JP2017052306A - 人工衛星、及び人工衛星の衛星送出信号生成方法 - Google Patents

人工衛星、及び人工衛星の衛星送出信号生成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】衛星の内部時刻と衛星送出信号を他の時刻系統に高い精度で早期に同期させる。【解決手段】人工衛星を、クロック信号を生成する基準クロック生成手段と、衛星内部時刻体系の任意エポックを指定されたシフト量でシフトするエポックシフト手段と、衛星送出信号の複数のメッセージ信号の生成開始位置をエポック単位で指定された任意のエポックにそれぞれシフトして揃えるメッセージシフト手段とを含む、衛星内部時刻体系の時を刻むタイミングを調整するタイミング調整手段と、エポック信号に従って内部時刻を刻む内部時刻を刻む計時手段と、計時手段で刻む内部時刻を、衛星内部時刻体系と他の時刻体系との時刻のオフセット値を反映させた新たな内部時刻に較正する管理手段と、較正された内部時刻の時刻情報を含む複数のメッセージ信号を、調整したエポックを基準に揃ったタイミングで生成する衛星信号生成手段と、を含ませて構成する。【選択図】図1

Description

本発明は、内部時刻を管理する人工衛星、及びその人工衛星の衛星送出信号生成方法に関するものである。
人工衛星は、その内部に時計を有するものが多い。また、人工衛星は、その時計が刻む時刻を利用するものが多い。この時計は、衛星システム内で求める精度に応じた装置が適宜採用されている。
衛星に搭載される時計は、原子時計や水晶発振子を利用した時計、GPS(Global Positioning System)信号に同期させる時計、これらの複合させた時計などがある。例えばGNSS(Global Navigation Satellite System)の衛星の様に高精度な時刻を用いる衛星では、原子時計を利用している。なお、GNSSは、各衛星の時刻とシステム時刻を厳密に管理することで測位を可能にする。
衛星に搭載される時計に関連する技術は、以下の文献に開示している。
特許文献1は、クロック信号を生成する衛星内部発振器(クロック生成回路)を含む人工衛星の内部時刻システムを開示する。
この内部時刻システムは、衛星内部発振器と、GPSレシーバと、GPSレシーバで受信した時刻情報を衛星内部発振器のクロック信号に同期させて内部機器に供給する同期手段(リタイミング回路)を含んでいる。この同期手段を含むことで、この内部時刻システムは、GPSレシーバで受信した時刻情報を、衛星内部発振器のクロック信号の生成分解能で、衛星内部の各要素に提供できる。
特許文献2は、人工衛星に搭載される原子時計を利用するクロック生成装置を記載している。また、特許文献2は、ガリレオに搭載しているクロック生成装置を背景技術に記載している。特許文献2で開示されたクロック生成装置では、背景に記載されたクロック生成装置よりも高精度及び低コストなクロック生成装置を提供している。
特開平10−177081号公報 特開2010−259072号公報
人工衛星を利用するに当たり、利用者は、その衛星の内部時刻を精確に刻むことを望む。また、利用者は、内部時刻を協定世界時やGPS時刻、又は他の時刻体系にリアルタイム又は事後的に変換できることを望む。
このため、利用者は、その衛星の内部時刻と各時刻系統とのオフセット量を正確に把握した後に、できるだけ容易にその差を内部時刻に設定できる仕組みを望んでいる。
この仕組みでは、短時間で、衛星内部時刻を刻むタイミングを他の時刻系統が時を刻むタイミングに同期させ 且つ他の時刻系統の時刻に整合させ得ることが望ましい。
また、この仕組みでは、衛星が生成する衛星送出信号に付与する時刻が他の時刻系統に高い精度で一致していることも望まれる。
このため、その衛星内で他の時刻系統に同期した内部時刻を遅滞なく衛星送出信号に利用できる仕組みが望まれる。
発明者は、これらの仕組みを検討した。
現在、協定世界時やGPS時刻は、高精度にその時刻が維持されている。これらの時刻体系に高精度に同期できれば、衛星の内部時刻も高精度に維持できる。
特許文献1に記載された内部時刻システムは、概ねGPS時刻に同期できるものの、その同期精度に改善の余地がある。
いくつか、具体的に問題を述べれば、特許文献1に記載された内部時刻システムは、GPSレシーバで受信した時刻情報を衛星内部発振器のクロック信号に同期させて内部機器に供給する。このため、GPSレシーバの受信精度と内部発振器の発振精度の低い方の刻む精度に依拠する。またGPSレシーバの出力時刻は、その時点のGPS時刻(真のGPSシステム時刻)に完全に同期しているとまでは云えない。
また、この内部時刻システムは、GPSレシーバにGPS信号を受ける必要があり、GPS衛星よりも高高度を飛行する衛星に用いられない。
なお、特許文献2は、内部時刻の生成や他の時刻系統に同期させる仕組みを開示していない。
本発明は、上記観点を追及し、衛星の内部時刻を他の時刻系統に早期に精確に同期させて、衛星内で生成する衛星送出信号に精確に反映させる人工衛星、及び人工衛星の衛星送出信号生成方法を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態に係る人工衛星は、内部時刻の計時に少なくとも利用されるクロック信号を生成する基準クロック生成手段と、衛星内部時刻体系の任意エポックを 指定されたシフト量でシフトするエポックシフト手段と 衛星送出信号の複数のメッセージ信号の生成開始位置を エポック単位で指定された任意のエポックにそれぞれシフトして揃えるメッセージシフト手段と を含む、衛星内部時刻体系の時を刻むタイミングを調整するタイミング調整手段と、前記クロック生成手段から出力されるクロック信号に基づいて生成されるエポック信号に従って内部時刻を刻む計時手段と、前記計時手段で刻む内部時刻を、衛星内部時刻体系と他の時刻体系との時刻のオフセット値を反映させた新たな内部時刻に較正する管理手段と、前記管理手段で較正された内部時刻の時刻情報を少なくとも何れかに含む複数のメッセージ信号を、前記タイミング調整手段で調整したエポックを基準に揃ったタイミングで生成可能に設定する衛星信号生成手段と、を具備することを特徴とする。
