JP4845947B2 - 衛星時刻同期方法及び衛星時刻同期システム - Google Patents

Description

本発明は、衛星時刻同期方法及び衛星時刻同期システムに関する。

本発明者等は、既に特願２００３−１４０２５１号（特許文献１参照）等に於て、家屋内，建物の陰，ビルの中等の、衛星からの信号が減衰した場所における、衛星との擬似距離を、精度良く測定できる衛星測位方法を提案してきた。
特許第３８０９１５３号公報

しかし、衛星を使った時刻同期方法（システム）に関しては、（上述のようなビルの中等の）衛星信号が減衰された場所では、従来、不可能乃至至難と考えられてきた。その理由は、衛星から送られた信号が、このような場所では、余りにも減衰されて、航法データのメッセージ解読が困難であったためである。

そこで、本発明は、ビルの中等で衛星信号が減衰され、信号に存在するメッセージの復調が不可能な場合でも、正確に時刻同期を行うことができる衛星時刻同期方法とそのシステムを、提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、衛星から受信機端末に送られる信号は、サブフレーム先端ビットから第１所定ビット分がパターン化された特定部位であって、上記先端ビットから第２所定ビット分の位置に衛星時刻が配分されて数秒単位の周期をもって繰り返されるサブフレームから、構成され、該信号を受信して上記受信機端末の内部時計を衛星時刻に同期させる衛星時刻同期方法に於て、
衛星からの上記信号を上記受信機端末にて受信して、上記信号の航法データの１ビットを微小に分割したデータを合計し、その合計した値と受信機端末の有するレプリカとの相関計算を行い、極性修正情報にて極性修正を行って、又は、絶対値をとって、得られた結果を同期加算することを、微小分割の数だけ繰り返し、結果の最大値より微小分割のどの位置にビットエッジが存在するか検出するビットエッジ検出工程と、
該ビットエッジ検出工程によって得られた上記ビットエッジを元に、相関計算と同期加算を行って、上記パターン化された特定部位を検出して、上記サブフレーム先端ビットを検出して、該先端ビットから上記第２所定ビット分の位置の衛星時刻を演算し、
予め所定誤差内に補正した上記内部時計の概略時刻を、上記衛星時刻と正確に同期させる方法である。なお、上記予め所定誤差内に補正するために、外部基地局のサーバからの参照情報に基づくのが望ましい。

また、本発明は、衛星から受信機端末に送られる信号は、サブフレーム先端ビットから第１所定ビット分がパターン化された特定部位であって、上記先端ビットから第２所定ビット分の位置に衛星時刻が配分されて数秒単位の周期をもって繰り返されるサブフレームから、構成され、該信号を受信して上記受信機端末の内部時計を衛星時刻に同期させる衛星時刻同期システムに於て、
上記受信機端末は、衛星からの上記信号を受信する衛星信号受信部と、
信号の航法データの１ビットを微小に分割したデータを合計して、その合計した値とレプリカとの相関計算を行うと共に、極性修正情報にて極性修正を行って得られた結果を同期加算することを、微小分割の数だけ繰り返して、結果の最大値より微小分割のどの位置にビットエッジが存在するか検出するビットエッジ検出部と、
上記ビットエッジ検出部によって得られた上記ビットエッジを元に、相関計算と同期加算を行って、上記パターン化された特定部位を検出する特定部位検出部と、
該特定部位検出部によって得られた特定部位の先端を、サブフレーム先端ビットと判断するサブフレーム先端ビット検出部と、
該サブフレーム先端ビット検出部から得られた先端ビットを元に、上記第２所定ビット分の位置の衛星時刻を演算する時刻演算部と、
外部基地局のサーバからの参照情報を受信する参照情報受信部と、
該参照情報受信部にて受信した参照情報に基づいて、所定誤差内に在る概略時刻を決定する通信処理部と、
上記時刻演算部の衛星時刻によって、上記概略時刻を補正して、内部時計を同期させる内部時計補正部と、
を具備している。

