JP2022071237A - 測位方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ターゲットノードの測位精度を向上する。【解決手段】ターゲットノードと１以上の基準ノードとの間で送受信される無線信号に基づき、前記ターゲットノードの位置を決定する方法が開示される。この方法は、無線信号から推定される異なる測位関連パラメータの値を取得する。異なる測位関連パラメータの各測位関連パラメータの値に基づき計算されるターゲットノードの測位値の誤差を、測位値及び過去のターゲットノードの決定された位置の少なくとも一方に基づき決定する。誤差に基づき、異なる測位関連パラメータの各測位関連パラメータの重みを決定する。重み及び異なる測位関連パラメータそれぞれの値に基づき計算される測位値に基づき、ターゲットノードの位置を決定する。【選択図】図１０

Description

本発明は、測位方法に関する。
携帯電話で用いられる無線周波数は今後ますます高周波数帯に拡張される計画で、例えば今後実用化される５Ｇ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ方式や６Ｇ方式では、ミリ波帯やテラヘルツ波帯域の利用が進むと考えられる。通信の高速大容量化には、これらの高周波帯域の活用が必須であるが、一方で周波数が高くなるに従い、電波の通信可能距離が短くなるという課題がある。
従って、例えば５Ｇ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ方式や６Ｇ方式では、マクロセル基地局に加え、スモールセル基地局が多用されると考えられる。屋内に高密度に設置されたスモールセル基地局が、ユーザ端末にミリ波帯やテラヘルツ波帯の指向性を持つビームを向けることで、高信頼な通信ネットワークが実現される。
高密度配置された基地局を活用して、ユーザ端末の測位が可能になると考えられる。すなわち、各基地局の設置座標が事前にわかっていれば、その座標を基準にして、基地局がユーザ端末に向けたビームの角度や電波の到来時間を参照することで、ユーザ端末の位置を幾何学的に算出することができる。このシステムにより、測位誤差数ｃｍ以下の高精度測位が実現できると予測される。
従来の無線測位方式として、ユーザ端末のような被測位物と基地局のような基準点との間で通信することで測位関連パラメータを取得し、測位関連パラメータに基づいて位置推定を行う、という２ステップの手法が知られている。様々な種類の測位関連パラメータを使用した２ステップ測位方法が知られている。例えば、測位関連パラメータとして到来時間差を採用した技術の一例が、特開２０１２－９８０７１号公報で開示されている。
特開２０１２－９８０７１号公報
しかし、スモールセル基地局が高密度に配置された通信インフラによる測位方式は、具体化されていない。発明者らは、このような通信インフラによる測位システムを考えるときに、解決すべき課題を抽出し、具体的な解決手段を検討し、本発明の創生に至った。すなわち、従来の測位方式の問題点として、基準点の配置パターンと、測位エリア内の障害物の有無に関連して、測位エリア内に測位精度の良い個所と悪い個所が発生してしまう。
５Ｇｅｖｏｌｕｔｉｏｎや６Ｇのようなスモールセル基地局の高密度設置環境を活用した測位システムでは、基地局の配置は規則正しい碁盤目状であるとは限らず、３次元的に不規則な座標に多数の基地局が配置されることが考えられる。また、都市部や屋内は、多数の障害物が周囲を取り囲む厳しいマルチパス環境である。
そのため、ユーザ端末の測位を従来の測位方式で行った場合、測位エリア内は非常に複雑な測位誤差分布となる。その結果、測位精度が著しく低下するポイントが多数できてしまうことが考えられる。
本開示の一態様は、ターゲットノードと１以上の基準ノードとの間で送受信される無線信号に基づき、前記ターゲットノードの位置を決定する、方法であって、前記無線信号から推定される異なる測位関連パラメータの値を取得し、前記異なる測位関連パラメータの各測位関連パラメータの値に基づき計算される前記ターゲットノードの測位値の誤差を、前記測位値及び過去の前記ターゲットノードの決定された位置の少なくとも一方に基づき決定し、前記誤差に基づき、前記異なる測位関連パラメータの各測位関連パラメータの重みを決定し、前記重み及び前記異なる測位関連パラメータそれぞれの値に基づき計算される測位値に基づき、前記ターゲットノードの位置を決定する。
本発明の一態様によれば、ターゲットノードの測位精度を向上できる。
本明細書の一実施例に係る測位システムの構成を模式的に示す。 端末の構成を模式的に示すブロック図である。 基地局の機能構成を示すブロック図である。 測位装置の機能構成例を示す。 測位装置ハードウェア構成例を示す。 測位システムにおいて、測位信号の到来角度（ＡＯＡ）の情報を送受信するシーケンス図を示す。 測位システムにおいて、測位信号の到来時間（ＴＯＡ）の情報を送受信するシーケンス図を示す。 測位システムにおいて、測位信号の到来時間差（ＴＤＯＡ）の情報を送受信するシーケンス図を示す。 測位システムにおいて、端末の測位を行うための、端末、基地局及び測位装置の間での情報の流れを模式的に示す。 測位装置による端末の測位方法の概要を示すフローチャート例である。 図１０の測位方法に従う、端末３０のより具体的な測位方法例を示す。 測位装置による端末の測位方法の概要を示す他のフローチャート例である。 図１２の測位方法に従う、端末のより具体的な測位方法の例を示す。 図１２の測位方法に従う、端末のより具体的な測位方法の例を示す。
以下においては、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施例に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
