JP2903052B2 - 地表上にいる利用者の位置決めの装置と方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の背景〕 本発明の利用分野：− 本発明は、広くは無線位置決めおよび無線交信システ
ムに関するものであり、特に既知の位置にある人工衛星
をレンジング信号およびメッセージ信号用の中継局とし
て使用する無線位置決めおよびメッセージ伝達システム
に関するものである。 先行技術の説明：− 本発明は、1982年11月16日付けで、ジー・ケー・オニ
ール（G.K.O'Neill）に特許された米国特許第4,359,733
号の明細書に開示されている衛星利用位置決めシステム
の発展改良型である。先行システムの場合、受信した一
般質問信号に応じて特定の符号化ビーコンまたは応答信
号を送信するためのトランスポンダを、利用者ビークル
に搭載する。ビークル搭載トランスポンダで作られた応
答信号を受信し再送信するため、リピータを搭載した３
個の衛星を、地球上の軌道に沿って隔置する。地上局
は、定期的に一般質問信号を送信するとともに、利用者
ビークルの瞬間的位置を求めるべく３個の衛星から再送
信される応答信号を受信しこれを処理する。 地上局において信号が重複し設備能力が飽和状態にな
るのを避けるため、米国特許第4,359,733号明細書の各
ビークルトランスポンダには、最初の一般質問信号に対
して当該トランスポンダが応答してから所定の時間中は
後続の一般質問信号に対してトランスポンダが応答する
のを抑止するように、一般質問信号に作用する手段を講
じておく。このようにすれば、受信局における信号重複
を軽減させるために従来必要とされてきた種々の複雑な
技法、たとえば個々のトランスポンダを明確にアドレス
すること、時間スロットを設けてポーリングすること、
多重周波数を利用すること等を避けることが可能であ
る。さらに、抑止時間の長さを変えることにより、地上
局における実際の質問率を変更せずに、異なったクラス
の利用者に対し、あるいは必要な期間が異なれば同一の
利用者に対しても、有効応答率を調整することができ
る。 米国特許第4,359,733号明細書に開示したシステム
は、３個の衛星から受信した応答信号の到達時刻を、地
上局からの質問信号の既知の送信時刻と比較測定するこ
とによって、利用者の位置を求めるものである。３個の
時間差によって３元連立方程式の解に必要な未知数が得
られ、連立方程式が同時に解かれて、利用者の３次元位
置が求まる。これは、利用者ビークルが航空機である場
合、特に有効である。すなわち、求むべき航空機の高度
が、搭載高度計によらず、その緯度および経度から直接
求められるからである。これと比較し、地上基地のレー
ダシステムでは、極めて雑な高度しか求められず、正確
な高度情報を知るためには航空機に搭載した復号化高度
計に頼らざるをえない。 完全な３次元位置情報が得られるという観点からすれ
ば、３個の衛星を使うシステムが望ましいわけである
が、衛星を軌道上に仕上げその機能を維持するのに要す
る多額の費用から見ると、より少ない衛星で間に合わな
いかどうかは、考慮に値することである。たとえば、衛
星が２個のシステムでは、衛星１個分の費用が節減され
るとともに、３衛星システム中の１個が故障したような
場合に備えて代替機能を果す補助セットとしても有効で
ある。２個の衛星による位置決めシステムもすでに先行
技術として提案されたこともあるが、従来のシステムは
一般に位置座標のひとつを知るのにビークル自体に搭載
した計器の使用に依存するタイプであった。航空機の場
合を例にとれば、高さの座標を高度計によって求め、こ
れを衛星から得られる位置情報と組合せた上で、完全な
位置決めを行なうのである。不都合なことに、この位置
計算法は、高度計の精度に対する依存度が大きいが、こ
の精度は気圧の変動、調整ミスその他の要因で影響され
やすい。 地表に居る利用者たとえば自動車、列車、船舶、歩行
者等の場合は、高度座標を計算する必要がないので、あ
る程度事情は簡単である。このようなクラスの利用者に
対しては、地球が完全な球体もう少し正確に言えば完全
な楕円体であるとの前提に立てば、衛星２個のシステム
でも、近似的な２次元位置決定（すなわち緯度および経
度）を行ないうる。この前提条件は、粗雑なあるいは近
似的な位置決定で十分な場合には有効であるが、局地的
な地勢状態が考慮されていないから、精密な位置測定に
は不適当である。地球表面上の局地的標高差は、数千フ
ートにも達することがあり、この差は地表に居る利用者
の水平方向の位置計算にも相当の誤算をもたらす。 ［発明の概要］ 本発明は、非常に正確な位置情報を生成すべく、２個
の衛星と蓄積地勢図とを組合せて用いる、衛星利用によ
る位置決めおよびメッセージ伝達システムを提供するも
のである。本システムは、特に地表に居り利用者に用い
られるが、特定の条件下では非地表利用者にも拡大適用
しうるものである。本発明の目的は、従来の技術では少
なくとも３個の衛星が利用者の３次元の位置決めのため
に必要であったものを、地表上にいる利用者の３次元の
位置決めのために必要な使用衛星の数を低減可能にす
る、地表上にいる利用者の位置決めの装置と方法を提供
することにある。 本発明に係るシステムは、質問信号を受信し該質問信
号に応じて応答信号を送信するための利用者が携帯する
トランシーバと、地球上の軌道に沿い互いに隔置され、
かつそれぞれが利用者携帯トランシーバから送られる応
答信号を受信し再送信するための反復手段を備えた２個
の衛星と、質問信号を周期的に送信しかつ２個の衛星か
ら再送信された応答信号を受信し処理するための地上局
とを備える。前記地上局は、地上局への再送信応答信号
の到達時刻と、地上局からの質問信号の送信時刻と地球
表面上の利用者の標高とに基づいて利用者の位置を計算
するための手段を含む。前記標高は、地球表面上の多数
の地点における局地標高データを蓄積した地勢図から求
められる。蓄積地勢図を使用するがために、局地的な姿
勢と、地球表面の球面もしくは楕円体モデルとの偏差に
関係なく、地表に居る利用者に対して正確な位置決めを
行なうことができる。 本発明のシステムは、既知の位置に配した１個以上の
“水準基標”となるべきトランシーバと関連させて使用
した場合、特に有効である。これら水準基標トランシー
バは、地上局に蓄積すべき地勢図データを生成するのに
使われ、また衛星のドリフト、変化する電離層遅れ等を
補償してシステムを定期的に補正するのにも利用され
る。 地表に居る利用者に対し正確な位置情報を提供するこ
とのほかに、本発明は着陸する航空機の正確な進入誘導
をも行ないうるものである。 ［好適な実施例の説明］ 総論：− 本発明に関する種々の目的、利点および新規な特徴
は、添付図面を参照し、以下に述べる実施例の説明によ
って容易に理解できるであろう。 すべての図面を通し、同様な部品には同じ参照番号ま
たは記号を付けてある。 本発明に係る好適な実施例においては、リピータを搭
載した２個の衛星を地球上の静止赤道軌道上に配置し、
各衛星はこの軌道上の異なった経度位置に離しておく。
このような配置を第１図に示す。２個の衛星には、それ
ぞれS1およびS2の記号を付けてある。本発明の場合、衛
星S1およびS2が静止軌道上にある必要はなく、与えられ
た任意の時間に衛星の位置を容易に探知できれば、近似
同期軌道、同期軌道、楕円軌道、傾斜軌道その他どのよ
うなタイプの軌道上にあってもよい。しかしながら、解
析を簡単にするためと、単一の固定地上局に関して本発
明の作用を述べるため、以下の説明では、第１図の一般
的配置図において、衛星S1およびS2はともに地球の周り
の静止軌道上にあるものと仮定する。 さらに、第１図を参照し、地上局GSは、一連のビット
