JP2006090913A

JP2006090913A - 位置算出方法およびそのプログラム

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Publication number: JP2006090913A
Application number: JP2004278656A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Ogino; 敦荻野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-27
Also published as: JP4400395B2; US7299058B2; US20060068810A1

Abstract

【課題】マルチパス環境において、各基準局と検出対象局との距離の測定に含まれる誤差を予測することによって、検出対象局の算出位置の誤差を低減することが課題である。
【解決手段】各基準局と検出対象局との距離に関する測定結果（以下、測距結果）と各基準局の位置とから、上記各測距結果に関する誤差劣化量を算出するステップと、上記各誤差劣化量に基づいて上記各測距結果に関する重み付け係数を算出するステップと、有効な測距結果の数について検査を行うステップと、上記各測距結果と、各基準局の位置と、上記各重み付け係数とに基づいて検出対象局の位置を算出するステップとからなることを特徴とする位置算出方法である。
【選択図】図２

Description

本発明は、位置算出方法に関するもので、特に電磁波を用いた測距の結果に基づいて無線機の位置を算出する方法に関する。

例えば、非特許文献１によると、ＧＰＳ受信機は、複数のＧＰＳ衛星からの信号を受信し、この各受信信号から該受信機の位置を検出している。

また、特許文献1によれば、無線端末からの信号を、複数の無線基地局が受信し、この各受信信号から該無線端末の位置を検出している。

上記いずれの技術も、図１に示す様に、位置P_i（i=1, 2, ..., n）が既知である複数の無線機（以下、基準局）101, 102, ..., 10nと、位置Pの不明な無線機（以下、検出対象局）100との間の無線信号の受信時刻の計測に基づいて、基準局と検出対象局との間の距離を、それぞれR_i（i=1, 2, ..., n）として測定している。そして、上記R_i（i=1, 2, ..., n）およびP_i（i=1, 2, ..., n）に基づいて、Pを算出している。

上記の二つの技術には受信時刻を測定する側が異なるという違いがあるものの、原理的には、位置Pを連立方程式、数1の解として得ている。

数1において、||x||はベクトルxの大きさ、cは電波の速さ、Tは距離R_i（i=1, 2, ..., n）を測定する際に基準とした時計の誤差である。

数1において、未知数はPおよびTであり、Pが二次元空間上の点ならばn≧3のときに、Pが三次元空間上の点ならばn≧4のときに、上記の解を得ることができる。
ところで、このような無線位置検出システムを屋内等、無線信号の反射が容易に起こりうる環境で運用する場合、マルチパスによって無線信号の波形歪みが生じやすい。そのため、各受信時刻の計測、すなわち、基準局と検出対象局との距離の測定に大きな誤差が含まれるようになる。結果として、位置算出結果Pの誤差が増大する。

土屋淳・辻宏道著、ＧＰＳ測量の基礎、社団法人日本測量協会、1995年

特開２００４−１０１２５４号公報

そこで、マルチパス環境において、各基準局と検出対象局との距離の測定に含まれる誤差を予測することによって、検出対象局の算出位置の誤差を低減することが課題である。

上記課題を解決するために、本発明による位置算出方法は、各基準局と検出対象局との距離に関する測定結果（以下、測距結果）と各基準局の位置とから、上記各測距結果に関する誤差劣化量を算出するステップと、上記各誤差劣化量に基づいて上記各測距結果を評価し、該各結果に関する重み付け係数を更新するステップと、有効な測距結果の数について検査を行うステップと、上記各測距結果と、各基準局の位置と、上記各重み付け係数とに基づいて検出対象局の位置を算出するステップとを有する。

本発明によれば、各基準局と検出対象局との距離の測定に含まれる誤差を予測し、位置算出に与える影響を制御するため、位置算出結果に含まれる誤差を低減することができる。

まず、数1について、優決定連立方程式（方程式の数が未知数の数よりも多い連立方程式）であることを仮定する。すなわち、Pが二次元空間上の点ならばn≧4、Pが三次元空間上の点ならばn≧5を仮定する。

