伝搬経路推定システム及び伝搬経路推定方法
【課題】衛星から送信された電波が地表で反射され、当該反射波を衛星で受信するリモートセンシングの場合や、地上の送信源から送信された電波を衛星で受信して送信源の位置を推定するような場合に、電離層が与える影響を排して正確な伝搬経路を推定する伝搬経路推定システム及び伝搬経路推定方法を提供する。
【解決手段】複数の測位衛星１０から送信される衛星信号を受信する１以上の受信機２４を有する伝搬経路推定システムであって、衛星５０に設けられ、地上から到来して電離層を通過した電波を受信するアレイアンテナ５２と、電波の到来方位と仰角とを算出する信号処理装置５９と、受信情報として衛星通信により地上に送信する通信データ処理装置６０と、受信情報に基づいて、衛星５０の位置等を算出する第２算出部と、電波の伝搬経路に対応する領域の電子密度を推定する第２電子密度推定部と、レイトレーシング手法によりアレイアンテナが受信した電波の伝搬経路を推定する伝搬経路推定部とを備える。
【解決手段】複数の測位衛星１０から送信される衛星信号を受信する１以上の受信機２４を有する伝搬経路推定システムであって、衛星５０に設けられ、地上から到来して電離層を通過した電波を受信するアレイアンテナ５２と、電波の到来方位と仰角とを算出する信号処理装置５９と、受信情報として衛星通信により地上に送信する通信データ処理装置６０と、受信情報に基づいて、衛星５０の位置等を算出する第２算出部と、電波の伝搬経路に対応する領域の電子密度を推定する第２電子密度推定部と、レイトレーシング手法によりアレイアンテナが受信した電波の伝搬経路を推定する伝搬経路推定部とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星からリモートセンシングを行う場合や地上から衛星に到来した電波を受信して送信源位置を推定する際に、電離層を通過する電波の伝搬経路を電子密度分布を利用して補正する伝搬経路推定システム及び伝搬経路推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、衛星から電波を送信し、地表からの反射波を衛星で受信することにより地表の観測を行うリモートセンシングの手法が多く用いられており、地表の地形把握や資源探査等に利用されている。例えば、特許文献１には、地球観測衛星の観測データであるリモートセンシングデータを高度解析処理する手段を有する洪水予測システムが記載されている。この洪水予測システムは、リモートセンシングによる衛星画像データ及びＧＰＳデータ等を使用して、洪水災害のシミュレーションを行うことにより、リアルタイムに洪水を予測し、コストや期間も軽減することができる。
【０００３】
また、特許文献２には、電離層を通過して到来した電波の送信源の位置を推定することができるアレイアンテナ装置及び送信源位置推定方法が記載されている。このアレイアンテナ装置及び送信源位置推定方法は、受信した電波の到来方法及び仰角を測定し、ＩＲＩ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ）モデル等の電離層電子密度分布モデル等を用いてレイトレーシング手法等により電波の伝搬経路を推定し、送信源の位置を推定することができる。
【０００４】
非特許文献１や非特許文献２には、電離層における電子密度モデル関数であるＩＲＩ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ）モデルが記載されている。さらに、非特許文献４には、やはり電離層電子密度モデル関数の一つであるＧａｌｌａｇｈｅｒのモデルが記載されている。これらのモデル関数を用いて計算により総電子数（ＴＥＣ：Ｔｏｔａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｏｎｔｅｎｔ）を求めることもできる。
【０００５】
ＨＦ帯を用いた電波通信において、受信した電波の到来方法及び仰角を測定し、この到来方法及び仰角と、ＩＲＩモデル等の電離層電子密度分布モデル等とを用いて、レイトレーシング手法等により電波の伝搬経路を計算する手法については、非特許文献５，６，７に記載されている。また、非特許文献８には、電波の伝搬特性を予測する手法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１１５８２号公報
【特許文献２】特開２０１０−８１１０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｄｉｅｔｅｒ Ｂｉｌｉｔｚａ：“Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ ２０００”，Ｒａｄｉｏ．Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．３６，Ｎｕｍｂｅｒ２，ＰＰ２６１−２７５，Ｍａｒｃｈ／Ａｐｒｉｌ，２００１
【非特許文献２】Ｄｉｅｔｅｒ Ｂｉｌｉｔｚａ，ｅｔ，ａｌ．，：“Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ １９９０”，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，１９９０．
【非特許文献３】Ａ．Ｋｏｍｊａｔｈｙ：‘Ｇｌｏｂａｌ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｔｏｔａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｏｎｔｅｎｔ Ｍａｐｐｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ’ ，ＵＮＢ，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．１８８，Ｓｅｐ．１９９７．
【非特許文献４】Ｇａｌｌａｇｈｅｒ，Ｄ．Ｌ．，Ｐ．Ｄ．Ｃｒａｖｅｎ，ａｎｄ Ｒ．Ｈ．Ｃｏｍｆｏｒｔ，Ｇｌｏｂａｌ ｃｏｒｅ ｐｌａｓｍａ ｍｏｄｅｌ，Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．１０５，Ａ８，１８，８１９−１８，８３３，２０００．
【非特許文献５】前田憲一，後藤三男：“電波伝搬”，岩波全書，１９５３年２月
【非特許文献６】Ｋ．Ｇ．Ｂｕｄｅｎ：“Ｔｈｅ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｄｉｏ ｗａｖｅｓ”．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，１９８８．
【非特許文献７】Ｉｗａｎｅ Ｋｉｍｕｒａ：“Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｉｏｎｓ ｏｎ Ｗｈｉｓｔｌｅｒ−Ｍｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｒａｃｉｎｇ”，Ｒａｄｉｏ Ｓｃｉｅｎｃｅ．Ｖｏｌ．Ｉ，Ｎｏ．３，２６９−２８３，Ｍａｒｃｈ １９６６．
【非特許文献８】“ＨＦ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ”，ＩＴＵ−Ｒ Ｐ．５３３−７．
【非特許文献９】Ａ．Ｌｏｒｅｎｃｅ，ｅｔ ａｌ：“Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｒａｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ”，Ｇｅｏｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．１０，ｐｐ１４５１−１４５４，Ｍａｙ１５，２０００．
【非特許文献１０】長沢工：“天体の位置計算”，地人書館，１９８５
【非特許文献１１】Ｒａｙｍｕｎｄ，Ｔ．Ｄ．，Ａｕｓｔｉｎ，Ｊ．Ｒ．，Ｆｒａｎｋｅ，Ｓ．Ｊ．，Ｌｉｕ，Ｃ．Ｈ．，Ｋｌｏｂｕｃｈａｒ，Ｊ．Ａ．，ａｎｄ Ｓｔａｌｋｅｒ，Ｊ．，：“Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｍｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｔｏ ｔｈｅ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”，Ｒａｄｉｏ Ｓｃｉ．，２５（５），７７１−７８９，１９９０．
【非特許文献１２】Ｓｔｅｆａｎ Ｓｃｈｌｕｅｒ，ｅｔ ａｌ．：“Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｈｅ ３ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＧＰＳ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”
【非特許文献１３】Ｋ．Ｂｈｕｙａｎ，ｅｔ ａｌ：“Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ ｕｓｉｎｇ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ” ，Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｃｉ．，Ｖｏｌ１．８３，Ｎｏ．９，１０ Ｎｏｖ．，２００２．
【非特許文献１４】Ｏｔｕｋａ，Ｙ．，ｅｔ．ａｌ．：“Ａ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｍａｐｐｉｎｇ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｕｓｉｎｇ ＧＰＳ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎ Ｊａｐａｎ，”，Ｅａｒｔｈ Ｐｌａｎｅｔｓ Ｓｐａｃｅ，１１１−１２０，２００１．
【非特許文献１５】Ｍａ，Ｇ．，ａｎｄ Ｔ．Ｍａｒｕｙａｍａ（２００３），Ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ ＴＥＣ ａｎｄ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｌ ｂｉａｓｅｓ ｆｒｏｍ ＧＥＯＮＥＴ ｉｎ Ｊａｐａｎ，Ａｎｎ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．，２１，２０８３−２０９３．
【非特許文献１６】五十嵐来良，斉藤昭則，大塚雄一：“標準電離層モデル（ＩＲＩ）で導出したＴＥＣとＧＰＳ受信機網で観測したＴＥＣの比較解析”，第１回電離圏の利用と影響に関するシンポジウム講和集，ｐｐ２４−１〜８，２００３．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献９に示すように、衛星から地上に向けて送信された電波や地上からの反射波は、電離層を通過する際に屈折等を生ずるため、伝搬経路が変化してしまい、本来あるべき位置からずれた位置の観測となってしまうことがある。すなわち、従来のリモートセンシングを行う装置は、電離層の影響により、観測したと認識している地表の位置と実際に観測した地表の位置とがずれてしまうことが考えられる。
【０００９】
同様に、地上の送信源から衛星に向けて送信された電波は、電離層の影響により伝搬経路が変化する。したがって、従来の装置は、送信源の位置を正確に推定するのが困難であると考えられる。
【００１０】
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、衛星から送信された電波が地表で反射され、当該反射波を衛星で受信するリモートセンシングの場合や、地上の送信源から送信された電波を衛星で受信して送信源の位置を推定するような場合に、電離層が与える影響を排して正確な伝搬経路を推定する伝搬経路推定システム及び伝搬経路推定方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る伝搬経路推定システムは、上記課題を解決するために、複数の測位衛星から送信される衛星信号を受信する１以上の受信機を有する伝搬経路推定システムであって、観測衛星に設けられ、地上から到来して電離層を通過した電波を受信するアレイアンテナと、前記観測衛星に設けられ、前記アレイアンテナが受信した電波の到来方位と仰角とを算出する第１算出部と、前記第１算出部により算出された電波の到来方位と仰角とを受信情報として衛星通信により地上に送信する衛星側通信処理部と、前記衛星側通信処理部により送信された受信情報を地上で受信する地上側通信処理部と、前記地上側通信処理部により受信された受信情報に基づいて、前記観測衛星の位置、前記アレイアンテナが電波を受信した時刻、前記電波の伝搬方向ベクトル、及び前記伝搬方向ベクトルと地表との交点である概略地表位置を算出する第２算出部と、前記１以上の受信機の各々から前記複数の測位衛星の各々に対する擬似距離およびキャリア位相擬似距離に基づき前記衛星信号の通過経路の総電子数を算出する総電子数算出部と、電子密度を推定する３次元空間を設定し、当該３次元空間を複数の領域に分割する空間設定部と、前記総電子数算出部により算出された総電子数に基づいて前記空間設定部により分割された領域毎の電子密度を推定する第１電子密度推定部と、前記第１電子密度推定部により推定された電子密度と、前記第２算出部により算出された概略地表位置及び前記アレイアンテナが電波を受信した時刻とに基づいて、前記アレイアンテナが受信した電波の伝搬経路に対応する領域の電子密度を推定する第２電子密度推定部と、前記第２電子密度推定部により推定された電子密度と前記地上側通信処理部により受信された受信情報とに基づいて、レイトレーシング手法により前記アレイアンテナが受信した電波の伝搬経路を推定する伝搬経路推定部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る伝搬経路推定方法は、上記課題を解決するために、複数の測位衛星から送信される衛星信号を受信する１以上の受信機を有する伝搬経路推定方法であって、観測衛星に設けられたアレイアンテナで地上から到来して電離層を通過した電波を受信し、受信した電波の到来方位と仰角とを算出する第１算出ステップと、前記第１算出ステップにより算出された電波の到来方位と仰角とを受信情報として衛星通信により地上に送信する衛星側通信処理ステップと、前記衛星通信処理ステップにより送信された受信情報を地上で受信する地上側通信処理ステップと、前記地上側通信処理ステップにより受信された受信情報に基づいて、前記観測衛星の位置、前記アレイアンテナが電波を受信した時刻、前記電波の伝搬方向ベクトル、及び前記伝搬方向ベクトルと地表との交点である概略地表位置を算出する第２算出ステップと、前記１以上の受信機の各々から前記複数の測位衛星の各々に対する擬似距離およびキャリア位相擬似距離に基づき前記衛星信号の通過経路の総電子数を算出する総電子数算出ステップと、電子密度を推定する３次元空間を設定し、当該３次元空間を複数の領域に分割する空間設定ステップと、前記総電子数算出ステップにより算出された総電子数に基づいて前記空間設定ステップにより分割された領域毎の電子密度を推定する第１電子密度推定ステップと、前記第１電子密度推定ステップにより推定された電子密度と、前記第２算出ステップにより算出された概略地表位置及び前記アレイアンテナが電波を受信した時刻とに基づいて、前記アレイアンテナが受信した電波の伝搬経路に対応する領域の電子密度を推定する第２電子密度推定ステップと、前記第２電子密度推定ステップにより推定された電子密度と前記地上側通信処理ステップにより受信された受信情報とに基づいて、レイトレーシング手法により前記アレイアンテナが受信した電波の伝搬経路を推定する伝搬経路推定ステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、衛星から送信された電波が地表で反射され、当該反射波を衛星で受信するリモートセンシングの場合や、地上の送信源から送信された電波を衛星で受信して送信源の位置を推定するような場合に、電離層が与える影響を排して正確な伝搬経路を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１の形態の伝搬経路推定システム及び測位システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１の形態の伝搬経路推定システムにおける信号処理装置の詳細なブロック図である。
