JP2004309307A - 人工衛星シミュレーション装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】準天頂衛星を高精度にシミュレーションする手段を提供する。
【解決手段】シミュレーションシステム２０は、グリッド生成部２１、準天頂衛星シミュレーション部２２、ユーザや基準局の位置情報等を生成するＲＩＮＥＸデータ生成部３１、及び、ユーザ受信機シミュレーション部３２から構成される。準天頂衛星シミュレーション部２２は、受信機の雑音等をシミュレーションする受信機ノイズシミュレータ２３、衛星波の反射等をシミュレーションするマルチパスシミュレータ２４、電離層のグリッドデータを保持する電離層グリッドデータベース２５、対流圏による遅延をシミュレーションする対流圏遅延シミュレータ２６、人工衛星の軌道の誤差を推定する軌道力学モデル２７、時計の誤差を推定するクロックモデル２８、及び、航法メッセージ・擬似距離生成部２９から構成される。
【選択図】 図２
【解決手段】シミュレーションシステム２０は、グリッド生成部２１、準天頂衛星シミュレーション部２２、ユーザや基準局の位置情報等を生成するＲＩＮＥＸデータ生成部３１、及び、ユーザ受信機シミュレーション部３２から構成される。準天頂衛星シミュレーション部２２は、受信機の雑音等をシミュレーションする受信機ノイズシミュレータ２３、衛星波の反射等をシミュレーションするマルチパスシミュレータ２４、電離層のグリッドデータを保持する電離層グリッドデータベース２５、対流圏による遅延をシミュレーションする対流圏遅延シミュレータ２６、人工衛星の軌道の誤差を推定する軌道力学モデル２７、時計の誤差を推定するクロックモデル２８、及び、航法メッセージ・擬似距離生成部２９から構成される。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測位手段として利用する人工衛星をシミュレーションして、その人工衛星の出力情報を模擬する人工衛星シミュレーション装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーナビゲーションシステム等で使用する測位手段として、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ、全地球測位システム）が広く採用されている。これは、複数のＧＰＳ衛星からの電波を受信し、各ＧＰＳ衛星と移動体との間の擬似距離（観測距離）を算出することで、その移動体の、地球上における絶対位置（緯度、経度）を計測するものである（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２７８３６０号公報（段落［０００４］〜［０００５］、［００５７］〜［００６４］、図４参照）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＧＰＳは、単独で測位を行う場合の性能には限界があり、高精度あるいは高信頼性が要求されるユーザの測位手段としては単独では適用できないという問題がある。そのＧＰＳの問題点を解決するために、２００８年に準天頂衛星の打ち上げが予定されている。この準天頂衛星を用いた測位の主たる特長を、以下に示す。
（１）補正情報を生成することによって、擬似距離を高精度にする。
（２）軌道誤差やクロック誤差を正確に求めるために、リアルタイム基準局ネットワークを構築する。
（３）補正情報の完全性を監視することによって、補正情報の信頼性の向上を図る。
ただし、実際に準天頂衛星を打ち上げる前に、高精度な測位システム全体の開発、評価を進める必要があり、準天頂衛星をシミュレーションする装置の開発が急務となっている。
【０００５】
そこで、本発明は、前記課題に鑑み、準天頂衛星を高精度にシミュレーションする手段を提供することを主たる目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明は、実データを利用することを特徴とする人工衛星シミュレーション装置である。移動体は、ＧＰＳ衛星とその移動体との間の擬似距離（観測距離）を算出するが、準天頂衛星は、その擬似距離の精度を向上するための補正情報（誤差、遅延距離）を出力する機能を持つ。本発明の人工衛星シミュレーション装置は、その準天頂衛星が出力する補正情報を模擬するものであり、その補正情報を求めるために、いわゆる計算式や計算モデルだけではなく、人工衛星の実データをその補正情報の計算に利用するものである。その実データについては、ＣＲＬ（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、通信総合研究所）の東南アジア電離層観測網やＧＳＩ（Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｓｕｒｖｅｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ、国土地理院）の基準局ネットワーク等の、人工衛星による観測局ネットワークから収集したり、ＧＰＳ衛星の出力情報を利用したりする。また、その観測局ネットワークから収集した電離層や対流圏のデータを使って、その電離層や対流圏による衛星波の遅延距離を緯度、経度対応にデータ化したグリッドデータベースを構築し、そのデータベースを利用することもできる。更に、ユーザが、所定の入力手段を用いることによって、人工衛星シミュレーション装置に任意のパラメータを入力することができるものとする。
なお、請求項における「人工衛星シミュレーション装置」は、後記する発明の実施の形態では、「準天頂衛星シミュレーション部」に相当する。また、請求項における「第１の人工衛星」、「第２の人工衛星」及び「第３の人工衛星」は、後記する発明の実施の形態では、それぞれ「準天頂衛星」、「既存又は計画中の人工衛星システム」及び「ＧＰＳ衛星」に相当する。更に、請求項における「所定のモジュール」及び「入力手段」は、後記する発明の実施の形態では、それぞれ「ＲＩＮＥＸデータ生成部、ユーザ受信機シミュレーション部」及び「ドライバ」に相当する。
また、請求項における「測位に関する模擬的情報」は、後記する発明の実施の形態において、準天頂衛星シミュレーション部が模擬的に出力する「擬似距離」及び「補正情報」を含むものとする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ここでは、まず、ＧＰＳ衛星及び準天頂衛星の概要について説明する。その後、ＧＰＳ衛星及び準天頂衛星のシミュレーション部を含む実験システムについて説明を進める。
【０００８】
≪ＧＰＳ衛星と準天頂衛星の概要≫
図１に示すようにＧＰＳ衛星と準天頂衛星とを利用した移動体通信システム１は、測位装置である端末装置３がＧＰＳ衛星２ａを利用して測位を行うにあたり、測位情報や補正情報を準天頂衛星２ｂから取得することで測位の精度を向上させるものである。なお、端末装置３としては、ノート型のパーソナルコンピュータや、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）等の携帯型の端末装置や、車載のオーディオ機器やナビゲーションシステムといった移動体があげられる。また、位置情報を他の端末装置３に提供する固定局や擬似衛星（図示せず）を移動体通信システム１に含んでもよい。なお、端末装置３や擬似衛星、その他の固定局は、人工衛星に対して、地上局と呼ばれることもある。
【０００９】
ＧＰＳ衛星２ａは、軌道傾斜角５５度、軌道周期約１２時間の円軌道（軌道周期が地球の自転周期と１／２同期）を採っている。緯度が５５度以下の場所では、仰角は最大９０度までであるが、軌道周期が約１２時間であるため、準天頂衛星２ｂ（詳細後記）と比べて高仰角に見える時間長は短くなる。ＧＰＳ衛星２ａは、軌道高度が１９，０００〜２５，０００ｋｍ（いわゆるＭＥＯ軌道）を周回し、移動体向けに測位信号を放送している衛星又は衛星群、及び静止軌道を利用し移動体向けに測位信号を放送している衛星又は衛星群である。そのＧＰＳ衛星２ａは、例えば、ＧＰＳ／ＮＡＶＳＴＡＲ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ／Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｔｉｍｉｎｇ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）、ＧＬＯＮＡＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）、Ｇａｌｉｌｅｏ（欧州提案の全地球的航法システム）、運輸多目的衛星を含む。軌道高度が１９，０００〜２５，０００ｋｍのＭＥＯ軌道を周回し、移動体向けに測位信号を放送している衛星又は衛星群の場合、ＭＥＯ軌道を利用しているため日本での衛星仰角は９０度以下に広く分布するが、高仰角に見える時間長は準天頂衛星に比べて短い。静止軌道を利用し移動体向けに測位信号を放送している衛星又は衛星群の場合、日本からの仰角は場所によって変わるが最大５０度程度（東京の場合）であり、時間によって変化しない。
