JP7191278B2 - 測位システム、測位方法、および、測位プログラム - Google Patents
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Description
非特許文献1では、角度情報と電波強度とを組み合わせた測位手法が提案されている。
前記複数の基地局の各基地局から、前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との相対角度を取得する相対角度取得部と、
前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との相対角度と、前記複数の基地局の各基地局の位置とを用いて、前記通信機器の位置を仮位置として算出する仮位置算出部と、
前記複数の基地局の各基地局の位置と前記仮位置とを用いて前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との距離を算出し、前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との距離に基づいて、前記仮位置を補正するための重みづけ係数を前記複数の基地局の基地局ごとに算出する重み算出部と、
前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との相対角度と、前記複数の基地局の各基地局の位置と、前記複数の基地局の基地局ごとの重みづけ係数とを用いて、前記通信機器の位置を機器位置として算出する機器位置算出部とを備えた。
***構成の説明***
図1は、本実施の形態に係る測位対象である通信機器10と基地局20を示す図である。
本実施の形態では、複数の基地局の各基地局20と無線で通信する通信機器10の測位を行う測位システム100について説明する。通信機器10は、測位対象であり、測位対象端末ともいう。
通信機器10は、M台を想定する。また、基地局は、N台を想定する。M,Nは自然数である。図1では、通信機器10が1台であり、基地局20は3台である様子を示している。
基地局20は、通信機器10、あるいは、他の基地局との相対角度31を算出できる。図1では、基地局1は通信機器10との相対角度1を算出し、基地局2は通信機器10との相対角度2を算出し、基地局3は通信機器10との相対角度3を算出する。
測位システム100は、コンピュータである。測位システム100は、プロセッサ910を備えるとともに、メモリ921、補助記憶装置922、入力インタフェース930、出力インタフェース940、および通信装置950といった他のハードウェアを備える。プロセッサ910は、信号線を介して他のハードウェアと接続され、これら他のハードウェアを制御する。
プロセッサ910は、演算処理を行うIC(Integrated Circuit)である。プロセッサ910の具体例は、CPU(Central Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)、GPU(Graphics Processing Unit)である。
補助記憶装置922は、データを保管する記憶装置である。補助記憶装置922の具体例は、HDDである。また、補助記憶装置922は、SD(登録商標)メモリカード、CF、NANDフラッシュ、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ブルーレイ(登録商標)ディスク、DVDといった可搬の記憶媒体であってもよい。なお、HDDは、Hard Disk Driveの略語である。SD(登録商標)は、Secure Digitalの略語である。CFは、CompactFlash(登録商標)の略語である。DVDは、Digital Versatile Diskの略語である。
測位プログラムは、コンピュータ読取可能な記録媒体に格納されて提供されてもよい。また、測位プログラムは、プログラムプロダクトとして提供されてもよい。
図3を用いて、本実施の形態に係る測位システム100の動作について説明する。
測位システム100の動作手順は、測位方法に相当する。また、測位システム100の動作を実現するプログラムは、測位プログラムに相当する。
相対角度取得部110は、複数の基地局の各基地局20から、複数の基地局の各基地局20と通信機器10との相対角度31を取得する。図1で説明したように、基地局20は、通信機器10との相対角度31を算出可能である。
図5は、本実施の形態の係る測位システム100による3次元測位を用いた測位処理を示すフロー図である。
図4では、3個の要素を持つベクトルR3により表される3次元空間に、N個の基地局20と1個の通信機器10が存在するものとする。基地局20の位置は、ai=[xi,yi,zi]T∈R3である。ここで、i=1,・・・,Nである。Nは2以上の自然数とする。通信機器10の位置は、x=[x,y,z]T∈R3とする。また、通信機器10から基地局20の位置に対する相対位置ベクトルriは、ri=x-aiである。
角度の計測値には計測ノイズが発生する。よって、方位角φiと仰角ψi、および、角度の計測値に対する計測ノイズの期待値は、以下の数1で表される。ここで、E(・)は、・の期待値を表す。
仮位置算出部120は、複数の基地局の各基地局20と通信機器10との相対角度31と、複数の基地局の各基地局20の位置とを用いて、通信機器10の位置を仮位置32として算出する。仮位置算出部120は、基地局20から取得した相対角度31と、基地局20の位置を用いて、幾何学的関係を拘束条件として、最小2乗法といった手法により通信機器10の位置を推定する。
