JP5696312B2 - 広域位置特定システム - Google Patents
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- Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
と複数の中継局で受信すると共に各中継局は重複しない固有の遅延時間後に第2の測定用信号を同一周波数で送信し、親局が移動局からの第1の測定信号と中継局からの第2の測定用信号とを受信してその到達時間差または位相差を測定することにより第1の測定用信号を親局が受信した時刻と各中継局が受信した時刻との相対時間差を算出して双曲線航法により移動局の位置を算出するように構成するとされている。
しかしながら、各中継局において、重複しない固有の遅延時間後に第2の測定用信号を同一周波数で送信すると記述されているが、具体的な構成および方法が記述されておらず、実現性に疑問点がある。
しかしながら、中継局a、bで検出した遅延時間データta、tb(あるいは位相データ)を無線ルートで中央局cに通知するとしているが、遅延時間を高精度で検出するための具体的な構成が記述されておらず、別の無線ルートを必要とすることから、実現性の問題点がある。
しかしながら、中継機2が周波数を変換した周波数分割同時送受信方式であり、送信機1とは別に中継機2を設置する必要があり、中継機2が時分割方式の場合には適用できず、あるいは中継機2が設置されていない場所では距離測定ができない問題点がある。
しかしながら、距離を測定するのに、パルス符号列を用いて時間差を測定しているため、距離の測定に誤差を生じ高精度で測定できない問題点がある。
しかしながら、人工衛星でPNコードを時分割で折り返す場合に、短時間でかつ高精度で同期を確立し、前記PNコードが消滅した後も、長時間に渡り同期を保持するのが難しく、回路が複雑となり、実現性と高価となる問題点がある。
位相差は、第1の送受信機1000から第2の送受信機2000までの距離の2倍を電波が通過した時間差であるとされている。
しかしながら、第1の送受信機1000と第2の送受信機2000は、異なる周波数で送受信する必要があり、時分割で通信する場合には適用できず、実現性と高価となる問題点がある。
前記基準局101a、101bが、少なくとも、制御手段11と、発信手段12と、アンテナあるいは送受波器15とを有し、
前記制御手段11が起点信号を生成し、前記発信手段が、少なくとも前記起点信号を含む無線信号を、バースト信号としてかつ間欠的に、前記アンテナあるいは送受波器15を介して発信し、
前記受信手段13が、前記基準局101a、101bから発信された無線信号を、前記アンテナあるいは送受波器15を介して受信し、前記制御手段11が、前記基準局101a、101bから受信した無線信号に含まれる起点信号を再生し、前記再生した起点信号の立上り点、立下り点、あるいゼロ交差点のタイミングを検出し、前記検出したタイミングで、起点信号と同期を確立し、かつ同期を保持して、クロック信号を生成し、前記クロック信号と同期しあるいは直交する距離測定信号を生成し、
前記携帯端末103が、少なくとも、受信手段13と、制御手段11と、アンテナあるいは送受波器15とを有し、前記受信手段が、前記基準局と複数の中継局から発信された無線信号を、前記アンテナあるいは送受波器15を介して受信し、
前記携帯端末103が、少なくとも、制御手段11と、発信手段12と、アンテナあるいは送受波器15とを有し、前記制御手段11が起点信号を生成し、前記発信手段12が、少なくとも前記起点信号を含む無線信号を、バースト信号としてかつ間欠的に、前記アンテナあるいは送受波器15を介して発信し、
前記受信手段13が、前記携帯端末103と複数の中継局102a〜102gから発信された無線信号を、前記アンテナあるいは送受波器15を介して受信し、前記制御手段11が、前記携帯端末103から受信した無線信号に含まれる起点信号を再生し、
また、請求項7に示すように、基準局101が、無線信号を間欠発信する間隔を、内部に設けた自励発振器を用いて、ランダムに制御し、前記基準局から発信される無線信号を非同期で発信することで、無線信号を効率的に活用する。
