WO2010106747A1 - 測位システム及び測位方法 - Google Patents

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WO2010106747A1
WO2010106747A1 PCT/JP2010/001470 JP2010001470W WO2010106747A1 WO 2010106747 A1 WO2010106747 A1 WO 2010106747A1 JP 2010001470 W JP2010001470 W JP 2010001470W WO 2010106747 A1 WO2010106747 A1 WO 2010106747A1
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WO
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pulse signal
signal sequence
positioning
transmission
target device
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/001470
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English (en)
French (fr)
Inventor
中川洋一
深川隆
向井裕人
Original Assignee
パナソニック株式会社
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Filing date
Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/87Combinations of radar systems, e.g. primary radar and secondary radar
    • G01S13/878Combination of several spaced transmitters or receivers of known location for determining the position of a transponder or a reflector
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/12Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves by co-ordinating position lines of different shape, e.g. hyperbolic, circular, elliptical or radial
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/003Bistatic radar systems; Multistatic radar systems

Definitions

  • the present invention relates to a positioning system and a positioning method for calculating the position of a positioning target device using a pulse signal.
  • the reference clock of the base station and the reference clock of the wireless terminal are not synchronized, and the wireless terminal wakes up at an arbitrary time and transmits a pulse sequence including its own ID information as a UWB wireless signal.
  • the UWB wireless signal is a wireless signal having a bandwidth of 500 MHz or more or a bandwidth of 20% or more with respect to the center frequency.
  • Patent Documents 1 and 2 Examples of wireless positioning systems that employ the asynchronous method are disclosed in Patent Documents 1 and 2.
  • This wireless positioning system has a plurality of base stations and wireless terminals. Then, each base station measures the arrival time TOA (Time-Of-Arrival) required to receive a pulse returned from the wireless terminal after transmitting a positioning signal, and calculates the coordinates of the wireless terminal To do.
  • TOA Time-Of-Arrival
  • a synchronous method for measuring the TOA by synchronizing the reference clock of the base station and the reference clock of the wireless terminal is known.
  • An example of a wireless positioning system that employs this synchronization method is disclosed in Patent Document 3.
  • a wireless terminal receives a pulse sequence transmitted from a base station, regenerates a reference clock, synchronizes its own clock with the reference clock of the base station, and then returns a pulse sequence. Then, the base station receives the pulse sequence returned from the wireless terminal and performs TOA measurement.
  • This synchronization method has the merit that the distance from the wireless terminal can be measured by one base station.
  • the asynchronous method needs to place multiple base stations around the positioning area, the synchronous method requires only one base station installed at the center of the positioning area.
  • the synchronization method is simple.
  • An object of the present invention is to provide a positioning system and a positioning method that improve the positioning accuracy by suppressing the occurrence of jitter.
  • a positioning system includes a transmission device that transmits a pulse signal sequence, an amplifier that amplifies an input signal, a response pulse signal sequence after receiving the pulse signal sequence and amplifying the received pulse signal sequence with the amplifier.
  • a positioning target device comprising: a transmission / reception means for transmitting as: a device separate from the transmission device, a detection means for detecting a reception timing of the response pulse signal sequence, and a transmission timing of the pulse signal sequence.
  • a calculation device including position calculation means for calculating the position of the positioning target device based on the required propagation time until the detected reception timing.
  • a positioning method includes a transmission device that transmits a pulse signal sequence, a positioning target device, and a calculation device that is a separate device from the transmission device and calculates the position of the positioning target device.
  • the transmitting device transmits a pulse signal sequence
  • the positioning target device receives the pulse signal sequence and amplifies the received pulse signal sequence, and then transmits the pulse signal sequence as a response pulse signal sequence.
  • the calculation device detects the reception timing of the response pulse signal sequence, and determines the position of the positioning target device based on the required propagation time from the transmission timing of the pulse signal sequence to the detected reception timing. calculate.
  • the present invention it is possible to provide a positioning system and a positioning method that improve the positioning accuracy by suppressing the occurrence of jitter.
  • the figure which shows the positioning system which concerns on Embodiment 1 of this invention The block diagram which shows the structure of the base station which concerns on Embodiment 1 of this invention.
  • 1 is a block diagram showing a configuration of a radio terminal according to Embodiment 1 of the present invention.
  • Diagram for explaining UW bit sequence and ID bit sequence Block diagram showing a configuration of a reference station according to Embodiment 2 of the present invention
  • Block diagram showing a configuration of a positioning station according to Embodiment 2 of the present invention The figure which shows the structural example of the positioning system which concerns on Embodiment 2 of this invention.
  • Block diagram showing the configuration of a positioning station according to Embodiment 4 of the present invention The figure which uses for description of the position calculation processing by ID positioning section
  • FIG. 1 is a diagram showing a positioning system 10 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the positioning system 10 includes a base station 100 and a wireless terminal 200 whose position is measured by the base station 100.
  • the base station 100 measures the position of the wireless terminal 200.
  • An impulse ultra-wide band (UWB) radio signal is used for the measurement of this position.
  • UWB ultra-wide band
  • the base station 100 first transmits a pulse signal sequence.
  • Radio terminal 200 receives this pulse signal sequence and transmits a response pulse signal sequence based on the received pulse signal sequence.
  • the received pulse signal sequence is transmitted as a response pulse signal sequence by being re-radiated after being amplified in radio terminal 200.
  • the base station 100 receives the response pulse signal sequence transmitted from the wireless terminal 200.
  • Base station 100 measures the arrival time of the received pulse signal sequence and determines the position of radio terminal 200 from the measurement result.
  • the base station 100 measures the round trip time, that is, the timing of receiving the response pulse signal sequence corresponding to this pulse signal sequence from the timing of transmitting the pulse signal sequence (that is, arrival time (TOA)). Measure the time until. Then, the base station 100 obtains the separation distance between the base station 100 and the wireless terminal 200 from the measured round trip time.
  • TOA arrival time
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of base station 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the base station 100 includes a transmission control unit 101, a unique word (UW) generation unit 102, a pulse generation unit 103, antennas 104 and 105, a pulse detection unit 106, a time correlation processing unit 107, A TOA estimation unit 108, a bit determination unit 109, and an ID positioning unit 110 are included.
  • UW unique word
  • the transmission control unit 101 outputs a positioning start signal to the UW generation unit 102 when starting the positioning operation.
  • the UW generation unit 102 When receiving the positioning start signal, the UW generation unit 102 generates a UW bit string and outputs it to the pulse generation unit 103.
  • the UW bit string represents UW (unique word) which is identification information of the base station 100 itself.
  • the UW bit string is generated, for example, by performing OOK (On / Off / Keying) modulation of UW (unique word).
  • OOK On / Off / Keying
  • a predetermined number of UW bit strings form one frame.
  • the UW bit string is repeatedly transmitted for each frame.
  • the pulse generation unit 103 generates pulses at a predetermined cycle, and generates a pulse sequence. Then, the pulse generator 103 generates a radio pulse sequence in the radio frequency band by performing OOK modulation on the generated pulse sequence according to the UW bit string received from the UW generator 102. This radio pulse sequence is transmitted via the antenna 104.
  • the pulse detector 106 receives the response pulse signal sequence via the antenna 105 transmitted from the radio terminal 200.
  • the pulse detection unit 106 performs envelope detection on the received pulse signal series and outputs the obtained baseband signal to the time correlation processing unit 107.
  • the pulse detection unit 106 includes an LNA (Low-Noise-Amp), a diode detector, a comparator, or an A / D converter.
  • a radio reception processing unit (not shown) is provided at the input stage of the pulse detection unit 106.
  • the radio reception processing unit performs reception processing such as down-conversion on the received pulse signal sequence, and then outputs the received pulse signal sequence to the pulse detection unit 106.
  • the time correlation processing unit 107 has information on a plurality of UW candidates.
  • the time correlation processing unit 107 generates a UW replica for each UW candidate.
  • the time correlation processing unit 107 performs cross-correlation processing on the time axis between the generated UW replica and the baseband signal received from the pulse detection unit 106.
  • the time correlation result obtained by this cross-correlation processing is output to the TOA estimation unit 108 in units of frames.
  • This time correlation result is a delay profile of the propagation path expressed by the signal intensity of the received pulse and its arrival time TOA.
  • the TOA estimation unit 108 combines the delay profiles of a plurality of frames to form a combined delay profile, and detects a peak appearing in the combined delay profile. This peak position (that is, peak detection timing (TOA)) is output as a TOA estimation result.
  • TOA peak detection timing
  • the bit determination unit 109 detects the signal strength appearing in the delay profile received from the time correlation processing unit 107 for each frame, and compares the detected strength with a predetermined threshold value. Then, the bit determination unit 109 sequentially stores bit values corresponding to the comparison results. Thereby, a bit sequence based on the magnitude comparison result between the detection intensity and the threshold value of a plurality of frames is obtained.
  • This bit sequence means the identification information of the wireless terminal 200, as will be described later.
  • the ID positioning unit 110 calculates the position of the positioning target wireless terminal 200.
  • the ID positioning unit 110 calculates the distance to the positioning target wireless terminal 200 as information on the position of the wireless terminal 200. Specifically, the ID positioning unit 110 measures a round trip time from the timing of receiving the positioning start signal to the arrival time measured by the TOA estimation unit 108. Then, the ID positioning unit 110 calculates a separation distance between the base station 100 and the wireless terminal 200 corresponding to the identification information received from the bit determination unit 109 based on the required round trip time.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of radio terminal 200 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the wireless terminal 200 includes a UWB antenna 201, a circulator 202, an LNA (Low-Noise-Amplifier) 203, and an ID generation unit 204.
  • LNA Low-Noise-Amplifier
  • the circulator 202 outputs the received pulse series received via the UWB antenna 201 to the LNA 203. Further, the circulator 202 transmits a signal received from the LNA 203 via the UWB antenna 201.
  • the ID generation unit 204 outputs an ID bit sequence indicating identification information (ID) of the wireless terminal 200 itself.
  • ID identification information
  • the ID generation unit 204 outputs the constituent bits of this ID bit sequence one by one for each frame.
  • the LNA 203 amplifies the input pulse series according to the applied voltage.
