JP4931528B2 - 無線測位システム及び無線装置 - Google Patents

Description

本発明は、端末の現在位置を測位する無線測位システム及び該測位システムで用いられる無線装置に関する。

従来の無線測位システムでは、原理上、被測位端末と３つ以上の基地局とから構成され、３つ以上の基地局において測位信号を受信しなければならない。例えば、ＴＤＯＡ（Time Difference of Arrival）方式と呼ばれる測位方式では、被測位端末から放射される一つの測位信号を２つ以上の基地局で受信し、その受信時間差を計測することで測位が実施される。ＴＤＯＡ測位では前記受信時間差が２組の基地局で必要となり、一般的には一つの測位信号を３つ以上の基地局で受信することで測位を行う。

図１０が従来の無線測位システムの構成を示す構成図である。図１０において、被測位端末Ｄから送信される測位信号を３つの基地局Ｅ，Ｆ，Gで受信する。ここで、被測位端末のアンテナの放射パターンに図１０に示すような異方性があると、例えば、アンテナゲインの大きい方向にある基地局Ｅでは測位信号が受信できるが、アンテナゲインの小さな方向にある基地局Ｆ，Ｇでは測位信号が受信できないケースが発生する。また、アンテナ特性の異方性は、基地局アンテナにおいても観測される可能性がある。
従来の無線測位システムに関する参考文献としては、例えば特許文献１が知られている。
特開２００５−１４０６１７号公報

このように、従来の無線測位システムにおいては、被測位端末及び基地局のアンテナの指向性により、被測位端末からの測位信号が一部の基地局でしか受信されず、正常に測位が行えない場合があるため、測位可能なエリアが限定されるという課題があった。
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、アンテナの指向性によらず、広範囲で測位が可能な無線測位システムを実現することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、本発明の第１の態様は、測位用の測位信号を生成する測位信号生成手段と、互いに対称に配置され、前記測位信号を無線送信する複数のアンテナと、前記測位信号を送信するアンテナを前記複数のアンテナから選択する選択手段とを具備する無線端末と、前記無線端末の選択手段で選択されたアンテナから無線送信された測位信号を受信し、該無線端末の測位を行う複数の基地局とから構成されることを特徴とする無線測位システムである。

また、本発明の第２の態様は、測位用の測位信号を生成する測位信号生成手段と、互いに対称に配置され、前記測位信号を無線送信する複数のアンテナと、前記測位信号を前記複数のアンテナに電力分配して送信させる電力分配手段とを具備する無線端末と、前記無線端末のアンテナから無線送信された測位信号を受信し、該無線端末の測位を行う複数の基地局とから構成されることを特徴とする無線測位システムである。

また、本発明の第３の態様は、本発明の第１の態様又は本発明の第２の態様において、前記無線端末の複数のアンテナは、該アンテナが実装される基板又は該基板のグランド領域に関して対称となるように配置したことを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、本発明の第１の態様又は本発明の第２の態様において、前記無線端末の複数のアンテナは、前記測位信号生成手段の位置に関して対称となるように配置したことを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、本発明の第１の態様において、前記無線端末の複数のアンテナは、前記選択手段の位置に関して対称となるように配置したことを特徴とする。

また、本発明の第６の態様は、本発明の第２の態様において、前記無線端末の複数のアンテナは、前記電力分配手段の位置に関して対称となるように配置したことを特徴とする。

また、本発明の第７の態様は、本発明の第３の態様から本発明の第６の態様までのいずれかに記載の発明において、前記無線端末は、さらに前記測位信号生成手段から前記複数のアンテナに至る給電線を対称としたことを特徴とする。

また、本発明の第８の態様は、測位用の測位信号を生成する測位信号生成手段と、前記測位信号を無線送信する複数のアンテナと、過去に前記複数のアンテナから前記測位信号を送信した時に前記基地局で正常に受信できたかに関する情報、ないし予め設定された前記複数のアンテナから測位信号を送信するタイミングに関する情報を格納する記憶手段と、前記記憶手段に格納された情報に基づいて前記測位信号を送信するアンテナを前記複数のアンテナから選択する選択手段とを具備する無線端末と、前記無線端末の選択手段で選択されたアンテナから無線送信された測位信号を受信し、該無線端末の測位を行う複数の基地局とから構成されることを特徴とする。

また、本発明の第９の態様は、本発明の第８の態様において、前記複数のアンテナは、互いに対称に配置されていることを特徴とする。
また、本発明の第１０の態様は、本発明の第８の態様又は本発明の第９の態様において、前記無線端末は、複数の測位信号を別々の前記アンテナから送信し、前記複数の基地局は、前記無線端末の複数のアンテナから送信された複数の測位信号に基づいて該無線端末の測位を行うことを特徴とする。

