JP4736083B2 - 移動体の測位方法及びその測位装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の地上局により包囲されている監視区域内の移動体、例えば、空港に接近する航空機や空港内を移動する車両や航空機等の移動体の監視や管制のために、監視域内の移動体の位置情報を測位する方法及びその測位装置に関するもので、特に、監視区域がマルチパスの発生しやすい電波の障害物の多い区域においても高精度の測位が可能な移動体の測位方法及びその測位装置に関するものである。

従来、航空機の着陸誘導に用いられている方法としては、ＩＬＳ（計器着陸装置）がある。このＩＬＳは、水平方向のコース情報を与えるＶＨＦ帯のローカライザ、垂直方向のコース情報を与えるＵＨＦ帯のグライドパス、空港からの距離情報を与えるマーカとから構成されているが、周囲の地形その他による電波の反射による影響を受けやすく、特にグライドパスは、コース作成に地面からの反射波を利用していることから、電波の反射による影響を受けやすい欠点があること、地上設備に、特にグライドパスに、広大なしかも整地した敷地が必要である等の欠点がある（工事費の増大）ので、将来的には、使用を終了するとの計画がある。そして、漸次、マイクロ波着陸システム（以下、ＭＬＳと記す）やＧＰＳを用いた着陸誘導システムに移行する計画が検討されている。

ＩＬＳに代ってその導入が期待されているマイクロ波を用いたＭＬＳは、まず基本的なサービスを行うための地上施設と、より多くのサービスを与えるための追加地上施設とに分けられる。基本構成としては、進入用方位誘導装置、進入用高低誘導装置、基本データ送信装置、ＤＭＥがある。

そこで、ＭＬＳのサービス拡張のための構成としては、次のうち１つ以上が付加されることになる。即ち、逆方向用方位誘導装置、フレア高低用誘導装置、ＤＭＥ／Ｐ、補助データ送信装置である。又、機上側（移動体側）では、地上施設から情報を得てこれを処理し、その結果、通常の直線進入の他、セグメント進入、曲線進入、任意の進入履行操作、及び自動着陸も可能となる。このように、ＭＬＳは地上施設のみならず、航空機側にも高価な受信器を設置する必要がある等、航空機側に新たな設備投資を強いるものであり、航空機会社にとって受け入れられず、未だ本格的な運用がされていない。

又、ＧＰＳを利用した着陸方法が考えられているが、このＧＰＳを利用した着陸誘導システムは、ＧＰＳの有効性に強く依存するために、ＧＰＳの有効性が得られないとき、システムは脆弱なものになる欠点がある。

このように、航空機の着陸誘導システムとしては、ＩＬＳの使用を終了するとの計画がありながら、それに代わる有効なシステムがないため、ＩＬＳの使用終了期限が次第に延長されているのが現状である。そこで、ＧＰＳを利用した着陸誘導システムの使用開始迄の期間を補完するものとして、ＧＰＳを用いない着陸誘導システムの開発が求められている。一方、ＩＬＳに代わるものとして使用出来るとともに、簡易な構成で、且つ広大な敷地を必要としない着陸誘導システムの開発が待たれている。

そこで、最近開発された方法として、移動体は、信号を送信する機能を備え、複数の地上局は、互いに同期した時刻を有するとともに、移動体から送信された信号を受信するための複数の受信局を備え、各受信局でそれぞれ受信し、記録された移動体から送信された信号の受信時刻をそれぞれ各受信局毎に求め、２つの受信局間毎の受信時刻差から移動体の位置を測位するようにした移動体の測位方法がある。

この方法について、図１４〜図１６に基づいて簡単に説明する。なお、移動体は、空港に接近しつつある飛行中の航空機４とし、モードＳの質問信号を利用してこの航空機４の測位を行う場合について説明する。なお、図１４は地上に配置した受信局（受信局０〜受信局３）と移動体４としての航空機４との位置関係を示しており、図１５はそれぞれ受信局０〜受信局３で受信される信号の時間関係を示す図、図１６は相互相関法による受信時刻差の精密測定を示す図である。

又、モードＳの質問信号とは、次世代の航空管制用レーダとして国際的に認知されているモードＳというレーダ・システムにおいて、その最大の特徴の一つである個別の航空機４のみに質問／応答させるために、個々の航空機４に固有のアドレスを指定し、そのアドレスを指定して個別の航空機４に質問する際に使用されている質問信号である。５はローカルオシレータで、その発振周波数は１０９０ＭＨｚである。６、７はミキサで、受信信号Ａ及び受信信号Ｂとローカルオシレータ５の発振周波数（１０９０ＭＨｚ）とをそれぞれミキシングして、中間周波数（この実施例では６０ＭＨｚ）を出力している。８、９はサンプリング回路で、バースト信号中の位相反転部分を重点的にサンプルする。１０はコンピュータで、演算、制御等このシステムにおける必要な機能を備えている。

航空機衝突防止装置（図示せず）を搭載している航空機４が送信しているこのモードＳの質問信号は、受信局０〜受信局３でそれぞれ受信される。図１５に示すように、これらの受信信号は、同一の送信源（航空機４）からの送信信号（この実施例では質問信号である）であるため、受信局０〜受信局３でそれぞれ受信する信号波形は、マルチパスなどの妨害波成分を除けば同一である。なお、この信号波形は、航空機４の送信ごとに固有であるが、送信条件の違いや送信機の製造誤差などのため送信信号ごとに異なる。

そこで、各受信局０〜受信局３において、受信された各ＲＦ信号の立ち上がりでトリガをかけて、図１５に示すように、バースト中のモードＳ質問信号の位相反転参照部分（Ｐ_６パルス）を重点的にサンプリングし、その位相反転参照部分を含む部分が受信局ごとに同時に記録される。

そして、各受信局０〜受信局３でそれぞれ受信され記録された各受信信号から、それぞれ各受信局の２局間の受信時刻差を測定することが出来る。しかしながら、単純に位相測定をして位相反転部分を検出し、各受信局間のその受信時刻差を測定しただけでは、位相が変化したタイミングしか見ていないので、受信強度の違いや航空機側の送信機の製造誤差による位相変化の違いによる測定誤差が大きく、着陸誘導や空港面管制用に用いることは出来ない。

