(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の発受信手段の間で、時分割でかつバースト信号によって相互通信を行う場合に、相互間の距離を高精度で測定することができる距離測定装置を安価に実現する。【解決手段】第１の発受信手段１０１から距離測定要求信号を時分割でかつバースト信号として発信し、これを受信した第２の発受信手段１０２において、前記距離測定要求信号に含まれる起点信号に同期しあるいは直交する距離測定信号を生成して時分割でかつバースト信号として発信し、これを受信した第１の発受信手段１０１において、前記起点信号をクロック信号とし、積和演算器を用いて前記距離測定信号の位相をリアルタイムで測定し、前記位相の測定結果から、第１の発受信手段１０１と第２の発受信手段１０２との間の距離を高精度で算出する。【選択図】図１
2011039020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号である無線信号を用いて距離を測定する距離測定装置において、
前記無線信号を、時分割でかつバースト信号として、発信しかつ受信するための第１の発受信手段と、
前記第１の発受信手段から発信される無線信号を、時分割でかつバースト信号として、受信しかつ発信するための第２の発受信手段と
から構成され、
前記第１の発受信手段が、
少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、距離測定要求信号とを生成するための信号生成手段と、
前記信号生成手段から出力される出力信号を含む、無線信号を発信するための発信手段と、
前記距離測定要求信号に対応し、前記第２の発受信手段から発信される無線信号を受信するための受信手段と、
前記受信手段によって受信される無線信号を処理し、前記第２の発受信手段との距離を測定するための信号処理手段と、
前記発信手段と受信手段との間で、アンテナあるいは送受波器を時分割で切替えもしくは共有するためのアンテナ切替手段と
を有し、
前記第２の発受信手段が、
前記第１の発受信手段から発信される、無線信号を受信するための受信手段と、
前記受信手段によって受信した無線信号から、前記距離測定要求信号に含まれる起点信号を再生しあるいは復調し、かつ前記起点信号と同期したクロック信号を生成するための同期制御手段と、
前記第１の発受信手段に向けて、前記生成したクロック信号に同期しあるいは直交した距離測定信号を含む、無線信号を発信するための発信手段と、
前記発信手段と受信手段との間で、アンテナあるいは送受波器を時分割で切替えもしくは共有するためのアンテナ切替手段と
を有し、
前記第１の発受信手段から発信される起点信号が、法令により無線通信に許容される周波数の範囲内の、単一、もしくは同期しあるいは直交する複数の搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、もしくはこれらの任意の組合せであり、
前記第２の発受信手段から発信される距離測定信号が、法令により無線通信に許容される周波数の範囲内の、単一もしくは同期しあるいは直交する複数の搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、もしくはこれらの任意の組合せであり、
前記第２の発受信手段の同期制御手段が、少なくとも、前記起点信号に高精度でかつ短時間に同期を確立して発振し、かつ前記起点信号が消滅した後も、比較的に長時間、同期を保持できる同期発振手段を含み、
前記第２の発受信手段の発信手段において、前記同期発振手段から出力される出力信号を、直接、あるいは少なくとも周波数を整数倍あるいは整数分の１に変換し、前記距離測定信号として発信し、
前記第１の発受信手段の位相測定手段において、前記第１の発受信手段から発信する前記起点信号をクロック信号として用い、前記第２の発受信手段から発信され、かつ前記第１の発受信手段によって受信された、前記距離測定信号の位相を高精度でしかもリアルタイムで測定し、
前記第１の発受信手段の信号処理手段において、前記位相の測定結果から、前記第１の発受信手段と前記第２の発受信手段との間の距離を高精度で算出する
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
前記第２の発受信手段の同期発振手段が基準発振器によって駆動されるカウンタによって構成され、前記受信手段によって受信され、基点信号再生手段によって復調されもしくは再生された、起点信号の立上がり、立下がり、もしくはゼロ交差点のタイミングを、同期検出手段によって、少なくとも１６ＭＨｚ以上の周波数のクロック信号を用いて検出し、前記検出したタイミングで、前記カウンタをセットしもしくはリセットすることによって、前記起点信号と短時間で同期を確立し、かつ前記起点信号が消滅した後も、比較的に長時間、同期を保持できることを特徴とする請求項第１項に記載の距離測定装置。
【請求項３】
前記第２の発受信手段の同期発振手段が複数組のカウンタを有し、前記複数組のカウンタが前記再生された起点信号と各々異なった複数のタイミングで同期を確立し、前記複数組のカウンタから出力される出力信号に同期しもしくは直交した単一もしくは複数の距離測定信号を生成し、前記異なった複数のタイミングに対応して、前記単一もしくは複数の距離測定信号を発信し、前記信号処理手段において前記複数のタイミングに合わせて算出した距離の平均値を求めることで、距離の算出精度を向上させることを特徴とする請求項第１項に記載の距離測定装置。
【請求項４】
前記第２の発受信手段の同期発振手段が、アナログ式もしくはデジタル式の遅延手段と、前記遅延手段の入力端子と出力端子の間を切り離しもしくは接続するための切替スイッチとを有し、前記起点信号を読み込む場合には前記切替スイッチを切り離し、読み込み完了後には前記入力端子と出力端子の間をリング状に接続し、読み出す場合には前記切替スイッチを切り離すことで、時分割で受発信する場合の時間間隔分に必要な前記遅延手段を節約することを特徴とする請求項第１項に記載の距離測定装置。
【請求項５】
前記第１の発受信手段の位相測定手段が、前記起点信号の周波数の整数倍もしくは整数分の１の周波数をクロック信号として用い、ＳｉｎおよびＣｏｓのルックアップテーブルとの積和演算器によって構成されることを特徴とする請求項第１項に記載の距離測定装置。
