JP2007198919A - 測位方法および測位装置 - Google Patents

Abstract

【課題】４台以上の電波発信器からの電波を受信できるときに測位結果の信頼性を評価し、結果的に測位結果の信頼性を高める。
【解決手段】３台の電波発信器からの電波をアンテナ２１で受信することにより、各電波発信器からの電波の到来方位と電波発信器の既知の座標位置とを用いて測位処理部２５で自己位置を測位する。４台以上の電波発信器からの電波を受信可能であるときに、存在方位算出部２６では各３台の電波発信器を組にし各組ごとに、各電波発信器からの電波の到来方位を用いて測位処理部２５で求めた座標位置から既知の電波発信器を見込むときの各電波発信器の存在方位を求める。さらに、配列判定部２７では、到来方位と存在方位とを照合して整合性を判定し、出力判定部２８は到来方位と存在方位とが整合している電波発信器の組から得られた座標位置を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象空間に設定した絶対座標系における位置が既知である電波発信器が発信した電波の到来方位を検出し、電波の到来方位と電波発信器の既知の位置とを用い、後方交会法により絶対座標系における自己位置を求める測位方法および測位装置に関するものである。

従来から、位置を検出する技術として、移動体から電波を送信するとともに、定位置に設置された基地局において移動体からの電波の到来方位を検出し、３個以上の基地局において求めた電波の到来方位を用いて前方交会法により移動体の位置を検出する技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

一方、ロランのように位置が既知である３個以上の電波標識からの電波を移動体において受信し、電波標識からの電波の到来方位を用いて後方交会法により移動体の位置を検出する技術も知られている。

電波を用いて移動体の位置を検出する技術では、前方交会法を採用するか後方交会法を採用するかによらず、電波の到来方位を検出する必要がある。電波の到来方位を検出するために用いるアンテナとしては、特許文献１に記載されているように、多数個の素子アンテナをアレイ状に配列したアレイアンテナが知られている。また、素子アンテナを囲む形でリアクタンス素子を配列し、リアクタンス素子のリアクタンスを制御することによって指向性を変化させることができるＥＳＰＥＲアンテナと称するアンテナも用いることができる。

アレイアンテナを用いる場合には、各素子アンテナの受信強度の分布から電波の到来方位を推定し、またＥＳＰＥＲアンテナを用いる場合には、指向性を変化させて得られた素子アンテナでの受信強度の分布から電波の到来方位を推定する。したがって、アレイアンテナを用いる場合とＥＳＰＥＲアンテナを用いる場合とのどちらの場合も、電波の受信により得られたベクトル（アレイ応答ベクトルと呼ぶ）と電波の到来方位とが対応付けられている。
特開平９−１１９９７０号公報

ところで、電波を用いて位置を検出する技術では、反射物の存在によって送信側から受信側に至る電波の経路に変化が生じる。前方交会法か後方交会法かにかかわらず、電波が直進することを前提として測位しているから、電波の経路に変化が生じると位置を正確に求めることができないという問題が生じる。

つまり、測位を行うときに用いた電波に反射波が含まれていると、測位結果は不正確なものになるが、受信側では送信側からの直接波か反射波かを識別することは容易でないから、測位結果の信頼性を評価することができない。

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、４台以上の電波発信器からの電波を受信できるときに測位結果の信頼性を評価することを可能にした測位方法および測位装置を提供することにある。

請求項１の発明は、平面内で規定した絶対座標系における座標位置を既知位置に配置された３台以上の電波発信器からの電波の到来方位を用いて検出する測位方法であって、４台以上の電波発信器からの電波を受信しているときに、各３台の電波発信器を組にし各組ごとに、各電波発信器からの電波の到来方位を用いて求めた座標位置から既知の電波発信器を見込むときの各電波発信器の存在方位を求め、かつ到来方位と存在方位とを照合し、到来方位と存在方位とが整合すると判定された電波発信器の組から得られた座標位置を採用することを特徴とする。

請求項１の発明の方法によれば、４台以上の電波発信器からの電波を受信しているときに３台ずつの電波発信器の組合せを行って各組合せごとに座標位置を求め、求めた座標位置から位置が既知である電波発信器を見込んだときの存在方位を求め、座標位置を求めるときに用いた各電波発信器からの電波の到来方位と存在方位とが整合するときには、求めた座標位置を正しいものと判断して採用する。すなわち、３台の電波発信器からの電波を用いるだけでは、１個の座標位置を求めることしかできないが、４台以上の電波発信器からの電波を受信することによって４個以上の座標位置を求めることができ、求めた座標位置を評価することにより、各座標位置の信頼性を評価することができる。座標位置の評価に際しては、電波の到来方位から求めた座標位置から見込んだ電波発信器の既知の存在方位と電波の到来方位とを照合するから、求めた座標位置が正しい座標位置か否かを検証することになり、求めた座標位置の信頼性を高めることができる。また、到来方位と存在方位との整合性を評価するものであるから、単純で処理負荷の少ない評価ながらも座標位置の検証として良好な結果が得られる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、到来方位と存在方位とが整合すると判定された電波発信器の組が２組または３組の場合には、受信電力が最小である電波発信器を含む組から得られた座標位置を除外した残りの座標位置を採用することを特徴とする。

