JP2011117955A - 位置特定システム - Google Patents

Abstract

【課題】起点信号発信手段の位置を高精度で特定できる位置特定システムを安価に実現する。
【解決手段】起点信号を含む無線信号を、バースト信号として、間欠するための起点信号発信手段１０１と、起点信号を含む無線信号を、同一周波数を用いて、時分割であり、割付けられたタイムスロットで中継しあるいは再発信する複数の中継手段１０２ａ〜１０２ｄと、起点信号発信手段１０１、複数の中継手段１０２ａ〜１０２ｄ、あるいはこれらの両方から無線信号を受信して位置を特定するための位置特定手段１０３とから構成される。
【選択図】図１

Description

この発明は、基地局の周辺に複数の中継手段を設置し、かつ前記基地局と複数の中継手段との間を、無線信号を用いて接続し、移動局もしくは携帯端末の位置を高精度で特定するための位置特定システムに関するものである。

従来から、発信手段から発信される無線信号を、中継手段を用いて中継し、受信手段で受信することによって、発信手段の位置を特定する装置が提案されている。（例えば、特許文献１〜６参照）
図６は、特許文献１に記載されている従来の「位置評定方式」である。図６において、一つの移動局からの第１の測定用信号を親局と複数の中継局で受信すると共に各中継局は重複しない固有の遅延時間後に第２の測定用信号を同一周波数で送信し、親局が移動局からの第１の測定信号と中継局からの第２の測定用信号とを受信してその到達時間差または位相差を測定することにより第１の測定用信号を親局が受信した時刻と各中継局が受信した時刻との相対時間差を算出して双曲線航法により移動局の位置を算出するように構成するとされている。

しかしながら、各中継局において、重複しない固有の遅延時間後に第２の測定用信号を同一周波数で送信すると記述されているが、具体的な構成および方法が記述されておらず、実現性の問題点がある。

また、特許文献２では、地雷源を囲むようにして中央局ｃと中継局ａ，ｂとが配置される。地雷装置１から送信された位置標定用信号Ｓは夫々地雷装置１からの距離に応じたタイミングに中央局ｃ及び中継局ａ，ｂによって受信される。中央局ｃは自局における受信タイミング情報ｔc と、中継局ａ，ｂから通知された各受信タイミング情報ｔa ，ｔb とに基づき双曲線航法により地雷装置１の位置を標定するとされている。

しかしながら、中継局ａ，ｂで検出した遅延時間データｔa ，ｔb （あるいは位相データ）を無線ルートで中央局ｃに通知するとしているが、遅延時間を高精度で検出するための具体的な構成が記述されておらず、別の無線ルートを必要とすることから、実現性の問題点がある。

また、特許文献３では、位置Ｂの送信機１は基準信号で変調された送信信号を送信し、これを受信した位置Ａの中継機２は周波数を変換した中継信号を送信する。位置Ｃの距離測定機３は、周波数が異なる送信機１の送信信号と、中継機２の中継信号とをともに受信し、元の基準信号を復調して位相差を検出し、これにより距離ｘ、距離ｙを算出するとされている。

しかしながら、中継機２が周波数を変換した周波数分割同時送受信方式であり、送信機１とは別に中継機２を設置する必要があり、中継機２が時分割方式の場合には適用できず、あるいは中継機２が設置されていない場所では距離測定ができない問題点がある。

また、特許文献４では、ゴルフコースの各ホール毎のグリーン８上に配設されたカップ３に立設されているピン７に装着された設置側機器１へ向けて、持運側機器２から所定のパルス符号列の電波４を送信し、前記設置側機器１から折返し持運側機器２方向に向けて送信される別のパルス符号列の電波４を受信して、前記送信電波４と受信電波５との時間差を基に設置側機器１とプレイヤーまたはキャディーとの間の距離を測定し持運側機器２の表示器６に表示するとされている。

しかしながら、距離を測定するのに、パルス符号列を用いて時間差を測定しているため、距離の測定に誤差を生じ高精度で測定できない問題点がある。

また、特許文献５では、人工衛星１７の概算距離値に基づいてＰＮコード発生部１１で最適なコード系列を選択して、該コード系列の送信ＰＮコードを発生し、この送信ＰＮコードの信号を人工衛星に送信して、その折返した信号を受信し、その受信ＰＮコードを上記概算距離値に基づいた最適なコード系列から選択し、選択した受信ＰＮコードと送信ＰＮコードとより、人工衛星１７の距離を測定するように構成したものであるとされている。

しかしながら、人工衛星でＰＮコードを時分割で折り返す場合に、短時間でかつ高精度で同期を確立し、前記ＰＮコードが消滅した後も、長時間に渡り同期を維持するのが難しく、回路が複雑となり、実現性と高価となる問題点がある。

また、特許文献６では、第１の送受信機１０００から第２の送受信機２０００へ、周波数ｆ1／ＭＮの矩形波ＤTで周波数ｆ1の搬送波をＱＰＳＫ変調し、送信する。第２の送受信機２０００は、コスタスループにより搬送波を再生し、矩形波Ｄ２を復調する。この後周波数ｆ２（≠ｆ1）の搬送波を生成して、復調した矩形波で周波数ｆ２の搬送波をＱＰＳＫ変調し、第２の送受信機２０００から第１の送受信機１０００へ逆送信する。

第１の送受信機１０００はここから周波数ｆ1／ＭＮの矩形波ＤRを復調する。矩形波ＤRをＭ逓倍し、矩形波ＤTを生成する１／Ｍ分周器１５の入力である１／Ｎ分周器１４との位相差を検出する。

位相差は、第１の送受信機１０００から第２の送受信機２０００までの距離の２倍を電波が通過した時間差であるとされている。

しかしながら、第１の送受信機１０００と第２の送受信機２０００は、異なる周波数で送受信する必要があり、時分割で通信する場合には適用できず、実現性と高価となる問題点がある。

特開Ｈ０６−００３４２８号公報 特開Ｈ１１−１４８８００号公報 特開Ｈ１１−２１１８１８号公報 特開Ｈ０８−２３３９３７号公報 特開Ｈ１０−２６８０２８号公報 特開２００８−３０４１９２号公報

