JP5450790B2 - 静止人工衛星の位置測定システム - Google Patents

Description

本発明は、宇宙空間を航行する静止人工衛星の位置を測定するための技術に関する。

衛星放送や衛星通信などのサービスに静止人工衛星（以下、単に「衛星」ともいう。）が利用されている。静止人工衛星は、所定の静止軌道上を地球の自転と同じ周期で周回しており、地上からは常に同じ方位角及び仰角のところにみえるという特徴をもつ。しかし実際は、地球・太陽・月の引力や太陽光圧力などの様々な力が衛星に作用するため、衛星の位置は少しずつ静止軌道からずれてしまう。したがって、静止人工衛星の運用に際しては、軌道のずれを定期的に修正する作業が必須となる。具体的には、地上から衛星までの距離を測定することで衛星の位置を求め（これを「レンジング」と呼ぶ）、必要なジェット噴射を実施して衛星の位置及び姿勢を調整するのである。このような軌道制御を正確かつ効率良く行うためには、高精度なレンジングが要求される。

レンジングの手法は従来より様々なものが提案されている。その一つとして、１つの地上局（アンテナ）によって衛星までの距離と方位角及び仰角を測定するという手法が知られている（これを「１局レンジング」と呼ぶ）。しかし、地上局から衛星までの距離が極めて大きいために、僅かな角度の誤差でも、地上局と衛星を結ぶ直線に直交する面内の位置測定精度に大きく影響がでる。それゆえ、１局レンジングで実用的な精度を得るためには、大口径（例えば１２ＧＨｚの周波数帯域の電波を利用する場合であれば５ｍ程度）かつ高精度な角度制御機構をもつアンテナを用いる必要があり、多大な設備コストを要するという問題があった。

また、特許文献１には、複数の地上局を利用するレンジング手法が開示されている。同文献の段落００２８及び図５には、１つの送信局と複数の受信局とを設置し、送信局からアップリンクした基準信号（タイムスタンプ）を衛星で折り返し、その信号を各受信局で受信するまでの経過時間を測定して、三辺又は四辺測量の原理で衛星の位置を特定する、という手法が記載されている。また同文献には、受信局間での時刻の同期にＧＰＳ（Global Positioning System）衛星を利用することも開示されている。特許文献１の手法は、１局レンジングに比べて精度向上を期待できるものの、本来は放送や通信などのサービスに使用されるべき中継器の一部を、レンジング用の基準信号のために利用しなければならない、というデメリットがある。また、レンジング用の基準信号を衛星に送信するためにアップリンク用の設備も必要となる。さらに、レンジングを行うための周波数帯域に対応している中継器が停止している衛星の場合（例えば予備衛星）には、基準信号の再送信ができないために、レンジングそのものが実施できないという問題もある。

特表２００４−５３４２１２号公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、中継器の帯域をレンジングのために占有することなく、比較的簡易な設備で、静止人工衛星の高精度なレンジングを可能にする技術を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、本発明に係る静止人工衛星の位置測定システムは、静止人工衛星から送信される任意の信号を互いに異なる地点で受信する第１アンテナ及び第２アンテナを少なくとも含む２以上のアンテナと、各アンテナで受信した受信信号をその受信時刻とともに蓄積する記憶手段と、前記記憶手段に蓄積された前記第１アンテナの受信信号と前記第２アンテナの受信信号との相関処理を行うことにより、前記第１アンテナと前記第２アンテナの間での同一信号の受信時刻の差を算出する相関処理手段と、前記第１アンテナ又は前記第１アンテナの近傍に配置された距離測定用のアンテナと前記静止人工衛星との間の電波の往復時間の計測結果から、前記第１アンテナと前記静止人工衛星との間の距離を測定する測定手段と、前記測定手段により得られた前記第１アンテナと前記静止人工衛星との間の距離、及び、前記相関処理手段により得られた前記第１アンテナと前記第２アンテナの受信時刻の差から、前記第２アンテナと前記静止人工衛星との間の距離を算出する算出手段と、を有し、前記距離測定に用いられる信号は、前記静止人工衛星の制御のために確保されているテレメトリの帯域の信号であり、前記相関処理に用いられる信号は、ユーザキャリアの信号であることを特徴とする。

