JPH04318479A - 発信機位置測定システム - Google Patents

発信機位置測定システム

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Publication number
JPH04318479A
JPH04318479A JP11392791A JP11392791A JPH04318479A JP H04318479 A JPH04318479 A JP H04318479A JP 11392791 A JP11392791 A JP 11392791A JP 11392791 A JP11392791 A JP 11392791A JP H04318479 A JPH04318479 A JP H04318479A
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JP
Japan
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transmitter
pseudo
noise signal
measured
signal
Prior art date
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Application number
JP11392791A
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English (en)
Inventor
Yoshikatsu Nakagawa
中川 義克
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】本発明は、発信機位置測定システムに関し
、より詳細には、被測定体から発する電波を受信して被
測定体の位置の座標を測定する発信機位置測定システム
に関する。例えば、ローカルエリア無線通信、ファクト
リーオートメーション、ホームオートメーションなどに
適用されるものである。
【0002】
【従来技術】先に提案されたものとして、特願平2−3
5550号に「発信機位置測定システム及び発信機」が
ある。これは、屋内環境などの限られた領域内での被測
定体の正確な位置座標情報を得ることができる発信機位
置測定システムとして、疑似雑置信号を発信する発信機
と疑似雑音信号発生の時刻の基準となる時計を被測定体
に保持させ、測定領域内に設置された複数の基準局の同
期回路と発信機の時間とほぼ同じ時刻を示す時計から、
信号の到着時間を連続的に観測し、発信機の位置を測定
するシステムである。このシステムでは実時間で位置の
追跡ができるが、各基準局は疑似雑音信号に関する同期
回路を必要とするため、回路構成が複雑になる。
【0003】
【目的】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされた
もので、発信機を保持する被測定体の動きが遅かったり
、移動が少ないときのように連続的に位置追跡をする必
要がない場合の位置測定システムとして、基準局に同期
回路を使わずに、各疑似雑音信号に関する整合フィルタ
を用いることで回路構成を簡単にし、ある時間間隔ごと
に位置測定ができるシステムを提案すること、また、各
基準局で異なる時間差が生じることによる問題を解決す
るために測定領域内の既知の座標に基準発信機を設置し
、被測定体とは異なる疑似雑音信号を、被測定体と同じ
発信間隔で、かつ異なった時間に発信させ、この信号を
基準に各基準局で到達時間を計算させ、被測定体の座標
計算の時間誤差を少なくできる発信機位置測定システム
を提供することを目的としてなされたものである。
【0004】
【構成】本発明は、上記目的を達成するために、(1)
特定の領域における被測定体の位置を測定する位置測定
システムにおいて、該位置測定システムは、被測定体に
固有に割当てられた疑似雑音符号の信号を周期的に発信
する発信機と、該発信機の発信開始時間を決める時計と
を保持する被測定体と、同領域内に複数設置された基準
局とから成り、該基準局が発信機からの疑似雑音信号を
受信し、被測定体に割当てられた疑似雑音信号に関する
整合フィルタと、被測定体の保持する発信開始時間を決