また、請求項8に示すように、前記携帯端末103が、無線信号を間欠発信する間隔を、内部に設けた自励発振器を用いて、ランダムに制御し、複数の携帯端末から発信される無線信号を非同期で発信し、あるいは前記携帯端末の移動速度に応じて前記間隔を制御することで、無線信号を効率的に活用する。
また、請求項10に示すように、前記基準局101をノードとして、前記基準局と複数の中継局との間でネットワークを構成し、前記ネットワークを、周辺の基準局もしくは外部と、有線回線もしくは無線回線を介して接続し、少なくとも、前記携帯端末の位置を特定するために必要な情報の交換を行なう。
また、請求項13に示すように、前記基準局、中継局、もしくはこれらの両方が、高さの異なる位置にアンテナ又は複数の送受波器を設置され、前記制御手段が3次元の位置を特定する。
図1、図3、図4は本発明の第1の実施の形態による広域位置特定システムの構成図である。図1、図3、図4において、101a、101bは基準局、102a〜102gは中継手段、103は携帯端末、1a〜1iは基準局から中継局に向けて発信される無線信号の伝搬経路、2a〜2dは携帯端末103に向けて発信される無線信号の伝搬経路、11は制御手段、12は発信手段、13は受信手段、14はアンテナ切替手段、15はアンテナ、41は基準発振器、42は位置特定手段、43は位相測定手段、44は距離測定信号再生手段、45は起点信号生成手段、46は同期発振器、47は距離測定信号生成手段、48は位相同期発振器、49は同期検出手段、50は起点信号再生手段、51、52は接続端子である。
前記基準局101a、101bが、少なくとも、制御手段11と、発信手段12と、アンテナ15とを有し、前記制御手段11が、少なくとも、起点信号再生手段50、同期検出手段49、同期発振手段46、距離測定信号生成手段47、距離測定信号再生手段44、位相測定手段43、位置特定手段42、もしくはこれらの組み合わせであり、
前記起点信号生成手段45が起点信号を生成し、前記発信手段12が、少なくとも前記起点信号と、システム同期信号、識別番号、報知情報、もしくはこれらの組み合わせとを含む無線信号を、バースト信号としてかつ間欠的に、アンテナ15を介し、伝搬経路1a〜1iを経由して発信し、
また、前記携帯端末103もしくは基準局101において、無線信号を間欠発信する間隔を、内部に設けた自励発振器を用いて制御することによって、複数の携帯端末あるいは複数の基準局から無線信号を非同期で発信し、あるいは前記携帯端末の移動速度に応じて間欠発信の間隔を制御することで、無線信号を効率的に活用できる。
また、前記長方形のサービスエリアの長い辺22a、22bが、道路脇の歩道であり、横断歩道であり、屋内の通路あるいは廊下であり、もしくは歩行者の移動エリアであるものとする。
また、図1の配置では、隣接する複数の基準局の間では、非同期でありランダムであり、しかも合計が8msのバースト信号で起点信号を発信しているので、お互いに妨害を与える確率が少なく、広域をカバーするよう配置することが出来る。
また、本システムに、GPSと同一の周波数を割り当てた場合でも、合計8msのバースト信号であるため、12組の基準局と複数の中継局を同一場所に設置し、1mw程度の送信出力としても、GPS受信機に与える妨害の程度は、過去の実験データから見て、軽微であると考えられる。
図2、図3、図4は本発明の第2の実施の形態による広域位置特定システムの構成図である。図2、図3、図4において、101a、101bは基準局、102a〜102gは中継手段、103は携帯端末、1a〜1iは基準局から中継局に向けて発信される無線信号の伝搬経路、2a〜2dは携帯端末103に向けて発信される無線信号の伝搬経路、11は制御手段、12は発信手段、13は受信手段、14はアンテナ切替手段、15はアンテナ、41は基準発振器、42は位置特定手段、43は位相測定手段、44は距離測定信号再生手段、45は起点信号生成手段、46は同期発振器、47は距離測定信号生成手段、48は位相同期発振器、49は同期検出手段、50は起点信号再生手段、51、52は接続端子である。