【００１０】
一方、準天頂衛星２ｂとは、軌道周期が約２４時間で（又は、軌道周期が地球の自転周期と同期しており）、日本から見て高仰角に長い時間滞空して見える衛星（長楕円軌道衛星、８の字軌道衛星を含む）全般のことをいう。その準天頂衛星２ｂは、例えば、ＨＥＯ（Ｈｉｇｈｌｙ Ｅｌｌｉｐｔｉｃ Ｏｒｂｉｔ、長楕円軌道）を含んでおり、衛星３機でコンステレーション（観測者が地球上のどこにいてもそれらの衛星が同時に可視になるような配置）を構成した場合、運用する衛星が日本本土四島及び沖縄から見てほぼ仰角７０度以上に常時見える軌道が想定される。日本の端部（最北端等）を考えると、運用する衛星の最低仰角は６５度程度になる。また、準天頂衛星２ｂは、いわゆる８の字軌道衛星でもよく、この場合は、衛星３機でコンステレーションを構成すると、運用する衛星が日本本土四島及び沖縄から見てほぼ仰角６０度以上に常時見える軌道が想定される。同様に日本の端部（最北端等）を考えると、運用する衛星の最低仰角は５０度程度になる。測位用の信号の種類としては、ＧＰＳ信号と同一のもの及びＤ−ＧＰＳ信号の二種類が想定される。
【００１１】
したがって、準天頂衛星とは、日本本土四島及び沖縄をサービスエリアとした場合、例えば、３機（又は、４機）の人工衛星が代わる代わるサービスエリア近傍上空に可視となるものであり（まず、１機目の人工衛星がサービスエリア近傍上空で可視となり、１機目の人工衛星がサービスエリア上空から離れていくと２機目の人工衛星がサービスエリア近傍上空で可視となり、２機目の人工衛星がサービスエリア上空から離れていくと３機目の人工衛星がサービスエリア近傍上空で可視となり、３機目の人工衛星がサービスエリア上空から離れていくと再び１機目の人工衛星がサービスエリア近傍上空で可視となる。なお、４機の人工衛星で構成されても、同様である）、２４時間、好ましくは、仰角が７０度以上、少なくとも、仰角が略５０度以上（４５度以上）の人工衛星群を意味する。
【００１２】
ＧＰＳ衛星２ａは、擬似雑音符号、軌道情報及び時刻補正情報からなるＧＰＳ信号（測位情報）を出力するように構成されており、端末装置３は３つ以上のＧＰＳ信号を受信すると移動体の緯度及び経度を測定することができる。また、４つ以上のＧＰＳ信号を受信すれば海抜を加えた３次元の測位を行うことができる。
【００１３】
準天頂衛星２ｂは、ＧＰＳ信号と同様な測位情報やＧＰＳ信号が重畳された電波が電離層を通過する際に発生する誤差等を除去して測位精度を向上させるための補正情報を多重放送する。このような衛星波を用いて、測位情報を送信することで、捕捉可能なＧＰＳ信号を出力する衛星数を増やして測位可能な場所と時間とを広げ、また、補正情報を送信することで、ＦＭ放送等の地上波を用いて補正情報を送信する場合に比べて、カバーエリアを広くすることができる。また、高層ビル群の谷間等電波が届き難いところであっても補正情報を受けやすくなる。
【００１４】
このように、準天頂衛星２ｂを用いて測位情報や補正情報を送信する場合には、端末装置３からみた仰角が常に一定角度以上になるように準天頂衛星２ｂを順次切り替えていく必要がある。このため、準天頂衛星２ｂ同士の間でハンドオーバを行うことで同じ位置から常に準天頂衛星２ｂが高仰角に可視となるようにしている。なお、端末装置３が指向性の高い衛星追尾アンテナを用いる場合、サービスを引き継ぐ準天頂衛星２ｂを追尾するために衛星追尾アンテナの向きを変える必要がある。このハンドオーバは、衛星管理局（図示せず）からの指示により実行され、例えば、ある地域における衛星仰角を基準として準天頂衛星２ｂの切り替えのタイミングを定めて、サービスエリア全域において一斉に行ったりする。このタイミングは衛星管理局から前もって準天頂衛星２ｂを通じて端末装置３にも通知される。
【００１５】
なお、補正情報は、図１に示す電子基準局７を用いて算出する。電子基準局７は、アンテナ、受信機、通信用機器を備え、ＧＰＳ衛星２ａから出されたＧＰＳ信号を受信し、ＧＰＳ衛星２ａとアンテナ７との間の距離を計算し、電子基準局７の位置を求める。このような電子基準局７は国内に多数設けられており、各電子基準局７の測位結果は通信回線７ａで補正情報算出部８に集められる。補正情報算出部８では、実際の電子基準局７の位置と測位結果との誤差を多重平均する等して日本全国についての補正情報を求める。このようにして算出された補正情報は、ＲＴＣＭ（Ｒａｄｉｏ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ Ｍａｒｉｎｅ）等のフォーマットでアップリンク施設９から準天頂衛星２ｂにアップリンクされて、端末装置３に向けて多重放送される。
【００１６】
≪実験システム及びシミュレーションシステムの構成と概要≫
前記説明した移動体通信システム１を構成する人工衛星のうち、準天頂衛星は、未だ打ち上がっていないのが現状であるから、準天頂衛星を含めた移動体通信システム１の開発、評価を推進するためには、準天頂衛星のシミュレーションシステムを構築することが必要である。図２に示す、準天頂衛星のシミュレーションシステムを含む実験システムの構成図を参照しながら、その実験システム及びシミュレーションシステムについて説明する。
実験システム１０は、準天頂衛星その他のシミュレーションを行うシミュレーションシステム２０、ＧＰＳ衛星のシミュレーションを行うＧＰＳ衛星シミュレーション部４０、ＧＰＳ衛星を利用して測位を行うＧＰＳ受信機４１、人工衛星からの実データを収集する観測局ネットワーク５０及びシミュレーションシステム２０の測位結果と実際のユーザ位置との比較、解析を行う比較解析システム６０から構成される。
観測局ネットワーク５０は、ＣＲＬ東南アジア電離層観測網やＧＳＩ基準局ネットワーク等から観測データを収集する機能を持ち、その観測データをシミュレーションシステム２０に提供する。ＣＲＬ東南アジア電離層観測網やＧＳＩ基準局ネットワーク等は、ＧＰＳ／ＮＡＶＳＴＡＲ、ＧＬＯＮＡＳＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ、北斗等の既存又は計画中の人工衛星システムから実データを受信する。シミュレーションシステム２０は、観測局ネットワーク５０、ＧＰＳ受信機４１及びユーザ位置から各種データを入力して、各種シミュレーション等を行い、最終的には、測位結果を比較解析システム６０に出力する。また、シミュレーションシステム２０は、観測局ネットワーク５０から電離層のデータを入力して、その入力した電離層のデータに基づいてグリッドデータを生成し、その生成したグリッドデータをＧＰＳ衛星シミュレーション部４０に出力する。それらの詳細は後記する。ＧＰＳ衛星シミュレーション部４０は、シミュレーションシステム２０から入力したグリッドデータ及びユーザ位置を入力して、シミュレーションを行い、ＧＰＳ衛星としての情報をＧＰＳ受信機４１に出力する。ＧＰＳ受信機４１は、ＧＰＳ衛星シミュレーション部４０から入力したＧＰＳ衛星の情報に基づいて、擬似距離等の情報をシミュレーションシステム２０に出力する。比較解析システム６０は、シミュレーションシステム２０から入力した測位結果と実際のユーザ位置とを比較、解析する機能を持つ。ここでは、その詳細の説明は割愛する。
【００１７】
シミュレーションシステム２０は、電離層のグリッドデータを生成するグリッド生成部２１、準天頂衛星のシミュレーションを行う準天頂衛星シミュレーション部２２、ユーザや基準局の位置情報等の標準フォーマットのデータを生成するＲＩＮＥＸ（Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｆｏｒｍａｔ）データ生成部３１、及び、ユーザ受信機のシミュレーションを行うユーザ受信機シミュレーション部３２から構成される。
