JP4868516B2 - コヒーレント搬送波位相による時間周波数比較方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、時間・周波数標準技術であって、特に、通信衛星中継で双方向時刻比較を行う技術分野に関する。

国際的な時間・周波数の基準としては、各国の標準機関が保有する原子時計を相互比較し、そのデータをメートル条約に基づき設置されている国際度量衡局（ＢｌＰＭ）に集約し、ＢＩＰＭが各時計の加重平均をとり、更に各国の一次周波数標準器のデータを加味して国際原子時（ＴＡＩ）が決定される。
我々の日常生活等で利用される時刻は、この国際原子時（ＴＡＩ）を基にし、地球の自転により決まる世界時（ＵＴ１）と０．９秒以内で一致する様に１秒調整（うるう秒調整）を行うことにより定められる協定世界時（ＵＴＣ）を元にしている。
上述の国際原子時を決定する際、各国の標準機関の間の精密時間周波数比較が不可欠である。

時間周波数比較方法としては、ＧＰＳ衛星を仲介にする方式や通信衛星を中継する双方向時刻比較方式が用いられている。後者は、現在最高精度を得られる方式の１つであり、時刻比較精度は、０．１ｎｓ程度、周波数比較精度は、平均化時間１，０００秒で１０^-１３程度、一日平均で１０^-１５程度が実現されている。
一方、原子時計の性能は年々向上し、１０^−１６台の不確かさのものが得られつつあり、更に光周波数標準器では、１０^−１７台のものも近い将来実現が予想されている。
そこで、時刻や周波数比較法に関しても現状よりも高い精度を実現できる方式が必要となりつつある。

この要求に答える方法の一つが、コヒーレント搬送波位相を用いた衛星双方向時間周波数比較システムである。
時間・周波数の比較方法の文献及び本発明の背景となる技術として以下に時間・周波数比較法関連技術（非特許文献１−３および特許文献１参照）を示す。
特許文献１の「衛星双方向時刻比較方法及び同装置」は、異なる擬似雑音系列で周波数拡散変調を行い、複数の局の間で時刻比較を同時に行うことを特徴としたものである。変調信号クロック信号を時刻比較測定に用いており、測定分解能に限界がある。

今江理人「時間・周波数精密比較法」通信総合研究所季報Ｖｏｌ．４９．Ｎｏｓ．１／２ｐｐ．１０３−１０９（２００３）． 今江、木原「周波数と時刻の精密比較・伝送技術の動向」電学論Ｃ、１１９巻７号、ｐｐ．７７１−７７６，（平成１１年）． 今江理人，細川瑞彦，今村國康，湯川博貴，澁谷靖久，栗原則幸，"Ｔｗｏ−Ｗａｙ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｔｉｍｅ ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎ Ｐａｃｉｆｉｃ Ｒｉｍ Ｒｅｇｉｏｎ"，ｌＥＥＥ ｔｒａｎｓ，Ｉｎｓｔｒｕ．ａｎｄ Ｍｅａｓ．，Ｖｏｌ．５０，Ｎｏ．２，ｐｐ５５９−５６２，（２００１）． 特許第３４１６７３５号公報

衛星双方向時間周波数比較法の原理を図１に示す。
図１は衛星双方向時間周波数比較システム１を示す。図１の地上局Ａ局は、モデム（ｍｏｄｅｍ）３で、原子時計２からの基準時刻信号ａに基づきＰＮ符号発生部でスタート信号を含む周波数拡散用擬似雑音符号（ＰＮ符号）を作成し、この周波数拡散用擬似雑音符号に送信データを冗長して冗長信号とし、搬送波にこの冗長信号をのせて送信ＩＦ信号とし、この送信ＩＦ信号をアップコンバータＵ／Ｃ４を介してアンテナ５から衛星６へ送信する。

