JP5008070B2

JP5008070B2 - 人工衛星に搭載した水晶発振器の時刻同期方法及びシステム

Info

Publication number: JP5008070B2
Application number: JP2007120033A
Authority: JP
Inventors: 敏彰岩田; 直人高崎; 佳克川崎
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-05-01
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2027-04-27
Also published as: JP2007322418A

Description

本発明は、地上局の時刻標準と、人工衛星に搭載した水晶発振器の時刻を同期させる時刻同期方法及びシステムに関する。

本発明は2008年度打ち上げ予定の準天頂衛星での実施を目指して計画されている。擬似時計技術の概要を図１に示す。この技術は地上局の時刻標準（一般的には原子時計）と、人工衛星(この例では準天頂衛星QZS)に搭載した水晶発振器の時刻を同期させるものである。GPSのような測位衛星の場合、測位を実用的なレベルで行うためには10ns以内の同期精度が必要と考えられており、通常の測位衛星は原子時計が搭載され、その搭載原子時計が搭載水晶発振器を制御しているが、擬似時計技術では地上に置いた原子時計に搭載されている水晶発振器を同期させるもので、あたかも原子時計を搭載しているかのように水晶発振器を制御するため、擬似時計技術と称する。擬似時計技術では、正確な同期を行うために途中の電波伝搬遅延の見積もりが重要である。電波遅延の原因としては地上局での遅延、対流圏での遅延、電離層での遅延、距離による遅延、衛星内部での遅延などがある。また、距離による遅延を推定するためには衛星の軌道推定が重要で、これは地球の重力ポテンシャル、太陽・月・惑星などの影響、太陽輻射圧の影響、潮汐力の影響などを考慮する必要がある。これら以外に幾何学的遅延（電波が伝搬中に衛星や地上局が動いてしまうことの補正）、相対論効果の補正、地球の自転・歳差・章動の補正などが必要になる。地上局からこれらの遅延量を進めた時刻を発信し、衛星に到着したときに正確にその時刻になるように制御され、この受信した時刻に衛星に搭載された水晶発振器を同期させる。この遅延量を正確に求めるため、これらのさまざまな遅延原因をモデル化し、遅延量を予測することになる。また、準天頂衛星は測位衛星であり、測位信号（GPSの測位信号と同等のもので、QZS信号と呼ぶ）を地上に送信する。測位信号には搭載時計（通常は搭載原子時計に制御された水晶発振器）の情報が含まれており、これを地上局で計測による誤差調整として利用することができる。図中、利用者はGPSの測位信号とQZS信号を組み合わせて測位を行っている。

従来から、上述したようなQZS信号をフィードバック信号として利用した擬似時計技術の概念は発表されてきたが、具体的に精度を上げる方法については十分検討されてきていない。また、従来、１周波だけを使ったものについては検討されているが、遅延モデルに依存した方法であり、誤差が大きくなる可能性があった。また、原因別の遅延量の推定はできなかった。

上記のように、擬似時計技術はこれまではさまざまな遅延モデルを用いなければ実現できなかったが、本発明は、複数周波数の測位信号を用いることにより複雑な遅延モデルを用いなくても実時間で、予測伝搬時間の推定に誤差が含まれていても実現することを目的としている。また、本発明は、２周波の測位信号からフィードバック信号を計算する過程で電離層による遅延量とその他の遅延量を実時間で推定する。

本発明の地上局の時刻標準と人工衛星に搭載した水晶発振器の時刻を同期させる時刻同期方法は、地上局からは、人工衛星に到着したときに正確にその時刻になるように制御するため、種々の遅延原因に基づく遅延量を進めた時刻を発信する。測位信号の周波数差による遅延量の違いを利用するため２つの異なる周波数を用いて、地上局と人工衛星の間を測位信号が伝搬する時間を、それぞれ計算する。測位信号受信機で測定した２つの擬似距離を光速度で除した遅延量とあらかじめ計算しておいた予測伝搬時間に基づき遅延補正量を演算し、この遅延補正量を前記遅延量に加えて進める。

また、本発明の地上局の時刻標準と人工衛星に搭載した水晶発振器の時刻を同期させる時刻同期システムは、地上局からは、人工衛星に到着したときに正確にその時刻になるように制御するため、種々の遅延原因に基づく遅延量を進めた時刻を計算するタイミングコントローラと、それによって制御される送信タイミング調整器を、地上局に備える。測位信号の周波数差による遅延量の違いを利用するため複数の異なる周波数を用いて、地上局と人工衛星の間を測位信号が伝搬する時間を、それぞれ計算する。測位信号受信機で測定した複数の擬似距離を光速度で除した遅延量とあらかじめ計算しておいた予測伝搬時間に基づき遅延補正量を演算し、この遅延補正量を前記遅延量に加えて進める。
このように、本発明は、擬似時計制御のために利用する測位信号として2周波以上用い、その遅延量の差を利用して時刻情報のアップリンク用電波の遅延量を制御する。

