JP2016011927A - 超高感度位置計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】三次元位置を正確に、かつ、安価・簡易に測位できるシステムを提供する。
【解決手段】座標位置が既知の複数のＵＷＢ固定受信局１を設け、さらに、既知の座標位置にＵＷＢ基準局Ａを設けて、周期的にＭ系列のＰＮ符号をＵＷＢ固定受信局１へ発信する。そして、座標位置が未知なるＲＦタグ端末ＴからＭ系列のＰＮ符号を発信して、固定受信局１にて受信する。そして、固定受信局１側にて、基準局Ａ及びＲＦタグ端末Ｔからの信号を演算して、端末Ｔの位置を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、超高感度位置計測システムに関する。

従来から位置計測方法として、ＧＰＳが広く使用されている。
しかしながら、ビル等の建物内、地下街等では電界が弱くなって、精度良く人工衛星からの信号を受信することが困難であった。
そこで、本発明者（の内の一人）は、ＧＰＳを利用したＧＰＳ位置計測システムについて数件の発明を提案してきた（例えば、特許文献１参照）。

上記ＧＰＳ位置計測システムの発明によって、建物内や地下街等であっても、人工衛星からの微弱な信号を受信可能となった。
しかし、ＧＰＳ位置計測システムでは、三次元的な位置の特定―――例えば、ビル内の何階に居るのかといった特定―――は至難であるという欠点があった。
また、歩行者に、加速センサ，ジャイロ，地磁気センサ等を搭載した自律走行ナビも提案されてはいるが、累積誤差があり、少し離れると位置がずれてくるという欠点があった。
さらに、ＵＷＢを使って位置計測を行うという考えも存在するが、法令上許容された電力で送信されたＵＷＢの電波は、極めて微弱であるため、壁や床を通過すると一層微弱化して、位置計測が不可能であるという重大な問題があって、ほとんど実用に供されていない。

本発明者等は、ＵＷＢを利用した超高感度の位置計測システムを提案した（特許文献２参照）。そのシステムでは、複数のＵＷＢ送受信機を、既知の位置に予め設置し、サーバーによって、複数の上記ＵＷＢ送受信機の「同期」を取って、周期的に送信する信号を、未知の位置にある移動対象物に付設のＵＷＢ用ＲＦタグから、固有のタグ識別信号を付加して、このＲＦタグから反射させたＭ系列のＰＮ符号を、全ての上記ＵＷＢ送信機に於て「同時」に受信する必要がある。即ち、「同時に」受信させなければ、正確な距離と位置を計算することが、難しい。結局、（同時受信のために）光ファイバーを建物内に張りめぐらせる工事が必要であり、さらに、ＵＷＢ送受信機等の回路が複雑・高価となる等の問題が残されていることが、発明者等のその後の研究開発において判明した。

米国特許第７，４０８，５０４号公報 特開２０１１−８０９４６号公報

上述したように、本発明者等の提案した発明では、設置工事の面倒さ、ＵＷＢ送受信機等の回路が複雑化し、高価なシステムとなってしまう等の問題が残されている。
そこで、本発明は、上述した従来の問題を解決して、各種建物内や地下街等への設置工事を容易かつ迅速に行えるようにし、さらに、各構成機器を簡素化して安価なものとすることを目的とする。しかも、壁や床や天井や障害物が存在する建物あるいは地下街等に於ても、超高感度で計測できるシステムを、提供することを目的とする。

そこで、本発明に係る超高感度位置計測システムは、座標位置が既知の複数のＵＷＢ固定受信局と；既知の座標位置に設置され、上記固定受信局に対して、Ｍ系列のＰＮ符号を周期的に送信するＵＷＢ基準局と；座標位置が未知の対象物に付設され、Ｍ系列のＰＮ符号を送信するＲＦタグ端末と、を具備し；上記基準局からのＭ系列のＰＮ符号を上記各固定受信局にて受信することにより、基準局と固定受信局との第１距離を計測する第１計測手段と；上記端末からのＭ系列のＰＮ符号を上記各固定受信局にて受信することにより、端末と固定受信局との第２距離を計測する第２計測手段と；上記基準局と上記各固定受信局との幾何学的距離と、上記第１計測手段にて計測した上記第１距離との差分を計算する差分計算手段と；上記第２距離を上記差分を用いて補正する補正擬似距離計算手段と；上記補正擬似距離計算手段によって求められた補正擬似距離と、各固定受信局座標位置により、上記端末の三次元位置を演算する端末位置演算手段とを；具備する。
また、上記各端末を起動させるトリガーパルスを発信する外部起動パルス発信機を配設する。