衛星６は、同時に送られてきた各地上局の送信データ、例えばＢ局の送信データｂも含めたすべての送信データａとｂを各地上局、この例の場合、地上局Ａへ戻す。地上局Ａで受信した送信データはダウンコンバータＤ／Ｃ７を介した後、モデム３において逆拡散復調され、受信データとして抽出されると共に、ＰＮ符号発生部からストップ信号を発生する。モデム３において、送信時のスタート信号と受信時のストップ信号をもとに、同期がとれたときの相手局、例えばＢ局からの時刻信号の到来時刻を測定する。

ここで図１に基づき、本願発明の時刻比較の原理を説明する。時刻比較を行う対向する地上局Ａ、Ｂから通信衛星６を介して同時に相手局へ時刻比較用信号を伝送しあい、受信信号と各局の基準時計との間の時間差を測定し、両局の測定結果を比較し、両局の基準時計の時刻差を測定する。

ただし、
δＴ_Ａ：局Ａの測定値（局Ａの基準時計と局Ｂからの受信信号の時刻差）
δＴ_Ｂ：局Ｂの測定値（局Ｂの基準時計と局Ａからの受信信号の時刻差）
Ｔ_ｕＡ：局Ａからの信号の通信衛星までの伝搬時間
Ｔ_ｄＡ：通信衛星から局Ａまでの信号伝搬時間
Ｔ_ｓ：通信衛星内における局Ａからの伝搬時間
Ｔ_ｕＢ：局Ｂからの信号の通信衛星までの伝搬時間
Ｔ_ｄＢ：通信衛星から局Ｂまでの信号伝搬時間
Ｔ_ｓ：通信衛星内における局Ｂからの伝搬時間
Ｔ_ｔＡ：局Ａの送信系の衛星地球局局内遅延
Ｔ_ｒＡ：局Ａの受信系の衛星地球局局内遅延
Ｔ_ｔＢ：局Ｂの送信系の衛星地球局局内遅延
Ｔ_ｒＢ：局Ｂの受信系の衛星地球局局内遅延
ΔＴ：局Ａと局Ｂの基準時計の時刻差
とする。
両局の受信信号は図２のようになる。

すなわち、図２のタイムチヤートのδＴ_Ａ、並びにδＴ_Ｂが各々の局で測定されるものである。△ＴをＡ地点とＢ地点の基準時計の時刻差とすると、

数２３と数２４より、

かかる原理を図１の形態に適用してみる。即ち、地上局Ａは、通信衛星６上で重畳された各地上局Ａ、Ｂの信号を受信する。そして受信系チャネル１はＢ局からの信号に対して動作し、チャネル１の時間間隔計はＡ局の基準時計とＢ局からの受信信号の時間差を測定する。この動作はすべて同時に行われる。また、Ａ局以外に他の局があった場合においても、同時にＡ局と同様の動作が行われ、各々の局の装置の複数のチャネルで測定が行われる。

これらのすべての局における測定結果は、すべての参加している局間でデータ交換が行われ、その結果、すべての組合せの時刻比較が同時に実施されることになる。
このときに、Ａ地点、Ｂ地点の衛星地球局局内遅延（Ｔ_ｔＡ、Ｔ_ｒＡ及びＴ_ｔＢ、Ｔ_ｒＢ）はアップリンク、ダウンリンクで別経路を通るため別途評価が必要であるが、地上一衛星間のアップリンクとダウンリンクの信号（図中のＴ_ｕＡ，Ｔ_ｄＡ並びにＴ_ｕＢ，Ｔ_ｄＢ）がほぼ同一の経路を通るため相殺され、高精度の比較を行うことができる。

従来は、比較用の信号としては、変調信号を用いていたため、比較精度が変調信号の帯域幅で制限され、０．１ｎｓ程度が限界であった。さらに、双方向伝送で途中の伝搬路上の伝搬媒質の影響がほぼ相殺されるが、厳密には、アップリンクとダウンリンクの搬送波周波数が異なるため、電離層の影響がわずかに相殺されず残り、高精度比較のための課題となっていた。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、高精度比較ができるコヒーレント搬送波位相による時間周波数比較方法および装置を提供することにある。