本発明によれば、時々刻々と変化する電離層での遅延量とともにその他の遅延量も同時に実時間で求められるため、モデルによる遅延量の推定よりも容易に早く擬似時計技術の調整量が計算できる。また遅延量が原因別に推定できる。

(２周波を用いる場合)
本発明では、測位信号に2周波（L1信号とL2信号）使用し、モデル化が困難な電離層遅延とその他の遅延を計測から求め、モデル化に頼ることなく擬似時計技術をより精密にしようというものである。以下、例示に基づき本発明を説明する。図２は、本発明による周波数差を利用した擬似時計システムの全体構成を例示する概略図である。図１を参照して前述したように、地上局からは、種々の遅延原因に基づく遅延量を進めた時刻を発信し、衛星に到着したときに正確にその時刻になるように制御され、この受信した時刻に衛星に搭載された水晶発振器を同期させる。そのために、地上局には、タイミングコントローラと、それによって制御される送信タイミング調整器（TTA）が備えられて、以下のように動作する。

（１）タイミングコントローラと名づけたパソコンで、あらかじめ測定による軌道推定モデルや電離層・対流圏での遅延推定モデルから地上局と人工衛星（準天頂衛星）までの予測伝搬時間 (軌道から求められる距離による遅延に電離層遅延や対流圏遅延を加味したもの)をアップリンク信号（Ku帯：14 GHz付近のマイクロ波を用いる）とダウンリンク信号（L1またはL2帯：1.57542 GHzまたは1.22760 GHzのマイクロ波を用いる）について時系列で計算し（この時点での日時（DateとUTC）と予測伝搬時間で構成されたファイルをそれぞれKu用遅延ファイル、測位信号用遅延ファイルと呼ぶ）、それらをラグランジェ補間して得られた係数（具体的には図２に示されているような12個のC0からC11までの係数）を記したファイルを準備しておく（アップリンク信号のものを時刻調整ファイルと呼び，ダウンリンク信号のものを予測遅延ファイルと呼ぶ）。これらファイルを使って遅延量（伝播時間）を計算することができる。時刻調整ファイルはTTAにあらかじめ与えておく遅延量を補償する進め量（フィードフォワード量）を与えるものである。予測遅延ファイルはQZS測位信号受信機で得られる擬似距離を光速度で除した遅延量と比較し、フィードバック量を決定するために用いる。これらのファイルは無限に生成される必要があるため、10000組の係数ごとのファイルとし、次のファイルに引き継がれるものとする。

（２）測位信号（QZS）受信機を用いて、L1およびL2の擬似距離を測定する。擬似距離はそれぞれの信号に含まれている測位信号送信の瞬間の時刻情報と受信機に入力される地上局原子時計の時刻との時刻差が測位信号の伝搬に要する時間と考えられることから、その伝搬時間に光速度（299,792,458 m/s）を乗じることにより得られる距離のことである。擬似距離L1とL2は、周波数が異なるために電離層を通過するときの遅延量が異なるので擬似距離が異なってくる。

（３）上記（１）で求めた予測伝搬時間から、得られた2つの擬似距離を光速度で除したもので差し引く（それぞれE1、E2とする）。
Ｅ₁＝L1の予測遅延ファイルの値−受信機で得られたL1の擬似距離を光速度で除したもの
Ｅ₂＝L2の予測遅延ファイルの値−受信機で得られたL2の擬似距離を光速度で除したもの

（４）これらを連立方程式

とし、ε（電離層以外の遅延量）及びｋ（電離層の電子密度に関連した係数）を未知数として求める。

（５）あらかじめ進めようとしていた時刻（時刻調整ファイルで準備されていた時刻）に対して

だけさらに進め（Kuはアップリンクに用いる電波の周波数、約14 GHz）、あらかじめ時刻調整ファイルで与えていた進め量だけでは調整しきれなかった微小な調整量を補正して、送信タイミング調整器（TTA）を用いて時刻の情報を準天頂衛星にアップリンクする。

