JP3095973B2 - 衛星通信システムにおける地球局位置検出方法 - Google Patents

衛星通信システムにおける地球局位置検出方法

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JP3095973B2
JP3095973B2 JP07090098A JP9009895A JP3095973B2 JP 3095973 B2 JP3095973 B2 JP 3095973B2 JP 07090098 A JP07090098 A JP 07090098A JP 9009895 A JP9009895 A JP 9009895A JP 3095973 B2 JP3095973 B2 JP 3095973B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、 非静止衛星を用いて
衛星通信を行う固定衛星通信システム，移動体衛星通信
システム，パーソナル衛星通信システム等の衛星通信シ
ステムおける地球局位置検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、米国およびヨーロッパ諸国で、主
として移動体衛星通信サービスを目的とする非静止軌道
を周回する非静止衛星を利用した商用サービスの提案・
検討が多くなされている。米国では、モトローラ社が１
９９８年からの商用化を目指し、衛星高度約７８０ｋｍ
の低高度軌道（ＬＥＯ：Ｌｏｗ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉ
ｔ）に総数６６機の周回衛星を配置して全世界規模のパ
ーソナル衛星通信システムを実現するイリジウム計画を
提案している。その他、高度１，２８９ｋｍの低高度軌
道に総数４８機の衛星を配置し、全世界を連続的にカバ
ーする移動体衛星通信システムであるＱｕａｌｃｏｍ社
のグローバルスターや高度１０，３７０ｋｍの中高度軌
道（ＭＥＯ：Ｍｅｄｉｕｍ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉｔ）
に総数１２機の衛星を配置し、世界主要９地域をカバー
するグローバルネットワークの構成を目的とするＴＲＷ
社のオデッセイシステム等が米国においては提案されて
おり、これらシステムの実現に向けての動きが活発化し
つつある。一方、ヨーロッパ諸国でもこれら非静止衛星
を用いる移動体衛星通信システムに関心を抱いており、
特にＥＳＡ（ヨーロッパ宇宙機関）では、高緯度地域に
適した長楕円軌道（ＨＥＯ：Ｈｉｇｈｌｙ Ｅｌｌｉｐ
ｔｉｃａｌ Ｏｒｂｉｔ）を利用するＡＲＣＨＩＭＥＤ
ＥＳ計画の提案・検討を行っている。更に、国際的な移
動体衛星通信機構であるＩＮＭＡＲＳＡＴでは、２００
０年以降のサービス開始を目指して、衛星高度１０，３
５５ｋｍの中高度軌道に１０機の衛星を配置し、全世界
に携帯端末によるパーソナル衛星通信サービスを提供す
ることを目的とするＩＮＭＡＲＳＡＴ−Ｐシステムの検
討・開発が盛んに行われている。
【０００３】ところで、上記に示した非静止衛星を用い
る移動体衛星通信システムでは、衛星１機がカバーする
ビームカバレッジが複数のスポットビームから構成され
るマルチビーム衛星が利用される。通常、マルチビーム
衛星では通信チャネルの周波数利用効率を高めるため、
隣接するスポットビーム間では周波数の異なる通信チャ
ネルが割り当てられる。従って、非静止衛星を用いる移
動体衛星通信システムでは、ユーザーの位置情報の取得
に当たり次の点が重要である。 （１）ユーザー地球局の呼び出し時に用いる報知チャネ
ルを伝送するスポットビーム数を最小化すること。すな
わち、地上網側からの呼び出しの対象となる地球局の正
確な位置が不明な場合、広範囲のビームエリアに亘って
呼び出しのための制御信号の伝送を行わなければならな
い。その結果、制御チャネルの周波数利用効率が低下
し、制御信号の最大トラヒック量を制限するとともに、
送信電力を無駄に消費するという問題が発生する。 （２）スポットビームハンドオーバー、衛星ハンドオー
バーを起動するための判断基準の補助情報として利用す
ること。すなわち、通信中の地球局が異なる２つのスポ
ットビーム、あるいは２つの衛星がカバーするグローバ
ルビームカバレッジを跨って通信を継続する場合、スポ
ットビーム間、あるいはグローバルビーム間のハンドオ
ーバー（通信に利用する衛星ビームの切替）を行う必要
があるが、地球局の正確な位置が分かれば、通信回線が
高品質な状態でハンドオーバーを実施することができる
（ハンドオーバーを起動するタイミングがずれると回線
断や通信回線の品質劣化が生じる）。 （３）地球局−陸上地球局間の呼接続時において適切な
陸上地球局を割当すること。すなわち、地球局と地上網
との接続が陸上地球局を介して行われる場合、通信が可
能となる領域は陸上地球局の周囲のある範囲に限定され
るが、地球局−陸上地球局間で通信回線の接続を行う場
合、呼の接続時間が最長となる陸上地球局が選択されな
ければならない。そのためには、地球局の正確な位置情
報が必要となり、もし地球局の正確な位置が検出できな
ければ、誤った陸上地球局が選択され、通信中に回線切
断が生じる可能性がある。 （４）国境線を識別すること。すなわち、グローバルな
パーソナル通信サービスを提供可能な移動体衛星通信シ
ステムでは、世界中のいかなる地域からも通信を行うこ
とができるが、このようなグローバルな通信サービスを
許可していない国家との国境線に近い地域から通信を行
う場合、地球局の正確な位置を認識し、通信の可能性の
有無を判断する必要がある。 （５）非常時・遭難時通信におけるユーザーの位置を確
認すること。すなわち、ユーザーが遭難等の非常事態に
陥ったとき、陸上地上局側でユーザーの正確な位置が検
出できれば、ユーザーを危険な状態から早急に救出する
