JP5761480B2 - 超高感度位置計測システム - Google Patents

Description

本発明は、超高感度位置計測システムに関する。

従来から位置（距離）計測方法として、ＧＰＳが広く使用されている。
しかしながら、ビル等の建物内、地下街等では電界が弱くなって、精度良く人工衛星からの信号を受信することが困難であった。
そこで、本発明者（の内の一人）等は、ＧＰＳを利用したＧＰＳ位置計測システムについて数件の発明を提案してきた（例えば、特許文献１参照）。

米国特許第７，４０８，５０４号公報

上記ＧＰＳ位置計測システムの発明によって、建物内や地下街等であっても、人工衛星からの微弱な信号を受信可能となった。
しかし、ＧＰＳ位置計測システムでは、三次元的な位置の特定―――例えば、ビル内の何階に居るのかといった特定―――は至難であるという欠点があった。
また、歩行者に、加速センサ，ジャイロ，地磁気センサ等を搭載した自律走行ナビも提案されてはいるが、累積誤差があり、少し離れると位置がずれてくるという欠点があった。
さらに、ＵＷＢを使って距離計測を行うという考えも存在するが、法令上許容された電力で送信されたＵＷＢの電波は、極めて微弱であるため、壁や床を通過すると一層微弱化して、距離計測が不可能であるという重大な問題があって、ほとんど実用に供されていない。

そこで、本発明は、上述した従来の問題を解決して、壁や床や天井や障害物が存在するビルや病院や駅等の建物、あるいは、地下街等に於ても、超高感度で計測でき、かつ、三次元の位置計測を容易に行えるシステムを、提供することを目的とする。

そこで、本発明に係る超高感度位置計測システムは、Ｍ系列のＰＮ符号を周期的に送信すると共に、既知の三次元の位置に予め設置された複数のＵＷＢ送受信機と、複数の上記ＵＷＢ送受信機の同期を取るためのサーバーと、上記ＵＷＢ送受信機から同期をとって周期的に送信される信号を受信して、固有のタグ識別信号を付加して反射させるように、移動対象物に付設されるＵＷＢ用ＲＦタグと、を具備し、複数のＵＷＢ送受信機は、上記ＲＦタグから反射されるＭ系列のＰＮ符号を、同期加算及び相関計算することによって、上記ＲＦタグが付設された上記移動対象物と、上記複数のＵＷＢ送受信機の各々との間の距
離を求め、さらに、上記サーバー又は上記ＵＷＢ送受信機に於て、上記距離に基づいて、上記移動対象物の三次元の位置を計算するように構成したものである。

本発明によれば、壁や床や天井や障害物が多く存在するビル、病院、駅、施設や地下街等に於ても、人又は物の位置を正確に知ることが可能となる。特に、従来のＧＰＳ測位システムでは困難であった“三次元”の（人や物の）位置を高精度に、しかも、（従来は極めて短距離の狭小範囲にのみ使用可能と考えられてきた）ＵＷＢを巧妙に活用した優れた発明である。しかも、法律で規制された微小電力下でのＵＷＢの出力のままで、上述の効果を奏し得る。

本発明の実施の一形態を示すブロック図である。 本発明の他の実施の形態を示すブロック図である。 参考例を示すブロック図である。 本発明の適用場所の一例を説明する斜視図である。 本発明の適用場所を示した正面図である。 本発明における同期加算の説明図である。

以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。
図４と図５は、本発明に係る超高感度の位置の計測システムの適用場所の一例として、病院10を例示する。この病院10としては、地上４階建てで、地下１階を備えた場合を示し、図５に星印にて示すように、多数（複数）のＵＷＢ送受信機１…を、病院10の各階に、複数個ずつ、配設する。なお、本発明に於て、ＵＷＢとは、Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄのことを言う。

