JPH0378677A - 人工衛星を用いた測位方法 - Google Patents

人工衛星を用いた測位方法

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JPH0378677A
JPH0378677A JP1216466A JP21646689A JPH0378677A JP H0378677 A JPH0378677 A JP H0378677A JP 1216466 A JP1216466 A JP 1216466A JP 21646689 A JP21646689 A JP 21646689A JP H0378677 A JPH0378677 A JP H0378677A
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Japan
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time
satellites
satellite
signal
artificial
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JP1216466A
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English (en)
Inventor
Kenichi Inamiya
健一 稲宮
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は静止軌道上の人工衛星から送信する電波を受
信し、そのデータを処理することにより受信点の位置検
出に関するものである。
〔従来の技術〕
従来の電波航法はデツカ、オメガ、ロラン−C等の地球
とに発振源を持つものから人工衛星を使用したNN5S
 (Navy Navlgation 5atelli
t@System )やGPS (Gloval Po
sitioningSyatam )までである。人工
衛星を使用するシステムは位置検出の基準となる測位の
範囲が大きな宇宙空間に展開できるので0位置検出の範
囲の広がりや高度な機器を搭載することにより精度の向
上が期待できる。このうち、NN5Sはドツプラを使用
した方式であり、GPSは時間計測により測距をもとに
したものであり、前者に比較し、後者の方が多くの優れ
念性能を有しているので、今後の航行衛星の主流になろ
うとしているものである。
この発明と比較する為に、このGPSを対象として従来
技術の説明を行う。
第21図にGPSの人工衛星の構成を示す。
(300) 、 (301) 、 (31172) 、
 (303)はGPS用F) NAVSTAR(Nav
igation System With Timin
g andRanging )でその位置をA’、 B
” 、 C’ 、 p’ で示す。
NAVSTARは自ら精密な原子時計を持って。
自ら発生するクロック信号の精度を高精度に保つと同時
に管制局からの時刻情報の較正により。
NAVSTARは週の始めを基準に現在の時刻を正確に
表現している。ま之、NAVSTARの位置は管制局に
よるNAVSTARの追跡データよシ軌道決定が行われ
1時刻が分かると自らの位置が確定する事になる。従っ
て、若し観測者がNAVSTARの所に居た場合、NA
VSTARの現在の時刻及びその時刻と軌道要素より位
置が既知数となるが。
次にこの観測者がNAVSTARの位置を離れてNAV
STARと観測した場合どの様になるかであるが、  
(304)を今その観測点として、Po  で表す。
今、観測者は時刻装置を持っているが5比較較正済の精
度の良いものでなく基準の時刻より一定の誤差を持った
時計であるとする。観測者が観測を行つ友時刻をTno
+Δiとする。Tnoはその時の正しい時刻でΔtは観
測者が持っている固有な誤差である。この時、観測者が
計測するNA”/5TAR(300) 、 (+01)
 、 (302) 、 (303)の時刻はTnl 、
Ti2゜Ti3. Ti4  でこの時刻は観測者と衛
星の間の伝播時間だけ遅延した値である。観測した時刻
とNAVSTARの位置関係から次の様な方程式が成立
する。
但し、Cは光速を示す。
(1)゛  の方程式には未知数としてPo の位置で
ある三次元の3柵類の値とΔtに対して4m類の方程式
があるので、この方程式は解を持ち、観測者の位置及び
時刻の較正が出来る。
NAVSTARの軌道は高度20,183Kmの円軌道
で9周期が12時間、軌道傾斜角55度である。
この軌道上に3箇の衛星が等しい間隔で配置され。
この軌道が6種類あり9合計18箇の衛星が軌道上を飛
翔する。地球上の任意の点からNAVSTARは常に4
箇見える様な配置になる。
NAVS TARの管制局及びモニタ局はそれぞれ1局
、4局ずつ置かれ0局の可視範囲内にNAVSTARが
ある時データの取得と、必要なコマンドを送る。軌道デ
ータの処理は、取得したデータをもとにデータ処理設備
を行って時刻の管理は一次基準と較正することが実施さ
れる。
〔発明が解決しようとする課題〕
GPSは測位の出来る地域を全地球に及ぼすため、少な
くとも18箇のNAVSTARを必要とし。
かつNAVSTARが測距の源泉データを発生される際
、高精度の時刻と周波数が必要であり、このための管制
局が時刻と周波数を較正できる周期が一週間に一回のた
め、その間の変動を許容値内に維持するため原子時計を
搭載しているので、高値である。これに対し、この発明
ではより簡易な方法でGPSと同等の効果を得ることを
目的とする。
〔課題を解決する次めの手段〕
この発明は、軌道傾斜角を10度〜6度近くにし、かつ
同一時刻に於ける隣シ合う人工衛星の近点離角がお互い
に120度近くに離れるような静止高度上で地球表面近
くよシ見て可視域に同時に入る人工衛星を4箇投入し、
地球表面上に存在し。
上記人工衛星の軌道計測、軌道決定、軌道予測と上記人
工衛星から受けた時刻及び周波数と標準となる時刻や周
波数を比較し、補正のための指令を上記人工衛星に送信
する管制局によって較正された時刻信号とその時刻信号
にもとづき、また1時刻信号と同期関係を保って作られ
た測距信号を4箇所のうちの1箇の人工衛星が、直接地
球表面に送信すると同時に、前記の時刻及び測距信号を