本発明の一実施形態に係る人工衛星の衛星送出信号生成方法は、人工衛星で、衛星外から、衛星内部時刻体系のエポックのシフト量と、衛星内部時刻体系の他の時刻体系との時刻のオフセット値と、エポック単位で定めた複数のメッセージ信号の揃え位置と、を含むテレコマンドでそれぞれ受け付けて、クロック生成部で生成されるクロック信号に基づいて巡回する衛星内のエポック周期と各メッセージ周期とを 前記エポックのシフト量と前記メッセージ信号の揃え位置に基づいてそれぞれ調整し、調整したエポックを示す衛星内の内部時刻を 前記時刻のオフセット量を反映させた新たな内部時刻に較正し、較正された新たな内部時刻に基づいた時刻情報を用いた衛星送出信号を調整したエポック及びメッセージ開始位置を基準に生成することを特徴とする。
本発明によれば、衛星の内部時刻を他の時刻系統に早期に精確に同期させて、衛星内で生成する衛星送出信号に精確に反映させる人工衛星、及び人工衛星の衛星送出信号生成方法を提供できる。
本発明にかかる第1の実施形態の人工衛星の内部構造を示すブロック図である。 人工衛星1の制御シーケンス例を示すフローチャートである。 第2の実施形態の人工衛星2の内部構造を示すブロック図である。 第3の実施形態の人工衛星3の内部構造を示すブロック図である。 エポックシフト部21で実施するエポックシフトを説明するタイミングチャートである。 メッセージシフト部22で実施する先頭揃えを説明するタイミングチャートである。 循環型符号リセット部23で実施するリセット処理を説明するタイミングチャートである。 一構成例に係る測位衛星4を示すブロック図である。 一構成例に係る観測衛星5を示すブロック図である。
本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。各図は、発明に係る構成要素や制御タイミングを概略的に示す図である。また、実施形態間で同様な説明は簡略化または省略する。
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態の人工衛星1の内部構造を示すブロック図である。
人工衛星1は、図示するように、基準クロック生成部10と、タイミング調整部20と、計時部30と、管理部40と、衛星信号生成部50とを含み構成している。また、人工衛星1は、衛星外の通信機器(地上局や宇宙機、他の衛星など)からテレコマンドを受ける受信部(図示せず)、他の通信機器にテレメトリを送る送信部(図示せず)、衛星用電源装置(図示せず)、放送機器(図示せず)、通信機器(図示せず)、観測機器(図示せず)なども必要に応じて搭載する。
基準クロック生成部10は、内部時刻の計時に少なくとも利用されるクロック信号を生成する。基準クロックの発振源は、用途に合わせた精度の原子時計や水晶発振子などを適宜採用すればよい。
タイミング調整部20は、後述する構成要素を含み、他の時刻体系の計時タイミングに同期させるように衛星内部時刻体系が刻む計時タイミングを調整する。また、タイミング調整部20は、基準クロック生成部10から受け付けたクロック信号からエポック信号を生成して必要とする機器に出力する。
エポックシフト部21は、衛星内部時刻体系の任意エポックを、衛星がテレコマンドで指定されたシフト量でシフトする。すなわち、エポックシフト部21は、エポック間の時間を延長/短縮するように、衛星内部時刻体系の刻むタイミングをシフトする。シフト量の分解能は細かいことが望ましい。例えば、エポックと同期して衛星内で時刻信号として生成するPRNコード(Pseudo Random Noise code)の繰り返し周期とすることで、エポックの周期に対して充分高い設定分解能を得られる。
メッセージシフト部22は、衛星送出信号の複数のメッセージ信号(例えば複数の航法メッセージ信号)の生成開始位置をエポック単位で指定された任意のエポックにそれぞれシフトして揃える。例えば航法メッセージ信号を生成する場合、その航法メッセージ信号各々には異なる内部時刻が付与されることを避けることが強く望まれる。このため、メッセージシフト部22において、同時的に衛星から送出される各メッセージ信号に付与される内部時刻が同じになるように、各メッセージ信号の生成開始位置をエポック単位で揃える。なお、衛星内で生成されるメッセージ信号は、単一のケースもある。
エポック期間は、衛星機能や用途などに基づいた期間を採用すればよく、特に限定は無い。例えば、測位衛星であれば、現システムと同じ1.5秒周期のエポックで動作させればよく、観測衛星であれば1秒若しくはそれ以下の秒数を採用すればよい。
計時部30は、基準クロック生成部10から出力されるクロック信号に基づいて生成されるエポック信号で内部時刻を刻む。本実施形態では、計時部30は、タイミング調整部20を介してエポック信号を受け付けて、内部時刻を計時する。
管理部40は、計時部30で刻む内部時刻(現時点のエポック数)を、衛星がテレコマンドで指定された、衛星内部時刻体系と他の時刻体系との時刻のオフセット値を反映させた新たな内部時刻(調整したエポック数)に較正して保持する。また、管理部40は、較正する内部時刻(設定値のエポック数)を計時部30に設定する。なお、内部時刻は、何れの国の時刻体系に準じても良いし、測位システムのZカウントを用いた時刻体系のように、そのシステム独自の時刻体系に準じていてもよい。
衛星信号生成部50は、衛星の用途に合わせた衛星送出信号(例えば、測位信号用メッセージ(航法メッセージ)、観測信号用メッセージ、通信中継信号用メッセージなど)を生成可能に構成されている。衛星信号生成部50は、管理部40で較正された内部時刻の時刻情報を含む衛星送出信号を、タイミング調整部20で調整されたエポックを基準で生成する。また、衛星信号生成部50は、管理部40で保持された内部時刻の取得に変えて、計時部30から内部時刻を読み出して、較正された内部時刻の時刻情報を含む衛星送出信号を生成することとしてもよい。なお、衛星信号生成部50は、測位信号用メッセージの航法メッセージをPRNコードに重ねる変調のように、生成するメッセージの種別によってはメッセージ信号の生成と共に別の信号処理を実施してもよい。
その後、人工衛星1は、適宜所望のタイミングで生成した衛星送出信号を、送信部(図示せず)から人工衛星1外に放送又は通信で送出する。この送信部では、適宜 変調や拡散変調などが行われて、アンテナから衛星送出信号が送出される。
