JP6725819B2 - 位置の正確な測定のための、方法、システム、トランスポンダ、及び位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置検出装置とトランスポンダとの間の信号についてのフライト時間の測定の分野に関する。より具体的には、本発明は、新しい到来時間の方法を使用した信号のフライト時間を用いる位置の正確な測定のための位置検出装置、トランスポンダ、及び方法に関する。

第１の送受信機と第２の送受信機との間の無線信号に対するフライト時間の正確な測定は、繊細な測定の問題である。フライト時間を判定する１つの方法は、信号を送信することと信号を受信することとの間の間隔を正確に測定することである。この測定は２つの異なるクロックを有する２つの送受信機を関与させるため、この時間間隔の長さを正確に判定するための問題が生じる。

この問題に対する解決策は、送受信機へ送信されると共に時間間隔の長さを判定するのに用いられるマスタクロックを用いることである。Ｊｉａｎｇ等による科学出版物「Ａｎ Ａｓｓｙｍｅｔｒｉｃ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓｉｄｅｄ Ｔｗｏ−Ｗａｙ Ｒａｎｇｉｎｇ ｆｏｒ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｆｆｓｅｔ」、信号、システムおよび電気に関する国際シンポジウム、２００７年、ＩＳＳＳＥ’０７に開示されている別の解決策は、２つの水晶に基づく発振器を有する２つの送受信機を利用して、達成可能な正確さを評価するための方法を与えている。この方法は、測定のためにどのような正確さが期待されるかを示している。

さらに別の解決策は、Ｍｏｕｓｔａｆａ Ｙｏｕｓｓｅｆ等による、「Ｍｏｂｉｓｙｓ ２００６、Ｕｐｐｓａｌａ」の会議予稿集における「ＰｉｎＰｏｉｎｔ：Ａｎ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｔｉｍｅ−Ｂａｓｅｄ Ｌｏｃａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」において開示されている。この解決策は、ネットワーク内の異なるノード間での信号のラウンドトリップトラベルタイムを判定することによって、ネットワーク内のノード間の距離を判定することを含み、ここで各ノードは同期していない対応するクロックを有している。

本発明の目的は、既知の方法及び送受信機に関連して概説される問題及び不利点の一部を少なくとも部分的に取り除く方法及び送受信機を提供することである。

本発明の実施形態によれば、位置検出装置を提供することを含んだ方法が提供される。位置検出装置は、第１処理手段、第１送信手段、及び第１受信手段を有する。方法は、さらに、トランスポンダを提供することを含む。トランスポンダは、第２処理手段、第２受信手段、及び第２送信手段を有する。方法は、さらに、第１処理手段を用いて疑似数列を生成することと、第１送信手段を用いてその疑似数列を送信することと、第２受信手段を用いてその疑似数列を受信することと、第２処理手段を用いて、受信疑似数列を少なくとも２つの所定のクロックサイクル数の入ったグループからの所定のクロック数分遅延させることによってその受信疑似数列を変調することと、変調後の疑似数列を第２送信手段を用いて送信することと、変調後の疑似数列を第１受信手段を用いて受信することと、第１処理手段を用いて、生成された疑似数列を遅延させて受信した変調後の疑似数列との相関をとることによって、疑似数列の経路時間であって、遅延時間が対応する経路時間を検出することと、第１処理手段を用いて、受信した変調後の疑似数列を用いてトランスポンダのためのクロック補正係数を検出することと、経路時間、クロック補正係数、及びトランスポンダの所定のクロックサイクル数を用いて、位置検出装置とトランスポンダとの間の疑似数列のフライト時間を第１処理手段によって計算することと、フライト時間を用いて上述の位置検出装置と上述のトランスポンダとの間の距離を第１処理手段によって計算することと、を含む。

