(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上のタイミング基準をそれぞれ含む複数の軌道衛星の間で標準時間を維持する方法において、
衛星が互いに通信することができるように通信クロスリンクにより前記衛星をクロスリンクし、
前記衛星の間で前記データを通信するように前記通信クロスリンクを介してタイミング基準データを送信し、前記衛星において１組のアンサンブルタイミング基準の組を生成するように予め定められた方法で前記タイミング基準データを処理し、それによって前記アンサンブルタイミング基準の間の偏差が前記タイミング基準の間の偏差より小さく、
前記衛星から標準時間が維持されている場所に前記アンサンブルタイミング基準を送信し、
前記送信されたアンサンブルタイミング基準と前記標準時間との間のオフセットを導出し、
前記場所から前記衛星に前記オフセットを送信し、それにおいて予め定められた個数の前記衛星だけが前記場所から前記オフセットを受信し、
前記予め定められた個数の前記衛星によって受信された前記オフセットを前記通信クロスリンクを介して、前記場所から前記オフセットを受信しなかった前記衛星に送信し、
前記標準時間に前記アンサンブルタイミング基準をロックするために前記オフセットを使用し、それによって補正されたシステム時間を生成するステップを含んでいる１以上のタイミング基準をそれぞれ含む複数の軌道衛星の間で標準時間を維持する方法。
【請求項２】
前記予め定められた方法は、
前記各衛星に１つづつ複数の局部的な位相オフセットを生成するために前記衛星のそれぞれにおいてカルマンプロセスを行い、
前記局部的な位相オフセットをその各タイミング基準に加算して、前記各衛星のアンサンブルタイミング基準を導出するステップを含んでなる請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記各衛星から前記場所への前記送信は、Ｌ帯域周波数を使用して無線周波数伝送によって行われる請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記場所から前記衛星への前記送信は、Ｓ帯域周波数を使用して無線周波数送信によって行われる請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記標準時間に前記アンサンブルタイミング基準をロックするために前記オフセットを使用するステップは、
ステアリング信号を得るために前記オフセットを濾波し、
前記アンサンブルタイミング基準を前記前記標準時間に固定するように機能するカルマンプロセスへの入力として前記ステアリング信号と前記アンサンブルタイミング基準を使用するステップを含んでいる請求項１記載の方法。
【請求項６】
１以上のタイミング基準をそれぞれ含む第１の組の衛星と、１以上のタイミング手段をそれぞれ含む第２の組の衛星とを含んでいる複数の軌道衛星の間において標準時間を維持する方法において、
衛星が互いに通信することができるように通信クロスリンクにより、前記第１の組の衛星と、前記第２の組の衛星と、前記第１および第２の組の衛星とをクロスリンクし、
前記第１の組の衛星の間で前記データを通信するように前記通信クロスリンクを介してタイミング基準データを送信し、前記第１の組の衛星に対して１組のアンサンブルタイミング基準を生成するように予め定められた方法で前記タイミング基準データを処理し、それによって前記アンサンブルタイミング基準間の偏差が前記第１の組の衛星の前記タイミング基準間の偏差より小さく、
前記第１の組の衛星から標準時間が維持されている場所に前記アンサンブルタイミング基準を送信し、
前記送信されたアンサンブルタイミング基準と前記標準時間との間のオフセットを導出し、
前記場所から前記第１の組の衛星に前記オフセットを送信し、それにおいて予め定められた数の前記第１の組の衛星だけが前記場所から前記オフセットを受信し、
前記予め定められた数の前記第１の組の衛星によって受信された前記オフセットを前記通信クロスリンクを介して、前記場所から前記オフセットを受信しなかった前記第１の組の衛星に送信し、
前記第１の組の衛星の前記アンサンブルタイミング基準を前記標準時間にロックするために前記オフセットを使用し、それによって補正されたシステム時間を生成し、
前記第２の組の各衛星に位相ロックループを設け、
前記第１の組の衛星から前記第２の組の各衛星に前記通信クロスリンクを介して前記補正されたシステム時間を送信し、
前記第２の組の衛星の前記タイミング手段を前記補正されたシステム時間にロックするために前記位相ロックループと組合わせて前記補正されたシステム時間を使用するステップを含んでいることを特徴とする複数の軌道衛星の間において標準時間を維持する方法。
【請求項７】
前記タイミング基準データを処理する前記予め定められた方法は、
前記第１の組の各衛星に１つずつ複数の局部的な位相オフセットを生成するために前記第１の組の衛星のそれぞれにおいてカルマンプロセスを行い、
前記各局部的な位相オフセットをその各タイミング基準に加算して、前記第１の組の各衛星に対するアンサンブルタイミング基準を導出するステップを含んでいる請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記第１の組の衛星から前記場所への前記送信は、Ｌ帯域周波数を使用して無線周波数伝送によって行われる請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記場所から前記第１の衛星への前記送信は、Ｓ帯域周波数を使用して無線周波数伝送によって行われる請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記標準時間に前記アンサンブルタイミング基準をロックするために前記オフセットを使用するステップは、
