JP2001337157A - 超音波を用いた局地測位システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】局地的な測位システムに関し、屋内屋外を問わ
ず簡単な方法で高精度の実時間測位を可能とするシステ
ムの提供を目的とする。 【解決手段】３箇所以上の既知点に設置され、各々送信
元情報と送信時刻情報とを含む信号を生成して超音波信
号として送信する送信手段と、前記各送信手段の送信時
刻を同期させる送信時刻同期手段と、少なくとも３箇所
の送信手段から同期送信された各々の超音波信号を受信
する受信手段と、前記各超音波信号の受信時刻を各々測
定し、前記受信した各超音波信号から該信号の送信元と
送信時刻とを各々特定し、前記受信時刻と前記送信時刻
から前記送信手段と前記受信手段の距離を各々算出し、
前記各送信手段の位置と該各送信手段と前記受信手段の
距離との関係から前記受信手段の位置を決定する測位手
段と、を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、屋内屋外の別に関
わらず局地的な測位が可能な局地測位システム（ＬＰ
Ｓ：Ｌｏｃａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅ
ｍ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、人工衛星（ＧＰＳ衛星）から発信
する情報を受信して、受信機（ＧＰＳ受信機）の位置を
求めるＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ
Ｓｙｓｔｅｍ：汎地球測位システム）の実用化が進
み、屋外環境において、手軽に高精度の測位結果を得る
ことが可能となった。

【０００３】ＧＰＳは、米国において軍事用の目的で艦
船や航空機が正確な自己位置を短時間に決定するために
開発された技術であり、双曲線航法を用いた測位システ
ムの一種である。

【０００４】そして、ＧＰＳは、従来の測位システムに
比べて簡便なシステムで飛躍的に高い測位精度を実現す
るものであることから、使用が一般に開放されてからは
世界中に急速に普及しつつあるシステムである。

【０００５】すなわち、図８に示されるように、ＧＰＳ
は簡単な設備で高精度な測位が容易に行える非常に画期
的なシステムであり、ＧＰＳは、宇宙航空、車両、船舶
に対する測位システム等として一般に広く応用されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＧＰＳ技術は
屋外環境のみを対象とした測位技術であり、屋内におい
ては利用が不可能な技術である。

【０００７】具体的には、ＧＰＳは地球の上空２万ｋｍ
を円軌道で周回する複数の人工衛星（ＧＰＳ衛星）から
の電波を測位点で受信することにより測位を行うもので
あるので、測点の上空が広く開けていることが測位の前
提条件となる。

【０００８】したがってＧＰＳは、屋内や地下などの環
境においては、上空が開けておらずＧＰＳ衛星からの電
波が届かないため、全く利用することができない。

【０００９】しかしながら、近年の情報化社会の高度化
に伴い、簡易な方法により、屋内外の別を問わず、何時
でも何処でも実時間で、且つ高精度に位置情報を求める
技術への要求が高まりつつある。

【００１０】具体的には、徘徊老人の捜索や行方不明者
の捜索、災害時において屋内に閉じ込められた人や逃げ
遅れた人の位置確認、屋内の移動型のロボットや機械の
自己位置の確認等、多様な環境や分野において、測位シ
ステムの実現が期待されている。

【００１１】すなわち、屋外に加えて屋内等の局地的な
環境においても、人間、動物、機械等の位置を実時間で
高精度に簡単な方法により測定することが可能となれ
ば、ＧＰＳが屋外における物体の位置測定技術とその利
用技術に飛躍的な進展をもたらしたように、画期的な技
術として各方面で利用・応用されることは明らかであ
る。

【００１２】本発明は、上記事情に鑑みて創案されたも
のであり、その目的は屋内屋外を問わず簡単な方法で高
精度の実時間測位を可能とする局地測位システム（ＬＰ
Ｓ：Ｌｏｃａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅ
ｍ）を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は以下のように構成されている。

【００１４】すなわち、本発明は局地測位システムに関
するものであり、図１に示されるように、３箇所以上の
既知点に設置され、各々送信元情報と送信時刻情報とを
含む信号を生成して超音波信号として送信する送信手段
１０と、前記各送信手段の送信時刻を同期させる送信時
刻同期手段１２と、少なくとも３箇所の送信手段から同
期送信された各々の超音波信号を受信する受信手段１４
と、前記各超音波信号の受信時刻を各々測定し、前記受
信した各超音波信号から該信号の送信元と送信時刻とを
各々特定し、前記受信時刻と前記送信時刻から前記送信
手段と前記受信手段の距離を各々算出し、前記各送信手
段の位置と該送信手段と前記受信手段の距離との関係か
ら前記受信手段の位置を決定する測位手段１６と、を有
することを特徴とし、または、４箇所以上の既知点に設
置され、各々送信元情報と送信時刻情報とを含む信号を
生成して超音波信号として送信する送信手段１０と、前
記各送信手段の送信時刻を同期させる送信時刻同期手段
１２と、少なくとも４箇所の送信手段から同期送信され
た各々の超音波信号を受信する受信手段１４と、前記各
超音波信号の受信時刻を各々測定し、前記受信した各超
音波信号から該信号の送信元と送信時刻とを特定し、前
記受信時刻と前記送信時刻から前記信号の伝搬時間を各
々算出し、前記各伝搬時間の差分により同期誤差を消去
して前記送信手段と前記受信手段の距離を各々算出し、
前記各送信手段の位置と該各送信手段と前記受信手段の
距離との関係から前記受信手段の位置を決定する測位手
段１６と、を有することを特徴とし、または、３箇所以
上の既知点に設置され、各々送信元情報と送信時刻情報
とを含む信号を生成し、該信号をスペクトラム変調して
超音波信号として送信する送信手段１０と、前記各送信
手段の送信時刻を同期させる送信時刻同期手段１２と、
少なくとも３箇所の送信手段から同期送信された各々の
超音波信号を受信する受信手段１４と、前記各超音波信
号の受信時刻を各々測定し、前記受信した各超音波信号
を復調して該信号の送信元と送信時刻とを各々特定し、
前記受信時刻と前記送信時刻から前記送信手段と前記受
信手段の距離を各々算出し、前記各送信手段の位置と該
各送信手段と前記受信手段の距離との関係から前記受信
手段の位置を決定する測位手段１６と、を有することを
特徴とし、または、４箇所以上の既知点に設置され、各
々送信元情報と送信時刻情報とを含む信号を生成し、該
信号をスペクトラム変調して超音波信号として送信する
送信手段１０と、前記各送信手段の送信時刻を同期させ
る送信時刻同期手段１２と、少なくとも４箇所の送信手
段から同期送信された各々の超音波信号を受信する受信
手段１４と、前記各超音波信号の受信時刻を各々測定
し、前記受信した各超音波信号を復調し、該信号の送信
元と送信時刻とを特定し、前記受信時刻と前記送信時刻
から前記信号の伝搬時間を各々算出し、前記各伝搬時間
の差分により同期誤差を消去して前記送信手段と前記受
信手段の距離を各々算出し、前記各送信手段の位置と該
各送信手段と前記受信手段の距離との関係から前記受信
手段の位置を決定する測位手段１６と、を有することを
特徴とする。

