(57)【要約】【課題】無線を用いたタグなどにおいて、応答器からの電波の到来方向を推定する際に、質問器にてアンテナを移動させ測定した場合においても、高精度の発振源を必要としない電波到来方向推定装置を得る。【解決手段】発振器１０２の発生する送信信号はアンテナ１０３より放射され、応答器の信号吸収反射手段１０９は、終端条件を変えることにより送信信号を反射吸収する。再放射された信号は、再び質問器のアンテナ１０３で受信され、直交復調手段１０５に入力される。直交復調手段１０５は、受信信号に対し発振器１０２の信号をローカル信号として直交復調を行いベースバンド信号を得る。受信信号記憶手段１０６は、アンテナ順次移動手段１１１がアンテナを移動する毎にベースバンド信号を記憶する。到来方向推定手段１０７は、記憶されたベースバンド信号を用いて到来方向を推定する。【選択図】　図１
2004108816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信信号を発生する発振器と、前記発振器の発生した信号を送出するアンテナと、前記アンテナを順次移動するアンテナ順次移動手段と、前記アンテナが受信した受信信号と前記送信信号とを分離する送受信信号分離手段と、前記発振器の発生する送信信号を用いて前記送受信信号分離手段の出力である受信信号をベースバンド信号に直交復調する直交復調手段と、前記アンテナ順次移動手段がアンテナを移動する毎に前記直交復調手段の出力であるベースバンド信号を記憶する受信信号記憶手段と、前記受信信号記憶手段の記憶する複数組のベースバンド信号を用いて受信信号の電波の到来方向を推定する到来方向推定手段とを有することを特徴とする質問器。
【請求項２】
前記アンテナを移動する移動手段を有することを特徴とする請求項１記載の質問器。
【請求項３】
前記質問器の送出する送信信号を受信するアンテナと、固有の個別データを記憶する個別データ記憶手段と、前記個別データ記憶手段の出力を用いて前記アンテナの受信信号を反射または吸収することにより変調する信号反射吸収手段を有することを特徴とする応答器。
【請求項４】
送信信号を発生する発振器と、前記発振器の発生した信号を送出するアンテナと、前記アンテナを順次移動するアンテナ順次移動手段と、前記アンテナが受信した受信信号と前記送信信号とを分離する送受信信号分離手段と、前記発振器の発生する送信信号を用いて前記送受信信号分離手段の出力である受信信号をベースバンド信号に直交復調する直交復調手段と、前記アンテナ順次移動手段がアンテナを移動する毎に前記直交復調手段の出力であるベースバンド信号を記憶する受信信号記憶手段と、前記受信信号記憶手段の記憶する複数組のベースバンド信号を用いて受信信号の電波の到来方向を推定する到来方向推定手段とを有する質問器と、
前記質問器の送出する送信信号を受信するアンテナと、固有の個別データを記憶する個別データ記憶手段と、前記個別データ記憶手段の出力を用いて前記アンテナの受信信号を反射または吸収することにより変調する信号反射吸収手段を有する応答器と、からなる電波到来方向推定装置。
【請求項５】
送信信号を発生する発振器と、前記発振器の発生した信号を送出し外部から信号を受信する第１のアンテナと、外部からの信号を受信するＮ−１個のアンテナと、前記第１のアンテナが受信した受信信号と前記送信信号とを分離する送受信信号分離手段と、前記発振器の発生する送信信号を用いて前記送受信信号分離手段の出力およびＮ−１個のアンテナの受信信号をベースバンド信号に直交復調するＮ個の直交復調手段と、前記直交復調手段の出力するＮ組のベースバンド信号を用いて受信信号の電波の到来方向を推定する到来方向推定手段とを有することを特徴とする質問器。
【請求項６】
前記第１のアンテナおよびＮ−１個のアンテナを移動する移動手段を有することを特徴とする請求項５記載の質問器。
【請求項７】
送信信号を発生する発振器と、前記発振器の発生した信号を送出し外部から信号を受信する第１のアンテナと、外部からの信号を受信するＮ−１個のアンテナと、前記第１のアンテナが受信した受信信号と前記送信信号とを分離する送受信信号分離手段と、前記発振器の発生する送信信号を用いて前記送受信信号分離手段の出力およびＮ−１個のアンテナの受信信号をベースバンド信号に直交復調するＮ個の直交復調手段と、前記直交復調手段の出力するＮ組のベースバンド信号を用いて受信信号の電波の到来方向を推定する到来方向推定手段とを有することを特徴とする質問器と、
前記質問器の送出する送信信号を受信するアンテナと、固有の個別データを記憶する個別データ記憶手段と、前記個別データ記憶手段の出力を用いて前記アンテナの受信信号を反射または吸収することにより変調する信号反射吸収手段を有する応答器と、からなる電波到来方向推定装置。
【請求項８】
前記第１のアンテナおよびＮ−１個のアンテナからなるアレーアンテナを移動する移動手段を有し、前記到来方向推定手段が推定する推定結果が予め規定される値より悪い場合には前記受信信号記憶手段がベースバンド信号を記憶し、前記移動手段により前記アレーアンテナをアレーアンテナ素子が並ぶ方向に移動し改めて受信信号記憶手段のベースバンド信号と直交復調手段の出力であるベースバンド信号を用いて前記到来方向推定手段が電波の到来方向を推定することを特徴とする請求項５記載の質問器。
【請求項９】
Ｎ個のアンテナとしての直線アレーアンテナと、前記直交復調手段の出力であるベースバンド信号を記憶する受信信号記憶手段を有し、前記直線アレーアンテナを直線アレーアンテナ素子の並ぶ方向と直角方向に移動する移動手段を有することを特徴とする請求項５記載の質問器。
【請求項１０】
前記発振器の出力である送信信号をスペクトル拡散変調する拡散変調手段と、前記直交復調手段の出力をスペクトル逆拡散する逆拡散手段と、前記拡散変調手段の拡散符号の時間と前記逆拡散手段における最大相関となる時間の時間差を用いて応答器までの距離を推定する応答器距離推定手段を有することを特徴とする請求項１または請求項５記載の質問器。
【請求項１１】
