JP5282411B2

JP5282411B2 - 無線測位システム

Info

Publication number: JP5282411B2
Application number: JP2008044829A
Authority: JP
Inventors: 雅文浅井; 英紀関口; 彰藤井
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: JP2009204344A

Description

本発明は、例えばＴＤＯＡ（到達時間差）方式の無線測位システムに用いられる無線システムに関する。

例えば特許文献１に記載されるように、ＴＤＯＡ方式の無線測位システムは広く知られる。この無線測位システムでは、移動端末の位置検出にあたって１つのメイン基地局から２つのサブ基地局に向けて時刻情報が発信される。こうしてメイン基地局およびサブ基地局の間で時刻が合わせられる。時刻合わせ後、移動端末から発信される電波が各基地局で受信される。メイン基地局の受信時刻を基準にしてサブ基地局の受信時刻の時間差が検出される。時間差は距離差に変換される。双曲線航法の原理に基づき距離差から移動端末の位置が検出される。
特開２００７−１８７６３９号公報特開２０００−１６５９５９号公報特開平７−２５００２４号公報特開２０００−２２７００号公報

こうした無線測位システムが例えば屋内で実現される場合、屋内の物や人といった遮蔽物の影響の抑制にあたって各基地局は天井にできる限り近い位置に配置されることが好ましい。しかしながら、例えばメイン基地局から発信される電波は、サブ基地局まで直線的に伝搬する直接波と、天井に反射する反射波とに分けられる。こうした直接波と反射波とが相互に干渉すると、直接波と反射波とは打ち消し合う。その結果、メイン基地局から発信された電波はサブ基地局に到達することができない。メイン基地局およびサブ基地局の間で時刻合わせは実現されない。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、送信アンテナおよび受信アンテナの間で確実に電波を送受信することができる無線システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１発明によれば、送信アンテナと、送信アンテナから発信される電波を受信する受信アンテナと、送信アンテナおよび受信アンテナの間に規定される直接波の直線経路、および、送信アンテナおよび受信アンテナの間に規定される反射波の反射経路のうちのいずれか一方に配置されて電波を遮断する電波吸収体とを備えることを特徴とする無線システムが提供される。

こうした無線システムでは、直線経路および反射経路のうちのいずれか一方に電波吸収体が配置される。例えば電波吸収体が直線経路に配置されると、電波吸収体は直接波を遮断する。その結果、受信アンテナには反射波が到達する。こうして送信アンテナおよび受信アンテナの間で確実に電波が送受信される。

無線システムは、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの間に配置されて、前記反射経路と異なる補助反射経路を確立する少なくとも１以上の反射板をさらに備える。こうした無線システムでは、例えば直線経路および反射経路でいずれも電波が送受信されない場合に、受信アンテナには補助反射経路を介して確実に電波が到達することができる。送信アンテナおよび受信アンテナの間で確実に電波が送受信される。

このとき、前記直線経路で伝送される直接波の伝送路と前記補助反射経路で伝送される反射波の伝送路との行路差は前記直接波の波長の整数倍に設定される。こうした無線システムは、例えば反射経路に電波吸収体が配置される場合に有用に利用される。直接波の伝送路と補助反射経路の反射波の伝送路との行路差が直接波の波長の整数倍に設定されることから、直接波と反射波との打ち消し合いは回避される。その結果、受信アンテナには直接波と反射波とが到達する。こうした無線システムは、送信アンテナおよび受信アンテナの距離の増大に対応することができる。

同様に、前記反射経路で伝送される反射波の伝送路と前記補助反射経路で伝送される反射波の伝送路との行路差は前記直接波の波長の整数倍に設定される。こうした無線システムは、例えば直線経路に電波吸収体が配置される場合に、有用に利用される。反射経路の反射波の波長と補助反射経路の反射波の波長との行路差が直接波の波長の整数倍に設定されることから、反射波同士の打ち消し合いは回避される。その結果、受信アンテナには２つの反射波が到達する。こうした無線システムは、送信アンテナおよび受信アンテナ間の距離の増大に対応することができる。

