(57)【要約】  測位システムは、アンテナと該アンテナに近接している既知の位置を有するリフレクタとを有するデバイスであって、搬送波周波数を有する少なくとも電磁パルスを送信する、デバイスを備える。このデバイスは、或る期間にわたってリターン信号を受信する。このリターン信号は、デバイスのレーダ検出エリア内の物体からのリターンパルス、及び、少なくとも１つのマルチパスパルスを含む。デバイスは、リターンパルス及び少なくとも１つのマルチパスパルスをリターン信号から分離するようにリターン信号を処理する。デバイスは、当該デバイスから物体までの距離及び物体を基準としたデバイスの位置を求める。距離は、リターンパルスの到達時間に従って求められ、位置は、少なくとも１つのマルチパスパルスの到達時間に従って求められる。
2008536118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスの位置を求める方法であって、
搬送波信号周波数を有する少なくとも電磁パルスを前記デバイスから送信する送信ステップと、
所定の期間にわたってリターン信号を受信するステップであって、前記リターン信号は、前記デバイスのレーダ検出エリア内の物体からのリターンパルス、及び、該デバイスに近接している既知の位置のリフレクタに関連する少なくとも１つのマルチパスパルスを含んでいる、受信ステップと、
前記リターンパルス及び前記少なくとも１つのマルチパスパルスを前記リターン信号から分離して、前記デバイスから前記物体までの距離及び該物体を基準とした該デバイスの前記位置を求めるように前記リターン信号を処理するステップであって、前記距離を、前記リターンパルスの到達時間に基づいて決定し、前記位置を、前記少なくとも１つのマルチパスパルスの到達時間に基づいて決定する、処理ステップと
を含む、デバイスの位置を決定する方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、送信中の前記パルスは偏波され、前記受信ステップは、該偏波を有する前記リターン信号を優先的に受信するよう構成されていることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、前記偏波は、直線偏波、楕円偏波、右旋楕円偏波、左旋楕円偏波、右旋円偏波、及び左旋円偏波から成る群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、該方法は更に、前記送信ステップ及び前記受信ステップの双方において同じ偏波アンテナを使用していることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法において、前記物体は受動リフレクタであることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、前記物体は能動ランドマークであることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、前記リフレクタは能動リフレクタであることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、前記リフレクタは受動リフレクタであることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１記載の方法において、該方法はさらに、前記受信ステップの間、特定の方向に或る速度で前記デバイスを移動させるステップと、
前記リターン信号の前記リターンパルスにおけるドップラーシフトを検出するステップと、
前記特定の方向と、前記デバイスと前記物体との間の直線との間の角度を、前記検出されたドップラーシフトに基づいて決定するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１記載の方法において、該方法はさらに、
前記受信ステップの間、特定の方向に或る速度で前記物体を移動させるステップと、
前記リターン信号の前記リターンパルスにおけるドップラーシフトを検出するステップと、
前記特定の方向と、前記デバイスと前記物体との間の直線との間の角度を、前記検出されたドップラーシフトに基づいて決定するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
測位システムであって、アンテナと該アンテナに近接している既知の位置を有するリフレクタとを有するデバイス備え、前記デバイスは、搬送波周波数を有する少なくとも電磁パルスを送信し、受信機において或る期間にわたり、該デバイスのレーダ検出エリア内の物体からのリターンパルス、及び、前記リフレクタに関連する少なくとも１つのマルチパスパルスを含むリターン信号を受信し、前記リターンパルス及び前記少なくとも１つのマルチパスパルスを前記リターン信号から分離するように該リターン信号を処理し、並びに該デバイスから前記物体までの距離及び該物体を基準とした該デバイスの前記位置を求めることを行うように構成されており、
前記距離は、前記リターンパルスの到達時間に基づいて決定され、前記位置は、前記少なくとも１つのマルチパスパルスの到達時間に基づいて決定される
ことを特徴とする測位システム。
【請求項１２】
請求項１１記載の側位システムにおいて、前記送信されたパルスは偏波されており、前記デバイスは、該偏波を有する前記リターン信号を優先的に受信するように構成されている、ことを特徴とする測位システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の側位システムにおいて、前記偏波は、直線偏波、楕円偏波、右旋楕円偏波、左旋楕円偏波、右旋円偏波、及び左旋円偏波から成る群から選択されることを特徴とする測位システム。
【請求項１４】
請求項１１記載の側位システムにおいて、前記アンテナは、前記偏波を有する前記パルスを優先的に送信し、かつ、前記偏波を有する前記リターン信号を優先的に受信するように構成されていることを特徴とする測位システム。
【請求項１５】
請求項１１記載の側位システムにおいて、前記アンテナは、直線偏波アンテナ及び円偏波アンテナから成る群から選択されることを特徴とする測位システム。
【請求項１６】
