JP2006234683A - Positioning system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、位置が既知である電波発信器から送信される電波の到来方向を推定し、受信位置を求める測位システムに関するものである。 The present invention relates to a positioning system that estimates the arrival direction of a radio wave transmitted from a radio wave transmitter having a known position and obtains a reception position.
従来から、位置が既知である複数個の基地局において移動局からの電波を受信し、各基地局において検出した移動局からの電波の到来方向の関係を用いることにより移動局の位置を求める技術が知られている(たとえば、特許文献1参照)。特許文献1には移動局において測位を行い、測位結果を通信手段を通じて基地局や他の移動局に伝送する旨の記載もある。また、基地局側で移動局の位置を求める場合に、基地局で位置を求める電波と移動局に位置を通知する電波とを共用することも記載されている。さらに、特許文献1には、位置測定結果を基地局に返し、基地局で最適な受信あるいは測定が可能になるように、最寄りの移動局を選択したり、誤差の小さい方向の信号を選択したり、虚像を除去するように選択したりすることも記載されている。
ところで、移動局において基地局からの電波の到来方向に基づいて位置を求める場合に、移動局において電波の到来方向の基準として定められるアンテナ座標系と、基地局の位置を定めている絶対座標系との関係が未知であるときには、移動局においては2個の基地局からの電波の到来方向の角度差しか知ることができない。一方、各2個の基地局の距離は既知であるから、2個の基地局と移動局とを頂点とする三角形の一辺とその一辺の対角(頂角)を知ることができる。つまりは、2個の基地局からの電波の到来方向がわかれば移動局が位置する1個の円周を定めることができる。したがって、3個の基地局からの電波の到来方向がわかれば、移動局が位置する2個の円周を定めることができ、両円周の交点のうち基地局を除いた交点の位置を移動局の位置として求めることができる。この技術はカッシーニの解法として知られている。カッシーニの解法の具体的な演算方法は後述する。 By the way, when obtaining a position based on the arrival direction of radio waves from a base station in a mobile station, an antenna coordinate system defined as a reference for the arrival direction of radio waves in the mobile station, and an absolute coordinate system defining the position of the base station Is unknown, the mobile station can know only the angle difference between the arrival directions of the radio waves from the two base stations. On the other hand, since the distance between each two base stations is known, one side of a triangle having the two base stations and the mobile station as vertices and the diagonal (vertical angle) of the one side can be known. In other words, if the directions of arrival of radio waves from two base stations are known, one circumference where the mobile station is located can be determined. Therefore, if the arrival directions of the radio waves from the three base stations are known, it is possible to determine the two circumferences where the mobile station is located, and move the position of the intersection excluding the base station among the intersections of both circumferences It can be obtained as the station position. This technique is known as the Cassini solution. A specific calculation method of the Cassini solution will be described later.
カッシーニの解法を用いて移動局の位置を求める場合には3個の基地局からの電波の到来方向によって互いに異なる2個の円周を設定することが前提条件になるが、移動局の位置によっては、2個の基地局の到来方向を用いて定める円周の上に3個目の基地局が位置していることがあり、このような場合には前提条件を満たすことができず、移動局の位置が不定になるという問題を生じる。 When determining the position of a mobile station using Cassini's solution, it is a precondition that two different circumferences are set depending on the directions of arrival of radio waves from three base stations, but depending on the position of the mobile station May have a third base station located on the circumference determined using the directions of arrival of the two base stations. The problem is that the station position is indefinite.
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、位置が既知である複数個の電波発信器からの電波の到来方向を用いて自己位置を決定する際に、自己位置が不定にならないように測位することを可能とした測位システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above reasons, and its purpose is to determine the self-position when determining the self-position using the arrival directions of radio waves from a plurality of radio wave transmitters whose positions are known. An object of the present invention is to provide a positioning system that enables positioning so as not to be indefinite.
請求項1の発明は、絶対座標系における位置が既知であって電波を送信する4個以上の電波発信器と、電波発信器からの電波を受信するアンテナを備えアンテナを原点として設定されるアンテナ座標系における電波の到来方向をアンテナの出力から推定するアンテナ装置と、電波発信器の位置とアンテナ装置により受信した電波の到来方向とを用いて各2個の電波発信器とアンテナ装置との3点を通る円周を一つの平面内に2個設定し円周同士の交点のうち電波発信器の位置を除く位置を当該平面内のアンテナ装置の位置として求める測位処理部とを有し、測位処理部は、前記円周の内外に規定幅で設定した判定領域に3個以上の電波発信器を含みかつ判定領域外の電波発信器からの電波をアンテナ装置で受信できる場合には、アンテナ装置の位置を求めるための2個の円周のうちの一方は判定領域内の電波発信器を用いて設定し他方は判定領域内と判定領域外との電波発信器を用いて設定することを特徴とする。
The invention according to
この構成によれば、2個の電波発信器とアンテナ装置との3点を通る一つの円周の内外周に設定した判定領域内に別の電波発信器が含まれるときに、位置を求めるのに必要な2個の円周のうちの一方の円周は判定領域内の電波発信器を用いて設定し、他方の円周の設定には判定領域外の電波発信器を含めて用いるから、互いに異なる2個の円周を確実に設定することができ、アンテナ装置の位置を正確に求めることが可能になる。なお、互いに異なる2個の円周が必ず設定できるように、アンテナ装置が移動する範囲内では、かならず4個以上の電波発信器からの電波が受信可能になるように電波発信器を配置することが必要である。 According to this configuration, when another radio wave transmitter is included in the determination region set on the inner and outer circumferences of one circle passing through three points of the two radio wave transmitters and the antenna device, the position is obtained. One of the two circumferences necessary for the setting is set using a radio wave transmitter in the determination area, and the other circumference is set including a radio wave transmitter outside the determination area. Two different circumferences can be set reliably, and the position of the antenna device can be accurately obtained. In order to ensure that two different circumferences can be set, radio wave transmitters must be arranged so that radio waves from four or more radio wave transmitters can be received within the range in which the antenna device moves. is required.
