JP2014077734A - 位置標定システム及び位置標定システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】位置標定システムによって３次元の位置標定を行えるようにする。
【解決手段】基地局２０が、第１のパターンの各アンテナ２５によって受信される位置標定信号８００の位相差Δθ１に基づき移動端末３０が存在する方向を求め、求めた方向に基づき移動端末３０の位置を第１の位置として求め、第１のパターンの要素になっていない１つ以上のアンテナ２５を含む、複数のアンテナ２５を要素とする第２のパターンの各アンテナ２５によって受信される位置標定信号８００の位相差Δθ２に基づき、移動端末３０が存在する方向を求め、求めた方向に基づき移動端末３０の位置を第２の位置として求め、第１のパターンと第２のパターンとの間隔ｄと、平面からの複数のアンテナ２５の高さＨとを記憶し、第１の位置と第２の位置との間の距離ｄ’を求め、間隔ｄ、高さＨ、及び距離ｄ’に基づき、移動端末３０の高さｈを求める。
【選択図】図１４

Description

この発明は、位置標定システム及び位置標定システムの制御方法に関し、とくに３次元の位置を標定する技術に関する。

特許文献１には、３次元の位置を高精度かつ短時間で測位すべく、第２の発受信手段から距離測定信号と方向測定信号とを発信し、距離測定信号の位相を測定して第１の発受信手段からの距離を算出し、方向測定信号の位相差を測定して第１の発受信手段が位置する方向を算出して自局の３次元の位置を測位することが記載されている。

特許文献２には、受信手段の３次元の位置を高精度で測位するシステムを安価に実現すべく、同期信号と距離測定信号を発信手段から放射し、受信手段において複数組の無線信号から位相および位相差を測定して方向を測定し、距離測定信号の位相および位相差から距離を測定して３次元の位置を測位することが記載されている。

非特許文献１には、基地局に設置した複数のアンテナから歩行者が携帯する携帯端末に無線信号を送信し、各アンテナから送信されてくる無線信号の位相差によって携帯端末とアンテナとの相対位置を求め、求めた相対位置（方向、距離）と基地局の絶対位置とから歩行者の現在位置を取得するようにした位置標定システムが開示されている。

特開２０１１−１２８１４４号公報 特開２００９−２８２００９号公報

武内 保憲，河野 公則，河野 実則、" 2.4GHz帯を用いた場所検知システムの開発"、平成17年度 電気・情報関連学会中国支部第56回連合大会

非特許文献１に開示されている位置標定システムは、基地局からみた携帯端末の方向を標定して携帯端末の位置を特定するものであり、２次元の位置標定に関するものである。このため、位置標定システムによって３次元の位置標定を行おうとすれば、例えば、特許文献１、２に開示されているように、方向測定信号に加えて距離測定信号を用い、距離測定信号について別途位相差や位相を測定しなければならず、その分、装置構成が複雑化し、煩雑な計算を行う必要がある。

本発明はこのような背景に鑑みてなされたもので、３次元の位置標定を行うことが可能な、位置標定システム及び位置標定システムの制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一つは、移動端末の位置を標定するシステムであって、移動端末から送られてくる、当該移動端末の位置を標定するための無線信号である位置標定信号を受信する、前記移動端末が移動する平面に平行な面内に所定の間隔で隣接配置された複数のアンテナを有する基地局を含み、前記基地局は、複数の前記アンテナを要素とする第１のパターンの各アンテナによって受信される前記位置標定信号の位相差Δθ１に基づき、前記移動端末が存在する方向を求め、求めた前記方向に基づき前記移動端末の位置を第１の位置として求め、前記第１のパターンの要素になっていない１つ以上のアンテナを含む、複数の前記アンテナを要素とする第２のパターンの各アンテナによって受信される前記位置標定信号の位相差Δθ２に基づき、前記移動端末が存在する方向を求め、求めた前記方向に基づき前記移動端末の位置を第２の位置として求め、前記第１のパターンと前記第２のパターンとの間隔ｄと、前記平面からの前記複数のアンテナの高さＨとを記憶し、前記第１の位置と前記第２の位置との間の距離ｄ’を求め、前記間隔ｄ、前記高さＨ、及び前記距離ｄ’に基づき、前記移動端末の高さｈを求めることとする。

本発明によれば、位置標定システムから得られる移動端末の２次元の位置情報に基づき、移動端末の３次元の位置情報を取得することができる。

上記目的を達成するための本発明の他の一つは、上記システムであって、前記基地局は、前記第１のパターンと前記第２のパターンと結ぶ方向への、前記距離ｄ’の射影の長さをｄ_ｈ’として、次式から前記移動端末の高さｈを求めることとする。
ｈ＝Ｈ・ｄ_ｈ’／（ｄ＋ｄ_ｈ’）

本発明によれば、位置標定システムから得られる移動端末の２次元の位置情報に基づき、移動端末の高さｈを取得することができる。

上記目的を達成するための本発明の他の一つは、上記システムであって、前記基地局は、前記第１のパターンと前記第２のパターンの複数の組み合わせの夫々により、前記間隔ｄ、前記高さＨ、及び前記距離ｄ’に基づき前記移動端末の高さｈを求め、各組み合わせにより求めた前記高さｈの平均値を求めて出力することとする。

本発明によれば、複数の標定結果に基づき、移動端末の高さｈを精度よく標定することができ、移動端末の正確な高さｈを取得することができる。

上記目的を達成するための本発明の他の一つは、上記システムであって、前記基地局は、前記第１のパターンと前記第２のパターンの複数の組み合わせの夫々について、前記間隔ｄ、前記高さＨ、及び前記距離ｄ’に基づき前記移動端末の高さｈを求め、前記組み合わせの夫々について、夫々の前記パターン間のばらつきの度合いを求め、前記ばらつきの度合いが最小の前記組み合わせにより求めた前記移動端末の前記高さｈを出力することとする。

