JP2008128726A - Positioning system, device and method using particle filter - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positioning method and a system having high accuracy by reducing an influence of a multipath. <P>SOLUTION: In one execution form, a terminal 40 radiates a prescribed signal, and a plurality of nodes 41-44 whose position information is known receive the signal, and record each reception time. A positioning signal processing part 46 determines a reception time difference between each node from each reception time, and corrects the reception time difference by using the first particle filters 81-1 to 6. Then, a terminal position is estimated from the corrected reception time difference and the position information of each node by using the second particle filter in a position estimation part 82. An influence of the multipath in a non-viewable environment is reduced by using the particle filters, thereby enable highly accurate positioning. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、ネットワークにおける端末の位置検出に関する。より具体的には、本発明は、センサネットワークにおいて、階層型粒子フィルタを用いて端末の位置を推定する技術に関する。   The present invention relates to terminal position detection in a network. More specifically, the present invention relates to a technique for estimating the position of a terminal using a hierarchical particle filter in a sensor network.

従来、地上の位置を決定する手段として最も一般的な方法は、GPS(Global Positioning System)である。これは、図1に示すように、受信機(例えば、車両10)が地球を周回する軌道上の3個以上の衛星11〜14から放射されるマイクロ波を受信し、各衛星との擬似距離により受信機の3次元的な位置を決定するものである。このようなGPS測位装置は、例えば特許文献1に開示されている。GPSはその性質上、広い場所での位置の確定を目的としたものであり、衛星からの電波が届かない室内(例えば、端末15)では使用することができない。   Conventionally, the most common method for determining the position on the ground is GPS (Global Positioning System). This is because, as shown in FIG. 1, a receiver (for example, a vehicle 10) receives microwaves radiated from three or more satellites 11 to 14 in an orbit around the earth, and a pseudorange with each satellite. To determine the three-dimensional position of the receiver. Such a GPS positioning device is disclosed in Patent Document 1, for example. The GPS is intended to determine the position in a wide place because of its nature, and cannot be used in a room (for example, the terminal 15) where radio waves from the satellite do not reach.

GPSなどの衛星システムを用いずに、電波の到来時間差(TDOA:Time Difference of Arrival)を利用した測位システムが特許文献2に説明されている。これは、図2に示すように、位置が未知である発信機(例えば、移動端末20)から発信される電波を、位置が既知である受信機(例えば、基地局21〜24)が受信し、各受信機での受信時刻の差を計測して発信機の位置を推定する技術である。また、この技術は、図3に示すユビキタスセンサネットワークのように、衛星からの電波が届かず、GPS技術を利用することができない室内環境(例えば、医療、オフィス、家庭環境)においても使用することができる。   Patent Document 2 describes a positioning system that uses a time difference of arrival (TDOA) without using a satellite system such as GPS. As shown in FIG. 2, this is because a receiver (for example, base stations 21 to 24) whose position is known receives radio waves transmitted from a transmitter (for example, mobile terminal 20) whose position is unknown. This is a technique for estimating the position of a transmitter by measuring the difference in reception time at each receiver. This technology should also be used in indoor environments (for example, medical, office, and home environments) where the radio wave from the satellite does not reach and GPS technology cannot be used, such as the ubiquitous sensor network shown in FIG. Can do.

TDOAを利用した測位では、図2に示すように、未知の座標[x,y,z]に位置する端末20からの信号を複数の基地局21〜24で受信する。各基地局の座標[x,y,z](図2では、iは1から4の整数)は既知であるとし、基地局と端末の時刻同期がとれない環境を考える。図2のセルラーシステムや、図3のユビキタスネットワークなどでは、非同期環境が想定されることが多い。このような非同期環境においては、各基地局での受信時刻差(TDOA)t−tを利用して測位を行う。具体的には、2つの基地局[x,y,z]、[x,y,z]および端末[x,y,z]の座標の関係は、TDOA情報を用いて次式で表される。
(1) c・(t−t)=d−d
ここで、cは光速であり、dは端末から基地局までの距離を表し、次式のように定義される。
In positioning using TDOA, as shown in FIG. 2, a plurality of base stations 21 to 24 receive signals from the terminal 20 located at unknown coordinates [x p , y p , z p ]. Assume that the coordinates [x i , y i , z i ] of each base station are known (in FIG. 2, i is an integer from 1 to 4), and the time between the base station and the terminal cannot be synchronized. In the cellular system of FIG. 2 and the ubiquitous network of FIG. 3, an asynchronous environment is often assumed. In such an asynchronous environment, positioning is performed using a reception time difference (TDOA) t i −t j at each base station. Specifically, the relationship between the coordinates of two base stations [x i , y i , z i ], [x j , y j , z j ] and the terminal [x p , y p , z p ] is TDOA information. Is represented by the following formula.
(1) c · (t i −t j ) = d i −d j
Here, c is the speed of light, d i represents the distance from the terminal to the base station, and is defined as the following equation.

Figure 2008128726
Figure 2008128726

式(1)および(2)で表される関係式は、基地局のペアの数だけ成り立つため、それらの非線形連立方程式を解くことで、端末の座標[x,y,z]を推定することができる。 Since the relational expressions represented by the equations (1) and (2) are established by the number of pairs of base stations, the coordinates [x p , y p , z p ] of the terminal are obtained by solving these nonlinear simultaneous equations. Can be estimated.

しかし、実際問題として、観測値にはノイズが含まれるため、測位にあたっては近似的な値を推定することとなる。ノイズ源としては、基地局の受信機での熱雑音やクロックのオフセットに加え、電波が端末から見通し外(NLOS:None Line of Sight)の伝搬路を通って到来するマルチパスによる影響が挙げられる。近似値の導出方法としては、非特許文献1および2にNewton法(Taylor−Series−Algorithmとも称される)が紹介されているが、この方法は、NLOS伝搬路に起因するマルチパス問題に脆弱であるという問題がある。   However, as an actual problem, since the observed value includes noise, an approximate value is estimated for positioning. As noise sources, in addition to thermal noise and clock offset at the receiver of the base station, there are effects due to multipath in which radio waves arrive from the terminal through a non-line-of-sight (NLOS) propagation path. . As an approximate value derivation method, Non-Patent Documents 1 and 2 introduce the Newton method (also called Taylor-Series-Algorithm), but this method is vulnerable to the multipath problem caused by the NLOS propagation path. There is a problem that.

TDOA型測位における近似的な解の導出方法として、非特許文献3では、マルチパス伝搬路をモデル化し、最適な到来時間を推定する測位方法が紹介されている。この方法は、伝搬路のモデル化が正確に行える場合に有効であることが知られている。   As a method for deriving an approximate solution in TDOA type positioning, Non-Patent Document 3 introduces a positioning method that models a multipath propagation path and estimates an optimal arrival time. This method is known to be effective when the propagation path can be accurately modeled.

