DE102009037628A1

DE102009037628A1 - Positionierungssystem

Info

Publication number: DE102009037628A1
Application number: DE102009037628A
Authority: DE
Inventors: Nobuhiro Suzuki; Hisakazu Maniwa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2010-09-16
Also published as: JP2010203849A; US20100220013A1

Abstract

Ein Positionierungssystem mit hoher Genauigkeit enthält: eine Funkquelle (1), die Funkwellen mit jeweils mehreren unterschiedlichen Frequenzen sendet; Empfänger (2-4) zum Empfangen von Funkwellen von der Funkquelle, Berechnungsvorrichtungen (5) zum Berechnen von Phasendifferenzen der empfangenen Funkwellen der jeweiligen Frequenzen zwischen den Empfängern, Berechnungsvorrichtungen (6, 7) zum Berechnen einer Ankunftszeitdifferenz zwischen den Empfängern anhand der Phasendifferenz der jeweiligen durch die Berechnungsvorrichtungen (5) berechneten Frequenzen, und Berechnungsvorrichtungen (8) zum Berechnen der Positionierung der Funkquelle anhand der Kombination der berechneten Ankunftszeitdifferenzen, wobei die Sendefrequenzen von der Funkquelle Frequenzen enthalten, die so angeordnet sind, dass eine Frequenzdifferenz von beliebig ausgewählten zwei Frequenzwellen ein ganzzahliges Mehrfaches der kleinsten Frequenzdifferenz ist, die Frequenzdifferenz nicht mit der Frequenzdifferenz von zwei Frequenzwellen anderer Kombinationen überlappt und eine größte Frequenzdifferenz der Frequenzdifferenz am schmalsten ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Positionierungssystem und insbesondere auf ein Positionierungssystem, das eine Positionierung durch Verwendung einer Phasendifferenz von Funkwellen durchführt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Eine Technik zum Positionieren der Phasendifferenz von Funkwellen ist dahingehend vorteilhaft, dass eine Positionierung mit hoher Genauigkeit von etwa mehreren Zehntelteilen von Wellenlängen durchgeführt werden kann, ungeachtet einer Signalbandbreite. Jedoch besteht aufgrund der Ungewissheit des ganzzahligen Phasenwerts, der von einem Wellenlängenzyklus abgeleitet wird, eine Notwendigkeit, den ganzzahligen Phasenwert durch ein Verfahren zu bestimmen.
Als das Verfahren war beispielsweise ein kinematisches GPS (GPS unter Verwendung der Trägerphase von Radiowellen) bekannt, bei dem eine grobe Position durch Verwendung einer Ankunftszeitdifferenz von modulierten Signalen zuerst erhalten wird, die Kandidaten für die ganzzahligen Phasenwerte verengt werden und danach eine endgültige reelle Lösung erhalten wird durch Verwendung des Umstands, dass eine reelle Lösung sich nicht bewegt, während eine falsche Lösung sich bewegt, wenn sich ein Satellit bewegt.
Auch offenbart JP 2001-272448 A (Seite 6, 1) ein Verfahren, bei dem eine anfängliche Position durch ein anderes Verfahren erhalten wird, zum vorhergehenden Bestimmen des ganzzahligen Phasenwerts, und danach die Phasendifferenz entsprechend der Größe der Bewegung zu dem ganzzahligen Phasenwert hinzugefügt wird, um die Positionierung zu berechnen. Auch offenbart die Veröffentlichung ein Verfahren, das zwei Frequenzwellen verwendet, um die Bestimmung des ganzzahligen Phasenwerts durch Verwendung zu vereinfachen.
Unter den vorgenannten herkömmlichen Systemen erfordert das System, das die Zeitdifferenz-Positionierung kombiniert verwendet, einen Transceiver für ein Breitband, was einen derartigen Nachteil ergibt, dass das System kompliziert und kostenaufwendig ist. Alternativ kann das System zum Messen der anfäng lichen Position durch ein anderes Verfahren, wie es in JP 2001-272448 A offenbart ist, nicht auf einen Fall angewendet werden, in welchem eine anfängliche Position nicht gemessen werden kann, was zu einem derartigen Problem führt, dass die Messung der anfänglichen Position selbst schwierig ist. In dem System, das zwei Frequenzwellen verwendet, ist es einfach, den ganzzahligen Phasenwert zu bestimmen, aber die Bestimmung des ganzzahligen Phasenwerts kann in dem System selbst nicht sichergestellt werden, was zu dem Problem führt, dass das System kombiniert mit einem anderen System verwendet werden muss.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das vorgenannte Problem zu lösen, und hat daher eine Aufgabe, ein Positionierungssystem vorzusehen, das eine Positionierung mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Positionierungssystem, welches enthält: eine Funkquelle zum Senden von Funkwellen, die jeweils unterschiedliche Frequenzen haben; mehrere Empfänger zum Empfangen von Funkwellen von der Funkquelle, wobei die Positionen der mehreren Empfänger bekannt sind; Phasendifferenz-Berechnungsvorrichtungen zum Berechnen von Phasendifferenzen der empfangenen Funkwellen der jeweiligen Frequenzen zwischen den jeweiligen Empfängern; Ankunftszeitdifferenz-Berechnungsvorrichtungen zum Berechnen einer Ankunftszeitdifferenz zwischen den jeweiligen Empfängern anhand der von den Phasendifferenz-Berechnungsvorrichtungen berechneten Phasendifferenz der jeweiligen Frequenzen; und Posi tionierungs-Berechnungsvorrichtungen zum Berechnen der Positionierung der Funkquelle anhand einer Kombination der von den Ankunftszeitdifferenz-Berechnungsvorrichtungen berechneten Ankunftszeitdifferenzen. In dem Positionierungssystem enthalten die mehreren unterschiedlichen Sendefrequenzen von der Funkquelle Frequenzen, die so angeordnet sind, dass eine Frequenzdifferenz von beliebig ausgewählten zwei Frequenzwellen ein ganzzahliges Mehrfaches einer kleinsten Frequenzdifferenz ist, die Frequenzdifferenz nicht mit der Frequenzdifferenz von zwei Frequenzwellen anderer Kombinationen überlappt und eine größte Frequenzdifferenz der Frequenzdifferenz am engsten ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in dem Phasendifferenz-Positionierungssystem der ganzzahlige Phasenwert zuverlässig bestimmt, wodurch eine Positionierung mit hoher Genauigkeit ermöglicht wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den begleitenden Zeichnungen:
1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel für die Konfiguration eines Positionierungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert;
2 ist ein Flussdiagramm für den Vorgang des Suchens nach einem Paar von Sendefrequenzen gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Paares von Frequenzen, bei dem eine auf das Paar von Sendefrequenzen bezogene maximale Frequenz am niedrigsten ist und keine Überlappung einer Frequenz differenz bei allen Kombinationen von zwei Frequenzwellen gemäß der vorliegenden Erfindung vorliegt; und
4A bis 4I sind Diagramme zum Erläutern einer ersten Auswertungsfunktion gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachfolgend wird eine Beschreibung eines Positionierungssystems gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen gegeben.