【図３】本発明の実施例１の形態の伝搬経路推定システムの動作を示すフローチャート図である。
【図４】本発明の実施例１の形態の伝搬経路推定システムにおけるレイトレーシング手法による伝搬経路推定を説明する図である。
【図５】本発明の実施例１の形態の伝搬経路推定システムの３次元電子密度推定空間設定部による３次元空間設定を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の伝搬経路推定システム及び伝搬経路推定方法の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施例１の伝搬経路推定システムの構成を示すブロック図である。この伝搬経路推定システムは、複数の測位衛星（測位衛星１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）から送信される衛星信号を受信する１以上の受信機２４を有する。なお、本発明の伝搬経路推定システムは、従来から存在する衛星信号に含まれる測位情報を用いて位置情報を得る測位システムを利用することができる。
【００１７】
まず、本実施の形態の構成を説明する。本実施例の伝搬経路推定システムは、図１に示すように、地上衛星通信系１、測位衛星１０ａ、測位衛星１０ｂ、測位衛星１０ｃ、衛星信号処理系２０、信号処理系３０、インターネットデータ処理系４０、衛星５０、電離層観測系７０、及びデータサーバ系８０で構成されている。衛星５０は、上空に存在するものであるが、伝搬経路推定システムの構成の一部であるものとする。
【００１８】
測位衛星１０ａ、測位衛星１０ｂ、測位衛星１０ｃ、及び衛星信号処理系２０は、測位システムを構成するものであり、従来の測位システムを利用してもよい。なお、インターネットデータ処理系４０も含めて測位システムとすることも可能であるが、インターネットデータ処理系４０は、必ずしも必須のものではなく、付加的なものである。また、衛星信号処理系２０、信号処理系３０、インターネットデータ処理系４０、及び電離層観測系７０は、互いに通信回線で接続されている。さらに、信号処理系３０と地上衛星通信系１とは、互いに通信回線で接続されている。
【００１９】
測位衛星１０ａ、測位衛星１０ｂ、測位衛星１０ｃは、ＧＰＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ、準天頂衛星（ＱＺＳＳ）等の航法衛星であり、複数の周波数の衛星信号を送信する。
【００２０】
衛星信号処理系２０は、アンテナ２２、衛星信号受信機２４、及び衛星信号処理装置２６から構成される。衛星信号受信機２４は、本発明の受信機に対応し、複数の測位衛星（測位衛星１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）から送信される複数の周波数の衛星信号をアンテナ２２を介して受信する。また、衛星信号処理装置２６は、衛星信号に含まれる航法情報を用いて位置情報を得るとともに、擬似距離及び位相情報を取得する。
【００２１】
衛星５０は、本発明の観測衛星に対応し、衛星通信・信号処理系５１と電源系６８と姿勢制御・航法系６９とを有している。また、衛星通信・信号処理系５１は、複数のアンテナ５２−１，５２−２，…，５２−ｎからなるアレイアンテナ５２と、アンプ５３−１，５３−２，…，５３−ｎと、周波数変換部５４−１，５４−２，…，５４−ｎと、デジタイザ５５−１，５５−２，…，５５−ｎと、リモートセンシング用送受信アンテナ５６と、アンプ５７と、周波数変換部５９と、信号処理装置５９と、通信データ処理装置６０と、復調器６１と、変調器６２と、周波数変換部６３，６４と、アンプ６５，６６と、衛星通信アンテナ６７とを備える。
【００２２】
アレイアンテナ５２は、衛星５０に設けられた通信電波受信用のアンテナであり、地上から到来して電離層を通過した電波を受信する。例えば、アレイアンテナ５２は、既存の放送局から送信され、電離層を通過して到来する放送信号（電波）を受信して受信信号を出力する。
【００２３】
アンプ５３−１〜５３−ｎは、それぞれアンテナ５２−１〜５２−ｎからの信号を増幅する。周波数変換部５４−１〜５４−ｎは、アンプ５３−１〜５３−ｎにより増幅された信号をベースバンドの信号に変換する。デジタイザ５５−１〜５５−ｎは、周波数変換部５４−１〜５４−ｎにより変換され出力された信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル受信信号として出力する。
【００２４】
信号処理装置５９は、本発明の第１算出部に対応し、デジタイザ５５−１〜５５−ｎの各々により出力されたデジタル受信信号に基づいて、アレイアンテナ５２が受信した電波の到来方位と仰角とを算出する。例えば、信号処理装置５９は、ＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法や独立成分分析(ＩＣＡ：Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ)の手法などを用いて、受信した電波の到来方位角および到来仰角・受信強度を算出する。
【００２５】
また、信号処理装置５９は、リモートセンシングを行う際にはリモートセンシング用信号を生成し、周波数変換部５８、及びアンプ５７を介して、リモートセンシング用送受信アンテナ５６からリモートセンシング用信号を送信させる。
【００２６】
通信データ処理装置６０は、本発明の衛星側通信処理部に対応し、信号処理装置５９により算出された電波の到来方位と仰角とを受信情報として衛星通信により地上に送信する。具体的には、通信データ処理装置６０は、変調器６２、周波数変換部６４、及びアンプ６６を介して、衛星通信アンテナ６７から受信情報を衛星通信により地上に向けて送信する。また、衛星通信アンテナ６７は、送信のみならず衛星通信により双方向の情報の授受が可能であり、受信した情報はアンプ６５、周波数変換部６３、及び復調器６１を介して通信データ処理装置６０に送る。
【００２７】
地上衛星通信系１は、衛星通信アンテナ１１、アンプ１２ａ，１２ｂ、周波数変換部１３ａ，１３ｂ、復調器１４、通信データ処理装置１５、変調器１６、及びアンテナ制御装置１７により構成される。なお、地上衛星通信系１は、本発明の地上側通信処理部に対応し、衛星側通信処理部（通信データ処理装置６０）により送信された受信情報を地上で受信する。
【００２８】
具体的には、衛星通信アンテナ１１は、衛星５０から送信された受信情報を受信し、アンプ１２ａ、周波数変換部１３ａ、及び復調器１４を介して通信データ処理装置１５に送る。通信データ処理装置１５は、通信回線を介して受信情報を信号処理系３０やデータサーバ系８０に出力する。また、通信データ処理装置１５は、変調器１６、周波数変換部１３ｂ、及びアンプ１２ｂを介して衛星通信アンテナ１１から情報を送信することも可能である。また、通信データ処理装置１５は、アンテナ制御装置１７に衛星通信アンテナ１１を制御させることにより、効率よく情報の送受信を行うことができる。
【００２９】
信号処理系３０は、信号処理装置３２を有し、通信回線を介して得た情報に基づき衛星位置、信号通過経路の電離層総電子数（ＴＥＣ）、周波数間バイアス、伝搬経路等を算出する。信号処理装置３２の詳細な構成については後述する。受信したデータ・処理結果は、データサーバ系８０へＬＡＮ経由で伝送され保存される。
【００３０】
インターネットデータ処理系４０は、ルータ４２、ＧＥＯＮＥＴ収集データ処理装置４４、及び外部インターネット網４６で構成されている。ルータ４２は、スイッチングハブでもよい。インターネットデータ処理系４０は、公開されている電離層関連の情報や国土地理院が公開しているＧＰＳ観測データ（ＧＥＯＮＥＴデータ）や国際的に観測結果を公開しているＩＧＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＧＰＳ Ｓｅｒｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｇｅｏｄｙｎａｍｉｃｓ）データ等をインターネット経由で収集する装置である。インターネットデータ処理系４０により収集された結果は、信号処理系３０で処理される。ルータ４２は、セキュリティを考慮して設けられ、ファイアウォールとする。
【００３１】
電離層観測系７０は、イオノゾンデ用アンテナ７２と、イオノゾンデ７４と、イオノゾンデ収集データ処理装置７６とを備える。イオノゾンデ７４は、イオノゾンデ用アンテナ７２を介して複数の周波数の観測信号を電離層に送信し、送信した観測信号が電離層で反射された反射信号を受信して、観測信号の往復時間等のデータを収集する。
【００３２】
イオノゾンデ収集データ処理装置７６は、イオノゾンデ７４で収集したデータから、電離層の高さ方向の電子密度分布情報（Ｅ層ピーク電子密度、Ｅ層ピーク電子密度高度、Ｆ１層ピーク電子密度、Ｆ１層ピーク電子密度高度、Ｆ２層ピーク電子密度、Ｆ２層ピーク電子密度高度、臨海（プラズマ）周波数など）を算出し、得られた算出結果を通信回線を介して信号処理系３０に送信する。また、イオノゾンデ収集データ処理装置７６は、イオノゾンデ７４で収集したデータを通信回線を介してデータサーバ系８０に送信する。
【００３３】
データサーバ系８０は、データ収集部８２を備える。データ収集部８２は、通信回線を介して地上衛星通信系１や信号処理系３０で得られた各種演算結果や各種データを受け取り、保存する。
【００３４】
図２は、本発明の実施例１の伝搬経路推定システムにおける信号処理装置３２の詳細なブロック図である。図２に示すように、信号処理装置３２は、衛星ＴＥＣ算出部３３、ＴＥＣバイアス補正部３４、周波数間バイアス推定部３５、３次元電子密度推定空間設定部３６、電子密度モデル算出部３７、第１電子密度推定部３８、第２電子密度推定部３９、受信情報処理部４１、伝搬経路推定部４３、及び補正部４５で構成されている。
【００３５】
衛星ＴＥＣ算出部３３、ＴＥＣバイアス補正部３４、及び周波数間バイアス推定部３５は、本発明の総電子数算出部に対応し、１以上の受信機の各々から複数の測位衛星の各々に対する擬似距離及びキャリア位相擬似距離に基づき衛星信号の通過経路の総電子数を算出する。
【００３６】
衛星ナビゲーションシステム「Ｇａｌｉｌｅｏ」やＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、ＱＺＳＳ（Ｑｕａｓｉ Ｚｅｎｉｔｈ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ Ｓｙｓｔｅｍ；準天頂衛星システム）等の衛星から送信される信号は、地球上の観測点の測位を行うのに利用される。これらの衛星により放送される複数周波数信号の擬似距離差は、電波の伝搬経路上の電子数に関係していることが知られている。
【００３７】
衛星から地上に向けて送信される信号は、電離層を通過する際に伝搬遅延量を生じる。この電離層伝搬遅延量は、伝搬する信号の周波数に依存している。そのため、衛星からの複数の周波数信号を受信することにより、信号の通過経路における総電子数（ＴＥＣ：Ｔｏｔａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｏｎｔｅｎｔ）を得ることができる。電波の伝搬経路上の総電子数を推定する場合には、複数周波数信号の送信・受信時刻による擬似距離（コード距離）差を使用する方法や複数周波数のキャリア位相擬似距離（フェーズ距離）の差を利用する方法が知られている。
【００３８】
具体的には、衛星ＴＥＣ算出部３３は、衛星信号受信機２４から測位衛星１０ａ、１０ｂ、１０ｃの各々に対する擬似距離及びキャリア位相擬似距離に基づき衛星信号の通過経路の総電子数を算出する。
【００３９】
周波数間バイアス推定部３５は、周波数間バイアスを算出し、ＴＥＣバイアス補正部３４に出力する。周波数間バイアス推定部３５による周波数間バイアスの推定方法は、どのようなものでもよく、従来手法を用いてよい。
【００４０】
ＴＥＣバイアス補正部３４は、周波数間バイアス推定部３５により推定された周波数間バイアスを用いて補正を行い、最終的な総電子数を算出する。
【００４１】
３次元電子密度推定空間設定部３６は、本発明の空間設定部に対応し、電子密度を推定する３次元空間を設定し、当該３次元空間を複数の領域に分割する。
【００４２】
電子密度モデル算出部３７は、上述したようなＩＲＩモデルやＧａｌｌａｇｈｅｒモデル等の電離層電子密度モデル関数に基づき電子密度モデルを算出する。
【００４３】
