JP6846995B2 - タイミング信号生成装置、それを備える電子機器、及びタイミング信号生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、主として、アンテナを経由して得られる衛星からの信号を利用してタイミング信号を生成するタイミング信号生成装置に関する。

従来から、正確な現在時刻を得たり、他の機器と正確に同期させたりするために、タイミング信号生成装置が用いられている。このようなタイミング信号生成装置は、電子機器、無線通信設備、或いは車載基地局等に備えられている。この種のタイミング信号生成装置では、正確な時間間隔でタイミング信号を生成するために、人工衛星等を含んで構成される全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ：Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用している。

人工衛星には、ＧＮＳＳ基準時刻に同期した、極めて精度の高い原子時計が搭載されている。人工衛星は、原子時計に基づく電波送信時刻、及び、衛星の軌道情報等が重畳された衛星信号を地球に向けて送信する。

人工衛星からの衛星信号を受信するＧＮＳＳ受信機は、例えば水晶時計で構成される内部時計を備える。衛星の位置は、衛星信号に含まれる軌道情報に基づいて取得することができるから、ＧＮＳＳ受信機の正確な位置がわかっていれば、衛星からの衛星信号がＧＮＳＳ受信機に届くまでの伝搬遅延時間を計算により求めることができる。

ＧＮＳＳ受信機は、衛星信号に含まれる衛星自身の位置情報・速度情報と、ＧＮＳＳ受信機が持つ当該受信機自身の位置情報・速度情報と、内部時計で計測した衛星信号の受信時刻と、衛星信号に含まれる電波送信時刻と、伝搬遅延時間と、に基づき、内部時計の時刻更新間隔のズレ量であるクロックドリフトと、内部時計とＧＮＳＳ基準時刻との時間差であるクロックバイアスと、を求める。以降では、このクロックドリフトとクロックバイアスを併せて、クロック誤差と記述する場合がある。ＧＮＳＳ受信機は、内部時計が出力するタイミングを上記のズレ時間に基づいてオフセットすることにより、ＧＮＳＳ基準時刻と同期したタイミング信号を生成する。タイミング信号生成装置は、ＧＮＳＳ受信機が出力するタイミング信号を参照して、所定の周波数のタイミング信号を生成して出力する。

このようなタイミング信号生成装置において、正確なタイミング信号を出力するために、従来より様々な提案がなされている。特許文献１から５は、この種の技術を開示している。

特開２０１４−１３７３１８号公報 特開２０１４−１２６５３９号公報 特開２０１５−１７５８１２号公報 特開２０１５−１５８４３２号公報 特表２０１４−５０７６３０号公報

しかし、上記特許文献１から５までの構成は、タイミングの算出に用いるクロック誤差の信頼性について何ら評価がされていない点で改善の余地があった。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、タイミング信号生成装置において、内部時計のクロック誤差が信頼できるか否かを自己評価できるようにすることにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の第１の観点によれば、以下の構成のタイミング信号生成装置が提供される。即ち、このタイミング信号生成装置は、設定位置受信部と、カルマンフィルタ部と、タイミング信号生成部と、クロック誤差評価部と、を備える。前記設定位置受信部は、衛星からの信号を受信するアンテナの位置が内部又は外部から設定された場合に、当該設定された位置（受信点の位置）である設定位置を受信する。前記カルマンフィルタ部は、前記衛星から前記アンテナで受信した電波を観測して得られる観測値に基づいてカルマンフィルタ処理を行う。前記処理によって得られる状態ベクトルには内部時計のクロック誤差が含まれる。前記カルマンフィルタ部は、前記処理によって、前記受信点の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）及び移動速度（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）の状態ベクトルを更新できる。前記タイミング信号生成部は、前記カルマンフィルタ部で推定された前記状態ベクトルに含まれる前記クロック誤差に基づいてタイミング信号を生成する。前記クロック誤差評価部は、前記カルマンフィルタ部で推定された前記状態ベクトルにおいて、前記受信点の位置が前記設定位置から移動した距離に基づいて、当該状態ベクトルに含まれる前記クロック誤差の確からしさを評価する。

本発明の第２の観点によれば、以下のタイミング信号生成方法が提供される。即ち、衛星からの信号を受信するアンテナの位置が内部又は外部から設定された場合に、当該設定された位置である設定位置（受信点の位置）を受信する。前記衛星から前記アンテナで受信した電波を観測して得られる観測値に基づいてカルマンフィルタ処理を行う。前記処理によって得られる状態ベクトルには内部時計のクロック誤差が含まれる。前記処理により、前記受信点の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）及び移動速度（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）の状態ベクトルを更新する。前記カルマンフィルタ処理によって推定された前記状態ベクトルに含まれる前記クロック誤差に基づいてタイミング信号を生成する。前記カルマンフィルタ処理によって推定された前記状態ベクトルにおいて、前記受信点の位置が前記設定位置から移動した距離に基づいて、当該状態ベクトルに含まれる前記クロック誤差の確からしさを評価する。

これにより、タイミング信号の生成のために求められた前記状態ベクトルに含まれる内部時計のクロック誤差の信頼性を自己評価することが可能となる。また、確からしいクロック誤差の算出結果のみを用いてタイミング信号を生成するので、高精度のタイミングを得ることができる。

本発明の第１実施形態に係るタイミング信号生成装置の概略的な構成を示すブロック図。 第１実施形態に係るタイミング信号生成方法を実現するための処理を示すフローチャート。 第２実施形態に係るタイミング信号生成方法を実現するための処理を示すフローチャート。

