(57)【要約】【課題】  複雑な構成のスペクトル拡散用モデムや広帯域の衛星回線を必要としない衛星双方向時刻比較方式を提案する。【解決手段】  それぞれの局で、それぞれの時間の基準となるそれぞれの信号に基づいた同一の角周波数（ω0）の信号Ａと信号Ｂとを発生し、局Ａでは、角周波数差が２ω0である２つの高周波信号Ｖ1、Ｖ2を生成して、それぞれを局Ｂに伝送し、局Ｂでは伝送された上記の２つの高周波信号から、角周波数差が２ω0の信号Ｃを生成し、信号Ａの２逓倍信号と信号Ｃとの位相差ＭAを求め、同時に、局Ｂでは、周波数差が２ω0である２つの高周波信号Ｖ3、Ｖ4を生成して、局Ａに伝送し、局Ａでは伝送された上記の２つの高周波信号から、角周波数差が２ω0の信号Ｄを生成し、信号Ｂの２逓倍信号と信号Ｄとの位相差ＭBを求め、（ＭB−ＭA）を４ω0で除して時刻差を求める。【選択図】  図３
2006292677.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離間した局Ａと局Ｂとで時刻を合わせる方法で、
上記のそれぞれの局で、それぞれの時間の基準となるそれぞれの信号に基づいた同一の角周波数（ω0）の信号Ａと信号Ｂとを発生し、
局Ａでは、角周波数差が２ω0である２つの高周波信号Ｖ1、Ｖ2を生成して、それぞれを局Ｂに伝送し、局Ｂでは伝送された上記の２つの高周波信号から、角周波数差が２ω0の信号Ｃを生成し、信号Ａの２逓倍信号と信号Ｃとの位相差ＭAを求め、
同時に、局Ｂでは、周波数差が２ω0である２つの高周波信号Ｖ3、Ｖ4を生成して、局Ａに伝送し、局Ａでは伝送された上記の２つの高周波信号から、角周波数差が２ω0の信号Ｄを生成し、信号Ｂの２逓倍信号と信号Ｄとの位相差ＭBを求め、
（ＭB−ＭA）を４ω0で除して時刻差を求めることを特徴とする複搬送波位相比較を利用した双方向時刻比較法。
【請求項２】
互いに離間した局Ａと局Ｂとで時刻を合わせる方法で、
上記のそれぞれの局で、それぞれの時間の基準となるそれぞれの信号に基づいた同一の角周波数（ω0）の信号Ａと信号Ｂとを発生し、
局Ａでは、角周波数差が２ω0である２つの高周波信号Ｖ1、Ｖ2を生成してそれぞれを静止衛星に伝送し、静止衛星は伝送された２つの高周波信号を共通の周波数の信号を用いて周波数変換して局Ｂに伝送し、局Ｂでは伝送された上記の２つの高周波信号から、角周波数差が２ω0の信号Ｃを生成し、信号Ａの２逓倍信号と信号Ｃとの位相差ＭAを求め、
同時に、局Ｂでは、周波数差が２ω0である２つの高周波信号Ｖ3、Ｖ4を生成してそれぞれを静止衛星に伝送し、静止衛星は伝送された２つの高周波信号を共通の周波数の信号を用いて周波数変換して局Ｂに伝送し、局Ａでは伝送された上記の２つの高周波信号から、角周波数差が２ω0の信号Ｄを生成し、信号Ｂの２逓倍信号と信号Ｄとの位相差ＭBを求め、
（ＭB−ＭA）を４ω0で除して時刻差を求めることを特徴とする複搬送波位相比較を利用した衛星双方向時刻比較法。
【請求項３】
予め、時刻差を±１／（４ω0）以内の精度で確定して、位相の任意性を除外した上で、時刻差を求めることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の複搬送波位相比較を利用した衛星双方向時刻比較法。
【請求項４】
複数の角周波数（ω0）の値について時刻差の測定を行い、小さい角周波数側で大まかな時刻差を測定し、大きい角周波数側で高精度の時刻差を測定することを特徴とする請求項１あるいは２に記載の複搬送波位相比較を利用した衛星双方向時刻比較法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、相互に遠く離れた場所に置かれた時計の時刻差を精密に比較するために使用するものであり、標準時以外では、例えば、衛星測位システムの時刻同期や通信網時刻同期などに用いることができる複搬送波位相比較を利用した双方向時刻比較法および衛星双方向時刻比較法に関している。