また、本発明の第１１の態様は、本発明の第１０の態様において、前記無線端末の測位信号生成手段は、前記複数の測位信号が送信される時間差の情報を前記測位信号に格納することを特徴とする。

また、本発明の第１２の態様は、本発明の第８の態様又は本発明の第９の態様において、前記無線端末の測位信号生成手段はインパルス型の測位信号を生成し、前記選択手段は前記測位信号のパルスとパルスの間隔で該測位信号を送信する前記アンテナを切り替えることを特徴とする。

また、本発明の第１３の態様は、本発明の第８の態様又は本発明の第９の態様において、前記基地局は測位開始信号を送信し、前記無線端末は前記測位開始信号の受信後に前記測位信号を送信し、前記基地局は前記測位開始信号を送信してから前記無線端末からの測位信号を受信するまでの時間情報を該無線端末の測位に用いることを特徴とする。

また、本発明の第１４の態様は、測位用の測位信号を生成する測位信号生成手段と、互いに対称に配置され、前記測位信号を無線送信する複数のアンテナと、前記測位信号を送信するアンテナを前記複数のアンテナから選択する選択手段とを具備することを特徴とする無線装置である。

また、本発明の第１５の態様は、測位用の測位信号を生成する測位信号生成手段と、互いに対称に配置され、前記測位信号を無線送信する複数のアンテナと、前記測位信号を前記複数のアンテナに電力分配して送信させる電力分配手段とを具備することを特徴とする無線装置である。
また、本発明の第１６の態様は、測位用の測位信号を生成する測位信号生成手段と、前記測位信号を無線送信する複数のアンテナと、過去に前記複数のアンテナから前記測位信号を送信した時に前記基地局で正常に受信できたかに関する情報、ないし予め設定された前記複数のアンテナから測位信号を送信するタイミングに関する情報を格納する記憶手段と、前記記憶手段に格納された情報に基づいて前記測位信号を送信するアンテナを前記複数のアンテナから選択する選択手段とを具備することを特徴とする。

なお、特許請求の範囲における無線装置とは、例えば実施形態における図１の被測位端末０００１または基地局０１０１〜０１０３に相当する。

本発明によれば、無線端末又は基地局が複数のアンテナを備え、複数のアンテナの配置を基板、基板のグランド領域等に関して対称とすることで、該複数のアンテナの放射パターンを対称とすることができるため、従来の無線測位方式ではアンテナの指向性により測位が実現できないエリアにおいても測位が可能となり、測位可能なエリアが大幅に広がる。

さらに、アンテナだけでなく、測位信号生成手段からアンテナに至る給電線まで対称とすることで、複数のアンテナの放射パターンをより対称とすることができる。また、複数のアンテナから測位信号を送信するアンテナを選択する際に過去に行った測位に関する情報を用いることで適切なアンテナを選択することができる。さらにまた、測位信号としてインパルス型の信号を用い、パルスとパルスの間でアンテナの切換を行うことで測位信号の送信時間差拡大による誤差削減が可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態にかかる無線測位システムの構成を示す構成図である。図１において、被測位端末０００１（ＮＯＤＥ、無線端末）は、測位の対象となる無線端末であり、測位信号０４１０を送信する。

基地局０１０１，０１０２，０１０３（ＡＰ）は、被測位端末０００１から無線送信された測位信号を受信し、その情報をネットワーク０４００を介して測位計算用サーバー０２００に送信するものである。測位計算用サーバー０２００（Ｓｅｒｖｅｒ）は、基地局０１０１，０１０２，０１０３から受信した情報に基づいて被測位端末０００１の位置を計算するものである。

被測位端末０００１内の信号処理部０００５（測位信号生成手段）は、パケット生成や演算処理、変復調などの信号処理を行うブロック（DSP）であり、マイクロコントローラー０００６（ＭＰＵ）とカウンター０００７（ＣＯＵＮＴ）と記憶媒体０００８（ＭＥＭ）とベースバンド信号処理部０００9（BB）から構成される。

マイクロコントローラー０００６は、演算処理や状態遷移などの管理を行うものである。カウンター０００７は、クロック等をカウントするものである。記憶媒体０００８（記憶手段）は、被測位端末０００１のＩＤや受信データを格納するものである。ベースバンド信号処理部０００９は、パケットの生成、データの変復調や拡散・逆拡散などベースバンドの信号処理を行うものである。

無線部００１０（ＲＦ）は、信号処理部０００５から出力されたデータをアンテナ００２１，００２２から送信する信号に変換し、スイッチ００１１に出力するものである。また、無線部００１０は、アンテナ００２１，００２２で受信した信号を増幅、周波数変換し、信号処理部０００５へ出力するものである。

スイッチ００１１（ＳＷ、選択手段）は、無線部００１０から出力された信号を入力し、２つのアンテナ００２１，００２２の何れに出力するかを切り替えるものである。スイッチ００１１は、信号処理部０００５から入力する切り替え制御信号０４２０に基づいて切り替えを行う。

