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【発明の名称】 電波位置標定システム、装置及びその方法
【発明者】 【氏名】貴傳名 稔

【氏名】中村 晃久

【氏名】吉留 英紀
【要約】 【課題】本発明は電波位置標定に関し、特に位置の明確な２つの無線局と標定対象の無線局との間において、電波到来時間を測定することにより標定対象の無線局の位置標定を行う電波位置標定システム、装置及びその方法を提供する。

【解決手段】質問信号を送出しその応答信号を受信して送出及び受信時刻データを与える１つの位置の明確な無線局と、前記質問信号を受信しその所定時間経過後に前記応答信号を返信する位置標定の対象となる位置の不明確な無線局と、前記応答信号を受信して受信時刻に対応する位置データを与える別の位置の明確な無線局と、前記質問信号及び応答信号の各位置データを基に、前記位置の不明確な無線局が存在する楕円座標と双曲線座標とを求め、その交点の１つを選択することで位置の不明確な無線局の位置を標定する位置標定手段と、から構成する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 質問信号を送出しその応答信号を受信して、その送出及び受信時刻データを与える１つの位置の明確な無線局と、前記質問信号を受信し、その所定時間経過後に前記応答信号を返信する位置標定の対象となる位置の不明確な無線局と、前記応答信号を受信し、その受信時刻データを与える別の位置の明確な無線局と、前記１つの位置の明確な無線局からの質問信号の送出時刻データと前記別の位置の明確な無線局における前記応答信号の受信時刻データから、前記１つの位置の明確な無線局と前記位置の不明確な無線局との間の距離と前記別の位置の明確な無線局と前記位置の不明確な無線局との間の距離の和を求めて前記位置の不明確な無線局が存在する楕円座標を得、また前記１つの位置の明確な無線局と前記別の位置の明確な無線局における各応答信号の受信時刻データの差から、前記１つの位置の明確な無線局と前記位置の不明確な無線局との間の距離と前記別の位置の明確な無線局と前記位置の不明確な無線局との間の距離の差を求めて前記位置の不明確な無線局が存在する双曲線座標を得、そして前記楕円座標と双曲線座標の２つの交点座標を求め、さらに前記応答信号の到来方向から前記２つの交点座標のうちの１つを位置の不明確な無線局が位置する座標として標定する位置標定手段と、から構成することを特徴とする電波位置標定システム。
【請求項２】 前記位置標定手段は、さらに前記楕円座標の短軸が所定値以下の場合には、前記１つの位置の明確な無線局又は別の位置の明確な無線局のいずれかをそれ以外の位置の明確な無線局に切換える請求項１記載のシステム。
【請求項３】 さらに、前記位置の不明確な無線局の未来位置を予測する未来位置予測手段を有し、前記位置標定手段は、前記予測に基づいて前記１つの又は別の位置の明確な無線局のいづれか一方と切換えられるそれら以外の位置の明確な無線局及びその切換時期を事前に決定しておく請求項１又は２記載のシステム。
【請求項４】 前記未来位置の予測は、前記位置の不明確な無線局からの電波信号のドプラ効果を測定して行う請求項３記載のシステム。
【請求項５】 前記未来位置の予測は、前記位置の不明確な無線局の所定時間前の過去の位置と現在の位置との比較によって行う請求項３記載のシステム。
【請求項６】 １つの位置の明確な無線局から質問信号を送出すること、位置標定の対象となる位置の不明確な無線局により前記質問信号の受信から所定時間経過後にその応答信号を返信すること、前記１つの位置の明確な無線局で前記応答信号を受信すること、別の位置の明確な無線局で前記応答信号を受信すること、前記１つの位置の明確な無線局からの質問信号の送出時刻と前記別の位置の明確な無線局における前記応答信号の受信時刻から、前記１つの位置の明確な無線局と前記位置の不明確な無線局との間の距離と前記別の位置の明確な無線局と前記位置の不明確な無線局との間の距離の和を求め、それにより前記位置の不明確な無線局が存在する楕円座標を求めること、前記１つの位置の明確な無線局と前記別の位置の明確な無線局における各応答信号の受信時刻の差から、前記１つの位置の明確な無線局と前記位置の不明確な無線局との間の距離と前記別の位置の明確な無線局と前記位置の不明確な無線局との間の距離の差を求め、それにより前記位置の不明確な無線局が存在する双曲線座標を求めること、前記楕円座標と双曲線座標の２つの交点座標を求めること、前記応答信号の到来方向から前記２つの交点座標のうちの１つを位置の不明確な無線局が位置する座標として標定すること、から成ることを特徴とする電波位置標定方法。
【請求項７】 さらに前記楕円座標の短軸が所定値以下の場合には、前記１つの位置の明確な無線局又は別の位置の明確な無線局のいずれかをそれら以外の位置の明確な無線局に切換えること、を含む請求項６記載の方法。
