JP3889719B2 - 対流圏特性算出システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）などのシステムを利用して精密な位置測定や気象予測などに資するシステムに関する。特に本発明は、シュードライト（ＰＬ：PseudoLite）と称される装置を用いる対流圏特性算出システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年になり、測位衛星から電波で提供される情報を利用して位置を計測する測位システムが様々な分野に普及しつつある。この種の測位システムは幅広く応用されており、位置情報を得るためだけでなく、気象観測や情報通信分野などにも適用され始めている。
【０００３】
測位システムの一つにＧＰＳがある。ＧＰＳは、軌道上を移動するＧＰＳ測位衛星から放射される測位用電波を捕捉し、その伝搬時間などの観測量に基づいて受信機の位置を算出するシステムである。測位用電波としてはＬ１波帯（１５７５．４２ＭＨｚ）の電波（以下、Ｌ１信号と称する）が一般に使用される。
【０００４】
ところで、測位衛星は約２０，０００ｋｍ上空に位置するため、放射されたＬ１信号は地上の受信機に到達するまでに電離圏と対流圏とを通過する。電離圏および対流圏はいずれもＬ１信号を遅延させるため測位データに誤差を生じさせ、また各圏による遅延量はそれぞれ異なる。この誤差を補正するためには両圏による遅延量をそれぞれ分離して観測できると都合が良いが、効果的な観測手法は未だ提供されていない。例えば既知の手法として、２周波受信機を用いて対流圏遅延量を推定する方法が有る。しかしながらこの手法では、衛星位置誤差、地上クロック誤差、およびマルチパスによる誤差などの相乗効果により正確な補正用データを得ることが難しい。
【０００５】
また、対流圏遅延量と大気の屈折率との間には密接な関係が有ることが知られている。大気の屈折率は雲の状態を反映する量であるので、対流圏遅延量に関する知見を得られることは、正確な測位データを得るためだけでなく、気象状態の観測や気象予測にも大きく役立つ。現状では大気の屈折率を３次元的に観測するためには、気圧、温度、および相対湿度の各高度ごとの測定データが必要であり、そのための手間が大きいという不具合がある。
【０００６】
なお本発明に関連する情報を開示する文献として、下記の非特許文献１がある。この文献には、電離層を通過するＬ１波帯信号の遅延量の補正値などに関する情報が記載されている。
【０００７】
【非特許文献１】
「Appendix A,pp A37-A40,ＲＴＣＡ/ＤＯ２２９Ｂ Octover 6,1999」
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、既存の手法では測位用電波の対流圏遅延量を正確に測定することが難しく、対流圏遅延量を精度良く測定できる新たな手法の提供が待たれている。また、特に対流圏遅延量の３次元的な状態を精度良く測定することができれば気象現象の解析に資するところが大きく、天気予報などに役立てることができる。よって対流圏遅延量を簡易に測定できる手法の提供が要望されている。
【０００９】
本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、測位用電波の対流圏による影響を簡易かつ高精度に測定できるようにし、これにより気象現象の解析に資する対流圏特性算出システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明にかかる対流圏特性算出システムは、複数の測位衛星から電離層および対流圏を介して放射される測位用電波（例えばＬ１信号）に含まれる測位情報を利用して受信装置の測位データ（例えば擬似距離やキャリアレンジなど）を得る測位システムを利用する対流圏特性算出システムであって、前記対流圏内を移動する移動体に搭載され前記測位情報を含む測位用電波を放射する電波源（例えばシュードライト）と、前記対流圏内の互いに異なる位置に精密測位されて配置され、前記測位衛星および電波源から放射される測位用電波を受信して自己の測位データを得る複数の第１受信装置と、前記移動体に搭載され、前記電波源から放射される測位用電波を受信して自己の測位データを得る第２受信装置（例えば移動体に搭載されるＧＰＳ受信機）と、前記測位衛星から受信される測位用電波に基づく前記複数の第１受信装置の測位データと、前記電波源から受信される測位用電波に基づく前記複数の第１受信装置および第２受信装置の測位データとに基づいて、前記測位用電波の前記対流圏における屈折率を算出する演算手段（例えば上記ＧＰＳ受信機の処理機能）とを具備することを特徴とする。
【００１１】
すなわち本発明では、対流圏内に設置されるシュードライトから放射される測位用電波が電離層を通過しないことに着目し、この事実に基づいて、測位用電波の電離層による遅延量と対流圏による遅延量とを分離して、これにより測位用電波の対流圏遅延量を算出するようにしている。従って、シュードライトと受信装置間の大気により生じるＬ１信号の対流圏遅延量を、シュードライトからの距離に応じて測定することが可能となり、このことを利用してＧＰＳ測位により得られる受信装置の位置情報を補正することができ、正確な測位処理に資することが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係わる測位システムの第１の実施の形態を示すシステム構成図である。このシステムは、それぞれＬ１信号を送出するＧＰＳ衛星１００およびシュードライト送信機（ＰＬ送信機）２００と、Ｌ１信号を受信する受信機３００とを備える。本実施形態においては、地上を含む対流圏内にＰＬ送信機２００を位置固定し、その送信アンテナ２０１の設置位置を予め正確に測量するようにする。
【００１３】
受信機３００は、ＧＰＳ衛星１００から送出されるＬ１ Ｃ／Ａコードだけでなく、ＰＬ送信機２００から送出される連続波、およびパルス化された信号を受信することができる。すなわち受信機３００により受信される信号には、ＧＰＳ衛星１００から送信されるＬ１ Ｃ／Ａコード、ＰＬ送信機２００から送信されるＬ１ Ｃ／Ａコード、および、ＰＬ送信機２００から送信されるＬ１ Ｐコードなどがある。
【００１４】
図２は、図１のシステムを模式的に示す図である。システムの運用にあたっては、少なくとも２つの受信機が必要となり、図２においてはそれぞれ参照符号３Ｆ、３Ｍで示す。受信機３Ｆは予め精密に測量された位置に設置され、地上基準局として運用される。受信機３Ｍは例えば航空機などの移動体に搭載され、時間とともに移動する。
【００１５】
ＧＰＳ衛星１００から送出されるＬ１信号と、ＰＬ送信機２００から送出されるＬ１信号とは、受信機３Ｆ、３Ｍにおいてそれぞれ受信される。このうちＧＰＳ衛星１００から送出されるＬ１信号が電離層を通過し、電離層による遅延を受ける。またＧＰＳ衛星１００から送出されるＬ１信号と、ＰＬ送信機２００から送出されるＬ１信号とのいずれも、対流圏による遅延を受ける。
【００１６】
図２の各受信機３Ｆ，３ＭにおいてＬ１信号に基づき算出される擬似距離は、一般的に次式（１）により表される。
【００１７】
【数１】
【００１８】
式（１）において、左辺Ｒが擬似距離を示す。右辺のρは、衛星位置と受信機の位置とから算出される両者間の距離を示す。dtrは、受信機のクロックオフセットを示す。dtsは、衛星のクロックオフセットを示す。depは、エフェメリス誤差を示す。dionは、電離層遅延量を示す。dtrpは、対流圏遅延量を示す。dMは、マルチパス誤差を示す。εは、雑音などによる誤差を示す。
