JP2009002943A - 測距システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象までの距離を推定するシステムにおいて、サンプリング期間よりも小さいタイミングの違いを複雑なハードウェアを使用せず、また、高いサンプリングレートを必要としないで、対象までの距離を検知可能とする。
【解決手段】少なくとも１つのＵＷＢ信号を送信する送信機と、少なくとも１つのＵＷＢ信号を受信する受信機と、第１の周波数を有する複数のクロックおよび／またはサンプルパルスに依存して、受信されたＵＷＢ信号をサンプリングするサンプラと、第１の周波数より低い第２の周波数、およびＵＷＢ信号が実際に受信されるときと受信されたＵＷＢ信号がはじめてサンプリングされるときとの間の遅延に依存する位相を有する非整数信号を生成し、少なくとも、ＵＷＢ信号の送信と受信との間のクロックまたはサンプルパルスの第１の数と、非整数信号の位相とに基づき、距離を決定するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、到着推定時刻および／または距離に関し、限定はしないが特に、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ：超広帯域）信号の到着時刻に基づき距離を推定する方法およびシステムに関する。

位置または距離を推定する方法が、多くのワイヤレス装置に広く用いられている。例えば、パルスベースのＵＷＢトランシーバシステムを使用し、各ＵＷＢパルスの送信と受信との間の遅延を決定することにより、対象までのまたは装置間の距離を推定することが知られており、ＴＯＡ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ：到着時刻）としても知られている。このようなシステムは、レーダ、対象探索または追跡などの用途や軍事的用途などにも使用可能である。

図１に示すのは、ＴＯＡを用いた距離推定のための従来技術のシステムであり、これはＳｉｎａｎ Ｇｅｚｉｃｉ、Ｚｈｉ Ｔｉａｎ、Ｇｅｏｒｇｉｏｓ Ｂ． Ｇｉａｎｎａｋｉｓ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｋｏｂａｙａｓｈｉ、Ａｎｄｒｅａｓ Ｆ．Ｍｏｌｉｓｃｈ、 Ｈ． Ｖｉｎｃｅｎｔ Ｐｏｏｒ、およびＺａｆｅｒ Ｓａｈｉｎｏｇｌｕにより、ＩＥＥＥ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｍａｇａｚｉｎｅの２００５年ｖｏｌ．２２「Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｖｉａ ｕｌｔｒａ‐ｗｉｄｅｂａｎｄ ｒａｄｉｏｓ（超広帯域無線による位置探索）」において開示されている。数多くの距離推定方法が存在する一方、ＴＯＡ距離推定法は、ＵＷＢ信号に併せて用いられた場合に特に有利である。ＴＯＡ法は、符号化ＵＷＢパルス１００を送信機から送信することを含む。図１（ａ）に示すように、受信機は反射パルス１０１を受信し、反射パルス１０１は、包絡線検知器または低域通過フィルタを用いてスムージングされている。次に図１（ｂ）に示すように、包絡線はサンプリングされ、時間離散サンプル１０２となる。各パルスのＴＯＡは、例えば送信と受信との間のクロックパルス数など、これらの離散サンプルに基づき推定される。

図１（ｃ）に示すように、推定ＴＯＡ１０４が実際のＴＯＡ１０６と異なり得るとき、サンプリングエラーが発生する場合がある。２点のサンプルポイント間のＴＯＡを意味するサンプラの離散時間サンプリングステップおよび低時間分解能は識別されないであろう。つまり、精度はサンプリングレートにより制限されるのである。したがって、サンプリングレートが低くなればなるほど、サンプリングエラーの可能性も大きくなる。

