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技術 測距方法および測距装置

出願人 クラリオン株式会社
発明者 遠藤守
出願日 2000年12月28日 (20年0ヶ月経過) 出願番号 2000-401361
公開日 2002年7月19日 (18年5ヶ月経過) 公開番号 2002-202364
状態 特許登録済
技術分野 レーダ方式及びその細部
主要キーワード 欠落パルス 相関クロ ローパスフィルタ通過後 変化ポイント 時間差データ 相関パルス レーダー方式 時間的遅れ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2002年7月19日)のものです。
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図面 (6)

課題

一般的に使用されている狭帯域通信方式においても、スペクトル拡散通信適応される測距方法を応用し、無線機間の距離を求める。

解決手段

狭帯域通信方式を用いて自局Aと他局B間の距離を測定する測距方法並びに装置であって、自局Aから他局Bへ第一の狭帯域通信信号Sを送信し、他局で受信された第一の狭帯域通信信号Rsと他局Bから自局Aへ送信する第二の狭帯域通信信号Ssとの相対時間差を検出し、その相対時間差((()のデータを第二の狭帯域通信信号Ssに付加して自局Aに送信し、自局Aで受信された第二の狭帯域通信信号Rと自局で送信した第一の狭帯域通信信号S(R’)との時間差を検出し、その検出値復調された前記相対時間差のデータとから自局Aと他局B間の距離Lを算出する。

概要

背景

距方法として、電波レーザー)を利用して物体間の距離を測定するレーダー方式や、スペクトル拡散通信方式を用いて、電波の折り返しを利用して物体間の距離を測定する測距方式が知られている。レーダー方式では、測定物に電波(レーザー)を照射し、物体から反射した電波の遅延時間を計測することで物体までの距離を求めている。また、スペクトル拡散通信を利用した測距方式では、自局から送信されたスペクトル拡散信号を、他局が受信し、その周波数を変換して自局に送り返し、その信号の往復時間から物体間(自局及び他局間)距離を算出するものである。

概要

一般的に使用されている狭帯域通信方式においても、スペクトル拡散通信で適応される測距方法を応用し、無線機間の距離を求める。

狭帯域通信方式を用いて自局Aと他局B間の距離を測定する測距方法並びに装置であって、自局Aから他局Bへ第一の狭帯域通信信号Sを送信し、他局で受信された第一の狭帯域通信信号Rsと他局Bから自局Aへ送信する第二の狭帯域通信信号Ssとの相対時間差を検出し、その相対時間差((()のデータを第二の狭帯域通信信号Ssに付加して自局Aに送信し、自局Aで受信された第二の狭帯域通信信号Rと自局で送信した第一の狭帯域通信信号S(R’)との時間差を検出し、その検出値復調された前記相対時間差のデータとから自局Aと他局B間の距離Lを算出する。

目的

そこで、本発明の目的は、現在一般に使用されている狭帯域通信方式を利用して、スペクトル拡散通信方式で行われている測距方法を応用して無線機等の物体間の距離を求める測距方法並びに測距装置を提供することになる。

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
0件

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請求項1

狭帯域通信方式を用いて自局他局間の距離を測定する測距方法であって、自局から他局へ第一の狭帯域通信信号を送信するステップと、他局で受信された第一の狭帯域通信信号と他局から自局へ送信する第二の狭帯域通信信号との相対時間差を検出し、その相対時間差のデータを第二の狭帯域通信信号に付加して自局に送信するステップと、自局で受信された第二の狭帯域通信信号と自局で送信した第一の狭帯域通信信号との時間差を検出し、その検出値復調された前記相対時間差のデータとから自局と他局間の距離を算出するステップとを備えることを特徴とする測距方法。

請求項2

前記第一及び第二の狭帯域通信信号は、位相変調(PM)、周波数変調FM)及び振幅変調(AM)のうちの一つの変調方式に基づいて変調された信号であることを特徴とする請求項1記載の測距方法。

