JP2917145B1 - 複数衛星による電磁波発生源観測方法 - Google Patents
複数衛星による電磁波発生源観測方法Info
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Abstract
【要約】
【課題】 複数の地球周回衛星を用いて地球表面あいは
地中からの放射電磁波の発生位置を特定し、あるいは所
望の特定観測位置から放射される電磁波の強度変化を観
測できるようにした電磁波発生源観測方法を提供する。 【解決手段】 衛星間の双方向通信により時刻基準を同
期化させた複数の地球周回衛星を用い、各衛星に搭載し
た受信機により地球表面あるいは地中からの放射電磁波
を観測し、観測した電磁波の相互相関関数を求めて、同
一の電磁波が各衛星に到達する時刻の差を算出し、当該
放射電磁波の発生源の位置を特定する。
地中からの放射電磁波の発生位置を特定し、あるいは所
望の特定観測位置から放射される電磁波の強度変化を観
測できるようにした電磁波発生源観測方法を提供する。 【解決手段】 衛星間の双方向通信により時刻基準を同
期化させた複数の地球周回衛星を用い、各衛星に搭載し
た受信機により地球表面あるいは地中からの放射電磁波
を観測し、観測した電磁波の相互相関関数を求めて、同
一の電磁波が各衛星に到達する時刻の差を算出し、当該
放射電磁波の発生源の位置を特定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、電磁波の発生を
誘起する自然現象の解明に資する情報を全世界的に収集
することを目的とし、電磁波受信機を搭載した地球近傍
を周回する衛星群からなる電磁波観測衛星システムを用
いて、地球表面の電磁波発生源の位置を特定したり、あ
るいは所望の特定位置からの電磁波の強度変化を観測す
る複数衛星による電磁波発生源観測方法に関する。
誘起する自然現象の解明に資する情報を全世界的に収集
することを目的とし、電磁波受信機を搭載した地球近傍
を周回する衛星群からなる電磁波観測衛星システムを用
いて、地球表面の電磁波発生源の位置を特定したり、あ
るいは所望の特定位置からの電磁波の強度変化を観測す
る複数衛星による電磁波発生源観測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、衛星を利用した地球観測の分野
では、地上から放出される電磁波、すなわち光や電波を
観測することは、地表の植生、土壌の特性、気象現象や
海象現象の分析を行うための最もポピュラーな方法であ
る。特に、長期的に変貌する自然環境の監視やグローバ
ルな自然現象の解明・予知のためには、いろいろな周波
数帯の電磁波を周期的に且つ隈なく観測することが不可
欠であり、現在では、地球放射電磁波を観測する地球観
測衛星は地球科学になくてはならない手段となってい
る。
では、地上から放出される電磁波、すなわち光や電波を
観測することは、地表の植生、土壌の特性、気象現象や
海象現象の分析を行うための最もポピュラーな方法であ
る。特に、長期的に変貌する自然環境の監視やグローバ
ルな自然現象の解明・予知のためには、いろいろな周波
数帯の電磁波を周期的に且つ隈なく観測することが不可
欠であり、現在では、地球放射電磁波を観測する地球観
測衛星は地球科学になくてはならない手段となってい
る。
【０００３】このような衛星を利用したグローバルな地
球観測が、地震の予知にも利用できるのではないかとい
った期待が生まれるのは何ら特異なことではない。地震
発生の直前には電磁波に起因する自然現象が頻繁に発生
することが、かなり以前から数多く報告されており、既
にロシアや日本では、発生した地震とその期間に衛星が
観測した特定の周波数の電磁波との関連性から、地震予
知を行うための研究が盛んに行われている。
球観測が、地震の予知にも利用できるのではないかとい
った期待が生まれるのは何ら特異なことではない。地震
発生の直前には電磁波に起因する自然現象が頻繁に発生
することが、かなり以前から数多く報告されており、既
にロシアや日本では、発生した地震とその期間に衛星が
観測した特定の周波数の電磁波との関連性から、地震予
知を行うための研究が盛んに行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、観測さ
れた電磁波のスペクトル解析を行い、ある周波数帯の電
磁波の強度が異常に変化していることなどから、近い将
来に地震が発生することを高い確度で予知するには、ま
だまだ不確かな問題が多い。何故ならば、衛星からの観
測により得られるデータには、広範囲で発生した電磁波
が混在するだけでなく、太陽からの電磁波、雷や人工の
電磁波が入り混じっているため、地震の前兆と見られる
微細な電磁波を的確に見い出すことが困難であるかもし
れないからである。また、電磁波の発生と地震の前兆と
の因果関係の科学的究明にも、今後の研究成果が期待さ
れているところである。
れた電磁波のスペクトル解析を行い、ある周波数帯の電
磁波の強度が異常に変化していることなどから、近い将
来に地震が発生することを高い確度で予知するには、ま
だまだ不確かな問題が多い。何故ならば、衛星からの観
測により得られるデータには、広範囲で発生した電磁波
が混在するだけでなく、太陽からの電磁波、雷や人工の
電磁波が入り混じっているため、地震の前兆と見られる
微細な電磁波を的確に見い出すことが困難であるかもし
れないからである。また、電磁波の発生と地震の前兆と
の因果関係の科学的究明にも、今後の研究成果が期待さ
れているところである。
【０００５】この発明は、従来の地球観測システムにお
ける上記問題点を解消するためになされたもので、請求
項１に係る発明は、複数の地球周回衛星を用いて地球表
面あるいは地中からの放射電磁波の発生位置を容易に特
定できるようにした電磁波発生源観測方法を提供するこ
とを目的とする。また請求項２に係る発明は、複数の地