図５に示した正面図では、各階毎に、略均等に複数個のＵＷＢ送受信機１…が配設されていることを示しているが、病院10を平面的に見れば、二次元的に略均等に散点状に配設する（図示省略）。さらに、建物の壁２が存在するところでは、ＵＷＢ送受信機１，１の相互間隔を短縮するのが望ましい。逆に、壁２が無い広いロビー等では、ＵＷＢ送受信機１，１の相互間隔を大きくすることが可能である。また、地下は相互間隔を短縮するのが望ましい。

図１に示す実施の一形態に於て、上記壁２を有する場所に、ＵＷＢ送受信機１は、既知の位置―――三次元の位置―――に予め設置され、Ｍ系列ＰＮ符号を、周期的に送信する（図６参照）。
３は、複数の上記ＵＷＢ送受信機１…の同期を取るためのサーバーである。通信手段４を介して、サーバー３と複数のＵＷＢ送受信機１…とは、相互に送受信可能に接続される。
５はディスプレイ（表示手段）であって、後述のタグ位置を画面に表示できる。このディスプレイ５はサーバー３と接続されている。なお、図１では、床や天井等を省略して、上方の階や下方の階に於ける、ＵＷＢ送受信機１を図示省略したが、図５を参酌すれば、上下方向にも、配置されていることが理解できる。

そして、サーバー３から通信手段４を介して送信される同期信号によって、全てのＵＷＢ送受信機１は同期して、Ｍ系列のＰＮ符号を（周期的に）送信するが、その送信される信号Ｉ₀ を受信可能なのが、図１に示したＵＷＢ用ＲＦタグＴである。このＲＦタグＴは、医者，看護師等の人，あるいは、医療機器やカルテ等の物から成る移動対象物20に付設（取着）される。

上記ＵＷＢ送受信機１から同期をとって周期的に送られる信号Ｉ₀ を受信すると、このＲＦタグＴは、それ固有のタグ識別信号（ＩＤ）を付加して反射させる。この反射させる信号を、Ｉt として、図１に示した。
複数個のＵＷＢ送受信機１は、このように反射してくる反射信号Ｉt ―――Ｍ系列のＰＮ符号を備えている―――を、同期加算及び相関計算する（図６参照）。このＵＷＢ送受信機１に於ける同期加算及び相関計算によって、ＲＦタグＴと受信したＵＷＢ送受信機１との距離を求め得る。即ち、上記ＲＦタグＴが付設された移動対象物20との距離が求められる。

さらに追加説明すれば、上述したように、本発明では、ＵＷＢの電波によりＭ系列ＰＮ符号を周期的に複数回（ｎ回とする）送信Ｉ₀ して、ＲＦタグＴにて反射した信号Ｉt を、ＵＷＢ送受信機１にて受信し、受信側（送受信機）で復調されたＭ系列ＰＮ符号をｎ回にわたって同期加算して、その後、相関計算（サンプリング数をｍとする）を、することにより１／√ｍｎだけ内部熱雑音を減少させることができる。即ち雑音の中にうずもれた壁ごし、あるいは、床・天井ごしの信号であっても、雑音の中から、信号を、浮かび上らせることができる。
一般にデータＸをｘ（ｎ）（ただしｎ＝０：ｍ−１）、データＹをｈ（ｎ）（ただしｎ＝０：ｍ−１）、ｋを整数として０≦ｋ≦ｍ−１としたとき、相互相関計算式は次で与えられる。

ここでｙ（０），ｙ（１），ｙ（２），………ｙ（ｍ−１）を計算。ここでｙ（ｋ）の計算においてデータの加算回数はｍ個である。データｘ（ｎ）に重畳している雑音が熱雑音のような統計的性質にあうガウス性のものとするとｍ回の加算により雑音の成分は１／√ｍの比率で減少することが知られている。そしてこの計算を相関計算という。（等価な相関計算は高速演算としてＦＦＴを用いて、一般によく知られて用いられる方法があるが、ここでは原理説明のため一般的な計算方法を示した）。またｙ（０），ｙ（１），ｙ（２），………ｙ（ｍ−１）のそれぞれの絶対値が、最大の値であればｙ（ｍｍ）の絶対値を相関のピーク値とする。（ただし０≦ｍｍ≦ｍ−１）このときのｍｍを遅延量τと呼ぶ。また、遅延量とピーク値ｙ（ｍｍ）を求めることを相関のピーク値を求めるという。またここでデータＸが周期性信号をｎ回同期して得られたｘ（ｎ）とすれば、この相関計算により熱雑音軽減量は１／√ｍｎの比率で減少する。そして、本発明ではＰＮコードをｘ（ｎ）、レプリカＰＮ符号をｈ（ｎ）、ｎを同期加算回数、ｍをＰＮコード信号１周期分のサンプル数として、相関計算により熱雑音軽減量は１／√ｍｎの比率で減少する。
一例として、ｍ＝2046、ｎ＝ 10000の場合には、１／√（2046×10000）に熱雑音は軽減される。