【００１９】
図２において、ＧＰＳ衛星１００、ＰＬ送信機２００、および受信機３Ｆ，３Ｍの関係において、Ｒ１１，Ｒ２１，Ｒ１２、Ｒ２２の４つの擬似距離を考えることができる。左側添字はＬ１信号の送出源に対応するもので、１はＰＬ送信機２００を、２はＧＰＳ衛星１００を示す。右側添字は受信機に対応するもので、１は受信機３Ｆを、２は受信機３Ｍを示す。式（１）に基づきＲ１１，Ｒ２１，Ｒ１２、Ｒ２２を表し、さらに左辺から右辺のρを減算すると、次式（２）〜（５）が得られる。
【００２０】
【数２】
【００２１】
式（２）〜（５）において、dep１はＧＰＳ衛星１００のエフェメリス誤差に相当し、dep２はＰＬ送信機２００の測量位置の誤差に相当する。より詳しくは、dep２はＰＬ送信機２００のアンテナ２０１の位置の測量位置に相当する。dtr１は、受信機３Ｆのクロックオフセットに相当する。dtr２は、受信機３Ｍのクロックオフセットに相当する。dｔｓ１は、ＧＰＳ衛星１００のクロックオフセットに相当する。オフセットに相当する。dｔｓ２は、ＰＬ送信機２００のクロックオフセットに相当する。εr１は、受信機３Ｆにおける雑音などの誤差に相当する。εr２は、受信機３Ｍにおける雑音などの誤差に相当する。
【００２２】
式（２）〜（５）に示されるように、Ｒ１１，Ｒ１２には電離層遅延量dionは含まれない。これは、ＰＬ送信機２００が対流圏内に設置されることによる。
【００２３】
式（４）−式（２）、および式（３）−式（５）を演算することにより、次式（６）および（７）が得られる。
【００２４】
【数３】
【００２５】
式（６）は、受信機３Ｆにおいて算出される補正情報を基に、ＰＬ送信機２００からのＬ１信号に基づき受信機３Ｍで算出される擬似距離の補正項を示す。（７）式はＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号に基づき生成される擬似距離の補正項を示す。
【００２６】
式（７）をＧＰＳ擬似距離に対する対流圏遅延量誤差補正モデル式で置き換えると、次式（７′）が得られる。
【００２７】
【数４】
【００２８】
式（７′）において、ＧＰＳ衛星１００とユーザ（すなわち受信機３Ｍを搭載する移動体）、およびＧＰＳ衛星１００と地上基準局受信機３Ｆとのなす角が小さい場合、すなわち、ユーザおよび地上基準局から見たＧＰＳ衛星１００の方向がほぼ同じであれば、電離層により生じる遅延量誤差は両者ともほぼ同じと考えられる。従って式（７）から電離層による遅延項を除くことができる。
【００２９】
式（６）において、ＰＬ送信機２００と、地上基準局受信機３Ｆの位置は一定であるので、dM１ｒ１は一定となる。式（６）、（７）、（７′）には、時間とともに変化する地上受信機３Ｆ，３Ｍのクロックバイアスの差分も含まれる。
【００３０】
さて、式（６）から式（７）を減算すると、次式（１０）が得られる。
【００３１】
【数５】
【００３２】
式（１０）は、ダブルディファレンスと称される量であり、対流圏による遅延項に相当する量である。式（１０）において、受信機３Ｆと受信機３Ｍとで同じＧＰＳ衛星１００を使用することにより、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号に生じる電離層遅延による擬似距離誤差はほぼ同じとみなせる。このことを考慮すると、式（１０）は次式（１１）のように表される。
【００３３】
【数６】
【００３４】
このようにダブルディファレンスを算出することで、ＰＬ送信機２００から送出されるＬ１信号に関する受信機クロック項が無くなる。また式（１１）には、対流圏による誤差項が括弧にくくられて２つある。最初の括弧でくくられている対流圏誤差項はＰＬ送信機２００から送出されるＬ１信号に関するもので、２番目に括弧でくくられている項はＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号に生じる対流圏誤差項である。
【００３５】
dtrp１１は、数分程度であれば気象条件の変化はほとんどなく、また固定地点間で生じているものであるので一定値とみなせる。dtrp２２およびdtrp２１項に関しては、特に高仰角のＧＰＳ衛星１００を選択することにより、数分間の程度であればほぼ一定となる。これは、ＧＰＳ衛星が２０００ｋｍ上空の軌道上にあるため、観測地点から見た移動速度が非常に遅いためである。
【００３６】
さて、式（１１）は擬似距離を用いて算出される式であるが、キャリアレンジ用いると精度をさらに向上させることができる。式（１１）において擬似距離ＲをキャリアレンジＣに置き換えると次式（１２）が得られる。なおキャリアレンジには波長の整数倍の不確定性（アンビギュイティ）が残るが、同じＧＰＳ衛星１００を継続的に追尾する場合にはアンビギュイティは一定となる。
【００３７】
【数７】
【００３８】
式（１２）においてCambはアンビギュイティを示す。Cは変化の少ない対流圏遅延量項などを示す。
【００３９】
ところで、対流圏遅延量誤差は、Ｌ１信号の通過経路における大気の屈折率を積分することにより得られることが知られている。これにより次式（１３）が得られる。
【００４０】
【数８】
【００４１】
式（１３）においてｓは距離の次元を持つ。
【００４２】
図３は、受信機３Ｍの移動に伴うダブルディファレンスの変化を模式的に示す図である。図３において、受信機３Ｍがｓ１からｓ２に移動したとすると、ダブルディファレンスは次式（１４）のように変化する。
【００４３】
【数９】
【００４４】
式（１４）において、dM′およびεは、それぞれ、ｓ２およびｓ１におけるマルチパスの差分とノイズを示す項である。図３および式（１４）において、Ｈ１をｓ１における高度とし、Ｈ２をｓ２における高度とすると、ユーザの移動に伴って、各高度差による大気の屈折率を知ることができる。大気の屈折率が算出されると、これをＬ１信号の通過経路に対して積分することにより対流圏における遅延量を算出することができる。移動体に搭載される受信機３Ｍは、この遅延量をもとに自装置で算出した測位データを補正する。なお上記の各演算処理は、図２の受信機３Ｆまたは３Ｍにおけるソフトウェア処理などにより実施される。
【００４５】
このように本実施形態では、Ｌ１信号を送出するシュードライト送信機２００を対流圏内の精密測位された位置に設置する。そして、地上側の受信機３Ｆ，３Ｍにおいて、シュードライト送信機２００からのＬ１信号と、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号とをそれぞれ受信し、擬似距離Ｒを算出する。また、ＧＰＳ衛星１００、シュードライト送信機２００、受信機３Ｆ，３Ｍの互いの位置に基づく幾何学的距離ρを算出する。そして、シュードライト送信機２００からのＬ１信号が電離層を通過しないという事実をもとにこれらの量に関するダブルディファレンスを演算することにより、対流圏による項のみを分離抽出し、対流圏における大気の屈折率を算出するようにしている。
【００４６】
すなわち本実施形態によれば、大気によりＬ１信号に生じる対流圏遅延量誤差を利用して、大気の高度方向の屈折率を知ることができる。通常であれば、大気の屈折率は各高度における気圧・相対湿度・温度などのデータがないと算出することができない。これに対し本実施形態によれば、ＰＬ送信機２００から送出されるＬ１信号のキャリアＣ（あるいは擬似距離Ｒ）と、ＧＰＳ衛星１００から送出されるＬ１信号のキャリアＣ（あるいは擬似距離Ｒ）とを利用することのみによって、大気の屈折率を算出することができる。この場合、ＧＰＳ衛星１００はより高仰角に位置することが望ましい。
