JP6411831B2 - 到来方向推定装置、位置推定装置、位置推定システム - Google Patents

Description

本発明は、無線通信信号を用いて送信機の位置を推定する技術に関する。

従来、携帯機から送信された電波を、アレーアンテナを備えた車載機で受信し、アレーアンテナを構成する各アンテナエレメントから得られる受信信号の受信強度や位相情報に基づいて車載機にて電波の到来方向や、携帯機と車載機の相対位置を求める技術が知られている（特許文献１参照）。

なお、携帯機や車載機を搭載した車両の周囲に、金属壁等のような電波を反射する物体が存在する環境では、車載機は、携帯機からの直接波以外に、物体に反射した反射波も受信する、いわゆるマルチパスが発生する。この場合、従来技術では、受信強度が最も大きい到来波を直接波であるものとして到来方向を求めている。

特開２００９−２５７７６９号公報

ところで、無線通信の電波、例えば、WiFi（登録商標）やBluetooth （登録商標）などで使用される数ＧＨｚ帯の電波は、金属などでたやすく反射するだけでなく、人体や水などで大きく減衰する特徴がある。

このため、図１６に示すように、携帯機と車載機との間に、人間や水など、電波を減衰させる物体が存在している場合には、必ずしも直接波の方が反射波よりも受信強度が大きくなるとは限らない。このような場合に、従来装置では、直接波の到来方向の推定結果の信頼性、更には、その到来方向に基づいて求めた車載器との相対位置の信頼性が著しく低下してしまうという問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、反射波が存在する環境でも信頼性の高い到来方向の推定および測位を実現する技術を提供することを目的とする。

本発明の到来方向推定装置は、方位抽出部と方位選定部とを備える。方位抽出部は、アレーアンテナを構成する各アンテナエレメントからの受信信号に基づいて予め指定された指定波の到来方向を抽出する。方位選定部は、方位抽出部によって抽出された到来方向が複数存在する場合に、ビームフォーミングによって各到来方向からの到来波の受信信号である再生信号を生成し、該再生信号間の位相差から最も早く到来した到来波の方向を選定する。そして、その選定された方向を指定波の真の到来方向として出力する。

このような構成によれば、マルチパスが発生する環境においても、直接波の到来方向、即ち、指定波の送信元が存在する方向を正しく求めることができる。
本発明の位置推定装置は、複数の到来方向推定装置と位置推定部とを備える。到来方向推定装置は、互いに異なるアレーアンテナからの受信信号に基づいて動作する。位置推定部は、各到来方向推定装置によって推定された指定波の真の到来方向から、指定波の発生源の位置を推定する。

このような構成によれば、到来方向推定装置から得られる信頼性の高い到来方向の推定結果を用いるため、指定波の発生源の位置の推定精度を向上させることができる。
本発明の位置推定システムは、送信側装置と受信側装置とを備える。送信側装置は、指定波を送信する。受信側装置は、指定波を受信する一つ以上のアレーアンテナ、および該アレーアンテナからの受信信号に基づいて指定波の発生源である送信側装置の位置を推定する。

このような構成によれば、受信側装置によって送信側装置の位置を精度よく推定することができる。
なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

第１実施形態の位置推定システムの構成を示すブロック図である。 第１実施形態における起動処理のフローチャートである。 第１実施形態における方位推定処理のフローチャートである。 方位候補の抽出方法の一例を示す説明図である。 受信信号から再生信号を生成する方法を示す説明図である。 ビームフォーミングによって調整された受信特性を例示するグラフである。 同期回路に入力される再生信号と同期回路で生成される同期調整値との関係を例示する説明図である。 受信側装置の変形例を示すブロック図である。 受信側装置の変形例を示すブロック図である。 第２実施形態の位置推定システムにおける受信側装置の構成を示すブロック図である。 第２実施形態における起動処理のフローチャートである。 第２実施形態における方位推定処理のフローチャートである。 到来方向が選定される手順を例示する説明図である。 受信側装置の変形例を示すブロック図である。 受信側装置の変形例を示すブロック図である。 従来装置の問題点を示す説明図である。