従来の位置特定システムでは、携帯端末もしくは基準局から発信する無線信号が、複数の中継局を経由して、中央局に到達するまでの時間を測定し、双曲線航法によって位置を特定していたが、マルチパスの激しい屋内などの環境では、到達するまでの時間を正確に測定することが困難である問題点があった。

この発明は、前記問題点を解決するためになされたものであり、起点信号発信手段から発信する無線信号を、複数の中継手段によって中継しあるいは再発信し、位置特定手段によって受信することで、複数の伝搬経路間の伝搬位相差を測定し、双曲線航法によって、前記起点信号発信手段の位置を高精度で特定できる位置特定システムを提供することを目的とする。

この発明に係わる位置特定システムでは、起点信号発信手段から少なくとも起点信号を含む無線信号を間欠発信し、複数の中継手段および位置特定手段で前記無線信号を受信する。

前記複数の中継手段では、受信した無線信号から起点信号を再生し、再生した起点信号と同期発振手段とを高精度で同期を確立させ、前記起点信号が消滅した後も同期を維持させ、前記同期発振器の出力信号と同期しあるいは直交する単一もしくは複数の位置特定信号を生成し、前記生成した位置特定信号を含む無線信号を前記位置特定手段に向けて、時分割でかつ複数のタイムスロットを割付けて中継しあるいは再発信する。

前記位置特定手段では、前記起点信号発信手段から直接受信した無線信号から前記起点信号を、前記中継手段から受信した位置特定信号を、あるいはこれらの両方を再生し、前記再生した起点信号もしくは位置特定信号と同期発振手段とを高精度で同期を確立させ、前記起点信号もしくは位置特定信号が消滅した後も同期を高精度で維持させて位相測定のためのクロック信号を生成し、前記複数の中継手段から受信した無線信号から位置特定信号を再生し、前記位置特定信号の位相を、前記クロック信号を用いて、高精度でしかもリアルタイムで測定する。

前記測定結果から、三角法もしくは双曲線航法を適用して、前記起点信号発信手段の位置を高精度で特定することができる。

本発明の位置特定システムでは、移動局もしくは携帯端末の位置を、安価な装置を用いて、高精度で特定できる利点が得られる。

本発明の第１の実施の形態による位置特定システムの構成図 本発明の第２の実施の形態による起点信号生成手段の構成図 本発明の第３の実施の形態による中継手段の構成図 本発明の第４の実施の形態による位置特定手段の構成図 本発明の位置特定システムのタイミングチャート 従来の実施例を示す構成図

この発明に係わる位置特定システムは、図１〜図５に本発明の第１の実施の形態を示すように、超音波信号もしくは高周波信号もしくは光信号である無線信号を用いる位置特定システムにおいて、前記起点信号発信手段１０１から発信される無線信号を受信し、同一周波数でかつ時分割の送受信間隔で中継しあるいは再発信するための複数の中継手段１０２ａ〜１０２ｄと、前記起点信号発信手段１０１、複数の中継手段１０２ａ〜１０２ｄ、もしくはこれらの組み合わせから発信されあるいは中継される無線信号を受信し、前記起点信号発信手段１０１の位置を特定するための位置特定手段１０３とから構成される。

前記起点信号発信手段１０１は、少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、起点信号とを生成するための起点信号生成手段２１と、前記生成される起点信号を含む無線信号を、アンテナ又は送受波器２３を介して、バースト信号として間欠発信するための送信手段２２とを有する。

前記中継手段１０２ａ〜１０２ｄは、少なくとも、前記起点信号発信手段から発信される無線信号をアンテナ又は送受波器を介して受信し、直接もしくは中間周波信号に変換して増幅するための受信手段３３と、前記無線信号から起点信号を再生しあるいは復調するための起点信号再生手段３５と、前記起点信号の立上り点、立下り点、あるいはゼロ交差点のタイミングを高精度で検出するための同期検出手段３７と、前記検出されたタイミングで、瞬時に同期を確立し、前記起点信号が消滅した後も高精度で同期を維持し、前記起点信号と同期したクロック信号を生成するための同期発振手段３８と、前記クロック信号に同期しあるいは直交した位置特定信号を生成するための位置特定信号生成手段３６と、前記位置特定手段に向けて、時分割されたタイムスロットの整数倍の間隔でかつ割当てられたタイムスロットで、少なくとも、システム同期信号と、自局の識別信号と、前記生成した位置特定信号とを含む無線信号を、アンテナ又は送受波器を介して、バースト信号として発信するための送信手段３４と、前記送信手段と受信手段との間で、アンテナ又は送受波器を時分割で切替えあるいは共有するためのアンテナ切替手段３２とを有する。

前記位置特定手段１０３は、少なくとも、前記起点信号発信手段１０１、複数の中継手段１０２ａ〜１０２ｄ、もしくはこれらの組み合わせから発信されあるいは中継される無線信号をアンテナ又は送受波器４１を介して受信し、直接もしくは中間周波信号に変換して増幅するための受信手段４２と、前記無線信号から、少なくとも前記起点信号、位置特定信号、もしくはこれらの両方を再生しあるいは復調するための起点信号再生手段４３ａと位置特定信号再生手段４３ｂと、前記起点信号もしくは位置特定信号の立上り点、立下り点、あるいはゼロ交差点のタイミングを高精度で検出するための同期検出手段４４と、前記タイムスロットに対応し、前期検出されたタイミングで、前記起点信号もしくは位置特定信号との同期を瞬時に確立し、前記起点信号もしくは位置特定信号が消滅した後も高精度に同期を維持するための同期発振手段４５と、前記同期発振手段からの出力されるクロック信号を基準として、前記複数の中継手段から受信する複数の位置特定信号の位相を高精度でしかもリアルタイムで測定するための位相測定手段４６と、前記位置特定信号の位相の測定結果から、前記起点信号発信手段もしくは位置特定手段自身の位置を特定するための位置特定処理手段４９とを有し、前記位置特定処理手段において、前記起点信号発信手段１０１もしくは位置特定手段１０３自身の位置を、三角法もしくは双曲線航法によって、高精度で特定する。