上記構成によって、人工衛星1は、衛星外で導出された高精度なエポックのシフト量と時刻のオフセット値を用いて、衛星内部時刻体系を他の時刻系統に早期に精確に同期させることができる。また、衛星内で生成される各メッセージに他の時刻体系に精確に同期した内部時刻を早期に反映させることができる。
この結果、衛星内部時刻体系の時刻を早期に同期でき、また衛星送出信号に入れ込む時刻情報と衛星送出信号の生成タイミングの歪みが極少量に収め得る。
次に、本人工衛星1の時刻同期及び衛星送出信号の生成に関連する制御手法を説明する。
図2は、人工衛星1の制御シーケンス例を示すフローチャートである。
この同期手法では、まず、人工衛星1は、衛星外から、衛星内部時刻体系のエポックのシフト量と、衛星内部時刻体系の他の時刻体系との時刻のオフセット値と、複数のメッセージ信号の先頭揃え位置と、を調整命令として受け付ける。より具体的な例では、管理部40は、他の時刻体系に同期させるための上記3種類の情報をそれぞれテレコマンドで(地上局や宇宙機などから)受け入れる(S01)。
次に、タイミング調整部20は、管理部40からエポックのシフト量とメッセージ信号の揃え位置を取得して、衛星内のエポック周期と各メッセージ周期とをエポックのシフト量とメッセージ信号の先頭揃え位置に基づいて調整する(S02)。
S02と並行して、管理部40と計時部30は、調整したエポックを示す衛星内の内部時刻を、時刻のオフセット量を反映させた新たな内部時刻に較正する(S03)。
衛星信号生成部50は、較正された新たな内部時刻に基づいた時刻情報を用いた衛星送出信号を調整したエポック及びメッセージ開始位置を基準に生成する(S04)。
このように各部を動作させることで、衛星内部時刻とメッセージ生成タイミングを他の時刻体系に精密且つ早期に同期させる仕組みを実現できる。
[第2の実施形態]
図3は、第2の実施形態の人工衛星2を示すブロック図である。第1の実施形態と同様な部分の説明は簡略化する。
人工衛星2は、人工衛星1と同様に、基準クロック生成部10と、タイミング調整部20’と、計時部30と、管理部40と、衛星信号生成部50とを含み構成している。
人工衛星2と人工衛星1との違いは、タイミング調整部20’に、循環型符号列をリセットする循環型符号リセット部23を具備するか否かである。また、第2の実施形態では、図3に示すように、衛星信号生成部50に明示的に循環型符号生成器51を記載する。なお、他の実施形態の人工衛星が循環型符号生成器51を有する構成を除外することを示すものではない。循環型符号生成器51が生成する循環型符号は、例えば、測位システムで用いるPRNコードなどのように、その目的に応じて所望数の符号列を生成すればよい。
循環型符号リセット部23は、タイミング調整部20’内に具備されて、エポックシフト部21及びメッセージシフト部22と連動して動作する。循環型符号リセット部23は、指定された任意のエポックタイミングで循環的に永続して生成される1ないし複数の循環型符号列をリセットする。この循環型符号列をリセットするタイミングは、エポックシフト部21でエポックシフトを実行するタイミング、及びメッセージシフト部22で、複数のメッセージ信号の生成開始位置を揃えるタイミングに、揃えられる。換言すれば、循環型符号リセット部23は、メッセージ信号の生成を開始するエポックに揃えて循環型符号列を循環型符号生成器51に再生成させる。
このタイミング調整(タイミング指定)は、管理部40が実施すればよい。または、タイミング調整部20’が自律的にこのタイミング調整を実行するようにしてもよい。また、調整命令を出す地上局などが、エポックを示して指定してもよい。
タイミング調整部20’は、循環型符号列をリセットするタイミングを循環型符号列の分解能で定め得る/受け得る構成が望ましい。このことで、循環型符号列のチップ単位の時間間隔で、各タイミング(エポックシフトタイミング、メッセージ揃えタイミング、リセットタイミング)の調整が可能になる。
上記構成によって、人工衛星2は、衛星内部処理を他の時刻系統に早期に高精度で同期させ得る。この際、衛星内部時刻体系を他の時刻系統に同期させる精度は、循環型符号列の1チップ単位で実現可能になる。
[第3の実施形態]
図4は、第3の実施形態の人工衛星3を示すブロック図である。第1の及び第2の実施形態と同様な部分の説明は簡略化する。本実施形態は、第2の実施形態をベースに差分を記載する。なお、第2の実施形態に変えて第1の実施形態をベースにした構成としてもよい。
人工衛星3は、人工衛星2と同様に、基準クロック生成部10’と、タイミング調整部20’と、計時部30と、管理部40’と、衛星信号生成部50とを含み構成している。
人工衛星3と人工衛星2との違いは、管理部40’が基準クロック生成部10’で生成されるクロック信号を微調整するか否かである。
基準クロック生成部10’は、その内部にVCXO(Voltage-Controlled crystal Oscillator)を含んでいる。管理部40’は、VCXOに加える印加電圧を調整する。管理部40’は、このVCXOに印加する電圧調整で、基準クロックのクロック周波数を意図的にオフセットさせて、内部時刻体系の時を刻むタイミングを微小な値で調整する。なお、VCXOを用いずに、他の手法で基準クロックのクロック周波数を意図的にオフセットさせる仕組みでも構わない。
この調整では、管理部40’で、計時部30で内部時刻を刻むタイミングを他の時刻体系で時刻を刻むタイミングに揃えるように、所定時間の間、基準クロック生成部10’がクロック信号を刻む時間を伸長又は短縮すればよい。
また、管理部40’は、エポックシフトする任意エポックを、他の時刻体系のエポックに揃えるように、所定時間の間、基準クロック生成部10’がクロック信号を刻む時間を伸長又は短縮することとしてもよい。
また、管理手段40’は、循環型符号リセット部23が循環型符号生成器51に循環型符号列を再生成させるタイミングを他の時刻体系で循環型符号列が生成されるタイミングに揃えるように、調整してもよい。
また、管理手段40’は、タイミング調整部20’で実施するタイミング調整と同時的に、循環型符号列のチップ以下のオフセットを調整することを実行可能にできることが望ましい。
