JP5407856B2 - マルチバンドトランシーバおよび該トランシーバを用いた測位システム - Google Patents

Description

本発明は、距離測定機能を備えるマルチバンドトランシーバおよび該トランシーバを用いた距離測定システムに関する。

従来より様々な測位システムが提案されている。図１は縦軸を測位精度とし、横軸を測位に必要となる設備の配置間隔として各種の測位システムを比較して示す図である。

ＧＰＳ（Global Positioning System）に代表される測位システムは、原子時計などの正確な時計を用いて時刻同期をとり、電波の到達時間差を測定することにより測位を実現している。ＧＰＳなどの原子時計を用いた測位システムの問題点としては、原子時計を利用するために設備コストが大きい、衛星上の原子時計と同期する必要があるため、地下での利用が難しい、精度の高い測位や基地局支援なしの測位では消費電力が大きい、などがあげられる。

ＲＦＩＤ（Radio-Frequency Identification）タグやＰＨＳ（Personal Handy-phone System）による測位システムでは、測位に電波強度を用いている。この手法では、施設したＲＦＩＤや基地局のうち、もっとも強い電波を受けられるものの近くに存在するものとして位置を特定する。また、到達する電波の強度からおおまかな距離を特定する。この手法の問題点は、測位制度が測位設備の設置間隔とほぼ同じとなるため、測位設備を多く設ける必要があり、敷設コストが大きいことである。

無線ＬＡＮ（Local Area Network）、ＵＷＢ（Ultra-Wide Band）といった広帯域を利用したシステムでは、測定対象局無線局からの電波と、基準無線局からの電波の到達時間差を比較することにより測位している。この際、時間変化の急峻な広帯域通信が、タイミング測定に適している。広帯域を用いる測位システムの問題点は、一般に帯域が大きいと受信電力が大きくなる、精度は帯域の逆数で決まるので無線ＬＡＮ利用の場合は帯域の広さが充分でなく精度が悪い。

高い精度を期待できるインパルスＵＷＢは、送信電力は非常に低く抑えられるものの、受信電力が大きいため電池で長時間駆動するシステムには不向きである。これを補うために基地局への送信にＵＷＢを、基地局からの受信に他の手法を組み合わせる手法も考えられる。しかしながら、広帯域を用いるＵＷＢでは、他の無線への干渉を避けるために、出力を低く抑えなければならないため、IEEE８０２．１５．４ａなどに代表されるＵＷＢの規格でも到達距離は１０ｍ程度が想定されている。そのため、測定対象無線局から基地局への通信のみをＵＷＢとした場合、必然的に測位可能範囲も１０ｍ程度になってしまう。

上記の各測位システムの他に、音波と電波の到達時間差を用いて距離測定を行う手法が存在する。この手法の問題点は、音波のみが遮断される場合があることと、マイクとスピーカーが別途必要になることである。

図１に示したもの以外には、反射波を利用してμｍ単位の距離測定を行うレーザー干渉計や、反射波および広帯域を利用して距離測定を行うレーダーがある。反射波を用いる場合の問題点は、送信に大電力、受信に高感度が求められることと、送受分離を行うためにサーキュレータ等が必要になるため筐体が大きくなることである。

そのなかで、原子時計や原子時計に同期した基地局、反射波、音波、広帯域通信のいずれも用いずに距離測定を行うシステムが特許文献１（特開平１１−１７８０３８号公報）に提案されている。

図２は特許文献１に記載されている測位可能な移動通信システムの構成を示すブロック図である。

測位装置８０１の測位信号発信部８１１から、移動無線端末装置８０４の通話路に対して測位信号である可聴音信号又はデータ信号を送信する。次に、測位装置８０１から送信された測位信号は、移動無線端末８０４の通話部８４３の折り返し手段により折り返され、該測位装置８０１の位相検出部８１２に戻ってくる。最終的に位相検出部８１２は、受信した折り返し信号と、測位信号発信部８１１の源測位信号との位相を比較して遅延位相を測定し、その測定結果を計算処理部８１４に通知する。該計算処理部８１４は、遅延位相から、無線基地局８０３と移動無線端末装置８０４との間の空間伝播距離を計算する。

特許文献１には、折り返し手段に関して明記されてなく、位相からの距離算出方法が明記されていない。ＰＨＳシステムを前提に書かれているが、ＰＨＳ周波数（１９００ＭＨｚ帯）の空間波長は約１６ｃｍ程度であり、なんらかの手法で折り返したとしても、約８ｃｍ毎に同じ位相が得られることになり、距離算出法の明記なしには測位不可能である。また、本来ＴＤＭＡ−ＴＤＤ（送受時分割）であるはずのＰＨＳシステムを前提にして書かれているので、送受が同時に行われるのかも定かではない。

ここで、送受は同時に行われるものとし、なんらかの手法で折り返しが実現したとすると、ＣＷレーダーシステムからの類推から、送受信部８３１および８４１には、サーキュレータによる送受分離手段を用いているものと推測される。ここで用いられるサーキュレータは大型であるため、小型端末には不向きである。

さらに、特許文献１の移動通信システムによる距離算出では、各移動無線端末装置が通信制御センタを用いることになるため、各移動無線端末装置が他の移動無線端末装置までの距離を直接測定することはできない。