  • This applied voltage is a voltage value corresponding to the value of the bit received from the ID generation unit 204. Since the configuration bits are output from the ID generation unit 204 at the frame period, the applied voltage value is switched at the frame period. For example, the voltage value switched at the head of the first frame is held up to the head of the second frame that is the next switching timing. In this way, the identification information of the wireless terminal 200 can be replaced with the signal strengths of a plurality of frames. That is, identification information of the wireless terminal 200 composed of a plurality of bits can be converted into voltage transitions in a plurality of frames.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of the positioning system 10.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the UW bit sequence and the ID bit sequence.
  • the UW generation unit 102 starts generating a UW bit string.
  • the bit pattern of this UW bit string is unique to the base station 100 (see the top row in FIG. 5).
  • the UW bit string is composed of 128 bits here.
  • a PN sequence is used for the UW bit string.
  • the PN sequence is a pseudo noise sequence. More specifically, the autocorrelation function takes two-level values, and the number of 0s and 1s in one cycle differs by one.
  • a maximum length shift register sequence (usually called an M sequence) is known.
  • the pulse generation unit 103 performs OOK modulation on a pulse sequence including a plurality of pulses having a constant interval between adjacent pulses according to the UW bit string.
  • a radio pulse sequence in the radio frequency band is obtained (see the top row in FIG. 5). This radio pulse sequence is transmitted via the antenna 104.
  • N UW bit strings form one frame.
  • the radio pulse sequence transmitted from the base station 100 is received by the radio terminals 200-1 and 200-2.
  • the radio terminals 200-1 and 200-2 transmit a response pulse sequence.
  • each of the wireless terminals 200-1 and 200-2 transmits its own ID information on a response pulse sequence. For example, depending on whether each constituent bit of the ID information (consisting of a plurality of bits) of the wireless terminal 200 is 1 or 0, the LNA 203 is switched on / off at a frame period, whereby one constituent bit is converted into a response pulse sequence of one frame. Can be used to communicate. In this way, the radio terminals 200-1 and 200-2 operate like a reflector for a single pulse, and can transmit a response pulse sequence in which the ID information is superimposed on the pulse sequence (see the bottom row in FIG. 5).
  • the radio terminals 200-1 and 200-2 basically transmit the received pulse signal as a response pulse signal simply by performing an amplification process. That is, since the radio terminals 200-1 and 200-2 operate like a reflector for a single pulse, the response pulse sequence synchronized with the reference clock of the base station 100 can be transmitted without reproducing the reference clock.
  • the method of the ranging system in which the wireless terminal basically transmits the response pulse sequence simply by performing amplification processing on the received pulse signal is referred to as “semi-passive method”.
  • the reference clock is not regenerated in the radio terminals 200-1 and 200-2, it is possible to suppress the occurrence of jitter in the radio terminal 200 due to the influence of the multipath propagation path. Thereby, the transmission timing of the response pulse sequence re-radiated from the radio terminal 200 can be stabilized.
  • the pulse signal sequence emitted from the radio terminal 200 is received by the base station 100.
  • the received pulse signal sequence is detected, and the obtained detection result is output to the time correlation processing unit 107.
  • the time correlation processing unit 107 performs a cross-correlation process between the detection result and each UW bit sequence replica. Thereby, a delay profile for each UW candidate is obtained. Since the same UW bit string is repeated in the response pulse signal sequence, the time correlation processing unit 107 repeatedly performs cross-correlation processing using one UW bit sequence replica. Thereby, a plurality of delay profiles corresponding to the length of the UW bit string are obtained. In the cross-correlation process, a coding gain can be ensured according to the length of the UW bit sequence replica. Since UW is individual identification information for each base station 100, a delay profile for each base station 100 is obtained. Here, since it is assumed that there is one base station 100, the time correlation processing unit 107 performs a cross-correlation process between the detection result and the UW bit sequence replica of the base station 100.
  • TOA estimation unit 108 a plurality of delay profiles obtained by the time correlation processing unit 107 are combined to form a combined delay profile. This delay profile synthesis process is performed for each UW candidate. Then, a peak appearing in each composite delay profile is detected. This peak position (that is, peak detection timing (TOA)) is output as a TOA estimation result.
  • TOA peak detection timing
  • the bit determination unit 109 the signal strength appearing in the delay profile received from the time correlation processing unit 107 is detected for each frame, and the detected strength is compared with a predetermined threshold value. Then, bit values corresponding to the comparison results are sequentially stored. Thereby, a bit sequence based on the magnitude comparison result between the detection intensity and the threshold value of a plurality of frames is obtained.
  • the bit sequence obtained by the bit determination unit 109 corresponds to the ID information of the wireless terminal 200.
  • the radio terminal 200 that is the transmission source of the reception response pulse signal sequence can be identified by the bit sequence obtained by the bit determination unit 109. Further, since the terminal ID is not superimposed on the pulse signal sequence reflected and returned by the reflector shown in FIG. 4, the pulse signal sequence reflected by the reflector and the response pulse signal sequence can be discriminated. .
  • the ID positioning unit 110 calculates a separation distance between the base station 100 and the positioning target wireless terminal 200.
  • the base station 100 of the positioning system 10 includes the base station 100 and the radio terminal 200 and measures the position of the radio terminal 200 to be measured using a pulse signal.
  • the generation unit 103 transmits a pulse signal sequence, and the ID positioning unit 110 requires a round trip from the transmission timing of the pulse signal sequence to the reception timing of the response pulse signal sequence transmitted from the wireless terminal 200 that has received the pulse signal sequence.
  • Time is calculated and the position of the wireless terminal 200 is calculated based on the required round trip time.
  • the distance between base station 100 and radio terminal 200 is calculated as information regarding the position of radio terminal 200.
  • the LNA 203 amplifies the received pulse signal sequence and transmits it to the base station 100 as a response pulse signal.
  • the radio terminal 200 operates like a reflector for a single pulse, and thus can transmit a response pulse sequence synchronized with the reference clock of the base station 100 without reproducing the reference clock.
  • the radio terminal 200 since it is not necessary for the radio terminal 200 to regenerate the reference clock, it is possible to suppress the occurrence of jitter in the radio terminal 200 due to the influence of the multipath propagation path.
  • the TOA estimation accuracy can be improved.
  • positioning of the radio terminal 200 can be performed by one base station 100 without using a plurality of base stations 100, and positioning accuracy can be improved.
  • Embodiment 2 relates to a positioning system in which the transmission system and the reception system of base station 100 of Embodiment 1 are separate devices.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of reference station 300 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • Reference station 300 corresponds to the transmission system of base station 100 of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of positioning station 400 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • Positioning station 400 corresponds to the receiving system of base station 100 of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of the positioning system 20.
  • the reference station 300 first transmits a pulse signal sequence.
  • Radio terminal 200 receives this pulse signal sequence and transmits a response pulse signal sequence based on the received pulse signal sequence.
  • the positioning station 400 receives the response pulse signal sequence transmitted from the wireless terminal 200. Then, the positioning station 400 measures the arrival time of the received pulse signal sequence and determines the position of the wireless terminal 200 from the measurement result.
  • the positioning station 400 measures the detour propagation path required time, that is, the timing at which the positioning station 400 receives a response pulse signal sequence corresponding to the pulse signal sequence from the timing at which the reference station 300 transmits the pulse signal sequence. The time until (that is, the arrival time (TOA)) is measured. Then, the positioning station 400 determines the position of the wireless terminal 200 from the measured round trip time.
  • TOA arrival time
  • the separation distance between the positioning station 400 and the wireless terminal 200 is not directly obtained, but the separation distance between the reference station 300 and the wireless terminal 200 and the wireless terminal 200 The sum of the distance from the positioning station 400, that is, the distance of the detour propagation path is obtained.
  • the distance of the detour propagation path can be an index of the separation distance between the reference station 300 and the wireless terminal 200.
  • the ID positioning unit 110 can hold the separation distance between the reference station 300 and the positioning station 400 in advance.
  • the reference station 300 and the positioning station 400 can be obtained.
  • the ID information of the radio terminal 200 is superimposed on the pulse signal sequence that has reached the positioning station 400 directly without passing through the radio terminal 200 and the response pulse signal sequence that has reached the positioning station 400 via the radio terminal 200. It can be determined based on whether or not there is.
  • the ID positioning unit 110 of the positioning station 400 can obtain the distance of the detour propagation path and the separation distance between the reference station 300 and the positioning station 400. Then, the ID positioning unit 110 can identify the elliptic sphere in which the wireless terminal 200 exists from these two distance information.
  • the two focal points of the elliptic sphere are the position of the reference station 300 and the position of the positioning station 400.
  • the reference station 300 and the wireless terminal 200 are at the same height (that is, the reference station 300 and the wireless terminal 200 are on the same plane), and the positioning station 400 is relatively Installed on a high ceiling. That is, generally, the wireless terminal 200 carried by a person exists on one plane.
  • the wireless terminal 200 is located on the circumference of an ellipse, which is a cross section of the elliptic sphere crossed by the plane on which the wireless terminal 200 exists.
  • reference station 300 transmits a pulse signal sequence
  • positioning station 400 separate from reference station 300 determines the pulse signal sequence from the transmission timing of the pulse signal sequence.
  • the detour propagation path required time until the reception timing of the response pulse signal sequence transmitted from the radio terminal 200 that has received is calculated, and the position of the radio terminal 200 is calculated based on the detour propagation path required time.
  • the positioning system 300 is separated from the reference station 300 that transmits the pulse signal sequence and the positioning station 400 that receives the response pulse signal sequence and calculates the position of the wireless terminal 200 based on the time required for the detour propagation path.
  • System coverage measurable range
  • the distance between the reference station 300 that is the transmission source and the radio terminal 200 is compared with the case where the base station 100 of Embodiment 1 is the transmission source of the pulse signal sequence.
  • the radio terminal 200 can re-radiate the pulse signal sequence more reliably.
  • the present invention is not limited to this, and a plurality of wireless terminals 200 may exist.
  • the positioning station 400 can identify the transmission source radio terminal 200 of the reception response pulse signal based on the detected ID information.
  • a plurality of reference stations 300 may exist in the positioning system 20. By doing so, the system coverage (measurable range) of the positioning system 20A can be further improved.
  • a plurality of ellipses which are cross sections of elliptical spheres crossed by the plane in which the wireless terminal 200 exists, are obtained except when the positional relationship between the plurality of reference stations 300 is special. Therefore, by obtaining the intersection of these ellipses, the position of the wireless terminal 200 can be narrowed down to four points at most. That is, the position of the wireless terminal 200 can be narrowed down by a simple process of calculating the distance based on the detour propagation path required time.
