(57)【要約】【課題】ＧＰＳ用の人工衛星の見通せない、ビルの谷間や室内などにおいても、移動体の正確な位置を検出することが可能な、光信号を用いた空間位置決め装置を提案する。【解決手段】１）放射器ごとに異なる光パルス信号、あるいは放射器ごとに異なる信号で変調された第１の光信号を放射することのできる複数のそれぞれが予め決められた地点に配置された放射器と、２）その放射器に上記の第１の光信号の元になる光信号、電気信号または電波信号を供給する手段と、３）上記の複数の放射器からの光信号を受信する受信システムであって、移動体上に設けられた受光器と、４）複数の放射からのそれぞれの信号間の時間差を導く第１の手段と、５）得られた時間差と上記の放射器の位置とから、６）上記の移動体の位置を算出する第２の手段とを、備える構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１）放射器ごとに異なる光パルス信号、あるいは放射器ごとに異なる信号で変調された第１の光信号を放射することのできる複数のそれぞれが予め決められた地点に配置された放射器と、２）その放射器に上記の第１の光信号の元になる光信号、電気信号または電波信号を供給する手段と、３）上記の複数の放射器からの光信号を受信する受信システムであって、移動体上に設けられた受光器と、４）複数の放射器からのそれぞれの信号間の時間差を導く第１の手段と、５）得られた時間差と上記の放射器の位置とから、６）上記の移動体の位置を算出する第２の手段とを、備えることを特徴とする空間位置決め装置。
【請求項２】
上記の複数の放射器は、基準点信号源からの信号に従って、順次、上記の第１の光信号を放射することを特徴とする請求項１に記載の空間位置決め装置。
【請求項３】
基準点信号源で電気信号あるいは電波信号を生成し、上記の複数の放射器は、その電気信号あるいは電波信号をもとに決めた放射時刻に、上記の放射器で生成した第１の光信号を放射することを特徴とする請求項１に記載の空間位置決め装置。
【請求項４】
基準点信号源で第１の光信号を生成し、上記の複数の放射器は、そのそれぞれの放射器に応じた光信号を放射することを特徴とする請求項１に記載の空間位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＧＰＳ用の人工衛星を見通せない所でも、移動体の正確な位置を検出することが可能な、光信号を用いた空間位置決め装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地上で位置を正確にしかも容易に知ることができることから、ＧＰＳ（ｇｌｏｂａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）は、自動車等によく利用されている。このシステムは、複数の人工衛星に積載された正確な時計の時刻データを載せたマイクロ波信号をもとに、位置を導出するものである。そのため、人工衛星からのマイクロ波の届かない所では利用できない。
【０００３】
また、ＧＰＳ衛星から出力される信号を擬似的に地上で発生させる擬似衛星（Ｐｓｅｕｄｏｌｉｔｅ）と呼ばれるシステムがある。このシステムでは、複数の擬似ＧＰＳ信号送信局を、例えば作業室内に設け、それを基準として室内の位置決めを行うものである。このシステムの信号形態は、ＧＰＳと同様であり、ＧＰＳ受信器を用いて測定できる利点がある。
【０００４】
図７は、この擬似衛星システムを示す模式図である。図７に示す様に、部屋の４隅に置いたアンテナから擬似ＧＰＳ信号を出力する。この信号は、信号中に記載された擬似ＧＰＳ衛星位置から送信アンテナ位相中心までの信号位相に矛盾の無いように処理されたものであり、あたかも部屋の壁が無く室外で衛星の受信をしている様な擬似空間を作り上げている。
【０００５】
しかし、この方式では、信号はマイクロ波であり、室内のマルチパス、回折の影響が避けられないため、位置誤差を発生し易い。これらの誤差を抑制するには、送信アンテナを大きくするとよいことが知られている。特にマルチパスを減らす為には、指向性の高いアンテナが必要になる。しかし、指向性を高くすると部屋の一部、例えば中心部のみの位置決めしかできなくなる、などの問題がある。また、人体に対するマイクロ波の影響も懸念される。このため、このシステムは、主に屋外の露天掘り鉱山、山間部等での位置決めに使用されている。
【０００６】