請求項１１記載の側位システムにおいて、前記アンテナは、双円錐アンテナ、接地面を有する双円錐アンテナ、螺旋アンテナ、水平無指向性アンテナ、無指向性アンテナ、半指向性（hemi-directional）アンテナ、又は等方性アンテナから成る群から選択されることを特徴とする測位システム。
【請求項１７】
請求項１１記載の側位システムにおいて、前記デバイスは、
プロセッサと、
メモリと、
前記メモリに記憶されて前記プロセッサにより実行される少なくとも１つのプログラムモジュールであって、
前記リターンパルス及び前記少なくとも１つのマルチパスパルスを前記リターン信号から分離するように該リターン信号を処理するためのインストラクションと、
前記デバイスから前記物体までの距離及び該物体を基準とした該デバイスの位置を求めるためのインストラクションと
を含み、前記距離は、前記リターンパルスの到達時間に基づいて決定され、前記位置は、前記少なくとも１つのマルチパスパルスの到達時間に基づいて決定される、少なくとも１つのプログラムモジュールと
を備えることを特徴とする測位システム。
【請求項１８】
請求項１１記載の側位システムにおいて、前記デバイスは、
該デバイスを特定の方向に或る速度で移動させるための車両移動メカニズムと、
プロセッサと、
メモリと、
前記メモリに記憶されて前記プロセッサにより実行される少なくとも１つのプログラムモジュールであって、
前記リターン信号の前記リターンパルスにおけるドップラーシフトを検出するためのインストラクションと、
前記特定の方向と、該デバイスと前記物体との間の直線との間の角度を、前記検出されたドップラーシフトに基づいて決定するインストラクションと
を含む、少なくとも１つのプログラムモジュールと
を備えることを特徴とする測位システム。
【請求項１９】
請求項１１記載の側位システムにおいて、前記物体は、該物体を特定の方向に或る速度で移動させるための移動メカニズムをさらに備え、
前記デバイスは、
プロセッサと、
メモリと、
前記メモリに記憶されて前記プロセッサにより実行される少なくとも１つのプログラムモジュールであって、
前記リターン信号の前記リターンパルスにおけるドップラーシフトを検出するためのインストラクションと、
前記特定の方向と、前記デバイスと前記物体との間の直線との間の角度を、前記検出されたドップラーシフトに基づいて決定するインストラクションと
を含む少なくとも１つのプログラムモジュールと
を備えることを特徴とする測位システム。
【請求項２０】
請求項１１記載の側位システムにおいて、前記物体は受動リフレクタであることを特徴とする測位システム。
【請求項２１】
請求項１１記載の側位システムにおいて、前記物体は能動ランドマークであることを特徴とする測位システム。
【請求項２２】
請求項１１記載の側位システムにおいて、前記リフレクタは能動リフレクタであることを特徴とする測位システム。
【請求項２３】
請求項１１記載の側位システムにおいて、前記リフレクタは受動リフレクタであることを特徴とする測位システム。
【請求項２４】
測位システムであって、搬送波周波数を有する少なくとも電磁パルスを送信するための送信手段と、リターン信号を或る期間にわたって受信するための受信手段であって、該リターン信号は、デバイス手段のレーダ検出エリア内の物体からのリターンパルス及び前記デバイス手段によって生成された少なくとも１つのマルチパスパルスを含む、受信手段と、前記リターンパルス及び前記少なくとも１つのマルチパスパルスを前記リターン信号から分離するように該リターン信号を処理するための信号処理手段と、前記デバイス手段から前記物体までの距離及び該物体を基準とした該デバイス手段の位置を求めるための距離求め手段とを備えた側位システムにおいて、
前記距離は、前記リターンパルスの到達時間に基づいて決定され、前記位置は、前記少なくとも１つのマルチパスパルスの到達時間に基づいて決定される
ことを特徴トス測位システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、測位システムに関し、より具体的には、１又は複数の意図的なマルチパス（マルチ経路）信号を使用して複数の物体を基準とした移動デバイスの位置を求めるためのシステム及び方法に関する。
本願は、２００３年７月３日に出願された米国特許出願第１０／６１４，０９７号の部分継続出願である。この米国特許出願は、その全体が参照により本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
ローカル測位システムは、特に、自律走行車の用途及び精密施工ツールの用途で、ナビゲーション能力を必要とする移動デバイスを実現するために重要な存在となってきている。ＧＰＳ等のグローバル測位システムは、通例、１０ｃｍ程の中程度の精度の位置情報しか提供せず、水平線近くまで空の澄んだ視界を必要とする。能動コンポーネント又は受動コンポーネントのいずれかが作業範囲（ボリューム）に分散されているローカル測位システムは、はるかに高い精度（＜１ｃｍ）の測位を可能にすることができ、最も複雑な閉鎖形状（enclosed geometry）であっても動作の必要があるときは、ユーザによるシステムの拡張を可能にする。
【０００３】
従来のローカル測位システムは、アコースティック（音波）測距システム及びレーザ測距システムを含む。アコースティックシステムは、通常、トランスポンダビーコンを使用して、デバイスのネットワーク内における距離を測定する。それらのデバイスのいくつかは、固定されてローカル座標系を形成する。あいにく、空気中の音波伝播特性のために、アコースティックシステムは、１ｃｍ以上の精度までの距離しか測定することができず、比較的短い距離間隔にわたってしか測定することができない。レーザに基づくローカル測位システムは、デバイスとプリズム等の１又は複数の反射物体との間の角度及び距離の双方の測定値を利用して、デバイスの位置を三角測量又は三辺測量（trilateralate）する。しかしながら、レーザシステムは、現在、システムコストを３万ドル以上にすることがある高価なポインティングメカニズム（pointing mechanism）を使用している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