以下において、測位対象であるターゲットノードと基準ノードとの間の無線通信によりターゲットノードの測位を行う方法を説明する。基準ノードは、例えば、スモールセル基地局であり、幾何学的に不規則に配置され得る。
ターゲットノードの測位のための様々な測位関連パラメータが知られており、それらに基づいた測位方式もまた様々なものが存在する。基準ノードの配置や測位エリア内の電磁界的な障害物の有無によって、いずれの測位方式の精度も測位エリア全体に渡って一様ではなく、測位方式は固有の誤差分布を持つ。そのため、測位エリア内の位置によって最適な測位方式が異なる。
本明細書の一実施例に係る測位方法は、ターゲットノードの位置に対して適応的に、複数の異なる測位方式それぞれの重み（寄与度）を決定する。異なる測位方式の重み及び測位値に基づきターゲットノードの位置が推定される。これにより、測位エリア全体に渡って良好な測位精度を得ることができる。
図１は、本明細書の一実施例に係る測位システムの構成を模式的に示す。測位システム１は、基地局２１、２２、及び２３、並びに、測位装置１０を含む。測位システム１は、端末３０の測位を行い、その位置（ｘｅ、ｙｅ、ｚｅ）を特定する。以下に説明する例において、端末３０の３次元の位置が計測されるが、他の例において、２次元の位置が計測されてもよい。
本明細書において、被測位物である端末３０をターゲットノード、基地局２１、２２、及び２３を基準ノードと呼ぶことがある。端末３０は、移動体であって、測位システム１の測位領域内を移動し得る。基地局２１、２２、及び２３の位置（ｘ１、ｙ１、ｚ１）、（ｘ２、ｙ２、ｚ２）及び（ｘ３、ｙ３、ｚ３）は予め登録されており、固定されている。
基地局２１、２２、及び２３、並びに、測位装置１０は、ネットワーク４０を介して、情報を送受信する。ネットワーク４０は、有線又は無線を使用した任意の構成を有することができ、例えば、光ファイババックホール網、ミリ波やテラヘルツ波による無線バックホール網、ＬＡＮ又はＷＡＮを含んで構成され得る。
端末３０は、端末３０の位置を計測するための無線信号（測位信号）３５を送信する機能を含む。基地局２１、２２、及び２３は、端末３０が送信した測位信号３５から、所定の測位関連パラメータを推定（生成）する機能を備える。図１において、一つの測位信号が符号３５で指示されている。基地局２１、２２及び２３に送信される測位信号は、共通又は異なる。なお、本明細書中での測位信号とは、セルラ通信において端末と基地局間でやり取りされるデータ通信パケットそのものであってもよいし、端末測位だけのために送受信されるパケットであってもよい。
測位関連パラメータの詳細は後述するが、例えば、測位関連パラメータは、測位信号３５の受信強度（ＲＳＳ：Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ）、到来時間（ＴＯＡ：Ｔｉｍｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ）、及び到来角度（ＡＯＡ：Ａｎｇｌｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ）を含むことができる。これらは好ましい測位関連パラメータの例である。また、基地局２１、２２、及び２３は、測位関連パラメータとして、他の基地局における到来時間と当該基地局での到来時間との間の差（ＴＤＯＡ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ）を決定する機能を有してもよい。
測位装置１０は、基地局２１、２２、及び２３それぞれの座標の情報を格納するデータベース（図１において不図示）を含む。データベースは、座標情報以外の測位システムに関する情報を格納できる。測位装置１０は、基地局２１、２２、及び２３それぞれとネットワーク４０を介して接続される。測位装置１０は、基地局２１、２２、及び２３それぞれからネットワーク４０を介して入手した測位関連パラメータと、データベースに含まれる情報とを用いて、端末３０の位置を算出する。
なお、以下に説明する構成例において、測位装置１０が端末３０の位置を算出するするが、他の構成例において、他の装置、例えば基地局又は端末が、端末の位置を算出するために必要な情報を取得し、その位置を算出してもよい。
図２は、端末３０の構成を模式的に示すブロック図である。端末３０は、信号送信制御部３０１、信号作成部３０２及びアンテナ３０３を含む。信号送信制御部３１は、基地局から受信した測位のための信号や、端末３０に内のセンサやタイマからの情報等に基づいて、端末３０が測位信号を送信することを決定する。信号作成部３０２は、信号送信制御部３０１からの命令を受けて測位信号を作成し、アンテナ３０３から送信する。この測位信号は、端末３０毎に固有に割り当てられた識別子を有しており、いずれの端末３０が送信した測位信号か、識別可能である。
端末３０のハードウェア構成は、例えば、演算処理装置であるプロセッサ、プロセッサが実行するプログラム及び参照するデータを格納する記憶装置であるメモリ、所定の信号処理を行う信号処理回路、無線インタフェース及びアンテナを含むことができる。端末３０の各機能を実現するハードウェア構成は任意であり、各機能部は、上記１又は複数のハードウェア構成要素により実装することができる。
図３は、基地局２１、２２又は２３の機能構成を示すブロック図である。図３は、携帯電話システムのスモールセル基地局において、測位に関する機能ブロックのみを示す。以下に説明する例において、基地局２１、２２又は２３は共通の構成を有するが、他の構成例において、これらは異なる構成を有してもよい。
