JP2001243512A

JP2001243512A - 料金収受装置及びその通信方法

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Publication number: JP2001243512A
Application number: JP2000055995A
Authority: JP
Inventors: Yoshito Sato; 義人佐藤; Manabu Kato; 加藤　　学
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2001-09-07
Anticipated expiration: 2020-02-28
Also published as: US20010019307A1; US6437706B2; CN1311495A; CN1199136C; KR20010085586A; JP3482173B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ノンストップ自動料金収受システム（ＥＴＣ
Ｓ）の料金所で、構造物や通過車両の反射波による通信
不能や誤通信を回避する。【解決手段】車載通信アンテナ22と課金処理の通信を行
う路側通信アンテナ21と、通信領域350より広い範囲の
車両を検出する車両検出器320を料金所ゲートに設け
る。電磁波パス判定部150は、車両検知部130から、料金
所に進入した車両の形状、位置などを取得すると、路側
通信アンテナ21と各車両の車載通信アンテナ22を結ぶ直
接波及び反射波による電磁波パスを求め、各パスの受信
電界強度を算出する。このうち、通信領域350に存在す
る車両で、最も電界強度の大きいパスを第１放射方向、
他のパスを第２放射方向として選択し、第１放射方向が
最大放射強度、第２放射方向がナル点となるような指向
性パターンを決定し、指向性制御部111を介してアンテ
ナユニット101の放射方向を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、無線通信を利用し
た料金所の自動料金収受装置に係わり、特に、料金所内
の無線環境に応じた通信方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】ノンストップ自動料金収受システム（Ｅ
ＴＣＳ；Electronic Toll CollectionSystem）は、高速
道路などの有料道路の料金所で、通行する車両が一時停
止することなく通行券の受け取りや料金の支払いを電子
的に行えるシステムである。

【０００３】図２にＥＴＣＳ料金所の概略を示す。
（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。料金所ゲート
300はアイランド311で隣接するゲートと区切られてい
る。料金所ゲート300には路側通信アンテナ21が設置さ
れ、車載通信アンテナ22を搭載した車両31が通信領域35
0に進入すると、路側通信アンテナ21と車載通信アンテ
ナ22との間で無線信号によって課金に必要な情報を送受
信し、車両31は一時停止することなく料金所ゲートを通
過することができる。

【０００４】車載通信アンテナ22を搭載していない車両
が進入した場合は、車両検知機321が車両の進入を検知
し、検知したときに路側通信アンテナ21との通信が発生
しなければ、該車両は車載通信アンテナ22を搭載してい
ないものとみなし、料金所ブース301で収受員による通
行券・現金等の授受を行う。

【０００５】このシステムで、車載通信アンテナを搭載
した車両が料金所に進入しても、通信が成立しなかった
場合には一時停止しなければならない。逆に、車載通信
アンテナを搭載していない車両が料金所の通信領域に進
入したとき、他の車両の車載通信アンテナとの通信が成
立すると、料金所の車両は料金不払いのまま通過するこ
とができてしまう。従って、確実な料金収受のために
は、車両１台のみが入れるように設計通信領域を設定
し、この設計通信領域内にある車載通信アンテナとのみ
通信を行い、領域外にある車載通信アンテナとは通信を
行わないようにすることが提案されている。

【０００６】たとえば、特開平10−40433号の料金収受
装置では、通信領域内に１台の車両以外が入ることのな
いように、指向性の鋭い電磁波ビームを放射する路側通
信アンテナを用い、さらに、特開平10−214359号では、
料金所ゲートの先頭に車種判別装置を設置し、車種に応
じて路側通信アンテナの電磁波ビームの指向性パターン
を変え、車載通信アンテナの高さによる通信領域の変動
を抑制することが開示されている。

【０００７】また、車両の位置もしくは高さに応じ、ま
たは車両の高さや速度に応じて使用する路側アンテナを
切り替える提案もある（特開平4−315283,5号、特開平7
−239954号）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の料金収
受装置では、料金所における１台毎の通信を実現するた
めに、電磁波ビームの直接波を使用するときの指向性範
囲にのみ着目し、通信領域における反射波の影響が考慮
されていない。

【０００９】図２に示すように、実際の料金所のゲート
には防音壁201、屋根221などの構造物が存在する。路側
通信アンテナ21が電磁波ビームを放射すると、車両31に
搭載する車載通信アンテナ21には、直接到達する無線電
波の直接波210以外に、屋根221による反射波211や、防
音壁201による反射波212などが発生する。車載通信アン
テナ21では、これら直接波と反射波の合成波として無線
信号を受信するため、電磁波ビームの指向性範囲におい
ても、反射波211、212などによって直接波210と打ち消
しあい、無線信号が受信できない場所が存在する。この
ような場所は、車両31、後続の車両32の位置、速度等に
より時間的に変化する。

【００１０】また、後続車両32に搭載された車載通信ア
ンテナ23が、路側通信アンテナ21の指向性範囲外にある
ときでも、料金所の構造物や前方車両31による反射など
により、後続車両32に受信される反射波213のパスが発
生して、通信領域外の車両との通信が成立することがあ
る。この場合、路側通信装置は通信相手が前方車両31か
後続車両32かを識別できないので、前方車両31との通信
成立の前であれば、通話相手を前方車両31と誤認し、実
際には前方車両31との送受信処理、つまり前方車両31に
対する課金処理を行わないで通過させてしまう可能性が
ある。このようなミス処理の頻度は、前方車両が車載通
信アンテナを設置していない場合に一層高くなる。