図３は特許文献２（特開２００６−４２２０１号公報）に記載されている測位可能な移動通信システムによる測位手法を示している。

特許文献２では、送信側から２波の搬送波を送信し、受信側でその位相差を測定することで距離測定を行うことになっている。ここで、位相差は周波数差から出されるものなので、特許文献１と違い、波長（差）を長くとることができる。

以下、特許文献２の第５７−７２段落の記載に従って説明する。

図３の縦軸は第１および第２の搬送波の振幅であり、横軸は距離である。Ｒは、送信側の移動端末から受信側の移動端末までの距離を表す。送信側の移動端末では、第１および第２の搬送波の同期がとられている。そのため、送信側の移動端末において第１および第２の搬送波の位相は一致している。
Δφは、受信側の移動端末での第１の搬送波と第２の搬送波との位相差を表す。ここで、−π≦Δφ≦πである。

以下、第１および第２の搬送波の位相差Δφに基づいて送信側の移動端末から受信側の移動端末までの距離Ｒを算出する方法について説明する。

電波の速度をｃとし、搬送波の波長をλとし、搬送波の周波数をｆとし、搬送波の周期をＴとすると、次式が成り立つ。

ｃ＝λ／Ｔ＝λｆ…（１）
上式（１）から搬送波の角周波数ωは次式のようになる。

ω＝２π／Ｔ＝２πｆ…（２）
距離Ｒを位相で表すと、２πＲ／λ［ｒａｄ］となる。

上式（１）から位相は次式のように表される。

２πＲ／λ＝２πＲｆ／ｃ…（３）
ここで、送信側の移動端末での第１および第２の搬送波をそれぞれ式（４）および式（５）で表す。

ｗ１Ｔ＝ｓｉｎ（２πｆ１ｔ＋φ１）…（４）
ｗ２Ｔ＝ｓｉｎ（２πｆ２ｔ＋φ２）…（５）
上式（４）および（５）において、ｗ１Ｔおよびｗ２Ｔはそれぞれ送信側の移動端末での第１および第２の搬送波の振幅、ｔは時間、φ１およびφ２はそれぞれ第１および第２の搬送波の送信側の移動端末での位相である。

上式（３）、（４）および（５）より、受信側の移動端末での第１および第２の搬送波はそれぞれ式（６）および式（７）で表すことができる。

ｗ１Ｒ＝ｓｉｎ（２πｆ１ｔ−２πＲｆ１／ｃ＋φ１）…（６）
ｗ２Ｒ＝ｓｉｎ（２πｆ２ｔ−２πＲｆ２／ｃ＋φ２）…（７）
上式（６）および（７）において、受信側の移動端末でのｗ１Ｒおよびｗ２Ｒはそれぞれ第１および第２の搬送波の振幅、ｔは時間である。

送信機１において第１および第２の搬送波の同期が取られているので、φ１＝φ２となる。

したがって、上式（６）および（７）より受信側の移動端末での第１および第２の搬送波の位相差Δφは次式のようになる。

Δφ＝２πＲ／ｃ（ｆ１−ｆ２）＝２πＲ／ｃ・Δｆ…（８）
上式（８）において、Δｆは第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２との差である。上式（８）を変形すると、次式のようになる。

Ｒ＝（ｃ／２π）・（Δφ／Δｆ）＝（ｃΔφ）／（２πΔｆ）（−π≦Δφ≦π）…（９）
ここで、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２との差Δｆを１．０ＭＨｚに設定した場合を考える。この場合、位相差Δφがπになると、上式（９）より距離Ｒは次のように算出される。

Ｒ＝（３．０×１０８×π）／（２π×１．０×１０６）＝１５０［ｍ］
以上が特許文献２に記載されている説明である。ここで、特許文献２の手法の問題点は式（８）にある。式（６）のｓｉｎの係数から式（７）のｓｉｎの係数を引いて求めた受信側の移動端末での搬送波の位相差Δφは、
Δφ＝２π（Ｒ／ｃ−ｔ）・（ｆ１−ｆ２）…（１０）
となるべきで、Δφは時間変化してしまうため、時間情報（送信側でφ１＝φ２となる瞬間の時間）なしには距離を算出することができず、特許文献２に開示されている手法は実際には時間情報なしには実施不可能である。

また、仮に実施できた場合を想定すると、異なる２周波数を同時に送信することになる。異なる２周波数を同時に送信すると、平均電力に対してピーク電力が２倍となる。送受信系はピーク電力に合わせて設計されるため、平均電力とピーク電力の差が大きくなると、同じ送信電力に対する消費電力が大きくなる。これは、ＣＤＭＡやＯＦＤＭといった広帯域変調方式に関しても言えることである。
特開平１１−１７８０３８号公報 特開２００６−４２２０１号公報

本発明が解決しようとする課題は、原子時計や原子時計に同期した基地局、反射波、音波、広帯域通信のいずれも用いずに実施可能な距離測定を行うシステムを提供することにある。

同じ課題を解決しようと提案された特許文献１および２には上述したように実施することが困難である。この原因は、上記に示した通り、特許文献１については、折り返し手段および距離算出方法が明記されていないことに起因し、特許文献２については、異なる２周波数の搬送波の位相差は時間変化してしまうため、時間情報なしには距離を算出できないことに起因する。

