JP2016100705A

JP2016100705A - 時刻同期システム

Info

Publication number: JP2016100705A
Application number: JP2014235321A
Authority: JP
Inventors: 義之牧; Yoshiyuki Maki
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2016-05-30
Also published as: US9762341B2; US20160149610A1; CN105634717A

Abstract

【課題】時刻信号の短期的な時刻精度（時刻同期精度）が高い時刻同期システムを提供す
ること。
【解決手段】時刻同期システムは、発振器を有し、第１の時刻信号を生成するクロック供
給装置と、前記クロック供給装置の外に設けられた揺らぎ低減部を有し、衛星信号に基づ
いて第２の時刻信号を生成する受信機を備える時刻同期装置と、を含む。また、前記時刻
同期システムは、従属同期方式を用いた網同期に用いられることが好ましい。また、前記
発振器は、原子発振器であることが好ましい。また、前記受信機と前記クロック供給装置
とが互いに離れた位置に配置されていることが好ましい。また、前記受信機と前記クロッ
ク供給装置とが光ファイバーで接続されていることが好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、時刻同期システムに関するものである。

複数の各局において、時刻信号（クロック信号）の同期をとる網同期が知られている。
例えば、光同期網は、従来、「Synchronaous-Ethernet（登録商標）」といわれるよう
に、主局側から下位の局に向って、順に、「セシウム原子を用いた原子発振器」、「ルビ
ジウム原子を用いた原子発振器」、「水晶発振器」、・・・が配置された階層構成を有し
ており、周波数同期を基本としている。しかし、今後は、携帯基地局とのシステム融合等
の理由から、各局の高精度な時刻（位相）同期が必要となってくる。

特許文献１には、ＧＰＳ受信機を各ノード（局）に設置し、発振器の異常を検知し、ク
ロックパスを切り替えるシステムが記載されている。このシステムを実施することで、各
ノードの時刻信号の周波数および位相（時刻）を高精度に維持できるという利点がある。

特開２０１３−２０７５２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているような衛星信号を利用した時刻同期システ
ムは、衛星信号を受信できないときにホールドオーバーを補償する仕組みが必要であるが
、特許文献１に記載のシステムでは、ＧＰＳ受信機がホールドオーバーを補償する仕組み
と同一場所に置かれることになり、衛星信号の受信環境に制約を受けてしまう。また、Ｇ
ＰＳ受信機とホールドオーバーを補償する仕組みとを例えば配線などを介して互いの距離
を離すと、衛星信号を含む電波の状態等により、１ＰＰＳ、すなわち、時刻信号の位相が
揺らぎ、短期的な時刻（位相）精度が低下するという問題がある。前記ＧＰＳ受信機で受
信する電波の状態を左右する要因としては、例えば、電離層の影響、他の電波の影響、Ｇ
ＰＳ衛星の配置、ＧＰＳ衛星とＧＰＳアンテナとの間の障害物等が挙げられる。

本発明の目的は、時刻信号の短期的な時刻精度（時刻同期精度）が高い時刻同期システ
ムを提供することにある。

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。

［適用例１］
本発明の時刻同期システムは、発振器を有し、第１の時刻信号を生成するクロック供給
装置と、
前記クロック供給装置の外に設けられた揺らぎ低減部を有し、衛星信号に基づいて第２
の時刻信号を生成する受信機を備える時刻同期装置と、を含むことを特徴とする。

時刻同期装置に揺らぎ低減部を設けることにより、第２の時刻信号（時刻信号）の位相
の揺らぎを低減することができ、第２の時刻信号の短期的な時刻（位相）精度を向上させ
ることができ、これによって、網同期において、短期的な時刻（位相）同期精度を向上さ
せることができる。

［適用例２］
本発明の時刻同期システムでは、従属同期方式を用いた網同期に用いられることが好ま
しい。
これにより、網同期において、短期的な時刻同期精度を向上させることができる。

［適用例３］
本発明の時刻同期システムでは、前記発振器は、原子発振器であることが好ましい。
これにより、高精度の第１の時刻信号が得られる。

［適用例４］
本発明の時刻同期システムでは、前記受信機と前記クロック供給装置とが互いに離れた
位置に配置されていることが好ましい。
これにより、衛星信号を受信し易い位置に受信機を配置することができる。