以下に本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
無線通信信号を用いて無線通信信号の送信元の位置を推定する位置推定システムについて説明する。

［１．１．構成］
位置推定システム１は、図１に示すように、被測定装置（送信側装置）２と、測定装置（受信側装置）３とを備える。被測定装置２は、例えば、携帯電話機やスマートキーなどからなり、測定装置３は、例えば車両に搭載される車載器として構成される。

被測定装置２は、アンテナ２１、送信機２２、受信機２３，通信制御器２４を備える。送信機２２，受信機２３は、アンテナ２１を介して高ＵＨＦ帯（数ＧＨｚ）を使用し所定の通信規格（例えば、WiFi（登録商標）やBluetooth （登録商標））に従った無線通信信号を送受信する。通信制御器２４は、無線通信信号を使用した通信を制御する。以下では、被測定装置２が送信する電波を「指定波」ともいう。

測定装置３は、第１アレーアンテナ３１と、第２アレーアンテナ３２と、第１受信機３３と、第２受信機３４と、起動制御部３５と、記憶部３６と、方位推定部３７と、位置推定部３８を備える。

第１および第２アレーアンテナ３１，３２は、いずれも水平方向に配列された複数のアンテナエレメントで構成されている。また、両アレーアンテナ３１，３２は、少なくとも水平方向に異なる位置に配置される。第１受信機３３は、第１アレーアンテナ３１を構成する各アンテナエレメントからの受信信号をサンプリングして起動制御部３５および記憶部３６に供給する。第２受信機３４は、第２アレーアンテナ３２を構成する各アンテナエレメントからの受信信号をサンプリングして記憶部３６に供給する。

起動制御部３５は、第１受信機３３から供給される受信信号に従って、記憶部３６および方位推定部３７の動作を制御する。記憶部３６は、第１時系列装置３６１と第２時系列装置３６２とを備え、起動制御部３５からの指令に従って予め設定された一定期間動作する。なお、一定期間は、後述する同期回路３７３，３７４が信号を同期させるのに要する時間以上に設定される。第１時系列装置３６１は、第１受信機３３から供給される受信信号（サンプリング値）の時系列を、アンテナエレメント毎に識別可能な状態で記憶する。第２時系列装置３６２は、第２受信機３４から供給される受信信号（サンプリング値）の時系列を、アンテナエレメント毎に識別可能な状態で記憶する。

方位推定部３７は、第１および第２推定部３７１，３７２と、第１および第２同期回路３７３，３７４とを備える。第１推定部３７１は、第１時系列装置３６１の記憶値に基づき、第１同期回路３７３を利用して、第１アレーアンテナ３１の位置から見た指定波（直接波）の到来方向を推定する。第２推定部３７２は、第２時系列装置３６２の記憶値に基づき、第２同期回路３７４を利用して、第２アレーアンテナ３２の位置から見た指定波（直接波）の到来方向を推定する。第１および第２同期回路３７３，３７４は、同様の構成を有しており、いわゆるレイク（ＲＡＫＥ）受信にて使用される周知のものである。具体的には、第１および第２同期回路３７３，３７４は、異なるタイミングで入力された二つの入力信号を、同じタイミングで重ね合わせるために必要な制御量である同期調整値を、両信号の相関を求めること等によって生成する処理を少なくとも実行する。

位置推定部３８は、第１推定部３７１で推定された第１到来方向ＤＲ１、第２推定部３７２で推定された第２到来方向ＤＲ２、第１アレーアンテナ３１と第２アレーアンテナ３２の設置間隔等に従って、周知の三角測量の手法を用いて指定波の送信元である被測定装置２の位置を推定する。

なお、起動制御部３５、第１推定部３７１、第２推定部３７２、位置推定部３８は、マイクロコンピュータ（マイコン）が実行する処理によって実現される。但し、これらの各部をソフトウェアによって実現することはあくまでも一例であり、その全体または一部を例えばロジック回路等のハードウェアにて実現してもよい。