応答器に、前記個別データ記憶手段の出力に対してサブキャリア周波数にてサブキャリア変調を行うサブキャリア変調手段を有し、質問器に、前記サブキャリア周波数を通過帯域とする帯域制限フィルタを有することを特徴とする請求項４または請求項７記載の電波到来方向推定装置。
【請求項１２】
前記到来方向推定手段がベースバンド信号の相関行列または共分散行列を用いて電波の到来方向推定を行うことを特徴とする請求項１または請求項５記載の質問器。
【請求項１３】
前記到来方向推定手段が受信信号の位相を変化させることにより指向性をスイープさせて受信信号の強度を検知することにより電波の到来方向推定を行うことを特徴とする請求項１または請求項５記載の質問器。
【請求項１４】
質問器と応答器の距離が離れているときには前記到来方向推定手段がすべてのベースバンド信号の相関行列または共分散行列を用いて電波の到来方向推定を行い、質問器と応答器の距離が近い時には前記到来方向推定手段が一部のアンテナの受信したベースバンド信号の相関行列または共分散行列を用いて電波の到来方向推定を行うことを特徴とする請求項５記載の質問器。
【請求項１５】
質問器と応答器の距離が離れているときには前記アンテナ順次移動手段が順次アンテナを移動し前記到来方向推定手段が前記受信信号記憶手段のすべてのベースバンド信号の相関行列または共分散行列を用いて電波の到来方向推定を行い、質問器と応答器の距離が近い時には前記アンテナ順次移動手段がより少ない回数で順次アンテナを移動させて前記到来方向推定手段が電波の到来方向推定を行うことを特徴とする請求項１記載の質問器。
【請求項１６】
質問器と応答器の距離が離れているときには前記到来方向推定推断がすべてのベースバンド信号の相関行列または共分散行列を用いて電波の到来方向推定を行い、質問器と応答器の距離が近い時には前記到来方向推定手段がアンテナの受信信号の位相を変化させることにより指向性をスイープさせて受信信号の強度を検知することにより電波の到来方向推定を行うことを特徴とする請求項５記載の質問器。
【請求項１７】
質問器と応答器の距離が離れているときには前記アンテナ順次移動手段が順次アンテナを移動し前記到来方向推定手段が前記受信信号記憶手段のすべてのベースバンド信号の相関行列または共分散行列を用いて電波の到来方向推定を行い、質問器と応答器の距離が近いときには前記アンテナ順次移動手段が順次アンテナを移動させて前記到来方向推定手段が受信信号の位相を変化させることにより指向性をスイープさせて受信信号の強度を検知することにより電波の到来方向推定を行うことを特徴とする請求項１記載の質問器。
【請求項１８】
前記アンテナ順次移動手段は、前記アンテナを等間隔に順次移動することを特徴とする請求項１、１５、１７のいずれかに記載の質問器。
【請求項１９】
前記発振器の出力を一時的に停止させる送信一次停止手段を有し、前記アンテナ順次移動手段がアンテナを順次移動させた後、前記到来方向推定手段が推定を行う直前に前記送信一次停止手段が送信を一次的に停止させることにより、前記応答器の前記個別データ記憶手段のデータ送出を初期化することを特徴とする請求項１記載の質問器。
【請求項２０】
応答器に、前記個別データ記憶手段のデータと交互に予め決められたパイロット信号または無変調信号を送出する共通パイロット信号送出手段を有し、前記質問器の前記到来方向推定手段が予め決められたパイロット信号を用いて電波の到来方向推定を行うことを特徴とする請求項４記載の電波到来方向推定装置。
【請求項２１】
アンテナと、固有の個別データを記憶する個別データ記憶手段と、前記個別データ記憶手段のデータと交互に予め決められたパイロット信号を送出する共通パイロット信号送出手段と、送信信号を発生する発振器と、前記個別データ記憶手段のデータをおよびパイロット信号を用いて前記送信信号を変調する変調器とを有することを特徴とする応答器。
【請求項２２】
質問器に、応答器の送信周波数をパイロット信号を用いて測定し前記発振器の周波数をその周波数に一致させるように調整を行うパイロット同期手段を有することを特徴とする質問器。
【請求項２３】
アンテナと、固有の個別データを記憶する個別データ記憶手段と、前記個別データ記憶手段のデータと交互に予め決められたパイロット信号を送出する共通パイロット信号送出手段と、送信信号を発生する発振器と、前記個別データ記憶手段のデータをおよびパイロット信号を用いて前記送信信号を変調する変調器とを有することを有する応答器と、
前記応答器の送信周波数をパイロット信号を用いて測定し前記発振器の周波数をその周波数に一致させるように調整を行うパイロット同期手段を少なくとも有する質問器と、からなる電波到来方向推定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主として、無線を用いたタグ、移動体識別システムなど質問器、応答器から構成されるシステムにおいて、応答器からの電波の到来方向を質問器にて正確に推定する電波到来方向推定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動体識別装置では、質問器と呼ばれる固定された送信装置周辺のエリア内に存在する、応答器がその固有のデータを送出して、質問器がその信号を受信することにより応答器を判別する。この場合、一般的に無線タグと呼ばれるような小さな応答器の場合、質問器から送出された電波を反射または吸収することにより質問器より送出された電波に対して振幅変調、または位相変調しデータを送出する。こうした移動体識別装置では、質問器のアンテナ指向性によりエリアを予め決定しておき、応答器がそのエリア内に入ってきた時に質問器よりの電波を検出した後データを送出するため、質問器では応答器が自エリア内に存在するかのみしか検知できない。応答器が、質問器の自エリア内においてどちらの方向に存在するかを検知するためには、電波の到来方向を推定する必要がある。
【０００３】
電波到来方向推定の方式の１つとしては、八木アンテナまたはパラボラアンテナの様な鋭い指向性を持つアンテナを物理的に回転させる方法がある。また他の方法としてはアレーアンテナを用いて高分解能到来方向推定アルゴリズムを用いる方法がある。これらの方式の場合、到来方向推定精度を向上させるためには、開口の大きなアンテナを用いる必要がある。この課題を解決する一つの方法として、アンテナ自体を物理的に移動させてデータを蓄積し、すべてのデータが揃った時点で到来方向推定を行うことにより、等価的にアレーアンテナの開口系を大きくし、測定精度向上を図ることが可能である。