請求項２の発明の方法によれば、受信電力が最小である電波発信器を除外することで、よりよい条件の電波によって座標位置を求めることになるから、求めた座標位置の信頼性が高くなる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、到来方位と存在方位とが整合すると判定された電波発信器の組が４組以上の場合には、整合すると判定された電波発信器の組から得られた座標位置の平均を座標位置として出力することを特徴とする。

請求項３の発明の方法によれば、直接波によって得られたと考えられる４個以上の座標位置の平均を座標位置として出力するから、信頼性の高い結果が得られる。

請求項４の発明は、平面内で規定した絶対座標系における座標位置を既知位置に配置された３台以上の電波発信器からの電波の到来方位を用いて検出する測位装置であって、電波発信器からの電波を受信しアレイ応答ベクトルを出力するアンテナと、アレイ応答ベクトルを用いてローカル座標系における電波の到来方位を推定する到来方位推定部と、絶対座標系における電波発信器の位置を記憶した発信器座標記憶部と、到来方位推定部で推定した電波の到来方位と発信器座標記憶部が記憶している電波発信器の座標位置とを用いて絶対座標系における座標位置を求める測位処理部と、測位処理部で求めた座標位置と発信器座標記憶部に記憶した電波発信器の位置とを用いて各電波発信器からの電波の到来方位を逆算した各電波発信器の存在方位を求める存在方位算出部と、４台以上の電波発信器からの電波をアンテナで受信しているときに、各３台の電波発信器を組にし各組ごとに、到来方位推定部で推定した到来方位と存在方位算出部で求めた存在方位とを照合する配列判定部と、配列判定部により到来方位と存在方位とが整合すると判定された電波発信器の組から測位処理部で得られた座標位置を採用する出力判定部とを備えることを特徴とする。

請求項４の発明の構成によれば、請求項１の発明と同様の効果が期待できる。

本発明によれば、４台以上の電波発信器からの電波を受信しているときに、３台ずつの電波発信器の組合せを用いて４個以上の座標位置を求めるので、電波の到来方位から求めた座標位置から見込んだ電波発信器の既知の存在方位と電波の到来方位とを照合することにより、求めた座標位置が正しい座標位置か否かを検証することができ、求めた座標位置の信頼性を高めることができるという利点がある。また、到来方位と存在方位との整合性を評価するから、単純かつ処理負荷の少ない評価で座標位置の検証を行うことができるという利点がある。

以下に説明する測位装置２は移動体などに搭載されるものであって、図３に示すように、測位を行う対象空間（対象平面）について規定した絶対座標系Ｏ−ＸＹの座標位置として自己位置を検出する。具体的には、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける座標位置が既知である３台以上の電波発信器１から測位装置２に電波が到来する方位をそれぞれ検出し、各電波発信器１からの電波の到来方位と電波発信器１の既知の座標位置とに基づいて、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける測位装置２の座標位置を検出する。測位装置２において各電波発信器１からの電波を区別するために、各電波発信器１から送信する電波はそれぞれ異なる周波数に設定される。測位装置２は、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける電波の到来方位を特定することはできないから、測位装置２について設定したローカル座標系ｏ−ｘｙにおいて電波の到来方位を検出する。ローカル座標系ｏ−ｘｙのｘｙ平面は絶対座標系Ｏ−ＸＹのＸＹ平面と一致しているか平行であるものとする。したがって、ローカル座標系ｏ−ｘｙにおいて検出した各電波発信器１からの電波の到来方位の間の相対角度は、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおいても保存される。

以下では、測位装置２の構成および測位装置２による絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける座標位置の検出方法について説明する。

測位装置２は、電波発信器１からの電波を受信するアンテナ２１と、アンテナ２１の出力から電波の到来方位を検出するための成分を取り出すとともに抽出した成分を以後の処理のためにデジタル信号に変換する機能を有した信号処理回路部２２と、信号処理回路部２２の出力を用いてローカル座標系ｏ−ｘｙにおける電波の到来方位を推定する到来方位推定部２３とを備える。また、測位装置２では、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける座標位置を求めるために、電波発信器１の座標位置を知る必要があるから、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける電波発信器１の座標をあらかじめ登録した発信器座標記憶部２４が設けられ、到来方位推定部２３で推定された到来方位と発信器座標記憶部２４に登録された電波発信器１の座標位置とを用いて測位装置２の座標位置を求める測位処理部２５が設けられる。