本発明によれば、組み合わせの夫々のパターン間のばらつきの度合いからマルチパスの影響度合いを把握し、マルチパスの影響の少ない標定結果を特定することができる。このため、移動端末の正確な高さｈを取得することができる。

上記目的を達成するための本発明の他の一つは、上記システムであって、前記第１のパターンは、第１のアンテナ対と第２のアンテナ対とを含み、前記第１のアンテナ対と前記第２のアンテナ対とは、前記第１のアンテナ対の各アンテナによって受信される前記位置標定信号の経路差と前記第２のアンテナ対の各アンテナによって受信される前記位置標定信号の経路差とが一致するように設けられ、前記第２のパターンは、第３のアンテナ対と第４のアンテナ対とを含み、前記第３のアンテナ対と前記第４のアンテナ対とは、前記第３のアンテナ対の各アンテナによって受信される前記位置標定信号の経路差と前記第４のアンテナ対の各アンテナによって受信される前記位置標定信号の経路差とが一致するように設けられていることとする。

このような構成とすることで、移動端末の水晶発振器に生じる周波数偏差を起因する誤差を解消することができる。また上記誤差を解消することを目的として構成されたアンテナ群を３次元の位置標定にも利用することができる。

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、位置標定システムによって移動端末の３次元の位置標定を行うことができる。

位置標定システム１の概略的な構成を示す図である。 サーバ装置１０の主なハードウエアを示す図である。 サーバ装置１０の主な機能を示す図である。 移動端末３０のハードウエア構成を示す図である。 移動端末３０の主な機能を示す図である。 基地局２０の主なハードウエアを示す図である。 基地局２０の主な機能を示す図である。 位置標定信号８００のデータフォーマットを示す図である。 基地局２０と移動端末３０の位置関係を示す図である。 基地局２０のアンテナ２５と移動端末３０のアンテナ３４１との関係を説明する図である。 基地局２０と移動端末３０の位置関係を説明する図である。 パターンの一例を示す図である。 パターンの一例を示す図である。 ３次元の位置標定の仕組みを説明する図である。 ３次元の位置標定の仕組みを説明する図である。 位置標定処理Ｓ１６００を説明するフローチャートである。

図１に実施形態として説明する位置標定システム１の概略的な構成を示している。位置標定システム１は、例えば、移動体３（車両や歩行者等）の現在位置を監視するシステム、移動体３の安全確保に関するシステム、移動体３に対する道案内や目的地までの誘導を行うシステム、移動体３に対して現在地周辺の情報等を提供するシステム、地下街やビル街等における移動体３（人）の避難誘導システム、倉庫や工場等における移動体３（商品や搬送車両等）の流れを管理するシステム、工場等における移動体３（ロボット、搬送車両等）の誘導システムなどに適用される。

位置標定システム１は、データセンタなどに設けられるサーバ装置１０、位置標定システム１が適用される地域の各所に設けられる複数の基地局２０、及び移動体３に搭載もしくは携帯される移動端末３０などで構成されている。

基地局２０は、構造物２（屋内であれば建物の壁や柱等、屋外であれば電柱等）の所定の高さ位置に設けられる。基地局２０及び移動端末３０は、有線もしくは無線による通信ネットワーク５（専用線、公衆回線、インターネット等）を介してサーバ装置１０と通信可能に接続している。

図２にサーバ装置１０のハードウエア構成を示している。同図に示すように、サーバ装置１０は、中央処理装置１１（ＣＰＵ、ＭＰＵ等）、記憶装置１２（半導体メモリ（ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＮＶＲＡＭ等）やハードディスク装置等）、入力装置１３（キーボード、マウス等）、表示装置１４（液晶ディスプレイ等）、サーバ装置１０を通信ネットワーク５に接続するための通信インタフェース１５などを備える。各構成要素はバス１８を介して通信可能に接続されている。表示装置１４には、例えば、移動体３（移動端末３０）の現在位置や現在の移動方向などを示す情報がリアルタイムに表示される。

図３にサーバ装置１０の機能を示している。同図に示すように、サーバ装置１０は、情報収集部１０１、情報提供部１０２、及び設定情報記憶部１０３を備える。これらの機能は、サーバ装置１０が備えるハードウエアにより、もしくは、サーバ装置１０の中央処理装置１１が記憶装置１２に格納されているプログラムを読み出して実行することにより実現される。

情報収集部１０１は、基地局２０もしくは移動端末３０から、移動端末３０の現在位置等の情報を随時収集する。情報提供部１０２は、例えば、移動端末３０もしくは基地局２０に対し、道案内情報、目的地までの誘導情報、現在位置周辺の地理情報、移動体３の２次元又は３次元の現在位置や移動方向等の監視情報、移動体３の安全確保に関する情報などの各種の情報を随時提供する。設定情報記憶部１０３は、例えば、基地局２０の設置位置を示す情報（緯度、経度、設置高さ等）などを設定情報として記憶する。

図４に移動端末３０のハードウエア構成を示している。同図に示すように、移動端末３０は、ＣＰＵやＭＰＵなどを用いて構成される中央処理装置３１、半導体メモリ（ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＮＶＲＡＭ等）やハードディスク装置などで構成される記憶装置３２、後述する位置標定信号８００の送信や他の装置との間で無線通信を行う無線通信インタフェース３３、無線通信インタフェース３３によって行われる無線通信に用いられるアンテナ３４１、タッチパネルや操作ボタンなどの入力装置３５、及び液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの表示装置３６を備える。各構成要素はバス３８を介して通信可能に接続されている。

アンテナ３４１としては、例えば、指向性アンテナや円偏波指向性アンテナが用いられる。とくに移動端末３０を壁等の障害物が存在する屋内等で用いる場合には、アンテナ３４１として円偏波指向性アンテナが用いられる。円偏波の反射波（又は定在波）の偏波面は、壁等の障害物で反射した際に反転するが、円偏波指向性アンテナを用いることで反射波や定在波を効果的に減衰させることができる。

