JP2004093341A - 電波測位装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の電波測位装置では、例えば必要数のＧＰＳ電波が受信できない地域では測位ができない。また、電波測位が出来ないときに補完処理として行われる従来のハイブリッド方式による測位は、位置誤差が時間または移動距離にともなって累積するという課題があった。
【解決手段】位置が既知である基準局Ａから送出された測位用データを、移動局Ｂにて受信した後、基準局Ａに向けて変調して折り返す。基準局Ａはこの折り返し信号を受信して、送信から受信までの時間差から、基準局Ａと移動局Ｂ間の距離を測定する。また、基準局Ａに併設されたパッシブ方向探知装置（１０〜１２）を用いて、折り返し信号の方位を測定する。この距離と方位から基準局Ａから見た移動局Ｂの３次元的位置を演算する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電波を利用して無線局の位置を測位する装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電波を利用して無線局の位置を測定する方法は、古くからロランやＧＰＳなど種々のものが実用化されている。しかし例えばレール上を走行する列車の位置測定のような１次元的位置測定の場合を除けば、どの方法であっても、位置の３次元測定には複数の送信局からの電波を受信できることが不可欠の条件である。そして、受信局数が必要な数を満たせない場合に、これによって生じる位置測定の不確実さを補完する方法が種々提案されている。
【０００３】
図７，図８、図９は、いわゆるＧＰＳの位置測定を補完するもの、図１０はロランの測定を補完するものでハイブリッド測位と呼ばれている。
図７は、特開昭６１−９００６９号公報に開示されたＧＰＳ測位を自立航法情報（地磁気センサーと走向距離計等）によつて補完するもので、１４は図示しないＧＰＳ衛星からの位置測定電波を受信する無線部（ＧＰＳアンテナ含）、１５は受信した電波から位置算出演算を行って位置を算出するＧＰＳ測位演算処理部、１６は少なくとも移動方向と移動距離をＧＰＳによらない手段で計測する自立航法装置、１７はＧＰＳ測位演算処理部１５の出力と自立航法装置１６の出力との、より信頼性の高い方の出力を利用して位置を演算するハイブリッド演算処理部である。
【０００４】
図８は特開昭６２−２６１０８７号公報に開示されたＧＰＳ測位を地図（マップ）情報マッチングで補完するもので、自動車など道路（２次元または３次元的に位置が限定されている）上を移動するものの位置の測定精度を高めるため地図の情報を利用するようにしたものであり、１８は地図情報記憶装置である。
図９は特開昭６３−６６４１２号公報に開示されたＧＰＳ測位を推測航法情報（移動軌跡ベクトル）で補完するもので、１９は移動している側の移動ベクトル（速度ベクトル）を求める手段から移動軌跡を演算（積分）して位置の変化を求める移動軌跡ベクトル分析部である。
図１０は特開平６−２５８０８６号公報に開示された双曲線航法を自立航法情報で補完するもので、無線部４は少なくとも２カ所の既知の位置に設けられたアンテナから送信される電波を受信する。２０は受信した電波の時間差から前記既知の位置に対する自局の位置を演算する双曲線航法演算処理部である。
【０００５】
次に従来方式の動作について説明する。
図７〜図１０のものは、ＧＰＳまたはロランなどのシステムで測位した情報をベースに、電波の受信ができないまたは不完全な区間に無線局がある間、自立航法装置１６または、地図情報記憶装置１８または、移動軌跡ベクトル情報１９を用いて測位を補完するものである。
ここで電波の受信が出来ないまたは不完全であるとは、例えばＧＰＳにおいては受信可能な衛星の数が３未満である場合、また、双曲線航法においては受信可能な無線局の数が２未満である場合をいう。また、受信できる無線局の数が十分であっても、複数の無線局の互いの位置が接近しすぎていて正確な位置演算に適さないという場合もふくまれる。
そして、電波が受信できていても、数が足りないなどの理由で電波による位置の演算が正確に出来ないときには、図７から図１０のいずれのものでも、電波による位置の測位を全く利用せず、電波とは関係のない手段による測位に切り替えてしまうのである。そして、この電波とは関係のない測位手段は、基本的に計算開始位置を基準として、一定の誤差を有する位置測定結果を累積することにより現在位置を求めるものであるため、電波によらない測位方法に切り替えている間の精度は、電波による測位をしているときの精度に比べ、極めて低く、かつ、時間とともに誤差が累積するという不具合がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方式では、次の様な解決されるべき課題がある。