Ausführungsbeispiel 1
1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel für die Konfiguration eines Positionierungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert. Die Bezugszahl 1 bezeichnet einen Sender, der eine Funkwelle ist, 2a bis 2d sind Empfangsantennen, 3a bis 3d sind Filterbänke, 4a bis 4d sind Umschalter, 5a bis 5f sind Phasendifferenz-Berechnungsvorrichtungen (Phasendifferenz-Berechnungsmittel), 6a bis 6f sind Ankunftszeitdifferenz-Kandidatenberechnungsvorrichtungen (Ankunftszeitdifferenz-Kandidatenberechnungsmittel), 7 ist eine Ankunftszeitdifferenz-Kandidatenauswahlvorrichung (Ankunftszeitdifferenz-Kandidatenauswahlmittel), und 8 ist eine Positionierungs-Berechnungsvorrichtung (Positionierungs-Berechnungsmittel). Die Ankunftszeitdifferenz-Kandidatenberechnungsvorrichtungen 6a bis 6f und die Ankunftszeitdifferenz-Kandidatenauswahlvorrichtung 7 bilden eine Ankunftszeitdifferenz-Berechnungseinheit (Ankunftszeitdifferenz-Berechnungsmittel). In 1 sind vier Empfänger vorgesehen, die jeweils beispielsweise eine Empfangsantenne (2), eine Filterbank (3) und einen Umschalter (4) enthalten.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise beschrieben. Der zu positionierende Sender 1 hat einen Mechanismus zum Ändern einer Sendefrequenz, und er ändert die Sendefrequenz nach jeder gegebenen Zeitperiode zum Senden einer Funkwelle in eine gegebene Frequenz, die durch ein später beschriebenes Verfahren bestimmt wird. Die Empfangsantennen 2a, 2b, 2c und 2d in den jeweiligen Empfängern empfangen Funkwellen von dem Sender 1 und geben die empfangenen Funkwellen in die Filterbänke 3a bis 3d ein. Die Filterbänke 3a bis 3d bestehen jeweils aus mehreren Bandpassfiltern (als f1, f2, ... bezeichnet) mit mehreren jeweiligen Frequenzen, die von dem Sender 1 als Mittenfrequenzen gesendet werden.
Die Umschalter 4a bis 4d schalten jedes Mal um, wenn der Sender 1 die Frequenz wie vorbeschrieben ändert, um Ausgangssignale der Bandpassfilter, die jeweils die vorgenannte Frequenz haben, auszuwählen. Signale, aus denen nur Signalkomponenten von dem Sender 1 durch die Bandpassfilter herausgezogen sind, werden in die Phasendifferenz-Berechnungsvorrichtungen 5a bis 5f eingegeben, um Empfangsphasendifferenzen zwischen allen der gepaarten Empfänger zu berechnen. Auch werden die Empfangsphasendifferenzen jedes Mal berechnet, wenn der Sender 1 die Frequenz ändert, und alle Frequenzen, die von dem Sender 1 gesendet werden, werden berechnet.
Die Frequenz wird aufeinanderfolgend umgeschaltet, um die Phasendifferenzen der mehreren Frequenzen wie vorstehend beschrieben zu erwerben, was zu einem solchen Vorteil führt, dass die Struktur des Transceivermechanismus von Funkwellen vereinfacht werden kann.
Als ein Verfahren zum Erwerben der Phasendifferenz der mehreren Frequenzen kann ein Verfahren zum gleichzeitigen Erwerben der Phasendifferenz der mehreren Frequenzen angewendet werden durch Verwendung eines Senders mit einem Mechanismus, der gleichzeitig die mehreren Frequenzen sendet, und eines Empfängers mit einem Mechanismus, der gleichzeitig die mehreren Frequenzen empfängt. Dieses Verfahren ist dahingehend vorteilhaft, dass die Messung zur Positionierung in kurzer Zeit durchgeführt wird.
In jedem Fall ist die Verwendung der Phasendifferenzen der mehreren Frequenzen bei gegebenen Frequenzintervallen die Natur der vorliegenden Erfindung, und ein Verfahren zum Bestimmen des gegebenen Frequenzintervalls wird später beschrieben.
