JP7403611B2 - ユーザプラットフォームの環境を特徴付ける方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ユーザプラットフォームの環境を特徴付ける方法及び装置に関し、詳細には、自律車両などのユーザプラットフォームの環境での１又は２以上の物体に対する方向又はレンジ（距離）を決定又は推定する方法及び装置に関する。しかしながら、本発明はこの特定の使用分野に制限されないことは理解されるであろう。
関連出願
本出願は、引用によりその内容全体が本明細書に組み込まれる、２０１７年５月１２日に出願されたオーストラリア仮特許出願第２０１７９０１７８０号からの優先権を主張する。
本出願は、引用によりその内容全体が本明細書に組み込まれる、２０１７年５月１２日に出願されたオーストラリア仮特許出願第２０１７９０１７８０号からの優先権を主張する。
本明細書全体を通した従来技術の論議は、このような従来技術は広く知られており、又は当該分野における共通一般知識の一部を形成するものであると認められるものとして解釈すべきではない。
モータ車両などのユーザプラットフォームは、自律的に、すなわち人間のオペレータからの入力がほとんど又は全く無く、ナビゲーションを支援するため車両の環境に関する情報を収集することによって作動するように構成することができる。情報は、ライダー、レーダー、カメラ及びマイクロフォンを含む多種多様なセンサシステムによって収集することができる。自律車両は、通常、格納された地図と一般に比較して、車両の位置を決定するためのＧＰＳなどの測位システムを備えている。一般に、自律車両が冗長性及びクロスチェックのため複数のセンサシステムを有することが好ましい。
ライダーは、１又は２以上のレーザービームを繰り返し走査して、放出されたパルスと戻ってくる反射パルスとの間の時間遅延から決定された物体までのレンジによって、車両の環境における反射物体の画像を生成することにより作動する。ライダーは、レーザービームの指向性が極めて優良であること、及び正確な測距のための短い広帯域のパルスを生成する能力があることに起因して、多くの点で自律車両の検出及び測距に最適なシステムである。しかしながら、米国特許第９,０９７,８００号（Ｚｈｕ）において開示されるように、避ける必要のある可能性がある固体物質を、排気プルーム及びタイヤスプレーなどの流体オブジェクトと区別するためレーダーで補うことが必要となる場合がある。現在の自律車両ライダーシステムが有する欠点は、レンジが一般には１００ｍ未満に制限され、レーザーの機械的回転を必要とし、霧又は大雨の場合には良好に作動しないことである。
自律車両では、パルス、周波数変調持続波（ＦＭＣＷ）及びスペクトラム拡散レーダーを含む幾つかのタイプのレーダーを用いることができ、例えば米国特許第７,９６９,３５０号（Ｗｉｎｓｔｅａｄ他）、第５,２６８,６９２号（Ｇｒｏｓｃｈ他）及び第６,８０１,１５３号（Ｒａｕｃｈ他）を参照されたい。パルスレーダーは、ライダーと同様の方式で飛行時間型技術によってレンジを決定するが、ＦＭＣＷレーダーは、送信された信号に周期的周波数変調を課して、送信された信号とリターン信号との間の周波数差を測定することによってレンジを決定する。拡散スペクトラムレーダーは、ＧＰＳと同様の方式で作動し、送信された信号に擬似ランダム（ＰＲＮ）コードを課して、リターン信号とＰＲＮコードの内部生成レプリカを相関付けることによってレンジを決定する。現在の自律車両レーダーシステムの重大な欠点は、指向性走査能力が制限されることであり、ほとんどのシステムが、例えば前方又は後方を向いて、方向が固定されている。広い走査範囲を有するフェイズドアレイレーダーシステムが軍事用途で用いられているが、車両での一般的使用には複雑で高価過ぎる。
当該技術で公知のレーダーの別の形態は、「パッシブ」レーダーである。１つの装置が無線周波数（ＲＦ）エネルギーを送信及び受信する「アクティブ」レーダーとは異なり、パッシブレーダーでは、受信機が、１又は２以上の外部送信機からの信号の反射を探すことによって、環境における物体の存在を決定しようとする。一部のパッシブレーダーシステムでは、受信機及び外部送信機が共同制御下にあるが、「機会信号（ｓｉｇｎａｌｓ ｏｆ ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ）」システムでは、受信機は、例えば、商用テレビジョン、ラジオ又は移動電話伝送など、発見できる適切な信号を使用している。パッシブレーダーは、個々の車両が、関連付けられる干渉リスクを有してＲＦエネルギーを放射する必要を回避するが、一般には、検出及びレンジの決定が、アクティブレーダーよりも複雑となる。機会信号の予測できない変化は、自律車両におけるパッシブレーダーの適用を今まで実現不可能にしてきた。
自律車両が複数のセンサシステムに様々なタイプの情報を収集させること、並びにクロスチェックすることが重要であるが、所与のセンサシステムがナビゲーションに有用な２又は３以上のタイプの情報を収集するよう構成できる場合、複雑さ及びコストを低減することが有利になる。
以下の説明及び請求項において「ｏｒ（又は）」という用語は、文脈上明確に他の意味に解釈すべき場合を除いて、排他的な意味ではなく包含的な意味に解釈するものとする。例えば、「位相又はゲイン」という表現は、「位相、又はゲイン、又は位相とゲインの両方」を意味するものとして解釈するものとする。「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」などは、網羅的でないと解釈するものとする。例えば。「Ａ及びＢを含むデバイス」という表現の範囲は、ＡとＢだけを含むデバイスに限定されない。
Bharadia et al ‘Full duplex radios’, Proc SIGCOMM’13, 12-16 August 2013, Hong Kong, pp. 375-386
本発明の目的は、従来技術の欠点の少なくとも１つを克服又は改善すること、或いは有用な代替策を提供することである。好ましい形態での本発明の目的は、ユーザプラットフォームの環境を特徴付ける改善された方法及び装置を提供することである。別の好ましい形態での本発明の目的は、１又は２以上の外部送信機から信号を受信する単純なアンテナを備えた受信機を用いて、複数のユーザプラットフォームがその環境を特徴付けるのを可能にするマルチアクセス方法を提供することである。
本発明の第１の態様によれば、ユーザプラットフォームの環境を特徴付ける方法が提供され、本方法は、
信号を生成するステップと、
アンテナアレイの空間的に分散されたアンテナ要素を介して上記信号を送信するステップであって、上記アンテナ要素が信号の送信又は受信のための予め定められたシーケンスで起動されるステップと、
順次的に起動されるアンテナ要素を介して受信された入力信号に対して、上記予め定められたシーケンスと実質的に同期して、上記アンテナアレイに対するラウンドトリップ経路補正を組み入れ且つ予め定められた方向の上記アンテナアレイのレシプロカルビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作を加えるステップと、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積して上記レシプロカルビームを形成するステップと、
送信された信号の戻りの上記レシプロカルビームでの検出に基づいて上記予め定められた方向における物体の存在を推測するステップと、
を含む。
信号を生成するステップと、
アンテナアレイの空間的に分散されたアンテナ要素を介して上記信号を送信するステップであって、上記アンテナ要素が信号の送信又は受信のための予め定められたシーケンスで起動されるステップと、
順次的に起動されるアンテナ要素を介して受信された入力信号に対して、上記予め定められたシーケンスと実質的に同期して、上記アンテナアレイに対するラウンドトリップ経路補正を組み入れ且つ予め定められた方向の上記アンテナアレイのレシプロカルビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作を加えるステップと、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積して上記レシプロカルビームを形成するステップと、
送信された信号の戻りの上記レシプロカルビームでの検出に基づいて上記予め定められた方向における物体の存在を推測するステップと、
を含む。
位相又はゲイン操作は、予め定められたシーケンスと実質的に同期して且つリターン信号の予想される受信期間と実質的に同期して入力信号に加えられるのが好ましい。特定の実施形態では、統合期間は、リターン信号の予想される受信期間とアンテナ要素の起動期間のオーバーラップによって決定されるある数の部分統合期間に分割される。
送信された信号の戻りの検出が、送信された信号を符号化するのに用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けるステップを含むのが好ましい。
本発明の方法は、送信されている生成信号から内部で取得されたローカル信号を受信するステップ、及び第１チャネルにおけるローカル信号を追跡して推測された物体までのレンジの測定のベースラインを決定するステップを含むのが好ましい。
特定の実施形態では、本発明の方法は、第１チャネルの一連の遅延での複数のタップにおいて、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けて複数の相関値を決定するステップ、複数の相関値から最大相関値を識別するステップ、及びベースラインと最大相関値との離隔から、推測された物体までのレンジに関する尺度を決定するステップを含むのが好ましい。
他の実施形態では、本発明の方法は、第１チャネルにスレーブされた１又は２以上のチャネルの一連の遅延での複数のタップにおいて、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けて、複数の相関値を決定するステップと、複数の相関値から最大相関値を識別するステップと、ベースラインと最大相関値との離隔から、推測された物体までのレンジに関する尺度を決定するステップとを含む。
好ましくは、ローカル信号は、生成された信号が送信されている期間に累積され、操作された入力信号は、生成された信号が送信されていない期間に累積される。
本発明の第２の態様によれば、ユーザプラットフォームの環境を特徴付ける装置が提供され、上記装置は、
複数の空間的に分散されたアンテナ要素を有するアンテナアレイと、
信号を送信又は受信するための予め定められたシーケンスで上記アンテナ要素を起動するスイッチングネットワークと、
信号を生成し順次的に起動されるアンテナ要素を介して上記信号を送信するため上記アンテナアレイに動作可能に関連付けられる送信機と、
順次的に起動される上記アンテナ要素を介して入力信号を受信し、
上記予め定められたシーケンスと実質的に同期して受信入力信号に位相又はゲイン操作を加え、上記位相又はゲイン操作は、上記アンテナアレイに対するラウンドトリップ経路補正を組み入れ予め定められた方向で上記アンテナアレイのレシプロカルビームを形成するために選ばれ、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積して上記レシプロカルビームを形成し、
送信された信号の戻りの上記レシプロカルビームにおける検出に基づいて上記予め定められた方向における物体の存在を推測する、
ために上記アンテナアレイに動作可能に関連付けられる受信機と、
を含む。
複数の空間的に分散されたアンテナ要素を有するアンテナアレイと、
信号を送信又は受信するための予め定められたシーケンスで上記アンテナ要素を起動するスイッチングネットワークと、
信号を生成し順次的に起動されるアンテナ要素を介して上記信号を送信するため上記アンテナアレイに動作可能に関連付けられる送信機と、
順次的に起動される上記アンテナ要素を介して入力信号を受信し、
上記予め定められたシーケンスと実質的に同期して受信入力信号に位相又はゲイン操作を加え、上記位相又はゲイン操作は、上記アンテナアレイに対するラウンドトリップ経路補正を組み入れ予め定められた方向で上記アンテナアレイのレシプロカルビームを形成するために選ばれ、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積して上記レシプロカルビームを形成し、
送信された信号の戻りの上記レシプロカルビームにおける検出に基づいて上記予め定められた方向における物体の存在を推測する、
ために上記アンテナアレイに動作可能に関連付けられる受信機と、
を含む。
この受信機は、予め定められたシーケンスと実質的に同期して且つリターン信号の予想される受信期間と実質的に同期して入力信号に位相又はゲイン操作を加えるよう適応されるのが好ましい。特定の実施形態では、統合期間は、リターン信号の予想される受信期間とアンテナ要素の起動期間のオーバーラップによって決められるある数の部分統合期間に分割される。
この受信機は、送信された信号の戻りの検出のために、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けるための相関器を含むのが好ましい。
この受信機は、送信されている生成信号から内部で取得されたローカル信号を受信し、且つ第１チャネルにおけるローカル信号を追跡して推測された物体までのレンジの測定のベースラインを決定するよう適応されるのが好ましい。
特定の実施形態では、この受信機は、第１チャネルの一連の遅延での複数のタップにおいて、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付け複数の相関値を決定し、複数の相関値から最大相関値を識別し、ベースラインと最大相関値との離隔から、推測された物体までのレンジに関する尺度を決定するよう適応される。
他の実施形態では、この受信機は、第１チャネルにスレーブされた１又は２以上のチャネルの一連の遅延での複数のタップにおいて、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けて、複数の相関値を決定し、複数の相関値から最大相関値を識別し、ベースラインと最大相関値との離隔から、推測された物体までのレンジに関する尺度を決定するよう適応される。
この受信機は、生成された信号が送信されている期間にローカル信号を累積して、生成された信号が送信されていない期間に操作された入力信号を累積するように適応されるのが好ましい。
本発明の第３の態様によれば、アンテナアレイにてレシプロカルビームを形成する方法が提供され、上記方法は、
信号を生成するステップと、
上記アンテナアレイの空間的に分散されたアンテナ要素を介して上記信号を送信するステップであって、上記アンテナ要素は信号を送信又は受信するための予め定められたシーケンスで起動されるステップと、
順次的に起動されるアンテナ要素を介して受信された入力信号に対して、上記予め定められたシーケンスと実質的に同期して、上記アンテナアレイに対するラウンドトリップ経路補正を組み入れ且つ予め定められた方向の上記アンテナアレイのレシプロカルビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作を加えるステップと、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積して上記レシプロカルビームを形成するステップと、
を含む。
信号を生成するステップと、
上記アンテナアレイの空間的に分散されたアンテナ要素を介して上記信号を送信するステップであって、上記アンテナ要素は信号を送信又は受信するための予め定められたシーケンスで起動されるステップと、
順次的に起動されるアンテナ要素を介して受信された入力信号に対して、上記予め定められたシーケンスと実質的に同期して、上記アンテナアレイに対するラウンドトリップ経路補正を組み入れ且つ予め定められた方向の上記アンテナアレイのレシプロカルビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作を加えるステップと、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積して上記レシプロカルビームを形成するステップと、
