JP2004028847A

JP2004028847A - 極超低周波数電波を利用した測位システム、測位方法及び移動局

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Publication number: JP2004028847A
Application number: JP2002187242A
Authority: JP
Inventors: Masami Miura; 三浦　正美; Takayuki Kono; 河野　隆之; Hidenori Tsuruta; 鶴田　秀紀; Takeshi Nakahama; 中濱　剛; Masao Funakura; 舟倉　昌雄
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】ＧＰＳを利用することが困難な場合においても測位を行うことができる測位システムを提供する。
【解決手段】本発明は、三つの基地局１ａ〜１ｃと、移動局２とにより構成された測位システムであって、基地局の各々は、３ｋＨｚ以下の極超低周波数電波を搬送波として、当該基地局の位置情報、及び、各基地局間で同期した時刻情報を含む信号を発信し、移動局２は、基地局１ａ〜１ｃからそれぞれ発信された電波を受信し、各受信電波にそれぞれ含まれる位置情報及び時刻情報に基づいて、当該移動局２の位置を求める。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線測位技術に関し、特に、極超低周波数電波を利用した測位システム、測位方法、及び、その測位方法を利用する移動局に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、カーナビゲーションシステムや測量において、汎地球測位システム（ＧＰＳ：ｇｌｏｂａｌ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ）が広く利用されている。ＧＰＳにおいては、複数の人工衛星に、それぞれ人工衛星の位置情報、及び、高精度同時刻同期技術による時刻情報を含む、マイクロ波帯域の電波を送信させている。そして、地上等の移動局において複数の人工衛星から電波を受信することにより、その移動局の位置を測定している。
【０００３】
移動局の測位方法には、大きく分けて二つの方法がある。
第一の方法は、人工衛星からの電波に含まれている、位置情報及び時刻情報を地上局で復調し、複数の人工衛星から移動局へそれぞれ電波が到達するのに要した時間から、移動局と各人工衛星との距離をそれぞれ求め、三角測量と同様にして測位を行う方法である。この方法は、カーナビゲーションシステムにおいて一般に採用されている方法であり、次に説明する第二の方法よりも位置精度は劣るものの、リアルタイムで移動局の測位を行うことができる。
【０００４】
第二の方法は、複数の複数の人工衛星からの電波に含まれる波数を計数することにより、その電波の波長と波数との積として、移動局と各人工衛星との距離をそれぞれ求めて測位を行う方法である。この方法は、ＧＰＳ測量において一般に採用されている方法であり、上述の第一の方法よりも測定時間を要するものの、より正確な測位を行うことができる。
【０００５】
さらに、移動局の測位にあたり、ＤＧＰＳ（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ＧＰＳ）も利用されている。ＤＧＰＳでは、受信電波に含まれる精度劣化モード（ＳＡ：ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ）を除去して誤差補正を行う。これにより、測位の高精度化を図ることができる。
【０００６】
【発明の解決しようとする課題】
しかしながら、人工衛星からの電波の届きにくい場所では、ＧＰＳを利用して測位を行うことが困難である。例えば、水中では、人工衛星からのマイクロ波の電波が吸収されるため、ＧＰＳを利用することが困難である。また、例えば、工場や建設現場等においては、鉄骨や鉄塊等によってマイクロ波が反射されたり遮蔽されたりするため、ＧＰＳを利用することが困難である。
【０００７】
なお、従来から使用されているロラン（ＬＯＲＡＮ：ｌｏｎｇ　ｒａｎｇｅ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ）等の無線航法技術は、使用されている長波等の電波が水中に届きにくいため、水中における測位に適用することは困難である。