そして、上記時刻演算部、及び／又は、上記内部時計補正部が、以下の数式１に基づいて、正確な時刻を演算している衛星時刻同期システムである。
〔数１〕
Ｔ₀ ＝Ｐ×Ｎ＋ΔＴ₁ ＋ΔＴ₃
但し、
Ｔ₀ ：正確な内部時計の時刻
Ｐ：サブフレームの周期
Ｎ：整数
ΔＴ₁ ：衛星から受信機端末までの伝達時間
ΔＴ₃ ：（サブフレーム先端ビットから衛星時刻までの）第２所定ビット分の時間

本発明によれば、ビルの中等で衛星信号が減衰され（雑音の中に埋もれて）、メッセージの解読が不可能な場所に於ても、極めて正確な時刻に、受信機端末の内部時計を、同期可能である。これに伴って、高速の無線通信を実現可能となる。

以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。

図２と図６に示すように、本発明は、衛星２から送られてくる信号Ｓを受信機端末５にて受信し、かつ、外部基地局のサーバ10からネットワーク11を介して送信される参照情報（アシスト情報）を上記受信機端末５にて受信し、受信機端末５の内部時計（図示せず）を、衛星時刻に同期させる方法である。

衛星２から受信機端末５へ送られる信号Ｓの一例を、図５に示す。この図５では、ＧＰＳ衛星から送信されるＧＰＳ信号を例示する。即ち、同期的に 300ビットで繰り返す５個のサブフレームＦ₁ ，Ｆ₂ ，Ｆ₃ ，Ｆ₄ ，Ｆ₅ をもって、１フレーム（１セット）Ｆ₀ を構成し、この１フレームＦ₀ が順次繰り返す。１ビットが20msecであり、従って、各サブフレームＦの周期は、６sec である。
各サブフレームＦ₁ ，Ｆ₂ ，Ｆ₃ ，Ｆ₄ ，Ｆ₅ は、サブフレーム先端ビットＥから、30msecのＴＬＭ，30msecのＨＯＷ，（時刻補正と衛星状態又はエフェメリス又はアルマナック等の）メッセージ部Ｍ₁ ，Ｍ₂ ，Ｍ₃ ，Ｍ₄ ，Ｍ₅ から構成されている。上記ＴＬＭ内の上位８ビット（つまり、サブフレーム先端ビットＥから８ビット）は、プリアンブル（10001011）から成る特定部位Ａである。即ち、全てのサブフレームＦ₁ ，Ｆ₂ ，Ｆ₃ ，Ｆ₄ ，Ｆ₅ に於て、網目にて示した特定部位Ａは、上記の10001011のようにパターン化され、同一の情報が含まれている。
そして、ＨＯＷの先端位置Ｈ₀ は厳密に、グリニッジ標準時刻をベースとした衛星時刻に合致する。

このように、衛星２から受信機端末５に送られる信号Ｓは、サブフレーム先端ビットＥから第１所定ビット分Ｂ₁ ───ＧＰＳ信号を示す図５では８ビット分───がパターン化された特定部位Ａであり、サブフレーム先端ビットＥから第２所定ビット分Ｂ₂ ───ＧＰＳ信号を示す図５では30ビット分───の位置に、衛星時刻が配分されたサブフレームＦは、数秒単位（図５では６sec 単位）の周期Ｐをもって、繰り返す。

本発明は、上述の信号Ｓを受信機端末５にて受信し、ビルの中等で信号Ｓが減衰され、ノイズが大き過ぎて、メッセージ部Ｍ₁ ，Ｍ₂ ，Ｍ₃ ，Ｍ₄ ，Ｍ₅ 等の復調───解読───が困難な状況下にて、受信機端末５の内部時計を、衛星時刻に同期させる方法及びシステムである。

