JP5340414B2

JP5340414B2 - 距離測定装置

Info

Publication number: JP5340414B2
Application number: JP2011541893A
Authority: JP
Inventors: 実則河野; 保憲武内; 公則河野
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2030-11-10
Also published as: WO2011062098A1; JPWO2011062098A1

Description

この発明は、第１の発受信手段と第２の発受信手段との間で、単一の無線周波数を用いて、時分割で相互間の通信を行うことで、相互間の距離を高精度で測定できる距離測定装置に関するものである。

従来から、発信手段から発信される無線信号を、受信手段で受信することによって、発信手段と受信手段との間の距離を測定する装置が提案されている。（例えば、特許文献１〜５参照）
特開Ｈ１１−２１１８１８号公報特開Ｈ７−２４４１５７号公報特開Ｈ８−２３３９３７号公報特開Ｈ１０−２６８０２８号公報特開２００８−３０４１９２号公報図１０は、特許文献１に記載されている従来の「距離測定機」の実施例である。

図１０において、位置Ｂの送信機１は基準信号で変調された送信信号を送信し、これを受信した位置Ａの中継機２は周波数を変換した中継信号を送信する。位置Ｃの距離測定機３は、送信機１の送信信号と、中継機２の中継信号をともに受信し、元の基準信号を復調して位相差を検出し、これにより距離ｘ、距離ｙを算出するとされている。

しかしながら、中継機２が周波数を変換した同時送受信方式であり、送信機１とは別に中継機２を設置する必要があり、中継機２が時分割方式の場合には適用できず、あるいは中継機２が設置されていない場所では距離測定ができない問題点がある。

また、特許文献２では、発信電波ＯＥは中央ステーション１から受動端２に伝送され、受動端２の位相変調回路２０が発信電波ＯＥの合成信号ＳＩを変調し、これを２つの位相状態をもつ変調された信号ＳＭとして、クロック信号ＣＬのリズムで再度伝送する。

中央ステーションでは、変調信号ＳＭは、４分の１周期だけ位相ずれした２つの信号に復調される。４分の１周期位相ずれした２つの信号の積及び整流された４分の１周期位相ずれした信号のモジュール差の正負符号に基づいて、デジタル処理回路１２の両方向カウンタの計数値の増分又は減分が行なわれ、この計数値により中央ステーション１から受動端２までの距離ｄを表示するとされている。

しかしながら、距離を測定するための変調信号の処理が複雑であり、高価となる問題点がある。

また、特許文献３では、ゴルフコースの各ホール毎のグリーン８上に配設されたカップ３に立設されているピン７に装着された設置側機器１へ向けて、持運側機器２から所定のパルス符号列の電波４を送信し、前記設置側機器１から折返し持運側機器２方向に向けて送信される別のパルス符号列の電波４を受信して、前記送信電波４と受信電波５との時間差を基に設置側機器１とプレイヤーまたはキャディーとの間の距離を測定し持運側機器２の表示器６に表示するとされている。

しかしながら、距離を測定するのに、パルス符号列を用いて時間差を測定しているため、マルチパスに影響され、距離の測定に誤差を生じ高精度で測定できない問題点がある。

また、特許文献４では、人工衛星１７の概算距離値に基づいてＰＮコード発生部１１で最適なコード系列を選択して、該コード系列の送信ＰＮコードを発生し、この送信ＰＮコードの信号を人工衛星に送信して、その折返した信号を受信し、その受信ＰＮコードを上記概算距離値に基づいた最適なコード系列から選択し、選択した受信ＰＮコードと送信ＰＮコードとより、人工衛星１７の距離を測定するように構成したものであるとされている。

しかしながら、人工衛星でＰＮコードを時分割で折り返す場合に、短時間でかつ高精度で同期を確立し、前記PNコードが消滅した後も、長時間に渡り同期を維持するのが難しく、回路が複雑となり、高価となる問題点がある。

また、特許文献５では、第１の送受信機１０００から第２の送受信機２０００へ、周波数ｆ1／ＭＮの矩形波ＤTで周波数ｆ1の搬送波をＱＰＳＫ変調し、送信する。第２の送受信機２０００は、コスタスループにより搬送波を再生し、矩形波Ｄ２を復調する。この後周波数ｆ２（≠ｆ1）の搬送波を生成して、復調した矩形波で周波数ｆ２の搬送波をＱＰＳＫ変調し、第２の送受信機２０００から第１の送受信機１０００へ逆送信する。

第１の送受信機１０００はここから周波数ｆ1／ＭＮの矩形波ＤRを復調する。矩形波ＤRをＭ逓倍し、矩形波ＤTを生成する１／Ｍ分周器１５の入力である１／Ｎ分周器１４との位相差を検出する。

伝搬位相差は、第１の送受信機１０００から第２の送受信機２０００までの距離の２倍を電波が通過した時間差であるとされている。

しかしながら、第１の送受信機１０００と第２の送受信機２０００は、異なる周波数で送受信する必要があり、時分割で通信する場合には適用できず、高価となる問題点がある。

この発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、第１の発受信手段と第２の発受信手段との間で、単一の無線周波数を用いて、時分割で、相互間の通信を行うことで、相互間の距離を高精度でしかも短時間で測定できる距離測定装置を提供することを目的とする。

この発明に係わる、超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号である無線信号を用いて距離を測定する距離測定装置では、単一の無線周波数を用いて時分割で双方向通信を行うための、第１の発受信手段と、第２の発受信手段とから構成され、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段とが、少なくとも、単一の周波数の無線信号を、時分割でバースト信号として間欠発信するための発信手段と、前記無線信号を受信して、直接もしくは中間周波信号もしくはベースバンド信号に変換するための受信手段と、前記発信手段と受信手段とを制御するための制御手段と、前記発信手段と受信手段との間で、アンテナあるいは送受波器を時分割で切替えあるいは共有するためのアンテナ切替手段とを有し、前記第２の発受信手段の制御手段が、少なくとも、前記受信手段が受信した無線信号から起点信号を再生するための起点信号再生手段と、前記再生された起点信号の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを検出するための同期検出手段と、前記検出されたタイミングで、起点信号と同期を確立し、かつ前記起点信号が消滅した後も、所定期間、同期を保持してクロック信号を生成するための同期発振手段と、前記生成したクロック信号に同期しあるいは直交した距離測定信号を生成して、前記発信手段から無線信号として発信するための距離測定信号生成手段とを有し、前記第１の発受信手段の制御手段が、少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、起点信号とを生成するための起点信号生成手段と、前記受信手段が受信した無線信号から距離測定信号を再生するための距離測定信号再生手段と、前記生成した起点信号を基準として、再生された距離測定信号の位相を測定するための位相測定手段と、前記測定された距離測定信号の位相から、前記第２の発受信手段との相対的な距離を算出するための距離算出手段とを有し、前記第２の発受信手段は、前記第１の発受信手段から、少なくとも、起点信号を含む無線信号をバースト信号として間欠発信すると、前記受信した起点信号と同期した距離測定信号を含む無線信号を発信し、前記第１の発受信手段において、前記第２の発受信手段から発信された距離測定信号を再生し、前記起点信号と同期したクロック信号を用いて前記再生した距離測定信号の位相を測定して、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の相対的な距離を算出し、前記同期発振手段が、基準発振器の出力信号を直接あるいは周波数を変換して生成したクロック信号によって駆動されるセットあるいはリセット付きのカウンタあるいは数値制御発振器によって構成され、前記同期検出手段によって、起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の周波数の１０倍以上のサンプリング周波数を用いて検出し、前記検出したタイミングで、前記セットあるいはリセット付きのカウンタあるいは数値制御発振器をセットしあるいはリセットすることによって、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方と短時間で同期を確立し、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方が消滅した後も、所定期間、同期を保持し、前記第１の発受信手段、前記第２の発受信手段、あるいはこれらの両方に同期確立誤差関数を付与し、前記同期確立誤差関数に基づいて、前記同期発振手段と前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方との間の同期確立誤差を低減し、前記同期発振手段に前記同期確立誤差関数を付与するために、複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器を設け、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器が、前記同期検出手段によって検出されたタイミングで同期を確立し、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器から出力される出力信号を選択し、前記選択された出力信号に同期しあるいは直交した単一もしくは複数の距離測定信号を生成して前記第１の発受信手段に向けて発信し、前記第１の発受信手段の信号処理手段において、前記複数のタイミングに対応して算出した距離の平均値を求めることによって、距離の算出精度を向上させることとする。これにより相互間の距離を、短時間でしかも高精度で算出することができる。