従来技術において、様々なシステムが提案されてきた。例えば、米国特許第７１７１３０３号には測位システムが開示されており、それは共通クロックユニットを用いて、ローカル受信機と関連センサとの両方におけるサンプリング基準を形成する。ローカル受信機と関連センサとの両方は、測距処理中は同じ基準を有する。米国特許第７０５７５５３号には、ＧＰＳ（ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ：全地球測位システム）において測位信号を処理する方法が開示されている。この方法は、測距受信機においていくつかの衛星から、測位信号からの疑似距離サンプルを収集する。米国特許第７０４２８６８号は、２つのパケット信号トランシーバ間における測距方法を開示する。２つのトランシーバ間の時間遅延および距離は、互いの送信および受信パケット信号を通して決定可能である。米国特許第６２３９７４１は、ＵＷＢ対象検知のためのトンネルダイオード検知器を説明する。

当発明者は、また、２００６年６月２３日に、時間‐電圧変換機を用いてＴＯＡを推定する方法に関するシンガポール特許出願第２００６０４２２１‐２を出願している。

一般的に言うと、本発明は、ＵＷＢ信号が実際に受信されるときと受信ＵＷＢ信号が始めてサンプリングされるときとの間の遅延を決定することに関する。サンプリング期間よりも小さいタイミングの違いが、あまり複雑なハードウェアを使用せずとも検知可能という利点、および／または高いサンプリングレートが必要ではないという利点を有することも、本発明は可能である。

本発明の一具体的顕現においては、対象までの距離を推定する方法であって、少なくとも１つのＵＷＢ信号を送信することと、少なくとも１つのＵＷＢ信号を受信することと、第１の周波数を有する複数のクロックおよび／またはサンプルパルスに依存して、受信されたＵＷＢ信号をサンプリングすることと、第１の周波数より低い第２の周波数、およびＵＷＢ信号が実際に受信されるときと受信されたＵＷＢ信号がはじめてサンプリングされるときとの間の遅延に依存する位相を有する非整数信号を与えることと、少なくとも、ＵＷＢ信号の送信と受信との間のクロックまたはサンプルパルスの第１の数と、非整数信号の位相とに基づき、距離を決定することと、を含む方法が提供される。

本発明の第２の独立の具体的顕現においては、対象までの距離を推定するシステムであって、少なくとも１つのＵＷＢ信号を送信する送信機と、少なくとも１つのＵＷＢ信号を受信する受信機と、第１の周波数を有する複数のクロックおよび／またはサンプルパルスに依存して、受信されたＵＷＢ信号をサンプリングするサンプラと、第１の周波数より低い第２の周波数、およびＵＷＢ信号が実際に受信されるときと受信されたＵＷＢ信号がはじめてサンプリングされるときとの間の遅延に依存する位相を有する非整数信号を生成し、少なくとも、ＵＷＢ信号の送信と受信との間のクロックまたはサンプルパルスの第１の数と、非整数信号の位相とに基づき、距離を決定するように構成される回路および／またはプロセッサと、を備えるシステムが提供される。

発明の１または２以上の側面がより容易に理解され、実施されるように、非限定的例示により、本発明の１または２以上の実施形態を、添付図面に説明し参照しながらここで説明することとする。

ＵＷＢ信号のＴＯＡを推定する実施形態の一例を図２に示す。システム２００は、ＵＷＢ信号を生成する送信機２０２と、反射ＵＷＢ信号を受信する受信機２０４とを備える。概して、送信機２０２は参照信号を送出し、受信機２０４は目標対象物から反響参照信号を受信する。信号送信と信号受信との間の遅延を検知することにより、対象までの距離を見出すことが可能である。

クロック２０６が、送信機２０２へタイミングパルスを与え、送信機２０２は既定パターンにしたがって符号化パルスを生成する。反復パルス符号化が用いられるところで、最大遅延は時間領域においてＵＷＢパルス符号長よりも長くあるべきではない。受信機２０４は整数遅延検知器２０８と非整数遅延検知器２１０とに接続される。整数遅延検知器２０８は、ＵＷＢパルス送信および反射ＵＷＢパルス受信間の整数クロックパルスの数を決定する。非整数遅延検知器２１０は、反射ＵＷＢ信号の後の第１のクロックパルスが受信されるのと、反射ＵＷＢ信号が実際に受信されるときとの間の遅延を決定する。

