(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準タイミング信号を出力する基準タイミング信号出力部と、
前記基準タイミング信号に同期させるためのクロック信号を出力する発振器と、
前記基準タイミング信号と前記クロック信号との位相を比較する位相比較器と、
前記位相比較器の比較結果を用いて、前記クロック信号の周波数が異常であるか否かを判断し、その判断結果を含む周波数異常情報を出力する周波数異常判断部と、
環境情報を検出するセンサー部と、
前記周波数異常情報および前記環境情報を用いて、前記異常の原因を判定する判定部と、
を備え、
前記発振器は、互いに異なる２つの基底準位を有する金属原子のエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器であり、
前記センサー部は、前記２つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数のマイクロ波を検出可能なマイクロ波受信機を有し、
前記環境情報は、前記マイクロ波に関する情報を含むことを特徴とするタイミング信号生成装置。
【請求項２】
前記センサー部は、前記発振器が受ける振動を検出可能な振動センサーを有し、
前記環境情報は、前記振動に関する情報を含む請求項１に記載のタイミング信号生成装置。
【請求項３】
前記センサー部は、電源ノイズを検出可能な電源ノイズセンサーを有し、
前記環境情報は、前記電源ノイズに関する情報を含む請求項１または２に記載のタイミング信号生成装置。
【請求項４】
前記センサー部は、前記発振器の温度を検出可能な温度センサーを有し、
前記環境情報は、前記温度に関する情報を含む請求項１ないし３のいずれか１項に記載のタイミング信号生成装置。
【請求項５】
前記判定部の判定結果を出力する出力部を備える請求項１ないし４のいずれか１項に記載のタイミング信号生成装置。
【請求項６】
前記基準タイミング信号出力部がＧＰＳ受信機である請求項１ないし５のいずれか１項記載のタイミング信号生成装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載のタイミング信号生成装置を備えていることを特徴とする電子機器。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載のタイミング信号生成装置を備えていることを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タイミング信号生成装置、電子機器および移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星を利用した全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ：Global Navigation Satellite System）の１つであるＧＰＳ（Global Positioning System）に用いるＧＰＳ衛星は、極めて精度の高い原子時計が搭載されており、ＧＰＳ衛星の軌道情報や正確な時刻情報等が重畳された衛星信号を地上に送信している。ＧＰＳ衛星から送信された衛星信号は、ＧＰＳ受信機で受信される。そして、ＧＰＳ受信機は、衛星信号に重畳されている軌道情報や時刻情報に基づいてＧＰＳ受信機の現在位置や時刻情報を算出する処理や、協定世界時（ＵＴＣ：Coordinated Universal Time）に同期した正確なタイミング信号（１ＰＰＳ）を生成する処理等を行う。１ＰＰＳの精度は、設定される受信点の位置情報の精度に依存するため、ＧＰＳ受信機に正確な位置情報を設定することが重要になる。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の基準周波数発生装置は、ＧＰＳ受信機と、ルビジウム発振器と、水晶発振器と、を備え、ルビジウム発振器が正常であるときに、ルビジウム発振器を含む第１ＰＬＬ回路を用いて、ＧＰＳ受信機で受信したリファレンス信号（１ＰＰＳ）にルビジウム発振器の出力信号を同期させて基準周波数信号として出力し、一方、ルビジウム発振器が正常でないときに、水晶発振器を含む第２ＰＬＬ回路を用いて、ＧＰＳ受信機で受信したリファレンス信号（１ＰＰＳ）に水晶発振器の出力信号を同期させて基準周波数信号として出力する。
【０００４】
ここで、特許文献１に記載の基準信号発生装置では、ルビジウム発振器の出力信号とリファレンス信号との位相差が所定の範囲から外れたときに、ルビジウム発振器が故障したと判断し、上述したＰＬＬ回路の切り換えを行う。このような装置では、ルビジウム発振器において、出力信号のいわゆる周波数ズレや周波数飛びのような周波数異常を検出することができる。
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の基準信号発生装置では、ルビジウム発振器の出力信号の周波数異常の原因がわからないため、メンテナンスや修理等の作業効率が悪いという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１５５３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、周波数異常の原因を絞り、メンテナンスや修理等の作業効率を高めることができるタイミング信号生成装置を提供すること、また、かかるタイミング信号生成装置を備える電子機器および移動体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態
様または適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］
本発明のタイミング信号生成装置は、基準タイミング信号を出力する基準タイミング信号出力部と、
前記基準タイミング信号に同期させるためのクロック信号を出力する発振器と、
前記基準タイミング信号と前記クロック信号との位相を比較する位相比較器と、
前記位相比較器の比較結果を用いて、前記クロック信号の周波数が異常であるか否かを判断し、その判断結果を含む周波数異常情報を出力する周波数異常判断部と、
環境情報を検出するセンサー部と、