【請求項６】
前記第１の発受信手段の位相測定手段が、前記距離測定信号の１周期の整数倍以上の区間を区切って位相を測定し、もしくは１周期の整数倍以上の区間を更に複数区間に区切って位相を測定して平均値を求め、もしくは１周期の整数倍以上の長さの窓枠関数を設定して位相を測定することを特徴とする請求項第１項に記載する距離測定装置。
【請求項７】
前記第１の発受信手段の受信手段が、伝搬経路の品質を検知する品質検知手段を有し、前記品質検知手段が、前記受信手段において受信した無線信号の電力および／あるいは信号対雑音比を測定し、前記品質検知手段の出力によって前記測定データを取捨選択し、もしくは荷重平均をとることを特徴とする請求項第１項から第５項までのいずれかに該当する距離測定装置。
【請求項８】
前記第１の発受信手段の品質検知手段が、前記第１の発受手段および／あるいは第２の発受信手段において、複数のアンテナ又は複数の送受波器を設けて周期的に切替え、かつ／または前記距離測定信号が少なくとも周波数が異なる複数の距離測定信号であり、前記複数のアンテナ又は複数の送受波器に対応して距離を算出し、かつ／または前記複数の距離測定用信号に対応して距離を算出し、
前記距離の算出結果から、最も距離を短く算出したものを選択し、もしくは比較的に距離を短く算出したものを選択して平均しあるいは荷重平均することで、前記第１の発受手段と第２の発受信手段との間の距離を算出することを特徴とする請求項第７項に記載する距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数の発受信手段の間で、時分割でかつバースト信号として、相互通信を行うことによって、相互間の距離を高精度で測定することを可能とする距離測定装置を、安価に実現するためのものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発信手段から発信される無線信号を、受信手段で受信することによって、発信手段と受信手段との間の距離を測定する装置が提案されている。（例えば、特許文献１および２参照）
【特許文献１】特開Ｈ１１−２１１８１８号公報
【特許文献２】特開Ｈ７−２４４１５７号公報
【特許文献３】特開Ｈ８−２３３９３７号公報
【特許文献４】特開Ｈ１０−２６８０２８号公報
【特許文献５】特開２００８−３０４１９２号公報
【０００３】
図７は、特許文献１に記載されている従来の「距離測定機」の実施例である。
図７において、位置Ｂの送信機１は基準信号で変調された送信信号を送信し、これを受信した位置Ａの中継機２は周波数を変換した中継信号を送信する。位置Ｃの距離測定機３は、送信機１の送信信号と、中継機２の中継信号をともに受信し、元の基準信号を復調して位相差を検出し、これにより距離ｘ、距離ｙを算出するとされている。
しかしながら、中継機２が周波数を変換した同時送受信方式であり、送信機１とは別に中継機２を設置する必要があり、中継２が時分割方式の場合には適用できず、あるいは中継機２が設置されていない場所では距離測定ができない問題点がある。
【０００４】
また、特許文献２では、発信電波ＯＥは中央ステーション１から受動端２に伝送され、受動端２の位相変調回路２０が発信電波ＯＥの合成信号ＳＩを変調し、これを２つの位相状態をもつ変調された信号ＳＭとして、クロック信号ＣＬのリズムで再度伝送する。
中央ステーションでは、変調信号ＳＭは、４分の１周期だけ位相ずれした２つの信号に復調される。４分の１周期位相ずれした２つの信号の積及び整流された４分の１周期位相ずれした信号のモジュール差の正負符号に基づいて、デジタル処理回路１２の両方向カウンタの計数値の増分又は減分が行なわれ、この計数値により中央ステーション１から受動端２までの距離ｄを表示するとされている。
しかしながら、距離を測定するための変調信号の処理が複雑であり、高価となる問題点がある。
【０００５】
また、特許文献３では、ゴルフコースの各ホール毎のグリーン８上に配設されたカップ３に立設されているピン７に装着された設置側機器１へ向けて、持運側機器２から所定のパルス符号列の電波４を送信し、前記設置側機器１から折返し持運側機器２方向に向けて送信される別のパルス符号列の電波４を受信して、前記送信電波４と受信電波５との時間差を基に設置側機器１とプレイヤーまたはキャディーとの間の距離を測定し持運側機器２の表示器６に表示するとされている。
しかしながら、距離を測定するのに、パルス符号列を用いて時間差を測定しているため、距離の測定に誤差を生じ高精度で測定できない問題点がある。
【０００６】
また、特許文献４では、人工衛星１７の概算距離値に基づいてＰＮコード発生部１１で最適なコード系列を選択して、該コード系列の送信ＰＮコードを発生し、この送信ＰＮコードの信号を人工衛星に送信して、その折返した信号を受信し、その受信ＰＮコードを上記概算距離値に基づいた最適なコード系列から選択し、選択した受信ＰＮコードと送信ＰＮコードとより、人工衛星１７の距離を測定するように構成したものであるとされている。
しかしながら、人工衛星でＰＮコードを時分割で折り返す場合に、短時間でかつ高精度で同期を確立し、前記PNコードが消滅した後も、長時間に渡り同期を維持するのが難しく、回路が複雑となり、高価となる問題点がある。
【０００７】
また、特許文献５では、第１の送受信機１０００から第２の送受信機２０００へ、周波数ｆ1／ＭＮの矩形波ＤTで周波数ｆ1の搬送波をＱＰＳＫ変調し、送信する。第２の送受信機２０００は、コスタスループにより搬送波を再生し、矩形波Ｄ2を復調する。この後周波数ｆ2（≠ｆ1）の搬送波を生成して、復調した矩形波で周波数ｆ2の搬送波をＱＰＳＫ変調し、第２の送受信機２０００から第１の送受信機１０００へ逆送信する。
【０００８】
第１の送受信機１０００はここから周波数ｆ1／ＭＮの矩形波ＤRを復調する。矩形波ＤRをＭ逓倍し、矩形波ＤTを生成する１／Ｍ分周器１５の入力である１／Ｎ分周器１４との位相差を検出する。
位相差は、第１の送受信機１０００から第２の送受信機２０００までの距離の２倍を電波が通過した時間差であるとされている。
