JP2021032561A

JP2021032561A - 測位環境提供システム

Info

Publication number: JP2021032561A
Application number: JP2019148583A
Authority: JP
Inventors: 康彦相子; Yasuhiko Aiko; 徹奥村; Toru Okumura
Original assignee: Toshiba Electronic Systems Co Ltd
Current assignee: Toshiba Electro Wave Products Co Ltd
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2021-03-01

Abstract

【課題】 GNSSの電波が届かない対象領域においても高精度な測位が可能な環境を提供する。【解決手段】実施形態の測位環境提供システムは、親局装置と、分配装置と、複数の子局装置とを備える。親局装置は、基準とするタイミングを示す信号を周期的に出力する。分配装置は、親局装置から出力される信号を複数系統に分配する。複数の子局装置は、それぞれ測位対象領域に配置され、前記分配装置で分配される信号を受信して前記タイミングを検出し、当該タイミングを基準に測位信号を生成し、前記測位対象領域に送信する。【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信技術を利用して対象物の位置を測位可能な環境を提供する測位環境提供システムに関する。

GNSS（Global Navigation Satellite System / 全球測位衛星システム）による測位システムでは、衛星からの電波が届かない領域（以下、対象領域）において、シュードライト（GPS衛星と同様な信号を送信する装置）を用いることで、高精度な測位を行っている。すなわち、この測位システムは、高精度なGNSS受信機と発信機を搭載した複数のシュードライトを対象領域内に配置し、基準となるシュードライトから送信される基準信号で他のシュードライトを同期させることで、高精度な測位を実現している。

しかしながら、複数のシュードライトを高精度に同期させることは困難かつ高価である。このため、従来では、衛星電波が届かない対象領域で、簡易かつ安価に高精度な測位を実行可能な環境を構築することはできなかった。

特開２０００−１８０５２７号公報

本実施形態の課題は、衛星電波が届かない対象領域において、簡易かつ安価に高精度な測位が可能な環境を提供する測位環境提供システムを提供することにある。

実施形態に係る測位環境提供システムは、親局装置と、分配装置と、複数の子局装置とを備える。親局装置は、基準とするタイミングを示す信号を周期的に出力する。分配装置は、親局装置から出力される信号を複数系統に分配する。複数の子局装置は、それぞれ測位対象領域に配置され、前記分配装置で分配される信号を受信して前記タイミングを検出し、当該タイミングを基準に測位信号を生成し、前記測位対象領域に送信する。

実施形態に係る測位環境提供システムの全体構成を示すブロック図である。図１に示すシステムに用いられる親局装置の構成を示すブロック図である。図１に示すシステムに用いられる子局装置の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の一形態について説明する。

本実施形態に係る測位環境提供システムは、高精度な測位として、GNSSと同様な搬送波位相測位（RTK／PPP：Real Time Knematic（相対測位方式）／Precise Point Positioning Service（高精度単独測位方式））が可能な環境を構築し、高精度なタイミング同期を実現することにより、衛星電波が届かない測位対象領域においても、高精度な測位信号が配信可能な環境を提供する。

図１は本実施形態に係る測位環境提供システムの構成を示すブロック図、図２は図１に示すシステムに用いられる親局装置の構成を示すブロック図、図３は図１に示す子局装置の構成を示すブロック図である。

図１において、１１は親局装置、１２は光分配器、１３１〜１３ｎ（ｎは自然数）は子局装置である。親局装置１１から出力される光信号は光ファイバケーブルＬ０を通じて光分配器１２に送られる。この光分配器１２は、任意の箇所に配置され、親局装置１１からの光信号を入力してｎ系統に分配するもので、各系統に分配される光信号はそれぞれ光ファイバケーブルＬ１〜Ｌｎを通じてｎ個の子局装置１３１〜１３ｎに送られる。

親局装置１１は、図２に示すように、クロック信号生成器Ａ１、タイミング信号生成器Ａ２、光送信器Ａ３を備える。クロック信号生成器Ａ１は、子局装置１３１〜１３ｎ側の搬送波生成の基準となるクロック信号を生成する。タイミング信号生成器Ａ２は、子局装置１３１〜１３ｎ側のコード生成及び搬送波生成のタイミング（リセット）の基準となるタイミング信号を一定周期で生成する。コードには、例えばＰＲＮ（Pseudo Random Noise）を用いると、GNSSとの親和性を図ることができる。光送信器Ａ３は、クロック信号生成器Ａ１及びリセット信号生成器Ａ２で生成されるクロック信号及びタイミング信号を多重して光信号に変換し、光ファイバケーブルＬ０に送出する。