特許第3643874号明細書Japanese Patent No. 3634874 米国特許第5327144号明細書US Pat. No. 5,327,144 W. H. Foy, “Position-Location Solutions by Taylor-Series Estimation,” IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., vol. AES-12, no. 2, pp. 187-194, Mar., 1976.W. H. Foy, “Position-Location Solutions by Taylor-Series Estimation,” IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., Vol. AES-12, no. 2, pp. 187-194, Mar., 1976. H. Kong, Y. Kwon and T. Sung, “Comparisons of TDOA Triangulation Solutions for Indoor Positioning,” in Proc. International Symposium on GNSS, December, 2004.H. Kong, Y. Kwon and T. Sung, “Comparisons of TDOA Triangulation Solutions for Indoor Positioning,” in Proc. International Symposium on GNSS, December, 2004. 川端 学,朝生 雅人,斎川 貴彦,服部 武,“セルラーシステムにおける最ゆう推定法に基づくTDOAシステムの位置検出性能評価,” 電子情報通信学会論文誌(B),vol.J87−B,no.2,pp.285−291,February,2004.Manabu Kawabata, Masato Asao, Takahiko Saikawa, Takeshi Hattori, “Position detection performance evaluation of TDOA system based on maximum likelihood estimation method in cellular system,” IEICE Transactions (B), vol. J87-B, no. 2, pp. 285-291, February, 2004.

しかしながら、従来の技術には次のような問題があった。すなわち、従来技術では、GPSのような外部システムに依存したものが多く、装置コストが増大するだけでなく、GPS信号の届かない屋内環境では使用できないという問題があった。また、従来技術では、発信機と受信機の間の伝搬路が見通し外の場合、複数の伝搬路によって電波が到来するマルチパスの影響を受け、測位精度が劣化するという問題があった。マルチパスによる測位精度の劣化を補償するために、従来技術では、マルチパス伝搬路を正確にモデル化して推定を行っていた。しかし、現実問題として、伝搬路の正確なモデル化は難しく、演算量の増大も招いていた。また、従来技術では、精度を向上させるために、数多くの受信機を使って測位を行っている。   However, the conventional technique has the following problems. In other words, the conventional technology often depends on an external system such as GPS, which not only increases the cost of the apparatus, but also cannot be used in an indoor environment where GPS signals do not reach. Further, in the related art, when the propagation path between the transmitter and the receiver is out of line of sight, there is a problem that the positioning accuracy is deteriorated due to the influence of multipath in which radio waves arrive through a plurality of propagation paths. In order to compensate for the degradation of positioning accuracy due to multipath, the conventional technique performs estimation by accurately modeling a multipath propagation path. However, as a practical problem, it is difficult to accurately model the propagation path, and the amount of computation is increased. In the prior art, positioning is performed using a number of receivers in order to improve accuracy.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、マルチパスの影響を低減し、精度の高い測位方法およびシステムを提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a positioning method and system with high accuracy by reducing the influence of multipath.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、端末の位置を推定するシステムであって、所定の信号を放射する端末と、位置情報が既知である複数のノードであって、前記所定の信号を受信し、受信時刻を計測する複数のノードと、各ノードから前記受信時刻を受信して、各ノード間の受信時刻差を求め、前記受信時刻差および各ノードの位置情報から前記端末の位置を推定する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、第1の粒子フィルタを用いて前記受信時刻差を補正することを特徴とする。   In order to achieve such an object, the present invention provides a system for estimating a position of a terminal, wherein the terminal radiates a predetermined signal and a plurality of position information are known. A plurality of nodes that receive the predetermined signal and measure the reception time, receive the reception time from each node, obtain a reception time difference between the nodes, and determine the reception time difference and A signal processing unit that estimates the position of the terminal from position information of each node, wherein the signal processing unit corrects the reception time difference using a first particle filter.

また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のシステムであって、前記信号処理部は、第2の粒子フィルタを用いて前記補正した受信時刻差および各ノードの位置情報から前記端末の位置を推定することを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the system according to claim 1, wherein the signal processing unit is configured to calculate the reception time difference corrected by using a second particle filter and the position information of each node. The terminal position is estimated.

また、請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載のシステムであって、前記第1の粒子フィルタは、前記受信時刻差の時間変化が一定であるとしてモデル化されていることを特徴とする。   The invention according to claim 3 is the system according to claim 1 or 2, wherein the first particle filter is modeled as a time change of the reception time difference is constant. It is characterized by.

また、請求項4に記載の発明は、位置情報が既知である複数のノードを含むネットワークにおける端末の位置を推定する装置であって、端末と各ノード間の信号の受信時刻差を得る手段と、第1の粒子フィルタを用いて前記受信時刻差を補正する手段と、前記補正した受信時刻差および各ノードの位置情報から前記端末の位置を推定する手段とを備えたことを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an apparatus for estimating a position of a terminal in a network including a plurality of nodes whose position information is known, and means for obtaining a signal reception time difference between the terminal and each node; And means for correcting the reception time difference using the first particle filter, and means for estimating the position of the terminal from the corrected reception time difference and position information of each node.

また、請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の装置であって、前記推定する手段は、第2の粒子フィルタを用いて前記補正した受信時刻差および各ノードの位置情報から前記端末の位置を推定することを特徴とする。   The invention according to claim 5 is the apparatus according to claim 4, wherein the means for estimating is based on the reception time difference corrected using the second particle filter and the position information of each node. The terminal position is estimated.

また、請求項6に記載の発明は、請求項4または5に記載の装置であって、前記第1の粒子フィルタは、前記受信時刻差の時間変化が一定であるとしてモデル化されていることを特徴とする。   The invention according to claim 6 is the apparatus according to claim 4 or 5, wherein the first particle filter is modeled on the assumption that the time change of the reception time difference is constant. It is characterized by.

また、請求項7に記載の発明は、端末の位置を推定する方法であって、端末が所定の信号を放射することと、位置情報が既知である複数のノードが前記所定の信号を受信し、受信時刻を計測することと、各ノードの受信時刻から各ノード間の受信時刻差を求めることと、第1の粒子フィルタを用いて前記受信時刻差を補正することと、前記補正した受信時刻差および各ノードの位置情報から前記端末の位置を推定することとを備えることを特徴とする。   The invention according to claim 7 is a method for estimating the position of a terminal, wherein the terminal radiates a predetermined signal, and a plurality of nodes whose position information is known receive the predetermined signal. Measuring the reception time, obtaining the reception time difference between the nodes from the reception time of each node, correcting the reception time difference using a first particle filter, and correcting the reception time Estimating the position of the terminal from the difference and position information of each node.

また、請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の方法であって、前記端末の位置を推定することは、第2の粒子フィルタを用いて前記補正した受信時刻差および各ノードの位置情報から前記端末の位置を推定することを特徴とする。   The invention according to claim 8 is the method according to claim 7, wherein estimating the position of the terminal is performed by using the second particle filter to correct the received reception time difference and each node. The position of the terminal is estimated from position information.

また、請求項9に記載の発明は、位置情報が既知である複数のノードを含むネットワークにおける端末の位置を推定するための方法であって、端末と各ノード間の信号の受信時刻差を得ることと、第1の粒子フィルタを用いて前記受信時刻差を補正することと、前記補正した受信時刻差および各ノードの位置情報から前記端末の位置を推定することを備えることを特徴とする。   The invention according to claim 9 is a method for estimating a position of a terminal in a network including a plurality of nodes whose position information is known, and obtains a reception time difference of a signal between the terminal and each node. And correcting the reception time difference using a first particle filter, and estimating the position of the terminal from the corrected reception time difference and position information of each node.

また、請求項10に記載の発明は、請求項9に記載の方法であって、前記推定することは、第2の粒子フィルタを用いて前記補正した受信時刻差および各ノードの位置情報から前記端末の位置を推定することを特徴とする。   The invention according to claim 10 is the method according to claim 9, wherein the estimation is performed based on the reception time difference corrected using the second particle filter and the position information of each node. The terminal position is estimated.