更に、この発明に係わる、超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号である無線信号を用いて距離を測定する距離測定装置では、単一の無線周波数を用いて時分割で双方向通信を行うための、第１の発受信手段と、第２の発受信手段とから構成され、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段とが、少なくとも、単一の周波数の無線信号を、時分割でバースト信号として間欠発信するための発信手段と、前記無線信号を受信して、直接もしくは中間周波信号もしくはベースバンド信号に変換するための受信手段と、前記発信手段と受信手段とを制御するための制御手段と、前記発信手段と受信手段との間で、アンテナあるいは送受波器を時分割で切替えあるいは共有するためのアンテナ切替手段とを有し、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段の制御手段が、少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方とを生成するための信号生成手段と、前記受信手段が受信した無線信号から、起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方を再生するための信号再生手段と、前記再生された起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを高精度で検出するための同期検出手段と、前記検出されたタイミングで、起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方と同期を確立し、かつ起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方が消滅した後も、所定期間、同期を保持してクロック信号を生成するための同期発振手段と、前記生成された起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方を基準として、前記再生された距離測定信号の位相を、リアルタイムに測定するための位相測定手段と、前記測定された距離測定信号の位相から、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の相対的な距離を算出するための距離算出手段とを有し、前記第２の発受信手段は、前記第１の発受信手段から、少なくとも、起点信号を含む無線信号をバースト信号として間欠発信すると、前記受信した起点信号と同期した第１の距離測定信号を含む無線信号を発信し、前記第１の発受信手段において、前記第２の発受信手段から発信された第１の距離測定信号を再生し、前記起点信号と同期したクロック信号を用いて前記再生した第１の距離測定信号の位相を測定して、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の距離を算出するとともに、少なくとも、前記第１の距離測定信号と同期した第２の距離測定信号を含む無線信号を発信し、前記第２の発受信手段において、前記第１の発受信手段から発信された第２の距離測定信号を再生し、前記第１の距離測定信号と同期したクロック信号を用いて第２の距離測定信号の位相を測定して、前記第２の発受信手段と第１の発受信手段との間の距離を算出することによって、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の相対的な距離を、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との両方において、算出し、前記同期発振手段が、基準発振器の出力信号を直接あるいは周波数を変換して生成したクロック信号によって駆動されるセットあるいはリセット付きのカウンタあるいは数値制御発振器によって構成され、前記同期検出手段によって、起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の周波数の１０倍以上のサンプリング周波数を用いて検出し、前記検出したタイミングで、前記セットあるいはリセット付きのカウンタあるいは数値制御発振器をセットしあるいはリセットすることによって、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方と短時間で同期を確立し、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方が消滅した後も、所定期間、同期を保持し、前記第１の発受信手段、前記第２の発受信手段、あるいはこれらの両方に同期確立誤差関数を付与し、前記同期確立誤差関数に基づいて、前記同期発振手段と前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方との間の同期確立誤差を低減し、前記同期発振手段に前記同期確立誤差関数を付与するために、複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器を設け、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器が、前記同期検出手段によって検出されたタイミングで同期を確立し、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器から出力される出力信号を選択し、前記選択された出力信号に同期しあるいは直交した単一もしくは複数の距離測定信号を生成して前記第１の発受信手段に向けて発信し、前記第１の発受信手段の信号処理手段において、前記複数のタイミングに対応して算出した距離の平均値を求めることによって、距離の算出精度を向上させることとする。これにより相互間の距離を、短時間でしかも高精度で算出することができる。

このように、本発明の距離測定装置では、第１の発受信手段と第２の発受信手段との間で、単一の無線周波数を用いたバースト信号によって相互間の通信を行うことで、安価な装置によって、相互間の距離を短時間でしかも高精度に算出できる利点がある。

関連文献とのクロスリファレンス
本願は、２００９年１１月１８日付けで出願した日本国特願２００９−２６２７３７号及び２０１０年１月２１付けで出願した日本国特願２０１０−１１２１２号に基づく優先権を主張する。この文献を本明細書に援用する。

本発明の第１の実施の形態による距離測定装置の構成図である。本発明の第２の実施の形態による制御手段の構成図である。本発明の第３の実施の形態による制御手段の構成図である。本発明の第４の実施の形態による制御手段の構成図である。本発明の距離測定装置から発信される無線信号の構成図である。本発明の距離測定装置のタイミングチャートである。本発明の距離測定装置の他のタイミングチャートである。本発明の距離測定装置の同期確立誤差関数生成手段の構成図である。本発明の距離測定装置の同期確立誤差関数生成手段の他の構成図である。従来の実施例を示す構成図である。

この発明に係わる距離測定装置は、図１、図２、図３、および請求項１に本発明の第１〜第３の実施の形態を示すように、超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号である無線信号を用いて距離を測定する距離測定装置において、前記無線信号を単一の無線周波数を用いて時分割同時送受信するための、第１の発受信手段１０１ａと、第２の発受信手段１０１ｂとから構成される
前記第１の発受信手段と第２の発受信手段とが、少なくとも、単一の周波数の無線信号を、時分割でバースト信号として間欠発信するための発信手段１２ａ、１２ｂと、前記無線信号を受信して、直接もしくは中間周波信号もしくはベースバンド信号に変換するための受信手段１３ａ、１３ｂと、前記発信手段と受信手段とを制御するための制御手段１１ａ、１１ｂと、前記発信手段と受信手段との間で、アンテナあるいは送受波器を時分割で切替えあるいは共有するためのアンテナ切替手段１４ａ、１４ｂとを有する。

前記第２の発受信手段の制御手段１１ｂが、少なくとも、前記受信手段１３ｂが受信した無線信号から起点信号を再生するための起点信号再生手段５０と、前記再生された起点信号の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを高精度で検出するための同期検出手段４９と、前記起点信号と高精度でかつ短時間に同期を確立し、かつ前記起点信号が消滅した後も、比較的に長時間、同期を保持してクロック信号を生成するための同期発振手段４８と、前記生成したクロック信号に同期しあるいは直交した距離測定信号を生成して、前記発信手段１２ｂから無線信号として発信するための距離測定信号生成手段４７とを有する
前記第１の発受信手段の制御手段１１ａが、少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、起点信号とを生成するための起点信号生成手段４５と、前記受信手段１３ａが受信した無線信号から距離測定信号を再生するための距離測定信号再生手段４４と、前記生成した起点信号を基準として、再生された距離測定信号の位相を高精度で測定するための位相測定手段４３と、前記測定された距離測定信号の位相から、前記第２の発受信手段との相対的な距離を高精度で算出するための距離算出手段４２とを有する。

前記第２の発受信手段は、前記第１の発受信手段から、少なくとも、起点信号を含む無線信号をバースト信号として間欠発信すると、前記受信した起点信号と高精度で同期した距離測定信号を含む無線信号を時分割の間隔で発信し、前記第１の発受信手段において、前記第２の発受信手段から発信された距離測定信号を再生し、前記起点信号と同期したクロック信号を用いて前記再生した距離測定信号の位相を測定して、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の相対的な距離を、前記第１の発受信手段において、短時間に、高精度で算出することができる。

また、図１、図４、および請求項２に本発明の第１および第４の実施の形態を示すように、超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号である無線信号を用いて距離を測定する距離測定装置において、前記無線信号を単一の無線周波数を用いて時分割同時送受信するための、第１の発受信手段１０１ａと、第２の発受信手段１０１ｂとから構成される。

前記第１の発受信手段と第２の発受信手段とが、少なくとも、単一の周波数の無線信号を、時分割でバースト信号として間欠発信するための発信手段１２ａ、１２ｂと、前記無線信号を受信して、直接もしくは中間周波信号もしくはベースバンド信号に変換するための受信手段１３ａ、１３ｂと、前記発信手段と受信手段とを制御するための制御手段１１ａ、１１ｂと、前記発信手段と受信手段との間で、アンテナあるいは送受波器を時分割で切替えあるいは共有するためのアンテナ切替手段１４ａ、１４ｂとを有する。

前記第１の発受信手段と第２の発受信手段の制御手段１１ａ、１１ｂが、少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方を生成するための信号生成手段４５、４７と、前記受信手段１３ａ、１３ｂが受信した無線信号から、起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方を再生するための信号再生手段４４、５０と、前記再生された起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを高精度で検出するための同期検出手段４９と、前記検出されたタイミングで、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方と高精度でかつ短時間に同期を確立する。