基地局は、測位関連パラメータ測定部２０１、信号送信元判定部２０２、測位関連パラメータ通知作成部２０３、通信部２０４、メモリ２０５及びアンテナ２０６を含む。測位関連パラメータ測定部２０１は、端末３０から送信された測位信号３５の測位関連パラメータを測定する。基地局は、複数の測位関連パラメータを測定する。以下に説明する例において、測位関連パラメータは、測位信号の、到来角度、到来時間、及び到来時間差を含む。異なる測位関連パラメータの測定のために異なるパケットが使用されてもよく、共通のパケットから異なる測位関連パラメータが測定されてもよい。
測位関連パラメータ測定部２０１は、得られた情報を測位関連パラメータ通知作成部２０３に送る。測位関連パラメータ通知作成部３３は、測位信号３５の測位関連パラメータと、送信元の端末３０を特定する情報を含む測位関連パラメータ通知メッセージを作成する。
通信部２０４は、基地局をネットワーク４０に接続するインタフェースとして機能する。通信部２０４は、測位関連パラメータ通知作成部２０３によって作成された測位関連パラメータ通知メッセージを、ネットワーク４０を介して測位装置１０に送信する。
基地局のハードウェア構成は、例えば、演算処理装置であるプロセッサ、プロセッサが実行するプログラム及び参照するデータを格納する記憶装置であるメモリ、所定の信号処理を行う信号処理回路、無線インタフェース及びアンテナを含むことができる。基地局各機能を実現するハードウェア構成は任意であり、各機能部は、上記１又は複数のハードウェア構成要素により実装することができる。
図４は、測位装置１０の機能構成例を示す。測位装置１０は、位置計算部１０１、通信部１０２及び測位システム情報データベース１０３を含む。測位システム情報データベース１０３は、基地局の座標情報を含む、測位のために参照される測位システム１に関する情報を格納する。後述するように、測位システム情報データベース１０３は、例えば、異なる測位方式それぞれの、測位エリア全体の事前測定誤差分布を格納することができる。
通信部１０２は、測位装置１０をネットワーク４０に接続するインタフェースとして機能し、基地局２１、２２及び２３から送られる測位関連パラメータ通知を受けて、位置計算部１０１に送る。位置計算部１０１は、測位関連パラメータ通知に含まれる測位関連パラメータ、及び、測位システム情報データベース１０３から得た基地局２１、２２及び２３の位置の情報に基づいて端末３０の現在位置を算出する。
後述するように、位置計算部１０１は、異なる測位関連パラメータそれぞれから推定される端末３０の位置（測位値）の重み（端末３０の位置決定における寄与度）を決定する。位置計算部１０１は、それら重み及び測位値に基づいて、端末３０の位置を決定する。位置計算部１０１による端末３０の位置決定の詳細は後述する。
図５は、測位装置１０のハードウェア構成例を示す。測位装置１０は、例えば、計算機構成を有することができる。具体的には、測位装置１０は、演算処理装置であるプロセッサ１５１と、プロセッサ１５１が実行するプログラム及びデータを格納する揮発性一時記憶領域を与える主記憶装置であるＤＲＡＭ１５２と、を含む。
測位装置１０は、さらに、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）やフラッシュメモリなどを利用した永続的な情報記憶領域を与える補助記憶装置１５３と、他の装置とデータ通信を行うためのシリアルポート等のインタフェース１５６を含むことができる。測位装置１０は、このほか、操作を行うためのマウスやキーボード等の入力装置と、各プロセスでの出力結果をユーザに提示する出力装置と、を含んでもよい。
プロセッサ１５１が実行するプログラム及び処理対象のデータは、補助記憶装置２１３からＤＲＡＭ１５２にロードされる。測位装置１０の機能は、複数の計算機に分散されていてもよい。このように、測位装置１０は、１以上の記憶装置及び１以上のプロセッサを含む。
測位装置１０の少なくとも一部の機能は、補助記憶装置１５３に記録されたプログラムをプロセッサ１５１が実行することによって実現できる。測位システム情報データベース１０３は、データの蓄積を補助記憶装置２１３に行うようなプログラムをプロセッサ１５１が実行することで実装できる。
測位装置１０は、上述のような物理的な計算機システム（一つ以上の物理的な計算機）でもよいし、クラウド基盤のような計算リソース群（複数の計算リソース）上に構築されてもよい。計算機システムあるいは計算リソース群は、１以上のインタフェース装置（例えば通信インタフェース装置及び入出力装置を含む）、１以上の記憶装置（例えば、メモリ（主記憶）及び補助記憶装置を含む）、及び、１以上のプロセッサを含む。
プログラムがプロセッサによって実行されることで機能が実現される場合、定められた処理が、適宜に記憶装置及び／またはインタフェース装置等を用いながら行われるため、機能はプロセッサの少なくとも一部とされてもよい。機能を主語として説明された処理は、プロセッサあるいはそのプロセッサを有するシステムが行う処理としてもよい。プログラムは、プログラムソースからインストールされてもよい。プログラムソースは、例えば、プログラム配布計算機または計算機が読み取り可能な記憶媒体（例えば計算機読み取り可能な非一過性記憶媒体）であってもよい。各機能の説明は一例であり、複数の機能が一つの機能にまとめられたり、一つの機能が複数の機能に分割されたりしてもよい。
本実施例の測位装置１０は、異なる測位関連パラメータから端末３０の現在位置（測位値）を推定する。測位装置１０は、測位値及び端末３０の過去の決定された位置の少なくとも一方に基づいて、当該測位値（測位関連パラメータ）の重みを決定する。測位装置１０は、異なる測位関連パラメータの重み及び測位値に基づいて、端末３０の現在位置を決定する。測位装置１０により端末３０の位置の決定方法について説明する前に、測位装置１０による測位関連パラメータの収集方法を説明する。
