JP2008224489A - 位置推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチパスの影響を受けることなく高精度に位置を求めることが可能な位置推定装置を提供する。
【解決手段】所定周波数の電波を送信する送信機と、所定の場所に配置されて、前記送信機が送信した電波をそれぞれ受信する複数の受信機とを有する位置推定装置であって、前記送信機は、複数の異なる周波数の電波を順次送信する一方、前記各受信機は、前記前記送信機から送信される複数の周波数の電波を受信して、これら電波の受信電界強度を測定する電界強度測定部と、前記各受信機の前記電界強度測定部が測定した受信電界強度から前記送信機の位置を求める位置演算部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は位置推定装置に係り、特に送信機から送信される電波を受信し、その受信電界強度から送信機の位置を推定する位置推定装置または複数の送信機からそれぞれ送信される電波を受信して、その電界強度から受信機の位置を推定する位置推定装置に関する。

近時、特定の対象物に予め備え付けられた無線タグ等から送信される信号を予め所定の場所に配置された複数の受信機（通信機器）がそれぞれ受信し、この受信状況から無線タグ等の位置を検出する位置情報システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００６−３１１２７５号公報

しかしながら上述の位置情報システムにおいて、特に屋内に位置する無線タグ等の送信機から送信される電波は、壁面、天井面および床面によって反射されるほか、屋内に配置された構造物等によっても反射される。このためマルチパスが生じ、受信機には、直接波のほか、複数（無数）の反射波が到来する。
ちなみに位置情報システムに用いられる電波は、もっぱらＵＨＦ帯以上の周波数が用いられる。この場合、無線タグ等の送信機がわずかに移動しただけでも、受信機は、マルチパスによる影響を顕著に受け、それ故、受信電界強度が大きく変化し、特に受信電界強度が極端に低下するヌルポイントが生じることもある。このヌルポイントは、電波到達の可逆性から受信機と送信機の位置を入れ替えても同様に生じる。このため、従来の位置情報システムにあっては、無線タグの位置を得ることが困難になるという問題があった。

本発明は、このような従来の問題を解決するべくなされたもので、その目的とするところは、マルチパスの影響を受けることなく高精度に位置を求めることが可能な位置推定装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明の位置推定装置は、所定周波数の電波を送信する送信機と、所定の場所に配置されて、前記送信機が送信した電波をそれぞれ受信する複数の受信機とを有する位置推定装置であって、
前記送信機は、複数の異なる周波数の電波を順次送信する一方、前記各受信機は、前記前記送信機から送信される複数の周波数の電波を受信して、これら電波の受信電界強度を測定する電界強度測定部と、前記各受信機の前記電界強度測定部が測定した受信電界強度から前記送信機の位置を求める位置演算部とを備えることを特徴としている。

好ましくは前記位置演算部は、前記電界強度測定部が測定した前記受信電界強度の最大値から前記送信機と前記受信機との距離を求めることが望ましい。
また前記位置演算部は、前記電界強度測定部が測定した前記受信電界強度の平均値から前記送信機と前記受信機との距離を求めることを特徴としている。
上述の位置推定装置は、送信機から送信される複数の異なる周波数の電波を受信機が受信し、それぞれの電波における受信電界強度の最大値または平均値から各送信機までの距離を求め、この求めた複数の距離から例えば三辺測量法によって送信機の位置を推定する。

あるいは上述した目的を達成するべく本発明の位置推定装置は、所定の場所にそれぞれ配置されて、複数の異なる周波数の電波をそれぞれ送信する複数の送信機と、これら送信機からそれぞれ送信された前記電波を受信して、これらの電波の受信電界強度から前記各送信機までの距離を求め、この求めた距離から現在の位置を求める受信機とを備えることを特徴としている。

特に前記送信機は、他の送信機とそれぞれ同期付けられて予め割り当てられたタイムスロットの到来を判定する送信機同期部と、この送信機同期部により予め割り当てられたタイムスロットの到来が検出されたとき、該タイムスロット内に複数の異なる周波数の電波を予め定められた順序で送信する送信部とを具備し、
前記受信機は、複数の前記送信機から送信される電波をそれぞれ受信して、前記タイムスロットを検出する受信機同期回路と、この受信機同期回路によって得られた前記タイムスロット毎に複数の前記送信機からそれぞれ送信される複数の異なる周波数の電波を受信して、これら電波の受信電界強度をそれぞれ求める電界強度測定部と、この電界強度測定部によって求められた前記送信機毎の受信電界強度から該受信機の位置を求める位置演算部とを備えることを特徴としている。