請求項3

他局における第一の狭帯域通信信号と第二の狭帯域通信信号との相対時間差を検出するステップと、自局における第二の狭帯域通信信号と第一の狭帯域通信信号との時間差を検出するステップの各々は、他局及び自局においてそれぞれ相関クロック信号を生成し、各局で相関クロック信号と各狭帯域通信信号のベースバンド信号との間で相関をとることにより、自局及び他局での相対時間差を検出するステップを含むことを特徴とする請求項1記載の測距方法。

請求項4

前記自局及び他局での相対時間差を検出するステップは、第一の狭帯域通信信号及び第二の狭帯域通信信号のベースバンド信号である送信データあるいはそれらから復調した受信データを基に、該送信データまたは受信データのデータ波形を適宜なしきい値を設けて2値化することによりデータの変化ポイントを検出するステップと、変化ポイント毎にデータクロック周期より狭い適宜な幅の第一のパルス信号を生成するステップと、自局及び他局にて前記データクロックの周波数と異なる周波数で生成される相関クロックから、前記第一のパルス信号と同程度の幅を有する第二のパルス信号を生成するステップと、前記第一のパルス信号と前記第二のパルス信号とを掛け合わせ、ローパスフィルタを通すことによって相関信号を得るステップとを備えることを特徴とする請求項3記載の測距方法。

請求項5

ローパスフィルタ通過後に得られる相関信号から包絡線信号を生成し、該包絡線信号のピーク位置を検出してその位置を相関信号の基準位置とするステップをさらに有することを特徴とする請求項4記載の測距方法。

請求項6

相関信号の包絡線信号を生成するステップにおいて、相関信号パルス欠落している場合は、欠落の前後のパルス波高値を基にそれらの中間値のパルスを挿入してすることによって欠落パルスを補間する補間ステップをさらに有することを特徴とする請求項5記載の測距方法。

請求項7

各相関信号の基準位置の時間差に基づいて、他局では第一の狭帯域通信信号と第二の狭帯域通信信号間の相対時間差を求め、自局では第二の狭帯域通信信号と第一の狭帯域通信信号間の時間差を求めることを特徴とする請求項5記載の測距方法。

請求項8

他局では前記相対時間差を表すデータを第二の狭帯域通信信号に付加して自局に送信し、自局では自局で求めた時間差と、第二の狭帯域通信信号に付加されていた時間差データとに基づいて、自局並びに他局間の距離を算出することを特徴とする請求項7記載の測距方法。

請求項9

狭帯域通信方式を用いて自局と他局間の距離を測定する、各局に設けられた測距装置であって、自局から他局へ第一の狭帯域通信信号を送信する送信部と、該第一の狭帯域通信信号の受信に応じて他局から送信された第二の狭帯域通信信号を受信する受信部とからなり、該第二の狭帯域通信信号には、他局における前記第一の狭帯域通信信号と前記第二の狭帯域通信信号間の相対時間差に関するデータが組み込まれており、前記受信部は、自局から送信した前記第一の狭帯域通信信号と他局から送信され自局により受信された前記第二の狭帯域通信信号との時間差と、該第二の狭帯域通信信号に組み込まれた前記相対時間差に基づいて、自局並びに他局間の距離を測定することを特徴とする測距装置。

請求項10

前記受信部は、前記第一の狭帯域通信信号の一部と前記第二の狭帯域通信信号とを受信する受信手段と、受信信号パルス化するパルス手段と、相関クロックパルスを生成する相関クロックパルス生成手段と、パルス化された受信信号と相関クロックパルスとの間で相関処理を行い、相関信号を得る相関手段と、該相関手段からの相関信号に補間処理を行うことで相関パルスの欠落を補う補間手段と、該補間手段の出力信号に基づいてそのピーク位置を検出し、基準ピーク信号として出力するピーク検出手段と、該ピーク検出手段により得られた、第一狭帯域通信信号並びに第二狭帯域通信信号の基準ピーク信号に基づいて各信号間の遅延時間を算出し、自局及び他局間の距離を測定する遅延時間算出手段とを有することを特徴とする請求項9記載の測距装置。