しかしながら、第１の送受信機１０００と第２の送受信機２０００は、異なる周波数で送受信する必要があり、時分割で通信する場合には適用できず、高価となる問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この発明は、第１の発受信手段と第２の発受信手段との間で、単一の無線周波数を用いて時分割で相互間の通信を行うことで、相互間の距離を高精度で測定できる距離測定装置を安価に実現するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係わる距離測定装置では、第１の発受信手段から距離測定要求信号を含む無線信号を時分割でかつバースト信号として発信し、第２の発受信手段で前記無線信号を受信すると、受信した無線信号から前記距離測定要求信号を再生し、再生した距離測定要求信号に含まれる起点信号に同期発振手段を同期させて距離測定信号を生成し、生成した距離測定信号を含む無線信号を前記第１の発受信手段に向けて時分割でかつバースト信号として発信し、前記第１の発受信手段において、自局で発信した前記距離測定要求信号に含まれる起点信号に同期した同期発振手段の出力をクロック信号として用い、前記第２の発受信手段から受信した距離測定信号の位相を高精度で測定することによって、相互間の距離を高精度で算出することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の距離測定装置では、単一の無線周波数を用いて、時分割でかつバースト信号によって、相互間の通信を行う第１の発受信手段と第２の発受信手段との間で、相互間の距離を高い精度でしかも安価な装置によって測定できる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この発明に係わる距離測定装置は、図１〜図５および請求項１に本発明の第１の形態を示すように、超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号である無線信号を用いて距離を測定する距離測定装置において、前記無線信号を、時分割でかつバースト信号として、発信しかつ受信するための第１の発受信手段１０１と、前記第１の発受信手段１０１から発信される無線信号を、時分割でかつバースト信号として、受信しかつ発信するための第２の発受信手段１０２とから構成され、
【００１３】
前記第１の発受信手段１０１が、少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、距離測定要求信号とを生成するための信号生成手段１１と、前記信号生成手段１１から出力される出力信号を含む、無線信号を発信するための発信手段１３と、前記距離測定要求信号に対応し、前記第２の発受信手段１０２から発信される無線信号を受信するための受信手段１４と、前記受信手段によって受信される無線信号を処理し、前記第２の発受信手段１０２との距離を測定するための信号処理手段１２と、前記発信手段と受信手段との間で、アンテナあるいは送受波器１６を時分割で切替えもしくは共有するためのアンテナ切替手段１５とを有し、
【００１４】
前記第２の発受信手段１０２が、前記第１の発受信手段１０１から発信される無線信号を受信するための受信手段２３と、前記受信手段２３によって受信した無線信号から、前記距離測定要求信号に含まれる起点信号を再生しあるいは復調し、かつ前記起点信号と同期したクロック信号を生成するための同期制御手段２５と、前記第１の発受信手段１０１に向けて、前記生成したクロック信号に同期しあるいは直交した距離測定信号を含む、無線信号を発信するための発信手段２４と、前記発信手段２４と受信手段２３との間で、アンテナあるいは送受波器２１を時分割で切替えもしくは共有するためのアンテナ切替手段２２とを有し、
【００１５】
前記第１の発受信手段１０１から発信される起点信号が、法令により無線通信に許容される周波数の範囲内の、単一、もしくは同期しあるいは直交する複数の搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、もしくはこれらの任意の組合せであり、前記第２の発受信手段１０２から発信される距離測定信号が、法令により無線通信に許容される周波数の範囲内の、単一もしくは同期しあるいは直交する複数の搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、もしくはこれらの任意の組合せであり、前記第２の発受信手段１０２の同期制御手段２５が、少なくとも、前記起点信号に高精度でかつ短時間に同期を確立して発振し、かつ前記起点信号が消滅した後も、比較的に長時間、同期を保持できる同期発振手段５４を含み、
【００１６】
前記第２の発受信手段１０２の発信手段２４において、前記同期発振手段５４から出力される出力信号を、直接、あるいは少なくとも周波数を整数倍あるいは整数分の１に変換し、前記距離測定信号として発信し、前記第１の発受信手段１０１の位相測定手段４４において、前記第１の発受信手段１０１から発信する前記起点信号をクロック信号として用い、前記第２の発受信手段１０２から発信され、かつ前記第１の発受信手段１０１によって受信された、前記距離測定信号の位相を高精度でしかもリアルタイムで測定し、前記第１の発受信手段１０１の信号処理手段１２において、前記位相の測定結果から、前記第１の発受信手段１０１と前記第２の発受信手段１０２との間の距離を高精度で算出することができる。
【００１７】
また、図３および請求項２に本発明の第３の形態を示すように、前記第２の発受信手段１０２の同期発振手段５４が基準発振器５５によって駆動されるカウンタによって構成され、前記受信手段２３によって受信され、基点信号再生手段５１によって復調されもしくは再生された起点信号の、立上がり、立下がり、もしくはゼロ交差点のタイミングを、同期検出手段５２によって、少なくとも１６ＭＨｚ以上の周波数のクロック信号を用いて検出し、前記検出したタイミングで、前記カウンタをセットしあるいはリセットすることによって、安価な回路であり、前記起点信号との同期を短時間にしかも高精度で確立でき、かつ前記起点信号が消滅した後も、比較的に長時間、同期を保持させることができる。
【００１８】
また、図６および請求項３に示すように、前記第２の発受信手段１０２の同期発振手段５４が複数組のカウンタを有し、前記複数組のカウンタが前記再生された起点信号と各々異なった複数のタイミングで同期を確立し、前記複数組のカウンタから出力される出力信号を、前記異なった複数のタイミングに対応した距離測定信号として発信し、前記信号処理手段において各タイミングに合わせて算出した距離の平均値を求めることで、距離の測定精度を向上させることができる。
