JP4814060B2

JP4814060B2 - 位置推定方法および位置推定システム

Info

Publication number: JP4814060B2
Application number: JP2006303756A
Authority: JP
Inventors: 功山田; 知明大槻
Original assignee: Keio University; Azbil Corp
Current assignee: Keio University; Azbil Corp
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: JP2008122131A

Description

本発明は、複数の無線ノードを用いて無線端末の位置を推定する位置推定方法および位置推定システムに関するものである。

従来、無線を利用して人や物の位置を検出する方式としては、無線端末が電波到達圏内にいるかどうかを基地局で判別して無線端末の位置を検出するＣｅｌｌ−ＩＤ方式や、複数の基地局で無線端末からの電波の到達時間を測定して三辺測量を行うことにより無線端末の位置を検出する電波到着時間差方式、複数の基地局で無線端末からの電波強度を測定して三辺測量を行うことにより無線端末の位置を検出する電波受信強度方式がある（例えば特許文献１、非特許文献１参照）。
しかし、これらの方式では、マルチパスフェージング（遅延波による電界強度の変動）の影響を大きく受けるため、位置精度が低下し、位置精度の低下を防ぐためには、コストやキャリブレーションの手間がかかるという問題があった。

そこで、非特許文献１に記載された位置検出方式では、まず無線端末と無線ノード間の距離を変えながら、無線端末からの電波を無線ノードで受信して受信電波強度を予め測定し、無線端末と無線ノード間の距離と、受信電波強度との関係を得る。次に、無線伝搬特性を考慮して実伝搬環境のモデル化を行い、無線伝搬環境の確率モデルを得る。実伝搬環境の受信電波強度は指数分布でモデル化できることが分かっている。この確率モデルによると、受信電波強度Ｐと無線端末から無線ノードまでの距離ｒとは次式のような関係で表される。
Ｐ＝Ｃｒ^-α ・・・（１）
定数Ｃおよび減衰定数αは伝搬環境のモデル化時に決まるパラメータである。このような確率モデルを用いて最尤法による統計的推測を行うことにより、無線端末の位置を検出することができる。

特開２００５−２７４３６４号公報小野昌之他，「無線を使った位置検出」，沖テクニカルレビュー，２００５年１０月，第２０４号，Ｖｏｌ．７２，Ｎｏ．４，ｐ．２４−２７

非特許文献１に記載された位置検出方式によれば、無線ノードの低コスト化、小型化および高い位置推定精度を実現できるとしている。
しかしながら、非特許文献１に記載された位置検出方式では、式（１）のパラメータＣ，αを決定するために、位置推定を行う前に実伝搬環境において多数の観測データを予め測定して、このデータを基に伝搬環境をモデル化し、パラメータＣ，αを決定する必要があり、位置推定を始めるまでの初期設定に手間と時間がかかるという問題点があった。
また、非特許文献１に記載された位置検出方式では、全ての無線ノードに同じパラメータＣ，αを適用することになり、位置推定に誤差が生じる可能性があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、無線端末の位置推定を始めるための初期設定を簡素化し、また位置推定の精度を向上させることができる位置推定方法および位置推定システムを提供することを目的とする。

本発明の位置推定方法は、複数の無線ノードで無線端末からの受信電波強度を測定する測定手順と、前記無線ノード毎に測定された受信電波強度と前記無線ノード毎に決定されたパラメータとを距離の推定式に代入して、前記無線端末と前記無線ノードとの間の距離の推定値を前記無線ノード毎に算出する距離算出手順と、前記無線ノード毎に算出された距離の推定値から前記無線端末の位置を算出する位置算出手順と、予め想定される正規分布に基づいて前記パラメータを逐次変更しながら、前記距離算出手順と前記位置算出手順とを繰り返し実行させるパラメータ決定手順と、前記位置算出手順で算出した前記無線端末の全ての位置データの平均を前記無線端末の推定位置として確定する位置推定手順とを有するものである。
また、本発明の位置推定方法の１構成例において、前記位置推定手順は、前記位置算出手順で算出した前記無線端末の全ての位置データから平均位置を算出して前記無線端末の仮の位置とする平均位置算出手順と、前記無線端末の仮の位置の確からしさを示す寄与率を算出する寄与率算出手順と、前記パラメータの正規分布を逐次変更しながら、前記パラメータ決定手順と前記平均位置算出手順と前記寄与率算出手順とを繰り返し実行させる正規分布変更手順と、前記平均位置算出手順で算出した前記無線端末の仮の位置のうち、前記寄与率が最も大きい仮の位置を前記無線端末の推定位置として確定する位置確定手順とを含むものである。
また、本発明の位置推定方法の１構成例において、前記平均位置算出手順は、前記位置算出手順で算出した前記無線端末の全ての位置データから平均位置を算出した後、この平均位置から所定の距離以上離れている位置データを除外し、残りの位置データから改めて平均位置を算出するものである。