ステアリング信号を得るために前記オフセットを濾波し、
前記アンサンブルタイミング基準を前記標準時間にロックするように機能するカルマンプロセスへの入力として前記ステアリング信号および前記アンサンブルタイミング基準を使用するステップを含んでいる請求項６記載の方法。
【請求項１１】
１以上のタイミング基準をそれぞれ含む複数の軌道衛星の間において標準時間を維持する無線周波数リンク制御装置において、
アンサンブルタイミング基準間の偏差がタイミング基準間の偏差より小さい、各衛星におけるアンサンブルタイミング基準を計算する手段と、
前記アンサンブルタイミング基準と標準時間との間のオフセットを導出するために標準時間が維持されている前記アンサンブルタイミング基準が使用される場所に前記衛星から前記アンサンブルタイミング基準を送信する手段と、
前記場所から前記衛星に前記オフセットを送信する手段と、
前記アンサンブルタイミング基準を前記標準時間にロックし、それによって補正されたシステム時間を生成するために前記衛星において使用するステアリング信号を前記オフセットから生成する手段と、
前記衛星の間でタイミング基準データを伝送するための前記衛星間における複数の通信クロスリンクとを具備している無線周波数リンク制御装置。
【請求項１２】
前記各衛星において前記アンサンブルタイミング基準を計算する前記手段は、
前記各衛星と関連しており、前記通信クロスリンクを介して受信されたタイミング基準データと受信している衛星の時間基準との間の位相オフセットを計算するためにカルマンアルゴリズムを実行するように動作し、前記位相オフセットが前記受信している衛星のタイミング基準に加算されて前記アンサンブルタイミング基準を生成するプロセッサを具備している請求項11記載の無線周波数リンク制御装置。
【請求項１３】
前記衛星から標準時間が維持されている場所に前記アンサンブルタイミング基準を送信する前記手段は、
前記各衛星と関連しているＬ帯域送信機と、
前記場所に位置するＬ帯域受信機とを具備している請求項11記載の無線周波数リンク制御装置。
【請求項１４】
前記場所から前記衛星に前記オフセットを送信する前記手段は、
前記場所に位置するＳ帯域送信機と、
前記各衛星と関連しているＳ帯域受信機とを具備している請求項11記載の無線周波数リンク制御装置。
【請求項１５】
前記オフセットからステアリング信号を生成する前記手段は、
前記各衛星と関連しており、前記オフセットを濾波して濾波されたオフセットを生成するステアリングフィルタと、
前記各衛星と関連しており、カルマンアルゴリズムの実行により前記標準時間に前記アンサンブルタイミング基準をロックするように動作するプロセッサとを具備している請求項11記載の無線周波数リンク制御装置。
【請求項１６】
各衛星が１以上の時間基準を含む第１の組の衛星と、各衛星が１以上のタイミング手段を含む前記第２の組の衛星とを含んでいる複数の軌道衛星の間で前記標準時間を維持する無線周波数リンク制御装置において、
アンサンブルタイミング基準間の偏差がタイミング基準間の偏差より小さい、第１の組の各衛星において前記アンサンブルタイミング基準を計算する手段と、
前記アンサンブルタイミング基準と前記標準時間との間のオフセットを導出するために標準時間が維持されている場所で使用される前記アンサンブルタイミング基準を前記第１の組の各衛星から前記場所に送信する手段と、
前記場所から前記第１の組の衛星に前記オフセットを送信する手段と、
前記アンサンブルタイミング基準を前記標準時間にロックし、それによって補正されたシステム時間を生成するために前記第１の組の衛星において使用するステアリング信号を前記オフセットから生成する手段と、
前記衛星の間でタイミング基準データを送信するための前記第１の組の衛星の前記衛星間における第１の複数の通信クロスリンクと、第２の組の衛星の前記衛星間における第２の複数の通信クロスリンクと、前記第１の組の衛星と前記第２の組の衛星との間における第３の複数の通信クロスリンクと、
前記第２の組の衛星の前記タイミング手段を前記補正されたシステム時間にロックする手段とを具備していることを特徴とする無線周波数リンク制御装置。
【請求項１７】
前記第２の組の衛星の前記タイミング手段を前記補正されたシステム時間にロックする前記手段は、
前記第２の組の各衛星と関連している位相ロックループと、
システムの正確度が前記第１の組の衛星だけから構成される衛星の配置と比較してあまり劣化しないように、前記第１の組の衛星から前記第２の組の各衛星に前記補正されたシステム時間を送信する手段とを具備している請求項16記載の無線周波数リンク制御装置。
【請求項１８】
前記位相ロックループは、
位相メータと、
２次の評価装置と、
電圧制御発振器とを具備している請求項17記載の無線周波数リンク制御装置。
【請求項１９】
前記２次の評価装置は、それに入力される信号から高周波雑音を除去する平滑回路と、
前記電圧制御発振器における周波数ドリフトを補償するように動作するドリフト補償回路と、
前記電圧制御発振器への入力として使用する信号を生成する評価回路とを具備している請求項18記載の無線周波数リンク制御装置。
【請求項２０】
さらに、前記電圧制御発振器は、前記発振器の出力位相が記憶される位相表を含んでいる請求項19記載の無線周波数リンク制御装置。
【発明の詳細な説明】
［発明の技術分野］
