JPH1010251A

JPH1010251A - 電子時計およびクロックタイミング調整方法

Info

Publication number: JPH1010251A
Application number: JP16410396A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Takechi; 美明武地
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 1996-06-25
Filing date: 1996-06-25
Publication date: 1998-01-16
Anticipated expiration: 2016-06-25
Also published as: JP3789556B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ＧＰＳ衛星が発信する測位信号を受信し、簡
略な構成で十分に精度の高い時計を実現する。また、信
号の受信を開始してから正確な時刻を出力するまでに要
する時間を短くする。【解決手段】ＧＰＳ測位信号に含まれる航法メッセー
ジのＺカウントおよび週番号に基づいてＧＰＳ時を算出
し、このＧＰＳ時を所定の補正値で補正して正確なＵＴ
Ｃ時刻を求める。補正値としては、受信したＧＰＳ衛星
から受信地点までの電波伝搬の時間だけの遅れがある
が、この補正値は、地球上の６１４のサンプリング地点
の全てのＧＰＳ衛星の平均距離を算出し、この平均距離
を電波が伝搬するために必要な時間を用いる。これによ
り、設置場所や衛星番号に拘らず同一の補正値を適用す
ることができるため、設置場所を時計に入力したり、測
位により自己の位置を割り出さなくても±２０ｍｓ以内
の高精度の時計を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ＧＰＳ衛星などの測
位用衛星から送信される電波を受信して現在の日付や時
刻を求める電子時計およびクロックタイミング調整方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ＧＰＳなどの測位システムに
おいては、各測位用衛星から受信点までの距離を観測す
るための情報や各測位用衛星の位置を算出するための情
報が送信されていて、受信機は３次元測位に要する数の
測位用衛星からの測位用信号を用いて、各測位用衛星の
位置と各測位用衛星から受信点までの距離とを求め、こ
れらの各測位用衛星の位置と各測位用衛星から受信点ま
での距離とから受信点の位置（緯度，経度，高さ）を求
めている。

【０００３】このような測位システムでは、システムの
中での時系を統一するための時系（ＧＰＳシステムでは
ＧＰＳ時）を設定していて、その時系における時刻を求
めるための情報が衛星から送信されている信号に含まれ
ている。従って、このような信号を受信する受信機は、
測位の目的以外に時計としての機能も有する。ＧＰＳシ
ステムでは、衛星上の時計は原子時計であり、その１秒
の長さは協定世界時（以下「ＵＴＣ」という。）と同じ
原子時の１秒に略一致している。従って上記測位用衛星
からの信号を受信することによって極めて高精度な電子
時計を構成することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来は、設置場所（緯
度，経度）が未知の場合には、少なくとも３衛星を捕捉
しなければ正確な時刻を出力することができなかった。
また、１衛星で正確な時刻を出力しようとすれば設置場
所の概略でも場所を入力してやる必要があった。

【０００５】この発明はメンテナンスフリーで正確な電
子時計を提供するとともに、このような正確な電子時計
を実現するためのクロックタイミング調整方法を提供す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この出願の請求項１の発
明は、地球の周回軌道を航行する測位衛星が発信する正
時タイミング信号を含む測位信号を受信する受信手段
と、前記測位信号の伝搬時間による遅延を補正する補正
値データを、自己の位置を参照せずに算出し、または、
自己の位置を参照せずに算出して記憶する補正値発生手
段と、前記受信手段が正時タイミング信号を受信したタ
イミングを前記補正値データで補正した補正正時タイミ
ングに時刻情報を出力する時刻情報出力手段と、を備え
たことを特徴とする。

【０００７】この出願の請求項２の発明は、前記補正値
データを、地球上の１または複数のサンプリング地点と
前記地球の周回軌道との平均的な距離の電波伝搬時間を
補正するデータとしたことを特徴とする。

【０００８】この出願の請求項３の発明は、前記時刻情
報出力手段を、前記補正正時タイミングに正時パルスを
出力し、これとともに時刻データを出力するようにした
ことを特徴とする。

【０００９】この出願の請求項４の発明は、地球の周回
軌道を航行する複数の測位衛星のうち１つまたは数個を
選択する衛星選択手段と、該衛星選択手段が選択した測
位衛星から正時タイミング信号を含む測位信号を受信す
る受信手段と、該受信手段が受信した測位信号の伝搬時
間による遅れを補正された正時タイミングに時刻情報を
出力する時刻情報出力手段と、前記受信手段による測位
信号の受信履歴を記憶する履歴記憶手段と、とを備えた
電子時計であって、前記衛星選択手段は、前記履歴記憶
手段の受信履歴に基づいて信号を受信すべき測位衛星を
選択する手段としたことを特徴とする。

【００１０】この出願の請求項５の発明は、請求項４の
前記受信手段を、測位信号を受信する受信チャンネルを
複数備え、そのうち一部のチャンネルを前記衛星選択手
段によって選択された測位衛星の受信に用い、他の一部
のチャンネルを選択から外れた測位衛星の捕捉に用いる
手段としたことを特徴とする。

【００１１】この出願の請求項６の発明は、地球の周回
起動を航行する測位衛星が発信する正時タイミング信号
を受信し、該正時タイミング信号を受信したタイミング
を自己の位置を参照せずに算出された補正値データで補
正し、この補正された正時タイミングに正時信号を出力
することを特徴とする。