また、水中探査等に広く利用されている音波も、伝搬経路が水温や水流による影響を大きく受けるため、水中における測位に利用することは不適切である。
また、可視光線も、水中における減衰が大きく、特に、透明度の低い海中では視程が短過ぎるため、水中における測位に利用することが困難である。
【０００８】
そこで、本発明は、ＧＰＳを利用することが困難な場合においても測位を行うことができる側位システム及び測位方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本出願に係る発明者は、極超低周波数電波ならば、水温や水流等の影響をほとんど受けずに水中を伝搬することができ、また、鉄塊等の金属中における減衰もわずかであることに着目した。そして、本発明者は、無線測位システムにおいて、搬送波として極超低周波数電波を利用すれば、ＧＰＳを利用することが困難な場合においても測位を行うことができることに想到した。
【００１０】
そこで、本発明の極超低周波数電波を利用した測位システムによれば、複数の基地局と、移動局とにより構成された測位システムであって、基地局の各々は、３ｋＨｚ以下の極超低周波数電波を搬送波とする電波を発信し、移動局は、少なくとも二つ以上の基地局から発信された電波を受信して、当該移動局の位置を求めることを特徴とする。
【００１１】
このように、本発明の測位システムによれば、地上の基地局から極超低周波数の搬送波が発信される。このため、ＧＰＳで使用されているマイクロ波が届きにく、ＧＰＳを利用することが困難な場合においても測位を行うことができる。
なお、極超低周波数には、ＥＬＦ（ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ　ｌｏｗ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）及びＵＬＦ（ｕｌｔｒａ　ｌｏｗ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）が含まれる。
【００１２】
また、本発明において好ましくは、基地局は、時刻信号を含む電波を発信し、移動局は、時刻信号に基づいて、基地局から電波が当該移動局に到達するまでの所要時間を求め、所要時間に基づいて、基地局と当該移動局との距離を求め、基地局それぞれからの距離を共に満たす位置として、当該移動局の測位を行う。
【００１３】
また、本発明において好ましくは、基地局は、各基地局間で同期した時刻信号を含む電波を発信し、移動局は、二つ一組の基地局から受信した電波どうしの位相差を、少なくとも二組以上について求め、これら位相差が共に生じる位置として、当該移動局の測位を行う。
なお、一つの基地局は、複数の組に含まれてもよい。
【００１４】
また、本発明において好ましくは、搬送波は、各基地局間で同期して、パルス符号変調されている。
これにより、信号波形の歪みによって復調時にエラーが発生することを抑制することができる。
【００１５】
また、本発明において好ましくは、極超低周波数電波の周波数を０．１Ｈｚ〜３ｋＨｚ範囲内とする。
【００１６】
また、本発明において好ましくは、極超低周波数電波の周波数を０．１Ｈｚ〜３００Ｈｚ範囲内とする。
【００１７】
また、本発明において好ましくは、極超低周波数電波の周波数を０．１Ｈｚ〜３０Ｈｚ範囲内とする。
【００１８】
また、本発明の極超低周波数電波を利用した測位方法によれば、複数の基地局の各々から、３ｋＨｚ以下の極超低周波数電波を搬送波とした電波を発信し、移動局において、少なくとも二つ以上の基地局からそれぞれ発信された電波を受信して、当該移動局の位置を求めることを特徴とする。
【００１９】
このように、本発明の測位方法によれば、地上の基地局から極超低周波数の搬送波が発信されるので、ＧＰＳにおいて使用されるマイクロ波が届きにくいためにＧＰＳを利用することが困難な場合においても測位を行うことができる。
【００２０】
また、本発明の移動局によれば、複数の基地局から発信された、３ｋＨｚ以下の極超低周波数電波を搬送波とする電波を受信して、受信位置を求める、ことを特徴とする。
このように、本発明の移動局によれば、極超低周波数の搬送波の電波を受信するので、ＧＰＳにおいて使用されるマイクロ波が届きにくいためにＧＰＳを利用することが困難な位置でも測位を行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、第一実施形態の測位システムを説明するための模式図である。図１に示すように、本実施形態の測位システムは、四つの基地局１ａ〜１ｄと、一つの移動局２とから構成されている。基地局１ａ〜１ｄは、例えば、陸上に電波塔として設置されている。
