JPH10134213A

JPH10134213A - 自動料金収受システム

Info

Publication number: JPH10134213A
Application number: JP8286283A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Kuwabara; 義彦桑原
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-10-29
Filing date: 1996-10-29
Publication date: 1998-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】システムの複雑化を招くことなくかつ道路管
理者や利用者により多くのコストを強いることなく、自
動料金収受の信頼性を確保可能な自動料金収受システム
を提供する。【解決手段】車両検知器１は車両が料金所の所定位置
を通過して料金所に進入することを検知すると、システ
ムトリガを発生して無線通信装置２を起動する。無線通
信装置２はシステムトリガが入力されると、無線通信装
置６との間の無線通信を開始し、無線通信装置２，６間
で予め定められた通信プロトコルにしたがって料金収受
のための通信が行われる。方位測定装置３は無線通信装
置６の送信する無線信号を受信し、無線通信装置６を搭
載する車両の方位測定を行う。判定回路４は方位測定装
置３の方位測定結果に基づいて信号機５を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自動料金収受システ
ムに関し、特に有料道路を通行する車両から料金を徴収
するための自動料金収受システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の自動料金収受システムに
おいては、車両に無線通信装置とＩＣカード等の電子支
払手段とを搭載し、有料道路の料金所に車両の無線通信
装置と交信するための無線通信装置を備えている。この
場合、有料道路の利用料金の収受は車両及び料金所各々
の無線通信装置間で交信することによって行われ、利用
料金は車両の電子支払手段から引落とされる。

【０００３】上記の料金所で車両を停止させることな
く、有料道路の利用料金を収受することで渋滞の解消に
よる省エネルギ効果や利用者の利便、及び道路管理者の
省人化等の優れた効果が得られる。わが国では最初に、
従来の料金所に自動料金収受の専用レーンまたは一般車
両との混在レーンを設定し、料金所を通過する車両と料
金所との無線通信によって料金収受を通過車両の運転者
と接触することなく行うシステムが導入されている。

【０００４】このシステムの動作を図１０を用いて説明
する。進入車両７が車両検知器１の間を通過すると、自
動料金収受のための通信が起動され、道路側の無線通信
用空中線２１から通過車両７に搭載された無線通信装置
１２に向けて信号が送信され、料金収受のための通信が
開始される。

【０００５】通常、自動料金収受に対応できない車両が
自動料金収受の専用レーンまたは一般車両との混在レー
ンに進入すると、車両検知器１が車両の通過を検出した
にもかかわらず、その車両７との通信が行われないの
で、システムは信号機５に車両７を停止させる信号を表
示する。

【０００６】料金所が有料道路の入口にあれば発券機１
３によって通行権を発券し、料金所が有料道路の出口に
あればブース１４の係員が利用料金を徴収する。その
際、停止の指示に従わない違法車両はカメラ１５によっ
て車両ナンバ及び運転者を撮影し、その利用料金を後日
請求する手続きをとるようになっている。

【０００７】ところで、車両に搭載された無線通信装置
の空中線は取付け位置や車両の形状等によってその指向
特性が著しく変化するので、通信の覆域に余裕をとって
設計しているため、通信可能領域Ａは本来の通信設定領
域Ｂに比べて相当広くなる。

【０００８】交通量の多い有料道路では自動料金収受シ
ステムの導入をもってしても料金所前には渋滞が発生
し、図１１に示すように、自動料金収受に対応できない
車両８に続いて自動料金収受に対応可能な車両７が連続
して進入することは十分予測することができる。

【０００９】この場合、自動料金収受に対応できない車
両８によって自動料金収受の通信が開始されるが、自動
料金収受に対応可能な車両７が通信可能領域Ａに入って
くると、後から進入した車両７との間で通信が成立し、
自動料金収受に対応できない車両８はあたかも自動料金
収受の手続きがとられた判断される。その後、自動料金
収受に対応可能な車両７が車両検知器１を通過すると、
自動料金収受に対応可能な車両７との通信が先の通信に
重複して行われることとなる。

【００１０】したがって、有料道路の出口では自動料金
収受に対応できない車両８が料金未徴収となり、自動料
金収受に対応可能な車両７が料金の二重徴収となるた
め、利用料金の徴収を正しく行うことができない。

【００１１】このため、上記のような自動料金収受シス
テムでは交信車両の位置を検出し、通信設定域を通過中
の車両と正しく通信されているか否かを把握することが
必要不可欠となる。

【００１２】この問題を解決するために、料金未払いの
車両と支払済みの車両とを識別するために、通信中の車
両の位置測定を可能とした自動料金システムが特開平７
−６２３６号公報に開示されている。

【００１３】このシステムでは、図１２に示すように、
通常の通信装置（赤外線通信装置ＩＲＫ及びＩＲビーコ
ンヘッドＩＲＢ）及び通常のビデオ装置ＮＶに加え、料
金所には全車両ＦＺ１，ＦＺ２，ＦＺ３の位置を捕捉す
るレーダ装置ＲＤ及び赤外線ビデオ装置ＩＶＲが、車両
ＦＺ１には赤外線信号発生装置（図示せず）が追加され
ている。

