JP2022181345A - リアルタイム動的衛星測位システム及び測位方法 - Google Patents

Abstract

【課題】初期化処理時間が短く、高フィックス率の衛星測位システムを提供する。【解決手段】リアルタイム動的衛星測位システムは、ユーザの有する移動局１０と地上に設けられた送信局２０とを有し、上空を飛行するインターネット衛星３０を利用して測位を行う。移動局１０と送信局２０と所定のインターネット衛星３０は、IPsec -VPN６０によって互いに接続されている。測位システムは、上空を飛行するGNSS衛星５０から原子時計時刻を取得する。送信局２０は、該送信局から１０ｋｍ以内の範囲にある基準局４０から取得した基準点情報と、所定のインターネット衛星３０の軌道情報から、自身の位置情報を取得する。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、リアルタイム動的衛星測位技術を用いた測位システムに関し、特に、インターネット衛星を利用した衛星測位システムに関する。

人工衛星は、高度2,000km以下の地球周回軌道を有する低地球軌道衛星、高度2,000kmから35,786kmの地球周回軌道を有する中地球軌道衛星、高度35,786kmの地球同期軌道を有する地球同期軌道衛星、高度35,786km以上の地球周回軌道を有する高地球軌道衛星に分けられる。地球同期軌道衛星のうち、赤道上空の円軌道を有するものは静止衛星と呼ばれるが、地球同期軌道衛星を単に静止衛星と呼ぶ場合もある。

中地球軌道衛星の用途として、衛星測位が挙げられる。例として、全地球測位衛星システム(GNSS: Global Navigation Satellite System)が知られている。GNSSは、米国国防総省の全地球測位システム（GPS : Global Positioning Satellite）、ロシア航空宇宙軍（ソ連）が運用しているグロナス、欧州連合が構築したガレリオ全地球航法衛星測位システム、中国の北斗衛星測位システム、インドのナブアイシー航法衛星システム等を含む。

日本の準天頂衛星システム「みちびき」は高度33,000~39,000kmの中地球軌道衛星からなる衛星測位システムである。これは、日本の略真上（準天頂）にて南北対称の８の字形を描く傾斜静止軌道を有する。日本の技術実証用衛星「きずな」は、高度36,000km、東経43度の静止軌道を有するインターネット衛星であるが、その試験は完了した。

近年、低地球軌道衛星の用途として、衛星コンステレーションを利用した衛星インターネットアクセスが知られている。衛星コンステレーションは多数の小型極軌道衛星からなり、衛星間で協働しながらインターネット回線を提供する。特に、高度約500kmの非静止衛星を利用した衛星コンステレーションを利用する衛星インターネットアクセス技術の開発が盛んである。

ＷＯ2016/147569

近年、GNSSを利用した高精度衛星測位として、リアルタイム動的GNSSが知られている。これは、GNSS衛星からの搬送波と、地上に設置した基準点の位置情報データを組み合わせることによって、ユーザの測位をリアルタイムで且つ正確に得ることができる技術である。基準点として、国土地理院の電子基準点と通信事業者等が独自に設定した基準点がある。

リアルタイム動的GNSS測位の精度に影響を与える要因として、電離層又は対流圏に起因した遅延誤差、衛星軌道誤差、衛星又は受信側に設置した精密時計の誤差に起因した時計誤差、基準点の位置の精度等がある。

従来のリアルタイム動的GNSS測位では、各種の誤差を除去するために複雑な処理を用いるため、初期化処理の時間とフィックス率が満足できる値ではなかった。

本発明の目的は、リアルタイム動的衛星測位システムにおいて、初期化処理時間が短く、高フィックス率の衛星測位システムを提供することにある。

本発明の実施形態によると、ユーザの有する移動局と地上に設けられた送信局とを有し、上空を飛行するインターネット衛星を利用して測位を行うリアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
前記送信局は、所定のインターネット衛星の軌道情報と前記送信局の位置情報と原子時計時刻とを含む送信データを含む送信データグラムを生成する送信系信号処理部と、該送信データグラムをデジタル変調して中間周波数の搬送波を生成する送信系ベースバンド部と、該中間周波数の搬送波を周波数変換して高周波の搬送波を生成する送信系フロントエンド部と、該高周波の搬送波を前記所定のインターネット衛星に向けてマルチキャストする送信系アンテナと、を有し、
前記移動局は、前記所定のインターネット衛星からマルチキャストされた高周波の搬送波を受信する受信系アンテナと、該高周波の搬送波の周波数を中間周波数に変換する受信系フロントエンド部と、該中間周波数の搬送波をデジタル復調して受信データグラムを生成する受信系ベースバンド部と、該受信データグラムから前記移動局の位置を演算する受信系信号処理部と、を有する、としてよい。

本発明の実施形態によると、前記リアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
前記受信系信号処理部は、前記受信データグラムから前記中間周波数の搬送波の位相差を演算する位相カウンタと、前記受信データグラムを入力し受信ＩＰパケットを出力する受信系ルータと、該受信ＩＰパケットをデカプセル化して前記所定のインターネット衛星の軌道情報と前記送信局の位置情報と前記原子時計時刻とを含む受信データを取り出すデカプセル化部と、前記受信データと前記受信搬送波の位相差に基づいて、前記移動局の位置を演算する測位計算部と、を有する、としてよい。