前記周波数異常情報および前記環境情報を用いて、前記異常の原因を判定する判定部と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
このようなタイミング信号生成装置によれば、発振器のクロック信号の異常の原因を絞ることができ、その結果、メンテナンスや修理等の作業効率を高めることができる。なお、ここで、「基準タイミング信号とクロック信号との位相を比較する」とは、基準タイミング信号出力部から出力された基準タイミング信号と、発振器から出力されたクロック信号を分周したクロック信号との位相を比較する場合も含む。
【００１１】
［適用例２］
本発明のタイミング信号生成装置では、前記発振器は、原子発振器であることが好ましい。
【００１２】
原子発振器は、水晶発振器に比べて長期安定度に優れる。したがって、原子発振器を用いることにより、例えば、基準タイミング信号出力部が基準タイミング信号を出力できないときであっても、原子発振器を自走させることで、高精度な信号出力を行うことができる。
【００１３】
［適用例３］
本発明のタイミング信号生成装置では、前記原子発振器は、互いに異なる２つの基底準位を有する金属原子のエネルギー遷移に基づいて発振し、
前記センサー部は、前記２つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数のマイクロ波を検出可能なマイクロ波受信機を有し、
前記環境情報は、前記マイクロ波に関する情報を含むことが好ましい。
【００１４】
原子発振器は、２つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数のマイクロ波が外乱として入力されると、いわゆる周波数飛びが生じやすい。例えば、一般に、タイミング信号生成装置では、複数の原子発振器を設けておき、必要に応じてこれらを切り換えることにより、ロバスト性を向上させることが行われる。このような場合において、使用中の原子発振器に対して他の原子発振器の出力信号によるマイクロ波が入力され、周波数飛びが生じる場合がある。したがって、このようなマイクロ波の検出結果を用いることで、判定部において、周波数異常の原因にマイクロ波による周波数飛びが含まれると判定することができる。
【００１５】
［適用例４］
本発明のタイミング信号生成装置では、前記センサー部は、前記発振器が受ける振動を検出可能な振動センサーを有し、
前記環境情報は、前記振動に関する情報を含むことが好ましい。
【００１６】
発振器は、振動が外乱として入力されると、周波数飛びを生じやすい。したがって、このような振動の検出結果を用いることで、判定部において、周波数異常の原因に振動による周波数飛びが含まれると判定することができる。
【００１７】
［適用例５］
本発明のタイミング信号生成装置では、前記センサー部は、電源ノイズを検出可能な電源ノイズセンサーを有し、
前記環境情報は、前記電源ノイズに関する情報を含むことが好ましい。
【００１８】
発振器は、電源ノイズが外乱として入力されると、周波数飛びを生じやすい。したがって、このような電源ノイズの検出結果を用いることで、判定部において、周波数異常の原因に電源ノイズによる周波数飛びが含まれると判定することができる。
【００１９】
［適用例６］
本発明のタイミング信号生成装置では、前記センサー部は、前記発振器の温度を検出可能な温度センサーを有し、
前記環境情報は、前記温度に関する情報を含むことが好ましい。
【００２０】
発振器は、一般に、温度特性を有し、その温度特性を補正する制御が行われるが、例えば、環境温度が急激に変化すると、その補正が間に合わず、周波数飛びを生じやすい。したがって、このような環境温度の検出結果を用いることで、判定部において、周波数異常の原因に環境温度による周波数飛びが含まれると判定することができる。
【００２１】
［適用例７］
本発明のタイミング信号生成装置では、前記判定部の判定結果を出力する出力部を備えることが好ましい。
【００２２】
これにより、判定部の判定結果を表示したり他の機器に送信したりして、メンテナンスや修理等の作業効率を高めることができる。
【００２３】
［適用例８］
本発明のタイミング信号生成装置では、前記基準タイミング信号出力部がＧＰＳ受信機であることが好ましい。
【００２４】
これにより、協定世界時（ＵＴＣ：Coordinated Universal Time）に同期した正確な基準タイミング信号（１ＰＰＳ）を用いることができる。
【００２５】
［適用例９］
本発明の電子機器は、本発明のタイミング信号生成装置を備えていることを特徴とする。
【００２６】
このような電子機器によれば、タイミング信号生成装置が備える発振器の周波数異常の原因を絞り、メンテナンスや修理等の作業効率を高めることができる。
【００２７】
［適用例１０］
本発明の移動体は、本発明のタイミング信号生成装置を備えていることを特徴とする。
【００２８】
このような移動体によれば、タイミング信号生成装置が備える発振器の周波数異常の原因を絞り、メンテナンスや修理等の作業効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態に係るタイミング信号生成装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示すタイミング信号生成装置が備えるＧＰＳ受信機の構成例を示すブロック図である。
【図３】図１に示すタイミング信号生成装置が備える原子発振器において、アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。
【図４】図１に示すタイミング信号生成装置が備える原子発振器において、光源部から出射される２つの光の周波数差と、受光部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の電子機器の実施形態を示すブロック図である。
【図６】本発明の移動体の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明のタイミング信号生成装置、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３１】
１．タイミング信号生成装置
図１は、本発明の実施形態に係るタイミング信号生成装置の概略構成を示す図である。
【００３２】