を含む。
本発明の第４の実施形態によれば、アンテナアレイにてレシプロカルビームを形成する装置が提供され、上記装置は、
複数の空間的に分散されたアンテナ要素を有するアンテナアレイと、
信号を送信又は受信するための予め定められたシーケンスで上記アンテナ要素を起動するためのスイッチングネットワークと、
信号を生成し順次的に起動されるアンテナ要素を介して上記信号を送信するための上記アンテナアレイに動作可能に関連付けられる送信機と、
上記アンテナアレイに動作可能に関連付けられる受信機であって、
順次的に起動される上記アンテナ要素を介して入力信号を受信する段階と、
上記予め定められたシーケンスと実質的に同期して受信入力信号に位相又はゲイン操作を加える段階であって、上記位相又はゲイン操作は上記アンテナアレイに対するラウンドトリップ経路補正を組み入れ、予め定められた方向の上記アンテナアレイのレシプロカルビームを形成するために選ばれることを特徴とする段階と、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積して上記レシプロカルビームを形成する段階と、
を実行する受信機と、
を含む。
複数の空間的に分散されたアンテナ要素を有するアンテナアレイと、
信号を送信又は受信するための予め定められたシーケンスで上記アンテナ要素を起動するためのスイッチングネットワークと、
信号を生成し順次的に起動されるアンテナ要素を介して上記信号を送信するための上記アンテナアレイに動作可能に関連付けられる送信機と、
上記アンテナアレイに動作可能に関連付けられる受信機であって、
順次的に起動される上記アンテナ要素を介して入力信号を受信する段階と、
上記予め定められたシーケンスと実質的に同期して受信入力信号に位相又はゲイン操作を加える段階であって、上記位相又はゲイン操作は上記アンテナアレイに対するラウンドトリップ経路補正を組み入れ、予め定められた方向の上記アンテナアレイのレシプロカルビームを形成するために選ばれることを特徴とする段階と、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積して上記レシプロカルビームを形成する段階と、
を実行する受信機と、
を含む。
本発明の第５の実施形態によれば、物理的に別個の送信機から送信された信号を用いてユーザプラットフォームの環境を特徴付ける方法が提供され、本方法は、
信号を受信するための予め定められたシーケンスでアンテナアレイの空間的に分散されたアンテナ要素を選択的に起動するステップと、
上記予め定められたシーケンスと実質的に同期して、上記アンテナアレイから予め定められた方向のビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作の第１セットを受信された入力信号に加えるステップと、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積し上記ビームを形成するステップと、
上記物理的に別個の送信機からの反射信号の上記ビームにおける検出に基づいて上記予め定められた方向における物体の存在を推測するステップと、
を含む。
信号を受信するための予め定められたシーケンスでアンテナアレイの空間的に分散されたアンテナ要素を選択的に起動するステップと、
上記予め定められたシーケンスと実質的に同期して、上記アンテナアレイから予め定められた方向のビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作の第１セットを受信された入力信号に加えるステップと、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積し上記ビームを形成するステップと、
上記物理的に別個の送信機からの反射信号の上記ビームにおける検出に基づいて上記予め定められた方向における物体の存在を推測するステップと、
を含む。
反射信号の検出は、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けるステップを含むのが好ましい。
本方法は、予め定められたシーケンスと実質的に同期して、物理的に別個の送信機の方向の直接経路ビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作の第２セットを受信された入力信号に加えるステップと、操作された入力信号を統合期間にわたって累積して直接経路ビームを形成するステップと、第１チャネルにおいて直接経路ビームの方向から受信された直接経路信号を追跡し直接経路信号の到着の時間を決定するステップとを含む。
特定の実施形態では、本方法は、第２チャネルにおいて反射信号を追跡して反射信号の到着時間を決定するステップと、反射信号の到着時間と直接経路信号の到着時間を区別して推測された物体までのレンジに関する尺度を取得するステップとを含む。他の実施形態では、本方法は、第１チャネルにスレーブされた１又は２以上のチャネルの一連の遅延での複数のタップにおいて、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けて複数の相関値を決定するステップと、複数の相関値から最大相関値を識別して反射信号の到着時間を決定するステップと、反射信号の到着時間と直接経路信号の到着時間の離隔から、推測された物体までのレンジに関する尺度を決定するステップとを含む。
本発明の第６の態様によれば、物理的に別個の送信機から送信された信号を用いてユーザプラットフォームの環境を特徴付ける装置が提供され、この装置は、
複数の空間的に分散されたアンテナ要素を有するアンテナアレイと、
信号を受信するための予め定められたシーケンスで上記アンテナ要素を起動するスイッチングネットワークと、
順次的に起動されるアンテナ要素を介して入力信号を受信し、
上記予め定められたシーケンスと実質的に同期して、上記アンテナアレイからの予め定められた方向のビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作の第１セットを受信された入力信号に加え、
操作された受信信号を統合期間にわたって累積して上記ビームを形成し、
上記物理的に別個の送信機からの反射信号の上記ビームにおける検出に基づいて上記予め定められた方向における物体の存在を推測する、
ための受信機と、
を含む。
複数の空間的に分散されたアンテナ要素を有するアンテナアレイと、
信号を受信するための予め定められたシーケンスで上記アンテナ要素を起動するスイッチングネットワークと、
順次的に起動されるアンテナ要素を介して入力信号を受信し、
上記予め定められたシーケンスと実質的に同期して、上記アンテナアレイからの予め定められた方向のビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作の第１セットを受信された入力信号に加え、
操作された受信信号を統合期間にわたって累積して上記ビームを形成し、
上記物理的に別個の送信機からの反射信号の上記ビームにおける検出に基づいて上記予め定められた方向における物体の存在を推測する、
ための受信機と、
を含む。
この受信機は、反射信号の検出のために、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付ける相関器を含むのが好ましい。
この受信機は、予め定められたシーケンスと実質的に同期して、物理的に別個の送信機の方向の直接経路ビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作の第２セットを受信された入力信号に加え、操作された入力信号を統合期間にわたって累積して直接経路ビームを形成し、且つ第１チャネルにおいて直接経路ビームの方向から受信された直接経路信号を追跡して直接経路信号の到着時間を決定するよう適応されるのが好ましい。
特定の実施形態では、この受信機は、第２チャネルにおいて反射信号を追跡して反射信号の到着時間を決定し、反射信号の到着時間と直接経路信号の到着時間を区別して推測された物体までのレンジに関する尺度を取得するよう適応される。他の実施形態では、この受信機は、第１チャネルにスレーブされた１又は２以上のチャネルの一連の遅延での複数のタップにおいて、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けて、複数の相関値を決定し、複数の相関値から最大相関値を識別し反射信号の到着時間を決定し、且つ反射信号の到着時間と直接経路信号の到着時間の離隔から、推測された物体までのレンジに関する尺度を決定するよう適応される。
本発明の第７の態様によれば、物理的に別個のアンテナアレイの空間的に分散されたアンテナ要素から送信された信号を用いてユーザプラットフォームの環境を特徴付ける方法が提供され、上記アンテナ要素は、送信された信号が同期される予め定められたシーケンスで信号を送信するために起動され、本方法は、
受信機で、順次的に起動されるアンテナ要素から送信された信号の受信と実質的に同期して、上記物理的に別個のアンテナアレイからの予め定められた方向のビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作の第１セットを入力信号に加えるステップであって、上記予め定められたシーケンス及び上記送信された信号とのこの同期が上記受信機に既知であるステップと、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積して上記ビームを形成するステップと、
上記空間的に分散したアンテナ要素からの反射信号の上記ビームにおける検出に基づいて上記物理的に別個のアンテナアレイから上記予め定められた方向における物体の存在を推測するステップと、
を含む。
受信機で、順次的に起動されるアンテナ要素から送信された信号の受信と実質的に同期して、上記物理的に別個のアンテナアレイからの予め定められた方向のビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作の第１セットを入力信号に加えるステップであって、上記予め定められたシーケンス及び上記送信された信号とのこの同期が上記受信機に既知であるステップと、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積して上記ビームを形成するステップと、
上記空間的に分散したアンテナ要素からの反射信号の上記ビームにおける検出に基づいて上記物理的に別個のアンテナアレイから上記予め定められた方向における物体の存在を推測するステップと、
を含む。
反射信号の検出は、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けるステップを含むのが好ましい。
本方法は、受信機で、順次的に起動されるアンテナ要素から送信された信号の受信と実質的に同期して、アンテナアレイから受信機に向かう直接経路ビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作の第２セットを入力信号に加えるステップと、操作された入力信号を統合期間にわたって累積し直接経路ビームを形成するステップと、受信機の第１チャネルにおいて直接経路ビームの方向から受信された直接経路信号を追跡して直接経路信号の到着時間を決定するステップとを含む。
特定の実施形態では、本方法は、受信機の第２チャネルにおいて反射信号を追跡して反射信号の到着時間を決定するステップと、反射信号の到着時間と直接経路信号の到着時間を区別して推測された物体までのレンジに関する尺度を取得するステップとを含む。他の実施形態では、本方法は、第１チャネルにスレーブされた１又は２以上のチャネルの一連の遅延での複数のタップにおいて、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けて複数の相関値を決定するステップと、複数の相関値から最大相関値を識別して反射信号の到着時間を決定するステップと、反射信号の到着時間と直接経路信号の到着時間の離隔から、推測された物体までのレンジに関する尺度を決定するステップとを含む。
本発明の第８の態様によれば、物理的に別個のアンテナアレイの空間的に分散されたアンテナ要素から送信された信号を用いてユーザプラットフォームの環境を特徴付ける装置が提供され、上記アンテナ要素は、送信された信号が同期される予め定められたシーケンスで信号を送信するために起動され、上記装置は、
順次的に起動されるアンテナ要素から送信された信号の受信と実質的に同期して、上記物理的に別個のアンテナアレイから予め定められた方向のビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作の第１セットを入力信号に加える段階であって、上記予め定められたシーケンス及び上記送信された信号との同期が上記受信機に既知であることを特徴とする段階と、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積して上記ビームを形成する段階と、
上記空間的に分散されたアンテナ要素からの反射信号の上記ビームにおける検出に基づいて上記物理的に別個のアンテナアレイから上記予め定められた方向における物体の存在を推測する段階と、
を実行する受信機を含む。
順次的に起動されるアンテナ要素から送信された信号の受信と実質的に同期して、上記物理的に別個のアンテナアレイから予め定められた方向のビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作の第１セットを入力信号に加える段階であって、上記予め定められたシーケンス及び上記送信された信号との同期が上記受信機に既知であることを特徴とする段階と、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積して上記ビームを形成する段階と、
上記空間的に分散されたアンテナ要素からの反射信号の上記ビームにおける検出に基づいて上記物理的に別個のアンテナアレイから上記予め定められた方向における物体の存在を推測する段階と、
を実行する受信機を含む。
この受信機は、反射信号の検出のために、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付ける相関器を含むのが好ましい。
この受信機は、順次起動されたアンテナ要素から送信された信号の受信と実質的に同期して、アンテナアレイから受信機に向かう直接経路ビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作の第２セットを入力信号に加えて、操作された入力信号を統合期間にわたって累積して直接経路ビームを形成し、第１チャネルにおいて上記直接経路ビームの方向から受信された直接経路信号を追跡し直接経路信号の到着時間を決定するよう適応されるのが好ましい。
特定の実施形態では、この受信機は、第２チャネルにおいて反射信号を追跡して反射信号の到着時間を決定し、反射信号の到着時間と直接経路信号の到着時間を区別して推測された物体までのレンジに関する尺度を取得するよう適応される。他の実施形態では、この受信機は、第１チャネルにスレーブされた１又は２以上のチャネルの一連の遅延での複数のタップにおいて、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けて、複数の相関値を決定し、複数の相関値から最大相関値を識別し反射信号の到着時間を決定し、且つ反射信号の到着時間と直接経路信号の到着時間の離隔から、推測された物体までのレンジに関する尺度を決定するよう適応される。
本発明の第９の態様によれば、物理的に別個の送信アンテナアレイの空間的に分散された送信アンテナ要素から送信された信号を用いてユーザプラットフォームの環境を特徴付ける方法が提供され、上記送信アンテナ要素は、信号を送信するために、送信された信号が同期される第２の予め定められたシーケンスで起動され、上記方法は、
