JP4129547B2 - 震動変位計算精度の向上手段 - Google Patents

Description

この発明は被計測対象の構造物の震動による歪みや基準位置からの変位等の震動変位を計測する場合の測位計算精度の向上手段に関するものである。

橋梁や加震機上に乗せられた建物等の構造物の震動変位を計測することは、構造物の耐震性向上や疲労破壊防止等の研究に大変有用である。この震動変位を計測するためには、構造物全体に分布する複数の計測点の位置を精密に測定する必要があるが、例えばビルの壁面の揺れを解析する場合の計測点は一般に広範囲に分散して存在している。従来の測位装置として、例えば特許文献１に記載されているように、電波を用いて被計測対象の構造物の震動変位を計測するものがある。

図８は上記特許文献１に記載された従来の測位装置の構成図である。この測位装置は、計測点毎に設けられて互いに異なる周波数の電波を送信する複数の送信機１と、互いに異なる位置に配置された複数の受信アンテナ３と、複数の受信アンテナ３のなかの２つの受信アンテナ３に係る少なくとも３つの異なる組み合わせについて、送信機１から送信される異なる周波数の電波毎に、それぞれの組み合わせに係る２つの受信アンテナ３間での受信電波の位相差を検出する位相差検出手段１４と、送信機１から送信される異なる周波数の電波毎に、２つの受信アンテナ３に係る少なくとも３つの異なる組み合わせについての位相差からそれぞれ導かれる少なくとも３つの等位相面の交点を求めて、当該周波数の電波を送信する送信機１の位置を推定する測位計算手段１６等を備えたものである。なお、図８では、位相差検出手段１４と測位計算手段１６により測位信号処理装置７が構成されている。

この測位信号処理装置において、複数の受信アンテナ３からの受信信号はＡ／Ｄ変換器６によりディジタル変換され、位相差検出手段１４はディジタル受信信号ｒ_i とｒ_j の位相差Δφ_ij（ｉ，ｊ∈［１，・・・，Ｍ］，ｉ≠ｊ）を算出する。測位計算手段１６は、複数の位相差Δφ_ijから得られる次式の連立方程式を解くことにより、計測点の位置、すなわち移動する送信機１の位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］を推定する。

ここに、ｑ_i ＝［Ｘ_i ，Ｙ_i ，Ｚ_i ］は第ｉ受信アンテナの位置を、ｑ_j ＝［Ｘ_j ，Ｙ_j ，Ｚ_j ］は第ｊ受信アンテナの位置を、λは電波の波長を、ｋ_ijは整数値バイアスを、Ｍは受信アンテナの個数を示す。なお，整数値バイアスｋ_ijは位相差２πのアンビギュィティ（曖昧さ）を表しているが、観測された各位相差を積算した位相差積算値を追尾すること等により整数値バイアスｋ_ijは決定される。

特開２００１−２７２４４８号公報（段落０００７）

従来の測位信号処理装置は以上のように構成され、上記式（１）の関係は受信信号が送信機１からの直接波のみからなる理想状態を前提にしている。ところが、このような測位信号処理装置を屋内やビル街、又は山岳地帯等で用いる場合には、受信アンテナ３には送信機１からの直接波に加えてマルチパス波（反射波）も受信される場合がある。このマルチパス波の干渉により位相差の観測値に誤差が生じる。この位相差の観測誤差が大きい場合には計測点の位置の推定精度が大幅に劣化するという課題があった。
また、位相差の観測誤差が大きいと位相差積算値の追尾処理を誤り、真の値からずれた整数値バイアスｋ_ijを用いて上記式（１）を解くことになり、推定された計測点の位置に大きなバイアス誤差を生じてしまう恐れがあるという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、マルチパス波等の干渉が生じる場合でも、計測点の位置の推定精度の劣化を低減することができる測位計算精度の向上手段を得ることを目的とする。

この発明に係る震動変位計算精度の向上手段は、計測点の位置から送信された電波を受信する各受信アンテナからの受信信号の受信電力レベルを算出する受信電力算出手段と、算出された各受信信号の受信電力レベルを記憶する記憶手段と、各受信信号について、上記受信電力算出手段により算出された現時刻の受信電力レベルと、上記記憶手段に記憶されている過去の時刻の受信電力レベルから求めたしきい値とを比較し、現時刻の受信電力レベルの大きさを判定する判定手段と、２つの受信アンテナからの受信信号の位相差を検出する位相差検出手段と、上記判定手段の判定結果に基づき、上記位相差検出手段により検出された位相差の中から、受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号に関する位相差を選択する位相差選択手段と、選択された位相差により計測点の位置を推定する測位計算手段とを備えたものである。

この発明は、マルチパス波等の干渉が生じる場合でも、３次元空間の計測点の位置の推定精度の劣化を低減することができるという効果がある。

以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による測位計算精度の向上手段を実現する測位装置の構成図である。図１に示すように、構造物の壁面等の被計測対象である３次元空間の計測点の位置に電波を送信する送信機１と送信アンテナ２が設置されている。また、互いに異なる位置に計測点の位置から送信された電波を受信するＭ個の受信アンテナ３が配置され、複数の受信アンテナ３の中の少なくとも３つの異なる組み合わせの２つの受信アンテナ３に周波数変換を行うダウンコンバータ５がそれぞれ接続され、２つのダウンコンバータ５には局発信号を出力する局部発信器４が接続されている。さらに、各ダウンコンバータ５は、アナログの受信信号ｒ_m （ｍ＝１，・・・，Ｍ）からディジタルの受信信号ｒ_m に変換するＡ／Ｄ変換器６を介して、３次元空間の計測点の位置を推定する測位信号処理装置７に接続され、測位信号処理装置７は表示手段８に接続されている。