なお、タイミング調整部20’では、他の時刻体系のエポック及び循環型符号列の生成開始位置に、内部時刻のエポック及び循環型符号列の生成開始位置を揃えることで、循環型符号の1チップ分の精度までの同期を受け持つ。
上記構成によって、人工衛星3は、衛星内部処理を他の時刻系統に早期により高精度で同期させ得る。
ここで、上記実施形態で説明したタイミング調整部20’内の各タイミング調整手法例をタイミングチャートを用いて説明する。
図5は、エポックシフト部21で実施するエポックシフトを説明するタイミングチャートである。
図5(a)は、1.5秒周期のエポック間隔を有する時刻体系で、エポックシフト部21で図中のエポックZ_t+5を+1ミリ秒シフトした場合(中段)とエポックZ_t+5を+1.499秒シフトした場合(下段)を示している。図示するように、エポックシフトを実行することで、エポックZ_t+5がそのシフト量分だけ遅くなる。このように、エポックシフト部21のエポックシフトによって、衛星内部時刻を調整できる。
図5(b)は、他の時刻体系であるGPSシステム時刻に現衛星内部時刻が揃う理屈を示している。
図示しているように、任意時点でのGPSシステム時刻と現衛星内部時刻とのエポック間(刻時タイミング)の時間差を埋めるように、内部時刻の任意エポックをシフトすることで、このシフト量の分解能の精度で時刻を同期できる。図5(b)の例では、エポック区間(1.5秒)とエポック時間差E_tdでシフト量S5が定められる。なお、シフト命令は、例えば1.4秒のシフトを1回する命令のように、所望シフト量を一回で完了する命令でもよいし、0.01秒のシフト命令を複数組み合わせて所望シフト量を完了する命令であってもよい。
図6は、メッセージシフト部22で実施する先頭揃えを説明するタイミングチャートである。
図示しているように、任意時点で各メッセージの先頭を揃えるように、各メッセージをシフトすることで、他の時刻体系に同期したタイミングから各メッセージが始まる。また、先頭揃え位置(エポック)を、エポックシフトを実行するエポック(図5のエポックZ_t+5)に揃えて実行することが望ましい。
図7は、循環型符号リセット部23で実施するリセット処理を説明するタイミングチャートである。
図7(a)では、特定エポックで循環型符号のリセットを実施する手法を示している。
循環型符号のリセットは、コードパターンに基づいてリセットすることができる。具体的には、循環型符号リセット部23は、循環型符号列内の特定のコードパターン部分に到達した際にその循環符号列をリセットして、そのタイミングから循環型符号生成器51に再生成させる。複数の循環型符号列をリセットする場合、循環型符号リセット部23は、特定の循環型符号列内の特定のコードパターン部分に到達した際に全ての循環符号列をリセットすればよい。このように、コードパターンを用いることで、循環型符号の1チップ分の時間の精度でタイミングを計ることができる。この特定の循環型符号のコードパターンは、エポックシフトやメッセージ先頭合わせの調整先のタイミング(図5のエポックZ_t+5)に揃えればよい。このことで、このコードパターンの指定でタイミング調整部20の調整タイミングを規定することで、他の調整結果と循環型符号の再生成タイミングを揃えることが可能になる。
図7(b)では、循環型符号の特定チップでエポックシフトと循環型符号のリセットを実施する手法を示している。
この手法は、タイミング調整部20が任意の循環型符号内の特定チップ(図中Nチップ)に相当するタイミングで、全ての循環型符号をリセットする。このタイミングで、エポックシフトとメッセージ先頭揃えも実施する。任意の循環型符号は、短周期の符号を用いることが望ましい。
換言すれば、タイミング調整部20内で、循環型符号のチップ数を用いて、エポックシフトやメッセージ先頭合わせの調整先のタイミング(図5のエポックZ_t+5)を規定できる。すなわち、このコードパターンの指定でタイミング調整部20の調整タイミングを規定することで、他の調整結果と循環型符号の再生成タイミングを1チップ単位の精度で揃えることが可能になる。
この結果、タイミング調整部20’は、循環型符号の再生成タイミング、複数のメッセージを開始するタイミング、衛星内部時刻体系の時を刻むタイミング(エポック)を、循環型符号の1チップ単位で調整可能になる。
例えば、循環型符号としてC/Aコード、各メッセージとして航法メッセージ、エポック周期を衛星測位システムで用いている1.5秒エポック周期を採用した場合に、C/Aコード(1.023MHz)の1チップ単位(約977.5ns)でエポックを調整できる。
このように上記実施形態によれば、衛星の内部時刻を他の時刻系統に早期に精確に同期させて、衛星内で生成する衛星送出信号に精確に反映させる人工衛星、及び人工衛星の衛星送出信号生成方法を提供できる。
次に、上記 実施形態をより具現化した一構成を示して本発明を説明する。
[構成例1]
図8は、一構成例に係る測位衛星を示すブロック図である。図8に示した測位衛星4は、第3の実施形態をベースに具現化した構成を有する。また、原振系機器、受信部、送信部を明示的に示している。また、各構成要素をより具現化している。
原振系機器は、原子時計11、タイムキーピング回路12、シンセサイザ13を含み、オンボードコンピュータに衛星基準クロック(10.23MHz)を供給すると共に送信部70内の変調器に各測位信号用の搬送波を供給する。
タイムキーピング回路12は、原子時計11の出力クロックに自己のVCXO出力を位相同期させるための位相計測機能とVCXO機能を有する。
シンセサイザ13は、タイムキーピング回路12のVCXO出力とコヒーレントな必要数の搬送波(L1、L2、L5、LEX用周波数など)を生成する。
オンボードコンピュータ(プロセッサ40’’)は、タイムキーピング回路12を用いて基準クロックの周波数オフセット制御等を行う。また、オンボードコンピュータは、オンボードコンピュータ内で管理する内部時刻(時刻、刻むタイミング)の調整を行う。
オンボードコンピュータは、プロセッサ40’’を含み、このプロセッサ40’’が衛星内の各種機能を管理する。このプロセッサ40’’は、実行するソフトウェアに従い、測位信号の生成や各種調整などの設定やメッセージ送受信制御などを管理する。