信号を受信するための第１の予め定められたシーケンスで受信アンテナアレイの空間的に分散された受信アンテナ要素を選択的に起動するステップと、
上記物理的に別個の送信アンテナアレイから予め定められた送信方向に且つ上記受信アンテナアレイから予め定められた受信方向に向かう複合ビームを形成するために選択された送信及び受信成分を有する位相又はゲイン操作の第１セットを受信機にて入力信号に加えるステップであって、上記送信成分は、順次的に起動される送信アンテナ要素から送信された信号の受信と実質的に同期して加えられ、上記受信成分は、上記第１の予め定められたシーケンスと実質的に同期して加えられ、上記第２の予め定められたシーケンス及び上記送信された信号との同期が上記受信機に既知であるステップと、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積して複合ビームを形成するステップと、
上記空間的に分散された送信アンテナ要素から送信された反射信号の上記複合ビームでの検出に基づいて上記予め定められた受信方向における物体の存在を推測するステップと、
を含む。
信号を受信するための第１の予め定められたシーケンスで受信アンテナアレイの空間的に分散された受信アンテナ要素を選択的に起動するステップと、
上記物理的に別個の送信アンテナアレイから予め定められた送信方向に且つ上記受信アンテナアレイから予め定められた受信方向に向かう複合ビームを形成するために選択された送信及び受信成分を有する位相又はゲイン操作の第１セットを受信機にて入力信号に加えるステップであって、上記送信成分は、順次的に起動される送信アンテナ要素から送信された信号の受信と実質的に同期して加えられ、上記受信成分は、上記第１の予め定められたシーケンスと実質的に同期して加えられ、上記第２の予め定められたシーケンス及び上記送信された信号との同期が上記受信機に既知であるステップと、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積して複合ビームを形成するステップと、
上記空間的に分散された送信アンテナ要素から送信された反射信号の上記複合ビームでの検出に基づいて上記予め定められた受信方向における物体の存在を推測するステップと、
を含む。
反射信号の検出は、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けるステップを含むのが好ましい。
本方法は、送信アンテナアレイと受信アンテナアレイとの間の直接経路複合ビームを形成するために選択された送信及び受信成分を有する位相又はゲイン操作の第２セットを受信機にて入力信号に加えるステップであって、上記送信成分が順次的に起動される送信アンテナ要素から送信された信号の受信と実質的に同期して加えられ且つ受信成分が第１の予め定められたシーケンスと実質的に同期して加えられるステップと、操作された入力信号を統合期間にわたって累積して直接経路複合ビームを形成するステップと、受信機の第１チャネルにおいて、直接経路複合ビームの方向から受信された直接経路信号を追跡して直接経路信号の到着時間を決定するステップとを含むのが好ましい。
特定の実施形態では、本方法は、受信機の第２チャネルにおいて反射信号を追跡して反射信号の到着時間を決定するステップと、反射信号の到着時間と直接経路信号の到着時間を区別して推測された物体までのレンジに関する尺度を取得するステップとを含む。代替策の実施形態では、本方法は、第１チャネルにスレーブされた１又は２以上のチャネルの一連の遅延での複数のタップにおいて、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けて複数の相関値を決定するステップと、複数の相関値から最大相関値を識別して反射信号の到着時間を決定するステップと、反射信号の到着時間と直接経路信号の到着時間の離隔から、推測された物体までのレンジに関する尺度を決定するステップとを含む。
本発明の第１０の態様によれば、物理的に別個の送信アンテナアレイの空間的に分散された送信アンテナ要素から送信された信号を用いてユーザプラットフォームの環境を特徴付ける装置が提供され、上記送信アンテナ要素は、送信された信号が同期される第２の予め定められたシーケンスで信号を送信するために起動され、上記装置は、
複数の空間的に分散された受信アンテナ要素を有する受信アンテナアレイと、
信号を受信する第１の予め定められたシーケンスで上記受信アンテナ要素を起動するためのスイッチングネットワークと、
順次的に起動される受信アンテナ要素を介して入力信号を受信し、
上記物理的に別個の送信アンテナアレイから予め定められた送信方向に及び上記受信アンテナアレイから予め定められた受信方向に向ける複合ビームを形成するために選択された送信及び受信成分を有する位相又はゲイン操作の第１セットを受信された入力信号に加えて、上記送信成分は、順次的に起動される送信アンテナ要素から送信された信号の受信と実質的に同期して加えられ、上記受信成分は、上記第１の予め定められたシーケンスと実質的に同期して加えられ、上記第２の予め定められたシーケンス及び上記送信された信号とのこの同期が上記受信機に既知であり、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積して上記複合ビームを形成し、
上記空間的に分散された送信アンテナ要素からの反射信号の上記複合ビームにおける検出に基づいて上記予め定められた受信方向における物体の存在を推測する、
ための受信機と、
を含む。
複数の空間的に分散された受信アンテナ要素を有する受信アンテナアレイと、
信号を受信する第１の予め定められたシーケンスで上記受信アンテナ要素を起動するためのスイッチングネットワークと、
順次的に起動される受信アンテナ要素を介して入力信号を受信し、
上記物理的に別個の送信アンテナアレイから予め定められた送信方向に及び上記受信アンテナアレイから予め定められた受信方向に向ける複合ビームを形成するために選択された送信及び受信成分を有する位相又はゲイン操作の第１セットを受信された入力信号に加えて、上記送信成分は、順次的に起動される送信アンテナ要素から送信された信号の受信と実質的に同期して加えられ、上記受信成分は、上記第１の予め定められたシーケンスと実質的に同期して加えられ、上記第２の予め定められたシーケンス及び上記送信された信号とのこの同期が上記受信機に既知であり、
操作された入力信号を統合期間にわたって累積して上記複合ビームを形成し、
上記空間的に分散された送信アンテナ要素からの反射信号の上記複合ビームにおける検出に基づいて上記予め定められた受信方向における物体の存在を推測する、
ための受信機と、
を含む。
この受信機は、反射信号の検出のために、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付ける相関器を含むのが好ましい。
好ましい実施形態では、この受信機は、送信アンテナアレイと受信アンテナアレイとの間の直接経路複合ビームを形成するために選択された送信及び受信成分を有する位相又はゲイン操作の第２セットを受信機にて入力信号に加え、送信成分が、順次的に起動される送信アンテナ要素から送信された信号の受信と実質的に同期して加えられ、受信成分が、第１の予め定められたシーケンスと実質的に同期して加えられ、操作された入力信号を統合期間にわたって累積して直接経路複合ビームを形成し、受信機の第１チャネルにおいて直接経路複合ビームの方向から受信された直接経路信号を追跡して直接経路信号の到着時間を決定する、よう適応される。
特定の実施形態では、この受信機は、受信機の第２チャネルにおいて反射信号を追跡して反射信号の到着時間を決定し、且つ反射信号の到着時間と直接経路信号の到着時間を区別して推測された物体までのレンジに関する尺度を取得するよう適応される。代替策の実施形態では、この受信機は、第１チャネルにスレーブされた１又は２以上のチャネルの一連の遅延での複数のタップにおいて、送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付け複数の相関値を決定し、複数の相関値から最大相関値を識別し反射信号の到着時間を決定し、且つ反射信号の到着時間と直接経路信号の到着時間の離隔から推測された物体までのレンジに関する尺度を決定するよう適応される。
以下では、添付図面を参照しながら、本開示の好ましい実施形態を説明する。
レシプロカルビーム形成の実施形態
本発明の特定の態様は、自律車両などのユーザプラットフォームの環境を特徴付ける装置及び方法に関する。図１は、複数の空間的に分散されたアンテナ要素１０４を有するアンテナアレイ１０２、プロセッサ１０６、送信機１０８及び受信機１１０を含む装置１００を概略図で示している。プロセッサ１０６は、スイッチングネットワーク１１８及び送信線１１４を介して、予め定められたシーケンス（順序）の第１と第２の状態の間でアンテナ要素１０４を切り替えるよう構成され、第１状態では、アンテナ要素が信号を送信又は受信するよう構成され、第２状態では、アンテナ要素が信号を送信又は受信しないよう構成される。換言するとプロセッサ１０６は、信号を送信又は受信するための予め定められたシーケンスでアンテナ要素１０４を起動するよう構成される。図１に示した実施形態では、アンテナアレイ１０２が平面に並べられた９つのミクロストリップパッチアンテナ要素１０４を有し、９つの単極スイッチ１１２を含むスイッチングネットワーク１１８によって起動及び停止される。例えば、アンテナ要素の異なる種類、数又は配列、又は異なるスイッチングネットワークを有する多くの他の構成も可能である。例えば、９つのアンテナ要素１０４の図示したアレイのスイッチングネットワークは、単一の１ｘ９スイッチ又は１ｘ３スイッチのツリー構造を含むことができる。何れの所与の時間にも１つのアンテナ要素がアクティブであるのが好ましいが、特定の実施形態では２又は３以上のアンテナ要素を同時にアクティブにすることができる。プロセッサ１０６は、予め定められたシーケンスから１又は２以上のアンテナ要素１０４を除くことができ、アンテナ要素起動期間を等しい持続時間にする必要はない。アレイ１０２の要素１０４が予め定められたシーケンスに従って順に起動されるので、寄生性の又は他の要素からの相互結合がない場合、この固有のゲインパターンに従ってＲＦエネルギーを送信又は受信する。好ましい実施形態では、アンテナ要素１０４は、非アクティブである時にアクティブアンテナ要素に実質的に非共振であるか又は実質的に非共振にできるように構成される。
本発明の特定の態様は、自律車両などのユーザプラットフォームの環境を特徴付ける装置及び方法に関する。図１は、複数の空間的に分散されたアンテナ要素１０４を有するアンテナアレイ１０２、プロセッサ１０６、送信機１０８及び受信機１１０を含む装置１００を概略図で示している。プロセッサ１０６は、スイッチングネットワーク１１８及び送信線１１４を介して、予め定められたシーケンス（順序）の第１と第２の状態の間でアンテナ要素１０４を切り替えるよう構成され、第１状態では、アンテナ要素が信号を送信又は受信するよう構成され、第２状態では、アンテナ要素が信号を送信又は受信しないよう構成される。換言するとプロセッサ１０６は、信号を送信又は受信するための予め定められたシーケンスでアンテナ要素１０４を起動するよう構成される。図１に示した実施形態では、アンテナアレイ１０２が平面に並べられた９つのミクロストリップパッチアンテナ要素１０４を有し、９つの単極スイッチ１１２を含むスイッチングネットワーク１１８によって起動及び停止される。例えば、アンテナ要素の異なる種類、数又は配列、又は異なるスイッチングネットワークを有する多くの他の構成も可能である。例えば、９つのアンテナ要素１０４の図示したアレイのスイッチングネットワークは、単一の１ｘ９スイッチ又は１ｘ３スイッチのツリー構造を含むことができる。何れの所与の時間にも１つのアンテナ要素がアクティブであるのが好ましいが、特定の実施形態では２又は３以上のアンテナ要素を同時にアクティブにすることができる。プロセッサ１０６は、予め定められたシーケンスから１又は２以上のアンテナ要素１０４を除くことができ、アンテナ要素起動期間を等しい持続時間にする必要はない。アレイ１０２の要素１０４が予め定められたシーケンスに従って順に起動されるので、寄生性の又は他の要素からの相互結合がない場合、この固有のゲインパターンに従ってＲＦエネルギーを送信又は受信する。好ましい実施形態では、アンテナ要素１０４は、非アクティブである時にアクティブアンテナ要素に実質的に非共振であるか又は実質的に非共振にできるように構成される。
送信機１０８は、アンテナアレイ１０２及びプロセッサ１０６に動作可能に関連付けられる。好ましい実施形態では、ＲＦキャリア生成器及びＰＲＮコード生成器を含むＲＦ増幅器／変調器１１６を含み、順次的に起動されるアンテナ要素１０４を介した送信のためのＰＲＮ符号化信号を生成するよう構成される。受信機１１０は同様に、アンテナアレイ１０２及びプロセッサ１０６に動作可能に関連付けられ、順次的に起動される要素１０４を介して、装置１００の環境の１又は２以上の物体１２８からの送信された信号の反射によって形成されたリターン信号を受信するよう構成される。受信した信号は、一般には、受信機１１０の１又は２以上のチャネル１２４で処理されるＲＦフロントエンド１２２の中間周波数（ＩＦ）にダウンコンバートされる。各チャネルは、拡散スペクトラム信号処理の技術分野で公知であるように、送信された信号を符号化するために用いられたＰＲＮコードの内部で生成されたレプリカと受信信号を相関付ける１又は２以上の相関器１３２を有する。
装置１００は、送信機１０８からのＲＦエネルギーを送信のためのアンテナアレイ１０２に向ける、又はアンテナアレイ１０２を介して受信された信号を受信機１１０に向けることによって送信又は受信モードでの作動を可能にする接合部１２０を含む。特定の実施形態では、接合部１２０は、ＲＦサーキュレータ又は１８０度ハイブリッドカプラなどのパッシブ構成要素を含み、装置１００が信号を同時に送信及び受信するのを可能にする。他の実施形態では、接合部１２０は、送信と受信モードの間で装置をトグル切り替えするＲＦスイッチなどのアクティブ構成要素を備える。接合部１２０の形態が何であれ、ポートの絶縁が一般には、送信機１０８から受信機１１０に漏れる「漏れ」又は「フィードスルー」信号として一般に知られる信号１３４を不完全に生じることになる。インピーダンスミスマッチが、スイッチ１１２又はアンテナ要素１０４から後方反射され受信機に到達する送信機によって生成されたＲＦエネルギーの追加のフラクションを結果として生じる可能性がある。
漏れ信号は、例えば米国特許第３,０２１,５２１号（Ｈｕｔｃｈｉｎｓ）及び第６,８０１,１５３号に開示された当該技術で公知であるこのような信号を取り消すためのレーダーシステム及び幾つかの方法では一般に有害であると見なされる。基本的には、「自己干渉」という同じ問題は、全二重無線の分野で対処され、例えば、Ｂｈａｒａｄｉａ他「全二重無線」、Ｐｒｏｃ ＳＩＧＣＯＭＭ’１３、２０１３年８月１２日―１６日、香港、３７５－３８６ページを参照されたい。しかしながら、本発明では、漏れ信号が、追跡ループで有利に追跡され、環境における物体１２８からの反射を介して取得される送信された信号の戻りに対して区別するためのベースライン擬似距離尺度を提供する。これらの漏れ信号は、以下では「ローカル」信号と呼ぶことにする。
環境を特徴付けるために、装置１００は、１又は２以上の方向のアンテナアレイ１０２のゲインを拡張する、すなわちＲＦエネルギーの送信又は受信のための１又は２以上のビーム１２６を形成し、物体１２８からの送信された信号の反射を探す。好ましい実施形態では、ビームを形成するために受信機１１０が、以下に説明するような適切なタイミングによって、順次的に起動されるアンテナ要素１０４を介して受信された入力信号に位相又はゲイン操作の適切なセットをチャネル１２４で加えるよう構成される。操作された信号セグメントは、累積器として公知の１又は２以上のレジスタに統合期間にわたってチャネル１２４に累積され所望のビーム１２６を形成する。一般に、統合期間は、例えば１０μｓの持続時間とすることができる予め定められたシーケンスの１又は２以上の完全なサイクルに対応する。注目すべきは、複数のチャネル１２４の受信された信号セグメントを操作及び累積することによって複数のビーム１２６を同時に形成できることである。
