JP2014052208A - 位置推定装置、位置推定システム、および、位置推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】屋内において高精度に無線端末の位置を推定すること。
【解決手段】無線端末２は、各基地局１からの電波受信時の電波測定データ３１に対して各基地局１の位置情報を関連付けて基地局測定データを作成する測定データ関連部２３と、基地局測定データの電界強度値に応じた距離を計算し、基地局測定データで関連づけられる各基地局１の位置を中心として計算した距離分の電波領域を各基地局１ごとに求め、それらの各基地局１の電波領域間の重複領域の重心を、自身の装置の推定位置とする位置推定部２５と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、位置推定装置、位置推定システム、および、位置推定方法に関する。

無線ＬＡＮ（Local Area Network）、ＲＦＩＤ(Radio Frequency Identification)、ＵＷＢ(Ultra Wide Band)などの無線通信機器の電波を利用した位置推定システムが提案されている。ユーザが保持する無線端末の位置を推定するときに、屋外の電波が受信しづらいときには、屋内に設置された基地局を利用する。

非特許文献１に記載されるように、屋内の位置推定システムでは、被測位ノード（測点）ごとの電波の受信状況を測定する。次に、測点ごとの電波の受信状況から、三辺測量をもとに、無線端末の位置を推定する。

ここで、位置推定処理に使用する電波の受信状況として、ＴＤＯＡ（Time Difference of Arrival）方式では、受信した電波の到達時間差を使用する。一方、ＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator）方式では、受信した電波の強さを表す値である電界強度値を使用する。

また、特許文献１には、無線通信機能を有しており、無線送信の設定に用いる送信用パラメータのパラメータ値が複数設定可能な位置推定用端末と、位置推定用端末と無線通信する基地局と、位置推定用端末の端末位置を推定する位置推定装置と、位置推定装置による位置推定用端末の端末位置の推定に用いる基準情報を格納するデータベースサーバとを備え、通信端末の位置を推定する位置推定システムが開示されている。

特開２００７−２７４４７３号公報

柳原健太郎著、「センサネットワークにおけるロケーション技術」、電子情報通信学会誌 Vol.92、平成２１年４月発刊、262頁から267頁

前記した従来技術では、人や物などの移動や建物の柱や壁などの遮蔽物によって電波が変動し、電波の強さを表す電界強度値の変動や電波の到達時間の遅延が起こり、実際の無線端末の位置と推定位置との差（以下、推定誤差）が大きくなってしまう。
よって、建物の柱や壁などの遮蔽物が多い屋内という状況下でも、高精度に無線端末の位置を推定するシステムが求められる。

そこで、本発明は、屋内において高精度に無線端末の位置を推定することを、主な目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の位置推定装置（無線端末）は、屋内の測位対象エリア内に設置される各基地局から送信される電波を受信し、その電波受信時の電界強度値を前記各基地局ごとに電波測定データとして記録する電波通信部と、
前記電波測定データに対して前記各基地局の位置情報を関連付けて基地局測定データを作成する測定データ関連部と、
前記基地局測定データの電界強度値に応じた距離を計算し、前記基地局測定データで関連づけられる前記各基地局の位置を中心として計算した距離分の電波領域を前記各基地局ごとに求め、それらの各基地局の電波領域間の重複領域の重心を、自身の装置の推定位置とする位置推定部と、を有することを特徴とする。
その他の手段は、後記する。

本発明によれば、屋内において高精度に無線端末の位置を推定することができる。

本発明の一実施形態に関する位置推定システムを示す構成図である。 本発明の一実施形態に関する位置推定システムの各装置の詳細を示す構成図である。 本発明の一実施形態に関する基地局リストおよび特定基地局リストを示す構成図である。 本発明の一実施形態に関する位置測定のメイン処理を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に関する集約測定データの作成処理を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に関する特定基地局測定データおよび集約測定データを示す構成図である。 本発明の一実施形態に関する位置推定処理を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に関する位置推定結果の表示例を示す画面図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１（ａ）は、位置推定システムを示す構成図である。位置推定システムは、複数台の基地局１と、その基地局１の電波を受信する無線端末２と、基地局１の情報を持つ基地局情報サーバ７とがネットワークで接続されて構成される。
これらの位置推定システムの各装置は、制御部（ＣＰＵ：Central Processing Unit）、記憶部（メモリ、ハードディスクなど）、および、通信部（ネットワークインタフェース）を備えるコンピュータとして構成される。