本実施形態では、測位処理部２５で求めた座標位置を評価するために、求めた座標位置から電波発信器１を見込む方位を存在方位として求める存在方位算出部２６と、存在方位と到来方位とを照合する配列判定部２７と、配列判定部２７において到来方位と存在方位とが整合すると判定した電波発信器１を用いて求めた座標位置を採用する出力判定部２８とを備える。存在方位算出部２６と配列判定部２７と出力判定部２８とについては後述する。

測位装置２の座標位置は、測位装置２の代表点の座標位置であって、以下の説明では測位装置２に設けたアンテナ２１を基準として設定したローカル座標系ｏ−ｘｙの原点（ｏ）の座標位置を、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける測位装置２の座標位置に用いるものとする。

アンテナ２１は、電波の到来方位を検出することができるように構成されたものを用い、本実施形態では、複数本（図示例では４本）の素子アンテナ２１ａを基台２１ｂに立設した形状のアレイアンテナを用いる。各素子アンテナ２１ａはモノポールであって、基台２１ｂの一面に仮想的に設定した正方形の頂点に各素子アンテナ２１ａが位置するように配置される。ローカル座標系ｏ−ｘｙの原点（ｏ）は、素子アンテナ２１ａに囲まれた部位の中心、すなわち仮想的に設定した正方形の中心とする。

アンテナ２１の出力は信号処理回路部２２に入力される。信号処理回路部２２は、図２に示すように、各素子アンテナ２１ａごとのゲインを切り換えるアッテネータ２２ａと、素子アンテナ２１ａで受信した信号を一定周波数に周波数変換する混合回路２２ｂと、混合回路２２ｂに局発信号を与える局部発振回路２２ｃとを備え、さらに、混合回路２２ｂの出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換部２２ｄを備える。

アッテネータ２２ａおよび混合回路２２ｂは素子アンテナ２１ａと同数個設けられる。混合回路２２ｂはＩＱ分離（実数成分と虚数成分の分離）の機能も備える。混合回路２２ｂではダウンコンバートを行っており、局部発振回路２２ｃから出力する局発信号の周波数（局発周波数）を変化させることによって、混合回路２２ｂでは一定周波数への周波数変換を行う。したがって、混合回路２２ｂの出力に所定周波数を通過させる帯域フィルタを設けておくことにより、素子アンテナ２１ａで受信した信号のうち局発周波数に対応する成分のみが混合回路２２ｂから出力されることになる。つまり、局発周波数を変化させることによって、各電波発信器１からの電波に対応した成分を混合回路２２ｂから取り出すことができる。なお、混合回路２２ｂの出力周波数は、ＡＤ変換部２２ｄにおけるサンプリングに適した周波数（サンプリング周波数の２分の１以下の周波数）に設定される。

ＡＤ変換部２２ｄは、混合回路２２ｂから出力された実数成分と虚数成分とをそれぞれデジタル値に変換する。ＡＤ変換部２２ｄについて、サンプリング周波数、サンプリング点数、出力ビット数は、たとえば１０ＭＨｚ、１０００点、１２ビットとする。電波発信器１はそれぞれ異なる周波数の電波を送信しているから、ＡＤ変換部２２ｄでは各周波数ごとにサンプリング点数分のサンプリングを行う。本実施形態では、４台の電波発信器１からの電波を受信するものとして、受信周波数を４回切り換える（図４参照）。なお、受信周波数は、測位装置２の現在位置に応じて、近距離に存在する電波発信器１からの電波を受信するように選択される。

図４における期間Ｔｒは１台の電波発信器１からの電波を受信している期間であり、この期間Ｔｒには受信周波数が一定に保たれる。また、図４の期間Ｔｓは受信周波数を切り換える間の期間である。ＡＤ変換部２２ｄの出力は、到来方位推定部２３の機能を実現するＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）２０ａに入力される。ＤＳＰ２０ａは、素子アンテナ２１ａで受信した電波の実数成分と虚数成分とを用いて電波の到来方位を推定する。一方、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける測位装置２の座標位置を登録した発信器座標記憶部２４は、ＤＳＰ２０ａに付設された内部メモリ２０ｂにより実現される。発信器座標記憶部２４には、電波発信器１の座標位置のほか電波発信器１からの送信信号の周波数も記憶されており、測位装置２から近距離に存在する電波発信器１を４台選択し、当該電波発信器１の周波数に応じて局部発振回路２２ｃの局発周波数を選択できる。