好ましくは前記位置演算部は、前記送信機毎の受信電界強度の最大値から各送信機と前記受信機との距離をそれぞれ求め、この求めた複数の距離から該受信機の位置を得ることが望ましい。あるいは前記位置演算部は、前記受信電界強度の平均値から各送信機と前記受信機との距離をそれぞれ求め、この求めた複数の距離から該受信機の位置を得ることを特徴としている。

上述の位置推定装置は、複数の送信機からそれぞれ送信される複数の異なる周波数の電波を受信機が受信し、それぞれの電波における受信電界強度の最大値または平均値から各送信機までの距離を求め、この求めた複数の距離から例えば三辺測量法によって受信機の位置を推定する。

上述した本発明の請求項１に係る位置推定装置は、所定の場所に配置された受信機が、送信機から送信される複数の異なる周波数の電波をそれぞれ受信し、その受信電界強度から送信機の位置を求めているので、マルチパスによるヌルポイントの影響を抑えることができ、精度よく送信機の位置を推定することができる。
また本発明の請求項２または３に係る位置推定装置は、複数の受信機の電界強度測定部がそれぞれ測定した前記受信電界強度の最大値または平均値から送信機の位置を推定しているので、マルチパスによる受信電界強度の影響をよりいっそう抑えることができ、高精度に位置を推定することができるという優れた効果が得られる。

あるいは本発明の請求項４に係る位置推定装置は、所定の場所にそれぞれ配置された複数の送信機が、それぞれ複数の異なる周波数の電波をそれぞれ送信する一方、現在の位置を求める受信機は、複数の送信機からそれぞれ送信された異なる周波数の電波を受信して、これらの電波の受信電界強度から各送信機までの距離を求め、この求めた距離から現在の位置を得ているのでマルチパスによって生じる受信電界強度の極端な低下（ヌルポイント）の影響を受けることなく高精度に位置を求めることができる。

また本発明の請求項５に係る位置推定装置は、複数の送信機が屋内等の所定の場所にそれぞれ配置され、所定のタイムスロット毎に複数の周波数の電波を順次送信する一方、受信機は、これら送信機から送信された複数の周波数の電波を受信している。したがってマルチパスによって生じる周波数の電波のヌルポイントに受信機が位置したとしても、別の周波数の電波が同時にヌルポイントとなる確率が極めて低い。このため受信機は、ヌルポイントの影響を受けることなく高精度に位置を推定することができる。

特に本発明の請求項６に係る位置推定装置は、複数の送信機がそれぞれ送信した複数の周波数の電波のうち、その受信電界強度が最大になる周波数の電波を用いて位置推定を行っているので、マルチパスによる受信電界強度が低下することがない。
また本発明の請求項７に係る位置推定装置は、複数の送信機がそれぞれ送信した複数の周波数の電波における受信電界強度の平均値を用いて位置推定を行っているので、マルチパスによる受信電界強度の影響を抑えることができ、高精度に位置を推定することができるという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、図１〜図１８は、本発明を説明するための図面であって、これらの図によって本発明が限定されないということは、いうまでもない。
＜第一の実施形態＞
さて、図１において１０は、複数の周波数の電波を送信する送信機であり、２０は、この送信機１０が送信する複数の周波数の電波をそれぞれが受信する複数の受信機である。尚、これら受信機２０は、所定の位置に予め配置されている。

送信機１０は、二つの異なる周波数（ｆ_１，ｆ_２）の高周波信号を発振する発振器１１、この発振器１１の発振周波数を切り換える周波数切換部１２、発振器１１の出力信号を増幅する増幅器１３、この増幅器１３が増幅した高周波信号を電波として空間に放射する送信アンテナ１４、所定のタイミングで周波数切換部１２に発振周波数の切り換え指示および増幅器１３の作動指示を与えるタイミング生成部１５を備えて構成される。

一方、受信機２０は、送信機１０が送信した電波を受ける受信アンテナ２１、受信アンテナ２１から取り込む電波の周波数に同調させる同調部２２、この同調部２２の受信周波数を切り換える周波数切換部２３、送信機１０が送信するタイミングと同期して周波数切換部２３に切り換え指示を与える同期部２４、同調部２２によって受信された受信信号の電界強度を計測する電界強度測定部２５を備える。

そして各受信機２０の電界強度測定部２５が計測した電界強度は、得られた電界強度の情報を集約し、送信機の位置を推定する位置演算部３０に与えられる。
概略的には、上述したように構成された本発明の特徴ある位置推定装置の作動についてより詳細に説明する。
送信機１０は、図２に示すように所定のタイミングで二つの異なる周波数ｆ_１，ｆ_２の電波を送信する。この図は、送信機１０が周波数ｆ_１の電波を送信し始める時間を基準時刻［ｔ＝０］としている。

