(57)【要約】【課題】測位用衛星からの電波が届かない場所においても基準時に対し一定レベルの時刻同期精度を簡易な構成で得る。【解決手段】測位用衛星からの電波を受信し、基準時に同期したタイミング基準信号を出力する測位用電波受信装置と、計時を行って時刻情報を出力する計時手段を内部に有する時刻生成装置と、前記測位用電波受信装置と前記時刻生成装置とを接続し、前記測位用電波受信装置の出力する前記タイミング基準信号を前記時刻生成装置に伝送するケーブルとを備え、前記時刻生成装置は、前記ケーブルを介して伝送される前記タイミング基準信号を入力する入力手段と、前記ケーブルによる前記タイミング基準信号に対する伝搬遅延時間を記憶する記憶手段と、前記入力手段により入力した前記タイミング基準信号に対し、前記記憶手段に記憶された前記伝搬遅延時間に基づくオフセット補正を行い、オフセット補正後のタイミング基準信号を前記計時手段に計時校正用に提供するオフセット処理手段とを備える。【選択図】図１
2015206639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測位用衛星からの電波を受信し、基準時に同期したタイミング基準信号を出力する測位用電波受信装置と、
計時を行って時刻情報を出力する計時手段を内部に有する時刻生成装置と、
前記測位用電波受信装置と前記時刻生成装置とを接続し、前記測位用電波受信装置の出力する前記タイミング基準信号を前記時刻生成装置に伝送するケーブルと
を備え、
前記時刻生成装置は、
前記ケーブルを介して伝送される前記タイミング基準信号を入力する入力手段と、
前記ケーブルによる前記タイミング基準信号に対する伝搬遅延時間を記憶する記憶手段と、
前記入力手段により入力した前記タイミング基準信号に対し、前記記憶手段に記憶された前記伝搬遅延時間に基づくオフセット補正を行い、オフセット補正後のタイミング基準信号を前記計時手段に計時校正用に提供するオフセット処理手段と
を備えたことを特徴とする時刻同期システム。
【請求項２】
請求項１に記載の時刻同期システムにおいて、
前記入力手段は、第２の入力信号として、基準時に同期したタイミング基準信号を入力し、
前記時刻生成装置は、更に、
前記第２の入力信号と前記ケーブルを介して入力したタイミング基準信号の時間差を計測することにより前記伝搬遅延時間を計測し、計測した伝搬遅延時間を前記記憶手段に記憶する遅延時間計測手段と
を備えたことを特徴とする時刻同期システム。
【請求項３】
請求項２に記載の時刻同期システムにおいて、
前記入力手段は、前記第２の入力信号として、前記測位用電波受信装置の近傍に配置された第２の測位用電波受信装置が出力するタイミング基準信号を、伝搬遅延が無視できる長さの第２のケーブルを介して入力する
ことを特徴とする時刻同期システム。
【請求項４】
請求項２に記載の時刻同期システムにおいて、
前記入力手段は、前記第２の入力信号として、前記測位用電波受信装置が出力するタイミング基準信号を分岐したタイミング基準信号を、伝搬遅延が無視できる長さの第２のケーブルを介して入力する
ことを特徴とする時刻同期システム。
【請求項５】
請求項１に記載の時刻同期システムにおいて、
前記時刻生成装置は、
伝搬遅延時間計測用の孤立波信号を生成して前記ケーブルに出力する孤立波信号生成手段と、
前記孤立波信号の出力から前記測位用電波受信装置により反射され前記ケーブルを介して到来する孤立波信号の受信までの時間差を計測し、該時間差を２で除算することにより前記伝搬遅延時間を計測し、計測した伝搬遅延時間を前記記憶手段に記憶する遅延時間計測手段と
を備え、
前記測位用電波受信装置は、
前記ケーブルを介して到来する孤立波信号を遅延なく反射する反射手段
を備えたことを特徴とする時刻同期システム。
【請求項６】
測位用衛星からの電波を受信し、基準時に同期したタイミング基準信号を出力する測位用電波受信装置から、ケーブルを介して伝送される前記タイミング基準信号を入力する入力手段と、
計時を行って時刻情報を出力する計時手段と、
前記ケーブルによる前記タイミング基準信号に対する伝搬遅延時間を記憶する記憶手段と、
前記入力手段により入力した前記タイミング基準信号に対し、前記記憶手段に記憶された前記伝搬遅延時間に基づくオフセット補正を行い、オフセット補正後のタイミング基準信号を前記計時手段に計時校正用に提供するオフセット処理手段と
を備えたことを特徴とする時刻生成装置。
【請求項７】
コンピュータを、
測位用衛星からの電波を受信して基準時に同期したタイミング基準信号を出力する測位用電波受信装置から、ケーブルを介して伝送される前記タイミング基準信号を入力する入力手段、
計時を行って時刻情報を出力する計時手段、
前記ケーブルによる前記タイミング基準信号に対する伝搬遅延時間を記憶する記憶手段、
前記入力手段により入力した前記タイミング基準信号に対し、前記記憶手段に記憶された前記伝搬遅延時間に基づくオフセット補正を行い、オフセット補正後のタイミング基準信号を前記計時手段に計時校正用に提供するオフセット処理手段
として機能させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、時刻同期システム、時刻生成装置およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ秒オーダあるいはサブマイクロ秒オーダの時刻同期精度が必要なシステムを実現するためには、ＵＴＣ（協定世界時、Coordinated Universal Time）に対して同等以上の誤差精度の時刻配信が必要となる。一般的な高精度時刻配信システムは、ＧＮＳＳ（全地球航法衛星システム、Global Navigation Satellite System）あるいはＰＴＰ（高精度時間プロトコル、Precision Timing Protocol、IEEE1588）を使って正確な時刻を生成している。
