JPS6395369A - 高精度測位方法及び装置 - Google Patents

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】 （１）　　発明の属する技術分野の説明本発明は測距、
測位及び時刻同期に関するものである。

（２）従来の技術の説明 従来用いられている光学測距装置は、見通し外の基線あ
るいは数１０キロメートルを超す基線の場合、数区間に
分割して測量しなければならないため、測量誤差が稜み
重なって、測定精度が悪くなる。また、測定誤差は天候
に左右されやすいという欠点がある。

一方、大陸間のように１０００キロメートルを超す基線
で用いられる超長基線電波干渉計（ＶＬＢＩ）装置は、
距離にほとんど関係なく高精度で測量できるが、装置が
大型で高価であるという欠点がある。

Ｓ　Ｌ　Ｒ（Ｓａｔａｌｌｉｔａ　Ｌａ５ｅｒ　Ｒａｎ
ｇｉｎｇ）装置の場合は、大型レーザ発振器が必要なこ
とから装置が大きくなり、高価であり、ビーム幅が狭い
ため、人工衛星のボインティングが難しく、雨天での運
用が不可能で、更に大気通過による屈折の影響による誤
差が大きいという欠点がある。

アメリカ合衆国で打ち上げられた、ナブスタ（Ｎａｖｓ
ｔａｒ）Ｇ　Ｐ　Ｓ　（Ｇｒｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏ
ｎｉｎｇ　５ｙｓｔ＠ｍ）衛星を利用した測位・時刻同
期装置として、拡散変調コードを使用したものが実用化
されているが高精度測位用の拡散変調コードは軍用とい
うことで、一般には公開されていない、拡散変調コード
を必要としないものとして、変調符号のクロック再生型
と相関型とがある。前者は指向性アンテナを用いて複数
のＧＰＳ衛星を分離しているため、アンテナが大型にな
り移動性に問題がある。また後者は無指向性アンテナを
用いているが、相関処理ソフトウェア、搬送波の波長ご
とに現われるあいまいさの除去及びアンテナ近傍での反
射の影響の除去が必要になるため、測定に時間がかかり
処理が複雑になる。

前回出願した特許願〈昭和６０年６月２４日）では、拡
散変調コードを使用しないで、ＧＰＳ衛星の変調信号ク
ロックを再生している。このクロックは、約１０ＭＨｚ
の周波数である。今回出願のものも拡散変調コードを使
用する必要はないが、クロックの代わりに約１．５ＧＨ
ｚという１５０倍も高い周波数の搬送波を再生するため
、原理的には１５０倍もの分解能、すなわち精度が得ら
れる。

（３）　　発明の目的 本発明の目的は、山岳地帯や離島にも容易に移動可能な
小型の装置で、上空の電波源からそれぞれの受信局まで
の距離を高精度で測定することにより、分割することな
く、また天候に左右諮れずに各地点間の距離を高精度で
得ることである。

（４）　　発明の構成及び作用の説明 第１図は本発明の実施例であり、１は人工衛星、２は受
信局、３は受信アンテナ、４はモータ、５は高周波増幅
器、６は帯域フィルタ、７は周波数変換器、８は搬送波
再生器、９は変調クロック再生器、１０は位相差測定器
１（搬送波用）、１１は位相差測定器２（変調クロック
用）、１２は基準発振器、１３は遅延校正器である。

人工衛星（１）からの電波が２相ＰＳＫ拡散変調されて
いる場合を考える。このような、人工衛星は例えば、ア
メリカ合衆国で打ち上げられた、ナブスタ（Ｎａｖｓｔ
ａｒ）Ｇ　Ｐ　Ｓ　（Ｇｒｏｂａｌ　Ｐｏ５ｉｔｉ。

ｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）衛星がある。受信局（２）の
アンテナ（３）を地上のある点に置き、その位置を「受
信局の位置」という、アンテナ（３）の２つの直交する
軸、アジマス（方位）軸及びエレベーション（仰角）軸
、それぞれ回転可能なように組み立てられているモータ
（４）に、人工衛星の位置から計算された予測方向を指
示することにより、アンテナ（３）は受信しようとして
いる人工衛星（以下、「希望人工衛星」という、）の方
向に指向きれる。アンテナ（３）で受信した電波は微弱
なため、高周波増幅器（５）により増幅さらた後、他の
電波源からの混信を除去するため、帯域フィルタ（６）
により人工衛星の電波の送信周波数帯域に制限し、周波
数変換器（７）により中間周波数に変換される。

移動している人工衛星の場合ドプラ効果を受けているた
め、受信される搬送波の周波数は人工衛星から送信きれ
る周波数とわずかに異なっている。また、複数個の人工
衛星が受信されている場合、各人工衛星と受信局との相
対速度の違いにより、５波数は各人工衛星により異なる
。この段階では、数個の人工衛星からの信号は分離され
ていない。

次に、狭帯域な搬送波再生器（８）にドプラ効果による
周波数偏移を加味した、搬送波周波数を予測値として与
えることにより、希望する人工衛星からの信号に位相同
期した信号が得られる。

この再生搬送波と、受信局（２）の基準発振器（１２）
の信号との位相差を位相差測定器１（１０）を用いて測
定することにより、受信局と人工衛星との間の距離を決
定する。

以上の方法によると、例えば搬送波周波数を１．５ＧＨ
ｚ、変調クロック周波数をＩＯＭＨ２とすると、クロッ
ク再生法による分解能に比べ、周波数比、１５０倍も良
い精度が得られる。しかし、位相差を測定する場合、波
長ごとに同一の位相が測定きれるという不確定性が現れ
る。ＩＯＭＨ２のクロックでは３０ｍの不確定性を持っ
ているが、１．５ＧＨｚの搬送波では０．２ｍになるた
め、予測困難になる。したがって、不確定性を除去する
ために変調クロック再生器（９）により、変調クロック
を再生する。

