CN100548074C - 使用多径延迟成分的位置测量装置及位置测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用构成接收信号的多径延迟波成分来提高移动通信系统中的测位精度的位置测量装置和测量方法。该位置测量装置具有：多径延迟检测部，其针对多个接收信号的每一个，检测构成该接收信号的多径延迟波成分；选择部，其从检测出的多径延迟波成分中选择符合预定标准的多个延迟波；存储部，其存储预先求出的关于视距外路径的NLOS延迟函数；位置计算部，其根据由所述选择部选择出的延迟波和从所述存储部读出的NLOS延迟函数确定移动台的位置。

Description

使用多径延迟成分的位置测量装置及位置测量方法

技术领域

本发明涉及利用无线信号来估计移动台的当前所在地的测位装置和测位方法，特别涉及利用在移动台和多个基站之间进行收发的无线信号的多径延迟成分，高精度地确定移动台的位置的方法。

技术背景

在多径环境下，由于高层大厦等的建筑物的反射和障碍物的拐角处的衍射等，在发送点处相同的信号通过各种不同的路径到达接收点的接收站。因此，接收信号包含由直线连接最短距离的直接波和比该直接波晚一些到达的延迟波。由于天线间能够直接看见，所以将能够实现直接波的通信称为LOS(line-of-sight)或视距内通信。把由于障碍物而使天线间不能视通，从而不能获得直接波的通信称为NLOS(non-line-of-sight)或视距外通信。在视距外通信中，最先到达的先行波也是经过了反射和折射的NLOS信号。

使用了在这样的多径环境下收发的无线信号的定位，在宽带移动通信系统中成为重要的课题。到现在为止，定位的一般方法是：仅仅根据最先到达的成分(先行波)来进行测位，将多径环境中的测位问题简化为单径模型。作为使用先行波的测位方法，已知有：利用在基站和移动终端之间收发的无线信号进行三边测量(光波测量)，检测移动终端的位置。

另一方面，也提出了根据接收信号作成多径延迟谱，利用该延迟谱提高测位精度的方法(例如，参照专利文献1和2)。在专利文献1中，根据求出的延迟谱计算延迟方差，根据方差值决定测位精度。在专利文献2中，在利用三边测量的原理进行测位时，使用延迟谱来消除干扰信号，然后进行位置计算，从而提高测位精度。

另外，作为针对水中的应用，提出了全面地采用接收信号的多径结构的声音测位方法(例如，参照非专利文献1)。在该方法中，首先，生成2种多径延迟，即实际的接收信号的延迟成分和利用所谓的光线跟踪模型预测的延迟成分。接着，将测量出的延迟和预测的延迟之间的差进行一次反转(linear inversion)，从而求出位置。

另一方面，提出了在导航系统中当路标排列在同一直线上时提高测位精度的信号处理方法(例如，参照非专利文献2)。该方法和接收信号中的多径成分的利用无关，但作为当发送站(路标)处于特殊位置关系的情况下的信号处理方法，公开了对使用岭回归的最小均方(LMS)算法进行了修正的方法。

[专利文献1]特开2001-298763号公报

[专利文献2]特开2003-194916号公报

[非专利文献1]M.Deffenbaugh，H.Schmidt and J.G.Bellingham，“Acoustic Positioning in a Fading Multipath Environment，”Proc.MTS/IEEE‘Prospects for the 21^st Century’(MTS/IEEE Oceans 1996)，Vol.2，pp.596-600，September 1996.

[非专利文献2]R.J.Kelly，“Reducing Geometric Dilution of PrecisionUsing Ridge Regression”，IEEE Transactions on Aerospace and ElectronicSystems，Vol.26，No.1，January 1990.

在上述专利文献1和2中，为了提高测位精度而利用了延迟谱，但只不过是把延迟谱应用于决定精度和降低干扰，并没有将延迟成分本身应用于位置计算中。在这些文献中，位置计算最终也只能根据先行波来进行。另外，在非专利文献1中，虽然构建了光线跟踪模型，但这种光线跟踪模型很难适用于移动通信信道，不能实现最佳化。

发明内容

因而，本发明的课题是提供一种无线测位的方法，即，从构成接收信号的多径延迟成分(包括先行波和继其后的多个延迟波)中选择多个有用的延迟成分用于测位计算，进行高精度的位置估计。

而且，本发明的课题还在于提供一种即使当基站和移动台处于一般情况下不能进行位置估计的特殊位置关系时也能够以一定程度的精度来估计移动台的位置的方法。

本发明的技术基础在于下面2点。

(1)除了最先到达的先行信号外，通过视距外(NLOS：non-line-of-sight)路径的第2到达波及第2到达波以后的延迟信号也应当承载关于目标物位置的信息。因此，不是像以往技术那样仅根据最先到达的先行波成分来进行位置计算，而是考虑在位置计算中积极地应用具有利用价值的多径延迟成分，从而提高测位精度。

(2)可以通过试验和分析来实际验证上述(1)的适当性。

在本说明书中，所谓先行波是指最先到达的信号成分。由于先行波也包含相对于发送时刻的接收延迟(时间差)，构成多径接收的一部分，所以在本说明书中，把先行波作为最先接收的延迟波来进行处理。把先行波后面的延迟波成分称为第2波及第2波以后的延迟波。

使用多径接收信号中所包含的多个延迟波成分来进行位置计算需要与视距外(NLOS)的延迟成分相关的初始信息。当先行波(最先的延迟波)是直接波时，需要关于第2波及第2波以后的延迟波的初始信息。另一方面，当先行波不是直接波时，先行波也作为视距外(NLOS)延迟信号而需要初始信息。这里，所谓初始信息是指使用某种方法预先求出的关于NLOS路径的信息，例如，包括预先通过测量统计地求出的信息，或将代表性的环境进行模型化理论地求出的信息。在本发明中，在处理多径接收信号中包含的多个延迟波时，定义NLOS延迟信息，使用该信息来强化测位精度。

更具体来讲，作为NLOS延迟信息的一例，求出与视距外(NLOS)延迟信号的路径长度相关的概率密度函数(延迟函数)。而且，不是全面地采用多径结构，而是仅仅选择满足一定标准的延迟波。然后，使用所选择的延迟波的子集和NLOS延迟函数两者，根据使后验概率为最大的MAP(Maximum Aposteriori Probability)估计法，估计对象物体的位置。

在本发明的第1方面中，提供了一种适用于同步型移动通信系统的位置测量装置。位置测量装置具有：多径延迟检测部，其针对多个接收信号中的每一个，检测构成该接收信号的多径延迟波成分；选择部，其从检测出的多径延迟波成分中选择符合预定标准的多个延迟波；存储部，其存储预先求出的关于视距外路径的NLOS延迟函数；位置计算部，其根据由所述选择部选择出的延迟波和从所述存储部读出的NLOS延迟函数确定移动台的位置。

根据这样的位置测量装置，通过利用构成接收信号的多径延迟波中所包含的有用信息，可以高精度地估计移动台的位置。

在本发明的第2方面中，提供了一种适用于非同步型通信系统的位置测量装置。位置测量装置具有：多径延迟检测部，其针对多个接收信号中的每一个，检测构成该接收信号的多径延迟波成分；选择部，其从检测出的多径延迟波成分中选择符合预定标准的多个延迟波；TDOA数据生成部，其根据前述选择出的延迟波生成到达时间差数据；存储部，其存储预先求出的关于视距外路径的NLOS延迟函数；位置计算部，其根据由所述TDOA数据生成部生成的TDOA数据和从所述存储部读出的NLOS延迟函数确定移动台的位置。