さて、［ｔ＝０］になると送信機１０のタイミング生成部１５は、発振器１１の発振周波数をｆ_１にするべく周波数切換部１２に周波数切り換え指示を与えると共に、増幅器１３を作動させる。すると送信機１０は、送信アンテナ１４から周波数ｆ_１の電波を送信する。
次いで時刻［ｔ＝ｔ_１］になるとタイミング生成部１５は、増幅器１３の作動を停止させて電波の送信を停止させるとともに、周波数切換部１２に周波数の切り換え指示を与えて発振器１１の発振周波数をｆ_２に切り換える。そして［ｔ＝ｔ_２］になるとタイミング生成部１５は、時刻［ｔ＝ｔ_３］までの間、増幅器１３を作動させる。すると送信機１０は、周波数ｆ_２の電波を送信アンテナ１４から送信する。

以後、送信機１０は、所定の周期Ｔ毎に二つの異なる周波数ｆ_１，ｆ_２の電波を順次送信する。
一方、複数の受信機２０は、このようにして送信された電波をそれぞれ受信アンテナ２１から取り込む。同期部２４は、送信機１０が送信した周波数ｆ_１の電波を受信したことによって前述した送信機１０のタイミング生成部１５のタイミングと同期する。そして同期部２４は、［ｔ＝０］〜［ｔ＝ｔ_１］の間、周波数切換部２３に同調部２２の受信周波数を［ｆ_１］にするように切り換え指示を与える。同調部２２が受信した周波数ｆ_１の受信信号は、電界強度測定部２５に与えられ、電界強度が計測されて保持される。

次いで同期部２４は、時刻［ｔ＝ｔ_２］〜［ｔ＝ｔ_３］の間、周波数切換部２３に同調部２２の受信周波数を［ｆ_２］にするように切り換え指示を与える。そして同調部２２が受信した周波数ｆ_２の受信信号は、電界強度測定部２５に与えられて、電界強度が計測され、保持される。
尚、受信機２０の同期部２４は、送信機１０のタイミング生成部１５が周波数を切り換えるタイミングに同期して受信機２０の受信周波数を切り換えるように構成されている。

このようにして各受信機２０が受信して計測した電界強度の情報は、位置演算部３０に集約される。位置演算部３０に集約された各受信機の電界強度の情報は、各受信機２０毎に、いずれか一方の周波数の電波における電界強度が最大となる値（最大値）または、これらの電界強度を平均して得られた値（平均値）を採用し、その電界強度から各受信機２０と送信機１０までの距離を求め、送信機１０の位置を推定する。

このような特徴ある本発明の位置推定装置について、発明者らは、その効果を検証するためシミュレーションを実施した。このシミュレーションは、屋内に固定した送信機と、この屋内を移動しながら送信機が送信した電波を受信する受信機の位置を移動させたとき、受信機の受信電界強度がどのようになるかをレイトレーシング法シミュレーションによって確認したものである。

まず、コンクリート製の壁・床・天井で構成され、床面および天井面が、１０ｍ×８ｍ高さが３ｍの直方体形状の屋内に送信機（送信点Ｔｘ）と受信機（受信点Ｒｘ）をそれぞれ配置したものとして、受信機へ至る電波の到来状況（マルチパスの状況）を確認した。このシミュレーションにおいて、図３に示すように床面の一隅をｘｙｚの三次元空間の原点Ｏとしたとき、送信機の送信点Ｔｘは、座標（ｘ，ｙ，ｚ）＝（１，３，２.５）の位置に固定する。一方、受信機の受信点Ｒｘは、座標（ｘ，ｙ，ｚ）＝（１，４，１.５）の位置から、高さを変えることなくｘ方向に座標（ｘ，ｙ，ｚ）＝（６，４，１.５）まで移動する。

またこのシミュレーションは、送信点Ｔｘにおける送信出力Ｐｔ＝０ｄＢｍ、送信アンテナ利得Ｇｔ＝０ｄＢｍ（完全無指向性）、受信アンテナ利得Ｇｒ＝０ｄＢｍ（完全無指向性）、送信電波の周波数ｆ＝２４４０ＭＨｚ（波長λ＝０.１２２９５ｍ）、伝搬損失係数ｎ＝２とし、反射回数を５回までとした。
ちなみに自由空間における受信電力Ｐｒ（理論値）は、よく知られているように次式で求めることができる。

Ｐｒ＝Ｐｔ・Ｇｔ・Ｇｒ（λ／４πｄ）^ｎ
さて、上記条件でシミュレーションを行うと図４に示すように送信点Ｔｘから送信された単一周波数の電波は、直接波以外にも、多数の反射波が受信点Ｒｘに到来するという結果が得られた。ちなみにこの図は、受信点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）＝（６，４，１.５）に到来する直接波および反射波をその上方から視野して示したものである。

