(57)【要約】【課題】安価な計時装置を使って無線端末の位置を計測したり、精度の高い位置計測を行える位置検出装置を得る。【解決手段】電波を発信する発信端末１０と、発信された電波を受信する受信端末２０を持ち、発信端末は発信する電波を時間的に変化させるとともに、受信端末は、発信端末の発信電波と同じタイミングで変化を開始し発信端末の発信電波より少ない変化率を持つ参照電波と、発信端末からの受信電波を比較し、同一変化量になるまでの時間により、発信端末と受信端末間の距離を測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波を発信する発信端末と、発信された電波を受信する受信端末を持ち、発信端末は発信する電波を時間的に変化させるとともに、受信端末は、発信端末の発信電波と同じタイミングで変化を開始し発信端末の発信電波より少ない変化率を持つ参照電波と、発信端末からの受信電波を比較し、同一変化量になるまでの時間により、発信端末と受信端末間の距離を測定することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
発信端末と受信端末を同一無線端末内に置き、発信端末から発信電波を出し、距離を測定したい物体から反射して戻ってくる電波を受信端末が受信し、参照電波と受信電波とから測定された時間の半分の時間より無線端末と測定物体間の距離を測定することを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
【請求項３】
発信端末と受信端末を同一無線端末内に置き、距離を測定したい位置に無線応答端末を置き、発信端末から発信電波を出し、発信端末からの電波を受信した無線応答端末は同じ変化率を持つ別の電波を発信し、無線応答端末の電波を受信端末が受信し、参照電波と受信電波とから測定された時間より無線端末と無線応答端末間の距離を測定することを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
【請求項４】
位置情報の明確な受信端末を３箇所以上持ち、発信端末と３箇所以上の受信端末から得られるそれぞれの距離情報から発信端末の位置を３次元的に測定できることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
【請求項５】
位置情報の明確な発信端末を３箇所以上持ち、３箇所以上の発信端末と受信端末から得られるそれぞれの距離情報から受信端末の位置を３次元的に測定できることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
【請求項６】
位置情報の明確な３箇所の受信端末と、発信端末からの電波を受けて自らも電波を出す位置情報の明確な位置基準端末を持ち、位置基準端末は発信端末からの電波を受信するとすぐに、変化率を発信端末より大きくした電波を出し、３箇所の受信端末は発信端末からの電波を受信すると計時を始め、位置基準端末からの電波の変化量と発信端末からの電波の変化量が一致する時点までを計時することにより、参照電波を内部的に作り出すこと無く、位置基準端末の位置と、３箇所の受信端末の位置を基準として、発信端末の位置を求められるようにしたことを特徴とする請求項４記載の位置検出装置。
【請求項７】
受信端末が間欠的な受信を行う装置においては、発信電波に与える変化に一次関数や、正弦波等の三角関数などを使い、受信端末での離散的な受信測定値を元に正確な変化を計算により求め、間欠的な受信間隔間のデータを補完する計算システムを持つことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の位置検出装置。
【請求項８】
複数の発信端末を取り扱うために、発信端末が出す電波に発信端末を識別する信号を対にして出すようにし、受信端末にて個々の発信端末対応に位置検出できるようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、無線端末より出される電波を元に無線端末の位置を検出する位置検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電波信号を利用した位置検出は、電波の伝播時間の差を利用しており、所定周波数の電波信号を発する移動型送信機と、異なる位置に配置されて前記電波信号を受信する受信機を備える少なくとも４個の固定無線局と、少なくとも１個の基地局とを有し、前記電波信