無線測位システム及び無線測位方法
【課題】インフラ側に簡易な送信機能のみを有する基地局を設置し、複雑な送受信機能を有する基準局の数を減らすことで、無線測位システム全体のコストを低減することを課題とする。
【解決手段】複数の基地局Ａ，Ｂから、互いに非同期で無線信号Ｒ１を少なくとも一つの基準局Ｐと移動端末Ｍとに送信する。基準局Ｐが無線信号Ｒ１に応答して無線信号Ｒ２を移動端末Ｍに送信する際、無線信号Ｒ１を受信した受信時刻と無線信号Ｒ２を送信した送信時刻とを無線信号Ｒ２に含ませて送信する。移動端末Ｍが受信した無線信号Ｒ１の受信時刻と、移動端末Ｍが受信した無線信号Ｒ２の受信時刻と、移動端末Ｍが受信した無線信号Ｒ２に含まれた受信時刻及び送信時刻とに基づいて、移動端末Ｍの位置を演算により求める。
【解決手段】複数の基地局Ａ，Ｂから、互いに非同期で無線信号Ｒ１を少なくとも一つの基準局Ｐと移動端末Ｍとに送信する。基準局Ｐが無線信号Ｒ１に応答して無線信号Ｒ２を移動端末Ｍに送信する際、無線信号Ｒ１を受信した受信時刻と無線信号Ｒ２を送信した送信時刻とを無線信号Ｒ２に含ませて送信する。移動端末Ｍが受信した無線信号Ｒ１の受信時刻と、移動端末Ｍが受信した無線信号Ｒ２の受信時刻と、移動端末Ｍが受信した無線信号Ｒ２に含まれた受信時刻及び送信時刻とに基づいて、移動端末Ｍの位置を演算により求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は無線測位システムに係り、特に電波の伝播時間を利用して移動端末自身が位置を特定する無線測位システム及び無線測位方法、基準局及び移動端末に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動端末の位置を電波の伝播時間を利用して測定する技術としてＴＯＡ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ）方式とＴＤＯＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ）が知られている。
【０００３】
図１はＴＯＡ方式の測位システムを説明するための図である。ＴＯＡ方式では、移動端末Ｍの移動範囲内に送受信機能を有する複数の基地局Ａ，Ｂ，Ｃが設置される。基地局Ａ，Ｂ，Ｃの位置は予め精確に求められている。まず、移動端末Ｍから特定の基地局Ａに向けて送信した無線信号Ｒ１を基地局Ａが受信すると、基地局Ａは無線信号Ｒ２を移動端末Ｍに返送する。移動端末Ｍは無線信号Ｒ２を受信し、往復の伝播時間から移動端末Ｍと基地局Ａの距離を測定する。次に、移動端末Ｍから特定の基地局Ｂに向けて発した無線信号Ｒ３を基地局Ｂが受信すると、基地局Ｂは無線信号Ｒ４を移動端末Ｍに返送する。移動端末Ｍは無線信号Ｒ４を受信し、往復の伝播時間から移動端末Ｍと基地局Ｂの距離を測定する。この動作を複数の基地局（基地局Ａ，Ｂ，Ｃ）に対して順番に行うことで、移動端末Ｍは三角測量の原理に基づいて移動端末Ｍの位置を測定する。
【０００４】
移動端末Ｍが広い範囲や障害物が多い範囲を移動する場合には、同時に最低でも２つの基地局と通信する必要があり、多数の基地局を設置する必要がある。特に、測定精度を上げるためにインパルス電波を用いれば、各基地局の送信機として低消費電力且つ低価格の送信機を用いることができる。一方、受信機は送信機に比べて複雑で高価な回路を必要とするため、全ての基地局（インフラ側）に送受信機を設けると、基地局の設置費用が高くなってしまう。
【０００５】
図２はＴＤＯＡ方式の測位システムを説明するための図である。ＴＤＯＡ方式においても複数の基地局Ａ，Ｂ，Ｃが設置されるが、各基地局Ａ，Ｂ，Ｃには送信機のみが設けられ、受信機は設けられない。各基地局Ａ，Ｂ，Ｃの送信機が同時、あるいは、既知の時間差で無線信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を送信するならば、移動端末Ｍは各基地局Ａ，Ｂ，Ｃからの無線信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の到達時間差から、移動端末Ｍの位置を測定することが可能となる。
【０００６】
ここで、各基地局Ａ，Ｂ，Ｃが、同時、あるいは、既知の時間差で無線信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を送信するためには、基地局Ａ，Ｂ，Ｃの間で時間同期をとる必要がある。この時間同期は、送信機のみでは実現できない機能であり、各基地局Ａ，Ｂ，Ｃは時間同期用の通信機能を有する必要がある。したがって、全ての基地局に時間同期用の通信機能を設けると、基地局の設置費用が高くなってしまう。
【０００７】
以上のように、ＴＯＡ方式及びＴＤＯＡ方式では、複数の基地局の全てに受信機や通信手段を設ける必要があり、その分、基地局の構成が複雑となりコスト高となる。そこで、非同期の複数の基地局を備えた無線ネットワーク内で移動端末の位置を測定する無線測位システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
図３は特許文献１に開示された無線測位システムを説明するための図である。図３に示す無線測位システムでは、基地局の一つとして基準局Ｐが設けられる。基準局Ｐは、基地局Ａから発信された無線信号Ｒ１を基準局Ｐが受信した時間と、基地局Ｂから発信された無線信号Ｒ２を基準局Ｐが受信した時間の時間差を測定する。また、基準局Ｐは、基地局Ａから発信された無線信号Ｒ１を基準局Ｐが受信した時間と、基地局Ｃから発信された無線信号Ｒ２を基準局Ｐが受信した時間の時間差を測定する。そして、基準局Ｐは測定した時間差を無線信号Ｒ４により基地局Ａに送信する。基地局Ａは受信した時間差データを無線あるいは有線信号Ｒ５によりサーバＳに送信する。
【０００９】
一方、移動端末Ｍは、基地局Ｂから発信された無線信号Ｒ６を移動端末Ｍが受信した時間と、基地局Ａから発信された無線信号Ｒ７を移動端末Ｍが受信した時間の時間差を測定する。また、移動端末Ｍは、基地局Ｂから発信された無線信号Ｒ６を移動端末Ｍが受信した時間と、基地局Ｃから発信された無線信号Ｒ８を基準局Ｐが受信した時間の時間差を測定する。そして、移動端末Ｍは測定した時間差を無線信号Ｒ９により基地局Ａに送信する。基地局Ａは受信した時間差データを無線あるいは有線信号Ｒ１０によりサーバＳに送信する。
【００１０】
サーバＳは、基準局Ｐで測定した時間差と移動端末Ｍで測定した時間差に基づいて、移動端末Ｍの位置を演算により求める。
なお、図１から図３において、○は送受信機を有する基地局または基準局を表し、△は送信機のみを有する基地局を表し、■は受信機のみを有する移動端末を表し、●は送受信機を有する移動端末を表す。
【特許文献１】特表２０００−５０４８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図３に示す従来の無線測位システムの場合、基準局Ｐで測定する時間差は（Ｒ１−Ｒ２），（Ｒ１−Ｒ３）であり、無線信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は非同期であるため大きな時間差となる場合がある。また、移動端末Ｍで測定する時間差（Ｒ６−Ｒ７），（Ｒ６−Ｒ８）も同様に、無線信号Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８は非同期であるため大きな時間差となる場合がある。
【００１２】
このように時間差が大きい場合、時間差を測定するタイマの精度が問題となる。すわなち、従来の無線測位システムでは、（Ｒ１−Ｒ２）を基準局Ｐのタイマで測定し、（Ｒ６−Ｒ７）を移動端末Ｍのタイマで測定しており、時間差が大きいと、タイマの周波数誤差により測定時間に誤差が生じて測位誤差となってしまう。このようなタイマ誤差に起因した測位誤差は、例えば携帯電話の位置測定であれば数メートルの誤差であり、大きな問題にはならない。しかし、例えば室内搬送装置の位置測定では数１０ｃｍの位置測定精度が必要とされるため、タイマ誤差に起因した測位誤差が数メートルとなるとは大きな問題となる。
【００１３】
また、図３の従来の無線測位システムでは、２次元測位を行うために基準局Ｐとは別に最低３つの基地局を必要とする。基準局Ｐは送受信機を備えた基地局であり、基準局Ｐの設置コストは基地局の設置コストより高い。
【００１４】
さらに、図３の従来の無線測位システムでは、基地局Ａから基準局Ｐへの無線信号Ｒ１と、基地局Ａから移動端末Ｍへの無線信号Ｒ７を別々にしている。例えば、測位システムの移動端末が移動携帯電話である場合に、各移動端末毎に個別のＩＤを使って信号を送っているため、Ｒ１とＲ７を共通にできないからである。したがって、基地局Ａにおける通信回数が増えて基地局Ａでの消費電力が増大してしまう。
【００１５】
さらに、図３の従来の無線測位システムでは、測位計算をサーバＳで行うためサーバＳに時間差情報を送るために、基準局Ｐから基地局Ａへの無線信号Ｒ４、及び、移動端末Ｍから基地局Ａへの無線信号Ｒ９が必要となる。このため、通信回数が多く、通信エラー等で測位不能となる確率が高くなる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の問題を解決するために、送信機能を有する複数の基地局と、送受信機能を有する少なくとも一つの基準局と、受信機能を有する移動端末とを有する無線測位システムであって、前記基地局は、互いに非同期で第１の無線信号を前記基準局と前記移動端末に送信し、前記基準局は、該第１の無線信号に応答して第２の無線信号を前記移動端末に送信する際、該第１の無線信号を受信した受信時刻と該第２の無線信号を送信した送信時刻とを前記第２の無線信号に含ませて送信し、前記移動端末は、前記第１の無線信号の受信時刻と、前記第２の無線信号の受信時刻と、前記第２の無線信号に含まれた受信時刻及び送信時刻とに基づいて、前記移動端末の位置を演算により求める無線測位システムが提供される。
【００１７】
また、複数の基地局から、互いに非同期で第１の無線信号を少なくとも一つの基準局と移動端末とに送信し、前記基準局が該第１の無線信号に応答して第２の無線信号を前記移動端末に送信する際、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と該第２の無線信号を送信した送信時刻とを前記第２の無線信号に含ませて送信し、前記移動端末が受信した前記第１の無線信号の受信時刻と、前記移動端末が受信した前記第２の無線信号の受信時刻と、前記移動端末が受信した前記第２の無線信号に含まれた受信時刻及び送信時刻とに基づいて、前記移動端末の位置を演算により求める無線測位方法が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
