JP6283428B2

JP6283428B2 - 時刻同期装置、その方法及びプログラム

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Publication number: JP6283428B2
Application number: JP2016574854A
Authority: JP
Inventors: 啓介西; 陽一深田; 章弘森田; 誠史吉田; 貴史廣瀬
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2016-02-12
Publication date: 2018-02-21
Anticipated expiration: 2036-02-12
Also published as: JPWO2016129665A1; US20170350984A1; US11150353B2; WO2016129665A1

Description

本発明は、高精度な時刻同期を実現する技術、特に衛星測位システム（ＧＮＳＳ：Global Navigation Satellite System）の航法衛星信号を常時捕捉できない環境においても、高精度かつ安定した時刻同期を実現する技術に関する。
本願は、２０１５年２月１３日に出願された特願２０１５−０２６１３７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

時分割複信（ＴＤＤ：Time Division Duplex）方式のモバイル通信システムで必要となる、基地局間の高精度な時刻（位相）同期を実現する手段として、ＧＰＳ（Global Positioning System）をはじめとするＧＮＳＳの利用が拡大している。ＧＮＳＳの衛星（航法衛星）は協定世界時（ＵＴＣ：Coordinated Universal Time）に同期した高精度な時計を搭載し、これに同期した航法衛星信号を電波により送信するが、地球上の任意の地点においてこの航法衛星の航法衛星信号を受信することによってＵＴＣに時刻同期することが可能となる。

しかしながら、航法衛星からの航法衛星信号は受信地点に到達するまでに伝播遅延を生じることから、遅延時間を補正するために少なくとも４基の航法衛星の信号を同時に受信し、信号の受信位置の３次元座標情報（ｘ，ｙ，ｚ）及び受信時刻情報（ｔ）の４つのパラメータ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）を特定する必要がある。ＧＰＳの場合、現在２４基以上の航法衛星を６つの準同期軌道（公転周期が１/２恒星日の衛星軌道）上で約12時間の周期で地球を周回して運用しているが、測位と時刻同期を定常的に実現するためにはこのうち少なくとも４基の航法衛星を常時捕捉可能な環境を選択する必要がある。

高精度な時刻同期を目的としてＧＮＳＳを利用する際に、建造物や樹木等により航法衛星信号の見通し空間が遮断されることが原因となり、一時的に航法衛星信号の受信ができない場合がある。一般的にモバイル通信システムの基地局はトラフィック需要の多い都市部においてより高い密度で設置される傾向にあるが、航法衛星信号の受信状態をシミュレーションにより推定した報告（非特許文献１参照）によると、都市部（新宿副都心エリア）で常時４基以上の航法衛星信号を捕捉可能なエリアは面積比で13.5％に限定される（但し、ビル屋上等は除く）。そのため、必要な数の航法衛星信号を常時捕捉することが困難な、航法衛星信号の受信状態が良好ではない環境においても高精度に、かつ安定した時刻同期を実現することが課題となっている。

従来、建造物や樹木等の航法衛星信号の受信障害物の影響により、航法衛星信号を一時的に受信できなくなった際にシステムの時刻同期精度を維持する方法として、航法衛星信号の受信状態（受信信号強度、Ｓ／Ｎ比など）に応じてリアクティブ（reactive）にリファレンス信号（基準信号）を内部もしくは外部の高精度なクロック信号に切り替える、ホールドオーバ（以降、Ｈ／Ｏ）の動作を行う方法が実施されている。

即ち、航法衛星信号の受信状態が悪化、もしくは受信できなくなった時点でシステムの時計が一時的に航法衛星信号に従属した時刻同期を停止し、当該従属同期の際のタイミング（位相）を維持するように装置内部もしくは外部のクロック信号を基準信号として自走する運用に切り替え、航法衛星信号の受信状態が良好になった時点で再び、航法衛星信号による時刻同期に切り替えることによって、定常的に高精度な時刻同期を実現する方法である。

この場合、Ｈ／Ｏの際に使用するクロック信号の周波数精度によりシステムの時計の精度、即ち時刻同期精度が影響を受けるが、Ｈ／Ｏの時間が長いほどＵＴＣとシステムの時計の時刻のずれが大きくなる。このため連続したＨ／Ｏを行う期間は必要な時刻同期精度を維持可能な範囲内に制限する必要がある（非特許文献２，３参照）。

このほかにＧＮＳＳによる時刻同期では、航法衛星信号を直接波として受信する以外に反射波を受信する、マルチパスの影響により時刻同期精度が影響を受けることが知られている（非特許文献４参照）。

