JP2008536120A - 少素子アンテナアレイを有する測位システム - Google Patents

Abstract

測位システムの一実施形態では、送信素子は、搬送波信号周波数を有する少なくとも１つの電磁パルスを送信するように構成されている。複数の受信素子を有するアンテナアレイは、半波長よりも大きな間隔だけ隔てられている少なくとも２つの受信素子を含む。少なくとも２つの受信素子のそれぞれは、所定期間にわたってリターン信号を受信するように構成されている。リターン信号は、システムの検出エリア内の物体からのリターンパルスを含む。波長は、送信パルスの搬送波信号周波数に対応する。検出器は、少なくとも２つの受信素子のそれぞれで受信されたリターンパルスを分離するように一方の受信素子及び他方の受信素子からのリターン信号を処理し、それによって、システムに対する物体の位置を求めるように構成されている。

Description

本発明は、包括的には、測位システムに関し、より具体的には、少素子アンテナアレイ（sparse antenna array）を用いて測位システムに対する物体の位置を求めるためのシステム及び方法に関する。
本願は、２００３年７月３日に出願された係属中の米国特許出願第１０／６１４，０９７号の部分継続出願である。米国特許出願第１０／６１４，０９７号は、その全体が参照により本明細書に援用される。

ローカル測位システムは、特に、自律走行車（自動車）の用途及び精密施工ツールの用途で、ナビゲーション能力を必要とする移動デバイスを実現するために重要な存在となってきている。ＧＰＳ等のグローバル測位システムは、通例、１０ｃｍ程の中程度の精度の位置情報しか提供せず、水平線近くまで空の澄んだ視界を必要とする。能動コンポーネント又は受動コンポーネントのいずれかが作業ボリュームに分散されているローカル測位システムは、はるかに高い精度（＜１ｃｍ）の測位を可能にすることができ、最も複雑な閉鎖形状（enclosed geometry）であっても動作の必要があるときはユーザによるシステムの拡張を可能にする。

従来のローカル測位システムは、アコースティック（音波）測距システム及びレーザ測距システムを含む。アコースティックシステムは、通常、トランスポンダビーコンを使用して、デバイスのネットワーク内における距離を測定する。それらのデバイスのいくつかは、固定されてローカル座標系を形成する。あいにく、空気中の音波伝播特性のために、アコースティックシステムは、１ｃｍ以上の精度までの距離しか測定することができず、比較的短い間隔にわたってしか測定することができない。レーザに基づくローカル測位システムは、デバイスとプリズム等の１又は複数の反射物体との間の角度及び距離の双方の測定値を利用して、デバイスの位置を三角測量又は三辺測量（trilateralate）する。しかしながら、レーザシステムは、現在、システムコストを３万ドル以上にすることがある高価なポインティングメカニズム（pointing mechanism）を使用している。

２次元（２Ｄ）の位置又は３次元（３Ｄ）の位置を数ミリメートルの精度まで求めることができる比較的低コスト（≦２０００ドル）のローカル測位システムは、屋内での精密施工及び屋外での精密施工、採鉱、精密農業、並びにスタジアムフィールドの草刈り及び処置のような応用分野で大きな一組の見込みのある製品の可能性を与える。本発明は、従来のローカル測位システムのコストの限界及び制度の限界を克服する。
本発明のシステム及び方法は、低コストであるが高精度のローカル測位システムを提供する。

このシステムの一実施の形態では、半波長よりも大きな間隔だけ隔てられている少なくとも２つの送信素子を含む複数の送信素子を有するアンテナアレイが、少なくとも一組の電磁パルスをほぼ同時に送信するように構成される。これらの少なくとも２つの送信素子のそれぞれは、一組のパルスにおける各搬送波信号周波数を有する１つのパルスを送信するように構成される。波長は、少なくとも２つの送信素子からの送信パルスの各搬送波信号周波数の平均に対応する。

受信機が、或る期間にわたってリターン信号を受信するように構成されている。このリターン信号は、当該システムの検出エリア内の物体からの少なくとも第１のリターンパルス及び第２のリターンパルスを含む。第１のリターンパルスは、一方の送信素子からの送信パルスに対応し、第２のリターンパルスは、他方の送信素子からの送信パルスに対応する。
検出器が、第１のリターンパルス及び第２のリターンパルスを分離するようにリターン信号を処理し、それによって、当該システムに対する物体の位置を求めるように構成される。この検出器は、少なくとも２つの送信素子間の間隔に従って物体の角度位置を求めるための角度分解能ロジックと、受信機における第１のリターンパルスの到達時間と第２のリターンパルスの到達時間との差に従って物体の方向を求めるための方向分解能ロジックとを含む。

システムの別の実施の形態では、送信素子が、搬送信号周波数を有する少なくとも１つの電磁パルスを送信するように構成される。複数の受信素子を有するアンテナアレイは、半波長よりも大きな間隔だけ隔てられている少なくとも２つの受信素子を含む。これらの少なくとも２つの受信素子のそれぞれは、或る期間にわたってリターン信号を受信するように構成される。リターン信号は、該システムの検出エリア内の物体からのリターンパルスを含む。波長は、送信パルスの搬送波信号周波数に対応する。