［適用例５］
本発明の時刻同期システムでは、前記受信機と前記クロック供給装置とが光ファイバー
で接続されていることが好ましい。

これにより、受信機とクロック供給装置との通信の際の損失を削減することができ、ま
た、通信速度を向上させることができる。

［適用例６］
本発明の時刻同期システムでは、前記揺らぎ低減部は、位相同期回路を有することが好
ましい。

これにより、位相同期回路により第２の時刻信号の位相の揺らぎを低減することができ
、高精度の第２の時刻信号が得られる。

［適用例７］
本発明の時刻同期システムでは、前記位相同期回路は、フィルターを有しており、
前記フィルターの時定数は１秒以上１０秒以下の範囲内に設定されることが好ましい。

これにより、フィルターにより第２の時刻信号の位相の揺らぎを低減することができ、
高精度の第２の時刻信号が得られる。

［適用例８］
本発明の時刻同期システムでは、前記第２の時刻信号を生成できない場合は、前記第１
の時刻信号を生成して前記第１の時刻信号を用いることが好ましい。

これにより、ホールドオーバーが発生した場合でも、第２の時刻信号に代えて、第１の
時刻信号を用いることができ、網同期において、短期的な時刻同期精度を高く維持するこ
とができる。

本発明の時刻同期システムを網同期に用いた場合の実施形態を示すブロック図である。図１に示す時刻同期システムの時刻同期装置およびクロック供給装置の設置位置の１例を模式的に示す図である。図１に示す時刻同期システムの概略構成を示す図である。図１〜図３に示す時刻同期システムのＧＰＳ受信部の構成例を示すブロック図である。図１に示す時刻同期システムから位相同期回路を除去してなる比較用システムを用いて生成した第１の時刻信号および第２の時刻信号の位相のずれ量を縦軸、時間を横軸とした場合のグラフを示す図である。図１に示す時刻同期システムを用いて生成した第１の時刻信号および第２の時刻信号の位相のずれ量を縦軸、時間を横軸とした場合のグラフを示す図である。

以下、本発明の時刻同期システムを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する
。

本発明の時刻同期システムの用途は、特に限定されないが、以下の実施形態では、ＧＰ
Ｓを利用した時刻同期システムを、網同期に用いる場合を例に挙げて説明する。ＧＰＳ（
Global Positioning System）とは、人工衛星を利用した全地球航法衛星システム（ＧＮ
ＳＳ：Global Navigation Satellite System）の１つである。また、網同期の方式は、特
に限定されず、例えば、独立同期方式、従属同期方式、相互同期方式等が挙げられるが、
日本で採用されている従属同期方式を採用することが好ましく、以下の実施形態では、従
属同期方式を採用した場合を例に挙げて説明する。なお、独立同期方式は、各局が精度の
高い発振器を独立にもつ方式である。また、従属同期方式は、主局の精度の高い発振器の
クロック信号に従局の発振器のクロック信号を同期させる方式であり、効率的に高精度の
クロック信号が得られる。また、相互同期方式は、各局の可変発振器を相互制御する方式
である。

図１は、本発明の時刻同期システムを網同期に用いた場合の実施形態を示すブロック図
である。図２は、図１に示す時刻同期システムの時刻同期装置およびクロック供給装置の
設置位置の１例を模式的に示す図である。図３は、図１に示す時刻同期システムの概略構
成を示す図である。図４は、図１〜図３に示す時刻同期システムのＧＰＳ受信部の構成例
を示すブロック図である。図５は、図１に示す時刻同期システムから位相同期回路を除去
してなる比較用システムを用いて生成した第１の時刻信号および第２の時刻信号の位相の
ずれ量を縦軸、時間を横軸とした場合のグラフを示す図である。図６は、図１に示す時刻
同期システムを用いて生成した第１の時刻信号および第２の時刻信号の位相のずれ量を縦
軸、時間を横軸とした場合のグラフを示す図である。なお、図２では、時刻同期装置およ
びクロック供給装置について、それぞれ、寸法が誇張されて（実際よりも大きく）図示さ
れている。