から成る質問信号を周期的に送信する。以下これを質問
パルスグループ（IPG）と称する。本発明の好適な実施
例として、IPGの送信される比率は、毎秒100IPGのオー
ダーである。IPGは周波数F1で衛星S1に送られる。衛星
はこの周波数をF3に変換し、本システムの全有効範囲へ
IPGを放送する。IPGのシーケンスは、地表に居る利用者
のトランシーバたとえば第１図のトランシーバＴで受信
される。 本発明の特長は、航法位置情報が利用者によって勝手
に求めうる点にある。このため、高速地表交通機関や航
空機等の高速移動体が、低速移動体よりも頻繁に位置情
報を求めることができる。本発明によれば、これが、特
定の利用者を指向した複合IPGを用いずに可能である。
利用者Ｔが現在の位置情報を希望すると仮定した場合、
トランシーバは、パルスグループとして応答信号を発信
することにより、次に受信したIPGに答える。応答信号
には、レンジコート、利用者識別コードそしておそらく
はメッセージが含まれ、そして応答信号はIPGの受信と
同期して送信される。 第２図を参照し、応答信号は両衛星S1およびS2へ、周
波数F4で送られる。各衛星は、地上局GSへ応答信号を周
波数F2で伝達する。衛星S1およびS2の既知の位置情報
と、IPGの地上局からの伝達時間と、転送された応答信
号の地上局における受信時間とに基づいて、地上局では
衛星S1と利用者との間の距離および衛星S2と利用者との
間の距離を計算できる。この情報に基づいて、利用者
は、衛星S1を中心とする半経D1の球面上と、衛星S2を中
心とする半経D2の球面上とに同時に存在することが知ら
れる。２個の球面の交差線は円であるから、利用者はこ
の円周上のある点、すなわち第３および４図に示すよう
な位置線（ラインオブポジション、LOP）の線上のある
点に位置することになる。 第３図は赤道面（EP）を真横から見た図面であり、第
４図は北極点（NP）の真上から見た図面である。２個の
衛星を結ぶ線は、LOP円の中心を通り、この円を含む面
に対して直角に交わる。第４図では、この円を真横から
見るので直線として現れる。 さらに第３および４図を参照し、LOPは地球の表面を
２点ＴおよびＴ′で横切る。ＴおよびＴ′は、それぞれ
北半球と南半球との対称的な位置にくる。２個所の可能
性ある利用者位置の一方は、利用者の占める位置に関
し、常識的に消去できる。随意にではあるが、この情報
は、IPGへの利用者の応答の一部として、利用者から時
々刻々与えることができる。正確な利用者位置は、蓄積
しておいた地形図によって表わされる地表面と位置円と
の交差する点を計算することによって求められる。この
交点が、利用者の所望する緯度、経度および標高とな
る。 正確な利用者位置と、利用者が応答した計算時間と
は、２進メッセージに符号化され、特定の利用者向けの
アドレスを付けられ、そして送信されるべき次のIPGの
ひとつに組込まれる。IPGは、衛星S1（またはS2）によ
ってトランスポンドされ、そして位置メッセージが利用
者に受信され復号化される。システムの応答時間、すな
わち利用者が位置を知る要求を出してから位置メッセー
ジを受取るまでの時間的遅れは、通常の場合、0.6秒の
範囲内にある。 ２人の異なる利用者からの利用者応答信号が、片方ま
たは両方の衛星にほぼ同時に到達すること、すなわち重
複する可能性はありうる。この可能性は、数種の方法
で、処理できる。第１の方法は、米国特許第4,359,733
号明細書で開示したように、各利用者のトランシーバが
質問信号に答えた後、不正確な時間間隔では働かないよ
うにしておくことである。このことは、毎10秒ごとにそ
の位置を更新する利用者にとって、そのトランシーバが
1000回の質問にただの１度だけ応答することを意味す
る。利用者の応答が簡潔なこともまた、重複の機会を少
なくする。第２の方法は、利用者が異なった擬似雑音コ
ード（PNコード）を用いて応答することである。符号化
されていない短い応答と比較してシステム全体の容量を
著しく改善することにはならないが、この方法によれ
ば、利用者トランシーバのピーク電力を低く抑えながら
も、チャネル容量の理論的極限値まで近づけることがで
きる。次は、衛星がスポットビームを使用する方法であ
って、異なった地理的条件の地方にいる複数の利用者が
同時に応答でき、送信信号は異なったスポットビームと
して衛星に受信され、異なったダウンリンクチャネルを
通して地上局へ中継される。好適な実施例として、たと
えば米国の隣接する48州（CONUS）をカバーするには、
衛星のアンテナに1.3度ビーム幅の15〜20本のスポット
ビームを使えばよい。利用者の応答信号を最初に受けた
ビームを活性化し、応答信号の期間中その他のビームを
抑止するために選択コンバイナ回路を使う。こうすれ
ば、選択されたビームの信号は、抑止されたピームの有
効範囲内に居る利用者からの信号重複による影響を受け
ない。次に、米国特許第4,359,733号明細書で開示した
ように、地上局では信号送信の全長を測定するように
し、ふたつの送信重複によって生じるような通常の長さ
よりも長い信号を排除する。最後に、誤ったデータに対
する全体的チェックを行なうため、各利用者の応答に
は、多項式チェックコードその他のチェックコードを組
込ませるとよい。地上局のコンピュータによる計算の結
果、このチェックコードが不満足であると、地上局は、
利用者トランシーバへの位置情報またはメッセージ受信
確認を行なわない。このような場合には、予定の送れ時
間経過後、自動的にトランシーブが応答信号を再送信す
るようにしておくとよい。各利用者によって応答信号を
繰り返すタイミングは、別の重複が起る確率を最小なら
しめるため、ランダムにするとよい。 本発明では、メモリに蓄積した地勢図を使用するの
で、潜在的な不正確さの要因が除去される。CONUS（隣
接48米州）内にいる利用者にとって、LOPと地球表面と
のなす角度は、第５図のように、約45度である。図示の
ように利用者が高い山岳地20にいても、本発明では、こ
の海抜標高を補正し、正確な位置情報を提供する。地勢
図を使わずに地球の楕円体モデルを本システムに利用し
た場合には、これに基因する水平方向の位置誤差は、利
用者の標高と同じオーダの大きさになるのであろう。た
とえば、第５図に示した利用者Ｔの緯度および経度をLO
Pと基準楕円体REとの交点として求めた値は、利用者の
標高ｈと同じオーダの距離だけ、真の緯度および経度か
らずれている。さらに、２個の衛星と地球の中心とは非
常に離れているので、位置誤差に及ぼすレンジ誤差の影
響は、位置決め用に３個以上もの衛星を利用しながら、
蓄積地勢図を使わないシステムよりも、遥かに少ない。
したがって、正確度に対する地理的希釈（GDOP）が軽減
される。 本発明は、前述した以上の可能性と特色をも兼ね備え
ている。地上局から利用者へメッセージを送信する能力
に加え、本システムによれば、利用者から地上局へメッ
セージを送ることも可能である。これにより、突発事故
か人身保安上の危険が生じた場合などに、緊急救助要請
を出すことができる。さらに、利用者は地上局とメッセ
ージを交信できるので、飛行中の航空機は、応答信号と
して自動的に地上局へ高度情報を送ることができる。地
上局では、蓄積地勢図によらず、航空機の高度に基づい
て航空機の位置を計算できる。この場合、位置の正確さ
は、航空機の高度計の正確度と同じオーダの値、普通は
50〜150フート程度である。したがって潜在的な利用者
としては、航空機、陸上交通機関、海上交通機関さらに
歩行者も含まれる。 本発明は、基本的には全世界にわたってサービスを程
供できるように構成することが可能である。第１〜４図
に示したのは、北米や南米のような広い地域にサービス
を提供しうるようにした２衛星式構成である。さらに衛
