JP2016090311A - 測位装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のTDOA方式に基づく測位装置では、複数のアンテナを用いて目標からの信号を受信し、その信号受信時の到来時刻の差を条件式としてガウス・ニュートン法を用いて目標の位置座標を推定する。この際、ガウス・ニュートン法では初期値を設定して収束演算によりその目標の位置座標を推定するが、その初期値の設定は経験則や他の装置またはシステムによる先見情報などに依存している。その結果、従来の測位装置では解が収束せず発散したり局所解に陥り、目標発信器の測位を適切に行えない課題が生じていた。【解決手段】目標からの信号の到来時刻を複数の受信アンテナのそれぞれに対応した信号受信部で算出し、その到来時刻の早い複数個の信号受信部に対応した受信アンテナの位置を表す座標を選択し、その選択された受信アンテナの位置を表す座標を用いて、ガウス・ニュートン法で用いる初期値を設定し、収束演算により目標の位置座標を推定する。【選択図】図１

Description

この発明は、目標からの信号を観測し、目標の位置を推定する測位装置に関するものである。

目標発信器が送出する信号を座標が既知の複数の受信アンテナで受信し、複数の受信アンテナでの信号の到来時間差(TDOA：Time Difference of Arrival)を用いて目標発信器の座標を推定する測位装置が広く知られている。特に、目標の座標の推定にあたっては、ガウス・ニュートン法に基づく非線形最小二乗法演算を行う方式が知られている。

この測位装置として、地表面に存在する(つまりZ座標＝０)目標発信器の位置を推定する二次元測位装置、および航空機のような高度を持つ(つまりZ座標≠０)プラットフォームに搭載された目標発信器の位置を推定する三次元測位装置に大別される。具体的な適用例を挙げると、二次元測位装置では不法電波局の監視・測位、三次元測位装置では航空機の航空管制などがある。その他にも、適用環境は多岐に渡るが、多くの測位装置において高い測位精度を得ることが重要となる。

測位装置が測位対象とする目標発信器の監視エリアは、適用例によって異なる。例えば、近距離の場合は、その測位装置を中心とした半径数kmの円内、航空機の航空管制など遠距離の場合には、その測位装置を中心とした半径数十〜１００km程度となる。この際、測位装置は目標発信器が監視エリアのどこにいても確実に測位可能であることが求められる。目標発信器が監視エリアに既に存在している場合はもちろん、新たに監視エリアに進入してきた際の初期探知に際しても確実に測位を行うことが重要となる。

従来の測位装置は、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１の段落００５０から段落００５４では、複数の局において検出された目標発信器からの電波の到来時刻の時間差を用いて、TDOA方式に基づき目標発信器の位置の算出する例が記載されている。具体的には、第２の局と目標発信器との距離と、第１の局と目標発信器との距離との差に関する条件式を設定する。同様に、第３の局（または第４の局）と目標発信器との距離と、第１の局と目標発信器との距離との差に関する条件式を設定する。さらに、その条件式から未知の変数である目標発信器の座標をガウス・ニュートン法などの求解法を使用することにより解く。このガウス・ニュートン法は、目標発信器が存在すると思われるもっともらしい座標を初期値として設定し、収束演算により順次誤差を修正して真の解に収束させる方法である。非特許文献１に示されるように、ガウス・ニュートン法は２階微分を必要とせず、真の解の近傍で成り立つ１階微分による近似に基づく求解法である。従って、その初期値を真の解の近傍に設定することが重要となる。

特許文献１（特に、段落００５０から００５４）では、この初期値設定方法に関して段落００５４において「適当な初期値x0およびy0を決定する」と記述されているが、「適当な」に関する詳細な記述は見られない。特許文献２（特に、段落００７２）では、ガウス・ニュートン法を用いる場合の座標の初期値の設定に関して、「初期値の設定の仕方としては、例えば、経験則によるか、あるいは地図データベースの地図情報から大まかな位置を設定する、などである」と記載されている。特許文献３（特に、段落００６４）では、「本実施形態では、移動局の推定初期位置は、複数の基地局の重心位置であるが、これに限られず複数の基地局から選択された一基地局から所定の範囲内（例えば信頼性の高い基地局から１ｍ以内）の任意の位置であってもよいし、複数の基地局に囲まれた範囲Ａ内の任意の位置であってもよい」と記載されている。

