JP2007024642A - 到来波方向推定装置、到来波方向推定方法および位置推定システム - Google Patents

Abstract

【課題】 屋内や地下街等のマルチパスの生じる環境においても推定精度を向上させる。
【解決手段】 送信機から到来する電波の方向を受信機側で推定する装置であって、上記送信機から複数周波数の電波を受信し、各周波数における受信信号の振幅および位相を測定し、その測定結果に基づきマルチパス成分の影響の少ない１または２以上の周波数を選択する選択手段と、選択した周波数における上記受信機の移動に伴う受信信号の位相変化を監視し、位相変化量が最大となる移動方向を到来波方向であると判定する判定手段とを備える。
【選択図】 図６

Description

本発明は到来波方向推定装置、到来波方向推定方法および位置推定システムに関する。

携帯電話等によって自分の位置を知りたいというニーズは高く、ＧＰＳ（Global Positioning System）機能を搭載した携帯電話等も提供されるに至っている。しかしながら、ＧＰＳは衛星からの電波を用いているため、屋内や地下街等では電波が十分に届かず、正常に使用できないという問題がある。

測量の原理により位置を知るためには、例えば、設置位置が既知の複数の送信機から到来する電波の方向を受信機側で測定することが必要である。図１は従来における到来波方向推定のための構成例を示す図であり、物理的に複数設けられたアンテナ１で受信した信号をミキサ２によりローカル発振器３の信号とミキシングしてベースバンド受信信号とした後、到来角推定回路４においてＭＵＳＩＣ（MUltiple SIgnal Classification）法、ＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）法等のアルゴリズムに基づいて電波の到来方向を推定し、表示部５に結果を表示するものである。ＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法等のアルゴリズムについては非特許文献１に説明されている。

一方、特許文献１には、ＧＰＳ衛星からの電波をＧＰＳ受信機で受信し、当該ＧＰＳ受信機を手動により閉路内で移動させた時の受信信号の位相変化から方位を測定する技術が開示されている。
特開平６−２１３９９５号公報 「アレーアンテナによる適応信号処理」、菊間著、株式会社科学出版、１９９８．

図１に示した従来の到来波方向推定手法では、複数のアンテナを配置する必要があることから、搬送波周波数が低いシステムでは必要とされるアンテナサイズやアンテナ間隔が大きくなり、携帯電話等のような小型の受信機に適用することは困難であるという問題があった。また、到来波方向のみを検出するのには、ＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法等のアルゴリズムは処理および装置構成が複雑すぎるものであり、この点でも携帯電話等のような小型の受信機に適用することは困難であった。

一方、特許文献１に示される技術は、そもそもＧＰＳを利用したものであり、屋内や地下街等のＧＰＳが使用できない状況を考慮したものではない。また、ＧＰＳによる位置測定に加え、コンパスとしての方位測定を目的としたものであり、位置推定のための到来波方向推定手法ではない。更に、受信機を手動により閉路内で移動させた時の受信信号の位相変化から方位を測定するという点で到来波方向推定に適用できるものの、ＧＰＳであるが故に途中に障害物の全くない環境における受信技術であり、屋内や地下街等のように障害物による反射によりマルチパスの生じる環境においては到来波方向の推定精度が低下するという問題がある。

本発明は上記の問題点に鑑み提案されたものであり、その目的とするところは、屋内や地下街等のマルチパスの生じる環境においても推定精度を向上させることのできる到来波方向推定装置、到来波方向推定方法および位置推定システムを提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明にあっては、請求項１に記載されるように、送信機から到来する電波の方向を受信機側で推定する装置であって、上記送信機から複数周波数の電波を受信し、各周波数における受信信号の振幅および位相を測定し、その測定結果に基づきマルチパス成分の影響の少ない１または２以上の周波数を選択する選択手段と、選択した周波数における上記受信機の移動に伴う受信信号の位相変化を監視し、位相変化量が最大となる移動方向を到来波方向であると判定する判定手段とを備える到来波方向推定装置を要旨としている。