又、時間差を測定する方法としては、振幅変調パルスの立ち上がり時刻の差を用いるのが一般的であるが、この方法ではパルスの立ち上がり時刻の機材による違いや伝搬中の劣化により、製造上の許容公差を越えることが出来ない。又、モードＳで用いられている位相反転時刻の位相比較による検出も位相反転時刻の許容値（８０ｎｓ）以上の精度を得ることが出来ない。

そこで、この最近開発された測位方法では、受信時刻差の測定にあたり、測定の精度を上げるために重要な、モードＳの質問信号（図１５参照）の位相反転参照部分の波形に着目し、２つの受信信号波形を記録した。次いで、その位相反転参照部分の相互相関を求めて最大化するが、この際、送信信号（モードＳの質問信号）は、同一であるから、この２つの受信信号の一方を受信時刻差分ずらせば、相互相関が最大になることを利用して、受信時刻差を求めた。そして、この位相反転参照部分で相互相関を求める方法は、単に位相反転を検出し、その受信時刻差を比較する方法に比べ、アンビギュイティを除去することが可能であることを見出した。

そして、これらの記録された波形の相互相関を取るために、波形データそのものをコンピュータ１０に送り、相互相関を最大とする受信時刻差の計算を行っている。

このような測位方法によれば、精度が高く、且つ簡便な構成の移動体等の測位方法が得られるとともに、この移動体等の測位結果を利用して、ＩＬＳ、ＭＬＳ、ＧＰＳ等を用いた着陸誘導方法に代って、航空機は勿論のこと、その他の移動体にも利用することの出来る、精度の高い、しかも簡便な構成の監視方法を構築することが出来るという大きな効果がある。
特願２００２−９３４０２号

しかしながら、このように、複数の受信局を配置し、それぞれの受信局において移動体からの電波を受信し、その到達時間を求める方法では、航空機を着陸誘導する場合、又、空港内の移動体を監視、管制する場合でも、監視区域がビルや橋等のような人工建築物や空港に駐機している航空機等のように、電波の障害物が多く存在するような区域の場合、マルチパスにより時刻検出に誤差が発生し、正確な測位が出来ないという問題がある。

さらに、複数の受信局を配置し、それぞれの受信局において移動体から電波を受信し、その到達時間を求めるこのような方法として、モードＳマルチテレーション等では、受信局毎に正確に同期した時計が必要であるとともに、受信局毎にＲＦフロントエンド、時刻検出回路、メッセージデコーダ回路等の複雑な装置が必要である等の問題がある。さらに、これら回路の冷却装置や電源回路等を含めると、受信局自体が物理的に大きくなってしまう等の問題がある。

請求項１に係る発明は、複数の地上局により包囲される監視区域内に移動体が入った場合、この移動体の位置情報を求める移動体の測位方法において、監視区域内に位置する移動体から送信された複数の信号を、複数の地上局でそれぞれすべて受信するとともに、この受信した複数のＲＦ信号を、それぞれ光信号に変換して広帯域光伝送線路を介して主処理装置に伝送し、この主処理装置では、各光信号をそれぞれ受信したＲＦ信号に変換するとともに、この各受信したＲＦ信号が前記複数の地上局でそれぞれ受信された受信時刻をそれぞれ求め、地上局毎に求めた受信時刻から、移動体から地上局迄の信号の到達時間を求めるとともに、この到達時間から２つの地上局間毎の到達時間差をそれぞれ求め、この各到達時間差から移動体の位置情報を求め、さらに、主処理装置は、少なくとも１つの地上局が受信したＲＦ信号の受信時刻を基準にして各地上局の配置関係から、その他の地上局で受信したであろうＲＦ信号の受信時刻が存在する存在時間範囲をその他の地上局毎に求め、それぞれの存在時間範囲内において、それぞれその他の地上局毎に受信したであろうＲＦ信号の受信時刻をＤＡＣ法（Ｄｅｌａｙ Ａｔｔｅｎｕａｔｅ Ｃｏｍｐａｒｅ法：遅延減衰波形比較法）により検索するとともに、この検索したその他の地上局毎のＲＦ信号の受信時刻が、移動体から送信された信号であると判定するようにした移動体の測位方法である。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、その他の地上局で受信したであろうＲＦ信号の受信時刻をＤＡＣ法により検索する代わりに、相互相関法あるいは半振幅点検出回路による方法のいずれかによりその他の地上局からのＲＦ信号の受信時刻を検索するようにした移動体の測位方法である。

請求項３に係る発明は、請求項１〜請求項２の何れかに記載の発明において、地上局として、少なくとも３つの地上局を設置することにより、移動体の二次元位置情報を測位する移動体の測位方法である。

請求項４に係る発明は、請求項１〜請求項３の何れかに記載の発明において、地上局として、少なくとも４つの地上局を設置することにより、移動体の三次元位置情報を測位する移動体の測位方法である。

請求項５に係る発明は、複数の地上局により包囲される監視区域内に移動体が入った場合、この移動体の位置情報を求める移動体の測位装置において、移動体から送信された複数の信号を受信する複数の地上局と、この複数の地上局と主処理装置とを接続する広帯域光伝送線路と、複数の地上局でそれぞれ受信した複数のＲＦ信号を、それぞれ光信号に変換して光伝送線路を介して主処理装置に伝送する手段と、各光信号をそれぞれ受信したＲＦ信号に変換する機能と、複数の地上局毎のＲＦ信号が、それぞれ地上局で受信された受信時刻をそれぞれ検出する機能と、この受信時刻から移動体から地上局迄の信号の到達時間を求める機能と、この到達時間から２つの地上局間毎の到達時間差を算出する機能と、この到達時間差から移動体の位置情報を算出する機能とを有する主処理装置と、さらに、この主処理装置は、複数の地上局の配置関係を設定する機能と、少なくとも１つの地上局が受信したＲＦ信号の受信時刻を求める機能と、各地上局の配置関係からその他の地上局で受信したであろうＲＦ信号の受信時刻が存在する存在時間範囲を求める機能と、ＤＡＣ法（Ｄｅｌａｙ Ａｔｔｅｎｕａｔｅ Ｃｏｍｐａｒｅ法：遅延減衰波形比較法）を用いてその他の地上局からのＲＦ信号の受信時刻を検索する機能と、それぞれの存在時間範囲内において、それぞれその他の地上局毎のＲＦ信号の受信時刻を求める機能と、その他の地上局毎のＲＦ信号の受信時刻が、移動体から送信された信号であると判定する機能とを有する移動体の測位装置である。