図１に示すタイミング信号生成装置１は、ＧＰＳ受信機１０（基準タイミング信号出力部）、処理部（ＣＰＵ）２０、原子発振器３０（発振器）、温度センサー４１、マイクロ波受信機４２、電源ノイズセンサー４３、振動センサー４４、ＧＰＳアンテナ５０、電源回路６０を含んで構成されている。
【００３３】
なお、タイミング信号生成装置１は、構成要素の一部または全部が物理的に分離されていてもよいし、一体化されていてもよい。例えば、ＧＰＳ受信機１０と処理部（ＣＰＵ）２０はそれぞれ別個のＩＣで実現されていてもよいし、ＧＰＳ受信機１０と処理部（ＣＰＵ）２０は１チップのＩＣとして実現されていてもよい。
【００３４】
このタイミング信号生成装置１は、ＧＰＳ衛星２（位置情報衛星の一例）から送信された衛星信号を受信し、高精度の１ＰＰＳを生成するものである。
【００３５】
ＧＰＳ衛星２は、地球の上空の所定の軌道上を周回しており、搬送波である１．５７５４２ＧＨｚの電波（Ｌ１波）に航法メッセージおよびＣ／Ａコード（Coarse/Acquisition Code）を重畳（搬送波を変調）させた衛星信号を地上に送信している。
【００３６】
Ｃ／Ａコードは、現在約３０個存在するＧＰＳ衛星２の衛星信号を識別するためのものであり、各ｃｈｉｐが＋１または−１のいずれかである１０２３ｃｈｉｐ（１ｍｓ周期）からなる固有のパターンである。したがって、衛星信号と各Ｃ／Ａコードのパターンの相関をとることにより、衛星信号に重畳されているＣ／Ａコードを検出することができる。
【００３７】
各ＧＰＳ衛星２が送信する衛星信号（具体的には航法メッセージ）には、各ＧＰＳ衛星２の軌道上の位置を示す軌道情報が含まれている。また、各ＧＰＳ衛星２は原子時計を搭載しており、衛星信号には、原子時計で計時された極めて正確な時刻情報が含まれている。したがって、４つ以上のＧＰＳ衛星２からの衛星信号を受信し、各衛星信号に含まれている軌道情報および時刻情報を用いて測位計算を行うことで、受信点（ＧＰＳアンテナ５０の設置場所）の位置と時刻の正確な情報を得ることができる。具体的には、受信点の３次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）および時刻ｔを４つの変数とする４次元方程式を立ててその解を求めればよい。
【００３８】
なお、受信点の位置が既知である場合、１つ以上のＧＰＳ衛星２からの衛星信号を受信し、各衛星信号に含まれている時刻情報を用いて受信点の時刻情報を得ることができる。
【００３９】
また、各衛星信号に含まれている軌道情報を用いて、各ＧＰＳ衛星２の時刻と受信点の時刻との差の情報を得ることができる。なお、地上のコントロールセグメントにより各ＧＰＳ衛星２に搭載されている原子時計のわずかな時刻誤差が測定されており、衛星信号にはその時刻誤差を補正するための時刻補正パラメーターも含まれており、この時刻補正パラメーターを用いて受信点の時刻を補正することで極めて正確な時刻情報を得ることができる。
【００４０】
ＧＰＳアンテナ５０は、衛星信号を含む各種の電波を受信するアンテナであり、ＧＰＳ受信機１０に接続されている。
【００４１】
ＧＰＳ受信機１０（衛星信号受信部の一例）は、ＧＰＳアンテナ５０を介して受信した衛星信号に基づいて、各種の処理を行う。
【００４２】
具体的に説明すると、ＧＰＳ受信機１０は、通常測位モード（第１のモードの一例）および位置固定モード（第２のモードの一例）を有し、処理部（ＣＰＵ）２０からの制御コマンド（モード設定用の制御コマンド）に応じて通常測位モードと位置固定モードのいずれかに設定される。
【００４３】
ＧＰＳ受信機１０は、通常測位モードでは、「測位計算部」として機能し、複数（好ましくは４個以上）のＧＰＳ衛星２から送信された衛星信号を受信し、受信した衛星信号に含まれる軌道情報（具体的には、エフェメリスデータやアルマナックデータ等）および時刻情報（具体的には、週番号データやＺカウントデータ等）に基づいて測位計算を行う。通常測位モードは、継続的に測位計算を行うモードである。
【００４４】
また、ＧＰＳ受信機１０は、位置固定モードでは、基準タイミング信号を出力する「基準タイミング信号出力部」として機能し、少なくとも１つのＧＰＳ衛星２から送信された衛星信号を受信し、受信した衛星信号に含まれる軌道情報および時刻情報と設定された受信点の位置情報とに基づいて、基準タイミング信号として１ＰＰＳ（1 Pulse Per Second）を生成する。１ＰＰＳ（基準時刻に同期した基準タイミング信号の一例）は、ＵＴＣ（世界標準時）と完全同期したパルス信号であり、１秒毎に１パルスを含む。このように、ＧＰＳ受信機１０が基準タイミング信号の生成に用いる衛星信号が軌道情報および時刻情報を含んでいることにより、基準時刻に正確に同期したタイミング信号を生成することができる。位置固定モードは、あらかじめ設定された位置情報に基づいて１ＰＰＳを出力するモードである。
【００４５】
以下、ＧＰＳ受信機１０の構成について詳述する。
図２は、図１に示すタイミング信号生成装置が備えるＧＰＳ受信機の構成例を示すブロック図である。
【００４６】
図２に示すＧＰＳ受信機１０は、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave：表面弾性波）フィルター１１、ＲＦ処理部１２、ベースバンド処理部１３および温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）１４を含んで構成されている。
【００４７】
ＳＡＷフィルター１１は、ＧＰＳアンテナ５０が受信した電波から衛星信号を抽出する処理を行う。このＳＡＷフィルター１１は、１．５ＧＨｚ帯の信号を通過させるバンドパスフィルターとして構成される。
【００４８】
ＲＦ処理部１２は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）１２１、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）１２２、ミキサー１２３、ＩＦアンプ１２４、ＩＦ（Intermediate Frequency：中間周波数）フィルター１２５およびＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換器）１２６を含んで構成されている。
【００４９】