技術分野

0001

本発明は、狭帯域通信方式を利用して無線機等の物体間の距離を測定する測距方法並びに測距装置に関する。

背景技術

0002

測距方法として、電波レーザー)を利用して物体間の距離を測定するレーダー方式や、スペクトル拡散通信方式を用いて、電波の折り返しを利用して物体間の距離を測定する測距方式が知られている。レーダー方式では、測定物に電波(レーザー)を照射し、物体から反射した電波の遅延時間を計測することで物体までの距離を求めている。また、スペクトル拡散通信を利用した測距方式では、自局から送信されたスペクトル拡散信号を、他局が受信し、その周波数を変換して自局に送り返し、その信号の往復時間から物体間(自局及び他局間)距離を算出するものである。

発明が解決しようとする課題

0003

レーダー方式を用いた測距方法では、測距に特化したシステムであるため、同一のシステムを用いてのデータ通信が行えない。従って、データ通信を行いたい場合はデータ通信用システムが別途必要となる。また、スペクトル拡散通信方式を用いた測距方法では、データ通信は可能となるが、変調方式スペクトル拡散変調方式を用いている無線機にしか応用できないという問題がある。

0004

そこで、本発明の目的は、現在一般に使用されている狭帯域通信方式を利用して、スペクトル拡散通信方式で行われている測距方法を応用して無線機等の物体間の距離を求める測距方法並びに測距装置を提供することになる。

課題を解決するための手段

0005

請求項1記載の発明は、狭帯域通信方式を用いて自局と他局間の距離を測定する測距方法であって、自局から他局へ第一の狭帯域通信信号を送信するステップと、他局で受信された第一の狭帯域通信信号と他局から自局へ送信する第二の狭帯域通信信号との相対時間差を検出し、その相対時間差のデータを第二の狭帯域通信信号に付加して自局に送信するステップと、自局で受信された第二の狭帯域通信信号と自局で送信した第一の狭帯域通信信号との時間差を検出し、その検出値復調された前記相対時間差のデータとから自局と他局間の距離を算出するステップとを備えることを特徴とするものである。

0006

請求項2記載の発明は、請求項1記載の測距方法において、前記第一及び第二の狭帯域通信信号は、位相変調(PM)、周波数変調FM)及び振幅変調(AM)のうちの一つの変調方式に基づいて変調された信号であることを特徴とするものである。

0007

請求項3記載の発明は、請求項1記載の測距方法において、他局における第一の狭帯域通信信号と第二の狭帯域通信信号との相対時間差を検出するステップと、自局における第二の狭帯域通信信号と第一の狭帯域通信信号との時間差を検出するステップの各々は、他局及び自局においてそれぞれ相関クロック信号を生成し、各局で相関クロック信号と各狭帯域通信信号のベースバンド信号との間で相関をとることにより、自局及び他局での相対時間差を検出するステップを含むことを特徴とするものである。

0008

請求項4記載の発明は、請求項3記載の測距方法において、前記自局及び他局での相対時間差を検出するステップは、第一の狭帯域通信信号及び第二の狭帯域通信信号のベースバンド信号である送信データあるいはそれらから復調した受信データを基に、該送信データまたは受信データのデータ波形を適宜なしきい値を設けて2値化することによりデータの変化ポイントを検出するステップと、変化ポイント毎にデータクロック周期より狭い適宜な幅の第一のパルス信号を生成するステップと、自局及び他局にて前記データクロックの周波数と異なる周波数で生成される相関クロックから、前記第一のパルス信号と同程度の幅を有する第二のパルス信号を生成するステップと、前記第一のパルス信号と前記第二のパルス信号とを掛け合わせ、ローパスフィルタを通すことによって相関信号を得るステップとを備えることを特徴とするものである。

0009

請求項5記載の発明は、請求項4記載の測距方法において、ローパスフィルタ通過後に得られる相関信号から包絡線信号を生成し、該包絡線信号のピーク位置を検出してその位置を相関信号の基準位置とするステップをさらに有することを特徴とするものである。

