとも１つを使用することにより計算することと、
を含む、請求項１に記載の方法。
前記少なくとも１つの時刻同期衛星は、前記測位データを、少なくとも１つの全地球測位システム（ＧＰＳ）信号、少なくとも１つのグローバルナビゲーション衛星システム（ＧＬＯＮＡＳＳ）信号、少なくとも１つのＢｅｉＤｏｕナビゲーションシステム信号、及び少なくとも１つのＧａｌｉｌｅｏ（ガリレオ）衛星信号のうちの少なくとも１つの信号から取得する、請求項１１に記載の方法。
衛星コンステレーションの時刻同期を行なう方法であって、該方法は：
少なくとも１つの第１衛星により、少なくとも１つの第１クロスリンク測距信号を少なくとも１つの第２衛星に送信することであって、前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星のうちの少なくとも一方の衛星が、同期時刻を保有する時刻同期衛星である、前記送信することと、
前記少なくとも１つの第２衛星により、前記少なくとも１つの第１クロスリンク測距信号を受信することと、
前記少なくとも１つの第２衛星により、少なくとも１つの第２クロスリンク測距信号を前記少なくとも１つの第１衛星に送信することと、
前記少なくとも１つの第１衛星により、前記少なくとも１つの第２クロスリンク測距信号を受信することと、
前記少なくとも１つの第１衛星から前記少なくとも１つの第２衛星に至る少なくとも１つの第１距離測定値を、前記少なくとも１つの第１クロスリンク測距信号の送信から前記少なくとも１つの第１クロスリンク測距信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算することと、
前記少なくとも１つの第２衛星から前記少なくとも１つの第１衛星に至る少なくとも１つの第２距離測定値を、前記少なくとも１つの第２クロスリンク測距信号の送信から前記少なくとも１つの第２クロスリンク測距信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算することと、
互いに相対し、そして前記同期時刻に相対する、前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星の時刻及び周波数の推定値を計算して、前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星のうちの少なくとも一方の衛星の前記時刻及び前記周波数を、前記少なくとも１つの第１距離測定値、前記少なくとも１つの第２距離測定値、及び前記少なくとも１つの時刻同期衛星からの前記同期時刻のうちの少なくとも１つを使用することにより同期させることと、
を含む、方法。
衛星コンステレーションの時刻同期を行なうシステムであって、該システムは：
少なくとも１つのクロスリンク測距信号を少なくとも１つの第２衛星に送信するように構成される少なくとも１つの第１衛星と、
前記少なくとも１つのクロスリンク測距信号を受信するように構成される前記少なくとも１つの第２衛星と、を備え、
前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星のうちの少なくとも一方の衛星が、同期時刻を保有する時刻同期衛星であり、前記システムは更に、
前記少なくとも１つの第１衛星から前記少なくとも１つの第２衛星に至る少なくとも１つの距離測定値を、前記少なくとも１つのクロスリンク測距信号の送信から前記少なくとも１つのクロスリンク測距信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算するように構成される少なくとも１つのプロセッサを備え、そして
前記少なくとも１つのプロセッサは更に、互いに相対し、そして前記同期時刻に相対する、前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星の時刻及び周波数の推定値を計算して、前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星の前記時刻及び前記周波数を、前記少なくとも１つの距離測定値、及び前記少なくとも１つの時刻同期衛星からの前記同期時刻のうちの少なくとも一方を使用することにより同期させるように構成される、システム。
前記少なくとも１つの第１衛星は、前記同期時刻を保有する時刻同期衛星であり、そして前記少なくとも１つの第２衛星は、前記同期時刻を保有しない非時刻同期衛星である、請求項１４に記載のシステム。
前記同期時刻は正確な時刻である、請求項１４に記載のシステム。
前記少なくとも１つの時刻同期衛星は、前記同期時刻を、少なくとも１つの全地球測位システム（ＧＰＳ）信号、少なくとも１つのグローバルナビゲーション衛星システム（ＧＬＯＮＡＳＳ）信号、少なくとも１つのＧａｌｉｌｅｏ（ガリレオ）衛星信号、少なくとも１つのＢｅｉＤｏｕナビゲーションシステム信号、及び原子時計のうちの少なくとも１つから取得する、請求項１６に記載のシステム。
前記同期時刻は正確な時刻ではない、請求項１４に記載のシステム。
前記少なくとも１つの第２衛星は、前記同期時刻を保有する時刻同期衛星であり、そして前記少なくとも１つの第１衛星は、前記同期時刻を保有しない非時刻同期衛星である、請求項１４に記載のシステム。
前記少なくとも１つのプロセッサは更に、少なくとも１つの補正信号を生成して、前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星のうちの少なくとも一方の衛星の前記時刻及び前記周波数を同期させるように構成される、請求項１４に記載のシステム。