またこの受信点Ｒｘにおける受信レベルを、電波の到来方向に対してその垂直方向および水平方向について求めるとそれぞれ図５および図６に示す結果が得られる。これらの結果から導かれる結論は、受信点Ｒｘには、垂直方向、水平方向のいずれも、あらゆる方向から電波が到来しており、反射波のレベルも直接波とそれほど変わらないことが認められる。したがって受信点Ｒｘには、直接波のほか、多数の反射波が合成して到来することになる。このため受信点Ｒｘの位置がわずかにずれてもマルチパスにおける各パスの位相が異なり、合成された受信電力が大きく変動することが容易に想定される。

ちなみに自由空間における上述した受信電力Ｐｒ（理論値）と、このシミュレーションによる受信電界強度（ＲＳＳＩ）とを、横軸に原点からの距離をとり、縦軸に受信電界強度ＲＳＳＩをとった座標に描くと、図７のグラフが得られる。
このグラフに示されるように受信電力Ｐｒの理論値は、送信点Ｔｘと受信点Ｒｘの距離が離れるにつれて徐々に減衰していくものの、シミュレーションによって得られた受信電界強度は、マルチパスによって受信点Ｒｘに到達した電波が互いに強めあうときには、理論値よりも受信電界強度が強くなる反面、互いに弱めあうときは理論値よりも受信電界強度が弱くなることが読み取れる。

このシミュレーションによって得られた受信電界強度から距離を推定するため、横軸に距離、縦軸に求めた推定距離をそれぞれとってプロットすると図８のグラフが得られる。この図に示されるように実際の距離（実距離）が５ｍ前後の点で、推定距離が２５ｍを上回る値になることが読み取れる。したがって、単一周波数を送信点Ｔｘから送信した従来の位置推定方式は、受信点Ｒｘの位置を推定することが困難になることがわかる。ちなみに受信点Ｒｘにおける受信電界強度の変動は、送信点Ｔｘからが送信される電波の周波数によって大きく異なることはいうまでもない。

次に発明者らは、本発明の効果を検証するべく，送信機が送信する二つの異なる周波数を３％異ならせた場合でシミュレーションを実施した。具体的にこのシミュレーションでは、周波数ｆ_１＝２４００ＭＨｚ、周波数ｆ_２＝２４８０ＭＨｚとしてそれぞれの周波数の電波を送信点Ｔｘから送信する。すると受信点Ｒｘにおける受信電界強度ＲＳＳＩは、図９に示すようになった。この図に示されるように二つの周波数ｆ_１，ｆ_２の波長が異なるため、それぞれの周波数における受信点Ｒｘへの経路（マルチパス）が異なり、受信電界強度ＲＳＳＩの変化は、互いに異なったものとなる。

そこでこれら受信電界強度ＲＳＳＩのいずれか一方の最大値および二つの周波数のおける受信電界強度ＲＳＳＩの平均値を求めてプロットすると、図１０および図１１が得られる。この図に示されるように、受信電界強度ＲＳＳＩの最大値および平均値のいずれも、そのばらつきが抑えられていることが読み取れる。
そして、受信電界強度ＲＳＳＩのいずれか一方の最大値、あるいは二つの周波数ｆ_１，ｆ_２の受信電界強度ＲＳＳＩの平均値を用いて推定距離を求めるとそれぞれ図１２および図１３に示す結果が得られる。これらの図に示されるように受信電界強度ＲＳＳＩの最大値あるいは平均値のいずれも推定距離のばらつきが２〜３ｍ程度に抑えられていることがわかる。つまり、送信点Ｔｘから異なる二つの周波数の電波を送信して上記演算をすれば、単一周波数を送信した場合に比べて推定距離の誤差が相当小さくなっていることが読み取れる。

次に発明者らは、更に三つの異なる周波数ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３として、周波数ｆ_１＝２４００ＭＨｚ，周波数ｆ_２＝２４４０ＭＨｚ，周波数ｆ_３＝２４８０ＭＨｚの三つの電波を用いて、上述したようにして受信点Ｒｘにおける受信電界強度ＲＳＳＩを計測した。その結果、計測した受信電界強度ＲＳＳＩの最大値および平均値から距離推定を求めると、それぞれ図１４、図１５に示す結果が得られた。

この結果から導かれる結論は、二つの異なる周波数から距離を推定するより、三つの異なる周波数を用いて距離を推定すれば、更に推定距離のばらつきが少なくなっていることがわかる。尚、推定距離から得られる回帰直線からの差の標準偏差を求めると図１６に示す結果が得られた。
したがって、これらのシミュレーション結果からわかるように異なる周波数を多く用いるほど、推定距離のばらつきが小さくなるという結論が導ける。また推定距離のばらつきは、平均値を用いるよりも最大値を用いた方が、そのばらつきが小さくなるこという結果も得られた。