他の人工衛星に対して衛星間データ中継手段によって隣
り合う人工衛星に送信し、前記の時刻及び測距信号を受
信した前記の隣りあう人工衛星は、この信号を地球表面
に送ると同時に、さらに次の隣り合う人工衛星に送り、
これを4箇の人工衛星に頴次適用し、4箇の人工衛星か
らは前記の各々の時刻及び測距信号と自らの時刻にもと
づい之時刻及び測距信号を地球表面に送信し、地球近く
ではとの測距信号の受信中に含まれる時刻とにより管制
局より得られる軌道予測にもとづき求められた4箇の人
工衛星の位置を基点として、4箇の人工衛星の隣り合う
2箇の組合せに対して、測距信号を用いて人工衛星と観
測者の間の2種類の距離差を算出するようにしたもので
ある。
〔作用〕
この発明においては測距信号を用いて人工衛星と観測者
の間の2種類の距離差を算出子゛ることにより、前記の
2箇の人工衛星を焦点とする双曲面を描くことが出来、
4箇の人工衛星の組合せで得られる3組の2対の人工衛
星につき前記と同じ計算処理を行うことにより、双曲面
の交点として観測点を求める。
〔実施例〕
最初に人工衛星を使用した位置決めのための計測原理に
ついて説明する。
第1図は2箇の人工衛星?使用し、2次元に展開した場
合である。fllと(2)は軌道上にある人工衛星A 
# B 、 13+は人工術MA 、 B fil 、
 +21を頁〈軸でX軸、(4)は人工衛星人とBC)
X軸の中点を原点としたy軸、(51は人工衛星AとB
からの距離差が一定な点Pで、(6)は点Pの17面上
の軌跡、(7)はy軸に対して双曲線(6)と対称な双
曲線である。
X7平面上の双曲線は次の式で表わせる。
ここで焦点及び離心率はf−土a18 1 焦点からの距離差d wa l @ 。
である。
点P 15+ t−観測点とするなら、この発明では2
箇の人工衛星A 、 B(11、121と観測点の間の
距離の差を計測する。第1図の構成ではこの距離差の情
報より双曲線(6)と(7)が描けて、観測点が双曲線
(6)と(7)の2つに解が存在できることになるが、
距離APとBPの大小の情報を得るなら観測点がどちら
の双曲線に存在するかは判断できる。ここでは双曲線(
61上に観測点があるとする。
第1図で#i2次元の場合について説明したが。
実際の現象は3次元上に存在するので、X7平面上の双
曲線(6)をX軸を中心に回転し、3次元の双曲面を得
る。
第2図は、17Z座標の双曲面を示す。(8)は2軸、
(9)は双曲面、α1と(+9は双曲面をyz面に平行
な面で切断し念時の円である。
第1図で示した距離差APとBP が一定な条件を満念
すxyz座標上の位置は双曲面(9)となる。
xyz座標上で双曲面(9)は次の式で表せる。
第1固成るいは第2図の構成で観測点がX軸上にあるよ
うな場合、双曲線や双曲面が直線になる様な場合がある
が、この発明では静止軌道上の人工衛星と地上付近の観
測点で構成されるので、このような構図は存在しない。
次に3箇の人工衛星を用い九場合を第3図を用いて説明
する。2箇はすでに第1図で示した構成とし、同じxy
平面との別のx−y・座標上にもう1つの人工衛星が存
在するとする。■は人工衛星C,i2υはX′軸、(ハ
)はy°軸、(ハ)はX軸とX′軸の為す角θ、(至)
は観測点Pを含むAPとcpの距離差一定の双曲線、(
ハ)は双曲線(6)と(財)の交点の1つ0缶は双曲線
(6)と(ロ)の交わる2点を含む直線である。
観測点Pt5)V1人工衛衛星、B(1)、+21と人
工衛星A、C(11,■との間でAPとBP、APとc
pの距離差が一定である条件の所に存在する。前者の人
工衛星を組合せた場合を第1図に示す。後者の条件を満
足するものとして双曲線(至)が描ける。2つの双曲線
(6)とQ◇で同じ距離差が計測できるのは交点(5)
と(至)の2点である。
次に第3図で考察したx y 、 x l 71面の現
象を第4図のxyz座標、xlylzl座標の3次元で
の現象に展開する。(5)は双曲線@をX゛軸で回転し
て得られる双曲面、@は2つの双曲面(9)と双曲面@
が交わる線分を含む平面、(2)は2°軸、(至)は2
つの双曲面(9)と(財)の交点より成る2次曲線であ
る。
xyz座標及びxl yl zl  座標上の双曲面(
9)と■は次の式で示される。
XFに座標とX・y・2・座標の関係は次の通り(5) xy平面とzty−平面は同一であると設定しているの
で。
・・・・・・・・・・・・  (6) 式(6)の条件により式(2)と式(4)より2を消去
すると双曲面上の点と焦点の間の長さと同じ双曲面上の
点と単線の間の長さの比は離心率に等しい事が双曲線の
公式より言える。第3図のXF、X・y・平面上では、
(6)のP点のX及びX−について、(6)の双曲線が
第1.第4象限、Hの双曲線が第2.第3象限にある事
より次の式が成り立つ。
Ap=ls1x−a+1=le2x+a21    ”
−・”  +8)第3図の場合を符号まで考慮するなら
1式(8)は次のようになる。
el x −al = −(e2x + a2)   
 ・・・・・・・・・・・・ (9)式(9)の関係は
XF、X・y・平面だけで成り立つ関係ではなく、第4
図のX軸及びX・軸のまわシに回転し次駅曲面であって
も、成り立つ公式である。
よって式(9)を(7)に代入し、双曲面の交わる条件
を求める式を展開すると、最終的K K1xlに2y+に5 = O・・・・・・・・・・・
・ αQここで、 Kt=−2a2(el + e2c
asθ)K2 ”−2@2a2自11 に5 = 612a12+2e1e2a1a2casθ
+e22,2− (sl−*2)2− (b12− b
22)の直線の方程式が求まる。
式αOは名及び2・に依らない式であるから、 X7Z
座標、X・y’z・座標の式α〔を含むz、 z・軸に
平行な面(至)を示す。
式(2)と式(4)の交点は(財)の平面に含まれる。
人工衛星を3箇使用した第4図の構成では、観測点P(
5)は(至)の平面上に存在する2次曲線である円また
は楕円上に存在することが分かる。若し観測点の高度を
別の系より既知数として知り得るなら、観測点P(5)
は点として定めることが出来る。
しかし、衛星間の距離差のみの情報から観測点を点P(
5)として検出することは3箇の人工衛星では不足であ
る。従って、4箇の人工衛星を使用し之場合を説明する