図１に示すように、主局（局）４１と１つまたは複数（図示の構成では２つ）の局４２
とは、それぞれ、伝送路５１を介して接続され、各局４２とそれよりも下位の１つまたは
複数（図示の構成では２つ）の局４３とは、それぞれ、伝送路５１を介して接続され、各
局４３とそれよりも下位の１つまたは複数（図示の構成では２つ）の局４４（一部は図示
せず）とは、それぞれ、伝送路５１を介して接続されており、以下、同様に、各局同士（
図示せず）がそれぞれ伝送路（図示せず）を介して接続されて、同期網（例えば、光同期
網）が形成されている。そして、この同期網においては、従属同期方式により、時刻信号
の位相（時刻）の同期（網同期）がとられている。また、各局間の通信方式は、特に限定
されず、例えば、各局間の伝送路５１として光ファイバーを使用した光信号を用いた方式
を採用してもよく、また、電気信号を用いた方式を採用してもよいが、本実施形態では、
前者の方式を採用した場合を例に挙げて説明する。なお、伝送方式の具体例としては、例
えば、ＳＯＮＥＴ（Synchronous Optical NETwork）、ＳＤＨ（Synchronous Digital Hie
rarchy）等が挙げられる。

図１〜図３に示すように、時刻同期システム１００は、時刻同期装置１と、クロック供
給装置３とを備え、局４２に配置されている。

時刻同期装置１（ＧＰＳ受信機１５）とクロック供給装置３とは、互いに異なる位置に
配置され、互いに所定距離離間している。時刻同期装置１（ＧＰＳ受信機１５）とクロッ
ク供給装置３との離間距離は、特に限定されないが、具体例としは、例えば、数１０ｍ以
上である。

また、時刻同期システム１００の設置位置は、特に限定されないが、具体例としては、
図２に示すように、局４２がビル６に設けられている場合を例に挙げると、時刻同期装置
１は、例えば、ビル６の電波状況の良い屋上６１に配置され、クロック供給装置３は、例
えば、ビル６の地下室６２に配置される。この例のとおり、クロック供給装置３は、主局
４１や他の局４３との接続の都合などにより、必ずしも電波状況（ＧＰＳ受信環境）が良
好な場所に設置できない場合がある。このように、時刻同期装置１を、クロック供給装置
３から離し、電波状況の良い屋上６１等に配置することにより、局４２がビル６の地下で
あったり山の奥地等の電波状況の悪い場所に設けられている場合でも、時刻同期装置１は
、衛星信号を受信することができる。

この時刻同期装置１（ＧＰＳ受信機１５）とクロック供給装置３とは、光ファイバー５
２で接続されており、時刻同期装置１とクロック供給装置３との間で光ファイバー５２を
介して通信を行うことができるように構成されている。本実施形態では、時刻同期システ
ム１００のクロック供給装置３を２つの局４２の一方に配置する場合を図示し、例に挙げ
て説明するが、本発明では、これに限らず、クロック供給装置３を、例えば、主局４１に
配置してもよく、また、他方の局４２に配置してもよく、また、局４２よりも下位の局４
３、４４等に配置してもよい。すなわち、クロック供給装置３は、所定の１つまたは複数
の局（すべての局でもよい）に配置することができる。

また、時刻同期装置１およびクロック供給装置３は、それぞれ、電気信号を光信号に変
換する変換回路と、光信号を電気信号に変換する変換回路とを有しているが、前記各変換
回路の図示は省略する。また、時刻同期装置１およびクロック供給装置３が、互いに通信
を行う場合、主局４１および局４３と通信を行う場合は、それぞれ、電気信号を光信号に
変換する処理、光信号を電気信号に変換する処理等を行うが、以下の説明では、前記処理
の説明は、省略する。

図３に示すように、クロック供給装置３は、原子発振器（発振器）３１と、制御部３２
とを有している。なお、クロック供給装置３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。

このクロック供給装置３は、原子発振器３１により、後述する時刻同期装置１が衛星信
号に基づいて生成する１ＰＰＳ（以下、「第２の時刻信号（時刻信号）（クロック信号）
」とも言う）の代わりの信号である第１の時刻信号（時刻信号）（クロック信号）を生成
し、外部に出力するものである。第１の時刻信号は、１秒毎に１パルスを含む、周波数が
１Ｈｚの信号である。なお、以下では、第１の時刻信号を「１ＰＰＳ」とも言う。