【００１２】この出願の請求項７の発明は、前記補正値
データを、地球上の１または複数のサンプリング地点と
前記地球の周回軌道との平均的な距離の電波伝搬時間を
補正するデータとしたことを特徴とする。

【００１３】以上の発明において、測位衛星としてＧＰ
Ｓ衛星を適用することができる。ＧＰＳ衛星を適用した
場合、正時タイミング信号としては航法メッセージのサ
ブフレーム開始タイミングの信号を正時タイミング信号
として用いればよい。

【００１４】請求項１の発明では、補正値データは自己
の位置を参照せずに即ち測位演算をせずに算出・記憶さ
れているものであるため、このＧＰＳ時計を地球上の何
処に設置しても適正な範囲の補正をすることができ、ま
た、内部的にこの補正値データを算出する場合であって
も測位演算のような複雑な計算をする必要がないため、
簡略な構成で補正が可能である。

【００１５】測位衛星と該ＧＰＳ時計との距離は、衛星
が周回軌道のどの位置にあるかによって異なるが、その
距離の変動は極めて大きいものではない。

【００１６】そこで、請求項２の発明では、測位衛星
（周回軌道）とＧＰＳ受信機が設置される点として選択
した地球上のサンプリング地点との平均的な距離を求め
てその距離の伝搬遅延を補正するようにする。これによ
り、１つの補正値データで全ての地点における全ての時
刻の補正が可能になり、簡略であるとともに、実用上十
分に高精度な時刻情報を得ることができる。ここで、サ
ンプリング地点と衛星との平均的な距離の求め方として
は、周回軌道とサンプリング地点との距離を時間積分し
て平均を求めてもよく、単純に最大距離と最小距離の平
均値を求めてもよい。また、この平均値を求める範囲は
周回軌道の全範囲であってもサンプリング地点の視野内
の範囲であってもよい。さらに、ＧＰＳ衛星のように複
数の衛星が異なる軌道を周回している場合には全ての軌
道を総合した平均的な距離を求めればよい。

【００１７】請求項３の発明では、時刻情報として正時
タイミングに正時パルスを出力するとともに、この正時
パルスが指示する時刻データを出力する。時刻データ
は、世界標準時であるＵＴＣ時刻を指示するデータであ
ってもよく、地球上の各地域で用いられるローカル時刻
であってもよい。これらの情報により、正確な時刻を刻
むのみならず、現在時刻を出力・表示することができる
電子時計を構成することができる。また、測位衛星とし
てＧＰＳ衛星を用いれば、航法メッセージに含まれるＧ
ＰＳ時算出情報，ＵＴＣ時刻算出情報を用いてＵＴＣ時
刻データを算出することができ、これとの時差を勘案す
ることにより各ローカル時刻を算出することができる。

【００１８】測位衛星が発信する測位信号はＳＨＦなど
極めて波長の短い電磁波であり、光と同様に発信源が直
接視野にないと受信することができない。また、測位衛
星は一般的に周回軌道を航行しており、その周期は一定
である。そこで、請求項４の発明では、測位信号を受信
できた履歴を履歴記憶手段に記憶しておき、以後測位信
号を受信しようとするときには、衛星選択手段がこの受
信履歴に基づいて受信できる衛星を割り出すようにし
た。これにより、該ＧＰＳ時計の天球に対する視野が限
定されている場合でも、それまでの履歴に基づいて迅速
・確実にいずれかの測位衛星の測位信号を受信すること
ができる。

【００１９】請求項５の発明では、受信手段に複数チャ
ンネルを設け、衛星選択手段が選択した衛星を受信する
一部のチャンネルとその他の衛星を受信する他の一部の
チャンネルとに分割した。これにより、衛星選択手段に
よって信号を受信できる衛星を確実に選択するととも
に、新たに受信できた衛星で前記履歴記憶手段を更新す
ることができ、また、継続して測位信号を受信する場合
には、衛星選択手段で選択された衛星から信号を受信で
きなくなったとき、前記他の一部のチャンネルで受信さ
れている信号に速やかに乗り換えることができる。

【００２０】請求項６の発明では、請求項１の発明と同
様に、補正値データを測位演算をせずに算出したもので
あるため、複雑な計算をすることなく簡略にＧＰＳ信号
などの衛星クロックを補正することができる。

【００２１】また、請求項７の発明は、請求項２の発明
と同様に、測位衛星（周回軌道）とＧＰＳ衛星が設置さ
れる点として選択した地球上のサンプリング地点との平
均的な距離を求めてその距離の伝搬遅延を補正するよう
にする。これにより、１つの補正値データで全ての地点
における全ての時刻の補正が可能になり、簡略であると
ともに、実用上十分に高精度な時刻情報を得ることがで
きる。

【００２２】

【発明の実施の形態】この発明の実施形態であるＧＰＳ
時計を図１〜図６に基づいて説明する。このＧＰＳ時計
はナノセカンド・マイクロセカンド単位の精度が要求さ
れない家庭用機器として構成されており約２０ｍｓの精
度を有する。用途としては、いわゆるクロック（置時
計，掛時計）など単体の時計として用いることができる
ほか、スレーブとして接続されている他の時計やタイマ
を管理する家庭用マスタ時計として用いることもでき
る。また、テレビ受像機などの家電製品に内蔵してタイ
マ用時計として用いることもできる。