また、仮に実施できた場合にも、特許文献１については、小型化に向かないという問題点がある。この原因は、送受分離にサーキュレータが必要なことに起因する。その理由は、送受同一周波数では送受分離できないからである。仮に送受別の周波数を用いた場合には、特許文献２と同じく時間情報なしには距離を算出できなくなってしまう。その理由は、異なる２周波数の搬送波の位相差は時間変化してしまうからである。

特許文献２が仮に実施できた場合、もしくは他の広帯域変調方式を用いた場合にも、同じ送信電力に対する消費電力が大きくなる問題がある。これは、広帯域変調では一般的に平均電力とピーク電力の差が大きくなることに起因する。

本発明では、距離測定機能を備えるマルチバンドトランシーバを実現し、これを用いることにより原子時計や原子時計に同期した基地局、反射波、音波、広帯域通信のいずれも用いずに低コストで実施可能な測位システムを提供することを目的とする。

発明を解決するための手段

本発明のマルチバンドトランシーバは、異なる２つ以上の周波数を用いて送信と受信を同時に行う手段を備えたマルチバンドトランシーバにおいて、
第１の周波数を発生する第1の局部発信器と、
第２の周波数を発生する第２の局部発信器と、
送信信号と前記第1の局部発信器出力に第１の位相差を設定する位相差設定手段と、
受信信号と前記第２の局部発信器出力との位相差である第２の位相差を検出する位相差検出手段と、
通信相手から通知された、通信相手が第２の周波数に設定した第３の位相差と、通信相手が第１の周波数にて検出した第４の位相差と、前記第１の位相差および第２の位相差により通信相手との距離を計算する計算手段を備えることを特徴とする。

本発明の他の形態によるマルチバンドトランシーバは、異なる２つ以上の周波数を用いて送信と受信を同時に行う手段を備えたマルチバンドトランシーバにおいて、
第１の周波数を発生する第１の局部発信器と、
第２の周波数を発生する第２の局部発信器と、
受信信号と前記第１の局部発信器出力との位相差である第４の位相差を検出する位相差検出手段と、
前記第１の周波数と第２の周波数の比を１対ｍとしたときに、前記第４の位相差のｍ倍もしくはｍ倍した結果に定数を加算した値とした位相差を第３の位相差として送信信号と前記第２の局部発信器出力に設定する位相差設定手段とを備えることを特徴とする。

本発明のさらに他の形態によるマルチバンドトランシーバは、異なる２つ以上の周波数を用いて送信と受信を同時に行う手段を備えたマルチバンドトランシーバにおいて、
第１の周波数を発生する第1の局部発信器と、
第２の周波数を発生する第２の局部発信器と、
受信信号と前記第２の局部発信器出力との位相差である第１の位相差を検出する位相差検出手段と、
送信信号と前記第1の局部発信器出力に第２の位相差を設定する位相差設定手段と、
通信相手としての上記の他の形態によるマルチバンドトランシーバからの信号により、通信相手が第２の周波数に設定した第３の位相差と、通信相手が第１の周波数に設定した第４の位相差とを求め、前記第１の位相差ないし第２の位相差により通信相手との距離を計算する計算手段を備えることを特徴とする。

本発明のさらに他の形態によるマルチバンドトランシーバは、異なる２つ以上の周波数を用いて受信を行う手段を備えたマルチバンドトランシーバにおいて、
第１の周波数を発生する第１の局部発信器と、
第２の周波数を発生する第２の局部発信器と、
受信信号と前記第１の周波数にとの位相差である第１の位相差を検出する第１の位相差検出手段と、
受信信号と前記第２の周波数にとの位相差である第２の位相差を検出する第２の位相差検出手段と、
通信相手からの前記第１の位相差と第２の位相差の通知を受信する受信手段を備えることを特徴とする。

上記のように構成される本願発明のマルチバンドトランシーバにおいては、通信相手が送信に用いている局部発振器と自己が送信に用いている局部発信器との位相差を求めて通信相手との距離が計算される。存在位置が既知である３以上のマルチバンドトランシーバとの通信結果に基づいて自己の存在位置を特定することができるため、測位システムをも構成可能となる。

以上のように、本発明によれば、原子時計や原子時計に同期した基地局、反射波、音波、広帯域通信のいずれも用いずに、電波による距離測定を行うことができる。

測位システムを比較する図である。 特許文献１に記載されている測位可能な移動通信システムの構成を示すブロック図である。 特許文献２（特開２００６−４２２０１号公報）に記載されている測位可能な移動通信システムによる測位手法を示している。 本発明の位置センサの１形態を示す図である。 本発明の第１の実施の形態を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態を説明する図である。 本発明の実施例を説明する図である。

符号の説明

１００ マルチバンドトランシーバ
１０１ 高周波増幅器
１０２ アンテナ
１０３ 直交変調器
１０４ 直交復調器
１０５ ベースバンド送信機
１０６ ベースバンド受信機
１０７ 搬送波周波数発生器

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図４は、本発明による測位方法の原理を説明するための図である。図４を参照し、直交変復調器のような位相変調／復調できるマルチバンドトランシーバを用いて測位を行う場合について説明する。