本発明によれば、複数のＵＷＢ固定受信局に於て、ＲＦタグ端末からのＭ系列のＰＮ信号を、「同時」に受信せずに済み、従って、設置工事の迅速化・簡略化を可能とした。また、各構成機器の簡素化及びコストダウンを図り得る。しかも、本システムによって、壁や床や天井や障害物が多く存在するビル、病院、駅、施設や地下街等に於ても、人又は物の位置を正確に知ることが可能である。従来のＧＰＳ測位システムでは困難であった“三次元”の（人や物の）位置を高精度に、計測することを実現できた。

本発明の実施の一形態を示すブロック図である。 要部の一実施例のブロック図である。 他の実施例を示す要部ブロック図である。 別の実施例を示す要部ブロック図を説明する斜視図である。 基本的構成及び作用を説明するための図である。 本発明の適用場所の一例を説明する斜視図である。 本発明の適用場所を示した正面図である。 本発明における同期加算の説明図である。

以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。
本発明に係る超高感度の位置計測システムは、図６と図７に例示した駅10等の建物内や地下街11等の位置計測に用いられ、同図中に星印にて示した多数（複数）のＵＷＢ固定受信局（受信機）１…を、駅10等の建物の各階に、さらに、地下街11に、固設（配設）する。従って、各固定受信局１は、三次元の座標位置が既知である。なお、本発明に於て、ＵＷＢとは、Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄのことを言う。

図７に示す正面図では、各階毎に複数個のＵＷＢ固定受信局１…が配設されていることを示しているが、平面的に見れば、二次元的に散点状に配設する（図示省略）。
次に、Ａは既知の三次元の座標位置に設置（固設）されたＵＷＢ基準局であって、多数の固定受信局１…に対して、Ｍ系例のＰＮ符号を周期的に送信するものである。
Ｔは、座標位置が未知の人や物等の対象物20に付設されたＲＦタグ端末であり、このＲＦタグ端末ＴはＭ系列のＰＮ符号を送信する。ＲＦタグ端末Ｔから送信されるＭ系列のＰＮ符号（図１に於て信号Ｉｔをもって示した）は、ＵＷＢ固定受信局１にて受信する。

図１に於て、３は、図２又は図３又は図４に例示した各種手段（機能）を具備したサーバーである。このサーバー３は、通信手段４を介して、全ての固定受信局１と、送受信可能に接続される。また、５はディスプレイ（表示手段）であって、後述のタグ位置を画面表示する。なお、図１では、床や天井等を省略表示し、受信局１（Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ）を同一高さに簡易的に描いているが、図７を参酌すれば、簡易的に上方及び下方にも配置していることが、理解できるであろう。
そして、上記ＲＦタグ端末Ｔは、駅10内で働く駅員や駅内売店販売員等の人や駅内作業器具等の物から成る移動対象物20に付設され、また、建物が病院であれば、医者、看護師等の人や医療機器（具）やカルテ等の物から成る移動対象物20に付設され、建物が高層ビルであって複数階を所有する企業であれば、役員や社員あるいは外来者等の人や、移動自在な備品等の対象物20に付設される。

上記基準局Ａから発信されるＭ系列のＰＮ符号の信号Ｉａを、各固定受信局１にて受信することにより、基準局Ａと各固定受信局１との第１距離Ｌ₁ を計測する第１計測手段31を、図２では、サーバー３が備える。このとき、基準局Ａから発信されてくる信号Ｉａを、各固定受信局１にて受信し―――この場合、非同時受信し―――、通信手段４を介してサーバー３にデータを送って、このサーバー３にて同期加算及び相関計算を行う（図８参照）ことにより、上記第１距離Ｌ₁ を求める。
さらに、タグ端末Ｔから発信されるＭ系例のＰＮ符号の信号Ｉｔを、各固定受信局１にて受信することにより、タグ端末Ｔと固定受信局１との第２距離Ｌ₂ を計測する第２計測手段32を、図２では、サーバー３が備えている。このとき、端末Ｔから発信されてくる信号Ｉｔを、各固定受信局１にて受信し―――この場合、非同時受信し―――、通信手段４を介してサーバー３にデータを送って、このサーバー３にて同期加算及び相関計算を行う（図８参照）ことにより、上記第２距離Ｌ₂ を求める。