号をそれぞれの固定無線局の受信機が受信した後、前記基地局に伝え、前記移動型送信機から各固定無線局までの電波の伝播時間の差を測定し、該測定値から前記移動型無線機の位置を３次元的に算出するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１００００５号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の電波信号を利用した位置検出装置は以上のように構成されているので、電波の発信局と受信局間の電波の伝播時間の差から発信局と受信局間の距離を求めており、例えば１ｃｍの距離を測定するためには、電波の伝播速度が約３０万ｋｍ／秒であることより、
０.３３３×１０−１０秒（３０ＧＨｚの周波数計測に相当）の時間差を測定できる時計が必要であり、これを正確に測定するには、例えばルビジウム発信器を用いた時計、恒温槽に入れた水晶発信器、原子時計などの高価な計時装置が必要であることや、もし計時装置の精度が高くない場合には誤差の多い計測になってしまうなどの問題点があった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、安価な計時装置を使って無線端末の位置を計測したり、より精度の高い位置計測を行える位置検出装置を得ることを目的とする。
また、複数の無線端末の位置を測定できるよう、無線端末が出す位置測定電波に無線端末を識別する信号を対にして出すようにし、複数無線端末にも対応できることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る位置検出装置は、電波を発信する発信端末と、発信された電波を受信する受信端末を持ち、たとえば、発信端末が発信する電波の周波数を時間的に直線的に増加させるとともに、受信端末は、発信端末の電波発信と同じタイミングで周波数の変化を開始し発信端末の発信電波より少ない変化率で周波数を増加させる参照電波を内部的に発生させ、発信端末からの受信電波と参照電波双方の周波数変化量を比較し、両者が同一変化量になるまでの時間を測定し、この時間が発信端末と受信端末間の距離に比例することを利用して両端末間の距離を測定するものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、距離を測定するための時間差を単なる電波の伝播時間差ではなく、伝播時間差による伝達遅れと、参照電波と受信電波の変化率の差から発生する参照電波と受信電波の変化量が一致するまでの時間を利用することにより、距離に比例する時間差を大きくとれるように構成したので、安価な計時装置でも精度の高い測定ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における位置検出装置を示すシステム構成図、図２はこの発明の実施の形態１における位置検出装置の動作を説明するための説明図である。
図１において、位置検出装置は発信端末１０と受信端末２０とで構成される。発信端末１０は、周波数が時間的、直線的に変化する電波が生成される送信電波発信回路１１と、生成された電波をアンテナから発射できる状態にする送信回路１２と、電波を送信する送信アンテナ１３とから構成され、受信端末２０に向け電波が発射される。一方、受信端末２０は、送信端末１０からの電波を受信する受信アンテナ２１と、受信した電波から必要な情報を取り出せる状態にする受信回路２２と、受信回路２２で取り出された受信電波信号２３と、送信電波発信回路１１で生成される電波と発生タイミングを合わせ、かつ、発信電波周波数の変化率を少なくした参照電波発信回路２４と、受信電波信号２３と参照電波発信回路２４からの参照電波信号の周波数の変化量が一致するタイミングを計測する信号比較回路２５と、信号比較回路２５の一致信号までの時間を計測する時間計測回路２６と、時間計測回路２６で計測された時間より発信端末１０と受信端末２０の間の距離を演算する距離演算回路２７とから構成され、発信端末１０からの電波を受信するたびに発信端末との距離を演算する。
【０００９】
