JP2006170892A

JP2006170892A - 位置計測システム

Info

Publication number: JP2006170892A
Application number: JP2004365961A
Authority: JP
Inventors: Hajime Kuwabara; 一桑原
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】反射に起因するマルチパスの影響を軽減でき、高精度の位置計測が行える位置計測システムを提供すること。
【解決手段】移動体と固定局間における無線信号の送受結果に基づき移動体の位置検出を行う位置計測システムであって、
前記移動体と固定局のいずれか一方に設けられ、第１の周波数信号を第２の周波数信号で変調し第２の周波数信号の繰り返し信号として送信する送信機と、
前記移動体と固定局のいずれか他方に設けられ、送信機の送信信号を受信復調して第２の周波数信号の位相を測定する機能を有する受信機と、
受信機の位相測定結果に基づき前記移動体の位置を演算する位置演算部、
を設けたことを特徴とするもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置計測システムに関し、詳しくは、移動体の位置情報の計測に関するものである。

近年、例えばＧＰＳ(Global Positioning System)を用いて、人や車両などの移動体の位置を計測し、計測した位置情報を利用者に提供するサービスが散見される。

一方で、設備管理や人の動線管理などを目的とした移動体の位置管理の要求も高まりつつある。特に例えば店舗内における作業者や来店者の動線管理では、各商品の棚位置まで判別できることが求められており、屋内における移動体に対する位置計測の高精度化の要求がある。

しかし、ＧＰＳ信号を屋内で直接受信することは困難であり、移動体の正確な位置測定は期待できない。

特開２００４−２６４８９２

特許文献１には、角速度センサ、加速度センサ、地磁気センサを利用して、運動する物体の空間位置と姿勢及び動きを測定する装置の構成が記載されているが、本発明が目的としている高精度化の具体的な構成を示唆する記載はない。

図３は、現在公表されている各種位置計測方式の性能比較図である。
ＧＰＳの適用範囲は屋外であり、誤差は3ｍから200ｍである。
gpsOneは、ＧＰＳを応用した技術であり、衛星から取得したデータを基地局にそのまま送信し、実際の位置確定は基地局によって行うものであって、ネットワークを利用したＡ-ＧＰＳ(Network Associated GPS)と電波の到達時間の差を利用した時間差測定方式ＴＤＯＡ(Time Difference Of Arrival)がある。ＧＰＳ衛星からの受信は、基地局から端末に衛星を探索するための情報が送信され、衛星からの受信開始に必要な時間を大幅に短縮している。ＧＰＳ信号が届かない屋内では、基地局からの電波を利用して測位を行う。誤差は3ｍから50ｍである。ＰＨＳの測定誤差は、40ｍから70ｍと大きい。

屋内で移動体の位置を検出するのにあたり、測定誤差は小さいことが求められるが、これらＧＰＳ、gpsOneおよびＰＨＳの測定誤差は比較的大きく、屋内での位置検出には不適である。

これらに対し、無線ＬＡＮを使用した方式は、比較的誤差が小さな測定精度の高い方式であり、屋内での移動体の位置検出に適しているといえる。

無線ＬＡＮの方式は、無線信号の強度分布を利用した方式ＲＳＳ(Received Signal Strength)と、端末までの電波の到達時間の差を利用した時間差測定方式ＴＤＯＡとがある。これらはいずれも基本的に３点測量方式を採用している。すなわち、検出対象と基準となる３点間の計測量の違いを利用して検出対象の位置を計測する。

図４はこのような無線ＬＡＮ方式の概念図である。図４において、極超短波帯（ＵＨＦ）の送信機１は、移動体とともに移動するように、例えば位置検出対象となる作業者が携帯する。位置検出対象領域内には、複数の受信機２〜５が配置されている。なお、送信機１と受信機２〜５の位置関係を、説明の便宜上、送信機１の送信信号の整数波長分の場所に位置するものとしている。すなわち、受信機２は４波長分、受信機３は５波長分、受信機４は６波長分、受信機５は７波長分の場所に位置している。

図５は図４の各部の波形例図である。(a)は送信機１から送信される信号波形であり、一定振幅の極超短波信号を出力している。(b)は受信機３の受信信号波形、(c)は受信機４の受信信号波形、(d)は受信機５の受信信号波形を示している。