ことができる。 （６）付加価値サービス （ユーザーへの位置情報の提
供）をすること。例えば、ユーザー、すなわち地球局の
正確な位置が分かるのであれば、その情報を地球局に通
知することによってナビゲーションサービス等の位置情
報サービスをユーザーに対して提供することができる。
【０００４】ここで、地球局を運用するユーザーの位置
検出を行う手法としては以下の様な方法が提案されてい
る。 （ａ）地球局の在圏スポットビームのエリア情報から、
地球局の位置を推定する。この場合、測位精度はスポッ
トビーム半径に相当し、通常数百ｋｍから数千ｋｍの精
度で地球局の位置を推定することができる。 （ｂ）地球の重心を原点に、赤道面をｘｙ平面に取り、
経度０度の向きをｘ軸の正の向きに、東経９０度の向き
をｙ軸の正の向きに取る三次元座標系、すなわち地心座
標系において、衛星−地球局間の複数回（２回以上）に
亘る測定距離データを用いて衛星を中心とする球面の交
点を求めることにより、あるいは衛星−地球局間の複数
回（２回以上）に亘るドップラーシフト量の測定データ
を用いて衛星を中心とする円錐面の交点を求めることに
より、あるいはそれらを組み合わせたデータを用いて衛
星を中心とする球面と円錐面の交点を求めることにより
地球局の位置を検出することができる。但し、交点は２
つ存在し、この現象を解の不確定性と呼ぶが、通常は地
球局の存在するスポットビームのエリアコードから真の
位置を一意に決定することができる。また、通常は連立
方程式の解を直接求めるのではなく、地球局の位置を未
知変数として式で表し、最小自乗法により求める手法が
用いられる。尚、衛星−地球局間の距離の測定法として
は、陸上地球局と地球局の両局がタイミング同期が施さ
れた時計を各々持つことにより、陸上地球局、あるいは
地球局から送信された信号の伝搬時間を地球局、あるい
は陸上地球局において検出し、衛星−地球局間の伝搬時
間に光速を掛け合わせることにより導出することができ
る。また、衛星−地球局間のドップラーシフト量の測定
法としては、陸上地球局と地球局の両局が周波数同期が
施された周波数発振器を各々持つことにより、陸上地球
局、あるいは地球局から送信された信号の周波数オフセ
ット量を地球局、あるいは陸上地球局において検出し、
その値から衛星−陸上地球局間の周波数オフセット量を
減ずることにより、衛星−地球局間の周波数オフセット
量、すなわちドップラーシフト量を導出することができ
る。 （ｃ）既存の衛星測位システム、すなわちＧＰＳ（Ｇｌ
ｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）や
ＧＬＯＮＡＳＳ（ＧＬＯｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ
Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）、あるいはロラ
ンＣのような既存の無線測位システムを利用して地球局
で自局の位置を検出し、その情報を陸上地球局に伝送す
る。
【０００５】上記（ａ）〜（ｃ）に示す地球局の位置検
出手法において、測位精度が最も安定しているのは
（ｃ）の手法であり、（ｂ）の手法については衛星の軌
道パラメータ、測位時に利用できる衛星個数、測定距離
およびドップラーシフト量の測定精度、位置検出の時間
間隔等によって、その精度は数十ｍから数千ｋｍの間を
大きく変動する可能性がある。尚、（ａ）の手法につい
ては地球局の大まかな位置検出を行うことしかできず、
原則として高精度の測位は行うことはできない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】前記に示した非静止衛
星を利用する衛星通信システムの地球局の位置検出法
（ａ）〜（ｃ）は、以下のような課題を各々有してい
る。すなわち、（ａ）のスポットビーム単位の位置検出
法の場合、地球局の位置精度は数百ｋｍから数千ｋｍと
かなり大まかなため、地上網側から地球局を確実に呼び
出すためには地球局の在圏スポットビームに隣接する全
てのスポットビームを用いて呼び出しのための一斉送信
をしなければならない。その結果、制御チャネルの周波
数利用効率が低下し、制御信号の最大トラヒック量を制
限するとともに、送信電力を無駄に消費するという問題
が発生する。また、対象となる地球局がスポットビーム
間、あるいはグローバルビーム間において継続して通信
を行う必要がある場合、地球局の正確な位置が分からな
いため、通信回線が高品質な状態でハンドオーバーを実
施するためには、隣接するスポットビーム同士の重複エ
リアを拡大し、スポットビームエッジにおける回線マー
ジンを余分に取らなければならない。その結果、効率的
なスポットビーム配置を行うことができず、かつ、高出
力の送信機能を有する高価な衛星を利用しなければなら
ない。また、地球局−陸上地球局間の呼接続時における
適切な陸上地球局の割当を行うことができず、誤った陸
上地球局が選択され、通信中に回線切断が生じる可能性
がある。更に、国境線の識別、非常時・遭難時通信にお
けるユーザーの位置確認、ナビゲーションサービスの提
供という項目に関しては全く行うことができない。
【０００７】次に（ｂ）の手法の場合、測位手順につい
て以下のような課題が存在する。すなわち、地心座標系
において地球局の位置を推定する手法の場合、最小自乗
法が発散せずに地球局の推定位置を導出するためには、
最小自乗法の初期値として適切な値を与えなければなら
ない。しかしながら、この条件を満足するためには地心
座標系で表現される地球表面上の全ての地点を初期値の
候補として用意しなければならない。更に、最小自乗法
において初期値を誤って設定すると、地球局の真の位置
ではなく、最小自乗法の誤差がゼロに近づく別の解に収
束し、誤った位置を検出する可能性がある。更に、最小
自乗法で得られる複数の解が同じスポットビーム内に存