ここで、「同一信号」とは「静止人工衛星から同一時刻に送信された信号」のことである。したがって、「前記第１アンテナと前記第２アンテナの間での同一信号の受信時刻の差」は、「静止人工衛星から同一時刻に送信された信号が第１アンテナに到達するまでに要した時間と第２アンテナに到達するまでに要した時間の差」ということもできる。あるいは、「静止人工衛星から同一時刻に送信された信号が第１（又は第２）アンテナに到達した時刻から第２（又は第１）アンテナに到達するまでの遅延時間」ということもできる。なお、３以上のアンテナを用いる場合は、第２アンテナの場合と同様の処理によって、第１アンテナと第Ｎアンテナ（Ｎ≧３）の受信時刻の差や、第Ｎアンテナと静止人工衛星の間の距離を算出することができる。

本発明の構成によれば、相関処理によってアンテナ間の受信時刻の差を算出するため、静止人工衛星から送信されている任意の信号を利用することができる。それゆえ、従来のように、中継器の一部をレンジング用の基準信号のために利用したり、基準信号を静止人工衛星にアップリンクしたりする必要がない。また、本発明で用いるアンテナとしては静止人工衛星からの電波を受信できるものであれば足りるため、例えば１２ＧＨｚの周波数帯域の電波を利用するのであれば口径５０ｃｍ〜１２０ｃｍ程度の民生用アンテナを利用することも可能である。したがって、大口径のアンテナやアップリンク設備を必要とした従来システムに比べて、大幅なコスト低減を図ることができるとともに、アンテナ設備の設置が極めて容易になる。

また本発明は、基準となる第１アンテナと静止人工衛星の間の距離（以下、「基準距離」という）は測定によって求め、他のアンテナと静止人工衛星の間の距離については第１アンテナとの受信時刻の差に基づき上記基準距離に対する相対値として算出する、という点に特徴をもつ。このように基準距離を測定により得ることで、他のアンテナと静止人工衛星の間の距離を精度良く算出できるため、第１アンテナと他のアンテナの間の設置距離をさほど大きくとらなくても静止人工衛星の３次元的な軌道位置を十分な精度で求めることが可能となる。アンテナ間の設置距離を小さくできる点は、日本やアジア諸国のように国土面積が小さい国や地域にとっては非常に有利である。

上記構成において、各アンテナの受信時刻を計時する時計を、同一の基準時刻系に基づいて、自動的に校正する時計校正手段をさらに有することが好ましい。
「同一の基準時刻系」としては、例えば、ＧＰＳ衛星により送信される時刻情報、標準電波による時刻情報（日本の場合はＪＪＹから送信される日本標準時）などを利用することができる。これにより、遠隔地にある複数の地上局の時刻を実質的に一致させることができるため、受信時刻の差を精度良く算出することができる。

上述したように、本発明では静止人工衛星から送信されている任意の信号を利用することができるが、好適には、衛星放送サービス又は衛星通信サービスに利用されているキャリアの信号を相関処理に用いるとよい。これにより相関処理の精度向上を期待できるからである。また、短時間の信号の相関処理でも実用的な精度が得られるため、ルビジウムや水晶等の安価で小型の周波数標準発生装置を利用できるという利点もある。その一方で、静止人工衛星のテレメトリ信号を相関処理に用いることも好適である。テレメトリ信号であれば通常全ての静止人工衛星が発信しているために、静止人工衛星の状態によらず本発明のレンジングを適用可能だからである。

なお、本発明は上記構成の少なくとも一部を備える「静止人工衛星の位置測定システム」（又は「位置測定装置」又は「レンジングシステム」）として捉えることもできるし、上記処理の少なくとも一部を備える「静止人工衛星の位置測定方法」（又は「レンジング方法」）として捉えることもできる。更には、本発明は、上記処理の少なくとも一部をコンピュータに実行させるためのプログラムや、そのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体として捉えることもできる。

本発明によれば、中継器の帯域をレンジングのために占有することなく、比較的簡易な設備で、静止人工衛星の高精度なレンジングが可能となる。

本発明の実施形態に係る位置測定システムにおけるレンジング手法の概要を説明するための図。 本発明の実施形態に係る位置測定システムの装置構成を示す図。 レンジングの処理の流れを示すフローチャート。 レンジングに用いられた受信信号と相関処理の結果の一例を示す図。

以下に図面を参照して、本発明の実施形態に係る位置測定システムについて詳しく説明する。この位置測定システムは、衛星放送、衛星通信、気象観測などに利用される静止人工衛星のレンジングを行うためのシステムであり、例えば、静止人工衛星の運用を行う管制センタにおいて、衛星軌道の監視、予測、軌道制御などに利用されるものである。