次に動作について図２を用いて説明する。図２は縦軸に周波数、横軸に時間を示す。発信端末１０から出される電波は、図２の発信端末での発信電波の周波数変化３１に示されるように、発信端末１０での電波発信開始時刻３０を基準に周波数が直線的に変わる状態で発信される。この信号は受信端末２０では、発信端末１０と受信端末２０間の距離と電波の伝播速度から求まる遅延時間Ｔ１(受信伝播遅れ３２)だけ遅れて受信され、受信端末２０での電波受信開始時刻３３を基準に受信電波の周波数変化３４で表される形になる。一方、受信端末２０内の参照電波は発信端末１０での電波発信開始時刻３０を基準に参照電波の周波数変化３５で表される形で生成される。受信端末２０内で受信電波の周波数変化３４は参照電波の周波数変化３５を追いかける形で変化し、所定時間Ｔ２(発信後変化量一致時間３７)後に参照電波と受信電波の変化量一致時刻３６となり、両者の周波数変化量は一致する。所定時間Ｔ２(３７)と遅延時間Ｔ１(３２)は比例しており、所定時間Ｔ２(３７)は遅延時間Ｔ１(３２)より大きな値であり、所定時間Ｔ２(発信後変化量一致時間３７)を測定することで発信端末１０と受信端末２０間の距離を遅延時間Ｔ１(３２)の場合より、より高い精度で測定することが可能になる。もしくは、遅延時間Ｔ１(３２)では測定できない程度の分解能の計時装置でも、より大きな値である所定時間Ｔ２(発信後変化量一致時間３７)では測定が可能になり、分解能性能の低い安価な計時装置を使った位置検出装置を得ることができる。
【００１０】
また、発信端末１０から出される電波は適当な間隔で繰り返し出されるように設定することにより、常に最新の発信端末１０の位置を検出するように構成することが可能である。
【００１１】
なお、ここでは信号の変化を発信電波の周波数を変えることで示したが、発信電波の振幅や位相を変えることでもよく、またこれらを組み合わせて変化させてもよい。
【００１２】
更には発信電波そのものを変えるのではなく、発信電波に別の信号を重畳させる変調波方式でもよく、変調に使う信号の周波数、振幅、位相、あるいはこれらを組み合わせたものを変化させてもよい。
【００１３】
信号の変化のさせ方には、ここでは１次関数での変化を示したが、２次関数など数式で表される変化であればどのような方式でも良い。
【００１４】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２における位置検出装置を示すシステム構成図である。なお、図中、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。
上記実施の形態１では、発信端末１０と受信端末２０間の距離を測定する場合について説明したが、この実施の形態２においては、図３に示すように、発信端末１０と受信端末２０を同一無線端末１３０内に置き、発信端末１０から電波を出し、距離を測定したい物体１４０から反射して戻ってくる電波を受信端末２０が受信し、参照電波発信回路２４の参照電波と受信電波信号２３の信号変化量が一致する時間から無線端末１３０と物体１４０間の距離を測定することができる。このようにすることにより、送信電波発信回路１１と参照電波発信回路２４のタイミング合わせを容易に行うことができる。
【００１５】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３における位置検出装置を示すシステム構成図である。なお、図中、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。
この実施の形態３においては、図４に示すように、発信端末１０と受信端末２２０を同一無線端末２３０内に置くとともに、距離を測定したい位置に無線応答端末２４０を置き、発信端末１０からの電波を受信した無線応答端末２４０が同じ変化率を持つ別の周波数の電波を発信させるようにする。発信端末１０の送信アンテナ１３からの電波を受信する無線応答端末２４０は、送信端末１０からの電波を受信する受信アンテナ２４１と、受信した電波から必要な情報を取り出せる状態にする受信回路２４２と、受信回路２４２で取り出された受信電波信号を送信電波信号に変換する送信変換回路２４３と、変換された電波信号をアンテナから発射できる状態にする送信回路２４４と、電波を送信する送信アンテナ２４５とから構成され、受信端末２２０に向け電波が発射される。一方、受信端末２２０は、無線応答端末２４０からの電波を受信する受信アンテナ２１と、受信した電波から必要な情報を取り出せる状態にする受信回路２２と、受信回路２２で取り出された受信電波信号２２３と、送信電波発信回路１１で生成される電波と発生タイミングを合わせ、かつ、発信電波周波数の変化率を少なくした参照電波発信回路２４と、受信電波信号２２３と参照電波発信回路２４からの参照電波信号の周波数の変化量が一致するタイミングを計測する信号比較回路２２５と、信号比較回路２２５の一致信号までの時間を計測する時間計測回路２６と、時間計測回路２６で計測された時間より無線端末２３０と無線応答端末２４０の間の距離を演算する距離演算回路２２７とから構成される。
