JPS63122976A

JPS63122976A - 人工衛星を利用した観測位置検出方法

Info

Publication number: JPS63122976A
Application number: JP27032686A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Inamiya; 健一稲宮
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1986-11-13
Filing date: 1986-11-13
Publication date: 1988-05-26

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〕この発明は地球上に於いて軌道上に有る人工衛星を観測
することにより自分の位置を検出する事ができる航行衛
星に係シ、特に複数の衛星を使用した簡単なアルゴリズ
ム処理による位置検出を行なう人工衛星を利用した観測
位置検出方法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
上に発振源を置くものから人工衛星を使用したＮ　Ｎ　
Ｓ　Ｓ　（Ｎａｖｙ　Ｎａｖｌｇａｔｌｏｎ　５ａｔｅ
ｌｌｉｔｅ９ｙ　ｔ３　ｔ６　ｍ）やＧ　Ｐ　Ｓ　（Ｇ
ｌｏｖａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ８ｙｓｔｅｎ）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１位
置検出の範囲の広がシや。

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るが、ＧＰＳは時間計測により測距
をもとにしたものであ）、前者に比較し、後者の方が多
くの号で秀れた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とのＧＰＳを対象として従来技
術の説明を行う。

第８図にＧＰＳの衛星の構成を示す。（９０）。

（９１）、　（９２）、　　（９３）はＧＰＳ用のＮＡ
Ｖ８ＴＡＲ（ＮＡＶｉｇａｔｉｏｎ　ｌｌｉｓｔｅｍ　
ｗｉｔｈ　ＴｉｍｉｎｇＡｎｄ　Ｒａｎｇｉｎｇ）でそ
の位置をＡ’、　Ｂ’　、　Ｏ’　、　Ｄ’　テ示す。

ＮＡＶ　５ＴＡＲは自から精密な原子時計を持って、自
か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ｊｌ）、　ＮＡＶ１
９ＴＡＲは現在の時刻を週の始等を基準に正確に表現し
ている。また、ＮＡＪ８ＴＡＲの位置は管制局によるＨ
ＡＶＳＴＡＲの追跡データより軌道決定が行われ１時刻
が分ると自からの位置が確定する事になる。従って観測
者がＮＡＹＳＴＡＲＯ所に居た場合。

ＮＡＶＳＴＡＲの現在の時刻及びその時刻と軌道要素よ
υ位置が既知数となるが１次にこの観測者がＨＡＶＳＴ
ＡＲの位置を離れてＮＡＶＳＴＡＲを観測した場合どの
様になるかであるが、　　（９４）を今その観測点とし
てＥ′で表わす。今観測者は時刻装置を持っているが較
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。

観測者が観測を行った時刻をＴＯ＋Δｔとする。ＴＯ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ＮＡＶＳＴＡＲ（
９０）、　　（９１）、　　（９２）、　　（９５）の
時刻はＴＩ。

Ｔ２．　Ｔ５．　’ｒ４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ＨＡ
ＶＳＴＡＲ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。

第（１）式には未知数としてＥ′の位置である三次元の
３種類の値とΔｔに対して４種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。

ＮＡＶＥＩＴＡＲの軌道は高度２０．１８３Ｋｍの円軌
道で２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種類あシ合計１８箇の衛星が軌道上を飛し
ようする。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。

ＩＪＡＶ８ＴＡＲの管制局及びモニタ局はそれぞれ１局
、４局づつ置かれ１局の可視範囲内にＮＡＶＩ９ＴＡＲ
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２時刻の管理は一次基準と較正することで実施
される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ＧＰ８は地球局の負担を軽減しようとして高精度の時計
装置を衛星に搭載するため１人工衛星の構成が非常に複
雑になる。この発明は人工衛星の搭載側に時計装置を用
いずに、従来技術で容易に出来るトランスポンダを使用
し航行衛星を実現しようとするものである。

またＧＰ８では地球上の任意の地点でも等しく使用出来
るため多くの衛星を軌道上に投入してｂるが、この発明
では静止軌道上に３箇の衛星を投入する事により広範囲
の地域に対して航行衛星が使用出来るようにしたもので
ある。また８箇以上投入する事で極地方など高緯度を除
き世界中を覆える。