ＤＳＰ２０ａは、測位処理部２５としての機能も備えており、ＡＤ変換部２２ｄから出力された実数成分および虚数成分により求めた電波の到来方位と、内部メモリ２０ｂに登録された電波発信器１の座標位置とを用いて、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける測位装置２の座標位置を演算により求める。この演算のために、図４に示す期間Ｔｔにおいて、ＤＳＰ２０ａでは、ＡＤ変換部２２ｄに設けたバッファからＡＤ変換部２２ｄの出力を読み込み、期間Ｔｕにおいて、電波の到来方位を推定する演算を行った後、電波発信器１の座標位置を用いて測位装置２の座標位置を求める演算を行う。演算結果は存在方位算出部２６、配列判定部２７、出力判定部２８を構成するマイクロコンピュータ（図示せず）に転送される。図４では演算結果をマイクロコンピュータに転送する時間Ｔｖも示してある。ＤＳＰ２０ａからは、座標位置のほか、電波の到来方位と各素子アンテナ２１ａでの受信電力も出力される。

電波発信器１からの電波をアンテナ２１で受信してからＤＳＰ２０ａでの演算結果をマイクロコンピュータに転送するまでの時間は、たとえば２５０ｍｓであって、アンテナ２１を用いて電波発信器１からの電波を受信する期間は、この期間の一部であるから、４台の電波発信器１からの電波を順に受信しても、その期間には測位装置２の座標位置には実質的に変化がないとみなすことができる。つまり、実質的に同時刻に受信した４台の電波発信器１からの電波を用いて測位装置２の座標位置を求めていることになる。

測位装置２では、電波発信器１ごとに局発周波数を変化させる必要があるが、１台の電波発信器１からの電波の到来方位を検出する間にはアンテナ２１の受信条件を変化させる必要がないから、１台ずつの電波発信器１については電波の到来方位を実質的に同時刻とみなせる程度の短時間で推定することができる。つまり、測位装置２では、電波発信器１とアンテナ２１との相対位置が変動する場合があるが、各電波発信器１からの電波の到来方位を推定するのに必要なデータを収集する時間は短いから、電波の到来方位が変動しない程度の短時間で到来方位を推定することができる。

以下では、図５を用いて、測位処理部２５においてアンテナ２１の座標位置を求める技術についてさらに詳しく説明する。上述のように、ローカル座標系ｏ−ｘｙはアンテナ２１の中心に原点（ｏ）を設定してあり、測位処理部２５では絶対座標系Ｏ−ＸＹのＸＹ平面内での原点（ｏ）の座標位置（Ｘ，Ｙ）を求める。原点（ｏ）の座標位置（Ｘ，Ｙ）を求めるために用いることができる情報は、３台以上の電波発信器１の絶対座標系Ｏ−ＸＹでの座標位置と電波発信器１からの電波の到来方位である。ただし、ローカル座標系ｏ−ｘｙの原点（ｏ）の周りでの回転、つまりＸ軸とｘ軸とがなす角度は不明であるから、電波到来方位について絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける方位は求めることができない。絶対座標系Ｏ−ＸＹ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位の角度差になる。一方、絶対座標系Ｏ−ＸＹでの電波発信器１の位置は発信器座標記憶部２４に格納されているから、２個の電波発信器１からの電波の到来方位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位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２１の原点（ｏ）とを通る円周になる。

すなわち、３個の電波発信器１からの電波についてローカル座標系ｏ−ｘｙでの到来方位を検出すれば、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２１の原点（ｏ）が位置すると推定することができる。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２１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２１の位置になる。測位処理部２５は、上述の原理によって絶対座標系Ｏ−ＸＹにおけるアンテナ２１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。

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、ローカル座標系ｏ−ｘｙにおける各電波発信器１からの電波の到来方位も既知であるとする。図６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位の角度差（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位の角度差（円周角）をＢとする。

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２１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。

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、ローカル座標系ｏ−ｘｙにおける電波の到来方位φと、絶対座標系Ｏ−ＸＹ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ＸＹ平面内でのローカル座標系ｏ−ｘｙの回転角度θ（図３参照）、言い換えるとアンテナ２１の絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける方位を求めることができる。
θ＝Ａｒｃｔａｎ｛（Ｙ１−Ｙ）／（Ｘ１−Ｘ）｝−φ
以上のように、３個の電波発信器１からの電波の到来方位と各電波発信器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。

ところで、本実施形態の到来方位推定部２３では、アンテナ２１の出力を用いて各電波発信器１からの電波の到来方位を推定するために、以下に説明する相関行列Ｒｘｘを生成する。すなわち、到来方位推定部２３では、電波発信器１から送信される電波の各周波数ごとに時刻ｔ（実質的に同時刻とみなす）における４種類の受信出力ｘ_ｉ（ｔ）（ｉ＝１，２，３，４）が得られるから、受信出力ｘ_ｉ（ｔ）を成分に持つ数２のようなアレイ応答ベクトル［ｘ（ｔ）］を用いて数３に示す相関行列Ｒｘｘを生成することができる。ここに、各受信出力ｘ_ｉ（ｔ）は実数成分と虚数成分とを有している。また、［ｘ］はｘがベクトルであることを示す。なお、本実施形態のアンテナ２１はアレイアンテナであるから、受信出力ｘ_ｉ（ｔ）は、各素子アンテナ２１ａで同時刻に受信した出力の組合せであり、受信する位置が異なる複数個の出力を組み合わせたアレイ応答ベクトルで表される。