図1および数1の記号を引用し、図2を用いて本発明による位置算出方法の実施例を説明する。

図2において、S11は各測距結果と各基準局位置とに基づく基準誤差E₀の算出を行うステップである。本ステップにおいて、上記基準誤差E₀は、数2に示す通り、PおよびTを変数とする誤差関数E(P, T)の最小値、もしくは該最小値の近似値として与えられる。

同式において、重み付け係数W_kはすべて1（W_k=1, k=1,...,n）とする。ただし、測距結果R_kに関する測定の質を取得できる場合には、重み付け係数W_kを、測距結果R_kに関する測定の質を示す数値として、正数または0としてもよい。この場合、上記測定の質に対して増加する様な関数値を与えてよい。ただし、最小値は0とする。さらに、この場合、W_kに関し、k=1,...,nまでの総和が一定数（例えばn）となるよう制限を加えても良い。

なお、基準誤差E₀求めるための具体的な方法は、関数の最小化問題を解く方法に相当し、周知であるため省略する。

また、基準誤差E₀求めるに際し、過去の試行において、数３を満たすP_prvおよびT_prvを既に得ているならば、基準誤差E₀=E(P_prv, T_prv)としても良い。

S12は各測距結果に関する誤差劣化量の算出を行うステップである。本ステップにおいて、各測距結果R_iに関する誤差劣化量ΔE_iは、数４によって与えられる。

ここで、E_i0は、数５および数６に示す通り、PおよびTを変数とする誤差関数E_i(P, T)の最小値、もしくは該最小値の近似値として与えられる。

また、E_i0を、計算簡略化のため、数５および数７によって与えてもよい。ただし、基準誤差E₀を与えるPおよびTを、それぞれP₀およびT₀とする。

誤差劣化量ΔE_iは、測距結果R_iが、基準誤差E₀に影響を及ぼしている誤差の量を示していると解釈できる。

S13は前ステップで算出した各誤差劣化量に基づいて各測距結果を評価し、該各結果に関する重み付け係数の更新を行うステップである。
その実施の詳細の一例を図3を用いて示す。同図において、S1311乃至S1315は、図2におけるS13の詳細を示すものである。これらのステップによって、閾値Th3と、誤差劣化量ΔE_iとを、i=1,...,nについて、比較し、該閾値Th3を超える誤差劣化量ΔE_iに関する重み付け係数W_iを0に更新している。

ここで、重み付け係数W_iを0に更新することは、後の位置計算において測距結果R_iを除外することを意味する。除外する理由は、誤差劣化量ΔE_iによって、測距結果R_iの含む誤差が限度を超えて大きいと評価されたためである。
なお、本ステップにおいて、閾値Th3は予め定めてよい。あるいは、該閾値は、測距結果の数ｎに基づいて定めてもよい。また、重み付け係数W_iは、例えば、ΔE_iの増加に対して減少する関数（ただし、最小値は0）となる様にその値を更新してもよい。

S14は有効測距結果数の検査を行うステップである。有効測距結果数とは、先のステップにおいて、除外されずに残った測距結果の数である。

その実施の詳細の一例を図４を用いて示す。まず、先のステップで非零となったW_i（i=1,...,n）の個数、有効測距結果数Nvrを求める（S1411〜S1415）。そして、予め定めた閾値Th4と、有効測距結果数Nvrとを比較し（S1416）、有効測距結果数Nvrが所定値以上（Nvr≧Th4）となる場合には、次のステップS15へ進む。
そうでなければ、有効な測距結果の数が所要分揃わなかったとして処理を打ち切ってよい。この場合、当該ステップを制御している上位機能レイヤに、位置算出の失敗を報告すればよい。

S15は各有効測距結果と各基準局位置とに基づいて検出対象局の位置の算出を行うステップである。本ステップにおいて、S13において更新した重み付け係数W_k（k=1,...,n）を用いて、数2に示される誤差関数E(P, T)の最小値を与えるPおよびTを求め、該Pを検出対象局の位置の算出結果として出力する。

図1および数1の記号を引用し、図5を用いて本発明による位置算出方法の第2の実施例を説明する。

図５において、S21からS24までの各ステップは、図2におけるS11からS14の各ステップとそれぞれ同じである。これらの詳細は実施例1において既に説明済みであるため省略する。