本発明は、クロック同期に関し、特に複数の軌道衛星に搭載されたクロックを同期するシステムおよび方法に関する。
［背景技術］
地球軌道衛星の技術において、通信、マッピングまたは位置決定のような１以上のシステムタスクを実行するために１つのシステムとして一諸に動作する複数のこのような衛星を設置することが知られている。このようなシステムを含む各衛星の特定の動作は、システム全体にわたって同じでなければならない正確な時間基準に合わせられることがしばしば必要である。この要求は、一般にこのような各衛星に高度に正確で安定したクロックを設置することによって満たされている。このような衛星のクロックの故障に備えて、各衛星はまたこのような故障の場合に付勢されることができる１以上の冗長待機クロックを具備している。このようなシステムを含む各衛星にこのような高度に正確で安定したクロックを２個以上設置することは、システムオペレータに対して相当な金銭的負担をかけると共に、著しい重量のために発射費用が高価になる。本発明は、従来技術のシステムにおいて使用された冗長クロックを必要とせずに、これまで実現されていないレベルの安定度および正確度でこのような軌道衛星システム中の搭載されたクロックの同期を維持するシステムおよび方法を提供する。さらに、本発明のシステムおよび方法は、高度に正確で安定したクロックおよびこのようなクロックに関連した付随的な費用および重量をこのような衛星システムの一部分から随意に除去することを含む。
この点において、本発明の好ましい実施形態はグローバル位置決定システム（GPS）における適応であるということが認められる。したがって、本発明の動作をよく理解するために、本発明をGPS適用との関連において説明する。始めに、GPSの動作および特性を簡単に説明する。
GPSは、位置を決定する有用なツールをユーザーに提供するためにこれまで開発された衛星技術を利用した航法システムである。このシステムにより、操縦士は小型の“GPS受信機”によって、地球上での操縦士の位置にかかわらず、また非常に高い正確度（通常数百フィート以内）で彼の位置を迅速に決定することを可能にする。このようなシステムは、民間および軍用の両方に有効な多数の利点を有している。例えば民間用では、GPS受信機を備えているモータリストは、道に迷っても彼の位置を正確に把握し、正しい行動を取ることができる。このシステムにより船舶の船長が受ける恩恵はさらに大きい。船長が他に取ることのできる航法はモータリストより少ないため、船長がGPS受信機によって提供される情報に依存する割合は大きい。軍事的な環境において、GPSの関連性はさらにはっきりと示される。例えば、弾道ミサイルを塔載している潜水艦の艦長はGPS情報を使用して、彼の艦の緯度および経度を迅速に獲得し、正確に決定することができる。潜水艦の位置が正確に決定されると、既知の位置のターゲットに対する弾道が計算されることが可能であり、ミサイルが配置されることができる。上記の例はGPSの重要性を表しており、システムを頼りにしている者がいかにその正確度および信頼性に依存しなければならないかを示している。
グローバル位置決定システムは、地球のほぼ11,000海里上方にありほぼ完全な円形軌道に維持されている軌道の乗っている複数の衛星から構成されている。これらの軌道は、ユーザーが情報を要求する時間にかかわらず、また地球上におけるユーザーの位置にかかわらずシステムがユーザーに情報を提供することができるように選択されている。軌道衛星のうちの４個は、行われるべき位置決定のために何時でもユーザーに“可視”でなければならない。また、４個の各衛星の位置は知られていなければならず、衛星はGPS受信機と無線距離計算において結合するように配備されなければならない。GPS受信機は４個の各衛星までの距離とこれら４個の衛星の位置を獲得してしまえば、その受信機の位置が決定されることができる。
GPS受信機は、従来の“三角測量”技術を３次元として適用することによって位置を決定する。三角測量は航法技術であり、それにより地球表面上のプラットフォームは既知の位置の２つの基準点に関するその距離だけを使用することによってその緯度および経度を計算することができる。GPSシナリオにおいて、プラットフォームは既知の位置の３個の衛星に関するその距離を使用することによってその経度、緯度、および必要ならばその高度を計算することができる。高度の付加的な座標は、地球表面上の動作に拘束されないそれらプラットフォームによって要求されてもよい。理論上、ユーザーの位置を表す３つの座標は３つの距離測定から決定されることができる。これは、３つの測定により３つの式が得られ、その３つの式は３つの未知数を解くのに十分なためである。しかしながら、実際にユーザークロックは常にシステムクロックと異なっており、第４の未知数すなわちシステム時間を導入する。したがって、GPSの位置発見機能を実際に実施するには４つの距離測定を行う必要がある。航法位置を設定するために４つの式が利用できるように、４つの異なる衛星に対するGPS受信機の距離が計算される。これら４つの式から、ユーザーのクロックオフセットおよび３つの未知の座標を決定することができる。
衛星までの距離を計算するために使用されることのできる方法は、電磁エネルギの符号化されたパルスを各衛星によって送信することを含む。パルスは衛星から受信機までの距離に比例した遅延の後、受信機に入射する。その後、パルスは送信している衛星の識別子、伝送時間および送信時の衛星の位置を決定するために受信機によって復号される。４つのこのようなパルスが４個の異なる衛星に対して１つずつ同時に送信されたとき、受信機は送信時の４個の衛星のそれぞれに対するその距離を計算することが可能であり、その後それらの距離および衛星の既知の位置から地球に関するその位置を計算することができる。