かつ前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方が消滅した後も、比較的に長時間、同期を保持してクロック信号を生成するための同期発振手段４６と、前記生成された起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方を基準として、前記再生された距離測定信号の位相を、高精度でリアルタイムに測定するための位相測定手段４３と、前記測定された距離測定信号の位相から、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の相対的な距離を算出するための距離算出手段４２とを有する。

前記第２の発受信手段は、前記第１の発受信手段から、少なくとも、起点信号を含む無線信号をバースト信号として間欠発信すると、前記受信した起点信号と高精度で同期した第１の距離測定信号を含む無線信号を発信し、前記第１の発受信手段において、前記第２の発受信手段から発信された第１の距離測定信号を再生し、前記起点信号と同期したクロック信号を用いて前記再生した第１の距離測定信号の位相を測定して、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の距離を算出するとともに、少なくとも、前記第１の距離測定信号と高精度で同期した第２の距離測定信号を含む無線信号を発信し、前記第２の発受信手段において、前記第１の発受信手段から発信された第２の距離測定信号を再生し、前記第１の距離測定信号と同期したクロック信号を用いて第２の距離測定信号の位相を測定して、前記第２の発受信手段と第１の発受信手段との間の距離を算出することによって、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の相対的な距離を、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との両側において、短時間内に、高精度で算出することができる。

また、請求項３に示すように、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方が、単一もしくは同期しあるいは直交する複数の、搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの組合せである。

また、請求項４に示すように、前記信号再生手段４４、５０において再生する起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方が、無線信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号である場合には、群遅延歪みの少ない帯域通過フイルタを通し、あるいは無線信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号を変調した変調信号である場合には、伝達位相誤差の少ないアナログ復調器もしくは高い周波数のクロック信号を用いた伝達位相誤差の少ないデジタル復調器によって復調した後に、前記伝達位相誤差の少ない帯域通過フイルタを通して再生する。

また、請求項５に示すように、前記同期発振手段４６が、基準発振器の出力信号を直接あるいは周波数を変換して生成したクロック信号によって駆動されるセットあるいはリセット付きのカウンタあるいは数値制御発振器によって構成され、前記同期検出手段によって、起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の周波数の１０倍以上のサンプリング周波数を用いて検出し、前記検出したタイミングで、前記セットあるいはリセット付きのカウンタあるいは数値制御発振器をセットしあるいはリセットすることによって、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方と短時間で同期を確立し、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方が消滅した後も、比較的に長時間同期を保持する。

また、請求項６に示すように、前記同期発振手段４６と前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方との間の同期確立誤差を低減し、高精度で同期を確立させるために、前記第１の発受信手段１０１ａ、前記第２の発受信手段１０１ｂ、あるいはこれらの両方に同期確立誤差関数を付与することで、この同期確立誤差関数に基づいて、前記同期確立誤差を軽減することができる。

また、請求項７に示すように、前記同期検出手段４９に同期確立誤差関数を付与するために、前記クロック信号の位相をシフトさせるための複数組の移相手段と、前記複数組の移相手段によって各々異なった位相にシフトされた複数組の起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方を選択して外部に出力するためのタイミング制御手段とを設け、前記移相手段の移相量の合計を、前記クロック信号の一周期の間隔よりも大きく設定することによって、距離の算出精度を向上させる。

また、請求項８に示すように、前記同期発振手段４６に前記同期確立誤差関数を付与するために、複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器を設け、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器が、前記同期検出手段によって検出された各々異なったタイミングで同期を確立し、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器から出力される出力信号を異なったタイミングで選択し、前記選択された出力信号に同期しあるいは直交した単一もしくは複数の距離測定信号を生成して前記第１の発受信手段に向けて発信し、前記第１の発受信手段の信号処理手段において、前記複数のタイミングに対応して算出した距離の平均値を求めることによって、距離の算出精度を向上させる。

また、請求項９に示すように、前記同期発振手段４６が、アナログ式もしくはデジタル式の遅延手段と、前記遅延手段の入力端子と出力端子の間を切り離しあるいは接続するための切替スイッチとを有し、前記起点信号を読み込む場合には前記切替スイッチを切り離し、読み込み完了後には前記入力端子と出力端子の間をリング状に接続し、読み出す場合には前記切替スイッチを切り離すことで、時分割で受発信する場合の時間間隔分に必要な前記遅延手段の遅延時間を短縮する。

また、請求項１０に示すように、前記位相測定手段４３が、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の周波数の整数倍もしくは整数分の１の周波数をクロック信号として用い、Ｓｉｎのルックアップテーブルが０、１、０、−１、あるいは１、１、−１、−１、あるいはこれらの繰り返しであり、Ｃｏｓのルックアップテーブルが１、０、−１、０あるいは１、−１、−１、１、あるいはこれらの繰り返しであり、前記距離測定信号と前記ルックアップテーブルとの積和演算を行う際に−１の乗算は補数を求める積和演算器によって構成される。

また、請求項１１に示すように、前記位相測定手段４３が、前記距離測定信号の１周期の整数倍以上の区間を区切って位相を測定し、もしくは１周期の整数倍以上の区間を更に複数区間に区切って位相を測定して平均値を求め、あるいは１周期の整数倍以上の長さの窓枠関数を設定して位相を測定する。

また、請求項１２に示すように、前記第１の発受信手段の受信手段１３ａ、第２の発受信手段の受信手段１３ｂ、あるいはこれらの両方が、伝搬経路３１の品質を検知する品質検知手段を有し、前記品質検知手段が、前記受信手段１３ａ、１３ｂにおいて受信した無線信号の電力あるいは信号対雑音比を測定した結果から回線品質を分析し、前記位相測定手段で距離測定信号の位相あるいは位相差を測定した結果から距離測定精度を分析し、あるいは前記回線品質の分析と距離測定精度の分析の両方を行い、前記距離測定処理の結果を補正しあるいは補完する。

また、請求項１３に示すように、前記第１の発受信手段、第２の発受信手段、あるいはこれらの両方が、複数のアンテナ又は複数の送受波器を設けて周期的に切替えながら、無線信号を発信しあるいは受信し、前記品質検知手段において、前記複数のアンテナもしくは複数の送受波器に対応して、複数の距離測定信号の位相を測定し、あるいは複数の距離を算出した結果から統計処理を行い、位相の測定結果が所定値以下であり、あるいは距離が所定値以下であるもの選択して平均しあるいは荷重平均を行なうことによって、前記距離測定処理の結果を補正しあるいは補完する。

また、請求項１４に示すように、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間で、前記発受信を連続、間欠的、もしくはこれらの両方を複数回行い、相互間の距離の算出を複数回実施し、前記複数回の算出結果から平均値を求めることで、お互いの相対的な距離を高精度で算出する。

また、請求項１５に示すように、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間でお互いが算出した距離情報を相互に交換することで、お互いの相対的な距離を高精度で算出する。

また、請求項１６に示すように、前記第１の発受信手段、第２の発受信手段、もしくはこれらの両方のアンテナ又は送受波器が、６０°以上の広い指向性ビーム幅を有する円偏波指向性アンテナであり、前記第２の発受信手段と第１の発受信手段との間で、指向性の方向が双方向通信の相手方に向けて、お互いに対向して設けられている。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態による距離測定装置の構成図である。図１において、１０１ａは第１の発受信手段、１０１ｂは第２の発受信手段、１１ａ、１１ｂは制御手段、１２ａ、１２ｂは発信手段、１３ａ、１３ｂは受信手段、１４ａ、１４ｂはアンテナ切替手段、１５ａ、１５ｂはアンテナもしくは送受波器、３１は無線の伝搬路である。前記第１の発受信手段１０１ａと第２の発受信手段１０１ｂは、単一の周波数の無線信号を用い、時分割同時通信により、伝搬路３１を介して双方向通信を行い、相互間の相対距離を測定する。

なお、第１の発受信手段、第２の発受信手段、もしくはこれらの両方のアンテナ又は送受波器が、６０°以上の広い指向性ビーム幅を有する円偏波指向性アンテナであり、前記第２の発受信手段と第１の発受信手段との間で、指向性の方向が双方向通信の相手方に向けて、お互いに対向して設けることで、距離の測定精度を改善することができる。