［１．２．処理］
次に、起動制御部３５にて実行する起動処理、第１および第２推定部３７１，３７２にて実行する方位推定処理について説明する。

＜起動処理＞
まず、起動処理について、図２に示すフローチャートに沿って説明する。なお、本処理は、測定装置３に電源が投入されている間、繰り返し実行される。

本処理が起動すると、起動制御部３５として機能するマイコンは、まず、Ｓ１１０にて、第１受信機３３からの受信信号に基づいて、測位用周波数チャネル（ここでは高ＵＨＦ帯）の受信強度を取得する。具体的には、いずれか一つのアンテナエレメントから得られる受信信号に対して周波数解析（例えばＦＦＴ）処理を実行し、その処理結果として得られる周波数スペクトルから測位用周波数チャネルに該当する周波数成分の受信強度を取得する。

続くＳ１２０では、Ｓ１１０にて取得した受信強度が予め設定された閾値以上であるか否かを判断する。受信強度が閾値に達していない場合（Ｓ１２０：ＮＯ）、被測定装置２からの電波を受信していないものとして、Ｓ１１０に戻り、Ｓ１１０，Ｓ１２０の処理を繰り返す。一方、受信強度が閾値以上である場合（Ｓ１２０：ＮＯ）、被測定装置２からの電波を受信しているものとして、Ｓ１３０に進む。

Ｓ１３０では、記憶部３６に対する起動指令を出力する。これにより、第１および第２時系列装置３６１，３６２には、各アンテナエレメントからの受信信号（サンプリング値）が一定期間分ずつ記憶されることになる。

続くＳ１４０では、方位推定部３７に対する起動指令を出力して、本処理を終了する。これにより、第１および第２推定部３７１，３７２は、それぞれ、第１および第２時系列装置３６１，３６２の記憶値に基づく方位推定処理を開始する。

＜方位推定処理＞
次に、方位推定処理について、図３に示すフローチャートに沿って説明する。なお、本処理は、起動制御部３５からの方位推定部３７に対する起動指令によって開始される。

本処理が起動すると、第１および第２推定部３７１，３７２として機能するマイコンは、まず、Ｓ２１０にて、記憶部３６の記憶値に基づいて方位候補を抽出する。具体的には、ビームフォーミング法、ＭＵＳＩＣ法など、到来波方向を推定する周知の手法を用いて、予め設定された判定閾値以上の受信強度が得られる全ての方位を、方位候補として抽出する。なお、図４は、ビームフォーミング法によって探査範囲内（−９０°〜＋９０°）をスイープすることで得られる受信強度分布を例示したものである。図４の場合、二つの方位候補が抽出されることになる。

続くＳ２２０では、抽出された全ての方位候補について、記憶部３６の記憶値を方位候補に応じた重みを用いて重み付け加算する、いわゆるビームフォーミングを行うことにより（図５参照）、各方位候補からの到来波についての受信信号に相当する再生信号（サンプリング値の時系列）を生成する。なお、図５に示すように、アンテナエレメントの間隔をｄ、到来方向をθとすると、各アンテナエレメントの受信信号は、ｄｓｉｎθの経路差に応じた位相差を持つため、この位相差を相殺するような重みｗｉ（θ）を設定すればよい。これにより、例えば、検出された到来方向が−３０°である場合、ビームフォーミングによって、図６に示すような受信特性を持つアンテナからの受信信号に相当する再生信号が生成されることになる。

続くＳ２３０では、方位候補の一つを暫定方位に設定する。
続くＳ２４０では、暫定方位に設定された方位候補を除き、後述の処理で比較方位に設定されたことのない未処理の方位候補が存在するか否かを判断する。未処理の方位候補が存在する場合（Ｓ２４０：ＹＥＳ）、Ｓ２５０に移行する。

Ｓ２５０では、未処理の方位候補の一つを比較方位に設定する。
続くＳ２６０では、暫定方位についての再生信号と比較方位についての再生信号との位相差を表す同期調整値を取得する。具体的には、両再生信号を入力信号として同期回路３７３または３７４を作動させることによって、同期調整値を取得する。なお同期調整値は、暫定方位の方が比較方位より再生信号の位相が遅れている場合、即ち、暫定方位からの到来波の方が、到来時間が遅い場合に正値となり、その逆の場合、即ち、暫定方位からの到来波の方が、到来時間が早い場合に負値となるものとする。つまり、図７の場合、同期調整値は負値となる。