図５に移動端末３０の主な機能を示している。同図に示すように、移動端末３０は、位置標定信号送信部３０１、情報送受信部３０２、及び情報表示部３０３を備える。これらの機能は、移動端末３０が備えるハードウエアにより、もしくは、移動端末３０の中央処理装置３１が記憶装置３２に格納されているプログラムを読み出して実行することにより実現される。

上記機能のうち位置標定信号送信部３０１は、移動端末３０の現在位置の標定に用いられる無線信号である位置標定信号８００を無線通信インタフェース３３により送信する。

情報送受信部３０２は、無線通信インタフェース３３による無線通信や通信ネットワーク５による有線通信によりサーバ装置１０もしくは基地局２０と通信し、移動体３に提示するための情報の受信（ダウンロード）や、サーバ装置１０もしくは基地局２０で用いられる各種情報の送信（アップロード）などを行う。情報表示部３０３は、移動体３などに提示する情報を表示装置３６に出力する。

図６に基地局２０のハードウエア構成を示している。同図に示すように、基地局２０は、ＣＰＵやＭＰＵなどを用いて構成される中央処理装置２１、半導体メモリ（ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＮＶＲＡＭ、ＳＳＤ（Solid State Drive）等）やハードディスク装置などで構成される記憶装置２２、基地局２０を通信ネットワーク５に接続する通信インタフェース２３、無線通信を行う無線通信インタフェース２４、複数のアンテナ２５、及びアンテナ切替スイッチ２６などを備える。各構成要素は、バス２８を介して通信可能に接続されている。

中央処理装置２１は、記憶装置２２に格納されているプログラムを読み出して実行することにより、基地局２０が備える各種の機能を実現する。無線通信インタフェース２４は、移動端末３０から送信された位置標定信号８００を受信する。

複数のアンテナ２５は、いずれも指向性アンテナであり、例えば、指向性アンテナ、円偏波指向性アンテナである。複数のアンテナ２５は、いずれも移動端末３０が移動する平面に平行な面内に隣接して配置されている。

アンテナ切替スイッチ２６は、アンテナ２５を順次選択し、選択したアンテナ２５を無線通信インタフェース２４に接続する。尚、基地局２０を壁等の障害物が存在する屋内等で用いる場合、アンテナ２５として円偏波指向性アンテナを用いることが好ましい。円偏波の反射波（又は定在波）の偏波面は壁等での反射時に反転するため、円偏波指向性アンテナを用いることにより反射波（又は定在波）を効果的に減衰させることができるからである。

図７に基地局２０の主な機能を示している。同図に示すように、基地局２０は、通信処理部２０１、位置標定信号受信部２０２、設定情報記憶部２０３、位置標定部２０４、及びマルチパス評価情報生成部２０５を備える。尚、これらの機能は、基地局２０が備えるハードウエアによって、もしくは、基地局２０の中央処理装置２１が記憶装置２２に格納されているプログラムを読み出して実行することにより実現される。

このうち通信処理部２０１は、無線通信インタフェース２４や通信インタフェース２３によって移動端末３０やサーバ装置１０との間でデータの送信又は受信を行う。

位置標定信号受信部２０２は、無線通信インタフェース２４及びアンテナ切替スイッチ２６を制御して移動端末３０から送信される位置標定信号８００を受信する。アンテナ切替スイッチ２６は、例えば、十分に短い周期で周期的（サイクリック）に切り替えられる。

設定情報記憶部２０３は、前述した設定情報（例えば、当該基地局２０の現在位置を示す情報（緯度、経度、後述するアンテナ２５の高さＨ、移動体３に設けられる２つの移動端末３０の間の距離ｄ等））を記憶する。

位置標定部２０４は、位置標定信号受信部２０２が受信した位置標定信号８００に基づき移動端末３０の２次元の現在位置もしくは３次元の現在位置を標定する。位置標定部２０４によって行われる位置標定の仕組みについては後述する。尚、位置標定部２０４によって標定された移動端末３０の現在位置は、通信処理部２０１によってサーバ装置１０や移動端末３０に随時提供（送信）される。

マルチパス評価情報生成部２０５は、移動端末３０から受信した位置標定信号８００についてのマルチパスの影響度合いを示す情報（以下、マルチパス評価情報と称する。）を生成する。

＜位置標定の原理＞
次に位置標定システム１によって行われる、移動端末３０の位置を標定する仕組みについて説明する。尚、以下の説明の前提として、移動端末３０は、十分に短い時間間隔で繰り返し位置標定信号８００を送信するものとする。また基地局２０は、複数のアンテナ２５を短い時間間隔で周期的に切り換えながら、スペクトル拡散された無線信号からなる位置標定信号８００を受信するものとする。

図８に移動端末３０から送信される位置標定信号８００の一例を示している。同図に示すように、位置標定信号８００は、制御信号８１１、測定信号８１２、及び端末情報８１３を含む。

制御信号８１１は、変調波や各種の制御信号を含む。測定信号８１２は、数ｍ秒程度の無変調波（例えば、基地局２０に対する移動端末３０の存在する方向や基地局２０に対する移動端末３０までの相対距離の検出に用いる信号（例えば、２０４８チップの拡散符号））を含む。端末情報８１３は、移動端末３０を識別する情報(以下、移動端末ＩＤと称する。）を含む。

図９に基地局２０と移動端末３０の位置関係を示している。同図に示すように、基地局２０は、移動体３が移動する平面πから高さＨ（ｍ）の位置に固定されている。また移動端末３０は平面πから高さｈ（ｍ）の位置に存在する。尚、平面π上、基地局２０の直下から移動端末３０の直下までの直線距離はＬ（ｍ）である。

図１０に基地局２０に設けられるアンテナ２５の基本単位（複数のアンテナ２５から選択される４つのアンテナ（以下、夫々、第１アンテナ２５ａ〜第４アンテナ２５ｄと称する。）で構成される。）と移動端末３０のアンテナ３４１との関係を示している。同図に示す４つのアンテナは、位置標定信号８００の１波長（例えば、位置標定信号８００として２．４ＧＨｚ帯の電波を用いた場合は波長λ＝１２．５ｃｍ）以下の間隔（例えば３ｃｍ）を空けて平面的に略正方形状に隣接配置されている。尚、４つのアンテナ２５ａ〜２５ｄは、いずれもその指向方向は下方向を向いている。