【００２３】図１は同ＧＰＳ時計の構成を示すブロック
図である。アンテナ１はマイクロストリップアンテナな
ど小型のものが用いられ、筐体外面や設置場所（家屋）
の窓際などに設置される。アナログ信号処理回路２ａは
アンテナ１から入力されたＬ１帯（１５７５．４２ＭＨ
ｚを中心とする約２ＭＨｚの周波数帯）の高周波信号を
数百ＭＨｚの中間周波に周波数変換する。Ａ／Ｄコンバ
ータ２ｂはアナログ信号処理回路２ａから入力された中
間周波信号をディジタルデータに変換する。Ａ／Ｄコン
バータ２ｂのサンプリング周波数はＣ／Ａコードのチッ
プ率の２倍程度でよい。このサンプリング周波数により
後段の処理部は１／２μｓ以内のずれでＣ／Ａコードの
同期をとることができる。信号処理ゲートアレイ３はＡ
／Ｄコンバータ２ｂからディジタルデータを入力すると
ともに、ＣＰＵ５から捕捉すべきＧＰＳ衛星（ＧＰＳ信
号）のＣ／Ａコードパターンデータ，Ｃ／Ａコード位相
データなどを入力する。そして、このＣ／Ａコードを位
相データに基づく位相で発生し、発生したＣ／Ａコード
を前記ディジタルデータと論理関（排他的論理和）する
ことによって相関係数を算出する。この相関係数データ
はＣＰＵ５に読み取られる。信号処理ゲートアレイ３に
は基準クロックにより時刻をカウントする時刻カウンタ
３ａが内蔵されている。

【００２４】ここで、同図（Ｂ）を参照して時刻カウン
タ３ａの構成を説明する。フリーランカウンタ３１は上
記基準クロックをカウントするフリーランのカウンタで
ある。ラッチ回路３３はＣＰＵ５から与えられる設定値
を保持する回路である。比較回路３２はフリーランカウ
ンタ３１の値がラッチ回路３３の値に等しくなったとき
１ＰＰＳの正時パルスを出力する回路である。ＣＰＵ５
はラッチ回路３３に対してこの時刻カウンタ３ａのカウ
ント誤差であるクロックバイアス値（図２（Ｂ）参照）
をセットする。比較回路３２はフリーランカウンタ３１
の値がこのクロックバイアス値に等しくなったとき１Ｐ
ＰＳの正時パルスを出力することにより、この正時パル
スは後述の補正値，衛星時計誤差およびＧＰＳ→ＵＴＣ
誤差を補正した正確な正時パルスとなっている。

【００２５】ＲＯＭ６にはこのＧＰＳ時計の動作プログ
ラムや補正値（６ａ）やこの電子時計の出荷先のローカ
ル時刻とＵＴＣとの時差データなどが記憶されている。
この補正値や時差データは、２００ビット程度の小型Ｒ
ＯＭに書き込むようにし、出荷時期や出荷地域に合わせ
て製作された小型ＲＯＭを本体にセットするようにして
もよい。また、ＲＡＭ７にはＧＰＳ衛星の受信履歴を記
憶するアラートテーブル７ａが設定されている。このア
ラートテーブルは、過去のＧＰＳ衛星受信履歴を記憶す
ることにより、それ以後、現在どの衛星を受信できるか
を即座に割り出すことができるようにしたテーブルであ
る。

【００２６】時計回路４は水晶発振器などの基準発振器
を内蔵しており、その基準発振信号を分周して時刻を計
時する。この時計回路４はＣＰＵ５から入力される時刻
データおよび正時パルスによってリセットされ、上記基
準発振器の発振周波数周波数誤差が補償される。この時
計回路４は、バッテリでバックアップされており、装置
の電源が落とされている間自走して次の電源オン時にほ
ぼ正確な時刻を装置に供給する。

【００２７】表示インタフェース９は表示用メモリを備
え、その表示用メモリの内容に応じて表示信号を発生
し、表示器１０へ出力する。表示用メモリには、ＣＰＵ
５により年月日，時分秒の時刻表示データが入力され
る。

【００２８】ここで、ＣＰＵ５は、上述したように捕捉
すべきＧＰＳ衛星を決定してそのＣ／Ａコードパターン
を信号処理ゲートアレイ３に供給するとともに、信号処
理ゲートアレイ３から読み取った相関係数データを所定
の時定数で操作量を算出してこれをＣ／Ａコード位相デ
ータとして信号処理ゲートアレイ３に供給する。信号処
理ゲートアレイ３から入力される相関係数データがほぼ
１に近い値になったとき信号処理ゲートアレイ３が内部
発生したＣ／ＡコードとＡ／Ｄコンバータ２ｂから入力
したディジタルデータに含まれる目的のＧＰＳ信号のＣ
／Ａコードとの位相同期がとれた（ＧＰＳ信号の受信に
成功した）と判断する。そして、この受信されたＧＰＳ
信号から航法メッセージデータを抽出する。航法メッセ
ージデータには、ＧＰＳ時を求めるためのデータ（Ｚカ
ウント，ＧＰＳ週番号など）やＵＴＣ時刻を求めるため
のデータ（ＵＴＣパラメータなど）などが含まれてい
る。ＣＰＵ５は、これらのデータに基づいてＵＴＣ時刻
を求めるとともに正時パルス（１ＰＰＳ）を発生する。