２次元（２Ｄ）の位置又は３次元（３Ｄ）の位置を数ミリメートルの精度まで求めることができる比較的低コスト（たとえば、２０００ドル未満）のローカル測位システムは、屋内での精密施工及び屋外での精密施工、採鉱、精密農業、並びにスタジアムフィールドの草刈り及び処置のような応用分野で大きな一組の見込みのある製品の可能性を与える。本発明は、従来のローカル測位システムのコストの限界及び制度の限界を克服することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
低コストであるが高精度のローカル測位システムを提供するシステム及び方法が提供される。一実施の形態では、アンテナとこのアンテナに近接している既知の位置を有するリフレクタとを備えるデバイスが、搬送波周波数を有する少なくとも電磁パルスを送信する。このデバイスは、或る期間にわたってリターン信号を受信する。このリターン信号は、デバイスのレーダ検出エリア内の物体からのリターンパルス、及び、少なくとも１つのマルチパスパルスを含む。デバイスは、リターンパルス及び少なくとも１つのマルチパスパルスをリターン信号から分離するようにリターン信号を処理する。デバイスは、当該デバイスから物体までの距離及び物体を基準としたデバイスの位置を求める。距離は、リターンパルスの到達時間に従って求められ、位置は、少なくとも１つのマルチパスパルスの到達時間に従って求められる。
【０００６】
いくつかの実施の形態では、送信されるパルスは偏波され、優先的に受信されるリターン信号は、同じ偏波を有する。
いくつかの実施の形態では、リフレクタは受動リフレクタである。他の実施の形態では、リフレクタは能動リフレクタである。いくつかの実施の形態では、物体は受動リフレクタである。他の実施の形態では、物体は能動ランドマークである。
いくつかの実施の形態では、デバイスは、プロセッサと、メモリと、少なくとも１つのプログラムモジュールとを備える。少なくとも１つのプログラムモジュールは、メモリに記憶されてプロセッサにより実行される。少なくとも１つのプログラムモジュールは、リターンパルス及び少なくとも１つのマルチパスパルスをリターン信号から分離するようにリターン信号を処理するための命令を含む。また、少なくとも１つのプログラムモジュールは、デバイスから物体までの距離及び物体を基準としたデバイスの位置を求めるための命令も含む。距離は、リターンパルスの到達時間に従って求められ、位置は、少なくとも１つのマルチパスパルスの到達時間に従って求められる。
いくつかの実施の形態では、アンテナは、偏波を有するパルスを優先的に送信すること、及び、偏波を有するリターン信号を優先的に受信することの双方を行うように構成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下の説明において、同様の参照符号は、図面のいくつかの図を通じて対応する部分を示している。
本発明の実施形態を詳細に説明する。実施形態の例は、添付図面に示されている。以下の詳細な説明では、本発明の徹底した理解を提供するために、多数の具体的な詳細が述べられている。しかしながら、本発明は、これらの具体的な詳細がなくても実施できることが当業者には明らかであろう。それ以外の場合には、本発明の態様を不必要に分かりにくくしないように、既知の方法、手順、コンポーネント、及び回路を詳細には説明しないい。
【０００８】
一般に、マルチパス（マルチ経路）伝播は、携帯電話ネットワークや無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）等の通信システムの性能を劣化させるだけでなく、グローバル測位システム（ＧＰＳ）等の測位システムの性能も劣化させる。マルチパス伝播は、たとえば、無線周波数信号が、送信機から受信機への伝播時に異なるパス（経路）を取る場合に発生する。信号が伝播している間、壁、椅子、机及び他のアイテム等の物体が、信号を１又は複数の異なる方向に反射させる。たとえば、直接パス信号として知られている信号の一部は、受信機へ直接伝播することができ、別の部分は、椅子から天井へ、さらに天井から受信機へ反射する場合がある。その結果、信号の一部は、遅延を受け、受信機まで１又は複数のより長いパスを進むことになる。信号のこの部分は、マルチパス信号として知られている。
【０００９】
受信機では、１又は複数のマルチパス信号は、直接パス信号と重なり合って、符号間干渉を引き起こす場合がある。通信システムでは、この干渉によって、信号に符号化されている情報を復調する際にエラーが生じて、ビットエラーにつながるおそれがある。測位システムでは、この干渉によって、ＧＰＳの擬似距離等、求められたデバイスの位置にエラーが生じるおそれがある。結果として、既存のシステムでは、マルチパス信号は、（互いに物理的に隔てられたロケーションの２つ以上の受信アンテナを含む）ダイバーシティやマルチパス緩和（multi-path mitigation）（たとえば、米国特許第６，３７０，２０７号参照）等の技法を使用して回避されるか又は最小にされる。これらの手法によって、これらの既存のシステムは、より複雑になるとともに費用が増大する。
【００１０】
低コストであるが、高精度のローカル測位システムを提供するシステム及び方法の実施形態が、本明細書で説明する本発明の実施形態によって提供される。これらの実施形態は、通例、望ましくないものと考えられるマルチパス信号を好都合な方法で使用する。詳細には、１又は複数のマルチパス信号が、ローカル測位システムにおいて意図的に生成される。デバイスのアンテナに近接している既知の位置を有するリフレクタが、それらの１又は複数のマルチパス信号を生成する。（直接パス信号に対する）１又は複数のマルチパス信号の到達時間の遅延を、リフレクタの既知の位置に対応する最大遅延と比較することによって、デバイスのレーダ検出エリア内の物体を基準としたデバイスの位置を求めることができる。
【００１１】
図１は、１又は複数の意図的なマルチパス信号を有する測位システムの一実施形態１００を示している。デバイス１１０は、少なくとも１つのアンテナ１１２を使用して１又は複数の信号１１８を送信するように構成されている。これらの信号１１８のそれぞれは、搬送波信号周波数を有する少なくとも１つの電磁パルスを含む。いくつかの実施形態では、デバイス１１０は、複数の電磁パルスを有する１又は複数の信号１１８を送信するように構成されている。例示的な一実施形態では、パルスは、継続時間が１ナノ秒（ｎｓ）であり、６ギガヘルツ（ＧＨｚ）の搬送波信号周波数を有する。パルスの通常の繰り返し周期は、１マイクロ秒ごとである。他の実施形態は、パルス継続時間及び搬送波信号周波数の組み合わせとして、１ｎｓ及び２４ＧＨｚ、５ｎｓ及び６ＧＨｚ、並びに、１ｎｓ及び７７ＧＨｚの組み合わせを使用することができる。パルス継続時間を短くし且つ搬送波信号周波数を高くすることから入手できる距離見積もりの精度の向上は、いくつかの実施形態では、関連する回路部のコスト及び複雑さの増大を犠牲にして得られる。
