JP2009047556A

JP2009047556A - 位置推定システム及びプログラム

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Publication number: JP2009047556A
Application number: JP2007214060A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Otsuki; 知明大槻; Toshihiro Mogi; 俊浩茂木
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2007-08-20
Filing date: 2007-08-20
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2027-08-20
Also published as: JP4997637B2

Abstract

【課題】ターゲットの発射する電波を複数のセンサノードが計測してターゲットの位置を推定する位置推定システムにおいて、遮蔽物や反射物などのいわゆるシャドウイングの影響を受けた環境でも位置推定精度が高い位置推定システム及びプログラムを提供すること。
【解決手段】電波の到来時刻ＴＯＡによりターゲットの一時推定点Ｘtを算出し、電波の受信信号強度ＲＳＳにより一時推定点Ｘrを算出し、ＸtとＸrを比較して信頼度ＢＦを算出し、ＴＯＡをＢＦで重み付け修正し、修正ＴＯＡによりターゲットの最終推定点Ｘを算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターゲットである波発生源と波受信機能を有する複数のノードとを用いてターゲットの位置を推定する位置推定システム及びプログラムに関し、特に、距離円の交点が不要であり、センサノードの位置及び数、並びに探索領域に関する制約が少ない位置推定システム及びプログラムに関する。

見通し外環境におけるターゲットの位置推定アルゴリズムとしてＢＦＡ（Believable Factor Algorithm）が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この見通し外（ＮＬＯＳ：Non-Line-of-Sight）環境とはターゲットで発せられた信号が直接波として到来する見通し内（ＬＯＳ：Line-of-Sight）環境とは異なり、ターゲットとセンサノードの間に遮蔽物があり直接波が届かず、反射波や回折波として届く環境を指す。

図９は、従来の位置推定アルゴリズムを説明する図である。従来提案の位置推定アルゴリズムＢＦＡは、まず、３つのセンサノードＮ1，Ｎ2，Ｎ3において、ターゲットから既知時刻に発せられる信号を受信する時刻を測定して、その既知時刻と受信時刻との時間差（ＴＯＡ：Time Of Arrival）に基づいて各距離円を描き、交点Ａ，Ｂ，Ｃを導出する。その交点Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれる領域にターゲットが存在すると仮定して、コスト関数ｆ(Ｘ）を、
ｆ(Ｘ)＝(１−αA)‖Ｘ−ＸA‖²＋(１−αB)‖Ｘ−ＸB‖²＋(１−αC)‖Ｘ−ＸC‖²
ただし、Ｘ：ターゲットの位置座標
Ｘi：交点Ａ，Ｂ，Ｃの位置座標
αi：距離‖Ｘ−Ｘi‖²に関連する信頼度ＢＦ（Believable Factor）
ここで、αiは、
αi＝１−｜ｒNLOSi−ｄi｜／ｄi，
（｜ｒNLOSi−ｄi｜＜＜｜ｒLOSi−ｄi｜＆ｄi≧ｒNLOSi）
１−｜ｒNLOSi−ｄi｜／ｒNLOSi，
（｜ｒNLOSi−ｄi｜＜＜｜ｒLOSi−ｄi｜＆ｄi＜ｒNLOSi）
１−｜ｒLOSi−ｄi｜／ｄi，
（｜ｒLOSi−ｄi｜＜＜｜ｒNLOSi−ｄi｜＆ｄi≧ｒLOSi）
１−｜ｒLOSi−ｄi｜／ｒLOSi，
（｜ｒLOSi−ｄi｜＜＜｜ｒNLOSi−ｄi｜＆ｄi＜ｒLOSi）
ただし、ｒLOSi，ｒNLOSi：センサノードＮiにおける受信信号強度ＲＳＳ（Received Signal Strength）に基づくＬＯＳ，ＮＬＯＳ環境でのターゲットからセンサノードＮiまでの推定距離
ｄi：ＴＯＡに基づくターゲットからセンサノードＮiまでの推定距離
として、コスト関数ｆ(Ｘ）が最小となる座標Ｘを求める。
H. Yan, H. Han-ying, and Z.Shan, "A TOA based believable factor mobile location algorithm," IEEEWCNC pp. 260-263, 2004.