また、請求項２に示すように、前記起点信号発信手段１０１が移動局もしくは携帯端末であり、かつ前記位置特定手段１０１が固定局であり、あるいは前記起点信号発信手段１０３が固定局であり、かつ前記位置特定手段１０３が移動局もしくは携帯端末である。

また、請求項３に示すように、前記送信手段２２、３４から発信される起点信号、位置特定信号、もしくはこれらの両方が、単一もしくは同期しあるいは直交する複数の、搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの任意の組み合わせである。

また、請求項４に示すように、前記起点信号発信手段１０１から無線信号を間欠発信する間隔を、内部に設けた自励発振器を用いてランダムに制御することで、前記間欠発信のタイミングを非同期とし、あるいは前記タイミングを移動速度に応じて制御することで、複数の起点信号生成手段が共存する場合でも、無線信号を効率的に発信する。

また、請求項５に示すように、前記位置特定手段１０３が、前記起点信号発信手段１０１から受信した起点信号、前記複数の中継手段から受信した位置特定信号、あるいはこれらの組み合わせを再生し、前記同期発振手段を複数組設けて順次同期させ、前記起点信号に同期した同期発振手段から出力されるクロック信号を基準として、第１のタイムスロットで発信する中継手段から受信する第１の位置特定信号の位相を測定し、以下順次タイムスロットを移動させながら、位置特定信号の位相を高精度でしかもリアルタイムで測定する。

また、請求項６に示すように、前記同期発振手段３８、４５が、少なくとも起点信号の周波数の１０倍以上の周波数によって駆動される、セットもしくはリセット付きのカウンタ又は値制御発振器によって構成され、前記同期検出手段が、前記起点信号もしくは複数の位置特定信号の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを、少なくとも起点信号の周波数の１０倍以上の周波数のサンプリング信号によって検出し、前記同期検出手段が検出したタイミングで、前記同期発振手段をセットしあるいはリセットすることによって、前記同期発振手段を前記起点信号もしくは位置特定信号と短時間で同期を確立し、かつ前記起点信号もしくは位置特定信号が消滅した後も、比較的に長時間、同期を保持できる。

また、請求項７に示すように、前記同期発振手段３８、４５と、前記起点信号もしくは位置特定信号との間の同期確立誤差を低減し、高精度でかつ短時間に同期を確立させるために、同期確立誤差関数を付与し、前記同期確立誤差関数が前記同期確立誤差を低減する。

また、請求項８に示すように、前記同期確立誤差関数を付与するために、前記起点信号もしくは位置特定信号の位相をシフトさせるための移相手段と、前記移相手段によって各々異なった位相にシフトされた起点信号もしくは位置特定信号を選択し、外部に出力するためのタイミング制御手段とを設け、前記移相手段の移相量の合計を、前記同期発振手段から出力されるクロック信号の一周期の間隔よりも大きく設定することによって、位置の特定精度を向上させる。

また、請求項９に示すように、前記同期確立誤差関数を付与するために、前記同期発振手段が複数組のカウンタ又は数値制御発振器を有し、前記複数組のカウンタ又は数値制御発振器が前記再生された起点信号、位置特定信号、もしくはこれらの両方と、各々異なった複数のタイミングで、切替手段によって切替えられて同期を確立し、前記複数組のカウンタ又は複数組の数値制御発振器から出力される出力信号を異なった複数のタイミングで選択し、選択された出力信号に同期しもしくは直交した単一もしくは複数のクロック信号を生成することによって、位置の特定精度を向上させる。

また、請求項１０に示すように、前記受信手段３３、４２が伝搬経路の品質を検知する品質検知手段を有し、前記受信手段において受信した無線信号の電力あるいは信号対雑音比を測定した結果から回線品質を分析し、あるいは前記位相測定手段で位置特定信号の位相あるいは位相差を測定した結果から位置特定精度を分析し、あるいは前記回線品質の分析と位置特定精度の分析の両方を行い、前記位置特定処理の結果を補正しあるいは補完する。

また、請求項１１に示すように、前記受信手段３３、４２、送信手段２２、３４、もしくはこれらの両方が、複数のアンテナ又は送受波器を設けて周期的に切替えながら、無線信号を受信しあるいは発信し、前記品質検知手段において、前記複数のアンテナ又は送受波器に対応して起点信号、位置特定信号、もしくはこれらの両方の位相を測定し、比較的に位相を小さく測定したものを選択し平均しあるいは荷重平均することによって、前記位置特定処理の結果を補正しあるいは補完する。

また、請求項１２に示すように、前記無線信号の周波数として、ＧＰＳに割当てられた周波数、あるいはその近傍の周波数を割当てることで、屋外と屋内でＧＰＳをシームレスに接続する。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態による位置特定システムの構成図である。図１において、１０１は起点信号生成手段（携帯端末もしくは基地局）、１０２ａ〜１０２ｄは中継手段（中継局）、１０３は位置特定手段（携帯端末もしくは基地局）、１１ａ〜１１ｅは起点信号発信手段から発信される無線信号の伝搬経路、１２ａ〜１２ｄは中継手段から発信される無線信号の伝搬経路である。

位置特定手段１０３において起点信号発信手段１０１の位置を特定する位置特定システムにおいて、無線信号が同一周波数であり、時分割でかつバースト信号として間欠発信するための起点信号発信手段１０１と、前記間欠発信される無線信号を中継しあるいは再発信するための中継手段１２ａ〜１２ｄと、位置を特定するための位置特定手段１０３とから構成され、前記バースト信号の長さが、前記間欠発信の間隔の１００分の１程度であり、前記起点信号発信手段１０１から発信される無線信号には、少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、起点信号とを含み、前記複数の中継手段１２ａ〜１２ｄにおいて、前記起点信号と瞬時に同期を確立し、前記起点信号と同期しあるいは直交する位置特定信号を生成し、少なくとも、システム同期信号と、自局の識別信号と、前記位置特定信号とを含む無線信号を、タイムスロットを割当てて中継しあるいは再発信する。