ＰＬＬ１２１は、数十ＭＨｚ程度で発振するＴＣＸＯ１４の発振信号を１．５ＧＨｚ帯の周波数に逓倍したクロック信号を生成する。
【００５０】
ＳＡＷフィルター１１が抽出した衛星信号は、ＬＮＡ１２２で増幅される。ＬＮＡ１２２で増幅された衛星信号は、ミキサー１２３でＰＬＬ１２１が出力するクロック信号とミキシングされて中間周波数帯（例えば、数ＭＨｚ）の信号（ＩＦ信号）にダウンコンバートされる。ミキサー１２３でミキシングされた信号は、ＩＦアンプ１２４で増幅される。
【００５１】
ミキサー１２３でのミキシングにより、ＩＦ信号とともにＧＨｚオーダーの高周波信号も生成されるため、ＩＦアンプ１２４はＩＦ信号とともにこの高周波信号も増幅する。ＩＦフィルター１２５は、ＩＦ信号を通過させるとともに、この高周波信号を除去する（正確には、所定のレベル以下に減衰させる）。ＩＦフィルター１２５を通過したＩＦ信号はＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換器）１２６でデジタル信号に変換される。
【００５２】
ベースバンド処理部１３は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）１３１、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１３２、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）１３３およびＲＴＣ（リアルタイムクロック）１３４を含んで構成されており、ＴＣＸＯ１４の発振信号をクロック信号として各種処理を行う。
【００５３】
ＤＳＰ１３１とＣＰＵ１３２は、協働しながら、ＩＦ信号からベースバンド信号を復調し、航法メッセージに含まれる軌道情報や時刻情報を取得し、通常測位モードの処理あるいは位置固定モードの処理を行う。
【００５４】
ＳＲＡＭ１３３は、取得された時刻情報や軌道情報、所定の制御コマンド（位置設定用の制御コマンド）に応じて設定された受信点の位置情報、位置固定モード等で用いる仰角マスク等を記憶するためのものである。ＲＴＣ１３４は、ベースバンド処理を行うためのタイミングを生成するものである。このＲＴＣ１３４は、ＴＣＸＯ１４からのクロック信号でカウントアップされる。
【００５５】
具体的には、ベースバンド処理部１３は、各Ｃ／Ａコードと同一のパターンのローカルコードを発生し、ベースバンド信号に含まれる各Ｃ／Ａコードとローカルコードの相関をとる処理（衛星サーチ）を行う。そして、ベースバンド処理部１３は、各ローカルコードに対する相関値がピークになるようにローカルコードの発生タイミングを調整し、相関値が閾値以上となる場合にはそのローカルコードをＣ／ＡコードとするＧＰＳ衛星２に同期（ＧＰＳ衛星２を捕捉）したものと判断する。なお、ＧＰＳでは、すべてのＧＰＳ衛星２が異なるＣ／Ａコードを用いて同一周波数の衛星信号を送信するＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）方式を採用している。したがって、受信した衛星信号に含まれるＣ／Ａコードを判別することで、捕捉可能なＧＰＳ衛星２を検索することができる。
【００５６】
また、ベースバンド処理部１３は、捕捉したＧＰＳ衛星２の軌道情報や時刻情報を取得するために、当該ＧＰＳ衛星２のＣ／Ａコードと同一のパターンのローカルコードとベースバンド信号をミキシングする処理を行う。ミキシングされた信号には、捕捉したＧＰＳ衛星２の軌道情報や時刻情報を含む航法メッセージが復調される。そして、ベースバンド処理部１３は、航法メッセージに含まれる軌道情報や時刻情報を取得し、ＳＲＡＭ１３３に記憶する処理を行う。
【００５７】
また、ベースバンド処理部１３は、所定の制御コマンド（具体的にはモード設定用の制御コマンド）を受信し、通常測位モードと位置固定モードのいずれかに設定される。ベースバンド処理部１３は、通常測位モードでは、ＳＲＡＭ１３３に記憶されている４つ以上のＧＰＳ衛星２の軌道情報および時刻情報を用いて測位計算を行う。
【００５８】
また、ベースバンド処理部１３は、位置固定モードでは、ＳＲＡＭ１３３に記憶されている１つ以上のＧＰＳ衛星２の軌道情報と、ＳＲＡＭ１３３に記憶されている受信点の位置情報とを用いて高精度の１ＰＰＳを出力する。具体的には、ベースバンド処理部１３は、ＲＴＣ１３４の一部に１ＰＰＳの各パルスの発生タイミングをカウントする１ＰＰＳカウンターを備えており、ＧＰＳ衛星２の軌道情報と受信点の位置情報とを用いて、ＧＰＳ衛星２から送信された衛星信号が受信点まで到達するのに要する伝搬遅延時間を計算し、この伝搬遅延時間に基づき１ＰＰＳカウンターの設定値を最適値に変更する。
【００５９】
なお、ベースバンド処理部１３は、通常測位モードにおいて、測位計算で得られた受信点の時刻情報に基づき１ＰＰＳを出力してもよく、位置固定モードにおいて、複数のＧＰＳ衛星２が捕捉できれば測位計算を行ってもよい。
【００６０】
また、ベースバンド処理部１３は、測位計算の結果の位置情報や時刻情報、受信状況（ＧＰＳ衛星２の捕捉数、衛星信号の強度等）等の各種情報を含むＮＭＥＡデータを出力する。
【００６１】
以上説明したように構成されたＧＰＳ受信機１０の動作は、図１に示す処理部（ＣＰＵ）２０により制御される。
【００６２】
処理部２０（衛星信号受信制御装置の一例）は、ＧＰＳ受信機１０に対して各種の制御コマンドを送信してＧＰＳ受信機１０の動作を制御し、ＧＰＳ受信機１０が出力する１ＰＰＳやＮＭＥＡデータを受け取って各種の処理を行う。なお、処理部２０は、例えば、任意のメモリーに記憶されているプログラムにしたがって、各種処理を行ってもよい。
【００６３】
この処理部２０は、位相比較器２１、ループフィルター２２、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）２３、分周器２４、ＧＰＳ制御部２５、周波数異常判断部２７および判定部２８を含んで構成されている。なお、ＤＳＰ２３、ＧＰＳ制御部２５、周波数異常判断部２７および判定部２８のうちの少なくとも２つが１つの部品で構成されていてもよい。
【００６４】