【００１４】上記のシステムでは料金収受通信が終了す
ると同時に、車両ＦＺ１から赤外線信号ＯＳが送信さ
れ、赤外線ビデオ装置ＩＶＲによって車両位置が検出さ
れる。レーダ装置ＲＤによって全車両ＦＺ１，ＦＺ２，
ＦＺ３の位置は捕捉されているので、赤外線ビデオとレ
ーダ情報とを制御−評価装置ＳＡＥの相関装置ＣＯＲで
照合することによって、料金未払い車両ＦＺ２が識別さ
れる。

【００１５】このシステムは上述した自動料金収受シス
テムの通信装置に加えてレーダ装置ＲＤと赤外線通信装
置ＩＲＫとが必要となり、システムが複雑化するととも
に、道路管理者や利用者がより多くのコストを負担しな
ければならない。

【００１６】また、このシステムでは無線通信の他に赤
外線通信で自動料金収受を行う構成とすることも可能で
ある。その構成を採用すれば、車両に搭載する通信装置
のハードウェアが共通化できるので、利用者のコスト負
担は若干軽減される。しかしながら、わが国においては
既に無線通信によって自動料金収受を行う方式の採用が
決定されており、赤外線通信を用いるシステムをも合わ
せて採用すると、上記の如く、道路管理者や利用者がよ
り多くのコストを負担しなければならない。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の自動料
金収受システムでは、無線通信の信頼性を向上させるた
めに通信覆域をマージンをもって設定せざるを得ず、自
動料金収受の無線通信が車両の自動料金収受への対応如
何にかかわらず、単に車両が車両検知器を通過すること
で起動され、通信覆域内にある対応車両全てと無線通信
可能となるため、自動料金収受に対応できる車両と自動
料金収受に対応できない車両との識別が困難である。

【００１８】また、自動料金収受に対応できない車両ま
たは違法車両に連続して自動料金収受に対応できる車両
が自動料金収受レーンに進入すると、システムが正しく
動作しないことがあり、正しい料金徴収を行うことがで
きない。

【００１９】この問題を解決するために、通常の通信装
置に加え、料金所に全車両の位置を捕捉するレーダ装置
及び赤外線ビデオ装置を、車両に赤外線信号発生装置を
夫々追加したシステムもあるが、システムの複雑化を招
くとともに、道路管理者や利用者により多くのコストを
強いることとなる。

【００２０】そこで、本発明の目的は上記の問題点を解
消し、システムの複雑化を招くことなくかつ道路管理者
や利用者により多くのコストを強いることなく、自動料
金収受の信頼性を確保することができる自動料金収受シ
ステムを提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明による自動料金収
受システムは、有料道路の料金所に配設された第１の無
線通信装置と前記有料道路を通行する車両に搭載された
第２の無線通信装置との間で無線通信を行って予め設定
されている電子支払手段から前記有料道路の利用料金を
引落とす自動料金収受システムであって、前記第２の無
線通信装置から送信される無線信号を基に前記第２の無
線通信装置を搭載する車両の位置を検出する方位測定手
段を備えている。

【００２２】すなわち、本発明の自動料金収受システム
は無線通信中の車両の位置を検出するために車両から送
信される無線通信信号を受信してその到来方位を測定す
る方位測定装置を備えている。

【００２３】より具体的には、方位測定装置の空中線と
無線通信中の車両を結ぶ線を垂直平面内に投影して得ら
れる方位線と予め定められた通信設定域を照合し、車両
の位置を確認する手段を備えている。

【００２４】また、方位測定装置は通信可能領域にある
複数の通信車両の位置を測定するために混信分離アルゴ
リズムを具備している。さらに、方位測定装置の空中線
は水平面内でセクタビームを備えている。

【００２５】上記の方位測定装置は無線通信を行ってい
る車両及び方位測定用の空中線を結ぶ方位線と方位測定
用の空中線の垂線とがなす俯角を測定する。この方位線
が予め設定された通信設定域と交われば、無線通信が通
過車両との間で正しく行われたと判定する。また、方位
線が通信設定域と交わらなければ、無線通信が通過車両
との間で正しく行われていないと判定する。

【００２６】自動料金収受に対応する複数の車両が通信
可能領域に進入し、料金所の無線通信装置に対して同時
に応答することも考えられる。方位測定装置はこのよう
な状況に対応するために、通信可能領域にある複数の無
線通信装置から同時に送信された到来信号を分離して当
該到来信号の方位を測定する混信分離アルゴリズムを具
備しており、その混信分離アルゴリズムによって複数の
車両の位置の検出が可能となる。

【００２７】また、自動料金収受レーンまたは一般車両
との混在レーンに隣接するレーンを大型車が通過するこ
とで生ずる反射波の影響による方位測定装置の計測誤差
の増加は方位測定用の空中線の水平面パターンを、不要
波方向の利得が所望波方向の利得よりも所定値以下とな
るセクタビームとし、反射波の到来方位の利得を直接波
の到来方位の利得に比較して相対的に低下させることに
よって軽減することができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について図
面を参照して説明する。図１は本発明の一実施例の構成
を示すブロック図である。図において、本発明の一実施
例による自動料金収受システムは車両検知器１と、無線
通信装置２と、方位測定装置３と、判定回路４と、信号
機５とが料金所に設置され、無線通信装置６が自動料金
収受に対応した車両（図示せず）に搭載されている。

【００２９】車両検知器１は車両が料金所の所定位置を
通過して料金所に進入することを検知すると、システム
トリガを発生して無線通信装置２を起動する。無線通信
装置２はシステムトリガが入力されると、無線通信装置
６との間の無線通信を開始し、無線通信装置２，６間で
予め定められた通信プロトコルにしたがって料金収受の
ための通信が行われる。