続くＳ２７０では、同期調整値が正値であるか否かを判断する。同期調整値が正値、即ち、比較方位からの到来波の方が、到来時間が早い場合（Ｓ２７０：ＹＥＳ）、Ｓ２８０にて、比較方位を新たな暫定方位に設定してＳ２４０に戻る。一方、同期調整値が正値ではない、即ち暫定方位からの到来波の方が、到来時間が早い場合（Ｓ２７０：ＮＯ）、そのままＳ２４０に戻る
先のＳ２４０にて、未処理の方位候補が存在しないと判断した場合（Ｓ２４０：ＮＯ）、Ｓ２９０にて、暫定方位からの到来波が最も到来時間の早い直接波であるものとして、この暫定方位を到来方向ＤＲｉ（なお、第１推定部３７１ではｉ＝１、第２推定部３７２ではｉ＝２）に選定し、これを位置推定部３８に供給して本処理を終了する。

［１．３．効果］
以上説明したように、被測定装置２から送信された指定波が、測定装置３において複数の方位から到来していることが検出された場合、到来時間が最も早い、即ち、最短時間で到来する直接波の方向を、指定波の到来方向に選定している。従って、マルチパスが生じるような環境でも、被測定装置２が存在する方向を正しく検出することができ、更には、被測定装置２の位置を精度よく求めることができる。

［１．４．変形例］
本実施形態では、第１および第２受信機３３，３４から得られる二系統の受信信号を、記憶部３６および方位推定部３７は、系統毎に用意された装置群３６１，３７１，２７２／３６２，３７２，３７４を用いて、並列に処理を実行するように構成されているが、二系統の受信信号を、単一の装置群によって時分割で処理するように構成してもよい。この場合、例えば図８に示す測定装置３ａのように、記憶部３６ａを一つの時系列装置３６３で構成すると共に、方位推定部３７ａを各一つの推定部３７５および同期回路３７６で構成する。更に、第１および第２受信機３３，３４から供給される二系統の受信信号を交互に切り替えて時系列装置３６３に供給する切替スイッチ３９を設ける。そして、時系列装置３６３に両系統の受信信号を記憶させ、推定部３７５および同期回路３７６に、各系統の方位推定処理を時分割で実行させる。

また、図９に示す測定装置３ｂのように、２系統のアレーアンテナ３１，３２の送受信を単一の受信機３３ａに行わせ、各アンテナエレメントの受信信号を後段に時分割で出力させることで、図７に示した測定装置３ａから、更に切替スイッチ３９を省略した構成としてもよい。

［２．第２実施形態］
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。

前述した第１実施形態では、受信機３３，３４から供給される受信信号を、記憶部３６に一端記憶させた後、その記憶値を用いて方位推定部３７が処理を実行している。これに対し、第２実施形態では、受信信号を記憶部３６に記憶させることなく、リアルタイムで処理する点で第１実施形態とは相違する。

［２．１．構成］
本実施形態では、第１実施形態とは、測定装置３ｃの構成が異なる。図１０に示すように、測定装置３ｃは、図１に示した測定装置３から、記憶部３６を省略した構成を有する。

［２．２．処理］
以下、起動制御部３５において、第１実施形態の起動処理（図２）に代えて実行される起動処理、第１および第２推定部３７１，３７２において、第１実施形態の方位推定処理（図３）に代えて実行する方位推定処理について説明する。

＜起動処理＞
図１１に示すように、起動処理は、Ｓ１３０が省略されている以外は、第１実施形態の場合と同様である。

＜方位推定処理＞
図１２に示すように、本処理が起動すると、第１および第２推定部３７１，３７２として機能するマイコンは、まず、Ｓ３１０にて、所定の方位探査範囲（例えば正面方向に対してー９０°〜＋９０°）について、ビームフォーミングによって、所定角度ずつ方向を変えて受信強度を計測するスイープ（走査）を開始する。