前記MACレイヤ62a〜62cは、少なくとも、符号長、識別番号、相手先番号、報知信号、誤り訂正符号、もしくはこれらの組合せから構成され、前記システム同期信号61a〜61cとセットになって生成される。
前記再生された起点信号71bと、同期確立誤差がゼロで同期した距離測定信号73aを生成すると、生成された距離測定信号73aは、同じくBSin{2πf1t+(2πL1(f1/C)}で表される。
ここで、前記のL2(m)は固定値であり、前記携帯端末の内部情報として予めダウンロードされ記憶されているものとする。
また、前記中継局と位置特定手段のいずれか一方あるいは両方に、複数のアンテナあるいは送受波器を接続し、周期的に切替えながら方向測定信号を発受信して前記複数のアンテナあるいは送受波器に対応する位相差を測定することで、相互間の方向を測定することが可能となり、双曲線航法による位置の特定結果を補正しあるいは補完することによって、信頼性の高い高精度の広域位置特定システムを実現できる。
また、超広帯域通信方式(ウルトラワイドバンド)を用いることで、高い周波数の変調信号あるいは高いチップレートの拡散符号を採用できるので、同期しあるいは直交する複数の変調信号あるいは拡散符号を割り当てることが可能となり、複数の測定レンジを設定できることから、30m以内の近距離での位置特定精度を向上させることができる。
また、前記無線信号の周波数として、GPSに割当てられた周波数、その近傍の周波数、法令に定められた周波数、もしくはこれらの組み合わせによる周波数を割当てることが出来れば、GPSへの妨害が少なくしかも屋内でも、前記位置特定手段の位置を高精度で特定することが可能となることから、GPSのシームレス化が実現できる。
また、携帯端末を児童が携帯し、複数の中継局を交差点の周辺などに設置し、位置特定手段を車両に搭載することで、交差点あるいは横断歩道での児童と車との出会い頭の衝突を防止するための装置に応用できる。
また、前記複数の基準局と複数の中継局を離散的に設置し、基準局から発信される無線信号を中継し、携帯端末によって受信することによって、当該携帯端末の3次元の位置を広いエリアに渡って、高精度で特定できる。
なお、本発明の位置特定技術は基盤技術であり、上記以外に多分野での利用が期待できる。
2a〜2d 携帯端末と中継局と、携帯端末と基準局との間の無線信号の伝搬経路
100 広域のサービスエリア
101a、101b 基準局
102a〜102d 中継局
103 携帯端末
11 制御手段
12 発信手段
13 受信手段
14 アンテナ切替手段
15 アンテナあるいは送受波器
Claims (13)
- 超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号である無線信号を用いた広域位置特定システムにおいて、
バースト信号としてかつ間欠的に、無線信号を発信するための基準局と、
前記無線信号を受信し、同一周波数でかつ時分割で中継しあるいは再発信するための中継局と、
前記基準局と複数の中継局から発信されあるいは中継される無線信号を、広域のサービスエリア内を移動しながら受信して、自局の位置を特定するための携帯端末と
から構成され、
前記広域のサービスエリア内に、基準局と複数の中継局とを1組として複数組を設け、縦方向と横方向、もしくは任意の方向に、間隔を置いて、離散的にもしくはメッシュ状に配置し、
前記基準局が、少なくとも、
制御手段と、発信手段と、アンテナあるいは送受波器とを有し、
前記制御手段が、少なくとも起点信号とを生成し、
前記発信手段が、少なくとも前記起点信号を含む無線信号を、バースト信号としてかつ間欠的に、前記アンテナあるいは送受波器を介して発信し、
前記中継局が、少なくとも、
受信手段と、制御手段と、発信手段と、アンテナ切替手段と、アンテナあるいは送受波器とを有し、
前記受信手段が、前記基準局から発信された無線信号を、前記アンテナあるいは送受波器を介して受信し、