【背景技術】
【０００２】
各国の時間や周波数の標準機関は毎日相互に各機関の標準時を衛星を利用して精密に比較し、その結果を国際度量衡局に集約し、ここで全世界の標準時計を平均して全世界に適用される協定世界時ＵＴＣが決められている。
【０００３】
従来の精密時刻比較の方式には、
１）ＧＰＳ  コモンビュー（Common View）方式（図１）（比較精度  数十ｎｓ〜数ｎｓ）、
２）ＧＰＳ搬送波位相方式（比較精度  数ｎｓ〜数百ｐｓ）、
３）衛星双方向方式（比較精度  サブｎｓ）（図３）、
などがある。
【０００４】
ＧＰＳ方式は時刻信号として、
１）スペクトル拡散コードを使用する通常のコモンビュー（Common View）方式、と、
２）搬送波の位相を使用する搬送波位相方式、がある。
後者は、より高分解能特性が得られる。しかし、両者いずれも途中の伝搬経路での遅延時間を正確に補正する必要があり、このために、精密な衛星軌道情報、電離層遅延、大気遅延の情報が必要である。一方、
３）  通信衛星を利用した衛星双方向方式では、
途中の伝搬経路の遅延時間を正確に打ち消すことができるため、正確な時刻比較が可能になる。
【０００５】
衛星双方向時刻比較は図２に示すように、標準機関ＡとＢは相互に時刻信号を交換し、自分の時刻信号の送信時刻と相手からの時刻信号の受信時刻の差を計測する。両局からの信号は同一の経路を伝搬するため、途中の伝搬遅延時間は同一である。このため両局における計測結果の差をとることで途中の伝搬遅延時間は打ち消し合い両局の時刻差を高精度に求めることができる。このため、ＧＰＳ方式のように途中の伝搬遅延時間を補正するための情報を必要とせずに高精度の時刻比較が可能になる。
【０００６】
しかし、この方式では、通信に周波数拡散方式を使用しており、複雑な構成のモデムが必要である。また、広帯域の衛星回線を必要とする等の問題がある。このため、衛星双方向搬送波位相比較方式が有望視されているが、衛星上の局部発振器の位相変動に起因する遅延時間変動の影響を効果的に除去する方法がなく、実用化されていない。
【０００７】
また、時刻信号として搬送波位相そのものを使用する方式も提案されている。この方式ではマイクロ波Ｋｕ帯の通信衛星を使用した場合、搬送波の周期が１００ｐｓ以下と非常に短いため、高分解能の時刻比較が可能になる。しかしながら、通信衛星を利用するため、衛星上で上り回線から下り回線に周波数変換する際に搬送波は衛星上の局部発振器の信号と混合され、局部発振器の位相が付加される。このため、局部発振器の位相変動により見かけ上の伝搬遅延時間が変動することになり時刻比較精度が制限されるという問題がある。このため、搬送波位相比較方式は衛星と地上間の時刻比較のように衛星上で周波数変換する必要のない特殊な目的で実験的にしか行われていない。
【０００８】
【非特許文献１】吉村和幸、古賀保喜、大浦宣徳、「周波数と時間」、電子情報通信学会、平成元年
【非特許文献２】通信総合研究所季報  Vol.49 Nos.1/2 March/June 2003, ４章  時間・周波数精密比較法
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の衛星双方向時刻比較方式では、時刻信号として数ＭＨｚ程度のスペクトル拡散信号を使用しているため、複雑な構成のスペクトル拡散用モデムを必要とし、また数ＭＨｚ以上の広帯域の衛星回線が必要になる。このため、システムの初期費用だけでなく、運用経費も高額になるという問題がある。
【００１０】
また、上記した、時刻信号として搬送波位相そのものを使用する方式では、衛星上で上り回線から下り回線に周波数変換する際に搬送波は衛星上の局部発振器の信号と混合され、局部発振器の位相が付加されるため、局部発振器の位相変動により見かけ上の伝搬遅延時間が変動することになり時刻比較精度が制限されるという問題がある。
【発明の効果】
【００１１】