第5図では人工衛星を4箇使用した場合で、11面上の
様子を示す。(イ)はX・軸、(4Dはy’−軸、(4
3は4箇目の人工衛星り、03は■の人工衛星Cと(6
)の人工衛星りの観測によって得られた双曲線、t44
は01)のX・軸と−ので・軸の為す角、(ハ)は(6
)の双曲線とQ3の双曲線の交点を通る直線である。
新にv−y−座標を加え、働の新な人工衛星りが追加さ
れた結果、ηの人工衛星Cとの距離差が観測されること
Kより@3の双曲線が描は念。(6)と(43の2つの
双曲線の交点を結ぶ(ハ)の直線が得られ。
2つの直線の(5)の交点に観測点かをることか確定で
きる。xy平面上では人工衛星4箇を用いてこのように
2つの直線の交点として観測点を確定できる。
次に3次元でも同様な考えが適用できることを第6図を
用いて説明する。(至)は!”7・・2・−座標の2・
・軸、(ハ)は3次元の場合2つの双曲面の交わる面を
示す。
第3図で説明し友ようにxyz座漂とX・ylz・座標
の人工衛星A、 B、 C(11,+21.■によって
(至)の平面内が描け、X7’L座標、X・y・2・座
標、 X”7−Z・・座標の人工衛星A、C,D(1)
、(1)、(6)によって(ハ)の平面が描ける。この
2つの平面内に存在する2次曲線上に観測点が存在し、
さら(この2つの平面の交わる点に観測点があることが
求められる。
観測点P(5)が存在する面までは弐〇〇のように代数
式で求めることが出来るが、観測点P(6)を代数式で
解く事は難しいので、固有な解は数値解析によって求め
ることにする。
人工衛星A、B、C,D(1)、(2+、■、りと観測
点P(5)の配置を第7図に示す。(50)はAP間。
(51)はBP間、(52)はcp間、 (53)はD
P間のそれぞれの距離、  (54)はAB間、 (S
S)は80間。
(56)はCD間の距離を示す。
離差と観測値として求められた値の差分を式で求める。
f(x、y、z) 観測点P(5)は、 (x、 y、 z)   ・・・
・・・・・・・・・ a3と表し、P点の座標は求めよ
うとする未知数である。
観測値は。
の3つのSの値である。
求め↓うとする観測点P(5)と人工衛星までの距・・
・・・・・・・・・・  a4 関数’ (”a ’In ” )は、求めようとする点
の観測点の付近では観測点P(5)で唯一の最小値を示
すので、この点を求めるため最急傾斜法を用いて最初に
予測した観測点の位置を初期値としてくり返し演算を行
い、最小値である観測点P(5)を数値演算することが
出来る。
数置計算のアルゴリズムを第8図に示す。(6o)は初
期値の設定で、観測点からあまり離れてない値(Xo、
 )’os zo)を設定する。また1式α4の関数は
計算値と観測値を代入して求tO比値の差が微少筐にな
った時、くり返し演算を停止するための値をあらさしめ
設定する。、 (61)f2<り返しの1初り値でに=
0より開始する(62)では(xk、 yk、 zk)
の時の式[+41を計算するJ (63)でン1(62
)で計算し比値と1を比較し、若し’(xk、yk、z
k)が8より小さくなった時くり返し演算を止め、(x
k。
yk、zk)を出力する。(6りでは式α4のx、  
y。
2成分の偏微分を行い、微係数を得る。 (66)では
に番目の点からに+1番目の点に移る時の移動の大きさ
を定める数値を計算する。この直を移動量の変化率を示
すαにはt (xk、 yk、 zk)が大きな直を示
している間は大きな幅で移動し、極値に近づいた時は小
さな幅tとりながら極値をとらえられるように設定して
いく。(xk、 yk、 zk)点の前後の弐α4を算
出し、極値を探ることは有効な手段である。(67)で
にαkに(64)で計算し危機係数を掛け、各成分側の
移動量を得る。極値の存在する方向の微分値がより大き
な値を示すので、3成分より成るベクトル値はkからに
+1  ステップになった時、最短経由で極値に近づく
ことが出来る。
(xkyk、zk)  からに番目の移動量を差引いた
ものを新に(xk+1.yk+1.2に+1)とする。
 (68)でkのステップを1つ進める。(65)の判
定条件に達するまでくり返し演算を行い1判定値を越え
た時(xk、ysc、zk)を得て出力とする。
次に人工衛星の軌道位置について説明する。人工衛星は
静止軌道を使用する。但し9通常の静止衛星の軌道の軌
道傾斜角を小さく例えば0.05度などに対して、この
発明では大きな傾斜角(10度〜6度)を用いる。この
方法によって複数の衛星間を結ぶ線が同時に直線になる
事が避けられる。
この発明では常時4箇の人工衛星が観測点から見える必
要がある。地表面から見てなるべく仰角が高い所にある
方が建造物などに視界を妨害されないが、その場合人工
衛星の数が増す。今、赤道面上に人工衛星があるとして
、仰角と全地球を覆う人工衛星の数の関係は表1の示す
、妥当な値として仰角を約9度にすれば必要な人工衛星
の数は10箇になる。第9図には地球上に配置された人
工衛星の様子を示す。(70)は地球でこの図は北極上
空より眺めたものである。(71)は観測点Pである。
表−1 (72)は観測点(7りにおける水平線、  (73)
は他心と静止軌道を結ぶ線でRで示す。(74)は仰角
で02で示す。(75)は角度θ1 、 (76)は角
度θ3゜(77)はQから降した垂線の足でHと示す。
(78)に地球の半径でrで示す。(79片静止軌道、
  (80)。
(sl) 、 (82) 、 (83) 、 (84)
 、 (as) はこの発明に係る静止軌道上の人工衛
星である。他に他心を0.Rと静止軌道の交わる点をQ
とし。
ΔOQHについて次の式が成立する。
QHと水平線(72)は平行であることより。
θ2=θ3 で仰角を求めることが出来る。
軌道上の人工衛星(so) 、 (sl) 、 (82
) 、 (83) 、 (84)などがOQとOHを対
称にした0Q=(Qの対称点をQ・と示す)の間に常時
4箇入る場合を仰角をパラメータにして表−1に仰角と
衛星筒数の関係を示した。
次に傾斜角について説明する。傾斜角は人工衛星間の距
離に対して赤道面から人工衛星が南北に離れる距離が計
測に有意義な程度であるように遍ぶ必要がある。但し、
傾斜角が大きすぎると高緯度地方でμ仰角が大きくとれ
ない事になる。地球上で入間が住んでいる地域がほとん