【００３０】方位測定装置３は無線通信装置６の送信す
る無線信号を受信し、無線通信装置６を搭載する車両の
方位測定を行う。判定回路４は方位測定装置３の方位測
定結果が予め定められた範囲内であれば正常な位置で通
信が行われたものとし、自動料金収受の成立と判定し、
信号機５を「青」にして車両の通過を促す。また、判定
回路４は方位測定装置３の方位測定結果が上記の範囲外
である時、無線通信装置６の応答がない時、現在通過中
の車両と自動料金収受が正しく行われていないと判定
し、信号機５を「赤」にして車両を停止させ、発券機
（図示せず）による発券や係員による料金徴収を行う。

【００３１】図２は本発明の一実施例による自動料金収
受システムの斜視図である。図において、料金所の無線
通信装置２の空中線２１の近傍には方位測定装置３の空
中線３１が取付けられている。

【００３２】この空中線３１は自動料金収受の無線通信
を行うために無線通信装置６から送信される無線信号を
受信して方位測定装置３に供給する。方位測定装置３は
空中線３１が受信した無線信号に対して信号処理を行
い、その無線信号の到来方位を測定する。

【００３３】方位測定装置３の空中線３１を無線通信装
置２の空中線２１の近傍に並べて設置することによっ
て、方位測定装置３の有効測定範囲と無線通信装置２の
通信可能領域とをほぼ一致させることができる。

【００３４】また、方位測定装置３は垂直面内の俯角ｂ
を測定する。これは方位測定装置３の空中線３１の水平
面指向性をセクタビームにすることによって隣接レーン
からの通信波及び反射波の影響を除去し、有料道路の側
方に空中線を設置して方位測定装置の水平面内の到来方
位を測定する方法に比較して不要波の影響を少なくし、
高精度で信頼性の高い測定を実現するためである。

【００３５】さらに、方位測定装置３は通信可能領域に
ある複数の車両から同時に送信された到来信号を分離し
て到来方位を測定するアルゴリズムを具備している。こ
のアルゴリズムはＭＵＳＩＣ（ＭＵＬＴＩＰＬＥｓｉ
ｇｎａｌｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法として知
られており、“ＭｕｌｔｉｐｌｅＥｍｉｔｔｅｒＬｏ
ｃａｔｉｏｎａｎｄＳｉｇｎａｌＰａｒａｍｅｔ
ｅｒＥｓｔｉｍａｔｉｏｎ”（ＩＥＥＥＴｒａｎ
ｓ．，ＶｏｌＡＰ３４（３），１９８６，ｐｐ２７６
−２８０）に詳述されている。

【００３６】従来の位相測定による方位測定技術では複
数の車両からの送信信号を同時に受信すると、正しい方
位測定が行われず、自動料金収受システムを誤動作させ
てしまう。上記のアルゴリズムを導入することによっ
て、自動料金収受システムの誤動作を防止することが可
能となる。

【００３７】ＭＵＳＩＣ法は「固有値分解法」または
「固有ベクトル法」とも言われており、１９８１年に
Ｒ．Ｏ．Ｓｃｈｍｉｄｔによって発表され、その後多く
の研究者によって関連の研究がなされてきている。以
下、ＭＵＳＩＣ法による方位測定法について詳細に説明
する。

【００３８】Ｍ個のアレイ素子からなるアレイアンテナ
で受信された受信信号は、Ｄ個の入力信号（到来波数を
Ｄと仮定）と、受信機の内部雑音との線型形結合とな
る。これを行列で表現すると、

【数式１】Ｘ＝ＡＦ＋Ｎ ……（１）となる。ここで、ベクトルＸ＝（Ｘ1 Ｘ2 …… Ｘ
M ）^TはＭ個の受信信号（複素数）である。

【００３９】また、行列Ａ＝（ａ（θ1 ）ａ（θ2 ）
…… ａ（θD ））^Tはアレイマニフォールド（ａｒ
ｒａｙｍａｎｉｆｏｌｄ）と呼ばれるもので、その列
ベクトルａ（θ）＝（ａ 1θ ａ 2θ …… ａ Mθ）
^Tは方位θに対するアレイアンテナの応答（複素数）で
あり、モードベクトルまたはステアリングベクトルと呼
ばれる。０°≦θ≦３６０°でａ（θ）の一次独立性が
保証される場合には、ａ（θ）が求まることは方位θが
求まることと等価である。

【００４０】ベクトルＦ＝（Ｆ1 Ｆ2 ……ＦD ）^TはＤ
個の入力信号（複素数）であり、ベクトルＮ＝（Ｎ1
Ｎ2 …… ＮM ）^TはＭ個の受信機の内部雑音（以
下、雑音とする）で、互いに無相関であると仮定する。
また、簡単化するため、Ｍ個の雑音電力は全て等しくσ
²とし、事前測定等によって既知であると仮定する。す
なわち、