本発明の実施形態によると、前記リアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
前記送信系信号処理部は、前記送信データをカプセル化して送信ＩＰパケットを生成するカプセル化部と、前記送信ＩＰパケットを入力し前記送信データグラムを出力する送信系ルータと、を有する、としてよい。

本発明の実施形態によると、前記リアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
前記移動局と前記送信局と前記所定のインターネット衛星は、IPsec -VPNによって互いに接続されている、としてよい。

本発明の実施形態によると、前記リアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
上空を飛行するGNSS衛星から前記原子時計時刻を取得する、としてよい。

本発明の実施形態によると、前記リアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
前記所定のインターネット衛星は、少なくとも４個のインターネット衛星を含み、複数の衛星からなる衛星コンステレーションを構成する非静止低地球軌道衛星である、としてよい。

本発明の実施形態によると、前記リアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
前記デジタル変調は、２相位相偏移変調方式（BPSK）である、としてよい。

本発明の実施形態によると、前記リアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
前記送信局は、該送信局から１０ｋｍ以内の範囲にある基準局から取得した基準点情報と、前記所定のインターネット衛星の軌道情報から、自身の位置情報を取得する、としてよい。

本発明の実施形態によると、前記リアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
前記所定のインターネット衛星の軌道情報は、地球上の軌道追跡局がリアルタイムで計算した軌道情報である、としてよい。

本発明の実施形態によると、前記リアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
前記搬送波の周波数帯はＫｕ帯である、としてよい。

本発明の実施形態によると、
ユーザの有する移動局と地上に設けられた送信局とを有し、上空を飛行するインターネット衛星を利用して測位を行うリアルタイム動的衛星測位方法において、
前記送信局によって、所定のインターネット衛星の軌道情報と前記送信局の位置情報と原子時計時刻とを含む送信データを含む搬送波を生成し、該搬送波を前記所定のインターネット衛星に向けてマルチキャストするステップと、
前記所定のインターネット衛星によって、前記送信局からマルチキャストされた搬送波の周波数をアップリンク周波数からダウンリンク周波数に変換するステップと、
前記所定のインターネット衛星によって、前記ダウンリンク周波数に変換された搬送波を前記移動局にマルチキャストするステップと、
前記移動局によって、前記所定のインターネット衛星からマルチキャストされた搬送波より、前記送信局の位置情報と前記所定のインターネット衛星の軌道情報と前記原子時計時刻とを含む受信データを取り出す、ステップと、
前記移動局によって、前記所定のインターネット衛星からマルチキャストされた搬送波の位相差を演算するステップと、
前記移動局によって、前記受信データと前記搬送波の位相差から前記移動局の位置を演算するステップと、を有する、としてよい。

本発明の実施形態によると、前記測位方法において、
前記移動局と前記送信局と前記所定のインターネット衛星は、IPsec -VPNによって互いに接続されており、
前記所定のインターネット衛星は、少なくとも４個のインターネット衛星を含み、複数の衛星からなる衛星コンステレーションを構成する非静止低地球軌道衛星である、としてよい。

本発明の実施形態によると、前記測位方法において、
前記送信局によって、上空を飛行するGNSS衛星から前記原子時計時刻を取得すステップと、を有する、としてよい。

本発明の実施形態によると、前記測位方法において、
前記搬送波の周波数帯はＫｕ帯である、としてよい。

本発明によれば、リアルタイム動的衛星測位システムにおいて、初期化処理時間が短く、高フィックス率の衛星測位システムを提供することができる。

図１Ａは、本実施形態に係るリアルタイム動的衛星測位システムの構成例の概略を説明する図である。 図１Ｂは、本実施形態に係るリアルタイム動的衛星測位システムの構成例を説明する図である。 図２Ａは、本実施形態においてマルチキャストに用いる通信プロトコルの例を説明する図である。 図２Ｂは、本実施形態においてマルチキャストに用いるプロトコルデータ単位の構成の例を説明する図である。 図３は、本実施形態におけるデータのカプセル化とデカプセル化の例を説明する図である。 図４Ａは、本実施形態におけるIPv6（Internet Protocol Version 6）ヘッダのデータ構造を示す図である。 図４Ｂは、本実施形態におけるIPv6ペイロードのデータ構造を示す図である。 図５Ａは、本実施形態に係るリアルタイム動的衛星測位システムの動作の一部を説明する図である。 図５Ｂは、本実施形態に係るリアルタイム動的衛星測位システムの動作の一部を説明する図である。 図６Ａは、本実施形態に係るリアルタイム動的衛星測位システムの原理である干渉測位法における単位視線ベクトルＥと基線ベクトルＡを説明する図である。 図６Ｂは、本実施形態に係るリアルタイム動的衛星測位システムの原理である干渉測位法における整数値バイアスを説明する図である。 図７Ａは、本実施形態に係るリアルタイム動的衛星測位システムの移動局の受信系の構成例を説明する図である。 図７Ｂは、本実施形態に係るリアルタイム動的衛星測位システムの送信局（地球局）の構成例を説明する図である。 図７Ｃは、本実施形態に係るリアルタイム動的衛星測位システムのインターネット衛星の構成例を説明する図である。

以下、本発明に係る実施形態に関して、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中、同一の要素に対しては同一の参照符号を付して、重複した説明を省略する。