また、室内の壁に複数の反射体を設けておき、これにレーザー距離計からのレーザービームを照射して、そのレーザー距離計と各反射体との距離を算出し、この値をもとに室内の位置を導出する屋内位置決めシステムが特許文献１に開示されている。しかし、このシステムは、室内の位置を知ろうとする者がそれぞれに、レーザー距離計を用いることになり、この点において本発明とは異なっている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−２８７６５２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の様に、擬似衛星システムによる従来の位置決めでは、室内のマルチパス、回折の影響が避けられないため、位置誤差を発生し易い。これらの誤差を抑制するために指向性の高いアンテナを用いると部屋の中心部のみの位置決めしかできなくなるなどの問題がある。また、人体に対するマイクロ波の影響も懸念される。
【０００９】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、ＧＰＳ用の人工衛星の見通せない、ビルの谷間や室内などにおいても、移動体の正確な位置を検出することが可能な、光信号を用いた空間位置決め装置を提案することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、指向性が高く、送信器や受信器を小型の構成とすることができることから光信号を用いる。また、光信号の送信には、放射器を用いる。この放射器は、レーザーダイオードや発光ダイオード、あるいは、光回路の出力部に設けられた光拡散のレンズや反射器などである。
【００１１】
この放射器からは、変調された光信号が放射される。この光信号は、空間を伝搬して、移動体に設けられた受光器で受信される。ここで、複数の放射器にそれぞれ異なった変調波形を割り当てておく。この変調波形は、識別コードを基に擬似雑音信号（ＰＲＮ：  Ｐｓｅｕｄｏ  Ｒａｎｄｏｍ  Ｎｏｉｓｅ）として発生される。各ＰＲＮは、直交した信号が選ばれる（例えばＭ系列、ゴールドコード等）。この光信号を放射するが、必要に応じて光パルスを随伴するようにしても良い。この際、放射器から一斉に光信号を放射する場合には、受信側で相関器を用いて信号を分離する。あるいはまた、分離するための相関器を用いない様にするためには、光信号は、順次放射されるようにする。但し、この場合も、相関器を用いることによって、放射器を特定することや、遅延時間を計測することを行なうことが出来るのは、当然のことである。
【００１２】
この放射は、放射する光信号を基準点信号源で用意して放射器で放射するもの、あるいは、基準点信号源から放射器へは、電気信号あるいは電波で放射を促す信号を送り放射器で光信号を用意するもので実現できる。各放射器は、天井や部屋の隅に置かれる。
【００１３】
基準点の受信部あるいは、上記の移動体の受信部においては、基準点信号源からの信号と受信した信号との相関をとり、移動体と放射器との伝搬にかかる時間以外のオフセット時間を差し引いて、移動体と放射器との距離を求める。さらに、複数の放射器の位置情報と、前記のように求めた距離情報とにより、移動体の位置を検出するものである。
【００１４】
ここで、放射器から放射する光信号に放射器の放射器ごとに異なる光パルス信号、あるいは放射器ごとに異なる信号を用いるのは、受信した信号から変調信号を得て、上記の様に、位置の検出に用いるためである。放射器の数は最低限３個あれば良いが、より正確な位置を知るためには、さらに多くの放射器とその位置情報を用いる事が望ましい。
【００１５】
本発明の空間位置決め装置では、従来のマイクロ波を用いたシステムに比べマルチパス、回折の影響が少なく、放射器の位相原点も点源とみなすことが可能であり、高精度測位が望める。光信号に空間の３次元地図を載せた通信を同時に行えば、ユーザの３次元位置をこの空間で同定できる。
【００１６】