（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態による制御手段の構成図であり、図２において、４１は基準発振器、４２は距離算出手段、４３は位相測定手段、４４は距離測定信号再生手段、４５は起点信号生成手段、５１ａ、５２ａは接続端子である。

前記基準発振器４１に同期し、信号生成手段４５によって、少なくとも図５に示す、システム同期信号６１と、マックレイヤ６２と、法規により許容される周波数範囲の単一もしくは複数の周波数の起点信号６３とが生成され、接続端子５１ａを介して前記第１の発受信手段１０１ａの発信手段１２ａに供給される。

なお、前記起点信号は、前記位相測定手段４３にも、位相測定のためのクロック信号として供給される。

一方、前記第２の発受信手段１０１ｂから発信され、前記第１の発受信手段１０１ａの受信手段１３ａによって受信される無線信号は、直接もしくは中間周波信号もしくはベースバンド信号に変換され、接続端子５２ａを介して距離測定信号再生手段４４に供給され、前記距離測定信号が無線信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号である場合には、直接伝達位相誤差の少ない帯域通過フイルタ（例えばガウシャンフイルタなど）を通し、あるいは前記距離測定信号が無線信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号を変調した変調信号である場合には、アナログ復調器もしくは高い周波数のクロック信号を用いたデジタル復調器によって復調した後に前記帯域通過フイルタを通して再生することによって、前記距離測定信号に含まれる雑音成分を除去し、位相測定誤差を軽減することができる。

前記再生された距離測定信号は前記位相測定手段４３に供給され、前記自局内で生成した起点信号の周波数の整数倍もしくは整数分の１の周波数をクロック信号として用い、積和演算器によって前記距離測定信号の位相を高精度でリアルタイムで測定し、測定結果を距離算出手段４２に出力し、前記距離算出手段４２は、例えば、基準発振器４１からの供給されるクロック信号によって動作する標準的なマイクロプロセッサであり、前記第１の発受信手段１０１ａと前記第２の発受信手段１０１ｂとの間の相対距離を高精度で算出する。

ここで、前記積和演算器は、少なくとも、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の周波数の整数倍をクロック信号として用い、前記距離測定信号を、例えば、８ビット以上のアナログ／デジタル変換器によってデジタル信号に変換し、前記デジタル信号とＳｉｎおよびＣｏｓのルックアップテーブルとの積和演算を行うものであり、前記位相を検出するために用いるＳｉｎのルックアップテーブルは０、１、０、−１、もしくは１、１、−１、−１、もしくはこれらの整数倍の繰り返しであり、一方、Ｃｏｓのルックアップテーブルは１、０、−１、０、もしくは１、−１、−１、１、もしくはこれらの整数倍の繰り返しであり、かつ積和演算を行う際の１との乗算は当該デジタル信号と同じ値であり、−１との乗算は当該デジタル信号の補数を求めることであり、０との剰算は０であり、これらを組合わせることで、前記積和演算回路を単純化でき、ロジック回路のみで実現でき、しかも高速で、リアルタイムの演算が可能となる。

また、前記距離測定信号の１周期の整数倍以上の区間を区切って位相を測定し、もしくは１周期の整数倍以上の区間を更に複数区間に区切って位相を測定して平均値を求め、もしくは１周期の整数倍以上の長さの窓枠関数を設定して位相を測定し、必要に応じて、平均値を求め、かつ／又は複数回の間欠発受信の間に移動平均値を求めることで、±０．５°程度の精度でしかもリアルタイムで、位相を測定することができる。

（実施の形態３）
図３は本発明の第３の実施の形態による制御手段の構成図であり、図３において、５０は起点信号再生手段、４９は同期検出手段、４７は距離測定信号生成手段、４６は同期発振手段、４１は基準発振器、４８は位相同期発振器、５１ｂ、５２ｂは接続端子である。

前記第２の発受信手段１０１ｂの受信手段１３ｂによって受信される起点信号が、直接もしくは中間周波信号もしくはベースバンド信号に変換され、接続端子５１ｂを経由して起点信号再生手段５０に接続される。

前記起点信号再生手段５０では、前記起点信号が無線信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号である場合には、直接伝達位相誤差の少ない帯域通過フイルタ（例えばガウシャンバンドパスフイルタなど）を通し、あるいは前記起点信号が無線信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号を変調した変調信号である場合には、伝達位相誤差の少ないアナログ復調器もしくは高い周波数のクロック信号を用いた伝達位相誤差の少ないデジタル復調器によって復調した後に前記帯域通過フイルタを通して再生する。

前記再生された起点信号は、同期検出手段４９によって、基準発振器４１から直接供給され、あるいは位相同期発振器４８によって高い周波数に変換されて供給されるクロック信号によってサンプリングされ、前記起点信号の立上り点、立下り点、もしくはゼロ交差点のタイミングが検出され、セットあるいはリセット信号あるいは外部同期信号として同期発振手段４６に供給される。

ここで、例えば、前記位相同期発振器４８から供給されるクロック信号の周波数が１００ＭＨｚの場合、前記同期信号の検出精度は±１０ナノ秒となり、前記距離測定信号の周波数を１ＭＨｚとすると、距離の測定精度は±７５ｃｍとなる。更に高精度にするために２５６ＭＨｚのクロック信号とすると、距離の測定精度は±３０ｃｍとなる。一般的に、クロック信号の周波数は、前記距離測定信号の１０倍以上の周波数に設定される。

一方、前記同期発振手段４６は、前記位相同期発振器４８から供給されるクロック信号によって駆動される、セットあるいはリセット付きの同期式あるいは非同期式のカウンタあるいは数値制御発振器によって構成され、前記セットあるいはリセット信号あるいは外部同期信号によって、セットしあるいはリセットすることで、数マイクロ秒以内の瞬時にして同期を確立し、前記起点信号が消滅しても、比較的に長時間、同期を保持できるメリットが得られる。

なお、前記同期検出手段４９および同期発振手段４６に供給されるクロック信号は、前記基準発振器４１から直接あるいは高い周波数に変換して供給される。

前記同期発振手段４６からの出力信号は、距離測定信号生成手段４７によって、単一の周波数あるいは周波数の異なる複数の、搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの任意の組み合わせによる距離測定信号に変換され、接続端子５２ｂを介して前記第２の発受信手段１０１ｂの発信手段１２ｂに供給される。

前記距離測定信号が同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる複数の距離測定信号である場合には、距離を測定するレンジを変化させることが可能であり、大まかな距離の測定から精細な距離の測定に切替えて測定することが可能となる。

（実施の形態４）
図４は本発明の第４の実施の形態による制御手段の構成図であり、図４において、１１ｃは制御手段、４１は基準発振器、４２は距離算出手段、４３は位相測定手段、４４は距離測定信号再生手段、４５は起点信号生成手段、４６は同期発振器、４７は距離測定信号生成手段、４８は位相同期発振器、４９は同期検出手段、５０は起点信号再生手段、５１ｃ、５２ｃは接続端子である。

ここで、前記制御手段１１ｃは、前記制御手段１１ａと制御手段１１ｂを併せ持った構成であり、前記第１の発受信手段と第２発受信手段に共通して用いることができる。

前記起点信号生成手段４５によって、図５に無線信号の構成を示すように、前記基準発振器４１に同期し、少なくとも、システム同期信号６１と、マックレイヤ６２と、法規により許容される周波数範囲の単一もしくは複数の周波数の起点信号６３−１〜６３−ｎとが生成され、接続端子５１ｃを介して図１に示す発信手段１２ａ、１２ｂに供給され、その内、前記起点信号は、位相測定のためのクロック信号として、別途、前記位相測定手段４３にも供給される。

一方、前記受信手段１４ａ、１４ｂによって受信される無線信号は、直接もしくは中間周波信号もしくはベースバンド信号に変換され、接続端子５２ｃを介して前記起点信号再生手段４４もしくは測定信号再生手段５０に供給され、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方が、無線信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号である場合には、伝達位相誤差の少ない帯域通過フイルタ（例えば、ガウシャンバンドパスフイルタ）を通し、あるいは無線信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号を変調した変調信号あるいは拡散符号である場合には、伝達位相誤差の少ないアナログ復調器もしくは高い周波数のクロック信号を用いた伝達位相誤差の少ないデジタル復調器によって復調した後に、前記帯域通過フイルタを通して再生することによって、前記距離の算出誤差を軽減することができる。