受信機の位置計算における誤差の大きい原因の１つは、各衛星上の標準時間の変化である。各衛星はそれ自身の内部クロックに合わせて送信を行うために、衛星標準時間の変化は、衛星の実際の送信時間を変化させる。実際の送信時間の変化とは、衛星の位置が実際の送信の間に変化することを意味する。したがって、GPS受信機がその位置を計算する衛星基準点の位置は正確には分からない。基準点の位置の不正確度は、受信機の位置のエラーのない決定を不可能にする。
クロック変化によって生じる誤差を減少させるために、GPS衛星は、原子周波数に基づいて高度に正確な標準時間を維持する原子クロックを具備している。現在、各GPS衛星は３個のこのような原子クロックを含んでいる。前に示されているように、クロックの１つが故障した場合に代替するものを提供することによりシステムのメインテナンス無用期間を延長するために多数の原子クロックが各衛星上で使用されている。これらの原子クロックは非常に高価であり、システムの全体的なコストに著しく影響を与える。したがって、動作性能の低下を伴わずに、必要とされる原子クロックの個数を減少するタイミング方法は、GPSの経済効果を大幅に高めるであろう。
［発明の要約］
本発明の目的は、同期された時間基準を必要とし、一方で修理せずにシステムが動作することを期待できるメインテナンス無用の期間を維持するこのような衛星のシステムにおいて、１衛星当たりの原子クロックまたはその他の高度に正確で安定したクロックの個数を減少することであり、さらにこのようないくつかの衛星が原子クロックなしで動作することを可能にすることである。
本発明の別の目的は、原子クロックよりはるかに小量しか互いにずれず、地球上で維持されているグリニッジ標準時間コードにロックされる厳密に同期された組のクロックを維持することである。
厳密に同期された１組の原子クロックを維持する目的は、個々の衛星間の通信、および衛星と地球ステーションとの間の通信によって実現される。原子クロックを有する衛星は、クロスリンク無線チャンネルを介して互いに通信している。各衛星で行われているカルマンプロセスにより、位相オフセットは各原子クロックに対して計算される。任意の１つの衛星において計算された位相オフセットは、その衛星の原子クロックに加算される。クロック値の結果的な組は“アンサンブルクロック”と呼ばれ、それはその１組を形成しているクロックの中の平均二乗誤差が最少にされる特性を有している。各衛星における局部的なアンサンブルクロックと、このようなデータがクロスリンクチャンネルを介して受取られたときの別の衛星のアンサンブルクロックとの間の結合を維持するためにカルマンプロセスの連続的な反復が行われる。
原子クロックを備えた衛星は、無線周波数の第１の帯域を介して地球ステーションにそれらのアンサンブル時間を送信する。その後、地球ステーションはグリニッジ標準時からのアンサンブルクロックの平均オフセットを計算し、無線周波数の第２の帯域を介して衛星にそのオフセットを伝送する。このオフセットはステアリング信号を計算するために各衛星によって使用され、その後この信号はグリニッジ標準時にアンサンブルクロックをロックし、それによって補正されたクロック値を生成するために使用される。
システム内のいくつかの衛星が原子クロックなしで動作することを可能にする目的は、原子クロックを有する衛星から原子クロックを有しない衛星に補正されたクロック値を送信することによって達成される。原子クロックのない衛星は、位相ロックループにより受信され補正されたクロック値をそれぞれ処理する。各位相ロックループは、受信され補正されたクロック信号の周波数と局部電圧制御された発振器の周波数との間の差に比例したエラー信号を生成する。このエラー信号は発振器入力にフィードバックされ、電圧制御された発振器の周波数に受信され補正されたクロック信号の周波数を強制的に追跡させるフィードバックループを完成させる。電圧制御された発振器の出力をそのクロック信号として使用することによって、原子クロックが塔載されていない衛星は補正されたクロック信号にロックされたままである。
【図面の簡単な説明】
図１は、衛星間の複数の通信リンクを示した軌道衛星のシステムの平面図である。
図２は、軌道衛星、地球および地球ステーションを示した軌道衛星のシステムの平面図である。
図３は、軌道衛星システムのRFリンク制御の１実施形態の概略図である。
図４は、本発明のシステムおよび方法による位相ロックループの信号処理図である。
図4Aは、グローバル位置決定システムにおいて実施される本発明のシミュレーションの動作ステップを示したフローチャートの最初の半分である。
図4Bは、グローバル位置決定システムにおいて実施される本発明のシミュレーションの動作ステップを示したフローチャートの第２の半分である。
図５は、システムが24個の衛星から構成され、そのうちの23個が塔載原子クロックを有している、本発明を使用したシミュレートされたグローバル位置決定システムのアンサンブルクロックの過渡および定常状態応答特性を示したグラフである。
図６は、システムが24個の衛星から構成され、そのうちの16個が塔載原子クロックを有している、本発明を使用したシミュレートされたグローバル位置決定システムのアンサンブルクロックの過渡および定常状態応答特性を示したグラフである。
図７は、アンサンブルクロックの時間にわたる周波数ドリフトを示したグラフである。
図８は、位相ロックループの時間にわたる周波数ドリフトを示したグラフである。
［発明を実行するための最良モード］