ど入ってしまう緯度65度とさらにもう少し高緯度の7
0度での仰角と傾斜角の関係を表−2に示す。第10図
では緯度と傾斜角による衛星の移動の関係を示す。
(90)は緯度、 (91)はP点から見た仰角、  
(92)は赤道面、  (93)は赤道面上静止軌道に
直交する線である。水平線(72)と赤道面の交点をT
、Pから表−2 仰角(91)の角度をとって赤道面を望む線分との交点
をU、赤道面と静止軌道の交点をV、線分PUの延長上
の線と静止軌道(93)との交点をWとする。
θ4で示した緯度(90)が定まり、θ5で示した仰角
(91)が定まっているので。
ZPTo二90°−θ4=06 zpU’r=tao’−θ5−(180°−06)=0
6−05二07 ΔPUTに正弦法則を適用すると。
出θ7 次に。
UV=42.Goo−’TU−=−・・−−−−−・−
・・・  Q7!(2)θ4 1PUT= /VUW=Q7 より VW=UVtuθ7       ・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・ α均表−2では緯度及びそ
の緯度の点から赤道面上にある人工衛星を自分よI)#
icれる方向になる血肉または直北に見た時の人工衛星
の赤道面からの移動量を示した。
次に静止軌道上の人工衛星の位置について説明する。第
11図は位相を説明する之めの円と吸上軌道上の人工衛
星の位置を示す。
(1oo)は位相を示すための円で、  (101)、
(102)。
(103)は同一時刻に於ける人工衛星の位置。
(104) 、 (105) 、 (106)は成る時
間経過した後の同一時刻の人工衛星の位置、  (11
o)、(111)、(1t2)。
(113)は赤道面上の静止軌道で衛星が大きな傾斜角
を持った時に移動する範囲を線分で示したもので1図で
は直線で示しているが、実際はいわゆる8字特性を示す
。(114)、 (11s) 、 (116) 、 (
117) 。
(11a) 、 (119) 、 (120)、 (1
21)は人工衛星の位置。
この発明では観測者から見て4個の人工衛星の分布は6
面状に広がって分布することが望ましく。
4つの人工衛星が直線につながるようなことは避σなけ
ればならない。
静止軌道上で傾斜角を大きくした場合軌道上の人工衛星
が8字特性上のどの点にあるべきかは。
円(100)の円周上の位置で示す。静止高度上の人工
衛星はお互いに同一時刻の近点離角を120 度毎離れ
た位置に置く1位相関係は、  (1o1)、 (1o
z)。
(105)によって示し、実際の静止高度上の位置は(
114)、 (11s) 、(120)、 (121)
で示し、測距に必要な人工衛星間の直線は鎖線で結んだ
この鎖線は適宜折曲が9.4つの人工衛星で広い面積上
に分布している。、これより少し時刻が経過すると(j
ol)が(104)、  (102)が(105) 、
 (103)が(106)に移動し、同様に(11a)
 、 (119) 、 (120) 。
(121)の4つのように人工衛星が分布をする。
次に測距方法について説明する。この発明では。
2つの人工衛星間の距離差を計測することを基本とする
。第7図の人工衛星A(1)と人工衛星B(2)を例に
とると、APとBP間の距離差を測針する。
若し人工衛星人(1)と人工衛星B(2)から同時刻に
信号が発生し、それを観測点Pでそれを受信し、2つの
信号の到着時刻の差を計測するなら、距離差が計測でき
る。人工衛星人(1)とB(2)が同じ時刻を持つよう
にすれば、この方法は可能であるが、この発明では別の
人工衛星が同じ時刻を示す時計を持たない場合を考える
。そこで1人工衛星A(1)が発生した信号を人工衛星
B(2)の計測にも使用する。
APとAB+BP  の信号が計測される。但し。
A3間の信号は衛星通信を使用し伝送され、その間の距
離が測られるか或いは距離AB(54)は2つの人工衛
星の位置が判明しているので、それより算出することが
出来て、AB+BP  の測距よりAB間距離を差引き
0等価的にAP、 BP  の間の距離差の計測が可能
である。
同様な考え方を人工衛星A、B、C,Dに拡張する。即
ち人工衛星A(1)を源泉にし、 AP、ABP。
ABCP、ABCDP と観測点に信号を伝送する。そ
の為に計測に要する時間を概算する。
ABCDPで信号が伝送される場合。
衛星間距離を、31,500Km  と置く、その条件
は以下の通り。
’、’−31.500鮎’26.4 [+02+(8,
600X2)2即ち、静止軌道上に人工衛星が4個あり
大きな傾斜角によって赤道面から南北に8,600Km
離れる止し、お互いに最大距離離れるとした。
但し、実際にはすべての人工衛星間の距離がこのように
離れる訳ではないがここではすべてに最大値を考えた。
(ABCP)maw = 31.500X3+36.0
00=130,500  ・・・・・・・・・・・・・
・・・・・ H光速を3XIOm/secとすると、 
 (AI3CP)maw間を信号が伝送するに要する時
間は。
以上の条件をもとに計測方法を第12図に示す。
(130)は横軸で時間を示す。縦軸は経路を示す。
(131)は人工衛星A(1)が発生し九基準パルス。
(132)は観測点Pで直接受信した基準パルス。
(133)は人工衛星Bを経由して受信した基準パルス
、同様に(134)は人工衛星B、  C(21,、(
120)経由の受信パルス、  (135)は人工衛星
B、C,D+21゜■、(6)経由の受信パルスである
位置検出の双曲面を算出するために必要な距離差は次の
様に求められる。
ここで、 IAP−ABPl= (T 2−T I )
/CIABP−ABCPl= (T 3−72 )/C
IABCP−ABPI=(T4−T3)/C但し、Cは
光速、 AB、 BC,CDは人工衛星の軌道位置より
求められる。
観測点Pでは受信機を備えるだけで計測を行うことが出
来る。この発明に係る計測では人工衛星の軌道位置が正
確に判明しているという条件で説明した。人工衛星の軌
道は自分が持つ距離及び距離変化率計測を管制局で行い
、その取得データにもとづき軌道計算を行い、軌道決定
とさらに未来の儂は軌道予測で算出する。軌道予測#L
μ時刻の関数で位置を知ることが出来る。
この発明では静止高度を使用しているので、管制局では
これらの人工衛星を常時観測することが出来るので管制
