(57)【要約】【課題】擬似距離誤差が小さく且つ伝送時間も短い衛星測位システム等を提供する。【課題を解決するための手段】測位衛星、測位補強衛星、地上側設備からなる衛星測位システムであって、復調されたメッセージデータとＰＲＮ符号との相互タイミングを同期調整する第１のタイミング同期部と、測位補強信号を受信し、受信観測された疑似距離に基づいて測位補強信号の送信時刻と現在時刻との差を求め、測位補強信号の送信時刻と現在時刻とのタイミングを同期調整する第２のタイミング同期部とを含む。また、補強メッセージデータ信号生成部は、第２のタイミング同期部で同期調整された同期調整情報を補強メッセージデータ信号として生成し、コマンド信号生成部は、受信観測された疑似距離に基づいて測位補強信号の送信時刻と現在時刻との差を求めてＰＲＮ符号生成調整制御量を算出し、ＰＲＮ符号生成調整制御量に基づいて人工衛星へのコマンド信号を生成する。【選択図】図１
2014020814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測位衛星及び測位補強衛星、並びに、地上側の測位補強処理設備及び測位補強地上送信設備からなる衛星測位システムであって、
前記測位補強衛星は、
周波数の源泉となる時計及びそれに基づいて複数の周波数を提供する時計及びシンセサイザ部と、
前記時計及びシンセサイザ部から提供される複数の周波数のうち１以上の周波数に基づいてＰＲＮ符号を生成するＰＲＮ符号生成部と、
測位補強信号に重畳すべき補強メッセージデータを前記測位補強地上送信設備から受信して補強メッセージデータを復調するためのメッセージデータ復調部と、
コマンド信号を地上から受信してコマンドを復調するためのコマンド復調部と、
前記復調されたメッセージデータと前記ＰＲＮ符号との相互タイミングを同期調整する第１のタイミング同期部と、
前記メッセージデータ復調部で復調されたメッセージデータ及び前記コマンド復調部コマンドと、前記復調されたメッセージデータとの相互タイミング同期された前記ＰＲＮ符号との排他的論理和をとるゲート部と、
前記ゲート部からの出力に基づいて前記時計シンセサイザ部からの周波数を変調して測位補強信号を生成する変調部と、
前記生成された測位補強信号を増幅する増幅部と、
前記増幅された測位補強信号を空間に放射するアンテナ部と
を備え、
前記地上側の測位補強処理設備又は前記測位補強地上送信設備は、
前記測位補強信号を受信し、受信観測された疑似距離に基づいて測位補強信号の送信時刻と現在時刻との差を求め、測位補強信号の送信時刻と現在時刻とのタイミングを同期調整する第２のタイミング同期部と、
前記第２のタイミング同期部で同期調整された同期調整情報を補強メッセージデータ信号として生成する補強メッセージデータ信号生成部と、
前記測位補強信号を受信し、受信観測された疑似距離に基づいて測位補強信号の送信時刻と現在時刻との差を求めてＰＲＮ符号生成調整制御量を算出し、前記ＰＲＮ符号生成調整制御量に基づいて地上から人工衛星へのコマンド信号を生成するコマンド信号生成部と、
前記補強メッセージデータ信号生成部で生成された補強メッセージデータ信号と、前記コマンド信号生成部で生成されたコマンド信号とを前記測位補強衛星へ送信する送信部とを備えことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記人工衛星の軌道は地球の重心を１個の焦点とする楕円軌道に沿って周回しているとみなしうるものとし、前記楕円軌道上前記人工衛星と地球の重心との距離の変化により地上から前記人工衛星へのデータの伝送時間の変化を吸収するための距離変化吸収バッファ部を前記人工衛星に備えたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
測位衛星及び測位補強衛星、並びに、地上側の測位補強処理設備及び測位補強地上送信設備からなる衛星測位システムで処理される方法であって、
前記測位補強衛星は、
周波数の源泉となる時計及びそれに基づいて複数の周波数を提供する時計及びシンセサイザ部と、
前記時計及びシンセサイザ部から提供される複数の周波数のうち１以上の周波数に基づいてＰＲＮ符号を生成するＰＲＮ符号生成部と、
測位補強信号に重畳すべき補強メッセージデータを前記測位補強地上送信設備から受信して補強メッセージデータを復調するためのメッセージデータ復調部と、
コマンド信号を地上から受信してコマンドを復調するためのコマンド復調部と、
第１のタイミング同期部と、
排他的論理和をとるゲート部と、
前記ゲート部からの出力に基づいて前記時計シンセサイザ部からの周波数を変調して測位補強信号を生成する変調部と、
前記生成された測位補強信号を増幅する増幅部と、
前記増幅された測位補強信号を空間に放射するアンテナ部と
を備え、
前記地上側の測位補強処理設備又は前記測位補強地上送信設備は、
第２のタイミング同期部と、
補強メッセージデータ信号生成部と、
地上から人工衛星へのコマンド信号を生成するコマンド信号生成部と、
前記測位補強衛星へ信号を送信する送信部とを備え、
ここにおいて、
前記第１のタイミング同期部は、前記復調されたメッセージデータと前記ＰＲＮ符号との相互タイミングを同期調整し、
前記ゲート部は、前記メッセージデータ復調部で復調されたメッセージデータ及び前記コマンド復調部コマンドと、前記復調されたメッセージデータとの相互タイミング同期された前記ＰＲＮ符号との排他的論理和をとり、
前記第２のタイミング同期部は、前記測位補強信号を受信し、受信観測された疑似距離に基づいて測位補強信号の送信時刻と現在時刻との差を求め、測位補強信号の送信時刻と現在時刻とのタイミングを同期調整し、
前記補強メッセージデータ信号生成部は、前記第２のタイミング同期部で同期調整された同期調整情報を補強メッセージデータ信号として生成し、