アンテナ００２１（ＡＮＴａ）、００２２（ＡＮＴｂ）は、スイッチ００１１からの信号を無線送信するものであり、好適に放射されない方向を互いに相補するよう対称に配置される。アンテナ００２１，００２２は同種類のアンテナであっても、異なる種類のアンテナであってもよい。なお、アンテナ００２１，００２２の配置に関する詳細は、図４及び図５を参照して後述する。

基地局０１０１，０１０２，０１０３は、被測位端末０００１と同様に信号処理部０１０５（ＤＳＰ）、無線部０１１０（ＲＦ）、スイッチ０１１１（ＳＷ）及び２つのアンテナ０１２１（ＡＮＴａ），０１２２（ＡＮＴｂ）から構成される。

基地局０１０１とネットワーク０４００とは無線ないし有線のコネクション０４０２で接続され、基地局０１０２とネットワーク０４００とは無線ないし有線のコネクション０４０１で接続され、基地局０１０３とネットワーク０４００とは無線ないし有線のコネクション０４０３で接続される。

測位計算用サーバー０２００内の信号処理部０２０５（ＤＳＰ）は、信号処理を行うＤＳＰであり、マイクロコントローラー０２０６（ＭＰＵ）と計算部０２０７（ＣＡＬ）と記憶媒体０２０８（ＭＥＭ）とから構成される。

計算部０２０７は、基地局０１０１，０１０２，０１０３から受信した情報や記憶媒体０２０８に格納された情報に基づいて被測位端末０００１の位置を計算するものである。測位計算用サーバー０２００とネットワーク０４００とは無線ないし有線のコネクション０４０４で接続される。なお、測位計算用サーバー０２００の機能は、基地局０１０１，０１０２，０１０３に実装してもよい。

続いて、図２及び図３を参照し、被測位端末０００１から送信される測位信号について説明する。本実施形態では、被測位端末１はアンテナ００２１から１回目の測位信号（測位第一パケット）を送信し、続いてアンテナ００２２から２回目の測位信号（測位第二パケット）を送信する。

図２は、測位第一パケット及び測位第二パケットの構成を示す図である。図２において、測位第一パケット及び測位第二パケットの構成は、一般的に通信で用いられるパケット構成であり、具体的には同期用のプリアンブル（Ｐｒｅａｍｂｌｅ）、データの開始を示すＳＦＤ、端末ＩＤやデータサイズ等を記載するヘッダー（ＨＤＲ）、データ（ＤＡＴＡ）及びエラーチェックに用いるＣＲＣとから構成される。

測位第一パケット及び測位第二パケットの構成は、図２に示した構成の他に、測位用の単純な信号列で構成するものであってもよいし、無線方式としてインパルス型のＵＷＢ（Ultra Wide Band）を用いる場合には測位用の単純なパルス列もしくは単一パルスで構成することも可能である。

測位第二パケットのデータには、測位第一パケットの送信トリガーが発生した時刻ｔ０から測位第二パケットの送信トリガーが発生した時刻ｔ３までの時間ないしカウンター値等の時間情報を格納する。これにより、測位第一パケットを受信できず測位第二パケットのみを受信した基地局が、測位第二パケットを受信した時刻から測位第一パケットが到達したであろう時刻を算出することが可能となる。

図２は測位第一パケットと測位第二パケットとして、ある時間間隔をおいたパケットの送信を行う場合の例であるが、インパルス型のＵＷＢなど、間欠的にパルスを送信するシステムでは、一パケット内のパルスが発生していない期間にアンテナを切り替えることで、一パケット内でアンテナを切り替えることも可能である。

図３は、測位第一パケットおよび測位第二パケットを連続させて一パケットとして構成した場合の構成図である。この場合、一パケット内にアンテナ切り替えが実施されるため（図３では測位第一パケットを構成する最後のパルスと測位第二パケットを構成する最初のパルスとの間でアンテナを切り替える）、誤差要因となる第一パケットと第二パケットの時間が削除され、高精度な測位が実施される。

さらに、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）による多重化が実施された系ではパケット送信の前にキャリアセンスが要求されたり、総務省のＵＷＢ法規制（案）で提示されている干渉低減技術を実施する際には、他の無線システムの検波が必要で検波された場合には送信を制限される。測位用に２つのパケットを送信する場合には、上記制約から各々パケット送信前に検波が必要となり、2つのパケットの送信間隔の増大、測位誤差の拡大へとつながる。これに対し、一パケット内での切り替えは、第一パケット・第二パケットの送信時間差拡大による誤差削減が可能である。