【請求項８】 さらに、前記位置の不明確な無線局の未来位置を予測すること、前記予測に基づいて前記１つの又は別の位置の明確な無線局のいづれか一方と切換えられるそれら以外の位置の明確な無線局及びその切換時期を事前に決定しておくこと、を含む請求項６又は７記載の方法。
【請求項９】 無線装置であって、信号入力を導通制御するスイッチと、前記スイッチを介して入力される所定レベル以上の信号を検出するレベル検出手段と、前記スイッチを介して入力された所定レベルの連続信号を前記スイッチを断とすることで所定時間瞬断させる瞬断手段と、前記所定時間の瞬断終了直後から前記レベル検出手段が前記所定レベルの連続信号を検出するまでの時間を前記無線装置の受信系遅延時間として測定する測定手段と、を有することを特徴とする無線装置。
【請求項１０】 前記無線装置は、信号を受信してから一定の経過時間後に対応する信号を返送する装置であって、さらに前記一定の経過時間を設定する時間設定手段と、前記時間設定手段に設定された一定の経過時間を前記測定手段によって測定された受信系遅延時間によって校正する校正手段と、を有し、前記校正により、信号を受信してから常に一定の経過時間後に対応する信号を返送する請求項９記載の装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は航法や移動体通信で用いられる電波位置標定システム、方法及び装置に関し、特に位置の明確な２つの無線局と位置の不明確な無線局との間において、電波到来時間を測定することにより位置の不明確な無線局の位置標定を行う電波位置標定システム、装置及びその方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１は、従来の双曲線法による位置標定方法の原理を示したものである。図１に示すように、双曲線による位置標定の場合、位置の明確な３つの無線局１１〜１３（局Ａ、Ｂ及びＣ）を利用して、位置の不明確な無線局１４（局Ｄ）の位置標定が行われる。
【０００３】無線局１４から送信された電波は各無線局１１〜１３で受信される。例えば、無線局１４の電波送信時刻をｔT 、受信局１１におけるその受信時刻をｔA とすると、送信局１４と受信局１１との間の距離ＬADはＬAD＝（ｔA −ｔT ）Ｃ（Ｃは電波の伝播速度）で与えられる。従って、無線局１４の電波送信時刻ｔT が不明の場合には受信局１１単独が無線局１４との距離を直接求めることはできない。
【０００４】しかしながら、上述した式より送信局１４と各受信局１１〜１３との間の距離の差ＬAD−ＬBD及びＬAD−ＬCDは無線局１４の電波送信時刻ｔT が不明であっても定数として求まる。ある２点からの距離の差が一定となる点の描く軌跡は双曲線を描くことから、送信局１４は図１に示すように受信局１１及び１２からの距離の差が一定となる双曲線１上、且つ受信局１１及び１３からの距離の差が一定となる双曲線２上に存在することになる。従って、２つの双曲線１，２の交点を求めることで送信局１４の位置を標定することができる。なお、以降の図４の（ａ）の説明において双曲線法の詳細について説明している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述した双曲線法は、図１に示すように一般に位置の明確な３つの無線局１１〜１３の三角形の範囲内に適用され、無線局１１〜１３の配置を正三角形状とした場合に一番広く位置精度を取ることができる。その場合、幾何学的に精度が一番高く取れる送信局１４の位置は正三角形の中心であり、２つの双曲線１及び２の交差角は６０°となる。
【０００６】しかしながら、上記双曲線法では位置の明確な３つの無線局１１〜１３を頂点とする三角形の外側にある位置の不明確な無線局１４の位置を標定しようとする場合に、双曲線１及び２の交差角が小さくなってその位置の測定精度が急激に低下するという欠点がある。
【０００７】図２は、交差角と位置精度との関係を示したものである。図２の（ａ）は、双曲線法による双曲線１及び２の交差角α（０°≦α≦６０°）の例を示したものであり、双曲線１、２を表す各二重線の線間は双曲線１、２のそれぞれの測定誤差範囲εを表わしている。
【０００８】この場合、双曲線１、２の交差地点における測定誤差範囲（網掛け部分の面積）はε2 ／ｓｉｎαで表され、その結果交差角αが小さくなると測定誤差範囲はｓｉｎαの逆数に比例して大きくなり、計算上は交差角０°で無限大となる。ところで、図２の（ｂ）には交差角αが９０°の例を示している。この場合の交差地点における測定誤差範囲（網掛け部分の面積）はε2 であり、前記双曲線法の例のものより常に小さい。なお、図２の（ｂ）の場合については本発明との関連で後で再び取り上げる。
【０００９】上述したように、従来の双曲線法による電波位置標定には、１）位置の明確な３つの無線局を要すること、２）位置標定は前記３つの無線局を頂点とする三角形の範囲内に制限されること、３）位置の測定精度には限界があること、等の種々の制限が内在し、そのため双曲線法の適用対象は制限されるという問題があった。
