JP5121969B2 - Receiver and positioning distance measuring system - Google Patents

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Description

本発明は、無線通信機能を持つ端末ノードの位置を測定するのに適した受信装置および周波数偏差計測ユニットおよびそれらを用いた測位測距システムに関する。   The present invention relates to a receiving apparatus and a frequency deviation measuring unit suitable for measuring the position of a terminal node having a wireless communication function, and a positioning and ranging system using them.

センシング機能を持った装置が周辺のいたるところに設置されてセンシング装置が無線によりネットワークを構成することで、現実世界の情報を効率的にインターネット等の情報ネットワークに取り込むワイヤレス・センサ・ネットワーク（以下「センサネット」と略称する）が注目を集めている。このセンサネットとは、センサ、マイコン、無線通信機、電源を備えた無数のノード（端末）が、センサによって人や物や環境などの状況を計測し、自律的にネットワークを構成するという概念である。流通、自動車、農業など様々な分野への適用が検討されている。   A wireless sensor network (hereinafter referred to as “the sensor network”) that captures real-world information into an information network, such as the Internet, by installing devices with sensing functions around the network and the sensing devices configuring the network wirelessly. "Sensor net") is attracting attention. This sensor network is a concept that an infinite number of nodes (terminals) equipped with sensors, microcomputers, wireless communication devices, and power supplies measure the situation of people, things and the environment with sensors, and autonomously form a network. is there. Applications in various fields such as distribution, automobiles, and agriculture are being studied.

センサネット実現のためには、ノードを対象物に設置し、長時間かつ継続的に状態を検知する必要がある。そのため、ノードには小型かつ低消費電力であることが要求される。また、多数のノードを分散配置するため、ノードの管理が重要技術となる。   In order to realize a sensor network, it is necessary to install a node on an object and detect the state continuously for a long time. Therefore, the node is required to be small and have low power consumption. In addition, since a large number of nodes are distributed, node management is an important technology.

一方、センサネット向け無線としても、やはり低電力な通信技術が求められている。超広帯域ウルトラワイドバンド（Ultra Wide Band）（以下「ＵＷＢ」と略称する）通信機は低消費電力で小型となる可能性を持ち、センサネット向け通信機として期待されている。ＵＷＢ無線通信とは、帯域幅が500MHz以上、または中心周波数に対する帯域幅の比率が20%以上あるような電波を用いる方式と定義されている。ＵＷＢ通信はデータを極めて広い周波数帯に拡散して送受信を行なうものであり、単位周波数帯域当たりの信号エネルギーは極めて小さい。従って、他の通信システムに干渉を与えることなく通信が可能となり、周波数帯域の共有が可能になる。   On the other hand, low-power communication technology is also required for wireless for sensor networks. An ultra-wideband Ultra Wide Band (hereinafter abbreviated as “UWB”) communication device has a low power consumption and is likely to be small, and is expected as a communication device for sensor networks. UWB wireless communication is defined as a method using radio waves having a bandwidth of 500 MHz or more or a ratio of the bandwidth to the center frequency of 20% or more. UWB communication performs transmission and reception by spreading data over an extremely wide frequency band, and the signal energy per unit frequency band is extremely small. Therefore, communication can be performed without causing interference to other communication systems, and frequency bands can be shared.

ＵＷＢ通信の一例として、ガウシアンモノパルスをパルス位置変調ＰＰＭ（Pulse Position Modulation）方式で変調するＵＷＢ−ＩＲ（Ultra Band - Impulse Radio）通信システムが非特許文献１に開示されている。このようなパルス信号との同期を実現する方法として、例えば、テンプレート・パルスの発生タイミングを所定の間隔でシフトさせ相関を取る方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。   As an example of UWB communication, Non-Patent Document 1 discloses a UWB-IR (Ultra Band-Impulse Radio) communication system that modulates a Gaussian monopulse by a pulse position modulation PPM (Pulse Position Modulation) method. As a method for realizing synchronization with such a pulse signal, for example, a method is known in which the generation timing of a template pulse is shifted at a predetermined interval to obtain a correlation (see, for example, Patent Document 1).

ＵＷＢではパルス信号を用いることが可能なため、高精度な位置測定が可能な技術としても知られている。例えば、特許文献２には、二つの無線機間でのパケット送信およびその応答手続きを利用して測距・測位をする測距・測位システムが開示されている。特許文献３には、受信パルス波形とテンプレート波形の相関をとって同期を獲得する際のタイミング調整量に基づいて送受信機間の距離の変化を検出する受信機を具備する位置検出システムが開示されている。   Since UWB can use a pulse signal, it is also known as a technique capable of highly accurate position measurement. For example, Patent Document 2 discloses a distance measurement / positioning system that performs distance measurement / positioning using packet transmission between two wireless devices and a response procedure thereof. Patent Document 3 discloses a position detection system including a receiver that detects a change in the distance between a transmitter and a receiver based on a timing adjustment amount when obtaining synchronization by taking a correlation between a received pulse waveform and a template waveform. ing.

また、ノードの位置測定システムとして、ノードからの信号を複数の基地局で受信し、その到達時間差ＴＤＯＡ（Time Difference of Arrival）を利用してノードの位置を算出する技術が知られている。例えば、特許文献４には、複数の基地局が、ノードからの測位信号と基準局からの基準信号の受信時間差を測定し、その受信時間差を元にＴＤＯＡを利用して測位する方法が開示されている。   As a node position measurement system, a technique is known in which signals from a node are received by a plurality of base stations, and the position of the node is calculated using a time difference of arrival (TDOA). For example, Patent Document 4 discloses a method in which a plurality of base stations measure a reception time difference between a positioning signal from a node and a reference signal from a reference station, and perform positioning using TDOA based on the reception time difference. Yes.

特開２００４−２４１９２７号公報JP 2004-241927 A 特開２００４−２５８００９号公報JP 2004-258209 A 特開２００４−２５４０７６号公報JP 2004-254076 A 特開２００５−１４０６１７号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-140617

モエ・ゼット・ウィン（Moe Z. Win）他著、「インパルスラジオ：その動作（Impulse Radio: How It Works）」、米国文献アイ・イー・イー・イー・コミュニケーションズ・レターズ（IEEE Communications Letters）第２巻第２号、ｐｐ．３６−３８（１９９８年２月）Moe Z. Win et al., “Impulse Radio: How It Works”, US literature, IEEE Communications Letters 2nd Volume 2 pp. 36-38 (February 1998)

測位測距システムにおける課題のひとつは、測位精度の向上である。特許文献２に記載のシステムでは、測距精度の向上のために高速な発振器と高速なカウンタが必要となる。また、送受信機がそれぞれ所定周波数のクロックを発生する別個のクロック発生器を備えているが、測距精度は、送受信機の各クロック発生器の精度および安定性に影響される。すなわち、送受信機の各発振器の周波数偏差は、測距精度の誤差要因となる。   One of the problems in the positioning and ranging system is improvement of positioning accuracy. In the system described in Patent Document 2, a high-speed oscillator and a high-speed counter are required to improve distance measurement accuracy. In addition, each transceiver has a separate clock generator that generates a clock of a predetermined frequency, but the ranging accuracy is affected by the accuracy and stability of each clock generator of the transceiver. That is, the frequency deviation of each oscillator of the transceiver is an error factor of ranging accuracy.

特許文献３に記載のシステムでは、送受信機間の距離の変化を検出することが可能となるが、送信機の位置を特定することはできない。また、送受信機がそれぞれ所定周波数のクロックを発生する別個のクロック発生器を備えているが、距離の変化を特定する精度は、送受信機の各クロック発生器の精度および安定性に影響される。すなわち、送受信機の各発振器の周波数偏差は、測距精度の誤差要因となる。   In the system described in Patent Document 3, it is possible to detect a change in the distance between the transmitter and the receiver, but the position of the transmitter cannot be specified. In addition, each transceiver has a separate clock generator that generates a clock of a predetermined frequency, but the accuracy of identifying the change in distance is affected by the accuracy and stability of each clock generator of the transceiver. That is, the frequency deviation of each oscillator of the transceiver is an error factor of ranging accuracy.

特許文献４に記載のＴＤＯＡを利用して測位するシステムでも、到達時間差の計測精度が測位精度に影響する。一般に、高精度な時間差計測には、高速な発振器と高速なカウンタが必要となり、消費電力、回路規模が増大してしまう。また、時間差計測の精度は、発振器の周波数精度および安定性に依存する。すなわち、発振器の周波数偏差は、時間差計測の誤差要因となる。しかしながら、高精度かつ安定な発振器は高額であり、装置のコストが増大してしまう。   Even in a system for positioning using TDOA described in Patent Document 4, the measurement accuracy of the arrival time difference affects the positioning accuracy. In general, high-accuracy time difference measurement requires a high-speed oscillator and a high-speed counter, which increases power consumption and circuit scale. In addition, the accuracy of time difference measurement depends on the frequency accuracy and stability of the oscillator. That is, the frequency deviation of the oscillator becomes an error factor of time difference measurement. However, a highly accurate and stable oscillator is expensive, and the cost of the apparatus increases.

一方で、測位測距システムには、装置の低消費電力化、小型化、低コスト化が求められている。従って、高精度な時間差計測のために、高速、高精度かつ安定な発振器および高速なカウンタを用いる方法は好ましくない。   On the other hand, the positioning and ranging system is required to reduce the power consumption, size, and cost of the device. Therefore, a method using a high-speed, high-accuracy and stable oscillator and a high-speed counter for high-accuracy time difference measurement is not preferable.

本発明の目的は、時間差を計測して測位を行うものにおいて、高精度な時間差計測を、低消費電力、小型かつ低コストの装置で行えるようにすることである。   An object of the present invention is to measure a time difference and perform positioning, so that a highly accurate time difference measurement can be performed with a low power consumption, small size and low cost apparatus.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。
本発明は、第１の通信装置が送信した伝送信号を受信する第２の通信装置として機能する受信装置であって、通信システムの送信側で信号の拡散に使用した擬似ランダム符号を用いて、テンプレート波形を生成するテンプレート波形発生部と、上記第１、第２の送信装置から第１の伝送信号と第２の伝送信号を含む伝送信号を受信する受信部と、上記テンプレート波形と上記受信部を介して受信した上記伝送信号との相関をとる相関器と、上記相関器の出力をアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換部と、上記アナログデジタル変換のタイミングを与えるクロックを生成するサンプリングクロック生成部と、上記テンプレート波形を発生させるタイミングをシフトさせる制御信号を出力するタイミングシフト部と、上記テンプレート波形の発生タイミングを制御しながら、上記受信した上記第１の伝送信号及び上記第２の伝送信号それぞれと上記テンプレート波形との相関性が最も高い時間を検出する同期捕捉・同期追跡部と、上記制御信号および上記クロックのカウント数に基づき周波数の偏差計測を行う周波数偏差計測ユニットとを備え、上記クロックと上記制御信号それぞれの数を計測し、上記計測したクロックと上記制御信号それぞれの数を用いて、上記第１の伝送信号と上記第２の伝送信号との周波数偏差を計測することを特徴とする。 Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
The present invention is a receiving device that functions as a second communication device that receives a transmission signal transmitted by a first communication device, using a pseudo-random code used for signal spreading on the transmission side of the communication system, A template waveform generator for generating a template waveform; a receiver for receiving a transmission signal including a first transmission signal and a second transmission signal from the first and second transmitters; the template waveform and the receiver a correlator for taking a correlation between the transmission signal received via the sampling clock generation for generating an a / D converter for analog-digital conversion of the output of the correlator, clock giving the timing of the analog to digital conversion A timing shift unit for outputting a control signal for shifting the timing for generating the template waveform, and generation of the template waveform While controlling imming, a synchronization acquisition / synchronization tracking unit that detects a time in which each of the received first transmission signal and the second transmission signal has the highest correlation with the template waveform, and the control signal and A frequency deviation measuring unit that measures a frequency deviation based on the count number of the clock, measures the number of the clock and the control signal, and uses the number of the measured clock and the control signal, A frequency deviation between the first transmission signal and the second transmission signal is measured.

本発明によると、低速なクロック、制御信号およびカウンタを用いて高精度な時間差計測を行うことが可能となり、高速なクロックおよびカウンタを使用することなく、低消費電力、小型かつ低コストの装置で、高精度な測位が実現される。   According to the present invention, it is possible to perform highly accurate time difference measurement using a low-speed clock, a control signal, and a counter, and a low-power consumption, small-sized and low-cost apparatus without using a high-speed clock and counter. High-accuracy positioning is realized.

本発明の第１の実施例に係る測位システムの構成図。1 is a configuration diagram of a positioning system according to a first embodiment of the present invention. 第１の実施例のノード（ＮＯＤ）の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the node (NOD) of a 1st Example. 第１の実施例の基準局（ＲＳ）の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the reference | standard station (RS) of a 1st Example. 第１の実施例の基地局（ＡＰ）の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the base station (AP) of a 1st Example. 第１の実施例の測位サーバの構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the positioning server of a 1st Example. 第１の実施例の測位・測距システムにおける信号の送受信の概要を示すシーケンス図である。It is a sequence diagram which shows the outline | summary of the transmission / reception of the signal in the positioning and ranging system of a 1st Example. 本発明の第１の実施例に係る受信装置の回路ブロック図。1 is a circuit block diagram of a receiving apparatus according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第１の実施例に係る受信装置の時間差計測機能を持つベースバンド部の構成を示す回路ブロック図。The circuit block diagram which shows the structure of the baseband part with a time difference measurement function of the receiver which concerns on 1st Example of this invention. 図５の時間差計測部の構成を示す回路ブロック図。The circuit block diagram which shows the structure of the time difference measurement part of FIG. 本発明に係る測位システムの原理を説明する図。The figure explaining the principle of the positioning system which concerns on this invention. 本発明に係るノードから送信される測位信号および基準局から送信される基準信号の構成図。The block diagram of the positioning signal transmitted from the node which concerns on this invention, and the reference signal transmitted from a reference station. 本発明に係る同期捕捉方法を説明する図。The figure explaining the synchronous acquisition method which concerns on this invention. 本発明に係る同期追跡方法を説明する図。The figure explaining the synchronous tracking method which concerns on this invention. 本発明に係る時間差計測の方法を説明する図。The figure explaining the method of the time difference measurement which concerns on this invention. 本発明の第１の実施例による測位測距処理の全体のフローチャートを示す図。The figure which shows the flowchart of the whole positioning ranging process by 1st Example of this invention. 本発明の第２の実施例に係る偏差計測の方法を説明する図。The figure explaining the method of deviation measurement concerning the 2nd example of the present invention. 本発明の第２の実施例に係る受信装置の偏差計測機能を持つベースバンド部の構成を示す回路ブロック図。The circuit block diagram which shows the structure of the baseband part with the deviation measurement function of the receiver which concerns on 2nd Example of this invention. 本発明の第２の実施例に係る偏差計測部の構成を示す回路ブロック図。The circuit block diagram which shows the structure of the deviation measurement part which concerns on 2nd Example of this invention. 本発明の第３の実施例に係る受信装置の時間差および偏差計測機能を持つベースバンド部の構成を示す回路ブロック図。The circuit block diagram which shows the structure of the baseband part with a time difference and deviation measurement function of the receiver which concerns on 3rd Example of this invention. 本発明の第３の実施例に係る時間差および偏差計測部の構成を示す回路ブロック図。The circuit block diagram which shows the structure of the time difference and deviation measurement part which concerns on 3rd Example of this invention. 第３の実施例の測位・測距システムにおける信号の送受信の概要を示すシーケンス図である。It is a sequence diagram which shows the outline | summary of the transmission / reception of the signal in the positioning and ranging system of a 3rd Example. 本発明の第３の実施例による測位測距処理の全体のフローチャートを示す図。The figure which shows the flowchart of the whole positioning ranging process by 3rd Example of this invention. 本発明の第４の実施例に係る受信装置の回路ブロック図。A circuit block diagram of a receiver apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.