グリッド生成部２１は、観測局ネットワーク５０から入力した電離層のデータに基づいて、グリッドデータを生成し、その生成したグリッドデータを準天頂衛星シミュレーション部２２及びＧＰＳシミュレーション部４０に出力する。準天頂衛星シミュレーション部２２は、グリッド生成部２１から入力したグリッドデータ及びユーザ位置を入力して、シミュレーションを行い、準天頂衛星としての情報をＲＩＮＥＸデータ生成部３１及びユーザ受信機シミュレーション部３２に出力する。ＲＩＮＥＸデータ生成部３１は、準天頂衛星シミュレーション部２２及びＧＰＳ受信機４１から入力した情報に基づいて、ユーザや基準局の位置情報等の標準フォーマットであるＲＩＮＥＸデータを生成して、その生成したＲＩＮＥＸデータをユーザ受信機シミュレーション部３２に出力する。その出力するＲＩＮＥＸデータには、擬似距離、キャリア、ドップラ等の値が含まれる。ここで、擬似距離は、人工衛星と観測地点との間の距離のことを指し、「観測距離」と言い換えることもできる。この擬似距離を複数求めることによって、観測地点の地球上における絶対位置（緯度、経度）を計測することができる。ユーザ受信機シミュレーション部３２は、ＧＰＳ衛星と準天頂衛星とを利用した移動体通信システム１におけるユーザ受信機をシミュレーションするものであり、準天頂衛星シミュレーション部２２及びＲＩＮＥＸデータ生成部３１から入力したデータに基づいて、シミュレーションを行い、シミュレーションシステム２０としての出力情報である測位結果のデータを比較解析システム６０に出力する。
【００１８】
準天頂衛星シミュレーション部２２は、受信機の雑音等をシミュレーションする受信機ノイズシミュレータ２３、衛星波の反射等をシミュレーションするマルチパスシミュレータ２４、電離層のグリッドデータを保持する電離層グリッドデータベース２５、対流圏による遅延をシミュレーションする対流圏遅延シミュレータ２６、人工衛星の軌道の誤差を推定する軌道力学モデル２７、人工衛星と受信機とに搭載されている時計の誤差を推定するクロックモデル２８、及び、航法メッセージと擬似距離とを生成する航法メッセージ・擬似距離生成部２９から構成される。なお、航法メッセージは、衛星の軌道情報から生成されるものとする。
【００１９】
≪実距離を補正するパラメータとその計算方法≫
準天頂衛星シミュレーション部２２は、高精度な補正情報を出力する準天頂衛星のシミュレーションを行うが、ここでは、人工衛星と観測地点との間の距離である擬似距離ρを求めるための補正情報を出力するものとする。また、その擬似距離ρは、次の式１で求められるが、この計算は航法メッセージ・擬似距離生成部２９において行われるものとする。式１によれば、擬似距離ρは、推定される誤差や遅延距離に基づいて、実距離Ｒを補正したものであると言うことができる。
【００２０】
ρ＝Ｒ＋Ｃ＋Ｏ＋Ｉ＋Ｔ＋Ｍ＋Ｎ＋Ｃ’ ・・・式１
Ｒ：実距離（衛星と観測点との間の理論的距離（計算上の距離））
Ｃ：人工衛星のクロック誤差
Ｏ：軌道誤差
Ｉ：電離層による遅延距離
Ｔ：対流圏による遅延距離
Ｍ：マルチパスによる遅延距離
Ｎ：受信機ノイズによる遅延距離
Ｃ’：受信機のクロック誤差
【００２１】
次に、前記誤差や遅延距離の要因とそれらを求める計算方式について、それぞれ説明する。
まず、人工衛星のクロック誤差Ｃ及び受信機のクロック誤差Ｃ’は、いわゆる時計の誤差であるが、ＪＰＬ（Ｊｅｔ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、米国ジェット推進研究所）、ＮＧＳ（ＵＳ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｇｅｏｄｅｔｉｃ Ｓｕｒｖｅｙ、米国立測地調査所）、ＩＧＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＧＰＳ Ｓｅｒｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｇｅｏｄｙｎａｍｉｃｓ、国際ＧＰＳ地球力学事業）からの精密時刻を利用したり、モニタ基準局からのクロックエラーを利用したりして計算する方式が考えられる。具体的には、リアルタイム基準局ネットワークを構築することがあげられる。この計算は、クロックモデル２８によって行われる。
軌道誤差Ｏは、人工衛星の理論上又は計算上の軌道と実際の軌道との誤差であり、ＪＰＬ、ＮＧＳ、ＩＧＳからの精密軌道を利用することによって計算する方式が考えられる。具体的には、リアルタイム基準局ネットワークを構築することがあげられる。この計算は、軌道力学モデル２７によって行われる。
【００２２】
電離層による遅延距離Ｉ及び対流圏による遅延距離Ｔは、地球を覆う電離層及び対流圏を通過することによる衛星波の遅延を要因とするものであるが、ＧＳＩ・ＡＳＩＡネットワークを利用して計算する方式が考えられる。具体的には、基準局の最適配置や、アジア地域の基準局の高密度化を図った、データ収集システムを構築することがあげられる。また、電離層、対流圏による衛星波の遅延を推定するアルゴリズムを検討することがあげられる。
電離層による遅延距離Ｉを求める第１の具体例として、グリッド生成部２１が生成した電離層のグリッドデータを電離層グリッドデータベース２５に格納しておいて、そのデータに基づいて、遅延距離を求める方法がある。図３に示すグリッドデータのイメージ図によれば、そのグリッドデータは、地球の表面をグリッド（格子）状の正方形領域（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、・・・）に分けて、それぞれの領域において、真上の方向から受信する衛星波の、電離層による遅延距離Ｉの値を持つ。電離層による遅延距離Ｉは、実際には、例えば、地図上の等高線のように位置によって連続的に変化する分布になるが、グリッドデータでは、１個の正方形領域における平均値を持つものとする。電離層による遅延距離Ｉに対して位置測定に有効な高精度を持たせるためには、１個の正方形領域の一辺が１°〜５°に相当する距離であることが必要とされる。ここで、正方形領域Ｒｎにおける電離層による遅延距離Ｉの平均値をＩ（Ｒｎ）とすれば、図３の位置ｘにおける遅延距離Ｉは、Ｉ（Ｒ１）となる。このように、基本的には、所定の位置における遅延距離Ｉは、その位置が属する正方形領域における遅延距離Ｉの平均値を用いればよい。ただし、例えば、位置ｙは正方形領域Ｒ１とＲ２との境界線上にあるので、位置ｙにおける遅延距離Ｉは、２つの領域の平均を取って、（Ｉ（Ｒ１）＋Ｉ（Ｒ２））／２とする。また、例えば、位置ｚは正方形領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４の境界点上にあるので、位置ｚにおける遅延距離Ｉは、４つの領域の平均を取って、（Ｉ（Ｒ１）＋Ｉ（Ｒ２）＋Ｉ（Ｒ３）＋Ｉ（Ｒ４））／４とする。これらは、電離層による遅延距離Ｉが連続的に変化する分布を持つことを考慮したものである。以上の説明では、グリッド状に分ける領域を「正方形領域」として記載したが、その領域を縦と横の一辺の長さが異なる「長方形領域」としてもよい。
【００２３】
電離層による遅延距離Ｉを求める第２の具体例として、以下に示す手順による計算方法がある。
（Ｓ１）２つの基準局（位置が既知である観測点）ＡとＢにおいて２つのＧＰＳ衛星ｋとｊのＬ１帯（ＧＰＳの測位用搬送波の１つ）を受信し、それぞれの受信時刻と搬送波の位相、航法メッセージ（ＧＰＳ衛星からの送信時刻、軌道情報等）を検出する。
（Ｓ２）次の式２を用いて、天頂方向の大まかな（精度が粗い）電離層遅延距離δ’（ｍ）を求める。
【００２４】
δ’＝（ｃ（ｔＧＰＳ−ｔＲＳ）−Ｒ）ｃｏｓζ ・・・式２
ｃ：光（電波）の速度（ｍ／ｓ）
ｔＧＰＳ：ＧＰＳ衛星におけるＬ１帯の送信時刻
ｔＲＳ：基準局におけるＬ１帯の受信時刻
Ｒ：ＧＰＳ衛星と基準局との間の実距離（ｍ）
ζ：人工衛星の天頂角（ｒａｄｉａｎ）
【００２５】
（Ｓ３）式３に示す１周波の二重位相差の式に対して、大まかな電離層遅延距離δ’（ｍ）を代入して、整数バイアスＮｋｊＡＢを決定する。その決定した整数バイアスＮｋｊＡＢを±１０変化させて、それぞれの整数バイアスＮｋｊＡＢに対応する電離層遅延距離δｉＭを求める。なお、対流圏遅延距離Δｔｒｏｐ，ｉＭについては後記する。
【００２６】
ΦｋＢ−ΦｊＢ−ΦｋＡ＋ΦｊＡ
＝ｆＬ１（ＲｋＢ−ＲｊＢ−ＲｋＡ＋ＲｊＡ）／ｃ＋ＮｋｊＡＢ
−（δｋＢ／ｃｏｓζｋＢ−δｊＢ／ｃｏｓζｊＢ−δｋＡ／ｃｏｓζｋＡ＋δｊＡ／ｃｏｓζｊＡ）
＋（Δｔｒｏｐ，ｋＢ−Δｔｒｏｐ，ｊＢ−Δｔｒｏｐ，ｋＡ＋Δｔｒｏｐ，ｊＡ） ・・・式３
ΦｉＭ：基準局ＭにおいてＧＰＳ衛星ｉから受信したＬ１帯の位相