検出器が、少なくとも２つの受信素子のそれぞれで受信されたリターンパルスを分離するように一方の受信素子及び他方の受信素子からのリターン信号を処理し、それによって、該システムに対する物体の位置を求めるように構成される。この検出器は、少なくとも２つの受信素子間の間隔に従って物体の角度位置を求めるための角度分解能ロジックと、受信素子における第１のリターンパルスの到達時間と第２のリターンパルスの到達時間との差に従って物体の方向を求めるための方向分解能ロジックとを含む。

これらの方法及び装置の実施の形態に対する追加の変形が提供される。
本発明の追加の目的及び特徴は、以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を図面と共に理解することによって、より容易に明らかになる。

図面中、同様の参照符号は、図面のいくつかの図を通じて対応する部分を指す。
本発明の実施形態を詳細に説明する。実施形態の例が、添付図面に示されている。以下の詳細な説明では、本発明の徹底した理解を提供するために、多数の具体的な詳細が述べられている。しかしながら、本発明は、これらの具体的な詳細説明がなくても実施できることが当業者には明らかであろう。それ以外の場合には、本発明の態様を不必要に分かりにくくしないようにするために、既知の方法、手順、コンポーネント、及び回路を詳細に説明していない。

測位システムの従来例の手法を図１に示す。測位システム１００は、送信素子１１２を有するアンテナアレイ１１０を備える。アンテナアレイは、電磁ビーム１１４＿１を、システム１００の検出エリア内の物体１１６＿１へ送信する。ビーム１１４＿１の方向は、送信素子１１２と同一直線上にある水平方向に対して角度θ１１８を有する。ビーム１１４＿１は、通常、時間の関数として連続であり、搬送波信号周波数及び対応する波長λを有する搬送波信号を有する。このようなビームは、連続波（ＣＷ）としても知られている。ビーム１１４＿１の一部は、物体１１６＿１から反射される。この反射ビームは、アンテナアレイ１１０内の受信機（図示せず）によって検出され、アンテナアレイ１１０を基準とした物体１１６＿１の位置を、アンテナアレイ１１０の位置分解能で求めることが可能になる。

位置分解能は、間隔分解能又は距離分解能及び角度分解能を組み合わせたものである。アンテナアレイ１１０の角度分解能は、搬送波信号の波長λ、角度θ１１８、２つの隣接する送信素子（この場合、送信素子１１２＿４及び送信素子１１２＿５）間の最小間隔ｄ１２０、及び送信素子１１２の最大間隔１２２を含むさまざまなファクタによって決まる。一般に、これらファクタの所与の値について、最小角度分解能を有するアンテナアレイ１１０が最も望ましい。

アンテナアレイ１１０等、隣接している送信素子間に等間隔ｄ１２０を有するアンテナアレイの場合、送信素子１１２の最大間隔１２２は、間隔ｄ１２０を送信素子１１２の個数Ｎ倍したもの、すなわちＮ×ｄに等しい。Ｎ×ｄは、アンテナアレイ１１０の実効開口数Ｄである。ＣＷ測位システム１００等の撮像システムの分解能についての従来のレイリーリミットは、長さの実効開口数Ｄによって達成される角度分解能がλ／Ｄに比例することを示している。この角度分解能は、アンテナアレイ１１０の利得パターンのローブのビーム幅に対応する。（利得パターンは放射強度に比例することに留意されたい。）このローブは、通例、最大振幅を有するので、通例、利得パターンの中心ローブすなわちメインローブであり、小さな断面積を有する物体の位置を求めることを可能にする。利得パターンにおける各ローブのビーム幅は、角度θ１１８が９０度に等しい場合、すなわち、アンテナアレイ１１０の側面である場合に最小となる。角度θ１１８が０度又は１８０度に近づくにつれて、ビーム幅、及び、各ローブに対応する角度分解能は増加する。

アンテナアレイ１１０の実効開口値Ｄと角度分解能との間の逆相関関係は、図２に示す既存の離散フーリエ変換２００との類推によって理解することができる。信号の複数の時間サンプル２１８は、時間２１２の関数としての大きさ２１０として示されている。最初の時間サンプル２１４及び最後の時間サンプル２１６により、時間間隔２２０を規定する。サンプル２１８の離散フーリエ変換２００の周波数分解能は、時間間隔２２０と逆相関関係を有する。

図１を再び参照すると、異なる送信素子１１２に印加された送信信号の位相若しくは相対タイミング及び／又は振幅は、利得パターンのメインローブを電子的に操縦し、それによって角度θ１１８を変化させるのに使用することができる。このような電子的操縦は、時間領域信号の振幅変調に類似している。電子的操縦を、ビーム１１４＿２及び物体１１６＿２によって図１に示す。しかしながら、電子的操縦にはいくつかの欠点がある。特に、送信信号について正確なタイミング要件があり、角度分解能は、角度θ１１８が０度又は１８０度に近づくにつれて増加する。これらの課題に取り組むことは、コストを重視する用途では、電子的操縦をより一層望ましくないものとする。