以下に説明する例において、測位装置１０は、測位関連パラメータとして、端末３０からの測位信号の、到来角度、到来時間、及び到来時間差を使用して、端末３０の推定位置を決定する。なお、測位装置１０が位置推定に使用する測位関連パラメータはこれらに限定されず、これらの一部が省略される又は他の測位関連パラメータが使用されてもよい。例えば、測位信号の信号強度は、使用可能な測位関連パラメータの一つである。
図６は、測位システム１において、測位信号の到来角度（ＡＯＡ）の情報を送受信するシーケンス図を示す。端末３０は、基地局２１、２２及び２３それぞれに、測位信号３５を送信する。図６において、一つの測位信号が、例として、符号３５で指示されている。
なお、ＡＯＡの取得のためには、基地局もしくは端末が指向性ビームを走査する機能を持つ必要がある。最も一般的な構成は、基地局がビーム走査機能を持ち、端末は無指向性（等方性）の電場を放射するものである。この場合、まずは基地局が指向性ビームを走査しながら端末に対してコーリング信号を投げかけ、端末はそのコーリング信号を受信できたときに応答信号を返す。
これにより、基地局はどの角度にコーリング信号を投げかけたときに端末が応答したかが分かり、結果として測位信号のＡＯＡを知ることができる。図６において、端末３０から基地局２１、２２、２３それぞれへと送られる無線信号を破線矢印で示しているが、これは上記のような手続きを模式的に示したものである。
基地局２１、２２及び２３は、それぞれ、受信した測位信号３５から、測位信号３５の到来角度を決定する。例えば、アンテナ２０６はアレイ構成を有しており、測位関連パラメータ測定部２０１は、受信した測位信号３５の位相差に基づき、測位信号３５の到来角度を測定（推定）することができる。基地局２１、２２及び２３は、それぞれ、到来角度ＡＯＡ１、ＡＯＡ２及びＡＯＡ３の情報を、ネットワーク４０を介して、測位装置１０に送信する。
なお、到来角度を決定するために知られた他の任意の方式を使用することができる。測位装置１０は、到来角度ＡＯＡ１、ＡＯＡ２及びＡＯＡ３を算出するために必要な情報を基地局２１、２２及び２３それぞれから取得し、到来角度ＡＯＡ１、ＡＯＡ２及びＡＯＡ３を決定してもよい。
図７は、測位システム１において、測位信号の到来時間（ＴＯＡ）の情報を送受信するシーケンス図を示す。基地局２１、２２及び２３は、それぞれ、端末３０に対して測位のための信号を送信する（図７において不図示）。端末３０は、基地局２１、２２及び２３それぞれに、受信した信号に応答して、測位信号３５１、３５２及び３５３を送信する。
基地局２１、２２及び２３は、それぞれ、受信した測位信号３５１、３５２及び３５３から、測位信号の到来時間ＴＯＡ１、ＴＯＡ２及びＴＯＡ３を決定する。到来時間は、端末３０から基地局に信号が届くまでにかかる時間である。
測位関連パラメータ測定部２０１は、例えば、端末３０に測位用信号を送信してから、端末３０から応答信号（測位信号）を受信するまでの時間（ＲＴＴ：Ｒｏｕｎｄ Ｔｒｉｐ Ｔｉｍｅ）を計測する。ＲＴＴから、端末での受信から送信までのタイムラグを引いて、２で割ることで、到来時間を算出（推定）することができる。また、別の方法としては、端末と基地局の内蔵タイマが正確に同期している条件下で、端末は測位信号内に送信時刻を書き込み、基地局はその送信信号の受信時刻と、書き込まれた送信時刻とを比較することでＴＯＡを求めることができる。基地局２１、２２及び２３は、それぞれ、到来時間ＴＯＡ１、ＴＯＡ２及びＴＯＡ３の情報を、ネットワーク４０を介して、測位装置１０に送信する。
なお、到来時間を決定するために知られた他の任意の方式を使用することができる。測位装置１０は、到来時間ＴＯＡ１、ＴＯＡ２及びＴＯＡ３を算出するために必要な情報を基地局２１、２２及び２３それぞれから取得し、到来時間ＴＯＡ１、ＴＯＡ２及びＴＯＡ３を決定してもよい。
図８は、測位システム１において、測位信号の到来時間差（ＴＤＯＡ）の情報を送受信するシーケンス図を示す。到来時間差は、一つの基地局の到来時間（ＴＯＡ）と他の一つの基地局の到来時間（ＴＯＡ）との間の差である。
端末３０は、基地局２１、２２及び２３それぞれに、測位信号３５を送信する。図８において、一つの測位信号が、例として、符号３５で指示されている。基地局２１、２２及び２３は、それぞれ、測位信号３５を受信した時刻ＲＴ１、ＲＴ２、及びＲＴ３を測定する。測位関連パラメータ測定部２０１は、測位信号３５の受信時刻を、内蔵タイマを参照して測定することができる。
次に、基地局２１は、測位信号３５の受信に応答して、他の基地局２２及び２３それぞれに、基準信号３６を無線により送信する。測位信号３５の受信から基準信号３６の送信までに必要される遅延時間は一定であり、測位装置１０の測位システム情報データベース１０３に予め格納されている。
基地局２２は、基準信号３６の基地局２１からの受信時刻を測定し、その受信時刻ＲＳ２と基地局２２における測位信号３５の受信時刻ＲＴ２との差ＲＴ１２を算出する。基地局２２は、時間差ＲＴ１２を測位装置１０にネットワーク４０を介して送信する。基地局２３は、基準信号３６の基地局２１からの受信時刻を測定し、その受信時刻ＲＳ３と基地局２３における測位信号３５の受信時刻ＲＴ３との差ＲＴ１３を算出する。基地局２３は、時間差ＲＴ１３を測位装置１０にネットワーク４０を介して送信する。
測位装置１０は、時間差ＲＴ１２と基地局２１における遅延時間とに基づき、基地局２１と基地局２２との間の到来時間差ＴＤＯＡ１２を算出（推定）する。同様に、測位装置１０は、時間差ＲＴ１３と基地局２１における遅延時間とに基づき、基地局２１と基地局２３との間の到来時間差ＴＤＯＡ１３を算出（推定）する。
なお、到来時間差を決定するために知られた他の任意の方式を使用することができる。例えば、測位装置１０は、受信時刻ＲＴ２及びＲＳ２並びにＲＴ３及びＲＳ３を基地局２２及び２３から取得し、それらに基づき到来時間差ＴＤＯＡ１２及びＴＤＯＡ１３を決定してもよい。