整数遅延検知２０８と非整数遅延検知２１０との間の関係を図３に示す。整数遅延３０６は、ＵＷＢパルス３０４が受信された後、ＵＷＢパルス３０２が第１のサンプル３１０へ送信されたとき３００からの時間（クロックパルスまたはサンプルの数で測定）である。背景技術において説明したように、ＵＷＢパルス３０４はサンプル間において受信される場合がある。その結果、非整数遅延３０８は、ＵＷＢパルス３０４が受信された後、ＵＷＢパルス３０４が第１のサンプル３１０へ実際に受信されるとき３１２からの時間である。ＵＷＢパルスが受信される実際の時間３１２は、受信機２０４からの信号の包絡線が閾値を超えるときと決定されてもよい。

したがって全遅延すなわち実際のＴＯＡは、整数遅延３０６から非整数遅延３０８を引くことにより計算可能である。測距計算（図２の２１２）は全遅延に基づく。

非整数遅延３０８を決定するために、非整数信号Ｆが生成される。非整数信号Ｆは、クロック周波数より低い周波数と、ＵＷＢ信号が受信された後の第１のクロックまたはサンプルパルスと実際のＵＷＢ信号受信との間の遅延に依存する位相３１４とを有する。Ｆはサンプリング期間と比較してより大きい期間を有するため、反射ＵＷＢパルスが実際に受信されるときと、反射ＵＷＢパルスが受信されたあとの第１のサンプルとの間のタイミングにおける小さな関連変化は、より大きな変化をＦの位相３１４にもたらすであろう。信号Ｆの位相は非整数遅延３０８の一時的拡張を表し、そのため非整数遅延３０８は、標準サンプリング周波数を用いて測定可能である。

非整数遅延検知器２１０の方法の一例を図４に示す。２つの信号ＡおよびＢが生成される。信号Ａは、周波数ω_０を有する受信ＵＷＢパルス４００と同調し、周波数ω_０はサンプリング周波数ω_１よりも僅かに遅い。信号Ｂは、ＵＷＢ信号が受信された後の第１のクロックまたはサンプルパルス４０２と同調し、サンプリング周波数ω_１に等しい周波数を有する。

数式（１）に示すように信号ＡとＢとを掛け合わせることにより、さらなる信号Ｃが生成される。
Ｃ＝Ａ（ω_０）・Ｂ（ω_１） ・・・（１）

信号Ｃは周波数領域において２部分に分けることができる。第１部の信号Ｄは、周波数ω_０＋ω_１を中心とする高周波数部であり、第２部の信号Ｆは、周波数ω_１−ω_０を中心とする低周波部である。このように信号Ｃは、数式（２）に示すように表すこともできる。
Ｃ＝Ｄ（ω_０＋ω_１）＋Ｆ（ω_１−ω_０） ・・・（２）

信号ＤおよびＦは大きく異なる周波数を有するため、低域通過フィルタを使用して、低周波数部Ｆ（ω_１−ω_０）を抽出してもよい。高周波数部Ｄ（ω_０＋ω_１）は切捨ててもよい。

ω_１がω_０に近いため、信号Ｆ（ω_１−ω_０）は、サンプリング期間に比べ長い期間である。信号Ｆの位相は、ＵＷＢ信号が受信された後の第１のクロックまたはサンプルパルスとＵＷＢ信号が受信されたときとの間の遅延にしたがって変化するであろう。したがって非整数３０８は、Ｆの位相３１４をサンプリングすることにより決定可能である。