なお、図３のパケットの内部構成（ＤＡＴＡ、ＣＲＣなどの領域）は一例である。例えば、ＣＲＣチェックのエラーチェックをトリガーにＡＣＫ／ＮＡＣＫを返送するシステムでは、ＣＲＣがパケット中央に配置されると、ＡＣＫ／ＮＡＣＫと後続のパルス列と衝突するため、最後のみに設ける等で回避される。

次に、図４及び図５を参照し、好適に放射されない方向を互いに相補するよう、２つのアンテナを対称に配置する形態に関して具体的に説明する。
図４は、図１の被測位端末０００１におけるアンテナの実装形態を示す図である。図４において、基板４０は被測位端末０００１内の各部が実装される基板であり、グランド領域４１は基板４０においてグランドパターンが配置される領域である。

通信ＬＳＩ４２は、図１の無線部００１０を内蔵するＬＳＩ（Large Scale Integration）であり、整合回路４３は、給電線とアンテナとのインピーダンス整合を行うための整合回路である。スイッチ４４は、図１のスイッチ００１１であり、スイッチ４４ｂはスイッチ４４の前段に配置され、送受信を切り替えるものであり、スイッチ４４ｃはスイッチ４４及び４４ｂを一体化した４端子切り替えスイッチである。

アンテナ４５ａ−１，２はパターンアンテナであり、４５ｂ−１，２、４５ｃ−１，２、４５ｄ−１，２は誘電体アンテナである。これらのアンテナは、図１のアンテナ００２１，００２２に対応するものである。なお、アンテナ実装部にはグランドは設けない。

図４（ａ）は、パターンアンテナ４５ａ−１，２を基板４０又はグランド領域４１の中心点Ｐ１に関して点対称となるように配置した例である。図４（ｂ）は、誘電体アンテナ４５ｂ−１，２を基板４０又はグランド領域４１の表面を走る中心線Ｌ１に対して線対称となるように配置した例である。

図４（ｃ）は、アンテナ４５ｃ−１，２だけでなく、通信ＬＳＩ４２、整合回路４３、スイッチ４４ｃ及び給電線を中心線Ｌ１に対して線対称となるように配置した例である。通信ＬＳＩや整合回路、給電線等も対称となるように配置することで、２つのアンテナの放射パターンをより対称とすることができる。

図４（ｄ）は、通信ＬＳＩ４２が基板４０のグランド領域４１に実装され、アンテナ４５ｄ−１が別基板４６−１に実装され、アンテナ４５ｄ−２がさらに別基板４６−２に実装された場合の例である。図４において、グランド領域４１の通信ＬＳＩ４２が実装された面の裏面には通信ＬＳＩ４２等を駆動する電池４７が配置される。図４（ｄ）は、アンテナ４５ｄ−１，２を、グランド領域４１又は通信ＬＳＩ４２の中心を通り基板４０の表面に垂直な線Ｌ２に対して線対称となるように配置した例である。

アンテナの放射パターンは、基板やグランド形状・サイズ、信号線路、LSIや受動素子など部品実装位置、アンテナ実装位置、周囲環境により大きく変化する。そのため、２つのアンテナを実装する際には、図４で示した例のように、これらの条件に関して対称（点対称、線対称、面対称など）とすることで放射パターンも対称とすることが可能となり、好適に放射されない方向を互いに相補することができる。このため、アンテナを対称に配置する構成は、測位などアンテナの放射パターンに等方性が要求される応用に対して特に有効に機能する。

具体的には、例えば、モノポール型のアンテナなどでは、アンテナ特性（放射パターンを含む）はグランド形状に大きく依存する。従って、２つのアンテナをグランドに対して対称に設置することで、各アンテナのヌル点もしくはアンテナ利得の低い方向を相補し両アンテナの組み合わせにより測位で必要となる放射特性（アンテナゲイン）を得ることができる。

なお、送受信切り替えのスイッチとアンテナの切り替えスイッチの実装例は、さまざまな形態があり、図４に示した組み合わせ以外にも様々な組み合わせでの利用が可能である。また、３つ以上のアンテナを実装する場合においても、２つの場合と同様に、互いに対称となるように配置することで、好適に放射されない方向を互いに相補することができる。

さらに、送信ＬＳＩからアンテナまでの遅延時間（又は距離）が同じになるようにしてもよいし、アンテナの偏波面を垂直偏波と水平偏波、もしくは右偏波と左偏波にたがえるようにしてもよい。また、送信ＬＳＩや整合回路、切り替えスイッチに関して対称にアンテナを配置してもよい。

図４は被測位端末における複数のアンテナの実装形態であるが、基地局においても複数のアンテナを実装してもよい。図５が基地局におけるアンテナの実装形態の一例を示す図である。

図５において、基地局内の基板５０は主制御を司るマイクロコントローラー５１とＵＳＢ（Universal Serial Bus）やＥｔｈｅｒ等の外部出力端子５２が実装されている。基板５３ａ，ｂは基板５０を挟んで対称な位置に配置され、それぞれの基板に送受信２つのアンテナが実装される。