金谷健一著、"これなら分かる最適化数学、"共立出版。 特開２００９-２３６７８１ 特開２０１２-１８５０１１ 特開２０１１-２１４９２０

従来の測位装置では、TDOA方式においてガウス・ニュートン法を用いる際に、その座標の初期値の設定は経験則や他の装置またはシステムによる目標発信器の座標に関する事前知識などに依存している。しかし、目標発信器の座標に関する事前知識がまったく無い場合、従来の測位装置は設定する初期値によって目標発信器の測位精度および正しい値に収束する確率は大きな影響を受ける。不適当な初期値が設定されると、前述の収束演算が収束せずに発散したり、真の解(Global Minimum)とは異なる局所解(Local Minimum)に陥り、正しい測位結果が得られない場合も生じる。例えば、特許文献１〜３では、事前知識がまったく無い場合に、設定した初期値により得られる測位成功率、すなわち、解の発散や局所解への陥りが起こらず真の解を導出できる確率がどの程度となるかについては触れられていない。また、TDOA方式においてガウス・ニュートン法を用いる際の優れた初期値の設定法を示した文献は筆者の知る限り見当たらない。このように、従来の測位装置では、目標発信器の座標に関する事前知識が無い場合に、解が収束せずに発散や局所解に陥り、目標発信器の測位を適切に行えない場合がある。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、目標発信器の座標に関する先見知識が得られない状態で、適切な初期値を設定することにより、目標発信器の測位を高精度に行う測位装置を得ることを目的とする。

この発明に係る測位装置は、目標からの信号を受信する複数のアンテナと、前記複数のアンテナのそれぞれで受信された信号の自受信部への到来時刻を算出する複数の信号処理部と、前記複数の信号処理部のそれぞれで算出された到来時刻情報を用いて、前記複数の信号処理部の中の特定の信号処理部で算出された到来時刻情報と該特定の信号処理部以外の信号処理部で算出された到来時刻情報との差である到来時間差を算出するセンター受信部と、前記センター受信部で算出された到来時間差及び、前記複数のアンテナの位置を示す座標及び、初期値を用いて収束演算により前記目標の位置座標を推定する測位演算部と、前記測位演算部で用いられる前記初期値を前記複数の信号処理部で算出された到来時刻情報を用いて設定する初期値算出部と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、目標発信器の座標に関する先見知識が得られない状態であっても適切な初期値を設定することが可能となり、目標発信器の位置に収束する確率が高くなる。

この発明の実施の形態１による測位装置１を示す構成図。 この発明の実施の形態１による測位装置１で用いられる受信アンテナ４−１〜４−Nの地理的な配置の一例を示す図。 この発明の実施の形態１における初期値算出部１０の詳細な構成図。 この発明の実施の形態１における初期値算出部１０の処理を示すフローチャート。 この発明の実施の形態２における測位装置１を示す構成図。 この発明の実施の形態２における初期値算出部１０の詳細な構成図。 この発明の実施の形態２における初期値選択部１７の処理を示すフローチャート。 この発明の実施の形態３における初期値算出部１０の処理を示すフローチャート。 この発明の実施の形態４による測位装置１を示す構成図。 この発明の実施の形態４における初期値算出部１０の詳細な構成図。 この発明の実施の形態４における初期値補正部１９の処理を示すフローチャート。 この発明の実施の形態５による測位装置１を示す構成図。 この発明の実施の形態５における初期値算出部１０の詳細な構成図。 この発明の実施の形態５における初期値補正部１９の処理を示すフローチャート。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による測位装置１を示す構成図である。図において、１は測位装置、２は測位対象とする目標である目標発信器２、３は目標発信器２が送出する信号である変調信号３、４−１〜４−Nは変調信号３を受信する設置座標が既知のアンテナである受信アンテナ、５−１〜５−Nは信号処理部、６−１〜６−Nは信号処理部５−１〜５−Nが出力する変調信号３を復調して得られるデコードデータd１〜dN、７−１〜７−Nは信号処理部５−１〜５−Nが出力する変調信号３の到来時刻情報t１〜tN、８はセンター受信部、９−１〜９−N-１はセンター受信部８が出力する到来時間差τ１〜τN-１の情報、１０は初期値算出部、１１は初期値算出部１０が出力する初期値、１２は測位演算部、１３は測位演算部１２がガウス・ニュートン法に基づく最小二乗法による収束演算により求解した目標発信器２の推定座標である。ここで、到来時刻情報７−１〜７−Nは信号処理部５−１〜５−Nで変調信号３が受信される受信時刻を表す。到来時間差τ１〜τN-１は特定の信号処理部で算出された到来時刻情報とその特定の信号処理部以外の信号処理部で算出された到来時刻情報との時間差を表す。また、Nは受信アンテナ数を表す。以降の各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。