  • FIG. 9 shows the overall configuration of the ranging system 20A in the case where there are a plurality of reference stations 300 and wireless terminals 200, respectively.
  • the two wireless terminals 200 each receive a pulse sequence transmitted from the adjacent reference station 300 and superimpose their own ID information to re-radiate.
  • the two reference stations 300-1 and 300-2 transmit pulse signal sequences generated using different UWs.
  • the two radio terminals 200-1 and 200-2 also have different ID information, and different ID information is superimposed on the two response pulse signal sequences re-radiated from the radio terminals 200-1 and 200-2.
  • the UW of the reference stations 300-1 and 300-2 and the ID information of the wireless terminals 200-1 and 200-2 are registered in advance.
  • a delay profile for each UW is calculated by time division processing and parallel arithmetic processing.
  • the radio terminals 200-1 and 200-2 are discriminated based on the ID information using the bit determination result for each UW.
  • the positioning station 400 having functions such as pulse series correlation reception, ID detection, and distance measurement is inevitably expensive, increasing the number of installed stations increases costs. Therefore, for example, assuming an indoor environment, the positioning station 400 is preferably installed near the center of the room or hallway and on the ceiling or wall where a line-of-sight is easily secured with respect to the positioning area.
  • the reference station 300 is not only installed in the vicinity of the positioning station 400 to determine the positioning area, but also in the vicinity of the positioning area or out of line of sight from the positioning station 400 to complement this. It is preferable to install in a so-called dead band of radio waves. That is, since the degree of freedom is obtained in the arrangement of the reference stations 300, the distance between the reference station 300 that is the transmission source and the radio terminal 200 can be shortened, and the radio terminal 200 can re-radiate the pulse signal sequence more reliably.
  • the positioning station 400 and the reference station 300 are installed so that the flow line becomes a positioning area when the system is initially introduced. Is preferred.
  • the positioning area is made efficient by changing only the installation location of the reference station 300 without rearranging the positioning station 400 corresponding to the new flow line. Can be updated and reconfigured well.
  • Embodiment 3 relates to a positioning system including a base station 100 and a reference station 300. That is, from another point of view, the present invention relates to a positioning system in a state where the configuration of the receiving system of the base station 100 is added to the positioning station 400 of the second embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of the positioning system 30 according to the third embodiment of the present invention.
  • the positioning system 30 includes a base station 100, a reference station 300, and a wireless terminal 200.
  • the distance measurement described in the first embodiment is performed between the base station 100 and the wireless terminal 200.
  • the base station 100, the reference station 300, and the wireless terminal 200 perform the distance measurement described in the second embodiment.
  • a sphere in which the radio terminal 200 is located around the position of the base station 100 (or a circumference when the plane on which the radio terminal 200 is located) is specified. Desired.
  • the elliptical sphere in which the wireless terminal 200 is located if the plane on which the wireless terminal 200 is located is specified) Lap is required.
  • the base station 100 obtains the intersection of the circle and the ellipse to narrow down the position of the wireless terminal 200 to at most four points. Can do. That is, the position of the wireless terminal 200 can be specified by a simple process called distance measurement.
  • the reference station 300 is also provided as a device for transmitting a pulse signal sequence, so that the system coverage (measurable range) of the positioning system 30 can be improved.
  • the positioning station specifies the direction in which the wireless terminal is located.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of positioning station 500 according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the positioning station 500 includes an array antenna including array antenna elements 501-1 to 50-3, an array receiving unit 502, an IQ generating unit 503, a spatial correlation processing unit 504, a DOA estimating unit 505, an ID positioning unit. Part 506.
  • the array antenna elements 501-1 to 50-3 constitute an array antenna for DOA estimation.
  • the array antenna elements 501-1 to 503-1 may select and receive, for example, about 100 MHz as a bandwidth necessary for DOA estimation when receiving UWB pulses having a bandwidth of 500 MHz or more. Therefore, the UWB antenna 105 requires a UWB wide-band antenna, while the array antenna elements 501-1 to 503-1 can use a single-resonance antenna such as a monopole antenna.
  • Array receiving section 502 converts the received signals received by array antenna elements 501-1 to 501-1 to IF (Inter-Frequency) signals and outputs them to IQ generating section 503.
  • Array receiving section 502 includes RF sections 511-1 through 51-1 and IF sections 512-1 through 512-1.
  • the RF units 511-1 to 511-3 are configured by LNA or RF band BPF (Band-Pass-Filter) or the like.
  • the IF units 512-1 to 512-3 are configured by a down converter, an IF band BPF, or the like.
  • the IF signal output from the array receiver 502 is band-limited, for example, to 20 MHz or less.
  • the array antenna element 501-1, the RF unit 511-1, and the IF unit 512-1 described above constitute a first reception system
  • the array antenna element 501-2, the RF unit 511-2, and the IF unit 512- 2 constitutes a second reception system
  • array antenna element 501-3, RF unit 511-3, and IF unit 512-3 constitute a third reception system.
  • the IQ generation unit 503 obtains a discretized IQ baseband signal by performing IQ orthogonalization after A / D converting the IF signal received from the array reception unit 502. A / D conversion and IQ orthogonalization processing are performed for each IF signal of each reception system. IQ baseband signals obtained in each reception system are output to the spatial correlation processing unit 504.
  • the spatial correlation processing unit 504 performs spatial cross-correlation processing using the IQ baseband signal obtained in each receiving system. That is, the spatial correlation processing unit 504 performs cross-correlation between two IQ baseband signals for each combination of reception systems. Therefore, the spatial correlation result obtained by the cross correlation on the spatial axis is obtained as a correlation matrix.
  • This correlation matrix is output to the DOA estimation unit 505 in units of frames, like the time correlation processing unit 107. Note that the frame synchronization is established using a timing signal having a frame period output from the time correlation processing unit 107.
  • the DOA estimation unit 505 adds and averages the correlation matrices input in units of frames. This addition averaging is performed for each identification information received from the bit determination unit 109. Then, the DOA estimation unit 505 executes a DOA estimation algorithm typified by a beamformer method, a CAPON method, a MUSIC method, a SAGE method, and the like using the correlation matrix obtained by the averaging, and obtains a DOA estimation result. That is, DOA estimation section 505 performs correlation matrix addition averaging processing and DOA estimation processing for each wireless terminal 200 corresponding to the identification information received from bit determination section 109, and results of DOA estimation for each wireless terminal 200. Is obtained.
  • the ID positioning unit 506 calculates the separation distance between the base station 100 and the wireless terminal 200 corresponding to the identification information received from the bit determination unit 109, based on the round trip time, similarly to the ID positioning unit 110. Thereby, the ID positioning unit 506 identifies the elliptical sphere in which the wireless terminal 200 exists based on the distance of the detour propagation path and the separation distance between the reference station 300 and the positioning station 500, as in the second embodiment. be able to.
  • the ID positioning unit 506 calculates the direction in which the wireless terminal 200 is located corresponding to the identification information received from the bit determination unit 109 based on the DOA estimation result. That is, the ID positioning unit 506 calculates the azimuth angle ⁇ and the elevation angle ⁇ that indicate the direction of the wireless terminal 200 viewed from the positioning station 500.
  • the coordinate origin serving as a reference for the angle and distance is the position of the positioning station 500 or the position of the reference station 300 whose position is known in advance.
  • the ID positioning unit 506 obtains the intersection of the elliptic sphere and the line segment extended from the positioning station 500 in the direction indicated by the vector represented by the azimuth angle ⁇ and the elevation angle ⁇ .
  • the coordinates of this intersection are the position coordinates of the wireless terminal 200.
  • the number of array element elements for DOA estimation is set to 3. This is because, in principle, at least three elements are required for two-dimensional DOA estimation. That is, since the above-described function can be realized if there are three or more elements, the number of array elements is not particularly limited if it is three or more.
  • the IF bandwidth used for DOA estimation is exemplified as 20 MHz or less, this is a reference value when it is assumed that 3-10 GHz, which is the RF band of the microwave UWB, is used.
  • the DOA estimation by the array antenna theoretically has a limitation of the ratio band with respect to the center frequency of the RF band, and therefore a design that takes this into consideration is necessary in practice. That is, if the RF frequency is increased, the IF bandwidth is increased accordingly.
  • the configuration of the receiving system of the base station 100 may be added to the positioning station 500.
  • the measurable range can be expanded.
  • the position of the wireless terminal 200 is narrowed down to four points, and the direction in which the wireless terminal 200 is located is also used for specifying the position of the wireless terminal 200. As a result, the positioning accuracy can be further improved.
  • a plurality of positioning stations 500 and a plurality of reference stations 300 may exist.
  • a plurality of positioning stations and a plurality of reference stations may be used.
  • the measurable range of the entire system can be further expanded.
  • the DOA estimation unit 505 calculates the direction in which the wireless terminal 200 is located with reference to the position of the positioning station 500, and the ID positioning unit 506 500 and the position of the reference station 300 as two focal points, and the sum of the distances from the two focal points to any point on the surface is the distance of the detour propagation path, and the above calculation from the position of the positioning station 500 The intersection with the line segment extending in the direction is calculated as the position of the wireless terminal 200.
  • the position of the wireless terminal 200 can be narrowed down to one point.
  • the wireless terminal is allowed to have both the function of the wireless terminal 200 of the first embodiment and the function of the reference station 300 of the second embodiment. From another viewpoint, the fifth embodiment relates to a positioning system in a state where the configuration of the transmission system of the base station 100 is added to the radio terminal 200 of the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration example of the positioning system 40 according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the positioning system 40 includes a base station 100 and wireless terminals 600-1 and 600-2.
  • the radio terminals 600-1 and 600-2 have the transmission system configuration of the base station 100 as described above. That is, radio terminals 600-1 and 600-2 each have an active tag function (that is, a function that autonomously transmits a pulse signal sequence in the same manner as reference station 300 in Embodiment 2) and a semi-passive tag function (that is, implementation). As in the case of the wireless terminal 200 of the first embodiment, the wireless terminal 200 has both of the functions of re-radiating after amplification only when a desired pulse signal sequence is received.
  • an active tag function that is, a function that autonomously transmits a pulse signal sequence in the same manner as reference station 300 in Embodiment 2
  • a semi-passive tag function that is, implementation
  • the wireless terminals 600-1 and 600-2 switch between the active tag function and the semi-passive tag function according to the system environment.