【０００４】
しかし、アレーアンテナを用いて到来方向推定を行う方式において各アンテナブランチでの受信信号を同時にサンプリングして採取するのに対して、この方式の場合、同時にサンプリングをすることができないため、応答器からの電波の位相基準を質問器内に持ち、アンテナを動かす時間およびデータ採取時間における位相変化を質問器の内部で補正する必要がある。そして高精度を確保することは、この位相の補正がどの程度正確かに依存する。例えば、一般的に基準発振器として用いられる水晶発振器の精度を１ｐｐｍと仮定した場合、１ＧＨｚの電波では１秒間に１０００波長程度の位相不確定が生じ測定は不可能である。このためチャネルサウンダにおいては、送受信間の周波数を一致させるためルビジウム原子標準信号を用いて微調整を行っている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
関澤他著「仮想平面アレーを用いたマルチパス伝搬路の時空間特性測定システムの開発」電子情報通信学会論文誌２０００年９月　Ｖｏｌ．Ｊ８３−Ｂ　Ｎｏ．９　　ｐｐ．１３０３−１３１３
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、移動体識別装置、無線タグの応答器のような民生用機器にルビジウム原始標準信号を用いることはコストおよび消費電力の観点から非現実的であり、またすべての質問器と応答器間の間で微調整をすることは、経時変化の観点からも不可能である。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するものであり、無線を用いたタグ、移動体識別システムなどにおいて簡易な構成で、応答器からの電波の到来方向を推定する際に、質問器にてアンテナを移動させ測定した場合においても、高精度の発振源を必要とせずに正確に推定する質問器と応答器から構成される電波到来方向推定装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、送信信号を発生する発振器と、前記発振器の発生した信号を送出するアンテナと、前記アンテナを順次移動するアンテナ順次移動手段と、前記アンテナが受信した受信信号と前記送信信号とを分離する送受信信号分離手段と、前記発振器の発生する送信信号を用いて前記送受信信号分離手段の出力である受信信号をベースバンド信号に直交復調する直交復調手段と、前記アンテナ順次移動手段がアンテナを移動する毎に前記直交復調手段の出力であるベースバンド信号を記憶する受信信号記憶手段と、前記受信信号記憶手段の記憶する複数組のベースバンド信号を用いて受信信号の電波の到来方向を推定する到来方向推定手段とを有することを特徴とする質問器であり、また、前記質問器の送出する送信信号を受信するアンテナと、固有の個別データを記憶する個別データ記憶手段と、前記個別データ記憶手段の出力を用いて前記アンテナの受信信号を反射または吸収することにより変調する信号反射吸収手段を有し、前記アンテナが前記信号反射吸収手段の出力を送出することを特徴とする応答器である。
【０００９】
すなわち、質問器において直交復調を行うためのローカル信号として送信信号と同じ信号を用いて行うため、質問器の発振器が同時に応答器からの送信信号の位相基準となり両者に高精度な発振器を持たずに到来方向推定が可能となる。これにより、アンテナ順次移動手段がアンテナ素子を移動するか、移動手段がアレーアンテナを移動することにより、等価的に開口系の大きなアレーアンテナで到来方向推定が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図１から図７を用いて説明する。
【００１１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態による電波到来方向推定装置である。図において１００は質問器、１０１は応答器、１０２は発振器、１０３はアンテナ、１０４は送受信信号分離手段、１０５は直交復調手段、１０６は受信信号記憶手段、１０７は到来方向推定手段、１０８はアンテナ、１０９は信号反射吸収手段、１１０は個別データ記憶手段、１１１はアンテナ順次移動手段である。
【００１２】
以上のように構成された電波到来方向推定装置に関して、以下に説明する。質問器１００の発振器１０２は、送出する高周波信号を発生させ、送信信号は、アンテナ１０３より放射される。応答器１０１には、個別データ記憶手段１１０があり、これは例として読み出し専用メモリーまたは不揮発性メモリーおよびマイクロコンピュータによって構成され応答器１０１が複数存在する場合の各応答器固有のＩＤ番号等が記憶されている。信号吸収反射手段１０９は、アンテナ１０８より入射した質問器１００の送信信号を、終端条件を変えることにより反射したり、吸収したりする。この具体例としては、スイッチにより５０オームの抵抗およびグランドへショート状態（またはオープン状態）に切り替える様に構成した場合、５０オームに接合の場合には、信号は抵抗で熱として吸収され、ショート状態の場合には反射して、アンテナ１０８より空中へと再放射される。また、ダイオードのバイアス電流を変えるによってインピーダンスを変化させ、反射する信号の位相を変化させることも可能である。前者の場合は、振幅変調（ＡＳＫ）に相当し、後者の場合は位相変調（ＰＳＫ）に相当する。個別データ記憶手段１１０は、記憶されている固有ＩＤ番号等のデータに従い、信号反射吸収手段１０９のスイッチを切り替えることによって、データを送出することができる。例えば振幅変調により送出する場合には、２値で記述されたＩＤについて、値が１の場合は信号を反射、値が０の場合は吸収することにより実現できる。応答器１０１のアンテナ１０８より再放射された信号は、再び質問器１００のアンテナ１０３で受信される。アンテナ１０３で受信された信号は、送受信信号分離手段１０４により発振器１０２より発生された送信信号と分離され、直交復調手段１０５に入力される。