星を付加することにより、少なくとも２個の衛星を見通
せれば、地球上のいかなる地点に対してもサービス可能
である。 本発明においては、正確に知られた位置にあるトラン
シーバを、水準基標として使える。すなわち、水準基標
としてのトランシーバからの信号を周期的に利用し、シ
ステムの修正を行なったり、衛星軌道の変化、電離層遅
れ、地球の形状に関する不完全な知識（ジオイド）、衛
星における遅れ変化等による不確実性を排除することが
できる。 位置の計算：− 第１〜５図を参照し、蓄積地勢図に基づき、また時刻
T0に地上局から発信された質問信号に応じて作られる復
帰信号の到達時刻T1およびT2の計測値に基づき、利用者
Ｔの位置座標を計算する方法を説明する。便宜上、通常
の形（r,θ，φ）の球座標を用いた計算を行なう。ここ
にｒは地球の中心から測定した距離、θは90度から緯度
を差引いた角度に等しく、そしてφはグリニッチ基準子
午線からの経度を表わす。これにより、地上局GS,衛星S
1およびS2ならびに利用者Ｔに関するそれぞれの座標
は、つぎのように表わされる。 地上局：（γ_GS,θ_GS,φ_GS） 衛星S1:（γ_S1,θ_S1,φ_S1） 衛星S2:（γ_S2,θ_S2,φ_S2） 利用者：（γ_T,θ_T,φ_Ｔ） 利用者Ｔの座標以外のすべての座標は、既知である。
既知または計測可能な他の必要な量は、質問信号の送信
時刻T0,利用者トランシーバの応答遅れT_Dおよび衛星リ
ピータの応答遅れT_Sである。この場合、応答遅れT_Sは、
位置計算に含まれる周波数において、両衛星につき同一
であると仮定する。さらに、すべての信号は、一様に、
光の速さｃで伝わるものと仮定する。特殊な場合におい
て、これらの仮定のいずれかが不正確になったら、その
都度に応じ、以下に列記する方程式に適当な修正を加え
ればよい。これは、通常行なわれているとおりである。 一般に２個の点（γ_o,θ_o,φ_ｏ）および（γ_i,θ_i,φ
_ｉ）の間の直線距離は、次式で表わされる。 ｄ＝〔（γi sinθi cosφｉ−γo sinθo cosφｏ）^２ ＋（γi sinθi sinφｉ−γo sinθo sinφｏ）^２ ＋（γi cosθｉ−γo cosθｏ）^２〕^1/2 （１） したがって、この距離を光速ｃで伝わる信号の伝達時
間ΔＴは、つぎのようになる。 ΔＴ＝（1/c）〔γi sinθi cosφｉ−γo sinθo cosφｏ）^２ ＋（γi sinθi sinφｉ−γo sinθo sinφｏ〕^２ ＋（γi cosθｉ−γo cosθｏ）^２〕^1/2 （２） 便宜上，式（２）の右辺を、つぎのように関数で表わ
すことにする。 ΔＴ＝〔（γ_o,θ_o,φ_ｏ），（γ_i,θ_i,φ_ｉ）〕
（３） この表わし方は、以下の説明でよく用いるが、関数ｆ
は、式（２）の右辺を完全に書くと長くなるので、それ
に代る単なる簡略記号であることを明記されたい。 容易にわかるように、距離の測定したがって伝達時間
は、ふたつの点（γ_o,θ_o,φ_ｏ）および（γ_i,θ_i,
φ_ｉ）の座標を式（１）および（２）で交換したとして
も、同一である。 前に定義した簡略関数表現を用いてこのことを表わせ
ば、次式のようになる。 〔（γ_o,θ_o,φ_ｏ），（γ_i,θ_i,φ_ｉ）〕 ＝〔（γ_i,θ_i,φ_ｉ），（γ_o,θ_o,φ_ｏ）〕（４） 第１および２図を参照し、地上局からの質問信号の送
信時刻T0と、衛星S1に関連した復帰信号の地上局への到
達時刻T1との差は、つぎのようになる。 T1−T0＝〔（γ_S1,θ_S1,φ_S1），（γ_GS,θ_GS,φ_GS）〕＋T_S ＋〔（γ_T,θ_T,φ_Ｔ），（γ_S1,θ_S1,φ_S1）〕＋T_D ＋〔（γ_S1,θ_S1,φ_S1），（γ_T,θ_T,φ_Ｔ）〕＋T_S ＋〔（γ_GS,θ_GS,φ_GS），（γ_S1,θ_S1,φ_S1）〕 （５） 式（４）を利用して項をまとめる。 T1−T0＝２〔（γ_S1,θ_S1,φ_S1），（γ_GS,θ_GS,φ_GS）〕 ＋2T_S＋T_D＋２〔（γ_S1,θ_S1,φ_S1），（γ_T,θ_T,φ_Ｔ）〕 （６） 衛星S2からの復帰信号に関する式は、両衛星が経路に
含まれているため、長い式となる。すなわち、衛星S2に
関しては、次のようになる。 T2−T0＝〔（γ_S1,θ_S1,φ_S1），（γ_GS,θ_GS,φ_GS）〕 ＋〔（γ_T,θ_T,φ_Ｔ），（γ_S1,θ_S1,φ_S1）〕 ＋〔（γ_S2,θ_S2,φ_S2），（γ_T,θ_T,φ_Ｔ）〕 ＋〔（γ_GS,θ_GS,φ_GS），（γ_S2,θ_S2,φ_S2）〕 ＋2T_S＋T_D （７） 式（６）および（７）は、利用者の座標（γ_T,θ_T,φ
_Ｔ）だけが未知数であってその他の量は既知または直接
測定可能な場合における２式１組の連立方程式である。
すでに述べたように、各式はそれぞれ衛星の一方を中心
とする球面を表わし、これら２式の同時解すなわちLOP
は円となる。 位置決めを完成するのに必要な付加的情報は、メモリ
に蓄積してある地勢図から求められる。ディジタル形式
で表わした地勢図は、現在では、地球上の多数の地域に
関して入手可能である。たとえば地勢図もしくは通称DE
Mと言われるディジタル標高モデルは、ナショナル・カ
ルトグラフィック・インフォメーション・センター（国
立地図情報センター）から、CONUS（隣接48米州）、ア
ラスカおよびハワイに関して入手可能である。DEMによ
って、長方形に区画整理された各点における標高を知り
うる。各点は、東西方向に30メートル、南北方向にも30
メートルずつ離れている。標高の精度は15フート以下で
ある。 地上局のコンピュータは、式（６）および（７）を解
き、LOPの円を表わす解を求めるのに使われる。その場
合、円が蓄積地勢図で表わされる地表と交わる正確な点
を計算するのにルックアップ検索法を適用する。DEMの
区画点の中間の地勢は、補間法によって求める。 位置計算を簡単にするため、第５図の与えられた入力
点Ｐ（計算の結果求められたLOPと基準楕円体REとの交
点を表わす）に対して、メモリは、点Ｐの真上（すなわ
ち垂直方向）の山の標高ではなく、LOPと地表との交点
Ｔにおける山の標高ｈを読み出すように、蓄積地勢図を
活用するとよい。これはつぎのようにして可能である。
すなわち、衛星S1およびS2がともに静止衛星である場
合、基準楕円体RE上の与えられた任意の点Ｐを、既知の
角度でREを横切る特殊なLOPと関連させればよい。高さ
ｈによって、地上局コンピュータは、LOPに沿う利用者
トランシーバＴの正確な位置を計算できることから、精
密な位置決めが可能となる。 静止衛星の位置が緩慢に日周変化（0.1度のオーダ）
しても、水準基標トランシーバを用いるか、あるいは独
立の衛星追跡技術によって監視できる。位置計算にさい
しこのような変動を補正するため、理想的なLOPと実際
のLOPとの間の角度変化を地上局コンピュータが計算で
きるようにしておき、衛星の位置ずれにともなってこの
偏差値をたえず更新し、蓄積しておく。位置の計算を行
なっている間、LOPと基準楕円体REとの間の計算上の交
点Ｐは、蓄積しておいた角度差を用いて調整し、基準楕
円体RE上の修正点P_Oを求める。 このようにして得られた修正点P_Oは、利用者の位置に
おける標高を求めるための地勢図メモリへの入力として
用いられる。 本発明では、基準楕円体RE上の与えられた任意の点Ｐ
に対してその点の真上（すなわち垂直方向）の標高を蓄
積しているようなより従来型式の地勢図を利用すること
もできる。この場合、位置計算における付加的工程とし
て、点Ｐと利用者位置Ｔとの間の水平方向オフセット距
離の計算が必要である。非常に平坦な地形の地域で有効