この発明では、高周波信号を用いて互いに離間した局Ａと局Ｂとで時刻を合わせる際に、周波数変換に伴う位相変動や、伝送路による位相変動の影響を排除することができ、従来に比較して、より正確な時刻あわせを、より簡単な装置で行うことが出来る。また、局Ａと局Ｂとを静止衛星によって中継する場合でも、静止衛星上の局部発振器の位相変動の影響をも、完全に排除することができる。
【００１２】
また、送信する信号は二つの搬送波だけなので、高々数kHz程度の占有帯域幅の回線を二回線必要とするだけであり、従来のスペクトル拡散方式に比べ (1MHz以上) 占有帯域幅が大幅に狭くて済むため、回線費を低減できる。
【００１３】
また、搬送波を送受するだけなので、従来のスペクトル拡散方式のように複雑なモデムを必要とせず、全体の構成を非常に単純にすることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明では、従来の衛星双方向時刻比較方式の欠点である衛星上の局部発振器の周波数・位相変動の問題を一定の角周波数２ω0だけ離れた二つの搬送波を用いることで解決している。
【００１５】
本発明は、互いに離間した局Ａと局Ｂとで時刻を合わせる方法で、
上記のそれぞれの局で、それぞれの時間の基準となるそれぞれの信号に基づいた同一の角周波数（ω0）の信号Ａと信号Ｂとを発生し、
局Ａでは、角周波数差が２ω0である２つの高周波信号Ｖ1、Ｖ2を生成して、それぞれを局Ｂに伝送し、局Ｂでは伝送された上記の２つの高周波信号から、角周波数差が２ω0の信号Ｃを生成し、信号Ａの２逓倍信号と信号Ｃとの位相差ＭAを求め、
同時に、局Ｂでは、周波数差が２ω0である２つの高周波信号Ｖ3、Ｖ4を生成して、局Ａに伝送し、局Ａでは伝送された上記の２つの高周波信号から、角周波数差が２ω0の信号Ｄを生成し、信号Ｂの２逓倍信号と信号Ｄとの位相差ＭBを求め、
（ＭB−ＭA）を４ω0で除して時刻差を求めることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、静止衛星を用いて互いに離間した局Ａと局Ｂとで時刻を合わせる方法で、
上記のそれぞれの局で、それぞれの時間の基準となるそれぞれの信号に基づいた同一の角周波数（ω0）の信号Ａと信号Ｂとを発生し、
局Ａでは、角周波数差が２ω0である２つの高周波信号Ｖ1、Ｖ2を生成してそれぞれを静止衛星に伝送し、静止衛星は伝送された２つの高周波信号を共通の周波数の信号を用いて周波数変換して局Ｂに伝送し、局Ｂでは伝送された上記の２つの高周波信号から、角周波数差が２ω0の信号Ｃを生成し、信号Ａの２逓倍信号と信号Ｃとの位相差ＭAを求め、
同時に、局Ｂでは、周波数差が２ω0である２つの高周波信号Ｖ3、Ｖ4を生成してそれぞれを静止衛星に伝送し、静止衛星は伝送された２つの高周波信号を共通の周波数の信号を用いて周波数変換して局Ｂに伝送し、局Ａでは伝送された上記の２つの高周波信号から、角周波数差が２ω0の信号Ｄを生成し、信号Ｂの２逓倍信号と信号Ｄとの位相差ＭBを求め、
（ＭB−ＭA）を４ω0で除して時刻差を求めることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明では、予め、時刻差を±１／（４ω0）以内の精度で確定して、位相の任意性を除外した上で、時刻差を求める。
【００１８】
また、本発明では、複数の角周波数（ω0）の値について時刻差の測定を行い、小さい角周波数側で大まかな時刻差を測定し、大きい角周波数側で高精度の時刻差を測定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、上記の問題点を解決するために一定の周波数・位相関係にある複数の搬送波を衛星回線を通じて両局間で同時に交換し合うことで、衛星上の局部発振器の位相変動の影響を打ち消し、高精度な時刻比較を可能にするものである（ここで、周波数や位相関係については、相対的に静止した共通の局から見ているものとする。また、簡単のために衛星は、ドリフトのない静止衛星であるものとする）。また、本方式はスペクトル拡散方式を使用しない。このため、広帯域の衛星回線を必要とせず、システム構成も非常に単純であり、初期投資、運用経費とも低額で済むという利点を持っている。