米国特許第８,９３４,８４４号（Ｓｍａｌｌ）に説明されるように、この内容は全体が本明細書に組み入れられ、受信された信号セグメントの位相又はゲインを修正された拡散スペクトラム相関関係処理で便利に操作することができる。要求される位相又はゲイン操作が、基準信号、好ましくはキャリア基準信号に加えられ、１又は２以上の受信チャネル１２４の１又は２以上の相関器１３２で生成され、信号セグメントが通常の相関関係処理の一部として基準信号にミックスされた時に受信信号セグメントに転送される。重要な点は、相関関係処理の固有のコヒーレンスが、操作された信号セグメントを統合期間にわたってコヒーレントに累積してビームを形成できるようにすることである。
一般に、所与のアンテナアレイによってビームを形成できる方向のレンジは、アレイの要素の種類及び配列に依存する。例えばアンテナ要素の平面アレイ１０４を有する図１に示したアンテナアレイ１０２は、要素の平面の上に半球容積のビームを形成することができる。好ましい実施形態では、アンテナアレイ１０２は、自律車両にとって主な関心の全３６０°水平平面に特定の注意を払うことによって３次元スペースのほぼ何れの方向にもビームを形成することができる。これは、例えば球面表面上に並べられたアンテナ要素のアレイによって達成することができる。１つの特定の実施形態では、アンテナアレイ１０２が、球面表面上に並べられた８０のアンテナ要素１０４を含み、各要素が１０μｓの予め定められたシーケンスで１．２５μｓ期間に一度起動される。別の実施形態では、アレイが球面表面上に並べられた６０の要素を含み、各要素が１００μｓの予め定められたシーケンスで１．６７μｓ期間に一度起動される。
ビーム１２６及びこの形成処理は、米国８,９３４,８４４号に記述されるものとは区別され、これによって受信機は、ローカルアンテナアレイを介して受信された外部送信機からの信号を操作してゲインパターンに影響を与える。ビーム１２６及びこの形成処理は、米国特許９，６４０，８６５号（Ｓｍａｌｌ）に記述される「複合ビーム」から区別され、この内容は全体が本明細書に組み入れられ、これによって受信機は、受信された信号セグメントを操作して、リモートの物理的に別個の「送信」アンテナアレイで並びにこのローカル「受信」アンテナアレイでゲインパターンに影響を与える。本発明の区別特徴は、ローカル環境をマッピング又は特徴付けるために、単一のアンテナアレイ１０２を用いてＲＦ信号を送信及び受信し、続いてラウンドトリップ経路補正を組み入れた位相又はゲイン操作を受信された入力信号に加えて近傍の物体１２８の検出のための１又は２以上のビーム１２６を形成する装置１００の能力である。これは、位置付けネットワークの近傍にある必要なく、装置１００の完全に自律した作動のモードを可能にする追加の利点を有する。「レシプロカルビーム」という用語は、以下では本発明のこの実施形態で生成されるビーム１２６を指し、アンテナアレイを介してＲＦエネルギーの送信又は受信のために純粋に形成されるビームとは区別するために用いられる。
図２に概略図で示す単純な実施形態では、ユーザプラットフォーム２０１によって運ばれるか又は組み込まれる装置２００は、複数の個々に切り替え可能なアンテナ要素２０４を備えた球面アレイの形態でのマルチ要素アンテナアレイ２０２の単一のレシプロカルビーム２２６を形成するよう構成される。このレシプロカルビームは、統合期間内の順次的に起動される要素２０４を介して受信された信号セグメントに加えられる位相又はゲイン操作を意図的に変えることによって要求されるモニタリングゾーン２３６からスイープすることができる。物体２２８の存在は、送信された信号を符号化するために用いられたＰＲＮコードのレプリカに対して受信された入力信号を相関付けることによって他の入力信号から区別される送信された信号の戻りを検出することによって推測することができる。例えば、所与のビーム方向における物体の存在は、無視できない相関関係パワーの出現から推測することができる。推測された物体までのレンジ２３８に関する尺度は、以下に説明するように累積信号の更なる処理によって取得することができる。一般には、光の速度で乗算し２で除算することによってレンジに変換することができるラウンドトリップ伝播遅延が測定される。
好ましい実施形態では、本発明の装置は、複数のレシプロカルビームを同時に形成するよう構成される。図３に示した実施形態では、ユーザプラットフォーム３０１によって運ばれるか又はこれに組み込まれる装置３００は、複数の個々に切り替え可能なアンテナ要素３０４を有する球面アンテナアレイ３０２の３つのレシプロカルビーム３２６Ａ、３２６Ｂ及び３２６Ｃを形成するのに十分なチャネルを備えるよう構成される。各レシプロカルビームは例えば、物体３２８を検出するための要求されるモニタリングゾーン３３６の適当なセクタからスイープすることができる。ビームの大きな数によって、所与のモニタリングゾーン３３６を迅速に走査することができ、特定の実施形態では、十分な受信チャネル及び処理能力の利用可能度に応じて、数十、数百又は数千のレシプロカルビームを同時に形成するよう装置３００を構成することができる。特に好ましい実施形態では、形成されたビームの数は、ビームスイープなしに要求されるモニタリングゾーン３３６の完全なカバレージを提供するのに十分である。例えば装置に多くの要素を有する大きなアンテナアレイを備えることによって緊密なビームを用いると、一般に角度解像度が改善する。この改善された解像度は、多くの受信チャネル及び関連付けられるプロセッサパワーを必要とするモニタリングゾーンの完全な瞬間的カバレージに多くのビームを必要とすることを犠牲にして成り立つ。
「レシプロカルビーム」の概念を説明するために、図４は、ＲＦ信号を送信及び受信するよう構成された球面アンテナアレイ４０２の３つの選択されたアンテナ要素４０４Ａ、４０４Ｂ及び４０４Ｃを示す。この特定の例では、関心の方向４４２の要素４０４Ａと４０４Ｂとの間の距離４４０は、λが信号波長である場合にλ／８に等しくなる。「送信」又は「受信」ビームが単独でこの方向４４２に形成される場合、要素４０４Ａを介して送信又は受信される信号に対して要素４０４Ｂを介して送信又は受信される信号にλ／８の位相遅延を加えることで十分である。しかしながら、受信された信号セグメントが送信及び受信両方の選択された方向４４２でゲインを拡張するよう操作されるので、λ／４の相対的位相遅延（すなわち、λ／８＋λ／８）を要素４０４Ｂを介して受信された信号に加える必要がある。理解し易いように、結果生じた指向性ゲイン拡張を、受信ビームに組み合わされた送信ビームとして考えることができるが、これは、ラウンドトリップ経路補正が位相又はゲイン操作の単一のセットで加えられるレシプロカルビームの真の性質を誤って伝えることを強調すべきである。
レシプロカルビームを正しく形成するために、アンテナ要素が起動される予め定められたシーケンスと実質的に同期して位相又はゲイン操作を受信信号セグメントに加える必要がある。位相又はゲイン操作は、物体までの予想レンジの検討を要求するリターン信号の予想される受信期間と実質的に同期して加えられるのが好ましい。図４に関して説明すると、アンテナ要素４０４Ａ、４０４Ｂなどがシーケンスで起動されるので、所与のアンテナ要素から送信され物体から反射される信号セグメントは、異なるアンテナ要素を介して少なくとも一部受信される。この結果、信号が送信され且つ受信されるアンテナ要素のペアリング、及び従って受信信号セグメントに加えるべき位相又はゲイン操作の値及びタイミングは、検出される物体までのレンジに依存する。例えばアンテナ要素４０４Ａ、４０４Ｂ、４０４Ｃなどが各々、１．２５μｓのシーケンスで起動される場合、要素４０４Ａから送信され１８８ｍ以内離れた物体１８８から反射信号は、ラウンドトリップ距離がレンジの２倍であることを思い出し、要素４０４Ａで一部及び要素４０４Ｂで一部受信される。同様に、１８８ｍと３７５ｍとの間の距離離れた物体から反射した場合、信号は要素４０４Ｂ及び４０４Ｃで受信される。
予め定められたシーケンスのアンテナ要素起動期間が、関心のレンジ、例えば、～２００ｎｓの予想遅延と比べて２０μｓ起動期間、すなわち約３０ｍのレンジである予想ラウンドトリップ伝播遅延に比べて長い場合、この影響は、安全に無視することができる。リターン信号は、そこから送信されるアンテナ要素を介して大部分は受信され、位相又はゲイン操作を計算してアンテナ要素起動シーケンスだけを考慮して加えることができる。受信機は、要素起動期間及び関心のレンジの知識に基づいて予想されるリターン信号受信時間を考慮するかどうか決めることができる。
予め定められたアンテナ要素起動シーケンス及びリターン信号の予想されるレンジに関する遅延とは別に、適切な位相又はゲイン操作を決定するのに必要な他の因子は、アンテナアレイゲインを拡張する方向、すなわち、要求されるビーム方向、アンテナアレイ４０２の種類及び方位及びアレイにおける各要素４０４Ａ、４０４Ｂなどの位置を含む。特定の実施形態では、所与の方向のレシプロカルビームを形成するための要求される位相又はゲイン操作はリアルタイムでプロセッサ１０６によって決定され、他の実施形態ではプロセッサがデータベース１３０から要求される位相又はゲイン操作を取り出す。位相又はゲイン操作は、「位相又はゲイン係数」、「アンテナ係数」又は「レシプロカルビーム係数」と呼ぶこともできる。
好ましい実施形態では、アレイ１０２のアンテナ要素１０４から送信された信号の位相又はゲインは、１つに設定され、すなわち位相又はゲイン操作が送信機に加えられることはない。代わりに、レシプロカルビームを形成するのに必要な位相又はゲイン操作の全てが、受信されたリターン信号に加えられる。完全にするために、発明者らは、送信機１０８で、予め定められたアンテナ要素起動シーケンスと実質的に同期して、送信された信号セグメントに適切なレシプロカル位相又はゲイン操作を加えて、受信後にこれらのセグメントを累積して受信機１１０での通常の相関器処理によって、レシプロカルビームを一定の方向で形成できることに注目する。しかしながら、この方式でレシプロカルビームを形成する装置１００は、望ましくない制限である、１つの時間に１つしかこのようなビームを形成できないことに制約される。受信機１１０は、適切な位相又はゲイン操作を、予め定められたシーケンスと実質的に同期して加えることができ、送信機１０８によって加えられた操作を「アンウィンド」し１又は２以上の方向で同時にレシプロカルビームを形成できる。いずれにせよ、一般には、送信された信号よりも受信された信号に位相又はゲイン操作を加えることが容易であり、装置１００の設計は、位相又はゲイン操作が受信信号のみに加えられる時に大幅に単純化される。要するに、送信機で位相又はゲイン操作を加えることではレシプロカルビームを形成する場合に通常は利点がない。
前述のように、受信機１１０は、一般には、接合部１２０で生成された信号の漏れ１３４によって内部で取得された「ローカル」信号、又はスイッチ１１２又はアンテナ要素１０４からの後方反射、又はこれらのある組み合わせを受信する。好ましい実施形態では、装置１００は、受信機チャネル１２４に組み入れられた追跡ループのローカル信号を追跡し、これを１又は２以上の物体１２８からのリターン信号に対して区別するためのベースライン擬似距離測定として用いる。図５は、拡散スペクトラム装置の受信チャネルの相関器の出力の概略図を示し、ローカル信号に関連付けられる相関関係ピーク５４４及び環境における物体から反射されたリターン信号に関連付けられる相関関係ピーク５４６を図示しており、各相関関係ピークは、拡散スペクトラム信号処理の技術で公知の通り、関連のＰＲＮコードの２つのチップの持続時間に等しい幅５４８を有する。物体までのレンジに関する尺度を「戻り」信号と「ローカル信号」の相関関係ピーク５４６、５４４の間の離隔５５０から取得することができる。拡散スペクトラム技術が弱い信号を直ちに追跡できることが公知であるので、ローカル信号の追跡、すなわちローカル信号における位相同期ループ又は遅延同期ループなどの追跡ループ形成は、ローカル信号がほぼ取り消されていても一般には可能である。例えば移動中の自律車両の近くの物体から予想される複数の急速に変化する反射は、一般には追跡するのが難しいが、理解されるように一般にはこのような信号を追跡する必要はなく、好ましい実施形態ではこれが試みられることはない。他方のローカル信号は、基本的には一定になり従って追跡するのが比較的容易である。レンジ測定のための確かな「ベースライン」を提供するだけでなく、周囲の物体からの反射に関連付けられる測定とローカル信号の間の区別化手順が、この装置におけるいわゆる「共通モード」エラーの多くのソースを無くすことになる。例えば、戻りとローカル信号の両方が伝播する構成要素における熱又は電圧変動によって起こるドリフトから生じるエラーを無くし、これによってラウンドトリップ伝播遅延を測定する従来の方法と比較して改善されたレンジ推定値を提供する。
連続波の実施形態
図１を参照すると、一定の実施形態において接合部１２０は、装置１００が同時に信号を送信及び受信するのを可能にするＲＦサーキュレータなどのパッシブ構成要素を含む。ローカル信号は受信機チャネル１２４で追跡され、リターン信号は、同じチャネルで又はローカル信号チャネルから「スレーブ」オフされている１又は２以上の他のチャネルの何れかで処理することができる。
図１を参照すると、一定の実施形態において接合部１２０は、装置１００が同時に信号を送信及び受信するのを可能にするＲＦサーキュレータなどのパッシブ構成要素を含む。ローカル信号は受信機チャネル１２４で追跡され、リターン信号は、同じチャネルで又はローカル信号チャネルから「スレーブ」オフされている１又は２以上の他のチャネルの何れかで処理することができる。
特定の実施形態では、ローカル信号追跡チャネルに幾つかの追加のタップを提供することによってローカル及びリターン信号が同じチャネルで処理される。各追加のタップは、受信された信号がチャネルの共通キャリア数値的制御発振器（ＮＣＯ）からのキャリア基準信号にミックスされ、且つチャネルの共通コードＮＣＯから同期されたＰＲＮコードレプリカの遅延コピーにミックスされる１又は２以上の相関器を有する。図６は、送信された信号に加えられるＰＲＮコードの１つのチップに対応する間隔６５４にマーク付けされた時間／距離線６５２上のこのチャネルからの相関器出力を示す概略図である。例えばＰＲＮコードが１００ｎｓチップ期間を有する場合、マーク付けされた間隔６５４は、３０ｍのラウンドトリップ距離に対応する。時間／距離線６５２は、ローカル信号の追跡から取得されるハーフチップスペーシングにおける早期、プロンプト及び後期相関値６５６、６５８及び６６０を示す。レンジ決定に対してベースライン測定又は「ゼロ」ポイント６２２として見なすことができるプロンプト相関値６５８に中心を置かれる「ローカル信号」相関関係ピーク６４４の２つのチップ幅を追跡することができる。順次的に起動されるアンテナ要素を介して受信された信号は、キャリア基準信号にミックスされ、追加のタップ６４４の数でＰＲＮコードレプリカの増分的に遅延されたコピーが、この実施例ではハーフチップスペーシングで提供される。上述のように、位相又はゲイン操作が、受信信号セグメントに加えられ、要求される方向のレシプロカルビームを形成する。受信信号が送信された信号の戻りであり、加えられたＰＲＮコードレプリカのコピーが信号の実際の到着時間に時間的に十分近い、一般に１チップ以内である場合、無視できない相関値が生じる。図示した例では、無視できない相関値６６６が４つのタップのグループ６６８に対して検出され、補間が、「ゼロ」ポイント６６２から約４．３コードチップ離れた位置６７０の最大相関値を有する相関関係ピーク６４６を結果として生じる。１００ｎｓチップを有するこの離隔６５０は、１２９ｍのラウンドトリップ距離に等価である４３０ｎｓのランドトリップ遅延に対応する。従って本発明の装置は、現在形成されているレシプロカルビームに対応する方向の６４．ｍ離れた物体の存在を推測する。受信信号の類似の処理を、１又は２以上の他のチャネルで並行して起こすことができ、これらの方向における物体の検出のために他の方向でレシプロカルビームを形成するための異なる位相又はゲイン操作を加えることができる。同じ見る方向の異なるレンジの複数の物体からの反射を一般には検出することができるが、これはダイナミックレンジ及びレンジ解像度の制限に影響される。レンジ解像度は、一般には帯域幅によって、又は換言すると信号に課されるＰＲＮコードのチッピングレート又はチップ持続時間によって決定される。例えば１００ｎｓ又は２０ｎｓチップ持続時間を有するＰＲＮコードは、それぞれ～１５ｍ又は～３ｍのレンジ解像度を提供する。