いくつかの実施形態では、送信信号１１８は偏波されている。偏波には、直線偏波、楕円偏波、右旋楕円偏波、左旋楕円偏波、右旋円偏波、又は左旋円偏波が含まれ得る。
【００１２】
また、デバイス１１０は、アンテナ１１２に近接しているリフレクタ１１４も含む。リフレクタ１１４は、アンテナ１１２から間隔１１６を有する。例示的な一実施形態では、間隔１１６は、アンテナ１１２からリフレクタ１１４までの２ｎｓ、すなわち約０．６ｍの伝播遅延に対応する。送信信号１１８の１又は複数の一部は、リフレクタ１１４から反射され、その結果、送信中に１又は複数のマルチパス信号が生じる。いくつかの実施形態では、リフレクタ１１４は受動リフレクタである。他の実施形態では、リフレクタ１１４は能動リフレクタである。能動リフレクタでは、送信信号１１８の一部は、リフレクタ１１４によって受信されて再送信される。各再送信信号は、少なくとも１つの電磁パルスを含む。いくつかの実施形態では、再送信信号の電磁パルスは、第２の搬送波信号周波数を有することができる。いくつかの実施形態では、再送信信号を、振幅変調又は周波数変調を使用して変調することができ、且つ／又は、符号化することができる。いくつかの実施形態では、再送信信号を偏波することができる。いくつかの実施形態では、再送信信号の偏波は、送信信号１１８と同じとすることができる。能動リフレクタは、送信信号１１８の一部が受信される時とその一部が再送信される時との間の時間に関連する時間遅延を追加して発生させる場合がある。この遅延は、較正手順で求めることができ、デバイス１１０に記憶することができる。デバイス１１０の位置をその後求めたものを、この遅延について訂正することができる。特に言及のない限り、この解説の残りの部分における例示の実施形態では、リフレクタ１１４は受動リフレクタとみなされる。
【００１３】
マルチパス信号を含む信号１１８は、測位システム１００のレーダ検出エリア内の受動リフレクタ１２０、木の葉１２４、及び／又は１２６を含む１又は複数の物体から反射される。たとえば、木の葉１２４は、信号１１８＿２によって照射されると、信号１２２＿２を反射する。同様に、建物１２６は、信号１１８＿３によって照射されると、信号１２２＿３を反射する。リターン信号１２２のそれぞれは、少なくとも１つの電磁リターンパルスを含む。いくつかの実施形態では、リターン信号１２２は、複数の電磁リターンパルスを含む。いくつかの実施形態では、受動リフレクタ１２０はダイヘデラル（二面）リフレクタである。いくつかの実施形態では、受動リフレクタ１２０はコーナキューブリフレクタである。
【００１４】
いくつかの実施形態では、測位システム１００は、１又は複数のオプションの能動ランドマーク１２８を備える。能動ランドマーク１２８では、送信信号１１８＿４が受信され、能動ランドマーク１２８により信号１３０として再送信される。信号１３０は、少なくとも１つの電磁リターンパルスを含む。いくつかの実施形態では、信号１３０は、複数の電磁リターンパルスを含む。いくつかの実施形態では、信号１３０の電磁リターンパルスは、第２の搬送波信号周波数を有することができる。いくつかの実施形態では、信号１３０を、振幅変調若しくは周波数変調を使用して変調することができ、且つ／又は、符号化することができる。いくつかの実施形態では、信号１３０を偏波することができる。いくつかの実施形態では、信号１３０の偏波は、送信信号１１８＿４と同じとすることができる。能動ランドマーク１２８は、送信信号１１８＿４が受信される時と信号１３０が再送信される時との間の時間に関連する時間遅延を追加して発生させる場合がある。この遅延は、較正手順で求めることができるとともにデバイス１１０に記憶することができる。デバイス１１０の位置をその後求めたものは、この遅延について較正することができる。
【００１５】
デバイス１１０は、或る期間にわたって、１又は複数のリターン信号１２２を受信し、オプションとして、信号１３０も受信するようにさらに構成されている。いくつかの実施形態では、デバイス１１０は、信号１１８の偏波を有するリターン信号１２２及びオプションとして信号１３０を優先的に受信するように構成されている。リターン信号１２２及び／又は信号１３０の一部は、アンテナ１１２に直接伝播する。リターン信号１２２及び／又は信号１３０の別の部分は、リフレクタ１１４から反射して、その結果、受信中に１又は複数のマルチパス信号が生じる。また、デバイスは、リターン信号１２２＿１等の各リターン信号の各直接パスリターンパルス及び少なくとも１つのマルチパスパルスを各リターン信号から分離するように、１又は複数のリターン信号を処理するようにも構成されている。
【００１６】
測位システム１００のいくつかの実施形態では、デバイス１１０等の２つ以上の追加デバイス、受動リフレクタ１２０等の２つ以上の追加受動リフレクタ、並びに／又は能動ランドマーク１２８等の２つ以上の能動ランドマークが存在する場合がある。いくつかの実施形態では、受動リフレクタ１２０及び／又は能動ランドマーク１２８の位置を固定することができる。他の実施形態では、受動リフレクタ１２０及び／又は能動ランドマーク１２８の平均位置を固定することができる。受動リフレクタ１２０及び／又は能動ランドマーク１２８は、測定された所定ロケーションに配置することができる。或いは、受動リフレクタ１２０及び／又は能動ランドマーク１２８は、初期システム自己較正手順の期間中に自動的に求められて、たとえばデバイス１１０に記憶される任意の位置に配置することもできる。いずれの場合も、デバイス１１０の位置は、１又は複数の距離を求めることによって、受動リフレクタ１２０等の１つ若しくは２つ以上の受動リフレクタ、及び／又は、能動ランドマーク１２８等の能動ランドマークの位置を基準として求められる。各距離は、デバイス１１０と、受動リフレクタ１２０又は能動ランドマーク１２８との間の間隔に関係する。
【００１７】
デバイス１１０から受動リフレクタ１２０等の各物体までの距離は、対応する直接パスリターンパルスの到達時間に従って求められる。デバイス１１０から或る間隔ｒ離れている各物体について、到達時間（ＴｏＡ）は、