請求項2の発明では、請求項1の発明において、前記測位処理部は、前記円周の設定に用いる電波発信器を受信電界強度が所定範囲内である電波発信器のうちで受信電界強度の小さいほうから順に選択することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the positioning processing unit uses a radio wave transmitter used for setting the circumference of a radio wave transmitter whose received electric field strength is within a predetermined range. It is characterized by selecting in order from the smallest.
この構成によれば、受信電界強度が所定範囲内であってアンテナ装置の位置を求めるために用いることができる電波発信器のうちで、受信電界強度の小さいほうから順に用いることで、アンテナ装置からなるべく遠い電波発信器を用いてアンテナ装置の位置を求めることになる。すなわち、アンテナ装置の位置を求めるにあたって近距離の電波発信器を用いるとアンテナ装置において電波の到来方向を推定したときの誤差が測位処理部で求める位置に大きな影響を及ぼすが、遠距離の電波発信器を用いるとアンテナ装置において電波の到来方向を推定したときの誤差が測位処理部で求める位置に及ぼす影響を軽減することができ、結果的に求めた位置に含まれる誤差を小さくすることになる。 According to this configuration, among the radio wave transmitters in which the received electric field strength is within a predetermined range and can be used for obtaining the position of the antenna device, the antenna device is used in order from the smallest received electric field strength. The position of the antenna device is obtained using a radio wave transmitter as far as possible. In other words, if a short-distance radio wave transmitter is used to determine the position of the antenna device, the error when estimating the direction of arrival of the radio wave in the antenna device greatly affects the position obtained by the positioning processing unit. If the device is used, the influence of the error when estimating the direction of arrival of the radio wave in the antenna device on the position obtained by the positioning processing unit can be reduced, and as a result, the error included in the obtained position is reduced. .
請求項3の発明では、請求項1または請求項2の発明において、前記アンテナ装置は、電波の到来方向を異なる複数種類の推定方法でアンテナの出力から推定する到来方向推定部を備え、前記電波発信器ごとに電波の到来方向の推定方法が定められていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the antenna device includes an arrival direction estimation unit that estimates an arrival direction of a radio wave from an output of the antenna by a plurality of different estimation methods. The method of estimating the direction of arrival of radio waves is defined for each transmitter.
この構成によれば、電波発信器を設定している環境に応じた推定方法を選択することで、精度よく位置を求めかつ導入が容易になる。たとえば、計算のみで位置を推定する方法を採用すれば、とくに学習が必要ないから位置を求める範囲を広くとることができるもののマルチパスの影響があると位置を求める精度が低下するのに対して、学習により位置を推定する方法を採用すれば、マルチパスの影響があっても位置を求める精度が低下しないものの位置を検出しようとする範囲の多箇所で学習させる必要があるから導入に手間がかかる。そこで、マルチパスのほとんど生じない環境では計算のみで位置を推定し、マルチパスが多い比較的狭い領域では学習により位置を推定する方法を採用することにより、電波発信器の設置環境によらず、位置を求める精度を高めかつ導入を容易にすることができる。 According to this configuration, by selecting an estimation method according to the environment in which the radio wave transmitter is set, the position can be obtained with high accuracy and introduction is facilitated. For example, if the method of estimating the position by calculation alone is adopted, the range for obtaining the position can be widened because learning is not particularly necessary, but the accuracy of obtaining the position is reduced if there is an influence of multipath. If the method of estimating the position by learning is adopted, the accuracy of obtaining the position does not decrease even if there is an influence of multipath, but it is necessary to learn at multiple points in the range where the position is to be detected. Take it. Therefore, by adopting a method of estimating the position only by calculation in an environment where multipath hardly occurs, and by estimating the position by learning in a relatively narrow area where there are many multipaths, regardless of the installation environment of the radio wave transmitter, The accuracy for obtaining the position can be increased and the introduction can be facilitated.
請求項4の発明では、請求項1ないし請求項3の発明において、前記測位処理部により求めた位置を前記アンテナから電波により送信する位置通知手段を備え、前記電波発信器はコンピュータネットワークに接続される無線LANのアクセスポイントであって、位置通知手段から電波発信器に通知された位置がコンピュータネットワークを用いて遠方の端末に転送されることを特徴とする請。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the present invention, there is provided position notifying means for transmitting the position obtained by the positioning processing unit by radio waves from the antenna, and the radio wave transmitter is connected to a computer network. A wireless LAN access point, wherein the position notified from the position notification means to the radio wave transmitter is transferred to a remote terminal using a computer network.