図１の測位信号処理装置７は、Ａ／Ｄ変換器６からのディジタルの各受信信号ｒ_m の受信電力レベルを算出する受信電力算出手段１１、受信電力算出手段１１により算出された各受信信号ｒ_m の受信電力レベルを記憶する記憶手段１２、各受信信号ｒ_m について、受信電力算出手段１１により算出された現時刻の受信電力レベルと、記憶手段１２に記憶されている過去の時刻の受信電力レベルの平均値から求めたしきい値とを比較して、現時刻の受信電力レベルの大きさを判定する判定手段１３を備えている。

また、測位信号処理装置７は、２つの受信アンテナ３からの受信信号ｒ_m の位相差、すなわち、Ａ／Ｄ変換器６からのディジタルの受信信号ｒ_i とディジタルの受信信号ｒ_j の位相差Δφ_ij（ｉ，ｊ∈［１，・・・，Ｍ］，ｉ≠ｊ）を検出する位相差検出手段１４、判定手段１３の判定結果に基づき、位相差検出手段１４により検出された位相差Δφ_ijの中から、現時刻の受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ijを選択する位相差選択手段１５、位相差選択手段１５により選択された位相差Δφ_ijにより上記式（１）を用いて３次元空間の計測点の位置ｐを推定する測位計算手段１６を備えている。なお、位相差検出手段１４ａに入力されるディジタルの受信信号ｒ₁ とｒ₂ は、それぞれ他の位相差検出手段１４に入力される。他のディジタルの受信信号ｒ_m についても同様である。

なお、上記式（１）により３次元空間の計測点の位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］を推定する場合には、未知変数が３個であるから、３個の方程式、すなわち最低４個の受信アンテナ３を用いれば済むが、ここでは、測位装置が冗長性を有し、受信アンテナ３の個数Ｍ＞４個の場合を想定する。

図２はマルチパス波の干渉による受信アンテナ３の受信電界ベクトルを説明する図である。図２において、横軸は受信電界ベクトルの実数部（Ｒｅ）で、縦軸は虚数部（Ｉｍ）である。図２（ａ）はマルチパス波が送信アンテナ２からの直接波に比較して小さなレベルの場合を示し、図２（ｂ）はマルチパス波が送信アンテナ２からの直接波に比較して大きなレベルで、かつ、マルチパス波の電界ベクトルが直接波の電界ベクトルと逆位相に近い場合を示している。

図２（ａ）に示すように、マルチパス波が小さなレベルである場合には、受信アンテナ３の合成された受信電界ベクトルは、直接波の電界ベクトルと大きく異ならないので、位相差検出手段１４により算出された位相差Δφ_ijの観測誤差は比較的小さい。一方、図２（ｂ）に示すように、マルチパス波が大きなレベルで、かつ、マルチパス波の電界ベクトルが直接波の電界ベクトルと逆位相に近い場合には、受信アンテナ３の合成された受信電界ベクトルの長さは小さくなる。このとき、受信電力レベルがノイズ電力レベルと同等以下になると、受信信号ｒ_m から観測される位相値は、ほとんどノイズのランダムな位相になり正確な値が得られない。その結果、位相差検出手段１４により算出された位相差Δφ_ijの観測誤差は増大し測位精度が大幅に劣化する。

図３は受信電力算出手段１１が算出する受信電力レベルの時間的変化を示す図である。３次元空間の計測点の位置が震動変位するに従ってマルチパスが強くなる位置にきたときに、上記のように受信電力レベルが小さくなるので、ある受信アンテナ３の受信信号ｒ_m の受信電力レベルは、３次元空間の計測点の震動変位の時間経過に伴って図３に示すように変化する。従って受信電力レベルが低下せずにしきい値より大きな受信信号ｒ_m を使用すると、位相差Δφ_ijの大きな観測誤差を受けなくて済む可能性が高い。

そこで、この実施の形態１では、図１に示す構成により、受信電力レベルが過去の時刻の受信電力レベルの平均値から求めたしきい値より小さい場合に、その受信アンテナ３の受信信号ｒ_m から算出された位相差Δφ_ijの観測値を使用せずに、残りの位相差Δφ_ijの観測値のみで測位処理を行う。

次に動作について説明する。
図１において、３次元空間の計測点に設置された送信機１と送信アンテナ２から所定の周波数の電波が送信され、互いに異なる位置に配置されたＭ個の受信アンテナ３により受信されて受信信号ｒ_m が得られる。

複数の受信アンテナ３の中の少なくとも３つの異なる組み合わせの２つの受信アンテナ３に接続されたダウンコンバータ５は、局部発信器４からの局発信号により受信信号ｒ_m の周波数変換を行い、Ａ／Ｄ変換器６はアナログの受信信号ｒ_m からディジタルの受信信号ｒ_m に変換して測位信号処理装置７に出力する。図１では、受信アンテナ３−１，３−２、局部発信器４、ダウンコンバータ５−１，５−２、Ａ／Ｄ変換器６−１，６−２の１組しか図示されておらず、Ａ／Ｄ変換器６−１，６−２からの受信信号ｒ₁ ，ｒ₂ を測位信号処理装置７に出力しているが、少なくとも３つの異なる組み合わせからの受信信号ｒ_i ，ｒ_j を測位信号処理装置７に出力する。