上述の無線測位システム及び無線測位方法によれば、インフラ側に簡易な送信機能のみを有する基地局を設置し、複雑な送受信機能を有する基準局の数を減らすことで、無線測位システム全体のコストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図４は本発明の一実施形態による無線測位システムの構成を示す図である。図４に示す無線測位システムは、基地局Ａ，Ｂと、基準局Ｐと移動端末Ｍとを含んでいる。△で示す基地局Ａ，Ｂは、送信機のみを有し受信機が設けられていない基地局である。○で示す基準局Ｐは送受信機を有する基地局である。■で示す移動端末Ｍは、受信機のみを有し送信機が設けられていない移動端末である。また、図５は基地局Ａ，Ｂ、基準局Ｐ、及び移動端末Ｍでの無線信号の送受信タイミングを示すタイムチャートである。
【００２１】
図４に示す無線測位システムにおいて、基地局Ａは非同期で無線信号（電波）を送信する。移動端末Ｍと基準局Ｐは基地局Ａから発信した無線信号Ｒ１を受信し、その受信時刻ＴａｍｒとＴａｐｒをそれぞれ保存する。基準局Ｐは、基地局Ａから無線信号Ｒ１受信すると、それに続いて無線信号Ｒ２を送信するとともに無線信号Ｒ２の送信時刻Ｔａｐｔを保存する。無線信号Ｒ２には、無線信号Ｒ１を受信した時刻Ｔａｐｒと無線信号Ｒ２を送信した時刻Ｔａｐｔがデータとして含まれる。移動端末Mは無線信号Ｒ２を受信すると、その受信時刻Ｔａｐｍｒを保存するとともにデータとして無線信号に含まれた時刻ＴａｐｒとＴａｐｔを読み込む。
【００２２】
基地局Ｂは非同期で無線信号Ｒ３を送信する。移動端末Mと基準局Pは基地局Bから送信した無線信号Ｒ３を受信し、その受信時刻ＴｂｍｒとＴｂｐｒを保存する。基準局Pは、基地局Ｂから無線信号Ｒ３を受信すると、続いて無線信号Ｒ４を移動端末Mに送信するとともに送信時刻Ｔｂｐｔを保存する。無線信号Ｒ４には、無線信号Ｒ３を受信した時刻Ｔｂｐｒと無線信号Ｒ４を送信した時刻Ｔｂｐｔとが含まれる。移動端末Mは、無線信号Ｒ４を受信すると、その受信時刻Ｔｂｐｍｒを保存するとともにデータとして無線信号Ｒ４に含まれた時刻ＴｂｐｒとＴｂｐｔを読み込む。
【００２３】
次に、移動端末Ｍは、実測した無線信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の受信時刻と、基準局Ｐからデータとして送られた無線信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の送受信時刻、及び、基地局Ａ，Ｂ及び基準局Ｐの既知の座標値に基づいて、移動端末Ｍ自身の位置を演算により求める。すなわち、移動端末Ｍは、無線信号Ｒ１と無線信号Ｒ２の受信時刻差、及び、無線信号Ｒ３と無線信号Ｒ４の受信時刻差に基づいて、ＴＤＯＡの原理を用いて位置を割り出す。ところが、無線信号Ｒ１と無線信号Ｒ２は同時に送信されてはいないので、そのままでは比較できない。そこで、基地局Ａから基準局Ｐに無線信号Ｒ１が到達する遅延時間、及び、基準局Ｐが無線信号Ｒ１を受信してから無線信号Ｒ２を送信するまでの遅延時間を用いて、無線信号Ｒ２の送信時刻を補正する。これにより、無線信号Ｒ１と無線信号Ｒ２が同時に送信されたように換算することができる。無線信号Ｒ３，Ｒ４についても、無線信号Ｒ１，Ｒ２と同様な補正を行ない、無線信号Ｒ４の送信時刻を補正する。
【００２４】
ここで、上述の無線信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の送受信時刻から移動端末Ｍの位置を割り出す演算方法について説明する。
【００２５】
基地局Ａが無線信号Ｒ１を送信した時刻Ｔａｔ、移動端末Ｍが無線信号Ｒ１を受信した時刻をＴａｍｒ、基地局Ａと移動端末Ｍと間の距離をＬａｍとする。また、移動端末Ｍと基地局Ａのタイマは同期していないためオフセット誤差が生じており、そのオフセット誤差をＴａｍｏとし、光速をＶｃとすると、以下の関係が成り立つ。
【００２６】
【数１】
同様に基準局Pが無線信号Ｒ２を送信した時刻をＴａｐｔ、移動端末Ｍが無線信号Ｒ２を受信した時刻をＴａｐｍｒ、基準局Pと移動端末Ｍとの間の距離をＬｐｍ、移動端末Ｍのタイマと基準局Ｐのタイマとのオフセット誤差をＴｐｍｏとすると、以下の関係が成り立つ。
【００２７】
【数２】
また、同様に基準局Pが無線信号Ｒ１を受信した時刻をＴａｐｒ、基地局Ａと基準局Ｐとの間の距離をＬａｐ、基準局Ｐのタイマと基地局Ａのタイマとのオフセット誤差をＴａｐｏとすると、以下の関係が成り立つ。
【００２８】
【数３】
また、タイマオフセットは、
【００２９】
【数４】
となるため、式（１）〜（４）から、以下の関係が求められる。
【００３０】
【数５】
基地局Bについても同様に以下の関係が求められる。
【００３１】
【数６】
一方、基地局Ａの座標（Ｘａ，Ｙａ）、基地局Ｂの座標（Ｘｂ，Ｙｂ）、基準局Ｐの座標Ｘｐ，Ｙｐ）は既知であり、移動端末Mの座標（ｘ，ｙ)は未知であるが、これらの座標には以下の関係がある。
【００３２】
【数７】
したがって、式（７）を式（５）、（６）に代入することで以下の関係が求められる。
【００３３】
【数８】
以上の式（８）を未知数ｘ，yについて解くことにより移動端末Mの位置が求められる。
【００３４】
次に、図４に示す基地局Ａ，Ｂ、基準局Ｐ、及び、移動端末Ｍの構成について詳細に説明する。
【００３５】
基地局Ａと基地局Ｂは同じ構成を有しており、ここでは基地局Ａについて説明する。図６は基地局Ａの構成を示すブロック図である。本実施形態では無線信号にインパルス電波を用いることで、受信時刻を正確に求めている。
【００３６】
基地局Ａは所定の周期で他の無線局（例えば基地局Ｂ）とは非同期に無線信号を送信する。ＭＰＵ１１は無線信号Ｒ１に含ませる送信データ（デジタル信号）を生成し、送信データをＰＰＭデータ変調部１２に送る。ＰＰＭは（Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス位置変調）を意味する。ＰＰＭデータ変調部１２には、ＰＮ系列発生部１３から疑似乱数（ＰＮ）系列が供給される。ＰＰＭデータ変調部１２は、供給された疑似乱数を用いて送信データの“１”，“０”に従ってＰＰＭデータ変調を行い、インパルス生成部１４にパルス列を出力する。インパルス生成部１３は、ステップリカバリダイオード等を用いて、パルスの立ち上がり部で非常に細いインパルスを生成する。生成されたインパルスは非常に広い帯域を有している。そこで、例えば、電波法のマスクに適合するように、３．４ＧＨｚ〜４．８ＧＨｚのパンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１５を通すことで、不要な３．４ＧＨｚ以下の成分と４．８ＧＨｚ以上の成分を除去する。ＢＰＦ１５を通過したインパルス信号は、パワーアンプＡ（ＰＡ）１６により増幅され、アンテナ１７から無線信号（電波）Ｒ１として放射される。
【００３７】
図７は基準局Ｐの構成を示すブロック図である。基準局Ｐは、基地局Ａとほぼ同様の構成の送信部を有する他、基地局Ａには無い受信部を有する。図７において図６に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００３８】
基準局Ｐは、アンテナ２２から無線信号（インパルス電波）を受信すると、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２３で不要な周波数成分除去する。その後、無線信号は低雑音アンプ（ＬＮＡ）２４で増幅され、パルス検出部２５に送られる。パルス検出部２５は、例えば、ダイオードによる包絡線検波回路とコンパレータ等を含む回路であり、無線信号中のパルスを検出する。検出されたパルスは、デジタルマッチドフィルタによる相関器２６において、ＰＮ系列発生部１３から供給される疑似乱数（ＰＮ）系列と比較される。相関器２６によりプリアンブル部が検出されたら同期が確立されたと判断し、ＰＰＭデータ復調部２７により次に続くデータ部のＰＰＭを復調して、受信データを生成する。また、データ部の最初のパルスを検出したら、その時刻を受信時刻保持部２８に保持する。
【００３９】
また、基準局Ｐは、基地局Ａからの電波（無線信号Ｒ１）を受信すると、ＭＰＵ２１が送信データを生成し、移動端末Ｍに向けて電波（無線信号Ｒ２）を送信する。送信部の構成は基地局Ａと同様であるが、送信時に、データ部の最初のパルス位置の送信時刻を送信時刻保持部２９で保持する点が異なる。受信時刻保持部２８及び送信時刻保持部２９に保持された受信時刻と送信時刻は、ＭＰＵ２１を経由して送信データとして移動端末Ｍに送信される。なお、受信時刻保持部２８及び送信時刻保持部２９にはタイマ３０から時刻データ（クロック信号）が供給されており、受信時刻保持部２８及び送信時刻保持部２９は供給された時刻データを参照して受信時刻と送信時刻を決定し、その時刻データを保持する。
【００４０】
図８は基準局Ｐの動作のフローチャートである。基準局Ｐは、基地局Ａからの無線信号Ｒ１を受信すると、その受信時刻Ｔａｐｒを受信時刻保持部２８に保持する（ステップＳ１）。続いて、基準局Ｐは移動端末Ｍに対して無線信号Ｒ２の送信を開始し、送信を開始した送信時刻Ｔａｐｔを送信時刻保持部２９に保持する（ステップＳ２）。そして、基準局Ｐは、無線信号Ｒ２のデータ部に、無線信号Ｒ１の受信時刻Ｔａｒｐと無線信号Ｒ２の送信時刻Ｔａｐｔを含ませて送信する（ステップＳ３）。
【００４１】
その後、基準局Ｐは基地局Ｂからの無線信号Ｒ３の送信を待ち、無線信号Ｒ３を受信したら、その受信時刻Ｔｂｐｒを受信時刻保持部２８に保持する（ステップＳ４）。続いて、基準局Ｐは移動端末Ｍに対して無線信号Ｒ４の送信を開始し、送信を開始した送信時刻Ｔｂｐｔを送信時刻保持部２９に保持する（ステップＳ５）。そして、基準局Ｐは、無線信号Ｒ４のデータ部に、無線信号Ｒ３の受信時刻Ｔａｒｐと無線信号Ｒ４の送信時刻Ｔａｐｔを含ませて送信する（ステップＳ６）。
【００４２】
以上のように、基準局Ｐは、基地局Ａ，Ｂの各々から送信される無線信号の受信時刻と返送する無線信号の送信時刻とを、無線信号のデータ部に含ませて移動端末Ｍに送信する。基地局Ａ，Ｂは各々単独で周期的に無線信号を基準局に送信しているだけであり、同期して信号送信しているわけではない。
【００４３】
次に、移動端末Ｍの構成について説明する。図９は移動端末Ｍの構成を示す図である。図９において図７に示す構成部品と同等な部品には一桁目が同じ符号を付し、その説明は省略する。本実施形態では、移動端末Ｍは受信部のみを有しており、発信機は設けられていない。図１０は移動端末Ｍの動作のフローチャートである。
【００４４】
移動端末Ｍは、基地局Ａからの無線信号Ｒ１をアンテナ４２で受信すると、ＢＰＦ４３、ＬＮＡ４４、パルス検出部４５、相関器４６を通じて受信時刻Ｔａｍｒを抽出し、受信時刻保持部４８に保持する（ステップＳ１１）。受信時刻ＴａｍｒはＭＰＵ４１に送られる。また、移動端末Ｍは、基準局Ｐからの無線信号Ｒ２を受信すると、その受信時刻Ｔａｐｍｒを同様に受信時刻保持部４８に保持する（ステップＳ１２）。受信時刻ＴａｐｍｒはＭＰＵ４１に送られる。また、基準局Ｐからの無線信号Ｒ２には、基準局Ｐでデータとして生成された時刻データが受信データとして含まれているので、受信データをＰＰＭデータ復調部４７で復調する。復調した受信データもＭＰＵ４１に送られる。