また、請求項４に示すように、前記同期発振手段５４がアナログ式もしくはデジタル式の遅延手段と、前記遅延手段の入力端子と出力端子の間を切り離しもしくは接続するための切替スイッチとを有し、前記起点信号を読み込む場合には前記切替スイッチを切り離し、読み込み完了後には前記入力端子と出力端子の間をリング状に接続し、読み出す場合には前記切替スイッチを切り離すことで、時分割で受発信する場合の時間間隔分に必要な前記遅延手段を節約することができる。
【００１９】
また、図２および請求項５に本発明の第２の形態を示すように、前記第１の発受信手段１０１の位相測定手段４４が、前記起点信号の周波数の整数倍もしくは整数分の１の周波数をクロック信号として用い、ＳｉｎおよびＣｏｓのルックアップテーブルとの積和演算器により構成される。
また、図３および請求項６に本発明の第２の形態を示すように、前記第１の発受信手段１０１の位相測定手段４４が、前記距離測定信号の１周期の整数倍以上の区間を区切って位相を測定し、もしくは１周期の整数倍以上の区間を更に複数区間に区切って位相を測定して平均値を求め、もしくは１周期の整数倍以上の長さの窓枠関数を設定して位相を測定することができる。
【００２０】
また、請求項７に示すように、前記第１の発受信手段１０１の受信手段１４が伝搬経路の品質を検知する品質検知手段を有し、前記品質検知手段が前記受信手段１４が受信した無線信号の電力および／又は信号対雑音比を測定し、前記品質検知手段の出力によって前記測定データを取捨選択し、もしくは荷重平均をとることで、高精度で距離を測定することができる。
【００２１】
また、請求項８に示すように、前記品質検知手段が、前記第１の発受手段１０１および／あるいは第２の発受信手段１０２において、複数のアンテナ又は複数の送受波器を設けて周期的に切替え、かつ／または前記距離測定信号が少なくとも周波数が異なる複数の距離測定信号であり、前記複数のアンテナ又は複数の送受波器に対応して距離を算出し、かつ／または前記複数の距離測定用信号に対応して距離を算出し、前記距離の算出結果から、最も距離を短く算出したものを選択し、もしくは比較的に距離を短く算出したものを選択して平均しあるいは荷重平均することで、前記第１の発受手段１０１と第２の発受信手段１０２との間の距離を高精度で算出できる。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の形態による距離測定装置の構成図である。図１において、１０１は第１の発受信手段、１１は信号生成手段、１２は信号処理手段、１３は発信手段、１４は受信手段、１５はアンテナ切替手段、１６はアンテナ、３１は無線の伝搬路、１０２は第２の発受信手段、２１はアンテナ、２２はアンテナ切替手段、２３は受信手段、２４は発信手段、２５は同期制御手段である。
【００２３】
無線の伝搬路３１の距離を測定するシステムにおいて、前記無線信号を、時分割でかつバースト信号として、発信しかつ受信するための第１の発受信手段１０１と、前記第１の発受信手段１０１から発信される無線信号を、時分割でかつバースト信号として、受信しかつ発信するための第２の発受信手段１０２とから構成され、
【００２４】
前記第１の発受信手段１０１は、少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、距離測定要求信号とを生成するための信号生成手段１１と、前記信号生成手段１１からの出力信号を含む無線信号を発信するための発信手段１３と、前記距離測定要求信号に対応し、前記第２の発受信手段１０２から、発信される無線信号を受信するための受信手段１４と、前記発信手段１２と受信手段１３との間で、アンテナ１６を時分割で切替えもしくは共有するためのアンテナ切替手段１５と、前記受信手段１４によって受信した無線信号を処理し、前記第２の発受信手段１０２との距離を測定するための信号処理手段１２とを有する。
【００２５】
一方、前記第２の発受信手段１０２は、前記無線信号を発受信するためのアンテナ２１と、前記アンテナ２１を時分割で切替えるためのアンテナ切替手段２２と、前記第１の発受信手段１０１から発信される前記無線信号を受信するための受信手段２３と、前記受信手段２３によって受信した無線信号から、前記距離測定要求信号に含まれる起点信号を抽出しあるいは復調し、かつ前記起点信号と同期したクロック信号を生成するための同期制御手段２５と、前記第１の発受信手段１０１に向けて、少なくとも、前記クロック信号に同期しもしくは直交する距離測定信号を含む、無線信号を発信するための発信手段２４とを有する。
なお、前記第２の発受信手段１０２が移動しながら用いられる携帯端末の場合には、前記距離測定要求信号を常時待ち受けるのでなく、距離測定受付信号を間欠的に発信し、前記距離測定受付信号を受信した時点で、前記第１の発受信手段１０１から前記距離測定要求信号を発信することで、電池の不必要な消耗を防ぐことができる。
【００２６】
また、前記第１の発受信手段１０１から発信される前記起点信号が、法令により許容される周波数の範囲内の搬送波信号、副搬送波信号、もしくは変調信号であり、かつ単一もしくは同期しあるいは直交する複数の搬送波信号、副搬送波信号、もしくは変調信号を含み、前記第２の発受信手段１０２から発信される前記距離測定信号が、法令により許容される周波数の範囲内の搬送波信号、副搬送波信号、もしくは変調信号であり、かつ単一もしくは同期しあるいは直交する複数の搬送波信号、副搬送波信号、もしくは変調信号を含み、前記第２の発受信手段１０２の前記同期制御手段２５が、少なくとも、前記起点信号に高精度で同期して発振し、かつ前記起点信号が消滅した後も、比較的に長時間、同期を保持することができる、図３に例示する、同期発振手段５４を含むものとする。
【００２７】
また、前記第２の発受信手段１０２の前記発信手段２４において、前記同期発振手段から出力される出力信号を、直接、あるいは少なくとも周波数を整数倍あるいは整数分の１に変換し、前記距離測定信号として発信し、前記第１の発受信手段１０１の信号処理手段１２において、前記第１の発受信手段１０１から発信する前記起点信号の周波数の整数倍あるいは整数分の１の周波数をクロック信号として用い、前記第２の発受信手段１０２から発信され、かつ前記第１の発受信手段１０１によって受信された、前記距離測定信号の位相を位相測定手段を用いて高精度でかつリアルタイムで測定し、前記位相の測定結果から、前記第１の発受信手段１０１と前記第２の発受信手段１０２との間の距離を高精度で算出することができる。