  • the radio terminals 600-1 and 600-2 can perform the positioning operation with the base station 100 as in the first embodiment. Further, the radio terminals 600-1 and 600-2 can perform a positioning operation in the same manner as in the second embodiment by setting one to the active mode and the other to the semi-passive mode.
  • FIG. 14 is a block diagram showing a configuration of radio terminal 600 according to Embodiment 5 of the present invention.
  • radio terminal 600 includes UWB antenna 601, pulse generation section 602, pulse detection section 603, timing detection section 604, and operation mode selection section 605.
  • the pulse detection unit 603 performs envelope detection on the pulse signal series received via the UWB antenna 601, and outputs the detection result to the timing detection unit 604 and the pulse generation unit 602. In addition, when receiving a control signal for selecting the active mode as the mode from the operation mode selection unit 605, the pulse detection unit 603 stops the operation during the autonomous transmission period of the pulse signal sequence by the pulse generation unit 602. Thereby, it is possible to prevent the sneak reception of the pulse signal sequence transmitted from the own apparatus and to prevent wasteful power consumption.
  • the timing detection unit 604 detects the reception timing of the pulse signal sequence transmitted from the base station 100 based on the detection result of the pulse detection unit 603 (that is, the pulse detection waveform periodically received), and determines the detection timing.
  • the data is output to the operation mode selection unit 605.
  • the operation mode selection unit 605 selects the active mode or the semi-passive mode as the operation mode based on the reception timing received from the timing detection unit 604. Specifically, the operation mode selection unit 605 basically selects the semi-passive mode. The operation mode selection unit 605 cannot stably receive the pulse sequence transmitted from the base station 100 when the reception timing received from the timing detection unit 604 varies greatly or when it is determined that the reception timing cannot be detected. Judge that it is in the situation and select the active mode. At this time, the operation mode selection unit 605 outputs a control signal indicating that the active mode is selected as the mode to the pulse detection unit 603 and the pulse generation unit 602.
  • the pulse generation unit 602 includes the circulator 202 and the LNA 203 in the wireless terminal 200 according to Embodiment 1, and is configured to be able to perform a reflection operation in the semi-passive mode.
  • the pulse generation unit 602 stops the reflection operation and transmits the pulse signal sequence only during the autonomous transmission period. Send.
  • the base station 100 transmits a pulse signal sequence S602.
  • radio terminal 600-1 operates in the semi-passive mode, receives pulse signal sequence S602 from base station 100, and transmits a response pulse signal sequence based on this received pulse signal sequence.
  • base station 100 receives the response pulse signal sequence transmitted from radio terminal 600-1.
  • base station 100 measures the arrival time of the received pulse signal sequence and determines the position of radio terminal 600-1 from the measurement result.
  • the wireless terminal 600-2 starts up in a semi-passive mode.
  • the radio terminal 600-2 cannot stably detect the transmission pulse sequence S602 from the base station 100 because it is located at the end of the cover area of the base station 100.
  • the wireless terminal 600-2 changes the operation from the semi-passive mode to the active mode. That is, the operation mode selection unit 605 outputs a control signal to the pulse generation unit 602 so as to autonomously transmit pulses.
  • the radio terminal 600-1 receives the pulse signal sequence S602 transmitted from the base station 100, and not only transmits the response pulse signal sequence, but also transmits the pulse signal sequence S603 transmitted from the radio terminal 600-2. In the same manner, reception is performed and a response pulse signal sequence is transmitted.
  • the pulse transmission cycle of the pulse signal sequence transmitted from the base station 100 and the pulse signal sequence transmitted from the radio terminal 600-2 are set differently in advance.
  • the radio terminal 600-1 can identify the pulse signal sequence S602 transmitted from the base station 100 and the pulse signal sequence S603 transmitted from the radio terminal 600-2.
  • the wireless terminal 600-1 detects the frequency component of the received pulse signal sequence.
  • the transmission source can be identified.
  • a pulse signal sequence S603 transmitted from the radio terminal 600-2 operating in the active mode like the reference station 300 and a pulse signal sequence S602 transmitted from the base station 100 are mutually connected. You may make it produce
  • the base station 100 can measure the position of the radio terminal 600-1 operating in the semi-passive mode by the method described in the first embodiment. Furthermore, after positioning the radio terminal 600-1, the base station 100 can also specify the position of the radio terminal 600-2 based on the position information. Specifically, the base station 100 measures the time required for the bypass propagation path with reference to the timing of directly receiving the transmission pulse signal sequence S603 of the radio terminal 600-2. That is, the base station 100 measures the time difference until the timing (that is, the arrival time (TOA)) of receiving the response pulse signal sequence of the radio terminal 600-1 for the pulse signal sequence S603. Then, the base station 100 obtains the position of the radio terminal 600-2 using the measured time difference and the position of the radio terminal 600-1 measured in advance.
  • TOA arrival time