タイミング調整部20’や計時部30、測位信号生成部50’などは、1つのFPGA(Field Programmable Gate Array)に構築すればよい。また、各部は、複数のFPGAや複数のLSI(Large-Scale Integration)などを組み合わせて構築してもよい。
測位信号生成部50’では、GPSシステム時刻に同期したタイミングで、L1C/A,L1C,L1−SAFE,L2C,L5,LEXメッセージ信号が逐次生成される。また、測位信号生成部50’は、各メッセージ信号をC/Aコードで変調する。
送信部70は、変調器やアンプ、フィルタ、進行波管、アンテナ等を含み、シンセサイザ13で生成された搬送波を用いて、各変調されたメッセージを衛星送出信号(航法信号)に変調し、アンテナから送出する。
受信部60は、地上オペレータからのコマンドを受信し、オンボードコンピュータ(プロセッサ40’’)にそのコマンドを出力する。
この例では、地上局(マスタ局)は、GPSシステム時刻と現衛星時刻のエポック差を監視して、その差をコマンドで測位衛星4に通知して同期させる。
コマンド内容の具体例は、タイマカウンタに対するオフセット値、タイミング調整部に対するエポックシフト量、複数のメッセージ信号の揃え位置、PRNコードのリセット位置、タイムキーピング回路に対するオフセット操作量を含む調整命令(較正命令、シフト命令、オフセット命令)をオンボードコンピュータに通知することとすればよい。なお、この例示した情報に変えて同等の情報を伝達できれば、コマンドで他の情報を用いて各タイミングを通知しても構わない。また、地上局(マスタ局)から時刻体系間の同期ヅレ量の通知を受けて、衛星内で各タイミングを設定する値を算出するようにしてもよい。
プロセッサ40’’は、計時部30のカウント値に地上局から設定されたオフセット値を加算し、衛星内部時刻を較正する。
同時に、プロセッサ40’’は、地上局からのコマンドに基づいて、1ミリ秒単位のエポックシフトを実行させて巡回するエポック周期を調整する。
同時に、プロセッサ40’’は、地上局からのコマンドに基づいて、任意の衛星時刻のエポックタイミングに各測位信号の先頭タイミングをシフトさせて巡回する各メッセージ周期を調整する。
同時に、プロセッサ40’’は、コマンドに基づいて、循環する全部のPRNコードをリセットさせて、全部のPRNコードの開始位置を調整する。
同時に、プロセッサ40’’は、コマンドに基づいて、クロック生成部10’(タイムキーピング回路12)への基準クロックの周波数制御を実施する。
その後、測位衛星4は、較正された新たな内部時刻に基づいた時刻情報を含む航法信号群を生成して放送する。
これらの処理により、GPSシステム時刻に高い精度で同期している航法信号を生成する測位衛星を得られる。
具体的な値では、循環型符号としてC/Aコード(1.023MHz)の1チップ単位(約977.5nS)の誤差精度で内部時刻のエポックをGPSシステム時刻に同期できる。
[構成例2]
図9は、一構成例に係る観測衛星を示すブロック図である。図9に示した観測衛星5は、各実施形態の一部の構成と共に、GPS受信機80(測位信号受信部)とPRNコード生成器51’を具備した内部構造を有する。なお、観測機器に関連した構成要素は、説明を省略する。
この構成例のオンボードコンピュータ(プロセッサ40’’)は、衛星時刻を生成・維持・管理し、衛星内の各機器へ時刻配信を行う。このことで、高精度な衛星の軌道・姿勢制御や観測センサの観測時刻タグ付与等を実現する。
この観測衛星5では、エポック周期として1秒を採用する。また、衛星の内部時刻は、GPSシステム時刻に高い精度で同期させる。このために、観測衛星5は、GPS受信機が生成する時刻パルス(高精度1秒パルス信号)とタイムコード(時刻情報)を内部時刻の源泉タイミングとして受け付ける。
また、基準クロック生成部10’’は、クロックリタイミング回路14(特許文献1参照)を具備している。
オンボードコンピュータは、GPS受信機80から得た1秒パルス信号(エポック)と内部時刻の1秒単位エポックの位相差を移相計測部24で計測する。プロセッサ40’’は、計測した結果が1秒以上の差を検出した際に、内部時刻のエポックシフト量を算定する。その後、プロセッサ40’’は、エポックシフトをタイミング調整部20’’で実行する。このことで、GPS受信機80の1秒パルスと内部時刻のエポックの位相差が1ミリ秒以下に近接する。
加えて、更にGPSシステム時刻に近接させる場合、プロセッサ40’’は、PRNコードの位相(パターン)によるリセットをPRNコードのチップレートの分解能で実施する。この時、プロセッサ40’’は、PRNコードのリセット位置を、GPSシステム時刻のエポック位置から始めるタイミングにPRNコードのチップレートの分解能で決定する。このことで、1ミリ秒内の任意のタイミングに内部時刻のエポックタイミングをシフトできる。
GPS受信機80の1秒パルスと内部時刻のエポック同期が完了したら、GPSのタイムコードとタイマカウンタから取得した内部時刻エポックのカウント値を比較して、その差分をオフセットとしてプロセッサ40’’で管理する。
この同期動作を実行するで、観測衛星5の内部時刻は、GPSシステム時刻と同期する。
また、必要に応じて、PRNコード生成器51’からPRNコードの分解能を有する時刻パルスを、様々な時刻情報のカウントに使用する。この時刻パルスは、内部時刻エポック周期よりも細かく刻まれるため、より精度が高い時刻が観測結果や姿勢制御などに使用できる。
これらの処理により、GPSシステム時刻に高い精度で同期しているPRNコードを利用した時刻パルスを利用可能になる。結果、衛星送出信号に含まれる時刻情報がGPS時刻系統に精確に同期する観測衛星を得られる。
なお、本構成例は、観測衛星を例示したが、通信衛星で同様の仕組みを実現してもよい。
なお、オンボードコンピュータの各部は、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせを用いて適宜実現すればよい。ハードウェアは、FPGAやLSIで構成できる。また、管理部は、ハードウェアとソフトウェアとを組み合わせた形態では、メモリーに衛星のメインプログラムやサブプログラムが展開され、これらのプログラムに基づいてプロセッサ等のハードウェアを動作させる。また、このプログラムは、記録媒体に非一時的に記録されて頒布されても良い。