第２発明によれば、送信アンテナと、送信アンテナから発信される電波を受信する受信アンテナと、送信アンテナおよび受信アンテナの間で送受信される直接波の直線経路、および、送信アンテナおよび受信アンテナの間で送受信される反射波の反射経路のうちのいずれか一方に配置されて電波の位相を変化させる位相変化板とを備えることを特徴とする無線システムが提供される。

こうした無線システムでは、直線経路および反射経路のうちのいずれか一方に位相変化板が配置される。例えば位相変化板が直線経路に配置されると、位相変化板は直接波の位相を変化させる。こうして直接波の波長および反射波の波長の位相は揃えられる。その結果、直接波および反射波は相互に強め合う。送信アンテナおよび受信アンテナの距離が増大しても、送信アンテナから受信アンテナに確実に電波は到達することができる。こうした無線システムは、送信アンテナおよび受信アンテナ間の距離の増大に対応することができる。

無線システムは、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの間に配置されて、前記反射経路と異なる補助反射経路を確立する少なくとも１以上の反射板を備える。このとき、前記直線経路で伝送される直接波の波長と前記補助反射経路で伝送される反射波の波長との行路差は前記直接波の波長の整数倍に設定される。位相変化板では前記位相の変化は１８０度に設定される。

こうした無線システムでは、受信アンテナには補助反射経路を介してさらに電波が到達する。補助反射経路の反射波の位相と直接波の波長の位相が揃えられれば、反射波は、受信アンテナに到達する電波を一層強める。送信アンテナおよび受信アンテナの距離が増大しても、送信アンテナから受信アンテナに確実に電波は到達することができる。こうした無線システムは、送信アンテナおよび受信アンテナ間の距離の増大に対応することができる。

以上のように本発明によれば、送信アンテナおよび受信アンテナの間で確実に電波を送受信することができる無線システムを提供することができる。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係る無線システム１１の構成を概略的に示す。無線システム１１はいわゆるＴＤＯＡ方式の無線測位システムを構成する。この無線システム１１は屋内の例えば空間１２内に確立される。ここでは、空間１２は例えば直方体空間を区画する。空間１２は床面１３、４つの壁面１４および天井面１５で囲まれる。床面１３および天井面１５は相互に平行に広がる。相互に向き合う壁面１４同士は相互に平行に広がる。ここでは、床面１３から天井面１５までの高さは例えば２．５ｍに設定される。

無線システム１１はメイン基地局１６およびサブ基地局１７〜１９を備える。ここでは、各基地局１７〜１９は天井面１５に近い位置で天井面１５の四隅に配置される。各基地局１７〜１９は床面１３から同一の高さに配置される。メイン基地局１６およびサブ基地局１７は、天井面１５に規定される対角線に沿って配置される。メイン基地局１６および各サブ基地局１８、１９は、天井面１５の輪郭線に沿って配置される。こうしてメイン基地局１６および各サブ基地局１８、１９は壁面１４に隣接しつつ配置される。

各基地局１６〜１９はアンテナ２１を備える。アンテナ２１は電波を発信したり受信したりすることができる。ここでは、電波には例えばマイクロ波が用いられる。各基地局１６〜１９では、天井面１５から各基地局１６〜１９のアンテナ２１の給電点までの距離は等しく設定される。こうした距離は例えば０．１ｍに設定される。同様に、各壁面１４から各基地局１６〜１９までの距離は等しく設定される。こうした距離は例えば０．１ｍに設定される。

各基地局１６〜１９は空間１２内に電波を発信することができる。ここでは、メイン基地局１６から各サブ基地局１７〜１９に電波が発信される。電波は各サブ基地局１７〜１９に最短距離で到達する直接波と、壁面１４や天井面１５で反射する反射波とに分けられる。メイン基地局１６およびサブ基地局１７の間には電波吸収体２２が配置される。ここでは、電波吸収体２２は、メイン基地局１６からサブ基地局１７に向かう直接波の電波を遮断する。電波吸収体２２には例えばフェライト混合樹脂製の電波吸収材が用いられる。