  • the radio terminal 600-1 when receiving the pulse signal sequence transmitted from the base station 100, the radio terminal 600-1 transmits a response pulse signal sequence on which its own ID information is superimposed. On the other hand, when the pulse signal sequence transmitted from the wireless terminal 600-2 is received, the ID information is not superimposed. In other words, when relaying the transmission pulse signal sequence from wireless terminal 600-2, wireless terminal 600-1 operates so as to load an ID of “1”. Such a transmission function is realized in the pulse generation unit 602. Therefore, the pulse information sequence transmitted by radio terminal 600-1 is preliminarily superposed with its own ID information by the method shown in the first embodiment.
  • each functional block used in the description of the above embodiment is typically realized as an LSI which is an integrated circuit. These may be individually made into one chip, or may be made into one chip so as to include a part or all of them.
  • the name used here is LSI, but it may also be called IC, system LSI, super LSI, or ultra LSI depending on the degree of integration.
  • the method of circuit integration is not limited to LSI, and implementation with a dedicated circuit or a general-purpose processor is also possible.
  • An FPGA Field Programmable Gate Array
  • a reconfigurable processor that can reconfigure the connection and setting of circuit cells inside the LSI may be used.
  • the positioning system and positioning method of the present invention have an effect of improving the positioning accuracy by suppressing the occurrence of jitter, and are useful for measuring the position of a wireless tag or the like.
  • Base station 101 Transmission control unit 102 Unique word (UW) generation unit 103,602 Pulse generation unit 104,105 Antenna 106,603 Pulse detection unit 107 Time correlation processing unit 108 TOA estimation unit 109 Bit determination Unit 110, 506 ID positioning unit 200, 600 Wireless terminal 201, 601 UWB antenna 202 Circulator 203 LNA 204 ID generation unit 300 Reference station 400, 500 Positioning station 501 Array antenna element 502 Array reception unit 503 IQ generation unit 504 Spatial correlation processing unit 505 DOA estimation unit 511 RF unit 512 IF unit 604 timing detection unit 605 operation mode selection unit

Landscapes

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Abstract

 ジッタの発生を抑圧して測位精度を向上する測位システム及び測位方法。基地局(100)と無線端末(200)とを具備し、パルス信号を用いて測位対象の無線端末(200)の位置を測定する測位システム(10)の基地局(100)において、パルス生成部(103)が、パルス信号系列を送信し、ID測位部(110)が、パルス信号系列の送信タイミングから、パルス信号系列を受信した無線端末(200)から送信される応答パルス信号系列の受信タイミングまでの往復所要時間を算出し、当該往復所要時間に基づいて、無線端末(200)の位置を算出する。そして、無線端末(200)においては、LNA(203)が、受信パルス信号系列を増幅して応答パルス信号として基地局(100)へ送信する。

Description

測位システム及び測位方法
 本発明は、パルス信号を利用して測位対象装置の位置を算出する測位システム及び測位方法に関する。
 一般に、UWB(ウルトラワイドバンド)無線を利用する測位システムでは、複数の基地局を必要とする非同期方式が採用されている。この非同期方式では、基地局の基準クロックと無線端末の基準クロックとが同期しておらず、無線端末は、任意の時刻で起き上がり、自身のID情報が含まれるパルス系列をUWB無線信号として送信する。ここで、UWB無線信号とは、500MHz以上の帯域幅又は中心周波数に対して20%以上の帯域幅を有する無線信号である。
 非同期方式が採用される無線測位システムとしては、例えば、特許文献1、2に開示されているものがある。この無線測位システムは、複数の基地局と無線端末とを有する。そして、各基地局が、測位のための信号を送信してから無線端末から返信されるパルスを受信するまでにかかる到達時間TOA(Time-Of-Arrival)を測定し、無線端末の座標を算出する。
 また、非同期方式と異なり、基地局の基準クロックと無線端末の基準クロックとを同期させてTOAを測定する同期方式が知られている。この同期方式が採用される無線測位システムとしては、例えば、特許文献3に開示されているものがある。この無線測位システムでは、無線端末は、基地局から送信されるパルス系列を受信して基準クロックを再生し、自己のクロックを基地局の基準クロックと同期させた上で、パルス系列を返信する。そして、基地局が、無線端末から返信されたパルス系列を受信してTOA測定を行う。
 この同期方式は、基地局1台で無線端末との距離を測定できるというメリットがある。すなわち、非同期方式が測位エリアの周囲に複数の基地局を配置する必要がある一方で、同期方式は測位エリアの中心に基地局を1台だけ設置すれば良いので、非同期方式に比べてシステム構成が簡易であるというメリットが、同期方式には有る。 
特開2004-242122号公報 米国特許第6882315号公報 特表2002-517001号公報
 しかしながら、従来の同期方式の無線測位システムでは、無線端末側でクロックを再生することが必要なので、マルチパス伝搬路の影響により、無線端末側で基準クロックが変動し、パルス系列の返信タイミングにジッタ(つまり、信号などにおける遅延時間のゆらぎ)が生じやすいという問題がある。これは、無線端末がクロック再生のために受信する基地局からのパルス系列が、実環境ではマルチパス干渉又はドップラーフェージングの影響を受けて激しく変動するためである。
 本発明の目的は、ジッタの発生を抑圧して測位精度を向上する測位システム及び測位方法を提供することである。
 本発明の一態様の測位システムは、パルス信号系列を送信する送信装置と、入力信号を増幅する増幅器と、パルス信号系列を受信し当該受信パルス信号系列を前記増幅器で増幅した後に応答パルス信号系列として送信する送受信手段と、を具備する測位対象装置と、前記送信装置と別体の装置であって、前記応答パルス信号系列の受信タイミングを検出する検出手段と、前記パルス信号系列の送信タイミングから、前記検出された受信タイミングまでの伝搬所要時間に基づいて、前記測位対象装置の位置を算出する位置算出手段とを具備する算出装置と、を具備する構成を採る。
 本発明の一態様の測位方法は、パルス信号系列を送信する送信装置と、測位対象装置と、前記送信装置と別体の装置であり且つ前記測位対象装置の位置を算出する算出装置とを具備する測位システムにおける、測位方法であって、前記送信装置が、パルス信号系列を送信し、前記測位対象装置が、パルス信号系列を受信し当該受信パルス信号系列を増幅した後に応答パルス信号系列として送信し、前記算出装置が、前記応答パルス信号系列の受信タイミングを検出し、前記パルス信号系列の送信タイミングから、前記検出された受信タイミングまでの伝搬所要時間に基づいて、前記測位対象装置の位置を算出する。
 本発明によれば、ジッタの発生を抑圧して測位精度を向上する測位システム及び測位方法を提供することができる。
本発明の実施の形態1に係る測位システムを示す図 本発明の実施の形態1に係る基地局の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態1に係る無線端末の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態1に係る測位システムの構成例を示す図 UWビット系列及びIDビット系列の説明に供する図 本発明の実施の形態2に係る基準局の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態2に係る測位局の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態2に係る測位システムの構成例を示す図 基準局及び無線端末がそれぞれ複数機有る場合の測距システムの全体構成を示す図 本発明の実施の形態3に係る測位システムの構成例を示す図 本発明の実施の形態4に係る測位局の構成を示すブロック図 ID測位部による位置算出処理の説明に供する図 本発明の実施の形態5に係る測位システムを示す図 本発明の実施の形態5に係る無線端末の構成を示すブロック図
 以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、実施の形態において、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は重複するので省略する。
 (実施の形態1)
 [測位システムの概要]
 図1は、本発明の実施の形態1に係る測位システム10を示す図である。図1において、測位システム10は、基地局100と、基地局100によって位置を測定される無線端末200とを有する。
 基地局100は、無線端末200の位置を測定する。この位置の測定には、インパルス方式のウルトラワイドバンド(UWB)無線信号が用いられる。
 基地局100は、まず、パルス信号系列を送信する。このパルス信号系列を無線端末200は、受信し、受信パルス信号系列に基づいて応答パルス信号系列を送信する。ここでは無線端末200に対して「セミパッシブ方式」が適用されているので、受信パルス信号系列は、無線端末200において増幅された後に再放射されることより、応答パルス信号系列として送信される。
 基地局100は、無線端末200から送信された応答パルス信号系列を受信する。そして、基地局100は、受信パルス信号系列の到来時間を測定し、測定結果から無線端末200の位置を決定する。
 具体的には、基地局100は、往復所要時間を測定、つまり、パルス信号系列を送信したタイミングからこのパルス信号系列に対応する応答パルス信号系列を受信するタイミング(つまり、到来時間(TOA))までの時間を測定する。そして、基地局100は、測定した往復所要時間から、基地局100と無線端末200との離間距離を求める。
 [基地局100の構成]
 図2は、本発明の実施の形態1に係る基地局100の構成を示すブロック図である。図2において、基地局100は、送信制御部101と、ユニークワード(UW)生成部102と、パルス生成部103と、アンテナ104,105と、パルス検波部106と、時間相関処理部107と、TOA推定部108と、ビット判定部109と、ID測位部110とを有する。
 〈送信系の構成〉
 送信制御部101は、測位動作の開始時に測位開始信号をUW生成部102に出力する。
 UW生成部102は、測位開始信号を受け取ると、UWビット列を生成し、パルス生成部103へ出力する。UWビット列は、基地局100自身の識別情報であるUW(ユニークワード)を表している。UWビット列は、例えば、UW(ユニークワード)を、OOK(On Off Keying)変調することにより、生成される。UWビット列は、所定数で1フレームを形成する。そして、UWビット列は、フレーム単位で、繰り返し送信される。