（レンジング手法の概要）
まず図１を参照して、本システムにおけるレンジング手法の概要を説明する。本システムは、地球上の異なる地点に設置された複数の地上局を備えている。図１では、２つの地上局２０、２１を例示しているが、３つ以上の地上局を用いることもできる。

これらの地上局のうち基準となる１つの地上局２０に、地上局２０と静止人工衛星１０の間の距離Ｒ２０を測定する距離測定装置を設置する。距離測定装置としては、例えば、送受信アンテナを用いて地上局と静止人工衛星との間の電波の往復時間を計測し、その往復時間と電波の伝播速度とから距離を計算する方式の装置を用いることができる。なお、この種の装置は高価かつ比較的大規模な設備となるため、レンジングを目的として設けられる全ての地上局に距離測定装置を設置するのは現実的でない。そこで本システムでは、基準地上局２０にのみ距離測定装置を設置することとし、その他の地上局２１については以下のように基準地上局２０との相対的な関係から静止人工衛星１０までの距離を計算する。

静止人工衛星１０から送信されている任意の信号（電波）を、各地上局２０、２１において受信する。一般に、静止人工衛星１０から地上局２０までの距離Ｒ２０と地上局２１までの距離Ｒ２１とが異なるため、時刻ｔ１に静止人工衛星１０から送信された信号が地上局２０に到達する時刻ｔ２と、同じ信号が地上局２１に到達する時刻ｔ３との間にはΔｔの時間差が生じる。本システムでは、地上局２０で受信した受信信号と地上局２１で受信した受信信号との相関処理を行うことによって、地上局２０と地上局２１の間での同一信号の受信時刻の差Δｔを求める。

地上局２１と静止人工衛星１０の間の距離Ｒ２１は、時刻ｔ１〜ｔ２の間に電波が伝播した距離Ｒ２１ａと、Δｔの間に電波が伝播した距離Ｒ２１ｂの合計と考えることができる。ここで、時刻ｔ１は不明であるため距離Ｒ２１ａを直接求めることはできないが、距離Ｒ２１ａは、静止人工衛星１０から地上局２０までの距離Ｒ２０で近似できる。したがって、地上局２０から静止人工衛星１０までの実測距離Ｒ２０と、地上局２０と地上局２１の間の受信時刻の差Δｔとが分かれば、地上局２１と静止人工衛星１０の間の距離Ｒ２１を算出可能である。

なお、実際の計算では、図１において点線で示すように、地上局２１と静止人工衛星１０の間の距離Ｒ２１のうち、地上局２１に近い側の部分Ｒ２１ａ´を地上局２０から静止人工衛星１０までの実測距離Ｒ２０で近似し、静止人工衛星１０に近い側の部分Ｒ２１ｂ´をΔｔから算出することが好ましい。つまり、真空中の光速ｃを用いて、距離Ｒ２１を下記式のように算出するのである。
Ｒ２１＝Ｒ２０＋ｃ×Δｔ
静止人工衛星近傍（真空中）と地表付近とでは電波の伝播速度が変化するが、実測距離Ｒ２０の値にはこのような伝播速度の変化が織り込まれている。それゆえ、距離Ｒ２１の計算において、地上局２１に近い側の部分Ｒ２１ａ´を実測距離Ｒ２０で近似することで、地表付近における伝播速度の変化を考慮した距離Ｒ２１を簡単な計算で求めることができる。

以上述べた手法によって、各地上局２０、２１から静止人工衛星１０までの距離Ｒ２０、Ｒ２１が求まる。複数の時刻について距離Ｒ２０、Ｒ２１の測定を繰り返すと、それらのデータ点に対する最小二乗法等の統計的手法と、静止人工衛星に働く太陽や月の重力等のモデルの利用によるデータ取得期間の静止人工衛星の軌道生成を組み合わせることにより、静止人工衛星の軌道を精度良く求めることが可能となる。