図１Ａを参照して本発明によるリアルタイム動的衛星測位システムの例の概略を説明する。本例の測位システムは、ユーザの有する移動局（ローバ）１０と、上空を飛行するインターネット衛星３０に向けて搬送波をマルチキャストする送信局（地球局）２０と、を有する。リアルタイム動的衛星測位法は、干渉測位法と呼ばれ、少なくとも４個のインターネット衛星３０を用いる。

インターネット衛星３０は、インターネット回線を提供する機能を有する衛星であればよく、特に限定されない。しかしながら、本実施形態において、インターネット衛星３０は、好ましくは、多数の非静止衛星からなる衛星コンステレーションを構成するものであり、低地球軌道衛星又は中地球軌道衛星であってよく、更に、好ましくは、非静止低地球軌道衛星である。

本実施形態において、インターネット衛星通信に用いられる搬送波は、マイクロ波帯の電波である。本実施形態では、Ｌ帯（１．６／１．５ＧＨｚ）、Ｓ帯（２．６／２．５ＧＨｚ）、Ｃ帯（６／４ＧＨｚ）、Ｋｕ帯（１４／１２ＧＨｚ）及びＫａ帯（３０／２０ＧＨｚ）のいずれであってもよいが、好ましくは、Ｋｕ帯（１４／１２ＧＨｚ）である。搬送波は、正弦波に航法メッセージとコード情報（Ｃ／Ａコード、Ｐコード）を乗せた変調波である。一般に、周波数が低いと伝搬損失は小さいが、広い帯域を確保することができない。一方、周波数が高いと広い帯域を確保することができるが、伝搬損失が大きい。

図１Ｂを参照して本発明によるリアルタイム動的衛星測位システムの例の構成を説明する。本実施形態によると、送信局（地球局）２０の位置を求めるために基準局４０が有する基準点を用いてもよい。以下に、基準点の位置情報を、単に基準局４０の位置情報と称する。本実施形態によると、移動局１０と送信局２０の間の距離は１０ｋｍ以下である。送信局２０と基準局４０の間の距離は１０ｋｍ以下である。即ち、送信局２０の周囲１０ｋｍ以内に移動局１０と基準局４０が存在する。更に、本実施形態によると、GNSS衛星５０が提供する原子時計時刻を用いる。基準局４０は、GNSS衛星５０から原子時計時刻を取得し、それを送信局２０に送信する。

本実施形態において、移動局１０、送信局２０及びインターネット衛星３０は、IPsec -VPN（Security Architecture for Internet Protocol-Virtual Private Network）によって互いに接続されている。移動局１０、送信局２０及びインターネット衛星３０の間のデータ送信にマルチキャストを用いる。マルチキャストは、送信者（ソース）が特定の複数の受信者に対して、１つのパケット（データ）を同時に送信する技術である。マルチキャストでは、ネットワークの分岐点に設けられたルータは、１つのパケットを複製して、多数の受信者に転送する。そのため、ネットワークを効率的に利用できる。

本発明によるリアルタイム動的衛星測位に必要な情報は、インターネット衛星３０の軌道情報、送信局２０の位置情報及び原子時計時刻の３つのデータである。以下に、この３つの情報について詳細に説明する。

先ず、インターネット衛星３０の軌道情報について説明する。軌道情報は、精度が数ｋｍ程度の「概略暦（アルマナック）」、精度が２メートル程度の「放送暦（エフェメリス」、精度が１０ｃｍ以下の「精密暦」を含む。

「概略暦」と「放送暦」は、インターネット衛星３０から送信される航法メッセージに含まれる軌道情報である。移動局１０及び送信局２０は、IPsec-VPNを介して、インターネット衛星３０の航法メッセージを取得する。

「精密暦」は、地球上の軌道追跡局において観測信号に基づいて計算された軌道情報である。例として、国際ＧＰＳサービスが提供するＩＰＧ暦がある。ＩＰＧ暦は、超速報暦、速報暦、最終暦等の複数の暦を含む。これらの暦は、リアルタイムで得られるが精度がやや低いものと高精度であるが入手は数日後のものとがある。

軌道情報は、高精度であり且つリアルタイムで得られることが好ましい。このような条件を満たすなら、「放送暦」であってもよいが、「精密暦」であってもよい。本実施形態では、インターネット衛星３０から直接得られた軌道情報を用いてもよいが、地上局から得られた軌道情報を用いてもよい。

衛星の軌道は、地球重心系の三次元座標で表された衛星の位置座標によって表される。地球重心系は、地球の重心を原点とする三次元直交座標系である。地球重心系として、国際地球回転観測事業が構築している国際地球基準座標系が知られている。

次に、送信局２０の位置情報を説明する。本実施形態では、送信局２０は自己の正確な且つ最新の位置情報を保持している。送信局２０は、自己の位置情報を独自に入手してもよいが、基準局４０から入手した基準点の位置情報に基づいて送信局２０の位置情報を取得してもよい。上述のように、移動局１０及び基準局４０は、送信局２０から１０ｋｍ以内にある。

日本国内における基準点は、日本の国土地理院によって設置された全国で1300以上の電子基準点であってもよいが、通信会社等が独自に設置した基準点であってもよい。北米では、アメリカ国家地理空間情報局によるWGS84（World Geodetic System, 1984）により得られる。欧州では、欧州測地データ（European Datum 1950）により得られる。

