JP6538366B2 - 到来方向推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信信号を用いて送信機が存在する方位を推定する技術に関する。

従来、被測定系から送信された高ＵＨＦ帯（数ＧＨｚ）の無線通信信号を、測定系が有するアレーアンテナの各エレメントで受信し、その受信信号の受信強度や位相情報に基づいて被測定系からの無線通信信号の到来方向や、被測定系と測定系の相対位置を求める技術が知られている。そして、これら被測定系および測定系の周囲に、電波を反射する反射物が存在すると、測定系では、被測定系から直接到来する直接波だけでなく、反射物に反射してから到来する反射波も受信する。従って、被測定系が位置する方向を正しく検出するには、直接波と反射波を識別することが必要となる。これを実現する技術の一つとして、測定系を移動させることで異なる２地点で無線通信信号を受信し、両地点での無線通信信号の到来方向の角度変化から直接波と反射波を選別する技術が知られている（特許文献１参照）。

特開２００６−１２５９９３号公報

しかしながら、従来技術は、測定系（特にアレーアンテナ）の位置を移動させる必要があり、測定系の位置が固定されている条件下では、適用することができない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、アレーアンテナの位置が固定されていても反射波と直接波の選別を実現する技術の提供を目的とする。

本発明の到来方向推定装置は、アレーアンテナを構成するｍ（ｍは３以上の整数）個のアンテナエレメントからの受信信号に従って、到来波の到来方向を推定するものであり、第１方位候補算出部と、直接波選定部と、到来方向決定部とを備える。

第１方位候補算出部は、アレーアンテナを、それぞれがｎ（１＜ｎ＜ｍ）個のアンテナエレメントからなり、且つ該アンテナエレメントの配列方向の中心位置が互いに異なるように選択した複数の部分アレーアンテナのそれぞれについて、該部分アレーアンテナからの受信信号に従って到来波の到来方向を求める。直接波選定部は、第１方位候補算出部にて部分アレーアンテナ毎に求められた各到来波の到来方向を比較することによって、送信元から直接到来する直接波を選定する。到来方向決定部は、直接波選定部にて選定された直接波の到来方向を用いて、到来方向の推定結果を決定する。

このような構成によれば、単一のアレーアンテナを、中心位置が互いに異なるように設定された複数の部分アンテナとして使用することにより、位置の異なる複数地点での受信信号が得られるため、アレーアンテナを移動させることなく、直接波と反射波を選別することができる。

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。

位置推定システムの構成を示すブロック図である。 アレーアンテンの構成および部分アレーアンテナの設定を示す説明図である。 直接波到来方向推定処理のフローチャートである。 直接波到来方向推定処理中で実行する直接波選定処理のフローチャートである。 直接波と反射波の選別に使用する各パラメータを示す説明図である。 部分アレーアンテナの他の設定方法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。
［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、通信制御器２３を備える。送信機２２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信する。通信制御器２３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受信部３３と、第２受信部３４と、位置推定部３５とを備える。
第１および第２アレーアンテナ３１，３２は、図２に示すように、いずれも水平方向に配列されたｍ（ｍは３以上の正数、図ではｍ＝８）個のアンテナエレメントＥ１〜Ｅｍ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。

図１に戻り、第１受信部３３は、第１アレーアンテナ３１からの受信信号に従って、受信した指定波の到来方向を推定し、その推定結果である第１推定方位ＤＲ１を位置推定部３５に供給する。第２受信部３４は、第２アレーアンテナ３２からの受信信号に従って、受信した指定波の到来方向を推定し、その推定結果である第２推定方位ＤＲ２を位置推定部３５に供給する。

第１受信部３３および第２受信部３４は、同様の構成をしているため、ここでは第１受信部３３の構成についてのみ説明する。第１受信部３３は、エレメント切替器３３１と、受信機３３２と、直接波到来方向推定部３３３とを備える。エレメント切替器３３１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Ｅ１〜Ｅｍからの受信信号を入力し、直接波到来方向推定部３３３からの指示に従って選択されたアンテナエレメントからの受信信号を受信機３３２に供給する。なお、図２に示すように、全てのアンテナエレメントを選択する設定をＹ０、アレーアンテナの一端（図では左端）からｎ（図ではｎ＝４）個のアンテナエレメントを選択する設定をＹ１、アレーアンテナの他端（図では右端）からｎ個のアンテナエレメントを選択する設定をＹ２と表記する。設定Ｙ１またはＹ２によって選択されるアンテナエレメントによって構成されるアレーアンテナを、以下では、部分アレーアンテナと呼ぶ。部分アレーアンテナを構成するアンテナエレメントの数（以下「エレメント数」という）ｎは、同時に受信する可能性のある到来波（直接波と反射波の合計数）の最大数をｐとして、ｎ＝ｐ＋１に設定される。