〔問題点を解決する為の手段〕

この発明は大きな軌道傾斜角を持つ静止軌道に３箇の人
工衛星を投入し、この３つの衛星を頂点とする三角形が
常に出来るだけ大きな面積を持てる様な軌道とし５この
人工衛星には信号発生器。

衛星間通信器、衛星地球局を結ぶ中継器、及び時刻中継
器を搭載し、地球に置かれた時刻の基準局より時刻信号
を受け、観測点からこの３箇の人工衛星を観測し２人工
衛星から直接発生する信号及び他の人工衛星経由でもと
の人工衛星の発生する信号を観測し、受信信号の時間計
測を行う事により地球局の位置を求めようとするもので
ある。

〔作用〕

この発明においては基本となる大きな軌道傾斜角を持つ
静止軌道に３箇の人工衛星が観測者に対して直接送るタ
イミング信号及びお互の人工衛星を経由して観測者に送
るタイミング信号により。

観測者に３箇の人工衛星の相対位置関係の情報を与え、
地表面に存在する時刻基準局から時刻基茎信号を発生し
、上記３箇の人工衛星の同期をとる事によ如観測者に時
刻の情報を与え１人工衛星の軌道情報も使用し観測者は
特別な時刻装置を持たずに自分の位置を決定出来る様に
した・また、これらの人工衛星を８箇以上前記の軌道に
投入し、お互の軌道の位相関係を調整する事により極地
方を含む高緯度地帯以外の全地球上で使用できる様にし
た。

〔実施例〕

第１図にこの発明の原理図を示す。（１），（２１，（
３１は人工衛星でその位置を符号Ａ、Ｂ、Ｃで示す。

（４１は観測者の位置でＤで示す。（５１，＋６１．　
＋７１．（８）。

（９）、αＧは各点の間を結ぶ距離で、（５）はＡＢ、
（６１はＡＣ，＋７１はＢＣ，（８１はＡＤ、（９）は
ＢＤ、α・はＣＤである。

軌道上の人工衛星（１），＋２１．　＋３１なる位置に
あって。

観測者（４）が存在する時、立体三角形ΔＡＢＯＤの各
辺が既知で、かつＡ、Ｂ、Ｏの位置が既知であれば、Ｄ
の位置が未知であっても方程式によってその位置を見出
すことが出来る。

観測者（４！が計測出来る値はΔＡＢＤの場合９辺ＡＢ
−）−ＢＣと辺ＡＤの距離の差と１辺ＡＢ−）−（３Ｄ
と辺ＢＤの距離の差であるとするこの様にＤ対を中心に
して、各三角形で同様な観測が可能であるとするなら、
６種類の距離の計測が出来る。

以下に６種類の観測を行った場合の測距の式を示す。

第（２）式では既知数である計測値はＬ１〜Ｌ６　の６
箇に対して未知数は立体三角形の各辺である（５）〜α
１の６種類の距離が存在する事を示し、この値の関係を
示す式が６種類あるので、この（２１式の方程式は解く
事が出来る。

観測者（４！の６種類の距離により、立体三角形の各辺
が求められる事が判明したが１次に人工衛星の位置が分
る必要がある。人工衛星は軌道上を運動しているので、
地球上及びデータ中継衛星を含む追跡管制網により観測
を行い、対象となる人工衛星の軌道を決定すれば、その
軌道要素をもとに任意の時刻に於ける人工衛星の位置は
算出する事が出来る。即ち３つの人工衛星の位置は時刻
を定めれば位置を確定する事が出来る。

次にこの発明で用いられている第（２）式の距離の求め
方について述べる。軌道上に存在する人工衛星は位置（
１），（２１，＋３１０いずれにあるものも、対称的な
性質を持っているので、３箇のうち１箇につｂて説明を
行えば他の２箇も同様な性質を持つものである。第２図
には位置（１）にある人工衛星の測距に使用される信号
発生器と中継器の構成を示す。

（イ）は測距パルスの発生器、Ｑυは送信機１．＠はＤ
点への送信アンテナ、＠は送信機２．Ｈは受信機増幅器
、＠は送受切換器、四は（３１の位置にある人工衛星と
の間の送受信に使用されるアンチ九（財）は（２）の位
置にある人工衛星との間の送受信に使用される送受信機
と送受切換器の一群よ構成るユニット、＠は（２）の位
置にある人工衛星との間の送受信用アンテナである。