【００２９】ここで、図２を参照してこのＧＰＳ時計の
ＵＴＣ時刻算出の方法について説明する。同図（Ａ）は
ＧＰＳ信号に含まれる航法メッセージの概略構成を示す
図である。同図（Ｂ）は航法メッセージに含まれるパラ
メータに基づくＵＴＣ時刻算出の手順を示す図である。
航法メッセージは大小のフレームの組み合わせで構成さ
れている。主フレームは３０秒・１５００ビットのデー
タであり、５つのサブフレームに分割されている。した
がって、各サブフレームは６秒・３００ビットで構成さ
れる。なお、主フレームが２５個でマスタフレームとな
る。航法メッセージは、常にこのマスタフレームを繰り
返している。各主フレームはＧＰＳ時における毎分０秒
または３０秒から開始する。第１サブフレームにはＧＰ
Ｓの週番号が書き込まれており、各サブフレームにはＺ
カウント値が書き込まれている。ＧＰＳ時はＵＴＣ時刻
の１９８０年１月６日（日曜日）の０時をスタート時刻
＝０秒とする時刻であり、６０４８００秒（＝７日）を
１週間としている。上記ＧＰＳ週番号はスタート時刻か
ら何週目であるかをカウントした値であり、Ｚカウント
は各週のスタートから当該サブフレーム終了タイミング
（次のサブフレーム開始タイミング）までの時刻カウン
ト値である。ただし、この時刻カウント値は１．５秒を
１単位としてカウントしたカウント値になっている。こ
の週番号とＺカウントを積算することによって、現在
（次のサブフレーム開始タイミング）の仮のＧＰＳ時
（ＧＰＳ受信時刻）を算出することができる。

【００３０】そして、同図（Ｂ）に示す方式でこれをＵ
ＴＣの時刻データに変換する。ＵＴＣ時刻データは、年
月日時分秒の時刻表示データおよび毎０秒のタイミング
に出力される正時パルス（１ＰＰＳ）からなるが、年月
日時分秒の時刻表示データは、前記週番号およびＺカウ
ントの積算値にＵＴＣパラメータに含まれる累積閏秒を
加算して算出する。累積閏秒について説明する。ＵＴＣ
時刻は地球の自転周期とのずれを補償するため、１年に
１度程度閏秒を挿入または削除している。したがって、
この閏秒が挿入された週は６０４８０１秒となるが、Ｇ
ＰＳ時はこの閏秒を無視して必ず６０４８００秒で１週
間を刻むようにしている。ＧＰＳ時がスタートしてから
現在まで１１回の閏秒が挿入されたため、この累積閏秒
によりＧＰＳ時とＵＴＣ時刻とは１１秒のずれが生じて
いる。この累積閏秒がＵＴＣパラメータとして第４サブ
フレームの第１８ページ（マスタフレーム内の１８番目
の主フレームに含まれる第４フレーム）に書き込まれて
いる。

【００３１】この累積閏秒を含むＵＴＣパラメータは、
ＵＴＣパラメータ記憶エリア７ｂに記憶される。なおこ
の累積閏秒は１度取り込めば１年程度変化しないため、
工場出荷時にあらかじめそのときの累積閏秒を書き込ん
でおくことで、ＧＰＳ時計の起動を円滑にすることがで
きる。

【００３２】一方、ＵＴＣ時刻の正時パルスは、ＧＰＳ
受信時刻の正時タイミングを補正値，衛星時計誤差およ
びＧＰＳ→ＵＴＣ誤差で補正して出力される。ＧＰＳ信
号はＧＰＳ衛星から発信され約２万〜２．７万ｋｍの距
離を伝搬してこの装置に受信されるため、ＧＰＳ受信時
刻は、この伝搬時間（数十ｍｓ〜１００ｍｓ程度）だけ
タイミングが遅れている。すなわち、サブフレーム開始
タイミングは正確なＧＰＳシステム時刻よりも前記伝搬
時間だけ過ぎた時刻になっている。そこでこの伝搬時間
を補正値としてＲＯＭ６の補正値記憶エリア６ａに記憶
している。

【００３３】また、各ＧＰＳ衛星が搭載する原子時計
は、極めて正確なものであるがそれでもＧＰＳシステム
クロック（米国のＧＰＳ管制センタの原子時計）とは若
干（数百μｓ程度）の誤差がある。この衛星時計誤差は
エフェメリスデータとして航法メッセージに含まれてい
る。さらに、ＵＴＣはフランスにある原子時計によって
管理されているが、このＵＴＣ標準原子時計と上記ＧＰ
Ｓ管制センタの原子時計とも若干（約１μｓ程度）の誤
差がある。このＧＰＳ→ＵＴＣ誤差はアルマナックデー
タ（ＵＴＣパラメータ）として航法メッセージに含まれ
ている。

【００３４】これら補正値，衛星時計誤差およびＧＰＳ
→ＵＴＣ誤差をＧＰＳ受信時刻のタイミングであるサブ
フレーム開始タイミングから減算修正することによって
正確なタイミングの正時パルスタイミングを割り出すこ
とができる。なお、衛星時計誤差，ＧＰＳ→ＵＴＣ誤差
は補正値に比べて極めて小さいものであり無視しても精
度に殆ど影響しないが、今後これらの誤差が大きく変動
する場合も想定されるため少なくとも衛星時計誤差につ
いては常時誤差補正を行うようにしておくことが好まし
い。

