特許 7182560 個人用レーダ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-24

(45)【発行日】2022-12-02

(54)【発明の名称】個人用レーダ

(51)【国際特許分類】

   G01S 3/46 20060101AFI20221125BHJP

   G01S 7/02 20060101ALI20221125BHJP

   G01S 13/46 20060101ALI20221125BHJP

   H04B 7/0413 20170101ALI20221125BHJP

【ＦＩ】

G01S3/46

G01S7/02 210

G01S13/46

H04B7/0413

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2019556573

(86)(22)【出願日】2018-01-04

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-03-05

(86)【国際出願番号】 US2018012344

(87)【国際公開番号】W WO2018129158

(87)【国際公開日】2018-07-12

【審査請求日】2020-12-23

(31)【優先権主張番号】62/442,289

(32)【優先日】2017-01-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】15/861,466

(32)【優先日】2018-01-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】000010098

【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】リー、ダニエル ジョセフ

【審査官】安井 英己

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－３３１４６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１６３８９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１９９５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／００３３６１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－０８０７９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２０７５５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００１／０５５７４５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００９－２８２００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１５１５５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】岡本佳久 外１名 ，ドップラーシフトに基づくバイスタティック３周波ＣＷレーダによる人の位置推定アルゴリズム Localization Algorithm Using Bistatic Three Frequency CW Radar Based on Doppler Shift，電子情報通信学会技術研究報告 IEICE Technical Report，日本，社団法人電子情報通信学会 The Institute of Electronics,Information and Communication Engineers，2012年02月29日，第111巻，第451号，p.269-274

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ３／００－ ３／７４，

Ｇ０１Ｓ ７／００－ ７／４２，

Ｇ０１Ｓ １３／００－１３／９５，

Ｈ０４Ｂ ７／０４１３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１周波数で第１信号をブロードキャストし、事後の時間に、異なる第２周波数で第２信号をブロードキャストするように構成された２つ以上のアンテナを備えた送信機と、
前記送信機の前記２つ以上のアンテナからブロードキャストされた前記第１および第２信号を受信するように構成されたアンテナを有する受信機と、
前記受信機で受信された際の前記第１周波数における前記第１信号の振幅および位相を測定することと、
前記受信機で受信された際の前記第２周波数における前記第２信号の振幅および位相を測定することと、
前記第１信号および前記第２信号の各々の測定された前記振幅および位相を用いて、前記送信機から見た前記送信機のアンテナ配列の軸に対する、前記受信機の角度または方向を識別することと、
前記送信機と前記受信機との径路距離の変化に関わる前記識別した角度または方向の変化に基づき、前記送信機と前記受信機の経路における物体の存在を検出することと、
を実行するように構成された処理ユニットと
を備え、
前記送信機が、前記第２信号の前記ブロードキャストの事後の時間に、異なる第３周波数で第３信号をブロードキャストするように構成された第３アンテナを具備する、無線システム。

【請求項2】

前記処理ユニットが、前記受信機で受信された際の前記第３周波数でブロードキャストされた前記第３信号の振幅および位相を測定する、請求項１に記載の無線システム。

【請求項3】

前記処理ユニットが、前記第１、第２、および第３信号の測定された前記振幅および位相を用いて、前記送信機から見た前記送信機のアンテナ配列の軸に対する、前記受信機の前記角度または前記方向を識別する、請求項２に記載の無線システム。

【請求項4】

前記処理ユニットがさらに、前記第１、第２、および第３周波数を用いて、前記送信機から見た前記送信機の前記アンテナ配列の軸に対する、互いに異なる周波数を用いて前記受信機の角度または方向を補正するように構成された、請求項３に記載の無線システム。

【請求項5】

第１周波数で第１信号をブロードキャストし、事後の時間に、異なる第２周波数で第２信号をブロードキャストするように構成された２つ以上のアンテナを備えた送信機と、
前記送信機の前記２つ以上のアンテナからブロードキャストされた前記第１および第２信号を受信するように構成されたアンテナを有する受信機と、
前記受信機で受信された際の前記第１周波数における前記第１信号の振幅および位相を測定することと、
前記受信機で受信された際の前記第２周波数における前記第２信号の振幅および位相を測定することと、
前記第１信号および前記第２信号の各々の測定された前記振幅および位相を用いて、前記送信機から見た前記送信機のアンテナ配列の軸に対する、前記受信機の角度または方向を識別することと、
前記送信機と前記受信機との径路距離の変化に関わる前記識別した角度または方向の変化に基づき、前記送信機と前記受信機の経路における物体の存在を検出することと、
を実行するように構成された処理ユニットと
を備え、
前記送信機のアンテナのうちの少なくとも１つによって、無線周波数バーストが前記受信機に送信され、
前記無線周波数バーストが、前記送信機の複数のアンテナによって前記受信機に送信され、
前記送信機が、互いに異なる周波数の前記無線周波数バーストを送信する度に前記複数のアンテナを切り替えるように構成された、無線システム。

【請求項6】

第１周波数で第１信号をブロードキャストし、事後の時間に、異なる第２周波数で第２信号をブロードキャストするように構成された２つ以上のアンテナを備えた送信機と、
前記送信機の前記２つ以上のアンテナからブロードキャストされた前記第１および第２信号を受信するように構成されたアンテナを有する受信機と、
前記受信機で受信された際の前記第１周波数における前記第１信号の振幅および位相を測定することと、
前記受信機で受信された際の前記第２周波数における前記第２信号の振幅および位相を測定することと、
前記第１信号および前記第２信号の各々の測定された前記振幅および位相を用いて、前記送信機から見た前記送信機のアンテナ配列の軸に対する、前記受信機の角度または方向を識別することと、
前記送信機と前記受信機との径路距離の変化に関わる前記識別した角度または方向の変化に基づき、前記送信機と前記受信機の経路における物体の存在を検出することと、
を実行するように構成された処理ユニットと
を備え、
前記送信機の前記２つ以上のアンテナのうちの一方の第１アンテナと他方の第２アンテナとからの前記第１および第２信号の測定に際して、前記第１および第２信号の周波数が互いに異なる周波数に変更される、無線システム。

【請求項7】

前記処理ユニットによって実行される前記受信機の角度または方向の事後の決定が、前記変更された互いに異なる周波数に基づいて決定される、請求項６に記載の無線システム。

【請求項8】

送信機に対する角度または方向を探索する方法であって、
前記送信機の２つ以上のアンテナから、互いに異なる周波数で２つ以上の信号をブロードキャストすることと、
互いに異なる周波数でブロードキャストされた前記２つ以上の信号を、受信機で受信することと、
前記受信機で受信された際の各信号の振幅および位相を測定することと、
各信号の測定された前記振幅および位相を用いて、前記送信機から見た前記送信機のアンテナ配列の軸に対する、前記受信機の角度または方向を識別することと、
前記送信機と前記受信機との径路距離の変化に関わる前記識別した角度または方向の変化に基づき、前記送信機と前記受信機の経路における物体の存在を検出することと、を備え、
互いに異なる周波数でブロードキャストされた前記２つ以上の信号が、前記受信機の前記角度または方向が導かれる最短経路の決定を可能にする、方法。

【請求項9】

前記送信機に対する距離が、前記２つ以上の信号のうちの識別された位相シフトを用いて、各角度経路に沿って決定される、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

送信機に対する角度または方向を探索する方法であって、
前記送信機の２つ以上のアンテナから、互いに異なる周波数で２つ以上の信号をブロードキャストすることと、
互いに異なる周波数でブロードキャストされた前記２つ以上の信号を、受信機で受信することと、
前記受信機で受信された際の各信号の振幅および位相を測定することと、
各信号の測定された前記振幅および位相を用いて、前記送信機から見た前記送信機のアンテナ配列の軸に対する、前記受信機の角度または方向を識別することと、
前記送信機と前記受信機との径路距離の変化に関わる前記識別した角度または方向の変化に基づき、前記送信機と前記受信機の経路における物体の存在を検出することと、
各信号の位相測定結果にアクセスすることと、
各信号に対して、最大利得を基準として他の信号の利得を演算する、あるいは基準のタイミングを基に他の信号の位相を合わせる正規化をすることと、
複数の位相測定結果を含む送信機アンテナまたは受信機アンテナに対して、前記正規化した信号で演算することと
を備える、方法。

【請求項11】

送信機に対する角度または方向を探索する方法であって、
前記送信機の２つ以上のアンテナから、互いに異なる周波数で２つ以上の信号をブロードキャストすることと、
互いに異なる周波数でブロードキャストされた前記２つ以上の信号を、受信機で受信することと、
前記受信機で受信された際の各信号の振幅および位相を測定することと、
各信号の測定された前記振幅および位相を用いて、前記送信機から見た前記送信機のアンテナ配列の軸に対する、前記受信機の角度または方向を識別することと、
前記送信機と前記受信機との径路距離の変化に関わる前記識別した角度または方向の変化に基づき、前記送信機と前記受信機の経路における物体の存在を検出することと、を備え、
２種類以上の異なる組の周波数を前記送信機によって使用することで、送信機アンテナのうちの前記アンテナのうちの少なくとも１つのアンテナの距離を識別する、方法。

【請求項12】

送信機に対する角度または方向を探索する方法であって、
前記送信機の２つ以上のアンテナから、互いに異なる周波数で２つ以上の信号をブロードキャストすることと、
互いに異なる周波数でブロードキャストされた前記２つ以上の信号を、受信機で受信することと、
前記受信機で受信された際の各信号の振幅および位相を測定することと、
各信号の測定された前記振幅および位相を用いて、前記送信機から見た前記送信機のアンテナ配列の軸に対する、前記受信機の角度または方向を識別することと、
前記送信機と前記受信機との径路距離の変化に関わる前記識別した角度または方向の変化に基づき、前記送信機と前記受信機の経路における物体の存在を検出することと、を備え、
少なくとも１つの信号の位相に対する正規化をすることで、より少ない送信機アンテナの使用を可能にする、方法。

【請求項13】

特定の時間にわたって第１周波数で第１信号をブロードキャストし、特定の時間にわたって異なる第２周波数で第２信号をブロードキャストし、特定の時間にわたって異なる第３周波数で第３信号をブロードキャストするように構成された送信機アンテナと、
前記第１、第２、および第３信号を受信するように構成された２つ以上の受信機アンテナと、
送信機から見た前記送信機のアンテナ配列の軸に対する、受信機の角度および距離を探索するとともに、前記送信機と前記受信機との径路距離の変化に関わる前記探索した角度または方向の変化に基づき、前記送信機と前記受信機の経路における物体の存在を検出するように構成されたプロセッサと
を備え、
前記送信機アンテナを介して、前記送信機によって無線周波数バーストが送信され、
前記受信機が、前記２つ以上の受信機アンテナを切り替えて、位相および振幅を測定する、無線システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、物体および／または物体の動きを検出するシステムおよび方法に関する。より詳細に、本発明の実施形態は、個人用レーダ、物体存在検出、および物体位置特定に関する。