袴田知弘、小西勇介、徐庸鉄、柴崎亮介、「３次元地図を用いたＧＮＳＳ有用性評価シミュレーションシステムの改良」、全国測量技術大会２００３、東京大学・空間情報科学研究センター・学生フォーラム、２００３年６月１１日 C.W.T.Nicholls and G.C.Carleton, "Adaptive OCXO Drift Correction Algorithm", 2004 IEEE International Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control Joint 50th Anniversary Conference, pp. 509-517, 2004 EDN Japan、「ネットワークのタイミング管理」、ITmedia Inc.、［ｏｎｌｉｎｅ］、［２０１５年１月１８日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://ednjapan.com/edn/articles/0611/01/news151.html＞久保信明、安田明生、鈴木崇史、「衛星測位におけるマルチパス誤差の削減と高精度化への可能性について」、信学技報、 ITS2004-8, pp. 7-12, ２００４年７月 H. Izumikawa and Y. Kishi, "GREEN-CANES: Adaptive Activation Controls of Macro/Femtocell Base Stations for Energy Savings", IEICE Technical Report, NS2009-257, pp. 533-536, March, 2010 Renata Pelc-Mieczkowska, "Primary results of using hemispherical photography for advanced GPS mission planning", The 9th International Conference "ENVIRONMENTAL ENGINEERING", Vilnius Gediminas Technical University, May, 2014

従来のＧＮＳＳによる時刻同期において、航法衛星信号の受信状態に応じてリアクティブにＨ／Ｏを行う方式における課題として以下の点が挙げられる。
（１）将来の航法衛星信号の受信状態が不明であるため、Ｈ／Ｏの期間が長時間に及ぶ場合には要求される時刻同期精度を維持することができない場合がある。
（２）航法衛星信号が微弱な状態ではＨ／Ｏに頻繁に移行する、即ち時刻同期システムの基準信号が頻繁に切り替わる事態を生じ、システムの動作が不安定になる場合がある。
（３）見通し可能な（Line of Sight：ＬＯＳ）環境で航法衛星から伝播した信号を直接波として受信する以外に反射波として航法信号を受信するケースがあり、この場合にはシステムはＨ／Ｏに切り替わらず、時刻同期精度が却って劣化する場合がある。
（４）モバイル通信システムの基地局の省電力化を目的として、トラフィック需要に応じて基地局の起動・停止をスケジューリングして運用を行う場合、基地局の起動時の航法衛星信号の受信状態が不明であるため、基地局の起動動作に連動させて時刻同期システムを起動することが困難となる場合がある（非特許文献５参照）。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ある地点における経時的な航法衛星信号の受信特性に関する情報（航法衛星軌道情報および航法衛星信号アンテナの周辺の空間情報や３次元地図データに基づく航法衛星信号受信特性のシミュレーションデータ、予め計測した航法衛星信号受信特性のデータなどの情報）に基づき、航法衛星信号を使用して時刻同期を行う時間帯（第１の時間帯）とＨ／Ｏを行う時間帯（第２の時間帯）とをあらかじめプリセットでスケジューリングすることによりプロアクティブにＨ／Ｏ状態に切り替えることを特徴とし、Ｈ／Ｏで使用するクロック信号の周波数精度に基づき、連続してＨ／Ｏを行う時間帯の許容時間を、要求される時刻同期精度を維持可能な時間内に設定することにより、定常的に高い時刻同期精度を維持することを可能とするものである。

本発明の方式により、必要な数の航法衛星信号を一時的に捕捉できない、航法衛星信号の受信特性が良好ではない環境においても、高精度かつ安定した時刻同期を実現することが可能となる。

本発明では前記課題を解決するため、
所定の標準的な時刻に同期した時刻信号を生成して外部に出力する時計部の当該所定の標準的な時刻への同期を、前記所定の標準的な時刻に関する情報を含む電波を受信し、当該受信した電波に基づく時刻情報を用いて行うか、前記時刻情報の代わりに内部または外部のクロック源からのクロック信号を用いて行うホールドオーバによって行うかを選択可能な時刻同期装置であって、
前記受信した電波に基づく時刻情報を用いて時刻同期を行う第１の時間帯と、前記ホールドオーバによって時刻同期を行う第２の時間帯とのスケジュールを、前記電波の受信地点における当該電波の経時的な受信特性に従って決定するスケジュール決定部と、
前記受信した電波に基づく時刻情報と、前記内部または外部のクロック源からのクロック信号とのいずれか一方を選択的に前記時計部に供給するクロック信号選択部と、
前記スケジュール決定部で決定されたスケジュールに従い、前記クロック信号選択部を制御する制御部とを具備した
ことを特徴とする時刻同期装置を提案する。