ｎ個の子局装置１３１〜１３ｎは、基本的に互いに同一構成である。図３は子局装置１３ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の構成を示すブロック図である。子局装置１３ｉは、光受信器Ｂ１、搬送波生成器Ｂ２、コード生成器Ｂ３、時刻情報生成器Ｂ４、メッセージ生成器Ｂ５、ＲＦ変調器Ｂ６、送信器Ｂ７及び送信アンテナＢ８を備える。

光受信器Ｂ１は、光分配器１２から光ファイバケーブルＬｉを通じて分配供給される光信号を受信し、光信号からクロック信号及びタイミング信号を分離する。

搬送波生成器Ｂ２は、コード生成器Ｂ３、時刻情報生成器Ｂ４、メッセージ生成器Ｂ５に配られるタイミング信号でリセットされ、光受信器Ｂ１で分離されたクロック信号を基準にして搬送波を生成する。これにより、全ての子局装置１３１〜１３ｎで互いに同じタイミング、すなわち互いに同期した搬送波を生成することができる。

コード生成器Ｂ３は、上記タイミング信号でリセットされ、そのタイミング信号の周期を基準にしてコード（例えばＰＲＮコード）を生成する。

時刻情報生成器Ｂ４は、上記タイミング信号でリセットされ、そのタイミング信号の周期を基準にして時刻情報を生成する。

メッセージ生成器Ｂ５は、上記タイミング信号でリセットされ、例えば子局識別ＩＤ、設置場所の位置情報、機器配置間の距離差等による同期誤差の補正データをメッセージとして生成する。

上記ＲＦ変調器Ｂ６は、搬送波生成器Ｂ２で生成されたＲＦ帯の搬送波をコードで変調することで、搬送波にコードを多重する。さらに必要に応じて時刻情報、メッセージデータで搬送波を変調することで、搬送波に時刻情報、メッセージデータを多重する。

送信器Ｂ７は、ＲＦ変調器Ｂ６で変調された搬送波を所定のフォーマットに変換し、送信アンテナＢ８を通じて対象領域に向けて送信する。

上記のように、本実施形態に係る測位システムは、親局装置１１で発生される基準のクロック信号及び一定周期のタイミング信号を光信号に変換して子局装置１３１〜１３ｎに分配配信することにより、子局装置間の同期を可能とするシステムである。子局装置１３１〜１３ｎから出力される信号は、例えばGNSSの測位信号で採用される搬送波及びコードであり、コードがＰＲＮコードであればGNSS電波と互換性を有する。ユーザ端末１４は、GNSS受信機に相当するものでよく、子局装置１３１〜１３ｎから送信される搬送波及びコードが多重された電波を受信して、搬送波もしくはコードを用いて自己位置を算出することができる。

そこで、本実施形態に係る測位環境提供システムでは、信号の分配数及び伝送距離により生じる位相遅れがシステムの性能に影響が出ないように、光伝送技術を用いて、伝送路の距離もしくは遅延量を計測して、好ましくはns以下での時刻同期を実現する。これにより、広範囲でのシステム構築（長距離への配信）が可能となり、多数の機器の同期を実現することができる。

測位手法としては、一般的にGNSS測位で用いられているコード測位及び搬送波位相測位（RTK／PPP）を用いて、以下に示す測位精度を実現する。すなわち、コード測位の場合はサブメータ級、搬送波位相測位（RTK／PPP）の場合はセンチメータ級の測位精度が得られるが、この測位精度を実現するために、各子局装置１３１〜１３ｎの同期処理が必要である。その同期方法としては、子局装置１３１〜１３ｎにリセット用のタイミング信号を配信することで実現する。なお、時刻情報も併せて配信するようにしてもよい。

ところで、電波を用いて測位を行う際に、受信信号強度（RSSI：Received Signal Strength Indicator）、到来時刻（TOA：Time of Arrival）、到来時間差（TDOA：Time Difference of Arrival）や到来方向（TOA：Time of Arrival）などを用いれば、位置検出を行うことができる。そこで、本実施形態では、子局装置１３１〜１３ｎから互いに同期された時刻情報を送信する。

ただし、時刻情報の精度が悪いとその分、位置検出誤差が大きくなる。このため、GNSSと同様に、４つ以上の子局装置（GNSS送信機に相当）からの信号を用いて測位を行うために、測位に用いる信号（コードまたは搬送波）より高精度な時刻情報が必要になる。

これに関して、本実施形態に係るシステムでは、子局装置間で出力信号を高精度で同期させることができるため、同一システムの電波が受信可能な範囲において、ピコ秒の単位精度の時刻を配信可能（テラHzで同期されているため）である。また、親局装置１１において、基準時刻としては、システム内で生成せずに、GNSSの時刻を一次時刻として用い、GNSSからの信号を用いて基準時刻をキャリブレーションすることも可能である。そこで、本実施形態に係るシステムでは、親局装置１１が子局装置１３１〜１３ｎにキャブレーションされた時刻情報を配信するようにしてもよい。なお、このときの時刻配信方法はGNSSシステムに準拠するものとする。