また、前記測定信号再生手段４４によって再生された距離測定信号は位相測定手段４３に供給され、前記自局内で生成した起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の周波数の整数倍の周波数をクロック信号として用い、積和演算器によって前記距離測定信号の位相を高精度でリアルタイムで測定し、測定結果を距離算出手段４２に出力する。

また、前記距離算出手段４２は、例えば、基準発振器４１からの供給されるクロック信号によって動作する標準的なマイクロプロセッサであり、前記第１の発受信手段１０１ａと前記第２の発受信手段１０１ｂとの間の相対距離を算出する。

ここで、前記積和演算器は、少なくとも、前記起点信号の周波数の整数倍の周波数をクロック信号として用い、前記距離測定信号を、例えば、８ビット以上のアナログ／デジタル変換器によってデジタル信号に変換し、前記デジタル信号に変換した距離測定信号とＳｉｎおよびＣｏｓのルックアップテーブルとの積和演算を行うものであり、前記積和演算に用いるＳｉｎのルックアップテーブルは０、１、０、−１、もしくは１、１、−１、−１、もしくはこれらの整数倍の繰り返しであり、一方、Ｃｏｓのルックアップテーブルは１、０、−１、０、もしくは１、−１、−１、１、もしくはこれらの整数倍の繰り返しであり、かつ積和演算を行う際の１との乗算は当該デジタル信号と同じ値であり、−１との乗算は当該デジタル信号の補数を求めることであり、０との剰算は０であり、これらを組合わせることで、前記積和演算回路を単純化でき、しかもロジック回路で実現できるため、高速で、リアルタイムの演算が可能となる。

また、前記距離測定信号の１周期の整数倍以上の区間を区切って位相を測定し、もしくは１周期の整数倍以上の区間を更に複数区間に区切って位相を測定して平均値を求め、もしくは１周期の整数倍以上の長さの窓枠関数を設定して位相を測定し、必要に応じて、平均値を求め、又は複数回の間欠発受信の間に移動平均値を求めることで、±０．５°の精度でしかもリアルタイムで、位相を測定することができる。

一方、前記信号再生手段４４によって再生された距離測定信号、前記信号再生手段５０によって再生された起点信号、あるいはこれらの両方は、同期検出手段５９によって、基準発振器４１から直接供給され、あるいは位相同期発振器４８によって高い周波数に変換されて供給されるクロック信号によってサンプリングされ、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の立上り点、立下り点、もしくはゼロ交差点のタイミングが検出され、セットあるいはリセット信号あるいは外部同期信号として同期発振手段４６に供給される。

ここで、例えば、前記位相同期発振器４８から供給されるクロック信号の周波数が１００ＭＨｚの場合、前記同期信号の検出精度は±１０ナノ秒となり、前記距離測定信号の周波数を１ＭＨｚとすると、距離の測定精度は±７５ｃｍとなる。更に高精度にするために２５６ＭＨｚのクロック信号とすると、距離の測定精度は±３０ｃｍとなる。

また、前記同期発振手段４６はセットあるいはリセット付きの同期式あるいは非同期式のカウンタあるいは数値制御発振器によって構成され、前記セットあるいはリセット信号あるいは外部同期信号によって、セットしあるいはリセットすることで、数マイクロ秒以内の瞬時にして同期を確立し、前記起点信号が消滅しても、比較的に長時間、同期を保持できるメリットが得られる。

なお、前記同期発振手段４６の代わりに、基準発振器４１によって駆動されるデジタルシンセサイザを用いると、前記起点信号との同期を確立し、前記起点信号が消滅した後も、比較的に長時間、同期を保持できるよう構成することができるが、この場合には、同期確立までに数百マイクロ秒がかかり、また同期確立後の残留位相誤差が大きいなどの問題点がある。

また、前記同期検出手段４９に供給されるサンプリング信号と、前記同期発振手段５４に供給されるクロック信号とは、前記基準発振器４１の出力信号を直接あるいは位相同期発振器もしくは逓倍器を用いて高い周波数に変換して生成される。

前記同期発振手段４６の出力信号は、距離測定信号生成手段４７によって、単一の周波数あるいは周波数の異なる複数の、搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの任意の組み合わせによる距離測定信号に変換され、接続端子５１ｃを介して前記発信手段１２ａ、１２ｂに供給される。

図５は、本発明の距離測定装置から発信される無線信号の構成を示す図である。図５において、６１はシステム同期信号、６２はＭＡＣレイヤ、６３−１〜６３−ｎは起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方である。

前記システム同期信号６１は複数ビットのユニークワードであり、±１００ナノ秒程度の精度で前記第１の発受信手段１０１ａと第２の発受信手段１０１ｂとの間の制御タイミングを合わせることができるが、この程度の精度で前記相対距離を算出すると、相対距離の測定誤差が数十ｍと大きくなる問題点がある。

前記ＭＡＣレイヤ６２は、少なくとも、符号長、識別番号、相手先番号、データ情報、誤り訂正符号、もしくはこれらの組合せから構成され、前記システム同期信号６１とセットになって生成される。

前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方は、前記第１の発受信手段１０１ａと第２の発受信手段１０１ｂとの間で精密な同期を確立するための信号であり、通常比較的に低い周波数の単一もしくは同期しあるいは直交する複数の、搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの任意の組合せによる信号が用いられる。

また、前記ＭＡＣレイヤ６２の継続時間を１ｍｓ程度とし、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の継続時間を１ｍｓ程度とすると、片道の合計で２ｍｓ程度の継続時間となり、往復の合計で５ｍｓ程度となるので、前記間欠発信の間隔をＣＲ発振器などの自励発振器で制御することで、複数の発受信手段の間で相互間の同期を取らず非同期で間欠発信できることから、経済的なシステム運用が可能となる。

一方、前記距離測定信号の継続時間を１００ｍｓ程度に延長することで、距離の測定精度を１０倍程度に高くすることができるが、複数の発受信手段の間で混信が生じるようになり、これを避けるために複数の発受信手段の間で同期をとる必要が生じ、運用コストが上昇する欠点が生じることとなる。

また、前記複数組の起点信号あるいは複数組の距離測定信号は、図８および９に示すように、同期検出誤差関数を付与するために設けられた、移相手段８２によって複数組の起点信号８３ａ〜８３ｎを生成し、あるいは複数組の同期発振手段９２ａ〜９２ｎによって複数組の距離測定信号を生成する場合を含んでいる。

図６は、本発明の距離測定装置のタイミングチャートである。図６において、７１ａは第１の発受信手段１０１ａから発信される起点信号、７１ｂは第２の発受信手段１０１ｂよって再生される起点信号、７２は前記第１の発受信手段から第２の発受信手段に向けて起点信号が伝搬する伝搬経路、７３ａは前記第２の発受信手段によって再生された起点信号に同期して生成される距離測定信号、７３ｂは前記第１の発受信手段によって再生された距離測定信号、７４は前記第２の発受信手段から第１の発受信手段に向けて距離測定信号が伝搬する伝搬経路、７７ａは前記第１の発受信手段から発信される起点信号と前記第１の発受信手段によって再生される距離測定信号との位相差、７８ａは前記第１の発受信手段の発信手段の時間軸、７８ｂは前記第１の発受信手段の受信手段の時間軸、７９ａは前記第２の発受信手段の受信手段の時間軸、７９ｂは前記第２の発受信手段の発信手段の時間軸、８０ａは前記第１の発受信手段の発信のタイミングから第２発受信手段の発信のタイミングまでの時分割の間隔である。

前記第１の発受信手段から発信される前記起点信号７１ａをＡＳｉｎ（２πｆ１ｔ）とすると、前記起点信号７１ａが、距離Ｌ（ｍ）の伝搬経路７２を伝搬し、前記第２の発受信手段によって受信され、起点信号７１ｂとして再生されると、ＢＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋（２πＬｆ１／Ｃ）｝に位相が変化する。

前記再生された起点信号７１ｂと、同期確立誤差がゼロで同期した距離測定信号７３ａを生成すると、生成された距離測定信号７３ａは、同じくＢＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋（２πＬｆ１／Ｃ）｝で表される。

前記時分割の間隔８０後に、前記生成された距離測定信号７３ａが、前記第２の発受信手段から発信され、再び、距離Ｌ（ｍ）の伝搬経路７４を伝搬し、前記第１の発受信手段で再生される距離測定信号７３ｂは、ＣＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋（４πＬｆ１／Ｃ）｝で表わされる。ここで、Ｃは光の速度とする。