同図において、アンテナ２５の高さ位置における水平方向とアンテナ群に対する移動端末３０の方向とのなす角をαとし、移動端末３０からアンテナ２５から放射されるビームの中心線に下ろした垂線の長さをＤ（ｍ）とすれば、例えば、２．４ＧＨｚ帯の電波を用いた場合、
α＝ａｒｃＴａｎ(Ｄ（ｍ）/Ｌ（ｍ）)=ａｒｃＳｉｎ(ΔＬ（ｃｍ）/３（ｃｍ））
・・・式１
の関係がある。但し、ΔＬ（ｃｍ）は、複数のアンテナ２５のうち、特定の２つのアンテナ２５と移動端末３０との間の伝搬路長の差（以下、経路差とも称する。）である。

ここで４つのアンテナ２５ａ〜２５ｄのうち、特定の２つのアンテナ２５によって受信される位置標定信号８００の位相差をΔθとすれば、次の関係がある。
ΔＬ（ｃｍ）＝Δθ／（２π／λ（ｃｍ）） ・・・式２
ここで例えば位置標定信号８００が２．４ＧＨｚ帯の電波（波長λ＝１２．５（ｃｍ））である場合は
α＝ａｒｃＳｉｎ（Δθ／π） ・・・式３
となり、測定可能範囲内（−π／２＜Δθ＜π／２）（アンテナ２５の指向角（半値幅））ではαは位相差Δθ（ラジアン）から算出することができるので、基地局２０が存在する方向αを特定することができる。

図１１に示すように、基地局２０のアンテナ２５の平面πからの高さをＨ、移動端末３０の平面πからの高さをｈとし、基地局２０の直下の平面π上の位置を原点として直交座標（Ｘ、Ｙ）を設定し、上記方向αから求まる、基地局２０から移動端末３０の方向とＸ軸とがなす角をΔΦ（ｘ）、上記方向αから求まる、基地局２０から移動端末３０の方向とＹ軸とがなす角をΔΦ（ｙ）とすれば、原点に対する移動端末３０の相対的な位置Δｄ’（ｘ），Δｄ’（ｙ）は、次式から求めることができる。
Δｄ’（ｘ）＝Ｈ×Ｔａｎ（ΔΦ（ｘ）） ・・・式４
Δｄ’（ｙ）＝Ｈ×Ｔａｎ（ΔΦ（ｙ）） ・・・式５
そして原点の絶対座標を（Ｘ_０，Ｙ_０）とすれば、移動端末３０の現在位置（Ｘｘ’，Ｙｙ’）は次式から求めることができる。
Ｘｘ’＝Ｘ_０＋Δｄ’（ｘ） ・・・式６
Ｙｙ’＝Ｙ_０＋Δｄ’（ｙ） ・・・式７

以上に説明した位置標定の基本的な原理については、例えば、特開２００４−１８４０７８号公報、特開２００５−３５１８７７号公報、特開２００５−３５１８７８号公報、及び特開２００６−２３２６１号公報等に詳述されている。

＜標定精度の向上＞
ところで、以上に説明した仕組みにより移動端末３０の位置を標定する際は、基地局２０と移動端末３０の水晶発振器に生じる周波数偏差を起因する誤差が問題となる。例えば水晶発振器の周波数安定度が±０．５ｐｐｍであった場合、基地局２０と移動端末３０との間では最大１ｐｐｍの周波数偏差（２４００Ｈｚ）が生じ、アンテナ切替スイッチ２６の切替周期が３２μｓであったとすれば、２４００Ｈｚ×３２μｓ×３６０°＝２７．６５°の位相差（誤差）が生じる。このため、本実施形態の位置標定システム１においては、この測定誤差を次の方法により相殺するようにしている。

即ち、まず第１アンテナ２５ａと第２アンテナ２５ｂとの組み合わせ（以下、第１のアンテナ対と称する。）が受信する位置標定信号８００の位相差Δθ１（第１アンテナ２５ａを基準として第２アンテナ２５ｂの位相を測定した結果）は、移動端末３０から第１アンテナ２５ａまでの位置標定信号８００の伝搬経路と、移動端末３０から第２アンテナ２５ｂまでの位置標定信号８００の伝搬経路との差（経路差）によって生じる位相差をΔθｔ１とし、測定誤差をＦ１とすると、次式で表すことができる。
Δθ１＝Δθｔ１＋Ｆ１ ・・・式８

一方、第３アンテナ２５ｃと第４アンテナ２５ｄとの組み合わせ（以下、第２のアンテナ対と称する。）が受信する位置標定信号８００の位相差Δθ２（第３アンテナ２５ｃを基準として第４アンテナ２５ｄの位相を測定した結果）は、移動端末３０から第３アンテナ２５ｃまでの位置標定信号８００の伝搬経路と、移動端末３０から第４アンテナ２５ｄまでの位置標定信号８００の伝搬経路との差（経路差）によって生じる位相差をΔθｔ２とし、測定誤差をＦ２とすると、次式で表すことができる。
Δθ２＝−Δθｔ２＋Ｆ２ ・・・式９

ここで式８と式９の両辺の差を取れば次のようになる。
Δθ１−Δθ２＝（Δθｔ１−（−Δθｔ２））＋（Ｆ１−Ｆ２） ・・・式１０

前述したように、第１のアンテナ対と第２のアンテナ対は、第１のアンテナ対の各アンテナ２５ａ，２５ｂによって受信される位置標定信号８００の経路差と第２のアンテナ対の各アンテナ２５ｃ，２５ｄによって受信される位置標定信号８００の経路差とが一致するように設けられている。そこでこの値をθｔとすれば、式１０の右辺の（Δθｔ１−（−Δθｔ２））の値は２θｔとなる。