上述されたように、本発明の好ましい実施形態は本発明のグローバル位置決定システムに対するシステムおよび方法の適用である。したがって、以下GPS動作との関連で本発明の特徴および動作を説明する。
図１を参照すると、グローバル位置決定システムの一部分を構成している３個の衛星2,4,6および地球ステーション８が示されている。本発明を説明するために、第１の衛星２および第２の衛星４が搭載原子クロックを備えている。第３の衛星６は、搭載原子クロックを有しない。各衛星２および４は、衛星の原子クロック位相プラス位相オフセットに等しいアンサンブルクロックを維持している。衛星は、それらのアンサンブルクロック値を同時にかつ均一な時間間隔で放送する。放送衛星に対して可視である衛星は、伝送されたものを受信したときに、受信している衛星における更新された位相オフセットを計算するために受信されたデータに関してカルマン測定アルゴリズムを動作する。その後、更新された位相オフセットは、受信している衛星の原子クロック位相に加算され、それによって受信している衛星で更新されたアンサンブルクロックを生成する。カルマンプロセスの連続的な反復は、各衛星の局部的なアンサンブルクロックと、このようなデータとして放送している衛星から受信されたときの放送衛星のアンサンブルクロックとの間の結合を維持するために行われる。カルマンプロセスによってアンサンブルクロックを結合することにより、アンサンブルクロックにおける平均二乗誤差は最少にされる。カルマンアルゴリズムが１組のデータの追跡に固有の平均二乗誤差をどのようにして最少にするかを詳細に説明するために、文献［Kalman,R.E.,"A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems",J.Basic Eng.（ASME Trans.,ser.D）,vol 82,pp.35−45,March 1969］を参照されたい。カルマン追跡アルゴリズムの一例は、文献［Radar Handbook,edited by Merrill Skolnik,2d edition,published by McGraw Hill,Inc.（1990）］（G.V.Trunk氏による第８章"Automatic Detection,Tracking,and Sensor Integration"を参照）に記載されている。カルマンアルゴリズムはソフトウェアで実施されてもよいし、或は市販のマイクロプロセッサまたは専用処理回路を使用してハードウェアで実施されてもよい。衛星の間でクロックデータを伝播するためにカルマンアルゴリズムおよびクロスリンク通信を使用することにより、GPSは厳密に同期された１組のアンサンブルクロックを維持することができる。
送信時、全ての衛星が放送している衛星に可視というわけではない。しかしながら、互いに可視でない衛星間の通信は、互いに可視の衛生による伝送を行うことによって達成されてもよい。この技術は図２に示されており、第１の衛星16からの信号はクロスリンク通信チャンネル18を介して第２の衛星20に伝送される。その後、第２の衛星20によって受信されたデータは、第２のクロスリンク22を介して第３の衛星24に中継される。このようにして、第３の衛星24が送信時に第１の衛星16に対して可視でなくても、第１の衛星16からのクロックデータが第３の衛星24に伝播されることができる。
さらに図２を参照すると、衛星がそれらのアンサンブルクロック値を地球ステーション８に周期的に送信していることが理解できる。これらの送信は可視性の拘束を受け、衛星がそれらの正常の航法機能を実行すると同時に行われてもよい。このようにして、地球ステーション８はＬ帯域チャンネル12のような無線リンクを介して可視衛星からアンサンブル時間および位置推算パラメータを受信する。地球ステーション８は受信されたアンサンブル時間を使用してグリニッジ標準時間からの平均位相オフセットを計算し、その後Ｓ帯域チャンネル14のような別の無線リンクを介して可視衛星に計算されたオフセットを送信する。可視衛星へのＳ帯域伝送は12時間に１度行われ、その時にデータがクロスリンクチャンネル10を介して不可視衛星に送られる。地球ステーション８から伝送されたオフセットは、衛星２および４のような原子時計を備えた衛星によってグリニッジ標準時間のそれらのアンサンブルクロックをロックするために使用される。一方、衛星６のような原子時計を有しない（または原子時計の故障した）衛星は、以下に説明する方法で原子時計を有する衛星との通信によりグリニッジ標準時間にその塔載されたクロックを固定する。
図３を参照すると、グローバル位置決定システムは、原子時計を備えた複数の衛星26、原子時計を有しない１以上の衛星28、衛星可視性モデル30、地球ステーション８、地球ステーション可視性モデル32、および雑音源34を含んでいるようにモデル化されることができる。本発明によると、原子時計を備えた衛星26は、各衛星のアンサンブルクロックと、その衛星に可視である別のアンサンブルクロックとの間の位相差に関してカルマンアルゴリズム40を動作させることによって精密に同期されたアンサンブルクロックの組を維持する。
クロックデータは、複数のクロスリンク42を介して衛星の間で通信される。任意の２個の衛星の間で情報を通信するために必要なクロスリンクの選択は、衛星相互の可視性の関数であり、すなわち図３において衛星可視性モデルで表されている要素である。その後、更新されたアンサンブルクロック44が衛星位置情報と共にＬ帯域送信機46を通って地球ステーション８に設置されたＬ帯域受信機47に送信される。送信時に地球ステーション８に対して可視の衛星だけがＬ帯域送信を行うことができる。この可視性制限は、地球ステーション可視性モデル32を含むことによりシステムモデルにおいて説明される。また、クロスリンク42およびＬ帯域チャンネル46を介した伝送は雑音によって劣化される。雑音の影響は雑音源34の形態で含まれている。