根据这样的位置测量装置，即使是非同步型的系统，也能够有效地利用多径延迟波成分，高精度地估计移动台的位置。

在本发明的第3方面中，提供了一种移动通信系统中的位置测量方法。该方法包括如下步骤：

(a)针对多个接收信号的每一个，检测构成该接收信号的多径延迟波成分；

(b)从检测出的多径延迟波成分中选择符合预定标准的多个延迟波；

(c)根据前述选择出的延迟波和基于初始信息而预先求出的关于视距外路径的NLOS延迟函数，估计移动台的位置。

根据这样的方法，由于仅利用构成接收信号的多径延迟波成分中的符合一定标准的有效延迟波，所以可以高精度地进行移动台的位置估计。

在本发明的第4方面中，提供了一种非同步型移动通信系统中的位置测量方法。该方法包括如下步骤：

(a)针对多个接收信号的每一个，检测构成该接收信号的多径延迟波成分；

(b)从检测出的多径延迟波成分中选择符合预定标准的多个延迟波；

(c)根据前述选择出的延迟波，生成到达时间差数据；

(d)根据前述选择出的延迟波的到达时间差数据和基于预先数据而预先求出的关于视距外路径的NLOS延迟函数，估计移动台的位置。

根据这样的方法，即使在移动台和基站之间没有取得同步的情况下，也能选择对位置计算有效的多径延迟波，可以在考虑了移动台和基站之间的时间偏差之后高精度地估计移动台的位置。

在本发明的第5方面中，提供了一种即使当基站和移动台处于利用以往的位置测量方法所不能测位的特殊的位置关系时，也能够以一定的精度来进行移动台的位置估计的位置测量方法。

该方法包括如下步骤：

(a)根据来自1个或1个以上的基站的接收信号，判断参与本次测位的基站和成为测位对象的移动台是否是退化为更低的测位维的配置关系；

(b)当退化为更低的测位维时，简化为更低测位维的问题来进行所述移动台的位置估计。

根据所述位置测量装置和方法，在多径环境中，可以实现更高精度的位置测量。

另外，即使用于取得延迟估计值的基站的数量不够的情况下，也能够以一定的精度来估计移动台的位置。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的位置测量装置的方框图。

图2是表示根据接收信号算出的多径延迟波的一例的概略图。

图3是表示在图1的位置测量装置中使用的选择部的结构例的框图。

图4是表示第1实施方式的位置测量方法的流程图。

图5是表示图4的流程图中的延迟波选择步骤的详细处理的流程图。

图6是表示本发明的第2实施方式的位置测量装置的方框图。

图7是表示第2实施方式的位置测量方法的流程图。

图8是表示本发明的第3实施方式的位置测量装置的方框图。

图9是表示在图8的位置测量装置中使用的特殊位置计算部的框图。

图10是表示第3实施方式的位置测量方法的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

根据移动台和基站之间有无同步，移动通信系统被分类为同步系统和非同步系统。因此，分别针对这2种系统来说明应用了本发明的实施方式。

(第1实施方式)

图1是本发明的第1实施方式的位置测量装置的概略方框图。在第1实施方式中，本发明的位置测量方法适用于同步系统。位置测量装置10包含：分别从多个接收信号中检测多径延迟波成分的多径延迟检测部11-1～11-B、从检测出的多径延迟波中选择满足预定条件的多个延迟波的选择部13、存储预先求出的NLOS延迟函数的存储部15、根据由选择部选择的延迟波以及从存储部15读出的NLOS延迟函数确定移动台的位置的位置计算部17。NLOS延迟函数是表示由建筑物的反射、透射、衍射等引起的NLOS(Non-line-of-sight：视距外)延迟的延迟路径长度的概率密度的函数。

图1的位置测量装置10既可以用于移动台，也可以作为与基站连接的位置测量服务器(未图示)来使用。在用于移动台的情况下，移动台自身测量自己的位置，将位置信息通知给基站。在作为位置测量服务器使用的情况下，可以把图1所示的位置测量装置10的结构直接作为位置测量服务器来使用，也可以在基站BS₁～BS_B上分别配置多径延迟检测部11-1～11-B来构成。在本实施例中，以从某移动台发送的信号分别被多个基站BS₁～BS_B接收，并将所接收的信号从基站传送给位置测量装置(位置测量服务器)10的情况为例进行说明。这种情况下，各基站BS_b的位置p_b＝(x_b，y_b)是已知的。

各多径延迟检测部11-1～11-B分别以从基站BS₁～BS_B接收的接收信号r₁(t)～r_B(t)为输入，检测该接收信号中包含的多径延迟波成分τ_bi。这里，下标“bi”表示在第b个基站通过第i条路径接收到的延迟波。例如可以使用基于自相关的方法、超分辨率(super-resolution)PN相关方法等本技术领域技术人员所公知的方法来检测多径延迟成分。

图2是示意地表示基于基站BS₁所接收的接收信号r₁(t)的多径延迟波的图。在图2的例子中，设最先到达的先行波是通过直接路径传输的LOS(Line-of-sight：视距内)延迟波，但先行波并不限于LOS延迟波，也有很多时候是受到反射、衍射等影响的NLOS延迟波。第2及第2以后的延迟波是从任意接收信号中检测出的，是NLOS(视距外)延迟波。在图2的例子中，在第2和第5NLOS延迟波中发现有延迟的偏差。

各基站BS_b所接收的接收信号r_b(t)表现为：

$r_b\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N_b}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{bi}}\·s(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{bi}})+n_b\left(t\right),b\∈B---\left(1\right)$

这里，s(t)是发送信号波形，n_b(t)是噪声成分，N_b是从移动台到基站BS_b的多径数，A_bi和τ_bi分别是接收信号r_b(t)中的第i条多径的振幅和延迟。

在同步系统中，延迟τ_bi由式(2)来表示：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{bi}}=\frac{1}{c}\{\sqrt{{(x_b-x)}^2+{(y_b-y)}^2}+l_{\mathrm{bi}}\},b\∈B---\left(2\right)$

这里，c＝3×10⁸m/s是光速，l_bi是与由NLOS传播引起的延迟部分相应的延迟路径长度。NLOS延迟路径长度l_bi遵从已知的概率密度函数(pdf)。任意的基站BS_b(b∈β)中的多径延迟波的NLOS延迟路径长度l_bi的大小为如下的顺序。

0≤l_b1＜l_b2＜...＜l_bNb

当基站BS_b相对于移动台位于视距内(LOS)时，先行波(最先的延迟波)以直接路径被接收，NLOS延迟路径长度l_bi是零，即l_bi＝0。

检测出的延迟τ_bi进一步用公式(3)来近似，求出输入给选择部13的多径延迟波。

${\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{bi}}={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{bi}}+{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{bi}},i=\mathrm{1,2},...,N_b,---\left(3\right)$

在公式(3)中，ξ_bi是遵从高斯分布N(0，ψb^-1)的检测误差。矩阵ψb的项|ψb|_ij由公式(4)来表示：

${\left|{\mathrm{\ψ}}_b\right|}_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{cc}8{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\β}}^2\·R_{\mathrm{bi}}& i=j\\ 2\·\mathrm{Re}[\frac{A_{\mathrm{bi}}\·A_{\mathrm{bj}}^{*}}{N_0}\∫\frac{\∂}{{\∂\mathrm{\τ}}_{\mathrm{bi}}}s(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{bi}})\·\frac{\∂}{{\∂\mathrm{\τ}}_{\mathrm{bj}}}{s}^{*}(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{bj}})\mathrm{dt}]& i\≠j\end{array}\right.,---\left(4\right)$