続くＳ３２０では、受信強度のピークが検出されたか否かを判断する。ピークが検出されていない場合（Ｓ３２０：ＮＯ）、Ｓ３３０に移行し、スイープが終了したか否かを判断する。スイープが終了していない場合（Ｓ３３０：ＮＯ）、Ｓ３２０に戻り、スイープを続ける。一方、スイープが終了している場合（Ｓ３３０：ＹＥＳ）、Ｓ３４０に移行し、図示しない報知装置によって、ピークを一つも検出できなかった旨を表すエラー通知を行って、本処理を終了する。

先のＳ３２０にて、ピークが検出された場合（Ｓ３２０：ＹＥＳ）、Ｓ３５０に移行し、その検出されたピークの方位を、暫定方位に設定して、Ｓ３６０に進む。
Ｓ３６０では、スイープを再開し、続くＳ３７０では、受信強度のピークが再び検出されたか否かを判断する。ピークが検出された場合（Ｓ３７０：ＹＥＳ）、Ｓ３８０に移行し、その検出されたピークの方位を、比較方位に設定して、Ｓ３９０に進む。

Ｓ３９０では、第１実施形態で説明したＳ２６０での処理と同様に、暫定方位からの到来波と比較方位からの到来波の到来時刻差、即ち、両到来波の時間信号の位相差を表す同期調整値を取得する。但し、Ｓ２６０では、同期回路３７３または３７４の入力信号として、記憶部３６の記憶値から生成した再生信号を用いるが、本実施形態では、受信機３３または３４から供給される受信信号を用いてリアルタイムに生成した再生信号を用いる。

続くＳ４００では、Ｓ３９０で取得した同期調整値が正値であるか否かを判断する。同期調整値が正値、即ち、比較方位からの到来波の方が、到来時間が早い場合（Ｓ４００：ＹＥＳ）、Ｓ４１０にて、比較方位を暫定方位に設定してＳ３６０に戻る。一方、同期調整値が正値ではない、即ち暫定方位からの到来波の方が、到来時間が早い場合（Ｓ４００：ＮＯ）、そのままＳ３６０に戻る
先のＳ３７０にて、受信強度のピークが検出されない場合（Ｓ３７０：ＮＯ）、Ｓ４２０に移行し、スイープが終了しているか否かを判断する。スイープが終了していない場合（Ｓ４２０：ＮＯ）、Ｓ３７０に戻りスイープを継続する。一方、スイープが終了している場合（Ｓ４２０：ＹＥＳ）、Ｓ４３０に移行し、暫定方位を到来方向ＤＲｉ（なお、第１推定部３７１ではｉ＝１、第２推定部３７２ではｉ＝２）に選定し、これを位置推定部３８に供給して本処理を終了する。

［２．３．動作］
このように方位推定処理では、図１３に示すように、三つの到来波Ａ，Ｂ，Ｃが存在し、真ん中の到来波Ｂが直接波、その他の到来波Ａ，Ｃが反射波である場合、以下のように動作する。

即ち、受信強度のスイープを開始して、到来波Ａに基づく最初のピークを検出すると、その方位（ピーク方位Ａ）を暫定方位に設定する。
スイープを再開して、到来波Ｂに基づく次のピークを検出すると、その方位（ピーク方位Ｂ）を比較方位に設定すると共に、暫定方位（ピーク方位Ａ）および比較方位（ピーク方位Ｂ）からの各到来波の到来時刻を比較する。ここでは、ピーク方位Ｂの到来波の方が早いため、ピーク方位Ｂが新たな暫定方位に設定される。

スイープを再開して、到来波Ｃに基づく次のピークを検出すると、その方位（ピーク方位Ｃ）を比較方位に設定すると共に、暫定方位（ピーク方位Ｂ）および比較方位（ピーク方位Ｃ）からの各到来波の到来時刻を比較する。ここでは、ピーク方位Ｂの到来波の方が早いため、暫定方位は更新されずピーク方位Ｂのまま保持される。