送受信信号分離手段１０４は、例えばフェライト等を用いたサーキュレータにより実現される。サーキュレータによれば、送信信号は、発振器１０２からアンテナ方向、受信信号はアンテナ１０３から直交復調手段１０５へと、信号の進行方向により分離される。直交復調手段１０５は、受信信号に対し発振器１０２の信号をローカル信号として直交復調を行いベースバンド信号を得る。この場合、例えば振幅変調の場合１に相当するところで、同相成分（Ｉ成分）、直交成分（Ｑ成分）が復調され、０に相当するところでは、Ｉ成分、Ｑ成分は０となる。Ｉ成分、Ｑ成分はローカル信号と受信信号の相対位相差を表すことになる。受信信号記憶手段１０６は、予め定められたサンプル数のＩ成分、Ｑ成分のベースバンドを記憶しておく。次に、アンテナ順次移動手段１１１は、例えばレール上またはアンテナを保持したアームを動かすことによりアンテナを移動する。アンテナ順次移動手段１１１は、仮想的な直線アレーアンテナ、平面アレーアンテナ、円形アレーアンテナ等の素子の配置されているところに、アンテナを移動する。例えば、仮想アンテナが代表的な半波長間隔Ｍ素子アレーの場合には、アンテナを半波長ごとにＭ−１回動かし、その度に送信信号送出、受信、直交復調手段１０５、受信信号記憶手段１０６へのベースバンド信号の記憶が行われる。すなわち、Ｍ−１回アンテナを動かし、受信信号記憶手段１０６に最後のベースバンド信号が記憶された後には、受信信号記憶手段１０６には、Ｍ組のベースバンド信号が記憶されていることになる。この後、到来方向推定手段１０７は、到来方向推定アルゴリズムを用いて電波到来方向を推定することができる。到来方向推定アルゴリズムとしては、受信信号記憶手段１０６に蓄積された複数組のベースバンドＩ成分、Ｑ成分の位相情報から受信信号の位相を変化させて指向性をスイープさせる方法、すなわちフーリエ変換により最大受信方向を検知するフーリエ法、受信信号記憶手段１０６のベースバンド信号の相関行列または共分散行列の固有ベクトルから到来方向を推定するＭＵＳＩＣ法等を用いることができる。ＭＵＳＩＣ法については、例えば菊間信良著「アレーアンテナによる適応信号処理」科学技術出版（１９９８年刊）に詳述されているが、概略を述べれば、受信信号より得られた相関行列または共分散行列の固有ベクトルを求めることにより、雑音部分空間を求め、電波の到来方向に対応するステアリングベクトルと、雑音部分空間が直交することを利用して電波の到来方向を推定する方法である。なお、ここで用いるステアリングベクトルは、通常の到来方向の推定に用いる場合、発信源からアレーアンテナへ電波の進む方向は一方向であるのに対して、質問器、応答器を電波が往復し行路長が倍となることを考慮して、実際のアンテナ素子間隔の倍のアレーのステアリングベクトルを用いる。
【００１３】
また、到来方向推定の方法としては、次のような方法を採用することも可能である。質問器１００と応答器１０１の距離が離れているときには、アンテナ順次移動手段１１１が等間隔に順次アンテナを移動した後、到来方向推定手段１０７が受信信号記憶手段１０６のすべてのベースバンド信号の相関行列または共分散行列を用いて電波の到来方向推定を行い、質問器１００と応答器１０１の距離が近い時にはアンテナ順次移動手段１１１がより少ない回数で等間隔に順次アンテナ１０３を移動させた後、到来方向推定手段１０７が電波の到来方向推定する。
【００１４】
これは質問器１００と応答器１０１の間隔が十分離れているときには、電磁波は遠方界となっているため到来方向と各アレー受信信号の位相関係は、ステアリングベクトルで表される関係が厳密に成り立つが、応答器１０１が質問器１００の等価的なアレーに近づくにつれてこの関係が厳密でなくなり、推定誤差が大きくなる。この影響を減少させるためにアンテナの移動回数を減らすことにより、等価的なアレーアンテナの素子数を減らし、誤長を減少させる。
【００１５】
また、応答器１０１の位置推定精度は、質問器１００、応答器１０１間距離と角度推定精度に依存するので、質問器１００、応答器１０１が遠い程には角度推定精度が要求される。また、ＭＵＳＩＣ法はフーリエ法に比較して、推定精度は高いが処理量が多い。この観点から、質問器１００と応答器１０１の距離が離れているときには、アンテナ順次移動手段１１１がアンテナを移動することにより得られた等価的アレーアンテナすべてについて、到来方向推定手段１０７が受信信号記憶手段１０６のすべてのベースバンド信号の相関行列または共分散行列を用いてＭＵＳＩＣにより電波の到来方向推定を行い、質問器１００と応答器１０１の距離が近い時には、アンテナ順次移動手段１１１が上記と同回数か少ない回数でアンテナ１０３を移動させた後、到来方向推定手段１０７がすべての受信信号の位相を変化させることにより指向性をスイープさせて受信信号の強度を検知するフーリエ法により電波の到来方向推定を行うことにより、処理量の観点から最適な電波の到来方向推定を行うことが可能となる。
【００１６】
以上のように本実施の形態によれば、アンテナ逐次移動手段によりアンテナを移動したときでも、内部の発振器をローカルとして用いることにより、ローカル信号を位相基準とすることができるので、高精度な基準信号を用いることなく、アレーアンテナと同様に精度良く電波の到来方向を推定することができる。
【００１７】
なお、本実施の形態では、アンテナの移動にアンテナ順次移動手段１１１を用いたが、実施の形態２における移動手段２１３などのような移動手段を用いてもよい。
【００１８】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態による発明の構成を示す図である。図において、２００は質問器、２０１は応答器、２０２は発振器、２０３は第１のアンテナ、２０４は第１の送受信信号分離手段、２０５は第１の直交復調手段、２０６は第Ｎのアンテナ、２０７は第Ｎの直交復調手段、２０８受信信号記憶手段、２０９は到来方向推定手段、２１０はアンテナ、２１１は信号反射手段、２１２は個別データ記憶手段、２１３は移動手段である。
【００１９】
以上のように構成された電波到来方向推定装置について、以下に説明する。