【０００３】
ＧＮＳＳは従来のＧＰＳ（Global Positioning System）衛星を含むシステムであり、カーナビゲーション等の測位に加えて数十ナノ秒レベルでＵＴＣに同期した時刻を得ることができる。測位を実施する場合、ＧＰＳ受信装置は最低４機のＧＰＳ衛星からの信号を捕捉する必要があるのに対し、ＧＰＳ受信装置の正確な位置（緯度／経度／高度）が既知であることを前提として最低１機のＧＰＳ衛星からの信号を捕捉できていればＵＴＣ同期時刻を得ることが可能である。
【０００４】
ＧＰＳ衛星からの信号は微弱であり、かつ民生利用される信号（Ｃ／Ａコード）は非暗号化された状態で送信されることから、電磁ノイズや妨害電波による影響を受けやすいという問題点はあるものの、安価なＧＰＳ受信装置があれば高精度な時刻が得られる点が大きな利点である。逆に、ＧＰＳ衛星電波を利用した時刻同期システムの問題点として、高精度時刻生成システムが屋内／地下／水中等にあってＧＰＳ衛星電波が受信できない状態では使用できないことが挙げられる。
【０００５】
また、ＰＴＰは、有線ネットワーク内のクライアントに対して、ＧＭＣ（Grandmaster Clock）サーバから正確な時刻を配信するためのプロトコルであり、ＧＭＣに対して１マイクロ秒程度の時刻同期精度が得られる。屋内／地下／水中等にあってＧＰＳ衛星電波が受信できない状態であってもＰＴＰは使用できるが、一般的には、ＰＴＰに対応したサーバとクライアントを多階層トポロジで構成する必要があり、ＰＴＰに対応したシステム構築には大きな導入コスト／維持コストが必要となる。さらに、時刻同期精度はＧＭＣの時刻同期精度に大きく依存し、かつＧＭＣから物理的／論理的に離れた階層ほど、時刻同期精度が劣化する問題が存在している。ＧＭＣのＵＴＣ時刻同期精度を確保することを目的とし、ＧＭＣサーバ自体がＧＰＳ受信装置に接続されている場合も多い。
【０００６】
一方、特許文献１には、位置情報衛星からの信号が受信できない位置においても測位することができる測位システム等を提供することを目的とした技術が開示されている。すなわち、屋外に設置された１台の装置（ＧＰＳ受信装置）と屋内に固定配置された複数台の装置（屋内装置）とによる構成が採用され、屋内距離情報（ＧＰＳ受信装置と各屋内装置間の距離）および屋内到達時間情報（ＧＰＳ受信装置と各屋内装置間の信号伝搬時間）に基づき、各屋内装置は屋内で測位に使用できる疑似信号（屋内送出用信号）を送出する。屋内で移動可能な状態にある端末は、複数の屋内装置から受信した疑似信号（屋内送出用信号）を使って測位演算処理を実施することで、ＧＰＳ衛星電波が受信できない状態であっても、高精度な測位を実施することが可能となる。しかし、複数台の屋内装置を設置する必要があり、その導入コスト／維持コストがかかる。測位精度は屋内装置の位置精度／遅延精度および屋内装置が送信する疑似信号の特性（精度）等に大きく依存する。
【０００７】
また、特許文献２には、建造物内あるいは地下道等に設置された無線基地局の時刻同期を取ることを目的とし、タイミング調整装置とタイミング生成装置を備えたシステムが開示されている。すなわち、タイミング調整装置とタイミング生成装置間の信号伝搬遅延を調整することで、ＧＰＳ受信装置から得られる１ＰＰＳ信号（タイミング基準信号）により、他の通信システムから受信したタイミング基準信号を用いる装置に対して適切な動作タイミング情報を提供することができる。しかし、ＰＴＰを使った場合と同等の複雑なシステムが必要であり、その導入コスト／維持コストがかかる。また、ＧＰＳ受信装置とタイミング調整装置間の信号伝搬遅延が補正されないため、時刻同期精度は不十分である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、ＧＰＳに代表されるＧＮＳＳを用いる手法では、安価に高精度な時刻が得られる利点があるものの、衛星からの電波が届かない屋内／地下／水中等にあっては使用できないという問題があった。また、ＰＴＰまたはこれと同等の手法では、構成が複雑となり、導入および維持のコストがかかるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明にあっては、測位用衛星からの電波を受信し、基準時に同期したタイミング基準信号を出力する測位用電波受信装置と、計時を行って時刻情報を出力する計時手段を内部に有する時刻生成装置と、前記測位用電波受信装置と前記時刻生成装置とを接続し、前記測位用電波受信装置の出力する前記タイミング基準信号を前記時刻生成装置に伝送するケーブルとを備え、前記時刻生成装置は、前記ケーブルを介して伝送される前記タイミング基準信号を入力する入力手段と、前記ケーブルによる前記タイミング基準信号に対する伝搬遅延時間を記憶する記憶手段と、前記入力手段により入力した前記タイミング基準信号に対し、前記記憶手段に記憶された前記伝搬遅延時間に基づくオフセット補正を行い、オフセット補正後のタイミング基準信号を前記計時手段に計時校正用に提供するオフセット処理手段とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にあっては、測位用衛星からの電波が届かない場所においても基準時に対し一定レベルの時刻同期精度を簡易な構成で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態にかかるシステムの構成例を示す図である。