要求されるタップ６４４の数は、関心の最大レンジに従って選ぶことができる。例えば、１００ｎｓチップを有するハーフチップスペーシング上の４０タップは、最大３０ｍ離れた（６００ｍラウンドトリップ距離）物体の検出を可能にする。図６に示したタップ６４４のハーフチップスペーシングは、純粋に任意であり、要件に従って変えることができる。例えば近いスペーシングは、大きな相関関係解像度を提供し、別の例では受信チャネルが、１００ｎｓチップで最大３００ｍ離れた物体の検出を再度可能にする１／１０チップスペーシングの２００タップを有する。要求される精度及びタップスペーシングに応じて、タップのグループ内の補間以外からの最も大きな相関値を有するタップの位置からレンジ推定値を取得することができる。
簡単にするために、ビーム形成のための位相又はゲイン操作のタイミングは、図６に示したシングルチャネル実施形態では考慮されない。図７は、チャネル１とラベル付けされた１つの受信チャネルが、ローカル信号の追跡専用であり、少数のタップ７６４を有する幾つかの追加のチャネルが、リターン信号を検出するためにチャネル１からスレーブオフされる好ましい方法を示す。各スレーブチャネルでは、チャネル１と同じＰＲＮコードレプリカ、キャリアＮＣＯ及びコードＮＣＯ値が、チャネル１との周波数及び位相コヒーレンスを維持するために加えられ、各タップ７６４の連続ＰＲＮレプリカコード遅延が追加される。図示した例は、チャネル２から６のラベル付けされた５つのスレーブチャネルを示しており、各々が、ハーフチップスペーシングの３つのタップ７６４を有し、タップのグループ間で１．５チップの時間オフセット７７２を有する。位相又はゲイン操作が、チャネル２から６の受信信号セグメントに加えられ、要求される方向のレシプロカルビームを形成する。一般には、このチャネルがアンテナ要素を介して受信されないローカル信号専用である場合はチャネル１にビーム形成操作を加える必要はない。受信信号の同様の処理を、スレーブチャネルの１つ又は他のグループに並行して起こすことができ、他の方向でレシプロカルビームを形成するための異なる位相又はゲイン操作が加えられる。
チャネル１‐６からの相関器出力が、送信された信号を符号化するために用いられたＰＲＮコードの１つのチップに対応する間隔７５４にマーク付けされた時間／距離線７５２－１、７５２－２、７５２－３、７５２－４、７５２－５及び７５２－６に示されている。図６の場合と同様に、チャネル１の早期、プロンプト及び後期相関値７５６、７５８及び７６０からコンピュータ計算された「ローカル信号」相関関係ピーク７４４は、「ゼロ」レンジポイント７６２の形態のベースライン測定の決定を可能にし、チャネル３及び４でコンピュータ計算された無視できない相関値７６６の補間が、ゼロポイント７６２から約４．３チップだけ遅れたポイント７７０の最大相関値を有する相関関係ピーク７４６の決定を可能にする。１００ｎｓチップを有することは、１２９ｍのラウンドトリップ距離に対応する。まとめると、図７に示した５つのスレーブチャネルは、最大約８チップの遅延、すなわち２４０ｍのラウンドトリップ距離をカバーすることができる。レンジは、大きな遅延の追加のスレーブチャネルを割り当てることによって、又は１つのスレーブチャネル当たりタップ７６４の数及びチャネル間の時間オフセット７７２を増やすことによって延長することができる。
所与のビーム方向で割り当てられるスレーブチャネルの数、及び各スレーブチャネル内のタップの数及びスペーシングにはかなりの融通性がある。例えば、図７の５つのスレーブチャネルは、ハーフチップスペーシング上の１６タップを有する単一のスレーブチャネルに置き換えることができる。しかしながら、図７に示した分配方式の利点は、最適ビーム形成に対して適当な回数の位相又はゲイン操作の適用を容易にすることである。前述のように、信号がそれを介して送信及び受信されるアンテナ要素のペアリング、従って最適ビーム形成のために受信信号セグメントに加えるべき位相又はゲイン操作は、関心のレンジに依存する。各スレーブチャネルがコード遅延の所与のグループ、すなわち物体までのレンジに関連付けられるので、位相又はゲイン操作の異なるセットを、統合期間中の予想されるアンテナ要素ペアリングに従って加えることができる。例によって及び図４に関して、発明者らは、各要素４０４Ａ、４０４Ｂなどが１μｓ起動されるアンテナ要素起動シーケンスを仮定する。チャネル２のタップ７６４のグループは、１５０ｎｓの遅延の周りにクラスタされ、これによってリターン信号の～８５％が、送信されたのと同じ要素、例えば要素４０４Ａを介して受信され、残りの～１５％が、起動シーケンスの次の要素、例えば要素４０４Ｂを介して受信される。一方で、チャネル６のタップ７６４のグループは７５０ｎｓの遅延の周りにクラスタされ、これによってリターン信号の～２５％が送信されたのと同じ要素を介して受信され、～７５％が次の要素を介して受信される。各スレーブチャネルの統合期間中に加えられる位相又はゲイン操作は、アンテナ要素起動シーケンスと対応するレンジ／遅延の物体から反射信号の予想受信期間の両方に従って決定することができる。例えば、異なる位相又はゲイン操作を、要素ペア４０４Ａ‐４０４Ａ、４０４Ａ‐４０４Ｂ、４０４Ｂ‐４０４Ｂ、４０４Ｂ‐４０４Ｃに適当な回数加えることができる。換言すると、各統合期間は、リターン信号の予想受信期間とアンテナ要素の起動期間のオーバーラップによって決定されるある数の部分統合期間に分割される。
代替策の実施形態では、位相又はゲイン操作の異なるセットが、タップ７６４のグループではなくチャネルの個々のタップに加えられる。本方法は、図６に示した実施形態に用いることができ、タップ６６４は、幾つかのチャネル間で分配されるのではなく単一のチャネルに全てある。
タップ及びチャネルの多くの他のグルーピングは、図６及び７に示した例示的実施形態とは別に可能である。例えば、情報が一定のレンジウィンドウ、例えば５０‐１００ｍ内の物体にのみ要求される場合、複数のチャネルを割り当てることができ、各々が、複数の方向でレシプロカルビームを形成するために加えられる位相又はゲイン操作の異なるセットを有するウィンドウをカバーするのに十分なタップを有する。別の例では、２又は３以上のチャネルのタップを交互にする、例えば、ハーフチップスペーシングの代わりにクオーターチップスペーシングのタップを提供することができ、レンジ決定の精度を上げることができる。別の例では、装置が、一定の方向における物体の存在を推測して、わずかに異なる方向のレシプロカルビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作を追加のチャネルに割り当て、例えば物体をモニタするか又は方向決定を調整することができる。幾つかのチャネルに可変パラメータ、例えばビーム方向及びタップの数及びスペーシングを動的に割り当てる能力は、本発明の装置及び方法の重大な利点である。
装置１００が同時に信号を送信及び受信するよう構成される上述した実施形態では、受信機１１０が、ローカル信号の存在下でリターン信号を検出する場合の問題に遭遇する可能性がある。接合部１２０を形成するＲＦサーキュレータ又は類似のデバイスのポート絶縁及びスイッチ１１２とアンテナ要素１０４のインピーダンスミスマッチに応じて、ローカル信号は、一斉放送される信号より弱いわずか２０又は３０ｄＢである可能性があり、レンジ及び反射率に応じて物体からのリターン信号よりかなり強くなることがある。加えて、一般的なＰＲＮコードダイナミックレンジは、実際は約２０ｄＢに制限され、自己誘導「近‐遠」問題を結果として生じる。ローカル信号は、１．５チップ未満に対応するラウンドトリップ距離だけ装置から離れた、すなわちそれぞれの相関関係ピークのオーバーラップのせいでチップの３／４未満に対応するレンジの物体の検出を妨げることがある。例えば、ＰＲＮコードが１００ｎｓチップ期間を有する場合、ローカル信号は、２２．５ｍより近い物体の検出を妨げることがある。高速チッピングレートは、ピークオーバーラップが始まるレンジを低減し、２０ｎｓチップが４．５ｍに低減する。
ローカル信号からの自己干渉を軽減するために、本発明の装置は、前述のように当該技術で公知の１又は２以上のキャンセレーション技術を用いてローカル信号をキャンセルするよう構成することができる。例えば、最大１１０ｄＢの自己干渉キャンセレーションが追加のハードウェアを犠牲にするにも関わらずＢｈａｒａｄｉａ他で報告されてきた。理想的には、ロバストローカル追跡に十分強い状態を維持しながら受信パワーが反射に関連付けられる受信パワーより弱くなるように、ローカル信号をキャンセルすべきである。
パルス実施形態
好ましい実施形態では、ローカル信号からの自己干渉は、信号がアンテナアレイ１０２を介して順次送信及び受信される交互の「送信」及び「受信」期間又はウィンドウを有するパルスモードで装置を作動することによって軽減される。これらの実施形態では、接合部１２０が、例えば送信機１０８又は受信機１１０の何れかをアンテナアレイに選択的に接続するＲＦスイッチを含むことができる。送信ウィンドウの間、受信機１１０はローカル信号を累積して、受信ウィンドウの間、受信機は、受信信号セグメントに加えられる位相又はゲイン操作によって決定される１又は２以上の方向における物体１２８からの戻りを探す入力信号を累積する。
好ましい実施形態では、ローカル信号からの自己干渉は、信号がアンテナアレイ１０２を介して順次送信及び受信される交互の「送信」及び「受信」期間又はウィンドウを有するパルスモードで装置を作動することによって軽減される。これらの実施形態では、接合部１２０が、例えば送信機１０８又は受信機１１０の何れかをアンテナアレイに選択的に接続するＲＦスイッチを含むことができる。送信ウィンドウの間、受信機１１０はローカル信号を累積して、受信ウィンドウの間、受信機は、受信信号セグメントに加えられる位相又はゲイン操作によって決定される１又は２以上の方向における物体１２８からの戻りを探す入力信号を累積する。
ローカル信号からの干渉は、送信ウィンドウの間に入力信号を累積しないことによって大幅に低減される。理想的には、送信機１０８は受信ウィンドウの間は完全にオフに切り替えられる。しかしながら、実際には、ＰＲＮコード生成器のデジタル電子機器が、例えば、１０ｎｓの高速で、又は問題なく速くオン及びオフに切り替えられることがあり、パワー増幅器などの送信機構成要素を継続してオンに維持する必要があり、受信ウィンドウの間の低レベルノイズのソースを表す。このノイズのソースは、慎重な回路設計及び製造によって改善することができる。受信機１１０は、受信入力のゲインが受信と送信ウィンドウの間で迅速に調節されるようにする相互ゲイン制御のある形態を含むのが好ましい。送信及び受信ウィンドウ持続時間は、レンジ要件に従って選ぶことができ、ＰＲＮコードのチッピングレートより遅く入れ替えられ、以下に説明するブラインドスポットを改善するためにパルスシーケンスを変えられるのが好ましい。アンテナ要素起動シーケンスが、送信／受信パルスシーケンスとは関係なく、受信機１１０がレシプロカルビーム１２６を形成できることを強調すべきである。
送信ウィンドウの間、受信機は、図７に示すようにレンジ決定のためのベースライン測定又はゼロポイント７６２として作用する相関関係ピーク７４４を提供するためにチャネルのローカル信号を追跡し且つ累積する。送信機のパルスは、ローカル信号の追跡に影響がなく、低減されたコードデューティサイクルのために受信された相関関係パワーを低減し、ローカル信号が、ＰＲＮコードの代わりのチップ又はチップのグループでのチャネルの相関関係を追跡する。前述のように、リターン信号の検出のために、受信機は、１又は２以上の他のチャネルで、適切なスペーシング及びコード遅延の追加のタップ７６４の数をゼロポイント７６２からの要求される最大レンジに割り当てる。追加のタップ７６４は、ＰＲＮ符号化リターン信号の代わりのチップ又はチップのグループを相関付けることによって、ローカル信号追跡チャネルと同様の方式で物体からの戻りを検出する。
入力信号が受信ウィンドウの間にだけ累積されるので、送信及び受信ウィンドウの何れの所与のシーケンスでも、物体を検出する能力にレンジ依存の影響がある。例えば、各々の持続時間が１００ｎｓの送信及び受信ウィンドウを有するパルス方式は、存在できる何れのリターン信号も受信ウィンドウを通して検出されるので、１５、４５、７５ｍなどのレンジ（１００、３００、５００ｎｓなどのラウンドトリップ遅延に対応する）の物体を検出するのに最適である。リターン信号と受信ウィンドウとの間のオーバーラップは、これらの最適レンジの何れの側でも低下し、３０、６０、９０ｍなどのレンジの物体からの戻りに対してゼロになり、これらのレンジの周りのブラインドスポットを生じる。この影響は、ブラインドスポットを動かすためにパルス方式を変えることによって改善できる。例えば、２００ｎｓ送信及び受信ウィンドウを有する最適レンジは、３０、９０、１５０ｍなどになり、ブラインドスポットが、約６０、１２０、１８０ｍなどになる。１００ｎｓ送信ウィンドウ及び２００ｎｓ受信ウィンドウを有するパルス方式は、約４５、９０、１３５ｍなどのブラインドスポットを有することになる。一般には、受信ウィンドウが送信ウィンドウより長い場合はブラインドススポットがまばらであるが、全体的な送信パワー及び従ってかすかな反射を検出する能力が、低デューティサイクルによって低減されることになる。例えば擬似ランダムパターンでパルス方式を変える多くの可能性があることは明白である。
好ましい実施形態では、装置１００は、ポジショニングネットワークからポジショニング信号を受信及び処理して、追加の機能として位置‐速度－時間（ＰＶＴ）ソリューションを決定するよう構成される。ポジショニング信号は、例えば、米国特許第７,６１６,６８２号（Ｓｍａｌｌ）に記述されるいわゆる「ポジショニングユニットデバイス」のネットワークによって提供することができる。デュアル機能を、時分割ベースで便利に可能にできる。例えばプロセッサ１０６は、１ｍｓシーケンスで１０の１００ｎｓ時間スロットを有するようプログラムすることができ、９つのスロットが位置決定に充てられ、１つが環境の特徴付けに充てられる。多い又は少ない周波数環境「スナップショット」が要求される場合に、当然ながら異なる時間共有方式が可能である。例えば状況によっては、１００ｍｓ毎に１度、すなわち１０Ｈｚ又は未満の更新速度でユーザプラットフォームの環境を特徴付けることで十分である。
パッシブ実施形態
本発明の一定の他の態様は、装置と装置が１又は２以上の外部送信機からの信号を用いて環境を特徴付ける方法とに関する。大まかに、これらの態様で説明する装置及び方法は、米国８,９３４,８４４号及び米国９，６４０，８６５号に記述されるものに類似のビーム形成技術を用いる。しかしながら、マルチパスを軽減するために送信機又は受信機に向けたビームを形成する代わりに又はこれに加えて、ビームが、環境内の物体からの反射を探すために他の方向で形成される。要するに、マルチパスが軽減されるのではなく利用される。
本発明の一定の他の態様は、装置と装置が１又は２以上の外部送信機からの信号を用いて環境を特徴付ける方法とに関する。大まかに、これらの態様で説明する装置及び方法は、米国８,９３４,８４４号及び米国９，６４０，８６５号に記述されるものに類似のビーム形成技術を用いる。しかしながら、マルチパスを軽減するために送信機又は受信機に向けたビームを形成する代わりに又はこれに加えて、ビームが、環境内の物体からの反射を探すために他の方向で形成される。要するに、マルチパスが軽減されるのではなく利用される。