ＤＳＰ２３（「位置情報生成部」の一例）は、ＧＰＳ受信機１０から定期的に（例えば、１秒毎に）ＮＭＥＡデータを取得し、ＮＭＥＡデータに含まれる位置情報（ＧＰＳ受信機１０による通常測位モードでの測位計算の結果）を集めて所定時間における統計情報を作成し、その統計情報に基づいて、受信点の位置情報を生成する処理を行う。
【００６５】
ＧＰＳ制御部２５は、ＧＰＳ受信機１０に各種の制御コマンドを送信し、ＧＰＳ受信機１０の動作を制御する。具体的には、ＧＰＳ制御部２５は、ＧＰＳ受信機１０にモード設定用の制御コマンドを送信し、ＧＰＳ受信機１０を通常測位モードから位置固定モードに切り替える処理を行う。また、ＧＰＳ制御部２５は、ＧＰＳ受信機１０を通常測位モードから位置固定モードに切り替える前に、ＧＰＳ受信機１０に位置設定用の制御コマンドを送信し、ＤＳＰ２３が生成した受信点の位置情報をＧＰＳ受信機１０に設定する処理を行う。
【００６６】
分周器２４は、原子発振器３０が出力するクロック信号（周波数：ｆ）をｆ分周し、１Ｈｚの分周クロック信号を出力する。
【００６７】
位相比較器２１は、ＧＰＳ受信機１０が出力する１ＰＰＳ（基準タイミング信号）と分周器２４が出力する１Ｈｚの分周クロック信号（クロック信号）とを位相比較する。位相比較器２１の比較結果の位相差信号は、ループフィルター２２を介して原子発振器３０に入力される。ループフィルター２２のパラメーターは、ＤＳＰ２３により設定される。
【００６８】
分周器２４が出力する１Ｈｚの分周クロック信号は、ＧＰＳ受信機１０が出力する１ＰＰＳと同期しており、タイミング信号生成装置１は、この分周クロック信号をＵＴＣと同期した極めて周波数精度の高い１ＰＰＳとして外部に出力する。また、タイミング信号生成装置１は、１ＰＰＳと同期して１秒毎に最新のＮＭＥＡデータを外部に出力する。
【００６９】
原子発振器３０は、例えばルビジウム原子やセシウム原子等の原子のエネルギー遷移を利用した周波数精度の高いクロック信号を出力可能な発振器である。原子発振器３０として、例えば、ＥＩＴ（Electromagnetically Induced Transparency）現象（ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）現象とも呼ばれる）を利用した方式の原子発振器や、光マイクロ２重共鳴現象を利用した方式の原子発振器等を利用することができる。タイミング信号生成装置１は、原子発振器３０が出力する周波数がｆのクロック信号も外部に出力する。
【００７０】
本実施形態では、原子発振器３０は、２つの原子発振器３０ａ、３０ｂを備えており、これらのうちの１つの原子発振器を適宜選択して用いる。２つの原子発振器３０ａ、３０ｂは、選択されているか否かに関わらず、ともにクロック信号を出力しており、選択された原子発振器のクロック信号を分周器２４に入力するように原子発振器３０の出力の切り換えを行う。例えば、原子発振器３０ａ、３０ｂのうちの一方の原子発振器のクロック信号を原子発振器３０の出力信号として出力しておき、その一方の原子発振器が外乱の影響や故障等により動作不良を起こした場合、他方の原子発振器のクロック信号に切り換えて原子発振器３０の出力を行う。これにより、タイミング信号生成装置１のロバスト性を向上させることができる。なお、この切り換えは、処理部２０によって自動的に行ってもよいし、手動により行ってもよい。この切り換えを処理部２０により行う場合、例えば、後述する判定部２８の判定結果に応じて切り換えを行うことができる。
【００７１】
以下、ＥＩＴ現象を利用した原子発振器の原理を簡単に説明する。
図３は、図１に示すタイミング信号生成装置が備える原子発振器において、アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。図４は、図１に示すタイミング信号生成装置が備える原子発振器において、光源部から出射される２つの光の周波数差と、受光部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。
アルカリ金属は、図３に示すように、３準位系のエネルギー準位を有し、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
【００７２】
周波数の異なる２種の共鳴光１、２（共鳴光対）を前述したようなガス状のアルカリ金属に照射したとき、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、２のアルカリ金属における光吸収率（光透過率）が変化する。
【００７３】
そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態１、２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１、２は、いずれも、アルカリ金属に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ）と呼ぶ。
【００７４】
例えば、共鳴光１の周波数ω１を固定し、共鳴光２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したとき、アルカリ金属を透過する共鳴光１、２の強度は、図４に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、このようなＥＩＴ信号を基準信号として用いることにより、高精度な発振器を構成することができる。
【００７５】
原子発振器３０は、ループフィルター２２の出力電圧（制御電圧）に応じて周波数を微調整可能に構成されており、前述のように、位相比較器２１、ループフィルター２２、ＤＳＰ２３および分周器２４により、原子発振器３０が出力するクロック信号はＧＰＳ受信機１０が出力する１ＰＰＳに完全に同期する。すなわち、位相比較器２１、ループフィルター２２、ＤＳＰ２３および分周器２４は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路を構成し、原子発振器３０が出力するクロック信号を１ＰＰＳに同期させる「同期制御部」として機能する。なお、原子発振器３０は、単体では周波数温度特性が平坦ではないため、原子発振器３０の近傍に、原子発振器３０の温度を検出する温度センサー４１が配置されており、ＤＳＰ２３は、温度センサー４１の検出値（検出温度）に応じて位相比較器２１の出力電圧を調整することで、原子発振器３０の周波数温度特性を温度補償する処理も行う。
