JP5179054B2 - 測位方法及び測位装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置が既知である電波発信器から送信される電波の到来方向を推定し、受信位置を求める測位方法及び測位装置に関するものである。

従来から、位置が既知である複数個の基地局において移動局からの電波を受信し、各基地局において検出した移動局からの電波の到来方向の関係を用いることにより移動局の位置を求める技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１には、ロランや、ＧＰＳ等の既存の測位システムを利用して各移動局において測位を行い、測位結果を通信手段を通じて基地局や他の移動局に伝送する測位方法の開示や、基地局側で移動局の位置を求める場合に、基地局で位置を求める電波と移動局に位置を通知する電波とを共用する測位方法の開示があるが、前者の測位方法では、ロランやＧＰＳ等の受信器を別途備える必要があって、コスト、重量、容積の増大等の問題がある。

一方後者では、前者の課題を解決できるものの、移動局が自分の位置を知ることができないという問題がある。

これらの課題を解決する測位方法として、到来方向推定アルゴリズムであるＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ ＳＩｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法等を用いた電波到来方向推定により自己位置を測位する測位方法も提供されている（例えば、特許文献２）。
特開平９−１１９９７０号公報 特開２００６−２３４６８３号公報

ところで、特許文献２に開示されている電波到来方向推定を用いて自己位置を測位する測位方法では、電波の回折、反射等実際に起こりうる現象の影響等によって、直接波と反射波が同時に受信されるというマルチパスフェージングの問題が発生するという課題があった。

また、特許文献２に開示されているように到来方向推定アルゴリズムの一つであるＭＵＳＩＣ法を使用したものや、電波発信器に冗長性を持たせて４つの到来方向の推定結果から最適な３つの到来方向推定角を抽出し、最適な自己位置推定結果を得るという測位方法も提案されているが、前者では到来波数を一つと仮定するアルゴリズムであるため、また後者では少なくとも３つの正しい到来方向推定結果が得られない限りは自己位置を求めることができないため、マルチパス環境の下では到来方向推定角を正しく求めることができない場合が多いという課題があった。

更にまた、到来波を１波と仮定して、各電波発信器から受信される電波到来方向推定角はそれぞれ１個ずつしか求めず、その結果一つが反射波だった場合には、測位結果が異常となるという問題もあった。

本発明は、上述の点に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、マルチパス環境下でも、精度良く自己位置推定ができる測位方法及び測位装置を提供することにある。

上述の目的を達成するために、請求項１の測位方法の発明では、平面内で規定した絶対座標系における既知位置に配置された少なくとも３台の電波発信器から送信され送信元毎に異なる電波を受信する測位装置において、測位装置について設定したローカル座標系における測位装置に対する各電波発信器からの電波の到来方位を用いて、絶対座標系における測位装置の座標位置を検出する測位方法であって、測位装置で受信した電波毎に、ローカル座標系における測位装置に対する電波の到来方位を推定し、測位装置で受信した互いに異なる電波の送信元である電波発信器を３つ選択して組にし、各組毎に、測位装置に対する各電波発信器からの電波の到来方位と既知の各電波発信器の座標位置とを用いて絶対座標系における測位装置の座標位置を求め、測位装置の座標位置から既知の電波発信器を見込むときの絶対座標系における測位装置に対する各電波発信器の存在方位を求めるとともに、到来方位と存在方位とを照合して整合性を判定し、各電波発信器において、絶対座標系に対するローカル座標系の角度とローカル座標系における電波発信器からの電波の到来方位との和と、絶対座標系における電波発信器の存在方位とを比較し、到来方位と存在方位との間に幾何学的な矛盾がなく整合すると判定された組から得られた測位装置の座標位置を採用することを特徴とする。

請求項１の測位方法の発明によれば、直接波と反射波とを分離して到来方向推定角の不適な角度を排除し、反射波を用いた測位結果を除去することによって、マルチパス環境下においても精度の良い測位を行うことができる。

請求項２の測位方法の発明では、請求項１の発明において、電波の到来方位を推定する際に、ビームサーチ法を用いるものであり、到来方位と存在方位との間に幾何学的な矛盾がなく整合すると判定された組が複数となった場合に、ビームサーチ法を用いたときに算出されたスペクトルのピーク値の大きさに基づいて、複数の組から測位装置の座標位置を採用する組を決定することを特徴とする。

請求項２の測位方法の発明によれば、到来方向推定の際に得られた情報を用いて確からしい値を算出することができる。

請求項３の測位方法の発明では、請求項１の発明において、電波発信器からの電波を受信するアンテナの向いている方向を検知する方位センサを備え、到来方位と存在方位との間に幾何学的な矛盾がなく整合すると判定された組が複数となった場合に、方位センサにより検知された方向に基づいて、複数の組から測位装置の座標位置を採用する組を決定することを特徴とする。

請求項３の測位方法の発明によれば、到来方向推定の際に、方位センサにより得られた現在位置についての情報を用いて確からしい値を算出することができる。

請求項４の測位方法の発明では、請求項１の発明において、電波の到来方位を推定する際に、スペクトルを算出するものであり、前記スペクトルの時系列の履歴を記憶して、到来方位と存在方位との間に幾何学的な矛盾がなく整合すると判定された組が複数となった場合に、継続的に存在するスペクトルを用いた測位装置の座標位置について優先して選択することを特徴とする。

請求項４の測位方法の発明によれば、安定的に存在するスペクトルを用いて測位するので、測位の安定性が向上する。

請求項５の測位方法の発明では、請求項１の発明において、電波の到来方位を推定する際に、Ｃａｐｏｎ法で得たスペクトルのピーク値が所定値以上となるものの数を到来波数としてＭＵＳＩＣ法を用いることを特徴とする。