また、請求項２に記載されるように、請求項１に記載の到来波方向推定装置において、上記選択手段は、各周波数における受信信号の振幅および位相を測定し、遅延プロファイルを導出する手段と、上記遅延プロファイルに基づいて受信信号に含まれるマルチパス成分を除去して主波成分のみを取り出す手段とを備え、上記判定手段は、上記受信機の移動に伴う上記受信信号の主波成分の位相変化を監視し、到来波方向を判定するようにすることができる。

また、請求項３に記載されるように、請求項２に記載の到来波方向推定装置において、上記遅延プロファイルを導出する手段は、上記受信信号の振幅および位相の測定結果を逆フーリエ変換することで遅延プロファイルを導出するようにすることができる。

また、請求項４に記載されるように、請求項１に記載の到来波方向推定装置において、上記位相変化の監視は、位相回転速度の検出値に基づいて行うようにすることができる。

また、請求項５に記載されるように、請求項１に記載の到来波方向推定装置において、上記送信機の複数周波数の電波は、基準発振器の信号を逓倍器により逓倍することにより生成されるようにすることができる。

また、請求項６に記載されるように、請求項１に記載の到来波方向推定装置において、上記到来波方向の判定に先立ち、上記受信機においてベースバンド信号の受信信号に変換するローカル発振器を上記送信機からの受信信号に同期させる手段を備えるようにすることができる。

また、請求項７に記載されるように、請求項１に記載の到来波方向推定装置において、上記受信機を移動させた場合の所定時間後の同一位置における位相差に基づき、上記受信機においてベースバンド信号の受信信号に変換するローカル発振器の位相誤差を補正する手段を備えるようにすることができる。

また、請求項８に記載されるように、請求項１に記載の到来波方向推定装置において、上記送信機の機能を有する第１の送受信機と上記受信機の機能を有する第２の送受信機とで時分割に送信を行い、上記第１の送受信機は上記第２の送受信機からの受信信号に同期させた発振器の発振信号に基づいて送信を行うようにすることができる。

また、請求項９に記載されるように、送信機から到来する電波の方向を受信機側で推定する方法であって、上記送信機から複数周波数の電波を受信し、各周波数における受信信号の振幅および位相を測定し、その測定結果に基づきマルチパス成分の影響の少ない１または２以上の周波数を選択する選択工程と、上記受信機を略水平面内で移動する工程と、選択した周波数における上記受信機の移動に伴う受信信号の位相変化を監視し、位相変化量が最大となる移動方向を到来波方向であると判定する判定工程とを備える到来波方向推定方法として構成することができる。

また、請求項１０に記載されるように、請求項９に記載の到来波方向推定方法において、上記選択工程は、各周波数における受信信号の振幅および位相を測定し、遅延プロファイルを導出する工程と、上記遅延プロファイルに基づいて受信信号に含まれるマルチパス成分を除去して主波成分のみを取り出す工程とを備え、上記判定工程は、上記受信機の移動に伴う上記受信信号の主波成分の位相変化を監視し、到来波方向を判定するようにすることができる。

また、請求項１１に記載されるように、設置位置が既知の複数の送信機から到来する電波の方向を受信機側で推定し、上記受信機の位置を推定するシステムであって、上記送信機の各々から複数周波数の電波を受信し、上記送信機毎に各周波数における受信信号の振幅および位相を測定し、その測定結果に基づきマルチパス成分の影響の少ない１または２以上の周波数を選択する選択手段と、選択した周波数における上記受信機の移動に伴う受信信号の位相変化を監視し、位相変化量が最大となる移動方向を到来波方向であると判定する判定手段と判定した到来波方向および上記複数の送信機の設置位置から上記受信機の位置を推定する推定手段とを備える位置推定システムとして構成することができる。

また、請求項１２に記載されるように、移動可能な送信機から到来する電波の方向を設置位置が既知の複数の受信機側で推定し、上記送信機の位置を推定するシステムであって、上記送信機から複数周波数の電波を受信し、上記受信機毎に各周波数における受信信号の振幅および位相を測定し、その測定結果に基づきマルチパス成分の影響の少ない１または２以上の周波数を選択する選択手段と、選択した周波数における上記受信機の移動に伴う受信信号の位相変化を監視し、位相変化量が最大となる移動方向を到来波方向であると判定する判定手段と、判定した到来波方向および上記複数の受信機の設置位置から上記送信機の位置を推定する手段とを備える位置推定システムとして構成することができる。