基板５３ａにおいては、グランド領域５４ａに通信用ＬＳＩ５５ａ及び整合回路５６ａが実装される。整合回路５６ａと接続された誘電体アンテナ５７ａ−１は送信用のアンテナであり、誘電体アンテナ５７ａ−２は受信用のアンテナである。誘導体アンテナ５７ａ−１，２の実装部にはグランドは設けない。

同様に、基板５３ｂにおいては、グランド領域５４ｂに通信用ＬＳＩ５５ｂ及び整合回路５６ｂが実装される。整合回路５６ｂと接続された誘電体アンテナ５７ｂ−１は送信用のアンテナであり、誘電体アンテナ５７ｂ−２は受信用のアンテナである。誘導体アンテナ５７ｂ−１，２の実装部にはグランドは設けない。

図５では、送信用の誘電体アンテナ５７ａ−１，５７ｂ−１は基板５０の中心点Ｐ２に関して点対称となるように配置され、受信用の誘電体アンテナ５７ａ−２，５７ｂ−２も中心点Ｐ２に関して点対称となるように配置される。さらに、通信用ＬＳＩや整合回路、各アンテナへの給電線も中心点Ｐ２に関して点対称に配置する。また、基板５３ａと基板５３ｂは部品実装位置、線路などにおいて同一の構成をとり、基板５０に実装されたマイクロコントローラー５１に接続することで、基板５３ａと基板５３ｂが基板５０に対して線対称な配置をとることも可能である。基板５３ａと基板５３ｂは同一であることからコストの削減が見込まれる。さらに、マイクロコントローラー５１の機能は、通信用ＬＳＩ５５aおよび５５bに搭載し、基板５０は基板５３aないし５３bの入出力を切り替えるスイッチの機能を持たせることもできる。

このように、基地局に実装される複数のアンテナを対称に配置することで、被測位端末と通信可能な範囲、すなわち測位可能な範囲が広がる。図１の無線測位システムにおいて複数のアンテナを対称に配置するのは、被測位端末０００１のみであってもよいし、基地局０１０１，０１０２，０１０３のみであってもよいし、被測位端末０００１と基地局０１０１，０１０２，０１０３の双方であってもよい。

次に、図１の無線測位システムにおいて、ＴＤＯＡ方式で被測位端末０００１の測位を行う際の処理を図６及び図７を参照して説明する。
図６はＴＤＯＡ方式における処理を示すフローを示す図であり、図７は図６のフローにおける測位の原理を示す図である。図６の基地局Ａ，Ｂ，Ｃは時間同期がとれている。

図６において、被測位端末０００１で備えるタイマー機能により測位開始信号が発生する。被測位端末０００１内部で発生した測位開始信号を信号処理部０００５が受信すると（ステップＳ６０１）、信号処理部０００５は予め定められたアルゴリズムにより２つのアンテナ００２１，００２２のどちらを使用するかを決定し（ステップＳ６０２）、切り替え信号０４２０を出力する。

信号処理部０００５におけるアンテナ選択アルゴリズムとしては、各アンテナから送信した場合の、ＰＥＲ（パケットエラーレート）、受信・測位成功率などを各基地局と関連付けて記憶媒体０００８などに格納し、これらの情報に基づいて効率的なアンテナの選択を行う方法が挙げられる。なお、アンテナの選択は、予め設定されたモードに基づいて行ってもよい。
ここで、アンテナと基地局との間のＰＥＲや受信・測位成功率は、以前に当該アンテナから送信したパケットを当該基地局で正常に受信できたか否かのフィードバック情報を基地局側から受け、その情報を記憶媒体０００８に格納しておくことによって求める。

スイッチ００１１が切り替え信号０４２０を入力すると、その指示に従ってアンテナを選択する。ここでは、アンテナ００２１（ＡＮＴａ）が選択されたとする。続いて、信号処理部０００５は図３に示した測位第一パケットを生成し無線部００１０に出力して送信処理を行う（ステップＳ６０３）。

信号処理部０００５による送信処理をトリガーに、カウンター０００７は計測を開始する（ステップＳ６０４）。所定の時間が経過し、カウンター０００７によるカウント値が予め設定された値もしくは任意の値をとると（ステップＳ６０５）、信号処理部０００５はアンテナ００２２（ＡＮＴｂ）に切り替える信号をスイッチ００１１へ出力する（ステップＳ６０６）。
なお、ステップＳ６０５で用いる設定値は、予め記憶媒体０００８に格納されている、アンテナからの測位信号送信タイミングの情報である。