【００３５】上記の動作で求められたＵＴＣ時刻は必要
に応じてローカル時刻に変換される。ローカル時刻はＵ
ＴＣ時刻に対して所定の時差を有する時刻である。この
ＵＴＣ時刻またはローカル時刻の時刻表示データは上記
正時パルスのタイミングに表示インタフェース９内の表
示用メモリに書き込まれ、時刻が表示される。さらにＣ
ＰＵ５は、この正確な時刻表示データおよび正時パルス
で時計回路４を定期的にリセットしてその時刻を校正
し、必要に応じてこの時刻のデータをデータ伝送インタ
フェース８を介して出力し、テレビ受像機のタイマなど
を制御する。

【００３６】ここで、上記補正値記憶エリア６ａに記憶
されている補正値について説明する。このＧＰＳ時計は
簡易な構成かつ無調整で、地球上の何処に設置しても殆
ど正確な（±２０ｍｓ程度の誤差の）時刻を表示・出力
できるものとして構成されている。このため、自己の設
置場所の入力を要求することも複数のＧＰＳ衛星を同時
受信して測位を行うこともせず、予め算出された補正値
をＲＯＭ６に記憶している。

【００３７】図３はこの補正値を求める手法を説明する
図である。同図（Ａ）は現在地球上空を周回しているＧ
ＰＳ衛星の配置を示す図である。ＧＰＳ衛星は高度約２
００００ｋｍでほぼ１２時間の周期で地球のまわりを周
回している。そして、６軌道上に９０度間隔で４個ずつ
配置されており、合計２４個の衛星が周回している。な
お、計画ではあと２軌道に８個の衛星を周回させる可能
性があり、合計３２衛星の軌道が決定されている。この
ＧＰＳ時計が地球上の何処に設置され且つどのＧＰＳ衛
星を受信しても実用的範囲で高精度な時刻を出力できる
よう、同図（Ｂ）に示すような手法で補正値を求める。

【００３８】まず、南緯８０度〜北緯８０度の１０
度単位の緯線と東経０度〜１８０度，西経１０度〜１７
０度の１０度単位の経線の交点、および、両極点の６１
４地点をサンプル地点として抽出する。各サンプル地点について、以下の演算を行う。

【００３９】−１該サンプル地点から各ＧＰＳ衛星
の軌道（軌道上の各点）までの最小距離と最大距離とを
求める。最大距離は視野内の軌道の範囲で求める。 −２全ＧＰＳ衛星の最小距離の最小値および最大距
離最大値を割り出す。 −３この最小値と最大値の平均値を求める。そして全てのサンプル地点における上記平均値を再
度平均して、補正値の根拠となる平均距離を算出する。
この平均距離はほぼ２．３５万ｋｍとなり、この距離の
伝搬時間である７８．４ｍｓが補正値となる。なお、全
てのサンプル地点と全てのＧＰＳ衛星軌道との距離のな
かで最小値は約２．０万ｋｍであり最大値は約２．７万
ｋｍであるから上記平均距離は実際の距離と±約０．３
５万ｋｍの範囲の誤差であり、これを時間に換算すると
±約１２ｍｓとなり他の誤差要素を勘案しても±２０ｍ
ｓ以下の誤差に納まることがわかる。すなわち、補正値
を７８．４ｍｓとすることにより、地球上のどの地点に
このＧＰＳ時計が設置された場合でも、全く無調整で２
０ｍｓの精度を実現することができる。

【００４０】このように、このＧＰＳ時計では全く無調
整且つ１衛星の信号を受信するのみの構成で、日常生活
において十分高精度な時刻を求めることができる。

【００４１】なお、最大距離を求める範囲は視野内に限
定されない。たとえば、視野外の全軌道から最大距離を
求めてもよく、また、実際に受信対象となる高度（たと
えば仰角３０度以上）などの範囲に限定して求めてもよ
い。

【００４２】また、上記補正値算出手法では、各サンプ
ル地点において、軌道との最大距離の最大値および最小
距離の最小値を割り出してこれを平均するようにしてい
るが、各サンプル地点の最大距離，最小距離とも平均し
たのちこれらを再度平均するようにしてもよい。

【００４３】さらに、このＧＰＳ時計では事前にこの平
均距離を求め、ＲＯＭ６に記憶するようにしているが、
ＧＰＳ時計自身がこれを算出するようにしてもよい。こ
の場合には、ＧＰＳ衛星から受信するアルマナックデー
タに基づいて軌道を計算し、その平均距離を求めればよ
い。このようにすれば、ＧＰＳ衛星の軌道が変更になっ
た場合でも精度を維持することができる。

【００４４】また、受信しているＧＰＳ衛星のドップラ
周波数に基づいて衛星の位置が水平線付近か天頂付近か
を推測し、これに基づいて補正値を修正するようにして
もよい。

【００４５】ところで、このＧＰＳ時計は、工場出荷時
（設置当初）には現在時刻，設置場所やその環境などの
プリセットの情報をなにも持っていないため、起動直後
はどの衛星を受信できるかが全く不明である。また、一
般家庭に設置される場合、遮蔽物や窓の大きさなどによ
り受信可能範囲は天球の視野よりはるかに狭くなるた
め、現在時刻が判明して衛星の軌道が計算できても、こ
れに基づいてその衛星を受信できるか否かを判断するこ
とは不可能である。このような情報のない状態で衛星を
捕捉し正確な時刻を出力しようとすれば、起動後数分〜
１０分の時間を必要とする。そこで、動作中に受信でき
た衛星の番号とその時刻をアラートテーブルに累積して
記憶し、その後ＧＰＳ衛星を受信するときにはこのテー
ブルを参照して最適な衛星を選択するようにしている。

