JP6833125B1 - 無線測距システム - Google Patents

Abstract

無線測距システム（１）は、測距信号を送信する測距端末（１００）と、測距信号を受信後に、測距信号に対する応答信号を複数回連続して測距端末（１００）に送信する被測距端末（２００）と、を備える。測距端末（１００）は、複数の応答信号のそれぞれを受信する毎に、測距信号を送信してからの経過時間を測定し、経過時間を用いて算出される複数の応答信号のそれぞれの伝搬時間から、測距端末（１００）と被測距端末（２００）との間の相対距離を算出することを特徴とする。

Description

本開示は、電波を用いて端末間の相対距離を測定する無線測距システム、測距端末、制御回路、記憶媒体および無線測距方法に関する。

電波を用いて端末間の相対距離を測定する方法として、測距端末から被測距端末に測距信号を送信した時刻と、測距端末が測距信号に対する応答信号を受信した時刻とから、端末間の相対距離を算出する双方向測距（ＴＷＲ：Two-Way Ranging）方式が注目されている。特許文献１には、ＴＷＲ方式にＵＷＢ（Ultra-Wide Band）と呼ばれる、ナノ秒オーダーのパルスを用いた無線通信技術を組み合わせた無線測距技術が開示されている。

特許第３６４９４０４号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、測距端末と被測距端末との間で信号が１往復する間の伝搬時間を用いて、相対距離を推定するため、各端末の受信処理にかかる時間に比例して、１回の測距に要する時間が長くなり、測距頻度が低下し、測距精度が低下してしまう場合があるという問題があった。例えば、測距頻度が低下すると、一度の測距に含まれる誤差の影響が大きくなり、測距精度が低下してしまう。また、測距頻度が低下すると、被測距端末の移動速度が速い場合、相対距離が求められた時点では、既に被測距端末との間の相対距離が変化してしまい、測距精度が低下してしまう。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、測距精度を向上させることが可能な無線測距システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる無線測距システムは、測距信号と、第１の被測距端末および第２の被測距端末の測距順序を示す通信信号とを含む無線信号を送信する測距端末と、無線信号を受信すると、測距順序に基づく第１のオフセット時間が経過した後第１の応答信号を測距端末に送信し、その後、第１の時間間隔で第１の応答信号を複数回測距端末に送信する第１の被測距端末と、無線信号を受信すると、測距順序に基づく第２のオフセット時間が経過した後第２の応答信号を測距端末に送信し、その後、第２の時間間隔で第２の応答信号を複数回測距端末に送信する第２の被測距端末と、を備える。測距端末は、複数の第１の応答信号のそれぞれを受信する毎に、測距信号を送信してからの経過時間を測定し、複数回送信される第１の応答信号のそれぞれを受信するまでの複数の経過時間と第１のオフセット時間と第１の時間とを用いて複数回送信される第１の応答信号のそれぞれの伝搬時間を算出し、算出された複数の伝搬時間を用いて、測距端末と第１の被測距端末との間の相対距離を第１の応答信号ごとに算出する。測距端末は、複数の第２の応答信号のそれぞれを受信する毎に、測距信号を送信してからの経過時間を測定し、複数回送信される第２の応答信号のそれぞれを受信するまでの複数の経過時間と第２のオフセット時間と第２の時間とを用いて複数回送信される第２の応答信号のそれぞれの伝搬時間を算出し、算出された複数の伝搬時間を用いて、測距端末と第２の被測距端末との間の相対距離を第２の応答信号ごとに算出する。第１の応答信号および第２の応答信号が１信号ずつ交互に測距端末で受信できるように、第１のオフセット時間、第１の時間、第２のオフセット時間、および第２の時間が設定されていることを特徴とする。

本開示にかかる無線測距システムは、測距精度を向上させることが可能であるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる無線測距システムの構成を示す図 図１に示す測距端末および被測距端末の機能を実現するための専用のハードウェアを示す図 図１に示す測距端末および被測距端末の機能を実現するための制御回路の構成を示す図 図１に示す無線測距システムの動作について説明するための図 実施の形態２にかかる無線測距システムの構成を示す図 実施の形態３にかかる無線測距システムの構成を示す図 図６に示す無線測距システムの動作について説明するための図