最後に原子時計時刻を説明する。GNSS衛星５０は、所定の時間間隔にて原子時計時刻をブロードキャストする。GNSS衛星５０は、原子時計時刻を提供する中地球軌道衛星であればどのようなものであってもよいが、例えば、全地球測位システム（GPS）、グロナス、ガレリオ全地球航法衛星測位システム、北斗衛星測位システム、ナブアイシー航法衛星システム等による衛星であってもよい。原子時計時刻は、国際原子時を基準とするセシウム原子時計によって得られた時刻であってもよい。

本実施形態の測位システムは、GNSS衛星５０が提供する原子時計時刻を用いる。本実施形態では、移動局１０、送信局２０及び基準局４０は、同期した即ち同一の原子時計時刻を有する。従って、移動局１０、送信局２０及び基準局４０が異なる原子時計時刻を有することに起因する原子時計誤差を排除することができる。

例えば、基準局４０はGNSS衛星５０から取得した原子時計時刻を送信局２０に送信する。送信局２０は、インターネット衛星３０を介して移動局１０に原子時計時刻を送信する。基準局４０がGNSS衛星５０から原子時計時刻を受信する代わりに、送信局２０がGNSS衛星５０から原子時計時刻を受信してもよい。この場合には、基準局４０が送信局２０に原子時計時刻を送信する処理は不要である。

図２Ａを参照して、本実施形態においてマルチキャストに用いる通信プロトコルの例を説明する。アプリケーション層のプロトコルとしてDNS（Domain Name System）、NTP（Network Time Protocol）、SNMP（Simple Network Management Protocol）等が用いられてよい。アプリケーション層のプロトコルデータ単位は、メッセージと呼ばれることがある。トランスポート層のプロトコルとして、UDP（User Datagram Protocol）を用いる。トランスポート層のプロトコルデータ単位は、通常、セグメントと呼ばれるが、UDPでは、データグラム又はUDPパケットと呼ばれる。

インターネット層のプロトコルとして、IPv6及びIPsec（Security Architecture for Internet Protocol）を用いる。インターネット層のプロトコルデータ単位は、単にパケット又はIPパケットと呼ばれる。IPsecは、インターネット層の暗号化プロトコルであるため、それより上位のトランスポート層やアプリケーション層のプロトコルにて暗号化されていない場合でも、パケットの秘匿化が実現できる。ネットワークアクセス層のプロトコルとしてイーサーネットを用いてもよい。ネットワークアクセス層のプロトコルデータ単位はフレームと呼ばれる。尚、イーサネットを使ってIPパケットを伝送する方式は、IPoE（IP over Ethernet）と呼ばれる。

マルチキャストは、１つの宛先アドレスを指定するだけで、「マルチキャストグループ」に属する複数の相手に同時に１つのデータを送信する通信方法である。マルチキャストグループ管理プロトコルとして、IPv4（Internet Protocol Version 4）では、IGMP （Internet Group Management Protocol）が用いられるが、IPv6では、MLD（Multicast Listener Discovery）を用いる。MLDは、IPv6において、マルチキャストグループへの参加者を管理するプロトコルであり、マルチキャストの受信者（リスナ）を探索する機能を有する。

本実施形態によると、IPsec-VPNを形成する。IPsec-VPNは、IPsecを用いる仮想的プライベートネットワークである。従って、インターネットなどの公衆網を利用する場合でも、IPsecを実装することにより、安全なネットワーク通信網を実現できる。IPsecは、認証ヘッダー（AH：Authentication Header）、セキュリティペイロードのカプセル化（ESP： Encapsulation Security Payload）及び鍵交換プロトコル（IKE Internet Key Exchange）を含む。

図２Ｂを参照して、本実施形態におけるプロトコルデータ単位の構成の例を説明する。データグラムは、アプリケーション層のデータにUDPヘッダを付加することにより生成される。パケットは、データグラムにIPヘッダを付加することにより生成される。IPヘッダはIPアドレスを含む。フレームは、パケットにフレームヘッダ及びFCS（Frame Check Sequence）を付加することにより生成される。尚、イーサーネットでは、フレームヘッダはMAC（Media Access Control）アドレスを含む。

図３を参照して、本実施形態におけるデータのカプセル化とデカプセル化の例を説明する。送信データ３０１からデータグラム３０２が生成され、データグラム３０２からパケット３０３が生成され、パケット３０３からフレーム３０４が生成される。このような各処理をカプセル化と言う。逆に、フレーム３０４からパケット３０３が取り出され、パケット３０３からデータグラム３０２が取り出され、データグラム３０２からデータ３０１が取り出される。このような各処理をデカプセル化と言う。

図４Ａを参照して、本実施形態におけるIPv6 パケットのヘッダのデータ構造を説明する。ＩＰパケットのヘッダは、ルータによって読み取られ、経路選択又はパケットの選別に用いられる。IPv6パケットのヘッダは40 byteの固定長である。「バージョン」は、IPのバージョン６を表す。「トラフィッククラス」は、IPv6パケットのクラスの違いや、優先度を識別する。「フローラベル」は、リアルタイムで送信する音声データや動画データを識別する。「ペイロード長」は、データと拡張ヘッダの合計バイト数を示す。「ネクストヘッダ」は、IPv6ヘッダの後ろに続く情報の種類を表すプロトコル番号である。「ホップリミット」は、通過可能なルータの最大数を制限する。ルータを１つ通過するたびに１ずつ減算される。0になるとパケットは破棄され、送信元に対してホップリミット超過が返信される。「送信元アドレス」は送信元のIPアドレス、「宛先アドレス」は宛先のIPアドレスである。