図２はこの発明の実施の形態１による測位装置１で用いられる受信アンテナ４−１〜４−Nの地理的な配置の一例を示す図である。図３に示されるように、一般的には、アンテナ４−１〜４−Nは広い範囲に分散されて設置される場合が多く、目標発信器２の周囲に分散的に配置される場合が多い。また、アンテナ４−１〜４−Nと目標発信器２との距離に応じて、アンテナ４−１〜４−Nで受信される変調信号３の時刻はそれぞれ異なる。すなわち、目標発信器２からの変調信号３が到来する時刻が早い受信アンテナほど目標発信器２との距離が近いと言える。図１では測位装置１の装置的な構成を示しているが、実際の受信アンテナ４−１〜４−Nの地理的な配置は図２のようになる場合が多い。

次に、動作について説明する。信号処理部５−１〜５−Nはそれぞれ測位対象とする目標発信器２が送出する変調信号３の受信アンテナ４−１〜４−Nにおける到来時刻情報７−１〜７−N(t1〜tN)を、センター受信部８と初期値算出部１０の両方に出力する。初期値算出部１０は到来時刻情報７−１〜７−N(t1〜tN)から収束演算の初期値１１(x0, y0, z0)を算出し、測位演算部１２で行われるガウス・ニュートン法に基づく最小二乗法による収束演算で推定座標１３を算出する。このときの初期値算出部１０の詳細な構成および動作を次に説明する。

図３は本実施の形態１における初期値算出部１０の詳細な構成図である。図３において、１４は到来時刻並び換え部、１５は座標算出部である。また、図４は初期値算出部１０が信号処理部５−１〜５−Nから出力される変調信号３の到来時刻情報(t1〜tN)７−１〜７−Nから初期値１１(x0, y0, z0)を算出する手順を示すフローチャートである。

まず、信号処理部５−１〜５−Nが出力する変調信号３の到来時刻情報７−１〜７−N(t1〜tN)は、到来時刻並び換え部１４に入力される。到来時刻並び換え部１４では総数Nの到来時刻情報７−１〜７−Nを早い順(値が小さい順)に並び換え、その中から上位M個であるti１, ti２,…, tiM (ti１＜ ti２＜…＜tiM)を抽出する(ＳＴ１００)。ここで、Mの値は測位装置１で事前に設定されるパラメータであり、このMの値を用いて到来時刻並び換え部１４で並び替えを行う。次に、座標算出部１５は早い順に並び換えられた上位M個の到来時刻情報ti１〜tiMに対応する受信アンテナ４i１〜４iMの既知の設置座標をそれぞれ

として抽出する(ＳＴ１０１)。また、抽出したM個の受信アンテナ４i１〜４iMの既知の設置座標から、式(１)に示すように重心座標（xハット, yハット, zハット)を算出する(ＳＴ１０２)。

最後に、座標算出部１５は式(１)で算出した重心座標(xハット, yハット, zハット)を初期値１１(x0, y0, z0)として測位演算部１２に出力する。測位演算部１２は、受信アンテナ４−１〜４−Nの既知の設置座標、到来時間差９−１〜９−N-１（τ1〜τN-１）、および初期値１１(x0, y0, z0)を用い、前述の特許文献１の段落００５０から段落００５４で示される手順で目標発信器２の推定位置１３(X’、Y’、Z’)を算出する。

ここで、本発明の実施の形態１による測位装置１において、背景技術で述べたような「収束演算が収束せずに発散したり、真の解(Global Minimum)とは異なる局所解(Local Minimum)に陥ったりと、正しい測位結果が得られない」という問題を緩和できる理由を以下に説明する。