【背景技術】

【0002】

物体および／または物体の動きを検出可能な多くの方法が存在する。ほとんどの機器では、エコー、チャープ、周波数変調（ＦＭ）、またはドップラーレーダからの飛行時間を用いて、物体または物体の動きを検出する。多くの場合、可動アンテナまたはフェーズドアレイアンテナを用いて、これらの物体を検出する。その他、受信信号強度（ＲＳＳ）の単純な測定結果を用いて、エリア内の移動を検出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許第８，２７４，４２６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

この種のシステムは、高コスト、電力の大量消費、高価、ならびに／または不正確もしくは不十分な精度である場合が多い。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書に記載の実施形態は、無線源に対する角度または方向を探索する無線システムおよび方法を対象とする。一実施形態において、この無線システムは、第１周波数で第１信号をブロードキャストし、事後の時間に、異なる第２周波数で第２信号をブロードキャストするように構成された２つ以上のアンテナを備えた送信機と、前記送信機の前記２つ以上のアンテナからブロードキャストされた前記第１および第２信号を受信するように構成されたアンテナを有する受信機と、前記受信機で受信された際の前記第１周波数における前記第１信号の振幅および位相を測定することと、前記受信機で受信された際の前記第２周波数における前記第２信号の振幅および位相を測定することと、前記第１信号および前記第２信号の各々の測定された前記振幅および位相を用いて、前記送信機から見た前記送信機のアンテナ配列の軸に対する、前記受信機の角度または方向を識別することと、前記送信機と前記受信機との径路距離の変化に関わる前記識別した角度または方向の変化に基づき、前記送信機と前記受信機の経路における物体の存在を検出することと、を実行するように構成された処理ユニットとを備え、前記送信機が、前記第２信号の前記ブロードキャストの事後の時間に、異なる第３周波数で第３信号をブロードキャストするように構成された第３アンテナを具備する、ように構成されている。

【0006】

別の実施形態においては、無線源に対する角度または方向を探索する方法が提供される。この方法は、前記送信機の２つ以上のアンテナから、互いに異なる周波数で２つ以上の信号をブロードキャストすることと、互いに異なる周波数でブロードキャストされた前記２つ以上の信号を、受信機で受信することと、前記受信機で受信された際の各信号の振幅および位相を測定することと、各信号の測定された前記振幅および位相を用いて、前記送信機から見た前記送信機のアンテナ配列の軸に対する、前記受信機の角度または方向を識別することと、前記送信機と前記受信機との径路距離の変化に関わる前記識別した角度または方向の変化に基づき、前記送信機と前記受信機の経路における物体の存在を検出することと、を備え、互いに異なる周波数でブロードキャストされた前記２つ以上の信号が、前記受信機の前記角度または方向が導かれる最短経路の決定を可能にする。

【0007】

この概要は、以下の詳細な説明に詳しく記載する一連の概念を簡単な形態で紹介するためのものである。この概要は、特許請求の範囲に係る主題の重要な特徴または本質的な特徴の識別を意図したものでもなければ、特許請求の範囲に係る主題の範囲を決定するのに役立つものとしての使用を意図したものでもない。
別の特徴および利点については、以下の説明に示すとともに、その一部は、当該説明によって当業者に明らかとなるであろうし、本明細書の教示内容の実施によって習得されるものであってもよい。本明細書に記載の実施形態の特徴および利点は、添付の特許請求の範囲に特に示す器具および組み合わせによって実現および取得され得る。本明細書に記載の実施形態の特徴は、以下の説明および添付の特許請求の範囲によって、より十分に明らかとなるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0008】

本発明の利点および特徴の少なくとも一部が得られる様態を説明するため、添付の図面に示す特定の実施形態を参照することによって、上記概説した本発明の実施形態をより詳細に説明する。これらの図面が本発明の代表的な実施形態を示しているに過ぎず、よってその範囲を制限するものと考えるべきではない旨の理解の下、添付の図面を用いることによって、本発明の実施形態をより具体的かつ詳細に記述および説明する。

【図1】それぞれ単一のアンテナを備える、２つの無線機を具備する測距システムの一例を示した図である。

【図2】測距システムで、互いに異なる種類の物体を検出する一例を示した図である。

【図3】２つの測距ノードまたは無線機の経路と交差する、互いに異なる材料の３つの互いに異なる物体の測定結果を示した図である。

【図4A】２つのアンテナを備えたＲＦスイッチをともに備える、２つの無線機を具備する測距システムの一例を示した図である。

【図4B】一方が複数のアンテナを備えたＲＦスイッチを備え、他方が１つのアンテナを備える、２つの無線機を具備する測距システムの一例を示した図である。

【図5】測定を実行する、方法のブロック図である。

【図6】仮想的な可動アンテナの、例示的なアンテナ配置を示した図である。

【図7】仮想アンテナが０°の方に向けられた場合の、結果的な仮想アンテナパターンを示した図である。

【図8】仮想アンテナが４５°の方に向けられた場合の、結果的な仮想アンテナパターンを示した図である。

【図9A】周波数ホッピングを用いて、到来方向または到来角を決定するシステムの一実施形態を示した図である。

【図9B】周波数ホッピングを用いて、到来方向または到来角を決定するシステムの一実施形態を示した図である。

【図10】周波数ホッピングを用いて、到来方向または到来角を決定するシステムの別の実施形態を示した図である。

【図11】受信機が到来角を計算する、一実施形態を示した図である。

【図12】互いに異なる周波数を用いて、互いに異なるアンテナ上で、ＲＦ信号がバースト送信される一実施形態を示した図である。

【図13】複数の互いに異なるアンテナに、所与の周波数が用いられる一実施形態を示した図である。

【図14】無線源に対する角度または方向を、探索する方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下の詳細な説明においては、本明細書の一部を構成する添付の図面を参照する。図面においては、文脈上の別段の指示がない限り、類似の記号は通常、類似の構成要素を識別する。詳細な説明、図面、および特許請求の範囲に記載の例示的な実施形態は、何ら限定を意図したものではない。本明細書に提示の主題の主旨または範囲から逸脱することなく、他の実施形態の利用および他の変更が行われるようになっていてもよい。本明細書に大略記載するとともに図面に示すとおり、本開示の態様は、多種多様な互いに異なる構成で配置、代替、結合、分離、および設計可能であり、これらすべてが本明細書において明示的に考慮されるものと容易に了解されることになる。

【0010】

本発明の実施形態は、エリア中の物体、物体の動き、または物体の移動の検出、測定、および／または追跡を行うシステムおよび方法に関する。実施形態では、新規の手法を用いて、高精度測距法を実行する機器を用いることによって物体または物体の動きを検出する。これらの方法では、一例として、到来角、時間差、および／または位相差のうちの１つまたは複数を用いることによって、波伝搬の変化を検出する。この波伝搬の変化によって、物体の位置および物体の移動を決定可能である。有利には、波伝搬と干渉する物体の位置および移動も決定可能である。

【0011】

直接的な見通しが得られない過密エリアまたはジャングルもしくは景観地等の場所では、物体を検出するのが困難となる場合が多い。本発明の実施形態によれば、２つの機器（たとえば、無線機）が通信して両者間の有効経路距離を測定可能である限り、２つの無線機の経路に入り込んだ物体を迂回するように無線信号が進むべき距離の増加を測定することによって、経路中の当該新たな物体を検出することができる。言い換えると、有効経路距離の変化は、２つの無線機間の経路に入った物体を示す。

【0012】

従来の方法では、信号強度またはリンク品質指標を使用するが、信号強度は屈折によって大きくなったり、物体の経路または位置に応じて小さくなったりするためこれらの方法は不確かである。また、従来の機器では、エコー、チャープ、周波数変調（ＦＭ）、またはドップラーレーダからの飛行時間を用いて、物体または物体の動きを検出する。一部の従来機器では、可動アンテナまたはフェーズドアレイアンテナを用いて物体を検出する。従来機器では、アンテナ給電装置中の信号を組み合わせて、複数の無線経路を同時に記録するか、または複数の無線機を使用する。

【0013】

本発明の実施形態では、機器（たとえば、無線等の電磁信号のような信号を送信および／または受信可能な機器）または一対の機器および多くのアンテナのアレイから一度に１つのアンテナを選択する低コストスイッチを使用して、物体および／または物体の動きを検出することができる。実施形態には安定したシステムクロックが含まれ、アンテナ間の位相を互いに異なる時間に測定可能であるが、これは、複数の無線経路または複数の無線機を使用する従来のユニットとは異なる。有利には、本発明の実施形態は大幅に低いコストで実現可能である。

【0014】

本発明の実施形態では、一例として特許文献１に記載の高精度な測距法を用いて物体または物体の動きを検出する新規の手法を使用するが、当該特許については、そのすべての内容を本明細書に参照によって援用する。一実施形態においては、狭帯域信号の到来角、時間差、および／または位相差を探索して波伝搬の変化を検出する測距法が採用されるようになっていてもよい。当該伝搬と干渉する物体の位置および移動を決定可能である。高分解能伝搬経路長測定を採用することによって、従来の問題を克服するとともに、精度を大幅に向上させることができる。

【0015】

一実施形態では、単一の無線機と、多くのアレイから一度に１つのアンテナを選択する低コストスイッチとを使用する。これが可能であるのは、互いに数ヘルツ内の正確に同期したクロックをシステムが備えるためである。システムクロックが安定していることから、互いに異なる時間にアンテナ間の位相を測定して、従来のユニットと同じ情報をより低コストに得ることができる。この安定によって、ミリメートルレベルの超高分解能も可能となる。

【0016】

以下の説明では、互いに異なるプラットフォーム構成の実施形態を代表する本発明の実施形態を示す。システムは、検出能力、コスト、および複雑性に関して、さまざまな特性を示していてもよい。従来のシステムとは対照的に、実施形態では、電磁波伝搬との干渉を検出する新たな方法を可能にする高分解能経路長測定を提供する。

【0017】

図１は、２つの無線機を具備する測距システムの一例を示している。測距システム１０は、測距用途のみならず、物体の存在および物体の動きを検出可能なレーダシステムとしても使用可能である。各無線機は単一のアンテナを具備するものの、実施形態では、測距システム１０の各無線機に他の付加的なアンテナも考えられる。図１は、無線機間の信号の有効経路が互いに異なる周波数で異なっていてもよいことをさらに示している。図１は２つの無線機を示しているが、本発明の実施形態は、複数の無線機を備えるように構成可能である。たとえば、複数の無線機を具備する測距システムの互いに異なる無線機対がそれぞれ、特定の周波数を使用することも可能である。また、或る無線機が互いに異なる周波数を用いてさまざまな無線機と通信するようにしてもよい。