β是s(t)的有效带宽，R_bi是接收信号r_b(t)的第i路径成分的信噪比(SNR)，Re[...]是某复数的实数部分，被赋予星号(*)的符号是其共轭复数。在码片率为W的CDMA系统中，公式(4)的矩阵的非对角项利用公式(5)来表示。

${\left[{\mathrm{\Ψ}}_b\right]}_{\mathrm{ij}}={8\mathrm{\π}}^2\·\mathrm{Re}\left[\frac{A_{\mathrm{bi}}\·A_{\mathrm{bj}}^{*}}{N_0}\right]\·[\frac{W}{k_{b_{\mathrm{ij}}}}\sin \left(k_{b_{\mathrm{ij}}}W\right)+\frac{2}{k_{b_{\mathrm{ij}}}^2}\cos \left(k_{b_{\mathrm{ij}}}W\right)-\frac{2}{k_{b_{\mathrm{ij}}}^{3}W}\sin \left(k_{b_{\mathrm{ij}}}W\right)],$

(5)

这里，k_bij＝2π(τ_bi-τ_bj)。

选择部13从各多径延迟检测部11-1～11-B检测出的多径延迟波中选择通过直接路径接收到的先行波(即LOS延迟波)和NLOS延迟波中的满足预定标准的延迟波。作为预定标准，例如，使用NLOS延迟波的强度α和NLOS延迟路径长度的标准偏差σ。

图3是选择部13的概略结构图。选择部13具有：以多径延迟检测部11-1～11-B所检测出的延迟波(包括先行波)为输入的延迟波输入部21、NLOS判断部22、比较部23、路径选择部24。NLOS判断部22判断各多径延迟检测部11-1～11-B检测出的多径延迟波集是仅由NLOS延迟波构成，还是包含LOS先行波。比较部23将NLOS延迟部的参数，例如信号强度α和NLOS延迟路径长度的标准偏差σ分别与预定基准值进行比较。路径选择部24选择由NLOS判断部22判断为LOS延迟波的先行波，和由比较部23判断为满足预定标准的NLOS延迟波，并输入给位置计算部17。

位置计算部17从NLOS延迟函数存储部15中读出NLOS延迟函数，使用由选择部13选择的多个延迟波和NLOS延迟函数，计算移动台MS现在的位置。NLOS延迟函数是针对由NLOS(视距外)路径引起的延迟路径长度1而预先求出的概率密度函数p1(1)。移动台MS的位置作为最大后验概率(MAP：Maximum Aposteriori Probability)值而公式化。即，使公式(6)所表示的目标函数为最大的(x，y)和NLOS延迟1是所求的值。

$F_{\mathrm{TOA}}(x,y,l)=-\underset{b=1}{\overset{B}{\mathrm{\Σ}}}{({\widehat{\mathrm{\τ}}}_b-{\mathrm{\τ}}_b)}^T\·{{\widetilde{\mathrm{\Ψ}}}_b}^{-1}\·({\widehat{\mathrm{\τ}}}_b-{\mathrm{\τ}}_b)+\ln p_l\left(l\right),---\left(6\right)$

这里T是矩阵的转置。公式(6)右边第1项(∑的项)是根据来自选择部13的输出而求出的。右边的第2项是从NLOS延迟函数存储部15中读出的概率密度函数pl(1)的自然对数。

图4是表示所述位置测量装置10的动作的流程的流程图。首先，在步骤S101中，利用自相关法和超分解能PN相关法等任意的方法，根据各接收信号r_b(t)算出多径延迟波成分。接着，在步骤S103中，从计算出的多径延迟波成分中选择满足预定条件的延迟波。在本实施方式中，选择LOS延迟波(通过直接路径传播的先行波)、以及NLOS延迟波中的符合预定标准的延迟波。

图5表示延迟波选择步骤S103的详细处理流程。在图5的例子中，针对各接收信号r_b(t)的每个多径延迟波子集进行延迟波的选择。首先，在步骤S201中进行初始化。即，将基站编号b和路径编号i设定成初始值(b＝1，i＝1)，设定成为该基站BS₁所接收的信号的多径延迟波选择的基准值的信号强度α₁和NLOS延迟路径长度l_bi的标准偏差σ。

接着，在步骤S203中，判断基站BS_b(初始化后的BS₁)所接收的信号是否是通过NLOS(视距外)接收的信号。作为判断的一例，首先根据基站BS_b是通过直接路径(LOS)接收先行波，还是通过视距外(NLOS)的路径接收先行波，将基站(或多径延迟波的子集)进行分组。将接收到来自某移动台的信号的基站的集合B设为B＝{1，2，...，B}时，将通过NLOS(视距外)接收信号的基站的集合NL设为NL＝{1，2，...，M}，将通过LOS(视距内)接收的基站的集合L设为L＝{M+1，M+2，...B}。在很难判断先行波是否是从NLOS路径到达的情况下，作为NLOS信号来处理。NLOS的识别可以使用本行业一般技术人员所公知的方法，例如以下的文献中所示的判别算法来执行。

(1)J.Borras，P.Hatrack and N.B.Mandayam，“Decision TheoreticFramework for NLOS Identification，”Proc.IEEE Vehicular TechnologyConference(IEEE VTC 1998Spring)，Vol.2.pp.1583-1587，Ottawa，Canada，Spring 1998.

(2)S.Gezici，H.Kobayashi and H.V.Poor，“Non-ParametricNon-Line-of-Sight Identification，”Proc.IEEE Vehicular TechnologyConference(IEEE VTC 2003 Fall)，Vol.4.pp.2544-2548，Fall 2003.

可以在选择部13中对NLOS进行识别，但也可以在各多径延迟检测部11-1～11-B中进行NLOS识别，将表示判别结果的识别符赋予多径延迟波的子集，并输出给选择部13。在后者的情况下，选择部13根据识别符对基站进行分组，判断当前处理中的多径延迟波的子集是否是来自属于集合NL的基站。例如，如果基站的编号b小于等于M，则由于属于集合NL，所以可以知道当前处理中的延迟波来自NLOS基站。

当在步骤S203中判断为是NLOS时(步骤S03为“是”)，进入步骤S207，判断NLOS中的延迟路径长度l_bi的标准偏差是否小于基准值σ。利用遵从概率密度函数(pdf)的随机变量来表示延迟路径长度l_bi，NLOS延迟的偏差越小，就越能得到准确的关于延迟路径长度l_bi的信息。相反，当标准偏差大于等于基准值σ时(步骤S207为“否”)，NLOS延迟路径长度的偏差变大，作为用于进行位置估计的数据是不适合的。因此，进入步骤S213，排除该路径中的延迟波。当标准偏差小于基准值σ时(步骤S207为“是”)时，进入步骤S209，判断延迟波的信号强度|A_bi|²是否大于基准值α_b。当信号强度超过基准值α_b时，在步骤S211中选择该路径上的延迟波。当信号强度小于基准值α_b时(步骤S209为“否”)，作为用于进行位置估计的数据是不适合的，在步骤S213中，排除该延迟波。

另一方面，在步骤S203中，当判断为不是NLOS时(步骤S203为“否”)，进入步骤S205，判断当前处理中的延迟波是否是先行波(i＝1)。当作为处理对象的延迟波是先行波时(S205为“是”)，处理中的多径延迟波的子集来自属于LOS集合L的基站，该先行波通过直接路径被接收。因此，进入步骤S211，选择通过该路径而接收的延迟波。当不是先行波时(S205为“否”)，因为成为受到反射等影响的NLOS延迟波，所以在步骤S207和S209中，判断是否满足关于基准值σ和α_b的条件。在步骤S211中选择满足条件的延迟波，在步骤S213排除不满足条件的延迟波。