本システムは、静止人工衛星１０から送信されている任意の信号をレンジングに利用することができる。具体的には、衛星放送サービス又は衛星通信サービスに利用されているキャリア（これを「ユーザキャリア」とも呼ぶ）の信号を用いることもできるし、テレメトリ信号（静止人工衛星が温度、電流、姿勢などの状態を通知するために定期的に発信している信号のこと）を用いることもできる。相関処理の精度という観点からは、ユーザキャリアの信号を利用するほうが好ましい。ユーザキャリアは広帯域であると共に多様な情報を搬送していることから、複雑な信号波形を形成するのが通常であり、別の時刻に類似の波形が現れる可能性が極めて低い。それゆえ、相関処理において誤った結果が出力されることを可及的に防止できるとともに、短時間の信号の相関処理でも実用的な精度が得られるからである。その一方で、テレメトリ信号を用いる利点もある。ユーザキャリアの信号を送信していない静止人工衛星（例えば予備衛星）も存在するからである。テレメトリ信号であれば通常いずれの静止人工衛星からも受信可能であるため、静止人工衛星の状態によらず本システムのレンジングを適用することができる。

（装置構成）
次に、図２を参照して、位置測定システムの具体的な構成例について説明する。
位置測定システムは、２つの地上局２０、２１から構成されている。基準となる第１の地上局２０には、受信用の第１アンテナ３０、増幅器及び周波数変換器１０００、標本器２０００、時刻及び周波数標準発生装置３０００、及び、電子計算機４０００が設けられている。同様に、第２の地上局２１にも、受信用の第２アンテナ３１、増幅器及び周波数変換器１００１、標本器２００１、時刻及び周波数標準発生装置３００１、及び、電子計算機４００１が設けられている。そして、第１の地上局２０には、第１アンテナ３０と静止人工衛星１０との間の距離（基準距離）を測定するための距離測定装置（測定手段）として、アンテナ４０及び距離測定部５０が設けられている。

第１アンテナ３０は、静止人工衛星１０から送信されている電波を受信するための装置である。第１アンテナ３０としては、民生品の衛星放送受信用アンテナを利用することができる。１２ＧＨｚの周波数帯域の電波を例に挙げれば、ユーザキャリアのような広帯域の信号をレンジングに利用する場合は、口径５０ｃｍ〜１００ｃｍ程度のアンテナでも十分な精度を得ることができる。一方、テレメトリ信号のように狭帯域の信号を利用する場合には、口径１２０ｃｍ程度のやや大きめのアンテナを用いる方がＳＮ比向上の点から好ましい。第１アンテナ３０で受信された信号は同軸ケーブルを経由して増幅器及び周波数変換器１０００に入力される。

増幅器及び周波数変換器１０００は、第１アンテナ３０から入力された受信信号を増幅するとともに、ビデオバンドに周波数変換する装置である。増幅器及び周波数変換器１０００の出力は、標本器２０００に入力される。

時刻及び周波数標準発生装置３０００は、ＧＰＳ衛星から送信される時刻情報を受信して、それに同期した周波数標準信号及び１ＰＰＳ（pulse per second）信号を出力する装置である。１ＰＰＳ信号はＧＰＳ時刻に同期して１秒毎に出力されるパルス状の信号であり、周波数標準信号はこの１ＰＰＳ信号を基準に生成された所定の周波数（例えば１０ＭＨｚ）の信号である。本実施形態では、水晶やルビジウム等の発振器から出力される周波数を１ＰＰＳ信号を基準に校正することによって周波数標準信号を得ている。周波数標準信号及び１ＰＰＳ信号はケーブルを介して標本器２０００に入力され、受信信号データに付与する受信時刻を決めるための基準信号として参照される。もう一つの地上局２１にも同じ構成の時刻及び周波数標準発生装置３００１が設けられている。これらは、各地上局２０、２１の時計をＧＰＳ時刻系に基づき自動的に校正する時計校正手段としての役割を担っている。もし、このような時計校正手段を設けずに水晶やルビジウム等の発振器出力をそのまま周波数標準として用いた場合には、各地上局の時刻が次第にずれていくため、受信時刻差Δｔの計算誤差が徐々に拡大してしまうという問題が生じる。これに対し、本実施形態のように共通の基準時刻系に基づき時計を校正しつづけた場合には、遠隔地にある複数の地上局の時計を実質的に同期させる（厳密には、時刻の相対的なずれを一定の範囲内に保つ）ことができるため、受信時刻差Δｔを長時間にわたり精度良く算出することが可能となる。