【数式２】と仮定するが、この仮定は一般性を失うものではない。
ここで、Ｔは行列の転置を、各数値上のバーは平均値を
表している。

【００４１】次に、（１）式の共分散行列（ｃｏｖａｒ
ｉａｎｃｅｍａｔｒｉｘ）をＳとすると、

【数式３】となり、さらに、Ｓ＝ＡＰＡ^H＋σ²Ｉ ……（２）と表される。但し、Ｈは複素共役転置を表し、入力信号
と雑音とは無相関であると仮定している。

【００４２】また、

【数式４】は信号相関行列または入力信号の電力行列（ｐｏｗｅｒ
ｍａｔｒｉｘ）と呼ばれ、正定値（ｐｏｓｉｔｉｖｅ
ｄｅｆｉｎｉｔｅ）となる。Ｉは単位行列である。

【００４３】ここで、Ｄ＜Ｍ、すなわち入力信号数はア
レイ素子の数Ｍより小さいとし、また入力信号間に完全
な相関がないとすると、信号相関行列Ｐのランク（ｒａ
ｎｋ：階数）はＤとなるから、ＡＰＡ^HのランクもＤと
なる。このとき、共分散行列Ｓの固有値は、 λ1 ，λ2 ，……，λD ，λ D＋1 ，……，λM ……（４）となる。尚、λ1 ，λ2 ，……，λD は入力信号の固有
値であり、λ D＋1 ，……，λM は雑音の固有値であ
る。

【００４４】さらに、 λ D＋1 ＝λ D＋2 ＝……＝λM ＝σ² ……（５）となる。σ²は最小固有値である。

【００４５】また、これら固有値λ1 ，λ2 ，……，λ
M に対応する固有ベクトルＥは、Ｅ＝（ＥS ＥN ）ＥS ＝（Ｅ1 Ｅ2 ……ＥD ）ＥN ＝（Ｅ D＋1 Ｅ D＋2 ……ＥM ） ……（６）となる。但し、ＥS はλ1 〜λD に対応した信号空間固
有ベクトルで、計量線型形空間Ｅの信号部分空間を張
り、ＥN はλ D＋1 〜λM に対応した雑音空間固有ベク
トルで、計量線型形空間Ｅの雑音部分空間を張る。ま
た、ＥS とＥN とは直交関係にあり（ＥN はＥS の直交
補空間）、

【数式５】となる。尚、この（７）式は直和（ｄｉｒｅｃｔｓｕ
ｍ）を表している。

【００４６】このことは以下のような理由による。固有
ベクトルＥは、ＳＥ＝λＥ ……（８）を満たし、特にλ＝σ²のときには、ＳＥN ＝σ²ＥN ……（９）となり、（２）式を（９）に代入すると、（ＡＰＡ^H＋σ²Ｉ）ＥN ＝σ²ＥN ……（１０）となる。

【００４７】（１０）式において、行列Ａがフルランク
（到来波の方位が全て異なることと等価）、行列Ｐ（正
定値）がフルランク（入力信号間に完全な相関がないこ
とと等価）の場合には、Ａ^HＥN ＝０ ……（１１）となり、行列Ａはアレイマニフォールド（Ｄ個の到来波
のモードベクトルの集合）であるから信号部分空間ＥS
に属し、ＥS とＥN とは直交する。

【００４８】したがって、共分散行列Ｓの固有値を分解
し、その最小固有値に対する固有ベクトルＥN を求め、
モードベクトルａ（θ）とＥN とのユークリッド距離の
２乗の逆数、１／（ａ^H（θ）ＥN ＥN ^Hａ（θ）） ……（１２）を評価関数と考え、０°＜θ＜３６０°の全アレイマニ
フォールドの中から、ある方位θのモードベクトルａ
（θ）を取出し、θを０°〜３６０°にわたって変化さ
せて（１２）式を計算し、ピーク（ｐｅａｋ）を求めれ
ば、Ｄ個の混信波の方位を分解して推定することができ
る。尚、表示する場合には（１２）式の対数をとると便
利なため、１０ｌｏｇ10（１／（ａ^H（θ）ＥN ＥN ^H
ａ（θ）））の計算を行う場合がある。上記のＭＵＳＩ
Ｃ法については、特開平６−３４７５２９号公報に開示
されている。

【００４９】これら図１及び図２を用いて本発明の一実
施例の動作について説明する。有料道路の料金所に設け
られた自動料金収受レーンに車両８が進入してくると、
車両検知器１がその車両８を検出してシステムトリガを
発生する。このシステムトリガによって無線通信装置２
が起動され、無線通信装置２，６間で自動料金収受の通
信プロトコルが起動し、無線通信装置２の空中線２１か
ら無線信号が送信されて車両８との間で自動料金収受が
開始される。

【００５０】自動料金収受に対応できる車両７が空中線
２１の通信可能領域Ａ内にあると、車両７の無線通信装
置６は料金所の無線通信装置２からの送信信号を受信
し、その送信信号に対する応答信号を送信する。

【００５１】方位測定装置３は車両７の無線通信装置６
から送信された応答信号に基づいてその到来方位ｂを測
定し、判定回路４で到来方位線ａが通信設定域ｆと交わ
るか否かが判定される。判定回路４は到来方位線ａが通
信設定域ｆと交われば自動料金収受が正しく行われたと
判断し、信号機５を「青」にして車両の通過を促す。

【００５２】また、判定回路４は到来方位線ａが通信設
定域ｆと交わらない時、車両検知器１を通過した車両を
自動料金収受に対応しない車両と判定し、その車両を停
止させる停止信号（赤）を信号機５に表示する。