【００４７】
乾燥大気による屈折率の高度ごとの値は、既知のモデルを使用して推定することができる。そのモデルと、本実施形態の手法により求めた屈折率との差を求めることにより、その空間地点の水蒸気により生じた屈折率を推定することができる。この水蒸気により生じた屈折率の効果を利用することにより、天気予報などの推定精度を向上させることが期待される。
【００４８】
このように、対流圏内に設置されるＰＬ送信機２００からのＬ１信号と、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号とを併せて利用することにより、大気の屈折率を３次元的に測定することが可能となる。この屈折率を知ることにより大気中の水蒸気量を推定することができ、気圧・温度・相対湿度を直接的に測定する必要なく、天気予報の精度向上に資することが可能となる。すなわち本実施形態によれば、ラジオゾンデなどを利用する必要無く、Ｌ１信号を受信して演算処理のみによって大気中の水蒸気量を知ることができるので、気象現象の解析、予測などをより簡易に実施することが可能になる。
【００４９】
さらに、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号と、ＰＬ送信機２００からのＬ１信号とは、互いに同一の周波数帯および信号方式を採用している。よってＰＬ送信機２００からのＬ１信号に生じる対流圏遅延量誤差を、ＧＰＳ衛星１００から送出されるＬ１信号にそのまま当てはめることにより、ＧＰＳを利用した位置計測の精度をさらに向上させることが可能になる。すなわち、ＰＬ送信機２００からのＬ１信号に生じる対流圏遅延量を、ＧＰＳにより精密測位を行う際の対流圏遅延量補正量として採用することで、精密測量の精度を向上させることができる。
【００５０】
これらのことから本実施形態によれば、Ｌ１信号の大気による屈折率を簡易かつ高精度に測定できるようになり、これにより気象現象の解析に資することが可能になる。また本実施形態によれば、Ｌ１信号への対流圏による遅延量を簡易かつ高精度に測定できるようになり、これによりＧＰＳによる位置情報を補正してより正確な位置情報を得ることが可能になる。
【００５１】
（第２の実施形態）
図４は、本発明に係わる測位システムの第２の実施の形態を示すシステム構成図である。このシステムは、ＧＰＳ衛星１００と、対流圏内を飛行する航空機などに搭載される機上装置４００と、地上システム５００とを備える。
【００５２】
ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号は、機上装置４００のＧＰＳ受信アンテナ５により受信され、分配器６により２分配されてＰＬ送信機１と混合器７とに入力される。ＰＬ送信機１は基準クロック源２からの基準クロックに基づいて動作し、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号を利用して新たなＬ１信号を生成する。ＰＬ送信機１からのＬ１信号は分配器３およびＰＬ送信アンテナ４を介して放射される。混合器７は、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号とＰＬ送信機１からのＬ１信号とを混合して、ＧＰＳ・ＰＬ受信機８に入力する。ＧＰＳ・ＰＬ受信機８は受信したＬ１信号をもとに種々の解析処理を実施する。これにより得られたＧＰＳ衛星コード・位相情報、ＰＬコード位相情報などのデータは、データリンク用送信機９によりデータリンクアンテナ１０を介して地上システム５００に伝達される。
【００５３】
地上システム５００は、ＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０を備える。ＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０のアンテナ１５，１７，１９，２１の位置は、予め正確に測量される。
【００５４】
ＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０は、いずれも基準クロック源２２から供給される基準クロックに基づき動作し、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号とＰＬ送信機１からのＬ１信号とを個別に受信する。ＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０において取得されたデータは処理装置１３に与えられる。また、機上装置４００から送出されたデータはデータリンクアンテナ１１を備えるデータリンク用受信機１２で受信され、処理装置１３に与えられる。処理装置１３は与えられた種々のデータをもとに解析処理を行う。
【００５５】
図５は、図４に示される測位システムを模式的に示す図である。ＧＰＳ衛星１００から送出されるＬ１信号は、電離層を介して機上装置４００の受信機８、および地上システム５００のＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０により受信される。一方、機上装置４００のＰＬ送信機１から送出されるＬ１信号は、機上装置４００自身の受信機８と、地上システム５００のＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０とにおいて、いずれも電離層を経由することなく受信される。
【００５６】
さて、図５において、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号に基づくＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０における擬似距離Ｒgpsは、次式（１５）で表される。またＰＬ送信機１からのＬ１信号に基づくＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０における擬似距離Ｒplは、次式（１６）で表される。
【００５７】
【数１０】
【００５８】
式（１５）および式（１６）において、ρgpsは、ＧＰＳ衛星１００の位置と各受信機１４，１６，１８，２０の位置とから算出される両者間の距離を示す。ρplは、ＰＬ送信機１の位置と各受信機１４，１６，１８，２０の位置とから算出される両者間の距離を示す。なおＰＬ送信機１の正確な位置は、ＰＬ送信機１からのＬ１信号に基づく各受信機１４，１６，１８，２０における測位データと、各受信機１４，１６，１８，２０の位置とから逆算される。dtrは、各受信機１４，１６，１８，２０のクロックオフセットを示す。dtgpsは、ＧＰＳ衛星１００のクロックオフセットを示す。dtplは、ＰＬ送信機１のクロックオフセットを示す。depは、エフェメリス誤差を示す。dionは、電離層遅延量を示す。dtrpは、対流圏遅延量を示す。dMは、マルチパス誤差を示す。εは、雑音などによる誤差を示す。
式（１６）に示されるdtrpが、ＰＬ送信機１から送出されるＬ１信号に生じる対流圏遅延量誤差である。またdepは、ρplに含まれる誤差項を示す。
【００５９】
一方、機上装置４００におけるＧＰＳ・ＰＬ受信機８で受信されるＰＬ送信機１のコードレンジは次式（１７）で表される。
【００６０】
【数１１】
【００６１】