前記コマンド信号生成部は、前記測位補強信号を受信し、受信観測された疑似距離に基づいて測位補強信号の送信時刻と現在時刻との差を求めてＰＲＮ符号生成調整制御量を算出し、前記ＰＲＮ符号生成調整制御量に基づいて地上から人工衛星へのコマンド信号を生成し、
前記送信部は、前記補強メッセージデータ信号生成部で生成された補強メッセージデータ信号と、前記コマンド信号生成部で生成されたコマンド信号とを前記測位補強衛星へ送信する
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
前記人工衛星の軌道は地球の重心を１個の焦点とする楕円軌道に沿って周回しているとみなしうるものとし、前記楕円軌道上前記人工衛星と地球の重心との距離の変化により地上から前記人工衛星へのデータの伝送時間の変化を吸収するための距離変化吸収バッファ部を前記人工衛星に備えたことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全地球測位システム（ＧＰＳ）に代表される衛星測位システムから送信される衛星測位信号を補強する信号生成技術に関し、より具体的には、かかる測位補強信号の生成方法、並びに、該生成方法を実装した衛星測位システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
衛星測位システムは、複数の人工衛星によって放送される衛星測位信号の受動的測定に依拠する。オンボードクロックが、しばしば「エポック」と呼ばれる規則的な、通常連続した一連のイベントを生成するのに使用され、エポックの発生の時刻は、乱数符号または擬似乱数符号（拡散符号（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ  ｃｏｄｅ）と称する）にコーディングされる。拡散符号化された電波を受信機で受信することで、受信機の時刻タイミングで生成した拡散符号と、受信した信号の拡散符号との位相差を計測し、測位衛星と受信機間の距離を測定することができる。
【０００３】
そのような衛星測位システムの例として、全地球測位システム（ＧＰＳ）が挙げられる。一般に、ＧＰＳは、それぞれ１５７５．４２ＭＨｚ、１２２７．６ＭＨｚ、および１１７６．４５ＭＨｚを中心とするＬ１、Ｌ２、およびＬ５等と称される複数の周波数を使用して動作する。これらの信号のそれぞれが、それぞれの拡散信号によって変調される。当業者であれば容易に理解できるように、ＧＰＳ衛星ナビゲーションシステムが発するＣＡ（Ｃｏａｒｓｅ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）コード信号は、１５７５．４２ＭＨｚのＬ１周波数で送信され、１．０２３ＭＨｚの拡散符号レート（チップレート）を有する。さらにこれらの信号は航法メッセージと呼ばれるデータを重畳しており、そのデータ伝送レートは５０ｂｐｓである。この拡散符号レート１．０２３ＭＨｚ、データ伝送レート５０ｂｐｓの信号は、一般に「Ｌ１ Ｃ／Ａ信号」と呼ばれる。
【０００４】
このような衛星測位システムの測位信号の精度を維持するために、衛星測位補強システムが導入されている。
【０００５】
衛星測位補強システムは、衛星測位信号に含まれる疑似距離誤差や衛星測位信号の異常を利用者に伝送するシステムである。従来の衛星測位補強システムは、図６に示すように、通常の測位衛星６０１のほかに、測位補強衛星と呼ばれる人工衛星６０２と地上設備とからなり、地上設備は、さらに、衛星測位信号を受信しそれに含まれる誤差を抽出しそれの異常を検知する測位補強処理設備６０３と、測位補強信号の源泉となる測位補強源泉ＲＦ信号を生成して測位補強衛星に送信する測位補強地上送信設備６０４とから構成される。利用者（航空機など）６０５は、測位衛星６０１から測位信号を受信するとともに、測位補強衛星６０２からも測位補強信号を受信して測位信号の精度の維持を図っている。
【０００６】
測位補強信号は、大きくは次のステップを経て測位補強衛星６０２から利用者６０５へ送信される。
（１）測位補強処理設備６０３において測位衛星６０１から測位信号を受信し、測位信号の遅れやずれ等を検査する。
（２）測位補強処理設備６０３において測位信号の遅れやずれ等が見られた場合には、これらを修正するためのデータを生成し、地上送信設備６０４へ送信する。
（３）修正するためのデータを測位補強源泉ＲＦ信号として、地上送信設備６０４から測位補強衛星６０２へ送信する。
（４）測位補強源泉ＲＦ信号を受信した測位補強衛星６０２は、利用者６０５へ向けて測位補強信号を送信する。
【０００７】
上記（４）において、測位補強衛星６０２では、測位補強源泉ＲＦ信号を受信し、その搬送波周波数を変換することで測位補強信号を生成して送信している。典型的には、ＳＢＡＳベントパイプ方式が採用され、単に周波数を変換するだけである。図７に、ＳＢＡＳベントパイプ方式に基づく周波数変換フローを示す。図７において、測位補強源泉ＲＦ信号を受信した測位補強衛星の受信アンテナ部７０１は、増幅及びフィルタモジュール７０２において増幅及びフィルタリング処理され、周波数変換器７０３において周波数変換される。このとき、時計及びシンセサイザ部７０４からのクロック信号が用いられる。時計及びシンセサイザ部は、周波数の源泉となる時計及びそれに基づいて複数の周波数を提供する。
周波数変換された信号は、増幅及びフィルタモジュール７０５にて増幅及びフィルタリング処理されて送信アンテナ部７０６から測位補強信号として送信される。
【０００８】
図７を用いて説明した周波数変換処理を更に詳細に説明する。測位補強源泉ＲＦ信号をｓ0（ｔ）、その中心周波数ｆ0を５ＧＨｚとし、測位補強信号をｓ1（１）、その中心周波数ｆ1を１．５７５４２ＧＨｚとする。このとき、ｓ0（ｔ）からｓ1（ｔ）を得るためには、ｓ0（ｔ）に所定の周波数ｆ1−ｆ0をかけて、高調波成分２ｆ0−ｆ1をフィルタ除去する。その後、増幅することで所望の振幅の信号を得ることができる。