な最も単純な方法としては、直接３角法計算の応用があ
る。第５図を参照し、衛星S1およびS2が静止衛星である
と仮定すれば、LOPと基準楕円体とは、容易に理解され
るように、緯度によって定まる既知の角度で交差する。
この角度の補角（すなわちREへの垂線とLOPとのなす角
度）と、蓄積地勢図から読みとれる点Ｐの真上の標高と
を用いて、LOP方向に沿った点Ｐと利用者トランシーバ
Ｔとの間の水平距離の概算値が計算できる。これより、
利用者トランシーバの水平位置座標の概算値が得られ
る。 ３角法の代りに、地勢図が前述したタイプのものであ
る場合、利用者位置を求めるのに、反復近似法を用いて
もよい。 この方法によれば、急峻な地形や起伏の激しい地方
で、利用者位置に関するより良い近似値が得られる。た
だし、地上局コンピュータにはより大きな負担がかゝ
る。この反復近似法は、つぎのようである。 （１） LOPと基準楕円体REとの交点の水平位置 （緯
度および経度）を計算する。これは、第５図に示した実
施例の点Ｐに対応する。 （２） 蓄積地勢図から水平位置L₁の標高E₁を求める。 （３） LOPが標高E₁の所を通過する水平位置L₂を計算
する。 （４） 蓄積地勢図から水平位置L₂の標高E₂を求める。 （５） 差E₂−E₁を計算する。 （６） 手順（３）〜（５）を繰り返し、一連の水平位
置と標高、Li、Ei、L_i+1、E_i+1等々を求め、E_i+1−E_iが
十分に小さくなるまで、あるいは予定の反復数に達する
まで繰り返す。 大概の地域において、反復近似法は急速に収束する。
たとえば、平坦な土地では、ただ１回の反復のみで、差
E₂−E₁が満足できる程度に小さくなる。地面の傾斜がLO
Pの仰角と同等かそれ以上であるような起伏の激しい地
形の場合、反復近似法による収束は緩慢である。この理
由により、地上局のコンピュータに過大な負担をかけな
いようにするため、反復近似法には限界がある。 本発明の好適な実施態様としては、最初に述べたタイ
プの蓄積地勢図がよい。すなわち、基準楕円体RE上の与
えられた点Ｐに対して、LOPと地表との交点における標
高ｈをメモリが読み出すタイプである。これによれば、
利用者のトランシーバＴの位置が前述した３角法や反復
近似法によらずに直接求めうるわけで、地上局コンピュ
ータへの計算負担が軽減される。 好適には毎秒100IPGであるが、IPGの反復頻度が高ま
ると、特殊な形で位置が不明瞭となる結果をもたらす。
時刻T1に地上局へ到達する利用者応答信号は、数個のIP
Gのいずれに対しても応答として伝達されうるので、利
用者位置に関し可能性ある複数の結果が出てくる。しか
しながら、可能性ある位置同志の間の最小分離能力は、
（0.1sec/2）に光速を乗じた数、すなわち、1500kmに等
しい。この不明瞭さは、利用者が大体どの辺に居るかと
いう利用者位置の概略的な知識によって最も簡単に解決
することができる。この概略的な位置認識は、本システ
ムのメッセージ能力を用い、１回または適時に利用者に
対して質問し、利用者の大よその所在地の見当（たとえ
ば利用者のいる米国の特定の州）をつけることによって
得られる。 信号フォーマット：− 地上局と利用者との間で交換する信号の信号フォーマ
ットを、第６〜９図に示す。第６図に示したのは、地上
局から送信されるIPGのシーケンスの一般的内容であ
る。好適な実施例として、IPGの反復時間（TRR）は0.01
秒である。 第７図は、IPGのさらに詳細な説明図である。プリア
ンブルには、衛星で使用する段取り情報が含まれる。レ
ンジコードは、トランシーバのレンジコード検出器が適
合するビットのパターンである。メッセージは、それぞ
れ256ビットであって、各IPGには可変数のメッセージが
含まれる。これらのメッセージには、利用者から要求さ
れる位置情報や、利用者間で交信されるメッセージがあ
る。 第８図に示したのは、位置情報だけを要求するときに
使う利用者応答信号フォーマットである。この応答信号
には、プリアンブルおよびレンジコードのほかに、利用
者ごとに固有の識別番号すなわち利用者IDコードが含ま
れる。第９図に示したのは、利用者がメッセージを送り
たいときに用いる利用者応答信号フォーマットのタイプ
である。このフォーマットには交信相手とする別の利用
者のトランシーバあるいは地上局を特定する指定アドレ
スと共に、メッセージ本文および内蔵チェックコードを
含んでいる。第８および９図に示したプリアンブルは、
後述するような衛星の選択コンバイナを作動させるのに
使うふたつのビットから成る。 随意的ではあるが、衛星S1およびS2を介して利用者ト
ランシーバと地上局との間で交信する場合には、コード
分割多重アクセス（CDMA）を応用した展開スペクトル技
法を採用するとよい。利用者トランシーバから地上局へ
のアップリンクはランダム時間分割多重アクセス方式
（RTDMA）によって操作し、一方地上局から利用者トラ
ンシーバへのダウンリンクは、順序どおりの非ランダム
（すなわちコンピューターで制御した）時間分割多重ア
クセス（TDMA）方式による。CDMA方式で操作する場合に
は、利用者トランシーバを多くの異なったグループ（た
とえば30グループ）に分け、各グループに属するトラン
シーバは特定の擬似雑音コード（PNコード）を用いて送
信するようにしておく。地上局においては、デコーダの
30バンクが並列に働き、それぞれには数個のバックアッ
プがついている。このため、多数の利用者トランシーバ
が同時に情報を送信できる。このように構成してあるの
で、衛星のアンテナが小形であっても、またトランシー
バのパワーが低くても、高い通話容量が得られる。アッ
プリンクの送信には、衛星ごとにひとつずつの異なった
PNコードを使うことができ、こうすればノイズ発生に余
り影響を及ぼさずに、衛星トランスミッタの同時作動が
可能である。かくて、衛星のトランスミッタの所要パワ
ーを著しく低減することができる。 トランシーバの回路構成：− 第10図に示したのは、第８および９図の応答信号を生
成するトランシーバ回路のブロック線図である。第10図
のブロック線図は好適な回路構成の一例であるが、生成
すべき応答信号のタイプによっては、また特殊な用途の
必要性次第では、別種の回路を使えることももちろんで
ある。 地上局GSからの質問信号は、周波数F3で衛星S1を介し
利用者へ中継され、受信アンテナ22で捕捉される。受信
アンテナは、簡単な半波ダイポールアンテナとして作れ
ばよい。好適な実施例として、第７図に示した質問信号
フォーマットは、移送転移キー（PSK）を経て、F3でキ
ャリアに変調される。図示の場合、第７図に示したレン
ジコードは、64ビットの長さであり、これは安価かつ構
造簡単なトランシーバで適当な検出性能を発揮させるの
に十分である。 捕捉された信号は、必要な低雑音増幅性能を備えた受
信器24へ送られ、ここでさらに次の復調およびビット同
期ユニット26と、レンジコード検出器32とを働かせるに
適した中間周波数への変換が行なわれる。復調／ビット
同期ユニット26は、第７図に示した質問信号の非コヒー
レント（DPSK）検出を行なうとともに任意の位置報告そ
の他の利用者メッセージを抽出するのに必要な信号復号
化機能をも備えている。この方法によれば、各トランシ
ーバのキャリア追跡ループを複雑化することなくビット
誤り率を許容範囲内に抑えるような性能が得られる。た
だし、所望により、簡単なキャリア追跡ループをトラン
シーバに採用してもよい。特定の利用者に向けた位置報
告その他のメッセージは、当該利用者に固有のIDコード
によって識別される。IDコード検出器28は、復調された
ベースバンド信号にディジタル相関処理を行なう。特定
の利用者に割当てた利用者IDコードが検出されると、表