雑音が精度に与える影響を軽減するため、得られた位相
差を数十ないし数百回積分する。ここで得られた位相差
の積分値に光速を乗じたものは、希望人工衛星から受信
局までの真の距離（ｄ）のみではなく、希望人工衛星に
搭載されている時計と受信局の時計との差、−大気及び
電離層通過による電波の遅延等が含まれているため、「
擬似距離」と呼ぶ、数秒間の測定により、疑似距離はミ
リメートル以下の精度で測定可能である。

受信局内のアンテナ（３）から位相差測定器（９）まで
には、当然遅延が生じ擬似距離測定の誤差になるため、
補正が必要である。特に狭帯域フィルタを通過する際に
、通過信号の周波数によって、遅延量が大きく異なりま
た温度変化も大きい０本実施例では遅延校正器（１１）
によって、高周波増幅器（５）の入力端から既知の信号
を入力し、位相差測定器（９）により高周波増幅器（５
）から位相差測定器（９）までの遅延を測定する。また
、アンテナにおける遅延は、アンテナ・給電系組み立て
図から計算できる。

周知のとおり電離層通過による電波の遅延量は周波数の
関数であることを利用して、同一人工衛星から送信諮れ
ている２個の異なる周波数の電波に対し、それぞれ擬似
距離測定を行い、疑似距離差から電離層遅延量を補正す
る方法がある。また、周知のとおり、乾燥大気の遅延に
ついては、地上で測定した温度、湿度及び気圧から数式
により近似的に求めることができ、水蒸気による遅延に
ついては、２周波水蒸気ラジオメータ等による補正が可
能である。

第２図は本発明を利用した測位の概念図であり、１−１
、！−２，１−３及び１−４は同一仕様の異なる人工衛
星、２−１及び２−２は異なる場所に設置された２つの
受信局、２１は基内局である。まず、基地局（２１）で
作成した観測スケジュールを２受信局（２−１，２−２
）に有線、無線あるいはその他の方法で連絡する。Ｉｌ
測スケジュールを受は取った２受信局（２−１，２−２
）は、方向の異なる４個の人工衛星（１−１〜１−４）
からの電波をそれぞれ受信局のアンテナの方向を順次同
一スケジュールで制御し同時に受信し、各人工衛星と受
信局間の疑似距離を上記の方法により測定する。

その後、各受信局で得られた４個の人工衛星！での疑似
距離データ（ｄｌｌ−ｄ２４）を基地局に転送し、別途
得た人工衛星の位置情報、大気及び電離層通過による電
波の遅延データ等を用いて測地学で周知の方法により処
理することにより、基線長１００キロメートルの場合、
２受信局間の基線ベクトルを数センチメートルの精度で
決定でき、また受信局内の基準発振器（１０）の時刻差
を０．１ナノ秒程度で求められる。

第３図は基線ベクトルの説明図であり、２−１及び２−
２は異なる場所に設置された２つの受信局である。ある
直交する座標系（Ｘ、Ｙ、２）において、２受信局（２
−１，２−２）の座標３成分を、それぞれ（Ｘｉ、Ｙｌ
、ｚｌ）、（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）と表わすと、２点間の
差成分（ΔＸ、ΔＹ１△Ｚ）は、 ΔＸ−Ｘ２−Ｘｉ ΔＹ−Ｙ２−Ｙｌ ΔＺ−２２−Ｚｌ で表わせる。これを、測地学の分野では「基線」（ベー
スライン：　Ｂａ５ｅｌｉｎｅ　）あるいは１基線ベク
トル」と呼ぶ、今、（Ｘｉ、Ｙｌ、Ｚｌ）を既知の座標
とすると、以上の方法で得た基線ベクトルから受信局（
２−２）の絶対座標が得られ、測位がなきれたことにな
る。

（５）効果の説明 以上のように、この装置によれば、中継点を設定するこ
となしに、複雑な地形の２点間の距離を極めて高精度で
測定可能である０本発明は、低指向性アンテナを用いて
複数の人工衛星の電波が同時に受信きれた場合でも、各
信号を分離できるため、アンテナを小型化することが可
能であり、装置の重量、体積、費用を軽減したシステム
が構成できる。したがって、地殻変動、測地、測位の各
分野で広く応用できる。

また、受信局内の基準発振器の時刻差が得られるため、
時刻同期、時刻比較の分野にも利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のブロック図で、１は人工衛星
、２は受信局、３は受信アンテナ、４はモータ、５は高
周波増幅器、６は帯域フィルタ、７は周波数変換器、８
は搬送波再生器、９は変調クロック再生器、１０は位相
差測定器１ｃｍ送波用）、１１は位相差測定器２（変調
クロック用）、１２は基準発振器、１３は遅延校正器で
ある。 第２図は本発明を利用した測位の概念図で、１−１．１
−２．１−３．１−４は同一仕様の異なる人工衛星、２
−１．２−２は異なる場所に設置第３図は基線ベクトル
の説ａＪＩ図で、直交する座標系Ｘ、Ｙ、Ｚを、例えば
Ｘを南北方向、Ｙを東西方向、２を高き方向として用い
る。 特許出願人　　　郵政省蒐波研究所長 第４図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数の電波源から発射される電波を受信し、変調信号の
   コードを使用する必要なく、目的の電波源の搬送波のみ
   を分離・抽出し、それと受信局がもっているタイミング
   ・クロックとの位相差を測定することにより、電波源か
   ら受信局までの距離を短時間で測定することを特徴とす
   る高精度測位方法及び装置。