【００２０】
以下に本発明の原理を述べる。
時刻比較では局Ａと局Ｂの時計の時刻差を求めるのが目的である。ここでは、説明を簡単にするために、局Ａと局Ｂは地上に固定されているものとし、時計Ａと時計Ｂは、例えばセシウム原子のスペクトル線にロックした発振器により、時分秒を刻むものとする。また、時計Ａと時計Ｂが同時刻であるとは、局Ａからの時報と局Ｂからの時報とを、それらの中間地点で受けた場合に、時分秒をはじめ上記のそれぞれの局の発振器の発振信号の位相までもが一致する場合を言うものとする。
【００２１】
図３に局Ａのブロック図を示す。局Ｂも同じ構成であるとする。周波数ω0を持った時計Ａの基準信号発生器６からの基準信号ＶR1はフロントエンド部のアップ・コンバータ２０でωU±ω0に周波数変換され、サーキュレータ２を通ってアンテナ１から衛星に向けて送信される。一方、衛星を経由して地上局Ｂから送られてくる信号にはωD±ω0の二つの周波数成分が含まれているが、それぞれサーキュレータ２を通ってダウン・コンバータ２１で中間周波数ω1±ω0に変換される。差周波数検出器２２で二つの中間周波数成分の差周波数２ω0を検出する。位相比較器８ではＶR1の二倍波と地上局Ｂから送られてきた差周波数２ω0の位相差を検出しＡＤ変換器９で測定する。
【００２２】
ここで、同型の原子時計である時計Ａと時計Ｂの発振信号から作られた同じ周波数の基準信号を、ＶR1、ＶR2、とし、また、両時計には時刻差があり、これをΔｔとする。
【００２３】
【数１】
2006292677.tif 000003
【００２４】
地上局Ａは一定の角周波数２ω0だけ離れた二つの搬送波Ｖ1とＶ2を衛星に向けて送信する。ここで衛星を使うのは、時間、あるいは時刻の校正を決められた時間に高精度で行うためには、より高周波数の信号で比較することが有利であり、また、高周波信号は直進性が強いために、局Ａと局Ｂとを見通せる中継地点が必要なためである。
【００２５】
【数２】
2006292677.tif 000004
ただし、ωUとφUはアップ・コンバータ２０の局部発振器の角周波数と、周波数変換による位相の変化分である。
【００２６】
Ｖ1とＶ2は衛星上の局部発振器の角周波数ωLの信号と混合され、下り回線の角周波数、
ωD−ω0、ωD＋ω0、
に周波数変換される。
【００２７】
【数３】
2006292677.tif 000005
【００２８】
ただし、τUは衛星内部での遅延時間を含めた地上局Ａから衛星までの伝搬遅延時間であり、φLは衛星上での周波数変換に伴う位相の変化である。この位相の変化は、同じ局部発振器を用いることにより、それぞれ同じ変化を受けるようにすることができる。伝搬遅延時間は、角周波数差２ω0では、違いが無いものとする。また、ωD−ω0＞ωL、としている。（数３においては、下り回線は、上り回線よりも低周波数であるとしたが、逆に高周波数とする場合は、ωLが負号をもつものとすればよい。）
【００２９】
ここで、地上局Ｂで受信した衛星からの信号をＶ1''とＶ2''とする。
【数４】
2006292677.tif 000006
ただし、τDは衛星内部での遅延時間を含めた衛星から地上局Ｂまでの伝搬遅延時間である。この場合も、伝搬遅延時間は、角周波数差２ω0では、違いが無いものとする。
【００３０】
Ｖ1''とＶ2''はダウン・コンバータの局部発振器（発振周波数＝ωD−ω1）と混合され、中間周波数、ω1−ω0、ω1＋ω0、に変換される。
【００３１】
【数５】
2006292677.tif 000007
但し、φDは周波数変換に用いるダウン・コンバータの局部発振器に起因する位相の変化分である。
【００３２】