基準局Ａと各固定受信局１との幾何学的距離Ｇ_L と、上記第１計測手段31にて計測した第１距離Ｌ₁ との差分ΔＤを計算する差分計算手段33を、備えており、図２に於ては、サーバー３がこの差分計算手段33を備える。
さらに、本発明のシステムは、第２距離Ｌ₂ を上記差分ΔＤで補正する擬似距離計算手段34を、備えており、図２に於ては、サーバー３がこの擬似距離計算手段34を備える。
さらに、上記擬似距離計算手段34によって求められた擬似距離Ｌ_X と、各固定受信局座標位置により、上記端末Ｔの三次元位置（座標）を演算する端末位置演算手段35を、備えており、図２に於ては、サーバー３がこの端末位置演算手段35を備える。

図２に示した実施例では、サーバー３が、第１計測手段31，第２計測手段32，差分計算手段33，擬似距離計算手段34及び端末位置演算手段35を、全部備えているが、図３に示す他の実施例のように構成することも可能である。即ち、図３に示したように、第１計測手段31と第２計測手段32を、各固定受信局１に設け、かつ、差分計算手段33，擬似距離計算手段34，端末位置演算手段35を、サーバー３が備えている。
あるいは、図４に示したように、図３の実施例における、サーバー３側の差分計算手段33までも、各固定受信局１側に設けるも、自由である。

ところで、図１に於て、トリガーパルス発信機15を配設して、（各端末Ｔから常時信号Ｉｔを発信するのではなく、）トリガーパルス発信機15からトリガーパルスＰ₀ を発信したときに、端末Ｔが起動して、信号Ｉｔを発信するようにする。なお、トリガーパルス発信機15からは、多数個の端末Ｔ…の内から、１個又は適当個数の端末Ｔのみを起動するように識別信号を付加したトリガーパルスＰ₀ を発信することが、望ましい。

以上、図１〜図４に基づいて、本発明に係る位置計測システムによるタグ端末Ｔ（対象物20）の位置を求める手法に関して、説明したが、以下、主として、図５に基づいて追加説明する。
図５に於て、基準局Ａと、固定受信局１として、（例えば、４箇所の）Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆを既知の（三次元）座標位置に配設する。さらに、（三次元）座標位置が未知なる１個のタグ端末Ｔに関しての位置（座標）を求める手法について追加説明する。

図５に於て、基準局Ａから発信したＭ系列のＰＮ符号（信号）を固定受信局１（Ｃ点）で受信測定した（擬似）距離Ｌ_AC―――つまり、前記第１距離Ｌ₁ ―――は、次の数式１のようになる。
Ｌ₁ ＝Ｌ_AC＝Ａ₁ ・Ａ＋Ａ・Ｃ＋Ｃ・Ｃ₂ ［数１］
但し、
Ａ₁ ・Ａは、基準局Ａ側のタイミングによる距離誤差
Ａ・Ｃは、基準局Ａと固定受信局Ｃとの真の距離（これは既知）、即ち、幾何 学的距離Ｇ_L である。
Ｃ・Ｃ₂ は、固定受信局Ｃ側のデータ取り込みタイミングによる距離誤差
上記数式１の第１距離Ｌ₁ （距離Ｌ_AC）は、図２，図３，又は、図４の第１計測手段31にて計測する。