0010

請求項6記載の発明は、請求項5記載の測距方法において、相関信号の包絡線信号を生成するステップにおいて、相関信号パルス欠落している場合は、欠落の前後のパルス波高値を基にそれらの中間値のパルスを挿入してすることによって欠落パルスを補間する補間ステップをさらに有することを特徴とするものである。

0011

請求項7記載の発明は、請求項5記載の測距方法において、各相関信号の基準位置の時間差に基づいて、他局では第一の狭帯域通信信号と第二の狭帯域通信信号間の相対時間差を求め、自局では第二の狭帯域通信信号と第一の狭帯域通信信号間の時間差を求めることを特徴とするものである。

0012

請求項8記載の発明は、請求項7記載の測距方法において、他局では前記相対時間差を表すデータを第二の狭帯域通信信号に付加して自局に送信し、自局では自局で求めた時間差と、第二の狭帯域通信信号に付加されていた時間差データとに基づいて、自局並びに他局間の距離を算出することを特徴とするものである。

0013

請求項9記載の発明は、狭帯域通信方式を用いて自局と他局間の距離を測定する、各局に設けられた測距装置であって、自局から他局へ第一の狭帯域通信信号を送信する送信部と、該第一の狭帯域通信信号の受信に応じて他局から送信された第二の狭帯域通信信号を受信する受信部とからなり、該第二の狭帯域通信信号には、他局における前記第一の狭帯域通信信号と前記第二の狭帯域通信信号間の相対時間差に関するデータが組み込まれており、前記受信部は、自局から送信した前記第一の狭帯域通信信号と他局から送信され自局により受信された前記第二の狭帯域通信信号との時間差と、該第二の狭帯域通信信号に組み込まれた前記相対時間差に基づいて、自局並びに他局間の距離を測定することを特徴とするものである。

0014

請求項10記載の発明は、請求項9記載のものにおいて、前記受信部は、前記第一の狭帯域通信信号の一部と前記第二の狭帯域通信信号とを受信する受信手段と、受信信号パルス化するパルス手段と、相関クロックパルスを生成する相関クロックパルス生成手段と、パルス化された受信信号と相関クロックパルスとの間で相関処理を行い、相関信号を得る相関手段と、該相関手段からの相関信号に補間処理を行うことで相関パルスの欠落を補う補間手段と、該補間手段の出力信号に基づいてそのピーク位置を検出し、基準ピーク信号として出力するピーク検出手段と、該ピーク検出手段により得られた、第一狭帯域通信信号並びに第二狭帯域通信信号の基準ピーク信号に基づいて各信号間の遅延時間を算出し、自局及び他局間の距離を測定する遅延時間算出手段とを有することを特徴とするものである。

0015

本発明の測距方法並びに測距装置によれば、スペクトル拡散通信で行われている測距方法を用いて、従来使用されている狭帯域通信でも測距できる方法が提供される。測距を実現するための方法として、スペクトル拡散通信で行われている相関動作ができるように、まず、受信したデータ波形をパルス状に加工し、相関動作を行わせる。次に、データが連続すると相関波形の欠落が発生するために、それを補うために波形の補間もしくは推測を行い希望する相関波形を生成する。これにより、スペクトル拡散通信で行われている測距方法を、狭帯域通信に対しても応用することが可能となる。

発明を実施するための最良の形態

0016

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。

0017

まず、本発明の測距方法について説明する。

0018

図1は、電波の折り返しを利用して物体間(例えば無線機間)の距離を測定する測距方式を説明するための概略図である。ここで測距を行う側の物体(無線機等)、すなわち測距用変調信号を最初に送信した側を自局と称し、測距を行われる側の物体(無線機等)、すなわち最初の測距用変調信号を受信した側を他局と称することにする。したがって、状況に応じて任意の物体が自局又は他局となり得る。図2は、他局B側で受信した自局Aからの変調信号と他局Bからの送信信号とに時間的な遅れが無い場合の、自局Aと他局Bの各信号のタイミング関係を示したものであり、図3は、他局B側で受信した自局Aからの変調信号と他局Bからの送信信号とに時間的な遅れがある場合の、自局Aと他局Bの各信号のタイミング関係を示したものである。