以上実施形態及び構成例を図示して説明したが、本発明の具体的な衛星内の内部構成は前述の実施形態、構成例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の変更があってもこの発明に含まれる。
以上説明したように、本発明によれば、衛星の内部時刻を他の時刻系統に早期に精確に同期させて、衛星内で生成する衛星送出信号に精確に反映させる人工衛星、及び人工衛星の衛星送出信号生成方法を提供できる。
また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下のようにも記載されうる。尚、以下の付記は本発明をなんら限定するものではない。
[付記1]
内部時刻の計時に少なくとも利用されるクロック信号を生成する基準クロック生成手段と、
衛星内部時刻体系の任意エポックを 指定されたシフト量でシフトするエポックシフト手段と、衛星送出信号の複数のメッセージ信号の生成開始位置を エポック単位で指定された任意のエポックにそれぞれシフトして揃えるメッセージシフト手段と、を含む、衛星内部時刻体系の時を刻むタイミングを調整するタイミング調整手段と、
前記クロック生成手段から出力されるクロック信号に基づいて生成されるエポック信号に従って内部時刻を刻む計時手段と、
前記計時手段で刻む内部時刻を、衛星内部時刻体系と他の時刻体系との時刻のオフセット値を反映させた新たな内部時刻に較正する管理手段と、
前記管理手段で較正された内部時刻の時刻情報を少なくとも何れかに含む複数のメッセージ信号を、前記タイミング調整手段で調整したエポックを基準に揃ったタイミングで生成可能に設定する衛星信号生成手段と、
を具備することを特徴とする人工衛星。
[付記2]
前記タイミング調整手段は、指定された任意のエポックタイミングで循環的に永続して生成される1ないし複数の循環型符号列をリセットする循環型符号リセット手段を更に含むことを特徴とする上記付記記載の人工衛星。
[付記3]
前記タイミング調整手段は、前記循環型符号リセット手段で前記1ないし全部の循環型符号列をリセットするタイミングを定める/受ける際に、循環型符号列のリセット位置を循環型符号列の分解能で定めて/受け付けて、チップ単位のタイミングで前記1ないし全部のメッセージ信号の生成を開始するエポックに揃えて前記1ないし全部の循環型符号列を循環型符号生成手段に再生成させる
ことを特徴とする上記付記記載の人工衛星。
[付記4]
前記管理手段は、所定時間の間、前記基準クロック生成手段が前記クロック信号を刻む時間を伸長又は短縮することで、前記計時手段で内部時刻を刻むタイミングを前記他の時刻体系で時刻を刻むタイミングに揃えることを特徴とする上記付記記載に記載の人工衛星。
[付記5]
前記管理手段は、所定時間の間、前記基準クロック生成手段が前記クロック信号を刻む時間を伸長又は短縮することで、エポックシフト手段でシフトする衛星内部時刻体系の任意エポックを、前記他の時刻体系のエポックに揃えることを特徴とする上記付記記載に記載の人工衛星。
[付記6]
前記管理手段は、所定時間の間、前記基準クロック生成手段が前記クロック信号を刻む時間を伸長又は短縮することで、前記タイミング調整手段で前記循環型符号リセット手段が循環型符号生成手段に循環型符号列を再生成させるタイミングを前記他の時刻体系で循環型符号列が生成されるタイミングに揃えることを特徴とする上記付記記載に記載の人工衛星。
[付記7]
前記管理手段は、
前記タイミング調整手段で、前記他の時刻体系のエポック及び循環型符号列の生成開始位置に、自衛星の内部時刻のエポック及び循環型符号列の生成開始位置を揃えると同時的に、
循環型符号列の分解能以下の所定時間の間、前記基準クロック生成手段が前記クロック信号を刻む時間を伸長又は短縮することで、循環型符号列のチップ以下のオフセットを調整する
ことを特徴とする上記付記記載の人工衛星。
[付記8]
測位信号生成部を有する人工衛星で、
前記人工衛星は、
地上局から、
自衛星の現在の内部時刻と 同期させる衛星測位システムのシステム時刻とのオフセット値を受け付けると共に、
自衛星の現在のエポック位置と 前記衛星測位システムのエポック位置とから定まる自エポックの同期に要するシフト量、
エポック単位で指定された複数のメッセージ信号の揃え位置、
PRNコードの分解能で指定されたPRNコードのリセット位置、
PRNコードの分解能以下でクロック信号の一部をシフトさせるオフセット操作、
をそれぞれ受け付けて、
クロック生成部で生成されるクロック信号をオフセット操作で調整すると共に、巡回するエポック周期と、巡回する各メッセージ周期と、循環する全部のPRNコードの開始位置とを調整して、前記システム時刻に同期し、
自衛星内の内部時刻を前記時刻のオフセット量を反映させた新たな内部時刻に較正し、
前記較正された新たな内部時刻に基づいた時刻情報を含む航法信号群を生成する
ことを特徴とする人工衛星。
[付記9]
測位信号受信部とPRNコード生成部を有する人工衛星で、
前記人工衛星は、
前記測位信号受信部から、同期させる衛星測位システムのシステム時刻とクロック信号を受け付け、
自衛星内の内部時刻を前記システム時刻に設定すると共に、自衛星の現在の内部時刻のエポック位置と 前記衛星測位システムのエポック位置とから定まる自エポックの同期に要するシフト量、前記衛星測位システムのエポック位置から始めるためのPRNコードのリセット位置、を定め、
巡回する内部時刻のエポック周期と、循環する全部のPRNコードの開始位置とを調整して、前記システム時刻に内部時刻のエポックを同期させると共に、 前記PRNコード生成部からPRNコードの分解能を有する時刻パルスを、衛星送出信号に含ませる時刻情報のカウントに使用する
ことを特徴とする人工衛星。
[付記10]
内部時刻の時刻情報を含む複数のメッセージ信号を生成する衛星信号生成回路を具備する人工衛星に用いられ、
人工衛星内のプロセッサを、