そこで、前記第１の発受信手段で生成された起点信号７１ａと同期しあるいは直交し、周波数が前記起点信号の整数倍のクロック信号を用い、前記再生された距離測定信号７３ｂの位相を測定すると、前記第１の発受信手段で生成された起点信号７１ａと前記第１の発受信手段で再生された距離測定信号７３ｂとの位相差７７ａが測定され、ΔΦ＝｛４πＬｆ１／Ｃ｝となることから、Ｌ＝｛ＣΔΦ／４πｆ１｝から、距離Ｌ（ｍ）が算出できる。

図７は、本発明の距離測定装置の他のタイミングチャートであり、７１ａは第１の発受信手段から発信される起点信号、７１ｂは第２の発受信手段によって再生される起点信号、７２は前記第１の発受信手段から第２の発受信手段に向けて起点信号７１ａが伝搬する伝搬経路、７３ａは前記第２の発受信手段よって再生された起点信号７１ｂに同期して生成される第１の距離測定信号、７３ｂは前記第１の発受信手段によって再生された第１の距離測定信号、７４は前記第２の発受信手段から第１の発受信手段に向けて第１の距離測定信号７３ａが伝搬する伝搬経路、７５ａは前記第１の発受信手段で再生される第１の距離測定信号７３ｂに同期して生成された第２の距離測定信号、７５ｂは第２の発受信手段で再生された第２の距離測定信号であり、
７６は前記第１の発受信手段から第２の発受信手段に向けて第２の距離測定信号７５ａが伝搬する伝搬経路、７７ａは第１の発受信手段から発信される起点信号７１ａと前記第１の発受信手段によって再生される第１の距離測定信号７３ｂとの位相差、７７ｂは第２の発受信手段で生成される第１の距離測定信号７３ａと第２の発受信手段で再生される第２の距離測定信号７５ｂとの位相差、７８ａ〜７８ｃは前記第１の発受信手段の発信手段と受信手段の時間軸、７９ａ〜７９ｃは前記第２の発受信手段の受信手段と発信手段の時間軸、８０ａ、８０ｂは時分割の間隔である。

前記再生された起点信号７１ｂと、同期確立誤差がゼロで同期した第１の距離測定信号７３ａを生成すると、生成された第１の距離測定信号７３ａは、同じくＢＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋（２πＬｆ１／Ｃ）｝で表される。

前記時分割の間隔７８ａ後に、前記生成された第１の距離測定信号７３ａが、前記第２の発受信手段から発信され、再び、距離Ｌ（ｍ）の伝搬経路７４を伝搬し、前記第１の発受信手段で再生される第１の距離測定信号７３ｂは、ＣＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋（４πＬｆ１／Ｃ）｝で表わされる。ここで、Ｃは光の速度とする。

そこで、前記第１の発受信手段で生成された起点信号７１ａと同期しあるいは直交し、周波数が前記起点信号の整数倍のクロック信号を用い、前記再生された第１の距離測定信号７３ｂの位相を測定すると、前記第１の発受信手段で生成された起点信号７１ａと前記第１の発受信手段で再生された第１の距離測定信号７３ｂとの位相差７７ａが測定され、ΔΦ＝｛４πＬｆ１／Ｃ｝となることから、Ｌ＝｛ＣΔΦ／４πｆ１｝から、距離Ｌ（ｍ）が前記第１の発受信手段の側で算出できる。

前記に続けて、前記第１の発受信手段１０１ａにおいて、前記再生された第１の距離測定信号７３ｂと同期して生成された第２の距離測定信号７５ａを前記第２の発受信手段１０１ｂに向けて発信し、前記第２の発受信手段１０１ｂで再生された第２の距離測定信号７５ｂと、前記第１の発受信手段に向けて発信した第１の距離測定信号との位相差７７ｂを測定すると、ΔΦ＝｛４πＬｆ１／Ｃ｝となることから、Ｌ＝｛ＣΔΦ／４πｆ１｝から、距離Ｌ（ｍ）が前記第２の発受信手段側でも算出できる。

更に、同様なシーケンスを繰返すことによって、前記第１の発受信手段側と前記第２の発受信手段側とで、複数回距離Ｌ（ｍ）が算出できることから、それぞれの側で、平均値を求めることで、距離の算出精度を高めることができる。

なお、前記算出精度の改善は、同期確立誤差関数の付与によって、前記同期検出手段４９における同期確立誤差がランダムに変化することでも追加的に実現できる。

図８は、本発明の距離測定装置の同期確立誤差関数生成手段の構成図である。図８において、４１は基準発振器、４８は位相同期発振器、２７は誤差関数生成手段、８２は移相手段、８３ａ〜８３ｎは移相手段８２の切替タップ、８４は切替制御手段、８５、８６、８７は接続端子である。

前段の基準発振器４１からの出力信号を位相同期発振器４８によって高い周波数に変換し、接続端子８５を介して移相手段８２に入力する。

移相手段８２は、複数段のシフトレジスタ、あるいは複数段の遅延素子、あるいは複数段の遅延回路などによって構成され、各段の信号出力は切替タップ８３ａ〜８３ｎによって引き出され、切替制御手段８４によって順次切替えられ、高い周波数のクロック信号として接続端子８６から外部（同期検出手段、同期発振手段など）に出力される。

前記移相手段８２の各段の移相量は極力小さいことが望ましく、かつ移相量の合計は、前記クロック信号の１周期以上であることが必要である。例えば、前記クロック信号の周波数が２５６ＭＨｚであるとすると、移相手段８２の各段の移相量は４ナノ秒以下（例えば、０．４ナノ秒など）であり、かつ移相量の合計は４ナノ秒以上（例えば、６．４ナノ秒など）とする必要がある。

上記の移相手段８２が無い場合に、同期発振手段５４の同期確立精度が±２ナノ秒程度であり、起点信号の周波数を１ＭＨｚとすると、距離の測定精度は、距離測定レンジが１５０ｍであるのに対して、±３０ｃｍが限界となるが、上記の移相手段８２を設け、各段に割付けられた移相量を０．４ナノ秒とし、算出した距離の平均値を求めると、測位精度を±１５ｃｍ程度に改善することができる。

なお、前記移相手段８２は前記同期発振手段５４に対して同期確立誤差関数を付与することになり、複数段のタップ８３ａ〜８３ｎの各段ごとに生じる同期確立誤差の合計を同期確立誤差関数として表現すれば、同期確立誤差関数は多項式によって表現できるので、しかも前記多項式が０もしくは一定値に収斂するように設定することになる。

図９は、本発明の距離測定装置の同期確立誤差関数生成手段の他の構成図である。図９において、９１、９３は切替スイッチ、９２ａ〜９２ｎは複数組のセットあるいはリセット付きのカウンタあるいは複数組の数値制御発振器、９４〜９６は接続端子である。

接続端子９４に供給される前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方から検出されたセットあるいはリセット信号、もしくは同期検出信号は、切替スイッチ９１によって切替えられ、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器９２ａ〜９２ｎを順次セットしあるいはリセットする。

一方、接続端子９６には基準発振器４１（記載せず）から直接あるいは位相同期発振器４８を用いて高い周波数に変換してクロック信号が供給され、前記セットあるいはリセットのタイミングに同期して、前記複数組のカウンタ９２ａ〜９２ｎがセットされあるいはリセットされて、通常、低い周波数へカウントダウンされる。

前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器９２ａ〜９２ｎによって生成された出力信号は、切替スイッチ９３により順次切替えられてＳＩＧＮＡＬ＃１〜ＳＩＧＮＡＬ＃ｎの各信号として割付けられ、接続端子９５を経由して、前記距離測定信号生成手段４５（記載せず）に供給される。

ここで、前記基準発振器４１（記載せず）から直接あるいは位相同期発振器４８を介して前記同期検出手段４６（記載せず）に供給されるクロック信号の周波数もしくは位相と、前記起点信号の周波数もしくは位相とは非相関であることが望ましく、かつ／又は両者間の周波数もしくは位相の関係を前記起点信号を受信している時間内にランダムに変化させることができれば、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器９２ａ〜９２ｎの間の同期確立誤差の相関係数を低く抑えられるので、前記距離測定信号の位相を測定して距離を算出した結果から平均値を求めることで、距離測定精度を改善できるメリットが得られる。