無線端末２は、位置推定処理の対象となる位置推定装置である。つまり、ＧＰＳ（Global Positioning System）機能を搭載した携帯端末のナビゲーションシステムのように、自身で受信した電波を元に、自身の位置を計算し続ける。ここで、ＴＤＯＡやＲＳＳＩを利用した屋内の位置推定システムでは、各基地局が測点となるが、本実施形態では、１つの無線端末２が測点となる。

なお、屋外における位置推定には、ＧＰＳ衛星を利用するのが一般的であるが、屋内の測位対象エリア４では、ＧＰＳ衛星からの電波受信強度が大幅に下がるため、ＧＰＳ電波の代わりに、基地局１からの電波をもとに、位置推定処理を実行する。

基地局１は、屋内の測位対象エリア４内の各設置位置に設置されている。ここで、互いに設置位置が近い基地局１をグループ化し、基地局グループ８とする。よって、無線端末２は、同じ設置位置（同じ基地局グループ８）から、複数の電波（基地局１ごとの電波）を受信できる。

なお、無線端末２の受信電波（無線電波３）は、測位対象エリア４内の遮蔽物に影響されない非反射電波３ａと、測位対象エリア４内の遮蔽物に影響される反射電波３ｂとがある。同じ基地局グループ８からそれぞれ送信される電波でも、非反射電波３ａと反射電波３ｂとが混在することもあるため、無線端末２は、位置推定処理において精度の高い計算ができる非反射電波３ａを、反射電波３ｂよりも優先させて採用する（詳細は、図６の説明）。

基地局情報サーバ７は、インターネット６に接続されるサーバであり、無線端末２に対して、各基地局１の情報を位置推定処理の計算用に提供する。無線端末２は、３Ｇ回線５からインターネット６を介して、基地局情報サーバ７と通信する。

図１（ｂ）は、無線端末２が測定する各基地局１からの無線電波の電界強度値を示す電波測定データ３１である。電波測定データ３１には、無線電波に格納されている送信元の基地局１のＢＳＳＩＤ（Basic Service Set Identifier）と、その無線電波の無線端末２の位置における電界強度値とが対応付けられている。

図２は、位置推定システムの各装置の詳細を示す構成図である。
基地局１は、電波通信部１１および基地局データ１２を備える。電波通信部１１は、基地局１のＢＳＳＩＤ（ＭＡＣアドレス）を持つ基地局データ１２を含んだ無線電波３を発信する。

無線端末２は、各処理部（電波通信部２１、基地局リスト取得部２２、測定データ関連部２３、測定データ集約部２４、位置推定部２５）を構成するためのプログラムと、各処理部に使用される各データ（電波測定データ３１、特定基地局リスト３２、特定基地局測定データ３３、集約測定データ３４）とをメモリに格納する。
さらに、無線端末２は、ディスプレイ３５を内蔵するか、外部接続するための端子を有する。

電波通信部２１は、基地局１（電波通信部１１）や基地局情報サーバ７と無線通信するための通信手段であり、無線アンテナを含む。電波測定データ３１は、図１（ｂ）で前記したように、自身の電波通信部２１が測定した各基地局１からの無線電波の電界強度値を示す。

基地局リスト取得部２２は、特定基地局リスト３２を作成するために、電波測定データ３１のエントリを検索キーとして、基地局情報サーバ７に検索要求を行う。
基地局情報サーバ７は、基地局検索部７１と基地局リスト７２とを備える。基地局検索部７１は、各基地局１の情報が格納されている基地局リスト７２から、検索要求に合致するエントリを特定基地局リスト３２として抽出し、基地局リスト取得部２２に返信する。
測定データ関連部２３は、電波測定データ３１と特定基地局リスト３２とを関連づけて、特定基地局測定データ３３を作成する。

測定データ集約部２４は、特定基地局測定データ３３から同じ基地局グループ８に属する複数のエントリを１つのエントリ（基地局グループ８の代表エントリ）へと集約して、集約測定データ３４を作成する。この集約処理において、図１（ａ）で説明したように、非反射電波３ａを、反射電波３ｂよりも優先させて採用する。
位置推定部２５は、集約測定データ３４をもとに、無線端末２の推定位置を計算し、その結果をディスプレイ３５に出力する。