【０００９】
更に、数式を用いて、ｓ0（ｔ）、ｓ1（ｔ）を次のように表すことができる。
まず、測位補強源泉ＲＦ信号ｓ0（ｔ）は、次のように表すことができる。
2014020814.tif 000003
但し、Ａ0は、信号振幅であり、Ｄ（ｔ）は、時刻ｔの関数として表される航法メッセージであり、Ｃ（ｔ）は、時刻ｔの関数として表されるＰＲＮ符号である。
【００１０】
そうすると、フィルタ処理前のｓ1（ｔ）は、次のように表すことができる。
2014020814.tif 000004
【００１１】
また、フィルタ処理後のｓ1（ｔ）は、次の通りである。
2014020814.tif 000005
【００１２】
上述した周波数変換は、一般的な衛星測位補強システムである米国の広域補強システムＷＡＡＳ（Wide Area Augmentation System）（非特許文献１、２）をはじめとして、欧州の静止衛星補強型衛星航法システムＥＧＮＯＳ（European Geostationary Navigation Overlay Service）、及び日本の運輸多目的衛星用衛星航法補強システムＭＳＡＳ（MTSAT Satellite-based Augmentation System）でも採用されている。単純な構成であるため、伝送時間も短くすることができるという利点を持っている。例えば、米国における測位システムで（ＧＰＳ）に異常が発生したときに、それを測位補強処理設備で検知して所定時間を使って判断し、さらに、所定の時間を使って測位補強地上送信設備を介して測位補強衛星に伝送したとしても、測位補強衛星内部における遅延時間を実質的にゼロに留めて、異常を伝える測位補強信号を地上に送出することが出来る。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】GLOBAL POSITIONING SYSTEM WIDE AREA AUGMENTATION SYSTEM (WAAS) PERFORMANCE STANDARD, 1st Edition, 31 October 2008, インターネット＜URL: http://www.gps.gov/technical/ps/2008-WAAS-performance-standard.pdf＞
【非特許文献２】Wide Area Augmentation System (WAAS) ウェブサイト＜URL: http://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/ato/service_units/techops/navservices/gnss/waas/＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、その測位補強信号を受信観測したときの擬似距離の精度は、一般的な測位システムである米国ＧＰＳや日本のＱＺＳＳ（Quasi Zenith Satellites System）に比べて低いという欠点を持つ。一例として、図８に、日本のＭＡＳＡの擬似距離誤差（図８（Ａ））と、日本のＱＺＳＳの擬似距離誤差（図８（Ｂ））を示す。図８（Ｂ）において、日本のＱＺＳＳの擬似距離誤差が２ｍ程度であるのに対して（同一の仰角で比べるために黒枠内について比較することとする）、図８（Ａ）に示されたＭＳＡＳの擬似距離誤差は１０ｍを超える場合がある。このように誤差が大きくなる理由は、(1)測位補強信号の源泉ＲＦ信号は地上の時計に基づいて生成されており、(2)ベントパイプ方式であるために人工衛星側において不確かな時計を持っており、そのために人工衛星の軌道位置の誤差と時刻誤差との分離が難しいということが考えられ、更に、かかる難しい状況下で上記(1)での生成を制御しなくてはならない等の要因も複合的に影響を及ぼすものと考えられる。
【００１５】
更に、仮に、測位補強衛星が静止衛星では無く、ＱＺＳＳのような準天頂軌道を飛行する人工衛星であるとすると、人工衛星と地球との距離が異なる。例えば、ベントパイプ方式の場合、信号生成部は地上にある。人工衛星と地上との距離の変化がΔＲであるとすると、地上の信号生成部から人工衛星を介したユーザまでの距離の変化は２×ΔＲとなる。１×ΔＲの分を除去する必要が生じる。なお、ΔＲの大きさは約１００００ｋｍにも達する（静止衛星のΔＲは１５ｋｍ程度）ので、この１×ΔＲをどのように除去するのかは、極めて重大な課題となる。
【００１６】
また、日本のＱＺＳＳにおいても、ＱＺＳＳ衛星からは、衛星測位信号の送信と同時に、ＳＡＩＦ信号と呼ばれる測位補強信号を送信している。ＱＺＳＳにおけるＳＡＩＦ信号の生成方式は、通常の衛星測位信号と同一であるので、前述の擬似距離の精度は２ｍ程度である。しかしながら、異常（時間遅延等）を伝送するための時間は長ってしまう。
すなわち、ＳＡＩＦ信号に重畳すべき補強メッセージデータは、地上から伝送され、補強メッセージデータ復調器で復調され、タイミング処理部に取り込まれる。タイミング処理部では、通常、ソフトウェア処理によってタイミング調整が行われており、補強メッセージデータの各ビットの切り替わりタイミングは、ＰＲＮ符号の繰り返しタイミングであるＰＲＮ符号繰り返しエポックと同期が取られるようになっている。そのため、データ保持レジスタが用意され、そこにＰＲＮ符号繰り返しエポックが分周された補強メッセージシンボルエポック（500sps）がクロックとして入力される。
【００１７】
同時に、１秒といった長いタイミング調整は、更に分周された１秒エポックに依ることになって、タイミング処理部（ソフトウェア処理されている）は、１秒のエポックに合わせて、１秒ごとのパケットブロックで到来した補強メッセージデータをデータ保持レジスタにセットすることになる。