【００１５】また、図２に示されるように、本発明の局
地測位システムは、送信元情報と送信時刻情報とを含む
信号を生成して超音波信号として送信する送信手段１０
と、３箇所以上の既知点に設置され、各々前記送信手段
から送信された超音波信号を受信する受信手段１４と、
少なくとも３箇所の受信手段で受信された前記超音波信
号につき受信元の受信手段と受信時刻を各々記録し、前
記受信された各超音波信号から該信号の送信元と送信時
刻とを各々特定し、前記記録された各受信時刻と前記送
信時刻から前記送信手段と前記各受信手段の距離を各々
算出し、前記各受信手段の位置と該各受信手段と前記送
信手段の距離との関係から前記送信手段の位置を決定す
る測位手段１６と、を有することを特徴とし、または、
送信元情報と送信時刻情報とを含む信号を生成して超音
波信号として送信する送信手段１０と、４箇所以上の既
知点に設置され、各々前記送信手段から送信された超音
波信号を受信する受信手段１４と、少なくとも４箇所の
受信手段で受信された前記超音波信号につき受信元の受
信手段と受信時刻を各々記録し、前記受信された各超音
波信号から該信号の送信元と送信時刻とを各々特定し、
前記記録された各受信時刻と前記送信時刻から前記信号
の伝搬時間を各々算出し、前記各伝搬時間の差分により
同期誤差を消去して前記送信手段と前記各受信手段の距
離を各々算出し、前記各受信手段の位置と該各受信手段
と前記送信手段の距離との関係から前記送信手段の位置
を決定する測位手段１６と、を有することを特徴とし、
または、送信元情報と送信時刻情報とを含む信号を生成
し、該信号をスペクトラム変調して超音波信号として送
信する送信手段１０と、３箇所以上の既知点に設置さ
れ、各々前記送信手段から送信された超音波信号を受信
する受信手段１４と、少なくとも３箇所の受信手段で受
信された前記超音波信号につき該信号を復調し、受信元
の受信手段と受信時刻を各々記録し、前記受信された各
超音波信号から該信号の送信元と送信時刻とを各々特定
し、前記記録された各受信時刻と前記送信時刻から前記
送信手段と前記各受信手段の距離を各々算出し、前記各
受信手段の位置と該各受信手段と前記送信手段の距離と
の関係から前記送信手段の位置を決定する測位手段１６
と、を有することを特徴とし、または、送信元情報と送
信時刻情報とを含む信号を生成し、該信号をスペクトラ
ム変調して超音波信号として送信する送信手段１０と、
４箇所以上の既知点に設置され、各々前記送信手段から
送信された超音波信号を受信する受信手段１４と、少な
くとも４箇所の受信手段で受信された前記超音波信号に
つき該信号を復調し、受信元の受信手段と受信時刻を各
々記録し、前記受信された各超音波信号から該信号の送
信元と送信時刻とを各々特定し、前記記録された各受信
時刻と前記送信時刻から前記信号の伝搬時間を各々算出
し、前記各伝搬時間の差分により同期誤差を消去して前
記送信手段と前記各受信手段の距離を各々算出し、前記
各受信手段の位置と該各受信手段と前記送信手段の距離
との関係から前記送信手段の位置を決定する測位手段１
６と、を有することを特徴とする。

【００１６】

【作用】本発明では、従来のＧＰＳ等のような電波を使
用して測位する代わりに超音波を使用して測位を行う。
これにより、測定に用いる波動の伝搬範囲が限定され
ている局地においても、高精度で測位を行うことが可能
となる。

【００１７】また、３点以上の既知点に超音波送信手段
もしくは超音波受信手段（超音波送信局もしくは超音波
受信局）を設置することにより、３点測量の技術を用い
ての測位が可能となる。 この場合、４点以上の既知点
を用いて送信側と受信側の時計同期誤差を解消すれば、
更に高精度な測位が可能となる。

【００１８】さらに、送受信する超音波信号にスペクト
ラム拡散変調を施すことにより、送信超音波周波数の帯
域当たりのユーザ数（測位対象数）を増加することや、
妨害波や干渉波の排除能力を向上することや、信号の秘
話性を向上することや、測距能力を向上させることが可
能となる。

【００１９】そして、本発明は多様な形態での測位に対
応することも可能である。すなわち、移動する測位対象
を受信手段として、受信側が自己位置の測位をすること
や、また、移動する測位対象を送信手段として受信側の
第三者が複数の移動測位対象の測位を統括的に行うこと
等も可能である。

【００２０】

【発明の実施の形態】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明にかかる局地測
位システムの好適な実施例を説明する。

【００２１】まず、本発明にかかる測位システムについ
て、図３には超音波送信部の構成例が示されている。

【００２２】本構成例においては、送信元情報（送信元
識別情報）と、送信時刻情報と、を含む２進符号の信号
が２進符号発生器３０２より生成される。

【００２３】なお、本構成例においては、ＰＮ信号：Ｐ
ｓｅｕｄｏ Ｎｏｉｓｅ信号、疑似雑音信号等とも称さ
れる２進符号信号を使用しているが、発明の概念として
は送信元と送信時刻の情報が包含されていることが特徴
である。

