JP4509374B2

JP4509374B2 - 時間信号の送信のための方法及び装置

Info

Publication number: JP4509374B2
Application number: JP2000513177A
Authority: JP
Inventors: フーバー，フェリックス; メッサーシュミット，アーンスト; シャフェール，フォルフガング
Original assignee: スタインバイストランスフェルツェントラムラウムファートシステム
Priority date: 1997-09-24
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2018-09-17
Also published as: PL339916A1; JP2001517803A; KR20010015613A; PL189984B1; EP1012677B1; ATE292813T1; CA2304530C; AU9626198A; US6559796B1; HK1033006A1; EP1012677A1; CN1271430A; DE59812718D1; WO1999015940A1; EA200000353A1; CN1119725C; AU744642B2; CA2304530A1; DE19742100A1; EA002029B1

Description

【０００１】
本発明は時間信号の送信のための方法及び装置に関する。
【０００２】
地上の時間信号送信局、例えばフランクフルト・アム・マインにある連邦科学技術庁（PTB ）のDCF-７７送信局は、大きな到達距離を可能にするために、時間信号を長波の周波数範囲で送信する。ところが大きな送信出力にもかかわらず１２００ないし２０００キロメートルの到達距離しか生じない。またこの時間信号はもっぱら国内時間のために設計されており、しかも特殊な送信周波数と独自の符号化を使用するから、外国に滞在するときは受信機が幾つかの異なる時間信号に適合しなければならないか又は解析可能な信号をもはや受信しない。海岸から遠く離れた洋上に滞在するときは、一般に受信がもはや不可能である。衛星位置システム（GPS ）による時間の決定が可能であるが、しかしこの場合は夏時間、うるう秒等の補助情報がないから、現在の地方時を得るために面倒な半手動調整が必要になる。
【０００３】
異なる国で時間信号を受信し又は解析することを可能にするいわゆる多重機能時計も知られている。ところがこの場合は、今所在する場所が時計に分かるように、利用者が時計を調整することが必要である。しかしこの多重機能時計はすべての国で機能し得るわけでない。
【０００４】
そこで本発明の課題は、全地球的に受信され、適当な受信機を支援して今所在する当該の地方時への時計の自動調整を行わせる時間信号の伝送のための方法及び装置を提供することである。
【０００５】
この課題は請求項１の特徴を有する方法及び請求項２６の特徴を有する装置によって解決される。
【０００６】
本発明に係る方法は、時間信号の全地球的受信を得るために、地表のある点に対して相対的に移動する飛行体から送信を行うように構成する。こうして本発明は時間信号が宇宙ステーション又は衛星に搭載した送信機から放射され、このためほとんど全世界（±７０ないし８０°の緯度）で受信されることによって地上の時間信号送信局の欠点を回避する。
【０００７】
受信機は受信した時間信号送信局の信号から独立に地上の自分の地理的位置を検出して、これから現在の地方時を決定するため、利用者の干渉は不要である。このような時間信号には通常の衛星は問題にならない。なぜなら必要な寿命の関係上、飛行高度が高すぎ、従って必要な受信電界強度が得られないか、又は軌道の傾斜が小さ過ぎて、地球の全表面を照射することができないからである。ところが大きな軌道傾度をもち、低く（例えば２００kmないし４００kmの高度で）飛行する衛星又は宇宙ステーションによって、±７０ないし８０の緯度範囲の地表をカバーすることが可能である。軌道傾度が大きれば、衛星又は宇宙ステーションは時間の経過に伴って全地表の上を飛行する。