【００１８】
以上のメカニズムによれば、タイミング処理部が丁度１秒毎の処理を終えたときに、伝送すべきデータが到来したとすれば、次の１秒の処理を待たなければならず、その後データ保持レジスタにセットされてその１秒のパケットブロックが送信されることになる。その結果、伝送時間には１秒単位の遅れが生じる場合があるという課題がある。
【００１９】
また、航空保安設備として測位補強システムが使用される場合には、その伝送時間の遅れについては、ＩＣＡＯ（International Civil Aviation Organization）のＳＡＲＰｓ（international Standards And Recommended Practices）で規定されており（"Time to Alert"の項目）、許容される遅れ時間は、中間航路（En-route）においては５分であるものの、ＡＰＶ−Ｉ、ＡＰＶ−II等の飛行の状況においては、６秒、１０秒、１５秒といった短時間しか許容されない。そのような中で、１秒〜２秒単位での人工衛星側での伝送時間の遅れは、致命的なものとなる。
【００２０】
また、時計誤差は、航法メッセージに含まれる時刻補正パラメータにより補正しなくてはならないが、その範囲は、通常の衛星測位信号と同様の範囲である。そして、時刻補正パラメータは、例えば通常の衛星測位の米国ＧＰＳの場合、ａf0と呼ばれており、その中身は２２ビットの２の補数で表現され、そのスケールファクターは２-31であるので、その範囲はほぼ±１ｍｓである。
一方、ＩＣＡＯの時刻補正パラメータは、ａGf0と呼ばれており、その範囲は±０．９５３７μs と明記されているため、通常の衛星測位信号の場合と同様に補正パラメータを生成してしまうと、ＩＣＡＯの約１／１０００倍の基準範囲を満たすことはできない。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、測位衛星及び測位補強衛星、並びに、地上側の測位補強処理設備及び測位補強地上送信設備からなる衛星測位システムであって、
前記測位補強衛星は、周波数の源泉となる時計及びそれに基づいて複数の周波数を提供する時計及びシンセサイザ部と、前記時計及びシンセサイザ部から提供される複数の周波数のうち１以上の周波数に基づいてＰＲＮ符号を生成するＰＲＮ符号生成部と、測位補強信号に重畳すべき補強メッセージデータを前記測位補強地上送信設備から受信して補強メッセージデータを復調するためのメッセージデータ復調部と、コマンド信号を地上から受信してコマンドを復調するためのコマンド復調部と、前記復調されたメッセージデータと前記ＰＲＮ符号との相互タイミングを同期調整する第１のタイミング同期部と、前記メッセージデータ復調部で復調されたメッセージデータ及び前記コマンド復調部コマンドと、前記復調されたメッセージデータとの相互タイミング同期された前記ＰＲＮ符号との排他的論理和をとるゲート部と、前記ゲート部からの出力に基づいて前記時計シンセサイザ部からの周波数を変調して測位補強信号を生成する変調部と、前記生成された測位補強信号を増幅する増幅部と、前記増幅された測位補強信号を空間に放射するアンテナ部とを備え、
前記地上側の測位補強処理設備又は前記測位補強地上送信設備は、前記測位補強信号を受信し、受信観測された疑似距離に基づいて測位補強信号の送信時刻と現在時刻との差を求め、測位補強信号の送信時刻と現在時刻とのタイミングを同期調整する第２のタイミング同期部と、前記第２のタイミング同期部で同期調整された同期調整情報を補強メッセージデータ信号として生成する補強メッセージデータ信号生成部と、前記測位補強信号を受信し、受信観測された疑似距離に基づいて測位補強信号の送信時刻と現在時刻との差を求めてＰＲＮ符号生成調整制御量を算出し、前記ＰＲＮ符号生成調整制御量に基づいて地上から人工衛星へのコマンド信号を生成するコマンド信号生成部と、前記補強メッセージデータ信号生成部で生成された補強メッセージデータ信号と、前記コマンド信号生成部で生成されたコマンド信号とを前記測位補強衛星へ送信する送信部とを備えことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明は、測位衛星及び測位補強衛星、並びに、地上側の測位補強処理設備及び測位補強地上送信設備からなる衛星測位システムで処理される方法であって、前記測位補強衛星は、周波数の源泉となる時計及びそれに基づいて複数の周波数を提供する時計及びシンセサイザ部と、前記時計及びシンセサイザ部から提供される複数の周波数のうち１以上の周波数に基づいてＰＲＮ符号を生成するＰＲＮ符号生成部と、測位補強信号に重畳すべき補強メッセージデータを前記測位補強地上送信設備から受信して補強メッセージデータを復調するためのメッセージデータ復調部と、コマンド信号を地上から受信してコマンドを復調するためのコマンド復調部と、第１のタイミング同期部と、排他的論理和をとるゲート部と、前記ゲート部からの出力に基づいて前記時計シンセサイザ部からの周波数を変調して測位補強信号を生成する変調部と、前記生成された測位補強信号を増幅する増幅部と、前記増幅された測位補強信号を空間に放射するアンテナ部とを備え、
前記地上側の測位補強処理設備又は前記測位補強地上送信設備は、第２のタイミング同期部と、補強メッセージデータ信号生成部と、地上から人工衛星へのコマンド信号を生成するコマンド信号生成部と、前記測位補強衛星へ信号を送信する送信部とを備え、