【００１０】そこで本発明の目的は、上記問題点に鑑み、従来の双曲線法による位置標定よりも少ない数の位置の明確な無線局を使用し、広い適用範囲で、且つより高精度な位置標定を可能とする電波位置標定方法及び装置、さらにシステムを提供することにある。また本発明の目的は、前記電波位置標定装置を移動体通信システムや遠隔制御システム、等に適用することによって、より高精度で且つ広範囲な航法サービスを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、質問信号を送出しその応答信号を受信して、その送出及び受信時刻データを与える１つの位置の明確な無線局と、前記質問信号を受信し、その所定時間経過後に前記応答信号を返信する位置標定の対象となる位置の不明確な無線局と、前記応答信号を受信し、その受信時刻データを与える別の位置の明確な無線局と、前記１つの位置の明確な無線局からの質問信号の送出時刻データと前記別の位置の明確な無線局における前記応答信号の受信時刻データから、前記１つの位置の明確な無線局と前記位置の不明確な無線局との間の距離と前記別の位置の明確な無線局と前記位置の不明確な無線局との間の距離の和を求めて前記位置の不明確な無線局が存在する楕円座標を得、また前記１つの位置の明確な無線局と前記別の位置の明確な無線局における各応答信号の受信時刻データの差から、前記１つの位置の明確な無線局と前記位置の不明確な無線局との間の距離と前記別の位置の明確な無線局と前記位置の不明確な無線局との間の距離の差を求めて前記位置の不明確な無線局が存在する双曲線座標を得、そして前記楕円座標と双曲線座標の２つの交点座標を求め、さらに前記応答信号の到来方向から前記２つの交点座標のうちの１つを位置の不明確な無線局が位置する座標として標定する位置標定手段と、から構成する電波位置標定システムが提供される。
【００１２】前記位置標定手段は、さらに前記楕円座標の短軸が所定値以下の場合には、前記１つの位置の明確な無線局又は別の位置の明確な無線局のいずれかをそれ以外の位置の明確な無線局に切換える。さらに、前記位置の不明確な無線局の未来位置を予測する未来位置予測手段を有し、前記位置標定手段は、前記予測に基づいて前記１つの又は別の位置の明確な無線局のいづれか一方と切換えられるそれら以外の位置の明確な無線局及びその切換時期を事前に決定しておく。
【００１３】前記未来位置の予測は、前記位置の不明確な無線局からの電波信号のドプラ効果を測定して行うか、又は前記未来位置の予測は、前記位置の不明確な無線局の所定時間前の過去の位置と現在の位置との比較によって行う。
【００１４】また本発明によれば、１つの位置の明確な無線局から質問信号を送出すること、位置標定の対象となる位置の不明確な無線局により前記質問信号の受信から所定時間経過後にその応答信号を返信すること、前記１つの位置の明確な無線局で前記応答信号を受信すること、別の位置の明確な無線局で前記応答信号を受信すること、前記１つの位置の明確な無線局からの質問信号の送出時刻と前記別の位置の明確な無線局における前記応答信号の受信時刻から、前記１つの位置の明確な無線局と前記位置の不明確な無線局との間の距離と前記別の位置の明確な無線局と前記位置の不明確な無線局との間の距離の和を求め、それにより前記位置の不明確な無線局が存在する楕円座標を求めること、前記１つの位置の明確な無線局と前記別の位置の明確な無線局における各応答信号の受信時刻の差から、前記１つの位置の明確な無線局と前記位置の不明確な無線局との間の距離と前記別の位置の明確な無線局と前記位置の不明確な無線局との間の距離の差を求め、それにより前記位置の不明確な無線局が存在する双曲線座標を求めること、前記楕円座標と双曲線座標の２つの交点座標を求めること、前記応答信号の到来方向から前記２つの交点座標のうちの１つを位置の不明確な無線局が位置する座標として標定すること、から成る電波位置標定方法が提供される。
【００１５】さらに本発明によれば、無線装置であって、信号入力を導通制御するスイッチと、前記スイッチを介して入力される所定レベル以上の信号を検出するレベル検出手段と、前記スイッチを介して入力された所定レベルの連続信号を前記スイッチを断とすることで所定時間瞬断させる瞬断手段と、前記所定時間の瞬断終了直後から前記レベル検出手段が前記所定レベルの連続信号を検出するまでの時間を前記無線装置の受信系遅延時間として測定する測定手段と、を有する無線装置が提供される。
【００１６】前記無線装置は、信号を受信してから一定の経過時間後に対応する信号を返送する装置であって、さらに前記一定の経過時間を設定する時間設定手段と、前記時間設定手段に設定された一定の経過時間を前記測定手段によって測定された受信系遅延時間によって校正する校正手段と、を有し、前記校正により、信号を受信してから常に一定の経過時間後に対応する信号を返送する。