在する場合、従来のスポットビームエリアコードで見分
ける手法を適用することができず、地球局の位置を一意
に決定することができない。この現象を図９を用いて説
明する。但し簡単のため、測位手法としては１機の非静
止衛星を用いて２回衛星−地球局間の距離を測定する手
法を適用する。図９は、時刻ｔk 、ｔk+1 に測定した衛
星−地球局間距離ｒk （１１２）、ｒk+1 （１１３）を
用いて測位を行う手法を示しており、衛星から地球表面
に下ろした垂線と地球表面の時刻ｔk 、ｔk+1 における
交点Ｑ（ｔk ）（１１０）、Ｑ（ｔk+1 ）（１１１）を
中心とし、半径が各々ｒｋ（１１２）、ｒk+1 （１１
３）となる円の交点として地球局の推定位置が２つの解
Ａ（１１６）、Ｂ（１１７）として得られ、このとき、
２点Ａ（１１６）、Ｂ（１１７）は点Ｑ（ｔk ）（１１
０）、Ｑ（ｔk+1 ）（１１１）を通る直線ｎ（１１５）
を軸として点対称の関係となる。すなわち、２点のうち
一方地球局の真位置と一致するが、他方は誤った推定位
置となり、このような場合、１回の測位結果から真の推
定位置を決定することは不可能となる。その結果、
（ａ）の手法と同様に地球局の位置精度は数百ｋｍから
数千ｋｍとかなり大まかになるため、地上網側から地球
局を確実に呼び出すためには地球局の在圏スポットビー
ムに隣接する全てのスポットビームを用いて呼び出しの
ための一斉送信をする必要があるとともに、正確なハン
ドオーバー、並びに適切な陸上地球局の割当を行うこと
ができず、更に国境線の識別、非常時・遭難時通信にお
けるユーザーの位置確認、ナビゲーションサービスの提
供等も行うことができない。
【０００８】また、（ｃ）の手法の場合、既存の衛星測
位システムや無線測位システムを利用するための専用の
受信機が別途必要となり、地球局端末装置のコストアッ
プ、消費電力の増加、端末装置の小型軽量化への制限等
の問題が生じる可能性がある。更に、ＧＰＳやＧＬＯＮ
ＡＳＳといった衛星測位システムは、元来軍事的目的の
ために構築されたシステムであるため、測位サービスの
提供が絶対的に保証されているものではない。従って、
このような既存のシステムに地球局の位置検出を依存す
ることは極めて危険であるものと考えられる。
【０００９】本発明は、従来の方法より少ない情報量を
用いて短時間に地球局の位置を高精度で求めることが可
能な衛星通信システムにおける地球局位置検出方法を提
供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明による衛星通信システムにおける地球局位置
検出方法は、地上との通信機能を有する非静止衛星と、
その非静止衛星との通信を行うことが可能な送受信装置
を有する地球局と、地上の通信網と接続されており、か
つ、地球局との通信を非静止衛星を介して行うことが可
能な陸上地球局とから構成される衛星通信システムにお
いて、位置が既知である地球表面の任意の地点を参照地
点（リファレンスポイント）と位置付けて三次元座標軸
の中心座標とし、地球の中心点から三次元座標軸の中心
座標方向への直線をＺ軸とし、地球表面と接し、かつ、
地球の赤道と直交関係にある三次元座標軸の中心座標を
通過する直線をＹ座標とし、地球表面と接し、かつ、地
球の赤道と平行関係にある三次元座標軸の中心座標を通
過する直線をＸ座標とするＸＹＺ三次元直交座標系を想
定し、位置が未知である地球局と非静止衛星間の測定距
離、並びに地球局と非静止衛星間のドップラーシフト量
に関する情報を用いることにより、地球局の位置の一次
推定を行い、次に一次推定により求められた地球局の推
定位置を中心座標とする三次元座標系において、上記の
測定距離、並びにドップラーシフト量に関する情報を再
度用いて地球局の位置を二次推定し、以下、同様の操作
を複数回繰り返し、前記三次元座標系の中心座標と新た
に推定した該地球局の高次推定値との誤差が極めて小さ
い予め定めた閾値を下回った場合に該繰り返し操作を終
了し、該繰り返し操作の終了時点における該高次推定値
を該地球局の推定位置として決定することにより、地球
局の位置を高精度に求めることができるように構成され
ている。
【００１１】次に、地球が球であることを利用してＸ及
びＹ座標の値を未知なる二変数として地球局の位置のＺ
座標の値を表現することにより、地球局と非静止衛星間
の測定距離、並びに地球局と非静止衛星間のドップラー
シフト量に関して必要とする情報量を減ずるこができる
ように構成することができる。
【００１２】また、複数の地球局と非静止衛星間の測定
距離、並びに地球局と非静止衛星間のドップラーシフト
量に関する情報を用いることにより、地球局の位置と地
球局が有する時計の精度の不安定性に起因する時間誤
差、並びに地球局が有する周波数発振器の不安定性に起
因する周波数誤差を同時に推定し、これらの誤差要因を
除去することにより高精度の位置検出を可能とするよう
に構成することもできる。
【００１３】さらに、非静止衛星と地球局間の測定距
離、あるいは非静止衛星と地球局間のドップラーシフト
量を用いて地球局の位置検出を行う衛星測位方式におい
て、適当な時間間隔で測定した衛星−地球局間距離デー
タの変移量を観測することにより、地球局が存在する在
圏エリアを非静止衛星がカバーするビームカバレッジの
半分の領域に限定するとともに、適当な時間間隔で複数
の解として得られる地球局の推定位置を随時観測し、時
間経過に伴う各推定位置の位置変移量を比較し、かつ、
位置変移量が最小となる推定位置を選択することによ
り、地球局の真の位置に対する推定位置を一意に決定す
るように構成することもできる。
【００１４】
【作用】最小自乗法のための初期値を全地球表面上に対
応させて用意する必要が無く、具体的な数値として数ポ
イント（４ポイント以上）で代表させることにより、最
小自乗法の初期値を決定するための冗長となる演算操作