ただし、Ｅ［［ｘ］］はアンサンブル平均（期待値）を表す。また、Ｔは転置を表す。

相関行列Ｒｘｘを評価してローカル座標系ｏ−ｘｙにおける電波の到来方位を求める方法には、さまざまな方法が知られているが、本実施形態ではＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法を採用している。ＭＵＳＩＣ法では、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位を探し出す方法（誤差が数十度）に比較すると、電波の到来方位を検出する精度が大幅に高くなる（誤差が１〜２度）。

ＭＵＳＩＣ法では、相関行列Ｒｘｘの固有値の数から到来する電波の波数Ｌを推定する。また、相関行列Ｒｘｘの固有ベクトルにより到来方位φをパラメータとするＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_ＭＵ（φ）という数４で表される評価関数を求め、ＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_ＭＵ（φ）が極大になる到来方位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位を求める。数４は熱雑音電力に等しい固有値に対応する固有ベクトル｛ｅ_Ｌ＋１，…，ｅ_Ｋ｝を用いており、ＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_ＭＵ（φ）によりφに関するスペクトラムのＬ個のピークを探し｛φ_１，…，φ_Ｌ｝を求める。数４においてＥ_Ｎは固有ベクトル行列であり、ａ（φ）はアンテナ２１のアレイマニホールド、Ｈは共役転置を表す。

なお、電波の到来方位を求める際には上述のような演算式による演算を行わずに、アンテナ２１への電波の入射方位（到来方位）に対する各素子アンテナ２１ａの出力の組合せであるアレイ応答ベクトル［ｘ（ｔ）］（ＡＤ変換部２２ｄからＤＳＰ２０ａに入力される信号値の組）を規格化したパラメータと、電波の到来方位とを対応付けて格納したデータテーブルａ（φ）（アレイ応答ベクトルに相当するデータの集合であるから、アレイマニホールドと呼ぶ）を設けておき、到来方位推定部２３において、ＡＤ変換部２２ｄからアレイ応答ベクトル［ｘ（ｔ）］が入力されると、アレイマニホールドａ（φ）に照合することによって、電波の到来方位を推定する。

アンテナ２１を構成する個々の素子アンテナ２１ａの出力は、電波発信器１からの電波の到来方位だけではなく、電波発信器１との距離によっても変化するから、４個の素子アンテナ２１ａのうちの１個の素子アンテナ２１ａの出力を基準値とし、他の３個の素子アンテナ２１ａの出力を基準値で除算した値を規格化したパラメータとして用いる。したがって、データテーブルでは、１方位について６個（実数成分と虚数成分とが各３個）のパラメータを持つ。たとえば１度刻みで０〜３６０度の範囲のパラメータを対応付けておけばよい。このようなデータテーブルを用いると、アンテナ２１の出力から電波の到来方位を容易に求めることができる。

上述のようにして電波発信器１からの電波を受信することによって測位装置２の絶対座標を求めることができるが、電波の多重反射やノイズの存在によって、求めた絶対座標に異常値を生じることがある。そこで、本実施形態の測位装置２では、以下の構成によりこの種の問題を解決している。

上述したように、本実施形態では１回の動作で４台の電波発信器１からの電波を受信することができる。いま、電波発信器１と測位装置２とが図６に示す位置関係である場合を想定する。ここでは、各電波発信器１を区別するために添字１〜４を付加する。すなわち、４台の電波発信器１_１〜１_４が時計回りに配列されており、各電波発信器１_１〜１_４について、ローカル座標系ｏ−ｘｙでの電波の到来方位がそれぞれφ_１〜φ_４であるものとする。また、図示例では、絶対座標系Ｏ−ＸＹに対するローカル座標系ｏ−ｘｙの回転角度をθで表している。

４台の電波発信器１_１〜１_４からの電波をアンテナ２１で受信している状態であっても、測位処理部２５では３台の電波発信器１からの電波を受信していればよいから、４台の電波発信器１_１〜１_４について３台ずつ４通りの組を考えることができる。すなわち、電波発信器１_１，１_２，１_３の組と、電波発信器１_１，１_２，１_４の組と、電波発信器１_１，１_３，１_４の組と、電波発信器１_２，１_３，１_４の組との４通りの組である。以下では、組を表す場合に添字のみを用いて（１２３）のように表記する。