【図２】ＧＰＳ受信装置および高精度時刻生成装置の構成例を示す図である。
【図３】オフセット処理の例を示す図である。
【図４】伝搬遅延時間計測のための構成例を示す図（その１）である。
【図５】伝搬遅延時間計測のための構成例を示す図（その２）である。
【図６】伝搬遅延時間計測の例を示す図である。
【図７】比誘電率の周波数依存の例を示す図である。
【図８】第２の実施形態にかかるシステムの構成例を示す図である。
【図９】ＧＰＳ受信装置および高精度時刻生成装置の構成例を示す図である。
【図１０】伝搬遅延時間計測の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態につき説明する。
【００１３】
＜第１の実施形態＞
図１は第１の実施形態にかかるシステムの構成例を示す図であり、定常使用状態を示している。
【００１４】
図１において、上空にはＧＰＳ衛星１が存在し、このＧＰＳ衛星１からの電波をＧＰＳ受信アンテナ２１により受信可能な位置にＧＰＳ受信装置２が配置されている。また、屋内等のＧＰＳ衛星１からの電波を受信できない位置には高精度時刻同期を要する高精度時刻生成装置４が配置され、ＧＰＳ受信装置２と高精度時刻生成装置４は有線ケーブル３により接続されている。本実施形態では、ＧＰＳ受信装置２の出力ポートに有線ケーブル３の一端が接続され、有線ケーブル３の他端は高精度時刻生成装置４の入力ポートに接続されており、信号の流れはＧＰＳ受信装置２から高精度時刻生成装置４に向かう一方向となっている。
【００１５】
ＧＰＳ衛星１は複数個の原子時計が搭載され、かつ地上管制局（図示せず）との定期的な通信により、ＧＰＳ衛星１に搭載された時計は正確にＵＴＣ（ｔｓ）に同期し続けている。
【００１６】
ＧＰＳ受信装置２は屋内等であってもＧＰＳ衛星電波が十分捕捉できる位置あるいは屋外に設置される。ＧＰＳ受信装置２の位置（緯度／経度／高度）はＧＰＳ測位（４衛星捕捉）あるいは別の手段によって正確（誤差数メートル以内）に計測され、ＧＰＳ受信装置２内部に位置情報が保持されている。正確な位置情報が保持されたＧＰＳ受信装置２は１機のＧＰＳ衛星１の電波を捕捉し、ＧＰＳ衛星電波に埋め込まれたＣ／Ａコード（Coarse/Acquisition Code）の演算処理を実行することにより、数十ナノ秒の精度（δｔ）でＵＴＣに同期した時刻情報（ｔｓ＋δｔ）を得ることができる。ＧＰＳ受信装置２が得た時刻情報（ｔｓ＋δｔ）に同期するタイミング基準信号として１ＰＰＳ（1 Pulse Per Second）信号がＧＰＳ受信装置２から外部に出力され、有線ケーブル３を介して高精度時刻生成装置４に伝送される。１ＰＰＳ信号は１秒に１回のパルス信号が出力されるものであり、ＧＰＳ受信装置２の出力直後ではパルス立ち上がりエッジがＵＴＣに同期したタイミング信号（秒の切り替わり）となっている。
【００１７】
図３の上段はＧＰＳ受信装置２の出力位置における１ＰＰＳ信号（タイミング基準信号）の波形例を示しており、パルスの立ち上がりエッジがＵＴＣに同期している。図３の中段は有線ケーブル３を経由した後の高精度時刻生成装置４の入力位置における１ＰＰＳ信号（タイミング基準信号）の波形例を示しており、立ち上がりエッジは有線ケーブル３の伝搬遅延時間（Ｔｄ）分だけＵＴＣから遅れが生じている。１ＰＰＳ信号の立ち下がりエッジは時刻同期には使用しないことから、１ＰＰＳ信号のパルス幅は特に規格等で定められておらず、ＧＰＳ受信装置によって異なるパルス幅で出力される。パルス幅が１５μｓから２０μｓ程度のＧＰＳ受信装置もあれば、５０ｍｓ程度のものも存在している。
【００１８】
図１に戻り、高精度時刻生成装置４は、発振回路からの周期パルス信号を使って動作する時計（計時機構）が内蔵されており、仮に１ＰＰＳ信号が与えられない場合であっても、月差数十秒程度の誤差で時刻情報が得られるようになっている。
【００１９】
有線ケーブル３の１ＰＰＳ信号に対する伝搬遅延時間（Ｔｄ）は別途正確に計測されており、その値は高精度時刻生成装置４内に保持されている。高精度時刻生成装置４は入力ポートから入力される１ＰＰＳ信号の立ち上がりエッジに対して伝搬遅延時間（Ｔｄ）分だけ進めたあるいは１秒−Ｔｄだけ遅らせた時間を正確な秒の区切りとして使用する。時刻情報（日付と時分秒）は上述した内蔵する時計が保持しており、ＵＴＣに同期した時刻情報を生成することができる。
【００２０】
有線ケーブル３としては任意のケーブル長のものを使用することが可能であるが、原則として伝搬遅延時間を計測した状態の長さのままで使用することが望ましい。例えば、１００ｍケーブルで計測した場合にＧＰＳ受信装置２から２０ｍ離れた場所に高精度時刻生成装置４を設置する場合は、余分な８０ｍ分はドラム等に巻き付けて使用するか、あるいは２０ｍケーブルに変更し、再度この長さで伝搬遅延時間を計測すべきである。使用する長さ分を計算で調整する方法も考えられるが、高精度時刻生成装置４内部の構成要素による遅延時間も含めて調整する必要があり、全体の遅延時間に誤差が生じる可能性があるためである。余分なケーブルを残したままにするメリットとしては、高精度時刻生成装置４の場所を変更する際に有線ケーブル３の伝搬遅延時間を再計測する必要がないことが挙げられる。計測に使用した有線ケーブル３が届く場所であれば屋内等のどこであっても自由に置き場所を変更することが可能である。
【００２１】