【００４５】
同様に、移動端末Ｍは、基地局Ｂからの無線信号Ｒ３をアンテナ４２で受信すると、その受信時刻Ｔｂｍｒを受信時刻保持部４８に保持する（ステップＳ１３）。受信時刻ＴｂｍｒはＭＰＵ４１に送られる。また、移動端末Ｍは、基準局Ｐからの無線信号Ｒ４を受信すると、その受信時刻Ｔｂｐｍｒを同様に受信時刻保持部４８に保持する（ステップＳ１４）。受信時刻ＴｂｐｍｒはＭＰＵ４１に送られる。また、基準局Ｐからの無線信号Ｒ４には、基準局Ｐでデータとして生成された時刻データが受信データとして含まれているので、受信データをＰＰＭデータ復調部４７で復調する。復調した受信データもＭＰＵ４１に送られる。
【００４６】
ＭＰＵ４１は、ステップＳ１１〜Ｓ１４において得られた送受信時刻と基地局Ａ，Ｂ、及び、基準局Ｐの位置座標から、上述の式（８）を解いて移動端末Ｍ自身の位置座標を計算する（ステップＳ１５）。このように、移動端末Ｍは二つの基地局Ａ，Ｂと一つの基準局Ｐからの無線信号を受信することで、移動端末Ｍ自身の位置を演算により割り出すことができる。
【００４７】
基地局Ａ，Ｂには送信機能のみが必要であるため、基地局Ａ，Ｂとして低コストの発信機を用いることができる。このため、基地局全体の設置コストを低減することができる。また、移動端末Ｍには位置測定に関して受信機能のみが必要であり、発信機を設けない分だけ移動端末Ｍのコストも低減することができる。
【００４８】
また、移動端末Ｍから基地局Ａ、Ｂ及び基準局Ｐに対して無線信号を送信する必要がなく、また、基地局Ａ，Ｂ同士での通信が不要であるため、通信回数が少なく、その分通信エラーが発生する確率が低くなる。これにより、通信条件や環境に左右されずに確実な位置測定を達成することができる。
【００４９】
さらに、移動端末Ｍが多数ある場合も移動端末Ｍごとに異なる信号を送信する必要は無いため、移動端末Ｍの数が増えても通信量は一定であり、移動端末増加に伴う輻輳発生や応答劣化が起こらない。
【００５０】
なお、基地局の数、基準局の数、及び移動端末の数は、図４に示す例に限られず、任意の数を設けることができる。
【００５１】
以上の如く、本実施形態による無線測位システムは、送信機能を有する複数の基地局Ａ，Ｂと、送受信機能を有する少なくとも一つの基準局Ｐと、受信機能を有する移動端末Ｍと を有する。そして、基地局Ａ，Ｂは、互いに非同期で第１の無線信号Ｒ１を基準局Ｐと移動端末Ｍに送信する。基準局Ｐは、第１の無線信号Ｒ１に応答して第２の無線信号Ｒ２を移動端末Ｍに送信する際、第１の無線信号Ｒ１を受信した受信時刻Ｔａｐｒと第２の無線信号Ｒ２を送信した送信時刻Ｔａｐｔとを第２の無線信号Ｒ２に含ませて送信する。移動端末Ｍは、第１の無線信号Ｒ１の受信時刻Ｔａｍｒと、第２の無線信号Ｒ２の受信時刻Ｔａｐｍｒと、第２の無線信号Ｒ２に含まれた受信時刻Ｔａｐｒ及び送信時刻Ｔａｐｔとに基づいて、移動端末Ｍの位置を演算により求める。
【００５２】
図１１は多数の基地局を設置した無線測位システムを示す図である。図１１に示す例では、基地局Ａ，Ｂの他に基地局Ｃ，Ｄが設置されている。基地局の数は二つ以上であれば任意の数とすることができる。例えば、移動端末Ｍが広い範囲や障害物が多い範囲を移動する場合には、移動端末Ｍの位置によって基地局との通信が不能となるような場合がある。しかし、移動端末Ｍが、多数の基地局の中から二つの基地局及び基準局Ｐと通信可能であれば、移動体端末Ｍの測位を行なうことができる。移動端末Ｍは、測位のために通信する基地局を、通信可能な基地局の中から二つだけ適宜選定すればよい。
【００５３】
ここで、基準局Ｐを一つしか設置しない場合には、基準局Ｐからの電波が何らかの理由で受信できないと、いくら多数の基地局からの電波が受信できたとしても、移動端末Ｍで測位できなくなってしまう。そこで、図１２に示すように、移動体端末Ｍの移動範囲に複数の基準局を設置することで、この問題を解決することができる。
【００５４】
図１３は図１２に示す無線測位システムにおける無線信号の送受信のタイムチャートである。基準局Ｐ１とＰ２は、基地局Ａから無線信号Ｒ１を受信すると、移動端末に対して無線信号Ｒ２−１とＲ２−２をそれぞれ送信する。ここで、基準局Ｐ１とＰ２の両方が、電波を受信して直ちに無線信号Ｒ２−１とＲ２−２を送信すると両方の基準局Ｐ１，Ｐ２からの無線信号が混信してしまう。そこで、図１３に示すように、基準局ごとに、基地局から電波を受信してから移動端末Ｍに無線信号を送信するまでの時間を予め異なる時間に設定しておく。図１３に示す例では、基準局Ｐ１は基地局Ａからの無線信号Ｒ１を受信してから可能な限りすみやかに無線信号Ｒ２−１を送信する。一方、基準局Ｐ２は、基準局Ｐ１の送信開始から無線信号Ｒ２−２の最大パケット長Ｌｍａｘだけ待ってから無線信号Ｒ２−２を送信する。同様に、基準局Ｐ１は基地局Ｂからの無線信号Ｒ３を受信してから可能な限りすみやかに無線信号Ｒ４−１を送信し、基準局Ｐ２は基準局Ｐ１の送信開始から無線信号Ｒ４−１の最大パケット長Ｌｍａｘだけ待ってから無線信号Ｒ４−２を送信する。これにより、複数の基準局があっても混信を避けることができる。
【００５５】
図１４は図１２における基準局Ｐ２の動作のフローチャートである。基準局Ｐ２は基準局Ｐ１より遅れて無線信号を移動端末に送信するように設定されている。
【００５６】
基準局Ｐ２は、基地局Ａからの無線信号Ｒ１を受信すると、その受信時刻Ｔａｐｒを受信時刻保持部２８に保持する（ステップＳ２１）。続いて、基準局Ｐ２は予め設定された時間Ｌｍａｘだけ待つ（ステップＳ２２）。この待ち時間Ｌｍａｘは基準局Ｐ１が無線信号Ｒ２−１を移動端末Ｍに送信するのにかかる最大時間である。すなわち、この待ち時間Ｌｍａｘの間に、基準局Ｐ１は無線信号Ｒ２−１を移動端末Ｍに送信し終わる。そこで、時間Ｌｍａｘが過ぎたら、基準局Ｐ２は移動端末Ｍに対して無線信号Ｒ２−２の送信を開始し、送信を開始した送信時刻Ｔａｐｔを送信時刻保持部２９に保持する（ステップＳ２３）。そして、基準局Ｐ２は、無線信号Ｒ２−２のデータ部に、無線信号Ｒ１の受信時刻Ｔａｒｐと無線信号Ｒ２−２の送信時刻Ｔａｐｔを含ませて送信する（ステップＳ２４）。
【００５７】
その後同様に、基準局Ｐ２は、基地局Ｂからの無線信号Ｒ３を受信すると、その受信時刻Ｔｂｐｒを受信時刻保持部２８に保持する（ステップＳ２５）。続いて、基準局Ｐ２は予め設定されたパケット送信時間Ｌｍａｘだけ待つ（ステップＳ２６）。この待ち時間Ｌｍａｘは基準局Ｐ１が無線信号Ｒ４−１を移動端末Ｍに送信するのにかかる最大時間である。すなわち、この待ち時間Ｌｍａｘの間に、基準局Ｐ１は無線信号Ｒ４−１を移動端末Ｍに送信し終わる。そこで、時間Ｌｍａｘが過ぎたら、基準局Ｐ２は移動端末Ｍに対して無線信号Ｒ４−２の送信を開始し、送信を開始した送信時刻Ｔｂｐｔを送信時刻保持部２９に保持する（ステップＳ２７）。そして、基準局Ｐ２は、無線信号Ｒ４−２のデータ部に、無線信号Ｒ４−２の受信時刻Ｔｂｒｐと無線信号Ｒ４−２の送信時刻Ｔｂｐｔを含ませて送信する（ステップＳ２８）。
【００５８】
以上の如く、本実施形態による無線測位システムにおいて、複数の基準局Ｐ１，Ｐ２，‥‥を設置することとしてもよい。そして、複数の基準局Ｐ１，Ｐ２，・・・の各々が送信する第２の無線信号Ｒ２−１，Ｒ２−２，・・・の送信時刻Ｔａｐｔ，Ｔａｐｔ２，・・・を、他の基準局による第２の無線信号Ｒ２−１，Ｒ２−２，・・・の送信が終了した後となるように順次遅らせている。
【００５９】
上述の実施形態において、基地局Ａ，Ｂからの無線信号は基地局ＩＤ等を表すだけの短いパケットでよい。一方、基準局Ｐからの無線信号は、送受信時刻をデータとして載せるためパケットは長くなる。移動端末Ｍと基準局Ｐのタイマの進み方（クロック周波数）が異なっていると、例えば図１３に示す例のように基準局Ｐ２が応答する時間が長い場合、その間でのタイマのずれが問題となる。例えば、１０ｐｐｍのクロック精度では１００μｓｅｃのパケット時間で１ｎｓｅｃの誤差が発生する。この時間誤差は距離に直すと３０ｃｍの位置誤差に相当し、高精度測位を行う場合には問題となる。
【００６０】
そこで、基準局Ｐ１，Ｐ２から送信する第２の無線信号Ｒ２を、データを載せない測距用の短いパケットよりなる無線信号（前部信号）と、送受信時刻データを含んだ長いデータパケット（後部信号）とに分離する。そして、データを載せない測距用の短いパケットよりなる無線信号（前部信号）を先ず送信し、それらのパケットを用いて時間計測が済んだ後に、送受信時刻データを含んだ長いデータパケット（後部信号）を送信する。このようにすれば、データパケットが長くなることによる時計のずれは問題とならない。
【００６１】
図１５は、測距用の短いパケットを送信した後に長いパケットで送受信時刻データを送信する際のデータ送受信タイミングを示すタイムチャートである。
【００６２】
基準局Ｐ１は基地局Ａから無線信号Ｒ１を受信すると、直ちに無線信号Ｒ２−１を移動端末Ｍに送信する。この際、無線信号Ｒ２−１は測距用の短いパケットだけであり、無線信号Ｒ１の受信時刻Ｔａｐｒと無線信号Ｒ２−１の送信時刻Ｔａｐｔは保持したままでデータ送信は行わない。基準局Ｐ１による無線信号Ｒ２−１の送信時間が終了すると、基準局Ｐ２は直ちに無線信号Ｒ２−２を移動端末Ｍに送信する。この際、無線信号Ｒ２−２は測距用の短いパケットだけであり、無線信号Ｒ１の受信時刻Ｔａｐｒと無線信号Ｒ２−２の送信時刻Ｔａｐｔは保持したままでデータ送信は行わない。
【００６３】
基準局Ｐ２による無線信号Ｒ２−２の送信が終了した後、基準局Ｐ１は無線信号Ｄ１を移動端末Ｍに送信する。この無線信号Ｄ１に無線信号Ｒ１の受信時刻Ｔａｐｒと無線信号Ｒ２−１の送信時刻Ｔａｐｔが含まれている。基準局Ｐ１による無線信号Ｄ１の送信が終了したら、基準局Ｐ２は無線信号Ｄ２を移動端末Ｍに送信する。この無線信号Ｄ２に無線信号Ｒ１の受信時刻Ｔａｐｒと無線信号Ｒ２−２の送信時刻Ｔａｐｔが含まれている。
【００６４】
その後、基準局Ｐ１は基地局Ｂから無線信号Ｒ３を受信すると、直ちに無線信号Ｒ４−１を移動端末Ｍに送信する。この際、無線信号Ｒ４−１は測距用の短いパケットだけであり、無線信号Ｒ３の受信時刻Ｔｂｐｒと無線信号Ｒ４−１の送信時刻Ｔｂｐｔは保持したままでデータ送信は行わない。基準局Ｐ１による無線信号Ｒ４−１の送信時間が終了すると、基準局Ｐ２は直ちに無線信号Ｒ４−２を移動端末Ｍに送信する。この際、無線信号Ｒ４−２は測距用の短いパケットだけであり、無線信号Ｒ３の受信時刻Ｔｂｐｒと無線信号Ｒ４−２の送信時刻Ｔｂｐｔは保持したままでデータ送信は行わない。
【００６５】
基準局Ｐ２による無線信号Ｒ４−２の送信が終了した後、基準局Ｐ１は無線信号Ｄ３を移動端末Ｍに送信する。この無線信号Ｄ３に無線信号Ｒ３の受信時刻Ｔｂｐｒと無線信号Ｒ４−１の送信時刻Ｔｂｐｔが含まれている。基準局Ｐ１による無線信号Ｄ３の送信が終了したら、基準局Ｐ２は無線信号Ｄ４を移動端末Ｍに送信する。この無線信号Ｄ４に無線信号Ｒ３の受信時刻Ｔｂｐｒと無線信号Ｒ４−２の送信時刻Ｔｂｐｔが含まれている。