【００７６】
また、ＧＰＳ受信機１０が衛星信号を受信できない等の状況（ホールドオーバー）が発生すると、ＧＰＳ受信機１０が出力する１ＰＰＳの精度が劣化し、あるいは、ＧＰＳ受信機１０が１ＰＰＳの出力を停止する。そのような場合、処理部２０は、原子発振器３０が出力するクロック信号をＧＰＳ受信機１０が出力する１ＰＰＳに同期させる処理を停止して原子発振器３０を自走発振させるようにしてもよい。このようにすれば、タイミング信号生成装置１は、ＧＰＳ受信機１０が出力する１ＰＰＳの精度が劣化した場合でも、原子発振器３０の自走発振による周波数精度の高い１ＰＰＳを出力することができる。なお、原子発振器３０に代えてダブルオーブンもしくはシングルオーブンの恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）、電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）、温度補償回路付き水晶発振回路（ＴＣＸＯ）等の水晶発振器を用いても、自走発振による周波数精度の高い１ＰＰＳを出力することができる。
【００７７】
以上説明したような原子発振器３０を含むＰＬＬ回路において、原子発振器３０が故障した場合、原子発振器３０のクロック信号とＧＰＳ受信機１０の１ＰＰＳ（基準タイミング信号）との位相がずれ（位相のずれが大きくなり）、位相比較器２１の出力（位相差信号）が大きくなる。したがって、位相比較器２１の出力に基づいて、原子発振器３０の故障を検出することができる。本実施形態では、周波数異常判断部２７が、位相比較器２１の比較結果を用いて、原子発振器３０のクロック信号の周波数が異常であるか否かを判断し、周波数が異常である場合には、その判断結果を含む周波数異常情報を出力する。
【００７８】
しかし、原子発振器３０が実際に故障していなくても、例えば、マイクロ波、電源ノイズ、振動、温度変化等の外乱の影響によって、原子発振器３０のクロック信号とＧＰＳ受信機１０の１ＰＰＳ（基準タイミング信号）との位相がずれることがある。そのため、位相比較器２１の出力のみに基づいて、すなわち、周波数異常判断部２７の判断結果のみを用いて、原子発振器３０の故障を検出しようとすると、原子発振器３０が実際に故障していない場合であっても原子発振器３０が故障していると判断してしまうこととなる。また、原子発振器３０が実際に故障している場合でも、周波数異常判断部２７の判断結果のみに基づいて、原子発振器３０が故障しているのか、または、他の部分が故障しているのかが判断できない。したがって、周波数異常判断部２７の判断結果のみを報知しても、メンテナンスや修理等が必要ないにもかかわらず、作業員が出向かなければならなかったり、メンテナンスや修理等が必要である場合でも、メンテナンスや修理すべき箇所を特定するのに長時間を要したりして、メンテナンスや修理等の作業効率が悪い。
【００７９】
そこで、タイミング信号生成装置１は、前述したような外乱を検出する温度センサー４１、マイクロ波受信機４２、電源ノイズセンサー４３および振動センサー４４を有するセンサー部４０を設け、判定部２８が、周波数異常判断部２７の判断結果のみならず、センサー部４０の検出結果をも用いて、周波数異常の原因を判定する。
【００８０】
以下、周波数異常の判断およびその原因の判定について詳述する。
周波数異常判断部２７は、前述したように、位相比較器２１の比較結果を用いて、原子発振器３０のクロック信号の周波数が異常であるか否かを判断し、その判断結果を含む周波数異常情報を出力する。より具体的には、周波数異常判断部２７は、例えば、位相比較器２１の出力が所定の設定値以上であるときに、原子発振器３０のクロック信号の周波数が異常（いわゆる周波数飛びまたは周波数ズレが生じている状態）であると判断し、その判断結果を出力する。
【００８１】
また、周波数異常判断部２７は、前述した判断をループフィルター２２の時定数に応じた時間間隔（例えば基準タイミング信号の数十周期から数千周期分程度の時間長さ）ごとに行い、当該時間間隔ごとに判断結果を出力することが好ましい。これにより、原子発振器３０を有するＰＬＬ回路の制御に伴う位相比較器２１の出力の揺らぎを周波数異常として判断してしまうのを低減することができる。
【００８２】
また、周波数異常判断部２７は、前述した判断を所定時間毎に複数行い、所定回数（例えば２回または３回）以上連続して異常であると判断した場合に、異常である旨の判断結果を出力することが好ましい。これによっても、原子発振器３０を有するＰＬＬ回路の制御に伴う位相比較器２１の出力の揺らぎを周波数異常として判断してしまうのを低減することができる。
【００８３】
センサー部４０は、位相比較器２１の比較結果に影響を及ぼす環境情報を検出する。本実施形態では、センサー部４０は、温度センサー４１、マイクロ波受信機４２、電源ノイズセンサー４３および振動センサー４４を有する。
【００８４】
温度センサー４１は、原子発振器３０の温度を検出する機能を有する。したがって、センサー部４０が検出する環境情報は、当該温度に関する情報を含む。この温度センサー４１は、例えば、熱電対またはサーミスタ等を含んで構成されている。
【００８５】
原子発振器３０等の発振器は、一般に、温度特性を有し、その温度特性を補正する制御が行われるが、例えば、環境温度が急激に変化すると、その補正が間に合わず、周波数飛びを生じやすい。したがって、このような環境温度の検出結果を用いることで、判定部２８において、周波数異常の原因に環境温度による周波数飛びが含まれると判定することができる。
【００８６】
マイクロ波受信機４２は、原子セル内の金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数ω０（例えば、金属原子がセシウム原子である場合、約９．２ＧＨｚ）のマイクロ波を検出する機能を有する。したがって、センサー部４０が検出する環境情報は、当該マイクロ波に関する情報を含む。このマイクロ波受信機４２は、例えば、周波数ω０に共振するアンテナと、このアンテナで受信したマイクロ波を増幅する増幅器と、を含んで構成されている。
【００８７】