請求項５の測位方法によれば、Ｃａｐｏｎ法によって到来波数を求め、その到来波数を用いてＭＵＳＩＣ法を用いるので、マルチパス環境においても精度の良い測位を行うことができる。

請求項６の測位方法の発明では、請求項１の発明において、電波の到来方位を推定する際に、Ｃａｐｏｎ法とＭＵＳＩＣ法で求められた各電波到来方位角の差が閾値以内に収まる到来角を測位に用いることを特徴とする。

請求項６の測位方法の発明によれば、到来方向推定アルゴリズムとして、Ｃａｐｏｎ法とＭＵＳＩＣ法とで求められた各電波到来方位角の差が閾値以内に収まる到来角を測位することにより、より確からしい到来方向推定角のみを絞り込むことができる。

請求項７の測位方法の発明では、請求項１の発明において、到来方位と存在方位との間に幾何学的な矛盾がなく整合すると判定された組が複数となった場合に、測位エリアの地図に基づいて存在不可領域の測位装置の座標位置を削除することを特徴とする。

請求項７の測位方法の発明によれば、存在し得ない領域に測位装置が位置した場合、その測位装置の座標位置を削除することで、更にマルチパスの影響を除去することができる。

請求項８の測位装置の発明では、平面内で規定した絶対座標系における既知位置に配置された３台以上の電波発信器から送信され送信元毎に異なる電波を受信しアレイ応答ベクトルを出力するアンテナと、アンテナで受信した電波毎に、アレイ応答ベクトルを用いてアンテナ座標系におけるアンテナに対する電波の到来方位を推定する電波到来方位推定部と、絶対座標系における電波発信器の座標位置を記憶した発信器座標記憶部と、絶対座標系におけるアンテナの座標位置を求める測位アルゴリズム処理部とを備え、アンテナで受信した互いに異なる電波の送信元である電波発信器を３つ選択して組にし、各組毎に、電波到来方位推定部で推定したアンテナに対する各電波発信器からの電波の到来方位と発信器座標記憶部が記憶している各電波発信器の座標位置とを用いて絶対座標系におけるアンテナの座標位置を求め、アンテナの座標位置から既知の電波発信器を見込むときの絶対座標系におけるアンテナに対する各電波発信器の存在方位を求めるとともに、到来方位と存在方位とを照合して整合性を判定し、各電波発信器において、絶対座標系に対するアンテナ座標系の角度とアンテナ座標系における電波発信器からの電波の到来方位との和と、絶対座標系における電波発信器の存在方位とを比較し、到来方位と存在方位との間に幾何学的な矛盾がなく整合すると判定された組から得られたアンテナの座標位置を採用することを特徴とする。

請求項８の測位装置の発明によれば、直接波と反射波とを分離して到来方向推定角の不適な角度を排除し、反射波を用いた測位結果を除去することによって、マルチパス環境下においても精度の良い測位を行うことができる測位装置を提供できる。

本発明は、直接波と反射波とを分離して到来方向推定角の不適な角度を排除し、反射波を用いた測位結果を除去することによって、マルチパス環境下においても精度の良い測位を行うことができる測位方法を提供でき、またその測位方法を用いた測位装置を提供できるという効果がある。

以下本発明を実施形態により説明する。
（実施形態１）
図３は、本実施形態の測位方法を用いた測位システムの概念的な構成を示しており、図示するように、測位を行う対象空間（対象平面）について規定した絶対座標系Ｏ−ＸＹの座標位置として自己位置を検出する。具体的には、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける座標位置が既知である３台の電波発信器１（１_１〜１_３）から測位装置２に電波が到来する方位をそれぞれ検出し、各電波発信器１からの電波の到来方位と各電波発信器１（１_１〜１_３）の既知の座標位置とに基づいて、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける測位装置２の座標位置を検出する。測位装置２において各電波発信器１_１〜１_３からの電波を区別するために、各電波発信器１_１〜１_３から送信する電波はそれぞれ異なる周波数に設定される。

測位装置２は、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける電波の到来方位を特定することはできないから、測位装置２について設定したアンテナ座標系（ローカル座標系）Ｏ’−Ｘ’Ｙ’において電波の到来方位を検出する。アンテナ座標系Ｏ’−Ｘ’Ｙ’のＸ’Ｙ’平面は絶対座標系Ｏ−ＸＹのＸＹ平面と一致しているか平行であるものとする。

ここで本測位方法を用いて測定を行う測位装置２は、図１に示すように電波発信器１からの電波を受信するアンテナ２１と、アンテナ２１の出力から電波の到来方位を検出するための成分を取り出すとともに抽出した成分を以後の処理のためにデジタル信号に変換する機能を有したアンテナ信号処理回路部２２と、アンテナ信号処理回路部２２の出力を用いてアンテナ座標系Ｏ’−Ｘ’Ｙ’における電波の到来方位を推定する電波到来方向推定部２３とを備える。また、測位装置２では、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける座標位置を求めるために、電波発信器１の座標位置を知る必要があるから、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける電波発信器１の座標をあらかじめ登録した発信器座標記憶部２４が設けられ、電波到来方向推定部２３で推定された到来方位と発信器座標記憶部２４に登録された電波発信器１の座標位置とを用いて測位装置２の座標位置を求める測位アルゴリズム処理部２５が設けられる。

測位装置２の座標位置は、測位装置２の代表点の座標位置であって、以下の説明では測位装置２に設けたアンテナ２１を基準として設定したアンテナ座標系Ｏ’−Ｘ’Ｙ’の原点（Ｏ）の座標位置を、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける測位装置２の座標位置に用いるものとする。

アンテナ２１は、電波の到来方位を検出することができるように構成されたものを用い、本実施形態では、複数本のアンテナ素子２１ａを基台２１ｂに立設した形状のアレイアンテナを用いる。各アンテナ素子２１ａはモノポールであって、図示例では基台２１ｂの一面に円周上に等間隔４本を立設してある。アンテナ座標系Ｏ’−Ｘ’Ｙ’の原点（Ｏ）は、アンテナ素子２１ａに囲まれた部位の中心、すなわち円の中心とする。