第３図では測距用パルスのタイミングを示す。

（至）はパルス発生器のタイミング、（ロ）はノ々ルス
発生器■の原周波数、　３１）は地点（１）から（４！
の地点に直接送信されたタイミングのタイムライン、＠
は地点（１）から（４）に直接送られ、地点（４）で受
信され九パルス、＋３２は地点（１），＋３１．　（４
！と経由したタイミングのタイムライン、（至）は地点
（３１，１３１を経由し地点（４）で受信されたパルス
、＠は地点（１）、　（２１，＋４１と経由したタイミ
ングタイムライン、＠は地点（１），（２）を経由し地
点（４）で受信されたパルス、＠はパルス（至）と（至
）ノ間ノ時間、　ＣＩはパルス（至）と（至）の間の時
間、（イ）はパルス（至）と（９）の間の時間である。

地点（４）で受信したパルスの時間差（至）、（イ）は
第（２１式のＬｌとＬ２の値ヲ与える。この様に第２図
に示す信号発生器と中継器を人工衛星（２）と（３）も
同様に持ち、第３図で示す様なタイミングの信号を発生
するなら（Ｆ−１）の方程式のＬ３．Ｌ４．Ｌ５．Ｌ６
を与える事になり、観劇点（船のＤと人工衛星（１），
＋２１．　＋３１の位置Ａ、Ｂ、Ｑの関係を決定する事
が出来る。

次に位置Ａ、Ｂ、Ｏの求め方であるが１人工衛星は自か
ら搭載するテレメトリ・トラッキングアンドコマンド（
ＴＴ＆Ｃ）　　用）ランスポンダとこの人工衛星の観測
局との組合せによるレンジ・アンド・レンジレートの測
定と、それにもとづく軌道計算を行う事で軌道６要素が
求められる。６要素が決定された後は成る時刻が指定さ
れ＼ば位置が確定する。若しＤ点に正確な時刻が存在す
るなら、ＤとＡ、　　Ｂ、　Ｃの立体三角形が決まって
いるので、ＡＤ、ＡＢ、ＡＣの距離からＡ、Ｂ、Ｃの時
刻が求められ位置が求められる。観測点はあらかじめ管
制局から送られた最新の６要素を人工衛星のテレメトリ
信号より知る事が出来ると考える。

次に観劇点りに時刻装置がない場合でも位置の決定が出
来る事を述べる。

第４図には３箇の人工衛星と時刻基準局の関係を示す。

（５０）は地球上に置かれた時刻基準局で時刻の一次基
準に較正されている。（５１）、　　（５２）。

（５３）は３箇の人工衛星と時刻基準局を結ぶ線である
。

第５図には時刻基準局（５０）のタイミングと第３図の
タイミングの関係を示す。（６りは時刻基準局（ＳＯ）
のタイミングのタイムチャート　（６４）ハ時刻パルス
で秒時或いはこれと簡単な時刻関係にある時、このパル
スが発生すると都合がよい。時刻基準局（５０）で発生
した時刻パルス（６りは伝ばん路（５１）を経由して人
工衛星（１）に受信され、この時刻信号をトＩＩガとし
て、自からの原振パルス（６５）を発生する様にする第
３図の原振パルス（ロ）と同じであるが、この場合は時
刻基準局に同期している。