Nachfolgend akkumulieren die Ankunftszeitdifferenz-Kandidatenberechnungsvorrichtungen 6a bis 6f die Empfangsphasendifferenzen der jeweiligen Paare von Empfängern mit Bezug auf alle Frequenzen und berechnen mehrere Ankunftszeitdifferenzkandidaten unter den Empfängern. Dies wird durchgeführt durch beliebiges Einstellen von t (geschätzte Ankunftszeitdifferenz), durch die eine erste Auswertungsfunktion, die in dem folgenden Ausdruck (1) dargestellt ist, mit Bezug auf die jeweiligen Paare von Empfängern maximiert ist, um t zu suchen. [Ausdruck 1]
Im Ausdruck (1) ist f_k eine k-te Sendefrequenz, φ_k,m,n ist eine Empfangsphasendifferenz, die zwischen einem Empfänger #m und einem Empfänger #n in einer k-ten Frequenz berechnet ist, K ist die Anzahl sämtlicher Frequenzen, und M ist die Anzahl sämtlicher Empfänger. Der absolute Wert zeigt eine Phasenvektorsumme an.
Der Grund, dass die Ankunftszeitdifferenzkandidaten durch die Auswertungsfunktion nach Ausdruck (1) erhalten werden können, ist folgender.
Wenn kein Beobachtungsfehler in der Empfangsphasendifferenz vorliegt, wird φ_k,m,n durch den folgenden Ausdruck (2) dargestellt.
[Ausdruck 2]
Im Ausdruck (2) ist τ_m,n eine Ankunftszeitdifferenz zwischen dem Empfänger #m und dem Empfänger #n.
Gemäß Ausdruck (2) ist die erste Auswertungsfunktion des Ausdrucks (1) ein maximales K², wenn t = τ_m,n. Demgemäß wird nach t gesucht, durch das die Auswertungsfunktion innerhalb eines Vorhersagebereichs der Ankunftszeitdifferenz, die von dem Positionie rungsbereich vorhergesagt wird, maximal ist, wodurch ermöglicht wird, das die Ankunftszeitdifferenz τ_m,n zwischen dem Empfänger #m und dem Empfänger #n erhalten wird. Jedoch werden tatsächlich, da die erste Auswertungsfunktion mehrere Maxima haben kann, mehrere ts, die ein größeres Maximum als einen gegebenen Wert haben, als die Ankunftszeitdifferenzkandidaten betrachtet.
Nachfolgend wird in der Ankunftszeitdifferenz-Kandidatenauswahlvorrichtung 7 die geeignete Kombination der Ankunftszeitdifferenzkandidaten aus den Ankunftszeitdifferenzkandidaten zwischen den jeweiligen Empfängern ausgewählt. Dies wird durchgeführt, indem die Ankunftszeitdifferenzkandidaten für eine zweite Auswertungsfunktion eingesetzt werden, die durch den folgenden Ausdruck (3) dargestellt wird, und nach der Kombination der Ankunftszeitdifferenzkandidaten, die die zweite Auswertungsfunktion minimieren, gesucht wird. [Ausdruck 3]
Der Grund dafür, dass die zweite Auswertungsfunktion im Ausdruck (3) zu der Zeit des Kombinierens der geeigneten Ankunftszeitdifferenzkandidaten miteinander minimal ist, besteht darin, dass, wenn alle Ankunftszeitdifferenzen τ_m,n, τ_n,p und τ_m,p wahre Werte sind, ein Beziehungsausdruck des folgenden Ausdrucks (4) hergestellt wird. [Ausdruck 4]
Demgemäß kann die Kombination der Ankunftszeitdifferenzkandidaten, in der Ausdruck (3) als eine Quadratsumme aller Kombinationen des Ausdrucks (4), der ein auf drei Empfänger bezogener Ausdruck ist, minimal ist, als die wahrscheinlichsten Kandidaten geschätzt werden.
Nachfolgend berechnet die Positionierungs-Berechungsvorrichtung 8 die Positionierung durch Verwendung der Kombination der wahrscheinlichsten Kandidaten für die Ankunftszeitdifferenz, um die Position des Senders 1 zu erhalten. Die Positionierungsberechnung wird durchgeführt durch Lösen einer Simultangleichung der Ankunftszeitdifferenzen aller Paare von Empfängern, die durch den folgenden Ausdruck (5) dargestellt sind. [Ausdruck 5]
Im Ausdruck (5) sind X_m, Y_m, Z_m und X_n, Y_n, Z_n Positionen des Empfängers #m bzw. des Empfängers #n, die sämtlich bekannte Werte sind. Auch entspricht c der Lichtgeschwindigkeit, und x, y und z sind zu erhaltende Positionen des Senders 1.
Da die Gleichung gemäß Ausdruck (5) eine nichtlineare Gleichung ist, wird die Gleichung gelöst durch numerische Berechnung wie sukzessive Annäherung. Da drei Variable unbekannt sind, nämlich x, y und z, sind drei oder mehr unabhängige Gleichungen erforderlich, um die Gleichung zu lösen, und zumindest vier Empfänger sind erforderlich.
