(57)【要約】【課題】遮蔽空間において対象物の位置を正確に測定することが可能な位置測定システムを提供することを目的とする。【解決手段】位置測定システム１は、連続波の電波を送信する送信アンテナ１１と、電波の位相を変調する位相変調部１２とを有し、遮蔽空間内を移動する対象物２と、送信アンテナ１１から送信された電波を受信する少なくとも三つの受信アンテナ３と、各受信アンテナ３が受信した電波の変調した時刻を検知し、電波の変調した時刻に基づく電波の到達時間差を用いて対象物の位置を算出する位置算出部１８とを備える。【選択図】図１
2014025838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続波の電波を送信する第１送信部と、前記電波の位相を変調する第１位相変調部とを有し、遮蔽空間内を移動する対象物と、
前記第１送信部から送信された前記電波を受信する少なくとも三つの受信部と、
各前記受信部が受信した前記電波の変調した時刻を検知し、前記電波の変調した時刻に基づく前記電波の到達時間差を用いて前記対象物の位置を算出する位置算出部と、
を備える位置測定システム。
【請求項２】
前記電波の周波数は、前記遮蔽空間の壁間距離と、前記電波の直接波及び１回反射波の干渉に基づいて決定される請求項１に記載の位置測定システム。
【請求項３】
前記電波の周波数は、前記遮蔽空間内に存在する塵芥、砂又は炭の空気に対する比誘電率に基づいて決定される請求項１又は２に記載の位置測定システム。
【請求項４】
前記電波の周波数は、前記遮蔽空間内に存在する塵芥、砂又は炭による減衰を考慮して決定される請求項１から３のいずれか１項に記載の位置測定システム。
【請求項５】
連続波の電波を送信する第２送信部と、前記電波の位相を変調する第２位相変調部とを有し、前記遮蔽空間内に設置される校正用送信装置と、
前記遮蔽空間内部に空気のみが存在するときに前記第２送信部から送信され前記受信部が受信するまでの前記電波の到達時間と、前記遮蔽空間内部に塵芥、砂又は炭が存在するときに前記第２送信部から送信され前記受信部が受信するまでの前記電波の到達時間の違いに基づいて、塵芥、砂又は炭の誘電率を設定し、前記遮蔽空間内部に塵芥、砂又は炭が存在するときの前記対象物の前記第１送信部から送信され前記受信部が受信するまでの前記電波の到達時間を補正する補正部と、
を更に備える請求項１から４のいずれか１項に記載の位置測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置測定システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属壁で覆われた金属遮蔽空間において、高温条件下、かつ、炭や砂が浮遊している場所で、固体状物質を移動させる装置として、例えば改質炭キルン炉や流動炉などがある。しかし、固体状物質の移動などの挙動について、シミュレーション精度の検証が不十分な場合があり、改質炭キルン炉や流動炉などの性能向上やスケールアップを経験や実験に依存している。そのため、実験実施による開発費用の増加や開発期間の長期化が懸念される。
【０００３】
特許文献１では、無線位置測定システムの発明であって、端末が複数の基地局から送信された信号を受信して、その遅延量から各基地局と端末間の距離を算出し端末の位置を計測する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３１６７５号公報（特許第３６５６５２６号公報）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＴＤＯＡ（電波到達時間差）方式による位置測定方法は、ＧＰＳ、基地局及び端末が同期している必要があり、ＣＤＭＡなどの規則に従って電波を受信しているため、時間分解能に限界があった。そのため、測定結果の精度は、10m前後が限界であった。また、端末と基地局は、間に障害物がない見晴らしの良い位置関係にある必要があり、屋内では更に精度が低下していた。