ここにおいて、前記第１のタイミング同期部は、前記復調されたメッセージデータと前記ＰＲＮ符号との相互タイミングを同期調整し、前記ゲート部は、前記メッセージデータ復調部で復調されたメッセージデータ及び前記コマンド復調部コマンドと、前記復調されたメッセージデータとの相互タイミング同期された前記ＰＲＮ符号との排他的論理和をとり、前記第２のタイミング同期部は、前記測位補強信号を受信し、受信観測された疑似距離に基づいて測位補強信号の送信時刻と現在時刻との差を求め、測位補強信号の送信時刻と現在時刻とのタイミングを同期調整し、前記補強メッセージデータ信号生成部は、前記第２のタイミング同期部で同期調整された同期調整情報を補強メッセージデータ信号として生成し、前記コマンド信号生成部は、前記測位補強信号を受信し、受信観測された疑似距離に基づいて測位補強信号の送信時刻と現在時刻との差を求めてＰＲＮ符号生成調整制御量を算出し、前記ＰＲＮ符号生成調整制御量に基づいて地上から人工衛星へのコマンド信号を生成し、前記送信部は、前記補強メッセージデータ信号生成部で生成された補強メッセージデータ信号と、前記コマンド信号生成部で生成されたコマンド信号とを前記測位補強衛星へ送信することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明にかかる測位補強信号生成方法及び衛星測位システムにより、全地球測位システム（ＧＰＳ）に代表される衛星測位システムの性能を補強するための衛星測位補強システム（SBAS: Satellite Based Augmentation System）において、システムの測位補強衛星から送信される測位補強信号の受信観測により得られる擬似距離誤差が小さく、且つ伝送時間も短い測位信号を生成して提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態にかかる衛星測位システムの概略構成を説明する説明図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる衛星測位システムの測位補強衛星における信号処理ブロックを説明する説明図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる衛星測位システムの測位補強処理設備及び／又は測位補強地上送信設備の信号処理ブロックを説明する説明図である。
【図４】本発明の他の実施形態にかかる衛星測位システムの測位補強衛星の信号処理ブロックを説明する説明図である。
【図５】本発明の他の実施形態にかかる衛星測位システムの測位補強衛星の信号処理ブロックを説明する説明図である。
【図６】従来の衛星測位補強システムの概略構成を説明する説明図である。
【図７】従来の衛星測位補強システムにおいて採用されるＳＢＡＳベントパイプ方式の信号処理ブロックを説明する説明図である。
【図８】我が国におけるＭＳＡＳの擬似距離誤差及びＱＺＳＳの擬似距離誤差を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明にかかる測位補強信号生成方法等を実施するための形態、及び該方法を採用したシステムの実施形態について、図面に基づいて詳述する。
【実施例１】
【００２６】
図１に、本発明の一実施形態にかかる衛星測位システムの概略構成を示す。衛星測位システム１００は、測位衛星１０１と測位補強衛星１０２と測位補強処理設備１０３と測位補強地上送信設備１０４とからなり、利用者１０５は、測位衛星１０１から送信される測位信号と測位補強衛星１０２から送信される測位補強信号とを受信して自身の位置を正確に知ることができる。
【００２７】
また、図１において、本発明の一実施形態にかかる測位補強地上送信設備１０４は、従来の送信設備とは異なり、測位補強衛星１０２に対し補強メッセージデータ信号及びコマンド信号の２種類の信号を送信するところが第１の技術的特徴となっている。
【００２８】
図２に、本発明の一実施形態にかかる衛星測位システムの測位補強衛星における信号処理ブロックを示す。信号処理ブロック２００は、一実施形態として、測位補強衛星１０２に実装されて、測位補強信号生成装置を構成する。
【００２９】
図２において、地上からは、補強メッセージデータ信号及びコマンド信号が伝送され、コマンド信号はコマンド復調器２０１で復調され、補強メッセージデータ信号は補強メッセージデータ復調部で復調される。復調された補強メッセージデータは、データ保持フリップフロップ２０６において、分周器２０５から送信される補強メッセージシンボルエポックに基づいてタイミングが調整される。補強メッセージシンボルエポックは、ＳＢＡＳの場合は５００ｓｐｓ（Symbol Per Second）であり、その間隔は２ｍｓである。
【００３０】
タイミングが調整された補強メッセージデータは、ＰＲＮ符号生成器から送信されるＰＲＮ符号との排他的論理和が取られ（ゲート２０７）、その後は通常の衛星測位信号と同様に変調器２０８へ送信されて、ゲート２０７からの出力に基づいて時計シンセサイザ部２０３からの周波数を変調して衛星測位信号が生成され、増幅器及びフィルタモジュール２０９において増幅及びフィルタ処理された後、送信アンテナ部２１０から地上へ向けて送信される。
なお、ＰＲＮ符号生成器２０４は、時計及びシンセサイザ部２０３から提供される複数の周波数のうち１以上の周波数に基づいてＰＲＮ符号を生成する。
【００３１】
上述の通り、測位補強信号は、通常の衛星測位信号と同様に生成される。これにより、擬似距離誤差は、通常の衛星測位信号と同等となることが期待できるという利点を持つ。また、人工衛星と地上の距離がΔＲ変動しても、擬似距離誤差に対する影響は少ない。
【００３２】
また、信号処理ブロック２００における主要な時間遅れは、データ保持フリップフロップ２０６における２ｍｓであることが理解できる。この時間遅れは、他の処理部の時間遅れを全て足し合わせたとしても、１ｓよりもはるかに少ないオーダーで済む。さらに、伝送時間は、上述した従来のベントパイプ方式と略同等の時間を維持できる。
【００３３】