質問器の発振器２０２は、送出する高周波信号を発生させ、送信信号は第１のアンテナ２０３より空間に放射される。２０１の応答器を構成する２１０のアンテナ、２１１の信号反射吸収手段、２１２の個別データ記憶手段は、実施の形態１に記載の応答器１０１のアンテナ１０８、信号反射吸収手段１０９、個別データ記憶手段１１０と同様の動作を行う。応答器２０１のアンテナ２１０より再放射された信号は、アレーアンテナの数がＮである時に、質問器２００の第１のアンテナ２０３から第Ｎのアンテナ２０６で受信される。第１のアンテナ２０３から第Ｎのアンテナ２０６まで受信された信号は、第１のアンテナの受信信号は送受信信号分離手段２０４により発振器２０２より発生された送信信号と分離され、Ｎ−１個のアンテナの受信信号とともに、それぞれ第１の直交復調手段２０５から第Ｎの直交復調手段２０７に入力される。Ｎ個の直交復調器のローカル信号は、発振器２０２の出力を分配して同相になるように入力している。Ｎ個の直交復調手段の出力はそれぞれ、ベースバンド信号の同相成分（Ｉ成分）、直交成分（Ｑ成分）として出力され、受信信号記憶手段２０８に記憶される。到来方向推定手段２０９が推定する推定結果が予め規定される値より悪い場合には、移動手段２１３によりアレーアンテナがアレーアンテナ素子の並ぶ方向に移動し、改めて受信信号記憶手段２０８のベースバンド信号と直交復調手段２０５の出力であるベースバンド信号を用いて前記到来方向推定手段２０９が電波の到来方向を推定する。推定結果の判定は例えば、複数回の推定結果に対して推定結果の標準偏差を導出し標準偏差が規定値より大きい場合はアレーアンテナがアレーアンテナ素子の並ぶ方向に移動することにより開口系が等価的に増大することにより、より高い精度が得られる。標準偏差が規定値以内であれば、所望の精度が得られたとして１回目の推定結果を用いる。質問器２００が移動する移動時間における位相変化は、質問器２００が直交復調手段のローカル信号信号として、発振器の出力である送信信号を用いているため、ローカル信号を位相の基準として用いることができるため、質問器と応答器での周波数の厳密な調整は必要ない。
【００２０】
また、到来方向推定の方法としては、次のような方法を採用することも可能である。質問器２００と応答器２０１の距離が離れているときには、到来方向推定手段２０９がアレーアンテナすべて（第１のアンテナ２０３から第Ｎのアンテナ２０６まで）のベースバンド信号の相関行列または共分散行列を用いて電波の到来方向推定を行い、質問器２００と応答器２０１の距離が近い時に、到来方向推定手段２０９が一部のアレーアンテナの受信信号に対応するベースバンド信号を用いて電波の到来方向推定する。これは質問器２００と応答器２０１の間隔が十分離れているときには、電磁波は遠方界となっているため到来方向と各アレー受信信号の位相関係は、ステアリングベクトルで表される関係が厳密に成り立つが、応答器が質問器の等価的なアレーに近づくにつれてこの関係が厳密でなくなり、推定誤差が大きくなる。この影響を減少させるために到来方向推定に用いるアンテナ素子数を減らすことにより、誤差を減少させる。
【００２１】
また、応答器２０１の位置推定精度は、質問器２００、応答器間距離と角度推定精度に依存するので、質問器２００、応答器２０１が遠い程には角度推定精度が要求される。また、ＭＵＳＩＣ法はフーリエ法に比較して、推定精度は高いが処理量が多い。この観点から、質問器２００と応答器２０１の距離が離れているときには、アレーアンテナすべてについて、到来方向推定手段２０９がすべてのベースバンド信号の相関行列または共分散行列を用いてＭＵＳＩＣにより電波の到来方向推定を行い、質問器２００と応答器２０１の距離が近い時には、到来方向推定手段２０９がアレーアンテナのすべてまたは一部の受信信号の位相を変化させることにより指向性をスイープさせて受信信号の強度を検知するフーリエ法により電波の到来方向推定を行うことにより、処理量の観点から最適な電波の到来方向推定を行うことが可能となる。
【００２２】
以上のように本実施の形態による発明によれば、アレーアンテナを移動手段により移動し等価的な開口系を大きくとれることから、電波の到来方向推定精度が向上し、かつ直交復調器のローカル信号として発振器の送信信号を用いることができるため、これを位相基準として用いることができるため、質問器、応答器の周波数を厳密に調整することなく電波の到来方向推定が可能となる。
【００２３】
（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施の形態による発明の構成を示す図である。図において、３００は質問器、３０１は応答器、３０２は発振器、３０３はＮ素子直線アレーアンテナ、３０４は送受信信号分離手段、３０５ａは第１の直交復調手段、３０５ｂは第２の直交復調手段、３０５ｃは第３の直交復調手段、３０７は受信信号記憶手段、３０８は到来方向推定手段、３０９はアンテナ、３１０は信号反射吸収手段、３１１は個別データ記憶手段である。
【００２４】
以上のように構成された電波到来方向推定装置について、以下に説明する。
【００２５】
質問器３００の発振器３０２は、送出する高周波信号を発生させ、送信信号は直線アレーアンテナ３０３のうち送受信信号分離手段３０４に接続されたアンテナ素子より空間に放射される。３０１の応答器を構成する３０９のアンテナ、３１０の信号反射吸収手段、３１１の個別データ記憶手段は、実施の形態１に記載の応答器１０１のアンテナ１０８、信号反射吸収手段１０９、個別データ記憶手段１１０と同様の動作を行う。応答器３０１のアンテナ３０９より再放射された信号は、質問器３００の直線アレーアンテナ３０３で受信される。ここでは、アレーアンテナの素子数を仮に３として説明するが、一般的なＮ素子アレーでも動作は同様である。受信された信号は、送受信信号分離手段３０４により発振器３０２より発生された送信信号と分離され、他の２個のアンテナでの受信信号とともにそれぞれ第１の直交復調手段３０５ａ、第２の直交復調手段３０５ｂ、第３の直交復調手段３０５ｃに入力される。３個の直交復調手段のローカル信号は、発振器３０２の出力を分配して同相になるように入力している。