具体的には、仮位置算出部120は、通信機器10の位置の計測ノイズにおける誤差を用いた最小2乗法を実行することにより、仮位置32を算出する。通信機器10の位置の計測ノイズにおける誤差は、複数の基地局の各基地局20と通信機器10との相対角度31と、複数の基地局の各基地局20の位置とから求められる。
図6に示すように、基地局情報151には、基地局を識別する識別子と、基地局の位置とが設定されている。基地局の位置は、3次元空間の座標、2次元空間の座標、CADのデータ、あるいはBIMのデータといった形式を用いて表される。基地局の位置は、その他の形式を用いて表されていてもよい。CADは、computer-aided designの略語である。BIMは、Building Information Modelingの略語である。本実施の形態では、基地局の位置は、3次元空間の座標で表されているものとする。
通信機器10から基地局20に対する相対位置ベクトルriは、ri=x-aiである。基地局20と通信機器10との相対角度から、相対位置ベクトルriに対する直交ベクトルc1i,c2iは以下の数2で表される。
最小2乗法で求める通信機器10の推定位置である仮位置32を、以下の数4で表す。数4で表される仮位置32は、以下の数5の最小値問題の解として与えられる。
重み算出部130は、複数の基地局の各基地局20の位置と仮位置32とを用いて複数の基地局の各基地局20と通信機器10との距離を算出する。重み算出部130は、複数の基地局の各基地局20と通信機器10との距離に基づいて、仮位置32を補正するための重みづけ係数33を複数の基地局の基地局20ごとに算出する。重み算出部130は、距離が大きくなるほど最小2乗法における誤差の影響を小さくするように重みづけ係数33を算出する。
基地局20により算出される相対角度には誤差がある。図7に示すように、基地局20と通信機器10との間の距離が離れているほど、通信機器10の推定位置が真の位置から大きくずれる可能性があることがわかる。よって、重みづけ係数33は、距離に対し単調減少する任意の関数とする。具体的には、重みづけ係数33として、距離の逆数を用いる。
機器位置算出部140は、複数の基地局の各基地局20と通信機器10との相対角度31と、複数の基地局の各基地局20の位置と、複数の基地局の基地局20ごとの重みづけ係数33とを用いて、通信機器10の位置を機器位置34として算出する。機器位置算出部140は、誤差に重みづけ係数33を乗じて最小2乗法を実行することにより、機器位置34を算出する。
<変形例1>
本実施の形態では、通信機器10と基地局20の位置を3次元座標で表し、通信機器10の位置を3次元測位により算出した。
本実施の形態に係る変形例1では、通信機器10と基地局20の位置を2次元座標で表し、通信機器10の位置を2次元測位により算出してもよい。以下に2次元測位の具体例について説明する。
ここでは、2個の要素をもつベクトルR2により表される2次元空間に、N個の基地局20と1個の通信機器10が存在するものとする。基地局20の位置は、ai=[xi,yi]T∈R2である。ここで、i=1,・・・,Nである。Nは2以上の自然数とする。通信機器10の位置は、x=[x,y]T∈R2とする。また、通信機器10から基地局20の位置に対する相対位置ベクトルriは、ri=x-aiである。
重みづけ最小2乗法では、通信機器10の機器位置34を推定位置として、通信機器10の機器位置34を以下の数26の最小値問題の解として与える。
本実施の形態では、通信機器10の具体例として、スマートフォン端末、タブレット端末、あるいはスマートウォッチといった、無線通信により基地局20と通信する端末を想定している。しかし、通信機器10は、複数の基地局に含まれる1つの基地局であってもよい。
複数の基地局のうち1つの基地局20aは、測位対象である通信機器10の例である。1つの基地局20aは、数の基地局のうち他の基地局と無線で通信する。
このように、基地局を測位対象と捉えてもよい。図9に示すように、複数の基地局の各基地局20の位置と、基地局20a間の相対角度から、位置が不明な基地局20aの位置を算出してもよい。
本実施の形態では、相対角度取得部110と仮位置算出部120と重み算出部130と機器位置算出部140の機能がソフトウェアで実現される。変形例として、相対角度取得部110と仮位置算出部120と重み算出部130と機器位置算出部140の機能がハードウェアで実現されてもよい。
具体的には、測位システム100は、プロセッサ910に替えて電子回路909を備える。
電子回路909は、相対角度取得部110と仮位置算出部120と重み算出部130と機器位置算出部140の機能を実現する専用の電子回路である。電子回路909は、具体的には、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ロジックIC、GA、ASIC、または、FPGAである。GAは、Gate Arrayの略語である。ASICは、Application Specific Integrated Circuitの略語である。FPGAは、Field-Programmable Gate Arrayの略語である。