【０００８】
本発明に係る装置のアンテナの特殊な幾何学的形状により、供給できないのは極地だけという程度に、地表のカバー範囲が拡張される。
【０００９】
地上の無線時計は、電池を節約するために通常毎日１回しか同期化しない。これは通常夜間に行われる。なぜなら夏時間と冬時間の切換えもこの時間に行われるからである。宇宙支援形の無線時計では送信機が所定の時期に受信範囲にとどまらなければならないから、簡単に同期化することはできない。そこで本発明に係る時間信号送信機は本来の時間情報に加えて、さらにある地域の次の上空飛行時間に関する補助情報を伝送し、受信機が受信交信時間を事前にすでに知っているようにする。時計の最初の接続のとき又は交信時間を空費したとき、受信機は時間信号が受信されるか否かを確かめるために必ず短時間だけ接続される。可能な交信を見逃すことがないように、続いて受信時間範囲より短い休止時間が挿入される。最初の受信交信が行われたならば、時計は直ちに通常の接続サイクルに移行する。
【００１０】
ある地点の送信機に対する受信範囲は幾つかの時間帯にわたることが可能である。従って受信機は、送信データの計算のもとになる現在の地点が自分の地理的位置からどれだけの距離にあるかを確かめなければならない。このために２つの可能性が設けられる。
【００１１】
１．衛星又は宇宙ステーションが受信機の比較的近い上空を飛行するときは、送信機の高速度に原因する受信周波数のドップラー偏移が大きいから、周波数偏移と偏移の形から上空飛行時期、それとともに間隔を決定することができる。
【００１２】
２．送信機が比較的遠距離を上空飛行する場合は、地球の電離層を通過するときの伝搬時間のばらつき、即ちある波動運動の伝搬速度と種々の波長又は周波数との関係が解析される。大気の上部の導電性の空気層（電離層）は、送出される信号の周波数に応じて電波の伝搬を様々に妨害する。その結果、同時に放射された異なる周波数の信号が異なる時期に受信機に到達する。電離層の導電率が分かれば、この時間のずれから送信機と受信機の距離を決定することができる。電離層の現在の特性データを地上局が決定することができ、又は時間信号送信局が自分でテスト信号のエコーを解析することによって、電離層を絶えず観測する。
【００１３】
また自分の位置を独立に検出することができる受信機は、自分の地理的位置が時間信号送信機の現在の飛行方向の左右いずれにあるかを確かめなければならない。そのために放射される信号は下へ一様に放射されるのではなく、回転するビームにより回転する。この回転は機械的に運動するアンテナ又は適当な電子的手段によって発生することができる。受信した信号から現在の放射角を決定することができるように、回転するビームを放射角位置に応じて適当に変える。例えば補助周波数を使用し、０°ないし３６０°の夫々の角位置又は角位置範囲が所定の補助周波数を有するようにして、これを行うことができる。そこで最大接近時期の９０°又は２７０°の角が通過飛行の側を確定する。
【００１４】
本発明の別の有利な実施態様では受信機内の記憶と演算の節減のために、地表を番号をつけた帯域に区分する。そこで送信機は時間信号のほかに現在の帯域の番号と前述の補助情報を伝送する。これらのデータは受信機に記憶される。送信機はこうして軌道修正や時間切換えを併せて事前に計算し、これを受信機に伝えることができる。地球を適当な帯域（国際時間帯と同じでなくてもよい）に区分することによって、受信機は時間信号送信機から伝送された時間情報に簡単なオフセット加算又は減算を行って、受信機の現在の時間を算出することができる。
【００１５】