以下に、本開示の実施の形態にかかる無線測距システム、測距端末、制御回路、記憶媒体および無線測距方法を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる無線測距システム１の構成を示す図である。無線測距システム１は、測距端末１００と、被測距端末２００とを有する。測距端末１００は、無線信号を用いて、測距端末１００と被測距端末２００との間の相対距離を測定する。なお、図１では、本実施の形態の技術を説明するために必要な構成要素のみを示しており、一般的な構成については省略している。

測距端末１００および被測距端末２００のそれぞれは、測距に用いる無線信号を送受信するための送受信アンテナ１０と、無線信号を生成する送信部２０と、無線信号を受信して受信信号を処理するための受信部３０と、送信部２０および受信部３０を制御する制御部４０とを有する。

なお、測距端末１００および被測距端末２００は、測距用の無線信号を送受信することができる無線装置である。測距端末１００および被測距端末２００のそれぞれは、上記の通り、無線装置として有する構成要素は同様であり同一の符号を付しているが、各構成要素の機能は、測距端末１００に備えられる場合と被測距端末２００に備えられる場合とで共通する場合もあれば、測距端末１００または被測距端末２００に備えられる場合にのみ実行される機能もある。

測距端末１００および被測距端末２００の送信部２０、受信部３０、および制御部４０の機能は、専用回路で実現してもよいし、プログラムを実行する汎用回路で実現されてもよい。送信部２０、受信部３０、および制御部４０の機能が専用回路で実現される場合、測距端末１００および被測距端末２００は、図２に示すような処理回路９０を備える。図２は、図１に示す測距端末１００および被測距端末２００の機能を実現するための専用のハードウェアを示す図である。処理回路９０は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものである。

上記の処理回路が、汎用回路で実現される場合、この汎用回路は例えば図３に示す構成の制御回路９１である。図３は、図１に示す測距端末１００および被測距端末２００の機能を実現するための制御回路９１の構成を示す図である。図３に示すように、制御回路９１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９２と、メモリ９３とを備える。ＣＰＵ９２は、プロセッサであり、演算部、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などとも呼ばれる。メモリ９３は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などである。

上記の処理回路が制御回路９１により実現される場合、ＣＰＵ９２がメモリ９３に記憶された、各構成要素の処理に対応するプログラムを読み出して実行することにより実現される。また、メモリ９３は、ＣＰＵ９２が実行する各処理における一時メモリとしても使用される。なお、ＣＰＵ９２が実行するプログラムは、通信路を介して提供されてもよいし、記憶媒体に記憶された状態で提供されてもよい。なお、測距端末１００および被測距端末２００のそれぞれは、機能の一部を専用回路を用いて実現し、一部をプログラムおよびＣＰＵ９２を用いて実現してもよい。

図４は、図１に示す無線測距システム１の動作について説明するための図である。測距端末１００の送信部２０は、測距信号１０１を被測距端末２００に送信する。被測距端末２００の受信部３０は、測距信号１０１を受信する。被測距端末２００の受信部３０が測距信号１０１の受信処理が完了した後、制御部４０は、測距信号１０１に対する複数の応答信号２０１−１，２０１−２，２０１−３を連続で測距端末１００に送信するよう送信部２０に指示する。

測距端末１００の受信部３０が応答信号２０１−１，２０１−２，２０１−３のそれぞれを受信する毎に、測距端末１００の制御部４０は、各応答信号２０１−１，２０１−２，２０１−３の伝搬時間Ｔ_{ToF_1}，Ｔ_{ToF_2}，Ｔ_{ToF_3}を測定する。伝搬時間Ｔ_{ToF_n}は、被測距端末２００が応答信号２０１−ｎを送信してから、測距端末１００が応答信号２０１−ｎを受信するまでの時間である。伝搬時間Ｔ_{ToF_n}（ｎ≧２）は、以下の数式（１）で表される。

ただし、数式（１）のＴ_{total_n}は、測距端末１００における、測距信号１０１を送信してから応答信号２０１−ｎを受信するまでの経過時間であり、Ｔ_{reply_n}は、ｎ≧２の場合、被測距端末２００が応答信号２０１−ｎ−１を送信してから応答信号２０１−ｎを送信するまでの時間である。Ｔ_{ToF_1}は、従来のＴＷＲ技術と同様に、以下の数式（２）を用いて計算することができる。

ただし、Ｔ_{reply_1}は、被測距端末２００が測距信号１０１を受信してから、応答信号２０１−１を送信するまでの時間である。被測距端末２００は、測距信号１０１の受信処理を完了してすぐに応答信号２０１−１を送信するため、Ｔ_{reply_1}は、受信処理時間となる。