式（１７）において、ρ′avi_plは、ＰＬ送信機１の出力端からＧＰＳ・ＰＬ受信機８の入力端までのケーブル長に相当する。そこで、このケーブル長を予め測定しておくことにより、機上のＧＰＳ・ＰＬ受信機８で受信されたＰＬ送信機１のコードレンジ（以下機上コードレンジと称する）を補正をすることができる。ケーブル長をＬとすると、補正後の機上コードレンジＲ′avi_plは次式（１８）のように表される。
【００６２】
【数１２】
【００６３】
式（１８）のＲ′avi_plは、ＰＬ送信機１のクロックオフセットに相当する。機上コードレンジは、データリンク用送信機９により地上システム５００のデータリンク用受信機１２に伝送される。その値と、予め計測されたケーブル長Ｌとに基づいて、処理装置１３により式（１８）が演算される。
【００６４】
一方、式（１６）に示されるdtrはＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０のクロックオフセットを示すが、各受信機に同じ基準クロック源２２からの基準クロックを与えているため、各受信機１４，１６，１８，２０において同じ値を示す。処理装置１３により各受信機１４，１６，１８，２０を測位することで各受信機１４，１６，１８，２０のクロックオフセットを得ることができ、その平均値を式（１６）式のクロックオフセット推定値dtrとする。
【００６５】
以上のようにして算出されたＰＬ送信機１のクロックオフセットＲ′avi_plと、地上受信機のクロックオフセットdtrと、ＰＬ送信機１の位置と、地上アンテナ１５，１７，１９，２１の位置との差から求めた距離（ρ′pl）とにより式（１６）を補正すると、次式（１９）が得られる。
【００６６】
【数１３】
【００６７】
式（１９）は、ある時刻における大気の状態に係わる量である。機上装置４００が対流圏内を移動し、かつ測位データの測定間隔が十分に短いとすると、depおよびdMはほぼ一定値とみなせる。このことから、時刻をｔとし、計測インデックスをｋで示して式（１９）の差分をとると、次式（２０）が得られる。
【００６８】
【数１４】
【００６９】
式（２０）において、tk+１はtkの次の計測時刻を示す。
【００７０】
さて、第１の実施形態で述べたように、Ｌ１信号が大気により被る遅延量dtrpは、大気の屈折率NRを距離に対して積分し、次式（２１）のように示される。
【００７１】
【数１５】
【００７２】
式（２１）において、ｓはＰＬ送信アンテナ４から地上のアンテナ１５，１７，１９，２１までのＬ１信号の通過経路に相当し、機上装置４００の移動につれて変化する。式（２０）および式（２１）から、次式（２２）が導かれる。
【００７３】
【数１６】
【００７４】
図６は、図４の機上装置４００の移動に伴う観測量の変化を示す模式図である。図６において、機上装置４００のＰＬ送信機１の位置は、地上システム５００の処理装置１３で算出される。よって各時刻におけるＰＬ送信機１の高度Htを求めることができる。データ収集を短い時間間隔で実施し、地上受信機１４，１６，１８，２０ごとに式（２２）の値を求めて平均することにより、機上装置４００の移動に伴う大気の屈折率NRを求めることが可能となる。このようにして算出される屈折率NRは、機上装置４００の通過経路に沿うものとなり、従って本実施形態によれば、大気の屈折率の３次元的な分布を知ることが可能となる。
【００７５】
このように本実施形態では、移動体側にＰＬ送信機１を設置し、地上側に設置される複数のＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０により、このＰＬ送信機１からのＬ１信号と、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号とを受信する。そして、各受信機１４，１６，１８，２０における測位データとその精密測量位置とからＰＬ送信機１の位置を逆測位し、そのデータと各受信機１４，１６，１８，２０における擬似距離データとから、ＰＬ送信機の移動経路に沿った大気の屈折率を算出するようにしている。
【００７６】
すなわち本実施形態においても上記第１の実施形態と同様に、温度、湿度、気圧などのデータを直接計測する必要無く、大気の屈折率や、ひいては大気中の水蒸気量を見積もることが可能になる。これにより気象現象の解析に資することが可能となる。またＬ１信号の対流圏における遅延量を見積もることができるので、これをもとにＧＰＳ測位の精度を向上させることが可能となる。
【００７７】
さらに本実施形態においては、地上側に複数の受信機１４，１６，１８，２０を設置しているため、各受信機１４，１６，１８，２０ごとに機上装置４００を見通す経路に係わる大気の状態を知ることができる。すなわち、受信機１４と機上装置４００とを結ぶ経路の屈折率と、受信機１６と機上装置４００とを結ぶ経路の屈折率と、受信機１８と機上装置４００とを結ぶ経路の屈折率と、受信機２０と機上装置４００とを結ぶ経路の屈折率とを、時間の経過とともにそれぞれ個別縫い算出することが可能となる。従って地上側受信機の数に応じた観測データを取得でき、より広いエリアにおける大気の状態を観測することが可能になる。
【００７８】
【発明の効果】
以上詳しく述べたように本発明によれば、測位用電波の対流圏遅延量を精度良く測定できるようになり、これにより正確な測位データを得られる測位システムを提供できる。また本発明によれば、対流圏遅延量を簡易かつ高精度に測定できるようになり、これにより気象現象の解析に資する対流圏特性算出システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係わる測位システムの第１の実施の形態を示すシステム構成図。
【図２】 図１に示される測位システムを模式的に示す図。
【図３】 図２の移動体に搭載される受信機３Ｍの移動に伴うダブルディファレンスの変化を模式的に示す図。
【図４】 本発明に係わる測位システムの第２の実施の形態を示すシステム構成図。
【図５】 図４に示される測位システムを模式的に示す図。
【図６】 図４の機上装置４００の移動に伴う観測量の変化を示す模式図。
【符号の説明】
１…シュードライト（ＰＬ）送信機、２…基準クロック源、３Ｆ…地上基準局受信機、３Ｍ…地上受信機、３…分配器、４…ＰＬ送信アンテナ、５…ＧＰＳ受信アンテナ、６…分配器、７…混合器、８…受信機、９…データリンク用送信機、１０，１１…データリンクアンテナ、１２…データリンク用受信機、１３…処理装置、１４，１６，１８，２０…ＧＰＳ・ＰＬ用受信機、１５，１７…アンテナ、２２…基準クロック源、１００…ＧＰＳ衛星、２００…シュードライト（ＰＬ）送信機、２０１…送信アンテナ、３００…受信機、４００…機上装置、５００…地上システム
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）などのシステムを利用して精密な位置測定や気象予測などに資するシステムに関する。特に本発明は、シュードライト（ＰＬ：PseudoLite）と称される装置を用いる対流圏特性算出システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年になり、測位衛星から電波で提供される情報を利用して位置を計測する測位システムが様々な分野に普及しつつある。この種の測位システムは幅広く応用されており、位置情報を得るためだけでなく、気象観測や情報通信分野などにも適用され始めている。
【０００３】