図９は、測位システム１において、端末３０の測位を行うための、端末３０、基地局２１、２２及び２３並びに測位装置１０の間での情報の流れを模式的に示す。図９において構成要素それぞれが得る情報は、図６、７及び８のシーケンス図を参照した説明に対応している。
基地局２１は、端末３０との通信により、到来角度ＡＯＡ１及到来時間ＴＯＡ１の情報を得る。同様に、基地局２２は、端末３０との通信により、到来角度ＡＯＡ２及到来時間ＴＯＡ２の情報を得、基地局２３は、端末３０との通信により、到来角度ＡＯＡ３及到来時間ＴＯＡ３の情報を得る。
基地局２２は、端末３０及び基地局２１との通信により、基地局２１と２２との間の到来時間差ＴＤＯＡ１２の情報を得る。同様に、基地局２３は、端末３０及び基地局２１との通信により、基地局２１と２３との間の到来時間差ＴＤＯＡ１２の情報を得る。なお、基地局２２及び２３が得る情報は測位信号の受信時刻の差であるが、それら値から到来時間差が求められるため、実質的に通信される情報を到来時間差と見なす。
測位装置１０は、基地局２１から、その到来角度ＡＯＡ１及び到来時間ＴＯＡ１の情報を取得する。測位装置１０は、基地局２２から、その到来角度ＡＯＡ２及び到来時間ＴＯＡ２の情報並びに基地局２１と２２との間の到来時間差ＴＤＯＡ１２の情報を得る。測位装置１０は、基地局２３から、その到来角度ＡＯＡ３及び到来時間ＴＯＡ３の情報並びに基地局２１と２３との間の到来時間差ＴＤＯＡ１３の情報を得る。
以下において、測位装置１０による端末３０の位置を決定する方法を説明する。以下に説明する構成例において、測位装置１０が端末３０の位置を決定する。他の構成例において、インタフェース、演算処理装置及び記憶装置を含む他の装置が、例えば端末３０又は基地局が同様の処理により端末３０の位置を決定してもよい。
本明細書の一つの実施例に係る方法は、異なる測位関連パラメータ（異なる測位方式）の測位結果の重みを決定し、測位結果及び重みに基づいて、端末３０の位置を決定する。基地局の配置や測位エリア内の電磁界的な障害物の有無によって、いずれの測位方式の測位精度も測位エリア全体に渡って一様ではなく、固有の分布を持つ。
常に単独の測位方式のみを用いた場合、基地局の配置と障害物の位置に応じて測位誤差の大きな領域が発生する。本明細書で説明されるように、測位エリア内の測位誤差分布が異なる複数の測位方式の重み（寄与度）を端末の状況に適応的に変動させることで、測位エリア全体に渡って良好な測位精度を得ることができる。
測位方式の重みは、測位方式それぞれによる測位値の誤差に基づき決定される。以下に説明する構成例において、測位値の誤差を表す情報として、測位位置の尤度、過去の測位結果の自己回帰式から導出される値と測位値との差、予め登録されている事前測定誤差分布が参照される。
以下において、測位関連パラメータとして、到来角度（ＡＯＡ）、到来時間（ＴＯＡ）及び到来時間差（ＴＤＯＡ）が使用される。これらと異なる測位関連パラメータ、例えば受信強度（ＲＳＳ）を使用してもよく、上記測位関連パラメータの少なくとも一部が省略されてもよい。
図１０は、測位装置１０による端末３０の測位方法の概要を示すフローチャート例である。位置計算部１０１は、上述のように、複数の基地局から、複数の異なる測位関連パラメータを取得する（Ｓ１１）。基地局から送信された測位関連パラメータは、通信インタフェース１５４を介して通信部１０２によって受信され、記憶装置、例えば、ＤＲＡＭ１５２又は補助記憶装置１５３に格納される。位置計算部１０１は、測位関連パラメータを、記憶装置から取得する。本例において取得される測位関連パラメータは、上述のように、到来角度（ＡＯＡ）、到来時間（ＴＯＡ）及び到来時間差（ＴＤＯＡ）である。
次に、位置計算部１０１は、測位関連パラメータそれぞれの重みを決定する（Ｓ１２）。測位関連パラメータの重みは、測位関連パラメータから算出される端末３０の測位値の重みである。重みは、測位関連パラメータの値から得られる端末３０の測位値に基づき決定される。重みの計算方法の詳細は後述する。
次に、位置計算部１０１は、測位関連パラメータそれぞれの重みに基づき、測位関連パラメータの値による測位演算を実行する（Ｓ１３）。この演算により、端末３０の現在位置を示す測位結果６０が得られる。重み及び測位関連パラメータによる測位演算の方法の詳細は後述する。
上述のように、測位関連パラメータの重みに基づき端末３０の測位演算を行い、その位置を決定することで、測位エリア全体に渡って、端末３０が置かれた環境に応じたより適切な測位を行うことができる。
図１１は、図１０の測位方法に従う、端末３０のより具体的な測位方法例を示す。位置計算部１０１は、測位関連パラメータの値として、到来角度（ＡＯＡ）、到来時間（ＴＯＡ）及び到来時間差（ＴＤＯＡ）の値を取得する（Ｓ１１Ａ）。
次に、位置計算部１０１は、到来角度（ＡＯＡ）、到来時間（ＴＯＡ）及び到来時間差（ＴＤＯＡ）の重みを決定する（Ｓ１２Ａ）。重みの決定のため、位置計算部１０１は、取得した測位関連パラメータそれぞれの値から、端末３０の測位値（現在の推定位置座標）を計算する。各測位関連パラメータによる測位演算の様々な方法が知られている。例えば、位置計算部１０１は、幾何学的手法又は統計学的手法によって、測位関連パラメータの値から、端末３０の測位値を計算する（位置（座標）を推定する）ことができる。
幾何学的手法は、例えば、二次元空間において、三つの基地局の位置及びそれらの到来時間又は受信強度から計算される三つの円の交点を、端末３０の測位値と決定することができる。また、二つの基地局の位置及びそれらの到来角度から計算される直線の交点を、端末３０の測位値と決定することができる。また、二つの到来時間差からえられる二つの双曲線の交点を、端末３０の測位座標と決定することができる。
統計学的手法は、測位関連パラメータの値から計算される尤度に基づいて、測位値を決定する。尤度は、測位値の確からしさを表し、尤度の値が最大となる点が、端末３０の測位値（位置座標）と決定される。尤度は、予め定められた関数で定義される。例えば、ＴＤＯＡ測位を行った場合の尤度Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）は以下の式となる。