図２に示す離散フーリエ変換２００を用いた類推によって留意されるように、アンテナアレイ１１０の離散した送信素子１１２は、利得パターンの有効な空間サンプリングも行う。アンテナアレイ１１０のナイキスト基準は、間隔ｄ１２０が、半波長λ／２以下であること、すなわちｄ≦λ／２であることである。ｄ＞λ／２の場合、利得パターンは、オーバ仕様（over specified）となり、アンテナアレイ１１０の可視領域を超えて繰り返す。角度θ１１８が９０度に等しく、且つ、ｄ＞λである場合、これは、グレーティングローブ又は縞模様を引き起こす。角度θ１１８が０度又は１８０度に等しい場合、対応する基準はｄ＞λ／２となる。グレーティングローブは、基本的には、サンプリングプロセスで生成されたスペクトル画像である。

グレーティングローブは、非常に狭く、非常に小さな角度分解能を可能にする。ただし、後述するように、グレーティングローブに関しては方向の不明確さが存在する。その結果、ＣＷビーム１１４の場合、λ／２に等しい間隔ｄ１２０を有するアンテナアレイ１１０は、最大の指向性、すなわち最小の分解可能な角度分解能、を達成する。ｄ＞λ／２を有するアンテナアレイは、少素子アンテナアレイと呼ばれる。

図３は、間隔ｄ３１４がλ／４に等しい２つの送信素子３１２を有するアンテナアレイ３１０を備える既存の測位システム３００を示している。アンテナアレイ３１０の実効開口数Ｎは、送信素子３１２間の間隔ｄ３１４と同じである。送信アレイ３１０は、利得パターン３１８を有する。ナイキスト基準と一致して、利得パターン３１８には、グレーティングローブが存在しない。システム３００の検出エリア内の物体３１６の場合、利得パターン３１８は、物体３１６の位置を求めることを可能にする、角度３２２を含む角度分解能３２０を有する。

図４は、間隔ｄ４１４が４λに等しい２つの送信素子４１２を有するアンテナアレイ４１０を備える測位システム４００を示している。間隔ｄ４１４は、ナイキスト基準に違反しており、複数のグレーティングローブを有する利得パターン４１８を生じる。各グレーティングローブのビーム幅は、各ローブが送信素子４１２との同一直線上に近づくにつれて増加する。これは、角度θ１１８（図１）を０度又は１８０度に近づかせることに相当する。グレーティングローブは、物体４１６の位置の小さな角度分解能（角度４２２等）を可能にするが、ＣＷ信号の場合、アンテナアレイ４１０は、信号４２０＿２を、利得パターン４１８における他のグレーティングローブに対応する他の信号４２０と区別することができない。その結果、物体４１６の位置に移動方向の不明確さが生じる。

図５は、ナイキスト基準に違反する間隔ｄ４１４（４λに等しい）を有する２つの送信素子５１２を有する少素子アンテナアレイ５１０を含む測位システム５００の一実施形態を示している。測位システム５００は、少なくとも一組のパルスを送信素子５１２からほぼ同時に送信することによって、物体４１６の位置の移動方向の不明確さを解決する。送信素子５１２は、それぞれ、一組のパルスにおける少なくとも１つのパルスを送信するように構成されている。各パルスは、各搬送波信号周波数を有し、波長λは、２つの送信素子５１２からの送信パルスの各搬送波信号周波数の平均に対応する。

送信素子５１２によって送信されたパルスに対応するパルスの到達時間を、少なくとも１つの受信素子（図示せず）を使用して解析することにより、利得パターン４１８における適切なグレーティングローブに対応する信号４２０＿２、すなわち、物体４１６に対応する信号４２０＿２を決定することができる。詳細には、到達時間（ＴｏＡ）は、
ＴｏＡ＝２ｒ／ｃ
となる。ここで、ｒは、送信素子５１２＿１等の各送信素子からの間隔であり、ｃは、電磁信号の伝播速度である。電磁信号の伝播速度ｃは、真空では約３．０＊１０^８ｍ／ｓであることが分かっている。通常の大気条件では、電磁信号の伝播速度は、この値から３００ｐｐｍ（百万分の１）未満の値だけずれる。高度及び他の環境因子についての情報を使用することによって、測位システム５００の環境における電磁信号の伝播速度を１００ｐｐｍ以内まで求めることができる。したがって、パルスの到達時間を解析することによって、送信素子５１２から物体５１６までの間隔又は距離を求めることが可能になり、したがって、利得パターン４１８における適切なグレーティングローブを求めることが可能になる。いくつかの実施形態では、間隔又は距離は、パルスの１つの到達時間を使用して求められる。

測位システム５００は、低コストのアンテナアレイ５１０による小さな角度分解能を有する。アンテナアレイ１１０（図１）等のＣＷアンテナアレイでは、匹敵する角度分解能を達成するのに、より多くの送信素子１１２（図１）を必要とし、それに応じて複雑さ及び費用も増大する。測位システム５００は２つの送信素子５１２を備えているが、他の実施形態では、半波長λ／２よりも大きな間隔ｄ４１４だけ隔てられている少なくとも２つの送信素子５１２を含む複数の送信素子を備えることができる。