その後のパルスの伝達方法はすでに前記の通シである。

同様に人工衛星（２）、（３）で受信された時刻パルス
（６りは人工衛星の原振パルス（６６）、　　（６７）
を発生させる。観測点（４）が時刻差信号を観測しＤに
対してＡ、Ｂ、Ｏの位置を決めたのは前述の通シである
が、この値を逆より使用する。観測点には十分精度の高
い発振源がちシ、この原周波数をもとにカウンタにより
各タイミング信号の時間測定は容易に出来るものである
が１時刻の較正はされてないとする。従って観測点（４
１の時計は周期の精度は良い絶対時刻の間では未知の時
刻バイアス値を持つものとする。観測点（４）が（至）
、＠のタイミングパルスをもとに第（２）式の方程式を
解くなら、観測点（４）が受信した時刻から逆算し、（
旧２１　（３１の人工衛星が（２）、　　（６５）、　
　（６６）の時刻パルスを受けた時刻が算出される。軌
道データはすで忙判明しているので、この時刻とこの軌
道データをもとに（５０）＋７）時刻基準局の送信時刻
を算出する。ところが、実際は観測点（４）の時刻は較
正されてないので、正し５時刻は逆算出来なｔ”’ｏ　
Ｌかしく５りの時刻基Ｓ局の時刻パルスは秒時等の正確
な時刻情報を持って込るので、この演算では（５０）の
時刻基準局の近傍の時刻が算出出来る。この差分は観測
局が持って込るバイアス値に帰因するので、この観測に
よりバイアス値の算出が可能となる。しかし観測値と観
測点（４）の時刻では真値から偏差しているので。

軌道位置や時刻の推定が誤差が含まれる。この計算過程
を数回（υ返し時刻の推定を精度よく行り。

軌道位置が正確に算出出来る程、観測データが人工衛星
の位置１時刻基準局の位置１時刻情報、観測点の位置を
矛盾なく説明出来る様になシ観測点の位置を確定する事
ができる。

次に３箇の人工衛星の軌道について次の様な条件を使用
する。ＧＰ＋３では１２時間軌道を使用したが、と＼で
は静止軌道を使用する。静止軌道の傾斜角は大きくとり
、３箇の人工衛星を頂点とする三角形の面積が常に大き
くなる様な位相関係を選ぶ。

地球面より靜止軌道面を眺めた時通常仰角５０度以上を
アンテナの通信域と考えるなら、他心から見て、約１５
４度の視角を得る。この間に３箇の人工衛星が見えるな
ら、この地点より前記の位置の推定を行う事が出来る。

第６図に赤道面上の静止軌道を示す円周時に、直下点経
度が４５度おきに人工衛星を離して打上げた時の地球面
からの視野を示す。（７０）は経度、　　（７２）は経
度０．（７３）は経度００所にある人工衛星、　　（７
４）、　（７５）もそれぞれ経度４５度、９０度にある
人工衛星、（７Ｑ。

（７７）、　（７８）は各人工衛星が地球上から見える
視野の範囲を示す。

静止軌道上に４５度おきに８箇の人工衛星を投入した場
合を示す。この人工衛星（７５）　？　（７４）　。

（７５）等を地球上から見ると１人工衛星の直下点から
東西に約７Ｔ度の範囲でこの人工衛星を見ることが出来
る。この様に８箇の人工衛星の可視範囲を図示してみる
と、ｂずれの経度にあっても、常に３箇の人工衛星を見
ることが出来るのが分る。

次にこの各々の人工衛星の傾斜角の位相関係を第１図に
示す。（８ｏ）の軸は人工衛星の一周期を３６０度で示
したものである。（８１）の縦軸は人工衛星の位置から
赤道面までの距離、　　（８２）、　（８５）。

（８４）は各人工衛星の軌道上の位置を示しえものであ
る。

静止衛星は一日で静止軌道を一周するがこれは横軸（８
０）の３６０度と一致する。同時に３箇見える人工衛星
は軌道周期を１２０度づつ離すと、静止衛星の軌道は（
８２）、　　（８３）、　　（８４）で示す様になり、
この様な３つの人工衛星の位相関係にある場合は３６０
０のうちのいずれの所、即ち一日のラチある時刻を指定
するなら、３つの人工衛星を頂度とする三角形は常に平
均しである大きさの面積を持ち、観測点からの位置の算
出に都合のよい事が分る。

ところでこの発明の時刻情報の使い方とＧＰ８で使用し
ている方法を比較すると、ＧＦＳではＨＡＶＢＴＡＲに
高精度の原発振器を搭載し２時刻の同期は週の始めに時
刻を積算するカウンタを一斉にクリヤし、その時刻を基
単に一週間にわたるＮＡＶ’５ＴＡＲの時刻管理を行っ
た。しかしこの発明では時刻の基準局を地上に置く事に
より１人工衛星内での時刻処理は地上からの時刻信号の
遅れ時８のみの管理になるので９人工衛星の設計上の難
点は相轟除くことが出来る。