位置計算のためには複数の基準局の電波の受信が必要であるため、必要な数の基準局電波の受信ができない、または受信できても感度が悪いなどの理由で、精度良く演算できない地域（屋内、ビルの陰等）では、測位精度が大幅に劣化する。
従来のハイブリッド方式による測位の補完処理は、多かれ少なかれ推測処理の部分が含まれる。また、時間の経過とともに位置の誤差が累積するため測位誤差が拡大する。
【０００７】
本発明の電波測位装置は、上記の課題を解消し、１つの局の電波しか受信できない場合にも、測位精度が極端に劣化しない安定した測位結果が得られる電波測位装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電波測位方式は、電波信号を受信する受信回路と、受信した電波信号を、折り返して送信する折り返し送信回路とを有する移動局、任意の電波信号を送信する送信回路と、前記電波信号を送信した後、前記移動局により折り返されて帰ってきた前記電波信号を受信するまでの送受時間差にもとづき前記移動局までの距離を演算する測距演算処理部と、所定の位置に配置した複数のアンテナの各々により受信した前記移動局の前記電波信号の受信時間差から前記電波の到来方位を測定する方位演算処理部と、前記演算により求めた距離と測定した前記到来方位とから、前記移動局の位置を演算する測位演算処理部とを有する基準局を備えたものである。
【０００９】
また、前記移動局は、前記電波信号の受信後、予め定めた所定の時間の後に前記電波信号を前記折り返し送信回路に入力する遅延回路を備えるとともに、前記基準局は、前記送受時間差に前記遅延回路の時間差を加えて前記測距演算処理部に入力する時間差補完回路を備えたものである。
【００１０】
また、前記電波信号はパルス状の搬送波としたものである。
【００１１】
また、前記電波信号は、測距のための固有パターンデータ信号、位置データ信号、距離データ信号または方位データ信号のすくなくとも１つにより変調された搬送波であり、前記基準局が送信する前記搬送波の周波数と前記移動局が折り返し送信する搬送波の周波数とは異なるものとしたものである。
【００１２】
また、前記基準局は測位した前記移動局の位置を前記移動局に通報する手段を備えたものである。
【００１３】
また、前記移動局は全地球測位システムを備えたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本発明の理解を助けるため、ここでは本発明による電波測位装置を移動する船舶と、位置が既知の例えば灯台とに設置し、灯台の位置に対する船舶の位置を測定する場合を例として説明する。図１は実施の形態１の電波測位装置の構成図であり、Ｂは図示しない移動体例えば船舶に搭載された移動局、Ａは図示しない灯台など、位置が既知の場所に設置された基準局である。
基準局Ａにおいて、１は基準局Ａの電波を図示しない他の基準局の電波と識別するアドレスと、時間を測定するための基準タイミングとなる信号を含むデータ（この発明に言う固有パターンデータ信号）を生成する送信データ生成部、２は前記データをサンプリングする送信側高速サンプリング部、３はサンプリングしたデータにより搬送波を変調する変調部、４は予め定めた周波数の搬送波を図示しないアンテナから出力するとともに移動局Ｂの電波を受信する無線部（図示しないアンテナを含む）、５は無線部４の受信した信号を復調する復調部、８は受信側高速サンプリング部、９は測距演算処理部である。１０は複数の方位測定用アンテナ（詳細後述）を含む受信部（複数アンテナアレイ含）、１１は各アレイ間位相差分析部、１２は方向探知演算処理部、１３はハイブリッド測位演算処理部（単に測位演算処理部とも言う）である。送信データ生成部１と送信側高速サンプリング部２と変調部３と無線部４とはこの発明に言う基準局の送信回路を構成する。受信部１０〜方向探知演算処理部１２はこの発明に言う方位演算処理部を構成する。
【００１５】
移動局Ｂにおいて、２４の無線部は無線部４と同様、２３の変調部は３の変調部と同様、２５の復調部は復調部５と同様であるので詳細な説明は省略する。２６はデータ折り返し処理部、２７は演算処理部（折り返し側）である。無線部２４と復調部２５はこの発明に言う移動局の受信回路である。データ折り返し処理部２６と変調部２３と無線部２４はこの発明に言う折り返し送信回路である。
【００１６】
次に動作について図１を基に説明する。まず、位置が既知である基準局Ａにおいて、送信データ生成部１で測位用のデータ系列を発生させる。このデータ系列を送信側高速サンプリング部２でサンプリング処理を行い、実際に送信したデータ系列の詳細送出タイミングを把握しておく。