本発明はまた、
所定の標準的な時刻に同期した時刻信号を生成して外部に出力する時計部の当該所定の標準的な時刻への同期を、前記所定の標準的な時刻に関する情報を含む電波を受信し、当該受信した電波に基づく時刻情報を用いて行うか、前記時刻情報の代わりに内部または外部のクロック源からのクロック信号を用いて行うホールドオーバによって行うかを選択可能な時刻同期方法であって、
前記受信した電波に基づく時刻情報を用いて時刻同期を行う第１の時間帯と、前記ホールドオーバによって時刻同期を行う第２の時間帯とのスケジュールを、前記電波の受信地点における当該電波の経時的な受信特性に従って決定する工程と、
前記決定されたスケジュールに従い、前記第１の時間帯には前記受信した電波に基づく時刻情報を前記時計部に供給し、前記第２の時間帯には前記内部または外部のクロック源からのクロック信号を前記時計部に供給する工程とを含む
ことを特徴とする時刻同期方法も提案する。

本発明によれば、航法衛星信号の受信状態が良好ではない環境においても、高精度かつ安定した時刻同期を実現する効果が得られる。

本発明の一実施形態としての時刻同期装置の構成を示す構成図。同実施形態の変形例を示す構成図。航法衛星信号の経時的な受信特性に関する情報の一例を示す説明図本発明におけるスケジュール設定の一例を示す説明図。安定した時刻同期を実現するスケジュール設定の一例を示す説明図。省電力を実現するスケジュール設定の一例を示す説明図。省電力を実現するスケジュール設定の他の例を示す説明図。従来のＨ／Ｏと本発明の方式を組み合わせた場合のフローチャートの一例を示す説明図。

本発明の一実施形態としての時刻同期装置を含む時刻同期システム全体の構成を図１に示す。

図1に示すように、時刻同期装置１００は、航法衛星信号アンテナ１、航法衛星信号受信部２、時計部３、記憶回路４、クロック信号選択回路（クロック信号選択部）５、内部クロック源６、外部クロック源７−１及び７−２、スケジューリングサーバ部（スケジュール決定部）８、制御部９から構成される。

航法衛星信号アンテナ１は航法衛星信号を受信するためのアンテナである。
航法衛星信号受信部２は複数の航法衛星信号を受信し、受信位置における時刻情報を計算し出力する機能部である。
時計部３は本時刻同期システムの時刻を運用する機能部である。
記憶回路４は各種のデータを記憶するための回路である。
クロック信号選択回路５は時計部３が時刻の運用に使用する基準信号の供給源を切り替えるための回路である。

内部クロック源６及び外部クロック源７−１及び７−２はそれぞれ、装置の内部及び外部に配置された、クロック信号を生成する装置である。
なお、クロック信号選択回路５が選択可能な外部クロック源（７）の数は、本実施形態の２個に限らず、任意のｎ個（ｎは１〜Ｎのいずれか）とすることができる。
スケジューリングサーバ部８はＨ／Ｏのスケジュール、詳細には受信した航法衛星信号に基づく時刻情報を用いて時刻同期を行う第１の時間帯と、Ｈ／Ｏによって時刻同期を行う第２の時間帯とを含むスケジュールを生成する機能部である。
制御部９は前記スケジュールに従い時刻同期を制御するための機能部である。

以下に各機能部の構成・動作について詳述する。

航法衛星信号アンテナ１は、航法衛星信号受信部２に同軸ケーブル等で接続され、受信した航法衛星信号を伝送する。

航法衛星信号受信部２は少なくとも４基の航法衛星の信号を同時に受信することで信号の受信位置の３次元座標情報（ｘ，ｙ，ｚ）及び受信時刻情報（ｔ）の４つのパラメータを計算により特定し、さらに航法衛星から受信した時刻情報のタイミングを、航法衛星の位置から受信地点までの伝播遅延時間に基づき補正する。

また、航法衛星信号受信部２はこのようにして生成された、航法衛星に同期した時刻情報を時計部３に出力する。時刻情報としては一例として、航法衛星信号に同期した１ＰＰＳ（Pulse Per Second）等の信号形式のタイミング信号および時間・秒などの絶対時刻に関する情報（ＴｏＤ：Time of the Day）を通知するための、ＮＭＥＡ（National Marine Electronics Association） 0183等のフォーマットによるタイムコード・データが使用される。