標本器２０００は、増幅器及び周波数変換器１０００から入力されるアナログ信号を標本化してデジタルデータに変換すると共に、そのデータに対して受信時刻の情報を付与する機能を有する回路である。なお標本器２０００で付与する時刻は、時刻及び周波数標準発生装置３０００から与えられる１ＰＰＳ信号及び周波数標準信号を基準として設定されるものである。

電子計算機４０００は、標本器２０００から出力されるデータ（受信時刻の付与された受信信号）を記憶装置に保存する機能、通信網５０００を介して他の地上局２１の電子計算機４００１との間でデータの送受信を行う機能、受信信号同士の相関処理を行い受信時刻差Δｔを算出する機能、Δｔから地上局２１と静止人工衛星１０の間の距離Ｒ２１を算出する機能、などを有している。電子計算機４０００は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、主記憶装置（例えばＲＡＭ）、補助記憶装置（例えばハードディスク）、通信Ｉ／Ｆなどを具備する汎用のパーソナル・コンピュータにより構成可能である。必要に応じて、入力装置（例えばキーボード、マウス）、表示装置などを設けてもよい。上述した各機能は、補助記憶装置に格納されたプログラムが主記憶装置にロードされ、ＣＰＵによって実行されることで実現されるものである。

距離測定装置は、第１アンテナ３０と静止人工衛星１０の間の距離を測定するための測定手段であり、アンテナ４０と距離測定部５０とから構成される。測距の際は、距離測定部５０で所定の送信信号を生成し、アンテナ４０から静止人工衛星１０に対して送信を行い、静止人工衛星１０によって折り返し送信された信号をアンテナ４０で受信する。このとき、静止人工衛星内での信号の折り返しには衛星の制御のために確保してあるテレメトリ等の帯域を使用し、中継器の帯域は使用しないものとする。そして、距離測定部５０がアンテナ４０と静止人工衛星１０の間の電波の往復時間を計測し、その往復時間と電波の伝播速度とからアンテナ４０と静止人工衛星１０の間の距離を算出する。ここで、第１アンテナ３０とアンテナ４０が極めて近接している場合には、アンテナ４０と静止人工衛星１０の間の距離を第１アンテナ３０と静止人工衛星１０の間の距離とみなすことができる。あるいは、アンテナ４０と静止人工衛星１０の間の距離と第１アンテナ３０と静止人工衛星１０の間の距離の差ΔＲを無視できない場合には、アンテナ４０と第１アンテナ３０の位置関係から予めΔＲを算出しておき、アンテナ４０と静止人工衛星１０の間の距離にΔＲを加算若しくは減算することで、第１アンテナ３０と静止人工衛星１０の間の距離を求めればよい。距離測定部５０の計算結果は、電子計算機４０００に入力される。

なお、１局レンジング用の既存設備が存在する場合には、その設備を上記距離測定装置として利用することができる。これにより、本システムの導入コストを大幅に削減することができる。また、アンテナ４０で第１アンテナ３０の機能を兼ねることも可能である。この場合は、第１アンテナ３０と静止人工衛星１０の間の距離を直接的に測定することができる。

第２の地上局２１の構成及びその機能は、第１の地上局２０の同名のものと同様であるため、説明を割愛する。

（レンジング処理）
次に、図３、図４を参照して、位置測定システムにおけるレンジングの処理の流れ及び計算例について説明する。図３はレンジングの処理の流れを示すフローチャートであり、図４はレンジングに用いられた受信信号と相関処理の結果の一例を示す図である。

図３に示すように、地上局２０、２１のそれぞれの電子計算機４０００、４００１において、受信信号のデータを受信時刻とともに記憶する（Ｓ２００、Ｓ２１０）。このとき、少なくとも、同じ時刻に静止人工衛星１０から送信された信号波形が両方のデータに含まれ、且つ、他の時刻において送信された信号波形との区別が可能な長さ分のデータを取得することが好ましい。衛星放送用に用いられているユーザキャリアの信号を用いることを想定すると、約２秒間分の受信信号を取得すれば十分である。

次に、地上局２１側の電子計算機４００１が、アンテナ３１の受信信号のデータを通信網５０００を介して地上局２０側の電子計算機４０００に転送する（Ｓ２１１、Ｓ２０１）。そして、電子計算機４０００にて、アンテナ３０の受信信号とアンテナ３１の受信信号の相関処理を実施する（Ｓ２０２）。なお相関処理については公知のいずれの手法も採用できるため、ここでは詳しい説明を割愛する。図４の上段は、アンテナ３０とアンテナ３１それぞれの受信信号の周波数スペクトルの例を示している。この２つの信号に対して相関処理を行った結果が図４の下段である。この例では、受信時刻差が約−８．５μｓｅｃという結果が得られる。