【0018】

図１は、有効経路１１０（たとえば、一例としての視程）を介して通信する第１無線機１００および第２無線機１０２を具備するシステムを示している。第１および第２無線機１００および１０２は、特許文献１に記載されているような高精度の測距を実行可能であり、位相測定能力を有すが、当該特許については、そのすべての内容を本明細書に参照によって援用する。無線機の一方（たとえば、第２無線機１０２）は、高精度・高安定の制御可能な発振器を具備する。本例においては、第１無線機１００がマスターであり、第１無線機１００は局部発振器の周波数よりも高い周波数で狭帯域無線信号を送信する。これは、一例において、第１無線機１００に具備されたフェーズロックループ（ＰＬＬ）および電圧制御発振器（ＶＣＯ）を用いることによって実現される（第２無線機１０２が同様に構成されていてもよい）。この高周波信号は、第２ノードすなわち第２無線機１０２に送られる。第２無線機１０２は、そのＰＬＬおよびＶＣＯを用いて、高周波信号に同調する。また、第２無線機１０２は、その制御可能な高安定局部発振器を入力信号に合わせて調整するようにしてもよい。このように、超高度同期システムが実現される。

【0019】

高周波は、高い精度で局部発振器を調整するのに役立つ。有利には、高周波での低分解能位相測定を採用可能であり、ＰＬＬの使用によって低周波クロック水晶と関連付け可能である。
たとえば、１６ＭＨｚという低周波と、２．４ＧＨｚという高周波とを仮定する。これは、１５０という倍率を与える。第２ユニット（たとえば、第２無線機１０２）が２．４ＧＨｚ信号を使用して、その局部１６ＭＨｚ信号を調節することによって、第１ノードすなわち第１無線機１００の１６ＭＨｚ信号との位相コヒーレンスを実現している場合には、極めて高い同期安定性を実現するのに、２．４ＧＨｚ信号での低分解能位相測定ユニットで十分である。たとえば、２．４ＧＨｚ信号での１０°位相誤差が１５ｍｓごとに修正されるものと仮定する。これは、１５ｍｓごとに１／１５°の修正すなわち１秒当たり４．４°の誤差（０．０１２２２２Ｈｚ）の絶対同期安定性に対応する。これは、７６４ｐｐｔ（パーツ／トリリオン、一兆分の幾らか）という同期安定性に等しい。

【0020】

第２無線機１０２は、第１ノードすなわち第１無線機１００に狭帯域信号を送り返す。高度同期発振器のため、この第２無線機１０２は、ほぼ完璧な能動反射器として作用するとともに、入力無線波が単に第１無線機１００へと跳ね返されたように見える。そして、第１ノードすなわち第１無線機１００は、その局部高周波信号と入力高周波信号との差を測定することができる。この位相の差が経路長に相当することになる。

【0021】

物体（たとえば、物体１０８）が経路１１０を通過した場合には、経路１１０が変化する。言い換えると、第１無線機１００と第２無線機１０２との間の無線波または送信が物体１０８を迂回するため、経路１１０の長さが距離的に変化する。第１および第２無線機１００および１０２が正確な範囲または距離を検出するように構成されていることから、距離の変化を検出できる。距離の変化は、新たな物体（物体１０８）の存在として解釈され得る。

【0022】

また、距離のピーク変化およびピーク変化の実現に要する時間を見ることによって、物体１０８のサイズおよび／または速度を測定可能である。ピークが干渉物体のサイズを反映する一方、ピークまでの時間が物体の速度と相関する。

【0023】

さらに、２つ以上の周波数を用いることによって、互いに異なる周波数での互いに異なる伝搬特性によって、物体１０８のサイズをすばやく推定することができる。たとえば、２．４ＧＨｚ信号と比較して、９００ＭＨｚ信号は、侵入物体１０８を互いに異なるように迂回することになる。高安定局部発振器およびほぼ完璧な能動反射器によって、この経路の差を測定可能であるため、物体１０８のサイズを決定することができる。このように、第１無線機１００は、第１周波数の第１信号１０４および第２周波数の第２信号１０６を発することができる。上述の通り、第２無線機１０２は、これらの周波数を効果的に反射することができる。こうして、物体１０８のサイズおよび物体の速度を決定することができる。

【0024】

上述の通り、伝送経路１１０の距離の変化が検出された場合に、物体の存在を決定することができる。また、サイズおよび／または速度を検出可能である。

【0025】

図２は、レーダシステムとして効果的に動作可能な測距システム１０で、互いに異なる種類の物体を検出する一例を示している。レーダシステムは、特定のエリアに関して構成可能であり、当該エリアにおいて（たとえば、エリアの境界上または内側において）、物体およびそれぞれの動きを識別および追跡できるように無線機を配置可能である。図２は、テフロン（登録商標）物体２０２、スチール物体２０４、および人腕物体２０６を含む互いに異なる物体を示している。物体２０２、２０４、および２０６はそれぞれ、ノード同士すなわち第１および第２無線機１００および１０２の経路中へと移動した。

【0026】

測定された位相および経路距離の変化を図３に示す。図３は、第１無線機１００および第２無線機１０２等の２つの測距ノードの経路と交差する３つの互いに異なる材料（または、互いに異なる材料の物体）の測定結果３００を示している。これらの材料は、経路内にしばらく置いた後、再び取り除いた。互いに異なる物体に対する互いに異なる経路変化が示されるとともに、サイズを含む互いに異なる材料特性に対応している。

【0027】

この「２個無線機」システムの一実施形態を境界制御に使用することで、多数のこれら２個無線機システムをエリア周りに配置することによって、特定のエリアを保護することが可能であり、各リンクが保護対象のエリアの境界を規定する。これら多数の２個無線機システムによって設定された経路のいずれか１つを異物が通過した場合には、経路の破断位置および物体の大きさを識別する警報を発することができる。また、無線機が互いに異なる周波数を使用できることによって、境界制御の能力も高められる。一対の無線機を備え、各無線機が２つ以上の無線機対に属し得る各リンクは、同じ周波数を使用するようにしてもよいし、互いに異なる周波数を使用するようにしてもよい。

【0028】

図４Ａは、物体の有無および物体が電磁波経路と交差する場所を検出するマルチアンテナシステムの一例を示している。図４Ａは、２つの無線機（第１ノード４２２および第２ノード４３２）間で確立され得る電磁波経路４２０を示している。第１ノード４２２は、２つ以上のアンテナ（第１および第２アンテナ４２４および４２６として示す）を具備していてもよい。第２ノード４３２は、２つ以上のアンテナ（第３および第４アンテナ４２８および４３０として示す）を具備していてもよい。これらのアンテナは、空間中で任意の距離だけ分離されていてもよく、この距離によって、角度分解能および検出角度幅が決まることになる。一例においては、この距離が波長を２で除したものであり（λ／２）、これによって、１８０°の検出角度が与えられる。別の例において、この距離は、検出中の物体のサイズと関連付けられていてもよい。たとえば、この距離は、検出対象の物体のサイズの半分であってもよい。

【0029】

第１および第２ノード４２２および４３２は、上述の通り高分解能測距に関与していてもよく、また、アンテナを切り替えるようにしてもよい。その結果、複数のＲＦ経路または複数の電磁経路を確立および測定または監視することができる。電磁波経路４２０は、第１、第２、第３、および第４経路４３８、４４０、４４２、および４４４を含み得る。第１経路４３８は、第１および第４アンテナ４２４とアンテナ４３０との間に確立されている。第２経路４４０は、第２および第３アンテナ４２６および４２８間に確立されている。第３経路４４２は、第１および第３アンテナ４２４および４２８間にある。第４経路４４４は、第２および第４アンテナ４２６および４３０間にある。

【0030】

複数の経路を確立することによって、物体の追跡または物体の動きの追跡の能力がさらに高くなっている。たとえば、第１物体４３４または第２物体４３６が２つのノード間で交差した場合には、第１および第２ノード４２２および４３２間のさまざまな経路４２０が時間とともに異なる距離変化を示すことになる。たとえば、第１および第２物体４３４および４３６は、下方から経路４２０に進入した場合、さまざまな経路に対して互いに異なる影響を及ぼすことになる。たとえば、第１物体４３４は、第１経路４３８の前に第２経路４４０を介して検出される一方、第２物体４３６は、第２経路４４０の前に第１経路４３８によって検出される。任意所与のシステムにおけるノードの配置を把握可能であることから、第１および第２ノード４２２および４３２間で物体が経路４２０と交差する位置を推測することができる。

【0031】

たとえば、第２物体４３６の存在は、第４経路４４４の変化が検出された場合に検出されるようになっていてもよい。次に、第２経路４４０の代わりに第１経路４３８の変化が検出された場合には、第１および第２ノード４２２および４３２に対する第２物体４３６の場所を推測可能である。電磁波の性質によってアンテナが比較的近くで離隔していても物体の場所を推測することができる。

【0032】

この１次元位置特定の関連事項は、たとえば境界警報システムにおいて使用可能であり、物体が線または境界と交差したことのみならず、交差した境界の位置を把握するのに有用である。このことは、ノード間の距離が大きい場合に特に重要である。

【0033】

図４Ａに示す「２個ノード」シナリオの拡張は、「２＋個ノード」シナリオであって、すべてのノードが互いに、高分解能測距に関与する。ここで、信号の強度および減衰の変化を見るだけではなく、ＲＦ経路長の変化によって、交差距離によって観測エリア内の物体を位置特定することができる。

【0034】

別の例において、測距システムは、複数のアンテナを備えた単一の無線機と、単一の照射器とを具備していてもよい。また、位相測定能力および複数のアンテナを備えた１つの受信無線機（または、送受信機）を、基地局が具備していてもよい。たとえば、図４Ｂは、１つの受信無線機（または、送受信機）４０２と複数のアンテナ４０４とを備える、基地局４０２を示している。複数のアンテナ４０４は、アンテナスイッチ４０６のネットワークを用いて無線機４０２に接続されている。本例において、一実施形態においては、無線機４０２を一度に複数のアンテナ４０４のうちの１つに接続可能であるものの、スイッチ４０６は一度に２つ以上のアンテナを無線機に接続するように構成されていてもよい。照射器４０８と称する第２ユニットは、送信無線機（または、送受信機）を具備し、１つのアンテナ４１０だけを要する。第２ユニットすなわち照射器４０８は、環境４００を照らす（イルミネートする）狭帯域信号を送り出す。

