JP2009282009A

JP2009282009A - ３次元測位システム

Info

Publication number: JP2009282009A
Application number: JP2008279847A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Kono; 実則河野; Kiminori Kono; 公則河野
Original assignee: RCS Co Ltd
Current assignee: RCS Co Ltd
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2009-12-03

Abstract

【課題】単一の発信手段あるいは単一の発信手段から発信される無線信号を単一の受信手段で受信することによって、受信手段の３次元の位置を高精度で測位するシステムを安価に実現する。
【解決手段】アンテナ１０ａ〜１０ｄを周期的に切替えられながら、同期信号と距離測定信号を一組とする複数組の無線信号を放射する単一の発信手段２と、単一の受信手段６によって構成される。前記受信手段６において、前記アンテナ１０ａ〜１０ｄに対応して受信する複数組の無線信号から搬送波信号を再生して位相および位相差を測定して方向１２を測定し、前記複数組の無線信号の内の同期信号を起点として距離測定信号の位相および位相差を測定して距離１１を測定することによって高精度の３次元測位が実現できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、単一の発信手段あるいは単一の発信手段から発信される無線信号を単一の受信手段で受信することによって、受信手段の３次元の位置を高精度で測位することを可能とするものである。

従来から、複数の発信手段を用いて測位を行なうシステムが提案されている。（例えば、特許文献１〜３参照）
特開２００５−０８３８８８号特開２００６−０２３２６１号特開２００７−０１０６３９号

図４は、特許文献１に記載されている従来の「ＲＴＫ測位システム及びその測位方法」の実施例である。
図４において、１は、ＲＴＫ（リアルタイムキネマティック）測位を利用して利用者の測位を行うＲＴＫ測位システムである。
このＲＴＫ測位システム１は、４基のスードライト２と、固定基準局受信手段３と移動基準局受信手段４とからなる２基の基準局受信手段と、ローバー受信手段５と、利用者処理ユニット６と、データリンク７とにより構成されている。
ここで、スードライト２は、衛星の代わりの信号源として使用され、利用者の３次元測位を行う場合は、少なくとも４基必要であり、２次元測位を行う場合は、少なくとも３基が必要であるとされている。

上記のように、従来の「ＲＴＫ測位システム及びその測位方法」では３次元の測位を行なうために少なくとも４基のスードライト（擬似衛星局）が必要であり、更に、利用者処理ユニット６の他に、固定基準局受信手段３と移動基準局受信手段４とからなる２基の基準局受信手段と、ローバー受信機５と、データリンク７が必要であることから、システムが複雑であり、取り扱いが煩雑であり、高価となる問題点があった。

一方、特許文献２に記載されている従来の「アクティブタグ装置」では、発信手段1の指向性アンテナの方向３１に対向して受信手段２の指向性アンテナ２１ａと２１ｂを向け、発信手段１が高周波信号を発信中に指向性アンテナ２１ａと２１ｂを切替えた時に受信した高周波信号のタイミングあるいは振幅あるいは周波数あるいは位相あるいはこれらの組合わせの変化をリアルタイムで検知し、当該発信手段1が位置する方向を検知し、当該発信手段１と受信手段２の距離を検知するとされているが、当該発信手段１と受信手段２の距離を検知する手段あるいは方法が明確にされておらず、受信手段２の３次元の位置を測位する旨の訴求がなされていない問題点がある。

また、特許文献３に記載されている従来の「アクティブタグ装置」では、固定される側の発信手段に複数のアンテナを接続し、当該アンテナから個別のシステム同期信号と同期しあるいは直交する複数の測定用信号を周期的に発信し、移動体が携帯する受信手段において当該システム同期信号を受信して相対距離と方向を検知し、相対距離が短いものの平均値から方向を検知することで高い精度で方向を検知するとされているが、相対距離と方向を高精度で検知するための当該システム同期信号あるいは個別の同期信号の役割が記述されたおらず、単一の同期信号を用いるとされているため十分な測位精度が得られないこと、また、受信手段の３次元の位置を測位する旨の訴求がなされていないことなどの問題点がある。

この発明は、単一の発信手段あるいは単一の発信手段から発信される無線信号を単一の受信手段で受信することによって、受信手段の３次元の位置を高精度で測位するための手段あるいは方法を明確にするとともに３次元の測位システムを安価に実現するためのものである。