前記課題を解決するために本発明においては、従来の変調用拡散符号生成クロック信号に加え、搬送波位相を用いて比較を行う。Ｋｕ帯（１４ＧＨｚ／１２ＧＨｚ）の場合、搬送波の１波長は、２〜３ｃｍ、１周期は、７０〜８０ｐｓに相当する。この位相を周期の１／１００〜１／１０００程度の精度で測定できれば、０．８〜０．０８ｐｓの精度で時刻比較に供することが可能となる。

搬送波位相を時刻比較に使用するに際して、下記の課題がある。
（１）波長が短いことにより多重解が発生する、
（２）衛星中継器の周波数変換用ローカル信号源により、位相回転が発生する、
（３）衛星通信の上下回線の周波数の違いにより、電離層遅延の影響が発生する、
（４）多数の参加局間の同時比較の問題が発生する。

上記（４）に関しては、従来の技術であるＣＤＭＡ方式を用い、参加局毎に異なるＰＮ符号（擬似拡散符号）を用いて搬送波を周波数拡散変調して送受信することにより、多数の局間での比較が可能となる。
上記（１）と（２）に関しては、周波数拡散変調する搬送波に主搬送波と△ｆだけ周波数をずらせたコヒーレントな副搬送波を用い、その位相を比較対象の基準時計の時刻信号に同期させることにより、多重解の除去を容易にする。
上記（２）に関しては、通常、中継器のローカル信号位相による位相回転により、位相情報が不確定になってしまうが、（１）で記した主搬送波と副搬送波の搬送波の位相関係は、これらの周波数関係とローカル信号の位相項分で決定される位相回転を生ずるが、２波の位相差から一義的に解くことができる。また、時刻比較を行うすべての局の信号が同一の位相回転をローカル信号により受けるようにし、最終的な時刻比較結果には影響なく時刻比較ができるようにする。

上記（３）に関しては、中継器の帯域幅を利用し、帯域の両端付近に比較的狭帯域の拡散変調信号を２系統（スロット）送信し、衛星との間の折り返し信号の時間間隔を測定することにより、中継器を使用する占有帯域幅として広帯域を用いることなく電離層遅延を実測値で補正することができるようにする。
具体的には、

本願の第１の技術思想は、コヒーレント搬送波位相による時間周波数比較方法において、送信局Ａから周波数ｆ_０の主搬送波と、該主搬送波とコヒーレントでΔｆだけ周波数の離れた副搬送波ｆ_１（＝ｆ_０＋Δｆ）を同時に同位相で送信し、受信局Ｂで同時に受信した前記主搬送波と前記副搬送波の位相

および

を測定し、

両局間の距離をρとし、前記主搬送波と前記副搬送波の周期をＴ_０とＴ_１にしたときの両局間の伝搬時間Δｔ（＝ρ／ｃ）を、

と表すとき、

の関係から周期の数ＮｏおよびＮ_１の多重解を求めることを特徴とする。

本願の第２の技術思想は、コヒーレント搬送波位相による時間周波数比較方法において、衛星中継器の帯域幅を利用し、その帯域の両端近くに狭帯域のスロットを設け、比較用の信号を伝送することにより、電離層遅延の原因となる全電子数を評価するとき、
局Ａ→衛星→局Ｂの経路で、アップリンク周波数ｆ_ｕｈ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｈで信号を伝送した際に受ける電離層遅延の大きさを、局Ａ一衛星間の電離層全電子数をＮ_ｔＡ、局Ｂ一衛星間の電離局全電子数をＮ_ｔＢとするとき、次式で表わし、

同様に、アップリンク周波数ｆ_ｕｌ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｌで伝送した場合には、

と表し、
数３１−数３２より、２スロットによる測定値の差を、

とする。同様に、

局Ｂ→衛星→局Ａの経路について、
アップリンク周波数ｆ_ｕｈ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｈの電離層遅延の大きさを、

とし、
アップリンク周波数ｆ_ｕｌ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｌの電離層遅延の大きさを、