以下、図１〜図７に基づいて、具体的に詳説すると、衛星２からの信号Ｓを受信機端末５が受信し、ノイズに対する信号比率が十分になる同期加算の時間に対応する所定時間の衛星受信信号Ｓにより、受信機端末５の内部時計の時刻を、衛星２の時刻に同期させる方法であって、図３に示すように、信号Ｓの航法データの（上記所定時間に相当の）１ビット───20msec───を、１msecに分割し、かつ、データ取得開始Ｄ₁ ，Ｄ₂ ，Ｄ₃ ，………Ｄ₁₉，Ｄ₂₀を、１msecずつ遅らせ、20個得る（初期信号工程）。即ち、図３と図４に示すように、第１入力信号ＣＨ₁ ，ＣＨ₂ ，ＣＨ₃ ，………ＣＨ₁₉，ＣＨ₂₀を得る。次に、図４に示すように、１msecずつ遅れて得られた第１入力信号ＣＨ₁ ，ＣＨ₂ ，ＣＨ₃ ，………ＣＨ₁₉，ＣＨ₂₀の各々について、合計して第２信号Σ₂₀を得る。合計した値（第２信号）Σ₂₀と、受信機端末５の有するレプリカ（ＰＮ符号）との相関計算を行う。

極性修正情報が有効な場合は極性修正を行い、又は、絶対値をとり、得られた値を、20msec分の信号───微小分割の数の信号───にわたって同期加算を繰り返す。各第１入力信号ＣＨ₁ ，ＣＨ₂ ，ＣＨ₃ ，………ＣＨ₁₉，ＣＨ₂₀に於けるピーク値を比較し、最大値検出により、どの位置にビットエッジＧが存在するかを、検出できる（これを、図１に示すビットエッジ検出工程６又はビットシンク工程と呼ぶ）。

次に、上記ビットエッジ検出工程６によって得られたビットエッジＧを元に、相関計算と同期加算を行って、パターン化された前記特定部位Ａを検出して、これによって、サブフレーム先端ビットＥを検出する（これを、図１に於て特定部位検出工程７と呼ぶ）。
この特定部位検出工程７について、具体的に説明すると、ビットエッジ検出工程６に於て得られた航法データのビットエッジＧを元に、所定時間（ノイズに対する信号比率が十分になる同期加算の時間）の衛星受信信号Ｓから、前述した第１所定ビット分Ｂ₁ の長さ───特定部位Ａにおけるプリアンブルの長さ───の８ビットに相当する（図５の下部に示した）第３入力信号ＣＨ₁ ，ＣＨ₂ ，………ＣＨ₂₉₉ ，ＣＨ₃₀₀ を、１ビット（20msec）ずつ遅らせて、所定数（ 300個）得る（図５下半部参照）。この 300個とは、１つのサブフレームＦのビット数に相当する。

この第３入力信号（図５のＣＨ₁ ，ＣＨ₂ ，………ＣＨ₂₉₉ ，ＣＨ₃₀₀ ）の各々について、８ビット分のデータを取得し、受信機端末５が予め用意した所定の長さ（８ビット）のレプリカ（航法データ）との相関計算を行い、結果を極性修正、又は、絶対値をとり、得られた値を第４入力信号とする。この第４入力信号について、上記所定時間分にわたって同期加算を行い、その結果から航法データの特定部位Ａ（プリアンブル）の位置を特定する。この特定部位Ａの位置の先端がサブフレーム先端ビットＥである。以上が、図１に示した特定部位検出工程７である。次に、このようにしてサブフレーム先端ビットＥから、（前述の）第２所定ビット分Ｂ₂ の時間ΔＴ₃ だけ進んでいる衛星時刻Ｈ₀ を、演算する（これを、図１に於て、時刻演算工程８と呼ぶ）。

他方、（図２又は図６に示した）外部基地局のサーバ10からネットワーク11を介して送られてくる参照情報（アシスト情報）に基づいて、予め所定誤差±Ｚ内に設定する（これを概略時刻設定工程９と呼ぶ）。なお、手動にて、予め所定誤差±Ｚ内に設定することも可能である（これも概略時刻設定工程９と呼ぶ）。このように設定（補正）した内部時計の概略時刻を、その後、上記衛星時刻Ｈ₀ と正確に同期させる（これを衛星時刻同期工程15又は内部時計補正工程と呼ぶ）。上記概略時刻は、図５にて説明した１のサブフレームＦの周期Ｐである６秒（sec ）の半分をＺとして、誤差が±Ｚ＝±３sec 未満に設定される。