言い換えれば、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器９２ａ〜９２ｎの各出力に対応して、前記同期検出手段４６によって検出されるセットあるいはリセット信号の検出タイミングがランダムに変化すれば、前記同期確立誤差の相関係数を低く抑えられる。

一例として、前記アンテナ切替手段に複数のアンテナもしくは送受波器を接続し、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器９２ａ〜９２ｎを切替えるタイミングに合わせて前記複数のアンテナもしくは送受波器を切替えることによって、無線信号の伝搬経路の位相変化がランダムであることを利用して、前記同期確立誤差の相関係数を低く抑えることができる。

なお、切替スイッチ９１と９３の切替タイミングは同一でなく、少なくとも、前記時分割の間隔で受発信を行うタイミングに合わせる必要がある。

また、前記複数組のカウンタを用いると、１組当たり８段程度以下のカウンタで済むことから、１６組程度のカウンタを設けても、１２８段程度のカウンタで済むことから経済的な規模となる。

また、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器９２ａ〜９２ｎの各組ごとに生じる同期確立誤差の合計を同期確立誤差関数として表現すれば、同期確立誤差関数は多項式によって表現でき、しかも前記多項式は０もしくは一定値に収斂するように設定することになる。

以上の説明では、前記第２の受発信手段１０１ｂから発信される距離測定信号として単一の距離測定信号を用いると、位相測定手段４３で測定できる位相差ΔΦを０＜ΔΦ＜２πに制限する必要があることから、再生された起点信号７１ｂに同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる複数の距離測定信号を用いると、複数のレンジで距離を測定することが可能となり、測定したい距離にレンジを合わせることで、精密な距離の測定が可能となるメリットが得られる。

また、前記無線信号として高周波信号を用いる場合について説明したが、超音波信号、高周波信号、もしくは光信号を用いることができる。なお、超音波信号もしくは光信号の場合には、アンテナの代わりに、送受波器を用いる。

また、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段とから発信する起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方は、周波数分割で多重化しかつ／又は時分割で多重化して発信することができる。

また、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段のいずれか一方あるいは両方に複数のアンテナあるいは送受波器を接続し、周期的に切替えながら方向測定信号を発受信して前記複数のアンテナに対応する位相差を測定することで、相互間の方向を測定することが可能となり、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の相対位置、あるいは前記第１の発受信手段の３次元の位置の測位が可能となる。

また、超広帯域通信方式（ウルトラワイドバンド）を用いることで、高い周波数の変調信号あるいは高いチップレートの拡散符号を採用できるので、同期しあるいは直交する複数の変調信号あるいは拡散符号を割り当てることが可能となり、複数の測定レンジを設定できることから、比較的に近距離での距離測定精度を向上させることができる。

また、前記第１および第２の発受信手段のための無線周波数としてＧＰＳに割当てられた周波数、あるいはその近傍の周波数を割当てることが出来れば、無線信号の占有時間率が極端に少なくて済み、ＧＰＳへの妨害が少なくしかも屋内でも高精度の測位が可能となることから、ＧＰＳのシームレス化が可能となる。

また、方向の測定信号を特別に設けず、コスタスループを用いて前記無線信号から無変調の搬送波信号あるいは副搬送波信号を再生することが可能となる。

また、前記ＭＡＣレイヤには、少なくとも前記発信手段の識別符号あるいは識別番号が含まれる他に、局情報、報知情報、あるいは音声情報を含み、受信手段において文字情報あるいは音声信号に変換し、表示手段に表示をし、スピーカからアナウンスすることができる。

本発明によれば、複数の発受信手段の間で、時分割による相互通信を行うことによって、短時間に、高精度で、しかも安価な装置を用いて、相互間の距離を測定することが可能となることから、近接する複数の移動体の任意の組合せ間で、最適なユビキタスモーバイルネットワークあるいはアドホックモーバイルネットワークを瞬時に構成することができる。

また、前記距離を算出する手段に加え、方向を測定する手段を追加することによって、相互間の３次元の位置を算出し、あるいは３次元の位置を測位できるので、利便性あるいは利用価値が更に高くなる。

例えば、高速道路を走行中の車と車の間の距離と方向が瞬時に高精度で各々の側で算出可能となり、協調運転あるいは衝突防止装置などに応用することができる。

また、前記第１の発受信手段を移動可能な移動端末とし、固定して設置される複数の第２の発受信手段をネットワークで結ぶことで、移動端末の正確な位置を移動体側とネットワーク側で同時にリアルタイムで検知できることから、歩行者あるいはロボットなどの自律移動の誘導あるいは制御と、センターからのリモコンおよび監視などとが、同時に可能となる。

また、第２の発受信手段を児童が携帯し、第１の発受信手段を車両に搭載することで、相互間の距離を算出してお互いの接近を検知できるので、交差点あるいは横断歩道での児童と車両との出会い頭の衝突を防止するための装置に応用できる。

また、第１の発受信手段をトランジット側に設置し、第２の発受信手段をポール側に設置し、相互間の相対的距離を複数回測定して平均値を求めることで、相互間の距離を高精度で測量することができる。

なお、本発明の距離測定技術は基盤技術であり、上記以外に多分野での利用が期待できる。

１送信機
２中継機
３距離測定機
１０１ａ第１の発受信手段
１０１ｂ第２の発受信手段
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ制御手段
１２ａ、１２ｂ発信手段
１３ａ、１３ｂ受信手段
１４ａ、１４ｂアンテナ切替手段
１５ａ、１６ｂアンテナ

