JP7108360B2 - 車識別システム - Google Patents

Description

本発明は、車識別システムに関する。

下記特許文献１には、飛行中の航空機の機体を識別すると共に飛行位置を捕捉する航空交通管制情報処理システムが開示されている。この航空交通管制情報処理システムは、航空路監視レーダ等の地上レーダから受信した電波を航空機のトランスポンダで処理することにより、航空機に固有に割り当てられた識別コード等を地上レーダに応答送信するものである。

http://www.soumu.go.jp/main_sosiki/joho_tsusin/policyreports/joho_tsusin/koukuu_musen/pdf/070614_1_s2.pdf（ＳＳＲモードＳシステムの概要及び運用状況：国土交通省航空局）

ところで、このようなレーダ波に応答するタイプのトランスポンダは、アンテナで受信した受信波を復調装置で中間周波数にダウンコンバートした後にデータ処理装置で受信データの解析を行い、識別信号生成装置で生成した固有識別信号を変調装置でアップコンバートしてアンテナから送信する応答装置であり、装置構成が比較的複雑である。したがって、このような応答装置を装備の設置容積が制限される車に搭載することは困難である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも簡単な構成の応答装置を用いた車識別システムの提供を目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、車識別システムに係る第１の解決手段として、主車に搭載される基準装置と、１あるいは複数の副車にそれぞれ搭載される１あるいは複数の応答装置とを備え、前記基準装置は、前記副車に向けて所定の基準周波数の送信波を送信すると共に前記送信波に対する応答波に基づいて前記副車を識別し、前記応答装置は、自らの前記副車に固有に設定された識別周波数だけ前記送信波を周波数偏移させた前記応答波を前記主車に向けて送信する、という手段を採用する。

本発明では、車識別システムに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記基準装置は、異なる複数の基準周波数の送信波を送信し、当該送信波に対する前記応答波に基づいて前記副車との距離を検出する、という手段を採用する。

本発明では、車識別システムに係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記基準装置は、前記送信波を水平方向に送信するレーダを備え、当該レーダを用いて前記送信波を送信すると共に前記応答波を受信することにより前記副車の方位を検出する、という手段を採用する。

本発明では、車識別システムに係る第４の解決手段として、上記第１～第３のいずれかの解決手段において、前記基準装置は、所定の仰角範囲に走査状に前記送信波を送信し、当該送信波の前記応答波を受信することにより前記副車の仰角を検出する、という手段を採用する。

本発明では、車識別システムに係る第５の解決手段として、上記第１～第４のいずれかの解決手段において、前記基準装置は、前記応答波のドップラーシフトに基づいて前記副車の走行速度を検出する、という手段を採用する。

本発明によれば、従来よりも簡単な構成のトランスポンダを用いた車識別システムを提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る車識別システムのシステム構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における基準装置及び応答装置の機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る車識別システムのスキャン動作を示す第１及び第２の模式図である。 本発明の一実施形態における応答波の周波数特性を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る車識別システムは、図１に示すように主車Mに搭載される基準装置ｍと、４台の副車Ｒ１～Ｒ４にそれぞれ搭載される４つの応答装置ｒ１～ｒ４とを備えている。なお、図１では４台の副車Ｒ１～Ｒ４を示しているが、これは便宜的なものであり、副車Ｒ１～Ｒ４の台数つまり応答装置ｒ１～ｒ４の個数は特に限定されず、１あるいは複数である。

主車M及び副車Ｒ１～Ｒ４は、隊列を組んで走行する走行車両である。基準装置ｍは、副車Ｒ１～Ｒ４に向けて所定周波数ｆ_０の電波を送信波I（ｆ_０）として送信すると共に当該送信波I（ｆ_０）に対する応答波A（ｆ_ｎ）に基づいて副車Ｒ１～Ｒ４を個別に識別する通信装置である。ここで、上記周波数ｆ_０は基準装置ｍが用いる基準周波数である。また「ｎ」は自然数であり、副車Ｒ１～Ｒ４を総称する場合の添え字である。