前記位置特定手段１０３において、前記起点信号発信手段１０１、複数の中継手段１２ａ〜１２ｄ、もしくはこれらの組み合わせから発信される無線信号を受信し、最初に受信した無線信号に含まれる起点信号、複数の位置特定信号、もしくはこれらの組み合わせとの同期を瞬時に確立し、前記起点信号、複数の位置特定信号、もしくはこれらの組み合わせを基準として、前記複数の中継手段１２ａ〜１２ｄから受信する位置特定信号の位相を順次測定し、前記位相の測定結果から、三角法もしくは双曲線航法によって、起点信号発信手段１０１もしくは位置特定信号１０３自身の位置を高精度で特定することができる。

ここで、前記起点信号発信手段１０１において、無線信号を間欠発信する間隔を、内部に設けたＣＲ発振器もしくはＬＣ発振器などの自励発振器を用いてランダムに制御することで、複数の起点信号発信手段から無線信号を非同期で発信し、あるいは前記起点信号発信手段１０１の移動速度に応じて前記間隔を制御することで、相互間の干渉あるいは妨害を除去し、無線信号を効率的に利用できるメリットが得られる。

また、図１では、前記起点信号発信手段１０１を移動局もしくは携帯端末として移動体に設置する場合と、位置特定手段１０３を固定局もしくは基準局として固定して設置される場合と、逆に、前記位置特定手段１０３を移動体に設置して移動局もしくは携帯端末とし、起点信号発信手段１０３を固定局もしくは基準局として固定して設置する場合とが考えられる。

また、前記起点信号発信手段１０１、位置特定手段１０３、および中継手段１２ａ〜１２ｄ、もしくはこれらの任意の組み合わせが、ユビキタスネットワーク、アドホックネットワーク、もしくはその他の通信ネットワークを構成することによって、前記起点信号発信手段１０１の位置を、位置特定手段１０３によって特定するために必要な情報を、任意にあるいは周期的に、交換することができる。

また、前記交換する情報の中に、前記位置特定手段１０３が起点信号発信手段１０１もしくは位置特定信号自身の位置を特定するために必要な情報、前記中継を要求する複数の中継手段１２ａ〜１２ｄを選択し中継を実行させるために必要な情報、前記複数の中継手段１２ａ〜１２ｄが中継を行なう起点信号発信手段１０１を選択し中継を分担するために必要な情報、移動体に設置された位置特定手段１０３もしくは起点信号発信手段１０１が、第１の固定局エリアから第２の固定局エリアに移動する際に、ハンドオーバをさせるために必要な情報、あるいは前記必要な情報の任意の組み合わせを含むものとする。

また、前記交換する情報の中に、前記位置特定手段１０３が位置を特定するために必要な、前記複数の中継手段１２ａ〜１２ｄの位置、前記固定される側の起点信号発信手段１０１もしくは位置特定手段１０３から中継手段１２ａ〜１２ｄまでの距離などの情報、前記基準局１０１もしくは位置特定手段１０３が中継を要求する複数の中継手段１２ａ〜１２ｄを選択し中継を実行させるために必要な中継手段の識別信号とタイムスロットなどの情報、前記複数の中継手段１２ａ〜１２ｄが中継を行なうタイムスロットなどの情報、あるいはこれらの情報の任意の組み合わせを含むものとする。

また、位置特定手段１０３が移動する際に、周辺に存在する起点信号発信手段１０１をサーチし、受信入力が大きいもの、あるいは距離が比較的に短いもの、あるいは最適なものを選択し、必要に応じてハンドオーバを行なうものとする。

また、前記起点信号発信手段１０１、中継手段１０２ａ〜１０２ｄ、あるいは位置特定手段１０３が比較的に広帯域の特性を有し、前記起点信号もしくは位置特定信号の伝達位相誤差を最少とするため、少なくとも、帯域通過フイルタの中心周波数を起点信号もしくは位置特定信号の周波数に合致させる必要がある。

（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態による起点信号発信手段の構成図である。図２において、１０１は起点信発信手段、２１は起点信号生成手段、２２は送信手段、２３はアンテナ又は送受波器である。

起点信発信手段１０１は、少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、起点信号とを生成するための起点信号生成手段２１と、前記起点信号生成手段２１によって生成される出力信号を含む無線信号を、０．５秒〜５秒程度の間隔で、２０ミリ秒以下の長さのバースト信号として間欠発信するための送信手段２２と、無線信号を空間に放射するためのアンテナ又は送受波器２３を有する。

ここで、前記起点信発信手段１０１から発信される起点信号が、単一もしくは同期しあるいは直交する複数の搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、あるいはこれらの任意の組み合わせであるものとする。

なお、前記起点信号発信手段のアンテナ又は送受波器２３は、通常、周辺の複数の中継局１２ａ〜１２ｄに無線信号を均等に受信させる必要があるため無指向性のものが用いられるが、必要に応じて指向性のものを採用することができる。

また、固定される側の起点信発信手段１０１の場合には、識別信号の他に報知情報が追加され、前記報知情報には、設置位置、配下の中継手段の数と各タイムスロットに割付られた中継局の識別番号、アンテナ又は送受波器の高さ、アンテナの種類と数、などが含まれる。

また、前記信号生成手段２１の基準発振器には特に高安定のものが必要であり、例えば、±０．５ｐｐｍ以内のものが用いられる。

（実施の形態３）
図３は本発明の第３の実施の形態による中継手段の構成図である。図３において、１０２は中継手段、３１はアンテナ又は送受波器、３２はアンテナ切替手段、３３は受信手段、３４は送信手段、３５は起点信号再生手段、３６は位置特定信号生成手段、３７は同期検出手段、３８は同期発振手段、３９は位相同期発振器、４０は基準発振器である。

中継手段１０２は、少なくとも、前記無線信号を受信するためのアンテナ又は送受波器３１と、前記受信した無線信号を直接もしくは中間周波信号に変換して増幅するための受信手段３３と、前記無線信号から起点信号を再生しあるいは復調するための起点信号再生手段３５と、前記起点信号の立上り点、立下り点、あるいはゼロ交差点のタイミングを高精度で検出するための同期検出手段３７と、前記検出されたタイミングで、瞬時に前記起点信号との同期を確立し、前記起点信号が消滅した後も高精度に同期を維持できる同期発振手段３８と、
前記同期発振手段３８の出力信号に同期しあるいは直交した位置特定信号を生成するための位置特定信号生成手段３６と、前記位置特定手段１０３に向けて、時分割されたタイムスロットの整数倍の間隔でかつ割当てられたタイムスロットで、システム同期信号と、自局の識別信号と、前記生成した位置特定信号とを含む無線信号をバースト信号として間欠発信するための送信手段３４と、前記送信手段と受信手段との間で、アンテナ又は送受波器を時分割で切替えあるいは共有するためのアンテナ切替手段３２とを有する。