【０００６】
固体状物質が移動する金属遮蔽空間では、固体状物質に端末を内蔵させたとしても、既存のＴＤＯＡ方式による位置測定方法では、基地局から電波が届かない。また、金属遮蔽空間が２ｍ〜３０ｍ程度である場合、既存のＴＤＯＡ方式の精度では、固体状物質の位置を把握することができない。さらに、既存のＴＤＯＡ方式では、高温条件下、かつ、炭や砂が浮遊している場所に対応することができない。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、遮蔽空間において対象物の位置を正確に測定することが可能な位置測定システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の位置測定システムは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る位置測定システムは、連続波の電波を送信する第１送信部と、前記電波の位相を変調する第１位相変調部とを有し、遮蔽空間内を移動する対象物と、前記第１送信部から送信された前記電波を受信する少なくとも三つの受信部と、各前記受信部が受信した前記電波の変調した時刻を検知し、前記電波の変調した時刻に基づく前記電波の到達時間差を用いて前記対象物の位置を算出する位置算出部とを備える。
【０００９】
この発明によれば、連続波の電波が対象物から送信され、少なくとも三つの受信部で受信されることから、電波の到達時間差を用いて、対象物の位置が算出される。遮蔽空間内では、連続波の電波が壁で反射して定在波が生じるが、送信される電波が位相を変調して、受信側では、変調した時刻が検知されることから、直接波の到達時間差を取得できる。その結果、連続波の電波が壁で反射する遮蔽空間でも、電波の到達時間差を用いて対象物の位置を算出できる。
【００１０】
上記発明において、前記電波の周波数は、前記遮蔽空間の壁間距離と、前記電波の直接波及び１回反射波の干渉に基づいて決定されてもよい。
【００１１】
遮蔽空間内では、連続波の電波が壁で反射して減衰するおそれがあるが、この発明によれば、電波の直接波と１回反射波との干渉による減衰が生じないように電波の周波数を決定できることから、対象物から送信された電波を受信部で確実に受信できる。例えば、壁間距離が３．７５ｍよりも長い遮蔽空間では、周波数を１８．７５ＭＨｚ以下とすれば、直接波と１回反射波との干渉で電波の振幅が０になることはない。
【００１２】
上記発明において、前記電波の周波数は、前記遮蔽空間内に存在する塵芥、砂又は炭の空気に対する比誘電率に基づいて決定されてもよい。
【００１３】
遮蔽空間内に存在する塵芥、砂又は炭の誘電率が高いため、電波の伝搬速度が低下するところ、この発明によれば、比誘電率を考慮して電波の周波数が決定されることから、電波の伝搬速度が低下する分、周波数は下げて決定される。
【００１４】
上記発明において、前記電波の周波数は、前記遮蔽空間内に存在する塵芥、砂又は炭による減衰を考慮して決定されてもよい。
【００１５】
この発明によれば、遮蔽空間内に存在する塵芥、砂又は炭による減衰が生じないように電波の周波数を決定できることから、対象物から送信された電波を受信部で確実に受信できる。例えば、砂が浮遊している空間では、周波数を9GHz以下の電波を適用する。
【００１６】
上記発明において、連続波の電波を送信する第２送信部と、前記電波の位相を変調する第２位相変調部とを有し、前記遮蔽空間内に設置される校正用送信装置と、前記遮蔽空間内部に空気のみが存在するときに前記第２送信部から送信され前記受信部が受信するまでの前記電波の到達時間と、前記遮蔽空間内部に塵芥、砂又は炭が存在するときに前記第２送信部から送信され前記受信部が受信するまでの前記電波の到達時間の違いに基づいて、塵芥、砂又は炭の誘電率を設定し、前記遮蔽空間内部に塵芥、砂又は炭が存在するときの前記対象物の前記第１送信部から送信され前記受信部が受信するまでの前記電波の到達時間を補正する補正部とを更に備えてもよい。
【００１７】