接着，在步骤S215中，判断当前的路径编号i和最后的路径编号N_b是否一致。当没有达到N_b时，在步骤S219中将i的值递增，重复步骤S207以后的处理。当结束了直至最后的路径的处理时，即i＝N_b时(S215为“是”)进入步骤S217，判断当前处理中的子集的基站编号b是否达到了总基站数B。当b＜B时，在步骤S221中将b的值递增，将i初始化，将基准值α设成下一个多径延迟波子集用的值。然后，重复步骤S203以后的处理。当b＝B时(S217为“是”)，由于结束了全部的多径延迟波子集的处理，所以结束该过程。

当以图2所示的多径延迟波的子集为例时，首先选择通过LOS的直接路径接收的先行波，第2和第5个到达的延迟波由于NLOS延迟l_bi的偏差大所以被排除。当第3和第4个延迟波满足预定的信号强度α₁，并且其延迟偏差小于预定的标准偏差σ时，被选择为适合于位置计算的延迟波成分。参数α和σ是为了提高测位精度而预先选择的正值。

返回到图4，如果结束了多径延迟波的选择处理，则在步骤S105中读出根据NLOS延迟路径长度的概率密度而求出的NLOS延迟函数pl(l)。在步骤S107中，根据所选择的多个多径延迟波和NLOS延迟函数，求出使公式(6)的目标函数为最大的x、y及NLOS延迟1。

这样，根据第1实施方式，考虑多径延迟波的信号强度(当b∈B且1≤i≤N_b时，为|A_bi|²)和NLOS延迟路径长度l_bi的偏差，仅选择性地利用对位置计算有用的延迟波。l_bi的偏差越小，并且，多径成分的信号强度越强，越能获得正确的测位，提高测位精度。

从构成接收信号的多径延迟波中仅选择有用的延迟波的另一个好处是可以抑制计算的复杂化。接收来自移动台的信号的基站的数量越多，并且，被有效利用的NLOS延迟波的数量越多，越能提高测位精度，但计算的复杂度和精度的提高是权衡的关系。最好是考虑到运算负载和测位精度的提高来设定基准值。

另外，在图5所示的延迟波选择步骤中，针对每个基站，根据先行波是通过LOS路径接收的还是通过NLOS路径接收的，来进行分组，虽然针对每个基站(多径延迟子集)来选择满足标准的延迟波，但不限于该例。例如，如果选择了全部的LOS先行波，则可以是如下的过程：总括剩余的NLOS延迟波(包括NLOS先行波)，依次判断是否符合基准条件。在这种情况下，选择部13本身具有判断是LOS信号还是NLOS信号的功能，当在步骤S203中判断为LOS信号时，省略步骤S205而直接选择该信号。

(第2实施方式)

接着，参照图6和图7，说明本发明的第2实施方式的位置测量的方法。第2实施方式将本发明的位置测量技术使用于非同步系统。图6是第2实施方式的位置测量装置50的概略框图，图7是表示位置测量装置50的动作的流程图。

位置测量装置50包含：分别从多个接收信号中检测多径延迟波成分的多径延迟检测部51-1～51-B、从检测出的多径延迟波中选择满足预定条件的多个延迟波的选择部53、根据所选择的延迟波生成TDOA(time-difference-of-arrival：到达时间差)数据的TDOA数据生成部54、存储NLOS延迟函数的存储部55、以及根据由TDOA数据生成部54生成的TDOA数据和从存储部15读出的NLOS延迟函数确定移动台的位置的位置计算部57。

输入给各多径延迟检测部51-1～51-B的接收信号r_b(t)是基站BS_b的接收信号，和第1实施方式同样，可以利用公式(1)来表示。

在非同步系统中，公式(1)中包含的延迟τ_bi利用公式(7)来表示：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{bi}}=\frac{1}{c}\{\sqrt{{(x_b-x)}^2+{(y_b-y)}^2}+l_0+l_{\mathrm{bi}}\},b\∈\mathrm{\β}---\left(7\right)$

这里，c＝3×10⁸m/s是光速，l_bi是与由NLOS传播引起的延迟部分对应的延迟路径长度。lo/c是移动台的时钟和基站的时钟间的未知的时间偏差。

选择部53所选择的多个多径延迟波被TDOA数据生成部54转换成向量数据：

${\stackrel{\widehat{\‾}}{\mathrm{\τ}}}_b,b\∈B$

位置计算部57从NLOS延迟函数存储部55读出NLOS延迟函数，使用TDOA数据生成部54的输出和NLOS延迟函数，计算移动台MS的当前位置。NLOS延迟函数是针对由NLOS(视距外)路径引起的延迟路径长度l，根据初始信息而求出的概率密度函数pl(l)。移动台MS的位置作为最大后验概率(MAP：Maximum Aposteriori Probability)的值而公式化。即，使由公式(8)所表示的目标函数为最大的(x，y)和NLOS延迟1是要求的值。

$F_{\mathrm{TDOA}}(x,y,l)=-\underset{b=1}{\overset{B}{\mathrm{\Σ}}}{({\stackrel{\widehat{\‾}}{\mathrm{\τ}}}_b-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}_b)}^T\·{{\stackrel{=}{\mathrm{\Ψ}}}_b}^{-1}\·({\widehat{\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}}_b-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}_b)+\ln p_l\left(l\right).---\left(8\right)$

这里，

${\stackrel{=}{\mathrm{\Ψ}}}_b$

是向量

${\stackrel{\widehat{\‾}}{\mathrm{\τ}}}_b$

的协方差矩阵。

图7是表示第2实施方式的位置测量方法的流程图。首先，在步骤S301中，利用自相关法和超分解能PN相关法等任意的方法，根据各接收信号r_b(t)算出多径延迟波成分。接着，在步骤S303中，从计算出的多径延迟波成分中选择满足预定的条件的延迟波。在第2实施方式中，也选择LOS延迟波(通过直接路径传播的先行波)、以及NLOS延迟波中符合预定标准的延迟波。选择的方法如图5所示的流程图，可以针对构成各基站所接收的信号的每个多径延迟波的子集来进行，或者，也可以在选择了全部的LOS先行波后，针对剩余的NLOS延迟波，依次进行步骤S207和S209的条件判断。

接着在步骤S305中，根据所选择的延迟波生成TDOA数据。TDOA数据的生成是从所选择的LOS(视距内)延迟波中选择某一个估计值τ_b1来作为基准值，求出该基准值和所选择的剩余延迟波之间的差异。然后，将它们的差(TDOA值)变为向量，生成：

${\stackrel{\widehat{\‾}}{\mathrm{\τ}}}_b$

如果结束了TDOA数据的生成，则在步骤S307中读出根据NLOS延迟路径长度的概率密度而求出的NLOS延迟函数pl(l)。在步骤S309中，根据TDOA数据和NLOS延迟函数，利用MAP(最大后验概率)估计法求出使公式(8)的目标函数为最大的x、y及NLOS延迟l。这样，可以确定移动台的当前位置。

通过上述方法，和移动通信系统的以往的测位方法相比较，可以更高精度地估计移动台的位置。测位精度的提高的程度是根据在选择多径延迟波时作为基准值使用的信号强度α和NLOS延迟路径长度的标准偏差σ的设定而决定的。选择的路径的功率越大，并且延迟时间的标准偏差越小，测位精度越高。另外，所选择的延迟波的数量越多，测位精度越高。

(第3实施方式)