さらに図３を参照すると、地球ステーション８はグリニッジ標準時50からの衛星アンサンブル時間44の平均オフセット48を計算する。その後、オフセット48は地球ステーション８に設置されたＳ帯域送信機52と、原子時計を備えた衛星26に設置された複数のＳ帯域受信機53とによって可視衛星に伝送される。可視衛星へのＳ帯域伝送は、クロスリンク42による不可視衛星への通信と共にほぼ12時間に１度行われる。原子時計を備えた衛星26はステアリングフィルタ54によりオフセット48を濾波する。ステアリングフィルタ54の出力は、カルマンプロセス36によりグリニッジ標準時間にアンサンブルクロックを固定するように処理される。
本発明は、塔載された原子時計をそれぞれ有する衛星間の標準時間を改良するのに加えて、１以上の衛星が動作可能な原子時計を搭載されていない衛星間における改良された標準時間を維持するシステムおよび方法を提供する。全ての衛星が動作している原子時計を有してはいない（設計により、或は１以上の塔載された原子時計が故障した場合）システムでは、原子時計を有しない衛星は、ブリニッジ標準時間にロックされたときに原子時計を備えた衛星からアンサンブルクロックの値を受信する。これは、図３に示されているシステムであり、ここのおいて原子時計を有しない衛星28は位相ロックループ29によりアンサンブルクロック40にロックされる。アンサンブルクロック値は、クロスリンク42を介して原子時計を有しない衛星に伝送される。原子時計を有しない衛星は、位相ロックループ29をそれぞれ具備している。位相ロックループ29への入力としてアンサンブルクロック値を使用することによって、ループ29の出力周波数および出力位相は、アンサンブルクロック周波数およびアンサンブルクロック位相にロックされる。位相ロックループ29の出力は、原子時計を有しない衛星によってクロック信号として使用される。
図４を参照すると、本発明に含まれている位相ロックループは、位相メータ56、２次サーボ58、および電圧制御された発振器（VCXO）60を一体構造で含んでいる。位相メータ56は、VCXO60からの入力の位相と、クロスリンク42を介して受信されたアンサンブルクロックの位相との間の差を累算する。その累算は、それぞれ雑音源34,62および64としてモデル化されている伝播遅延のあいまい性やプロセスタイミングの影響、および可視性の拘束を受ける。累算された位相メータ誤差は、高周波雑音を除去するために平滑フィルタ66を通して評価回路68に送られる。位相メータ誤差はまた、VCXO60における周波数ドリフトを補償するためにドリフト補正信号を生成するドリフト補償回路70に入力される。評価回路68およびドリフト補償回路70の両者はGPSフレーム速度で動作される。それらの出力は加算器72によって加算され、乗算器74によって乗算される。加算器72の出力は、位相メータ誤差に比例した電圧であり、VCXO60のドリフトを補償するために調節される。加算器72の出力は、典型的に36秒／フレームのGPSフレーム速度値と乗算され、１秒当たりのサイクルから1GPSフレーム当たりのサイクルに変換されてVCXO60に送られる。
VCXO60は、その入力電圧によって決定される特定の周波数および位相の出力信号を生成する。この出力信号は、クロスリンク42を介して受信されたアンサンブルクロック位相と比較するために位相メータ56に供給される。VCXO60によって導入された２つの主な欠点であるドリフトおよびフリッカ雑音が存在し、それらは雑音回路76および78としてそれぞれモデル化されている。フリッカ雑音回路78の雑音は５段の遅相進相フィルタによりガウス雑音を濾波することによってシミュレートされる。ドリフロ雑音回路76のドリフトは、ガウス雑音を二重積分することによってシミュレートされる。ドリフト雑音回路76の積分されたドリフト雑音、フリッカ雑音回路78の雑音および乗算器74の出力は、加算器80によって加算される。加算器80の出力は遅延素子82によって遅延され、積分装置84によって積分され、位相表86に記憶される出力位相を生成する。位相表86に記憶された位相は、クロスリンク42を介して受信されたアンサンブルクロック位相と位相メータ56によって比較され、このようにしてフィードバックループを完了する。
本発明を使用するグローバル位置決定システムは、地球のグリニッジ標準時に結合された厳密に同期された１組の衛星クロックを提供する点で通常のGPSにまさる大きい利点を有すると共に、GPS特性全体を結果的に改良する利点を有していることが認められる。また上述のように、本発明を使用するグローバル位置決定システムの別の利点は、動作する原子時計を有しない衛星を同期するために位相ロックループを使用することによって達成される。特に単一の衛星における付加的な冗長原子時計の代わりに、位相ロックループを使用することによって、システム性能を低下させずにシステム費用を引き下げることができる。
本発明のシステムおよび方法が予測どおりに動作する付加的な信頼性を得るために、RFリンク制御を使用したグローバル位置決定システムのソフトウェアモデルが生成された。ソフトウェアモデルを使用して、２つの別個のシミュレーションが実行され、各シミュレーションにおいて衛星クロックの性能データが記録された。