図面左側のトランシーバＴＲＸ０と右側のトランシーバＴＲＸ１との間の距離をＬ₀₁とする。トランシーバはそれぞれ直行変復調器を備えており、位相情報を伝送する。トランシーバＴＲＸ０から位相φ_f0のベースバンド信号を送信すると、直行変調器により周波数ｆ_fの信号として伝送される。トランシーバＴＲＸ１はこの周波数ｆ_fの信号を受信し、受信結果としてベースバンド信号の位相φ_f1を得る。

ここで、トランシーバＴＲＸ０の局部発振器とトランシーバＴＲＸ１の局部発振器の位相差がΔφであるとすると、受信位相φ_f1は、

という関係式で表される。

一方でトランシーバＴＲＸ１は位相φ_r1のベースバンド信号を送信する。その信号は直行変調器により周波数ｆ_rの信号として伝送される。ここでＴＲＸ１の送受の周波数ｆ_rおよびｆ_fはｆ_r＝ｍ×ｆ_fという関係にある。このｍは正の値で有理数である。ここで、ｍが整数もしくは整数分の１、特に、２のべき乗、または、２のべき乗分の１の数字であれば分周器により両方の信号を作成する際に扱いやすい。

局部発振器の位相差も同じくｍ×Δφとなるので、トランシーバＴＲＸ０での受信位相φ_r0は、

となる。

式１１からΔφを求め式１２に代入し、Ｌ₀₁について解くと、

となる。トランシーバＴＲＸ０はφ_r0およびφ_f0を、トランシーバＴＲＸ１はφ_r1およびφ_f1をそれぞれ知っているので、残る２つのパラメータを相手に通達することにより、０≦Ｌ₀₁＜λr／２の範囲（０≦φ＜２πの範囲）でＬを決定できる。

ここで、例えばトランシーバＴＲＸ１の送信位相φ_r1をφ_r1＝ｍ×φ_f1とすると、

となり、トランシーバＴＲＸ０は自身の持つ情報だけで距離Ｌ₀₁を計算できる。さらに例えば、トランシーバＴＲＸ０の送信位相を０とすると、

である。

位相φ_xの観測結果が全て０≦φ_x＜２πの範囲になるため、２波で測定する場合、測定できる距離Ｌ₀₁は０≦Ｌ₀₁＜λr／２の範囲に制限される。ただし、Ｌ₀₁の値がλr／２より大きい値の場合も、いくつかの周波数での結果を組み合わせることで測定が可能である。また、電波強度など他の測位手法と組み合わせ、０≦Ｌ₀₁＜λr／２の範囲の絞込みに本特許の測位装置を用いることも考えられる。

（第１の実施の形態）
図５は本発明の第１の実施の形態を示す図である。

２つのトランシーバ（ＴＲＸ）０および（ＴＲＸ）１は、それぞれ、電波送信ブロック０５，１５、電波受信ブロック０７，１７、送信位相差設定ブロック０４，１４、受信位相差検出ブロック０６，１６、２周波数生成ブロック０３，１３を備えている。２周波数生成ブロック０３は局部発信器０１，０２から構成され、２周波数生成ブロック１３は局部発信器１１，１２から構成されている。

トランシーバＴＲＸ０の２周波数生成ブロック０３では局部発信器０１と局部発信器０２が１：ｍ（ｍは有理数）の関係にある２周波数を生成し、トランシーバＴＲＸ１の２周波数生成ブロック１３では局部発信器１１と局部発信器１２が１：ｍ（ｍは有理数）の関係にある２周波数を生成する。

トランシーバＴＲＸ０の送信位相差設定ブロック０４では、局部発信器０１と送信電波の位相差を設定し、トランシーバＴＲＸ１の送信位相差設定ブロック１４では局部発信器１２と送信電波の位相差を、設定する。

トランシーバＴＲＸ０の受信位相差検出ブロック０６では、受信した電波と局部発信器０２との位相差を検出し、トランシーバＴＲＸ１の受信位相差検出ブロック１６では受信した電波と局部発信器１１との位相差を、検出する。

また、トランシーバＴＲＸ０ないしトランシーバＴＲＸ１は検出した位相差から、通信相手と自らの局部発信器の位相差を割り出す、またはその位相差を相殺する機能を持っている。

なお、図５では、送受それぞれ別のアンテナが描かれているが、送受の周波数が異なるので、アンテナ混合器もしくはフィルタを用いて混合してもよいことは言うまでもない。

また、同様に、送信機、受信機、局部発信器、アンテナなどは２つの周波数毎にそれぞれ別に２つずつ持っていてもかまわない。

また、図５中の各ブロックは、コンピュータシステム上にソフトウェアにより構築することも可能であり、ハードウェアのみでも実現可能である。さらに、ハードウェアとソフトウェアを組み合わせても実現可能であり、これらのいずれによって実現してもよい。 図６は、図５中のトランシーバＴＲＸ０およびトランシーバＴＲＸ１の具体例の構成を示すブロック図である。

図６に示されるトランシーバＴＲＸ０およびトランシーバＴＲＸ１のいずれも構成は同じであり、高周波増幅器１０１、アンテナ１０２、直交変調器１０３、直交復調器１０４、ベースバンド送信機１０５およびベースバンド送信機１０６から構成されている。図６では、トランシーバＴＲＸ０についてのみこれらの各構成要素について符号を付し、トランシーバＴＲＸ１については省略している。