上記した位置推定システムは、距離円の交点が存在しない場合には位置推定できない、センサノードの数が３個であることが必要である等、センサノードの位置及び数、並びに探索領域に制約があり、センサネットワークにおけるターゲットの位置推定には不向きであるという欠点がある。

本発明は、上記問題点に鑑み、距離円の交点が不要であり、センサノードの位置及び数、並びに探索領域に関する制約が少ない位置推定システム及びプログラムを提供することを目的とする。

本発明の位置推定システムは、存在する位置を推定しようとするターゲットが既知時刻に発射する波を受信して、その受信時刻及び受信信号強度を測定する３個以上のノードと、各該ノードによって測定される受信時刻と前記既知時刻との時間差から算出される、前記ノードから前記ターゲットまでの推定距離（以下「ＴＯＡ推定距離」という。）に基づいてターゲット座標を推定する（以下、この推定点を「ＴＯＡ一時推定点」という。）第１位置推定手段と、各前記ノードによって測定される受信信号強度から算出される、前記ノードから前記ターゲットまでの推定距離に基づいてターゲット座標を推定する（以下、この推定点を「ＲＳＳ一時推定点」という。）第２位置推定手段と、前記ノード毎に、ＴＯＡ一時推定点までの距離とＲＳＳ一時推定点までの距離とを比較して、当該ノードの信頼度ＢＦを算出する信頼度算出手段と、該信頼度算出手段によって算出された信頼度ＢＦによって各ＴＯＡ推定距離を重み付けて修正する重み付け修正手段と、該重み付け修正手段によって修正されたＴＯＡ推定距離に基づいてターゲット座標を推定する第３位置推定手段とを備えることを特徴とする。

また、前記第１、第２及び第３位置推定手段は、前記ノードから前記ターゲットまでの推定距離と前記ノードから各座標までの実際の距離との差の二乗平均平方根を各座標において算出して、該二乗平均平方根が最小となる座標、又は、該最小となる座標が複数ある場合にはその複数の座標の平均値をターゲット座標として推定することで、高い精度でターゲットの位置を推定することができる。

また、前記第２位置推定手段は、前記受信信号強度と所定の範囲における複数の距離減衰定数の候補とに基づいてノード毎に複数の前記推定距離を算出することで、距離減衰定数が未知であっても高い精度でターゲットの位置を推定することができる。

また、本発明の位置推定システムは、位置を推定しようとするターゲットにおいて、３個以上の波発生源から既知時刻に発射される波を受信して、その受信時刻及び受信信号強度を測定する測定手段と、該測定手段によって測定される受信時刻と前記既知時刻との時間差から算出される、前記波発生源から前記ターゲットまでの推定距離（以下「ＴＯＡ推定距離」という。）に基づいてターゲット座標を推定する（以下、この推定点を「ＴＯＡ一時推定点」という。）第１位置推定手段と、該測定手段によって測定される受信信号強度から算出される、前記波発生源から前記ターゲットまでの推定距離に基づいてターゲット座標を推定する（以下、この推定点を「ＲＳＳ一時推定点」という。）第２位置推定手段と、前記波発生源毎に、ＴＯＡ一時推定点までの距離とＲＳＳ一時推定点までの距離とを比較して、当該波発生源の信頼度ＢＦを算出する信頼度算出手段と、該信頼度算出手段によって算出された信頼度ＢＦによって各ＴＯＡ推定距離を重み付けて修正する重み付け修正手段と、該重み付け修正手段によって修正されたＴＯＡ推定距離に基づいてターゲット座標を推定する第３位置推定手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明は、コンピュータを、上記システムとして機能させるためのプログラムである。

本発明によれば、見通し内、見通し外環境に関係なくターゲットの位置を高精度で推定することができる。さらに、センサノード（又は波発生源）が見通し内環境にあるか、見通し外環境にあるかを区別する必要がなく、３個より多いセンサノードの情報をすべて利用してターゲットの位置を推定することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例による位置推定システムの構成図である。同図で、フィールドＦには電波を発射するターゲット５があり、また、上記電波を受信する４個のセンサノード１〜４が配置されている。サーバ６は、通信機能６１、計算機能６２、及び位置推定機能６３を備える。