【0035】

上述の通り、局部クロックの高い安定性のため、基地局４０２は、互いに異なるアンテナ４０４を切り替えて、互いに異なる受信信号間の差を測定することができる。マイクロコントローラユニット（たとえば、処理装置）を用いることによって、基地局４０２は、これらの信号を再結合して、仮想的な可動アンテナを構成することができる。この可動アンテナは、信号が照射器４０８から基地局４０２までに取る互いに異なる第１、第２経路４１３、４１４の「マッピング」に使用可能であり、本質的には、信号強度対角度マップが生成される。第１物体４１１または第２物体４１２のような物体は、照射器４０８からの信号を、基地局４０２に跳ね返す。そして、仮想的な可動アンテナは、第１物体４１１の方向に一層高い信号強度を与えるとともに、第２物体４１２の方向に別の信号強度を与えることになる。これらの方向におけるこの信号強度の増加は物体を示しているため、物体に対する角度を決定可能である。物体の検出のほか、移動の速度および／または方向についても、決定および追跡可能である。一例においては、物体の履歴をメモリに格納することも可能である。

【0036】

物体の距離は、第１および第２経路４１３および４１４の経路長を測定することによって求めることができる。経路長は、可動アンテナを使用し、高精度ＲＦ測距を採用することによって決定可能である。照射器４０８、基地局４０２の場所、および検出中の物体に対する角度を把握することで、経路長が与えられた場所を求めることによって、物体を三角測量することができる。この場所は、必ずしも一意ではなく、ミラー解が存在していてもよい。複数の基地局の追加または検出エリアの制限によって、これらの副次的な場所を決定することで、物体の場所を一意となすことができる。

【0037】

このシステムは、経時的な物体の場所を測定することによって、物体をさらに追跡することができる。第１物体４１１のみが存在し、基地局４０２が前述の方法で物体を位置特定したシーンを仮定する。一定時間の後、第１物体４１１は、第２物体４１２の場所へ移動する。ここで、基地局４０２は、過去の角度からの信号強度が消失しているため、第１物体４１１がもはや、その過去の場所には存在しないものの、今度は第２経路４１４の角度からのより強い信号が存在していることを発見することになる。したがって、第１物体４１１は、第１場所４１１から第２場所４１２に移動したものとして追跡されている。一例においては、サイズを測定することによって、物体の同一性を決定することができる。

【0038】

また、図４Ａおよび／または図４Ｂに示す測距またはレーダシステムは、距離（上述の例と同様に位相を使用）および方向（角度）を求めるのに使用可能である。一例においては、２つ以上の基地局４０２を使用可能である。この場合には、方向（角度）測定を用いる場合にも２つ以上の基地局を使用可能であり、方向（角度）測定の使用によって、送信ノードの場所を三角測量可能である。

【0039】

また、無線機は、互いに異なる周波数にホッピングすることで、伝搬特性の差を利用することも可能である。無線機４０８は、互いに異なる周波数にホッピングすることで、伝搬特性の差を利用可能である。

【0040】

従来のレーダシステムは、ＲＦチャープまたは標準的なＦＭレーダを採用することで、受動ＲＦ反射物体を検出する。実施形態では、複数の周波数にわたる位相の変化を観測して周波数ホッピング高分解能測距システムを使用することによって、同様の結果を実現するようにしてもよい。これは、高周波ホッピング高分解能測距システムを用いたレーダシステムを提供する。

【0041】

受動ＲＦ反射成分の検出には、測距システムにおけるマルチパス成分の検出を含む。２つのシステム間の距離を測定することが目的の場合には、距離の正確な測定に影響を及ぼすため、マルチパスは望ましくない。ただし、マルチパスは、互いに異なる場所のＲＦ反射物体に由来するため、新たな経路長を導入する。送信機および受信機の場所が（たとえば、実地調査またはＲＦ位置特定システムの使用によって）既知である場合、マルチパスの変化は、ＲＦ反射物体の移動を示すため、当該システムが能動的な個人用レーダシステムになる。

【0042】

個人用レーダシステムは、高分解能測距に関与する２つ以上の送受信対を含んでいてもよい。一例において、送信機および受信機は、１つ（以上）の狭帯域キャリア周波数を用いてそれぞれのクロックを同期させた後、１つまたは複数の副次的な非連続周波数キャリアをホッピングする。互いに異なる周波数キャリアが互いに異なる波長を有することから、受信機は、互いに異なる周波数にわたって位相の変化を測定することになる。また、マルチパスは、互いに異なる周波数に対して互いに異なる影響を及ぼすことになる。ここで、受信ノードは、測定された位相に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を適用することによって、位相領域から時間領域プロットへと移行可能である。ここで、互いに異なるマルチパス成分は、ＦＦＴの結果において互いに異なるピークとして現れることになる。１つの送信機および１つの受信機のみを備えたシステムは、互いに異なるマルチパス長を記録することによって、環境の変化をマッピングすることができるとともに、新たな物体が環境に進入したか、環境から離れたかを検出することができる。

【0043】

いくつかの送受信対の結果を組み合わせるとともに、各対の場所を把握することによって、反射器の実際の場所を三角測量可能となる。より多くのノード対が存在する場合には、三角測量がより良く作用する。

【0044】

図５は、測距法を実行する方法を示している。測距法の例としては、物体までの距離の決定、物体の動きの追跡、物体のサイズの決定、システム中の送信機の場所の識別、境界の設定、エリア中のレーダの実行等、またはこれらの任意の組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。

【0045】

本明細書に記載のシステムおよび方法では、複数の無線機信号と、これら無線機間の伝搬経路とを使用することができる。一方の無線機をもう一方の無線機と同期させることによって、高精度な測距が実現され、検出経路距離の変化は、物体の存在を示し得る。

【0046】

方法５００は、ボックス５０２で信号を送信することによって開始となる。信号は通常、一方の無線機からもう一方の無線機に送信される（複数の無線機は、同様に構成されていてもよい）。この信号によって、２つの無線機は高度な同期が可能となって、ボックス５０４で同期する。これは、一方の無線機から送信されてもう一方の無線機によって効果的に反射された信号を継続的に同期させる、進行中のプロセスとなり得る。

【0047】

ボックス５０６では、測定が実行される。これには、物体までの距離の決定、物体の存在の決定、物体のサイズ、速度、および／または方向の決定を含み得る。システムへの付加的な無線機の追加、または単一の無線機へのアンテナの追加が行われると、システムの能力が拡大する。上述の通り、仮想的な可動アンテナを用いて、検出物体の方向を決定することができる。

【0048】

測距システム１０は、ネットワークを介してサーバコンピュータに接続可能である。そして、測距システム１０によって収集されたデータは単純に、送信され遠隔で解析可能である。

【0049】

図６は、仮想的な可動アンテナの計算のための、マルチアンテナ設定の一例を示している。複数のアンテナは、個人用レーダシステムまたは本明細書に開示の例の能力を拡張し得る。各アンテナで測定された位相を組み合わせることによって、さまざまな方向を指向し得る仮想的な可動アンテナを構成することができる。

【0050】

このようなアンテナアレイの一例を、図６に示す。この構成において、アンテナは、Ａｎｔ１（０／５．９）、Ａｎｔ２（５．２／３．０）、Ａｎｔ３（５．２／－３．０）、Ａｎｔ４（０／－５．９）の場所にある。アンテナの場所を把握することによって、仮想的なアンテナ方向を確定または決定可能である。たとえば、仮想アンテナは、中心０／０から右側（０°）に集中させることも可能である。予想される信号の波長を所与として、互いに異なる複数のアンテナの予想される位相シフトを計算することができる。図６において、２．５ＧＨｚの周波数を仮定すると、位相シフトは、Ａｎｔ１が０ラジアン、Ａｎｔ２が２．７ラジアン、Ａｎｔ３が２．７ラジアン、Ａｎｔ４が０ラジアンである。

【0051】

これらの値を把握することで、これらの値を高分解能測距動作時に測定された位相から減算可能である。これによって、アンテナは０°方向に効果的に集中する。図７は、結果的な仮想アンテナパターンを示している。

【0052】

物理的に調節されたフェーズドアレイに対する仮想アンテナの利点として、すべての方向を同時に調べることができる。たとえば、４５°方向からの信号の「調査」のため（図６参照）、Ａｎｔ１を２．２ラジアン、Ａｎｔ２を３．０ラジアン、Ａｎｔ３を０．８ラジアン、Ａｎｔ４を－２．２ラジアンとして、位相シフトを計算することができる。また、この信号方向を仮定して、仮想アンテナパターンを調べることによって、図８に示すパターンが得られる。

【0053】

１つのキャリア周波数上で仮想アンテナを使用することによって、互いに異なるマルチパス成分のピーク電力および角度情報が与えられることになる。ただし、高分解能測距を用いて、複数の周波数をホッピングすることによって、ありとあらゆる仮想的なアンテナ方向を指向する前述のＦＦＴを計算することができる。これによって、マルチパス距離に関する付加的な情報が与えられる。

【0054】

各マルチパス成分の角度、電力、および距離を決定可能であることから、複数のアンテナに対するＲＦスイッチを備えた高分解能測距システムは、従来のシステムを改良する。

【0055】

ここで、互いに異なるアンテナパターン（直線、円、交差、２次元アレイ、３次元立方体等）を備えた多数の互いに異なる受信・送信組み合わせに対して、この技術革新を組み合わせることができる。また、アンテナアレイが送信機にのみ存在し、受信機には単一のアンテナを備えるようにすることもできるし、アンテナアレイが受信機にのみ存在し、送信機には単一のアンテナを備えるようにすることもできる。また、両端でマルチパス成分の角度、距離、および電力情報を計算できるように、協調によってアンテナ切り替えに対応することができる。これら多数のインスタンス化の情報を組み合わせることによって、ＲＦ反射物体を位置特定および追跡し得る堅牢なレーダシステムが可能となる。

【0056】

この技術革新の一般的な利点として、スペクトルの他のユーザに対する適合性が挙げられる。周波数ホッピングが連続である必要はなく、ランダムに発生し得ることから、他のユーザは、測距手順の影響を受けることなく、当該スペクトルを同時に使用することができる。また、周波数ホッピングには、特定周波数の著しい干渉を遮断し、それらを回避してホッピング可能であるという利点もある。

【0057】

実施形態は、帯域幅の利用を最小限に抑えつつ、正確な測定結果を与えられる測距システム（統合測距システムを含む）に関する。実施形態は、測定データが生成される期間に、マスターおよびスレーブ機器間の位相および周波数コヒーレンスを正確に確立可能な、能動反射器またはトランスポンダ型無線周波数測距システムを提供する。

【0058】

実施形態は、利用可能な帯域幅の使用を最適化するとともに、チャンネルが関係のない送信に用いられたり、ノイズに悩まされたりするのを回避するため、複数の周波数上の非連続送信を可能とする。