Claims

超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号である無線信号を用いて距離を測定する距離測定装置において、
単一の無線周波数を用いて時分割で双方向通信を行うための、第１の発受信手段と、第２の発受信手段と
から構成され、
前記第１の発受信手段と第２の発受信手段とが、少なくとも、
単一の周波数の無線信号を、時分割でバースト信号として間欠発信するための発信手段と、
前記無線信号を受信して、直接もしくは中間周波信号もしくはベースバンド信号に変換するための受信手段と、
前記発信手段と受信手段とを制御するための制御手段と、
前記発信手段と受信手段との間で、アンテナあるいは送受波器を時分割で切替えあるいは共有するためのアンテナ切替手段と
を有し、
前記第２の発受信手段の制御手段が、少なくとも、
前記受信手段が受信した無線信号から起点信号を再生するための起点信号再生手段と、
前記再生された起点信号の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを検出するための同期検出手段と、
前記検出されたタイミングで、起点信号と同期を確立し、かつ前記起点信号が消滅した後も、所定期間、同期を保持してクロック信号を生成するための同期発振手段と、
前記生成したクロック信号に同期しあるいは直交した距離測定信号を生成して、前記発信手段から無線信号として発信するための距離測定信号生成手段と
を有し、
前記第１の発受信手段の制御手段が、少なくとも、
システム同期信号と、識別信号と、起点信号とを生成するための起点信号生成手段と、
前記受信手段が受信した無線信号から距離測定信号を再生するための距離測定信号再生手段と、
前記生成した起点信号を基準として、再生された距離測定信号の位相を測定するための位相測定手段と、
前記測定された距離測定信号の位相から、前記第２の発受信手段との相対的な距離を算出するための距離算出手段と
を有し、
前記第２の発受信手段は、前記第１の発受信手段から、少なくとも、起点信号を含む無線信号をバースト信号として間欠発信すると、前記受信した起点信号と同期した距離測定信号を含む無線信号を発信し、
前記第１の発受信手段において、前記第２の発受信手段から発信された距離測定信号を再生し、前記起点信号と同期したクロック信号を用いて前記再生した距離測定信号の位相を測定して、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の相対的な距離を算出し、
前記同期発振手段が、基準発振器の出力信号を直接あるいは周波数を変換して生成したクロック信号によって駆動されるセットあるいはリセット付きのカウンタあるいは数値制御発振器によって構成され、前記同期検出手段によって、起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の周波数の１０倍以上のサンプリング周波数を用いて検出し、前記検出したタイミングで、前記セットあるいはリセット付きのカウンタあるいは数値制御発振器をセットしあるいはリセットすることによって、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方と短時間で同期を確立し、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方が消滅した後も、所定期間、同期を保持し、
前記第１の発受信手段、前記第２の発受信手段、あるいはこれらの両方に同期確立誤差関数を付与し、前記同期確立誤差関数に基づいて、前記同期発振手段と前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方との間の同期確立誤差を低減し、
前記同期発振手段に前記同期確立誤差関数を付与するために、複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器を設け、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器が、前記同期検出手段によって検出されたタイミングで同期を確立し、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器から出力される出力信号を選択し、前記選択された出力信号に同期しあるいは直交した単一もしくは複数の距離測定信号を生成して前記第１の発受信手段に向けて発信し、前記第１の発受信手段の信号処理手段において、前記複数のタイミングに対応して算出した距離の平均値を求めることによって、距離の算出精度を向上させる
ことを特徴とする距離測定装置。
超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号である無線信号を用いて距離を測定する距離測定装置において、
単一の無線周波数を用いて時分割で双方向通信を行うための、第１の発受信手段と、第２の発受信手段と
から構成され、
前記第１の発受信手段と第２の発受信手段とが、少なくとも、
単一の周波数の無線信号を、時分割でバースト信号として間欠発信するための発信手段と、
前記無線信号を受信して、直接もしくは中間周波信号もしくはベースバンド信号に変換するための受信手段と、
前記発信手段と受信手段とを制御するための制御手段と、
前記発信手段と受信手段との間で、アンテナあるいは送受波器を時分割で切替えあるいは共有するためのアンテナ切替手段と
を有し、
前記第１の発受信手段と第２の発受信手段の制御手段が、少なくとも、
システム同期信号と、識別信号と、起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方とを生成するための信号生成手段と、
前記受信手段が受信した無線信号から、起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方を再生するための信号再生手段と、
前記再生された起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを高精度で検出するための同期検出手段と、
前記検出されたタイミングで、起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方と同期を確立し、かつ起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方が消滅した後も、所定期間、同期を保持してクロック信号を生成するための同期発振手段と、
前記生成された起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方を基準として、前記再生された距離測定信号の位相を、リアルタイムに測定するための位相測定手段と、
前記測定された距離測定信号の位相から、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の相対的な距離を算出するための距離算出手段と
を有し、
前記第２の発受信手段は、前記第１の発受信手段から、少なくとも、起点信号を含む無線信号をバースト信号として間欠発信すると、前記受信した起点信号と同期した第１の距離測定信号を含む無線信号を発信し、
前記第１の発受信手段において、前記第２の発受信手段から発信された第１の距離測定信号を再生し、前記起点信号と同期したクロック信号を用いて前記再生した第１の距離測定信号の位相を測定して、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の距離を算出するとともに、
少なくとも、前記第１の距離測定信号と同期した第２の距離測定信号を含む無線信号を発信し、
前記第２の発受信手段において、前記第１の発受信手段から発信された第２の距離測定信号を再生し、前記第１の距離測定信号と同期したクロック信号を用いて第２の距離測定信号の位相を測定して、前記第２の発受信手段と第１の発受信手段との間の距離を算出することによって、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の相対的な距離を、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との両方において、算出し、
前記同期発振手段が、基準発振器の出力信号を直接あるいは周波数を変換して生成したクロック信号によって駆動されるセットあるいはリセット付きのカウンタあるいは数値制御発振器によって構成され、前記同期検出手段によって、起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の周波数の１０倍以上のサンプリング周波数を用いて検出し、前記検出したタイミングで、前記セットあるいはリセット付きのカウンタあるいは数値制御発振器をセットしあるいはリセットすることによって、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方と短時間で同期を確立し、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方が消滅した後も、所定期間、同期を保持し、
前記第１の発受信手段、前記第２の発受信手段、あるいはこれらの両方に同期確立誤差関数を付与し、前記同期確立誤差関数に基づいて、前記同期発振手段と前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方との間の同期確立誤差を低減し、
前記同期発振手段に前記同期確立誤差関数を付与するために、複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器を設け、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器が、前記同期検出手段によって検出されたタイミングで同期を確立し、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器から出力される出力信号を選択し、前記選択された出力信号に同期しあるいは直交した単一もしくは複数の距離測定信号を生成して前記第１の発受信手段に向けて発信し、前記第１の発受信手段の信号処理手段において、前記複数のタイミングに対応して算出した距離の平均値を求めることによって、距離の算出精度を向上させる
ことを特徴とする距離測定装置。
前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方が、単一もしくは同期しあるいは直交する複数の、搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの組合せであることを特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載の距離測定装置。
前記信号再生手段において再生する起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方が、無線信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号である場合には、伝達位相誤差の少ない帯域通過フイルタを通し、あるいは無線信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号を変調した変調信号である場合には、伝達位相誤差の少ないアナログ復調器もしくは高い周波数のクロック信号を用いた伝達位相誤差の少ないデジタル復調器によって復調した後に、前記帯域通過フイルタを通して再生することを特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載の距離測定装置。
前記同期検出手段に同期確立誤差関数を付与するために、前記クロック信号の位相をシフトさせるための複数組の移相手段と、前記複数組の移相手段によって各々異なった位相にシフトされた複数組の起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方を選択して外部に出力するためのタイミング制御手段とを設け、前記移相手段の移相量の合計を、前記クロック信号の一周期の間隔よりも大きく設定することによって、距離の算出精度を向上させることを特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載の距離測定装置。
前記同期発振手段が、アナログ式もしくはデジタル式の遅延手段と、前記遅延手段の入力端子と出力端子の間を切り離しあるいは接続するための切替スイッチとを有し、前記起点信号を読み込む場合には前記切替スイッチを切り離し、読み込み完了後には前記入力端子と出力端子の間をリング状に接続し、読み出す場合には前記切替スイッチを切り離すことで、時分割で受発信する場合の時間間隔分に必要な前記遅延手段の遅延時間を短縮することを特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載の距離測定装置。
前記位相測定手段が、前記起点信号、距離測定信号、もしくはこれらの両方の周波数の整数倍もしくは整数分の１の周波数をクロック信号として用い、Ｓｉｎのルックアップテーブルが０、１、０、−１、あるいは１、１、−１、−１、あるいはこれらの繰り返しであり、Ｃｏｓのルックアップテーブルが１、０、−１、０あるいは１、−１、−１、１、あるいはこれらの繰り返しであり、前記距離測定信号と前記ルックアップテーブルとの積和演算を行う際に−１の乗算は補数を求める積和演算器によって構成されることを特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載の距離測定装置。
前記位相測定手段が、前記距離測定信号の１周期の整数倍以上の区間を区切って位相を測定し、もしくは１周期の整数倍以上の区間を更に複数区間に区切って位相を測定して平均値を求め、あるいは１周期の整数倍以上の長さの窓枠関数を設定して位相を測定することを特徴とする請求項第７項に記載の距離測定装置。
前記第１の発受信手段の受信手段、第２の発受信手段の受信手段、あるいはこれらの両方が、伝搬経路の品質を検知する品質検知手段を有し、前記品質検知手段が、前記受信手段において受信した無線信号の電力あるいは信号対雑音比を測定した結果から回線品質を分析し、前記位相測定手段で距離測定信号の位相あるいは位相差を測定した結果から距離測定精度を分析し、あるいは前記回線品質の分析と距離測定精度の分析の両方を行い、前記距離測定処理の結果を補正しあるいは補完することを特徴とする請求項第１項から第８項までのいずれかに該当する距離測定装置。
前記第１の発受信手段、第２の発受信手段、あるいはこれらの両方が、複数のアンテナ又は複数の送受波器を設けて周期的に切替えながら、無線信号を発信しあるいは受信し、前記品質検知手段において、前記複数のアンテナもしくは複数の送受波器に対応して、複数の距離測定信号の位相を測定し、あるいは複数の距離を算出した結果から統計処理を行い、位相の測定結果が所定値以下であり、あるいは距離が所定値以下であるものを選択して平均しあるいは荷重平均を行なうことによって、前記距離測定処理の結果を補正しあるいは補完することを特徴とする請求項第９項に記載の距離測定装置。
前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間で、前記発受信を複数回行い、相互間の距離の算出を複数回実施し、前記複数回の算出結果から平均値を求めることで、お互いの相対的な距離を算出することを特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載の距離測定装置。
前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間でお互いが算出した距離情報を相互に交換することで、お互いの相対的な距離を算出することを特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載の距離測定装置。
前記第１の発受信手段、第２の発受信手段、もしくはこれらの両方のアンテナ又は送受波器が、６０°以上の広い指向性ビーム幅を有する円偏波指向性アンテナであり、前記第２の発受信手段と第１の発受信手段との間で、指向性の方向が双方向通信の相手方に向けて、お互いに対向して設けられていることを特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載の距離測定装置。