図４Ｂを参照して、本実施形態におけるIPv6 パケットのペイロードのデータ構造を説明する。ペイロードは拡張ヘッダとデータからなる。AH（Authentication Header）はデータの認証機能及びパケットの送信元の認証を行う。ESP（Encapsulation Security Payload）は、データの認証機能、パケットの送信元の認証及び暗号化機能を有する。

データは、インターネット衛星３０の軌道情報、送信局２０の位置情報、原子時計時刻及びIKE（Internet Key Exchange）を含む。IKEは、鍵情報の交換を安全に行う鍵交換プロトコルである。尚、AH、ESP及びIKEはIPsecのプロトコルである。

図５Ａ及び図５Ｂを参照して本発明によるリアルタイム測位システムの動作の例を説明する。尚、移動局１０、送信局２０、インターネット（IN）衛星３０、基準局４０及びGNSS衛星５０に付された縦軸は処理の順番を示すものであり、必ずしも時間を表すものではない。例えば、基準局４０における処理と送信局２０における処理とは、独立的に実行されてよい。また、インターネット衛星３０における処理は、基準局４０及び移動局１０における処理とは独立に実行されてよい。

図５Ａに示すように、移動局１０、送信局２０及び少なくとも４個のインターネット（IN）衛星３０は、IPsec-VPNによって接続されている。送信局２０と基準局４０はインターネット等の通信網によって相互に接続されている。ステップＳ１０１にて、送信局２０は自己の正確な且つ最新の位置情報を取得する。送信局２０は、自己の位置情報を独自に入手してもよいが、基準局４０から入手した基準点の位置情報に基づいて自己の位置情報を取得してもよい。ステップＳ１０２及びステップＳ１０３にて、移動局１０及び送信局２０は、IPsec-VPNを介してインターネット衛星３０の軌道情報を取得する。移動局１０は、軌道情報から、上空を飛行している多数のインターネット衛星３０より、ユーザの測位に好適なインターネット衛星３０を選定する。

ステップＳ１０４にて、移動局１０は測位要求信号を生成し、それをカプセル化する。測位要求信号は、移動局１０の識別番号及びパスワードを含んでよい。移動局１０は、このカプセル化した測位要求信号を正弦波に組み込んで搬送波を生成する。ステップＳ１０５にて、移動局１０は、少なくとも４個のインターネット衛星３０に向けて搬送波をマルチキャストする。ステップＳ１０６にて、各インターネット衛星３０は、搬送波の周波数をアップリンク周波数からダウンリンク周波数に変換する。例えば、搬送波として、Ｋｕ帯（１４／１２ＧＨｚ）を用いる場合、各インターネット衛星３０は、周波数を１４ＧＨｚから１２ＧＨｚに変換する。

ステップＳ１０７にて、各インターネット衛星３０は搬送波をマルチキャストする。ステップＳ１０８にて、送信局２０は、搬送波を受信し、デカプセル化し、測位要求信号を取り出す。ステップＳ１０９にて、送信局２０は、測位要求信号を基準局４０に送信する。送信局２０から基準局４０への送信は、既存のインターネットを用いてもよい。

基準局４０は、GNSS衛星５０の軌道情報を予め取得している。従って、基準局４０は、上空を飛行している複数のGNSS衛星５０より、原子時計時刻を受信するのに好適なGNSS衛星５０を予め選定している。ステップＳ１１０にて、基準局４０は、GNSS衛星５０から原子時計時刻を取得する。ステップＳ１１１にて、基準局４０は、送信局２０に、原子時計時刻を送信する。

図５Ｂに示すように、ステップＳ１１２にて、送信局２０は、各インターネット衛星３０の軌道情報、送信局２０の位置情報及びGNSS衛星５０から得られた原子時計時刻を含む送信データを生成する。ステップＳ１１３にて、送信局２０は送信データをカプセル化する。送信局２０は、このカプセル化した送信データを正弦波に組み込んで搬送波を生成する。ステップＳ１１４にて、送信局２０は、少なくとも４個のインターネット衛星３０に向けて搬送波をマルチキャストする。

ステップＳ１１５にて、各インターネット衛星３０は、搬送波の周波数をアップリンク周波数からダウンリンク周波数に変換する。例えば、搬送波として、Ｋｕ帯（１４／１２ＧＨｚ）を用いる場合、各インターネット衛星３０は、周波数を１４ＧＨｚから１２ＧＨｚに変換する。ステップＳ１１６にて、各インターネット衛星３０は搬送波をマルチキャストする。ステップＳ１１７にて、移動局１０は、搬送波を受信し、デカプセル化し、受信データを取り出す。この受信データは、各インターネット衛星３０の軌道情報、送信局２０の位置情報及び原子時計時刻を含む。

ステップＳ１１８にて、移動局１０は、搬送波の位相差を演算する。ステップＳ１１９にて、移動局１０は、送信局２０と移動局１０の間の相対的位置を演算し、自身の現在位置をリアルタイムで取得する。

図６Ａ及び図６Ｂを参照して本実施形態によるリアルタイム測位システムによる干渉測位法の原理を説明する。図６Ａに示すように、送信局２０の位置を基準点Ｏとし、移動局１０の位置をＰとし、インターネット衛星３０の位置をＳとする。上述のように、干渉位相法では少なくとも４個のインターネット衛星３０を用いるが、ここではそのうちの１個のみを示す。