アンテナ２１の出力はアンテナ信号処理回路部２２に入力される。アンテナ信号処理回路部２２は、図２に示すように、各アンテナ素子２１ａ毎のゲインを切り換えるアッテネータ２２ａと、アンテナ素子２１ａで受信した信号を一定周波数に周波数変換する混合回路２２ｂと、混合回路２２ｂに局発信号を与える局部発振回路２２ｃとを備え、更に、混合回路２２ｂの出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換部２２ｄを備える。

アッテネータ２２ａ及び混合回路２２ｂはアンテナ素子２１ａと同数個設けられる。混合回路２２ｂはＩＱ分離（実数成分と虚数成分の分離）の機能も備える。混合回路２２ｂではダウンコンバートを行っており、局部発振回路２２ｃから出力する局発信号の周波数（局発周波数）を変化させることによって、混合回路２２ｂでは一定周波数への周波数変換を行う。したがって、混合回路２２ｂの出力に所定周波数を通過させる帯域フィルタを設けておくことにより、アンテナ素子２１ａで受信した信号のうち局発周波数に対応する成分のみが混合回路２２ｂから出力されることになる。つまり、局発周波数を変化させることによって、電波発信器１からの電波に対応した成分を混合回路２２ｂから取り出すことができる。尚、混合回路２２ｂの出力周波数は、ＡＤ変換部２２ｄにおけるサンプリングに適した周波数（サンプリング周波数の２分の１以下の周波数）に設定される。

ＡＤ変換部２２ｄは、混合回路２２ｂから出力された実数成分と虚数成分とをそれぞれデジタル値に変換する。ＡＤ変換部２２ｄについて、サンプリング周波数、サンプリング点数、出力ビット数は、例えば１０ＭＨｚ、１０００点、１２ビットとする。電波発信器１はそれぞれ異なる周波数の電波を送信しているから、ＡＤ変換部２２ｄでは各周波数毎にサンプリング点数分のサンプリングを行う。本実施形態では、３台の電波発信器１からの電波を受信するものとして、受信周波数を３回切り換える（図４参照）。尚、受信周波数は、測位装置２の現在位置に応じて、近距離に存在する電波発信器１からの電波を受信するように選択される。

図４における期間Ｔｒは１台の電波発信器１からの電波を受信している期間であり、この期間Ｔｒには受信周波数が一定に保たれる。また、図４の期間Ｔｓは受信周波数を切り換える間の期間である。ＡＤ変換部２２ｄの出力は、電波到来方向推定部２３の機能を実現するＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）２０ａに入力される。ＤＳＰ２０ａは、アンテナ素子２１ａで受信した電波の実数成分と虚数成分とを用いて電波の到来方位を推定する。一方、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける測位装置２の座標位置を登録した発信器座標記憶部２４は、ＤＳＰ２０ａに付設された内部メモリ２０ｂにより実現される。発信器座標記憶部２４には、電波発信器１の座標位置のほか電波発信器１からの送信信号の周波数も記憶されており、測位装置２から近距離に存在する電波発信器１を３台選択し、当該電波発信器１の周波数に応じて局部発振回路２２ｃの局発周波数を選択できる。

ＤＳＰ２０ａは、測位アルゴリズム処理部２５としての機能も備えており、ＡＤ変換部２２ｄから出力された実数成分及び虚数成分により求めた電波の到来方位と、内部メモリ２０ｂに登録された電波発信器１の座標位置とを用いて、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける測位装置２の座標位置を演算により求める。この演算のために、図４に示す期間Ｔｔにおいて、ＤＳＰ２０ａでは、ＡＤ変換部２２ｄに設けたバッファからＡＤ変換部２２ｄの出力を読み込み、期間Ｔｕにおいて、電波の到来方位を推定する演算を行った後、電波発信器１の座標位置を用いて測位装置２の座標位置を求める演算を行う。演算結果を外部のマイクロコンピュータ（図示せず）等の処理回路へ転送される。図４では演算結果をマイクロコンピュータに転送する時間Ｔｖも示してある。ＤＳＰ２０ａからは、座標位置のほか、電波の到来方位と各アンテナ素子２１ａでの受信電力も出力される。

電波発信器１からの電波をアンテナ２１で受信してからＤＳＰ２０ａでの演算結果をマイクロコンピュータに転送するまでの時間は、例えば２５０ｍｓであって、アンテナ２１を用いて電波発信器１からの電波を受信する期間は、この期間の一部であるから、３台の電波発信器１からの電波を順に受信しても、その期間には測位装置２の座標位置には実質的に変化が無いとみなすことができる。つまり、実質的に同時刻に受信した３台の電波発信器１からの電波を用いて測位装置２の座標位置を求めていることになる。

測位装置２では、電波発信器１毎に局発周波数を変化させる必要があるが、１台の電波発信器１からの電波の到来方位を検出する間にはアンテナ２１の受信条件を変化させる必要が無いから、１台ずつの電波発信器１については電波の到来方位を実質的に同時刻とみなせる程度の短時間で推定することができる。つまり、測位装置２では、電波発信器１とアンテナ２１との相対位置が変動する場合があるが、各電波発信器１からの電波の到来方位を推定するのに必要なデータを収集する時間は短いから、電波の到来方位が変動しない程度の短時間で到来方位を推定することができる。

尚本実施形態の測位装置２は、携帯電話のようなハンディタイプ、帽子や服に取り付ける装着タイプ、リュックなどに取り付けるような荷物タイプなど様々な可搬型の装置を構成するものであるが、その利用形態を制限するものではない。