Wenn vier oder mehr Empfänger vorhanden sind, wird die Gleichung unter Verwendung eines Verfahrens der kleinsten Quadrate gelöst. In diesem Fall kann der quadratische Restfehler auch als die Auswertungsfunktion der Ankunftszeitdifferenz-Kandidatenauswahl betrachtet werden. In der Ankunftszeitdifferenz-Kandidatenauswahlvorrichtung 7 werden die Kombinationen der mehreren Ankunftszeitdifferenzkandidaten reserviert, um die Positionierungsberechnung mit Bezug auf die jeweiligen Kombinationen durchzuführen, und die Senderposition, die erhalten wird durch Verwendung der Kombination der Ankunftszeitdifferenzkandidaten, deren quadratischer Restfehler am kleinsten ist, kann als die wahrscheinlichste Senderposition betrachtet werden. Weiterhin kann die Summe des quadratischen Restfehlers der Gleichung nach Ausdruck (3) als die Auswertungsfunktion der Ankunftszeitdifferenz-Kandidatenauswahl gesetzt werden.
Wenn nur eine Position innerhalb einer zweidimensionalen Ebene als das Positionsergebnis gefordert wird, wird ein angenommener Wert für die Höhe z des Senders 1 eingesetzt, wodurch die Anzahl der unbekannten Variablen auf zwei verringert wird, das heißt, x und y, und daher kann die Positionierung durch nur drei Empfänger durchgeführt werden. Auch kann, wenn vier oder mehr Empfänger vorhanden sind, der quadratische Restfehler als die Auswertungsfunktion der Ankunfts zeitdifferenz-Kandidatenauswahl wie in dem Fall der vorbeschriebenen dreidimensionalen Positionierung gesetzt werden.
Das bedeutendste Merkmal der vorliegenden Erfindung beruht in dem Verfahren zum Bestimmen des Frequenzintervalls der mehreren Sendefrequenzen. Der Grund dafür, dass die mehreren Frequenzen verwendet werden, besteht in der Bestimmung des ganzzahligen Phasenwerts. Daher ist es, um die Positionierung in einer minimalen Messzeit durchzuführen, wünschenswert, dass der ganzzahlige Phasenwert durch die kleinste Anzahl von Frequenzen bestimmt wird. Diese Frequenzanordnung wird vorgeschlagen, da die erste Auswertungsfunktion gemäß Ausdruck (1) so entwickelt werden kann, dass sie durch den folgenden Ausdruck (6) dargestellt wird. [Ausdruck 6]
Die für einen Unbestimmtheitsausschluss des ganzzahligen Phasenwerts geeignete Auswertungsfunktion muss den folgenden Bedingungen genügen:

(1) Es ist kein Maximum mit einem großen Wert vorhanden, mit Ausnahme einer reellen Ankunftszeitdifferenz; und
(2) eine Spitzenbreite des Maximums in der reellen Ankunftszeitdifferenz ist schmal.

Die Funktion, die den vorstehenden beiden Bedingungen ideal genügt, ist eine Dirac-Deltafunktion, die durch den folgenden Ausdruck (7) dargestellt wird. [Ausdruck 7]
Wenn der Ausdruck (6) mit dem Ausdruck (7) verglichen wird, ist ersichtlich, dass für die Auswertungsfunktion gemäß Ausdruck (6) die Frequenzdifferenz f_k – f_l von zwei beliebigen Frequenzwellen wünschenswerterweise die Frequenzkomponenten von einer so großen Anzahl wie möglich enthält und diese erwünschten Frequenzkomponenten gleichförmig verteilt sind. Das heißt, wenn die Frequenzdifferenz f_k – f_l aller Kombinationen von zwei Frequenzwellen in aufsteigender Ordnung angeordnet sind, sind solche Frequenzdifferenzen jeweils ein ganzzahliges Mehrfaches der Frequenz f, das heißt, das Paar von Frequenzen, die f_k (k ist eine ganze Zahl) sind, ist ein Paar von Frequenzen, die geeignet für den Unbestimmtheitsausschluss des ganzzahligen Phasenwerts sind.
Ein Verfahren zum Suchen nach dem vorbeschriebenen Paar von Frequenzen wird nachfolgend beschrieben. 2 ist ein Operationsflussdiagramm zum Suchen nach den vorgenannten Paaren f₁, ... f_K (hier ist f₁ < f₂ < ... < f_K) der Frequenzen, wenn die Anzahl von Frequenzen gleich K ist. Das Suchen nach den Paaren von Frequenzen wird durch einen Computer durchgeführt, wie einen zusätzlich vorgesehenen Computer oder einen Steuercomputer (beide sind nicht gezeigt), der für den Sender 1 vorgesehen ist.
Die Verarbeitung beginnt im Schritt 21, und Anfangswerte für f₁ und f_K werden zuerst im Schritt 22 gesetzt. Da nur das Intervall der Frequenzen Bedeutung hat, wird die niedrigste Frequenz f₁ auf 0 gesetzt. Auch ist, da die Anzahl von Kombinationen von beliebigen zwei Frequenzwellen gleich K(K – 1)/2 ist, in dem idealsten Fall, das heißt, wenn alle Frequenzdifferenzen enthaltend 1 bis K(K – 1)/2 erhalten werden, die maximale Frequenzdifferenz gleich K(K – 1)/2, die zwischen f₁ und f_K auftritt. Daher wird f_K auf K(K – 1)/2 gesetzt.
Dann wird im Schritt 23 der kleinste Wert, der durch f₂ bis f_K-1 genommen werden kann, gesetzt. Dies wird realisiert durch Inkrementieren der Frequenz f_k, um nacheinander gesetzt zu werden, von einer benachbarten Frequenz f_k-1.
Nachdem alle Frequenzen f₁, f₂, ..., f_K so gesetzt wurden, werden die Frequenzdifferenzen f_k – f₁ aller Kombinationen von zwei Frequenzwellen im Schritt 24 berechnet.
