JPS63266375A

JPS63266375A - 衛星による位置計測システム

Info

Publication number: JPS63266375A
Application number: JP62101266A
Authority: JP
Inventors: Koji Yamawaki; 功次山脇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-04-24
Filing date: 1987-04-24
Publication date: 1988-11-02
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: JP2711271B2

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」本発明は、人工衛星を使った電波航法システムに関する
。更に詳しくは、地球表面の近傍で移動或いはは停止す
る航空機、自動車、船舶、建造物等の位置を人工衛星を
使って計測する衛星による位置計測システムに関する。

［従来技術］航空機、船舶等の地理上の位置を計測するには、種々の
方法が知られている６Ｍｔ近宇宙技術の進歩から人工衛
星を°使ったシステムが登場した。

このシステムは上空から信号を受け取るため地形の影響
を受けない等地のシステムに比して優れた特徴がある。

これらの中で過去提案された衛星を使った各位置計測シ
ステムの主なシステムを要約して紹介する。

１、ＮＮ５Ｓ（Ｎａｖｙ　　　Ｎａｖｉｇａｔｉ。

ｎ　　　５ａｔｅｌｌｉｔｅ　　　５ｙｓｔ、ｅｍ）衛
星からの電波の受信周波数がドツプラー効果により変化
するという原理を使うものである。この観測方式は米海
軍航法衛星システム（ＮＮＳＳＮａｖｙ’ｓ　　Ｎａｖ
ｉｇａｔｉｏｎ　　５ａｔｅｌｌｉｔｅ　　Ｓｙｓｔｅ
ｍ）に採用され、現在唯一の運用システムとして船舶の
航法をはじめ精密測量などにも使われている。ＮＮ５Ｓ
は全天候的な受動的（つまりユーザー側からの電波を出
さない）航法システムで地上のユーザーに対して世界的
規模で測位情報を提供する。

しかしドツプラー周波数効果を高める必要から衛星高度
的１１０００Ｋという低い極軌道をとるため地表のユー
ザーが観測できる時間は１０分程度と短く、しかも測位
計算には通常１バス（ｐａｓｓ）の間に得られるすべて
のドツプラー曲線が必要である。また現在５個のＮＮ５
Ｓ衛星が配置されており測位間隔は平均して９０分であ
る。それ故このシステムの利用は船舶のようなスローダ
イナミクスのユーザーに限られている。

■、ＮａｖｓｔａｒＧＰＳ　（Ｎａｖｉｇａｔｉ。

ｎ　　５ａｔｅｌｌｉｔｅ　　Ｔｉｍｉｎｇ　　ａｎｄ
Ｒａｎｇｉｎｇ　　Ｇｌｏｂａｌ　　Ｐｏｓｉｔｉｏｎ
ｉｎｇ　　Ｓｙｓｔｅｍ）これは、６個のＮＤＳ　（Ｎａｖ　ｉ　ｇａｔ　ｉ　ｏ
ｎＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　　５ａｔｅｌｌｉｔｅ航行
開発衛星）を１２０°離れた２つの軌道面に各３個づつ
４０°間隔に配置し、これより全世界的に１日に４時間
は少なくとも４個のＮＤＳ゛が同一視野にくる。計画で
は、（ｐｈａｓｅＩＩで）初期の６個から除々にＮＤＳ
を増やす、３次元（測位）としては周期的に、２次元（
測位）としてはほとんど連続的に測位が可能となろう。

全衛星配置が完了する１９９０年初期には１８個の実用
タイプの航行衛星（ＧＰＳ衛星）を周期１２時間。

赤道傾斜角５５°で１２０°離れた３つの軌道面に各６
個づつ等間隔に配置する考えである二ｑヱ」野艷Ａ念− 送信側と受信側の双方が理想的な精密時計を備えている
とすれば、送受信間の距離ρは受信時刻ｔと送信時刻ｔ
′との差つまり信号伝搬時間に光速Ｃを乗じて得られる
。

ρ＝ｃ　（ｔ−ｔ’　）・・・・・・（］、、１）計算
が可能であるためには、両時計はある共通の基準時刻（
ＧＰＳシステムタイム）に正確に同期していることが絶
対条件である。（１，１）式は、ＮＤＳからの時刻ｔ′
における位置を中心とし半径ρの球面を表す。

つまりユーザーの位置は時刻ｔにおいて３個のＮＤＳか
らの同時測定が行えたとすれば３つの球面が得られ、３
個の球の交わりとしてユーザーの３次元位置が決まる。

全世界測位衛星システムＧＰＳにおける測位計算はこの
ような簡単な幾何学的原理に基づいている。しかし、こ
の原理を実現するためには技術的な種々な条件が満たさ
れなければならない。まずこの測位計算ができるにはユ
ーザーは正確な送受信時刻を知らなければならない。、
しかしながら正確な時を刻む理想的な時計は存在せず我
々が利用できる時計は必ず時刻の偏移を伴う。ユーザー
はさらに送信時刻ｔ′におけるＮＤＳの位置を知らなけ
ればならない。（１・１）式では電波の大気層伝搬効果
を無視している。そこでこのような実際状況を考慮して
（１・１）を書き直してみる。