また、本発明の位置推定システムは、無線端末からの受信電波強度を測定する複数の無線ノードと、前記無線ノード毎に測定された受信電波強度と前記無線ノード毎に決定されたパラメータとを距離の推定式に代入して、前記無線端末と前記無線ノードとの間の距離の推定値を前記無線ノード毎に算出する距離算出手段と、前記無線ノード毎に算出された距離の推定値から前記無線端末の位置を算出する位置算出手段と、予め想定される正規分布に基づいて前記パラメータを逐次変更しながら、前記距離算出手段と前記位置算出手段に処理を繰り返し実行させるパラメータ決定手段と、前記位置算出手段が算出した前記無線端末の全ての位置データの平均を前記無線端末の推定位置として確定する位置推定手段とを有するものである。
また、本発明の位置推定システムの１構成例において、前記位置推定手段は、前記位置算出手段が算出した前記無線端末の全ての位置データから平均位置を算出して前記無線端末の仮の位置とする平均位置算出手段と、前記無線端末の仮の位置の確からしさを示す寄与率を算出する寄与率算出手段と、前記パラメータの正規分布を逐次変更しながら、前記パラメータ決定手段と前記平均位置算出手段と前記寄与率算出手段に処理を繰り返し実行させる正規分布変更手段と、前記平均位置算出手段が算出した前記無線端末の仮の位置のうち、前記寄与率が最も大きい仮の位置を前記無線端末の推定位置として確定する位置確定手段とを含むものである。
また、本発明の位置推定システムの１構成例において、前記平均位置算出手段は、前記位置算出手段が算出した前記無線端末の全ての位置データから平均位置を算出した後、この平均位置から所定の距離以上離れている位置データを除外し、残りの位置データから改めて平均位置を算出するものである。

本発明によれば、受信電波強度から無線端末と無線ノードとの間の距離を推定するためのパラメータを予め想定される正規分布に基づいて決定することにより、従来のように実伝搬環境において多数の観測データを測定してパラメータを決定する必要がなくなるので、無線端末の位置推定を始めるための初期設定を迅速かつ簡易にすることができる。また、本発明では、無線ノード毎にパラメータを決定するので、全ての無線ノードに同じパラメータを適用することによる位置推定誤差を回避することができ、位置推定の精度を向上させることができる。

また、本発明では、位置算出手順で算出した無線端末の全ての位置データから平均位置を算出して無線端末の仮の位置とし、無線端末の仮の位置の確からしさを示す寄与率を算出し、パラメータの正規分布を逐次変更しながら、パラメータ決定手順と平均位置算出手順と寄与率算出手順とを繰り返し実行させ、平均位置算出手順で算出した無線端末の仮の位置のうち、寄与率が最も大きい仮の位置を無線端末の推定位置として確定することにより、位置推定の精度を向上させることができる。