続いて、信号処理部０００５は図３の測位第二パケットを生成し無線部００１０に出力して送信処理を行う（ステップＳ６０７）。このとき、測位第二パケットのデータには、測位第一パケットの送信処理を開始した時刻ｔ６０から測位第二パケットの送信処理を開始した時刻ｔ６４までの時間差の情報を格納する。なお、この時間差の情報は、上で被測位端末０００１のカウンター０００７を用いて計測された時間に基づくものである。なお、基地局Ａ（０１０１），Ｂ（０１０２），Ｃ（０１０３）においてこの時間差が既知である場合には、測位第二パケットに該時間差を格納する必要はない。
上記のように、被測位端末０００１は、過去に複数のアンテナから測位信号を送信した時に基地局側で正常に受信できたか否かを表す情報、および複数のアンテナから測位信号を送信するための予め設定されたタイミング情報を記憶媒体０００８に格納しておき、これらの情報に基づいてアンテナを選択し、選択されたアンテナから測位信号を送信する。

被測位端末０００１のアンテナＡＮＴａの放射パターンに図７（ａ）に示すような異方性があり、図６のステップＳ６０３で送信された測位第一パケットが基地局Ｂ，Ｃのみで受信された場合（図７のａ）、この時点で到達時間差の情報は基地局Ｂ−Ｃ間（ｔ６３−ｔ６２）の１つのみしか得られない。従来の無線システムではこの時点で測位が失敗となる。

一方、本実施形態では続けてステップＳ６０７において測位第二パケットをアンテナＡＮＴｂから送信する。アンテナＡＮＴｂの放射パターンは、アンテナＡＮＴａの放射パターンと対称であるため、アンテナＡＮＴａの放射パターンでは放射電力が弱かった基地局Ａの方向に対して、放射電力が強くなる。

このため、測位第二パケットは基地局Ａで受信される可能性が高い（図７のｂ）。逆に、アンテナＡＮＴａの放射パターンでは放射電力が強かった基地局Ｂ，Ｃの方向に対しては、放射電力が弱くなるため、測位第二パケットは基地局Ｂ，Ｃにおいては受信されないこともある。

このとき、測位第二パケットが基地局Ａに到達した時刻ｔ６５と、測位第一パケットと測位第二パケットとの送信時間差（ｔ６４−ｔ６０）から、測位第一パケットが基地局Ａに到達したであろう時刻ｔ６１を求めることができる。この後、基地局Ａ−Ｂ間の時間差（ｔ６２−ｔ６１）を求めることで２組の時間差情報が得られる。

基地局Ｂ−Ｃ間の時間差（ｔ６３−ｔ６２）に無線信号の伝播速度を乗算することで基地局Ｂ，Ｃの位置を焦点とする双曲線上に被測位端末０００１が存在することが分かり、同様に基地局Ａ−Ｂ間の時間差（ｔ６２−ｔ６１）から基地局Ａ，Ｂの位置を焦点とする双曲線上に被測位端末０００１が存在することが分かるため、この２つの双曲線の交点から被測位端末の位置を求めることができる。

本実施形態ではアンテナが２つの場合を説明したが、アンテナが３つ以上の場合には、測位第二パケットを送信する際においても前述したアルゴリズムを用いてアンテナの選択を行ってもよい。例えば、測位第一パケットが正常に受信されなかった基地局Ａの情報を基地局Ｂ，Ｃから被測位端末に通知し、測位第二パケットを送信する際には基地局Ａへの送信に最適なアンテナを前述したアルゴリズムを用いて選択する方法が考えられる。

なお、仮にそれぞれのパケット送信で２組の基地局間受信時間差情報が得られた場合には時間差情報（ｔ６４−ｔ６０）が、さらに測位第二パケットのみで３基地局の受信が成立した場合には、測位第一パケットから得られた時間情報および時間差情報（ｔ６４−ｔ６０）は必ずしも必要ないが、すべてのデータを利用することでより高精度な測位が実現可能である。

次に、図１の無線測位システムにおいて、ＴＯＡ（Time of Arrival）方式とＴＤＯＡ方式とを組み合わせて被測位端末０００１の測位を行う際の処理を図８及び図９を参照して説明する。
図８はＴＯＡ方式及びＴＤＯＡ方式における処理を示すフローを示す図であり、図９は図８のフローにおける測位の原理を示す図である。図８の基地局Ａ，Ｂ，Ｃは時間同期がとれている。

図８において、まず基地局Ｂ（０１０２）から送信された測位開始信号が被測位端末０００１で受信されると（ステップＳ８０１）、信号処理部０００５は図６のステップＳ６０２と同様にアンテナＡＮＴａ（００２１）を選択する（ステップＳ８０２）。

続いて、信号処理部０００５は図３の測位第一パケットを生成し無線部００１０に出力して送信処理を行う（ステップＳ８０３）。ここで、測位第一パケットのデータには測位開始信号を受信した時刻ｔ８１から測位第一パケットの送信処理を開始する時刻ｔ８２までの時間差（ｔ８２−ｔ８１）を格納する。この時間差が予め基地局Ｂで既知の場合は、測位第一パケットに格納する必要はない。

