(57)【要約】【課題】広い温度範囲にわたって発振周波数を１０−７程度の精度に安定化させることにより、小電力でより遠距離の通信が可能となる通信システムを提供する。【解決手段】ＧＰＳ衛星の信号を受信する機能を持ち、この信号に含まれる１ＰＰＳ信号を用いて送信用のキャリアの発振周波数を極めて高精度に制御する機能を持ち、伝送しようとする信号の帯域幅を非常に狭く制限して変調する機能を持つ送信部と、同様にＧＰＳ衛星の信号を受信する機能を持ち、１ＰＰＳ信号を用いて局部発振器の発振周波数を極めて高精度に制御し、受信する帯域幅を送信部の帯域幅より若干広くして復調する機能を持つ受信部とからなる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧＰＳ衛星の信号を受信する機能を持ち、この信号に含まれる１ＰＰＳ信号を用いて送信用のキャリアの発振周波数を極めて高精度に制御する機能を持ち、伝送しようとする信号の帯域幅を非常に狭く制限して変調する機能を持つ送信部と、同様にＧＰＳ衛星の信号を受信する機能を持ち、１ＰＰＳ信号を用いて局部発振器の発振周波数を極めて高精度に制御し、受信する帯域幅を送信部の帯域幅より若干広くして復調する機能を持つ受信部とからなることを特徴とする小電力による通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小電力の電波を利用してデータ通信を行う通信機器に関する技術の分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、音声通話ではＡＭ変調、ＦＭ変調などの方式で通信する技術があり、データではＡＳＫ、ＦＳＫ、ＰＳＫなどがある。また音声でも信号をディジタル化してスペクトル拡散法で変調するＣＤＭＡなどの方式もある。いずれも限られた帯域幅ではあるが比較的広い帯域を利用し、できるだけ大容量の情報を交換しようとする通信方式である。
従来の無線通信機器は、携帯電話・市民無線・パーソナル無線を除いて、使用には何らかの免許・資格を必要とする。そのような免許・資格を必要としない無線通信は微弱電波もしくは特定小電力を利用することになっている。
【０００３】
しかし、このような無線通信システムは、通信できる距離が非常に短く、それでも問題のない用途にしか使われていない。
通信可能距離が短いのは、発信した電波が拡散して、ほぼ距離の２乗に比例して減衰するため、電界強度が距離に比例して低下して雑音レベル以下になることによる。
雑音は、通常、人工的なものもあるが、自然に発生するものもあり、また受信機内部の熱雑音なども存在する。概略的に言えば、それらの雑音は帯域幅あたりのエネルギーが一定に近く、受信時の通過帯域幅を少なくすればするほど減少する。会話のための最低必要帯域幅は３ｋＨｚ程度で、通常の音声による通信ではこの帯域幅以上を必要とする。変調方式にもよるが、通常１０ｋＨｚ程度である。
【０００４】
従って、音声による通信は帯域幅を小さく取ることは不可能であるが、情報量の少ないデータを伝送するときはこの限りではない。例えば、６０ｂｐｓ程度の伝送速度でよければ、帯域幅は１００Ｈｚですむ。この帯域幅では、上記１０ｋＨｚの帯域幅に比べ雑音のパワーは１／１００程度となる。雑音の電圧で言えば１／１０となる。よって、信号帯域幅／受信機通過帯域幅が１０ｋＨｚに対し信号帯域幅／受信機通過帯域幅を１００Ｈｚとすれば、電界強度は１／１０でも同じ信号対雑音比を得ることができる。つまり、伝送できる距離を１０倍に伸ばすことができる。
【０００５】
このように、小さい電力でも、速度の遅い情報であれば、帯域幅を狭く制限することで伝送距離を遠くまで伸ばすことができるが、この方式では、送信部と受信部の同調周波数が非常に正確に一致していなければならない。例えば、信号の帯域幅７５Ｈｚ、受信機の通過帯域幅１００Ｈｚでは、互いの周波数のずれは１０Ｈｚ以内でないと正しい復調ができなくなる恐れがある。これは、使用周波数が例えば１００ＭＨｚの場合、送受信周波数の精度が１０−７程度でなければならないことを意味する。