また、本発明では、位置算出手順で算出した無線端末の全ての位置データから平均位置を算出した後、この平均位置から所定の距離以上離れている位置データを除外し、残りの位置データから改めて平均位置を算出することにより、位置推定の誤差を更に少なくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る位置推定システムの構成を示すブロック図である。
本実施の形態の位置推定システムは、無線端末１０からの受信電波強度を測定する複数の無線ノード１と、無線ノード１が測定した受信電波強度を基に無線端末１０の位置を推定する位置推定装置２とから構成される。無線ノード１と無線端末１０間で使用する無線通信としては例えばジグビー（ＺｉｇＢｅｅ）がある。なお、無線ノード１は固定無線ノードであり、無線端末１０は移動無線ノードであって、どちらも無線ノードであるが、ここでは両者の区別を容易にするために、移動無線ノードを無線端末と称する。

図２は位置推定装置２の構成例を示すブロック図である。位置推定装置２は、無線端末１０から受信電波強度のデータを受信する受信手段２０と、無線ノード毎に測定された受信電波強度と無線ノード毎に決定されたパラメータとを距離の推定式に代入して、無線端末１０と無線ノード１との間の距離の推定値を無線ノード毎に算出する距離算出手段２１と、無線ノード毎に算出された距離の推定値から無線端末１０の位置を算出する位置算出手段２２と、位置算出手段２２が算出した無線端末１０の全ての位置データから平均位置を算出して無線端末１０の仮の位置とする平均位置算出手段２３と、無線端末１０の仮の位置の確からしさを示す寄与率を算出する寄与率算出手段２４と、予め想定される正規分布に基づいてパラメータを逐次変更しながら、距離算出手段２１と位置算出手段２２に処理を繰り返し実行させるパラメータ決定手段２５と、パラメータの正規分布を逐次変更しながら、パラメータ決定手段２５と平均位置算出手段２３と寄与率算出手段２４に処理を繰り返し実行させる正規分布変更手段２６と、平均位置算出手段２３が算出した無線端末１０の仮の位置のうち、寄与率が最も大きい仮の位置を無線端末１０の推定位置として確定する位置確定手段２７とを有する。

次に、本実施の形態の位置推定システムの動作を説明する。図３は位置推定装置２の動作を示すフローチャートである。
まず、各無線ノード１は、無線端末１０からの電波を受信して、受信電波強度を測定する。そして、各無線ノード１は、測定した受信電波強度のデータを位置推定装置２に対して無線送信する。

位置推定装置２の受信手段２０は、各無線ノード１から受信電波強度のデータを受信する（図３ステップＳ１）。
パラメータ決定手段２５は、無線端末１０から無線ノード１までの距離ｒの推定式（式（１））のパラメータＣ，αを無線ノード毎に決定する（ステップＳ２）。パラメータ決定手段２５には、定数Ｃおよび減衰定数αが各々正規分布に従うものと見なして、図４（Ａ）に示す定数Ｃの正規分布と図４（Ｂ）に示す減衰定数αの正規分布が予め設定されている。パラメータ決定手段２５は、定数Ｃの正規分布からランダムに定数Ｃのサンプルを所定個数（例えば１００個）取得すると共に、減衰定数αの正規分布からランダムに減衰定数αのサンプルを所定個数取得する。パラメータ決定手段２５は、このような定数Ｃと減衰定数αのランダムな取得を無線ノード毎に行う。なお、αは電波環境に依存するパラメータであるが、一般に減衰定数と呼ばれているので、本発明においても減衰定数αと呼ぶことにする。

続いて、距離算出手段２１は、無線ノード毎に測定された受信電波強度Ｐと無線ノード毎に決定された定数Ｃおよび減衰定数αを式（１）の推定式に代入して、無線端末１０と無線ノード１との間の距離の推定値ｒを無線ノード毎に算出する（ステップＳ３）。
位置算出手段２２は、無線ノード毎に算出された距離の推定値ｒから三辺測量を行って無線端末１０の位置を算出する（ステップＳ４）。

距離算出手段２１と位置算出手段２２は、距離の推定値ｒの算出と無線端末１０の位置の算出を定数Ｃのサンプル毎及び減衰定数αのサンプル毎に行う。したがって、定数Ｃと減衰定数αのサンプル数をそれぞれ１００個とすれば、１台の無線ノード１について距離の推定値ｒが１００×１００＝１０⁴とおり算出されることになる。