第１電子密度推定部３８は、総電子数算出部（ＴＥＣバイアス補正部３４）により算出された総電子数に基づいて３次元電子密度推定空間設定部３６により分割された領域毎の電子密度を推定する。本実施例において、第１電子密度推定部３８は、非特許文献１１や非特許文献１２に記載されているようなＭＡＲＴ（Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｖｅ Ａｌｇｅｂｒａｉｃ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）の手法を用いて電子密度を推定するものとする。なお、非特許文献１１や非特許文献１２には、トモグラフィ手法による衛星ＴＥＣを用いた３次元電子密度推定が記載されており、ＭＡＲＴと呼ばれる代数的再構成法が適用されている。一方、非特許文献７には、ＧＳＶＤ（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ｓｉｎｇｕｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いたトモグラフィック再構成による電子密度推定が記載されている。
【００４４】
受信情報処理部４１は、本発明の第２算出部に対応し、地上衛星通信系１により受信された受信情報に基づいて、衛星５０の位置、アレイアンテナ５２が電波を受信した時刻、電波の伝搬方向ベクトル、及び伝搬方向ベクトルと地表との交点である概略地表位置を算出する。なお、受信情報処理部４１は、通信回線を介して地上衛星通信系１内の通信データ処理装置１５から受信情報を得る。
【００４５】
第２電子密度推定部３９は、第１電子密度推定部３８により推定された電子密度と、受信情報処理部４１により算出された概略地表位置及びアレイアンテナ５２が電波を受信した時刻とに基づいて、アレイアンテナ５２が受信した電波の伝搬経路に対応する領域の電子密度を推定する。
【００４６】
伝搬経路推定部４３は、第２電子密度推定部３９により推定された電子密度と地上衛星通信系１により受信された受信情報とに基づいて、レイトレーシング手法によりアレイアンテナ５２が受信した電波の伝搬経路を推定する。なお、伝搬経路推定部４３は、通信回線を介して地上衛星通信系１内の通信データ処理装置１５から受信情報を得てもよいし、受信情報処理部４１から受信情報を得てもよい。また、レイトレーシング手法の詳細については、例えば非特許文献６に記載されている。
【００４７】
また、衛星５０がリモートセンシングを行う場合には、伝搬経路推定部４３は、第２電子密度推定部３９により推定された電子密度に基づいて、レイトレーシング手法により衛星５０が送信した電波の伝搬経路を推定することもできる。
【００４８】
補正部４５は、第２電子密度推定部３９により推定された電子密度に基づいて、伝搬経路推定部４３により推定された伝搬経路上の伝搬遅延量と位相の変化量とを算出するとともに、算出結果を用いて地上衛星通信系１により受信された受信情報の補正を行う。なお、補正部４５は、伝搬経路推定部４３を介して第２電子密度推定部３９により推定された電子密度の情報を得るものとする。また、補正部４５は、補正した受信情報をデータサーバ系８０に出力して保存してもよいし、補正した受信情報を受信情報処理部４１にフィードバックさせて伝搬経路推定を伝搬経路推定部４３に再度行わせてもよい。
【００４９】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図３は、本実施例の伝搬経路推定システムの動作を示すフローチャート図である。ここでは、リモートセンシングを行う場合について述べる。まず衛星５０は、信号処理装置５９でリモートセンシング用信号を生成し、リモートセンシング用送受信アンテナ５６からリモートセンシング用信号を地表に向けて送信する。送信されたリモートセンシング用信号は、地表で反射し、反射波として衛星５０に戻る。衛星５０に設けられたアレイアンテナ５２は、地表で反射し電離層を通過した電波を受信する。
【００５０】
信号処理装置５９は、アレイアンテナ５２が受信した電波の到来方位と仰角とを算出する。この信号処理装置５９の動作は、本発明の第１算出ステップに対応する。通信データ処理装置６０は、信号処理装置５９により算出された電波の到来方位と仰角・信号強度とを受信情報として衛星通信により地上に送信する。なお、デジタイザ５５−１〜５５−ｎによりデジタイズされたデータを衛星通信により地上へ送信し、信号処理系３０で到来方位と仰角とを算出してもよい。この通信データ処理装置６０の動作は、本発明の衛星側通信処理ステップに対応する。なお、通信データ処理装置６０は、受信情報に衛星５０が電波を送信あるいは受信した時刻の情報も入れるものとする。
【００５１】
地上衛星通信系１は、衛星側通信処理部（通信データ処理装置６０）により送信された受信情報を地上で受信する。この地上衛星通信系１の動作は、本発明の地上側通信処理ステップに対応する。
【００５２】
信号処理装置３２内の受信情報処理部４１は、地上衛星通信系１により受信された受信情報に基づいて、衛星５０の位置、リモートセンシング用送受信アンテナ５６が信号を送信した時刻、アレイアンテナ５２が電波を受信した時刻、電波の伝搬方向ベクトル、及び伝搬方向ベクトルと地表との交点である概略地表位置を算出する（ステップＳ１）。また、ステップＳ１は、本発明の第２算出ステップに対応する
具体的には、受信情報処理部４１は、衛星５０が電波を送信あるいは受信した時刻に関する情報を受信情報から得るとともに、非特許文献１０に記された方法を用いて、衛星５０の軌道６要素から衛星５０の地球固定座標系で軌道位置（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）を計算する。なお、受信情報処理部４１は、予めＩＴＵ−Ｒの衛星軌道情報を記録媒体等を介して備えていてもよいし、インターネット等を介して外部から衛星軌道情報を得てもよい。また、受信情報に衛星５０の位置の情報が含まれている場合には、受信情報処理部４１は、必ずしも衛星５０の位置計算を独自に行う必要はなく、受信情報から得ればよい。
【００５３】
さらに、受信情報処理部４１は、衛星位置（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）と衛星５０のアンテナで受信した電波の方位（φ）、仰角（θ）方向（衛星固定座標系）とに基づいて、電波の伝搬方向ベクトルを求めるとともに、このベクトルと地表面との交点を概略地表位置（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）として求める。その際に、受信情報処理部４１は、地球固定座標系としてＷＧＳ８４座標系あるいは国土地理院が採用している測地成果２０００で使用している座標系（ＩＴＲＦ９４とＧＲＳ８０）を用いるものとする。
【００５４】
なお、図４は、本実施例の伝搬経路推定システムにおけるレイトレーシング手法による伝搬経路推定を説明する図である。受信情報処理部４１により求められる概略地表位置は、図４に示すように、レイトレーシング無しで電離層における伝搬経路変化を考慮しない伝搬方向ベクトルと地表との交点である。
【００５５】
次に、信号処理装置３２は、３次元電子密度の推定を行う（ステップＳ２）。具体的には、衛星ＴＥＣ算出部３３は、１以上の受信機の各々から複数の測位衛星の各々に対する擬似距離およびキャリア位相擬似距離に基づき衛星信号の通過経路の総電子数を算出する（本発明の総電子数算出ステップに対応）。すなわち、衛星ＴＥＣ算出部３３は、広範囲に設置した衛星受信機収集データからＧＰＳ等の衛星のＴＥＣを計算する。ここで、本実施例の衛星ＴＥＣ算出部３３は、衛星から放送される２周波の信号（ＧＰＳ衛星のＬ１周波数（１５７５．４２ＭＨｚ）とＬ２周波数（１２２７．６０ＭＨｚ）の信号）に基づいて信号伝搬経路のＴＥＣを算出するものとする。ＧＰＳ以外でも異なる２周波を放送している場合には同様な手法が使用できる。
【００５６】
ここでは、測位衛星１０ａと衛星信号受信機２４との間の擬似距離について考える。衛星信号通過経路のＴＥＣは、測位衛星１０ａから送信される衛星信号（ここではＬ１とＬ２で示す）に基づき求められる。まず、擬似距離（コード距離、シュードレンジ）とキャリア位相擬似距離（フェーズ距離）は、以下のように表すことができる。
【数１】
【００５７】
ここで、ρは、遅延時間による距離（擬似距離）を示す。また、Φは、キャリア位相を示す。ｒは、真の距離を示す。ｃは光速である。また、δｔｕは、受信機時刻誤差を示し、δｔｓは、衛星時刻誤差を示す。なお、本実施例において、右下の添え字は基本的に地上（受信機等）に関連する項を示し、右上の添え字は基本的に上空（衛星等）に関連する項を示す。δｔｕ、Ｌ１ｏｒＬ２ ｂｉａｓは、受信機周波数依存ハードウェア依存バイアスを示し、δｔｓＬ１ｏｒＬ２ ｂｉａｓは、衛星周波数依存ハードウェア依存バイアスを示す。さらに、Ｉは、電離層伝搬遅延量を示し、Ｔは、対流圏伝搬遅延量を示す。ＮＬ１ｏｒＬ２，ａｍｂは、整数不確定値を示し、εは、観測誤差を示す。
【００５８】
衛星ＴＥＣ算出部３３は、２つの周波数の観測値の差（遅延時間の差）をとることにより、ＴＥＣを求めることができる。
【数２】
【００５９】
（３）式は、２つの周波数の遅延時間の差を示す。（４）式は、位相距離の差を示す。ここで、ｆは周波数である。また、λは波長を示す。Δｂｉａｓは、周波数間バイアスを示す。また、ＴＥＣｔｒｕｅは、真の総電子数を示す。
【００６０】
次に、ＴＥＣバイアス補正部３４は、周波数間バイアス推定部３５により事前に推定された周波数間バイアスΔｂｉａｓによる補正をＴＥＣに実施する。まず、バイアス補正後の２つの周波数の遅延時間差は、次式により表される。
【数３】
【００６１】
ここで、（６）式には、観測値から分からない不確定値（λＬ１ΔＮＬ１，ａｍｂ−λＬ２ΔＮＬ２，ａｍｂ）が含まれている。そこで、ＴＥＣバイアス補正部３４は、（５）式と（６）式とを組み合わせて、以下に示す式により整数不確定値を削除する。この手法は、非特許文献３にも記載されている。
【数４】
【００６２】
ここで、添え字ｋは、データの番号を示す。また、Ｍは、連続的に収集できたサンプル数の合計を示す。さらに、ＴＥＣｋ，ｕは、衛星ｕの伝搬経路上の総電子数（個／ｍ２）を示す。
【００６３】
電子密度モデル算出部３７は、電離層電子密度モデル関数に基づき電子密度モデルを算出し、算出した電子密度モデルを３次元電子密度推定空間設定部３６に出力する。なお、電子密度モデル算出部３７による電離層モデルは、例えば非特許文献１，２，４等に記載されている。
【００６４】
次に、３次元電子密度推定空間設定部３６は、電子密度を推定する３次元空間を設定し、当該３次元空間を複数の領域に分割する。この３次元電子密度推定空間設定部３６の動作は、本発明の空間設定ステップに対応する。また、３次元電子密度推定空間設定部３６は、推定する３次元空間の電離層電子密度モデル値あるいは推定値を設定する。
【００６５】
具体的には、３次元電子密度推定空間設定部３６は、衛星から衛星受信機が配置されている地点まで３次元空間における電離層を、緯度・経度・高さ方向に分割し、電離層モデル値を使用して分割した領域内あるいは格子点の位置の電子密度を設定する。非特許文献１，２等に記載されたＩＲＩモデルは、高さ１０００ｋｍまでが有効範囲であるため、衛星が存在する空間までは設定できない。そこで、３次元電子密度推定空間設定部３６は、例えば非特許文献４に記載されたＧＣＰＭ（Ｇｌｏｂａｌ Ｃｏｒｅ Ｐｌａｓｍａ Ｍｏｄｅｌ）を用いる手法や、ＩＲＩモデルの約４００ｋｍ〜１０００ｋｍを外挿する手法を採用することができる。
【００６６】
図５は、本実施例の伝搬経路推定システム３２内の３次元電子密度推定空間設定部３６による３次元空間設定を説明する図である。本実施例の３次元電子密度推定空間設定部３６は、図５に示すように、３次元空間をＸ１〜Ｘ１２の１２個の領域（ブロック）に分割しているが、実際には膨大な数のブロック数となる。図５において、測位衛星Ｓ１〜Ｓ４と衛星信号受信機Ｒｘ１〜Ｒｘ３との間における信号通過経路は、矢印により表されている。図５の衛星・ＴＥＣ・電子密度の関係は、次式により表される。
【数５】
【００６７】
（９）式において、Ｘ１〜Ｘ１２は、空間を分割した領域（メッシュ）の電子密度を示し、現時点では不明である。また、ＴＥＣｉｊは、ｉ衛星・ｊ受信機間で決まる総電子数を示す。例えば、図５中の太い矢印ＴＥＣ２１は、測位衛星Ｓ２と衛星信号受信機Ｒｘ１との間の信号通過経路における総電子数を示す。ＴＥＣバイアス補正部３４により出力されたＴＥＣの値は、（９）式の右辺に代入される。
【００６８】
ここで、（９）式の行列式をＡＸ＝Ｅと表すことにする。行列Ａの中のゼロでない要素（１で表されている要素）は、ｉ衛星・ｊ受信機間の信号が通過したメッシュを示す。第１電子密度推定部３８は、ＡＸ＝Ｅの式における電子密度Ｘ（Ｘ１〜Ｘ１２）をトモグラフィ手法を用いて推定する。
【００６９】
具体的には、第１電子密度推定部３８は、ＭＡＲＴあるいはＧＳＶＤ手法により、衛星信号通過経路の電子密度を推定する。すなわち、電子密度推定部３８は、総電子数算出部（ＴＥＣバイアス補正部３４）により算出された総電子数に基づいて３次元電子密度推定空間設定部３６により分割された領域毎の電子密度を推定する。この電子密度推定部３８の動作は、本発明の電子密度推定ステップに対応する。
【００７０】
なお、本実施例において、第１電子密度推定部３８は、ＭＡＲＴあるいはＧＳＶＤ手法により電子密度を推定するが、本発明を実現するためには、必ずしもいずれかの手法を使う必要はなく、衛星信号受信機が得た観測値に基づいて暫定的に各領域の電子密度を推定できればよい。
【００７１】
ＭＡＲＴの手法は、上述したように非特許文献５，６等に記載されているが、ここで簡潔に説明する。
【数６】
【００７２】
（１０）式は、ＭＡＲＴのアルゴリズムを示す式である。ａｉは、（９）式のＡ行列ｉ行ベクトルを表す。また、ａｉｊは、Ａ行列のｉｊ成分を表す。Ｘｊは、Ｘ列行列のｊ成分を表す。さらに、Ｅｉは、（９）式のＥ行列のｉ成分を表している。また、λは、収束の度合いを決めるパラメータである。
【００７３】
第１電子密度推定部３８は、（１０）式に示すＭＡＲＴのアルゴリズムを使用して、（１０）式の値が収束するまで繰り返し処理を実施し、３次元電子密度推定空間設定部３６により分割された領域毎の電子密度を推定する。その際に、電子密度推定部３８は、ＴＥＣバイアス補正部３４により出力されたＴＥＣの値をＥ行列の値に使用するとともに、電子密度モデル算出部３７により算出されたモデル値をＸの初期値として使用する。
【００７４】
なお、第１電子密度推定部３８は、信号が全く通過していない空間の電子密度を推定することはできない。
【００７５】
ＧＳＶＤ手法を採用する場合には、第１電子密度推定部３８は、以下に示す方式で電子密度を求める。なお、ＧＳＶＤ手法については、非特許文献１３に記載がある。
【数７】
【００７６】