ＴｏＡ＝２ｒ／ｃ                      （式１）
となる。ここで、ｃは、電磁信号の伝播速度である。電磁信号の伝播速度ｃは、真空では約３．０＊１０８ｍ／ｓであることが分かっている。通常の大気条件では、電磁信号の伝播速度は、この値から３００ｐｐｍ（百万分の１）未満の値だけずれる。高度及び他の環境因子についての情報を使用することによって、測位システム１００の環境における電磁信号の伝播速度を１００ｐｐｍ以内まで求めることができる。前述したように、オプションの能動ランドマーク１２８からのリターンパルス、及び／又は、（リフレクタ１１４が能動リフレクタである実施形態における）能動リフレクタからのリターンパルスの場合、能動ランドマーク１２８及び／又は能動リフレクタの信号の処理に関連する付加的遅延Δが存在する場合がある。能動ランドマーク１２８とともに使用する到達時間の修正式は、
ＴｏＡ＝２ｒ／ｃ＋Δ                  （式２）
となる。遅延Δは、すべての能動ランドマーク及び／又はすべての能動リフレクタについて同じでない場合がある。到達時間を遅延Δについて訂正することにより、デバイス１１０から各物体までの距離を正確に求めることができる。
【００１８】
後述するように、測位システム１００において送信中及び受信中に意図的なマルチパス信号を追加することにより、受動リフレクタ１２０等の各物体に対応する角度を求めることを可能にする追加情報が提供される。デバイス１１０と各物体との間の角度及び距離は、各物体を基準としたデバイス１１０の位置を規定する。
【００１９】
いくつかの実施形態では、この位置情報は、デバイス１１０の位置を明確に求めるのに十分である。他の実施形態では、２つ以上の受動リフレクタ１２０及び／又は２つ以上の能動ランドマーク１２８を使用することができる。たとえば、同一直線上にない３つの受動リフレクタ及び／又は能動ランドマークを組み合わせたものの位置が、たとえば、それらの位置を事前に測量することにより分かっており、且つ、デバイス１１０並びに受動リフレクタ及び／又は能動ランドマークが、ほぼ２次元平面内に位置する場合、デバイス１１０から受動リフレクタ及び／又は能動ランドマークのそれぞれまでの距離の知識から、デバイス１１０の位置を明確に求めることが可能である。或いは、能動ランドマーク１１２が同一平面上にない場合、既知の位置を有する４つの受動リフレクタ及び／又は能動ランドマークの組み合わせを使用することによって、デバイス１１０から受動リフレクタ及び／又は能動ランドマークのそれぞれまでの距離の知識から、デバイス１１０の位置を明確に求めることが可能になる。１又は複数の距離に基づいて位置を求めるためのアルゴリズムは、当業者に既知である。これについては、たとえば、Proceedings of 32nd Annual Symposium on Foundations of Computer Science（1991, San Juan, Puerto Rico）の第４４１〜４２３ページのH. Edelsbruneer及びT. S. Tan著「Quadratic time algorithm for the minmax length triangulation」を参照されたい。この文献は、その全体が参照により本明細書に援用される。
【００２０】
図２は、１又は複数の意図的なマルチパス信号を有する測位システムの一実施形態２００を示している。物体２１０は、直線２１２と、アンテナ１１２（したがって、図１のデバイス１１０）と物体２１０との間の方向２１６等の方向とに関する角度２１４を有する位置に存在する。アンテナ１１２は、搬送波信号周波数を有する少なくとも１つの電磁パルスを含む直接パス信号を方向２１６に沿って送信する。また、アンテナは、搬送波信号周波数を有する少なくとも１つの電磁パルスを含む信号を方向２１８に沿って送信する。リフレクタ１１４は、少なくとも１つの電磁マルチパスパルスを含む第１のリターンマルチパス信号を方向２２６に沿って反射する。この第１のリターンマルチパス信号の総伝播時間は十分に短いので、物体２１０の位置を求める目的では、第１のリターンマルチパスパルスは無視することができる。リフレクタ１１４は、方向２２０に沿ってもマルチパス信号を反射する。
【００２１】
方向２１６に沿って伝播する直接パス信号は、物体２１０から反射する。方向２２２に沿って伝播する、少なくとも１つの電磁リターンパルスを含む直接パス信号が存在することになる。また、方向２２４に沿って伝播するマルチパス信号も存在することになる。このマルチパス信号は、リフレクタ１１４から反射し、方向２２６に沿う少なくとも１つの電磁マルチパスパルスを含む第２のリターンマルチパス信号を生成する。
【００２２】
方向２２０に沿って伝播するマルチパス信号は、物体２１０から反射し、方向２２２に沿う少なくとも１つの電磁マルチパスパルスを含む第３のリターンマルチパス信号を生成する。加えて、方向２２４に沿って伝播するマルチパス信号も存在することになる。このマルチパス信号は、フレクタ１１４から反射し、方向２２６に沿う少なくとも１つの電磁マルチパスパルスを含む第４のリターンマルチパス信号を生成する。マルチパス信号を生成するより高次の反射は、この解説では無視されることに留意されたい。
【００２３】
デバイスによって受信されたリターン信号は、方向２２２に沿うリターン信号、方向２２６に沿う第２のリターンマルチパス信号、方向２２２に沿う第３のリターンマルチパス信号、及び方向２２６に沿う第４のリターンマルチパス信号を含む。第２のリターンマルチパス信号の総伝播時間及び第３のリターンマルチパス信号の総伝播時間は同じであることに留意されたい。その結果、これらの信号のマルチパスパルスは、互いにほぼ重なり合う。
【００２４】
各角度２１４について、デバイス１１０（図１）におけるリターン信号３００を、時間３１２の関数としての大きさ３１０として図３Ａに示す。リターン信号３００は、直接パスリターン信号に対応するパルス３１４、第２のリターンマルチパス信号と第３のリターンマルチパス信号との重なり合ったマルチパスパルスに対応するパルス３１６、及び第４のリターンマルチパス信号に対応するパルス３１８を含む。パルス３１６は、パルス３１４に対して遅延３２０を有し、パルス３１８は、パルス３１４に対して遅延３２２を有する。角度２１４（図２）が０度又は１８０度に近づくにつれて、遅延３２０及び３２２は減少し、０に近づく。これを、リターン信号３２４のパルス間の遅延３２６及び遅延３２８によって図３Ｂに示す。角度２１４（図２）の値が実質的に０度及び１８０度に等しくない場合、意図的なマルチパス信号によって、追加情報が提供され、デバイス１１０（図１）の位置を求めることが可能になる。
