JP6283428B2 - 時刻同期装置、その方法及びプログラム - Google Patents
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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。
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)。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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
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 (8)
- 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。
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