接着，参照图8～图10说明本发明的第3实施方式的位置测量装置和方法。在上述第1和第2实施方式中，根据多个基站所接收的来自移动台的信号中包含的有效的多径成分来估计移动台的位置。这种情况下，以位置估计时存在足够数量的基站为前提。

在第3实施方式中，证明即使在利用第1和第2实施方式的方法不能进行位置估计的特殊情况，例如接收到来自移动台的信号的基站的数量小于等于2的情况下，根据基站和移动台的位置关系，也能够在一定程度的允许范围内进行位置估计，并提供了一种考虑了特殊位置关系的位置测量方法。

作为上述特殊情况的例子，列举出以下的例子。

(情况1)在2维测位中只能取得来自一个基站的信号的情况。在这种情况下，延迟的估计即移动台的位置估计只能够在极坐标(r，θ)的半径方向进行，θ方向的估计完全不受制约。同样的问题也适用于在3维测位空间中只能取得来自2个基站的信号的情况。

(情况2)在2维测位中，当移动台(MS)和可以与该移动台进行通信的2个或2个以上的全部的基站(BS)排列在一条直线上时，位置估计从2维的问题退化为1维的问题。另外，在3维测位空间中，当移动台和3个或3个以上的全部的基站(BS)位于同一个平面上时，从3维的问题退化为2维的问题，当位于同一条线上时，从3维的问题退化为1维的问题。

通常情况下，测位的问题作为2维或3维优化问题来说明。根据最大似然估计(MLE：maximum likelihood estimation)或最小均方误差(MMSE：minimum mean square error)等标准来生成目标函数，使用梯度法或直接检索法等作为优化工具(Y.Qi and H.Kobayashi，“Mitigation ofnon-line-of-sight effects in time-of-arrival positioning，”Proc.35^th AnnualConference on Information Sciences and Systems(CISS 2001)，The JohnsHopkins University，March 2001，pp.590-2)。

当把2维配置中的位置估计作为一般情况为例时，上述2个特殊情况下的测位误差变得非常大，不能用作位置估计结果。根据克拉美-劳理论下限(CRLB：Cramer-Rao Lower Bound)所表示的最小测位误差变成无限大这样的分析结果也可以确认这一点。

在第3实施方式中，提出了如下的方法：回避这样的问题，即使当移动台和基站处于不适于位置估计的特殊位置关系中时，也能通过简化为更低维的问题来进行处理，算出确保了一定程度的精度的位置估计值。这种方法包括2个基本阶段。1个是判断当前的基站-移动台(BS-MS)配置是否适合退化的维配置(特殊情况)的阶段，另一个阶段是使用适当的维中的测位方法来进行移动台的位置估计的阶段。

在说明第3实施方式的位置测量装置及方法的具体结构例之前，说明将测位的问题退化为更低维的问题的位置估计的原理。并且，在第3实施方式中，假设移动通信系统中所包含的所有的基站(BS)同步。根据移动台(MS)的时钟和基站的时钟是否同步，来区分成同步系统或非同步系统。在通常的位置关系下，根据来自各基站的接收信号中所包含的多径延迟成分来估计移动台的位置这一点与第1实施例(同步系统)和第2实施例(非同步系统)相同。另外，本发明不仅适用于多个基站接收来自移动台的信号的上行链路，还适用于移动台接收从多个基站发送的信号的下行链路，这一点也与第1实施方式及第2实施方式相同。

首先，当设集合B＝{1，2，...，B}为基站BS的集合时，基站的位置{p_b，b∈B}是全部已知的。移动台的位置p为未知，移动台的位置向量p成为要估计的参数。根据测位维是否是一维、二维、三维，移动台的位置p分别利用x、(xy)^T、(xyz)^T来表示。不过，移动台的位置不限于直角坐标，也可以用极坐标来表示。上标字符T是位置向量的转置。对于基站BS的位置{p_b，b∈B}，也适合同样的情况。第b个基站BS_b的延迟估计值利用公式(9)来表示。

${\widehat{\mathrm{\τ}}}_b={\mathrm{\τ}}_b+{\mathrm{\ξ}}_b,b\∈B,---\left(9\right)$

这里，ξ_b表示估计误差，可以用高斯分布N(0，σb²)来近似。方差σb²是系统的参数，表示为： ${\mathrm{\σb}}^2=\frac{1}{{4\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\β}}^2{R}_b}.$ 这里，R_b是基站BS_b中的信噪比(SNR)，β是基站BS_b接收的信号的有效带宽。同步系统中的延迟τ_b利用公式(10)来表示。

${\mathrm{\τ}}_b=\frac{1}{c}\left(\right||p-p_b||+l_b),---\left(10\right)$

这里，c是光速(c＝3×10⁸m/s)，||·||是欧几里德距离。另一方面，非同步系统的延迟τ_b利用公式(11)来表示。

${\mathrm{\τ}}_b=\frac{1}{c}\left(\right||p-p_b||+l_0+l_b),---\left(11\right)$

这里，1₀/c是移动台MS的时钟和基站BS的时钟间的未知的时间差(时间偏差)。

当基站-移动台间的配置符合上述的特殊情况时，如果使用和通常情况相同的位置估计方法，则克拉美-劳理论下限(CRLB)所表示的测位误差变成无限大，不能确定位置。所谓克拉美-劳理论下限(CRLB)是利用不等式来表示未知参数的不偏估计值的方差(或协方差矩阵)的下限值，利用公式(12)来表示。

$E_p\left[(\hat{p}-p){(\hat{p}-p)}^T\right]\≥J_p^{-1},---\left(12\right)$

这里J_P是Fisher信息矩阵(FIM)，不等式“A≥B”表示矩阵(A-B)是非负定值，Ep[·]是位置向量p的预期值。Fisher信息矩阵(FIM)可根据公式(13)求出。

$J_p=E_p[\frac{\∂}{\∂p}\ln \mathrm{fp}\left(\widehat{\mathrm{\τ}}\right)\·{\left(\frac{\∂}{\∂p}\ln \mathrm{fp}\left(\widehat{\mathrm{\τ}}\right)\right)}^T],---\left(13\right)$

这里函数fp是移动台的位置p中的来自各基站的延迟估计值的联合概率密度函数，利用公式(14)表示。

$\mathrm{fp}\left(\widehat{\mathrm{\τ}}\right)\∝\underset{b=1}{\overset{B}{\mathrm{\Π}}}\exp \{-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}_b^2}{({\widehat{\mathrm{\τ}}}_b-{\mathrm{\τ}}_b)}^2\},---\left(14\right)$

$\widehat{\mathrm{\τ}}={({\mathrm{\τ}}_1,{\mathrm{\τ}}_2,...,{\mathrm{\τ}}_B)}^T$

矩阵Jp也可用公式(15)表示。

J_p＝H·Λ·H^T，

$H=\left(\begin{array}{cccc}\cos {\mathrm{\φ}}_1& \cos {\mathrm{\φ}}_2& ...& \cos {\mathrm{\φ}}_B\\ \sin {\mathrm{\φ}}_1& \sin {\mathrm{\φ}}_2& ...& \sin {\mathrm{\φ}}_B\end{array}\right),---\left(15\right)$

$\mathrm{\Λ}=\mathrm{diag}({\mathrm{\σ}}_1^2,{\mathrm{\σ}}_2^2,...,{\mathrm{\σ}}_B^2).$