本発明によれば、GPSに依存しない測位システムの実現が可能となる。具体的には、各ノード(基地局)の座標情報が既知であるという条件のもと、GPSに依存することなく移動端末の位置推定が実現可能となる。   According to the present invention, it is possible to realize a positioning system that does not depend on GPS. Specifically, the position estimation of the mobile terminal can be realized without depending on GPS under the condition that the coordinate information of each node (base station) is known.

また、本発明によれば、見通し外環境、特にマルチパスの問題に対する耐性が得られる。本発明は、見通し環境および見通し外環境のいずれにおいても何等の変更なく適用することができ、特に、見通し外環境において従来の方式に比べて優れた測位精度を発揮する。   Further, according to the present invention, resistance to an out-of-sight environment, particularly a multipath problem can be obtained. The present invention can be applied without any change in both the line-of-sight environment and the non-line-of-sight environment, and in particular, exhibits excellent positioning accuracy in the non-line-of-sight environment as compared with the conventional method.

また、本発明によれば、伝搬路モデルを必要とすることなく精度の良い測位システムが可能となる。すなわち、数学モデル・確率モデルによって表される伝搬路特性が未知な状況においても測位が可能である。本発明の一実施形態では、「観測情報の時間変化は一定である」という非常にシンプルな前提条件をおくことで、マルチパスの影響を軽減することができる。   In addition, according to the present invention, an accurate positioning system is possible without requiring a propagation path model. That is, positioning is possible even in situations where the propagation path characteristics represented by the mathematical model / probability model are unknown. In one embodiment of the present invention, the effect of multipath can be reduced by setting a very simple precondition that “the time change of observation information is constant”.

また、本発明によれば、測位システムのコストを削減できるという効果もある。測位精度が向上する分、ノードの数を減らすことができる。また、階層型の構成をとることによって、測位信号処理を分散させることが可能である。すなわち、第1層の処理を各ノードで行い、第2層の処理を測位サーバで実施するといった分散処理が実現できる。このような信号処理の負担の軽減は、ハードウェア的な制約の大きいセンサネットワークなどで特に有効である。   Moreover, according to this invention, there also exists an effect that the cost of a positioning system can be reduced. Since the positioning accuracy is improved, the number of nodes can be reduced. Further, the positioning signal processing can be distributed by adopting a hierarchical configuration. That is, it is possible to realize distributed processing in which the processing of the first layer is performed at each node and the processing of the second layer is performed by the positioning server. Such a reduction in signal processing burden is particularly effective in a sensor network or the like that has large hardware restrictions.

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。この実施形態では、主にセンサネットワークでの測位について説明するが、本発明は、センサネットワークに限らず、セルラー、その他のネットワークにも適用することができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In this embodiment, positioning in the sensor network will be mainly described. However, the present invention is not limited to the sensor network, but can be applied to cellular and other networks.

(システムモデルおよび測位プロセス)
図4に、センサネットワークにおける測位システムのシステムモデルを示す。このシステムモデルは、位置が未知のタグ40と、位置が既知のノード41〜44とから構成されている。測位信号処理部46は、例えばセンサネットワークの測位サーバに実装され、ノード41〜44からの受信時刻情報t〜tに基づいてTDOA情報を求め、タグ40の位置を推定する。
(System model and positioning process)
FIG. 4 shows a system model of a positioning system in the sensor network. This system model includes a tag 40 whose position is unknown and nodes 41 to 44 whose positions are known. The positioning signal processing unit 46 is mounted on a positioning server of a sensor network, for example, obtains TDOA information based on the reception time information t 1 to t 4 from the nodes 41 to 44, and estimates the position of the tag 40.

図5に、図4のシステムモデルに基づく従来の測位プロセスの一例を示す。この測位プロセスでは、タグ40が所定の信号を送信し(ステップ502)、各ノード41〜44がタグ40から送信された信号を受信し、受信時刻を記録する(ステップ504)。この受信時刻に関する情報は、各ノードから測位信号処理部46へ転送され、そこで各ノード間の受信時刻差(TDOA)が算出される(ステップ506)。測位信号処理部46は、算出したTDOA情報を用いてニュートン法によるタグ40の位置推定を行う(ステップ508)。   FIG. 5 shows an example of a conventional positioning process based on the system model of FIG. In this positioning process, the tag 40 transmits a predetermined signal (step 502), each of the nodes 41 to 44 receives the signal transmitted from the tag 40, and records the reception time (step 504). Information regarding this reception time is transferred from each node to the positioning signal processing unit 46, where a reception time difference (TDOA) between the nodes is calculated (step 506). The positioning signal processing unit 46 estimates the position of the tag 40 by the Newton method using the calculated TDOA information (step 508).

これに対して、図6に、図4のシステムモデルに基づく本発明の測位プロセスの一例を示す。この測位プロセスでは、タグ40が所定の信号を送信し(ステップ602)、各ノード41〜44がタグ40から送信された信号を受信し、受信時刻を記録する(ステップ604)。この受信時刻に関する情報は、各ノードから測位信号処理部46へ転送され、そこで各ノード間の受信時刻差が算出される(ステップ606)。測位信号処理部46は、算出したTDOA情報を粒子フィルタ(PF:Particle Filter)で処理し、伝搬路のマルチパスによる誤差を補正する(ステップ608)。測位信号処理部46は、補正したTDOA情報を用いて粒子フィルタによるタグ40の位置推定を行う(ステップ610)。   In contrast, FIG. 6 shows an example of the positioning process of the present invention based on the system model of FIG. In this positioning process, the tag 40 transmits a predetermined signal (step 602), each of the nodes 41 to 44 receives the signal transmitted from the tag 40, and records the reception time (step 604). Information regarding this reception time is transferred from each node to the positioning signal processing unit 46, where a reception time difference between the nodes is calculated (step 606). The positioning signal processing unit 46 processes the calculated TDOA information with a particle filter (PF) and corrects an error due to multipath in the propagation path (step 608). The positioning signal processing unit 46 estimates the position of the tag 40 using a particle filter using the corrected TDOA information (step 610).

図7に、従来のニュートン法を用いた測位信号処理部の構成例を示す。この測位信号処理部46は、各ノードからの受信時刻情報(t〜t)を格納するバッファ47−1〜4と、各ノード間の受信時刻差を算出するTDOA算出部48−1〜4と、各ノードの位置情報を格納したメモリ49と、算出したTDOA情報および各ノードの位置情報からニュートン法によるタグ40の位置推定を実行するニュートン法位置推定部70とから構成されている。一般に、TDOA算出部48−1〜4で得られたTDOA情報には観測誤差が含まれている。従来のニュートン法を用いた測位では、この誤差に対して何の補正を行うことなく位置推定を行うため、推定精度が劣化するという問題がある。特に、ニュートン法は、測定誤差の勾配を最小にするような線形探索を実行するアルゴリズムであるため、誤差の大きい観測値の影響を受けやすい。 FIG. 7 shows a configuration example of a positioning signal processing unit using a conventional Newton method. This positioning signal processing unit 46 includes buffers 47-1 to 4-4 that store reception time information (t 1 to t 4 ) from each node, and TDOA calculation units 48-1 to 48-1 that calculate reception time differences between the nodes. 4, a memory 49 that stores the position information of each node, and a Newton method position estimation unit 70 that performs position estimation of the tag 40 by the Newton method from the calculated TDOA information and the position information of each node. In general, the TDOA information obtained by the TDOA calculation units 48-1 to 48-4 includes an observation error. In the positioning using the conventional Newton method, there is a problem that the estimation accuracy deteriorates because position estimation is performed without any correction for this error. In particular, the Newton method is an algorithm that performs a linear search that minimizes the gradient of the measurement error, and is therefore susceptible to observations with large errors.