ｎ≧２において、Ｔ_{reply_n}は、受信処理時間よりも短くすることができる。また、測距端末１００は、受信処理を行うことなく連続して複数回の測距処理を行うことができる。制御部４０は、複数の伝搬時間Ｔ_{ToF_n}のそれぞれと、通信速度とを用いて、測距端末１００と被測距端末２００との間の相対距離を複数回算出する。

以上説明したように、実施の形態１にかかる無線測距システム１は、測距端末１００が測距信号１０１を送信した後、被測距端末２００が測距信号１０１に対する複数の応答信号２０１−１，２０１−２，２０１−３を連続して測距端末１００に送信する。測距端末１００は、複数の応答信号２０１−１，２０１−２，２０１−３のそれぞれを受信する毎に、測距信号１０１を送信してから複数の応答信号２０１−１，２０１−２，２０１−３のそれぞれを受信するまでの経過時間であるＴ_{total_n}を測定し、Ｔ_{total_n}から算出される複数の応答信号２０１−１，２０１−２，２０１−３のそれぞれの伝搬時間Ｔ_{ToF_n}から、測距端末１００と被測距端末２００との間の相対距離を算出する。

ここで、被測距端末２００は、１つの測距信号１０１に対して、複数の応答信号２０１−１，２０１−２，２０１−３を送信する。測距端末１００は、応答信号２０１−１，２０１−２，２０１−３と同数の相対距離を算出することができる。このため、測距端末１００は、１つの測距信号１０１に対して１つの応答信号２０１−ｎが送信される場合と比較して、測距頻度を向上させることができる。したがって、被測距端末２００が高速で移動する場合であっても、リアルタイムで相対距離を算出することが可能になる。また、測距頻度が向上することで、複数回の相対距離の算出結果を平均化することが可能になる。したがって、測距精度を向上させることができる。

なお、上記では１つの測距信号１０１に対する応答信号２０１−１，２０１−２，２０１−３を用いた測距処理について説明したが、被測距端末２００は、１つの測距信号１０１に対して、２つの応答信号２０１−ｎを送信してもよいし、４つ以上の応答信号２０１−ｎを送信してもよい。

また、測距端末１００および被測距端末２００のそれぞれの種類は、無線信号を送受信する機能を有している限り、特に制限されない。測距端末１００および被測距端末２００のそれぞれは、移動端末であってもよいし、固定端末であってもよい。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２にかかる無線測距システム２の構成を示す図である。無線測距システム２は、通信端末３００ａと、通信端末３００ｂとを有する無線通信システムである。通信端末３００ａは、無線信号を用いて、通信端末３００ａと通信端末３００ｂとの間の相対距離を測定する。なお、図５では、本実施の形態の技術を説明するために必要な構成要素のみを示しており、一般的な構成については省略している。

通信端末３００ａ，３００ｂのそれぞれは、無線信号を送受信するための送受信アンテナ１１と、無線信号を生成する送信部２１と、無線信号を受信して受信信号を処理するための受信部３１と、送信部２１および受信部３１を制御する制御部４１とを有する。通信端末３００ａ，３００ｂは、測距用の無線信号に通信信号を付加した無線信号を送受信する。

通信端末３００ａは、測距端末１００の機能に加えて、通信機能を有する。また、通信端末３００ｂは、被測距端末２００の機能に加えて、通信機能を有する。通信端末３００ａは、測距信号に通信信号を付加して送信することができる。例えば、通信端末３００ａは、測距信号に、通信端末３００ｂが連続して応答信号を送信する回数である連続送信回数を示す通信信号を付加して送信する。この場合、通信端末３００ｂは、測距信号に付加された通信信号が示す連続送信回数に従って、応答信号を連続して送信する。例えば、連続送信回数が「５」であることを示す通信信号が測距信号に付加されている場合、通信端末３００ｂは、１つの測距信号に対して、連続で５回応答信号を送信する。

また、通信端末３００ｂは、連続して送信する複数の応答信号のうち少なくとも１つに通信信号を付加して通信端末３００ａに送信することができる。例えば、通信端末３００ｂは、応答信号に、応答信号の送信順を表すシーケンス番号を示す通信信号を付加して、通信端末３００ａに送信することができる。通信端末３００ａは、シーケンス番号を用いて、応答信号の誤りを検知することができる。