【0059】

実施形態は、互いに異なる周波数の２つの送信間の位相角度差によって決まる波長の一部を足し合わせた整数個の波長を単位として、距離が測定されるバーニア測定のシステムを提供するようにしてもよい。実施形態によれば、いくつかの例において測距計算から、マルチパスデータが除外される。

【0060】

一例において、高分解能能動反射器無線周波数測距システムは、少なくとも２つの無線周波数送受信機（たとえば、機器またはノード）を具備する。マスター機器として作用する送受信機のうちの１つは、スレーブ機器および能動反射器として作用する少なくとも１つの他の指定送受信機に対して、無線周波数信号バーストを送信する。スレーブ機器は、入力信号の位相および周波数を能動的に適合させ、適合した位相および周波数で信号を再送信する。スレーブは、信号をマスターに再送信する前にしばらくの間、受信した位相および周波数データを保持することができる。ネットワーク内において、マスターおよびスレーブの指定が任意であるのは、これらの役割を必要に応じて暫定的に割り当て可能なためである。実際のところ、測距動作を開始する任意の機器がマスター機器であってもよい。各送受信機器またはノードには、一意のアドレスが割り当てられていてもよい。システムが複数のスレーブでマスターをサポートするため、ポイントツーポイント測距のほか、ポイントツーマルチポイント測距も可能である。

【0061】

以下、高分解能能動反射器無線周波数測距システムの動作について説明する。測距を要求する無線信号バーストを、第１機器（作用マスター）が送信する。デフォルトでまたは読み込み距離データパケットの復号化によって、作用マスターが測距を要求している機器であるものと第２機器（作用スレーブ）自体が判定する。肯定判定によって、作用スレーブ機器は、入力搬送波の位相および／または周波数ドリフトを測定することで、それ自体の発振器またはクロックを調整することによって、入力信号との周波数および位相コヒーレンスの共通性を実現する。スレーブユニット内の発振器調整の精度は、複数のパケットを送信することによって向上可能である。一例において、スレーブは、各パケットから位相および周波数データを抽出するか、または、位相情報ユニットを用いて位相および周波数データを決定し、結果の平均値を求める。時間とともに受信されるパケットが多いほど、入力キャリアの位相および周波数の計算ならびに、スレーブの内部クロックまたは発振器の再調整が高精度となる。

【0062】

本発明の一実施形態の場合には、マスターからのランダム入力パケットの位相を測定するとともに、マスターユニットの発振器と位相コヒーレントになるようにスレーブユニットの発振器を調整するため、適応ループが採用される。連続波の送信は必要ない。実際のところ、入力ＲＦ信号は、互いに異なる期間中、複数の周波数にわたって複数のパケットを送信することができる。また、本発明の好適な実施形態は、周波数にかかわらず、スレーブユニットの発振器の入力信号との位相コヒーレンスを維持するデルタ・シグマフェーズロックループを包含していてもよい。入力信号情報を処理して再構成することによって、スレーブユニットの発振器の、マスター発振器とのフェーズロックを維持するため、スレーブユニットに搭載されたソフトウェアが用いられる。この特徴によって、周波数ホッピングの実現が容易化され、マスターおよびスレーブユニット間の絶対距離の測定結果を決定するのに用いられる。

【0063】

一実施形態では、熱的に絶縁された基準発振器を採用するが、これは、経時的に高安定である必要もなければ、定格温度で高精度である必要もない。ただし、熱的に絶縁された発振器は、マスターユニットがバースト信号を送り、それに応じたバースト信号を受信するのに要する期間、またはスレーブユニットが信号バーストを受信、解析、および再送信するのに要する期間に等しい短期間にわたって、非常に安定している。発振器をＡｅｒｏｇｅｌ（登録商標）絶縁層内に封入することによって、熱的に絶縁された水晶発振器を作製可能である。Ａｅｒｏｇｅｌは、水晶と事実上同じ膨張係数を有することから、当該用途にとって理想的な絶縁体である。このため、スレーブユニットの場合には、その熱的に絶縁された基準発振器の周波数および位相が調整されて、マスターユニットから受信された搬送波の対応するこれらの特性が適合されるとともに、信号がマスターに再送信される。このプロセスは、熱的に絶縁された基準発振器の如何なる周波数ドリフトも無視できるほどの短期間に生じる。熱的に絶縁された基準発振器（ＴＩＲＯ：thermally-insulated reference oscillator）は、コストおよびエネルギー消費の両観点において、オーブン入り発振器よりも優れている。バッテリ給電機器の場合には、実際に使用しない場合でも安定性を維持するために保温する必要があることから、オーブン入り発振器はあまり実用的ではない。プロトタイプの高分解能能動反射器無線周波数測距システム用に開発された１６ＭＨｚの熱的に絶縁された基準発振器は、１秒の期間にわたって、１００億分の２．５未満のドリフト特性を示している。この種の基準発振器を用いることによって、このシステムは、０．１２５ｍｍよりも高精度に測距可能である。

【0064】

マスターユニットが、特定の周波数で無線周波数バーストをスレーブユニットに送信した場合には、当該信号がスレーブユニットによって受信され、少なくとも１つの局部発振器信号と混合されてエラー信号が生成され、中央演算処理装置または状態機械から成るデジタル制御システムに供給される。デジタル制御システムからの出力は、基準発振器に供給され、これがデルタ・シグマフェーズロックループを制御すると、デルタ・シグマフェーズロックループが局部発振器を制御する。個々のバーストが短すぎて位相および周波数誤差の正確な決定を生成できないことがあるため、スレーブユニットの基準発振器の最適ロックオンの実現には、いくつかのバーストを要する場合がある。このため、ＴＩＲＯは、フェーズロックループ（ＰＬＬ）が最初にどのチャンネルに設定されても、その位相情報を基準発振器から導出するように、入力位相および周波数情報を保持する。これによって、ＴＩＲＯは、ＰＬＬの位相および周波数を設定する際に、スレーブユニットの送信機および局部発振器の周波数も効果的に設定する。

【0065】

整数分割フェーズロックループに関連して、２つの大きな問題が存在する。第１は、所要変調範囲に対して、十分な帯域幅が低域通過フィルタに割り当てられている場合、周波数発生および周波数変調の両者に対して、ステップ分解能が不十分となる点である。第２は、より小さな周波数ステップが利用される場合、低域通過フィルタでの帯域幅が不十分となる点である。まさしくこれらの問題を解決するため、分割フェーズロックループ（デルタ・シグマフェーズロックループとしても知られる）が開発された。たとえば、本発明の一実施形態において、分割ＰＬＬは、１６ＭＨｚ基準発振器の各サイクルに対して、局部発振器の６４個のクロックサイクル位相関係（位相差）を生成する。ただし、分割ＰＬＬの使用の場合には、生成信号の波形エッジが基準発振器と直接合致しない場合がある。これは特に、有意な距離測定に対して送受信信号間の位相関係の共時性が必須な測距システムにおいて問題となる。また、バーストモード動作もしくは周波数ホッピングが考えられる場合または回路の簡素化および電力消費の最小化のために送受信機能間で局部発振器が共有される場合には、送受信信号間の位相関係をいつでも確立可能であることが必須となる。実施形態では、基準発振器の機能として分割フェーズロックループの分割時間フレームを記録する位相関係カウンタを採用するようにしてもよい。位相関係カウンタは、ブロードキャスト／受信帯域内の任意のチャンネル上の入力バーストについて、絶対位相情報を提供することによって、システムがほぼ瞬時に局部発振器の位相関係を確立または再確立して基準発振器との同期が得られるようにする。短期間の無視できるドリフトとのマスターおよびスレーブ基準発振器の共時性を保証する熱的に絶縁された基準発振器と結合された位相関係カウンタによれば、システムは、基準発振器および信号を受信も送信もしていない場合の位相関係カウンタを除くすべてへの電力をカットすることによって電力消費を最小限に抑えることと、受信および送信の両動作に共通の電圧制御局部発振器を利用することと、同じ周波数の非連続バーストおよび互いに異なる周波数（周波数ホッピング）のバーストの両者に対して、局部発振器と受信信号との間の予測可能な位相関係を維持することと、が可能になる。周波数ホッピングによれば、ノイズの多いチャンネルを回避できるとともに、マルチパス伝送の存在を検出して測距計算から除外できるため、システムの有用性が向上する。周波数ホッピングは、適切な帯域幅が与えられる如何なる無線技術とも併用可能である。

【0066】

実施形態の実現に用いられる無線送受信機は、４相変調（ＱＰＭ：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を採用するようにしてもよい。すべての変調方式と同様に、ＱＰＭは、データ信号に応答して、搬送信号または搬送波（通例、正弦波）の一部を変更することによってデータを運ぶ。ＱＰＭの場合には、データ信号を表すようにキャリアの位相が変調される。本発明は、入力データパケットの位相シフトを計算することによって実現可能であるが、ＱＰＭデータパケットの位相シフトを復調するとともに、結果データを用いて範囲を計算することによっても実現可能である。

【0067】

バーニア測定技術の採用によって、本発明の距離計算の精度を向上可能である。バーニア測定は、ＦＭレーダシステムにおいて用いられているが、これらのシステムは通常、互いに異なる周波数の２つまたは３つの信号の同時送信に依拠している。一方、実施形態は、ランダムに選択された時間間隔において送信されるランダムに選択されたチャンネル内のランダムに選択された周波数を用いてバーニア測定を実現可能である点において独創的である。これは、スレーブユニットの分割フェーズロックループと関連付けられた位相関係カウンタによって、マスター基準発振器と比較的短期間にわたり同期しているものと考えられるスレーブ基準発振器の機能として、如何なる受信信号の位相関係も確立可能なためである。バーニア測定は、以下のように行われる。送信時点で同相の少なくとも２つの信号が互いに異なる周波数上で送信される。信号間の位相差を測定することによって、距離を粗く測定することができる。測定距離にわたって共通のヌルポイントを共有しないのであれば、２つの周波数で十分である。２信号測定の場合、必要な帯域幅は、２つの信号間の位相差を測定可能な精度によって決まる。測定精度が３°である場合、帯域幅としては、４００ＭＨｚ帯の０．８３３％が可能であり、これは、３．３３ＭＨｚ幅の帯域または３．３３ＭＨｚ離れた２つのチャンネルである。測定精度が１°である場合、帯域幅としては、同じ帯域の０．２７７％すなわち１．１１ＭＨｚが可能である。バーニア測距は、ＩＥＥＥ仕様８０２．１５．４－２００６の下、北米において無線パーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮ）に指定された帯域上で容易に実現可能である。これによって、９０２～９２８ＭＨｚの帯域幅内において３０個のチャンネルが可能となるためである。受信機の分解能が１波長未満である場合には、受信信号の位相を測定可能である。粗い測定によって、送信機からの波長の数が与えられる。受信信号の絶対位相を計算することによって、送信機からの波長の数に波長の一部を追加することで、範囲をより正確に計算することができる。本発明によれば、受信信号の位相を０．１°まで小さく分解可能な無線機を構築することができる。このような無線機によって、狭帯域内の２つの隣接する周波数間の位相差を容易に決定することができる。波長が１２ｃｍの帯域では、０．００５ｃｍよりも優れた測距の理論分解能が可能である。