局は人工衛星からの時刻を観測し。
高精度に人工衛星の時計を較正することが出来。
人工衛星は容易に高精度な時刻を持つことが出来る。管
制局は国の一次基準から高精度な時刻を入手出来るので
、−次基準、管制局1人工衛星と常時連携動作をさせな
がら6時刻の管理を行うことが出来る。即ち、管制局で
は人工衛星から受けた時刻信号に対してこの管制局の持
っている人工衛星に関する軌道情報より求められる信号
の伝播に要する時間遅れを補正したうえ、地上系の基準
時刻と比較する事が出来る。
第13図でこの関係を説明する。(140) Vi人工
衛星人(1)での秒時、  (141)はその秒時を管
制局で受信し九時のタイミング、  (142)は管制
局の較正済の基準秒時、  (143)は軌道決定値を
もとに管制局で受信されるべき人工衛星人(1)の秒時
、  C144)は軌道決定値より求めた秒時伝播時間
、 (145)は時刻(141)と時刻(143)の差
の時間である。
管制局では時間差(145)を検出したなら、この差を
コマンドで人工衛星人(1)に送り1時刻の補正を行う
事により人工衛星は精度の良い時刻を維持できる。
時間差検出の方法は、1回の秒時の比較を行うのでなく
、長時間の観測を継続していくことにより1着しわずか
な誤差があったとしても誤差の蓄積により検出し易くな
るので、その様な検出方法が優れている。
この発明では、距離差を計測することが必要である。即
ち、第12図のタイミングTI(132)とタイミング
T2(133)の間の時間差測定が必要であるが、この
計測には原信号To (13j)の発生時刻タイミング
は不要な情報である。しかし、観測点P(5)の位置検
出が出来る根拠は信号発生時の人工衛星の位置が確定し
ている事が条件である。人工衛星の位置は時間の関数と
して表すことができるので。
第12図の原信号TO(131)のタイミングを時刻の
情報性の信号にして、観測点P t51 K J1知し
てやれば、観測点P(5)は距離差計測の情報を得ると
同時に、この原信号が発生され之時刻を知り、それより
その時の人工衛星の宇宙空間での位菅も正確に得ること
が出来る。
次に距離計測について説明する。今までの説明では第1
2図で計測に使用する信号は瞬時の時刻を示すパルスを
使用した。パルス法形による距離計測はレーダで用いら
れている方法であるが、地上機器の場合、容易て高振幅
のパルスを発生し易く、また到達距離もLOOOKmm
後の場合が多い。
しかし、宇宙で使用する場合、到達短離が非常に遠いい
のと、測距の為の信号エネルギーをパルス状のように瞬
時に集約する方法は必要な装置を大型化し、得策ではな
い。従って1時刻のタイミング信号を長い時間にわ九り
伝送し、受信側に?=−いても検出を長い時間行える装
置を採用するなら。
宇宙上における機器の構成を容易出来る。
計測のために必要な最大の伝播距離は1式(至)で想定
し九様に約130,500Km程度であればよい。
この距離の間をあいまいさのない−通りの符号で符号化
出来ればよい。基本クロックをIMHzにすると、この
間に約0.43 X 10箇の繰り返し波形が存在する
ことになる。
そこで、  20  ビットのシフトレジスタを使用し
擬似ランダム符号(Psusdo Random Co
de 、  略してPRN符号)を発生させれば2 −
1=IX1G  の固有なパターンを発生することが出
来る。他に。
10ピツトの2つのシフトレジスタより発生するPRN
  コードの位相を固有にし、 ModulO2の論理
和によって得られるゴールド符号を使用し。
1023XN123さ1×10の間を固有なパターンを
発生することも出来る。
受信側では0時間差のある2つの相関演算を行う事によ
り2つの符号間の位相差、即ち、距離差を計測すること
が出来る。この計測原理を人工衛星と人工衛星間の両方
の計測に適用出来る。
PRN符号を用いた場合、同じ周波数にもかかわらず、
別のPRN符号の種類を使用することにより、複数の符
号を同時に使用出来ることや を波干渉の観点から要求
される電力束密度の想定を守り易いなどの利点を有して
いる。
距離差を計測する為の測距信号と時刻信号を同時に送信
する信号形式の例を第14図に示す。
(150)と(151)  は測距用PRN符号(1)
、 +21用シフトレジスタ、  (152,) l’
1.時刻符号発生装置。
(153)は時刻装置、  (154)は搬送液、  
(156)はPRN符号の発生や時刻符号を発生させる
クロック、  (157)は各符号の正秒時に各レジス
タの内容をリセットするゲート信号、  (45s)は
2つの符号のMOD 2合成器、  (159)、(1
60)は変調器。
(1(51)は搬送波の90度移相器、  (162)
はQPSKの合成回路である。
この発明では、PRN符号のクロックをIMHzとじ之
場合、2つの符号の合成による測距信号が必要となる必
要理由は後で述べる。PRN符号(1)とPRN符号(
2)をMOD 2加算し、新しいPRN符号を作成し九
。PRN符号(1)とPRN符号(2)のシフトレジス
タ(150)、 (151)はそのための信号発生器で
ある。2つの符号はMOD 2加算器(158)で加算
された後、搬送波の上(で変調器(159)により変調
され、 B P S K (B 1−phase 5h
ift keying)変調信号を得る。
この符号は正秒時に内容がゼロ・セットされ。
その時点より符号の内容が移り変わっていく、そのタイ
ミングは時刻装置(153)から得られるゲート信号(
157)時刻符号器はそれと同時に時刻装置より読み取
った現在時刻をクロック(156)に駆動され、符号と
して送信していく1時刻符号は測距信号と位相が90度
累々りな搬送液で変調器(160)によって変調される
一測距信号と時刻符号は直交して変調しているので1合
成器(162)で合成され、1つのQPSK信号にされ
る。
観測点P(5)は測距信号を受信すると同時に原発主時
刻を同時に知る事が出来る。
第15図は第14図で構成された信号の形成を示す。(
170)は測距信号、  (17i)は時刻信号。
(172)に正秒の瞬時、  (173)は正秒のコー
ド。
(174)は0スタート、  (175)はダミー信号
、  (176)は1秒コード、  (177)はi+
1秒コードである。
測距信号(170)は正秒時に内容をクリヤし同時に時