本発明の到来波方向推定装置、到来波方向推定方法および位置推定システムにあっては、遅延プロファイルに基づいて受信信号に含まれるマルチパス成分を除去し、主波成分のみを取り出して到来波方向を推定しているので、屋内や地下街等のマルチパスの生じる環境においても推定精度を向上させることができる。

以下、本発明の好適な実施形態につき詳細に説明する。

図２は到来波方向推定の基本的な構成例を示す図であり、携帯電話等の受信機１０として測定装置を構成したものである。図２において、アンテナ１１で受信された信号はミキサ１２によりローカル発振器１３の信号とミキシングされてベースバンド受信信号となり、位相回転速度検出器１４に入力される。位相回転速度検出器１４ではベースバンド受信信号の位相回転速度が検出され、検出値は適宜にメモリ１５に格納される。なお、位相回転速度を検出しているのは、ローカル発振器１３のずれの影響を軽減するためである。そして、位相回転速度比較器１６では位相回転速度検出器１４の検出値とメモリ１５に記憶された値とを比較し、到来波方向推定の結果を表示部１７に表示する。

図３は到来波方向推定に際しての受信機１０の移動の例を示す図であり、ユーザＵが受信機１０を手に持って移動させる様子を上方から見た状態を示している。図３（ａ）は受信機１０を略水平面内で直線状に移動する場合を示しており、図３（ｂ）は受信機１０を略水平面内で円状に移動（回転）する場合を示している。

図４は図３に対応した受信機１０の移動に伴う受信信号の位相変化の例を示す図であり、複素（ＩＱ）座標上での信号点の変化を示している。なお、受信する電波の波長よりも移動距離が小さい場合を示している。図４（ａ）では、図３（ａ）のように直線状に移動した場合、送信アンテナに向かう軌跡Ｌｃで移動させた場合の位相変化が最大となり、斜め方向の軌跡Ｌｂ、Ｌｄで移動させた場合が次に大きく、直角方向の軌跡Ｌａで移動させた場合が最小となる。図４（ｂ）では、図３（ｂ）のように回転した場合、送信アンテナに最も近づいたＢ点で位相が最も進み、最も遠ざかったＤ点で位相が最も遅れる。すなわち、受信機１０を移動することで、送信アンテナからの電波行路長が変化することになり、送信アンテナに近づく場合は位相が進み、遠ざかる場合には位相が遅れるものである。

以下、図２における到来方向推定の操作および動作を説明する。先ず、測定に先立ち、受信機１０が移動していない状態において、ＡＦＣ（Automatic Frequency Control）等によりローカル発振器１３を受信信号に対して同期をとることが望ましい。同期をとった場合、ベースバンド受信信号の受信点は固定点となる。

次いで、ユーザＵが受信機１０に対して到来方向推定開始を要求することにより、位相回転速度検出器１４は検出値のメモリ１５への記録を開始する。そして、ユーザＵは受信機１０を図３（ａ）に示したように各方向に直線状に移動させる。これにより送信アンテナと受信機１０のアンテナ１１の間の距離が変動し、ベースバンド受信信号の位相回転速度も変動する。

位相回転速度比較器１６では、メモリ１５に記録されている受信機１０を移動させない状態での位相回転速度を読み出すとともに、位相回転速度検出器１４から出力される受信機１０が移動している状態での位相回転速度を入力し、その差分を計算して表示部１７によりユーザＵに表示する。ユーザＵは表示される差分が最大値となるように、受信機１０を移動させる方向を変える。差分が最大値となる移動方向が到来波方向となり、その時点で表示部１７をフラッシュ等させ、必要に応じて鳴音等を併せて発生することにより、到来波方向を知ることができる。

受信機１０を図３（ｂ）に示したように回転して移動させる場合には、メモリ１５に記録される１回転分の最大値／最小値の検出値と、位相回転速度検出器１４で検出される２回転目以降の最大値／最小値とを位相回転速度比較器１６で比較し、それらが一致した時点で表示部１７をフラッシュ等させることにより到来波方向を知ることができる。この場合は回転回数を増やし、位相回転速度の平均化を図ることで精度を向上させることができる。