 パルス生成部103は、パルスを所定の周期で発生し、パルス系列を生成する。そして、パルス生成部103は、生成したパルス系列を、UW生成部102から受け取るUWビット列に従ってOOK変調することにより、無線周波数帯の無線パルス系列を生成する。この無線パルス系列は、アンテナ104を介して送信される。
 〈受信系の構成〉
 パルス検波部106は、無線端末200より送信されたアンテナ105を介して応答パルス信号系列を受信する。パルス検波部106は、受信パルス信号系列を包絡線検波し、得られたベースバンド信号を時間相関処理部107へ出力する。パルス検波部106は、LNA(Low-Noise-Amp)、ダイオード検波器、コンパレータ、又は、A/D変換器を含んで構成される。なお、パルス検波部106の入力段には、無線受信処理部(図示せず)が設けられている。この無線受信処理部は、受信パルス信号系列をダウンコンバートなどの受信処理した後に、パルス検波部106へ出力する。
 時間相関処理部107は、複数のUW候補に関する情報を有している。時間相関処理部107は、UW候補ごとにUWレプリカを生成する。そして、時間相関処理部107は、生成したUWレプリカと、パルス検波部106から受け取るベースバンド信号との時間軸上の相互相関処理を行う。この相互相関処理によって得られた時間相関結果は、フレーム単位で、TOA推定部108に出力される。この時間相関結果は、受信パルスの信号強度とその到達時間TOAで表現される、伝搬路の遅延プロファイルである。
 TOA推定部108は、複数フレームの遅延プロファイルを合成して合成遅延プロファイルを形成し、この合成遅延プロファイルに現れるピークを検出する。このピーク位置(つまり、ピーク検出されるタイミング(TOA))は、TOA推定結果として出力される。
 ビット判定部109は、時間相関処理部107から受け取る遅延プロファイルに現れる信号強度をフレーム単位で検出し、検出強度と所定の閾値との大小比較する。そして、ビット判定部109は、比較結果に応じたビット値を順次記憶する。これにより、複数フレームの検出強度と閾値との大小比較結果に基づくビット系列が得られる。このビット系列は、後述するように、無線端末200の識別情報を意味している。
 ID測位部110は、測位対象の無線端末200の位置を算出する。本実施の形態では、ID測位部110は、無線端末200の位置に関する情報として、測位対象の無線端末200までの距離を算出する。具体的には、ID測位部110は、測位開始信号を受け取るタイミングから、TOA推定部108にて測定された到来時間までの往復所要時間を計測する。そして、ID測位部110は、往復所要時間に基づいて、基地局100とビット判定部109から受け取る識別情報に対応する無線端末200との離間距離を算出する。
 [無線端末200の構成]
 図3は、本発明の実施の形態1に係る無線端末200の構成を示すブロック図である。図3において、無線端末200は、UWBアンテナ201と、サーキュレータ202と、LNA(Low-Noise-Amplifier)203と、ID生成部204とを有する。
 サーキュレータ202は、UWBアンテナ201を介して受信した受信パルス系列をLNA203へ出力する。また、サーキュレータ202は、LNA203から受け取る信号をUWBアンテナ201介して送信する。
 ID生成部204は、無線端末200自身の識別情報(ID)を示すIDビット系列を出力する。このIDビット系列の構成ビットを、ID生成部204は、1フレーム毎に1つずつ出力する。
 LNA203は、入力するパルス系列を印加電圧に応じて増幅する。この印加電圧は、ID生成部204から受け取るビットの値に応じた電圧値である。ID生成部204から構成ビットがフレーム周期で出力されるので、印加電圧値は、フレーム周期で切り替えられる。例えば、第1のフレーム先頭で切り替えられた電圧値は、次の切り替えタイミングである第2のフレーム先頭まで保持される。このようにすることで、無線端末200の識別情報を、複数のフレームの信号強度に置き換えることができる。すなわち、複数のビットから構成される無線端末200の識別情報を、複数のフレームにおける電圧の推移に変換することができる。
 [測位システムの動作]
 以上の構成を有する測位システム10の動作について説明する。図4は、測位システム10の構成例を示す図である。図5は、UWビット系列及びIDビット系列の説明に供する図である。
 (基地局100によるパルス信号の送信)
 基地局100において、UW生成部102は、測位開始信号を受け取ると、UWビット列の生成を開始する。このUWビット列のビットパタンは、基地局100に固有である(図5最上段参照)。UWビット列は、ここでは128ビットで構成される。そして、UWビット列には、例えば、PN系列が用いられる。PN系列とは、擬似雑音(Pseudo Noise)系列のことである。具体的には、自己相関関数が2レベルの値をとり、1周期中の0と1の個数が1つだけ異なる系列である。代表的なPN系列としては、最大周期シフトレジスタ(Maximum Length shift register)系列(通常M系列と呼ばれる)が知られている。
 次に、パルス生成部103は、隣接パルス間の間隔が一定である複数のパルスを含むパルス系列を、UWビット列に従ってOOK変調する。これにより、無線周波数帯の無線パルス系列が得られる(図5最上段参照)。この無線パルス系列は、アンテナ104を介して送信される。
 ここでN個のUWビット列は、1フレームを形成する。図5最上段から3段目では、所定数N=2の場合が示されている。従って、ここでは2つのUWビット列を含むフレームが繰り返し送信される。
 (無線端末200の反射動作)
 基地局100から送信された無線パルス系列は、無線端末200-1,2で受信される。これに応じて、無線端末200-1,2は、応答パルス系列を送信する。
 このとき、無線端末200-1,2のそれぞれでは、自機のID情報を応答パルス系列に載せて送信する。例えば、無線端末200のID情報(複数ビットからなる)の各構成ビットが1か0かに応じて、LNA203のON/OFFをフレーム周期で切り替えることにより、1構成ビットを1フレームの応答パルス系列を使って伝達することができる。こうして、無線端末200-1,2は、単パルスに対する反射体のように動作すると共に、パルス系列に自己のID情報を重畳した応答パルス系列を送信することができる(図5最下段参照)。
 また、無線端末200-1,2は、基本的には受信パルス信号に増幅処理を施すだけで応答パルス信号として送信する。すなわち、無線端末200-1,2は、単パルスに対する反射体のように動作するので、基準クロックを再生せずに、基地局100の基準クロックに同期した応答パルス系列を送信することができる。ここでは、無線端末側が基本的に受信パルス信号に増幅処理を施すだけで応答パルス系列として送信する測距システムの方式を、「セミパッシブ方式」と呼ぶ。
 また、無線端末200-1,2にて基準クロックの再生が行われないので、マルチパス伝搬路の影響による無線端末200でのジッタの発生を抑制することができる。これにより、無線端末200から再放射される応答パルス系列の送信タイミングを安定させることができる。
 (基地局100による応答パルス信号の受信)
 無線端末200から放出されたパルス信号列は、基地局100で受信される。
 基地局100のパルス検波部106では、受信パルス信号系列が検波され、得られた検波結果が時間相関処理部107に出力される。
 時間相関処理部107では、検波結果と各UWビット系列レプリカとの相互相関処理が行われる。これにより、UW候補ごとの遅延プロファイルが得られる。応答パルス信号系列では同一のUWビット列が繰り返されているので、時間相関処理部107では、1つのUWビット系列レプリカを用いた相互相関処理が繰り返し行われる。これにより、UWビット列の長さに対応する遅延プロファイルが複数得られる。相互相関処理では、UWビット系列レプリカの長さに応じて符号化利得を確保できる。UWは各基地局100に個別の識別情報であるので、基地局100ごとの遅延プロファイルが得られる。ここでは、基地局100が1つの場合を想定しているので、時間相関処理部107は、検波結果と基地局100のUWビット系列レプリカとの相互相関処理を行う。
 TOA推定部108では、時間相関処理部107で得られた複数の遅延プロファイルが合成されて合成遅延プロファイルが形成される。この遅延プロファイルの合成処理は、UW候補ごとに行われる。そして、各合成遅延プロファイルに現れるピークが検出される。このピーク位置(つまり、ピーク検出されるタイミング(TOA))は、TOA推定結果として出力される。
 ビット判定部109では、時間相関処理部107から受け取る遅延プロファイルに現れる信号強度がフレーム単位で検出され、検出強度と所定の閾値とが大小比較される。そして、比較結果に応じたビット値が順次記憶される。これにより、複数フレームの検出強度と閾値との大小比較結果に基づくビット系列が得られる。上記したように無線端末200のID情報が応答パルス系列に載せて送信されているので、ビット判定部109で得られたビット系列は、無線端末200のID情報に対応する。上記したようにID情報は無線端末200ごとに異なるので、ビット判定部109にて得られたビット系列によって受信応答パルス信号系列の送信元の無線端末200を特定することができる。また、図4に示す反射物に反射されて戻ってきたパルス信号系列には端末IDは重畳されていないので、反射物で反射されたパルス信号系列と応答パルス信号系列とを判別することができる。
 そして、ID測位部110では、基地局100と測位対象の無線端末200との離間距離が算出される。
 以上のように本実施の形態によれば、基地局100と無線端末200とを具備し、パルス信号を用いて測位対象の無線端末200の位置を測定する測位システム10の基地局100において、パルス生成部103が、パルス信号系列を送信し、ID測位部110が、パルス信号系列の送信タイミングから、パルス信号系列を受信した無線端末200から送信される応答パルス信号系列の受信タイミングまでの往復所要時間を算出し、当該往復所要時間に基づいて、無線端末200の位置を算出する。ここでは、無線端末200の位置に関する情報として、基地局100と無線端末200との離間距離が算出される。
 そして、無線端末200においては、LNA203が、受信パルス信号系列を増幅して応答パルス信号として基地局100へ送信する。
 こうすることで、無線端末200は、単パルスに対する反射体のように動作するので、基準クロックを再生せずに、基地局100の基準クロックに同期した応答パルス系列を送信することができる。また、無線端末200では基準クロックを再生する必要がないので、マルチパス伝搬路の影響による無線端末200でのジッタの発生を抑制することができる。これにより、無線端末200から再放射される応答パルス系列の送信タイミングを安定させることができるので、TOAの推定精度を向上することができる。この結果、基地局100を複数用いなくとも、1機の基地局100によって、無線端末200の測位が可能となり、また、測位精度も向上することができる。
 (実施の形態2)
 実施の形態2では、実施の形態1の基地局100の送信系と受信系とが別体の装置である測位システムに関する。
 図6は、本発明の実施の形態2に係る基準局300の構成を示すブロック図である。基準局300は、実施の形態1の基地局100の送信系に相当する。
 図7は、本発明の実施の形態2に係る測位局400の構成を示すブロック図である。測位局400は、実施の形態1の基地局100の受信系に相当する。
 図8は、測位システム20の構成例を示す図である。
 測位システム20においては、基準局300が、まず、パルス信号系列を送信する。このパルス信号系列を無線端末200は、受信し、受信パルス信号系列に基づいて応答パルス信号系列を送信する。
 測位局400は、無線端末200から送信された応答パルス信号系列を受信する。そして、測位局400は、受信パルス信号系列の到来時間を測定し、測定結果から無線端末200の位置を決定する。
 具体的には、測位局400は、迂回伝搬路所要時間を測定、つまり、基準局300がパルス信号系列を送信したタイミングからこのパルス信号系列に対応する応答パルス信号系列を測位局400が受信するタイミング(つまり、到来時間(TOA))までの時間を測定する。そして、測位局400は、測定した往復所要時間から、無線端末200の位置を求める。
 ただし、ここでは、無線端末200の位置に関する情報として、測位局400と無線端末200との離間距離が直接的に求められるのではなく、基準局300と無線端末200との離間距離と無線端末200と測位局400との離間距離との和、つまり、迂回伝搬路の距離が求められる。この迂回伝搬路の距離は、基準局300と無線端末200との離間距離の指標と成り得る。
 また、基準局300及び測位局400は一般的には準固定的に配置されるので、基準局300と測位局400との離間距離は予め既知である。従って、ID測位部110は、基準局300と測位局400との離間距離を予め保持しておくことができる。ただし、予め保持されていない場合でも、基準局300から送信され、且つ、無線端末200を介さずに直接的に測位局400に到達したパルス信号系列を用いることにより、基準局300と測位局400との離間距離を求めることができる。無線端末200を介さずに直接的に測位局400に到達したパルス信号系列と、無線端末200を介して測位局400に到達した応答パルス信号系列とは、無線端末200のID情報が重畳されているか否かに基づいて、判別することができる。
 以上のようにして、測位局400のID測位部110は、迂回伝搬路の距離と、基準局300と測位局400との離間距離とを求めることができる。そして、ID測位部110は、これら2つの距離情報から、無線端末200が存在する楕円球を特定することができる。この楕円球の2つの焦点は、基準局300の位置及び測位局400の位置である。