式(２)に到来時間差９−１〜９−N-１（τ1〜τN-１）、既知の受信アンテナ４−１〜４−Nの設置座標(ｘa, ya, ｚa)〜(ｘN, yN, ｚN)、および初期値１１(x0, y0, z0)から、測位対象である目標発信器２の座標(X,Y,Z)を推定するための測位方程式を示す。

測位方程式である式(２)は、N-１個の連立方程式となる。しかし、式(２)は非線形方程式であるため、その解を求めるために解が存在すると思われるもっともらしい座標(x0, y0, z0)を初期値として設定し、収束演算により順次誤差を修正して真の解に収束させるガウス・ニュートン法を用いる。ガウス・ニュートン法は、以下に説明する仮定と近似を用いて解を求める。まず、式(２)を目標発信器２の座標(X,Y,Z)の近傍座標(x0, y0, z0)の周りでテーラー展開すると、式(３)のような無限級数として得られる。

なお、

(1≦i≦N)とおいた。

式(３)ではテーラー展開による２階偏微分の項まで記載している。前述の特許文献１における段落００５０から段落００５４に示される手順で目標発信器２の推定位置(X’,Y’,Z’)１３を算出するには、目標発信器２の真の座標(X,Y,Z)と座標(x0, y0, z0)が十分近傍であると仮定し、式(３)における２階偏微分以上の項が無視できるほど小さくなり、結局次式(４)のように見なせるという近似を用いる。

式(４)において座標(x0, y0, z0)が収束演算の初期値１１になる。式(４)は近似を用いているため、実際の演算には近似誤差が伴う。そのため式(４)の(x0, y0, z0)を更新して収束演算を行い最終推定値(X’,Y’,Z’)を得る。

しかし、背景技術で述べたように、目標発信器２の位置に関する先見情報が得られない状況下では、その初期値１１(x0, y0, z0)をどの位置に設定すれば良いか判断できない。特に測位装置１が担当する監視エリアが数十kmのような広大な場合には、初期値１１(x0, y0, z0)の設定が適当でないと、式(３)から式(４)への変型で用いた「目標発信器２の真の座標(X,Y,Z)と座標(x0, y0, z0)が十分近傍である」という仮定が成り立たたないことになる。これは式(４)を用いた収束演算に、収束安定性悪化や正しい解へ収束しないという多大な影響を与える。

本発明の実施の形態１は、上記のような問題を克服するために、目標発信器２が送出する変調信号３の各受信アンテナ４−１〜４−Nにおける到来時刻情報(t1〜tN)７−１〜７−Nを用いて、「到来時刻が早い受信アンテナほど目標発信器２との距離が小さい」という幾何学的性質を用いて、式(６)への変型で用いた仮定に近付けることで、収束演算の収束安定性悪化や正しい解へ収束しないという多大な影響を緩和する。つまり、本実施の形態１のように、各受信アンテナ４−１〜４−Nにおける到来時刻情報(t1〜tN)７−１〜７−Nを用いて、測位演算部１２における収束演算の初期値１１(x0, y0, z0)を算出する。このように初期値１１を算出することで、収束演算の収束安定性を向上し、正しい解への収束度を高められるという効果が得られる。

すなわち、本実施の形態では、選択されたアンテナの設置座標を用いて初期値１１(x0, y0, z0)を算出することにより、到来時刻が早いアンテナの設置座標を利用して、目標発信器２に近い座標を初期値１１として設定することができる。また、初期値１１(x0, y0, z0)を選択されたアンテナの設置座標の重心として算出することにより、目標発信器２に近いアンテナの設置座標の平均的な位置を初期値１１として設定することができる。一般的には、アンテナは広い範囲に分散されて設置される場合が多く、選択されるアンテナは目標発信器２から見て、さまざまな方向に位置する。このようなさまざまな方向に位置するアンテナの設置座標の重心を用いることにより、目標発信器２に近い位置を初期値１１として設定することができる。