球周回衛星を用いて所望の地球表面あるいは地中の特定
観測位置近傍から放射される電磁波の強度変化を継続的
に観測できるようにした電磁波発生源観測方法を提供す
ることを目的とする。また請求項３に係る発明は、電磁
波発生源観測方法において用いる複数の衛星の時刻基準
を容易に同期させることができる手法を提供することを
目的とする。また請求項４に係る発明は、電磁波発生源
観測方法において、電磁波発生源の位置決定精度を向上
させることの可能な複数の衛星の配置条件を提供するこ
とを目的とする。
ける上記問題点を解消するためになされたもので、請求
項１に係る発明は、複数の地球周回衛星を用いて地球表
面あるいは地中からの放射電磁波の発生位置を容易に特
定できるようにした電磁波発生源観測方法を提供するこ
とを目的とする。また請求項２に係る発明は、複数の地
球周回衛星を用いて所望の地球表面あるいは地中の特定
観測位置近傍から放射される電磁波の強度変化を継続的
に観測できるようにした電磁波発生源観測方法を提供す
ることを目的とする。また請求項３に係る発明は、電磁
波発生源観測方法において用いる複数の衛星の時刻基準
を容易に同期させることができる手法を提供することを
目的とする。また請求項４に係る発明は、電磁波発生源
観測方法において、電磁波発生源の位置決定精度を向上
させることの可能な複数の衛星の配置条件を提供するこ
とを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、請求項１記載の発明は、時々刻々の位置を確定する
ことが可能であり、且つ相互に時刻基準を同期させるこ
とが可能な複数の地球周回衛星群を用いて電磁波観測衛
星システムを構成するステップと、前記衛星群にそれぞ
れ搭載された各電磁波受信機によって地球表面あるいは
地中からの放射電磁波を観測するステップと、前記各電
磁波受信機によって観測された各放射電磁波の相互相関
関数を求めて、当該放射電磁波が前記各衛星に到達する
時刻の差を算出するステップと、当該放射電磁波が前記
各衛星に到達する時刻差に基づいて当該放射電磁波の発
生源の位置を特定するステップとで複数衛星による電磁
波発生源観測方法を構成するものである。
め、請求項１記載の発明は、時々刻々の位置を確定する
ことが可能であり、且つ相互に時刻基準を同期させるこ
とが可能な複数の地球周回衛星群を用いて電磁波観測衛
星システムを構成するステップと、前記衛星群にそれぞ
れ搭載された各電磁波受信機によって地球表面あるいは
地中からの放射電磁波を観測するステップと、前記各電
磁波受信機によって観測された各放射電磁波の相互相関
関数を求めて、当該放射電磁波が前記各衛星に到達する
時刻の差を算出するステップと、当該放射電磁波が前記
各衛星に到達する時刻差に基づいて当該放射電磁波の発
生源の位置を特定するステップとで複数衛星による電磁
波発生源観測方法を構成するものである。
【０００７】このように、各衛星が観測する電磁波の相
互相関関数が最大となるシフト時間を抽出して当該衛星
間での同一電磁波の到達時刻差を求め、これらの到達時
刻差を用いて電磁波発生位置を容易に特定することがで
きる。すなわち、複数の衛星によって観測される同一ス
ペクトルの電磁波の到達時刻差が３つ以上観測されれ
ば、その電磁波発生源の３次元位置を特定することがで
きる。これにより、例えば電磁波発生の原因が地殻に加
わる応力にあるとすれば、これらの空間的分布や時間的
推移の分析が可能となり、これにより適切な地震予知を
可能にすると共に地震発生メカニズムの科学的解明を促
進することができる。
互相関関数が最大となるシフト時間を抽出して当該衛星
間での同一電磁波の到達時刻差を求め、これらの到達時
刻差を用いて電磁波発生位置を容易に特定することがで
きる。すなわち、複数の衛星によって観測される同一ス
ペクトルの電磁波の到達時刻差が３つ以上観測されれ
ば、その電磁波発生源の３次元位置を特定することがで
きる。これにより、例えば電磁波発生の原因が地殻に加
わる応力にあるとすれば、これらの空間的分布や時間的
推移の分析が可能となり、これにより適切な地震予知を
可能にすると共に地震発生メカニズムの科学的解明を促
進することができる。
【０００８】また請求項２記載の発明は、時々刻々の位
置を確定することが可能であり、且つ相互に時刻基準を
同期させることが可能な複数の地球周回衛星群を用いて
電磁波観測衛星システムを構成するステップと、所望の
地球表面あるいは地中の観測位置を特定するステップ
と、前記衛星群の位置と前記特定観測位置との関係から
求められる該特定観測位置から放射される電磁波の各衛
星への到達時刻差を求めるステップと、該到達時刻差を
基準として各受信電磁波間の相互相関関数を求めて、前
記特定位置近傍から放射される電磁波の強度変化を観測
するステップとで複数衛星による電磁波発生源観測方法
を構成するものである。
置を確定することが可能であり、且つ相互に時刻基準を
同期させることが可能な複数の地球周回衛星群を用いて
電磁波観測衛星システムを構成するステップと、所望の
地球表面あるいは地中の観測位置を特定するステップ
と、前記衛星群の位置と前記特定観測位置との関係から
求められる該特定観測位置から放射される電磁波の各衛
星への到達時刻差を求めるステップと、該到達時刻差を
基準として各受信電磁波間の相互相関関数を求めて、前
記特定位置近傍から放射される電磁波の強度変化を観測
するステップとで複数衛星による電磁波発生源観測方法
を構成するものである。
【０００９】このように構成した電磁波発生源観測方法
においては、当該衛星群の位置が既知であれば、観測し
たい地域（所望の特定観測位置）から放射された電磁波
が前記衛星のそれぞれに到達する時刻の差は解析的に求
められる。よって、この電磁波の到達時刻差を相互相関
関数のシフト時間の基準として受信電磁波を処理するこ
とにより、地域を特定した効率的な電磁波処理が可能と