 また、一般的には、例えば、屋内環境において、基準局300と無線端末200が同程度の高さにあり(つまり、基準局300と無線端末200とは同一平面上にあり)、測位局400が相対的に高い天井等に設置される。すなわち、一般的には、人に携帯されている無線端末200は、1つの平面上に存在する。
 従って、通常は、無線端末200が存在する平面が横切る上記楕円球の断面である楕円の円周上に無線端末200が位置する。
 以上のように本実施の形態によれば、測位システム20において、基準局300が、パルス信号系列を送信し、基準局300と別体の測位局400が、パルス信号系列の送信タイミングから、パルス信号系列を受信した無線端末200から送信される応答パルス信号系列の受信タイミングまでの迂回伝搬路所要時間を算出し、当該迂回伝搬路所要時間に基づいて、無線端末200の位置を算出する。
 こうして、パルス信号系列を送信する基準局300と、応答パルス信号系列を受信すると共に迂回伝搬路所要時間に基づいて無線端末200の位置を算出する測位局400とを別体にしたことにより、測位システムのシステムカバレッジ(測定可能範囲)を改善することができる。つまり、基準局300の配置に自由度が得られるため、実施の形態1の基地局100がパルス信号系列の送信元である場合と比較して、送信元である基準局300と無線端末200の距離を短くすることが可能となり、無線端末200は、パルス信号系列をより確実に再放射できる。
 なお、以上では、説明を簡単にするために、測位システム20に無線端末200が1機存在する場合について説明を行った。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、無線端末200が複数存在していても良い。上記の通り、各無線端末200において個別のID情報が用いられるので、測位局400は、検出したID情報に基づいて、受信応答パルス信号の送信元無線端末200を特定することができる。
 また、測位システム20に基準局300が複数存在していても良い。こうすることで、測位システム20Aのシステムカバレッジ(測定可能範囲)をさらに改善することができる。この場合、1つの無線端末200について、当該無線端末200が存在する平面が横切る楕円球の断面である楕円が、複数の基準局300の位置関係が特別な場合を除いて、複数得られる。従って、それら楕円の交点を求めることにより、無線端末200の位置を高々4点に絞ることができる。すなわち、迂回伝搬路所要時間に基づいて距離を算出するという簡単な処理により、無線端末200の位置を絞ることができる。
 また、無線端末200及び基準局300のそれぞれが、複数存在していても良い。こうすることで、測位システム20Aのシステムカバレッジ(測定可能範囲)をさらに改善することができる。図9は、基準局300及び無線端末200がそれぞれ複数機有る場合の測距システム20Aの全体構成を示している。2つの無線端末200は、それぞれが近接する基準局300から送信されるパルス系列を受信し、自身のID情報を重畳して再放射する。このとき、2つの基準局300-1,2は、互いに異なるUWを用いて生成されるパルス信号系列を送信する。また、2つの無線端末200-1,2も、互いに異なるID情報を有しており、無線端末200-1,2から再放射される2つの応答パルス信号系列には、異なるID情報が重畳される。
 そして、測位局400には、予め基準局300-1,2のUWと、無線端末200-1,2のID情報とが登録されている。測位局400の時間相関処理部107では、各UWに対する遅延プロファイルが、時分割処理及び並列演算処理によって算出される。また、ID測位部110では、各UWに対するビット判定結果を用いて、無線端末200-1と200-2とが、ID情報により判別される。
 ただし、パルス系列の相関受信、ID検出、及び距離測定といった機能を持つ測位局400は、必然的に高価なものとなるので、設置台数を増やすとコストがかかる。従って、例えば、屋内環境を想定すると、測位局400は、部屋又は廊下の中央付近で、且つ、測位エリアに対して見通しが確保され易い天井又は壁に設置するのが好ましい。これに対して、基準局300は、まずは測位局400の近傍に設置して測位エリアを確定するだけでなく、これを補完するために、測位エリアの周辺又は測位局400から見通し外となるような、所謂電波の不感帯に設置するのが好ましい。つまり、基準局300の配置に自由度が得られるため、送信元である基準局300と無線端末200の距離を短くすることが可能となり、無線端末200は、パルス信号系列をより確実に再放射できる。
 また、測位対象である無線端末200の動線が事前にある程度把握できるような場合には、システムの初期導入時、その動線上が測位エリアとなるように測位局400及び基準局300が設置されるのが好ましい。加えて、レイアウト変更等によりその動線が変わった時点で、新たな動線に対応して測位局400を再配置することなく、基準局300の設置場所のみを変更することで、測位エリアを効率良く更新して再構成することができる。
 (実施の形態3)
 実施の形態3は、基地局100及び基準局300を含む測位システムに関する。すなわち、別の見方をすれば、実施の形態2の測位局400に基地局100の受信系の構成が追加された状態の測位システムに関する。
 図10は、本発明の実施の形態3に係る測位システム30の構成例を示す図である。
 図10において、測位システム30は、基地局100と、基準局300と、無線端末200とを有する。
 基地局100と無線端末200との間では、実施の形態1で説明した距離測定が行われる。一方、基地局100、基準局300、及び無線端末200では、実施の形態2で説明した距離測定が行われる。
 すなわち、基地局100と無線端末200との間では、基地局100の位置を中心として無線端末200が位置する球(無線端末200が位置する平面が特定されている場合には、円周)が求められる。一方、基地局100、基準局300、及び無線端末200では、実施の形態2と同様に、無線端末200が位置する楕円球(無線端末200が位置する平面が特定されている場合には、楕円の周)が求められる。
 そして、基地局100は、無線端末200が存在する平面が特定されている場合には、上記円周と楕円の周との交点を求めることにより、無線端末200の位置を高々4点に絞ることができる。すなわち、距離測定という簡易な処理で無線端末200の位置を特定することができる。
 また、基地局100の他に、パルス信号系列を送信する装置として基準局300も設けられているので、測位システム30のシステムカバレッジ(測定可能範囲)を改善することができる。
 (実施の形態4)
 実施の形態4では、測位局が無線端末の位置する方向を特定する。
 図11は、本発明の実施の形態4に係る測位局500の構成を示すブロック図である。図11において、測位局500は、アレーアンテナ素子501-1~3を含むアレーアンテナと、アレー受信部502と、IQ生成部503と、空間相関処理部504と、DOA推定部505と、ID測位部506とを有する。
 アレーアンテナ素子501-1~3は、DOA推定用のアレーアンテナを構成している。アレーアンテナ素子501-1~3は、帯域幅500MHz以上のUWBパルスを受信する際に、DOA推定に必要となる帯域幅として、例えば、100MHz程度を選択して受信できれば良い。従って、UWBアンテナ105はUWB向けの広帯域アンテナが必要となる一方で、アレーアンテナ素子501-1~3はモノポールアンテナのような一共振アンテナも使用できる。
 アレー受信部502は、アレーアンテナ素子501-1~3で受信された受信信号をIF(Inter-Frequency)信号へ変換し、IQ生成部503へ出力する。アレー受信部502は、RF部511-1~3と、IF部512-1~3とを有する。RF部511-1~3は、LNA又はRF帯のBPF(Band-Pass-Filter)等で構成される。IF部512-1~3は、ダウンコンバータ又はIF帯のBPF等で構成される。アレー受信部502から出力されるIF信号は、例えば20MHz以下に帯域制限されている。
 以上のアレーアンテナ素子501-1、RF部511-1、及びIF部512-1が、第1の受信系を構成し、アレーアンテナ素子501-2、RF部511-2、及びIF部512-2が、第2の受信系を構成し、アレーアンテナ素子501-3、RF部511-3、及びIF部512-3が、第3の受信系を構成する。
 IQ生成部503は、アレー受信部502から受け取るIF信号をA/D変換した後に、IQ直交化することにより、離散化されたIQベースバンド信号を得る。A/D変換及びIQ直交化処理は、各受信系のIF信号ごとに行われる。各受信系で得られたIQベースバンド信号は、空間相関処理部504へ出力される。
 空間相関処理部504は、各受信系で得られたIQベースバンド信号を用いて、空間上の相互相関処理を行う。すなわち、空間相関処理部504は、2つのIQベースバンド信号間の相互相関を、受信系の組み合わせごとに行う。従って、空間軸上の相互相関によって得られた空間相関結果は、相関行列として得られる。この相関行列は、時間相関処理部107と同様に、フレーム単位で、DOA推定部505へ出力される。なお、フレーム同期は、時間相関処理部107から出力されるフレーム周期のタイミング信号を用いて確立される。
 DOA推定部505は、フレーム単位で入力される相関行列を加算平均する。この加算平均は、ビット判定部109から受け取る識別情報ごとに行われる。そして、DOA推定部505は、加算平均した相関行列を用いて、ビームフォーマー法、CAPON法、MUSIC法、SAGE法等に代表されるDOA推定アルゴリズムを実行し、DOA推定結果を得る。すなわち、DOA推定部505では、ビット判定部109から受け取る識別情報に対応する無線端末200ごとに、相関行列の加算平均処理、及び、DOA推定処理が行われ、各無線端末200についてのDOA推定結果が得られる。
 ID測位部506は、ID測位部110と同様に、往復所要時間に基づいて、基地局100とビット判定部109から受け取る識別情報に対応する無線端末200との離間距離を算出する。これにより、ID測位部506は、実施の形態2と同様に、迂回伝搬路の距離、及び、基準局300と測位局500との離間距離に基づいて、無線端末200が存在する楕円球を特定することができる。
 また、ID測位部506は、DOA推定結果に基づいて、ビット判定部109から受け取る識別情報に対応する無線端末200の位置する方向を算出する。すなわち、ID測位部506は、測位局500から見た無線端末200の方向を示すアジマス角φ及びエレベーション角θを算出する。ここで、角度及び距離の基準となる座標原点は、予め位置が分かっている測位局500の位置又は基準局300の位置とする。
 そして、ID測位部506は、図12に示すように、楕円球と、アジマス角φ及びエレベーション角θで表されるベクトルの示す方向に測位局500から延ばした線分との交点を求める。この交点の座標が、無線端末200の位置座標となる。
 なお、以上の説明では、DOA推定用のアレー素子素の数を3としたが、これは、2次元のDOA推定には原理的に少なくとも3素子必要となるためである。つまり、3素子以上であれば前述した機能を実現できるため、アレー素子数は3以上であれば特に限定されない。
 またなお、DOA推定に用いるIF帯域幅として20MHz以下と例示しているが、これはマイクロ波UWBのRF帯である3-10GHzの利用を前提した場合の参考値である。アレーアンテナによるDOA推定は、理論的にRF帯の中心周波数に対する比帯域の制約があるため、実用上もそれを考慮した設計が必要となる。つまり、RF周波数が高くなればそれに応じてIF帯域幅も広がることになる。
 また、測位局500には、基地局100の受信系の構成が追加されても良い。これにより、測定可能範囲を広げることが可能となる。また、実施の形態2及び実施の形態3で説明したように無線端末200の位置を高々4点に絞った上で、無線端末200の位置する方向も、無線端末200の位置の特定に活用することにより、測位精度をさらに向上することができる。
 また、以上では、説明を簡単にするために、測位システムに測位局500が1機と基準局300が1機とが存在する場合を前提として説明したが、測位局500が複数存在していても良い。こうすることで、システム全体の測定可能範囲を広げることが可能となる。また、測位局500及び基準局300がそれぞれ複数存在していても良い。1機複数台の測位局と複数台の基準局を用いてもよい。これにより、システム全体の測定可能範囲をさらに広げることが可能となる。
 以上のように本実施の形態によれば、測位局500において、DOA推定部505が測位局500の位置を基準とする無線端末200の位置する方向を算出し、ID測位部506が、測位局500及び基準局300の位置を2つの焦点とし且つ当該2つの焦点から表面上の任意の点までの距離の和が迂回伝搬路の距離である楕円球と、測位局500の位置から上記算出された方向に延ばした線分との交点を、無線端末200の位置として算出する。
 こうすることで、無線端末200の位置を1点に絞ることができる。
(実施の形態5)
 実施の形態5では、無線端末に、実施の形態1の無線端末200が有する機能、及び、実施の形態2の基準局300が有する機能の両方を持たせる。別の見方をすれば、実施の形態5は、実施の形態1の無線端末200に基地局100の送信系の構成が追加された状態の測位システムに関する。
 [測位システムの概要]
 図13は、本発明の実施の形態5に係る測位システム40の構成例を示す図である。
 図13において、測位システム40は、基地局100と、無線端末600-1,2とを有する。