航法衛星信号受信部２は装置の内部に設置しても良いし、装置の外部に置かれた航法衛星信号受信装置を使用しても良い。航法衛星信号受信部２は航法衛星信号による測位により計算された受信位置情報を記憶することができる。その場合、航法衛星信号アンテナ１の位置を移動しないという前提であれば、その後は最低１基の航法衛星信号を受信すれば時刻同期を行うことができる。

時計部３はシステムの時刻の運用を担うもので、航法衛星信号受信部２から供給される時刻情報に基づき、所定の標準的な時刻、ここでは前述したＵＴＣに同期した時刻信号を生成する。具体的には、時計部３は内部に発振器および位相同期回路（ＰＬＬ：Phase Locked Loop）を搭載し、航法衛星信号受信部２から供給される１ＰＰＳ信号に対して従属的にタイミングを同期すると同時に、航法衛星信号受信部２から供給されるＴｏＤ情報による絶対時刻に整合した時刻情報を生成する。
また、時計部３は時刻同期を行う装置外部の装置（被時刻同期装置）１０に対して時刻信号を供給する役割を担う。この際に使用される時刻情報としては上記の１ＰＰＳ／ＴｏＤの他にIEEE1588 version2で規定されるＰＴＰ（Precision Time Protocol）プロトコルを使用して、Ethernet（登録商標）等のパケット通信インタフェースを介して時刻情報が供給されるケースも想定される。
なお、Ｈ／Ｏの際には時計部３は制御部９による制御に基づき、航法衛星信号受信部２からの時刻情報の参照を停止する。

記憶回路４はスケジューリングサーバ部８より入力されたスケジュールに関するデータやその他のシステムのデータを記憶保持するための装置である。

クロック信号選択回路５は時計部３が時刻の運用に使用する基準信号を、航法衛星信号受信部２から供給されたタイミング信号と、内部クロック源６又は外部クロック源７−１または７−２から供給されたクロック信号との間で切り替えるための機能部である。即ち、時計部３が航法衛星信号受信部２に同期する際には航法衛星信号受信部２から供給されるタイミング信号を、Ｈ／Ｏの際には内部クロック源６又は外部クロック源７−１または７−２から供給されるクロック信号をそれぞれ時計部３に対して出力するように切り替える。

内部クロック源６、外部クロック源７−１及び７−２はクロック信号を生成・出力する装置内部または外部の機能部であり、水晶、ルビジウム、セシウム等による発振器が想定される。また、外部クロック源７−１及び７−２としては前記の発振器だけではなく、ＳＤＨ（Synchronous Digital Hierarchy）、ＡＴＭ（Asynchronous Transfer Mode）やEthernet等の広域ネットワークのノード装置の通信インタフェースに接続してこれに従属同期することも考えられる。

図２はそのような形態を示す、本実施形態の変形例を示すもので、本例ではネットワーク１１の各ノード１２を介して伝送されたマスタークロック１３からのクロック信号を利用する例を示している。

スケジューリングサーバ部８は衛星信号の経時的な受信特性に関する情報を入力・保持し、これに基づきＨ／Ｏを行うスケジュールを計算し、制御部９に供給するための機能部である。その動作の詳細については後述する。

制御部９はスケジューリングサーバ部８から供給されたＨ／Ｏのスケジュールのデータに基づき、時計部３が時刻の運用の際に使用する基準信号の切り替えを行うクロック信号選択回路５の動作を制御する機能部である。

次に、スケジューリングサーバ部８においてＨ／Ｏのスケジュールを決定する手順について説明する。

スケジューリングサーバ部８ではまず、航法衛星信号アンテナの設置位置における航法衛星信号の経時的な受信特性に関する情報を取得する。航法衛星信号の経時的な受信特性に関する情報はシミュレーション、または航法衛星信号を受信することによる実測データにより得られる。

シミュレーションによるデータ取得の方法としては、航法衛星の軌道情報と航法衛星信号アンテナの周辺環境の空間情報を使用して経時的なＬＯＳ環境の衛星捕捉数をシミュレーションする方法（非特許文献６参照）、航法衛星の軌道情報と３次元地図データから衛星アンテナ設置位置周辺の障害物を考慮して経時的な衛星捕捉数をシミュレーションする方法（非特許文献１参照）などがある。
シミュレーションにより航法衛星信号の経時的な受信特性を得るケースではスケジューリングサーバ部８において必要な航法衛星の軌道情報を取得し最新化する。