【００２８】
また、前記同期発振手段５４が基準発振器５５によって駆動されるカウンタによって構成され、前記受信手段２３によって復調されもしくは再生された起点信号の、立上がり、立下がり、もしくはゼロ交差点のタイミングを、少なくとも１６ＭＨｚ以上の周波数のクロック信号を用いて検出し、前記検出したタイミングで、前記カウンタをセットしあるいはリセットすることによって、前記起点信号との同期を簡易に、しかも短時間で同期を確立し、かつ前記起点信号が消滅した後も、比較的に長時間、同期を保持できるメリットが得られる。
また、前記基準発振器５５の発振周波数を３２ＭＨｚ〜１ＧＨｚに設定し、もしくは前記範囲を超えて設定することで、同期確立精度を高くし、従って、距離の測定精度を高くすることができる。
【００２９】
また、前記同期発振手段５４を複数組設け、前記複数組の同期発振手段が前記再生された起点信号と各々異なった複数のタイミングで同期を確立し、前記複数組の同期発振手段から出力される出力信号を、前記異なった複数のタイミングに対応して前記距離測定信号として発信し、前記第１の発受信手段１０１において、位相の測定結果から平均値を求めることによって、位相の測定精度を高めることができる。
また、前記位相測定手段５４が、前記起点信号の周波数の整数倍あるいは整数分の１の周波数をクロック信号として用い、ＳｉｎおよびＣｏｓのルックアップテーブルとの積和演算器により構成することによって、位相測定の処理速度を早くし、高精度であり、かつリアルタイムでの処理が可能となる。
【００３０】
また、前記位相測定手段５４が、前記距離測定信号の１周期の整数倍以上の区間を区切って位相を測定し、あるいは１周期の整数倍以上の区間を更に複数区間に区切って位相を測定して平均値を求め、あるいは１周期の整数倍以上の長さの窓枠関数を設定して位相を測定することができる。
また、前記受信手段２３が伝搬経路の品質を検知する品質検知手段（記載せず）を有し、前記品質検知手段が前記受信手段が受信した無線信号の電力および／又は信号対雑音比を測定し、前記品質検知手段の出力によって前記測定データを取捨選択し、あるいは荷重平均をとることで、高精度で距離を測定することができる。
【００３１】
また、前記品質検知手段が、前記第１の発受手段および／あるいは第２の発受信手段において、複数のアンテナ又は複数の送受波器を設けて周期的に切替え、かつ／または前記距離測定信号が少なくとも周波数が異なる複数の距離測定信号であり、前記複数のアンテナ又は複数の送受波器に対応して距離を算出し、かつ／または前記複数の距離測定用信号に対応して距離を算出し、前記距離の算出結果から、最も距離を短く算出したものを選択し、もしくは比較的に距離を短く算出したものを選択して平均しあるいは荷重平均することで、前記第１の発受手段と第２の発受信手段との間の距離を算出することでも同様な効果が得られる。
また、前記発受信手段１０２が携帯無線システムの基地局であり、もしくは位置の基準点となる無線マーカであり、もしくはＧＰＳをシームレスするための擬似衛星局であり、エリア内に離散的に設置され、前記発受信手段１０１が携帯無線システムの携帯端末とすることができる。
また、前記起点信号は同期の起点となる信号であり、基点信号もしくはその他の適当な呼称を用いて表現することができる。
【００３２】
（実施の形態２）
図２は本発明の第２の形態による信号生成手段および信号処理手段の構成図である。図２において、４１は基準発振器、４２は距離測定要求信号生成手段、４３は距離算出手段、４４は位相測定手段、４５は距離測定信号再生手段、４６、４７は接続端子である。
前記基準発振器４１に同期し、距離測定要求信号生成手段４２によって、少なくとも図４に示す、システム同期信号６１と、マックレイヤ６２と、法規により許容される周波数範囲の単一もしくは複数の起点信号６３とが生成され、接続端子４６を介して前記発受信手段１０１の発信手段１３に供給される。
なお、前記起点信号６３は、上記の他に、位相測定手段４４にも、位相測定のためのクロック信号として供給される。
【００３３】
また、接続端子４７を経由して供給される前記第１の発受信手段１０１の受信手段１４の出力信号から、前記無線信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号が距離測定信号によって変調されている場合には、復調した後に群遅延歪みの少ない帯域通過フイルタ（例えばガウシャンフイルタなど）を通して前記測定信号を再生し、前記搬送波信号あるいは副搬送波信号が前記距離測定信号の場合には、直接あるいは中間周波信号に変換した後に前記帯域通過フイルタを通して前記距離測定信号を再生する。
【００３４】
前記再生された距離測定信号は前記位相測定手段４４に供給され、前記起点信号６３の周波数の整数倍もしくは整数分の１の周波数をクロック信号として用い、積和演算器によって前記距離測定信号の位相を測定することによって、前記起点信号と距離測定信号との間の位相差を測定し、測定結果を距離算出手段４３に出力する。
前記距離算出手段４３は、例えば、基準発振器４１からの供給されるクロック信号によって動作するマイクロプロセッサであり、前記第１の発受信手段１０１と前記第２の発受信手段１０２との間の距離を算出する。
【００３５】
ここで、前記積和演算器は、少なくとも、前記起点信号６３の周波数の整数倍もしくは整数分の１の周波数をクロック信号として用い、前記距離測定信号を、例えば、８ビット以上のアナログ／デジタル変換器によってデジタル信号に変換し、前記デジタル信号に変換した距離測定信号とＳｉｎおよびＣｏｓのルックアップテーブルとの積和演算を行うものであり、前記位相を検出するために用いるＳｉｎのルックアップテーブルは０、１、０、−１、もしくは１、１、−１、−１、もしくはこれらの整数倍の繰り返しであり、一方、Ｃｏｓのルックアップテーブルは１、０、−１、０、もしくは１、−１、−１、１、もしくはこれらの整数倍の繰り返しであり、かつ積和演算を行う際の１との乗算は当該デジタル信号と同じ値であり、−１との乗算は当該デジタル信号の補数を求めることであり、０との剰算は０であり、これらを組合わせることで、前記積和演算回路を単純化でき、しかも高速で、リアルタイムの演算が可能となる。