続いて、電子計算機４０００は、距離測定部５０から、アンテナ３０と静止人工衛星１０の間の距離の測定値を取得する（Ｓ２０３）。このとき、Ｓ２０２の相関処理で用いた受信信号と同じ時刻に測定された測定値を用いることが好ましい。しかし、同じ時刻に距離を実測するとなれば、距離測定部５０の動作を相関処理と同期させなければならないため、システム構成が複雑になる。そこで本実施形態では、距離測定部５０による距離の測定を所定の時間間隔で複数回行い、それらの測定値を補間することによって、相関処理と同じ時刻における距離を求めている。これにより簡易な構成で精度の高い距離情報を得ることが可能となる。なお補間処理は、アンテナ３０と静止人工衛星１０の間の距離Ｒ２０（図１参照）に対して行ってもよいし、距離Ｒ２１ｂに対して行ってもよいし、距離Ｒ２０とＲ２１ｂの双方に対して行ってもよい。

そして、電子計算機４０００は、Ｓ２０２の相関処理で求めた受信時刻差とＳ２０３で得られた測定値とを用いて、アンテナ３１と静止人工衛星１０の間の距離を算出する（Ｓ２０４）。以下、Ｓ２０４における具体的な計算例について詳しく述べる。

（計算例）
時刻及び周波数標準発生装置の１ＰＰＳ出力が、協定世界時（ＵＴＣ）に対してΔＴgps_rcvrだけ遅れているものとし、また、時刻及び周波数標準発生装置から出力された１ＰＰＳ信号がケーブルを伝播し標本器に入力されるのに、ΔＴ1pps_cable_delayの時間がかかるものとする。そうすると、標本器の時刻を１ＰＰＳ信号を基準として設定する場合、標本器の保持する時刻は、ＵＴＣに対して、
ΔＴclock_delay＝ΔＴgps_rcvr＋ΔＴ1pps_cable_delay
だけ遅れることになる。

地上局２０（Ｘ局）の標本器２０００が保持する時刻のＵＴＣに対する遅れをΔＴclock_delay_x、地上局２１（Ｙ局）の標本器２００１が保持する時刻のＵＴＣに対する遅れをΔＴclock_delay_yとし、Ｙ局の時計がＸ局よりもΔＴclockだけ遅れているとすると、
ΔＴclock＝ΔＴclock_delay_y−ΔＴclock_delay_x （式１）
となる。

静止人工衛星１０からＸ局アンテナ３０までの伝播にかかる時間をＴrng_x、その距離をＲrng_xとし、Ｘ局アンテナ３０から標本器２０００までの伝播遅延をΔＴRF_delay_xとする。また、静止人工衛星１０からＹ局アンテナ３１までの伝播にかかる時間をＴrng_y、その距離をＲrng_yとし、Ｙ局アンテナ３１から標本器２００１までの伝播遅延をΔRf_delay_yとする。また、距離測定装置により実測された静止人工衛星１０からアンテナ４０までの距離をＲtcr_xとし、Ｘ局アンテナ３０のほうがアンテナ４０よりもΔＲant_pos_xだけ静止人工衛星１０より遠いとする。

相関処理により算出される受信時刻差Ｔobsは、静止人工衛星１０からの電波が標本器２０００、２００１によって記録された時刻の時間差であり、次式で与えられる。
Ｔobs＝（Ｔrng_y＋ΔＴRF_delay_y＋ΔＴclock）−（Ｔrng_x＋ΔＴRF_delay_x） （式２）

一方、静止人工衛星１０からＸ局アンテナ３０までの距離と、静止人工衛星１０からアンテナ４０までの距離との間には次の関係が成立する。
Ｒrng_x＝Ｒtcr_x＋ΔＲant_pos_x （式３）

式２より、Ｔrng_yは下記式によって与えられる。
Ｔrng_y＝Ｔrng_x＋Ｔobs−ΔＴclock−（ΔＴRF_delay_y−ΔＴRF_delay_x） （式４）

式４の両辺に光速ｃをかけると、
ｃ・Ｔrng_y＝ｃ・Ｔrng_x＋ｃ・｛Ｔobs−ΔＴclock−（ΔＴRF_delay_y−ΔＴRF_delay_x）｝ （式５）