ローカルビーム形成によるパッシブ実施形態
図８は、本発明の実施形態による関連するユーザプラットフォーム８０１の環境を特徴付ける装置８００の概略図を示す。この装置は、受信機８１０と外部送信機８０５からの拡散スペクトラム信号８０３を受信する複数の空間的に分散されたアンテナ要素８０４を有する球面アレイの形態のアンテナアレイ８０２とを含む。外部送信機８０５は、全指向性アンテナなどの従来の固定アンテナ８０７が備えられている。受信機８１０に動作可能に関連付けられるプロセッサ８０６は、スイッチングネットワーク８１８を介して予め定められたシーケンスでアンテナ要素８０４を起動する。順次的に起動されるアンテナ要素８０４を介して、例えば直接経路８０９又は間接経路８１１を介して受信されたＲＦ信号は、１又は２以上の受信チャネル８２４で処理するＲＦフロントエンド８２２にダウンコンバートされる。
図８は、本発明の実施形態による関連するユーザプラットフォーム８０１の環境を特徴付ける装置８００の概略図を示す。この装置は、受信機８１０と外部送信機８０５からの拡散スペクトラム信号８０３を受信する複数の空間的に分散されたアンテナ要素８０４を有する球面アレイの形態のアンテナアレイ８０２とを含む。外部送信機８０５は、全指向性アンテナなどの従来の固定アンテナ８０７が備えられている。受信機８１０に動作可能に関連付けられるプロセッサ８０６は、スイッチングネットワーク８１８を介して予め定められたシーケンスでアンテナ要素８０４を起動する。順次的に起動されるアンテナ要素８０４を介して、例えば直接経路８０９又は間接経路８１１を介して受信されたＲＦ信号は、１又は２以上の受信チャネル８２４で処理するＲＦフロントエンド８２２にダウンコンバートされる。
１又は２以上の方向のアンテナアレイ８０２のゲインを拡張するため、すなわち１又は２以上の方向に向いた「受信」ビーム８１３又は８１３－Ａを形成するために、受信機８１０は、１又は２以上のチャネル８２４の１又は２以上の相関器８３２で且つ予め定められたアンテナ要素起動シーケンスと実質的に同期して、順次的に起動されるアンテナ要素８０４を介して受信された入力信号セグメントに位相又はゲイン操作の１又は２以上のセットを加えるよう構成される。操作された信号セグメントは、１又は２以上のチャネル８２４内の累積器として公知の１又は２以上のレジスタに統合期間にわたって累積され、要求される受信ビームを形成する。装置８００は、送信機８０５からの反射信号の関連ビーム８１３における検出に基づいて一定の方向における物体８２８の存在を推測する。統合期間は、一般には、予め定められたアンテナ要素起動シーケンスの１又は２以上の完全なサイクルに対応する。ＲＦエネルギーが同じアンテナアレイを介して送信及び受信される図１から図４に関して説明した「レシプロカル」ビームの場合と異なり、この場合はアンテナアレイ８０２がＲＦエネルギーを受信するためだけに用いられる。この結果、所与の方向でビーム８１３又は８１３－Ａを形成するために加えられる位相又はゲイン操作は、入力信号だけに対して決定する必要がある。要求される位相又はゲイン操作は、リアルタイムでプロセッサ８０６によって計算するか又はデータベース８３０から取り出すことができる。
装置８００が１又は２以上の外部送信機８０５からの信号を用いて関連するユーザプラットフォーム８０１の環境を特徴付ける方法を説明するために、システムの幾何学的形状を図９に示している。推測された物体までのレンジに関する１又は２以上の尺度を取得するために、装置９００は一般に、外部送信機９０５の位置、外部送信機に対するアンテナアレイ９０２の固有の位置及び方位αの知識を必要とする。装置９００が、送信機９０５の位置を、例えば事前知識から又は送信された信号に符号化された情報から決定するのは簡単である。装置９００がそれによって装置９００の位置及び装置のアンテナアレイ９０２の方位αを決定できる幾つかの手段がある。例えば、関連するユーザプラットフォーム９０１が静止している場合、この装置は、この情報を前もって知ることができる。好ましい実施形態では、送信機９０５は、装置９００がＰＶＴソリューションを計算できるようにする地上ポジショニングネットワークを形成する公知の位置の幾つかのこのような送信機の１つである。この装置が送信機を追跡するためのビーム、図８に示した直接経路ビーム８１３－Ａなどを形成した場合、所与の送信機９０５に対するアンテナアレイ９０２の方位αを知る。別の例では、装置９００は、他の手段によって、例えばＧＰＳ信号から装置９００の位置、及び直接経路ビーム８１３－Ａを形成することによって装置のアンテナアレイ９０２の方位αを決定することができる。この装置は、一般には、ビームスペースサーチを行うことによって所与の送信機９０５までの直接経路ビームを形成し、最短擬似距離に関連付けられる信号方向を決定することができる。受信機のクロックが、例えばＰＶＴソリューションの結果として、送信機９０５のクロックに、又は少なくとも信機９０５のクロックからの公知のオフセットにアラインされている場合、擬似距離を実際のレンジに変換することができるが、最短擬似距離を有するビームは、オクルージョンがなく、直接経路に対応することになる。
関連するユーザプラットフォーム９０１の環境を特徴付けるために、装置９００は，少数のビームを形成及びスイープすることによって又はスイープすることなく関心の全エリアをモニタするのに十分な数のビームを同時に形成することによって、外部送信機９０５からのＰＲＮ符号化信号を探すビームスペースサーチを実行し、送信機９０５からのＰＲＮ符号化信号が受信される方向を決定する。図９に示すように、装置９００は、まだ未知のレンジ９３８として物体９２８からの送信された信号８０３の反射を介して恐らく到着するベアリングβを有する方向から無視できない又は閾値の上の信号９１１を発見する。装置９００がこの直接経路信号９１１の経路長を測定できる場合、送信機９０５までのレンジ９１９及び送信機のアンテナアレイ９０２の方位αと共にこの情報を用いて、いわゆるバイスタティックレンジ長円９２１を決定することができる。装置９００は、一般には、装置９００の位置及び送信機位置の知識から送信機までのレンジ９１９を決定することができる。長円９２１とベアリングβの交差は、本装置が物体９２８までのレンジ９３８を推定するのを可能にする。送信機９０５に対するアンテナアレイ９０２の向きの知識、すなわち角度αは、レンジ推定では不可欠である。例えばアンテナアレイ９０２が点線の外形９２３で示されるように半時計周りに９０度向けられた場合、ベアリングβとバイスタティックレンジ長円９２１との交差９２５は大きく異なるレンジ９２７を示すことになる。
完全にするために、発明者らは、分析が、一部の状況では関心とすることができる外部送信機９０５から物体９２８までのレンジ９４９を提供することに注目する。
間接信号経路長９１７を測定するための様々な方法を説明する。間接経路信号９１１が、専用追跡チャネルで受信機が取得及び追跡するのに十分安定している場合、例えばユーザプラットフォーム９０１及び物体９２８の両方が静止しているか又は十分ゆっくりと移動する場合に、受信機は、間接経路信号９１１の擬似距離測定を実行することができる。受信機と外部送信機９０５のクロック間のオフセットが、例えば以前に計算されたＰＶＴソリューションによって公知である場合、測定される擬似距離は、クロックオフセットの補正後に、実際の間接信号経路長９１７に対応することになる。一方、クロックオフセットが未知である場合、受信機は、間接及び直接経路信号９１１、９０９に対して測定された擬似距離を区別することによってクロックオフセットを推定し、経路長差の正確な測定を取得することができる。
好ましい実施形態では、受信機は、追跡ループで間接経路信号９１１の追跡を試みることはない。代わりに受信機は、第１チャネル内の追跡ループの直接経路信号９０９を追跡し、図７に関して上述した状況と同様の１又は２以上のスレーブチャネルの増分ＰＲＮコード遅延の一連のタップを用いて間接経路信号を検出する。図１０に示した１つの特定の例では、受信機は、第１チャネル１０２９を直接経路信号９０９に充て、第２のスレーブチャネル１０３１を間接経路信号９１１に充て、各チャネルは、１つのチップ間隔１０５４にマーク付けされた時間‐距離線によって表される。各チャネルでは、受信された信号が適切な位相又はゲイン修正キャリア基準信号にミックスされ、適当なビーム８１３－Ａ又は８１３を形成し、複数の適切に遅延されたＰＲＮコードレプリカにミックスされる。図１０に示した実施形態では、第１チャネル１０２９は、早期、プロンプト及び後期相関値１０５６、１０５８及び１０６０に基づいて「直接経路信号」相関関係ピーク１０３３を決定するためのハーフチップスペーシングの３つのタップのグループ１０６４を有する。このピークの決定された位置１０６２は、「レシプロカルビーム」態様におけるローカル信号によって提供される「ゼロポイント」測定に類似の直接経路信号９０９の到着時間を提供する。スレーブチャネル１０３１は、ハーフチップスペーシングの一連のタップ１０６４を有し、適切に修正されたキャリア基準信号及び増分的に遅延されたＰＲＮコードレプリカのコピーが受信信号にミックスされる。この特定の例では、４つのタップのグループに対して重大な相関値が測定され、単純な補間が、「直接経路信号」ピーク１０３３の位置１０６２から約５．７５コードチップ離れた位置１０７０の最大相関値を有する「間接経路信号」相関関係ピーク１０３５を結果として生じる。これは、１００ｎｓチップを持ち間接と直接信号経路９１１、９０９の間の１７２．５ｍの経路長差に対応する間接及び直接経路信号９１１、９０９の到着時間の間の差を決定する。レンジに関する尺度は、タップのグループ内の補間からではなく最大相関値を有するタップの位置から代わりに取得することができる。タップ１０６４の数及びスレーブチャネル１０３１におけるタップのスペーシングは、予想される最大経路長差及び相関器解像度に従って選ぶことができる。
しかしながら、複数の反射から発生する曖昧さの可能性が残る。例えば、図１１は、図８のシステムの幾何学的形状を示し、この時間は二重反射経路の可能性を考慮する。送信機１１０５から送信され装置１１００によって受信された信号が単一反射経路１１１１に沿って伝播したと仮定する場合、角度α及びβ、送信機レンジ１１１９及び間接信号経路長１１１７の知識、又は送信機レンジとの差の知識は、長さ１１３７を決定するのに十分である。装置１１００は、推測された物体１１２８までのレンジの推定値としてこの長さを解釈する。しかしながら、信号が、第２物体１１４５を介して単一反射経路１１１１までの等しい長さの二重反射経路１１４３に沿って移動した場合、物体は、例えば小さなレンジ１１４１を有する位置１１３９にあるとすることができる。一般に、候補位置をクロスチェックするために追加の送信機からの信号を用いる場合、物体レンジを正しく決定する装置の可能性が改善される。装置１１００の受信機は、当然ながら異なるＰＲＮコードのために異なる送信機からの信号を区別することができる。他の方向における物体から反射信号を探すための追加のビームの形成は、レンジ推定の精度を向上させるのを助ける。
リモートビーム形成を備えたパッシブ実施形態
図１２は、本発明の別の実施形態によるユーザプラットフォーム１２０１の環境を特徴付ける装置１２００の概略図を示す。図示した実施形態では、この装置は、複数の空間的に分散されたアンテナ要素１２０４を有する球面アンテナアレイ１２０２を備えた外部送信機１２０５からの拡散スペクトラム信号を受信する受信機１２１０を含む。装置１２００は、全指向性アンテナなどの従来の固定アンテナ１２０７を備えるだけでよい。外部送信機１２０５からのＲＦ信号は、前もって又は信号に符号化された関連の情報からの何れかで受信機１２１０に公知の予め定められたシーケンスでスイッチングネットワーク１２１８を介して起動されるアンテナ要素１２０４を介して放送される。直接経路１２０９又は間接経路１２１１を介して送信機１２０５から受信された信号を含む受信入力信号は、ＲＦフロントエンド１２２２でダウンコンバートされる。位相又はゲイン操作の１又は２以上のセットが、１又は２以上のチャネル１２２４の１又は２以上の相関器１２３２の受信信号セグメントに加えられ、操作された信号セグメントが、一般には予め定められたシーケンスの１又は２以上の完全なサイクルに対応する統合期間にわたって累積される。米国第９，６４０，８６５号に説明されるように順次的に起動されるアンテナ要素１２０４からの信号の受信と実質的に同期して位相又はゲイン操作が加えられる場合、アンテナアレイ１２０２から要求される方向に向かう１又は２以上の「送信」ビーム１２４７又は１２４７‐Ａが生じることになる。要求される位相又はゲイン操作は、リアルタイムでプロセッサ１２０６によって計算するか又はデータベース１２３０から取り出すことができる。ビームを正しく形成するために、受信機１２１０は、送信アンテナ要素１２０４の起動シーケンス、送信機１２０５によって送信された信号に加えられるＰＲＮコード及び起動シーケンスとのＰＲＮコードの同期、並びにアンテナアレイ１２０２の向き及び構成を知る必要がある。
図１２は、本発明の別の実施形態によるユーザプラットフォーム１２０１の環境を特徴付ける装置１２００の概略図を示す。図示した実施形態では、この装置は、複数の空間的に分散されたアンテナ要素１２０４を有する球面アンテナアレイ１２０２を備えた外部送信機１２０５からの拡散スペクトラム信号を受信する受信機１２１０を含む。装置１２００は、全指向性アンテナなどの従来の固定アンテナ１２０７を備えるだけでよい。外部送信機１２０５からのＲＦ信号は、前もって又は信号に符号化された関連の情報からの何れかで受信機１２１０に公知の予め定められたシーケンスでスイッチングネットワーク１２１８を介して起動されるアンテナ要素１２０４を介して放送される。直接経路１２０９又は間接経路１２１１を介して送信機１２０５から受信された信号を含む受信入力信号は、ＲＦフロントエンド１２２２でダウンコンバートされる。位相又はゲイン操作の１又は２以上のセットが、１又は２以上のチャネル１２２４の１又は２以上の相関器１２３２の受信信号セグメントに加えられ、操作された信号セグメントが、一般には予め定められたシーケンスの１又は２以上の完全なサイクルに対応する統合期間にわたって累積される。米国第９，６４０，８６５号に説明されるように順次的に起動されるアンテナ要素１２０４からの信号の受信と実質的に同期して位相又はゲイン操作が加えられる場合、アンテナアレイ１２０２から要求される方向に向かう１又は２以上の「送信」ビーム１２４７又は１２４７‐Ａが生じることになる。要求される位相又はゲイン操作は、リアルタイムでプロセッサ１２０６によって計算するか又はデータベース１２３０から取り出すことができる。ビームを正しく形成するために、受信機１２１０は、送信アンテナ要素１２０４の起動シーケンス、送信機１２０５によって送信された信号に加えられるＰＲＮコード及び起動シーケンスとのＰＲＮコードの同期、並びにアンテナアレイ１２０２の向き及び構成を知る必要がある。
特定の実施形態では、装置１２００は、アンテナアレイ１２０２から様々な方向を指す「送信」ビーム１２４７を形成して且つ起動されたアンテナ要素１２０４から送信された反射信号の検出に基づく方向における物体１２２８の存在を推測することによって、外部送信機１２０５からの信号を用いて関連するユーザプラットフォーム１２０１の環境を特徴付ける。図１３に示した図１２のシステムの幾何学的形状を参照すると、装置１３００は、例えば少数のビーム１２４７を形成及びスイープすることによって、又は十分な数のビームを形成してスイーピングなしに関心の全エリアをモニタすることによって、外部送信機１３０５からのＰＲＮ符号化信号を探すビームスペースサーチを実行する。装置１３００は、適当なＰＲＮコードを有する信号が受信される送信機１３０５からのビーム方向を探す。図１３に示すように、装置１３００は、まだ未知のレンジ１３３８の物体１３２８からの反射を介して事前に到着する送信機ビーム角度δ に関連付けられる無視できない又は閾値より上の信号１３１１を発見する。装置１３００がこの間接経路信号１３１１の経路長１３１７を測定できる場合、装置１３００の位置及び送信機１３０５の位置、又は同等に送信機までのレンジ１３１９と共にこの情報を用いて、バイスタティックレンジ長円１３２１を決定することができる。長円とベアリングδ の交差は、装置１３００が推測された物体１３２８までのレンジ１３３８を推定するのを可能にする。これに代えて又は加えて、この装置は、送信機１３０５から推測された物体１３２８までのレンジ１３４９を推定することができる。