請求項６に係る発明は、請求項５に記載の発明において、主処理装置は、ＤＡＣ法を用いて前記その他の地上局からのＲＦ信号の受信時刻を検索する機能の代わりに、相互相関法あるいは半振幅点検出回路による方法のいずれかを用いて前記その他の地上局からのＲＦ信号の受信時刻を検索する機能を有することを特徴とする移動体の測位装置である。

請求項７に係る発明は、請求項５〜請求項６の何れかに記載の発明において、主処理装置は、少なくとも３つの地上局を設置することにより、移動体の二次元位置情報を測位する機能を有することを特徴とする移動体の測位装置である。

請求項８に係る発明は、請求項５〜請求項６の何れかに記載の発明において、主処理装置は、少なくとも４つの地上局を設置することにより、移動体の三次元位置情報を測位する機能を有することを特徴とする移動体の測位装置である。

請求項１及び請求項５に係る発明は、上記のように構成したので、時刻検出精度が向上し、高精度での測位が可能となる。さらに、各地上局間の高精度に同期した時計が必要なくなり、コスト削減されるとともに、時刻検出精度が格段に向上する。さらに、従来用いられていた時間検出回路やメッセージデコーダ回路等は、主局となる主処理装置側に設置されるので、地上局における回路数を少なくすることが出来るので、地上局自体を物理的に小型化することが出来る。特に、地上局が空港内に設置されている場合には、航空機や車両等の移動体の運行に極力支障とならないように、地上局自体を小型化することが出来るので、空港内での使用に適している。

その上、マルチパス干渉等の発生する電波障害物の多い地域でも高い精度で測位することが出来る。そして、マルチパス干渉等で複数の地上局におけるＲＦ信号が劣化して判別不能であった場合、少なくとも１つの地上局における実際に受信したＲＦ信号の検出時刻からその他の複数の地上局のＲＦ信号の存在時間範囲を検索し、これに基づいてその他の地上局で受信されるべきＲＦ信号の受信時刻を求めることが出来る。さらに、時刻検出方法としてはマルチパス干渉に対しても良好な結果が得られる。又、ＤＡＣ法を用いているので、このＤＡＣ法では、パルスの立ち上がりの直線部分を利用して時刻検出を行うため、マルチパス等の干渉などにより、メッセージ部をデコード出来ないような場合においても、受信時刻を検出することが出来る。

さらに、各地上局で受信した移動体からの複数の信号は、いずれも光信号に変換され、広帯域光伝送線路で主処理装置へ伝送されるので、地上局間の距離が長い場合であっても、劣化の少ないＲＦ信号が主処理装置で得られる。そのため、時刻検出精度が向上し、高精度での測位が可能となる。
又、複数の地上局でそれぞれ移動体から受信したすべてのＲＦ信号は、１つの主処理装置に入力され、ここで、それぞれ地上局で受信されたＲＦ信号の受信時刻が検出される。このように、受信時刻の検出は、主処理装置のみで行われるため、同一の時計を使用することが出来るので、地上局間の時刻同期をする必要はなく、従来のように、各地上局間の高精度に同期した時計が必要なくなるとともに、時刻精度が格段に向上する効果がある。

さらに、移動体から送信されている各種の周波数の異なる信号に対して対応することが出来る。その上、例えば、光伝送線路として光ファイバを用いた場合、材料分散と構造分散、伝送モード間の遅延差により伝送帯域を制限されるとは言え、光信号として伝送するため、従来のように、周波数の異なる信号毎にケーブルを施設する必要もなく、経済的である。又、電磁誘導を受けることがないので、ノイズの多い地域でも監視区域を設定出来る。さらに、地上局と主処理装置との間が長距離であってもＲＦ信号の伝送損失は非常に小さいので、微弱なＲＦ信号でも確実に伝送することが出来る。

請求項２及び請求項６に係る発明は、上記のように構成したので、請求項１及び請求項５と同様な効果がある。

請求項３及び請求項７に係る発明は、上記のように構成したので、請求項１〜請求項２に記載の発明及び請求項５〜請求項６にそれぞれ記載の発明と同様な効果がある。さらに、高い確率で、ＲＦ信号を捕捉することが出来るため、高い精度で、移動体の二次元位置情報が得られる。

請求項４及び請求項８に係る発明は、上記のように構成したので、請求項１〜請求項３に記載の発明及び請求項５〜請求項６にそれぞれ記載の発明と同様な効果がある。さらに、高い精度で、移動体の三次元位置情報が得られる。

複数の地上局により包囲される監視区域内に移動体が入った場合、この移動体の位置情報を求める移動体の測位方法及びその測位装置において、監視区域内に位置する移動体から送信された信号を、複数の地上局でそれぞれ受信するとともに、この受信したＲＦ信号を光信号に変換して光伝送線路を介して主処理装置に伝送する。主処理装置では、各光信号をそれぞれＲＦ信号に変換するとともに、この各ＲＦ信号が複数の地上局でそれぞれ受信された受信時刻をそれぞれ求め、地上局毎に求めた受信時刻から、移動体から地上局迄の信号の到達時間を求めるとともに、この到達時間から２つの地上局間毎の到達時間差をそれぞれ求め、この各到達時間差から移動体の位置情報を求める測位方法及び測位装置。

さらに、主処理装置は少なくとも１つの地上局からのＲＦ信号を基準にしてその他の地上局からのＲＦ信号が存在する存在時間範囲を求め、この存在時間範囲内にあるその他の地上局からのＲＦ信号を検索し、この検索したその他の地上局からのＲＦ信号の受信時刻を求める移動体の測位方法及び測位装置である。