地上局ＢではＶ1'''とＶ2'''から、両搬送波間の差周波数（位相）信号Ｖ3を合成する。
【数６】
2006292677.tif 000008
【００３３】
すなわち、衛星を経由して地上局Ａから地上局Ｂに向けて角周波数２ω0の信号が伝送されたことになるが、そこにはωL、ωU、ωD−ω1、φL、φU、φDは含まれておらず、衛星やアップ・コンバータ、ダウン・コンバータの局部発振器の周波数変動や位相変動の影響を受けずに角周波数２ω0の搬送波を伝送できることを示している。
【００３４】
地上局Ｂでは、Ｖ3とＶR2の二倍波との位相差ＭB  を測定する。
【数７】
2006292677.tif 000009
【００３５】
地上局Ａでも同様の測定を行ってＭAを求める。
【数８】
2006292677.tif 000010
【００３６】
ここで、測定できる位相差は±π以内であるので、上記の位相には、２πの整数倍の任意性（ambiguity）があるが、局Ａと局Ｂの時計の時刻差Δｔが±１／（４ω0）の精度で既知であれば、測定した位相差、ＭAとＭBとを局Ａ、Ｂで互いに交換して、次の数９のように時刻差Δｔを求めることができる。
【００３７】
【数９】
2006292677.tif 000011
【００３８】
上記の様に局Ａと局Ｂの時計の時刻差Δｔを±１／（４ω0）の精度にすることは、例えば、ω0／（２π）を１０ＭＨｚとする場合は、従来の方法で可能である。
【００３９】
このように、従来の方法で、それぞれの局の時刻差を求めておき、その上でさらに本発明を適用して、さらに高い精度で２つの局間の時刻差を求めることが望ましい。
【００４０】
また、時刻のずれが大きい場合には、当初の値ω0を充分小さい値として測定し、徐々にω0を増加させながら繰り返し時刻のずれを測定することによって、時刻のずれが大きい場合であっても高精度で測定することが可能である。このため、時計ＡあるいはＢの基準信号から周波数ω0を持った信号を生成する手段は、種々の周波数を生成することが可能な、前記の基準信号に同期した周波数シンセサイザーであることが望ましい。
【００４１】
また、ドプラー効果による影響を抑制するためには、用いる衛星は、静止衛星であることが望ましい。また、静止衛星は、太陽風等の影響によりドリフトするために、定期的に軌道修正されていることが知られている。このドリフトが大きな時期あるいはその軌道修正作業中である場合は、ドプラー効果が増加することから、この時期を避ける事が望ましい。また、静止衛星を用いる場合でも、ドプラー効果による影響を抑制するためには、局Ａ、局Ｂから等距離にある静止衛星を用いることが望ましいことは明らかである。
【００４２】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【実施例１】
【００４３】
図４は、第１の実施例を示す図である。基準信号ＶR1はアップ・コンバータ２０内の局部発振器ＳＹＮＴＨ（ωU）４と混合され、ωU±ω0に周波数変換されたのち、増幅器３により必要なレベルまで増幅され、サーキュレータ２を通ってアンテナ１から衛星に送信される。
【００４４】
衛星を経由して送られてきた信号はダウン・コンバータ２１内の低雑音増幅器ＬＮＡ１５で必要なレベルにまで増幅された後、局部発振器ＳＹＮＴＨ（ωD−ω1）１３と混合され、中間周波数ω1±ω0に変換される。中間周波数の内、ω1−ω0だけが差周波数検出器内のＰＬＬ１１により取り出され、ω1±ω0と混合され、差周波数２ω0が得られる。位相比較器８ではＶR1の二倍波と地上局Ｂから送られてきた差周波数２ω0の位相差を検出しＡＤ変換器９で測定する。
【００４５】
ここでは、周波数２ω0の信号を用いて位相を比較しているが、自然数ｍについて周波数ｍω0の信号を用いて位相を比較することができる。
【実施例２】
【００４６】
図５は、第２の実施例を示す図である。基準信号ＶR1はアップ・コンバータ２０内の局部発振器ＳＹＮＴＨ（ωU）４と混合され、ωU±ω0に周波数変換されたのち、増幅器３により必要なレベルまで増幅され、サーキュレータ２を通ってアンテナ１から衛星に送信される。