【００１１】このように、従来のＥＴＣＳにおける通信
領域は、直接波の無線電波を送受信することを前提に設
計されているため、通過する車両等によって変動する反
射波の影響により、通信領域内でも通信不能となった
り、通信領域外でも通信可能となったりして、料金収受
のための送受信を安定かつ高信頼に行えないという問題
がある。

【００１２】また、反射波を少なくするための料金所構
造や広いゲート間隔が必要になり、かつ、電磁場環境は
料金所によって異なるので個々の対応が求められるな
ど、建設コストや運用コストが高くなるという問題があ
る。

【００１３】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を克服し、料金所の無線環境が車両の位置関係によっ
て変化する中で、通信領域の車両との安定な送受信をソ
フト対応で可能にし、電子的な料金収受を正確に実行す
る料金収受装置と、その通信方法を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、料金所のゲー
トを車両がノンストップで通過しながら、無線通信によ
って課金処理を行う料金収受装置を対象とし、指向性パ
ターンの変更可能な路側アンテナと車両や上位装置との
通信を行う通信制御装置を含む路側通信装置と、通過車
両の位置や形状を検出する車両検出器を料金所に設け、
前記無線通信の環境が車両の位置や形状によって変化す
る反射波によって影響されることを考慮し、路側アンテ
ナと通信領域の車載アンテナ間の通信環境を良好に維持
して自動料金収受を行うものである。

【００１５】このため、路側アンテナと通信領域を含む
一定範囲（車両検出範囲）に存在する車両の車載アンテ
ナを結ぶ、直接波と反射波による複数の電波パスを求
め、その中から、通信領域に存在する車両との間で最も
通信感度の高くなる電波パスを選択し、その電波パスの
放射方向（第１の放射方向）に合うように、路側アンテ
ナの指向性パターンを調整することを特徴とする。ま
た、第１の放射方向以外の電波パスの放射方向（第２の
放射方向）に対しては、無線通信が不能となるように指
向性パターンを調整する。すなわち、第１放射方向に最
大強度（または、第１の強度以上）、第２放射方向にナ
ル点（または、第２の強度以下）が向くように調整す
る。

【００１６】また、前記検出範囲に複数の車両が検出さ
れるとき、車両毎に直接波及び間接波による複数の電波
パスを求め、前記通信領域外の車両との電波パスはすべ
て前記第２放射方向として選択する。

【００１７】前記電波パスには、料金所の構造による既
知の反射面データと、車両形状毎に異なる反射面データ
に基づいて、路側アンテナと検出車両位置に応じた車載
アンテナを結ぶ、直接波と通信に有効な全ての反射波に
よる経路を求める。直接波の電波パスの算出は両アンテ
ナと反射面データから幾何学的に、また反射波の電波パ
スは電磁波の数値計算手法により算出できる。あるい
は、前記車両検出範囲に複数のパス点を設定し、そのパ
ス点に車両が存在すると仮定し、車両形状を変更しなが
らて予め計算しておくことも可能である。

【００１８】前記電波パスを求める処理は、前記通信領
域に車両が進入した時点で開始し、前記車両の検出周期
または前記パス点毎に繰り返す。なお、前記通信領域に
存在する車両との無線通信が終了した時点で、一旦、終
了してもよい。

【００１９】また、前記通信領域に進入した車両との無
線通信が成立しないときは、当該車両が前記車載アンテ
ナを有効に具備していないものと見做す。つまり、通信
環境を良好に維持しても通信不能なときは、当該車両が
車載アンテナを装備していないか、電源スイッチをオン
していないので、自動料金収受の不適格車と判断され、
例えば警報が発せられる。

【００２０】以上のような本発明によれば、路側アンテ
ナと車載アンテナ間の無線電波に対する料金所構造や進
入車両による反射波の影響を回避して、通信領域に存在
する車両との良好な電波パスを安定に確保できるので、
正確な料金収受を実現できる。また、反射波による影響
をアンテナの指向性の調整によって回避するため、料金
所の構造に対する制約を緩和でき、建設コストや運用コ
ストを低減できる効果がある。

【００２１】

【発明の実施の形態】図３は、本発明を適用する料金所
ゲートの一例を示す構成図である。料金所ゲート300に
は、路側通信アンテナ101と車両検出器320がゲートの上
方あるいは側方に設置され、その他は図２と同様にな
る。料金所には、このような料金所ゲートが複数並設さ
れている。

【００２２】図１は本発明の一実施例を示す料金収受装
置の構成を示す。本実施例の料金収受装置は、アンテナ
ユニット101とその指向性パターンを調整する指向性制
御部111をもつ路側通信アンテナ21と、車載通信アンテ
ナ22との間で無線信号により課金に必要な情報を送受信
する通信制御装置25と、料金所に進入する車両を検出す
る車両検出器320と、検出車両の位置や形状を判定する
車両検知部130と、アンテナユニット101と車載通信アン
テナ22間の電磁波パスを選定し、アンテナユニット101
の放射ビームの指向性パターンを決定する電磁波パス判
定部150と、電磁波パス判定に参照される車種データ153
1、パス保持部1531、指向性パターン保持部1532などを
格納する記憶装置153を設けている。なお、料金所の路
側通信装置20には、路側通信アンテナ21と通信制御装置
25及び車両検出器320を含む構成とし、他は各料金所を
結ぶ上位装置に設置する構成としてもよい。