この発明に係わる３次元測位システムは、複数の指向性アンテナを搭載して周期的に切替えながら、少なくとも同期信号と一組になった距離を測定するための距離測定信号と方向を測定するための方向測定信号を複数組みの無線信号を発信する単一の発信手段と、前記無線信号を受信して３次元の測位を行なうための単一の受信手段から構成され、
前記距離測定信号が直交しあるいは同期し少なくとも周波数が異なる複数の変調信号あるいは拡散符号から構成され、前記方向測定信号が無変調信号でありあるいは受信手段において搬送波信号あるいは副搬送波信号を再生可能な信号から構成され、

前記受信手段において、前記発信手段から発信される組毎の無線信号から、前記同期信号を受信するタイミングを高速でサンプリングしあるいは高いチップレートの同期信号を用いることで高精度で検知し、前記受信するタイミングを起点として距離測定信号の位相および位相差を高精度で測定し、前記発信手段の複数の指向性アンテナに対応して方向測定信号の位相および位相差を高精度で測定し、前記測定結果から前記受信手段の３次元の位置を高精度で測位することを可能とするように構成されている。

本発明の３次元測位システムでは、単一の発信手段から発信される無線信号を単一の受信手段で受信することによって、高い精度でしかも安価に３次元測位が実現できる利点がある。

この発明に係わる３次元測位システムは、図１および請求項１に本発明の第１の形態を示すように、単一の発信手段２から発信された無線信号を単一の受信手段６によって受信し、前記受信手段６において複数組の無線信号毎に同期信号を高精度で検知し、前記同期信号を起点として距離測定信号の位相および位相差を検出して距離１１を測定し、方向測定信号の位相および位相差を前記発信手段２のアンテナに対応して位相を検出して角度１２を測定し、前記複数の測定結果から、前記受信手段６の３次元の位置を高い精度で測位する。

また、図２および請求項１に本発明の第２の実施形態を示すように、前記発信手段２から発信される無線信号には、同期信号と組になった少なくとも直交しあるいは同期した周波数が異なる周波数の低い信号と周波数が高い信号が複数組含まれており、前記受信手段６において各々の組毎に同期信号を受信するタイミングを高精度で検知し、当該タイミングを起点として組みとなっている直交しあるいは同期した周波数が異なる周波数の低い信号と周波数が高い信号の位相を測定し、両者の位相差を検出して距離を測定する。
また、前記の周波数が異なる周波数の低い信号と周波数が高い信号が変調された搬送波信号あるいは副搬送波信号を再生して位相を検知することで方向の測定を行なうことができる。

また、請求項２および３に示すように、前記発信手段から発信される無線信号の時間率が１％以下であり、間欠発信されるパルス信号であり、前記無線信号に前記発信手段の識別信号と報知情報とを含み、かつ前記報知情報に前記発信手段の３次元の位置情報が含むことができる。
また、請求項４に示すように、前記発信手段が擬似衛星局であり、離散的に複数箇所に配置する場合、前記複数の擬似衛星局間の同期をとる必要はない利点がある。
また、請求項５に示すように、前記発信手段に複数組の複数の指向性アンテナを搭載して周期的に切替えながら無線信号を発信し、かつ／または前記受信手段に複数のアンテナを搭載して周期的に切替えながら無線信号を受信することで、冗長性のある伝搬経路を確保し、伝搬品質が悪い経路を取捨選択することで、マルチパスによる測位精度の劣化を抑制することができる。
また、請求項６に示すように、前記受信手段が伝搬経路の品質を検知する品質検知手段を有し、前記品質検知手段の出力によって前記測定データを取捨選択し、あるいは荷重平均をとるで、３次元の測位精度を改善することができる。
また、請求項７に示すように、前記発信手段において複数組の無線信号を発信する際に同期信号を発信のタイミングをランダムに設定し、かつ／または前記発信手段の複数のアンテナを切替ながら同期信号を発信することで、前記組毎発信される同期信号の間の相関性を低く抑えることができる。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の形態による３次元測位システムの構成図である。図１において、２は単一の発信手段、６は受信手段、１０ａ〜１０ｄは前記発信手段２に接続された４基のアンテナ、１１は前記発信手段２と受信手段６との間の距離、１２は前記発信手段２からみた受信手段６の方向である。
アンテナ１０ａ〜１０ｄは周期的に切替えられながら、同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる複数の変調信号あるいは拡散符号によって変調されまたはスペクトル拡散された測定信号を放射し、受信手段６によって受信される。