【００４７】
衛星を経由して送られてきた信号はダウン・コンバータ２１内の低雑音増幅器ＬＮＡ１５で必要なレベルにまで増幅された後、局部発振器ＳＹＮＴＨ（ωD−ω1）１３と混合され、中間周波数ω1±ω0に変換される。中間周波数は差周波数検出機内のダイオード１７により自乗検波され、ω1±ω0の二倍波およびω1＋ω0とω1−ω0の和周波数、ならびに差周波数が得られる。ローパス・フィルタ１６により差周波数２ω0を取り出す。位相比較器８ではＶR1の二倍波と地上局Ｂから送られてきた差周波数２ω0の位相差を検出しＡＤ変換器９で測定する。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
上記の実施例では、周波数ω0を持った時計Ａの基準信号ＶR1をフロントエンド部のアップ・コンバータでωU±ω0に周波数変換し衛星に向けて送信した。ここで、周波数ωU±ω0の信号に変換するのではなく、ｎを自然数とするときに、周波数ωU±ｎω0の信号、あるいは、周波数ωU±ω0／ｎの信号に変換する場合でも、ｎω0、あるいは、ω0／ｎを改めてω0と見なすことができるので、これらの場合でも、本発明の方法によって時刻比較を行うことが出来る事は明らかである。
【００４９】
また、ωU±ω0の周波数を持った高周波信号をつくるためには、ωUの周波数を持った高周波信号をω0の周波数を持った信号で変調してつくることも可能である。この変調では、搬送波を残した振幅変調や、両側波帯変調などの搬送波を抑圧した振幅変調などを用いることができる。
【００５０】
また、上記の数５あるいは数６から容易に分かるように、送信局、衛星、あるいは受信局での、周波数変換に伴う位相の変化分については、数９には陽には現れない。また、衛星での周波数変換に用いる信号についても、数９には陽には現れない。このため、本発明は、静止衛星以外に、局Ａ、局Ｂに対して静止した中継点であれば、マイクロウェーブ回線でも、あるいは例えば、光ファイバを用いた回線による時刻合わせについても適用することができることは明らかである。さらに、上記の説明における中継点では、周波数変換を行っているのみであり、また、周波数変換による効果が表出しないため、中継点を用いずに、局Ａ、局Ｂ間で直接信号を交換する場合にも、数９を適用して時刻の比較を行うことが出来ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】通常のコモンビュー方式を示すブロック図である。
【図２】衛星双方向方式を示すブロック図である。
【図３】本発明の原理を示すための局ＡあるいはＢのブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施形態を示す局ＡあるいはＢのブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施形態を示す局ＡあるいはＢのブロック図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  アンテナ
２  サーキュレータ
３  増幅器
４  局部発振器
５  乗積器
６  基準信号発生器
７  逓倍器
８  位相比較器
９  ＡＤ変換器
１０  乗積器
１１  ＰＬＬ回路
１２  増幅器
１３  局部発振器
１４  乗積器
１５  低雑音増幅器
１６  ローパス・フィルタ
１７  ダイオード
２０  アップ・コンバータ
２１  ダウン・コンバータ
２２  差周波数検出器
【図１】
2006292677.tif 000012
【図２】
2006292677.tif 000013
【図３】
2006292677.tif 000014
【図４】
2006292677.tif 000015
【図５】
2006292677.tif 000016