以上説明した人工衛星側（測位補強衛星１０２）の処理によって、補強メッセージデータの各ビットは、ＰＲＮ符号の２ｍｓのタイミングに合致していることが保証されることになる。例えば、ＳＢＡＳの補強メッセージは５００ｓｐｓであり、５００シンボルで１つのフレームを構成するので、１フレームの時間長は１秒毎となる。
【００３４】
しかしながら、上述した人工衛星側の処理だけでは、この１フレームの先頭は、正しく毎整数秒にタイミングが合致しているか否かまで保証されない。そこで、毎整数秒に合致させるためのタイミング調整機構が必要であり、これは本発明における第２の技術的特徴である。以下、毎整数秒に合致させるためのタイミング調整を行う仕組みについて、図面に基づいて説明する。
【００３５】
図３は、毎整数秒に合致させるためのタイミング調整を行う信号処理ブロックを示している。図３に示した信号処理ブロック３００は、地上に置いた場合を想定しており、具体的には、測位補強処理設備１０３及び／又は測位補強地上送信設備１０４において実装されている。
【００３６】
図３において、時計及びシンセサイザ部３０２は、補強メッセージシンボルエポックと整数秒に同期したエポックを生成する。補強メッセージデータ生成部３０３は、整数秒に同期したエポックに基づいてＳＢＡＳの１フレーム分を生成する。補強メッセージデータ生成部３０３で生成された補強メッセージデータは、右シフトレジスタ部３０７に供給され、右シフトレジスタ部３０７では、補強メッセージシンボルエポックにより右側へ補強メッセージデータの各ビットが右シフト処理される。データセレクタ部３０６では、長さ調整演算部３０４から送信指示される選択すべきビット位置情報に基づいて、右シフトレジスタ部のレジスタ内の特定のビットを選択して、補強メッセージデータ信号生成器３０８に供給する。補強メッセージデータ信号生成器３０８は、補強メッセージデータ信号を生成し、測位補強地上送信設備１０４から測位補強衛星１０２へ送信される。
【００３７】
長さ調整演算部３０４で決定される選択すべきビット位置は、次のステップで求められる。まず、測位補強信号受信部３０１において測位補強信号を受信し、擬似距離ρを観測する。ρには、地上と人工衛星との距離Ｒに加えて、一般に受信機側の時刻誤差と、人工衛星送信機側の時刻誤差（δt×光速）が含まれているが、ここでは、受信機側の時刻誤差は別の手段で除去されているものとする。受信機側の時刻誤差は、通常の測位信号受信においては測位演算結果が既知であるため既知の値を利用してもよいし、あるいは、ＧＰＳ信号を受信し、測位演算を行って位置と共に時刻誤差を容易に求めることができる。なお、送信機側の時刻が遅れていればρは大きくなり、ρは、次式で求めることができる。
【００３８】
2014020814.tif 000006
【００３９】
上述した通り、受信機側の時刻誤差は既知であるので、式（４）は、さらに次式（５）で置き換えてもよい。
2014020814.tif 000007
【００４０】
さらに、送信機側の時刻誤差をδｔ，光速をｃとすれば、次式（６）の通り表すことができる。
2014020814.tif 000008
【００４１】
以上より、δｔは、次式（７）の通り表すことができる。
2014020814.tif 000009
なお、δｔは、時刻が遅れているときに正の値となる。
【００４２】
次に、ＩＣＡＯで要求される基準を満たすよう、本発明を有効に実施するためには、ＩＣＡＯにおいて、ａGf0と呼ばれている時刻補正パラメータの範囲を±０．９５３７μｓに収める必要があるので、以下、そのための調整処理を説明する。
なお、この調整処理は、大別すると、
（１）ＰＲＮ符号生成調整制御による１ｍｓ以下の調整、
（２）１ｍｓか２ｍｓの時間幅で調整する２ｍｓ以下の調整、
（３）２ｍｓの倍数となるタイミング誤差を調整する２ｍｓ以上の調整
の３つのステップで構成されるので、順に詳述する。
【００４３】
［ＰＲＮ符号生成調整制御による１ｍｓ以下の調整］
まず、δt の光速×１ｍｓの剰余Ｘを求める。この剰余Ｘを「１ｍｓ以下エポック調整指示」としてコマンド信号に重畳して人工衛星に伝送する。人工衛星側では、指示コマンド復調器でこの「１ｍｓ以下エポック調整指示」が復調されて、ＰＲＮ符号生成器のＰＲＮ符号生成のタイミングを調整することにより受けた指示を実施する。
仮に、剰余Ｘが０．７５ｍｓであれば、人工衛星側でのＰＲＮ符号生成タイミングを一時的に０．７５ｍｓだけ進ませるか、１ｍｓ−０．７５ｍｓ＝０．２５ｍｓだけ遅らせる。これにより、１ｍｓを１つの単位とした調整を行うことができる。
【００４４】
［１ｍｓか２ｍｓの時間幅で調整する２ｍｓ以下の調整］
次に、再度計測したρに基づいて、δt を求め、
2014020814.tif 000010
を求める。
【００４５】
Ｙが奇数ならば、５００ｓｐｓで２ｍｓ幅を持つ補強メッセージデータビットが１ｍｓを跨いでいることになるので、１ｍｓを跨がないように、人工衛星側のＰＲＮ符号生成器２０４又は分周器２０５を調整して１ｍｓをずらす。この人工衛星側での調整は、例えば、「１ｍｓ単位エポック調整指示」として、地上よりコマンド信号に重畳して人工衛星側に送信することで実施される。人工衛星側では、この「１ｍｓ単位エポック調整指示」が指示コマンド復調器２０１で復調されて制御される。
【００４６】
また、Ｙが偶数ならば、５００ｓｐｓの２ｍｓ幅の先頭ビットの送信時刻と現在時刻とが合っているので、調整の必要はない。
【００４７】
以上の制御により、２ｍｓ以下の単位でタイミング調整が完了することができる。引き続き、後述の調整方法により、２ｍｓの倍数のタイミング誤差が調整される。
【００４８】
［２ｍｓの倍数となるタイミング誤差を調整する２ｍｓ以上の調整］
２ｍｓの倍数となるタイミング誤差は、一実施形態として、地上側で実施する。
再度計測したρに基づいてδt を求め、
2014020814.tif 000011