〔発明の効果〕

この発明では８箇またはそれ以上の８箇の近す数の人工
衛星で人工衛星には特別の高精度の時刻装置を持たずに
極地方など高緯度地方を除いて観測者が自己の位置を決
定する事が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の詳細な説明する九めの図。第２図は人工衛星に搭載されるこの発明による信号発生
器、中継器およびアンテナを示す図、第３図は測距用パ
ルスのタイミングチャートを示す図。第４図は３箇の人工衛星と時刻基準局の関係を示す図、
第５図は時刻基準局と測距用パルスのタイミングの関係
を示す図、第６図は赤道面上の静止軌道を示す円周上に
直下経度が４５度おきに人工衛星を打上げたときの地球
面から見た視野を示す図、第１図は人工衛星の軌道傾斜
角の位相関係を示す図、第８図は従来の人工衛星の構成
を示す図である。図中、（１）〜（３）は人工衛星、（
４！は観測点。（５１〜αＧは人工衛星間１人工衛星と観測点との間の
距離、■は測距パルス発生器、　ｏｎは送信機１．（至
）は送信アンテナ、＠は送信機２．（財）は受信機増幅
器、（ハ）は送受切換器、＠は衛星間通信用アンテナ。勾は衛星間通信用中継器、＠はもう一つの人工衛星向の
衛星間通信用アンテナ、（５りは時刻基準局である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）外部の時刻信号により時刻同期を保つて発生出来
る時刻基準信号の発生と、前記の時刻信号を地球方向並
びに同じ形態の他の人工衛星の方向に電波を送信出来る
送信機及びアンテナ、同じ形態の他の人工衛星より信号
を受けるための受信機、増幅機、送信機より成る中継器
およびアンテナとを備えた人工衛星と、地球表面に存在
し、時刻の一次基準より受けた時刻信号をもとに新たに
時刻信号を発生し人工衛星に向けて送信する時刻基準局
と、人工衛星より受けた信号をもとに計算処理を行い、
自己の位置を算出するデータ処理装置とを備え、上記人
工衛星を大きな軌道傾斜角を持ち、お互の軌道位置が、
隣接する３箇の人工衛星を頂点とする三角形が常に大き
な面積を持ち得る様な状態で或る地表面からの視野内に
少なくとも３箇投入し、上記時刻基準局より発生した時
刻信号を上記の３箇の人工衛星で受け、この時刻信号に
同期した信号を直接観測点及び他の人工衛星経由で観測
点に送信し、観測点に置かれた上記データ処理装置が受
信したこの信号並びに、３箇の人工衛星の軌道情報をも
とに観測点の位置を算出することを特徴とする人工衛星
を利用した観測位置検出方法。
（２）外部の時刻信号により時刻同期を保つて発生出来
る時刻基準信号の発生と、前記の時刻信号を地球方向並
びに同じ形態の他の人工衛星の方向に電波を送信出来る
送信機及びアンテナ、同じ形態の他の人工衛星より信号
を受けるための受信機、増幅機、送信機より成る中継器
およびアンテナとを備えた人工衛星と、地球表面に存在
し、時刻の一次基準より受けた時刻信号をもとに新たに
時刻信号を発生し人工衛星に向けて送信する複数箇の時
刻基準局と、地球上に配置され人工衛星より受けた信号
をもとに計算処理を行い、自己の位置を算出するデータ
処理装置とを備え、人工衛星を静止軌道上を為す赤道面
の円周上に、その直下点経度間隔がほゞ等しくなり、お
互の軌道上の位相が、いずれの隣近する３箇の人工衛星
を注目した時、これらの３箇の人工衛星を頂点とする三
角形の面積が常に大きな値をとる様に定めた静止軌道に
投入し、極地帯を除く地球上のいずれの点より常に３箇
以上の人工衛星が地球上より観測できる状態に於いて、
人工衛星と複数箇配置された時刻基準局から信号発生を
行い、これら信号をもとにして地球上に置かれたデータ
処理装置により観測点の位置を算出することを特徴とす
る人工衛星を利用した観測位置検出方法。