空間１２内には移動端末２３が配置される。空間１２内には複数の移動端末２３が配置されてもよい。移動端末２３はアンテナ２４を備える。アンテナ２４は電波を発信することができる。移動端末２３は各基地局１６〜１９に向かって電波を発信する。こうした電波には各移動端末２３を識別する固有の識別子が含まれる。識別子に基づき各基地局１６〜１９は移動端末２３を識別する。各移動端末２３には例えばノートパソコンや携帯電話端末といった電子機器が含まれる。

各基地局１６〜１９には例えば有線でサーバ２５が接続される。各基地局１７〜１９やサーバ２５は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）やメモリといった電子回路素子を備える。ＣＰＵは、例えばメモリに一時的に格納されるソフトウェアプログラムやデータに基づき様々な演算処理を実行する。各基地局１７〜１９のメモリには、例えばメイン基地局１６から各基地局１７〜１９までの距離を特定する距離情報が格納される。距離情報の詳細は後述される。各基地局１６〜１９はサーバ２５に向かって様々な情報を出力することができる。

図２に示されるように、メイン基地局１６とサブ基地局１７との間には、直接波の直線経路３１と、天井面１５で反射する反射波の反射経路３２とが確立される。直線経路３１には前述の電波吸収体２２が配置される。メイン基地局１６とサブ基地局１７との間で電波吸収体２２は直接波を遮断する。サブ基地局１７に直接波は到達しない。こうして直接波および反射波の相互干渉に基づく直接波および反射波の打ち消し合いは確実に回避される。その結果、サブ基地局１８には反射経路３２に基づき反射波が到達する。ここでは、サブ基地局１７のメモリに格納される距離情報は反射経路３２の距離を特定する。

その一方で、メイン基地局１６と各サブ基地局１８、１９との間には、直接波の直線経路３３、天井面１５で反射する第１反射波の第１反射経路３４、および、壁面１４で反射する第２反射波の第２反射経路３５が確立される。こうして３つの経路３３〜３５が確立されることから、たとえ相互干渉に基づき直接波と第１反射波とが打ち消し合っても、サブ基地局１８、１９には第２反射波が到達する。ここでは、サブ基地局１８、１９のメモリに格納される距離情報は第２反射経路３５の距離を特定する。

いま、無線システム１１で移動端末２３の位置を検出する場面を想定する。まず、各基地局１６〜１９の間で時刻合わせが実施される。メイン基地局１６は、メイン基地局１６の時刻を特定する時刻情報を発信する。サブ基地局１７は反射経路３２に基づき時刻情報を受信する。サブ基地局１８、１９は第２反射経路３５に基づき時刻情報を受信する。各サブ基地局１７〜１９では、受信した時刻情報で特定されるメイン基地局１６の時刻に時刻が合わせられる。ただし、時刻は、メイン基地局１６から各サブ基地局１７〜１９まで電波が伝搬する時間分だけ補正される。

時刻合わせ後、各基地局１６〜１９は移動端末２３からの電波を待ち受ける。移動端末２３は例えば定期的に各基地局１６〜１９に電波を発信する。各基地局１６〜１９は移動端末２３から電波を受信する。各基地局１６〜１９で電波の受信時刻が特定される。各基地局１６〜１９から受信時刻を特定する受信時刻情報がサーバ２５に出力される。サーバ２５では、メイン基地局１６の受信時刻を基準に、各サブ基地局１７〜１９の受信時刻の進み具合や遅れ具合を特定する。こうした受信時刻の時間差に光速が乗じられる。時間差は距離差に変換される。その結果、双曲線航法の原理に基づき移動端末２３の位置が検出される。