データ系列により変調部３で搬送波を変調し、無線部４を通じて空間に無線にて放射される。無線伝送区間（往）を通って送信された搬送波は移動局Ｂの無線部２４にて受信され、復調部２５でデータ系列に復調されて、データ折り返し処理部２６に渡される。その際、演算処理部２７の内部の図示しない遅延回路にて、一定遅延時間で折り返し処理が施された後、変調部２３にて折り返し変調が掛けられて、無線部２４から空間の無線伝送（復）路に放射される。
【００１７】
そして、無線機Ａの無線部４を通じて受信され、復調部５にて復調されたデータ系列は受信側高速サンプリング部８にてサンプリング処理され、測位用のパルス又はパケット信号などの信号を送出してから、折り返し信号を受信するまでの時間を、信号のゼロクロスポイントの時間を基準にするなどの方法で計測し、更に、ハードウエア的な遅延量分を校正することで、測距演算処理部９にて基準局Ａと移動局Ｂ間の正確な信号時間差から距離を測定することが可能となる。
一方、受信部１０は図２に示すような予め定めた位置関係を有する複数のアンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ５（アンテナの数は２個以上ならもっと多くても良い）を備えている。このアンテナにより、移動局Ｂからの折り返し電波を受信して、複数の各アレイアンテナ毎に高速サンプリング処理８を施して、各アレイ間位相差分析１１を実施して方向探知演算処理部１２により電波到来方向を演算処理する。これによって、基準局Ａから見た無線局Ｂの方向を求める。この場合、受信部１０は、複数のアンテナアレイを幾何学的に一定の形状（例えば円形、直線、多角形など）で配置し、到来電波を受信した際に、各々のアレイで受信した無線搬送波の位相差を検出することで、電波の到来方向を計算で求めることができる。これによって、基準局Ａと移動局Ｂ間の距離が求まると共に、基準局Ａから見た移動局Ｂの方向が判明するので、移動局Ｂの移動局Ａに対する３次元的位置が把握できることになる。判明した位置を移動局Ｂが知りたいときには、図示しない通報する手段により基準局Ａから移動局Ｂに通報する。
【００１８】
実施の形態２．
なお、実施の形態１では、基準局Ａにおいて無線部４と受信部１０を別々の構成としているが、受信部１０の複数アンテナアレイのうちのいづれかを無線部４のアンテナとして用いれば、図３に示す構成のように無線部４と兼用することも可能である。
【００１９】
実施の形態３．
実施の形態１では移動局Ｂの折り返し処理２６を、復調部２５の処理後に実施した。これは変調信号を折り返すことを意味する。変調信号の周波数成分は当然のことながら搬送波（無線周波数）よりも低くなり、位相差分析の際の時間分析精度が低くなるので、無線部２４における無線周波数段階や中間周波数段階で折り返し処理を実施して、分析精度をより高くすることも可能である。この場合の構成を図４に示す。この場合２次レーダーとして、例えば基準局Ａから搬送波をパルス状にして送信し、移動局Ｂではパルス信号として折り返し処理を行うことを意味する。この際には、復調部５は搬送信号からパルス信号を得るため、変調部３はパルス状搬送信号のＯＮ／ＯＦＦのために用いることになる。
【００２０】
ここで、移動局Ｂが折り返す搬送波の周波数は基準局Ａが送出した電波信号の周波数と同じであってよいが、あらかじめ基準局Ａが知っている周波数であれば異なる周波数であってもよい。また、移動局Ｂにおいて受信した電波信号を折り返して送信する前に、図示しない遅延回路によりあらかじめ定めた所定の遅延時間をとり、折り返し送信する信号を遅らせることにより、基準局Ａにおける測距可能な範囲を距離の短い方へ拡大することができる。基準局Ａが図示しない時間差補完回路によりこの遅延時間の補正を行って距離を演算することは言うまでもない。
【００２１】
実施の形態４．
実施の形態１では基本的に１つの基準局Ａのみで測位が可能であるが、図５（ａ）図に示すように複数、例えば３つの基準局を配置して、各々の基準局と移動局Ｂ間の距離情報から位置を算出し、方向探知情報はバックアップ的に利用することも可能である。これを測距ベースの測位という。この場合、各基準局Ａ１〜Ａ３から、基準局それぞれの位置情報及び移動局Ｂとの距離情報の２つづつの情報を受けた移動局Ｂは、図示しない演算回路により自己の位置をそれぞれ算出していわゆる３点測量の方法で自己の位置を確定する。そして１つの基準局の電波信号しか受信できない状態になったときには図５（ｂ）図に示すように実施の形態１で説明した１基準局による位置計測（ハイブリッド測位）に切り替える。
【００２２】
実施の形態５．