現在入手し得る温度補償型水晶発振器では、−１０℃から＋６０℃の温度範囲で１０−６の精度となっており、このような高価な温度補償型水晶発振器を使っても目的は達成できない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点に鑑み、広い温度範囲にわたって発振周波数を１０−７程度の精度に安定化させることにより、小電力でより遠距離の通信が可能となる通信システムを提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の小電力による通信システムは、上記の課題を解決するために、ＧＰＳ衛星の信号を受信する機能を持ち、この信号に含まれる１ＰＰＳ信号を用いて送信用のキャリアの発振周波数を極めて高精度に制御する機能を持ち、伝送しようとする信号の帯域幅を非常に狭く制限して変調する機能を持つ送信部と、同様にＧＰＳ衛星の信号を受信する機能を持ち、１ＰＰＳ信号を用いて局部発振器の発振周波数を極めて高精度に制御し、受信する帯域幅を送信部の帯域幅より若干広くして復調する機能を持つ受信部とからなることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の通信システムの送信部は、ＧＰＳ（全地球測位システム）衛星の信号を受信する受信部を持ち、４機以上のＧＰＳ衛星からの信号を捕捉し、その受信地点の位置情報を得るとともに正確な時刻を割り出す。さらにその信号から１秒ごとのパルス信号を抽出する。このパルス信号は１ＰＰＳ信号と呼ばれる。この信号は非常に正確であるが、１００ｎｓ程度のジッタがある。一度１ＰＰＳ信号を得ることができれば、後はＧＰＳ衛星の捕捉数が１機でも問題はない。
送信部は、送信のためのキャリアを発生する発振器を持つ。また、カウンタを持つ。このカウンタは、上記１ＰＰＳ信号で１秒毎にリセットされ、あらかじめ決められた数値に対し差分の数値を出力する。発振器からの出力をこのカウンタに加え、目標周波数に対する差分に相当した信号を得る。
【０００９】
この信号を直流電圧に変換する。発振器は、回路の一部に可変容量ダイオードを持ち、このダイオードに加える電圧により発振周波数を変化させることができる。このダイオードに、上記差分に比例した直流電圧を印加して一種のフィードバックループを形成する。これで目標値より周波数が高ければ、可変容量ダイオードに印加する電圧を下げてダイオードの容量を大きくし、発振周波数を低くする。目標値より周波数が低ければ、逆の動作をする。これによりＧＰＳ衛星の１ＰＰＳ信号の精度、即ち１０−７程度の周波数安定度を実現する。
【００１０】
送信部は、ベースバンドを非常に狭く帯域制限するフィルタと変調部、電力増幅部、アンテナを持つ。この部分で上記安定化された発振器の出力をキャリアとして必要な方式で変調をかけ、電力増幅部で必要パワーにしてアンテナに出力する。この結果非常に狭い帯域しか持たない信号が輻射される。
受信部も、同様にＧＰＳ衛星の信号を受信する受信機を持つ。また、上記送信部と同様のメカニズムで１ＰＰＳ信号を用いて極めて高精度に周波数を安定化させた局部発振器を持つ。受信部は周波数変換回路を持ち、この発振器の出力を用いてスーパーヘテロダイン方式で受信信号をベースバンドに落とす。受信部は送信部よりは帯域幅の広いフィルタを持ち、ベースバンドの信号の帯域制限をして復調する。
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の詳細を具体的に説明する。
図１は、本発明の小電力による通信システムにおける送信部の構成を示すブロック図である。
図２は、本発明の小電力による通信システムにおける受信部の構成を示すブロック図である。
図３は、本発明の小電力による通信システムにおける送信部の発振部の一例を示す回路図である。
図４は、本発明の小電力による通信システムにおける受信部での送信部位置を表示する出力イメージ図である。
【００１２】
最初に、図１に基づいて送信部について説明する。
ＧＰＳアンテナ１からＧＰＳ受信部２にＧＰＳ衛星からの信号を送る。ＧＰＳ受信部２では位置のデータを算出し、ＣＰＵ４に送る。また同時に正確な１ＰＰＳ信号を得る。
ＣＰＵ４は、ＧＰＳ受信部２で得られたデータから必要なデータ、例えば緯度・経度だけを抜き出し、送信機のＩＤ番号を付加して送信信号を作成する。このとき誤り訂正用のデータを追加してもよい。
ＣＰＵ４のデータ出力をＤＡＣ５に送りアナログ信号に変換する。このアナログ信号をフィルタ７に加え、例えば１００Ｈｚ程度に帯域制限する。これを変調回路（ＭＯＤ）８に加え高周波出力を得る。これを電力増幅回路（ＰＡ）９で増幅して送信アンテナ１０に送り送信する。