と表し、
数３４−数３５より、

とし、数３３で表される局Ｂでの測定値と、数３６で表される局Ａでの測定値から両局の電離層全電子数を求めることを特徴とする。

本願の第３の技術思想は、コヒーレント搬送波位相による時間周波数比較方法において、上で求めた両局の電離層全電子数から電離層遅延時間を求め、時刻差測定結果を補正することを特徴とする。

本願の第４の技術思想は、コヒーレント搬送波位相による時間周波数比較装置において、送信局Ａから周波数ｆ_０の主搬送波と、該主搬送波とコヒーレントでΔｆだけ周波数の離れた副搬送波ｆ_１（＝ｆ_０＋Δｆ）を同時に同位相で送信し、受信局Ｂで同時に受信した前記主搬送波と前記副搬送波の位相

および

を測定し、

両局間の距離をρとし、前記主搬送波と前記副搬送波の周期Ｔ_０並びにＴ_１としたときの両局間の伝搬時間Δｔ（＝ρ／ｃ）を、

と表すとき、

の関係から周期の数ＮｏおよびＮ_１の多重解を求めることを特徴とする。

本願の第５の技術思想は、コヒーレント搬送波位相による時間周波数比較装置において、衛星中継器の帯域幅を利用し、その帯域の両端近くに狭帯域のスロットを設け、比較用の信号を伝送することにより、電離層遅延の原因となる全電子数を評価するとき、
局Ａ→衛星→局Ｂの経路で、アップリンク周波数ｆ_ｕｈ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｈで信号を伝送した際に受ける電離層遅延の大きさを、局Ａ一衛星間の電離層全電子数をＮ_ｔＡ、局Ｂ一衛星間の電離局全電子数をＮ_ｔＢとするとき、次式で表わし、

同様に、アップリンク周波数ｆ_ｕｌ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｌで伝送した場合には、

とし、

数４２−数４３より、２スロットによる測定値の差を、

とし、

局Ｂ→衛星→局Ａの経路について、
アップリンク周波数ｆ_ｕｈ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｈの電離層遅延の大きさを、

とし、
アップリンク周波数ｆ_ｕｌ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｌの電離層遅延の大きさを、

とし、

数４５−数４６より、

とし、数８で示される局Ｂでの測定値と、数１１で示される局Ａでの測定値から両局の電離層全電子数を求めることを特徴とする。

本発明の効果を図１等を用いて説明する。同図は、衛星通信で最も一般的なＫｕ帯（１４／１２ＧＨｚ帯）の例である。
従来技術では、周波数拡散変調用ＰＮ符号のクロック周波数が比較のための信号として用いられており、その周波数は２ＭＨｚ〜２０ＭＨｚが用いられている。
クロック周波数が高いと比較精度は向上できるが、衛星中継器の占有帯域幅として広帯域を必要とするため、多額の衛星回線費を要し、経済性に欠ける。逆にクロック周波数が低い場合には、衛星回線費は比較的安価で済むが、高い比較精度を実現することは不可能である。

本発明では、使用周波数の帯域がＫｕ帯の場合、搬送波位相の１周期が数十ｐｓであり、その１／１００程度の精度で位相を測定できれば、１ｐｓよりも優れた精度での比較が可能となる。このとき、用いる搬送波周波数が高く、搬送波の周期毎に発生する多重解のため、図２のタイミングチャートで模式的に記したタイミング同定が困難であるが、図３に示す様に主搬送波とその近接帯域にコヒーレントな副搬送波を設けて信号送信を行うことにより、図４に例示する様に、２つの搬送波の位相関係から多重解を解くことが容易になる。

送信局Ａから周波数ｆ_０の主搬送波と、該主搬送波とコヒーレントでΔｆだけ周波数の離れた副搬送波ｆ_１（＝ｆ_０＋Δｆ）を同時に同位相で送信し、受信局Ｂで同時に受信した前記主搬送波と前記副搬送波の位相