また、図６（ａ）図に示すように、複数、例えば３つの基準局を配置して、各々の基準局に対する移動局Ｂの方位情報から位置を算出し、距離情報はバックアップ的に利用することも可能である。これをパッシブ方探ベースの測位という。この場合、各基準局Ａ１〜Ａ３から、基準局それぞれの位置情報及び各基準局から移動局Ｂを見た方位情報の２つづつの情報を受けた移動局Ｂは、図示しない演算回路により自己の位置をそれぞれ算出していわゆる３点測量の方法で自己の位置を確定する。そして１つの基準局の電波信号しか受信できない状態になったときには、図６（ｂ）図に示すように実施の形態１で説明した１基準局による位置計測に切り替える。
【００２３】
【発明の効果】
以上のようにこの発明の電波測位装置によれば、基準局は移動局の方位と、距離とを直接測定するので、１つの基準局で移動局の位置を測定できるという効果が得られる。
【００２４】
また、移動局は受信した電波信号を折り返し送信する際にあらかじめ定めた遅延時間をとることにより、基準局が測定可能な距離の範囲を拡大することができる。
【００２５】
また、電波信号はパルス状の搬送波を用いているので距離の測定精度が高い。
【００２６】
また、基準局が送信する周波数と移動局が折り返し送信する周波数とは異なるようにしたので、基準局が受信する際に送信信号の混入を受けにくいと言う効果が得られる。
【００２７】
また、基準局は測位した移動局の位置を移動局に通報する手段を備えたので、移動局も位置を知ることができる。
【００２８】
また、全地球測位システムを有する移動局は、全地球測位システムの動作が不完全なときでも自位置を正確に知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の電波測位装置を示す構成図である。
【図２】本発明の方向探知用の無線部（複数アンテナアレイ含）の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態２の電波測位装置を示す図である。
【図４】本発明の実施形態３の電波測位装置を示す図である。
【図５】本発明の実施形態４の電波測位装置を示す図である。
【図６】本発明の実施形態５の電波測位装置を示す図である。
【図７】従来の測位装置（ＧＰＳ＋自立航法装置）を示す構成図である。
【図８】従来の測位装置（ＧＰＳ＋地図情報）を示す構成図である。
【図９】従来の測位装置（ＧＰＳ＋推測航法装置）を示す構成図である。
【図１０】従来の測位装置（双曲線航法＋自立航法装置）を示す構成図である。
【符号の説明】
Ａ　基準局、　　　　Ｂ　移動局、
１　送信データ生成部、　　２　送信側高速サンプリング部、
３、２３　変調部、　　　　　　４、２４　無線部、
５、２５　復調部、　　　　　　８　受信側高速サンプリング部、
９　測距演算処理部、　　　１０　受信部、
１１　アレイ間位相差分析部、　　１２　方向探知演算処理部、
１３　測位演算処理部、
２６　データ折り返し処理部、　　２７　演算処理部。

Claims (6)

1. 電波信号を受信する受信回路と、受信した電波信号を折り返して送信する折り返し送信回路とを有する移動局、
   任意の電波信号を送信する送信回路と、前記電波信号を送信した後、前記移動局により折り返されて帰ってきた前記電波信号を受信するまでの送受時間差にもとづき前記移動局までの距離を演算する測距演算処理部と、所定の位置に配置した複数のアンテナの各々により受信した前記折り返された電波信号の相互受信時間差から前記電波の到来方位を測定する方位演算処理部と、前記測距演算処理部により求めた距離と前記方位演算処理部により測定した前記到来方位とから、前記移動局の位置を演算する測位演算処理部とを有する基準局を備えたことを特徴とする電波測位装置。
2. 前記移動局は前記電波信号の受信後、予め定めた所定の時間の後に前記折り返した電波信号を前記折り返し送信回路に入力する遅延回路を備え、前記基準局は前記送受時間差に前記遅延回路の時間差を加えて前記測距演算処理部に入力する時間差補償回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電波測位装置。
3. 前記電波信号はパルス状の搬送波であることを特徴とする請求項１または２に記載の電波測位装置。
4. 前記電波信号は、測距のための固有パターン信号、位置データ信号、距離データ信号または方位データ信号の少なくとも１つにより変調された搬送波であり、前記基準局が送信する前記搬送波の周波数と前記移動局が折り返し送信する搬送波の周波数とは異なるものであることを特徴とする請求項１に記載の電波測位装置。
5. 前記基準局は測位した前記移動局の位置を前記移動局に通報する手段を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電波測位装置。
6. 前記移動局は全地球測位システムを備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電波測位装置。

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