本発明の別の実施形態によれば、システムが提供される。システムは、位置検出装置を含む。位置検出装置は、第１送信手段、第１受信手段、及び第１処理手段を有する。第１処理手段は、疑似数列を生成する手段と、変調後の疑似数列を復号する手段と、生成された疑似数列を遅延させて受信した変調後の疑似数列と相関をとることによって、疑似数列の経路時間であって、遅延時間が対応する経路時間を検出する手段と、受信した変調後の疑似数列の所定の遅延時間を用いてトランスポンダのクロック補正係数を検出する手段と、経路時間、クロック補正係数、及びトランスポンダの所定の遅延時間を用いて位置検出装置とトランスポンダとの間の疑似数列のフライト時間を計算する手段と、フライト時間を用いて上述の位置検出装置と上述のトランスポンダとの間の距離を計算する手段と、を有する。システムは、さらに、トランスポンダを含む。トランスポンダは、第２受信手段、第２送信手段、第２処理手段を有する。第２処理手段は、疑似数列を受信する手段と、受信した疑似数列の変調疑似数列を形成する変調のための手段であって、少なくとも２つの所定遅延時間の入ったグループからの所定の遅延時間分遅延させることによって、受信した疑似数列を変調するように適合される変調のための手段と、変調後の疑似数列を送信する手段と、を有する。

本発明の別の実施形態によれば、トランスポンダが提供される。トランスポンダは、疑似数列を受信する手段と、受信した疑似数列を変調して変調疑似数列を形成する手段であって、受信疑似数列を少なくとも２つの所定の遅延時間の入ったグループからの所定の遅延時間分遅延させることによって受信した疑似数列を変調するように適合される前記変調する手段と、変調疑似数列を送信する手段と、を有する。

本発明の別の実施形態によれば、位置検出装置が提供される。位置検出装置は、第１送信手段、第１受信手段、及び第１処理手段を有する。第１処理手段は、生成した疑似数列を遅延させて受信した変調疑似数列と相関をとることによって、疑似数列の経路時間であって、遅延時間がその経路時間に対応する、経路時間を検出する手段を有する。第１処理手段は、さらに、受信した変調疑似数列の所定の遅延時間を用いて、トランスポンダのクロック補正係数を検出する手段を有する。第１処理手段は、さらに、経路時間、クロック補正係数、及びトランスポンダの所定の遅延時間を用いて位置検出装置とトランスポンダとの間の疑似数列のフライト時間を計算する手段を有する。第１処理手段は、さらに、フライト時間を用いて、上述の位置検出装置と上述のトランスポンダとの間の距離を計算する手段を有する。

本発明の特定の実施形態の利点は、位置検出装置とトランスポンダとの間の信号のフライト時間の正確な測定を得ることができることである。

本発明の特定の実施形態の利点は、位置検出装置とトランスポンダとの間の距離の正確な測定を得ることができることである。

本発明の特定の実施形態の利点は、フライト時間を検出するために用いられる位置検出装置とトランスポンダとの外部同期が不要となることである。

いくつかの実施形態のさらなる別の利点は、本発明による送受信機のクロック回路が、安価で信頼性のある水晶発振器に基づきうることである。

距離を判定するための本発明による位置検出システムの図である。 本発明による方法の実施形態を説明するフローチャートである。 本発明によるトランスポンダの実施形態を説明する概略図である。

以下では、様々な態様について、所定の実施形態及び添付の図面を参照しながら、より詳細に説明する。説明のためであって限定のためではなく、様々な実施形態の詳細な理解を提供するために、特定のシナリオ及び技術などの特定の詳細について説明する。しかしながら、これらの特定の詳細から離れた他の実施形態も存在しうる。

さらに、当業者は、第１および第２の処理手段の形式で実施形態について主として説明するが、それらは、ここで開示される方法を実行しうる１つ以上のプログラムで符号化されたメモリを有する、マイクロプロセッサにおいて又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）において具現化されうることが理解するだろう。

以下詳細に説明するように、本発明は、位置検出装置とトランスポンダとの間の信号のフライト時間を測定することによって、位置検出装置とトランスポンダとの間の距離を正確に判定するための方法を提案している。