（１１）式のＬは、Ｔｉｋｈｏｎｏｖ行列と呼ばれる。０次のＴｉｋｈｏｎｏｖ正規化では、Ｌを単位行列とする。αは、正規化パラメータで、α＞０とする。また、Ｌは、正値２次形式行列（固有値が全て正）である。
【００７７】
（１１）式を満足する電子密度Ｘは、次式で表すことができる。
【数８】
【００７８】
なお、第１電子密度推定部３８は、ＡＸ＝Ｅの式における電子密度Ｘ（Ｘ１〜Ｘ１２）を推定する際に、本発明の発明者により発明され既に出願されている特願２００９−２９７３０９に記載された手法を用いて電子密度を推定してもよい。
【００７９】
また、非特許文献１４及び非特許文献１５には、電離層を球核の薄い層とみなした電子密度計算について記載されており、ＧＰＳを使用した観測結果のみに基づいて３次元電子密度推定を試みている。さらに、非特許文献１６には、３次元方向の電子密度分布を高さ方向に計算した場合について記載されている。
【００８０】
また、第１電子密度推定部３８は、電離層観測系２のイオノゾンデ収集データ処理装置７６で算出した電離層の高さ方向の電子密度分布情報等を利用してもよい。
【００８１】
次に、第２電子密度推定部３９は、第１電子密度推定部３８により推定された電子密度と、受信情報処理部４１により算出された概略地表位置（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）及びアレイアンテナ５２が電波を受信した時刻とに基づいて、アレイアンテナ５２が受信した電波の伝搬経路に対応する領域の電子密度を推定する。この第２電子密度推定部３９の動作は、本発明の第２電子密度推定ステップに対応する。
【００８２】
また、第２電子密度推定部３９は、第１電子密度推定部３８により推定された電子密度と、受信情報処理部４１により算出された概略地表位置（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）及びリモートセンシング送受信アンテナ５６が電波を送信した時刻と送信時の衛星位置とに基づいて、リモートセンシング送受信アンテナ５６が送信した電波の伝搬経路に対応する領域の電子密度を推定することもできる。
【００８３】
次に、信号処理装置３２は、衛星位置からレイトレーシングを行う（ステップＳ３）。具体的には、伝搬経路推定部４３は、第２電子密度推定部３９により推定された電子密度と地上衛星通信系１により受信された受信情報とに基づいて、レイトレーシング手法によりアレイアンテナ５２が受信した電波の伝搬経路を推定する。この伝搬経路推定部４３の動作は、本発明の伝搬経路推定ステップに対応する。あるいは、伝搬経路推定部４３は、第２電子密度推定部３９により推定された電子密度に基づいて、レイトレーシング手法により衛星５０が送信した電波の伝搬経路を推定する。
【００８４】
すなわち、伝搬経路推定部４３は、非特許文献５，６に記載されているレイトレーシング手法により、まず衛星送信時刻ｔｓ、衛星位置（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）、衛星位置（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）ｓｎｄ、信号送信（地表送信源からの電波の受信の場合は信号送信源）方向（方位（φｓｎｄ）、仰角（θｓｎｄ））に対してレイトレーシングを実施する。その際に、伝搬経路推定部４３は、第２電子密度推定部３９により推定された電子密度を使用してレイトレーシングを行う。伝搬経路推定部４３は、レイトレーシング結果に基づいて推定される、衛星５０から送信された電波が地表に到達した際の地表面における位置をレイトレーシング推定値（Ｘｅｒ１，Ｙｅｒ１，Ｚｅｒ１）とし、通過経路上の電子密度をρ（ｓ）ｓｎｄとする。ここで、ｓは、通過経路上の場所を示す変数である。
【００８５】
なお、地表送信源からの電波を受信した場合においては、伝搬経路推定部４３は、上述した動作を行うことにより処理が完了する。すなわち、伝搬経路推定部４３は、非特許文献５，６に記載されているレイトレーシング手法により、衛星受信時刻ｔｒ、衛星位置（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）、信号受信方向（方位（φｒｃｖ）、仰角（θｒｃｖ））に対してレイトレーシングを実施し、レイトレーシング推定位置を、緯度・経度・高さに変換して、送信源の位置を特定する。
【００８６】
また、リモートセンシングを行う場合に地上からの反射波を受信した際には、伝搬経路推定部４３は、非特許文献５，６に記載されているレイトレーシング手法により、地表面からの反射波を受信した時刻ｔｒ、衛星位置（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）ｒｃｖ、信号受信方向（方位（φｒｃｖ）、仰角（θｒｃｖ））から、同様に衛星５０から信号受信方向に対するレイトレーシングを実施する。その際に、伝搬経路推定部４３は、第２電子密度推定部３９により推定された電子密度を使用してレイトレーシングを行う。伝搬経路推定部４３は、レイトレーシング結果に基づいて推定される、地表面で電波が反射した位置をレイトレーシング推定値（Ｘｅｒ２，Ｙｅｒ２，Ｚｅｒ２）とし、通過経路上の電子密度をρ（ｓ）ｒｃｖとする。
【００８７】
本実施例の伝搬経路推定システムは、以上のようにして衛星５０が送信あるいは受信した電波の伝搬経路を推定することができ、リモートセンシングの際の地表における反射位置をより正確に推定することができる。また、地上の送信源から送信された電波を衛星５０で受信した場合には、本実施例の伝搬経路推定システムは、送信源位置をより正確に特定することができる。
【００８８】
さらに、信号処理装置３２は、電離層による伝搬遅延量・位相変化量を推定する（ステップＳ４）。具体的には、補正部４５は、第２電子密度推定部３９により推定された電子密度に基づいて、伝搬経路推定部４３により推定された伝搬経路上の伝搬遅延量と位相の変化量とを算出する。すなわち、補正部４５は、伝搬経路上の電子密度ρ（ｓ）ｓｎｄ及びρ（ｓ）ｒｃｖに基づいて、伝搬遅延量と位相の変化量とを算出する。
【００８９】
補正部４５は、電離層により生じる伝搬遅延量Δτｔｏｔａｌを、（１３）式と（１５）式とを用いて計算することができる。
【数９】
【００９０】
ここで、ｅは電子の電荷を示す。また、ｍｅは電子の質量を示す。ε０は真空の誘電率を示す。ｆは送受信周波数を示す。
【００９１】
また、補正部４５は、衛星５０からの電波の送受信の際に電離層により生じる位相量Δφｔｏｔａｌを、（１４）式と（１５）式とを用いて計算することができる。
【００９２】
さらに、補正部４５は、電離層により生じる位相差の送受信差Δφｓｒを、次式を用いて計算することができる。
【数１０】
【００９３】
このようにして求めた電離層による伝搬遅延量・位相変化量は、例えば衛星５０と地表との距離を求めるうえでも役立つ。
【００９４】
さらに、補正部４５は、衛星観測結果の補正を行う（ステップＳ５）。すなわち、補正部４５は、算出結果を用いて地上衛星通信系１により受信された受信情報の補正を行う。具体的には、補正部４５は、ステップＳ４で計算した伝搬遅延量Δτｔｏｔａｌ、位相量Δφｔｏｔａｌ、位相差Δφｓｒを使用し、衛星５０で送受信した電波の観測結果の補正を実施する。
【００９５】
補正部４５は、例えば、補正した受信情報をデータサーバ系８０に出力して保存してもよいし、補正した受信情報を受信情報処理部４１にフィードバックさせて伝搬経路推定を伝搬経路推定部４３に再度行わせてもよい。
【００９６】
上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係る伝搬経路推定システム及び伝搬経路推定方法によれば、衛星５０から送信された電波が地表で反射され、当該反射波を衛星５０で受信するリモートセンシングの場合や、地上の送信源から送信された電波を衛星５０で受信して送信源の位置を推定するような場合に、電離層が与える影響を排して正確な伝搬経路を推定することができる。
【００９７】
また、本実施例の伝搬経路推定システムは、正確な伝搬経路推定を行った結果、リモートセンシングの際の地表における反射位置をより正確に推定することができる。あるいは、地上の送信源から送信された電波を衛星５０で受信した場合には、本実施例の伝搬経路推定システムは、送信源位置をより正確に特定することができる。
【００９８】
さらに、補正部４５は、推定した伝搬経路に基づいて、伝搬遅延量Δτｔｏｔａｌ、位相量Δφｔｏｔａｌ、位相差Δφｓｒを計算し、衛星５０で送受信した電波の観測結果の補正を行うことができ、より正確な観測結果を得られることができる。また、本実施例の伝搬経路推定システムは、補正した観測結果をフィードバックして、伝搬経路推定の近似精度を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明に係る伝搬経路推定システム及び伝搬経路推定方法は、リモートセンシングや送信源位置推定を行う際に、観測衛星で送受信される電波の伝搬経路を推定する伝搬経路推定システムに利用可能である。
【符号の説明】
【０１００】
１ 地上衛星通信系
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 測位衛星
１１ 衛星通信アンテナ
１２ａ，１２ｂ アンプ
１３ａ，１３ｂ 周波数変換部
１４ 復調器
１５ 通信データ処理装置
１６ 変調器
１７ アンテナ制御装置
２０ 衛星信号処理系
２２ アンテナ
２４ 衛星信号受信機
２６ 衛星信号処理装置
３０ 信号処理系
３２ 信号処理装置
３３ 衛星ＴＥＣ算出部
３４ ＴＥＣバイアス補正部
３５ 周波数間バイアス推定部
３６ ３次元電子密度推定空間設定部
３７ 電子密度モデル算出部
３８ 第１電子密度推定部
３９ 第２電子密度推定部
４０ インターネットデータ処理系
４１ 受信情報処理部
４２ ルータ
４３ 伝搬経路推定部
４４ ＧＥＯＮＥＴ収集データ処理装置
４５ 補正部
４６ 外部インターネット網
５０ 衛星
５１ 衛星通信・信号処理系
５２ アレイアンテナ
５３ アンプ
５４ 周波数変換部
５５ デジタイザ
５６ リモートセンシング用送受信アンテナ
５７ アンプ
５８ 周波数変換部
５９ 信号処理装置
６０ 通信データ処理装置
６１ 復調器
６２ 変調器
６３，６４ 周波数変換部
６５，６６ アンプ
６７ 衛星通信アンテナ
６８ 電源系
６９ 姿勢制御・航法系
７０ 電離層観測系
７２ イオノゾンデ用アンテナ
７４ イオノゾンデ
７６ イオノゾンデ収集データ処理装置
８０ データサーバ系
８２ データ収集部
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ 測位衛星
Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３ 衛星信号受信機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星からリモートセンシングを行う場合や地上から衛星に到来した電波を受信して送信源位置を推定する際に、電離層を通過する電波の伝搬経路を電子密度分布を利用して補正する伝搬経路推定システム及び伝搬経路推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、衛星から電波を送信し、地表からの反射波を衛星で受信することにより地表の観測を行うリモートセンシングの手法が多く用いられており、地表の地形把握や資源探査等に利用されている。例えば、特許文献１には、地球観測衛星の観測データであるリモートセンシングデータを高度解析処理する手段を有する洪水予測システムが記載されている。この洪水予測システムは、リモートセンシングによる衛星画像データ及びＧＰＳデータ等を使用して、洪水災害のシミュレーションを行うことにより、リアルタイムに洪水を予測し、コストや期間も軽減することができる。
【０００３】
また、特許文献２には、電離層を通過して到来した電波の送信源の位置を推定することができるアレイアンテナ装置及び送信源位置推定方法が記載されている。このアレイアンテナ装置及び送信源位置推定方法は、受信した電波の到来方法及び仰角を測定し、ＩＲＩ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ）モデル等の電離層電子密度分布モデル等を用いてレイトレーシング手法等により電波の伝搬経路を推定し、送信源の位置を推定することができる。
【０００４】
非特許文献１や非特許文献２には、電離層における電子密度モデル関数であるＩＲＩ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ）モデルが記載されている。さらに、非特許文献４には、やはり電離層電子密度モデル関数の一つであるＧａｌｌａｇｈｅｒのモデルが記載されている。これらのモデル関数を用いて計算により総電子数（ＴＥＣ：Ｔｏｔａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｏｎｔｅｎｔ）を求めることもできる。
【０００５】
ＨＦ帯を用いた電波通信において、受信した電波の到来方法及び仰角を測定し、この到来方法及び仰角と、ＩＲＩモデル等の電離層電子密度分布モデル等とを用いて、レイトレーシング手法等により電波の伝搬経路を計算する手法については、非特許文献５，６，７に記載されている。また、非特許文献８には、電波の伝搬特性を予測する手法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１１５８２号公報
【特許文献２】特開２０１０−８１１０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｄｉｅｔｅｒ Ｂｉｌｉｔｚａ：“Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ ２０００”，Ｒａｄｉｏ．Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．３６，Ｎｕｍｂｅｒ２，ＰＰ２６１−２７５，Ｍａｒｃｈ／Ａｐｒｉｌ，２００１
【非特許文献２】Ｄｉｅｔｅｒ Ｂｉｌｉｔｚａ，ｅｔ，ａｌ．，：“Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ １９９０”，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，１９９０．
【非特許文献３】Ａ．Ｋｏｍｊａｔｈｙ：‘Ｇｌｏｂａｌ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｔｏｔａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｏｎｔｅｎｔ Ｍａｐｐｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ’ ，ＵＮＢ，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．１８８，Ｓｅｐ．１９９７．