アンテナアレイ５１０と物体４１６との間の距離情報及び角度情報を組み合わせることによって、アンテナアレイ５１０の位置を求めることが可能になる。通常、測位システム５００は、１ｃｍの分解能又はこれよりも良好な分解能で位置を確立する即ち求めることができる。これを、測位システム１１００の図１１に示す。物体４１６（図５）等である１又は複数の物体は、（１又は複数のリターンパルスの到達時間から求められた）距離ｒ_１、ｒ_２、ｒ_３、及びｒ_４によって規定される距離ビン１１１０並びに角度１１１２、１１１４、１１１６、及び１１１８によって規定される角度ビン１１２０に存在する。例示的な一実施形態では、アンテナアレイ５１０（図５）等の１又は複数のアンテナアレイを含むデバイス１１０８の位置は、１ｃｍの精度又はそれよりも良好な精度で求めることができる。

図６は、少素子アンテナアレイ６１０を有する測位システム６００の一実施形態を示している。アンテナアレイ６１０は、少なくとも１つの受信素子６１４と、半波長λ／２よりも大きな間隔ｄ（図示せず）だけ隔てられている少なくとも２つの送信素子６１２＿１及び６１２＿２を含む複数の送信素子６１２とを含む。アンテナアレイ６１０は、少なくとも一組の電磁パルス６１６をほぼ同時に送信するように構成されている。少なくとも２つの送信素子６１２＿１及び６１２＿２のそれぞれは、一組のパルス６１６における１つのパルス（６１６＿１又は６１６＿２）を送信するように構成されている。各パルス（６１６＿１及び６１６＿２）は、各搬送波信号周波数を有し、波長λは、少なくとも２つの送信素子６１２＿１及び６１２＿２からの送信パルス６１６＿１及び６１６＿２の各搬送波信号周波数の平均に対応する。

受信機６１４は、或る期間にわたってリターン信号６２０を受信するように構成されている。リターン信号６２０は、測位システム６００の検出エリア内の物体６１８からの少なくとも第１のリターンパルス６２２＿１及び第２のリターンパルス６２２＿２を含む。第１のリターンパルス６２２＿１は、送信素子６１２＿１からの送信パルス６１６＿１に対応し、第２のリターンパルス６２２＿２は、送信素子６１２＿２からの送信パルス６１６＿２に対応する。

測位システム６００の検出器（図示せず）は、第１のリターンパルス６２２＿１及び第２のリターンパルス６２２＿２を分離するようにリターン信号６２０を処理し、それによって、測位システム６００に対する物体６１８の位置を求めるように構成されている。この検出器は、少なくとも２つの送信素子６１２＿１と６１２＿２との間の間隔ｄに従って物体６１８の角度位置を求めるための角度分解能ロジックと、受信機６１４における第１のリターンパルス６２２＿１の到達時間と第２のリターンパルス６２２＿２の到達時間との差に従って物体６１８の方向を求めるための方向分解能ロジックとを含む。

測位システム６００のいくつかの実施形態では、少なくとも２つの送信素子６１２＿１及び６１２＿２のそれぞれのパルス６１６＿１及び６１６＿２は、異なって符号化される。測位システム６００のいくつかの実施形態では、少なくとも２つの送信素子６１２＿１及び６１２＿２のそれぞれのパルス６１６＿１及び６１６＿２は、異なる搬送波信号位相を有する。測位システム６００のいくつかの実施形態では、少なくとも２つの送信素子６１２＿１及び６１２＿２のそれぞれのパルス６１６＿１及び６１６＿２は、異なる搬送波信号周波数を有する。測位システム６００のいくつかの実施形態では、パルス６１６は、送信素子６１２の異なる利得プロファイルによって区別することができ、それによって、リターン信号６２０のリターンパルス６２２の振幅を変更することができる。

測位システム６００のいくつかの実施形態では、送信素子６１２は無指向性である。測位システム６００のいくつかの実施形態では、少なくとも２つの送信素子６１２のそれぞれからの送信パルス６１６は、偏波を有し、受信機６１４は、当該偏波を有するリターン信号６２０を優先的に受信する。偏波には、直線偏波、楕円偏波、右旋楕円偏波、左旋楕円偏波、右旋円偏波、及び左旋円偏波が含まれる。
測位システム６００のいくつかの実施形態では、物体６１８は受動リフレクタである。測位システム６００のいくつかの実施形態では、物体６１８は能動ランドマークである。能動ランドマークは、アンテナアレイ６１０によって送信された１又は複数のパルス６１６に対応するリターンパルスを送信する。

測位システム６００のいくつかの実施形態では、アンテナアレイ６１０は、最初の２つの送信素子６１２＿１及び６１２＿２と同一直線上にない第３の送信素子６１２＿３を含む。第３の送信素子６１２＿３は、各搬送波信号周波数を有するパルス６１６＿３を送信するように構成されている。測位システム６００のいくつかの実施形態では、アンテナアレイ６１０は、他の送信素子６１２＿１、６１２＿２、及び６１２＿３と同一平面上にない第４の送信素子６１２＿４を含む。第４の送信素子６１２＿４は、各搬送波信号周波数を有するパルス６１６＿４を送信するように構成されている。測位システム６００の例示的な一実施形態では、送信素子６１２は四面体に配置される。測位システム６００の他の実施形態では、追加の送信素子６１２、及び／又は、受信機６１４等の追加の受信機は、アンテナアレイ６１０に含まれる。