ここで、本発明の実施形態について、図１を参照して説明する。

位置検出装置（ＰＤＡ）１０１の実施形態を、図１の左側に示す。ＰＤＡ１０１は、第１電力増幅器（ＰＡ）１１０に接続された第１送信アンテナ１０９を有する第１送信手段１０３を有する。ＰＤＡ１０１は、さらに、低雑音増幅器（ＬＮＡ）１１２に接続された第１受信アンテナ１１１を有する第１受信手段１０４を有する。ＬＮＡ１１２の出力は、第１処理手段１０２に接続される。

第１処理手段１０２は、さらに、所定超のＰＮ系列を生成するために提供される疑似数生成器（ＰＮ）１０３を有する。１つの実施形態においてこの疑似数生成器は疑似ランダムバイナリ系列（ＰＲＢＳ）を生成しうるが、他の実施形態において例えばＧｏｌｄ符号などの他の系列が生成されうる。生成されたＰＮ系列は、第１処理手段１０２から、第１送信手段１０３のＰＡ１１０及び第１処理手段１０２の検出手段１１３へ、中継される。

さらに、図１の右側に、トランスポンダ１０５の実施形態を開示する。トランスポンダ１０５は、低雑音増幅器（ＬＮＡ２）１１５に接続された第２受信アンテナ１１４を有する第２受信手段１０７を有する。トランスポンダ１０５は、さらに、第２電力増幅器（ＰＡ２）１１７に接続された第２送信アンテナ１１６を有する第２送信手段１０８を有する。トランスポンダ１０５は、さらに、ＰＡ２及びＬＮＡ２に接続されている第２処理手段１０６を有する。

第２処理手段１０６は、ＬＮＡ２の出力に接続される入力を有する遅延回路１１８を有し、遅延回路１１８からの遅延された出力はＰＡ２へ接続される。遅延の量は、制御回路（ＣＣ）１００を用いて制御される。

ここで、図１によるシステムの実施形態の動作について、発明の方法の実施形態を説明する図２を参照して開示する。

２０１：ＰＲＢＳタイプの疑似数列（ＰＮ系列）が、第１処理手段のＰＮ１０３を用いて生成される。１つの実施形態において、系列の長さは、その系列がそれ自身を繰り返す前に３２７６７ビットである。

２０２：第１送信手段（１０３）を用いて疑似数列を送信する。ＰＮ系列は、ＰＮ１０３からＰＡ１１０を介して第１送信アンテナ１０９へ中継される。ＰＮ系列は、光の速度で伝わり、距離ｄだけ進んだのちにトランスポンダ１０２へ到着する。

２０３：トランスポンダ１０２は、第２受信手段（１０７）を用いてＰＮ系列を受信する。受信されたＰＮ系列は、第２処理手段１０６へ中継される前に、ＬＮＡ２ １１５によって増幅される。

２０４：受信されたＰＮ系列は、第２処理手段１０６を用いて、受信された疑似数列を、所定のクロックサイクル数が少なくとも２つ入ったグループからの所定のクロックサイクル数分遅延させることによって変調される。この変調については、後により詳細に説明する。

ここで、ＰＮ系列の変調を説明するために、図３を参照する。図３に、複数のＰＮ系列Ｓ₀−Ｓ_mを示している。これらのＰＮ系列のそれぞれの長さは、実際には、この実施形態において示される長さより大幅に長い。ＰＮ系列は、第２受信アンテナ１１４を用いて受信され、ＬＮＡ２によって増幅される。１つの実施形態において、ＰＮ系列は、第２処理手段１０６のアナログデジタル変換器を用いてデジタル信号に変換される。受信したＰＮ系列は、可変遅延回路３０１に中継される。この可変遅延回路３０１からの出力は、ＰＡ２ １１７へ中継され、第２送信アンテナを用いて送信される。受信されたＰＮ系列の変調は、可変遅延回路３０１によって実行される。遅延の量は、本実施形態においてトランスポンダ１０５のクロックサイクル数として与えられる２つの所定遅延値Ｃ１ ３０３又はＣ２ ３０４から遅延の量を選択するスイッチングエレメント３０２を用いて、制御される。スイッチングエレメント３０２のスイッチングは、排他的ＮＯＲ回路（ＸＮＯＲ）３０５からの出力を用いて制御される。ＸＮＯＲ３０５への入力信号は、系列クロック３０６からの系列クロック信号と、制御回路１１９からのデータ信号である。