や、大量の初期値を事前に記憶素子に記憶し、それを読
み出す等の操作による演算量を大幅に削減することがき
る。また、地球が球であることを利用してＸ及びＹ座標
の値を未知なる二変数として地球局の位置のＺ座標の値
を表現することにより、地球局と非静止衛星間の測定距
離、並びに地球局と非静止衛星間のドップラーシフト量
に関して必要とする情報量を減ずることができ、位置検
出に要する時間を短縮することができる。更に、地球局
が有する時計の精度の不安定性に起因する時間誤差、並
びに地球局が有する周波数発振器の不安定性に起因する
周波数誤差を推定、かつ、補償することにより高精度の
位置検出を行うことができる。
【００１５】衛星−地球局間の測定距離データの変移量
を観測することにより、地球局が存在する在圏エリアを
非静止衛星がカバーするビームカバレッジの半分の領域
に限定することができ、最小自乗法のための初期値を２
つに限定することにより、測位演算量を削減することが
できる。また、複数の解として得られる地球局の推定位
置を随時観測し、時間経過に伴う各推定位置の位置変移
量を比較し、かつ、位置変移量が最小となる推定位置を
選択することにより、地球局の真の位置に対する推定位
置を一意に決定することができる。以上の操作により、
従来方式では除去不可能であった同一セル内の推定位置
の不確定性の問題を容易に除去し、ユーザーの位置を高
精度で一意に決定することができる。
【００１６】
【実施例】図１に、本発明による衛星測位方式の測位演
算手法の前提となる座標軸系について示す。図におい
て、位置が既知である地球表面５の任意の地点を参照地
点（リファレンスポイント）の初期値９と位置付けて三
次元座標軸ＸＹＺの中心座標（０，０，０）とする。
尚、地球の中心点２０からリファレンスポイントの初期
値９方向への直線をＺ軸６とし、地球表面と接し、か
つ、地球の赤道と直交関係にあるリファレンスポイント
の初期値９を通過する直線をＹ座標７とし、地球表面と
接し、かつ、地球の赤道と平行関係にあるリファレンス
ポイントの初期値９を通過する直線をＸ座標８とする。
ここで、リファレンスポイントの初期値９の設定法とし
ては、以下のような手法が考えられる。 （手法１）地球表面上の任意の複数地点の固定値（緯
度、経度）として与え、地球局が存在するスポットビー
ムに最も近いリファレンスポイントの初期値を三次元座
標軸の原点として選択する方法をとること。 （手法２）衛星直下点をリファレンスポイントの初期値
として設定する方法をとること。この場合、リファレン
スポイントは衛星の移動とともに常に移動することにな
るが、衛星軌道が事前に把握できるため、複雑な計算を
行う必要はない。 （手法３）スポットビームの中心点をリファレンスポイ
ントの初期値として設定する方法をとること。この場
合、各衛星が地球表面を照射するスポットビームの数だ
けリファレンスポイントを用意する必要があり、かつ、
そのポイントは手法２と同様に衛星の移動とともに常に
移動することになるが、衛星軌道が事前に把握できるた
め、複雑な計算を行う必要はない。
【００１７】一方、非静止衛星１は地球５を周回してお
り、その周回周期は地球の自転の周期よりも一般に短い
とされる。このとき、地球表面５から非静止衛星１を観
測すると、時間の経過とともに衛星が観測者の上空を移
動して行くことになる。すなわち、図１に示すように時
刻ｔ＝ｔ1 、ｔ2 、ｔ3 と時間が経過するに連れて、非
静止衛星１の座標位置は各々（ｘ1 ，ｙ1 ，ｚ1 ）、
（ｘ2 ，ｙ2 ，ｚ2 ）、（ｘ3 ，ｙ3 ，ｚ3 ）と変化す
る。ここで、各時刻における地球局１９−衛星間距離の
測定を３回行い、その測定距離データを用いて地球局の
位置検出と地球局の有する時計のクロック誤差推定を同
時に行う最小自乗法を用いた位置検出法を例として説明
を行う。まず、リファレンスポイントの初期値を原点
（０，０，０）とする座標系において、時刻ｔ3 ，ｔ2
およびｔ３において検出した地球局１９−衛星間の測定
距離をｒ（ｔ3 ），ｒ（ｔ2 ）およびｒ（ｔ3 ）、その
時刻における真距離をｒ0 （ｔ1 ），ｒ0 （ｔ2 ）およ
びｒ0 （ｔ2 ）、推定距離の一般式をｒ’（ｔ1 ），
ｒ’（ｔ2 ）およびｒ’（ｔ3 ）、並びに衛星の真位置
を（ｘ’（ｔ1 ），ｙ’（ｔ1 ），ｚ’（ｔ1 ）），
（ｘ’（ｔ2 ），ｙ’（ｔ2），ｚ’（ｔ2 ））および
（ｘ’（ｔ3 ），ｙ’（ｔ3 ），ｚ’（ｔ3 ））で各々
表し、更に地球局の推定位置を（ｘ，ｙ，ｆ（ｘ，
ｙ））としクロック誤差による伝搬距離誤差の推定値を
ｓとすると、これらのパラメータは以下の数式により関
係づけられる。
【００１８】
【数１】 ｒ（ｔ1 ）＝ｒ0 （ｔ1 ）＋ｒｅｒｒｏｒ（ｔ1 ） （１） ｒ（ｔ2 ）＝ｒ0 （ｔ2 ）＋ｒｅｒｒｏｒ（ｔ2 ） （２） ｒ（ｔ3 ）＝ｒ0 （ｔ3 ）＋ｒｅｒｒｏｒ（ｔ3 ） （３） （ｒｅｒｒｏｒ（ｔi ）はクロック誤差による伝搬距離
誤差を表す）
【００１９】
【数２】 r'(t1)＝((x'(t1)−x)2 ＋(y'(t1) −y)2 ＋（z'(t1)＋f(x,y))2)1/2＋ｓ （４） r'(t2)＝((x'(t2)−x)2 ＋(y'(t2）−y)2 ＋(z'((t2)＋f(x,y))2)1/2＋ｓ （５） r'(t3)＝((x'(t3)−x)2 ＋(y'(t3）−y)2 ＋(z'(t3）＋f(x,y))2)1/2＋ｓ （６）
【００２０】
【数３】 ｆ（ｘ，ｙ）＝ａ0 −（ａ0 2 −ｘ2 −ｙ2 ）1/2 （７）
【００２１】ここで、
【数４】 δｆ（ｘ，ｙ) ／δｘ＝ｘ／（ａ0 2−ｘ2 −ｙ2 ）1/2 ，δｆ（ｘ，ｙ）／δｙ ＝ｙ／（ａ0 2−ｘ2 −ｙ2 ）1/2 （８） より、
【００２２】