この基準装置ｍは、図２（ａ）に示すように、レーダ１、方位検出装置２、演算装置３及び表示装置４を備えている。レーダ１は、上記送信波I（ｆ_０）を生成して所定方向に走査状に順次放射すると共に所定方向から進入する応答波A（ｆ_ｎ）を順次受信する。このレーダ１は、応答波A（ｆ_ｎ）の周波数ｆ_ｎをレーダ検出信号として演算装置３に出力する。なお、上記送信波I（ｆ_０）の周波数帯域は、例えばマイクロ波帯である。

ここで、上記送信波I（ｆ_０）は、主に副車Ｒ１～Ｒ４を識別するためのものである。本実施形態の基準装置ｍは、送信波I（ｆ_０）に加えて、副車Ｒ１～Ｒ４との距離を検出するために、異なる複数の基準周波数ｆ_０１、ｆ_０２（距離基準周波数）を有する２つの送信波Ｉ（ｆ_０１）、Ｉ（ｆ_０２）を生成する。

このレーダ１における送信波I（ｆ_０）の放射方向つまり送信波I（ｆ_０）の走査範囲は、水平範囲については主車Mを中心とした３６０°の範囲、また垂直範囲（仰角範囲）については水平方向を中心にΔＧ（例えば６０°）の範囲である。なお、送信波I（ｆ_０）の水平方向における放射方向は、例えば図３（ａ）に示すように主車Mの走行方向を基準角とし、当該基準角に対する偏差角度（水平角θ）によって表される。

方位検出装置２は、主車Ｍを基準とする副車Ｒ１～Ｒ４の現在位置を方位として検出する装置であり、例えばレーダ１の回転軸に設けられたロータリーエンコーダである。この方位検出装置２は、副車Ｒ１～Ｒ４の現在位置（方位）を位置検出信号として演算装置３に出力する。なお、主車Ｍの現在位置を自立的に検出する場合は、ＧＰＳ（Global Positioning System）等の衛星測距システムに基づいて現在位置を検出してもよい。

演算装置３は、上記レーダ検出信号及び位置検出信号に基づいて、副車Ｒ１～Ｒ４を個別に識別すると共に副車Ｒ１～Ｒ４の方位、走行速度及び仰角並びに副車Ｒ１～Ｒ４との距離を演算する。この演算装置３は、演算結果として、副車Ｒ１～Ｒ４毎の車番、速度（走行速度）、距離、方位（位置）及び仰角を表示装置４に出力する。表示装置４は、このような演算装置３の演算結果を画像として表示する。

一方、応答装置ｒ１～ｒ４は、自らの副車Ｒ１～Ｒ４に固有に設定された識別周波数ｆ_１～ｆ_４だけ上記送信波を周波数偏移させた電波を上記応答波として主車Ｍに向けて送信する通信装置である。

より具体的には、応答装置ｒ１は、基準装置ｍから基準周波数ｆ_０の送信波Ｉ（ｆ_０）を受信すると、識別周波数ｆ_１だけ周波数偏移させた電波つまり周波数ｆ_０＋ｆ_１の応答波Ａ（ｆ_０＋ｆ_１）を主車Ｍに向けて送信する。応答装置ｒ２は、基準装置ｍから基準周波数ｆ_０の送信波Ｉ（ｆ_０）を受信すると、識別周波数ｆ_２だけ周波数偏移させた電波つまり周波数ｆ_０＋ｆ_２の応答波Ａ（ｆ_０＋ｆ_２）を主車Ｍに向けて送信する。

応答装置ｒ３は、基準装置ｍから基準周波数ｆ_０の送信波Ｉ（ｆ_０）を受信すると、識別周波数ｆ_３だけ周波数偏移させた電波つまり周波数ｆ_０＋ｆ_３の応答波Ａ（ｆ_０＋ｆ_３）を主車Ｍに向けて送信する。応答装置ｒ４は、基準装置ｍから基準周波数ｆ_０の送信波Ｉ（ｆ_０）を受信すると、識別周波数ｆ_４だけ周波数偏移させた電波つまり周波数ｆ_０＋ｆ_４の応答波Ａ（ｆ_０＋ｆ_４）を主車Ｍに向けて送信する。