以上のように、本実施の形態に係る測位システム100では、まず、各基地局から取得した相対角度と各基地局の位置を用いて、幾何学的関係を拘束条件として、最小二乗法といった手法により、通信機器の仮位置を計算する。次に、測位システム100では、通信機器の仮位置と各基地局の位置から、通信機器と基地局との距離を計算する。そして、測位システム100では、幾何学的関係を拘束条件として、距離に基づいた重みを用いて、重み付け最小二乗法といった手法により、最終的な通信機器の位置を機器位置として推定する。
このように、本実施の形態に係る測位システム100によれば、距離の離れた基地局の影響が小さくなるように重み付けすることにより、角度情報のみを用いて、高精度な測位を実現することができる。
また、実施の形態1および2のうち、複数の部分を組み合わせて実施しても構わない。あるいは、これらの実施の形態のうち、1つの部分を実施しても構わない。その他、これら実施の形態を、全体としてあるいは部分的に、どのように組み合わせて実施しても構わない。
すなわち、実施の形態1および2では、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
Claims (5)
- 複数の基地局の各基地局と無線で通信する通信機器の測位を行う測位システムにおいて、
前記複数の基地局の各基地局から、前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との相対角度を取得する相対角度取得部と、
前記通信機器の位置の計測ノイズにおける誤差であって、前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との相対角度と、前記複数の基地局の各基地局の位置とから求められる誤差を用いた最小2乗法を実行することにより、前記通信機器の位置を仮位置として算出する仮位置算出部と、
前記複数の基地局の各基地局の位置と前記仮位置とを用いて前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との距離を算出し、前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との距離に基づいて、前記仮位置を補正するための重みづけ係数を前記複数の基地局の基地局ごとに算出する重み算出部と、
前記誤差に前記重みづけ係数を乗じて前記最小2乗法を実行することにより、前記通信機器の位置を機器位置として算出する機器位置算出部と
を備えた測位システム。 - 前記重み算出部は、
前記距離が大きくなるほど前記最小2乗法における前記誤差の影響を小さくするように前記重みづけ係数を算出する請求項1に記載の測位システム。 - 前記通信機器は、前記複数の基地局に含まれる1つの基地局であり、
前記1つの基地局は、前記複数の基地局のうち他の基地局と無線で通信する請求項1または請求項2に記載の測位システム。 - 複数の基地局の各基地局と無線で通信する通信機器の測位を行う測位システムの測位方法において、
相対角度取得部が、前記複数の基地局の各基地局から、前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との相対角度を取得し、
仮位置算出部が、前記通信機器の位置の計測ノイズにおける誤差であって、前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との相対角度と、前記複数の基地局の各基地局の位置とから求められる誤差を用いた最小2乗法を実行することにより、前記通信機器の位置を仮位置として算出し、
重み算出部が、前記複数の基地局の各基地局の位置と前記仮位置とを用いて前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との距離を算出し、前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との距離に基づいて、前記仮位置を補正するための重みづけ係数を前記複数の基地局の基地局ごとに算出し、
機器位置算出部が、前記誤差に前記重みづけ係数を乗じて前記最小2乗法を実行することにより、前記通信機器の位置を機器位置として算出する測位方法。 - 複数の基地局の各基地局と無線で通信する通信機器の測位を行う測位システムの測位プログラムにおいて、
前記複数の基地局の各基地局から、前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との相対角度を取得する相対角度取得処理と、
前記通信機器の位置の計測ノイズにおける誤差であって、前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との相対角度と、前記複数の基地局の各基地局の位置とから求められる誤差を用いた最小2乗法を実行することにより、前記通信機器の位置を仮位置として算出する仮位置算出処理と、
前記複数の基地局の各基地局の位置と前記仮位置とを用いて前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との距離を算出し、前記複数の基地局の各基地局と前記通信機器との距離に基づいて、前記仮位置を補正するための重みづけ係数を前記複数の基地局の基地局ごとに算出する重み算出処理と、
前記誤差に前記重みづけ係数を乗じて前記最小2乗法を実行することにより、前記通信機器の位置を機器位置として算出する機器位置算出処理と
をコンピュータに実行させる測位プログラム。
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