なる。したがって、特定観測位置から発生する電磁波の
強度の変動を継続的に観測することにより、例えば監視
位置が危険な状態に推移しているかどうかを高頻度で観
測すると共に、地上設備による観測との相関性を究明す
ることが可能となる。
においては、当該衛星群の位置が既知であれば、観測し
たい地域（所望の特定観測位置）から放射された電磁波
が前記衛星のそれぞれに到達する時刻の差は解析的に求
められる。よって、この電磁波の到達時刻差を相互相関
関数のシフト時間の基準として受信電磁波を処理するこ
とにより、地域を特定した効率的な電磁波処理が可能と
なる。したがって、特定観測位置から発生する電磁波の
強度の変動を継続的に観測することにより、例えば監視
位置が危険な状態に推移しているかどうかを高頻度で観
測すると共に、地上設備による観測との相関性を究明す
ることが可能となる。
【００１０】また請求項３記載の発明は、請求項１又は
２記載の複数衛星による電磁波発生源観測方法におい
て、前記衛星群の時刻基準は、当該衛星間の双方向通信
における自己電波の送信時刻から相手側電波の受信時刻
までの経過時間に基づいて同期させることを特徴とする
ものである。このようにして時刻基準を同期させること
により、当該衛星群において受信された電磁波データの
時間的関係を確立することができ、原子時計等の高安定
クロックを用いれば時刻同期状態を所定時間、高精度に
維持することが可能となる。すなわち、請求項１又は２
記載の発明の前提条件である当該衛星間の時刻同期は、
同一電磁波が衛星群に到達する時刻差の精密測定に不可
欠であり、この請求項に係る時刻基準同期の手法を前記
電磁波観測衛星システムに適用することにより、地上設
備の支援を得ることなく容易に高精度な時刻同期を達成
し、電磁波発生源の位置を高精度で特定することが可能
になり、また到達時刻差を基準とする電磁波間の相互相
関関数を精度よく求めることが可能となる。
２記載の複数衛星による電磁波発生源観測方法におい
て、前記衛星群の時刻基準は、当該衛星間の双方向通信
における自己電波の送信時刻から相手側電波の受信時刻
までの経過時間に基づいて同期させることを特徴とする
ものである。このようにして時刻基準を同期させること
により、当該衛星群において受信された電磁波データの
時間的関係を確立することができ、原子時計等の高安定
クロックを用いれば時刻同期状態を所定時間、高精度に
維持することが可能となる。すなわち、請求項１又は２
記載の発明の前提条件である当該衛星間の時刻同期は、
同一電磁波が衛星群に到達する時刻差の精密測定に不可
欠であり、この請求項に係る時刻基準同期の手法を前記
電磁波観測衛星システムに適用することにより、地上設
備の支援を得ることなく容易に高精度な時刻同期を達成
し、電磁波発生源の位置を高精度で特定することが可能
になり、また到達時刻差を基準とする電磁波間の相互相
関関数を精度よく求めることが可能となる。
【００１１】また請求項４記載の発明は、請求項１〜３
のいずれか１項に記載の複数衛星による電磁波発生源観
測方法において、前記電磁波観測衛星システムは、ほと
んどの時間帯で地上から見て３基以上の衛星が特定の衛
星を取り囲むような配置状態になるように構成されてい
ることを特徴とするものである。電磁波発生源観測方法
においては、当該衛星群は電磁波発生地域近傍の地上か
ら見て、天空に広く且つ均一に分布していることが位置
決定精度上望ましい。したがって、例えば当該衛星群が
４機の場合、１機の衛星を他の３機の衛星が囲むような
配置状態を実現できる衛星群は位置決定精度において有
効である。極域を除く地域で、このような衛星配置が可
能となる衛星群を一例として具体的に示せば、まず２機
の衛星を同一の極軌道上に適当に離して前後に配置し、
残りの２機の衛星を前記２機の衛星の極軌道を挟むよう
な極軌道に配置することによって達成される。
のいずれか１項に記載の複数衛星による電磁波発生源観
測方法において、前記電磁波観測衛星システムは、ほと
んどの時間帯で地上から見て３基以上の衛星が特定の衛
星を取り囲むような配置状態になるように構成されてい
ることを特徴とするものである。電磁波発生源観測方法
においては、当該衛星群は電磁波発生地域近傍の地上か
ら見て、天空に広く且つ均一に分布していることが位置
決定精度上望ましい。したがって、例えば当該衛星群が
４機の場合、１機の衛星を他の３機の衛星が囲むような
配置状態を実現できる衛星群は位置決定精度において有
効である。極域を除く地域で、このような衛星配置が可
能となる衛星群を一例として具体的に示せば、まず２機
の衛星を同一の極軌道上に適当に離して前後に配置し、
残りの２機の衛星を前記２機の衛星の極軌道を挟むよう
な極軌道に配置することによって達成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】次に、発明の実施の形態について
詳細に説明する。図１は、本発明に係る複数衛星による
電磁波発生源観測方法において用いる、電磁波観測衛星
システムの衛星配置軌道の一例を示す図であり、三ツ矢
型に配置された４機の衛星１，２，３，４が日本上空を
通過する模様（衛星軌跡）が示されている。この例では
衛星が１日に地球を周回する回数は13回、軌道高度は12
62ｋｍ、軌道傾斜角は80度である。
詳細に説明する。図１は、本発明に係る複数衛星による
電磁波発生源観測方法において用いる、電磁波観測衛星
システムの衛星配置軌道の一例を示す図であり、三ツ矢
型に配置された４機の衛星１，２，３，４が日本上空を
通過する模様（衛星軌跡）が示されている。この例では
衛星が１日に地球を周回する回数は13回、軌道高度は12
62ｋｍ、軌道傾斜角は80度である。
【００１３】図２は、日本近辺の地上から見た衛星の天
空配置状態を示すもので、位置決定誤差の解析によれ
ば、電磁波到達時間差の測定精度が 0.1マイクロ秒の場