【００６６】
以上のように、基準局Ｐ１，Ｐ２は、測距用の短いパケットを送信してから、その後で送受信時刻を含むデータを移動端末Ｍに送信するため、測距用の通信時間が短くなり、上述のタイマ誤差に起因した位置誤差を最小限に抑えることができる。
【００６７】
以上の如く、本実施形態において、第２の無線信号Ｒ２を、第１の無線信号Ｒ１を受信した受信時刻Ｔａｐｒと第２の無線信号Ｒ２を送信した送信時刻Ｔａｐｔとを含まない前部信号Ｒ２−１と、第１の無線信号Ｒ１を受信した受信時刻Ｔａｐｒと第２の無線信号Ｒ２−１を送信した送信時刻Ｔａｐｔとを含む後部信号Ｄ１とに分離してもよい。そして、基準局Ｐ１，Ｐ２，・・・は、全ての基準局Ｐ１，Ｐ２，・・・が第２の無線信号Ｒ２の前部信号Ｒ２−１，Ｒ２−２，・・・を順次送信してから、第２の無線信号Ｒ２の後部信号Ｄ１，Ｄ２，・・・を順次送信する。
【００６８】
なお、図１６に示すように、基準局Ｐ１は基地局Ａ及びＢに係る無線信号Ｄ１及びＤ３をまとめて後から送信してもよく、同様に、基準局Ｐ２は基地局Ａ及びＢに係る無線信号Ｄ２及びＤ４をまとめて後から送信してもよい。
【００６９】
すなわち、例えば基準局Ｐ１は、第２の無線信号Ｒ２を、第１の無線信号Ｒ１を受信した受信時刻Ｔａｐｒと第２の無線信号Ｒ２を送信した送信時刻Ｔａｐｔとを含まない前部信号Ｒ２−１と、第１の無線信号Ｒ１を受信した受信時刻Ｔａｐｒと第２の無線信号Ｒ２−１を送信した送信時刻Ｔａｐｔとを含む後部信号Ｄ１とに分離する。また、基準局Ｐ１は、第２の無線信号Ｒ４を、第１の無線信号Ｒ３を受信した受信時刻Ｔｂｐｒと第２の無線信号Ｒ４を送信した送信時刻Ｔｂｐｔとを含まない前部信号Ｒ４−１と、第１の無線信号Ｒ３を受信した受信時刻Ｔｂｐｒと第２の無線信号Ｒ４を送信した送信時刻Ｔｂｐｔとを含む後部信号Ｄ３とに分離する。そして、基準局Ｐ１は、全ての基準局Ｐ１，Ｐ２，・・・が第２の無線信号Ｒ２，Ｒ４，・・・の前部信号Ｒ２−１，Ｒ２−２，・・・，Ｒ４−１，Ｒ４−２，・・・を順次送信してから、複数の基地局Ａ，Ｂ，・・・からの第１の無線信号Ｒ１，Ｒ３，・・・に対応する複数の第２の無線信号Ｒ２，Ｒ４，・・・の後半部分（Ｄ１＋Ｄ３＋・・・）を合わせて一括して送信する。このようにすれば、送受信時刻データを送信するためのデータ全体のパケットを短くすることができ、全体の通信時間を短縮することができる。
【００７０】
以上の如く、上述の実施形態によれば、インフラ側に簡易な送信機能のみを有する基地局を設置し、複雑な送受信機能を有する基準局の数を減らすことで、無線測位システム全体のコストを低減できる。インパルス電波を用いる場合にはインフラ側基地局を低消費電力回路として、例えば、ボタン電池のみで駆動できるため、例えば建物内の壁に簡単に設置できる。このため、基地局の設置費用を低減することができる。例えば、コスト比率を送信機が１、受信機が９、送受信機が１０の割合と仮定し、インフラ側として１０個の基地局を設置する場合を考える。この場合、図１に示す従来の無線測位システムでは１１０のコストになるのに対して、本実施形態ではインフラ側に8個の送信機と２個の基準局を設置すればよく、３７のコストとなり、全体のコストを１／３に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】ＴＯＡ方式の測位システムを説明するための図である。
【図２】ＴＤＯＡ方式の測位システムを説明するための図である。
【図３】従来の無線測位システムの一例を説明するための図である。
【図４】第１実施形態による無線測位システムの構成を示す図である。
【図５】基地局、基準局、及び移動端末での無線信号の送受信タイミングを示すタイムチャートである。
【図６】基地局の構成を示すブロック図である。
【図７】基準局の構成を示すブロック図である。
【図８】基準局の動作のフローチャートである。
【図９】移動端末の構成を示す図である。
【図１０】移動端末の動作のフローチャートである。
【図１１】多数の基地局を設置した無線測位システムの構成を示す図である。
【図１２】多数の基地局と複数の基準局を設置した無線測位システムの構成を示す図である。
【図１３】図１２に示す無線測位システムにおける無線信号の送受信のタイムチャートである。
【図１４】図１２における基準局の動作のフローチャートである。
【図１５】測距用の短いパケットを送信した後に長いパケットで送受信時刻データを送信する際のデータ送受信タイミングを示すタイムチャートである。
【図１６】送受信時刻データをまとめて送信する際のデータ送受信タイミングを示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００７２】
１１，２１，４１ ＭＰＵ
１２ ＰＰＭデータ変調部
１３ ＰＮ系列発生部
１４ インパルス生成部
１５，２３，４３ バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
１６ パワーアンプ（ＰＡ）
１７，２２，４２ アンテナ
２４，４４ 低雑音アンプ（ＬＮＡ）
２５，４５ パルス検出部
２６，４６ 相関器
２７，４７ ＰＰＭデータ復調部
２８，４８ 受信時刻保持部
２９ 送信時刻保持部
３０，５０ タイマ
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 基地局
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２ 基準局
Ｍ 移動端末
【技術分野】
【０００１】
本発明は無線測位システムに係り、特に電波の伝播時間を利用して移動端末自身が位置を特定する無線測位システム及び無線測位方法、基準局及び移動端末に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動端末の位置を電波の伝播時間を利用して測定する技術としてＴＯＡ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ）方式とＴＤＯＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ）が知られている。
【０００３】
図１はＴＯＡ方式の測位システムを説明するための図である。ＴＯＡ方式では、移動端末Ｍの移動範囲内に送受信機能を有する複数の基地局Ａ，Ｂ，Ｃが設置される。基地局Ａ，Ｂ，Ｃの位置は予め精確に求められている。まず、移動端末Ｍから特定の基地局Ａに向けて送信した無線信号Ｒ１を基地局Ａが受信すると、基地局Ａは無線信号Ｒ２を移動端末Ｍに返送する。移動端末Ｍは無線信号Ｒ２を受信し、往復の伝播時間から移動端末Ｍと基地局Ａの距離を測定する。次に、移動端末Ｍから特定の基地局Ｂに向けて発した無線信号Ｒ３を基地局Ｂが受信すると、基地局Ｂは無線信号Ｒ４を移動端末Ｍに返送する。移動端末Ｍは無線信号Ｒ４を受信し、往復の伝播時間から移動端末Ｍと基地局Ｂの距離を測定する。この動作を複数の基地局（基地局Ａ，Ｂ，Ｃ）に対して順番に行うことで、移動端末Ｍは三角測量の原理に基づいて移動端末Ｍの位置を測定する。
【０００４】
移動端末Ｍが広い範囲や障害物が多い範囲を移動する場合には、同時に最低でも２つの基地局と通信する必要があり、多数の基地局を設置する必要がある。特に、測定精度を上げるためにインパルス電波を用いれば、各基地局の送信機として低消費電力且つ低価格の送信機を用いることができる。一方、受信機は送信機に比べて複雑で高価な回路を必要とするため、全ての基地局（インフラ側）に送受信機を設けると、基地局の設置費用が高くなってしまう。
【０００５】
図２はＴＤＯＡ方式の測位システムを説明するための図である。ＴＤＯＡ方式においても複数の基地局Ａ，Ｂ，Ｃが設置されるが、各基地局Ａ，Ｂ，Ｃには送信機のみが設けられ、受信機は設けられない。各基地局Ａ，Ｂ，Ｃの送信機が同時、あるいは、既知の時間差で無線信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を送信するならば、移動端末Ｍは各基地局Ａ，Ｂ，Ｃからの無線信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の到達時間差から、移動端末Ｍの位置を測定することが可能となる。
【０００６】
ここで、各基地局Ａ，Ｂ，Ｃが、同時、あるいは、既知の時間差で無線信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を送信するためには、基地局Ａ，Ｂ，Ｃの間で時間同期をとる必要がある。この時間同期は、送信機のみでは実現できない機能であり、各基地局Ａ，Ｂ，Ｃは時間同期用の通信機能を有する必要がある。したがって、全ての基地局に時間同期用の通信機能を設けると、基地局の設置費用が高くなってしまう。
【０００７】
以上のように、ＴＯＡ方式及びＴＤＯＡ方式では、複数の基地局の全てに受信機や通信手段を設ける必要があり、その分、基地局の構成が複雑となりコスト高となる。そこで、非同期の複数の基地局を備えた無線ネットワーク内で移動端末の位置を測定する無線測位システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
図３は特許文献１に開示された無線測位システムを説明するための図である。図３に示す無線測位システムでは、基地局の一つとして基準局Ｐが設けられる。基準局Ｐは、基地局Ａから発信された無線信号Ｒ１を基準局Ｐが受信した時間と、基地局Ｂから発信された無線信号Ｒ２を基準局Ｐが受信した時間の時間差を測定する。また、基準局Ｐは、基地局Ａから発信された無線信号Ｒ１を基準局Ｐが受信した時間と、基地局Ｃから発信された無線信号Ｒ２を基準局Ｐが受信した時間の時間差を測定する。そして、基準局Ｐは測定した時間差を無線信号Ｒ４により基地局Ａに送信する。基地局Ａは受信した時間差データを無線あるいは有線信号Ｒ５によりサーバＳに送信する。
【０００９】
一方、移動端末Ｍは、基地局Ｂから発信された無線信号Ｒ６を移動端末Ｍが受信した時間と、基地局Ａから発信された無線信号Ｒ７を移動端末Ｍが受信した時間の時間差を測定する。また、移動端末Ｍは、基地局Ｂから発信された無線信号Ｒ６を移動端末Ｍが受信した時間と、基地局Ｃから発信された無線信号Ｒ８を基準局Ｐが受信した時間の時間差を測定する。そして、移動端末Ｍは測定した時間差を無線信号Ｒ９により基地局Ａに送信する。基地局Ａは受信した時間差データを無線あるいは有線信号Ｒ１０によりサーバＳに送信する。
【００１０】
サーバＳは、基準局Ｐで測定した時間差と移動端末Ｍで測定した時間差に基づいて、移動端末Ｍの位置を演算により求める。
なお、図１から図３において、○は送受信機を有する基地局または基準局を表し、△は送信機のみを有する基地局を表し、■は受信機のみを有する移動端末を表し、●は送受信機を有する移動端末を表す。