以上のような無線システム１１では、例えばメイン基地局１６すなわち送信アンテナと、サブ基地局１７すなわち受信アンテナとの間に電波吸収体２２が配置される。電波吸収体２２は直接波を遮断する。その結果、サブ基地局１７には反射経路３２に基づき反射波が確実に到達する。各基地局１６〜１９が天井面１５に近い位置に配置されても、メイン基地局１６およびサブ基地局１７の間で確実に電波が送受信されることができる。しかも、各基地局１６〜１９は床面１３から高い位置に配置されることから、空間１２内で移動端末２３の位置の検出の精度は高められる。

本発明者はシミュレーションに基づき電波吸収体２２の効果を検証した。検証にあたって空間１２内でメイン基地局１６から発信される電波のメイン基地局１６から発信される電波の受信可能エリアすなわちサービスエリアが計測された。計測にあたって具体例に係る空間１２および比較例に係る空間１２が確立された。具体例には前述の電波吸収体２２が組み込まれた。比較例では電波吸収体２２の組み込みは省略された。床面１３から天井面１５までの高さは２．５ｍに設定された。メイン基地局１６は天井面１５から０．１ｍの距離に配置された。

その結果、図３に示されるように、具体例に係る空間１２では比較例と同様のサービスエリアが確立された。このとき、メイン基地局１６と同じ高さで空間１２内を伝搬する電波は１４ｍの距離まで到達した。電波吸収体２２の働きで直接波が遮断される結果、電波の到達距離が増大することが確認された。その一方で、図４に示されるように、比較例に係る空間１２では、高さ１．４ｍおよび距離１４ｍのサービスエリアが確立された。このとき、メイン基地局１６と同じ高さで空間１２内を伝搬する電波は３ｍの距離までしか到達しなかった。

図５は本発明の第２実施形態に係る無線システム１１ａの構成を概略的に示す。この無線システム１１ａでは、メイン基地局１６およびサブ基地局１７の間に反射板４１が配置される。反射板４１は反射面で、メイン基地局１６から発信される電波をサブ基地局１７に向かって反射する。こうしてメイン基地局１６およびサブ基地局１７の間で反射波の補助反射経路４２が確立される。反射板４１は例えば金属製の電波反射板から構成される。前述と同様に、直接波は電波吸収体２２で遮断される。その他、前述の無線システム１１と均等な構成や構造には同一の参照符号が付される。なお、サーバ２５の図示は省略された。

こうした無線システム１１ａは、例えば電波吸収体２２の配置条件に基づき前述の反射経路３２が確立されない場合に有用に適用される。すなわち、無線システム１１ａでは、前述の反射経路３２に代えて、メイン基地局１６およびサブ基地局１７の間に補助反射経路４２が確立される。こうした補助反射経路４２に基づきサブ基地局１７に反射波が確実に到達する。メイン基地局１６およびサブ基地局１７の間で確実に電波が送受信されることができる。その他、無線システム１１ａは前述の無線システム１１と同様の作用効果を実現することができる。

図６は本発明の第３実施形態に係る無線システム１１ｂの構成を概略的に示す。この無線システム１１ｂでは、前述の無線システム１１ａに加えて、さらに前述の反射経路３２が確立される。反射経路３２の反射波の位相と補助反射経路４２の反射波の位相とは揃えられる。ここでは、反射経路３２の反射波の伝送路と補助反射経路４２の反射波の伝送路との行路差は直接波の波長の整数倍に設定される。前述と同様に、直接波は電波吸収体２２で遮断される。その他、前述の無線システム１１、１１ａと均等な構成や構造には同一の参照符号が付される。

こうした無線システム１１ｂでは、反射経路３２および補助反射経路４２が同時に確立される。それぞれ伝送される反射波の行路差は直接波の波長の整数倍に設定される。その結果、反射波同士は相互に強め合う。したがって、メイン基地局１６およびサブ基地局１７の距離が増大しても、メイン基地局１６からサブ基地局１７に確実に電波は到達することができる。こうした無線システム１１ｂは、メイン基地局１６およびサブ基地局１７の距離の増大に対応することができる。その他、無線システム１１ｂは前述の無線システム１１と同様の作用効果を実現することができる。