0019

図1,2において、電波の折り返しを利用して自局A側と他局B側の間の距離Lを求めようとする場合、自局Aから他局Bへ変調信号(第一の変調信号)Sを送信する。この時、自局Aは自ら送信した変調信号Sを受信し、あるいは変調信号Sの一部を受信部へ送り(この受信信号をR’とする)、このときの受信タイミングを基準として測距を行う。他局Bでは、自局A側からの変調信号と他局Bより送信すべき変調信号(第二の変調信号)Rとの間に時間的遅れ(Δτ)が発生してない場合は、そのまま自局Aに変調信号Rを送信する。自局Aでは、自局Aが送信し且つ受信した変調信号(R’)と、他局Bが送信し且つ自局Aで受信した変調信号Rとの位相差(T)を検出し、この位相差(T)に基づいて距離Lを算出する。ここで、位相差(T)は自局Aと他局B間の電波の往復遅延時間に相当するので、距離Lは位相差Tを用いて下式のように表される。

0020

距離L=c・T/2(cは光の速度)
図1、2中、Δtは自局Aから他局B(他局Bから自局A)へ電波が到達するのに要する時間である。また、τmは自局Aから送信された変調信号が自局A自身により受信され、その基準位置が算出されるまでの遅延時間である。

0021

一方、他局Bで受信した自局Aからの変調信号(Rs)と、他局Bから自局Aへの送信変調信号(Ss)とに時間的遅れ(Δτ)が発生している場合は、変調信号(Rs,Ss)間の位相差(τs)を検出し、この位相差情報を送信変調信号(Ss)に載せて自局A側へ送信する。自局Aでは、自ら送信し且つ受信した変調信号(R’)と、他局Bからの受信信号Rとの位相差(T)を検出し、さらに他局Bから送信された位相差データ(τs)を復調し、他局B側での位相差によって発生した誤差補正し、他局Bまでの距離Lを算出する。ここで、距離Lは位相差Tとτsを用いて下式のように表される。

0022

距離L=c・(T−τs)/2(cは光の速度)
上述した変調信号は、スペクトル拡散方式以外の変調方式、例えば、PM(位相変調)、FM(周波数変調)またはAM(振幅変調)に基づいて変調された信号である。スペクトル拡散通信を利用した測距方法の場合、変調信号は基準PN符号により逆拡散(相関)を行うことで基準位置(基準ピーク)を検出することが可能であるが、上述した狭帯域通信の変調信号をそのまま用いては、スペクトル拡散通信のこのような相関動作を行わせることができない。従って、狭帯域通信のデータ(RD)をパルス化して、相関ができるようにする必要がある。

0023

図4は狭帯域信号のパルス化と相関動作を示したタイミングチャートであり、この動作により各変調信号の基準位置(基準ピーク)を検出することが可能となる。

0024

図4で示されるように、自局Aでは、他局Bからの変調信号(受信データ(RD))の変化ポイント(0→1,1→0)をあるしきい値で2値化し、幅の狭いパルス信号(Rp)を生成する(図4(a),(b),(c))。また、相関をとるもう一方のパルス(Cp)を図4(d)で示される相関用クロックCK)から生成する(図4(e))。この相関用クロックは、送受信データのクロックに対して、ごくわずかな周波数が異なるものである。この2つのパルス信号の相関動作(RpとCpとの掛け算)を行い(図4(f))、フィルタを通過させることで相関波形(RCp)を生成する(図4(g))。この時、受信データにデータの変化ポイントがない場合は、相関信号が出力されない。従って、この欠落した相関信号を補い(図4(h))、個々の相関パルスのピーク値を基にした包絡線信号(RC)を生成し(図4(i))、その信号の最大値の位置を基準ピーク信号(R)とする(図4(j))。同様な処理を、自局Aが送信し、且つ自ら受信した信号に対して行い、基準ピーク信号(R’)を生成する。