原子発振器３１は、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り、例えば、ルビジウム原子やセシウム原子を用いた原子発振器が
広く知られている。原子発振器３１として、例えば、ＥＩＴ（Electromagnetically Indu
ced Transparency）現象（ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）現象とも呼ばれる）
を利用した原子発振器や、光マイクロ２重共鳴現象を利用した原子発振器等を利用するこ
とができる。

なお、クロック供給装置３の発振器としては、原子発振器３１に限らず、例えば、恒温
槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）等の水晶発振器等を用いてもよい。

制御部３２は、時刻同期システム１００から出力する１ＰＰＳ（時刻信号）を、クロッ
ク供給装置３が生成する第１の時刻信号と、後述する時刻同期装置１が衛星信号に基づい
て生成する第２の時刻信号とのいずれにするかを決定する機能を有している。以下、その
機能を含め、時刻同期システム１００から局４３に１ＰＰＳを送信する際の動作について
説明する。

この時刻同期システム１００では、後述するように、時刻同期装置１において、ＧＰＳ
衛星２から発せられた衛星信号（電波）をＧＰＳ受信部１０で受信し、ＧＰＳ受信機１５
は、その衛星信号に基づいて、１ＰＰＳとして第２の時刻信号を生成する。後述するよう
に、時刻同期装置１は、位相同期回路１６を有しているので、その位相同期回路１６によ
り、前記第２の時刻信号の位相の揺らぎが低減され、高精度の第２の時刻信号が生成され
る。この第２の時刻信号は、時刻同期装置１からクロック供給装置３に送信される。そし
て、クロック供給装置３の制御部３２は、前記第２の時刻信号と、主局４１から送信され
る１ＰＰＳとの位相を同期させ、同期後の第２の時刻信号を局４３に送信する。ＧＰＳ受
信部１０が前記衛星信号を受信できている場合は、このようにして、高精度の第２の時刻
信号が得られ、その第２の時刻信号を用いる。すなわち、第１の時刻信号よりも優先して
第２の時刻信号を用いる。

また、ＧＰＳ受信部１０が前記衛星信号を受信できない等の状況（ホールドオーバー）
が発生した場合は、第２の時刻信号を生成できないので、時刻同期装置１は、第２の時刻
信号の生成を中止し、時刻同期装置１からクロック供給装置３に、前記ホールドオーバー
が発生したことを示す信号が送信される。クロック供給装置３の制御部３２は、前記信号
によりホールドオーバーが発生したことを把握し、原子発振器３１により、１ＰＰＳとし
て第１の時刻信号を生成する。そして、クロック供給装置３は、その第１の時刻信号と、
主局４１から送信される１ＰＰＳとの位相を同期させ、同期後の第１の時刻信号を局４３
に送信する。このようにして、高精度の第１の時刻信号が得られ、前記第２の時刻信号に
代えて、第１の時刻信号を用いる。このように、ホールドオーバーが発生した場合でも、
網同期において、短期的な時刻同期精度を高く維持することができ、これによって、ｎ秒
レベルの高精度の時刻同期を実現することができる。

図３に示すように、時刻同期装置１は、ＧＰＳ受信部（衛星信号受信部）１０、処理部
（ＣＰＵ）２０、電圧制御発振器（ＶＣＯ）としての水晶発振器（発振器）３０、温度セ
ンサー４０およびＧＰＳアンテナ５０を有している。水晶発振器３０としては、特に限定
されず、例えば、恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）等が挙げられる。また、処理部２０の
後述する位相比較器２１、ループフィルター２２および分周器２４と、水晶発振器３０と
により、位相同期回路（ＰＬＬ：Phase Locked Loop）１６が構成される。この位相同期
回路１６は、揺らぎ低減部の１例であり、揺らぎ低減部は、第２の時刻信号の位相（時間
）の揺らぎを低減または除去できるものであれば、他の回路で構成してもよい。また、前
述したように、位相同期回路１６は、クロック供給装置３から離間した位置、すなわち、
クロック供給装置３の外に配置されている（位相同期回路１６と原子発振器３１とは同一
基板上に配置されていない）。また、ＧＰＳ受信部１０と、位相同期回路１６とにより、
ＧＰＳ受信機（受信機）１５が構成される。