この発明の１の実施例を、図１〜図５に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明の原理図で、複数の地上局２０（２０ａ、２０ｂ・・・２０ｎ）により包囲される監視区域２２と移動体２３としての航空機２３との位置関係を示している。この実施例では、４つの地上局２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが設置されている。図２は劣化した信号を捕捉する信号捕捉回路のブロック図、図３は劣化した信号を捕捉する場合の説明図、図４は地上局２０の構成図である。図５はＤＡＣ法により時刻検出する場合の説明図である。なお、本願において、単に、ＲＦ信号と記載した場合には、移動体から送信されるすべてのＲＦ信号及び地上局で、このＲＦ信号を中間周波数に変換したＩＦ信号も含むものとする。さらに、一般に、測位精度は後述するＧＤＯＰ（Geometric Dilution of Precision）×時間差測定誤差で表されるので、複数の地上局により包囲される監視区域内としては、所望の測定精度が得られる区域迄も含むものとする。

図１において、移動体２３から送信された信号を受信する複数の地上局２０（２０ａ、２０ｂ・・・２０ｎ）により包囲される区域が監視区域２２を構成する。２１（２１ａ、２１ｂ・・・２１ｎ）は、それぞれ地上局２０（２０ａ、２０ｂ・・・２０ｎ）のアンテナである。この監視区域２２内に移動体２３が位置する場合、この移動体２３の位置情報を測位することが出来る。２４は光伝送線路で、この実施例１の場合には、光ファイバケーブルが使用されている。２５は主処理装置で、複数の地上局２０とはいずれも光伝送線路２４（２４ａ、２４ｂ・・・２４ｎ）により接続されている。なお、この実施例１の場合には、各地上局２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、いずれもそれぞれ光伝送線路２４（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ）により、地上局２０と主処理装置２５とがそれぞれ接続されているが、この光伝送線路２４には、周波数の異なる信号をすべて一纏めにして伝送するようにしてもよい。又、本願は光伝送線路に限定されることなく、地上局２０と主処理装置２５との距離があまり離れていない場合には、通常の同軸ケーブルのような伝送線路であっても同様な作用効果がある。

図２において、２６（２６ａ、２６ｂ・・・２６ｎ）は、ＲＯＦ（Radio On Fiber）送信装置の無線・光変換装置、２７（２７ａ、２７ｂ・・・２７ｎ）は、主処理装置２５側のＲＯＦ受信装置の光・ＲＦ変換装置、２８（２８ａ、２８ｂ・・・２８ｎ）は、主処理装置２５側の信号検出回路、２９はＯＲ回路で、各地上局からの信号の論理和を取っている。

図３において、ｔ_０は地上局２０ａにおけるＲＦ信号の受信時刻、Ｔは存在時間範囲で、各地上局においてＲＦ信号が存在する時間範囲を示し、ＲＦ信号の検索範囲をも示している。又、図４において、３０は地上局側のバンドパスフィルタ、３１は地上局側の増幅器、３２は主処理装置２５側のバンドパスフィルタである。

次に、作用動作について説明する。
この実施例の場合には、航空機衝突防止装置（ＡＣＡＳ）におけるＡＣＡＳ信号を用いている。移動体２３には、ＡＣＡＳ装置（図示せず）が搭載されており、各地上局２０には、移動体２３から送信されたＡＣＡＳ信号（ＲＦ信号）を受信するＡＣＡＳアンテナ２１（地上局２０のアンテナ２１）、ＡＣＡＳ受信機が設置されている。なお、移動体２３から送信された信号としては、ＡＣＡＳ信号、モードＳ信号等に限定されることはなく、その他、如何なる信号でも適用することが出来る。

以下、図４に基づいて説明する。移動体２３から送信されたＡＣＡＳ信号（以下、単にＲＦ信号と記す）は、地上局２０のＡＣＡＳ受信機のアンテナ２１を介して受信され、バンドパスフィルタ３０で、一定の帯域幅にフィルタされた後、増幅器３１で増幅される。

次いで、すべてのＲＦ信号（ＡＣＡＳ信号）は、１０３０ＭＨｚの無線周波数信号（以下、ＲＦ信号と記す）かあるいは６０ＭＨｚの同相信号（In-phase:Ｉ信号）と直交信号（Quadrature:Ｑ信号）の中間周波数信号（以下、ＩＦ信号と記す）にそれぞれ地上局２０で変換される。次いで、ＲＦ信号あるいはＩＦ信号は、ＲＯＦ送信装置のＲＦ・光変換装置２６により光信号に変換され、光伝送線路２４（この実施例では光ファイバケーブル）を介して主処理装置２５側へ伝送される。なお、地上局２０と主処理装置２５間の距離が短い場合には、通常のＲＦケーブル等で接続することも可能である。

光信号は、ＲＯＦ受信装置の光・無線変換装置２７によりＲＦ信号に変換され、次いでバンドパスフィルタ３２により不要の雑音信号が除去された後、主処理装置２５に入力される。主処理装置２５では、すべての地上局２０からのＲＦ信号に基づいて、移動体２３から送信された信号が、それぞれ各地上局２０で受信された時刻、即ち、受信時刻が検出される。

次いで、地上局２０毎に検出された各受信時刻から、移動体２３から送信された信号が各地上局２０へ到達する迄の到達時間がそれぞれ算出される。次いで、各地上局２０迄の到達時間が互いに比較され、２つの地上局、例えば、地上局２０ａと地上局２０ｂ間や地上局２０ｂと地上局２０ｃ間等の到達時間差が、それぞれ地上局２０間毎に求められる。この到達時間差から双曲線航法により移動体の位置が算出される。

この際、複数の地上局２０でそれぞれ移動体２３から受信したすべてのＲＦ信号は、１つの主処理装置２５に入力され、ここで、それぞれ地上局２０で受信されたＲＦ信号の受信時刻が検出される。このように、受信時刻の検出は、主処理装置２５のみで行われるため、同一の時計を使用することが出来るので、地上局２０間の時刻同期をする必要はなく、従来のように、各地上局２０間の高精度に同期した時計が必要なくなるとともに、時刻精度が格段に向上する効果がある。