＜第１実施形態＞
初めに、本発明の第１実施形態に係るタイミング信号生成装置２０について説明する。図１は、第１実施形態のタイミング信号生成装置２０の概略的な構成を示すブロック図である。

図１に示すタイミング信号生成装置２０は、後述するＧＮＳＳアンテナ１で受信した衛星５０，５０，・・・からの衛星信号を解析し、当該衛星信号に含まれる軌道情報及び時刻情報に基づいて、ＧＮＳＳ基準時刻に同期したタイミング信号を生成することができる。

本実施形態のタイミング信号生成装置２０は、例えば小型の無線基地局設備を搭載したドローンに備えられている。このドローンは地震や津波等の災害が発生して、交通網が遮断され、人が立ち入れなくなった村や建造物等と通信を行うために利用される。このドローンは通常の基地局設備と同等の機能を有しており、携帯電話の利用等の際に中継基地局として用いられる。

このドローンは衛星信号を受信するための受信機、アンテナ、及び内部に方位情報や速度情報等を得るための各種センサを保有しており、利用者が予め指定した場所へ自動飛行、及び滞空することが可能である。なお、受信機及びアンテナは、タイミング信号生成装置２０の一部を構成している。このとき、滞空した状態で静止を維持しているドローンは、固定点にアンテナを設置している状態と同様に扱うことができるため、衛星信号の受信も固定点測位を行うことが可能である。そのため利用者が事前に設定した設定位置にて測位を実施することができ、固定点での測位を実施する通常の基地局と同等の精度のタイミング信号を生成することができる。このタイミング信号は、基地局として必要な基準信号として用いることが可能である。

図１に示すように、このタイミング信号生成装置２０は、ＧＮＳＳアンテナ１を備える。また、タイミング信号生成装置２０は、信号復調部２、コード位相取得部３、搬送波周波数取得部４、設定位置受信部５、カルマンフィルタ部６、タイミング信号生成部８、クロック誤差評価部１１及び評価出力部１２等を備えている。

具体的には、上記のタイミング信号生成装置２０は公知のコンピュータとして構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び発振回路等を備えている。また、上記のＲＯＭ等には、本発明のタイミング信号生成方法を実現するためのプログラムが記憶されている。そして、上記のハードウェアとソフトウェアの協働により、タイミング信号生成装置２０を、信号復調部２、コード位相取得部３、搬送波周波数取得部４、設定位置受信部５、カルマンフィルタ部６、タイミング信号生成部８、クロック誤差評価部１１、評価出力部１２等として動作させることができる。

ＧＮＳＳアンテナ１は、ＧＮＳＳを構成する衛星５０，５０，・・・から送信される所定の周波数帯の衛星信号を受信するアンテナである。ここで、衛星としては、例えば、ＧＰＳ、ガリレオ、及びＧＬＯＮＡＳＳ等において運用される人工衛星が考えられるが、例えば準天頂衛星等を含めてもよい。

信号復調部２は、ＧＮＳＳアンテナ１で受信した衛星信号から軌道情報及び時刻情報を取り出す。この情報の取得は、衛星５０，５０，・・・のそれぞれに特有の擬似ランダム雑音コード（ＰＲＮコード）によりコード変調されている衛星信号を復調することにより行われる。得られた軌道情報や時刻情報は、カルマンフィルタ部６に出力される。また、信号復調部２は、信号の復調の過程で再現されたＰＲＮコードをコード位相取得部３に出力するとともに、再現された搬送波を搬送波周波数取得部４に出力する。

コード位相取得部３は、タイミング信号生成装置２０の内部時計（例えば、水晶時計）のタイミングに基づいてレプリカＰＲＮコードを生成するとともに、このレプリカＰＲＮコードと、信号復調部２から入力されたＰＲＮコードと、の時間的なズレ（チップ時間）を求めることにより、衛星信号のコード位相を取得する。コード位相取得部３は、得られたコード位相をカルマンフィルタ部６に出力する。

搬送波周波数取得部４は、信号復調部２から入力された搬送波の周波数を計測することにより取得する。搬送波周波数取得部４は、得られた搬送波周波数をカルマンフィルタ部６に出力する。

設定位置受信部５は、タイミング信号生成装置２０の利用者（ユーザ）が、設置を計画するＧＮＳＳアンテナ１の位置（受信点）を当該タイミング信号生成装置２０に設定した場合に、その位置を受信する。言い換えれば、設定位置受信部５は、ユーザがタイミング信号生成装置２０に入力した受信点の位置を受信する。以下では、この位置を「設定位置」と称する場合がある。受信点の位置の設定は、タイミング信号生成装置２０が備える図示しないキー及びダイアル等の入力部を操作したり、外部のコンピュータがタイミング信号生成装置２０と通信して指示したりすることで行うことができる。また、上記の設定位置は、例えば地図から読み取ったり、或いは測量を行ったりすることでも得ることができる。

このように、本実施形態のタイミング信号生成装置２０では、意図している受信点の位置（受信点のあるべき位置）を、事前に外部から与えることができるようになっている。設定位置受信部５は、受信した設定位置を、カルマンフィルタ部６、クロック誤差評価部１１及び評価出力部１２に出力する。