このようなことから位置演算部３０は、受信機２０が受信した複数の送信機から送信された異なる周波数の電波における受信電界強度ＲＳＳＩの最大値または平均値を用いて推定距離を求めればよい。
ちなみに位置演算部３０には、受信電界強度ＲＳＳＩから受信点Ｒｘの位置を求める代表的な方式としてセルＩＤ方式と三辺測量方式等が適用される。

セルＩＤ方式は、受信機をできるだけ一定間隔に平面に配置し、移動する送信機からの電波を最も強く受けた受信機の近傍に送信機が存在するものと推定する方式である。
一方、三辺測量方式は、平面に受信機を複数配置し、移動する送信機からの電波を最寄りの三つの受信機で受信し、各々の受信機で測定した受信電力から送信機までの距離を推定し、三つの受信機の位置座標と推定距離から送信機の位置座標を求める方式である。

いずれの方式でも測定する受信電界強度ＲＳＳＩにばらつきがあると推定位置に誤差を生じる。つまりセルＩＤ方式の場合は、送信機が隣接受信機の近傍にあると判断されることになり、また三辺測量方式は、推定送信機における位置座標の誤差となる。
しかるに本発明の距離推定装置は、送信機から送信される複数の周波数の電波を用いているので、位置演算部３０にセルＩＤ方式あるいは三辺測量方式のいずれの方式を採用しても推定位置の誤差を少なくすることができる。

尚、位置演算部３０は各受信機に通信により接続される独立の機器により構成するか、あるいはどれかの受信機に内包されるかは自由である。
また、上述した送信機１０は、容易に移動できるように電池が電源として用いられた場合、この電池の消耗を少なくするため、送信時間はできるだけ短時間であることが好ましい。このため送信機は、通常はスリープ状態にしておき、タイマーで１秒毎、１分毎あるいは１時間毎などに所定の時間周期で間欠的に送信を行わせることが望ましい。ちなみに送信機から送信される電波に送信機を識別させる送信ＩＤを載せる程度であれば送信時間は、１ｍｓ以下で十分である。送信ＩＤとは、送信機の識別子のことで送信電波に乗せる情報の一つであり、これにより位置演算部などで送信器を携帯する者までわかり得るので、例えば、誰がどこにいるなど建物内の人員の管理に資するものである。

しかし送信機の発振器１１に水晶振動子を用いた場合、水晶振動子はＱが高いためスリープ状態から立ち上がるのに一般に数ｍｓから数十ｍｓが必要である。また水晶振動子の発振が安定するまでの立ち上りの時間中も電力が消費される。この立ち上がり時間は、一般に送信時間よりも長い。したがって二つ以上の異なる周波数を送信する場合、異なる周波数の電波を水晶振動子の発振を止めることなく続けて送信すれば、送信機における消費電力の増加はわずかで済む。

尚、周波数の切り換えは、シンセサイザを用いれば、ごく短時間のうちに行うことができる。この場合は、送信機から送信される複数の電波の周波数を予め受信機側にもセットしておく。そして受信機は、周波数ｆ_１の電波を受信した後、所定のタイミングで周波数ｆ_２の電波を受信するように切り換える。もちろん周波数切換方法は、三つ以上の異なる周波数を用いる場合であっても同様に行えばよい。
＜第二の実施形態＞
次に本発明の第二の実施形態に係る位置推定装置について説明する。この実施形態が上述した第一の実施形態と異なるところは、複数の送信機が所定の場所にそれぞれ配置されて、複数の異なる周波数の電波をそれぞれ送信する一方、受信機がこれら各送信機からそれぞれ送信された電波を受信して、これらの電波の受信電界強度から各送信機までの距離を求め、この求めた距離から現在の位置を求める点にある。

尚、図１７，１８は、本発明の第二の実施形態を説明する図であり、前述した第一の実施形態と同機能を有する部位には、同符号を付し、その説明を略述する。
さて、図１７において１０Ａ，１０Ｂは、例えば屋内のそれぞれ異なる場所に配置されて予め割り当てられたタイムスロット毎に二つの異なる周波数（ｆ_１，ｆ_２）の電波を送信する送信機であり、２０は、これら送信機１０Ａ，１０Ｂから送信される電波を受信する受信機である。尚、この図では、理解をしやすくするため、二台の送信機１０Ａ，１０Ｂだけを描いているが、三台以上の送信機を用いて構成してもかまわない。