測位システムの一つにＧＰＳがある。ＧＰＳは、軌道上を移動するＧＰＳ測位衛星から放射される測位用電波を捕捉し、その伝搬時間などの観測量に基づいて受信機の位置を算出するシステムである。測位用電波としてはＬ１波帯（１５７５．４２ＭＨｚ）の電波（以下、Ｌ１信号と称する）が一般に使用される。
【０００４】
ところで、測位衛星は約２０，０００ｋｍ上空に位置するため、放射されたＬ１信号は地上の受信機に到達するまでに電離圏と対流圏とを通過する。電離圏および対流圏はいずれもＬ１信号を遅延させるため測位データに誤差を生じさせ、また各圏による遅延量はそれぞれ異なる。この誤差を補正するためには両圏による遅延量をそれぞれ分離して観測できると都合が良いが、効果的な観測手法は未だ提供されていない。例えば既知の手法として、２周波受信機を用いて対流圏遅延量を推定する方法が有る。しかしながらこの手法では、衛星位置誤差、地上クロック誤差、およびマルチパスによる誤差などの相乗効果により正確な補正用データを得ることが難しい。
【０００５】
また、対流圏遅延量と大気の屈折率との間には密接な関係が有ることが知られている。大気の屈折率は雲の状態を反映する量であるので、対流圏遅延量に関する知見を得られることは、正確な測位データを得るためだけでなく、気象状態の観測や気象予測にも大きく役立つ。現状では大気の屈折率を３次元的に観測するためには、気圧、温度、および相対湿度の各高度ごとの測定データが必要であり、そのための手間が大きいという不具合がある。
【０００６】
なお本発明に関連する情報を開示する文献として、下記の非特許文献１がある。この文献には、電離層を通過するＬ１波帯信号の遅延量の補正値などに関する情報が記載されている。
【０００７】
【非特許文献１】
「Appendix A,pp A37-A40,ＲＴＣＡ/ＤＯ２２９Ｂ Octover 6,1999」
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、既存の手法では測位用電波の対流圏遅延量を正確に測定することが難しく、対流圏遅延量を精度良く測定できる新たな手法の提供が待たれている。また、特に対流圏遅延量の３次元的な状態を精度良く測定することができれば気象現象の解析に資するところが大きく、天気予報などに役立てることができる。よって対流圏遅延量を簡易に測定できる手法の提供が要望されている。
【０００９】
本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、測位用電波の対流圏による影響を簡易かつ高精度に測定できるようにし、これにより気象現象の解析に資する対流圏特性算出システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明にかかる対流圏特性算出システムは、複数の測位衛星から電離層および対流圏を介して放射される測位用電波（例えばＬ１信号）に含まれる測位情報を利用して受信装置の測位データ（例えば擬似距離やキャリアレンジなど）を得る測位システムを利用する対流圏特性算出システムであって、前記対流圏内を移動する移動体に搭載され前記測位情報を含む測位用電波を放射する電波源（例えばシュードライト）と、前記対流圏内の互いに異なる位置に精密測位されて配置され、前記測位衛星および電波源から放射される測位用電波を受信して自己の測位データを得る複数の第１受信装置と、前記移動体に搭載され、前記電波源から放射される測位用電波を受信して自己の測位データを得る第２受信装置（例えば移動体に搭載されるＧＰＳ受信機）と、前記測位衛星から受信される測位用電波に基づく前記複数の第１受信装置の測位データと、前記電波源から受信される測位用電波に基づく前記複数の第１受信装置および第２受信装置の測位データとに基づいて、前記測位用電波の前記対流圏における屈折率を算出する演算手段（例えば上記ＧＰＳ受信機の処理機能）とを具備することを特徴とする。
【００１１】
すなわち本発明では、対流圏内に設置されるシュードライトから放射される測位用電波が電離層を通過しないことに着目し、この事実に基づいて、測位用電波の電離層による遅延量と対流圏による遅延量とを分離して、これにより測位用電波の対流圏遅延量を算出するようにしている。従って、シュードライトと受信装置間の大気により生じるＬ１信号の対流圏遅延量を、シュードライトからの距離に応じて測定することが可能となり、このことを利用してＧＰＳ測位により得られる受信装置の位置情報を補正することができ、正確な測位処理に資することが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係わる測位システムの第１の実施の形態を示すシステム構成図である。このシステムは、それぞれＬ１信号を送出するＧＰＳ衛星１００およびシュードライト送信機（ＰＬ送信機）２００と、Ｌ１信号を受信する受信機３００とを備える。本実施形態においては、地上を含む対流圏内にＰＬ送信機２００を位置固定し、その送信アンテナ２０１の設置位置を予め正確に測量するようにする。
【００１３】
受信機３００は、ＧＰＳ衛星１００から送出されるＬ１ Ｃ／Ａコードだけでなく、ＰＬ送信機２００から送出される連続波、およびパルス化された信号を受信することができる。すなわち受信機３００により受信される信号には、ＧＰＳ衛星１００から送信されるＬ１ Ｃ／Ａコード、ＰＬ送信機２００から送信されるＬ１ Ｃ／Ａコード、および、ＰＬ送信機２００から送信されるＬ１ Ｐコードなどがある。
【００１４】
図２は、図１のシステムを模式的に示す図である。システムの運用にあたっては、少なくとも２つの受信機が必要となり、図２においてはそれぞれ参照符号３Ｆ、３Ｍで示す。受信機３Ｆは予め精密に測量された位置に設置され、地上基準局として運用される。受信機３Ｍは例えば航空機などの移動体に搭載され、時間とともに移動する。
【００１５】
ＧＰＳ衛星１００から送出されるＬ１信号と、ＰＬ送信機２００から送出されるＬ１信号とは、受信機３Ｆ、３Ｍにおいてそれぞれ受信される。このうちＧＰＳ衛星１００から送出されるＬ１信号が電離層を通過し、電離層による遅延を受ける。またＧＰＳ衛星１００から送出されるＬ１信号と、ＰＬ送信機２００から送出されるＬ１信号とのいずれも、対流圏による遅延を受ける。
【００１６】
図２の各受信機３Ｆ，３ＭにおいてＬ１信号に基づき算出される擬似距離は、一般的に次式（１）により表される。
【００１７】
【数１】
式（１）において、左辺Ｒが擬似距離を示す。右辺のρは、衛星位置と受信機の位置とから算出される両者間の距離を示す。dtrは、受信機のクロックオフセットを示す。dtsは、衛星のクロックオフセットを示す。depは、エフェメリス誤差を示す。dionは、電離層遅延量を示す。dtrpは、対流圏遅延量を示す。dMは、マルチパス誤差を示す。εは、雑音などによる誤差を示す。
【００１９】
図２において、ＧＰＳ衛星１００、ＰＬ送信機２００、および受信機３Ｆ，３Ｍの関係において、Ｒ１１，Ｒ２１，Ｒ１２、Ｒ２２の４つの擬似距離を考えることができる。左側添字はＬ１信号の送出源に対応するもので、１はＰＬ送信機２００を、２はＧＰＳ衛星１００を示す。右側添字は受信機に対応するもので、１は受信機３Ｆを、２は受信機３Ｍを示す。式（１）に基づきＲ１１，Ｒ２１，Ｒ１２、Ｒ２２を表し、さらに左辺から右辺のρを減算すると、次式（２）〜（５）が得られる。
【００２０】
【数２】