送信機は現在の時間と補助情報を連続的に繰返し伝送する。受信機があるデータパケット一式の受信を始める前に、すでに開始されたパケットの全時間を待機しないでよいように、データの流れに識別しやすい同期信号を埋め込んで、パケットの途中でも解析を始めることができるようにする。これは受信機を作動させなければならない時間を最小化し、それによって時計の電流消費を減少する。
【００１６】
国際規則によれば、衛星又は宇宙ステーションの送信機は他のシステムを妨害しないために、ある送信出力（電波密度 Power Flux Density）を超えてはならない。この周辺条件を満足するために、本発明に係る方法ではいわゆるスペクトル拡散技術を応用して、別個の符号化と変調を行うことができるようにする。続いて送信信号の送信周波数を所定の周波数と所定の周波数偏移で周期的に変位させる（掃引 Sweeping ）。送信信号のこの掃引その他のすべての変化は、時間信号送信機に搭載した時間基準に同期しかつ位相同期して行われるから、受信した時間を現在の掃引周波数と掃引位相位置からマイクロ秒領域に及ぶ分解能で決定することができる。
【００１７】
時間信号送信機に搭載の時間の調整のために、一方では地上局又は制御局の制御信号を使用し、他方では時間信号送信機自体が国内時間送信局の時間信号を上空飛行のときに復号し、この信号との同期をとることができる。
【００１８】
次に実施例に基づき図面を参照して本発明を詳述する。
【００１９】
図１は宇宙支援形の全地球的時間信号システムを示す。このシステムはほぼ全地球的に受信される時間信号１４を配分又は送信し、時計を今所在する当該の地方時に自動調整するために使用される。時間信号システム１は衛星３の形の飛行体２と、受信ユニット４と、時間信号発生器５と、アンテナ１０.１を含む地上局１０.２とを有する。
【００２０】
衛星３は時間信号１４及びその他の補助情報の配分又は送信のための時間信号送信機６を有する。図１の図示で時間信号１４は記号により半円形の波列で略示されているが、それで時間信号１４と補助情報の実際の伝搬方向を推論させるものではない。衛星３の機能のために必要な装置、例えばエネルギー供給装置又は飛行制御装置は図示の明瞭性のため参照符号を付していない。
【００２１】
地球７の上にある受信ユニット４は時間信号受信機８と時計９を有する。好ましくは腕時計としても形成することができる時計９及び時間信号受信機８は接続線１２を介して互いに連結されているから、時間信号受信機８から時計９へ同期情報を伝送することができる。
【００２２】
時間信号発生器５は例えば原子時計により時間基準を発生するために使用される。時間信号発生器５は伝送線１１を介して、制御局とも呼ばれる地上局１０.２に接続される。地上局１０.２及びそのアンテナ１０.１は、図１に矢印１５で略示した、衛星３の現地時間の同期のための信号を伝送するために使用される。
【００２３】
衛星３の飛行軌道を図１に矢印１３で略示した。別の矢印１６は時間信号送信機６から時間信号受信機８への信号の流れの方向を表示する。
【００２４】
図２は複数個のセグメント又は帯域１７に分割した地球７の概略図を示す。２つの隣接する帯域１７は帯域境界１８で互いに分離される。境界１８は地球７の経度又は緯度に平行であるから、帯域１７はほぼ正方形又は長方形に形成されている。帯域１７は地球７上にある時間帯となるべくほぼ一致するように選定する。しかし地球７上に直線状の時間帯境界は少ないから、これは近似的にしか可能でない。図２には帯域１７を概略的に記載したに過ぎず、決してその実際の大きさを推論させるものではない。実際は帯域１７の大きさは受信範囲より小さく設定される。衛星３とその飛行軌道１９を−念のため−ごく概略的に図示した。正しい飛行経過又は正しい飛行軌道１９は、以下で詳しく説明する図３で明らかである。
【００２５】