図１に戻り、受信機３３２は、エレメント切替器３３１を介して供給される受信信号をサンプリングして直接波到来方向推定部３３３に供給する。直接波到来方向推定部３３３は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えた周知のマイクロコンピュータからなり、受信機３３２から供給されるサンプリングされた受信信号（以下、受信データという）を処理することによって直接波の到来方向を推定する直接波到来方向推定処理を実行する。

位置推定部３５は、第１受信部３３で推定された第１推定方位ＤＲ１、第２受信部３４で推定された第２推定方位ＤＲ２、第１アレーアンテナ３１と第２アレーアンテナ３２の設置間隔等に従い、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。

［直接波到来方向推定処理］
ここで、直接波到来方向推定部３３３が実行する直接波到来方向推定処理の詳細を、図３に示すフローチャートを用いて説明する。本処理は、測定装置３を搭載する車両のバッテリからの給電がある限り繰り返し起動される。

本処理が起動すると、直接波到来方向推定部３３３として機能するＣＰＵは、Ｓ１１０にて、エレメント切替器３３１の設定をＹ０に初期化する。
続くＳ１２０では、指定波を受信するまで待機し、指定波を受信するとＳ１３０に進む。

Ｓ１３０では、全てのアンテナエレメントからの受信信号を用いて、ＭＵＳＩＣ等の高分解能方位推定処理を実行することにより、全ての到来波の到来方向を推定する。
続くＳ１４０では、Ｓ１２０での処理によって検出された全ての到来方向を、方位候補としてメモリに保存する。

続くＳ１５０では、部分アレーアンテナを利用して、直接波を選定する直接波選定処理（後述する）を実行する。
続くＳ１６０では、Ｓ１４０で保存された方位候補のうち、Ｓ１５０にて直接波に選定された到来波について後述のＳ２３０で推定された到来方向に最も近いものを、直接波の到来方向の推定結果に決定して、本処理を終了する。

［直接波選定処理］
先のＳ１５０で実行する直接波選定処理の詳細を、図４，図５を参照して説明する。
本処理では、図４に示すように、まずＳ２１０にて、エレメント切替器３３１の切替設定に使用するパラメータｉを１に初期化する。

続くＳ２２０では、エレメント切替器３３１の設定をＹｉにする。
続くＳ２３０では、指定波を受信するまで待機する。指定波を受信すると、Ｓ２４０にて、設定Ｙｉに対応する部分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を用いて、指定波の到来方向θｉａ，θｉｂ，…を推定する。なお、到来波の違いをａ，ｂ，ｃ，…で表すものとする（図５参照）。

続くＳ２５０では、パラメータｉをインクリメントする。
続くＳ２６０では、パラメータｉがエレメント切替器３３１の切替設定の数、即ち、部分アレーアンテナの種類の数であるＩｍａｘ（ここではＩｍａｘ＝２）以上であるか否かを判断する。

ｉ＜Ｉｍａｘであれば、未処理の切替設定があるものとしてＳ２２０に戻り、ｉ≧Ｉｍａｘであれば、全ての切替設定について処理が終了しているものとして、Ｓ２７０に進む。

Ｓ２７０は、検出された到来波ａ，ｂ，…毎に、各部分アレーアンテナで検出された到来方向の角度差Δθａ，Δθｂ，…を算出する（図５参照）。なお、異なる切替設定で検出された二つの到来方向が、同一到来波によるものであるか否かは、両到来方向の角度差が所定範囲内にあるか否かによって判断する。

なお、Ｉｍａｘ≧３の場合は、ｉ，ｊ＝１〜Ｉｍａｘ、ｉ≠ｊ、ｘ＝ａ，ｂ，ｃ，…として、切替設定の全ての組み合わせ（ｉ，ｊ）について、角度差Δθｉｊｘ＝｜θｉｘ−θｊｘ｜を算出し、到来波ｘ毎に得られた複数の角度差Δθｉｊｘの平均値または多数決によって決めた値を、その到来波ｘの角度差Δθｘとする。

続くＳ２８０では、Ｓ２７０にて、到来波毎に求められた角度差Δθｘが最大の到来波を直接波に選定して本処理を終了する。
なお、角度差の比較によって直接波と反射波を選別できることは、例えば、特許文献１に詳述されているため、ここでは説明を省略する。

［効果］
以上説明したように、位置推定システム１を構成する測定装置３は、単一のアレーアンテナ３１を、中心位置が互いに異なるように設定された複数の部分アンテナとして使用することにより、位置の異なる複数地点での受信信号を得るようにされているため、測定装置３を移動させることなく、直接波と反射波の選別を実現することができる。

また、測定装置３では、部分アレーアンテナからの受信信号を用いて推定した低解像度の到来方向によって直接波を選定し、その直接波の到来方向としては、全てのアレーアンテナからの受信信号を用いて推定した高解像度の到来方向を用いている。これにより、精度の高い到来方向の推定結果を得ることができる。

［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、直接波到来方向推定部３３３および位置推定部３５の機能を、マイクロコンピュータが実行する処理によって実現している。ただし、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。