式（２）〜（５）において、dep１はＧＰＳ衛星１００のエフェメリス誤差に相当し、dep２はＰＬ送信機２００の測量位置の誤差に相当する。より詳しくは、dep２はＰＬ送信機２００のアンテナ２０１の位置の測量位置に相当する。dtr１は、受信機３Ｆのクロックオフセットに相当する。dtr２は、受信機３Ｍのクロックオフセットに相当する。dｔｓ１は、ＧＰＳ衛星１００のクロックオフセットに相当する。オフセットに相当する。dｔｓ２は、ＰＬ送信機２００のクロックオフセットに相当する。εr１は、受信機３Ｆにおける雑音などの誤差に相当する。εr２は、受信機３Ｍにおける雑音などの誤差に相当する。
【００２２】
式（２）〜（５）に示されるように、Ｒ１１，Ｒ１２には電離層遅延量dionは含まれない。これは、ＰＬ送信機２００が対流圏内に設置されることによる。
【００２３】
式（４）−式（２）、および式（３）−式（５）を演算することにより、次式（６）および（７）が得られる。
【００２４】
【数３】
式（６）は、受信機３Ｆにおいて算出される補正情報を基に、ＰＬ送信機２００からのＬ１信号に基づき受信機３Ｍで算出される擬似距離の補正項を示す。（７）式はＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号に基づき生成される擬似距離の補正項を示す。
【００２６】
式（７）をＧＰＳ擬似距離に対する対流圏遅延量誤差補正モデル式で置き換えると、次式（７′）が得られる。
【００２７】
【数４】
式（７′）において、ＧＰＳ衛星１００とユーザ（すなわち受信機３Ｍを搭載する移動体）、およびＧＰＳ衛星１００と地上基準局受信機３Ｆとのなす角が小さい場合、すなわち、ユーザおよび地上基準局から見たＧＰＳ衛星１００の方向がほぼ同じであれば、電離層により生じる遅延量誤差は両者ともほぼ同じと考えられる。従って式（７）から電離層による遅延項を除くことができる。
【００２９】
式（６）において、ＰＬ送信機２００と、地上基準局受信機３Ｆの位置は一定であるので、dM１ｒ１は一定となる。式（６）、（７）、（７′）には、時間とともに変化する地上受信機３Ｆ，３Ｍのクロックバイアスの差分も含まれる。
【００３０】
さて、式（６）から式（７）を減算すると、次式（１０）が得られる。
【００３１】
【数５】
式（１０）は、ダブルディファレンスと称される量であり、対流圏による遅延項に相当する量である。式（１０）において、受信機３Ｆと受信機３Ｍとで同じＧＰＳ衛星１００を使用することにより、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号に生じる電離層遅延による擬似距離誤差はほぼ同じとみなせる。このことを考慮すると、式（１０）は次式（１１）のように表される。
【００３３】
【数６】
このようにダブルディファレンスを算出することで、ＰＬ送信機２００から送出されるＬ１信号に関する受信機クロック項が無くなる。また式（１１）には、対流圏による誤差項が括弧にくくられて２つある。最初の括弧でくくられている対流圏誤差項はＰＬ送信機２００から送出されるＬ１信号に関するもので、２番目に括弧でくくられている項はＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号に生じる対流圏誤差項である。
【００３５】
dtrp１１は、数分程度であれば気象条件の変化はほとんどなく、また固定地点間で生じているものであるので一定値とみなせる。dtrp２２およびdtrp２１項に関しては、特に高仰角のＧＰＳ衛星１００を選択することにより、数分間の程度であればほぼ一定となる。これは、ＧＰＳ衛星が２０００ｋｍ上空の軌道上にあるため、観測地点から見た移動速度が非常に遅いためである。
【００３６】
さて、式（１１）は擬似距離を用いて算出される式であるが、キャリアレンジ用いると精度をさらに向上させることができる。式（１１）において擬似距離ＲをキャリアレンジＣに置き換えると次式（１２）が得られる。なおキャリアレンジには波長の整数倍の不確定性（アンビギュイティ）が残るが、同じＧＰＳ衛星１００を継続的に追尾する場合にはアンビギュイティは一定となる。
【００３７】
【数７】
式（１２）においてCambはアンビギュイティを示す。Cは変化の少ない対流圏遅延量項などを示す。
【００３９】
ところで、対流圏遅延量誤差は、Ｌ１信号の通過経路における大気の屈折率を積分することにより得られることが知られている。これにより次式（１３）が得られる。
【００４０】
【数８】
式（１３）においてｓは距離の次元を持つ。
【００４２】
図３は、受信機３Ｍの移動に伴うダブルディファレンスの変化を模式的に示す図である。図３において、受信機３Ｍがｓ１からｓ２に移動したとすると、ダブルディファレンスは次式（１４）のように変化する。
【００４３】
【数９】
式（１４）において、dM′およびεは、それぞれ、ｓ２およびｓ１におけるマルチパスの差分とノイズを示す項である。図３および式（１４）において、Ｈ１をｓ１における高度とし、Ｈ２をｓ２における高度とすると、ユーザの移動に伴って、各高度差による大気の屈折率を知ることができる。大気の屈折率が算出されると、これをＬ１信号の通過経路に対して積分することにより対流圏における遅延量を算出することができる。移動体に搭載される受信機３Ｍは、この遅延量をもとに自装置で算出した測位データを補正する。なお上記の各演算処理は、図２の受信機３Ｆまたは３Ｍにおけるソフトウェア処理などにより実施される。
【００４５】
このように本実施形態では、Ｌ１信号を送出するシュードライト送信機２００を対流圏内の精密測位された位置に設置する。そして、地上側の受信機３Ｆ，３Ｍにおいて、シュードライト送信機２００からのＬ１信号と、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号とをそれぞれ受信し、擬似距離Ｒを算出する。また、ＧＰＳ衛星１００、シュードライト送信機２００、受信機３Ｆ，３Ｍの互いの位置に基づく幾何学的距離ρを算出する。そして、シュードライト送信機２００からのＬ１信号が電離層を通過しないという事実をもとにこれらの量に関するダブルディファレンスを演算することにより、対流圏による項のみを分離抽出し、対流圏における大気の屈折率を算出するようにしている。
【００４６】
すなわち本実施形態によれば、大気によりＬ１信号に生じる対流圏遅延量誤差を利用して、大気の高度方向の屈折率を知ることができる。通常であれば、大気の屈折率は各高度における気圧・相対湿度・温度などのデータがないと算出することができない。これに対し本実施形態によれば、ＰＬ送信機２００から送出されるＬ１信号のキャリアＣ（あるいは擬似距離Ｒ）と、ＧＰＳ衛星１００から送出されるＬ１信号のキャリアＣ（あるいは擬似距離Ｒ）とを利用することのみによって、大気の屈折率を算出することができる。この場合、ＧＰＳ衛星１００はより高仰角に位置することが望ましい。
【００４７】
乾燥大気による屈折率の高度ごとの値は、既知のモデルを使用して推定することができる。そのモデルと、本実施形態の手法により求めた屈折率との差を求めることにより、その空間地点の水蒸気により生じた屈折率を推定することができる。この水蒸気により生じた屈折率の効果を利用することにより、天気予報などの推定精度を向上させることが期待される。
【００４８】
このように、対流圏内に設置されるＰＬ送信機２００からのＬ１信号と、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号とを併せて利用することにより、大気の屈折率を３次元的に測定することが可能となる。この屈折率を知ることにより大気中の水蒸気量を推定することができ、気圧・温度・相対湿度を直接的に測定する必要なく、天気予報の精度向上に資することが可能となる。すなわち本実施形態によれば、ラジオゾンデなどを利用する必要無く、Ｌ１信号を受信して演算処理のみによって大気中の水蒸気量を知ることができるので、気象現象の解析、予測などをより簡易に実施することが可能になる。