ただし、前記設定位置は、必ずしも事前に外部から与えられる位置であるとは限らず、例えばこれに代えて、タイミング信号生成装置２０の内部で生成される位置であってもよい。また、必ずしも設定位置受信部５で受信された位置とは限らず、その都度生成される位置であってもよい。

カルマンフィルタ部６は、設定位置受信部５が受信した設定位置がＧＮＳＳアンテナ１の位置を正しく表していると仮定してカルマンフィルタ処理を実行することにより、タイミング信号生成装置２０の内部時計が有するクロックバイアス及びクロックドリフトを推定する。これ以降、クロックバイアスを「バイアス」、クロックドリフトを「ドリフト」と記述する場合がある。

本実施形態において、バイアスとは、衛星５０が備える原子時計と、タイミング信号生成装置２０が備える内部時計と、の時間的なズレを意味する。ドリフトとは、上記の時間的なズレの変化率を意味する。バイアス及びドリフトは、何れも内部時計の誤差（クロック誤差）の一種であるということができる。

カルマンフィルタ部６においては、前記バイアス及びドリフトだけでなく、受信点の位置及び移動速度についても推定が行われる。カルマンフィルタ部６は、カルマンフィルタ処理を反復して行い、原則として、その都度得られた値によって、バイアス及びドリフトの推定値が更新される。ただし、カルマンフィルタ処理によって新しく得られたバイアス及びドリフトの値が所定程度確からしくないとクロック誤差評価部１１によって判定された場合、バイアス及びドリフトの推定値は更新されないか、或いは、バイアスのみ前回求めたドリフトの値に処理の時間間隔を乗算して求められた値を加算して更新する。本実施形態においてカルマンフィルタ処理は１秒毎に行われるが、処理の時間間隔は任意である。カルマンフィルタ部６が行う処理の詳細については後述する。

タイミング信号生成部８は、カルマンフィルタ部６から入力されたクロック誤差を用いてタイミング信号を生成する。具体的に説明すると、本実施形態のタイミング信号生成部８は、カルマンフィルタ部６で得られたクロック誤差（後述のバイアス及びドリフト）に基づいて、タイミング信号生成装置２０が備える水晶時計のタイミングに対してオフセット処理等を行うことにより、ＧＮＳＳ基準時刻と同期した１秒周期信号（１ＰＰＳ：Ｏｎｅ Ｐｕｌｓｅ ｐｅｒ Ｓｅｃｏｎｄ）を出力する。本実施形態では、上記の１ＰＰＳ信号がタイミング信号に該当する。

クロック誤差評価部１１は、カルマンフィルタ処理によって新しく得られたバイアス及びドリフトの値が所定程度確からしいか否かを、カルマンフィルタ部６でバイアス及びドリフトとともに推定される受信点の位置が設定位置からどれだけ乖離しているか等を基準にして評価する。なお、この評価の詳細は後述する。クロック誤差評価部１１は、この評価結果をカルマンフィルタ部６に出力する。

評価出力部１２は、タイミング信号生成部８が出力する上記のタイミング信号がどれほど正しいと考えられるかを示す指標を、クロック誤差評価部１１が行うクロック誤差の評価とほぼ同様の方法によって求め、例えばディスプレイ等に出力したり、通信をしたりすることで、外部に通知する。

次に、カルマンフィルタ部６の構成について詳細に説明する。

本実施形態において、カルマンフィルタ部６は、受信点の位置Ｘ，Ｙ，Ｚと、受信点の移動速度ΔＸ，ΔＹ，ΔＺと、内部時計のバイアスＢと、内部時計のドリフトＤと、を含むように定義されたベクトルである状態ベクトルｘを出力可能に構成されている。

このカルマンフィルタにおいて、状態ベクトルｘに関する状態空間モデルは、次の式（１）及び式（２）により表される。

ここで、添え字ｋは時刻を表す。式（１）において、Ａは、１つ前の時刻の状態から現在の状態を得るための状態遷移行列である。Ｂは、システム雑音のモデルを表す行列であり、ｖは、システム雑音ベクトルである。式（２）において、ｙは、実際の観測値を示す観測値ベクトルである。Ｃは、観測値ベクトルｙと状態ベクトルｘとの間の入出力関係を示す伝達行列である。ｗは、観測雑音ベクトルである。

カルマンフィルタ部６は、予測部１６と、フィルタリング部１７と、を備える。

予測部１６は、カルマンフィルタ処理において予測ステップを実現するものである。カルマンフィルタ処理は上述したとおり反復して行われるが、予測部１６は、前回の処理においてフィルタリング部１７が出力した状態ベクトルｘ_k-1に基づいて、今回の処理で出力されるだろう状態ベクトルｘ_kを予測する。カルマンフィルタは周知であるので詳細は省略するが、上記の状態ベクトルの今回の予測値は、以下の式（３）で表される。

ここで、ｘの上に付されたハット記号は、その値が真の値とは異なることを強調して示すものである。上付きの−記号は、その値が予測値であることを意味している。

次に、予測部１６は、今回の処理において出力される状態ベクトルｘ_kの真の値からの誤差分散Ｐ_kを、前回の処理において得られた誤差分散Ｐ_k-1を用いて予測する。上記の誤差分散の今回の予測値は、以下の式（４）で表される。

ここで、Ｑは、式（１）で示したシステム雑音ベクトルｖの分散を表す行列である。

フィルタリング部１７は、カルマンフィルタ処理においてフィルタリングステップを実現するものである。最初に、フィルタリング部１７は、カルマンフィルタ部６が出力する推定値の真の値に対する誤差（推定誤差）に関し、平均２乗誤差が最小となるように最適化された重みを示すカルマンゲインＧ_kを以下の式（５）に基づいて求める。