なお、通信端末３００ａ，３００ｂのハードウェア構成は、測距端末１００および被測距端末２００と同様であるため、ここでは説明を省略する。また、通信端末３００ａの動作は、上記の通信機能を有する以外は測距端末１００と同様であり、通信端末３００ｂの動作は、上記の通信機能を有する以外は被測距端末２００と同様であるため、ここでは説明を省略する。

以上説明したように、実施の形態２にかかる無線測距システム２は、無線測距システム１と同様に、測距精度を向上させることが可能になる。また、無線測距システム２は、通信機能を有するため、応答信号の連続送信回数を指定したり、シーケンス番号を用いることで連続誤りを検知したりすることが可能になる。このように、通信機能を追加することで、測距機能だけでは実現できない機能を実現することが可能になる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３にかかる無線測距システム３の構成を示す図である。無線測距システム３は、通信端末３００ｃと、通信端末３００ｄと、通信端末３００ｅとを有する無線通信システムである。通信端末３００ｃは、無線信号を用いて、通信端末３００ｃおよび通信端末３００ｄの間の相対距離と、通信端末３００ｃおよび通信端末３００ｅの間の相対距離とを測定する。なお、図６では、本実施の形態の技術を説明するために必要な構成要素のみを示しており、一般的な構成については省略している。

通信端末３００ｃ，３００ｄ，３００ｅのそれぞれの構成は、通信端末３００ａ，３００ｂと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

通信端末３００ｃは、測距端末１００の機能に加えて、通信機能を有する。通信端末３００ｄ，３００ｅのそれぞれは、被測距端末２００の機能に加えて、通信機能を有する。通信端末３００ｃは、複数の通信端末３００ｄ，３００ｅとの間の相対距離を測定することができる。

図７は、図６に示す無線測距システム３の動作について説明するための図である。通信端末３００ｃの送信部２１は、無線信号３０１を複数の通信端末３００ｄ，３００ｅのそれぞれに送信する。このとき、無線信号３０１は、測距信号および通信信号を含む。例えば、通信信号は、測距対象である複数の通信端末３００ｄ，３００ｅと、複数の通信端末３００ｄ，３００ｅの測距順序とを示す。

通信端末３００ｄは、無線信号３０１を受信すると、無線信号３０１に含まれる通信信号が示す測距対象を確認し、通信端末３００ｄが測距対象に含まれているか否かを判断する。測距対象に含まれている場合、通信端末３００ｄは、さらに、無線信号３０１に含まれる通信信号が示す通信端末３００ｄの測距順序を確認する。同様に、通信端末３００ｅは、無線信号３０１を受信すると、無線信号３０１に含まれる通信信号が示す測距対象を確認し、通信端末３００ｅが測距対象に含まれているか否かを判断する。測距対象に含まれている場合、通信端末３００ｅは、さらに、無線信号３０１に含まれる通信信号が示す通信端末３００ｅの測距順序を確認する。

通信端末３００ｄは、確認した測距順序に従って、無線信号３０１に含まれる測距信号に対する応答信号３０２を連続して複数回通信端末３００ｃに送信する。通信端末３００ｅは、確認した測距順序に従って、無線信号３０１に含まれる測距信号に対する応答信号３０２を連続して複数回通信端末３００ｃに送信する。具体的には、測距順序が「１」番目である通信端末３００ｄは、通常通り、受信処理を完了するとすぐに、応答信号３０２を送信し、その後は、一定の間隔で応答信号３０２を送信する。測距順序が「２」番目である通信端末３００ｅは、通信端末３００ｄと送信信号が衝突しないように、無線信号３０１の受信処理を完了してから、予め定められたオフセット時間が経過した後、応答信号３０２を送信し、その後は、一定の間隔で応答信号３０２を送信する。

通信端末３００ｃは、複数の応答信号３０２を受信する毎に、無線信号３０１を送信してからの経過時間を測定し、経過時間を用いて算出される複数の応答信号３０２のそれぞれの伝搬時間から、通信端末３００ｃと通信端末３００ｄとの間の相対距離と、通信端末３００ｃと通信端末３００ｅとの間の相対距離とを算出することができる。なお、相対距離の算出方法は、実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

なお、上記では、通信端末３００ｃは、２台の通信端末３００ｄ，３００ｅを測距対象としたが、本実施の形態はかかる例に限定されない。例えば、通信端末３００ｃは、３台以上の通信端末を測距対象としてもよい。