这里，角度φ_b根据φ_b＝tan^-1[(y-y_b)/(x-x_b)]求出。根据这些，在2维测位中，

(1)当与移动台进行信号收发的基站的数量为1时(B＝1)，

(2)当移动台和所有的可通信基站排列在一条直线上时，即，当i≠j，φ_i-φ_j＝0或π时，可以知道最小均方误差(MMSE)为无限大。

与此相对，通过将上述的特殊关系(1)、(2)作为适当的维的问题来处理，测位误差取得有限的值。对此，分别针对这2个特殊情况，首先以2维配置为例来说明。

(1)对于情况1：单个基站BS的情况

当只有一个基站BS₁和移动台MS通信时，只能取得一个延迟估计值：

${\widehat{\mathrm{\τ}}}_1,$

这种情况下，移动台的位置存在于以点(x1，y1)为中心的半径为

$\widehat{\mathrm{\ρ}}={\widehat{\mathrm{\τ}}}_1$

的圆上(准确来说，是考虑了误差的环状区域)的任意地点。这种情况下的位置估计误差的预期值利用公式(16)表示。

$\left[E_p{(p-\hat{p})}^2\right]$

$=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_1}\∫\∫[{(\hat{p}\cos \widehat{\mathrm{\θ}}-x)}^2+{(\hat{p}\sin \widehat{\mathrm{\θ}}-y)}^2]\exp \{-\frac{1}{{2\mathrm{\σ}}_1^2}{(\widehat{\mathrm{\ρ}}-{\text{\τ}}_1)}^2\}d\widehat{\mathrm{\ρ}}d\widehat{\mathrm{\θ}}$

$=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_1}{\∫}_0^{\∞}[{\widehat{\mathrm{\ρ}}}^2+{\mathrm{\τ}}_1^2]\exp \{-\frac{1}{{2\mathrm{\σ}}_1^2}{(\widehat{\mathrm{\ρ}}-{\mathrm{\τ}}_1)}^2\}d\widehat{\mathrm{\ρ}}(u\sin g{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\cos \widehat{\mathrm{\θ}}d\widehat{\mathrm{\θ}}={\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\sin \widehat{\mathrm{\θ}}d\widehat{\mathrm{\θ}}=0)$

$\≈\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_1}{\∫}_{-\∞}^{\∞}[{\widehat{\mathrm{\ρ}}}^2+{\mathrm{\τ}}_1^2]\exp \{-\frac{1}{{2\mathrm{\σ}}_1^2}{(\widehat{\mathrm{\ρ}}-{\mathrm{\τ}}_1)}^2\}d\widehat{\mathrm{\ρ}}(\mathrm{assu}\min g{\mathrm{\τ}}_1>>{\mathrm{\σ}}_1)$

$={2\mathrm{\&tau;}}_1^2+{\mathrm{\&sigma;}}_1^2<\&infin;,---\left(16\right)$

这里半径和角度

$\widehat{\mathrm{\&rho;}},\widehat{\mathrm{\&theta;}}$

分别被估计为具有高斯分布N(τ₁，σ₁ ²)的正规随机变量和在[0，2π]的范围内均匀分布的角度。在公式(16)中，当方差σ₁和τ₁比较非常小时，均方误差(MSE)为有限的值。

即，当2维测位中处于只有一个基站与移动台进行信号收发的特殊配置关系时，通过使用公式(16)所表示的估计式，位置估计误差的范围不会像以往那样无限大，而是处于有限的范围内。该有限值也表示位置估计的概率。如果得到的有限值非常小，则计算出的位置估计值即使只确定了半径方向的距离，也被容许作为表示移动台的位置的信息。因此，通过设定适当的阈值，即使只得到来自一个基站的延迟估计值时，也能够以一定程度的精度来确定移动台的位置。

这种情况下，关于半径ρ以外的维的参数(2维测位时的θ)，可以选择可行区域内的任意的值。所谓可行区域，是除去了例如没有交通工具的海上等不可能的场所(方向)后的区域。

因为上述的例子基于2维测位，所以将基站的数量为1的情况作为情况1，但在3维测位的情况下，如后面叙述那样，只从小于等于2个的基站得到延迟估计值的情况符合情况1。

(2)对于情况2：移动台和基站排列在直线上时

接着，对特殊配置的第2种情况进行说明。当以2维测位为例时，如果移动台和基站排列在一条直线上，则测位的问题被退化为1维的问题。因此，公式(9)所表示的延迟估计值如公式(17)那样进行修正。

${\widehat{\mathrm{\&tau;}}}_b=x-x_b+n_b,b\&Element;B,---\left(17\right)$

这里，x是移动台的位置，x_b是基站的位置。延迟估计值

${\widehat{\mathrm{\&tau;}}}_b$

可以取正值或负值。使噪声误差成分n_b小到能够决定延迟估计值

${\widehat{\mathrm{\&tau;}}}_b$

的符号的程度。与移动台MS的位置相关的最大似然估计值作为加权后的总和，利用公式(18)来表示。

$\hat{x}=\mathrm{\&Sigma;}{w}_b\&CenterDot;\left({\widehat{\mathrm{\&tau;}}}_b{+x}_b\right),$ $w_b=\frac{1/{\mathrm{\&sigma;}}_b^2}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^{B}1/{\mathrm{\&sigma;}}_i^2},---\left(18\right)$

此时对应的最小均方误差(MSE)利用公式(19)表示，可知其也为有限值。

$\mathrm{var}\left(\hat{x}\right)=\mathrm{\&Sigma;}{w}_b^2\&CenterDot;\mathrm{var}\left({\widehat{\mathrm{\&tau;}}}_b\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{b=1}^{B}1/{\mathrm{\&sigma;}}_b^2}<\&infin;,---\left(19\right)$

利用公式(18)表示的位置估计方法适用于基站BS和移动台MS处于LOS(视距内)的位置关系的情况。即使基站BS和移动台MS排列在一条直线上，在处于NLOS(视距外)的关系时，利用第1实施方式(同步系统)或第2实施方式(非同步系统)所使用的MAP法，也能进行使用接收信号中包含的有效多径成分的位置估计。

在3维测位的情况下，当移动台与3个或3个以上的基站全部位于同一平面上或同一条线上时，符合特殊情况2。

接着，说明3维测位的情况下退化的维中的位置估计的原理。如上所述，3维测位中的特殊情况1的情况是可得到接收信号的基站的数量为1或2的情况。因此，分基站数量为1的情况和基站数量为2的情况来说明。

(3维测位中的情况1-1)

只能取得来自基站BS₁的接收信号。使用以该基站BS₁的位置为原点的球坐标，当设移动台的位置为

时，根据延迟估计值，估计半径

$\widehat{\mathrm{\&rho;}}={\widehat{\mathrm{\&tau;}}}_1$

纬度方向的估计值

$\widehat{\mathrm{\&theta;}}$

和经度方向的估计值

$\widehat{\mathrm{\&psi;}}$

分别是在[0，π]和[0，2π]的范围内均匀分布的角度。最小均方误差(MSE)利用公式(20)求出。

$E{\left|\right|\hat{p}-p\left|\right|}^2=\frac{1}{2^{5/2}{\mathrm{\&pi;}}^{5/2}\mathrm{\&sigma;}}{\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_0^{2\mathrm{\&pi;}}[{(\widehat{\mathrm{\&rho;}}\cos \widehat{\mathrm{\&theta;}}-\mathrm{\&rho;}\cos \mathrm{\&theta;})}^2+{(\widehat{\mathrm{\&rho;}}\sin \widehat{\mathrm{\&theta;}}\cos \widehat{\mathrm{\&psi;}}-\mathrm{\&rho;}\sin \mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&psi;})}^2$