める時計と同じかもしくはほぼ同じ発信開始時間を示す
時計から発信された疑似雑音信号の到着時間を計測する
計測手段とを有し、被測定体の位置および被測定体が保
持する発信機の座標を計測すること、或いは、(2)特
定の領域における被測定体の位置を測定する位置測定シ
ステムにおいて、該位置測定システムは、被測定体に保
持され、被測定体に固有に割当てられた疑似雑音符号の
信号を周期的に発信する発信機と、また同領域内のある
位置に被測定体の発信周期と同じ周期ではあるが異なる
時間に、被測定体の発信する疑似雑音信号とは異なる符
号の疑似雑音信号を間欠的に発信する基準発信機と、同
領域内に複数設置された基準局とから成り、前記基準発
信機から発信される疑似雑音信号と被測定体から発信さ
れる疑似雑音信号とを受信し、基準発信機に割当てられ
た疑似雑音信号に関する整合フィルタと被測定体に割当
てられた疑似雑音信号に関する整合フィルタとを通して
得られる二つの信号の到着の時間差を計測する計測手段
を有し、被測定体の位置および被測定体が保持する発信
機の座標を計測すること、更には、(3)前記(2)に
おいて、被測定体の有する発信機が、固有に割当てられ
た疑似雑音符号の信号を連続的に発信する発信機であり
、同領域内のある位置に設置された基準発信機が、被測
定体の発信周期と同じ周期であるが異なる時間に、被測
定体の発信する疑似雑音信号とは異なる符号の疑似雑音
信号を連続的に発信する発信機に複数設置された基準局
において、前記基準発信機からの疑似雑音信号と被測定
体の発信機からの疑似雑音信号とを連続的に送信するこ
とを特徴としたものである。以下、本発明の実施例に基
づいて説明する。
【0005】図1は、本発明による発信機位置測定シス
テムの一実施例を説明するための構成図で、図中、1a
〜1dは基準局、2a〜2dは受信アンテナ、3は被測
定体、3aは送信アンテナ、4は時計、5は計算機、6
は時計である。基準局1a〜1dは、例えば屋内の天井
の四隅に固定設置され、受信アンテナ2a〜2dの位置
座標がわかっている。基準局1a〜1dおよび計算機5
はそれぞれ共通の時計6から発信時刻の情報を得ており
、この時計6と時刻がほぼ一致した時計4を被測定体は
保持している。被測定体3と基準局1a〜1dはお互い
に見通し内にあり、従って、被測定体3から発せられる
キャリアは見通し内伝播をして各基準局1a〜1dに到
達する。疑似雑音信号の伝送キャリアとしては電波、光
、音波のいずれでもよい。ここで述べる実施例では、電
波を対象とする。本発明の実施例をキャリアが光、音波
の場合で実施するには、電気信号への変換器が加われば
よい。各基準局1a〜1dは被測定体3から連続もしく
は間欠的に発信される信号を受信し、その信号の伝播時
間遅れを計測して、計算機5にその情報を転送する。 計算機では、転送されてきた情報から各基準局1a〜1
dと被測定体間の距離を計算し、さらに各基準局1a〜
1dの受信位置の座標(X1,Y1,Z1)〜(X4,
Y4,Z4)から被測定体の位置座標(X,Y,Z)を
測定する。
【0006】図2は、図1に示す発信機位置測定システ
ムにおける被測定体が保持する発信機と各基準局の受信
機の構成図で、図中、10は信号源、11は疑似雑音(
PN)信号発生器、12は周波数変換部、13はアンプ
、14は送信アンテナ、15は受信アンテナ、16はア
ンプ、17は周波数変換部、18は整合フィルタ、19
は検波器、20は遅延時間計測部で、その他、図1と同
じ作用をする部分は同一の符号を付してある。被測定体
はその測定体固有の系列の疑似雑音(PN)信号発生器
11を有し、その信号を無線周波数(RF)帯(例えば
800MHz、1GHz)にアップコンバートして送信
する。基準局では、受信したRF帯信号をダウンコンバ
ートして、中間周波数(IF)帯で被測定体固有のPN
符号に一致した整合フィルタ18を通し、その後、包絡
線検波器19を通すことで自己相関出力を得る。整合フ
ィルタ18は一般にSAWデバイスやCCDで実現でき
る。また、整合フィルタの代りにコンボルバによって、
自己相関をとってもよい。
【0007】図3は、被測定体の保持するPN信号発生
器の構成図で、図中、21はクロック信号源、22はフ
リップフロップ、23は4ビートバイナリカウンタ、2