合、鉛直位置誤差は約 100ｍ，水平面半径誤差は約50ｍ
となる。したがって、上記の三ツ矢型配置を維持して周
回する４機の衛星群１，２，３，４を配置すれば、特定
の地域の電磁波観測を１日数回、数分間にわたって行う
ことが可能となる。なお、図２に示した衛星天空配置図
は、観測位置：35／135 度における衛星時刻：０時12分
の衛星配置を仰角10度の間隔で同心円を描いた天空図に
示しており、図中の点は各衛星の１分毎の位置を示す軌
跡である。各衛星の緯経度は、１号機：38.3／130.0 ，
２号機：48.0／132.5 ，３号機：28.5／118.3 ，４号
機：28.5／138.3 となっている。
空配置状態を示すもので、位置決定誤差の解析によれ
ば、電磁波到達時間差の測定精度が 0.1マイクロ秒の場
合、鉛直位置誤差は約 100ｍ，水平面半径誤差は約50ｍ
となる。したがって、上記の三ツ矢型配置を維持して周
回する４機の衛星群１，２，３，４を配置すれば、特定
の地域の電磁波観測を１日数回、数分間にわたって行う
ことが可能となる。なお、図２に示した衛星天空配置図
は、観測位置：35／135 度における衛星時刻：０時12分
の衛星配置を仰角10度の間隔で同心円を描いた天空図に
示しており、図中の点は各衛星の１分毎の位置を示す軌
跡である。各衛星の緯経度は、１号機：38.3／130.0 ，
２号機：48.0／132.5 ，３号機：28.5／118.3 ，４号
機：28.5／138.3 となっている。
【００１４】図３は、電磁波観測衛星システムを構成す
る複数（この図示例では２機）の衛星における時刻同期
の原理を示す図であり、図３において、11−１は第１の
衛星の測距電波13の送信時の第１の衛星の位置、11−２
は第２の衛星の測距電波14の受信時の第１の衛星の位
置、12−１は第２の衛星の測距電波14の送信時の第２の
衛星の位置、12−２は第１の衛星の測距電波13の受信時
の第２の衛星の位置を示しており、また15は第１の衛星
の時刻軸、16は第２の衛星の時刻軸を示している。２つ
衛星間の双方向通信において、自己の測距電波の送信時
刻から相手側の測距電波の受信時刻までの経過時間ｔ1
及びｔ2 を双方で測定することができれば、次式（１）
により当該衛星間の時刻のずれδｔが決定でき、時刻同
期が可能になる。 δｔ＝（ｔ1 −ｔ2 ）／２ ・・・・・・・・・・・（１）
る複数（この図示例では２機）の衛星における時刻同期
の原理を示す図であり、図３において、11−１は第１の
衛星の測距電波13の送信時の第１の衛星の位置、11−２
は第２の衛星の測距電波14の受信時の第１の衛星の位
置、12−１は第２の衛星の測距電波14の送信時の第２の
衛星の位置、12−２は第１の衛星の測距電波13の受信時
の第２の衛星の位置を示しており、また15は第１の衛星
の時刻軸、16は第２の衛星の時刻軸を示している。２つ
衛星間の双方向通信において、自己の測距電波の送信時
刻から相手側の測距電波の受信時刻までの経過時間ｔ1
及びｔ2 を双方で測定することができれば、次式（１）
により当該衛星間の時刻のずれδｔが決定でき、時刻同
期が可能になる。 δｔ＝（ｔ1 −ｔ2 ）／２ ・・・・・・・・・・・（１）
【００１５】次に、時刻基準の同期が行われた衛星群を
用いて電磁波発生源の位置を決定する手法について説明
する。図４は、ｉ番衛星及びｊ番衛星において受信され
た同一電磁波の相互相関関数を求めて、電磁波到達時刻
差δｔijを測定する原理を示す概念図であり、横軸は衛
星時間軸、縦軸は各衛星の観測電位を示している。ｉ番
衛星及びｊ番衛星において、観測したい周波数に応じた
時間間隔でサンプリングされた当該受信電磁波の電力を
ｗi 及びｗj とすれば、到達時刻差δｔijは次式（２）
で表される相互相関関数値Ｐijの値が最大となる場合の
シフト時間Δｔijに相当する。 Ｐij＝１／Ｎ・〔Σ｛ｗi ( ｔn ）ｗj （ｔn ＋Δｔij）｝〕1/2 ・・・・・・・・・・（２） 但し、ｔn はサンプリング時間、Ｎはサンプル数であ
り、サンプリング時間間隔によって測定対象とする周波
数帯が規定される。例えば、10ｋＨz 程度の周波数の信
号から、その１周波の10分の１程度の時間刻みで相関性
を観測したい場合、連続的に観測したアナログ信号から
概ね 100ｋＨz で信号をサンプリングする。
用いて電磁波発生源の位置を決定する手法について説明
する。図４は、ｉ番衛星及びｊ番衛星において受信され
た同一電磁波の相互相関関数を求めて、電磁波到達時刻
差δｔijを測定する原理を示す概念図であり、横軸は衛
星時間軸、縦軸は各衛星の観測電位を示している。ｉ番
衛星及びｊ番衛星において、観測したい周波数に応じた
時間間隔でサンプリングされた当該受信電磁波の電力を
ｗi 及びｗj とすれば、到達時刻差δｔijは次式（２）
で表される相互相関関数値Ｐijの値が最大となる場合の
シフト時間Δｔijに相当する。 Ｐij＝１／Ｎ・〔Σ｛ｗi ( ｔn ）ｗj （ｔn ＋Δｔij）｝〕1/2 ・・・・・・・・・・（２） 但し、ｔn はサンプリング時間、Ｎはサンプル数であ
り、サンプリング時間間隔によって測定対象とする周波
数帯が規定される。例えば、10ｋＨz 程度の周波数の信
号から、その１周波の10分の１程度の時間刻みで相関性
を観測したい場合、連続的に観測したアナログ信号から
概ね 100ｋＨz で信号をサンプリングする。
【００１６】そして、サンプリングの時間間隔Δｔ0 を
単位として、上記（２）式のΔｔijをｋΔｔ0 （ｋ：整
数）として、相互相関関数値Ｐijを算出すると、特定の
ｋの値でＰijが最大となる。このときのｋΔｔ0 が電磁
波到達時刻差δｔijに相当する。したがって、Ｐijの最
大値を求めるには、上記（２）式のΔｔijを変更して何
度も計算を繰り返す必要がある。
単位として、上記（２）式のΔｔijをｋΔｔ0 （ｋ：整
数）として、相互相関関数値Ｐijを算出すると、特定の