ここで、移動体の二次元位置情報を算出出来る確率を求める場合について説明する。移動体２３の二次元位置情報を得るためには、地上局２０は少なくとも３局必要である。そこで、地上局２０が３局の場合と４局の場合について、それぞれその受信確率Ｐ_Ｄ２及びＰ_Ｄ３を求める場合について説明する。一般に、地上局ｎにおける受信確率Ｐ_ｎとする。但し、ｎ＝１、２、３とする。

まず、地上局が３局の場合、この発明による方法では、移動体２３の二次元位置情報を算出出来る受信確率Ｐ_Ｄ２は、式（１）に示す通りである。

Ｐ_Ｄ２＝１−（１−Ｐ_１）（１−Ｐ_２）（１−Ｐ_３）・・・・・（１）

なお、従来法における受信確率Ｐ_ＤＤ２は、下記式（２）に示す通りである。
Ｐ_ＤＤ２＝Ｐ_１Ｐ_２Ｐ_３ ・・・・・（２）

式（１）及び式（２）から明らかであるように、この発明による方法では、従来法に比較して高確率で信号を捕捉することが出来る。

次に、地上局２０が４局の場合、この発明による方法では、移動体２３の二次元位置情報を算出出来る受信確率Ｐ_Ｄ３は、下記式（３）に示す通りである。

Ｐ_Ｄ３＝１−（１−Ｐ_１）（１−Ｐ_２）（１−Ｐ_３）（１−Ｐ_４）・・・・・（３）

なお、従来法における受信確率Ｐ_ＤＤ３は、下記式（４）に示す通りである。
Ｐ_ＤＤ３＝Ｐ_１Ｐ_２Ｐ_３Ｐ_４＋Ｐ_１Ｐ_２Ｐ_３（１−Ｐ_４）＋Ｐ_１Ｐ_２（１−Ｐ_３）Ｐ_４
＋Ｐ_１（１−Ｐ_２）Ｐ_３Ｐ_４＋（１−Ｐ_１）Ｐ_２Ｐ_３Ｐ_４ ・・・・・・・・（４）

なお、各地上局２０における受信確率が等しい場合には、各地上局２０における受信確率Ｐは、
Ｐ＝Ｐ_１＝Ｐ_２＝Ｐ_３＝・・・・Ｐ_ｎとなるので、
Ｐ_Ｄ＝１−（１−Ｐ）^ｎ ・・・・・（５）
となり、高い確率でＲＦ信号を捕捉することが出来るため、高確率で二次元又は三次元位置情報を求めることが出来る。

次に、マルチパス等の干渉により、複数の地上局２０で受信された移動体２３からの信号が劣化している場合、この発明では、正常に受信された地上局２０のＲＦ信号から他の地上局では受信できなかった劣化信号を捕捉することが出来る。

即ち、図２に示すように、地上局２０側でそれぞれ受信されたＲＦ信号は、ＲＦ・光変換装置２６で、それぞれＲＦ信号は光信号に変換され、主処理装置２５側の光・ＲＦ変換回路２７で、再変換された後、信号検出回路２８を介して検出された各出力は、ＯＲ回路２９に入力される。ここで、その論理和を取れば、少なくとも１つの地上局２０からのＲＦ信号が検出出来れば捕捉トリガ信号が出力し、このトリガ信号を基準にしてその他の地上局のＲＦ信号をも捕捉することが出来る。以下、これについて説明する。

まず、図３に示すように、地上局がｎ局設置されており、移動体２３から送信された信号は、地上局２０ａでのみ受信時刻ｔ_０に検出できたと仮定する。各地上局２０の配置関係は既知であるから、その他の地上局２０ｂ、２０ｃ・・・２０ｎにおけるＲＦ信号が存在すべき時間範囲を決定することが出来る。

即ち、地上局２０ａでのみ受信時刻ｔ_０に正常なＲＦ信号が受信され、その他の地上局２０ｂ、２０ｃ・・・２０ｎにおけるＲＦ信号が劣化していた場合には、正常に受信された地上局２０ａのＲＦ信号から検出された受信時刻ｔ_０を基準にして、その他の地上局２０ｂ、２０ｃ・・・２０ｎの配置関係からその他の地上局で受信したであろうＲＦ信号が存在する存在時間範囲Ｔが求められる。なお、複数の地上局の配置関係は、前もって主処理装置に設定してもよく、あるいは地上局から自局の位置情報も同時に伝送するようにしてもよい。

即ち、地上局がｎ局設置されており、移動体２３から送信された信号は、地上局２０ａでのみ検出されたと仮定する。この時、その他の地上局で受信されるべきＲＦ信号が存在する存在時間範囲Ｔは、下記のようにして求められる。以下、これについて説明する。

図３に示すように、地上局２０ａにおいて、移動体２３からの信号は、受信時刻ｔ_１に受信されたとする。この時、同一の移動体２３から同一時刻に送信された信号は、地上局ｉでは、時刻ｔ_１＋Δｔ_{ｅａｒｌｙ，１ｉ}〜時刻ｔ_１＋Δｔ_{ｌａｔｅ，１ｉ}内に受信されているはずである。
但し、Δｔ_{ｅａｒｌｙ，１ｉ}は、地上局２０ａと地上局ｉにおける存在時間範囲の開始時刻を示し、Δｔ_{ｌａｔｅ，１ｉ}は、地上局２０ａと地上局ｉにおける存在時間範囲の終了時刻を示している。

従って、この存在時間範囲Ｔ（Δｔ_{ｅａｒｌｙ，１ｉ}〜Δｔ_{ｌａｔｅ，１ｉ}）にある信号は、同一の移動体から同一時刻に送信された信号であると判定することが出来る。この場合、信号がマルチパス干渉等によりメッセージの内容が判別出来ない場合であっても、存在時間範囲が特定出来れば、信号を検出出来る確率が高くなる。