【００２５】
図２を再び参照する。角度２１４が０度又は１８０度に等しい場合、リターン信号のリターンパルス及びマルチパスパルスは重なり合う。信号の全損失を防止するために、リフレクタ１１４の断面積又は利得プロファイルは、リフレクタ１１４から反射される各マルチパス信号の振幅が直接パス信号の振幅よりも小さくなるように選ばれる。例示的な一実施形態では、リフレクタ１１４から反射される各マルチパス信号の振幅は、直接パス信号の振幅の半分よりも小さい（それによって、リターンパルスは、図３Ａのリターン信号３００等の各リターン信号で確実にピークの振幅を有するようにされる）。これは、パルス３１４からパルス３１６への電力の少なくとも４倍の低減に相当する。例示的な一実施形態では、リフレクタ１１４は、形状が球形であり、マイクロ波領域の搬送波信号周波数に適している伝導性（したがって、表皮深さ）を有する金等の金属でコーティングされている。別の例示的な実施形態では、リフレクタ１１４は、ピラミッドの形状を有し、金属でコーティングされている。さらに別の例示的な実施形態では、リフレクタ１１４の適切な断面積は、リフレクタ１１４の表面積によって決まる。
【００２６】
アンテナ１１２に対する、間隔１１６を含むリフレクタ１１４の位置は分かっているので、パルス３１６や３１８（図３Ａ）等のマルチパスパルスとリターンパルス３１４（図３Ａ）等のリターンパルスとの間の遅延３２０（図３Ａ）等の遅延によって、角度２１４を求めることが可能になる。詳細には、前述したように、リターンパルス３１６の到達時間によって、物体２１０とデバイス１１０（図１）との間の距離を求めることが可能になる。遅延３２０（図３Ａ）等の遅延によって、間隔１１６及び間隔２２８の合計に対応する追加されるパスの長さを求めることが可能になる。間隔１１６は分かっているので、これによって、間隔２２８を求めることが可能になる。距離、間隔１１６、及び間隔２２８によって、角度２１４を求めることが可能になる。したがって、１又は複数のマルチパスパルスの到達時間に従い、各物体を基準としたデバイス１１０（図１）の位置を求めることができる。
【００２７】
たとえば、角度２１４が９０度に等しい場合において、間隔１１６が、アンテナ１１２とリフレクタ１１４との間の３ｎｓの伝播遅延に対応し、物体２１０とアンテナ１１２との間の距離が４ｎｓに対応するとき、間隔２２８は（ピタゴラスの定理を使用して）５ｎｓに対応し、遅延３２０（図３）は４ｎｓであり、遅延３２２（図３）は８ｎｓである。角度２１４が４５度に等しい場合において、間隔１１６が、アンテナ１１２とリフレクタ１１４との間の３ｎｓの伝播遅延に対応し、物体２１０とアンテナ１１２との間の距離が４ｎｓに対応する場合、間隔２１８は（余弦の法則を使用して）２．８３３６ｎｓに対応し、遅延３２０（図３）は１．８３３６ｎｓであり、遅延３２２（図３）は３．６６７２ｎｓである。
【００２８】
角度２１４の上記計算は、例示にすぎない。より効率的な他の計算手順が存在する。遅延３２０（図３Ａ）等の遅延は角度２１４の関数であるので、既知の間隔１１６（図１）について、角度２１４の異なる値に対応する遅延を表形式にすることができる。遅延が測定され、且つ、リフレクタ１１４の既知の利得プロファイルが与えられると、パルス振幅を使用して、角度２１４に対応する値を検索することができる。
【００２９】
図４は、１又は複数の意図的なマルチパス信号を有する測位システムの代替的な一実施形態４００を示している。測位システム４００は、複数のアンテナ１１２を有し、リフレクタ１１４はアンテナ１１２と同一直線上にない。例示的な一実施形態では、リフレクタ１１４は、同一直線上から１０度〜１５度の角度（図示せず）にある。この実施形態４００は、角度２１４（図２）が０度及び１８０度にほぼ等しい場合の前述した問題の影響を受けにくい。
【００３０】
角度２１４（図２）が０度及び１８０度にほぼ等しい場合の問題に対する別の可能性のある解決法は、１又は複数の意図的なマルチパス信号を有する測位システムからの位置情報を、合成開口レーダ（ＳＡＲ）によって提供される追加位置情報と組み合わせることである。これを図５Ａに示す。ローカル測位システム５００において、デバイス１１０は、デバイス１１０から１又は複数の物体５２２までの距離を求めることに加えて、特定の方向５１２に速度ｖ５１０で移動して、１又は複数の信号１１８（図１）を送信する。１又は複数の物体５２２のそれぞれは、受動リフレクタ１２０（図１）とすることができる。１又は複数の信号１１８のそれぞれは、搬送波信号周波数を有する少なくとも１つの電磁パルスを含む。
【００３１】
デバイス１１０は、或る期間にわたって１又は複数のリターン信号１２２（図１）を受信する。デバイス１１０によって受信される、物体５２２＿１等の各物体からのリターンパルス及びマルチパスパルスは、周波数が、
ｆ＝ｆｃ（１＋ｖ・ｃｏｓθ／ｃ）              （式３）
に従うドップラーシフトを受けることになる。ここで、ｆｃは、搬送波信号周波数であり、ｆは、デバイス１１０によって受信されたリターンパルス及び１又は複数のマルチパスパルスの受信搬送波信号周波数であり、ｃは、デバイス１１０と物体５２２＿１との間の環境を満たす大気における電磁信号の伝播速度であり、θは、デバイスの移動方向５１２と、デバイス１１０と物体５２２＿１との間の直線５１６との間の角度５１４である。（角度θ５１４は、図２の角度２１４の余角であることに留意されたい。）デバイス１１０の速度ｖ５１０又は少なくともデバイス１１０の速度の少なくとも大きさが分かっている場合、１つ若しくは２つ以上のリターンパルス及び／又は１つ若しくは２つ以上のリターンマルチパスパルスの受信搬送波信号周波数から、角度θ５１４を求めることができる。しかしながら、各受信搬送波信号周波数ｆについて、式３を満たす少なくとも２つの角度が存在することに留意されたい。このように２つの角度が存在する理由は、式３の解となるどの角度θ０についても、角度−θ０も式３の解となるからである。図５Ａでは、これらの２つの角度は、角度θ５１４及び角度−θ５２０に対応する。角度θ５１４は、方向５１２と、デバイス１１０と物体５２２＿１との間の直線５１６との間の角度であり、角度−θ５２０は、方向５１２と直線５１８との間の角度である。図５Ｂに示すように、実施形態５２４等のいくつかの実施形態では、物体５２２＿１は、移動の結果生じるドップラーシフトから角度θ５１４を求めることを可能にする平均固定位置の周囲を特定の方向５１２に速度ｖ５２６で移動する。これらの実施形態では、ドップラーシフトは、角度θ５１４の余角、すなわち角度２１４（図２）、についての情報を提供することに留意されたい。
