JP2005003579A

JP2005003579A - 測角装置及び測位装置

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Publication number: JP2005003579A
Application number: JP2003168925A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Suzuki; 信弘鈴木; Atsushi Okamura; 敦岡村; Masayoshi Ito; 正義系; Takeshi Amishima; 武網嶋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】構成を簡略化したために角度アンビギュイティが発生する測角装置において、角度アンビギュイティを排除して測角精度を向上する。
【解決手段】互いに到来信号の１／２波長以上離して配置され、前記到来信号を受信する第１、第２の受信アンテナと、これらの受信アンテナが受信する到来信号から到来方向候補を算出する到来方向算出手段とを備える測角装置において、前記到来方向算出手段は、角度アンビギュイティのために複数の到来方向候補が算出される場合に、これらの到来方向候補の中から到来方向推定値を選択して出力する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、波源から到来する電波の到来方向を測角する測角装置および波源の位置を測定する測位装置に係るものであって、特に角度アンビギュイティ（曖昧さ）を排除しつつ、簡易な構成にて高い測角精度を確保する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アレーアンテナを用いた測角方式として、角度アンビギュイティ（曖昧さ）を避けつつ高い測角精度を確保するため、第１の素子アンテナから到来信号の波長の１／２以上離した第２の素子アンテナと、第１または第２のアレー素子から同波長の１／２以下に離した第３の素子アンテナを用いる方法があった。この方法によれば、波長の１／２以上離した素子アンテナの組み合わせは測角精度の確保に寄与し、波長の１／２以下に離した素子アンテナの組み合わせはアンビギュイティの排除に寄与する（例えば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５９−１１６５６２「信号入射角推定方式」
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１による方法では、アンビギュイティの排除のためだけに第３の素子アンテナを設けている。そのため、素子アンテナや受信機等の数が増加するとともに測角に要する演算量も増加し、経済性に乏しいという課題があった。
【０００５】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、第３の素子アンテナを設けずに角度アンビギュイティを排除しつつ、高い測角精度を確保することを目的とする。
【０００６】
またこのようにして得られた測角技術を応用して、測位を行う技術を確立することをも目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る測角装置は、互いに到来信号の１／２波長以上離して配置され、前記到来信号を受信する第１、第２の受信アンテナと、
前記第１、第２の受信アンテナが受信する到来信号から前記到来信号の到来方向推定値を算出する到来方向算出手段とを備える測角装置であって、
前記到来方向算出手段は、到来信号の波長と前記第１、第２の受信アンテナの位置との関係から生ずる角度アンビギュイティによって複数の到来方向候補が算出される場合に、所定の予測値に基づいて前記到来方向候補から前記到来方向推定値を選択して出力するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による測角装置の構成を示すものである。図において、素子アンテナ１（第１の受信アンテナに相当する）及び素子アンテナ２（第２の受信アンテナに相当する）は、相互に到来信号の波長の１／２以上の距離を離して配置されている。なお、ここでは素子アンテナ１及び素子アンテナ２への到来信号を、それぞれ到来信号１０１と到来信号１０２としており、これらの到来信号は、未知の角度θ（以後、到来角と呼ぶ）をなして素子アンテナ１及び２に到来しているものとする。受信機３及び受信機４は、素子アンテナ１及び２が受信した到来信号を検波処理する部位であり、検波処理の結果としてアナログ信号１０３および１０４が出力されるようになっている。Ａ／Ｄ変換器５及びＡ／Ｄ変換器６は、アナログ信号１０３及び１０４をそれぞれディジタル信号に変換する回路又は素子であって、変換結果としてディジタル信号１０５及び１０６が出力されるようになっている。