第１のシミュレーションにおいて、モデル化されたGPSは、原子時計を有する23個の衛星および原子時計を有しない１個の衛星の24個の衛星から構成されている。また、第１のシミュレーションにおいて、クロスリンクを介する放送は６分間隔で設定され、地球ステーションの送信は12時間間隔で設定され、ステアリングフィルタは24時間にわたって平均を行うように設定された。第１のシミュレーションに対するアンサンブルクロックの過渡および定常状態応答特性を図５に示す。
原子時計を有する衛星の個数が16個に変更され、原子時計を有しない衛星の個数が８個に変更され、その他全てのパラメータが不変である第２のシミュレーションが動作された。図６において、第２のシミュレーションのアンサンブルクロックの過渡および定常状態応答を示す。
以下、図4Aおよび4Bに示されたフローチャートを使用して、第１のシミュレーションのプロセスを説明する。最初に図4Aを参照すると、ステップ100でそのシミュレーションが始まる。その後、主ループ104に入る前に初期化過程102が実行される。主ループ104は１送信期間ごとに１度トラバースされ、その送信期間は原子時計を有する衛星による送信の間の期間である。主ループの始めに、処理ステップ106が行われ、このステップ106において原子時計を有しない衛星である衛星No.1における位相メータ誤差がゼロに設定され、フレームカウンタ“j"が１に設定される。その後、シミュレーションプログラムは、１フレーム期間ごとに１度トラバースされるフレームループ108に入り、フレーム期間とは位置推算パラメータの更新の間の36秒である。フレームカウンタは、フレームループ108が反復するごとに更新される。
決定ステップ110からフレームループ108が始まり、このステップ110で、原子時計を有する衛星が可視衛星および地球ステーションにそれらのアンサンブルクロック値を送信する時間か否かが決定される。このような送信が行われる時間であるならば、シミュレーションは処理ステップ112を実行し、それに続いて伝送ループ114に入る。ステップ112において、各衛星がカルマンプロセスにより維持されている共分散マトリックスにおける位相項が記憶され、ループカウンタが１に設定される。伝送ループ114において、アンサンブルクロックデータを原子時計を有する衛星からNo.1の衛星に送信し、原子時計を有する衛星間でアンサンブルクロックデータを送信し、地球ステーションから原子時計を有する衛星に送信するのに必要な動作が実行される。プログラムは１送信期間ごとに１度ループ114に入る。すなわち、フレーム率（36秒）で乗算されたフレームカウンタ“j"が送信期間（６分）に等しくなるたびに、それはループ114に入る。したがって、シミュレーションが終了するまで、フレームカウンタ“j"が10になるたびにプログラムは伝送ループ114に入る。
伝送ループ114は決定ステップ116により始まり、このステップにおいてループカウンタに対応した衛星（すなわち衛星“k"）が原子時計を有しているか否かが決定される。それが原子時計を有していない場合、ループカウンタ“k"がインクレメントされるステップ118にプログラムがジャンプする。衛星“k"が原子時計を有している場合、決定ステップ120が実行され、このステップにおいてプログラムはループカウンタがシステム中の衛星の合計個数（説明されている例では24）以下であるか否かを決定する。カウンタがシステム中の衛星の合計個数以下であるならば、ステップ122で衛星No.1に対する衛星“k"の可視性がチェックされる。ステップ124において、衛星“k"が衛星No.1に対して可視か否かがステップ122の出力に基づいて決定される。それが衛星No.1に対して可視である場合、衛星No.1における位相メータ誤差がステップ126によって示されているように更新され、動作はステップ128に進む。ループカウンタ“k"がシステム中の衛星の合計個数より大きい場合、衛星“k"は衛星No.1に対して不可視であり、プログラムはステップ130を経てステップ128に進む。
ステップ128において、カルマンループ132に入る前に、カウンタ“i"が２に設定される。カルマンループ132において、衛星“i"が衛星“k"からアンサンブルクロック送信を受けるたびにカルマン測定プロセスが行われる。カルマン測定プロセスはまた、衛星“i"が地球ステーションからタイミングオフセットを受信するたびに実行される。
カルマンループ132における第１のステップは、衛星“i"が原子時計を有しているか否かをチェックする決定ステップ134である。衛星“i"が原子時計を有していない場合、プログラムは、カウンタ“i"がインクレメントされるステップ136にジャンプする。衛星“i"が原子時計を有している場合、カウンタ“k"がシステム中の衛星の合計個数以下であるか否かを決定する決定ステップ138が実行される。“k"がシステム中の衛星の合計個数以下である場合、衛星“k"に対する衛星“i"の可視性がステップ140でチェックされ、可視性に関する決定がステップ142で行われる。２つの衛星が互いに可視でない場合、ステップ136が実行される。それらが互いに可視である場合、ステップ136を実行する前に、ステップ144においてカルマン測定が衛星“i"で行われる。