【００２４】また、上記の２進符号の信号（送信信号）
に、送信元情報（送信局識別のための情報）と送信時刻
情報に加えて、各送信局の位置情報等、各送信局固有の
情報を包含することも可能である。 すなわち本構成例
においては、各送信局の位置情報等、各送信局固有の情
報は予め受信・測位側により保持されているものである
が、これらの情報も送信情報に含めることとすれば、受
信・測位側が受信信号を復調することでこれらの情報を
入手できることとなり、受信・測位側が予めこれらの情
報を保持することが不要化される。

【００２５】そして、搬送波が搬送波発生器３０４によ
り生成される。

【００２６】ここで、受信機側の位置を検出する場合、
すなわち３箇所以上の既知点に送信局が設置されている
場合は、各局において生成される信号に含まれる時刻情
報は、ＬＡＮ等により相互に同期が取られているが、こ
の点については後述する。

【００２７】さらに、２進符号発生器３０２で生成され
た信号に対し、搬送波発生器３０４を用いて狭帯域変調
と同時に２次変調として拡散変調がＰＳＫ変調器３０６
により施される。

【００２８】なお、ＰＳＫはＰｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ
Ｋｅｙｉｎｇの略語であり、ＰＳＫ変調は位相変調、移
送偏移等と称される場合もある。）そして、ＰＳＫ変調
器３０６により変調された信号は、超音波送信機３０８
により超音波として空間中に送信される。

【００２９】次に、図４には本発明にかかる測位システ
ムについて、超音波受信部および測位部の構成例が示さ
れている。

【００３０】本構成例においては、送信部の超音波送信
機（図３の３０８参照）より空間中に送信された超音波
が、超音波受信機４０２により受信される。

【００３１】また、搬送波発生器４０４においては受信
信号（ＰＳＫ変調されて送信された信号）を復調するた
めの搬送波が生成される。

【００３２】そして、受信された超音波は、搬送波発生
器４０４により生成された搬送波を用いてミキサ処理部
４０６によりミキサ処理される。

【００３３】さらに、ミキサ処理された信号は、２進符
号発生器４０８により生成された２進符号信号により相
関処理部４１０において相関処理が行われる。

【００３４】かかる一連の処理により、受信された信号
には逆拡散による復調が施される。

【００３５】そして、超音波受信時に記録された受信時
刻情報と、送信信号に含まれる送信時刻情報と、から送
信にかかった時間、すなわち超音波の伝搬時間が算出さ
れる。

【００３６】また、２進符号発生器４０８においては、
複数の送信機の送信部で生成される２進符号信号を含む
信号が生成されており、各々の送信機において生成され
た２進符号信号と同一の信号を同調により検出すること
で、送信元の送信機が各々特定され、これらの各送信機
が送信を行った送信時刻情報が検出される。

【００３７】相関処理部４１０により相関処理された信
号、すなわち送信先情報や送信時間（超音波伝搬時間）
情報が含まれた信号は、測位処理部４１２に送られる。

【００３８】そして、測位処理部４１２においては、各
送信部または受信部が設置された既知点の位置情報と、
相関処理部４１０より送られる送信先情報や送信時間情
報すなわち既知点からの距離情報と、により測位対象た
る受信点（超音波受信機が置かれた地点）または送信点
（超音波送信機が置かれた地点）の位置が算出される。

【００３９】ここで、図３の超音波受信機３０８、およ
び図４の超音波受信機４０２に示されるように、本発明
の測位システムでは超音波の送受信機を構成要素として
おり、ＧＰＳ等における電波の代わりとして超音波を用
いて測位を行う構成をとる。

【００４０】これは、屋内等の狭い局地環境において高
精度の測位を行う場合、電波の速度に対して超音波の速
度は非常に遅いため、超音波を利用する方が伝搬時間差
の測定等において有利となるからである。

【００４１】すなわち、ＧＰＳでは送信側のＧＰＳ衛星
と受信側のＧＰＳ受信機との距離が約２万ｋｍと非常に
長いものである。

【００４２】これに対し、本発明にかかる測位システム
では屋内等の狭い局地環境が対象であり、送信側と受信
側との距離はＧＰＳのように長いものとはならない。

【００４３】また、一般的な室内環境等において、人間
や機械等の位置検出を行う場合、最低でも数１０ｃｍ単
位の精度が必要とされると考えられる。

【００４４】したがって、電波を利用した場合は、表１
の左欄に示されるように信号伝搬速度が速すぎ（３．０
Ｘ１０^８ｍ／ｓ）、受信手段から送信手段への信号伝搬
時間が非常に短くなるので（１０ｃｍ進むのに要する時
間は０．３３ｎｓ）、信号伝搬時間を高精度で計測する
事が困難となる。

【００４５】これに対し、超音波を利用した場合は、表
１の右欄に示されるように適度な信号伝搬速度が得られ
ることから（３４０ｍ／ｓ）、信号伝搬時間が充分測定
できる値（１０ｃｍ進むのに要する時間は３００ｍｓ）
となり、高精度で信号伝搬時間を計測することが可能と
なる。

【００４６】そこで、本発明の測位システムでは、ＧＰ
Ｓ等における電波の代わりとして、超音波により測位を
行うこととしている。

【００４７】そして、本発明にかかる測位システムにお
いては、高精度で計測された超音波の伝搬時間（送信側
より送信されてから受信側に至るまでの時間）に、定数
として知られる超音波の伝搬速度（３４０ｍ／ｓ）を乗
ずることにより送信機と受信機との間の距離を高精度で
求めている。

【００４８】

【表１】 また、測位システムに超音波を用いる場合は、電波を用
いる場合ほど厳密な同期制御が必要ではなくなるため、
システム構築の費用を軽減することが可能となり、電波
を用いる場合に比べて低コストで同等の測位精度を確保
することが可能となる。

【００４９】ここで、従来からも超音波を利用した測定
技術は存在したが、これらは主に、超音波発信機から単
一のパルス信号を障害物等に送信し、このパルス信号が
障害物等に当たって戻返ってきた反射波を受信機で受け
取り、単に発信時刻と受信時刻の時間差から障害物等ま
での距離を測定するに止まるものであった。