一方、誤差Ｆ１，Ｆ２は、第１のアンテナ対の測定時と第２のアンテナ対の測定時で通常はほぼ同じであるので、式１０の右辺の（Ｆ１−Ｆ２）の値は限りなく０に近くなる。従って、これらの値を式１０に代入して式１０を変形すると次のようになる。
θｔ＝（Δθ１−Δθ２）／２ ・・・式１１

このように、第１のアンテナ対と第２のアンテナ対の夫々によって位相差を測定するようにすることにより、夫々の測定誤差Ｆ１，Ｆ２を相殺でき、経路差によって生じる位相差θｔを高い精度で取得することができる。そしてこれにより位置標定の精度を高めることができる。

尚、位相を測定する側にＡＧＣ（Automatic Gain Controller）等を設けて周波数偏差を減少させるようにすれば、式１０の右辺の（Ｆ１−Ｆ２）の値をさらに０に近づけることができ、位置標定の精度をさらに高めることができる。

＝マルチパス評価情報＝
次に図７に示した基地局２０のマルチパス評価情報生成部２０５によって生成されるマルチパス評価情報について説明する。

空間ダイバーシティの原理によれば、複数の反射波と直接波との合成波からなる間接波において、移動端末３０の物理的位置が１／４波長〜１波長程度異なると、位置標定信号８００に与えるマルチパスの影響度合いが変化する。そこで基地局２０に、例えば、第１のアンテナ対と第２のアンテナ対とを構成するアンテナを選択して複数パターンのアンテナ群を構成可能な数のアンテナ２５を設け、各パターンについて位置標定信号８００を受信するようにすれば、マルチパスの影響度合いが異なる位置標定信号８００を取得することができる。

図１２に上記パターンの一例を示している。同図に示すように、この例では、基地局２０に、第１のアンテナ対と第２のアンテナ対とを含む２つのパターン（パターンＡ、パターンＢ）を実現すべく、略平板状の１つのアンテナ基台１９１の表面に正方格子状に２行３列で整列する同形同大の計６つのアンテナ２５を設けている。尚、隣接するアンテナ２５の間隔（格子間隔）ｄは、位置標定信号８００の１／４波長〜１波長程度である。

同図において、パターンＡのアンテナ群２５Ａは、アンテナ基台１９１の左側の４つのアンテナ２５Ａａ，２５Ａｂ，２５Ａｃ，２５Ａｄによって構成されている。パターンＡにおいては、アンテナ２５Ａａとアンテナ２５Ａｂとが第１のアンテナ対を構成しており、アンテナ２５Ａｃとアンテナ２５Ａｄとが第２のアンテナ対を構成している。

またパターンＢのアンテナ群２５Ｂは、アンテナ基台１９１の右側の４つのアンテナ２５Ｂａ，２５Ｂｂ，２５Ｂｃ，２５Ｂｄによって構成されている。パターンＢにおいては、アンテナ２５Ｂａとアンテナ２５Ｂｂとが第１のアンテナ対を構成しており、アンテナ２５Ｂｃとアンテナ２５Ｂｄとが第２のアンテナ対を構成している。

図１３に上記パターンの他の一例を示している。同図に示すように、この例では、基地局２０に、第１のアンテナ対と第２のアンテナ対とを含むアンテナ群を４つのパターン（パターンＡ、パターンＢ、パターンＣ、パターンＤ）を構成すべく、略平板状の１つのアンテナ基台１９１の表面に正方格子状に３行３列で整列する同形同大の計９つのアンテナ２５を設けている。尚、隣接するアンテナ２５の間隔（格子間隔）ｄは、位置標定信号８００の１／４波長〜１波長程度である。

同図において、パターンＡのアンテナ群２５Ａは、アンテナ基台１９１の左下の４つのアンテナ２５Ａａ，２５Ａｂ，２５Ａｃ，２５Ａｄによって構成されている。このパターンＡにおいては、アンテナ２５Ａａとアンテナ２５Ａｂとが第１のアンテナ対を構成し、アンテナ２５Ａｃとアンテナ２５Ａｄとが第２のアンテナ対を構成している。

パターンＢのアンテナ群２５Ｂは、アンテナ基台１９１の右下の４つのアンテナ２５Ｂａ，２５Ｂｂ，２５Ｂｃ，２５Ｂｄによって構成されている。このパターンＢにおいては、アンテナ２５Ｂａとアンテナ２５Ｂｂとが第１のアンテナ対を構成し、アンテナ２５Ｂｃとアンテナ２５Ｂｄとが第２のアンテナ対を構成している。

パターンＣのアンテナ群２５Ｃは、アンテナ基台１９１の右上の４つのアンテナ２５Ｃａ，２５Ｃｂ，２５Ｃｃ，２５Ｃｄによって構成されている。このパターンＣにおいては、アンテナ２５Ｃａとアンテナ２５Ｃｂとが第１のアンテナ対を構成し、アンテナ２５Ｃｃとアンテナ２５Ｃｄとが第２のアンテナ対を構成している。

パターンＤのアンテナ群２５Ｄは、アンテナ基台１９１の左上の４つのアンテナ２５Ｄａ，２５Ｄｂ，２５Ｄｃ，２５Ｄｄによって構成されている。このパターンＤにおいては、アンテナ２５Ｄａとアンテナ２５Ｄｂとが第１のアンテナ対を構成し、アンテナ２５Ｄｃとアンテナ２５Ｄｄとが第２のアンテナ対を構成している。

ここで図１２又は図１３に示した各パターン間の位置標定の結果のばらつきは、移動端末３０から送信され基地局２０によって受信される位置標定信号８００のマルチパスの影響度合いと関係しており、マルチパスの影響が大きいほどばらつきが大きくなる。このため、各パターンについての位置標定の結果のばらつきの度合いはマルチパス評価情報として用いることができる。尚、各パターンの位置標定の結果のばらつきの度合いは、例えば、各パターンの位置標定の結果の最大値と最小値の差分を求めることによって把握することができる。また各パターンの位置標定の結果の分散を求めることによってばらつきの度合いを把握するようにしてもよい。