ｆＬ１：Ｌ１帯の周波数
ＲｉＭ：ＧＰＳ衛星ｉと基準局Ｍとの間の実距離（ｍ）
ＮｋｊＡＢ：整数バイアス
δｉＭ：基準局ＭにおいてＧＰＳ衛星ｉから受信したＬ１帯の電離層遅延距離（ｍ）
ζｉＭ：基準局ＭにおけるＧＰＳ衛星ｉの天頂角（ｒａｄｉａｎ）
Δｔｒｏｐ，ｉＭ：基準局ＭにおいてＧＰＳ衛星ｉから受信したＬ１帯のの対流圏遅延距離（ｍ）
【００２７】
（Ｓ４）前記した（Ｓ１）〜（Ｓ３）の手順を、時刻を変えて繰り返すことによって、所定の時刻及び整数バイアスＮｋｊＡＢに対応する電離層遅延距離δｉＭのデータを複数採取する。その採取したデータをプロットして、４つの天頂方向の電離層遅延距離δｉＭが変化しない値を求める。この天頂方向の電離層遅延距離δｉＭを式４に代入して、電離層遅延距離Δｉｏｎ（ｍ）を求める。
なお、以上のような計算は、図２の準天頂衛星シミュレーション部２２において、電離層遅延シミュレータなるものを設けることによって行うものとする。
【００２８】
Δｉｏｎ＝δ／ｃｏｓζ ・・・式４
【００２９】
次に、対流圏による遅延距離Ｔを求める第１の具体例として、次の式５及び式６を用いて、遅延距離Δｔｒｏｐ（ｍ）を計算する方法がある。ここで、人工衛星の天頂角ζ、気圧Ｐ、気温ｔ及び相対湿度ＲＨは、観測により求めるものとする。
【００３０】
Δｔｒｏｐ＝２．２７７×１０−３｛Ｐ＋（１２５５／ｔ＋０．０５）ｅ−ｔａｎ２ζ｝／ｃｏｓζ ・・・式５
ｅ＝６．１０８（ＲＨ／１００）ｅｘｐ｛（１７．１５ｔ−４６８４）／（ｔ−３８．４５）｝ ・・・式６
ζ：人工衛星の天頂角（ｒａｄｉａｎ）
Ｐ：気圧（ｈＰａ）
ｔ：気温（Ｋ°＝Ｃ°＋２７３．１６）
ｅ：水蒸気分圧（ｈＰａ）
ＲＨ：相対湿度（％）
【００３１】
また、対流圏による遅延距離Ｔを求める第２の具体例として、基準局において、Ｌ１帯を受信し、１周波解析（測位計算）を行う。この計算で得られた擬似距離ρから電離層による遅延距離Ｉを引いた値（対流圏による遅延距離Ｔと誤差やノイズとを足し合わせたもの）を求める。この値を時間的に複数計算し、平均することによって、誤差やノイズを消去することができ、対流圏による遅延距離Ｔが得られる。これらの計算は、対流圏遅延シミュレータ２６によって行われる。なお、対流圏による遅延距離Ｔについても、電離層による遅延距離Ｉを求める第１の具体例と同様に、グリッドデータベースを持つようにしてもよい。
【００３２】
マルチパスによる遅延距離Ｍは、マルチパスという現象に起因するものである。マルチパスとは、衛星波がビル等の障害物に当たって反射することによって、その衛星波を受信機で受信するまでの間に複数の到達経路ができてしまうことをいう。マルチパスによる遅延距離Ｍは、基準局及び補正システムの完全性を確立することによって求める方式が考えられる。具体的には、電子基準点や補正システムの完全性を監視する機能があげられ、例えば、誤差を常時監視する等の方法がある。これらの計算は、マルチパスシミュレータ２４によって行われる。
受信機ノイズによる遅延距離Ｎは、文字通り、衛星波を受信する受信機自身に起因するものである。受信機ノイズによる遅延距離Ｎを求める具体例としては、基準局においてＬ１帯を受信し、１周波解析（測位計算）を行う。この計算で得られた擬似距離ρから電離層による遅延距離Ｉ及び対流圏による遅延距離Ｔを引いた値Ｓ（受信機ノイズとＳＡのノイズとを足し合わせたもの）を求める。ＳＡ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ、単独測位精度の作為的劣化措置、ただし２００３年４月現在は停止されている）は、どの観測点でも共通であるため、２つの基準局で得られる２つのＳを引き算することによって、ＳＡのノイズを消去することができる。具体的には、同じ種類の受信機を有する２つの基準局で得られたＳ１とＳ２とを引き算する。この絶対値｜Ｓ１−Ｓ２｜（ｍ）の時間的な平均値の√２倍が受信機ノイズによる遅延距離Ｎである。
【００３３】
≪ＧＰＳ衛星及び準天頂衛星の共通誤差／遅延距離モデル≫
図４は、ＧＰＳ衛星及び準天頂衛星の擬似距離ρを求める際に用いる各誤差及び遅延距離の値について示している。ＧＰＳ衛星の各誤差及び遅延距離は、当然のことながら、ＧＰＳ実測値を利用すればよい。準天頂衛星については、実際に打ち上がっていないので、通常はシミュレーション値を使うことになる。ただし、ＧＰＳ衛星と準天頂衛星とで同じ衛星波を使用し、観測者が同じ地点で同じ受信機を使用していれば、電離層による遅延距離Ｉ、対流圏による遅延距離Ｔ、マルチパスによる遅延距離Ｍ、受信機ノイズによる遅延距離Ｎ及び受信機のクロック誤差Ｃ’は、ＧＰＳ衛星と準天頂衛星とで同じであると考えられる。したがって、この場合、それらのＧＰＳ実測値を、そのまま準天頂衛星が出力する補正情報として利用することができる。
具体的な構成としては、図２の構成図において、ＧＰＳ衛星シミュレーション部４０を実際のＧＰＳ衛星に置き換える。そして、具体的な方法としては、図２において、準天頂衛星シミュレーション部２２から出力している補正情報のうち、電離層による遅延距離Ｉ、対流圏による遅延距離Ｔ、マルチパスによる遅延距離Ｍ、受信機ノイズによる遅延距離Ｎ及び受信機のクロック誤差Ｃ’を、ＧＰＳ受信機４１が実際のＧＰＳ衛星から受信して出力するデータに置き換える。ただし、人工衛星のクロック誤差Ｃ及び軌道誤差Ｏについては、準天頂衛星シミュレーション部２２から出力する。
これによれば、準天頂衛星の擬似距離を求める際に、準天頂衛星のクロック誤差Ｃ及び軌道誤差Ｏがシミュレーション値であり、その他は実測値であるので、高精度にその擬似距離を算出することが可能になる。
【００３４】
≪その他の実施の形態≫
以上本発明について好適な実施の形態について一例を示したが、本発明は前記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
前記実施の形態では、図２の実験システム１０において、準天頂衛星シミュレーション部２２への入力は、グリッド生成部２１からの出力パラメータによるものであり、ＧＰＳ衛星シミュレーション部４０への入力も同様である。そこで、例えば、グリッド生成部２１内において準天頂衛星シミュレーション部２２及びＧＰＳ衛星シミュレーション部４０に対してパラメータを入力するドライバ（図示せず）をユーザが操作可能とする。これによって、ユーザは、任意のパラメータを、そのドライバを介して、準天頂衛星シミュレーション部２２及びＧＰＳ衛星シミュレーション部４０に入力することができる。そのパラメータとしては、電離層による衛星波の遅延距離、対流圏による衛星波の遅延距離、マルチパスによる衛星波の遅延距離等があげられる。これにより、ユーザによるパラメータの調整が可能になり、実験システム１０の使い勝手の向上を図ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、実データを利用することによって、準天頂衛星を高精度にシミュレーションすることができる。これにより、準天頂衛星の出力である補正情報を高精度に模擬することができ、擬似距離を高精度に算出することができる。ひいては、実際に準天頂衛星を打ち上げる前に、準天頂衛星を含めた測位システムの開発、評価を進めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＧＰＳ衛星と準天頂衛星とを利用した移動体通信システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る実験システムの構成図である。
【図３】本発明の実施形態に係るグリッドデータのイメージ図である。
【図４】本発明の実施形態に係るＧＰＳ衛星及び準天頂衛星の共通誤差／遅延距離モデルの図である。
【符号の説明】
１…移動体通信システム
２ａ…ＧＰＳ衛星
２ｂ…準天頂衛星
３…端末装置
７…電子基準局
７ａ…通信回線
８…補正情報算出部
９…アップリンク施設
１０…実験システム
２０…シミュレーションシステム
２１…グリッド生成部
２２…準天頂衛星シミュレーション部
２３…受信機ノイズシミュレータ
２４…マルチパスシミュレータ
２５…電離層グリッドデータベース
２６…対流圏遅延シミュレータ
２７…軌道力学モデル
２８…クロックモデル
２９…航法メッセージ・擬似距離生成部
３１…ＲＩＮＥＸデータ生成部
３２…ユーザ受信機シミュレーション部
【発明の属する技術分野】