関連するユーザプラットフォーム１３０１が静止しており且つ装置１３００が送信機１３０５に対する装置の向き又は「見る方向」１３５１を知らない場合、本装置は、生成する環境の何れの「マップ」も正しい位置に置くことができない点に留意されたい。例えば、本装置は送信機１３０５から推測された物体１３２８までのベアリングδ 及びレンジ１３４９、並びに装置自体から物体までのレンジ１３３８を推定することができるが、見る方向１３５１に対してこの物体までの方向βを決定することはできない。しかしながら、関連するユーザプラットフォーム１３０１が移動を開始するとすぐに、装置１３００は、推測された物体１３２８又は送信機１３０５までのレンジの変化をモニタすることによって装置の向き及び従って方向βを決定することができる。
図１２を参照すると、アレイ１２０２からリモートにビーム１２４７及び１２４７－Ａを形成する受信機１２１０では、適切なゲイン及び位相操作を、起動されたアンテナ要素１２０４からの信号セグメントの受信と実質的に同期して受信信号セグメントに加えるべきである点に留意されたい。アレイ１２０２の各要素１２０４の要求される位相又はゲインオフセットを受信機１２１０が計算又は調べることができるが、伝播遅延を知らない場合を除いて、受信信号にこれらのオフセットを加える時間を知らないことになるので、受信機は、それぞれの信号経路の伝播遅延の知識を必要とする。米国第９、６４０、８６５号に記述されるように、送信された信号が符号化されるＰＲＮコードへの公知のアラインメント又はアンテナ要素起動シーケンスとの同期は、信号が追跡される場合に、受信機１２１０が要求される位相又はゲインオフセットを正しいタイミングによって受信信号に加えるのを可能にする。これは、直接経路信号１２０９の場合にも該当し、受信機が間接経路信号を追跡できる場合、擬似距離測定を用いて、図８及び９に関して説明するように間接信号経路長１２１７を決定することができる。しかしながら、前述のように、間接経路信号１２１１を追跡するのは難しいことが多い。
好ましい実施形態では、受信機１２１０は、追跡ループによって間接経路信号１２１１を追跡しようとしない。代わりに、第１チャネル内の追跡ループで直接経路信号１２０９を追跡し、１又は２以上のスレーブチャネルの増分遅延の一連のタップを利用して間接経路信号１２１１に関連付けられる相関関係ピークをサーチする。この処理は、図１０に関して説明した「ローカルビーム形成」実施形態の処理に類似であるが、リモートに間接経路ビーム１２４７を形成するための追加のタイミング要件に対処するよう適応される。図１４に示す１つの例示的実施形態では、受信機が、直接経路チャネル１４２９にスレーブされた複数のチャネル１４３１－１、１４３１－２、１４３１－３、．．．１４３１－ｎを各要求される間接経路ビーム１２４７に割り当てる。各チャネルは、１チップ間隔１４５４にマーク付けされた時間／距離線によって表され、各スレーブチャネルが、間接と直接経路信号１２１１、１２０９の間の予想される経路長差をカバーする必要がある限り延長するハーフチップスペーシングの一連のタップ１４６４を有する。直接経路チャネル１４２９は、図１０の対応するチャネル１０２９と同じ方式で多くは作動し、直接経路信号１２０９が追跡され、直接経路信号の到着時間を示す相関関係ピーク１４３３が位置１４６２に決定される。チャネル１４２９の直接経路信号の相関関係に暗示されることは、直接経路ビーム１２４７－Ａを形成するために受信信号に適切な位相及びゲイン操作を加えられたということである。各スレーブチャネル１４３１－１．．．１３４１－ｎでは、要求される間接経路ビーム１２４７を形成するための適切な位相又はゲイン操作が受信信号に加えらえるが、直接経路ビーム操作に対して量を増やすことによって時間的なオフセットがある。１つの例では、時間オフセットはチャネル１４３１－１でゼロであり、間接経路信号の伝播遅延が直接経路信号と同じであり、物体１２２８が送信機１２０５又は装置１２００に特に近い場合、又はシステムのスケールが、アンテナ要素起動期間の持続時間と比較して無視できるほど伝播遅延に対して十分小さい場合、ビーム１２４７を形成するのに適切であると事実上仮定する。時間オフセットは、アンテナ要素起動期間Ｔのあるフラクションｆずつ次のチャネル１４３１－２．．．１４３１－ｎで増分され、アンテナ要素が各期間に起動されると仮定する。すなわち、時間オフセットは、ｆ・Ｔずつ増分され、ｆは同期に対するビーム品質の感度に従って選ばれる。例によってのみ、ｆを、０．０５、０．１、０．１５、又は０．２とすることができる。１００μｓシーケンスの等しい期間に起動される８０のアンテナ要素のアンテナアレイは、Ｔ＝１．２５μｓを有し、この場合、ｆ・Ｔ増分を、例えば６２．５ｎｓ、１２５ｎｓ、１８７．５ｎｓ又は２５０ｎｓとすることができる。
図１４に示す例では、時間オフセットはチャネル１４３１－１ではゼロであり、各次のスレーブチャネルで２５０ｎｓずつ増分される。チャネル１４３１－２の隣接するタップのペア１４５３の２つの無視できない相関値の測定は、信号のトレースを暗示し、位置１４７０の明白な相関関係ピーク１４３５をチャネル１４３１－１のタップのグループ１４５５の周りに嵌め合わせることができる。弱い相関関係ピーク１４５７をチャネル１４３１－４に嵌め合わせることができる。この結果は、スレーブチャネルの全ての中で、位相又はゲイン操作がチャネル１４３１－３に加えられる５００ｎｓ時間オフセットが間接経路信号１２１１を受信するための最良品質のビーム１２４７の形成を結果として生じたことを示す。これは、直接経路信号１２０９の到着時間に対する間接経路信号１２１１の到着時間を示す相関関係ピーク１４３５と１４３３の間の離隔に一致し、約５．７５コードチップ又は５７５ｎｓである。これは、間接経路信号と直接経路信号との間の１７２．５ｍの経路長差に対応する。チャネル１４３１－３の位相又はゲイン操作に課せられた５００ｎｓ時間オフセットは、満足される「実質的同期」要件のための間接経路信号と直接経路信号との間の実際の５７５ｎｓ伝播時間差に十分近く、適切なビーム１２４７の形成を結果として生じる。
この観察は、スレーブチャネル１４３１－１、１４３１－２．．．１４３１－ｎの全てが多数のタップを有する図１４に示した例示的実施形態が、受信機資源の使用には効果がないことを示している。図１５は、はるかに少ないタップによって同じ結果を達成する好ましい実施形態を示す。前述のように、各チャネルは、１チップ（例えば１００ｎｓ）間隔１５５４にマーク付けされたタイムラインによって表され、第１チャネル１５２９が、位置１５６２に中心を置かれた相関関係ピーク１５３３を取得するために早期、プロンプト及び後期タップを有する直接経路信号１２０９を追跡する。要求される間接経路ビーム１２４７を形成するための適切な位相又はゲイン操作が、スレーブチャネル１５３１－１、１５３１－２、１５３１－３及び１５３１－４の各々の受信信号セグメントに加えられ、例えば、０ｎｓ、２５０ｎｓ、５００ｎｓ及び７５０ｎｓずつの「直接経路」ビーム操作に対する時間のオフセットがある。しかしながら、ここでは、各スレーブチャネルは、「直接経路」位置１５６２に対して、時間オフセットの同じシーケンス、すなわち、０ｎｓ、２５０ｎｓ、５００ｎｓ及び７５０ｎｓを有するハーフチップ（例えば５０ｎｓ）スペーシングの分配アラウンド位置の少数のタップ１５６４のみを有する。チャネル１５３１－３及び１５３１－４のタップのサブセットに対して測定された大きな相関値が、「直接経路」相関関係ピーク１５３３の位置１５６２より約５８５ｎｓ遅い位置１５７０の最大相関値を有する相関関係ピーク１５３５のフィッティングを可能にし、図１４で取得されたのと同じ結果になる。いずれにせよ受信機は、任意的に、測定された伝播遅延時間差を用いて、位相又はゲイン操作のタイミングを調節してビーム品質を調整することができる。
間接経路信号と直接経路信号１２１１、１２０９との間の予想される伝播時間差がアンテナ要素起動期間Ｔより小さくなるようにシステムがスケールされる場合に、間接経路ビーム１２４７に割り当てられたマルチスレーブチャネルを有する図１４及び１５に示した方法が必要なくなる点に留意されたい。例えばＴが１０μｓの大きさであり且つ伝播時間差が、３０ｍの経路長差に対応する１００ｎｓ又はＴの１％より大きくならないと予想される場合、適切な位相又はゲイン操作が直接経路ビーム１２４７－Ａを形成するのに必要なものと同じタイミングで加えられる場合に、間接経路ビーム１２４７の品質の無視してよい劣化しか起こらない。換言すると、「実質的に同期」要件は、何れの追加の時間オフセット無しでも満足され、この場合、図１０に示した場合と同様の間接経路ビーム方向当たり１つのスレーブチャネルだけを割り当てることで一般には十分である。
曖昧さが複数の反射から生じる可能性がある。説明するために、図１６は図１２のシステムの幾何学的形状を示しており、ここでは二重反射経路の可能性を考える。装置１６００によって受信された信号が単一の反射経路１６１１を介して伝播したと仮定される場合、角度δ、送信機レンジ１６１９及び間接信号経路長１６１７、又は送信機レンジとの差の知識があれば、長さ１６３７を決定するのに十分である。装置１６０１は、物体１６２８までのレンジの推定値としてこの長さを解釈する。しかしながら、信号は、異なるレンジ及び方向の２つの物体１６６１及び１６５９を介して単一反射経路１６１１までの等しい長さの二重反射経路１６４３に沿って移動することができる。前述のように、レンジ推定値が正確である可能性は、同じ送信機１６０５又は他の送信機からの信号を用いて他の方向で形成された送信ビーム１２４７から決定される候補位置をクロスチェックすることによって増やすことができる。
図１２に関して上述した方法は、マルチ要素アンテナアレイを必要とすることなく、関連するユーザプラットフォーム１２０１の環境を装置１２００が特徴付けるのを有利に可能にし、手持式デバイスへの小型化を可能にし、例えばユーザプラットフォームが車両以外の人である場合に特に有用になる。必要なビーム１２４７、１２４７－Ａは、外部送信機１２０５に関連付けられるアンテナアレイ１２０２で形成される。ビームを形成するための位相又はゲイン操作が受信機１２１０で加えられるので、本発明のシステムは、何れの数のユーザプラットフォーム１２０１も同じ信号を利用できることを意味するマルチアクセスである。
複合ビーム形成によるパッシブ実施形態
図１７は、外部送信機１７０５からの拡散スペクトラム信号を用いる本発明の別の実施形態による関連するユーザプラットフォーム１７０１の環境を特徴付ける装置１７００の概略図を示す。この実施形態では、外部送信機に複数の空間的に分散された送信アンテナ要素１７０４‐Ｔを有する送信アンテナアレイ１７０２－Ｔが備えられ、装置１７００に複数の空間的に分散された受信アンテナ要素１７０４－Ｒを有する受信アンテナアレイ１７０２－Ｒが同様に備えられる。送信機１７０５及び装置１７００の両方にアンテナアレイが存在することで、受信機１７１０は米国第９，６４０，８６５号に記述されるように「複合」ビーム形成技術を適用できる。２つのアンテナアレイ１７０２－Ｒ及び１７０２－Ｔはアンテナ要素の同じ形状又は同じ数又は種類を有する必要はないが、「複合」ビームを正しく形成するためには受信機１７１０が両方のアレイの構成を知る必要がある点に留意されたい。外部送信機１７０５によって生成された拡散スペクトラム信号が第１の予め定められたシーケンスでスイッチングネットワーク１７１８－Ｔを介して起動される送信アンテナ要素１７０４－Ｔを介して放送され、第２の予め定められたシーケンスでスイッチングネットワーク１７１８－Ｒを介して起動される受信アンテナ要素１７０４－Ｒを介して受信される。第１の予め定められたシーケンスは、事前に又は送信された信号に符号化された関連の情報からの何れかで受信機１７１０に公知であり、受信機がローカルアンテナアレイ１７０２－Ｒの予め定められたシーケンスを知っていることを予期できる。この受信機は、例えば第１の予め定められたシーケンスへのＰＲＮコードのアラインメントから第１の予め定められたシーケンスとの信号の同期を知る必要がある。
図１７は、外部送信機１７０５からの拡散スペクトラム信号を用いる本発明の別の実施形態による関連するユーザプラットフォーム１７０１の環境を特徴付ける装置１７００の概略図を示す。この実施形態では、外部送信機に複数の空間的に分散された送信アンテナ要素１７０４‐Ｔを有する送信アンテナアレイ１７０２－Ｔが備えられ、装置１７００に複数の空間的に分散された受信アンテナ要素１７０４－Ｒを有する受信アンテナアレイ１７０２－Ｒが同様に備えられる。送信機１７０５及び装置１７００の両方にアンテナアレイが存在することで、受信機１７１０は米国第９，６４０，８６５号に記述されるように「複合」ビーム形成技術を適用できる。２つのアンテナアレイ１７０２－Ｒ及び１７０２－Ｔはアンテナ要素の同じ形状又は同じ数又は種類を有する必要はないが、「複合」ビームを正しく形成するためには受信機１７１０が両方のアレイの構成を知る必要がある点に留意されたい。外部送信機１７０５によって生成された拡散スペクトラム信号が第１の予め定められたシーケンスでスイッチングネットワーク１７１８－Ｔを介して起動される送信アンテナ要素１７０４－Ｔを介して放送され、第２の予め定められたシーケンスでスイッチングネットワーク１７１８－Ｒを介して起動される受信アンテナ要素１７０４－Ｒを介して受信される。第１の予め定められたシーケンスは、事前に又は送信された信号に符号化された関連の情報からの何れかで受信機１７１０に公知であり、受信機がローカルアンテナアレイ１７０２－Ｒの予め定められたシーケンスを知っていることを予期できる。この受信機は、例えば第１の予め定められたシーケンスへのＰＲＮコードのアラインメントから第１の予め定められたシーケンスとの信号の同期を知る必要がある。
受信された入力信号がＲＦフロントエンド１７２２でダウンコンバートされた後に、受信機１７１０は、１又は２以上のチャネル１７２４で、起動された送信アンテナ要素１７０４－Ｔから送信された信号の受信と実質的に同期して且つ受信アンテナ要素１７０４－Ｒを起動するための第１の予め定められたシーケンスと実質的に同期して、位相又はゲイン操作の１又は２以上のセットを加えることができる。各チャネル１７２４の操作された受信信号が統合期間にわたって累積され、第１及び第２の予め定められたシーケンスの長さの少なくとも１つの完全なサイクルを一般に延長する統合期間を有する要求される「複合」ビームを形成する。各「複合」ビームは、送信アレイ１７０２－Ｔから向けられる送信ビーム１７４７又は１７４７－Ａと受信アレイ１７０２－Ｒから向けられる受信ビーム１７１３又は１７１３－Ａの組み合わせとして考えることができる。図１７に示した例では、受信機１７１０が２つのチャネル１７２４に２つの複合ビームを形成している。直接経路信号１７０９に対応するこれらの第１のビームは、送信アレイ１７０２－Ｔから受信アレイ１７０２－Ｒに向かって走る送信ビーム１７４７－Ａ及び受信アレイから送信アレイに向かって走る受信ビーム１７１３－Ａを含む。第２のビームは、適切なＰＲＮコードを有する無視できないか又は閾値より上の信号１７１１の受信機１７１０での受信を結果として生じる方向にそれぞれのアンテナアレイから推定される物体１７２８に向かって走る送信及び受信ビーム１７４７及び１７１３を含む。装置１７００は、関心のエリアから１又は２以上の複合ビームをスイープすることによって、又は関心のエリアをカバーするために複合ビームの十分な数を同時に形成することによって、及び適切なＰＲＮコードを有する無視できないか又は閾値より上の信号を探すことによって、関連付けられるユーザプラットフォー１７１０の環境を特徴付けることができる。すなわち、この装置は、送信機１７０５から送信された信号の反射によって取得される信号を探す。