【０００９】
到来方向算出部７は、ディジタル信号１０５及び１０６に基づいて到来信号１０１及び１０２の到来角θを算出し、到来方向候補１０７として出力する部位である。到来方向予測部８及び到来方向候補選択部９は、相互に関連を有しながら動作する部位であって、到来方向予測部８は到来方向候補選択部９が選択した到来方向推定結果１０９に基づいて、到来方向予測値１０８を算出する部位である。また到来方向候補選択部９は到来方向候補１０７から到来方向予測値１０８に最も近いものを選択して、到来方向推定結果１０９を算出するようになっている。
【００１０】
なお、到来方向算出部７、到来方向予測部８、到来方向候補選択部９は到来方向算出手段を構成するものである。
【００１１】
また、これらの構成要素のうち、到来方向算出部７、到来方向予測部８、到来方向候補選択部９はそれぞれ専用の部品や装置によって構成してもよいが、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ：中央演算装置）やＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ：ディジタル信号処理モジュール）によって処理されるコンピュータプログラムとして構成してもよい。
【００１２】
次に、この発明の実施の形態１による測角装置の動作について説明する。素子アンテナ１及び２で受信された到来信号１０１及び１０２は、受信機３及び４により、中間周波数帯域やベースバンド帯域に周波数変換され、Ａ／Ｄ変換器５及び６によりディジタル信号１０５及び１０６に変換される。
【００１３】
続いて、到来方向算出部７は、ディジタル信号１０５及び１０６に基づいて、素子アンテナ１及び２におけるそれぞれの受信信号（到来信号１０１と到来信号１０２）の位相差から信号の到来方向を計算する。ここで、素子アンテナ１及び２における到来信号１０１と到来信号１０２との位相差と到来方向の関係は、次の式（１）によって与えられる。
【数１】

【００１４】
ここで、φは±πの範囲の値をとる第１の素子と第２の素子の受信信号の位相差、Ｄは第１の素子と第２の素子の距離、λは到来信号の波長、ｎは整数である。このとき、Ｄ＜λ／２であるならば、｜ｓｉｎθ｜≦１を満たす整数ｎは一意に定まり、到来角は次のように算出される。
【数２】

【００１５】
しかし、この発明の実施の形態１による測角装置では、高い測角精度を確保するため、Ｄ＞λ／２としている。そのため、整数ｎを一意に定めることができず、角度アンビギュイティが発生することとなる。到来方向算出部７は、単体では角度アンビギュイティを排除できないので、複数の到来方向候補１０７を出力することになる。
【００１６】
次に、到来候補予測部８は、初回の測角処理においては初期値に基づいて、また２回目以降の測角処理においては一定時間前の到来方向推定結果１０９に基づいて、それぞれ到来方向予測値１０８を算出する。到来方向予測値１０８の算出処理は、公知のカルマンフィルターなどの予測フィルターを用いて実現できる。
【００１７】
続いて、到来方向候補選択手段９は、複数の到来方向候補１０７の中から、到来候補予測部８が算出した到来方向予測値１０８に値が最も近い候補を選択して、これを到来方向推定結果１０９とする。到来方向推定結果１０９は、この発明の実施の形態１による測角装置の外部に出力されるとともに、到来候補予測部８にも出力され、次回の到来方向予測値１０８の算出に用いられる。
【００１８】
なお、到来候補予測部８の初期値については、別の装置により信号の到来方向を特定しておくか、初期の到来方向の状態をあらかじめプリセットしておく。例えば、車のレースやスポーツ競技、競馬・競輪などでは移動体のスタート地点は予め定められており、初期状態をプリセットするのに何ら問題はない。
【００１９】
以上から明らかなように、この発明の実施の形態１の測角装置によれば、素子アンテナ１と素子アンテナ２の間隔と波長の関係から到来角のアンビギュイティが発生しても、到来方向予測値１０８を用いて排除することとした。そのため、素子アンテナ１と素子アンテナ２の間隔についての制限がなくなり、２素子のアンテナのみでも、十分に高い測角精度を得ることができる、という効果を奏するのである。