示装置30が働き、利用者IDコードを含む位置報告その他
のメッセージが利用者に表示される。 レンジコード検出器32は、受信器24から送られる入力
中間周波数（IF）のアナログ波形を調べ、第７図に示し
た標準的信号フォーマットに示したようなレンジコード
が存在することを検出したら、トリガパルス出力を発す
る。検出器自体は、受動照合フィルタであり、エンベロ
ープ検出回路およびワンショットを後続させたタップ付
き遅延線から成る。別法として、地表音波（SAW）装置
を使うこともできる。従来技術を、検出器の装置化に用
いることも可能である。レンジコード検出器32からのト
リガパルス出力は、選択ゲード34と抑止回路38とに同時
に与えられる。抑止回路38の働きは、つぎに述べるよう
に、トランシーバの作動モードによって左右される。選
択ゲート34は、単一のトランシーバに応答信号を伝える
に十分な時間だけ、ビットクロック36を作動させる。選
択ゲート34はその出力にゲートパルスを有し、このパル
ス幅は、２個の随意選択の中の一方として利用者が決定
する。第１の随意選択値は、第８図に示した利用者の位
置要求（PR）を伝達するのに必要なビットの全数を包括
するのに十分な長さのパルス幅をもつ。第２の随意選択
値は、第９図に示した利用者のメッセージ要求（MR）を
伝達するのに必要なビットの全数を包括するのに十分な
長さのパルス幅をもつ。第２の随意選択値は、利用者が
キーボード44を通してメッセージ要求を発する場合に
は、トランシーバによって自動的に選択決定される。換
言すれば、第１の随意選択値が真に可能な随意選択であ
る。 正常な作動状態において、利用者が位置情報を希望す
る場合には、この要求はリセット装置40を用いて行な
う。リセット装置40は、一時的に抑止回路38を無効と
し、次に入ってくるIPGに、利用者トランシーバからの
応答のトリガとして働かせる。この作動態様では、リセ
ット装置40によって無効とされない限り、抑止回路38は
常にビットクロック34を抑止する。 第２の作動態様は、地上局によってトランシーバの位
置を連続的にモニタするのに有効な使い方であるが、こ
のような場合は、あらかじめ設定しておいた概略抑止時
間T_i（第６図のIPG反復時間TRRよりも遥かに長いのが普
通）の間、利用者応答信号を伝達した直後に抑止回路38
が働く。この時間の経過後、抑止機能は、トランシーバ
が次の受信IPGに応答するまで、働かない。このように
して、地上局は、ほぼT_i秒毎にこのトランシーバに対し
更新された位置情報をもつことになる。 抑止回路の目的は、すべてのIPGのある一部に対して
だけトランシーバを応答させることにより、利用者トラ
ンシーバの有効応答率を低減させることにある。この結
果、地上局における応答信号の重複範囲が減り、また地
上基地の位置計算設備にかかる負担も軽減される。抑止
時間は、利用者のクラスが異なるのに応じて異ならせる
ことができ、また必要とする期間が異なればその間ある
特定の利用者に対しても変えることができる。抑止回路
38の基本的構成が、最初に指摘した米国特許第4,359,73
3号明細書に開示してあるが、この特許は本発明の先行
技術として特に関連の深いものである。 引続き第10図を参照し、あるIPGに対するトランシー
バの応答には、プリアンプルと、レンジコードと、利用
者IDと、内蔵されたチェックコードとが含まれ、さらに
随意選択的にではあるが、メッセージの宛先を特定する
アドレスと共にその宛先に向けたメッセージも含まれ
る。これらの項目を、応答レジスタ42にロードする。こ
のレジスタの内容は、ビットクロック36で定まる時刻と
比率で、変調器46へ移される。PSK変調された信号がパ
ワーアンプ48を駆動し、そして信号はアンテナ50を経て
両衛星S1およびS2へ放射される。受信および送信アンテ
ナ22および50は、要すれば、受信および送信機能を分離
するダイプレクサ回路を用い、実際には同一のアンテナ
に兼用させることができる。 衛星搭載機器：− 概括的に述べるなら、本システムに要求される衛星と
しては、地上局GSと利用者トランシーバとの間でIPGを
中継し利用者応答を行なうための送受信回路だけを備え
ていればよい。しかしながら、以下に述べるように、好
適な回路構成としては、本システムのスループット性能
を向上しかつ衛星に必要な直流電力を低減させるための
付加的機能をもたせる。位置決定に用いる臨界時間測定
回路はすべて地上局に設置するので、電子技術の進歩に
ともない、この回路を改善し更新することは容易であ
り、その場合衛星そのものを交換する必要は全くない。 第２図を参照してすでに説明したように、地上基地の
利用者トランシーバからの応答信号は、本システムの２
個の衛星S1およびS2を経て中継され、地上局GSへ送り帰
される。地上局は、それぞれの衛星に向けた２本の高指
向性アンテナを介して、中継あるいは再送信された２個
の応答信号を受信する。かくて、第２図のように、地上
局GSは、利用者トランシーバＴから発せられた各応答信
号に対し、同一周波数F2ではあるが、時間的に間隔をお
いて２個の復帰信号を受信することになる。 第１図に示したように、２個の衛星S1,S2中のいずれ
か一方だけが、地上局から利用者トランシーバへ質問信
号とメッセージを中継するのに使われるのであって、両
衛星の回路構成は全く同じである。したがって、どちら
か一方を選んでこの機能を果させればよい。 第11および12図は、衛星のペイロード回路構成の説明
図である。第11図は全体図、第12図はペイロードトラン
スポンダの主要構成素子の説明図である。まず第11図を
参照し、周波数F1（この実施例の場合は6533メガヘル
ツ）で地上局GSから送り出された質問信号は、衛星の受
信アンテナ52で捕捉される。同様に、利用者トランシー
バＴからの中継された応答信号は、周波数F2（この実施
例の場合は5125メガヘルツ）で衛星送信アンテナ54から
放射され地上局GSに達する。２本のアンテナを別々に図
示してあるが、単一の放物面反射器と、単一の給電ホー
ン装置と送受信ダイプレックサとを用いた一般的な構造
が好ましい。利用者トランシーバへ中継される質問信号
は、周波数F3（この実施例の場合2492メガヘルツ）で、
Ｎ個のアンテナ56・１〜56・Ｎから放射される。Ｎ個の
アンテナは重複するスポットビームを画成し、これによ
って地球表面の有効範囲セクターを、隣接するいくつか
の区域に分割する。同様に、利用者トランシーバにより
周波数F4（この実施例の場合1618メガヘルツ）で送信さ
れた応答信号は、Ｎ個のスポットビームアンテナ58・１
〜58・Ｎで捕捉される。前に述べたのと同じように、衛
星と利用者トランシーバとの間のリンクに対し、2N個の
別々のアンテナを使用する必要はない。好適には、単一
の反射器を利用すればよい。さらに付言すれば、Ｎ対の
送受信経路のそれぞれに対して、１個の給電ホーン装置
（送受信ダイプレックサを付属させる）が好ましい。以
上に述べた素子のいずれも、通常の設計どおりのもので
あり、容易に入手可能な部品で製作できる。 第11図に概略を示し第12図に詳細を示した衛星トラン
スポンダは、地上局GSと利用者トランシーバＴとの間の
信号を中継するのに必要な増幅機能と周波数変換機能を
備えている。衛星の受信アンテナ52で捕えた地上局から
の信号は、順次に、低雑音増幅受信器60、ダウンコンバ
ータ62、駆動増幅器64、および１個以上のパワーアンプ
66・１〜66・Ｎを通過する。各パワーアンプは、それぞ
れ対応する送信アンテナに連結する。さらに詳しく述べ
れば、第11図に56・１〜56・Ｎの番号で示したそれぞれ
のダイプレックサ／給電ホーン組合せ装置に連結する。
第12図に検出／復号化選択パワーアンプと表示したブロ
ック68の働きによって、衛星トランスポンダは、地上局