【非特許文献４】Ｇａｌｌａｇｈｅｒ，Ｄ．Ｌ．，Ｐ．Ｄ．Ｃｒａｖｅｎ，ａｎｄ Ｒ．Ｈ．Ｃｏｍｆｏｒｔ，Ｇｌｏｂａｌ ｃｏｒｅ ｐｌａｓｍａ ｍｏｄｅｌ，Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．１０５，Ａ８，１８，８１９−１８，８３３，２０００．
【非特許文献５】前田憲一，後藤三男：“電波伝搬”，岩波全書，１９５３年２月
【非特許文献６】Ｋ．Ｇ．Ｂｕｄｅｎ：“Ｔｈｅ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｄｉｏ ｗａｖｅｓ”．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，１９８８．
【非特許文献７】Ｉｗａｎｅ Ｋｉｍｕｒａ：“Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｉｏｎｓ ｏｎ Ｗｈｉｓｔｌｅｒ−Ｍｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｒａｃｉｎｇ”，Ｒａｄｉｏ Ｓｃｉｅｎｃｅ．Ｖｏｌ．Ｉ，Ｎｏ．３，２６９−２８３，Ｍａｒｃｈ １９６６．
【非特許文献８】“ＨＦ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ”，ＩＴＵ−Ｒ Ｐ．５３３−７．
【非特許文献９】Ａ．Ｌｏｒｅｎｃｅ，ｅｔ ａｌ：“Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｒａｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ”，Ｇｅｏｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．１０，ｐｐ１４５１−１４５４，Ｍａｙ１５，２０００．
【非特許文献１０】長沢工：“天体の位置計算”，地人書館，１９８５
【非特許文献１１】Ｒａｙｍｕｎｄ，Ｔ．Ｄ．，Ａｕｓｔｉｎ，Ｊ．Ｒ．，Ｆｒａｎｋｅ，Ｓ．Ｊ．，Ｌｉｕ，Ｃ．Ｈ．，Ｋｌｏｂｕｃｈａｒ，Ｊ．Ａ．，ａｎｄ Ｓｔａｌｋｅｒ，Ｊ．，：“Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｍｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｔｏ ｔｈｅ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”，Ｒａｄｉｏ Ｓｃｉ．，２５（５），７７１−７８９，１９９０．
【非特許文献１２】Ｓｔｅｆａｎ Ｓｃｈｌｕｅｒ，ｅｔ ａｌ．：“Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｈｅ ３ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＧＰＳ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”
【非特許文献１３】Ｋ．Ｂｈｕｙａｎ，ｅｔ ａｌ：“Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ ｕｓｉｎｇ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ” ，Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｃｉ．，Ｖｏｌ１．８３，Ｎｏ．９，１０ Ｎｏｖ．，２００２．
【非特許文献１４】Ｏｔｕｋａ，Ｙ．，ｅｔ．ａｌ．：“Ａ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｍａｐｐｉｎｇ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｕｓｉｎｇ ＧＰＳ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎ Ｊａｐａｎ，”，Ｅａｒｔｈ Ｐｌａｎｅｔｓ Ｓｐａｃｅ，１１１−１２０，２００１．
【非特許文献１５】Ｍａ，Ｇ．，ａｎｄ Ｔ．Ｍａｒｕｙａｍａ（２００３），Ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ ＴＥＣ ａｎｄ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｌ ｂｉａｓｅｓ ｆｒｏｍ ＧＥＯＮＥＴ ｉｎ Ｊａｐａｎ，Ａｎｎ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．，２１，２０８３−２０９３．
【非特許文献１６】五十嵐来良，斉藤昭則，大塚雄一：“標準電離層モデル（ＩＲＩ）で導出したＴＥＣとＧＰＳ受信機網で観測したＴＥＣの比較解析”，第１回電離圏の利用と影響に関するシンポジウム講和集，ｐｐ２４−１〜８，２００３．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献９に示すように、衛星から地上に向けて送信された電波や地上からの反射波は、電離層を通過する際に屈折等を生ずるため、伝搬経路が変化してしまい、本来あるべき位置からずれた位置の観測となってしまうことがある。すなわち、従来のリモートセンシングを行う装置は、電離層の影響により、観測したと認識している地表の位置と実際に観測した地表の位置とがずれてしまうことが考えられる。
【０００９】
同様に、地上の送信源から衛星に向けて送信された電波は、電離層の影響により伝搬経路が変化する。したがって、従来の装置は、送信源の位置を正確に推定するのが困難であると考えられる。
【００１０】
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、衛星から送信された電波が地表で反射され、当該反射波を衛星で受信するリモートセンシングの場合や、地上の送信源から送信された電波を衛星で受信して送信源の位置を推定するような場合に、電離層が与える影響を排して正確な伝搬経路を推定する伝搬経路推定システム及び伝搬経路推定方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る伝搬経路推定システムは、上記課題を解決するために、複数の測位衛星から送信される衛星信号を受信する１以上の受信機を有する伝搬経路推定システムであって、観測衛星に設けられ、地上から到来して電離層を通過した電波を受信するアレイアンテナと、前記観測衛星に設けられ、前記アレイアンテナが受信した電波の到来方位と仰角とを算出する第１算出部と、前記第１算出部により算出された電波の到来方位と仰角とを受信情報として衛星通信により地上に送信する衛星側通信処理部と、前記衛星側通信処理部により送信された受信情報を地上で受信する地上側通信処理部と、前記地上側通信処理部により受信された受信情報に基づいて、前記観測衛星の位置、前記アレイアンテナが電波を受信した時刻、前記電波の伝搬方向ベクトル、及び前記伝搬方向ベクトルと地表との交点である概略地表位置を算出する第２算出部と、前記１以上の受信機の各々から前記複数の測位衛星の各々に対する擬似距離およびキャリア位相擬似距離に基づき前記衛星信号の通過経路の総電子数を算出する総電子数算出部と、電子密度を推定する３次元空間を設定し、当該３次元空間を複数の領域に分割する空間設定部と、前記総電子数算出部により算出された総電子数に基づいて前記空間設定部により分割された領域毎の電子密度を推定する第１電子密度推定部と、前記第１電子密度推定部により推定された電子密度と、前記第２算出部により算出された概略地表位置及び前記アレイアンテナが電波を受信した時刻とに基づいて、前記アレイアンテナが受信した電波の伝搬経路に対応する領域の電子密度を推定する第２電子密度推定部と、前記第２電子密度推定部により推定された電子密度と前記地上側通信処理部により受信された受信情報とに基づいて、レイトレーシング手法により前記アレイアンテナが受信した電波の伝搬経路を推定する伝搬経路推定部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る伝搬経路推定方法は、上記課題を解決するために、複数の測位衛星から送信される衛星信号を受信する１以上の受信機を有する伝搬経路推定方法であって、観測衛星に設けられたアレイアンテナで地上から到来して電離層を通過した電波を受信し、受信した電波の到来方位と仰角とを算出する第１算出ステップと、前記第１算出ステップにより算出された電波の到来方位と仰角とを受信情報として衛星通信により地上に送信する衛星側通信処理ステップと、前記衛星通信処理ステップにより送信された受信情報を地上で受信する地上側通信処理ステップと、前記地上側通信処理ステップにより受信された受信情報に基づいて、前記観測衛星の位置、前記アレイアンテナが電波を受信した時刻、前記電波の伝搬方向ベクトル、及び前記伝搬方向ベクトルと地表との交点である概略地表位置を算出する第２算出ステップと、前記１以上の受信機の各々から前記複数の測位衛星の各々に対する擬似距離およびキャリア位相擬似距離に基づき前記衛星信号の通過経路の総電子数を算出する総電子数算出ステップと、電子密度を推定する３次元空間を設定し、当該３次元空間を複数の領域に分割する空間設定ステップと、前記総電子数算出ステップにより算出された総電子数に基づいて前記空間設定ステップにより分割された領域毎の電子密度を推定する第１電子密度推定ステップと、前記第１電子密度推定ステップにより推定された電子密度と、前記第２算出ステップにより算出された概略地表位置及び前記アレイアンテナが電波を受信した時刻とに基づいて、前記アレイアンテナが受信した電波の伝搬経路に対応する領域の電子密度を推定する第２電子密度推定ステップと、前記第２電子密度推定ステップにより推定された電子密度と前記地上側通信処理ステップにより受信された受信情報とに基づいて、レイトレーシング手法により前記アレイアンテナが受信した電波の伝搬経路を推定する伝搬経路推定ステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、衛星から送信された電波が地表で反射され、当該反射波を衛星で受信するリモートセンシングの場合や、地上の送信源から送信された電波を衛星で受信して送信源の位置を推定するような場合に、電離層が与える影響を排して正確な伝搬経路を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１の形態の伝搬経路推定システム及び測位システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１の形態の伝搬経路推定システムにおける信号処理装置の詳細なブロック図である。
【図３】本発明の実施例１の形態の伝搬経路推定システムの動作を示すフローチャート図である。
【図４】本発明の実施例１の形態の伝搬経路推定システムにおけるレイトレーシング手法による伝搬経路推定を説明する図である。
【図５】本発明の実施例１の形態の伝搬経路推定システムの３次元電子密度推定空間設定部による３次元空間設定を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の伝搬経路推定システム及び伝搬経路推定方法の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施例１の伝搬経路推定システムの構成を示すブロック図である。この伝搬経路推定システムは、複数の測位衛星（測位衛星１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）から送信される衛星信号を受信する１以上の受信機２４を有する。なお、本発明の伝搬経路推定システムは、従来から存在する衛星信号に含まれる測位情報を用いて位置情報を得る測位システムを利用することができる。
【００１７】
まず、本実施の形態の構成を説明する。本実施例の伝搬経路推定システムは、図１に示すように、地上衛星通信系１、測位衛星１０ａ、測位衛星１０ｂ、測位衛星１０ｃ、衛星信号処理系２０、信号処理系３０、インターネットデータ処理系４０、衛星５０、電離層観測系７０、及びデータサーバ系８０で構成されている。衛星５０は、上空に存在するものであるが、伝搬経路推定システムの構成の一部であるものとする。
【００１８】
測位衛星１０ａ、測位衛星１０ｂ、測位衛星１０ｃ、及び衛星信号処理系２０は、測位システムを構成するものであり、従来の測位システムを利用してもよい。なお、インターネットデータ処理系４０も含めて測位システムとすることも可能であるが、インターネットデータ処理系４０は、必ずしも必須のものではなく、付加的なものである。また、衛星信号処理系２０、信号処理系３０、インターネットデータ処理系４０、及び電離層観測系７０は、互いに通信回線で接続されている。さらに、信号処理系３０と地上衛星通信系１とは、互いに通信回線で接続されている。
【００１９】
測位衛星１０ａ、測位衛星１０ｂ、測位衛星１０ｃは、ＧＰＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ、準天頂衛星（ＱＺＳＳ）等の航法衛星であり、複数の周波数の衛星信号を送信する。
【００２０】
衛星信号処理系２０は、アンテナ２２、衛星信号受信機２４、及び衛星信号処理装置２６から構成される。衛星信号受信機２４は、本発明の受信機に対応し、複数の測位衛星（測位衛星１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）から送信される複数の周波数の衛星信号をアンテナ２２を介して受信する。また、衛星信号処理装置２６は、衛星信号に含まれる航法情報を用いて位置情報を得るとともに、擬似距離及び位相情報を取得する。
【００２１】
衛星５０は、本発明の観測衛星に対応し、衛星通信・信号処理系５１と電源系６８と姿勢制御・航法系６９とを有している。また、衛星通信・信号処理系５１は、複数のアンテナ５２−１，５２−２，…，５２−ｎからなるアレイアンテナ５２と、アンプ５３−１，５３−２，…，５３−ｎと、周波数変換部５４−１，５４−２，…，５４−ｎと、デジタイザ５５−１，５５−２，…，５５−ｎと、リモートセンシング用送受信アンテナ５６と、アンプ５７と、周波数変換部５９と、信号処理装置５９と、通信データ処理装置６０と、復調器６１と、変調器６２と、周波数変換部６３，６４と、アンプ６５，６６と、衛星通信アンテナ６７とを備える。