１つの実施形態において、例えば３２７６７ビットの完全なＰＮ系列が系列クロック３０６の半クロック周期の間に転送されるように、系列クロック３０６の周波数が選択される。

制御回路１１９からのデータ信号は、１つの実施形態において系列クロック３０６のクロック周波数の半分の周波数を有するビットストリームを中継する。

ビットストリームの周波数及び系列クロック３０６の周波数の両方が、第２処理手段１０６のクロック周波数の倍数である。

可変遅延回路３０１の遅延値をＰＮ系列のストリームに導入することにより、データ信号がＰＮ系列を用いて転送されうる。データストリームの各ビットは、１つの実施形態において、差動変調を用いる２つのＰＮ系列によって転送されうる。

ここで、図２を再度参照すると、方法の実施形態はさらに以下を有する。

２０５：第２送信手段１０８を用いて、変調後の疑似数列を送信する。

２０６：第１受信手段１０４を用いて、変調後の疑似数列を受信する。１つの実施形態において、第１受信手段１０４は、アナログデジタル変換器を有し、それにより、受信した変調疑似数列がデジタル化される。

２０７：第１処理手段１０２を用いて、生成された疑似数列を遅延させて受信した変調疑似数列と相関をとることにより、疑似数列のトラベル時間を検出する。ここで、遅延時間は、トラベル時間に対応する。生成されたＰＮ系列は、検出器１１３に中継され、遅延手段１２０を介してレジスタに格納される。また、受信した変調ＰＮ系列は、検出器１１３へ中継される。遅延手段１２０の遅延時間を調整し、受信した変調ＰＮ系列を遅延させられた生成されたＰＮ系列と相関をとることにより、相関信号を得ることができる。相関信号の最大値の検出に応じて、対応する遅延手段１２０の調整された遅延時間は、ＰＮ系列に対するラウンドトリップトラベルタイムに対応する。

２０８：第１処理手段１０２によって、受信した変調疑似数列を用いてトランスポンダ１０５に対するクロック補正係数を検出する。クロック補正係数は、相関信号の最大値の検出に応じて第１処理手段のカウンタをトリガすることによって検出される。カウンタは、２つの相関信号の最大値の間の、第１処理手段１０２のためのクロックパルスの数をカウントする。第１処理手段１０２は、所定遅延Ｃ１ ３０１及びＣ２ ３０２についての情報を有する。したがって、第１処理手段１０２においてカウントされたクロックパルスの数と、第２の処理手段１１８における所定遅延Ｃ１およびＣ２についての情報とを用いることにより、第１処理手段１０２は、第２処理手段１１８の所定遅延Ｃ１およびＣ２を第１処理手段１０２によって測定される対応遅延に合わせるのに用いることができるクロック補正係数を、計算することができる。これにより、第２処理手段によって測定された時刻を第１処理手段１０２を用いて測定される時刻へと変換するのに用いることができるクロック補正係数が提供される。

２０９：第１処理手段１０２によって、位置検出装置とトランスポンダとの間の疑似数列のフライト時間を、経路時間、クロック補正係数、及びトランスポンダの所定のクロックサイクル数を用いて計算する。

２１０：第１処理手段１０２によって、フライト時間を用いて上述の位置検出装置と上述のトランスポンダとの間の距離を計算する。

１つの実施形態において、第１受信アンテナ１１１及び第２受信アンテナ１１４は、ブロードバンドアンテナである。

さらに他の公的な実施形態では、第１処理手段１０２はフィールドプログラマブルゲートアレイである。

さらに他の実施形態では、第１処理手段１０２及び第２処理手段１０６は、アナログデジタル変換器を有する。

さらに他の実施形態では、システムは、インパルス無線のために構成される。

上述の実施形態では、ベースバンド変調されるソリューションが開示されているが、当業者にとっては、所望の周波数でソリューションを提供するためにミキサ等を導入することは取るに足らない努力である。