本発明は、測位手段として利用する人工衛星をシミュレーションして、その人工衛星の出力情報を模擬する人工衛星シミュレーション装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーナビゲーションシステム等で使用する測位手段として、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ、全地球測位システム）が広く採用されている。これは、複数のＧＰＳ衛星からの電波を受信し、各ＧＰＳ衛星と移動体との間の擬似距離（観測距離）を算出することで、その移動体の、地球上における絶対位置（緯度、経度）を計測するものである（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２７８３６０号公報（段落［０００４］〜［０００５］、［００５７］〜［００６４］、図４参照）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＧＰＳは、単独で測位を行う場合の性能には限界があり、高精度あるいは高信頼性が要求されるユーザの測位手段としては単独では適用できないという問題がある。そのＧＰＳの問題点を解決するために、２００８年に準天頂衛星の打ち上げが予定されている。この準天頂衛星を用いた測位の主たる特長を、以下に示す。
（１）補正情報を生成することによって、擬似距離を高精度にする。
（２）軌道誤差やクロック誤差を正確に求めるために、リアルタイム基準局ネットワークを構築する。
（３）補正情報の完全性を監視することによって、補正情報の信頼性の向上を図る。
ただし、実際に準天頂衛星を打ち上げる前に、高精度な測位システム全体の開発、評価を進める必要があり、準天頂衛星をシミュレーションする装置の開発が急務となっている。
【０００５】
そこで、本発明は、前記課題に鑑み、準天頂衛星を高精度にシミュレーションする手段を提供することを主たる目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明は、実データを利用することを特徴とする人工衛星シミュレーション装置である。移動体は、ＧＰＳ衛星とその移動体との間の擬似距離（観測距離）を算出するが、準天頂衛星は、その擬似距離の精度を向上するための補正情報（誤差、遅延距離）を出力する機能を持つ。本発明の人工衛星シミュレーション装置は、その準天頂衛星が出力する補正情報を模擬するものであり、その補正情報を求めるために、いわゆる計算式や計算モデルだけではなく、人工衛星の実データをその補正情報の計算に利用するものである。その実データについては、ＣＲＬ（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、通信総合研究所）の東南アジア電離層観測網やＧＳＩ（Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｓｕｒｖｅｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ、国土地理院）の基準局ネットワーク等の、人工衛星による観測局ネットワークから収集したり、ＧＰＳ衛星の出力情報を利用したりする。また、その観測局ネットワークから収集した電離層や対流圏のデータを使って、その電離層や対流圏による衛星波の遅延距離を緯度、経度対応にデータ化したグリッドデータベースを構築し、そのデータベースを利用することもできる。更に、ユーザが、所定の入力手段を用いることによって、人工衛星シミュレーション装置に任意のパラメータを入力することができるものとする。
なお、請求項における「人工衛星シミュレーション装置」は、後記する発明の実施の形態では、「準天頂衛星シミュレーション部」に相当する。また、請求項における「第１の人工衛星」、「第２の人工衛星」及び「第３の人工衛星」は、後記する発明の実施の形態では、それぞれ「準天頂衛星」、「既存又は計画中の人工衛星システム」及び「ＧＰＳ衛星」に相当する。更に、請求項における「所定のモジュール」及び「入力手段」は、後記する発明の実施の形態では、それぞれ「ＲＩＮＥＸデータ生成部、ユーザ受信機シミュレーション部」及び「ドライバ」に相当する。
また、請求項における「測位に関する模擬的情報」は、後記する発明の実施の形態において、準天頂衛星シミュレーション部が模擬的に出力する「擬似距離」及び「補正情報」を含むものとする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ここでは、まず、ＧＰＳ衛星及び準天頂衛星の概要について説明する。その後、ＧＰＳ衛星及び準天頂衛星のシミュレーション部を含む実験システムについて説明を進める。
【０００８】
≪ＧＰＳ衛星と準天頂衛星の概要≫
図１に示すようにＧＰＳ衛星と準天頂衛星とを利用した移動体通信システム１は、測位装置である端末装置３がＧＰＳ衛星２ａを利用して測位を行うにあたり、測位情報や補正情報を準天頂衛星２ｂから取得することで測位の精度を向上させるものである。なお、端末装置３としては、ノート型のパーソナルコンピュータや、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）等の携帯型の端末装置や、車載のオーディオ機器やナビゲーションシステムといった移動体があげられる。また、位置情報を他の端末装置３に提供する固定局や擬似衛星（図示せず）を移動体通信システム１に含んでもよい。なお、端末装置３や擬似衛星、その他の固定局は、人工衛星に対して、地上局と呼ばれることもある。
【０００９】
ＧＰＳ衛星２ａは、軌道傾斜角５５度、軌道周期約１２時間の円軌道（軌道周期が地球の自転周期と１／２同期）を採っている。緯度が５５度以下の場所では、仰角は最大９０度までであるが、軌道周期が約１２時間であるため、準天頂衛星２ｂ（詳細後記）と比べて高仰角に見える時間長は短くなる。ＧＰＳ衛星２ａは、軌道高度が１９，０００〜２５，０００ｋｍ（いわゆるＭＥＯ軌道）を周回し、移動体向けに測位信号を放送している衛星又は衛星群、及び静止軌道を利用し移動体向けに測位信号を放送している衛星又は衛星群である。そのＧＰＳ衛星２ａは、例えば、ＧＰＳ／ＮＡＶＳＴＡＲ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ／Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｔｉｍｉｎｇ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）、ＧＬＯＮＡＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）、Ｇａｌｉｌｅｏ（欧州提案の全地球的航法システム）、運輸多目的衛星を含む。軌道高度が１９，０００〜２５，０００ｋｍのＭＥＯ軌道を周回し、移動体向けに測位信号を放送している衛星又は衛星群の場合、ＭＥＯ軌道を利用しているため日本での衛星仰角は９０度以下に広く分布するが、高仰角に見える時間長は準天頂衛星に比べて短い。静止軌道を利用し移動体向けに測位信号を放送している衛星又は衛星群の場合、日本からの仰角は場所によって変わるが最大５０度程度（東京の場合）であり、時間によって変化しない。
【００１０】
一方、準天頂衛星２ｂとは、軌道周期が約２４時間で（又は、軌道周期が地球の自転周期と同期しており）、日本から見て高仰角に長い時間滞空して見える衛星（長楕円軌道衛星、８の字軌道衛星を含む）全般のことをいう。その準天頂衛星２ｂは、例えば、ＨＥＯ（Ｈｉｇｈｌｙ Ｅｌｌｉｐｔｉｃ Ｏｒｂｉｔ、長楕円軌道）を含んでおり、衛星３機でコンステレーション（観測者が地球上のどこにいてもそれらの衛星が同時に可視になるような配置）を構成した場合、運用する衛星が日本本土四島及び沖縄から見てほぼ仰角７０度以上に常時見える軌道が想定される。日本の端部（最北端等）を考えると、運用する衛星の最低仰角は６５度程度になる。また、準天頂衛星２ｂは、いわゆる８の字軌道衛星でもよく、この場合は、衛星３機でコンステレーションを構成すると、運用する衛星が日本本土四島及び沖縄から見てほぼ仰角６０度以上に常時見える軌道が想定される。同様に日本の端部（最北端等）を考えると、運用する衛星の最低仰角は５０度程度になる。測位用の信号の種類としては、ＧＰＳ信号と同一のもの及びＤ−ＧＰＳ信号の二種類が想定される。
【００１１】