トランシーバＴＲＸ０における送信位相φ_f０はベースバンド送信機１０５によりｃｏｓφ_f０およびｓｉｎφ_f０に変換される。変換された信号は、直交変調器１０３によりｃｏｓ２πｆ_f０ｔおよび−ｓｉｎ２πｆ_f０ｔと乗算され、直交変調器出力１０３として、

を得る。その出力信号は増幅器１０１にて適当な振幅に増幅され、アンテナ１０２より放出される。

その信号は時間ｔ₀₁後にトランシーバＴＲＸ１のアンテナ１０２より受信され、増幅器１０１にて適当な振幅に増幅された後、直交復調器１０４に入力される。時刻ｔ＝０におけるトランシーバＴＲＸ０の周波数ｆ_f0の局部発信器とトランシーバＴＲＸ１の周波数ｆ_f1の局部発信器との位相差をφ₁とすると、直交復調器１０４では、ｃｏｓ（２πｆ_f1ｔ＋φ₁）および−ｓｉｎ（２πｆ_f1ｔ＋φ₁）と乗算され、直交復調器１０４出力として、

および、

を出力する。ここで、ｆ_f1はｆ_f0に非常に近い（理想的には同じ）周波数である。直交復調器出力１０４は低域通過フィルタ（不図示）を介して出力される。低域通過フィルタはｆ_f0＋ｆ_f1の周波数をカットするもので、直交復調器出力１０４として得られるのは、

となる。ここで、

とした。これは時刻ｔにおけるトランシーバＴＲＸ０の周波数ｆ_f0の局部発信器とトランシーバＴＲＸ１の周波数ｆ_f1の局部発信器との位相差に相当する。

よって、トランシーバＴＲＸ１のベースバンド受信機１０５によって得られる受信位相φ_f1は、

となる。

トランシーバＴＲＸ１からトランシーバＴＲＸ０に正の有理数ｍ倍の周波数を用いて送信する場合も同様に、ｆ_f0→ｆ_r1、ｆ_f1→ｆ_r0、φ_f0→φ_r1、φ_f1→φ_r0、Δφ→−ｍΔφ、ｔ₀₁→ｔ₁₀と置き換えれば良いので、トランシーバＴＲＸ０のベースバンド受信機によって得られる受信位相φ_r0は、

となる。

ｔ₀₁とｔ₁₀はそれぞれトランシーバＴＲＸ０からトランシーバＴＲＸ１およびトランシーバＴＲＸ１からトランシーバＴＲＸ０への電波の到達時間であるので、電波速度ｃと到達距離Ｌ₀₁を用いて、

と表される。式２２からΔφ（ｔ）を求め式２３に代入し、式２４の関係を利用してＬ₀₁について解くと、

ｍｆ_f0＝ｆ_r0≒ｆ_r1であるので、

よって、トランシーバＴＲＸ０およびトランシーバＴＲＸ１では同時期にお互いが受信した位相を知ることができればお互いの距離を測定することが可能である。

ここで、同時期の厳密度であるが、式２２および式２３は時間依存の項を持っている。しかしながら、ｆ_f0とｆ_f1およびｆ_r0とｆ_r1は理想的には同じ周波数である。たとえ、トランシーバＴＲＸ０とトランシーバＴＲＸ１の間で周波数基準の誤差を考慮したとしても依然非常に近い周波数である。そのため、式２１よりあきらかなように時間変化は非常に小さくでき、時刻同期をそれほど厳密にとる必要はない。

ここで、例えば、ＴＲＸ１の送信位相φ_r1をφ_r1＝ｍ×φ_f1とすると、

となり、トランシーバＴＲＸ０は自身の持つ情報だけで距離Ｌ₀₁を計算できる。

なお以上の説明において、各式における振幅は簡単のため省略した。

また、送受回路における若干の位相回転等が起こりうるが、製造や温度ばらつきによるある一定の誤差範囲内で固定値であるはずなので、実際の距離測定の際に差し引くことができる。

（ｍPSK変調）
ここで、式２６および式２７から明らかなように、ｍの値が整数の場合、トランシーバTRX0は自身が設定する位相差φ_f0を２π／ｍ移相しても、距離計算に影響はない。

例えば、ｍが４のとき、位相差φ_f0をφ_f0＋２π／ｍ、φ_f0＋２ｘ２π／ｍ、φ_f0＋３ｘ２π／ｍと設定しても、式２６および式２７の結果は同じである。そのため、TRX0からTRX1への信号は、ｍPSK（ｍ値Phase-Shift Keying）変調することができる。

（ｍの範囲）
また、式２６および式２７からわかるように、位置の検出精度は位相の検出精度に依存しており、一般に数十分の１程度である。受信位相をｍ倍すると、誤差もｍ倍となってしまうため、用いることのできる２周波の周波数比は一般に１００倍以下になる。ただし、位相の検出精度は、受信信号の信号対雑音比にも大きく影響を受けるため、雑音の多い状況では位相の検出精度が２０〜３０分の１に低下してしまうので、その場合には用いることのできる２周波の周波数比は、２０〜３０倍程度までとなる。