【００２０】
実施の形態２．
なお、この発明の実施の形態１に示した方法、すなわち式（２）に基づいて複数個の到来角を算出し、算出された到来角から予測値に近い到来角を選択する方法に代えて、予め到来角を算出する角度範囲を制限する方法も考えられる。すなわち、到来方向予測値１０８から予め到来角を算出する角度範囲を設定し、この角度範囲のみにおいて得られる到来角を推定値として出力するようにしてもよい。
【００２１】
図２は、このような処理を行う実施の形態２による測角装置の構成を示すブロック図である。図において、計算角度範囲制限付到来方向算出部２７は、到来方向予測値１０８に基づいて到来角を算出する角度範囲を制限し、この角度範囲内で到来角の算出を行う部位である。その他、図１と同一の符号を付した構成要素については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。なお、計算角度範囲制限付到来方向算出部２７と到来方向予測部８は、到来方向算出手段を構成するものである。
【００２２】
このように、実施の形態２の測角装置によれば、実施の形態１と同様に、素子アンテナ１と素子アンテナ２の間隔と波長の関係から到来角のアンビギュイティが発生しても、到来方向予測値１０８を用いて排除することとしたので、素子アンテナ１と素子アンテナ２の間隔についての制限がなくなり、２素子のアンテナのみでも、十分に高い測角精度を得ることができるという利点に加えて、予め到来角を算出する角度範囲に制限を付して、到来角を算出するので、さらに演算量を削減できるという効果を奏するのである。
【００２３】
実施の形態３．
なお、実施の形態１による測角装置の動作原理を、２素子よりも多数の素子アンテナを、角度アンビギュイティの発生し得るほど疎に配置したアレーアンテナに適用して、角度アンビギュイティを排除することもできる。実施の形態３による測角装置はこのような機能を有する測角装置である。従来、アレーアンテナは、角度アンビギュイティが発生しないように考慮して、素子アンテナを密に配置する必要があった。しかし、実施の形態３による測角装置では、このような問題が発生しない。
【００２４】
図３は、このようなアレーアンテナを採用した測角装置の構成を示すブロック図である。図について、図１と同一の符号を付した構成要素については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。ただし、実施の形態３のアレーアンテナの配置では、角度アンビギュイティの発生を考慮していない。したがって素子アンテナ１は角度アンビギュイティの発生し得るほど疎に、複数個配置されている。さらに受信機３、Ａ／Ｄ変換器５が素子アンテナ１のそれぞれに対応して設けられている点においても、実施の形態１と異なる。
【００２５】
次に実施の形態３による測角装置の動作について説明する。素子アンテナ１〜Ａ／Ｄ変換器５までの動作については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。到来方向算出部７では、素子アンテナ１の配置方法の影響により、角度アンビギュイティにより複数の到来方向候補が出力される。なお、アレーアンテナを用いる到来方向推定方法としては、例えばＲ．Ｏ．Ｓｃｈｍｉｔ， ”ＭｕｌｔｉｐｌｅＥｍｉｔｔｅｒＬｏｃａｔｉｏｎａｎｄＳｉｇｎａｌＰａｒａｍｅｔｅｒＥｓｔｉｍａｔｉｏｎ，” ＩＥＥＥＴａｎｓ．ＡｎｔｅｎｎａｓＰｒｏｐａｇａｔ．，ｖｏｌ．ＡＰ−３４，ｎｏ．３，ｐｐ．２７６−２８０，１９８６．などがある。
【００２６】
しかし、実施の形態１と同様に、実施の形態３においても到来方向予測部８によって到来方向予測値１０８が算出され、さらに到来方向候補選択部９によって到来方向予測値１０８に基づいて到来方向候補１０７から到来方向推定結果１０９が選択される。
【００２７】
以上から明らかなように、実施の形態３による測角装置によれば、アレーアンテナ単体では角度アンビギュイティが発生する場合であっても、最終的な到来方向推定結果から角度アンビギュイティを排除することができる。
【００２８】
この結果、従来のアレーアンテナを用いた測角センサと同程度の測角精度を維持するために、素子数を減らして経済性の高い測角センサを得ることができる。また、従来の測角センサと同じ素子数を用いるならば、素子間隔を広げることによって、より大きなアレー開口径を得ることができ、従来より高い測角精度を得ることができるのである。