次に、図8に、本発明の一実施形態による測位信号処理部の構成例を示す。この測位信号処理部46は、各ノードからの受信時刻情報(t〜t)を格納するバッファ47−1〜4と、各ノード間の受信時刻差を算出するTDOA算出部48−1〜4と、各ノードの位置情報を格納したメモリ49と、算出したTDOA情報の補正を行う粒子フィルタ81−1〜6と、補正したTDOA情報および各ノードの位置情報から粒子フィルタによるタグ40の位置推定を実行するPF位置推定部82とから構成されている。本発明の一実施形態による測位では、粒子フィルタと呼ばれるデジタルフィルタアルゴリズムを使用して、TDOA算出部48−1〜4で得られたTDOA情報の観測誤差を補正し、位置推定を行う。そのため、従来技術に比して推定精度が向上する。また、図8の構成では、粒子フィルタを2段構成とすることによって、マルチパス環境下での測位精度の改善が図られている。以下、粒子フィルタを用いた測位システムについて詳述する。 Next, FIG. 8 shows a configuration example of a positioning signal processing unit according to an embodiment of the present invention. This positioning signal processing unit 46 includes buffers 47-1 to 4-4 that store reception time information (t 1 to t 4 ) from each node, and TDOA calculation units 48-1 to 48-1 that calculate reception time differences between the nodes. 4, a memory 49 that stores position information of each node, a particle filter 81-1 to 6 that corrects the calculated TDOA information, and the position of the tag 40 by the particle filter from the corrected TDOA information and the position information of each node. The PF position estimation unit 82 executes estimation. In the positioning according to the embodiment of the present invention, a digital filter algorithm called a particle filter is used to correct the observation error of the TDOA information obtained by the TDOA calculation units 48-1 to 48-4 and perform position estimation. Therefore, the estimation accuracy is improved as compared with the prior art. In the configuration of FIG. 8, the positioning accuracy in a multipath environment is improved by adopting a two-stage particle filter. Hereinafter, a positioning system using a particle filter will be described in detail.

(粒子フィルタを用いた測位システム)
本発明の一実施形態によるタグ40は、自己のIDを付加した電波を定期的に放射する。ノード41〜44は、タグからの信号を受信し、タグのIDを識別する。各ノードは、タグのIDと信号の受信時刻を測位信号処理部46に転送する。また、ノードは、必要に応じて自己の位置情報を測位信号処理部46に転送してもよい。測位信号処理部46は、信号の受信時刻から各ノード間のTDOAを算出する。ここで、ノード#iでの受信時刻をt、ノード#jでの受信時刻をtとすると、このノード間のTDOAは、t−tとなる。このTDOAに高速cを乗算すると、次式からノード#iおよび#jとタグとの距離の差Δdが得られる。
(Positioning system using particle filter)
The tag 40 according to an embodiment of the present invention periodically radiates radio waves to which its own ID is added. Nodes 41-44 receive the signal from the tag and identify the ID of the tag. Each node transfers the tag ID and the signal reception time to the positioning signal processing unit 46. Further, the node may transfer its own position information to the positioning signal processing unit 46 as necessary. The positioning signal processing unit 46 calculates the TDOA between the nodes from the signal reception time. Here, if the reception time at node #i is t i and the reception time at node #j is t j , the TDOA between the nodes is t i -t j . When this TDOA is multiplied by a high speed c, the distance difference Δd between the nodes #i and #j and the tag is obtained from the following equation.

Figure 2008128726
Figure 2008128726

ここで、dは、式(2)で定義されるようにタグからノード#iまでの距離を表し、dは、同様にタグからノード#jまでの距離を表す。式(3)は、理想環境での関係式であり、実環境では次式のようにマルチパスに起因する誤差eが加わる。 Here, d i represents the distance from the tag to the node #i as defined by the expression (2), and d j represents the distance from the tag to the node #j in the same manner. Expression (3) is a relational expression in an ideal environment. In the actual environment, an error e due to multipath is added as in the following expression.

Figure 2008128726
Figure 2008128726

従って、実際の観測値Δd’は、真の距離差Δdに対してΔd’=Δd+eという関係にある。そこで、本発明では、粒子フィルタによって観測値Δd’から真の値Δdを推定して、観測値Δd’から誤差を軽減し、真の値Δdに近い補正値Δd”を導出する。   Therefore, the actual observed value Δd ′ has a relationship of Δd ′ = Δd + e with respect to the true distance difference Δd. Therefore, in the present invention, the true value Δd is estimated from the observed value Δd ′ by the particle filter, the error is reduced from the observed value Δd ′, and a correction value Δd ″ close to the true value Δd is derived.

(第1階層の粒子フィルタ)
粒子フィルタは、状態空間モデルでモデル化された状態ベクトルを推定するための信号処理アルゴリズムである。その推定プロセスを図9に示す。本明細書では、この処理を「第1階層の粒子フィルタ」と呼ぶ。
(First-level particle filter)
The particle filter is a signal processing algorithm for estimating a state vector modeled by a state space model. The estimation process is shown in FIG. In this specification, this processing is referred to as a “first layer particle filter”.

図9のステップ902において、初期分布に基づいてN個の粒子、すなわちN個のランダムベクトルを生成する。粒子フィルタでは、推定対象の状態ベクトルを「粒子」と呼び、その動作を解析することで最終的な推定値を得る。ここで、Nは任意に設定することができ、一般に、Nが大きいほど特性が改善するが、演算量が増加することになる。   In step 902 of FIG. 9, N particles, that is, N random vectors, are generated based on the initial distribution. In the particle filter, a state vector to be estimated is referred to as “particle”, and a final estimated value is obtained by analyzing its operation. Here, N can be set arbitrarily. In general, the larger N is, the better the characteristic is, but the amount of calculation increases.

初期分布に従うN個の粒子   N particles according to initial distribution

Figure 2008128726
Figure 2008128726

は、以下のようなベクトル形式で表される。 Is represented in the following vector format.

Figure 2008128726
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ここでx(i)(0)は、初期分布に従うランダム変数である。初期分布としては、平均Δd’(1)、分散νのガウス分布を与える。なお、Δd’(1)は初期時刻t=1において実際に得られた観測値である。 Here, x (i) (0) is a random variable according to the initial distribution. As an initial distribution, a Gaussian distribution with an average Δd ′ (1) and a variance ν 2 is given. Note that Δd ′ (1) is an observed value actually obtained at the initial time t = 1.

一般に、時刻tにおける粒子の状態ベクトルX (i)に含まれる2つの要素は、現時点(時刻t)での観測値Δd’(t)と、一時点前(時刻t−1)での補正値Δd”(t−1)を表す。初期状態(t=1)においては、時刻t−1が存在しないので、2つの要素とも、時刻t=1での観測値Δd’(1)を平均とする乱数を用いている。 In general, the two elements included in the particle state vector X t (i) at time t are the observed value Δd ′ (t) at the present time (time t) and the correction before the temporary point (time t−1). Represents the value Δd ″ (t−1). In the initial state (t = 1), since the time t−1 does not exist, the two elements average the observation values Δd ′ (1) at the time t = 1. Is used.