ここで、Ｒは、式（２）で示した観測雑音ベクトルｗの分散を表す行列である。

続いて、フィルタリング部１７は、前回の処理で出力された状態ベクトルｘ_kから予測した今回の処理での観測値の予測値Ｃｘ^- _kと、実際の観測値ｙ_kと、を用いて、今回の処理での状態ベクトルｘ_kの真の値を推定する。実際には、以下の式（６）に基づいて計算を行う。

最後に、フィルタリング部１７は、今回の処理で得られた状態ベクトルｘ_kの真の値に対する誤差分散Ｐ_kを、以下の式（７）に基づいて求める。

以上で１回のカルマンフィルタ処理が終了し、時刻ｋに１が加算されて、予測部１６による予測ステップに戻る。このように、カルマンフィルタ部６は、予測ステップとフィルタリングステップとを交互に反復して、フィルタリングステップが行われる毎に、真の値として推定した状態ベクトルを出力する。

次に、上記のフィルタリング部１７に入力される観測値について説明する。本実施形態において、観測値は２種類あり、１つは疑似距離、もう１つはレンジレートである。

疑似距離の観測について説明する。カルマンフィルタ部６は、コード位相取得部３で取得したコード位相（チップ時間）に光速を乗じた距離と、搬送波周波数取得部４で取得した周波数から得られる衛星と受信点との相対速度に更新時間を乗じて得られた距離と、を加算することによって、擬似距離の観測値を算出する。

次に、疑似距離の観測値の予測について説明する。今回の処理の時点での疑似距離の観測値は、前回の処理の時点での衛星−受信点間の距離に対し、前回の処理から今回の処理までの間に衛星及び受信点が移動した距離に応じた調整を行い、その上で、タイミング信号生成装置２０の内部時計の有するバイアスに応じた値を加算することで、予測することができる。前回の処理の時点での衛星−受信点間の距離は、前回の処理で出力された状態ベクトルに含まれる受信点の位置と、軌道情報により得られた衛星の位置と、により求めることができる。前回の処理から今回の処理までの間に衛星が移動した距離は、軌道情報により求めることができ、受信点が移動した距離は、前回の処理で出力された状態ベクトルに含まれる受信点の移動速度により予測することができる。更に、今回の処理の時点での内部時計のバイアスは、前回の処理で出力された状態ベクトルに含まれるバイアス及びドリフトを用いて求めることができる。以上を用いて、カルマンフィルタ部６は、疑似距離の観測値を予測する予測値を算出する。

こうして得られた疑似距離の観測値及びその予測値は、フィルタリング部１７の計算（上記の式（６））において用いられる。

レンジレートの観測について説明する。レンジレートは衛星−受信点間の距離の変化率であるから、搬送波のドップラーシフトを計測することにより得られる。そこで、カルマンフィルタ部６は、搬送波周波数取得部４で取得した周波数から得られる衛星と受信点との相対速度に、公知の補正量を加算することによって、レンジレートの観測値を算出する。

次に、レンジレートの観測値の予測について説明する。今回の処理の時点でのレンジレートの観測値は、今回の処理の時点での衛星の速度及び受信点の速度に基づいて衛星−受信点間の距離の変化率を求め、得られた変化率に、タイミング信号生成装置２０の内部時計の有するドリフトに応じた値を加算することで、予測することができる。今回の処理の時点での衛星の速度は、軌道情報により求めることができ、受信点の速度は、前回の処理で出力された状態ベクトルに含まれる受信点の移動速度をそのまま用いることができる。更に、今回の処理の時点での内部時計のドリフトは、前回の処理で出力された状態ベクトルに含まれるドリフトをそのまま用いることができる。以上を用いて、カルマンフィルタ部６は、レンジレートの観測値を予測する予測値を算出する。

こうして得られたレンジレートの観測値及びその予測値は、疑似距離の観測値及びその予測値と同様に、フィルタリング部１７の計算（上記の式（６））において用いられる。

疑似距離及びレンジレートは例えば１秒毎に観測され、観測値は予測値とともに、フィルタリング部１７にその都度入力される。

次に、クロック誤差評価部１１について説明する。

前述のとおり、ドローンが事前に設定された位置に滞空した状態で静止している場合、固定点にＧＮＳＳアンテナ１を設置している状態と同様に扱うことができる。そこでカルマンフィルタ部６は、受信点が、設定位置受信部５が受信した設定位置において静止していると仮定してカルマンフィルタ処理を実行する。

カルマンフィルタ部６で行われるカルマンフィルタ処理は、受信点の位置Ｘ，Ｙ，Ｚと、受信点の移動速度ΔＸ，ΔＹ，ΔＺと、内部時計のバイアスＢと、内部時計のドリフトＤと、を含む状態ベクトルｘをフィルタリング部１７が出力するように設計されている。

ここで、上述の仮定が真であるならば、フィルタリング部１７が出力する受信点の位置Ｘ，Ｙ，Ｚは上述の設定位置をほぼ維持し、また、移動速度ΔＸ，ΔＹ，ΔＺはゼロ又は小さい値となるはずである。このことから、フィルタリング部１７が出力する受信点の位置が設定位置から殆ど変化せず、かつ、移動速度がゼロ又は小さい値である場合には、先の仮定は正しく、同時に出力されるクロック誤差（バイアスＢ及びドリフトＤ）もその小ささに応じて良い状態、又は、所定以上確からしいと言うことができる。