図１２もしくは図１３は、パターンの構成方法を例示したものに過ぎず、パターンの構成方法は例示したものに限定されるわけではない。また一部のアンテナが重複して複数のパターンの構成要素になっていてもよい。

＜３次元の位置標定の原理＞
図１４は３次元の位置標定の原理を説明する図である。尚、同図において基地局２０のアンテナ群の構成は図１２に例示したものと同じであり、アンテナ群は、略平板状の１つのアンテナ基台１９１の表面に正方格子状に２行３列で整列する同形同大の計６つのアンテナ２５で構成されているものとする。

便宜上、図１２に示すパターンＡのアンテナ群２５Ａの中心（ここでは４つのアンテナ２５Ａａ〜２５Ａｄの重心）を通る鉛直方向にＺ軸を設定しており、アンテナ群Ａの上記中心からＸＹ平面に下ろした垂線は原点（０，０，０）を通る。またＸ軸についてはアンテナ群２５Ａの列方向に、Ｙ軸についてはアンテナ群２５Ａの行方向に、夫々設定している。

アンテナ基台１９１の平面は移動端末３０が移動する平面（ＸＹ平面（平面π））に平行である。アンテナ基台１９１に設けられている各アンテナ２５は、アンテナ基台１９１の面に間隔（格子間隔）ｄで隣接配置されている。アンテナ基台１９１のＸＹ平面からの高さはＨであり、従ってアンテナ基台１９１に設けられている各アンテナ２５のＸＹ平面からの高さはいずれもＨである。

３次元の位置標定に際しては、まず基地局２０が、移動端末３０の位置を、図１２に示したパターンＡのアンテナ群（以下、第１のアンテナ群とも称する。）、及び図１２に示したパターンＢのアンテナ群（以下、第２のアンテナ群とも称する。）の夫々によって標定する。

同図に示すように、パターンＡによって標定される移動端末３０のＸＹ平面上の位置（以下、第１の位置とも称する。）を（Ｘ_１’，Ｙ_１’，０）とし、パターンＢによって標定される移動端末３０のＸＹ平面上の位置（以下、第２の位置とも称する。）を（Ｘ_２’，Ｙ_２’，０）とする。

図１５は、図１４をＹ軸の正方向（＋Ｙ方向）から眺めた図である。同図において、位置（Ｘ_１’，０、０）は、第１の位置（Ｘ_１’，Ｙ_１’，０）のＸＺ平面への射影であり、位置（Ｘ_２’，０，０）は、第２の位置（Ｘ_２’，Ｙ_２’，０）のＸＺ平面への射影であり、位置（Ｘ_１，０，ｈ）は、移動端末３０の位置（Ｘ_１，Ｙ_１，ｈ）のＸＺ平面への射影（パターンＡの４つのアンテナ２５ａ〜２５ｄの中心（４つのアンテナ２５２５ａ〜２５ｄの中心を結んだ線が交叉する位置）とパターンＢの４つのアンテナ２５ａ〜２５ｄの中心（４つのアンテナ２５２５ａ〜２５ｄの中心を結んだ線が交叉する位置）とを結ぶ線分の方向（この場合はつまりＸ軸）への射影）である。

同図において、パターンＡの４つのアンテナ２５ａ〜２５ｄの中心、パターンＢの４つのアンテナ２５ａ〜２５ｄの中心、及び移動端末３０の位置（Ｘ_１，Ｙ_１，０）の射影の位置（Ｘ_１，０，０）を頂点とする三角形と、第１の位置（Ｘ_１’，Ｙ_１’，０）の射影の位置（Ｘ_１’，０、０）、第２の位置（Ｘ_２’，Ｙ_２’，０）の射影の位置（Ｘ_２’，０，０）、及び移動端末３０の位置（Ｘ_１，Ｙ_１，ｈ）の射影の位置（Ｘ_１，０，ｈ）を頂点とする三角形とは相似である。

このため、間隔ｄ、アンテナ２５の高さＨ、第１の位置（Ｘ_１’，Ｙ_１’，０）と第２の位置（Ｘ_２’，Ｙ_２’）との間の距離ｄ’のＸ軸方向への射影ｄ_ｈ’、及び移動端末３０の高さｈとの間には、次の関係がある。
ｈ：ｄ_ｈ’＝Ｈ−ｈ：ｄ ・・・式１２
従って、式１２より、移動端末３０の高さｈは次式から求めることができる。
ｈ＝Ｈ・ｄ_ｈ’／（ｄ＋ｄ_ｈ’） ・・・式１３

尚、移動端末３０の真の高さｈが求まることで、式４〜式７に基づき移動端末３０の真の２次元座標位置（Ｘ_１、Ｙ_１）を求めることができる。
Δｄ’（ｘ）＝（Ｈ−ｈ）×Ｔａｎ（ΔΦ（ｘ）） ・・・式１４
Δｄ’（ｙ）＝（Ｈ−ｈ）×Ｔａｎ（ΔΦ（ｙ）） ・・・式１５
Ｘ_１＝Ｘ_０＋Δｄ’（ｘ） ・・・式１６
Ｙ_１＝Ｙ_０＋Δｄ’（ｙ） ・・・式１７

＜マルチパスの影響低減＞
ところで、位置検知結果に間接波（マルチパスや反射波等）の影響が含まれていると測定誤差が大きくなり、その結果、位置標定の精度が低下する。しかし位置置標定システム１を屋外で用いる場合は間接波の影響は小さく、屋外であれば以上に説明した方法により実用的な精度で移動端末３０の３次元の位置標定を行うことができる。

また位置標定システム１を屋内で使用する場合でも、例えば、「ＵＷＢ−ＩＲ無線方式による屋内位置検知」，電子情報通信学会誌 Ｖｏｌ．９２，Ｎｏ．４，２００９、電界強度比較方式）に開示されているような公知の技術を適用して間接波の影響を抑えるようにすることで、前述した方法により、十分に実用的な精度で移動端末３０の３次元の位置標定を行うことができる。