３個の直交復調手段の出力はそれぞれ、ベースバンド信号の同相成分（Ｉ成分）、直交成分（Ｑ成分）として出力され、受信信号記憶手段３０７に記憶される。ここで、予め定められたサンプル数のベースバンド信号が受信信号記憶手段３０７に記憶された段階で、直線アレーアンテナ３０３に設置された移動手段３１３が直線アレーアンテナ３０３のアレーアンテナ素子が並ぶ方向と直角に、決められた間隔移動させる。代表的な例として、直線アレーアンテナ３０３が半波長間隔に素子が並べられているときに、移動距離も半波長とする。直線アレーアンテナ３０３の移動が終了した段階で、再び信号を送出し、直交復調し、受信信号記憶手段３０７にベースバンド信号を記憶する、アンテナの移動を一組の処理として行う。この一組を処理を予め定められた回数を続けて行う。代表的な例では直線アレーアンテナ３０３の素子数がＮであるならば、Ｎ回の処理を行う。この後に到来方向推定手段３０８は、到来方向推定アルゴリズムを用いて、電波の到来方向推定を行う。これにより、本発明は直線アレーアンテナを、アレーアンテナ素子の並ぶ方向と直角に移動させることにより、等価的に２次元に配置された平面アレーアンテナを形成することができ、２次元の到来方向推定が可能となる。先の代表的な例においては、Ｎ×Ｎ素子平面アレーアンテナが等価的に形成される。
【００２６】
以上のように本実施の形態によれば、直線アレーアンテナを移動手段が移動させることにより、２次元の到来方向が正確に行え、かつ直交復調器のローカル信号として発振器の送信信号を用いることができるため、これを位相基準として用いることができるため、質問器、応答器の周波数を厳密に調整することなく電波の到来方向推定が可能となる。
【００２７】
（実施の形態４）
図４は本発明の第４の実施の形態による発明の構成を示す図である。図において、４００は質問器、４０１は応答器、４０２は発振器、４０３はアンテナ、４０４はアンテナ順次移動手段、４０５は送受信信号分離手段、４０６は拡散変調手段、４０７は直交復調手段、４０８は逆拡散手段、４０９は受信信号記憶手段、４１０は到来方向推定手段、４１１は信号反射吸収手段、４１２は個別データ記憶手段、４１３はアンテナ、４１４は応答器距離推定手段である。
【００２８】
以上のように構成された電波到来方向推定装置について以下に説明する。
【００２９】
質問器４００の発振器４０２は、送出する高周波信号を発生させ、拡散変調手段４０６は、疑似雑音信号（ＰＮ符号）を用いて、送信信号に対してスペクトル拡散変調を行う。スペクトル拡散された送信信号は第１のアンテナ４０３より空間に放射される。４０１の応答器を構成する４１０のアンテナ、４１１の信号反射吸収手段、４１２の個別データ記憶手段は、実施の形態１に記載の応答器１０１のアンテナ１０８、信号反射吸収手段１０９、個別データ記憶手段１１０と同様の動作を行う。この場合、応答器４０１は通常の質問器送信信号に対してと同様に、アンテナ４１３より受信されたスペクトル拡散変調された質問器信号に対して、信号反射吸収手段４１１が反射、吸収を行うことにより、個別データ記憶手段４１２に記憶された個別データに基づいた変調をかけ、アンテナ４１３から空中に送出される。
【００３０】
質問器４００では、アンテナ４０３により応答器４０１からの変調信号を受信し、送受信信号分離手段４０５により、受信信号のみ直交復調手段４０８に入力され、出力としてベースバンドＩ成分、Ｑ成分を得る。逆拡散手段４０８では拡散変調手段４０６で用いた疑似雑音符号の系列と同じものを用いて逆拡散を行う。一般のスペクトル拡散のシステムと異なり逆拡散するための疑似雑音符号は予め分かっているので、符号を時間シフトさせて相関が最大となるところを見つければよい。拡散変調手段４０６での符号生成時間と、逆拡散手段４０８での相関が最大となる時間の差は、質問器４００と応答器４０１の間を電波が往復して伝搬する時間すなわち、見通し伝搬環境においては質問器４００と応答器４０１の距離の２倍を伝搬する時間となる。実伝搬環境においては、複数の伝搬パスが存在するが符号をシフトさせたときの最初の大きな相関が得られる伝搬パスを主パスすなわち直接波に近い伝搬パスと見なす。これらより、応答器距離推定手段４１４は、主パスの伝搬時間から質問器４００と応答器４０１の距離を推定する。受信信号記憶手段４０９は、予め定められたサンプル数のＩ成分、Ｑ成分のベースバンドを記憶しておく。次に、アンテナ順次移動手段４０４は、例えばレール上またはアンテナを保持したアームを動かすことによりアンテナを移動する。アンテナ順次移動手段４０４は、仮想的な直線アレーアンテナ、平面アレーアンテナ、円形アレーアンテナ等の素子の配置されているところに、アンテナを移動する。例えば、仮想アンテナが代表的な半波長間隔Ｍ素子アレーの場合には、アンテナを半波長ごとにＭ−１回動かし、その度に送信信号送出、受信、直交復調手段４０７、受信信号記憶手段４０９へのベースバンド信号の記憶が行われる。すなわち、Ｍ−１回アンテナを動かし、受信信号記憶手段４０９に最後のベースバンド信号が記憶された後には、受信信号記憶手段４０９には、Ｍ組のベースバンド信号が記憶されていることになる。この後、到来方向推定手段４１０は、到来方向推定アルゴリズムを用いて電波到来方向を推定することができる。
【００３１】
以上のように本実施の形態によれば、応答器の位置を特定するために、応答器の距離および方向を推定するシステムにおいて、応答器距離推定手段が、距離推定をスペクトル拡散の符号と逆拡散の最大相関の時間差を用いて推定し、方向を推定する場合に、アンテナ逐次移動手段によりアンテナを移動したときでも、内部の発振器をローカルとして用いることにより、ローカル信号を位相基準とすることができるので、高精度な基準信号を用いることなく、アレーアンテナと同様に精度良く電波の到来方向を推定することができる。
【００３２】
（実施の形態５）
図５は本発明の第５の実施の形態による発明の構成を示す図である。図において、５００は質問器、５０１は応答器、５０２は発振器、５０３はアンテナ、５０４は送受信信号分離手段、５０５は直交復調手段、５０６は受信信号記憶手段、５０７は到来方向推定手段、５０８はアンテナ、５０９は信号反射吸収手段、５１０は個別データ記憶手段、５１２は帯域通過フィルタ、５１３はサブキャリア直交復調手段である。