同一直線上にない第３の送信素子６１２＿３及び／又は同一平面上にない第４の送信素子６１２＿４により、３次元において物体６１８に対する角度を求めることが可能になる。たとえば、同一直線上にない３つの送信素子６１２の位置が知られている場合、物体６１８から送信素子６１２のそれぞれまでの距離の知識から物体６１８の位置を明確に求めることが可能である。或いは、送信素子６１２が同一平面上にない場合、既知の位置を有する４つの送信素子６１２を使用することによって、物体６１８から送信素子６１２のそれぞれまでの距離の情報から、物体６１８の位置を明確に求めることが可能になる。１又は複数の距離に基づいて位置を求めるためのアルゴリズムは、当業者に既知である。これについては、たとえば、Proceedings of the 32nd Annual Symposium on Foundations of Computer Science (1991, San Juan, Puerto Rico)の第４４１〜４２３ページのH. Edelsbruneer及びT. S. Tan著「Quadratic time algorithm for the minmax length triangulation」を参照されたい。この文献は、その全体が参照により本明細書に援用される。
各搬送波信号周波数及び対応する波長は、無線周波数帯、極超短波帯、超短波帯、又はマイクロ波周波数帯とすることができる。

１つの送信素子及び半波長λ／２よりも大きな間隔ｄだけ隔てられている少なくとも２つの受信素子を有する一実施形態も、測位システムとして実施することができる。これを図７の測位システム７００の実施形態に示す。アンテナアレイ７１０は、搬送信号周波数及び波長λを有する少なくとも１つの電磁パルス７１６を送信する送信素子７１２を有する。アンテナアレイ７１０は、半波長λ／２よりも大きな間隔ｄ（図示せず）だけ隔てられている少なくとも２つの受信素子７１４＿１及び７１４＿２を含む複数の受信素子７１４を有する。少なくとも２つの受信素子７１４＿１及び７１４＿２のそれぞれは、或る期間にわたってリターン信号７２０＿１及び７２０＿２を受信するように構成されている。リターン信号７２０＿１及び７２０＿２は、測位システム７００の検出エリア内の物体７１８からのリターンパルスを含む。

測位システム７００の検出器（図示せず）は、少なくとも２つの受信素子７１４＿１及び７１４＿２のそれぞれで受信されたリターンパルスを分離するように一方の受信素子７１４＿１からのリターン信号７２０＿１及び他方の受信素子７２０＿２からのリターン信号７２０＿２を処理し、それによって、測位システム７００に対する物体７１８の位置を求めるように構成されている。この検出器は、少なくとも２つの受信素子７１４＿１と７１４＿２との間の間隔ｄに基づいて物体７１８の角度位置を求めるための角度分解能ロジックと、受信素子７１４＿１における第１のリターンパルスの到達時間と受信素子７１４＿２における第２のリターンパルスの到達時間との差に基づいて物体７１８の方向を求めるための方向分解能ロジックとを含む。物体７１８までの間隔すなわち距離は、１又は複数のリターンパルスの到達時間に基づいて求めることもできる。

測位システム７００のいくつかの実施形態では、送信素子７１２は無指向性である。測位システム７００のいくつかの実施形態では、送信素子７１２からの１又は複数の送信パルス７１６は、偏波を有し、受信機７１４は、当該偏波を有するリターン信号７２０を優先的に受信する。偏波には、直線偏波、楕円偏波、右旋楕円偏波、左旋楕円偏波、右旋円偏波、及び左旋円偏波が含まれる。
測位システム７００のいくつかの実施形態では、物体７１８は受動リフレクタである。測位システム７００のいくつかの実施形態では、物体７１８は能動ランドマークである。

測位システム７００のいくつかの実施形態では、アンテナアレイ７１０は、最初の２つの受信素子７１４＿１及び７１４＿２と同一直線上にない第３の受信素子７１４＿３を含む。第３の受信素子７１４＿３は、搬送波信号周波数を有するパルスを含む信号７２０＿３を受信するように構成されている。測位システム７００のいくつかの実施形態では、アンテナアレイ７１０は、他の受信素子７１４＿１、７１４＿２、及び７１４＿３と同一平面上にない第４の受信素子７１７＿４を含む。第４の送信素子７１４＿４は、搬送波信号周波数を有するパルスを含む信号７２０＿４を受信するように構成されている。測位システム７００の例示的な一実施形態では、受信素子７１４は四面体に配置される。測位システム７００の他の実施形態では、送信素子７１２等の追加の送信素子、及び／又は、追加の受信機７１４は、アンテナアレイ７１０に含まれる。

測位システム６００について前述したように、同一直線上にない第３の受信素子７１４＿３及び／又は同一平面上にない第４の受信素子７１４＿４により、３次元において物体７１８に対する角度を求めることが可能になる。

図８は、本測位システムの実施形態６００及び７００での使用に適した検出器８００の一実施形態を示している。検出器８００は、フロントエンド回路８１２及び１又は複数の信号を変更するための信号プロセッサ８１４を含む。この信号の変更は、変調符号の増幅、フィルタリング、及び／又は除去を含むことができる。検出器８００は、１又は複数の処理ユニット（ＣＰＵ）８１６、１次記憶及び２次記憶を有するメモリデバイス８１８、並びにこれらのコンポーネント（素子）を接続するための１又は複数の通信バス８１０を含む。代替的な実施形態では、検出器８００の機能の一部又は全部は、１又は複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）で実施することができ、それによって、処理ユニット８１６の必要性をなくすことができるか、又は処理ユニット８１６の役割を削減することができる。メモリデバイス８１８は、高速ランダムアクセスメモリを含むことができ、また、１又は複数の磁気ディスクストレージデバイス等の不揮発性メモリも含むことができる。メモリデバイス８１８は、処理ユニット８１６から遠隔に配置された大容量記憶装置を含むことができる。