人工衛星内の内部時刻の計時に少なくとも利用されるクロック信号を生成する基準クロック生成回路から出力されるクロック信号に基づいて生成されるエポック信号に従って内部時刻を刻む計時回路で刻む内部時刻を、衛星内部時刻体系と他の時刻体系との時刻のオフセット値を反映させた新たな内部時刻に較正すると共に、
衛星内部時刻体系の任意エポックを 指定されたシフト量でシフトするエポックシフト回路と、衛星送出信号の複数のメッセージ信号の生成開始位置を エポック単位で指定された任意のエポックにそれぞれシフトして揃えるメッセージシフト回路と、を含む、衛星内部時刻体系の時を刻むタイミングを調整可能なタイミング調整回路に、テレメトリで指定されたシフト量で衛星内部時刻体系の任意エポックをシフトさせる指示と、テレメトリでエポック単位で指定された衛星送出信号の複数のメッセージ信号の生成開始位置を 指定された任意のエポックにそれぞれシフトして揃えさせる指示とを通知する、
管理部として動作させる、
プログラム。
[付記11]
人工衛星で、
衛星外から、衛星内部時刻体系のエポックのシフト量と、衛星内部時刻体系の他の時刻体系との時刻のオフセット値と、エポック単位で定めた複数のメッセージ信号の揃え位置と、を含むテレコマンドでそれぞれ受け付けて、
クロック生成部で生成されるクロック信号に基づいて巡回する衛星内のエポック周期と各メッセージ周期とを、前記エポックのシフト量と前記メッセージ信号の揃え位置に基づいてそれぞれ調整し、
調整したエポックを示す衛星内の内部時刻を、前記時刻のオフセット量を反映させた新たな内部時刻に較正し、
較正された新たな内部時刻に基づいた時刻情報を用いた衛星送出信号を調整したエポック及びメッセージ開始位置を基準に生成する
ことを特徴とする人工衛星の衛星送出信号生成方法。
[付記12]
衛星内のエポック周期と各メッセージ周期とをそれぞれ調整すると共に、
指定された任意のエポックタイミングで循環的に永続して生成される1ないし複数の循環型符号列をリセットする
ことを特徴とする上記付記記載の人工衛星の衛星送出信号生成方法。
[付記13]
前記1ないし全部の循環型符号列をリセットするタイミングを定める/受ける際に、循環型符号列のリセット位置を循環型符号列の分解能で定めて/受け付けて、チップ単位のタイミングで前記1ないし全部のメッセージ信号の生成を開始するエポックに揃えて前記1ないし全部の循環型符号列を生成することを特徴とする上記付記記載の人工衛星の衛星送出信号生成方法。
[付記14]
所定時間の間、刻む時間を伸長又は短縮することで、内部時刻を刻むタイミングを前記他の時刻体系で時刻を刻むタイミングに揃えることを特徴とする上記付記記載に記載の人工衛星の衛星送出信号生成方法。
[付記15]
所定時間の間、刻む時間を伸長又は短縮することで、衛星内部時刻体系の任意エポックを、前記他の時刻体系のエポックに揃えることを特徴とする上記付記記載に記載の人工衛星の衛星送出信号生成方法。
[付記16]
所定時間の間、刻む時間を伸長又は短縮することで、循環型符号列を生成させるタイミングを前記他の時刻体系で循環型符号列が生成されるタイミングに揃えることを特徴とする上記付記記載に記載の人工衛星の衛星送出信号生成方法。
[付記17]
前記他の時刻体系のエポック及び循環型符号列の生成開始位置に、自衛星の内部時刻のエポック及び循環型符号列の生成開始位置を揃えると同時的に、
循環型符号列の分解能以下の所定時間の間、刻む時間を伸長又は短縮することで、循環型符号列のチップ以下のオフセットを調整する
ことを特徴とする上記付記記載の人工衛星の衛星送出信号生成方法。
[付記18]
測位信号生成部を有する人工衛星で、
前記人工衛星は、
地上局から、
自衛星の現在の内部時刻と 同期させる衛星測位システムのシステム時刻とのオフセット値を受け付けると共に、
自衛星の現在のエポック位置と 前記衛星測位システムのエポック位置とから定まる自エポックの同期に要するシフト量、
エポック単位で指定された複数のメッセージ信号の揃え位置、
PRNコードの分解能で指定されたPRNコードのリセット位置、
PRNコードの分解能以下でクロック信号の一部をシフトさせるオフセット操作、
をそれぞれ受け付けて、
クロック生成部で生成されるクロック信号をオフセット操作で調整すると共に、巡回するエポック周期と、巡回する各メッセージ周期と、循環する全部のPRNコードの開始位置とを調整して、前記システム時刻に同期し、
自衛星内の内部時刻を前記時刻のオフセット量を反映させた新たな内部時刻に較正し、
前記較正された新たな内部時刻に基づいた時刻情報を含む航法信号群を生成する
ことを特徴とする人工衛星の衛星送出信号生成方法。
[付記19]
測位信号受信部とPRNコード生成部を有する人工衛星で、
前記人工衛星は、
前記測位信号受信部から、同期させる衛星測位システムのシステム時刻とクロック信号を受け付け、
自衛星内の内部時刻を前記システム時刻に設定すると共に、自衛星の現在の内部時刻のエポック位置と 前記衛星測位システムのエポック位置とから定まる自エポックの同期に要するシフト量、前記衛星測位システムのエポック位置から始めるためのPRNコードのリセット位置、を定め、
巡回する内部時刻のエポック周期と、循環する全部のPRNコードの開始位置とを調整して、前記システム時刻に内部時刻のエポックを同期させると共に、前記PRNコード生成部からPRNコードの分解能を有する時刻パルスを、衛星送出信号に含ませる時刻情報のカウントに使用する
ことを特徴とする人工衛星の衛星送出信号生成方法。
1,2,3 人工衛星
4 測位衛星
5 観測衛星
10,10’,10’’基準クロック生成部
11 原子時計
12 タイムキーピング回路
13 シンセサイザ
14 クロックリタイミング回路
20,20’,20’’タイミング調整部
21 エポックシフト部
22 メッセージシフト部
23 循環型符号リセット部
23’ PRNコードリセット部
24 移相計測部
30 計時部
40,40’管理部(コントローラ)
40’’ プロセッサ
50 衛星信号生成部
50’ 測位信号生成部
50’’ 観測信号生成部
51 循環型符号生成器
51’ PRNコード生成器
60 受信部
70 送信部
80 GPS受信機(測位信号受信部)

Claims (10)