刻信号(171)もこの時点よシ時刻のカウントを開始
する。カウント値は正秒コード(173)から遂次内容
を新しい時刻で更新しながら連続して継続される。測距
信号(170)は常に時刻信号を伴うので、測距信号(
170)が衛星で発生した瞬間を時刻信号(171)よ
り知る事が出来る。
この2つの信号を同時にクリヤする0スタート(174
)のタイミングは正秒とか、それから0.5秒おきとか
時刻の丁度区切シのよい時に設定すると都合がよいが、
その時間と測距信号の長さとは必ずしも一致しないので
、その間をダミー信号(175)でうめておく。
次にこの信号形式を使用し実際に距離差を計測する方法
を説明する。
第16図では衛星A、Bの移動軌跡を示す。
(1aO)は衛星人(1)の軌道、(181)は衛星B
(2)の軌道である。(182)は衛星人(1)の正秒
に於ける人工位置で、  (183)に衛星A (1)
のAI点の位置。
(184)は測距信号がAI 点より開始し一巡する位
置An点である。(185)は衛星人(1)が人工の時
の衛星B(2)の位置でB1点、  (186)は衛星
人(1)がAi 点の時送信した信号が衛星B(2)に
到着した時の位[Bl 、  (187)は衛星人(1
)のA1点に相当する衛星B(2)の位置でBi+に点
で、  (18B)は衛星人(1)のAn点に相当する
衛星B(2)の点である。
第1T図は各衛星が第16図の各点にある時の信号の様
子を示したものである。(190)は衛星人(1)の発
生する信号、  (191)は観測点P(5)が衛星A
(1)から直接受信する信号、  (192)は衛星人
(1)の発生する信号をB(2)を経由して観測点P(
5)が受信する信号、  (193)は衛星人(1)が
At点(182)で測距及び時刻の信号をゼロクリヤす
る瞬間、  (194)は衛星人(1)のAt点(18
2)から観測点P(5)までの伝播遅延、  (195
)は衛星A (11のAt点 から衛星B(2)の1点
(186)を経由し観測点P(5までの伝播遅延。
(196) 、 (198) 、 (200)は各信号
の時刻信号、  (197)。
(199) 、 (2o1)は各信号の測距信号、  
(202)は衛星A (1)がA1点(183)にあっ
た時の時刻、  (2os)は同じ時刻(202)を観
測点P(5)が受けた時の時刻(204)はさらに時刻
(202)を衛星B(2)経由で観測点が受信した時刻
、  (205)は時刻の経過を示す。
衛星人(1)がA1点(182)に在った時、正秒にな
り。
時刻及び測距信号はゼロクリヤされ、その時点より信号
が継続的に積算されていく。AI点から発生した信号は
伝播遅延(194)の後観測点P(5)に達し、同様に
、衛星B(2)のBi 点(186)を経由し。
観測点P(5)に達する。観測点P(5)ではこの2つ
の伝播遅延(194)と(195)の差分よシ距離差デ
ータが得られる。
この時衛星人(1)と衛星B(2)の位置(j83)と
(185)が明かであるので、2つの宇宙上の2つの固
定点から双曲面を引く事が出来る。衛星が特定な所にあ
る時でなく軌道(1SO)の任意な点At (183)
に在った時の説明を行う。
この時衛星人(1)は測距信号のAI点(IEI5)の
時点に於ける位相を持ち、これを観測点P(5)と衛星
B(2)へと送信する。観測点P(5)では、伝播遅延
の後受信信号(191)を受信する。衛星B(2)へ発
せられ九信号はBi+に点(187)で受信され、観測
点p(5)へ再送されるが、この時測距信号は衛星A(
1)からの信号を保存するが0時刻信号は衛星A(1)
の時刻から衛星B(2)の時刻に置換える。観測点P(
5)は、受信信号(192)を受信する。観測点P(5
)はこの2つの信号を受信することにより1次のような
測位データを得る。
時刻Ti (203)の時刻に受信信号(ロ)(191
)の測距信号と受信信号(ハ)(192)の測距信号を
得る。この2つの測距信号の位相を比較すると、距離差
を検出する事が出来る。即ち1時系列的に見るとTi点
(203)で受信された受信信号(ハ)(192)の測
距信号は、受信信号(ロ)(192)のTi点(203
)の位相まで、距離差の伝播遅延に相当する時間の後に
達る事になるので、2つの位相値を読めば、この測距系
が持つクロックの速さより1位相差示す伝播遅延を算出
することが出来る。この場合伝播遅延の算出は計算で求
める事が出来るので、 Ti点(203)で測距信号を
検出した直後に遅延値を得る事が出来る。
もう一方の方法はT1点(203)で受信信号(ロ)(
191)の測距信号を検出するが、受信信号(ハ)(1
92)は遅れて受信されているので、この位相がTi点
(203)で受信された受イa゛信号(191)の位相
に達するまでの時間経過を待つ。この時間経過が距離差
を示すことになる。
距離差計測を行った時の衛星の位atに受信信号の時刻
を読み取る事により堆得できる。T1点(203)で検
出した受信信号(j91)の時刻は、その時刻に相当す
る測距信号が軌道(180)の成る点。
即ちAt (183)で発生された事を示すものである
このAt ’(183)の点は、軌道決定及び軌道予測
直に対して1時刻(205)を指定することにより確定
することが出来る。同様に受信信号(ハ)(192)の
時刻’rnH−x (204)も衛星A (1)のA1
点(185)で発生した信号が衛星B(2)で中継され
観測点P(5)に伝送される点を示すもので、軌道関連
の処理を通じ。
Bi+k (187)点を明確にする。
第18図は3つの衛星をグループとした時の信号の流れ
を示す。(210)と(211)は衛星人(1)から観
測点P(5)と衛星B(2)への信号の流れ、  (2
12)と(213)は衛星B(2)が中継したデータを
観測点P(5)と衛星C■への信号の流れ、  (21
4)は衛星C■から観測点P(5)への信号の流れを示
す。
衛星B(2)及び衛星C(至)が信号を中継する時、観
測点P(5)へ伝送される信号の時刻信号にいずれも元
の衛星の時刻から、自分自身の持っている時刻に変換を
行う。観測点P(5)で受信される信号の測距信号はす
べて、衛星A(1)から発生された内容を維持している
が0時刻信号は、受信している衛星の時刻を受信できる
ことになる。
第19図は地球全体に10箇の衛星を投入した場合の観