【００２２】
アレイアンテナ５２は、衛星５０に設けられた通信電波受信用のアンテナであり、地上から到来して電離層を通過した電波を受信する。例えば、アレイアンテナ５２は、既存の放送局から送信され、電離層を通過して到来する放送信号（電波）を受信して受信信号を出力する。
【００２３】
アンプ５３−１〜５３−ｎは、それぞれアンテナ５２−１〜５２−ｎからの信号を増幅する。周波数変換部５４−１〜５４−ｎは、アンプ５３−１〜５３−ｎにより増幅された信号をベースバンドの信号に変換する。デジタイザ５５−１〜５５−ｎは、周波数変換部５４−１〜５４−ｎにより変換され出力された信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル受信信号として出力する。
【００２４】
信号処理装置５９は、本発明の第１算出部に対応し、デジタイザ５５−１〜５５−ｎの各々により出力されたデジタル受信信号に基づいて、アレイアンテナ５２が受信した電波の到来方位と仰角とを算出する。例えば、信号処理装置５９は、ＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法や独立成分分析(ＩＣＡ：Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ)の手法などを用いて、受信した電波の到来方位角および到来仰角・受信強度を算出する。
【００２５】
また、信号処理装置５９は、リモートセンシングを行う際にはリモートセンシング用信号を生成し、周波数変換部５８、及びアンプ５７を介して、リモートセンシング用送受信アンテナ５６からリモートセンシング用信号を送信させる。
【００２６】
通信データ処理装置６０は、本発明の衛星側通信処理部に対応し、信号処理装置５９により算出された電波の到来方位と仰角とを受信情報として衛星通信により地上に送信する。具体的には、通信データ処理装置６０は、変調器６２、周波数変換部６４、及びアンプ６６を介して、衛星通信アンテナ６７から受信情報を衛星通信により地上に向けて送信する。また、衛星通信アンテナ６７は、送信のみならず衛星通信により双方向の情報の授受が可能であり、受信した情報はアンプ６５、周波数変換部６３、及び復調器６１を介して通信データ処理装置６０に送る。
【００２７】
地上衛星通信系１は、衛星通信アンテナ１１、アンプ１２ａ，１２ｂ、周波数変換部１３ａ，１３ｂ、復調器１４、通信データ処理装置１５、変調器１６、及びアンテナ制御装置１７により構成される。なお、地上衛星通信系１は、本発明の地上側通信処理部に対応し、衛星側通信処理部（通信データ処理装置６０）により送信された受信情報を地上で受信する。
【００２８】
具体的には、衛星通信アンテナ１１は、衛星５０から送信された受信情報を受信し、アンプ１２ａ、周波数変換部１３ａ、及び復調器１４を介して通信データ処理装置１５に送る。通信データ処理装置１５は、通信回線を介して受信情報を信号処理系３０やデータサーバ系８０に出力する。また、通信データ処理装置１５は、変調器１６、周波数変換部１３ｂ、及びアンプ１２ｂを介して衛星通信アンテナ１１から情報を送信することも可能である。また、通信データ処理装置１５は、アンテナ制御装置１７に衛星通信アンテナ１１を制御させることにより、効率よく情報の送受信を行うことができる。
【００２９】
信号処理系３０は、信号処理装置３２を有し、通信回線を介して得た情報に基づき衛星位置、信号通過経路の電離層総電子数（ＴＥＣ）、周波数間バイアス、伝搬経路等を算出する。信号処理装置３２の詳細な構成については後述する。受信したデータ・処理結果は、データサーバ系８０へＬＡＮ経由で伝送され保存される。
【００３０】
インターネットデータ処理系４０は、ルータ４２、ＧＥＯＮＥＴ収集データ処理装置４４、及び外部インターネット網４６で構成されている。ルータ４２は、スイッチングハブでもよい。インターネットデータ処理系４０は、公開されている電離層関連の情報や国土地理院が公開しているＧＰＳ観測データ（ＧＥＯＮＥＴデータ）や国際的に観測結果を公開しているＩＧＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＧＰＳ Ｓｅｒｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｇｅｏｄｙｎａｍｉｃｓ）データ等をインターネット経由で収集する装置である。インターネットデータ処理系４０により収集された結果は、信号処理系３０で処理される。ルータ４２は、セキュリティを考慮して設けられ、ファイアウォールとする。
【００３１】
電離層観測系７０は、イオノゾンデ用アンテナ７２と、イオノゾンデ７４と、イオノゾンデ収集データ処理装置７６とを備える。イオノゾンデ７４は、イオノゾンデ用アンテナ７２を介して複数の周波数の観測信号を電離層に送信し、送信した観測信号が電離層で反射された反射信号を受信して、観測信号の往復時間等のデータを収集する。
【００３２】
イオノゾンデ収集データ処理装置７６は、イオノゾンデ７４で収集したデータから、電離層の高さ方向の電子密度分布情報（Ｅ層ピーク電子密度、Ｅ層ピーク電子密度高度、Ｆ１層ピーク電子密度、Ｆ１層ピーク電子密度高度、Ｆ２層ピーク電子密度、Ｆ２層ピーク電子密度高度、臨海（プラズマ）周波数など）を算出し、得られた算出結果を通信回線を介して信号処理系３０に送信する。また、イオノゾンデ収集データ処理装置７６は、イオノゾンデ７４で収集したデータを通信回線を介してデータサーバ系８０に送信する。
【００３３】
データサーバ系８０は、データ収集部８２を備える。データ収集部８２は、通信回線を介して地上衛星通信系１や信号処理系３０で得られた各種演算結果や各種データを受け取り、保存する。
【００３４】
図２は、本発明の実施例１の伝搬経路推定システムにおける信号処理装置３２の詳細なブロック図である。図２に示すように、信号処理装置３２は、衛星ＴＥＣ算出部３３、ＴＥＣバイアス補正部３４、周波数間バイアス推定部３５、３次元電子密度推定空間設定部３６、電子密度モデル算出部３７、第１電子密度推定部３８、第２電子密度推定部３９、受信情報処理部４１、伝搬経路推定部４３、及び補正部４５で構成されている。
【００３５】
衛星ＴＥＣ算出部３３、ＴＥＣバイアス補正部３４、及び周波数間バイアス推定部３５は、本発明の総電子数算出部に対応し、１以上の受信機の各々から複数の測位衛星の各々に対する擬似距離及びキャリア位相擬似距離に基づき衛星信号の通過経路の総電子数を算出する。
【００３６】
衛星ナビゲーションシステム「Ｇａｌｉｌｅｏ」やＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、ＱＺＳＳ（Ｑｕａｓｉ Ｚｅｎｉｔｈ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ Ｓｙｓｔｅｍ；準天頂衛星システム）等の衛星から送信される信号は、地球上の観測点の測位を行うのに利用される。これらの衛星により放送される複数周波数信号の擬似距離差は、電波の伝搬経路上の電子数に関係していることが知られている。
【００３７】
衛星から地上に向けて送信される信号は、電離層を通過する際に伝搬遅延量を生じる。この電離層伝搬遅延量は、伝搬する信号の周波数に依存している。そのため、衛星からの複数の周波数信号を受信することにより、信号の通過経路における総電子数（ＴＥＣ：Ｔｏｔａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｏｎｔｅｎｔ）を得ることができる。電波の伝搬経路上の総電子数を推定する場合には、複数周波数信号の送信・受信時刻による擬似距離（コード距離）差を使用する方法や複数周波数のキャリア位相擬似距離（フェーズ距離）の差を利用する方法が知られている。
【００３８】
具体的には、衛星ＴＥＣ算出部３３は、衛星信号受信機２４から測位衛星１０ａ、１０ｂ、１０ｃの各々に対する擬似距離及びキャリア位相擬似距離に基づき衛星信号の通過経路の総電子数を算出する。
【００３９】
周波数間バイアス推定部３５は、周波数間バイアスを算出し、ＴＥＣバイアス補正部３４に出力する。周波数間バイアス推定部３５による周波数間バイアスの推定方法は、どのようなものでもよく、従来手法を用いてよい。
【００４０】
ＴＥＣバイアス補正部３４は、周波数間バイアス推定部３５により推定された周波数間バイアスを用いて補正を行い、最終的な総電子数を算出する。
【００４１】
３次元電子密度推定空間設定部３６は、本発明の空間設定部に対応し、電子密度を推定する３次元空間を設定し、当該３次元空間を複数の領域に分割する。
【００４２】
電子密度モデル算出部３７は、上述したようなＩＲＩモデルやＧａｌｌａｇｈｅｒモデル等の電離層電子密度モデル関数に基づき電子密度モデルを算出する。
【００４３】
第１電子密度推定部３８は、総電子数算出部（ＴＥＣバイアス補正部３４）により算出された総電子数に基づいて３次元電子密度推定空間設定部３６により分割された領域毎の電子密度を推定する。本実施例において、第１電子密度推定部３８は、非特許文献１１や非特許文献１２に記載されているようなＭＡＲＴ（Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｖｅ Ａｌｇｅｂｒａｉｃ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）の手法を用いて電子密度を推定するものとする。なお、非特許文献１１や非特許文献１２には、トモグラフィ手法による衛星ＴＥＣを用いた３次元電子密度推定が記載されており、ＭＡＲＴと呼ばれる代数的再構成法が適用されている。一方、非特許文献７には、ＧＳＶＤ（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ｓｉｎｇｕｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いたトモグラフィック再構成による電子密度推定が記載されている。
【００４４】
受信情報処理部４１は、本発明の第２算出部に対応し、地上衛星通信系１により受信された受信情報に基づいて、衛星５０の位置、アレイアンテナ５２が電波を受信した時刻、電波の伝搬方向ベクトル、及び伝搬方向ベクトルと地表との交点である概略地表位置を算出する。なお、受信情報処理部４１は、通信回線を介して地上衛星通信系１内の通信データ処理装置１５から受信情報を得る。
【００４５】
第２電子密度推定部３９は、第１電子密度推定部３８により推定された電子密度と、受信情報処理部４１により算出された概略地表位置及びアレイアンテナ５２が電波を受信した時刻とに基づいて、アレイアンテナ５２が受信した電波の伝搬経路に対応する領域の電子密度を推定する。
【００４６】
伝搬経路推定部４３は、第２電子密度推定部３９により推定された電子密度と地上衛星通信系１により受信された受信情報とに基づいて、レイトレーシング手法によりアレイアンテナ５２が受信した電波の伝搬経路を推定する。なお、伝搬経路推定部４３は、通信回線を介して地上衛星通信系１内の通信データ処理装置１５から受信情報を得てもよいし、受信情報処理部４１から受信情報を得てもよい。また、レイトレーシング手法の詳細については、例えば非特許文献６に記載されている。
【００４７】
また、衛星５０がリモートセンシングを行う場合には、伝搬経路推定部４３は、第２電子密度推定部３９により推定された電子密度に基づいて、レイトレーシング手法により衛星５０が送信した電波の伝搬経路を推定することもできる。
【００４８】
補正部４５は、第２電子密度推定部３９により推定された電子密度に基づいて、伝搬経路推定部４３により推定された伝搬経路上の伝搬遅延量と位相の変化量とを算出するとともに、算出結果を用いて地上衛星通信系１により受信された受信情報の補正を行う。なお、補正部４５は、伝搬経路推定部４３を介して第２電子密度推定部３９により推定された電子密度の情報を得るものとする。また、補正部４５は、補正した受信情報をデータサーバ系８０に出力して保存してもよいし、補正した受信情報を受信情報処理部４１にフィードバックさせて伝搬経路推定を伝搬経路推定部４３に再度行わせてもよい。
【００４９】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図３は、本実施例の伝搬経路推定システムの動作を示すフローチャート図である。ここでは、リモートセンシングを行う場合について述べる。まず衛星５０は、信号処理装置５９でリモートセンシング用信号を生成し、リモートセンシング用送受信アンテナ５６からリモートセンシング用信号を地表に向けて送信する。送信されたリモートセンシング用信号は、地表で反射し、反射波として衛星５０に戻る。衛星５０に設けられたアレイアンテナ５２は、地表で反射し電離層を通過した電波を受信する。
【００５０】
信号処理装置５９は、アレイアンテナ５２が受信した電波の到来方位と仰角とを算出する。この信号処理装置５９の動作は、本発明の第１算出ステップに対応する。通信データ処理装置６０は、信号処理装置５９により算出された電波の到来方位と仰角・信号強度とを受信情報として衛星通信により地上に送信する。なお、デジタイザ５５−１〜５５−ｎによりデジタイズされたデータを衛星通信により地上へ送信し、信号処理系３０で到来方位と仰角とを算出してもよい。この通信データ処理装置６０の動作は、本発明の衛星側通信処理ステップに対応する。なお、通信データ処理装置６０は、受信情報に衛星５０が電波を送信あるいは受信した時刻の情報も入れるものとする。
【００５１】
地上衛星通信系１は、衛星側通信処理部（通信データ処理装置６０）により送信された受信情報を地上で受信する。この地上衛星通信系１の動作は、本発明の地上側通信処理ステップに対応する。
【００５２】
信号処理装置３２内の受信情報処理部４１は、地上衛星通信系１により受信された受信情報に基づいて、衛星５０の位置、リモートセンシング用送受信アンテナ５６が信号を送信した時刻、アレイアンテナ５２が電波を受信した時刻、電波の伝搬方向ベクトル、及び伝搬方向ベクトルと地表との交点である概略地表位置を算出する（ステップＳ１）。また、ステップＳ１は、本発明の第２算出ステップに対応する
具体的には、受信情報処理部４１は、衛星５０が電波を送信あるいは受信した時刻に関する情報を受信情報から得るとともに、非特許文献１０に記された方法を用いて、衛星５０の軌道６要素から衛星５０の地球固定座標系で軌道位置（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）を計算する。なお、受信情報処理部４１は、予めＩＴＵ−Ｒの衛星軌道情報を記録媒体等を介して備えていてもよいし、インターネット等を介して外部から衛星軌道情報を得てもよい。また、受信情報に衛星５０の位置の情報が含まれている場合には、受信情報処理部４１は、必ずしも衛星５０の位置計算を独自に行う必要はなく、受信情報から得ればよい。