前記制御手段が、前記基準局から受信した無線信号に含まれる起点信号を再生し、前記再生した起点信号の立上り点、立下り点、あるいはゼロ交差点のタイミングを検出し、前記検出したタイミングで、起点信号と同期を確立し、かつ同期を保持して、クロック信号を生成し、前記クロック信号と同期しあるいは直交する距離測定信号を生成し、
前記アンテナ切替手段が、時分割で、前記アンテナあるいは送受波器を切替え、
前記発信手段が、少なくとも前記生成した距離測定信号を含む無線信号を、時分割の間隔で、かつ各中継局に割当てられたタイムスロットで、バースト信号として、前記アンテナあるいは送受波器を介して発信し、
前記携帯端末が、少なくとも、
受信手段と、制御手段と、アンテナあるいは送受波器とを有し、
前記受信手段が、前記基準局と複数の中継局から発信された無線信号を、前記アンテナあるいは送受波器を介して受信し、
前記制御手段が、前記基準局から受信した無線信号に含まれる起点信号を再生し、かつ前記複数の中継局から受信した無線信号に含まれる距離測定信号を再生し、前記再生した起点信号の立上り点、立下り点、あるいはゼロ交差点のタイミングを検出し、前記検出したタイミングで、起点信号と同期を確立し、かつ同期を保持して、クロック信号を生成し、前記クロック信号を基準として、前記距離測定信号の位相を測定し、前記距離測定信号の位相の測定結果から、双曲線航法によって、自局の位置を特定する
ことを特徴とする広域位置特定システム。 - 超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号である無線信号を用いた広域位置特定システムにおいて、
広域のサービスエリア内を移動しながら、バースト信号としてかつ間欠的に、無線信号を発信するための携帯端末と、
前記無線信号を受信し、同一周波数でかつ時分割で中継しあるいは再発信するための中継局と、
前記携帯端末と複数の中継局から発信されあるいは中継される無線信号を受信して、前記携帯端末の位置を特定するための基準局と
から構成され、
前記広域のサービスエリア内に、基準局と複数の中継局とを1組として複数組を設け、縦方向と横方向、もしくは任意の方向に、間隔を置いて、離散的にもしくはメッシュ状に配置し、
前記携帯端末が、少なくとも、
制御手段と、発信手段と、アンテナあるいは送受波器とを有し、
前記制御手段が起点信号を生成し、
前記発信手段が、少なくとも前記起点信号を含む無線信号を、バースト信号としてかつ間欠的に、前記アンテナあるいは送受波器を介して発信し、
前記中継局が、少なくとも、
受信手段と、制御手段と、発信手段と、アンテナ切替手段と、アンテナあるいは送受波器とを有し、
前記受信手段が、前記携帯端末から発信された無線信号を、前記アンテナあるいは送受波器を介して受信し、
前記制御手段が、前記携帯端末から受信した無線信号に含まれる起点信号を再生し、前記再生した起点信号の立上り点、立下り点、あるいはゼロ交差点のタイミングを検出し、前記検出したタイミングで、前記起点信号と同期を確立し、かつ同期を保持して、クロック信号を生成し、前記クロック信号と同期しあるいは直交する距離測定信号を生成し、
前記アンテナ切替手段が、時分割で、前記アンテナあるいは送受波器を切替え、
前記発信手段が、少なくとも前記生成した距離測定信号を含む無線信号を、時分割の間隔で、かつ当該中継局に割当てられたタイムスロットで、バースト信号として、前記アンテナあるいは送受波器を介して発信し、
前記基準局が、少なくとも、
受信手段と、制御手段と、アンテナあるいは送受波器とを有し、
前記受信手段が、前記携帯端末と複数の中継局から発信された無線信号を、前記アンテナあるいは送受波器を介して受信し、
前記制御手段が、前記携帯端末から受信した無線信号に含まれる起点信号を再生し、かつ前記複数の中継局から受信した無線信号に含まれる距離測定信号を再生し、前記再生した起点信号の立上り点、立下り点、あるいはゼロ交差点のタイミングを検出し、前記検出したタイミングで、起点信号と同期を確立し、かつ同期を保持して、クロック信号を生成し、前記クロック信号を基準として、距離測定信号の位相を測定し、前記距離測定信号の位相の測定結果から、双曲線航法によって、前記携帯端末の位置を特定する