航法衛星の軌道情報としてはアルマナックデータ、エフェメリスデータ等を使用することが想定される。衛星のアルマナックデータ、エフェメリスデータは米国のＵＳＣＧ（United States Coast Guard Navigation Center（ＵＲＬ：http://www.navcen.uscg.gov））やＪＡＸＡ（Japan Aerospace eXploration Agency（ＵＲＬ：http://qz-vision.jaxa.jp/USE/））等の公的機関により公表されている。

また、航法衛星の軌道情報は航法衛星信号からも取得することができる。その場合、航法衛星の軌道情報は航法衛星信号受信部２からスケジューリングサーバ部８に入力される。

実測データによる航法衛星信号の経時的な受信特性の取得方法には、あらかじめ航法衛星信号の経時的な受信特性を計測し、データを取得する方法や、シミュレーションにより得られた航法衛星信号の経時的な受信特性を、計測した航法衛星信号の経時的な受信特性のデータにより補正する方法がある。

この航法衛星信号の経時的な受信特性に関する情報は図３にその一例を示すように、捕捉される航法衛星の信号数の経時的なデータとして与えられる。このデータには受信可能な航法衛星の識別番号や航法衛星信号アンテナ１の位置を中心とした航法衛星の天球上の座標情報が付与されていても良い。

スケジューリングサーバ部８におけるスケジューリング決定の手順は、航法衛星信号の経時的な受信特性のデータに基づき、必要な数の航法衛星を捕捉できない時間帯においてＨ／Ｏに切り替えるようにスケジューリングを行うことを基本とする。

ここで要求される時刻同期精度をＸとし、Ｈ／Ｏにおいて使用する内部又は外部のクロック信号源ｉの周波数精度をＹｉとする。これらの値は予め、スケジューリングサーバ部８に入力され、要求される時刻同期精度Ｘに対してクロック信号源ｉを使用した場合の最大の連続したＨ／Ｏの許容時間の値がＸ／Ｙｉとして計算される。

例えば、ＴＤＤ方式のＬＴＥ（Long Term Evolution）通信方式である、ＴＤ−ＬＴＥ（Time Division Long Term Evolution）方式の基地局間に要求される時刻同期精度を１マイクロ秒（１×１０^-6秒）、クロック信号の周波数精度としてルビジウム発信器の精度を0.1ppb（parts per billion ：１０^-9）、セシウム発信器の精度を0.01ppbとすれば、最大の連続するＨ／Ｏの許容時間はルビジウム発信器でＨ／Ｏを行う場合は１０⁴秒、セシウム発信器の場合は１０⁵秒となる。

スケジューリングサーバ部８では、経時的な航法衛星信号の受信特性のデータから、必要な数の衛星信号を捕捉できない時間の長さに応じて必要な精度のクロック信号源ｉを選択してＨ／Ｏのスケジューリングを行う。このスケジュールの決定は自動的に行っても良いし、マニュアル操作を一部、介在させても良い。
図４に、捕捉される航法衛星信号の数がＮ個を下回った場合にＨ／Ｏを行うときのスケジュール設定の一例を示す。

前述の通り、ＧＮＳＳによる時刻同期を行う場合に、捕捉すべき航法衛星の数は時刻同期システムを起動する際には通常、少なくとも４基が必要であるが、一旦、測位・時刻同期プロセスを完了し、その後、航法衛星信号アンテナ１の位置を移動しない場合には、測位した位置情報を保持することにより、その後は最低一基の航法衛星を捕捉できれば時刻同期することが可能となる。

このほかに、航法衛星信号アンテナ１の位置情報をあらかじめ入力する方法もある。位置情報の入力方法の一例として、地図上の地点を指定し地図データから自動生成した位置情報や、住所（実際は、対応する座標情報）やフロア情報（即ち、高さ情報）に基づき地図データから出力された位置情報や、航法衛星信号アンテナ１の設置位置における測位により取得した位置情報を、外部から入力する方法がある。

位置情報は記憶回路４に保持され、最低１基の衛星信号を受信できれば、航法衛星信号受信部２が位置情報を使用して衛星の位置との相対位置に基づく伝搬遅延の補正を行うことでＵＴＣに時刻同期することができる。そこでこの場合には、少なくとも１基の航法衛星を捕捉できれば航法衛星信号に従属して時刻同期し、衛星をまったく捕捉できない場合には内部又は外部のクロック信号源を基準信号として使用するＨ／Ｏを行うスケジューリングを行う。