Im Schritt 25 wird geprüft, ob eine Überlappung solcher Frequenzdifferenzen vorliegt oder nicht, und wenn keine Überlappung vorliegt, sind die Paare f₁, f₂, ..., f_K von solchen Frequenzen die zu erhaltenden Frequenzintervalle. Daher geht die Verarbeitung zum Schritt 35 weiter, und die Berechnung ist beendet.
Auch geht, wenn eine Überlappung solcher Frequenzdifferenzen im Schritt 25 vorliegt, die Verarbeitung weiter zu den Schritten 26 bis 28, und irgendeine der Frequenzen f₂ bis f_K-1 wird geändert. Im Schritt 26 wird geprüft, ob f_K-1 einen größeren Wert annehmen kann oder nicht. Wenn f_K-1 kleiner als f_K – 1 ist, kann f_K-1 einen größeren Wert annehmen, und daher geht die Verarbeitung zum Schritt 24 weiter, in welchem die Frequenzdifferenzen aller Kombinationen von zwei Frequenzwellen berechnet werden. Dann wird im Schritt 25 geprüft, ob eine Überlappung der Frequenzdifferenz vorliegt oder nicht.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird f_K-1 nacheinander so weit inkrementiert, wie eine Überlappung der Frequenzdifferenz besteht, und der Wert wird in irgendeiner Stufe gleich f_K –1. Daher geht die Verarbeitung vom Schritt 26 zum Schritt 27 weiter, und es wird dann geprüft, ob f_K-2 einen größeren Wert annehmen kann oder nicht. Wenn f_K-2 kleiner als f_K – 2 ist, kann f_K-2 einen größeren Wert annehmen, und daher geht die Verarbeitung zum Schritt 30 weiter, in welchem 1 zu f_K-2 addiert wird. Dann wird in Schritt 31 f_K-1 auf f_K_₂+1 gesetzt, das der kleinste durch f_K-1 angenommene Wert ist, welches als die Paare f₁, f₂, ..., f_K von neuen Frequenzen gesetzt wird. Die Verarbeitung kehrt wieder zum Schritt 24 zurück mit den Paaren von neuen Frequenzen, in welchem die Frequenzdifferenzen aller Kombinationen von zwei Frequenzwellen wieder berechnet werden. Dann wird im Schritt 25 geprüft, ob eine Überlappung der Frequenzdifferenz vorliegt oder nicht.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird auch f_K-2 jeweils um eins so weit inkrementiert, wie eine Überlappung der Frequenzdifferenz besteht, und der Wert wird in irgendeiner Stufe gleich f_K – 2. Daher wird dann geprüft, ob f_K-3 einen größeren Wert annimmt oder nicht, und die Kombination von neuen Frequenzen wird in derselben Weise gesucht. Somit wird, da f₂ auch nacheinander inkrementiert wird, im Schritt 28 geprüft, ob f₂ einen größeren Wert annehmen kann oder nicht. Wenn f₂ kleiner als f_K – K + 2 ist, geht die Verarbeitung zum Schritt 32 weiter, und 1 wird zu f₂ addiert. Dann werden im Schritt 33 f₃ bis f_K-1 auf f₂ + k – 2 (k = 3, 4, ..., K – 1) gesetzt, welche jeweils der kleinste, durch f₃ bis f_K-1 angenommene Wert sind. Die Verarbeitung geht zum Schritt 24 zurück mit den Paaren der Frequenzen f₁, f₂, ..., f_K, und die Frequenzdifferenzen aller Kombinationen von zwei Frequenzwellen werden wieder berechnet, und im Schritt 25 wird geprüft, ob eine Überlappung der Frequenzdifferenz vorliegt oder nicht.
Schließlich wird f₂ gleich f_K – K + 2, und zu einem Zeitpunkt, zu welchem kein größerer Wert genommen werden kann, geht die Verarbeitung vom Schritt 28 zum Schritt 34 weiter, in welchem f_K, die die maximale Frequenz ist, um eins erhöht wird, und die Verarbeitung geht zum Schritt 23 zurück, um die vorbeschriebene Suche zu wiederholen.
Durch die vorbeschriebene Suche können die Paare f₁, f₂, ..., f_K der Frequenzen, bei denen die maximale Frequenz f_K am kleinsten ist, und keine Überlappung der Frequenzdifferenzen aller Kombinationen von zwei Frequenzwellen vorliegt, wiedergewonnen werden. Ein Beispiel hiervon ist in 3 illustriert. Beispielsweise werden in dem Fall von vier Wellen f₁ = 0, f₂ = 1, f₃ = 4 und f₄ = 6 gesetzt, um sechs Frequenzdifferenzen von 1 bis 6 zu erhalten. Wenn K gleich 5 oder mehr ist, tritt eine fehlende Frequenzdifferenz auf. Jedoch ergibt sich kein schwerwiegendes Problem, wie später beschrieben wird.
Zur Vereinfachung der Beschreibung wird vorstehend das einfachste System zum Suchen aller Fälle beschrieben. Jedoch kann die Suchzeit verkürzt werden durch Verfeinern des Suchbereichs von f₁ bis f_K. Jedoch sind die erhaltenen Ergebnisse mit den in 3 illustrierten identisch, ungeachtet des Suchverfahrens. Demgemäß kann jedes Verfahren als das Suchverfahren selbst angewendet werden.