4はフリップフロップ、25は4ビットパラレルアクセ
スシフトレジスタ、26は排他的論理和(EXOR)で
ある。この発生器は4ビットカウンタ23、4ビットシ
フトレジスタ25、フリップフロップ22,24、EX
OR26からなり、周期15チップのM系列疑似雑音信
号を、時計信号によるトリガ信号を合図に一周期分発生
させる回路である。この構成例ではクロック信号と時計
信号が同期していることを仮定している。時計信号の周
期は後記の条件下では任意に選べるため、クロックと時
計信号が同期していることはシステムの実現を困難にす
ることはなく、むしろ発信機の設計が簡単になる点で好
ましい。時計信号のトリガとともにシフトレジスタの各
ビットはHiにロードされる。また、シフトレジスタの
クリアがオフとなるため、トリガ信号の次のクロックパ
ルスからシフトが始まる。シフトレジスタの1ビット目
と4ビット目の出力はEXORを通してシリアル入力へ
フィードバックされる。カウンタでは15パルスをカウ
ントした時点でキャリア信号が出力されるので、この信
号を1パルス遅られてシフトレジスタにおいて15チッ
プのシフトを終えた時点でクリア信号が入ることになる
。したがって、図4のようにTm時間毎に〔11110
1011001000〕の順番で15チップのPN信号
1周期分が発生されることになる。
【0008】チップレートはクロック信号の周波数で決
り、高精度の距離計測には高チップレートが要求される
。時計信号のトリガ信号はTmの周期を持つが、Tmは
Tm≧PN信号周期/クロック信号周波数でなければな
らない。例えば、図3でクロック周波数が100MHz
のときはTm≧0.15μsecとする。また、PN信
号周期を長くすれば自己相関特性が良くなる。
【0009】図4(a)〜(e)は、PN信号が間欠的
に発信される場合の各出力波形である。TはPN符号の
1周期(ここでは15チップ)の時間、Tmは発信の時
間間隔である。被測定体がt=t1から発信を開始され
、発信間隔がTmであることが決められており、計算機
にもその情報が登録されている。基準局の受信機の検波
出力には送信機がPN信号を送出し終わった時刻t=t
1+Tより、伝播時間Δtだけ遅れて相関ピークが生じ
る。この時間Δtは基準局と被測定体間の距離1に比例
し、1=C・Δt(C:光速)となる。被測定体が移動
した場合、次のPN信号発信時の遅延時間は、例えばΔ
t′となり、時間Tmの間に被測定体が移動したことが
わかる。
【0010】図5は、伝播遅延時間Δtを測定するため
の遅延時間計測部の構成図で、図中、31は波形整形部
、32はフリップフロップ、33はカウンタ、34はク
ロック信号源である。カウンタ33は計算機から全ての
基準局に供給される時計信号のトリガでスタートし、検
波器出力を波形整形した信号でストップ、クリアされる
。この間、カウントされたクロックパルスの数は計算機
へ出力され、クロックの周波数とパルスの数からΔtが
計算される。検波器出力波形の立上がり時間が十分に短
く、また振幅も十分であれば波形整形部31を省略する
こともできる。この様にして全ての基準局1a〜1dで
同様の測定を行なうと、被測定体の座標(X,Y,Z)
と各基準局の座標は各基準局で測定された伝播遅延時間
t1〜t4を用いて次式で表される。
【0011】 (X1−X)2+(Y1−Y)2+(Z1−Z)2=C
2(Δt1+δ)2(X2−X)2+(Y2−Y)2+
(Z2−Z)2=C2(Δt2+δ)2(X3−X)2
+(Y3−Y)2+(Z3−Z)2=C2(Δt3+δ
)2(X4−X)2+(Y4−Y)2+(Z4−Z)2
=C2(Δt4+δ)2 ここで、Δt1,Δt2,Δt3,Δt4はそれぞれの
基準局で測定される伝播遅延時間である。また、図4中
および上記の式のδは被測定体の時計と計算機および基
準局の時計との間の誤差時間である。計算機では上式に
基づいてΔt1,Δt2,Δt3,Δt4と基準局座標
(X1,Y1,Z1)〜(X4,Y4,Z4)および光
速Cから被測定体の座標(X,Y,Z)を計算できる。 以上のように、本発明によれば、間欠的な被測定体の位
置追跡が同期回路を用いる方式より簡易なシステムで実
現できる。 実施例では被測定体が一つであったが、複数の異なる系
列のPN符号を用い、基準局にはそれらに対応した複数