【００２３】路側通信アンテナ21は、通信制御装置25の
通信制御機能により、料金所ゲート300に進入する車両
に搭載された車載通信アンテナ22と無線信号による通信
を行う。車両検出器320は自ゲートの通信領域350に存在
する車両のみならず、図３（ｂ）に示すように、通信領
域350より手前の一定範囲（車両検出範囲）に存在する
車両ついても検出する広域センサである。ここでは、Ｔ
Ｖカメラを用い、進入車両の画像を定期的に取り込む。
車両検知部130はＴＶカメラからの取り込み画像を画像
処理して車両の形状、位置、速度などを抽出する画像処
理装置で、車両検出器320と一体型としてもよい。な
お、ＴＶカメラに代え、レーザセンサ装置を用いて車両
形状、位置を検知することも可能である。

【００２４】車両の形状は反射面データの算出や車載通
信アンテナの位置の検出などに用いられるが、その正確
な検出には時間がかる。本実施例では、車両の長さ、高
さ、幅などの概略形状のみを求め、この概略形状を基に
予め記憶装置153に蓄積してある車種データ1530から車
両形状データを参照し、最も近い車両形状データとアン
テナ位置を取得する。なお、車載通信アンテナ22の設置
位置は車種ごとに定められているものとする。

【００２５】図９は、車種データの構成を示す。車種デ
ータテーブル1530−１は、（ａ）に示すようなデータ構
成とし、各車種毎に長さ、高さ、幅及び形状データをテ
ーブル化して持つ。（ｂ）は形状データの一例で、車両
形状を構成する各面毎に頂点位置をｘｙｚ座標で指定す
るデータである。頂点数は３点以上とし、４点以上指定
する場合は全ての頂点が同一平面内となるように整合の
取れたデータとする。なお、ここでの形状データは車両
形状の全体について持つ必要はなく、電磁波パスの算出
で反射面データとして用いられる反射面形状のみでよ
い。

【００２６】図９（ｃ）は別のデータ形式による車種デ
ータテーブル１５３０−２を示す。この形式では、車種
ごとのパターンデータおよび形状データによって構成さ
れ、形状データは（ｂ）と同じである。パターンデータ
は、（ｄ）に示すような画像ファイルで、（イ）、
（ロ）、（ハ）などのように異なる車種のテンプレート
である。車輛検知部130はＴＶカメラの取り込み画像か
ら車両部を抽出し、各パターンデータとの相関を求め、
最も相関の高い車種を選択することにより、形状データ
を参照する。

【００２７】電磁波パス判定部150は、車両検知部130か
ら検出車両の位置と形状を受け取ると、通信領域内に存
在する車両と通信領域外に存在する車両を区別し、前者
を第１車両、後者を第２車両とする。以下では、通信領
域に存在できる車両は１台、また、通信領域外の検出範
囲に存在できる車両も１台として説明する。

【００２８】電磁波パス判定部150は、料金所ゲート300
の構造及び検出車両の形状に基づく反射面データを用い
て、アンテナ101と車載通信アンテナ22間の電磁波パス
を算出する。この電磁波パスには、図３（ｂ）に示すよ
うに、両アンテナ間を直接到達する直接波、及び構造物
や車両により反射して到達する反射波を含む。

【００２９】電磁波パス判定部150は、算出した電磁波
パス毎に、アンテナ101で受信時の電界強度を算出し、
上記の第１車両、第２車両について算出した電磁波パス
の中で、電界強度が最も大きいパスを選択する。つま
り、車載通信アンテナでの受信感度が最も高くなる電磁
波パスを選択する。

【００３０】さらに、電磁波パス判定部150は、算出し
た全ての電磁波パスについて、アンテナ101から電波が
放射される３次元空間での放射方向を算出する。ここ
で、第１車両について選択した電界強度が最も大きい電
磁波パスの放射方向を第１放射方向とし、それ以外の電
磁波パスの放射方向を第２放射方向とし、第１放射方向
に対して第１の強度以上で放射し、第２放射方向に対し
て第１の強度より十分小さい第２の強度以下となるよう
に、アンテナ101から放射する電磁波ビームの指向性パ
ターンを決定し、このパターンに基づいて路側アンテナ
21の指向性制御部111を制御する。

【００３１】指向性制御部111は、電磁波パス判定部150
で決定された指向性パターンとなるようにアンテナ101
の給電電力の調整、あるいはアンテナの切り替えや放射
角度の調整などを行う。この結果、アンテナ101の指向
性ビーム形状を、通信領域内に存在する車載通信アンテ
ナの方向に最大放射方向が向けられ、通信領域外に存在
する車載通信アンテナへは指向性ビームのナル点が向け
られるように調整される。

【００３２】次に、各部の構成と動作を詳細に説明す
る。アンテナユニット101には、複数のアンテナ素子を
配置したアレーアンテナ、または複数のペンシルビーム
型の子アンテナを組み合わせるユニットアンテが用いら
れる。前者の場合は、指向性制御部111が電磁波パス判
定部150で決定した指向性パターン、つまり、アンテナ
素子毎の給電係数(電力の振幅と位相)にしたがって給電
を制御する。後者の場合は、指向性制御部111が通信制
御装置25と接続する子アンテナを切り替えることで、電
磁波パス判定部150で決定した指向性パターンに調整す
る。