送信機１０Ａ，１０Ｂは、それぞれ二つの異なる周波数（ｆ_１，ｆ_２）の高周波信号を発振する発振器１１Ａ，１１Ｂ、この発振器１１Ａ，１１Ｂの発振周波数を切り換える周波数切換部１２Ａ，１２Ｂ、発振器１１Ａ，１１Ｂの出力信号を増幅する増幅器１３Ａ，１３Ｂ、この増幅器１３Ａ，１３Ｂが増幅した高周波信号を電波として空間に放射する送信アンテナ１４Ａ，１４Ｂ、他の送信機とそれぞれ同期付けられて予め割り当てられたタイムスロットの到来を判定し、周波数切換部１２Ａ，１２Ｂに発振周波数の切り換え指示および増幅器１３Ａ，１３Ｂの作動指示を与える同期部１６Ａ，１６Ｂを備えて構成される。

一方、受信機２０は、送信機１０Ａ，１０Ｂがそれぞれ送信した電波を受ける受信アンテナ２１、受信アンテナ２１から取り込む電波の周波数に同調させる同調部２２、この同調部２２の受信周波数を切り換える周波数切換部２３、送信機１０Ａ，１０Ｂがそれぞれ送信するタイミング（タイムスロット）と同期して周波数切換部２３に切り換え指示を与える同期部２４、同調部２２によって受信された受信信号の電界強度を計測する電界強度測定部２５、この電界強度測定部２５が計測した電界強度から、送信機１０Ａ，１０Ｂの位置を求める位置演算部３０を備える。

概略的には上述したように構成された本発明の第二の実施形態に係る位置推定装置の作動についてより詳細に説明する。
図１８に示すように二つの送信機１０Ａ，１０Ｂは、送信機１０Ａが送信した後、送信機１０Ｂが送信するサイクルを一周期Ｔとして、送信機１０Ａ，１０Ｂ毎に予め割り当てられたタイムスロット内で交互に電波を送信する。

ここでは、理解をしやすくするために送信機１０Ａが周波数ｆ_１の電波を送信し始める時間を基準時刻［ｔ＝０］とする。また二つの送信機１０Ａ，１０Ｂおよび受信機２０がそれぞれ有する同期部１６，２４は、互いに同期がとれて各々タイムスロットのタイミングが把握できているものとして説明する。
同期部１６，２４が互いに同期するには、例えば、送信機１０Ａがマスタ送信局となり、同期化のための電波（タイミング信号）を送出し、送信機１０Ｂおよび受信機２０は、このタイミング信号を受信して送信機１０Ａの同期部１６Ａのタイミングと一致するようにそれぞれの同期部１６Ｂ，２４を同期させればよい。

あるいは同期化の方法は、これ以外にも同期化のための送信機（基準送信機）を別に用意して、この送信機が送信するタイミング信号を送信機１０Ａ，１０Ｂおよび受信機２０がそれぞれ受信して同期するようにしてもよい。この基準送信機としては、例えば、ＧＰＳ衛星が送出する電波や電波時計校正用の電波等が適用できる。
その他、同期化の方法としては、例えば図１９に示すように複数の送信機のうちの１台（図１９では送信機１０Ａ）に同期部１６Ａを設け、この同期部１６Ａから出力されるタイミング信号を他の送信機（図１９では送信機１０Ｂ）にケーブル１７等で配信するようにして周波数を切り換えるように構成してもかまわない。

さて、［ｔ＝０］になると送信機１０Ａの同期部１６Ａは、送信機１０Ａに与えられたタイムスロットＴａが到来したと判断し、発振器１１Ａの発振周波数をｆ_１にするべく周波数切換部１２Ａに周波数切り換え指示を与えると共に、増幅器１３Ａを作動させる。すると送信機１０Ａは、送信アンテナ１４Ａから周波数ｆ_１の電波を送信する。
次いで時刻［ｔ＝ｔ_１］になると同期部１６Ａは、増幅器１３Ａの作動を停止させて電波の送信を停止させるとともに、周波数切換部１２Ａに周波数の切り換え指示を与えて発振器１１Ａの発振周波数をｆ_２に切り換える。そして［ｔ＝ｔ_２］になると同期部１６Ａは、時刻［ｔ＝ｔ_３］までの間、増幅器１３Ａを作動させる。すると送信機１０Ａは、周波数ｆ_２の電波を送信アンテナ１４Ａから送信する。このようにして送信機１０Ａは、予め送信機１０Ａに与えられたタイムスロットＴ_ａの間、異なる二つの周波数の電波を送信する。

そして時刻［ｔ＝ｔ_ａ］になると送信機１０Ｂには、送信可能なタイムスロットＴ_ｂが到来する。すると送信機１０Ｂは、前述した送信機１０Ａと同様に異なる二つの周波数の電波を順次送信する。
まず、［ｔ＝ｔ_ａ］のとき、送信機１０Ｂの同期部１６Ｂは、発振器１１Ｂの発振周波数をｆ_１にするべく周波数切換部１２Ｂに周波数の切り換え指示を与えると共に、増幅器１３Ｂを作動させる。すると送信機１０Ｂは、送信アンテナ１４Ｂから周波数ｆ_１の電波を送信する。