S25は各有効測距結果と各基準局位置とに基づいて検出対象局の位置の算出を行うステップである。本ステップにおいて、S23において更新した重み付け係数W_k（k=1,...,n）を用いて、数2に示される誤差関数E(P, T)の最小値を与えるPおよびTを求める。そして次のステップへ進む。

S26は、前ステップにおいて求めた検出対象局の位置Pと、各基準局位置とに基づいて、精度劣化率DOPを計算するステップである。ただし、DOPの計算において、S23で更新した重み付け係数W_k（k=1,...,n）が0となる基準局の位置P_k（k=1, 2, ..., n）は除外するものとする。なお、Pが二次元空間上の点ならばDOPとしてHDOP（Horizontal Dilution of Precision）を、Pが三次元空間上の点ならばDOPとしてPDOP（Position Dilution of Precision）を計算すればよい。HDOPおよびPDOPの計算方法は周知であるため省略する。

S26は、前ステップにおいて求めた精度劣化率DOPの検査を行うステップである。本ステップにおいて、予め定めた閾値Th5と、前ステップにおいて求めた精度劣化率DOPとを比較し、精度劣化率DOPが所定値以下（DOP≦Th5）となる場合には、合格と判定し、Pを検出対象局の位置の算出結果として出力する。
そうでなければ、不合格と判定し、処理を打ち切ってよい。この場合、当該ステップを制御している上位機能レイヤに、位置算出の失敗を報告すればよい。

図６は本発明に関わる位置検出システムの構成図を示している。同図において、各基準局は、検出対象局からの無線信号を受信し、それぞれの距離測定部によって、検出対象局までの距離を表す物理量を測定する。ここで、距離を表す物理量には、例えば、検出対象局からの無線信号のRSS（Received Signal Strength）、あるいは、検出対象局からの無線信号のTDOA（Time Difference of Arrival）を含む。

入力部611は、例えば、NIC（Network Interface Card）等から構成される。該入力部は、ネットワークを通じて、各基準局より上記距離を表す各物理量を受け取る。処理部612は、例えば、プログラムを実行するCPU（Central Processing Unit）等から構成される。該処理部は、入力部611から上記測定された物理量を取得し、必要に応じて各距離R_i（i=1, 2, ..., n）への換算を行う他、記憶部613から、基準局の位置P_i（i=1, 2, ..., n）を取得し、図2または図5に示した位置計算プログラムを実行し、位置計算結果を記憶部613へ出力する。記憶部613は、例えば、ハードディスクやメモリ等から構成される。基準局の位置P_i（i=1, 2, ..., n）や位置計算結果Pを蓄積する。出力部614は、例えば、NIC（Network Interface Card）あるいは、ディスプレイやプリンタへの外部出力ポート等から構成される。該出力部は記憶部613に蓄積された位置計算結果を出力する。

図７は本発明に関わる位置検出システムの別の構成図を示している。同図において、検出対象局は、各基準局からの無線信号をそれぞれ受信し、距離測定部によって、各基準局までの距離を表す物理量を測定する。ここで、距離を表す物理量には、例えば、基準局からの無線信号のRSS（Received Signal Strength）、あるいは、基準局からの無線信号のTDOA（Time Difference of Arrival）を含む。

入力部711は、例えば、シリアル通信モジュール等から構成される。該入力部は距離測定部より上記距離を表す各物理量を受け取る。処理部712は、例えば、プログラムを実行するCPU（Central Processing Unit）等から構成される。該処理部は、入力部711から上記物理量を取得し、必要に応じて各距離R_i（i=1, 2, ..., n）への換算を行う他、記憶部713から、基準局の位置P_i（i=1, 2, ..., n）を取得し、図2または図5に示した位置計算プログラムを実行して位置計算結果を記憶部713へ出力する。記憶部713は、例えば、ハードディスクやメモリ等から構成され、基準局の位置P_i（i=1, 2, ..., n）や位置計算結果を蓄積する。出力部714は、例えば、NIC（Network Interface Card）あるいは、ディスプレイやプリンタへの外部出力ポート等から構成される。該出力部は記憶部713に蓄積された位置計算結果を出力する。