【0068】

上述の通り、最初のヌルポイントが発生する距離までは、２つの周波数を測距計算に使用可能である（すなわち、両周波数は再度、ほんの一瞬の間に互いが同相となる）。互いに異なる周波数の２つの無線信号は最終的に、無線源からの或る距離で、互いにヌルとなるため、当該ポイントを越えた測定が不明瞭となる。このため、不明瞭な測定を回避するには、少なくとも３つの周波数が必要である。３番目の周波数およびその他２つの周波数の一方がｎ分割関係を有していない場合が特に有用である。本発明の測距システムが位相関係カウンタを備えた分割フェーズロックループを利用することから、ランダムな周波数ホッピングを採用可能である。たとえば９０２～９２８ＭＨｚで動作する場合、本発明は、経時的に、３０個のチャンネルのうちの任意の３つ以上をランダムに採用可能である。

【0069】

本発明の主要な利点として、マルチパス伝送による測距の不正確さに対処している点が挙げられる。送信が導体経由またはレーザの使用によって行われる場合には、多周波測距システムが十分に作用するものの、空間を通じた無線送信は一般的に、送信波面が反射して、マルチパス伝送経路となる。送受信点間の直線以外の如何なる経路も、必然的に距離が長くなるため、正確な測距のために正しい位相シフトを与える信号には、より長い距離を進行したことで示す位相シフト量が大きくなった信号が伴うことになる。本発明に従って構成された測距システムは、互いに異なる周波数の少なくとも３つの無線信号を送信して、当該互いに異なる周波数間の距離－位相関係を比較する。本発明の測距システムは、周波数ホッピングの手法を利用して、マルチパスを識別し、最短経路を選択し、最短経路の距離を計算する。これは、ノイズの多いチャンネルを回避するとともに、所与の時間に利用可能な帯域幅の小さな部分のみを利用するためにランダムに選択可能な少なくとも３つの周波数について、測定位相および振幅対周波数のテーブルを構築することによって、独創的に達成される。アナログ－デジタル変換器がテーブルに対して、位相－振幅データを周波数順に入力する。このデータは、好ましくはコンピュータシステムを用いて計算を実行することによって、フーリエ変換される。結果としてのビート周波数ピークは、さまざまな検出経路に対応する。ビート周波数が最低の経路は、システムのマスターおよびスレーブユニット間の最短かつ実際の距離である。デジタル信号処理を用いることによって、フーリエ変換データに逆フーリエ変換を実行した場合には、逆フーリエ変換データの使用によって、互いに異なる周波数の位相関係の変化を計算するとともに、マスターおよびスレーブユニットが互いに移動した場合の複数の反射経路による歪みを修正することができる。

【0070】

バーニア距離測定ならびにマルチパス検出および修正作業は、協調して行われる。このプロセスは、以下の一連のステップを用いて実行される。第１に、少なくとも周波数ｆ１、ｆ２、およびｆ３を含む周波数ホッピングを使用して、さまざまな周波数対間（すなわち、ｆ１とｆ２、ｆ１とｆ３、ｆ２とｆ３間）の位相差が決定される。第２に、マルチパス修正の実行によって、マルチパスデータを除外するとともに、最短経路についてマスターおよびスレーブユニットのアンテナを分離する周波数のうちの１つで整数個の波長を決定する。第３に、システムは、位相蓄積モードに切り替わって、各受信周波数の絶対位相を計算することによって、正確な測定のために整数個の波長の距離に追加する必要がある部分波長の計算のためのデータを提供する。これによって、本発明の測距システムは、帯域幅の利用を抑えた高分解能測距を可能にする。最初の距離計算には複数の周波数の送信が必要であるものの、測定計算の間に物体が半波長以下しか移動していない限り、単一の周波数で追跡可能である。たとえばゲームシステムにおいては、位置取得が実現された後のアンテナ対間での単一の周波数の使用によって、演算オーバヘッドが大幅に抑えられることになる。

【0071】

本発明の独創性の基は、周波数にかかわらないマスターおよびスレーブユニットの基準発振器の同期と、熱的に絶縁された基準発振器およびフェーズロックループの使用による全周波数でのマスターおよびスレーブユニット間の位相コヒーレンスの確立および維持にある。また、周波数ホッピングの使用によって、低ノイズチャンネルのランダムな選択のみならず、マルチパスデータの除外も可能となるため、最小限の所要帯域幅で高分解能測定がもたらされる。

【0072】

当業者であれば、本発明の基本原理から逸脱することなく、上記実施形態の詳細に対する多くの変更が可能であることが了解されるであろう。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決まるものとする。

【0073】

例示的な一実施形態においては、コンピュータ可読媒体に格納されたコンピュータ可読命令として、本明細書に記載の動作、プロセス等のいずれかを実装可能である。無線機は、信号を処理するとともに、本明細書に記載の測定を実行するためのプロセッサおよび／またはメモリを具備していてもよい。コンピュータ可読命令は、移動ユニット、ネットワーク要素、および／またはその他任意のコンピュータ機器のプロセッサによって実行可能である。

【0074】

上記詳細な説明は、ブロック図、フローチャート、および／または例を用いて、機器および／またはプロセスの種々実施形態を示している。このようなブロック図、フローチャート、および／または例が１つまたは複数の機能および／または動作を含む限り、当業者であれば、多様なハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、または実質的にはこれらの任意の組み合わせによって、上記のようなブロック図、フローチャート、または例の中の各機能および／または動作を個別的および／または集合的に実装可能であることが了解されるであろう。当業者であれば、１つまたは複数のコンピュータ上で動作する１つまたは複数のコンピュータプログラム（たとえば、１つまたは複数のコンピュータシステム上で動作する１つまたは複数のプログラム）、１つまたは複数のプロセッサ上で動作する１つまたは複数のプログラム（たとえば、１つまたは複数のマイクロプロセッサ上で動作する１つまたは複数のプログラム）、ファームウェア、あるいは実質的にはこれらの任意の組み合わせとして、本明細書に開示の実施形態のいくつかの態様の全部または一部を集積回路において同等に実装可能であることと、回路の設計ならびに／またはソフトウェアおよび／もしくはファームウェアのコードの記述が本開示に照らして十分に、当業者の技量の範囲内となることが認識されよう。また、当業者には当然のことながら、本明細書に記載の主題のメカニズムは、多様な形態のプログラム製品として配布可能であり、また、その配布を実際に実行するのに用いられる特定種類の信号保持媒体にかかわらず、本明細書に記載の主題の例示的な一実施形態が当てはまる。信号保持媒体の例としては、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクドライブ、ＣＤ、ＤＶＤ、デジタルテープ、コンピュータメモリ等の記録可能型媒体、ならびにデジタルおよび／もしくはアナログ通信媒体（たとえば、光ファイバケーブル、導波路、有線通信リンク、無線通信リンク）等の伝送型媒体が挙げられるが、これらに限定されない。

【0075】

当業者であれば、本明細書に示すように機器および／またはプロセスを記述した後、技術的手法によって、このように記述された機器および／またはプロセスをデータ処理システムに統合するのが当技術分野においては一般的であることが認識されよう。すなわち、適当な実験量によって、本明細書に記載の機器および／またはプロセスの少なくとも一部をデータ処理システムに統合することができる。当業者であれば、代表的なデータ処理システムとしては一般的に、システムユニットハウジング、ビデオ表示装置、揮発性および不揮発性メモリ等のメモリ、マイクロプロセッサおよびデジタルシグナルプロセッサ等のプロセッサ、オペレーティングシステム、ドライバ、グラフィカルユーザインターフェース、およびアプリケーションプログラム等の計算エンティティ、タッチパッドもしくはスクリーン等の１つもしくは複数の相互作用機器、ならびに／またはフィードバックループおよび制御モータ（たとえば、位置および／もしくは速度を検知するフィードバック、コンポーネントおよび／もしくは量を移動および／もしくは調整する制御モータ）を含む制御システムのうちの１つまたは複数が挙げられることが認識されよう。データコンピューティング／通信および／またはネットワークコンピューティング／通信システムにおいて通常見られるコンポーネント等、任意適当な市販のコンポーネントを利用することによって、代表的なデータ処理システムが実装されるようになっていてもよい。

【0076】

以下、フェーズドアレイアンテナが用いられる実施形態９００Ａ、９００Ｂ、および１０００をそれぞれ参照して、図９Ａ、図９Ｂ、および図１０を論じる。実施形態９００Ａおよび９００Ｂにおいては、送信機９０１に複数の第１～第３アンテナ９０８Ａ～９０８Ｃが設けられている。これらのアンテナは、フェーズドアレイを構成していると考えられる。送信機９０１は、第１～第３スイッチ９０４Ａ～９０４Ｃを制御するＣＰＵ９０７を用いて、第１～第３アンテナ９０８Ａ～９０８Ｃの動作を制御するように構成されていてもよい。送信機ＣＰＵ９０７は、任意所与の時間にオンとなるアンテナを制御するようにしてもよく、また、これらのアンテナが使用する周波数を制御するようにしてもよい。場合によっては、互いに異なる周波数を用いることによって、送信機９０１が互いに異なる時間に互いに異なるアンテナを初期化するようにしてもよい（すなわち、送信機が周波数ホッピングを実施するようにしてもよい）。これについては、以下でより詳しく説明する。

【0077】

従来、無線信号および物体の追跡には、フェーズドアレイアンテナシステムが用いられている。これらのシステムは、送信または受信用にアンテナをビーム形成するように組み合わされたアンテナのパターンを使用する。受信モードにおいては、デジタルまたはＲＦ領域において組み合わせを行うことができる。デジタル領域またはコンピュータシステムにおいて組み合わせが行われる場合には、同じデータを用いて多くの互いに異なる組み合わせを計算することによって、多くの仮想的なアンテナ構成を同時に処理可能である。このようなシステムの一例が超大型干渉電波望遠鏡群（ｔｈｅ Ｖｅｒｙ Ｌａｒｇｅ Ａｒｒａｙ ｉｎ Ｎｅｗ Ｍｅｘｉｃｏ）であり、電波天体観測として用いられている。同じアレイから複数の指向性ビームを送信するのにも、同種のプロセスを使用可能である。これによって、同じアンテナから、互いに異なるデータを有する互いに異なる場所にエネルギーを向けることができる。