ステップ138において“k"がシステム中の衛星の合計個数より大きいと決定された場合、衛星“i"は衛星“k"に対して可視であり、ステップ146で位相メータ誤差がステアリング信号に設定される。決定ステップ148では、衛星“i"が地球ステーションに対して可視か否かが決定される。衛星“i"が地球ステーションに対して可視である場合、ステップ150がステップ142の前に実行される。ステップ150において、地球ステーションはグリニッジ標準時と衛星“i"上のアンサンブルクロックとの間の位相差を測定する。衛星“i"は衛星“k"に可視であるため、“k"が衛星の合計個数より大きい場合には、プログラムはステップ142を通ってステップ144に進み、このステップ144においてカルマン測定がステアリング信号を使用して衛星“i"で行われる。ステップ137において“i"がシステム中の衛星の合計個数より大きい場合、プログラムはカルマンループ132を出て、そうでない場合にはプログラムはジャンプしてカルマンループ132の始めのステップ134に戻る。
カルマンループ132を出ると、プログラムはステップ118を実行し、その後“k"がシステム中の衛星の合計個数プラス１（この例では25）より大きいか否かを決定するステップ152を実行する。“k"が25より大きい場合、プログラムはその通常のフレーム処理動作を再開し、それは伝送ループ114がステップ110によってバイパスされた時に実行されるのと同じ動作である。フレーム処理動作は図4Bに示されている。図4Aに示されたステップから図4Bに示されたステップへの動作の流れは、２つの経路のいずれか154aまたは154bによって行われる。
図4Bには、フレーム処理動作が一連のステップ156として示されており、このステップ156は、シミュレーションの開始から、または前の12時間の期間から12時間経過したか否かの決定（ステップ158）を含む。12時間経過していると決定された場合、グリニッジ標準時からのアンサンブルクロックオフセットの和が計算され、ステアリング信号が更新される（ステップ160）。フレームカウントにかかわらず、衛星No.1の位相ロックループが伝播され（ステップ162）、位置推算、クロックおよびカルマンフィルタパラメータが伝播され（ステップ164）、ステアリング信号が伝播されて、フレームカウンタがインクレメントされる（ステップ166）。
フレーム処理ステップ156が終了すると、プログラムは送信期間が完全に経過したか否かを確認するためにチェックする（ステップ168）。期間が経過していない場合、プログラムはもう１度フレームループ108の反復を開始する。送信期間が経過している場合には、プログラムは、シミュレーションの開始からまたは前の１時間の期間から１時間が経過したか否かを確認するためにチェックし（ステップ170）、その場合にプログラムはクロックパラメータの１時間ごとのダンプを実行する（ステップ172）。場合に応じて、１時間ごとのダンプの後またはステップ170の後に、プログラムは、シミュレーションが指定された数のフレームを処理したか否かを確認するためにチェックする（ステップ174）。シミュレーションが示された数のフレームを処理していない場合、プログラムはもう１度主ループ104の反復を開始する。シミュレーションが示された数のフレームを処理した場合、プログラムがステップ180で終了する前に２つの動作が実行される。衛星No.1のVCXOからの位相データはダンプされ（ステップ176）、rms周波数ドリフト、すなわちVCXOの“アラン分散”が36乃至720,000秒の遅延期間中に計算される。
図５には第１のシミュレーションの結果が示されており、ここにおいてグリニッジ標準時と比較されるアンサンブルクロックの位相が示され、特に代表的なアンサンブルクロックの過渡応答特性と、全てのアンサンブルクロックに対する定常状態応答特性が示されている。図面から理解できるように、アンサンブルクロックは30日間の過渡期間を経た後、それらは定常状態に達し、一般にグリニッジ標準時の５ナノ秒内そのままである。アンサンブルクロック間の偏差は、定常状態に達した後、約１ナノ秒そのままであることが図５から認められる。第２のシミュレーションにおいて、アンサンブルクロックは定常状態に達してしまうと、一般にグリニッジ標準時の約10ナノ秒内そのままであった。第１のシミュレーションの場合のように、アンサンブルクロック間の偏差は、約１ナノ秒である。
図７において、両シミュレーションに対してアンサンブルクロックの時間にわたる平均周波数ドリフトが示されている。比較するために、セシウム原子時計とルビジウム原子時計の周波数分散も示されている。図面から理解できるように、セシウム規格に基づいて得られたアンサンブルクロックは、セシウム規格の特性に一致し、カルマンアルゴリズムが行われる1000秒より大きい時間遅延が生じた時にそれを越える。
図８において、図４に示されている位相ロックループの時間にわたる平均周波数ドリフトが示されている。位相ロックループは、150秒から15000秒までの期間はセシウム仕様の近くでそれより下でなくVCXOを保持する。15000秒を越えると、カルマンアルゴリズムは応答特性をセシウム仕様より下にする。
図５乃至８のグラフクィック特性データから理解できるように、ここに記載された衛星クロックのRFリンク制御は、多数衛星システムがこのような各衛星において原子時計を使用することに基づいたシステムに等しい性能レベルに正確な同期された時間基準を維持することを可能にし、一方で衛星のある部分が塔載された原子クロックなしで動作することを可能にする。
以上、衛星クロックのRFリンク制御について説明してきた。本発明の実施形態が詳細に記載されているが、添付された請求の範囲によって限定されている本発明の技術的範囲を逸脱することなく、種々の変更、修正および置換が可能であることを理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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