【００４６】図４は設置当初のアラートテーブル作成動
作を示すフローチャートである。図５はアラートテーブ
ルの例を示す図である。

【００４７】アラートテーブル作成動作は、装置設置当
初に計時動作に先立ってまたは計時動作と並行して数時
間（理想的には１日程度）繰り返し実行される。この動
作は０分，８分，１６分，…と８分毎に起動される。ま
ず、衛星番号ポインタに１をセットする（ｓ１，ｓ
２）。そしてこの衛星のＣ／Ａコードパターンを信号処
理ゲートアレイ３に入力し、入力された中間周波信号の
なかから該当するＧＰＳ信号を検索する（ｓ３）。ノイ
ズや他の衛星の信号を含む中間周波信号のなかからＧＰ
Ｓ信号を捕捉するためには３０秒程度の時間を要するた
め、捕捉できなくてもこの検索動作を３０秒継続する
（ｓ４）。そして、捕捉できればｓ５以下の動作に進
む。

【００４８】ｓ５では捕捉したＧＰＳ信号のドップラ周
波数を読み取るとともに（ｓ５）、航法データを収集す
る（ｓ６）。そして必要な内容をその時刻に対応させて
アラートテーブルに書き込む（ｓ７）。そして、全ての
衛星の検索が完了するまで（ｓ８）衛星番号に１を加算
して（ｓ２）次の衛星の検索動作に進む。３０秒間検索
を継続しても信号を捕捉できなかった場合にはｓ４から
直接ｓ８に進む。

【００４９】なお、このアラートテーブル作成動作中で
あっても受信されたＧＰＳ信号に基づいて後述の計時動
作を実行することにより、正確な時間を出力することが
できる。

【００５０】このアラートテーブル作成動作により、図
５（Ａ）に示すようなアラートテーブルが作成される。
このアラートテーブルはＲＡＭ７に設定される。テーブ
ルのヘッダにはこのテーブルの作成日時（基準日時）が
書き込まれ、１〜８９のテーブル番号で識別される各欄
には、テーブル作成動作開始時刻（０時０分）から終了
時刻（１１時５２）までの時刻とＧＰＳ衛星の番号（Ｓ
Ｖ番号）と受信された信号のドップラ周波数が対応して
記憶されている。

【００５１】ＧＰＳ衛星は約１２時間で地球を１周する
ため、天文学的には１つの衛星が約６時間視野内（天空
内）にあるはずであり、どの時刻であっても１０程度の
衛星が視野内に存在するはずである。しかし、図５
（Ａ）のテーブルでは、各時刻に観測できた衛星の数は
数個程度であり、同一の衛星が観測できる時間も数十分
程度である。これは、このＧＰＳ時計が屋内に設置され
ているため、天空に向けて開口している窓などの角度が
限定されるためである。このようにＧＰＳ装置が屋内に
設置される場合には、アルマナックデータによって衛星
の軌道が判明しても装置の実際の視野が分からないこと
からこの衛星の軌道データを有効に利用することができ
ないため、このような信号が受信できた時刻の蓄積が非
常に有効になる。

【００５２】以後ＧＰＳ信号を受信しようとする場合に
は、その時刻（時計回路４が計時しているほぼ正確な時
刻）に基づいてこのテーブルを参照し、最も条件のよい
（継続して受信できそうな）衛星を選択して受信するよ
うにすればよい。ＧＰＳ衛星は正確には１１時間５８分
で軌道を一周するため、テーブルの受信時刻（年月日時
分（秒））にこの周期×ｎを加えることにより、現在ど
の衛星を受信することができるかをいつでも割り出すこ
とができる。

【００５３】上記アラートテーブル作成動作を１２時間
〜２４時間継続受信すれば全ての衛星の受信を試みて、
その結果を記録したアラートテーブルを作成することが
できる。なお、ＧＰＳシステムにおいては、同一軌道上
を４つの衛星が約９０度の間隔で周回しているため、３
時間継続して受信を試み、その結果を同一軌道面を周回
する他のＧＰＳ衛星に適用すれば全ての衛星の受信可能
時間をほぼ正確に把握することができる。また、図４の
アラートテーブル作成動作が終了したのちも、通常の計
時動作を行いながらこのテーブルを更新してゆくように
すればよい。

【００５４】なお、図５（Ａ）のアラートテーブルを組
み直して同図（Ｂ）に示すようなテーブルを作成しても
よい。このテーブルは、各衛星毎に捕捉開始時刻および
捕捉継続時間を記憶したものであり、このテーブルによ
り各時刻において最も長時間受信を継続できる衛星を簡
略に選択することができる。

【００５５】図６はウォームスタート、すなわち、アラ
ートテーブルが作成されたのち一旦電源が落とされ再度
スタートしたときの衛星選択動作を示すフローチャート
である。まず、時計回路４から現在時刻を読み取る（ｓ
２０）。この時刻からＧＰＳ衛星の周回周期である１１
時間５８分のｎ倍を減算してアラートテーブルを参照し
（ｓ２１）、最も条件のよい衛星を選択する（ｓ２
２）。そして、その衛星の信号を受信して（ｓ２３）、
航法データを解読する（ｓ２５）。この衛星の信号が受
信できなくなるまでｓ２３，ｓ２５の動作を継続する。
受信できなくなればｓ２０に戻って次の衛星を選択す
る。受信できることが確実な衛星の捕捉は約５秒で可能
であり、その後約７．２秒で受信したＧＰＳ信号から航
法メッセージを解読することができるため、後述の計時
動作を含めても、電源投入後約１３秒で正確なＵＴＣ時
刻を出力することができる。