【0078】

このような種類のシステムが建物内または複数の物体の周りで用いられると、無線波の反射が誤差を生じるため、無線源の場所を見出すのが困難となる可能性がある。これによって、屋内位置特定システムおよびリアルタイム位置特定システムの場合、信号を反射する物体が複数存在するかが問題となっている。本明細書に記載の実施形態は、位置特定システムに対する直接信号および反射信号を識別するさまざまな方法を記述している。

【0079】

本発明の実施形態は、低コストの無線周波数方向および／または到来角探索のためのシステムを提供する。このシステムは、位相角技術および周波数ホッピングを使用して、高精度な方向および到来角測定結果を提供する。本発明の実施形態では、それぞれがさまざまなアンテナを有する２つ以上の送受信機を使用する。本明細書に受信機および送信機を記載しているものの、当業者であれば、これらの受信機および送信機として単機能機器も可能であるし、二元機能送受信機も可能であることが認識されよう。いくつかの実施形態においては、送信機が複数のアンテナを有し、受信機が１つのアンテナを有する（たとえば、図９Ａおよび図９Ｂ）。他の実施形態においては、送信機が１つのアンテナを有し、受信機が複数のアンテナを有する（たとえば、図１０）。到来角は、１つのアンテナから複数の受信アンテナへの送信、または複数の送信アンテナから１つの受信アンテナへの送信によって探索可能である。送信機と受信機との間で信号が送信された場合には、フェーズドアレイまたは位相差技術の使用によって、到来角を含めて、無線源（すなわち、送信機）に対する方向または角度を探索するようにしてもよい。

【0080】

本発明の実施形態は、上記に対して、ＲＦ送信の周波数の変更およびその後の位相測定の繰り返しを追加する。結果としての位相データは、位相および利得が正規化された後、過去の測定からのフェーズドアレイデータに追加される。互いに異なる周波数が合計されると、高速移動の位相データがフィルタリングされ、より長い信号経路の影響が抑えられる。これによって、最短経路が主要経路となる。そして、ＣＰＵ９０７（または、別のローカルまたはリモートのコンピュータシステム）によって処理されたソフトウェアがこのフィルタリングされた位相データを使用することによって、高精度な到来角を計算する。場合によっては、測定位相を数学的に調整することによって、使用するアンテナの数を減らすことができる。

【0081】

一実施形態においては、第１周波数で第１信号（たとえば、９０２Ａ）をブロードキャストし、事後の時間に、異なる第２周波数で第２信号（たとえば、９０２Ｂ）をブロードキャストするように構成された２つ以上の第１～第３アンテナ９０８Ａ～９０８Ｃを備えた送信機９０１を具備する無線システム（たとえば、図９Ａの９００Ａ）が提供される。無線システム９００Ａは、送信機９０１のアンテナからブロードキャストされた第１および第２信号９０２Ａ／９０２Ｂを受信するように構成されたアンテナ９０３を有する受信機９０６をさらに具備する。最後に、無線システムは、ＣＰＵまたはプログラム可能なマイクロコントローラ等の処理ユニット９０７を具備する。処理ユニット９０７は、受信機９０６で受信された際の第１周波数における第１信号９０２Ａの振幅および位相を測定することと、受信機で受信された際の第２周波数における第２信号９０２Ｂの振幅および位相を測定することと、各信号の測定された振幅および位相を用いて、送信機に対する角度または方向を識別することと、を実行するように構成されていてもよい。

【0082】

場合によって、送信機９０１は、異なる第３周波数で第３信号を送信する第３アンテナ９０８Ｃを具備していてもよい。省略記号で示すように、送信機９０１と併せて、４つ以上のアンテナが用いられるようになっていてもよい。送信機は、ＣＰＵ９０７を用いて、制御命令９０５を第１～第３スイッチ９０４Ａ～９０４Ｃに与えることによって、特定のアンテナを実装または迂回するようにしてもよい。たとえば、場合によっては、第１および第３アンテナ９０８Ａおよび９０８Ｃのみが用いられるようになっていてもよいし、他の場合には、第２および第３アンテナ９０８Ｂおよび９０８Ｃが用いられるようになっていてもよい。任意所与の瞬間において、如何なるアンテナの組み合わせも可能である。同様に、各アンテナの使用によって互いに異なる周波数で送信するようにしてもよく、さらには、各アンテナが互いに異なる時点に互いに異なる周波数でブロードキャストするようにしてもよい。このため、たとえば、第１アンテナ９０８Ａが時点Ａにおいて１００ＭＨｚでブロードキャストし、時点Ｂにおいて１５０ＭＨｚでブロードキャストし、以下同様であってもよい。本明細書においては、互いに異なる周波数間の変更を周波数ホッピングと称する。周波数ホッピングによれば、システム９００Ａは、正確な方向および／または到来角測定結果を生成することができる。

【0083】

実施形態９００Ａにおいては、送信機９０１がＣＰＵ９０７に対して電気的に接続されている。このＣＰＵは、アンテナの起動およびこれらのアンテナが使用する周波数を制御することができる。図９Ｂの実施形態９００Ｂにおいて、受信機９０６は、受信動作を制御するそれ自体のＣＰＵ９０７を有する。たとえば、受信機ＣＰＵ９０７は、受信機アンテナ９０３が起動された場合に制御（９０５）を行うようにしてもよく、また、調節する１つまたは複数の周波数をさらに制御するようにしてもよい。たとえば、第１時点Ａにおいて、受信機アンテナ９０３は、第１アンテナ９０８Ａからの第１信号９０２Ａの周波数に合わせて調節されるようになっていてもよい。一方、第２時点Ｂにおいて、受信機アンテナは、第３アンテナ９０８Ｃからの第３信号９０２Ｃの周波数に合わせて調節されるようになっていてもよい。さらに、受信機アンテナ９０３は、同じアンテナから互いに異なる周波数の信号を受信するように構成されていてもよい。このため、第１時点Ａにおいて、受信機アンテナ９０３は、第１周波数（たとえば、１００ＭＨｚ）で送信している第２アンテナ９０８Ｂからの第２信号９０２Ｂに合わせて調節された後、第２時点Ｂにおいては、第２アンテナ９０８Ｂからの異なる第２周波数（たとえば、１５０ＭＨｚ）の同じ第２信号９０２Ｂに合わせて調節されるようになっていてもよい。このため、送信機９０１または受信機９０６は、計算を実行するとともに制御コマンドを発行する関連ＣＰＵを有していてもよい。図面には示していないものの、少なくともいくつかの実施形態においては、受信機および送信機の両者が関連する処理ユニットを有していてもよいし、受信機および送信機のいずれもが関連する処理ユニットを有していなくてもよいことが了解されるであろう。互いに異なる実施形態では、互いに異なる電子コンポーネントまたは機器が必要となる可能性がある。実際、少なくとも場合によっては、ＣＰＵ９０７がデータストアと通信可能に接続されることで、測定された方向または到来角と関連する情報をＣＰＵが格納可能であってもよい。

【0084】

図１０の実施形態１０００において、受信機９０６は、送信機９０１からの互いに異なる信号を受信可能な複数の第１～第３アンテナ９０３Ａ～９０３Ｃを有する。たとえば、単一のアンテナ９０８を備えた送信機９０１が、互いに異なる時点に第１、第２、および／または第３信号９０２Ａ、９０２Ｂ、および／または９０２Ｃを送信するようにしてもよい。送信機９０１は、互いに異なる時点に互いに異なる周波数を用いてこれらの信号を送信するようにしてもよい。上記実施形態９００Ａおよび９００Ｂと同様に、実施形態１０００においても、周波数ホッピングの使用によって、信号源に対する角度または方向を決定するようにしてもよい。たとえば、図１１に示すように、周波数ホッピングを用いて受信機９０６によって到来角φ（１１１０Ａ）が決定されるようになっていてもよい。受信機９０６は、第１、第２、および第３アンテナ９０８Ａ、９０８Ｂ、および９０８Ｃ（および／または、可能性として他のアンテナ）を切り替えて、各信号の位相および振幅を測定する。

【0085】

このように、受信機９０６は、各信号を受信して、その位相および振幅を測定する。到来角等の角度の探索には、位相差技術が用いられるようになっていてもよい。たとえば、受信機９０６は、第１信号９０２Ａを受信し、それ自体（すなわち、固定基準点）および信号源（たとえば、第１アンテナ９０８Ａ）またはそれ自体および別の信号源（たとえば、第２アンテナ９０８Ｂ）に対する角度φ（１１１０Ａ）を決定するようにしてもよい。同様に、受信機９０６は、第２信号９０２Ｂを受信し、それ自体および信号源（たとえば、第２アンテナ９０８Ｂ）またはそれ自体および別の信号源（たとえば、第３アンテナ９０８Ｃ）に対する角度φ’（１１１０Ｂ）を決定するようにしてもよい。位相および振幅の各測定結果は、当該信号の決定された到来角と併せて、データストアに格納されていてもよい。これら最初の位相および振幅測定ならびに角度決定がなされた後、システムは、ＲＦ信号の周波数を変更して、位相および振幅測定を繰り返すようにしてもよい。また、角度計算結果の再処理によって、決定された角度の微調節または過去の計算結果の誤差修正を行うようにしてもよい。

【0086】

図１１においては３つのアンテナを有するものとして示しているが、送信機（Ｔｘ）は、実質的に任意数のアンテナを有していてもよい。アンテナはそれぞれ、ブロードキャストを同じ周波数で行うようにしてもよいし、互いに異なる周波数で行うようにしてもよい。場合によって、アンテナ（たとえば、第３アンテナ９０８Ｃ）は、変化する周波数で信号をブロードキャストするようにしてもよい。たとえば、図１２に示すように、第１周波数（１２０１Ａ）および第２周波数（１２０１Ｂ）に対して第１、第２、第３、・・・、第ｎアンテナ（Ａｎｔ１，２，３，・・・，ｎ）を示している。第１および第２チャート１２０２Ａおよび１２０２Ｂは、当該周波数で現在送信しているアンテナを示している。このため、図１２に見られるように、第２アンテナは第１周波数（１２０１Ａ）でブロードキャスト（または、受信）を行っており、第３アンテナは第２周波数（１２０１Ｂ）で現在ブロードキャスト（または、受信）を行っている。このチャートは、省略記号で示すように、任意数の周波数を示すように拡張可能である。さらに、１つのアンテナだけが所与の時間に或る周波数を使用するものとして示しているが、同じ周波数での同時ブロードキャスト／受信に、より多い複数のアンテナが用いられるようになっていてもよいことが認識されよう。さらに、周波数ホッピングが用いられる場合、第１および第２チャート１２０２Ａおよび１２０２Ｂは、或る瞬間にどのアンテナがどの周波数を使用しているかを示す。周波数は変化する可能性があるため、チャートは、その変化を反映させるように更新されることになる。たとえば、図９Ａ、図９ＢのＣＰＵ９０７が第１周波数でのブロードキャスト／受信を停止して、第２周波数に切り替えるよう第２アンテナに命令した場合、１２０２Ａの「第２アンテナ」（Ａｎｔ２）ボックスから「×」が除去されて、１２０２Ｂの「第２アンテナ」（Ａｎｔ２）に追加されることになる。このため、第１および第２チャート１２０２Ａ／１２０２Ｂは、時間とともに更新されるようになっていてもよく、また、任意所与の一時点のアンテナおよび周波数の使用を示していてもよい。