基準点Ｏから、移動局１０の位置Ｐまでの直線距離をＬとし、基準点Ｏを始点とし、移動局１０の位置Ｐを終点とするベクトルを基線ベクトルＡとする。基準点Ｏを始点とし、インターネット衛星３０の位置Ｓに向けた単位ベクトルを単位視線ベクトルＥとする。単位視線ベクトルＥと基線ベクトルＡのなす角をθとする。尚、インターネット衛星３０の位置Ｓは、実際にはインターネット衛星３０に設けられたアンテナの位置である。移動局１０の位置Ｐは、実際には移動局１０に設けられたアンテナの位置である。

インターネット衛星３０の位置Ｓから基準点Ｏまでの距離をＤ１、インターネット衛星３０の位置Ｓから移動局１０の位置Ｐまでの距離をＤ２とする。行路差をδＤとする。

δＤ＝Ｄ２－Ｄ１ 式１

基準点Ｏの３次元位置座標（ｘ、ｙ、ｚ）は、送信局２０が予め取得している。インターネット衛星３０の３次元位置座標は、軌道情報から得られる。即ち、距離Ｄ１は基準点Ｏとインターネット衛星３０の位置Ｓから計算により求められる。従って、行路差δＤが得られれば、距離Ｄ２が得られる。移動局１０の位置Ｐは、インターネット衛星３０の位置Ｓを中心とする半径Ｄ２の球面上にある。４個のインターネット衛星３０の位置Ｓを中心とする半径Ｄ２の球面の交点が移動局１０の位置Ｐである。従って、連立方程式を解くことによって、移動局１０の位置Ｐが得られる。

図６Ｂに示すように、行路差δＤは正弦波の波長λと波数（Ｎ+Φ）の積で表される。

δＤ＝（Ｎ+Φ）λ 式２

Ｎは波数の整数部、Φは波数の小数部である。波数の小数部Φは、０より大きく１より小さい。波数の整数部Ｎは、整数値バイアス、又は、整数値アンビギュイティと呼ばれる。整数値バイアスを確定させる工程を初期化処理という。波数の実数値（整数値と小数部の和）はフロート解、波数の整数値部分、即ち、整数値バイアスはフィックス解と呼ばれる。フィックス解が得られるまでの時間は初期化時間と呼ばれる。

干渉測位法では、「波数」の代わりに「位相」を用いる。一般に、正弦波の位相の単位として、角度（０～３６０度）、又は、ラジアン（０～２π）が用いられるが、干渉測位法では、サイクル（０～１）が使われる。例えば、搬送波の位相差が５．２のとき、整数値バイアスは５、小数部は０．２である。

移動局１０及び送信局２０によって受信される搬送波には、電離層遅延及び対流圏遅延に起因した誤差が含まれる。しかしながら、インターネット衛星３０から移動局１０までの経路と、インターネット衛星３０から送信局２０までの経路は略同一であるため、２つの搬送波に含まれる電離層遅延及び対流圏遅延は同一であると見做してもよい。従って、これらの遅延量は、行路差δＤを求める式１における引き算によって消去される。

ここでは、送信局２０の位置を基準点Ｏとして、移動局１０の位置座標を求めた。そこで、基準局４０の位置を基準点Ｏとした場合には、送信局２０の位置を求めることができる。

図７Ａを参照して本実施形態による移動局１０の受信系の構成例を説明する。移動局１０の受信系は、アンテナ１０１、フロントエンド部１２、ベースバンド部１４及び信号処理部１６を含む。アンテナ１０１は、インターネット衛星３０からマルチキャストされた搬送波を受信する。フロントエンド部１２は、アンテナ１０１によって受信した高周波の搬送波より中間周波数の搬送波を生成する。ベースバンド部１４は、中間周波数の搬送波をデジタル復調し、ＵＤＰパケットであるデータグラムを生成する。信号処理部１６は、データグラムより測位データ、即ち、移動局１０の位置を生成する。

フロントエンド部１２は、低雑音増幅器１０２及び周波数変換器１０３を含む。低雑音増幅器１０２は、微弱な高周波の搬送波を低雑音で増幅する。周波数変換器１０３は、高周波の搬送波を中間周波数の搬送波に変換する。この中間周波数の搬送波は、ビート信号と呼ばれることがある。ベースバンド部１４は、復調器（モデム）１０４及び相関器（図示なし）を含む。復調器１０４は、中間周波数の搬送波をデジタル復調し、デジタル受信信号、即ち、データグラムを生成する。

信号処理部１６は、ルータ１０５、デカプセル化部１０６、位相カウンタ１０７及び測位計算部１０８を含む。ルータ１０５は、インターネット層における経路選択又はパケットの選別を行う機能を有する。図４Ａを参照して説明したように、ＩＰパケットのヘッダは、送信元アドレス、宛先アドレス等を含む。ルータ１０５は、宛先アドレスが不適当であると判定すると、パケットを破棄し、その旨を送信元アドレスに通知する。

ルータ１０５は、ベースバンド部１４からのデータグラムを入力し、ＩＰパケットを出力する。デカプセル化部１０６は、ルータ１０５を経由したＩＰパケットをデカプセル化し、受信データを取り出す。この受信データは、インターネット衛星３０の軌道情報、送信局２０の位置情報及び原子時計時刻を含む。位相カウンタ１０７は、ベースバンド部１４からデータグラムを入力し、搬送波の位相差を計数する。測位計算部１０８は、搬送波の位相差と受信データより、移動局１０の位置情報を計算する。