システム構築時等において、測位精度の向上を図るため、同期誤差及び機器配置の補正データを配信できることが望ましい。これに関して、本実施形態に係るシステムはGNSSに準拠した信号を配信可能であり、GNSS信号がメッセージ信号を配信可能であるため、メッセージ信号を用いて各子局装置１３１〜１３ｎから対象領域内のユーザ端末１４に補正データを配信することができる。

さらに、本システムを用いることにより、機器の配置変更時に簡単にキャリブレーションを実施することが可能となる。すなわち、子局装置の配置時において、他の複数の子局装置からの電波が受信可能であれば、その電波を受信することにより、配置変更した子局装置の位置を高精度で計測することができるため、配置変更時のキャリブレーションを簡単に行うことができる。

一方、ユーザ端末１４は、従来のGNSS受信機をそのまま利用することができる。その結果、GNSS電波が受かる領域と受からない領域のいずれでも高精度な測位が可能となり、切り替え操作を行うことなく相互利用が可能となる。

なお、上記実施形態では、光ファイバケーブルによって配信する光ネットワークを想定したが、本システムの同期配信自体は光ネットワークに限定されるものではなく、他の配信方式を利用することも可能である。

また、上記実施形態では、電波送信側で同期化する場合について説明したが、電波受信側で同期化する場合についても同様に実施可能である。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…親局装置、Ａ１…クロック信号生成器、Ａ２…タイミング信号生成器、Ａ３…光送信器、
Ｌ０，Ｌ１〜Ｌｎ…光ファイバケーブル、
１２…光分配器、
１３１〜１３ｎ…子局装置、
Ｂ１…光受信器、Ｂ２…搬送波生成器、Ｂ３…コード生成器、Ｂ４…時刻情報生成器、Ｂ５…メッセージ生成器、Ｂ６…ＲＦ変調器、Ｂ７…送信器、Ｂ８…送信アンテナ、
１４…ユーザ端末。

実施形態に係る測位環境提供システムは、親局装置と、分配装置と、複数の子局装置とを備える。親局装置は、クロック信号を生成し、基準とするタイミングを示す信号を周期的にクロック信号を生成し、基準とするタイミングを示す信号を周期的に生成して前記クロック信号と共に出力する。分配装置は、親局装置から出力される信号を複数系統に分配する。複数の子局装置は、それぞれ測定対象領域に配置され、前記分配装置で分配される信号を受信して前記タイミングを示す信号と前記クロック信号を検出し、検出した前記クロック信号から搬送波を生成し、検出した信号が示すタイミングを基準に前記搬送波から測位信号を生成し、前記測位対象領域に送信する。

Claims

基準とするタイミングを示す信号を周期的に出力する親局装置と、
前記親局装置から出力される信号を複数系統に分配する分配装置と、
それぞれ測位対象領域に配置され、前記分配装置で分配される信号を受信して前記タイミングを検出し、当該タイミングを基準に測位信号を生成し、前記測位対象領域に送信する複数の子局装置と
を具備する測位環境提供システム。
前記親局装置−前記分配装置間、前記分配装置−子局装置間はそれぞれ光ファイバケーブルで接続され、前記タイミングを示す信号を光信号によって配信する請求項１記載の測位環境提供システム。
前記親局装置は、クロック信号を生成して前記タイミングを示す信号と共に前記分配装置を通じて前記複数の子局装置に分配し、
前記複数の子局装置は、それぞれ前記タイミングを基準に前記親局装置から分配されるクロック信号から搬送波を生成し前記測位信号として送信する請求項１記載の測位環境提供システム。
前記複数の子局装置は、それぞれ前記親局装置から分配される信号が示すタイミングを基準にコード信号を生成し前記測位信号として送信する請求項１記載の測位環境提供システム。
前記親局装置は、さらに時刻情報を発生し、前記タイミングを示す信号と共に前記分配装置を通じて前記複数の子局装置に分配する請求項１記載の測位環境提供システム。
前記親局装置は、さらに測位用衛星から送信される測位信号の電波を受信して衛星時刻情報を読み取り、読み取った衛星時刻情報に基づいて前記時刻情報をキャリブレーションする請求項５記載の測位環境提供システム。
前記複数の子局装置は、それぞれメッセージとして同期誤差及び機器配置の誤差を補正するための補正データを生成して前記測位信号と共に前記測位対象領域に送信する請求項１記載の測位環境提供システム。