したがって、準天頂衛星とは、日本本土四島及び沖縄をサービスエリアとした場合、例えば、３機（又は、４機）の人工衛星が代わる代わるサービスエリア近傍上空に可視となるものであり（まず、１機目の人工衛星がサービスエリア近傍上空で可視となり、１機目の人工衛星がサービスエリア上空から離れていくと２機目の人工衛星がサービスエリア近傍上空で可視となり、２機目の人工衛星がサービスエリア上空から離れていくと３機目の人工衛星がサービスエリア近傍上空で可視となり、３機目の人工衛星がサービスエリア上空から離れていくと再び１機目の人工衛星がサービスエリア近傍上空で可視となる。なお、４機の人工衛星で構成されても、同様である）、２４時間、好ましくは、仰角が７０度以上、少なくとも、仰角が略５０度以上（４５度以上）の人工衛星群を意味する。
【００１２】
ＧＰＳ衛星２ａは、擬似雑音符号、軌道情報及び時刻補正情報からなるＧＰＳ信号（測位情報）を出力するように構成されており、端末装置３は３つ以上のＧＰＳ信号を受信すると移動体の緯度及び経度を測定することができる。また、４つ以上のＧＰＳ信号を受信すれば海抜を加えた３次元の測位を行うことができる。
【００１３】
準天頂衛星２ｂは、ＧＰＳ信号と同様な測位情報やＧＰＳ信号が重畳された電波が電離層を通過する際に発生する誤差等を除去して測位精度を向上させるための補正情報を多重放送する。このような衛星波を用いて、測位情報を送信することで、捕捉可能なＧＰＳ信号を出力する衛星数を増やして測位可能な場所と時間とを広げ、また、補正情報を送信することで、ＦＭ放送等の地上波を用いて補正情報を送信する場合に比べて、カバーエリアを広くすることができる。また、高層ビル群の谷間等電波が届き難いところであっても補正情報を受けやすくなる。
【００１４】
このように、準天頂衛星２ｂを用いて測位情報や補正情報を送信する場合には、端末装置３からみた仰角が常に一定角度以上になるように準天頂衛星２ｂを順次切り替えていく必要がある。このため、準天頂衛星２ｂ同士の間でハンドオーバを行うことで同じ位置から常に準天頂衛星２ｂが高仰角に可視となるようにしている。なお、端末装置３が指向性の高い衛星追尾アンテナを用いる場合、サービスを引き継ぐ準天頂衛星２ｂを追尾するために衛星追尾アンテナの向きを変える必要がある。このハンドオーバは、衛星管理局（図示せず）からの指示により実行され、例えば、ある地域における衛星仰角を基準として準天頂衛星２ｂの切り替えのタイミングを定めて、サービスエリア全域において一斉に行ったりする。このタイミングは衛星管理局から前もって準天頂衛星２ｂを通じて端末装置３にも通知される。
【００１５】
なお、補正情報は、図１に示す電子基準局７を用いて算出する。電子基準局７は、アンテナ、受信機、通信用機器を備え、ＧＰＳ衛星２ａから出されたＧＰＳ信号を受信し、ＧＰＳ衛星２ａとアンテナ７との間の距離を計算し、電子基準局７の位置を求める。このような電子基準局７は国内に多数設けられており、各電子基準局７の測位結果は通信回線７ａで補正情報算出部８に集められる。補正情報算出部８では、実際の電子基準局７の位置と測位結果との誤差を多重平均する等して日本全国についての補正情報を求める。このようにして算出された補正情報は、ＲＴＣＭ（Ｒａｄｉｏ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ Ｍａｒｉｎｅ）等のフォーマットでアップリンク施設９から準天頂衛星２ｂにアップリンクされて、端末装置３に向けて多重放送される。
【００１６】
≪実験システム及びシミュレーションシステムの構成と概要≫
前記説明した移動体通信システム１を構成する人工衛星のうち、準天頂衛星は、未だ打ち上がっていないのが現状であるから、準天頂衛星を含めた移動体通信システム１の開発、評価を推進するためには、準天頂衛星のシミュレーションシステムを構築することが必要である。図２に示す、準天頂衛星のシミュレーションシステムを含む実験システムの構成図を参照しながら、その実験システム及びシミュレーションシステムについて説明する。
実験システム１０は、準天頂衛星その他のシミュレーションを行うシミュレーションシステム２０、ＧＰＳ衛星のシミュレーションを行うＧＰＳ衛星シミュレーション部４０、ＧＰＳ衛星を利用して測位を行うＧＰＳ受信機４１、人工衛星からの実データを収集する観測局ネットワーク５０及びシミュレーションシステム２０の測位結果と実際のユーザ位置との比較、解析を行う比較解析システム６０から構成される。
観測局ネットワーク５０は、ＣＲＬ東南アジア電離層観測網やＧＳＩ基準局ネットワーク等から観測データを収集する機能を持ち、その観測データをシミュレーションシステム２０に提供する。ＣＲＬ東南アジア電離層観測網やＧＳＩ基準局ネットワーク等は、ＧＰＳ／ＮＡＶＳＴＡＲ、ＧＬＯＮＡＳＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ、北斗等の既存又は計画中の人工衛星システムから実データを受信する。シミュレーションシステム２０は、観測局ネットワーク５０、ＧＰＳ受信機４１及びユーザ位置から各種データを入力して、各種シミュレーション等を行い、最終的には、測位結果を比較解析システム６０に出力する。また、シミュレーションシステム２０は、観測局ネットワーク５０から電離層のデータを入力して、その入力した電離層のデータに基づいてグリッドデータを生成し、その生成したグリッドデータをＧＰＳ衛星シミュレーション部４０に出力する。それらの詳細は後記する。ＧＰＳ衛星シミュレーション部４０は、シミュレーションシステム２０から入力したグリッドデータ及びユーザ位置を入力して、シミュレーションを行い、ＧＰＳ衛星としての情報をＧＰＳ受信機４１に出力する。ＧＰＳ受信機４１は、ＧＰＳ衛星シミュレーション部４０から入力したＧＰＳ衛星の情報に基づいて、擬似距離等の情報をシミュレーションシステム２０に出力する。比較解析システム６０は、シミュレーションシステム２０から入力した測位結果と実際のユーザ位置とを比較、解析する機能を持つ。ここでは、その詳細の説明は割愛する。
【００１７】
シミュレーションシステム２０は、電離層のグリッドデータを生成するグリッド生成部２１、準天頂衛星のシミュレーションを行う準天頂衛星シミュレーション部２２、ユーザや基準局の位置情報等の標準フォーマットのデータを生成するＲＩＮＥＸ（Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｆｏｒｍａｔ）データ生成部３１、及び、ユーザ受信機のシミュレーションを行うユーザ受信機シミュレーション部３２から構成される。
グリッド生成部２１は、観測局ネットワーク５０から入力した電離層のデータに基づいて、グリッドデータを生成し、その生成したグリッドデータを準天頂衛星シミュレーション部２２及びＧＰＳシミュレーション部４０に出力する。準天頂衛星シミュレーション部２２は、グリッド生成部２１から入力したグリッドデータ及びユーザ位置を入力して、シミュレーションを行い、準天頂衛星としての情報をＲＩＮＥＸデータ生成部３１及びユーザ受信機シミュレーション部３２に出力する。ＲＩＮＥＸデータ生成部３１は、準天頂衛星シミュレーション部２２及びＧＰＳ受信機４１から入力した情報に基づいて、ユーザや基準局の位置情報等の標準フォーマットであるＲＩＮＥＸデータを生成して、その生成したＲＩＮＥＸデータをユーザ受信機シミュレーション部３２に出力する。その出力するＲＩＮＥＸデータには、擬似距離、キャリア、ドップラ等の値が含まれる。ここで、擬似距離は、人工衛星と観測地点との間の距離のことを指し、「観測距離」と言い換えることもできる。この擬似距離を複数求めることによって、観測地点の地球上における絶対位置（緯度、経度）を計測することができる。ユーザ受信機シミュレーション部３２は、ＧＰＳ衛星と準天頂衛星とを利用した移動体通信システム１におけるユーザ受信機をシミュレーションするものであり、準天頂衛星シミュレーション部２２及びＲＩＮＥＸデータ生成部３１から入力したデータに基づいて、シミュレーションを行い、シミュレーションシステム２０としての出力情報である測位結果のデータを比較解析システム６０に出力する。
【００１８】
準天頂衛星シミュレーション部２２は、受信機の雑音等をシミュレーションする受信機ノイズシミュレータ２３、衛星波の反射等をシミュレーションするマルチパスシミュレータ２４、電離層のグリッドデータを保持する電離層グリッドデータベース２５、対流圏による遅延をシミュレーションする対流圏遅延シミュレータ２６、人工衛星の軌道の誤差を推定する軌道力学モデル２７、人工衛星と受信機とに搭載されている時計の誤差を推定するクロックモデル２８、及び、航法メッセージと擬似距離とを生成する航法メッセージ・擬似距離生成部２９から構成される。なお、航法メッセージは、衛星の軌道情報から生成されるものとする。