本発明に係る受信装置や測位測距システムの実施例を、以下添付図面を用いて詳細に説明する。   Embodiments of a receiving apparatus and a positioning / ranging system according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

本発明の第１の実施例に係る受信装置及びそれを用いた測位測距システムに関して、図１ないし図１２で説明する。まず、実施例１のシステムの構成及び動作の概要について、図１ないし図３で説明する。   A receiver according to a first embodiment of the present invention and a positioning system using the same will be described with reference to FIGS. First, the outline of the configuration and operation of the system according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

図１は、本発明の実施例１に係る測位測距システムの構成である。測位測距システムは、測位信号を送信する（被測位対象である）複数のノード（ＮＯＤ）１００(１００ａ，１００ｂ，…)、基準信号を送信する基準局（ＲＳ）１１０、測位信号および基準信号を受信する複数の基地局（ＡＰ）１２０(１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ)、測位サーバ（ＰＳ）１３０、各基地局１２０および測位サーバ１３０をつなぐネットワーク（ＩＮＴ）１４０、から構成される。なお、参照符号の添え字ａ，ｂ，ｃは、同じ構成要素であることを示し、添え字を省略する場合は、その同一構成要素を指すものとする。また、ＮＯＤ、ＲＳ、ＡＰ及びＰＳは、いずれも送受信の機能を備えているが、ここでは説明を簡単にするために、本発明の実施例に関して必要な送受信機能を主体にして説明する。   FIG. 1 shows the configuration of a positioning and ranging system according to Embodiment 1 of the present invention. The positioning ranging system includes a plurality of nodes (NOD) 100 (100a, 100b,...) That transmit a positioning signal (target to be measured), a reference station (RS) 110 that transmits a reference signal, a positioning signal and a reference signal. A plurality of base stations (AP) 120 (120a, 120b, 120c) to receive, a positioning server (PS) 130, and a network (INT) 140 that connects each base station 120 and the positioning server 130 are configured. The subscripts “a”, “b”, and “c” of the reference numerals indicate the same components, and when the subscripts are omitted, the same components are indicated. In addition, all of the NOD, RS, AP, and PS have a transmission / reception function, but here, in order to simplify the description, the description will focus on the transmission / reception function necessary for the embodiment of the present invention.

実施例１のシステムを構成する各要素の構成例の概要を図２（図２Ａ〜図２Ｄ)で説明する。
図２Ａは、ノード（ＮＯＤ）１００の構成例を示すブロック図である。各ノードは、信号送信制御部１０１、信号作成部１０２及びアンテナ１０３を備えている。信号送信制御部１０１は、ノード自体に内蔵又は接続されているセンサやタイマからの情報等に基づいて、そのノードが信号送信制御部１０１からの命令を受けて測位信号Ｓ１０１を作成し、アンテナ１０３から送信する。この測位信号は、ノード毎に固有に割り当てられた波形となっており、各ノードが送信した測位信号を識別可能になっている。 An outline of a configuration example of each element constituting the system of the first embodiment will be described with reference to FIG. 2 (FIGS. 2A to 2D).
FIG. 2A is a block diagram illustrating a configuration example of the node (NOD) 100. Each node includes a signal transmission control unit 101, a signal creation unit 102, and an antenna 103. The signal transmission control unit 101 generates a positioning signal S101 in response to a command from the signal transmission control unit 101 based on information from a sensor or timer built in or connected to the node itself, and the antenna 103 Send from. This positioning signal is a waveform uniquely assigned to each node, and the positioning signal transmitted by each node can be identified.

図２Ｂは、基準局（ＲＳ）１１０の構成例を示すブロック図である。基準局は、ベースバンド部（ＢＢＭ）１１１、アナログデジタル変換部（以下「Ａ／Ｄ変換部」と略称する）（ＡＤＭ）１１２、ＲＦフロントエンド部（ＲＦＦ）１１３、送信受信切替スイッチ（ＳＷＴ）１１５、アンテナ（ＡＮＴ）１１７、信号送受信制御部１１８、送信信号生成部１１９から構成される。ＡＤＭ１１２及びＲＦＦ１１３は、同期をとるべきクロック信号の発生源としてＳＣＧ１１４やＣＬＫ１１６を有している。基準局は、ノード１００が送信した測位信号Ｓ１０１を受信し、その後に、送信信号生成部１１９で作成された固有の波形の基準信号Ｓ１１１を送信する機能を備えている。   FIG. 2B is a block diagram illustrating a configuration example of the reference station (RS) 110. The base station includes a baseband unit (BBM) 111, an analog / digital conversion unit (hereinafter abbreviated as “A / D conversion unit”) (ADM) 112, an RF front end unit (RFF) 113, and a transmission / reception changeover switch (SWT) 115. , An antenna (ANT) 117, a signal transmission / reception control unit 118, and a transmission signal generation unit 119. The ADM 112 and the RFF 113 have an SCG 114 and a CLK 116 as a clock signal generation source to be synchronized. The reference station has a function of receiving the positioning signal S101 transmitted by the node 100 and thereafter transmitting the reference signal S111 having a unique waveform created by the transmission signal generation unit 119.

図２Ｃは、基地局（ＡＰ）１２０の構成例を示すブロック図である。基地局は、ベースバンド部（ＢＢＭ）１２１、アナログデジタル変換部（ＡＤＭ）１２５、ＲＦフロントエンド部（ＲＦＦ）１２７及びアンテナ（ＡＮＴ）１２９から構成される。ＡＤＭ１２５及びＲＦＦ１２７は、同期をとるべきクロック信号の発生源ＳＣＧ１２６、ＣＬＫ１２８を有している。ベースバンド部１２１は、受信した信号に含まれる送信局を特定可能な情報に基づいて、該信号を送信したノード又は基準局を特定する機能を備えている。ベースバンド部１２１は、さらに、ＳＣＧで生成されたクロック信号の位相を変化させるシフト信号を生成してクロック信号の位相を変化させ伝送信号と上記クロック信号との同期捕捉を行う同期捕捉部（ＴＲＰＭ）１２２、クロック信号およびシフト信号とを用いて測位信号と基準信号とを受信した時間差を計測する時間差計測部（ＴＤＭＭ）１２３も備えている。   FIG. 2C is a block diagram illustrating a configuration example of the base station (AP) 120. The base station includes a baseband unit (BBM) 121, an analog / digital conversion unit (ADM) 125, an RF front end unit (RFF) 127, and an antenna (ANT) 129. The ADM 125 and the RFF 127 have clock signal generation sources SCG 126 and CLK 128 to be synchronized. The baseband unit 121 has a function of identifying the node or reference station that transmitted the signal based on information that can identify the transmitting station included in the received signal. The baseband unit 121 further generates a shift signal that changes the phase of the clock signal generated by the SCG, changes the phase of the clock signal, and acquires the synchronization between the transmission signal and the clock signal (TRPM). ) 122, and a time difference measuring unit (TDMM) 123 that measures a time difference between receiving the positioning signal and the reference signal using the clock signal and the shift signal.

なお、図２Ｂに示すように、基準局（ＲＳ）１１０を構成する通信装置にも、基地局（ＡＰ）１２０と同様に、同期捕捉部（ＴＲＰＭ）や時間差計測部（ＴＤＭＭ）を備えるようにしても良い。また、基地局（ＡＰ）１２０にも、基準局（ＲＳ）１１０と同様な送信機能を持たせても良い。   As shown in FIG. 2B, the communication device that constitutes the reference station (RS) 110 is also provided with a synchronization acquisition unit (TRPM) and a time difference measurement unit (TDMM), like the base station (AP) 120. Also good. Also, the base station (AP) 120 may have a transmission function similar to that of the reference station (RS) 110.

図２Ｄは、測位サーバ１３０（ＰＳ）の構成例を示すブロック図である。測位サーバは、通信部１３１、測位・測距部１３２の各機能及びシステム情報データベース１３３を備えている。通信部１３１は、測位サーバをネットワーク１４０に接続するインターフェースとして機能し、基地局から送られる測位情報通知を受けて、測位・測距部１３２に送る。測位・測距部１３２は、測位情報通知に含まれる各基地局における信号受信時刻差の情報及びシステム情報データベース１３３から得た各基地局及び基準局の位置等の情報に基づいてノード１００の位置を算出する。   FIG. 2D is a block diagram illustrating a configuration example of the positioning server 130 (PS). The positioning server includes functions of the communication unit 131 and the positioning / ranging unit 132 and a system information database 133. The communication unit 131 functions as an interface for connecting the positioning server to the network 140, receives the positioning information notification sent from the base station, and sends it to the positioning / ranging unit 132. The positioning / ranging unit 132 determines the position of the node 100 based on the information on the signal reception time difference in each base station included in the positioning information notification and the information such as the position of each base station and reference station obtained from the system information database 133. calculate.

図３は、第１の実施例の測位・測距システムにおける信号の送受信の概要を示すシーケンス図である。   FIG. 3 is a sequence diagram showing an outline of signal transmission / reception in the positioning / ranging system of the first embodiment.

ノード１００は、位置計算を希望する任意の時刻、例えば、定期的に、又は、ノードに設けられたセンサが異常を検出したときに、周辺の基準局１１０と基地局１２０に対して測位信号Ｓ１０１を含む伝送信号を送信する。基準局１１０は、測位信号を含む伝送信号を受信した後、基準信号Ｓ１１１を含む伝送信号を送信する。各基地局は、測位情報、例えば測位信号の受信時刻と基準信号の受信時刻との時間差及び基地局を識別するためのＩＤその他の情報を、ネットワークを経由してサーバ１３０に送付する。   The node 100 sends a positioning signal S101 to the surrounding reference station 110 and the base station 120 at an arbitrary time at which position calculation is desired, for example, periodically or when a sensor provided in the node detects an abnormality. Transmit the transmission signal including. After receiving the transmission signal including the positioning signal, the reference station 110 transmits the transmission signal including the reference signal S111. Each base station sends positioning information, for example, the time difference between the reception time of the positioning signal and the reception time of the reference signal and the ID and other information for identifying the base station to the server 130 via the network.

ここで、各基地局１２０は、伝送信号を受信した際、この伝送信号例えば測位信号とサンプリングクロックとの同期捕捉を行う。同期捕捉が確立された後、伝送信号の復調・同期追跡を行う。各基地局は、同期捕捉、復調・同期追跡などの伝送信号の受信処理と並行して、測位信号と基準信号の受信時間差の計測処理を行い、その結果に基づく情報をサーバ１３０に送付する。   Here, when each base station 120 receives a transmission signal, each base station 120 acquires synchronization of the transmission signal, for example, a positioning signal and a sampling clock. After synchronization acquisition is established, the transmission signal is demodulated and synchronized. Each base station performs measurement processing of the reception time difference between the positioning signal and the reference signal in parallel with transmission signal reception processing such as synchronization acquisition, demodulation and synchronization tracking, and sends information based on the result to the server 130.

サーバ１３０は、これらの情報と、サーバが持つデータベースに記録されている情報とから、ノードの座標を算出して測位・測距を行う。   The server 130 calculates the coordinates of the node from these information and the information recorded in the database held by the server, and performs positioning and ranging.

次に、実施例１のシステムの具体的な構成、動作原理、作用及び効果について、図４ないし図１２で説明する。   Next, a specific configuration, operation principle, operation, and effect of the system according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

まず、本発明に係る基地局１２０における受信装置は、例えば図４に示すような、間欠的なインパルス列を受信するＵＷＢ−ＩＲ受信装置で構成される。   First, the receiving apparatus in the base station 120 according to the present invention is configured by a UWB-IR receiving apparatus that receives an intermittent impulse train as shown in FIG. 4, for example.

空間を隔てて別個に存在する送信装置において、例えば、ＢＰＳＫ変調（Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：２値のデジタル位相変調）および直接拡散されたパルス列を空間に送信し、本受信装置のアンテナで、空間を伝搬してきたパルス列信号を受信する。空間を伝搬する信号は、例えば、幅が約２ｎｓのパルスが、間隔約３０ｎｓで送信されるインパルス列である。インパルスの形状は例えば１次ガウシアン波形となっており、さらに約４ＧＨｚの搬送波によりアップコンバートされた波形が用いられる。   In a transmitter that exists separately across a space, for example, BPSK modulation (Binary Phase Shift Keying) and a directly spread pulse train are transmitted to the space, and the antenna of the receiver receives the space. The propagating pulse train signal is received. The signal propagating in the space is, for example, an impulse train in which a pulse having a width of about 2 ns is transmitted at an interval of about 30 ns. The shape of the impulse is, for example, a primary Gaussian waveform, and a waveform that is further up-converted by a carrier wave of about 4 GHz is used.

受信装置は、アンテナ（ＡＮＴ）４１０、ＲＦフロントエンド部（ＲＦＦ）４２０、アナログデジタル変換部（以下「Ａ／Ｄ変換部」と略称する）（ＡＤＭ）４３０、ベースバンド部（ＢＢＭ）４４０から構成される。   The receiving apparatus includes an antenna (ANT) 410, an RF front end unit (RFF) 420, an analog / digital conversion unit (hereinafter abbreviated as “A / D conversion unit”) (ADM) 430, and a baseband unit (BBM) 440. Is done.