この発明によれば、校正用送信装置によって、塵芥、砂又は炭の誘電率を予め設定できることから、概遮蔽空間内部に塵芥、砂又は炭が存在する場合に、対象物の第１送信部から送信され受信部が受信するまでの電波の到達時間を補正することができる。その結果、より正確な対象物の位置を算出できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、遮蔽空間において対象物の位置を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る位置測定システムを示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る位置測定システム及び位置測定システムが適用される金属遮蔽空間を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る位置測定システムの対象物と受信アンテナを示す概略図である。
【図４】感度と周波数の関係を示すグラフである。
【図５】位相と時間の関係を示すグラフである。
【図６】金属遮蔽空間における校正用送信装置と受信アンテナの位置関係を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る位置測定システム１は、図１に示すように、内蔵された送信アンテナ１１が電波を送信する対象物２と、金属遮蔽空間３０内部に設置され、対象物２から送信された電波を受信する少なくとも３本の受信アンテナ３−１，３−２，３−３（以下、総称して「受信アンテナ３」ともいう。）を備える。対象物２の時計部１３と各受信アンテナ３に接続された制御装置４の時計部２０は同期している。
【００２１】
位置測定システム１は、金属壁で覆われた金属遮蔽空間３０であって、高温条件下、かつ、塵芥、炭又は砂が浮遊している場所での固体状物質である対象物２の位置を測定できる。また、対象物２が周辺の温度変化を計測しており、測定された対象物２の位置と時刻をマッチングすることで、金属遮蔽空間３０内部の温度分布を取得できる。金属遮蔽空間３０は、例えば改質炭キルン炉や流動炉などであり、２ｍ〜３０ｍほどの長さを有する。
【００２２】
対象物２は、外殻が耐熱性能を有しており、高温条件下の金属遮蔽空間３０内部に入れられても、内蔵する送信アンテナ１１や温度測定部１４等の各構成部材を保護できる。対象物２は、内部に送信アンテナ１１、位相変調部１２、時計部１３、温度測定部１４及び記憶部１５などを備える。対象物２は、改質炭キルン炉や流動炉などの機能に従って、金属遮蔽空間３０内部を移動する。例えば、流動炉の場合、図２に示すように、金属遮蔽空間３０内部の入口から投入されると、対象物２は、流動層の流れに沿って移動し、最終的には出口から取り出されることになる。
【００２３】
送信アンテナ１１は、連続波の電波を送信する。位相変調部１２は、送信する電波の位相を変調、例えば位相を１８０°反転させる。送信アンテナ１１が送信する電波の周波数は、十数MHzから数百MHzの範囲のいずれかである。
【００２４】
受信アンテナ３は、送信アンテナ１１から送信された電波を受信する。３本の受信アンテナ３は、制御装置４と接続される。制御装置４は、例えばコンピュータであり、位置算出部１８、補正部１９、時計部２０などを備える。
【００２５】
位置算出部１８は、受信アンテナ３が受信している電波が変調したことを検知し、それと同時に、時計部２０の時刻を用いて、受信した電波の変調した時刻を検知する。また、位置算出部１８は、電波の変調した時刻に基づいて、３本の受信アンテナ３が受信した電波の到達時間差を用いて、対象物２の位置を算出する。位置測定方法は、ＴＤＯＡ（電波到達時間差）方式を用いる。
【００２６】
補正部１９は、塵芥、砂又は炭の誘電率を設定し、金属遮蔽空間３０内部に塵芥、砂又は炭が存在するときの対象物２の送信アンテナ１１から送信され、受信アンテナ３が受信するまでの電波の到達時間を補正する。誘電率の設定は、金属遮蔽空間３０内部に空気のみが存在するときに校正用送信装置６の送信アンテナ１６から送信され、受信アンテナ３が受信するまでの電波の到達時間と、金属遮蔽空間３０内部に塵芥、砂又は炭が存在するときに送信アンテナ１６から送信され、受信アンテナ３が受信するまでの電波の到達時間の違いに基づいて行われる。