メモリデバイス８１８は、ハードウェア依存タスクを実行するためのさまざまな基本システムサービスをハンドリングするプロシージャを含んだオペレーティングシステム８２０を記憶している。また、メモリデバイス８１８は、１又は複数のプログラムモジュール８２２も記憶している。プログラムモジュール８２２は、測位システム６００及び７００等の測位システムの検出エリア内の１又は複数の物体の位置を求める位置決定モジュール８２４を含む。位置決定モジュール８２４は、角度分解能モジュール８２６、方向分解能モジュール８２８、及び距離決定モジュール８３０を含む。方向分解能モジュール８２８は、物体に対応する、利得パターンの適切なグレーティングローブを決定する。

メモリデバイス８１８のモジュールは、処理ユニット８１６によって実行される。加えて、検出器８００は、実行可能プロシージャ、サブモジュール、テーブル、及び他のデータ構造体（図示せず）を含むことができる。いくつかの実施形態では、追加のモジュール及びデータ構造体、又は、異なるモジュール及びデータ構造体を使用することができ、上記に列挙したモジュール及び／又はデータ構造体のいくつかは、使用されない場合がある。いくつかの実施形態では、当該技術分野で知られているように、検出器８００の能力は、ハードウェアにおける実施を多くして、ソフトウェアにおける実施を少なくすることもできるし、ハードウェアにおける実施を少なくして、ソフトウェアにおける実施を多くすることもできる。

図９は、少素子アンテナアレイを有する測位システムの一実施形態で実行されるオペレーションのフローチャートである。開始（ステップ９１０）の後、少なくとも一組の電磁パルスが、複数の位置からほぼ同時に送信される（ステップ９１２）。この複数の位置は、半波長λ／２よりも大きな間隔ｄだけ隔てられている少なくとも２つの送信位置を含む。波長λは、一組のパルスにおけるパルスの各搬送波信号周波数の平均に対応する。

リターン信号が、所定の期間にわたって受信される（ステップ９１４）。リターン信号は、システムの検出エリア内の物体からの少なくとも第１のリターンパルス及び第２のリターンパルスを含む。第１のリターンパルスは、一組のパルスにおける或る送信パルスに対応し、第２のリターンパルスは、一組の送信パルスにおける別の送信パルスに対応する。リターン信号は、第１のリターンパルスと第２のリターンパルスとが分離される（ステップ９１６）ように、処理される。物体の角度分解能及び方向分解能を含む位置が求められ（ステップ８１８）、そしてこのプロシージャは終了する（ステップ９２０）。いくつかの実施形態では、間隔又は距離は、１又は複数のリターンパルスの到達時間に基づいて求められる。角度分解能は、少なくとも２つの送信位置の間の間隔ｄに従って求められ、方向分解能は、第１のリターンパルスの到達時間と第２のリターンパルスの到達時間との差に従って求められる。

図１０は、少素子アンテナアレイを有する測位システムの一実施形態で実行されるオペレーションのフローチャートである。開始（ステップ１０１０）の後、少なくとも１つの電磁パルスが送信される（ステップ１０１２）。このパルスは、搬送波信号周波数及び波長λを有する。リターン信号が、複数の位置において或る期間にわたり受信される（ステップ１０１４）。この複数の位置は、半波長λ／２よりも大きな間隔ｄだけ隔てられている少なくとも２つの受信位置を含む。リターン信号は、システムの検出エリア内の物体からのリターンパルスを含む。

リターン信号は、少なくとも２つの受信位置のそれぞれで受信されたリターン信号からリターンパルスを分離する（ステップ１０１６）ように、処理される。物体の角度分解能及び方向分解能を含む位置が求められ（ステップ１０１８）、このプロシージャは終了する（ステップ１０２０）。いくつかの実施形態では、間隔又は距離は、１又は複数のリターンパルスの到達時間に基づいて求められる。角度分解能は、少なくとも２つの受信位置の間の間隔ｄに従って求められ、方向分解能は、受信位置におけるリターンパルスの到達時間の差に従って求められる。

いくつかの実施形態では、測位システムに対する物体の位置を求める方法は、半波長より大きな間隔だけ隔てられている少なくとも２つの送信位置を含む複数の位置から少なくとも一組の電磁パルスをほぼ同時に送信すること、及び或る期間にわたってリターン信号を受信することを含む。波長は、一組のパルスにおけるパルスの各搬送波信号周波数の平均に対応する。リターン信号は、システムの検出エリア内の物体からの少なくとも第１のリターンパルス及び第２のリターンパルスを含む。第１のリターンパルスは、一組のパルスにおける或る送信パルスに対応し、第２のリターンパルスは、一組のパルスにおける別の送信パルスに対応する。この方法は、第１のリターンパルス及び第２のリターンパルスを分離するようにリターン信号を処理すること、及び物体の角度分解能及び方向分解能を有する位置を求めることをさらに含む。角度分解能は、少なくとも２つの送信位置の間の間隔に従って求められ、方向分解能は、第１のリターンパルスの到達時間と第２のリターンパルスの到達時間との差に従って求められる。