図７は本発明の第４実施形態に係る無線システム１１ｃの構成を概略的に示す。この無線システム１１ｃには、前述の無線システム１１ｂに加えて、反射板４３がさらに組み込まれる。反射板４３は、メイン基地局１６から発信される電波をサブ基地局１７に向かって反射する。ここでは、反射板４３は例えば反射面で反射板４１の反射面に向き合わせられればよい。こうしてメイン基地局１６およびサブ基地局１７の間で反射波の補助反射経路４４が確立される。こうした反射板４３は反射板４１と同様に構成される。

この無線システム１１ｃでは、反射経路３２の反射波の位相と補助反射経路４２、４４の反射波の位相とは揃えられる。例えば反射経路３２の反射波の波長と補助反射経路４２、４４の反射波の波長との行路差は直接波の波長の整数倍に設定される。ここでは、補助反射経路４２、４４の距離は相互に等しく設定される。したがって、補助反射経路４２の反射波の波長と補助反射経路４４の反射波の波長との行路差は相互に一致する。その他、前述の無線システム１１〜１１ｂと均等な構成や構造には同一の参照符号が付される。

こうした無線システム１１ｃでは、反射経路３２、補助反射経路４２、４４が確立される。それぞれ伝送される反射波の波長同士の行路差は直接波の波長の整数倍に設定される。その結果、反射波同士は相互に強め合う。メイン基地局１６およびサブ基地局１７の距離が増大しても、メイン基地局１６からサブ基地局１７に確実に電波は到達することができる。こうした無線システム１１ｃは、メイン基地局１６およびサブ基地局１７の距離の増大に対応することができる。その他、無線システム１１ｃは前述の無線システム１１と同様の作用効果を実現することができる。

図８は本発明の第５実施形態に係る無線システム１１ｄの構成を概略的に示す。この無線システム１１ｄは、メイン基地局１６およびサブ基地局１７の間に前述の電波吸収体２２３に代えて位相変化板５１が配置される。位相変化板５１は例えばポリカーボネート板といった誘電体から形成される。位相変化板５１は直接波の直線経路３１に配置される。位相変化板５１は直接波を透過させることができる。直接波の透過時、位相変化板５１は直接波の位相を変化させる。位相は例えば１８０度ずらされる。こうして直接波および反射波の位相は揃えられる。その他、前述の無線システム１１〜１１ｃと均等な構成や構造には同一の参照符号が付される。

図９に示されるように、位相変化板５１には所定の条件が必要とされる。直線経路３１の距離Ｌ、天井面１５に基づき確立される反射経路３２の距離Ｌ’、位相変化板５１から天井面１５までの高さｈ、位相変化板５１の比誘電率ε、位相変化板５１の厚みｄ、使用される電波の波長λに基づき次式が確立される。ただし、ｎは整数に設定される。

例えば距離Ｌ＝１２ｍ、高さｈ＝０．２ｍ、波長λ＝７．５ｃｍの条件が設定されるとき、位相変化板５１には比誘電率ε＝３、厚みｄ＝６ｃｍのポリカーボネート板が用いられればよい。このとき、ｎ＝−１が設定されればよい。

こうした無線システム１１ｄでは、直線経路３１および反射経路３２が確立される。位相変化板５１の働きで直接波の波長および反射波の波長の位相は揃えられる。その結果、直接波および反射波は相互に強め合う。メイン基地局１６およびサブ基地局１７の距離が増大しても、メイン基地局１６からサブ基地局１７に確実に電波は到達することができる。こうした無線システム１１ｄは、メイン基地局１６およびサブ基地局１７の距離の増大に対応することができる。その他、無線システム１１ｄは前述の無線システム１１と同様の作用効果を実現することができる。