を求める。Ｚは、５００ｓｐｓで２ｍｓ幅を持つ補強メッセージデータビットのどのビットを選択するのかに相当し、地上側の右シフトレジスタにおいて、Ｚの大きさだけビット位置をシフトすることにより選択ビットが決定する。
具体的には、Ｚが仮に２５だとすれば現在選択しているビット位置から２５ビット分だけ右側のビットを選択する（２５は正の数なので右方向へ進む）。また、Ｚが仮に−３３であれば現在選択しているビット位置から３３ビット分だけ左側のビットを選択する（−３３は負の数なので左方向へ進む）。
【００４９】
地上側の右シフトレジスタ（右シフトレジスタ部３０７のレジスタ）に必要とされるビット長は、補強メッセージデータ生成部３０３がどれだけ正確に現在時刻に合ったタイミングで補強メッセージデータを生成しているかに依存する。例えば、仮に、その精度が１秒であれば、５００ｓｐｓの補強メッセージデータのタイミングは１秒異なる可能性がある。この場合、上記Ｚは、±５００という数値を持ち得るので、右シフトレジスタのビット長は１０００ビット必要となる。一方で、時計及びシンセサイザ部３０２から整数秒に同期したエポックをもらうなどして、よりよく同期させれば、右シフトレジスタのビット長をより短くすることが出来る。
【００５０】
なお、上述のステップでは、擬似距離ρを複数回計測し、（１）〜（３）へと段階を踏んでタイミング調整をしているが、ρの計測回数を１回とし、各ステップを並列して処理することも可能である。
【００５１】
地上から送信される測位補強メッセージデータ信号は、地上と人工衛星との距離Ｒに応じて、Ｒ／光速だけ遅れて人工衛星に到達する。例えば、距離Ｒが３６０００ｋｍだとすると、地上から送信される測位補強メッセージデータ信号は、３６０００（ｋｍ）／３０００００（ｋｍ／ｓ）＝０．１２（ｓ）遅れて人工衛星に到達する。
そのため、地上からの送信においては、人工衛星に到達するまで０．１２秒要することを前提として、０．１２秒分（すなわち、６０ｂｉｔｓ 分）早めに送信するよう制御することもできる。そのためには、一例として、補強メッセージデータ生成部及び／又は右シフトレジスタのビット長が調整される。
【実施例２】
【００５２】
さて、上述の説明では、人工衛星と地上との距離は変化しないことを前提としている。確かに静止衛星の場合の距離の変化ΔＲは、１５ｋｍ程度であり、到達遅れ時間の変化Δｔは０．５ｍｓ程度である。一方で、ＳＢＡＳの補強メッセージは５００ｓｐｓであり、１シンボルの時間幅は２ｍｓであるので、この２ｍｓという時間幅に対し、静止衛星の場合の距離変化ΔＲに伴う遅れ時間の変化Δｔの影響は小さい。
【００５３】
しかしながら、日本のＱＺＳＳの場合を想定すると、距離の変化ΔＲは、９０００ｋｍを越える程度にまで達し、到達遅れ時間の変化Δｔも３０ｍｓを越えるものとなる。先ほど述べた通り、ＳＢＡＳの補強メッセージの１シンボルの時間幅は２ｍｓであるので、無視できない大きさである。例えば、ＱＺＳＳ衛星が近地点（人工衛星が、地球の重心を１個の焦点とする楕円軌道に沿って周回しているとみなしうるとき、その楕円軌道上の地球の重心にもっとも近い地点）にいるときに丁度のタイミングで補強メッセージデータビットの送出タイミングを調整したとしても、ＱＺＳＳ衛星が遠地点（人工衛星が、地球の重心を１個の焦点とする楕円軌道に沿って周回しているとみなしうるとき、その楕円軌道上の地球の重心にもっとも遠い地点）に進むにつれて地上と人工衛星との距離は増大し、近地点の時の距離との差が６０ｋｍを越えたときには、人工衛星が受信すべきビットがまだ地上から届かないという事態が生ずる。
【００５４】
そのため、本発明の第３の技術的特徴である距離変化吸収バッファが実装される。
【００５５】
図４に、本発明の他の実施形態にかかる衛星測位システムの測位補強衛星の信号処理ブロックを示す。図４に示した信号処理ブロック４００は、信号処理ブロック２００と比較して、データ保持フリップフロップ２０６が、データ保持右シフトレジスタ４０６に置き換えられた点が大きく異なる。データ保持右シフトレジスタ４０６が上述した距離変化吸収バッファの機能を果たす。
なお、コマンド復調器４０１、補強メッセージデータ復調器４０２、時計及びシンセサイザ部４０３、ＰＲＮ符号生成器４０４、分周器４０５、ゲート４０７、変調器４０８、増幅及びフィルタモジュール４０９、送信アンテナ部４１０は、それぞれ、コマンド復調器２０１、補強メッセージデータ復調器２０２、時計及びシンセサイザ部２０３、ＰＲＮ符号生成器２０４、分周器２０５、ゲート２０７、変調器２０８、増幅及びフィルタモジュール２０９、送信アンテナ部２１０に対応するので、これら対応するモジュールの詳細動作については重複して説明することはしない。
【００５６】
図４に示す信号処理ブロック４００が想定する状況において、距離の変化ΔＲが９０００ｋｍだとすると、到達遅れ時間の変化Δｔは３０ｍｓである。ＳＢＡＳの補強メッセージの１シンボルの時間幅が２ｍｓである場合には、距離変化吸収バッファは、３０ｍｓ／２ｍｓ＝１５ｂｉｔｓのビット長が必要である。
【００５７】
距離変化吸収バッファ（データ保持右シフトレジスタ４０６）は、補強メッセージデータ復調器４０２から供給される補強メッセージデータを入力データとして、データが到来するたびに右詰めされていく。詰められる最大ビット数は１５ｂｉｔｓである。また、分周器４０５より補強メッセージシンボルエポックを受けるたびに、距離変化吸収バッファ内のデータは右向きにシフトされ、一番右側のビットに対して右向きシフトが行われた場合には、そのまま捨てられる。
【００５８】
さらに、説明を進めると、図４に示す信号処理ブロック４００が想定する状況において、仮に人工衛星が遠地点にいるとする。そのとき、距離変化吸収バッファには左から１５番目（すなわち一番右側）にのみ有効な補強メッセージデータビットが入っている状況で、補強メッセージシンボルエポック（５００Ｈｚ）で右側から読み出されると同時に、左側からは補強メッセージデータが５００ｓｐｓで供給され、有効な補強メッセージデータビットまで右詰されている。