【００３３】図４はアレーアンテナおよび指向性制御部
の構成を示す。アレーアンテナ101は複数のアンテナ素
子102から、指向性制御部111は複数の位相振幅制御部11
2から構成されている。無線信号を送信するときに、位
相振幅制御部112は、電磁波パス判定部150が指定した給
電係数の電力を給電してアンテナ素子102を励振し、ア
レーアンテナ101から放射する指向性ビーム形状を、第
１放射方向に第１の強度以上、第２放射方向に対し第２
の強度以下で放射するように制御する。アレーアンテナ
101が受信する指向性ビーム形状についても同様であ
る。

【００３４】図５はペンシールビーム型アンテナのユニ
ット構成を示す。アンテナユニット101は、複数のペン
シルビーム指向性アンテナ711〜714からなる。指向性制
御部111は、アンテナ切替部701と角度調節装置721〜724
からなる。アンテナ切替部701は第１放射方向に最も近
い子アンテナを選択し、その放射方向を角度調節装置に
よって微調整する。

【００３５】図６は、電磁パス判定部の処理動作を説明
するフロー図である。まず、記憶装置153を参照し、料
金所内の構造物に関する反射面データと、検出した車両
の反射面データを取得する（ｓ11、ｓ12）。構造物に関
する反射面データは料金所ゲート毎に固定であり予め解
析され、記憶装置153の図示していない反射面データ記
憶部に格納されている。

【００３６】車両の反射面データは、検出車両の形状デ
ータから同一法線を抽出することにより抽出できる。本
実施例では車両の反射面データも、車種データ記憶部15
30に格納されている車両形状毎に予め解析され、前述の
反射面データ記憶部に格納され、検出車両の形状が車種
データ1530の形状データを参照して取得するときに、形
状データに対応する反射面データも取得できる。

【００３７】次に、反射波の送受信点の設定を行う（ｓ
13）。送信点位置は路側通信アンテナ21とし、料金所ゲ
ートでの設置位置となる。受信点位置は検出車両の車載
通信アンテナ22の位置を、各車両ｊについて登録する
（ｓ14、ｓ141）。なお、車載通信アンテナ22の設置位
置は、車種データ1530の付属データとして取得可能であ
る。

【００３８】次に、上記条件において、直接波及び反射
波の電磁波パスΓｉを計算する（ｓ15）。直接波の経路
は、路側アンテナ21と検出した各車両の車両位置での車
載通信アンテナ22を直線で結び、この間を遮蔽する他の
物体がないかを幾何学的に調べることで、直ちに求ま
る。

【００３９】一方、反射波の経路は一般的な電磁波の数
値計算手法によって求めることができる。たとえば、反
射面をメッシュ分解し、アレーアンテナから放射される
電磁波ビームによって、各メッシュに流れる電流を計算
することにより反射経路を求めるアルゴリズムや、電磁
波の経路を幾何光学的に各反射面で正反射するとして求
めるレイトレーシング法などが利用可能である。なお、
算出する反射波のパスは電波の減衰を考慮し、一定反射
回数以下の通信に有効なパスを対象とする。

【００４０】次に、求めた全ての電磁波パスについて、
ｓ161、ｓ162の処理を繰り返す（ｓ16）。ステップｓ16
1では、受信電界強度Ｐｉを求める。ステップｓ162で
は、各電磁波パスがアンテナユニット101からのどの方
向に放射されているかを求め、後述のように定義される
放射方向（θ，φ）で表す。

【００４１】各パスの受信電界強度Ｐｉは、アンテナユ
ニット101における送信電力及びアンテナゲイン、パス
空間での伝播ロス、反射点における損失、車載通信アン
テナ21のアンテナゲイン及び受信電力をパラメータとし
て求められる。アンテナユニット101のアンテナゲイン
は、通信領域350において設計される基本指向性パター
ンが、通信領域内で十分な電界強度を得られるゲインと
している。車載通信アンテナ21のアンテナゲイン及び受
信電力には標準的な値を用いる。なお、基本指向性パタ
ーンは車両検出領域の所定位置において通信が安定に行
える放射パターンで、直接波のみ、または直接波及びゲ
ート構造物による反射波を含む。

【００４２】次に、各車両ｊについて、ｓ171〜ｓ176の
処理を繰り返す（ｓ17）。ステップｓ171では、ステッ
プｓ161で求めた受信電界強度Ｐｉの中で、車両ｊに関
するものを抽出し、これをＰjiとする。ステップｓ172
では、Ｐjiを大きい順にソートし、最大のものをＭaxＰ
jiする。ステップｓ173では、ＭaxＰjiに対応する放射
方向（θi，φi）を第１放射方向（θi1，φi1）に選定
する。ステップｓ174では、ＭaxＰji以外の放射方向は
全て第２放射方向（θki，φki）に選定する。

【００４３】ステップｓ175は分岐条件を示す。すなわ
ち、車両ｊが通信領域内に存在しない場合、ステップｓ
176を実行し、車両ｊが通信領域内に存在する場合は、
ステップｓ17へ戻って、次の車両（ｊ＝ｊ＋１）につい
ての処理に移る。ステップｓ176は、車両ｊが通信領域
に存在しない場合で、ステップｓ173で第１放射方向と
した（θi，φi）を第２放射方向として選定しなおす。