絶対座標系Ｏ−ＸＹにおいて、組（１２３）の電波発信器１を用いて得られる座標位置を（Ｘ_１２３、Ｙ_１２３）で表すとすると、他の組（１２４）（１３４）（２３４）については、（Ｘ_１２４、Ｙ_１２４）（Ｘ_１３４、Ｙ_１３４）（Ｘ_２３４、Ｙ_２３４）と表される。ここで、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける各電波発信器１_１〜１_４に関する既知の座標位置を、それぞれ（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）（ｉ＝１，２，３，４）とし、測位処理部２５で求めた４通りの座標位置（Ｘ_ｔ，Ｙ_ｔ）（ｔ＝１２３，１２４，１３４，２３４）から見たローカル座標系ｏ−ｘｙにおける各電波発信器１_１〜１_４の方位を、それぞれφ_ｔ，ｉで表すとする。例を示すと、電波発信器１_１〜１_３を用いて求めた座標位置（Ｘ_１２３，Ｙ_１２３）から見たローカル座標系ｏ−ｘｙにおける電波発信器１_１の方位はφ_{１２３，１}になる。

したがって、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおいては、次式の関係が成立する。なお、ローカル座標系ｏ−ｘｙの回転角度θも組ごとに求められるから、θ_ｔで表している。
φ_{１２３，１}＝Ａｒｃｔａｎ｛（Ｙ_１−Ｙ_１２３）／（Ｘ_１−Ｘ_１２３）｝−θ_ｔ
一般化すれば、ｔ＝１２３，１２４，１３４，２３４、ｉ＝１，２，３，４について、次式が成立する。
φ_ｔ，ｉ＝Ａｒｃｔａｎ｛（Ｙ_ｉ−Ｙ_ｔ）／（Ｘ_ｉ−Ｘ_ｔ）｝−θ_ｔ
このようにして求めたφ_ｔ，ｉは測位処理部２５で求めた座標位置（Ｘ_ｔ，Ｙ_ｔ）から各電波発信器１_ｉを見た存在方位であって、測位処理部２５で求めた座標位置（Ｘ_ｔ，Ｙ_ｔ）と発信器座標記憶部２４に記憶した電波発信器１_ｉの位置とを用いて各電波発信器１_ｉからの電波の到来方位を逆算することで求められる。

配列判定部２７では、到来方位φ_ｉと存在方位φ_ｔ，ｉとを照合することにより、電波発信器１から電波を適正に受信しているか否かを評価ないし検証する。たとえば、組（１２３）の電波発信器１について到来方位φ_１，φ_２，φ_３を検証するには、各到来方位φ_１，φ_２，φ_３から求めた座標位置（Ｘ_１２３，Ｙ_１２３）を求め、さらに、この座標位置（Ｘ_１２３，Ｙ_１２３）から座標位置が既知である電波発信器１_ｉ（ｉ＝１，２，３）を見込む方位である存在方位φ_{１２３，１}，φ_{１２３，２}，φ_{１２３，３}を求め、到来方位φ_１，φ_２，φ_３と存在方位φ_{１２３，１}，φ_{１２３，２}，φ_{１２３，３}とを照合する。

到来方位φ_１，φ_２，φ_３はローカル座標系ｏ−ｘｙで求められており、存在方位φ_{１２３，１}，φ_{１２３，２}，φ_{１２３，３}は絶対座標系Ｏ−ＸＹで求められるから、照合にあたっては、到来方位φ_１，φ_２，φ_３を絶対座標系Ｏ−ＸＹでの値に角度変換しておく。角度変換後には、互いに対応する到来方位φ_１，φ_２，φ_３と存在方位φ_{１２３，１}，φ_{１２３，２}，φ_{１２３，３}との差分の絶対値（たとえば、｜φ_１−φ_{１２３，１}｜）をそれぞれ閾値（たとえば、１〜２度に設定する）と比較し、差分の絶対値がいずれも閾値を超えなければ、到来方位φ_１，φ_２，φ_３と存在方位φ_{１２３，１}，φ_{１２３，２}，φ_{１２３，３}とは整合していると判断すればよい。

到来方位φ_１，φ_２，φ_３と存在方位φ_{１２３，１}，φ_{１２３，２}，φ_{１２３，３}とを照合して整合性を判定する方法として、差分の絶対値を個々に閾値と比較するほか、差分の二乗和を閾値と比較する方法を採用してもよい。あるいはまた、互いに対応する２個ずつの電波発信器１_１，１_２，１_３について、到来方位φ_１，φ_２，φ_３と存在方位φ_{１２３，１}，φ_{１２３，２}，φ_{１２３，３}との角度差（たとえば、φ_１−φ_２、φ_{１２３，１}−φ_{１２３，２}）をそれぞれ求め、角度差同士の差分の絶対値を閾値と比較してもよい。この場合には、到来方位φ_１，φ_２，φ_３の角度変換が不要である。