GSからの信号に組込まれた符号化指令に対して自動的に
応答し、そしてこの信号を１個以上のパワーアンプ66・
１〜66・Ｎへ自動的に送り込む。 作動中、検出／復号化選択パワーアンプはレンジコー
ドを全ホーンへ送るので、すべての利用者は毎秒当り10
0個のレンジコードを受信することになる。特定の利用
者に向けたメッセージは、当該利用者の居る地域をサー
ビスするホーンにだけ転送される。この地域は、あらか
じめ計算しておいた位置情報から知りうる。このこと
は、衛星の電力節約のために重要なファクタである。別
法として、地上局から要求されるデータの流れの全量を
低減し、かつ衛星においてどのホーンへメッセージを送
るべきかを迅速に判断する必要性を回避するため、地上
局から送されてくるメッセージがあらかじめ設定してお
いた時間シーケンス（たとえば、パワーアンプ66・１に
ついては30ミリ秒、パワーアンプ66・２については60ミ
リ秒、等々）に従ってＮ個のパワーアンプ66・１〜66・
Ｎのいずれかに振り向けられるよう、衛星に搭載した回
路構成に簡単なプログラムを組込んでおくとよい。この
ようにすれば、地上局では特定のアンプを選択でき、し
たがって単にメッセージを送るべき固有の時間スロット
を選ぶことにより特定のメッセージについて利用される
べき特定のスポットビームを選択することが可能とな
る。時間スロットの加重均衡をはかるため、昼夜を通し
ての信号交信頻度に応じ、衛星搭載コンピュータに緩速
指令を発し、時々変えるとよい。 利用者トランシーバＴから送られた応答信号は第11図
の受信アンテナ58・１〜58・Ｎのどれかに捕捉される。
各アンテナ（すなわち各ダイプレックサ／給電ホーン装
置）は、第12図に示したように、個々の受信器70・１〜
70・Ｎに連結する。応答信号は、順次、選択コンバイナ
72、アップコンバータ74へと送られ、さらに送信器76を
経て、アンテナ54から周波数F2で地上局へと放射され
る。受信器70・１〜70・Ｎ、アップコンバータ74および
送信器76は、いずれも通常の設計どおりのものであり、
容易に入手可能な部品で製作できる。したがって、この
ブロック図に関する詳細な説明は省略する。 第12図に示した選択コンバイナ72は、任意の瞬間に、
アップコンバータ74を受信器70・１〜70・Ｎのいずれか
１個だけの出力へ連結する電子スイッチである。コンバ
イナは、Ｎ個の受信器中のどの１個が応答信号を含んで
いるかを連続的に感知し、これをもとに、検出した信号
の持続中、他のすべての受信器の出力を抑止する。この
ような装置を用いる利点は、まずスペクトル効率の良い
設計が可能であり、また受信した応答信号に関しては、
先着順に統計的多重化が可能なことにある。このことに
よって、異なったアンテナ区域から発せられる２個以上
の応答信号が衛星で重複（同時に到達）することに基因
するシステムの平均スループットの低下を軽減できる。
（ただし、同一の受信アンテナ区域から発せられた応答
信号の間に起る重複に対しては無益である。）抑止作用
のない場合は、すべての重複応答信号を繰り返さなけれ
ばならない。抑止作用のある場合は、１人の利用者のト
ランシーバからのせいぜい１個の応答信号を再送信すれ
ば足りる。さらに、好適な実施態様として、空いた受信
器からの雑音によるスループットチャネルの信号対雑音
の比率の低下を防ぐ手段を講ずるとよい。 引続き第12図を参照し、スペクトル効率のより低い代
替用衛星トランスポンダを搭載すると、アップコンバー
タと送信器の組合せを１対以上利用することになり、し
たがって選択コンバイナの数が増加し、コンバイナの間
に配置するＮ個の受信器も細分されることになる。（極
端な場合には、受信器70・１〜70・Ｎのそれぞれにアッ
プコンバータと送信器を備えることになってしまう。）
送信器は、異なった周波数で作動し、地上局へ応答信号
を中継するのに多数のリンクを使うことになる。この代
替構成は、システムのスペクトル利用率の犠牲におい
て、応答信号の平均スループットを増加することにな
る。 地上局の設備：− 本発明に係る地上局GSには、つぎに列挙する諸機能を
果すため多種多様なサブシステムを設備する。 （１） 質問信号（IPG）の生成および送信、 （２） 応答信号の受信、復号化および到達時刻の測
定、 （３） 地表の輪郭を示す蓄積地勢図から得られる情報
と、応答信号の到達時刻とに基づくトランシーバ位置の
計算、 （４） 特定の利用者トランシーバへ情報を送り返すた
めの位置メッセージの符号化および送信、 （５） 特定の利用者トランシーバに仕向けられたその
他の随意選択的メッセージの符号化およば送信、 （６） 特定の利用者トランシーバからのその他の随意
選択的メッセージの受信、復号化および経路指定。 これら各機能について第13,14および15図を参照し、
以下に説明する。 第13図は、地上局において質問パルスグループ（IP
G）を生成および送信するための標準的回路構成の説明
図である。質問レートは、100ヘルツ発信器によって設
定される。100ヘルツ発信器は、ワンショットマルチバ
イブレータ80を用い、レジスタ出力クロック84とローカ
ルクロック82とに接続してある。レジスタ出力クロック
84は、IPGを、その中に含まれる任意のメッセージと共
に、並直列変換器86から変調器およびパワーアンプ90へ
と移送する。変調されたRF信号は、アンテナ92により地
上局から放射される。ワンショット80がローカルクロッ
ク82を働かせ、地上局からの質問信号の送信時刻を表わ
すディジタル出力T0を作る。 第14図は・衛星S1およびS2から利用者応答信号を受信
するために地上局で用いる標準的回路構成を示す図であ
る。このような回路構成は２個必要である。すなわち第
２図の地上局GSで示したように２本の受信アンテナのそ
れぞれに対応して１個ずつの回路が必要である。このよ
うなアンテナの１本を、第14図の94で示す。アンテナの
出力は、広帯域アンプ96に接続され、次に増幅された信
号は、復調／ビット同期ユニット102へ送られて、応答
信号から利用者識別情報と随意メッセージ情報とを得る
べく、復調／ビット同期ユニット102へ送られる。復調
器102の直列出力は、直並列変換器104へかけられ、ここ
で検出されたデータビットが並列フォーマットに変換さ
れる。第14図の記号“データ1"は、衛星S1を介して受信
したデータビットを表わし、同様に“データ2"は、衛星
S2を介し受信したデータビットを表わす。もちろん、第
14図の回路は、アンテナ94が２個の衛星S1およびS2のど
ちらを指向しているかによって、ふたつの出力データ１
またはデータ２のいずれか一方だけを作り出す。 さらに、第14図を参照し、広帯域アンプ96の出力を分
岐させ、レンジコード検出器98へ連結する。受信した応
答信号中にあらかじめ定めておいたレンジコードの存在
が認められると、レンジコード検出器から出力が生じ
る。検出器の出力は、直並列変換器104を働かすのに使
われ、またローカルクロック100からディジタル出力を
取出すトリガとして作用する。クロックの出力は、地上
局における応答信号の到達時刻を表わすが、これを衛星
S1で中継された応答信号の場合にはT1、衛星S2で中継さ
れた応答信号の場合にはT2で表わす。データ出力に関し
ていえば、アンテナ94が指向する特定の衛星によって、
２個の出力T1またはT2のいずれか一方だけが第14図の回
路で作られていることは、もちろんである。 前に述べたように、利用者応答信号の処理にCDMA技法
を適用する場合には、第14図に示した回路中のいくつか
の構成素子を、採用した異なるPNコードの数に対応して
複製しなければならないことは言うまでもない。この種
の修正変更は、当業者にとって自明のことであるから、