【数５】 δr' (ｔi ) ／δｘ＝［−（ｘ'(ｔi ）−ｘ）＋｛ｘ（ｚ'(ｔi ）＋ｆ（ｘ， ｙ))｝／（ａ0 2−ｘ2 −ｙ2 ）1/2 ］・（ｒ'(ｔi ))-1/2 （９） δr' (ｔi ）／δｙ＝［−（ｙ'(ｔi ）−ｙ）＋｛ｙ（ｚ'(ｔi ）＋ｆ（ｘ， ｙ))｝／（ａ0 2−ｘ2 −ｙ2 ）1/2 ］・（ｒ'(ｔi ))-1/2 （10) δｒ’（ｔi ）／δｓ＝１ (11) （ここで、ｉ＝１，２，３）
【００２３】ここで、最小自乗法の計算過程における地
球局のｘ，ｙ座標及びｓの近似値をｓｘ、ｓｙ、ｓｓ、
並びにｘ，ｙ座標及びｓの補正値をｄｘ，ｄｙ，ｄｓと
する。
【００２４】このとき、
【数６】
【数７】 で表すと、
【数８】
【数９】 により、ｄｘ，ｄｙを導出することができる。
【００２５】この補正値を用いて、ｓｘ，ｓｙは各々
【数１０】 ｓｘ＝ｓｘ−ｄｘ （16) ｓｙ＝ｓｙ−ｄｙ (17) ｓｓ＝ｓｓ−ｄｓ (18) と修正される。但し、ｓｘ，ｓｙ，ｓｓの初期値の設定
法については別途説明を行う。
【００２６】以上の計算を反復して、ｄｘ，ｄｙがある
値以下になった場合計算を打ち切り、そのときｓｘ，ｓ
ｙを地球局の位置の推定位置として決定する。すなわ
ち、
【数１１】 ｘ＝ｓｘ (19) ｙ＝ｓｘ (20) ｓ＝ｓｓ (21) となる。ただし、−ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）は地球局の地球表
面上の位置からリファレンスポイントを原点とする座標
系のＸＹ平面に下ろした垂線の長さを表す。
【００２７】次に、以上の手法により検出した地球局位
置の一次推定値１３をリファレンスポイントの更新値と
して設定し、この位置を中心とする座標系で地球局の位
置を再度推定する。尚、地球の中心点２０からリファレ
ンスポイントの更新値１３方向への直線をＺ’軸１６と
し、地球表面と接し、かつ、地球の赤道と直交関係にあ
るリファレンスポイントの更新値１３を通過する直線を
Ｙ’座標１７とし、地球表面と接し、かつ、地球の赤道
と平行関係にあるリファレンスポイントの更新値１３を
通過する直線をＸ’座標１８とし、この新たなＸ’Ｙ’
Ｚ’三次元座標系において式（１）ないし式（２１）と
同様の手順により地球局位置の二次推定値を検出する。
以後、この操作を複数回繰り返し、三次元座標系の中心
座標と新たに推定したその地球局の高次推定値との誤差
が極めて小さい予め定めた閾値を下回った場合にその繰
り返し操作を終了し、その終了時点に得られた推定位置
を地球局の位置と決定することにより、極めて高精度の
位置検出を行うことができる。
【００２８】その他、ドップラーシフト量を３回以上測
定することにより、地球局の位置と周波数発振器の周波
数誤差を同時に推定する方法や、ドップラーシフト量と
衛星−地球局間の距離を一度に２回以上測定することに
より、地球局の位置、地球局の有する時計の不安定性に
起因する時間誤差、並びに地球局の有する周波数発振器
の不安定性に起因する周波数誤差を同時に推定する方法
も、前期に示した複数個の測定距離データを用いる手法
と同様の手法により適用することが可能である。すなわ
ち、リファレンスポイントを中心とする三次元直交座標
系において、衛星−地球局間のドップラーシフト量に関
する推定式を導出し、その推定式の時間に関する偏微分
式を導出することにより、最小自乗法を適用することが
できる。
【００２９】次に、最小自乗法のアルゴリズムで必要と
する地球局の位置の推定値（ｘ，ｙ）の初期値（ｓｘ，
ｓｙ）の設定法について、その実施例を図２〜５を用い
て説明を行う。図２は非静止衛星が地球表面を照射する
マルチビーム２６の実施例を表しており、マルチビーム
２６は複数のスポットビーム２５から構成される。各ス
ポットビーム２５は互いに独立の関係にあり、地上系の
セルラーシステムと同様のセル構成を採用することによ
り周波数利用効率を高めることができる。図において、
Ｘ軸（２１），Ｙ軸（２２）は衛星直下点２３を中心と
する三次元直交座標系の２つの直交軸を表しており、Ｘ
軸（２１）は赤道と平行、Ｙ軸（２２）は赤道と直交の
関係にあり、かつ、ＸＹ平面は衛星直下点２３を通り地
球表面と接する平面となる。また、矢印２９は衛星直下
点の速度ベクトル、直線ｎ（３１）は速度ベクトル２９
を含む直線、直線ｍ（３０）は衛星直下点２３を通り直
線ｎ（３１）と直交の関係にある直線、曲線２８は衛星
直下点２３の地球表面における軌跡を各々表している。
ここで、最小自乗法のアルゴリズムで必要となる初期値
（ｓｘ，ｓｙ）の設定法を以下の４通りに分類する手法
について新たに提案する。尚、位置検出の対象となる地
球局の位置は、陸上地球局から放送されるスポットビー
ムＩＤを利用することにより、最低限スポットビーム単
位で検出可能であるとする。
【００３０】（１）位置検出の対象となる地球局が、直
線ｎ（３１）あるいは直線ｍ（３０）と交差するスポッ
トビーム以外のスポットビーム３２−１に存在する場合
（図３）、最小自乗法の初期値はそのスポットビームの
中心点３９に設定する。尚、最小自乗法の初期値はスポ
ットビームの中心点に限定されるものではなく、スポッ
トビーム内であれば何れの点でも構わず、任意の点が適
用可能である。 （２）位置検出の対象となる地球局が、直線ｎ（３１）
と交差する場合、図４のようにスポットビーム３２−２
の中心４０を通り直線ｎ（３１）と垂直な直線とスポッ
トビームカバレッジエンドとの交点を２つの初期値（３
３，３４）として地球局の位置検出を行う。この場合、
２通りの解が得られるが、１つの解は時間によらずほぼ
固定点として求めることができるが、もう１点は時間経
過とともに大きく変動する（詳細は後述）。この変動量
を比較することにより、真の位置を決定できる（具体的
には３回測距を２回繰り返して検出位置の差の絶対値が
小さい方を真の位置と決定する）。 （３）地球局が存在するスポットビームが衛星の直線ｍ
（３０）上にある場合、図５のようにスポットビーム３
２−３の中心４１を通り直線ｍ（３０）と垂直な直線と