ＲＦフロントエンド部４２０は、ローノイズアンプ（ＬＮＡ）４２１、ミキサ（ＭＩＸ）４２２ｉ，４２２ｑ、π／２位相シフタ（ＱＰＳ）４２３、クロック発生器（ＣＬＫ）４２４、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４２５ｉ，４２５ｑ、及び可変ゲインアンプ（ＶＧＡ）４２６ｉ，４２６ｑから構成される。   The RF front end unit 420 includes a low noise amplifier (LNA) 421, mixers (MIX) 422i and 422q, a π / 2 phase shifter (QPS) 423, a clock generator (CLK) 424, a low pass filter (LPF) 425i and 425q, and It is composed of variable gain amplifiers (VGA) 426i and 426q.

なお、添え字ｉ，ｑは、それぞれＩ信号成分（同相信号：In Phase）、Ｑ信号成分（直交信号：Quadrature）用を示しており、以下の説明では、特に必要でない限りｉ，ｑの添え字は省略する。   The subscripts i and q indicate the I signal component (in-phase signal: In Phase) and the Q signal component (quadrature signal: Quadrature), respectively. Subscripts are omitted.

アンテナ４１０から受信されたパルス信号（間欠的なパルス列）はローノイズアンプ４２１で増幅された後、ミキサ４２２に与えられる。ミキサ４２２にはクロック発生器４２４が生成する約４ＧＨｚのクロック信号が与えられ、その結果ミキサ４２２の出力は４ＧＨｚ帯の搬送波と、パルス幅が約２ｎｓのガウシアン波形のインパルス信号とに分離される。この時、ミキサ４２２ｉにはクロック発生器４２４の出力信号が直接与えられて同相の出力信号であるＩ信号が出力される。一方、ミキサ４２２ｑには、クロック発生器４２４のクロック信号がπ／２位相シフタ（ＱＰＳ）４２３を経て位相がπ／２遅延されたクロック信号が供給されるため、出力信号は直交成分であるＱ信号となる。   A pulse signal (intermittent pulse train) received from the antenna 410 is amplified by the low noise amplifier 421 and then supplied to the mixer 422. The mixer 422 receives a clock signal of about 4 GHz generated by the clock generator 424. As a result, the output of the mixer 422 is separated into a carrier wave of 4 GHz band and an impulse signal of a Gaussian waveform having a pulse width of about 2 ns. At this time, the output signal of the clock generator 424 is directly given to the mixer 422i, and an I signal which is an in-phase output signal is output. On the other hand, since the clock signal with the phase delayed by π / 2 is supplied to the mixer 422q through the π / 2 phase shifter (QPS) 423 through the π / 2 phase shifter (QPS) 423, the output signal is a quadrature component Q. Signal.

ミキサ４２２で分離された信号は、ローパスフィルタ４２５で弁別され、周波数の高い４ＧＨｚの搬送波は遮断される。従って、ガウシアンのインパルス波形だけがローパスフィルタ４２５から出力される。これらインパルス信号は、可変ゲインアンプ４２６で増幅され、ＲＦフロントエンド部４２０からそれぞれＩ信号Ｓ４２７ｉ、Ｑ信号Ｓ４２７ｑとして出力される。   The signal separated by the mixer 422 is discriminated by a low-pass filter 425, and a high-frequency 4 GHz carrier wave is cut off. Accordingly, only the Gaussian impulse waveform is output from the low-pass filter 425. These impulse signals are amplified by a variable gain amplifier 426 and output from the RF front end unit 420 as an I signal S427i and a Q signal S427q, respectively.

Ａ／Ｄ変換部４３０は、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）４３１とサンプリングクロック生成部（ＳＣＧ）４３３から構成され、ＲＦフロントエンド部の出力信号であるＩ信号Ｓ４２７ｉとＱ信号Ｓ４２７ｑのガウシアン波形インパルス信号が入力され、Ａ／Ｄ変換器ＡＤＣ４３１によりデジタル信号に変換され出力される。   The A / D conversion unit 430 includes an A / D converter (ADC) 431 and a sampling clock generation unit (SCG) 433, and a Gaussian waveform impulse of an I signal S427i and a Q signal S427q that are output signals of the RF front end unit. A signal is input, converted into a digital signal by an A / D converter ADC 431, and output.

入力信号Ｓ４２７ｉ，Ｓ４２７ｑはそれぞれ複数に分割されて、内部の個々のＡ／Ｄ変換器４３１に与えられ、デジタル信号Ｓ４３２に変換される。各Ａ／Ｄ変換器４３１において、入力信号Ｓ４２７をデジタル値に変換するためのサンプリングタイミングは、サンプリングクロックＳ４３５により制御される。サンプリングクロックＳ４３５は、サンプリングクロック生成部４３３から与えられ、その周期は、受信インパルス列のパルス繰返し周期と等しい。すなわち、インパルス列のパルスと同期したタイミングで、サンプリングを行う。   The input signals S427i and S427q are each divided into a plurality of parts, supplied to individual internal A / D converters 431, and converted into digital signals S432. In each A / D converter 431, the sampling timing for converting the input signal S427 into a digital value is controlled by the sampling clock S435. Sampling clock S435 is provided from sampling clock generator 433, and the period thereof is equal to the pulse repetition period of the received impulse train. That is, sampling is performed at a timing synchronized with the pulse of the impulse train.

しかしながら、送信装置と受信装置は空間を隔てて別個に存在し、それぞれ同期を取っているわけではない。そのため、受信インパルス列とサンプリングクロックの位相は一致しない。従って、受信インパルス列とサンプリングクロックの位相を一致させる、同期捕捉という動作が必要となる。   However, the transmitting device and the receiving device exist separately across a space and are not synchronized with each other. For this reason, the phase of the received impulse train and the sampling clock do not match. Accordingly, an operation called synchronization acquisition is required in which the phase of the received impulse train and the sampling clock are matched.

ここで、同期をとるべきクロック信号に２種類あることを説明する。一つ目は、図４のＲＦフロントエンド部ＲＦＦ４２０で用いられる４ＧＨｚ周波数のクロック信号であり、二つ目は、Ａ／Ｄ変換部４３０で用いられる、インパルス列が約３０ｎｓ間隔で送られることに対応した約３２ＭＨｚ周波数のクロック信号である。   Here, it will be described that there are two types of clock signals to be synchronized. The first is a clock signal of 4 GHz frequency used in the RF front end unit RFF 420 of FIG. 4, and the second is that an impulse train used in the A / D conversion unit 430 is sent at intervals of about 30 ns. A corresponding clock signal having a frequency of about 32 MHz.

４ＧＨｚ信号成分は、ＲＦフロントエンド部ＲＦＦ４２０において受信された信号をＩ成分とＱ成分に分割し、ベースバンド部ＢＢＭで信号を復元しているが、この方法により位相差に関して同期をとらなくても対応可能となっている。   As for the 4 GHz signal component, the signal received by the RF front end unit RFF 420 is divided into an I component and a Q component, and the signal is restored by the baseband unit BBM. It can be supported.

一方で、約３２ＭＨｚ間隔のインパルス列については、以下に説明する同期捕捉や同期追跡を行なう必要がある。   On the other hand, it is necessary to perform synchronization acquisition and synchronization tracking described below for an impulse train having an interval of about 32 MHz.

図５に、ベースバンド部４４０のブロック図を示す。ベースバンド部４４０は、マッチトフィルタ部（ＭＦＭ）５１０、同期捕捉部（ＴＲＰＭ）５２０、データ保持タイミング制御部（ＤＬＴＣＴＬ）５３０、データ保持部（ＤＬＭ）５４０、復調部（ＤＥＭＭ）５５０、同期追跡部（ＴＲＣＫＭ）５６０、サンプリングタイミング制御部（ＳＴＣＴＬ）５７０、時間差計測部（ＴＤＭＭ）５８０から構成される。   FIG. 5 shows a block diagram of the baseband unit 440. The baseband unit 440 includes a matched filter unit (MFM) 510, a synchronization acquisition unit (TRPM) 520, a data holding timing control unit (DLTCTL) 530, a data holding unit (DLM) 540, a demodulation unit (DEMM) 550, and synchronization tracking. Unit (TRCKM) 560, sampling timing control unit (STCTL) 570, and time difference measurement unit (TDMM) 580.

Ａ／Ｄ変換部４３０から与えられる複数のデジタル化されたＩ、Ｑ信号Ｓ４３２ｉａ〜ｃとＳ４３２ｑａ〜ｃは、マッチトフィルタ部５１０において期待される拡散符号とのマッチング（整合）度合いを検出し、測定結果を信号Ｓ５１１として出力する。   A plurality of digitized I and Q signals S432ia-c and S432qa-c given from the A / D conversion unit 430 detect the degree of matching (matching) with the spread code expected in the matched filter unit 510, The measurement result is output as signal S511.

同期捕捉部５２０は、信号Ｓ５１１ｉａおよびＳ５１１ｑａを用いて受信信号（インパルス列）の同期捕捉を行なう。同期捕捉が確立されていない間は信号Ｓ５２２をサンプリングタイミング制御部５７０へ出力し、サンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２を用いてＡ／Ｄ変換部４３０が受信信号をデジタル変換するタイミングを変えていく。同期捕捉が確立すると、同期タイミングの情報が信号Ｓ５２１を経てデータ保持タイミング制御部５３０に伝えられる。   The synchronization acquisition unit 520 uses the signals S511ia and S511qa to acquire synchronization of the received signal (impulse train). While synchronization acquisition is not established, the signal S522 is output to the sampling timing control unit 570, and the timing at which the A / D conversion unit 430 digitally converts the received signal using the sampling timing control signals S441 and S442 is changed. When synchronization acquisition is established, synchronization timing information is transmitted to the data holding timing control unit 530 via the signal S521.

データ保持タイミング制御部５３０は、受信信号Ｓ５１１と同期の取れたタイミングで制御信号Ｓ５３１をデータ保持部５４０に与え、データ保持部５４０はそのタイミングに合ったデータだけを信号Ｓ５４１として復調部５５０および同期追跡部５６０に伝える。復調部５５０ではデータ保持部５４０によって選ばれた信号Ｓ５４１をもとにデータを復調し、デジタルデータＳ４４３を出力する。   The data holding timing control unit 530 gives the control signal S531 to the data holding unit 540 at a timing synchronized with the reception signal S511, and the data holding unit 540 uses only the data that matches the timing as the signal S541 as the signal S541. Tell the tracking unit 560. The demodulator 550 demodulates the data based on the signal S541 selected by the data holding unit 540 and outputs digital data S443.

また、同期追跡部５６０では、データ保持部５４０によって選ばれた信号Ｓ５４１をもとに、受信信号Ｓ４２７との同期ずれがおきていないかを検出し、同期ずれが起きている場合にはサンプリングタイミング制御部５７０を介してサンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２によりＡ／Ｄ変換部４３０のデジタル変換タイミングを調整する。   In addition, the synchronization tracking unit 560 detects whether or not there is a synchronization shift with the received signal S427 based on the signal S541 selected by the data holding unit 540, and if there is a synchronization shift, the sampling timing The digital conversion timing of the A / D conversion unit 430 is adjusted by the sampling timing control signals S441 and S442 via the control unit 570.

サンプリングタイミング制御部５７０では、同期捕捉部５２０および同期追跡部５６０からの信号をもとに、Ａ／Ｄ変換部４３０のデジタル変換タイミングを調整する。同期捕捉部５２０から信号Ｓ５２２が出力された場合、サンプリングタイミング制御部５７０を介してサンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１が出力され、デジタル変換タイミングを通常よりも微小時間、例えば０．５ｎｓ程度、遅らせる。すなわち、通常のデジタル変換の周期（Tckとする）はインパルス間隔と等しいが、当該信号Ｓ４４１が出力された場合は、デジタル変換の間隔がTck+Tsとなる。ただし、Tsは当該信号Ｓ４４１が出力された場合のデジタル変換のタイミングシフト時間である。 Sampling timing control section 570 adjusts the digital conversion timing of A / D conversion section 430 based on signals from synchronization acquisition section 520 and synchronization tracking section 560. When the signal S522 is output from the synchronization acquisition unit 520, the sampling timing control signal S441 is output via the sampling timing control unit 570, and the digital conversion timing is delayed by a minute time, for example, about 0.5 ns. That is, the normal digital conversion period (T ck ) is equal to the impulse interval, but when the signal S441 is output, the digital conversion interval is T ck + T s . Note that T s is the timing shift time for digital conversion when the signal S441 is output.

また、デジタル変換のタイミングは、同期追跡部５６０の出力信号Ｓ５６１に応じて調整される。Ａ／Ｄ変換部４３０に入力されるアナログ信号Ｓ４２７に対してデジタル変換タイミングが進んでいる場合、同期追跡部５２０が検知し、サンプリングタイミング制御部に伝えられ、制御信号Ｓ４４１が出力されて、デジタル変換タイミングを通常よりもTs遅らせる。逆にアナログ信号Ｓ４２７に対してデジタル変換タイミングが遅れている場合、制御信号Ｓ４４２が出力されて、デジタル変換タイミングを通常よりもTs進ませる。 The digital conversion timing is adjusted according to the output signal S561 of the synchronization tracking unit 560. When the digital conversion timing is advanced with respect to the analog signal S427 input to the A / D conversion unit 430, the synchronization tracking unit 520 detects the signal and transmits it to the sampling timing control unit, and the control signal S441 is output. The conversion timing is delayed by T s than usual. Conversely, when the digital conversion timing is delayed with respect to the analog signal S427, the control signal S442 is output, and the digital conversion timing is advanced by T s than usual.

すなわち、サンプリングタイミング制御部５７０から制御信号Ｓ４４１が出力された場合、サンプリングクロックＳ４３５の周期は１周期だけTck+Tsとなり、制御信号Ｓ４４２が出力された場合、Ｓ４３５の周期は１周期だけTck-Tsとなる。このようにサンプリングクロックＳ４３５の周期を制御することで、同期捕捉、同期追跡が可能となる。 That is, when the control signal S441 is output from the sampling timing control unit 570, the cycle of the sampling clock S435 is T ck + T s for one cycle, and when the control signal S442 is output, the cycle of S435 is T for one cycle. ck -T s . By controlling the cycle of the sampling clock S435 in this way, synchronization acquisition and synchronization tracking can be performed.