このため、請求項１に記載の発明では、基本的な構成に関するものであり、まず、放射器ごとに異なる光パルス信号、あるいは放射器ごとに異なる信号で変調された第１の光信号を放射する放射器を用いる。この光信号は、通常は、ＰＲＮ信号であるが、繰返し信号でも動作する。また、このような放射器が複数あり、それらは、それぞれ予め決められた地点に配置されている。これらの放射器には、光信号の放射を促すトリガー信号、あるいは、放射する光信号そのもの、あるいは、変調用の電気信号が基準点信号源から送られる。一方、その放射器からの光信号を受信するのは、主に移動体上に設けられた受光器である。受信した複数の放射器からの第１の光信号と、受信器内でそれぞれの放射器に割り当てられたコードを基に発生したＰＲＮ信号との相関をとることにより、信号の分離を行う。このような相関器を用いて、それそれの放射器からの信号を分離すると同時に、それらの信号間の時間差を導くことができる。この時間差は、各放射器と受信点位置の直線距離差に比例している。この相関の計算は、ハードウエア、デジタル計算機によってもよいし、アナログ計算機によってもよい。この時間差を距離の差に換算することは、（距離＝光速×時間）の関係より容易である。このように、得られた距離の差と、放射器の位置とから、その移動体の位置を算出することは、従来のＧＰＳに習って容易にできる。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明では、上記した請求項１に記載の発明で、特に、上記の複数の放射器は、基準点信号源からの信号に従って、順次、上記の第１の光信号を放射するものであり、放射器ごとに分離する作業が必要なくなり、受信側での信号処理が容易になる。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明は、上記した請求項１に記載の発明で、特に、基準点信号源から放射器へのトリガー信号は、電気信号あるいは電波信号として、その電気信号あるいは電波信号から、放射器のもつ固有の遅延時間や、意図的に設定する遅延時間分遅延して、放射器で生成した光信号を放射するものである。
【００１９】
また、請求項４に記載の発明は、上記した請求項１に記載の発明で、特に、基準点信号源で光信号を生成し、例えば光ファイバや空間伝搬でそれぞれの放射器にそれを入力し、そのそれぞれの複数の放射器が、それぞれの光信号を放射するものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。先ず第１の実施形態を図１と図２を用いて説明する。以下の説明においては、同様の装置あるいは同様の機能を有する装置については、特別に区別する必要のない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【００２１】
図１は、第１の実施の形態を示す模式図である。図１の空間位置決め装置においては、部屋の中心に基準受信部１が配置されており、その受光点が真の基準受信点１０である。図１では、基準受信部と基準点信号源が同一筐体に設置された形態を示す。部屋等の空間の隅に置かれた複数の各放射器２から基準受信点へ変調された光信号が送られる。この光信号は、各放射器ごとに、それぞれ異なったコード（識別コード）で発生される擬似信号（ＰＲＮ）で変調されそれぞれの放射器に光ファイバ４で送られる。図２に光信号の例（ＲＺパルス変調）を示す。なお本方式は、光信号の変調方式に関係しないため、強度変調、位相変調、周波数変調、偏波変調、あるいは符号化を伴なった変調でも用いることができる。光ファイバの配線は、床面に沿う必然性がなく、天井に配線する方が望ましい場合もある。光ファイバにより導かれた光信号は、光ファイバの先端につけられたレンズによりビームの拡散方向の立体角が広げられる。レンズが使えない場合は、球面の反射鏡でもよい。ここで放射器は、少なくても３個必用である。しかし、光信号を受ける移動体５が物陰に入るなどして、一部の光信号を受けられなくなる場合があるので、状況に応じて、放射器はさらに多数あるほうが望ましい場合もある。
【００２２】
図３に基準受信部１と光信号変調検出部の入った基準点信号源３と、各光放射器とを示す。これらの装置は、個々に独立してあるのでなく、基準受信部１へは、光放射器の識別コードが渡され、相関処理により各放射器からの信号分離と同時に光の空間伝搬以外の遅延量（位相差も含む）の測定が行われ、この遅延量は基準点信号源に戻される。この遅延量を測定値から取り除くには、次の２つの方法がある。
（１）  基準点信号源の遅延や移相器での遅延等を補正することによって基準受信点（基準受信部受信点）での各放射器の遅延時間差を解消して放射される信号の位相を揃える、もしくは
（２）  上記の遅延量を、基準受信部から基準点信号源へ遅延データとして渡し、このデータも光信号として放射する。
【００２３】
これら、いずれの方法でも基準点信号源の遅延や移相器での遅延等を補正でき、基準受信点を測位原点と定義することが可能となる。ただし、移動体の３次元位置を出すためには、それぞれの放射器位置を基に基準点位置を、図面等で測定するか、一度基準受信点で各放射器局内遅延を測定後、各放射器位置までずらし相対遅延量を求める必要がある。