Claims (13)

1. 距離を判定する方法であって、
   位置検出装置（１０１）であって、
   第１処理手段（１０２）と、
   第１送信手段（１０３）と、
   第１受信手段（１０４）と、を含む位置検出装置（１０１）を用意することと、
   トランスポンダ（１０５）であって、
   第２処理手段（１０６）と、
   第２受信手段（１０７）と、
   第２送信手段（１０８）と、を含むトランスポンダ（１０５）を用意することと、
   前記第１処理手段（１０２）を用いて疑似ランダム数列を生成すること（２０１）と、
   前記第１送信手段（１０３）を用いて、前記疑似ランダム数列を送信すること（２０２）と、
   前記第２受信手段（１０７）を用いて、前記疑似ランダム数列を受信すること（２０３）と、
   前記第２処理手段（１０６）を用いて、所定のクロックサイクル数が少なくとも２つ入ったグループからの所定のクロックサイクル数分、受信した前記疑似ランダム数列を遅延させることによって、受信した前記疑似ランダム数列を変調することであって、前記遅延の量は、所定のクロックサイクル数が少なくとも２つ入った前記グループから選択される、変調すること（２０４）と、
   前記第２送信手段（１０８）を用いて、変調後の前記疑似ランダム数列を送信すること（２０５）と、
   前記第１受信手段（１０４）を用いて、変調後の前記疑似ランダム数列を受信すること（２０６）と、
   前記第１処理手段（１０２）を用いて、生成された前記疑似ランダム数列を遅延させて受信した変調後の前記疑似ランダム数列と相関をとることによって、前記疑似ランダム数列の経路時間であって、遅延時間が対応する前記経路時間を検出すること（２０７）と、
   前記第１処理手段（１０２）を用いて、受信した変調後の疑似ランダム数列を用いて前記トランスポンダ（１０５）のためのクロック補正係数を検出すること（２０８）と、
   前記第１処理手段（１０２）を用いて、前記経路時間と、前記クロック補正係数と、前記トランスポンダの前記所定のクロックサイクル数とを用いて前記位置検出装置と前記トランスポンダとの間の前記疑似ランダム数列のフライト時間を計算すること（２０９）と、
   前記第１処理手段（１０２）を用いて、前記フライト時間を用いて前記位置検出装置と前記トランスポンダとの間の距離を計算すること（２１０）と、
   を有することを特徴とする方法。
2. 受信した前記疑似ランダム数列を変調すること（２０４）は、
   変調される前記疑似ランダム数列の範囲内で前記トランスポンダからの情報が符号化される方法において、前記少なくとも２つの所定のクロックサイクル数を用いて差動変調することをさらに含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記クロック補正係数の検出（２０８）は、
   変調後の前記疑似ランダム数列の前記遅延時間を復号することにより、前記トランスポンダからの情報を復号することをさらに含む、
   ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 生成された前記疑似ランダム数列は疑似ランダムバイナリ系列である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 距離を判定するシステムであって、
   位置検出装置（１０１）であって、
   第１送信手段（１０３）と、
   第１受信手段（１０４）と、
   第１処理手段（１０２）であって、
   疑似ランダム数列を生成する手段（１０３）と、
   変調後の前記疑似ランダム数列を復号する手段（１０８）と、
   生成された前記疑似ランダム数列を遅延させて、受信した変調後の前記疑似ランダム数列と相関をとることによって、前記疑似ランダム数列の経路時間であって、遅延時間が対応する前記経路時間を検出する手段と、
   受信した変調後の前記疑似ランダム数列の所定の遅延時間を用いてトランスポンダ（１０５）のクロック補正係数を検出する手段と、
   前記経路時間と、前記クロック補正係数と、前記トランスポンダ（１０５）の前記所定の遅延時間とを用いて前記位置検出装置と前記トランスポンダ（１０５）との間の前記疑似ランダム数列のフライト時間を計算する手段と、
   前記フライト時間を用いて前記位置検出装置と前記トランスポンダ（１０５）との間の距離を計算する手段と、を含む前記第１処理手段（１０２）を有した位置検出装置（１０１）と
   前記トランスポンダ（１０５）であって、