図１に於て、上述した本発明の衛星時刻同期方法をフローチャートにて示したが、図６に示すブロック図に基づいて、（重複する説明もあるが）本発明に係る衛星同期システムを説明する。12は衛星受信部であり、衛星２から送られる信号Ｓを直接に受信する。13は、衛星捕獲・追尾部であり、ビットエッジ検出部14へ信号を送る。
ビットエッジ検出部14は、既述の（図１の）ビットエッジ検出工程６を行う。

次に、16は、ビットエッジ検出部６によって得られたビットエッジＧを元に、相関計算と同期加算を行って、パターン化された特定部位Ａを検出する特定部位検出部である。次に、この特定部位検出部16によって得られた特定部位Ａの先端を、サブフレーム先端ビットＥと判断するサブフレーム先端ビット検出部17が、設けられている。図１に於ては、この２つの検出部16, 17が行う工程を、特定部位検出工程７と呼んでいる。

18は、サブフレーム先端ビット検出部17から得られた先端ビットＥを元に（図５参照）、第２所定ビット分Ｂ₂ の位置の衛星時刻Ｈ₀ を演算する時刻演算部である。
19は、外部基地局のサーバ10からの参照情報（アシスト情報）を受信する参照情報受信部である。20は、この受信部19にて受信した参照情報に基づいて、所定誤差±Ｚ内に在る概略時刻を決定する通信処理部である。
21は、時刻演算部18の衛星時刻によって、通信処理部20から送信される概略時刻を補正して、内部時計を補正する内部時計補正部である。

そして、上記時刻演算部18及び内部時計補正部21に於て、次の数式１に基づいて、（高精度に）正確な時刻Ｔ₀ が求められる。
〔数１〕
Ｔ₀ ＝Ｐ×Ｎ＋ΔＴ₁ ＋ΔＴ₃
但し、
Ｔ₀ ：正確な内部時計の時刻
Ｐ：サブフレームの周期
Ｎ：整数
ΔＴ₁ ：衛星から受信機端末までの伝達時間
ΔＴ₃ ：（サブフレーム先端ビットから衛星時刻までの）第２所定ビット分の時間

さらに、詳しく説明すれば、受信機端末５の概略位置、及び、外部基地局のサーバ10からネットワーク11を介して送られた参照時刻情報と衛星軌道情報、及び、電離層遅延補正情報と衛星番号のアシスト情報から、衛星と受信機端末５間の距離Ｌを求めて、光速Ｃl で除算することで、信号Ｓの伝達時間ΔＴ₁ を求める。即ち、ΔＴ₁ ＝Ｌ／Ｃl として伝達時間ΔＴ₁ が求められる。

他方、外部基地局のサーバ10からネットワーク11を介して送られた参照時刻情報等（又は、手動とすることも可能）により、正確な時刻から、誤差±Ｚ未満をもって、同期する。このＺの値は、図５に示すサブフレームＦの周期Ｐの半分とし、例えば、Ｚ＝Ｐ／２＝６sec ／２＝３sec とする。
なお、上記受信機端末５の概略位置は、サーバ10のような外部装置から受信機端末５に与えることもできる。
上記信号Ｓは、図５に示すように、Ｐ秒の周期のサブフレームＦ₁ ，Ｆ₂ ，Ｆ₃ ，Ｆ₄ ，Ｆ₅ にて、周期的に送信され、ＧＰＳ信号の場合を例にとれば、Ｐ＝６sec であり、フレームＦ₀ は30sec である。上記誤差を示す±Ｚの値は、周期ＰによりＰ÷２（秒）に決定する。