このように、本実施の形態の測位装置１は、目標からの信号である変調信号３を受信する複数の受信アンテナ４−１〜４−Nと、複数の受信アンテナ４−１〜４−Nのそれぞれで受信された信号の自信号処理部への到来時刻を算出する複数の信号処理部５−１〜５−Nと、複数の信号処理部５−１〜５−Nのそれぞれで算出された到来時刻情報７−１〜７−Nを用いて、複数の信号処理部５−１〜５−Nの中の特定の信号処理部で算出された到来時刻情報とその特定の信号処理部以外の信号処理部で算出された到来時刻情報との差である到来時間差を算出するセンター受信部８と、センター受信部８で算出された到来時間差及び、複数のアンテナの位置を示す座標及び、初期値１１を用いて収束演算により目標の位置座標を推定する測位演算部１２と、測位演算部１２で用いられる初期値１１を複数の信号処理部５−１〜５−Nで算出された到来時刻情報７−１〜７−Nを用いて算出する初期値算出部１０と、を備えたことを特徴とする。このような構成により、到来時刻情報７−１〜７−Nが早いアンテナの設置座標を利用して、目標発信器２に近い座標を初期値１１として設定することができる。また、目標発信器２の座標に関する先見知識が得られない状態であっても適切な初期値１１を設定することが可能となり、目標発信器２の位置に収束する確率が高くなる。

また、本実施の形態の測位装置１における初期値算出部１０は、複数の信号処理部５−１〜５−Nで算出された到来時刻情報７−１〜７−Nを到来時刻の早い順に並び換える並び換え部１４と、並び換え部１４で並び換えられた到来時刻情報７−１〜７−Nを到来時刻の早い順に複数抽出し、この抽出された複数の到来時刻情報７−１〜７−Nのそれぞれが算出された信号処理部５−１〜５−Nに対応するアンテナの位置を示す座標を用いて測位演算部１２で用いられる初期値１１を算出する座標算出部である座標算出部１５と、を備えたことを特徴とする。このような構成により、到来時刻が早い上位の複数個のアンテナの設置座標を利用し、初期値１１の設定に有効なアンテナを選択して目標発信器２に近い座標を初期値１１として設定することができる。

また、本実施の形態の測位装置１における初期値算出部１０において、座標算出部である座標算出部１５で算出される初期値１１は、抽出された複数の到来時刻情報７−１〜７−Nのそれぞれが算出された信号処理部５−１〜５−Nに対応するアンテナの位置を示す座標の重心座標であることを特徴とする。このような構成により、さまざまな方向に位置するアンテナの設置座標の重心を用いて、目標発信器２に近い位置を初期値１１として設定することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では初期値１１に基づき１回の収束演算を行う場合を扱ったのに対し、実施の形態２では、２回以上の収束演算を行う場合の初期値１１を算出する場合を扱う。

図５は本発明の実施の形態２の測位装置１の構成を示す図である。図５は実施の形態１の構成を示す図１に、推定座標格納部１６を新たに加えたもので、その他の構成は図１と同じである。

次に動作について説明する。実施の形態１の初期値算出部１０では、測位対象である目標発信器２が送出する変調信号３の各受信アンテナ４−１〜４−Nにおける到来時刻情報(t1〜tN)７−１〜７−Nを、到来時刻並び換え部１４で到来時刻情報(t1〜tN)７−１〜７−Nが小さい順に並び換え、その上位M個に相当する受信アンテナの重心座標(xハット, yハット, zハット)を初期値１１(x0, y0, z0)として測位演算部１２へ出力するように構成した。測位演算部１２ではこの初期値１１(x0, y0, z0)を用いて収束演算を実施し目標発信器２の推定座標１３(X’、Y’、Z’)を得る。

本発明の実施の形態２では、この到来時刻情報(t1〜tN)７−１〜７−Nの観測と目標発信器２の目標推定座標１３(X’、Y’、Z’)の導出を１回の信号処理周期と見なし、時系列に複数回の信号処理周期を繰り返す場合を扱う。推定座標格納部１６はこの時系列に沿った目標発信器２の推定座標１３(X’、Y’、Z’)を逐次記憶する。図６に実施の形態２における初期値算出部１０の詳細な構成図を示す。図６に示す初期値算出部１０の詳細な構成図は、実施の形態１の初期値算出部１０の詳細構成を示した図３に、あらたに初期値選択部１７を加えたものとなっている。