【００２７】
また、制御装置４は、表示装置５と接続され、表示装置５は、対象物２の位置をリアルタイムに、又は記録されたデータに基づいて、例えば表形式又は３次元的に表示する。
【００２８】
校正用送信装置６は、金属遮蔽空間３０内部に設置される。校正用送信装置６は、送信アンテナ１６、位相変調部１７などを備える。送信アンテナ１６は、連続波の電波を送信する。位相変調部１７は、送信する電波の位相を変調、例えば位相を１８０°反転させる。
【００２９】
次に、送信アンテナ１１又は送信アンテナ１６が送信する電波について説明する。
位置算出部１８は、対象物２から送信され３つ以上の受信アンテナ３で受信された電波の到達時間差に基づいて、ＴＤＯＡ法によって対象物２の位置を特定する。
【００３０】
金属遮蔽空間３０内部において対象物２が連続波の電波を送信する場合、壁で電波が反射し、マルチパスが生じる。そのため、電波がアンテナに到達するまで、電波が減衰しないことが必要である。そこで、本実施形態では、金属遮蔽空間３０内の壁間距離を考慮して、周波数を設定する。
【００３１】
対象物２から送信された電波のうち直接波は、図３に示すように、対象物２から受信アンテナ３まで距離Ltaを進む。金属遮蔽空間３０の金属壁で１回反射する電波は、対象物２から送信された後、金属壁で反射して受信アンテナ３に到達し、その距離は、Ltma=Ltw+Ltw+Ltaである。
したがって、以下の式を満たす場合、直接波と１回反射波が干渉して減衰することはない。
(Ltw+Ltw+Lta)-Lta＜λ/2
すなわち、
λ＞4Ltw
Ltwは、対象物２が受信アンテナ３の直近に来る場合が最大なので、壁間距離をLmax＝4mとすると、
λ=4×4＝16m
となる。
【００３２】
したがって、空気中の伝搬速度Cは3×108m/sで、v=C=f×λだから、f＜3×108/16=18.75MHzならば、直接波は１回反射波との干渉で振幅がゼロに近くになることはない。２回反射、３回反射を繰り返すうちにλ/2ずれる可能性はあるが、減衰が大きいため受信出力がゼロに近づき検波出来ないという状況には陥らない。そこで、遮蔽空間が4mで囲まれ、空気で満たされた空間の場合には周波数を18.75MHz以下に設定する。
【００３３】
また、流動炉の流動層のように炉内が高温の砂で満たされている場合、砂の誘電率は空気よりも大きいため、伝搬速度vは低下する。ここで、ε1rが浮遊砂空間の比誘電率とすると、v=C/(ε1r)^0.5となる。これを、v=f×λに代入すると、周波数を求めることができる。つまり、伝搬速度が低下する分、空気で満たされた空間である場合に比べて、周波数を下げる必要がある。さらに、図４に示すように、砂浮遊空間では周波数が高い電波ほど減衰することから、減衰がない又は減衰が少ない周波数を選択する。例えば、砂浮遊空間に適用するためには9GHz以下の電波を用いる必要がある。図４は、電波の周波数と砂中の減衰量の関係を示している。なお、周波数を18.75MHzに設定する場合は、この条件を満たす。
【００３４】
またさらに、連続波の電波を用いる場合、壁で電波が反射することによって、金属遮蔽空間３０内部では定在波ができる。そのため、定在波の情報のみからは、対象物２からの直接波の時間差を把握することができない。そこで、本実施形態では、対象物２が送信する電波をある時点で、位相を１８０°反転させるなど、異なる位相に変化させる。各受信アンテナ３における直接波の位相が変化した時刻を取得することで、直接波到着の時間差を算出することができる。
【００３５】
例えば、位相を１８０°反転させた場合には、図５に示すように、まずは直接波からの電波の位相が変化する。その後、１回反射波、２回反射波など様々の経路で反射してきた電波の位相が変化し、最終的には定在波の位相が一定となる。各受信アンテナ３で直接波の位相が変化した時刻を求めることにより、直接波到着の時間差を求めることができる。