尚、前述したパターンの複数について位置標定を行い、各標定結果を平均することで、位置標定の精度を高めることができる。またこの場合、パターンの数が多い程、測定精度を高めることができる。またパターンの組み合わせの複数の夫々を用いて３次元の位置標定を行い、各組み合わせの夫々について、夫々のパターン間のばらつきの度合い（マルチパス評価情報）を求め、ばらつきの度合いが最小の組み合わせによる３次元の位置標定結果を採用するようにすれば、位置標定の精度を高めることができる。

＜位置標定処理＞
図１６は以上に説明した仕組みに基づき移動端末３０の高さ（３次元の位置）並びに移動端末３０の真の位置（Ｘ_１，Ｙ_１）を取得するに際し、基地局２０が行う処理（以下、位置標定処理Ｓ１６００と称する。）を説明するフローチャートである。尚、この処理が行われる前提として、基地局２０は、自身のＸＹ平面からの高さＨ、及び間隔（格子間隔）ｄを記憶しているものとする。

同図に示すように、まず基地局２０は、パターンＡにより、移動端末３０の位置（第１の位置（Ｘ_１’，Ｙ_１’，０））を標定する（Ｓ１６１１）。

次いで基地局２０は、基地局２０は、パターンＢにより、移動端末３０の位置（第２の位置（Ｘ_２’，Ｙ_２’，０））を標定する（Ｓ１６１２）。

続いて基地局２０は、Ｓ１６１１にて標定した第１の位置（Ｘ_１’，Ｙ_１’，０）のＸ軸方向への射影（Ｘ_１’，０，０）を、またＳ１６１２にて標定した第２の位置（Ｘ_２’，Ｙ_２’，０）のＸ軸方向への射影（Ｘ_２’，０，０）を夫々求め、これらと前述した式１３とに基づき移動端末３０の高さｈを求める（Ｓ１６１３）。

続いて基地局２０は、以上により求めた移動端末３０の高さｈを用い、前述した式１４〜式１７から移動端末３０のＸＹ平面上の位置、即ち、真の２次元の位置（Ｘ_１，Ｙ_１）を求める（Ｓ１６１４）。

以上に説明したように、本実施形態の位置標定システム１によれば、移動端末３０の高さｈ並びに移動端末３０の３次元の位置及び２次元の真の位置を求めることができる。このため、例えば、工場や倉庫などにおいては、棚に置かれている荷物の３次元の位置を取得することができる。

また例えば、訪問客が訪れる場所に位置標定システム１が導入されているような場合には、訪問客に移動端末３０を携帯させることで訪問客の背の高さを求めることができる（背の高さに応じて高さｈが異なるので高さｈから背の高さを概算することができる）。また高さｈを前述したし式１４〜式１７に代入することで訪問客の背の高さの違いに応じて２次元の標定精度を高めることができる。

また位置標定システム１は、例えば、医療検診等において昨今、利用が拡大しつつあるカプセル型内視鏡の位置検知に応用することができる。ここでカプセル型内視鏡は、被験者に経口された後、食道を通って胃や腸内を移動しつつ体内の様子を撮影し、撮影された映像や画像を被験者の腹部などに備え付けられた受信機に向けて送信するものであるが、現状では、経口後にその現在位置を把握することができず、カプセル型内視鏡から送られてくる映像や画像が体内のどの位置で撮影されたものであるのかを特定することが難しい。

しかしカプセル型内視鏡に本実施形態の移動端末３０の機能をもたせ、本実施形態の位置標定システム１によりカプセル型内視鏡の現在位置を標定するようにすれば、カプセル型内視鏡の現在位置を３次元的に把握することが可能となる。また把握した現在位置を、受信機によって受信された映像や画像とリンクさせて管理するようにすれば、医療検診等においてより有益な情報を得ることができる。

以上、実施形態について詳細に説明したが、以上の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

例えば、以上の実施形態では、移動端末３０のアンテナ３４１から位置標定信号８００を送信し、基地局２０のアンテナ２５でこれを受信して基地局２０にて移動端末３０の位置標定を行うようにしているが、これとは逆に位置標定信号８００を基地局２０から送信するようにし、移動端末３０が基地局２０から位置標定信号８００を受信し、移動端末３０にて自身の位置標定を行うようにしてもよい。また移動端末３０が標定した自身の位置を示す情報を、通信ネットワーク５や無線通信を介して移動端末３０からサーバ装置１０や基地局２０に提供（送信）するようにしてもよい。

移動端末３０は、例えば、アクティブ型もしくはパッシブ型のＲＦＩＤタグとして機能するものであってもよい。この場合、位置標定信号８００に相当する信号を、電磁誘導によってＲＦＩＤタグが備えるアンテナコイルから自発的にもしくは受動的に、基地局２０に送信もしくは基地局２０から受信するようにしてもよい。

１ 位置標定システム
３ 移動体
１０ サーバ装置
２０ 基地局
２０４ 位置標定部
２０５ マルチパス評価情報生成部
２０７ 担当端末情報管理部
３０ 移動端末
８００ 位置標定信号
Ｓ１６００ 位置標定情報

Claims (10)