【００３６】
また、前記距離測定信号の１周期の整数倍以上の区間を区切って位相を測定し、もしくは１周期の整数倍以上の区間を更に複数区間に区切って位相を測定して平均値を求め、もしくは１周期の整数倍以上の長さの窓枠関数を設定して位相を測定し、必要に応じて、平均値を求め、かつ／又は複数回の間欠受信の間に移動平均値を求めることで、±０．５°の精度でしかもリアルタイムで、位相を測定することができる。
【００３７】
（実施の形態３）
図３は本発明の第３の形態による同期制御手段の構成図である。図３において、５１は起点信号再生手段、５２は同期検出手段、５３は距離測定信号生成手段、５４は同期発振器、５５は基準発振器、５６、５７は接続端子である。
前記発受信手段１０２の受信手段２３によって受信された前記無線信号は、直接あるいは中間周波信号に変換され、接続端子５６を経由して起点信号再生手段５１に接続される。
【００３８】
前記起点信号再生手段５１では、前記無線信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号が前記起点信号によって変調されている場合には、復調した後に群遅延歪みの少ない帯域通過フイルタ（例えばガウシャンフイルタなど）を通して前記起点信号を再生し、前記搬送波信号あるいは副搬送波信号が前記起点信号の場合には、直接あるいは中間周波信号に変換した後に前記帯域通過フイルタを通して前記起点信号を再生する。
前記再生された起点信号は、同期検出手段５２によって、基準発振器５５から直接供給されるクロック信号、あるいは高い周波数に変換されて供給されるクロック信号によってサンプリングされ、シフトレジスタと論理回路によって、立上り、立下り、もしくはゼロ交差点が検出され、外部同期信号として同期発振手段５４に供給される。
【００３９】
ここで、例えば、前記基準発振器５５から供給されるクロック信号の周波数が１００ＭＨｚの場合、前記外部同期信号の検出精度は±１０ナノ秒となり、前記距離測定信号の周波数を１ＭＨｚとすると、距離の測定精度は±３ｍとなることから、更に高精度とするためには、１０００ＭＨｚ以上のクロック信号が必要となる。
一方、前記同期発振器５４は複数段の同期式あるいは非同期式のカウンタによって構成され、前記外部同期信号によってセットしあるいはリセットすることで、数マイクロ秒以内の瞬時にして同期を確立し、前記起点信号が消滅しても、比較的に長時間、同期を保持できるメリットが得られる。
【００４０】
なお、同期発振手段５４として、基準発振器５５によって駆動されるデジタルシンセサイザを用いることで、前記外部同期信号に同期して発振し、かつ前記外部の同期信号が消滅した後も、比較的に長時間、同期を保持できるよう構成することができるが、この場合には、同期確立に数百マイクロ秒がかかり、同期確立後の残留位相誤差が大きい問題点がある。
また、前述のように、前記基準発振器５５から同期検出手段５２に供給されるクロック信号の周波数が高く設定されるのに対して、前記同期発振器５４に供給されるクロック信号は、通常、前記基準発振器５５から直接もしくは分周されて供給される。
【００４１】
前記同期発振手段５４からの出力信号は、距離測定信号生成手段５３によって、単一の周波数の搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、もしくはこれらの任意の組み合わせによる距離測定信号に変換され、もしくは同期しあるいは直交する少なくとも周波数の異なる複数の搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、もしくはこれらの任意の組み合わせによる距離測定信号に変換され、接続端子５７を介して前記第２の発受信手段１０２の発信手段２４に供給される。
前記複数の搬送波信号、副搬送波信号、もしくは変調信号が供給される場合には、同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる複数の測定信号を設けることで、距離を測定するレンジを変化させることが可能であり、大まかな測定から精細な測定に切替えて測定することが可能となる。
【００４２】
図４は、本発明の発信手段から発信される無線信号の構成を示す図である。図４において、６１はシステム同期信号、６２はＭＡＣレイヤ、６３は起点信号あるいは距離測定信号である。
前記システム同期信号６１は複数ビットのユニークワードであり、±１００ｎｓ程度の精度で前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の制御タイミングを合わせることができるが、この程度の精度で前記位相差を検出すると、距離の測定誤差が数十ｍと大きくなる問題点がある。
なお、前記ＭＡＣレイヤ６２は、識別番号、相手先番号、報知信号、もしくはこれらの組合せから構成され、前記システム同期信号６１とセットになって生成される。
【００４３】
前記距離の測定誤差を削減するために設けられた起点信号は、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間で精密な同期を確立するための信号であり、通常比較的に低い周波数の単一の変調信号が用いられる。
一方、前記距離測定信号は、正確な距離の測定を行うための信号であり、通常比較的に低い周波数の、単一もしくは同期しあるいは直交する複数の搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、もしくはこれらの任意の組合せによる信号が用いられる。
また、前記ＭＡＣレイヤ６２の継続時間を１ｍｓ程度とし、前記起点信号もしくは距離測定信号６３の継続時間を１ｍｓ程度とすると、合計で２ｍｓ程度の継続時間となるので、複数の発受信手段の間で相互間の同期を取らずとも、複数の発受信手段を近接して配置できることから、経済的なシステム運用が可能となる。
一方、前記距離測定信号の継続時間を１００ｍｓ程度に延長することで、距離の測定精度を１０倍程度に高くすることができるが、複数の発受信手段の間で混信が生じるようになり、これを避けるために複数の発受信手段の間で同期をとる必要が生じ、運用コストが上昇する原因となる。
【００４４】