【００３２】
図６は、測位システムの一実施形態における、デバイス１１０（図１）等の一般的なデバイス６１０のコンポーネントの図である。このデバイスは、少なくとも１つのアンテナ１１２及び少なくとも１つのリフレクタ１１４を含む。いくつかの実施形態では、デバイス６１０は、少なくとも１つの円偏波アンテナを備えることができる。いくつかの実施形態では、デバイス６１０は、少なくとも１つの直線偏波アンテナを備えることができる。いくつかの実施形態では、デバイス６１０は、送信及び受信に使用される少なくとも１つの偏波アンテナを備えることができる。いくつかの実施形態では、アンテナ１１２は、双円錐アンテナ、接地面を有する双円錐アンテナ、螺旋アンテナ、水平無指向性アンテナ、無指向性アンテナ、半指向性アンテナ、又は等方性アンテナとすることができる。
【００３３】
デバイス６１０は、フロントエンド回路６１２及び１又は複数の信号を変更するための信号プロセッサ６１４を備える。この変更は、変調符号の増幅、フィルタリング、及び／又は除去を含むことができる。デバイス６１０は、１又は複数の処理ユニット（ＣＰＵ）６１６、メモリ６２０、及びこれらのコンポーネントを接続するための１又は複数の通信バス６１８を備える。デバイス６１０は、デバイス６１０を特定の方向に或る速度で移動させるためのオプションの電気機械インターフェース６３６及びオプションの移動メカニズム６３８を含むことができる。代替的な実施形態では、デバイス６１０の機能の一部又は全部は、１又は複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）で実施することができ、それによって、処理ユニット６１６の必要性をなくすことができるか、又は処理ユニット６１６の役割を削減することができる。メモリ６２０は、高速ランダムアクセスメモリを含むことができ、また、１又は複数の磁気ディスクストレージデバイス等の不揮発性メモリも含むことができる。メモリ６２０は、処理ユニット６２０から遠隔に配置されている大容量記憶装置を含むことができる。
【００３４】
メモリ６２０は、ハードウェア依存タスクを実行するためのさまざまな基本システムサービスをハンドリングするプロシージャを含んだオペレーティングシステム６２２を記憶する。メモリ６２０は、オプションの移動制御プログラムモジュール６２４を記憶することができる。また、メモリ６２０は、１又は複数のプログラムモジュール６２６も記憶する。プログラムモジュール６２６は、搬送波信号周波数を有する少なくとも電磁パルスを含む１又は複数の信号をデバイス６１０から送信するための命令、及び、或る期間にわたって１又は複数のリターン信号を受信するための命令を含む。プログラムモジュール６２６は、１又は複数のリターン信号からリターンパルス及び１又は複数マルチパスパルスを分離するパルス分離モジュール６２８を含む。また、プログラムモジュール６２６は、距離求めモジュール６３０及び位置求めモジュール６３２も含む。プログラムモジュール６２６は、オプションとして、ドップラー計算モジュール６３４を含むことができる。
上記特定されたモジュール及びアプリケーションのそれぞれは、上述した１又は複数の機能を実行するための一組の命令に対応する。これらのモジュール（すなわち、数組の命令）は、別々のソフトウェアプログラム、プロシージャ、又はモジュールとして実施される必要はなく、したがって、これらのモジュールのさまざまなサブセットを組み合わせることもできるし、又はそれ以外に、さまざまな実施形態で配列しなおすこともできる。
【００３５】
メモリ６２０のモジュールすなわち数組のインストラクション（命令）は、処理ユニット６１６によって実行される。加えて、デバイス６１０は、実行可能プロシージャ（１又は複数の能動ランドマーク及び図１のリフレクタ１１４等の能動リフレクタを有する実施形態の時間遅延訂正計算等）、サブモジュール、テーブル、及び他のデータ構造体（図示せず）を含むことができる。他のデータ構造体には、たとえば、１又は複数の受動リフレクタ１２０（図１）の位置、能動ランドマーク１２８（図１）の位置、並びに／若しくは、１又は複数の能動ランドマーク及び／又は能動リフレクタに対応する時間遅延が含まれる。いくつかの実施形態では、追加のモジュール及びデータ構造体、又は、異なるモジュール及びデータ構造体を使用することができ、上記に列挙したモジュール及び／又はデータ構造体のいくつかは、使用されない場合がある。いくつかの実施形態では、当該技術分野で知られているように、デバイス６１０の能力は、ハードウェアにおける実施を多くして、ソフトウェアにおける実施を少なくすることもできるし、ハードウェアにおける実施を少なくして、ソフトウェアにおける実施を多くすることもできる。
【００３６】
図７を参照すると、ローカル測位システム７００の一実施形態における、能動ランドマーク１２８（図１）等の能動ランドマーク７１０は、電磁パルスを受信してパルスを再送信するための少なくとも１つのアンテナ７１２を備える。また、能動ランドマーク７１０は、送受信アイソレータ７１４、オプションの帯域通過フィルタ７１６、及び増幅器７１８も備える。能動ランドマーク７１０は、ミキサ等の変調器７２０、信号ジェネレータ７２２、及び制御ロジック７２６を備える。能動ランドマーク７１０は、オプションの遅延線７２４を備えることができる。また、能動ランドマーク７１０は、能動ランドマーク７１０を特定の方向に或る速度で移動させるためのオプションの電気機械インターフェース回路７２８及びオプションの移動メカニズム７３０も備えることができる。
【００３７】