Unter der Annahme, dass kein Fehler in der Beobachtungsphase vorliegt, die erhalten wird durch Verwendung der Paare von solchen Frequenzen, und die reelle Ankunftszeitdifferenz gleich 0 ist, wird die erste Auswertungsfunktion, die gemäß Ausdruck (1) berechnet ist, in den 4A bis 4I illustriert. Die Ordinatenachse jeweils in den 4A bis 4I stellt die Auswertungsfunktion dar, und die Abszissenachse stellt die normierte Verzögerungszeit dar. Wie vorstehend beschrieben ist, liegt eine fehlende Frequenzdifferenz vor, wenn K gleich 5 oder mehr ist, aber wie in den 4A bis 4I illustriert ist, wird gefunden, dass die Spitzenbreite der reellen Ankunftszeitdifferenz schmaler ist, wenn die Anzahl von Frequenzen zunimmt, und das Maximum, das nicht die reelle Ankunftszeitdifferenz ist, nimmt auch ab. Demgemäß wird, wenn die Anzahl von Frequenzen zunimmt, die Unbestimmtheit leichter ausgeschlossen, und die Positionierungsgenauigkeit wird auch erhöht.
Da die in 3 illustrierten Paare von Frequenzen nur die Intervalle der Frequenzen bedeuten, werden die reellen Frequenzen auf f₁ = 300 MHz, f₂ = 301 MHz, f₃ = 304 MHz und f₄ = 306 MHz gesetzt, wenn beispielsweise die Anzahl von Frequenzen gleich 4 ist, wobei die niedrigste Trägerfrequenz gleich 300 MHz ist und die kleinste Frequenzdifferenz gleich 1 MHz ist.
Bei diesem Beispiel sollte auf den Umstand geachtet werden, dass der umgekehrte Wert der kleinsten Frequenzdifferenz in den Ankunftszeitdifferenzbereich fällt, der sicherstellt, dass keine Unbestimmtheit auftritt. Wenn beispielsweise die kleinste Frequenzdifferenz gleich 1 MHz ist, beträgt der Ankunftszeitdifferenzbereich, in welchem keine Unbestimmtheit auftritt, 0 bis 1 μ-Sekunde (umgewandelt in einen Abstand von 0 bis 300 m), oder ±0,5 μ-Sekunden (umgewandelt in einen Abstand von ±150 m), um 0 zentriert. Das heißt, der Ankunftszeitdifferenzbereich, in welchem keine Unbestimmtheit auftritt, wird vergrößert, wenn die kleinste Frequenzdifferenz abnimmt. Demgemäß wird der von der Größe der Positionierungsfläche erwartete Ankunftszeitdifferenzbereich bestimmt, und die kleinste Frequenzdifferenz wird gemäß diesem Bereich bestimmt, wodurch sichergestellt wird, dass keine Unbestimmtheit in der Positionierungsfläche auftritt.
Andererseits ist die Messgenauigkeit der Ankunftszeitdifferenz derart, dass die reelle Ankunftszeitdifferenz eine höhere Genauigkeit hat, wenn die Spitzenbreite schmaler ist, und die Spitzenbreite ist im Wesentlichen im Verhältnis zu der Umkehrung der größten Frequenzdifferenz. Das heißt, es ist unter dem Gesichtspunkt der Messgenauigkeit erwünscht, dass die größte Frequenzdifferenz größer ist. Mit anderen Worten, eine hohe Messgenauigkeit unter Beibehaltung der breiten Positionsfläche kann erhalten werden durch Erhöhen der Anzahl von Frequenzen, Verringern der kleinsten Frequenzdifferenz und Vergrößern der größten Frequenzdifferenz. Auch können, wenn der geforderte Positionierungsbereich und die geforderte Messgenauigkeit gesetzt sind, die geforderte größte Frequenzdifferenz und die kleinste Frequenzdifferenz erhalten werden, um die kleinste Anzahl von Frequenzen zu bestimmen.
Als ein spezifisches Beispiel kann f₁ = 0 Hz in der reellen Frequenz gesetzt werden. In diesem Fall ist nur erforderlich, dass die Beobachtungsphasendifferenz φ_l,m,n von f₁ auf 0 gesetzt wird, und eine reelle Beobachtung ist nicht erforderlich. Auch werden andere Frequenzen so bestimmt, dass keine Unbestimmtheit in der kleinsten Frequenzdifferenz auftritt wie in den Fällen, die nicht der Fall von f₁ = 0 Hz sind, und in der größten Frequenzdifferenz f_K – f₁, das heißt, die maximale Frequenz f_K wird so bestimmt, dass eine geforderte Positionierungsgenauigkeit erhalten wird.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Positionierungsberechnung durchgeführt durch Verwendung der Phasendifferenzen der mehreren Frequenzen bei den Frequenzintervallen, die die kleinste Phasendifferenz haben, bei der keine Phasenunbestimmtheit in dem Messbereich auftritt, und die erforderliche maximale Frequenzdifferenz, um die geforderte Messgenauigkeit zu erhalten, und keine Überlappung zwischen den Frequenzdifferenzen von beliebigen zwei Frequenzwellen auftritt. Als eine Folge kann ein Positionierungssystem hoher Genauigkeit realisiert werden, das eine geringe Phasenunbestimmtheit hat, durch Verwendung der kleinsten Anzahl von Frequenzen.
Auch kann, da die Ankunftszeitdifferenzkandidaten ausgewählt werden durch Verwendung des vorgenannten spezifischen Frequenzintervalls sowie der zweiten Auswertungsfunktion gemäß Ausdruck (3), die Möglich keit, dass die Phasenbestimmung fehlerhaft ist, verringert werden.