【００１３】
変調回路８に供給する高周波信号は発振部（ＯＳＣ）１１から得るが、発振出力は同時にカウンタ（ＣＮＴ）１２に加えられ、ＧＰＳ受信部２から供給される１ＰＰＳ信号で１秒毎にリセットされて発振周波数のカウントを行う。カウントの結果をＣＰＵ４はＥＥＰＲＯＭ３にあらかじめ書き込まれた数値と比較し、差分に応じたディジタルデータをＤＡＣ６に送る。
ＤＡＣ６はディジタルデータをアナログ信号に変換する。これが周波数制御信号となる。周波数の差分は通常ゆっくりとしか変化しないので、この信号は直流に近いものとなる。この周波数制御信号を発振部１１に送り、発振周波数を制御しＧＰＳの時刻信号の精度、即ち１０−７に近づける。
【００１４】
発振部１１の一例として、図３に回路例を示す。基本的に水晶発振回路であるが、コンデンサの一部を可変容量ダイオードで置き換え、これにかける直流電圧を変化させることにより、発振周波数をある範囲内で変化させる。
次に、図２に基づいて受信部について説明する。
ＧＰＳアンテナ１３を介して、ＧＰＳ受信部１６から位置情報と１ＰＰＳ信号を得る。
受信アンテナ１４からの信号と発振部２３からの出力を周波数変換部（ＣＯＮＶ）１７で混合し周波数変換を行う。この出力をフィルタ（ＦＩＬ）１８で帯域制限を行う。この制限はＡＤＣ２１が誤動作しない程度に高周波成分を取り除くためのものである。フィルタ１８で帯域制限を行った後、中間周波増幅部（ＩＦ）１９で増幅し、ＡＤＣ２１でディジタル信号にする。
【００１５】
これをＣＰＵ２２に加え、ＣＰＵ２２内部でディジタルフィルタをかけ、例えば１００Ｈｚ程度に帯域制限する。この結果をディジタル検波して復調し、誤り訂正をした後、ＩＤ番号・緯度・経度情報を得る。
一方、発振部２３の出力はカウンタ２４に入り、送信部と同様のプロセスを経て、ＣＰＵ２２で目標周波数からの差分に応じたディジタルデータを出力し、これをＤＡＣ２０で周波数制御信号として発振周波数を制御する。これで受信部も１０−７程度の周波数精度とすることができる。
この手法により、送信機と受信機とが異なる環境に置かれ周囲温度が違っても、あるいは電源電圧が変動していても、送信周波数と受信周波数の違いは、例えば１００ＭＨｚで１０Ｈｚ程度となり、相当に使用帯域幅が狭くても問題なく通信することができるようになる。
ＣＰＵ２２は、復調したＩＤ番号・緯度・経度情報を出力し、必要に応じて表示部あるいは処理用のＰＣなどに送る。
【００１６】
現在、日本全国で一人乗りの漁船で操業している漁業従事者は３０万人に上る。これらの人は高齢者が多く、操業中に海中に転落する事故が多い。平成１３年に発表された第７次交通安全基本計画では、平成１７年までに海中転落による死亡者数を２００人／年以下とする目標が掲げられた。
この目標を達成するには、何より迅速な救助活動が要求される。気温の低い海中では、例えば１０℃の海水温度では、生存可能時間は３時間とされており、この時間以内に救助しなければならない。
【００１７】
このためには、何らかの手段で海中に転落したときすぐに救助要請信号を送らなければならない。その方法として、大きい船ではＥＰＩＲＢのような衛星通信を利用したシステムがあるが、これは船に付属するもので人を対象にしたものではない。また大変高価で、一般の漁業従事者が備え付けるようなものではない。
また、携帯電話の利用ということも考えられるが、携帯電話はもともと陸上での通信のために考えられたシステムで、操業海域は、ほとんどの場合、沿岸から２０ｋｍ程度以内に限られるが、それでも近くに中継局が存在する保証はなく、また、防水機能を持った携帯電話も存在しない。
【００１８】
これらの状況から、
（Ａ）通信距離は２０ｋｍ程度で、
（Ｂ）海難者のＩＤ番号と位置を通報するなんらかの通信システムが必要、
と結論付けられる。
そのシステムは、一般の漁業従事者が利用するため、使用にあたって、
（Ｃ）特別な資格・免許を必要とするものであってはならない。
また、救助信号発信機（送信機）は防水機能は当然として、バッテリを利用するので内部の消費電力はできるだけ小さくしなければならない。即ち、
（Ｄ）送信電力は可能な限り小さくしなければならない。
【００１９】
本発明の小電力による通信システムは、上記の要件をすべて満たしており、以下のように利用することができる。