いくつかの実施形態では、能動ランドマーク７１０は静止している。デバイス６１０（図６）によって送信されたパルスに対応する受信信号は、アンテナ７１２を使用して受信される。デバイス６１０（図６）によって送信されたパルスが偏波を有する場合、アンテナ７１２は、この偏波を有する信号を優先的に受信するように構成することができる。受信信号は、送受信回路部を分離する送受信アイソレータ７１４、受信信号を帯域制限するオプションの帯域通過フィルタ７１６、及び受信信号を増幅する増幅器７１８を通過する。いくつかの実施形態では、受信信号は、変調器７２０において、信号ジェネレータ７２２により生成される変調信号で変調されるか又は符号化信号で符号化され、送信被変調信号が生成される。変調は、振幅変調又は周波数変調とすることができる。送信被変調信号は、オプションの遅延線７２４及び送受信アイソレータ７１４を通ってアンテナ７１２に渡される。アンテナ７１２は、送信被変調信号に対応する戻り電磁被変調パルスを送信する。
【００３８】
いくつかの実施形態では、送受信アイソレータ７１４は送受信スイッチである。他の実施形態では、送受信アイソレータ７１４は回折格子（grating）であり、遅延線７２４は、回折格子が送信被変調信号をアンテナ７１２へ送るように送信被変調信号の位相を変更する。他の実施形態では、能動ランドマーク７１０は、バッテリ（図示せず）等の着脱可能エネルギ源を備える。
他の実施形態では、能動ランドマーク７１０は、受信アンテナ及び送信アンテナを別々に有し、各アンテナは、デバイス６１０（図６）によって送信されたパルスの偏波を有し、送受信アイソレータ７１４及び遅延線７２４は備えられない。
【００３９】
いくつかの実施形態では、信号ジェネレータ７２２によって生成された変調信号をプログラミングすることができ、それによって、変調信号又は変調信号の符号化を変更することができる。信号ジェネレータ７２２の変更に対応する制御情報は、デバイス６１０（図６）によって送信されたパルスに符号化することができる。或いは、制御情報は、デバイス６１０（図６）と能動ランドマーク７１０との間の別個の無線信号で送信することができる。制御ロジック７２６は、この制御情報を識別して、これらの命令に基づき信号ジェネレータ７２２の設定を変更する。
【００４０】
いくつかの実施形態では、能動ランドマーク７１０は、平均固定ロケーションの周囲を移動可能である。制御ロジック７２６は、シグナリングインターフェース７２８によってこの能力を実施する。シグナリングインターフェース７２８は、次に、移動メカニズム７３０を起動する。いくつかの実施形態では、メカニズム７３０は、電子モータを備え、その速度は、インターフェース７２８によって提供されるＤＣ電圧のレベルによって制御される。いくつかの実施形態では、制御ロジック７２６が、デバイス６１０（図６）からの送信パルス又は別個の無線リンクに符号化されている、デバイス６１０（図６）からのコマンド信号に応答してこの機能を実行する。デバイス６１０（図６）が、移動の結果生じたリターンパルス及び／又はマルチパスパルスにおけるドップラーシフトから角度情報を求めるために、デバイス６１０（図６）は、能動ランドマーク７１０が移動している方向５１２（図５Ｂ）並びに速度ｖ５２６（図５Ｂ）を知る必要がある。
【００４１】
図８は、１又は複数の意図的なマルチパス信号を有する測位システムのオペレーションの一実施形態を示すフローチャートである。搬送波周波数を有する１又は複数のパルスを含む信号が送信される（ステップ８１２）。いくつかの実施形態では、ステップ８１２における送信信号は特定の偏波を有する。リターンパルス及び１又は複数のマルチパスパルスを含むリターン信号が、或る期間にわたって受信される（ステップ８１４）。いくつかの実施形態では、ステップ８１４において優先的に受信されるリターン信号は、偏波を有する。リターンパルス及び１又は複数のマルチパスパルスは、リターン信号から分離される（ステップ８１６）。パルス群が識別される（ステップ８１８）。角度２１４（図２）が０度にも１８０度にも実質的に等しくない実施形態では、通常、各群に３つのパルスが存在する。各群のパルス間の遅延が求められる（ステップ８２０）。受動リフレクタ１２０（図１）等の各物体を基準としたデバイス１１０（図１）の位置が求められる（８２２）。
【００４２】
上記の説明は、説明のためのものであり、具体的な用語を使用して本発明の徹底した理解を提供している。しかしながら、これらの具体的な詳細は、本発明を実施するために必要とされないことが当業者には明らかであろう。実施形態は、本発明の原理及びその実用的な用途を最も良く説明し、それによって、他の当業者が、本発明及びさまざまな変更を有するさまざまな実施形態を、検討した特定の使用に適するように最も良く利用することを可能にするために選ばれて説明されたものである。したがって、上記開示は、網羅的であることを目的とするものでもなければ、開示した正確な形に本発明を限定することを目的とするものでもない。上記教示を鑑みて多くの変更及び変形が可能である。
本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって規定されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】１又は複数の意図的なマルチパス信号を有する測位システムの一実施形態を示すブロック図である。
【図２】測位システムの一実施形態を示すブロック図である。
【図３Ａ】測位システムの一実施形態における直接パス信号及びマルチパス信号の到達時間を示す図である。
【図３Ｂ】測位システムの一実施形態における直接パス信号及びマルチパス信号の到達時間を示す図である。
【図４】測位システムの一実施形態を示すブロック図である。
【図５Ａ】測位システムの一実施形態を示すブロック図である。
【図５Ｂ】測位システムの一実施形態を示すブロック図である。
【図６】測位システムの一実施形態における一般的なデバイスのコンポーネント（構成要素）を示すブロック図である。
【図７】測位システムの一実施形態における一般的な能動ランドマークのコンポーネントを示すブロック図である。
【図８】１又は複数の意図的なマルチパス信号を使用するプロシージャの一実施形態における動作を示すフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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