【００３３】
以上のように構成された電波到来方向推定装置に関して、以下に説明する。質問器５００の発振器５０２は、送出する高周波信号を発生させ、送信信号は、アンテナ５０３より放射される。応答器５０１には、個別データ記憶手段５１０があり、これは例として読み出し専用メモリーまたは不揮発性メモリーおよびマイコンによって構成され応答器５０１が複数存在する場合の各応答器固有のＩＤ番号等が記憶されている。サブキャリア変調手段５０９は質問器５００の送信信号の周波数より低く、ベースバンド信号の最高周波数成分より高いサブキャリア周波数を発生させ、それに対して個別データ記憶手段５１０の出力で変調をかける。信号吸収反射手段５０９は、アンテナ５０８より入射した質問器５００の送信信号を、終端条件を変えることにより反射したり、吸収したりするが、これはサブキャリア変調手段５１１の出力に対して行われる。サブキャリア変調手段５１１により変調された信号は、アンテナ５０８より空間に送出される。質問器５００では、アンテナ５０３により応答器５０１からの変調信号を受信し、送受信信号分離手段５０５により、受信信号のみ直交復調手段５０８に入力され、出力としてベースバンドＩ成分、Ｑ成分を得る。このベースバンド信号に含まれる周波数成分は、直流成分と応答器５０１でサブキャリア変調された中心周波数がサブキャリア周波数となる成分である。直流成分は、応答器５０１からではない反射成分および送受信信号分離手段５０４で分離できない残留した送信信号である。応答器５０１からではない反射成分は、応答器周辺の建物、壁等の反射が主となり、送信信号の残留成分はサーキュレータ等の実際の部品のアイソレーションの性能による物である。これらは、応答器５０１でサブキャリア変調を行わない場合には、応答器５０１からの変調信号に乗重されるためベースバンドＩ成分、Ｑ成分に誤差を与える。サブキャリア変調された信号は、これら誤差要因となる信号が直流成分であるのに対して、サブキャリア周波数だけ離れているため、サブキャリア周波数を通過させる帯域通過フィルタ５１２により、誤差要因を除去できる。サブキャリア信号は、サブキャリア直交復調手段５１３によりベースバンド信号となり、受信信号記憶手段５０６は、予め定められたサンプル数のＩ成分、Ｑ成分のベースバンドを記憶しておく。次に、アンテナ順次移動手段５１０は、例えばレール上またはアンテナを保持したアームを動かすことによりアンテナを移動する。アンテナ順次移動手段５１０は、仮想的な直線アレーアンテナ、平面アレーアンテナ、円形アレーアンテナ等の素子の配置されているところに、アンテナを移動する。例えば、仮想アンテナが代表的な半波長間隔Ｍ素子アレーの場合には、アンテナを半波長ごとにＭ−１回動かし、その度に送信信号送出、受信、直交復調手段５０５、受信信号記憶手段５０６へのベースバンド信号の記憶が行われる。すなわち、Ｍ−１回アンテナを動かし、受信信号記憶手段５０６に最後のベースバンド信号が記憶された後には、受信信号記憶手段５０６には、Ｍ組のベースバンド信号が記憶されていることになる。この後、到来方向推定手段５０７は、到来方向推定アルゴリズムを用いて電波到来方向を推定することができる。
【００３４】
以上のように本実施の形態によれば，応答器にサブキャリア変調手段を有し周波数を変換するため、周辺の反射物からの反射波や質問器の送信信号の漏れ込みによる位相・振幅の誤差を質問器の帯域通過フィルタにより除去でき、方向を推定する場合に、アンテナ逐次移動手段によりアンテナを移動したときでも、内部の発振器をローカルとして用いることにより、ローカル信号を位相基準とすることができるので、高精度な基準信号を用いることなく、アレーアンテナと同様に精度良く電波の到来方向を推定することができる。
【００３５】
（実施の形態６）
図６は本発明の第６の実施の形態による発明の構成を示す図である。図において６００は質問器、６０１は応答器、６０２は発振器、６０３はアンテナ、６０４は送受信信号分離手段、６０５は直交復調手段、６０６は受信信号記憶手段、６０７は到来方向推定手段、６０８はアンテナ、６０９は信号反射吸収手段、６１０は個別データ記憶手段、６１１はアンテナ順次移動手段、６１２は送信一次停止手段、６１３は共通パイロット信号送出手段である。
【００３６】
以上のように構成された電波到来方向推定装置に関して、以下に説明する。
送信一次停止手段６１２および共通パイロット信号送出手段６１３以外の構成要素は実施の形態１に示す構成要素と同じ動作をする。すなわち、６０２の発振器は１０２の発振器、６０３のアンテナは１０３のアンテナ、６０４の送受信信号分離手段は１０４の送受信信号分離手段、６０５の直交復調手段は１０５の直交復調手段、６０６の受信信号記憶手段は１０６の受信信号記憶手段、６０７の到来方向推定手段は１０７の到来方向推定手段、６０８のアンテナは１０８のアンテナ、６０９の信号反射吸収手段は１０９の信号反射吸収手段、６１０の個別データ記憶手段は１１０の個別データ記憶手段、６１１のアンテナ順次移動手段は１１１のアンテナ順次移動手段である。
【００３７】
質問器６００の発振器６０２は、送出する高周波信号を発生させ、送信信号はアンテナ６０３より放射される。応答器６０１には、個別データ記憶手段６１０があり、応答器６０１が複数存在する場合の各応答器固有のＩＤ番号等が記憶されている。また、共通パイロット信号送出手段６１３は、個別データ記憶手段６１０のデータと交互に予め決められたパイロット信号または無変調信号を送出する。これらの個別データおよびパイロット信号は交互に、信号吸収反射手段６０９によりアンテナ６０８より入射した質問器６００の送信信号を、終端条件を変えることにより反射したり、吸収したりする。特に、応答器６０１より送出される信号が、位相変調信号（ＰＳＫ）である場合、反射するデータを構成する各シンボルの値により質問器６００の到来方向推定手段６０７が電波の到来方向を推定するために必要なの位相が不確定となるため、アンテナ順次移動手段６１１によりアンテナが移動して受信して得たベースバンド信号は、質問器６００の到来方向推定手段６０７においてすべてシンボルを合わせる必要がある。これに対して、応答器６０１より送出される予め定められたパイロット信号の部分を、アンテナが移動した時のすべての受信信号について用いて到来方向推定を行えば、この不確定性を除去することができる。