次に上述した図３の測位システムの概念図を用いて、測位アルゴリズム処理部２５において、アンテナ２１の座標位置を求める方法について詳説する。

今、図において、３つの電波発信器１_１〜１_３が既知の地点Ｐ_１（ｘ_１，ｙ_１），Ｐ_２（ｘ_２，ｙ_２），Ｐ_３（ｘ_３，ｙ_３）に置かれているとする。そのとき、地点Ｐ_１（ｘ_１，ｙ_１）からの電波到来方向推定結果がφ_１ａ，φ_１ｂ、地点Ｐ_２（ｘ_２，ｙ_２）からの電波到来方向推定結果がφ_２ 、地点Ｐ_３（ｘ_３，ｙ_３）からの電波到来方向推定結果がφ_３で、それぞれの電波発信器１_１〜１_３の座標値と到来方向推定結果とが表１のように求められたとする。尚電波発信器１_１は直接波と反射波とを共に設定したもので、１_１ａ、１_１ｂは直接波と反射波とを区別して示す符号である。

ここで、カッシーニの解法を用いて自己位置推定を行う。このカッシーニの解法は既知であるが、図５に基づいて簡単に説明する。

まず図示するように既知点の中の２点同士と未知点を通る円を２つ描き、共通の既知点Ｐ_２から直径Ｐ_２Ｐ_Ｃ，Ｐ_２Ｐ_Ｄを引き、まず点Ｐ_Ｃ及びＰ_Ｄの座標を求める。前方交会法の結果を用いると、数１のようになる。

ここで、（ｘ_２−ｘ_１）ｔａｎ（Ｔ_２１）＝（ｙ_２−ｙ_１）、また∠Ｐ_ＣＰ_１Ｐ_２＝９０°であるから、ｔａｎＴ_１ＣｔａｎＴ_２１＝−１とし、
これらを数１の式に代入して変形すると、
ｘ _ｃ ＝ｘ _１ ＋（ｙ _２ −ｙ _１ ）ｔａｎ（Ｔ _２Ｃ −Ｔ _２１ ）となる。

一方、Ｔ_２Ｃ−Ｔ_２１＝（−９０°−Ａ）であるから、
ｘ_ｃ＝ｘ_１−（ｙ_２−ｙ_１）ｃｏｔＡ、同様にして、ｙ_ｃ＝ｙ_１＋（ｘ_２−ｘ_１）ｃｏｔＡと表せる。

点Ｐ_Ｄの座標も同じように表せる。

ｘ_Ｄ＝ｘ_３（ｙ_３−ｙ_２）ｃｏｔＢ、ｙ_Ｄ＝ｙ_３（ｘ_３−ｘ_２）ｃｏｔＢ
三点Ｐ_Ｃ，Ｐ，Ｐ_Ｄは一直線上にあるから、Ｐ_ＣＰの方向角をＴ_Ｃ０で表すと、数２のようになる。

点Ｐの座標を点Ｐ_２とＰ_Ｃとから数２のようにして計算すると，数３に示すようになる。

ここで、∠Ｐ_２ＰＰ_Ｃは、直角であるから，ｔａｎＴ_２０は、数４に示すようになり、数３の式は数５に示すようになる。

同様にして、数６のようになり、未知点（ｘ、ｙ）の座標が導出される。

そして測位システムにおいて、測位装置２のアンテナ２１の絶対方位θは、図６に示すように既知点Ｐ_１の観測された方向をφ_１とすると、未知点の位置（ｘ，ｙ）と適当な電波発信器１の位置（ｘ_１，ｙ_１）とで、数７の式の計算を行うことによって、算出することが可能となる。

さて本実施形態の測位アルゴリズム処理部２５は、上述のカッシーニの解法を用いて自己位置の推定を行うのであるが、組み合わせを重複するような３つずつを選ぶ。上述の表１の例であれば、１_１ａ，１_２，１_３ と１_１ｂ，１_２，１_３である。このとき１_１ａ，１_２，１_３ の組と、１_１ｂ，１_２，１_３の組に対して、以下のような判定を行う。

電波発信器１_１〜１_３がＰ_１（ｘ_１，ｙ_１），Ｐ_２（ｘ_２，ｙ_２），Ｐ_３（ｘ_３，ｙ_３）の３箇所に存在し、到来方向推定角がφ_１ａ，φ_１ｂ，φ_２，φ_３のとき，測位結果は以下の２通りとなる。

Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３， φ_１ａ，φ_２，φ_３⇒ｘ１ａ２３，ｙ１ａ２３，θ１ａ２３
Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３， φ_１ｂ，φ_２，φ_３⇒ｘ１ｂ２３，ｙ１ｂ２３，θ１ｂ２３
測位結果：Ｐ_ｔ（ｘ_ｔ，ｙ_ｔ） （ｔ＝１ａ２３，１ｂ２３）
電波発信器座標：Ｐ_ｉ（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ） （ｉ＝１，２，３）
を用いると、測位位置Ｐ＿_ｔから見た電波発信器Ｐ＿_ｉの方位（θ_ｔ，_ｉ）は数８で示すようになる。

正しい測位結果ｔでは幾何的に
θ_ｔ，_ｉ＝θ_ｔ＋φ _ｉ
が成り立つため、ｔに含まれる全てのｉ（ｔ＝１ａ２３ならｉ＝１ａ，２，３、ｔ＝１ｂ２３ならｉ＝１ｂ，２，３）で上式が成立すれば、そのｔの組み合わせは正しい測位結果とし、少なくとも一つのｉで上式が不成立なら、そのｔは間違った測位結果として除去する。つまり測位アルゴリズム処理部２５の異常測位結果除去の機能が働くことになる。