以下では、図６と同様に、測位第一パケットが基地局Ｂ，Ｃで受信され、基地局Ａでは受信されなかった場合について説明する。図８において、基地局Ｂは、測位開始信号を送信した時刻ｔ８０から、測位第一パケットを受信した時刻ｔ８４までの時間差（ｔ８４−ｔ８０）を求めることが可能であり、この時間差（ｔ８４−ｔ８０）と測位第一パケットのデータに格納された時間差（ｔ８２−ｔ８１）から、基地局Ｂと被測位端末０００１との距離を求めることができる。すわなち、図９に示すように、被測位端末０００１は基地局Ｂから一定距離の円上に存在することが分かる。

図８に戻って、信号処理部０００５は、ステップＳ８０４〜Ｓ８０７の手順（図６のステップＳ６０４〜Ｓ６０７と同様の手順）を実行して測位第二パケットを送信する。測位第二パケットのデータには、測位第一パケットの送信処理を開始した時刻ｔ８２から測位第二パケットの送信処理を開始した時刻ｔ８６までの時間差（ｔ８６−ｔ８２）が格納される。

基地局Ａは、測位第二パケットを受信した時刻ｔ８７と測位第二パケットに格納された時間差（ｔ８６−ｔ８２）から、測位第一パケットが到達したであろう時刻ｔ８３を求めることができる。この後、基地局Ａ−Ｂ間の時間差（ｔ８４−ｔ８３）を求めると、非違測位端末０００１は基地局Ａ，Ｂの位置を焦点とする双曲線上に存在することが分かる。

この双曲線と、前述した円との交点から被測位端末０００１の位置を特定できる。なお、基地局Ａ，Ｃ間の時間差（ｔ８５−ｔ８３）により求めた双曲線と前述した円との交点からも被測位端末０００１の位置を特定できる。図８においては、異なるアルゴリズムであるＴＯＡ方式による測位とＴＤＯＡ方式による測位を組み合わせて被測位端末の位置を限定することが可能であるため、測位精度の向上が見込まれる。

従来ではアンテナの指向性に起因して測位が実現されないエリアでも、複数のアンテナを好適に配置・送信することで、測位可能なエリアが大幅に増大する。さらに、例えば２個のアンテナを好適に配置・送信することで、３つ以上の基地局との通信が実現される場合には、最大２度の施行で測位が実現される。従って、測位信号を送信する回数が抑えられ、エアーでのトラフィック軽減、電池寿命の延長などが見込まれる。

また、特開２００５−１４０６１７号公報に見られる基準局と呼ばれる時刻同期局を用いた測位システムに本発明を適用する場合には、被測位端末は、一つのアンテナから測位信号を送信し、基準局から基準信号なる時刻同期信号を被測位端末が受け取った後、被測位端末は別のアンテナから測位信号を送信し、上記一連の無線信号を基地局が受信することで測位を実施する、もしくは、被測位端末は前記時刻同期信号の受信とは独立に別のアンテナから測位信号を送信し、測位を実施するなどの方法がある。

また、本実施形態では、対称に配置された複数のアンテナを切り替えて複数回送信することで測位を行うものであるが、アンテナの前段に分配器等を設けて送信機ＬＳＩからの出力を各アンテナに分配し（電力分配手段）、複数のアンテナを同時に併用する形態も考えられる。

この際、分配によって一つのアンテナから放射される電力は分配されるが、アンテナの放射パターンに起因した劣化量（例えば最大電力が放射される方向と、最小の電力が受信される方向では１０ｄＢ以上異なる）を比較した場合、いずれか好適なアンテナから放射された信号が受信された方を優位とすることで測位が可能である。複数のアンテナを併用する形態では、無線測位信号の送信回数は１回となるためエアーのトラフィックを抑えることが可能であり、また、被測位端末の消費電力を少なくすることができる。

以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は本実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、図６及び図８の処理において、測位第二パケットはカウンターで計測した時間に基づいて送信する形態としたが、基地局からの命令受信をトリガーとして送信することも可能である。

さらに、本実施形態は被測位端末から測位第一パケットと測位第二パケットの２つの測位信号を送信する形態であるが、３つ以上の測位信号を送信する形態としてもよい。また、本実施形態では被測位端末が無線測位信号を送信するアクティブ型の測位方式で説明したが、基地局が無線測位信号を送信するパッシブ型の測位方式にも適用可能である。

また、本発明は倉庫内における物品管理にも適している。倉庫内における物品の多数管理が要求された場合に、基地局の配置は有限であることから、ある物品に搭載された無線端末のうちのあるアンテナからの信号は、アンテナの放射パターンに起因して、３つの基地局が見通せないもしくは測位で必要とされる無線伝送が実現されないケースが発生する。その場合には、無線端末に対称に配置されたもう一つのアンテナを使用し、測位信号を各アンテナで送信することで、合計３つ以上の基地局との測位信号の通信が実現される。