【００２４】
光変調された信号位相は、空間中央に置かれた基準受信点１０（測位原点）で受信された位相を基に変調信号タイミングを調整する。例えば、上記の（１）の場合は、基準受信点で受信される各放射器からの変調信号の信号位相がゼロ、つまり同一タイミングになる様に制御する。この基準受信点、及び信号を受信する移動体５では、各放射器の変調コードを基に受信信号を相関により分離し遅延測定を行う。相関器の一例を図６に示す。図６のＹ−ｄａｔａに各放射器から受信された信号が入る。この信号は、クロック毎に１ビットづつシフトする。また、Ｘ−ｄａｔａには、各放射器に割り当てられたコードを基に各放射器での放射信号（通常は、ＰＲＮ）を受信器内部で発生し入力する。このＸ−ｄａｔａ信号用にはシフトレジスタはなく、Ｙのシフトレジスタによる時間ずらしデータとＸ−ｄａｔａの相関をとるものである。この時、コードが異なるとＰＲＮ信号が異なり、それぞれが直交関係にあることから、違ったコード間では、相関がない。この様に、各放射器の信号の分離ができる。相関は、積分時間での全ビットで規格化し、”１”から”−１”の間の値で表すことができる。このとき、相関が無ければ”０”である。ここで、受信信号に振幅の減衰が無い場合で、例えばシフトレジスタの４番目の位置（ラグ３と称す）で、ＸとＹで位相差が０度の時”１”、１８０度の位相差がある場合”−１”となる。信号帯域とサンプリング周波数がナイキストの定理を満たす時、４番目のラグ以外での相関値は”０”であり、信号の位相差がこれ以外の場合、相関の振幅は、ラグ４のビット以外にも漏れ込むことが起る。この漏れこみ量から逆に信号位相差を測定することができる。相関器で得られた時間軸の相関データをＦＦＴ（高速フーリエ変換）で周波数軸に変換し、その実数部の値（Ｒｅａｌ）と虚数部の値（Ｉｍａｇ）とを用いて、ＴＡＮ−１（Ｉｍａｇ／Ｒｅａｌ）で位相を計算する。また、遅延量は、どのラグに相関が出るかによって測定することができる。この遅延量に上記の位相差分を加えたものが正確な遅延量となる。また、実際に図の相関を行う場合には、遅延”０”で得られる相関の位置をラグ”０”にしない方が望ましい。これは、ラグ”０”の位置では位相差があった場合、ラグ”−１”の位置にも相関が漏れこみ、正しい位相測定ができないためで、このため通常は、僅かにオフセットを持たせた位置で相関が得られる様にすることが望ましい。
【００２５】
移動体に搭載された受信システムは、図４に示す構成の受信システムである。まず、光検出器２１により、光信号を電気信号に変換する。光信号を放射した放射器がどれであるかは、コード記憶部２２からの識別コードを基にコード発生部２３で発生されるＰＲＮ信号と相関器２４で相関をとることで分離される。この時、相関器は、基準点信号源より各放射器の識別コードを入手している。
【００２６】
識別コードから作られたＰＲＮ信号と受信したそれとの差は、基準受信点で位相が揃えられている場合（遅延・移相器を使用した場合）、基準受信点との位置の差に相当する遅延量となり、これは、遅延検出部２５で検出される。この値と放射器位置と基準受信点を基に、位置算出部２６で移動体受信点の位置を算出する。これらは、制御部２８から制御される。
【００２７】
基準受信点で位相が揃えられていない場合（遅延・移相器を使用しない場合）、この各放射器固有の量は、データ受信部２７を通じてデータとして光通信により移動体に知らされる。ここで言う各放射器固有の量とは、装置内部の遅延時間と光ファイバでの伝搬遅延時間と放射器での遅延時間と放射器から光検出器などでの伝播遅延時間等の遅延時間の和に相当する時間遅れのことであり、この量を補正することで基準受信点との位置の差に相当する遅延量が求められ、この遅延量と放射器位置と基準受信点を基に位置算出部２６で移動体受信点の位置ベクトルを求める。
【００２８】
これらの遅延量は図６に示す様な良く知られた相関器で照合することができ、遅延時間を得る事が出来る。この遅延時間から光信号の伝搬遅延時間を求め、この伝搬遅延時間から、基準受信点からの相対位置を求める事、さらに位置の分かっている放射器からの相対位置・距離を算出することは容易である。
【００２９】