いま、ユーザー及びＮＤＳの時計のＧＰＳシステムタイ
ムからの時刻の偏移、つまり同期差をそれぞれ△ｔおよ
びΔｔ′とすればユーザーの計算する測距値ρは γ＝Ｃ［（ｔ＋Δｔ）−（ｔ’十八へ′）］−Ｃ（ｔ、
−ｔ’　）　＋Ｃ（△ｔ−Δｔ’）＝ρ＋ＣΔＬΔ　十
Ｃ（△ｔ−Δｔ’）　　・・・（１゜と書ける。ここで
△ｔ＾は電波の大気伝搬遅延時間とする。上式でｔ＋Δ
ｔ、ｔ’十△ｔ′はともに時計の読み（ｉｎｄｉｃａｔ
ｅ　　ｔｉｍｅ）である。（１，２）式により定義され
るρは通常の幾何学距離ではなく右辺第３項に両時計の
時刻偏移による距離誤差が加算された形になっているの
で疑似圧＠　（ｐ　ｓ　ｅ　ｕ　ｄ　ｏ　　ｒ　ａ　ｎ
　ｇ　ｅ　）と呼んでいる。

（１，２）式はＮＤＳおよびユーザーのある基準直交座
標系に関する位置ベクトルＹｓｖ＝（Ｘｓｖ、Ｙｓｖ、
Ｚｓｖ）丁　及びｒ−＝（ｘ、ｙｓｖ）ｚ　十ＣΔｔＡ
　＋Ｃ（Δｔ−Δｔ　’）　・−−−−−・−・（２，
３）と書ける。ＧＰＳでは衛星搭載時計として高安定な発振
器である原子周波数標準を使うがさらにユーザーはＧ　
Ｐ　Ｓ航法信号に含まれるＮＤＳ時計の時刻修正パラメ
ーターを使って送信時刻の周期誤差Δｔ′を約９ｎｓ　
（測距誤差換算で約３ｍ）以内の精度で推定することが
できる。そして推定された送信時刻ｔ′におけるＮＤＳ
位置ベクトル）＝ｓｖ（ｔ’）を算出するための軌道情
報も航法信号に含まれている。

はとんどすべてのユーザーは、ＮＤＳに比べてより精度
の劣る低コスト時計を装備すると考えられる。その場合
Δｔも未知数とみなし、計４個のＮＤＳからの擬似距離
ｆＩｉ′Ｉｓを行えばユーザーの受信点位置ベクトルｒ
　およびΔｔに関して解ける。すなわち、前記（２，３
＞式により合計４個のＮＤＳからの疑似距離観測しく２
．３＞式に代入すれば、受信点位置ベクトルｒ　と、Δ
ｔに関して解ける。（１−２）式から明らかなように１
ノ１ｓの周期誤差は約３００ｍの測距誤差を生ずるから
、この考え方が非常に重要であることがわかる。しかし
、ＧＰＳにおいてはユーザーは自分の位置を知るだけで
通信機能を持っていないのが欠点である。

１１［、ＧＥＯ３ＴＥＲ（米国のオニールによって提案
された通信システム）地球表面上の空隙域を走る大多数の乗り物、特に航空機
の現在位置を決定するためのシステムで静止軌道で各々
４５°間隔を有する少なくとも３つの衛星を含むもので
ある。静止軌道上の衛星は周期約２４時間、又軌道高度
３６０００Ｋｍである。

次にこのシステムの概要を第１０図、第１１図を使って
下記に説明する。

時刻ｔｏに、地上局ＧＳは衛星Ｓ２に向けて質問信号を
キャリア周波数ｆ１で送信する。衛星Ｓ２に搭載された
リピータ−回路は、本システムのレンジ内にある航空機
すべてに質問信号を再送信する。この再送信は衛星Ｓ２
に搭載した１つか又は複数の広ビームアンテナを利用し
て同一周波数ｆ、で実施される。ユーザーＡに搭載した
中継器が衛星Ｓ２を経由した質問信号を受信するとく第
１１図）中継器が作動している場合は、キャリア周波数
ｆ２のビーコン周波数信号で応答する。