【００４９】
さらに、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号と、ＰＬ送信機２００からのＬ１信号とは、互いに同一の周波数帯および信号方式を採用している。よってＰＬ送信機２００からのＬ１信号に生じる対流圏遅延量誤差を、ＧＰＳ衛星１００から送出されるＬ１信号にそのまま当てはめることにより、ＧＰＳを利用した位置計測の精度をさらに向上させることが可能になる。すなわち、ＰＬ送信機２００からのＬ１信号に生じる対流圏遅延量を、ＧＰＳにより精密測位を行う際の対流圏遅延量補正量として採用することで、精密測量の精度を向上させることができる。
【００５０】
これらのことから本実施形態によれば、Ｌ１信号の大気による屈折率を簡易かつ高精度に測定できるようになり、これにより気象現象の解析に資することが可能になる。また本実施形態によれば、Ｌ１信号への対流圏による遅延量を簡易かつ高精度に測定できるようになり、これによりＧＰＳによる位置情報を補正してより正確な位置情報を得ることが可能になる。
【００５１】
（第２の実施形態）
図４は、本発明に係わる測位システムの第２の実施の形態を示すシステム構成図である。このシステムは、ＧＰＳ衛星１００と、対流圏内を飛行する航空機などに搭載される機上装置４００と、地上システム５００とを備える。
【００５２】
ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号は、機上装置４００のＧＰＳ受信アンテナ５により受信され、分配器６により２分配されてＰＬ送信機１と混合器７とに入力される。ＰＬ送信機１は基準クロック源２からの基準クロックに基づいて動作し、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号を利用して新たなＬ１信号を生成する。ＰＬ送信機１からのＬ１信号は分配器３およびＰＬ送信アンテナ４を介して放射される。混合器７は、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号とＰＬ送信機１からのＬ１信号とを混合して、ＧＰＳ・ＰＬ受信機８に入力する。ＧＰＳ・ＰＬ受信機８は受信したＬ１信号をもとに種々の解析処理を実施する。これにより得られたＧＰＳ衛星コード・位相情報、ＰＬコード位相情報などのデータは、データリンク用送信機９によりデータリンクアンテナ１０を介して地上システム５００に伝達される。
【００５３】
地上システム５００は、ＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０を備える。ＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０のアンテナ１５，１７，１９，２１の位置は、予め正確に測量される。
【００５４】
ＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０は、いずれも基準クロック源２２から供給される基準クロックに基づき動作し、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号とＰＬ送信機１からのＬ１信号とを個別に受信する。ＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０において取得されたデータは処理装置１３に与えられる。また、機上装置４００から送出されたデータはデータリンクアンテナ１１を備えるデータリンク用受信機１２で受信され、処理装置１３に与えられる。処理装置１３は与えられた種々のデータをもとに解析処理を行う。
【００５５】
図５は、図４に示される測位システムを模式的に示す図である。ＧＰＳ衛星１００から送出されるＬ１信号は、電離層を介して機上装置４００の受信機８、および地上システム５００のＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０により受信される。一方、機上装置４００のＰＬ送信機１から送出されるＬ１信号は、機上装置４００自身の受信機８と、地上システム５００のＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０とにおいて、いずれも電離層を経由することなく受信される。
【００５６】
さて、図５において、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号に基づくＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０における擬似距離Ｒgpsは、次式（１５）で表される。またＰＬ送信機１からのＬ１信号に基づくＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０における擬似距離Ｒplは、次式（１６）で表される。
【００５７】
【数１０】
式（１５）および式（１６）において、ρgpsは、ＧＰＳ衛星１００の位置と各受信機１４，１６，１８，２０の位置とから算出される両者間の距離を示す。ρplは、ＰＬ送信機１の位置と各受信機１４，１６，１８，２０の位置とから算出される両者間の距離を示す。なおＰＬ送信機１の正確な位置は、ＰＬ送信機１からのＬ１信号に基づく各受信機１４，１６，１８，２０における測位データと、各受信機１４，１６，１８，２０の位置とから逆算される。dtrは、各受信機１４，１６，１８，２０のクロックオフセットを示す。dtgpsは、ＧＰＳ衛星１００のクロックオフセットを示す。dtplは、ＰＬ送信機１のクロックオフセットを示す。depは、エフェメリス誤差を示す。dionは、電離層遅延量を示す。dtrpは、対流圏遅延量を示す。dMは、マルチパス誤差を示す。εは、雑音などによる誤差を示す。
式（１６）に示されるdtrpが、ＰＬ送信機１から送出されるＬ１信号に生じる対流圏遅延量誤差である。またdepは、ρplに含まれる誤差項を示す。
【００５９】
一方、機上装置４００におけるＧＰＳ・ＰＬ受信機８で受信されるＰＬ送信機１のコードレンジは次式（１７）で表される。
【００６０】
【数１１】
式（１７）において、ρ′avi_plは、ＰＬ送信機１の出力端からＧＰＳ・ＰＬ受信機８の入力端までのケーブル長に相当する。そこで、このケーブル長を予め測定しておくことにより、機上のＧＰＳ・ＰＬ受信機８で受信されたＰＬ送信機１のコードレンジ（以下機上コードレンジと称する）を補正をすることができる。ケーブル長をＬとすると、補正後の機上コードレンジＲ′avi_plは次式（１８）のように表される。
【００６２】
【数１２】
式（１８）のＲ′avi_plは、ＰＬ送信機１のクロックオフセットに相当する。機上コードレンジは、データリンク用送信機９により地上システム５００のデータリンク用受信機１２に伝送される。その値と、予め計測されたケーブル長Ｌとに基づいて、処理装置１３により式（１８）が演算される。
【００６４】