次に、端末Ｔから発信したＭ系列のＰＮ符号（信号）を固定受信局１（Ｃ点）で受信測定した（擬似）距離Ｌ_TC―――つまり、前記第２距離Ｌ₂ ―――は、次の数式２のようになる。
Ｌ₂ ＝Ｌ_TC＝Ｔ₁ ・Ｔ＋Ｔ・Ｃ＋Ｃ・Ｃ₁ ［数２］
但し、
Ｔ₁ ・Ｔは、端末Ｔ側のタイミングによる距離誤差
Ｔ・Ｃは、求めるべき、Ｔ点とＣ点との真の距離
Ｃ・Ｃ₁ は、固定受信局Ｃ側のデータ取り込みタイミングによる距離誤差
上記数式２の第２距離Ｌ₂ （距離Ｌ_TC）は、図２，図３、又は、図４の第２計測手段32にて計測する。

ところで、第１計測手段31・第２計測手段32による上述の第１距離Ｌ₁ 及び第２距離Ｌ₂ の計測方法に於て、同期加算と相関計算が行われる。即ち、ＵＷＢの電波によりＭ系列ＰＮ符号を、基準局Ａ及び端末Ｔから、周期的に複数回（ｎ回とする）送信Ｉｔ，Ｉａして、固定受信局１にて受信し、受信側で復調されたＭ系列のＰＮ符号をｎ回にわたって同期加算して、その後、相関計算（サンプリング数をｍとする）を、することにより、１／√ｍｎだけ内部熱雑音を減少させることができる。即ち雑音の中にうずもれた壁ごし、あるいは、床・天井ごしの信号であっても、雑音の中から、信号を、浮かび上らせることができる（図８参照）。

一般にデータＸをｘ（ｎ）（ただしｎ＝０：ｍ−１）、データＹをｈ（ｎ）（ただしｎ＝０：ｍ−１）、ｋを整数として０≦ｋ≦ｍ−１としたとき、相互相関計算式は次の数式３で与えられる。

ここでｙ（０），ｙ（１），ｙ（２），………ｙ（ｍ−１）を計算。ここでｙ（ｋ）の計算においてデータの加算回数はｍ個である。データｘ（ｎ）に重畳している雑音が熱雑音のような統計的性質にあうガウス性のものとするとｍ回の加算により雑音の成分は１／√ｍの比率で減少することが知られている。そしてこの計算を相関計算という。（等価な相関計算は高速演算としてＦＦＴを用いて、一般によく知られて用いられる方法があるが、ここでは原理説明のため一般的な計算方法を示した）。またｙ（０），ｙ（１），ｙ（２），………ｙ（ｍ−１）のそれぞれの絶対値が、最大の値であればｙ（ｍｍ）の絶対値を相関のピーク値とする。（ただし０≦ｍｍ≦ｍ−１）このときのｍｍを遅延量τと呼ぶ。また、遅延量とピーク値ｙ（ｍｍ）を求めることを相関のピーク値を求めるという。またここでデータＸが周期性信号をｎ回同期して得られたｘ（ｎ）とすれば、この相関計算により熱雑音軽減量は１／√ｍｎの比率で減少する。そして、本発明ではＰＮコードをｘ（ｎ）、レプリカＰＮ符号をｈ（ｎ）、ｎを同期加算回数、ｍをＰＮコード信号１周期分のサンプル数として、相関計算により熱雑音軽減量は１／√ｍｎの比率で減少する。
一例として、ｍ＝2046、ｎ＝ 10000の場合には、１／√（2046× 10000）に熱雑音は軽減される。

図７に示すように、三次元空間に存在するＵＷＢ用ＲＦタグ端末Ｔであって、壁２、床、天井にて遮断されていても、壁ごし、床、天井ごしに、固定受信局１及びサーバー３によって、雑音の中から信号を浮かび上らせることができ、前記距離Ｌ_AC（Ｌ₁ ）；Ｌ_TC（Ｌ₂ ）を求め得る。

次に、図２，図３又は図４に於ける差分計算手段33にて行うべき計算（方法）について、以下、説明すれば、図５にもどって、前述の基準局ＡからのＭ系列のＰＮ符号（信号）の取り込み時刻と、タグ端末ＴからのＭ系列のＰＮ符号（信号）の取り込み時刻は、同じ固定受信局１（Ｃ点）で取り込むので、同一時刻から取り込み開始しており、一致しており、（図５に示すように、Ｃ点を中心とする同一円上にＣ₁ 点とＣ₂ 点が存在し、）
Ｃ・Ｃ₁ ＝Ｃ・Ｃ₂ ［数４］
ここで、（Ｌ_AC−Ａ・Ｃ）をｄＬttとおくと、ｄＬttは、Ｃ点で計測した擬似距離Ｌ_AC（第１距離Ｌ₁ ）の誤差を示す。
ｄＬtt＝Ｌ_AC−Ａ・Ｃ＝Ａ・Ａ₁ ＋Ｃ・Ｃ₂ ［数５］
他方、Ｔ点とＣ点の間の前記擬似距離Ｌ_TCは、Ｃ点（固定受信局１）での読み込みタイミングの距離誤差（時刻誤差相当）Ｃ・Ｃ₁ を含んでいる。以上が、差分計算手段33にて行う差分計算工程である。