測位信号処理装置７において、受信電力算出手段１１はＡ／Ｄ変換器６からのディジタルの受信信号ｒ_m の各時刻の受信電力レベルを算出し、算出された受信電力レベルは記憶手段１２に記憶される。判定手段１３は、受信電力算出手段１１により算出された現時刻の受信電力レベルと、記憶手段１２に記憶されている過去の時刻の受信電力レベルの平均値から求めたしきい値とを比較して、現時刻の受信電力レベルの大きさを判定し、例えば受信電力レベルがそれぞれのしきい値より小さい受信信号ｒ_m の番号を位相差選択手段１５と測位計算手段１６に通知する。

位相差検出手段１４はＡ／Ｄ変換器６からのディジタルの受信信号ｒ_i とディジタルの受信信号ｒ_j の位相差Δφ_ij（ｉ，ｊ∈［１，・・・，Ｍ］，ｉ≠ｊ）を検出して位相差選択手段１５に出力する。位相差選択手段１５は、位相差検出手段１４により検出された位相差Δφ_ijの中から、判定手段１３の判定結果に基づき、現時刻の受信電力レベルがそれぞれのしきい値より小さい受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ijを削除し、現時刻の受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ijを選択して測位計算手段１６に出力する。

測位計算手段１６は、判定手段１３の判定結果に基づき、位相差選択手段１５が選択した位相差Δφ_ijの観測値のみに関する連立方程式の上記式（１）を解いて３次元空間の計測点の位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］を推定する。なお、上記式（１）において、（Δφ_ij＋２πｋ_ij）は測位計算手段１６が各時刻の位相差Δφ_ijを積算した位相差積算値であり、整数値バイアスｋ_ijは既知の初期値から位相差積算値を追尾すること等により決定可能な整数値である。推定された３次元空間の計測点の位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］は表示手段８に出力されて表示される。

例として、受信アンテナ３の個数Ｍ＝６で、位相差Δφ_ijの観測値として、受信信号ｒ₁ ，ｒ₂ ，ｒ₃ ，ｒ₄ ，ｒ₅ ，ｒ₆ により観測された位相差Δφ₁₂，Δφ₂₃，Δφ₃₄，Δφ₄₅，Δφ₅₆が得られる場合で説明する。このとき、判定手段１３による判定の結果、受信アンテナ３−４の受信信号ｒ₄ の受信電力レベルがしきい値より小さかったとする。この場合、判定手段１３はしきい値より小さい受信信号ｒ₄ を位相差選択手段１５と測位計算手段１６に通知する。位相差選択手段１５は受信信号ｒ₁ ，ｒ₂ ，ｒ₃ ，ｒ₅ ，ｒ₆ により観測された位相差Δφ₁₂，Δφ₂₃，Δφ₅₆を選択して測位計算手段１６に出力し、測位計算手段１６は次の式（２）、式（３）、式（４）による３連立方程式により３次元空間の計測点の位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］を推定する。

さらに、別の時刻になり、判定手段１３による判定の結果、受信信号ｒ₂ の受信電力レベルがそのしきい値より小さい場合には、測位計算手段１６は位相差選択手段１５により選択された位相差Δφ₃₄，Δφ₄₅，Δφ₅₆から３次元空間の計測点の位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］を推定する。

以上のように、この実施の形態１によれば、受信電力算出手段１１が受信信号ｒ_m の受信電力レベルを算出し、判定手段１３が受信電力算出手段１１により算出された現時刻の受信電力レベルと、記憶手段１２に記憶されている過去の時刻の受信電力レベルの平均値から求めたしきい値とを比較して、現時刻の受信電力レベルの大きさを判定し、位相差検出手段１４が異なる２つの受信アンテナ３からの受信信号ｒ_m の位相差Δφ_ijを検出し、位相差選択手段１５が、位相差検出手段１４により検出された位相差Δφ_ijの中から、判定手段１３の判定結果に基づき現時刻の受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ijを選択し、測位計算手段１６が位相差選択手段１５により選択された位相差Δφ_ijにより３次元空間の計測点の位置ｐを推定することにより、マルチパス波等の干渉が生じる場合でも、３次元空間の計測点の位置ｐの推定精度の劣化を低減することができるという効果が得られる。

なお、上記実施の形態１では、判定手段１３が受信電力レベルを判定する際に使用するしきい値を過去の受信電力レベルの平均値から求めているが、しきい値より小さな時点のデータは除外した平均値からしきい値を求めても良く、より安定した判定を行うことができる。また、しきい値を一定時間の移動平均から求めも良く、さらに、直接波の受信電力レベルが予め概算できる場合には、その値に基づいてしきい値を決定しても良い。

また、上記実施の形態１では、しきい値の設定を受信アンテナ３毎に設定したが、各受信信号ｒ_m の直接波の受信レベルが均一である場合は、全体の受信アンテナ３で共通のしきい値を設定しても良い。また、各受信アンテナ３の受信信号ｒ_m の直接波の受信レベルが均一である場合は、時間平均の代わりに、各受信アンテナ３の受信信号ｒ_m の受信電力レベルの平均値をしきい値としても同様な効果が得られる。