【００５６】図７は計時動作を示すフローチャートであ
る。上述したようにＧＰＳ信号を受信し、航法メッセー
ジを収集できれば正確なＵＴＣ時刻を割り出すことが可
能であるためこの動作を実行する。まず、航法メッセー
ジに含まれるＺカウント，週番号に基づいてＧＰＳ受信
時刻を算出する（ｓ３０）。このＧＰＳ受信時刻と閏秒
データにに基づいて時刻表示データを算出して（ｓ３
１）、時計回路４に出力する（ｓ３２）。この時刻表示
データはＵＴＣ時刻を時分秒で表示するためのデータで
あってもよく、予め設定されているローカル時刻を表示
するためのデータであってもよい。ローカル時刻はＵＴ
Ｃ時刻に対して±１２時間の時差を有する時刻である。
ＧＰＳ受信時刻（仮のＧＰＳ時）と上記補正値，衛星時
計誤差，ＧＰＳ→ＵＴＣ誤差とに基づいてクロックバイ
アスを算出して（ｓ３３）、時刻カウンタ３ａに出力す
る（ｓ３４）。この時刻カウンタ３ａが正時パルス（１
ＰＰＳ）を出力するまで回帰し（ｓ３５）、正時パルス
が出力されると、表示バッファに時分秒の時刻表示デー
タを書き込む（ｓ３６）。また、この時刻データは必要
に応じてデータ伝送インタフェース８にも出力される。

【００５７】なお上記動作では１衛星のみを受信してＵ
ＴＣ時刻を算出しているが、複数の衛星を並行して受信
できる場合には、各ＧＰＳ信号のサブフレーム開始タイ
ミングを平均化して正時パルスタイミングを求めるよう
にしてもよく、複数の衛星のうち最も受信状態のよいも
のを１つ選択してこのＧＰＳ信号のサブフレーム開始タ
イミングに基づいて正時パルスタイミングを求めるよう
にしてもよい。

【００５８】たとえば、ＧＰＳ受信チャンネルを８チャ
ンネル備えている場合、すなわち、信号処理ゲートアレ
イ３が８つのＣ／Ａコード同期処理動作を並行して処理
できる場合には、４チャンネルを前記アラートテーブル
に基づいて選択された衛星の受信に用い、他の４チャン
ネルを選択から外れた衛星の受信（試行）に用いるよう
にすればよい。この選択から外れた衛星の受信試行によ
り、アラートテーブルが更新される。

【００５９】上記のような信号処理ゲートアレイ３がマ
ルチチャンネルの場合のＣＰＵ５の動作を図８のフロー
チャートを用いて説明する。同図（Ａ）は最初にアラー
トテーブルから選択された４つの衛星をチャンネルに割
り当てる動作である。まず、時計回路４から現在時刻を
読み取り（ｓ４０）、この時刻とアラートテーブルの日
付の差を算出し（ｓ４１）、この日付の差による時刻の
ズレを換算して対応時刻を割り出す（ｓ４２）。この対
応時刻のテーブルナンバ（図５（Ａ）参照）の欄を検索
して（ｓ４３）、最も受信の条件のよい４つのＧＰＳ衛
星を選択する（ｓ４４）。そして、これらのＧＰＳ衛星
を受信するためのチャンネルを割り当てる（ｓ４５）。
この割り当ては、信号処理ゲートアレイ３のそのチャン
ネルに対してＣ／Ａコードパターンなどのデータを送信
することによって行われる。このＣ／Ａコードにより当
該衛星を検索し（ｓ４６）、衛星の信号を受信して（ｓ
４７）、航法データを収集する（ｓ４８）。この衛星の
信号が受信できなくなるまでｓ４７，ｓ４８の動作を継
続する。この衛星が視野から外れるなどして受信できな
くなった場合には後述の動作で検出されている他の衛星
に信号を切り換えるため受信チャンネル（航法データを
読み取るチャンネル）を切り換える（ｓ４９）。

【００６０】同図（Ｂ）はアラートテーブルで選択され
た衛星以外の衛星の受信を他チャンネルで試行する動作
を示している。この動作はアラートテーブル作成動作と
同様に８分毎に起動される。まず、衛星番号ポインタに
１をセットする（ｓ５０，ｓ５１）。そしてこの衛星の
Ｃ／Ａコードパターンを信号処理ゲートアレイ３の所定
チャンネルに入力し、入力された中間周波信号のなかか
ら該当するＧＰＳ信号を検索する（ｓ５２）。ノイズや
他の衛星の信号を含む中間周波信号のなかからＧＰＳ信
号を捕捉するためには３０秒程度の時間を要するため、
捕捉できなくてもこの検索動作を３０秒継続する（ｓ５
３）。そして、捕捉できればｓ５４以下の動作に進む。
ｓ５４では捕捉したＧＰＳ信号のドップラ周波数を読み
取るとともに、航法データを解読する（ｓ５５）。そし
て必要な内容をその時刻に対応させてアラートテーブル
に書き込む（ｓ５６）。そして、このチャンネルではこ
の衛星の受信を継続する（ｓ５７）。この動作は１チャ
ンネル分のみを記載しているが、実際には４チャンネル
分が並行して処理されており、４つの衛星の受信試行が
並行して行われる。そして、衛星を捕捉したチャンネル
はそのままその衛星の受信を継続する。そして、アラー
トテーブルで選択された衛星が受信されなくなったと
き、この受信継続中の衛星にチャンネルが切り換えられ
る。