そのビーコン信号はＳ、、Ｓ２．Ｓ、の３つの衛星で受
信される。３つの衛星は各々キャリア周波数ｆ２で作動
するリピータ−回線を持っており、衛星Ｓ２では衛星Ｓ
２でＡからのビーコン信号も地上局ＧＳに中継再送信す
る他、Ｓ、、Ｓ、を経由したビーコン信号も地上局ＧＳ
に中継再送信する（第１２図）。地上局ＧＳでは各リタ
ーン信号の到着時間１１，１２．１３が測定され、又そ
の信号上の情報を復調することによってユーザーの現在
位置を計算する。その結果には固定した基準面（平均海
面レベル）上のユーザーの経度、［度、高度が示される
。又このＧ　Ｅ　ＯＳ　Ｔ　Ｅ　Ｒにおいては測距用の
クロックは搭載されていないので、ＧＰＳのようなりロ
ック誤差に関する心配はいらないし、これは又通信機能
を持ったものである。

［発明が解決しようとする問題点］ＮＮ５Ｓは、ドツプラー効果を利用する関係から本来測
定精度が低いことやユーザの移動速度が位置決定の誤差
要因となるため、船舶等の運行スピードが遅いものしか
利用できない、限られた時間以外は利用できない（観測
可能な頻度が低い）等の問題点がある。前記したＧＰＳ
では、連続的に位置を計測するには、１８個以上の衛星
が必要になってくる。また、位置測定の精度を１０ｍ程
度で行うには、衛星クロックの安定性は１０〜−１〕１０　もの精度が要求される。

ＧＥＯ３ＴＡＲでは、ユーザ、衛星の精密クロックは不
要である。しかし、測位の毎に衛星及び地上局との交信
が必要となり、回線容量から制　−約されて大量のユー
ザ、連続的に計測する航法には使えない。また、ユーザ
が、自分の位置を知る為には地上局で計算された位置情
報の受信を待たなければならず、この情報の入手に約０
．５秒の遅れがでてくる。また、ユーザの発信する電波
の強弱、あるいはユーザアンテナの衛星に対する姿勢の
不適合による受信感度の劣化等によって、３つの衛星が
これを受信して地上局に中継し、地上局でユーザの位置
を算出することができない場合がありうる。

このことは、位置情報入手の不確実性と遅延のために、
航空機の管制、航法においては信頼性を持ってこのシス
テムを利用できない問題があることを意味する。

本発明は、前記の３つのシステムの有する欠点を克服す
るため、人工衛星の数は極力少なくすると共に、衛星・
ユーザ・地上局にクロックを内蔵させ、このクロックの
同期化を極めて簡単な手段により実現することで、クロ
ックに格別の精密さが要求されなくともより信頼性が高
くしがも通信機能を備えた位置計測システムを提案する
ものである。

［問題点を解決するための手段］本発明は、前記問題点を解決するために次の２つの手段
を採る。

第１の手段は、地球の表面の軌道上に配置され受信・発
振装置とクロックとを内蔵する少なくとも２個の衛星と
、位置が不明で前記衛星と通信をするための受信・発振
装置とクロックを有した位置計測手段であって、位置計
測手段の位置を計測するために少なくとも１個の衛星及
び位置計測手段の各々のクロック時刻に基づいて測距信
号を発する段階と、該両測距信号を受け取り自己が発振
した測距信号からの時間を計測する段階と、該時間から
両クロックの時間誤差を計算してクロックの同期化を行
い位置計測手段の位置を計測する衛星による位置計測シ
ステムである。

第２の手段は、受信・発信装置とクロックとを内蔵する
地上局と、地球の表面の軌道上に配置され受信・発信装
置とクロックとを内蔵する少なくとも２個の衛星と、位
置が不明で前記衛星と通信をするための受信・発信装置
とクロックとを有した位置計測手段であって、位置を計
測するために少なくとも１個の衛星及び位置計測手段の
各々のクロック時刻に基づいて測距信号を発する段階と
、該両測距信号を受け取り各々のクロック時刻に基づい
て該両測距信号からの到達時間（△ＬＳ、Δｔｕ）を計
測する段階と、該時間から前記衛星及び位置計測手段の
両クロ・ツクの時間誤差を計算してクロックの同期化を
行い位置計測手段の位置を計測する段階と、位置計測手
段の位置の移動を停止した状態で計測した位置の発散傾
向により位置計測手段の有するクロックの誤差を自動的
に較正する機能を有する衛星による位置計測システムで
ある。

［実施例］第１図に示す図は、本発明の位置計測システムの概念の
１例を示す体系図である。多数の空域ユーザ群、海域ユ
ーザ群、陸域ユーザ群があり、これらのユーザは三つの
衛星ＳＳＩ、ＳＳ２．ＳＳ３と送受信できる。この三つ
の衛星は、主局Ｇ３２、従局ＧＳＩ、ＧＳ３の地上系と
互いに送受信できる。主局ＧＳ２は、衛星の位置の測距
、ユーザへの各種情報サービス等を行うもので、本シス
テムの中心的な役割を果たす。従局ＧＳＩ。