次いで時刻［ｔ＝ｔ_ａ＋ｔ_１］になると同期部１６Ｂは、増幅器１３Ｂの作動を停止させて電波の送信を停止させると共に、周波数切換部１２Ｂに周波数切り換え指示を与えて発振器１１Ｂの発振周波数をｆ_２に切り換える。そして［ｔ＝ｔ_ａ＋ｔ_２］になると同期部１６Ｂは、時刻［ｔ＝ｔ_ａ＋ｔ_３］までの間、増幅器１３Ｂを作動させる。すると送信機１０Ｂは、送信アンテナ１４Ｂから周波数ｆ_２の電波を送信する。このようにして送信機１０Ｂは、予め送信機１０Ｂに与えられたタイムスロットＴ_ｂの間、異なる二つの周波数の電波を送信する。

このようにして二台の送信機１０Ａ，１０Ｂがそれぞれ異なる二つの周波数の電波を送信して一連のサイクル（一周期Ｔ）が完了する。以後、送信機１０Ａ，１０Ｂは、このサイクルを繰り返して、異なる二つの周波数ｆ_１，ｆ_２の電波を交互に送信する。
一方、受信機２０は、このようにして送信された電波を受信アンテナ２１から取り込む。同期部２４は、送信機１０ＡのタイムスロットＴ_ａにおいて時刻［ｔ＝０］〜［ｔ＝ｔ_１］の間、周波数切換部２３に同調部２２の受信周波数を［ｆ_１］にするように切り換え指示を与える。同調部２２が受信した周波数ｆ_１の受信信号は、電界強度測定部２５に与えられ、電界強度が計測されて保持される。

次いで同期部２４は、時刻［ｔ＝ｔ_２］〜［ｔ＝ｔ_３］の間、周波数切換部２３に同調部２２の受信周波数を［ｆ_２］にするように切り換え指示を与える。そして同調部２２が受信した周波数ｆ_２の受信信号は、電界強度測定部２５に与えられて、電界強度が計測され、保持される。
このようにして送信機１０ＡのタイムスロットＴ_ａにおいて、電界強度測定部２５が計測した送信機１０Ａが送信した異なる二つの周波数ｆ_１，ｆ_２の電界強度は、位置演算部３０に与えられる。位置演算部３０は、いずれか一方の電界強度が最大となる値（最大値）または、これらの電界強度を平均して得られた値（平均値）を採用し、その電界強度から送信機１０Ａまでの距離を求める。

次に送信機１０ＢのタイムスロットＴ_ｂにおいても上述したように同期部２４が周波数切換部２３に周波数の切り換え指示を与え、同調部２２が受信した二つの周波数ｆ_１，ｆ_２の電波の電界強度を電界強度測定部２５が計測すると共に、これらの電界強度から位置演算部３０が送信機１０Ｂまでの距離を求める。
このように本発明の位置推定装置は、送信機１０Ａ，１０Ｂのそれぞれが異なる二つの周波ｆ_１，ｆ_２の電波を送信する一方、受信機２０は、これらの送信機１０Ａ，１０Ｂからそれぞれ送信された二つの周波数ｆ_１，ｆ_２の電波の電波を受信して、これら電波の電界強度の最大値または平均値から送信機１０Ａ，１０Ｂまでの距離を求めているので、マルチパスによって生じるヌルポイントの影響を受けることが少なく、高精度に受信機２０の位置を推定することができる。

尚、本発明の位置推定装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもかまわない。
例えば前述した実施形態は、送信機１０Ａ，１０Ｂおよび受信機２０のそれぞれに同期部１６Ａ，１６Ｂ，２４を備えたものを例示したが、これらの同期部を排除し、送信機が送信する電波の周波数を切り換える時間間隔を予め定めておいてもよい。そして受信機２０は、送信機から送信される複数の周波数の電波のうち、最初に送信される周波数の電波を受信し、送信機の送信タイミングを検出する。次いで送信機が周波数を切り換える時間になったとき、受信機は、送信機から送信される周波数に切り換えて受信をする。このようにすることで本発明の位置推定装置は、より簡易な構成でありながら高精度に位置を推定することが可能となる。

また上述した受信機は、同調部を複数有し、送信機から送信される異なる周波数の電波を同時に受信するように構成することで、受信周波数を切り換える周波数切換部や、同期部を不要とすることができ、簡易な構成でありながら高精度に位置を推定することが可能となる等、本発明の距離推定装置は、実用上極めて効果的である。