前述の基地局の時刻同期のケースでは、セシウム発信器によりＨ／Ｏを行う場合には、最低でも一日に１回、１基の航法衛星信号を受信し時刻同期ができれば良いので、屋内などの従来、時刻同期を適用できなかったエリアにおいても、ＧＮＳＳによる高精度な時刻同期を実現することが可能となる。

図２に示したような、外部クロック源としてネットワークのインタフェースを使用する場合には、ＳＤＨやＡＴＭのネットワーク１１を構成する各ノード１２がマスタークロック１３に近い上位のノード１２に対して従属同期を行うことで、マスタークロック１３の周波数精度を維持してクロック信号を伝達する。Ethernetの場合はSyncE（Synchronous Ethernet）に対応したレイヤー２スイッチ等が従属同期ノード（上位ノード）として使用される。

ネットワークのインタフェースを外部クロック源として使用する場合のクロックの精度としては、ネットワーク１１が使用するマスタークロック１３の発振器の精度を参照する。例えば短時間のＨ／Ｏを行う場合には、精度は劣るが、より信頼性の高い装置内部に実装されたルビジウム発信器によるクロック信号を使用し、長時間のＨ／Ｏが必要な場合にはネットワークのインタフェースによるセシウム発信器によるマスタークロックのクロック信号に同期するといった、クロック源の使い分けが想定される。

従来の航法衛星信号の受信状況に基づくリアクティブなＨ／Ｏによる時刻同期方式では、衛星の信号が微弱な場合にＨ／Ｏが頻繁に発生し、システムの動作が不安定になるという課題があった。

本発明はＨ／Ｏを行う時間をあらかじめスケジューリングし、プロアクティブにＨ／Ｏを行う方式であるが、航法衛星信号の受信特性のデータから信号が微弱な時間帯や航法衛星の捕捉数が必要な数を下回る状態に変化する境界の時間帯にはＨ／Ｏを選択し、時刻同期精度を維持できる範囲でＨ／Ｏを行う時間を長くする、言い換えれば前記境界の時間帯の前後に一定の時間を付加して、十分なマージンを有するスケジュール設定を行うことにより、安定した時刻同期を実現することができる。図５にそのようなスケジュールの設定の一例を示す。

このようにＨ／Ｏの実施時間にマージンを設けることは、シミュレーションによる航法衛星信号の受信特性と実際の衛星信号の受信特性のかい離を考慮した上でも、その効果が期待される。

航法衛星信号がＬＯＳ環境の直接波ではなく、衛星アンテナ周辺の構造物で反射した信号が反射波として受信されるケースがある。その場合、反射点が航法衛星信号アンテナ１の受信位置から離れていると、伝播距離の違いにより伝播遅延を生じ、時刻同期に誤差を生じる。例えば３００ｍの伝播距離の違いを生じた場合、約１マイクロ秒の時刻同期の誤差を生じる。

こうしたマルチパス信号が受信されるのは通常、仰角の低い衛星からの信号であるため、航法衛星信号の受信特性のデータに基づき、マルチパス信号が生じる仰角の低い衛星を受信する可能性のある時間帯には選択的にＨ／Ｏを行う方法が考えられる。また、仰角の高い航法衛星で十分な捕捉数が見込まれるケースでは、時刻同期に使用する航法衛星をあらかじめスケジューリングにより仰角の高い衛星に決めておくといった方法により、マルチパス信号の受信に起因する時刻同期精度の劣化を回避した、高精度な時刻同期が実現される。
時刻同期に使用する航法衛星の選択は、航法衛星信号の経時的な受信特性に関する情報から航法衛星の天球上の座標情報を参照することにより実現される。

また、時刻同期の精度を向上するには、できるだけ空間的に広範囲に分布した仰角の高い衛星からの航法衛星信号を数多く使用することが効果的である。航法衛星信号の経時的な受信特性に関する情報に基づき、仰角の高い衛星からの航法衛星信号の受信が実現できる時間帯には空間的に広範囲に分布した仰角の大きい航法衛星の信号を選択して同期し、それ以外の時間帯には選択的にＨ／Ｏを行うことが時刻同期精度を向上させる上で有効な手段となる。

以上のように、スケジューリングサーバ部８においてＨ／Ｏのスケジューリングに加えて、受信した航法衛星信号に基づく時刻情報を用いて時刻同期を行う第１の時間帯において時刻同期に使用される航法衛星の選択をもスケジューリングする場合には、スケジューリングサーバ部８から航法衛星信号受信部２に、時刻同期に使用すべき航法衛星の情報を通知する。