の整合フィルタを用意することで、複数の被測定体の位
置追跡が可能である。
【0012】以上説明したのは、発信機を保持する被測
定体の動きが遅かったり、移動が少ないときのように連
続的に位置追跡をする必要がない場合の位置測定システ
ムとして、基準局に同期回路を使わずに、各疑似雑音信
号に関する整合フィルタを用いることで回路構成を簡単
にし、ある時間間隔ごとに位置測定ができるシステムで
あった。しかし、各基準局は座標を計算するための計算
機に接続された時計を基準として発信機から発信された
信号の到達時間を求めるため、計算機と各基準局の接続
ケーブルにおける遅延などで各基準局で異なる時間誤差
が生じると座標の計算に誤差が生じることになる。
【0013】この点を改良した実施例について以下に説
明する。図6は、本発明による発信機位置測定システム
の他の実施例を示す図で、図中、41a〜41dは基準
局、42a〜42dは受信アンテナ、43は被測定体、
43aは送信アンテナ、44は基準発信機、45は計算
機である。基準局41a〜41dは、例えば屋内の天井
の四隅に固定設置され、受信アンテナ42a〜42dの
位置座標がわかっている。ただし、各局は同一平面上に
ないようにする。また、屋内には基準発信機44が設置
され、その送信アンテナ43aの位置座標がわかってい
る。基準発信機44は基準局の一つが兼ねることも可能
である。被測定体43と、基準発信機44と基準局41
a〜41dはお互に見通し内にあり、従って、被測定体
43と基準発信機44から発せられるキャリアは見通し
内伝播をして各基準局に到達する。疑似雑音信号の伝送
キャリアとしては電波、光、音波のいずれでもよい。伝
送キャリアの周波数は被測定体43と基準発信機44で
同じでも異なっても良い。ここで述べる実施例では、電
波を対象とし、キャリアの周波数は被測定体と基準発信
機で同じである。本発明の実施例をキャリアが光、音波
の場合で実施するには、例えば電気信号への変換器が加
わればよい。各基準局41a〜41dは被測定体43お
よび基準発信機44から連続もしくは間欠的に発信され
る信号を受信し、被測定体43からの信号と基準発信機
44からの信号の到達時間の差を計測して、計算機45
にその情報を転送する。計算機45では、転送されてき
た情報と基準発信機44の座標(X0,Y0,Z0)各
基準局41a〜41dの受信位置の座標(X1,Y1,
Z1)〜(X4,Y4,Z4)から被測定体の位置座標
(X,Y,Z)を測定する。
【0014】図7は、図6に示す発信機位置測定システ
ムにおける被測定体が保持する発信機と基準発信機と各
基準局の受信機の構成図で、図中、50,56は信号源
、51,57はトリガ信号発生器、52,58はPN信
号発生器、53,59は周波数変換部、54,60はア
ンプ、55,61は送信アンテナ、62は受信アンテナ
、63はアンプ、64は周波数変換部、65,66は整
合フィルタ、67,68は検波器、69は遅延時間計測
で、その他、図6と同じ作用をする部分は同一の符号を
付してある。被測定体はその測定体固有の系列の疑似雑
音(PNm)信号発生器52を有し、その信号を無線周
波数(RF)帯(例えば800MHz、1GHz)にア
ップコンバートして送信する。送信はトリガ信号発生器
51で制御され、Tm時間ごとに送信されている。基準
発信機は被測定体と異なる疑似雑音信号PN0の発生器
58を有し、その信号をRF帯にアップコンバートして
送信する。搬送波周波数は被測定体と基準発信機とで同
じでも異なっても良いが、図7の実施例では被測定体と
基準発信器が同じ搬送波周波数を用いている。基準局で
は、受信したRF帯信号をダウンコンバートして、中間
周波数(IF)帯で被測定体固有のPN符号に一致した
整合フィルタ65,66を通し、その後、包絡線検波器
67,68を通すことで自己相関ピーク出力を得る。 整合フィルタは一般にSAWデバイスやCCDで実現で
きる。また、整合フィルタの代りにコンボルバによって
、自己相関をとってもよい。
【0015】図8(a)〜(d)は送信される各PN信
号と受信機で得られる各PN信号の相関ピークを示す。 疑似雑音信号の周期、トリガ信号発生のタイミングは任
意に選べるが、疑似雑音信号間で相互相関があるため、