以上説明したように、実施の形態３にかかる無線測距システム３は、無線測距システム１と同様に、測距精度を向上させることが可能になる。また、無線測距システム３は、１台の通信端末１００ｃが複数の通信端末１００ｄ，１００ｅとの間の相対距離を算出する。測距対象が複数台ある場合であっても、通信機能を用いて、測距順序を複数の通信端末１００ｄ，１００ｅのそれぞれに通知することができる。このため、測距対象である複数の通信端末１００ｄ，１００ｅのそれぞれは、通信端末１００ｄが送信した応答信号３０２と通信端末１００ｅが送信した応答信号３０２とが衝突しないように、送信タイミングを調整することが可能になる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，２，３ 無線測距システム、１０，１１ 送受信アンテナ、２０，２１ 送信部、３０，３１ 受信部、４０，４１ 制御部、９０ 処理回路、９１ 制御回路、９２ ＣＰＵ、９３ メモリ、１００ 測距端末、１０１ 測距信号、２００ 被測距端末、２０１−１，２０１−２，２０１−３，３０２ 応答信号、３００ａ，３００ｂ，３００ｃ，３００ｄ，３００ｅ 通信端末、３０１ 無線信号。

Claims (5)

1. 測距信号と、第１の被測距端末および第２の被測距端末の測距順序を示す通信信号とを含む無線信号を送信する測距端末と、
   前記無線信号を受信すると、前記測距順序に基づく第１のオフセット時間が経過した後第１の応答信号を前記測距端末に送信し、その後、第１の時間間隔で前記第１の応答信号を複数回前記測距端末に送信する第１の被測距端末と、
   前記無線信号を受信すると、前記測距順序に基づく第２のオフセット時間が経過した後第２の応答信号を前記測距端末に送信し、その後、第２の時間間隔で前記第２の応答信号を複数回前記測距端末に送信する第２の被測距端末と、
   を備え、
   前記測距端末は、複数の前記第１の応答信号のそれぞれを受信する毎に、前記測距信号を送信してからの経過時間を測定し、複数回送信される前記第１の応答信号のそれぞれを受信するまでの複数の前記経過時間と前記第１のオフセット時間と前記第１の時間とを用いて複数回送信される前記第１の応答信号のそれぞれの伝搬時間を算出し、算出された複数の前記伝搬時間を用いて、前記測距端末と前記第１の被測距端末との間の相対距離を前記第１の応答信号ごとに算出し、
   前記測距端末は、複数の前記第２の応答信号のそれぞれを受信する毎に、前記測距信号を送信してからの経過時間を測定し、複数回送信される前記第２の応答信号のそれぞれを受信するまでの複数の前記経過時間と前記第２のオフセット時間と前記第２の時間とを用いて複数回送信される前記第２の応答信号のそれぞれの伝搬時間を算出し、算出された複数の前記伝搬時間を用いて、前記測距端末と前記第２の被測距端末との間の相対距離を前記第２の応答信号ごとに算出し、
   前記第１の応答信号および前記第２の応答信号が１信号ずつ交互に前記測距端末で受信できるように、前記第１のオフセット時間、前記第１の時間、前記第２のオフセット時間、および前記第２の時間が設定されていることを特徴とする無線測距システム。
2. 前記通信信号は、前記第１の被測距端末が前記第１の応答信号を送信する回数である第１の連続送信回数と、前記第２の被測距端末が連続して前記第２の応答信号を送信する回数である第２の連続送信回数とを含むことを特徴とする請求項１に記載の無線測距システム。
3. 前記第１の被測距端末は、前記第１の連続送信回数に従って、前記第１の応答信号を送信し、第２の被測距端末は、前記第２の連続送信回数に従って、前記第２の応答信号を送信することを特徴とする請求項２に記載の無線測距システム。
4. 前記第１の被測距端末は、前記第１の応答信号に、前記第１の応答信号の送信順を示すシーケンス番号を付加し、前記第２の被測距端末は、前記第２の応答信号に、前記第２の応答信号の送信順を示すシーケンス番号を付加することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の無線測距システム。
5. 前記測距端末は、前記シーケンス番号を用いて、前記第１の応答信号および前記第２の応答信号の誤りを検出することを特徴とする請求項４に記載の無線測距システム。

Images