受信手段６において、前記アンテナ１０ａ〜１０ｄに対応して受信する測定信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号を再生し、前記搬送波信号あるいは副搬送波信号の周波数および／あるいは位相を測定して前記発信手段２からみた受信手段６の方向１２（α（Ｘ）、α（Ｙ））を測定し、前記同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる複数の測定信号の位相差を測定して前記発信手段２と受信手段６との間の距離１１（Ｌｍ）を測定する。
前記方向１２と距離１１から次のように受信手段６の３次元の位置を求めることができる。

（１）発信手段２のアンテナ１０ａ〜１０ｄが真下を向いている場合
Ｘｘ＝Ｘ０−Ｌ*Sin(α(Ｘ)) −−−−(１)
Ｙｙ＝Ｙ０−Ｌ*Sin(α(Ｙ)) −−−−(２)
Ｚｚ＝Ｚ０−Ｌ*√(１−Sin^２(α(Ｘ))−Sin^２(α(Ｙ))−−−−(３)

（２）発信手段２のアンテナ１０ａ〜１０ｄがβ（Ｙ）傾いている場合
Ｘｘ＝Ｘ０−Ｌ*Sin(α(Ｘ)) −−−−(４)
Ｙｙ＝Ｙ０−Ｌ*Sin｛(α(Ｙ))＋(β(Ｙ))｝ −−−−(５)
Ｚｚ＝Ｚ０−Ｌ*√(１−Sin^２(α(Ｘ))−Sin^２(γ(Ｙ))−−−−(６)

ただし、γ(Ｙ)＝α(Ｙ)＋β(Ｙ) ＜９０°とする。

ここで、前記同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる複数の変調信号が０．５ＭＨｚと２ＭＨｚの場合、周波数の差が１．５ＭＨｚであるため、距離が２００ｍの時に位相差が３６０°となるので、位相差を検出することによって相対距離が高精度で測定できる。
また、前記位相差の測定精度が±０．５°程度が容易に実現できるので、相対距離の測定誤差は±３０ｃｍ程度が実現できることとなる。
また、発信手段２が単一の場合について説明したが、発信手段２が複数の場合には、各々独立に求めた３次元の位置を合成しあるいは平均化することで測位精度を改善することができる。

また、前記発信手段２が擬似衛星局（スードライト）であり、前記擬似衛星局から送信される擬似ＧＰＳ信号が、時間率１％以下の短いパルス信号、あるいは長くとも３％以下のパルス信号である場合、遠近問題が生じず、したがって、送信可能な電力を１ｍＷ程度まで高めることが可能である。
また、単一の発信手段２を利用して３次元測位が可能なことから、４局の擬似衛星局を利用して双曲線航法により３次元測位を行なう場合に比較して、マルチパスによる影響を飛躍的に軽減することができる。
また、複数の発信手段２を離散的に配置する場合でも、少なくとも１局の発信手段が見通せれば３次元測位が可能なことから、前記発信手段２の設置密度を低く抑えて離散的に設置することが可能となり、経済的なシステム設計が可能となる。

（実施の形態２）
図２は本発明の第２の形態による発信手段から発信される無線信号の構成図である。図２において、２１はシステム同期信号、２２は報知情報を含むＭＡＣレイヤ、２３ａ〜２３ｎは複数組みの無線信号に含まれる同期信号、２４ａ〜２４ｎは低い周波数の距離測定信号、２５ａ〜２５ｎは高い周波数の距離測定信号である。

単一の発信手段２から発信される距離測定信号を、
ＡSin（２πｆ１ｔ） −−−−（１）
ＡSin（２πｆ２ｔ） −−−−（２）
とし、距離測定信号が距離Ｄ（ｍ）を伝搬するのに要する時間がｔｄ＝Ｄ／Ｃであることから、発信手段２においてｔ＝０で発信された距離測定信号が、ｔ＝ｔｄにおいて受信手段６によって受信されると、
ＢSin（２πｆ１ｔｄ）＝ＢSin（２πｆ１Ｄ／Ｃ） −−−（３）
ＢSin（２πｆ２ｔｄ）＝ＢSin（２πｆ２Ｄ／Ｃ） −−−（４）
となる。