これら受信信号波形は、送信機１と各受信機２〜５との直線距離が離れるのに従って、遅れ時間が長くなり、振幅は小さくなることを示している。

しかしながら、電波や音波は必ずしも最短距離で受信機に到達するするものではなく、壁や物体との反射を繰り返しながら（マルチパス）受信機に到達する。

この結果、受信信号波形に着目すると、図６に示すように、必ずしも送信機と各受信機との直線距離に対応したものにはならなくなる。

すなわち、図６において、(a)は送信機からの送信信号が直接ある受信機に到達する信号波形を示している。(b)は送信機からの送信信号が壁や物体との反射を繰り返しながら(a)と同一の受信機に到達する信号波形を示している。(b)の信号波形は、(a)に比べて遅延が大きく、振幅は減衰している。(c)はこれら(a)と(b)の信号波形が重なった状態で同時に受信している状態を示す信号波形である。

この結果、受信振幅で位置を計測する方式では、受信振幅が大きくなることから、実際は５波の位置にいるにもかかわらず、５波よりも近い所に位置していると誤認してしまうことになる。

また、伝搬遅延時間を計測する方式では、振幅の大きな信号の遅延時間を計測することにから、実際は５波の位置にいるにもかかわらず、５波よりも遠い所に位置していると誤認してしまうことになる。

本発明は、これらの従来の問題点を解決するものであり、その目的は、反射に起因するマルチパスの影響を軽減でき、高精度の位置計測が行える位置計測システムを提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
移動体と固定局間における無線信号の送受結果に基づき移動体の位置検出を行う位置計測システムであって、
前記移動体と固定局のいずれか一方に設けられ、第１の周波数信号を第２の周波数信号で変調し第２の周波数信号の繰り返し信号として送信する送信機と、
前記移動体と固定局のいずれか他方に設けられ、送信機の送信信号を受信復調して第２の周波数信号の位相を測定する機能を有する受信機と、
受信機の位相測定結果に基づき前記移動体の位置を演算する位置演算部、
を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の位置計測システムにおいて、
前記受信機は、第１の周波数信号を中心周波数とする第１のバンドパスフィルタと、第２の周波数信号を中心周波数とする第２のバンドパスフィルタが直列に接続されていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の位置計測システムにおいて、
前記受信機と位置演算部はネットワーク接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、反射に起因するマルチパスの影響を軽減でき、高精度の位置計測が行える。

以下、本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に基づき屋内での位置検出を行うための位置計測システムの具体例を示すブロック図である。

図１において、送信機１０は、移動体とともに移動するように、例えば位置検出対象となる作業者が携帯する。位置検出対象領域内には、同一構成の複数の受信機ａ〜ｎが配置されている。これら複数の受信機ａ〜ｎは、ＬＡＮケーブル３０を介してネットワーク接続されている。ＬＡＮケーブル３０には、位置演算部４０も接続されている。

送信機１０は、第１周波数発振部１１と、変調部１２と、第２周波数発振部1３と、送信出力部１４とで構成されている。第１周波数発振部１１は、例えば2.4ＧＨｚの極超短波帯の周波数信号を変調部１２に出力する。第２周波数発振部１３は、例えば第１周波数の２０波分（＝1/20）に相当する周波数信号、例えば120ＭＨｚの周波数信号を変調部１２に出力する。変調部１２は、第１周波数信号を第２周波数信号で変調し、送信出力部１４に出力する。送信出力部１４は、変調された信号を図示しないアンテナを介して位置検出対象領域内に出力する。

受信機２０は、受信入力部２１、第１バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２２、第２ＢＰＦ２３、位相測定部２４とで構成されている。受信入力部２１は、送信機１０の出力信号を図示しないアンテナを介して受信し、第１ＢＰＦ２２に出力する。第１ＢＰＦ２２の中心周波数は例えば2.4ＧＨｚ、帯域幅は±60ＭＨｚとする。第１ＢＰＦ２２の出力信号は、第２ＢＰＦ２３に入力される。第２ＢＰＦ２３の中心周波数は例えば120ＭＨｚ、帯域幅は±3ＭＨｚとする。第２ＢＰＦ２３の出力信号は、位相測定部２４に出力される。位相測定部２４は、例えば第２ＢＰＦ２３の周波数が120ＭＨｚの出力信号を図示しない比較器に入力して、出力信号振幅がゼロクロスする位相を検出する。各受信機ａ〜ｎの位相検出値は、ＬＡＮケーブル３０を介して位置演算部４０に入力される。