図３は地球７上の衛星３の受信範囲２０を地球７の展開図で示す。衛星３の高い傾角、言い換えれば大きな軌道傾度によって正弦曲線状の飛行軌道１９が生じる。衛星３が地球７の周囲を何回も周回することによって、面をカバーするすなわちほぼ全地球的な受信範囲２０が生じる。図３には地球７に投影される受信円錐体２１が現在ヨーロッパの上にあるように、衛星３の受信範囲２０を記載した。図３でよく分かるように、地球７に投影した受信円錐体２１は、地球７を展開すると図で楕円形に形成され、全ヨーロッパをとらえて幾つかの実在する時間帯にまたがる。
【００２６】
図４は、時間信号受信機８から見て、受信されるドップラー偏移の周波数曲線２５の一例の線図２２を示す。図４の線図２２では横軸２３に時間、縦軸２４に周波数を記載した。破線の垂直線２６は時間信号受信機８が時間信号送信機６に対して最小の間隔を有する上空飛行時期t₀を表示する。破線２６の左の区域は時間信号送信機６の時間信号受信機８への接近を、同様に線２６の右の区域は時間信号送信機６が時間信号受信機８から遠ざかる区域を表示する。時間信号受信機８の方向の時間信号送信機６の速度成分が大きければ大きいほど、即ち衛星３が時間信号受信機８に近ければ近いほど、上空飛行時期t₀の区域の周波数偏移がそれだけ顕著であり、即ちそれだけ大きい。こうして時間信号受信機８は周波数曲線２５から時間信号送信機６との間隔を算定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】宇宙支援形の全地球的時間信号システムの概略図である。
【図２】地球の概略図である。
【図３】地球上の代表的な受信範囲の図である。
【図４】ドップラー偏移の線図である。

Claims

軌道上の飛行体（２）から地表上の受信機（８）へ時間信号を送信する方法であって、
前記飛行体（２）は、前記飛行体（２）から前記地表に垂線を下ろすことによって定義される天底を有し、
前記方法は、
大きな軌道傾度を持つ軌道において前記地表の一地点に対して相対的に前記飛行体（２）を移動させるステップであって、前記飛行体（２）から前記地表へ送信された信号は、前記飛行体（２）がその軌道内を移動するにつれて、±７０ないし８０の緯度に亘って経路をたどる、ステップと、
少なくとも１つの搬送周波数を用いて、送信ビームによって前記地表に向けて情報信号を送信するステップと、
前記天底周囲で前記送信ビームを回転させるステップと、
前記情報信号を変調し、時間情報と、前記天底周囲の前記送信ビームの瞬間的な回転角を示す情報を符号化するステップと、
を備える、方法。
前記時間情報は、前記飛行体（２）が上空を飛行する位置に関する実際の現地時間を表す、請求項１に記載の方法。
前記天底周囲の前記送信ビームの前記回転角は、時間の関数として不連続的に変化する、請求項１に記載の方法。
前記天底周囲の前記送信ビームの前記回転角は、時間の関数として連続的に変化する、請求項１に記載の方法。
前記情報信号は、副搬送周波数を用いて、前記飛行体（２）から送信される、請求項１に記載の方法。
前記情報信号は、前記天底周囲の送信ビームの回転角を変化させるための、複数の個々の位相制御アンテナを使用して、前記飛行体（２）から送信される、請求項１に記載の方法。
前記情報信号は、機械的に回転し、前記天底周囲の送信ビームの回転角を変化させる単一のアンテナを用いて、前記飛行体（２）から送信される、請求項１に記載の方法。
さらに、地表を複数の受信区域であって、それぞれに番号が割り当てられている受信区域に分割するステップと、
前記飛行体（２）によって送信された前記情報信号を変調し、前記情報信号が送信された時間に前記飛行体（２）が位置する受信区域の割り当て番号を含ませるステップと、
を備える、請求項１に記載の方法。
さらに、前記飛行体（２）によって送信される前記情報信号を変調し、前記飛行体（２）の天体位置推算表、前記飛行体（２）の飛行方向、前記飛行体（２）の位置、及び前記地表の位置に対して相対的な前記飛行体（２）の次の上空飛行時間の少なくとも１つに関する情報を含ませるステップを含む、請求項１に記載の方法。
さらに、前記飛行体（２）によって送信された情報信号を変調し、特定の時間における電離層の信号伝達特性を表す情報を含める、請求項１に記載の方法。