【００５０】具体的には、監視センサ等の測距に関する
ものが殆どであった。

【００５１】これに対し、本発明にかかる測位システム
においては、複数の既知点と測位対象の距離関係から測
位対象の空間的な位置を実時間で測定するものである。

【００５２】すなわち、本発明にかかる測位システム
は、従来の測距装置のように単純に物体間の距離測定を
目的とするものではなく、コード情報（送信時間と送信
局情報等）を含む信号を送信し、既知点情報等を参照し
て計算処理し、屋内空間に存在する人や物体の空間的位
置や移動態様を実時間で把握するものである。

【００５３】また、図３のＰＳＫ変調部３０６等、およ
び図４のミキサ処理部４０６、相関処理部４１０等に示
されるように、本実施例にかかる測位システムでは、２
進符号による拡散変調、逆拡散復調が行われており、ス
ペクトラム拡散技術が利用されている。

【００５４】すなわち、２進符号を疑似雑音符号（拡散
符号パターン）として用い、送信側において各送信局ま
たは各送信機が同じ周波数の超音波信号に異なる疑似雑
音符号の超音波信号を乗じて連続送信を行い、受信側に
おいて各送信局等が乗じた疑似雑音符号と同じ疑似雑音
符号を乗算することにより送信側（各送信機等）を見分
けている。

【００５５】図５には、送信信号にスペクトラム拡散変
調を施す場合の疑似雑音符号の自己相関図が示されてい
る。

【００５６】ここで、自己相関値とは、同じ２個のＰＮ
符号（疑似乱数符号）が、時間軸上で一致する場合（図
５において横軸が０の値をとる場合：すなわち両符号の
時間的なずれがない場合）から、最も相違する場合（図
５において横軸が１２７の値をとる場合：すなわち両符
号の時間的なずれが最大の場合）まで、かかる２個の符
号値の積を算出し、これを積分して求めた値を言う。
また、横軸のシフト数（拡散符号のレジスタのシフト
数）はＰＮ符号の長さを表示する単位であり、ＰＮ符号
を生成するシフトレジスタのビット数が多くなるほど、
ＰＮ符号は長いものとなる（クロックレートが同一の場
合：同じシフト数のＰＮ符号であってもクロックレート
が異なると時間値に換算した場合の長さは異なることと
なる。図５においてはかかる混乱を避けるべく、横軸に
時間値ではなくシフト数を用いている）。 ここで、本
実施例においては７ビットのシフトレジスタで生成した
ＰＮ符号を用いているため、ＰＮ符号の長さと、相関値
の最大値が、ともに１２７となる。 そして、図５の縦
軸の相関値は、上記説明の自己相関値（積分値）を示す
ものである。

【００５７】本発明にかかる測位システムにおいては、
送信側（測位対象が受信側であるときは複数の送信局
を、測位対象が送信側であるときは一又は複数の送信機
をいう。）から送られる信号は単一のパルス信号ではな
く、時間情報等のデータを含む信号である。

【００５８】したがって、一般的な狭帯域の周波数変調
等を施して送信側（複数の送信機・送信局）から信号を
送信した場合、送信された信号同士が相互に干渉するこ
とにより送信側若しくは受信側の正確な位置測定が不可
能になるおそれがある。

【００５９】そこで、本実施例では、送信側において２
進符号等から成るデータ列の信号に対し狭帯域変調と同
時に２次変調として拡散変調を施している。

【００６０】これにより、従来の単一パルスを用いた送
信方法と比べて超音波の周波数スペクトルが充分に広い
拡散超音波信号が生成される。

【００６１】この結果、スペクトルが拡散した超音波信
号の使用によりノイズの強い環境でも良好に目的の信号
が受信できることとなる。

【００６２】この場合において、さらに変調対象の信号
に含まれる２進符号等の相関特性を利用することによ
り、送信側より送信されてから受信側に至るまでの超音
波の伝搬時間をより正確に安定して測定することが可能
となる。

【００６３】すなわち、拡散変調を行うときに、変調対
象の信号に乗ずる拡散符号はＰＲＮ（Ｐｓｅｕｄｏ ｒ
ａｎｄｏｍ Ｎｏｉｓｅ：擬似乱数系列）符号、若しく
はＰＮ（Ｐｓｅｕｄｏ Ｎｏｉｓｅ：疑似雑音）符号と
呼ばれるものである。

【００６４】ここでＰＲＮ系列は、ある周期を持った系
列であり、全体的には乱数と同じような性質を持つもの
である。

【００６５】そして、図５に示されるように、ＰＲＮ系
列の自己相関をとると、ある１点（ピーク）でのみ高い
相関値が示されることとなる。

【００６６】よって、送信側から送られた超音波信号
は、受信側においてこの１点（ピーク）を利用して同期
捕捉されるため、高精度でデータを復調する事が可能と
なる。

【００６７】また、超音波の送信信号にスペクトラム拡
散変調を施す場合には、妨害波や干渉波を排除すること
が可能となる。

【００６８】すなわち、各超音波信号にスペクトラム拡
散変調を施して送信することにより、その超音波信号が
広い拡散帯域の一部において自己の信号電力密度よりは
るかに大きな電力密度を持つ妨害波を受けた場合であっ
ても、受信された超音波信号を逆拡散する段階でほとん
ど妨害波の影響を排除することが可能となる。

【００６９】このために、各送信局（送信機）から送信
される情報が、他の送信局（送信機）からの干渉波等に
よる影響を受けることがほとんどなくなり、干渉波等に
対するシステム全体の耐久性が極めて高いものとなる。

【００７０】同様に、超音波の送信信号にスペクトラム
拡散変調を施すことにより多元接続性を向上させること
が可能となる。

【００７１】すなわち、前述のように超音波の送信信号
にスペクトラム拡散変調を施すことにより高い干渉波の
排除能力を実現することが可能となるが、これは送信側
（複数の送信局・送信機）から送られてくる各送信信号
が固有の疑似雑音符号で変調されているからである。

【００７２】したがって、受信側で受信超音波を逆拡散
する際には前記疑似雑音符号と同じ疑似雑音符号を使用
して復調することが必要となり、実質的に各々の信号に
はそれぞれ異なった暗号の鍵が割り当てらていることと
なる。