【００３６】
なお、各受信アンテナ３は、高度の同期及び高速検知が必要で、例えば0.1nsの精度で位相変化を検知できれば、3×108×0.1×10-9＝0.03m=3cmの位置精度となる。また、0.2nsの精度で位相変化を検知できる場合は、6cmの位置精度となる。対象物２からの電波の送信も同様に高精度での位相パルス変化が必要である。
【００３７】
対象物２は、送信部に加えて、温度測定部１４や記憶部１５が内部に設置される。対象物２が周囲の温度を測定することによって、金属遮蔽空間３０内における対象物２の経路上の温度分布を得ることができる。例えば、対象物２が測定した温度と共に時刻を記録し、位置算出部１８で測定された対象物２の位置と時刻をマッチングすることで、金属遮蔽空間３０の温度分布を取得できる。対象物２では、測定された温度は、時計部１３の時刻と合わせて記憶部１５に記録される。測定された温度と時刻は、対象物２から電波で受信アンテナ３に送信してもよい。
【００３８】
本実施形態では、周波数の低い数10MHzの電波を用いることで、指向性を低下させ、無指向とすることができる。したがって、対象物２に内蔵する送信アンテナ１１は、互いに直交する関係で二つのみ設置するだけでよい。電波が無指向性を有することから、少ないアンテナ数でも受信アンテナに対象物２からの電波を送信できる。
【００３９】
また、上述したとおり、金属遮蔽空間３０内において、電波の減衰が少ないことから、電波は低出力でも良く、例えば微弱電波や小電力電波で運用することも可能である。
【００４０】
次に、本実施形態に係る位置測定方法について説明する。
まず、金属遮蔽空間３０が炉である場合は、炉を立ち上げる前に、３本の受信アンテナ３を設置する。受信アンテナ３は、金属遮蔽空間３０内部に露出するように設置される。このとき、３本の受信アンテナ３は、同期をとっておく。また、金属遮蔽空間３０の内部の所定位置に校正用送信装置６を設置する。図２の例では、校正用送信装置６を既知の座標（Ｘ1,Ｙ1,Ｚ1）と（Ｘ2,Ｙ2,Ｚ2）の位置に設置している。校正用送信装置６の時刻についても、同期をとっておく。また、校正のため、予め校正用送信装置６から各受信アンテナ３までの到達時間を計測する。
【００４１】
その後、炉を立ち上げる。
そして、校正を実施して、電波の送受信方向と金属遮蔽空間３０の実際の位置との間の位置ずれを補正する。
補正完了後、対象物２を用意し、入口から金属遮蔽空間３０内部に投入する。そして、投入された対象物２の送信アンテナ１１から電波を送信する。このとき、対象物２が送信する電波について、ある時点で、位相を１８０°反転させる。
３本の受信アンテナ３は、電波を受信して、位相が１８０°反転したことを検知する。そして、位置算出部１８は、ＴＤＯＡ法で、位相が１８０°反転した時刻の時間差を用いて対象物２の現在位置を算出する。
対象物２が金属遮蔽空間３０の出口から出るまで、上記対象物２の送信アンテナ１１と、金属遮蔽空間３０内の受信アンテナ３による対象物２の検知を継続する。
【００４２】
金属遮蔽空間３０から対象物２が出た後は、対象物２が冷却してから、内部の記憶部１５を取り出す。そして、対象物２の記憶部１５に記録された時刻や温度を、例えば制御装置４に移動させ、データ整理を行う。対象物２の位置測定によって得られた時刻と位置情報を照合することによって、金属遮蔽空間３０内部における対象物２の移動経路の温度分布を把握することができる。
【００４３】
次に、校正の方法について説明する。
対象物２の送信アンテナ１１、又は校正用送信装置６の送信アンテナ１６から送信された電波は、砂等が充満した空間３１から空気中へ出るとき、屈折が生じる。したがって、図６に示すように、スネルの法則（屈折の法則）を用いて、校正用送信装置６の送信アンテナ１６で得られる結果から、砂等が充満した空間における送信アンテナ１６から空気との境界面までの距離Ｈｒ、電波の入射角ｉや屈折角ｒ及び砂が充填した空間３１の誘電率εｒを算出する。これにより、対象物２の送信アンテナから得られる位置情報を補正することができ、対象物２の正確な位置を把握できる。