センサノード１〜４のフィールドＦ内の位置は、サーバ６の計算機能６２に予め記憶されている。センサノード１〜４は、ターゲット５が既知時刻に発射する電波の受信時刻及び受信信号強度を計測する機能を有しており、それぞれ計測した受信時刻及び受信信号強度をサーバ６の通信機能６１を介して計算機能６２に通知する。

図２は、サーバ６の計算機能６２及び位置推定機能６３の機能動作を示すフローチャートである。図２のフローチャートを用いて実施例の計算機能６２及び位置推定機能６３の機能動作を説明する。

「ＴＯＡにより一時推定点Ｘtを算出」ステップＳ１で、計算機能６２は通信機能６１を介してセンサノード１〜４からＴＯＡを受信してターゲットまでの推定距離（以下「ＴＯＡ推定距離」という。）を計算する。位置推定機能６３はそのＴＯＡ推定距離に基づいてターゲット座標を一時推定点Ｘtとして推定する。

図３は、推定距離に基づいてターゲット座標を推定する手法を説明する図である。ここでは、ＴＯＡ推定距離に基づいて位置を推定する手法を説明する。４つのセンサノードＮ1〜Ｎ4の位置は既知であり、ターゲットＴから電波が発せられる時刻も既知である。ＴＯＡ推定距離を黒塗り線で表し、各格子点ＧからセンサノードＮ1〜Ｎ4までの実際の距離をハッチング線で表し、両者の距離の差を白抜き線で表す。このとき、その距離の差を誤差として、二乗平均平方根誤差（ＲＭＳＥ：Root Mean Square Error）が最小となる格子点Ｇをターゲットが存在する一時推定点として求める。また、このＲＭＳＥが最小となる格子点Ｇが複数存在する場合には、それらの座標の平均値を一時推定点として求める。後述する、ＲＳＳによる推定距離、及び修正ＴＯＡによる推定距離に基づいても同様にターゲット位置を推定することができる。

つぎに図２の「ＲＳＳにより一時推定点Ｘrを算出」ステップＳ２で、計算機能６２は通信機能６１を介してセンサノード１〜４からＲＳＳを受信してターゲットまでの推定距離（以下「ＲＳＳ推定距離」という。）を計算する。その際に、電波強度の距離減衰定数が所定の範囲（例えば、2.0〜4.0乗）にあることを想定して、距離減衰定数を所定のステップ（例えば0.2ごと）で変化させて、複数のＲＳＳ推定距離を求める。位置推定機能６３は、所定の範囲にあるその複数のＲＳＳ推定距離に基づいてターゲット座標を一時推定点Ｘrとして推定する。この推定手法は図３によって説明した手法を用いることができる。

「Ｘt,ＸrからＢＦを算出」ステップＳ３では、位置推定機能６３は、信頼度（ＢＦ）αiを算出する。
αi＝１−｜ｒi−ｄi｜／ｄi，（ｄi≧ｒi）
１−｜ｒi−ｄi｜／ｒi，（ｄi＜ｒi）
ただし、ｒi：ＲＳＳ及び設定距離減衰定数に基づくＲＳＳ推定距離
ｄi：ＴＯＡ推定距離
これにより、ｒiとｄiとが大きく異なるセンサノードは信頼度αiが小さく、ｒiとｄiとが近似するセンサノードは信頼度αiが大きく１に近似する。

「ＴＯＡをＢＦで重み付け修正」ステップＳ４では、位置推定機能６３は、ＴＯＡ推定距離をαiで重み付けて修正する。これにより、信頼度αiが小さいセンサノードによるＴＯＡ推定距離を修正してより短くすることにより、ＮＬＯＳ環境による誤差を小さくすることができる。

「修正ＴＯＡにより最終推定点Ｘを算出」ステップＳ５では、位置推定機能６３は、重み付け修正されたＴＯＡ推定距離に基づいてターゲット座標を最終推定点Ｘとして推定する。この推定手法は図３によって説明した手法を用いることができる。

図４は、修正ＴＯＡ推定距離に基づいてターゲット座標を推定する手法を説明する図である。ＴＯＡ推定距離による距離円（破線）を重み付け修正した修正ＴＯＡ推定距離による距離円（実線）によってターゲットＴの座標を推定位置Ｘとして推定することによって的確な位置推定をすることができる。