以上のように、発信端末１０と受信端末２２０を同一無線端末２３０内に置くとともに、距離を測定したい位置に無線応答端末２４０を置き、発信端末１０からの電波を受信した無線応答端末２４０が同じ変化率を持つ別の周波数の電波を発信させることにより、受信端末２２０にて参照電波と受信電波の変化量が一致するまでの時間より、無線端末２３０と無線応答端末２４０間の距離を測定することができる。
このようにすることにより、上記の実施の形態２において電波を反射しにくい物体の場合でも確実に距離を測定することができる。
【００１６】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４における位置検出装置を示すシステム構成図である。    上記実施の形態１では、発信端末１０と受信端末２０は１対１で対応し、相互の間の距離を測定する場合について説明したが、この実施の形態４においては、図５に示すように、位置情報の明確な第１受信端末３２０、第２受信端末３５０、第３受信端末３６０をそれぞれ離れた３箇所に置き、発信端末１０と各受信端末間を上記実施の形態１の方法により測定することにより、それぞれの間の距離情報を得ることができる。この３箇所の各受信端末の位置情報と、発信端末１０と各受信端末間の距離情報を各受信端末と接続された位置演算装置３７０に集め、演算することにより、発信端末１０の位置を３次元的に測定することができる。なお、上記位置演算装置３７０は、第１受信端末３２０の位置情報３７１、第１受信端末３２０と発信端末１０間の距離情報３７２、第２受信端末３５０の位置情報３７３、第２受信端末３５０と発信端末１０間の距離情報３７４、第３受信端末３６０の位置情報３７５、第３受信端末３６０と発信端末１０間の距離情報３７６、これらの各情報から位置を演算する発信端末位置演算回路３７８を備えている。
【００１７】
実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５における位置検出装置を示すシステム構成図である。    上記実施の形態４では、位置情報の明確な受信端末を３箇所置き、発信端末１０と各受信端末間の距離を測定することにより、発信端末１０の位置を３次元的に測定したが、受信端末と発信端末の関係を逆転させてもよい。例えば、図６に示すように、位置情報の明確な第１発信端末４１０、第２発信端末４８０、第３発信端末４９０をそれぞれ離れた３箇所置き、受信端末４２０と各発信端末間を上記実施の形態１の方法により測定することにより、それぞれの間の距離情報を得ることができる。この３箇所の各発信端末の位置情報と、受信端末４２０と各発信端末間の距離情報を受信端末内の位置演算装置４７０に集め、演算することにより、受信端末４２０の位置を３次元的に測定することができる。なお、上記位置演算装置４７０は、第１発信端末４１０の位置情報４７１、第１発信端末４１０と受信端末４２０間の距離情報４７２、第２発信端末４８０の位置情報４７３、第２発信端末４８０と受信端末４２０間の距離情報４７４、第３発信端末４９０の位置情報４７５、第３発信端末４９０と受信端末４２０間の距離情報４７６、これらの各情報から位置を演算する受信端末位置演算回路４７８を備えている。
【００１８】
実施の形態６．
図７はこの発明の実施の形態６における位置検出装置を示すシステム構成図、図８はこの発明の実施の形態６における位置検出装置の動作を説明するための説明図である。
上記実施の形態４では、発信端末１０の３次元的な位置を、位置情報の明確な３箇所の受信端末と、これらに接続された位置演算装置３７０により、上記実施の形態１の方法を使い、測定・演算する方法を示したが、これらの実現には受信信号と参照信号のタイミングを合わせねばならなかった。
この実施の形態６においては、図７に示すように、位置基準端末５８０を追加して設け、この位置基準端末５８０は自らの明確な位置情報を持ち、発信端末１０の信号を受信すると、自らすぐに、変化率を発信端末１０より大きくした電波を出す。図７において、５２０は位置情報の明確な第１受信端末、５５０は同じく第２受信端末、５６０は同じく第３受信端末で、それぞれ離れた３箇所に置いている。位置演算装置５７０は、位置基準端末５８０の位置情報５７７、第１受信端末５２０の位置情報５７１、第１受信端末５２０での発信端末１０と位置基準端末５８０の信号検出時間差５７２、第２受信端末５５０の位置情報５７３、第２受信端末５５０での発信端末１０と位置基準端末５８０の信号検出時間差５７４、第３受信端末５６０の位置情報５７５、第３受信端末５６０での発信端末１０と位置基準端末５８０の信号検出時間差５７６、これらの各情報から位置を演算する発信端末位置演算回路５７８を備えている。