平均位置算出手段２３は、定数Ｃと減衰定数αのサンプルがとり得る全ての組み合わせについてステップＳ３とステップＳ４の処理が終了した後（ステップＳ５においてＹＥＳ）、位置算出手段２２が算出した無線端末１０の全ての位置データから平均位置を算出する（ステップＳ６）。このとき、平均位置算出手段２３は、無線端末１０の平均位置をいったん算出した後、この平均位置から所定の距離以上離れている位置データを誤差が大きいものとして除外し、さらに減衰定数αが２以上で、かつ定数Ｃが０よりも大きいという条件に当てはまらない位置データを除外して、残りの位置データから改めて平均位置を算出し直す。こうして、誤差が大きいサンプルを除外することで、位置推定の誤差を少なくすることができる。減衰定数αを２以上、定数Ｃを０よりも大きいとする理由は、減衰定数αが２未満、定数Ｃが０以下の値は物理的に有り得ないからである。そして、平均位置算出手段２３は、算出した無線端末１０の平均位置を無線端末１０の仮の位置として決定する。

寄与率算出手段２４は、平均位置算出手段２３が算出した無線端末１０の仮の位置の確からしさを示す寄与率を以下の式のように算出する（ステップＳ７）。
寄与率＝平均位置の算出に使用した位置データの数
／位置算出手段が算出した全ての位置データの数・・・（２）
例えば位置算出手段２２が算出した位置データの数が前述のように１０¹²個で、平均位置算出手段２３が平均位置の算出に使用した位置データの数が０．７５×１０¹²とすれば、寄与率は０．７５となる。

次に、正規分布変更手段２６は、定数Ｃの正規分布と減衰定数αの正規分布がとり得る全ての組み合わせについてステップＳ２〜Ｓ７の処理が終了したかどうかを判定し（ステップＳ８）、未処理の組み合わせが存在する場合、パラメータ決定手段２５に対して、図５（Ａ）に示す定数Ｃの正規分布の移動と、図５（Ｂ）に示す減衰定数αの正規分布の移動のうち少なくとも一方を実行し（ステップＳ９）、ステップＳ２に戻る。正規分布変更手段２６は、予め定められた範囲内で定数Ｃの正規分布の移動と減衰定数αの正規分布の移動を行う。こうして、定数Ｃの正規分布と減衰定数αの正規分布がとり得る全ての組み合わせについてステップＳ２〜Ｓ７の処理が行われる。

位置確定手段２７は、定数Ｃの正規分布と減衰定数αの正規分布がとり得る全ての組み合わせについてステップＳ２〜Ｓ７の処理が終了した後（ステップＳ８においてＹＥＳ）、平均位置算出手段２３が算出した無線端末１０の仮の位置のうち、寄与率が最も大きい仮の位置を無線端末１０の最終的な推定位置として確定する（ステップＳ１０）。

以上のように本実施の形態では、受信電波強度から無線端末１０と無線ノード１との間の距離を推定するためのパラメータＣ，αを予め想定される正規分布に基づいて決定することにより、従来のように実伝搬環境において多数の観測データを測定してパラメータを決定する必要がなくなるので、無線端末１０の位置推定を始めるための初期設定を迅速かつ簡易にすることができる。また、本実施の形態では、無線ノード毎にパラメータＣ，αを決定するので、全ての無線ノード１に同じパラメータを適用することによる位置推定誤差を回避することができ、位置推定の精度を向上させることができる。

なお、本実施の形態の位置推定装置２のうち受信手段２０を除く構成は、ＣＰＵ、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、無線端末の位置を推定する技術に適用することができる。

本発明の実施の形態に係る位置推定システムの構成を示すブロック図である。図１の位置推定システムにおける位置推定装置の構成例を示すブロック図である。図１の位置推定システムにおける位置推定装置の動作を示すフローチャートである。無線端末から無線ノードまでの距離の推定式の定数の正規分布および減衰定数の正規分布の一例を示す図である。図４の定数の正規分布および減衰定数の正規分布の移動の一例を示す図である。