式（３）と（４）との位相差を測定すると、
ΔΦ＝２π（Ｄ／Ｃ）（ｆ２−ｆ１） −−−−（５）
が求められ、距離Ｄは、
Ｄ＝ΔΦ×Ｃ／｛２π（ｆ２−ｆ１）｝ −−−−（６）
から算出され、ｆ１＝０．５ＭＨｚ、ｆ２＝２ＭＨｚの場合、測定可能な最大距離を２００ｍとなる。
以上の原理は当該低周波数信号と高周波数信号の空間での伝搬速度は同じであるが、位相の回転が周波数によって異なることから理解できる。

ここで、距離の測定精度を高めるためには受信手段６においてｔｄのタイミングを正確に検出する必要がある。
時間ｔｄのタイミングを正確に検出するために、発信手段２においてｔ＝０で同期信号２３ａを発信し、受信手段６においてｔ＝ｔｄのタイミングで同期信号を検知し、ｔｄを起点として引き続き低い周波数の距離測定信号２４ａ〜２４ｎと高い周波数の距離測定信号２５ａ〜２５ｎの位相および位相差を測定する必要がある。
受信手段６においてｔ＝ｔｄのタイミングで前記同期信号を正確に検出するためには前記同期信号に１６０ＭＣｈｉｐ／ｓ程度の高速の拡散符号を用いる方法、あるいは周波数が１６０ＭＨｚ程度のクロック信号を用いて前記同期信号を高速サンプリングする方法が考えられる。

１６０ＭＨｚのクロックでサンプリングする場合、ｔｄのタイミングの検出誤差は６ｎｓ程度となり、距離に換算すると１．８ｍとなる。
受信手段６において更にｔｄのタイミングの検出精度を高めるために、前記同期信号と距離測定信号の組を３６組繰り返し発信すると、同期信号の検出誤差を６分の１にまで軽減することができることとなり、３次元の測位精度として±３０ｃｍが実現できる。
また、高速なチップレートの拡散符号を直接発信するＵＷＢ（ウルトラワイドバンド）の無線信号を用いれば、測位精度を更に向上させることができる。

図３は、実施の形態２による距離測定信号の構成図である。図３において、２３ｋは同期信号、２４ｋは周波数が低い距離測定信号、２５ｋは周波数が高い距離測定信号、２６ｋは同期信号の同期点である。
同期信号２３ｋはスペクトル拡散符号により構成され、同期信号２３ｋの検出精度を向上させるため更に高いチップレートを用いることで、スペクトル拡散符号に含まれる低い周波数成分と高い周波数成分が平均化され、受信するタイミングを正確に検知するのに効果がある。
前記同期信号２３ｋの同期点２６ｋを起点として、周波数が低い距離測定信号２４ｋおよび周波数が高い距離測定信号２５ｋが一組となって構成される。
なお、周波数が低い距離測定信号２４ｋと周波数が高い距離測定信号２５ｋの順序あるいは周波数差は任意であり、組ごとに変化させることも可能である。

以上の説明では無線信号を用いる場合について述べたが、無線信号として超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を含むことができる。なお、光信号の場合には比較的に周波数が高い副搬送波信号あるいは高いチップレートの拡散符号を用いることができる。
また、変調方式としてチップレートの高いスペクトル拡散符号を採用するためにＵＷＢ（ウルトラワイドバンド）方式を用いることで、３次元の測位精度を向上させることができる。
また、前記発信手段が擬似衛星局であり擬似ＧＰＳ信号を発信する場合、従来のＧＰＳと同様なＢＰＳＫ変調の他に任意の変調方式が用いられ、あるいはＣ／ＡコードあるいはＰコード以外にも任意のコード化が可能である。

また、前記発信手段から発信される無線信号には、起動信号、ＭＡＣレイヤ、同期確立信号、距離測定信号、および方向測定信号などの他に任意の信号を含むことが可能であり、あるいはこれらの全部あるいは任意の組合せによって構成できる。
また、前記ＭＡＣレイヤには、少なくとも前記発信手段の識別符号あるいは識別番号が含まれ、あるいは局情報が含まれ、あるいはテキスト情報が含まれ受信手段において音声に変換されたアナウンスされ、時間率１％を越えない範囲で符号長を選択することができる。

また、前記発信手段が単一のアンテナを有し、かつ前記受信手段が複数のアンテナを搭載して周期的に切替えながら受信することでも同様な効果が得られる。
また、前記発信手段が単一のアンテナを搭載して移動体に装着されあるいは携帯され、前記受信手段が固定され複数のアンテナを搭載して周期的に切替えながら受信することによって、前記発信手段の３次元側が可能となる。