時間領域において非整数遅延３０８をＦ（ω_１−ω_０）の位相３１４へ拡張する乗数Ｋの因子が、数式（３）に示すように計算できる。

例えば、サンプリング周波数ω_１が１００ＭＨｚであり、ω_０が９９ＭＨｚであるならば、Ｆ（ω_１−ω_０）はω_１の１％の周波数、すなわち１ＭＨｚを有する。これにより、１０ｎｓの非整数遅延の可能な範囲（１サンプル期間）にわたる１００個のサンプルの分解能が与えられる。これにより、比較的低速のサンプリング周波数を用いて、受信信号のみサンプリングする代わりにＦ（ω_１−ω_０）をサンプリングすることで、より高い時間分解能を得ることが簡単になる。上の例において、パルス到着時間検知の時間分解能は、１０ｎｓから１００ｐｓ（１０ｎｓ／１００）まで２桁分の大きさだけ改善される。

Ｆ（ω_１−ω_０）の期間、すなわち２π／（ω_１−ω_０）は、符号化パルスシーケンス期間よりも小さくなければならない。さもなければ、次に到来するパルス信号と重なってしまうため、Ｆ（ω_１−ω_０）は時間内に処理不可能である。

例えば図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、Ｆの位相は非整数遅延に依存して変化する。図５（ａ）において、信号はサンプリングパルス同じ時刻に受信され（非整数遅延は零）、したがってＦの位相は０°と示されている。図５（ｂ）においては、小さい非整数遅延が存在し、したがってＦの位相は９０°である。図５（ｃ）においては、大きい非整数遅延が存在し、したがってＦの位相は１８０°である。

ＵＷＢ信号が送信されたときにカウンタ１を開始し、サンプリングされた受信信号が閾値（すなわちＵＷＢパルスが受信された受信された後の第１のクロックパルス）よりも高いときにカウンタ１を停止することにより、整数遅延検知２０８は実施可能である。整数遅延τ_Ｉは数式（４）にしたがって計算される。
τ_Ｉ＝Ｎ_Ｉ・Ｔ ・・・（４）
ここでＮ_Ｉはカウンタ１の値であり、Ｔはサンプル期間である。

受信機からの信号の包絡線が閾値よりも高いときにカウンタ２を開始し、Ｆ（ω_１−ω_０）が状態を変化させる（すなわちクロックパルスの数がＦの位相を表す）ときカウンタ２を停止することにより、非整数遅延検知２１０は実施可能である。非整数遅延τ_ｆは数式（５）にしたがって計算される。
τ_ｆ＝Ｎ_ｆ・Ｔ／Ｋ ・・・（５）
ここでＮ_ｆはカウンタ２の値である。したがって、全遅延すなわち実際のＴＯＡΔは数式（６）にしたがって計算できる。
Δ＝τ_Ｉ−τ_ｆ ・・・（６）

全遅延すなわち実際のＴＯＡΔは、距離または位置を計算するのに用いる場合がある。例えばＵＷＢ測距システムにおいては、数式（７）に示すように、発信信号と比較してトランシーバと対象との間の距離ｄは受信信号の遅延すなわち実際のＴＯＡに比例する。
ｄ＝（Δ−Ｘ）・σ／２ ・・・（７）
ここでＸは既知の不変回路遅延であり、σは、例えば光の速さなどのような伝達の速さである。

図６は非整数遅延検知２１０のハードウェアの実施形態を示している。信号Ａ（ω_０）およびＢ（ω_１）が、２つのフィードバック振動回路６００、６０８により生成される。

図６（ａ）において、第１の振動子回路６００は、包絡線検知器（図２の２１４）の出力を受信し、受信された出力はラッチレジスタＡのクロックインプットへ提供される。包絡線検知器２１４出力が閾値を上回る（ＵＷＢパルス到着を検知する）と、ラッチレジスタＡ出力６０６は高くなり、フィードバック振動子６０２を振動させる。振動の周波数はフィードバックライン６０４長により定められ、フィードバックライン６０４長はＤ_０に設定され、これにより周波数はω_０となる。Ｆ（ω_１−ω_０）が状態を変化させ、振動を停止させる場合、または次のパルスが到着した場合は、ラッチレジスタＡは零にクリアされる。