ｋの値でＰijが最大となる。このときのｋΔｔ0 が電磁
波到達時刻差δｔijに相当する。したがって、Ｐijの最
大値を求めるには、上記（２）式のΔｔijを変更して何
度も計算を繰り返す必要がある。
【００１７】かくして求められた電磁波到達時刻差δｔ
ijを用いれば、ｉ番衛星・電磁波放射点間距離ｓi とｊ
番衛星・電磁波放射点間距離ｓj との距離差δｓijは、
次式（３）により求められる δｓij＝ｓi −ｓj ＝ｃδｔij ・・・・・・・・（３） 但し、ｃは光の速さである。
ijを用いれば、ｉ番衛星・電磁波放射点間距離ｓi とｊ
番衛星・電磁波放射点間距離ｓj との距離差δｓijは、
次式（３）により求められる δｓij＝ｓi −ｓj ＝ｃδｔij ・・・・・・・・（３） 但し、ｃは光の速さである。
【００１８】また、例えば４番衛星に対する残り３衛星
の距離差δｓi4（ｉ＝１，２，３）が求まれば、電磁波
発生源の位置ベクトルｒの初期値ｒ0 に関する偏差δｒ
は、近似的に次式（４）により算出できる。
の距離差δｓi4（ｉ＝１，２，３）が求まれば、電磁波
発生源の位置ベクトルｒの初期値ｒ0 に関する偏差δｒ
は、近似的に次式（４）により算出できる。
【００１９】
【数１】
【００２０】但し、ベクトルｎijに関して次式（５）が
成立し、ここでベクトルｍi ，ｍjは電磁波発生源と各
衛星を結ぶ方向の単位ベクトルであり、ベクトルＬi を
地心に関する衛星位置ベクトルとすれば、次式（６）が
成立する。 ｎij＝ｍi −ｍj ・・・・・・・・・・・・・・（５） ｍi ＝（Ｌi −ｒ0 ）／｜Ｌi −ｒ0 ｜ ・・・・・（６） したがって、電磁波発生源の位置ベクトルｒは次式
（７）により更新することができる。 ｒ＝ｒ0 −δｒ ・・・・・・・・・・・・・・・（７） 以上により、電磁波発生源の位置ベクトルｒの収束値
は、これをｒ0 とおいて（４）式〜（７）式を繰り返し
演算することにより求められる。
成立し、ここでベクトルｍi ，ｍjは電磁波発生源と各
衛星を結ぶ方向の単位ベクトルであり、ベクトルＬi を
地心に関する衛星位置ベクトルとすれば、次式（６）が
成立する。 ｎij＝ｍi −ｍj ・・・・・・・・・・・・・・（５） ｍi ＝（Ｌi −ｒ0 ）／｜Ｌi −ｒ0 ｜ ・・・・・（６） したがって、電磁波発生源の位置ベクトルｒは次式
（７）により更新することができる。 ｒ＝ｒ0 −δｒ ・・・・・・・・・・・・・・・（７） 以上により、電磁波発生源の位置ベクトルｒの収束値
は、これをｒ0 とおいて（４）式〜（７）式を繰り返し
演算することにより求められる。
【００２１】一方、所望の観測したい地域（特定観測位
置）の位置ベクトルｒと時々刻々の各衛星位置からシフ
ト時間Δｔijを計算して、これを（２）式に代入すれ
ば、その所望特定観測位置の送信電力の相互相関関数
を、時間的推移として観測することができる。すなわ
ち、所望特定観測位置における放射電磁波の強度変化を
観測することができる。
置）の位置ベクトルｒと時々刻々の各衛星位置からシフ
ト時間Δｔijを計算して、これを（２）式に代入すれ
ば、その所望特定観測位置の送信電力の相互相関関数
を、時間的推移として観測することができる。すなわ
ち、所望特定観測位置における放射電磁波の強度変化を
観測することができる。
【００２２】なお、電磁波発生源Ｘの位置ベクトルｒ
と、電磁波発生源Ｘとｉ番及びｊ番衛星を結ぶ方向の単
位ベクトルｍi ，ｍj と、地心Ｏに関する衛星位置ベク
トルＬi ，Ｌj との関係を図示すると、図５に示すよう
に表される。
と、電磁波発生源Ｘとｉ番及びｊ番衛星を結ぶ方向の単
位ベクトルｍi ，ｍj と、地心Ｏに関する衛星位置ベク
トルＬi ，Ｌj との関係を図示すると、図５に示すよう
に表される。
【００２３】また電磁波発生源の位置特定用のハードウ
ェアの構成例を、図６のブロック構成図に示す。図６に
おいて、21−１・・・21−４はそれぞれ１番〜４番衛星
搭載の受信機、22は各受信機で受信された受信電磁波の
電力に基づいて相互相関関数Ｐijを算出する相互相関関
数演算部、23は相互相関関数演算部22で算出された相互
相関関数Ｐijに基づいて各衛星に到達する同一電磁波の
到達時刻差δｔijを算出する到達時刻差演算部、24は電
磁波到達時刻差δｔijに基づいて電磁波源位置を算出す
る電磁波源位置演算部である。
ェアの構成例を、図６のブロック構成図に示す。図６に
おいて、21−１・・・21−４はそれぞれ１番〜４番衛星
搭載の受信機、22は各受信機で受信された受信電磁波の
電力に基づいて相互相関関数Ｐijを算出する相互相関関
数演算部、23は相互相関関数演算部22で算出された相互
相関関数Ｐijに基づいて各衛星に到達する同一電磁波の
到達時刻差δｔijを算出する到達時刻差演算部、24は電
磁波到達時刻差δｔijに基づいて電磁波源位置を算出す
る電磁波源位置演算部である。
【００２４】以上、実施の形態において明らかにしたよ
うに、請求項１に係る発明によれば、地表あるいは地中
から放射されて複数の衛星によって同時に受信される電
磁波のいろいろなデータが得られるが、これらのデータ
の相互相関関数を求めることにより、電磁波発生源の位
置の特定が可能となる情報が抽出できる。更に、相互相
関関数を求める際のサンプリング間隔を変えることによ
り電磁波発生源のスペクトルを観測できることになり、
電磁波放射と地殻変動、地震等との関連性の研究深める
ことができるものと期待される。
うに、請求項１に係る発明によれば、地表あるいは地中
から放射されて複数の衛星によって同時に受信される電
磁波のいろいろなデータが得られるが、これらのデータ
の相互相関関数を求めることにより、電磁波発生源の位
置の特定が可能となる情報が抽出できる。更に、相互相
関関数を求める際のサンプリング間隔を変えることによ
り電磁波発生源のスペクトルを観測できることになり、