ＧＳ３は、主局ＧＳ２の管理下にあって協力して衛星の
位置の測距等を行う。

３つの衛星とユーザは、精密な時計を搭載しているが衛
星クロック及びユーザクロックは後述するような原理に
基き随意同期化、較正が可能であるため、ＧＰＳ衛星に
使用されるような超精密なりロックは要求されない。衛
星とユーザとのクロックバイアスを次のような原理に基
づいて、電波を交信して知ることができる。

クロックバイアス叶・の原理以下これの算出の仕方を述べる。（第２図参照）まず条
件として、衛星の位置は既知で衛星クロックは地上局の
クロックと既に同期化されているものとする。この方法
は周知技術であり、本発明の要旨ではないので説明は省
略する。

第２図は、同期化の方法を示したものであるが、まず衛
星からユーザと地上局（ユーザと地上局の方向は違う）
に対して自分自身の時計で時刻ｔｓｏで電波Ａを出して
、地上局及びユーザで受信する。またユーザはユーザ時
計で衛星に時刻ｔｕｏに電波を出して、又それを地上局
に送ってやる。そうすると、地上局は衛星からの測距信
号とユーザからの測距信号の到達時間差Δｔｓを算出す
る。Δｔｓは地上局より衛星を介してユーザに送信する
。

第２図より、ユーザはΔｔｓよりΔｔＢ　　（クロック
バイアス）を算出する。すなわち、△ｔ、　ｓ＝ｌ、′
Ｃ＋ΔｔＢ、Δｔｕ＝Ｌ／′Ｃ−ΔＬＢ、ゆえに、Δｔ
Ｂ　＝　（Δｔｓ−Δｔ、　ｕ　）　／　２という関係
が成立し、ユーザは衛星とユーザーとのクロックバイア
スΔｔＢを知ることができる。ただし、ｌ−衛星／ユー
ザ間の距離、Ｃ＝光速を意味する。また地上と衛星間の
交信は衛星と地上間のクロック同期及び位置決定に使用
する。

前記のクロックバイアスΔｔＢの算出においてユーザの
移動は誤差の要因となるが、通常ユーザは衛星からの測
距信号に使用されている電波のドツプラーシフトより速
度を決定することができる。高速移動のユーザについて
はこの速度情報を使用して、クロックバイアス推定の精
度を高めることが可能である。

また、同期化の手段としてここでは地上局でのΔｔｓ測
定を使用しているが、ユーザと衛星間ののみのΔｔｓ測
定でもこの原理は適用できる。すなわち、Δｔ、　ｓは
衛星において測定可能である。

しかしながら、この方法では衛星は多くのユーザに対し
前記△ｔｓの測定を行わなければならないため、衛星搭
載の機器が増大する。従って、実現性の観点から衛星を
中継して地上局において測定を行うことにしたが、小数
ユーザに対してはユーザ／衛星間でのΔｔｓ測定の方式
でも実用的であり、衛星／地上局間のクロック同期化と
同様な原理とみなしうる。

第３図に示ずものは、前記本発明の原理に基づくシステ
ムの衛星、ユーザ、主局、従局の機能を示す機器ブロッ
ク図である。衛星１は、通常の衛星を運行するためのシ
ステム以外に、中継器５゜データ／ｇＡ距信号受信系６
．衛星精密クロック７、データ／′測距信号受信系８．
衛星データ処理・作成系９等を内蔵している。中継器５
は、ユーザ２からのデータ測距信号の地上局３へのを送
信と、地上局３からユーザ２への送信とを地上局３、ユ
ーザ２へ中継するだけの機能である。データ／測距信号
送信系６は、データ、測距信号をユーザ２．地上局３に
送信するものである。

衛星精密クロック７は、通常原子時計で構成されるもの
で衛星に搭載されたものであるが、各衛星１は地上局３
より絶えず追尾できる、地球同期衛星であるため、クロ
ック誤差は地上局３より要求される精度に応じた頻度で
較正することができる。この為、長寿命化及び価格に問
題のある原子時計の替わりに精度において原子時計に劣
るが、長寿命化が可能な水晶発振器を適用することがで
きる。データ／測距信号受信系８は、地上局３からの信
号を受信する受信器である。衛星データ処理・作成系９
は、中央処理装置（ＣＰｔＪ）を備えたもので、各デー
タ等を処理、演算するものである。処理、演算されたデ
ータ等をユーザ２．地上局３に送信する。

ユーザ２は、データ、／測距信号系１１．ユーザクロッ
ク１２．データ／測距信号受信系１３．受信メツセージ
再生表示器１４２位置・速度処理表示器１５．送信メツ
セージ入力発生系１６等から構成される。また、ユーザ
２が航空機であれば高度計１７等も備えている。