ステップ904において、現在の分布から一期先の予測を行う。具体的には、現時点での観測値Δd’(t)と一時点前の補正値Δd”(t−1)を用いて、一時点先の観測値を補正する。ここで、観測値の時間変化を予測するための事前モデルとして、「観測される距離情報Δd’(t)の時間変化は一定である」という仮定をおく。移動端末であるタグの移動が緩やかな場合、この仮定は妥当なものであり、マルチパスに起因する急激な異常値を除去する効果がある。この仮定は、次式で定義される。
(6) Δd’(t+1)−Δd’(t)=Δd’(t)−Δd’(t−1)
この仮定に基づいて、状態ベクトル
In step 904, a prediction is made one period ahead from the current distribution. Specifically, the observation value at the temporary point is corrected using the current observation value Δd ′ (t) and the correction value Δd ″ (t−1) before the temporary point. Here, the time of the observation value is corrected. As a prior model for predicting the change, it is assumed that “the time change of the observed distance information Δd ′ (t) is constant”. This assumption is valid when the movement of the tag, which is a mobile terminal, is slow, and has the effect of removing a sudden abnormal value due to multipath. This assumption is defined by the following equation.
(6) Δd ′ (t + 1) −Δd ′ (t) = Δd ′ (t) −Δd ′ (t−1)
Based on this assumption, the state vector

Figure 2008128726
Figure 2008128726

を一時点だけ遷移させ、新たな粒子群 To make a new particle group

Figure 2008128726
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を得る。その状態遷移方程式は下記のようになる。 Get. The state transition equation is as follows.

Figure 2008128726
Figure 2008128726

ここで、システムノイズベクトルVは、主に熱雑音やクロックのオフセットなどを表し、平均0、分散νのガウス分布を与える。また、式(7)における状態ベクトルX (i)の要素は、時刻tでの観測値Δd’(t)および一時点前の推定結果Δd”(t−1)であり、次式のように表される。 Here, the system noise vector V t mainly represents thermal noise, clock offset, etc., and gives a Gaussian distribution with an average of 0 and a variance ν 2 . In addition, the elements of the state vector X t (i ) in Expression (7) are the observation value Δd ′ (t) at time t and the estimation result Δd ″ (t−1) before the temporary point. It is expressed in

Figure 2008128726
Figure 2008128726

次に、ステップ906において、観測値Δd’(t)および観測ノイズ分布を用いて、個々の粒子P (i)の尤度α (i)を算出する。 Next, in step 906, using the observed value [Delta] d '(t) and observation noise distribution, calculates the likelihood of the individual particles P t (i) α t a (i).

Figure 2008128726
Figure 2008128726

ここで、観測ノイズ分布r(x;0,η)は、主にマルチパスの影響を表し、次式で定義されるコーシー分布を与える。 Here, the observed noise distribution r (x; 0, η 2 ) mainly represents the influence of multipath, and gives a Cauchy distribution defined by the following equation.

Figure 2008128726
Figure 2008128726

式(9)における確率変数Δd’(t)−[1 0]・P (i)は、一期先予測による予測値と、実際の観測値との誤差を示している。誤差が大きな粒子ほど尤度は小さくなり、誤差の小さな粒子ほど尤度は大きくなる。 The random variable Δd ′ (t) − [1 0] · P t (i ) in Expression (9) indicates an error between the predicted value based on the one-term prediction and the actual observed value. A particle with a larger error has a lower likelihood, and a particle with a smaller error has a higher likelihood.

次に、ステップ908において、フィルタ分布の算出を行う。具体的には、次式に基づいて粒子P (i)をリサンプルする。 Next, in step 908, the filter distribution is calculated. Specifically, the particles P t (i) are resampled based on the following equation.

Figure 2008128726
Figure 2008128726

この結果、一期先の状態を表現する粒子群 As a result, a group of particles expressing the state of one period ahead

Figure 2008128726
Figure 2008128726

を得る。 Get.

ステップ910において、リサンプリング後の各粒子の状態量を平均することによって、その時点での観測値の補正値が得られる。そして、この補正値は、ステップ904において、一期先の予測のために用いられる。   In step 910, the state value of each particle after resampling is averaged to obtain a correction value for the observed value at that time. In step 904, the correction value is used for the prediction of one period ahead.

このように、ステップ904からステップ908を繰り返すことで、観測値に含まれたマルチパス成分の影響が軽減された補正値を得ることができる。   In this way, by repeating Step 904 to Step 908, it is possible to obtain a correction value in which the influence of the multipath component included in the observation value is reduced.

(第2階層の粒子フィルタ)
次に、第1階層の粒子フィルタによる上記プロセスによって補正された観測値を用いて、移動端末であるタグの位置を推定する。この推定プロセスを図10に示す。本明細書では、この処理を「第2階層の粒子フィルタ」と呼ぶ。
(Second-level particle filter)
Next, the position of the tag that is the mobile terminal is estimated using the observation value corrected by the above-described process using the particle filter in the first layer. This estimation process is shown in FIG. In this specification, this processing is referred to as “second-level particle filter”.

図10のステップ1002において、初期推定座標の設定を行う。粒子フィルタによる位置推定では、複数の2次元座標を初期推定候補として設定し、これらを「粒子」と呼ぶ。個々の粒子の持つ座標の信頼性を吟味しながら真の座標へと絞り込んでいく。ここでは粒子数をN’個とし、その初期状態をX (i)={x(n),y(n)},i=1,...,N’という2次元座標で定義する。この2次元座標は、測位エリア内を一様に分布するN’個のランダム2次元変数で与える。また、パラメタnは後述するステップ1016の繰り返し数をカウントする変数であり、初期設定の段階では、n=0とする。 In step 1002 of FIG. 10, initial estimated coordinates are set. In position estimation using a particle filter, a plurality of two-dimensional coordinates are set as initial estimation candidates, and these are called “particles”. We narrow down to true coordinates while examining the reliability of coordinates of individual particles. Here, the number of particles is N ′, and the initial state is X n (i) = {x i (n), y i (n)}, i = 1,. . . , N ′. The two-dimensional coordinates are given by N ′ random two-dimensional variables that are uniformly distributed in the positioning area. The parameter n is a variable for counting the number of repetitions of step 1016 described later, and n = 0 at the initial setting stage.

ステップ1004において、ステップ1002で設定した粒子の初期座標に対し、各ノードとの距離の差を計算する。たとえば、粒子{x(n),y(n)}とノード#k[x,y]およびノード#j[x,y]との間の距離の差hkj (i)は、次式によって算出される。 In step 1004, the difference in distance from each node is calculated with respect to the initial coordinates of the particles set in step 1002. For example, the distance difference h kj (i) between the particle {x i (n), y i (n)} and the node #k [x k , y k ] and the node #j [x j , y j ]. Is calculated by the following equation.

Figure 2008128726
Figure 2008128726

このような距離差を、すべてのノードペアに対して求める。ノード数が4個の場合、ノードペアは=6個となるため、距離の差hkj (i)も6個得られる。簡単のため、この距離差をh (i),h (i),...,h (i)と記す。 Such a distance difference is obtained for all node pairs. When the number of nodes is 4, the number of node pairs is 4 C 2 = 6, and thus 6 distance differences h kj (i) are obtained. For simplicity, this distance difference is expressed as h 1 (i) , h 2 (i),. . . , H 6 (i) .