なお、到来方位φ_ｉと存在方位φ_ｔ，ｉとの角度を評価するだけではなく、到来方位φ_ｉによって得られる電波発信器１_１，１_２，１_３の並び順と、存在方位φ_ｔ，ｉによって得られる電波発信器１_１，１_２，１_３の並び順との一致を併せて評価してもよい。図６によれば、組（１２３）では電波を適正に受信しているときには、右回りに１→３→２、３→２→１、２→１→３のいずれかの順で到来方位φ_１，φ_２，φ_３が増加しなければならない。したがって、配列判定部２７では、この関係が満たされないときには不一致と判定する。

上述のようにして到来方位φ_１，φ_２，φ_３と存在方位φ_{１２３，１}，φ_{１２３，２}，φ_{１２３，３}とを照合することにより、両者に幾何学的な矛盾がなく整合していると判定した場合には、当該３個の電波発信器１_ｉを用いて求めた測位結果を採用することができる。一方、整合していない（もしくは不一致）と判定された場合には、電波を適正に受信していない測位結果と判断する。つまり、配列判定部２７は、到来方位φ_ｉと存在方位φ_ｔ，ｉとを照合し、整合性を判定する。整合性の判定は３台ずつの電波発信器１_ｉの各組（１２３）（１２４）（１３４）（２３４）について行う。

配列判定部２７において評価された電波発信器１_ｉの整合性の判定結果は、出力判定部２８に与えられる。出力判定部２８では、到来方位φ_ｉと存在方位φ_ｔ，ｉとが整合していない組から得られた測位結果は除外する。

また、４通りの組のすべてについて整合していると判定した場合は、すべての組について得られた測位結果（絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける座標位置）の平均値を求め、この平均値を測位結果として採用する。また、１組または２組が除外された場合には、３組または２組の測位結果が残るが、そのうち電波の受信電力が最小になる電波発信器１を含む組を除外し、残りの電波発信器１を用いて得られた測位結果を採用する。ただし、３組の測位結果について共通する電波発信器１から受信する電波の受信電力が最小であるときには、３組の測位結果の平均値を採用する。２組の測位結果を用いる場合も同様である。

出力判定部２８では、配列判定部２７において到来方位φ_ｉと存在方位φ_ｔ，ｉとが１通りの組についてしか整合しなかった場合には、その測位結果を採用し、どの組についても整合しなければ測位不能であるから、測位不能を通知する出力を発生する。

上述の動作を具体例を用いて説明する。いま、電波発信器１_ｉについて、座標位置と電波の到来方位φ_ｉと受信強度（単位はｄＢ）とが表１のように得られているものとする（到来方位φ_ｉは絶対座標系Ｏ−ＸＹでの角度に角度変換してある）。

また、測位結果としてローカル座標系ｏ−ｘｙの原点（ｏ）の座標位置（Ｘ_ｔ，ｉ，Ｙ_ｔ，ｉ）およびローカル座標系ｏ−ｘｙの回転角度θ_ｔが表２のように得られているものとする。

表１と表２との数値を用いて存在方位φ_ｔ，ｉを求めると、表３のようになる（なお、φ_ｔ，ｉを求める計算には上述したようにＡｒｃｔａｎが含まれており、Ａｒｃｔａｎの通常の値域は０〜１８０度の範囲であるが、表３では値域を０〜３６０度に拡張し計算結果を四捨五入している）。

表１の到来方位φ_ｉと表３の各存在方位φ_ｔ，ｉとを比較すると、（１３４）の組によって求められた存在方位φ_{１３４，３}は２２８度であって、対応する到来方位φ_３は４８度であるから、到来方位φ_３と存在方位φ_{１３４，３}とは整合していないと言える
表２の座標位置（Ｘ_ｔ，Ｙ_ｔ）をプロットした状態を図７に示す。図７において◆に数字１〜４を付した座標位置は各電波発信器１_１〜１_４を示し、×に数字を付した座標位置は測位結果により得られた座標位置（Ｘ_ｔ，Ｙ_ｔ）を示す。図から明らかなように、（１３４）の組によって求めた座標位置（Ｘ_１３４，Ｙ_１３４）は、他の座標位置とは大きく異なっているから、この組は採用できないことが図からもわかる。

ところで、上述の例では４台の電波発信器１からの電波を受信可能な状態において、３台ずつの電波発信器１を用いて４通りの測位を行っているから、１台の電波発信器１からの電波の到来方位が正常に検出されていない場合には、当該到来方位を用いて測位する３通りの測位結果について測位結果が異常になると考えられる。つまり、正常な測位結果が得られるのは１通り以下になる。

また、すべての電波の到来方位が正常であっても受信強度が小さいときにはノイズ成分の存在によって到来方位の推定値に誤差を生じやすくなる。そこで、出力判定部２８において上述した判定を行い、受信強度も加味した判定を行うことにより、測位結果の信頼性を高めることができる。