データ／測距信号送信系１１はユーザ系のクロックバイ
アスΔｔＢを測定・更新するために、衛星１を中継して
地上局３に測距信号を送信するものであり、送信はユー
ザ系の位置決定要求精度に対応して、ある時間間隔毎に
行われる。送信の時間間隔はオペレータが表示系１５に
付随するスイッチを操作することにより自動的に定めら
れる。また、地上局３に送信される測距信号にはオペレ
ータによって例えば、送信メツセージ入力発生系１６の
キーボードにより入力されたメツセージは、データ／測
距信号送信系１１において測距信号に混入され、メツセ
ージ送信の機能を果たす。

ユーザクロック１２は、ユーザ２が所有している例えば
原子時計、水晶時計である。データ／測距信号受信系１
３はデータ／測距信号送信系６からの或いは中継器５か
らのデータ／測距信号を受信する受信器である。データ
／測距信号受信系１３では、少なくとも２個の衛星のデ
ータ／測距信号受信系６から、衛星・ユーザ間の測距の
情報である電波の到達に要する時間と、データ７／測距
信号に混入された衛星軌道データとを、中継器５からは
地上局３からのメツセージとユーザクロックバイアスΔ
ｔＢの算出する為のデータΔｔＳを抽出するための前置
処理を行う。

受信メツセージ再生表示系１４は、データ／測距信号受
信系１３からの信号を受け、受信したメツセージを表示
する。位置・速度処理表示系１５は、測定結果をブラウ
ン管、液晶表示器等を介して表示するものである０例え
ば、自動車のナビゲータ−であれば、道路、建物を表示
して運転者に現在地を示す。

高度計１７は、航空機等に搭載するもので、地表面から
の高度を測定する。本システムで計測したデータ等と組
み合わせて、正確な位置の測定ができる。ユーザクロッ
ク１２の精度は、１０−ｊ〜１０”程度で良い。地上局
３は、主局と、２つの測距局からなり、データ／測距信
号送信系２１゜地上局精密クロック２２．データ／測距
信号受信系２３．衛星監視系２４．送信メツセージ発生
系２５、受信メツセージ系再生系２６．ユーザクロック
同期化処理系２７．衛星クロック５／軌道計算処理系２
８．衛星処理系２９．ユーザ管制系３０等から構成され
る。

データ／測距信号送信系２１は、衛星１の中継器５．デ
ータ／測距信号受信系８にデータ、測距信号を送信する
。地上局精密クロック２２は、１０−′２〜１０１程度
の高精度の精密な原子時計であることが望ましいが、１
０″１程度でも運用は可能である。データ７／＃距信号
受信系２３は、衛星１の中継器５．データ／測距信号送
信系６からの信号を受信するものである。衛星監視系２
４は、衛星１の軌道、ａ器のメンテナンスを行うもので
ある。送信メツセージ発生系２５は、ユーザ２へ各種情
報をメツセージするものである。

ユーザ管制系３０は、ユーザへの及びユーザからの各種
提供情報を保有しユーザの関係機関との情報交信を行う
。送信メツセージ発生系２５はユーザへのメツセージ或
いはΔｔｓを送る機能を有している。受信メツセージ再
生系２６は、ユーザ２からの信号の内容を再生してユー
ザ管制系３０に提供する。ユーザクロック同期化処理系
２７は、ユーザのクロック１２と衛星のクロック７、地
上局のクロック７とのそれぞれの時間の誤差を周期的に
、或いはユーザの要求に対応して同期処理するものであ
る。衛星クロック／軌道計算処理系２８は、衛星の軌道
位置クロックの誤差を計算処理するものである。

衛星指令系２９は、衛星の軌道位置の修正・保持及び衛
星の管制を行うための指令系である。

また、各点線ＬＩＦ　、Ｌｓ　、Ｌ２Ｒ、ＬＩＲ。

Ｌ２Ｆ　、Ｌｓ　、Ｌｓは、搬送電波の流れを示す。

システムのモード第４図は、前記した本発明のシステムの運用を示すモー
ドチャートの例である。ユーザクロック化モードは、間
欠周期的に行う。この周期間隔Ｔは、ユーザクロックの
安定性と要求精度によって違ってくるが、本例では１時
間に数回程度である。また、地上局と衛星データの更新
の周期Ｔは、衛星クロックの精度、安定性によって変わ
ってくるものである。本例では１日に数回程度である。

衛星の管制も通常行われているように１か月数同程度で
ある。

第３図（ｂ）は、第４図（ａ）に示した連続測位モード
の場合のシステムの動きを示す概念図である。太線で囲
まれた機器の作動状態であることを示す。連続測位モー
ドの場合の衛星１とユーザ２間のクロックは、同期して
いることが前記である。したがって、２〜３個の衛星１
から搬送波に載せられた測距信号Ｌｓが連続的に送られ
てくるのみで、ユーザ２は位置を計測できる。