【００７３】この場合、受信側において目的の信号以外
は干渉波とみなされるので、複数の信号が周波数軸上の
みならず時間軸上でも重なり合っている状態であって
も、混信のない通信が可能となる。

【００７４】よって、測位範囲内において、複数の送信
機や複数の受信機が混在する場合でも、その中から目的
の測位対象を特定してその位置を測定する事が可能とな
り、高い多元接続性を有するシステムが実現されるさら
に、超音波の送信信号にスペクトラム拡散変調を施すこ
とにより、信号秘匿性を向上させることが可能となる。

【００７５】具体的には、通信を行っている事を第三者
にとって察知されにくいものにして、傍受を回避するこ
とが可能となる。

【００７６】ここで、人や物体等の対象の位置が特定で
きるということは便利なことではあるが、その反面、そ
の対象の存在位置が不特定の第三者にも把握されてしま
うという危険を伴うことを意味している。

【００７７】しかしながら、超音波の送信信号にスペク
トラム拡散変調を施した場合、拡散された信号の電力ス
ペクトル密度を低くすることが可能となるので、送信超
音波信号による通信そのものが感知されにくいものとな
る。

【００７８】さらに、超音波の送信信号にスペクトラム
拡散変調を施した場合においては、受信側が疑似雑音符
号（拡散符号パターン）を知らなければ逆拡散たる復調
を行うことは出来ず、信号に含まれる情報を取り出す事
が不可能となる。

【００７９】したがって、疑似雑音符号（拡散符号パタ
ーン）を知らない不特定の第三者による傍受を有効に回
避することが可能となり、高い信号秘匿性が実現される
こととなる。

【００８０】そして、自己相関性の強い疑似雑音符号
（拡散符号パターン）を利用することにより、測距にお
いても極めて高い分解能を得ることが可能となる。

【００８１】すなわち、自己相関性の強い疑似雑音符号
（拡散符号パターン）を利用して相関受信を行えば、広
帯域の伝送信号を使いつつ、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音電力
比）の測定により受信した反射信号を利用でき、多少の
干渉波も排除できる。

【００８２】具体的には、符号相関処理におけるスペー
シングを可変にすることにより、信号の補足や初期追跡
の際に広いスペーシングを確保することが可能となる。

【００８３】また、受信側でＳ／Ｎ比を測定することに
より、スペーシングを調節し、ナローコリレータの技術
等で測定精度を高めてマルチパス等の影響を低減するこ
とが可能となる。

【００８４】したがって、自己相関性の強い疑似雑音符
号（拡散符号パターン）を利用すれば、誤測定を有効に
防止することが可能となり、より安定した測距が実現さ
れる。

【００８５】次に、具体的なシステム構成例について説
明する。

【００８６】図６には、受信側の位置を測定する場合の
実施例が示されている。

【００８７】本発明において、図６の超音波受信機６１
０−１、６１０−２に示されるように測位対象が受信側
である場合、すなわち携帯型受信機６１０−１、６１０
−２の位置測定を行う場合には、少なくとも３箇所以
上、好ましくは４箇所以上の既知点に超音波送信機を設
置し、各々を送信局６００−１、６００−２、６００−
３、６００−４とする。

【００８８】ここで、送信局６００−１等を多数設置す
ることにより、複雑な形状を有する空間内での測位も可
能となる。

【００８９】また、室内ＬＡＮ６２０により、各送信局
６００−１、６００−２、６００−３、６００−４にお
いて送信時刻情報を生成する際の時計同期がとられてい
る。

【００９０】すなわち相互局間の同期問題を解決するた
めに、各送信局６００−１、６００−２、６００−３、
６００−４は有線あるいは無線によるＬＡＮで相互に繋
がれており、これにより各局が送信時刻を測定する場合
の各局間の時間同期がとられている。

【００９１】さらに、送信側の時計（各送信局の同期時
計）と、受信側の時計（受信機が受信時刻を計測するた
め内部時計）とは、同一の時刻を示すように調整されて
いる。

【００９２】具体的には、単独に、もしくは何れかの送
信局に同期制御用の時計を１個設置し、この時計に基づ
き、一定の時間間隔で定期的に時間情報（時計のカウン
タ数）を前記のＬＡＮで各送信局に送る。 各送信局は
独自（自局）の時計を持っており、その時計により送信
時刻を制御するが、前記の時間情報がＬＡＮを介して配
信されたときは自局の時計のカウンタ数と配信された時
間情報（制御用の時計のカウンタ数）を比較し、両時間
の差違を検出する。 そして、各送信局はこの差違に基
づいて自局の時計をリセットし、自局の時計を制御用の
時計に同期させる。 これによりＬＡＮを使って全ての
送信局の時計が同期することとなる。

【００９３】そして、送信局６００−１、６００−２、
６００−３、６００−４からの送信信号に含まれる送信
時刻情報と受信機６１０−１、６１０−２側において計
測される受信時刻情報との時間差から超音波の伝搬時間
が求められ、この伝搬時間に定数たる音速（３４０ｍ／
ｓ）を乗ずることで、各送信局６００−１、６００−
２、６００−３、６００−４と、各受信機６１０−１、
６１０−２との距離がそれぞれ求められる。

【００９４】よって、複数の既知点たる各送信局６００
−１、６００−２、６００−３、６００−４と、測位対
象たる受信機６１０−１、６１０−２との距離関係が、
各伝搬時間から各々導出され、３点測量の原理により受
信機６１０−１、６１０−２の位置を特定することが可
能となる。

【００９５】なお、本実施例においては、送信側と受信
側の時計誤差を消去するため、４箇所の既知点に送信局
６００−１、６００−２、６００−３、６００−４が設
けられている。

【００９６】これは、一般的に送信側の時計と受信側の
時計に同期誤差があり、３次元の位置情報に時計誤差を
加えると未知の変数が４個となるので、これを解くため
には４個の独立式が必要となり、このため少なくとも４
点の観測が必要となるからである。（すなわち、３点の
測定値のみでは送信側と受信側の時計の同期誤差が残っ
てしまい、高精度な測位が実現できないからである。） つまり、本実施例における測位システムでは、各既知点
（各送信局６００−１、６００−２、６００−３、６０
０−４）相互間では同期がとられており、各受信機６１
０−１、６１０−２が受信した信号から算出される伝搬
時間測定値には全て同一の時計誤差、すなわち受信側の
時計と送信側の時計の誤差が含まれている。