図７Ａは移動局１０の受信系の構成例を示したが、基準局４０の受信系も同様な構成であってもよい。

図７Ｂを参照して本実施形態による送信局（地球局）の構成例について説明する。送信局２０は、アンテナ２０１、フロントエンド部２２、ベースバンド部２４及び信号処理部２６を含む。アンテナ２０１は、インターネット衛星３０に向けて搬送波をマルチキャストする。フロントエンド部２２は、中間周波数の搬送波から高周波の搬送波を生成する。ベースバンド部２４は、送信データグラムをデジタル変調して中間周波数の搬送波を生成する。信号処理部２６は、送信データを含むデータグラムを生成する。この送信データは、インターネット衛星３０の軌道情報、送信局２０の位置情報及び原子時計時刻を含む。

フロントエンド部２２は、電力増幅器２０２及び周波数変換器２０３を含む。電力増幅器２０２は、高周波の搬送波を数百ワットレベルの高電力に増幅する。周波数変換器２０３は、中間周波数の搬送波を高周波の搬送波に変換する。ベースバンド部２４は変調器（モデム）２０４を含む。変調器２０４は、データグラムを中間周波数の搬送波にデジタル変調する。本実施形態では、デジタル変調方式は、位相偏移変調方式であればどのような方式であってもよいが、好ましくは、２相位相偏移変調方式（BPSK：Binary Phase Shift Keying)であってもよい。

信号処理部２６は、ルータ２０５及びカプセル化部２０６を含む。ルータ２０５は、ＩＰパケットを入力し、データグラムを出力する。ルータ２０５は、ＩＰパケットのヘッダを参照し、経路選択と転送の可否を判定する。カプセル化部２０６は送信データをカプセル化し、ＩＰパケットを生成する。送信データは、インターネット衛星３０の軌道情報、送信局２０の位置情報及び原子時計時刻を含む。

図７Ｃを参照して本実施形態によるインターネット衛星３０の構成例について説明する。インターネット衛星３０は、アンテナ３０１Ａ、３０１Ｂ、分波器３０２、複数の中継器３１、姿勢センサ（スタートラッカ）等を有する。各中継器３１は、低雑音増幅器３０３、周波数変換器３０４、電力増幅器３０５、ルータ３０６を有する。ここでは受信アンテナ３０１Ａと送信アンテナ３０１Ｂを設けるが、受信用と送信用を兼用した１つのアンテナを用いてもよい。

分波器３０２は、受信アンテナ３０１Ａによって受信した搬送波を、周波数毎に分波し、周波数毎の中継器に分配する。低雑音増幅器３０３は、微弱な搬送波を低雑音で増幅する。周波数変換器３０４は、搬送波の周波数をアップリンク周波数からダウンリンク周波数に変換する。例えば、搬送波として、Ｋｕ帯（１４／１２ＧＨｚ）を用いる場合、周波数変換器３０４は、周波数を１４ＧＨｚから１２ＧＨｚに変換する。電力増幅器３０５は、搬送波の電力を増幅する。通常、衛星の出力電力は数十ワットから数百ワットである。尚、周波数変換器３０４と電力増幅器３０５の間に帯域フィルターを設けてもよい。電力増幅器３０５からの搬送波は、ルータ３０６を介して、分波器３０２に送信される。搬送波は、送信アンテナ３０１Ｂを介してブロードキャストされる。

以上、本実施形態に係る測位システムについて説明したが、これらは例示であって、本発明の範囲を制限するものではない。当業者が、本実施形態に対して容易になしえる追加・削除・変更・改良等は、本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の記載によって定められる。

１０…移動局（ローバ）、１２…フロントエンド部、１４…ベースバンド部、１６…信号処理部、２０…送信局（地球局）、２２…フロントエンド部、２４…ベースバンド部、２６…信号処理部、３０…インターネット（ＩＮ）衛星、３１…中継器、４０…基準局、５０…GNSS衛星、６０…IPsec-VPN
１０１…アンテナ、１０２…低雑音増幅器、１０３…周波数変換器、１０４…復調器（モデム）、１０５…ルータ、１０６…デカプセル化部、１０７…位相カウンタ、１０８…測位計算部、
２０１…アンテナ、２０２…電力増幅器、２０３…周波数変換器、２０４…変調器（モデム）、２０５…ルータ、２０６…カプセル化部、
３０１Ａ、３０１Ｂ…アンテナ、３０２…分波器、３０３…低雑音増幅器、３０４…周波数変換器、３０５…電力増幅器、３０６…ルータ、

本発明の実施形態によると、前記リアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
前記デジタル変調は、２位相偏移変調方式（BPSK）である、としてよい。

フロントエンド部２２は、電力増幅器２０２及び周波数変換器２０３を含む。電力増幅器２０２は、高周波の搬送波を数百ワットレベルの高電力に増幅する。周波数変換器２０３は、中間周波数の搬送波を高周波の搬送波に変換する。ベースバンド部２４は変調器（モデム）２０４を含む。変調器２０４は、データグラムを中間周波数の搬送波にデジタル変調する。本実施形態では、デジタル変調方式は、位相偏移変調方式であればどのような方式であってもよいが、好ましくは、２位相偏移変調方式（BPSK：Binary Phase Shift Keying)であってもよい。