図５に示すように、三次元空間に存在するＵＷＢ用ＲＦタグＴであって、壁２、床、天井にて遮断されていても、壁ごし、床、天井ごしに、ＵＷＢ送受信機１によって、雑音の中から信号を浮かび上らせることができ、そのＵＷＢ送受信機１と、タグＴが敷設された移動対象物20との、距離を求め得る。
図１では、ＲＦタグＴとして、左から２番目のＲＦタグＴ₂ をもって送信，受信，反射を示しているが、反射信号Ｉt は、ＲＦタグＴから直接（そのまま）に反射しても良いが、所望によりＲＦタグＴにて増幅して反射（増幅反射）するも好ましい。

そして、図１に示すように、４個の既知の三次元位置のＵＷＢ送受信機１，１，１，１の各々とＲＦタグＴ₂ との（上述の如くして求めた）距離に基づいて、ＲＦタグＴ₂ ―――移動対象物20―――の位置を、サーバー３に於て、又は、ＵＷＢ送受信機１に於て、演算する。これによって、目的の移動対象物20の位置計測が行われ、ディスプレイ５に表示される。

次に、図２は本発明の他の実施の形態であって、図１と相違する点は、１個の送受信機１Ａのみから、Ｍ系列のＰＮ符号を周期的に送信するように構成され、他の３個の送受信機１Ｂ，１Ｂ，１Ｂはすべて受信のみを行う構成である。
１個のＵＷＢ送受信機１Ａから、Ｍ系列のＰＮ符号を、複数回、周期的に送信する。送信した信号Ｉ₀ を、ＲＦタグＴ₂ は受信し、受信した信号Ｉ₀ に、タグ識別信号ＩＤを付加して、直接に、又は、増幅して、反射し、その信号Ｉt を、（図例では）４個の送受信機１Ａ，１Ｂ，１Ｂ，１Ｂにて受信する。そして、タグ識別符号ＩＤを識別する。

４個の送受信機１Ａ，１Ｂ，１Ｂ，１Ｂの各々に於て、同期加算及び相関計算を行うことによって、各々と、ＲＦタグＴ₂ との距離を求められる。４個の送受信機１Ａ，１Ｂ，１Ｂ，１Ｂの三次元位置が既知であるので、４個の（求められた）上記距離によって、ＲＦタグＴ₂ の三次元位置（三次元座標）が求められる。

なお、図２に於ては、１個の送信可能なＵＷＢ送受信機１Ａと３個（乃至それ以上の）受信用のＵＷＢ送受信機１Ｂを例示したが、図５に示すように、多数個の送受信機１を配設する場合には、所定の個数から成る群毎に、１個の送信可能なＵＷＢ送受信機１Ａを設けることとする。つまり、全体としては、送信可能なＵＷＢ送受信機１Ａは、比較的離れて散点状に複数個を設置し、他方、受信専用のＵＷＢ送受信機１Ｂについては、比較的近接した散点状に、（３倍以上の個数をもって）多目に設置する構成とする。