また、受信機１０にジャイロ、加速度センサ、地磁気センサ等を搭載し、これらの検出信号から受信機１０の移動位置を算出し、位相回転速度をこれらと関連付けて検出することで、到来波方向を角度あるいは方位データとして取得することも可能である。更に、加速度センサを搭載する場合には、その加速度情報を用いて受信機１０の移動速度が一定な場合の位相回転速度に変換することで、精度を向上させることができる。

次に、図５はローカル発振器１３の位相ずれの様子を示す図である。ローカル発振器１３は発振器の性能にもよるが、一般に時間が経過すると周波数が変動し、送信側と受信側とで位相がずれる。測定開始にあたってＡＦＣ等により同期をとった場合であっても、測定開始から終了までに一定の時間が必要であるため、その間にずれる場合がある。このような位相ずれは測定誤差に直接に影響するものであるため、ここでは次のようにして補正を行っている。すなわち、図３（ｂ）に示したように円状に受信機１０を移動させる場合を考え、各点における相対位相が図５に示すように変化した場合、Ａ点から開始してＡ点に戻ってくるまでの時間をＴ４、その間の位相誤差をΔΘ、任意の時間をＴとすると、位相誤差は経過時間に比例するものと近似できるため、
位相補正値＝−ΔΘ×Ｔ／Ｔ４
を補正式として導入し、各測定ポイントの経過時間Ｔをもとに各測定ポイントにおける測定位相を補正する。なお、測定終了時に必ずしも開始点に戻らない場合もあり得るが、その場合は、まず測定結果から方位を推定し、その方位をもとに始点と終点の位相差を求め、始点と終点の距離から算出される位相差との差をとって周波数ずれによる位相誤差を検出することができる。

次に、図６は複数周波数によるマルチパス除去を行う構成例を示す図である。図６において、送信機側は、基準発振器２０１の信号を逓倍器２０２により逓倍し、複数周波数の信号をアンテナ２０３から順次周期的に送信するようになっている。また、受信機側は、アンテナ１０１から受信部１０２で信号を受信して振幅情報を得るとともに、ＰＬＬ（Phase Lock Loop）発振器１０３の信号を逓倍器１０４で逓倍したものと受信部１０２の受信信号とを位相比較器１０５で位相比較して相対位相情報を取得し、データ処理部１０６で処理することによって到来波方向を推定するようになっている。なお、到来波方向の推定に先立ち、複数周波数のうちから任意の周波数を選び、位相比較器１０５により送信機からの信号と位相を比較し、位相差が０になるようにＰＬＬ発振器１０３の位相・周波数を調整するものとする。

データ処理部１０６の逆フーリエ変換部１０７では、複数周波数の受信信号についての振幅および位相差から逆フーリエ変換を行い、伝搬路の遅延プロファイル（インパルスレスポンス）を導出する。次いで、マルチパス成分除去部１０８では、遅延プロファイルに基づいて受信信号に含まれるマルチパス成分を除去して主波成分のみを取り出す。すなわち、マルチパス成分の影響の少ない１または２以上の周波数を選択する。そして、位相変化監視部１０９では受信信号の主波成分の位相変化を監視し、受信機の移動に伴う位相変化量が最大となる移動方向を到来波方向であると判定し、表示部１１０により表示する。これにより、マルチパスに起因する誤差のない、正確な到来波方向を推定することができる。