このような応答装置ｒ１～ｒ４は、図２（ｂ）に示すように、受信アンテナ５、位相器６、送信アンテナ７及び識別信号発生器８を備えている。受信アンテナ５は、レーダ１から放射される送信波Ｉ（ｆ_０）を受信し、受信信号に変換して位相器６に出力する。位相器６は、識別信号発生器から入力される識別信号を用いて受信信号に位相変調を施すことにより、受信信号の周波数つまり周波数ｆ_０を識別信号の周波数（識別周波数ｆ_１～ｆ_４）だけ周波数偏移させた応答信号を生成して送信アンテナ７に出力する。

送信アンテナ７は、上記応答信号を応答波A（ｆ_ｎ）に変換し、当該応答波A（ｆ_ｎ）をレーダ１に向けて放射する。識別信号発生器８は、個別の識別信号を生成して位相器６に出力する。

すなわち、応答装置ｒ１の識別信号発生器８は、識別周波数ｆ_１の識別信号を生成して位相器６に出力し、応答装置ｒ２の識別信号発生器８は、識別周波数ｆ_２の識別信号を生成して位相器６に出力し、応答装置ｒ３の識別信号発生器８は、識別周波数ｆ_３の識別信号を生成して位相器６に出力し、応答装置ｒ４の識別信号発生器８は、識別周波数ｆ_４の識別信号を生成して位相器６に出力する。

また、位相器６のうち、応答装置ｒ１の位相器６は、周波数ｆ_０＋ｆ_１の応答信号を生成して送信アンテナ７に出力し、応答装置ｒ２の位相器６は、周波数ｆ_０＋ｆ_２の応答信号を生成して送信アンテナ７に出力し、応答装置ｒ３の位相器６は、周波数ｆ_０＋ｆ_３の応答信号を生成して送信アンテナ７に出力し、応答装置ｒ４の位相器６は、周波数ｆ_０＋ｆ_４の応答信号を生成して送信アンテナ７に出力する。

すなわち、各副車Ｒ１～Ｒ４の応答装置ｒ１～ｒ４のうち、副車Ｒ１の応答装置ｒ１は、レーダ１から送信波Ｉ（ｆ_０）を受信すると、周波数ｆ_０＋ｆ_１の応答波Ａ（ｆ_０＋ｆ_１）をレーダ１に向けて送信し、副車Ｒ２の応答装置ｒ２は、レーダ１から送信波Ｉ（ｆ_０）を受信すると、周波数ｆ_０＋ｆ_２の応答波Ａ（ｆ_０＋ｆ_２）をレーダ１に向けて送信する。

また、副車Ｒ３の応答装置ｒ３は、レーダ１から送信波Ｉ（ｆ_０）を受信すると、周波数ｆ_０＋ｆ_３の応答波Ａ（ｆ_０＋ｆ_３）をレーダ１に向けて送信し、副車Ｒ４の応答装置ｒ４は、レーダ１から送信波Ｉ（ｆ_０）を受信すると、周波数ｆ_０＋ｆ_４の応答波Ａ（ｆ_０＋ｆ_４）をレーダ１に向けて送信する。

ここで、上述した４つの周波数ｆ_０＋ｆ_１、ｆ_０＋ｆ_２、ｆ_０＋ｆ_３、ｆ_０＋ｆ_４は、所定幅の周波数差を持つ。すなわち、４つの識別周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３、ｆ_４は、所定幅の周波数差を持つように、また副車Ｒ１～Ｒ４毎に固有の値として予め設定されている。

次に、本実施形態に係る車識別システムの動作について、図３及び図４をも参照して詳しく説明する。

主車Ｍの基準装置ｍは、副車Ｒ１～Ｒ４を識別する場合、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように水平方向全周（３６０°の範囲）及び所定の仰角範囲ΔＤに亘って送信波Ｉ（ｆ_０）を走査状に順次放射する。すなわち、基準装置ｍのレーダ１は、水平方向に３６０°、また垂直方向にΔθの角度範囲に送信波Ｉ（ｆ_０）を所定の順番で順次放射する。なお、送信波Ｉ（ｆ_０）は、図３に示すように指向性が比較的狭い電波である。