電磁波放射と地殻変動、地震等との関連性の研究深める
ことができるものと期待される。
【００２５】また、請求項２に係る発明によれば、各衛
星位置と所望特定観測位置との関係から求められる電磁
波到達時刻差に基づいて、（２）式のシフト時間Δｔij
を設定して相互相関関数を求めることにより、異常な電
磁波放射が発生している地域を特定した電磁波の観測が
可能となる。このようなデータ処理は計算量の削減につ
ながり、当該衛星間で観測データを送受信することによ
り衛星上での実時間処理も可能になる。また、このよう
に地域を特定して分析したデータは、地震発生プロセス
の究明に有力な役割を果たすようになるものと予想され
る。
星位置と所望特定観測位置との関係から求められる電磁
波到達時刻差に基づいて、（２）式のシフト時間Δｔij
を設定して相互相関関数を求めることにより、異常な電
磁波放射が発生している地域を特定した電磁波の観測が
可能となる。このようなデータ処理は計算量の削減につ
ながり、当該衛星間で観測データを送受信することによ
り衛星上での実時間処理も可能になる。また、このよう
に地域を特定して分析したデータは、地震発生プロセス
の究明に有力な役割を果たすようになるものと予想され
る。
【００２６】なお、この所望の特定観測位置近傍から放
射される電磁波の強度変化を観測するステップにおいて
注意すべきことは、（２）式で求められる相互相関関数
値Ｐijには特定した地点の電磁波だけでなく、同じシフ
ト時間によって形成された球面上のすべての地点から放
射される電磁波が関与する。したがって、設定した特定
の地点の電磁波のみを取り扱うためには、（２）式の相
互相関関数値Ｐijではなく、次式（８）で表される拡張
された相互相関関数値Ｑを用いるのがよい。 Ｑ＝１／Ｎ・〔Σ｛ｗ1 ( ｔn ）ｗ2 （ｔn ＋Δｔ12）ｗ3 （ｔn ＋Δｔ13） ｗ4 （ｔn ＋Δｔ14）｝〕1/4 ・・・・・・・・（８） ここで、上式のｗ1 ，ｗ2 ，ｗ3 ，ｗ4 は１番〜４番の
衛星における受信電磁波の電力、またΔｔ1j（ｊ＝２，
３，４）は（２）式と同様に衛星及び観測したい地点の
位置ベクトルｒ及び地心に関する衛星位置ベクトルＬj
から求められるシフト時間であり、光速をｃとすれば次
式（９）で表される。 Δｔ1j＝｜Ｌj −ｒ｜／ｃ ・・・・・・・・・・・（９） 但し、通常、衛星は高速度で移動しているため、地心に
関する衛星位置ベクトルＬj は時間的に変化するベクト
ルである。したがって、シフト時間Δｔ1jは（８）式の
計算において一定値ではない。また、相互相関関数の算
出においても、このようなシフト時間の補正を行うこと
により、（２）式におけるシフト時間の算出の精度を高
めることが可能である。
射される電磁波の強度変化を観測するステップにおいて
注意すべきことは、（２）式で求められる相互相関関数
値Ｐijには特定した地点の電磁波だけでなく、同じシフ
ト時間によって形成された球面上のすべての地点から放
射される電磁波が関与する。したがって、設定した特定
の地点の電磁波のみを取り扱うためには、（２）式の相
互相関関数値Ｐijではなく、次式（８）で表される拡張
された相互相関関数値Ｑを用いるのがよい。 Ｑ＝１／Ｎ・〔Σ｛ｗ1 ( ｔn ）ｗ2 （ｔn ＋Δｔ12）ｗ3 （ｔn ＋Δｔ13） ｗ4 （ｔn ＋Δｔ14）｝〕1/4 ・・・・・・・・（８） ここで、上式のｗ1 ，ｗ2 ，ｗ3 ，ｗ4 は１番〜４番の
衛星における受信電磁波の電力、またΔｔ1j（ｊ＝２，
３，４）は（２）式と同様に衛星及び観測したい地点の
位置ベクトルｒ及び地心に関する衛星位置ベクトルＬj
から求められるシフト時間であり、光速をｃとすれば次
式（９）で表される。 Δｔ1j＝｜Ｌj −ｒ｜／ｃ ・・・・・・・・・・・（９） 但し、通常、衛星は高速度で移動しているため、地心に
関する衛星位置ベクトルＬj は時間的に変化するベクト
ルである。したがって、シフト時間Δｔ1jは（８）式の
計算において一定値ではない。また、相互相関関数の算
出においても、このようなシフト時間の補正を行うこと
により、（２）式におけるシフト時間の算出の精度を高
めることが可能である。
【００２７】上記実施の形態の説明では、地球表面ある
いは地中など地殻から放射される電磁波を観測対象とし
て取り扱ったが、勿論、大気中の雷により発生する電磁
波や地上の人工的な電磁波も観測の対象とすることがで
き、前者の観測は局地的気象現象の解明と予知にも活用
することができる。
いは地中など地殻から放射される電磁波を観測対象とし
て取り扱ったが、勿論、大気中の雷により発生する電磁
波や地上の人工的な電磁波も観測の対象とすることがで
き、前者の観測は局地的気象現象の解明と予知にも活用
することができる。
【００２８】また、請求項３に係る発明によれば、観測
衛星システムを構成する衛星間のクロック同期は地上局
の支援を得ることなく、衛星間双方向通信により必要に
応じた頻度で行うことができる。したがって、地上局配
置に対する要求の緩和が可能であるだけでなく、搭載ク
ロックに対して要求される安定性は比較的低くてもよい
から、衛星コストの低減にも貢献することができる。
衛星システムを構成する衛星間のクロック同期は地上局
の支援を得ることなく、衛星間双方向通信により必要に
応じた頻度で行うことができる。したがって、地上局配
置に対する要求の緩和が可能であるだけでなく、搭載ク
ロックに対して要求される安定性は比較的低くてもよい
から、衛星コストの低減にも貢献することができる。
【００２９】また、請求項４に係る発明によれば、少な
くとも４機の電磁波観測衛星を用いて電磁波発生源の位
置決定を行う場合、通常、その精度を常に良好に維持す
ることができる。このような衛星配置は、例えば観測点
から送信された電磁波を位置が正確に知られた４点で受
信し、それらの受信時間差から観測点の位置ベクトルを
決定する測位方式に共通して有効である。しかし、前述