スポットビームカバレッジエンドとの交点を２つの初期
値の候補Ａ（３７）、Ｂ（３８）とし、次の不等式に基
づいて地球局の位置検出を行う。 Δｒ＝ｒ（ｔk+1 ）−ｒ（ｔk ）＜ ０のとき（図２の
領域２４に相当）：初期値Ａ（３７） Δｒ＝ｒ（ｔk+1 ）−ｒ（ｔk ）≧０のとき（図２の領
域２７に相当）：初期値Ｂ（３８） 但し、ｒ（ｔk ），ｒ（ｔk+1 ）は各々時刻ｔk ，ｔ
k+1 における衛星−地球局間の測定距離を表し、Δｒは
それらの差を表す。また、初期値Ａ，Ｂは図の位置に限
定されるものではなく、図２の各領域内であれば何れの
点でも利用可能である。このように、衛星−地球局間の
測定距離データの変移量を観測することにより、地球局
が存在する在圏エリアを非静止衛星がカバーするスポッ
トビームカバレッジの半分の領域（２４あるいは２７）
に限定することができる。 （４）衛星直下点２３を含むスポットビームについて
は、上記（２）と（３）の両方の手順を用いて地球局の
位置決定を行う。
【００３１】次に、上記（２）の条件の場合、適当な時
間間隔で２つの解として得られる地球局の推定位置を随
時観測し、時間経過に伴う各推定位置の位置変移量を比
較し、かつ、位置変移量が最小となる推定位置を選択す
ることにより、地球局の真の位置に対する推定位置を一
意に決定することができる理由について説明する。図６
は、衛星直下点が地球表面に対して一定方向に移動す
る、すなわち、衛星直下点の地球表面に対する速度ベク
トルが一定であると仮定した場合に得られる推定位置の
変移特性を表したものであり、地球の自転を考慮しない
簡易なモデルで地球局の位置検出を行う場合に相当す
る。図において、点４４，４５，４６は各々時刻ｔk ，
ｔk+1 ，ｔk+2 における衛星直下点を表しており、円５
２，５３，５４は各時刻に測定された衛星−地球局間距
離を半径とする球と地球との交線を表している。また、
直線４９は衛星直下点の地球表面における軌跡を表して
おり、矢印４７，４８は各々時刻ｔk ，ｔk+1 における
衛星直下点の速度ベクトルを表している。このとき、地
球局の推定位置は時刻ｔk+1 では円５２と円５３の交
点、時刻ｔk+2 では円５３と円５４の交点として得られ
るが、何れの時刻においても同じ２つの解５０および５
１が得られる。すなわち、常時２つの交点５０および５
１が地球局の推定位置として検出されるため、真位置５
１と誤り位置５０の区別とすることができない。
【００３２】一方、図７は衛星直下点の地球表面に対す
る速度ベクトルが時間の経過とともに変化する現実の系
で得られる地球局の推定位置の変移特性を表したもので
あり、地球の自転と衛星の軌道傾斜角を考慮したモデル
で地球局の位置検出を行う場合に相当する。図におい
て、点６０，６１，６２は各々時刻ｔk ，ｔk+1 ，ｔ
k+2 における衛星直下点を表しており、円６３，６４，
６５は各時刻に測定された衛星−地球局間距離を半径と
する球と地球との交線を表している。また、矢印６６，
６７は各々時刻ｔk ，ｔk+1 における衛星直下点の速度
ベクトルを表しており、直線６８は時刻ｔk における速
度ベクトル６６を含む直線、直線６９は時刻ｔk+1 にお
ける速度ベクトル６７を含む直線を各々表している。こ
のとき、地球局の推定位置は時刻ｔk+1 では円７３と円
７４の交点、時刻ｔk+2 では円７４と円７５の交点とし
て得られるが、時刻ｔk+1 では２つの交点７２および７
０、時刻ｔk+2 では２つの交点７２および７１として得
られる。すなわち、真の推定位置である交点７２は、何
れの時刻においても同じ推定位置として検出されるが、
誤った推定位置は交点７０，７１のように時間の経過と
ともに移動することが分かる。従って、最小自乗法で検
出される２つの推定位置を常時、あるいは一定の時間間
隔で観測し、２つの解の時間に対する変移量を比較、か
つ、その変移量の小さい解を選択することにより、地球
局の推定位置を一意に決定することができる。尚、上記
の手法は最小自乗法を用いて位置検出を行う場合のみな
らず、解析的に解を求める方法や、カルマンフィルタを
用いる推定法など、いかなる位置検出法に対しても適用
可能であり、全ての位置検出法において未解決であった
検出位置の不確定性の問題を解決することができる。
【００３３】最後に、図８は本発明を用いて地球局の位
置推定を行うためのフローチャートの実施例を示してお
り、本フローチャートの手順に従うことにより、地球局
の位置を一意に推定することができる。まず、地球局は
自局が在圏するスポットビームのＩＤ番号を衛星を介し
て陸上地球局から伝送される制御チャネル情報から検出
することができる。次に、地球局は自局のＩＤ番号と自
局が在圏するスポットビームのＩＤ番号をリクエスト信
号（あるいは位置更新を行うための制御手順に基づいて
送出されるデータ信号）を用いて陸上地球局に伝送す
る。ここで陸上地球局では、地球局の存在するスポット
ビームＩＤ番号確認し（８１）、直線ｍを含むかどうか
判断する（８２）。ここで、地球局の在圏スポットビー
ムが直線ｍを含まない場合（８４）、次のステップ（９
０）に進む。一方、地球局の在圏スポットビームが直線
ｍを含む場合（８３）には上記（３）の手順に基づい
て、Δｒ＝ｒ（ｔk+1 ）−ｒ（ｔk ）≧０のとき（８
６）は図２の領域２７に対象となる地球局が存在するも
のと判断し（８９）、その逆の場合（８７）は地球局は
図２の領域２４に存在するものと各々判断し、次の手順
（９０）に移行する。
【００３４】次に陸上地球局は、地球局が在圏するスポ
ットビームが直線ｎを含むかどうか判断し（９０）、在
圏スポットビームが直線ｎ、並びに直線ｍを同時に含ま
ない場合（８４と９２の組み合わせ）には、図３のよう
に最小自乗法の初期値を設定し、位置検出の演算を実行
することにより、地球局の位置を一意に推定することが
できる（９７，９９）。一方、地球局が在圏するスポッ