そこで、地上局２０ａと地上局ｉの間の距離をＲ_１ｉ、地上局２０ａと地上局ｉの間の光伝送線路の伝送時間をＲ^Ｃ _１ｉ、空間の伝搬速度をＣ_{ｓｐａｃｅ}、光伝送線路内の伝搬速度をＣ_{ｆｉｂｅｒ}、光・無線変換等に要する遅延時間をΔｔ_{ｐｒｏｃｅｓ}とする。

地上局２０ａと地上局ｉにおける存在時間範囲Ｔの開始時間Δｔ_{ｅａｒｌｙ，１ｉ}は、下記式（６）となる。又、地上局２０ａと地上局ｉにおける存在時間範囲Ｔの終了時間Δｔ_{ｌａｔｅ，１ｉ}は、下記式（７）となる。

開始時間＝Δｔ_{ｅａｒｌｙ，１ｉ}＝−Ｒ_１ｉ／Ｃ_{ｓｐａｃｅ}＋Ｒ^Ｃ _１ｉ／Ｃ_{ｆｉｂｅｒ}＋Δｔ_{ｐｒｏｃｅｓ}
・・・・・・（６）
終了時間＝Δｔ_{ｌａｔｅ，１ｉ}＝Ｒ_１ｉ／Ｃ_{ｓｐａｃｅ}＋Ｒ^Ｃ _１ｉ／Ｃ_{ｆｉｂｅｒ}＋Δｔ_{ｐｒｏｃｅｓ}
・・・・・・（７）

このようにして存在時間範囲Ｔが決定されると、この存在時間範囲Ｔ内にある信号を重点的に検索すれば、信号を検出出来なかったその他の地上局２０ｂ、２０ｃ・・・のＲＦ信号を検出することが出来る。このようにＲＦ信号は、高い確率で捕捉されるので、ＧＤＯＰ（幾何学的精度劣化指数：Geometric Dilution of Precision）の小さい地上局２０の組み合わせを高い確率で利用することが出来るので、高効率で測位が可能である。なお、一般に測位精度はＧＤＯＰ×時間差測定誤差で表されるので、複数の地上局で包囲される監視区域としては、測位精度をどの程度迄求めるかにより、監視区域が決定される。

次いで、各地上局２０のＲＦ信号が検出されると、このＲＦ信号が受信された受信時刻の検出が行われる。受信時刻の検出方法としては、ＤＡＣ（Ｄｅｌａｙ Ａｔｔｅｎｕａｔｅ Ｃｏｍｐａｒｅ：遅延減衰波形比較）法（以下、単にＤＡＣ法と記す）、受信したＲＦ信号の振幅の１／２の点を検出する半振幅点検出回路や相互相関法等の方法を利用することが出来る。

ＤＡＣ法では、パルスの立ち上がり部分で時刻検出するため、マルチパス干渉等により信号が劣化し、内容を解読することが出来ない場合であっても信号らしきものの存在が確認出来れば、地上局におけるＲＦ信号の受信時刻の検出が可能である。以下、ＤＡＣ法について説明する。

ＤＡＣ法は、ＭＬＳ（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｌａｎｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ：以下、単にＭＬＳと記す）の精密距離測定装置ＤＭＥ／Ｐ（Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ／Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ）に用いられる方法で、図５に示すように、ＲＦ信号のパルスＰ（ｔ）を、遅延器４０で、Ｔ時間遅延させた信号Ｐ（ｔ−Ｔ）と減衰器４１でＡ倍（Ａ＜１）した信号ＡＰ（ｔ）とを作成する。次いで、この２つの信号を比較器４２で比較する。その結果、２つの信号が交わる点を検出時刻としている。

このように、ＤＡＣ法では、上記のように、パルス信号の立ち上がりの直線部分を利用して、時刻検出を行うため、マルチパス等の干渉などにより、メッセージ部をデコード出来ないような場合においても、受信時刻を検出することが出来る。一方、ＲＦ信号がモードＳ質問信号（ＡＣＡＳ信号）及びモードＳ応答信号では、５０ｎｓ〜１００ｎｓと立ち上がり時間が短く、部分的には直線と見なせるため、ＤＡＣ法を用いた時刻検出が適用可能である。

このようにして、ＲＦ信号の捕捉、受信時刻の検出が行われると、移動体２３から送信された信号が、各地上局２０に到達する迄の到達時間がそれぞれ求められる。次いで、この到達時間から２つの地上局２０間毎の到達時間差をそれぞれ求め、双曲線航法に基づいて移動体の位置情報が算出される。

図６〜図１２、表１に示すように、発明者等は、ＡＣＡＳアンテナを既知の固定点に配置して、ＤＡＣ法により移動体の位置情報を測位する実験を行った。まず、図６に示すように、地上局２０として、ＡＣＡＳアンテナ（Ａ１、Ａ２、Ａ３）を既知の３箇所に配置した。ＡＣＡＳアンテナＡ１とＡ２との距離は３９．９ｍ、ＡＣＡＳアンテナＡ２とＡ３との距離は４５．６ｍ、ＡＣＡＳアンテナＡ３とＡ１との距離は５５．７ｍに配置されている。又、ＡＣＡＳアンテナ（Ａ１、Ａ２、Ａ３）から主処理装置迄の伝送線路としては、同軸ケーブル（図示せず）を用いた。周囲には、建物、フェンス等があり、マルチパス干渉の生じやすい場所である。

なお、図６は実験場の配置図、図７は測定点Ｐ１、Ｐ２・・・の位置の測位結果、図８は各ＡＣＡＳアンテナ間の距離差について測位結果を示している。又、ＤＡＣパラメータは、遅延＝２５．６ｎｓ、増幅度＝０．６とした。その結果を図７〜図９及び表１に示す。

図７〜図８、表１に示すように、測定点Ｐ９、Ｐ１６及びＰ１７の位置以外では、１ＲＭＳ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）誤差が、２ｍ以下と良好であった。なお、ＤＡＣの動作点は３０．８ｎｓ、６１．４ｎｓであるから、１８．４２ｍより短いマルチパスの影響を受ける。