ＧＰＳ受信装置２本体と高精度時刻生成装置４を１ＰＰＳ信号に対する伝搬遅延が無視できるほど短い有線ケーブルで直結して屋内に設置し、屋外に設置したＧＰＳ受信アンテナ２１とＧＰＳ受信装置２本体を長いケーブルで接続する方法も考えられる。しかし、この構成ではＧＰＳ受信アンテナ２１とＧＰＳ受信装置２本体の信号遅延時間を正確に計測する必要がある。ＧＰＳ受信装置２と高精度時刻生成装置４間の伝搬遅延時間は後述する方法で簡単（計測器不要）かつ正確に計測できるのに対し、ＧＰＳ受信アンテナ２１とＧＰＳ受信装置２本体間の信号はＧＨｚレベルの高周波信号であることにも起因し、高価な計測器を使用する必要があり、かつ計測精度を出すのは容易ではない。さらには、ＧＰＳ受信装置２本体と高精度時刻生成装置４の設置場所を変更する度にその正確な位置情報（緯度／経度／高さ）を正確に計測した上でＧＰＳ受信装置２に保持させる必要があり、設置自由度が低いことも実用上問題となる。
【００２２】
図２はＧＰＳ受信装置２および高精度時刻生成装置４の構成例を示す図である。
【００２３】
図２において、ＧＰＳ受信装置２は、タイミング基準信号（１ＰＰＳ信号）を生成して出力するタイミング基準信号生成部２２を備えており、タイミング基準信号生成部２２の出力信号（１ＰＰＳ信号）は出力ポート２３に接続されている。なお、ＧＰＳ受信装置２は測位のための機能部も当然に備えているが、図示は省略している。また、第１の実施形態に用いるＧＰＳ受信装置２としては、市販されているもの（１ＰＰＳ信号出力が１系統）をそのまま使用することができる。
【００２４】
また、高精度時刻生成装置４は、モード切替部４０２と発振部４０３と計時部４０４とＰＬＬ逓倍部４０６とタイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９と伝搬遅延時間記憶部４１０とオフセット処理部４１１とを備えている。これらは電子回路または電子回路とコンピュータプログラムの組み合わせにより構成される。
【００２５】
モード切替部４０２は、入力ポート４０１に与えられる遅延計測制御信号が有効となった場合に、高精度時刻生成モード（通常動作モード）から伝搬遅延計測動作モードに切り替える機能を有している。すなわち、入力ポート４０１のＨｉ／Ｌｏｗで高精度時刻生成モード（通常動作モード）と伝搬遅延計測動作モードを切り替えられるようになっている。
【００２６】
発振部４０３は、例えば１０ＭＨｚパルスのクロック信号を出力する機能を有している。
【００２７】
計時部４０４は、発振部４０３の出力するクロック信号を入力し、計時処理を行い、時刻情報を出力ポート４０５から外部に出力する機能を有している。これにより、補正無しで月差数十秒程度の精度で動作する時計が実現できる。
【００２８】
ＰＬＬ逓倍部４０６は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）機構により、発振部４０３の出力する１０ＭＨｚパルスのクロック信号から例えば５００ＭＨｚパルスのクロック信号を出力する機能を有している。このクロック信号はタイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９とオフセット処理部４１１に入力される。
【００２９】
タイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９は、高精度時刻生成モード（通常動作モード）においては、有線ケーブル３と接続される入力ポート４０７から伝搬遅延のあるタイミング基準信号（１ＰＰＳ信号）を入力し、後段のオフセット処理部４１１に通過させる機能を有している。また、伝搬遅延計測動作モードにおいて、タイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９は、有線ケーブル３と接続される入力ポート４０７から伝搬遅延のあるタイミング基準信号（１ＰＰＳ信号）を入力するとともに、入力ポート４０８から伝搬遅延のないタイミング基準信号（１ＰＰＳ信号）を入力し、両信号から有線ケーブル３の伝搬遅延時間を計測し、計測した伝搬遅延時間を伝搬遅延時間記憶部４１０に記憶する機能を有している。
【００３０】
オフセット処理部４１１は、高精度時刻生成モード（通常動作モード）において、タイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９を介して伝搬遅延のあるタイミング基準信号（１ＰＰＳ信号）を入力し、伝搬遅延時間記憶部４１０に記憶された伝搬遅延時間に基づいてオフセット処理を行い、伝搬遅延のないタイミング基準信号を生成し、計時部４０４に計時校正用の信号として提供する機能を有している。
【００３１】
以下、高精度時刻生成モード（通常動作モード）における動作をより詳しく説明する。伝搬遅延計測動作モードにおける動作は後述する。
【００３２】
図２において、高精度時刻生成モード（通常動作モード）においては、入力ポート４０７を介して１系統のみの１ＰＰＳ信号がタイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９に入力され、１ＰＰＳ信号は遅延計測処理無しにそのままオフセット処理部４１１に送られる。オフセット処理部４１１では、伝搬遅延時間記憶部４１０に保持された伝搬遅延時間の情報を読み出し、その値に応じた時間分のオフセットを付加した１ＰＰＳ信号を生成し、計時部４０４に出力する。オフセットを付加する方法としては、ＰＬＬ逓倍部４０６からの５００ＭＨｚパルスのクロック信号を使ってエッジ出力タイミングを調整する方法が挙げられる。
【００３３】
図３において、上段のＧＰＳ受信装置２の出力位置における１ＰＰＳ信号と、中段の有線ケーブル３を経由した後の高精度時刻生成装置４の入力位置における１ＰＰＳ信号については既に説明した。ここで、オフセット処理部４１１は、例えば、