【００５３】例えば、空中線２１の通信可能領域Ａ内に
ある車両７，８が共に自動料金収受に対応可能な場合に
は車両７，８の無線通信装置６から同時に応答信号が送
信される。このような状況に対応するため、方位測定装
置３には混信分離アルゴリズムが具備されており、２本
の到来方位線ａ，ｄに基づいて２台の車両７，８の位置
ｃ，ｅが分離して検出される。この場合、自動料金収受
は正しく行われたと判断される。

【００５４】図３（ａ）は本発明の一実施例において隣
接レーンの車両からの反射波を除去する方法を説明する
ための平面図であり、図３（ｂ）は直接波と反射波との
関係を示す図である。

【００５５】図３（ａ）は車両７が進入する自動料金収
受レーンの隣接レーンに大型トレーラ１０が進入し、車
両７と方位測定装置３の空中線３１との間にマルチパス
伝搬路１１が形成された様子を示している。

【００５６】マルチパスによる不要波が方位測定装置３
の空中線３１に到来すると、混信分離アルゴリズムが正
しく動作しないことが知られている。この点について
は、上記の特開平６−３４７５２９号公報に記載されて
いる。

【００５７】そのため、方位測定装置３の空中線３１の
放射パターンを図３（ｂ）に示すようなセクタビームｇ
とし、不要波方向の空中線利得を所望波方向の空中線利
得よりも−２０ｄＢ以下に下げることによってマルチパ
スの影響を除去することができる。計算によれば、不要
波のレベルが所望波のレベルと比較して−２０ｄＢ以下
であれば、混信分離アルゴリズムが正しく動作する。

【００５８】図３（ｂ）に示すセクタビームｇを与える
アレイ空中線の給電分布は、Ｗｏｏｄｗａｒｄの方法に
おける素子番号のとり方や線形計画法における素子番号
のとり方等のサンプリング法に基づいて設計することが
できる。尚、サンプリング法については、“Ｔｈｅｔ
ｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎｗｉｔｈ
ｗｈｉｃｈａｎａｒｂｉｔｒａｒｙｐａｔｔｅ
ｒｎｍａｙｂｅｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍａ
ｓｏｕｒｃｅｏｆｆｉｎｉｔｅｓｉｚｅ”（ＩＲ
ＥＪｏｕｒｎａｌ，１９４８，Ｖｏｌ．９５（２），
ｐｐ３６３−３７０）等に記載されている。

【００５９】図４は図１の方位測定装置３の構成を示す
ブロック図である。図において、方位測定装置３は空中
線３１と、受信装置３２と、信号処理装置３３とから構
成されている。

【００６０】空中線３１は複数のアレイ空中線３１ａ〜
３１ｃと、それら複数のアレイ空中線３１ａ〜３１ｃ各
々に対応する切換えスイッチ３１ｄ〜３１ｆとから構成
されており、到来信号を受信すると、その受信信号を受
信装置３２に供給する。切換えスイッチ３１ｄ〜３１ｆ
はアレイ空中線３１ａ〜３１ｃが受信した信号と受信装
置３２の校正用信号発生器３２ｇから送られてくる校正
信号とを切換える機能を有している。

【００６１】受信装置３２は前置増幅器３２ａ〜３２ｃ
と、周波数変換器３２ｄ〜３２ｆと、校正用信号発生器
３２ｇと、局部発信器３２ｈと、濾波器３２ｉ〜３２ｋ
とから構成されており、空中線３１で受信した信号をデ
ィジタル信号処理が可能な帯域制限されたベースバンド
周波数に変換する機能を有している。

【００６２】信号処理装置３３はＡ／Ｄ（アナログ／デ
ィジタル）変換器３３ａ〜３３ｃと、ＣＰＵ（中央処理
装置）３３ｄと、通信処理装置３３ｅとから構成されて
おり、受信装置３２でベースバンド周波数に変換された
信号をディジタル信号に変換した後、混信分離アルゴリ
ズムに基づいて到来方位を測定し、得られた到来方位が
通信設定域に対応する角度範囲に入っているか否かを判
定する機能を有している。

【００６３】次に、図４を参照して方位測定装置３の動
作について説明する。車両７の無線通信装置６から送信
された信号は空中線３１のアレイ空中線３１ａ〜３１ｃ
各々によって受信される。アレイ空中線３１ａ〜３１ｃ
各々で受信された信号は切換えスイッチ３１ｄ〜３１ｆ
を通過して受信装置３２の前置増幅器３２ａ〜３２ｃに
伝送されて増幅され、さらに周波数変換器３２ｄ〜３２
ｆに送られる。

【００６４】周波数変換器３２ｄ〜３２ｆは前置増幅器
３２ａ〜３２ｃで増幅された受信信号と局部発信器３２
ｈで発生された信号とを混合し、ディジタル信号処理可
能なベースバンド周波数に変換する。周波数変換器３２
ｄ〜３２ｆでベースバンド周波数に変換された受信信号
は濾波器３２ｉ〜３２ｋによって不要周波数成分が取り
除かれた後、信号処理装置３３のＡ／Ｄ変換器３３ａ〜
３３ｃに送られてディジタル信号に変換される。

【００６５】Ａ／Ｄ変換器３３ａ〜３３ｃでディジタル
信号に変換された受信信号はＣＰＵ３３ｄで離散フーリ
エ変換（ＤＦＴ：ＤｉｓｃｒｅｔｅＦｏｕｒｉｅｒ
Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）によって位相検波された後、混信
分離アルゴリズムによって信号処理され、受信信号の到
来方位が推定される。