一方、式（１６）に示されるdtrはＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０のクロックオフセットを示すが、各受信機に同じ基準クロック源２２からの基準クロックを与えているため、各受信機１４，１６，１８，２０において同じ値を示す。処理装置１３により各受信機１４，１６，１８，２０を測位することで各受信機１４，１６，１８，２０のクロックオフセットを得ることができ、その平均値を式（１６）式のクロックオフセット推定値dtrとする。
【００６５】
以上のようにして算出されたＰＬ送信機１のクロックオフセットＲ′avi_plと、地上受信機のクロックオフセットdtrと、ＰＬ送信機１の位置と、地上アンテナ１５，１７，１９，２１の位置との差から求めた距離（ρ′pl）とにより式（１６）を補正すると、次式（１９）が得られる。
【００６６】
【数１３】
式（１９）は、ある時刻における大気の状態に係わる量である。機上装置４００が対流圏内を移動し、かつ測位データの測定間隔が十分に短いとすると、depおよびdMはほぼ一定値とみなせる。このことから、時刻をｔとし、計測インデックスをｋで示して式（１９）の差分をとると、次式（２０）が得られる。
【００６８】
【数１４】
式（２０）において、tk+１はtkの次の計測時刻を示す。
【００７０】
さて、第１の実施形態で述べたように、Ｌ１信号が大気により被る遅延量dtrpは、大気の屈折率NRを距離に対して積分し、次式（２１）のように示される。
【００７１】
【数１５】
式（２１）において、ｓはＰＬ送信アンテナ４から地上のアンテナ１５，１７，１９，２１までのＬ１信号の通過経路に相当し、機上装置４００の移動につれて変化する。式（２０）および式（２１）から、次式（２２）が導かれる。
【００７３】
【数１６】
図６は、図４の機上装置４００の移動に伴う観測量の変化を示す模式図である。図６において、機上装置４００のＰＬ送信機１の位置は、地上システム５００の処理装置１３で算出される。よって各時刻におけるＰＬ送信機１の高度Htを求めることができる。データ収集を短い時間間隔で実施し、地上受信機１４，１６，１８，２０ごとに式（２２）の値を求めて平均することにより、機上装置４００の移動に伴う大気の屈折率NRを求めることが可能となる。このようにして算出される屈折率NRは、機上装置４００の通過経路に沿うものとなり、従って本実施形態によれば、大気の屈折率の３次元的な分布を知ることが可能となる。
【００７５】
このように本実施形態では、移動体側にＰＬ送信機１を設置し、地上側に設置される複数のＧＰＳ・ＰＬ用受信機１４，１６，１８，２０により、このＰＬ送信機１からのＬ１信号と、ＧＰＳ衛星１００からのＬ１信号とを受信する。そして、各受信機１４，１６，１８，２０における測位データとその精密測量位置とからＰＬ送信機１の位置を逆測位し、そのデータと各受信機１４，１６，１８，２０における擬似距離データとから、ＰＬ送信機の移動経路に沿った大気の屈折率を算出するようにしている。
【００７６】
すなわち本実施形態においても上記第１の実施形態と同様に、温度、湿度、気圧などのデータを直接計測する必要無く、大気の屈折率や、ひいては大気中の水蒸気量を見積もることが可能になる。これにより気象現象の解析に資することが可能となる。またＬ１信号の対流圏における遅延量を見積もることができるので、これをもとにＧＰＳ測位の精度を向上させることが可能となる。
【００７７】
さらに本実施形態においては、地上側に複数の受信機１４，１６，１８，２０を設置しているため、各受信機１４，１６，１８，２０ごとに機上装置４００を見通す経路に係わる大気の状態を知ることができる。すなわち、受信機１４と機上装置４００とを結ぶ経路の屈折率と、受信機１６と機上装置４００とを結ぶ経路の屈折率と、受信機１８と機上装置４００とを結ぶ経路の屈折率と、受信機２０と機上装置４００とを結ぶ経路の屈折率とを、時間の経過とともにそれぞれ個別縫い算出することが可能となる。従って地上側受信機の数に応じた観測データを取得でき、より広いエリアにおける大気の状態を観測することが可能になる。
【００７８】
【発明の効果】
以上詳しく述べたように本発明によれば、測位用電波の対流圏遅延量を精度良く測定できるようになり、これにより正確な測位データを得られる測位システムを提供できる。また本発明によれば、対流圏遅延量を簡易かつ高精度に測定できるようになり、これにより気象現象の解析に資する対流圏特性算出システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係わる測位システムの第１の実施の形態を示すシステム構成図。
【図２】 図１に示される測位システムを模式的に示す図。
【図３】 図２の移動体に搭載される受信機３Ｍの移動に伴うダブルディファレンスの変化を模式的に示す図。
【図４】 本発明に係わる測位システムの第２の実施の形態を示すシステム構成図。
【図５】 図４に示される測位システムを模式的に示す図。
【図６】 図４の機上装置４００の移動に伴う観測量の変化を示す模式図。
【符号の説明】
１…シュードライト（ＰＬ）送信機、２…基準クロック源、３Ｆ…地上基準局受信機、３Ｍ…地上受信機、３…分配器、４…ＰＬ送信アンテナ、５…ＧＰＳ受信アンテナ、６…分配器、７…混合器、８…受信機、９…データリンク用送信機、１０，１１…データリンクアンテナ、１２…データリンク用受信機、１３…処理装置、１４，１６，１８，２０…ＧＰＳ・ＰＬ用受信機、１５，１７…アンテナ、２２…基準クロック源、１００…ＧＰＳ衛星、２００…シュードライト（ＰＬ）送信機、２０１…送信アンテナ、３００…受信機、４００…機上装置、５００…地上システム
Claims (2)
- 複数の測位衛星から電離層および対流圏を介して放射される測位用電波に含まれる測位情報を利用して受信装置の測位データを得る測位システムを利用する対流圏特性算出システムであって、
前記対流圏内を移動する移動体に搭載され前記測位情報を含む測位用電波を放射する電波源と、
前記対流圏内の互いに異なる位置に精密測位されて配置され、前記測位衛星および電波源から放射される測位用電波を受信して自己の測位データを得る複数の第１受信装置と、
前記移動体に搭載され、前記電波源から放射される測位用電波を受信して自己の測位データを得る第２受信装置と、
前記測位衛星から受信される測位用電波に基づく前記複数の第１受信装置の測位データと、前記電波源から受信される測位用電波に基づく前記複数の第１受信装置および第２受信装置の測位データとに基づいて、前記測位用電波の前記対流圏における屈折率を算出する演算手段とを具備することを特徴とする対流圏特性算出システム。 - 前記演算手段は、
前記電波源と特定の第１受信装置との間の擬似距離をＲ plとし、
前記電波源から受信される測位用電波に基づく前記複数の第１受信装置の測位データから逆算される前記電波源の位置と、前記特定の第１受信装置の位置とから算出される両者間の距離をρ′ plとし、
前記測位衛星から受信される測位用電波に基づく前記複数の第１受信装置の測位データに含まれる当該複数の第１受信装置のクロックオフセットの平均値を dtr とし、
前記電波源から受信される測位用電波に基づく前記第２受信装置の測位データを、当該電波源と第２受信装置との間の距離の計測値をもとに補正した補正値をＲ′としたとき、
dTrppl ＝Ｒ pl −ρ′ pl − dtr −Ｒ′
なる式に基づき算出される dTrppl の時間的変化から前記測位用電波の前記対流圏における屈折率を算出することを特徴とする請求項１に記載の対流圏特性算出システム。
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