この構成によれば、無線LANのアクセスポイントを電波発信器に兼用してアンテナ装置の位置を求めることができ、しかも測位処理部で求めた位置をアクセスポイントに接続されたコンピュータネットワークを用いて遠方の端末に転送するから、無線LANを構築するために用いるアクセスポイントによってアンテナ装置の位置を推定することができる。 According to this configuration, the position of the antenna device can be obtained by using the wireless LAN access point also as a radio wave transmitter, and the position obtained by the positioning processing unit can be obtained remotely using a computer network connected to the access point. Therefore, the position of the antenna device can be estimated by the access point used for constructing the wireless LAN.
本発明の構成によれば、2個の電波発信器とアンテナ装置との3点を通る一つの円周の内外周に設定した判定領域内に別の電波発信器が含まれるときに、位置を求めるのに必要な2個の円周のうちの一方の円周は判定領域内の電波発信器を用いて設定し、他方の円周の設定には判定領域外の電波発信器を含めて用いるから、互いに異なる2個の円周を確実に設定することができ、アンテナ装置の位置を正確に求めることが可能になるという利点がある。 According to the configuration of the present invention, when another radio wave transmitter is included in the determination region set on the inner and outer circumferences of one circle passing through the three points of the two radio wave transmitters and the antenna device, the position is determined. One of the two circumferences necessary for the determination is set using a radio wave transmitter in the determination area, and the other circumference is set including a radio wave transmitter outside the determination area. Therefore, there are advantages that two different circumferences can be reliably set and the position of the antenna device can be accurately obtained.
以下に説明する測位システムは、ロボット、無人搬送車、無人清掃車、ショッピングカートなどにおいて自己位置を検出するために用いることを想定しているが、本発明の技術思想の範囲内において他の装置に用いることを妨げるものではない。 The positioning system described below is assumed to be used for detecting a self-position in a robot, an automatic guided vehicle, an automatic guided vehicle, a shopping cart, etc., but other devices are within the scope of the technical idea of the present invention. It does not prevent it from being used for.
(実施形態1)
本実施形態は、図2に示すように、適宜に設定した絶対座標系O−XYZにおける既知位置に固定された複数台の電波発信器1と、各電波発信器1からの電波の到来方向をそれぞれ検出するアンテナ装置2とを用い、絶対座標系O−XYZにおけるアンテナ装置2の位置を求めるものである。電波発信器1の位置は三次元で表してもよいが、高さ(Z)については考慮せず電波発信器1の位置を地面に沿った二次元平面(XY平面)内の位置で表すものとする。したがって、アンテナ装置2の位置も高さは考慮せず地面に沿った二次元平面内の位置で表す。また、アンテナ装置2にはアンテナ座標系o−xyzを設定する。上述のように、高さ(Z)(z)は無視しているから、絶対座標系O−XYZに対するアンテナ座標系o−xyzの自由度は、XY平面内での位置とz軸回りの回転との3自由度になる。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, a plurality of
アンテナ装置2は、アンテナ21として受信指向性を電子的に制御可能な電子制御式のアレイアンテナ(電子走査アンテナ)を備える。この種のアレイアンテナとしては、図3に示すように、モノポールであるアンテナ素子21aを複数個(図示例では4個)配列したアクティブアレイアンテナのほか、図4に示すように、モノポールである励振素子(アンテナ素子)21aの周囲に複数本(図示例では6本)の非励振素子(パラサイト素子)21bを等角度間隔で配置したパラサイト負荷切替型アンテナ(いわゆるESPERアンテナ)も知られている。
The
アクティブアレイアンテナでは、図3に示すように、アンテナ素子21aを円周上に配列した構成を有し、各アンテナ素子21aで受信した電波の受信相関を用いて電波の到来方向を推測する。この構成のアンテナ21を用いると、受信条件を変化させることなく電波の到来方向を推測することができるから、電波の到来方向を短時間で求めることができる。つまり、電波発信器1とアンテナ装置2との相対位置が比較的短時間で変動する場合でも電波の到来方向を正確に求めることができる。ただし、アンテナ素子21aが複数本必要であるから、各アンテナ素子21aの出力を増幅したり位相差を検出したりするための回路構成がやや複雑であり、また位置を求めるための演算量は比較的多くなる。アクティブアレイアンテナは、各アンテナ素子21aの受信相関から電波の到来方向を求めるものであるから、受信指向性を直接制御しているわけではないが、位相差を抽出することが受信指向性を制御することと等価になる。したがって、アクティブアレイアンテナも電子走査アンテナと言える。
As shown in FIG. 3, the active array antenna has a configuration in which the