ここで、上述のアルゴリズムによって表１の測位結果を処理したものを表２に示す。

尚表２では、推定された到来方位に対応する電波発信器１を添え字のみで示す。また以降に示す表においても同様に添え字で示す。またＯＫは採用を示し、ＮＧは不採用の測位結果を示す。

よって、判定処理の結果、１ａ，２，３の組み合わせが選択され，正しい測位結果は（ｘ，ｙ，θ）＝（１０，１０，０）であると求められる。もし電波発信器１_２からの電波到来方向推定角が２つになったとして、φ_２ａ，φ_２ｂが得られたとすれば，電波発信器１の組み合わせとしては、（１_１ａ，１_２ａ，１_３）、（１_１ｂ，１_２ａ，１_３）、（１_１ａ，１_２ｂ，１_３）、（１_１ｂ，１_２ｂ，１_３）という４通りになる。このときの４通りの組み合わせを表３に全て列挙する。

この４通りの組み合わせに対する判定処理の結果が表４のようになれば、１_１ａ，１_２ａ、１_３ の組み合わせのみが採用され、その測位結果（ｘ、ｙ、θ）＝（１０，１０，０）となる。

以上のようにして、本実施形態では、測位アルゴリズム処理部２５は、直接波と、反射波とを分離して到来方向推定角の不適な角度を排除することによって、反射波を用いた測位結果を除去（ＮＧ）し、マルチパス環境下において精度の良い測位を行うことができるのである。
（実施形態２）
本実施形態では測位アルゴリズム処理部２５が上述のアルゴリズムによって判定処理を行った結果、複数個の測定結果で正しいと判定されるような場合に、スペクトルピークの大きさによって前記座標位置を採用する組の決定を行う点に特徴がある。

まず本実施形態で採用するＣａｐｏｎ法（ビームサーチ法）も既知の方法であるが、簡単に説明しておく。このＣａｐｏｎ法はある方向にメインローブを向けると同時に、他の出力への寄与を最小化しようと考える方向拘束付出力電力最小化法（ＤＣＭＰ）の考え方により、数９に示す式を得る。

このときのアレイ出力電力は数１０内の式（ａ）で表され、Ｃａｐｏｎ法の角度スペクトラムは、出力電力の定係数を取り除き、式（ｂ）で示す形で表される。

さて上述のＣａｐｏｎ法を用いて電波発信器１_１〜１_３の位置（ｘ、ｙ）、到来方向推定角φ、スペクトルピークの強度を表５のように求め、その判定結果が表６のような場合となり、反射波による測位結果も除去されずに残った場合、本実施形態の測位アルゴリズム処理部２５は、夫々の到来方向推定の結果の中の「強度」という項目に注目する。この「強度」という項目は、スペクトルピークを抽出した際のスペクトルの大きさ（高さ）を示している。一般的に電波は反射すると−６ｄＢとなるため、直接波に比べて反射波は電波強度が小さい。そして、本実施形態で採用した、複数波の到来方向推定が可能なＣａｐｏｎ法は、ビームサーチ法であるため、到来した波の強度に応じてスペクトルピークの大きさが変化する。

よって、到来波のうち，強度の高い（スペクトルピークの高い）波は直接波である可能性がより高いと推定できる。判定の結果、表６で示すように（１ａ，２ａ，３）と、（１１ａ，２ｂ，３）という複数の組み合わせが「ＯＫ」と出た場合には、２ａ，２ｂの内の電波の強度の大きい方を含み（表５参照）、直接波である可能性が高い波の組み合わせ（今回の場合には１ａ，２ａ，３）を採用する。

以上のように本実施形態では、到来方向推定の際に得られた情報を用いて確からしい値を算出することができることになる。

尚本実施形態では、Ｃａｐｏｎ法を用いているが、例えば、ビームフォーマ法など、到来角に対する電波強度がスペクトルの強度に対応するビームサーチ法を用いても勿論良く、Ｃａｐｏｎに限定されるものではない。
（実施形態３）
ところで、実施形態１の方法では、表７のように複数の到来方向推定角が比較的近いときには、表８のように複数個の測位結果が除去されずに残るような場合が生じる。そこで、本実施形態では、ジャイロセンサ、地磁気センサなどの方位を検知する方位センサ２６（図２参照）を付設して、この方位センサ２６から正しいアンテナ２１の姿勢（向いている方向）のデータを測位アルゴリズム処理部２５で取得し、照合することで、除去されずに残った複数の測位結果のうち正しいものを判定するようにした点に特徴がある。

つまり、表８で示すように電波発信器１_１ａ，１_２，１_３の組と、１_１ｂ，１_２，１_３の組みによる夫々の測位結果からアンテナ２１の向いている方位θが０，１２．６°と計算されたとしたとき、その方位センサ２６が検出する向きが０°だったとすれば，電波発信器１_１ａ，１_２，１_３による測位結果が適するとして、最終的に電波発信器１_１ａ，１_２，１ _３ による測位結果（ｘ，ｙ，θ）＝（１０，１０，０）を採用する。

このように本実施形態では、複数の到来方向推定角が比較的近いときでも、方位センサ２６の値に基づいて、より確からしい測位結果を採用することができる。
（実施形態４）
本実施形態では、図７に示すような時系列的なスペクトルデータを測位アルゴリズム処理部２５で履歴を記録し、突然現れたり消えたりする到来角はマルチパスの可能性が高いとして優先度を下げる（マルチパス波だと認識をする）処理を行う機能を持たせてある点に特徴がある。

到来方向推定はある時点のアレイ応答ベクトルに対して信号処理を行うが、本実施形態では、時系列的に行うことによってスペクトルを時間的に連続に求める。そして整合とする測位結果を示す組が複数となったときに、継続的に存在するスペクトルを用いた測定結果について優先的に採用するように判定する。つまり時間的に急激に出現するスペクトルピークに関してはノイズやマルチパスの影響である可能性が高く、時間的に急激に発生したスペクトルピークに関しては測位処理に用いる優先度を低くし、測位結果として候補が複数挙がったときの優先順位を下げることで、正しい確度が高い測位結果を選定するのである。図７ではφ_１ｂがマルチパスの高い到来方向を示している。