【００９７】したがって、既知点に設置する送信局を３
局から１局増やして４局とし、伝搬時間測定値について
相互の差分をとれば、送信側と受信側の時計誤差（同期
誤差）を取り除くことが可能となる。（すなわち、各測
位対象につき同期信号の測定値が４個の場合、時計誤差
のとれた３個の独立した測定値の差分値が得られ、この
３個の差分値に基づいて測位対象の３次元の位置を算出
することが可能となる。）なお、以上は送信局を４個と
した場合について説明したが、本発明にかかる測位シス
テムはこれに限定されるものではなく、送信局が４個以
上、すなわち伝搬時間の測定値が４個以上の場合であっ
ても、最小二乗法により最確値を求めること等により、
高精度の測位が実現される。

【００９８】そして、以上のプロセスにより導出された
測位結果は、測位結果表示部６３０により表示される。

【００９９】なお、各送信局６００−１、６００−２、
６００−３、６００−４が設置される各既知点につい
て、各既知点の位置情報と設置される局の局情報（送信
元情報）は、予め測位処理を行う受信側において２進符
号データ等として保持されており、測位処理はこのデー
タを利用することで行われる。

【０１００】したがって、測位を行うに際し、送信側
（各送信局６００−１、６００−２、６００−３、６０
０−４）から受信側（受信機６１０−１、６１０−２）
に、これらのデータをその都度転送することが不要とな
り、極めて簡易な構成および処理で測位を行うことが可
能となる。

【０１０１】一方、既に説明したように、送信信号に送
信元情報（送信局識別のための情報）と送信時刻情報に
加えて、各送信局の位置情報等、各送信局固有の情報を
包含させることも可能であり、この場合は、受信・測位
側が予め各送信局の位置情報等を保持することが不要と
なる。

【０１０２】さらに、図６の実施例においては、受信機
６１０−１と測位結果表示部６３０が記載されている
が、これらは一体型で構成することも、分離型で構成す
ることも可能である。

【０１０３】また、各受信機が受信したデータを１箇所
に集めて測位及び測位結果の表示を統合的に行う構成と
することも可能である。

【０１０４】そして、本発明の局地測位システムとＧＰ
Ｓとを組み合わせることにより、空中・海上・地上（屋
外）のみならず、海中・地下・屋内を含む、地球上の全
ての位置を把握し得るシステムの構築も可能となる。

【０１０５】図７には、送信側の位置を測定する場合の
実施例が示されている。

【０１０６】本発明において、図７の超音波送信機７１
０−１、７１０−２に示されるように測位対象が送信側
である場合、すなわち携帯型送信機７１０−１、７１０
−２の位置測定を行う場合には、少なくとも３箇所以
上、好ましくは４箇所以上の既知点に超音波受信機を設
置し、各々を送信局７００−１、７００−２、７００−
３、７００−４とする。

【０１０７】ここで、送信局７００−１・・・を多数設
置することにより、複雑な形状を有する空間内での測位
も可能となる。

【０１０８】また、本実施例では複数の移動対象の各々
に送信機７１０−１、７１０−２が取付けられている場
合であっても、各送信機７１０−１、７１０−２から送
られる超音波信号に各々固有のコードを含めることによ
り、受信側が各々の移動対象たる送信側（各送信機７１
０−１、７１０−２）を個別に識別することが可能とな
る。

【０１０９】ここで、受信側の構成として、各受信局
（受信手段）において受信処理のみならず、受信時刻と
受信元の記録処理、信号復調処理、信号の伝搬時間や伝
搬距離の算出処理を行わせ、これらの算出結果等を測位
処理部（測位手段）に送り測位を行わせる構成とするこ
とも可能であるし、また、各受信局が受信した信号を各
々専用線で測位処理部に送り測位処理部において各信号
について、受信時刻と受信元の記録処理、信号復調処
理、信号の伝搬時間や伝搬距離の算出処理、測位処理を
行わせる構成とすることも可能である。

【０１１０】前者の場合（各受信局で受信時間を記録す
る場合）においては、室内ＬＡＮ７２０により、各受信
局７００−１、７００−２、７００−３、７００−４に
おいて受信時刻情報を生成する際の時計同期をとること
が好ましい。

【０１１１】すなわち相互局間の同期問題を解決するた
めに、各受信局７００−１、７００−２、７００−３、
７００−４は有線あるいは無線によるＬＡＮで相互に繋
がれており、これにより各局が受信時刻を測定する場合
の各局間の時間同期がとられている。

【０１１２】具体的には、単独に、もしくは何れかの受
信局に同期制御用の時計を１個設置し、この時計に基づ
き、一定の時間間隔で定期的に時間情報（時計のカウン
タ数）を前記のＬＡＮで各受信局に送る。 各受信局は
独自（自局）の時計を持っており、その時計により受信
時刻を制御するが、前記の時間情報がＬＡＮを介して配
信されたときは自局の時計のカウンタ数と配信された時
間情報（制御用の時計のカウンタ数）を比較し、両時間
の差違を検出する。 そして、各受信局はこの差違に基
づいて自局の時計をリセットし、自局の時計を制御用の
時計に同期させる。 これによりＬＡＮを使って全ての
受信局の時計が同期することとなる。

【０１１３】さらに、送信側の時計（送信機が送信時刻
を計測するため内部時計）と、受信側の時計（各受信局
の同期時計）とは、同一の時刻を示すように調整されて
いる。

【０１１４】そして、各送信機７１０−１、７１０−２
からの送信信号に含まれる送信時刻情報と、各受信局７
００−１、７００−２、７００−３、７００−４側にお
いて計測される受信時刻情報との時間差から超音波の伝
搬時間が求められ、この伝搬時間に定数たる音速（３４
０ｍ／ｓ）を乗ずることで、各送信機７１０−１、７１
０−２と、各受信局７００−１、７００−２、７００−
３、７００−４との距離がそれぞれ求められる。

【０１１５】よって、複数の既知点たる各受信局７００
−１、７００−２、７００−３、７００−４と、測位対
象たる送信機７１０−１、７１０−２との距離関係が、
各伝搬時間から各々導出され、３点測量の原理により送
信機７１０−１、７１０−２の位置を特定することが可
能となる。