ここで、前記中継手段１０２から発信される位置特定信号が、単一もしくは同期しあるいは直交する複数の搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの任意の組み合わせであるものとする。

なお、前記同期発振手段３８が基準発振器４０によって駆動されるセットもしくはリセット付きのカウンタもしくは数値制御発振器によって構成され、前記起点信号再生手段３５によって復調されあるいは再生された起点信号の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを、同期検出手段によって少なくとも起点信号の１０倍以上の周波数のクロック信号を用いて検出し、前記検出したタイミングで、前記カウンタもしくは数値制御発振器をセットしあるいはリセットすることによって、前記起点信号と短時間で同期を確立し、かつ前記起点信号が消滅した後も、比較的に長時間、同期を保持できる。

また、基準発振器４０には特に高安定のものが必要であり、例えば、±０．５ｐｐｍ程度のものが用いられる。

また、前記同期発振手段３８と前記復調されあるいは再生され起点信号との間の同期確立誤差を低減し、高精度でかつ短時間に同期を確立させるために、前記起点信号発信手段１０１、中継手段１０２、もしくはこれらの両方において、同期確立誤差関数を付与し、前記同期確立誤差関数が前記同期確立誤差を限りなくゼロに近づける特性を有するものとする。

また、前記の同期発振手段３８に前記同期確立誤差関数を付与するために、前記同期発振手段３８が、セットもしくはリセット付きの、複数組のカウンタもしくは数値制御発振器を有し、前記複数組のカウンタもしくは数値制御発振器が、前記再生された起点信号と各々異なった複数のタイミングで切替手段によって切替えられて同期を確立し、前記複数組のカウンタもしくは複数組の数値制御発振器から出力される出力信号を異なった複数のタイミングで選択手段によって選択し、選択された出力信号に同期しあるいは直交した単一もしくは複数の位置特定信号を生成し、前記生成した位置特定信号を含む無線信号を前記位置特定手段に向けて発信し、前記位置特定手段の信号処理手段において、前記複数のタイミングに対応して算出した位置の平均値を求めることによって、位置の特定精度を向上させることができる。

また、前記複数の中継手段１２ａ〜１２ｄのアンテナ又は送受波器２３には、通常指向性のものが用いられ、前記指向性の方向がサービスエリアの周辺部から内側に向けて設置され、従って、前記複数の中継手段１２ａ〜１２ｄがサービスエリアの周辺部に設置される。

（実施の形態４）
図４は本発明の第４の実施の形態による位置特定手段の構成図である。図４において、１０３は位置特定手段、４１はアンテナ又は送受波器、４２は受信手段、４３ａは起点信号再生手段、４３ｂは位置特定信号再生手段、４４は同期検出手段、４５は同期発振手段、４６は位相測定手段、４７は位相同期発振器、４８は基準発振器、４９は位置特定処理手段である。

前記起点信号発信手段１０１、複数の中継手段、もしくはこれらの組み合わせから発信されあるいは再発信される無線信号を受信し、受信した無線信号を直接あるいは中間周波信号に変換して増幅するための受信手段４２と、前記受信出力から、前記起点信号を再生しあるいは復調するための起点信号再生手段４３ａと、前記位置特定信号を再生しあるいは復調するための位置特定信号再生手段４３ｂと、
前記起点信号もしくは位置特定信号の立上り点、立下り点、もしくはゼロ交差点のタイミングを高精度で検出するための同期検出手段４４と、前記検出されたタイミングで、瞬時に前記起点信号もしくは位置特定信号との同期を確立し、前記起点信号もしくは位置特定信号が消滅した後も高精度に同期を維持できる同期発振手段４５と、前記同期発振手段４５から出力されるクロック信号を基準として、前記複数の中継手段１２ａ〜１２ｄから受信する位置特定信号の位相を高精度でしかもリアルタイムで測定するための位相測定手段４６と、前記位相の測定結果から、前記起点信号発信手段１０１もしくは位置特定手段１０３自身の位置を特定するための位置特定処理手段４９とを有し、前記位置特定処理手段４９において、前記起点信号発信手段１０１もしくは位置特定手段１０３自身の位置を、三角法もしくは双曲線航法によって、高精度で特定することができる。

また、前記位相測定手段４６が、前記起点信号もしくは位置特定信号の周波数の整数倍あるいは整数分の１の周波数をクロック信号として用い、ＳｉｎおよびＣｏｓのルックアップテーブルとの積和演算器により構成し、前記起点信号を、例えば８ビット以上のアナログデジタル変換器によってデジタル信号に変換し、前記デジタル信号に変換した起点信号とＳｉｎおよびＣｏｓのルックアップテーブルとの積和演算を行なうものであり、前記位相を検出するために用いるＳｉｎのルックアップテーブルは０、１、０、−１、もしくは１、１、−１、−１、もしくはこれらの整数倍の繰り返しであり、一方、Ｃｏｓのルックアップテーブルは１、０、−１、０、もしくは１、−１、−１、１、もしくはこれらの整数倍の繰り返しであり、かつ積和演算を行なう際の１との乗算は当該デジタル信号と同じ値であり、−１との乗算は当該デジタル信号の補数を求めることであり、０との剰算は０であり、これらを組み合わせることで、前記積和演算器を単純化でき、しかも高速で、リアルタイムの演算が可能となる。

また、位置特定処理演算の主要な部分である位相測定を、前記積和演算器を用いて処理できるので、前記位置特定処理手段４９に要求される処理内容はそれほど大きくなく、通常の８ビット程度のマイクロプロセッサを用いて構成することで、リアルタイムの処理ができるメリットが得られる。