実施例では疑似雑音信号の周期Tpo,Tpmとトリガ
信号のタイミングを基準PN信号と被測定体のPN信号
が重ならないように選んだ場合を考える。δ1は基準発
信器のPN信号から相関ピーク(基準相関ピークと呼ぶ
)が得られる時刻から被測定体がPN信号(PNm)を
送信し終えるまでの時間である。また、Δt1とΔt1
′は基準相関ピークが得られた時刻から被測定体のPN
信号からの相関ピークが得られるまでの時間である。基
準発信器は固定されているので基準発信器と基準局の受
信機間の距離l0は既知である。さらに、PN信号送信
時刻も決っているので、δも既知である。
【0016】したがって、基準局1と被測定体の距離l
1は次式で与えられる。 l1=l01+c・(Δt1−δ1+ε)ここで、εは
PN信号の送信タイミングをあたえるクロックの時間変
動による時間誤差であり、cは光速である。同様のこと
がすべての基準局で成立つため、被測定体の座標と基準
局の座標の関係はΔt1〜Δt4、δ1〜δ4を用いて
次式で与えられる。 (X1−x)2+(Y1−y)2+(Z1−z)2={
l01+c・(Δt1−δ1+ε)}2(X2−x)2
+(Y2−y)2+(Z2−z)2={l02+c・(
Δt2−δ2+ε)}2(X3−x)2+(Y3−y)
2+(Z3−z)2={l03+c・(Δt3−δ3+
ε)}2(X4−x)2+(Y4−y)2+(Z4−z
)2={l04+c・(Δt4−δ4+ε)}2
【0017】したがって、上式を用いてΔt1〜Δt4
より、被測定体の座標が計算される。Δt1〜Δt4の
計測を行なう遅延時間計測回路の構成例を図9に示す。 図中、70,71は波形整形部、72はフリップフロッ
プ、73はカウンタ、74はクロック信号波である。基
準相関ピークでカウンタがクロックのカウントを開始し
、被測定体の相関ピークでカウントを停止する。この場
合計測精度はクロックの速さに依存することになる。
【0018】図10(a)〜(d)は、送信PN信号と
受信機における相関ピーク信号を示す図である。システ
ムの構成は図6と同じであり、被測定体の発信機と基準
発信機がそれぞれ連続的に送信を行なっている場合に相
当する(To=0)。したがって、図7において発信機
にトリガ信号発生器が含まれなくてよい。相関出力信号
So,Smにはそれぞれ相互相関出力信号が重量するた
め、ノイズが増えるが、相関ピークが埋れなければよい
。被測定体の座標は前述の方法と同じ方法で計測される
。以上のように本発明によれば、間欠的な被測定体の位
置追跡が同期回路を用いる方式より簡易なシステムで実
現でき、また各基準局に時計信号を有線で伝送する必要
がないため、時刻情報の伝送遅延による時間測定の誤差
をなくすことができる。実施例では被測定体が一つであ
ったが、請求項2と請求項3の両システムともに、複数
の異なる系列のPN符号を用い、基準局にはそれらに対
応した複数の整合フィルタを用意することで、複数の被
測定体の位置追跡が可能である。
【0019】
【効果】以上の説明から明らかなように、本発明による
と、以下のような効果がある。 (1)請求項1に対する効果:被測定体に疑似雑音信号
の発信機を保持させ、その信号を複数の基準局で受信し
、疑似雑音信号の系列に対応した整合フィルタの出力信
号と受信の基準となる時計信号から伝播遅延時間を求め
ることで、同期回路を用いる場合よりも簡易な方法で間
欠的に被測定体の位置座標を追跡することができる。 (2)請求項2に対する効果:被測定体に疑似雑音信号
の発信機を保持させ、さらに基準発信機を設置し、それ
ぞれの発信機から異なった時間に異なる疑似雑音信号を
送信させ、それらの信号を複数の基準局で受信し、それ
ぞれの疑似雑音信号の系列に対応した整合フィルタを用
いて相関ピークを得て、基準発信機からの相関ピーク信
号と被測定体からの相関ピーク信号との時間差から伝播
遅延時間を求めることで、ケーブルなどによる伝播遅延
誤差を小さくでき、より精度よく、間欠的な被測定体の
位置座標の追跡が可能となる。 (3)請求項3に対する効果:請求項2のシステムにお
いて、被測定体の有する発信機と基準発信機は、それぞ
れの異なる疑似雑音信号を連続的に送信する回路構成で
済むため、より簡易な発信機を用いた間欠的な被測定体