【００４４】以上のように、電磁波パス判定部150は直
接波及び反射波の各電磁波パスΓｉに対して、車両ｊが
通信領域内に存在し、かつ受信電界強度Ｐjiが最大とな
る第１放射方向と、それ以外の第２放射方向を区別して
選定する。

【００４５】次に、選定した第１放射方向と第２放射方
向に基づいて、アンテナ101の指向性パターンを決定す
る（ｓ18）。後述するように、第１放射方向のビーム強
度が最大または第１の強度以上となるように、また、第
２放射方向のビーム強度が０または第２の強度以下とな
るように指向性パターンを決定し、指向性制御部111に
指示する。

【００４６】上記では、電磁波パスは車両形状と車両位
置に応じて繰り返し計算している。しかし、車種と車両
位置（図３のパス点）をパラメータとして、予め各電磁
波パスを算出しておき、参照することが可能である。す
なわち、画像上の各パス点に検知窓を設けて、実際の通
信の際には、車両が検知窓に入ったタイミングで、当該
車両のパスをパス保持部1531から参照する。車種は、最
初のパス点の画像から取得する。これにより、電磁パス
判定部150でのパス算出時間を省略でき、駐車場ゲート
に進入する複数の車両の移動に追従した高速のアンテナ
指向性制御が可能となる。

【００４７】図１０はパス保持部のデータ構成を示す。
（ａ）に示すように、車種毎にパス点の各位置ｘ１，ｘ
２．．．におけるパスデータファイル（path i,j）及び
指向性パターンファイル（dipat i,j）を格納してい
る。（ｂ）に示すように、たとえば、車種１がパス点ｘ
１にある場合の電磁波パス１〜５の放射方向、直接／反
射の区分、受信電界強度が予め算出され、パスデータフ
ァイル（path 1,1）に記憶されている。

【００４８】このように、車種と車両位置をパラメータ
とする複数の組合せについて、電磁パス判定部150によ
る予めの計算結果をパス保持部1531に参照可能に蓄積
し、電磁波パスΓｉの計算を簡単にしている。なお、実
際の通信の際には予め定めたパス点によらず、車両検知
部130で検出した車両の位置に最も近いケースをパス保
持部1531から検索し、第１放射方向あるいは第２放射方
向を選定するようにしてもよい。

【００４９】また、図１０の例では先頭車両のパスデー
タのみを示したが、後続車両の車種と車両位置（先頭と
の車間距離）をパラメータとして追加し、予め後続車両
のパスデータを得ておくことも可能である。この場合、
後続車両は通信エリア外にあり、ミス通信を抑制するた
めのパス計算であるから、パス計算する後続車両の数は
１台程度、車間距離も余り長くない範囲（後続車両への
直接波や反射波で、先頭車両の第１放射方向を上回る可
能性のある範囲）で十分となり、パラメータの組合せは
計算可能な範囲に集約される。

【００５０】図７は、基本指向性パターンと第１放射方
向および第２放射方向の説明図である。図示のように、
車両検知部130で検知された車両31は通信領域350内に、
車両32は通信領域外にある。路側通信アンテナ21と車両
31の車載通信アンテナ22、車両32の車載通信アンテナ23
との電磁波パスは、直接波と、直接波、反射波の
３パスである。このとき、路側通信アンテナ21の基本指
向性パターンは、通信領域350に対して、図示の点線の
ように調整されているものとする。

【００５１】直接波は、路側通信アンテナ21と車載通
信アンテナ22間の直接パスで、路側通信アンテナ21の指
向性パターンの主たる放射方向に沿っている。直接波
は、路側通信アンテナ21と車載通信アンテナ23間の直接
パスで、路側通信アンテナ21の指向性パターンの従たる
放射方向による。反射波は路側通信アンテナ21からの
電磁波が車両31で反射して車載通信アンテナ23に到達す
るパスで、路側通信アンテナ21の指向性パターンの主ま
たは従の放射方向によって発生する。

【００５２】電磁波パス判定部150によれば、ステップ
ｓ173の処理で、直接波を車両31の第１放射方向、直
接波を車両32の第１放射方向として選定する。また、
ステップｓ174の処理で、間接波を車両32の第２放射
方向として選定する。ただし、受信電界強度が、間接波
＞直接波の場合は、車両32の第１放射方向は間接波
となる。さらに、ステップｓ176の処理で、車両32の
位置は通信領域外なのでその第１放射方向は第２放射方
向に変更される。この結果、図７の場面における第１放
射方向としては、直接波が選定される。

【００５３】次に、電磁パス判定部150における指向性
パターン決定の処理（ｓ１８）を、アレーアンテナを用
いる場合、及びペンシルビームアンテナを用いる場合を
例にして説明する。

【００５４】図８は複数の平面素子よりなるアレーアン
テナの構成を示す。ＧＮＤ板103上に、誘電体基板104と
アンテナ素子102をプリント板として作成し、アレーア
ンテナ101を形成している。各アンテナ素子に供給する
電力の給電係数(振幅及び位相)は、図４の位相・振幅制
御部112で調整される。