【特許文献１】特表２０００−５０４８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図３に示す従来の無線測位システムの場合、基準局Ｐで測定する時間差は（Ｒ１−Ｒ２），（Ｒ１−Ｒ３）であり、無線信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は非同期であるため大きな時間差となる場合がある。また、移動端末Ｍで測定する時間差（Ｒ６−Ｒ７），（Ｒ６−Ｒ８）も同様に、無線信号Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８は非同期であるため大きな時間差となる場合がある。
【００１２】
このように時間差が大きい場合、時間差を測定するタイマの精度が問題となる。すわなち、従来の無線測位システムでは、（Ｒ１−Ｒ２）を基準局Ｐのタイマで測定し、（Ｒ６−Ｒ７）を移動端末Ｍのタイマで測定しており、時間差が大きいと、タイマの周波数誤差により測定時間に誤差が生じて測位誤差となってしまう。このようなタイマ誤差に起因した測位誤差は、例えば携帯電話の位置測定であれば数メートルの誤差であり、大きな問題にはならない。しかし、例えば室内搬送装置の位置測定では数１０ｃｍの位置測定精度が必要とされるため、タイマ誤差に起因した測位誤差が数メートルとなるとは大きな問題となる。
【００１３】
また、図３の従来の無線測位システムでは、２次元測位を行うために基準局Ｐとは別に最低３つの基地局を必要とする。基準局Ｐは送受信機を備えた基地局であり、基準局Ｐの設置コストは基地局の設置コストより高い。
【００１４】
さらに、図３の従来の無線測位システムでは、基地局Ａから基準局Ｐへの無線信号Ｒ１と、基地局Ａから移動端末Ｍへの無線信号Ｒ７を別々にしている。例えば、測位システムの移動端末が移動携帯電話である場合に、各移動端末毎に個別のＩＤを使って信号を送っているため、Ｒ１とＲ７を共通にできないからである。したがって、基地局Ａにおける通信回数が増えて基地局Ａでの消費電力が増大してしまう。
【００１５】
さらに、図３の従来の無線測位システムでは、測位計算をサーバＳで行うためサーバＳに時間差情報を送るために、基準局Ｐから基地局Ａへの無線信号Ｒ４、及び、移動端末Ｍから基地局Ａへの無線信号Ｒ９が必要となる。このため、通信回数が多く、通信エラー等で測位不能となる確率が高くなる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の問題を解決するために、送信機能を有する複数の基地局と、送受信機能を有する少なくとも一つの基準局と、受信機能を有する移動端末とを有する無線測位システムであって、前記基地局は、互いに非同期で第１の無線信号を前記基準局と前記移動端末に送信し、前記基準局は、該第１の無線信号に応答して第２の無線信号を前記移動端末に送信する際、該第１の無線信号を受信した受信時刻と該第２の無線信号を送信した送信時刻とを前記第２の無線信号に含ませて送信し、前記移動端末は、前記第１の無線信号の受信時刻と、前記第２の無線信号の受信時刻と、前記第２の無線信号に含まれた受信時刻及び送信時刻とに基づいて、前記移動端末の位置を演算により求める無線測位システムが提供される。
【００１７】
また、複数の基地局から、互いに非同期で第１の無線信号を少なくとも一つの基準局と移動端末とに送信し、前記基準局が該第１の無線信号に応答して第２の無線信号を前記移動端末に送信する際、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と該第２の無線信号を送信した送信時刻とを前記第２の無線信号に含ませて送信し、前記移動端末が受信した前記第１の無線信号の受信時刻と、前記移動端末が受信した前記第２の無線信号の受信時刻と、前記移動端末が受信した前記第２の無線信号に含まれた受信時刻及び送信時刻とに基づいて、前記移動端末の位置を演算により求める無線測位方法が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
上述の無線測位システム及び無線測位方法によれば、インフラ側に簡易な送信機能のみを有する基地局を設置し、複雑な送受信機能を有する基準局の数を減らすことで、無線測位システム全体のコストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図４は本発明の一実施形態による無線測位システムの構成を示す図である。図４に示す無線測位システムは、基地局Ａ，Ｂと、基準局Ｐと移動端末Ｍとを含んでいる。△で示す基地局Ａ，Ｂは、送信機のみを有し受信機が設けられていない基地局である。○で示す基準局Ｐは送受信機を有する基地局である。■で示す移動端末Ｍは、受信機のみを有し送信機が設けられていない移動端末である。また、図５は基地局Ａ，Ｂ、基準局Ｐ、及び移動端末Ｍでの無線信号の送受信タイミングを示すタイムチャートである。
【００２１】
図４に示す無線測位システムにおいて、基地局Ａは非同期で無線信号（電波）を送信する。移動端末Ｍと基準局Ｐは基地局Ａから発信した無線信号Ｒ１を受信し、その受信時刻ＴａｍｒとＴａｐｒをそれぞれ保存する。基準局Ｐは、基地局Ａから無線信号Ｒ１受信すると、それに続いて無線信号Ｒ２を送信するとともに無線信号Ｒ２の送信時刻Ｔａｐｔを保存する。無線信号Ｒ２には、無線信号Ｒ１を受信した時刻Ｔａｐｒと無線信号Ｒ２を送信した時刻Ｔａｐｔがデータとして含まれる。移動端末Mは無線信号Ｒ２を受信すると、その受信時刻Ｔａｐｍｒを保存するとともにデータとして無線信号に含まれた時刻ＴａｐｒとＴａｐｔを読み込む。
【００２２】
基地局Ｂは非同期で無線信号Ｒ３を送信する。移動端末Mと基準局Pは基地局Bから送信した無線信号Ｒ３を受信し、その受信時刻ＴｂｍｒとＴｂｐｒを保存する。基準局Pは、基地局Ｂから無線信号Ｒ３を受信すると、続いて無線信号Ｒ４を移動端末Mに送信するとともに送信時刻Ｔｂｐｔを保存する。無線信号Ｒ４には、無線信号Ｒ３を受信した時刻Ｔｂｐｒと無線信号Ｒ４を送信した時刻Ｔｂｐｔとが含まれる。移動端末Mは、無線信号Ｒ４を受信すると、その受信時刻Ｔｂｐｍｒを保存するとともにデータとして無線信号Ｒ４に含まれた時刻ＴｂｐｒとＴｂｐｔを読み込む。
【００２３】
次に、移動端末Ｍは、実測した無線信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の受信時刻と、基準局Ｐからデータとして送られた無線信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の送受信時刻、及び、基地局Ａ，Ｂ及び基準局Ｐの既知の座標値に基づいて、移動端末Ｍ自身の位置を演算により求める。すなわち、移動端末Ｍは、無線信号Ｒ１と無線信号Ｒ２の受信時刻差、及び、無線信号Ｒ３と無線信号Ｒ４の受信時刻差に基づいて、ＴＤＯＡの原理を用いて位置を割り出す。ところが、無線信号Ｒ１と無線信号Ｒ２は同時に送信されてはいないので、そのままでは比較できない。そこで、基地局Ａから基準局Ｐに無線信号Ｒ１が到達する遅延時間、及び、基準局Ｐが無線信号Ｒ１を受信してから無線信号Ｒ２を送信するまでの遅延時間を用いて、無線信号Ｒ２の送信時刻を補正する。これにより、無線信号Ｒ１と無線信号Ｒ２が同時に送信されたように換算することができる。無線信号Ｒ３，Ｒ４についても、無線信号Ｒ１，Ｒ２と同様な補正を行ない、無線信号Ｒ４の送信時刻を補正する。
【００２４】
ここで、上述の無線信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の送受信時刻から移動端末Ｍの位置を割り出す演算方法について説明する。
【００２５】
基地局Ａが無線信号Ｒ１を送信した時刻Ｔａｔ、移動端末Ｍが無線信号Ｒ１を受信した時刻をＴａｍｒ、基地局Ａと移動端末Ｍと間の距離をＬａｍとする。また、移動端末Ｍと基地局Ａのタイマは同期していないためオフセット誤差が生じており、そのオフセット誤差をＴａｍｏとし、光速をＶｃとすると、以下の関係が成り立つ。
【００２６】
【数１】
同様に基準局Pが無線信号Ｒ２を送信した時刻をＴａｐｔ、移動端末Ｍが無線信号Ｒ２を受信した時刻をＴａｐｍｒ、基準局Pと移動端末Ｍとの間の距離をＬｐｍ、移動端末Ｍのタイマと基準局Ｐのタイマとのオフセット誤差をＴｐｍｏとすると、以下の関係が成り立つ。
【００２７】
【数２】
また、同様に基準局Pが無線信号Ｒ１を受信した時刻をＴａｐｒ、基地局Ａと基準局Ｐとの間の距離をＬａｐ、基準局Ｐのタイマと基地局Ａのタイマとのオフセット誤差をＴａｐｏとすると、以下の関係が成り立つ。
【００２８】
【数３】
また、タイマオフセットは、
【００２９】
【数４】
となるため、式（１）〜（４）から、以下の関係が求められる。
【００３０】
【数５】
基地局Bについても同様に以下の関係が求められる。
【００３１】
【数６】
一方、基地局Ａの座標（Ｘａ，Ｙａ）、基地局Ｂの座標（Ｘｂ，Ｙｂ）、基準局Ｐの座標Ｘｐ，Ｙｐ）は既知であり、移動端末Mの座標（ｘ，ｙ)は未知であるが、これらの座標には以下の関係がある。
【００３２】
【数７】
したがって、式（７）を式（５）、（６）に代入することで以下の関係が求められる。
【００３３】
【数８】
以上の式（８）を未知数ｘ，yについて解くことにより移動端末Mの位置が求められる。
【００３４】
次に、図４に示す基地局Ａ，Ｂ、基準局Ｐ、及び、移動端末Ｍの構成について詳細に説明する。
【００３５】
基地局Ａと基地局Ｂは同じ構成を有しており、ここでは基地局Ａについて説明する。図６は基地局Ａの構成を示すブロック図である。本実施形態では無線信号にインパルス電波を用いることで、受信時刻を正確に求めている。
【００３６】
基地局Ａは所定の周期で他の無線局（例えば基地局Ｂ）とは非同期に無線信号を送信する。ＭＰＵ１１は無線信号Ｒ１に含ませる送信データ（デジタル信号）を生成し、送信データをＰＰＭデータ変調部１２に送る。ＰＰＭは（Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス位置変調）を意味する。ＰＰＭデータ変調部１２には、ＰＮ系列発生部１３から疑似乱数（ＰＮ）系列が供給される。ＰＰＭデータ変調部１２は、供給された疑似乱数を用いて送信データの“１”，“０”に従ってＰＰＭデータ変調を行い、インパルス生成部１４にパルス列を出力する。インパルス生成部１３は、ステップリカバリダイオード等を用いて、パルスの立ち上がり部で非常に細いインパルスを生成する。生成されたインパルスは非常に広い帯域を有している。そこで、例えば、電波法のマスクに適合するように、３．４ＧＨｚ〜４．８ＧＨｚのパンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１５を通すことで、不要な３．４ＧＨｚ以下の成分と４．８ＧＨｚ以上の成分を除去する。ＢＰＦ１５を通過したインパルス信号は、パワーアンプＡ（ＰＡ）１６により増幅され、アンテナ１７から無線信号（電波）Ｒ１として放射される。
【００３７】