本発明では、例えば、図５に示すような各サブフレームＦ上にある特定部位Ａを検出することで、サブフレーム先端ビットＥを見付けることにより、自身の内部時計の時刻から誤差±Ｚ未満にある、周期Ｐ秒の倍数の値（Ｐ×Ｎ）が正しい時刻となることが判断できる（図２と図７参照）。
受信機端末５内の時刻演算部18及び内部時計補正部21によって、Ｐ×Ｎ（秒）に、上記ΔＴ₁ ，ΔＴ₃ を使用して、上述の数式１にて、正確な（内部時計の）時刻Ｔ₀ を、演算できる。この際、信号Ｓ内のメッセージ部Ｍ₁ ，Ｍ₂ ，Ｍ₃ ，Ｍ₄ ，Ｍ₅ の解読を行う必要が無い。言い換えると、サブフレーム先端ビットＥを検出することで、正確な時刻Ｔ₀ を求め得る。

図７に示す具体例に於て、ＧＰＳ衛星システムの場合、下方の時間軸ｔ₁ では、６秒毎にサブフレーム先端ビットＥがＧＰＳ受信機端末５にて受信されている。他方、上方の時間軸ｔ₂ では、帯状に示した範囲Ｒ₁ は、誤差として、±３秒を含んだ範囲を示す。例えば、図７に於て、現在の受信機端末５の内部時計の概略時刻を、ｍ時ｎ分22.000秒であったとして、ΔＴ₁ が70msecとする。サブフレーム先端ビットＥが検出された時刻（図７中の※印）の、上記範囲Ｒ₁ 内にある６の倍数秒の値が、その時の正確な秒となるはずであるが、前述の数式１に於て、ΔＴ₁ ＝70msec, ΔＴ₃ ＝− 600msecとすれば、正確な内部時計の時刻Ｔ₀ は、次の数式２のようになる。
〔数２〕
Ｔ₀ ＝ｍ時ｎ分24.000秒＋70msec− 600msec＝ｍ時ｎ分23.470秒
このように、正しい時刻を、容易かつ確実に求めることが可能であり、特に、雑音にうもれた超微弱信号であっても、メッセージ部Ｍ₁ ，Ｍ₂ ，Ｍ₃ ，………の解読を要することなく、高精度に正しい時刻Ｔ₀ に内部時計を同期できる。

なお、本発明は、上述のＧＰＳ衛星システムに限定されるものではなく、衛星から受信機端末に送られる信号は、サブフレーム先端ビットから第１所定ビット分がパターン化された特定部位であって、上記先端ビットから第２所定ビット分の位置に衛星時刻が配分されて数秒単位の周期をもって繰り返されるサブフレームから、構成されておれば、図５に示す以外の構成の信号であっても、自由に応用自在である。
また、外部基地局のサーバ10から送られてくる参照情報に基づいて設定する時刻の誤差がプラス（＋）方向のみの場合は、サブフレームＦの周期Ｐである６秒（sec ）未満として、受信機端末５側の概略時刻補正の際に、Ｐ／２を引いた時刻を設定することにより、既述の実施の形態と同様に、±Ｅ＝±３sec 未満として、処理できる。

本発明の実施の一形態を示すフローチャート図である。 本発明の実施の一形態を示す構成説明図である。 本発明のビットエッジ検出工程を説明するための図である。 本発明のビットエッジ検出工程を説明するためのフローチャート図である。 衛星から送られる信号の一例を示す説明図である。 本発明に係るシステムの構成説明図である。 具体的な作用説明図である。

２ 衛星
５ 受信機端末
６ ビットエッジ検出工程
７ 特定部位検出工程
８ 時刻演算工程
９ 概略時刻設定工程
10 サーバ
11 ネットワーク
15 衛星時刻同期工程
16 特定部位検出部
17 サブフレーム先端ビット検出部
18 時刻演算部
19 受信部
20 通信処理部
Ａ 特定部位
Ｂ₁ 第１所定ビット分
Ｂ₂ 第２所定ビット分
Ｅ サブフレーム先端ビット
Ｆ，Ｆ₁ ，Ｆ₂ ，Ｆ₃ ，Ｆ₄ ，Ｆ₅ サブフレーム
Ｇ ビットエッジ
Ｈ₀ ＨＯＷの先端位置（衛星時刻）
Ｐ 周期
Ｓ 信号
±Ｚ 誤差