Ｒrng_x＝ｃ・Ｔrng_x、Ｒrng_y＝ｃ・Ｔrng_yであるから、式５は次のように書き直すことができる。
Ｒrng_y＝Ｒrng_x＋ｃ・｛Ｔobs−ΔＴclock−（ΔＴRF_delay_y−ΔＴRF_delay_x）｝ （式６）

これに式３を代入すると、次式が得られる。
Ｒrng_y＝Ｒtcr_x＋ΔＲant_pos_x＋ｃ・｛Ｔobs−ΔＴclock−（ΔＴRF_delay_y−ΔＴRF_delay_x）｝ （式７）

電子計算機４０００は、Ｓ２０２の相関処理で求めた受信時刻差ＴobsとＳ２０３で得られた距離測定値Ｒtcr_x＋ΔＲant_pos_xとを上記式７に代入することにより、Ｙ局アンテナ３１から静止人工衛星１０までの距離Ｒrng_yを算出する。なお、式７のうち、ΔＲant_pos_xはアンテナ３０とアンテナ４０の設置位置の測量を行うことで算出することができ、ΔＴclockはケーブル実測による遅延時間と時刻及び周波数標準発生装置の仕様とから算出でき、ΔＴRF_delay_y及びΔＴRF_delay_xは実測もしくは、伝播路の長さと単位長さあたりの伝播遅延時間により得ることができる。従って、これらのパラメータの値は事前に算出若しくは計測し、電子計算機４０００又は距離測定装置の記憶装置内に保存しておけばよい。

以上のように各地上局２０、２１から静止人工衛星１０までの距離Ｒrng_x、Ｒrng_yを算出する処理を、必要な時間間隔で繰り返し行うことで、静止人工衛星１０の軌道を推定するために必要な情報を収集することができる。

本システムの利点をまとめると以下の通りである。
本システムの構成によれば、相関処理によってアンテナ間の受信時刻の差を算出するため、静止人工衛星１０から送信されている任意の信号を利用することができる。それゆえ、従来のように、中継器の一部をレンジング用の基準信号のために利用する必要がない。また、本システムで用いるアンテナ３０、３１としては静止人工衛星１０からの電波を受信できるものであれば足りるため、例えば口径５０ｃｍ〜１２０ｃｍ程度の民生用アンテナを利用することも可能である。したがって、大口径のアンテナやアップリンク設備を要した従来システムに比べて、大幅なコスト低減を図ることができるとともに、アンテナ設備の設置が極めて容易になる。

また本システムは、基準となるアンテナ３０と静止人工衛星１０の間の距離（基準距離）は測定によって求め、他のアンテナ３１と静止人工衛星１０の間の距離についてはアンテナ３０との受信時刻の差に基づき上記基準距離に対する相対値として算出する、という点に特徴をもつ。このように基準距離を測定により得ることで、アンテナ３１と静止人工衛星１０の間の距離を精度良く算出できるため、アンテナ３０とアンテナ３１の間の設置距離をさほど大きくしなくても静止人工衛星１０の３次元的な軌道位置を十分な精度で求めることが可能となる。アンテナ間の設置距離を小さくできる点は、日本やアジア諸国のように国土面積が小さい国や地域にとっては非常に有利である。

ところで、宇宙探査機から発信される信号を２局以上で受信して、相関処理により受信時刻の遅延を計測するＶＬＢＩというシステムが実用されてはいるが、この種のシステムで扱う信号は狭帯域かつ微弱であるため、相関をとるためには数分程度の信号を用いなければならない。そして、このように相関処理の時間が長い場合は、遅延時間の計測精度を保証するために水素メーザーのような高精度な周波数標準を利用しなければならず、大規模かつ高価な設備が必要となる。これに対して、上記実施形態では、ユーザキャリアの信号を利用することで相関処理の時間を極めて短縮できる（２秒程度）ので、ルビジウムや水晶等の安価で小型の発振器の出力をＧＰＳ等の共通時刻系で校正した信号を周波数標準として用いても十分実用的な精度が得られる。