次に省電力動作について説明する。

本発明のプロアクティブなＨ／Ｏによれば、図６に示すように必要最小限の時間帯に航法衛星による時刻同期を行い、その他の時間帯には選択的にＨ／Ｏを行うことにより、航法衛星信号受信部２を一時的に停止することが可能である。
航法衛星信号受信部２は装置の外部に置かれた航法衛星信号受信装置であっても良いが、その場合には航法衛星信号受信装置を必要な時間だけ起動することによって省電力動作を行うことができる。

一方で、時計部３からの時刻情報に基づき時刻同期を行うシステムが省電力動作を行うケースも考えられる。例えば、モバイル通信の基地局がトラフィックの需要に応じてあらかじめ決められたスケジュールで起動・停止を行う省電力運用のケースが想定される。この場合、基地局が起動する時間に必ずしも航法衛星信号を受信できる保証がないという課題があった。

本発明によれば、時刻同期精度を維持可能なＨ／Ｏの動作時間を考慮し、基地局の起動を予定する時刻よりも前に、航法衛星による時刻同期が可能な時刻に時刻同期システムを起動し、その後、基地局が起動する時刻までの間を時刻同期システムにおいてＨ／Ｏを行うことで、基地局の起動時に航法衛星信号を受信できないケースであっても、基地局は予定していた起動時間において時刻同期を行うことができる。図７にそのようなスケジュール設定の一例を示す。

本発明の時刻同期システムの各機能部はすべて同一のロケーションに置かれても良いし、一部を異なるロケーションに設置しても良い。
例えば、スケジューリングサーバ部８をデータセンタに設置したり、クラウド上に設置するといった運用が想定される。その場合、外部クロック源に使用するネットワークインタフェースを経由してスケジュールのデータを伝達するといった運用を行うことも想定される。また、同様に航法衛星の軌道情報をネットワークインタフェースを経由して伝達することも想定される。

また、航法衛星信号アンテナ１が故障したり、妨害電波を受信するといった不測の事態が発生することが原因で一時的に航法衛星信号による時刻同期ができない場合も想定されるため、従来の航法衛星信号の受信状況に応じてリアクティブにホールドオーバを行う方式と本発明のプロアクティブなホールドオーバ方式を併用しても良い。図８にそのような動作を行う場合のフローチャートの一例を示す。

以上説明したとおり、本発明によれば、必要な数の航法衛星信号を一時的に捕捉できない、受信環境が良好ではない環境においても、Ｈ／Ｏで使用するクロック信号の精度に応じて時刻同期精度を維持可能な期間にスケジュールされた、プロアクティブなＨ／Ｏを行うことで、高精度かつ安定した時刻同期を実現することが可能となる。

より具体的には、以下のような効果が得られる。（Ａ）航法衛星信号の経時的な受信特性に関する情報（航法衛星軌道情報および航法衛星信号アンテナの周辺の空間情報や３次元地図データに基づく、航法衛星信号受信特性の経時的なシミュレーションデータや航法衛星信号受信特性の実測データなどの外部情報）に基づき、要求される時刻同期精度を維持可能な条件でプロアクティブにＨ／Ｏをスケジューリングすることによって、必要な数の航法衛星信号を常時受信できない環境であっても、定常的に高精度な時刻同期を実現することができる。
（Ｂ）航法衛星信号の経時的な受信特性に関する情報に基づき、航法衛星信号が微弱な時間帯においては選択的にプロアクティブなＨ／Ｏを行うことで、安定的な時刻同期を実現することができる。
（Ｃ）航法衛星信号の経時的な受信特性に関する情報に基づき、航法衛星信号を直接波として、即ちＬＯＳ環境で受信することが可能な時間帯に航法衛星信号による時刻同期を行い、それ以外の時間帯にＨ／Ｏに移行するようにスケジュールをプリセットすることで、航法衛星信号の反射波の伝播時間差に起因する時刻同期精度の劣化を抑制することができる。
（Ｄ）航法衛星信号の経時的な受信特性に関する情報に基づき、空間的に広範囲に分布した複数の航法衛星信号を受信することが可能な時間帯に航法衛星信号による時刻同期を行い、それ以外の時間帯にＨ／Ｏに移行するようにスケジュールをプリセットすることで、高精度な時刻同期を実現することができる。
（Ｅ）航法衛星信号アンテナの位置情報を事前に保持しておくことで、捕捉可能な航法衛星信号の数が１つの状態でも航法衛星信号による時刻同期を実現することが可能となり、プロアクティブなＨ／Ｏと組み合わせることにより、航法衛星信号により定常的に高精度な時刻同期を実現可能なエリアが拡大する。