【００１９】
次に動作について図８を用いて説明する。図８は縦軸に周波数、横軸に時間を示す。発信端末１０から出される電波は、図７の発信端末での発信電波の周波数変化５３１に示されるように、発信端末１０での電波発信開始時刻５３０を基準に周波数が直線的に変わる状態で発信される。この信号は受信端末では、発信端末と受信端末間の距離と電波の伝播速度から求まる遅延時間Ｔ３(受信伝播遅れ５３２)だけ遅れて受信され、受信端末での発信端末からの電波受信開始時刻５３３を基準に受信端末での発信端末からの受信電波の周波数変化５３４で表される形になる。また、受信端末では、受信端末での発信端末を起点にした位置基準端末５８０からの伝播遅れ５３５（遅延時間Ｔ４）で信号が受信され、受信端末での位置基準端末５８０からの電波受信開始時刻５３６を基準に受信端末での位置基準端末５８０からの受信電波の周波数変化５３７（発信端末からよりも周波数変化率が大きい）で表される形になる。受信端末内で位置基準端末５８０からの受信電波の周波数変化５３７は発信端末１０からの受信電波の周波数変化５３４を追いかける形で変化し、所定時間Ｔ５(受信端末での発信端末電波受信から周波数変化量一致までの時間５３９)後に受信端末での発信端末１０からの受信電波と位置基準端末５８０からの受信電波の周波数の変化量が一致した時刻５３８となり、両者の周波数変化量は一致する。
この実施の形態６によれば、３箇所の受信端末５２０、５５０、５６０は、発信端末１０からの電波を受信すると計時を始め（受信端末での発信端末からの電波受信開始時刻５３３）、位置基準端末５８０からの電波の変化量と発信端末１０からの電波の変化量が一致する時点（受信端末での発信端末からの受信電波と位置基準端末からの受信電波の周波数の変化量が一致した時刻５３８）までを計時（所定時間Ｔ５(５３９)）することにより、参照電波を内部的に作り出すこと無く、位置基準端末５８０の位置と、３箇所の受信端末５２０、５５０、５６０の位置を基準として、発信端末１０の３次元的位置を位置演算装置５７０にて求めることができる。
【００２０】
実施の形態７．
図９はこの発明の実施の形態７における位置検出装置を示すシステム構成図である。なお、図中、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。
上記実施の形態１〜６では、受信端末は連続的な受信を行い、位置検出のための変化量の測定も連続的に行うことで示したが、受信端末での受信が間欠的にしか行われない場合でも、図９に示すように、発信電波信号が関数で示される変化を持つため、元信号発生回路６２８と信号補完回路６２９により、関数を利用し、受信されていないタイミングの信号を補完し、再生受信電波信号６２３を得ることができ、どのようなタイミングでも正確な位置を求めることが可能になる。なお、図中、６２０は受信端末、６２２は間欠受信回路、６２３は再生受信電波信号である。
【００２１】
実施の形態８．
図１０はこの発明の実施の形態８における位置検出装置を示すシステム構成図である。なお、図中、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。
上記実施の形態１〜７では、位置検出対象は１台としていたが、図１０に示すように、発信信号に発信端末ごとの識別ができるように端末識別信号７１４を発信させ、複数の発信端末７１０、７１６、７１７がタイミングをずらして発信することにより、受信端末７２０にて個々の発信端末対応に位置検出することができる。なお、図中、７２２は受信回路、７３１は発信端末識別回路である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明の実施の形態１における位置検出装置を示すシステム構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１における位置検出装置の動作を説明するための説明図である。