本発明の装置が「受信」ビーム成分１７１３の角度又は方向から推定される物体１７２８への方向を推定した状態で、前述したように送信機までのレンジ１７１９と間接信号経路長１７１７から決定することができるバイスタティックレンジ長円とこの方向の交差からレンジ１７３８を推定することができる。送信機レンジ１７１９は、装置１７００と送信機１７０５の位置から決定することができ、決定される唯一のパラメータとして間接信号経路長１７１７を残す。受信機１７１０が間接経路信号１７１１を追跡できる場合、擬似距離区別方法を、図８及び９に関して説明したように加えることができる。しかしながら、図１５に関して説明したものに類似の方法が用いられるのも好ましい。この場合、複合ビームの「送信」部分１７４７を形成するのに必要な位相又はゲイン操作の成分は、増分的に増える時間オフセットによって複数のスレーブチャネル１５３１－１などに加えられ、複合ビームの「受信」成分１７１３を形成するのに必要な位相又はゲイン操作の成分が、ローカルアレイと同じタイミングで各スレーブチャネルに加えられる。一般に、複合ビームのそれぞれの部分の位相成分が合計され、ゲイン成分が乗算され、組み合わされた位相又はゲイン操作のセットは、「受信」成分に対する「送信」成分スライドとして各スレーブチャネル１５３１－１などで異なる。前述のように、予想される伝播時間差が送信アンテナ要素１７０４－Ｔの起動期間に比べて大きくない場合、送信部分１７４７を形成するのに必要な位相又はゲイン操作の適用を遅らせる必要はない。
図１８の外形図に示すように、複合ビームから取得された角度α、β及びδ と共に、直接及び間接経路信号１８０９、１８１１の経路長は、装置１８００が推定される物体１８２８の方向及びレンジの推定値を取得するのに十分である。複合ビームによって提供される追加の角度情報は、高い確度を有する環境の特徴付けを可能にする。例えば、２つの物体１８５９及び１８６１を包含する二重反射経路１８４３の可能性を、この長さが短か過ぎるので除外することができる。角度α及びβを含む３又は４以上の反射を伴い、且つ単一反射経路１８１１の長さ１８１７に等しい全長を有する経路が予想されることがあるが、このような経路に沿った無視できない信号の受信は益々可能性が低くなる。多くの状況で、推測された物体の存在又は不存在を、同じ送信機１８０５又は他の送信機からの信号を用いて他の方向で形成された複合ビームから決定された候補位置をクロスチェックすることによって確認することができる。
図８、１２及び１７に示したシステムの各々では、外部送信機８０５、１２０５又は１７０５が、ポジショニングネットワークを形成する公知の位置の複数の類似の送信機の１つであるのが好ましく、ポジショニングネットワーク内で装置８００、１２００又は１７００は、ＰＶＴソリューションを計算することができる。これは、環境特徴付け機能の一部として又はこれに加えて実行することができる。例えば図８の装置８００は、ＰＶＴソリューションを計算するための十分な数の信号を受信するための送信機８０５の同じ数に向けられる幾つかのビーム８１３－Ａ、及び他の方向の１又は２以上のビーム８１３を形成して、環境内の物体８２８からの反射を探すことができる。同様に、図１２の装置１２００は、位置決定のためにそれ自体に向けた同じ数の送信機アレイ１２０２から走る幾つかのビーム１２４７－Ａ、及び他の方向の１又は２以上のビーム１２４７を形成して、環境内の物体１２２８からの反射を探すことができる。
図１２に関して上述した装置１２００は、リモートビーム形成技術の利用がマルチ要素アンテナアレイを必要とすることなく関連するユーザプラットフォーム１２０１の環境を特徴付けるのを可能にし、手持式デバイスへの小型化を可能にするので特に有利である。図１７の装置１７００は、複合ビーム形成技術の利用が物体レンジの曖昧さの可能性を低減するので有利である。重要なことは、図１２及び１７に示したシステムがマルチアクセスであり、適切な装置１２００又は１７００を有するユーザプラットフォーム１２０１又は１７０１の何れの数も、１又は２以上のアンテナアレイを備えた送信機１２０５、１７０５のネットワーク内で作動できるということを意味する。これは、環境を特徴付ける、又はＰＶＴソリューションを決定するのに必要な信号操作の全てが、装置のそれぞれの受信機内で実行されるためである。一方で所与のユーザプラットフォームの装置が、例えば有線又は無線手段を介して、その固有の使用に一定の方向の１又は２以上のビームを形成するようアンテナアレイを備えた外部送信機に命じる場合、他のユーザプラットフォームの装置は、この送信機へのアクセスを拒否される。従って、図１２に示したシステムは、マルチアクセス方法を提供し、単純なアンテナ１２０７を備えた適当な装置１２００を有する複数のユーザプラットフォーム１２０１は、マルチ要素アンテナアレイ１２０２を備えた１又は２以上の外部送信機１２０５から受信された信号を用いてユーザプラットフォームの環境を特徴付けることができる。
本発明の実施形態の少数を、信号の送信、受信及び処理によってユーザプラットフォームの環境を特徴付ける方法及び装置に関して説明した。簡単にするために、受信機内のハードウェアに実施することができるチャネル、相関器及びタップなどの要素に関して信号処理を説明した。しかしながら、最新のコンピュータプロセッサを有するこれらの及び他の要素はソフトウェアで実施することもでき、受信された信号を処理するための資源のアサインメントにおける高い融通性を提供することが理解されるであろう。一般に信号処理は、添付の請求項の範囲から逸脱することなく、ハードウェア、ファームウェア及びソフトウェアの何れの組み合わせでも起こすことができる。
本発明を特定の実施例に関して説明してきたが、本発明が多くの他の形態でも実施できることが当業者によって理解されるであろう。
１００ 装置
１０２ アンテナアレイ
１０４ 複数の空間的に分散されたアンテナ要素
１０６ プロセッサ
１０８ 送信機
１１０ 受信機
１１２ 単極スイッチ
１１４ 送信線
１１６ ＲＦ増幅器／変調器
１１８ スイッチングネットワーク
１２０ 接合部
１２２ ＲＦフロントエンド
１２４ １又は２以上のチャネル
１２６ １又は２以上のビーム
１２８ 物体
１３２ 相関器
１３４ 信号
１０２ アンテナアレイ
１０４ 複数の空間的に分散されたアンテナ要素
１０６ プロセッサ
１０８ 送信機
１１０ 受信機
１１２ 単極スイッチ
１１４ 送信線
１１６ ＲＦ増幅器／変調器
１１８ スイッチングネットワーク
１２０ 接合部
１２２ ＲＦフロントエンド
１２４ １又は２以上のチャネル
１２６ １又は２以上のビーム
１２８ 物体
１３２ 相関器
１３４ 信号
Claims (18)
- ユーザプラットフォームの環境を特徴付ける方法であって、
信号を生成するステップと、
アンテナアレイの空間的に分散されたアンテナ要素を介して前記信号を送信するステップであって、前記アンテナ要素は、信号を送信又は受信するための予め定められたシーケンスで起動されるステップと、
順次的に起動される前記アンテナ要素を介して受信された入力信号に対して、前記予め定められたシーケンスと実質的に同期して、前記アンテナアレイに対するラウンドトリップ経路補正を組み入れ且つ予め定められた方向で前記アンテナアレイのレシプロカルビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作を加えるステップと、
前記操作された入力信号を統合期間にわたって累積して前記レシプロカルビームを形成するステップと、
前記送信された信号の戻りの前記レシプロカルビームにおける検出に基づいて前記予め定められた方向における物体の存在を推測するステップと、
を含む方法。 - 前記位相又はゲイン操作は、前記予め定められたシーケンスと実質的に同期して且つリターン信号の予想される受信期間と実質的に同期して前記入力信号に加えられる、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記統合期間は、前記リターン信号の予想される受信期間と前記アンテナ要素の起動期間のオーバーラップによって決定されるある数の部分統合期間に分割される、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
- 前記送信された信号の戻りの検出は、前記送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けるステップを含む、ことを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の方法。
- 送信されている、前記生成された信号から内部で取得されたローカル信号を受信するステップと、
第１チャネルにおける前記ローカル信号を追跡して、前記推測された物体までのレンジの測定に対するベースラインを決定するステップと、
を更に含む、ことを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の方法。 - 前記第１チャネルの一連の遅延での複数のタップにおいて、前記送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けて、複数の相関値を決定するステップと、
前記複数の相関値から最大相関値を識別するステップと、
前記ベースラインと前記最大相関値の離隔から、前記推測された物体までのレンジに関する尺度を決定するステップと、
を更に含む、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。 - 前記第１チャネルにスレーブされた１又は２以上のチャネルの一連の遅延での複数のタップにおいて、前記送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けて、複数の相関値を決定するステップと、
前記複数の相関値から最大相関値を識別するステップと、
前記ベースラインと前記最大相関値の離隔から、前記推測された物体までのレンジに関する尺度を決定するステップと、
を更に含む、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。 - 前記ローカル信号は、前記生成された信号が送信されている期間に累積され、前記操作された入力信号は、前記生成された信号が送信されていない期間に累積される、ことを特徴とする請求項５～７の何れか１項に記載の方法。
- ユーザプラットフォームの環境を特徴付ける装置であって、
複数の空間的に分散されたアンテナ要素を有するアンテナアレイと、
信号を送信又は受信するための予め定められたシーケンスで前記アンテナ要素を起動するスイッチングネットワークと、
信号を生成して順次的に起動される前記アンテナ要素を介して前記信号を送信するため前記アンテナアレイに動作可能に関連付けられる送信機と、
前記アンテナアレイに動作可能に関連付けられる受信機であって、
順次的に起動される前記アンテナ要素を介して入力信号を受信し、
前記予め定められたシーケンスと実質的に同期して、前記アンテナアレイに対するラウンドトリップ経路補正を組み入れ且つ予め定められた方向で前記アンテナアレイのレシプロカルビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作を受信された前記入力信号に加え、
前記操作された入力信号を統合期間にわたって累積して前記レシプロカルビームを形成し、
前記送信された信号の戻りの前記レシプロカルビームにおける検出に基づいて、前記予め定められた方向における物体の存在を推測する、
ようにする受信機と、
を備える装置。 - 前記受信機は、前記予め定められたシーケンスと実質的に同期して且つリターン信号の予想される受信期間と実質的に同期して、前記入力信号に前記位相又はゲイン操作を加えるよう適応される、ことを特徴とする請求項９に記載の装置。
- 前記統合期間は、前記リターン信号の予想される受信期間と前記アンテナ要素の起動期間のオーバーラップによって決定されるある数の部分統合期間に分割される、ことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
- 前記受信機は、前記送信された信号の前記戻りの検出のために、前記送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付ける相関器を含む、ことを特徴とする請求項９～１１の何れか１項に記載の装置。
- 前記受信機は、
送信されている、前記生成された信号から内部で取得されたローカル信号を受信し、
第１チャネルにおける前記ローカル信号を追跡して、前記推測された物体までのレンジの測定に対するベースラインを決定する、
よう適応される、ことを特徴とする請求項９～１２の何れか１項に記載の装置。 - 前記受信機は、
前記第１チャネルの一連の遅延での複数のタップにおいて、前記送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けて、複数の相関値を決定し、
前記複数の相関値から最大相関値を識別し、
前記ベースラインと前記最大相関値の離隔から、前記推測された物体までのレンジに関する尺度を決定する、
ように適応される、ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。 - 前記受信機は、
前記第１チャネルにスレーブされた１又は２以上のチャネルの一連の遅延での複数のタップにおいて、前記送信された信号を符号化するために用いられたコードのレプリカに対して入力信号を相関付けて、複数の相関値を決定し、
前記複数の相関値から最大相関値を識別し、
前記ベースラインと前記最大相関値の離隔から、前記推測された物体までのレンジに関する尺度を決定する、
ように適応される、ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。 - 前記受信機は、前記生成された信号が送信されている期間に前記ローカル信号を累積し、前記生成された信号が送信されていない期間に前記操作された入力信号を累積するように適応される、ことを特徴とする請求項１３～１５の何れか１項に記載の装置。
- アンテナアレイにてレシプロカルビームを形成する方法であって、
信号を生成するステップと、
前記アンテナアレイの空間的に分散されたアンテナ要素を介して前記信号を送信するステップであって、前記アンテナ要素は、信号を送信又は受信するための予め定められたシーケンスで起動されるステップと、
順次的に起動される前記アンテナ要素を介して受信された入力信号に対して、前記予め定められたシーケンスと実質的に同期して、前記アンテナアレイに対するラウンドトリップ経路補正を組み入れ且つ予め定められた方向で前記アンテナアレイのレシプロカルビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作を加えるステップと、
前記操作された入力信号を統合期間にわたって累積して前記レシプロカルビームを形成するステップと、
を含む方法。 - アンテナアレイにてレシプロカルビームを形成する装置であって、
複数の空間的に分散されたアンテナ要素を有するアンテナアレイと、
信号を送信又は受信するための予め定められたシーケンスで前記アンテナ要素を起動するスイッチングネットワークと、
信号を生成し順次的に起動される前記アンテナ要素を介して前記信号を送信するため前記アンテナアレイに動作可能に関連付けられる送信機と、
前記アンテナアレイに動作可能に関連付けられる受信機であって、
前記順次的に起動されるアンテナアレイを介して入力信号を受信し、
前記予め定められたシーケンスと実質的に同期して、前記アンテナアレイに対するラウンドトリップ経路補正を組み入れ且つ予め定められた方向で前記アンテナアレイのレシプロカルビームを形成するために選択された位相又はゲイン操作を受信された前記入力信号に加え、
前記操作された入力信号を統合期間にわたって累積して前記レシプロカルビームを形成する、
ようにする受信機と、
を備える装置。
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