一方、パラサイト負荷切替型アンテナでは、図4に示すように、アンテナ素子21aを中心とする円周上にパラサイト素子21bを配列した構成を有し、パラサイト素子21bのリアクタンスを変化させることにより受信の際の指向性を変化させ、指向性の異なる受信条件で受信したときの受信強度と位相の変化を用いて電波の到来方向を推定する。つまり、アンテナ素子21aが1個であるから回路構成が簡単になり低コストで提供することができる。ただし、パラサイト素子21bのインピーダンスを変化させ受信条件を変化させなければならないから、電波の到来方向を求めるために時間を要する。その結果、電波発信器1とアンテナ装置2との相対位置が比較的短時間で変化する場合には、受信条件を変化させている間に相対位置が変化し求めた到来方向の誤差が大きくなる。
On the other hand, the parasite load switching type antenna has a configuration in which the
上述したように、アクティブアレイアンテナとパラサイト負荷切替型アンテナとでは長所と短所とが相反しているが、目的に応じて適宜に用いることができる。アクティブアレイアンテナを用いる場合の構成例を図3に示し、パラサイト負荷切替型アンテナを用いる場合の構成例を図4に示す。図3の構成例と図4の構成例とでは、図4の構成例においてパラサイト素子21bのリアクタンスを切り換えるリアクタンス切替部26を備える点で差異があり、また個々の回路の具体構成は異なるものの、各回路の基本的な動作は共通しているから、主として図3の構成例について説明し、必要に応じて図4の構成例を説明する。
As described above, the advantages and disadvantages of the active array antenna and the parasite load switching antenna conflict, but they can be used appropriately according to the purpose. A configuration example in the case of using an active array antenna is shown in FIG. 3, and a configuration example in the case of using a parasite load switching antenna is shown in FIG. The configuration example of FIG. 3 is different from the configuration example of FIG. 4 in that a
アンテナ装置2は、アンテナ21のほかに、アンテナ21の出力から各電波発信器1の信号を分離する受信信号処理部22と、各電波発信器1ごとに電波の到来方向を推定する到来方向推定部23とを備え、各電波発信器1からの電波の到来方向を出力するように構成されている。
In addition to the
すなわち、アンテナ装置2の出力は、まず受信信号処理部22に入力され、増幅および周波数変換が行われるとともにA/D変換器によりデジタル信号に変換される。また、各電波発信器1からの電波は識別可能な情報を含み、受信信号処理部22において、どの電波発信器1からの電波であるかを識別できるようになっている。このような識別の技術は種々知られているが、本実施形態では、電波発信器1ごとに出力周波数を異ならせる方法を採用する。ただし、多数台の電波発信器1で出力周波数を互いに異ならせると、占有する周波数帯域が広くなって不都合であるから、時分割多重化方式(TDD)を用いて各電波発信器1ごとに識別符号を含む信号列を間欠的に送信する方式を採用してもよい。また、周波数と時間とを併用した多重化方式(FDD/TDD)を採用してもよい。いずれにせよ、受信信号処理部22において各電波発信器1からの信号を識別し、電波発信器1ごとに信号を分離して到来方向推定部23に引き渡す。到来方向推定部23では、後述する方法により各電波発信器1ごとに電波の到来方向を推定する。
That is, the output of the
ところで、到来方向推定部23により検出された電波の到来方向は、測位処理部24に引き渡される。測位処理部24では、位置記憶部25に格納されている各電波発信器1の既知の位置を用いてアンテナ装置2(アンテナ21)の位置を算出する。到来方向推定部23および測位処理部24はDSP(デジタルシグナルプロセッサ)を含む集積回路により構成され、位置記憶部25には書換可能な半導体メモリを用いている。以下に、測位処理部24の動作原理を説明する。
By the way, the arrival direction of the radio wave detected by the arrival
上述したアンテナ座標系o−xyzはアンテナ装置2に設けたアンテナ21に原点(o)を設定してあり、図3に示す装置で求める対象は、絶対座標系O−XYZのXY平面内での原点(o)の位置の座標(X,Y)になる。原点(o)の座標(X,Y)を求めるために用いることができる情報は、3個以上の電波発信器1の座標と電波発信器1からの電波の到来方向である。ただし、アンテナ座標系o−xyzのz軸回りでの回転、つまりX軸とx軸とがなす角度は不明であるから、電波到来方向について絶対座標系O−XYZにおける方位は求めることができない。絶対座標系O−XYZに関して求めることができる角度の情報は、2個の電波発信器1からの電波の到来方向の角度差になる。一方、絶対座標系O−XYZでの電波発信器1の位置は既知であるから、2個の電波発信器1からの電波の到来方向の角度差がわかると、2個の電波発信器1を結ぶ線分を弦とし、2個の電波発信器1からの電波の到来方向の角度差を前記弦に張る円周角とする1個の円周を設定することができる。この円周は、2個の電波発信器1とアンテナ装置2の原点(o)とを通る円周になる。
In the antenna coordinate system o-xyz described above, the origin (o) is set to the
すなわち、3個の電波発信器1からの電波についてアンテナ座標系o−xyzでの到来方向を検出すれば、通常は2個の円周を設定することができ、両円周の交点にアンテナ装置2の原点が位置すると推定することができる。ただし、2個の円周の交点は2個存在するが、一方の交点はアンテナ装置2の位置ではなく、2個の円周の設定に共用した電波発信器1の位置になる。言い換えると、2個の円周の2個の交点のうち電波発信器1の位置ではないほうがアンテナ装置2の位置になる。
That is, if the arrival directions in the antenna coordinate system o-xyz are detected for the radio waves from the three
図3に示す測位演算部24は、上述の原理によって絶対座標系O−XYZにおけるアンテナ装置2の原点(o)の位置の座標(X,Y)を求める演算を行う。この演算は、カッシーニの解法として知られている。カッシーニの解法については既知であるから、演算式のみを示す。
The
いま、3個の電波発信器1の設置位置の座標が既知であるとする。また、アンテナ座標系o−xyzにおける各電波発信器1からの電波の到来方向も既知であるとする。図5に従って3個の電波発信器1の位置をそれぞれ点P1〜P3で表し、XY平面における点P1〜P3の座標を、それぞれ(X1,Y1)(X2,Y2)(X3,Y3)とする。また、点P1,P2の位置の電波発信器1から受信した電波の到来方向の角度差(円周角)をA、点P2,P3の位置の電波発信器1から受信した電波の到来方向の角度差(円周角)をBとする。