【００１７】
【発明の実施の形態】図３は、本発明による電波位置標定の原理を図式的に示した図である。図４〜６は、図３のより詳細な説明図である。図４は本発明による双曲線と楕円を使った位置標定の説明図、図５は双曲線と楕円の交差角の説明図、そして図６は従来例と本発明との位置標定適用範囲の比較図である。
【００１８】図３に示すように、本発明は位置の明確な２つの無線局（Ａ局及びＢ局）２１、２２と、位置の不明確な無線局（Ｃ局）２３とによって構成される。位置の明確な２つの無線局（Ａ局及びＢ局）２１、２２の間はシステム同期信号の送受信（■）によって互いに正確に同期している。
【００１９】ここで、位置の明確な一方の無線局２１から位置標定の対象である無線局２３へ質問信号が送出される（■）。無線局２３は、前記質問信号を受信した後一定時間経過したのちに応答信号を返送する（■）。この応答信号は、質問信号の送信元である無線局２１ともう一方の位置の明確な無線局２２とで受信される。
【００２０】前記無線局２１及び２２は無線局２３からの応答信号を受信することによって、図１で説明したのと同様無線局２１、２３の間の距離と無線局２２、２３の間の距離の差（ＬAC−ＬBC）が求まる。なお、本例では前記距離の差の演算に必要な位置データ（信号の送受信時刻データに対応）は無線局２２から無線局２１へ送信される（■）。２つの点までの距離の差が一定となる点の軌跡は双曲線であり、無線局２３は特定の双曲線２４上にあることが判る。以上は従来の双曲線法と同じである。
【００２１】本発明ではさらに、無線局２２が、無線局２１からの質問信号の送出時点（送出時点が明確）から前記応答信号の受信までの時間を測定することによって無線局２１、２３の間の距離と無線局２２、２３の間の距離の和（ＬAC＋ＬBC）を求める。本例では、前記距離の和の演算に必要な位置データは無線局２２から無線局２１へ送信される（■）。
【００２２】２つの点までの距離の和が一定となる点の軌跡は楕円であり、前記測定から無線局２３はある特定の楕円２５上にあることが判る。前記双曲線２４及び楕円２５から先ず２つの交点（×）が求まる。ここで、さらに電波の到来方向の条件を与えて最終的に本例では上側の一点が無線局２３の標定位置として選択決定される。
【００２３】次に、図４を参照して本発明による双曲線と楕円を使った位置標定の計算式について説明する。図４において、座標Ｆ（ｃ，０）、Ｆ’（−ｃ，０）、及びＰ（ｘ，ｙ）は、それぞれ図３の無線局（Ａ、Ｂ、及びＣ）２１、２２、及び２３の位置に対応している。ここで、無線局２１が質問信号を発射した時刻Ｔ0 と無線局２２がその応答信号を受信した時刻Ｔ1 との差ｔ（＝Ｔ1 −Ｔ0 ）は、以下のように表すことができる。
【００２４】ｔ＝ｔ1 ＋ｔ2 ＋ｔ3 …式（１）
但し、ｔ1 ＝無線局Ａ、Ｃとの間（距離ＬAC）を電波が伝搬するのに要する時間ｔ2 ＝無線局Ｃが質問信号を受信した後に応答信号を返送するまでの間の遅延時間ｔ3 ＝無線局Ｂ，Ｃとの間（距離ＬBC）を電波が伝搬するのに要する時間【００２５】このときｔ2 を既知のある一定値とした場合、無線局２１、２３を経て無線局２２に至る距離ＬACB （＝ＬAC＋ＬBC）は以下の式で表すことができる。
ＬACB ＝（ｔ−ｔ2 ）＊Ｃ …式（２）
但し、Ｃ＝電波の伝搬速度【００２６】また、無線局２１、２３の間と無線局２２、２３の間の距離の差（＝ＬAC−ＬBC）も同時に求めることができる。
ＬAC−ＬBC＝（ｔ1 −ｔ3 ）＊Ｃ以上のことから、２つの焦点（基地局２１，２２）からの距離の和が一定な点の軌跡である楕円と、２つの焦点からの距離の差が一定な点の軌跡である双曲線を用いて無線局２３の位置を求めることができる。
【００２７】先ず、図４の（ａ）を用いて従来の双曲線の座標の式を求める。双曲線上の任意の点をＰ（ｘ，ｙ）、焦点をＦ（−ｃ，０），Ｆ′（ｃ，０）、そしてＦ，Ｆ′からの距離の差を２ａとすれば、 ＰＦ＝√（（ｘ−ｃ）2 ＋ｙ2 ），ＰＦ′＝√（（ｘ＋ｃ）2 ＋ｙ2 ）
…式（３）
であるから √（（ｘ−ｃ）2 ＋ｙ2 ）〜√（（ｘ＋ｃ）2 ＋ｙ2 ）＝２ａ …式（４）
（記号〜は大きい方から小さい方を引くことを示す、以下同様）
【００２８】この両辺に√（（ｘ−ｃ）2 ＋ｙ2 ）＋√（（ｘ＋ｃ）2 ＋ｙ2 ）を掛けると （（ｘ−ｃ）2 ＋ｙ2 ）〜（（ｘ＋ｃ）2 ＋ｙ2 ）＝２ａ（√（（ｘ−ｃ）2 ＋ｙ2 ）＋√（（ｘ＋ｃ）2 ＋ｙ2 ）） …式（５）
これより （ｘ−ｃ）2 ＋ｙ2 ＝（ａ−（ｃ／ａ）ｘ）2 …式（６）
従って、以下の双曲線の式が求まる。
ｙ2 ＝（ａ−（ｃ／ａ）ｘ）2 −（ｘ−ｃ）2 …式（７）
【００２９】次に、図４の（ｂ）を用いて本発明による楕円の座標の式を求める。楕円上の任意の点をＰ（ｘ，ｙ）、焦点をＦ（−ｃ，０），Ｆ′（ｃ，０），、そしてＦ，Ｆ′からの距離の和を２ａ′とすれば、 ＰＦ＝√（（ｘ−ｃ）2 ＋ｙ2 ），ＰＦ′＝√（（ｘ＋ｃ）2 ＋ｙ2 ）