【0087】

各信号が受信されると、受信機（またはより具体的に、受信機９０６のＣＰＵ９０７）は、さまざまな周波数でブロードキャストされた信号それぞれの振幅および位相を測定する。振幅および位相の測定によって、ＣＰＵ９０７は、送信機に対する角度および／または方向を識別することができる。このため、図１１に示すように、受信機は、各第１、第２、および第３アンテナ９０８Ａ、９０８Ｂ、および９０８Ｃから、第１、第２、第３信号９０２Ａ、９０２Ｂ、９０２Ｃを受信するようにしてもよい。ＣＰＵ９０７は、第１、第２、第３信号９０２Ａ、９０２Ｂ、９０２Ｃの振幅および位相を計算して、計算結果を格納するようにしてもよい。また、ＣＰＵ９０７は、第１、第２、第３信号９０２Ａ、９０２Ｂ、９０２Ｃの位相を決定して、同様に結果を格納するようにしてもよい。３つの信号それぞれの振幅および位相の決定によって、送信機上の個々のアンテナまたは送信機全体に対する方向を決定するようにしてもよい。受信機は、測定および計算した値を用いて、受信機アンテナ９０３から第１送信機アンテナ９０８Ａに対する角度φ（１１１０Ａ）を識別するようにしてもよい。また、受信機は、測定および計算した値を用いて、受信機アンテナ９０３から第３送信機アンテナ９０８Ｃに対する角度φ’（１１１０Ｂ）を識別するようにしてもよい。同様に、第２アンテナ９０８Ｂに対する角度または方向が個別に決定されるようになっていてもよいし、第１および第３信号９０２Ａおよび９０２Ｃに対して決定されるようになっていてもよい。

【0088】

いくつかの実施形態において、処理ユニット（たとえば、９０７）は、互いに異なる周波数を用いて誤差を修正するように構成されていてもよい。たとえば、図１３に示すように、各周波数（１３０２）に対してアンテナ（１３０１）を１、２、３、Ｎと示すことができる。これによって、各アンテナは、或る期間に第１周波数を使用し、或る期間に第２周波数を使用するなどしてもよい。各アンテナが周波数間でホッピングする場合、ＣＰＵ９０７は、受信信号それぞれからの入力を用いて、方向または到来角決定の誤差を修正するようにしてもよい。このため、時間とともに、信号が互いに異なる周波数で受信されると、振幅および位相測定結果が改善され、各信号の方向および到来角の決定がより正確になる。信号（９０２Ａ～９０２Ｃ）は、連続ストリームで送信されるようになっていてもよいし、バーストで送信されるようになっていてもよい。たとえば、図９Ａの送信機アンテナのうちの少なくとも１つを用いて、ＲＦバーストが受信機９０６に送信されるようになっていてもよい。

【0089】

上記の追加または代替として、ＲＦバーストは、複数の送信機アンテナによって受信機９０６に送信されるようになっていてもよい。送信機は、ＲＦバーストを送信する際にアンテナを切り替えるように構成されていてもよい。複数のアンテナからの信号が受信され、振幅および位相が測定されると、信号周波数が互いに異なる周波数に変化する。その後、変化した互いに異なる周波数に基づいて、処理ユニット９０７によって、送信機に対する角度または方向の次の決定が実行される。このように、複数の送信機アンテナ（たとえば、図９Ａおよび図９Ｂ）または複数の受信機アンテナ（たとえば、図１０）を用いた周波数ホッピングによれば、各信号に対して、振幅および位相の正確な測定結果を決定することができる。そして、システムは、高精度な方向および到来角測定結果を計算することができる。これらの方向および到来角測定結果は、信号干渉を引き起こす複数の物体を含む屋内環境であれ、実質的に如何なる環境でも使用可能である。

【0090】

ここで図１４を参照して、無線源（たとえば、送信機）に対する角度または方向を探索する方法１４００が提供される。方法１４００は、送信機の２つ以上のアンテナから互いに異なる周波数で２つ以上の信号をブロードキャストすることを含む（１４１０）。このため、図９Ａに示すように、送信機９０１は、第１アンテナ９０８Ａから第１信号９０２Ａを、第２アンテナ９０８Ｂから第２信号９０２Ｂを、第３アンテナ９０８Ｃから第３信号９０２Ｃをブロードキャストする。第１～第３信号９０２Ａ～９０２Ｃはそれぞれ、互いに異なる周波数でブロードキャストされるようになっていてもよい。したがって、図９Ａの実施形態９００Ａにおいては、３つの第１～第３アンテナ９０８Ａ～９０８Ｃがそれぞれ３つの互いに異なる周波数で送信されていてもよい。さらに、互いに異なる期間に互いに異なる周波数で送信を行うように、各アンテナが経時的に周波数を変更するようにしてもよい。

【0091】

次に、方法１４００は、互いに異なる周波数でブロードキャストされた２つ以上の信号を、受信機で受信することを含む（１４２０）。受信機９０６は、さまざまな周波数でブロードキャストされた第１～第３信号９０２Ａ～９０２Ｃを受信した後、受信機で受信された際の各信号の振幅および位相を測定するようにしてもよい（１４３０）。図９Ｂに示すように、受信機９０６は、各受信信号の信号位相および振幅を決定可能なＣＰＵ９０７に接続されていてもよい。信号位相および振幅は、互いに異なる周波数が用いられる場合に、時間とともに変化する可能性がある。２つ以上の信号が互いに異なる周波数で送信されている場合には、これによってＣＰＵ９０７が、無線源（たとえば、送信機９０１）までの最短経路を決定することができる。たとえば、複数の周波数が受信された場合には、これらの合計によって、高速移動の位相データを識別するようにしてもよい。そして、この位相データがフィルタリングされ、より長い経路の影響が抑えられる。これによって、最短経路が主要経路となる。

【0092】

このように決定された最短経路を用いて、ＣＰＵ９０７は、無線源に対する方向または無線源からの到来角を識別または導出することができる。実際、前述の通り、複数の周波数を用いることによって、受信機ＣＰＵは、周波数が変化した場合に長い経路ほど位相シフトが高速になるため、どの経路が最短経路であるかを探索することができる。このように、ＣＰＵは、互いに異なる周波数で取得された位相および振幅測定結果を用いて、無線源に対する方向および／または到来角を決定するようにしてもよい（１４４０）。また、さまざまな信号において識別された位相シフトを用いることによって、各角度経路に沿って、送信機までの距離が決定されるようになっていてもよい。以上から、周波数ホッピングを用いて方向および到来角が決定され得るのみならず、測定された位相シフトを用いて無線源までの距離も決定されるようになっていてもよい。

【0093】

いくつかの実施形態において、ＣＰＵ９０７は、各信号の位相測定結果にアクセスし、位相および利得に関して各信号を正規化するように構成されていてもよい。この正規化動作を実行した後、ＣＰＵは、正規化信号をフェーズドアレイデータ構造に追加するようにしてもよい。フェーズドアレイデータ構造は、過去に格納された測定結果を含んでいてもよく、また、後続の位相測定結果を含んでいてもよい。フェーズドアレイデータ構造は、ローカルまたはリモートのデータストアに格納されていてもよく、また、現在または将来の方向、角度、または距離計算に用いられるようになっていてもよい。場合によって、特定の周波数または特定の組の指定周波数を送信機が用いることによって、フェーズドアレイ中のアンテナの範囲を識別するようにしてもよい。たとえば、信号に高速フーリエ変換を実行することによって、ＣＰＵ９０７は、システムによって決定可能な各信号経路の範囲を決定することができる。使用するアンテナが少ない場合、ＣＰＵは、少数のアンテナを数学的に補償することによって、依然として、無線源に対する方向または到来角を正確に決定するように構成されていてもよい。

【0094】

別の実施形態においては、無線システムが提供される（たとえば、図１０の無線システム１０００）。無線システム１０００は、特定の時間にわたって第１周波数で第１信号（９０２Ａ）をブロードキャストし、特定の時間にわたって異なる第２周波数で第２信号（９０２Ｂ）をブロードキャストし、特定の時間にわたって異なる第３周波数で第３信号（９０２Ｃ）をブロードキャストするように構成された送信機アンテナ９０８を具備する。また、無線システム１０００は、第１、第２、および第３信号を受信するように構成された２つ以上の受信機アンテナ（９０３Ａ～９０３Ｃ）を具備する。さらに、無線システム１０００は、アンテナに対する複数の無線経路の角度および距離を探索するように構成されたプロセッサ９０７を具備する。このように、本実施形態において、ＣＰＵは、無線源に対する方向または無線源からの到来角のみならず、無線源までの距離をも決定するように構成されていてもよい。アンテナ９０８を用いて送信機９０１によって、無線周波数（ＲＦ）バーストが送信される。受信機９０６は、その複数のアンテナを切り替えて、受信信号の位相および振幅を測定する。

【0095】

互いに異なる時間に互いに異なる周波数で送信された信号を、１つの受信機アンテナが受信するようにしてもよいし、互いに異なる周波数で送信された信号を複数の受信機アンテナそれぞれが同時に受信するようにしてもよい。図１０においては、３つの受信機アンテナを示しており、第１受信機９０３Ａが第１信号９０２Ａを受信し、第２受信機９０３Ｂが第２信号９０２Ｂを受信し、第３受信機９０３Ｃが第３信号９０２Ｃを受信するが、使用する受信機アンテナの数は、これより多くてもよいし、少なくてもよいことが認識されよう。ＣＰＵ９０７は、制御信号９０５を用いることによって、それぞれが指定時間に動作し、それぞれが指定周波数で受信するように受信機アンテナを制御するようにしてもよい。そして、ＣＰＵは、互いに異なる周波数で受信信号を取得し、位相および振幅測定結果を用いて最短経路を決定し、送信機９０１に対する方向または到来角を識別するようにしてもよい。

【0096】

以上から、当然のことながら、本明細書においては本開示の種々実施形態を例示目的で説明しているに過ぎず、本開示の範囲および主旨から逸脱することなく種々改良が可能である。したがって、本明細書に開示の種々実施形態は、何ら限定を意図したものではなく、以下の特許請求の範囲によって真の範囲および主旨が示される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】