Claims (14)

1. ユーザの有する移動局と地上に設けられた送信局とを有し、上空を飛行するインターネット衛星を利用して測位を行うリアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
   前記送信局は、所定のインターネット衛星の軌道情報と前記送信局の位置情報と原子時計時刻とを含む送信データを含む送信データグラムを生成する送信系信号処理部と、該送信データグラムをデジタル変調して中間周波数の搬送波を生成する送信系ベースバンド部と、該中間周波数の搬送波を周波数変換して高周波の搬送波を生成する送信系フロントエンド部と、該高周波の搬送波を前記所定のインターネット衛星に向けてマルチキャストする送信系アンテナと、を有し、
   前記移動局は、前記所定のインターネット衛星からマルチキャストされた高周波の搬送波を受信する受信系アンテナと、該高周波の搬送波の周波数を中間周波数に変換する受信系フロントエンド部と、該中間周波数の搬送波をデジタル復調して受信データグラムを生成する受信系ベースバンド部と、該受信データグラムから前記移動局の位置を演算する受信系信号処理部と、
   を有するリアルタイム動的衛星測位システム。
2. 請求項１記載のリアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
   前記受信系信号処理部は、前記受信データグラムから前記中間周波数の搬送波の位相差を演算する位相カウンタと、前記受信データグラムを入力し受信ＩＰパケットを出力する受信系ルータと、該受信ＩＰパケットをデカプセル化して前記所定のインターネット衛星の軌道情報と前記送信局の位置情報と前記原子時計時刻とを含む受信データを取り出すデカプセル化部と、前記受信データと前記受信搬送波の位相差に基づいて、前記移動局の位置を演算する測位計算部と、を有するリアルタイム動的衛星測位システム。
3. 請求項１記載のリアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
   前記送信系信号処理部は、前記送信データをカプセル化して送信ＩＰパケットを生成するカプセル化部と、前記送信ＩＰパケットを入力し前記送信データグラムを出力する送信系ルータと、を有するリアルタイム動的衛星測位システム。
4. 請求項１記載のリアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
   前記移動局と前記送信局と前記所定のインターネット衛星は、IPsec -VPNによって互いに接続されている、リアルタイム動的衛星測位システム。
5. 請求項１記載のリアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
   上空を飛行するGNSS衛星から前記原子時計時刻を取得する、リアルタイム動的衛星測位システム。
6. 請求項１記載のリアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
   前記所定のインターネット衛星は、少なくとも４個のインターネット衛星を含み、複数の衛星からなる衛星コンステレーションを構成する非静止低地球軌道衛星である、リアルタイム動的衛星測位システム。
7. 請求項１記載のリアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
   前記デジタル変調は、２相位相偏移変調方式（BPSK）である、リアルタイム動的衛星測位システム。
8. 請求項１記載のリアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
   前記送信局は、該送信局から１０ｋｍ以内の範囲にある基準局から取得した基準点情報と、前記所定のインターネット衛星の軌道情報から、自身の位置情報を取得する、リアルタイム動的衛星測位システム。
9. 請求項１記載のリアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
   前記所定のインターネット衛星の軌道情報は、地球上の軌道追跡局がリアルタイムで計算した軌道情報である、リアルタイム動的衛星測位システム。
10. 請求項１記載のリアルタイム動的衛星測位システムにおいて、
    前記搬送波の周波数帯はＫｕ帯である、リアルタイム動的衛星測位システム。
11. ユーザの有する移動局と地上に設けられた送信局とを有し、上空を飛行するインターネット衛星を利用して測位を行うリアルタイム動的衛星測位方法において、
    前記送信局によって、所定のインターネット衛星の軌道情報と前記送信局の位置情報と原子時計時刻とを含む送信データを含む搬送波を生成し、該搬送波を前記所定のインターネット衛星に向けてマルチキャストするステップと、
    前記所定のインターネット衛星によって、前記送信局からマルチキャストされた搬送波の周波数をアップリンク周波数からダウンリンク周波数に変換するステップと、
    前記所定のインターネット衛星によって、前記ダウンリンク周波数に変換された搬送波を前記移動局にマルチキャストするステップと、
    前記移動局によって、前記所定のインターネット衛星からマルチキャストされた搬送波より、前記送信局の位置情報と前記所定のインターネット衛星の軌道情報と前記原子時計時刻とを含む受信データを取り出す、ステップと、
    前記移動局によって、前記所定のインターネット衛星からマルチキャストされた搬送波の位相差を演算するステップと、
    前記移動局によって、前記受信データと前記搬送波の位相差から前記移動局の位置を演算するステップと、
    を有する、測位方法。
12. 請求項１１記載の測位方法において、
    前記移動局と前記送信局と前記所定のインターネット衛星は、IPsec -VPNによって互いに接続されており、
    前記所定のインターネット衛星は、少なくとも４個のインターネット衛星を含み、複数の衛星からなる衛星コンステレーションを構成する非静止低地球軌道衛星である、測位方法。
13. 請求項１１記載の測位方法において、
    前記送信局によって、上空を飛行するGNSS衛星から前記原子時計時刻を取得するステップと、
    を有する、測位方法。
14. 請求項１１記載の測位方法において、
    前記搬送波の周波数帯はＫｕ帯である、測位方法。

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