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速報 - Patchedconics社、日本政府の戦略的宇宙開発基金を獲得
Patchedconics社と東北大学は、ポスドクまたは研究員を募集しています。
勤務地：東北大学（仙台市）。雇用期間：3.5年*。博士号は必須ではありません。
応募資格・スキル： 宇宙飛行力学（軌道および航法）に関する専門知識、GNSS関連のオープンソースソフトウェアに関する基礎的な理解力およびプログラミングスキル。無線通信の知識があれば尚可。
* 軌道上実証フェーズの選考に合格した場合。不合格の場合は1.5年となります。
積極的にご応募ください。
プロジェクトに参加する世界中の大学の地上局も募集しています。
上記「お問い合わせ('Contact Us')」タブからすぐにご連絡ください。

非同期 1-Way 測距（AOWR）方式
背景
地球周回圏におけるGNSS測位の主な課題は、その幾何学的配置に起因します。GNSS測位は、広い立体角に分布する衛星からの距離を測定することで、3次元位置と時間オフセットという4つのパラメータを決定します。しかし、地球周回圏では、すべてのGNSS衛星がほぼ同じ方向に密集しているため、これらの4つのパラメータを正確に推定することは本質的に困難です。一方、AOWR方式は、個々の衛星ペア間のテレメトリ交換を通じて、距離と時間オフセットという2つのパラメータのみを測定します。これにより、幾何学的制約に関わらずこれらの測定が可能になります。結果として、搬送波位相同期を組み込むことで、LuGre実証機の飛行データで1kmを超えていた測位誤差を1,000分の1に低減できます。
基本原理 AOWR方式では、図1に示すように、地上局と宇宙機に見立てた一対の送受信機間でテレメトリ情報を交換します。相対速度のない静的構成におけるより簡単な説明は、図2に示されています。地上局の時計が宇宙機の時計より進んでいる場合、宇宙機が受信したテレメトリ情報に基づいて、送信時の地上局の時計を基準として測定した擬似距離は、時間差分だけ長くなります。逆に、地上局が測定した擬似距離は短くなります。したがって、2組の測定値には、2つの距離と2つの時間差を表す二重の情報が含まれています。これら2つの量を足し合わせると実際の距離が得られ、引き算すると時間差が得られます。これがAOWR方式の原理です。詳細は省略しますが、この「双対性」は相対速度が存在する場合でも維持されます。チームは軌道上実証実験に向けて、SDR（ソフトウェア無線）ボードを開発しました。（図3）