図５は、本発明の距離測定装置のタイミングチャートである。図５において、７１は第１の発受信手段から発信される起点信号、７２は第２の発受信手段から発信される距離測定信号、７３は前記第１の発受信手段において再生された距離測定信号、７４は前記第１の発受信手段から第２の発受信手段に向けて起点信号が伝搬する伝搬経路、７５は前記第２の発受信手段から第１の発受信手段に向けて距離測定信号が伝搬する伝搬経路、７７〜７９はそれぞれの時間軸である。
【００４５】
前記第１の発受信手段から発信される前記起点信号７１をＡＳｉｎ（２πｆ１ｔ）とすると、前記起点信号７１が、距離Ｌ（ｍ）の伝搬経路７４を伝搬すると、ＢＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋（２πＬ（ｆ１／Ｃ）｝に位相が変化し、前記第２の発受信手段１０２によって受信される。
前記第２の発受信手段で、前記起点信号７１を再生し、これと同期確立誤差がゼロで同期した距離測定信号７２を生成すると、生成された距離測定信号は、同じくＢＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋（２πＬ（ｆ１／Ｃ）｝で表される。
【００４６】
前記生成された距離測定信号７２が、時分割のタイミングで、前記第２の発受信手段から発信され、再び、距離Ｌ（ｍ）の伝搬経路７５を伝搬すると、前記第１の発受信手段で再生される前記距離測定信号７３は、ＣＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋（４πＬｆ１）／Ｃ）｝となる。ここで、Ｃは光の速度とする。
そこで、前記第１の発受信手段１０１で生成される起点信号７１と同期しあるいは直交し、周波数が前記基点信号の整数倍あるいは整数分の１のクロック信号を用い、前記再生された距離測定信号７３の位相を測定すると、ΔΦ＝｛４πＬ（ｆ１／Ｃ）｝となることから、Ｌ＝ＣΔΦ／４πｆ１から、距離Ｌ（ｍ）が算出できる。
【００４７】
図６は、本発明の同期発振手段の構成図である。図６において、９１、９３は切替スイッチ、９２ａ〜９２ｎは複数のカウンタ、９４〜９６は接続端子である。
接続端子９４に供給される前記起点信号から検出された外部同期信号は、切替スイッチ９１によって切替えられ、前記複数のカウンタ９２ａ〜９２ｎを順次リセットする。
一方、接続端子９６には基準発振器からクロック信号が供給され、前記外部同期信号によるセットあるいはリセットのタイミングに同期して、前記複数のカウンタ９２ａ〜９２ｎによって、通常、低い周波数へカウントダウンされる。
前記複数のカウンタ９２ａ〜９２ｎによってカウントダウンされた出力信号は、切替スイッチ９３により順次切替えられて、接続端子９５を経由して、前記距離測定信号生成手段に供給される。
【００４８】
ここで、前記基準発振器から前記同期検出手段（表示せず）に供給されるクロック信号の周波数もしくは位相と、前記起点信号の周波数もしくは位相とは非相関とし、かつ／又は両者間の周波数もしくは位相の関係を前記起点信号を受信している時間内に変化させることができれば、前記複数のカウンタ９２ａ〜９２ｎの同期確立誤差の間の相関係数を低く抑えられるので、前記距離測定信号の位相を測定して距離を算出した結果から平均値を求めることで、距離を高精度で測定できるメリットが得られる。
言い換えれば、前記複数のカウンタ９２ａ〜９２ｎの各々に対応して、前記同期検出手段によって検出される外部同期信号の検出タイミングを変化させ、前記基準発振器から供給されるクロック信号の複数ビットの時間間隔内で、各々異なったタイミングでセットしあるいはリセットすることが出来きれば、全体として、同期確立誤差の平均値が０もしくは一定値に収斂することになり、前記複数のカウンタ９２ａ〜９２ｎを設けることによって、前記同期検出手段へ供給するクロック信号の周波数を比較的に低く抑えることができる。
【００４９】
なお、切替スイッチ９１と９３の切替タイミングは同一でなく、少なくとも、時分割で受発信を行うタイミングに合わせる必要がある。
また、前記複数のカウンタ９２ａ〜９２ｎの数が４組の場合には、同期確立誤差を２分の１に縮減でき、通常、同期確立誤差を組数の平方根にまで縮減できることになる。
また、前記複数のカウンタ９２ａ〜９２ｎを用いると、１組当たり８段程度以下のカウンタで済むことから、１００組のカウンタを設けても、８００段程度で済むことから経済的な規模となる。
また、前記複数のカウンタ９２ａ〜９２ｎの各組ごとに生じる同期確立誤差の合計を同期確立誤差関数として表現すれば、同期確立誤差関数は多項式によって表現でき、しかも前記多項式は０もしくは一定値に収斂することになる。
【００５０】
一方、従来のように、アナログ式あるいはデジタル式の遅延手段を設けて折り返す場合には、例えば、時分割で受発信する場合の間隔が２ミリ秒であり、継続時間が１ミリ秒の場合、前記起点信号の周波数が１ＭＨｚ程度であるとしても、特に、デジタル式の遅延手段の場合には、クロック信号の周波数を１００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚ以上に設定する必要があるので、大規模な遅延素子が必要となる。
ただし、前記の遅延手段の入力端子と出力端子の間に切替スイッチを設け、前記起点信号を読み込む場合には前記切替スイッチを切り離し、読み込み完了後にはリング状に接続し、読み出す場合には切り離すことで、少なくとも時分割で受発信する部分の間隔２ミリ秒分に必要な遅延時間を節約することができるメリットがある。
【００５１】
以上の説明では、距離測定信号７２として単一の信号を用いる場合について説明したが、前記距離測定信号７２が、同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる複数の距離測定信号を用いる場合には、単一の距離測定信号について、ΔΦの変化を０＜ΔΦ＜２πに制限する必要があることから、複数の距離測定信号を用いると、複数のレンジで距離を測定することが可能となり、精密な距離の測定が可能となるメリットが得られる。
また、前記発受信手段から発信される複数の距離測定信号は、周波数分割で多重化されかつ／又は時分割で多重化されて発信することができる。
【００５２】
また、前記無線信号として、超音波信号、高周波信号、もしくは光信号を用いることができる。なお、超音波信号もしくは光信号の場合には、アンテナの代わりに、送受波器を用いる。