【０１１６】なお、本実施例においては、送信側と受信
側の時計誤差を消去するため、４箇所の既知点に受信局
７００−１、７００−２、７００−３、７００−４が設
けられている。

【０１１７】これは、一般的に送信側の時計と受信側の
時計に同期誤差があり、３次元の位置情報に時計誤差を
加えると未知の変数が４個となるので、これを解くため
には４個の独立式が必要となり、このため少なくとも４
点の観測が必要となるからである。（すなわち、３点の
測定値のみでは送信側と受信側の時計の同期誤差が残っ
てしまい、高精度な測位が実現できないからである。） つまり、本実施例における測位システムでは、各既知点
（各受信局７００−１、７００−２、７００−３、７０
０−４）相互間では同期がとられており、各送信機７１
０−１、７１０−２が送信した信号から算出される伝搬
時間測定値には全て同一の時計誤差、すなわち受信側の
時計と送信側の時計の誤差が含まれている。

【０１１８】したがって、既知点に設置する受信局を３
局から１局増やして４局とし、伝搬時間測定値について
相互の差分をとれば、送信側と受信側の時計誤差（同期
誤差）を取り除くことが可能となる。（すなわち、各測
位対象につき同期信号の測定値が４個の場合、時計誤差
のとれた３個の独立した測定値の差分値が得られ、この
３個の差分値に基づいて測位対象の３次元の位置を算出
することが可能となる。） なお、以上は受信局を４個とした場合について説明した
が、本発明にかかる測位システムはこれに限定されるも
のではなく、受信局が４個以上、すなわち伝搬時間の測
定値が４個以上の場合であっても、最小二乗法により最
確値を求めること等により、高精度の測位が実現され
る。

【０１１９】そして、以上のプロセスにより導出された
測位結果は、測位結果表示部７３０により表示される。

【０１２０】なお、各受信局７００−１、７００−２、
７００−３、７００−４が設置される各既知点の位置情
報と、各送信機７１０−１、７１０−２から送信される
信号に含まれている送信機情報（送信元情報）は、予め
測位処理を行う受信側において２進符号データ等として
保持されており、測位処理はこのデータを利用すること
で行われる。

【０１２１】したがって、測位を行うに際し、送信側
（各送信機７１０−１、７１０−２）から受信側（各受
信局７００−１、７００−２、７００−３、７００−
４）に、これらのデータをその都度転送すること等が不
要となり、極めて簡易な構成および処理で測位を行うこ
とが可能となる。

【０１２２】一方、既に説明したように、送信信号に送
信元情報（送信局識別のための情報）と送信時刻情報に
加えて、各送信局の位置情報等、各送信局固有の情報を
包含させることも可能であり、この場合は、受信・測位
側が予め各送信局の位置情報等を保持することが不要と
なる。

【０１２３】そして、本発明の局地測位システムとＧＰ
Ｓとを組み合わせることにより、空中・海上・地上（屋
外）のみならず、海中・地下・屋内を含む、地球上の全
ての位置を把握し得るシステムの構築も可能となる。

【０１２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、上
空が開けた屋外環境に加え、従来のＧＰＳでは測位不可
能であった屋内環境や地下環境においても、人間、動
物、機械等の位置を、簡単な構成により、実時間で高精
度に測定することが可能となる。

【０１２５】したがって、本発明により、徘徊老人の捜
索や行方不明者の捜索、災害時において屋内に閉じ込め
られた人や逃げ遅れた人の位置確認、移動型のロボット
や機械の自己位置の確認など様々な分野へ応用可能な技
術として、画期的な局地測位システムを実現することが
可能となる。

【０１２６】さらに、本発明と既存技術のＧＰＳを組み
合わせることで、地球表面上のみならず、地下や屋内も
含め、全ての地球上の場所において位置の把握が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 発明の原理説明図（１）である。

【図２】 発明の原理説明図（２）である。

【図３】 超音波送信部の構成例を示す図面である。

【図４】 超音波受信部および測位部の構成例を示す図
面である。

【図５】 実施例の疑似乱数系列の自己相関図である。

【図６】 実施例の説明図（１）である。（受信側の位
置を測定する場合）

【図７】 実施例の説明図（２）である。（送信側の位
置を測定する場合）

【図８】 従来技術の説明図である。

【符号の説明】

１０ 送信手段 １２ 同期手段 １４ 受信手段 １６ 測位手段 ３０２ ２進符号発生器 ３０４ 搬送波発生 ３０６ ＰＳＫ変調器 ３０８ 超音波送信機 ４０２ 超音波受信機 ４０４ 搬送波発生器 ４０６ ミキサ処理部 ４０８ ２進符号発生器 ４１０ 相関処理部 ４１２ 測位処理部 ４１４ 制御部 ６００−１、６００−２、６００−３、６００−４ 超
音波送信機（送信局） ６１０−１、６１０−２ 超音波受信機 ６２０ ＬＡＮ ６３０ 測位結果表示部 ７００−１、７００−２、７００−３、７００−４ 超
音波受信機（受信局） ７１０−１、７１０−２ 超音波送信機 ７３０ 測位結果表示部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 一弘 神奈川県逗子市桜山２−４−29 (72)発明者 王 盾 東京都立川市柴崎町２−３−17 第１東洋 ビル 東洋システム株式会社内 (72)発明者 久保田 譲 東京都八王子市元八王子町３−2750−857 Ｆターム(参考） 5J083 AA05 AB20 AC11 AC29 AD04 AE08 BA07 BE08 FA05