1. 移動端末の位置を標定するシステムであって、
   移動端末から送られてくる、当該移動端末の位置を標定するための無線信号である位置標定信号を受信する、前記移動端末が移動する平面に平行な面内に所定の間隔で隣接配置された複数のアンテナを有する基地局を含み、
   前記基地局は、
   複数の前記アンテナを要素とする第１のパターンの各アンテナによって受信される前記位置標定信号の位相差Δθ１に基づき、前記移動端末が存在する方向を求め、求めた前記方向に基づき前記移動端末の位置を第１の位置として求め、
   前記第１のパターンの要素になっていない１つ以上のアンテナを含む、複数の前記アンテナを要素とする第２のパターンの各アンテナによって受信される前記位置標定信号の位相差Δθ２に基づき、前記移動端末が存在する方向を求め、求めた前記方向に基づき前記移動端末の位置を第２の位置として求め、
   前記第１のパターンと前記第２のパターンとの間隔ｄと、前記平面からの前記複数のアンテナの高さＨとを記憶し、
   前記第１の位置と前記第２の位置との間の距離ｄ’を求め、
   前記間隔ｄ、前記高さＨ、及び前記距離ｄ’に基づき、前記移動端末の高さｈを求める
   ことを特徴とする位置標定システム。
2. 請求項１に記載の位置標定システムであって、
   前記基地局は、前記第１のパターンと前記第２のパターンと結ぶ方向への、前記距離ｄ’の射影の長さをｄ_ｈ’として、次式から前記移動端末の高さｈを求める
   ｈ＝Ｈ・ｄ_ｈ’／（ｄ＋ｄ_ｈ’）
   ことを特徴とする位置標定システム。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載の位置標定システムであって、
   前記基地局は、前記第１のパターンと前記第２のパターンの複数の組み合わせの夫々により、前記間隔ｄ、前記高さＨ、及び前記距離ｄ’に基づき前記移動端末の高さｈを求め、各組み合わせにより求めた前記高さｈの平均値を求めて出力する
   ことを特徴とする位置標定システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の位置標定システムであって、
   前記基地局は、前記第１のパターンと前記第２のパターンの複数の組み合わせの夫々について、前記間隔ｄ、前記高さＨ、及び前記距離ｄ’に基づき前記移動端末の高さｈを求め、前記組み合わせの夫々について、夫々の前記パターン間のばらつきの度合いを求め、前記ばらつきの度合いが最小の前記組み合わせにより求めた前記移動端末の前記高さｈを出力する
   ことを特徴とする位置標定システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の位置標定システムであって、
   前記第１のパターンは、第１のアンテナ対と第２のアンテナ対とを含み、前記第１のアンテナ対と前記第２のアンテナ対とは、前記第１のアンテナ対の各アンテナによって受信される前記位置標定信号の経路差と前記第２のアンテナ対の各アンテナによって受信される前記位置標定信号の経路差とが一致するように設けられ、
   前記第２のパターンは、第３のアンテナ対と第４のアンテナ対とを含み、前記第３のアンテナ対と前記第４のアンテナ対とは、前記第３のアンテナ対の各アンテナによって受信される前記位置標定信号の経路差と前記第４のアンテナ対の各アンテナによって受信される前記位置標定信号の経路差とが一致するように設けられている
   ことを特徴とする位置標定システム。
6. 移動端末の位置を標定する方法であって、
   移動端末から、当該移動端末の位置を標定するための無線信号である位置標定信号を送信し、
   基地局に、複数のアンテナを前記移動端末が移動する平面に平行な面内に所定の間隔で隣接させて配置し、
   前記基地局が、
   複数の前記アンテナを要素とする第１のパターンの各アンテナによって受信される前記位置標定信号の位相差Δθ１に基づき、前記移動端末が存在する方向を求め、求めた前記方向に基づき前記移動端末の位置を第１の位置として求め、
   前記第１のパターンの要素になっていない１つ以上のアンテナを含む、複数の前記アンテナを要素とする第２のパターンの各アンテナによって受信される前記位置標定信号の位相差Δθ２に基づき、前記移動端末が存在する方向を求め、求めた前記方向に基づき前記移動端末の位置を第２の位置として求め、
   前記第１のパターンと前記第２のパターンとの間隔ｄと、前記平面からの前記複数のアンテナの高さＨとを記憶し、
   前記第１の位置と前記第２の位置との間の距離ｄ’を求め、
   前記間隔ｄ、前記高さＨ、及び前記距離ｄ’に基づき、前記移動端末の高さｈを求める
   ことを特徴とする移動端末の位置を標定する方法。
7. 請求項６に記載の移動端末の位置を標定する方法であって、
   前記基地局が、前記第１のパターンと前記第２のパターンと結ぶ方向への、前記距離ｄ’の射影の長さをｄ_ｈ’として、次式から前記移動端末の高さｈを求める
   ｈ＝Ｈ・ｄ_ｈ’／（ｄ＋ｄ_ｈ’）
   ことを特徴とする移動端末の位置を標定する方法。
8. 請求項６又は７のいずれかに記載の移動端末の位置を標定する方法であって、
   前記基地局は、前記第１のパターンと前記第２のパターンの複数の組み合わせの夫々により、前記間隔ｄ、前記高さＨ、及び前記距離ｄ’に基づき前記移動端末の高さｈを求め、各組み合わせにより求めた前記高さｈの平均値を求めて出力する
   ことを特徴とする移動端末の位置を標定する方法。
9. 請求項６乃至８のいずれか一項に記載の移動端末の位置を標定する方法であって、
   前記基地局は、前記第１のパターンと前記第２のパターンの複数の組み合わせの夫々について、前記間隔ｄ、前記高さＨ、及び前記距離ｄ’に基づき前記移動端末の高さｈを求め、前記組み合わせの夫々について、夫々の前記パターン間のばらつきの度合いを求め、前記ばらつきの度合いが最小の前記組み合わせにより求めた前記移動端末の前記高さｈを出力する
   ことを特徴とする移動端末の位置を標定する方法。
10. 請求項６乃至９のいずれか一項に記載の移動端末の位置を標定する方法であって、
    前記第１のパターンは、第１のアンテナ対と第２のアンテナ対とを含み、前記第１のアンテナ対と前記第２のアンテナ対とは、前記第１のアンテナ対の各アンテナによって受信される前記位置標定信号の経路差と前記第２のアンテナ対の各アンテナによって受信される前記位置標定信号の経路差とが一致するように設けられ、
    前記第２のパターンは、第３のアンテナ対と第４のアンテナ対とを含み、前記第３のアンテナ対と前記第４のアンテナ対とは、前記第３のアンテナ対の各アンテナによって受信される前記位置標定信号の経路差と前記第４のアンテナ対の各アンテナによって受信される前記位置標定信号の経路差とが一致するように設けられている
    ことを特徴とする移動端末の位置を標定する方法。