のように例えば衛星投入軌道として極軌道を適用する場
合、極近辺では衛星配置が崩れて三ツ矢型の配置ではな
くなり、位置決定精度が低下することがある。この問題
は、例えば図１の３番衛星及び４番衛星の軌道傾斜角
を、１番衛星及び２番衛星とは異なった傾斜角に設定す
ることにより調整することができる。
くとも４機の電磁波観測衛星を用いて電磁波発生源の位
置決定を行う場合、通常、その精度を常に良好に維持す
ることができる。このような衛星配置は、例えば観測点
から送信された電磁波を位置が正確に知られた４点で受
信し、それらの受信時間差から観測点の位置ベクトルを
決定する測位方式に共通して有効である。しかし、前述
のように例えば衛星投入軌道として極軌道を適用する場
合、極近辺では衛星配置が崩れて三ツ矢型の配置ではな
くなり、位置決定精度が低下することがある。この問題
は、例えば図１の３番衛星及び４番衛星の軌道傾斜角
を、１番衛星及び２番衛星とは異なった傾斜角に設定す
ることにより調整することができる。
【００３０】また、上記実施の形態の説明においては、
地震発生前後に放射される電磁波の観測を取り上げた
が、これらの電磁波は通常極めて低周波の電磁波が合成
したものである。その理由は、周波数の高い電磁波にな
るほど、地中を伝搬する際の減衰が大きくなるからであ
る。したがって、衛星で観測される地中発生の電磁波の
ほとんどは低周波であると言われており、このような電
磁波の相互相関関数から電磁波到達時刻差を正確に測定
することは困難であると予想される。もしも、図２の説
明で述べたように、電磁波到達時刻差の測定精度が、実
施段階で 0.1マイクロ秒ではなく、10マイクロ秒であっ
た場合、鉛直位置誤差は約10ｋｍ，水平面半径誤差は約
５ｋｍとなるが、それでもなお地震の研究には十分に有
効なデータを提供できるものと考えられる。
地震発生前後に放射される電磁波の観測を取り上げた
が、これらの電磁波は通常極めて低周波の電磁波が合成
したものである。その理由は、周波数の高い電磁波にな
るほど、地中を伝搬する際の減衰が大きくなるからであ
る。したがって、衛星で観測される地中発生の電磁波の
ほとんどは低周波であると言われており、このような電
磁波の相互相関関数から電磁波到達時刻差を正確に測定
することは困難であると予想される。もしも、図２の説
明で述べたように、電磁波到達時刻差の測定精度が、実
施段階で 0.1マイクロ秒ではなく、10マイクロ秒であっ
た場合、鉛直位置誤差は約10ｋｍ，水平面半径誤差は約
５ｋｍとなるが、それでもなお地震の研究には十分に有
効なデータを提供できるものと考えられる。
【００３１】
【発明の効果】以上実施の形態に基づいて説明したよう
に、請求項１に係る発明によれば、複数の地球周回衛星
を用いて地球表面あるいは地中からの放射電磁波の発生
位置を容易に特定できる電磁波発生源観測方法を提供す
ることができる。請求項２に係る発明によれば、複数の
地球周回衛星を用いて所望の地球表面あるいは地中の特
定観測位置から放射される電磁波の強度変化を観測でき
る電磁波発生源観測方法を提供することができる。請求
項３に係る発明によれば、請求項１又は２に係る電磁波
発生源観測方法において用いる複数の衛星の時刻基準を
容易に同期させることができる。請求項４に係る発明に
よれば、請求項１〜３のいずれか１項に係る電磁波発生
源観測方法において、電磁波発生源の位置決定精度を一
層向上させることが可能となり、また到達時刻差を基準
とする電磁波間の相互相関関数を精度よく求めることが
可能となる。
に、請求項１に係る発明によれば、複数の地球周回衛星
を用いて地球表面あるいは地中からの放射電磁波の発生
位置を容易に特定できる電磁波発生源観測方法を提供す
ることができる。請求項２に係る発明によれば、複数の
地球周回衛星を用いて所望の地球表面あるいは地中の特
定観測位置から放射される電磁波の強度変化を観測でき
る電磁波発生源観測方法を提供することができる。請求
項３に係る発明によれば、請求項１又は２に係る電磁波
発生源観測方法において用いる複数の衛星の時刻基準を
容易に同期させることができる。請求項４に係る発明に
よれば、請求項１〜３のいずれか１項に係る電磁波発生
源観測方法において、電磁波発生源の位置決定精度を一
層向上させることが可能となり、また到達時刻差を基準
とする電磁波間の相互相関関数を精度よく求めることが
可能となる。
【図１】本発明に係る複数衛星による電磁波発生源観測
方法の実施の形態における電磁波観測衛星システムを構
成する衛星配置軌道の一例を示す図である。
方法の実施の形態における電磁波観測衛星システムを構
成する衛星配置軌道の一例を示す図である。
【図２】図１に示した電磁波観測衛星を日本近辺の地上
からみた衛星の天空配置状態を示す図である。
からみた衛星の天空配置状態を示す図である。
【図３】図１に示した電磁波観測衛星における時刻基準
を同期させる原理を説明するための説明図である。
を同期させる原理を説明するための説明図である。
【図４】図１に示した電磁波観測衛星において、２つの
衛星において受信された同一電磁波の相互相関関数を求
めて電磁波到達時刻差を測定する原理を示す概念図であ
る。
衛星において受信された同一電磁波の相互相関関数を求
めて電磁波到達時刻差を測定する原理を示す概念図であ
る。
【図５】電磁波発生源の位置ベクトルと、電磁波発生源
と各衛星を結ぶ方向の単位ベクトルと、地心に関する衛
星位置ベクトルとの関係を示す図である。
と各衛星を結ぶ方向の単位ベクトルと、地心に関する衛
星位置ベクトルとの関係を示す図である。
【図６】電磁波発生源の位置特定用のハードウェアの構
成例を示す図である。
成例を示す図である。