符号の説明

１…無線ノード、２…位置推定装置、１０…無線端末、２０…受信手段、２１…距離算出手段、２２…位置算出手段、２３…平均位置算出手段、２４…寄与率算出手段、２５…パラメータ決定手段、２６…正規分布変更手段、２７…位置確定手段。

Claims

無線端末の位置を推定する位置推定方法において、
複数の無線ノードで無線端末からの受信電波強度を測定する測定手順と、
前記無線ノード毎に測定された受信電波強度と前記無線ノード毎に決定されたパラメータとを距離の推定式に代入して、前記無線端末と前記無線ノードとの間の距離の推定値を前記無線ノード毎に算出する距離算出手順と、
前記無線ノード毎に算出された距離の推定値から前記無線端末の位置を算出する位置算出手順と、
予め想定される正規分布に基づいて前記パラメータを逐次変更しながら、前記距離算出手順と前記位置算出手順とを繰り返し実行させるパラメータ決定手順と、
前記位置算出手順で算出した前記無線端末の全ての位置データの平均を前記無線端末の推定位置として確定する位置推定手順とを有することを特徴とする位置推定方法。
請求項１記載の位置推定方法において、
前記位置推定手順は、
前記位置算出手順で算出した前記無線端末の全ての位置データから平均位置を算出して前記無線端末の仮の位置とする平均位置算出手順と、
前記無線端末の仮の位置の確からしさを示す寄与率を算出する寄与率算出手順と、
前記パラメータの正規分布を逐次変更しながら、前記パラメータ決定手順と前記平均位置算出手順と前記寄与率算出手順とを繰り返し実行させる正規分布変更手順と、
前記平均位置算出手順で算出した前記無線端末の仮の位置のうち、前記寄与率が最も大きい仮の位置を前記無線端末の推定位置として確定する位置確定手順とを含むことを特徴とする位置推定方法。
請求項２記載の位置推定方法において、
前記平均位置算出手順は、前記位置算出手順で算出した前記無線端末の全ての位置データから平均位置を算出した後、この平均位置から所定の距離以上離れている位置データを除外し、残りの位置データから改めて平均位置を算出することを特徴とする位置推定方法。
無線端末の位置を推定する位置推定システムにおいて、
無線端末からの受信電波強度を測定する複数の無線ノードと、
前記無線ノード毎に測定された受信電波強度と前記無線ノード毎に決定されたパラメータとを距離の推定式に代入して、前記無線端末と前記無線ノードとの間の距離の推定値を前記無線ノード毎に算出する距離算出手段と、
前記無線ノード毎に算出された距離の推定値から前記無線端末の位置を算出する位置算出手段と、
予め想定される正規分布に基づいて前記パラメータを逐次変更しながら、前記距離算出手段と前記位置算出手段に処理を繰り返し実行させるパラメータ決定手段と、
前記位置算出手段が算出した前記無線端末の全ての位置データの平均を前記無線端末の推定位置として確定する位置推定手段とを有することを特徴とする位置推定システム。
請求項４記載の位置推定システムにおいて、
前記位置推定手段は、
前記位置算出手段が算出した前記無線端末の全ての位置データから平均位置を算出して前記無線端末の仮の位置とする平均位置算出手段と、
前記無線端末の仮の位置の確からしさを示す寄与率を算出する寄与率算出手段と、
前記パラメータの正規分布を逐次変更しながら、前記パラメータ決定手段と前記平均位置算出手段と前記寄与率算出手段に処理を繰り返し実行させる正規分布変更手段と、
前記平均位置算出手段が算出した前記無線端末の仮の位置のうち、前記寄与率が最も大きい仮の位置を前記無線端末の推定位置として確定する位置確定手段とを含むことを特徴とする位置推定システム。
請求項５記載の位置推定システムにおいて、
前記平均位置算出手段は、前記位置算出手段が算出した前記無線端末の全ての位置データから平均位置を算出した後、この平均位置から所定の距離以上離れている位置データを除外し、残りの位置データから改めて平均位置を算出することを特徴とする位置推定システム。