また、移動体では、与えられたコード（識別コード）で発生されるＰＲＮ（擬似雑音信号）を内部で作成し、各放射器からの受信信号位相差を計測する。移動体内部で発生されるＰＲＮ信号タイミングは、本装置の放射するＰＲＮタイミングとは無関係であるが、二重差：（ある放射器ＰＲＮ信号と移動体内部ＰＲＮ信号タイミング差）と（別の放射器ＰＲＮ信号と移動体内部ＰＲＮ信号タイミング差）との差、には、移動体固有のタイミング量は入り込まない。この位相差を基に移動体の位置を計算することができる。つまり、測定量の二重差を用いることで移動体側の受信器に要求される性能は非常に軽減される。
【００３０】
上記の形態では、放射器からの光信号の放射は、一度に複数の放射器からの光信号であり、これを受信するものであったが、順次光信号を放射して受信することを行なう構成にしても、位置を認識することは可能である。このような構成では、信号の識別をする必要が無く、相関器を用いず、より簡便なタイミング測定（タイムインターバル測定）でも位置の検出を行なうことが出来るようになる。
【００３１】
本発明を用いることにより、従来のマイクロ波を用いたシステムを用いた場合に比べ、マルチパス、回折の影響が少なく、放射器の位相原点も点源とみなすことが可能であり、高精度測位が望める。光信号を用いることで広帯域データ通信も容易に行える。また、空間の３次元地図情報を載せた情報通信を同時に行えば、ユーザの３次元位置をこの空間で同定できるようになり、複雑な形状の室内、例えば、地下街においても位置検出が可能である。また、使用する光源は非常に微弱であるが、更にアイセーフ光を用いれば、マイクロ波で問題になる可能性のある人体への影響等の心配も解消される。
【００３２】
従来はマイクロ波で高指向性のアンテナを使う必要があり大がかりなシステムとなるが、本発明ではこれは不要であり、個々の構成部分はより小型にできる。
【００３３】
また、図５に、光ファイバを用いない第２の実施の形態を示す。この場合は、放射部でレーザーダイオードや発光ダイオード等を用いて光信号を生成する。この構成では、基準点信号源から各放射器へは、電気信号が送られ、光信号は放射器で生成される。この構成に用いる電気信号は、例えば、図２に示した電気信号をもちいることができる。図５においては、基準点信号源から各放射器への配線長を等しく取ってあるので、この場合は、配線遅延に関わる位置の誤差の補正が容易になる。しかし、移動体でこのような配線遅延を補正する場合は、基準点信号源から各放射器への配線長を等しく取る必要はない。
【００３４】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００３５】
請求項１に記載の発明では、固定された光放射器からの光信号により位置決めを行なうので、装置が簡易で小型になり、また、マルチパスの影響はマイクロ波よりはるかに小さくなるので、信頼度の高い位置情報が得られる。
【００３６】
また、請求項２に記載の発明では、基準点信号源からの信号に従って、順次、光信号を放射することにより、放射器ごとに分離する作業が必要なくなり、受信側での信号処理が容易になる。
【００３７】
また、請求項３に記載の発明では、基準点信号源から放射器へ供給するトリガー信号や変調信号は、電気信号あるいは電波信号として供給するので、これらの信号をさらに遅延させることが容易である。
【００３８】
また、請求項４に記載の発明では、基準点信号源で第１の光信号を生成し、そのそれぞれの放射器に応じた光信号を放射するので、放射器の構成は簡単なものとなり、設置が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す模式図である。
【図２】放射器から放射される光信号の例を示す図である。
【図３】基準点信号源と基準受信部とを示す図である。
【図４】移動体に搭載された受信システムを示す図である。
【図５】第２の実施の形態を示す模式図である。
【図６】相関器の一例を示す図である。
【図７】従来例の擬似衛星システムを示す模式図である。
【符号の説明】
１  基準受信部
２  放射器
３  基準点信号源
４  光ファイバ
５  移動体
１０  基準受信点
１１  光検出器
１２  相関器
１３  遅延検出器
１４  コード発生器
１５  遅延、位相器等
１６  光源および変調器
２１  光検出器
２２  コード記憶部
２３  コード発生部
２４  相関器
２５  遅延検出器
２６  位置算出器
２７  データ受信部
２８  制御部
【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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