トビームが直線ｎを含み、かつ、直線ｍを含まない場合
（８４と９１の組み合わせ）には、図４のように最小自
乗法の初期値を設定し、２つの初期値を用いて位置検出
の演算を実行することにより、２つの推定位置ＰA （ｔ
k+1 ），ＰB （ｔk+1 ）を同時に検出することができる
（９３）。ここで、各推定位置の時間変移量の絶対値を
比較し、変移量の小さい推定位置を選択することにより
（９４，９５，９６）、地球局の推定位置を一意に決定
することができる（９７，９８，９９）。更に、地球局
が在圏するスポットビームが直線ｎを含まず、かつ、直
線ｍを含む場合（８３と９２の組み合わせ）には、図４
のように最小自乗法の初期値を設定することにより、地
球局の位置を一意に決定することができる（９７，９
９）。最後に、地球局が在圏するスポットビームが直線
ｎと直線ｍを同時に含む場合（８３と９１の組み合わ
せ）には、まず、地球局の存在する領域を８５〜８９の
フローによって限定し、次にその領域内で図４の関係を
満足する２つの初期値を適当に選択する。ここで、最小
自乗法によって得られる２つの推定位置を９４〜９９の
フローに従って比較選択することにより、地球局の位置
を一意に決定することができる。
【００３５】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば次のような効果が得られる。 （１）最小自乗法のための初期値を全地球表面上に対応
させて用意する必要が無く、具体的な数値として数ポイ
ント（４ポイント以上）を用意すればよい。 （２）最小自乗法の初期値を決定するための冗長となる
演算操作や、大量の初期値を事前に記憶素子に記憶し、
それを読み出す等の操作による演算量を大幅に削減する
ことがきる。 （３）地球が球であることを利用してＸ及びＹ座標の値
を未知なる二変数として地球局の位置のＺ座標の値を表
現することにより、地球局と非静止衛星間の測定距離、
並びに地球局と非静止衛星間のドップラーシフト量に関
して必要とする情報量を減ずることができ、位置検出に
要する時間を短縮することができる。 （４）地球局が有する時計の精度の不安定性に起因する
時間誤差、並びに地球局が有する周波数発振器の不安定
性に起因する周波数誤差を推定、かつ、補償することに
より高精度の位置検出を行うことができる。 （５）衛星−地球局間の測定距離データの変移量を観測
することにより、地球局が存在する在圏エリアを非静止
衛星がカバーするビームカバレッジの半分の領域に限定
することができる。この手順により、最小自乗法のため
の初期値が２つに限定され、測位演算量を削減すること
ができる。 （６）複数の解として得られる地球局の推定位置を随時
観測し、時間経過に伴う各推定位置の位置変移量を比較
し、かつ、位置変移量が最小となる推定位置を選択する
ことにより、地球局の真の位置に対する推定位置を一意
に決定することができる。この操作により、従来方式で
は除去不可能であった同一セル内の推定位置の不確定性
の問題を容易に除去し、ユーザーの位置を高精度で一意
に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による衛星通信システムにおける地球局
位置検出方法の測位演算手法の前提となる座標軸系を示
す図である。
【図２】非静止衛星が地球表面を照射するマルチビーム
の構成例を示す図である。
【図３】本発明における最小自乗法の初期値の設定法の
実施例を示す図である。
【図４】本発明における最小自乗法の初期値の設定法の
実施例を示す図である。
【図５】本発明における最小自乗法の初期値の設定法の
実施例を示す図である。
【図６】簡易モデルにおける推定位置の時間変移特性を
示す図である。
【図７】本発明の根拠となる実モデルにおける推定位置
の時間変移特性を示す図である。
【図８】本発明における衛星測位方式のフローチャート
の実施例を示す図である。
【図９】従来の衛星通信システムにおける地球局位置検
出方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 非静止衛星 ２ 時刻ｔ＝ｔ1 における衛星座標 ３ 時刻ｔ＝ｔ2 における衛星座標 ４ 時刻ｔ＝ｔ3 における衛星座標 ５ 地球表面 ６ Ｚ座標 ７ Ｙ座標 ８ Ｘ座標 ９ リファレンスポイントの初期値 １０ 時刻ｔ＝ｔ1 における衛星−地球局距離ｒ
（ｔ1 ） １１ 時刻ｔ＝ｔ2 における衛星−地球局距離ｒ
（ｔ2 ） １２ 時刻ｔ＝ｔ3 における衛星−地球局距離ｒ
（ｔ3 ） １３ 地球局位置の一次推定値／リファレンスポイント
の更新値 １４ 地球局位置のＺ座標 １５ 地球局のＸＹ平面上におけるリファレンスポイン
トからの距離 １６ リファレンスポイントの更新値を中心とする三次
元直交座標系のＺ’軸 １７ リファレンスポイントの更新値を中心とする三次
元直交座標系のＹ’軸 １８ リファレンスポイントの更新値を中心とする三次
元直交座標系のＸ’軸 １９ 地球局端末 ２１ 衛星直下点を中心とする二次元座標系におけるＸ
軸 ２２ 衛星直下点を中心とする二次元座標系におけるＹ
軸 ２３ 衛星直下点 ２４ ｒ（ｔk+1 ）−ｒ（ｔk ）＜０の領域 ２５ スポットビーム ２６ 衛星カバレッジ ２７ ｒ（ｔk+1 ）−ｒ（ｔk ）≧０の領域 ２８ 衛星直下点の地球表面上における軌跡 ２９ 衛星直下点における速度ベクトル ３０ 直線ｍ ３１ 直線ｎ ３２−１〜３ スポットビーム ３３，３４ 最小自乗法の初期値 ３５ スポットビームの中心を通り直線ｎに垂直な直線 ３６ スポットビームの中心を通り直線ｍに垂直な直線 ３７ 最小自乗法の初期値Ａ ３８ 最小自乗法の初期値Ｂ ３９ 最小自乗法の初期値 ４０，４１ スポットビームの中心点 ４４，６０ 時刻ｔ＝ｔk における衛星直下点 ４５，６１ 時刻ｔ＝ｔk+1 における衛星直下点 ４６，６２ 時刻ｔ＝ｔk+2 における衛星直下点 ４７，６６ 時刻ｔ＝ｔk における衛星直下点の速度ベ