さらに、上記実施の形態１では、位相差選択手段１５が観測する位相差Δφ_ijを選択しているが、位相差検出手段１４に入力される受信電力レベルが小さい受信信号ｒ_m を、受信電力レベルが大きい受信信号ｒ_m に切り替えるような構成でも構わない。

さらに、上記実施の形態１では、観測した位相差Δφ_ijを選択して３次元空間の計測点の位置ｐの計算を実行するように構成しているが、各受信信号ｒ_m の受信電力レベルに比例した重み付けを掛けて、上記式（１）の連立方程式の重み付け最小二乗解を、３次元空間の計測点の位置ｐとして出力することもできる。

なお、上記実施の形態１では，受信信号ｒ_m 間の位相差Δφ_ijから３次元空間の計測点の位置ｐを推定しているが、受信信号ｒ_m 間の到来時間差から求めることも可能である。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による測位計算精度の向上手段を実現する測位信号処理装置の構成図である。この測位信号処理装置７は、上記実施の形態１の図１に示す測位信号処理装置７に平滑手段１７を追加したものである。この平滑手段１７は、位相差検出手段１４からの位相差Δφ_ijを入力し、判定手段１３の指示に基づき、受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ijをそのまま位相差選択手段１５に出力すると共に、予め設定された所定時間（観測周期×サンプル数）内で受信電力レベルがしきい値より小さい受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ijに対して、位相差選択手段１５に出力せずに、受信電力レベルがしきい値より大きかった過去の受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ijを積算した位相差積算値を追尾処理（メモリトラック）して求めた平滑化推定された位相差Δφ_ijを位相差選択手段１５に出力する。

また、図４において、判定手段１３は、受信電力算出手段１１により算出された現時刻の受信電力レベルと、記憶手段１２に記憶されている過去の時刻の受信電力レベルの平均値から求めたしきい値とを比較して、現時刻の受信電力レベルの大きさを判定し、ある受信信号ｒ_m の受信電力レベルが、予め設定された所定時間（観測周期×サンプル数）内の時間で、しきい値より小さくなったときに、その受信信号ｒ_m に関する平滑手段１７に対して、位相差検出手段１４からの位相差Δφ_ijを出力せずに、平滑化推定された位相差Δφ_ijを出力するよう指示を出すと共に、位相差選択手段１５に平滑手段１７から出力された受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ij及び平滑化推定された位相差Δφ_ijを選択するよう指示を出す。

また、判定手段１３は、判定の結果、ある受信信号ｒ_m の受信電力レベルが、予め設定された所定時間（観測周期×サンプル数）以上の時間で、継続してしきい値より小さいときに、判定手段１２は、その受信信号ｒ_m に関する平滑手段１７に対して平滑化推定された位相差Δφ_ijを出力するよう指示を出すが、位相差選択手段１５に対して、平滑手段１７から出力された平滑化推定された位相差Δφ_ijを選択せずに、受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m から得られた位相差Δφ_ijのみを選択するよう指示を出す。
その他の受信電力算出手段１１、記憶手段１２、位相差検出手段１４、測位計算手段１６は、上記実施の形態１の図１に示す測位信号処理装置７と同じである。

次に動作について説明する。
計測点の位置を正しく推定するためには、上記式（１）中の位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）における位相差Δφ_ijのみならず、整数値バイアスｋ_ijも正確に推定する必要がある。

図５は受信信号の受信電力レベルの時間的変化と計測点の位置の変位が地震等により往復運動を取る場合の位相差積算値の時間的変化の例を示す図である。図５において、白丸の点は受信電力レベルがしきい値より大きい場合に測位計算手段１６が位相差検出手段１４からの観測された位相差Δφ_ijを用いて積算した位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）であり、黒三角の点は受信電力レベルがしきい値より小さい場合に測位計算手段１６が位相差検出手段１４からの観測された誤差の大きな位相差Δφ_ijを用いて積算した位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）であり、白三角の点はそれ以降の整数値バイアスを誤った位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）であり、黒丸の点は受信電力レベルがしきい値より小さい場合に測位計算手段１６が平滑手段１７により過去の位相差Δφ_ijに基づき平滑推定された位相差Δφ_ijを用いて積算した位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）である。

計測点の位置の変位が地震等により往復運動を取る場合には、計測点の位置は初期位置より片方向へ変位を開始し、そのとき、送信機１と２つの受信アンテナ３間の位相差について考えた場合、送信機１と一方の受信アンテナ３の距離差が広がる方向に変位すれば、図５の白丸の点で示すように、測位計算手段１６が求める位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）は大きくなる方向に変化する。そこから計測点の位置が逆方向へ変位した場合には、初期位置に戻るまで送信機１と受信アンテナ３間の距離差が縮まる方向に変位し、測位計算手段１６が求める位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）は小さくなる方向に変化する。