Ｔｏｆｆ＝１ｓ−Ｔｄ
のオフセットＴｏｆｆに基づき、中段の有線ケーブル３を経由した後の高精度時刻生成装置４の入力位置における１ＰＰＳ信号の立ち上がりエッジからオフセットＴｏｆｆ経過時に立ち上がるパルスを同図の下段に示すように生成することで、上段のＧＰＳ受信装置２の出力位置における１ＰＰＳ信号と同じタイミングの信号を生成することができる。
【００３４】
図２に戻り、計時部４０４は、オフセット処理部４１１から入力するタイミング基準信号により秒の区切りのタイミングを校正する。これにより、計時部４０４はＵＴＣに同期した正確な時刻情報を生成して出力ポート４０５に出力することができる。なお、計時部４０４が時刻情報と同時に１ＰＰＳ信号を出力する仕様になっている場合は、オフセット処理部４１１からの１ＰＰＳ信号をそのまま出力することができる。
【００３５】
次に、伝搬遅延時間の計測について説明する。
【００３６】
図４および図５は、ＧＰＳ受信装置２の１ＰＰＳ信号出力ポートと高精度時刻生成装置４とを直結する有線ケーブル３の伝搬遅延時間（Ｔｄ）を正確に計測するための構成例を示している。
【００３７】
図４および図５では、定常使用状態（図１）の接続構成を維持したままで高精度時刻生成装置４を屋外等のＧＰＳ衛星１からの電波を受信できる位置に持ち出し、高精度時刻生成装置４の定常使用状態（図１）では使用していない他の１ＰＰＳ信号入力ポートに対して、伝搬遅延のない１ＰＰＳ信号を伝搬遅延が無視できるほど短い他の有線ケーブル６を使って入力するようにしている。すなわち、図４では、定常使用状態に使用するＧＰＳ受信装置２の他に別のＧＰＳ受信装置５を用いて、計２台のＧＰＳ受信装置２、５を使用し、ＧＰＳ受信装置５の１ＰＰＳ信号から短い有線ケーブル６を介して高精度時刻生成装置４の他の１ＰＰＳ信号入力ポートに入力している。他の１ＰＰＳ信号入力ポートは、図２に示した入力ポート４０８に相当する。図５では、定常使用状態に使用する１台のＧＰＳ受信装置２の１ＰＰＳ信号出力を出力直後で分岐し、高精度時刻生成装置４の他の１ＰＰＳ信号入力ポートに入力している。なお、１台のＧＰＳ受信装置２が２ポートの１ＰＰＳ信号出力を持つ場合は、分岐を行う必要はない。
【００３８】
複数台のＧＰＳ受信装置を使用した場合であっても１ＰＰＳ信号のパルス立ち上がりエッジは同じタイミングでＵＴＣに同期することから、図４と図５の構成の動作は基本的に同じである。そして、高精度時刻生成装置４の２つの１ＰＰＳ信号入力ポート（入力ポート４０７、４０８）に到達する１ＰＰＳ信号のパルス立ち上がりエッジのタイミング差は長さの異なる２本の有線ケーブル３、６の伝搬遅延時間の差に等しくなり、有線ケーブル６の伝搬遅延は無視できるものとしていることから、両者のタイミング差は有線ケーブル３の伝搬遅延時間となる。
【００３９】
伝搬遅延計測動作モードにおいて、図２に示したタイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９には入力ポート４０７、４０８を介して２つの１ＰＰＳ信号が入力され、タイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９は、２つの１ＰＰＳ信号の立ち上がりエッジの時間差（伝搬遅延時間Ｔｄ）を、２つの立ち上がりエッジ間に存在する、ＰＬＬ逓倍部４０６から供給される５００ＭＨｚパルスのクロック信号をカウントすることで計測することができる。
【００４０】
図６の上段は伝搬遅延を無視できる有線ケーブル６を介して入力したタイミング基準信号（１ＰＰＳ信号）を、中段は定常状態で使用する有線ケーブル３を介して入力したタイミング基準信号（１ＰＰＳ信号）を示している。ここで、タイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９は、上段の１ＰＰＳ信号の立ち上がりエッジの検出時点から中段の１ＰＰＳ信号の立ち上がりエッジの検出時点まで、５００ＭＨｚパルスのクロック信号をカウントすることにより、伝搬遅延時間（Ｔｄ）を計測することができる。
【００４１】
なお、５００ＭＨｚパルスを使った場合の時間分解能は２ｎｓである。例えば、１ＰＰＳ信号の有線ケーブルにおける伝搬速度が光速度（３×１０８ｍ／ｓ）の１／３である場合、１０ｍケーブルを伝わる時間は１００ｎｓである。ＧＰＳ受信装置２における１ＰＰＳ信号の立ち上がりエッジのＵＴＣ同期誤差を仮に２０ｎｓとした場合、高精度時刻生成装置４としては２２ｎｓのＵＴＣ時刻同期精度が得られることから、時間分解能は十分である。タイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９で計測したパルスカウント数はそのまま、あるいは秒を単位とする値に換算され、伝搬遅延時間記憶部４１０に保持される。
【００４２】
有線ケーブル３の伝搬遅延時間（Ｔｄ）を計測する方法としては、上述した以外にも、有線ケーブル３のみの状態で汎用計測器（タイムインターバルアナライザ等）を使って計測する方法も考えられる。しかし、この方法では別途に計測環境を立ち上げる必要があることに加えて、計測結果の精度が不十分となる可能性を孕んでいる。精度が不十分となる原因としては計測器自体の分解能以外に、計測に使用する信号の波形と周波数が挙げられる。
【００４３】
金属心線を絶縁体で被覆した有線ケーブルの場合、心線の周りの絶縁体（誘電体）の比誘電率が周波数依存を持つことに起因し、金属心線を伝搬する電気信号の伝搬速度も周波数依存を持つことが知られている。媒体を伝搬する電磁波の伝搬速度は、