【００１９】
≪実距離を補正するパラメータとその計算方法≫
準天頂衛星シミュレーション部２２は、高精度な補正情報を出力する準天頂衛星のシミュレーションを行うが、ここでは、人工衛星と観測地点との間の距離である擬似距離ρを求めるための補正情報を出力するものとする。また、その擬似距離ρは、次の式１で求められるが、この計算は航法メッセージ・擬似距離生成部２９において行われるものとする。式１によれば、擬似距離ρは、推定される誤差や遅延距離に基づいて、実距離Ｒを補正したものであると言うことができる。
【００２０】
ρ＝Ｒ＋Ｃ＋Ｏ＋Ｉ＋Ｔ＋Ｍ＋Ｎ＋Ｃ’ ・・・式１
Ｒ：実距離（衛星と観測点との間の理論的距離（計算上の距離））
Ｃ：人工衛星のクロック誤差
Ｏ：軌道誤差
Ｉ：電離層による遅延距離
Ｔ：対流圏による遅延距離
Ｍ：マルチパスによる遅延距離
Ｎ：受信機ノイズによる遅延距離
Ｃ’：受信機のクロック誤差
【００２１】
次に、前記誤差や遅延距離の要因とそれらを求める計算方式について、それぞれ説明する。
まず、人工衛星のクロック誤差Ｃ及び受信機のクロック誤差Ｃ’は、いわゆる時計の誤差であるが、ＪＰＬ（Ｊｅｔ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、米国ジェット推進研究所）、ＮＧＳ（ＵＳ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｇｅｏｄｅｔｉｃ Ｓｕｒｖｅｙ、米国立測地調査所）、ＩＧＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＧＰＳ Ｓｅｒｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｇｅｏｄｙｎａｍｉｃｓ、国際ＧＰＳ地球力学事業）からの精密時刻を利用したり、モニタ基準局からのクロックエラーを利用したりして計算する方式が考えられる。具体的には、リアルタイム基準局ネットワークを構築することがあげられる。この計算は、クロックモデル２８によって行われる。
軌道誤差Ｏは、人工衛星の理論上又は計算上の軌道と実際の軌道との誤差であり、ＪＰＬ、ＮＧＳ、ＩＧＳからの精密軌道を利用することによって計算する方式が考えられる。具体的には、リアルタイム基準局ネットワークを構築することがあげられる。この計算は、軌道力学モデル２７によって行われる。
【００２２】
電離層による遅延距離Ｉ及び対流圏による遅延距離Ｔは、地球を覆う電離層及び対流圏を通過することによる衛星波の遅延を要因とするものであるが、ＧＳＩ・ＡＳＩＡネットワークを利用して計算する方式が考えられる。具体的には、基準局の最適配置や、アジア地域の基準局の高密度化を図った、データ収集システムを構築することがあげられる。また、電離層、対流圏による衛星波の遅延を推定するアルゴリズムを検討することがあげられる。
電離層による遅延距離Ｉを求める第１の具体例として、グリッド生成部２１が生成した電離層のグリッドデータを電離層グリッドデータベース２５に格納しておいて、そのデータに基づいて、遅延距離を求める方法がある。図３に示すグリッドデータのイメージ図によれば、そのグリッドデータは、地球の表面をグリッド（格子）状の正方形領域（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、・・・）に分けて、それぞれの領域において、真上の方向から受信する衛星波の、電離層による遅延距離Ｉの値を持つ。電離層による遅延距離Ｉは、実際には、例えば、地図上の等高線のように位置によって連続的に変化する分布になるが、グリッドデータでは、１個の正方形領域における平均値を持つものとする。電離層による遅延距離Ｉに対して位置測定に有効な高精度を持たせるためには、１個の正方形領域の一辺が１°〜５°に相当する距離であることが必要とされる。ここで、正方形領域Ｒｎにおける電離層による遅延距離Ｉの平均値をＩ（Ｒｎ）とすれば、図３の位置ｘにおける遅延距離Ｉは、Ｉ（Ｒ１）となる。このように、基本的には、所定の位置における遅延距離Ｉは、その位置が属する正方形領域における遅延距離Ｉの平均値を用いればよい。ただし、例えば、位置ｙは正方形領域Ｒ１とＲ２との境界線上にあるので、位置ｙにおける遅延距離Ｉは、２つの領域の平均を取って、（Ｉ（Ｒ１）＋Ｉ（Ｒ２））／２とする。また、例えば、位置ｚは正方形領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４の境界点上にあるので、位置ｚにおける遅延距離Ｉは、４つの領域の平均を取って、（Ｉ（Ｒ１）＋Ｉ（Ｒ２）＋Ｉ（Ｒ３）＋Ｉ（Ｒ４））／４とする。これらは、電離層による遅延距離Ｉが連続的に変化する分布を持つことを考慮したものである。以上の説明では、グリッド状に分ける領域を「正方形領域」として記載したが、その領域を縦と横の一辺の長さが異なる「長方形領域」としてもよい。
【００２３】
電離層による遅延距離Ｉを求める第２の具体例として、以下に示す手順による計算方法がある。
（Ｓ１）２つの基準局（位置が既知である観測点）ＡとＢにおいて２つのＧＰＳ衛星ｋとｊのＬ１帯（ＧＰＳの測位用搬送波の１つ）を受信し、それぞれの受信時刻と搬送波の位相、航法メッセージ（ＧＰＳ衛星からの送信時刻、軌道情報等）を検出する。
（Ｓ２）次の式２を用いて、天頂方向の大まかな（精度が粗い）電離層遅延距離δ’（ｍ）を求める。
【００２４】
δ’＝（ｃ（ｔＧＰＳ−ｔＲＳ）−Ｒ）ｃｏｓζ ・・・式２
ｃ：光（電波）の速度（ｍ／ｓ）
ｔＧＰＳ：ＧＰＳ衛星におけるＬ１帯の送信時刻
ｔＲＳ：基準局におけるＬ１帯の受信時刻
Ｒ：ＧＰＳ衛星と基準局との間の実距離（ｍ）
ζ：人工衛星の天頂角（ｒａｄｉａｎ）
【００２５】
（Ｓ３）式３に示す１周波の二重位相差の式に対して、大まかな電離層遅延距離δ’（ｍ）を代入して、整数バイアスＮｋｊＡＢを決定する。その決定した整数バイアスＮｋｊＡＢを±１０変化させて、それぞれの整数バイアスＮｋｊＡＢに対応する電離層遅延距離δｉＭを求める。なお、対流圏遅延距離Δｔｒｏｐ，ｉＭについては後記する。
【００２６】
ΦｋＢ−ΦｊＢ−ΦｋＡ＋ΦｊＡ
＝ｆＬ１（ＲｋＢ−ＲｊＢ−ＲｋＡ＋ＲｊＡ）／ｃ＋ＮｋｊＡＢ
−（δｋＢ／ｃｏｓζｋＢ−δｊＢ／ｃｏｓζｊＢ−δｋＡ／ｃｏｓζｋＡ＋δｊＡ／ｃｏｓζｊＡ）
＋（Δｔｒｏｐ，ｋＢ−Δｔｒｏｐ，ｊＢ−Δｔｒｏｐ，ｋＡ＋Δｔｒｏｐ，ｊＡ） ・・・式３
ΦｉＭ：基準局ＭにおいてＧＰＳ衛星ｉから受信したＬ１帯の位相
ｆＬ１：Ｌ１帯の周波数
ＲｉＭ：ＧＰＳ衛星ｉと基準局Ｍとの間の実距離（ｍ）
ＮｋｊＡＢ：整数バイアス
δｉＭ：基準局ＭにおいてＧＰＳ衛星ｉから受信したＬ１帯の電離層遅延距離（ｍ）
ζｉＭ：基準局ＭにおけるＧＰＳ衛星ｉの天頂角（ｒａｄｉａｎ）
Δｔｒｏｐ，ｉＭ：基準局ＭにおいてＧＰＳ衛星ｉから受信したＬ１帯のの対流圏遅延距離（ｍ）
【００２７】
（Ｓ４）前記した（Ｓ１）〜（Ｓ３）の手順を、時刻を変えて繰り返すことによって、所定の時刻及び整数バイアスＮｋｊＡＢに対応する電離層遅延距離δｉＭのデータを複数採取する。その採取したデータをプロットして、４つの天頂方向の電離層遅延距離δｉＭが変化しない値を求める。この天頂方向の電離層遅延距離δｉＭを式４に代入して、電離層遅延距離Δｉｏｎ（ｍ）を求める。
なお、以上のような計算は、図２の準天頂衛星シミュレーション部２２において、電離層遅延シミュレータなるものを設けることによって行うものとする。
【００２８】
Δｉｏｎ＝δ／ｃｏｓζ ・・・式４
【００２９】
次に、対流圏による遅延距離Ｔを求める第１の具体例として、次の式５及び式６を用いて、遅延距離Δｔｒｏｐ（ｍ）を計算する方法がある。ここで、人工衛星の天頂角ζ、気圧Ｐ、気温ｔ及び相対湿度ＲＨは、観測により求めるものとする。
【００３０】
Δｔｒｏｐ＝２．２７７×１０−３｛Ｐ＋（１２５５／ｔ＋０．０５）ｅ−ｔａｎ２ζ｝／ｃｏｓζ ・・・式５
ｅ＝６．１０８（ＲＨ／１００）ｅｘｐ｛（１７．１５ｔ−４６８４）／（ｔ−３８．４５）｝ ・・・式６
ζ：人工衛星の天頂角（ｒａｄｉａｎ）
Ｐ：気圧（ｈＰａ）
ｔ：気温（Ｋ°＝Ｃ°＋２７３．１６）
ｅ：水蒸気分圧（ｈＰａ）
ＲＨ：相対湿度（％）
【００３１】