１ １番衛星 ２ ２番衛星 ３ ３番衛星 ４ ４番衛星 11−１ １番衛星測距電波送信位置 11−２ ２番衛星測距電波受信位置 12−１ ２番衛星測距電波送信位置 12−２ １番衛星測距電波受信位置 13 １番衛星測距電波 14 ２番衛星測距電波 15 １番衛星時刻軸 16 ２番衛星時刻軸 21−１ １番衛星受信機 21−２ ２番衛星受信機 21−３ ３番衛星受信機 21−４ ４番衛星受信機 22 相互相関関数演算部 23 到達時刻差演算部 24 電磁波源位置演算部
───────────────────────────────────────────────────── 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 G01R 29/00 G01V 3/17
Claims (4)
- 【請求項１】 時々刻々の位置を確定することが可能で
あり、且つ相互に時刻基準を同期させることが可能な複
数の地球周回衛星群を用いて電磁波観測衛星システムを
構成するステップと、前記衛星群にそれぞれ搭載された
各電磁波受信機によって地球表面あるいは地中からの放
射電磁波を観測するステップと、前記各電磁波受信機に
よって観測された各放射電磁波の相互相関関数を求め
て、当該放射電磁波が前記各衛星に到達する時刻の差を
算出するステップと、当該放射電磁波が前記各衛星に到
達する時刻差に基づいて当該放射電磁波の発生源の位置
を特定するステップとからなることを特徴とする複数衛
星による電磁波発生源観測方法。 - 【請求項２】 時々刻々の位置を確定することが可能で
あり、且つ相互に時刻基準を同期させることが可能な複
数の地球周回衛星群を用いて電磁波観測衛星システムを
構成するステップと、所望の地球表面あるいは地中の観
測位置を特定するステップと、前記衛星群の位置と前記
特定観測位置との関係から求められる該特定観測位置か
ら放射される電磁波の各衛星への到達時刻差を求めるス
テップと、該到達時刻差を基準として各受信電磁波間の
相互相関関数を求めて、前記特定位置近傍から放射され
る電磁波の強度変化を観測するステップとからなること
を特徴とする複数衛星による電磁波発生源観測方法。 - 【請求項３】 前記衛星群の時刻基準は、当該衛星間の
双方向通信における自己電波の送信時刻から相手側電波
の受信時刻までの経過時間に基づいて同期させることを
特徴とする請求項１又は２に係る複数衛星による電磁波
発生源観測方法。 - 【請求項４】 前記電磁波観測衛星システムは、ほとん
どの時間帯で地上から見て３基以上の衛星が特定の衛星
を取り囲むような配置状態になるように構成されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に係る複
数衛星による電磁波発生源観測方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10177989A JP2917145B1 (ja) | 1998-06-11 | 1998-06-11 | 複数衛星による電磁波発生源観測方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10177989A JP2917145B1 (ja) | 1998-06-11 | 1998-06-11 | 複数衛星による電磁波発生源観測方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2917145B1 true JP2917145B1 (ja) | 1999-07-12 |
| JPH11352207A JPH11352207A (ja) | 1999-12-24 |
Family
ID=16040603
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10177989A Expired - Fee Related JP2917145B1 (ja) | 1998-06-11 | 1998-06-11 | 複数衛星による電磁波発生源観測方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2917145B1 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2976087B1 (fr) * | 2011-06-01 | 2019-07-12 | Thales | Systeme de localisation geographique d'un emetteur de signaux radioelectriques situee a la surface de la terre, et procede associe d'interferometrie distribuee |
| US8989652B2 (en) * | 2011-09-09 | 2015-03-24 | The Boeing Company | Advanced timing and time transfer for satellite constellations using crosslink ranging and an accurate time source |
| JP6032462B2 (ja) * | 2012-03-29 | 2016-11-30 | 国立大学法人東京工業大学 | 発信源推定方法およびそれを利用した発信源推定装置 |
| JP6032469B2 (ja) * | 2012-07-10 | 2016-11-30 | 国立大学法人東京工業大学 | 発信源推定方法およびそれを利用した発信源推定装置 |
-
1998
- 1998-06-11 JP JP10177989A patent/JP2917145B1/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11352207A (ja) | 1999-12-24 |
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