前記システムは更に、前記少なくとも１つの補正信号を、前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星のうちの少なくとも一方の衛星に送信するように構成される少なくとも１つの送信機を備える、請求項２０に記載のシステム。
前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星は、低高度軌道（ＬＥＯ）衛星、中高度軌道（ＭＥＯ）衛星、及び静止地球軌道（ＧＥＯ）衛星のうちの少なくとも１つの衛星である、請求項１４に記載のシステム。
前記少なくとも１つの時刻同期衛星は更に、少なくとも１つの測位信号を少なくとも１つの基準局に送信するように構成され、
前記少なくとも１つの基準局は、前記少なくとも１つの測位信号を受信するように構成され、そして
前記少なくとも１つのプロセッサは更に、前記少なくとも１つの時刻同期衛星から前記少なくとも１つの基準局に至る少なくとも１つの測位距離測定値を、前記少なくとも１つの測位信号の送信から前記少なくとも１つの測位信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算し、そして前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星のうちの少なくとも一方の衛星についての軌道測位における推定値を、前記少なくとも１つの距離測定値、前記同期時刻、前記少なくとも１つの時刻同期衛星からの測位データ、及び前記少なくとも１つの測位距離測定値のうちの少なくとも１つを使用することにより計算するように構成される、請求項１４に記載のシステム。
前記少なくとも１つの時刻同期衛星は、前記測位データを、少なくとも１つの全地球測位システム（ＧＰＳ）信号、少なくとも１つのグローバルナビゲーション衛星システム（ＧＬＯＮＡＳＳ）信号、少なくとも１つのＢｅｉＤｏｕナビゲーションシステム信号、及び少なくとも１つのＧａｌｉｌｅｏ（ガリレオ）衛星信号のうちの少なくとも１つの信号から取得する、請求項２３に記載のシステム。
前記システムは更に：
少なくとも１つの測位信号を前記少なくとも１つの時刻同期衛星に送信するように構成される少なくとも１つの基準局を備え、
前記少なくとも１つの時刻同期衛星は更に、前記少なくとも１つの測位要求信号を受信するように構成され、そして
前記少なくとも１つのプロセッサは更に、前記少なくとも１つの基準局から前記少なくとも１つの時刻同期衛星に至る少なくとも１つの測位距離測定値を、前記少なくとも１つの測位信号の送信から前記少なくとも１つの測位信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算し、そして前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星のうちの少なくとも一方の衛星についての軌道測位における推定値を、前記少なくとも１つの距離測定値、前記同期時刻、前記少なくとも１つの時刻同期衛星からの測位データ、及び前記少なくとも１つの測位距離測定値のうちの少なくとも１つを使用することにより計算するように構成される、請求項１４に記載のシステム。
前記少なくとも１つの時刻同期衛星は、前記測位データを、少なくとも１つの全地球測位システム（ＧＰＳ）信号、少なくとも１つのグローバルナビゲーション衛星システム（ＧＬＯＮＡＳＳ）信号、少なくとも１つのＢｅｉＤｏｕナビゲーションシステム信号、及び少なくとも１つのＧａｌｉｌｅｏ（ガリレオ）衛星信号のうちの少なくとも１つの信号から取得する、請求項２５に記載のシステム。
衛星コンステレーションの時刻同期を行なうシステムであって、該システムは：
少なくとも１つの第１クロスリンク測距信号を少なくとも１つの第２衛星に送信し、そして少なくとも１つの第２クロスリンク測距信号を受信するように構成される少なくとも１つの第１衛星と、
前記少なくとも１つの第１クロスリンク測距信号を受信し、そして前記少なくとも１つの第２クロスリンク測距信号を送信するように構成される前記少なくとも１つの第２衛星と、を備え、
前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星のうちの少なくとも一方の衛星が、同期時刻を保有する時刻同期衛星であり、前記システムは更に、
前記少なくとも１つの第１衛星から前記少なくとも１つの第２衛星に至る少なくとも１つの第１距離測定値を、前記少なくとも１つの第１クロスリンク測距信号の送信から前記少なくとも１つの第１クロスリンク測距信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算するように構成される少なくとも１つのプロセッサを備え、
前記少なくとも１つのプロセッサは更に、前記少なくとも１つの第２衛星から前記少なくとも１つの第１衛星に至る少なくとも１つの第２距離測定値を、前記少なくとも１つの第２クロスリンク測距信号の送信から前記少なくとも１つの第２クロスリンク測距信号の受信までに経過した時間量を使用することにより計算するように構成され、そして
前記少なくとも１つのプロセッサは更に、互いに相対し、そして前記同期時刻に相対する、前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星の時刻及び周波数の推定値を計算して、前記少なくとも１つの第１衛星、及び前記少なくとも１つの第２衛星のうちの少なくとも一方の衛星の前記時刻及び前記周波数を、前記少なくとも１つの第１距離測定値、前記少なくとも１つの第２距離測定値、及び前記少なくとも１つの時刻同期衛星からの前記同期時刻のうちの少なくとも１つを使用することにより同期させるように構成される、システム。