アンテナ２１としては、素子アンテナ２１ａが４素子であるアレイアンテナを用いているが、モノポールである励振素子（素子アンテナ）の周囲に複数本の非励振素子（パラサイト素子）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）を用いてもよい。パラサイト負荷切替型アンテナはパラサイト素子のリアクタンスを切り換えて異なる時刻に受信した出力をアンテナの応答ベクトルに用いるから、応答ベクトルの成分は時間のずれを持つことになるが、この時間は短時間であるから同時刻に得た成分とみなすことができる。パラサイト負荷切替型アンテナをアンテナ２１に用いる場合には、パラサイト素子のリアクタンスを切り替えるためのリアクタンス切替部を測位装置２に設ける必要がある。もっとも、測位装置２ではアンテナ２１の位置が時々刻々変化するから、パラサイト負荷切替型アンテナのように各パラサイト素子のリアクタンスを順次切り換えることによってアレイ応答ベクトルを求めるアンテナよりも、上述したアレイアンテナのほうが現在位置の測定誤差を少なくすることができる。

なお、上述した構成例では４台の電波発信器１を用いているが、５台以上の電波発信器１を用いて同様の処理を行うことも可能である。４台の電波発信器１についての組の個数は_４Ｃ_３であるから４通りであるが、Ｎ台の電波発信器１についての組の個数は_ＮＣ_３になる。

上述した実施形態では、混合回路２２ｂにおいてＩＱ分離を行っているが、ＡＤ変換部２２ｄによるＡＤ変換後にＩＱ分離を行うようにしてもよい。この場合、ＤＳＰ２０ａにおいてソフトウェアを用いてＩＱ分離を行うから、ＡＤ変換部２２ｄにおいて実数成分と虚数成分とを個別に扱う必要がなく、ハードウェアの構成は簡単になる。

本発明の実施形態を示すブロック図である。 同上における位置検出器の一部の構成例を示すブロック図である。 同上の原理説明図である。 同上の動作説明図である。 同上における位置の求め方を示す原理説明図である。 同上における電波発信器との位置関係の一例を示す図である。 同上の動作例を示す図である。

符号の説明

１ 電波発信器
２ 測位装置
２０ａ ＤＳＰ
２０ｂ 内部メモリ
２１ アンテナ
２２ 信号処理回路部
２２ａ アッテネータ
２２ｂ 混合回路
２２ｃ 局部発振回路
２２ｄ ＡＤ変換部
２３ 到来方位推定部
２４ 発信器座標記憶部
２５ 測位処理部
２６ 存在方位算出部
２７ 配列判定部
２８ 出力判定部

Claims (4)

1. 平面内で規定した絶対座標系における座標位置を既知位置に配置された３台以上の電波発信器からの電波の到来方位を用いて検出する測位方法であって、４台以上の電波発信器からの電波を受信しているときに、各３台の電波発信器を組にし各組ごとに、各電波発信器からの電波の到来方位を用いて求めた座標位置から既知の電波発信器を見込むときの各電波発信器の存在方位を求め、かつ到来方位と存在方位とを照合し、到来方位と存在方位とが整合すると判定された電波発信器の組から得られた座標位置を採用することを特徴とする測位方法。
2. 到来方位と存在方位とが整合すると判定された電波発信器の組が２組または３組の場合には、受信電力が最小である電波発信器を含む組から得られた座標位置を除外した残りの座標位置を採用することを特徴とする請求項１記載の測位方法。
3. 到来方位と存在方位とが整合すると判定された電波発信器の組が４組以上の場合には、一致度が規定値以上と判定された電波発信器の組から得られた座標位置の平均を座標位置として出力することを特徴とする請求項１または請求項２記載の測位方法。
4. 平面内で規定した絶対座標系における座標位置を既知位置に配置された３台以上の電波発信器からの電波の到来方位を用いて検出する測位装置であって、電波発信器からの電波を受信しアレイ応答ベクトルを出力するアンテナと、アレイ応答ベクトルを用いてローカル座標系における電波の到来方位を推定する到来方位推定部と、絶対座標系における電波発信器の位置を記憶した発信器座標記憶部と、到来方位推定部で推定した電波の到来方位と発信器座標記憶部が記憶している電波発信器の座標位置とを用いて絶対座標系における座標位置を求める測位処理部と、測位処理部で求めた座標位置と発信器座標記憶部に記憶した電波発信器の位置とを用いて各電波発信器からの電波の到来方位を逆算した各電波発信器の存在方位を求める存在方位算出部と、４台以上の電波発信器からの電波をアンテナで受信しているときに、各３台の電波発信器を組にし各組ごとに、到来方位推定部で推定した到来方位と存在方位算出部で求めた存在方位とを照合する配列判定部と、配列判定部により到来方位と存在方位とが整合すると判定された電波発信器の組から測位処理部で得られた座標位置を採用する出力判定部とを備えることを特徴とする測位装置。

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