次に、ステップ1006において、各粒子の尤度を算出する。具体的には、ステップ1004で求まった距離差に対し、実際の観測によって得られた距離情報y,...,y(本実施形態では、第1階層で求めた補正値)と比較し、2乗誤差E(i)を求める。 Next, in step 1006, the likelihood of each particle is calculated. Specifically, the distance information y 1 ,. . . , Y 6 (in this embodiment, the correction value obtained in the first hierarchy) is obtained, and the square error E (i) is obtained.

Figure 2008128726
Figure 2008128726

この誤差情報をもとに、各粒子の尤度α (i)を算出する。 Based on this error information, the likelihood α n (i) of each particle is calculated.

Figure 2008128726
Figure 2008128726

ここで、r(x;0,μ)は、平均0、分散μのガウス分布を与える。確率変数として誤差E(i)を与え、E(i)が小さい粒子ほど大きな尤度を持つことになる。 Here, r (x; 0, μ 2 ) gives a Gaussian distribution with an average of 0 and a variance of μ 2 . An error E (i) is given as a random variable, and particles having a smaller E (i) have a higher likelihood.

次に、ステップ1008において、ステップ1006で求まった尤度を次式により正規化する。   Next, in step 1008, the likelihood obtained in step 1006 is normalized by the following equation.

Figure 2008128726
Figure 2008128726

次に、ステップ1010において、タグ座標の推定値[X’ Y’]を次式により算出する。 Next, in step 1010, the estimated value of the tag coordinates [X n 'Y n'] is calculated by the following equation.

Figure 2008128726
Figure 2008128726

この式は、尤度を重みとして全粒子の状態量(=2次元座標)の線形和をとったものである。 This equation is a linear sum of state quantities (= two-dimensional coordinates) of all particles with likelihood as a weight.

ステップ1012において、次式で表される確率に基づいて、粒子群   In step 1012, based on the probability expressed by

Figure 2008128726
Figure 2008128726

をリサンプリングし、次の繰り返しに用いる。 Is resampled and used for the next iteration.

Figure 2008128726
次に、ステップ1014において、リサンプリングの後、粒子の状態量が初期分布で与えられた座標にのみ収束してしまうのを避けるため、粒子の状態量を次式に従って限定的に拡散させる。
Figure 2008128726
Next, in step 1014, after resampling, in order to avoid that the particle state quantity converges only on the coordinates given by the initial distribution, the particle state quantity is diffused in a limited manner according to the following equation.

Figure 2008128726
Figure 2008128726

ここで、ベクトルW={w,w}は、平均0、分散μ/nに従う2次元ガウス乱数である。 Here, the vector W = {w x , w y } is a two-dimensional Gaussian random number with an average of 0 and a variance μ 2 / n.

そして、ステップ1016において、推定座標が収束するまで、ステップ1004にループバックし、ステップ1004からステップ1014を繰り返すことで、最終的な測位結果が得られる。   In step 1016, until the estimated coordinates converge, loop back to step 1004 and repeat steps 1004 to 1014 to obtain the final positioning result.

(評価結果)
次に、本発明の一実施形態による測位特性について、計算機シミュレーションの結果を示し、従来方式との比較を行う。このシミュレーションでは、測位エリアとして100m四方の二次元平面を考え、基地局ノードの数を4個とした。ノードの座標は既知であり、[x,y]=[25,25],[25,75],[75,25],[75,75]という4つの座標に設置した。伝搬環境は、ガウシアン雑音による観測雑音と、指数分布に従うマルチパス遅延の混在する環境を設定した。各ノードで観測される距離情報に対し、平均0、分散σのガウシアン雑音と、平均λの指数分布遅延が加算されるとする。
(Evaluation results)
Next, the result of computer simulation is shown about the positioning characteristic by one Embodiment of this invention, and it compares with the conventional system. In this simulation, a 100 m square two-dimensional plane is considered as a positioning area, and the number of base station nodes is four. The coordinates of the nodes are known, and they are set at four coordinates [x, y] = [25, 25], [25, 75], [75, 25], [75, 75]. The propagation environment was set to be a mixture of observation noise due to Gaussian noise and multipath delay according to the exponential distribution. Assume that Gaussian noise with an average of 0 and variance σ 2 and an exponential distribution delay with an average λ are added to the distance information observed at each node.

タグの移動軌跡としては、屋内環境で廊下に沿って直進ないし90度のターンを繰り返しながら、一定速度(V=1m/s)で160m移動する軌跡を与える。タグの軌跡は図11(a)および(b)に実線として示した。伝搬環境は、いずれの場合もσ=5、λ=2としている。 As the movement trajectory of the tag, a trajectory that moves 160 m at a constant speed (V = 1 m / s) while giving a straight or 90 degree turn along the corridor in an indoor environment is given. The locus of the tag is shown as a solid line in FIGS. 11 (a) and 11 (b). The propagation environment is σ 2 = 5 and λ = 2 in any case.

図11(a)は、従来のニュートン法による測位結果であり、伝搬環境に起因した測定誤差によって大きく測位精度が劣化してしまっていることがわかる。一般にニュートン法は、初期推定値を適切に与えなければ推定値が正しく収束しない。図11(a)では、初期推定値としてノードに囲まれた中心点である[x,y]=[50,50]を与えているため、ノードに囲まれていないエリアでは特に測位精度が悪くなり、タグの追跡ができていない。   FIG. 11A shows the positioning result by the conventional Newton method, and it can be seen that the positioning accuracy is greatly deteriorated due to the measurement error caused by the propagation environment. In general, in the Newton method, an estimated value does not converge correctly unless an initial estimated value is given appropriately. In FIG. 11A, since the center point [x, y] = [50, 50] surrounded by the nodes is given as the initial estimated value, the positioning accuracy is particularly poor in the area not surrounded by the nodes. The tag cannot be tracked.

図11(b)は、本発明の階層型粒子フィルタによる測位結果である。粒子数は、第1階層がN=1000、第2階層がN’=50であり、粒子フィルタの初期パラメタは、ν=3、η=0.5、μ=10とした。従来方式に対し、測位精度が大幅に改善されていることが確認できる。 FIG. 11B shows a positioning result obtained by the hierarchical particle filter of the present invention. The number of particles was N = 1000 for the first layer, N ′ = 50 for the second layer, and the initial parameters of the particle filter were ν 2 = 3, η 2 = 0.5, and μ 2 = 10. It can be confirmed that the positioning accuracy is greatly improved compared to the conventional method.

図12に、第1階層での誤差補正の効果を示す評価として、ノード#1:[x,y]=[25,25]およびノード#2:[x,y]=[25,75]からのタグまでの観測距離に含まれる誤差が、トラッキングの過程でどのように変化しているかを示す。伝搬環境はσ=5、λ=2のNLOS環境である。点線で示した従来方式は、NLOS補償を行わないために大きな異常値を頻繁に生じている。一方、実線で示した提案方式では、第1階層でのNLOS補償の効果で誤差が小さく抑えられていることがわかる。 In FIG. 12, as an evaluation showing the effect of error correction in the first hierarchy, from node # 1: [x, y] = [25, 25] and node # 2: [x, y] = [25, 75]. It shows how the error included in the observation distance to the tag changes during the tracking process. The propagation environment is an NLOS environment with σ 2 = 5 and λ = 2. The conventional method indicated by the dotted line frequently generates large abnormal values because NLOS compensation is not performed. On the other hand, in the proposed method shown by the solid line, it can be seen that the error is suppressed to be small due to the effect of NLOS compensation in the first layer.