【００５３】
さらに、受信情報処理部４１は、衛星位置（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）と衛星５０のアンテナで受信した電波の方位（φ）、仰角（θ）方向（衛星固定座標系）とに基づいて、電波の伝搬方向ベクトルを求めるとともに、このベクトルと地表面との交点を概略地表位置（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）として求める。その際に、受信情報処理部４１は、地球固定座標系としてＷＧＳ８４座標系あるいは国土地理院が採用している測地成果２０００で使用している座標系（ＩＴＲＦ９４とＧＲＳ８０）を用いるものとする。
【００５４】
なお、図４は、本実施例の伝搬経路推定システムにおけるレイトレーシング手法による伝搬経路推定を説明する図である。受信情報処理部４１により求められる概略地表位置は、図４に示すように、レイトレーシング無しで電離層における伝搬経路変化を考慮しない伝搬方向ベクトルと地表との交点である。
【００５５】
次に、信号処理装置３２は、３次元電子密度の推定を行う（ステップＳ２）。具体的には、衛星ＴＥＣ算出部３３は、１以上の受信機の各々から複数の測位衛星の各々に対する擬似距離およびキャリア位相擬似距離に基づき衛星信号の通過経路の総電子数を算出する（本発明の総電子数算出ステップに対応）。すなわち、衛星ＴＥＣ算出部３３は、広範囲に設置した衛星受信機収集データからＧＰＳ等の衛星のＴＥＣを計算する。ここで、本実施例の衛星ＴＥＣ算出部３３は、衛星から放送される２周波の信号（ＧＰＳ衛星のＬ１周波数（１５７５．４２ＭＨｚ）とＬ２周波数（１２２７．６０ＭＨｚ）の信号）に基づいて信号伝搬経路のＴＥＣを算出するものとする。ＧＰＳ以外でも異なる２周波を放送している場合には同様な手法が使用できる。
【００５６】
ここでは、測位衛星１０ａと衛星信号受信機２４との間の擬似距離について考える。衛星信号通過経路のＴＥＣは、測位衛星１０ａから送信される衛星信号（ここではＬ１とＬ２で示す）に基づき求められる。まず、擬似距離（コード距離、シュードレンジ）とキャリア位相擬似距離（フェーズ距離）は、以下のように表すことができる。
【数１】
【００５７】
ここで、ρは、遅延時間による距離（擬似距離）を示す。また、Φは、キャリア位相を示す。ｒは、真の距離を示す。ｃは光速である。また、δｔｕは、受信機時刻誤差を示し、δｔｓは、衛星時刻誤差を示す。なお、本実施例において、右下の添え字は基本的に地上（受信機等）に関連する項を示し、右上の添え字は基本的に上空（衛星等）に関連する項を示す。δｔｕ、Ｌ１ｏｒＬ２ ｂｉａｓは、受信機周波数依存ハードウェア依存バイアスを示し、δｔｓＬ１ｏｒＬ２ ｂｉａｓは、衛星周波数依存ハードウェア依存バイアスを示す。さらに、Ｉは、電離層伝搬遅延量を示し、Ｔは、対流圏伝搬遅延量を示す。ＮＬ１ｏｒＬ２，ａｍｂは、整数不確定値を示し、εは、観測誤差を示す。
【００５８】
衛星ＴＥＣ算出部３３は、２つの周波数の観測値の差（遅延時間の差）をとることにより、ＴＥＣを求めることができる。
【数２】
【００５９】
（３）式は、２つの周波数の遅延時間の差を示す。（４）式は、位相距離の差を示す。ここで、ｆは周波数である。また、λは波長を示す。Δｂｉａｓは、周波数間バイアスを示す。また、ＴＥＣｔｒｕｅは、真の総電子数を示す。
【００６０】
次に、ＴＥＣバイアス補正部３４は、周波数間バイアス推定部３５により事前に推定された周波数間バイアスΔｂｉａｓによる補正をＴＥＣに実施する。まず、バイアス補正後の２つの周波数の遅延時間差は、次式により表される。
【数３】
【００６１】
ここで、（６）式には、観測値から分からない不確定値（λＬ１ΔＮＬ１，ａｍｂ−λＬ２ΔＮＬ２，ａｍｂ）が含まれている。そこで、ＴＥＣバイアス補正部３４は、（５）式と（６）式とを組み合わせて、以下に示す式により整数不確定値を削除する。この手法は、非特許文献３にも記載されている。
【数４】
【００６２】
ここで、添え字ｋは、データの番号を示す。また、Ｍは、連続的に収集できたサンプル数の合計を示す。さらに、ＴＥＣｋ，ｕは、衛星ｕの伝搬経路上の総電子数（個／ｍ２）を示す。
【００６３】
電子密度モデル算出部３７は、電離層電子密度モデル関数に基づき電子密度モデルを算出し、算出した電子密度モデルを３次元電子密度推定空間設定部３６に出力する。なお、電子密度モデル算出部３７による電離層モデルは、例えば非特許文献１，２，４等に記載されている。
【００６４】
次に、３次元電子密度推定空間設定部３６は、電子密度を推定する３次元空間を設定し、当該３次元空間を複数の領域に分割する。この３次元電子密度推定空間設定部３６の動作は、本発明の空間設定ステップに対応する。また、３次元電子密度推定空間設定部３６は、推定する３次元空間の電離層電子密度モデル値あるいは推定値を設定する。
【００６５】
具体的には、３次元電子密度推定空間設定部３６は、衛星から衛星受信機が配置されている地点まで３次元空間における電離層を、緯度・経度・高さ方向に分割し、電離層モデル値を使用して分割した領域内あるいは格子点の位置の電子密度を設定する。非特許文献１，２等に記載されたＩＲＩモデルは、高さ１０００ｋｍまでが有効範囲であるため、衛星が存在する空間までは設定できない。そこで、３次元電子密度推定空間設定部３６は、例えば非特許文献４に記載されたＧＣＰＭ（Ｇｌｏｂａｌ Ｃｏｒｅ Ｐｌａｓｍａ Ｍｏｄｅｌ）を用いる手法や、ＩＲＩモデルの約４００ｋｍ〜１０００ｋｍを外挿する手法を採用することができる。
【００６６】
図５は、本実施例の伝搬経路推定システム３２内の３次元電子密度推定空間設定部３６による３次元空間設定を説明する図である。本実施例の３次元電子密度推定空間設定部３６は、図５に示すように、３次元空間をＸ１〜Ｘ１２の１２個の領域（ブロック）に分割しているが、実際には膨大な数のブロック数となる。図５において、測位衛星Ｓ１〜Ｓ４と衛星信号受信機Ｒｘ１〜Ｒｘ３との間における信号通過経路は、矢印により表されている。図５の衛星・ＴＥＣ・電子密度の関係は、次式により表される。
【数５】
【００６７】
（９）式において、Ｘ１〜Ｘ１２は、空間を分割した領域（メッシュ）の電子密度を示し、現時点では不明である。また、ＴＥＣｉｊは、ｉ衛星・ｊ受信機間で決まる総電子数を示す。例えば、図５中の太い矢印ＴＥＣ２１は、測位衛星Ｓ２と衛星信号受信機Ｒｘ１との間の信号通過経路における総電子数を示す。ＴＥＣバイアス補正部３４により出力されたＴＥＣの値は、（９）式の右辺に代入される。
【００６８】
ここで、（９）式の行列式をＡＸ＝Ｅと表すことにする。行列Ａの中のゼロでない要素（１で表されている要素）は、ｉ衛星・ｊ受信機間の信号が通過したメッシュを示す。第１電子密度推定部３８は、ＡＸ＝Ｅの式における電子密度Ｘ（Ｘ１〜Ｘ１２）をトモグラフィ手法を用いて推定する。
【００６９】
具体的には、第１電子密度推定部３８は、ＭＡＲＴあるいはＧＳＶＤ手法により、衛星信号通過経路の電子密度を推定する。すなわち、電子密度推定部３８は、総電子数算出部（ＴＥＣバイアス補正部３４）により算出された総電子数に基づいて３次元電子密度推定空間設定部３６により分割された領域毎の電子密度を推定する。この電子密度推定部３８の動作は、本発明の電子密度推定ステップに対応する。
【００７０】
なお、本実施例において、第１電子密度推定部３８は、ＭＡＲＴあるいはＧＳＶＤ手法により電子密度を推定するが、本発明を実現するためには、必ずしもいずれかの手法を使う必要はなく、衛星信号受信機が得た観測値に基づいて暫定的に各領域の電子密度を推定できればよい。
【００７１】
ＭＡＲＴの手法は、上述したように非特許文献５，６等に記載されているが、ここで簡潔に説明する。
【数６】
【００７２】
（１０）式は、ＭＡＲＴのアルゴリズムを示す式である。ａｉは、（９）式のＡ行列ｉ行ベクトルを表す。また、ａｉｊは、Ａ行列のｉｊ成分を表す。Ｘｊは、Ｘ列行列のｊ成分を表す。さらに、Ｅｉは、（９）式のＥ行列のｉ成分を表している。また、λは、収束の度合いを決めるパラメータである。
【００７３】
第１電子密度推定部３８は、（１０）式に示すＭＡＲＴのアルゴリズムを使用して、（１０）式の値が収束するまで繰り返し処理を実施し、３次元電子密度推定空間設定部３６により分割された領域毎の電子密度を推定する。その際に、電子密度推定部３８は、ＴＥＣバイアス補正部３４により出力されたＴＥＣの値をＥ行列の値に使用するとともに、電子密度モデル算出部３７により算出されたモデル値をＸの初期値として使用する。
【００７４】
なお、第１電子密度推定部３８は、信号が全く通過していない空間の電子密度を推定することはできない。
【００７５】
ＧＳＶＤ手法を採用する場合には、第１電子密度推定部３８は、以下に示す方式で電子密度を求める。なお、ＧＳＶＤ手法については、非特許文献１３に記載がある。
【数７】
【００７６】
（１１）式のＬは、Ｔｉｋｈｏｎｏｖ行列と呼ばれる。０次のＴｉｋｈｏｎｏｖ正規化では、Ｌを単位行列とする。αは、正規化パラメータで、α＞０とする。また、Ｌは、正値２次形式行列（固有値が全て正）である。
【００７７】
（１１）式を満足する電子密度Ｘは、次式で表すことができる。
【数８】
【００７８】
なお、第１電子密度推定部３８は、ＡＸ＝Ｅの式における電子密度Ｘ（Ｘ１〜Ｘ１２）を推定する際に、本発明の発明者により発明され既に出願されている特願２００９−２９７３０９に記載された手法を用いて電子密度を推定してもよい。
【００７９】
また、非特許文献１４及び非特許文献１５には、電離層を球核の薄い層とみなした電子密度計算について記載されており、ＧＰＳを使用した観測結果のみに基づいて３次元電子密度推定を試みている。さらに、非特許文献１６には、３次元方向の電子密度分布を高さ方向に計算した場合について記載されている。
【００８０】
また、第１電子密度推定部３８は、電離層観測系２のイオノゾンデ収集データ処理装置７６で算出した電離層の高さ方向の電子密度分布情報等を利用してもよい。
【００８１】
次に、第２電子密度推定部３９は、第１電子密度推定部３８により推定された電子密度と、受信情報処理部４１により算出された概略地表位置（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）及びアレイアンテナ５２が電波を受信した時刻とに基づいて、アレイアンテナ５２が受信した電波の伝搬経路に対応する領域の電子密度を推定する。この第２電子密度推定部３９の動作は、本発明の第２電子密度推定ステップに対応する。
【００８２】
また、第２電子密度推定部３９は、第１電子密度推定部３８により推定された電子密度と、受信情報処理部４１により算出された概略地表位置（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）及びリモートセンシング送受信アンテナ５６が電波を送信した時刻と送信時の衛星位置とに基づいて、リモートセンシング送受信アンテナ５６が送信した電波の伝搬経路に対応する領域の電子密度を推定することもできる。
【００８３】
次に、信号処理装置３２は、衛星位置からレイトレーシングを行う（ステップＳ３）。具体的には、伝搬経路推定部４３は、第２電子密度推定部３９により推定された電子密度と地上衛星通信系１により受信された受信情報とに基づいて、レイトレーシング手法によりアレイアンテナ５２が受信した電波の伝搬経路を推定する。この伝搬経路推定部４３の動作は、本発明の伝搬経路推定ステップに対応する。あるいは、伝搬経路推定部４３は、第２電子密度推定部３９により推定された電子密度に基づいて、レイトレーシング手法により衛星５０が送信した電波の伝搬経路を推定する。
【００８４】
すなわち、伝搬経路推定部４３は、非特許文献５，６に記載されているレイトレーシング手法により、まず衛星送信時刻ｔｓ、衛星位置（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）、衛星位置（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）ｓｎｄ、信号送信（地表送信源からの電波の受信の場合は信号送信源）方向（方位（φｓｎｄ）、仰角（θｓｎｄ））に対してレイトレーシングを実施する。その際に、伝搬経路推定部４３は、第２電子密度推定部３９により推定された電子密度を使用してレイトレーシングを行う。伝搬経路推定部４３は、レイトレーシング結果に基づいて推定される、衛星５０から送信された電波が地表に到達した際の地表面における位置をレイトレーシング推定値（Ｘｅｒ１，Ｙｅｒ１，Ｚｅｒ１）とし、通過経路上の電子密度をρ（ｓ）ｓｎｄとする。ここで、ｓは、通過経路上の場所を示す変数である。
【００８５】
なお、地表送信源からの電波を受信した場合においては、伝搬経路推定部４３は、上述した動作を行うことにより処理が完了する。すなわち、伝搬経路推定部４３は、非特許文献５，６に記載されているレイトレーシング手法により、衛星受信時刻ｔｒ、衛星位置（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）、信号受信方向（方位（φｒｃｖ）、仰角（θｒｃｖ））に対してレイトレーシングを実施し、レイトレーシング推定位置を、緯度・経度・高さに変換して、送信源の位置を特定する。
【００８６】
また、リモートセンシングを行う場合に地上からの反射波を受信した際には、伝搬経路推定部４３は、非特許文献５，６に記載されているレイトレーシング手法により、地表面からの反射波を受信した時刻ｔｒ、衛星位置（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）ｒｃｖ、信号受信方向（方位（φｒｃｖ）、仰角（θｒｃｖ））から、同様に衛星５０から信号受信方向に対するレイトレーシングを実施する。その際に、伝搬経路推定部４３は、第２電子密度推定部３９により推定された電子密度を使用してレイトレーシングを行う。伝搬経路推定部４３は、レイトレーシング結果に基づいて推定される、地表面で電波が反射した位置をレイトレーシング推定値（Ｘｅｒ２，Ｙｅｒ２，Ｚｅｒ２）とし、通過経路上の電子密度をρ（ｓ）ｒｃｖとする。
【００８７】
本実施例の伝搬経路推定システムは、以上のようにして衛星５０が送信あるいは受信した電波の伝搬経路を推定することができ、リモートセンシングの際の地表における反射位置をより正確に推定することができる。また、地上の送信源から送信された電波を衛星５０で受信した場合には、本実施例の伝搬経路推定システムは、送信源位置をより正確に特定することができる。
【００８８】