詳しい説明は省略する。 第15図は、第13および14項に示した回路で作られる時
間測定その他の情報を処理しかつ本システムを利用する
種々の利用者トランシーバのために位置情報を生成する
のに使用する地上局コンピュータの標準的な構成を説明
する図面である。図示の構成は地上局GSと利用者トラン
シーバとの間のすべてのメッセージを処理し、また異な
った利用者トランシーバ同志の間あるいは利用者トラン
シーバと本システム外の素子との間のその他の情報につ
いての経路指定をも行なう。 地上局コンピュータの基本構成素子としては、入力デ
ータバッファ106、中央処理装置CPU108、メモリユニッ
ト110、出力データバッファ112、地形等高線図（地勢
図）の蓄積ユニット114、およびメッセージハンドリン
グプロセッサ116が含まれる。 本発明に用いる地勢図メモリユニット114は、多数の
利用者からの位置計算の需要に応じ切れるよう高速型で
なければならないし、またその容量は地理的配列におけ
る十分な数の標高点を収容できるよう大型でなければな
らない。入手可能なメモリ装置の型式、容量、アクセス
速度および価格は、急速に改善されつつある。アクセス
時間が15ミリ秒であるような10¹⁰バイトのメモリ装置も
数年にして入手可能となった。正確に記憶すべき地図の
内容については、標高値の量子化と、地勢サンプルの分
割と、サービスの及ぶ全有効範囲と、サービスの受けら
れる利用者の数と、データ蓄積の方法との間で種々の交
換調整を行なう。最後に指摘したファクタに関して言え
ば、地勢の高度が緩慢に変化する地域では、山岳地域ほ
ど格子密度を高くする必要はない。 本発明の目的にそうため、入力データバッファ106
は、つぎに列挙する入力情報を受けるが、これらすべて
の情報は第13および14図の回路から提供される。すなわ
ちこれらは、質問信号（IPG）送信時間T0、衛星S1から
の応答信号の到達時刻T1、S1応答信号に対応するデータ
ビット“データ1"（すなわち識別コード、メッセージお
よびメッセージアドレス）、衛星S2からの応答信号の到
達時刻T2、およびS2応答信号に対応するデータビット
“データ2"である。適当なストローブ信号（図示省略）
を、入力データバッファに加え、これら入力が第13およ
び14図の回路に出力として現れたときに、バッファへロ
ードする。 地上局コンピュータの働きを第16図のフローチャート
で説明する。信号データビットと、２個の衛星リンクの
それぞれから導かれる時刻測定とが、入力バッファに同
時に現れることは通常の場合まずありえない。したがっ
て、CPU108は、単に当面の応答信号データビットをロー
ドし、そして時間測定と信号のデータピットをメモリユ
ニット110へ蓄積する。 同一の利用者トランシーバのものであると識別される
ふたつの相連なった復帰信号（２個の衛星S1およびS2か
らの）が受信されると、CPU108は直ちに信号のタイプ
（たとえば第８および９回で例示したような位置要求あ
るいはメッセージ伝達要求）を確かめる。位置要求に対
して、CPU108は、２個の到達時刻測定値と地勢図114の
蓄積内容と、さらには蓄積しておいた一定の定数と外部
から提供されるパラメータとを用いて、識別したトラン
シーバの位置を、緯度および経度として計算する。後者
は、２個の衛星S1およびS2の位置と、本システムの種々
の素子に対する回路遅れの補正値と、位置に関する複数
解に対する一定の拘束情報とを含む。計算で求めた位置
は、利用者トランシーバからの任意の復号化メッセージ
と共に、出力データバッファ112へ伝達され、さらに地
上局における所望の出力装置（たとえば表示モニタ）へ
伝えられる。出力バッファ112は、特定の利用者トラン
シーバへ向けた位置およびメッセージの情報を含むIPG
を復号化するためメッセージプロセッサ116への入力も
作る。位置あるいはメッセージ伝達要求の処理が完了す
ると、引続きプロセッサは、再び新たな応答信号ビット
を求めて入力バッファをチェックする。このようにし
て、処理サイクルが繰り返されてゆく。 航空機の精密進入：− 本発明は、主として地上、海上の利用者に対して役立
つものであるが、非地表利用者に対してもまた有効であ
る。たとえば、第17図には、着陸しようとする航空機に
精密進入誘導を与える方法が図示してある。航空機118
に、既述したタイプのトランシーバが搭載してあると仮
定すれば、この航空機に関する位置線LOPは、２個の衛
星S1およびS2からの応答信号の到達時間に基づいて計算
可能である。しかしながら、この場合、LOPに沿う航空
機の位置は、蓄積された地勢図からではなく、搭載して
ある高度計に示された航空機の高度Ａから求められる。
航空機の高度は、たとえば、質問信号に対する航空機か
らの応答の中に入れればよい。この情報に基づくLOPに
沿う航空機118の位置は、搭載高度計の精度にほぼ対応
する精度で求められる。図面上で説明すれば、高度計の
誤差の極限値に対応する２点120および122を結ぶLOPの
線分上に、航空機が位置することになる。計算によって
得た航空機118の位置と、既知である航空滑走路124の位
置とから、この航空機の進入路として基準楕円体RE上に
投影したグラウンドトラック126を求める。グラウンド
トラック126上のすべての点に関する地表130の標高は、
地上局GSの蓄積地勢図から得られる。計算によって求め
たグラウンドトラックと地表標高情報とに基づいて、航
空機118に対する進入路128が地上局で計算され、これが
上下左右の方向操舵情報の形で航空機118へ中継され
る。 航空機118への有効な進入情報を、航空機の搭載高度
計の上方によらずに求めることも可能である。この方法
は、特に廉価なトランシーバを搭載した航空機に向いて
いる。このような場合、航空機はグライドスロープ上の
但しい位置にあるとの前提に基づき、地上局コンピュー
タがLOPに沿う航空機の位置（すなわち、航空機の位置
は、LOPとグライドスロープとの交点として得られ
る。）を計算する。かくて、左右の位置操舵と、航空機
がグラウドスロープに沿って飛行を続けるべき高度に関
する情報との両方を含んだメッセージを、地上局から航
空機118へ送る。パイロットが高度情報と搭載高度計の
読みとを比較しこの高度を維持すれば、グライドスロー
プからの偏差は小さなものとなる。 随意的な地勢図の生成：− すでに述べたように、第15図の地勢図蓄積ユニット11
4の内容は、政府機関から入手したものをあらかじめコ
ンパイルしておいた情報から成っている。ただし、地勢
高度情報を得るのに、衛星位置決めシステムを利用する
ことも可能である。第18図は実施可能な方法のいくつか
を説明するための図面である。 既知の緯度（線132）と経度（線134）にあるトランシ
ーバＴが地上局GSの質問を受けたと仮定すれば１個の静
止衛星（たとえば衛星S1）からの復帰信号によって地上
局ではトランシーバＴの高さ座標を求めることができ
る。このようにして、非常に多数の既知地表位置におけ
るトランシーバＴの位置決めを行なうことにより、これ
らの地点における地勢高さを計算し、蓄積しておける。
もちろん、この場合には、トランシーバの２個の水平座
標は、別の方法ではじめから知っておくことが、前提条
件となる。 トランシーバＴの水平座標の中、１個だけが既知であ
る場合には、応答信号は２個の静止衛星（たとえば衛星
S1およびS2）を介して中継され、地上局GSでは残りの水
平座標と標高とを計算できる。３個の静止衛星S1,S2お
よびS3を使えば、緯度および警度に関する予備的知識な
しに、トランシーバＴを地球表面上の任意の箇所に移動
させうる。この実施態様においては、３個の静止衛星か
ら中継された応答信号をもとに地上局GSでは、緯度、経
度および標高を同時に求めることができる。３個の衛星