少なくとも２つの送信位置からの送信パルスは、異なって符号化することができる。少なくとも２つの送信位置からの送信パルスは、異なる搬送波信号位相を有することができる。少なくとも２つの送信位置からの送信パルスは、異なる搬送波信号周波数を有することができる。
少なくとも２つの送信パルスの送信は、無指向性とすることができる。少なくとも２つの送信パルスは、偏波を有することができ、受信は、この偏波を有するリターン信号を優先的に受信する。
偏波は、直線偏波、楕円偏波、右旋楕円偏波、左旋楕円偏波、右旋円偏波、及び／又は左旋円偏波から選択することができる。
いくつかの実施形態では、物体は受動リフレクタとすることができる。いくつかの実施形態では、物体は能動ランドマークとすることができる。

本方法は、最初の２つの送信位置と同一直線上にない第３の送信位置から各搬送波周波数を有する第３のパルスを送信するステップをさらに含むことができる。
本方法は、他の送信位置と同一平面上にない第４の送信位置から各搬送波周波数を有する第４のパルスを送信するステップをさらに含むことができる。

別の実施形態では、測位システムに対する物体の位置を求める方法は、搬送波信号周波数を有する少なくとも１つの電磁パルスを送信するステップ、及び半波長よりも大きな間隔だけ隔てられている少なくとも２つの受信位置を含む複数の位置において或る期間にわたりリターン信号を受信するステップを含む。リターン信号は、システムの検出エリア内の物体からのリターンパルスを含み、波長は、送信パルスの搬送波信号周波数に対応する。本方法は、少なくとも２つの受信位置のそれぞれによって受信されたリターン信号からリターンパルスを分離するようにリターン信号を処理するステップ、及び物体の角度分解能及び方向分解能を有する位置を求めるステップをさらに含む。角度分解能は、少なくとも２つの受信位置の間の間隔に従って求められ、方向分解能は、受信位置におけるリターンパルスの到達時間の差に従って求められる。

送信パルスの送信は、無指向性とすることができる。
送信パルスは、偏波を有することができ、受信は、この偏波を有するリターン信号を優先的に受信することができる。偏波は、直線偏波、楕円偏波、右旋楕円偏波、左旋楕円偏波、右旋円偏波、及び／又は左旋円偏波から選択することができる。
いくつかの実施形態では、物体は受動リフレクタとすることができる。いくつかの実施形態では、物体は能動ランドマークとすることができる。

本方法は、最初の２つの受信位置と同一直線上にない第３の受信位置でリターン信号を受信するステップをさらに含むことができる。
本方法は、他の受信位置と同一平面上にない第４の受信位置でリターン信号を受信するステップをさらに含むことができる。

上記の説明は、説明のためのものであり、具体的な用語を使用して本発明の徹底した理解を提供している。しかしながら、これらの具体的な詳細は、本発明を実施するために必要とされないことが当業者には明らかであろう。実施形態は、本発明の原理及びその実用的な用途を最も良く説明し、それによって、他の当業者が、本発明及びさまざまな変更を有するさまざまな実施形態を、検討した特定の使用に適するように最も良く利用することを可能にするために選ばれて説明されたものである。したがって、上記開示は、網羅的であることを目的とするものでもなければ、開示した正確な形に本発明を限定することを目的とするものでもない。上記教示を鑑みて多くの変更及び変形が可能である。
本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって規定されるものである。

従来技術のアンテナアレイを示す図である。 従来技術の離散フーリエ変換のサンプルを示す図である。 従来技術のアンテナアレイを示す図である。 少素子アンテナアレイを有する測位システムを示す図である。 少素子アンテナアレイを有する測位システムの一実施形態を示す図である。 少素子アンテナアレイを有する測位システムの一実施形態を示す図である。 少素子アンテナアレイを有する測位システムの一実施形態を示す図である。 少素子アンテナアレイを有する測位システムの一実施形態における通常の構成要素の図である。 少素子アンテナアレイを有する測位システムの一実施形態で実行される動作のフローチャートである。 少素子アンテナアレイを有する測位システムの一実施形態で実行される処理のフローチャートである。 １又は複数の物体を基準とした１又は複数のアンテナアレイの位置に対応する距離ビン及び角度ビンを示す図である。

Claims (19)