応用例
応用例1a：月極域へ向かう輸送機の自己位置推定
前述の成果は、主に地球から宇宙機の位置を特定する応用に関するものです。しかし、宇宙機や輸送機の位置、特に着陸予定地点に接近している位置を地上から正確に特定することは幾何学的にも困難です。ここで提案する方法は、月面に設置・展開された無線ビーコン（マーカー）を利用するものです。月面探査では、初期段階であっても、極域などの特定の地域に限定すれば、AOWRデバイスを搭載した小型の無線ビーコン（マーカー）を、着陸機などの配置・展開が可能なペイロードに容易に組み込み、ネットワーク化することができます。これらの無線ビーコンの位置は地形や光学測定によって高精度に特定できるため、すべての無線ビーコンのクロックを単一のマスタークロックに同期させることができれば、接近する宇宙機に測位サービスを提供できます。（宇宙機は高速で移動するため、クロックの同期は不可欠です。）
提案する解決策は、複数のクロックをリアルタイムで同時に同期させるAOWR方式を採用することです。マスタークロックは、測位サービスを受ける宇宙船にのみ設置すればよいことが特長です（「自己測位」）。このシステムは、GNSSなどの事前設置された航法衛星群など、月面上にクロックを同期させるネットワークやインフラに依存せずに動作します。また、宇宙船を月ゲートウェイ（または基地）などに、高い相対航法精度で帰還させるためにも適用できます。これは、測位サービスのカバーエリアを段階的に拡大できるという、AOWR-Alone方式の高い適用性を示しています。（図4）月探査の初期段階では、宇宙機の数が少ないと予想されるため、航法システムはよりシンプルな設計され構築にする必要があります。提案している研究開発の焦点はAOWR-Alone方式にあります。
応用例1b：月面探査車（LTV）の測位（位置決め）
右図は、応用例1aで説明した、軌道上を飛行する宇宙機の「自己測位」方式を示しています。重要な点は、無線ビーコンによって形成される三角形領域内に存在するLTV(月面移動車)は、図5に示すように、常に宇宙機と通信を維持できることにあります。つまり、宇宙機は自己の測位（位置決め）を維持しながら、LTVと距離情報を継続的に交換できます。宇宙機の移動によって、多点からの距離が得られるため、LTVの位置決めができるわけです。（この三角形領域の外側でも、精度は低下する可能性がありますが、位置決めは可能です。）
応用例2：AOWR-Alone（単独）構成を用いた地球・月間領域における自己測位（位置決め）
提案するAOWR単独システムは、3つ以上のAOWR地上局を用いるAOWR-Alone (単独)構成です。図6を参照してください。1機の宇宙機で、複数地上局のAOWRユニットのクロックを同時に同期させることができるので、ベースライン長が短くても、GNSS単独システムと比較して、精度劣化係数（DOP）を大幅に低減できます。搬送波位相同期を利用することで精度をさらに向上させることができ、このシステムは非常に実用的です。
GNSSとは異なり、AOWR-Alone (単独)システムではコード同期の相関時間を自由に調整できます。現在の条件下では、200ミリ秒の相関時間が達成可能と見込まれています。図は、3つのAOWR支援地上局を地球表面に配置した例を示しています。これらの局は、同規模の長さのベースライン長を構成し、開口径3メートルのアンテナ、送信電力約5Wで、AOWRトランシーバー搭載の宇宙機を、月距離、あるいはSEL2（太陽地球Lagrange点-2）ポイントや地球近傍惑星間の距離で、ほぼリアルタイムで測位を行うことを可能にします。これは、宇宙機上のパッチアレイアンテナと約 1 W の送信電力でも可能です。AOWR 方式の重要な特徴は、多数のデバイスの時刻を同時に同期できることにあり、これにより測位サービスを提供できる範囲をしだいに拡大していくことができます。この AOWR-Alone 方式でのDOP 評価結果を図 7に示します。GNSS ベースラインの長さは、サイドローブを介して信号を受信するために、実効ベースラインは短くなり、地球の直径とほぼ同じです。このGNSS方式に対応する精度劣化指数 (PDOP) は約 200 あり、ベースライン長をそのまま適用した GNSS 単独での PDOP よりわずかに高くなります。これに対して、符号同期でのAOWR-Alone(上記)の RMS 位置誤差は 39m で、PDOP は 100 で大幅に改善されます。搬送波位相同期を使用すると、RMS 誤差は、理論的には約 1 メートルまで低減されます。これにより、LuGre 実証ミッションで得られた測位精度を 1/1000 にまで改善することが可能になります。このAOWR-Alone方式における搬送波位相同期はGNSSに依存せず、自律的に動作可能です。（なお、搬送波位相同期機能のAOWR方式への組込みは既に完了しています。）

技術開発の状況
ドローンを用いたAOWR-Alone(単独)（自己測位）飛行実験
AOWR方式は、複数のクロックをリアルタイムで同時に同期させる機能を有しており、幅広い用途において非常に実用的です。月極域における輸送業務や小惑星探査への応用を実証するため、2回のドローン飛行実験を実施しました。これらの実験では、地表付近での無線通信実験を困難にするマルチパス干渉を排除するためにドローンを使用しています。飛行中、ドローンは高度50メートルでホバリングした後、旋回しながら徐々に地上へと降下しました（図8参照）。
2回の実証実験の結果を以下に抜粋します。予備実験では、測位機能が正しく動作して、測位結果がGPSを用いた場合の結果とほぼ一致することが確認されました。AOWR方式の測定間隔（テレメトリ交換間隔）は6秒です。
2回目のドローン試験も成功裏に実施されました。飛行プロファイルを図9に示します。結果は以下のとおりです。搬送波位相の初期化には数分を要するため、ホバリング中はコード相関のバラツキが残り、その影響により測位精度に変動が見られます。しかし、搬送波位相同期が開始されると、測位精度は非常に高くなります。使用したアンテナは指向性が比較的狭かったため、低高度では一部の無線マーカーが応答しなくなり、測位が失われる領域が発生しました。この問題は、広指向性アンテナを使用することで回避できます。オレンジ色の線は、飛行中に得られたドリフト率を参照してクロック情報を外挿した実験の試みの結果を示しています。6秒という間隔はまだ長く、ドリフト率の外挿精度は正確ではありませんが、この測距間隔をさらに短縮することで、今後の実験では、より良い結果が得られるでしょう。
測位結果は、図10に示すようにGPSによる測位結果と比較されています。両者は良好な一致を示しています。
使用したドローンと無線マーカーを図11に示します。