以上、具体的な実施形態を例示して本発明について詳しく説明したが、本発明の範囲は上記実施形態のものに限られることはなく、その技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、地上局２０の電子計算機４０００において相関処理や距離算出処理などを実施しているが、これらの処理は地上局２１側の電子計算機４００１で行うこともできるし、地上局２０、２１と別に設置された任意の電子計算機で行うこともできる。また上記実施形態では、地上局間のデータ転送に通信網５０００を用いているが、磁気記憶媒体等の可搬型の記憶媒体を用いてデータのやりとりを行ってもよい。また上記実施形態では２つの地上局の例を示したが、３つ以上の地上局を用いることもできる。その場合でも、基準となる地上局２０のみ距離測定を行い、他の地上局は基準地上局２０に対する受信時刻差を用いて静止人工衛星までの距離を算出することができる。

１０：静止人工衛星
２０：第１の地上局（基準地上局）
２１：第２の地上局
３０：第１アンテナ
３１：第２アンテナ
４０：距離測定装置のアンテナ
５０：距離測定部
１０００、１００１：増幅器及び周波数変換器
２０００、２００１：標本器
３０００、３００１：時刻及び周波数標準発生装置
４０００、４００１：電子計算機
５０００：通信網

Claims (5)

1. 静止人工衛星から送信される任意の信号を互いに異なる地点で受信する第１アンテナ及び第２アンテナを少なくとも含む２以上のアンテナと、
   各アンテナで受信した受信信号をその受信時刻とともに蓄積する記憶手段と、
   前記記憶手段に蓄積された前記第１アンテナの受信信号と前記第２アンテナの受信信号との相関処理を行うことにより、前記第１アンテナと前記第２アンテナの間での同一信号の受信時刻の差を算出する相関処理手段と、
   前記第１アンテナ又は前記第１アンテナの近傍に配置された距離測定用のアンテナと前記静止人工衛星との間の電波の往復時間の計測結果から、前記第１アンテナと前記静止人工衛星との間の距離を測定する測定手段と、
   前記測定手段により得られた前記第１アンテナと前記静止人工衛星との間の距離、及び、前記相関処理手段により得られた前記第１アンテナと前記第２アンテナの受信時刻の差から、前記第２アンテナと前記静止人工衛星との間の距離を算出する算出手段と、
   を有し、
   前記距離測定に用いられる信号は、前記静止人工衛星の制御のために確保されているテレメトリの帯域の信号であり、
   前記相関処理に用いられる信号は、ユーザキャリアの信号であることを特徴とする静止人工衛星の位置測定システム。
2. 前記算出手段は、前記第１アンテナと前記第２アンテナの受信時刻の差に光速を乗じ、前記第１アンテナと前記静止人工衛星との間の距離を加算した値を、前記第２アンテナと前記静止人工衛星との間の距離とすることを特徴とする請求項１に記載の静止人工衛星の位置測定システム。
3. 各アンテナの受信時刻を計時する時計を、同一の基準時刻系に基づいて、自動的に校正する時計校正手段をさらに有することを特徴とする請求項１又は２に記載の静止人工衛星の位置測定システム。
4. 前記静止人工衛星は、衛星放送サービス又は衛星通信サービスに利用される静止人工衛星であることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の静止人工衛星の位置測定システム。
5. 第１アンテナ及び第２アンテナを少なくとも含む２以上のアンテナにより、静止人工衛星から送信される任意の信号を互いに異なる地点で受信するステップと、
   各アンテナで受信した受信信号をその受信時刻とともに記憶装置に蓄積するステップと、
   前記記憶装置に蓄積された前記第１アンテナの受信信号と前記第２アンテナの受信信号との相関処理を行うことにより、前記第１アンテナと前記第２アンテナの間での同一信号の受信時刻の差を算出する相関処理ステップと、
   前記第１アンテナ又は前記第１アンテナの近傍に配置された距離測定用のアンテナと前記静止人工衛星との間の電波の往復時間の計測結果から、前記第１アンテナと前記静止人工衛星との間の距離を測定する測定ステップと、
   前記測定ステップにより得られた前記第１アンテナと前記静止人工衛星との間の距離、及び、前記相関処理ステップにより得られた前記第１アンテナと前記第２アンテナの受信時刻の差から、前記第２アンテナと前記静止人工衛星との間の距離を算出するステップと、
   を有し、
   前記距離測定に用いられる信号は、前記静止人工衛星の制御のために確保されているテレメトリの帯域の信号であり、
   前記相関処理に用いられる信号は、ユーザキャリアの信号であることを特徴とする静止人工衛星の位置測定方法。

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