【００６６】推定された到来方位は予め記憶されている
通信設定域に対応する角度範囲と比較され、該角度範囲
内に推定した到来方位があれば正常信号が、該角度範囲
外に推定した到来方位があれば異常信号が夫々通信処理
装置３３ｅから出力される。

【００６７】尚、空中線３１と受信装置３２とを接続す
るケーブル等の温度による位相変化を校正する場合に
は、空中線３１の切換えスイッチ３１ｄ〜３１ｆを校正
用信号発生器３２ｇから送られてくる校正信号に切換え
て系の位相校正を行う。また、アレイ空中線３１ａ〜３
１ｃの放射パターンは図３（ｂ）に示すようなセクタビ
ームｇを形成している。

【００６８】図５は図４のＣＰＵ３３ｄの処理動作を示
すフローチャートである。この図５を用いてＣＰＵ３３
ｄの処理動作について説明する。

【００６９】ＣＰＵ３３ｄは処理を開始すると、Ａ／Ｄ
変換器３３ａ〜３３ｄでディジタル信号に変換された３
ｃｈ（チャネル）の受信信号を読込み（図５ステップＳ
２）、それらの受信信号に対してＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅ
ｔｅＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ：離散フー
リエ級数展開）処理を行い（図５ステップＳ３）、３行
３列の相関行列を作成する（図５ステップＳ３）。

【００７０】ＣＰＵ３３ｄは上記の処理をｎ回（ｎ≧
６）繰返してから（図５ステップＳ１〜Ｓ６）、得られ
た相関行列を平均化する（図５ステップＳ７）。続い
て、ＣＰＵ３３ｄは平均化した相関行列を固有値分解し
（図５ステップＳ８）、３個の固有値を計算する。

【００７１】ＣＰＵ３３ｄは３個の固有値から到来波数
を判定する（図５ステップＳ９）。一般に、Ｃ／Ｎ（Ｃ
ａｒｒｉｅｒｔｏＮｏｉｓｅｒａｔｉｏ）が高い
時、雑音に対応する固有値は信号に対応する固有値より
も相対的に小さくなるので、固有値の分布から到来波数
の推定が可能である。

【００７２】その後に、ＣＰＵ３３ｄは雑音に対応する
固有値に相当する固有ベクトルを求め（図５ステップＳ
１０）、０°〜９０°のステアリングベクトル（３素子
アレイの応答）とのユークリッド距離の２乗の逆数で表
される評価関数を予め定められた角度間隔で計算してピ
ークを捜索し（図５ステップＳ１１）、到来方位を推定
する（図５ステップＳ１２）。ここで、ステップＳ８〜
Ｓ１２の処理はＭＵＳＩＣ法による到来方位推定のアル
ゴリズム（混信分離アルゴリズム）を示している。

【００７３】ＣＰＵ３３ｄは推定した到来方位が予め定
められた角度範囲（推定範囲）に入っているかどうかを
判定する（図５ステップＳ１３）。ＣＰＵ３３ｄは到来
方位が角度範囲に入っていれば正常通信と判定するので
（図５ステップＳ１４）、正常信号が通信処理装置３３
ｅから出力される。また、ＣＰＵ３３ｄは到来方位が角
度範囲に入っていなければ異常通信と判定するので（図
５ステップＳ１５）、異常信号が通信処理装置３３ｅか
ら出力される。

【００７４】図６（ａ）は図３（ｂ）に示すセクタビー
ムｇを形成する５素子アレイ空中線の構成例を示す図で
あり、図６（ｂ）は図６（ａ）の５素子アレイ空中線へ
の給電分布を示す図である。

【００７５】図３（ｂ）に示すセクタビームｇを形成す
る５素子アレイ空中線の構成する空中線は素子アレイ空
中線３１ｇ〜３１ｋと給電回路３１ｌとから構成され、
素子アレイ空中線３１ｇ〜３１ｋは水平面上に０．８波
長毎に配列されている。したがって、方位測定装置３の
空中線３１は水平面５素子、垂直面３素子の計１５素子
の素子アレイ空中線を有する。

【００７６】給電回路３１ｌは素子アレイ空中線３１ｇ
〜３１ｋに図６（ｂ）に示す給電分布で給電する。つま
り、給電回路３１ｌは素子アレイ空中線３１ｇ（素子番
号１）に給電振幅０．０７０８、給電位相πで給電し、
素子アレイ空中線３１ｈ（素子番号２）に給電振幅０．
２６２２、給電位相０で給電し、素子アレイ空中線３１
ｉ（素子番号３）に給電振幅０．６４、給電位相０で給
電し、素子アレイ空中線３１ｊ（素子番号４）に給電振
幅０．２６２２、給電位相０で給電し、素子アレイ空中
線３１ｋ（素子番号５）に給電振幅０．０７０８、給電
位相πで給電する。

【００７７】図７は本発明の一実施例による到来方位の
推定の計算機シミュレーションの結果を示す図である。
図７（ａ）は１台の車両の標定例を示す図であり、図７
（ｂ）は図７（ａ）の評価関数の波形を示す図であり、
図７（ｃ）は２台の車両の標定例を示す図であり、図７
（ｄ）は図７（ｃ）の評価関数の波形を示す図である。