【図３】この発明の実施の形態２における位置検出装置を示すシステム構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３における位置検出装置を示すシステム構成図である。
【図５】この発明の実施の形態４における位置検出装置を示すシステム構成図である。
【図６】この発明の実施の形態５における位置検出装置を示すシステム構成図である。
【図７】この発明の実施の形態６における位置検出装置を示すシステム構成図である。
【図８】この発明の実施の形態６における位置検出装置の動作を説明するための説明図である。
【図９】この発明の実施の形態７における位置検出装置を示すシステム構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態８における位置検出装置を示すシステム構成図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０  発信端末、１１  送信電波発信回路、１２  送信回路、１３  送信アンテナ、
２０  受信端末、２１  受信アンテナ、２２  受信回路、２３  受信電波信号、
２４  参照電波発信回路、２５  信号比較回路、２６  時間計測回路、
２７  距離演算回路、
３０  電波発信開始時刻、３１  発信電波周波数変化、３２  受信伝播遅れ
３３  電波受信開始時刻、３４  受信電波周波数変化、３５  参照電波周波数変化、
３６  参照電波と受信電波の変化量一致時刻、３７  発信後変化量一致時間
１３０  同一無線端末、１４０  測定物体、２２０  受信端末、
２２３  受信電波信号、２２５  信号比較回路、２２７  距離演算回路、
２３０  無線端末、２４０  無線応答端末、２４１  受信アンテナ、
２４２  受信回路、２４３  送信変換回路、２４４  送信回路、２４５  送信アンテナ
３２０  第１受信端末、３５０  第２受信端末、３６０  第３受信端末、
３７０  位置演算装置、
３７１  第１受信端末位置情報、３７２  第１受信端末と発信端末間距離情報、
３７３  第２受信端末位置情報、３７４  第２受信端末と発信端末間距離情報、
３７５  第３受信端末位置情報、３７６  第３受信端末と発信端末間距離情報、
３７８  発信端末位置演算回路
４１０  第１発信端末、４２０  受信端末、
４７０  位置演算装置、
４７１  第１発信端末位置情報、４７２  第１発信端末と受信端末間距離情報、
４７３  第２発信端末位置情報、４７４  第２発信端末と受信端末間距離情報、
４７５  第３発信端末位置情報、４７６  第３発信端末と受信端末間距離情報、
４７８  受信端末位置演算回路
４８０  第２発信端末、４９０  第３発信端末、
５２０  第１受信端末、５５０  第２受信端末、５６０  第３受信端末、
５７０  位置演算装置、
５７１  第１受信端末位置情報、
５７２  第１受信端末での発信端末と位置基準端末の信号検出時間差情報、
５７３  第２受信端末位置情報、
５７４  第２受信端末での発信端末と位置基準端末の信号検出時間差情報、
５７５  第３受信端末位置情報、
５７６  第３受信端末での発信端末と位置基準端末の信号検出時間差情報、
５７７  位置基準端末位置情報、５７８  発信端末位置演算回路、
５８０  位置基準端末、
５３０  発信端末での発信開始時刻、
５３１  発信端末での発信電波周波数変化、
５３２  受信端末での発信端末からの伝播遅れ、
５３３  受信端末での発信端末からの受信開始時刻
５３４  受信端末での発信端末からの受信電波周波数変化、
５３５  受信端末での発信端末を起点にした位置基準端末からの伝播遅れ、
５３６  受信端末での発信端末を起点にした位置基準端末からの受信開始時刻、
５３７  受信端末での位置基準端末からの受信電波周波数変化
５３８  受信端末での発信端末からと位置基準端末からの電波周波数変化量一致時刻、
５３９  受信端末での発信端末電波受信から周波数変化量一致までの時間、
６２０  受信端末、６２２  間欠受信回路、６２３  再生受信電波信号、
６２８  元信号発生回路、６２９  信号補完回路、
７１０  発信端末、７１４  端末識別信号、７１６  発信端末、７１７  発信端末、
７２０  受信端末、７２２  受信回路、７３１  発信端末識別回路
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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