…式（８）
であるから √（（ｘ−ｃ）2 ＋ｙ2 ）＋√（（ｘ＋ｃ）2 ＋ｙ2 ）＝２ａ′…式（９）
【００３０】この両辺に√（（ｘ−ｃ）2 ＋ｙ2 ）−√（（ｘ＋ｃ）2 ＋ｙ2 ）を掛けると（（ｘ−ｃ）2 ＋ｙ2 ）−（（ｘ＋ｃ）2 ＋ｙ2 ）＝２ａ′（√（（ｘ−ｃ）2 ＋ｙ2 ）−√（（ｘ＋ｃ）2 ＋ｙ2 ）） …式（１０）
これより （ｘ−ｃ）2 ＋ｙ2 ＝（ａ′−（ｃ／ａ′）ｘ）2 …式（１１）
従って、以下の楕円の式が求まる。
ｙ2 ＝（ａ′−（ｃ／ａ′）ｘ）2 −（ｘ−ｃ）2 …式（１２）
【００３１】最後に、上記双曲線の式（７）と楕円の式（１２）から各Ｐ（ｘ，ｙ）点の交点座標×（ｘ，ｙ）を求める（図３の×参照）。
（ａ−（ｃ／ａ）ｘ）2 −（ｘ−ｃ）2 ＝（ａ′−（ｃ／ａ′）ｘ）2 −（ｘ−ｃ）2 …式（１３）
ａ′−（ｃ／ａ′）ｘ＝ａ−（ｃ／ａ）ｘ …式（１４）
【００３２】よって、以下の交点座標 ×（ｘ，ｙ）が求まる。
ｘ＝（ａ−ａ′）／（ｃ／ａ−ｃ／ａ′） …式（１５）
ｙ＝±√（（ａ−（ｃ／ａ）（（ａ−ａ′）／（ｃ／ａ−ｃ／ａ′））2 −（（ａ−ａ′）／（ｃ／ａ−ｃ／ａ′）−ｃ）2 ） …式（１６）
ここで、ａ，ａ′，ｃは既知の値である。
【００３３】式（１５）（１６）において、ａ＝ＬAC−ＬBC，ａ′＝ＬACB ，ｃ＝Ａ局とＢ局間の距離に置き換えると２つの交点が求まる。そのため、正しい１つの交点を選択するのに電波到来方向を利用したり、又は別に設けた位置の明確な無線局（例えばＤ局）を用いて同様の処理を行うことによって無線局２３の位置を決定することができる。
【００３４】図５には、本発明における双曲線と楕円との交差角の関係を示している。従来技術のところでも触れたように双曲線法のみで位置標定を行う場合、一番広く位置精度を取れる無線局の形状は正三角形であって幾何学的に精度が一番高く取れる位置がその中心であり、そのときの２本の双曲線の交差角は６０°である。これを本発明による双曲線と楕円とで構成した場合、交差角が６０°以上取れる範囲ということで考えて見ると以下のようになる。
【００３５】図５の（ａ）に示すように、無線局２３（Ｐ）と各無線局２１及び２２（Ｆ、Ｆ′）との間の距離が、無線局２１及び２２（Ｆ、Ｆ′）の間の距離より大幅に長い時（無線局２１及び２２による双曲線２４が双曲線の漸近線２４′と見なされるほど長い場合）、楕円２５は円に近づき双曲線２４はその漸近線２４′に近づく。そのため、楕円２５と双曲線２４の交差角αはほぼ９０°となる。従って、この場合の測定精度は良好であり、位置標定は電波の受信可能範囲で制限される。
【００３６】一方、図５の（ｂ）は、無線局２３（Ｐ）と各無線局２１及び２２（Ｆ、Ｆ′）との間の距離が近い場合を示している。図に示すように双曲線２４の漸近線２４′を無線局２１及び２２を結んだｘ軸に対して６０°とした場合、その双曲線は前記の線ｘ軸に対して６０°以上（≒交差角α）となり、双曲線は無線局２１及び２２の間の中心と各無線局との間でほぼ中間点を通過する。従って、この場合の測定精度も良好である。
【００３７】ところで、無線局２３（Ｐ）の位置が無線局２１及び２２を通る直線（ｘ軸）に接近すると楕円２５の短軸（ｙ軸方向の長さ）が短くなり、その結果楕円２５と双曲線２４の２つの交点が接近して分解能の関係からそれらを区別できなくなる場合が生ずる。
【００３８】この場合には、無線局２１及び２２による系以外の系を用いて前記交点の判別を可能とする。系を切り換える条件は、無線局２３による２つの交点の間の距離が無線局２１又は２２に備えられた方向探知機の分解能にまで近づいたときであり、具体的には楕円の短軸の長さが方向探知機の分解能近くまで短くなったときである。
【００３９】系の切換えは、１）無線局２１だけを別の無線局２１′に切換えて、それと無線局２２とで楕円及び双曲線を得る系、２）無線局２２だけを別の無線局２２′に切換えて、それと無線局２１とで楕円及び双曲線を得る系、３）無線局２１及び２２の両方を別の無線局２１′及び２２′に切換えて楕円及び双曲線を得る系、のいずれでもよい。
【００４０】図６は、従来の双曲線法を用いた位置標定の対象範囲と本発明による楕円と双曲線を用いた位置標定の対象範囲を比較して描いたものである。従来の双曲線による位置標定では少なくとも位置の明確な３つの無線局を要し、位置の測定精度の関系から前記３つの無線局を頂点とする三角形の範囲内に制限されていた。
【００４１】それに対し、本発明による楕円と双曲線を用いた位置標定では２つの位置の明確な無線局があれば位置標定は可能である。また、電波の受信可能な広い適用範囲で高精度な位置標定が可能となる。但し、前記２つの位置の明確な無線局同士を結ぶ直線付近に測定対象がある場合または移動してきた場合には系の切換えが必要となる。