第３図（Ｃ＞は、第４図（ｃ）のニーザクロツタ同期化
モードの場合のシステムの動きを示す概念図である。ユ
ーザのデータ／測距信号受信系１１から測距信号Ｌ２１
？が発せられると、衛星１の中継器５を介して信号Ｌ２
Ｆが地上局３のデータ／測距信号受信系２３に入る。こ
の測距信号Ｌ２Ｆが入ると、ユーザクロック同期化処理
系２７が作動し、到達時間を計測する。

第３図（ｄ）は、第４図（ｂ）の通信モードの場合のシ
ステムの動きを示す概念図である。前記した本システム
の原理で詳記したΔｔｓを地上局３から衛星１を介して
ユーザ２１に送る場合である。

第５図は、第３図で示した本システムの機能の作動を示
す一覧である。例えば、航法モードのとき作動するのが
、○印を付したユーザ装置では衛星ＩＰＮ（Ｐｓｅｕｄ
ｏ−ｒａｎｄｏｍ　　Ｎｏ１ｓｅ、擬似雑音）信号受信
処理、衛星２ＰＮ信号受信処理、衛星３ＰＮ信号受信処
理、衛星系ではのＰＮ信号送信、衛星データ処理・更新
である。

叶゛　シスームの　動第６図に示すフローチャートは、ユーザ装置の動作を示
すメインの動作フロー図の例である。スタートとすると
、初期化のルーチンに入り初期化を行う（ステップ■）
、ステップ■でユーザが高度計などの情報から高度情報
が利用できるが否が判断する。利用できれば、３つの衛
星がら測距信号を受信し、擬似距離を算出する（ステッ
プ■）。高度情報が利用できれば、この情報と２衛星か
らの測距信号を受信し擬似距離を算出する。

（ステップ■）。

ステップ■でユーザのクロックバイアスを消去して、ユ
ーザ位置を算出する（ステップ■）。ステップ■で現在
位置情報使用可能か否か判断する（ステップ■）。ＹＥ
Ｓであれば、その位置とステップ■で算出した位置と比
較し、許容値内か否か判断する（ステップ■）。すなわ
ち、本システムの性能上の許容誤差か否か判断する。許
容値内であればステップ■に進む、許容値以外であれば
ステップ■に進む。ステップ■では、クロック同期化の
時間間隔を経過したか否かを判断する。設定時間間隔を
越えておれば、ステップ［相］に進み、ユーザのクロッ
ク１２を衛星１のクロック７と同期化させる。

クロック同期化を行う時間間隔は、ユーザーの測位精度
をどの程度要求するが、ユーザクロックの精度によって
定まる。ユーザが端末から必要に応じて同期化の時間間
隔を設定できるものである。

ステップ■ではユーザ装置の操作スイッチよりクロック
較正モードを随意選択できる。クロック較正モードであ
れば、ステップ■でクロックのバイアス変化率を較正す
る。クロックのバイアス変化率の定期的な較正は、計測
精度を高める上で有力である。ユーザのクロック誤差（
もちろん衛星クロックについても同様だが）で較正が可
能でがつ較正の効果が大きい要素として、クロックの時
間の同期に係わる誤差、すなわちクロックバイアス誤差
と、クロックバイアスが時間に比例して増減するクロッ
クバイアス変化率がある。

まずクロックバイアス誤差については第６図のステップ
［相］すなわち第７図のロジックに従って算出可能であ
り、位置測定精度の向上に利用できる。

クロックバイアス変化率についてはクロックの基本的な
精度を決定するものであり、これが簡単に較正可能であ
れば比較的低価格のクロックをニーザクロツタとして採
用できるが、この一定のクロックバイアス変化率につい
ては、定位置での連続測位値の増大の傾向から推定でき
る。クロック較正ロジックは、表示器に粗、普通、精な
どの３レベルの較正モードの１つを選択すれば、３レベ
ルに対応した較正の所要時間を終えた後、クロック誤差
パラメータを推定し、これを測定処理に使用する為の手
続きを終えて、このモードを完了するロジックを有する
。

Ｌ９Ｌ：７りのｉ　　　理第７図は、第６図のステップ［相］に対応するクロック
を同期化するためのユーザ装置のフローチャートである
。まず、最初のサイクルか否か判断し、最初のサイクル
であれば処理パラメータの初期化する（ステップ■、■
）。ステップ■で自分の割当回線が空いているか否か判
断し、回線が空いていればステップ■に進み、データ／
測距信号を衛星１の中継器５を介して、地上局３のデー
。