$+{(\widehat{\mathrm{\&rho;}}\sin \widehat{\mathrm{\&theta;}}\sin \widehat{\mathrm{\&psi;}}-\mathrm{\&rho;}\sin \mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&psi;})}^2\left]\exp \right\{-\frac{1}{2{\mathrm{\&sigma;}}_1^2}{(\widehat{\mathrm{\&rho;}}-{\mathrm{\&tau;}}_1)}^2\}d\widehat{\mathrm{\&psi;}}d\widehat{\mathrm{\&theta;}}d\widehat{\mathrm{\&rho;}}$

$={\mathrm{\&sigma;}}_1^2+{2\mathrm{\&tau;}}_1^2,---\left(20\right)$

(3维测位中的情况1-2)

当只能取得来自2个基站BS₁、BS₂的接收信号时，首先，研究2维中的解。当分别将2个基站BS₁、BS₂的位置设为(x₁，0)、(x₂，0)，将移动台MS的实际位置设为(x，y)^T时，移动台MS的估计位置

${\left(\begin{array}{cc}\hat{x}& \hat{y}\end{array}\right)}^T$

的分布与公式(21)所表示的联合高斯概率密度函数一致。

$p_p\left(\hat{p}\right)=\frac{{\left|J_p\right|}^{1/2}}{2\mathrm{\&pi;}}\exp \{-\frac{1}{2}{(\hat{p}-p)}^T{J}_p(\hat{p}-p)\},---\left(21\right)$

这里，矩阵Jp利用公式(15)表示。当使用柱面坐标，另x→z，y→而将其公式化为3维问题时，移动台MS的估计位置为

${(\widehat{\mathrm{\&rho;}},\widehat{\mathrm{\&psi;}}\hat{z})}^T$ $\widehat{\mathrm{\&rho;}}=\hat{y},$ $\hat{z}=\hat{x}$

参数

$\widehat{\mathrm{\&psi;}}$

是在[0，2π]的范围内均匀分布的角度。最小均方误差(MSE)利用公式(22)表示。

$E{\left|\right|\hat{p}-p\left|\right|}^2=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}{\&Integral;}_0^{+\&infin;}{\&Integral;}_0[{(\widehat{\mathrm{\&rho;}}\cos \widehat{\mathrm{\&psi;}}-\mathrm{\&rho;}\cos \mathrm{\&psi;})}^2+{(\widehat{\mathrm{\&rho;}}\sin \widehat{\mathrm{\&psi;}}-\mathrm{\&rho;}\sin \mathrm{\&psi;})}^2+{\left(\hat{z}-z\right)}^2]$

$\&CenterDot;p_p\left(\hat{p}\right)d\widehat{\mathrm{\&psi;}}d\widehat{\mathrm{\&rho;}}d\hat{z}$

$={\mathrm{\&sigma;}}_x^2+{\mathrm{\&sigma;}}_y^2+{2y}^2,---\left(22\right)$

这里方差σx²和σy²是

${\mathrm{\&sigma;}}_x^2={\left[J_p^{-1}\right]}_{11},$ ${\mathrm{\&sigma;}}_y^2={\left[J_p^{-1}\right]}_{22},$

右边的[A]_nn是矩阵A的第n个对角项。

图8是表示第3实施方式的位置测量装置30的概略结构的方框图。位置测量装置30包括：检测构成接收信号的多径延迟波成分的多径延迟检测部11、从检测出的多径延迟波中选择满足预定条件的多个延迟波的选择部13、存储与预先求出的视距外路径相关的NLOS延迟函数的存储部15、根据选择部13选择的延迟波和从存储部15读出的NLOS延迟函数确定移动台的位置的位置计算部17、当移动台和基站的当前位置关系处于特殊的配置关系时将测位维简化为更低的维进行位置估计的特殊位置计算部31。在图8的例子中，将简化后的维中的位置估计用于同步系统，但同样也可以用于图6所示的非同步系统中的位置测量装置。

图9表示特殊位置计算部31的内部结构。特殊位置计算部31具有：基站-移动台配置检测部32、降维位置计算部35、概率判断部34。基站-移动台配置检测部32根据输入到多径延迟检测部11的输入信号，确定参与当前测位的基站BS的数量和位置，并且，检测这些基站和移动台的配置关系。基站和移动台的配置关系例如可以根据之前的移动台的位置估计值的推移等过去的经历来决定。

当基站-移动台配置检测部32的检测结果符合上述的情况1或情况2中所述的特殊位置关系时，降维位置计算部35使用对应的维中的最佳的位置估计算法来估计移动台MS的位置。概率判断部判断降维位置计算部35所求出的位置估计值的概率是否在预定标准内，当概率充分时，将降维位置计算部35所求出的位置估计值作为移动台MS的位置信息来输出。例如当降维位置计算部35计算出的有限的位置估计误差小于预定的阈值时，概率为容许范围。当位置估计的概率不充分时，例如有限的位置估计误差大于等于预定的阈值时，抛弃该位置估计值。

另一方面，当基站-移动台配置检测部32的检测结果不符合特殊的位置关系(情况1或情况2)时，在位置计算部17中，利用使用了来自各基站的接收信号中包含的有效多径成分的MAP法来估计移动台MS的位置。

当基准和移动台位于直线上(3维测量的情况下是同一平面上)时，基站-移动台配置检测部32判断各基站和移动台是否处于NLOS(视距外)的关系。该NLOS判断部可以独立地设置在基站-移动台配置检测部32的内部，也可以如图3所示共用选择部13内部的NLOS判断部22。

图10是表示第3实施方式的位置测量装置30的动作的流程图。首先，在步骤S401中，基站-移动台配置检测部32根据多径延迟检测部11所接收的来自各基站的接收信号，判断参与这次测位的基站的数量是否是充分的数量。所谓充分的数量，在2维测位的情况下，是指基站BS的数量大于等于2的情况，即可得到2个或2个以上的延迟估计指的情况。相反，在2维测位时，当只得到来自一个基站BS的延迟估计值时，判断为不充分的数量。在3维测位的情况下，把基站BS的数量大于等于3的情况认为是充分的数量，当检测出的基站的数量是1或2时，认为是不充分的数量。

当判断出基站的数量不充分时(S401为“否”)，符合上述的特殊情况1，所以进入步骤S402，算出针对退化的测位维的最佳参数。对于与其他维相关的参数，选择在可行区域内选择的任意的值。更具体来讲，当为2维测位时作为1维的问题，根据公式(16)求出取得有限值的最小均方误差(MSE)，算出1维中的位置估计参数ρ或x。对于其余维的参数，例如θ或y，选择除去了不可能的方向后的可行区域内的任意值。当进行3维测位时，根据基站的数量，根据公式(20)或公式(22)求出最小均方误差(MSE)，算出退化后的维中的位置估计参数，对于除此之外的维中的参数，选择可行区域内的任意值。

算出最小均方误差后，进入步骤S407，判断所求出的误差是否小于预定的阈值。即，当方差σ₁和延迟估计值τ₁相比非常小，并且所求出的最小均方误差(MSE)小于预定的阈值时，在步骤S408中把位置估计结果作为有效结果输出。另一方面，当最小均方误差(MSE)大于等于阈值时，在步骤S409中抛弃估计结果。

当在步骤S401中判断为基站的数量不充分时(S401为“是”)，进入步骤S403，在基站-移动台配置检测部32中，判断参与本次测位的基站是否处于退化的测位维的配置关系中。例如，在2维测位中，判断检测出的2个或2个以上的基站BS是否全部排列在一条直线上，在3维测位中，判断检测出的3个或3个以上的基站BS是否全部位于同一直线或同一平面上。当没有排列在同一直线或同一平面上时(S403为“否”)，不符合特殊情况，所以进入步骤S405，进行通常的位置估计。此时的位置估计例如根据第1实施方式和第2实施方式中所述的方法来进行。