図５〜図８は、本発明の効果をシミュレーションした結果を示す図である。横軸は、実際のターゲットの位置と推定位置との推定誤差（ｍ）を示し、縦軸は、推定誤差の累積分布関数（ＣＤＦ：Cumulative Distribution Function）を示す。左に寄っている特性が、誤差が少ない良い特性である。
［シミュレーション諸元］
フィールド： 13.0×14.0ｍ
ターゲット数：１（ランダム配置）
センサノード数：５，７（ランダム配置）
距離減衰定数：ＬＯＳ：2.6，ＮＬＯＳ：3.8
単位距離における測定ＲＳＳ：0ｄＢｍ
ＴＯＡＮＬＯＳ一様分布雑音：Ｕ(0, 1.60×10^-8)
ＴＯＡ正規分布雑音：Ｎ(0, (1.70)²)
ＲＳＳ正規分布雑音：Ｎ(0, (6.1×10^-9)²)
フィールド格子のステップ量：1.0ｍ
距離減衰定数のステップ量： 0.2
［グラフ］
ＴＯＡ：到来時間のみを用いた位置推定手法
ＲＳＳ：受信信号強度のみを用いた位置推定手法で、各センサにおいて距離減衰定数を推定した手法
発明：本発明の手法
理想：本発明において距離減衰定数を既知として与えた場合
ＢＦＡ：３個のセンサノードを用い、距離減衰定数は見通し内環境、見通し外環境において既知とした手法
図５は、見通し内環境のセンサノードを２個、見通し外環境のセンサノードを３個とした場合、
図６は、通し外環境のセンサノードを５個とした場合、
図７は、見通し内環境のセンサノードを３個、見通し外環境のセンサノードを４個とした場合、
図８は、見通し内環境のセンサノードを５個、見通し外環境のセンサノードを２個とした場合、のそれぞれ特性を示す。

図より、本発明のアルゴリズムは従来アルゴリズムに比べ、位置推定精度を改善することが分かる。これは本発明においてＴＯＡ推定距離を重み付け修正したことによって、見通し外環境による誤差が低減されたためと考えられる。また、本発明アルゴリズムは３個以上のセンサノードをターゲットの位置推定に利用できる。したがって、本発明アルゴリズムはＢＦＡに比べ、位置推定精度が改善されたと考えられる。また、図より、ＢＦＡはすべての手法の中で最も位置推定精度が悪くなっている。この理由は、ＢＦＡでは位置推定に用いるセンサノードが３個のみであるが、誤差の平均を考慮すると、センサノード数はできるだけ多いことが望まれるためと考えられる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。

図１の距離推定システムの構成図で、センサノードの数をセンサノード１〜４の４個とした例を説明したが、センサノードの数は３以上の整数であれば上記説明と同様の手順で位置推定ができるのは言うまでもない。

また、上述した例ではターゲット５は電波を発射してセンサノード１〜４は受信電波の強度を用いて距離に換算するとしたが、ターゲット５が発射するのは電波に限る必要はなく、例えば超音波を発射してセンサノード１〜４がこれを受信して距離換算しても良い。

また、波発生源とセンサノードとを逆にしてターゲット内で位置推定する構成とすることもできる。

なお、本発明の位置推定システムは、コンピュータを本位置推定システムとして機能させるためのプログラムでも実現される。このプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に格納されていてもよい。

このプログラムを記録した記録媒体は、図１に示されるサーバ６のＲＯＭそのものであってもよいし、また、外部記憶装置としてＣＤ−ＲＯＭドライブ等のプログラム読取装置が設けられ、そこに記録媒体を挿入することで読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭ等であってもよい。

また、上記記録媒体は、磁気テープ、カセットテープ、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ等、又は半導体メモリであってもよい。

本発明の一実施例による位置推定システムの構成図である。サーバの計算機能及び位置推定機能の機能動作を示すフローチャートである。推定距離に基づいてターゲット座標を推定する手法を説明する図である。修正ＴＯＡ推定距離に基づいてターゲット座標を推定する手法を説明する図である。本発明の効果をシミュレーションした結果を示す図（その１）である。本発明の効果をシミュレーションした結果を示す図（その２）である。本発明の効果をシミュレーションした結果を示す図（その３）である。本発明の効果をシミュレーションした結果を示す図（その４）である。従来の位置推定アルゴリズムを説明する図である。