【００７８】１台の車両７を標定する場合、図７（ｂ）
に示すように、車両７と方位測定装置３の空中線３１と
を結ぶ方位線ａの俯角方向に明確なピークが立ってい
る。このピークの位置を捜索すれば、車両７の無線通信
装置６から送信される無線信号の到来方位が分かる。こ
の場合、車両７の無線通信装置６から送信される無線信
号の到来方位は７３°である。

【００７９】また、２台の車両７，８を標定する場合、
図７（ｄ）に示すように、車両７，８各々と方位測定装
置３の空中線３１とを結ぶ方位線ａ，ｄの俯角方向に明
確なピークが立っている。このピークの位置を捜索すれ
ば、車両７，８の無線通信装置６から送信される無線信
号の到来方位が同時に分かる。この場合、車両７の無線
通信装置６から送信される無線信号の到来方位は７３°
であり、車両８の無線通信装置６から送信される無線信
号の到来方位は５１°である。

【００８０】上記の計算機シミュレーションでは０．５
８波長で等間隔に配列された垂直面３素子の直線アレイ
空中線を用い、Ｃ／Ｎ比として２６ｄＢ、受信スナップ
ショット数として７０を想定している。この時の到来方
位の推定誤差は０．２°である。

【００８１】図８は本発明の他の実施例による自動料金
収受システムの斜視図である。図において、本発明の他
の実施例は図２に示す本発明の一実施例が方位測定装置
３の空中線３１を料金所の無線通信装置２の空中線２１
の近傍に取付け、測定する車両７の俯角を求めることで
該車両７の位置を検出しているのに対し、方位測定装置
９の空中線９１を自動料金収受レーンの側方に取付け、
測定する車両７の方位角を求めた後に自動料金収受レー
ンの中心線ｋとの交点を求めることで測定する車両７の
位置ｉを求めている。

【００８２】本発明の他の実施例では隣接レーンの反射
波の影響を方位測定装置９の空中線９１の指向性の最適
化によって除去することができない。そこで、混信分離
アルゴリズム（ＭＵＳＩＣ法による到来方位推定のアル
ゴリズム）に空間移動平均法を組合せてマルチパスを分
離して無線信号の到来方位を検出している。

【００８３】一般に、反射波は直接波よりも小さいの
で、受信電界強度の比較によって反射波と直接波とを識
別することができる。尚、本発明の他の実施例は上記の
方位測定装置９のアルゴリズムを除いて本発明の一実施
例と同様の構成及び動作であるので、その説明は省略す
る。

【００８４】ここで、空間移動平均法とは直接波と反射
波との到来方位が異なる時に受信点の位置によって両者
の相対位相関係が異なるので、混信分離アルゴリズムに
よる到来方位の推定において、相関行列の推定に空間移
動を導入し、相互相関項を除去する方法である。

【００８５】図９（ａ）は空間移動平均法によるＭ素子
アレイのサブアレイへの分割を示す図であり、図９
（ｂ）は空間移動平均法による相関行列の推定を示す図
である。本発明の他の実施例ではアレイアンテナ（Ｍ素
子アレイ）をＮ個のサブアレイ（素子数ｋ）に分割し、
Ｎ個のサブアレイの相関行列Ｒｘｘ・１〜Ｒｘｘ・N
を平均化して空間平均相関行列Ｒ’ｘｘを求める。この
空間平均相関行列Ｒ’ｘｘを用いて、上記のＭＵＳＩＣ
法による到来方位の推定を行っている。

【００８６】このように、有料道路の料金所に配設され
た無線通信装置２と有料道路を通行する車両７に搭載さ
れた無線通信装置６との間で無線通信を行って予め設定
されている電子支払手段から有料道路の利用料金を引落
とす自動料金収受システムにおいて、無線通信装置６か
ら送信される無線信号を基に無線通信装置６を搭載する
車両７の位置を方位測定装置３で検出することによっ
て、料金収受の無線通信を実施している車両７の位置の
検出が可能となり、自動料金収受に対応できない車両や
違法車両を識別することができ、正しい料金収受を行う
ことができる。

【００８７】この場合、従来、車両の位置の検出に必要
とした評定レーダや赤外線通信装置を必要とせず、特に
利用者は無線通信装置と電子支払手段とを装備するのみ
で、自動料金収受システムの利点を享受することができ
るので、道路管理者や利用者の負担するコストを小さく
することができる。よって、システムの複雑化を招くこ
となくかつ道路管理者や利用者により多くのコストを強
いることなく、自動料金収受の信頼性を確保することが
できる。

【００８８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、有
料道路の料金所に配設された第１の無線通信装置と有料
道路を通行する車両に搭載された第２の無線通信装置と
の間で無線通信を行って予め設定されている電子支払手
段から有料道路の利用料金を引落とす自動料金収受シス
テムにおいて、第２の無線通信装置から送信される無線
信号を基に第２の無線通信装置を搭載する車両の位置を
方位測定手段で検出することによって、システムの複雑
化を招くことなくかつ道路管理者や利用者により多くの
コストを強いることなく、自動料金収受の信頼性を確保
することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】本発明の一実施例による自動料金収受システム
の斜視図である。