【００５５】ここで、アンテナ素子102の並ぶアンテナ
平面上に、適当な位置を原点としてｘｙ座標軸をとる。
さらに、GND板103から誘電体基板104へ貫くように、ア
ンテナ平面に垂直にｚ軸をとる。このｘｙｚ座標上で、
アレーアンテナ101から、ある送信方向1000に放射され
る電力を考える。送信方向1000は、ｘｙ平面上でｘ軸か
らの角度をφとし、ｚ軸からの角度をθとする。上述の
第１放射方向、第２放射方向も、角度θ、角度φにより
放射方向（θ，φ）を定めることができる。

【００５６】いま、アンテナ平面上のｘ軸方向にＭ個、
ｙ軸方向にＮ個、合計Ｍ×Ｎ個のアンテナ素子102がそ
れぞれ素子間隔ｄ_x,ｄ_yで配列されているとすると、各
アンテナ素子102のｘｙ座標は(ｍｄ_x，ｎｄ_y、但し、ｍ
＝0，1，2，...，M−1、ｎ＝0，1，2，...，N−1)で表
される。また、各アンテナ素子の給電係数をＶmnとし
て、アレーアンテナ101から送信方向1000に放射される
電力を十分遠方で観測したとき、θ、φで表される方向
に放射される電力、すなわち放射パターンＥ（θ、φ）
は数１で表される。

【００５７】

【数１】

【００５８】ここで、ｕ＝ｋ₀sinθcosφ、ｖ＝ｋ₀sin
θcosφ、ｋ₀は搬送波周波数における波数、ｊは虚数単
位である。数１の意味するところは、指定した給電係数
で励振された各アンテナ素子から放射される電磁波が、
放射角度により位相を変化させながら合成され、その総
和が放射パターンを形成するということである。

【００５９】数１はフーリエ変換の形となっており、フ
ーリェ変換対として、逆に、アンテナ素子の数（Ｍ×
Ｎ）だけの放射パターンＥ（θ,φ）を与えることによ
り、給電係数Ｖ_mnを求めることができる。従って、与え
る放射パターンをＥ（θk,φl）、ｋ＝0，1，2，...，M
−1、ｌ＝0，1，2，...，N−1とすると、給電係数Ｖmn
は数２により求めることができる。

【００６０】

【数２】

【００６１】数２の意味するところは、Ｍ×Ｎ個の方向
（θk,φl）に対し、放射強度Ｅkl（θk,φl）を与えて
求めた絶対値と位相角から、給電係数Ｖmnが定まること
を示している。

【００６２】すなわち、第１放射方向（θi,φi）につ
いてはＥ１、第２放射方向（θh,φh）についてはＥ２
としてＥkl(θ,φ)を定め、数２に従って計算すれば、
第１放射方向にはＥ１、第２放射方向にはＥ２で放射さ
れる給電係数が求まる。この場合、上述の第１の強度が
Ｅ１、第２の強度がＥ２に相当する。なお、アレーアン
テナの素子数として、実用上は１０×１０個程度あれば
問題ない。

【００６３】指向性制御部111は、位相振幅制御部112
は、数２で求められた給電係数Ｖ_mnで指定された振幅と
位相の電力を位相振幅制御部112を介して各アンテナ素
子102に供給し、アレーアンテナ101から放射する指向性
ビームを、基本指向性パターンの状態から、第１の放射
方向が第１の強度以上、第２の放射方向が第２の強度以
下となるパターンに変更する。

【００６４】本実施例では、予め、第１放射方向と第２
放射方向をパラメータとし複数の指向性ビーム形状につ
いて給電係数Ｖ_mnを求めておき、記憶装置153の指向性
パターン記憶部1532に格納している。電磁波パス判定部
150は第１放射方向と第２放射方向を選定すると、第
１、第２の放射方向が最も類似している指向性パターン
を読み出し、その給電係数を指向性制御部111に送信す
る。

【００６５】図１１は指向性パターンテーブルのデータ
構成を示す。本実施例の指向性パターンテーブル1532
は、図１０（ａ）のパス保持部1531の指向性パターンフ
ァイル（dipat i,j）として、車種と位置ｘのパスデー
タファイル毎に予め求めた各アンテナ素子の給電係数Ｖ
_mn（振幅、位相）を格納している。

【００６６】なお、本実施例に使用するアレーアンテナ
101や指向性制御部111の構成、あるいは指定する指向性
ビーム形状から給電係数Ｖ_mnを求める方法は、たとえ
ば、「新アンテナ工学」新井宏之著、総合電子出版社
（1996）の80ページ〜92ページに記載されているアレー
アンテナや指向性合成方法や、「アンテナの基礎理論と
設計法」本郷廣平著リアライズ社(1993)の第９章に記載
の方法等を用いることにより実現可能である。

【００６７】次に、図５に示したペンシルビーム型アン
テナを用いる場合の指向性パターンの制御を説明する。
電磁波パス判定部150は第１放射方向(θｉ,φｉ)と第２
放射方向（θh,φh）を選択すると、予めアレーアンテ
ナ101の子アンテナの基本指向性パターンを記憶してあ
る指向性パターン保持部1532を参照し、アンテナ放射方
向（θt,φt）が最も類似している子アンテナを決定し
（ステップｓ１８）、第１、第２の放射方向データとと
もに指向性制御部111に送信する。

