JP6989822B2

JP6989822B2 - 伝搬距離推定装置

Info

Publication number: JP6989822B2
Application number: JP2018003810A
Authority: JP
Inventors: 健一古賀; 明暁岩下; 信良菊間
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC; Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC; Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2022-02-15
Anticipated expiration: 2038-01-12
Also published as: JP2019124497A

Description

本発明は、基地局と端末との間で電波を送受信して、電波の伝搬距離を推定する伝搬距離推定装置に関する。

従来、基地局から端末に電波を送信し、その電波を受信した端末から電波を基地局に再送信させ、このとき基地局が受信した電波から、電波の送受信に要した伝搬距離を推定する伝搬距離推定装置が周知である（特許文献１～４等参照）。これら特許文献でも示されるように、この種の伝搬距離推定装置は、車両及び電子キーの間でキー照合を無線により行う電子キーシステムへの適用が検討されている。これは、車両から遠く離れた場所に電子キーが位置するとき、この電子キーと車両とを中継器によって不正に通信確立させてしまう状況を防ぐためである。

特開平９－１７０３６４号公報特開２００３－１３６４４号公報特表２００６－５１２５１５号公報特表２００８－５１５３１５号公報

ところで、基地局が端末に電波送信を行うときには、基地局が有する発振器のクロック信号を基に電波が生成されて、基地局から端末に送信される。一方、基地局から受信した電波を端末が基地局に再送信するときには、端末が有する発振器のクロック信号を基に電波が生成されて、端末から基地局に送信される。よって、基地局及び端末の間でクロック信号に誤差があると、電波の伝搬距離を精度よく推定できない問題に繋がっていた。

また、そうしたクロック誤差に対応できる距離推定アルゴリズムでは、クロック誤差に非対応の距離推定アルゴリズムよりも妨害波（ノイズ）の影響を受けやすく、電波の伝搬距離を精度よく推定できない問題に繋がっていた。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、その目的は、伝搬距離の推定精度の向上を可能にした伝搬距離推定装置を提供することにある。

上記課題を解決する伝搬距離推定装置は、互いに異なる周波数の複数の連続波を基地局において合成し、これを測距信号として前記基地局から端末に送信し、当該測距信号を前記端末から前記基地局に返信させ、当該測距信号の伝搬距離を推定する伝搬距離推定装置において、前記基地局が受信した前記測距信号と、前記測距信号を構成するいずれか１つの単一周波数の信号との相関演算を行い第１の周波数成分を算出し、また、前記測距信号と、前記測距信号を構成する他の１つの単一周波数の信号との相関演算を行い第２の周波数成分を算出し、前記第１の周波数成分と前記第２の周波数成分との相関演算を行い位相差成分を抽出する相関演算部と、前記相関演算部が抽出した前記位相差成分の位相から前記伝搬距離を推定する距離推定部とを備える。

この構成によれば、測距信号の個別の周波数成分を算出する相関演算を行うため、基地局及び端末の間のクロック誤差を要因とした周波数ずれが補正された演算結果が抽出される。また、測距信号の個別の周波数成分に対し相関演算を行うため、妨害波の除去効果についても期待することができる。したがって、クロック誤差により距離推定精度が劣化することがなく、ノイズの影響も受けにくくなるため、推定精度が改善する。よって、伝搬距離の推定精度を向上できる。

本発明によれば、伝搬距離の推定精度を向上できる。

伝搬距離推定装置の構成を示すブロック図。周波数と位相回転量との関係を用いた距離推定の原理を示す特性図。比較例２（クロック誤差対応アルゴリズム）について周波数ずれの補正原理を示す周波数スペクトル図。

以下、伝搬距離推定装置の一実施の形態について説明する。
図１に示すように、基地局１及び端末２には、これら２者間の電波送信にかかる距離（伝搬距離ｄ）を推定する伝搬距離推定装置３が設けられている。伝搬距離推定装置３は、例えば電子キーのキー照合を無線によって行う電子キーシステムに搭載されている。この場合、電子キーシステムは、基地局１及び端末２の間で仮にＩＤ照合が成立していても、伝搬距離推定装置３によって求まる伝搬距離ｄが閾値以上であれば、不正通信の可能性が高いとして、ＩＤ照合成立を不許可とする。