【００２９】
なお、到来方向算出部７及び到来方向選択部９を用いる代わりに、実施の形態２と同様に、算出する到来角の角度範囲を制限する計算角度範囲制限付到来方向算出部２７を用いるようにしてもよい。これによって、角度範囲を制限できるので、同一の測角精度を得るのに必要な素子数を低減しつつ、さらに演算量を削減することができる。
【００３０】
実施の形態４．
（測位装置への応用）
実施の形態１または２の動作原理を用いて、電波の到来角の推定だけでなく、波源の位置の推定、すなわち測位装置を実現することができる。実施の形態４は、実施の形態１または２の動作原理を用いることを特徴とする測位装置に関するものである。
【００３１】
図４は、この発明の実施の形態４における測位装置を示すブロック図である。図において、測角器４２及び４３は、実施の形態１乃至３のいずれかによる測角装置によって構成されている。さらに、測角器４２及び４３には、波源４１からの到来波１０１と到来波１０２が未知の入射角θ_１及びθ_２をなして到来しているものとする。
【００３２】
測角器４２の詳細な構成についても説明する。素子アンテナ１は複数個配置されており、複数の素子アンテナ１によって一個のアレーアンテナが構成されている。ただし素子アンテナ１のそれぞれは、他の素子アンテナ（素子アンテナ１と同じものである）との相対的な配置位置が疎であるため、到来波の波長によっては角度アンビギュイティが発生しうる。
【００３３】
受信機３、Ａ／Ｄ変換器５はそれぞれ、複数の素子アンテナのそれぞれについて個別に設けられている。到来方向予測部８は実施の形態１とは異なり、後述する発信器位置予測部４５が算出した波源４１の予測位置に基づいて到来方向予測値１０８を算出するようになっている。その他、実施の形態１と同一の符号を付した構成要素については、実施の形態１と同様であり、説明を省略する。さらに測角器４３の詳細な構成については測角器４２と同様であるので、説明を省略することとする。
【００３４】
発信器位置計算部４４は、測角器４２及び４３が出力する到来角１０９に基づいて、波源４１の位置４０４を算出する部位である。また発信器位置予測部４５は、発信器位置計算部４４が一定時間前に出力した位置４０４に基づいて、現在の波源４１の予測位置４０５（現在の波源予測位置）を算出する部位である。
【００３５】
なお、発信器位置予測部４５は発信器予測手段に相当する。
【００３６】
次に、この発明の実施の形態４による測位装置の動作について説明する。まず、測角器４２について説明する。上述の通り、測角器４２のアレーアンテナは素子アンテナ１の配置が疎であり、角度アンビギュイティが発生する。そのため、到来方向算出部７において、波源４１から送信される電波の到来方向を推定しようとすると、複数の到来方向候補１０７を出力する。到来方向候補選択部９は、到来方向候補１０７の中から、到来方向の予測値１０８に最も近い角度を選択して、その角度を測角器４２の出力とする。以上が測角器４２の動作であるが、測角器４３においても同様の動作が行われる。これによって、発信器位置計算部４４には測角器４２と測角器４３による波源４１からの到来波の到来角推測値であるθ_１とθ_２が出力される。
【００３７】
発信器位置計算部４４は、θ_１とθ_２から、三角測量の原理に基づき波源４１の位置を計算する。例えば、図５に示すような直交座標系において、測角器４２の位置を（０，０）、測角器４３の位置を（０，Ｘ_０）、ｘ軸の正の方向から反時計方向の角度を正の角度として、測角器４２の測角値をθ_１、測角器４３の測角値をθ_２とすると、波源４１の位置は次のように計算される。
【数３】

【００３８】
測角器が測角器４１及び４２の他にも存在する場合、すなわち測角器の個数が２より多い場合には、各測角器において推定した到来波の到来方向に延伸した直線は一点で交わらないことも生じうる。このような場合には、最小二乗法などを用いて、最も確からしい位置を算出する。発信器位置予測部４５は、時系列で計算される波源４１から次の計測時の波源４１の予測値４０５を算出する。この発信機位置予測方法には、一般的なカルマンフィルタなどを用いることができる。この予測値４０５は、測角器４１及び４２に返される。そして、それぞれの到来方向予測部８において、到来方向の予測値１０８の算出に用いられる。例えば図５に示す測角器や波源の位置関係の場合、測角器４２及び４３到来方向予測値１０８は次のように計算される。