ことを特徴とする広域位置特定システム。 - 前記携帯端末が、複数の基準局から発信される無線信号を受信している場合に、受信した無線信号の電力あるいは信号対雑音比を測定した結果から、位置特定に最適な基準局を選定して位置の特定を行い、もしくは複数の基準局を選定して位置特定を行なった結果を荷重平均することを特徴とする請求項第1項に記載の広域位置特定システム。
- 前記携帯端末から発信された無線信号が複数の基準局によって受信される場合に、前記複数の基準局の間をアドホックネットワークで接続し、前記複数の基準局が受信した無線信号の電力あるいは信号対雑音比のデータを相互に交換し、前記複数の基準局の内から、位置特定に最適な基準局を選定し、もしくは複数の基準局を選定してタイムスロットを割当て、前記選定された基準局が、配下の複数の中継局に対し、前記携帯端末を指定して中継動作を指令することを特徴とする請求項第2項に記載の広域位置特定システム。
- 前記制御手段が、起点信号再生手段、同期検出手段、同期発振手段、距離測定信号生成手段、距離測定信号再生手段、位相測定手段、及び位置特定手段を含むことを特徴とする請求項第1項あるいは第2項に記載の広域位置特定システム。
- 前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方が、搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの組合せであることを特徴とする請求項第1項あるいは第2項に記載の広域位置特定システム。
- 前記基準局が、無線信号を間欠発信する間隔を、内部に設けた自励発振器を用いて、ランダムに制御し、前記基準局から発信される無線信号を非同期で発信することを特徴とする請求項第1項に記載の広域位置特定システム。
- 前記携帯端末が、無線信号を間欠発信する間隔を、内部に設けた自励発振器を用いて、ランダムに制御し、複数の携帯端末から発信される無線信号を非同期で発信し、あるいは前記携帯端末の移動速度に応じて前記間隔を制御することを特徴とする請求項第2項に記載の広域位置特定システム。
- 前記位相測定手段が、測定する信号周波数の4の整数倍のサンプリング周波数で、かつ4ビット以上のアナログデジタル変換器を用いてデジタル信号に変換し、Sinのルックアップテーブルとして0、1、0、−1、もしくは1、1、−1、−1、を用い、Cosのルックアップテーブルとして1、0、−1、0もしくは1、−1、−1、1、を用い、前記変換したデジタル信号とルックアップテーブルとの積和演算を行うことを特徴とする請求項第5項に記載の広域位置特定システム。
- 前記基準局をノードとして周辺に複数の中継局を配置し、前記基準局と複数の中継局との間でネットワークを構成し、前記ネットワークを、周辺の基準局もしくは外部と、有線回線もしくは無線回線を介して接続し、少なくとも、前記携帯端末の位置を特定するために必要な情報の交換を行なうことを特徴とする請求項第1項あるいは第2項に記載の広域位置特定システム。
- 前記基準局が、その周辺の3〜8局の中継局を1組として指定し、複数組を隣接させる場合には、一部の中継局を複数組にまたがって重複して指定し、指定した中継局に対して4ないし8のタイムスロットの内のいずれかを割付け、前記指定した中継局の識別番号と割付けたタイムスロットを報知情報の一部として記憶することを特徴とする請求項第1項あるいは第2項に記載の広域位置特定システム。
- 前記携帯端末、基準局、中継局、もしくはこれらの組み合わせが、複数のアンテナ又は複数の送受波器を設けて周期的に切替えながら、無線信号を発信しあるいは受信し、前記品質検知手段において、前記複数のアンテナ又は複数の送受波器に対応して、位置を特定した結果を平均し、あるいは荷重平均し、あるいは移動平均することを特徴とする請求項第1項あるいは第2項に記載する広域位置特定システム。
-
前記基準局、中継局、もしくはこれらの両方が、高さの異なる位置にアンテナ又は送受波器を設置し、前記制御手段が3次元の位置を特定することを特徴とする請求項第1項あるいは第2項に記載する広域位置特定システム。
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