0025

以上の処理により狭帯域信号を用いても受信信号の基準ピーク(基準位置)を検出することが可能となり、受信信号の遅延時間差(位相差)に基づいた測距が可能となる。

0026

図5は上述した測距方法に基づく測距システムの自局と他局とに設けた構成の一実施態様を示したものである。

0027

図5で示される測距システムは、測距用のデータ(変調信号)を送信する送信部と、該変調信号並びに他局からの送信信号を受信する受信部とから構成されている。

0028

送信部では、データクロック生成部1で生成したデータクロック「FD」を基に送信データ2を放出する。送信データは帯域通過フィルタ(BPF)3通過後に、搬送波(f)で変調され、増幅器4にて増幅後にアンテナを介して送信される。この時、送信信号の一部は受信部側に送られる。一方受信部では、送信信号の一部または受信信号の増幅を増幅器5で行い、搬送波(f)で変調し、帯域通過フィルタ(BPF)6を通過後にAGC自動利得制御器)7により信号レベルを一定にする。しかる後、AGC7からの出力信号はデータ復調部8に送られ、受信データの復調を行う。受信データは、パルス生成部9にてパルス化され、相関クロックパルスと掛け算が行われ、相関がとられる。ここで、相関クロックパルスは、相関用クロック生成部10で生成された相関クロック「Fc」をパルス生成部11でパルス化することで得られる。その後、相関処理された信号はLPF低域フィルタ)12を通過後、波形整形部13にて相関パルスの欠落を補い、ピーク検出器14にて相関パルスの包絡線信号を生成し、相関の基準ピーク信号(R’、R)を発生する。相関パルスの欠落の補間は、欠落前後のパルス波高値の中間値の波高のパルスを挿入することで行われる。

0029

送信部のデータクロック「Fd」に対しても同様な処理が施される。すなわち、データクロック生成部1で生成したデータクロック「Fd」はパルス生成部15でパルス化され、相関クロックパルスとの相関を行った後、LPF(低域フィルタ)16を通過後、波形整形部17にて波形の補間が行われ、さらにピーク検出器18にて相関の基準ピーク信号が得られる(S)。

0030

ここで、基準ピーク信号(SまたはR’)を基準として、他局から送られてきた受信信号の基準ピーク信号(R)とを比較器19で比較し、その位相差を時間差検出部20で検出する。この時、無線機が他局側になっているときは、時間差データが、受信した信号と送信信号の時間的な遅れ(Δτ)を表しているため、自局側へデータとして送信する。その後、遅延時間算出部21で他局から送られてきた受信信号(Δτ)とともに計算され距離が算出される。

発明の効果

0031

以上説明したように、本発明によれば、現在使用されている狭帯域無線機に、測距機能を簡単に付加することができ、無線機の位置等が把握できる。

図面の簡単な説明

0032

図1電波の折り返しを利用して物体間の距離を測定する測距方式を説明するための概略図である。
図2他局B側で受信した自局Aからの変調信号と他局Bからの送信信号とに時間的な遅れが無い場合の、自局Aと他局Bの各信号のタイミング関係を示したものである。
図3他局B側で受信した自局Aからの変調信号と他局Bからの送信信号とに時間的な遅れがある場合の、自局Aと他局Bの各信号のタイミング関係を示したものである。本発明による測距方法を示した概略図である。
図4狭帯域信号のパルス化と相関動作を示したタイミングチャートである。
図5本発明の測距方法に基づく測距システムの自局と他局とに設けた構成の一実施態様を示したものである。

--

0033

A自局
B他局
1データクロック生成部
8データ復調部
9,11,15パルス生成部
10相関用クロック生成部
13、17波形整形部
14、18ピーク検出部
20時間差検出部
21遅延時間算出部

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