Figure 2022071237000002
ここで、ｖｃは光速である。端末３０の座標(ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ)は、Ｐ（ｘ,ｙ,ｚ）が最大値を取った（ｘ,ｙ,ｚ）とする。上記数式が示すように、尤度Ｐは、ＴＤＯＡの測定値と理論値との誤差によって定義される。同様に、他の測位関連パラメータについても尤度関数を定義することができ、尤度が最大となる点が、端末３０の測位値（位置座標）と決定される。なお、測関連パラメータを取得する基地局の数は限定されない。
図１１に示すように、位置計算部１０１は、複数の基地局からの到来時間（ＴＯＡ）から、ＴＯＡ測位値を計算し（Ｓ２１）、さらに、ＴＯＡ測位値の尤度を計算する（Ｓ２２）。ここでは、位置計算部１０１は、統計学的手法によってＴＯＡ測位値を決定する。例えば、位置計算部１０１は、三つの基地局２１、２２及び２３の到来時間ＴＯＡ１、ＴＯＡ２及びＴＯＡ３及びそれらの位置座標から尤度を計算し、その値が最大となる位置を端末３０の測位値と決定する。最大の尤度値が、ＴＯＡ測位位置の尤度値である。
同様に、位置計算部１０１は、複数の基地局からの到来角度（ＡＯＡ）から、ＡＯＡ測位値を計算し（Ｓ２３）、さらに、ＡＯＡ測位値の尤度を計算する（Ｓ２４）。位置計算部１０１は、統計学的手法によってＡＯＡ測位値を決定する。例えば、位置計算部１０１は、三つの基地局２１、２２及び２３の到来角度ＡＯＡ１、ＡＯＡ２及びＡＯＡ３及びそれらの位置座標から尤度を計算し、その値が最大となる位置を端末３０の測位値と決定する。最大の尤度値が、ＡＯＡ測位位置の尤度値である。
同様に、位置計算部１０１は、複数の基地局からの到来時間差（ＴＤＯＡ）から、ＳＤＯＡ測位値を計算し（Ｓ２５）、さらに、ＴＤＯＡ測位値の尤度を計算する（Ｓ２６）。位置計算部１０１は、統計学的手法によってＴＤＯＡ測位値を決定する。例えば、位置計算部１０１は、二つの基地局２２及び２３からの到来時間差ＴＤＯＡ１２及びＴＤＯＡ１３及び三つの基地局２１、２２及び２３の位置座標から尤度を計算し、その値が最大となる位置を端末３０の測位値と決定する。最大の尤度値が、ＴＤＯＡ測位位置の尤度値である。
次に、位置計算部１０１は、ＴＯＡ尤度値、ＡＯＡ尤度値及びＴＤＯＡ尤度値に基づいて、測位関連パラメータの重みを決定する。本例において、位置計算部１０１は、最大尤度値の測位関連パラメータ（測位方式）を選択する（Ｓ２７）。つまり、位置計算部１０１は、最大尤度値の測位関連パラメータ以外の測位関連パラメータに、０の重みを与える。
次に、位置計算部１０１は、重みに基づき測位関連パラメータによる測位演算を実行する。ここでは、位置計算部１０１は、尤度値が最大の測位方法の測位値を採用する（Ｓ１３Ａ）。最大尤度値の測位方式は、最も誤差が小さいと推定される測位方式である。最大尤度値の測位方式を選択することで、少ない計算量で、端末３０の現在位置を正確に決定することができる。
上述のように、一つの測位方式（測位関連パラメータ）を選択することは、端末３０の位置の決定において、一つ測位方式による測位値の比率（重み）を１とし、他の測位方式による測位値の比率（重み）を０とすることを意味する。上記例と異なる例は、異なる測位方式それぞれに、尤度値に応じた０より大きい比率を与える。これにより、異なる測位方式の測位値をその尤度に応じて混合し、端末３０の現在位置を正確に決定することができる。
端末３０の測位方法の他の例を説明する。図１２は、測位装置１０による端末３０の測位方法の概要を示す他のフローチャート例である。位置計算部１０１は、複数の基地局から、複数の異なる測位関連パラメータを取得する（Ｓ３１）。基地局から送信された測位関連パラメータは、例えば、ＤＲＡＭ１５２又は補助記憶装置１５３に格納される。位置計算部１０１は、測位関連パラメータを、記憶装置から取得する。本例において取得される測位関連パラメータは、上述のように、到来角度（ＡＯＡ）、到来時間（ＴＯＡ）及び到来時間差（ＴＤＯＡ）である。
次に、位置計算部１０１は、測位関連パラメータそれぞれの重みを決定する（Ｓ３２）。測位関連パラメータの重みは、測位関連パラメータから算出される端末３０の測位値の重みである。重みは、測位関連パラメータの値から得られる端末３０の測位値及び過去の測位結果に基づき決定される。過去の測位結果を重みの決定にフィードバックすることで、重みを適切に決定できる。重みの計算方法の詳細は後述する。
次に、位置計算部１０１は、測位関連パラメータそれぞれの重みに基づき、測位関連パラメータの値による測位演算を実行する（Ｓ３３）。この演算により、端末３０の現在位置を示す測位結果６０が得られる。重み及び測位関連パラメータによる測位演算の方法の詳細は後述する。
図１３は、図１２の測位方法に従う、端末３０のより具体的な測位方法の例を示す。位置計算部１０１は、測位関連パラメータの値として、到来角度（ＡＯＡ）、到来時間（ＴＯＡ）及び到来時間差（ＴＤＯＡ）の値を取得する（Ｓ３１Ａ）。
次に、位置計算部１０１は、到来角度（ＡＯＡ）、到来時間（ＴＯＡ）及び到来時間差（ＴＤＯＡ）の重みを決定する（Ｓ３２Ａ）。重みの決定のため、位置計算部１０１は、取得した測位関連パラメータそれぞれの値から、端末３０の測位値（現在の推定位置座標）を計算する。測位値の計算方法は、図１１を参照して説明した通りであり、幾何学的手法又は統計学的手法を採用できる。
位置計算部１０１は、ＴＯＡ測位値を算出し（Ｓ４１）、自己回帰的にＴＯＡ測位値を検定する（Ｓ４２）。また、位置計算部１０１は、ＡＯＡ測位値を算出し（Ｓ４３）、自己回帰的にＡＯＡ測位値を検定する（Ｓ４３）。また、位置計算部１０１は、ＴＤＯＡ測位値を算出し（Ｓ４５）、自己回帰的にＴＤＯＡ測位値を検定する（Ｓ４６）。