   第２受信手段（１０７）と、
   第２送信手段（１０８）と、
   第２処理手段（１０６）であって、
   前記疑似ランダム数列を受信する手段と、
   変調後の前記疑似ランダム数列を形成する、受信した前記疑似ランダム数列の変調のための手段であって、所定の遅延時間が少なくとも２つ入ったグループからの所定の遅延時間分、受信した前記疑似ランダム数列を遅延させることによって、受信した前記疑似ランダム数列を変調するように適合され、前記遅延の量は、所定のクロックサイクル数が少なくとも２つ入った前記グループから選択される、前記変調のための手段と、
   変調後の前記疑似ランダム数列を送信する手段と、を含む前記第２処理手段（１０６）を有した前記トランスポンダ（１０５）と、
   を有することを特徴とするシステム。
6. 受信した前記疑似ランダム数列の前記変調のための手段は、
   変調される前記疑似ランダム数列の範囲内で前記トランスポンダ（１０５）の識別子を符号化する方法での前記少なくとも２つの所定の遅延時間を用いた差動符号化のための手段をさらに含む、
   ことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 前記クロック補正係数の前記検出のための手段は、
   変調後の前記疑似ランダム数列のタイミングを復号することによって前記トランスポンダ（１０５）のアイデンティティを復号する手段をさらに有する、
   ことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
8. 前記疑似ランダム数列を生成する手段は、疑似ランダムバイナリ系列を生成する手段である、
   ことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
9. 位置検出装置であって、
   第１送信手段（１０３）と、
   第１受信手段（１０４）と、
   第１処理手段（１０２）であって、
   生成された疑似ランダム数列を遅延させて、受信した変調後の前記疑似ランダム数列であって、所定のクロックサイクル数が少なくとも２つ入ったグループからの所定のクロックサイクル数分、遅延させることによって変調された前記疑似ランダム数列と相関をとることによって、前記疑似ランダム数列の経路時間であって、遅延時間が対応する前記経路時間を検出する手段と、
   受信した変調後の前記疑似ランダム数列の所定の遅延時間を用いてトランスポンダのクロック補正係数を検出する手段と、
   前記経路時間と、前記クロック補正係数と、前記トランスポンダの前記所定の遅延時間とを用いて、前記位置検出装置と前記トランスポンダとの間の、前記疑似ランダム数列のフライト時間を計算する手段と、
   前記フライト時間を用いて、前記位置検出装置と前記トランスポンダとの間の距離を計算する手段と、を含んだ前記第１処理手段（１０２）と、
   を有することを特徴とする位置検出装置。
10. 前記クロック補正係数の前記検出のための手段は、変調後の前記疑似ランダム数列のタイミングを復号することにより、前記トランスポンダのアイデンティティを復号する手段をさらに含む、
    ことを特徴とする請求項９に記載の位置検出装置。
11. 前記疑似ランダム数列を生成する手段は、疑似ランダムバイナリ系列を生成する手段である、
    ことを特徴とする請求項９に記載の位置検出装置。
12. トランスポンダであって、
    疑似ランダム数列を受信する手段と、
    受信した前記疑似ランダム数列を変調して変調後の前記疑似ランダム数列を形成する手段であって、所定の遅延時間が少なくとも２つ入ったグループからの所定の遅延時間分、受信した前記疑似ランダム数列を遅延させることによって受信した前記疑似ランダム数列を変調するように適合され、前記遅延の量は、所定のクロックサイクル数が少なくとも２つ入った前記グループから選択される、前記変調する手段と、
    変調後の前記疑似ランダム数列を送信する手段と、
    を有することを特徴とするトランスポンダ。
13. 受信した前記疑似ランダム数列の前記変調のための手段は、
    変調される前記疑似ランダム数列の範囲内で前記トランスポンダの識別子を符号化する方法での前記少なくとも２つの所定の遅延時間を用いた差動符号化のための手段をさらに含む、
    ことを特徴とする請求項１２に記載のトランスポンダ。

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