（受信電力が十分大きいときだけ折り返す）
トランシーバＴＲＸ１の送信位相φ_r1をφ_r1＝ｍ×φ_f1として返信するような場合、受信した信号が雑音に埋もれてしまったときには、送信をやめる、または、ある特定の信号を送るなどの仕組みを備えていてもよい。

（第２の実施の形態）
図７は本発明の第２の実施の形態を示す図である。

トランシーバＴＲＸ０とトランシーバＴＲＸ１との間の距離をＬ₀₁、トランシーバＴＲＸ０とトランシーバＴＲＸ２との間の距離をＬ₀₂、トランシーバＴＲＸ１とトランシーバＴＲＸ２との間の距離をＬ₁₂とする。

トランシーバＴＲＸ０から位相φ_f0、周波数ｆ_fの信号が伝送されると、トランシーバＴＲＸ２はこの周波数ｆ_fの信号を受信し、受信結果としてベースバンド信号の位相φ_f2を得る。同時に、トランシーバＴＲＸ０から位相φ_r1、周波数ｆ_rの信号が伝送されると、トランシーバＴＲＸ２はこの周波数ｆ_rの信号を受信し、受信結果としてベースバンド信号の位相φ_r2を得る。ここで周波数ｆ_r・ｆ_fはｆ_r＝ｍ×ｆ_fという関係にある。

トランシーバＴＲＸ０の周波数ｆ_fの局部発振器とトランシーバＴＲＸ１の周波数ｆ_fの局部発振器の位相差がΔφ₀₁、トランシーバＴＲＸ０の周波数ｆ_fの局部発振器とトランシーバＴＲＸ２の周波数ｆ_fの局部発振器の位相差がΔφ₀₂、トランシーバＴＲＸ１の周波数ｆ_fの局部発振器とトランシーバＴＲＸ２の周波数ｆ_fの局部発振器の位相差がΔφ₁₂、であり、周波数ｆ_rの局部発振器の位相差がｍ倍となるとすると、
受信位相φ_f2およびφ_r2は、

という関係式で表される。ここで、Δφ₁₂は、

ここで、Δφ₀₁は式１１におけるΔφであるので、式２８からさらにΔφ₀₂を求め、式３０を式２９に代入すると、

となる。トランシーバＴＲＸ２はφ_r2およびφ_f2を知っているので、残るパラメータをＴＲＸ０、ＴＲＸ１に通達してもらうことにより、０≦Ｌ₀₁＜λr／２の範囲（０≦φ＜２πの範囲）でＬ₀₂を決定できる。

ここで、もちろんＬ₀₁、Ｌ₀₂は第１の実施の形態の手法で求めても良い。

また、図８に示すような場合、同一平面状にないＴＲＸ０，ＴＲＸ２，ＴＲＸ３，ＴＲＸ４の位置が既知であれば、本実施の形態の手法を使ってＴＲＸ１の３次元的な位置を特定できる。もし、ＴＲＸ０，ＴＲＸ１，ＴＲＸ２，ＴＲＸ３が同一平面状にある場合、同一直線状にないＴＲＸ０，ＴＲＸ２，ＴＲＸ３の位置が既知であれば、本実施の形態の手法を使ってＴＲＸ１の２次元的な位置を特定できる。

（実施例１）
図９は本発明の第１実施例を説明する図である。

図９は、本発明で用いられるマルチバンドトランシーバの一実施例の構成を示す回路図である。

本実施例は、位相設定器６０１、位相計算機６１７、コサイン信号発生器６０３、ミキサ６０３，６０４，６１８，６１９、加算器６０５、高周波増幅器６０６，６２０、基準信号源６０８、分周器６０９，６１１，６１３、スイッチ６１０，６２１、移相器６１２，６１４、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）６１５、バンドパスフィルタ６２２，６２４およびアンテナ６２３より構成されている。

図９に示されるマルチバンドトランシーバが第１の実施形態におけるトランシーバＴＲＸ０として働く場合、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）６１５から指令された位相を示す信号に応じた位相が位相設定器６０１に設定される。コサイン信号発生器６０２およびサイン信号発生器６０７は位相設定器６０１に設定された位相によるコサイン信号およびサイン信号を発生し、ミキサ６０３、６０４へそれぞれ出力する。

５４．２４ＭＨｚの基準信号を発生する基準信号源６０８の出力は、２分周を行う分周器６０９、スイッチ６１０、２分周を行う分周器６１１を通ることにより４分周された１３．５６ＭＨｚの周波数とされ、ミキサ６０３に加えられ、また、移相器６１２を通ることにより９０°位相が遅らされてミキサ６０４に加えられる。

ミキサ６０３，６０４の各出力は加算器６０５により加算され、高周波増幅器６０６、スイッチ６２１およびバンドパスフィルタ６２１を通ってアンテナ６２３より送出される。

上記のようにして、ＭＰＵ６１５から指令された位相がコサイン信号およびサイン信号に変換され、局部発振器からの位相差として送信される。送信側では、上記のように局部発信器として、５４．２４ＭＨｚの基準信号源から４分周した１３．５６ＭＨｚを用いている。受信側では、２分周を行う分周器６１３のみが用いられ、局部発信器の周波数として、５４．２４ＭＨｚを２分周した２７．１２ＭＨｚが用いられている。