また、図13に、伝搬路を特徴づける2つのパラメタσ,λのうち、NLOS伝搬による影響を表すλを変化させた場合の二乗平均平方根誤差(RMSE:Root Mean Square Error)特性を示す。λが大きくなるほど劣悪な伝搬環境となり、いずれの方式も測位精度が劣化している。しかし、本発明による階層型粒子フィルタは、従来方式に比べ、その劣化の度合いが非常に小さく、環境変化に対して非常にロバストなアルゴリズムであることがわかる。   FIG. 13 shows the root mean square error (RMSE) characteristics when λ representing the influence of NLOS propagation is changed among the two parameters σ and λ that characterize the propagation path. As λ becomes larger, the propagation environment becomes worse, and the positioning accuracy is deteriorated in any method. However, it can be seen that the hierarchical particle filter according to the present invention has an extremely low degree of degradation compared to the conventional method, and is an algorithm that is very robust against environmental changes.

(その他の実施形態)
以上、本発明について、具体的な実施形態について説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、上記の実施形態では、ネットワーク側で移動端末の位置を推定するように構成されているが、ネットワーク側からの信号を受信して、移動端末側で自身の位置を推定するように構成してもよい。この場合、ノードからの信号に、座標情報および時間オフセット情報を含めるようにすることができる。
(Other embodiments)
While the present invention has been described with respect to specific embodiments, the embodiments described herein are merely illustrative in view of the many possible embodiments to which the principles of the present invention can be applied. It does not limit the range. For example, in the above embodiment, the mobile terminal is configured to estimate the position of the mobile terminal, but the mobile terminal is configured to receive the signal from the network side and estimate the position of the mobile terminal. May be. In this case, coordinate information and time offset information can be included in the signal from the node.

また、ノード数の多いネットワークでは、例えば、劣悪な環境にあるノードの観測値を利用しないなど、ノードを選択的に利用してもよい。さらに、粒子数を適応的に変化させ、静的で良好な環境のときは粒子数を減らして演算量を削減し、マルチパスが顕著な場合には粒子数を増やして測位精度を高めることができる。   Further, in a network having a large number of nodes, for example, nodes may be selectively used, such as not using observation values of nodes in a poor environment. In addition, the number of particles can be changed adaptively, and in a static and good environment, the number of particles can be reduced to reduce the amount of computation, and when multipath is significant, the number of particles can be increased to increase the positioning accuracy. it can.

また、本発明の原理は、TDOA型の測位システムだけでなく、TOA(Time Of Arrival)型やRSS(Received Signal Strength)型の測位システムにも適用できる。この場合には、式(6)で用いたモデルを変更する必要があるが、階層型の粒子フィルタという構成はそのまま適用可能である。   The principle of the present invention can be applied not only to a TDOA type positioning system but also to a TOA (Time Of Arrival) type or RSS (Received Signal Strength) type positioning system. In this case, it is necessary to change the model used in Equation (6), but the configuration of a hierarchical particle filter can be applied as it is.

このように、ここに例示した実施形態は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。   As described above, the configuration and details of the embodiment exemplified here can be changed without departing from the gist of the present invention. Further, the illustrative components and procedures may be changed, supplemented, or changed in order without departing from the spirit of the invention.

本発明を利用することができる分野には、例えば、ホームネットワーク、オフィスオートメーション、ショッピングセンタ、医療環境、港湾施設、ITSなどが挙げられる。   Fields in which the present invention can be used include, for example, home networks, office automation, shopping centers, medical environments, port facilities, ITS, and the like.

ホームネットワークでは、上述のとおり、ユビキタス社会の浸透に伴って家庭内のデジタル家電やモバイル機器のネットワーク化が進むと考えられ、本発明は、このようなホームネットワーク内での端末位置検出に応用可能である。   In home networks, as mentioned above, it is considered that networking of digital home appliances and mobile devices in the home will progress with the penetration of the ubiquitous society, and the present invention can be applied to terminal position detection in such home networks. It is.

オフィスオートメーションについては、オフィス環境において、有線・無線LANによるネットワークが構築されているケースが多く、本発明の測位システムをこのようなLAN基地局によるネットワークに組み込むことで、端末の位置検出が可能となる。   As for office automation, there are many cases where a wired / wireless LAN network is built in an office environment, and the position of a terminal can be detected by incorporating the positioning system of the present invention into such a LAN base station network. Become.

スーパーマーケットなどのショッピングセンタでは、商品管理のための位置情報認識へのニーズがある。また、店内でのショッピングカートの位置把握に基づいた集客率の把握、商品配置への応用なども潜在的なニーズといえる。店内に何箇所か基地局を設け、商品やカートに設置した端末からの信号を受信して測位を行うようなアプリケーションに本発明を応用することができる。   In shopping centers such as supermarkets, there is a need for position information recognition for product management. In addition, grasping the rate of attracting customers based on the grasp of the location of the shopping cart in the store, application to product placement, and the like are also potential needs. The present invention can be applied to an application in which several base stations are provided in a store and a signal is received from a terminal installed in a product or cart to perform positioning.

病院等の医療施設においては、医薬品の管理や患者の位置把握へのニーズが高く、本発明をこのような分野に適用することが可能である。また、今日の高齢化社会においては、家庭内で介護をおこなうことも多く、高齢者や病人の位置把握が可能なホームネットワークやセキュリティネットワークが求められており、本発明の適用が可能な分野である。   In medical facilities such as hospitals, there is a high need for drug management and patient position determination, and the present invention can be applied to such fields. Also, in today's aging society, care is often performed in the home, and there is a need for a home network and security network that can determine the position of the elderly and the sick. is there.

港湾施設においては、コンテナ等の位置把握へのニーズが高い。無線LANや電源線などによるネットワークを構築しやすい施設であり、例えばコンテナを移動端末として本発明を適用することができる。   In harbor facilities, there is a high need for grasping the location of containers and the like. This is a facility where it is easy to construct a network using a wireless LAN, a power line, etc. For example, the present invention can be applied using a container as a mobile terminal.

ITS(高度交通システム)の一環として、車両の位置情報を識別する技術が高い注目を浴びているが、現状では、個々の車がGPSによって自らの位置を認識する技術にとどまっている。しかし、将来的には、路側帯や信号機、そして車両をネットワーク化するITSインフラの構築も検討されている。本発明は、例えばITSネットワークと個々の車両とが相互に位置を認識するためのツールとして適用可能である。   As a part of ITS (Intelligent Transport System), a technology for identifying position information of a vehicle has attracted a great deal of attention, but at present, only a technology for each vehicle to recognize its own position by GPS. However, in the future, construction of an ITS infrastructure for networking roadside belts, traffic lights, and vehicles is also being studied. The present invention can be applied as a tool for recognizing positions of an ITS network and individual vehicles, for example.