パルス信号を受信するＵＷＢ−ＩＲ通信の受信装置の基本動作は、次のとおりである。すなわち、パルス信号をアンテナ４１０で受け取り、ＲＦフロントエンド部４２０で必要な周波数の整形された波形を抽出し、Ａ／Ｄ変換部４３０でデジタル信号に変換し、ベースバンド部４４０でデジタル信号処理を行なうことで通信データＳ４４３を取り出して出力する。   The basic operation of a UWB-IR communication receiver that receives a pulse signal is as follows. In other words, a pulse signal is received by the antenna 410, a waveform with a required frequency is extracted by the RF front end unit 420, converted into a digital signal by the A / D conversion unit 430, and digital signal processing is performed by the baseband unit 440. As a result, the communication data S443 is extracted and output.

本実施例のＵＷＢ−ＩＲ受信装置におけるベースバンド部４４０には、測位用に、時間差計測部５８０が追加されている。本時間差計測部５８０は高精度な計測を低消費電力で実現するものであり、受信装置に元々備えている機能と比較的低速のカウンタを使用して高精度な時間差計測を行う。   A time difference measuring unit 580 is added to the baseband unit 440 in the UWB-IR receiver of this embodiment for positioning. This time difference measurement unit 580 realizes highly accurate measurement with low power consumption, and performs highly accurate time difference measurement using a function originally provided in the receiving apparatus and a relatively low-speed counter.

この時間差計測を行う時間差計測部の具体的な構成例を図６に示す。時間差計測部５８０は、カウンタ（ＣＮＴ）６１０、レジスタ（ＲＥＧ）６２０、遅延部（Ｄ）６３０、時間差計算部（ＴＤＣＡＬ）６４０から構成される。なお、時間差計測部５８０の詳細については、後で説明する。   FIG. 6 shows a specific configuration example of the time difference measurement unit that performs this time difference measurement. The time difference measurement unit 580 includes a counter (CNT) 610, a register (REG) 620, a delay unit (D) 630, and a time difference calculation unit (TDCAL) 640. Details of the time difference measuring unit 580 will be described later.

この実施例の測位システムの仕組みを、ノード１００ａの位置測定を行う場合の例を用いて、図７ないし図８を参照しながら、より詳細に説明する。   The mechanism of the positioning system according to this embodiment will be described in more detail with reference to FIGS. 7 to 8 using an example in which the position of the node 100a is measured.

まず、図７により、本発明に係る測位システムの原理を説明する。
図７において、Ｔｘは送信、Ｒｘは受信を示す。ノード１００ａが送信した測位信号Ｓ１０１は、時間TNR後に基準局１１０に受信され、TNA,a後に基地局１２０ａに受信される。基準局１１０は、測位信号Ｓ１０１を受信してからTRP後に、基準信号Ｓ１１１を送信する。基準信号Ｓ１１１は、送信されてからTRA,a後に、基地局１２０ａに受信される。基地局１２０ａは、測位信号Ｓ１０１を受信してから基準信号Ｓ１１１を受信するまでの時間Tmeas,aを計測する。この時、以下の式が成立する。
TNR + TRP + TRA,a = TNA,a + Tmeas,a …… （１ａ）
また、測位信号Ｓ１０１および基準信号Ｓ１１１は、基地局１２０ｂ，１２０ｃにも受信され、
TNR + TRP + TRA,b = TNA,b + Tmeas,b …… （１ｂ）
TNR + TRP + TRA,c = TNA,c + Tmeas,c …… （１ｃ）
が成立する。ここで、
TNR：ノード１００ａが測位信号Ｓ１０１を送信してから、基準局１１０が測位信号Ｓ１０１を受信するまでの時間
TRP：基準局１１０が測位信号Ｓ１０１を受信してから、基準信号Ｓ１１１を送信するまでの時間
TRA,a，TRA,b，TRA,c：基準局１１０が基準信号Ｓ１１１を送信してから、基地局１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃが基準信号Ｓ１１１を受信するまでの時間
TNA,a，TNA,b，TNA,c：ノード１００ａが測位信号Ｓ１０１を送信してから、基地局１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃが測位信号Ｓ１０１を受信するまでの時間
Tmeas,a，Tmeas,b，Tmeas,c：基地局１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃが、測位信号Ｓ１０１を受信してから、基準信号Ｓ１１１を受信するまでの時間
である。 First, the principle of the positioning system according to the present invention will be described with reference to FIG.
In FIG. 7, Tx indicates transmission and Rx indicates reception. Positioning signal S101 to the node 100a is transmitted is received by the reference station 110 after a time T NR, T NA, are received by the base station 120a after a. The reference station 110 transmits the reference signal S111 after TRP after receiving the positioning signal S101. The reference signal S111 is received by the base station 120a after TRA, a after being transmitted. The base station 120a measures a time T meas, a from when the positioning signal S101 is received until the reference signal S111 is received. At this time, the following equation is established.
T NR + T RP + T RA, a = T NA, a + T meas, a (1a)
The positioning signal S101 and the reference signal S111 are also received by the base stations 120b and 120c,
T NR + T RP + T RA, b = T NA, b + T meas, b (1b)
T NR + T RP + T RA, c = T NA, c + T meas, c (1c)
Is established. here,
T NR : Time from when the node 100a transmits the positioning signal S101 to when the reference station 110 receives the positioning signal S101
T RP : Time from when the reference station 110 receives the positioning signal S101 to when the reference signal S111 is transmitted
T RA, a , T RA, b , T RA, c : Time from when the reference station 110 transmits the reference signal S111 until the base stations 120a, 120b, 120c receive the reference signal S111
T NA, a , T NA, b , T NA, c : Time from when the node 100a transmits the positioning signal S101 to when the base stations 120a, 120b, 120c receive the positioning signal S101
T meas, a , T meas, b , T meas, c : The time from when the base station 120a, 120b, 120c receives the positioning signal S101 until it receives the reference signal S111.

式（１ａ）および式（１ｂ）から以下の式が導かれる。
TNA,a - TNA,b = (TRA,a - TRA,b) - (Tmeas,a - Tmeas,b) …… （２）
ここで、TRA,a，TRA,bはそれぞれ基準局１１０と基地局１２０ａ，１２０ｂとの間の距離を光速で除した値に等しい。また、Tmeas,a，Tmeas,bは基地局１２０ａ，１２０ｂがそれぞれ計測した値であるため、式（２）の右辺は既知の値となる。 The following formulas are derived from formulas (1a) and (1b).
T NA, a -T NA, b = (T RA, a -T RA, b )-(T meas, a -T meas, b ) (2)
Here, T RA, a and T RA, b are respectively equal to values obtained by dividing the distance between the reference station 110 and the base stations 120a and 120b by the speed of light. Since T meas, a and T meas, b are values measured by the base stations 120a and 120b, the right side of the equation (2) is a known value.

従って、測位信号Ｓ１０１が基地局１２０ａ，１２０ｂに到達した時間差TNA,a - TNA,bを算出することができる。同様にして、３基の基地局１２０への到達時間差ＴＤＯＡを知ることができ、ノード１００ａの位置測定が可能となる。なお、本説明では、基地局の数を３基としているが、これに限るものではない。 Therefore, the time difference T NA, a −T NA, b when the positioning signal S101 reaches the base stations 120a, 120b can be calculated. Similarly, the arrival time difference TDOA to the three base stations 120 can be known, and the position of the node 100a can be measured. In this description, the number of base stations is three, but is not limited to this.

図８は、ノード１００から送信される測位信号Ｓ１０１および基準局１１０から送信される基準信号Ｓ１１１の構成例を示す。当該信号Ｓ１０１，Ｓ１１１は、プリアンブル３１０、フレーム開始部（Start Frame Delimiter、以下「ＳＦＤ」と略称する）３２０、ヘッダ３３０、データ３４０から構成される。ヘッダ内やデータ内には誤り検出用のＣＲＣ符号等が含まれていてもよい。   FIG. 8 shows a configuration example of the positioning signal S101 transmitted from the node 100 and the reference signal S111 transmitted from the reference station 110. The signals S101 and S111 are composed of a preamble 310, a frame start section (Start Frame Delimiter, hereinafter abbreviated as “SFD”) 320, a header 330, and data 340. A CRC code or the like for error detection may be included in the header or data.

プリアンブル３１０は、当該信号Ｓ１０１，Ｓ１１１を受信した装置において同期の捕捉に使用される。ＳＦＤ３２０は、プリアンブル３１０の終了およびヘッダ３３０の始まりを示す特定のビットパターンである。ヘッダ３３０には、当該信号Ｓ１０１，Ｓ１１１の送信元の識別子および受信先の識別子などの情報等が格納される。データ３４０には当該信号Ｓ１０１，Ｓ１１１の送信元からの情報が格納される。   The preamble 310 is used for acquisition of synchronization in the device that has received the signals S101 and S111. The SFD 320 is a specific bit pattern that indicates the end of the preamble 310 and the start of the header 330. The header 330 stores information such as an identifier of a transmission source and an identifier of a reception destination of the signals S101 and S111. Data 340 stores information from the transmission source of the signals S101 and S111.

当該信号Ｓ１０１，Ｓ１１１を通信用の信号とすることで、通信と同時に測位を行うことが可能となる。また、ノード１００、基準局１１０において測位用の特別な信号を生成する必要がなくなり、装置が簡易化される。   By using the signals S101 and S111 as communication signals, positioning can be performed simultaneously with communication. Further, it is not necessary to generate special positioning signals in the node 100 and the reference station 110, and the apparatus is simplified.

当該信号Ｓ１０１，Ｓ１１１の送信時刻あるいは受信時刻は、ある特定の部分を送信あるいは受信した時刻と定める。例えば、当該信号Ｓ１０１，Ｓ１１１のＳＦＤ３２０を送信し終えた時刻を送信時刻と定め、受信し終えた時刻を受信時刻と定める。   The transmission time or reception time of the signals S101 and S111 is determined as the time when a specific part is transmitted or received. For example, the time at which the SFD 320 of the signals S101 and S111 has been transmitted is defined as the transmission time, and the time at which the reception is completed is defined as the reception time.

本測位システムにおいて、測定されるノード１００の位置精度は、到達時間差ＴＤＯＡの精度、すなわち、基地局１２０で計測する時間Tmeasの精度に依存する。さらに、複数基地局１２０a、１２０b、１２０c間の計測時間誤差に依存する。例えば、３０ｃｍの位置精度を得るには、約１ｎｓの時間精度が必要となる。精度１ｎｓで時間差を計測する場合、通常、１ＧＨｚの発振器と１ＧＨｚで動作するカウンタを用いる。しかし、このような高速な発振器、カウンタを使用すると消費電力、回路規模が増大してしまう。 In this positioning system, the position accuracy of the measured node 100 depends on the accuracy of the arrival time difference TDOA, that is, the accuracy of the time T meas measured by the base station 120. Furthermore, it depends on the measurement time error between the plurality of base stations 120a, 120b, 120c. For example, to obtain a position accuracy of 30 cm, a time accuracy of about 1 ns is required. When measuring the time difference with an accuracy of 1 ns, a 1 GHz oscillator and a counter operating at 1 GHz are usually used. However, the use of such high-speed oscillators and counters increases power consumption and circuit scale.

本実施形態では、比較的低速の発振器と低速のカウンタを使用して、高精度な時間差計測を行い、消費電力、回路規模を低減する。   In this embodiment, a time difference measurement with high accuracy is performed using a relatively low-speed oscillator and a low-speed counter, and power consumption and circuit scale are reduced.

以下、その詳細を図９から図１１を用いて説明する。
まず、図９を用いて、同期捕捉の方法を説明する。Ａ／Ｄ変換部４３０に入力されるインパルス列Ｓ４２７と、サンプリングクロックＳ４３５の位相が一致していない場合、Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号Ｓ４３２は、ノイズレベルの値となる。インパルス列Ｓ４２７とサンプリングクロックＳ４３５の位相が一致している場合、パルスをサンプリングした出力がデジタル信号Ｓ４３２に出力される。 The details will be described below with reference to FIGS.
First, the synchronization acquisition method will be described with reference to FIG. When the impulse train S427 input to the A / D conversion unit 430 and the phase of the sampling clock S435 do not match, the A / D converted digital signal S432 has a noise level value. When the phase of the impulse train S427 and the sampling clock S435 match, an output obtained by sampling the pulse is output to the digital signal S432.

デジタル信号Ｓ４３２はベースバンド部４４０に入力され、当該信号Ｓ４３２のレベルから位相の一致／不一致の判定を行う。位相が一致していない場合、シフト信号（タイミングシフト時間＝Ｔs）を生成して位相の調整を行う。 The digital signal S432 is input to the baseband unit 440, and phase matching / mismatching is determined from the level of the signal S432. If the phases do not match, a shift signal (timing shift time = T s ) is generated to adjust the phase.

すなわち、サンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１を出力し、サンプリングクロックＳ４３５の周期を一定時間（Ts）長くあるいは短くシフトすることで、サンプリングタイミングをシフトさせる。この処理を、インパルス列Ｓ４２７とサンプリングクロックＳ４３５の位相が一致するまで繰返す。このように、サンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１により、サンプリングクロックＳ４３５の位相をずらすことで、インパルス列Ｓ４２７との同期捕捉を行う。 That is, the sampling timing control signal S441 is output, and the sampling timing is shifted by shifting the period of the sampling clock S435 longer or shorter by a certain time (T s ). This process is repeated until the phases of the impulse train S427 and the sampling clock S435 match. In this manner, the synchronization with the impulse train S427 is acquired by shifting the phase of the sampling clock S435 by the sampling timing control signal S441.

Ａ／Ｄ変換部４３０のＡ／Ｄ変換器４３１ｉａ、４３１ｉｂ、４３１ｉｃには、例えば、それぞれ０．５ｎｓの遅延差を持つサンプリングクロックが与えられる。すなわち、ガウシアンインパルス信号が２ｎｓの幅を持つ場合に、このインパルス信号を０．５ｎｓずつ異なる位置でデジタル値に変換し、出力する。これらの、異なる位置でデジタル値に変換された値は、同期追跡に用いられる。   For example, a sampling clock having a delay difference of 0.5 ns is supplied to the A / D converters 431ia, 431ib, and 431ic of the A / D converter 430, for example. That is, when the Gaussian impulse signal has a width of 2 ns, the impulse signal is converted into a digital value at a position different by 0.5 ns and output. These values converted into digital values at different positions are used for synchronous tracking.