スイープを再開して、新たなピークが検出されることなくスイープが終了すると、その時点で暫定方位として設定されているピーク方位が、到来方向ＤＲｉに選定され、位置推定部に供給される。

［２．４．効果］
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果に加え、以下の効果が得られる。

即ち、本実施形態では、受信信号を一時的に記憶することなく、リアルタイムで処理を実行するため、第１実施形態の測定装置３と比較して、記憶部３６を省略することができ、その結果、装置構成を簡略化することができる。

［２．５．変形例］
図１４に示す測定装置３ｄのように、図８に示した測定装置３ａから記憶部３６ａを省略した構成や、図１５に示す測定装置３ｅのように、図９に示した測定装置３ｂから記憶部３６ａを省略した構成を採用してもよい。

［３．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得る。

（１）上記実施形態では、測定装置３が車載機である場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、被測定装置２および測定装置３が両方とも携帯電話等の携帯機器に搭載されていてもよい。

（２）上記実施形態における一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加または置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

（３）上述した到来方向推定装置の他、到来方向推定装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した媒体、到来方向推定方法など、種々の形態で実現することもできる。

１…位置推定システム ２…被測定装置 ３，３ａ〜３ｅ…測定装置 ２１…アンテナ ２２…送信機 ２３…受信機 ２４…通信制御器 ３１，３２…アレーアンテナ ３３，３４，３３ａ…受信機 ３５…起動制御部 ３６，３６ａ…記憶部 ３７，３７ａ…方位推定部 ３８…位置推定部 ３９…切替スイッチ ３６１〜３６３…時系列装置 ３７１、３７２，３７５…推定部 ３７３，３７４，３７６…同期回路

Claims (5)

1. アレーアンテナを構成する各アンテナエレメントからの受信信号に基づいて予め指定された指定波の到来方向を抽出する方位抽出部（３７１，３７２，３７３：Ｓ２１０，Ｓ３１０〜Ｓ３３０，Ｓ３６０〜Ｓ４２０）と、
   前記方位抽出部によって抽出された到来方向が複数存在する場合に、ビームフォーミングによって各到来方向からの到来波の受信信号である再生信号を生成し、該再生信号間の位相差から最も早く到来した到来波の方向を選定する方位選定部（３７１，３７２，３７３：Ｓ２２０〜Ｓ２９０、Ｓ３５０，Ｓ３８０〜Ｓ４１０，Ｓ４３０）と、
   前記指定波が属する周波数帯での受信が検出されると、前記方位抽出部および前記方位選定部を起動する起動制御部（３５）と、
   を備え、前記方位選定部にて選定された方位を前記指定波の真の到来方向として出力することを特徴とする到来方向推定装置。
2. 前記方位選定部は、二つの信号を同期させる同期回路を利用して、前記再生信号を同期させるための制御値である同期調整値を求め、該同期調整値から前記再生信号間の位相の進み遅れを判断することを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定装置。
3. 前記起動制御部は、前記方位抽出部および前記方位選定部を起動する前に、前記受信信号の時系列を記憶手段（３６１，３６２，３６３）に記憶させ、
   前記方位抽出部および前記方位選定部は、前記記憶手段に記憶された受信信号に従って処理を実行することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の到来方向推定装置。
4. 互いに異なるアレーアンテナ（３１，３２）からの受信信号に基づいて動作する複数の請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の到来方向推定装置（３５，３７，３７ａ）と、
   前記複数の到来方向推定装置によって推定された前記指定波の真の到来方向から、前記指定波の発生源の位置を推定する位置推定部（３８）と、
   を備えることを特徴とする位置推定装置。
5. 前記指定波を送信する送信側装置（２）と、
   前記指定波を受信する一つ以上のアレーアンテナ、および該アレーアンテナからの受信信号に基づいて前記指定波の発生源である前記送信側装置の位置を推定する請求項４に記載の位置推定装置を備えた受信側装置（３，３ａ〜３ｅ）と、
   を備えることを特徴とする位置推定システム。

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