前記電離層の信号伝達特性を表す情報は、地上局から前記飛行体（２）によって取得される、請求項１０に記載の方法。
前記電離層の信号送信特性を表す情報は、前記飛行体（２）によって送信される試験信号のエコーを前記飛行体（２）が解析することによって取得される、請求項１０に記載の方法。
前記情報信号は、周波数及び位相変調の少なくとも１つによってスペクトル拡散されている、請求項１に記載の方法。
前記送信信号について、別個の符号化及び変調が実行される、請求項１３に記載の方法。
前記情報信号の符号化と送信は、同調して実行される、請求項１に記載の方法。
前記情報信号の周波数は、同調して変位させられる、請求項１に記載の方法。
前記時間情報の時間分解能における向上は、前記周波数変位によって生じる、請求項１６に記載の方法。
前記情報信号は、さらに位相変位を含み、前記時間情報の時間的分解能は前記位相変位によって生じる、請求項１７に記載の方法。
前記情報信号は送信されたデータパケットを含み、当該データパケットは同期信号を有する、請求項１に記載の方法。
さらに、前記地表における国内時間送信機上を飛行する間に前記飛行体（２）に搭載した時計の時間調整信号を受信するステップを含む、請求項１に記載の方法。
受信局（４）において時間信号を得る方法であって、
前記時間信号は、飛行体（２）から前記受信局（４）へ送信された情報信号によって構成され、
前記飛行体（２）は、その軌道内を移動するときに、±７０ないし８０の緯度に亘って経路をたどるものであり、
前記飛行体（２）は、前記飛行体（２）から前記地表に垂線を下ろすことによって定義される天底を有し、
前記飛行体（２）は、前記受信局（４）に相対的に移動し、１以上の送信搬送周波数を用いて、前記天底の周囲で回転する送信ビームとして前記情報信号を送信するように動作する送信機（６）を備え、
前記送信された情報信号は、時間情報と、前記天底周囲の前記送信ビームの瞬時的回転角に関する情報を含み、
前記方法は、
受信信号の特性に基づいて、前記情報信号の受信時間における、前記天底から前記受信局（４）の受信機（８）の距離を決定するステップと、
前記情報信号に符号化された前記回転角情報を用いて、前記地表に投影される、前記飛行体（２）の飛行経路と方向によって定義され、前記天底を通して伸びる直線と相対的な前記受信機（８）の位置を決定するステップと、
前記決定された前記受信機（８）の距離と位置に従って、前記送信された時間情報が示す時間を調整することにより、前記受信機（８）における時間を決定するステップと、
を備える方法。
前記情報信号は、単一の搬送周波数を用いて、前記飛行体（２）から送信され、
前記天底からの前記受信機（８）の距離は、前記搬送周波数のドップラー偏移に基づいて決定される、請求項２１に記載の方法。
前記情報信号は、複数の搬送周波数を用いて、前記飛行体（２）から送信され、
前記天底からの前記受信機（８）の距離は、電離層を通過する前記搬送周波数の伝搬時間のばらつきに基づいて、決定される、請求項２１に記載の方法。
さらに、前記決定された時間に従って時計を合わせる、請求項２１に記載の方法。
前記時計は腕時計である、請求項２４に記載の方法。
さらに、早期の送信期間において、前記送信機（６）から提供される情報が示す時間で前記受信機（８）を起動させるステップを備える、請求項２１に記載の方法。
時間信号を送信する装置であって、
軌道上の飛行体（２）を備え、当該飛行体（２）は飛行体（２）から地表に垂線を下ろすことによって定義される天底を有し、前記飛行体（２）はさらに大きな軌道傾度を有し、前記飛行体（２）から前記地表へ送信された信号は、前記飛行体（２）が軌道内を移動するにつれて、±７０ないし８０の緯度に亘って経路をたどり、
前記飛行体（２）は、
少なくとも１つの搬送周波数を用いて、送信ビームによって情報信号を送信する送信機（６）と、