図３は、基地局リスト７２および特定基地局リスト３２を示す構成図である。
図３（ａ）の基地局リスト７２は、測位対象エリア４内に設置されている各基地局１のＢＳＳＩＤ（ＭＡＣアドレス）、フロアＩＤ、基地局グループ番号（基地局グループ８を特定する番号）、設置位置の情報が、基地局１ごとに対応付けて格納されている。
なお、フロアＩＤとは、測位対象エリア４内の同じ階数（同じ高さ）に対して同じＩＤが割り当てられる。一方、同じフロアだけでなく、同じ建物や同じ建物内の領域に対して、同じフロアＩＤを割り当ててもよい。

基地局検索部７１は、例えば、ＢＳＳＩＤ「11:11:11:11:11:11」を検索キーとして受け付けると、その検索キーに合致するエントリ（第１行のエントリ）だけを検索結果としてもよいし、その第１行のエントリのフロアＩＤ（＝１）を抽出し、その抽出したフロアＩＤと一致する他エントリ（第２行〜第８行、図面では破線で囲った部分）も併せて検索結果としてもよい。
このように、同じフロアＩＤのエントリを複数まとめて検索結果とすることで、検索要求→検索結果の通信回数を削減できる。

図３（ｂ）の特定基地局リスト３２は、基地局リスト７２から基地局検索部７１によって検索された検索結果のエントリである。図３（ｂ）では、図３（ａ）の破線で囲った部分のエントリを特定基地局リスト３２として抽出している。

図４は、位置測定のメイン処理を示すフローチャートである。
Ｓ１０１として、電波通信部２１は、基地局１が発信した無線電波３を一定間隔で受信し、そのＢＳＳＩＤと電界強度値とを電波測定データ３１として作成する。
Ｓ１０２として、基地局リスト取得部２２は、Ｓ１０１で作成した電波測定データ３１のＢＳＳＩＤのうち、既に作成されている特定基地局測定データ３３に未登録のエントリを、特定基地局測定データ３３から検索して検出する。
Ｓ１０３として、基地局リスト取得部２２は、Ｓ１０２の未登録のエントリのＢＳＳＩＤを検索キーとして、基地局情報サーバ７に基地局１の情報を検索要求する。
Ｓ１０４として、基地局検索部７１は、図３で説明したように、Ｓ１０３の検索要求に合致する基地局リスト７２を検索する。
Ｓ１０５として、基地局検索部７１は、Ｓ１０４の検索結果を無線端末２へ返信する。基地局検索部７１は、検索結果が０件の場合は、null値を無線端末２へ返信する。
Ｓ１０６として、基地局リスト取得部２２は、Ｓ１０５の返信を特定基地局リスト３２として受信し、自身のメモリに登録する。

Ｓ１１１として、測定データ関連部２３は、特定基地局リスト３２と電波測定データ３１とから、特定基地局測定データ３３を作成する。つまり、測定データ関連部２３は、特定基地局測定データ３３のうちの基地局１に関する情報（設置位置など）については、特定基地局リスト３２から読み込み、特定基地局測定データ３３のうちの無線電波に関する情報（電界強度値など）については、電波測定データ３１から読み込み、それらの読み込んだ２つの表データについて、ＢＳＳＩＤを結合キーとして、データベースの結合演算を行う。

Ｓ１１２として、測定データ集約部２４は、特定基地局測定データ３３から集約測定データ３４を作成する（詳細は、図５参照）。
Ｓ１１３として、位置推定部２５は、集約測定データ３４をもとに自身の無線端末２の位置を推定し、その結果をディスプレイ３５に表示する（詳細は、図７参照）。

図５は、測定データ集約部２４が実行する、集約測定データの作成処理（Ｓ１１２）の詳細を示すフローチャートである。以下、適宜図６を参照しつつ、図５の各処理を説明する。
Ｓ２０１として、特定基地局測定データ３３内の基地局グループ番号を抽出する。例えば、図６（ａ）の特定基地局測定データ３３からは、１〜４の合計４つの基地局グループ番号が抽出される。