尚本実施形態では、カルマンフィルタのようなフィルタを使用することにより、時系列的な急激な変化を発見して除外することで、ロバスト性の高い測位システムを実現している。
（実施形態５）
本実施形態では、測位アルゴリズム処理部２５において、叙述のＣａｐｏｎ法と、相関行列の固有値・固有ベクトルを用いるＭＵＳＩＣ法とを用いて測位結果を選定するようにしたものである。つまりＭＵＳＩＣ法に必要な波数推定に、Ｃａｐｏｎ法での閾値以上のスペクトル波数を使用するようにしたものである。尚ＭＵＳＩＣ法は既知のものであるので、ここでの説明は省略する。

さて、電波到来方向推定アルゴリズム（超分解法）には、大きく分けると１波のみ推定可能なアルゴリズムと、複数波推定が可能なものとが存在する。複数波推定が可能なアルゴリズムは表９に示すようなものがあり、それぞれの到来方向推定アルゴリズムによって特徴も異なり、得手不得手も異なる。この中で、本実施形態では、精度と偽像（電波が実際には到来していない方向にスペクトルピークが現れること）の少なさの兼ね合いでＣａｐｏｎ法，ＭＵＳＩＣ法を採用している。ＭＵＳＩＣ法はヌルサーチの高分解能の到来方向推定技術として一般的であるが、波数推定が必要なことが難点である。一方、Ｃａｐｏｎ法は、ビームサーチの到来方向推定技術であるが、波数推定が必要なく、且つスペクトルピークの高さが到来波の強度に対応するものの、ＭＵＳＩＣ法に比べてスペクトルピークのシャープさに欠ける。また、多数波推定では複数の到来波が相関関係でないときに、ＭＵＳＩＣ法やＣａｐｏｎ法といった方式を用いて複数の到来方向推定角を得ることができるが、到来波がコヒーレント波（反射波もこれに含まれる）であった場合には、そのまま信号処理したのでは複数波をうまく分離することができない。そのため円形アレイ（或いはリニアアレイ）中の隣り合う一定数の素子をサブグループとして定義し、そのサブグループを複数個作ってアレイ応答ベクトルの移動平均を施すことによりコヒーレント波の分離をする空間平均法という方式もある。

そこで、本実施形態では、複数波の到来方向推定を行うに当たり、まずは偽像が少ないとされるＣａｐｏｎ法を用いて到来方向推定を行う。Ｃａｐｏｎ法で到来方向推定した結果、スペクトルのうち或る閾値以上のスペクトルピーク値を持つものを列挙し、ピークの数とピークを取る到来方向推定角、ピークの大きさを記録する。図８はＣａｐｏｎ法によって記録するスペクトルを示し、図中のＬが閾値である。

ここで例えばφ_１ａ，φ_１ｂ，φ_１ｃの３つの到来方向推定角で閾値Ｌ以上のスペクトルピークを有し、ピークの大きさの順がφ_１ｂ＞φ_１ｃ＞φ_１ａだったとすると、このとき、φ_１ｂが直接波である可能性が最も高く、φ_１ｃ，φ_１ａはマルチパス波である可能性がある。

次に測位アルゴリズム処理部２５は、同じアレイ応答ベクトルに対してＭＵＳＩＣ法の演算を行う。ＭＵＳＩＣ法の演算には到来波数が必要となるが、この際にはＣａｐｏｎ法で得られたスペクトルの閾値以上のピーク数（この場合は３）を採用する。こうして得られたＭＵＳＩＣ法のスペクトルは図９に示すように３つのピークφ_１ａ’，φ_１ｂ’，φ_１ｃ’を持つはずである。

ＭＵＳＩＣ法は、Ｃａｐｏｎ法に比べて到来方向推定精度が高いため、到来方向推定角自体は、Ｃａｐｏｎ法で求められた到来方向推定角に最も近いＭＵＳＩＣ法での到来方向推定角（φ_１ ａ’，φ _１ ｂ’，φ _１ ｃ’）を採用する。また、このようにすることによって、ＭＵＳＩＣ法単体では分からなかった到来波の直接波らしさ（Ｃａｐｏｎ法によるスペクトルピークの高さから類推）や、Ｃａｐｏｎ法では求められなかった高精度な到来方向推定角精度を得ることができる。

尚、到来波数を求めるためのスペクトルを得るには、Ｃａｐｏｎ法である必要は無く、ビームサーチ法であれば到来波の強度とスペクトルピークの大きさが連動するために波数を推定可能である。

よって、本実施形態では、Ｃａｐｏｎ法，ＭＵＳＩＣ法単独では得られなかった高い精度と信頼性を備えることができるのである。
（実施形態６）
本実施形態では、実施形態５のように複数のアルゴリズムで求められた各電波到来方位角の差が閾値以内に収まる角度を用いて測位に用いる角度の組を決定するＣａｐｏｎ法を用いて到来方向推定を行った結果、図１０に示すようにφ_１ａ，φ_１ｂ，φ_１ｃにスペクトルピークが得られたとすると、そのとき、Ｃａｐｏｎ法で得られたスペクトルピークの値に対して閾値Ｌ分に相当する角度範囲を設定し、次にＭＵＳＩＣ法を用いて到来方向推定し、その結果からその角度範囲内に入らなかった到来方向推定角に関しては、正しく到来方向推定できていないものとして、測位に用いる候補には挙げないようにする機能を測位アルゴリズム処理部２５に設けた点に特徴がある。