前記天底周囲で前記送信ビームを回転させる走査装置と、
前記情報信号、時間信号、及び前記天底周囲の前記送信ビームの瞬時的な回転角を示す情報について符号化する変調装置と、
を備える装置。
前記走査装置は、時間の関数として不連続に、前記天底周囲の前記送信ビームの回転角を変化させるように動作する、請求項２７に記載の装置。
前記走査装置は、時間の関数として連続に、前記天底周囲の前記送信ビームの回転角を変化させるように動作する、請求項２７に記載の装置。
前記送信機（６）は、複数の個々のアンテナを含み、
前記走査装置は、前記アンテナのそれぞれが送信したそれぞれの信号を位相制御することによって、前記天底周囲の前記送信ビームの回転角を変化させる位相制御器を含む、請求項２７に記載の装置。
前記送信機（６）は、単一のアンテナを含み、
前記走査装置は、前記アンテナを機械的に回転させ、前記天底周囲の前記送信ビームの回転角を変化させるように動作する、請求項２７に記載の装置。
前記飛行体（２）の天体位置推算表、前記飛行体（２）の飛行方向、前記飛行体（２）の位置、及び前記地表の位置に相対的な前記飛行体（２）の次の上空飛行の時間の少なくとも１つが、前記情報信号に符号化されている、請求項２７に記載の装置。
特定の時間における電磁層の信号伝達特性を表す信号が前記情報信号に符号化されている、請求項２７に記載の装置。
さらに、試験信号を送信する装置と、
前記試験信号のエコーを受信する装置と、
前記試験信号の前記エコーを解析し、電離層の信号伝達特性を決定するように動作する装置と、
を備える請求項２７に記載の装置。
前記情報信号は、同期信号を含むデータパケットの形式で送信される、請求項２７に記載の装置。
さらに、前記地表における国内時間送信機上を飛行する間に前記飛行体（２）に搭載した時計の時間調整信号を受信するように動作する回路を含む、請求項２７に記載の装置。
時間信号を得る受信機であって、
前記時間信号は、軌道上の飛行体（２）が備える送信機（６）から送信された情報信号によって構成され、
前記飛行体（２）は、その軌道内を移動するときに、±７０ないし８０の緯度に亘って経路をたどるものであり、
前記飛行体（２）は、前記飛行体（２）から前記地表に垂線を下ろすことによって定義される天底を有し、
前記情報信号は、１以上の送信搬送周波数を用いて、前記天底の周囲で回転する送信ビームとして送信され、
前記送信された情報信号は、時間情報と、前記天底周囲の前記送信ビームの瞬時的回転角に関する情報を含み、
前記受信機（８）は、データ処理装置を備え、
前記データ処理装置は、
受信信号の特性に基づいて、前記情報信号の受信時間における、前記天底からの前記受信局（４）の受信機（８）の距離を決定し、
前記情報信号に符号化された前記回転角情報を用いて、前記地表に投影される、前記飛行体（２）の飛行経路と方向によって定義され、前記天底を通して伸びる直線と相対的な前記受信機（８）の位置を決定し、
前記決定された前記受信機（８）の距離と位置に従って、前記送信された時間情報が示す時間を調整することにより、前記受信機（８）における時間を決定する、
ように動作する、受信機。
さらに、早期の送信期間において、前記送信機（６）から提供される情報が示す時間で前記受信機（８）を起動させるように動作するタイマを備える、請求項３７に記載の受信機。
電離層の信号伝達特性を表す情報は、前記情報信号に符号化され、
前記情報信号は、複数の搬送周波数を用いて、前記飛行体（２）から送信され、
前記データ処理装置が、前記複数の搬送周波数のそれぞれの前記電離層の通過伝搬時間の差異に基づいて、前記天底からの前記受信機（８）の距離を決定するように動作する、請求項３７に記載の受信機。
前記情報信号は、単一の搬送周波数を用いて、前記飛行体（２）から送信され、
前記データ処理装置は、前記搬送周波数のドップラー偏移に基づいて、前記天底からの前記受信機（８）の距離を決定するように動作する、請求項３７に記載の受信機。