なお、時刻同期装置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受信部１０と処理部２０はそれぞれ別個の
ＩＣで実現されていてもよいし、ＧＰＳ受信部１０と処理部２０は１チップのＩＣとして
実現されていてもよい。

この時刻同期装置１は、ＧＰＳ衛星（位置情報衛星）２から送信された衛星信号を受信
し、高精度の１ＰＰＳ（1 Pulse Per Second）（第２の時刻信号）を生成するものである
。１ＰＰＳとは、協定世界時（世界標準時）（ＵＴＣ：Coordinated Universal Time）に
同期したパルス信号（タイミング信号）（時刻信号）あり、１秒毎に１パルスを含む。

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１．５７５
４２ＧＨｚ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。

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。

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５
０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。

また、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。
本実施形態では、時刻同期装置１の位置は既知であるので、前記のようにして、受信点の
時刻情報を得ることができる。

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Ｇ
ＰＳ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。

以上説明したような衛星信号は、ＧＰＳアンテナ５０を介して、ＧＰＳ受信部１０で受
信される。

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
受信部１０に接続されている。

ＧＰＳ受信部１０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。

具体的に説明すると、ＧＰＳ受信部１０は、通常測位モード（第１のモード）および位
置固定モード（第２のモード）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。

ＧＰＳ受信部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、前述した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。

また、ＧＰＳ受信部１０は、位置固定モードでは、「１ＰＰＳ（タイミング信号）（第
２の時刻信号）生成部」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、１ＰＰＳ（第２の時刻信号）を生成する。このように、ＧＰ
Ｓ受信部１０が１ＰＰＳ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、高精度の１ＰＰＳを生成することができる。

以下、ＧＰＳ受信部１０の構成について詳述する。
図４に示すように、ＧＰＳ受信部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を有している。

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。

ＲＦ処理部１２は、位相同期回路（ＰＬＬ：Phase Locked Loop）１２１、ＬＮＡ（Low
Noise Amplifier）１２２、ミキサー１２３、ＩＦアンプ１２４、ＩＦ（Intermediate F
requency：中間周波数）フィルター１２５およびＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換器）１２６を有して
いる。

位相同期回路１２１は、数十ＭＨｚ程度で発振するＴＣＸＯ１４の発振信号を１．５Ｇ
Ｈｚ帯の周波数に逓倍したクロック信号を生成する。なお、位相同期回路１２１が備える
図示しないループフィルター（ローパスフィルター）の時定数は、例えば、０．１ｍ秒以
上、１００ｍ秒以下の範囲内に設定されることが好ましく、０．５ｍ秒以上、５０ｍ秒以
下の範囲内に設定されることがより好ましい。

ＳＡＷフィルター１１が抽出した衛星信号は、ＬＮＡ１２２で増幅される。ＬＮＡ１２
２で増幅された衛星信号は、ミキサー１２３で位相同期回路１２１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。

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。Ｉ
Ｆ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。

ベースバンド処理部１３は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）１３１、ＣＰＵ（Ce
ntral 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。

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。

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。

具体的には、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。

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。

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を出力してもよい。

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。

以上説明したように構成されたＧＰＳ受信部１０の動作は、図３に示す処理部（ＣＰＵ
）２０により制御される。

処理部２０は、ＧＰＳ受信部１０に対して各種の制御コマンドを送信してＧＰＳ受信部
１０の動作を制御し、ＧＰＳ受信部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。

この処理部２０は、位相比較器２１、ローパスフィルターであるループフィルター（フ
ィルター）２２、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）２３、分周器２４およびＧＰＳ制
御部２５を有している。前述したように、処理部２０の位相比較器２１、ループフィルタ
ー２２および分周器２４と、水晶発振器３０とにより、位相同期回路１６が構成される。
なお、ＤＳＰ２３とＧＰＳ制御部２５とは一つの部品で構成されていてもよい。

ＤＳＰ２３は、ＧＰＳ受信部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受信部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。

ＧＰＳ制御部２５は、ＧＰＳ受信部１０に各種の制御コマンドを送信し、ＧＰＳ受信部
１０の動作を制御する。具体的には、ＧＰＳ制御部２５は、ＧＰＳ受信部１０にモード設
定用の制御コマンドを送信する。これにより、ＧＰＳ受信部１０の動作モードが設定され
る。