原子発振器３０（３０ａ、３０ｂ）は、原子セル内の金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数ω０のマイクロ波が外乱として入力されると、いわゆる周波数飛びが生じやすい。例えば、前述したように、本実施形態のタイミング信号生成装置１では、複数の原子発振器３０ａ、３０ｂを設けておき、必要に応じてこれらを切り換えることにより、ロバスト性を向上させている。このような場合において、使用中の原子発振器に対して他の原子発振器の出力信号によるマイクロ波が入力され、周波数飛びが生じる場合がある。したがって、このようなマイクロ波の検出結果を用いることで、判定部２８において、周波数異常の原因にマイクロ波による周波数飛びが含まれると判定することができる。
【００８８】
電源ノイズセンサー４３は、タイミング信号生成装置１の各部に電力を供給する電源回路６０およびその電力供給経路に生じるノイズである電源ノイズを検出する機能を有する。したがって、センサー部４０が検出する環境情報は、当該電源ノイズに関する情報を含む。この電源ノイズセンサー４３は、例えば、コイルを含んで構成されている。
【００８９】
原子発振器３０等の発振器は、電源ノイズが外乱として入力されると、周波数飛びを生じやすい。したがって、このような電源ノイズの検出結果を用いることで、判定部２８において、周波数異常の原因に電源ノイズによる周波数飛びが含まれると判定することができる。
【００９０】
振動センサー４４は、原子発振器３０が受ける振動を検出する機能を有する。したがって、センサー部４０が検出する環境情報は、当該振動に関する情報を含む。この振動センサー４４は、例えば、３軸加速度センサーまたは３軸ジャイロセンサー等を含んで構成されている。
【００９１】
原子発振器３０等の発振器は、振動が外乱として入力されると、周波数飛びを生じやすい。したがって、このような振動の検出結果を用いることで、判定部２８において、周波数異常の原因に振動による周波数飛びが含まれると判定することができる。
【００９２】
判定部２８は、周波数異常判断部２７の周波数異常情報およびセンサー部４０の環境情報を用いて、原子発振器３０のクロック信号の周波数の異常の原因を判定する。
【００９３】
また、判定部２８は、判定結果を出力する「出力部」としての機能を有する。この出力は、例えば、図示しないが、表示装置に入力されたり、通信回線を通じて外部の他の機器に送信されたりする。これにより、装置の使用者や、メンテナンス等の作業者が周波数異常およびその原因を知ることができ、メンテナンスや修理等の作業効率を高めることができる。
判定部２８は、例えば、以下のようなステータス情報を判断結果として出力する。
【００９４】
【表１】
0006589375.tif 000002
【００９５】
表１に示すように、原子発振器３０のクロック信号の周波数が異常である旨の判断結果を含む周波数異常情報が周波数異常判断部２７から出力されている時間長さが所定時間（例えば１秒）以上である場合、周波数異常が周波数ズレ（Ｆズレ）であると判定する。これにより、作業者等は、この判定結果に基づき、原子発振器３０等に何らかの故障があると原因を絞ることができる。
【００９６】
一方、原子発振器３０のクロック信号の周波数が異常である旨の判断結果を含む周波数異常情報が周波数異常判断部２７から出力されている時間長さが所定時間（例えば１秒）未満である場合、周波数異常に周波数飛び（Ｆ飛び）が含まれると判定する。これにより、作業者等は、この判定結果に基づき、原子発振器３０以外に故障があるか、または、外乱による一時的な周波数飛びであると原因を絞ることができる。
【００９７】
また、ステータス情報には、このような周波数飛びまたは周波数ズレである旨の判定結果に加えて、温度センサー４１、マイクロ波受信機４２、電源ノイズセンサー４３および振動センサー４４の検出結果に基づく判定結果を付加する。
【００９８】
具体的には、温度センサー４１の検出結果に基づき、短期間（例えば１秒間〜１０秒間）に温度が比較的大きく（例えば５℃以上）変動した場合、その旨（急激な温度変化）の判定結果をステータス情報に付加する。あるいは、周波数異常が発生している間の温度の変遷情報をステータス情報に付加してもよい。
【００９９】
また、マイクロ波受信機４２の検出結果に基づき、周波数ω０のマイクロ波が外乱として入力された場合、その旨（マイクロ波外乱）の判定結果をステータス情報に付加する。
【０１００】
また、電源ノイズセンサー４３の検出結果に基づき、電源ノイズが外乱として入力された場合、その旨（電源ノイズ）の判定結果をステータス情報に付加する。
【０１０１】
また、振動センサー４４の検出結果に基づき、振動が外乱として入力された場合、その旨（振動）の判定結果をステータス情報に付加する。
【０１０２】
以上説明したようなタイミング信号生成装置１によれば、判定部２８が、周波数異常判断部２７の判断結果のみならず、センサー部４０の検出結果をも用いて、周波数異常の原因を判定するため、原子発振器３０のクロック信号の異常の原因を絞ることができ、その結果、メンテナンスや修理等の作業効率を高めることができる。
【０１０３】
２．電子機器
次に、本発明の電子機器の実施形態を説明する。
図５は、本発明の電子機器の実施形態を示すブロック図である。
【０１０４】
図５に示す電子機器３００は、タイミング信号生成装置３１０、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３２０、操作部３３０、ＲＯＭ（Read Only Memory）３４０、ＲＡＭ（Random Access Memory）３５０、通信部３６０および表示部３７０を含んで構成されている。
【０１０５】
タイミング信号生成装置３１０は、例えば、前述したタイミング信号生成装置１であり、先に説明したように、衛星信号を受信して高精度のタイミング信号（１ＰＰＳ）を生成し、外部に出力する。これにより、より低コストで信頼性の高い電子機器３００を実現することができる。
【０１０６】
ＣＰＵ３２０は、ＲＯＭ３４０等に記憶されているプログラムに従い、各種の計算処理や制御処理を行う。具体的には、ＣＰＵ３２０は、タイミング信号生成装置３１０が出力するタイミング信号（１ＰＰＳ）やクロック信号に同期して、計時処理、操作部３３０からの操作信号に応じた各種の処理、外部とデータ通信を行うために通信部３６０を制御する処理、表示部３７０に各種の情報を表示させるための表示信号を送信する処理等を行う。