受信電力レベルがしきい値より大きい場合には、測位計算手段１６が位相検出手段１４から出力された位相差Δφ_ijを積算した位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）は、図５の白丸の点で示すように変化するが、マルチパス等により受信電力レベルがしきい値より小さくなった場合には、ノイズ電力レベルと同等以下となり、位相差検出手段１４から出力された位相差Δφ_ijは瞬時に大きな誤差を生じてしまい、測位計算手段１６が誤差を生じた位相差Δφ_ijをそのまま単純に積算し続けると、位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）は図５の黒三角や白三角の点で示すように、受信電力レベルが回復した後の時間でも大きな誤差を生じてしまい、整数値バイアスｋ_ijを大きく誤る恐れがある。

このような受信電力レベルが一旦低下した受信信号ｒ_m に関係する位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）をその後使用しなければ一時的には問題ないが、いずれ他の受信信号ｒ_m もマルチパスにより受信電力レベルが小さくなってしまうと、最後には受信信号数が不足してしまい計測点の位置が決定できなくなる。

そこで、この実施の形態２では、受信電力レベルが小さくなった場合に、位相差検出手段１４から出力された位相差Δφ_ijの代わりに、過去の位相差Δφ_ijに基づき平滑化推定された位相差Δφ_ijを用いて位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）を補間することにより整数値バイアスｋ_ijを正しく決定する。

図４において、判定手段１３は、受信電力算出手段１１により算出された現時刻の受信電力レベルと、記憶手段１２に記憶されている過去の時刻の受信電力レベルの平均値から求めたしきい値とを比較して、現時刻の受信電力レベルの大きさを判定し、ある受信信号ｒ_m の受信電力レベルが、予め設定された所定時間（観測周期×サンプル数）内の時間で、しきい値より小さくなっているときに、その受信信号ｒ_m に関する平滑手段１７に対して、位相差検出手段１４からの位相差Δφ_ijを出力せずに、平滑化推定された位相差Δφ_ijを出力するよう指示を出すと共に、位相差選択手段１５に対して平滑手段１７から出力された受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ij及び平滑化推定された位相差Δφ_ijを選択するよう指示を出す。

平滑手段１７は、位相差検出手段１４からの位相差Δφ_ijを入力し位相差選択手段１５に出力するが、判定手段１３により指示された受信電力レベルがしきい値より小さい受信信号ｒ_m に関する該当の平滑手段１７は、位相差検出手段１４からの位相差Δφ_ijを出力せずに、受信電力レベルがしきい値より大きかった過去の受信信号ｒ_m による位相差Δφ_ijを積算した位相差積算値を追尾処理（メモリトラック）して求めた平滑化推定された位相差Δφ_ijを位相差選択手段１５に出力する。位相差選択手段１５は、判定手段１３の指示に基づき、平滑手段１７から出力された受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ij及び平滑化推定された位相差Δφ_ijを選択して測位計算手段１６に出力する。

測位計算手段１６は、位相差選択手段１５から出力された位相差Δφ_ijを用いて位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）を求める。ここで、受信電力レベルがしきい値より小さい受信信号ｒ_m に対しては、平滑手段１７により平滑化推定された位相差Δφ_ijを用いて予測補間することにより位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）を求めている。すなわち図５に示すように、受信電力レベルがしきい値より小さい場合に、平滑手段１７により平滑化推定された位相差Δφ_ijを用いて積算した黒丸の点で示す位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）を求めている。そして、測位計算手段１６は、平滑化推定された位相差Δφ_ijを用いて求めた位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）から整数値バイアスｋ_ijを正しく決定し、上記式（１）を用いて３次元空間の計測点の位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］を推定する。

また、判定手段１３は、引き続いて受信電力算出手段１１により算出された現時刻の受信電力レベルと、記憶手段１２に記憶されている過去の時刻の受信電力レベルの平均値から求めたしきい値とを比較して、現時刻の受信電力レベルの大きさを判定し、ある受信信号ｒ_m の受信電力レベルが、予め設定された所定時間（観測周期×サンプル数）以上の時間で、継続してしきい値より小さい場合に、判定手段１３は、その受信信号ｒ_m に関する平滑手段１７に対して、平滑化推定された位相差Δφ_ijを出力するよう指示を出すが、位相差選択手段１５に対して、平滑手段１７から出力された平滑化推定された位相差Δφ_ijを選択せずに、受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m から得られた位相差Δφ_ijのみを選択するよう指示を出す。

ここで、判定手段１３が位相差選択手段１５に対して受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m から得られた位相差Δφ_ijのみを選択するよう指示を出すのは、受信電力レベルが小さくなった時間が観測周期に比べて長く継続した場合には、平滑手段１７によるメモリトラックが無効になり、平滑化推定された位相差Δφ_ijに大きな誤差が生じてしまうためである。

位相差選択手段１５は、判定手段１３の指示に基づき、平滑手段１７から出力された受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m から得られた位相差Δφ_ijのみを選択して測位計算手段１６に出力する。測位計算手段１６は位相差選択手段１５から出力された位相差Δφ_ijを用いて位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）を求めて整数値バイアスｋ_ijを決定し、上記式（１）を用いて３次元空間の計測点の位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］を推定する。
その他の動作は上記実施の形態１と同様である。