Ausführungsbeispiel 2
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 wird Ankunftszeitdifferenz mit dem Ausdruck (1) geschätzt, der die Empfindlichkeit in der Phasendifferenz der Frequenzdifferenz als die Auswertungsfunktion hat. Andererseits wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Ankunftszeitdifferenz mit dem folgenden Ausdruck (8) als der ersten Auswertungsfunktion anstelle des Ausdrucks (1) geschätzt. [Ausdruck 8]
Da alle Teile mit Ausnahme der Ankunftszeitdifferenzschätzung identisch mit denjenigen beim Ausführungsbeispiel 1 sind, wird ihre Beschreibung weggelassen.
Dann werden die Vorteile dieses Ausführungsbeispiels beschrieben. Ausdruck (8) kann als der folgende Ausdruck (9) entwickelt werden. [Ausdruck 9]
Wenn der Ausdruck (9) mit dem Ausdruck (6) verglichen wird, ist ersichtlich, dass nicht nur die Frequenzdifferenzkomponente f_k – f_l (k, l = 1, 2, ..., K) des dritten Glieds und des vierten Glieds auf der rechten Seite des Ausdrucks, sondern auch die direkt Trägerfrequenzkomponente f_k (k = 1, 2, ..., K) des fünften Glieds und des sechsten Glieds eingeschlossen sind.
Wie vorstehend beschrieben ist, ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel die direkte Trägerfrequenzkomponente zu der Auswertungsfunktion hinzugefügt, zusätzlich zu der Frequenzdifferenzkomponente, wodurch die Anzahl von einzuschließenden Frequenzkomponenten erhöht wird. Aus diesem Grund wird erwartet, dass die Phasenunbestimmtheit vorteilhaft ausgeschlossen wird, und die Ankunftszeitdifferenz kann mit höherer Genauigkeit geschätzt werden.
Ausführungsbeispiel 3
Im Ausführungsbeispiel 1 wird die Ankunftszeitdifferenz mit dem Ausdruck (1) geschätzt, der die Empfindlichkeit in der Phasendifferenz der Frequenzdifferenz als die Auswertungsfunktion hat. Andererseits wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Ankunftszeitdifferenz mit dem folgenden Ausdruck (10) als die Aus wertungsfunktion anstelle des Ausdrucks (1) geschätzt. [Ausdruck 10]
Da alle anderen Teile als die Ankunftszeitdifferenzschätzung identisch mit denjenigen im Ausführungsbeispiel 1 sind, wird ihre Beschreibung weggelassen.
Dann werden die Vorteile dieses Ausführungsbeispiels beschrieben. Der Ausdruck (10) kann als der folgende Ausdruck (11) entwickelt werden. [Ausdruck 11]
Wenn der Ausdruck (11) mit dem Ausdruck (6) verglichen wird, ist ersichtlich, dass nicht nur die Frequenzdifferenzkomponente f_k – f_l (k, l = 1, 2, ...., K) des zweiten Glieds und des dritten Glieds auf der rechten Seite des Ausdrucks, sondern auch die Frequenzsummenkomponente f_k + f_l (k, l = 1, 2, ..., K) des fünften Glieds und des sechsten Glieds eingeschlossen sind.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Frequenzsummenkomponente zu der Auswertungsfunktion zusätzlich zu der Frequenzdifferenzkomponente hinzugefügt, wodurch die Anzahl von einzuschließenden Frequenzkomponenten erhöht wird. Aus diesem Grund kann erwartet werden, dass die Phasenunbestimmtheit vorteilhaft ausgeschlossen wird, und die Ankunftszeitdifferenz kann mit höherer Genauigkeit geschätzt werden.
Ausführungsbeispiel 4
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 wird die Ankunftszeitdifferenz mit dem Ausdruck (1) geschätzt, der die Empfindlichkeit in der Phasendifferenz der Frequenzdifferenz als die Auswertungsfunktion hat. Andererseits wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Ankunftszeitdifferenz mit dem folgenden Ausdruck (12) als der Auswertungsfunktion anstelle des Ausdrucks (1) geschätzt. [Ausdruck 12]
Da alle Teile mit Ausnahme der Ankunftszeitdifferenzschätzung identisch mit denjenigen im Ausführungsbeispiel 1 sind, wird ihre Beschreibung weggelassen.
Dann werden die Vorteile dieses Ausführungsbeispiels beschrieben. Der Ausdruck (12) kann als der folgende Ausdruck (13) entwickelt werden. [Ausdruck 13]
Wenn der Ausdruck (13) mit dem Ausdruck (6) verglichen wird, ist ersichtlich, dass nicht nur die Frequenzdifferenzkomponente f_k – f_l (k, l = 1, 2, ..., K) des dritten Glieds und des vierten Glieds auf der rechten Seite des Ausdrucks, sondern auch die Frequenzsummenkomponente f_k + f_l (k, l, = 1, 2, ..., K) des fünften Glieds und des sechsten Glieds und die direkte Trägerfrequenzkomponente f_k (k = 1, 2, ..., K) des siebenten Glieds und des achten Glieds eingeschlossen sind.