この初期値選択部１７の動作手順を示すフローチャートを図７に示す。まず、初期値算出部１０は信号処理周期Tの値をカウントし、その値を保持する。初期値選択部１７は信号処理周期Tの値によって、今回座標算出部１５で算出された重心座標(xハット(T)、yハット(T)、zハット(T))と、前回の信号処理周期(T-１)において測位演算部１２により得られた目標発信器２の推定座標１３を(X’(T-１), Y’(T-１), Z’(T-１))のどちらを今回の信号処理周期Tの初期値１１(x0(T),y0(T),z0(T))として用いるかを選択する(ＳＴ１１０)。具体的には、初回の信号処理周期(T=１)では実施の形態１に示したように重心座標(xハット(1)、yハット(1)、zハット(1))を初期値１１(x0(1),y0(1),z0(1))として用いる(ＳＴ１１１)。また、次の信号観測周期(T=２)では、前回の目標発信器２の推定座標１３(X’(1), Y’(1), Z’(1))を今回の収束演算の初期値１１(x0(2),y0(2),z0(2))に設定する(ＳＴ１１２)。

このような処理により、初回の信号処理周期(T=１)では重心座標を用いることにより、収束演算の収束安定性が向上し、正しい解への収束度が高められる。また、信頼度の高い推定座標１３(X’(1), Y’(1), Z’(1))を得ることができる。また、次の信号観測周期(T=２)では、信頼度の高い推定座標１３(X’(1), Y’(1), Z’(1))を初期値１１(x0(2),y0(2),z0(2))として使用しても用いることにより、さらに信頼度の高い収束演算を行うことが可能となる。

以上のように構成したので、時系列で得られる推定座標１３(X’(T), Y’(T), Z’(T))に滑らかな連続性が得られ、目標発信器２の座標に関する追尾性能が向上するという効果が得られる。

このように、本実施の形態の測位装置１は、測位演算部１２により推定された目標の推定座標１３を格納する推定座標格納部１６を備え、初期値算出部１０は推定座標格納部１６に格納された目標の推定座標１３を用いて測位演算部１２で次回の処理に用いられる初期値１１を算出することを特徴とする。このような処理により、収束演算の収束安定性が向上し、信頼度の高い収束演算を行うことが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態２では、２回以上の収束演算を行う場合に目標発信器２の推定座標１３を初期値１１として算出したのに対し、実施の形態３では推定座標１３の信頼性に基づき初期値１１としてその推定座標１３又は重心座標のいずれか一方を算出する構成を示す。

本発明の実施の形態３の構成は実施の形態２の構成を示す図５と同一である。同様に実施の形態３の初期値算出部１０の詳細構成は実施の形態２の初期値算出部１０の詳細構成を示す図６と同一である。

次に動作を説明する。図８に本実施の形態３における初期値算出部１０の動作手順を示すフローチャートを示す。実施の形態２の動作手順を示すフローチャートである図７と異なる部分は、図８におけるＳＴ１２０とＳＴ１２１である。

実施の形態２では初回の信号処理周期(T=１)ではその時の重心座標(xハット(1)、yハット(1)、zハット(1))を、T=２以降では前回の目標発信器２の推定座標１３(X’(T-１), Y’(T-１), Z’(T-１))を、それぞれ収束演算の初期値１１(x0(T),y0(T),z0(T))として用いていた。実施の形態２では、重心座標(xハット(1)、yハット(1)、zハット(1))を収束演算の初期値１１(x0(1),y0(1),z0(1))として用いることで、その結果収束演算の収束安定性が向上し、正しい解への収束度が高められ、推定座標１３(X’(1), Y’(1), Z’(1))の信頼度は十分高いと判断される、としていた。

しかし、外来雑音や測位装置１内における観測誤差、または目標発信器２と受信アンテナ４−１〜４−Nの幾何学的配置条件などにより、重心座標(xハット(1)、yハット(1)、zハット(1))を初期値１１(x0(1), y0(1), z0(1))として用い、その結果得られた推定座標１３(X’(1), Y’(1), Z’(1))の信頼度が低くなった場合を考える。このとき、推定座標１３(X’(1), Y’(1), Z’(1))を次の信号処理周期(T=２)における収束演算の初期値１１(x0(2),y0(2),z0(2))として用いると、かえって収束演算の安定性が悪化し、誤った解を導出してしまうことで、時系列で得られる推定座標１３(X’(T), Y’(T), Z’(T))が滑らかに得られない状態、すなわち推定座標１３が発散する状態となる。