Assume that the coordinates of the installation positions of the three
線分P1P2を弦としこの弦に張る円周角Aの円周と、線分P2P3を弦としこの弦に張る円周角Bの円周とを設定すると、両円周の交点P,P2のうち点P2ではないほうがアンテナ装置2の位置になる。つまり、座標(X1,Y1)(X2,Y2)(X3,Y3)と角度差A,Bとから、座標(X,Y)を求める。交点Pの座標(X,Y)を求めるには、線分P2Pに直交し点Pを通る補助線を設定する。この補助線と各円周との交点をPc,Pdとするとき、線分P2Pc,P2Pdはそれぞれ各円の直径になる。ここで、点Pc,Pdの座標をそれぞれ(Xc,Yc)(Xd,Yd)とする。以上の関係を用いることによって、座標(X,Y)は数1のように表すことができる。
When the circumference of the circumference angle A that stretches around this string with the line segment P1P2 as the string and the circumference of the circumference angle B that stretches around this string with the line segment P2P3 as the string are set, the intersections P and P2 of both circumferences The position that is not the point P2 is the position of the
また、求めた座標(X,Y)を用いることにより、1つの電波発信器1に関して、アンテナ座標系o−xyzにおける電波の到来方向φ1と、絶対座標系O−XYZにおける電波発信器1の位置の座標(X1,Y1)とから、次式によりアンテナ座標系o−xyzの絶対座標系O−XYZに対するZ軸回りの回転角度θ(図2参照)、言い換えるとアンテナ21の絶対座標系O−XYZにおける方位を求めることができる。
θ=tan−1{(Y1−Y)/(X1−X)}−φ1
以上のように、3個の電波発信器1からの電波の到来方向と各電波発信器1の座標(X1,Y1)(X2,Y2)(X3,Y3)とを用いることにより、アンテナ21の位置の座標(X,Y)とアンテナ21の方位とを知ることができる。
Further, by using the obtained coordinates (X, Y), with respect to one
θ = tan −1 {(Y1−Y) / (X1−X)} − φ1
As described above, by using the arrival directions of the radio waves from the three
ところで、測位処理部24においてアンテナ21の位置を算出するには、アンテナ21の出力を用い到来方向推定部23において各電波発信器1からの電波の到来方向を推定する必要がある。以下では、アンテナ21の出力から到来方向推定部23において電波発信器1からの電波の到来方向を推定するまでの動作について説明する。
Incidentally, in order to calculate the position of the
アクティブアレイアンテナを用いる場合には、複数個のアンテナ素子21aでの受信時刻の差を求めるために、アンテナ素子21aごとに増幅器22a、周波数変換器22b、A/D変換器22cを設ける。周波数変換器22bは、局発周波数が可変であり、局発周波数を変化させることにより受信周波数を変化させる。たとえば、アンテナ素子21aが4個あれば、増幅器22a、周波数変換器22b、A/D変換器22cも4系統が必要になる。A/D変換の際には、各アンテナ素子21aでの受信時刻の差を検出できる程度のサンプリング期間を設定する。また、サンプリング期間は、各電波発信器1の周波数ごとに設ける。
When an active array antenna is used, an
本実施形態では、最大で4台の電波発信器1からの電波を用いてアンテナ21の位置を求めることを想定しており、受信信号処理部22でのサンプリング期間は4回設けてある。要するに、到来方向の1回の演算において受信周波数を4回切り換え、4個の電波発信器1からの電波を抽出する。ここに、電波発信器1が5台以上設けられている場合には、受信周波数を5段階以上切り換えることになるが、あらかじめ受信電界強度の範囲を定めておき、当該範囲内で電波を受信することができた電波発信器1を受信順で4台用いるようにすれば、4個の電波発信器1からの電波を抽出することができる。
In the present embodiment, it is assumed that the position of the
1回のサンプリング期間には100点程度のサンプリングを行い量子化後に到来方向推定部23に引き渡す。到来方向推定部23では、各周波数ごとに時刻tにおける4種類の受信出力xi(t)(i=1,2,3,4)が得られるから、この受信出力xi(t)を成分に持つ受信ベクトル[x(t)]を用いて相関行列Rxxを生成する。受信ベクトルと相関行列とは成分の数が異なるが、後述するパラサイト負荷切替型アンテナを用いる場合と同形になる。
In one sampling period, about 100 points are sampled and delivered to the arrival
一方、パラサイト負荷切替型アンテナを用いる場合は、図4に示すように、リアクタンス切替部26により各パラサイト素子21bのインピーダンスを順に変化させ、インピーダンスを切り換えるたびに得られるアンテナ素子21aの出力を到来方向推定部23に与える。パラサイト負荷切替型アンテナを用いる場合も、アクティブアレイアンテナを用いる場合と同様に、増幅器22a、周波数変換器22b、A/D変換器22cを設ける必要があるが、アンテナ素子21aが1個であるから1系統だけでよい。パラサイト素子21bのインピーダンスは、接地するかしないかによって切り換える。ここで、パラサイト素子21bを6個備えるパラサイト負荷切替型アンテナを想定すると、アンテナ素子21aでは時刻tにおける6種類の受信出力xi(t)(i=1,2,……,6)が得られるから、この受信出力xiを成分に持つ数2に示す受信ベクトル[x(t)]を用いて数3に示す相関行列Rxxを生成する。ここに、各受信出力xi(t)は実部と虚部とを有している。また、[x]はxがベクトルであることを示す。なお、受信ベクトル[x(t)]の成分である受信出力xi(t)は同時刻に得られたものではないが、切替周期が短いから実質的に同時刻で得られたとみなしている。
On the other hand, when a parasite load switching type antenna is used, as shown in FIG. 4, the impedance of each
ただし、E[[x]]はアンサンブル平均を表す。 However, E [[x]] represents an ensemble average.