クトル ４８，６７ 時刻ｔ＝ｔk+1 における衛星直下点の速度
ベクトル ４９ 時刻ｔ＝ｔk 、ｔk+1 における衛星直下点の速度
ベクトルを含む直線 ５０ 時刻ｔ＝ｔk+1 、ｔk+2 における地球局の推定位
置（誤り位置） ５１，７２ 時刻ｔ＝ｔk+1 、ｔk+2 における地球局の
推定位置（真位置） ５２，６３ 時刻ｔ＝ｔk における衛星の位置座標を中
心、ｒ（ｔk ）を半径とする球と地球表面との交線 ５３，６４ 時刻ｔ＝ｔk+1 における衛星の位置座標を
中心、ｒ（ｔk+1 ）を半径とする球と地球表面との交線 ５４，６５ 時刻ｔ＝ｔk+2 における衛星の位置座標を
中心、ｒ（ｔk+2 ）を半径とする球と地球表面との交線 ６８ 時刻ｔ＝ｔk における衛星直下点の速度ベクトル
を含む直線 ６９ 時刻ｔ＝ｔk+1 における衛星直下点の速度ベクト
ルを含む直線 ７０ 時刻ｔ＝ｔk+1 における地球局の推定位置（誤り
位置） ７１ 時刻ｔ＝ｔk+2 における地球局の推定位置（誤り
位置） ８１，８８，８９，９３，９７，９８，９９ 確認／検
出フロー ８２，８５，９０，９４ 選択フロー ８３，８４，９１，９２，９５，９６ 選択決定
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−232210（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−66920（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04B 7/14 - 7/22

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 地上との通信機能を有する非静止衛星
    と、該非静止衛星との通信を行うことが可能な送受信装
    置を有する地球局と、地上の通信網と接続されており、
    該地球局との通信を該非静止衛星を介して行うことが可
    能な陸上地球局とから構成される衛星通信システムにお
    いて、 位置が既知である地球表面の任意の地点を参照地点と位
    置付けて三次元座標軸の中心座標とし、地球の中心点か
    ら該中心座標方向への直線をＺ軸とし、地球表面と接
    し、かつ、地球の赤道と直交関係にある該中心座標を通
    過する直線をＹ座標とし、地球表面と接し、かつ、地球
    の赤道と平行関係にある該中心座標を通過する直線をＸ
    座標とするＸＹＺ三次元直交座標系を想定し、 位置が未知である該地球局と該非静止衛星間の測定距
    離、並びに該地球局と該非静止衛星間のドップラーシフ
    ト量に関する情報を用いることにより、該地球局の位置
    を一次推定した後、該一次推定により求められた該地球
    局の推定位置を中心座標とする該三次元座標系におい
    て、該測定距離、並びに該ドップラーシフト量に関する
    情報を再度用いて該地球局の位置を二次推定し、 以下、同様の操作を複数回繰り返し、前記三次元座標系
    の中心座標と新たに推定した該地球局の高次推定値との
    誤差が極めて小さい予め定めた閾値を下回った場合に該
    繰り返し操作を終了し、該繰り返し操作の終了時点にお
    ける該高次推定値を該地球局の推定位置として決定する
    ことにより、該地球局の位置を高精度に求めることを特
    徴とする衛星通信システムにおける地球局位置検出方
    法。
  2. 【請求項２】 地球が球であることを利用してＸ及びＹ
    座標の値を未知なる二変数として該地球局の位置のＺ座
    標の値を表現することにより、該地球局と該非静止衛星
    間の測定距離、並びに該地球局と該非静止衛星間のドッ
    プラーシフト量に関して必要とする情報量を減少させた
    ことを特徴とする請求項１に記載の衛星通信システムに
    おける地球局位置検出方法。
  3. 【請求項３】 複数の該地球局と該非静止衛星間の測定
    距離、並びに該地球局と該非静止衛星間のドップラーシ
    フト量に関する情報を用いることにより、該地球局の位
    置と該地球局が有する時計の精度の不安定性に起因する
    時間誤差、並びに該地球局が有する周波数発振器の不安
    定性に起因する周波数誤差を同時に推定し、該誤差要因
    を除去することを特徴とする請求項１に記載の衛星通信
    システムにおける地球局位置検出方法。
  4. 【請求項４】 地上との通信機能を有する非静止衛星
    と、該非静止衛星との通信を行うことが可能な送受信装
    置を有する地球局と、地上の通信網と接続されており、
    該地球局との通信を該非静止衛星を介して行うことが可
    能な陸上地球局とから構成される衛星通信システムにお
    いて、 該非静止衛星と該地球局間の測定距離、あるいは該非静
    止衛星と該地球局間のドップラーシフト量を用いて該地
    球局の位置検出を行う際に、適当な時間間隔で測定した
    衛星−地球局間距離データの変移量を観測することによ
    り、該地球局が存在する在圏エリアを該非静止衛星がカ
    バーするビームカバレッジの半分の領域に限定するとと
    もに、適当な時間間隔で複数の解として得られる該地球
    局の推定位置を随時観測し、時間経過に伴う各該推定位
    置の位置変移量を比較し、かつ、該位置変移量が最小と
    なる推定位置を選択することにより、該地球局の真の位
    置に対する推定位置を一意に決定することができるよう
    に構成されたことを特徴とする衛星通信システムにおけ
    る地球局位置検出方法。
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