そこで、図２，図３又は図４に示した（補正）擬似距離計算手段34によって、次の演算を行う。即ち、前記誤差Ｃ・Ｃ₁ を消去することで、補正擬似距離を求める。
前記誤差Ｃ・Ｃ₁ を消去した補正擬似距離は、次式のようになる。
Ｌ_TC−ｄＬtt＝Ｌ_TC−（Ｌ_AC−Ａ・Ｃ） ［数６］
ここで数式５を代入する。
Ｌ_TC−ｄＬtt＝Ｌ_TC−（Ａ₁ ・Ａ＋Ｃ・Ｃ₂ ）＝Ｔ・Ｃ＋（Ｔ₁ ・Ｔ−Ａ₁ ・Ａ）
［数７］
以上の数式７は、Ｃ点においての補正擬似距離である。この補正擬似距離をＬ_C と置く。即ち、Ｌ_C ＝Ｔ・Ｃ＋（Ｔ₁ ・Ｔ−Ａ₁ ・Ａ） ［数８］
ここで、
ΔＲ＝Ｔ₁ ・Ｔ−Ａ₁ ・Ａ ［数９］
と置くと、数式８から、
Ｌ_C ＝Ｔ・Ｃ＋ΔＲ ［数１０］
以上は、図５に於けるＣ点の補正擬似距離Ｌ_C を求める場合についての説明である。次に、Ｄ点，Ｅ点，Ｆ点の各々の補正擬似距離Ｌ_D ，Ｌ_E ，Ｌ_F とすると共に、タグ端末（Ｔ点）から、各Ｄ点，Ｅ点，Ｆ点までの幾何学的真距離を、Ｔ・Ｄ，Ｔ・Ｅ，Ｔ・Ｆとすると、同様に、以下の数式が得られる。
Ｌ_D ＝Ｔ・Ｄ＋ΔＲ ［数１１］
Ｌ_E ＝Ｔ・Ｅ＋ΔＲ ［数１２］
Ｌ_F ＝Ｔ・Ｆ＋ΔＲ ［数１３］
以上、数式１０から数式１３までの各々は、固定受信局（Ｃ点，Ｄ点，Ｅ点，Ｆ点）の各点に於て計測された擬似距離を、各異なる補正量で、補正した補正擬似距離Ｌ_C ，Ｌ_D ，Ｌ_E ，Ｌ_F を表す。以上が、補正擬似距離計算手段34によって行う補正擬似距離計算工程である、

次に、図２，図３，又は図４に示す端末位置演算手段35の演算について説明する。上記各補正擬似距離Ｌ_C ，Ｌ_D ，Ｌ_E ，Ｌ_F は、各々、（幾何学的真距離）＋（共通の誤差ΔＲ）から成り立っている。そこで、（公知の）逐次計算処理手法によって、真の距離Ｔ・Ｃ，Ｔ・Ｄ，Ｔ・Ｅ，Ｔ・Ｆ………を求めることができる。このように、端末位置演算手段35には逐次計算処理手段をも備えていると言える。ここで、念を入れて逐次計算処理過程について述べると、以下の通りである。