【００３８】
一方、送信一次停止手段６１２は、アンテナ順次移動手段６１１がアンテナを順次移動させ後、発振器６０２の出力を一時的に停止させ、一次的に停止させることにより応答器６０１の前個別データ記憶手段６１０のデータ送出を初期化し、すべてのベースバンド信号が採取された後、到来方向推定手段６０７が推定を行う。これは、応答器６０１は質問器６００より送出した送信信号を検出したとき、応答器６０１が質問器６００のエリア内に入ったとして、個別データ記憶手段６１０の個別データを送出する。すなわち、質問器６００の送信一次停止手段６１２が一時的に送信信号の送出を停止した後、送出を再開したとき、応答器６０１は新たに質問器６００のエリアに入ったと見なして、初期化され個別データを送出する。アンテナ順次移動手段６１１がアンテナを移動させた後、質問器６００の送信信号の停止、再開を行うことにより応答器６０１より常に同じデータが送出されるため、これを用いて到来方向推定手段６０７が電波の到来方向推定を行えば、位相の不確定性は除去される。
【００３９】
なお、送信一次停止手段６１２および共通パイロット信号送出手段６１３は、両者が備えられていても、どちらか片方が備えられていてもよい。
【００４０】
以上のように、実施の形態の発明によれば、位相変調（ＰＳＫ）のような変調方式を用いた場合、データの内容により位相が不確定になり得る場合にも、送信一次停止手段、共通パイロット信号送出手段を用いることにより位相の不確定性を除去し、アンテナ逐次移動手段によりアンテナを移動したときでも、内部の発振器をローカルとして用いることにより、ローカル信号を位相基準とすることができるので、高精度な基準信号を用いることなく、アレーアンテナと同様に精度良く電波の到来方向を推定することができる。
【００４１】
（実施の形態７）
図７は本発明の第６の実施の形態による発明の構成を示す図である。図において７００は質問器、７０１は応答器、７０２は発振器、７０３はアンテナ、７０４は送受信信号分離手段、７０５は直交復調手段、７０６は受信信号記憶手段、７０７は到来方向推定手段、７０８はアンテナ、７０９は変調器、７１０は個別データ記憶手段、７１１はアンテナ順次移動手段、７１３は共通パイロット信号送出手段、７１４は発振器、７１５はパイロット同期手段である。
【００４２】
以上のように構成された電波到来方向推定装置に関して、以下に説明する。
【００４３】
応答器７０１において、個別データ記憶手段７１０および共通パイロット信号送出手段７１３は、固有の個別データと交互に予め決められたパイロット信号共通パイロット信号を送出するために、発振器７１４の送信周波数信号に対して、変調器７０９により変調をかけ、７０８のアンテナより送出する。質問器７００では、アンテナ７０３により応答器７０１からの送信信号を受信した後、応答器７０１の送信信号と同じ周波数を発生する発振器７０２の信号をローカル信号として用い、直交復調手段７０５によりベースバンド信号を得る。厳密には、質問器７００と応答器７０１の周波数は異なるため、質問器７００ではパイロット同期手段７１５がパイロット信号より周波数を厳密に検出して、周波数基準として発振器７０２を調整する。以降、アンテナ順次移動手段７１１がアンテナを順次移動させ、ベースバンド信号を受信信号記憶手段７０６に記憶し、アンテナ移動終了後、到来方向推定手段７０７が電波の到来方向を推定する。
【００４４】
以上のように本発明の実施に形態によれば、アンテナ順次移動手段がアンテナを移動した際にも、パイロット同期手段により周波数の一致がなされるため、高精度な基準信号を用いることなく、アレーアンテナと同様に精度良く電波の到来方向を推定することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明では、質問器の発振器が同時に応答器からの送信信号の位相基準となり両者に高精度な発振器を持たずに到来方向推定ができるという効果を有し、アンテナ素子を移動するか、アレーアンテナを移動することにより、等価的に開口系の大きなアレーアンテナで到来方向推定ができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による電波到来方向推定装置の構成を示す図
【図２】本発明の第２の実施の形態による電波到来方向推定装置の構成を示す図
【図３】本発明の第３の実施の形態による電波到来方向推定装置の構成を示す図
【図４】本発明の第４の実施の形態による電波到来方向推定装置の構成を示す図
【図５】本発明の第５の実施の形態による電波到来方向推定装置の構成を示す図
【図６】本発明の第６の実施の形態による電波到来方向推定装置の構成を示す図
【図７】本発明の第７の実施の形態による電波到来方向推定装置の構成を示す図
【符号の説明】
１００　質問器
１０１　応答器
１０２　発振器
１０３　アンテナ
１０４　送受信信号分離手段
１０５　直交復調手段
１０６　受信信号記憶手段
１０７　到来方向推定手段
１０８　アンテナ
１０９　信号反射吸収手段
１１０　個別データ記憶手段
１１１　アンテナ順次移動手段
２０３　第１のアンテナ
２０４　第１の送受信信号分離手段
２０５　第１の直交復調手段
２０６　第Ｎのアンテナ
２０７　第Ｎの直交復調手段
３０３　Ｎ素子直線アレーアンテナ
４０６　拡散変調手段
４０８　逆拡散手段
５１２　帯域通過フィルタ
５１３　サブキャリア直交復調手段
６１３　共通パイロット信号送出手段
７１５　パイロット同期手段
【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】
2004108816.tif 000007
【図６】
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【図７】
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