【００４２】以降では、本発明による電波位置標定装置及びそれを用いた位置標定システムの具体的な実施例について説明していく。図７は、本発明による電波位置標定装置を用いた位置標定システムの一構成例を示したものである。図７の構成は、基本的には図３の動作原理の説明で説明した構成と同様である。
【００４３】図７では、まず位置の明確な２つの無線局（Ａ局及びＢ局）２１、２２で構成される系（Ａ系）で位置の不明確な移動局（Ｃ局）２３の位置標定が行われる。もし、前記移動局２３が２つの無線局２１、２２同士を結ぶ直線付近に接近してきた時には、前記一方の無線局（Ｂ局）２２と第３の位置の明確な無線局（Ｂ′局）３１からなる系（Ｂ系）に切換えられ、移動局（Ｃ局）２３の位置標定が継続される。
【００４４】本例では、各位置の明確な無線局２１、２２及び３１から送られてきた位置データを監視所３２で受信し、前述した本発明による楕円と双曲線を用いた位置の計算式（１６）を使って移動局２３の位置標定を行い、さらには後述するように過去の位置データｙから移動局２３の未来の位置予測を行って必要な系の切換えを行う。監視所３２は、また制御信号を使って各基地局２１、２２、３１に対しシステム同期信号や質問信号の送出等を指示する。なお、質問信号等の各制御信号の送受信シーケンスは図３と同様である。また、図７にはＢ系を用いた場合の制御信号を点線で示している。
【００４５】図８は、図７のシステムの基本的な動作フロー例を示したものである。また、図９には図７に示す各種信号の送出タイミングの一例を示している。なお、ここでは従来技術であるシステム同期信号（■）によるシステム全体の同期動作の説明については省略してある。
【００４６】図８において、始めに位置の明確な無線局２１から質問信号（■）を送出し、位置の不明確な無線局２３が応答信号（■）を送出する（Ｓ１０及び１１）。位置の明確な無線局２１及び２２で基地局２３からの応答信号を受信し、前記質問信号の送出時刻と位置の明確な無線局２２における前記応答信号の受信時刻に基づく位置データ（■）から楕円を計算する（Ｓ１２）。
【００４７】次に、楕円の短軸が一定値以上か否かを判断し、一定値以下の場合は標定不可能と判断して位置の明確な無線局２２を別の位置の明確な無線局３１に切り換える（Ｓ１３及び１４）。一定値以上の場合には、前記位置の明確な無線局２１及び２２で基地局２３からの応答信号を受信した時刻に基づく位置データ（■）の差から双曲線を求め、先の楕円との２つの交点を求める（Ｓ１３及び１５）。最後に電波の到来方向より、前記交点の１つを位置の不明確な無線局２３の位置と決定する（Ｓ１６）。
【００４８】図１０〜１７には、本発明による電波位置標定装置の実施例を示している。図１０は、位置の明確な無線局（以降「基地局」と呼ぶ）の送信部の一構成例を示している。図１０に示すように、送信部はシステム同期信号発生部４１と質問信号発生部とに大きく分けられる。システム同期信号発生部４１において、ＩＤ送出手段４５は局番号等を含むシステム同期信号用のＩＤ信号を出力し、次段のＦＭ変調手段４６はそれを例えば７０ＭＨｚのＦＭ信号に変調する。
【００４９】位置標定パルス送出手段４７は、基地局同士の同期をとるための位置標定パルスを所定周期で出力し、次段のＡＭ変調手段４８はそれを例えば７０ＭＨｚのＡＭパルス信号に変調する。前記システム同期信号用のＩＤ信号及び位置標定パルスから成るシステム同期信号は、電力増幅器等からなる送信手段４３を介して送信アンテナ４４から他の基地局へ出力される。
【００５０】また質問信号発生部４２においては、ＩＤ送出手段４９、校正要求信号送出手段５０、及び校正期間送出手段５１は、それぞれ局番号等を含む質問信号用のＩＤ信号、位置の不明確な位置標定対象局（以降「移動局」と呼ぶ）への校正要求信号、及び校正期間中に遅延時間補正のために使用される校正基準信号を送出する。次段のＦＭ変調手段５３はそれらを順次例えば７０ＭＨｚのＦＭ信号に変調する。
【００５１】位置標定パルス送出手段５２は、質問信号の送出時刻を明定するための位置標定パルスを所定周期で出力し、次段のＡＭ変調手段５４はそれを例えば７０ＭＨｚのＡＭパルス信号に変調する。前記質問信号用のＩＤ信号等及び位置標定パルスから成る質問信号は、電力増幅器等からなる送信手段４３を介して送信アンテナ４４から移動局へ出力される。
【００５２】図１１には、質問信号とその応答信号の一例を示している。図１１の（ａ）に示す質問信号は、前述したように質問信号用のＩＤ信号、校正要求信号、校正期間及び位置標定パルスから成る。移動局は、この質問信号を受信してから一定時間遅延後に、図１１の（ｂ）に示す応答信号を基地局に返信する。前記応答信号は、局番等を含む応答信号用のＩＤ信号とその送信時刻を明定するための位置標定パルス信号から成る。
【００５３】本発明では距離の和が一定という楕円の計算を行なうため、移動局が質問信号を受信してから応答信号を返信するまでの遅延時間の変動は直ちに移動局と各基地局との間の距離に誤差を生じる原因として現れ、重大な問題となる。基地局側の説明中ではあるが、前記遅延時間は移動局側で与えられるため、ここで送信部の対向装置である移動局の構成について説明しておく。