一方で、フィルタリング部１７が出力する受信点の位置が設定位置から大きく変化している場合、又は、移動速度が大きい場合には、先の仮定が真ではなかった可能性が高い。或いは、マルチパス等による大きな観測誤差が含まれていた可能性が高い。従って、この場合は、同時に出力されるクロック誤差（バイアスＢ及びドリフトＤ）の確からしさはその大きさに応じて悪い状態であると言うことができる。

そこで、クロック誤差評価部１１は、フィルタリング部１７が出力する受信点の位置及び移動速度を監視する。

クロック誤差評価部１１は、受信点の位置が設定位置から所定距離以上変化せず、かつ、移動速度が所定速度未満である場合には、カルマンフィルタ部６に状態ベクトルの更新を行わせる。この結果、カルマンフィルタ部６は、更新後の状態ベクトルを次回のカルマンフィルタ処理で用いるとともに、更新後の状態ベクトルに含まれるクロック誤差Ｂ，Ｄをタイミング信号生成部８に出力する。

一方、クロック誤差評価部１１は、受信点の位置が設定位置から所定距離以上変化し、又は、移動速度が所定速度以上である場合には、カルマンフィルタ部６に状態ベクトルの更新を行わせないか、従前の状態ベクトルに含まれるドリフトＤを用いてバイアスＢのみ更新する。この結果、カルマンフィルタ部６では、今回の更新の影響を直接受けない状態ベクトルが次回のカルマンフィルタ処理で用いられる。また、カルマンフィルタ部６がタイミング信号生成部８に出力するクロック誤差Ｂ，Ｄは、今回の更新の影響を直接受けない状態ベクトルの値を適応する。

このように、本実施形態のクロック誤差評価部１１は、受信点が設定位置で静止していることを前提にして、カルマンフィルタ部６のフィルタリング部１７が出力するクロック誤差Ｂ，Ｄが所定以上確からしいか否かを、同時に出力される受信点の位置及び移動速度を用いて評価することができる。この評価結果に基づいて、カルマンフィルタ部６がタイミング信号生成部８に出力するクロック誤差Ｂ，Ｄの更新方法が切り換えられることで、タイミング信号生成部８が出力するタイミング信号の精度を全体として向上させることができる。

また、本実施形態において、評価出力部１２は、カルマンフィルタ部６がタイミング信号生成部８に出力するクロック誤差Ｂ，Ｄの基となった状態ベクトルについて、受信点の位置の設定位置からの乖離の大きさ、及び、受信点の移動速度の大きさに基づいて、タイミング信号生成部８が出力するタイミング信号の正しさの度合いを評価し、この結果を外部に出力することができる。評価の表現の方法は様々であるが、例えば、高、中、低、等の複数の段階で表示することが考えられる。本実施形態ではタイミング信号生成装置２０はドローンに備えられているので、タイミング信号の正しさの評価結果は、ユーザの操作する操作装置等にドローンから無線で送信され、当該操作装置において表示されることが好ましい。これにより、ユーザは、現在算出されているタイミング信号の精度を把握することができ、必要に応じて、ドローンを移動させたり、タイミングの算出を中断又は停止させたりすることができる。

次に、図２を参照して、カルマンフィルタ部６等により行われる処理を説明する。図２は、上記の第１実施形態におけるタイミング信号生成方法を実現するための処理を示すフローチャートである。

ドローンが所定の位置で停止しながら滞空飛行している状態において処理が開始され、最初に、カルマンフィルタ部６において状態ベクトルの初期化が行われる（ステップＳ１０１）。状態ベクトルの初期値のうち、受信点の位置Ｘ，Ｙ，Ｚには、設定位置受信部５が受信した設定位置がそのまま用いられ、受信点の移動速度ΔＸ，ΔＹ，ΔＺはゼロとされる。

次に、予測部１６は、１つ前の時刻の状態ベクトルを用いて、カルマンフィルタ処理の予測ステップを実行する（ステップＳ１０２）。

続いて、フィルタリング部１７は、疑似距離及びレンジレートの観測値を入力して、カルマンフィルタ処理のフィルタリングステップを実行する（ステップＳ１０３）。これにより、新しい状態ベクトルが得られる。

次に、クロック誤差評価部１１は、ステップＳ１０３で得られた新しい状態ベクトルに含まれる受信点の位置Ｘ，Ｙ，Ｚと、受信点の移動速度ΔＸ，ΔＹ，ΔＺと、に基づいて、受信点が上述の設定位置から移動しているか否かを判定する（ステップＳ１０４）。

受信点の位置の移動が小さかった場合、今回の状態ベクトルの推定（クロック誤差Ｂ，Ｄの推定を含む）は確からしいと考えられる。そこで、この場合、カルマンフィルタ部６は、状態ベクトルを、ステップＳ１０３で得られた新しい状態ベクトルで更新する（ステップＳ１０５）。一方、受信点の位置が大きく移動していた場合、ステップＳ１０５の処理は行われず（即ち、ステップＳ１０３で得られた状態ベクトルは用いられず）、従前の状態ベクトルにおいて、ドリフトＤを用いてバイアスＢのみ更新する（ステップＳ１０６）。