原子時計からは、10 MHzの正弦波時間信号、及びUTC（Universal Coordinate Time、協定世界時）の正秒に対応して生成される１ppsのパルス列信号が、上述した測位信号（QZS）受信機と共に、送信タイミング調整器（TTA）に入力される。これら２つの信号を組み合わせて正確な時刻情報を生成できる。このように、送信タイミング調整器（TTA）は地上局に置かれて、10MHzと1ppsを生成している原子時計の時刻情報に対して、時刻調整ファイルで指定された遅延量と上記遅延補正量を加えた量を進め、時刻情報を持った信号が準天頂衛星に電波が到着したときにちょうどその時刻になるように調整する装置である。

（３周波以上を用いる場合、例示として３周波の場合）
また本発明では、測位信号に３周波（L1信号、L2信号、L5信号）使用し、モデル化が困難な電離層遅延とその他の遅延を計測から求め、モデル化に頼ることなく擬似時計技術をより精密にしようというものである。この場合の概略図や制御法は前記と同様である。

（１）タイミングコントローラで、あらかじめ測定による軌道推定モデルや電離層・対流圏での遅延推定モデルから地上局と人工衛星（準天頂衛星）までの予測伝搬時間 (軌道から求められる距離による遅延に電離層遅延や対流圏遅延を加味したもの)をアップリンク信号（Ku帯：14 GHz付近のマイクロ波を用いる）とダウンリンク信号（L1、L2、L5帯：1.575 GHz、1.22760 GHz、1.17645GHzのマイクロ波を用いる）について時系列で計算し（この時点での日時（DateとUTC）と予測伝搬時間で構成されたファイルをそれぞれKu用遅延ファイル、L1/L2/L5用遅延ファイルと呼ぶ）、それらをラグランジェ補間して得られた係数（具体的には図２に示されているような12個のC0からC11までの係数）を記したファイルを準備しておく（アップリンク信号のものを時刻調整ファイルと呼び，ダウンリンク信号のものを予測遅延ファイルと呼ぶ）。これらファイルを使って遅延量（伝播時間）を計算することができる。時刻調整ファイルはTTAにあらかじめ与えておく遅延量を補償する進め量（フィードフォワード量）を与えるものである。予測遅延ファイルはQZS測位信号受信機で得られる擬似距離を光速度で除した遅延量と比較し、フィードバック量を決定するために用いる。これらのファイルは無限に生成される必要があるため、10000組の係数ごとのファイルとし、次のファイルに引き継がれるものとする。

（２）測位信号（QZS）受信機を用いて、L1、L2およびL5の擬似距離を測定する。擬似距離はそれぞれの信号に含まれている測位信号送信の瞬間の時刻情報と受信機に入力される地上局原子時計の時刻との時刻差が測位信号の伝搬に要する時間と考えられることから、その伝搬時間に光速度（299,792,458 m/s）を乗じることにより得られる距離のことである。擬似距離L1とL2とL5は、周波数が異なるために電離層を通過するときの遅延量が異なるので擬似距離が異なってくる。

（３）上記（１）で求めた予測伝搬時間から、得られた3つの擬似距離を光速度で除したもので差し引く（それぞれE1、E2、E3とする）。
Ｅ₁＝L1の予測遅延ファイルの値−受信機で得られたL1の擬似距離を光速度で除したもの
Ｅ₂＝L2の予測遅延ファイルの値−受信機で得られたL2の擬似距離を光速度で除したもの
Ｅ₃＝L5の予測遅延ファイルの値−受信機で得られたL2の擬似距離を光速度で除したもの

（４）これらを連立方程式

とし、擬似逆行列

を用いて

のようにして解き、ε（電離層以外の遅延量）及びｋ（電離層の電子密度に関連した係数）を未知数として求める。

原子時計からは、10 MHzの正弦波時間信号、及びUTC（Universal Coordinate Time、協定世界時）の正秒に対応して生成される１ppsのパルス列信号が、上述した測位信号（QZS）受信機と共に、送信タイミング調整器（TTA）に入力される。これら３つの信号を組み合わせて正確な時刻情報を生成できる。このように、送信タイミング調整器（TTA）は地上局に置かれて、10MHzと1ppsを生成している原子時計の時刻情報に対して、時刻調整ファイルで指定された遅延量と上記遅延補正量を加えた量を進め、時刻情報を持った信号が準天頂衛星に電波が到着したときにちょうどその時刻になるように調整する装置である。