Ｓ２１１として、基地局グループ８を１つずつ「選択グループ」として選択するループを開始する。
Ｓ２１２として、特定基地局測定データ３３内に、選択グループのエントリが１つ以上存在するか否かを判定する。Ｓ２１２でＹｅｓならＳ２１３に進み、ＮｏならＳ２１５に進む。例えば、図６（ａ）の特定基地局測定データ３３内の選択グループ＝１のエントリは、２つ（第１行、第２行）存在している。なお、エントリが存在しないときは、特定基地局測定データ３３内の電界強度値にnull値が格納されている。

Ｓ２１３として、選択グループ内で最も電波強度が強いエントリを「選択エントリ」として選択する。一般的に、反射電波３ｂよりも非反射電波３ａのほうが、電界強度値が強いため、壁や人などの影響を受けた無線電波３を位置推定に利用しないことで、推定誤差を低減できる。

Ｓ２１４として、選択エントリを集約測定データ３４に登録する。抽出されたレコードは、一時的に集約測定データ３４に格納し、無線端末２のメモリ上に保存される。例えば、図６（ｂ）の集約測定データ３４内の選択グループ＝１の選択エントリは、特定基地局測定データ３３の第２行（電界強度値＝−３０）である。同様に、選択グループ＝２の選択エントリは、特定基地局測定データ３３の第３行（電界強度値＝−４０）である。
Ｓ２１５として、ループ終了する。

図７は、位置推定部２５が実行する、位置推定処理（Ｓ１１３）の詳細を示すフローチャートである。以下、適宜図８を参照しつつ、図７の各処理を説明する。

Ｓ３０１として、集約測定データ３４のレコード数によって分岐する。Ｓ３０１で、レコード数＝０ならＳ３０２へ、レコード数＝１ならＳ３０３へ、レコード数＝２以上ならＳ３１１へ、それぞれ進む。
Ｓ３０２として、位置推定の手がかりが存在しないので、位置推定ができない旨をディスプレイ３５に表示する。
Ｓ３０３として、集約測定データ３４のレコードが示す基地局１の設置位置を、無線端末２の推定位置としてディスプレイ３５に表示する。Ｓ３０３では、１つの基地局１だけしか検出されないため、その基地局１の電波領域に含まれるどの領域にも無線端末２が存在する可能性があるため、電波領域の中心である基地局１の設置位置を、無線端末２の推定位置とみなすことにより、推定位置の誤差を最小化する。

Ｓ３１１として、集約測定データ３４の各レコードについて、その基地局１の設置位置を中心に、電界強度値から計算される電波到達範囲を示す領域（以下、図８に示す電波領域１００）を計算する。電波領域１００は、例えば、基地局１の設置位置を中心とし、受信時の無線端末２の位置までの距離を半径とする円の領域である。
図８では、４つの基地局グループ８（Ｎｏ．１〜４）それぞれについての電波領域１００が、基地局１の設置位置を円の中心とした円弧として示されている。なお、基地局１のアンテナから発射される電波の強さ（電界強度値）は、距離の二乗に反比例して減衰するので、送信時の電界強度値（基地局データ１２に記載、図８では−61dbm）と、受信時の電界強度値（集約測定データ３４に記載）とがわかれば、基地局１の位置から受信時の無線端末２の位置までの距離（円弧の半径、図８では８ｍ）が計算できる。

Ｓ３１２として、各電波領域１００の重複領域１１０を計算する。図８では、３つの電波領域１００（Ｎｏ．１〜３）によって囲まれた重複領域１１０が計算される。なお、重複領域１１０は、少なくとも２つの電波領域１００が重複する領域である。
Ｓ３１３として、Ｓ３１２で計算した重複領域１１０が存在するか否かを判定する。Ｓ３１３でＹｅｓならＳ３１４に進み、ＮｏならＳ３１５に進む。

Ｓ３１４として、Ｓ３１２で計算した重複領域１１０の重心を無線端末２の推定位置１１１として、ディスプレイ３５に表示する。
Ｓ３１５として、各基地局１の電波領域１００を徐々に拡大して、重複領域１００を再計算する。徐々に拡大とは、例えば、電波領域１００の半径を少し（＋１など）増やしてもよいし、受信時の電界強度値を少し（−１など）減らすことで、電波領域１００の半径を広げてもよい。