具体的な状況を図１０により説明する。まずＣａｐｏｎ法による到来方向推定により、到来波３つ（φ_１ａ，φ_１ｂ，φ_１ｃ）が得られ、次に、ＭＵＳＩＣ法を用いて到来方向推定を行い、（φ_１ａ’，φ_１ｂ’，φ_１ｃ’）という３つの到来方向推定角が得られたとする。それぞれのアルゴリズムにおける最近接ピークの方位角の差を取り、φ_１ａに最も近いのがφ_１ａ’、φ_１ｂ に最も近いのがφ_１ｂ’、φ_１ｃに最も近いのがφ_１ｃ’であったとすれば、アルゴリズム別の到来方向推定角の差の絶対値は（｜φ_１ａ’−φ_１ａ｜，｜φ_１ｂ’−φ_１ｂ｜，｜φ_１ｃ’−φ_１ｃ｜）となる。ここで、閾値を１０°と仮定したとき、｜φ_１ａ’−φ_１ａ｜、｜φ_１ｃ’−φ_１ｃ｜は上記で設定した閾値内だが｜φ_１ｂ’−φ_１ｂ｜は閾値範囲外（１０°以上の差がある）だったとする。このとき、アルゴリズムの差によって偽像が発生し、アルゴリズムが変わったことで本来電波が無いはずの角度にピークが出てしまっていたと考えられるため、φ_１ｂ及びφ_１ｂ’は到来方向推定結果としてふさわしくないという判断を行い、除外する。また、一般的に言って、Ｃａｐｏｎ法（ビームサーチ法）よりもＭＵＳＩＣ法（ヌルサーチ）の方が到来方向推定精度は高いため、電波発信器１からの到来波の角度として、φ_１ａ’，φ_１ｃ’を採用する。

而して本実施形態では、より到来方向推定精度を高めることができるのである。
（実施形態７）
上述の実施形態７ではＣａｐｏｎ法による到来方向推定角度（３つ）とＭＵＳＩＣ法による到来方向推定角度（３つ）が一致していたが、実際には一致しないことも考えられる。一致しないのは、例えば以下のような場合である。

１）到来波数推定を実施形態５の方法以外で行ったため、ピークの数が一致しない。

２）ＭＵＳＩＣ法に比べてＣａｐｏｎ法は近接二波の分離性能が低いため、比較的近接した二波が到来した場合、ＭＵＳＩＣ法では２つのスペクトルピークが見えても、Ｃａｐｏｎ法では一つしか見えないことがある。具体的には、図１１に示すような場合である。

Ｃａｐｏｎ法ではφ_１ａ，φ_１ｂ，φ_１ｃの３箇所にピークが、ＭＵＳＩＣ法ではφ_１ａ’，φ_１ｂ’，φ_１ｃ’，φ_１ｄ’の４箇所にピークが見られたとする。

ここで、本実施形態の測位アルゴリズム処理部２５は、（φ_１ａ，φ_１ｂ，φ_１ｃ）と（φ_１ａ’，φ_１ｂ’，φ_１ｃ’，φ_１ｄ’）の組み合わせ（３×４＝１２通り）を作り、その中で方位角の差の絶対値が閾値以下のものを抽出する。一例として、表１０を示す。

この表１０は、Ｃａｐｏｎ法による到来方向推定結果を横方向に、ＭＵＳＩＣ法による到来方向推定結果を縦方向に列挙し、その組み合わせでの到来方向推定角度の差の絶対値を記載している。表中斜め字で表記しているのが閾値＝１０°としたときの閾値内の組み合わせである。このとき、φ_１とφ_１ａ’、φ_１ｃとφ_１ｃ’、φ_１ｃとφ_１ｄ’がピークの差が閾値内に収まるため、測位アルゴリズム処理部２５は、実際の到来方位角としてＭＵＳＩＣ法の値を採用して、φ_１ａ’＝３０，φ_１ｃ’＝２２０，φ_１ｄ’＝２３０という３波を採用する。

また仮に、万が一Ｃａｐｏｎ法よりもＭＵＳＩＣ法の推定波数の方が少ない表１１（アルゴリズム間での到来方位角のずれを示す）のような場合には、ＭＵＳＩＣ法におけるφ_１ｃ’がＣａｐｏｎ法のφ_１ｃ、φ_１ｄに分かれて表れているものと考えて、φ_１ａ’＝３５，φ_１ｃ’＝２２３を到来波の方向として採用する。

尚、本実施形態ではビームサーチ法の例としてＣａｐｏｎ法、ヌルサーチ法の例としてＭＵＳＩＣ法を用いているが、アルゴリズムをこれらに限定するものではない。つまりアルゴリズムＡよりも高精度だが偽像が発生したり波数推定が必要だったりするアルゴリズムＢがあるとすれば、Ｃａｐｏｎ⇒アルゴリズムＡ、ＭＵＳＩＣ⇒アルゴリズムＢと読み替えても問題ない。一般的に、アルゴリズムＡ＝ビームサーチ、アルゴリズムＢ＝ヌルサーチであることが多い。
（実施形態８）
本実施形態では、測位エリアのマップ（図１２参照）を例えば内部メモリ２０ｂに予め記憶させ、例えば実施形態１の方法において結果算出された現在位置が想定外の場合には測位結果の除去を行う処理を行う機能を測位アルゴリズム処理部２５に持たせた点に特徴がある。

つまり、本来いるはずの無いマップ上の位置に、測位結果が得られたとする。その測位結果は除外できるはずである。そこで、人間やロボットが進入できない場所の座標値を
記載したマップを持たせ、測位結果として、この進入できないエリア内の座標が測位結果として計算されたとすれば、その測位結果は選定する際の優先順位を下げる処理を行う。