一度同期捕捉が確立した後でも、送信装置と受信装置のクロックに周波数偏差が存在する場合、次第に同期ずれが生じる。ＵＷＢ−ＩＲ方式では、間隔の短い２ｎｓ程度のインパルスに対して同期を行なう必要がある。送信装置および受信装置のクロック発生に用いられる水晶発振子の周波数精度が高ければ同期追跡は不要であるが、精度の高い水晶発振子は高額になる。低コスト化を目指すためには、精度の悪い水晶発振子を用いても受信できるシステムでなければならない。そのために、同期追跡という動作が必要となる。   Even after synchronization acquisition is established once, if there is a frequency deviation between the clocks of the transmission device and the reception device, the synchronization deviation gradually occurs. In the UWB-IR system, it is necessary to synchronize with an impulse having a short interval of about 2 ns. If the frequency accuracy of the crystal oscillator used for clock generation of the transmission device and the reception device is high, synchronization tracking is unnecessary, but a crystal oscillator with high accuracy is expensive. In order to reduce the cost, the system must be able to receive even a crystal oscillator with poor accuracy. Therefore, an operation called synchronization tracking is required.

この同期追跡について、図１０ないし図１１で説明する。図１０に同期追跡の概念図を示し、図１１は、時間差計測の原理を示す。
まず、図１０において、パルスのピークをサンプリングしている状態８３０から、周波数偏差のため、状態８１０，８２０に示すように、パルスのピークとサンプリングタイミングにずれが生じる。 This synchronization tracking will be described with reference to FIGS. FIG. 10 shows a conceptual diagram of synchronous tracking, and FIG. 11 shows the principle of time difference measurement.
First, in FIG. 10, there is a difference between the pulse peak and the sampling timing as shown in states 810 and 820 due to the frequency deviation from the state 830 in which the pulse peak is sampled.

ベースバンド部４４０では、Ａ／Ｄ変換された３点のデジタル信号Ｓ４３２を用いてこのずれを検出し、制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２を通じてサンプリングクロックＳ４３５の周期を調整する。すなわち、状態８１０に示すように、サンプリングクロックＳ４３５がインパルスに対して進んでいる場合、シフト信号によりサンプリングクロックＳ４３５の周期を一定時間（Ts）長くする。また、状態８２０に示すように、サンプリングクロックＳ４３５がインパルスに対して遅れている場合、シフト信号によりサンプリングクロックＳ４３５の周期を一定時間（Ts）短くする。 The baseband unit 440 detects this shift using the three digital signals S432 that have undergone A / D conversion, and adjusts the cycle of the sampling clock S435 through the control signals S441 and S442. That is, as shown in the state 810, when the sampling clock S435 is advanced with respect to the impulse, the period of the sampling clock S435 is lengthened by a certain time (T s ) by the shift signal. As shown in state 820, when the sampling clock S435 is delayed with respect to the impulse, the period of the sampling clock S435 is shortened by a certain time (T s ) by the shift signal.

サンプリングクロック生成部４３３は、上述のように、ベースバンド部４４０から与えられるサンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２に応じて、Ａ／Ｄ変換器４３１のサンプリングタイミングを決定するサンプリングクロックＳ４３５ｉａ〜ｃ、Ｓ４３５ｑａ〜ｃを生成する。   As described above, the sampling clock generation unit 433 determines the sampling timings of the A / D converter 431 according to the sampling timing control signals S441 and S442 given from the baseband unit 440, and the sampling clocks S435ia to c and S435qa to c is generated.

ベースバンド部４４０は、デジタル値に変換された受信信号Ｓ４３２を用いて同期捕捉、同期確認、信号復調、同期追跡、時間差計測といった信号処理、およびＡ／Ｄ変換部４３０のサンプリングタイミング制御を行なう。復調されたデータＳ４４３および測位データＳ４４４はベースバンド部から出力されて上位レイヤに伝えられ、上位レイヤでデータ処理が行なわれる。   The baseband unit 440 performs signal processing such as synchronization acquisition, synchronization confirmation, signal demodulation, synchronization tracking, and time difference measurement, and sampling timing control of the A / D conversion unit 430, using the received signal S432 converted into a digital value. Demodulated data S443 and positioning data S444 are output from the baseband unit and transmitted to the upper layer, and data processing is performed in the upper layer.

次に、時間差計測の原理を、図１１を参照しながら説明する。図１１は、測位信号Ｓ１０１および基準信号Ｓ１１１受信時の、基地局１２０の受信装置のタイミングチャートである。測位信号Ｓ１０１との同期捕捉が確立されていない間は、サンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１により、サンプリングクロックＳ４３５の周期を変え、同期の捕捉を行う。測位信号Ｓ１０１を受信し、同期捕捉が確立されると、復調および同期追跡を開始する。   Next, the principle of time difference measurement will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a timing chart of the receiving device of the base station 120 when the positioning signal S101 and the reference signal S111 are received. While synchronization acquisition with the positioning signal S101 is not established, the period of the sampling clock S435 is changed by the sampling timing control signal S441 to acquire synchronization. When the positioning signal S101 is received and synchronization acquisition is established, demodulation and synchronization tracking are started.

送信装置と受信装置のクロックに周波数偏差が存在するため、一度同期が確立した後でも、次第に同期ずれが生じる。同期追跡部５６０でそのずれを検知し、制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２を介してサンプリングクロックＳ４３５の周期を調整する。   Since there is a frequency deviation between the clocks of the transmission device and the reception device, even after synchronization is established once, a synchronization deviation gradually occurs. The synchronization tracking unit 560 detects the deviation and adjusts the cycle of the sampling clock S435 via the control signals S441 and S442.

受信装置は、測位信号Ｓ１０１のデータ３４０を受信し終えると、同期捕捉を行う。基準信号Ｓ１１１との同期捕捉が確立された後、復調・同期追跡を行う。   When receiving the data 340 of the positioning signal S101, the receiving device performs synchronization acquisition. After synchronization acquisition with the reference signal S111 is established, demodulation and synchronization tracking are performed.

基地局１２０は、測位信号Ｓ１０１を受信してから、基準信号Ｓ１１１を受信するまでの時間Tmeasを計測する。ここでは、当該信号Ｓ１０１，Ｓ１１１の受信時刻を、ＳＦＤ３２０を受信し終えた時刻とする。 The base station 120 measures a time T meas from when the positioning signal S101 is received until the reference signal S111 is received. Here, the reception time of the signals S101 and S111 is the time when the SFD 320 has been received.

サンプリングクロックＳ４３５の周期は、通常はTckであり、制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２が出力された場合はそれぞれTck+Ts，Tck-Tsとなる。これを利用すると、測位信号Ｓ１０１と基準信号Ｓ１１１の受信時間差Tmeasは以下の式で与えられる。
Tmeas = Tck・Nck + Ts・(Np - Nm) ……（３）
ただし、
Tck：通常のサンプリングクロック周期
Ts：タイミングシフト時間
Nck：パルスサンプリング用クロックのカウント数
Np，Nm：+Ts，-Tsのサンプリングタイミング制御信号のカウント数
である。 Period of the sampling clock S435 is usually a T ck, respectively when the control signal S441, S442 is output T ck + T s, the T ck -T s. Using this, the reception time difference T meas between the positioning signal S101 and the reference signal S111 is given by the following equation.
T meas = T ck · N ck + T s · (N p -N m ) (3)
However,
T ck : Normal sampling clock period
T s : Timing shift time
N ck : Number of clocks for pulse sampling
N p , N m : Counts of sampling timing control signals of + T s and -T s .

すなわち、該受信時間差Tmeasは、サンプリングクロックＳ４３５およびその制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２の数をカウントすることで算出される。 That is, the reception time difference T meas is calculated by counting the number of sampling clocks S435 and their control signals S441 and S442.

この受信時間差の算出は、時間差計測部（ＴＤＭＭ）５８０(図６参照)でなされる。次に、この時間差計測部５８０の動作を説明する。時間差計測部５８０には、サンプリングクロックＳ４３５Ｄ、サンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２、およびＳＦＤ検出信号Ｓ５５１が入力される。クロックＳ４３５Ｄ、および制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２がそれぞれカウンタ６１０ａ〜ｃに入力され、そのカウント値を信号Ｓ６１１ａ〜ｃとして出力する。   The reception time difference is calculated by a time difference measurement unit (TDMM) 580 (see FIG. 6). Next, the operation of the time difference measuring unit 580 will be described. Sampling clock S435D, sampling timing control signals S441, S442, and SFD detection signal S551 are input to time difference measurement unit 580. Clock S435D and control signals S441 and S442 are input to counters 610a to 610c, and the count values are output as signals S611a to c.

ＳＦＤ検出信号Ｓ５５１は、ＳＦＤ３２０が検出されたタイミングで復調部５５０から出力される。カウント値Ｓ６１１ａ〜ｃは、ＳＦＤ検出タイミングでレジスタ６２０ａ〜ｃに記憶される。また、ＳＦＤ検出信号Ｓ５５１は、遅延部６３０にて遅延され、カウンタ６１０のカウント値をリセットする。   The SFD detection signal S551 is output from the demodulator 550 at the timing when the SFD 320 is detected. The count values S611a to c are stored in the registers 620a to 620c at the SFD detection timing. Further, the SFD detection signal S551 is delayed by the delay unit 630, and the count value of the counter 610 is reset.

時間差計算部６４０では、レジスタ６２０に記憶された値を用い、式（３）に従って受信時間差Tmeasを計算する。当該時間差Tmeasは、信号Ｓ４４４ａとして上位レイヤに出力される。上位レイヤでは、復調されたデータＳ４４３からノード１００のＩＤなどを識別し、必要な情報と該受信時間差Tmeasを測位サーバに送信する。測位サーバでは基地局からのデータをもとにノード１００の位置を算出する。 The time difference calculation unit 640 calculates the reception time difference T meas according to equation (3) using the value stored in the register 620. The time difference T meas is output to the upper layer as a signal S444a. In the upper layer, the ID of the node 100 is identified from the demodulated data S443, and necessary information and the reception time difference T meas are transmitted to the positioning server. The positioning server calculates the position of the node 100 based on the data from the base station.

該受信時間差Tmeasの計算は、時間差計測部５８０でなく、上位レイヤ、測位サーバなどで行ってもよい。 The reception time difference T meas may be calculated not by the time difference measuring unit 580 but by an upper layer, a positioning server, or the like.

また、Tmeasの計測開始時および終了時はＳＦＤ検出時でなくてもよい。例えば、測位信号Ｓ１０１のデータ終了時から計測を開始してもよい。この場合、前述した例と比較して計測時間が短縮され、カウンタのビット数削減が可能となり、回路規模が削減される。 Also, the start and end of the measurement of T meas need not be at the time of SFD detection. For example, the measurement may be started from the end of the data of the positioning signal S101. In this case, the measurement time is shortened compared to the above-described example, the number of bits of the counter can be reduced, and the circuit scale is reduced.

同期捕捉が確立されていない間は、サンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１が周期的に出力される。同期が捕捉されたかを判定するのに一定時間を要するためである。これを利用すると、この間のサンプリングクロックＳ４３５dの数は、サンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１のカウント数から算出することができる。   While the synchronization acquisition is not established, the sampling timing control signal S441 is periodically output. This is because it takes a certain time to determine whether the synchronization is acquired. By utilizing this, the number of sampling clocks S435d during this period can be calculated from the count number of the sampling timing control signal S441.

以上が、受信時間差Tmeasを高精度、かつ低消費電力で計測する方法および回路である。すなわち、サンプリングクロックＳ４３５およびサンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２の数をカウントし、式（３）に従い該受信時間差Tmeasを算出する。 The above is the method and circuit for measuring the reception time difference T meas with high accuracy and low power consumption. That is, the number of sampling clocks S435 and sampling timing control signals S441 and S442 are counted, and the reception time difference T meas is calculated according to equation (3).

図１２に、本実施例による測位測距処理の全体のフローチャートを示す。
ノードは、位置計算を希望する任意の時刻に、周辺の基準局１１０と基地局１２０に対して測位信号Ｓ１０１を含む伝送信号を送信する（Ｓ１２０１）。基準局１１０は、測位信号を受信した後、基準信号Ｓ１１１含む伝送信号を送信する（Ｓ１２０２）。基準局および各基地局は、それぞれ伝送信号、例えば測位信号の受信時刻、基準信号の受信時刻及び基地局を識別するためのＩＤその他の情報をネットワークを経由してサーバ１３０に送付する。 FIG. 12 shows an overall flowchart of the positioning and ranging process according to this embodiment.
The node transmits a transmission signal including the positioning signal S101 to the neighboring reference station 110 and the base station 120 at an arbitrary time for which position calculation is desired (S1201). After receiving the positioning signal, the reference station 110 transmits a transmission signal including the reference signal S111 (S1202). Each of the reference station and each base station sends a transmission signal, for example, a positioning signal reception time, a reference signal reception time, an ID for identifying the base station, and other information to the server 130 via the network.

ここで、各基地局１２０は、伝送信号例えば測位信号Ｓ１０１を受信したとき、この測位信号とサンプリングクロックとの同期捕捉を行う。同期捕捉が確立された後、復調・同期追跡を行う。各基地局は、同期捕捉、復調・同期追跡などの伝送信号の受信処理と並行して、式（３）に従って測位信号Ｓ１０１と基準信号Ｓ１１１の受信時間差Tmeasの計測処理を行い（Ｓ１２０３）、その結果に基づく情報をサーバ１３０に送付する（Ｓ１２０４）。サーバ１３０は、これらの情報と、サーバが持つデータベースに記録されている情報とから、ノードの座標を算出して測位・測距を行う（Ｓ１２０５）。 Here, when each base station 120 receives a transmission signal, for example, the positioning signal S101, the base station 120 performs synchronization acquisition between the positioning signal and the sampling clock. After synchronization acquisition is established, demodulation and synchronization tracking are performed. Each base station performs measurement processing of the reception time difference T meas between the positioning signal S101 and the reference signal S111 in accordance with Expression (3) in parallel with reception processing of transmission signals such as synchronization acquisition, demodulation and synchronization tracking (S1203), Information based on the result is sent to the server 130 (S1204). The server 130 calculates the coordinates of the node from these information and the information recorded in the database of the server, and performs positioning / ranging (S1205).