以上のように、この実施の形態２によれば、マルチパス等により受信電力レベルがしきい値より小さくなり、観測された位相差Δφ_ijが瞬時に大きな誤差を生じる場合でも、平滑手段１７により過去の位相差Δφ_ijに基づき平滑化推定された位相差Δφ_ijを用いて位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）を補間することにより、整数値バイアスｋ_ijを正しく決定して正確に計測点の位置を推定できると共に、一度、受信電力レベルが小さくなった受信信号ｒ_m について、その後、予め設定された所定時間（観測周期×サンプル数）内に受信電力レベルがしきい値より大きくなって回復した場合には、それまでの位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）を補間して求めていることにより、受信電力レベルが回復後の位相差Δφ_ijを正しく積算することができ、マルチパスにより受信信号ｒ_m の受信電力レベルが一時的に次々に小さくなって最後には受信信号数が不足するということを避けるができるという効果が得られる。

なお、この実施の形態２では、判定手段１３が予め設定された所定時間（観測周期×サンプル数）を管理し、管理している所定時間内か又は所定時間以上かにより平滑手段１７及び位相差選択手段１５を制御しているが、判定手段１３が、測位計算手段１６により推定された受信電力レベルが小さくなる前の計測点の位置と受信電力レベルが小さくなった後の計測点の位置との位置変化量を算出し、算出した位置変化量が予め設定された所定のしきい値以下か又は所定のしきい値以上かにより平滑手段１７及び位相差選択手段１５を制御しても良い。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３における測位信号処理装置の構成図である。この測位信号処理装置７は、上記実施の形態１の図１に示す測位信号処理装置７に、平滑手段１７と位相差推定手段１８とを追加したもので、その他の構成は上記実施の形態１の図１に示す測位信号処理装置７と同じである。

ここで、位相差推定手段１８は、測位計算手段１６が受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ijを用いて推定した計測点の位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］を入力し、受信電力レベルがしきい値より小さい各受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ijを推定する。また、平滑手段１７は、位相差検出手段１４からの位相差Δφ_ijを入力し、判定手段１３の指示に基づき、受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ijをそのまま位相差選択手段１５に出力し、受信電力レベルがしきい値より小さい受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ijについては、位相差選択手段１５に出力せずに、位相差推定手段１８により推定された位相差Δφ_ijを平滑化推定された位相差Δφ_ijとして位相差選択手段１５に出力する。

次に動作について説明する。
図７は受信信号の受信電力レベルの時間的変化と計測点の位置の変位が地震等により往復運動を取る場合の位相差積算値の時間的変化の例を示す図であり、上記実施の形態２の図５よりも受信信号ｒ_m の受信電力レベルがしきい値より小さくなる時間が観測周期に対して長い場合を示している。

上記実施の形態２では、受信電力レベルがしきい値より小さいと判断した受信信号ｒ_m に対して、平滑手段１７は、受信電力レベルがしきい値より大きかった過去の位相差積算値を追尾処理（メモリトラック）することにより求めた平滑化推定した位相差Δφ_ijを出力していたが、図７に示すように、受信電力レベルが小さくなった時間が観測周期に比べて長い場合には、平滑手段１７によるメモリトラックが無効になり、測位計算手段１６が求める整数値バイアスに誤差が生じて計測点の位置を正確に推定できない恐れがある。

そこで、この実施の形態３では、受信電力レベルがしきい値より小さい場合には、平滑手段１７は、受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m による位相差Δφ_ijを用いて推定された計測点の位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］から位相差推定手段１８が求めた位相差Δφ_ijを出力することにより、測位計算手段１６が整数値バイアスｋ_ijを正しく決定し正確に計測点の位置を推定するものである。

図７において、白丸の点は受信電力レベルがしきい値より大きい場合に測位計算手段１６が位相差検出手段１４からの観測された位相差Δφ_ijを用いて積算した位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）であり、黒三角の点は受信電力レベルがしきい値より小さい場合に測位計算手段１６が位相差検出手段１４からの観測された誤差の大きな位相差Δφ_ijを用いて積算した位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）であり、白三角の点はそれ以降の整数値バイアスを誤った位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）であり、黒丸の点は受信電力レベルがしきい値より小さい場合に測位計算手段１６が平滑手段１７からの位相差推定手段１８により推定された位相差Δφ_ijを用いて積算した位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）である。

測位信号処理手段７において、判定手段１３は、現時刻の受信電力レベルの大きさを判定し、ある受信信号ｒ_m の受信電力レベルがしきい値より小さくなったときに、平滑手段１７に対し位相差検出手段１４からの位相差Δφ_ijをそのまま位相差選択手段１５に出力しないよう指示を出すと共に、位相差選択手段１５に受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m から得られた位相差Δφ_ijのみを選択するよう指示を出す。

位相差選択手段１５は、判定手段１３の指示に基づき、平滑手段１７から出力された受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m から得られた位相差検出手段１４からの位相差Δφ_ijを選択して測位計算手段１６に出力する。測位計算手段１６は、判定手段１３の指示に基づき、受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m から得られた位相差Δφ_ijを用いて位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）を求め、整数値バイアスｋ_ijを決定して計測点の位置ｐを推定し、計測点の位置ｐを推定したことを判定手段１３に通知する。

位相差推定手段１８は、推定された計測点の位置ｐより計測点の送信アンテナ２と各受信アンテナ３までの距離を算出し，その距離から受信電力レベルがしきい値より小さい受信信号ｒ_m に関する位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）を求めて位相差Δφ_ijを推定し、推定した位相差Δφ_ijを受信電力レベルがしきい値より小さくなった受信信号ｒ_m に関する平滑手段１７に出力する。該当の平滑手段１７は、位相差推定手段１８より出力された位相差Δφ_ijを記憶して次の観測周期のタイミングに備える。