分周器２４は、水晶発振器３０が出力するクロック信号（周波数：ｆ）をｆ分周し、１
Ｈｚの分周クロック信号を出力する。なお、水晶発振器３０として、クロック供給装置３
の原子発振器３１を共用することはできない。その理由は、原子発振器３１は、時刻同期
装置１の外部、すなわち、位相同期回路１６の分周器２４およびループフィルター２２か
ら離間した位置に配置されており、時刻同期装置１に光ファイバー５２を介して接続され
ているので、原子発振器３１を用いて位相同期回路１６を構成すると、許容できない時間
の遅延が生じてしまうためである。

位相比較器２１は、ＧＰＳ受信部１０が出力する１ＰＰＳと分周器２４が出力する１Ｈ
ｚの分周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を介して水晶発振器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。

分周器２４が出力する１Ｈｚの分周クロック信号は、ＧＰＳ受信部１０が出力する１Ｐ
ＰＳと同期しており、時刻同期装置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、すなわち、第２の時刻信号として外部に出力する。また、
時刻同期装置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
。また、時刻同期装置１は、水晶発振器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。

また、水晶発振器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２
２、ＤＳＰ２３および分周器２４により、水晶発振器３０が出力するクロック信号はＧＰ
Ｓ受信部１０が出力する１ＰＰＳに完全に同期し、分周器２４が出力する第２の時刻信号
はＧＰＳ受信部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による構成は、水晶発振器３０が出
力するクロック信号（分周器２４が出力する第２の時刻信号）を１ＰＰＳに同期させる「
同期制御部」として機能する。

また、ループフィルター２２の時定数を後述のように設定することで、そのループフィ
ルター２２（位相同期回路１６）により、ＧＰＳ受信部１０で生成された１ＰＰＳ（第２
の時刻信号）に含まれるノイズ成分を除去または低減することができる。すなわち、第２
の時刻信号の位相の揺らぎを低減することができ、第２の時刻信号の短期的な時刻（位相
）精度を向上させることができ、これによって、網同期において、短期的な時刻（位相）
同期精度を向上させることができる。

また、水晶発振器３０の近傍には温度センサー４０が配置されており、ＤＳＰ２３は、
温度センサー４０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、水晶発振器３０の周波数温度特性を温度補償する処理も行う。なお、温度センサー
を省略し、前記処理を省略してもよい。

なお、前記時刻同期装置１の位相同期回路１６の発振器としては、水晶発振器３０に限
らず、例えば、原子発振器等を用いてもよい。

前記ループフィルター２２の時定数は、下記のように設定されることが好ましい。
まず、ＧＰＳ受信部１０で生成される１ＰＰＳは、ＧＰＳ衛星２から発せられ、ＧＰＳ
アンテナ５０を介してＧＰＳ受信部１０で受信する衛星信号を含む電波の状態等により、
その位相が短期的にずれてしまうことがある。これは、前記電波の状態によって、ＧＰＳ
受信部１０で生成される１ＰＰＳに、ノイズ成分が含まれてしまうためである。なお、前
記ＧＰＳ受信部１０で受信する電波の状態を左右する要因としては、例えば、電離層の影
響、他の電波の影響、ＧＰＳ衛星２の配置、ＧＰＳ衛星２とＧＰＳアンテナ５０との間の
障害物等が挙げられる。そこで、ループフィルター２２の時定数（遮断周波数）は、位相
同期回路１６から出力される第２の時刻信号に前記電波の状態による影響が現れないか、
または、その影響を低減する値、すなわち、ＧＰＳ受信部１０で生成される１ＰＰＳに含
まれるノイズ成分を除去または低減する値に設定される。

具体的には、ループフィルター２２の時定数は、１秒以上、１０秒以下の範囲内に設定
されることが好ましく、１秒以上、５秒以下の範囲内に設定されることがより好ましい。

前記時定数が、前記上限値よりも大きいと、他の条件にもよるが、必要な信号成分を除
去または低減させてしまう虞がある。

また、前記時定数が、前記下限値よりも小さいと、他の条件にもよるが、ＧＰＳ受信部
１０で生成される１ＰＰＳに含まれるノイズ成分を除去または低減できない虞がある。

ここで、前記時刻同期システム１００と、時刻同期システム１００から位相同期回路１
６を除去してなる比較用システムとを用意し、それぞれを作動させ、時刻精度についての
比較を行った。すなわち、時刻同期システム１００と比較用システムとのそれぞれについ
て、システムを作動させ、生成した第１の時刻信号および第２の時刻信号の位相（時刻）
のずれ量を求め、そのずれ量を縦軸、時間を横軸としてグラフを記載した。図５が、比較
用システムについての結果であり、図６が、同期システム１００についての結果である。