図７は基準局Ｐの構成を示すブロック図である。基準局Ｐは、基地局Ａとほぼ同様の構成の送信部を有する他、基地局Ａには無い受信部を有する。図７において図６に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００３８】
基準局Ｐは、アンテナ２２から無線信号（インパルス電波）を受信すると、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２３で不要な周波数成分除去する。その後、無線信号は低雑音アンプ（ＬＮＡ）２４で増幅され、パルス検出部２５に送られる。パルス検出部２５は、例えば、ダイオードによる包絡線検波回路とコンパレータ等を含む回路であり、無線信号中のパルスを検出する。検出されたパルスは、デジタルマッチドフィルタによる相関器２６において、ＰＮ系列発生部１３から供給される疑似乱数（ＰＮ）系列と比較される。相関器２６によりプリアンブル部が検出されたら同期が確立されたと判断し、ＰＰＭデータ復調部２７により次に続くデータ部のＰＰＭを復調して、受信データを生成する。また、データ部の最初のパルスを検出したら、その時刻を受信時刻保持部２８に保持する。
【００３９】
また、基準局Ｐは、基地局Ａからの電波（無線信号Ｒ１）を受信すると、ＭＰＵ２１が送信データを生成し、移動端末Ｍに向けて電波（無線信号Ｒ２）を送信する。送信部の構成は基地局Ａと同様であるが、送信時に、データ部の最初のパルス位置の送信時刻を送信時刻保持部２９で保持する点が異なる。受信時刻保持部２８及び送信時刻保持部２９に保持された受信時刻と送信時刻は、ＭＰＵ２１を経由して送信データとして移動端末Ｍに送信される。なお、受信時刻保持部２８及び送信時刻保持部２９にはタイマ３０から時刻データ（クロック信号）が供給されており、受信時刻保持部２８及び送信時刻保持部２９は供給された時刻データを参照して受信時刻と送信時刻を決定し、その時刻データを保持する。
【００４０】
図８は基準局Ｐの動作のフローチャートである。基準局Ｐは、基地局Ａからの無線信号Ｒ１を受信すると、その受信時刻Ｔａｐｒを受信時刻保持部２８に保持する（ステップＳ１）。続いて、基準局Ｐは移動端末Ｍに対して無線信号Ｒ２の送信を開始し、送信を開始した送信時刻Ｔａｐｔを送信時刻保持部２９に保持する（ステップＳ２）。そして、基準局Ｐは、無線信号Ｒ２のデータ部に、無線信号Ｒ１の受信時刻Ｔａｒｐと無線信号Ｒ２の送信時刻Ｔａｐｔを含ませて送信する（ステップＳ３）。
【００４１】
その後、基準局Ｐは基地局Ｂからの無線信号Ｒ３の送信を待ち、無線信号Ｒ３を受信したら、その受信時刻Ｔｂｐｒを受信時刻保持部２８に保持する（ステップＳ４）。続いて、基準局Ｐは移動端末Ｍに対して無線信号Ｒ４の送信を開始し、送信を開始した送信時刻Ｔｂｐｔを送信時刻保持部２９に保持する（ステップＳ５）。そして、基準局Ｐは、無線信号Ｒ４のデータ部に、無線信号Ｒ３の受信時刻Ｔａｒｐと無線信号Ｒ４の送信時刻Ｔａｐｔを含ませて送信する（ステップＳ６）。
【００４２】
以上のように、基準局Ｐは、基地局Ａ，Ｂの各々から送信される無線信号の受信時刻と返送する無線信号の送信時刻とを、無線信号のデータ部に含ませて移動端末Ｍに送信する。基地局Ａ，Ｂは各々単独で周期的に無線信号を基準局に送信しているだけであり、同期して信号送信しているわけではない。
【００４３】
次に、移動端末Ｍの構成について説明する。図９は移動端末Ｍの構成を示す図である。図９において図７に示す構成部品と同等な部品には一桁目が同じ符号を付し、その説明は省略する。本実施形態では、移動端末Ｍは受信部のみを有しており、発信機は設けられていない。図１０は移動端末Ｍの動作のフローチャートである。
【００４４】
移動端末Ｍは、基地局Ａからの無線信号Ｒ１をアンテナ４２で受信すると、ＢＰＦ４３、ＬＮＡ４４、パルス検出部４５、相関器４６を通じて受信時刻Ｔａｍｒを抽出し、受信時刻保持部４８に保持する（ステップＳ１１）。受信時刻ＴａｍｒはＭＰＵ４１に送られる。また、移動端末Ｍは、基準局Ｐからの無線信号Ｒ２を受信すると、その受信時刻Ｔａｐｍｒを同様に受信時刻保持部４８に保持する（ステップＳ１２）。受信時刻ＴａｐｍｒはＭＰＵ４１に送られる。また、基準局Ｐからの無線信号Ｒ２には、基準局Ｐでデータとして生成された時刻データが受信データとして含まれているので、受信データをＰＰＭデータ復調部４７で復調する。復調した受信データもＭＰＵ４１に送られる。
【００４５】
同様に、移動端末Ｍは、基地局Ｂからの無線信号Ｒ３をアンテナ４２で受信すると、その受信時刻Ｔｂｍｒを受信時刻保持部４８に保持する（ステップＳ１３）。受信時刻ＴｂｍｒはＭＰＵ４１に送られる。また、移動端末Ｍは、基準局Ｐからの無線信号Ｒ４を受信すると、その受信時刻Ｔｂｐｍｒを同様に受信時刻保持部４８に保持する（ステップＳ１４）。受信時刻ＴｂｐｍｒはＭＰＵ４１に送られる。また、基準局Ｐからの無線信号Ｒ４には、基準局Ｐでデータとして生成された時刻データが受信データとして含まれているので、受信データをＰＰＭデータ復調部４７で復調する。復調した受信データもＭＰＵ４１に送られる。
【００４６】
ＭＰＵ４１は、ステップＳ１１〜Ｓ１４において得られた送受信時刻と基地局Ａ，Ｂ、及び、基準局Ｐの位置座標から、上述の式（８）を解いて移動端末Ｍ自身の位置座標を計算する（ステップＳ１５）。このように、移動端末Ｍは二つの基地局Ａ，Ｂと一つの基準局Ｐからの無線信号を受信することで、移動端末Ｍ自身の位置を演算により割り出すことができる。
【００４７】
基地局Ａ，Ｂには送信機能のみが必要であるため、基地局Ａ，Ｂとして低コストの発信機を用いることができる。このため、基地局全体の設置コストを低減することができる。また、移動端末Ｍには位置測定に関して受信機能のみが必要であり、発信機を設けない分だけ移動端末Ｍのコストも低減することができる。
【００４８】
また、移動端末Ｍから基地局Ａ、Ｂ及び基準局Ｐに対して無線信号を送信する必要がなく、また、基地局Ａ，Ｂ同士での通信が不要であるため、通信回数が少なく、その分通信エラーが発生する確率が低くなる。これにより、通信条件や環境に左右されずに確実な位置測定を達成することができる。
【００４９】
さらに、移動端末Ｍが多数ある場合も移動端末Ｍごとに異なる信号を送信する必要は無いため、移動端末Ｍの数が増えても通信量は一定であり、移動端末増加に伴う輻輳発生や応答劣化が起こらない。
【００５０】
なお、基地局の数、基準局の数、及び移動端末の数は、図４に示す例に限られず、任意の数を設けることができる。
【００５１】
以上の如く、本実施形態による無線測位システムは、送信機能を有する複数の基地局Ａ，Ｂと、送受信機能を有する少なくとも一つの基準局Ｐと、受信機能を有する移動端末Ｍと を有する。そして、基地局Ａ，Ｂは、互いに非同期で第１の無線信号Ｒ１を基準局Ｐと移動端末Ｍに送信する。基準局Ｐは、第１の無線信号Ｒ１に応答して第２の無線信号Ｒ２を移動端末Ｍに送信する際、第１の無線信号Ｒ１を受信した受信時刻Ｔａｐｒと第２の無線信号Ｒ２を送信した送信時刻Ｔａｐｔとを第２の無線信号Ｒ２に含ませて送信する。移動端末Ｍは、第１の無線信号Ｒ１の受信時刻Ｔａｍｒと、第２の無線信号Ｒ２の受信時刻Ｔａｐｍｒと、第２の無線信号Ｒ２に含まれた受信時刻Ｔａｐｒ及び送信時刻Ｔａｐｔとに基づいて、移動端末Ｍの位置を演算により求める。
【００５２】
図１１は多数の基地局を設置した無線測位システムを示す図である。図１１に示す例では、基地局Ａ，Ｂの他に基地局Ｃ，Ｄが設置されている。基地局の数は二つ以上であれば任意の数とすることができる。例えば、移動端末Ｍが広い範囲や障害物が多い範囲を移動する場合には、移動端末Ｍの位置によって基地局との通信が不能となるような場合がある。しかし、移動端末Ｍが、多数の基地局の中から二つの基地局及び基準局Ｐと通信可能であれば、移動体端末Ｍの測位を行なうことができる。移動端末Ｍは、測位のために通信する基地局を、通信可能な基地局の中から二つだけ適宜選定すればよい。
【００５３】
ここで、基準局Ｐを一つしか設置しない場合には、基準局Ｐからの電波が何らかの理由で受信できないと、いくら多数の基地局からの電波が受信できたとしても、移動端末Ｍで測位できなくなってしまう。そこで、図１２に示すように、移動体端末Ｍの移動範囲に複数の基準局を設置することで、この問題を解決することができる。
【００５４】
図１３は図１２に示す無線測位システムにおける無線信号の送受信のタイムチャートである。基準局Ｐ１とＰ２は、基地局Ａから無線信号Ｒ１を受信すると、移動端末に対して無線信号Ｒ２−１とＲ２−２をそれぞれ送信する。ここで、基準局Ｐ１とＰ２の両方が、電波を受信して直ちに無線信号Ｒ２−１とＲ２−２を送信すると両方の基準局Ｐ１，Ｐ２からの無線信号が混信してしまう。そこで、図１３に示すように、基準局ごとに、基地局から電波を受信してから移動端末Ｍに無線信号を送信するまでの時間を予め異なる時間に設定しておく。図１３に示す例では、基準局Ｐ１は基地局Ａからの無線信号Ｒ１を受信してから可能な限りすみやかに無線信号Ｒ２−１を送信する。一方、基準局Ｐ２は、基準局Ｐ１の送信開始から無線信号Ｒ２−２の最大パケット長Ｌｍａｘだけ待ってから無線信号Ｒ２−２を送信する。同様に、基準局Ｐ１は基地局Ｂからの無線信号Ｒ３を受信してから可能な限りすみやかに無線信号Ｒ４−１を送信し、基準局Ｐ２は基準局Ｐ１の送信開始から無線信号Ｒ４−１の最大パケット長Ｌｍａｘだけ待ってから無線信号Ｒ４−２を送信する。これにより、複数の基準局があっても混信を避けることができる。
【００５５】
図１４は図１２における基準局Ｐ２の動作のフローチャートである。基準局Ｐ２は基準局Ｐ１より遅れて無線信号を移動端末に送信するように設定されている。
【００５６】
基準局Ｐ２は、基地局Ａからの無線信号Ｒ１を受信すると、その受信時刻Ｔａｐｒを受信時刻保持部２８に保持する（ステップＳ２１）。続いて、基準局Ｐ２は予め設定された時間Ｌｍａｘだけ待つ（ステップＳ２２）。この待ち時間Ｌｍａｘは基準局Ｐ１が無線信号Ｒ２−１を移動端末Ｍに送信するのにかかる最大時間である。すなわち、この待ち時間Ｌｍａｘの間に、基準局Ｐ１は無線信号Ｒ２−１を移動端末Ｍに送信し終わる。そこで、時間Ｌｍａｘが過ぎたら、基準局Ｐ２は移動端末Ｍに対して無線信号Ｒ２−２の送信を開始し、送信を開始した送信時刻Ｔａｐｔを送信時刻保持部２９に保持する（ステップＳ２３）。そして、基準局Ｐ２は、無線信号Ｒ２−２のデータ部に、無線信号Ｒ１の受信時刻Ｔａｒｐと無線信号Ｒ２−２の送信時刻Ｔａｐｔを含ませて送信する（ステップＳ２４）。
【００５７】
その後同様に、基準局Ｐ２は、基地局Ｂからの無線信号Ｒ３を受信すると、その受信時刻Ｔｂｐｒを受信時刻保持部２８に保持する（ステップＳ２５）。続いて、基準局Ｐ２は予め設定されたパケット送信時間Ｌｍａｘだけ待つ（ステップＳ２６）。この待ち時間Ｌｍａｘは基準局Ｐ１が無線信号Ｒ４−１を移動端末Ｍに送信するのにかかる最大時間である。すなわち、この待ち時間Ｌｍａｘの間に、基準局Ｐ１は無線信号Ｒ４−１を移動端末Ｍに送信し終わる。そこで、時間Ｌｍａｘが過ぎたら、基準局Ｐ２は移動端末Ｍに対して無線信号Ｒ４−２の送信を開始し、送信を開始した送信時刻Ｔｂｐｔを送信時刻保持部２９に保持する（ステップＳ２７）。そして、基準局Ｐ２は、無線信号Ｒ４−２のデータ部に、無線信号Ｒ４−２の受信時刻Ｔｂｒｐと無線信号Ｒ４−２の送信時刻Ｔｂｐｔを含ませて送信する（ステップＳ２８）。