次に、位置計算部１０１は、上記三つの測位値の検定結果に基づき、三つの測位方式の重みを決定する（Ｓ４７）。本例において、重みは、端末３０の現在位置の決定における三つの測位方式の測位値それぞれの混合比率を示す。以下に説明する例において、各測位方式の混合比率は０より大きい。なお、一つの測位方式以外の混合比率が０であることは、その一つの測位方式が、端末３０の位置決定のために選択されることを意味する。
自己回帰的な検定は、例えば、座標空間における直前の所定数の測位結果、例えば、直前３点の測位結果に対して所定関数をフィッティングし、フィッティングされた線と測位値との距離（誤差）を決定する。フィッティング線と測位値との間の差は、過去の決定された位置に基づく理論値と測位値との差であり、統計学的な誤差である。距離がより小さい測位値に、より大きな混合比率が割り当てられる。
このように、過去の測位値を自己回帰的な検定にフィードバックして用いることで、異なる測定方式間の比率を適切に決定できる。所定関数のフィッティングは、例えば線形補外でもよく、多項式フィッティングやその他のより複雑な基底関数によるフィッティングによる補外を行ってもよい。また、カルマンフィルタで得られた値を参照点とする方法もある。
次に、混合比率（重み）の決定（Ｓ４７）の例を説明する。フィッティングされた線とＴＯＡ測位値、ＡＯＡ測位値、ＴＤＯＡ測位値との距離をそれぞれ、ｄTOA、ｄAOA、ｄTDOAとする。比率ｒTOA：ｒAOA：ｒTDOAは例えば以下の式で計算できる。
ｒTOA：ｒTOA：ｒTOA＝１／ｄTOA：１／ｄAOA：１／ｄTDOA
また、混合比率に基づき３つの測位値の混合により測位値を算出する方法は、例えば以下の式で計算できる。ここで、３つの測位値の混合による測位値、ＴＯＡ測位値、ＡＯＡ測位値、ＴＤＯＡ測位値、及び混合比率をそれぞれ、（ｘ，ｙ，ｚ）、（ｘTOA，ｙTOA，ｚTOA）、（ｘAOA，ｙAOA，ｚAOA）、（ｘTDOA，ｙTDOA，ｚTDOA）、及び（ｒTOA：ｒAOA：ｒTDOA）とする。
ｘ＝ｘTOA＊ｒTOA／（ｒTOA＋ｒAOA＋ｒTDOA）
＋ｘAOA＊ｒAOA／（ｒTOA＋ｒAOA＋ｒTDOA）
＋ｘTDOA＊ｒTDOA／（ｒTOA＋ｒAOA＋ｒTDOA）
ｙ＝ｙTOA＊ｒTOA／（ｒTOA＋ｒAOA＋ｒTDOA）
＋ｙAOA＊ｒAOA／（ｒTOA＋ｒAOA＋ｒTDOA）
＋ｙTDOA＊ｒTDOA／（ｒTOA＋ｒAOA＋ｒTDOA）
ｚ＝ｚTOA＊ｒTOA／（ｒTOA＋ｒAOA＋ｒTDOA）
＋ｚAOA＊ｒAOA／（ｒTOA＋ｒAOA＋ｒTDOA）
＋ｚTDOA＊ｒTDOA／（ｒTOA＋ｒAOA＋ｒTDOA）
なお、図１３に示す方法において、計算プロセスを開始した最初ステップでは、参照すべき過去の測位値が存在しないため、所定の初期値が予め与えられる。初期値は、例えばＴＯＡ測位値、ＡＯＡ測位値、ＴＤＯＡ測位値の混合比率（１：１：１）とすることができる。なお、図１１を参照して説明したように、三つの測位方式から最も適切な測位方式を選択し、その測位結果を端末３０の位置と決定してもよい。
以下において、図１２の測位方法に従う、端末３０のより具体的な測位方法の他の例を説明する。以下に説明する測位方法は、測位エリアの予め登録されている事前誤差分布に基づき異なる測位方式それぞれの重みを決定する。測位エリアの事前誤差分布を参照することで、端末３０の位置に応じて誤差が小さい測位値の比率を大きくして高精度な測位が可能となる。
図１４は、図１２の測位方法に従う、端末３０のより具体的な測位方法の例を示す。異なる測位方式それぞれの測位エリア全体の事前測定誤差分布５５が、測位システム情報データベース１０３に、予め格納されている。事前測定誤差分布は、測位エリア内の座標と測定誤差との関係を示す。本例では、ＴＯＡ測位方式、ＡＯＡ測位方式及びＴＤＯＡ測位方式それぞれの事前測定誤差分布が登録されている。事前測定誤差分布は、測位方式毎に異なり、それぞれ個別に用意される。
事前測位誤差分布は、例えば、基地局の座標と測位エリアの形状が事前にわかっていれば、測位エリア全体の測位誤差分布の理論値は、統計学的なシミュレーションにより計算できる。または、様々な位置で実際に測位を行うことで、事前測定誤差分布を決定することができる。
図１４に示すように、まず、位置計算部１０１は、測位関連パラメータの値として、到来角度（ＡＯＡ）、到来時間（ＴＯＡ）及び到来時間差（ＴＤＯＡ）の値を取得する（Ｓ３１Ｂ）。このステップＳ３１Ａは、図１３におけるステップＳ３１Ａと同様である。
次に、位置計算部１０１は、到来角度（ＡＯＡ）、到来時間（ＴＯＡ）及び到来時間差（ＴＤＯＡ）の重みを決定する（Ｓ３２Ａ）。重みの決定のため、位置計算部１０１は、取得した測位関連パラメータそれぞれの値から、端末３０の測位値を計算する。測位値の計算方法は、図１１を参照して説明した通りであり、幾何学的手法又は統計学的手法を採用できる。
本例において、位置計算部１０１は、ＴＯＡ測位（Ｓ５１）、ＡＯＡ測位（Ｓ５２）及びＴＤＯＡ測位（Ｓ５３）を行い、ＴＯＡ測位値、ＡＯＡ測位値及びＴＤＯＡ測位値を決定する。
さらに、位置計算部１０１は、過去の測位結果及びＴＯＡ測位方式、ＡＯＡ測位方式及びＴＤＯＡ測位方式それぞれの事前測定誤差分布５５に基づいて、測位方式それぞれの重みを決定する（Ｓ５４）。本例において、重みは、端末３０の現在位置の決定における三つの測位方式の測位値それぞれの混合比率を示す。
具体的には、位置計算部１０１は、ＴＯＡ測位方式、ＡＯＡ測位方式及びＴＤＯＡ測位方式それぞれの事前測定誤差分布５５を参照し、直前の測位結果６０の位置における、測位方式それぞれの測定誤差を決定する。位置計算部１０１は、三つの測位方式それぞれの測位誤差に基づき、測位方式それぞれの重みを決定する。重みは、測位誤差の値が小さい測位方式ほど大きくなるように決定される。例えば、図１３を参照して説明した混合比率の計算方法において、距離ｄを誤差に入れ替えてもよい。