1. 測位システムであって、
   半波長よりも大きな間隔だけ隔てられていると共に、少なくとも一組の電磁パルスをほぼ同時に送信するように構成されている少なくとも２つの送信素子を含む複数の送信素子を有するアンテナアレイであって、前記少なくとも２つの送信素子のそれぞれは、前記一組のパルスにおける１つのパルスを送信するように構成され、各パルスは、それぞれの搬送波信号周波数を有し、前記波長は、前記少なくとも２つの送信素子からの送信パルスの前記それぞれの搬送波信号周波数の平均に対応する、アンテナアレイと、
   或る期間にわたってリターン信号を受信するように構成されている受信機であって、該リターン信号は、該システムの検出エリア内の物体からの少なくとも第１のリターンパルス及び第２のリターンパルスを含み、該第１のリターンパルスは、前記少なくとも２つの送信素子の一方からの前記送信パルスに対応し、該第２のリターンパルスは、前記少なくとも２つの送信素子の他方からの前記送信パルスに対応する、受信機と、
   前記第１のリターンパルスと前記第２のリターンパルスとを分離するように前記リターン信号を処理して、該システムに対する前記物体の位置を求めるように構成されている検出器であって、前記少なくとも２つの送信素子間の間隔に従って前記物体の角度位置を求めるための角度分解能ロジック（angular resolution logic）と、前記受信機における前記第１のリターンパルスの到達時間と前記第２のリターンパルスの到達時間との差に従って前記物体の方向を求めるための方向分解能ロジック（directional resolution logic）とを備えた検出器と
   からなることを特徴とする測位システム。
2. 請求項１記載の測位システムにおいて、前記少なくとも２つの送信素子のそれぞれからの前記パルスは、異なって符号化されることを特徴とする測位システム。
3. 請求項１記載の測位システムにおいて、前記少なくとも２つの送信素子のそれぞれからの前記パルスは、異なる搬送波信号位相を有することを特徴とする測位システム。
4. 請求項１記載の測位システムにおいて、前記少なくとも２つの送信素子のそれぞれからの前記パルスは、異なる搬送波信号周波数を有することを特徴とする測位システム。
5. 請求項１記載の測位システムにおいて、前記送信素子は無指向性であることを特徴とする測位システム。
6. 請求項１記載の測位システムにおいて、前記少なくとも２つの送信素子のそれぞれからの前記送信パルスは偏波（polarization）を有し、前記受信機は該偏波を有するリターン信号を優先的に受信するよう構成されていることを特徴とする測位システム。
7. 請求項６記載の測位システムにおいて、前記偏波は、直線偏波、楕円偏波、右旋楕円偏波、左旋楕円偏波、右旋円偏波、及び左旋円偏波から成る群から選択されることを特徴とする測位システム。
8. 請求項１記載の測位システムにおいて、前記物体は受動リフレクタであることを特徴とする測位システム。
9. 請求項１記載の測位システムにおいて、前記物体は能動ランドマークであることを特徴とする測位システム。
10. 請求項１記載の測位システムにおいて、前記２つの送信素子と同一直線上にない第３の送信素子をさらに備え、該第３の送信素子は、それぞれの搬送波信号周波数を有するパルスを送信するように構成されていることを特徴とする測位システム。
11. 請求項１０記載の測位システムにおいて、他の送信素子と同一平面上にない第４の送信素子をさらに備え、該第４の送信素子は、それぞれの搬送波信号周波数を有するパルスを送信するように構成されていることを特徴とする測位システム。
12. 測位システムであって、
    搬送波信号周波数を有する少なくとも１つの電磁パルスを送信するように構成されている送信素子と、
    半波長よりも大きな間隔だけ隔てられている少なくとも２つの受信素子を含む複数の受信素子を有するアンテナアレイであって、前記少なくとも２つの受信素子のそれぞれは、或る期間にわたってリターン信号を受信するように構成され、該リターン信号は、該システムの検出エリア内の物体からのリターンパルスを含み、前記波長は、前記送信パルスの前記搬送波信号周波数に対応する、アンテナアレイと、
    前記少なくとも２つの受信素子のそれぞれで受信された前記リターンパルスを分離するように、前記少なくとも２つの受信素子の一方及び前記少なくとも２つの受信素子の他方からの前記リターン信号を処理して、該システムに対する前記物体の位置を求めるように構成されている検出器であって、前記少なくとも２つの受信素子間の間隔に従って前記物体の角度位置を求めるための角度分解能ロジックと、前記受信素子における前記第１のリターンパルスの到達時間と前記第２のリターンパルスの到達時間との差に従って前記物体の方向を求めるための方向分解能ロジックとを備えた検出器と
    からなることを特徴とする測位システム。
13. 請求項１２記載の測位システムにおいて、前記送信素子は無指向性であることを特徴とする測位システム。
14. 請求項１２記載の測位システムにおいて、前記送信パルスは、偏波を有し、前記少なくとも２つの受信素子のそれぞれは、該偏波を有するリターン信号を優先的に受信するよう構成されていることを特徴とする測位システム。
15. 請求項１４記載の測位システムにおいて、前記偏波は、直線偏波、楕円偏波、右旋楕円偏波、左旋楕円偏波、右旋円偏波、及び左旋円偏波から成る群から選択されることを特徴とする測位システム。
16. 請求項１２記載の測位システムにおいて、前記物体は受動リフレクタであることを特徴とする測位システム。
17. 請求項１２記載の測位システムにおいて、前記物体は能動ランドマークであることを特徴とする測位システム。
18. 請求項１２記載の測位システムにおいて、前記２つの受信素子と同一直線上にない第３の受信素子をさらに備えることを特徴とする測位システム。
19. 請求項１８記載の測位システムにおいて、他の受信素子と同一平面上にない第４の受信素子をさらに備えることを特徴とする測位システム。

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