受信時には、アンテナ６２３により受信された信号は、バンドパスフィルタ６２１およびスイッチ６２１を通り、ミキサ６１８，６１９に加えられる。ミキサ６１８にはスイッチ６１０および分周器６１３を通ることにより２分周された２７．１２ＭＨｚの周波数信号が入力され、ミキサ６１９には、さらに移相器６１９を通ることにより９０°位相が遅らされた周波数信号が入力されている。各ミキサ出力は、位相計算機６１７に入力され、位相計算機６１７はこれらのｔａｎ^-1を求め、その結果を位相設定器６１６に設定する。ＭＰＵ６１５は位相設定器６１６に設定された位相により距離を計算する。

上記のように、基準信号源６０８、分周器６０９，６１１により第１の局部発振器が構成され、基準信号源６０８、分周器６１３により第２の局部発振器が構成されている。また、ミキサ６０３，６０４、移相器６１２により位相差設定ブロックが構成され、ミキサ６１８，６１９、移相器６１４により位相差検出ブロックが構成され、ＭＰＵ６１５は計算ブロックとして機能する。

図９に示したマルチバンドトランシーバが第１の実施形態におけるＴＲＸ１として働く場合、受信側では、局部発信器の周波数として、５４．２４ＭＨｚを４分周した１３．５６ＭＨｚを用いる。ＭＰＵ６１５は受信した信号から返信する内容を判断する。たとえば、強度が十分でない場合は、その由をＴＲＸ０に伝えるなどである。また、送信帯域が広がらないよう、送信位相の短時間での変化をある一定値以下に抑えるような仕組みを入れることもできる。さらに、トランシーバＴＲＸ０およびトランシーバＴＲＸ１が同時期にお互いが受信した位相を知ることができるように、移相器６１２、６１９に設定された位相を通知する。

ここでは、ｆ_fとｆ_rの関係は２倍である。ＭＰＵは位相を２進数で受け取るため、φ_r1＝２×φ_f1として送り返す場合には１ビット左シフトすることで簡単に２倍にできる。

ｔａｎ^-1を求めるにはＣＯＲＤＩＣといわれるアルゴリズムがよく用いられる。この計算には順序回路で計算した場合で数クロックの時間を要する。もし、ＴＲＸ０とＴＲＸ１の基準信号源の周波数がずれていて、その差が一定している場合、検出される位相差は一定の割合で変化する。ここで、その変化が早く、ＣＯＲＤＩＣ計算やＭＰＵでの伝達時間が無視できない場合、ＭＰＵでその変化分を推測して、定数として加えることによって、計算時間の影響を減らすことができる。

ＴＲＸ０では受信した位相から式２７の関係を用いて距離を計算する。

（実施例２）
使う周波数を増やすことで計測範囲を広げることができる。たとえば、式２７の関係より実施例１では１３．５６ＭＨｚと２７．１２ＭＨｚを用いたため、Ｌ₀₁が２．５ｍの場合と８ｍの場合で同じ結果が出てしまうため、５．５ｍを超える距離では利用できなかった。しかし、ここでさらに、４０．６８ＭＨｚを用いると、２．５ｍのときは６．１８ｍや９．８５ｍと同じ結果が、８ｍのときは０．６５ｍや４．３２ｍと同じ結果が出るはずなので、それによりどちらであるか判断できる。

また、距離が増えるにつれ、受信する信号の強度や、信号対雑音比が劣化するので、それらをもとに判断することができるのも言うまでもない。

式２７や、これらの実施例からわかるように、２周波での測定可能範囲が数十ｃｍ以上となる１ＧＨｚ以下の周波数が位置検出利用に向いている。また、ＩＳＭ帯として指定されている１３．５６ＭＨｚ，２７．１２ＭＨｚ，４０．６８ＭＨｚは周波数が整数倍の関係となるので計算が容易である。さらに、測定距離も数メートル程度、精度は数ｃｍ〜数十ｃｍ程度となるので利用しやすい。

本発明は、位置情報サービスなどに用いられる位置検出の用途に適用できる。

以上、実施形態及び実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は２００７年２月２２日に出願された日本出願特願２００７−０４２１４７号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (16)