状態ベクトルがどのように更新された場合でも、カルマンフィルタ部６は、状態ベクトルに含まれているクロック誤差Ｂ，Ｄをタイミング信号生成部８に出力する（ステップＳ１０７）。

更に、評価出力部１２は、状態ベクトルに含まれる受信点の位置Ｘ，Ｙ，Ｚと、受信点の移動速度ΔＸ，ΔＹ，ΔＺと、に基づいて、ステップＳ１０７で出力されるクロック誤差Ｂ，Ｄの確からしさ（言い換えれば、タイミング信号生成部８が生成するタイミング信号の正しさ）を評価して出力する（ステップＳ１０８）。その後、処理はステップＳ１０２に戻る。

次に、ＧＮＳＳアンテナ１が複数の衛星信号を受信する場合について説明する。

今までは、説明の便宜上、ＧＮＳＳアンテナ１で１つの衛星５０からの信号を受信する場合を述べたが、実際には、ＧＮＳＳアンテナ１が複数の衛星５０，５０，・・・からの信号を受信することが一般的である。この場合、カルマンフィルタ部６は、それぞれの衛星５０について状態ベクトルを用意し、同時並行的にカルマンフィルタ処理を行う。この結果、衛星信号を受信した衛星の数だけ状態ベクトルを得ることができる。

ただし、この場合、図２のステップＳ１０７で、複数ある中からどの状態ベクトルのクロック誤差Ｂ，Ｄを選択してタイミング信号生成部８に出力するか否かが問題になる。

この選択の基準として、疑似距離の観測値と予測値の残差を用いることが考えられる。簡単に説明すると、疑似距離の観測値と、当該観測値を予測した予測値と、を求めることは先に説明したが、疑似距離の観測値と予測値との残差（以下、観測予測残差と呼ぶことがある。）がゼロに最も近かった状態ベクトルを選択するものである。

この選択の基準はある程度有効であるが、内部時計のクロック誤差の推定精度が良くない場合、何らかの事情（例えば、マルチパス）で生じた観測誤差が内部時計の時間的なズレによる誤差を偶然相殺する形になって疑似距離の観測予測残差が小さくなった衛星が選択されるおそれがあり、タイミング信号の精度の低下を招いてしまう。

この点、本実施形態のカルマンフィルタ部６は、上記の疑似距離の観測予測残差に加えて、クロック誤差評価部１１による評価結果を加味した複合的な観点で、クロック誤差Ｂ，Ｄをタイミング信号生成部８に出力する状態ベクトルを選択するように構成されている。具体的な選択の方法としては様々であるが、例えば、疑似距離の観測予測残差が小さくなる程小さくなるように疑似距離残差スコアを定め、クロック誤差評価部１１による評価結果が良い程小さくなるようにクロック誤差評価スコアを定め、両スコアの合計値がゼロに最も近い状態ベクトルを選択することが考えられる。これにより、より適切な衛星を実質的に選択することができるので、タイミング信号の精度を向上させることができる。

以上に説明したように、本実施形態のタイミング信号生成装置２０は、設定位置受信部５と、カルマンフィルタ部６と、タイミング信号生成部８と、クロック誤差評価部１１と、を備える。設定位置受信部５は、衛星５０からの信号を受信するＧＮＳＳアンテナ１の位置（受信点の位置）が内部又は外部から設定された場合に、当該設定された位置である設定位置を受信する。カルマンフィルタ部６は、衛星５０からＧＮＳＳアンテナ１で受信した電波を観測して得られる観測値に基づいてカルマンフィルタ処理を行う。前記処理によって得られる状態ベクトルは、内部時計のクロック誤差Ｂ，Ｄと、受信点の位置Ｘ，Ｙ，Ｚ及び移動速度ΔＸ，ΔＹ，ΔＺと、を含む。タイミング信号生成部８は、カルマンフィルタ部６で推定された状態ベクトルに含まれるクロック誤差Ｂ，Ｄに基づいてタイミング信号を生成する。クロック誤差評価部１１は、カルマンフィルタ部６で推定された状態ベクトルにおいて、受信点の位置が設定位置から移動した距離（どの程度移動しているか）に基づいて、当該状態ベクトルに含まれるクロック誤差Ｂ，Ｄの確からしさを評価する。

また、本実施形態のタイミング信号生成装置２０においては、以下のようにしてタイミング信号が生成される。衛星からの信号を受信するＧＮＳＳアンテナ１の位置（受信点の位置）が内部又は外部から設定された場合に、当該設定された位置である設定位置を受信する。衛星５０からＧＮＳＳアンテナ１で受信した電波を観測して得られる観測値に基づいてカルマンフィルタ処理を行う。前記処理によって得られる状態ベクトルは、内部時計のクロック誤差Ｂ，Ｄと、受信点の位置Ｘ，Ｙ，Ｚ及び移動速度ΔＸ，ΔＹ，ΔＺと、を含む。前記処理によって推定された状態ベクトルに含まれるクロック誤差Ｂ，Ｄに基づいてタイミング信号を生成する。また、カルマンフィルタ処理によって推定された状態ベクトルにおいて、受信点の位置が設定位置から移動した距離（どの程度移動しているか）に基づいて、当該状態ベクトルに含まれるクロック誤差Ｂ，Ｄの確からしさを評価する。

これにより、タイミング信号の生成のために求められた前記状態ベクトルに含まれる内部時計のクロック誤差Ｂ，Ｄの信頼性を自己評価することが可能となる。この結果、タイミング信号の精度を向上させることができる。