【００５４】図１２は、本発明による移動局の一構成例を示したものである。図１３は、移動局の受信系における回路遅延時間補償動作のタイミング図を示している。図１２において、移動局は、基地局からの質問信号（図１１の（ａ））を後述するスイッチ６２及び受信増幅器６３を介してＦＭ検波手段６４で受信する。ＩＤ検出手段６５は、ＩＤ種別やそれに含まれる基地局番号を検出し、基地局からのＩＤを検出すると校正信号発生手段６７及び信号レベル検出手段７０をイネーブルにする。
【００５５】校正要求信号検出手段６６は、受信した質問信号に含まれる校正要求信号を検出し、それによって校正信号発生手段６７を起動する。校正信号発生手段６７は、前記起動により校正要求信号に続く校正期間中にワンショットパルス信号からなる校正信号を出力する（図１３の（ａ））。スイッチ６２は、入力信号の導通制御を行い、前記校正信号期間中に断となる（図１３の（ｂ））。同時に、カウンタ等で構成される遅延時間検出手段６８もリセットされる。
【００５６】前記校正要求信号に続く校正期間中は校正基準信号が受信されている。校正基準信号はある一定レベル以上のキャリ信号、例えば７０ＭＨｚの無変調信号、であり、従って前記校正信号によるスイッチ６２の断続制御によって疑似的にＡＭパルス信号が生成されることになる。スイッチ６２が断状態から導通状態に戻った時、前記遅延時間検出手段６８はカウントを開始し、また前記疑似ＡＭパルス信号はＡＭ検波手段６９及び信号レベル検出手段７０によって検出される（図１３の（ｃ））。
【００５７】前記遅延時間検出手段６８は、前記信号レベル検出手段７０からの検出信号によって例えば前記カウントを停止するかその時のカウント値を保持する。前記カウント値は、入力されたＡＭパルス信号（位置標定パルス）の立ち上がりから装置内受信系で実際に前記ＡＭパルス信号を検出するまでの回路遅延時間を表している（図１３の（ｂ）及び（ｃ））。従って、質問信号の受信から応答信号を返信するまでの所定の継続時間が設定される遅延手段７１に前記回路遅延時間分の校正を与えることで受信系の回路遅延特性に依存しない前記所定の継続時間を実現することができる。
【００５８】応答信号発生部７２は、前記所定の継続時間後、ＩＤ送出手段７３と位置標定パルス発生手段７４によって図１１の（ｂ）に示す応答信号を生成し、変調手段７５で前者にはＦＭ変調そして後者にはＡＭ変調を行う。その信号は送信増幅器等からなる送信手段７６を介して送信アンテナ７７から基地局へ出力される。
【００５９】再び基地局の説明に戻り、以降では基地局の受信部について説明する。図１４及び１５は、基地局の受信部における信号受信部の構成例を示したものである。図１４は信号受信部の一例、そして図１５は位置演算部の一例をそれぞれ示している。なお、前述した図７の例では、図１４の信号受信部を各基地局２１、２２、３１に、そして図１５の位置演算部を監視所３２にそれぞれ分離して設置している。
【００６０】図１４において、受信増幅器等からなる受信手段８３で受信した他の基地局からのシステム同期信号又は移動局からの応答信号のうち、そのＩＤ信号部分はＦＭ検波手段８４によって、また位置標定パルス信号部分はＡＭ検波手段８６によって受信される。ＩＤ検出手段ではさらにＩＤ種別及び局番号を検出し、それによって位置標定パルス検出手段８７をイネーブルにする。
【００６１】位相比較手段８９は、ＡＭ検波手段８６及び位置標定パルス検出手段８７によって検出された位置標定パルスの位相（時間位置）を内部の基準信号発生手段８８から与えられる基準パルスのカウントによって測定する。最初に受信するシステム同期信号の場合には自局を含めた各基地局からの位置標定パルスの位相を記録する。
【００６２】前記基準信号発生手段８８には、ルビジウム発振器等の超高安定発振器が使用され、各局毎に独立して同期をとる独立同期方式が採用されている。そのため、ある基地局から定期的にシステム同期信号を送出し、各局では受信したシステム同期信号と内部の基準信号との間の位相校正データを生成し、前記校正データは図１５の位置演算部９１に送られ、続いて送られる質問信号及びその応答信号の位置標定パルスの位相信号に基づく位置データを前記校正データで補正することで各基地局間の相対時間を管理している。
【００６３】図１５の位置演算部９１では、各基地局からの前記位置データが切換手段９２に与えられている。いかなる基地局の組み合わせによる系（図７のＡ系又はＢ系等）の位置データを使用するかは制御手段９７からの切換信号によって決定される。制御手段９７は、またシステム同期信号や質問信号の送出制御等の種々の装置制御を行う。
【００６４】演算手段９３は、切換手段９２で選択された２つの基地局からの位置データを使って楕円及び双曲線の交点座標式（１５）、（１６）の計算を行い、その計算結果にさらに方向探知機からのデータ条件を与えて１つの移動局２３の位置座標データを求める。表示制御手段９４は、ディスプレイ等からなる表示手段９５上に前記位置座標データを表示する。