以上説明した本実施形態では、あらかじめ既知の位置に設置した基地局１を各位置に複数台設置し、グループ化した基地局グループ８と、位置を推定する無線端末２と基地局１の設置位置などの情報を持つ基地局情報サーバ７により構成されるシステムを提供する。
無線端末２の位置推定部２５は、図８で示したように、集約測定データ３４（特定基地局測定データ３３でもよい）に記載のエントリを元に、各基地局１の位置を中心とする電波領域１００をそれぞれ求める。そして、位置推定部２５は、複数の電波領域１００の重複領域１００の重心を推定位置として求める。
これにより、屋内に設置される各基地局１の電波を無線端末２が受信できる確率が上がり、高精度に無線端末２の位置を推定することができる。

なお、本発明は前記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。
また、前記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記録装置、または、ＩＣ（Integrated Circuit）カード、ＳＤカード、ＤＶＤなどの記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１ 基地局
２ 無線端末（位置推定装置）
３ 無線電波
４ 測位対象エリア
５ ３Ｇ回線
６ インターネット
８ 基地局グループ
１１ 電波通信部
１２ 基地局データ
２１ 電波通信部
２２ 基地局リスト取得部
２３ 測定データ関連部
３４ 集約測定データ
２４ 測定データ集約部
２５ 位置推定部
２７ ディスプレイ
３１ 電波測定データ
７２ 基地局リスト
３２ 特定基地局リスト
３３ 特定基地局測定データ（基地局測定データ）
３４ 集約測定データ
７ 基地局情報サーバ
７１ 基地局検索部
７２ 基地局リスト

Claims (4)

1. 屋内の測位対象エリア内に設置される各基地局から送信される電波を受信し、その電波受信時の電界強度値を前記各基地局ごとに電波測定データとして記録する電波通信部と、
   前記電波測定データに対して前記各基地局の位置情報を関連付けて基地局測定データを作成する測定データ関連部と、
   前記基地局測定データの電界強度値に応じた距離を計算し、前記基地局測定データで関連づけられる前記各基地局の位置を中心として計算した距離分の電波領域を前記各基地局ごとに求め、それらの各基地局の電波領域間の重複領域の重心を、自身の装置の推定位置とする位置推定部と、を有することを特徴とする
   位置推定装置。
2. 前記測定データ関連部は、前記基地局測定データを作成するときに、互いに近い位置に存在する複数の基地局に対して同じグループ番号を割り当て、
   位置推定装置は、さらに、前記基地局測定データから前記同じグループ番号が割り当てられている複数のエントリのうち、電界強度値が最も強いエントリだけを残して他のエントリを削除する測定データ集約部を有し、
   前記位置推定部は、前記測定データ集約部の計算結果である前記基地局測定データをもとに、自身の装置の推定位置を計算することを特徴とする
   請求項１に記載の位置推定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の前記位置推定装置と、前記各基地局と、前記位置推定装置からの検索要求に応じて前記各基地局の位置情報を提供する基地局情報サーバとを含めて構成され、
   前記基地局情報サーバは、前記検索要求で指定される前記電波測定データに記載される基地局の特定情報から、あらかじめ自身に記録されている基地局リストを検索することで、前記基地局測定データに関連づけられる前記各基地局の位置情報を検索して、前記位置推定装置に応答することを特徴とする
   位置推定システム。
4. 位置推定装置は、電波通信部と、測定データ関連部と、位置推定部と、を有しており、
   前記電波通信部は、屋内の測位対象エリア内に設置される各基地局から送信される電波を受信し、その電波受信時の電界強度値を前記各基地局ごとに電波測定データとして記録し、
   前記測定データ関連部は、前記電波測定データに対して前記各基地局の位置情報を関連付けて基地局測定データを作成し、
   前記位置推定部は、前記基地局測定データの電界強度値に応じた距離を計算し、前記基地局測定データで関連づけられる前記各基地局の位置を中心として計算した距離分の電波領域を前記各基地局ごとに求め、それらの各基地局の電波領域間の重複領域の重心を、自身の装置の推定位置とすることを特徴とする
   位置推定方法。

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