相関行列Rxxを評価してアンテナ座標系o−xyzにおける電波の到来方向を求める方法には、「超分解法」と称する技術が知られており、「超分解法」を採用すれば、アンテナ21の指向性を変化させて電界強度のもっとも大きくなる方向を探し出す方法(誤差が数十度)に比較して電波の到来方向を検出する精度が大幅に高くなる(誤差が1〜2度)。「超分解法」には、ヌルステアのインターフェロメータ法と、MUSIC法と、学習済みのニューラルネットワークを用いるニューラルネットワーク方法とが知られている。各方法にはそれぞれ長所と短所とがある。まず、各方法について簡単に説明する。
A technique called “super-decomposition method” is known as a method for evaluating the correlation matrix Rxx to determine the direction of arrival of radio waves in the antenna coordinate system o-xyz. If the “super-decomposition method” is employed, the
インターフェロメータ法は、ヌルステアを用いて到来方向を求める。インターフェロメータ法では、電波の到来方向にアンテナ21の出力から求めたステアリングベクトルと称するベクトル値を対応付けたテーブルを用いて評価関数を求める。ステアリングベクトルは、実測値または理論値に基づいて求められるものであり、受信アンテナ21に対して信号ベクトル[s(t)]が到来方向φから到来したときの受信出力x(t)を意味する。
In the interferometer method, the arrival direction is obtained using null steer. In the interferometer method, an evaluation function is obtained using a table in which a vector value called a steering vector obtained from the output of the
しかして、受信ベクトル[x(t)]から求めた上述の相関行列Rxxを用い、既知の到来方向(φ)についてあらかじめ求めてテーブルに格納してある複数点のステアリングベクトル[a(φ)]を用いて数4に示す評価関数Pintr(φ)を求める。この評価関数Pintr(φ)の分母は、相関行列Rxxの各成分とテーブルに格納したステアリングベクトル[a(φ)]との距離に相当しており、評価関数Pintr(φ)は電波発信器1からの電波の到来方向φについて分布を持っている。この分布では、評価関数Pintr(φ)が最大になるステアリングベクトル[a(φ)]に対応する到来方向φを、電波発信器1からの電波の到来方向φとみなすことができる。
Thus, using the above-described correlation matrix Rxx obtained from the received vector [x (t)], a plurality of steering vectors [a (φ)] obtained in advance for the known arrival direction (φ) and stored in the table. Is used to obtain the evaluation function P intr (φ) shown in Equation 4. The denominator of the evaluation function P intr (φ) corresponds to the distance between each component of the correlation matrix Rxx and the steering vector [a (φ)] stored in the table, and the evaluation function P intr (φ) is a radio wave transmission. It has a distribution with respect to the direction of arrival φ of the radio wave from the
MUSIC(Multiple Signal Classification)法は、相関行列Rxxの固有値および固有ベクトルを用いる方法であって、周知技術であるから詳述しないが、到来方向をパラメータとするMUSICスペクトラムという値を相関行列Rxxから求め、MUSICスペクトラムが極大になる到来方向について受信電界強度を評価することにより、電波発信器1からの電波の到来方向を求める方法である。
MUSIC (Mu ltiple Si gnal Classification) method is a method of using the eigenvalues and eigenvectors of the correlation matrix Rxx, not described in detail because it is well known technology, a value of MUSIC spectrum that the direction of arrival parameters from the correlation matrix Rxx This is a method for obtaining the direction of arrival of radio waves from the
また、ニューラルネットワーク法は、受信ベクトルx(t)から求めた相関行列Rxxの成分のうち、数5に示す成分を持つベクトル[b]を生成し、このベクトル[b]を規格化する。ベクトル[b]は、相関行列Rxxの主対角線に対する右側の成分について実部Re(rij)と虚部Im(rij)とを順に並べた成分を有している。 Further, the neural network method generates a vector [b] having a component shown in Expression 5 among the components of the correlation matrix Rxx obtained from the received vector x (t), and normalizes the vector [b]. The vector [b] has a component in which a real part Re (r ij ) and an imaginary part Im (r ij ) are arranged in order with respect to the component on the right side of the main diagonal of the correlation matrix Rxx.
ニューラルネットワークは、入力層と中間層と出力層とを備えるRBFニューラルネットワークであって、ニューラルネットワークの中間層のニューロンは、数6のように設定してある。 The neural network is an RBF neural network having an input layer, an intermediate layer, and an output layer, and the neurons in the intermediate layer of the neural network are set as shown in Equation 6.