これらの実験結果では、測定点Ｐ９は、３．３（１ＲＭＳ誤差）と他の測定点と比較すると劣化しているが、ＥＵＲＯＣＡＥの基準＝３．７５ｍ（１ＲＭＳエラー）／（２ＲＭＳ誤差−７．５ｍ）は、満足する値である。測定点Ｐ１６は、遅延時間が短く、且つ強いパルスが混入したため、大きな誤差となったと思われる。測定点Ｐ１７は、３．１５（１ＲＭＳ誤差）となり、他の固定点と比較すると劣化しているが、上記ＥＵＲＯＣＡＥの基準は満足する値である。なお、ＥＵＲＯＣＡＥは、The European Organization for Civil Aviation Equipmentの略称である。

次いで、図９、図１０に示すように、発明者等は、測定点５から測定点４へとＹ方向に１０ｃｍずつ移動させた場合の各移動点の測位を行った。なお、図９は、Ｙ方向への移動点の測位結果、図１０は移動区間（測定点Ｐ５から測定点Ｐ４）における移動点の測位結果の拡大図を示す。その結果、図１０に示すように、測位した移動点の集合した幅（Ｘ方向）は、１ｍ程度となった。

さらに、発明者等は、図１１、図１２に示すように、測定点Ｐ４から測定点Ｐ’４方向へ１０ｃｍずつ移動させた場合の各移動点の測位を行った。なお、図１１は、Ｘ方向への移動点の測位結果、図１２は移動区間（測定点Ｐ４から測定点Ｐ’４）における移動点の測位結果の拡大図を示す。その結果、図１２に示すように、測位した移動点の集合した幅（Ｙ方向）は、１ｍ程度となった。

このように、実験データからも、この発明によれば、高精度の測位結果が得られることが判明した。

さらに、発明者等は、仙台空港において、モードＳトランスポンダを設置した車両を移動体として実験を行った。従って、この移動体（車両）からは、１０９０ＭＨｚのモードＳ応答信号が周期的に送信されている。モードＳ信号を受信する地上局のアンテナＡ１、Ａ２、Ａ３は、既知の固定点に配置し、ＤＡＣ法により移動体の位置情報を測位する実験を行った。

図１３に示すように、地上局２０として、アンテナ（Ａ１、Ａ２、Ａ３）を既知の３箇所に配置した。アンテナＡ１とＡ２との直線距離は５３０ｍ、アンテナＡ３とＡ１との距離は７６０ｍである。又、アンテナＡ１−アンテナＡ２間、アンテナＡ１−アンテナＡ３間は、光伝送線路として光ケーブルで接続した。この際、光ケーブル長は、Ａ１−Ａ２は約６５０ｍ、Ａ１−Ａ３は約１３００ｍであった。又、周囲には、巨大なターミナルビルがあり、複数の航空機が駐機していた。従って、移動体がターミナルビルや航空機に近づくほどマルチパスの影響が大きくなる。

図１３中、網かけ線は航跡１を示し、移動体が滑走路ＲからエプロンＥへの走行した場合を示しており、図中では明瞭ではないが５７０個の信号（ＲＦ信号）が取得された。実線は航跡２を示し、駐機している航空機の後方を横方向に移動した場合を示しており、図中明瞭ではないが６２０個の信号（ＲＦ信号）が取得された。

この実験データでは、航跡１及び航跡２がいずれもばらつきが小さい線で表示されていることからも明らかであるように、精度のよい測位がなされた。航跡１の場合には、１ＲＭＳ誤差は、約３．７ｍ、航跡２の場合には、１ＲＭＳ誤差は、約２．５ｍとなった。いずれの航跡とも、マルチパスの多い領域にもかかわらず、ＥＵＲＯＣＡＥの規定値（３．７５ｍ）を満足するものであった。

なお、実施例１では、劣化した信号を捕捉した後、ＤＡＣ法により各地上局で受信した受信時刻を検出する場合について説明したが、ＤＡＣ法を用いた場合には、移動体から送信される信号（地上局で受信するＲＦ信号）は、パルス信号であることが必要である。しかしながら、地上局で受信するＲＦ信号が連続波の場合には、受信時刻を検出する方法として、ＤＡＣ法の代わりに相互相関法を用いて受信時刻を検出することが出来る。

即ち、相互相関法は、受信波形と基準波形との相互相関をとり、これが最大となる点を波形毎の到達時間とする方法で、実施例２では、正常に受信されたＲＦ信号の受信波形を基準波形とし、信号捕捉回路で捕捉された信号の波形を受信波形として両者の相互相関をとる。このようにして求められた相互相関値が最大となる点が、波形毎の到達時間となる。

空港場内を走行する航空機、自動車等の移動体の監視や管制、空港に接近しつつある航空機の監視、管制、任意の箇所に設置された複数の地上局により包囲されている監視区域内の移動体の位置情報を測位することが出来る。移動体から送信されるあらゆる種類の信号に対応して、移動体を測位することが出来る。マルチパス干渉の発生しやすい電波障害物の多い地域における移動体の監視、管制に利用することが出来る。移動体からの信号が劣化しやすい地域における移動体の監視、管制に利用することが出来る。

この発明の第１の実施例を示す原理図である。 この発明の第１の実施例を示すもので、劣化した信号を捕捉する信号捕捉回路のブロック図である。 この発明の第１の実施例を示すもので、劣化した信号を捕捉する場合の説明図である。 この発明の第１の実施例を示すもので、地上局２０の構成図である。 この発明の第１の実施例を示すもので、ＤＡＣ法により時刻検出する場合の説明図である。 この発明による第１の実験例を示すもので、実験場の配置図である。 この発明による第１の実験例を示すもので、測定点Ｐ１、Ｐ２・・・の位置の測位結果である。 この発明による第１の実験例を示すもので、各ＡＣＡＳアンテナ間の距離差について測位結果である。 この発明による第１の実験例を示すもので、Ｙ方向への移動点の測位結果である。 この発明による第１の実験例を示すもので、移動区間（測定点Ｐ５から測定点Ｐ４）における移動点の測位結果の拡大図である。 この発明による第１の実験例を示すもので、Ｘ方向への移動点の測位結果である。 この発明による第１の実験例を示すもので、移動区間（測定点Ｐ４から測定点Ｐ’４）における移動点の測位結果の拡大図である。 この発明による第２の実験例を示すもので、仙台空港の配置図及び実験データを示す図である。 従来例を示すもので、先に発明者等が特許出願したもので、地上に配置した受信局（受信局０〜受信局３）と移動体４としての航空機４との位置関係を示す図である。 従来例を示すもので、先に発明者等が特許出願したもので、受信局０〜受信局３で受信される信号の時間関係を示す説明図である。 従来例を示すもので、先に発明者等が特許出願したもので、相互相関法による受信時刻差の精密測定を示す説明図である。