本発明の第一の実施形態に係る位置推定装置におけるシステム構成の概略を示すブロック図。 図１に示す送信機の送信タイミングを示すタイミングチャート。 シミュレーションに用いた屋内における送信点と受信点の関係を示す概略図。 図３に示す受信点に到達する電波のパスをシミュレーションした結果を示す図。 図３に示す受信点に到達する電波の垂直方向におけるレベルを示したグラフ。 図３に示す受信点に到達する電波の水平方向におけるレベルを示したグラフ。 図３に示したシミュレーションにおいて受信点の位置を移動させた場合の受信における電界強度の理論値およびシミュレーション結果の値を示すグラフ。 図７に示した結果から推定距離を求めた値を示すグラフ。 図３に示したシミュレーションにおいて送信点から二つの異なる周波数の電波を送信し、受信点の位置を移動させた場合の受信における電界強度のシミュレーション結果の値を示すグラフ。 図９に示した結果から得られる最大値を求めた結果を示すグラフ。 図９に示した結果から得られる平均値を求めた結果を示すグラフ。 図９に示した電界強度の最大値から推定距離を求めた値を示すグラフ。 図９に示した電界強度の平均値から推定距離を求めた値を示すグラフ。 送信点から三つの異なる周波数の電波を送信した場合、受信点における電界強度の最大値から推定距離を求めた値を示すグラフ。 送信点から三つの異なる周波数の電波を送信した場合、受信点における電界強度の平均値から推定距離を求めた値を示すグラフ。 受信点における電界強度から得られた推定距離を示すグラフから導かれる回帰曲線との差から求めた標準偏差の値を示す表。 本発明の第二の実施形態に係る位置推定装置におけるシステム構成の概略を示すブロック図。 図１７に示す二台の送信機の送信タイミングを示すタイミングチャート。 図１７に示す本発明の第二の実施形態に係る位置推定装置を変形した実施形態におけるシステム構成の概略を示すブロック図。

符号の説明

１０ 送信機
１１ 発振器
１２ 周波数切換部
１３ 増幅器
１４ 送信アンテナ
１５ タイミング生成部
２０ 受信機
２１ 受信アンテナ
２２ 同調部
２３ 周波数切換部
２４ 同期部
２５ 電界強度測定部
３０ 位置演算部

Claims (7)

1. 所定周波数の電波を送信する送信機と、
   所定の場所に配置されて、前記送信機が送信した電波をそれぞれ受信する複数の受信機と
   を有する位置推定装置であって、
   前記送信機は、複数の異なる周波数の電波を順次送信する一方、
   前記各受信機は、前記前記送信機から送信される複数の周波数の電波を受信して、これら電波の受信電界強度を測定する電界強度測定部と、
   前記各受信機の前記電界強度測定部がそれぞれ測定した受信電界強度から前記送信機の位置を求める位置演算部と
   を備えることを特徴とする位置推定装置。
2. 前記位置演算部は、前記電界強度測定部がそれぞれ測定した前記受信電界強度の最大値から前記送信機と前記受信機との距離を求めることを特徴とする請求項１に記載の位置推定装置。
3. 前記位置演算部は、前記電界強度測定部がそれぞれ測定した前記受信電界強度の平均値から前記送信機と前記受信機との距離を求めることを特徴とする請求項１に記載の位置推定装置。
4. 所定の場所にそれぞれ配置されて、複数の異なる周波数の電波をそれぞれ送信する複数の送信機と、
   これら送信機からそれぞれ送信された前記電波を受信して、これらの電波の受信電界強度から前記各送信機までの距離を求め、この求めた距離から現在の位置を求める受信機と
   を備えることを特徴とする位置推定装置。
5. 前記送信機は、他の送信機とそれぞれ同期付けられて予め割り当てられたタイムスロットの到来を判定する送信機同期部と、
   この送信機同期部により予め割り当てられたタイムスロットの到来が検出されたとき、該タイムスロット内に複数の異なる周波数の電波を予め定められた順序で送信する送信部と
   を具備し、
   前記受信機は、複数の前記送信機から送信される電波をそれぞれ受信して、前記タイムスロットを検出する受信機同期回路と、
   この受信機同期回路によって得られた前記タイムスロット毎に複数の前記送信機からそれぞれ送信される複数の異なる周波数の電波を受信して、これら電波の受信電界強度をそれぞれ求める電界強度測定部と、
   この電界強度測定部によって求められた前記送信機毎の受信電界強度から該受信機の位置を求める位置演算部と
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の位置推定装置。
6. 前記位置演算部は、前記送信機毎の受信電界強度の最大値から各送信機と前記受信機との距離をそれぞれ求め、この求めた複数の距離から該受信機の位置を得ることを特徴とする請求項５に記載の位置推定装置。
7. 前記位置演算部は、前記受信電界強度の平均値から各送信機と前記受信機との距離をそれぞれ求め、この求めた複数の距離から該受信機の位置を得ることを特徴とする請求項５または６に記載の位置推定装置。

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