および

を測定し、

図４で送信端（Ａ局）から周波数ｆ_０の主搬送波と、該主搬送波とコヒーレントでΔｆだけ周波数の離れた副搬送波（ｆ_１＝ｆ_０＋Δｆ）をｔ＝ｔ_０に同位相で送信する。受信端（Ｂ局）では、ｔ＝ｔ_１に受信した主搬送波と副搬送波の位相

および

を測定する。

このときのＡ局とＢ局の間の距離ρ或いは、両地点間の伝搬時間は、△ｔ（＝ρ／ｃ）は、主搬送波、副搬送波の周期Ｔ_０（＝１／ｆ_０）並びにＴ_１（＝１／ｆ_１）を用いて

と表すことができる。

ここで、周期の数Ｎ_０とＮ_１を多重解として解く必要があるが、ｆ_０とｆ_１の間の最大公約周波数の周期の数で概略の伝搬時間が推定でき、その概略値は、拡散変調のコードクロック位相から容易に知ることができる。例えば、ｆ_０を１０ＧＨｚ，Δｆを１ＭＨｚとすると、ｆ_０とｆ_１の最大公約周波数は、１ＭＨｚとなるので、１μｓ毎に同じ状態を繰り返す。その繰り返し数は、拡散変調を行うコードクロック位相より求めることが容易に可能である（図５参照）。
最大公約周波数の周期よりも短い部分に関するδＮ_０、δＮ_１は、当該部分における周波数ｆ_０とｆ_１の周期の数であり、最大で１周期分だけの違いであることから、δＮ_０＝δＮ_１として、上記式より次式の様に解くことができる。

以上により、多重解を求めることができる。

さらに、衛星中継器内の周波数変換用ローカル信号による位相回転が誤差要因としてあげられるが、局Ａと局Ｂからの信号が同様の位相回転を受けることから、両局の測定結果の差をとる際に影響が相殺される。
即ち、局Ａからｆ_０とｆ_１でコヒーレント（位相差ゼロ）で送信したとする。

局Ａ一衛星間の伝搬時間をｔ_ｕＡとすると、衛星中継器入力端での信号は、

と表される。

衛星中継器内ローカル信号をｙ_Ｌ（ｔ）＝ｓｉｎ（ω_Ｌｔ＋ψ_Ｌ）とすると、中継器での周波数変換後の信号は、

として表される。

同信号が衛星一局Ｂ間の伝搬時間ｔ_ｄＢ後に局Ｂに到達するため、局Ｂでの受信信号は、

と表すことができる。

一方、局Ｂ一衛星→局Ａの信号も同様に考えることができ、局Ａでの受信信号は、

と表される。
上記の様に数６１、数６２と数６３、数６４で同様の位相回転を受けるため、双方向比較により相殺され、衛星上のローカル信号源の位相の影響は無視できる。

次に、電離層遅延の影響に関しては、衛星双方向時間周波数比較法では、図１、２に示すとおり、地上局と衛星との間をアップリンクの信号とダウンリンクの信号がほぼ同一の経路を通過するため、途中の伝搬媒質の影響は基本的に相殺される。
しかしながら、実際には、アップリンク、ダウンリンクの搬送波周波数が異なるため、途中の電離層の影響が残る。これは、電離層を電磁波が通過する際に受ける遅延時間の影響が電離層内の全電子数に比例し、搬送波周波数の２乗に反比例するため、搬送波周波数が異なると遅延時間の量が異なることに起因する。本発明では、図６に示すように、衛星中継器の帯域幅を利用し、その帯域の両端近くに狭帯域のスロットを用意し、比較用の信号を伝送することにより、電離層遅延の原因となる全電子数を評価して補正するものである。

即ち、
１）局Ａ→衛星→局Ｂの経路で、ブップリンク周波数ｆ_ｕｈ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｈで信号を伝送した際に受ける電離層遅延の大きさは、局Ａ一衛星間の電離層全電子数をＮ_ｔＡ、局Ｂ一衛星間の電離局全電子数をＮ_ｔＢとすると、次式で表される。