本発明は、端末の現在位置を測位する無線測位システムに用いて好適である。

本発明の第一の実施形態にかかる無線測位システムの構成を示す構成図である。 図２は、測位第一パケット及び測位第二パケットの構成を示す図である。 測位第一パケットおよび測位第二パケットを連続させて一パケットとして構成した場合の構成図である。 図１の被測位端末０００１におけるアンテナの実装形態を示す図である。 基地局におけるアンテナの実装形態を示す図である。 図１の無線測位システムにおいて、ＴＤＯＡ方式で被測位端末０００１の測位を行う際の処理を示す図である。 図６に示したフローにおける測位の原理を示す図である。 図１の無線測位システムにおいて、ＴＯＡ方式及びＴＤＯＡ方式で被測位端末０００１の測位を行う際の処理を示す図である。 図８に示したフローにおける測位の原理を示す図である。 従来の無線測位システムの構成を示す構成図である。

符号の説明

０００１ … 被測位端末（無線端末）
０００５、０１０５ … 信号処理部（測位信号生成手段）
０００６ … マイクロコントローラー
０００７ … カウンター
０００８ … 記憶媒体（記憶手段）
０００9 … ベースバンド信号処理部
００１０、０１１０ … 無線部
００１１、０１１１ … スイッチ（選択手段）
００２１、００２２、０１２１、０１２２ … アンテナ
０１０１〜０１０３ … 基地局
０２００ … 測位計算用サーバー
０２０５ … 信号処理部
０２０６ … マイクロコントローラー
０２０７ … 計算部
０４００ … ネットワーク
４０、５０、５３ａ，ｂ … 基板
４１、５４ａ，ｂ … グランド領域
４２、５５ａ，ｂ … 送信ＬＳＩ
４３、５６ａ，ｂ … 整合回路
４４、４４ｂ，ｃ … スイッチ（選択手段）
４５ａ−１，２ … パターンアンテナ
４５ｂ−１〜ｄ−２、５７ａ−１〜ｂ−２ … 誘電体アンテナ
５１ … マイクロコントローラー

Claims (7)

1. 測位用の測位信号を生成する測位信号生成手段と、
   前記測位信号を無線送信する複数のアンテナと、
   過去に前記複数のアンテナから前記測位信号を送信した時に前記基地局で正常に受信できたかに関する第１の情報、及び予め設定された前記複数のアンテナから測位信号を送信するタイミングに関する第２の情報を格納する記憶手段と、
   前記記憶手段に格納された前記第１の情報に基づいて前記測位信号を送信するアンテナを前記複数のアンテナから選択して、前記記憶手段に格納された前記第２の情報に基づくタイミングでアンテナを切り替える選択手段と
   を具備する無線端末と、
   前記無線端末の選択手段で選択されたアンテナから無線送信された測位信号を受信し、該無線端末の測位を行う複数の基地局と
   から構成されることを特徴とする無線測位システム。
2. 前記複数のアンテナは、互いに対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の無線測位システム。
3. 前記無線端末は、複数の測位信号を別々の前記アンテナから送信し、
   前記複数の基地局は、前記無線端末の複数のアンテナから送信された複数の測位信号に基づいて該無線端末の測位を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の無線測位シス
   テム。
4. 前記無線端末の測位信号生成手段は、前記複数の測位信号が送信される時間差の情報を前記測位信号に格納することを特徴とする請求項３に記載の無線測位システム。
5. 前記無線端末の測位信号生成手段はインパルス型の測位信号を生成し、
   前記選択手段は前記測位信号のパルスとパルスの間隔で該測位信号を送信する前記アンテナを切り替えることを特徴とする請求項１又は２に記載の無線測位システム。
6. 前記基地局は測位開始信号を送信し、
   前記無線端末は前記測位開始信号の受信後に前記測位信号を送信し、
   前記基地局は前記測位開始信号を送信してから前記無線端末からの測位信号を受信するまでの時間情報を該無線端末の測位に用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の無線測位システム。
7. 測位用の測位信号を生成する測位信号生成手段と、
   前記測位信号を無線送信する複数のアンテナと、
   過去に前記複数のアンテナから前記測位信号を送信した時に前記基地局で正常に受信できたかに関する第１の情報、及び予め設定された前記複数のアンテナから測位信号を送信するタイミングに関する第２の情報を格納する記憶手段と、
   前記記憶手段に格納された前記第１の情報に基づいて前記測位信号を送信するアンテナを前記複数のアンテナから選択して、前記記憶手段に格納された前記第２の情報に基づくタイミングでアンテナを切り替える選択手段と
   を具備することを特徴とする無線装置。

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