このような主車Ｍの基準装置ｍに対して各副車Ｒ１～Ｒ４の応答装置ｒ１～ｒ４では、受信アンテナ５が送信波Ｉ（ｆ_０）を受信した場合に、位相器６が識別信号発生器８から入力された識別周波数ｆ_１～ｆ_４を用いて送信波Ｉ（ｆ_０）の基準周波数ｆ_０を偏移させた応答波Ａ（ｆ_ｎ）を生成し、送信アンテナ７が当該応答波Ａ（ｆｎ）をレーダ１に向けて放射する。そして、レーダ１は、このような応答波Ａ（ｆ_ｎ）を受信して周波数ｆ_ｎをレーダ検出信号として演算装置３に順次出力する。また、この演算装置３には、方位検出装置２から主車Ｍの現在位置が位置検出信号として順次入力される。

演算装置３は、このように順次入力される周波数ｆ_ｎと主車Ｍの現在位置とに基づいて以下のように各副車Ｒ１～Ｒ４の車番、速度（走行速度）、距離、方位（位置）及び仰角を演算する。最初に各副車Ｒ１～Ｒ４の車番については、周波数ｆ_ｎの基準周波数ｆ_０からの偏移（周波数差Δｆ）を演算し、この周波数差を予め記憶している識別周波数ｆ_１～ｆ_４と比較することによって特定する。

すなわち、演算装置３には、車番と識別周波数ｆ_１～ｆ_４との関係を示すデータ（車番データ）が予め記憶されている。演算装置３は、この車番データを用いることにより周波数差Δｆが識別周波数ｆ_１～ｆ_４の何れに相当するかを判断し、この判断結果に基づいて車番を特定する。

ここで、主車Ｍあるいは／及び各副車Ｒ１～Ｒ４が走行（移動）していた場合、応答波Ａ（ｆ_ｎ）の周波数ｆ_ｎは周知のドップラー効果によって周波数偏移（ドップラーシフトΔｆ_ｄ）する。このドップラーシフトΔｆ_ｄは、主車Ｍと各副車Ｒ１～Ｒ４との相対速度に依存する。

このようなドップラー効果の性質を用いることにより、演算装置３は、副車Ｒ１からレーダ１が受信する応答波Ａ（ｆ_０＋ｆ_１）のドップラーシフトΔｆ_ｄ１に基づいて主車Ｍと副車Ｒ１との相対速度を演算し、副車Ｒ２からレーダ１が受信する応答波Ａ（ｆ_０＋ｆ_２）のドップラーシフトΔｆ_ｄ２に基づいて主車Ｍと副車Ｒ２との相対速度を演算する。

また、演算装置３は、副車Ｒ１からレーダ１が受信する応答波Ａ（ｆ_０＋ｆ_３）のドップラーシフトΔｆ_ｄ３に基づいて主車Ｍと副車Ｒ３との相対速度を演算し、副車Ｒ４からレーダ１が受信する応答波Ａ（ｆ_０＋ｆ_４）のドップラーシフトΔｆ_ｄ４に基づいて主車Ｍと副車Ｒ４との相対速度を演算する。

続いて、各副車Ｒ１～Ｒ４の距離の検出について説明する。基準装置ｍのレーダ１は、２周波ＣＷ方式に基づいて、異なる２つの基準周波数ｆ_０１、ｆ_０２（距離基準周波数）を有する２つの送信波Ｉ（ｆ_０１）、Ｉ（ｆ_０２）を周囲に向けて順次放射する。そして、各応答装置ｒ１～ｒ４は、このような２つの送信波Ｉ（ｆ_０１）、Ｉ（ｆ_０２）に対して、距離基準周波数ｆ_０１、ｆ_０２を識別周波数ｆ_１～ｆ_４を用いて偏移させた応答波Ａ_ｄ（ｆ_ｎ）をレーダ１に向けて放射する。