同様に、アップリンク周波数ｆ_ｕｌ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｌで伝送した場合は、

と表される。

数６５−数６６より、２スロットによる測定値の差は、

となる。

２）局Ｂ→衛星→局Ａの経路について１）と同様に評価すると、
アップリンク周波数ｆ_ｕｈ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｈの電離層遅延の大きさは、

であり、
アップリンク周波数ｆ_ｕｌ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｌの電離層遅延の大きさは、

と表すことができる。

数６８−数６９より、

と記され、数６７で示される局Ｂでの測定値と数７０で示される局Ａでの測定値から両局の電離層全電子数を測定することができ、この結果を用いて補正することができる。すなわち、数６７と数７０で未知数がＮ_ｔＢとＮ_ｔＡの２つで、測定結果が独立に２つ得られることからＮ_ｔＢとＮ_ｔＡを解くことができ、これを用いて補正することができる。

図７は本発明を適用した衛星双方向搬送波位相時間周波数比較装置の基本構成例を示す。局Ａと局Ｂは、同じ構成を有する。なお、便宜上同一の機能を奏する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

本願発明にかかる衛星双方向時刻比較システムは、送受信系を有する地上局ＡおよびＢと、通信衛星とからなる。なお、地上局の数は任意でよい。
送信系は、基準信号発振器１１、ローカル信号発生部１２、ＰＮ符号発生部１３、周波数拡散変調部１４、電力増幅部１５，分波器１６、アンテナ１７からなる。

この送信系は、基準信号発生器１１から時刻比較の対象の基準時刻信号Ｓ１を出力する。ローカル信号発生部１２は、基準時刻信号Ｓ１に基づき、該基準時刻信号Ｓ１に同期したクロック信号Ｓ２を発生する。ＰＮ符号発生部１３は、該クロック信号Ｓ２により駆動され、周波数拡散用擬似雑音符号（ＰＮ符号）Ｓ３を発生する。周波数拡散変調部１４は、上記ＰＮ符号Ｓ３をローカル信号発生部１２からの主搬送波である１４ＧＨｚ帯搬送波に乗せて、中間周波数帯でスペクトル拡散された送信ＩＦ信号Ｓ４として電力増幅部１５へ出力する。送信ＩＦ信号Ｓ４は電力増幅器１５で送信振幅まで増幅され、分波器１６およびアンテナ１７を介して送信される。分波器１６はＵ／Ｃ（アップコンバータ）やＤ／Ｃ（ダウンコンバータ）等を含む。

受信系では、アンテナ１７で受信され、分波器１６で分波された受信ＩＦ信号は低雑音増幅部１８により増幅された受信信号として周波数変換部１９に入力される。
周波数変換部１９は、受信ＩＦ信号を、ローカル信号発生部１２からの副搬送波である１２ＧＨｚ帯ローカル信号により周波数変換した受信ＩＦ信号として周波数逆拡散復調部２０へ入力する。
位相情報計測部２１は、主搬送波とコヒーレント副搬送波に基づき伝搬時間を計測する。
周波数逆拡散復調部２０は、受信ＩＦ信号Ｓ１１をローカル信号発生部１２からの出力符号Ｓ１２を用いて周波数逆拡散を行ない、受信データに復調する。

このシステムで行われる信号の同期方法は、スペクトル拡散通信方式で一般的に用いられているやりかたで周波数及び位相を同期する。図７に明示していない時間間隔計測手段は、上記ＰＮ符号発生部１３から出力されるスタート信号と上記周波数逆拡散復調部２０から出力されるストップ信号に基づき、同期がとれたとき相手局からの時刻信号の到来時刻を測定する。
通信衛星３０は、アンテナ３１，受信機３２，送信機３５、周波数変換部３３、ローカル信号発生部３４からなり、同時に送られてきた各基地局からのクロック信号をまとめて各基地局へ返送する。