【数４】

ただし、式（４）において、ｘ_ｐおよびｙ_ｐは波源４１のｘ座標及びｙ座標である。
【００３９】
以上から明らかなように、この発明の実施の形態４による測位装置によれば、それぞれの測角器において角度アンビギュイティを排除するので、同程度の測角精度を有する従来のアレーアンテナによる測角センサを用いた測位装置に比べて素子数を減らすことができる。
【００４０】
また従来の測角センサと同じ素子数を用いる場合には、素子間隔を広げてより大きなアレー開口径を得ることができ、従来より高い測角・測位精度を得ることができる、という効果を奏する。
【００４１】
なお、到来方向算出部７及び到来方向選択部９を用いる代わりに、実施の形態２と同様に、算出する到来角の角度範囲を制限する計算角度範囲制限付到来方向算出部２７を用いるようにしてもよい。これによって、角度範囲を制限できるので、同一の測角精度を得るのに必要な素子数を低減しつつ、さらに演算量を削減することができる。
【００４２】
【発明の効果】
この発明に係る測角装置では、到来角が複数得られる場合に、到来方向を初期値から予測して得た予測値に近い到来角を選択することとして、角度アンビギュイティを排除することとした。そのため、素子アンテナ間の間隔を１／２波長よりも大きくして、簡易な構成のまま高い測角精度を確保することができるという極めて顕著な効果を奏するのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による測角装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態２による測角装置の構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態３による測角装置の構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態４による測位装置の構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態４による測位装置の動作原理を説明するための図である。
【符号の説明】
１、２素子アンテナ
３、４受信機
５、６Ａ／Ｄ変換器
７到来方向算出部
８到来方向予測部
９到来方向候補選択部
４４発信器位置計算部
４５発信器位置予測部。

Claims

互いに到来信号の１／２波長以上離して配置され、前記到来信号を受信する第１、第２の受信アンテナと、
前記第１、第２の受信アンテナが受信する到来信号から前記到来信号の到来方向推定値を算出する到来方向算出手段とを備える測角装置において、
前記到来方向算出手段は、到来信号の波長と前記第１、第２の受信アンテナの位置との関係から生ずる角度アンビギュイティによって複数の到来方向候補が算出される場合に、所定の到来方向を予測して、予測された到来方向に近い前記到来方向候補を前記到来方向推定値として出力することを特徴とする測角装置。
前記到来方向算出手段は、一定時間前に出力した前記到来方向推定値に基づいて、予測フィルターを用いて現在の到来方向予測値を算出し、前記到来方向候補の中から、現在の到来方向予測値と最も近い到来候補を前記到来方向推定値として選択することを特徴とする請求項１に記載した測角装置。
前記到来方向算出手段は、一定時間前に出力した前記到来方向推定値に基づいて、予測フィルターを用いて現在の到来方向予測値を算出し、現在の到来方向予測値に基づいて前記到来方向候補を算出する角度範囲を設定し、その角度範囲に含まれる前記到来方向候補のみを前記到来方向推定値として出力することを特徴とする請求項１に記載した測角装置。
前記第１、第２の受信アンテナに代えて、互いに到来信号の１／２波長以上離して配置された複数の素子アンテナを有するアレーアンテナを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の測角装置。
到来波の到来角を算出する複数の測角器を備え、
これら測角器が算出する到来波の到来角に基づいて、三角測量法によって波源の位置を算出する測位装置であって、
前記複数の測角器は、請求項１乃至３のいずれかの測角装置であることを特徴とする測位装置。
一定時間前に算出した前記波源位置に基づいて現在の波源予測位置を算出する発信器位置予測手段をさらに備え、
前記測角器は、現在の波源予測位置に基づいて到来方向予測値を算出することを特徴とする請求項５に記載の測位装置。