当检测出的基站BS位于直线上或同一平面上时(S403为“是”)，进入步骤S404，基站-移动台配置检测部32估计移动台MS是否位于由基站BS所定义的直线上或其附近。3维测位的情况下也包括针对是否位于由基站BS所定义的平面上或其附近的判断。

这里，对于作为测位对象的移动台MS是否位于和基站配置相同的直线或平面上或者其附近的判断，可以考虑几种方法。

例如，有使用位置跟踪等的初始信息的方法。因为从过去的履历中可以知道以前的移动台MS的位置、移动速度和移动方向，所以可以决定在本次的测位中移动台是否包含于(是否正包含于)特殊配置关系中。

另外，在以往的测位方法中，当移动台正处于符合退化的测位维那样的配置关系中或正接近其附近时，收敛于不可行的点。例如前次估计出的移动台的位置和通过本次的位置估计而收敛的点(位置)相当于在假设的移动台的移动速度下不可能移动的情况。因此，利用在使用了以往方法的情况下得到的收敛点的可实现性，判断移动台是否包含于退化的测位维中。

而且，在采用基于梯度法的优化方法的测位方法中，在用于估计最佳的移动台位置的反复运算的过程中，当移动台的估计位置正向退化的测位维移动时，逆矩阵的元素取非常大的值，逆矩阵成为不确定的矩阵(逆矩阵变得无限大)。通过利用该运算的不确定性，也可以判断移动台是否包含于退化的测位维中。

当移动台MS不包含于特殊的位置关系中时(S404为“否”)，进入步骤S405，在位置计算部17中进行通常的位置计算。这种情况下，例如当2维测位中检测出的基站BS为2个时，即使利用第1实施方式或第2实施方式的方法来进行位置估计，也能够利用可拉美-劳理论下限(CRLB)取得有限的值。

当移动台MS包含于特殊的位置关系中时(S404为“是”)，即当在2维测位中移动台和2个或2个以上的基站BS全部排列于直线上时，或当在3维测位中移动台MS和3个或3个以上的基站BS全部位于直线或同一平面上时，进入步骤S406，在降维位置计算部35中进行退化的测位维中的位置计算。具体来讲，例如当进行2维测位时，退化为1维的问题，根据公式(18)来估计移动台MS的位置。

并且，如上所述，当移动台和基站排列于直线上时，如果处于NLOS(视距外)的关系中，则根据系统的同步和非同步，利用第1实施方式或第2实施方式的方法，进行位置估计。

根据第3实施方式的位置测量装置30及位置测量方法，即使当移动台和基站处于利用以往的方法不能进行位置估计的特殊的配置关系中时，也能够以一定程度的精度来进行移动台的位置的估计。

以上，根据特定的实施方式说明了本发明，但本发明不限于这些实施方式，对于本领域技术人员来说，各种可能的变形和代替也包含于发明的范围之内。

Claims (12)

1.一种无线测位装置，其特征在于，包括：

多径延迟估计部，其根据一个或多个接收信号估计多径延迟成分；

选择部，其根据包含NLOS延迟估计值的强度α和/或NLOS延迟路径长度的标准偏差σ的基准，从所述估计的多径延迟成分中选择延迟估计值；

存储部，其存储非视距NLOS延迟函数，该NLOS延迟函数定义了关于NLOS延迟的初始信息；以及

位置估计部，其根据所述选择的延迟估计值和从所述存储部读出的所述NLOS延迟函数来估计移动台的位置；

第二位置估计部，如果所述移动台和相关的基站处于特殊的几何关系，则其在降维空间中估计所述移动台的位置。

2.一种位置测量装置，其特征在于，包括：

多径延迟估计部，其针对一个或一个以上的接收信号中的每一个，估计构成该接收信号的多径延迟成分；

选择部，其根据包含NLOS延迟估计值的强度α和/或NLOS延迟路径长度的标准偏差σ的基准，从估计出的多径延迟成分中选择多个延迟估计值；

TDOA数据生成部，其根据前述选择出的延迟估计值生成到达时间差数据；

存储部，其存储预先求出的关于视距外路径的NLOS延迟函数；以及

位置计算部，其根据由所述TDOA数据生成部生成的TDOA数据和从所述存储部读出的NLOS延迟函数估计移动台的位置；

第二位置估计部，如果所述移动台和相关的基站处于特殊的几何关系，则其在降维空间中估计所述移动台的位置。

3.根据权利要求1所述的无线测位装置，其特征在于，如果所述多径延迟成分中存在视距LOS传播的LOS延迟估计值，则所述选择部选择该LOS传播的LOS延迟估计值，并且还选择NLOS传播的NLOS延迟估计值中的满足预定条件的NLOS延迟估计值。

4.根据权利要求3所述的无线测位装置，其特征在于，所述选择部选择NLOS延迟估计值，使得这些NLOS延迟估计值的方差小于第一阈值，并且使得与这些NLOS延迟估计值相应的信号强度大于第二阈值。

5.根据权利要求3所述的无线测位装置，其特征在于，所述选择部具有NLOS判断单元，其判断所述多径延迟成分是否是根据接收到的NLOS信息而估计出的。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第二位置估计部还具有：

基站-移动台配置检测部，其判断所述移动台和所述基站是否处于特殊的几何关系；

降维位置估计部，如果判断为所述移动台和所述基站处于特殊的几何关系，则其生成降维空间中的测位参数。

7.一种无线测位方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据多个接收信号中的每一个估计多径延迟成分；

从所述多径延迟成分中选择延迟估计值以符合包含NLOS延迟估计值的强度α和/或NLOS延迟路径长度的标准偏差σ的基准；以及

根据所述选择的延迟估计值和定义了非视距NLOS延迟的初始信息的NLOS延迟函数，估计移动台的位置；

判断所述移动台和一个或多个相关的基站是否处于能退化为更低维空间的特殊几何关系；以及

如果所述移动台和所述相关基站处于所述特殊几何关系，则在降维空间中估计所述移动台的位置。

8.一种位置测量方法，该方法包括如下步骤：

针对一个或一个以上的接收信号的每一个，估计构成该接收信号的多径延迟成分；

根据包含NLOS延迟估计值的强度α和/或NLOS延迟路径长度的标准偏差σ的基准，从估计出的多径延迟成分中选择多个延迟估计值；

根据前述选择出的延迟估计值，生成到达时间差数据；

根据前述生成的到达时间差数据和根据初始信息预先求出的关于视距外路径的NLOS延迟函数，估计移动台的位置；

判断所述移动台和一个或多个相关的基站是否处于能退化为更低维空间的特殊几何关系；以及

如果所述移动台和所述相关基站处于所述特殊几何关系，则在降维空间中估计所述移动台的位置。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述选择步骤包括：如果所述多径延迟成分中存在LOS传播的视距LOS延迟估计值，则选择该LOS传播的LOS延迟估计值，并且还选择NLOS传播的延迟估计值中的满足预定条件的NLOS延迟估计值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，选择所述NLOS延迟估计值，使得这些NLOS延迟估计值的方差小于第一阈值，并且与这些NLOS延迟估计值相应的信号强度大于第二阈值。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：判断所述多径延迟成分是否是根据接收到的NLOS信息而估计出的。

12.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述判断步骤进一步包括如下步骤：

判断是否有足够的基站用于当前的估计；

如果没有足够的基站，则估计降维空间的最佳参数，而使其余维的参数在可行区域内随机选择。

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