本発明の実施の形態３では、そのような推定座標１３(X’(T), Y’(T), Z’(T))の一時的な信頼度低下による測位性能劣化を回避するために、信号処理周期毎に推定座標１３(X’(T), Y’(T), Z’(T))の信頼度判定を行う。まず、時系列的に連続した信号処理周期TとT-１を考える。信号処理周期Tでは、信号処理周期T-１において測位演算部１２で算出された目標発信器２の推定座標１３(X’(T-１), Y’(T-１), Z’(T-１))が初期値選択部１７に入力される。同時に、信号処理周期Tにおいて座標算出部１５で算出された重心座標(xハット(T)、yハット(T)、zハット(T))も初期値選択部１７に入力される。初期値選択部１７では、この両者の幾何学的距離Rを算出する(ＳＴ１２０)。次に、Rを測位装置１で事前に設定されたパラメータであるεと比較する(ＳＴ１２１)。もし、信号処理周期T-１の推定座標１３(X’(T-１), Y’(T-１), Z’(T-１))が正しく求められていれば、Rの値はある一定値以上は大きくならない。逆に、信号処理周期T-１の推定座標１３(X’(T-１), Y’(T-１), Z’(T-１))が正しく求められていない場合、Rの値はある一定値を超えて大きな値となる。そこで、事前に適切に設定されたパラメータεを用いると、Rがεより大きくなる場合（ＳＴ１２１）は、前回の信号処理周期T-１における推定座標１３(X’(T-１), Y’(T-１), Z’(T-１))が、収束演算の安定性が悪化したことにより発散したり、推定座標１３(X’(T-１), Y’(T-１), Z’(T-１))が目標発信器２の真の座標から大きく外れた位置に飛んでしまったなどの要因が考えられる。つまり、信号処理周期T-１の推定座標１３(X’(T-１), Y’(T-１), Z’(T-１))の信頼度は低いと判断される。したがって信号処理周期Tにおける初期値選択部１７の動作は、(X’(T-１), Y’(T-１), Z’(T-１))の結果を棄却し、改めて今回の重心座標(xハット(T)、yハット(T)、zハット(T))を今回の初期値１１(x0(T),y0(T),z0(T))として算出し、収束演算を再帰化させる(ＳＴ１２２)。また、Rがεより大きくならない場合（ＳＴ１２１）は、前回の推定座標１３(X’(T-１), Y’(T-１), Z’(T-１))は信頼度が高いと判断し、その推定座標１３を今回の収束演算の初期値１１(x0(T),y0(T),z0(T))として算出する（ＳＴ１２３）。

以上のように、本実施の形態では、外来雑音や測位装置１内における観測誤差、または目標発信器２と受信アンテナ４−１〜４−Nの幾何学的配置条件などにより、一時的に収束演算が不安定になり推定座標１３(X’(T-１), Y’(T-１), Z’(T-１))の信頼度が低下しているかどうかを判断した上で、適切な初期値１１(x0(T),y0(T),z0(T))を選択する。このような構成により、目標発信器２の推定座標１３に滑らかな連続性が得られ、また測位装置１としての動作信頼性を向上させるという効果が得られる。

このように、本実施の形態の測位装置１は、初期値算出部１０は複数の信号処理部５−１〜５−Nで算出された到来時刻情報７−１〜７−Nを到来時刻の早い順に並び換える並び換え部である到来時刻並び替え部１４と、到来時刻並び換え部１４で並び換えられた到来時刻情報を到来時刻の早い順に複数抽出し、その抽出された複数の到来時刻情報のそれぞれが算出された信号処理部５−１〜５−Nに対応するアンテナ４−１〜４−Nの位置を示す座標の重心座標を算出する座標算出部１５と、推定座標格納部１６に格納された目標の推定座標１３と、座標算出部１５により算出された重心座標との幾何学的距離に基づき、目標の推定座標１３または重心座標のいずれか一方を測位演算部１２で次回の処理に用いられる初期値１１として選択する初期値選択部１７とを備えたことを特徴とする。このような処理により、目標発信器２の推定座標１３に滑らかな連続性が得られ、また測位装置１としての動作信頼性を向上させることが可能となる。