1. 異なる２つ以上の周波数を用いて送信と受信を同時に行う手段を備えたマルチバンドトランシーバにおいて、
   第１の周波数を発生する第１の局部発信器と、
   第２の周波数を発生する第２の局部発信器と、
   送信信号と前記第１の局部発信器出力に第１の位相差を設定する位相差設定手段と、
   受信信号と前記第２の局部発信器出力との位相差である第２の位相差を検出する位相差検出手段と、
   通信相手から通知された、通信相手が第２の周波数に設定した第３の位相差と、通信相手が第１の周波数にて検出した第４の位相差と、前記第１の位相差および第２の位相差により通信相手との距離を計算する計算手段を備えることを特徴とするマルチバンドトランシーバ。
2. 異なる２つ以上の周波数を用いて送信と受信を同時に行う手段を備えたマルチバンドトランシーバにおいて、
   第１の周波数を発生する第１の局部発信器と、
   第２の周波数を発生する第２の局部発信器と、
   受信信号と前記第１の局部発信器出力との位相差である第４の位相差を検出する位相差検出手段と、
   前記第１の周波数と第２の周波数の比を１対ｍとしたときに、前記第４の位相差のｍ倍もしくはｍ倍した結果に定数を加算した値とした位相差を第３の位相差として送信信号と前記第２の局部発信器出力に設定する位相差設定手段とを備えることを特徴とするマルチバンドトランシーバ。
3. 異なる２つ以上の周波数を用いて送信と受信を同時に行う手段を備えたマルチバンドトランシーバにおいて、
   第１の周波数を発生する第１の局部発信器と、
   第２の周波数を発生する第２の局部発信器と、
   受信信号と前記第２の局部発信器出力との位相差である第１の位相差を検出する位相差検出手段と、
   送信信号と前記第１の局部発信器出力に第２の位相差を設定する位相差設定手段と、
   通信相手としての請求項２に記載のマルチバンドトランシーバからの信号により、前記第１の位相差ないし第２の位相差により通信相手との距離を計算する計算手段を備えることを特徴とするマルチバンドトランシーバ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のマルチバンドトランシーバにおいて、
   第１の局部発信器および第２の局部発信器は、第１の周波数と第２の周波数の比として用いる値が１以外の有理数となる周波数を発生することを特徴とするマルチバンドトランシーバ。
5. 請求項４記載のマルチバンドトランシーバにおいて、
   有理数の比の関係にある２つの周波数を、同一の発振器からの分周もしくは逓倍によって作成する信号生成手段を備えることを特徴とするマルチバンドトランシーバ。
6. 請求項４記載のマルチバンドトランシーバにおいて、
   第１の局部発信器および第２の局部発信器は、有理数の関係にある２つの周波数の比を１対ｍとした際、ｍが整数もしくは整数分の１となる周波数を発生することを特徴とするマルチバンドトランシーバ。
7. 請求項６記載のマルチバンドトランシーバにおいて、
   第１の局部発信器および第２の局部発信器は、有理数の関係にある２つの周波数の比を１対ｍとした際、ｍが２の整数乗となる周波数を発生することを特徴とするマルチバンドトランシーバ。
8. 請求項４記載のマルチバンドトランシーバにおいて、
   第１の局部発信器および第２の局部発信器は、有理数の関係にある２つの周波数の比を１対ｍとした際、ｍが１００以下かつ１００分の１以上である周波数を発生することを特徴とするマルチバンドトランシーバ。
9. 請求項２記載のマルチバンドトランシーバにおいて、
   位相差設定手段は、第１の周波数と第２の周波数の比を１対ｍとしたときに、第２の位相差のｍ倍した結果に定数を加算した値とした位相差を第１の位相差として設定する場合には、該定数を送受タイミングずれに相当する位相分を補正する値とすることを特徴とするマルチバンドトランシーバ。
10. 請求項２記載のマルチバンドトランシーバにおいて、
    位相差設定手段は、受信電力を予め定められた閾値と比較し、受信電力が前記閾値よりも大きな場合にのみ、検出した位相差をｍ倍もしくはｍ倍した結果に定数を加算した値とした位相差を送信信号の位相差として設定することを特徴とするマルチバンドトランシーバ。
11. 請求項１または請求項３に記載のマルチバンドトランシーバにおいて、
    計算手段は、距離を計算する際に、他の周波数を用いた測定結果もしくは電波強度などの他の距離測定手段で測定した結果を用いて、半波長以上離れた距離を計算することを特徴とするマルチバンドトランシーバ。
12. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のマルチバンドトランシーバにおいて、
    第１の局部発信器および第２の局部発信器は、１ＧＨｚ以下の周波数を発生することを特徴とするマルチバンドトランシーバ。
13. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のマルチバンドトランシーバにおいて、
    第１の局部発信器および第２の局部発信器は、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、４０．６８ＭＨｚなどのＩＳＭ帯の周波数を発生することを特徴とするマルチバンドトランシーバ。
14. 請求項１または請求項３に記載のマルチバンドトランシーバを用いた測位システムであって、
    計算手段は、存在位置が既知である３以上のマルチバンドトランシーバとの通信結果に基づいて自己の存在位置を特定することを特徴とする測位システム。
15. 異なる２つ以上の周波数を用いて送信と受信を同時に行う手段を備えたマルチバンドトランシーバを用いて通信相手との距離を計算する距離計算方法であって、
    第１の周波数を発生し、
    第２の周波数を発生し、
    送信信号と前記第１の周波数とに第１の位相差を設定し、
    受信信号と前記第２の周波数との位相差である第２の位相差を検出し、
    通信相手から通知された、通信相手が第２の周波数に設定した第３の位相差と、通信相手が第１の周波数にて検出した第４の位相差と、前記第１の位相差および第２の位相差により通信相手との距離を計算することを特徴とする距離計算方法。
16. 異なる２つ以上の周波数を用いて送信と受信を同時に行う手段を備えたマルチバンドトランシーバを用いた位相差設定方法であって、
    第１の周波数を発生し、
    第２の周波数を発生し、
    受信信号と前記第１の周波数との位相差である第２の位相差を検出し、
    前記第１の周波数と第２の周波数の比を１対ｍとしたときに、前記第２の位相差のｍ倍もしくはｍ倍した結果に定数を加算した値とした位相差を第１の位相差として送信信号と前記第２の局部発信器出力に設定することを特徴と位相差設定方法。

Images