局Ａは、図７におけるアンテナ１７と基準信号発振器１１を除いた構成を時間周波数比較装置１０としてコンピュータで構成することができる。コンピュータはマイクロコンピュータから並列処理が可能な大型コンピュータまでを含む。
この時間周波数比較装置１０は、図１におけるＡ局のモデム３、Ｕ／Ｃ４、Ｄ／Ｃ７を含む。以上の局Ａについての構成の説明は、他の局Ｂ等も同じであるので、ここでは省略する。
時間周波数比較装置１０は、上で説明した各種処理を全て同じように行う機能および手順を備える。

産業上の利用の可能性

本発明は、主に各国の時間周波数標準に責任を有する国家計量標準機関で国家標準間の比較に用いられる。
また、衛星からの自局の折り返し信号を受信することができれば、高分解能性により、衛星一地上間の距離測定が高精度で行うことができ、衛星の精密管制に応用可能である。
さらに衛星測位システムにおける測位衛星自身の位置精密決定等にも応用できる。
深宇宙探査等においても同様の精密距離測定を行うことを可能とする。

衛星双方向時間周波数比較法の原理図である。 衛星双方向時間周波数比較法のタイミング図である。 多地点同時比較法原理図である。 主搬送波とコヒーレント副搬送波による多重解の除去の原理１を示す図である。 主搬送波とコヒーレント副搬送波による多重解の除去の原理２（大桁の除去）を示す図である。 電離層遅延の影響とその実測による補正を説明する図である。 本発明を適用した比較装置の基本構成図である。

符号の説明

１ 衛星双方向時間周波数比較システム
２ 原子時計
３ モデム
４ アップコンバータＵ／Ｃ
５ アンテナ
６ 衛星
７ ダウンコンバータＤ／Ｃ
１０ 時間周波数比較装置
１１ 基準信号発振器
１２ ローカル信号発生器
１３ ＰＮ符号発生器
１４ 周波数拡散変調器
１５ 電力増幅器
１６ 分波器
１７ アンテナ
１８ 低雑音増幅器
１９ 周波数変換部
２０ 周波数逆拡散復調部
２１ 位相情報計測部
３０ 衛星
３１ アンテナ
３２ 受信機
３３ 周波数変換器
３４ ローカル信号発生器
３５ 送信機

Claims (5)

1. 送受信系を構成する地上局ＡおよびＢと、通信衛星からなる衛星双方向時刻比較システムにおいて、
   送信局Ａから周波数ｆ_０の主搬送波と、該主搬送波とコヒーレントでΔｆだけ周波数の離れた副搬送波ｆ_１（＝ｆ_０＋Δｆ）を同時に同位相で送信し、受信局Ｂで同時に受信した前記主搬送波と前記副搬送波の位相
   

   

   および
   

   

   を測定し、
   両局間の距離をρとし、前記主搬送波と前記副搬送波の周期をＴ_０並びにＴ_１としたときの両局間の伝搬時間Δｔ（＝ρ／ｃ）を、
   

   

   

   と表すとき、
   

   

   の関係から主搬送波の周期の数Ｎ_０および副搬送波の周期の数Ｎ_１の多重解を求めることを特徴とするコヒーレント搬送波位相による時間周波数比較方法。
   
2. 請求項１の方法を実行して周期の数Ｎ _０ およびＮ _１ の多重解を求め、その周期の数Ｎ _０ およびＮ _１ の多重解を適用して構成した衛星双方向時刻比較システムにおいて、
   衛星中継器の帯域幅を利用し、その帯域の両端近くに狭帯域のスロットを設け、比較用の信号を伝送することにより、電離層遅延の原因となる全電子数を評価するとき、
   局Ａ→衛星→局Ｂの経路で、アップリンク周波数ｆ_ｕｈ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｈで信号を伝送した際に受ける電離層遅延の大きさを、局Ａ−衛星間の電離層全電子数をＮ_ｔＡ、局Ｂ−衛星間の電離層全電子数をＮ_ｔＢとするとき、次式で表わし、
   

   

   同様に、アップリンク周波数ｆ_ｕｌ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｌで伝送した場合には、
   