次に、図７は往復の通信により送受信機間の同期をとる構成例を示す図である。測定精度を向上させる上で送受信機間の同期をとる必要性が高く、前述した例ではＡＦＣやＰＬＬによって発振器の同期をとるようにしていたが、ここでは往復の通信により送受信機間の同期をとるようにしている。すなわち、受信機側では送受切替器１１２を逓倍器１１５側にすることで基準発振器１１４の信号を逓倍器１１５により逓倍した信号をアンテナ１１１から送信機側に送信する。送信機側では送受切替器２１２を受信部２１３側にすることで受信機側からの信号をアンテナ２１１から受信部２１３で受信し、ＰＬＬ発振器２１４を受信信号に同期させる。次いで、送信機側・受信機側とも送受切替器２１２、１１２を切り替え、送信機側からはＰＬＬ発振器２１４の信号をアンテナ２１１から送信し、受信機側では、アンテナ１１１から受信部１１３で信号を受信し、基準発振器１１４の信号を逓倍器１１５により逓倍した信号と位相比較器１１６によって比較し、相対位相情報を得る。これらの送受信は時分割で行い、その周期は同期に要する時間の２倍程度であれば十分である。発振器の周波数安定度はコストに比例するため、このような方法とすることでコストの低い発振器によっても正確な到来波方向推定を行うことができる。

次に、図８は位置推定のためのシステム構成の例を示す図である。図８（ａ）は部屋Ｒ内の所定の既知の位置に複数の送信機＃１〜＃３を配置したものであり、ユーザＵの所持する受信機１０により送信機＃１〜＃３からの到来波方向の角度差α、β、γを前述した方法で推定し、これより受信機１０の位置を算出するものである。なお、受信機１０はジャイロ、加速度センサ、地磁気センサ等を搭載し、到来波方向を角度あるいは方位データとして取得するものとしている。図８（ｂ）は部屋Ｒ内の所定の既知の位置に複数の受信機＃１〜＃３を配置したものであり、ユーザＵの所持する送信機１０’からの各受信機＃１〜＃３における到来波方向δ、ε、ζを推定し、これより送信機１０’の位置を算出するものである。なお、位置の算出は図示しないサーバ等により行って送信機１０’に結果を通知する方法と、送信機１０’に到来波方向をδ、ε、ζおよび設置位置等を通知して送信機１０’側で算出する方法とがある。

以上、本発明の好適な実施の形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、特許請求の範囲に定義された本発明の広範な趣旨および範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正および変更を加えることができることは明らかである。すなわち、具体例の詳細および添付の図面により本発明が限定されるものと解釈してはならない。

従来における到来波方向推定のための構成例を示す図である。 到来波方向推定の基本的な構成例を示す図である。 受信機の移動の例を示す図である。 受信機の移動に伴う受信信号の位相変化の例を示す図である。 ローカル発振器の位相ずれの様子を示す図である。 複数周波数によるマルチパス除去を行う構成例を示す図である。 往復の通信により送受信機間の同期をとる構成例を示す図である。 位置推定のためのシステム構成の例を示す図である。

符号の説明

１０ 受信機
１１ アンテナ
１２ ミキサ
１３ ローカル発振器
１４ 位相回転速度検出器
１５ メモリ
１６ 位相回転速度比較器
１７ 表示部
１０１ アンテナ
１０２ 受信部
１０３ ＰＬＬ発振器
１０４ 逓倍器
１０５ 位相比較器
１０６ データ処理部
１０７ 逆フーリエ変換部
１０８ マルチパス成分除去部
１０９ 位相変化監視部
１１０ 表示部
２０１ 基準発振器
２０２ 逓倍器
２０３ アンテナ
１１１ アンテナ
１１２ 送受切替器
１１３ 受信部
１１４ 基準発振器
１１５ 逓倍器
１１６ 位相比較器
２１１ アンテナ
２１２ 送受切替器
２１３ 受信部
２１４ ＰＬＬ発振器

Claims (12)