図１２の例では、測位結果（１ａ，２，３）と（１ｂ，２，３）が得られたとしたとき，（１ａ，２，３）は通常の測位エリア内であったものの、（１ｂ，２，３）は測位装置２が進入することができないエリアに測位されたとする。この結果（１ｂ，２，３）の結果は不適なもの（到来方向推定結果の中にマルチパス波やノイズの影響があったものとする）としで、測位結果の候補から排除するのである。

実施形態１の測位装置の構成図である。 実施形態１の測位装置の要部の詳細構成図である。 実施形態１を用いる測位システムの概念図である。 実施形態１の測位装置の動作説明用タイミングチャートである。 カッシーニの解法説明図である。 実施形態１の測位装置のアンテナの絶対方位の算出説明図である。 実施形態４において記録するスペクトルデータの説明図である。 実施形態５に用いるＣａｐｏｎ法によって記録するスペクトルデータの説明図である。 実施形態５に用いるＭＵＳＩＣ法によって記録するスペクトルデータの説明図である。 実施形態６におけるスペクトルデータの説明図である。 実施形態７におけるスペクトルデータの説明図である。 実施形態８の動作説明図である。

符号の説明

２ 測位装置
２１ アンテナ
２１ａ アンテナ素子
２１ｂ 基台
２２ アンテナ信号処理回路部
２３ 電波到来方向推定部
２４ 発信器座標記憶部
２５ 測位アルゴリズム処理部

Claims (8)

1. 平面内で規定した絶対座標系における既知位置に配置された少なくとも３台の電波発信器から送信され送信元毎に異なる電波を受信する測位装置において、測位装置について設定したローカル座標系における測位装置に対する各電波発信器からの電波の到来方位を用いて、絶対座標系における測位装置の座標位置を検出する測位方法であって、
   測位装置で受信した電波毎に、ローカル座標系における測位装置に対する電波の到来方位を推定し、
   測位装置で受信した互いに異なる電波の送信元である電波発信器を３つ選択して組にし、
   各組毎に、測位装置に対する各電波発信器からの電波の到来方位と既知の各電波発信器の座標位置とを用いて絶対座標系における測位装置の座標位置を求め、測位装置の座標位置から既知の電波発信器を見込むときの絶対座標系における測位装置に対する各電波発信器の存在方位を求めるとともに、到来方位と存在方位とを照合して整合性を判定し、
   各電波発信器において、絶対座標系に対するローカル座標系の角度とローカル座標系における電波発信器からの電波の到来方位との和と、絶対座標系における電波発信器の存在方位とを比較し、到来方位と存在方位との間に幾何学的な矛盾がなく整合すると判定された組から得られた測位装置の座標位置を採用する
   ことを特徴とする測位方法。
2. 電波の到来方位を推定する際に、ビームサーチ法を用いるものであり、到来方位と存在方位との間に幾何学的な矛盾がなく整合すると判定された組が複数となった場合に、ビームサーチ法を用いたときに算出されたスペクトルのピーク値の大きさに基づいて、複数の組から測位装置の座標位置を採用する組を決定することを特徴とする請求項１記載の測位方法。
3. 電波発信器からの電波を受信するアンテナの向いている方向を検知する方位センサを備え、到来方位と存在方位との間に幾何学的な矛盾がなく整合すると判定された組が複数となった場合に、方位センサにより検知された方向に基づいて、複数の組から測位装置の座標位置を採用する組を決定することを特徴とする請求項１記載の測位方法。
4. 電波の到来方位を推定する際に、スペクトルを算出するものであり、前記スペクトルの時系列の履歴を記憶して、到来方位と存在方位との間に幾何学的な矛盾がなく整合すると判定された組が複数となった場合に、継続的に存在するスペクトルを用いた測位装置の座標位置について優先して選択することを特徴とする請求項１記載の測位方法。
5. 電波の到来方位を推定する際に、Ｃａｐｏｎ法で得たスペクトルのピーク値が所定値以上となるものの数を到来波数としてＭＵＳＩＣ法を用いることを特徴とする請求項１記載の測位方法。
6. 電波の到来方位を推定する際に、Ｃａｐｏｎ法とＭＵＳＩＣ法で求められた各電波到来方位角の差が閾値以内に収まる到来角を測位に用いることを請求項１記載の特徴とする測位方法。
7. 到来方位と存在方位との間に幾何学的な矛盾がなく整合すると判定された組が複数となった場合に、測位エリアの地図に基づいて存在不可領域の測位装置の座標位置を削除することを特徴とする請求項１記載の測位方法。
8. 平面内で規定した絶対座標系における既知位置に配置された３台以上の電波発信器から送信され送信元毎に異なる電波を受信しアレイ応答ベクトルを出力するアンテナと、
   アンテナで受信した電波毎に、アレイ応答ベクトルを用いてアンテナ座標系におけるアンテナに対する電波の到来方位を推定する電波到来方位推定部と、
   絶対座標系における各電波発信器の座標位置を記憶した発信器座標記憶部と、
   絶対座標系におけるアンテナの座標位置を求める測位アルゴリズム処理部とを備え、
   アンテナで受信した互いに異なる電波の送信元である電波発信器を３つ選択して組にし、
   各組毎に、電波到来方位推定部で推定したアンテナに対する各電波発信器からの電波の到来方位と発信器座標記憶部が記憶している各電波発信器の座標位置とを用いて絶対座標系におけるアンテナの座標位置を求め、アンテナの座標位置から既知の電波発信器を見込むときの絶対座標系におけるアンテナに対する各電波発信器の存在方位を求めるとともに、到来方位と存在方位とを照合して整合性を判定し、
   各電波発信器において、絶対座標系に対するアンテナ座標系の角度とアンテナ座標系における電波発信器からの電波の到来方位との和と、絶対座標系における電波発信器の存在方位とを比較し、到来方位と存在方位との間に幾何学的な矛盾がなく整合すると判定された組から得られたアンテナの座標位置を採用する
   ことを特徴とする測位装置。

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