１／SQRT［（真空誘電率）×（被覆体比誘電率）×（真空透磁率）×（媒体比透磁率）］
で与えられる。心線に使われる金属は非磁性体である銅や鉄の化合物が使用され、その比透磁率はほぼ１．０で信号周波数依存も殆ど無いのに対し、被覆として使用される誘電体の比誘電率は２以上の値（例えばテフロン（登録商標）では２．１、ポリイミドでは３．５）であり、誘電分極の信号反転追従の度合いに因って図７に示すような周波数依存を持っている。図７において、ａは配向分極による部分、ｂはイオン分極による部分、ｃは電子分極による部分である。
【００４４】
伝搬速度に周波数依存があることは、正確な伝搬遅延時間（Ｔｄ）を計測するには有線ケーブル３を伝搬する信号と同じ周波数の信号を使って計測を実施する必要があることを意味している。汎用ケーブルの特性として波長短縮率（真空中の光速度に対する伝搬速度比率）が提示されているが、この値は一般に１０ＭＨｚ以上の高周波信号を使って計測した値である。先に記載した様に１ＰＰＳ信号は周期１秒、パルス幅１５μｓ〜５０ｍｓ程度の孤立パルス波であり、信号反転周波数は１０Ｈｚから１９ｋＨｚ程度であるため、その伝搬遅延時間は１０ＭＨｚの高周波信号よりも長くなることが図７の周波数特性から読み取れる。
【００４５】
図４および図５の構成においては、実際に有線ケーブル３を伝搬する１ＰＰＳ信号そのものを使って伝搬遅延時間（Ｔｄ）を計測する方法を採用していることにより、高精度な計測値を得ることが可能である。また、定常使用状態の構成を維持したまま計測していることにより、有線ケーブル３の遅延以外にも高精度時刻生成装置４の内部要素に起因する遅延も含めて計測されることも、精度を高める要因となっている。ＧＰＳ受信装置の１ＰＰＳ信号パルス幅に依存する伝搬遅延時間（Ｔｄ）の周波数依存に関しても、定常使用状態で使用するＧＰＳ受信装置をそのまま使用することで影響を無くすことができる。
【００４６】
なお、本実施形態においては、高精度時刻生成装置４を屋内に設置した場合を解説したが、有線ケーブル３の長さに制限はないことから、例えば、数百キロメートル以上の長さの海底ケーブルを使って沈めた海底地震計や深海探索船等で高精度時刻同期が必要な場合にも利用可能な技術である。
【００４７】
本実施形態は、次に示される捉え方が可能である。すなわち、本実施形態の高精度時刻同期システムは、ＧＰＳ衛星１からの電波を受信し、ＵＴＣに同期したタイミング基準信号（１ＰＰＳ信号）を出力するＧＰＳ受信装置２と、計時を行って時刻情報を出力する計時部４０４を内部に有する高精度時刻生成装置４と、前記ＧＰＳ受信装置２と前記高精度時刻生成装置４とを接続し、前記ＧＰＳ受信装置２の出力する前記タイミング基準信号を前記高精度時刻生成装置４に伝送する有線ケーブル３とを備え、前記高精度時刻生成装置４は、前記有線ケーブル３を介して伝送される前記タイミング基準信号を入力するタイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９と、前記有線ケーブル３による前記タイミング基準信号に対する伝搬遅延時間を記憶する伝搬遅延時間記憶部４１０と、前記タイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９により入力した前記タイミング基準信号に対し、前記伝搬遅延時間記憶部４１０に記憶された前記伝搬遅延時間に基づくオフセット補正を行い、オフセット補正後のタイミング基準信号を前記計時部４０４に計時校正用に提供するオフセット処理部４１１とを備える。
【００４８】
更に、前記タイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９は、第２の入力信号として、ＵＴＣに同期したタイミング基準信号を入力し、前記高精度時刻生成装置４は、更に、前記第２の入力信号と前記有線ケーブルを介して入力したタイミング基準信号の時間差を計測することにより前記伝搬遅延時間を計測し、計測した伝搬遅延時間を前記記憶手段に記憶する遅延時間計測手段としてのタイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９を備える。
【００４９】
入力手段としての前記タイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９は、前記第２の入力信号として、前記ＧＰＳ受信装置２の近傍に配置されたＧＰＳ受信装置５が出力するタイミング基準信号を、伝搬遅延が無視できる長さの有線ケーブル６を介して入力する。
【００５０】
入力手段としての前記タイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９は、前記第２の入力信号として、前記ＧＰＳ受信装置２が出力するタイミング基準信号を分岐したタイミング基準信号を、伝搬遅延が無視できる長さの有線ケーブル６を介して入力する。
【００５１】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態は、ＧＰＳ受信装置２と有線ケーブル３と高精度時刻生成装置４の接続および配置を変更することなく、有線ケーブル３の伝搬遅延時間の計測を行えるようにしている。
【００５２】
図８は第２の実施形態にかかるシステムの構成例を示す図である。図１に示した第１の実施形態では、有線ケーブル３における信号の流れはＧＰＳ受信装置２から高精度時刻生成装置４に向かう一方向であったが、この第２の実施形態では、有線ケーブル３の両端は入出力ポートに接続されており、信号の流れは双方向となる。
【００５３】