従来のGPSによる測位システムの一例を示す図ある。It is a figure which shows an example of the positioning system by the conventional GPS. 一般的なTDOAによる測位システムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the positioning system by general TDOA. 室内環境におけるユビキタスセンサネットワークの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the ubiquitous sensor network in an indoor environment. センサネットワークにおける測位システムのシステムモデルを示す図である。It is a figure which shows the system model of the positioning system in a sensor network. 図4のシステムモデルに基づく従来の測位プロセスの一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the conventional positioning process based on the system model of FIG. 図4のシステムモデルに基づく本発明の測位プロセスの一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the positioning process of this invention based on the system model of FIG. 従来のニュートン法を用いた測位信号処理部の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the positioning signal processing part using the conventional Newton method. 本発明の一実施形態による測位信号処理部の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the positioning signal process part by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による第1階層の粒子フィルタの推定プロセスの一例を示すフローチャートである。4 is a flowchart illustrating an example of a first-tier particle filter estimation process according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による第2階層の粒子フィルタの推定プロセスの一例を示すフローチャートである。3 is a flowchart illustrating an example of a second-tier particle filter estimation process according to an embodiment of the present invention. 計算機シミュレーションによる測位結果を示すグラフであり、図11(a)は従来のニュートン法によるものであり、図11(b)は本発明の階層型粒子フィルタによるものである。It is a graph which shows the positioning result by computer simulation, Fig.11 (a) is based on the conventional Newton method, FIG.11 (b) is based on the hierarchical particle filter of this invention. 移動端末のトラッキング過程で第1階層の粒子フィルタによる誤差補正の効果を示すグラフである。It is a graph which shows the effect of error correction by the particle filter of the 1st hierarchy in the tracking process of a mobile terminal. 見通し外環境における平均遅延時間λを変化させたときの二乗平均平方根誤差の特性を示すグラフである。It is a graph which shows the characteristic of the root mean square error when changing the average delay time (lambda) in a line-of-sight environment.

符号の説明Explanation of symbols

10 車両
11〜14 衛星
15 端末
21〜24 基地局
26 信号処理部
40 端末
41〜44 ノード
46 信号処理部
47−1〜4 バッファ
48−1〜6 TDOA算出部
49 メモリ
70 ニュートン法位置推定部
81−1〜6 第1の粒子フィルタ
82 位置推定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Vehicle 11-14 Satellite 15 Terminal 21-21 Base station 26 Signal processing part 40 Terminal 41-44 Node 46 Signal processing part 47-1-4 Buffer 48-1-6 TDOA calculation part 49 Memory 70 Newton method position estimation part 81 -1-6 1st particle filter 82 position estimation part

Claims (10)

端末の位置を推定するシステムであって、
所定の信号を放射する端末と、
位置情報が既知である複数のノードであって、前記所定の信号を受信し、受信時刻を計測する複数のノードと、
各ノードから前記受信時刻を受信して、各ノード間の受信時刻差を求め、前記受信時刻差および各ノードの位置情報から前記端末の位置を推定する信号処理部と
を備え、
前記信号処理部は、第1の粒子フィルタを用いて前記受信時刻差を補正することを特徴とするシステム。
A system for estimating the position of a terminal,
A terminal that emits a predetermined signal;
A plurality of nodes having known position information, receiving the predetermined signal, and measuring a reception time; and
A signal processing unit that receives the reception time from each node, obtains a reception time difference between the nodes, and estimates the position of the terminal from the reception time difference and position information of each node; and
The said signal processing part correct | amends the said reception time difference using a 1st particle filter, The system characterized by the above-mentioned.
請求項1に記載のシステムであって、
前記信号処理部は、第2の粒子フィルタを用いて前記補正した受信時刻差および各ノードの位置情報から前記端末の位置を推定することを特徴とするシステム。
The system of claim 1, comprising:
The signal processing unit estimates the position of the terminal from the corrected reception time difference and position information of each node using a second particle filter.
請求項1または2に記載のシステムであって、
前記第1の粒子フィルタは、前記受信時刻差の時間変化が一定であるとしてモデル化されていることを特徴とするシステム。
The system according to claim 1 or 2, wherein
The first particle filter is modeled on the assumption that the time change of the reception time difference is constant.
位置情報が既知である複数のノードを含むネットワークにおける端末の位置を推定する装置であって、
端末と各ノード間の信号の受信時刻差を得る手段と、
第1の粒子フィルタを用いて前記受信時刻差を補正する手段と、
前記補正した受信時刻差および各ノードの位置情報から前記端末の位置を推定する手段と
を備えたことを特徴とする装置。
An apparatus for estimating a position of a terminal in a network including a plurality of nodes whose position information is known,
Means for obtaining a signal reception time difference between the terminal and each node;
Means for correcting the reception time difference using a first particle filter;
An apparatus comprising: means for estimating the position of the terminal from the corrected reception time difference and position information of each node.
請求項4に記載の装置であって、
前記推定する手段は、第2の粒子フィルタを用いて前記補正した受信時刻差および各ノードの位置情報から前記端末の位置を推定することを特徴とする装置。
The apparatus according to claim 4, comprising:
The estimation means estimates the position of the terminal from the corrected reception time difference and position information of each node using a second particle filter.
請求項4または5に記載の装置であって、
前記第1の粒子フィルタは、前記受信時刻差の時間変化が一定であるとしてモデル化されていることを特徴とする装置。
An apparatus according to claim 4 or 5, wherein
The first particle filter is modeled on the assumption that the time change of the reception time difference is constant.
端末の位置を推定する方法であって、
端末が所定の信号を放射することと、
位置情報が既知である複数のノードが前記所定の信号を受信し、受信時刻を計測することと、
各ノードの受信時刻から各ノード間の受信時刻差を求めることと、
第1の粒子フィルタを用いて前記受信時刻差を補正することと、
前記補正した受信時刻差および各ノードの位置情報から前記端末の位置を推定することと
を備えることを特徴とする方法。
A method for estimating the position of a terminal,
The terminal emits a predetermined signal;
A plurality of nodes whose position information is known receive the predetermined signal and measure a reception time;
Obtaining the reception time difference between the nodes from the reception time of each node;
Correcting the reception time difference using a first particle filter;
Estimating the position of the terminal from the corrected reception time difference and position information of each node.
請求項7に記載の方法であって、
前記端末の位置を推定することは、第2の粒子フィルタを用いて前記補正した受信時刻差および各ノードの位置情報から前記端末の位置を推定することを特徴とする方法。
The method of claim 7, comprising:
The method of estimating the location of the terminal includes estimating the location of the terminal from the corrected reception time difference and location information of each node using a second particle filter.
位置情報が既知である複数のノードを含むネットワークにおける端末の位置を推定するための方法であって、
端末と各ノード間の信号の受信時刻差を得ることと、
第1の粒子フィルタを用いて前記受信時刻差を補正することと、
前記補正した受信時刻差および各ノードの位置情報から前記端末の位置を推定すること
を備えることを特徴とする方法。
A method for estimating a position of a terminal in a network including a plurality of nodes whose position information is known,
Obtaining the signal reception time difference between the terminal and each node;
Correcting the reception time difference using a first particle filter;
Estimating the position of the terminal from the corrected reception time difference and position information of each node.
請求項9に記載の方法であって、
前記推定することは、第2の粒子フィルタを用いて前記補正した受信時刻差および各ノードの位置情報から前記端末の位置を推定することを特徴とする方法。
The method of claim 9, comprising:
The estimating includes estimating the position of the terminal from the corrected reception time difference and position information of each node using a second particle filter.
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