このように、同期捕捉、同期追跡、受信時間差計測等の機能を備えた本実施例のシステムを用いることで、比較的低速なクロック、制御信号およびカウンタを用いたとしても、高精度な時間差計測が可能となる。カウンタの動作周波数は、パルス繰返し周波数（1/Tck）と同じであり、例えば約３２ＭＨｚである。カウンタの動作周波数が低いため、消費電力、回路規模を低減することができる。さらに、Tmeasの計測開始／終了を示すＳＦＤ検出信号Ｓ５５１がサンプリングクロックに同期しているため、設計が容易となる。 As described above, by using the system of this embodiment having functions such as synchronization acquisition, synchronization tracking, and reception time difference measurement, even if a relatively low-speed clock, control signal, and counter are used, highly accurate time difference measurement is possible. Is possible. The operating frequency of the counter is the same as the pulse repetition frequency (1 / T ck ), for example, about 32 MHz. Since the operation frequency of the counter is low, power consumption and circuit scale can be reduced. Furthermore, since the SFD detection signal S551 indicating the start / end of the measurement of T meas is synchronized with the sampling clock, the design is facilitated.

この方法の時間計測精度は±Ts（タイミングシフト時間）である。例えば、Tsを０．５ｎｓとすると、１ＧＨｚの発振器とカウンタを用いて計測した場合と同じ精度となり、約３０ｃｍの測位精度が得られる。 The time measurement accuracy of this method is ± T s (timing shift time). For example, when T s is 0.5 ns, the accuracy is the same as that measured using a 1 GHz oscillator and a counter, and a positioning accuracy of about 30 cm can be obtained.

以上述べたとおり、本実施例に係る基地局の受信装置では、測位信号と基準信号の受信時間差の計測に、低速なクロックおよび該クロックの位相をシフトさせる制御信号を使用できる。そして、このクロックおよび該制御信号の数を、低速なカウンタでカウントし、受信時間差を算出する。算出された受信時間差の精度は、一回の制御信号発生によりシフトさせる時間で決まる。このため、高精度な時間差計測が可能となる。この方法を用いて受信時間差の計測を行うことで、高速なクロックおよび高速なカウンタが必要なく、消費電力、回路規模が低減される。   As described above, the receiving apparatus of the base station according to the present embodiment can use a low-speed clock and a control signal that shifts the phase of the clock for measuring the reception time difference between the positioning signal and the reference signal. Then, the number of clocks and control signals is counted by a low-speed counter, and a reception time difference is calculated. The accuracy of the calculated reception time difference is determined by the time shifted by one generation of the control signal. For this reason, highly accurate time difference measurement becomes possible. By measuring the reception time difference using this method, a high-speed clock and a high-speed counter are not required, and power consumption and circuit scale are reduced.

以上の位置検出システムにおいて、基地局の情報をサーバに伝えるネットワークは有線でも無線でもよい。また、基準局やサーバの機能を基地局が兼ねることも可能である。   In the above position detection system, the network for transmitting base station information to the server may be wired or wireless. In addition, the base station can also function as a reference station and a server.

例えば、測位測距システムを、測位信号を送信する第１の通信装置と、測位信号を受信した後基準信号を第１の通信装置に送信する第２の通信装置で構成し、第１の通信装置が、クロック信号の位相を変化させるシフト信号を生成して基準信号とクロック信号との同期捕捉を行う同期捕捉ユニットと、測位信号を送信してから基準信号を受信するまでの時間差を計測しこの時間差を用いて第１の通信装置と第２の通信装置との距離を算出する位置計算ユニットとを具備するように構成しても良い。   For example, the positioning and ranging system includes a first communication device that transmits a positioning signal and a second communication device that receives a positioning signal and then transmits a reference signal to the first communication device. The device generates a shift signal that changes the phase of the clock signal to acquire the synchronization of the reference signal and the clock signal, and measures the time difference between the transmission of the positioning signal and the reception of the reference signal. You may comprise so that the position calculation unit which calculates the distance of a 1st communication apparatus and a 2nd communication apparatus using this time difference may be comprised.

本実施例によれば、低速なクロック、制御信号およびカウンタを用いて高精度な時間差計測を行うことが可能となり、高速なクロックおよびカウンタを使用することなく、低消費電力、小型かつ低コストの装置で、高精度な測位が実現される。   According to the present embodiment, it is possible to perform highly accurate time difference measurement using a low-speed clock, a control signal, and a counter, and low power consumption, small size, and low cost can be achieved without using a high-speed clock and counter. High-precision positioning is realized with the device.

本発明の第２の実施例として、基地局相互のクロック誤差を計測、低減する周波数偏差計測ユニットに関して、図１３ないし図１５で説明する。   As a second embodiment of the present invention, a frequency deviation measuring unit for measuring and reducing clock errors between base stations will be described with reference to FIGS.

上記本発明の第１の実施例において、基地局１２０が計測した該受信時間差Tmeasは、クロックの周波数精度に起因する誤差を含んでいる。 In the first embodiment of the present invention, the reception time difference T meas measured by the base station 120 includes an error due to the clock frequency accuracy.

測位サーバでは、複数の基地局１２０で計測されたTmeasを用いて、式（２）に従いノード１００の位置を算出する。クロックの誤差を考慮した場合、式（２）の右辺第２項は
Tmeas,a - Tmeas,b = Treal,a・(1 + δa) - Treal,b・(1 + δb)
= Treal,a - Treal,b + (Treal,a・δa - Treal,b・δb)
…… （４）
となり、誤差(Treal,a・δa + Treal,b・δb)が生じる。ここで、
Treal,a，Treal,b：基地局１２０ａ，１２０ｂがそれぞれ計測すべき実際の時間
δa，δb：基地局１２０ａ，１２０ｂのクロックの偏差である。 The positioning server calculates the position of the node 100 according to the equation (2) using T meas measured by the plurality of base stations 120. When the clock error is taken into consideration, the second term on the right side of equation (2) is
T meas, a - T meas, b = T real, a · (1 + δ a) - T real, b · (1 + δ b)
= T real, a - T real, b + (T real, a・ δ a -T real, b・ δ b )
(4)
Thus, an error (T real, a · δ a + T real, b · δ b ) occurs. here,
T real, a , T real, b : actual times δ a , δ b to be measured by the base stations 120 a and 120 b , respectively, are clock deviations of the base stations 120 a and 120 b .

誤差(Treal,a・δa + Treal,b・δb)は、
Treal,a・δa - Treal,b・δb = (Treal,a - Treal,b)・δa + Treal,b・(δa - δb)
…… （５）
と変形される。 The error (T real, a・ δ a + T real, b・ δ b ) is
T real, a・ δ a -T real, b・ δ b = (T real, a -T real, b ) ・ δ a + T real, b・ (δ a -δ b )
...... (5)
And transformed.

(Treal,a - Treal,b)は、ノード１００と基地局１２０との距離および基準局１１０と基地局１２０との距離に依存し、例えば、３０ｍ四方の広さの測位システムを考えると、その値は高々１００ｎｓ程度となる。これに対し、Treal,bは基準局１１０での信号処理時間、測位信号Ｓ１０１のデータ長、基準信号Ｓ１１１のプリアンブル長などに依存し、例えば、伝送速度が２５０ｋｂｐｓでプリアンブル長が２０バイトとした場合、その値は少なくとも０．６ｍｓ以上となる。この場合、例えば基地局間のクロックの偏差(δa - δb)が２０ｐｐｍとすると、約１３ｎｓの時間誤差が生じる。これは距離に直すと約４ｍの誤差となる。 (T real, a -T real, b ) depends on the distance between the node 100 and the base station 120 and the distance between the reference station 110 and the base station 120. For example, when a positioning system with a width of 30 m is considered, The value is about 100 ns at most. On the other hand, T real, b depends on the signal processing time at the reference station 110, the data length of the positioning signal S101, the preamble length of the reference signal S111, etc. For example, when the transmission speed is 250 kbps and the preamble length is 20 bytes The value is at least 0.6 ms or more. In this case, for example, if the clock deviation (δ a −δ b ) between base stations is 20 ppm, a time error of about 13 ns occurs. This is an error of about 4 m when converted to distance.

従って、式（５）で表される誤差のうち、支配的となるのは第２項である。言い換えると、主な誤差要因となるのは、クロックの絶対的な偏差（実際の時間との偏差）ではなく、基地局間のクロックの相対的な偏差である。従って、基地局間のクロックの相対的な偏差を低減すれば、誤差が低減される。   Therefore, the second term is dominant among the errors expressed by the equation (5). In other words, the main error factor is not the absolute clock deviation (deviation from the actual time) but the relative clock deviation between base stations. Therefore, the error is reduced if the relative clock deviation between the base stations is reduced.

本実施形態の周波数偏差計測ユニットでは、送信装置と受信装置のクロックの周波数偏差を計測し、測位誤差の低減を行う。すなわち、送信装置のクロック周波数を基準として、基地局相互のクロック誤差を計測、低減する。図１３を用いて、周波数偏差計測ユニットの動作原理を説明する。   In the frequency deviation measurement unit of this embodiment, the frequency deviation of the clocks of the transmission device and the reception device is measured, and the positioning error is reduced. That is, the clock error between the base stations is measured and reduced with reference to the clock frequency of the transmitting apparatus. The operating principle of the frequency deviation measuring unit will be described with reference to FIG.

図１３は、基準信号Ｓ１１１受信時における、基地局１２０ａのＡ／Ｄ変換部４３０のタイミングチャートである。基準信号Ｓ１１１との同期が確立した後の状態を示している。この状態では、Ａ／Ｄ変換部４３０に入力されるアナログ信号Ｓ４３２とサンプリングクロックＳ４３５が同期している。言い換えると、サンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２により、サンプリングクロックＳ４３５の周期を、該アナログ信号Ｓ４３２と同期するように制御している。   FIG. 13 is a timing chart of the A / D conversion unit 430 of the base station 120a when the reference signal S111 is received. The state after the synchronization with the reference signal S111 is established is shown. In this state, the analog signal S432 input to the A / D converter 430 and the sampling clock S435 are synchronized. In other words, the period of the sampling clock S435 is controlled to be synchronized with the analog signal S432 by the sampling timing control signals S441 and S442.

また、基準信号Ｓ１１１は基準局１１０により生成されるため、該アナログ信号Ｓ４３２は、基準局１１０のクロックの周波数偏差を反映する。従って、制御信号Ｓ４４１が出力される周期は、基地局１２０ａのクロックと基準局１１０のクロックとの偏差に対応する。その偏差は、
δa - δr = Ts・(Np - Nm) / Tck・Nck …… （６）
と表される。ここで、δrは基準局１１０のクロックの偏差である。 Further, since the reference signal S111 is generated by the reference station 110, the analog signal S432 reflects the frequency deviation of the clock of the reference station 110. Therefore, the period in which the control signal S441 is output corresponds to the deviation between the clock of the base station 120a and the clock of the reference station 110. The deviation is
δ a -δ r = T s · (N p -N m ) / T ck · N ck …… (6)
It is expressed. Here, δ r is a deviation of the clock of the reference station 110.

すなわち、該偏差(δa - δr)は、サンプリングクロックＳ４３５およびサンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２をカウントすることで算出される。この方法により、それぞれの基地局１２０の基準局１１０に対する偏差を算出し、補正を行うことで、クロックの周波数偏差に起因する誤差が低減される。 That is, the deviation (δ a −δ r ) is calculated by counting the sampling clock S435 and the sampling timing control signals S441, S442. By this method, the deviation due to the frequency deviation of the clock is reduced by calculating the deviation of each base station 120 from the reference station 110 and performing correction.

次に、図１４、図１５で周波数偏差計測ユニットの構成について説明する。周波数偏差計測ユニットは、図１４に示すように、ベースバンド部ＢＢＭ４４０に偏差計測部（ＦＤＭＭ）１１１０を備えている。図１５に偏差計測部１１１０の具体的な構成例を示している。   Next, the configuration of the frequency deviation measuring unit will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 14, the frequency deviation measurement unit includes a deviation measurement unit (FDMM) 1110 in the baseband unit BBM440. FIG. 15 shows a specific configuration example of the deviation measuring unit 1110.

偏差計測部１１１０は、カウンタ６１０、レジスタ６２０、偏差計算部（ＦＤＣＡＬ）１２４０から構成される。偏差計測部１１１０にはサンプリングクロックＳ４３５Ｄ、サンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２、ＳＦＤ検出信号Ｓ５５１およびデータ終了信号Ｓ５５２が入力され、計測された偏差Ｓ４４４ｂが出力される。データ終了信号Ｓ５５２は受信した信号のデータ３４０が終了した時点で復調部から出力される。   The deviation measuring unit 1110 includes a counter 610, a register 620, and a deviation calculating unit (FDCAL) 1240. Sampling clock S435D, sampling timing control signals S441, S442, SFD detection signal S551, and data end signal S552 are input to deviation measuring unit 1110, and measured deviation S444b is output. The data end signal S552 is output from the demodulator when the data 340 of the received signal ends.

クロックＳ４３５Ｄ、および制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２は、それぞれカウンタ６１０ａ〜ｃに入力され、そのカウント値を信号Ｓ６１１ａ〜ｃとして出力する。該カウント値Ｓ６１１ａ〜ｃはＳＦＤ検出タイミングにてリセットされ、データ終了タイミングでレジスタ６２０ｄ〜ｆに記憶される。偏差計算部１２４０では、式（６）に従い、レジスタ６２０の値を用いて偏差を算出し、上位レイヤに出力する。   The clock S435D and the control signals S441 and S442 are respectively input to the counters 610a to 610c, and the count values are output as signals S611a to c. The count values S611a to c are reset at the SFD detection timing and stored in the registers 620d to 620f at the data end timing. The deviation calculation unit 1240 calculates the deviation using the value of the register 620 according to the equation (6), and outputs it to the upper layer.

ここでは、基準信号Ｓ１１１を用いて偏差の補正を行うとしたが、これに限定されるものではなく、ノードからの測位信号Ｓ１０１、他の送信装置からの信号などを用いてもよい。また、偏差の計測を行うタイミングは、測位を行うタイミングに限らず、設置時点、定期的に、あるいは温度変化が生じた時、など適当な時に計測してもよい。該偏差のデータは基地局１２０あるいは測位サーバ１３０のデータベースなどに記憶しておく。このように、あらかじめ基地局間のクロック周波数偏差を計測しておくのであれば、測位信号の到達時間そのものを用いて基地局間の時間差を計測し、位置検出を行なうことも可能である。   Here, the deviation is corrected using the reference signal S111. However, the present invention is not limited to this, and a positioning signal S101 from a node, a signal from another transmission device, or the like may be used. Further, the timing for measuring the deviation is not limited to the timing for positioning, but may be measured at an appropriate time, such as at the time of installation, periodically, or when a temperature change occurs. The deviation data is stored in a database of the base station 120 or the positioning server 130. As described above, if the clock frequency deviation between the base stations is measured in advance, it is possible to measure the time difference between the base stations using the arrival time itself of the positioning signal and perform position detection.