図３は、L1とL2の2周波を用いて送信時刻のタイミングの調整を行った場合の衛星側水晶発振器と地上局原子時計の同期の様子の計算結果を示すグラフである。このときの軌道計算等は2000年1月1日のデータ（電離層のデータや太陽・月・惑星の位置）を元に、準天頂衛星の軌道を想定して行ったものである。この結果、同期精度は約1nsである。
このとき、連立方程式を解く過程でアップリンクでの電離層遅延とその他の誤差を計算することができる。図４は、推定結果（連立方程式の解を用いてεとk/f_Ku ²を計算した結果）と、真の遅延量をシミュレーションで計算した結果を示すグラフである。これらの値はほぼ等しく、遅延量が正しく推定されていることがわかる。

図５は、L1とL2とL5の3周波を用いて送信時刻のタイミングの調整を行った場合の衛星側水晶発振器と地上局原子時計の同期の様子の計算結果を示すグラフである。このときの軌道計算等は2000年1月1日のデータ（電離層のデータや太陽・月・惑星の位置）を元に、準天頂衛星の軌道を想定して行ったものである。この結果、同期精度は約1nsである。
このとき、連立方程式を解く過程でアップリンクでの電離層遅延とその他の誤差を計算することができる。図６は、推定結果（連立方程式の解を用いてεとk/f_Ku ²を計算した結果）と、真の遅延量をシミュレーションで計算した結果を示すグラフである。これらの値はほぼ等しく、遅延量が正しく推定されていることがわかる。

擬似時計技術の概要を示す図である。地上局における制御を示す図である。実施例１の搭載水晶発振器と地上局原子時計の同期結果を示すグラフである。実施例１の連立方程式を解くことにより求められる遅延量と真の遅延量を示すグラフである。実施例２の搭載水晶発振器と地上局原子時計の同期結果を示すグラフである。実施例２の連立方程式を解くことにより求められる遅延量と真の遅延量を示すグラフである。

Claims

地上局の時刻標準と、人工衛星に搭載した水晶発振器の時刻を同期させる時刻同期方法において、
地上局からは、人工衛星に到着したときに正確にその時刻になるように制御するため、種々の遅延原因に基づく遅延量を進めた時刻を発信し、
測位信号の周波数差による遅延量の違いを利用するため複数の異なる周波数を用いて、地上局と人工衛星の間を測位信号が伝搬する時間を、それぞれ計算しておき、
測位信号受信機で測定された複数の周波数の擬似距離を光速度で除して得られる遅延時間とあらかじめ計算しておいた測位信号の予測伝搬時間に基づき遅延補正量を演算し、この遅延補正量を前記遅延量に加えて進めることから成る時刻同期方法。
前記種々の遅延原因に基づく遅延量は、軌道推定モデルから予め計算により求めた地上局と人工衛星までの予測距離に基づき演算される請求項１に記載の時刻同期方法。
前記遅延補正量は、軌道推定モデルから予め計算により求めた地上局と人工衛星までの予測距離を光速度で除して得られた予測伝搬時間から、測位信号受信機を用いて測定された前記２つの擬似距離を光速度で除して得られた遅延量を差し引いた値を、前記２つの異なる周波数に対してそれぞれ、E₁、E₂とし、
これらを連立方程式

とし、電離層以外の遅延量ε及び電離層の電子密度に関連した係数ｋを未知数として求め、

を求める請求項１に記載の時刻同期方法。
前記遅延補正量は、軌道推定モデルから予め計算により求めた地上局と人工衛星までの予測距離を光速度で除して得られた予測伝搬時間から、測位信号受信機を用いて測定された３つの擬似距離を光速度で除して得られた遅延量を差し引いた値を、３つの異なる周波数に対してそれぞれ、E₁、E₂、E_３とし、
これらを連立方程式

とし、擬似逆行列

を用いて

のようにして解き、電離層以外の遅延量ε及び電離層の電子密度に関連した係数ｋを未知数として求めて、

を求める請求項１に記載の時刻同期方法。
地上局の時刻標準と、人工衛星に搭載した水晶発振器の時刻を同期させる時刻同期システムにおいて、
地上局からは、人工衛星に到着したときに正確にその時刻になるように制御するため、種々の遅延原因に基づく遅延量を進めた時刻を発信するタイミングコントローラと、それによって制御される送信タイミング調整器を、地上局に備え、
測位信号の周波数差による遅延量の違いを利用するため複数の異なる周波数を用いて、地上局と人工衛星の間を測位信号が伝搬する時間を、それぞれ計算しておき、
測位信号受信機で測定された複数の擬似距離を光速度で除して得られた遅延量とあらかじめ計算された予測伝搬時間に基づき遅延補正量を演算し、この遅延補正量を前記遅延量に加えて進めることから成る時刻同期システム。