を使って３次元の位置決めを行なう方法については、す
でに指摘した米国特許第4,359,733号明細書を参照され
たい。 静止衛星を２個だけ含むシステムの場合には、精密な
気圧高度計を備えたトランシーバを地球表面上に次々と
移動させ、そのデータを応答毎に符号化し地上局へフィ
ードバックする。このようにして、精密な３次元地勢図
を作りあげる。この方法では、トランシーバの位置をあ
らかじめ知っておく必要がない。基準楕円体REからの標
高が既知である測量ずみの水準基標に同様なトランシー
バ／高度計を設置し、そこに十分近いところに移動用ト
ランシーバを配置し、組合せて用いれば、２箇所の気圧
計は同一もしくは近似した気圧下にあるひとつの気団内
にあるので、精度は特に高くなる。トランシーバ間に数
マイルの距離をおくことは、この方法による誤差が大き
くならない範囲で、実用的といえる。 以上、本発明を好適な実施例によって説明したが、本
発明がこれら実施例に限定されるものでないことは、も
ちろんである。また図示の実施例に対し、種々の変更や
交換を行ないうることも、特許請求の範囲に明示した本
発明の技術的範囲を逸脱することなく可能である。 本発明による効果は、地表上にいることが判っている
利用者（例えば地上車あるいは歩行者）に対する高度座
標を提供する内蔵地形図を使用することによって目的を
達成可能にしたことである。これによって更につぎのよ
うな効果が派生する。即ち、 （ｉ）２個の衛星打上げで完全動作の位置決めシステム
（米国特許の慣習では、システムは装置相当と理解され
ている）が確立できるので、衛星の製造および打上げ原
価を大幅に低減できる。 （ii）使用衛星数低減の結果、位置計算に使う限界寸法
の数が減り、限界寸法がもたらす誤差が減って精度の改
善が可能になる。 （iii）地形図の使用によって、例えば航空機の着陸進
入誘導支援や危険地形回避支援等の付加能力をシステム
に導入することが可能になる。 （iv）既存の３衛星システムに地形図使用を導入するこ
とによって１個の衛星に不具合が発生してもシステム稼
働が可能になるので、有意な信頼性の向上になる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に係る人工衛星の好適な配置を示し地上
局からの質問信号が１個の衛星によって地表に居る利用
者のトランシーバに中継される状態を説明する図、 第２図は地表に居る利用者のトランシーバからの応答信
号が２個の衛星のそれぞれに受信されてから直接地上局
へ再送信される状態を説明する図、 第３および４図は地表に居る利用者のトランシーバの位
置を計算するための地理的関係を説明する図、 第５図はトランシーバの位置における局部的地形の拡大
断面図、 第６および７図は地上局から発信された質問信号の標準
的フォーマットを説明する図、 第８および９図は利用者のトランシーバで生成される応
答信号の標準的フォーマットを説明する図 第10図は利用者トランシーバの内部構成素子を説明する
図、 第11および12図は２個の中継衛星に搭載された装置を説
明する図、 第13図は地上局で質問信号を生成する標準的回路を説明
する図、 第14図は地上局においてトランシーバの応答信号を受信
し復号化し、かつ信号の到達時間を測定するための標準
的回路を説明する図、 第15図は位置計算用に蓄積された地形輪郭図と協働しか
つ、外部メッセージ処理システムと協働して第13および
14図の回路から得られる出力情報を処理するのに使用す
る地上局コンピュータの標準的構成を説明する図、 第16図は第15図の地上局コンピュータで行なわれる処理
手順の概要を説明するフローチャート、 第17図は本発明を精密進入航法に移用する態様を説明す
る図、 第18図は地上局コンピュータに蓄積すべき地勢高度情報
を生成ための別法を説明する図である。 記号の説明 S1,S2,S3……人工衛星 GS……地上局 Ｔ……利用者トランシーバ LOP……位置線 NP……北極 SP……南極 EP……赤道面 D1,D2……距離 RE……基準楕円体 ｈ……（海抜）標高 Ｐ……交点 IPG……質問パルスグループ TIPG……IPG送信時間 TRR……IPG反復間隔 TRNG……レンジングコード送信時間 TID……識別コード送信時間 TPR……位置要求 TMR……メッセージ要求 F1,F2,F3,F4……周波数 T0……質問信号の発信時刻 T1……衛星S1からの応答信号の到達時刻 T2……衛星S2からの応答信号の到達時刻 Ａ……（航空機）高度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01S 5/00 - 5/14 G01C 21/00 - 21/24

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．質問信号を受け該質問信号に応ずる応答信号を送信
   する利用者携帯トランシーバと、 地球上方の別の宇宙空間軌道に位置し、それぞれが利用
   者携帯トランシーバから送信される応答信号を受信して
   再送信するレピータ手段を携えている２個の衛星と、 周期的に質問信号を発信して２個の衛星からの再送信応
   答信号を受信し処理する地上局と、を備え、 該地上局は再送信応答信号の到着時刻と質問信号の発信
   時刻と利用者の地表上高度とを基礎に利用者位置を計算
   する手段を含み、該利用者の地表上高度は地表上の複数
   地点の局地地形高度を提供する内蔵地形図から読み取ら
   れてなる地表上にいる利用者の位置決め装置。 ２．信号送信用の利用者携帯送信機と、 地球上方の別の宇宙空間軌道に位置し、それぞれが利用
   者携帯送信機から送信される信号を受信して再送信する
   レピータ手段を携えている複数個の衛星と、 該複数個の衛星からの再送信信号を受信し処理する地上
   局とを備え、 該地上局は複数の再送信信号の到着時刻と地表上の複数
   地点の局地地形高度を提供する内蔵地形図とを基礎に、
   前記再送信信号の到着時刻から誘導される入力情報相当
   として前記内蔵地形図から求められている地表上にいる
   利用者の高度を用いて地表上にいる利用者の位置を計算
   する手段を備えてなる地表上にいる利用者の位置決め装
   置。 ３．利用者が携帯する端末と、 該利用者端末と地上局との間で信号を中継するレピータ
   手段を備えている複数個の衛星と、 少なくとも該衛星の１個から受信した利用者信号と利用
   者の地表上高度とを基礎に前記利用者端末位置を計算す
   る地上局とを備え、 該利用者の地表上高度は地表上の複数地点の局地地形高
   度を提供する内蔵地形図から読み取られてなる地表上に
   いる利用者の位置決め装置。 ４．利用者が携帯する第１発信機と第２発信機と地球上
   方の別の宇宙空間軌道に位置する複数個の衛星とを用い
   て行なう以下のステップ、即ち、経緯度高度の中の１以
   上が未知の第１の地表上の位置に前記第１発信機を設置
   するステップと、１個以上の前記衛星を介して前記第１
   発信機からの信号を受信するステップと、 前記衛星からの受信信号の到着時刻を基礎に第１発信機
   の経緯度高度の中の未知の値を計算するステップと、 前記地形高度を地形図メモリに経緯度の函数として登録
   するステップと、 前記第１の地表上の位置に比較的接近している第２の地
   表上の位置に前記第２発信機を携帯している利用者を移
   動させるステップと、 前記第２発信機から発信された信号を１個以上の前記衛
   星を介して受信するステップと、 前記衛星からの信号の到着時刻と前記地形図メモリに記
   憶されている高度データとを基礎にして前記利用者の位
   置を計算するステップと、 を備えた地表上の利用者位置を決定する方法。