基地局１は、各々異なる周波数の無変調連続波（ＣＷ波）として複素信号g_n(p)を出力する複数の発振器４（例えばＮ個）を備える。各周波数の複素信号g_n(p)は、「ｎ」が「１」～「Ｎ」をとり、信号成分として実部及び虚部を有する。尚、「ｎ」は、何番目の周波数かを表す数であり、「Ｎ」は、使用する周波数の総数であり、「ｐ」は離散時間である。

基地局１は、発振器４から入力する各複素信号g_n(p)から実部を取り出す実数取出部５を備える。実数取出部５は、複素信号g_n(p)からの実部の取り出しにより、信号real(g_n(p))を出力する。尚、real(・)は、複素数から実数を取り出す関数を示す。

基地局１は、実数取出部５から出力された信号real(g_n(p))を加算する加算器６と、加算器６から出力される合成信号real(G(p))をＤ／Ａ変換するＤ／Ａコンバータ７とを備える。基地局１は、Ｄ／Ａ変換後の合成信号real(G(q))と局部発振器８から入力する発振信号とを乗算するミキサ９と、乗算後の信号をフィルタリングするバンドパスフィルタ１０と、バンドパスフィルタ１０を通過した合成信号を測距信号real(G(q))cos(ωq)として送信する送信アンテナ１１とを備える。尚、「G(p)」及び「G(q)」は、合成された複素信号であり、「q」は、連続時間である。

端末２は、基地局１から送信された測距信号real(G(q))cos(ωq)を伝搬時間q₀分遅れた信号で受信する受信アンテナ１２と、この受信信号real(G(q－q₀))cos(ωq)をフィルタリングするバンドパスフィルタ１３とを備える。端末２は、バンドパスフィルタ１３を通過した信号と局部発振器１４から入力する発振信号とを乗算するミキサ１５と、乗算後の信号をフィルタリングするローパスフィルタ１６と、ローパスフィルタ１６を通過した受信信号real(G(q－q₀))をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ１７とを備える。

端末２は、Ａ／Ｄコンバータ１７から入力する受信信号real(G(p－q₀))を基に端末２を作動させる信号処理部１８を備える。信号処理部１８は、基地局１から受信信号real(G(q－q₀))cos(ωq)を受信したとき、この受信信号real(G(q－q₀))cos(ωq)を基地局１に返信する動作を実行する。

端末２は、電波返信時において信号処理部１８から入力する信号をＤ／Ａ変換するＤ／Ａコンバータ１９と、Ｄ／Ａ変換後の信号と局部発振器２０から入力する発振信号とを乗算するミキサ２１とを備える。端末２は、乗算後の信号をフィルタリングするバンドパスフィルタ２２と、バンドパスフィルタ２２を通過した信号を測距信号real(G(q－q₀))cos(ωq)として送信する送信アンテナ２３とを備える。

基地局１は、端末２から送信された測距信号real(G(q－q₀))cos(ωq)を伝搬時間q₀分遅れた信号で受信する受信アンテナ２４を備える。基地局１は、受信アンテナ２４の後段の一方の経路に、バンドパスフィルタ２５、局部発振器２６、ミキサ２７、ローパスフィルタ２８及びＡ／Ｄコンバータ２９を備える。バンドパスフィルタ２５は、受信アンテナ２４が受信した測距信号real(G(q－2q₀))cos(ωq)をフィルタリングする。ミキサ２７は、バンドパスフィルタ２５を通過した信号と局部発振器２６から入力する発振信号とを乗算する。ローパスフィルタ２８は、ミキサ２７で合成された信号のうち低い周波数のみ通過させる。Ａ／Ｄコンバータ２９は、ローパスフィルタ２８を通過した測距信号real(G(q－2q₀))をＡ／Ｄ変換して、測距信号real(G(p－2q₀))を出力する。