図６（ｂ）において、第２の振動子回路６０８が信号Ｂ（ω_１）を生成するのに使用される。ラッチレジスタＡの出力６０６は、ＡＮＤゲート６１０においてクロックパルスと組み合わせられる。ＡＮＤゲート６１０の出力は、ラッチレジスタＢのクロック入力へ提供される。ＵＷＢパルス到着後の第１のクロックパルスの後、ラッチレジスタＢ出力６１２は高くなる。これにより、フィードバック振動子６１４が振動させられる。振動の周波数はフィードバックライン６１６長により定められ、フィードバックライン６１６長はＤ_１に設定され、これにより周波数はω_１になる。この振動も、Ｆ（ω_１−ω_０）が状態を変化させたり、次のパルスが到着したりすると停止される。

図６（ｃ）に、さらなる回路６１６を示す。回路６００、６０８からの信号Ａ（ω_０）およびＢ（ω_１）は、ミキサまたは乗算と均等物であるＸＯＲゲート６１８へ送信され、信号Ｃとなる。ＸＯＲゲート６１８からの信号ＣはラッチレジスタＤのクロック出力へ与えられ、ＸＯＲの結果をサンプリングしてホールドする。Ａ（ω_０）がラッチレジスタＤのクロック入力へ提供され、そのため信号Ｃはω_０においてサンプリングされ、登録される。この回路は低域通過フィルタと均等物であり、これにより出力において信号はＦ（ω_１−ω_０）となる。

本発明の好適な実施形態を詳細に説明してきたが、当業者には明らかなように、本発明の範囲内で多くの変更が可能である。

ＴＯＡ推定の従来技術の方法のグラフであり、ＵＷＢパルスシーケンスである。 ＴＯＡ推定の従来技術の方法のグラフであり、包絡線検知およびサンプリングである。 ＴＯＡ推定の従来技術の方法のグラフであり、サンプリング出力およびＴＯＡ推定エラーである。 例示的な一実施形態による測距システムのブロック図である。 図２のシステムにおける信号間の関係を示すグラフである。 到着パルスエッジにより、および図２のシステムにおけるサンプラクロックにより開始される、信号ＡおよびＢのグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は、パルス到着時間の変化による信号Ｆの位相変化のグラフである。 信号Ａを生成するハードウェアの回路図である。 信号Ｂを生成するハードウェアの回路図である。 信号Ｆ（ω_１−ω_０）を生成するハードウェアの回路図である。

Claims (15)