   

   と表し、
   数６−数７より、２スロットによる測定値の差を、
   

   

   とし、
   局Ｂ→衛星→局Ａの経路について、
   アップリンク周波数ｆ_ｕｈ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｈの電離層遅延の大きさを、
   

   

   とし、
   アップリンク周波数ｆ_ｕｌ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｌの電離層遅延の大きさを、
   

   

   と表し、
   数９−数１０より、
   

   

   とし、数８式で示される局Ｂでの測定値と、数１１式で示される局Ａでの測定値から両局の電離層全電子数を求めることを特徴とする請求項１記載のコヒーレント搬送波位相による時間周波数比較方法。
   
3. 請求項１の方法を実行して周期の数Ｎ _０ およびＮ _１ の多重解を求め、前記周期の数Ｎ _０ およびＮ _１ の多重解を適用して構成した衛星双方向時刻比較システムに、
   請求項２の方法を実行して両局の電離層全電子数を求め、前記両局の電離層全電子数を適用して構成した衛星双方向時刻比較システムにおいて、
   請求項２で求めた両局の電離層全電子数から電離層遅延時間を求め、前記電離層遅延時間に基づいて原子時計を補正することを特徴とする請求項２記載のコヒーレント搬送波位相による時間周波数比較方法。
   
4. 送受信系を構成する地上局ＡおよびＢと、通信衛星からなる衛星双方向時刻比較システムにおいて、
   該システムを構成する時間周波数比較装置は、
   送信局Ａから周波数ｆ_０の主搬送波と、該主搬送波とコヒーレントでΔｆだけ周波数の離れた副搬送波ｆ_１（＝ｆ_０＋Δｆ）を同時に同位相で送信し、受信局Ｂで同時に受信した前記主搬送波と前記副搬送波の位相
   

   

   および
   

   

   を測定し、
   両局間の距離をρとし、前記主搬送波と前記副搬送波の周期をＴ_０並びにＴ_１としたときの両局間の伝搬時間Δｔ（＝ρ／ｃ）を、
   

   

   

   と表すとき、
   

   

   の関係から主搬送波の周期の数Ｎ_０および副搬送波の周期の数Ｎ_１の多重解を求める手段を有することを特徴とする衛星双方向時刻比較システムにおけるコヒーレント搬送波位相による時間周波数比較装置。
   
5. 請求項４の前記手段により周期の数Ｎ _０ およびＮ _１ の多重解を求め、その周期の数Ｎ _０ およびＮ _１ の多重解を適用して構成した衛星双方向時刻比較システムにおいて、
   該システムを構成する時間周波数比較装置は、
   衛星中継器の帯域幅を利用し、その帯域の両端近くに狭帯域のスロットを設け、比較用の信号を伝送することにより、電離層遅延の原因となる全電子数を評価するとき、
   局Ａ→衛星→局Ｂの経路で、アップリンク周波数ｆ_ｕｈ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｈで信号を伝送した際に受ける電離層遅延の大きさを、局Ａ一衛星間の電離層全電子数をＮ_ｔＡ、局Ｂ一衛星間の電離層全電子数をＮ_ｔＢとするとき、次式で表わし、
   

   

   同様に、アップリンク周波数ｆ_ｕｌ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｌで伝送した場合には、
   

   

   と表し、
   数１７−数１８より、２スロットによる測定値の差を、
   

   

   とし、
   局Ｂ→衛星→局Ａの経路について、
   アップリンク周波数ｆ_ｕｈ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｈの電離層遅延の大きさを、
   

   

   とし、
   アップリンク周波数ｆ_ｕｌ、ダウンリンク周波数ｆ_ｄｌの電離層遅延の大きさを、
   

   

   と表し、
   数２０−数２１より、
   

   

   とし、数１９式で示される局Ｂでの測定値と、数２２式で示される局Ａでの測定値から両局の電離層全電子数を求めることを特徴とする請求項４記載のコヒーレント搬送波位相による時間周波数比較装置。

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