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３箇所以上の既知点に設置され、各々送
   信元情報と送信時刻情報とを含む信号を生成して超音波
   信号として送信する送信手段と、 前記各送信手段の送信時刻を同期させる送信時刻同期手
   段と、 少なくとも３箇所の送信手段から同期送信された各々の
   超音波信号を受信する受信手段と、 前記各超音波信号の受信時刻を各々測定し、前記受信し
   た各超音波信号から該信号の送信元と送信時刻とを各々
   特定し、前記受信時刻と前記送信時刻から前記送信手段
   と前記受信手段の距離を各々算出し、前記各送信手段の
   位置と該各送信手段と前記受信手段の距離との関係から
   前記受信手段の位置を決定する測位手段と、 を有することを特徴とする局地測位システム。
2. 【請求項２】 ４箇所以上の既知点に設置され、各々送
   信元情報と送信時刻情報とを含む信号を生成して超音波
   信号として送信する送信手段と、 前記各送信手段の送信時刻を同期させる送信時刻同期手
   段と、 少なくとも４箇所の送信手段から同期送信された各々の
   超音波信号を受信する受信手段と、 前記各超音波信号の受信時刻を各々測定し、前記受信し
   た各超音波信号から該信号の送信元と送信時刻とを特定
   し、前記受信時刻と前記送信時刻から前記信号の伝搬時
   間を各々算出し、前記各伝搬時間の差分により同期誤差
   を消去して前記送信手段と前記受信手段の距離を各々算
   出し、前記各送信手段の位置と該各送信手段と前記受信
   手段の距離との関係から前記受信手段の位置を決定する
   測位手段と、 を有することを特徴とする局地測位システム。
3. 【請求項３】 ３箇所以上の既知点に設置され、各々送
   信元情報と送信時刻情報とを含む信号を生成し、該信号
   をスペクトラム変調して超音波信号として送信する送信
   手段と、 前記各送信手段の送信時刻を同期させる送信時刻同期手
   段と、 少なくとも３箇所の送信手段から同期送信された各々の
   超音波信号を受信する受信手段と、 前記各超音波信号の受信時刻を各々測定し、前記受信し
   た各超音波信号を復調して該信号の送信元と送信時刻と
   を各々特定し、前記受信時刻と前記送信時刻から前記送
   信手段と前記受信手段の距離を各々算出し、前記各送信
   手段の位置と該各送信手段と前記受信手段の距離との関
   係から前記受信手段の位置を決定する測位手段と、 を有することを特徴とする局地測位システム。
4. 【請求項４】 ４箇所以上の既知点に設置され、各々送
   信元情報と送信時刻情報とを含む信号を生成し、該信号
   をスペクトラム変調して超音波信号として送信する送信
   手段と、 前記各送信手段の送信時刻を同期させる送信時刻同期手
   段と、 少なくとも４箇所の送信手段から同期送信された各々の
   超音波信号を受信する受信手段と、 前記各超音波信号の受信時刻を各々測定し、前記受信し
   た各超音波信号を復調し、該信号の送信元と送信時刻と
   を特定し、前記受信時刻と前記送信時刻から前記信号の
   伝搬時間を各々算出し、前記各伝搬時間の差分により同
   期誤差を消去して前記送信手段と前記受信手段の距離を
   各々算出し、前記各送信手段の位置と該各送信手段と前
   記受信手段の距離との関係から前記受信手段の位置を決
   定する測位手段と、 を有することを特徴とする局地測位システム。
5. 【請求項５】 送信元情報と送信時刻情報とを含む信号
   を生成して超音波信号として送信する送信手段と、 ３箇所以上の既知点に設置され、各々前記送信手段から
   送信された超音波信号を受信する受信手段と、 少なくとも３箇所の受信手段で受信された前記超音波信
   号につき受信元の受信手段と受信時刻を各々記録し、前
   記受信された各超音波信号から該信号の送信元と送信時
   刻とを各々特定し、前記記録された各受信時刻と前記送
   信時刻から前記送信手段と前記各受信手段の距離を各々
   算出し、前記各受信手段の位置と該各受信手段と前記送
   信手段の距離との関係から前記送信手段の位置を決定す
   る測位手段と、 を有することを特徴とする局地測位システム。
6. 【請求項６】 送信元情報と送信時刻情報とを含む信号
   を生成して超音波信号として送信する送信手段と、 ４箇所以上の既知点に設置され、各々前記送信手段から
   送信された超音波信号を受信する受信手段と、 少なくとも４箇所の受信手段で受信された前記超音波信
   号につき受信元の受信手段と受信時刻を各々記録し、前
   記受信された各超音波信号から該信号の送信元と送信時
   刻とを各々特定し、前記記録された各受信時刻と前記送
   信時刻から前記信号の伝搬時間を各々算出し、前記各伝
   搬時間の差分により同期誤差を消去して前記送信手段と
   前記各受信手段の距離を各々算出し、前記各受信手段の
   位置と該各受信手段と前記送信手段の距離との関係から
   前記送信手段の位置を決定する測位手段と、 を有することを特徴とする局地測位システム。
7. 【請求項７】 送信元情報と送信時刻情報とを含む信号
   を生成し、該信号をスペクトラム変調して超音波信号と
   して送信する送信手段と、 ３箇所以上の既知点に設置され、各々前記送信手段から
   送信された超音波信号を受信する受信手段と、 少なくとも３箇所の受信手段で受信された前記超音波信
   号につき該信号を復調し、受信元の受信手段と受信時刻
   を各々記録し、前記受信された各超音波信号から該信号
   の送信元と送信時刻とを各々特定し、前記記録された各
   受信時刻と前記送信時刻から前記送信手段と前記各受信
   手段の距離を各々算出し、前記各受信手段の位置と該各
   受信手段と前記送信手段の距離との関係から前記送信手
   段の位置を決定する測位手段と、 を有することを特徴とする局地測位システム。
8. 【請求項８】 送信元情報と送信時刻情報とを含む信号
   を生成し、該信号をスペクトラム変調して超音波信号と
   して送信する送信手段と、 ４箇所以上の既知点に設置され、各々前記送信手段から
   送信された超音波信号を受信する受信手段と、 少なくとも４箇所の受信手段で受信された前記超音波信
   号につき該信号を復調し、受信元の受信手段と受信時刻
   を各々記録し、前記受信された各超音波信号から該信号
   の送信元と送信時刻とを各々特定し、前記記録された各
   受信時刻と前記送信時刻から前記信号の伝搬時間を各々
   算出し、前記各伝搬時間の差分により同期誤差を消去し
   て前記送信手段と前記各受信手段の距離を各々算出し、
   前記各受信手段の位置と該各受信手段と前記送信手段の
   距離との関係から前記送信手段の位置を決定する測位手
   段と、 を有することを特徴とする局地測位システム。