位置計算部１０１は、ステップＳ５４で決定した重み（混合比率）に基づき、三種類の測位関連パラメータによる測位演算を実行する（Ｓ３３Ｂ）。上述のように、直前の測位結果６０は、測位方式の重みの決定（Ｓ３２Ｂ）にフィードバックされる。直前の１又は複数の測位値をフィードバックしてよい。
なお、図１４に示す方法において、計算プロセスを開始した最初ステップでは、参照すべき過去の測位値が存在しないため、所定の初期値が予め与えられる。初期値は、例えばＴＯＡ測位値、ＡＯＡ測位値、ＴＤＯＡ測位値の混合比率（１：１：１）とすることができる。なお、図１１を参照して説明したように、三つの測位方式から最も適切な測位方式を選択し、その測位結果を端末３０の位置と決定してもよい。
上記複数の構成例を参照して説明したように、複数の測位方式による測位値の混合比率を、測位対象の置かれている状況に応じて適応的に変動させることで、高精度な測位を行うことができる。
上記測位方法は、例えば、５Ｇｅｖｏｌｕｔｉｏｎ、６Ｇを活用したＳＩ事業やサービス事業に適用できる。例えば、工場内の産業ロボットや無人搬送車（ＡＧＶ）の自動操縦、家庭内での子供や老人等の見守りロボットの自動制御、商業施設や公共施設内での人々の動線管理とプッシュ型サービス提供、災害時の建屋内の避難経路ガイダンス等に適用できる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、上記の各構成・機能・処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆どすべての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
１ 測位システム
１０ 測位装置
２１、２２、２３ 基地局
３０ 端末
３１ 信号送信制御部
３３ 測位関連パラメータ通知作成部
３５ 無線信号（測位信号）
３６ 基準信号
４０ ネットワーク
５５ 事前測定誤差分布
６０ 測位結果
１０１ 位置計算部
１０２ 通信部
１０３ 測位システム情報データベース
１５１ プロセッサ
１５３ 補助記憶装置
１５４ 通信インタフェース
１５６ インタフェース
２０１ 測位関連パラメータ測定部
２０２ 信号送信元判定部
２０３ 測位関連パラメータ通知作成部
２０４ 通信部
２０５ メモリ
２０６、３０３ アンテナ
２１３ 補助記憶装置
３０１ 信号送信制御部
３０２ 信号作成部
３５１、３５２ 測位信号

Claims (8)

  1. ターゲットノードと１以上の基準ノードとの間で送受信される無線信号に基づき、前記ターゲットノードの位置を決定する、方法であって、
    前記無線信号から推定される異なる測位関連パラメータの値を取得し、
    前記異なる測位関連パラメータの各測位関連パラメータの値に基づき計算される前記ターゲットノードの測位値の誤差を、前記測位値及び過去の前記ターゲットノードの決定された位置の少なくとも一方に基づき決定し、
    前記誤差に基づき、前記異なる測位関連パラメータの各測位関連パラメータの重みを決定し、
    前記重み及び前記異なる測位関連パラメータそれぞれの値に基づき計算される測位値に基づき、前記ターゲットノードの位置を決定する、方法。
  2. 請求項１に記載の方法であって、
    前記重みは、前記誤差から計算される前記測位値の尤度に基づき決定される、方法。
  3. 請求項１に記載の方法であって、
    前記誤差は、前記ターゲットノードの過去の決定された位置に基づく理論値と前記測位値とに基づき決定される、方法。
  4. 請求項１に記載の方法であって、
    前記異なる測位関連パラメータそれぞれに対して、前記ターゲットノードの測位エリアの事前測定誤差分布が登録されており、
    前記誤差は、前記過去の前記ターゲットノードの決定された位置及び前記事前測定誤差分布に基づき決定される、方法。
  5. 請求項１に記載の方法であって、
    前記誤差に基づいて前記異なる測位関連パラメータから一つの測位関連パラメータを選択し、
    前記選択された測位関連パラメータ以外の測位関連パラメータに０の重みを与え、
    前記選択された測位関連パラメータに基づき計算される測位値を前記ターゲットノードの位置と決定する、方法。
  6. 請求項１に記載の方法であって、
    前記重みは、前記異なる測位関連パラメータそれぞれによる測位値の、０より大きい混合比率を表す、方法。
  7. 請求項１に記載の方法であって、
    前記異なる測位関連パラメータは、到来角度、到来時間、到来時間差及び信号強度の少なくとも二つを含む、方法。
  8. ターゲットノードと１以上の基準ノードとの間で送受信される無線信号に基づき、前記ターゲットノードの位置を決定する、装置であって、
    演算処理装置と、
    記憶装置と、を含み、
    前記記憶装置は、前記１以上の基準ノードの座標情報を格納し、
    前記演算処理装置は、
    前記無線信号から推定される異なる測位関連パラメータの値を取得し、
    前記異なる測位関連パラメータの各測位関連パラメータの値及び前記１以上の基準ノードの座標情報に基づき前記ターゲットノードの測位値を計算し、
    前記測位値の誤差を、前記測位値及び過去の前記ターゲットノードの決定された位置の少なくとも一方に基づき決定し、
    前記誤差に基づき、前記異なる測位関連パラメータの各測位関連パラメータの重みを決定し、
    前記重み及び前記異なる測位関連パラメータそれぞれの値に基づき計算される測位値に基づき、前記ターゲットノードの位置を決定する、装置。
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