の位置座標追跡が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】  本発明による発信機位置測定システムの一
実施例を説明するための構成図である。
【図2】  本発明による発信機位置測定システムにお
ける被測定体が保持する発信機と各基準局の受信機の構
成図である。
【図3】  被測定体の保持するPN信号発生器の構成
図である。
【図4】  PN信号が間欠的に発信される場合の出力
波形を示す図である。
【図5】  伝播遅延時間を測定するための遅延時間計
測部の構成図である。
【図6】  本発明による発信機位置測定システムの他
の実施例を示す図である。
【図7】  本発明による発信機位置測定システムにお
ける被測定体が保持する発信機と基準発信機と各基準局
の受信機の構成図である。
【図8】  送信される各PN信号と受信機で得られる
各PN信号の相関ピークを示す図である。
【図9】  遅延時間計測回路の構成図である。
【図10】  送信PN信号と受信機における相関ピー
ク信号を示す図である。
【符号の説明】
1a〜1d…基準局、2a〜2d…受信アンテナ、3…
被測定体、3a…送信アンテナ、4…時計、5…計算機
、6…時計。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  特定の領域における被測定体の位置を
    測定する位置測定システムにおいて、該位置測定システ
    ムは、被測定体に固有に割当てられた疑似雑音符号の信
    号を周期的に発信する発信機と、該発信機の発信開始時
    間を決める時計とを保持する被測定体と、同領域内に複
    数設置された基準局とから成り、該基準局が、発信機か
    らの疑似雑音信号を受信し、被測定体に割当てられた疑
    似雑音信号に関する整合フィルタと、被測定体の保持す
    る発信開始時間を決める時計と同じかもしくはほぼ同じ
    発信開始時間を示す時計から発信された疑似雑音信号の
    到着時間を計測する計測手段とを有し、被測定体の位置
    および被測定体が保持する発信機の座標を計測すること
    を特徴とする発信機位置測定システム。
  2. 【請求項2】  特定の領域における被測定体の位置を
    測定する位置測定システムにおいて、該位置測定システ
    ムは、被測定体に保持され、被測定体に固有に割当てら
    れた疑似雑音符号の信号を周期的に発信する発信機と、
    また同領域内のある位置に被測定体の発信周期と同じ周
    期ではあるが異なる時間に、被測定体の発信する疑似雑
    音信号とは異なる符号の疑似雑音信号を間欠的に発信す
    る基準発信機と、同領域内に複数設置された基準局とか
    ら成り、前記基準発信機から発信される疑似雑音信号と
    被測定体から発信される疑似雑音信号とを受信し、基準
    発信機に割当てられた疑似雑音信号に関する整合フィル
    タと被測定体に割当てられた疑似雑音信号に関する整合
    フィルタとを通して得られる二つの信号の到着の時間差
    を計測する計測手段を有し、被測定体の位置および被測
    定体が保持する発信機の座標を計測することを特徴とす
    る発信機位置測定システム。
  3. 【請求項3】  被測定体の有する発信機が、固有に割
    当てられた疑似雑音符号の信号を連続的に発信する発信
    機であり、同領域内のある位置に設置された基準発信機
    が、被測定体の発信周期と同じ周期であるが異なる時間
    に、被測定体の発信する疑似雑音信号とは異なる符号の
    疑似雑音信号を連続的に発信する発信機に複数設置され
    た基準局において、前記基準発信機からの疑似雑音信号
    と被測定体の発信機からの疑似雑音信号とを連続的に送
    信することを特徴とする請求項2記載の発信機位置測定
    システム。
JP11392791A 1991-04-17 1991-04-17 発信機位置測定システム Pending JPH04318479A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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