【００６１】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、この時計を地
球上のどこに設置しても複雑な操作や処理なしに速やか
に正確な時刻を出力することができるため、メンテナン
スフリーの正確な時計として家庭用に適用することがで
きる。

【００６２】請求項２の発明によれば、周回軌道と地球
上のサンプリング地点との平均的な距離を求めてその距
離の伝搬遅延を補正するようにしたことにより、１つの
補正値データで全ての地点における全ての時刻の補正が
可能になり、簡略であるとともに、実用上十分に高精度
な時刻情報を得ることができる。

【００６３】請求項３の発明によれば、時刻情報として
正時タイミングに正時パルスを出力するとともに、この
正時パルスが指示する時刻データを出力するようにした
ことにより、そのままの構成で電子時計を構成すること
ができる。

【００６４】請求項４の発明によれば、受信履歴を履歴
記憶手段に記憶しておき、以後この受信履歴に基づいて
受信できる衛星を割り出すようにしたことにより、天球
に対する視野が限定されている場合でも迅速・確実に測
位信号を受信することができる。

【００６５】請求項５の発明によれば、複数チャンネル
で衛星選択手段が選択した衛星とその他の衛星を並行し
て受信するようにしたことにより、履歴記憶手段を更新
することができるとともに、衛星選択手段で選択された
衛星から信号を受信できなくなったとき他の信号に速や
かに乗り換えることができる。

【００６６】請求項６の発明によれば、地球上のどの地
点でも複雑な操作や処理なしに衛星クロックを補正する
ことができるため、この方法を採用することによってメ
ンテナンスフリーで実用上十分な精度のタイマーや時計
を実現することができる。

【００６７】請求項７の発明によれば、周回軌道と地球
上のサンプリング地点との平均的な距離を求めてその距
離の伝搬遅延を補正するようにしたことにより、１つの
補正値データで全ての地点においてクロックの補正が可
能になり、簡略であるとともに、実用上十分に高精度な
クロック信号を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例であるＧＰＳ時計の構成を示
すブロック図である。

【図２】ＧＰＳ信号に含まれている航法メッセージの構
成および該航法メッセージに基づいてＵＴＣ時刻，正時
パルスを生成する手順を説明する図である。

【図３】衛星から同ＧＰＳ時計までの電波伝搬による遅
延を補正する補正値を求める手法を説明するための図で
ある。

【図４】同ＧＰＳ時計のＣＰＵのアラートテーブル作成
動作を示すフローチャートである。

【図５】前記アラートテーブルの例を示す図である。

【図６】前記ＣＰＵの衛星選択動作を示すフローチャー
トである。

【図７】前記ＣＰＵの計時動作を示すフローチャートで
ある。

【図８】前記ＣＰＵの衛星選択動作の他の例を示すフロ
ーチャートである。

【符号の説明】１…アンテナ６ａ…補正値記憶エリア７ａ…アラートテーブル７ｂ…ＵＴＣパラメータ記憶エリア

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】地球の周回軌道を航行する測位衛星が発
信する正時タイミング信号を含む測位信号を受信する受
信手段と、前記測位信号の伝搬時間による遅延を補正する補正値デ
ータを、自己の位置を参照せずに算出し、または、自己
の位置を参照せずに算出して記憶する補正値発生手段
と、前記受信手段が正時タイミング信号を受信したタイミン
グを前記補正値データで補正した補正正時タイミングに
時刻情報を出力する時刻情報出力手段と、を備えたことを特徴とする電子時計。
【請求項２】前記補正値データは、地球上の１または
複数のサンプリング地点と前記地球の周回軌道との平均
的な距離の電波伝搬時間を補正するデータである請求項
１に記載の電子時計。
【請求項３】前記時刻情報出力手段は、前記補正正時
タイミングに正時パルスを出力し、これとともに時刻デ
ータを出力する手段である請求項１に記載の電子時計。
【請求項４】地球の周回軌道を航行する複数の測位衛
星のうち１つまたは数個を選択する衛星選択手段と、該衛星選択手段が選択した測位衛星から正時タイミング
信号を含む測位信号を受信する受信手段と、該受信手段が受信した測位信号の伝搬時間による遅れを
補正された正時タイミングに時刻情報を出力する時刻情
報出力手段と、前記受信手段による測位信号の受信履歴を記憶する履歴
記憶手段と、を備えた電子時計であって、前記衛星選択手段は、前記履歴記憶手段の受信履歴に基
づいて信号を受信すべき測位衛星を選択する手段である
電子時計。
【請求項５】前記受信手段は、測位信号を受信する受
信チャンネルを複数備え、そのうち一部のチャンネルを
前記衛星選択手段によって選択された測位衛星の受信に
用い、他の一部のチャンネルを選択から外れた測位衛星
の捕捉に用いる手段である請求項４に記載の電子時計。
【請求項６】地球の周回起動を航行する測位衛星が発
信する正時タイミング信号を受信し、該正時タイミング信号を受信したタイミングを自己の位
置を参照せずに算出された補正値データで補正し、この補正された正時タイミングに正時信号を出力するこ
とを特徴とするクロックタイミング調整方法。
【請求項７】前記補正値データは、地球上の１または
複数のサンプリング地点と前記地球の周回軌道との平均
的な距離の電波伝搬時間を補正するデータである請求項
６に記載のクロックタイミング調整方法。