また、本実施形態のタイミング信号生成装置２０においては、カルマンフィルタ部６が推定した状態ベクトルに含まれるクロック誤差Ｂ，Ｄが所定以上確からしいとクロック誤差評価部１１が判定した場合に、カルマンフィルタ部６がタイミング信号生成部に出力するクロック誤差Ｂ，Ｄの更新が行われる。

これにより、確からしいクロック誤差Ｂ，Ｄの算出結果に基づいてタイミング信号生成部８がタイミング信号を生成するので、継続的に高精度のタイミングを得ることができる。

また、本実施形態のタイミング信号生成装置２０は、評価出力部１２を備える。評価出力部１２は、カルマンフィルタ部６がタイミング信号生成部８に出力するクロック誤差Ｂ，Ｄの根拠となった状態ベクトルにおいて受信点の位置が設定位置から移動した距離に基づいて、タイミング信号生成部８が出力するタイミング信号の正しさを評価し、その結果を出力する。

これにより、利用者がタイミング信号の精度を容易に知ることができる。

また、本実施形態のタイミング信号生成装置２０において、カルマンフィルタ部６は、複数の衛星５０，５０，・・・からＧＮＳＳアンテナ１で受信した信号のそれぞれについてカルマンフィルタ処理を行う。クロック誤差評価部１１は、それぞれの衛星からの信号に関してカルマンフィルタ部６が推定した状態ベクトルについて、クロック誤差Ｂ，Ｄの確からしさを評価する。カルマンフィルタ部６は、クロック誤差評価部１１の評価結果を用いて、どの衛星からの信号について求めたクロック誤差Ｂ，Ｄをタイミング信号生成部８に出力するかを選択する。

これにより、複数の衛星からの信号を受信した場合に、より適切な衛星からの信号に基づくクロック誤差Ｂ，Ｄに基づいてタイミング信号を生成することができる。

また、本実施形態において、ドローンはタイミング信号生成装置２０を備える。

これにより、電子機器としてのドローンにおいて、クロック誤差Ｂ，Ｄを考慮して生成された高精度のタイミング信号を得ることができ、ドローンを正確なタイミングで動作させることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係るタイミング信号生成装置について説明する。図３は、第２実施形態に係るタイミング信号生成方法を実現するための処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

第２実施形態のカルマンフィルタ部６では、図３のフローチャートに示す処理が行われる。この処理は、ステップＳ２０４及びステップＳ２０５を除いて、図２に示す第１実施形態の処理と同様である。

ステップＳ２０１からステップＳ２０３までの処理は、第１実施形態のステップＳ１０１からステップＳ１０３までの処理と対応しているので、説明を省略する。

ステップＳ２０４で、クロック誤差評価部１１は、ステップＳ２０３で得られた新しい状態ベクトルに含まれる受信点の位置Ｘ，Ｙ，Ｚと、受信点の移動速度ΔＸ，ΔＹ，ΔＺと、に基づいて、クロック誤差Ｂ，Ｄの確からしさを定量的に評価し、この評価結果に応じて、状態ベクトルを更新する重みを計算する。この重みは０以上１以下の値とされ、新しい更新ベクトルにおいて受信点が上述の設定位置から大きく移動している程（言い換えれば、クロック誤差Ｂ，Ｄが疑わしい程）、小さくなるように計算される。

ステップＳ２０５で、カルマンフィルタ部６は、ステップＳ２０３で得られた新しい状態ベクトルと、従前の状態ベクトルとの差分を求め、この差分に、ステップＳ２０４で得られた重みを乗じ、これに従前の状態ベクトルを加算することで、状態ベクトルを更新する。これにより、受信点があまり移動していなかった場合は、ステップＳ２０３で得られた新しい状態ベクトルの影響が強められ、受信点が大きく移動していた場合は、新しい状態ベクトルの影響が弱められるように、状態ベクトルが更新されることになる。なお、上述のとおり状態ベクトルにはクロック誤差Ｂ，Ｄが含まれるので、状態ベクトルの更新はクロック誤差Ｂ，Ｄの更新を意味する。

ステップＳ２０６及びステップＳ２０７の処理は、第１実施形態のステップＳ１０７及びステップＳ１０８の処理と対応しているので、説明を省略する。

このような構成によっても、タイミング信号生成部８に対して全体的に確からしいクロック誤差Ｂ，Ｄを出力することで、高精度なタイミング信号を得ることができる。

以上に説明したように、本実施形態のタイミング信号生成装置においては、前記クロック誤差評価部１１が評価した前記クロック誤差の確からしさに応じて重み付けを行い、この重みを、カルマンフィルタ部６がタイミング信号生成部に出力するクロック誤差Ｂ，Ｄの更新に用いる。

これにより、得られたクロック誤差Ｂ，Ｄが確からしい場合は更新時の影響を強め、そうでない場合は更新時の影響を弱めることにより、高精度のタイミングを柔軟に得ることができる。

以上に本発明の好適な実施の形態及び変形例を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

上記の実施形態では擬似距離及びレンジレートの観測が行われているが、何れか一方を省略してもよい。また、ドップラーシフトによりレンジレートの観測値を求めることに代えて、疑似距離の変化によりレンジレートの観測値を求めてもよい。