さらに本発明によれば、時刻同期を行う装置またはシステムおよびこれを利用するシステム（基地局設備等）の省電力動作においても、以下の効果が期待される。
（Ｆ）航法衛星信号を受信する機能部を航法衛星による時刻同期を行うのに必要な時間においてのみ最低限起動する運用を行うことにより、時刻同期システムの省電力効果が期待される。
（Ｇ）航法衛星信号の経時的な受信特性に関する情報に基づき、ＧＮＳＳを利用可能な時間帯に航法衛星信号の受信装置を前もって起動することで、必要な時刻同期精度を維持しながら時刻同期を利用するシステム（基地局設備等）の省電力化を実現することが可能となる。

１：航法衛星信号アンテナ
２：航法衛星信号受信部
３：時計部
４：記憶回路
５：クロック信号選択回路
６：内部クロック源
７：外部クロック源
８：スケジューリングサーバ部
９：制御部
１０：被時刻同期装置
１１：ネットワーク
１２：ノード
１３：マスタークロック
１００：時刻同期装置

Claims

所定の標準的な時刻に同期した時刻信号を生成して外部に出力する時計部の当該所定の標準的な時刻への同期を、前記所定の標準的な時刻に関する情報を含む電波を受信し、当該受信した電波に基づく時刻情報を用いて行うか、前記時刻情報の代わりに内部または外部のクロック源からのクロック信号を用いて行うホールドオーバによって行うかを選択可能な時刻同期装置であって、
前記受信した電波に基づく時刻情報を用いて時刻同期を行う第１の時間帯と、前記ホールドオーバによって時刻同期を行う第２の時間帯とのスケジュールを、前記電波の受信地点における当該電波の経時的な受信特性に従って決定するスケジュール決定部と、
前記受信した電波に基づく時刻情報と、前記内部または外部のクロック源からのクロック信号とのいずれか一方を選択的に前記時計部に供給するクロック信号選択部と、
前記スケジュール決定部で決定されたスケジュールに従い、前記クロック信号選択部を制御する制御部とを具備した
ことを特徴とする時刻同期装置。
前記第２の時間帯の最大の連続した許容時間は、前記時計部において要求される時刻同期の精度を維持可能な時間内とする
ことを特徴とする請求項１に記載の時刻同期装置。
前記第２の時間帯においては、前記所定の標準的な時刻に関する情報を含む電波を受信する回路の動作を停止する
ことを特徴とする請求項１に記載の時刻同期装置。
前記所定の標準的な時刻に関する情報を含む電波が衛星から送信される電波である場合において、
衛星からの電波が微弱である時間帯、もしくは必要な数の衛星からの電波を受信できない時間帯、もしくは衛星からの直接波による電波を受信できない時間帯を、前記第２の時間帯に決定する
ことを特徴とする請求項１に記載の時刻同期装置。
前記衛星からの電波が微弱である時間帯、もしくは必要な数の衛星からの電波を受信できない時間帯、もしくは衛星からの直接波による電波を受信できない時間帯の前後に一定の時間を付加した時間帯を、前記第２の時間帯に決定する
ことを特徴とする請求項４に記載の時刻同期装置。
前記所定の標準的な時刻に関する情報を含む電波が衛星から送信される電波である場合において、
前記第１の時間帯の時刻同期に使用する電波を受信すべき衛星として、前記衛星のうちあらかじめスケジューリングされた衛星を選択する
ことを特徴とする請求項１に記載の時刻同期装置。
所定の標準的な時刻に同期した時刻信号を生成して外部に出力する時計部の当該所定の標準的な時刻への同期を、前記所定の標準的な時刻に関する情報を含む電波を受信し、当該受信した電波に基づく時刻情報を用いて行うか、前記時刻情報の代わりに内部または外部のクロック源からのクロック信号を用いて行うホールドオーバによって行うかを選択可能な時刻同期方法であって、
前記受信した電波に基づく時刻情報を用いて時刻同期を行う第１の時間帯と、前記ホールドオーバによって時刻同期を行う第２の時間帯とのスケジュールを、前記電波の受信地点における当該電波の経時的な受信特性に従って決定する工程と、
前記決定されたスケジュールに従い、前記第１の時間帯には前記受信した電波に基づく時刻情報を前記時計部に供給し、前記第２の時間帯には前記内部または外部のクロック源からのクロック信号を前記時計部に供給する工程とを含む
ことを特徴とする時刻同期方法。
コンピュータを、請求項１に記載の時刻同期装置の各部として機能させるためのプログラム。