次の観測周期のタイミングで、受信電力レベルがしきい値より小さい状態が継続している場合、判定手段１３は、該当の平滑手段１７に対して，位相差検出手段１４からの位相差Δφ_ijではなく、位相差推定手段１８により推定された位相差Δφ_ijを出力するように指示を出すと共に、位相差選択手段１５に対して、平滑手段１７から出力された受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ij及び平滑化推定された位相差Δφ_ijを選択するように指示する。

平滑手段１７は、受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m による位相差Δφ_ijをそのまま位相差選択手段１５に出力し、受信電力レベルがしきい値より小さい受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ijについては、位相差選択手段１５に出力せずに、位相差推定手段１８により推定された位相差Δφ_ijを平滑化推定された位相差Δφ_ijとして位相差選択手段１５に出力する。

位相差選択手段１５は、判定手段１３からの指示に基づき、平滑手段１７から出力された受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m に関する位相差Δφ_ij及び平滑化推定された位相差Δφ_ijを選択して測位計算手段１６に出力する。測位計算手段１６は、判定手段１３からの指示に基づき、整数値バイアスの決定には推定された位相差も用いるが、測位処理には測位精度を高めるために受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m から得られた位相差Δφ_ijのみにより計測点の位置ｐを推定する。

位相差推定手段１８は、受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m による位相差Δφ_ijを用いて測位計算手段１６により推定された計測点の位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］から、計測点の送信アンテナ２と各受信アンテナ３までの距離を算出し、その距離から位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）を推定して位相差Δφ_ijの追尾を継続する。

その後、受信電力レベルがしきい値より大きくなって回復した場合には、判定手段１３は、平滑手段１７に対して位相差検出手段１４からの位相差Δφ_ijを位相差選択手段１５に出力するよう指示し、位相差選択手段１５に対して、全ての平滑手段１７からの位相差Δφ_ijを選択するよう指示する。
その他の動作は上記実施の形態１と同様である。

次に、例えば受信アンテナ３の個数Ｍ＝６の場合で、位相差検出手段１４から出力される観測された位相差として、Δφ₁₂，Δφ₂₃，Δφ₃₄，Δφ₄₅，Δφ₅₆が得られるが、第４の受信アンテナ３−４の受信信号ｒ₄ がしきい値より小さかった場合の動作を説明する。
この場合、判定手段１３は、平滑手段１７に対してしきい値より小さい第４の受信信号ｒ₄ に関連する位相差Δφ₃₄，Δφ₄₅を出力しないように指示し、それ以外のしきい値より大きい受信信号に関連する位相差Δφ₁₂，Δφ₂₃，Δφ₅₆を出力するよう指示し、位相差選択手段１５に対してしきい値より大きい受信信号に関連する位相差Δφ₁₂，Δφ₂₃，Δφ₅₆を選択するよう指示する。位相差選択手段１５は観測された位相差Δφ₁₂，Δφ₂₃，Δφ₅₆を測位演算手段１６に出力し、測位演算手段１６は上記のようにΔφ₁₂，Δφ₂₃，Δφ₅₆によって決定される式（２）〜（４）の連立方程式により計測点の位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］を推定する。

位相差推定手段１８は、この推定された位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］を入力し、位相差積算値（Δφ₃₄＋２πｋ₃₄），（Δφ₄₅＋２πｋ₄₅）をそれぞれ上記式（１）を変形した次の式（５）、式（６）から推定する。

上記式（５）、式（６）において、右辺の｛ ｝内の値が、観測された他の受信信号の位相差Δφ₁₂，Δφ₂₃，Δφ₅₆より推定した計測点の位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］に基づき推定した送信アンテナ２と各受信アンテナ３までの距離を示している。位相差推定手段１８は、推定した位相差積算値（Δφ₃₄＋２πｋ₃₄），（Δφ₄₅＋２πｋ₄₅）より、位相差Δφ₃₄，Δφ₄₅を求めて該当する平滑手段１７に出力する。

該当の平滑手段１７は位相差推定手段１８により推定された位相差Δφ₃₄，Δφ₄₅をそれぞれ出力し、位相差Δφ₃₄，Δφ₄₅は位相差選択手段１５により選択されて測位演算手段１６に出力され、測位演算手段１６は、位相差Δφ₃₄，Δφ₄₅を用いて、図７の黒丸の点に示すように、位相差積算値（Δφ₃₄＋２πｋ₃₄），（Δφ₄₅＋２πｋ₄₅）を求めて、整数値バイアスを正しく決定し、計測点の位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］を推定する。

以上のように、この実施の形態３によれば、マルチパス等により受信電力レベルがしきい値より小さくなり、観測された位相差Δφ_ijが比較的長い時間で大きな誤差を生じる場合でも、位相差推定手段１８が、受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号ｒ_m による位相差Δφ_ijを用いて推定された計測点の位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］から位相差Δφ_ijを推定し、測位計算手段１６が、推定された位相差Δφ_ijを用いて位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）を補間することにより、整数値バイアスｋ_ijを正しく決定して正確に計測点の位置を推定できると共に、一度、受信電力レベルが小さくなった受信信号ｒ_m について、その後、受信電力レベルがしきい値より大きくなって回復した場合には、それまでの位相差積算値（Δφ_ij＋２πｋ_ij）を補間して求めていることにより、受信電力レベルが回復後の位相差Δφ_ijを正しく積算することができ、マルチパスにより受信信号ｒ_m の受信電力レベルが一時的に次々に小さくなって最後には受信信号数が不足するということを避けるができるという効果が得られる。