【００５８】
以上の如く、本実施形態による無線測位システムにおいて、複数の基準局Ｐ１，Ｐ２，‥‥を設置することとしてもよい。そして、複数の基準局Ｐ１，Ｐ２，・・・の各々が送信する第２の無線信号Ｒ２−１，Ｒ２−２，・・・の送信時刻Ｔａｐｔ，Ｔａｐｔ２，・・・を、他の基準局による第２の無線信号Ｒ２−１，Ｒ２−２，・・・の送信が終了した後となるように順次遅らせている。
【００５９】
上述の実施形態において、基地局Ａ，Ｂからの無線信号は基地局ＩＤ等を表すだけの短いパケットでよい。一方、基準局Ｐからの無線信号は、送受信時刻をデータとして載せるためパケットは長くなる。移動端末Ｍと基準局Ｐのタイマの進み方（クロック周波数）が異なっていると、例えば図１３に示す例のように基準局Ｐ２が応答する時間が長い場合、その間でのタイマのずれが問題となる。例えば、１０ｐｐｍのクロック精度では１００μｓｅｃのパケット時間で１ｎｓｅｃの誤差が発生する。この時間誤差は距離に直すと３０ｃｍの位置誤差に相当し、高精度測位を行う場合には問題となる。
【００６０】
そこで、基準局Ｐ１，Ｐ２から送信する第２の無線信号Ｒ２を、データを載せない測距用の短いパケットよりなる無線信号（前部信号）と、送受信時刻データを含んだ長いデータパケット（後部信号）とに分離する。そして、データを載せない測距用の短いパケットよりなる無線信号（前部信号）を先ず送信し、それらのパケットを用いて時間計測が済んだ後に、送受信時刻データを含んだ長いデータパケット（後部信号）を送信する。このようにすれば、データパケットが長くなることによる時計のずれは問題とならない。
【００６１】
図１５は、測距用の短いパケットを送信した後に長いパケットで送受信時刻データを送信する際のデータ送受信タイミングを示すタイムチャートである。
【００６２】
基準局Ｐ１は基地局Ａから無線信号Ｒ１を受信すると、直ちに無線信号Ｒ２−１を移動端末Ｍに送信する。この際、無線信号Ｒ２−１は測距用の短いパケットだけであり、無線信号Ｒ１の受信時刻Ｔａｐｒと無線信号Ｒ２−１の送信時刻Ｔａｐｔは保持したままでデータ送信は行わない。基準局Ｐ１による無線信号Ｒ２−１の送信時間が終了すると、基準局Ｐ２は直ちに無線信号Ｒ２−２を移動端末Ｍに送信する。この際、無線信号Ｒ２−２は測距用の短いパケットだけであり、無線信号Ｒ１の受信時刻Ｔａｐｒと無線信号Ｒ２−２の送信時刻Ｔａｐｔは保持したままでデータ送信は行わない。
【００６３】
基準局Ｐ２による無線信号Ｒ２−２の送信が終了した後、基準局Ｐ１は無線信号Ｄ１を移動端末Ｍに送信する。この無線信号Ｄ１に無線信号Ｒ１の受信時刻Ｔａｐｒと無線信号Ｒ２−１の送信時刻Ｔａｐｔが含まれている。基準局Ｐ１による無線信号Ｄ１の送信が終了したら、基準局Ｐ２は無線信号Ｄ２を移動端末Ｍに送信する。この無線信号Ｄ２に無線信号Ｒ１の受信時刻Ｔａｐｒと無線信号Ｒ２−２の送信時刻Ｔａｐｔが含まれている。
【００６４】
その後、基準局Ｐ１は基地局Ｂから無線信号Ｒ３を受信すると、直ちに無線信号Ｒ４−１を移動端末Ｍに送信する。この際、無線信号Ｒ４−１は測距用の短いパケットだけであり、無線信号Ｒ３の受信時刻Ｔｂｐｒと無線信号Ｒ４−１の送信時刻Ｔｂｐｔは保持したままでデータ送信は行わない。基準局Ｐ１による無線信号Ｒ４−１の送信時間が終了すると、基準局Ｐ２は直ちに無線信号Ｒ４−２を移動端末Ｍに送信する。この際、無線信号Ｒ４−２は測距用の短いパケットだけであり、無線信号Ｒ３の受信時刻Ｔｂｐｒと無線信号Ｒ４−２の送信時刻Ｔｂｐｔは保持したままでデータ送信は行わない。
【００６５】
基準局Ｐ２による無線信号Ｒ４−２の送信が終了した後、基準局Ｐ１は無線信号Ｄ３を移動端末Ｍに送信する。この無線信号Ｄ３に無線信号Ｒ３の受信時刻Ｔｂｐｒと無線信号Ｒ４−１の送信時刻Ｔｂｐｔが含まれている。基準局Ｐ１による無線信号Ｄ３の送信が終了したら、基準局Ｐ２は無線信号Ｄ４を移動端末Ｍに送信する。この無線信号Ｄ４に無線信号Ｒ３の受信時刻Ｔｂｐｒと無線信号Ｒ４−２の送信時刻Ｔｂｐｔが含まれている。
【００６６】
以上のように、基準局Ｐ１，Ｐ２は、測距用の短いパケットを送信してから、その後で送受信時刻を含むデータを移動端末Ｍに送信するため、測距用の通信時間が短くなり、上述のタイマ誤差に起因した位置誤差を最小限に抑えることができる。
【００６７】
以上の如く、本実施形態において、第２の無線信号Ｒ２を、第１の無線信号Ｒ１を受信した受信時刻Ｔａｐｒと第２の無線信号Ｒ２を送信した送信時刻Ｔａｐｔとを含まない前部信号Ｒ２−１と、第１の無線信号Ｒ１を受信した受信時刻Ｔａｐｒと第２の無線信号Ｒ２−１を送信した送信時刻Ｔａｐｔとを含む後部信号Ｄ１とに分離してもよい。そして、基準局Ｐ１，Ｐ２，・・・は、全ての基準局Ｐ１，Ｐ２，・・・が第２の無線信号Ｒ２の前部信号Ｒ２−１，Ｒ２−２，・・・を順次送信してから、第２の無線信号Ｒ２の後部信号Ｄ１，Ｄ２，・・・を順次送信する。
【００６８】
なお、図１６に示すように、基準局Ｐ１は基地局Ａ及びＢに係る無線信号Ｄ１及びＤ３をまとめて後から送信してもよく、同様に、基準局Ｐ２は基地局Ａ及びＢに係る無線信号Ｄ２及びＤ４をまとめて後から送信してもよい。
【００６９】
すなわち、例えば基準局Ｐ１は、第２の無線信号Ｒ２を、第１の無線信号Ｒ１を受信した受信時刻Ｔａｐｒと第２の無線信号Ｒ２を送信した送信時刻Ｔａｐｔとを含まない前部信号Ｒ２−１と、第１の無線信号Ｒ１を受信した受信時刻Ｔａｐｒと第２の無線信号Ｒ２−１を送信した送信時刻Ｔａｐｔとを含む後部信号Ｄ１とに分離する。また、基準局Ｐ１は、第２の無線信号Ｒ４を、第１の無線信号Ｒ３を受信した受信時刻Ｔｂｐｒと第２の無線信号Ｒ４を送信した送信時刻Ｔｂｐｔとを含まない前部信号Ｒ４−１と、第１の無線信号Ｒ３を受信した受信時刻Ｔｂｐｒと第２の無線信号Ｒ４を送信した送信時刻Ｔｂｐｔとを含む後部信号Ｄ３とに分離する。そして、基準局Ｐ１は、全ての基準局Ｐ１，Ｐ２，・・・が第２の無線信号Ｒ２，Ｒ４，・・・の前部信号Ｒ２−１，Ｒ２−２，・・・，Ｒ４−１，Ｒ４−２，・・・を順次送信してから、複数の基地局Ａ，Ｂ，・・・からの第１の無線信号Ｒ１，Ｒ３，・・・に対応する複数の第２の無線信号Ｒ２，Ｒ４，・・・の後半部分（Ｄ１＋Ｄ３＋・・・）を合わせて一括して送信する。このようにすれば、送受信時刻データを送信するためのデータ全体のパケットを短くすることができ、全体の通信時間を短縮することができる。
【００７０】
以上の如く、上述の実施形態によれば、インフラ側に簡易な送信機能のみを有する基地局を設置し、複雑な送受信機能を有する基準局の数を減らすことで、無線測位システム全体のコストを低減できる。インパルス電波を用いる場合にはインフラ側基地局を低消費電力回路として、例えば、ボタン電池のみで駆動できるため、例えば建物内の壁に簡単に設置できる。このため、基地局の設置費用を低減することができる。例えば、コスト比率を送信機が１、受信機が９、送受信機が１０の割合と仮定し、インフラ側として１０個の基地局を設置する場合を考える。この場合、図１に示す従来の無線測位システムでは１１０のコストになるのに対して、本実施形態ではインフラ側に8個の送信機と２個の基準局を設置すればよく、３７のコストとなり、全体のコストを１／３に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】ＴＯＡ方式の測位システムを説明するための図である。
【図２】ＴＤＯＡ方式の測位システムを説明するための図である。
【図３】従来の無線測位システムの一例を説明するための図である。
【図４】第１実施形態による無線測位システムの構成を示す図である。
【図５】基地局、基準局、及び移動端末での無線信号の送受信タイミングを示すタイムチャートである。
【図６】基地局の構成を示すブロック図である。
【図７】基準局の構成を示すブロック図である。
【図８】基準局の動作のフローチャートである。
【図９】移動端末の構成を示す図である。
【図１０】移動端末の動作のフローチャートである。
【図１１】多数の基地局を設置した無線測位システムの構成を示す図である。
【図１２】多数の基地局と複数の基準局を設置した無線測位システムの構成を示す図である。
【図１３】図１２に示す無線測位システムにおける無線信号の送受信のタイムチャートである。
【図１４】図１２における基準局の動作のフローチャートである。
【図１５】測距用の短いパケットを送信した後に長いパケットで送受信時刻データを送信する際のデータ送受信タイミングを示すタイムチャートである。
【図１６】送受信時刻データをまとめて送信する際のデータ送受信タイミングを示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００７２】
１１，２１，４１ ＭＰＵ
１２ ＰＰＭデータ変調部
１３ ＰＮ系列発生部
１４ インパルス生成部
１５，２３，４３ バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
１６ パワーアンプ（ＰＡ）
１７，２２，４２ アンテナ
２４，４４ 低雑音アンプ（ＬＮＡ）
２５，４５ パルス検出部
２６，４６ 相関器
２７，４７ ＰＰＭデータ復調部
２８，４８ 受信時刻保持部
２９ 送信時刻保持部
３０，５０ タイマ
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 基地局
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２ 基準局
Ｍ 移動端末
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信機能を有する複数の基地局と、
送受信機能を有する少なくとも一つの基準局と、
受信機能を有する移動端末と
を有する無線測位システムであって、
前記基地局は、互いに非同期で第１の無線信号を前記基準局と前記移動端末に送信し、
前記基準局は、該第１の無線信号に応答して第２の無線信号を前記移動端末に送信する際、該第１の無線信号を受信した受信時刻と該第２の無線信号を送信した送信時刻とを前記第２の無線信号に含ませて送信し、
前記移動端末は、前記第１の無線信号の受信時刻と、前記第２の無線信号の受信時刻と、前記第２の無線信号に含まれた受信時刻及び送信時刻とに基づいて、前記移動端末の位置を演算により求める
無線測位システム。
【請求項２】
請求項１記載の無線測位システムであって、
複数の前記基準局が設置され、該複数の基準局の各々が送信する前記第２の無線信号の送信時刻を、他の基準局による前記第２の無線信号の送信が終了した後となるように順次遅らせる無線測位システム。
【請求項３】