図９はＧＰＳ受信装置２および高精度時刻生成装置４の構成例を示す図である。
【００５４】
図９において、ＧＰＳ受信装置２は、タイミング基準信号（１ＰＰＳ信号）を生成して出力するタイミング基準信号生成部２２と、外部（高精度時刻生成装置４側）から到来する孤立波信号を遅延なく反射（入力された信号を遅延無しに反対方向に戻す機能（ループバック機能））する孤立波信号反射部２５とを備えている。タイミング基準信号生成部２２の出力信号および孤立波信号反射部２５の入力信号は入出力ポート２４に接続されている。また、孤立波信号反射部２５には、入力ポート（遅延計測制御端子）２６から遅延計測制御信号が与えられるようになっており、遅延計測制御が指示されている期間に孤立波信号反射部２５は動作するようになっている。この実施形態におけるＧＰＳ受信装置２は、１ＰＰＳ信号の入出力ポート２４、孤立波信号反射部２５および入力ポート２６を備えること以外は市販のＧＰＳ受信装置と同じ構成である。
【００５５】
また、高精度時刻生成装置４は、図２に示したものと比較して、入力ポート４０７、４０８が入出力ポート４１２に変えられているとともに、孤立波信号生成部４１３が設けられ、孤立波信号生成部４１３の出力信号は入出力ポート４１２およびタイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９に接続されている。孤立波信号生成部４１３は、伝搬遅延計測動作モードにおいて、１ＰＰＳ信号と同じ振幅とパルス幅の孤立波信号を生成して出力する機能を有している。孤立波信号生成部４１３には、ＰＬＬ逓倍部４０６から５００ＭＨｚパルスのクロック信号が与えられている。
【００５６】
高精度時刻生成モード（通常動作モード）における動作は、前述した第１の実施形態と同じであるため、その説明は省略する。
【００５７】
伝搬遅延計測動作モードにおける動作は次のようになる。
【００５８】
伝搬遅延計測動作モードにおいて、高精度時刻生成装置４の孤立波信号生成部４１３は入出力ポート４１２を介して有線ケーブル３およびＧＰＳ受信装置２に向けて孤立波信号を発生する。この孤立波信号のタイミングを図１０の上段に示す。１ＰＰＳ信号は１秒周期で繰り返される波形であるのに対し、孤立波信号は１パルスのみの波形であり、その振幅とパルス幅は使用するＧＰＳ受信装置２が発生する１ＰＰＳ信号と同じ値にする。孤立波信号生成部４１３にはＰＬＬ逓倍部４０６からの５００ＭＨｚパルスのクロック信号が入力されており、内部カウンタによりパルス幅が制御される。
【００５９】
孤立波信号生成部４１３が発生した孤立波信号の一方はタイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９に入力され、もう一方は入出力ポート４１２を経由して有線ケーブル３を伝搬し、ＧＰＳ受信装置２の入出力ポート２４に入力される。
【００６０】
ＧＰＳ受信装置２の入出力ポート２４に入力された孤立波信号は、孤立波信号反射部２５でループバックされ、上記と逆の経路で有線ケーブル３を伝搬し、高精度時刻生成装置４の入出力ポート４１２に戻され、タイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９に入力される。
【００６１】
タイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９には２系統の孤立波信号が入力されるが、各孤立波信号の立ち上がりエッジの時間差は有線ケーブル３を１ＰＰＳ信号が伝搬する伝搬遅延時間（Ｔｄ）の２倍の値となる。よって、この時間差を計測し、その半分の値を伝搬遅延時間記憶部４１０に保持する。
【００６２】
図１０の上段は高精度時刻生成装置４からＧＰＳ受信装置２に向けて送信した孤立波信号を、中段はＧＰＳ受信装置２から高精度時刻生成装置４が受信した孤立波信号を示している。ここで、タイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９は、上段の孤立波信号の立ち上がりエッジの検出時点から中段の孤立波信号の立ち上がりエッジの検出時点まで、５００ＭＨｚパルスのクロック信号をカウントし、そのカウント数を２で除算することにより、伝搬遅延時間（Ｔｄ）を計測することができる。
【００６３】
本実施形態では、設置前に高精度時刻生成装置４を屋外等のＧＰＳ衛星電波を受信できる位置に持ち出して有線ケーブル３の伝搬遅延時間を計測する必要がないことに加えて、屋内等で使用するケーブル長を変更したい場合や主としてケーブル被覆絶縁体の特性変化（劣化）等により、有線ケーブル３の伝搬遅延時間が変わってしまう場合にも、設置したままの状態で遅延時間の再計測を実施することにより、高精度な時刻を生成し続けることができる。
【００６４】
なお、伝搬遅延時間の計測の際には、ＧＰＳ受信装置２と高精度時刻生成装置４に設けられた遅延計測制御端子の制御信号を切り替える必要がある。高精度時刻生成装置４が屋内等に設置されている場合の制御信号の切り替えは容易であるが、例えば、海底地震計のように海底ケーブルを使って深海に長期間に渡って設置されるような機器に高精度時刻生成装置４を組み込む場合には、遅延計測制御端子の制御信号を切り替えるための信号線を別途、海底ケーブルに割り当てる必要がある。
【００６５】