り／′測距受信系２３に送る。地上局３は衛星測距信号
を受信し、擬似到達時間を算出する（ステップ■）。

ステップ■で地上局からの同期メツセージがあるか否か
の判断をする。メツセージよりユーザと衛星間の擬似到
達時間を得てクロックバイアスを求める。クロック同期
化モード選択を解除する（ステップ■）。

７ｏヨム２事ｊＬ延Ｊ− 第８図は、第６図のフローのステップ■に対応するクロ
ック較正ロジックの詳細なフローチャートである。最初
のサイクルか否か判断してパラメータを初期化する（ス
テップ■、■）。

通常、測位計算の過程で算出されるユーザ／衛星間の距
離には衛星の時間的な位置の移動の外に、衛星内の装置
及びユーザ装置な内部で、或いは電波の伝播の過程で不
規則の測距誤差が混入する。まず衛星の位置移動（地球
固定基準座標に対する移動）は衛星の軌道要素により正
確に推定し、これを計算上除去することができるが、不
規則な測距誤差については複数の数値の平均化に頼らざ
るを得ない。

すなわち、ステップ■にて所定時間間隔（たとえば６０
秒）に達しない場合は、前記の位置移動の成分を除去し
た複数個の距離の値（レンジ）を算術平均する（ステッ
プ■）。所定の時間間隔に達すれば、前記の最新のレン
ジの平均値を過去のレンジの平均値より、距離の時間変
化率（レンジレート）を算出するためのフィルタを使用
して、レンジレートを算出し、更新する（ステップ■）
。レンジレート算出法にはイテラテイブ（Ｉｔｅ　ｒ　
ａ　ｔ、　ｉ　ｖ　ｅ　）な最小自乗法やカルマンフィ
ルタが一般的であるが、この場合更新されたレンジレー
トの変動値より、レンジレートの推定値がある特定の値
に収束し、推定が正しく実行されているか否かを判定で
きる（ステップ■）。

充分安定していないければ、本ロジックの実行を管理す
るメインロジックに復帰し、メインロジックでの適当な
処理を実用した後、再び本ロジックの先頭にもどってく
ることになるだろう。

レンジレートの推定が充分安定して実行されており、所
定の較正時間を経過−した場合（ステップ■）、上記レ
ンジレートの安定した最終値を光速で除算することによ
ってクロックバイアスの時間変化率を求めユーザ装置内
に記憶する（ステップ■）とともにクロック較正モード
を解除する（ステップ■）ことによって本ロジックの実
行は完了する。

第８図ではニーザクロツタの較正（クロックバ、イアス
の時間変化率の算出・更新）の原理を容易に説明するた
め、衛星／ユーザ間のレンジの変化を利用する方法を対
象として記述したが、この方法はユーザ装置の有する処
理ロジックを有効に利用していない。以下、さらに簡易
なユーザクロック較正の方式を説明する。

ニーザクロツタのバイアス変化率△ｔＢは特定の時間Δ
ｔの経過の後、クロックバイアスをΔｔＢＸΔｔだけ増
加させる。すなわち、時刻ｔｏでのクロックバイアスが
ΔｔＢ　　（ｔｏ）とすれば、Δｔ、の経過の後、時刻
ｔｌ　　（ｔｌ　＝ｔｏ＋△ｔ）でのクロックバイアス
△ｔＢ（ｔｏ十Δｔ）は△ｔ。

Ｂ　　（ｔｏ）＋ΔｔＢＸ△ｔとなる。ユーザ装置では
時刻ｔｏでのユーザ位置が算出されており、これを水平
面内の座標（Ｘｏ、Ｙｏ）とする。時間ΔＬの経過後、
すなわち時刻ｔ、（ｔ１＝ｊｏ　＋△ｔ）では、クロッ
クバイアスの増減分だけ、ユーザ装置の算出する位置が
移動する。この座標を（Ｘ＋、Ｙｔ）とす・る。ここで
ユーザ装置が内蔵するロジックを使用して、擬似的ｄバ
イアス値ΔｔＢ　（ΔｔＢ＝ΔｔＢ　（ｔｏ）＋△ｔｃ
）に従ったユーザの位置計算を行うとその結果は、座標
（Ｘｃ、、Ｙｃ）として計算される。以上の実測座標値
（Ｘｏ、Ｙｏ）、（Ｘｚ　、Ｘ、）と擬似的なバイアス
値△し′口による座標値（Ｘｃ、ＹＣ）よりユーザクロ
ックのバイアス変化率△ｔＢが以下の式より算出できる
。すなわち、ｔ　ｃ　、／’Δｔ　Ｘ　Ｓ　Ｇ　Ｎここで、Ｓ　Ｇ　Ｎは１Ｘｃ−Ｘ、）ｌと１Ｙｃ−Ｙｏ
ｌを比較して例えば１ＸｃＸｏｌが大きいとすれば（Ｘ
ｃ−ｘｏ）ｘ（ｘｔ　　Ｘｏ）＞Ｏのとき＋１、（Ｘｃ
−Ｘｏ　）Ｘ　（Ｘｌ　Ｘｏ　）＜Ｏのとき−１の値と
なる。