【０１０７】
操作部３３０は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号をＣＰＵ３２０に出力する。
【０１０８】
ＲＯＭ３４０は、ＣＰＵ３２０が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。
【０１０９】
ＲＡＭ３５０は、ＣＰＵ３２０の作業領域として用いられ、ＲＯＭ３４０から読み出されたプログラムやデータ、操作部３３０から入力されたデータ、ＣＰＵ３２０が各種プログラムにしたがって実行した演算結果等を一時的に記憶する。
【０１１０】
通信部３６０は、ＣＰＵ３２０と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。
【０１１１】
表示部３７０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等により構成される表示装置であり、ＣＰＵ３２０から入力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。表示部３７０には操作部３３０として機能するタッチパネルが設けられていてもよい。
【０１１２】
このような電子機器３００としては種々の電子機器が考えられ、特に限定されないが、例えば、標準時刻との同期を実現する時刻管理用のサーバー（タイムサーバー）、タイムスタンプの発行等を行う時刻管理装置（タイムスタンプサーバー）、基地局等の周波数基準装置等が挙げられる。
【０１１３】
３．移動体
図６は、本発明の移動体の実施形態を示す図である。
【０１１４】
図６に示す移動体４００は、タイミング信号生成装置４１０、カーナビゲーション装置４２０、コントローラー４３０、４４０、４５０、バッテリー４６０、バックアップ用バッテリー４７０を含んで構成されている。
【０１１５】
タイミング信号生成装置４１０としては、前述したタイミング信号生成装置１を適用することができる。タイミング信号生成装置４１０は、例えば、移動体４００が移動中は、通常測位モードでリアルタイムに測位計算を行って１ＰＰＳ、クロック信号およびＮＭＥＡデータを出力する。また、タイミング信号生成装置４１０は、例えば、移動体４００が停止中は、通常測位モードで複数回の測位計算を行った後、複数回の測位計算結果の最頻値または中央値を現在の位置情報として設定し、位置固定モードで１ＰＰＳ、クロック信号およびＮＭＥＡデータを出力する。
【０１１６】
カーナビゲーション装置４２０は、タイミング信号生成装置４１０が出力する１ＰＰＳやクロック信号に同期して、タイミング信号生成装置４１０が出力するＮＭＥＡデータを用いて、位置や時刻その他の各種の情報をディスプレイに表示する。
【０１１７】
コントローラー４３０、４４０、４５０は、エンジンシステム、ブレーキシステム、キーレスエントリーシステム等の各種の制御を行う。コントローラー４３０、４４０、４５０は、タイミング信号生成装置４１０が出力するクロック信号に同期して各種の制御を行うようにしてもよい。
【０１１８】
本実施形態の移動体４００は、タイミング信号生成装置４１０を備えていることで、移動中も停止中も高い信頼性を確保することができる。
【０１１９】
このような移動体４００としては種々の移動体が考えられ、例えば、自動車（電気自動車も含む）、ジェット機やヘリコプター等の航空機、船舶、ロケット、人工衛星等が挙げられる。
【０１２０】
以上、本発明のタイミング信号生成装置、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
【０１２１】
また、本発明は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
【０１２２】
また、前述した実施形態では、ＧＰＳを利用したタイミング信号生成装置を例に挙げたが、ＧＰＳ以外の全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）、例えば、ガリレオ、ＧＬＯＮＡＳＳ等を利用してもよい。
【０１２３】
また、前述した実施形態では、センサー部が、温度センサー、マイクロ波受信機、電源ノイズセンサーおよび振動センサーを備える場合を例に説明したが、これらのセンサーのうちの少なくとも１つをセンサー部が有していれば、他のセンサーを省略してもよい。また、センサー部が備えるセンサーとしては、位相比較器の出力結果に影響を与える環境（外乱）を検出し得るものであれば、前述したものに限らず、例えば、気圧センサー、光センサー等を用いてもよい。
【符号の説明】
【０１２４】
１‥‥タイミング信号生成装置
２‥‥ＧＰＳ衛星
１０‥‥ＧＰＳ受信機
１１‥‥ＳＡＷフィルター
１２‥‥ＲＦ処理部
１３‥‥ベースバンド処理部
１４‥‥ＴＣＸＯ
２０‥‥処理部
２１‥‥位相比較器
２２‥‥ループフィルター
２３‥‥ＤＳＰ
２４‥‥分周器
２５‥‥ＧＰＳ制御部
２７‥‥周波数異常判断部
２８‥‥判定部
３０‥‥原子発振器
３０ａ‥‥原子発振器
３０ｂ‥‥原子発振器
４０‥‥センサー部
４１‥‥温度センサー
４２‥‥マイクロ波受信機
４３‥‥電源ノイズセンサー
４４‥‥振動センサー
５０‥‥ＧＰＳアンテナ
６０‥‥電源回路
１２１‥‥ＰＬＬ
１２２‥‥ＬＮＡ
１２３‥‥ミキサー
１２４‥‥ＩＦアンプ
１２５‥‥ＩＦフィルター
１２６‥‥ＡＤＣ
１３１‥‥ＤＳＰ
１３２‥‥ＣＰＵ
１３３‥‥ＳＲＡＭ
１３４‥‥ＲＴＣ
３００‥‥電子機器
３１０‥‥タイミング信号生成装置
３２０‥‥ＣＰＵ
３３０‥‥操作部
３４０‥‥ＲＯＭ
３５０‥‥ＲＡＭ
３６０‥‥通信部
３７０‥‥表示部
４００‥‥移動体
４１０‥‥タイミング信号生成装置
４２０‥‥カーナビゲーション装置
４３０‥‥コントローラー
４４０‥‥コントローラー
４５０‥‥コントローラー
４６０‥‥バッテリー
４７０‥‥バックアップ用バッテリー
ω０‥‥周波数
ω１‥‥周波数
ω２‥‥周波数
【図１】
0006589375.tif 000003
【図２】
0006589375.tif 000004
【図３】
0006589375.tif 000005
【図４】
0006589375.tif 000006
【図５】
0006589375.tif 000007
【図６】
0006589375.tif 000008