また、前記位相測定の基準となるクロック信号を生成する同期発振手段４５において、前記起点信号発信手段１０１から発信される起点信号と同期させるか、あるいは前記中継手段から発信される位置特定信号と同期させるかの選択が必要であるが、広域をサービスする場合には後者を採用しあるいは先着順で採用し、受信可能な起点信号発信手段、複数の中継局、もしくはこれらの組み合わせから基準となる中継局をダイナミックに選択することが望ましい。

また、前記中継手段１０２ａ〜１０２ｄ、位置特定手段１０３、もしくはこれらの両方が伝搬経路の品質を検知する品質検知手段（記載せず）を有し、前記品質検知手段が、前記受信手段３３、４２において受信した無線信号の電力もしくは信号対雑音比を測定した結果から回線品質を分析し、あるいは前記位相測定手段４６で位置特定信号の位相もしくは位相差を測定した結果から位置特定精度を分析し、あるいは前記回線品質の分析と位置特定精度の分析との両方を行なうことによって、前記位置特定処理の結果を補正しあるいは補完することができる。

また、前記起点信号発信手段１０１、中継手段１０２ａ〜１０２ｄ、位置特定手段１０３、あるいはこれらの任意の組み合わせが、複数のアンテナ又は送受波器を設けて周期的に切替えながら、無線信号を発信しあるいは受信し、前記品質検知手段において、前記複数のアンテナ又は送受波器に対応して起点信号もしくは位置特定信号の位相を測定して、比較的に位相を小さく測定したものを選択して平均しあるいは荷重平均することによって、前記位置特定処理の結果を補正しあるいは補完することができる。

また、前記起点信号発信手段１０１、中継手段１０２ａ〜１０２ｄ、位置特定手段１０３、あるいはこれらの任意の組み合わせが、複数のアンテナ又は送受波器を設けて周期的に切替えながら、無線信号を発信しあるいは受信し、前記位置特定手段１０３において、前記複数のアンテナ又は送受波器に対応して起点信号、位置特定信号、もしくはこれらの両方の位相差を測定し、前記起点信号発信手段、中継手段、もしくはこれらの両方が位置する方向を検知し、前記方向の検知結果によって、前記位置特定処理の結果を補正しあるいは補完することができる。

図５は、本発明の位置特定システムのタイミングチャートであり、７１ａは起点信号発信手段で生成される起点信号、７１ｂは第１のタイムスロットに割付られた中継手段から発信される位置特定信号、７１ｃは第２のタイムスロットに割付られた中継手段から発信される位置特定信号、７１ｄは位置特定手段１０３で再生され同期発振手段で生成されるクロック信号、７２ａは起点信号発信手段から第１のタイムスロットに割付られた、例えば、中継手段１０２ａに向けられた伝搬経路、７２ｂは前記起点信号発信手段から第２のタイムスロットに割付られた、例えば、中継手段１０２ｂに向けた伝搬経路、７２ｃは前記起点信号発信手段から位置特定手段に向けられた伝搬経路、
７３ａは時分割されたタイムスロットの整数倍の間隔７７ａを経過後第１のタイムスロットに割付られた中継手段１０２ａから発信される位置特定信号、７３ｂは時分割されたタイムスロットの整数倍の間隔７７ａと第１のタイムスロット間隔７７ｂを経過後第２のタイムスロットに割付られた中継手段１０２ｂから発信される位置特定信号、７４ａは中継手段１０２ａから発信される位置特定信号が位置特定手段１０３に向けて無線回線を伝搬する経路、７４ｂは中継手段１０２ｂから発信される位置特定信号が位置特定手段１０３に向けて無線回線を伝搬する経路、７５ａ、７５ｂは位置特定手段１０３で受信される位置特定信号、
７６ａ、７６ｂは前記位置特定手段１０３で再生され同期発振手段で同期された起点信号の位相と、位置特定手段１０３で受信された位置特定信号７５ａ、７５ｂの位相との位相差、８１ａは起点信号発信手段から発信される起点信号の時間軸、８１ｂは中継手段１０２ａで生成される位置特定信号の時間軸、８１ｃは中継手段１０２ｂで生成される位置特定信号の時間軸、８２ａは中継手段１０２ａから発信される位置特定信号の時間軸、８２ｂは中継手段１０ｂ２から発信される位置特定信号の時間軸、８３ａは位置特定手段１０３で生成される基準となるクロック信号の時間軸、８３ｂ、８３ｃは中継手段１０２ａ、１０２ｂから受信し再生した位置特定信号の時間軸である。

前記起点信号発信手段１０１から発信される起点信号７１ａをＡＳｉｎ（２πｆ１ｔ）とすると、前記起点信号７１ａが、距離Ｌ１（ｍ）の伝搬経路７２ａを伝搬し、前記中継手段１０２ａによって受信され、起点信号７１ｂとして再生されると、ＢＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋２πＬ１（ｆ１／Ｃ）｝に位相が変化する。

前記再生された起点信号７１ｂと、同期確立誤差がゼロで同期した位置特定信号７３ａを生成すると、生成された位置特定信号７３ａは、同じくＢＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋（２πＬ１（ｆ１／Ｃ）｝で表される。

前記時分割の間隔７７ａ後に、前記生成された位置特定信号７３ａが、前記中継手段１０２ａから発信され、距離Ｌ２（ｍ）の伝搬経路７４ａを伝搬し、前記位置特定手段１０３で再生される位置特定信号７５ａは、ＣＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋２π（Ｌ１＋Ｌ２）（ｆ１／Ｃ）｝で表わされる。ここで、Ｃは光の速度とする。

一方、前記起点信号発信手段１０１から発信され、距離Ｌ３（ｍ）の無線回線の伝搬経路７２ｃを伝搬し、前記位置特定手段１０３で受信された起点信号と同期したクロック信号７１ｄは、ＣＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋２πＬ３（ｆ１／Ｃ）｝で表わされるので、前記クロック信号を用いて、前記再生された位置特定信号７５ａの位相を測定すると、位相差７６ａが測定され、ΔΦ＝｛４π（Ｌ１＋ｌ２−Ｌ３）（ｆ１／Ｃ）｝となることから、（Ｌ１＋Ｌ２−Ｌ３）＝ＣΔΦ／４πｆ１から、距離（Ｌ１＋Ｌ２−Ｌ３）（ｍ）が算出できる。