また、対流圏による遅延距離Ｔを求める第２の具体例として、基準局において、Ｌ１帯を受信し、１周波解析（測位計算）を行う。この計算で得られた擬似距離ρから電離層による遅延距離Ｉを引いた値（対流圏による遅延距離Ｔと誤差やノイズとを足し合わせたもの）を求める。この値を時間的に複数計算し、平均することによって、誤差やノイズを消去することができ、対流圏による遅延距離Ｔが得られる。これらの計算は、対流圏遅延シミュレータ２６によって行われる。なお、対流圏による遅延距離Ｔについても、電離層による遅延距離Ｉを求める第１の具体例と同様に、グリッドデータベースを持つようにしてもよい。
【００３２】
マルチパスによる遅延距離Ｍは、マルチパスという現象に起因するものである。マルチパスとは、衛星波がビル等の障害物に当たって反射することによって、その衛星波を受信機で受信するまでの間に複数の到達経路ができてしまうことをいう。マルチパスによる遅延距離Ｍは、基準局及び補正システムの完全性を確立することによって求める方式が考えられる。具体的には、電子基準点や補正システムの完全性を監視する機能があげられ、例えば、誤差を常時監視する等の方法がある。これらの計算は、マルチパスシミュレータ２４によって行われる。
受信機ノイズによる遅延距離Ｎは、文字通り、衛星波を受信する受信機自身に起因するものである。受信機ノイズによる遅延距離Ｎを求める具体例としては、基準局においてＬ１帯を受信し、１周波解析（測位計算）を行う。この計算で得られた擬似距離ρから電離層による遅延距離Ｉ及び対流圏による遅延距離Ｔを引いた値Ｓ（受信機ノイズとＳＡのノイズとを足し合わせたもの）を求める。ＳＡ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ、単独測位精度の作為的劣化措置、ただし２００３年４月現在は停止されている）は、どの観測点でも共通であるため、２つの基準局で得られる２つのＳを引き算することによって、ＳＡのノイズを消去することができる。具体的には、同じ種類の受信機を有する２つの基準局で得られたＳ１とＳ２とを引き算する。この絶対値｜Ｓ１−Ｓ２｜（ｍ）の時間的な平均値の√２倍が受信機ノイズによる遅延距離Ｎである。
【００３３】
≪ＧＰＳ衛星及び準天頂衛星の共通誤差／遅延距離モデル≫
図４は、ＧＰＳ衛星及び準天頂衛星の擬似距離ρを求める際に用いる各誤差及び遅延距離の値について示している。ＧＰＳ衛星の各誤差及び遅延距離は、当然のことながら、ＧＰＳ実測値を利用すればよい。準天頂衛星については、実際に打ち上がっていないので、通常はシミュレーション値を使うことになる。ただし、ＧＰＳ衛星と準天頂衛星とで同じ衛星波を使用し、観測者が同じ地点で同じ受信機を使用していれば、電離層による遅延距離Ｉ、対流圏による遅延距離Ｔ、マルチパスによる遅延距離Ｍ、受信機ノイズによる遅延距離Ｎ及び受信機のクロック誤差Ｃ’は、ＧＰＳ衛星と準天頂衛星とで同じであると考えられる。したがって、この場合、それらのＧＰＳ実測値を、そのまま準天頂衛星が出力する補正情報として利用することができる。
具体的な構成としては、図２の構成図において、ＧＰＳ衛星シミュレーション部４０を実際のＧＰＳ衛星に置き換える。そして、具体的な方法としては、図２において、準天頂衛星シミュレーション部２２から出力している補正情報のうち、電離層による遅延距離Ｉ、対流圏による遅延距離Ｔ、マルチパスによる遅延距離Ｍ、受信機ノイズによる遅延距離Ｎ及び受信機のクロック誤差Ｃ’を、ＧＰＳ受信機４１が実際のＧＰＳ衛星から受信して出力するデータに置き換える。ただし、人工衛星のクロック誤差Ｃ及び軌道誤差Ｏについては、準天頂衛星シミュレーション部２２から出力する。
これによれば、準天頂衛星の擬似距離を求める際に、準天頂衛星のクロック誤差Ｃ及び軌道誤差Ｏがシミュレーション値であり、その他は実測値であるので、高精度にその擬似距離を算出することが可能になる。
【００３４】
≪その他の実施の形態≫
以上本発明について好適な実施の形態について一例を示したが、本発明は前記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
前記実施の形態では、図２の実験システム１０において、準天頂衛星シミュレーション部２２への入力は、グリッド生成部２１からの出力パラメータによるものであり、ＧＰＳ衛星シミュレーション部４０への入力も同様である。そこで、例えば、グリッド生成部２１内において準天頂衛星シミュレーション部２２及びＧＰＳ衛星シミュレーション部４０に対してパラメータを入力するドライバ（図示せず）をユーザが操作可能とする。これによって、ユーザは、任意のパラメータを、そのドライバを介して、準天頂衛星シミュレーション部２２及びＧＰＳ衛星シミュレーション部４０に入力することができる。そのパラメータとしては、電離層による衛星波の遅延距離、対流圏による衛星波の遅延距離、マルチパスによる衛星波の遅延距離等があげられる。これにより、ユーザによるパラメータの調整が可能になり、実験システム１０の使い勝手の向上を図ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、実データを利用することによって、準天頂衛星を高精度にシミュレーションすることができる。これにより、準天頂衛星の出力である補正情報を高精度に模擬することができ、擬似距離を高精度に算出することができる。ひいては、実際に準天頂衛星を打ち上げる前に、準天頂衛星を含めた測位システムの開発、評価を進めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＧＰＳ衛星と準天頂衛星とを利用した移動体通信システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る実験システムの構成図である。
【図３】本発明の実施形態に係るグリッドデータのイメージ図である。
【図４】本発明の実施形態に係るＧＰＳ衛星及び準天頂衛星の共通誤差／遅延距離モデルの図である。
【符号の説明】
１…移動体通信システム
２ａ…ＧＰＳ衛星
２ｂ…準天頂衛星
３…端末装置
７…電子基準局
７ａ…通信回線
８…補正情報算出部
９…アップリンク施設
１０…実験システム
２０…シミュレーションシステム
２１…グリッド生成部
２２…準天頂衛星シミュレーション部
２３…受信機ノイズシミュレータ
２４…マルチパスシミュレータ
２５…電離層グリッドデータベース
２６…対流圏遅延シミュレータ
２７…軌道力学モデル
２８…クロックモデル
２９…航法メッセージ・擬似距離生成部
３１…ＲＩＮＥＸデータ生成部
３２…ユーザ受信機シミュレーション部
Claims (6)
- 第１の人工衛星の模擬的運行に応じた、測位に関する模擬的情報を出力する人工衛星シミュレーション装置であって、
複数の第２の人工衛星から受信した実データに基づいて計算されたパラメータを入力し、
その入力したパラメータに基づいて前記第１の人工衛星が出力する、前記測位に関する模擬的情報を演算し、
その演算した情報を所定のモジュールに出力することを特徴とする人工衛星シミュレーション装置。 - 前記入力するパラメータは、地理的位置ごとに計算された、電離層による衛星波の遅延距離及び対流圏による衛星波の遅延距離のうち、少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１に記載の人工衛星シミュレーション装置。
- 前記測位に関する模擬的情報は、第３の人工衛星と地球上の観測地点との間の距離を補正する補正情報を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の人工衛星シミュレーション装置。
- 第１の人工衛星の模擬的運行に応じた、測位に関する模擬的情報を出力する人工衛星シミュレーション装置であって、
パラメータを任意に入力することを可能とする入力手段を有することを特徴とする人工衛星シミュレーション装置。 - 前記パラメータは、電離層による衛星波の遅延距離、対流圏による衛星波の遅延距離及びマルチパスによる衛星波の遅延距離のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項４に記載の人工衛星シミュレーション装置。
- 第１の人工衛星の模擬的運行に応じた、測位に関する模擬的情報を出力する人工衛星シミュレーション装置であって、
前記第１の人工衛星の軌道とは異なる軌道を持つ複数の第３の人工衛星から受信した実データに基づいてパラメータを計算し、
その計算したパラメータを、前記第１の人工衛星が出力する、前記第３の人工衛星と地球上の観測地点との間の距離を補正する補正情報として利用することを特徴とする人工衛星シミュレーション装置。
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