 無線端末600-1,2は、上述の通り、基地局100の送信系の構成を有する。すなわち、無線端末600-1,2は、アクティブタグの機能(つまり、実施の形態2の基準局300と同様に、パルス信号系列を自律発信する機能)、及び、セミパッシブタグの機能(つまり、実施の形態1の無線端末200と同様に、所望パルス信号系列が受信された場合のみ増幅後に再放射する機能)の両方を有している。
 そして、無線端末600-1,2は、システム環境に応じて、アクティブタグの機能と、セミパッシブタグの機能とを切り換える。
 こうすることで、無線端末600-1,2は、基地局100との間で、実施の形態1と同様に、測位動作を行うことができる。さらに、無線端末600-1,2は、一方がアクティブモードとなり、他方がセミパッシブモードとなることで、実施の形態2と同様に、測位動作を行うことができる。
 [無線端末600の構成]
 図14は、本発明の実施の形態5に係る無線端末600の構成を示すブロック図である。図14において、無線端末600は、UWBアンテナ601と、パルス生成部602と、パルス検波部603と、タイミング検出部604と、動作モード選択部605とを有する。
 パルス検波部603は、UWBアンテナ601を介して受信したパルス信号系列を包絡線検波し、検波結果をタイミング検波部604及びパルス生成部602へ出力する。また、パルス検波部603は、動作モード選択部605から、モードとしてアクティブモードを選択する制御信号を受け取ると、パルス生成部602によるパルス信号系列の自律的送信期間の間、動作を停止する。これにより、自装置から送信されるパルス信号系列の回り込み受信を防止できると共に、無駄な電力消費を防止することができる。
 タイミング検出部604は、パルス検波部603の検波結果(つまり、周期的に受信されるパルス検波波形)に基づいて、基地局100から送信されたパルス信号系列の受信タイミングを検出し、検出タイミングを動作モード選択部605へ出力する。
 動作モード選択部605は、タイミング検出部604から受け取る受信タイミングに基づいて、動作モードとして、アクティブモード又はセミパッシブモードを選択する。具体的には、動作モード選択部605は、基本的には、セミパッシブモードを選択している。動作モード選択部605は、タイミング検出部604から受け取る受信タイミングが大きく変動する場合や、受信タイミングが検出不能と判定される場合には、基地局100から送信されたパルス系列を安定して受信できない状況にあると判断し、アクティブモードを選択する。このとき、動作モード選択部605は、モードとしてアクティブモードを選択したことを示す制御信号をパルス検波部603及びパルス生成部602へ出力する。
 パルス生成部602は、セミパッシブモードの場合には、実施の形態1の無線端末200におけるサーキュレータ202及びLNA203を含み、セミパッシブモードにおける反射動作を可能に構成されている。また、パルス生成部602は、アクティブモードの場合(つまり、アクティブモードを選択したことを示す制御信号を受け取る場合)には、反射動作を停止して、パルス信号系列を自律的送信期間の間だけ送信する。
 [測位システムの動作]
 はじめに、基地局100が、パルス信号系列S602を送信する。ここで、無線端末600-1は、セミパッシブモードで動作しており、基地局100からのパルス信号系列S602を受信し、この受信パルス信号系列に基づいて応答パルス信号系列を送信している。このとき、基地局100は、無線端末600-1から送信された応答パルス信号系列を受信する。そして、基地局100は、受信パルス信号系列の到来時間を測定し、この測定結果から無線端末600-1の位置を決定する。
 次に、無線端末600-2がセミパッシブモードとして起動する。ここで、無線端末600-2が、基地局100のカバーエリア端に在るなどの理由により、基地局100からの送信パルス系列S602を安定して検出できない場合を想定する。このような場合、無線端末600-2は、セミパッシブモードからアクティブモードへと動作を変更する。つまり、動作モード選択部605が、パルス生成部602に対して、自律的にパルスを送信するように制御信号を出力する。
 ここで、無線端末600-1は、基地局100から送信されたパルス信号系列S602を受信し、応答パルス信号系列を送信するだけでなく、無線端末600-2から送信されたパルス信号系列S603に対しても同様にして受信し、応答パルス信号系列を送信する。
 このとき、基地局100から送信されるパルス信号系列と、無線端末600-2から送信されるパルス信号系列のパルス送信周期を、予め異なるように設定しておく。このようにすることで、無線端末600-1は、基地局100から送信されたパルス信号系列S602と無線端末600-2から送信されたパルス信号系列S603を識別できる。例えば、基地局100のパルス送信周期を200ns、無線端末600-2のパルス送信周囲を150nsに設定しておくことで、無線端末600-1は、受信されるパルス信号系列の周波数成分を検出することにより送信元を識別できる。
 なお、実施の形態2と同様にして、基準局300のようにアクティブモードで動作する無線端末600-2が送信するパルス信号系列S603と、基地局100より送信されるパルス信号系列S602とが、互いに異なるUWを用いて生成されるようにしても良い。
 以上のように、基地局100は、セミパッシブモードで動作している無線端末600-1の位置を、実施の形態1に示した方法により、測位することができる。さらに、基地局100は、無線端末600-1を測位した後に、その位置情報に基づいて、無線端末600-2の位置も特定できる。具体的には、基地局100は、無線端末600-2の送信パルス信号系列S603を直接受信したタイミングを基準として、迂回伝搬路の所要時間を測定する。すなわち、基地局100は、パルス信号系列S603に対する無線端末600-1の応答パルス信号系列を受信するタイミング(つまり、到来時間(TOA))までの時間差を測定する。そして、基地局100は、測定した時間差と、予め測定されていた無線端末600-1の位置を用いて、無線端末600-2の位置を求める。
 また、無線端末600-1は、基地局100から送信されたパルス信号系列を受信した際には、自身のID情報が重畳された応答パルス信号系列を送信する。一方で、無線端末600-2からの送信されたパルス信号系列を受信した際には、ID情報を重畳しない。言い換えれば、無線端末600-1は、無線端末600-2からの送信パルス信号系列を中継する場合には、すべて“1”のIDを負荷するように動作する。このような送信機能は、パルス生成部602おいて実現される。したがって、無線端末600-1が送信するパルス信号系列には、実施の形態1に示した方法により、予め自身のID情報が重畳されるようにしておく。
 (他の実施の形態)
 (1)上記実施の形態では、パルス信号系列がOOK変調により形成される場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、BPSKなど他の変調方式によって形成されても良い。
 (2)また、上記実施の形態では、本発明をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、本発明はソフトウェアで実現することも可能である。
 また、上記実施の形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には集積回路であるLSIとして実現される。これらは個別に1チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように1チップ化されてもよい。ここでは、LSIとしたが、集積度の違いにより、IC、システムLSI、スーパーLSI、ウルトラLSIと呼称されることもある。
 また、集積回路化の手法はLSIに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよい。LSI製造後に、プログラムすることが可能なFPGA(Field Programmable Gate Array)や、LSI内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサーを利用してもよい。
 さらには、半導体技術の進歩または派生する別技術によりLSIに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行ってもよい。バイオ技術の適用等が可能性としてありえる。
 2009年3月17日出願の特願2009-064157の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
 本発明の測位システム及び測位方法は、ジッタの発生を抑圧して測位精度を向上する効果を有し、無線タグ等の位置を測定するものとして有用である。
 10,20,30 測位システム
 100 基地局
 101 送信制御部
 102 ユニークワード(UW)生成部
 103,602 パルス生成部
 104,105 アンテナ
 106,603 パルス検波部
 107 時間相関処理部
 108 TOA推定部
 109 ビット判定部
 110,506 ID測位部
 200,600 無線端末
 201,601 UWBアンテナ
 202 サーキュレータ
 203 LNA
 204 ID生成部
 300 基準局
 400,500 測位局
 501 アレーアンテナ素子
 502 アレー受信部
 503 IQ生成部
 504 空間相関処理部
 505 DOA推定部
 511 RF部
 512 IF部
 604 タイミング検出部
 605 動作モード選択部

Claims (8)

  1.  パルス信号系列を送信する送信装置と、
     入力信号を増幅する増幅器と、パルス信号系列を受信し当該受信パルス信号系列を前記増幅器で増幅した後に応答パルス信号系列として送信する送受信手段と、を具備する測位対象装置と、
     前記送信装置と別体の装置であって、前記応答パルス信号系列の受信タイミングを検出する検出手段と、前記パルス信号系列の送信タイミングから、前記検出された受信タイミングまでの伝搬所要時間に基づいて、前記測位対象装置の位置を算出する位置算出手段とを具備する算出装置と、
     を具備する測位システム。
  2.  前記算出装置は、複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナと、前記アレーアンテナを介して受信した応答パルス信号系列に基づいて前記算出装置を基準とする前記測位対象装置の位置する方向を算出する方向算出手段と、をさらに具備し、
     前記位置算出手段は、前記伝搬所要時間に基づいて、前記送信装置と前記測位対象装置との第2の離間距離と前記第1の離間距離との和である迂回伝搬距離とを算出し、前記算出装置及び前記送信装置の位置を2つの焦点とし且つ当該2つの焦点から表面上の任意の点までの距離の和が前記迂回伝搬距離である楕円球と、前記算出装置の位置から前記算出された方向に延ばした線分との交点を、前記測位対象装置の位置として算出する、
     請求項1に記載の測位システム。
  3.  前記増幅器は、印加電圧に応じた増幅率で前記入力信号を増幅し、
     前記測位対象装置は、自装置に固有の識別データに対応するパタンで前記増幅器に電圧を印加する電圧印加手段をさらに具備する、
     請求項1に記載の測位システム。
  4.  前記測位システムは、前記送信装置を複数有し、
     各送信装置は、自装置に固有の識別データに基づいて前記パルス信号系列を生成する生成手段を具備する、
     請求項1に記載の測位システム。
  5.  前記算出装置は、前記パルス信号系列を送信する送信手段を、さらに具備し、
     前記検出手段は、前記送信手段から送信されたパルス信号系列に基づいて前記測位対象装置から送信された応答パルス信号の受信タイミングを第2の受信タイミングとして検出し、
     前記位置算出手段は、前記送信手段からパルス信号系列が送信された第2の送信タイミングから、前記検出された第2の受信タイミングまでの往復所要時間に基づいて、前記測位対象装置と前記算出装置との第1の離間距離を算出し、前記伝搬所要時間に基づいて、前記送信装置と前記測位対象装置との第2の離間距離と前記第1の離間距離との和である迂回伝搬距離とを算出し、前記第1の離間距離及び前記迂回伝搬距離に基づいて、前記測位対象装置の位置を算出する、
     請求項1に記載の測位システム。
  6.  前記位置算出手段は、前記算出装置の位置を中心とし且つ前記第1の離間距離を半径とする球と、前記算出装置及び前記送信装置の位置を2つの焦点とし且つ当該2つの焦点から表面上の任意の点までの距離の和が前記迂回伝搬距離である楕円球との交わる部分を、前記測位対象装置の位置として算出する、
     請求項5に記載の測位システム。
  7.  前記測位対象装置は、前記測位対象装置として応答パルス信号系列を送信する第1の機能及び前記送信装置としての第2の機能を有すると共に、前記受信パルス信号系列の受信タイミングに基づいて、前記第1の機能を動作させる第1のモード、又は、前記第2の機能を動作させる第2のモードを選択するモード選択手段を有する、
     請求項1に記載の測位システム。
  8.  パルス信号系列を送信する送信装置と、測位対象装置と、前記送信装置と別体の装置であり且つ前記測位対象装置の位置を算出する算出装置とを具備する測位システムにおける、測位方法であって、
     前記送信装置が、パルス信号系列を送信し、
     前記測位対象装置が、パルス信号系列を受信し当該受信パルス信号系列を増幅した後に応答パルス信号系列として送信し、
     前記算出装置が、前記応答パルス信号系列の受信タイミングを検出し、前記パルス信号系列の送信タイミングから、前記検出された受信タイミングまでの伝搬所要時間に基づいて、前記測位対象装置の位置を算出する、
     測位方法。
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