【００６５】ところで、移動局が基地局同士を結ぶ直線付近に接近たり電波の伝搬距離以遠に移動してしまうと、位置標定が不可能となる事態が発生する。そこで移動局の移動を察知してその移動速度及び移動方向をあらかじめ算出し、その算出結果を元に移動局の未来位置をあらかじめ予想しておき、将来無線局の系を切り換える必要が生じた際にその切換時期及び切り換える系を事前に決定しておくと効率の良い系の切換が可能となる。
【００６６】図１４のドプラ効果による位置予測手段９０及び図１５位置の移り変わりによる位置予測手段９６は上記趣旨から設けられている。制御手段９７は、前記各位置予測手段９０、９６からの位置予測データに基づいて、適切な系の切換指示を切換手段９２に与える。またそれに、対応する基地局（送信部）への質問信号の送信制御を行なう。
【００６７】図１６は、ドプラ効果による位置予測手段９０の一構成例を示したものである。図１６では、周波数変移検出手段１０１に例えば７０ＭＨｚの移動局の送信周波数１０５を与え、移動局の移動によるドプラ効果によって生じたその周波数付近の周波数遷移を検出する。相対速度算出手段１０２は、前記周波数遷移を基に自局から見た移動局の相対速度（速度・方向情報からなるベクトル量）を算出する。
【００６８】移動真速度・移動真方向算出手段１０３は、前記自局に対する相対速度情報と別の基地局から得た同様な相対速度情報１０６から移動局の真の速度及び方向を算出する。未来位置算出手段１０４では、過去の移動局位置情報１０７に前記算出された移動局の真の速度・方向情報を加えて移動局の未来位置を予測する。制御手段９６は、前記未来位置情報に基づいて事前に切り換える系及び系の切換え時期を決定しておく。本実施例におけるドプラ効果を使った位置予測手段９０は、特に高速で移動する移動体に対して有効な系切換え制御を提供する。
【００６９】図１７は、位置の移り変わりによる位置予測手段９５の一構成例を示したものである。位置記憶手段１２１は、一定時間毎（一定周期）に前記演算手段で計算された現在位置又は他の専用の機器等により測定された移動局の位置を更新記録する。移動真速度・移動真方向算出手段１２２は、前記一定時間毎に現在の移動局の位置情報と前記移動真方向算出手段１２２に記録された過去の位置情報とから移動局の現在位置における移動速度及び移動方向を算出する。
【００７０】未来位置算出手段１２３では、前記移動局の現在位置における移動速度及び移動方向から移動局の未来位置を予測する。制御手段９６は、その情報に基づいて事前に切り換える系及び系の切換え時期を決定しておく。本例のような一定時間毎に移動の移り変わり予測する位置予測手段９５は、特に低速で移動する移動体に対して効率のよい系切換え制御を提供する。
【００７１】
【発明の効果】以上述べたように、従来、双曲線による位置標定では位置の明確な無線局が３ないし４局必要であった。しかしながら、本発明ではそれより１局少ない２ないし３局で位置標定を行うことができる。また双曲線による位置標定では各局を頂点とする三角形の外側では双曲線の交差角が狭くなるため測定精度が悪化するが、本発明は楕円と双曲線を用いるため交差角を直交近くにとれ、その結果として双曲線による位置標定よりも広い範囲でより精度の高い位置標定サービスが提供できる。
【００７２】また、従来の対移動局との通信においては受信レベルの最大となる系を選択して通信する方法が一般的である。この方法では複数の系が常時移動局からの送信電波の受信レベルを監視し続け、互いの受信状態を通知しあうことで切り換えタイミング及び切り換える系を制御している。一方、本発明では移動局の現在位置及び移動状況により未来位置を予測することで系の切り換えタイミング及び切り換える系を制御する。
【００７３】従って、本発明では複数の系で移動局の状態を監視し続ける必要がなく、移動局と通信している系及び近い将来に通信を開始する系のみが移動局を監視すれば良い。その結果、各通信系で監視すべき移動局の数が減少し、効率のよい通信を行うことができる。
【００７４】また従来の移動局においては、特に受信系回路の電気的特性のばらつきを吸収するために多くの調整箇所を設け、出荷時、保守点検作業時、又は運用開始時にその安定動作を保証する調整が必要であった。本発明では移動局の運用中に随時受信系の電気的特性を補償する機能を有するため様々な環境において無調整で且つ高精度な安定動作が保証される。
【出願人】 【識別番号】０００００５２２３
【氏名又は名称】富士通株式会社
【出願日】 平成１０年（１９９８）３月２０日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】石田 敬 （外３名）
【公開番号】 特開平１１−２７１４１８
【公開日】 平成１１年（１９９９）１０月８日
【出願番号】 特願平１０−７１７１８