さらに、信号処理装置３２は、電離層による伝搬遅延量・位相変化量を推定する（ステップＳ４）。具体的には、補正部４５は、第２電子密度推定部３９により推定された電子密度に基づいて、伝搬経路推定部４３により推定された伝搬経路上の伝搬遅延量と位相の変化量とを算出する。すなわち、補正部４５は、伝搬経路上の電子密度ρ（ｓ）ｓｎｄ及びρ（ｓ）ｒｃｖに基づいて、伝搬遅延量と位相の変化量とを算出する。
【００８９】
補正部４５は、電離層により生じる伝搬遅延量Δτｔｏｔａｌを、（１３）式と（１５）式とを用いて計算することができる。
【数９】
【００９０】
ここで、ｅは電子の電荷を示す。また、ｍｅは電子の質量を示す。ε０は真空の誘電率を示す。ｆは送受信周波数を示す。
【００９１】
また、補正部４５は、衛星５０からの電波の送受信の際に電離層により生じる位相量Δφｔｏｔａｌを、（１４）式と（１５）式とを用いて計算することができる。
【００９２】
さらに、補正部４５は、電離層により生じる位相差の送受信差Δφｓｒを、次式を用いて計算することができる。
【数１０】
【００９３】
このようにして求めた電離層による伝搬遅延量・位相変化量は、例えば衛星５０と地表との距離を求めるうえでも役立つ。
【００９４】
さらに、補正部４５は、衛星観測結果の補正を行う（ステップＳ５）。すなわち、補正部４５は、算出結果を用いて地上衛星通信系１により受信された受信情報の補正を行う。具体的には、補正部４５は、ステップＳ４で計算した伝搬遅延量Δτｔｏｔａｌ、位相量Δφｔｏｔａｌ、位相差Δφｓｒを使用し、衛星５０で送受信した電波の観測結果の補正を実施する。
【００９５】
補正部４５は、例えば、補正した受信情報をデータサーバ系８０に出力して保存してもよいし、補正した受信情報を受信情報処理部４１にフィードバックさせて伝搬経路推定を伝搬経路推定部４３に再度行わせてもよい。
【００９６】
上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係る伝搬経路推定システム及び伝搬経路推定方法によれば、衛星５０から送信された電波が地表で反射され、当該反射波を衛星５０で受信するリモートセンシングの場合や、地上の送信源から送信された電波を衛星５０で受信して送信源の位置を推定するような場合に、電離層が与える影響を排して正確な伝搬経路を推定することができる。
【００９７】
また、本実施例の伝搬経路推定システムは、正確な伝搬経路推定を行った結果、リモートセンシングの際の地表における反射位置をより正確に推定することができる。あるいは、地上の送信源から送信された電波を衛星５０で受信した場合には、本実施例の伝搬経路推定システムは、送信源位置をより正確に特定することができる。
【００９８】
さらに、補正部４５は、推定した伝搬経路に基づいて、伝搬遅延量Δτｔｏｔａｌ、位相量Δφｔｏｔａｌ、位相差Δφｓｒを計算し、衛星５０で送受信した電波の観測結果の補正を行うことができ、より正確な観測結果を得られることができる。また、本実施例の伝搬経路推定システムは、補正した観測結果をフィードバックして、伝搬経路推定の近似精度を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明に係る伝搬経路推定システム及び伝搬経路推定方法は、リモートセンシングや送信源位置推定を行う際に、観測衛星で送受信される電波の伝搬経路を推定する伝搬経路推定システムに利用可能である。
【符号の説明】
【０１００】
１ 地上衛星通信系
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 測位衛星
１１ 衛星通信アンテナ
１２ａ，１２ｂ アンプ
１３ａ，１３ｂ 周波数変換部
１４ 復調器
１５ 通信データ処理装置
１６ 変調器
１７ アンテナ制御装置
２０ 衛星信号処理系
２２ アンテナ
２４ 衛星信号受信機
２６ 衛星信号処理装置
３０ 信号処理系
３２ 信号処理装置
３３ 衛星ＴＥＣ算出部
３４ ＴＥＣバイアス補正部
３５ 周波数間バイアス推定部
３６ ３次元電子密度推定空間設定部
３７ 電子密度モデル算出部
３８ 第１電子密度推定部
３９ 第２電子密度推定部
４０ インターネットデータ処理系
４１ 受信情報処理部
４２ ルータ
４３ 伝搬経路推定部
４４ ＧＥＯＮＥＴ収集データ処理装置
４５ 補正部
４６ 外部インターネット網
５０ 衛星
５１ 衛星通信・信号処理系
５２ アレイアンテナ
５３ アンプ
５４ 周波数変換部
５５ デジタイザ
５６ リモートセンシング用送受信アンテナ
５７ アンプ
５８ 周波数変換部
５９ 信号処理装置
６０ 通信データ処理装置
６１ 復調器
６２ 変調器
６３，６４ 周波数変換部
６５，６６ アンプ
６７ 衛星通信アンテナ
６８ 電源系
６９ 姿勢制御・航法系
７０ 電離層観測系
７２ イオノゾンデ用アンテナ
７４ イオノゾンデ
７６ イオノゾンデ収集データ処理装置
８０ データサーバ系
８２ データ収集部
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ 測位衛星
Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３ 衛星信号受信機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の測位衛星から送信される衛星信号を受信する１以上の受信機を有する伝搬経路推定システムであって、
観測衛星に設けられ、地上から到来して電離層を通過した電波を受信するアレイアンテナと、
前記観測衛星に設けられ、前記アレイアンテナが受信した電波の到来方位と仰角とを算出する第１算出部と、
前記第１算出部により算出された電波の到来方位と仰角とを受信情報として衛星通信により地上に送信する衛星側通信処理部と、
前記衛星側通信処理部により送信された受信情報を地上で受信する地上側通信処理部と、
前記地上側通信処理部により受信された受信情報に基づいて、前記観測衛星の位置、前記アレイアンテナが電波を受信した時刻、前記電波の伝搬方向ベクトル、及び前記伝搬方向ベクトルと地表との交点である概略地表位置を算出する第２算出部と、
前記１以上の受信機の各々から前記複数の測位衛星の各々に対する擬似距離およびキャリア位相擬似距離に基づき前記衛星信号の通過経路の総電子数を算出する総電子数算出部と、
電子密度を推定する３次元空間を設定し、当該３次元空間を複数の領域に分割する空間設定部と、
前記総電子数算出部により算出された総電子数に基づいて前記空間設定部により分割された領域毎の電子密度を推定する第１電子密度推定部と、
前記第１電子密度推定部により推定された電子密度と、前記第２算出部により算出された概略地表位置及び前記アレイアンテナが電波を受信した時刻とに基づいて、前記アレイアンテナが受信した電波の伝搬経路に対応する領域の電子密度を推定する第２電子密度推定部と、
前記第２電子密度推定部により推定された電子密度と前記地上側通信処理部により受信された受信情報とに基づいて、レイトレーシング手法により前記アレイアンテナが受信した電波の伝搬経路を推定する伝搬経路推定部と、
を備えることを特徴とする伝搬経路推定システム。
【請求項２】
前記伝搬経路推定部は、前記第２電子密度推定部により推定された電子密度に基づいて、レイトレーシング手法により前記観測衛星が送信した電波の伝搬経路を推定することを特徴とする請求項１記載の伝搬経路推定システム。
【請求項３】
前記第２電子密度推定部により推定された電子密度に基づいて、前記伝搬経路推定部により推定された伝搬経路上の伝搬遅延量と位相の変化量とを算出するとともに、算出結果を用いて前記地上側通信処理部により受信された受信情報の補正を行う補正部を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の伝搬経路推定システム。
【請求項４】
複数の測位衛星から送信される衛星信号を受信する１以上の受信機を有する伝搬経路推定方法であって、
観測衛星に設けられたアレイアンテナで地上から到来して電離層を通過した電波を受信し、受信した電波の到来方位と仰角とを算出する第１算出ステップと、
前記第１算出ステップにより算出された電波の到来方位と仰角とを受信情報として衛星通信により地上に送信する衛星側通信処理ステップと、
前記衛星通信処理ステップにより送信された受信情報を地上で受信する地上側通信処理ステップと、
前記地上側通信処理ステップにより受信された受信情報に基づいて、前記観測衛星の位置、前記アレイアンテナが電波を受信した時刻、前記電波の伝搬方向ベクトル、及び前記伝搬方向ベクトルと地表との交点である概略地表位置を算出する第２算出ステップと、
前記１以上の受信機の各々から前記複数の測位衛星の各々に対する擬似距離およびキャリア位相擬似距離に基づき前記衛星信号の通過経路の総電子数を算出する総電子数算出ステップと、
電子密度を推定する３次元空間を設定し、当該３次元空間を複数の領域に分割する空間設定ステップと、
前記総電子数算出ステップにより算出された総電子数に基づいて前記空間設定ステップにより分割された領域毎の電子密度を推定する第１電子密度推定ステップと、
前記第１電子密度推定ステップにより推定された電子密度と、前記第２算出ステップにより算出された概略地表位置及び前記アレイアンテナが電波を受信した時刻とに基づいて、前記アレイアンテナが受信した電波の伝搬経路に対応する領域の電子密度を推定する第２電子密度推定ステップと、
前記第２電子密度推定ステップにより推定された電子密度と前記地上側通信処理ステップにより受信された受信情報とに基づいて、レイトレーシング手法により前記アレイアンテナが受信した電波の伝搬経路を推定する伝搬経路推定ステップと、
を備えることを特徴とする伝搬経路推定方法。
【請求項１】
複数の測位衛星から送信される衛星信号を受信する１以上の受信機を有する伝搬経路推定システムであって、
観測衛星に設けられ、地上から到来して電離層を通過した電波を受信するアレイアンテナと、
前記観測衛星に設けられ、前記アレイアンテナが受信した電波の到来方位と仰角とを算出する第１算出部と、
前記第１算出部により算出された電波の到来方位と仰角とを受信情報として衛星通信により地上に送信する衛星側通信処理部と、
前記衛星側通信処理部により送信された受信情報を地上で受信する地上側通信処理部と、
前記地上側通信処理部により受信された受信情報に基づいて、前記観測衛星の位置、前記アレイアンテナが電波を受信した時刻、前記電波の伝搬方向ベクトル、及び前記伝搬方向ベクトルと地表との交点である概略地表位置を算出する第２算出部と、
前記１以上の受信機の各々から前記複数の測位衛星の各々に対する擬似距離およびキャリア位相擬似距離に基づき前記衛星信号の通過経路の総電子数を算出する総電子数算出部と、
電子密度を推定する３次元空間を設定し、当該３次元空間を複数の領域に分割する空間設定部と、
前記総電子数算出部により算出された総電子数に基づいて前記空間設定部により分割された領域毎の電子密度を推定する第１電子密度推定部と、
前記第１電子密度推定部により推定された電子密度と、前記第２算出部により算出された概略地表位置及び前記アレイアンテナが電波を受信した時刻とに基づいて、前記アレイアンテナが受信した電波の伝搬経路に対応する領域の電子密度を推定する第２電子密度推定部と、
前記第２電子密度推定部により推定された電子密度と前記地上側通信処理部により受信された受信情報とに基づいて、レイトレーシング手法により前記アレイアンテナが受信した電波の伝搬経路を推定する伝搬経路推定部と、
を備えることを特徴とする伝搬経路推定システム。
【請求項２】
前記伝搬経路推定部は、前記第２電子密度推定部により推定された電子密度に基づいて、レイトレーシング手法により前記観測衛星が送信した電波の伝搬経路を推定することを特徴とする請求項１記載の伝搬経路推定システム。
【請求項３】
前記第２電子密度推定部により推定された電子密度に基づいて、前記伝搬経路推定部により推定された伝搬経路上の伝搬遅延量と位相の変化量とを算出するとともに、算出結果を用いて前記地上側通信処理部により受信された受信情報の補正を行う補正部を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の伝搬経路推定システム。
【請求項４】
複数の測位衛星から送信される衛星信号を受信する１以上の受信機を有する伝搬経路推定方法であって、
観測衛星に設けられたアレイアンテナで地上から到来して電離層を通過した電波を受信し、受信した電波の到来方位と仰角とを算出する第１算出ステップと、
前記第１算出ステップにより算出された電波の到来方位と仰角とを受信情報として衛星通信により地上に送信する衛星側通信処理ステップと、
前記衛星通信処理ステップにより送信された受信情報を地上で受信する地上側通信処理ステップと、
前記地上側通信処理ステップにより受信された受信情報に基づいて、前記観測衛星の位置、前記アレイアンテナが電波を受信した時刻、前記電波の伝搬方向ベクトル、及び前記伝搬方向ベクトルと地表との交点である概略地表位置を算出する第２算出ステップと、
前記１以上の受信機の各々から前記複数の測位衛星の各々に対する擬似距離およびキャリア位相擬似距離に基づき前記衛星信号の通過経路の総電子数を算出する総電子数算出ステップと、
電子密度を推定する３次元空間を設定し、当該３次元空間を複数の領域に分割する空間設定ステップと、
前記総電子数算出ステップにより算出された総電子数に基づいて前記空間設定ステップにより分割された領域毎の電子密度を推定する第１電子密度推定ステップと、
前記第１電子密度推定ステップにより推定された電子密度と、前記第２算出ステップにより算出された概略地表位置及び前記アレイアンテナが電波を受信した時刻とに基づいて、前記アレイアンテナが受信した電波の伝搬経路に対応する領域の電子密度を推定する第２電子密度推定ステップと、
前記第２電子密度推定ステップにより推定された電子密度と前記地上側通信処理ステップにより受信された受信情報とに基づいて、レイトレーシング手法により前記アレイアンテナが受信した電波の伝搬経路を推定する伝搬経路推定ステップと、
を備えることを特徴とする伝搬経路推定方法。
【図１】
【図２】
【図５】
【図３】
【図４】
【図２】
【図５】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１９６６９６（Ｐ２０１１−１９６６９６Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６０５１６（Ｐ２０１０−６０５１６）
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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