【００２２】
そして、各基地局１ａ〜１ｄは、それぞれ極超低周波数電波を搬送波とした電波を発信している。本実施形態では、搬送波の周波数を１０Ｈｚ程度としている。そして、各基地局１ａ〜１ｄから発信される電波には、当該基地局の識別情報に加えて、当該基地局の位置情報を含めることが望ましい。ただし、移動局２において基地局の位置が既知である場合、電波に位置情報を含めなくともよい。
【００２３】
また、移動局２は、基地局１ａ〜１ｄのうちの少なくとも二つ以上の基地局から発信された電波を受信して、当該移動局２の位置を求める。移動局２は、基地局から発信された電波を受信する受信機（図示せず）を有している。したがって、位置標定しようとする位置に移動局２を置くことにより、その位置を測位することができる。また、この移動局２をトラック等の車両に搭載すれば、カーナビゲーションシステムとして利用することができる。また、この移動局２を船舶に搭載すれば、電波航法に利用することができる。
【００２４】
極超低周波数電波は、マイクロ波が伝搬できない水中や金属中もわずかな減衰で伝搬する。このため、極超低周波数電波を利用すれば、ＧＰＳの利用が困難な場所においても測位を行うことができる。
【００２５】
このため、本発明は、例えば造船工場を初めとする、船体等の鉄塊存在する金属加工、製造現場における測位に利用して好適であり、特に、船体等の金属製の構造体の内部おける側位や、鉄骨ビルディング等や橋梁等の建造物の建設現場や、完成後の建造物内部における測位に利用して好適である。
【００２６】
また、例えば、深海艇等の水中航走体の測位や、海底ケーブルの施設現場や海底資源の開発現場における測位に利用して好適である。
なお、極超低周波数電波を利用した測位方法は、水温や水流の影響が小さい点で、音波を用いた測位方法よりも優れている。
【００２７】
以下、極超低周波数電波を受信した移動局２における測位方法について説明する。
先ず、測位方法の一例として、基地局との距離を求めることにより測位する方法について説明する。
この例では、各基地局１ａ〜１ｄは、時刻信号を含む電波を発信する。時刻信号は、搬送波に種々の変調を行って乗せるとよい。一方、移動局２は、全基地局１ａ〜１ｄのうち適当な三つの基地局から電波を受信する。ここでは、基地局１ａ〜１ｃから受信するものとする。
【００２８】
そして、移動局２において、受信した電波に含まれる時刻信号に基づいて、基地局１ａ〜１ｃから電波が当該移動局２に到達するまでの所要時間をそれぞれ求める。すなわち、時刻信号から得られる発信時刻と受信時刻との時間差を求める。
【００２９】
次に、受信した各基地局１ａ〜１ｃそれぞれからの所要時間Ｔａ、Ｔｂ及びＴｃに基づいて、基地局と当該移動局との距離Ｌａ、Ｌｂ及びＬｃを求める。すなわち、所要時間と電波の伝搬速度との積として距離が求められる。
【００３０】
そして、基地局１ａ〜１ｃ各々からの距離Ｌａ、Ｌｂ及びＬｃを共に満たす位置として、当該移動局２の測位を行う。図２に示すように、基地局１ａを中心とした半径Ｌａの円Ａ、基地局１ｂを中心とした半径Ｌｂの円Ｂ、及び、基地局１ｃを中心とした半径Ｌｃの円Ｃの交点として、移動局２の位置Ｐが求められる。
【００３１】
なお、移動局２において電波の受信方角を検出すれば、最低二つの基地局からの電波を受信することにより、測位を行うこともできる。受信方角の検出には、従来公知の任意好適な技術を利用することができる。例えば、移動局２に複数のアンテナを設け、各アンテナにおける電波の到達時間差や位相差を求めることにより、受信方角を検出するとよい。
【００３２】
次に、測位方法の他の例として、基地局からそれぞれ受信した電波の位相差により測位する方法について説明する。
この例では、各基地局１ａ〜１ｄは、各基地局間で同期した時刻信号を含む電波を発信する。一方、移動局２は、全基地局１ａ〜１ｄのうち、例えば三つの基地局から電波を受信する。ここでは、基地局１ａ〜１ｃから受信するものとする。
【００３３】
そして、移動局２は、二つ一組の基地局から受信した電波どうしの位相差を、少なくとも二組以上について求める。ここでは、基地局１ａ及び１ｂからそれぞれ受信した電波どうしの位相差Φ１を求めるとともに、基地局１ｂ及び１ｃからそれぞれ受信した電波どうしの位相差Φ２を求める。
【００３４】
図３に示すように、二つの基地局からの受信電波どうしの位相差が等しい地点を結ぶと、双曲線が描ける。なお、等位相の地点は、両基地局間の垂直二等分線上に乗る。
【００３５】
つぎに、これら位相差が共に生じる位置として、当該移動局の測位を行う。すなわち、図３に示すように、位相差Φ１の双曲線Ｉと、位相差Φ２の双曲線ＩＩとの交点として、移動局２の位置が求められる。