基地局１は、受信アンテナ２４の後段の他方の経路に、バンドパスフィルタ３０、移相器３１、ミキサ３２、ローパスフィルタ３３及びＡ／Ｄコンバータ３４を備える。バンドパスフィルタ３０は、受信アンテナ２４が受信した測距信号real(G(q－2q₀))cos(ωq)をフィルタリングする。ミキサ３２は、バンドパスフィルタ３０を通過した信号と、局部発振器２６から出力される発振信号を移相器３１によって９０°位相を遅らせた信号とを乗算する。ローパスフィルタ３３は、ミキサ３２で合成された信号のうち、低い周波数のみ通過させる。Ａ／Ｄコンバータ３４は、ローパスフィルタ３３を通過した信号をＡ／Ｄ変換して、測距信号img(G(p－2q₀))を出力する。尚、img(・)は、複素数から虚部を取り出す関数を示す。

基地局１は、実部及び虚部から複素信号を算出する複素化部３５を備える。複素化部３５は、Ａ／Ｄコンバータ２９から入力する測距信号real(G(p－2q₀))とＡ／Ｄコンバータ３４から入力する測距信号img(G(p－2q₀))とを基に、複素信号G(p－2q₀)を算出する。

基地局１は、基地局１及び端末２の間の電波の伝搬距離ｄを推定する一連の処理を実行する相関演算部４０及び距離推定部４１を備える。相関演算部４０は、基地局１が受信した測距信号real(G(q－2q₀))cos(ωq)と、当該測距信号real(G(q－2q₀))cos(ωq)の複素共役とを乗算し、その乗算結果に対し相関演算を行って、乗算結果の各周波数成分を抽出する。距離推定部４１は、相関演算部４０が抽出した各周波数成分の位相から伝搬距離ｄを推定する。

図２に示すように、伝搬距離ｄの推定に際し、基地局１は、現在送信している測距信号と、受信した測距信号との間に生じている位相回転量を周波数毎に求め、さらに隣り合う周波数における位相回転量の差を求める。周波数と位相回転量との関係における傾きが測距信号の遅延時間（2q₀）を示すため、遅延時間に公知の光速ｃを乗じることで伝搬距離ｄを算出しつつ、基地局１から端末２までの距離（ｄ／２）を推定することが可能となる。そして、伝搬距離ｄが閾値未満の場合にドア施開錠やエンジン始動を許可し、伝搬距離ｄが閾値以上の場合にドア施開錠やエンジン始動を不許可とする。

次に、伝搬距離推定装置３の作用について説明する。
まず、基地局１及び端末２の間にクロックの周波数誤差が無い場合を想定したクロック誤差非対応アルゴリズムを比較例１として考察する。

前提として、測距信号は周波数の異なるＮ個のサイン波を合成した信号であり、これを基地局１から端末２に無線で送信し、端末２はこれをそのまま送り返し、基地局１は測距信号を受信する。このとき、基地局１が現在送信している測距信号と、受信した測距信号との間に生じている位相回転量を周波数毎に求め、さらに隣り合う周波数における位相回転量の差を求めることで伝搬距離ｄを算出する。

ところが、この比較例２は妨害波の影響を上記比較例１よりも受けやすいという問題がある。すなわち、上記比較例１のように「測距信号の個別の周波数成分」を相関演算により抽出する場合には、妨害波が存在しても測距信号の個別の各周波数と一致していない限り、相関演算により除去することができる。

しかし、図３に示すように、この比較例２では「測距信号とその複素共役の積」に対し相関演算を行うため、妨害波の周波数が測距信号と一致していなくても、相関演算により除去されない場合がある。

また、相関演算部４０は、第１の周波数成分と第２の周波数成分との相関演算を行い位相差成分を抽出する。このように測距信号の個別の周波数成分に対し相関演算を行うため、妨害波の除去効果についても期待することができる。

したがって、［数１０］を参照して、相関演算部４０が抽出した位相差成分の位相から距離推定部４１が伝搬距離ｄを推定するに際し、クロック誤差により距離推定精度が劣化することがなく、ノイズの影響も受けにくくなるため、推定精度が改善する。よって、伝搬距離の推定精度を向上できる。