ニューラルネットワークにより求めようとする値は、図2に示した電波の到来方向φであるから、たとえば、ニューラルネットワークを1種類の出力値f([x])が得られるように構成し、f([x])=φとして、到来方向φが既知である複数箇所の教示点にアンテナ21を位置させたときに得られる受信ベクトル[x(t)]でニューラルネットワークに教示付き学習を行わせる。教示付き学習により、数7におけるパラメータxj、σj 2、ωj(σj 2は分散、ωiは重み係数)の学習が行われ、教示点以外の箇所での到来方向φを求めることが可能になる。ニューラルネットワークに学習させる際には、アンテナ21において受信した電波が電波発信器1からの直接波か間接波かにかかわらず、学習したパラメータxj、σj 2、ωjに電波の到来方向φが折り込まれるから、間接波が存在している環境下においても間接波が定常的であって無人搬送車の走行する領域内で時間変化を伴わなければ到来方向φを推定することができる。
Since the value to be obtained by the neural network is the arrival direction φ of the radio wave shown in FIG. 2, for example, the neural network is configured to obtain one type of output value f ([x]), and f ( With [x]) = φ, the neural network performs learning with teaching using the received vector [x (t)] obtained when the
ところで、電波の到来方向を検出する際に、アンテナ21が電波発信器1からの直接波のみを受信し雑音がない場合には、上述した3種類の方法のうちのどの方法を用いても到来方向を正確に求めることが可能である。しかしながら、屋内での使用時や屋外であっても周囲に多くの建物が存在する環境などでは、電波発信器1からアンテナ21への経路にマルチパスが生じやすくなる。マルチパスが生じるとインターフェロメータ法では到来方向の推定が難しくなる。MUSIC法では波数推定法を併用しMUSICスペクトラムの極大値から電波の到来方向を推定するから、マルチパスが生じていても移動平均により直接波を受信できる環境であれば、電波発信器1からの電波の到来方向を求めることができる。ただし、MUSIC法を用いても直接波を受信することができずマルチパスによる電波しか受信できなければ電波発信器1からの電波の到来方向を推定することはできない。これに対してニューラルネットワーク法では、電波の到来方向(電波発信器1とアンテナ21とを結ぶ直線の方向)と環境とを対応付けてをあらかじめ教示しているから、直接波を受信することができない場合でも電波の到来方向を特定することができる。
By the way, when detecting the direction of arrival of radio waves, if the
もっともニューラルネットワーク法を用いると、教示点以外の箇所では求めた到来方向の誤差が大きくなるから、到来方向を求める精度を高めるには教示点の個数を増やさなければならない。つまり、ニューラルネットワーク法によって到来方向を検出しようとすれば、実際に稼働させるまでに時間がかかる。これに対してインターフェロメータ法やMUSIC法は演算のみであるから教示する必要がなく、実稼働までに要する時間は短い。また、計算時間については、ニューラルネットワーク法がもっとも短く、インターフェロメータ法、MUSIC法の順で計算時間が長くなる。 However, if the neural network method is used, the error in the direction of arrival obtained increases at locations other than the teaching point, so the number of teaching points must be increased in order to improve the accuracy of obtaining the direction of arrival. That is, if the direction of arrival is detected by the neural network method, it takes time to actually operate. On the other hand, since the interferometer method and the MUSIC method are only operations, there is no need to teach them and the time required for actual operation is short. Regarding the calculation time, the neural network method is the shortest, and the calculation time becomes longer in the order of the interferometer method and the MUSIC method.
到来方向推定部23では、これらの3種類の推定方法を用意してあり、どの電波送信器1からの電波に対する処理であるかに応じて推定方法を自動的に選択するようになっている。つまり、電波送信器1はそれぞれ3種類の推定方法のどれを使用するかを指示する情報をコード化して電波により伝送しており、受信信号処理部22ではアンテナ21の出力からコードを抽出して到来方向推定部23に引き渡すようになっている。したがって、到来方向推定部23は、受信信号処理部22から与えられたコードに応じて選択した推定方法を用いて電波の到来方向を推定する。このように電波発信器1から到来方向の推定方法を指定することにより、電波発信器1が設置された環境に応じて最適な推定方法を採用することができるようになる。なお、複数個の電波発信器1からの電波を同時に受信するから、同時に電波を受信している電波発信器1から指示された推定方法が異なる場合には、到来方向推定部23において各電波発信器1ごとに到来方向の推定方法を切り換える。
The arrival
ところで、上述したように、アンテナ21の位置を求めるには、3個の電波送信器1からの電波を同時に受信し、かつ3個の電波送信器1のうちの2個ずつが円周上に位置する2個の円周を設定することが必要である。しかしながら、電波発信器1とアンテナ21との位置関係によっては、3個の電波発信器1とアンテナ21とが一つの円周上に位置する場合も生じると考えられる。この場合、2個の円周を設定することができないから、アンテナ21の位置を求めることはできない。
By the way, as described above, in order to obtain the position of the