1. 対象までの距離を推定する方法であって、
   少なくとも１つのＵＷＢ信号を送信することと、
   少なくとも１つのＵＷＢ信号を受信することと、
   第１の周波数を有する複数のクロックおよび／またはサンプルパルスに依存して、受信された前記ＵＷＢ信号をサンプリングすることと、
   前記第１の周波数より低い第２の周波数、および前記ＵＷＢ信号が実際に受信されるときと受信された前記ＵＷＢ信号がはじめてサンプリングされるときとの間の遅延に依存する位相を有する非整数信号を与えることと、
   少なくとも、前記ＵＷＢ信号の送信と受信との間のクロックまたはサンプルパルスの第１の数と、前記非整数信号の位相とに基づき、距離を決定することと、
   を含む方法。
2. 前記非整数信号の位相は、前記ＵＷＢ信号が受信されるときと比較して決定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記非整数信号を与えることは、
   前記ＵＷＢ信号が受信されると振動信号Ａを開始することと、信号Ａは、前記第１の周波数と等しい第３の周波数を有することと、
   信号Ａ開始後に前記第１のクロックまたはサンプルパルスが発生すると振動信号Ｂを開始することと、信号Ｂは、前記第３の周波数と比較して小さな周波数差を有する第４の周波数を有することと、
   信号ＡとＢとを掛け合わせ、信号Ｃを生成することと、
   信号Ｃのより低い周波数成分を前記非整数信号として与えることと
   を含む、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記クロックパルスの第１の数は、前記ＵＷＢ信号が送信されると、クロックパルスの第１の数を出力する第１のカウンタを開始し、受信された前記ＵＷＢ信号がサンプリングされると前記第１のカウンタを停止することにより決定される、請求項３に記載の方法。
5. 前記非整数信号の位相は、前記ＵＷＢ信号が受信されると、クロックパルスの第２の数を出力する第２のカウンタを開始し、前記非整数信号が状態を変化させると前記第２のカウンタを停止することにより決定される、請求項４に記載の方法。
6. 整数遅延から非整数遅延を引くことにより前記ＵＷＢ信号の到着時刻すなわち全遅延が決定されるところ、前記整数遅延は前記第１のカウンタの出力に基づいて決定され、前記非整数遅延は前記第２のカウンタの出力に基づいて決定される、請求項５に記載の方法。
7. 前記整数遅延は、
   τ_Ｉ＝Ｎ_Ｉ・Ｔ
   に基づいて決定される、請求項６に記載の方法。
8. 前記非整数遅延は、
   τ_ｆ＝Ｎ_ｆ・Ｔ／Ｋ
   に基づいて決定される、請求項７に記載の方法。
9. 前記全遅延すなわち到着時刻は、
   Δ＝τ_Ｉ−τ_ｆ
   に基づいて決定される、請求項８に記載の方法。
10. 前記距離は、
    ｄ＝（Δ−ｘ）・σ／２
    に基づいて決定される、請求項９に記載の方法。
11. 受信された前記ＵＷＢ信号の包絡線が閾値を上回るときを決定することにより、ＵＷＢ信号が受信されるときを決定することをさらに含む、先行するいずれかの請求項に記載の方法。
12. 対象までの距離を推定するシステムであって、
    少なくとも１つのＵＷＢ信号を送信する送信機と、
    少なくとも１つのＵＷＢ信号を受信する受信機と、
    第１の周波数を有する複数のクロックおよび／またはサンプルパルスに依存して、受信された前記ＵＷＢ信号をサンプリングするサンプラと、
    前記第１の周波数より低い第２の周波数、および前記ＵＷＢ信号が実際に受信されるときと受信された前記ＵＷＢ信号がはじめてサンプリングされるときとの間の遅延に依存する位相を有する非整数信号を生成し、少なくとも、前記ＵＷＢ信号の送信と受信との間のクロックまたはサンプルパルスの第１の数と、前記非整数信号の位相とに基づき、距離を決定するように構成される回路および／またはプロセッサと
    を備えるシステム。
13. 前記回路および／またはプロセッサは、
    前記ＵＷＢ信号が受信されると振動信号Ａを開始し、信号Ａは、前記第１の周波数に等しい第３の周波数を有し、
    信号Ａ開始後に前記第１のクロックまたはサンプルパルスが発生すると振動信号Ｂを開始し、信号Ｂは、前記第３の周波数と比較して小さな周波数差を有する第４の周波数を有し、
    信号ＡとＢとを掛け合わせ、信号Ｃを生成し、
    信号Ｃのより低い周波数成分を前記非整数信号として与える
    ように構成される、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記ＵＷＢ信号が送信されると開始し、受信された前記ＵＷＢ信号がはじめてサンプリングされると停止する第１のカウンタをさらに備え、前記第１のカウンタの出力は前記クロックパルスの第１の数である、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記ＵＷＢ信号が受信されると開始し、前記非整数信号が状態を変化させると停止する第２のクロックパルスカウンタをさらに備え、前記第２のカウンタの出力は、前記非整数信号の位相を表すものである、請求項１４に記載のシステム。

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