なお、上記実施の形態３では、他の受信信号ｒ_m により観測された位相差Δφ_ijより推定された計測点の位置ｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］を用いて、マルチパス等により強い干渉を受けた受信信号ｒ_m の位相差Δφ_ij推定しているが、計測点の移動速度が観測周期に比べて十分遅い場合には、他の受信信号ｒ_m により観測された位相差Δφ_ijより推定した計測点の位置の代わりに、直前に推定された計測点の位置を用いて、強い干渉を受けた受信信号ｒ_m の位相差Δφ_ijを推定することもできる。

上記実施の形態１〜３では、ディジタル処理で行う構成で説明したが、一部又は全部をアナログ処理で行う構成にしても構わない。

この発明の実施の形態１による測位計算精度の向上手段を実現する測位装置の構成図である。 マルチパス波の干渉による受信アンテナの受信電界ベクトルを説明する図である。 この発明の実施の形態１による測位計算精度の向上手段を実現する測位信号処理装置の受信電力算出手段が算出する受信電力レベルの時間的変化を示す図である。 この発明の実施の形態２による測位計算精度の向上手段を実現する測位信号処理装置の構成図である。 この発明の実施の形態２による測位計算精度の向上手段を実現する測位信号処理装置における受信信号の受信電力レベルの時間的変化と計測点の位置の変位が地震等により往復運動を取る場合の位相差積算値の時間的変化の例を示す図である。 この発明の実施の形態３による測位計算精度の向上手段を実現する測位信号処理装置の構成図である。 この発明の実施の形態３による測位計算精度の向上手段を実現する測位信号処理装置における受信信号の受信電力レベルの時間的変化と計測点の位置の変位が地震等により往復運動を取る場合の位相差積算値の時間的変化の例を示す図である。 従来の測位装置の構成図である。

符号の説明

１ 送信機、２ 送信アンテナ、３ 受信アンテナ、４ 局部発信器、５ ダウンコンバータ、６ Ａ／Ｄ変換器、７ 測位信号処理装置、８ 表示手段、１１ 受信電力算出手段、１２ 記憶手段、１３ 判定手段、１４ 位相差検出手段、１５ 位相差選択手段、１６ 測位計算手段、１７ 平滑手段、１８ 位相差推定手段。

Claims (4)

1. 計測点の位置から送信された電波を受信する各受信アンテナからの受信信号の受信電力レベルを算出する受信電力算出手段と、
   算出された各受信信号の受信電力レベルを記憶する記憶手段と、
   各受信信号について、上記受信電力算出手段により算出された現時刻の受信電力レベルと、上記記憶手段に記憶されている過去の時刻の受信電力レベルから求めたしきい値とを比較し、現時刻の受信電力レベルの大きさを判定する判定手段と、
   ２つの受信アンテナからの受信信号の位相差を検出する位相差検出手段と、
   上記判定手段の判定結果に基づき、上記位相差検出手段により検出された位相差の中から、受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号に関する位相差を選択する位相差選択手段と、
   選択された位相差により計測点の位置を推定する測位計算手段とを備えた震動変位計算精度の向上手段。
2. 判定手段の指示に基づき、位相差検出手段により検出された受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号に関する位相差をそのまま位相差選択手段に出力すると共に、上記位相差検出手段により検出された予め設定された所定時間内で受信電力レベルがしきい値より小さい受信信号に関する位相差に対して、過去の受信信号の位相差を積算した位相差積算値を追尾処理して求めた平滑化推定された位相差を上記位相差選択手段に出力する平滑手段を備え、
   上記位相差選択手段は、上記判定手段の指示に基づき、上記平滑手段から出力された受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号に関する位相差及び平滑化推定された位相差を選択することを特徴とする請求項１記載の震動変位計算精度の向上手段。
3. 位相差選択手段は、判定手段の指示に基づき、位相差検出手段により検出された予め設定された所定時間以上で受信電力レベルがしきい値より小さい受信信号に関する位相差に対して、平滑手段から出力された平滑化推定された位相差を選択しないことを特徴とする請求項２記載の震動変位位計算精度の向上手段。
4. 測位計算手段が受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号に関する位相差を用いて推定した計測点の位置から、受信電力レベルがしきい値より小さい受信信号に関する位相差を推定する位相差推定手段と、
   判定手段の指示に基づき、位相差検出手段により検出された受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号に関する位相差をそのまま位相差選択手段に出力すると共に、上記位相差検出手段により検出された受信電力レベルがしきい値より小さい受信信号に関する位相差に対して、上記位相差推定手段により推定された位相差を平滑化推定された位相差として上記位相差選択手段に出力する平滑手段を備え、
   上記位相差選択手段は、上記判定手段の指示に基づき、上記平滑手段から出力された受信電力レベルがしきい値より大きい受信信号に関する位相差及び平滑化推定された位相差を選択することを特徴とする請求項１記載の震動変位計算精度の向上手段。

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