以下、タグ端末Ｔ（Ｔ点ともいう）の位置計算の手法を図５を参照しつつ説明する。Ｔ点の初期値を任意に設定する。
各Ｃ点、Ｄ点、Ｆ点、Ｅ点と初期値座標との各幾何学的距離を計算する。これらとＣ点、Ｄ点、Ｆ点、Ｅ点で計測して補正された補正擬似距離との差分をΔr1，Δr2，Δr3，Δr4とする。
初期値の場所の点から、Ｃ点を見たＸ，Ｙ，Ｚ方向の視線方向の余弦値をα１，β１，γ１；
Ｄ点を見たＸ，Ｙ，Ｚ方向の視線方向の余弦値をα２，β２，γ２；
Ｅ点を見たＸ，Ｙ，Ｚ方向の視線方向の余弦値をα３，β３，γ３；
Ｆ点を見たＸ，Ｙ，Ｚ方向の視線方向の余弦値をα４，β４，γ４；
とする。
以下の方程式に上記で得た数値を代入。

これより以下を求める。

この補正量δＸで初期値を修正する。
修正された初期値で、同様の計算を行う。この計算結果で得られたδＸで、修正された初期値をさらに修正する。また、同様の計算を、δＸのｓを除く各要素の値が、充分に小さくなるまで繰り返す。（シミュレーションでは0.000001以下、10回以下で止めています。）最終的に補正された初期値が、（三次元の座標位置が公知の）多数の固定受信局１（Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ………）の各々と、タグ端末Ｔとの「距離」であり、これによってタグ端末Ｔの三次元座標（位置）が高精度で求められる。以上が、端末位置演算手段35によって行う端末位置演算工程である。

本発明によれば、病院に適用すれば、緊急患者が発生した場合に、医師等（移動対象物）の所在場所が、立体的に直ちに確認できて、好ましいといえる。また、図６・図７に示したような高層ビルや駅やショッピングセンター等の建物や施設や地下街に於て、人又は物から成る移動対象物20を、迅速に確認できて、本発明の用途は広いといえる。また、本発明は、従来のＧＰＳによる測位システムでは至難とされてきたところの三次元的測位が可能となり、その用途が前述の如く広い。

本発明は、従来は余りに微弱過ぎて、測位システムには、ほとんど実用性が無いと思われてきたＵＷＢを巧妙に実用性の高いものとして、新たな用途を開拓する革新的発明である。

１ 固定受信局
３ サーバー
15 トリガー発信機
20 移動対象物
31 第１計測手段
32 第２計測手段
33 差分計算手段
34 補正擬似距離計算手段
35 端末位置演算手段
Ａ 基準局
Ｇ_L 幾何学的距離
Ｉ₀ 信号
Ｉt 信号
Ｌ₁ 第１距離
Ｌ₂ 第２距離
Ｐ₀ トリガーパルス
Ｔ （ＵＷＢ用）ＲＦタグ端末

Claims (2)

1. 座標位置が既知の複数のＵＷＢ固定受信局（１）と、
   既知の座標位置に設置され、上記固定受信局（１）に対して、Ｍ系列のＰＮ符号を周期的に送信するＵＷＢ基準局（Ａ）と、
   座標位置が未知の対象物（20）に付設され、Ｍ系列のＰＮ符号を送信するＲＦタグ端末（Ｔ）と、を具備し、
   上記基準局（Ａ）からのＭ系列のＰＮ符号を上記各固定受信局（１）にて受信することにより、基準局（Ａ）と固定受信局（１）との第１距離（Ｌ₁ ）を計測する第１計測手段（31）と、
   上記端末（Ｔ）からのＭ系列のＰＮ符号を上記各固定受信局（１）にて受信することにより、端末（Ｔ）と固定受信局（１）との第２距離（Ｌ₂ ）を計測する第２計測手段（32）と、
   上記基準局（Ａ）と上記各固定受信局（１）との幾何学的距離（Ｇ_L ）と、上記第１計測手段（31）にて計測した上記第１距離（Ｌ₁ ）との差分を計算する差分計算手段（33）と、
   上記第２距離（Ｌ₂ ）を上記差分を用いて補正する補正擬似距離計算手段（34）と、
   上記補正擬似距離計算手段（34）によって求められた補正擬似距離と、各固定受信局座標位置により、上記端末（Ｔ）の三次元位置を演算する端末位置演算手段（35）とを、
   具備することを特徴とする超高感度位置計測システム。
2. 上記各端末（Ｔ）を起動させるトリガーパルス（Ｐ₀ ）を発信する外部起動パルス発信機（15）を配設した請求項１記載の超高感度位置計測システム。

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