【００６８】指向性制御部111のアンテナ切替部701は、
指定された子アンテナｔを通信制御装置25と接続する。
また、選択した子アンテナｔの角度調節装置を調整し
て、第１放射方向(θｉ,φｉ)と子アンテナｔの放射方
向（θt,φt）を一致させる。あるいは、選択した子ア
ンテナｔの角度調節装置721を調整して、第２放射方向
（θh,φh）がナルまたは第２の強度以下となるように
調整する。

【００６９】以上、本実施例によれば、料金所ゲートに
進入する車両が検出されると、路側アンテナと車載アン
テナ間の直接及び間接の全パスが求められ、最も電界強
度が高く、かつ通信領域内に存在する車両との無線電波
のパスに対応する放射方向を第１放射方向、その他の無
線電波のパスに対応する方向を第２放射方向に決定し、
第１放射方向の放射電力Ｅ(θ,φ)が最大または第１の
強度以上、第２放射方向の放射電力Ｅ（θk,φk）が０
または第２の強度以下となるように、路側アンテナの指
向性パターンを制御するので、反射波による干渉を抑制
して、通信領域内の車両との安定な送受信が確保でき、
正確な自動課金処理を実現できる。

【００７０】なお、本実施例の変形例として、設計通信
領域が複数の車両ｊの存在を可能とし、複数の車両と同
時的に通信を行うことが考えられる。この場合、上記の
電磁波パス判定部150は、その結果、複数の第１放射方
向(θji,φji)を選定することになる。この場合、指向
性制御部111は各第１放射方向に対応する複数の子アン
テナを通信制御装置25と接続し、かつ、接続した各子ア
ンテナの角度調節装置を調整して第２放射方向を抑制す
る。

【００７１】本実施例における通信制御装置25の通信開
始は、電磁波パス判定部150の処理及び指向性制御部111
の制御の直後に行われる。すなわち、車両検出器320が
定周期でサンプリングするタイミング、あるいは検出車
両の先頭が図３（ｂ）の通信領域350の各パス点を通過
するタイミングで、電磁波パス判定部150及び指向性制
御部111が動作し、その車両位置でのアンテナユニット1
10の放射パターンが最適に調整された時点で、通信制御
装置25から進入車両との送受信が開始され、少なくとも
当該車両の課金処理が終了するまで継続される。

【００７２】なお、次のサンプリングタイミングや次の
パス点では、車両位置が変更しているので、再び電磁波
パス判定部150が起動して、アンテナユニット110の放射
パターンが再調整される。再調整の間も通信は継続され
るが、一度、最適化した後の放射パターンは微調整とな
るので、通信障害を生じることはない。

【００７３】通信制御装置25と電磁波パス判定部150は
２値信号線160で結ばれている。通信制御装置25は２値
信号線160を通じて、通信制御装置25が車載通信アンテ
ナと通信しているときはハイレベルの電圧信号、通信し
ていないときはロウレベルの電圧信号を電磁波パス判定
部150に送信し、通信信終了後の電磁波パス判定部150の
処理を打切り可能としている。

【００７４】本実施例により通信領域の車両との良好な
電磁波パスが確保された後では、通信領域350に進入し
た車両との無線通信が成立しない場合は、当該車両が車
載アンテナを具備していないか、電源スイッチをオンし
ていないときである。かかる場合は、当該車両が前記車
載アンテナを有効に具備していないものと見做し、自動
料金収受の不適格車と判断して、例えば、警報を発生す
る。

【００７５】

【発明の効果】本発明によれば、料金所の構造物や車両
による無線電波の反射波を抑制し、通信領域内に存在す
る１台の車両とのみ必要な通信感度が得られるように、
路側通信アンテナを制御するので、通信不良や誤通信を
回避でき、料金所における無宣電波による課金処理を正
確に実行できる効果がある。

【００７６】また、必要な電磁波パスを優先し、不要な
電磁波パスを抑制するいように路側アンテナの放射パタ
ーンを調整するので、料金所の構造に対する従来の制約
が緩和でき、建設コストや運用コストを低減できる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による料金収受装置の構成
図。