  1. 内部時刻の計時に少なくとも利用されるクロック信号を生成する基準クロック生成手段と、
    衛星内部時刻体系の任意エポックを 指定されたシフト量でシフトするエポックシフト手段と、衛星送出信号の複数のメッセージ信号の生成開始位置を エポック単位で指定された任意のエポックにそれぞれシフトして揃えるメッセージシフト手段と、を含む、衛星内部時刻体系の時を刻むタイミングを調整するタイミング調整手段と、
    前記クロック生成手段から出力されるクロック信号に基づいて生成されるエポック信号に従って内部時刻を刻む計時手段と、
    前記計時手段で刻む内部時刻を、衛星内部時刻体系と他の時刻体系との時刻のオフセット値を反映させた新たな内部時刻に較正する管理手段と、
    前記管理手段で較正された内部時刻の時刻情報を少なくとも何れかに含む複数のメッセージ信号を、前記タイミング調整手段で調整したエポックを基準に揃ったタイミングで生成可能に設定する衛星信号生成手段と、
    を具備することを特徴とする人工衛星。
  2. 前記タイミング調整手段は、指定された任意のエポックタイミングで循環的に永続して生成される1ないし複数の循環型符号列をリセットする循環型符号リセット手段を更に含むことを特徴とする請求項1記載の人工衛星。
  3. 前記タイミング調整手段は、前記循環型符号リセット手段で前記1ないし全部の循環型符号列をリセットするタイミングを定める/受ける際に、循環型符号列のリセット位置を循環型符号列の分解能で定めて/受け付けて、チップ単位のタイミングで前記1ないし全部のメッセージ信号の生成を開始するエポックに揃えて前記1ないし全部の循環型符号列を循環型符号生成手段に再生成させる
    ことを特徴とする請求項2記載の人工衛星。
  4. 前記管理手段は、所定時間の間、前記基準クロック生成手段が前記クロック信号を刻む時間を伸長又は短縮することで、前記計時手段で内部時刻を刻むタイミングを前記他の時刻体系で時刻を刻むタイミングに揃えることを特徴とする請求項1ないし3の何れか一項に記載に記載の人工衛星。
  5. 前記管理手段は、所定時間の間、前記基準クロック生成手段が前記クロック信号を刻む時間を伸長又は短縮することで、エポックシフト手段でシフトする衛星内部時刻体系の任意エポックを、前記他の時刻体系のエポックに揃えることを特徴とする請求項1ないし3の何れか一項に記載に記載の人工衛星。
  6. 前記管理手段は、所定時間の間、前記基準クロック生成手段が前記クロック信号を刻む時間を伸長又は短縮することで、前記タイミング調整手段で前記循環型符号リセット手段が循環型符号生成手段に循環型符号列を再生成させるタイミングを前記他の時刻体系で循環型符号列が生成されるタイミングに揃えることを特徴とする請求項1ないし3の何れか一項に記載に記載の人工衛星。
  7. 前記管理手段は、
    前記タイミング調整手段で、前記他の時刻体系のエポック及び循環型符号列の生成開始位置に、自衛星の内部時刻のエポック及び循環型符号列の生成開始位置を揃えると同時的に、
    循環型符号列の分解能以下の所定時間の間、前記基準クロック生成手段が前記クロック信号を刻む時間を伸長又は短縮することで、循環型符号列のチップ以下のオフセットを調整する
    ことを特徴とする請求項1ないし6の何れか一項に記載の人工衛星。
  8. 測位信号生成部を有する人工衛星で、
    前記人工衛星は、
    地上局から、
    自衛星の現在の内部時刻と 同期させる衛星測位システムのシステム時刻とのオフセット値を受け付けると共に、
    自衛星の現在のエポック位置と 前記衛星測位システムのエポック位置とから定まる自エポックの同期に要するシフト量、
    エポック単位で指定された複数のメッセージ信号の揃え位置、
    PRNコードの分解能で指定されたPRNコードのリセット位置、
    PRNコードの分解能以下でクロック信号の一部をシフトさせるオフセット操作、
    をそれぞれ受け付けて、
    クロック生成部で生成されるクロック信号をオフセット操作で調整すると共に、巡回するエポック周期と、巡回する各メッセージ周期と、循環する全部のPRNコードの開始位置とを調整して、前記システム時刻に同期し、
    自衛星内の内部時刻を前記時刻のオフセット量を反映させた新たな内部時刻に較正し、
    前記較正された新たな内部時刻に基づいた時刻情報を含む航法信号群を生成する
    ことを特徴とする人工衛星。
  9. 測位信号受信部とPRNコード生成部を有する人工衛星で、
    前記人工衛星は、
    前記測位信号受信部から、同期させる衛星測位システムのシステム時刻とクロック信号を受け付け、
    自衛星内の内部時刻を前記システム時刻に設定すると共に、自衛星の現在の内部時刻のエポック位置と 前記衛星測位システムのエポック位置とから定まる自エポックの同期に要するシフト量、前記衛星測位システムのエポック位置から始めるためのPRNコードのリセット位置、を定め、
    巡回する内部時刻のエポック周期と、循環する全部のPRNコードの開始位置とを調整して、前記システム時刻に内部時刻のエポックを同期させると共に、前記PRNコード生成部からPRNコードの分解能を有する時刻パルスを、衛星送出信号に含ませる時刻情報のカウントに使用する
    ことを特徴とする人工衛星。
  10. 人工衛星で、
    衛星外から、衛星内部時刻体系のエポックのシフト量と、衛星内部時刻体系の他の時刻体系との時刻のオフセット値と、エポック単位で定めた複数のメッセージ信号の揃え位置と、を含むテレコマンドでそれぞれ受け付けて、
    クロック生成部で生成されるクロック信号に基づいて巡回する衛星内のエポック周期と各メッセージ周期とを、前記エポックのシフト量と前記メッセージ信号の揃え位置に基づいてそれぞれ調整し、
    調整したエポックを示す衛星内の内部時刻を、前記時刻のオフセット量を反映させた新たな内部時刻に較正し、
    較正された新たな内部時刻に基づいた時刻情報を用いた衛星送出信号を調整したエポック及びメッセージ開始位置を基準に生成する
    ことを特徴とする人工衛星の衛星送出信号生成方法。
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