Claims (4)

1. 衛星から受信機端末に送られる信号は、サブフレーム先端ビットから第１所定ビット分がパターン化された特定部位であって、上記先端ビットから第２所定ビット分の位置に衛星時刻が配分されて数秒単位の周期をもって繰り返されるサブフレームから、構成され、該信号を受信して上記受信機端末の内部時計を衛星時刻に同期させる衛星時刻同期方法に於て、
   衛星からの上記信号を上記受信機端末にて受信して、上記信号の航法データの１ビットを微小に分割したデータを合計し、その合計した値と受信機端末の有するレプリカとの相関計算を行い、極性修正情報にて極性修正を行って、又は、絶対値をとって、得られた結果を同期加算することを、微小分割の数だけ繰り返し、結果の最大値より微小分割のどの位置にビットエッジが存在するか検出するビットエッジ検出工程を、備え、
   該ビットエッジ検出工程によって得られた上記ビットエッジを元に、上記特定部位のレプリカとの相関計算と同期加算を行って、上記パターン化された特定部位を検出して、上記サブフレーム先端ビットを検出して、該先端ビットから上記第２所定ビット分の位置の衛星時刻を演算し、
   予め所定誤差内に補正した上記内部時計の概略時刻を、上記衛星時刻と正確に同期させることを特徴とする衛星時刻同期方法。
2. 上記予め所定誤差内に補正するために、外部基地局のサーバからの参照情報に基づく請求項１記載の衛星時刻同期方法。
3. 衛星から受信機端末に送られる信号は、サブフレーム先端ビットから第１所定ビット分がパターン化された特定部位であって、上記先端ビットから第２所定ビット分の位置に衛星時刻が配分されて数秒単位の周期をもって繰り返されるサブフレームから、構成され、該信号を受信して上記受信機端末の内部時計を衛星時刻に同期させる衛星時刻同期システムに於て、
   上記受信機端末は、衛星からの上記信号を受信する衛星信号受信部と、
   信号の航法データの１ビットを微小に分割したデータを合計して、その合計した値とレプリカとの相関計算を行うと共に、極性修正情報にて極性修正を行って得られた結果を同期加算することを、微小分割の数だけ繰り返して、結果の最大値より微小分割のどの位置にビットエッジが存在するか検出するビットエッジ検出部と、
   上記ビットエッジ検出部によって得られた上記ビットエッジを元に、上記特定部位のレプリカとの相関計算と同期加算を行って、上記パターン化された特定部位を検出する特定部位検出部と、
   該特定部位検出部によって得られた特定部位の先端を、サブフレーム先端ビットと判断するサブフレーム先端ビット検出部と、
   該サブフレーム先端ビット検出部から得られた先端ビットを元に、上記第２所定ビット分の位置の衛星時刻を演算する時刻演算部と、
   外部基地局のサーバからの参照情報を受信する参照情報受信部と、
   該参照情報受信部にて受信した参照情報に基づいて、所定誤差内に在る概略時刻を決定する通信処理部と、
   上記時刻演算部の衛星時刻によって、上記概略時刻を補正して、内部時計を同期させる内部時計補正部と、
   を具備することを特徴とする衛星時刻同期システム。
4. 上記時刻演算部、及び／又は、上記内部時計補正部が、以下の数式１に基づいて、正確な時刻を演算している請求項３記載の衛星時刻同期システム。
   〔数１〕
   Ｔ ₀ ＝Ｐ×Ｎ＋ΔＴ ₁ ＋ΔＴ ₃
   但し、
   Ｔ ₀ ：正確な内部時計の時刻
   Ｐ：サブフレームの周期
   Ｎ：整数
   ΔＴ ₁ ：衛星から受信機端末までの伝達時間
   ΔＴ ₃ ：（サブフレーム先端ビットから衛星時刻までの）第２所定ビット分の時間

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