ｔ_０ 地上局２０ａの受信時刻
Ｔ 存在時間範囲
２０ａ〜２０ｎ 地上局
２３ 移動体
２４ 光伝送線路
２５ 主処理装置
２６ ＲＦ・光変換装置
２７ 光・ＲＦ変換装置
２８ 信号検出回路
２９ ＯＲ回路

Claims (8)

1. 複数の地上局により包囲される監視区域内に移動体が入った場合、この移動体の位置情報を求める移動体の測位方法において、
   前記監視区域内に位置する移動体から送信された複数の信号を、前記複数の地上局でそれぞれすべて受信するとともに、この受信した複数のＲＦ信号を、それぞれ光信号に変換して広帯域光伝送線路を介して主処理装置に伝送し、
   この主処理装置では、前記各光信号をそれぞれ受信した前記ＲＦ信号に変換するとともに、この各受信したＲＦ信号が前記複数の地上局でそれぞれ受信された受信時刻をそれぞれ求め、
   前記地上局毎に求めた前記受信時刻から、前記移動体から前記地上局迄の信号の到達時間を求めるとともに、この到達時間から２つの地上局間毎の到達時間差をそれぞれ求め、
   この各到達時間差から前記移動体の位置情報を求め、
   さらに、前記主処理装置は、少なくとも１つの地上局が受信したＲＦ信号の受信時刻を基準にして各地上局の配置関係から、その他の地上局で受信したであろうＲＦ信号の受信時刻が存在する存在時間範囲をその他の地上局毎に求め、
   それぞれの前記存在時間範囲内において、それぞれその他の地上局毎に受信したであろうＲＦ信号の受信時刻をＤＡＣ法（Ｄｅｌａｙ Ａｔｔｅｎｕａｔｅ Ｃｏｍｐａｒｅ法：遅延減衰波形比較法）により検索するとともに、この検索した前記その他の地上局毎のＲＦ信号の受信時刻が、前記移動体から送信された信号であると判定すること
   を特徴とする移動体の測位方法。
2. 前記その他の地上局で受信したであろうＲＦ信号の受信時刻をＤＡＣ法により検索する代わりに、相互相関法あるいは半振幅点検出回路による方法のいずれかによりその他の地上局からのＲＦ信号の受信時刻を検索すること
   を特徴とする請求項１に記載の移動体の測位方法。
3. 前記地上局として、少なくとも３つの地上局を設置することにより、前記移動体の二次元位置情報を測位すること
   を特徴とする請求項１〜請求項２の何れかに記載の移動体の測位方法。
4. 前記地上局として、少なくとも４つの地上局を設置することにより、前記移動体の三次元位置情報を測位すること
   を特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の移動体の測位方法。
5. 複数の地上局により包囲される監視区域内に移動体が入った場合、この移動体の位置情報を求める移動体の測位装置において、
   前記移動体から送信された複数の信号を受信する複数の地上局と、
   この複数の地上局と主処理装置とを接続する広帯域光伝送線路と、
   前記複数の地上局でそれぞれ受信した複数のＲＦ信号を、それぞれ光信号に変換して前記光伝送線路を介して前記主処理装置に伝送する手段と、
   前記各光信号をそれぞれ受信した前記ＲＦ信号に変換する機能と、前記複数の地上局毎のＲＦ信号が、それぞれ前記地上局で受信された受信時刻をそれぞれ検出する機能と、この受信時刻から前記移動体から地上局迄の信号の到達時間を求める機能と、この到達時間から２つの地上局間毎の到達時間差を算出する機能と、この到達時間差から前記移動体の位置情報を算出する機能とを有する前記主処理装置と、
   さらに、この主処理装置は、複数の地上局の配置関係を設定する機能と、少なくとも１つの地上局が受信したＲＦ信号の受信時刻を求める機能と、各地上局の配置関係からその他の地上局で受信したであろうＲＦ信号の受信時刻が存在する存在時間範囲を求める機能と、ＤＡＣ法（Ｄｅｌａｙ Ａｔｔｅｎｕａｔｅ Ｃｏｍｐａｒｅ法：遅延減衰波形比較法）を用いてその他の地上局からのＲＦ信号の受信時刻を検索する機能と、それぞれの前記存在時間範囲内において、それぞれその他の地上局毎のＲＦ信号の受信時刻を求める機能と、前記その他の地上局毎のＲＦ信号の受信時刻が、前記移動体から送信された信号であると判定する機能とを有すること
   を特徴とする移動体の測位装置。
6. 前記主処理装置は、ＤＡＣ法を用いて前記その他の地上局からのＲＦ信号の受信時刻を検索する機能の代わりに、相互相関法あるいは半振幅点検出回路による方法のいずれかを用いて前記その他の地上局からのＲＦ信号の受信時刻を検索する機能を有すること
   を特徴とする請求項５に記載の移動体の測位装置。
7. 前記主処理装置は、少なくとも３つの地上局を設置することにより、前記移動体の二次元位置情報を測位する機能を有すること
   を特徴とする請求項５〜請求項６の何れかに記載の移動体の測位装置。
8. 前記主処理装置は、少なくとも４つの地上局を設置することにより、前記移動体の三次元位置情報を測位する機能を有すること
   を特徴とする請求項５〜請求項６の何れかに記載の移動体の測位装置。