【図２】従来のＥＴＣＳの概略構成と問題点を示す説明
図。

【図３】本発明を適用する料金所ゲートの概略を示す説
明図。

【図４】路側通信アンテナの一例で、アレーアンテナと
指向性制御部のユニット図。

【図５】路側通信アンテナの一例で、複数のペンシルビ
ーム型アンテナと指向性制御部のユニット図。

【図６】電磁波パス判定部の処理動作の一例を示すフロ
ー図。

【図７】指向性パターンと第１放射方向および第２放射
方向の説明図。

【図８】アレーアンテナの構成と放射方向を示す説明
図。

【図９】車種データ記憶部のデータ構成の説明図。

【図１０】パス保持部のデータ構成の説明図。

【図１１】指向性パターンテーブルのデータ構成を示す
説明図。

【符号の説明】

20…路側通信装置、21…路側通信アンテナ、22，23…車
載通信アンテナ、31，32…車両、101…アンテナユニッ
ト、102…アンテナ素子、111…指向性制御部、112…位
相・振幅制御部、130…車両検知部、150…電磁波パス判
定部、153…記憶装置、160…２値信号線、320，321…車
両検出器、350…通信領域、701…アンテナ切替部、712
〜714…ペンシルビーム型アンテナ（子アンテナ）、721
〜724…角度調節装置、1530…車種データ記憶部、1531
…パス保持部、1532…指向性パターンテーブル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】車両が料金所の通信領域をノンストップ
で通過しながら、前記料金所の路側アンテナと前記車両
の車載アンテナとの無線通信によって課金処理する料金
収受装置の通信方法において、前記通信領域とその直前の所定領域を含む検出範囲を通
過する車両を検出して車両位置を取得し、前記通信領域
に車両が存在しているとき、前記路側アンテナと前記車
両位置による前記車載アンテナとを結ぶ直接波及び間接
波による複数の電磁波ビームの経路（以下、電波パスと
呼ぶ）を求めるとともに、それら電波パスの中で最も通
信感度が高くなる電波パスの放射方向を第１放射方向と
して選択し、前記路側アンテナの指向性パターンが前記
第１放射方向に向くように調整することを特徴とする料
金収受装置の通信方法。
【請求項２】請求項１において、前記複数の電波パスのうち前記第１放射方向以外の電波
パスは第２放射方向とし、前記指向性パターンは前記第
１放射方向のビームを第１の強度以上に、前記第２放射
方向のビームを通信不能となる第２の強度以下に調整す
ることを特徴とする料金収受装置の通信方法。
【請求項３】請求項２において、前記検出範囲に複数の車両が検出されるとき、車両毎に
直接波及び間接波による複数の電波パスを求め、前記通
信領域外の車両との電波パスはすべて前記第２放射方向
として選択することを特徴とする料金収受装置の通信方
法。
【請求項４】請求項１、２または３において、前記検出範囲で検出した車両の車両形状を取得し、該車
両形状による車両反射面データと前記料金所の反射面デ
ータを基に前記電波パスを求めることを特徴とする料金
収受装置の通信方法。
【請求項５】請求項１、２、３または４において、前記電波パスを求める処理は、前記通信領域に車両が進
入した時点で開始し、前記車両の検出周期あるいは所定
通過位置毎に繰り返すことを特徴とする料金収受装置の
通信方法。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかにおいて、前記通信領域に進入した車両との無線通信が成立しない
ときは、当該車両が前記車載アンテナを有効に具備して
いないものと見做すことを特徴とする料金収受装置の通
信方法。
【請求項７】料金所ゲートに設定されている通信領域
を含む所定領域の車両検出範囲を検出する車両検出装置
と、路側アンテナとその指向性パターンを変更する指向
性パターン制御部を具備する路側通信アンテナ装置を備
え、前記路側アンテナと進入車両が具備する車載アンテ
ナ間の無線通信によって、ノンストップの課金処理を行
う料金収受装置において、前記料金所ゲートの構造と前記車両検出装置が検出した
車両の車両形状及び車両位置を基に、前記路側アンテナ
と前記車載アンテナ間の複数の電磁波ビームの経路（以
下、電波パス）を求める電波パス判定部を備え、前記通
信領域に進入している車両との電波パスに対し、前記指
向性パターン制御部による優先制御を可能にしたことを
特徴とする料金収受装置。
【請求項８】請求項７において、前記車両検出装置はＴＶカメラを具備し、撮映した画像
の画像処理によって前記車両形状を検出する料金収受装
置。
【請求項９】請求項７または８において、前記料金所ゲートの構造に基づくゲート反射面データと
車両形状毎の複数の車両反射面データを蓄積している記
憶装置を備え、前記電波パス判定部は、前記ゲート反射
面データと検出された車両形状に対応する車両反射面デ
ータを前記記憶装置から取得し、前記路側アンテナと前
記車両位置による前記車載アンテナ間の直接波とともに
反射波による複数の電波パスを求めることを特徴とする
料金収受装置。
【請求項１０】請求項７または８において、前記車両検出範囲に設定した複数のパス点に基づいて、
１台以上の車両の存在可能な複数のパターン、かつ、複
数の車両形状の組合せについて、予め前記電波パスを求
めて蓄積している記憶装置を備え、前記電波パス判定部
は、検出された車両位置に対応するパス点で、かつ、検
出された車両形状に該当する電波パスを前記記憶装置か
ら取得することを特徴とする料金収受装置。
【請求項１１】請求項７、８、９または１０におい
て、前記電波パス判定部は、前記複数の電波パスの放射強度
を算出して、最も大きい放射強度で、かつ、前記通信領
域に存在する車両の電波パスの放射方向を第１放射方向
に、他を第２放射方向に選択し、前記第１放射方向のみ
が通信可能となる指向性パターンを決定することを特徴
とする料金収受装置。
【請求項１２】請求項１１において、前記第１放射方向及び前記第２放射方向のそれぞれの放
射方向を変えた複数の組合せによる前記指向性パターン
を予め求めて蓄積している記憶装置を備え、前記電波パ
ス判定部は、選定した第１放射方向及び第２放射方向に
該当する指向性パターンを前記記憶装置から取得するこ
とを特徴とする料金収受装置。
【請求項１３】請求項７〜１２の何れかにおいて、前記路側アンテナは複数のアレー素子を具備するアレー
アンテナで、前記指向性パターンは前記アレー素子に給
電する電力の振幅と位相を制御して変更することを特徴
とする料金収受装置。
【請求項１４】請求項７〜１２の何れかにおいて、前記路側アンテナは異なる放射方向を持つように配置さ
れた複数のペンシルビームアンテナを具備する切替可能
なアンテナで、前記指向性パターンは優先する電波パス
の放射方向に最も近い放射方向のペンシルビームアンテ
ナを選択することにより変更することを特徴とする料金
収受装置。