本実施形態は、次に示される捉え方が可能である。すなわち、本実施形態の高精度時刻同期システムは、ＧＰＳ衛星１からの電波を受信し、ＵＴＣに同期したタイミング基準信号（１ＰＰＳ信号）を出力するＧＰＳ受信装置２と、計時を行って時刻情報を出力する計時部４０４を内部に有する高精度時刻生成装置４と、前記ＧＰＳ受信装置２と前記高精度時刻生成装置４とを接続し、前記ＧＰＳ受信装置２の出力する前記タイミング基準信号を前記高精度時刻生成装置４に伝送する有線ケーブル３とを備え、前記高精度時刻生成装置４は、前記有線ケーブル３を介して伝送される前記タイミング基準信号を入力するタイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９と、前記有線ケーブル３による前記タイミング基準信号に対する伝搬遅延時間を記憶する伝搬遅延時間記憶部４１０と、前記タイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９により入力した前記タイミング基準信号に対し、前記伝搬遅延時間記憶部４１０に記憶された前記伝搬遅延時間に基づくオフセット補正を行い、オフセット補正後のタイミング基準信号を前記計時部４０４に計時校正用に提供するオフセット処理部４１１とを備える。
【００６６】
そして、前記高精度時刻生成装置４は、伝搬遅延時間計測用の孤立波信号を生成して前記有線ケーブル３に出力する孤立波信号生成部４１３と、前記孤立波信号の出力から前記ＧＰＳ受信装置２により反射され前記有線ケーブル３を介して到来する孤立波信号の受信までの時間差を計測し、該時間差を２で除算することにより前記伝搬遅延時間を計測し、計測した伝搬遅延時間を前記伝搬遅延時間記憶部４１０に記憶する遅延時間計測手段としてのタイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９とを備え、前記ＧＰＳ受信装置２は、前記有線ケーブル３を介して到来する孤立波信号を遅延なく反射する孤立波信号反射部２５を備える。
【００６７】
＜総括＞
以上説明したように、本実施形態によれば、測位用衛星からの電波が届かない場所においても基準時に対し一定レベルの時刻同期精度を簡易な構成で得ることができる。
【００６８】
ＧＰＳ衛星１は、測位用衛星の一例である。ＵＴＣは基準時の一例である。１ＰＰＳ信号はタイミング基準信号の一例である。ＧＰＳ受信装置２は測位用電波受信装置の一例である。高精度時刻生成装置４は時刻生成装置の一例である。有線ケーブル３は有線ケーブルの一例である。タイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部４０９は入力手段および遅延時間計測手段の一例である。伝搬遅延時間記憶部４１０は記憶手段の一例である。オフセット処理部４１１はオフセット処理手段の一例である。ＧＰＳ受信装置５は第２の測位用電波受信装置の一例である。有線ケーブル６は第２の有線ケーブルの一例である。孤立波信号生成部４１３は孤立波信号生成手段の一例である。孤立波信号反射部２５は反射手段の一例である。
【００６９】
以上、本発明の好適な実施の形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、特許請求の範囲に定義された本発明の広範な趣旨および範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正および変更を加えることができることは明らかである。すなわち、具体例の詳細および添付の図面により本発明が限定されるものと解釈してはならない。
【符号の説明】
【００７０】
１                  ＧＰＳ衛星
２                  ＧＰＳ受信装置
２１                ＧＰＳ受信アンテナ
２２                タイミング基準信号生成部
２３                出力ポート
２４                入出力ポート
２５                孤立波信号反射部
２６                入力ポート
３                  有線ケーブル
４                  高精度時刻生成装置
４０１              入力ポート
４０２              モード切替部
４０３              発振部
４０４              計時部
４０５              出力ポート
４０６              ＰＬＬ逓倍部
４０７、４０８      入力ポート
４０９              タイミング基準信号入力／伝搬遅延時間計測部
４１０              伝搬遅延時間記憶部
４１１              オフセット処理部
４１２              入出力ポート
４１３              孤立波信号生成部
５                  ＧＰＳ受信装置
５１                ＧＰＳ受信アンテナ
６                  有線ケーブル
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７１】
【特許文献１】特開２００５−３２１３５３号公報
【特許文献２】特開２０１２−２３７０５号公報
【図２】
2015206639.tif 000003
【図３】
2015206639.tif 000004
【図６】
2015206639.tif 000005
【図７】
2015206639.tif 000006
【図９】
2015206639.tif 000007
【図１０】
2015206639.tif 000008
【図１】
2015206639.tif 000009
【図４】
2015206639.tif 000010
【図５】
2015206639.tif 000011
【図８】
2015206639.tif 000012