また、超広帯域通信方式（ウルトラワイドバンド）を用いることで、高い周波数の変調信号あるいは高いチップレートの拡散符号を採用できるので、同期しあるいは直交する複数の変調信号あるいは拡散符号を割り当てることが可能となり、複数の測定レンジを設定できることから、３０ｍ以内の近距離での距離測定精度を向上させることができる。
【００５３】
また、前記発信手段から発信される距離測定信号の他に、方向の測定信号を含み、複数のアンテナを接続して周期的に切替えながら、各アンテナに対応して、前記無線信号の位相を測定することで、方向の測定が可能となり、前記距離の測定と合わせて３次元の位置の標定が可能となる。
また、方向の測定信号を特別に設けず、コスタスループを用いて前記無線信号２乗する等の方法により無変調の搬送波信号あるいは副搬送波信号を再生することで同様な効果が得られる。
また、前記ＭＡＣレイヤには、少なくとも前記発信手段の識別符号あるいは識別番号が含まれる他に、局情報、あるいは報知情報が含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明によれば、上記のように構成されているため、複数の発受信手段の間で、時分割による相互通信を行うことによって、短時間に、高精度で、しかも安価な装置を用いて、相互間の距離を測定することが可能となることから、近接する複数の移動体の任意の組合せ間で、最適なユビキタスモーバイルネットワークあるいはアドホックモーバイルネットワークを瞬時に構成することができる。
また、前記距離を測定する手段に加え、方向を測定する手段を追加することによって、３次元の位置を標定することが可能となり、利便性あるいは利用価値が更に高くなる。
【００５５】
例えば、高速道路を走行中の車と車の間の距離と方向が瞬時に高精度で測定可能となり、協調運転あるいは衝突防止装置などに応用することができる。
また、前記第１の発受信手段を移動可能な携帯端末とし、固定して設置された複数の第２の発受信手段をネットワークで結ぶことで、携帯端末の正確な位置をリアルタイムで検知することによって、スーパーマーケットなどで顧客の移動経路を調査するための動線管理、貨物の移動集積を効率化するための物流管理、子どもの見守りシステムなどに利用することができる。
【００５６】
また、第１の発受信手段および第２の発受信手段ともに携帯端末とすることで、迷子の探査、あるいは遺失物の探査などに利用することができる。
また、第２の発受信手段を児童が携帯し、第１の発受信手段を車に搭載することで、交差点あるいは横断歩道での児童と車との出会い頭の衝突を防止するための装置に応用できる。
また、複数の第２の発受信手段がＧＰＳ擬似衛星局として離散的に設置され、第１の発受信手段がＧＰＳ携帯電話機に搭載されると、ＧＰＳを屋外と屋内をシームレスに接続することができることから、年間５億台のＧＰＳ携帯電話機市場に普及することが期待される。
【００５７】
また、受信手段をトランジット側に設置し発信手段をポール側に設置し、発信手段から無線信号を発信する回数を増やすことで、距離を高精度で測量することが可能である。
なお、本発明の距離測定技術は基盤技術であり、上記以外に多分野での利用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態１による距離測定装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態２による信号生成手段および信号処理手段の構成図
【図３】本発明の実施の形態３による同期制御手段の構成図
【図４】本発明の発信手段から発信される無線信号の構成図
【図５】本発明の距離測定装置のタイミングチャート
【図６】本発明の同期発振手段の構成図
【図７】従来の実施例を示す構成図
【符号の説明】
【００５９】
１                  送信機
２                  中継機
３                  距離測定機
１１                信号生成手段
１２                信号処理手段
１３、２４          発信手段
１４、２３          受信手段
１５、２２          アンテナ切替手段
１６、２１          アンテナ
２５                同期制御手段
【００６０】
３１                無線伝搬路
４１                基準発振器
４２                距離測定要求信号生成手段
４３                距離算出手段
４４                位相測定手段
４５                距離測定信号再生手段
４６、４７          接続端子
【００６１】
５１                起点信号再生手段
５２                同期検出手段
５３                距離測定信号生成手段
５４                同期発振手段
５５                基準発振器
５６、５７          接続端子
６１                システム同期信号
６２                ＭＡＣレイヤ
６３                起点信号もしくは距離測定信号
７１                第１の発受信手段から発信される起点信号
７２                第２の発受信手段の同期発振器の出力信号
【００６２】
７３                第１の発受信手段で受信される距離測定信号
７４                第１の発受信手段から第２の発受信手段に向かう伝搬経路
７４                第２の発受信手段から第１の発受信手段に向かう伝搬経路
７６                起点信号と距離測定信号の位相差
７７〜７９          時間軸
９１、９３          切替スイッチ
９２ａ〜９２ｎ      複数のカウンタ
９４〜９６          接続端子
１０１              第１の発受信手段
１０２              第２の発受信手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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