尚、上記実施の形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・伝搬距離推定装置３の回路構成、すなわち基地局１や端末２の回路構成は、実施形態に述べた構成に限らず、他に変更可能である。

・伝搬距離ｄを電波の位相から推定する演算は、例えばＭＵＳＩＣ法など、種々の方式が採用可能である。
・伝搬距離推定装置３は、電子キーシステムに搭載されることに限定されず、他のシステムや機器に適用可能である。

・連続波は、複素信号として取り扱われることに限定されず、種々の方式が採用可能である。
・連続波は、それぞれの周波数が重なり合わなければ、無変調波に限らず、種々の変調が施された信号としてもよい。

・連続波は、送信の開始から終了まで全て連続する信号である必要はなく、断続的な信号でもよい。
・端末２の信号処理部１８では、基地局１と既知の方法で信号処理が実施されてもよい。これにより、例えば中継器が伝搬距離測定用の信号を基地局１へ直接送信することで伝搬距離ｄを偽装するという手法を防止することができる。

１…基地局、２…端末、３…伝搬距離推定装置、４…発振器、５…実数取出部、６…加算器、７…Ｄ／Ａコンバータ、８…局部発振器、９…ミキサ、１０…バンドパスフィルタ、１１…送信アンテナ、１２…受信アンテナ、１３…バンドパスフィルタ、１４…局部発振器、１５…ミキサ、１６…ローパスフィルタ、１７…Ａ／Ｄコンバータ、１８…信号処理部、１９…Ｄ／Ａコンバータ、２０…局部発振器、２１…ミキサ、２２…バンドパスフィルタ、２３…送信アンテナ、２４…受信アンテナ、２５…バンドパスフィルタ、２６…局部発振器、２７…ミキサ、２８…ローパスフィルタ、２９…Ａ／Ｄコンバータ、３０…バンドパスフィルタ、３１…移相器、３２…ミキサ、３３…ローパスフィルタ、３４…Ａ／Ｄコンバータ、３５…複素化部、４０…相関演算部、４１…距離推定部。

Claims

互いに異なる周波数の複数の連続波を基地局において合成し、これを測距信号として前記基地局から端末に送信し、当該測距信号を前記端末から前記基地局に返信させ、当該測距信号の伝搬距離を推定する伝搬距離推定装置において、
前記基地局が受信した前記測距信号と、前記基地局が送信した前記測距信号を構成する測距信号成分のうち、ｎ＋１番目の周波数における測距信号成分の複素共役とを乗算し、その乗算結果を時刻ｔ _ｌから時刻ｔ _ｌ＋１において時間平均したものをパラメータＡとし、
前記基地局が受信した前記測距信号の複素共役と、前記基地局が送信した前記測距信号を構成する測距信号成分のうち、ｎ番目の周波数における測距信号成分とを乗算し、その乗算結果を時刻ｔ _ｌから時刻ｔ _ｌ＋１において時間平均したものをパラメータＢとして、
前記パラメータＡ及び前記パラメータＢを算出し、前記パラメータＡと前記パラメータＢとを乗算し、その乗算結果を時間平均したパラメータｚｚ _ｎを算出することを、前記互いに異なる周波数のそれぞれについて行う相関演算部と、
前記相関演算部が算出した各ｚｚ _ｎの位相から前記伝搬距離を推定する距離推定部とを備え、
前記基地局のクロックの周波数と前記端末のクロックの周波数との差をクロック誤差としたとき、
前記相関演算部は、時刻ｔ _ｌ＋１での前記クロック誤差に対応する測距信号成分であるexp{-j(ω _e t _l+1 )}と、時刻ｔ _ｌでの前記クロック誤差に対応する測距信号成分であるexp{-j(ω _e t _l )}とが等しくなるように、時刻ｔ _ｌから時刻ｔ _ｌ＋１までの時間ｔ _ｌ＋１－ｔ _ｌを設定することを特徴とする伝搬距離推定装置。