以上のように、同期捕捉確立後に制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２が出力される周期を計測することで、偏差の補正が可能となり、測位精度が向上される。また、偏差の補正が可能になれば、測位可能な範囲が拡大される。測位可能な範囲を拡大するためには、通信距離が長い低い伝送速度での通信が必要となる。低い伝送速度では、プリアンブル長が長いため、計測する時間差Tmeasが長くなり、周波数偏差に起因する誤差が増す。偏差の補正により、この誤差を低減でき、低い伝送速度での測位が可能となり、測位範囲を拡大することができる。また、周波数偏差の大きい安価な水晶発振子の使用が可能となり、コストが削減される。 As described above, by measuring the period in which the control signals S441 and S442 are output after synchronization acquisition is established, the deviation can be corrected and the positioning accuracy is improved. Moreover, if the deviation can be corrected, the range in which positioning is possible is expanded. In order to expand the range in which positioning is possible, communication at a low transmission rate with a long communication distance is required. At a low transmission rate, the preamble length is long, so the time difference T meas to be measured is long, and the error due to the frequency deviation increases. By correcting the deviation, this error can be reduced, positioning at a low transmission speed is possible, and the positioning range can be expanded. In addition, an inexpensive crystal oscillator having a large frequency deviation can be used, and the cost can be reduced.

さらに、この実施例の周波数偏差計測ユニットは、測位測距システムのみならず、周波数偏差の計測結果を利用した送受信装置の構成機器のメンテナンスにも使用することができる。   Furthermore, the frequency deviation measuring unit of this embodiment can be used not only for the positioning and ranging system but also for maintenance of the components of the transmission / reception apparatus using the frequency deviation measurement result.

次に、本発明の第３の実施例について、図１６ないし図１９で説明する。この実施例の受信装置は、第１の実施例に第２の実施例の周波数偏差計測ユニットの機能を追加したものである。図１６は、時間差計測機能および偏差計測機能を備えたベースバンド部４４０の構成を示す図である。図１７は、時間差・偏差計測部（ＴＤ＆ＦＤＭＭ）１３１０の一例の構成を示す図である。   Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The receiving apparatus of this embodiment is obtained by adding the function of the frequency deviation measuring unit of the second embodiment to the first embodiment. FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration of a baseband unit 440 having a time difference measurement function and a deviation measurement function. FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration of an example of a time difference / deviation measurement unit (TD & FDMM) 1310.

図１６、図１７において、時間差および偏差計測部（ＴＤ＆ＦＤＭＭ）１３１０には、サンプリングクロックＳ４３５Ｄ、サンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２、ＳＦＤ検出信号Ｓ５５１およびデータ終了信号Ｓ５５２が入力され、測定された時間差Ｓ４４４ａおよび偏差Ｓ４４４ｂが出力される。   16 and 17, the time difference and deviation measuring unit (TD & FDMM) 1310 receives a sampling clock S435D, sampling timing control signals S441, S442, an SFD detection signal S551, and a data end signal S552, and the measured time difference S444a and Deviation S444b is output.

時間差・偏差計測部１３１０はカウンタ６１０、レジスタ６２０、遅延部６３０、時間差計算部６４０、偏差計算部１２４０から構成される。ＳＦＤ検出信号Ｓ５５１により、カウンタ６１０ａ〜ｃのカウント値をレジスタ６５２ａ〜ｃに記憶し、カウント値をリセットする。また、データ終了信号Ｓ５５２により、レジスタ６５２ｄ〜ｆにカウント値を記憶する。   The time difference / deviation measuring unit 1310 includes a counter 610, a register 620, a delay unit 630, a time difference calculating unit 640, and a deviation calculating unit 1240. Based on the SFD detection signal S551, the count values of the counters 610a to 610c are stored in the registers 652a to 652c, and the count values are reset. Further, the count value is stored in the registers 652d to 652f according to the data end signal S552.

時間差計算部６４０では、式（３）に従い、レジスタ６５２ａ〜ｃの値を用いて時間差Tmeasが計算される。偏差計算部では、式（６）に従い、レジスタＲ５２ｄ〜ｆの値を用いてクロックの偏差が算出され、それぞれ上位レイヤに出力される。 In the time difference calculation unit 640, the time difference T meas is calculated using the values of the registers 652a to 652c according to the equation (3). The deviation calculator calculates the clock deviation using the values of the registers R52d to f according to the equation (6), and outputs it to the upper layer.

上位レイヤあるいは測位サーバは、受信時間差Tmeasのクロック偏差による誤差の補正を行うクロック偏差補正ユニットを備えている。測位サーバでは、各基地局１２０が計測した受信時間差Tmeasを用いてノード１００の位置を算出する。 The upper layer or the positioning server includes a clock deviation correction unit that corrects an error due to a clock deviation of the reception time difference T meas . The positioning server calculates the position of the node 100 using the reception time difference T meas measured by each base station 120.

図１８は、この実施例の測位・測距システムにおける信号の送受信の概要を示すシーケンス図であり、図１９は測位測距処理の全体のフローチャートを示す図である。   FIG. 18 is a sequence diagram showing an outline of signal transmission / reception in the positioning / ranging system of this embodiment, and FIG. 19 is a flowchart showing the entire positioning / ranging process.

ノードは、位置計算を希望する任意の時刻に、周辺の基準局１１０と基地局１２０に対して測位信号Ｓ１０１を含む伝送信号を送信する（Ｓ１９０１）。基準局１１０は、測位信号を受信した後、基準信号Ｓ１１１含む伝送信号を送信する（Ｓ１９０２）。各基地局１２０は、伝送信号例えば測位信号Ｓ１０１を受信したとき、この測位信号とサンプリングクロックとの同期捕捉を行う。同期捕捉が確立された後、復調・同期追跡を行う。各基地局は、同期捕捉、復調・同期追跡などの伝送信号の受信処理と並行して、式（３）に従って測位信号Ｓ１０１と基準信号Ｓ１１１の受信時間差Tmeasの計測処理を行い、さらに、式（６）に従い、クロックの偏差を算出する（Ｓ１９０３）。これらの計測処理の結果に基づく受信時間差Tmeasとクロックの偏差を各基地局からサーバ１３０へ送信する（Ｓ１９０４、Ｓ１９０５）。サーバ１３０は、これらの情報と、サーバが持つデータベースに記録されている情報とから、各基地局の受信時間差Tmeasの偏差を補正し（Ｓ１９０６）、ノードの座標を算出して測位・測距を行う（Ｓ１９０７）。 The node transmits a transmission signal including the positioning signal S101 to the neighboring reference station 110 and the base station 120 at an arbitrary time for which position calculation is desired (S1901). After receiving the positioning signal, the reference station 110 transmits a transmission signal including the reference signal S111 (S1902). When each base station 120 receives a transmission signal, for example, the positioning signal S101, each base station 120 performs synchronization acquisition between the positioning signal and the sampling clock. After synchronization acquisition is established, demodulation and synchronization tracking are performed. Each base station performs measurement processing of the reception time difference T meas between the positioning signal S101 and the reference signal S111 according to the equation (3) in parallel with the reception processing of transmission signals such as synchronization acquisition, demodulation / synchronization tracking, and the like. According to (6), the clock deviation is calculated (S1903). The reception time difference T meas and the clock deviation based on the results of these measurement processes are transmitted from each base station to the server 130 (S1904, S1905). The server 130 corrects the deviation of the reception time difference T meas of each base station from these information and the information recorded in the database of the server (S1906), calculates the coordinates of the node, and performs positioning and ranging. Is performed (S1907).

以上のように、受信時間差Tmeasおよび偏差を、サンプリングクロックＳ４３５Ｄおよびサンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２のカウント数から算出する。これにより、高精度な時間差計測および測位を、低消費電力、小型かつ低コストな装置で行うことができる。 As described above, the reception time difference T meas and the deviation are calculated from the count numbers of the sampling clock S435D and the sampling timing control signals S441 and S442. Thereby, highly accurate time difference measurement and positioning can be performed with a low power consumption, small size, and low cost apparatus.

また、受信装置に標準で測位機能を搭載することが可能となる。すなわち、受信機能を持つ全てノードが測位用基地局になることができ、柔軟な測位システムが形成される。   In addition, a positioning function can be mounted on the receiving device as standard. That is, all nodes having a reception function can be positioning base stations, and a flexible positioning system is formed.

このように、第３の実施例によれば、基地局相互のクロック偏差の補正を行うことにより、時間差計測の誤差を低減でき、低い伝送速度での測位が可能となり、測位範囲を拡大することができる。また、周波数偏差の大きい安価な水晶発振子の使用が可能となり、コストが削減される。   As described above, according to the third embodiment, by correcting the clock deviation between the base stations, the time difference measurement error can be reduced, positioning at a low transmission speed is possible, and the positioning range is expanded. Can do. In addition, an inexpensive crystal oscillator having a large frequency deviation can be used, and the cost can be reduced.

ここまでは、図１に示すような、ノード１００、基準局１１０、基地局１２０、測位サーバ１３０から構成されるシステムについて説明を行ったが、本発明に係る時間差計測方式および偏差計測方式は、構成の異なる他のシステムにおいても効果を発揮する。   Up to this point, the system including the node 100, the reference station 110, the base station 120, and the positioning server 130 as illustrated in FIG. 1 has been described. However, the time difference measurement method and the deviation measurement method according to the present invention are configured as follows. It is also effective in other systems with different.

例えば、二つの通信装置間の距離を測る場合にも、本発明に係る方法が有効である。第１の通信装置が第２の通信装置に測位信号を送信し、測位信号を受信した第２の通信装置が応答信号を第１の通信装置に送信する場合に、第１の通信装置が測位信号を送信してから、応答信号を受信するまでの時間を計測することで距離は算出される。本発明に係る受信装置を用いれば、この時間差をクロックおよび該クロックの制御信号から計測することができ、二つの通信装置間の距離が高精度に算出される。   For example, the method according to the present invention is also effective when measuring the distance between two communication devices. When the first communication device transmits a positioning signal to the second communication device, and the second communication device that has received the positioning signal transmits a response signal to the first communication device, the first communication device performs positioning. The distance is calculated by measuring the time from when the signal is transmitted until the response signal is received. By using the receiving apparatus according to the present invention, this time difference can be measured from the clock and the control signal of the clock, and the distance between the two communication apparatuses can be calculated with high accuracy.

また、上記のように計測した時間には、第２の通信装置での処理時間が含まれているため、二つの通信装置のクロックに偏差が存在する場合、距離算出時に誤差要因となる。本発明に係る方法で、偏差を計測し、補正することで、測定された距離の誤差は低減される。   In addition, since the processing time in the second communication device is included in the time measured as described above, if there is a deviation in the clocks of the two communication devices, it becomes an error factor when calculating the distance. By measuring and correcting the deviation with the method according to the present invention, the error of the measured distance is reduced.

また、基地局における受信装置の一例として、受信インパルス列をパルス繰返し周期でアナログデジタル変換する装置を用いて説明を行ってきたが、本発明に係る時間差計測方法および偏差計測方法はこの装置に限られるものではない。   In addition, as an example of a receiving apparatus in a base station, description has been made using an apparatus that performs analog-digital conversion of a received impulse train with a pulse repetition period. Is not something

例えば、本発明の第４の実施例の測位測距システムとして、テンプレート波形と受信信号との相関をとり同期を捕捉する方式の通信システムに、第１の実施例ないし第３の実施例と同様な、時間差および偏差計測方式の受信装置を採用することは有効である。   For example, the positioning and ranging system of the fourth embodiment of the present invention is the same as the first to third embodiments in a communication system that captures the synchronization by correlating the template waveform and the received signal. It is effective to employ a time difference and deviation measuring type receiver.

図２０に、本発明の実施例に係る受信装置２００の構成例を示す。受信装置は、テンプレート波形発生部２０２と、このテンプレート波形を発生させるタイミング(位相)をシフトさせるタイミングシフト部２０３と、このテンプレート波形とアンテナ２１０を介して受信した受信信号との相関をとる相関器２０４と、この相関部の出力信号をアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換器２０５と、このＡ／Ｄ変換のタイミングを与えるサンプリングクロック生成器２０１と、擬似ランダム符号生成部（図示略）を備えている。さらに、ベースバンド部（ＢＢＭ）２０６は、同期捕捉、同期追跡機能２０７及び偏差計測部（ＴＤ＆ＦＤＭＭ）２０８を備え、タイミングシフト機能により受信信号とテンプレート波形との同期の捕捉および同期の追跡を行い、さらにクロック偏差の補正を行ない、位置ないしは距離の計測を行う。   FIG. 20 shows a configuration example of the receiving apparatus 200 according to the embodiment of the present invention. The reception apparatus includes a template waveform generation unit 202, a timing shift unit 203 that shifts the timing (phase) at which the template waveform is generated, and a correlator that correlates the template waveform and the received signal received via the antenna 210. 204, an A / D converter 205 that performs analog-to-digital conversion on the output signal of the correlator, a sampling clock generator 201 that gives the timing of the A / D conversion, and a pseudo-random code generator (not shown). Yes. Furthermore, the baseband unit (BBM) 206 includes a synchronization acquisition and synchronization tracking function 207 and a deviation measurement unit (TD & FDMM) 208, and captures synchronization of the received signal and the template waveform by the timing shift function and tracks synchronization. Further, the clock deviation is corrected and the position or distance is measured.

テンプレート波形発生部２０２では、通信システムの送信側で信号の拡散に使用した擬似ランダム符号を用いて、テンプレート波形を生成する。相関器２０４にてこのテンプレート波形と受信信号との相関をとり、Ａ／Ｄ変換器２０５を経てベースバンド部（ＢＢＭ）２０６に送る。同期捕捉・同期追跡部２０７では、テンプレート波形の発生タイミングを制御しながら、受信信号とテンプレート波形との相関性が最も高い時間を検出する。以後、上記相関が高く維持されるように、テンプレート波形を発生させるタイミングを制御する。   The template waveform generation unit 202 generates a template waveform using the pseudo random code used for signal diffusion on the transmission side of the communication system. The correlator 204 correlates the template waveform with the received signal, and sends it to the baseband unit (BBM) 206 via the A / D converter 205. The synchronization acquisition / synchronization tracking unit 207 detects the time with the highest correlation between the received signal and the template waveform while controlling the generation timing of the template waveform. Thereafter, the timing for generating the template waveform is controlled so that the correlation is maintained high.