すなわち、副車Ｒ１の応答装置ｒ１は、周波数ｆ_０１＋ｆ_１の応答波Ａ_ｄ（ｆ_０１＋ｆ_１）と周波数ｆ_０２＋ｆ_１の応答波Ａ_ｄ（ｆ_０２＋ｆ_１）とをレーダ１に向けて順次放射する。また、副車Ｒ２の応答装置ｒ２は、周波数ｆ_０１＋ｆ２の応答波Ａ_ｄ（ｆ_０１＋ｆ_２）と周波数ｆ_０２＋ｆ_２の応答波Ａ_ｄ（ｆ_０２＋ｆ_２）とをレーダ１に向けて順次放射する。

また、副車Ｒ３の応答装置ｒ３は、周波数ｆ_０１＋ｆ_３の応答波A_ｄ（ｆ_０１＋ｆ_３）と周波数ｆ_０２＋ｆ_３の応答波A_ｄ（ｆ_０２＋ｆ_３）とをレーダ１に向けて順次放射する。また、副車Ｒ４の応答装置ｒ４は、周波数ｆ_０１＋ｆ_４の応答波A_ｄ（ｆ_０１＋ｆ_４）と周波数ｆ_０２＋ｆ_４の応答波A_ｄ（ｆ_０２＋ｆ_４）とをレーダ１に向けて順次放射する。

そして、レーダ１は、このような応答波Ａ_ｄ（ｆ_ｎ）の波形信号を演算装置３に順次出力する。そして、演算装置３は、上記波形信号にＦＦＴ処理を施すことにより、２つの応答波Ａ_ｄ（ｆ_ｎ）における識別周波数成分の位相φ_１、φ_２を副車Ｒ１～Ｒ４毎つまり先に検出した車番毎に演算する。

すなわち、演算装置３は、副車Ｒ１について２つの応答波Ａ_ｄ（ｆ_０１＋ｆ₁）、Ａ_ｄ（ｆ_０２＋ｆ₁）の識別周波数ｆ₁成分の位相φ_１１、φ_１２を演算し、副車Ｒ２について２つの応答波Ａ_ｄ（ｆ_０１＋ｆ_２）、Ａ_ｄ（ｆ_０２＋ｆ_２）の識別周波数ｆ_２成分の位相φ_２１、φ_２２を演算する。

また、演算装置３は、副車Ｒ３について２つの応答波Ａ_ｄ（ｆ_０１＋ｆ_３）、Ａ_ｄ（ｆ_０２＋ｆ_３）の識別周波数ｆ_３成分の位相φ_３１、φ_３２を演算し、副車Ｒ４について２つの応答波Ａ_ｄ（ｆ_０１＋ｆ_４）、Ａ_ｄ（ｆ_０２＋ｆ_４）の識別周波数ｆ_４成分の位相φ_４１、φ_４２を演算する。

そして、演算装置３は、上記位相φ_１、φ_２の差分（位相差Δφ）を副車Ｒ１～Ｒ４毎に演算する。すなわち、演算装置３は、位相φ_１１、φ_１２に基づいて位相差Δφ_１を演算し、位相φ_２１、φ_２２に基づいて位相差Δφ_２を演算し、位相φ_３１、φ_３２に基づいて位相差Δφ_３を演算し、位相φ_４１、φ_４２に基づいて位相差Δφ_４を演算する。

そして、演算装置３は、位相差Δφ及び基準周波数差Δｆ_０（＝｜ｆ_０１－ｆ_０２｜）を下式（１）に代入することにより距離Ｄを演算する。なお、式（１）における「ｃ」は電波の伝搬速度つまり光速である。
Ｄ＝ｃΔφ／（４πΔｆ） （１）

すなわち、演算装置３は、位相差Δφ_１と基準周波数差Δｆ_０と式（１）とを用いることにより主車Mと副車Ｒ１との距離Ｄ_１を演算し、位相差Δφ_２と基準周波数差Δｆ_０と式（１）とを用いることにより主車Ｍと副車Ｒ２との距離Ｄ_２を演算する。また、演算装置３は、位相差Δφ_３と基準周波数差Δｆ_０と式（１）とを用いることにより主車Mと副車Ｒ３との距離Ｄ_３を演算し、位相差Δφ_４と基準周波数差Δｆ_０と式（１）とを用いることにより主車Mと副車Ｒ４との距離Ｄ_４を演算する。