カルマンフィルタ処理における状態ベクトルの表現は上記に限定されず、例えば、受信点の位置及び移動速度のうち何れか一方が省略されてもよい。また、内部時計のドリフトが状態ベクトルの表現から省略されてもよい。

カルマンフィルタ処理等で用いられる軌道情報は、衛星信号から直接取得することに代えて、別の情報源から取得してもよい。例えば、電源投入直後に短時間で測位可能な状態にするホットスタートのために不揮発性の記憶部に記憶される軌道情報を用いてもよい。例えば、タイミング信号生成装置をインターネットに接続可能に構成し、軌道情報を、インターネットから取得したいわゆるＧＮＳＳアシスト情報に基づいて取得してもよい。

１ＰＰＳ信号に代えて、これより短い又は長い間隔の信号がタイミング信号として用いられてもよい。また、タイミング信号は、任意の形態のパルスとして構わない。

本発明のタイミング信号生成装置は、災害用のドローンに限らず、正確なタイミングで動作することが必要な様々な電子機器に用いることができる。電子機器としては、例えば、無線通信機器等が考えられる。また、静止させた状態で使用するのであれば、移動可能な電子機器（例えば、車載の電子機器）にこのタイミング信号生成装置を備えるように構成してもよい。

上記の実施形態において、ＧＮＳＳアンテナ１はタイミング信号生成装置２０に対して取外し不能に取り付けられているが、これに代えて、タイミング信号生成装置２０に電気的に接続された外部アンテナを用いることもできる。

１ ＧＮＳＳアンテナ（アンテナ）
５ 設定位置受信部
６ カルマンフィルタ部
９ クロック誤差評価部
１２ 評価出力部
２０ タイミング信号生成装置
５０ 衛星

Claims (7)

1. 衛星からの信号を受信するアンテナの位置が内部又は外部から設定された場合に、当該設定された位置である設定位置を受信する設定位置受信部と、
   前記衛星から前記アンテナで受信した電波を観測して得られる観測値に基づいてカルマンフィルタ処理を行い、前記処理によって得られる状態ベクトルには内部時計のクロック誤差を含み、かつ、前記処理によって、受信点の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）及び移動速度（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）の状態ベクトルを更新できるカルマンフィルタ部と、
   前記カルマンフィルタ部で推定された前記状態ベクトルに含まれる前記クロック誤差に基づいてタイミング信号を生成するタイミング信号生成部と、
   前記カルマンフィルタ部で推定された前記状態ベクトルにおいて、前記受信点の位置が前記設定位置から移動した距離に基づいて、当該状態ベクトルに含まれる前記クロック誤差の確からしさを評価するクロック誤差評価部と、
   を備えることを特徴とするタイミング信号生成装置。
2. 請求項１に記載のタイミング信号生成装置であって、
   前記カルマンフィルタ部が更新した状態ベクトルに含まれる前記クロック誤差が所定より小さいと前記クロック誤差評価部が判定した場合に、前記カルマンフィルタ部がタイミング信号生成部に出力する前記クロック誤差の更新を行うことを特徴とするタイミング信号生成装置。
3. 請求項１又は２に記載のタイミング信号生成装置であって、
   前記クロック誤差評価部が評価した前記クロック誤差の確からしさに応じて重み付けを行い、
   前記重みを、前記カルマンフィルタ部がタイミング信号生成部に出力する前記クロック誤差の更新に用いることを特徴とするタイミング信号生成装置。
4. 請求項１から３までの何れか一項に記載のタイミング信号生成装置であって、
   前記カルマンフィルタ部がタイミング信号生成部に出力する前記クロック誤差の根拠となった前記状態ベクトルにおいて、前記受信点の位置が前記設定位置から移動した距離に基づいて、タイミング信号生成部が出力するタイミング信号の正しさを評価し、その結果を出力する評価出力部を備えることを特徴とするタイミング信号生成装置。
5. 請求項１から４までの何れか一項に記載のタイミング信号生成装置であって、
   前記カルマンフィルタ部は、複数の前記衛星から前記アンテナで受信した信号のそれぞれについて前記カルマンフィルタ処理を行い、
   前記クロック誤差評価部は、それぞれの衛星からの前記信号に関して前記カルマンフィルタ部が推定した状態ベクトルについて、前記クロック誤差の確からしさを評価し、
   前記カルマンフィルタ部は、前記クロック誤差評価部の評価結果を用いて、どの前記信号について求めた前記クロック誤差を前記タイミング信号生成部に出力するかを選択することを特徴とするタイミング信号生成装置。
6. 請求項１から５までの何れか一項に記載のタイミング信号生成装置を備えることを特徴とする電子機器。
7. 衛星からの信号を受信するアンテナの位置が内部又は外部から設定された場合に、当該設定された位置である設定位置を受信し、
   前記衛星から前記アンテナで受信した電波を観測して得られる観測値に基づいてカルマンフィルタ処理を行い、前記処理によって得られる状態ベクトルには内部時計のクロック誤差を含み、前記処理によって受信点の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）及び移動速度（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）の状態ベクトルを更新し、
   前記カルマンフィルタ処理によって推定された前記状態ベクトルに含まれる前記クロック誤差に基づいてタイミング信号を生成し、
   前記カルマンフィルタ処理によって推定された前記状態ベクトルにおいて、前記受信点の位置が前記設定位置から移動した距離に基づいて、当該状態ベクトルに含まれる前記クロック誤差の確からしさを評価することを特徴とするタイミング信号生成方法。

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