（２）上記実施形態では、部分アレーアンテナとして、ｍ個のアレーアンテナの一端からｎ個のアンテナエレメントを選択するもの、および他端からｎ個のアンテナエレメントを選択するものを使用している。図２では、ｎ＝ｍ／２の関係を有するように設定されているが、これに限定されるものではなく、図６（ａ）や（ｂ）に示すように、２≦ｎ≦ｍ−１の範囲で任意に設定することができる。但し、ｎを大きくするほど、両部分アレーアンテナの位置差が小さくなるため、角度差の分解能が劣化するが、エレメント数が増えるため検出可能な到来波の数が増大し、逆に、ｎを小さくするほど、角度差の分解能が劣化するが、検出可能な到来波数が減少する。

また、部分アレーアンテナは、必ずしも両端に設定する必要はなく、各部分アンテナの中心位置が異なっていればよい。図６（ｃ）に示すように、アレーアンテナの全エレメント数がｍ、部分アレーアンテナのエレメント数がｎであれば、（ｍ−ｎ＋１）種類の部分アレーアンテナを設定することができ、そのうちの任意の二つ以上を使用することができる。

（３）上記実施形態では、アレーアンテナ全体を使用して求めた到来方向を直接波の到来方向としているが、部分アレーアンテナを使用して求めた到来方向を、そのまま直接波の到来方向としてもよい。

（４）上記実施形態では、使用する部分アレーアンテナの設定に応じてエレメント切替器３３１を切り替えて、設定毎に受信信号を取得し直しているが、アレーアンテナを構成する全てのアンテナエレメントの受信信号を一括して取得してメモリに記憶し、部分アレーアンテナに関する処理を実行する際には、対応するアンテナエレメントからの受信信号の記憶値を読み出して処理するようにしてもよい。この場合、エレメント切替器３３１を省略できるため装置構成を簡略化することができる。

（５）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。

（６）本発明は、到来方向推定装置（第１受信部３３，第２受信部３４）の他、到来方向推定装置を構成要素とする装置（測定装置３）やシステム（位置推定システム１）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…測定装置 ２１…アンテナ ２２…送信機 ２３…通信制御器 ３１…第１アレーアンテナ ３２…第２アレーアンテナ ３３…第１受信部 ３４…第２受信部 ３５…位置推定部 ３３１…エレメント切替器 ３３２…受信機 ３３３…直接波到来方向推定部

Claims (5)

1. アレーアンテナ（３１，３２）を構成するｍ（ｍは３以上の整数）個のアンテナエレメントからの受信信号に従って、到来波の到来方向を推定する到来方向推定装置（３３，３４）であって、
   前記アレーアンテナを、それぞれがｎ（１＜ｎ＜ｍ）個の前記アンテナエレメントからなり、且つ該アンテナエレメントの配列方向の中心位置が互いに異なるように選択した複数の部分アレーアンテナのそれぞれについて、該部分アレーアンテナからの受信信号に従って受信した全ての到来波の到来方向を求める第１方位候補算出部（３３３：Ｓ２１０〜Ｓ２６０）と、
   前記第１方位候補算出部にて前記部分アレーアンテナ毎に求められた各到来波の到来方向を比較することによって、送信元から直接到来する直接波を選定する直接波選定部（３３３：Ｓ２７０〜Ｓ２８０）と、
   前記直接波選定部にて選定された直接波の到来方向を用いて、到来方向の推定結果を決定する到来方向決定部（３３３：Ｓ１１０〜Ｓ１４０，Ｓ１６０）と、
   を備え、
   前記到来方向決定部は、
   前記部分アレーアンテナを構成するアンテナエレメントより多くのアンテナエレメントからの受信信号に従って前記到来波の到来方向を推定する第２方位候補算出部（３３３：Ｓ１１０〜Ｓ１４０）と、
   前記第２方位候補算出部にて算出された到来方向のうち、前記直接波選定部にて選定された直接波の到来方向に最も近いものを選択して前記推定結果とする選択手段（３３３：Ｓ１６０）と、
   を備えることを特徴とする到来方向推定装置。
2. 前記直接波選定部は、前記第１方位候補算出部により、任意の二つの部分アレーアンテナで検出された各到来方向について、同じ到来波に基づく到来方向の角度差を求め、該角度差が最大となる前記到来波を、前記直接波に選定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. 前記部分アレーアンテナが３個以上設定され、
   前記直接波選定部は、前記部分アレーアンテナの全ての組み合わせについて前記角度差を算出し、前記到来波毎に前記角度差を平均または多数決した結果を用いて、前記直接波を選定することを特徴とする請求項２に記載の到来方向推定装置。
4. 前記アンテナエレメントの個数ｍは、想定される反射波の最大数をｐとして、ｍ≧２×（ｐ＋１）を満たすように設定されていることを特徴とする請求項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。
5. 前記部分アレーアンテナとして、前記アレーアンテナの一端から連続したｎ個のアンテナエレメントを使用するものと、前記アレーアンテナの他端から連続したｎ個のアンテナエレメントを使用するものとを用いることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の到来方向推定装置。

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