符号の説明

１〜４センサノード
５ターゲット
６サーバ
６１通信機能
６２計算機能
６３位置推定機能

Claims

存在する位置を推定しようとするターゲットが既知時刻に発射する波を受信して、その受信時刻及び受信信号強度を測定する３個以上のノードと、
各該ノードによって測定される受信時刻と前記既知時刻との時間差から算出される、前記ノードから前記ターゲットまでの推定距離（以下「ＴＯＡ推定距離」という。）に基づいてターゲット座標を推定する（以下、この推定点を「ＴＯＡ一時推定点」という。）第１位置推定手段と、
各前記ノードによって測定される受信信号強度から算出される、前記ノードから前記ターゲットまでの推定距離に基づいてターゲット座標を推定する（以下、この推定点を「ＲＳＳ一時推定点」という。）第２位置推定手段と、
前記ノード毎に、ＴＯＡ一時推定点までの距離とＲＳＳ一時推定点までの距離とを比較して、当該ノードの信頼度ＢＦを算出する信頼度算出手段と、
該信頼度算出手段によって算出された信頼度ＢＦによって各ＴＯＡ推定距離を重み付けて修正する重み付け修正手段と、
該重み付け修正手段によって修正されたＴＯＡ推定距離に基づいてターゲット座標を推定する第３位置推定手段と
を備えることを特徴とする位置推定システム。
前記第１、第２及び第３位置推定手段は、前記ノードから前記ターゲットまでの推定距離と前記ノードから各座標までの実際の距離との差の二乗平均平方根を各座標において算出して、該二乗平均平方根が最小となる座標、又は、該最小となる座標が複数ある場合にはその複数の座標の平均値をターゲット座標として推定することを特徴とする請求項１記載の位置推定システム。
前記第２位置推定手段は、前記受信信号強度と所定の範囲における複数の距離減衰定数の候補とに基づいてノード毎に複数の前記推定距離を算出することを特徴とする請求項１又は２記載の位置推定システム。
位置を推定しようとするターゲットにおいて、３個以上の波発生源から既知時刻に発射される波を受信して、その受信時刻及び受信信号強度を測定する測定手段と、
該測定手段によって測定される受信時刻と前記既知時刻との時間差から算出される、前記波発生源から前記ターゲットまでの推定距離（以下「ＴＯＡ推定距離」という。）に基づいてターゲット座標を推定する（以下、この推定点を「ＴＯＡ一時推定点」という。）第１位置推定手段と、
該測定手段によって測定される受信信号強度から算出される、前記波発生源から前記ターゲットまでの推定距離に基づいてターゲット座標を推定する（以下、この推定点を「ＲＳＳ一時推定点」という。）第２位置推定手段と、
前記波発生源毎に、ＴＯＡ一時推定点までの距離とＲＳＳ一時推定点までの距離とを比較して、当該波発生源の信頼度ＢＦを算出する信頼度算出手段と、
該信頼度算出手段によって算出された信頼度ＢＦによって各ＴＯＡ推定距離を重み付けて修正する重み付け修正手段と、
該重み付け修正手段によって修正されたＴＯＡ推定距離に基づいてターゲット座標を推定する第３位置推定手段と
を備えることを特徴とする位置推定システム。
前記第１、第２及び第３位置推定手段は、前記波発生源から前記ターゲットまでの推定距離と前記波発生源から各座標までの実際の距離との差の二乗平均平方根を各座標において算出して、該二乗平均平方根が最小となる座標、又は、該最小となる座標が複数ある場合にはその複数の座標の平均値をターゲット座標として推定することを特徴とする請求項４記載の位置推定システム。
前記第２位置推定手段は、前記受信信号強度と所定の範囲における複数の距離減衰定数の候補とに基づいて波発生源毎に複数の前記推定距離を算出することを特徴とする請求項４又は５記載の位置推定システム。
コンピュータを、請求項１乃至６いずれかに記載のシステムとして機能させるためのプログラム。