測のモードを示すものである。
10箇の衛星の間で衛星間通信機能を使用し。
計測を行うので、少なくとも2組の衛星が対になってい
る必要がある。10箇の衛星の場合、第18図の3つの
衛星を1つのグループとするものと、2つの衛星を1つ
のグループとするもので。
10箇を組合けし、その組合せの方法で1群を構成する
。(220) 、 (221) 、 (223)は10
箇の衛星をグループ別に分けた時の分は方の群、 (2
25) 、 (225) 。
(226)は正秒時、  (224)、(226)、(
22B)は1群の計測信号がすべて伝達するに要する時
間帯を示す。
1群(220)の1群の時の計測について説明する。
正秒時(225)の時衛星A、D、F、Iが時刻と測距
信号のゼロクリヤがあり、そこを開始点として各信号の
発生を継続的に行う。計測に要する時間(224) i
、初めて衛星が測距信号を発生してから。
最後の衛星C,E、H,Jを経由して最後の測距信号が
観測点P(5)に達するに要する時間である。
正秒時Q23)から次の整数秒時(225)までの間時
刻信号は時刻信号を継続的に発生するが、測距信号は衛
星A、D、F、Iが最長の測距信号を発生した後人の整
数秒時までの間はダミー信号を発生する。第1群(22
0)の信号が終了した後第2群(221)のモードに移
行する。第2群では衛星J。
C,E、Hが最初の信号を発生することになる。
このように整数秒時毎にグループの組合せを変え。
5群の組合せを行うと元に戻る。
観測点に少なくとも2群のモードの組合せを観測するこ
とにより9等価的に4つの衛星の測距データを得ること
が出来る。
次にこの発明で使用する人工衛星の構成図について第2
0図を用いて説明する0、クリスタル発振器(240)
は2時刻装置(’242)を働かせ、その出力をテレメ
トリ装ff! (245) 、送信1fi (246)
 、ダイプレクサ(247) 、アンテナ(248)を
経由し、管制局に送る。管制局ではこの信号と国の一次
基率レベルの信号と比較を行って0発振周波数の微調と
時刻の較正を人工衛星に送信する。この信号をアンテナ
(248) 、 ダイプレクサ(247) 、受信機(
249) 、  コマンド受信機(250)を経由し受
信し、補正の為のコマンドCMをクリスタル発振器(2
40)及び時刻装置(242)に対し行う。テレメトリ
装+1(245)及びコマンド受信機(250)は0時
間の較正以外の一般の衛星のバス機器用としても使用さ
れる。管制局からの距離及び距離変化率信号は受信機(
249)と送信機(246)の間を折返しルー) (2
61)を経由し返送され、この人工衛星の軌道決定に使
用される。
クロック(214)を受けてPRN符号発生器(252
)は、一連のPRN符号を発生し、基準時刻信号(24
3)を受けた時刻情報は特定時刻と前述のPRN符号の
特定な位相とが同期する関係を持って、この2種類の信
号を同一の信号9例えば4相位相変調信号にするため、
変調器(253)に入力され、その出力は、送信機(2
54)とユーザ間アンテナ(255)を経由し、ユーザ
に送信される。同時に変調信号(226)は、増幅器(
257) 、グイプレクサ(258) 、アンテナ(2
5りを経由し、他の人工衛星にも信号が送られる。
他の人工衛星からの信号を受け、その信号をユーザに送
信すると同時に次の人工衛星に向は送信する型の人工衛
星では、他の人工衛星から受信した信号(270)はア
ンテナ(259)で受信し、グイプレクサ(258) 
、受信機(280)を経由した信号は、復調・変調器(
260)において、受信時刻信号(243)を時刻符号
装置(152)より受信し九自分の時刻と代替させ、測
距信号は受信した信号を保存する信号変換のための復調
及び変調を行った後、観測点Pに向は送信機(254)
とアンテナ(255)を経由し送信されると同時に、も
う一方の人工衛星に対して送信機(262) 、アンテ
ナ(264)を経由し、信号(255)で送信される。
〔発明の効果〕
この発明では静止軌道上に大きな傾斜角を持つ人工衛星
を投入し、観測者から4箇の人工衛星が観測されるよう
にし、観測者に受信機・簡単な時計と計算処理アルゴリ
ズムを持つこと!(より、自己の位置を算出できる。観
測者は極地方などの高緯度地方を除いて、この計測が可
能である。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第19図はこの発明を説明する念めの図であり
、第1図は2箇の人工衛星を使用し、2次元に展開し次
場合を示す図、第2図Vixyz 座標の双曲面を示す
図、第3図は3箇の人工衛星を用いた場合を示す図、第
4図Vi第3−の配置を3次元座標で示し友図、第5図
は人工衛星を4箇使用した場合でのxy面上の様子を示
す図、第6図I/′14箇の人工衛星を使用し次場合を
3次元座標で示した図、第1図は4箇の人工衛星と観測
点の配置を示す図、第8図は位置検出のためのアルゴリ
ズムを示す図、第S図は地球上に配置された人工衛星の
様子を示す図、第10図は緯度と傾斜角による衛星の移
動関係を示す図、第11図は位相を説明するための円と
静止軌道上の人工衛星の位置を示す図、第12図は人工
衛星間の距離差の計測方法を説明するためのタイミング
図、第13図は時刻較正の方法を示す図、第14図は距
離差を計測するための測距信号と時刻信号を同時に送信
する信号形式の例を示す図、第15図は第14図で構成
された信号の形式を示す図、第16図は衛星A、 Bの
移動軌跡を示す図、第1T図は各衛星が第16図の各点
にあった時の様子を示す図、第18図は3つの衛星をグ
ループとした時の信号の流れを示す図、第19図は地球
全体に10箇の衛星を投入した場合の観測者のモードを
示す図、第20図は第13図の位置検出を行う時の人工
衛星の構成図、第21図はGPSの人工衛星の構成を示
す図である。 図中、(1)と(2)は軌道上にある人工衛星A、B。 (3)は人工衛MA、B(1)、(2)を貫く軸でX軸
、(4)は人工衛星AとBのX軸の中点を原点とし&y
軸。 (5)は人工衛星AとBからの距離差が一定な点P。 (6)は点Pの17面上の軌跡、(7)はy軸に対して
双曲線(6)と対称な双曲線、(8)は2軸、(9)f
′i、双曲面。 (I〔とα1)H双曲面をyz面に平行な面で切断した