図１０は本発明の第６実施形態に係る無線システム１１ｅの構成を概略的に示す。この無線システム１１ｅには、前述の無線システム１１ｄに加えて、反射板５２が組み込まれる。反射板５２は、メイン基地局１６から発信される電波をサブ基地局１７に向かって反射する。こうしてメイン基地局１６およびサブ基地局１７の間で反射波の補助反射経路５３が確立される。こうした反射板５２は前述の反射板４１、４３と同様に構成される。反射経路３２の反射波の位相と補助反射経路５３の反射波の位相とは揃えられる。例えば反射経路３２の反射波の波長と補助反射経路５３の反射波の波長との行路差は直接波の波長の整数倍に設定される。その他、前述の無線システム１１〜１１ｄと均等な構成や構造には同一の参照符号が付される。

この無線システム１１ｅでは、直線経路３１に加えて反射経路３２および補助反射経路５３が確立される。前述と同様に、位相変化板５１の働きで直接波および反射波の波長の位相は揃えられる。その結果、直接波および反射波は相互に強め合う。メイン基地局１６およびサブ基地局１７の距離が増大しても、メイン基地局１６からサブ基地局１７に確実に電波は到達することができる。こうした無線システム１１ｄは、メイン基地局１６およびサブ基地局１７の距離の増大に対応することができる。その他、無線システム１１ｅは前述の無線システム１１と同様の作用効果を実現することができる。

以上のような無線システム１１〜１１ｅでは、電波吸収体２２は、直線経路３１の直接波に代えて反射経路３２の反射波を遮断してもよい。こうして電波吸収体２２は直線経路３１および反射経路３２のうちのいずれか一方に配置されればよい。同様に、位相変化板５１は、直線経路３１の直接波に代えて反射経路３２の反射波の位相を変化させてもよい。こうして位相変化板５１は直線経路３１および反射経路３２のうちのいずれか一方に配置されればよい。

本発明の第１実施形態に係る無線システムの構成を概略的に示す斜視図である。電波の経路を概略的に示す斜視図である。本発明の具体例に係る無線システムのサービスエリアを概略的に示す図である。比較例に係る無線システムのサービスエリアを概略的に示す図である。本発明の第２実施形態に係る無線システムの構成を概略的に示す斜視図である。本発明の第３実施形態に係る無線システムの構成を概略的に示す斜視図である。本発明の第４実施形態に係る無線システムの構成を概略的に示す斜視図である。本発明の第５実施形態に係る無線システムの構成を概略的に示す斜視図である。位相変化板に設定される条件を示す図である。本発明の第６実施形態に係る無線システムの構成を概略的に示す斜視図である。

符号の説明

１１〜１１ｅ無線システム、１６送信アンテナ（メイン基地局）、１７〜１９受信アンテナ（サブ基地局）、２２電波吸収体、３１直線経路、３２反射経路、４１反射板、４２補助反射経路、４３反射板、４４補助反射経路、５１位相変化板、５２反射板、５３補助反射経路。

Claims

天井面を有する屋内空間内で端末の位置を検出する無線測位システムであって、
前記屋内空間に配置されて、送信アンテナを有するメイン基地局と、
前記屋内空間に配置されて、前記送信アンテナから発信される電波を受信する受信アンテナを有するサブ基地局と、
前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの間に規定される直接波の直線経路に配置されて電波を遮断する電波吸収体と、
前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの間に配置されて、前記天井面で反射する反射波の反射経路以外に反射波の補助反射経路を確立する少なくとも１以上の反射板と
を備えることを特徴とする無線測位システム。
請求項１に記載の無線測位システムにおいて、前記反射経路で伝送される反射波の伝送路と前記補助反射経路で伝送される反射波の伝送路との行路差は前記直接波の波長の整数倍に設定されることを特徴とする無線測位システム。
請求項１または２に記載の無線測位システムにおいて、前記メイン基地局から発信され前記メイン基地局の時刻を特定する時刻情報は前記反射経路および前記補助反射経路に基づき前記サブ基地局に送り込まれることを特徴とする無線測位システム。
請求項３に記載の無線測位システムにおいて、前記サブ基地局は、前記メイン基地局と前記サブ基地局との距離を特定する距離情報を格納するメモリを備えることを特徴とする無線測位システム。