請求項２記載の無線測位システムであって、
前記第２の無線信号を、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と前記第２の無線信号を送信した送信時刻とを含まない前部信号と、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と前記第２の無線信号を送信した送信時刻とを含む後部信号とに分離し、全ての前記基準局が前記第２の無線信号の該前部信号を順次送信してから、前記第２の無線信号の該後部信号を順次送信する無線測位システム。
【請求項４】
請求項２記載の無線測位システムであって、
前記第２の無線信号を、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と前記第２の無線信号を送信した送信時刻とを含まない前部信号と、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と前記第２の無線信号を送信した送信時刻とを含む後部信号とに分離し、
前記基準局の各々は、全ての前記基準局が前記第２の無線信号の該前部信号を順次送信してから、複数の前記基地局からの前記第１の無線信号に対応する複数の前記第２の無線信号の前記後半部分を合わせて一括して送信する無線測位システム。
【請求項５】
複数の基地局から、互いに非同期で第１の無線信号を少なくとも一つの基準局と移動端末とに送信し、
前記基準局が該第１の無線信号に応答して第２の無線信号を前記移動端末に送信する際、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と該第２の無線信号を送信した送信時刻とを前記第２の無線信号に含ませて送信し、
前記移動端末が受信した前記第１の無線信号の受信時刻と、前記移動端末が受信した前記第２の無線信号の受信時刻と、前記移動端末が受信した前記第２の無線信号に含まれた受信時刻及び送信時刻とに基づいて、前記移動端末の位置を演算により求める無線測位方法。
【請求項６】
請求項５記載の無線測位方法であって、
複数の前記基準局を設置し、該複数の基準局の各々が送信する前記第２の無線信号の送信時刻を、他の基準局による前記第２の無線信号の送信が終了した後となるように順次遅らせる無線測位方法。
【請求項７】
請求項６記載の無線測位方法であって、
前記第２の無線信号を、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と前記第２の無線信号を送信した送信時刻とを含まない前部信号と、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と前記第２の無線信号を送信した送信時刻とを含む後部信号とに分離し、
前記基準局の全てが前記第２の無線信号の該前部信号を順次送信してから、前記第２の無線信号の該後部信号を順次送信する無線測位方法。
【請求項８】
請求項６記載の無線測位方法であって、
前記第２の無線信号を、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と前記第２の無線信号を送信した送信時刻とを含まない前部信号と、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と前記第２の無線信号を送信した送信時刻とを含む後部信号とに分離し、
前記基準局の各々は、全ての前記基準局が前記第２の無線信号の該前部信号を順次送信してから、複数の前記基地局からの前記第１の無線信号に対応する複数の前記第２の無線信号の前記後半部分を合わせて一括して送信する無線測位方法。
【請求項９】
送受信機能を有する基準局であって、
基地局から送信された第１の無線信号に応答して第２の無線信号を移動端末に送信する際、該第１の無線信号を受信した受信時刻と該第２の無線信号を送信した送信時刻とを前記第２の無線信号に含ませて送信する基準局。
【請求項１０】
受信機能を有する移動端末であって、
基地局から送信された第１の無線信号の受信時刻と、基準局から送信された第２の無線信号の受信時刻と、前記第２の無線信号に含まれた前記基地局による前記第１の無線信号の受信時刻及び前記第２の無線信号に含まれた前記基地局による前記第２の無線信号の送信時刻とに基づいて、前記移動端末の位置を演算により求める移動端末。
【請求項１】
送信機能を有する複数の基地局と、
送受信機能を有する少なくとも一つの基準局と、
受信機能を有する移動端末と
を有する無線測位システムであって、
前記基地局は、互いに非同期で第１の無線信号を前記基準局と前記移動端末に送信し、
前記基準局は、該第１の無線信号に応答して第２の無線信号を前記移動端末に送信する際、該第１の無線信号を受信した受信時刻と該第２の無線信号を送信した送信時刻とを前記第２の無線信号に含ませて送信し、
前記移動端末は、前記第１の無線信号の受信時刻と、前記第２の無線信号の受信時刻と、前記第２の無線信号に含まれた受信時刻及び送信時刻とに基づいて、前記移動端末の位置を演算により求める
無線測位システム。
【請求項２】
請求項１記載の無線測位システムであって、
複数の前記基準局が設置され、該複数の基準局の各々が送信する前記第２の無線信号の送信時刻を、他の基準局による前記第２の無線信号の送信が終了した後となるように順次遅らせる無線測位システム。
【請求項３】
請求項２記載の無線測位システムであって、
前記第２の無線信号を、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と前記第２の無線信号を送信した送信時刻とを含まない前部信号と、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と前記第２の無線信号を送信した送信時刻とを含む後部信号とに分離し、全ての前記基準局が前記第２の無線信号の該前部信号を順次送信してから、前記第２の無線信号の該後部信号を順次送信する無線測位システム。
【請求項４】
請求項２記載の無線測位システムであって、
前記第２の無線信号を、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と前記第２の無線信号を送信した送信時刻とを含まない前部信号と、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と前記第２の無線信号を送信した送信時刻とを含む後部信号とに分離し、
前記基準局の各々は、全ての前記基準局が前記第２の無線信号の該前部信号を順次送信してから、複数の前記基地局からの前記第１の無線信号に対応する複数の前記第２の無線信号の前記後半部分を合わせて一括して送信する無線測位システム。
【請求項５】
複数の基地局から、互いに非同期で第１の無線信号を少なくとも一つの基準局と移動端末とに送信し、
前記基準局が該第１の無線信号に応答して第２の無線信号を前記移動端末に送信する際、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と該第２の無線信号を送信した送信時刻とを前記第２の無線信号に含ませて送信し、
前記移動端末が受信した前記第１の無線信号の受信時刻と、前記移動端末が受信した前記第２の無線信号の受信時刻と、前記移動端末が受信した前記第２の無線信号に含まれた受信時刻及び送信時刻とに基づいて、前記移動端末の位置を演算により求める無線測位方法。
【請求項６】
請求項５記載の無線測位方法であって、
複数の前記基準局を設置し、該複数の基準局の各々が送信する前記第２の無線信号の送信時刻を、他の基準局による前記第２の無線信号の送信が終了した後となるように順次遅らせる無線測位方法。
【請求項７】
請求項６記載の無線測位方法であって、
前記第２の無線信号を、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と前記第２の無線信号を送信した送信時刻とを含まない前部信号と、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と前記第２の無線信号を送信した送信時刻とを含む後部信号とに分離し、
前記基準局の全てが前記第２の無線信号の該前部信号を順次送信してから、前記第２の無線信号の該後部信号を順次送信する無線測位方法。
【請求項８】
請求項６記載の無線測位方法であって、
前記第２の無線信号を、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と前記第２の無線信号を送信した送信時刻とを含まない前部信号と、前記第１の無線信号を受信した受信時刻と前記第２の無線信号を送信した送信時刻とを含む後部信号とに分離し、
前記基準局の各々は、全ての前記基準局が前記第２の無線信号の該前部信号を順次送信してから、複数の前記基地局からの前記第１の無線信号に対応する複数の前記第２の無線信号の前記後半部分を合わせて一括して送信する無線測位方法。
【請求項９】
送受信機能を有する基準局であって、
基地局から送信された第１の無線信号に応答して第２の無線信号を移動端末に送信する際、該第１の無線信号を受信した受信時刻と該第２の無線信号を送信した送信時刻とを前記第２の無線信号に含ませて送信する基準局。
【請求項１０】
受信機能を有する移動端末であって、
基地局から送信された第１の無線信号の受信時刻と、基準局から送信された第２の無線信号の受信時刻と、前記第２の無線信号に含まれた前記基地局による前記第１の無線信号の受信時刻及び前記第２の無線信号に含まれた前記基地局による前記第２の無線信号の送信時刻とに基づいて、前記移動端末の位置を演算により求める移動端末。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００９−２２９３９３（Ｐ２００９−２２９３９３Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７７９４８（Ｐ２００８−７７９４８）
【出願日】平成２０年３月２５日（２００８．３．２５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「戦略的先端ロボット要素技術開発プロジェクト、ロボット搬送システム（サービスロボット分野）、環境情報の構造化を利用した搬送ロボットシステムの開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２５日（２００８．３．２５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「戦略的先端ロボット要素技術開発プロジェクト、ロボット搬送システム（サービスロボット分野）、環境情報の構造化を利用した搬送ロボットシステムの開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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