なお、前記のＬ２（ｍ）は固定値であり、前記位置特定手段１０３の内部情報としてダウンロードされ記憶されているものとする。

以上の説明では、前記中継手段から発信される位置特定信号として、単一の周波数の位置特定信号を再発信する場合について説明したが、単一の周波数の位置特定信号を用いる場合、ΔΦの変化を０＜ΔΦ＜２πに制限する必要があることから、再生された起点信号７１ｂに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位置特定信号を用いると、複数のレンジで位置を特定することが可能となり、特定したい位置にレンジを合わせることで、精密な位置の特定が可能となるメリットが得られる。

また、前記中継手段から発信する位置特定信号は、周波数分割多重方式で同時発信することができる。

また、前記無線信号として、超音波信号、高周波信号、もしくは光信号を用いることができる。なお、超音波信号もしくは光信号の場合には、アンテナの代わりに、送受波器を用いる。

また、超広帯域通信方式（ウルトラワイドバンド）を用いることで、高い周波数の変調信号あるいは高いチップレートの拡散符号を採用できるので、同期しもしくは直交する複数の変調信号もしくは拡散符号を割当てることが可能となり、複数の測定レンジを設定できることから、３０ｍ以内の近距離での位置特定精度を向上させることができる。

また、前記無線信号の周波数として、ＧＰＳに割当てられた周波数、あるいはその近傍の周波数を割当てることが出来れば、ＧＰＳへの妨害が少なくしかも屋内でも、前記位置特定手段の位置を高精度で特定することが可能となることから、ＧＰＳのシームレス化が実現できる。

また、起点信号発信手段をＲＦタグとして、コンテナもしくは流通貨物に添付し、通学中の児童に携帯させ、あるいは車両に搭載することでと、コンテナヤードでのコンテナの３次元の位置、あるいは倉庫内の貨物の３次元の位置が自動的に検知できることになる。

また、起点信号発信手段を児童が携帯し、複数の中継手段を交差点の周辺などに設置し、位置特定手段を車両に搭載することで、交差点もしくは横断歩道での児童と車との出会い頭の衝突を防止するための装置に応用できる。

本発明によれば、上記のように構成されているため、前記中継手段の数が４局以上の場合、移動局もしくは携帯端末の３次元の位置を高精度で特定することが可能となり、利便性と利用価値が更に高くなる。

また、前記複数の基地局と複数の中継手段とを離散的に設置し、基地局から発信される無線信号を中継し、起点信号発信手段によって受信することによって、当該移動局もしくは携帯端末の３次元の位置を広いエリアに渡って、高精度で特定できる。

また、固定された起点信号発信手段と固定された複数の中継手段との組み合わせが、ＧＰＳ擬似衛星局として離散的に設置され、本発明による移動局もしくは携帯端末の機能をＧＰＳ携帯電話機に搭載すると、ＧＰＳを屋外と屋内でシームレスに接続することができることから、年間数千万台のＧＰＳ携帯電話機市場に普及することが期待される。

また、起点信号発信手段をＲＦタグとして流通貨物などに添付し、屋内に、複数の中継手段を離散的に設置し、前記ＲＦタグからの無線信号を中継して、位置特定手段によって受信することによって、前記ＲＦタグの３次元の位置を高精度で特定できることから、貨物の流通の合理化が可能となる。

なお、本発明の位置特定技術は基盤技術であり、上記以外に多分野での利用が期待できる。

Ａ、Ｂ 中継局
Ｐ 親局
Ｃ 移動局
１０１ 起点信号発信手段
１０２ａ〜１０２ｄ 中継手段
１０３ 位置特定手段
１１ａ〜１１ｅ 起点信号発信手段から発信される無線信号の伝搬経路
１２ａ〜１２ｄ 位置特定手段に向けて発信される無線信号の伝搬経路

Claims (12)