続いて、各副車Ｒ１～Ｒ４の方位（位置）の検出について説明する。基準装置ｍのレーダ１は、図３（ａ）に示すように、水平方向に３６０°つまり主車Mを中心とした水平方向全周に亘って送信波Ｉ（ｆ_０）を順次放射する。これに対して、各副車Ｒ１～Ｒ４の応答装置ｒ１～ｒ４は、応答波A（ｆ_ｎ）をレーダ１に向けて放射する。

すなわち、レーダ１は、各副車Ｒ１～Ｒ４つまり応答装置ｒ１～ｒ４の水平方向から入射する応答波A（ｆ_ｎ）を最も強度が強い電波として受信する。したがって、演算装置３は、レーダ１から入力される応答波A（ｆ_ｎ）の波形信号のうちレベルが最も大きいものに相当するレーダ１の水平角θから各副車Ｒ１～Ｒ４の方位（位置）を求める。

最後に、各副車Ｒ１～Ｒ４の仰角の検出について説明する。レーダ１は、図３（ａ）に示すように、仰角範囲ΔＧに亘って送信波Ｉ（ｆ_０）を走査状に順次放射する。これに対して、各副車Ｒ１～Ｒ４の応答装置ｒ１～ｒ４は、応答波A（ｆ_ｎ）をレーダ１に向けて放射する。

すなわち、レーダ１は、各副車Ｒ１～Ｒ４つまり応答装置ｒ１～ｒ４の垂直方向から入射する応答波A（ｆ_ｎ）を最も強度が強い電波として受信する。したがって、演算装置３は、レーダ１から入力される応答波A（ｆ_ｎ）の波形信号のうちレベルが最も大きいものに相当するレーダ１の垂直方向を各副車Ｒ１～Ｒ４の仰角として求める。そして、演算装置３は、このようにして検出した各副車Ｒ１～Ｒ４の車番、速度（走行速度）、距離、方位（位置）及び仰角を表示装置４に出力して画像表示させる。

本実施形態によれば、応答装置ｒ１～ｒ４は基準周波数ｆ_０に対して自らに固有に設定された識別周波数ｆ_１～ｆ_４だけ周波数を変位させた応答波A（ｆ_ｎ）を生成するので、従来よりも簡単な応答装置ｒ１～ｒ４つまり従来よりも簡単な構成のトランスポンダを用いた車識別システムを提供することが可能である。

M 主車
ｍ 基準装置
Ｒ１～Ｒ４ 副車
ｒ１～ｒ４ 応答装置
１ レーダ
２ 方位検出装置
３ 演算装置
４ 表示装置
５ 受信アンテナ
６ 位相器
７ 送信アンテナ
８ 識別信号発生器

Claims (3)

1. 主車に搭載される基準装置と、
   複数 の副車にそれぞれ搭載される複数の応答装置とを備え、
   前記基準装置は、複数の前記副車に向けて所定の基準周波数の送信波を送信すると共に前記送信波に対する応答波に基づいて複数の前記副車を識別し、
   前記応答装置は、自らの前記副車に固有に設定された識別周波数だけ前記基準周波数を周波数偏移させた前記応答波を前記主車に向けて送信し、
   前記基準装置は、異なる２つの基準周波数の送信波を複数の前記副車に向けて送信し、当該２つの送信波に対する各々の前記応答波の位相差に基づいて複数の前記副車との距離を検出し、前記応答波のドップラーシフトに基づいて複数の前記副車の走行速度を検出することを特徴とする車識別システム。
2. 前記基準装置は、前記送信波を水平方向に送信するレーダを備え、当該レーダを用いて前記送信波を送信すると共に前記応答波を受信することにより前記副車の前記水平方向における方位を検出することを特徴とする請求項１に記載の車識別システム。
3. 前記基準装置は、所定の仰角範囲に走査状に前記送信波を送信し、当該送信波の前記応答波を受信することにより前記副車の仰角を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の車識別システム。

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