本発明は上記のように構成されているため、単一の発信手段あるいは単一の擬似衛星局を用いて３次元測位が可能となることから、屋外と屋内でＧＰＳをシームレスにつなぐ高精度な３次元測位が経済的な方法で実現できる。
また、３次元測位システムを物流管理に応用すると、倉庫内の物品管理がどの場所のどの棚の何段目に収納しているが正確に記録できることになり、物流管理の効率化に役立だてることができる。
また、前記発信手段が屋外、屋内を問わず離散的に配置され、前記受信手段が歩行者によって携帯されると、歩行者の自律移動支援システム、あるいは歩行者ナビゲーションシステム、あるいは児童の見守りシステムなどに活用することができる他、ロボットの自律歩行にも応用できる。
また、本発明の３次元測位技術は基盤技術であり、その他の多くの分野での活用が期待できる。

実施の形態１による３次元測位システムの構成図実施の形態２による発信手段から発信される無線信号の構成図実施の形態２による距離測定信号の構成図従来の実施例を示す構成図

符号の説明

１ＲＴＫ測位システム
２発信手段または擬似衛星局
３固定基準局受信手段
４移動基準局受信手段
５ローバー受信手段
６利用者処理ユニットまたは受信手段
７データリンク
１０ａ〜１０ｄアンテナ
１１発信手段２と受信手段６との間の距離

１２発信手段２から見た受信手段６の方向
２１システム同期信号
２２ＭＡＣレイヤ
２３ａ〜２３ｋ〜２３ｎ同期信号
２３ａ〜２３ｋ〜２３ｎ周波数が低い距離測定信号
２３ａ〜２３ｋ〜２３ｎ周波数が高い距離測定信号

Claims

無線信号を用いる測位システムにおいて、
複数の指向性アンテナを搭載して周期的に切替えながら、少なくとも同期信号と距離を測定するための距離測定信号を一組とする複数組の無線信号と、方向を測定するための方向測定信号とを発信する単一の発信手段と、前記無線信号を受信して３次元の測位を行なうための単一の受信手段から構成され、
前記距離測定信号が直交しあるいは同期し少なくとも周波数が異なる複数の変調信号あるいは拡散符号から構成され、前記方向を測定するための無線信号が無変調信号でありあるいは受信手段において搬送波信号あるいは副搬送波信号を再生することが可能な信号から構成され、
前記受信手段において、前記発信手段から発信される前記無線信号の組毎に、前記同期信号を受信するタイミングを高速でサンプリングしあるいは高いチップレートの同期信号を用いることで高精度で検知し、前記同期信号を受信するタイミングを起点として距離測定信号の位相および位相差を高精度で測定し、前記発信手段の複数の指向性アンテナに対応して方向を測定するための方向測定信号の位相および位相差を高精度で測定し、前記測定結果から前記受信手段の３次元の位置を高精度で測位することを特徴とする３次元測位システム。
前記発信手段から発信される無線信号の時間率が１％以下であり、間欠発信されるパルス信号であることを特徴とする請求項第１項に記載する３次元測位システム。
前記無線信号に前記発信手段の識別信号と報知情報とを含み、かつ前記報知情報に前記発信手段の３次元の位置情報が含まれることを特徴とする請求項第１項から第２項までのいずれかに該当する３次元測位システム。
前記発信手段が擬似衛星局であることを特徴とする請求項第１項から第３項までのいずれかに該当する３次元測位システム。
前記発信手段に複数組の複数の指向性アンテナを搭載して周期的に切替えながら無線信号を発信し、かつ／または前記受信手段に複数のアンテナを搭載して周期的に切替えながら無線信号を受信することで、冗長性のある伝搬経路を確保し、伝搬品質が悪い経路を取捨選択することで、マルチパスによる測位精度の劣化を抑制することを特徴とする請求項第１項から第４項までのいずれかに該当する３次元測位システム。
前記受信手段が伝搬経路の品質を検知する品質検知手段を有し、前記品質検知手段の出力によって前記測定データを取捨選択し、あるいは荷重平均をとることを特徴とする請求項第１項から第５項までのいずれかに該当する３次元測位システム。
前記複数組の無線信号に含まれる同期信号間の相関性を低く抑えるため、前記発信手段において複数組の無線信号を発信する際に前記同期信号を発信するタイミングをランダムに設定し、かつ／または前記発信手段の複数のアンテナを切替ながら前記同期信号を発信することを特徴とする請求項第１項から第６項までのいずれかに該当する３次元測位システム。