位相同期回路１６を有していない比較用システムの場合は、図５に示すように、衛星信
号を受信できる時に、第２の時刻信号について、位相の揺らぎが発生し、また、突発的な
大きな位相のずれが発生している。

これに対して、同期システム１００の場合は、図６に示すように、衛星信号を受信でき
る時に、第２の時刻信号について、位相の揺らぎが低減または除去され、短期的な時刻精
度が向上していることが判る。

以上説明したように、この時刻同期システム１００によれば、ＧＰＳ受信機１５が位相
同期回路１６を備えることにより、第２の時刻信号の位相の揺らぎを低減することができ
、第２の時刻信号の短期的な時刻精度を向上させることができ、これによって、網同期に
おいて、短期的な時刻同期精度を向上させることができる。

また、ＧＰＳ受信部１０が衛星信号を受信できる場合は、時刻同期装置１により、第２
の時刻信号を生成し、出力することができ、また、ホールドオーバーが発生した場合は、
第２の時刻信号に代えて、クロック供給装置３により、第１の時刻信号を生成し、出力す
ることができる。これにより、ホールドオーバーが発生した場合でも、網同期において、
短期的な時刻同期精度を高く維持することができる。これによって、ｎ秒レベルの高精度
の時刻同期を実現することができる。

以上、本発明の時刻同期システムを、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は
これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに
置換することができる。また、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

また、前記実施形態では、ＧＰＳを利用した時刻同期システムを例に挙げたが、本発明
では、ＧＰＳに限らず、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。

また、前記実施形態では、時刻同期システムを網同期に用いる場合を例に挙げたが、本
発明では、時刻同期システムの用途は、これに限定されず、例えば、時刻同期システムを
単独で用いてもよい。

１‥‥時刻同期装置
２‥‥ＧＰＳ衛星
３‥‥クロック供給装置
３１‥‥原子発振器
３２‥‥制御部
１０‥‥ＧＰＳ受信部
１１‥‥ＳＡＷフィルター
１２‥‥ＲＦ処理部
１３‥‥ベースバンド処理部
１４‥‥ＴＣＸＯ
１５‥‥ＧＰＳ受信機
１６‥‥位相同期回路
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
３０‥‥水晶発振器
４０‥‥温度センサー
４１‥‥主局
４２、４３、４４‥‥局
５０‥‥アンテナ
５１‥‥伝送路
５２‥‥光ファイバー
６‥‥ビル
６１‥‥屋上
６２‥‥地下室
１００‥‥時刻同期システム
１２１‥‥位相同期回路
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

Claims

発振器を有し、第１の時刻信号を生成するクロック供給装置と、
前記クロック供給装置の外に設けられた揺らぎ低減部を有し、衛星信号に基づいて第２
の時刻信号を生成する受信機を備える時刻同期装置と、を含むことを特徴とする時刻同期
システム。
従属同期方式を用いた網同期に用いられる請求項１に記載の時刻同期システム。
前記発振器は、原子発振器である請求項１または２に記載の時刻同期システム。
前記受信機と前記クロック供給装置とが互いに離れた位置に配置されている請求項１な
いし３のいずれか１項に記載の時刻同期システム。
前記受信機と前記クロック供給装置とが光ファイバーで接続されている請求項１ないし
４のいずれか１項に記載の時刻同期システム。
前記揺らぎ低減部は、位相同期回路を有する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の
時刻同期システム。
前記位相同期回路は、フィルターを有しており、
前記フィルターの時定数は１秒以上１０秒以下の範囲内に設定される請求項６に記載の
時刻同期システム。
前記第２の時刻信号を生成できない場合は、前記第１の時刻信号を生成して前記第１の
時刻信号を用いる請求項１ないし７のいずれか１項に記載の時刻同期システム。