時の円、■は人工衛星C00ηはX°軸、@はy°軸。 @はX軸とX′軸の為す角θ、(財)は観測点Pを含む
APとCPの距離葺一定の双曲線、(イ)は双曲線(6
)と(財)の交点の1つ、@は双曲線(6)と04)の
交わる2点を含む直線、@は双曲線@をX°軸で回転し
て得られる双曲面、@は2つの双曲面(9)と双曲面@
が交わる線分を含む平面、翰は2つの双曲面(9)と(
財)の交点より成る2次曲線、CGはx’ X軸、偵0
はy”軸、働は4箇目の人工衛星り、13は人工衛星C
と人工衛星りの観測によって得られた双曲線、(財)は
X°軸とx”軸の為す角、alは双曲線(6)と双曲線
G13の交点を通る直線、(イeはxol 、l°zI
j座標のz ts軸。 (ハ)は3次元の場合2つの双曲面の交わる面、  (
50)はAP間、  (51)はBP間、 (52)は
cp間・、 (53)はDP間のそれぞれの距離、  
(54)はAH間、 (ss)はBC間、  (56)
はCD間の距離、  (71)は観測点P。 (72)は観測点(71)における水平線、  (75
)は他心と静止軌道を結ぶ線、  (74)は仰角、 
 (7B)は地球の半径、  (79)は静止軌道、(
an)、(sg、(a2)、(ss)。 (84)。(85)はこの発明に係る静止軌道上の人工
衛星、  (90)は緯度、  (91)はP点から見
た仰角。 (92)は赤道面、  (93′lli赤道面上静止軌
道に直交する線、  (100)は位相を示すための円
、  (10j)、(102)。 (103)は同一時刻に於ける人工衛星の位置、 (1
04)。 (105) 、 (106)は成る時間経過した後の同
一時刻の人工衛星の位置、  (11o)、(m)、(
112)、(11g)は赤道面上の静止軌道で衛星が大
きな傾斜角を持った時に移動する範囲を線分で示したも
の、  (114)。 (115)、 (116)、 (117)、(11a)
、 (119)、(120)、 (121)は人工衛星
の位置、  (151)、(132)、(153)は基
準パルス、  (134)、(135)は受信パルス、
  (152)は時刻符号装置、  (214)はクロ
ック、(240)はクリスタル発振器、  (241)
Viクリスタル発振器出力、  (242) Vi時刻
装置、  (245)は基準時刻出力、  (246)
  は送信機、  (247)はグイプレクサ、 (2
48)はテレメトリ・コマンド用アンテナ、  (24
9)は受信機、 (250)はコマンド受信機、  (
261)d測距の折返しルート。 (252)はPRN符号発生器、  (253)は変調
器、(254)は送信機、  (255)は観測者向ア
ンテナ、  (257)  は送信機、 (25B)は
ダイプレクサ、  (259)は衛星間通信用アンテナ
、  (2,1SC1)、(2155)、(27のは衛
星間通信用信号、  (280)は受信機、(260)
は復調・変調器を示す。 なお図中同一あるいは相当部分には同一符号を付して示
しである。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)軌道傾斜角を10度〜6度近くにし、かつ同一時
    刻に於ける隣り合う人工衛星の近点離角がお互いに12
    0度近くに離れるような静止高度上で地球表面近くより
    見て可視域に同時に入る人工衛星を4箇投入し、地球表
    面上に存在し、上記人工衛星の軌道計測、軌道決定、軌
    道予測と上記人工衛星から受けた時刻及び周波数と標準
    となる時刻や周波数を比較し、補正のための指令を上記
    人工衛星に送信する管制局によつて較正された時刻信号
    とその時刻信号にもとづき、また、時刻信号と同期関係
    を保つて作られた測距信号を4箇所のうちの1箇の人工
    衛星が、直接地球表面に送信すると同時に、前記の時刻
    及び測距信号を他の人工衛星に対して衛星間データ中継
    手段によつて隣り合う人工衛星に送信し、前記の時刻及
    び測距信号を受信した前記の隣りあう人工衛星は、この
    信号を地球表面に送ると同時に、さらに次の隣り合う人
    工衛星に送り、これを4箇の人工衛星に順次適用し、4
    箇の人工衛星からは前記の各々の時刻及び測距信号と自
    らの時刻にもとづいた時刻及び測距信号を地球表面に送
    信し、地球近くではこの測距信号の受信中に含まれる時
    刻とにより管制局より得られる軌道予測にもとづき求め
    られた4箇の人工衛星の位置を基点として、4箇の人工
    衛星の隣り合う2箇の組合せに対して、測距信号を用い
    て人工衛星と観測者の間の2種類の距離差を算出するこ
    とにより、前記の2箇の人工衛星を焦点とする双曲面を
    描くことが出来、4箇の人工衛星の組合せで得られる3
    組の2対の人工衛星につき、前記と同じ計算処理を行う
    ことにより、双曲面の交点として観測点を求めることを
    特徴とする人工衛星を用いた測位方法。
  2. (2)請求項(1)記載の人工衛星の構成を5箇以上静
    止高度上に配置し、地球表面上の地域を拡大すること及
    び9箇以上を地球周囲まわりの経度上にほぼ等しく配置
    したことを特徴とする人工衛星を用いた測位方法。
  3. (3)外部からの指令信号にもとづいて、時刻の補正及
    び周波数の微調整が出来る時計装置と距離差の計測のた
    めの信号を発生させる装置を備え、前記の2つの装置よ
    り発生する信号を同時に変調し、地球表面の近くの観測
    者に送信できる装置と同じ時刻及び距離差の計測の信号
    を他の人工衛星に向けて送信できる衛星間のデータ中継
    装置と、他の人工衛星から受けた時刻及び距離差計測の
    ための信号のうち時刻信号を自分の時刻信号に変えた信
    号を前記の地球表面の近くの観測者に送信できる装置に
    加えて送信できると同時に、さらに他の人工衛星にこの
    信号を送信できる衛星間のデータ中継装置を備えること
    を特徴とする請求項(1)、または請求項(2)記載の
    人工衛星を用いた測位方法。
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