送信機は人が身につけることができる、例えばタバコのケースサイズで、アンテナは普段は折りたたまれて邪魔にならないようになっており、アンテナを展張すると同時に電源が入るようになっている。電源を断にする手段は特に設けない。送信機は、救助信号発信機であって受信機能は持たない。電源が入ると同時にＧＰＳ受信機が動作し、規定の時間後に４機以上のＧＰＳ衛星からの信号を捕らえ、海中転落者の位置を測定し、そのデータを送信機のＩＤ番号とともに送信する。
【００２０】
信号の変調方法はＡＳＫ、ＦＳＫ、ＰＳＫなどが考えられるが、もっとも簡便なのはＡＳＫ変調である。データサイズは２次元の誤り訂正符号を含めて１５バイト程度である。これを５０ｂｐｓのデータレートで送信する。送信には２．４秒ほどの時間がかかる。
送信機のＩＤ番号には８ビットを割り当て、最大２５６機からの救助信号を識別できる。また送信機は６４秒ごとに１回、２．４秒間の送信を行う。送信の順番はＩＤ番号を８で割った余りの数字の順番とし、４秒の間隔を置いて送信する。これにより１台の受信機（基地局・捜索装置）は同時に１６台までの救助要請信号を受け付けることができる。これらの送信タイミングはすべてＧＰＳ衛星からの時刻情報に基づいて同期させる。
【００２１】
一方、受信機は通常漁業協同組合などの事務所に置き、基地局として動作する。受信機は常に電源を入れておき、待ち受け状態としておく。受信機はＧＰＳ衛星を４機以上捕捉し、その１ＰＰＳ信号を用いて受信周波数を規定値に保つ。
救助信号を受信するとアラーム信号を出力し、これを別のアンプ・スピーカーで発音させる。同時に、図４に示すように、受信機の画面に受信機の位置を中心として救助信号を発信したものがどの方角のどのくらいの距離にいるかを表示する。この表示では北を上とする。また発信した送信機のＩＤ番号も表示する。
この情報に基づき、救助者は速やかに受信機を救助船に移し、発信している位置に急行する。このときは受信機の画面は救助船の進行方向を上にする。
【００２２】
ＧＰＳによる位置測定の誤差は最大１０ｍ程度になるが、ある程度海難者に近づけば目視することができるので、この程度の誤差は問題にならない。
また、別の応用として、ダイバーが海中で泳いでいて、ある時間たって浮上してみると母船が見当たらない、ということがよくある。海中の潮の流れが意外に早くて、ダイバーの知らない間にかなり遠距離を流されてしまうためである。
この場合も、上記に説明した本発明による通信システムを使えば、母船に積んだ受信機（捜索装置）で簡単に行方不明のダイバーの所在を知ることができ、そこに救助に向かうことができる。
【００２３】
【発明の効果】
この発明により、小電力による遠距離通信が可能になる。そして、送信部の現在位置信号を送信するようにする場合には、例えば、海中に転落した海難者を速やかに救助することができるようになり、救助が遅ければ死亡してしまう海難者の命を救うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の小電力による通信システムにおける送信部の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の小電力による通信システムにおける受信部の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の小電力による通信システムにおける送信部の発振部の一例を示す回路図である。
【図４】本発明の小電力による通信システムにおける受信部での送信部位置を表示する出力イメージ図である。
【符号の説明】
１：ＧＰＳアンテナ
２：ＧＰＳ受信部
３：ＥＥＰＲＯＭ
４：ＣＰＵ
５：ＤＡＣ
６：ＤＡＣ
７：フィルタ（ＦＩＬ）
８：変調回路（ＭＯＤ）
９：電力増幅回路（ＰＡ）
１０：送信アンテナ
１１：発振部（ＯＳＣ）
１２：カウンタ（ＣＮＴ）
１３：ＧＰＳアンテナ１３
１４：受信アンテナ
１５：ＥＥＰＲＯＭ
１６：ＧＰＳ受信部
１７：周波数変換部（ＣＯＮＶ）
１８：フィルタ（ＦＩＬ）
１９：中間周波増幅部（ＩＦ）
２０：ＤＡＣ
２１：ＡＤＣ
２２：ＣＰＵ
２３：発振部（ＯＳＣ）
２４：カウンタ（ＣＮＴ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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