1. 超音波信号もしくは高周波信号もしくは光信号である無線信号を用いた位置特定システムにおいて、
   前記無線信号を間欠発信するための起点信号発信手段と、
   前記起点信号発信手段から発信される無線信号を受信し、同一周波数でかつ時分割された複数のタイムスロットに対応して中継しあるいは再発信するための複数の中継手段と、
   前記起点信号発信手段、前記複数の中継手段、もしくはこれらの組み合わせから発信されあるいは中継される無線信号を受信し、前記起点信号発信手段もしくは位置特定手段自身の位置を特定するための位置特定手段と、
   から構成され、
   前記起点信号発信手段が、少なくとも、
   システム同期信号と、識別信号と、起点信号とを生成するための起点信号生成手段と、
   前記生成される起点信号を含む無線信号を、アンテナ又は送受波器を介して、バースト信号として間欠発信するための第１の送信手段と
   を有し、
   前記中継手段が、少なくとも、
   前記起点信号発信手段から発信される無線信号をアンテナ又は送受波器を介して受信し、直接もしくは中間周波信号に変換して増幅するための第１の受信手段と、
   前記無線信号から起点信号を再生しあるいは復調するための起点信号再生手段と、
   前記起点信号の立上り点、立下り点、あるいはゼロ交差点のタイミングを高精度で検出するための同期検出手段と、
   前記検出されたタイミングで、瞬時に同期を確立し、前記起点信号が消滅した後も高精度で同期を維持し、前記起点信号と同期したクロック信号を生成するための同期発振手段と、
   前記クロック信号に同期しあるいは直交した位置特定信号を生成するための位置特定信号生成手段と、
   前記位置特定手段に向けて、時分割された複数のタイムスロットの内から割当てられたタイムスロットで、少なくとも、システム同期信号と、自局の識別信号と、前記生成した位置特定信号とを含む無線信号を、アンテナ又は送受波器を介して、バースト信号として発信するための第２の送信手段と、
   前記第１の送信手段と前記第１の受信手段との間で、アンテナ又は送受波器を時分割で切替えあるいは共有するためのアンテナ切替手段と
   を有し、
   前記位置特定手段が、少なくとも、
   前記起点信号発信手段、前記複数の中継手段、もしくはこれらの組み合わせから発信されあるいは中継される無線信号をアンテナ又は送受波器を介して受信し、直接もしくは中間周波信号に変換して増幅するための受信手段と、
   前記無線信号から、少なくとも前記位置特定信号を再生しあるいは復調するための起点信号再生手段および位置特定信号再生手段と、
   前記起点信号もしくは位置特定信号の立上り点、立下り点、あるいはゼロ交差点のタイミングを高精度で検出するための同期検出手段と、
   前記複数のタイムスロットに対応し、前期検出されたタイミングで、前記位置特定信号との同期を瞬時に確立し、前記起点信号もしくは位置特定信号が消滅した後も高精度に同期を維持するための同期発振手段と、
   前記同期発振手段からの出力されるクロック信号を基準として、前記複数の中継手段から受信する位置特定信号の位相を高精度でしかもリアルタイムで測定するための位相測定手段と、
   前記位置特定信号の位相の測定結果から、前記起点信号発信手段もしくは位置特定手段自身の位置を特定するための位置特定処理手段と
   を有し、
   前記位置特定処理手段において、前記起点信号発信手段もしくは位置特定手段自身の位置を、三角法もしくは双曲線航法によって、高精度で特定する
   ことを特徴とする位置特定システム。
2. 前記起点信号発信手段が移動局もしくは携帯端末であり、かつ前記位置特定手段が基地局であり、あるいは前記起点信号発信手段が基地局であり、かつ前記位置特定手段が移動局もしくは携帯端末であることを特徴とする請求項第１項記載の位置特定システム。
3. 前記第１及び第２の送信手段から発信される起点信号、位置特定信号、もしくはこれらの両方が、単一もしくは同期しあるいは直交する複数の、搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの任意の組み合わせであることを特徴とする請求項第１項記載の位置特定システム。
4. 前記起点信号発信手段の前記第１の送信手段から無線信号を間欠発信する間隔を、内部に設けた自励発振器を用いてランダムに制御することで、前記間欠発信のタイミングを非同期とし、あるいは前記タイミングを移動速度に応じて制御することを特徴とする請求項第１項に記載の位置特定システム。
5. 前記位置特定手段が、前記起点信号発信手段から受信した起点信号、前記複数の中継手段から受信した位置特定信号、あるいはこれらの組み合わせを再生し、前記同期発振手段を複数組設けて順次同期させ、前記起点信号もしくは前記位置特定信号に同期した前記同期発振手段から出力されるクロック信号を基準として、第１のタイムスロットで発信する中継手段から受信する第１の位置特定信号の位相を測定し、以下順次タイムスロットを移動させながら、位置特定信号の位相をリアルタイムで測定することを特徴とする請求項第１項に記載の位置特定システム。
6. 前記同期発振手段が、少なくとも前記起点信号もしくは前記位置特定信号の周波数の１０倍以上の周波数によって駆動される、セットもしくはリセット付きのカウンタ又は値制御発振器によって構成され、前記同期検出手段が、前記起点信号もしくは複数の位置特定信号の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを、少なくとも前記起点信号もしくは前記位置特定信号の周波数の１０倍以上の周波数のサンプリング信号によって検出し、前記同期検出手段が検出したタイミングで、前記同期発振手段をセットしあるいはリセットすることによって、前記同期発振手段を、前記起点信号もしくは前記位置特定信号と同期を確立し、かつ前記起点信号もしくは位置特定信号が消滅した後も、所定期間、同期を保持できることを特徴とする請求項第１項に記載の位置特定システム。
7. 前記同期発振手段と、前記起点信号もしくは前記位置特定信号との間の同期確立誤差に同期確立誤差関数を付与することによって前記同期確立誤差を低減することを特徴とする請求項第１項に記載の位置特定システム。
8. 前記同期確立誤差関数を付与するために、前記起点信号もしくは前記位置特定信号の位相をシフトさせるための移相手段と、前記移相手段によって各々異なった位相にシフトされた起点信号もしくは位置特定信号を選択し、外部に出力するためのタイミング制御手段とを設け、前記移相手段の移相量の合計を、前記同期発振手段から出力されるクロック信号の一周期の間隔よりも大きく設定することを特徴とする請求項第７項に記載の位置特定システム。
9. 前記同期確立誤差関数を付与するために、前記同期発振手段が複数組のカウンタ又は数値制御発振器を有し、前記複数組のカウンタ又は数値制御発振器が前記再生された起点信号、位置特定信号、もしくはこれらの両方と、各々異なった複数のタイミングで、切替手段によって切替えられて同期を確立し、前記複数組のカウンタ又は複数組の数値制御発振器から出力される出力信号を異なった複数のタイミングで選択し、選択された出力信号に同期しもしくは直交した単一もしくは複数のクロック信号を生成することを特徴とする請求項第８項に記載の位置特定システム。
10. 前記第１及び第２の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、前記第１及び第２の受信手段において受信した無線信号の電力あるいは信号対雑音比を測定した結果から回線品質を分析し、あるいは前記位相測定手段で位置特定信号の位相あるいは位相差を測定した結果から位置特定精度を分析し、あるいは前記回線品質の分析と位置特定精度の分析の両方を行い、前記位置特定処理の結果を補正しあるいは補完することを特徴とする請求項第１項から第９項のいずれか１項に記載の位置特定システム。
11. 前記第１の受信手段、前記第２の受信手段、前記第１の送信手段、前記第２の送信手段、もしくはこれらの組合せが、複数のアンテナ又は送受波器を設けて周期的に切替えながら、無線信号を受信しあるいは発信し、前記品質検知手段において、前記複数のアンテナ又は送受波器に対応して起点信号、位置特定信号、もしくはこれらの両方の位相を測定し、比較的に位相を小さく測定したものを選択し平均しあるいは荷重平均することによって、前記位置特定処理の結果を補正しあるいは補完することを特徴とする請求項第１０項に記載する位置特定システム。
12. 前記無線信号の周波数として、ＧＰＳに割当てられた周波数、あるいはその近傍の周波数を割当てることで、屋外と屋内でＧＰＳをシームレスに接続することを特徴とする請求項第１項に記載する位置特定システム。

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