【００４４】
砂等が充填する前の校正用送信装置６の送信アンテナ１６から受信アンテナ３までの到達時間τ１を測定する。到達時間τ１は、
【数１】
2014025838.tif 000003
で表される。ここで、ｃｒは空気側の光速度である。
【００４５】
また、高温条件下で砂等が充填しているときの校正用の発信アンテナから受信アンテナまでの到達時間τ１’を測定する。到達時間τ１’は、
【数２】
2014025838.tif 000004
で表される。ここで、ｉは砂側に生じる入射角、ｒは空気側に生じる屈折角、ｃｉは砂側の光速度である。
【００４６】
既知の距離Ｗは、砂等が充満した空間における送信アンテナから空気との境界面までの距離Ｈｉや入射角ｉ、屈折角ｒを用いて次式で表される。
【数３】
2014025838.tif 000005
また、入射角ｉと屈折角ｒの関係は、砂の誘電率εｉを用いて表すと次式の通りである。
【数４】
2014025838.tif 000006
（３）式は、伝搬速度ｃｉ，ｃｒと、誘電率εｉの関係を表わす次式より導かれる。
【数５】
2014025838.tif 000007
また、
【数６】
2014025838.tif 000008
【数７】
2014025838.tif 000009
【数８】
2014025838.tif 000010
【数９】
2014025838.tif 000011
という関係を用いつつ、（１）〜（３）式から、砂等が充満した空間における送信アンテナから空気との境界面までの距離Ｈｉや入射角ｉ，及び誘電率εｉを求める。
【００４７】
以降、算出された距離Ｈｉや誘電率εｉを用いて、高温条件下で砂等が充填しているときの対象物２の発信アンテナから受信アンテナまでの到達時間を補正する。これにより、対象物２のより正確な位置を把握できる。
【００４８】
以上、本実施形態によれば、連続波の電波が対象物２から送信され、少なくとも三つの受信アンテナ３で受信されることから、電波の到達時間差を用いて、対象物２の位置が算出される。そして、長さが２ｍ〜３０ｍ程度であるような金属遮蔽空間３０内では、連続波の電波が壁で反射して定在波が生じるが、送信される電波が位相を変調して、受信側では、変調した時刻が検知されることから、直接波の到達時間差を取得できる。その結果、連続波の電波が壁で反射する金属遮蔽空間３０でも、電波の到達時間差を用いて対象物２の位置を算出できる。
【００４９】
また、金属遮蔽空間３０内では、連続波の電波が壁で反射して減衰するおそれがあるが、本実施形態によれば、電波の直接波と１回反射波との干渉による減衰が生じないように電波の周波数を決定できることから、対象物２から送信された電波を受信アンテナ３で確実に受信できる。さらに、金属遮蔽空間３０内に存在する塵芥、砂又は炭の誘電率を考慮したり、金属遮蔽空間３０内に存在する塵芥、砂又は炭による減衰が生じないように考慮したりして、電波の周波数が決定されていることから、対象物２から送信された電波を受信アンテナ３で確実に受信できる。
【符号の説明】
【００５０】
１  位置測定システム
２  対象物
３  受信アンテナ（受信部）
４  制御装置
５  表示装置
６  校正用送信装置
１１  送信アンテナ（第１送信部）
１２  位相変調部（第１位相変調部）
１３  時計部
１４  温度測定部
１５  記憶部
１６  送信アンテナ（第２送信部）
１７  第２位相変調部
１８  位置算出部
１９  補正部
【図１】
2014025838.tif 000012
【図２】
2014025838.tif 000013
【図３】
2014025838.tif 000014
【図４】
2014025838.tif 000015
【図５】
2014025838.tif 000016
【図６】
2014025838.tif 000017