【００３６】
ところで、極超低周波数電波は、その波長が極めて長い。このため、搬送波の僅かな位相の差が、極めて長い距離の差に対応する。このため、測位の精度を上げるため、搬送波を各基地局間で同期してパルス符号変調（ＰＣＭ）し、このパルス符号変調成分の位相差を求めて測位を行うことが好ましい。
【００３７】
すなわち、各基地局において、情報信号をパルス列で作り、搬送波をパルス符号変調して情報信号を乗せて発信する。そして、移動局において、受信信号を復調して情報信号を取得するとよい。
【００３８】
上述した実施形態においては、本発明を特定の条件で構成した例について説明したが、本発明は種々の変更及び組み合わせを行うことができ、これに限定されるものではない。
【００３９】
例えば、上述の実施形態においては、三つの基地局を設けた例について説明したが、本発明では、基地局の数は三つに限定されず、例えば四つ以上の基地局を設けてもよい。四つ以上の基地局からの受信電波を利用して測位を行えば、より正確な測位を行うことが可能となる。
【００４０】
また、上述の実施形態においては、一つの移動局を設けた例について説明したが、本発明では、移動局の数は一つに限定されず、例えば二つ以上の移動局の測位をそれぞれ並行して行ってもよい。
【００４１】
また、上述した実施形態では、基地局を陸上に設けた例について説明したが、本発明では、基地局の設置場所はこれに限定されず、例えば基地局を水上や水中に設けてもよい。
【００４２】
また、上述の実施形態では、本発明による方法のみを使用して測位をする例について説明したが、例えばＧＰＳが利用できる場合には、本発明とＧＰＳとを組み合わせて測位を行ってもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、ＧＰＳを利用することが困難な場合においても測位を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る極超低周波数電波を利用した測位システム及び測位方法の実施形態を示す模式図である。
【図２】測位方法の一例の説明図である。
【図３】測位方法の他の例の説明図である。

Claims

複数の基地局と、移動局とにより構成された測位システムであって、
上記基地局の各々は、３ｋＨｚ以下の極超低周波数電波を搬送波とする電波を発信し、
上記移動局は、少なくとも二つ以上の上記基地局から発信された電波を受信して、当該移動局の位置を求める、
ことを特徴とする極超低周波数電波を利用した測位システム。
上記基地局は、時刻信号を含む電波を発信し、
上記移動局は、上記時刻信号に基づいて、基地局から電波が当該移動局に到達するまでの所要時間を求め、
上記所要時間に基づいて、基地局と当該移動局との距離を求め、
基地局それぞれからの距離を共に満たす位置として、当該移動局の測位を行う、
請求項１記載の極超低周波数電波を利用した測位システム。
上記基地局は、各基地局間で同期した時刻信号を含む電波を発信し、
上記移動局は、二つ一組の基地局から受信した電波どうしの位相差を、少なくとも二組以上について求め、
これら位相差が共に生じる位置として、当該移動局の測位を行う、
請求項１記載の極超低周波数電波を利用した測位システム。
上記搬送波は、各基地局間で同期して、パルス符号変調されている、請求項１、２又は３記載の極超低周波数電波を利用した測位システム。
上記搬送波の周波数を０．１Ｈｚ〜３ｋＨｚの範囲内とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の極超低周波数電波を利用した測位システム。
上記搬送波の周波数を０．１Ｈｚ〜３００Ｈｚの範囲内とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の極超低周波数電波を利用した測位システム。
上記搬送波の周波数を０．１Ｈｚ〜３０Ｈｚの範囲内とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の極超低周波数電波を利用した測位システム。
複数の基地局の各々から、３ｋＨｚ以下の極超低周波数電波を搬送波とした電波を発信し、
移動局において、少なくとも二つ以上の上記基地局からそれぞれ発信された電波を受信して、当該移動局の位置を求める、
ことを特徴とする極超低周波数電波を利用した測位方法。
複数の基地局から発信された、３ｋＨｚ以下の極超低周波数電波を搬送波とする電波を受信して、受信位置を求める、
ことを特徴とする移動局。