次に、図３は参考例を示し、Ｍ系列のＰＮ符号を同期的に送信すると共に、既知の位置に予め設置した複数のＵＷＢ送信機30と、この複数のＵＷＢ送信機30の同期を取るためのサーバー３と、ＵＷＢ送信機30から同期を取りつつ、周期的に送信される信号Ｉ₀ を受信する移動自在な（携帯可能な）ＵＷＢ受信機40とを、備える。
ＵＷＢ受信機40は、ＵＷＢ送信機30から受信したＭ系列のＰＮ符号を、同期加算及び相関計算する電子回路を備え、これによって、複数個（好ましくは４個以上）のＵＷＢ送信機30との距離を求めることができる。

このように求めた距離に基づいて、自己の位置をＵＷＢ受信機40自身が計算するよう構成する。そして、ＵＷＢ受信機40には、図示省略したが、ディスプレイ（表示画面）を設けている。

ところで、図２に於て、送受信機１ＡとＲＦタグＴ₂ との距離、及び、ＲＦタグＴ₂ と他の送受信機Ｂとの距離の和を計算し、このような和を３通り求める、楕球の交点を演算すれば、ＦＲタグＴ₂ の三次元座標（三次元の位置）が求められる。そのように、ＲＦタグＴ₂ と個々の送受信機１との距離を求めずに、上記和を求めて、和が一定の一つの楕球を決定し、２つ以上の楕球の交点が、ＲＦタグＴ₂ の求める三次元座標とするも、望ましい。

上述の各実施の形態に於て、ＵＷＢ送受信機１，１Ａ，１Ｂの配設位置が既知であると述べたが、その既知なる配設三次元位置に関しては、サーバー３に予め記憶させておくのが望ましい。なお、送受信機１，１Ａ，１Ｂ自身に、既知なる三次元位置を予め記憶させることも可能である。
また、ＵＷＢ用ＲＦタグＴに増幅回路及び電池を内蔵して、増幅反射させることも望ましい点は、既述の通りである。

図４と図５に例示した病院10にあっては、緊急患者が発生した場合に、医師等（移動対象物）の所在場所が、立体的に直ちに確認できて、好ましいといえる。また、高層ビルや駅やショッピングセンター等の建物や施設や地下街に於て、人又は物から成る移動対象物20を、迅速に確認できて、本発明の用途は広いといえる。また、本発明は、従来のＧＰＳによる測位システムでは至難とされてきたところの三次元的測位が可能となり、その用途が前述の如く広いと共に、所望により、二次元的測位のＧＰＳと結合するも、望ましい測位システムであるといえる。

本発明は、従来は余りに微弱過ぎて、測位システムには、ほとんど実用性が無いと思われてきたＵＷＢを巧妙に実用性の高いものとして、新たな用途を開拓する革新的発明である。

１ ＵＷＢ送受信機
３ サーバー
20 移動対象物
Ｔ ＵＷＢ用ＲＦタグ
Ｉ₀ 信号
Ｉt 反射信号

Claims (1)

1. 壁・床・天井等の障害物が存在する建物あるいは地下街の内部空間を移動する移動対象物（20）について、三次元の位置計測を行う超高感度位置計測システムであって、
   Ｍ系列のＰＮ符号を周期的に送信すると共に、上記建物あるいは上記地下街の上記内部の既知の三次元の位置に予め設置された複数のＵＷＢ送受信機（１）と、
   複数の上記ＵＷＢ送受信機（１）の同期を取るためのサーバー（３）と、
   上記ＵＷＢ送受信機（１）から同期をとって周期的に送信される信号（Ｉ₀ ）を受信して、固有のタグ識別信号を付加して反射させるように、上記移動対象物（20）に付設されるＵＷＢ用ＲＦタグ（Ｔ）と、
   を具備し、複数のＵＷＢ送受信機（１）は、上記ＲＦタグ（Ｔ）から反射されるＭ系列のＰＮ符号を、同期加算及び相関計算することによって、上記ＲＦタグ（Ｔ）が付設された上記移動対象物（20）と、上記複数のＵＷＢ送受信機（１）の各々との間の距離を求め、さらに、上記サーバー（３）又は上記ＵＷＢ送受信機（１）に於て、上記距離に基づいて、上記移動対象物（20）の三次元の位置を計算するように構成したことを特徴とする超高感度位置計測システム。

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