【００５９】
いま、この人工衛星が近地点に向かって進んでいくものとすると、バッファに入ったビットデータは、相変わらず補強メッセージシンボルエポック（５００Ｈｚ）で右側から読み出されるが、距離変化ΔＲに応じて、それより少し短い周期で左側から補強メッセージデータビットが入力されることになる。そのため、距離変化吸収バッファには、右側から順に少しずつ補強メッセージデータビットが溜まっていく状況となる。
【００６０】
そして、この人工衛星が近地点に達すると、距離変化ΔＲは９０００ｋｍであったので、５００ｓｐｓの補強メッセージの内の１５ｂｉｔｓが距離変化吸収バッファを埋め、左から１番目（すなわち一番左側）まで有効な補強メッセージデータビットとなる。
【００６１】
次に、この人工衛星が再び遠地点に向かうと、距離が長くなることから補強メッセージデータビットの到来が遅れ始める。読み出しスピードは補強メッセージシンボルエポック（５００Ｈｚ）で一定であるので、距離変化吸収バッファの中身は徐々に少なくなり、遠地点では、再び左から１５番目（すなわち一番右側）にのみ有効な補強メッセージデータビットが残っているという状況に戻る。
【実施例３】
【００６２】
図３において、毎整数秒に合致させるためのタイミング調整を行う信号処理ブロックを地上に置いた場合を想定して説明をしたが、ここでは、毎整数秒に合致させるためのタイミング調整を行う信号処理ブロックを人工衛星側に設置することも可能であるので、他の実施形態として図５に基づいて説明する。
【００６３】
図５において、毎整数秒に合致させるためのタイミング調整を行う信号処理部は、データ保持右シフトレジスタ部５０６とデータセレクタ部５１１とで実現されている。コマンド復調器５０１、補強メッセージデータ復調器５０２、時計及びシンセサイザ部５０３、ＰＲＮ符号生成器５０４、分周器５０５、ゲート５０７、変調器５０８、増幅及びフィルタモジュール５０９、送信アンテナ部５１０は、それぞれ、コマンド復調器４０１、補強メッセージデータ復調器４０２、時計及びシンセサイザ部４０３、ＰＲＮ符号生成器４０４、分周器４０５、ゲート４０７、変調器４０８、増幅及びフィルタモジュール４０９、送信アンテナ部４１０に対応するので、これら対応するモジュールの詳細動作については重複して説明することはしない。
【００６４】
データ保持右シフトレジスタ部５０６及びデータセレクタ部５１１では、まず、補強メッセージデータ復調器５０２で復調された補強メッセージデータが、データ保持右シフトレジスタ部５０６に供給され、データ保持右シフトレジスタ部５０６では、分周器５０５から供給される補強メッセージシンボルエポックにより右側へ補強メッセージデータの各ビットが右シフト処理される。また、データセレクタ部５１１では、コマンド復調器から送信指示される選択すべきビット位置情報に基づいて、右シフトレジスタ部のレジスタ内の特定のビットを選択して、タイミング調整後の補強メッセージデータとしてＰＲＮ符号との排他的論理和をとるためにゲート５０７へ送出される。その後は通常の衛星測位信号と同様に変調器５０８へ送信されて変調され、ゲート５０７からの出力に基づいて時計シンセサイザ部５０３からの周波数を変調して衛星測位信号が生成され、増幅器及びフィルタモジュール５０９において増幅及びフィルタ処理された後、送信アンテナ部５１０から地上へ送信される。
【００６５】
以上説明した実施形態において、測位補強衛星に対する測位補強メッセージデータ信号及びコマンド信号という具体例を用いて本発明の技術概念を説明したが、本発明の趣旨（データ伝送時間を短縮する）を逸脱しない限り、本発明が測位補強衛星を含まない他の衛星測位システムに対しても適用可能であることは、本発明を知った当業者にとっては容易に理解できることである。
【００６６】
［公知の技術等］
本発明に関連して、本明細書と同時に出願されたかその前に出願され、公に自由に入手できるすべての論文および文書の内容は、参照によって本明細書の記載内容として組み込まれる。
【００６７】
［組み合わせ］
本明細書（請求項、実施例、要約、及び図面を含む）に記載された構成要件の全て及び／又は開示された全ての方法又は処理の全てのステップについては、これらの特徴が相互に排他的である組合せを除き、任意の組合せで組み合わせることができる。
【００６８】
［特徴の一例］
本明細書（請求項、実施例、要約、及び図面を含む）に記載された特徴の各々は、明示的に否定されない限り、同一の目的、同等の目的、または類似する目的のために働く代替の特徴に置換することができる。したがって、明示的に否定されない限り、開示された特徴の各々は、包括的な一連の同一又は均等となる特徴の一例にすぎない。
【００６９】
本発明は、上述した実施形態のいずれの具体的構成にも制限されるものではない。本発明は、本明細書（請求項、実施例、要約、及び図面を含む）に記載された全ての新規な特徴又はそれらの組合せ、あるいは記載された全ての新規な方法又は処理のステップ、又はそれらの組合せに拡張することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１００  衛星測位システム
１０１  測位衛星
１０２  測位補強衛星
１０３  測位補強処理設備
１０４  測位補強地上送信設備
【図２】
2014020814.tif 000012
【図４】
2014020814.tif 000013
【図５】
2014020814.tif 000014
【図７】
2014020814.tif 000015
【図８】
2014020814.tif 000016
【図１】
2014020814.tif 000017
【図３】
2014020814.tif 000018
【図６】
2014020814.tif 000019