そこで、本実施形態では、アンテナ21の移動範囲内では、どの位置でも4個以上の電波発信器1からの電波が受信可能となるように電波発信器1を配置する。また、図1に示すように、2個の電波発信器1を用いて設定される円周C1の内外に既定幅で判断領域D1(斜線部)を設定し、円周C1を設定した電波発信器1を除く電波発信器1が判断領域D1に含まれるか否かを判断する。円周C1を設定した電波発信器1を除く電波発信器1が判断領域D1に含まれる場合には、判断領域D1に含まれない電波発信器1と円周C1を設定した2個の電波発信器1とを用いて2個の円周C1,C2を設定する。電波発信器1を適宜に配置してあれば、上述した手順により、2個の円周C1,C2を必ず設定することができ、アンテナ21の位置を求めることが可能になる。すなわち、3個の電波発信器1とアンテナ21とがほぼ1つの円周上に位置し、これらの電波発信器1では2個の円周を設定することができない場合でも、4個目の電波発信器1を用いることにより2個の円周を設定してアンテナ21の位置を求めることが可能になるのである。
Therefore, in this embodiment, the
なお、4個の電波発信器1から3個ずつの電波発信器1を選択することによって、アンテナ21の座標(X,Y)を4通り求め、得られた結果のうち異常値があれば異常値を除外し、残りの平均値を座標(X,Y)として用いてもよい。
In addition, by selecting three
上述したように4個以上の電波送信器1からの電波をアンテナ21で同時に受信することができるから、上述のように2個の電波送信器1により設定した円周C1に定めた判定領域D1に他の電波送信器1が位置していないときには、3個以上の円周を設定することが可能になる。一方、電波送信器1とアンテナ21との距離にかかわらず到来方向に関する角度誤差はほぼ一定であるが、距離に関する誤差の割合は近距離のほうが大きくなる。つまり、数1により求められる座標(X,Y)に含まれる誤差は、アンテナ21から電波発信器1までの距離が近いほど大きくなる。つまり、利用できる範囲ではできるだけ遠方の電波送信器1を用いて円周C1,C2を用いて座標(X,Y)を求めるのが望ましい。
As described above, radio waves from four or more
通常、各電波発信器1の出力は等しく設定されるから、電波発信器1との距離はアンテナ21での受信電界強度に反映されていると言える。そこで、受信信号処理部21においては、到来方向推定部23を通して受信信号の強度の情報を測位処理部24に引き渡し、測位処理部24では電波を受信可能な4個の電波発信器1が判定領域D1に含まれていなければ、受信信号の強度が小さい順に3個の電波発信器1を選択し、これらの電波発信器1を用いてアンテナ21の座標(X,Y)を求める。このような処理により、測位結果の精度を可及的に高めることができる。
Usually, since the output of each
ところで、上述の例では電波発信器1は電波を送信する機能のみを有し、アンテナ装置2は電波を受信する機能のみを有しているが、電波発信器1とアンテナ装置2との間で電波を送受可能とし、図3に破線で示すように、測位処理部24での演算結果を電波発信器1に返送するようにしてもよい。この場合、測位処理部24により求めた位置をアンテナ21から電波により送信する位置通知手段(図示せず)を設ける。また、電波発信器1をコンピュータネットワークNTに接続し、コンピュータネットワークNTを用いて測位処理部24の演算結果を遠方の端末3に転送可能とする。つまり、測位処理部24で求めたアンテナ21の位置および方位の測位結果を遠方に配置した端末3で知ることが可能になり、測位結果を種々の利用に供することができる。また、電波発信器1として無線LANのアクセスポイントや移動体電話の基地局を用いるようにすれば、既設の電波発信器1を用いて測位を行うことが可能になる上に、測位結果を遠方に転送することが可能になる。
By the way, in the above example, the
図3に一点鎖線で示すように、受信信号処理部22には受信信号強度を表示する表示装置27を付加してもよい。表示装置27は、電波発信器1ごとに受信信号強度が所定値以上か否かの情報を示す複数個(図示例は4個)の表示灯27aと、位置記憶部25に格納された各電波発信器1のごとの座標とを表示する表示部27bとを有している。すなわち、受信信号処理部22では、各電波発信器1からの電波の周波数を用いて電波発信器1を識別し、位置記憶部25に格納された電波発信器1ごとの座標を抽出して表示装置27の表示部27bに表示する。
As indicated by a one-dot chain line in FIG. 3, a
このように表示装置27を設けると、4台の電波発信器1のうちのいずれかが故障などにより電波を発信していない場合には、表示灯27aの点灯状態(電界強度が所定以上のとき点灯する)を確認することで、どの位置の電波発信器1が故障であるかを容易に知ることができる。なお、各電波発信器1を電波の周波数で識別するのではなく、各電波発信器1からの電波に識別符号を含めている場合には、識別符号によって電波発信器1を識別してもよい。また、上述のように電波発信器1とアンテナ装置2との間で送受信を可能にしている場合には、表示装置27の内容を遠方の端末3に伝送するようにしてもよい。
When the
(実施形態2)
実施形態1は、電波発信器1が定位置に固定されている場合を想定しているが、各電波発信器1がGPSのような技術によってそれぞれ絶対座標系O−XYZでの自己位置を検出する構成であれば、電波発信器1が移動する構成であっても、アンテナ21の位置および方位を求めることができる。この場合、電波送信器1の位置は時間経過に伴って更新されるから、位置記憶部25を設ける必要はないが、電波送信器1から送信する電波によって電波送信器1の自己位置を測位処理部24に通知することが必要である。つまり、受信信号処理部22では、アンテナ21から受信した電波に含まれる情報から電波発信器1の位置の情報を分離して測位処理部24に与えることになる。
(Embodiment 2)
The first embodiment assumes a case where the
本実施形態の構成を採用することにより、電波発信器1が自動車のような移動体に搭載されている場合でも、アンテナ21の位置および方位の測位が可能になる。他の構成および動作は実施形態1と同様である。
By adopting the configuration of the present embodiment, the position and orientation of the
1 電波発信器
2 アンテナ装置
3 端末
21 アンテナ
23 到来方向推定部
24 測位処理部
C1,C2 円周
D1 判定領域
NT コンピュータネットワーク
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