Wie vorstehend beschrieben ist, werden gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Frequenzsummenkomponente und die direkte Trägerfrequenzkomponente zu der Auswertungsfunktion zusätzlich zu der Frequenzdifferenzkomponente hinzugefügt, wodurch die Anzahl der einzuschließenden Frequenzkomponenten erhöht wird. Aus diesem Grund wird erwartet, dass die Phasenunbestimmtheit vorteilhaft ausgeschlossen wird, und die Ankunftszeitdifferenz kann mit höherer Genauigkeit geschätzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2001-272448 A [0004, 0005]

Claims

Positionierungssystem, welches aufweist: eine Funkquelle (1) zum Senden von Funkwellen mit jeweils mehreren unterschiedlichen Frequenzen; mehrere Empfänger (2, 3, 4) zum Empfangen von Funkwellen von der Funkquelle, wobei die Positionen der mehreren Empfänger bekannt sind; Phasendifferenz-Berechnungsmittel (5) zum Berechnen von Phasendifferenzen der empfangenen Funkwellen der jeweiligen Frequenzen zwischen den jeweiligen Empfängern; Ankunftszeitdifferenz-Berechnungsmittel (6, 7) zum Berechnen von Ankunftszeitdifferenzen zwischen den jeweiligen Empfängern anhand jeder der Phasendifferenzen der jeweiligen Frequenzen, die von den Phasendifferenz-Berechnungsmitteln berechnet wurden; und Positionierungs-Berechnungsmittel (8) zum Berechnen der Positionierung der Funkquelle anhand einer Kombination der Ankunftszeitdifferenzen, die von den Ankunftszeitdifferenz-Berechnungsmitteln berechnet wurden, wobei die mehreren unterschiedlichen Sendefrequenzen von der Funkquelle Frequenzen aufweisen, die so angeordnet sind, dass eine Frequenzdifferenz von beliebig ausgewählten zwei Frequenzwellen ein ganzzahliges Mehrfaches einer kleinsten Frequenzdifferenz ist, die Frequenzdifferenz nicht mit der Frequenzdifferenz von zwei Frequenzwellen anderer Kombinationen über lappt und eine größte Frequenzdifferenz der Frequenzdifferenz am schmalsten ist.
Positionierungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Funkquelle Funkwellen durch aufeinanderfolgendes Ändern von deren Frequenz über mehrere Sendefrequenzen sendet.
Positionierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ankunftszeitdifferenz-Berechnungsmittel (6, 7) berechnen, mit einem Quadrat eines absoluten Wertes einer Phasenvektorsumme einer Differenz zwischen der berechneten Phasendifferenz der jeweiligen Sendefrequenzen und einer Phasendifferenz, die durch ein Produkt einer beliebig gesetzten Schätzankunftszeitdifferenz und der Sendefrequenz zwischen den jeweiligen Empfängern als eine erste Auswertungsfunktion erhalten wurde, und die Schätzankunftszeitdifferenz, die die erste Auswertungsfunktion als eine Ankunftszeitdifferenz maximiert.
Positionierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ankunftszeitdifferenz-Berechnungsmittel (6, 7) berechnen, mit einem Quadrat eines absoluten Wertes einer Summe einer Phasenvektorsumme und 1 von einer Differenz zwischen der berechneten Phasendifferenz der jeweiligen Sendefrequenzen und einer Phasendifferenz, die durch ein Produkt einer beliebig gesetzten Schätzankunftszeitdifferenz und der Sendefrequenz zwischen den jeweiligen Empfängern als eine erste Auswertungsfunktion erhalten wurde, und die Schätzankunftszeitdifferenz, die die erste Auswertungsfunktion als eine Ankunftszeitdifferenz maximiert.
Positionierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ankunftszeitdifferenz-Berechnungsmittel (6, 7) berechnen, mit einem Quadrat eines absoluten Wertes einer Phasenvektorsumme und einer Summe eine komplex-konjugierten Phasenvektorsumme von einer Differenz zwischen der berechneten Phasendifferenz der jeweiligen Sendefrequenzen und einer Phasendifferenz, die durch ein Produkt einer beliebig gesetzten Schätzankunftszeitdifferenz und der Sendefrequenz zwischen den jeweiligen Empfängern als eine erste Auswertungsfunktion erhalten wurde, und die Schätzankunftszeitdifferenz, die die erste Auswertungsfunktion als eine Ankunftszeitdifferenz maximiert.
Positionierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ankunftszeitdifferenz-Berechnungsmittel (6, 7) berechnen, mit einem Quadrat eines absoluten Werts einer Phasenvektorsumme und einer Summe von 1 und einer komplex-konjugierten Phasenvektorsumme, von einer Differenz zwischen der berechneten Phasendifferenz der jeweiligen Sendefrequenzen und einer Phasendifferenz, die durch ein Produkt einer beliebig gesetzten Schätzankunftszeitdifferenz und der Sendefrequenz zwischen den jeweiligen Empfängern als eine erste Auswertungsfunktion erhalten wurde, und die Schätzankunftsdifferenz, die die erste Auswertungsfunktion als eine Ankunftszeitdifferenz maximiert.
Positionierungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die Ankunftszeitdifferenz-Berechnungsmittel (6, 7) mehrere Ankunftszeitdifferenzkandidaten aus mehreren Maxima der ersten Auswertungsfunktion berechnen, in Be ziehung zu Ankunftszeitdifferenzen zwischen drei Empfängern eine Differenz zwischen einer Summe eines Ankunftszeitdifferenzkandidaten eines ersten Empfängers und eines zweiten Empfängers und eines Ankunftszeitdifferenzkandidaten des zweiten Empfängers und eines dritten Empfängers und den Ankunftszeitdifferenzkandidaten des ersten Empfängers und des dritten Empfängers erhalten, und mit einer Quadratsumme der Differenz in allen Kombinationen der drei Empfänger als einer zweiten Auswertungsfunktion, eine Kombination der Ankunftszeitdifferenzkandidaten, die die zweite Auswertungsfunktion minimiert, berechnen, und die Positionierungsberechnungsmittel (8) eine Positionierung der Funkquelle anhand der Kombination der Ankunftszeitdifferenzkandidaten berechnen.