以上のクロックバイアス変化率の算出法は極めて簡単で
あり実用的である。もしもユーザの位置が正確に与えら
れるならば、この較正モードにおいて同時に時間１．で
のクロックバイアス△ｔＢ（ｔｏ）も算出できる。すな
わち、真のユーザ位置を座標（ＸＮ　、　ＸＮ　）とす
れば、座１％（Ｘｏ。

Ｙｏ）とすれば、クロックバイアスによるものであるか
ら、 ×△ｔ　　ｃ　　Ｘ　　Ｓ　Ｇ　Ｎより時刻１．でのクロックバ・イアス誤差ΔｔＢ（ｔｏ
）がもとまる。

第９図は、ユーザー装置の同期化時間間隔と要求測位精
度との関係の概念を示したものである。

測位精度を向上させるには、同期化時間間隔を小さくす
る必要があることを意味する。第１０図は、前記したよ
うな手法からクロックバイアス誤差の傾向を読み、誤差
を較正した場合の較正時間間隔と、ドリフトレート推定
精度と、測距誤差の関係を示した図である。前記したよ
うにこの考え型を使うと、クロックバイアス誤差を自動
的に較正することができ較正時間間隔も少なくても済む
。

［効　果］以上、詳細したように本発明によって、少なくとも２個
の衛星からの測距信号の受信可能な領域での連続測位が
可能になった。また、移動体の運動の程度に強く影響さ
れないで高精度測位が可能になった。更に、慣性航法装
置の如く高精度な初期位置・速度などの補助情報は不要
である。また、衛星の軌道上に配置する個数を増大させ
ることによって、連続測位の可能な領域を拡張すること
ができるのは当然であるが、限定された領域ではＧＰＳ
に比較して極めて小数の衛星によって連続測位が行える
ことが本システムの開発費、維持費の抑制の観点で極め
て大きな効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の位置計測システムの概念図、第２図は
本発明のシステムの原理を示す図、第３図（ａ）、（ｂ
）、（ｃ）、（ｄ）は本発明のシステムの機能ブロック
図、第４図は本システムのモードを示す図、第５図は本
発明のシステム機能の作動を示す表、第６図はユーザ装
置の作動を示すメインのフローチャート図、第７図はユ
ーザのクロックを同期化処理のフローチャート、第８図
はユーザクロック較正処理のフローチャート、第９図は
同期化時間間隔と測位精度との関係の概念を示した図、
第１０図は較正時間とドリフトレート推定精度の関係を
示す図、第１１図、１２図は従来技術を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】１、受信・発信装置とクロックとを内蔵する地上局と、
地球の表面の軌道上に配置され受信・発信装置とクロッ
クとを内蔵する少なくとも２個の衛星と、位置が不明で
前記衛星と通信をするための受信・発信装置とクロック
とを有した位置計測手段であって、位置を計測するため
に少なくとも１個の衛星及び位置計測手段の各々のクロ
ック時刻に基づいて測距信号を発する段階と、該両測距
信号を受け取り各々のクロック時刻に基づいて該両測距
信号からの到達時間（Δｔｓ、Δｔｕ）を計測する段階
と、該時間から前記衛星及び位置計測手段の両クロック
の時間誤差を計算してクロックの同期化を行い位置計測
手段の位置を計測する衛星による位置計測システム。２、前記到達時間差の計測を地上局において行う特許請
求の範囲第１項記載の衛星による位置計測システム。３、前記到達時間差の計測を衛星において行う特許請求
の範囲第１項記載の衛星による位置計測システム。４、前記到達時間差の計測を位置計測手段自身において
行う特許請求の範囲第１項記載の衛星による位置計測シ
ステム。５、受信・発信装置とクロックとを内蔵する地上局と、
地球の表面の軌道上に配置され受信・発信装置とクロッ
クとを内蔵する少なくとも２個の衛星と、位置が不明で
前記衛星と通信をするための受信・発信装置とクロック
とを有した位置計測手段であって、位置を計測するため
に少なくとも１個の衛星及び位置計測手段の各々のクロ
ック時刻に基づいて測距信号を発する段階と、該両測距
信号を受け取り各々のクロック時刻に基づいて該両測距
信号からの到達時間（Δｔｓ、Δｔｕ）を計測する段階
と、該時間から前記衛星及び位置計測手段の両クロック
の時間誤差を計算してクロックの同期化を行い位置計測
手段の位置を計測する段階と、位置計測手段の位置の移
動を停止した状態で計測した位置の発散傾向により位置
計測手段の有するクロックの誤差を自動的に較正する機
能を有する衛星による位置計測システム。