1. 送信機から到来する電波の方向を受信機側で推定する装置であって、
   上記送信機から複数周波数の電波を受信し、各周波数における受信信号の振幅および位相を測定し、その測定結果に基づきマルチパス成分の影響の少ない１または２以上の周波数を選択する選択手段と、
   選択した周波数における上記受信機の移動に伴う受信信号の位相変化を監視し、位相変化量が最大となる移動方向を到来波方向であると判定する判定手段とを備えたことを特徴とする到来波方向推定装置。
2. 請求項１に記載の到来波方向推定装置において、
   上記選択手段は、各周波数における受信信号の振幅および位相を測定し、遅延プロファイルを導出する手段と、上記遅延プロファイルに基づいて受信信号に含まれるマルチパス成分を除去して主波成分のみを取り出す手段とを備え、
   上記判定手段は、上記受信機の移動に伴う上記受信信号の主波成分の位相変化を監視し、到来波方向を判定することを特徴とする到来波方向推定装置。
3. 請求項２に記載の到来波方向推定装置において、
   上記遅延プロファイルを導出する手段は、上記受信信号の振幅および位相の測定結果を逆フーリエ変換することで遅延プロファイルを導出することを特徴とする到来波方向推定装置。
4. 請求項１に記載の到来波方向推定装置において、
   上記位相変化の監視は、位相回転速度の検出値に基づいて行うことを特徴とする到来波方向推定装置。
5. 請求項１に記載の到来波方向推定装置において、
   上記送信機の複数周波数の電波は、基準発振器の信号を逓倍器により逓倍することにより生成されることを特徴とする到来波方向推定装置。
6. 請求項１に記載の到来波方向推定装置において、
   上記到来波方向の判定に先立ち、上記受信機においてベースバンド信号の受信信号に変換するローカル発振器を上記送信機からの受信信号に同期させる手段を備えたことを特徴とする到来波方向推定装置。
7. 請求項１に記載の到来波方向推定装置において、
   上記受信機を移動させた場合の所定時間後の同一位置における位相差に基づき、上記受信機においてベースバンド信号の受信信号に変換するローカル発振器の位相誤差を補正する手段を備えたことを特徴とする到来波方向推定装置。
8. 請求項１に記載の到来波方向推定装置において、
   上記送信機の機能を有する第１の送受信機と上記受信機の機能を有する第２の送受信機とで時分割に送信を行い、上記第１の送受信機は上記第２の送受信機からの受信信号に同期させた発振器の発振信号に基づいて送信を行うことを特徴とする到来波方向推定装置。
9. 送信機から到来する電波の方向を受信機側で推定する方法であって、
   上記送信機から複数周波数の電波を受信し、各周波数における受信信号の振幅および位相を測定し、その測定結果に基づきマルチパス成分の影響の少ない１または２以上の周波数を選択する選択工程と、
   上記受信機を略水平面内で移動する工程と、
   選択した周波数における上記受信機の移動に伴う受信信号の位相変化を監視し、位相変化量が最大となる移動方向を到来波方向であると判定する判定工程とを備えたことを特徴とする到来波方向推定方法。
10. 請求項９に記載の到来波方向推定方法において、
    上記選択工程は、各周波数における受信信号の振幅および位相を測定し、遅延プロファイルを導出する工程と、上記遅延プロファイルに基づいて受信信号に含まれるマルチパス成分を除去して主波成分のみを取り出す工程とを備え、
    上記判定工程は、上記受信機の移動に伴う上記受信信号の主波成分の位相変化を監視し、到来波方向を判定することを特徴とする到来波方向推定方法。
11. 設置位置が既知の複数の送信機から到来する電波の方向を受信機側で推定し、上記受信機の位置を推定するシステムであって、
    上記送信機の各々から複数周波数の電波を受信し、上記送信機毎に各周波数における受信信号の振幅および位相を測定し、その測定結果に基づきマルチパス成分の影響の少ない１または２以上の周波数を選択する選択手段と、
    選択した周波数における上記受信機の移動に伴う受信信号の位相変化を監視し、位相変化量が最大となる移動方向を到来波方向であると判定する判定手段と
    判定した到来波方向および上記複数の送信機の設置位置から上記受信機の位置を推定する推定手段とを備えたことを特徴とする位置推定システム。
12. 移動可能な送信機から到来する電波の方向を設置位置が既知の複数の受信機側で推定し、上記送信機の位置を推定するシステムであって、
    上記送信機から複数周波数の電波を受信し、上記受信機毎に各周波数における受信信号の振幅および位相を測定し、その測定結果に基づきマルチパス成分の影響の少ない１または２以上の周波数を選択する選択手段と、
    選択した周波数における上記受信機の移動に伴う受信信号の位相変化を監視し、位相変化量が最大となる移動方向を到来波方向であると判定する判定手段と、
    判定した到来波方向および上記複数の受信機の設置位置から上記送信機の位置を推定する手段とを備えたことを特徴とする位置推定システム。

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