位置演算部４０は、各受信機ａ〜ｎから入力される位相検出値に基づき送信機１０と各各受信機ａ〜ｎとの距離を求め、さらにこれら送信機１０と各各受信機ａ〜ｎとの距離演算結果を用いて三角測量や三辺測量の原理に基づく演算を行い、位置検出対象領域内における送信機１０の位置を特定する。

図２は、図１の動作を説明する各部の波形図である。送信機１０は、(a)に示すように、例えば１回あたり３波連続する2.4ＧＨｚの極超短波帯の周波数信号を、２０波の周期（＝120ＭＨｚ）で繰り返して継続的に送信する。このような送信信号に着目すると、その120ＭＨｚの包絡線は破線で示すようにゼロクロスするものになっている。

(b)は送信機１０に対して５波分離れた位置関係にある受信機の受信信号波形を示している。破線で示す120ＭＨｚの包絡線の振幅は(a)に比べて送信機１０との距離に応じた分小さくなり、ゼロクロス点も送信機１０との距離に応じて時間軸に沿って５波分変位している。

(c)は送信機１０に対して６波分離れた位置関係にある受信機の受信信号波形を示している。破線で示す120ＭＨｚの包絡線の振幅は(b)に比べて１波分小さくなり、ゼロクロス点も送信機１０との距離に応じて時間軸に沿って(b)に比べて１波分変位している。

(d)は送信機１０に対して７波分離れた位置関係にある受信機の受信信号波形を示している。破線で示す120ＭＨｚの包絡線の振幅は(c)に比べて１波分小さくなり、ゼロクロス点も送信機１０との距離に応じて時間軸に沿って(c)に比べて１波分変位している。

すなわち、図１の各受信機２０（ａ〜ｎ）における第２ＢＰＦ２３の出力信号のゼロクロス点位相は、破線で示す包絡線のように、受信信号の振幅に比例し、遅延時間に比例したものとなる。したがって、破線で示す包絡線波形が時間軸と交差する位相を測定することで、受信振幅に依存しない位相の測定が可能になる。

ここで位相測定方法としては、例えば送信信号のゼロクロスタイミング信号を既知として、各第２ＢＰＦ２３の出力信号を時間軸となっているゼロレベルと比較する比較器に通して各受信機２０におけるゼロクロスタイミング信号を求め、送信信号のゼロクロスタイミング信号との時間差をカウンタで数えることにより測定できる。

他の方法としては、任意の値を送信信号のゼロクロスタイミング信号として各受信機２０におけるゼロクロスタイミング信号との相対的な時間差を求めるとともに、既知の距離を実測して絶対値校正を行うようにしてもよい。

図２に破線で示している包絡線波形から明らかなように、従来の方式に比べてマルチパスの影響を小さくできる。

また、各受信機は、バンドパスフィルタを介して位相測定に必要な信号を抽出しているので、雑音の影響を軽減できるという効果も得られる。

なお、上記実施例では無線電波信号を用いる例を説明したが、光や音波であっても同様の効果が得られる。

さらに、送信機と受信機の関係は逆であっても動作上問題はない。

以上説明したように、本発明によれば、マルチパスの影響を少なくでき、移動体の位置計測を高精度に行える位置計測システムが実現できる。

本発明に基づく位置計測システムの具体例を示すブロック図である。図１の動作を説明する各部の波形図である。各種位置計測方式の性能比較図である。無線ＬＡＮ方式の概念図である。図４の各部の波形例図である。マルチパスの影響を説明する波形例図である。

符号の説明

１０送信機
１１第１周波数発振部
１２変調部
１３第２周波数発振部
１４送信出力部
２０受信機
２１受信入力部
２２第１バンドパスフィルタ
２３第２バンドパスフィルタ
２４位相測定部
３０ＬＡＮケーブル
４０位置演算部

Claims

移動体と固定局間における無線信号の送受結果に基づき移動体の位置検出を行う位置計測システムであって、
前記移動体と固定局のいずれか一方に設けられ、第１の周波数信号を第２の周波数信号で変調し第２の周波数信号の繰り返し信号として送信する送信機と、
前記移動体と固定局のいずれか他方に設けられ、送信機の送信信号を受信復調して第２の周波数信号の位相を測定する機能を有する受信機と、
受信機の位相測定結果に基づき前記移動体の位置を演算する位置演算部、
を設けたことを特徴と位置計測システム。
前記受信機は、第１の周波数信号を中心周波数とする第１のバンドパスフィルタと、第２の周波数信号を中心周波数とする第２のバンドパスフィルタが直列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
前記受信機と位置演算部はネットワーク接続されていることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。