同期捕捉、同期追跡部２０７と時間差および偏差計測部（ＴＤ＆ＦＤＭＭ）２０８は、実施例３で説明したような、テンプレート波形の位相をシフトさせる同期捕捉、同期追跡及び、受信時間差計測、あるいは偏差計測機能を有している。これにより、時間差および偏差計測部（ＴＤ＆ＦＤＭＭ）２０８において、タイミングシフト部２０３を制御する信号およびＡ／Ｄ変換器のサンプリングクロックの数をカウントすることで、高精度な時間差計測および偏差計測が可能となる。   The synchronization acquisition / synchronization tracking unit 207 and the time difference / deviation measurement unit (TD & FDMM) 208 have a synchronization acquisition, synchronization tracking, reception time difference measurement, or deviation measurement function for shifting the phase of the template waveform as described in the third embodiment. have. As a result, the time difference and deviation measurement unit (TD & FDMM) 208 can count the number of signals for controlling the timing shift unit 203 and the sampling clock of the A / D converter, thereby enabling highly accurate time difference measurement and deviation measurement. Become.

本実施例によれば、低消費電力、小型かつ低コストな装置で、高精度な時間差計測およびクロック偏差の補正が可能となり、高精度な測位が実現される。   According to the present embodiment, highly accurate time difference measurement and clock deviation correction can be performed with a low power consumption, small size, and low cost device, and highly accurate positioning is realized.

なお、ここまで、異なる送信装置からの伝送信号の時間差計測方法の説明を行なってきたが、本発明に係る時間差計測方法はこれに限るものではない。例えば、第１の伝送信号と第２の伝送信号が同一の送信装置から送信された場合に、第１の実施例ないし第３の実施例と同様な、時間差および偏差計測方式の受信装置を採用することは有効である。   Heretofore, the method of measuring the time difference of transmission signals from different transmission devices has been described, but the method of measuring the time difference according to the present invention is not limited to this. For example, when the first transmission signal and the second transmission signal are transmitted from the same transmission device, a time difference and deviation measurement type reception device similar to the first to third embodiments is employed. It is effective to do.

この場合、受信装置において計測した時間差は、送信装置が第１の伝送信号を送信した後、第２の伝送信号を送信するまでに移動した距離に対応する。すなわち、同一の送信装置から送信された第１の伝送信号と第２の伝送信号を本発明に係る受信装置で受信することで相対的な距離の変化ないし位置の変化を計測することが可能となる。さらに、本発明に係る偏差計測方式によってクロックの周波数偏差の補正を行なうことで、高精度な計測が可能となる。   In this case, the time difference measured in the receiving apparatus corresponds to the distance traveled by the transmitting apparatus after transmitting the first transmission signal until transmitting the second transmission signal. That is, it is possible to measure a change in relative distance or a change in position by receiving the first transmission signal and the second transmission signal transmitted from the same transmission apparatus with the reception apparatus according to the present invention. Become. Further, by correcting the clock frequency deviation by the deviation measuring method according to the present invention, highly accurate measurement is possible.

１００ …… ノード（ＮＯＤ）
１１０ …… 基準局（ＲＳ）
１２０ …… 基地局（ＡＰ）
１３０ …… 測位サーバ（ＰＳ）
１４０ …… インターネット（ＩＮＴ）
Ｓ１０１ …… 測位信号
Ｓ１１１ …… 基準信号
３１０ …… プリアンブル
３２０ …… フレーム開始部（ＳＦＤ）
３３０ …… ヘッダ
３４０ …… データ
４１０ …… アンテナ（ＡＮＴ）
４２０ …… ＲＦフロントエンド部（ＲＦＦ）
４３０ …… Ａ/Ｄ変換部（ＡＤＭ）
４４０ …… ベースバンド部（ＢＢＭ）
Ｓ４４３ …… 受信データ
Ｓ４４４ …… 測位データ
４２１ …… ローノイズアンプ（ＬＮＡ）
４２２ …… ミキサ（ＭＩＸ）
４２３ …… π/２位相シフタ（ＱＰＳ）
４２４ …… クロック発生器（ＣＬＫ）
４２５ …… ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
４２６ …… 可変ゲインアンプ（ＶＧＡ）
４３１ …… Ａ/Ｄ変換器（ＡＤＣ）
４３３ …… サンプリングクロック生成部（ＳＣＧ）
Ｓ４３５ …… サンプリングクロック
５１０ …… マッチトフィルタ部（ＭＦＭ）
５２０ …… 同期捕捉部（ＴＲＰＭ）
５３０ …… データ保持タイミング制御部（ＤＬＴＣＴＬ）
５４０ …… データ保持部（ＤＬＭ）
５５０ …… 復調部（ＤＥＭＭ）
５６０ …… 同期追跡部（ＴＲＣＫＭ）
５７０ …… サンプリングタイミング制御部（ＳＴＣＴＬ）
５８０ …… 時間差計測部（ＴＤＭＭ）
Ｓ５５１ …… ＳＦＤ検出信号
Ｓ４４４ａ …… 測定時間差Ｔｍｅａｓ
６１０ …… カウンタ（ＣＮＴ）
６２０ …… レジスタ（ＲＥＧ）
６３０ …… 遅延部（Ｄ）
６４０ …… 時間差計算部（ＴＤＣＡＬ）
８１０ …… サンプリングクロックがパルスのピークよりも進んでいる状態
８２０ …… サンプリングクロックがパルスのピークよりも遅れている状態
８３０ …… サンプリングクロックがパルスのピークと一致している状態
１１１０ …… 偏差計測部（ＦＤＭＭ）
Ｓ５５２ …… データ終了信号
Ｓ４４４ｂ …… 測定偏差
１２４０ …… 周波数偏差計算部（ＦＤＣＡＬ）
１３１０ …… 時間差&偏差計測部（ＴＤ&ＦＤＭＭ）。 100 …… Node (NOD)
110 …… Reference station (RS)
120 …… Base station (AP)
130 …… Positioning server (PS)
140 …… Internet (INT)
S101 ... Positioning signal S111 ... Reference signal 310 ... Preamble 320 ... Frame start part (SFD)
330 ... Header 340 ... Data 410 ... Antenna (ANT)
420 …… RF front end (RFF)
430 ... A / D converter (ADM)
440 ...... Baseband (BBM)
S443 ... Received data S444 ... Positioning data 421 ... Low noise amplifier (LNA)
422 ... Mixer (MIX)
423 ... π / 2 phase shifter (QPS)
424 ... Clock generator (CLK)
425 ... Low-pass filter (LPF)
426 Variable gain amplifier (VGA)
431 …… A / D converter (ADC)
433 ... Sampling clock generator (SCG)
S435 ... Sampling clock 510 ... Matched filter unit (MFM)
520 ... Synchronization acquisition unit (TRPM)
530: Data holding timing control unit (DLTCTL)
540: Data holding unit (DLM)
550 ...... Demodulator (DEMM)
560 ... Synchronization tracking unit (TRCKM)
570: Sampling timing control unit (STCTL)
580 ...... Time difference measurement unit (TDMM)
S551 ... SFD detection signal S444a ... Measurement time difference Tmeas
610 ... Counter (CNT)
620 ...... Register (REG)
630 ... Delay part (D)
640 Time difference calculator (TDCAL)
810... Sampling clock is ahead of pulse peak 820. Sampling clock is behind pulse peak 830. Sampling clock is coincident with pulse peak 1110. Deviation measurement Department (FDMM)
S552 ... Data end signal S444b ... Measurement deviation 1240 ... Frequency deviation calculator (FDCAL)
1310: Time difference & deviation measuring unit (TD & FDMM).

Claims (5)

第１の通信装置が送信した伝送信号を受信する第２の通信装置として機能する受信装置であって、
通信システムの送信側で信号の拡散に使用した擬似ランダム符号を用いて、テンプレート波形を生成するテンプレート波形発生部と、
上記第１、第２の送信装置から第１の伝送信号と第２の伝送信号を含む伝送信号を受信する受信部と、
上記テンプレート波形と上記受信部を介して受信した上記伝送信号との相関をとる相関器と、
上記相関器の出力をアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換部と、
上記アナログデジタル変換のタイミングを与えるクロックを生成するサンプリングクロック生成部と、
上記テンプレート波形を発生させるタイミングをシフトさせる制御信号を出力するタイミングシフト部と、
上記テンプレート波形の発生タイミングを制御しながら、上記受信した上記第１の伝送信号及び上記第２の伝送信号それぞれと上記テンプレート波形との相関性が最も高い時間を検出する同期捕捉・同期追跡部と、
上記制御信号および上記クロックのカウント数に基づき周波数の偏差計測を行う周波数偏差計測ユニットとを備え、
上記クロックと上記制御信号それぞれの数を計測し、上記計測したクロックと上記制御信号それぞれの数を用いて、上記第１の伝送信号と上記第２の伝送信号との周波数偏差を計測することを特徴とする受信装置。 A receiving device that functions as a second communication device for receiving a transmission signal transmitted by the first communication device;
A template waveform generation unit that generates a template waveform using a pseudo-random code used for signal spreading on the transmission side of the communication system;
A receiver for receiving a transmission signal including the first transmission signal and the second transmission signal from the first and second transmission devices;
A correlator for correlating the template waveform and the transmission signal received via the receiver;
An A / D converter for analog-digital conversion of the output of the correlator;
A sampling clock generator for generating a clock which gives the timing of the analog-digital conversion,
A timing shift unit for outputting a control signal for shifting the timing for generating the template waveform;
A synchronization acquisition / synchronization tracking unit for detecting a time in which each of the received first transmission signal and the second transmission signal is most correlated with the template waveform while controlling the generation timing of the template waveform; ,
A frequency deviation measuring unit for measuring a frequency deviation based on the count number of the control signal and the clock,
Measuring the number of each of the clock and the control signal, and measuring the frequency deviation between the first transmission signal and the second transmission signal using the measured number of the clock and the control signal. A receiving device. 請求項１記載の受信装置により構成される基地局と、測位信号を含む伝送信号を送信するノードと、基準信号を含む伝送信号を送信する少なくとも１つの基準局とを備え、上記基地局で上記伝送信号を受信する測位測距システムであって、
上記第１の通信装置が基準信号を送信する基準局であり、上記第２の通信装置が上記基準信号を受信する複数の基地局であり、
上記第２の通信装置が、
上記基準局のクロックと、上記複数の基地局のクロックの周波数偏差をそれぞれ計測し、
上記複数の基地局間のクロックの周波数偏差を補正する、ことを特徴とする測位測距システム。 A base station comprising the receiving device according to claim 1, a node that transmits a transmission signal including a positioning signal, and at least one reference station that transmits a transmission signal including a reference signal, wherein the transmission is performed at the base station A positioning and ranging system for receiving signals,
The first communication device is a reference station that transmits a reference signal, and the second communication device is a plurality of base stations that receive the reference signal,
The second communication device is
Measure the frequency deviation between the clock of the reference station and the clocks of the plurality of base stations,
A positioning and ranging system, wherein a frequency deviation of a clock between the plurality of base stations is corrected. 請求項２において、
上記第１の通信装置は、上記ノードが送信した上記測位信号を受信した後、上記基準信号を上記第２の通信装置に送信するように構成されており、
上記第２の通信装置が、上記測位信号を受信してから上記基準信号を受信するまでの時間差、および、上記第１の通信装置と上記第２の通信装置のクロックの周波数偏差を計測し、該時間差、該周波数偏差および上記第１の通信装置と上記第２の通信装置との位置情報から、上記ノードの位置情報を算出するように構成されていることを特徴とする測位測距システム。 In claim 2,
The first communication device is configured to transmit the reference signal to the second communication device after receiving the positioning signal transmitted by the node,
The second communication device measures the time difference from the reception of the positioning signal to the reception of the reference signal, and the frequency deviation of the clocks of the first communication device and the second communication device, A positioning and ranging system configured to calculate position information of the node from the time difference, the frequency deviation, and position information between the first communication device and the second communication device. 請求項２において、
上記伝送信号を受信する複数の基地局と、上記複数の基地局とネットワークで接続されたサーバとを有する測位測距システムであって、
上記各基地局が、
クロック信号の発生源と、上記クロック信号の位相を変化させるシフト信号を生成して上記伝送信号と上記クロック信号の同期捕捉を行う同期捕捉ユニットと、上記クロック信号と上記シフト信号とを用いて上記測位信号と上記基準信号とを受信した時間差を計測する時間差計測ユニットと、
上記クロック信号の位相を変化させるシフト信号を生成して上記伝送信号と上記クロック信号の同期追跡を行う同期追跡ユニットと、上記クロック信号と上記シフト信号とを用いて上記基準信号と上記クロック信号との周波数偏差を計測する周波数偏差計測ユニットとを有し、
上記サーバが、上記複数の基地局が計測した上記時間差および上記周波数偏差を用いて上記ノードの位置を算出する位置計算ユニットを有することを特徴とする測位測距システム。 In claim 2,
A positioning and ranging system having a plurality of base stations that receive the transmission signal and a server connected to the plurality of base stations via a network,
Each of the above base stations
A clock signal generation source, a synchronization acquisition unit that generates a shift signal that changes the phase of the clock signal to acquire synchronization of the transmission signal and the clock signal, and the clock signal and the shift signal A time difference measuring unit for measuring a time difference between receiving the positioning signal and the reference signal;
A synchronization tracking unit that generates a shift signal that changes the phase of the clock signal to track synchronization of the transmission signal and the clock signal; and the reference signal and the clock signal using the clock signal and the shift signal; A frequency deviation measuring unit for measuring the frequency deviation of
The positioning distance measuring system, wherein the server includes a position calculation unit that calculates the position of the node using the time difference and the frequency deviation measured by the plurality of base stations. 請求項１に記載の受信装置を備える第２の通信装置と、
ノードが送信した測位信号を受信した後、基準信号を上記第２の通信装置に送信する第１の通信装置を有し、
上記第２の通信装置が、
上記測位信号を送信してから上記基準信号を受信するまでの時間差、および、上記第１の通信装置と上記第２の通信装置のクロックの周波数偏差を計測し、該時間差および該周波数偏差を用いて上記第１の通信装置と上記第２の通信装置との距離を算出する位置計算ユニットを有することを特徴とする測位測距システム。 A second communication device comprising the receiving device according to claim 1;
A first communication device that transmits a reference signal to the second communication device after receiving the positioning signal transmitted by the node;
The second communication device is
The time difference from when the positioning signal is transmitted until the reference signal is received and the frequency deviation of the clock of the first communication device and the second communication device are measured, and the time difference and the frequency deviation are used. And a positioning system for calculating a distance between the first communication device and the second communication device.
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