本発明による位置算出方法によれば、特に、マルチパス環境において、電磁波を用いた測距結果に基づく無線機の位置算出の誤差低減に有効である。従って、屋内環境において、無線端末の位置検出の精度向上に役立つ。

背景技術となる位置検出システムの構成図である。本発明による位置算出の第1の実施例を示すフロー図である。本発明による位置算出において、測距結果の評価と重み付け係数の更新のステップを示すフロー図である。本発明による位置算出において、有効測距結果数の検査のフロー図である。本発明による位置算出の第2の実施例を示すフロー図である。本発明に関わる位置検出システムの構成図である。本発明に関わる位置検出システムの別の構成図である。

符号の説明

101、102、10n：基準局、100:検出対象局、601、602、60n、700：距離測定部、611、711：入力部、612、712：処理部、613、713：記憶部、614、714：出力部。

Claims

位置が既知である無線機である複数の基準局と、位置の不明な無線機である検出対象局との間の無線信号を、上記複数の基準局もしくは検出対象局の一方が受信し、距離に関する物理量を計測することで、該基準局と該検出対象局との絶対距離もしくは相対距離をそれぞれ測定し、上記各測定された距離である測距結果と、上記各基準局の位置とに基づいて、該検出対象局の位置を算出する方法であって、
各測距結果と各基準局の位置とから、
各測距結果が最小二乗誤差にそれぞれ影響を及ぼしている各誤差の量である各誤差劣化量をそれぞれ算出するステップと、
上記各誤差劣化量に基づいて上記各測距結果を評価し、該各測距結果に関する重み付け係数を更新するステップと、
上記各測距結果と、各基準局の位置と、上記更新された各重み付け係数とに基づいて検出対象局の位置を算出するステップとからなることを特徴とする位置算出方法。
上記誤差劣化量は、数式４を用いて定義されることを特徴とする請求項１の位置算出方法。
上記誤差劣化量は、数２、数５、数６を用いて得られる変数値を用いて求められることを特徴とする請求項２の位置算出方法。
上記誤差劣化量は、数２、数５、数７を用いて得られる変数値を用いて求められることを特徴とする請求項２の位置算出方法。
上記重み付け係数を更新するステップは、誤差劣化量と予め定めた閾値との比較に基づいて、重み付け係数の値を更新するステップであることを特徴とする請求項３または４の位置算出方法。
上記重み付け係数を更新するステップは、上記測距結果に関する誤差劣化量が予め定めた閾値を超えた場合、該測距結果に関する重み付け係数の値を零に更新するステップであることを特徴とする請求項５の位置算出方法。
上記検出対象局の位置を算出するステップの実行の前に、該実行の要否を判定するために、有効な測距結果の数について検査を行うステップを実行することを特徴とする請求項６の位置算出方法。
上記有効な測距結果の数に関する検査は、各測距結果に関して非零となる重み付け係数の数と、予め定めた閾値との比較に基づく検査であることを特徴とする請求項７の位置算出方法。
上記検出対象局の位置を算出するステップの実行後、精度劣化率を算出し、該算出値に応じて検出対象局の位置の算出の成否を判定することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかの位置算出方法。
位置が既知である無線機である複数の基準局と、位置の不明な無線機である検出対象局との間の無線信号を、上記複数の基準局もしくは検出対象局の一方が受信して計測される距離に関する物理量を入力する入力部と、処理部と、出力部と、を有する位置算出装置において、
該処理部に、上記距離に関する物理量から該基準局と該検出対象局との絶対距離もしくは相対距離をそれぞれ算出し、上記各測定された距離である測距結果と、上記各基準局の位置とに基づいて、該検出対象局の位置を算出する方法であって、
各測距結果と各基準局の位置とから、
各測距結果が最小二乗誤差にそれぞれ影響を及ぼしている各誤差の量である各誤差劣化量をそれぞれ算出するステップと、
上記各誤差劣化量に基づいて上記各測距結果を評価し、該各測距結果に関する重み付け係数を更新するステップと、
上記各測距結果と、各基準局の位置と、上記更新された各重み付け係数とに基づいて検出対象局の位置を算出するステップとを実行させることを特徴とする位置算出プログラム。