【図３】（ａ）は本発明の一実施例において隣接レーン
の車両からの反射波を除去する方法を説明するための平
面図、（ｂ）は直接波と反射波との関係を示す図であ
る。

【図４】図１の方位測定装置の構成を示すブロック図で
ある。

【図５】図４のＣＰＵの処理動作を示すフローチャート
である。

【図６】（ａ）は図３（ｂ）に示すセクタビームを形成
する５素子アレイ空中線の構成例を示す図、（ｂ）は
（ａ）の５素子アレイ空中線への給電分布を示す図であ
る。

【図７】（ａ）は本発明の一実施例による１台の車両の
標定例における到来方位の推定の計算機シミュレーショ
ンの結果を示す図、（ｂ）は（ａ）の評価関数の波形を
示す図、（ｃ）は本発明の一実施例による２台の車両の
標定例における到来方位の推定の計算機シミュレーショ
ンの結果を示す図、（ｄ）は（ｃ）の評価関数の波形を
示す図である。

【図８】本発明の他の実施例による自動料金収受システ
ムの斜視図である。

【図９】（ａ）は空間移動平均法によるＭ素子アレイの
サブアレイへの分割を示す図、（ｂ）は空間移動平均法
による相関行列の推定を示す図である。

【図１０】従来例による自動料金収受システムの斜視図
である。

【図１１】図９に示す自動料金収受システムが正しく動
作しない条件を示す斜視図である。

【図１２】従来例による車両位置測定方法を示す図であ
る。

【符号の説明】

１車両検知器２無線通信装置（料金所）３方位測定装置４判定回路５信号機６無線通信装置（車載）７，８車両２１無線通信装置の空中線３１方位測定装置の空中線３１ａ〜３１ｃアレイ空中線３１ｄ〜３１ｆ切換えスイッチ３１ｇ〜３１ｋ素子アレイ空中線３１ｌ給電回路３２受信装置３２ａ〜３２ｃ前置増幅器３２ｄ〜３２ｆ周波数変換器３２ｇ校正用信号発生器３２ｈ局部発信器３２ｉ〜３２ｋ濾波器３３信号処理装置３３ａ〜３３ｃＡ／Ｄ変換器３３ｄＣＰＵ３３ｅ通信処理装置Ａ通信可能領域Ｂ通信設定領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】有料道路の料金所に配設された第１の無
線通信装置と前記有料道路を通行する車両に搭載された
第２の無線通信装置との間で無線通信を行って予め設定
されている電子支払手段から前記有料道路の利用料金を
引落とす自動料金収受システムであって、前記第２の無
線通信装置から送信される無線信号を基に前記第２の無
線通信装置を搭載する車両の位置を検出する方位測定手
段を有することを特徴とする自動料金収受システム。
【請求項２】前記車両が前記料金所の予め設定された
所定位置に進入したことを検出した時に前記第１の無線
通信装置から前記第２の無線通信装置に無線信号を送信
して料金収受の交信を開始するための通信起動トリガを
発生する車両検知器を含むことを特徴とする請求項１記
載の自動料金収受システム。
【請求項３】前記方位測定手段は、前記有料道路上の
所定高さに取付けられかつ前記第２の無線通信装置から
送信される無線信号を受信する空中線を含み、前記空中
線から前記有料道路への垂直軸と前記第２の無線通信装
置から受信した無線信号とがなす角度を基に前記第２の
無線通信装置を搭載する車両の位置を検出するよう構成
したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の自
動料金収受システム。
【請求項４】前記方位測定手段で検出された前記車両
の位置が予め設定された所定の通信領域内にあるか否か
を照合する手段を含むことを特徴とする請求項１から請
求項３のいずれか記載の自動料金収受システム。
【請求項５】前記方位測定手段は、前記空中線の通信
可能領域にある複数の前記第２の無線通信装置から同時
に送信された到来信号を分離して当該到来信号の方位を
測定する混信分離アルゴリズムを具備してなることを特
徴とする請求項３または請求項４記載の自動料金収受シ
ステム。
【請求項６】前記空中線は、水平面に対して平行に配
設された複数の素子アレイ空中線と、前記複数の素子ア
レイ空中線の放射パターンを不要波方向の利得が所望波
方向の利得よりも所定値以下となるセクタビームの形状
とするよう前記複数の素子アレイ空中線に給電する給電
手段とを含むことを特徴とする請求項３から請求項５の
いずれか記載の自動料金収受システム。
【請求項７】前記方位測定装置は、前記有料道路の側
方において所定高さに取付けられかつ前記第２の無線通
信装置から送信される無線信号を受信する空中線を含
み、前記空中線を通りかつ前記有料道路の中心線に対し
て垂直な垂直軸と前記第２の無線通信装置から受信した
無線信号とがなす角度を基に前記第２の無線通信装置を
搭載する車両の位置を検出するよう構成したことを特徴
とする請求項１または請求項２記載の自動料金収受シス
テム。
【請求項８】前記方位測定手段で検出された前記車両
の位置が予め設定された所定の通信領域内にあるか否か
を照合する手段を含むことを特徴とする請求項７記載の
自動料金収受システム。
【請求項９】前記方位測定手段は、前記空中線の通信
可能領域にある複数の前記第２の無線通信装置から同時
に送信された到来信号を分離して当該到来信号の方位を
測定する混信分離アルゴリズムを具備してなることを特
徴とする請求項７または請求項８記載の自動料金収受シ
ステム。
【請求項１０】前記方位測定装置は、前記混信分離ア
ルゴリズムで用いられる相関行列の推定において相互相
関項を除去する空間移動平均法を用いるようにしたこと
を特徴とする請求項９記載の自動料金収受システム。