実施の形態４．
実施の形態１〜３では、初期値算出部１０は変調信号３を信号処理部５−１〜５−Nで復調したデコードデータ６−１〜６−Nを用いなかったのに対し、本実施の形態では初期値算出部１０がデコードデータ６−１〜６−Nに含まれる情報を用いて、初期値１１の算出を行う構成を示す。

図９に本発明の実施の形態４における測位装置１の構成を示す。図９において実施の形態１の構成を示す図１と異なる点は、センター受信部８から初期値算出部１０に変調信号３のデコード情報である初期値補正情報Ａ１８を出力するように構成したのみで、他は図１の構成と同じである。目標発信器２が送出する変調信号３は、受信アンテナ４−１〜４−Nを経由し信号処理部５−１〜５−Nで復調されデコードデータ６−１〜６−Nとしてセンター受信部８へ出力される。センター受信部８は、デコードデータ６−１〜６−Nを集約し、初期値算出部１０へ初期値補正情報Ａ１８として出力する。

図１０は本実施の形態４における初期値算出部１０の詳細な構成を示す図である。図１０では実施の形態１の初期値算出部１０の詳細構成を示す図３に、あらたに初期値補正部１９が加えられている。その他の構成は実施の形態１の図３と同じである。
図１１は本実施の形態４における初期値補正部１９の動作手順を示すフローチャートを示す図である。

次に、図９〜図１１を用いて初期値補正部１９の動作を説明する。本発明の実施の形態１に示した初期値算出部１０の動作は、測位装置１単体で目標発信器２の位置に関する先見情報がまったく得られない場合に、観測情報である変調信号３の受信アンテナ４−１〜４−Nにおける到来時刻情報(t)７−１〜７−Nを用いて重心座標(xハット, yハット, zハット)を算出し、これを初期値１１(x0, y0, z0)として算出するものであった。しかし、変調信号３を信号処理部５−１〜５−Nで復調したデコードデータ６−１〜６−Nには、変調信号３を送出した目標発信器２自身の位置に関する情報が含まれている場合もある。

その例として、航空機２次監視レーダ(Secondary Surveillance Radar：SSR)で用いられているSSRモードS信号がある。例えば、文献ICAO Annex １０ Volume IV, “Surveillance Radar and Collision Avoidance Systems Ed４”, Nov ２００７.に記述されているように、SSRモードSのダウンリンク信号には航空機自身の気圧高度情報が含まれている。気圧高度はその日の天候や気温、湿度などの環境条件により真値から数１００ｍの誤差を生ずる場合もあるが、測位対象航空機の高度に関する情報として参考にすることはできる。

そこで、本実施の形態では、センター受信部８は、デコードデータ６−１〜６−Nを集約し、初期値補正情報Ａ１８として、初期値補正部１９に対して出力する。また、初期値補正部１９は初期値補正情報Ａ１８内に目標発信器２である測位対象航空機の位置に関して参考にできる情報があるかどうかを解析する(ＳＴ１３０)。解析の結果、測位対象航空機の位置に関して参考にできる情報がある場合には、初期値補正情報Ａ１８内の情報を用いて初期値１１を算出する(ＳＴ１３１)。例えば、解析の結果、SSRモードSのように気圧高度の情報が検出されたとする。この気圧高度の値をzhとすると、座標算出部１５が図４に示す実施の形態１のＳＴ１０２により算出した重心座標(xハット, yハット, zハット)のうち、zハットの部分をzhに置き換えるなどの補正を行う(ＳＴ１３１)。なお、ここでは単純に置き換える手段を例に挙げたが、zハットとzhを環境条件や観測条件により重みを付けて平均化するなど、ここでは詳細に記載しないが他の補正方法も有効である。一方、ＳＴ１３０にて初期値補正情報Ａ１８内に参考情報がないと検出された場合には、実施の形態１のＳＴ１０２により算出した重心座標(xハット, yハット, zハット)をそのまま初期値１１(x0, y0, z0)とする(ＳＴ１３２)。

以上のように構成することで、目標発信器２が送出する変調信号３に、自身の位置に関する情報が含まれている場合にはその情報を参考として重心座標(xハット, yハット, zハット)を信頼度がより高い方へ補正することが可能になる。その結果、収束演算の安定性向上、測位精度の向上につながるという効果が得られる。

このように、本実施の形態の測位装置１の信号処理部５−１〜５−Nは目標からの信号である変調信号３を復調することにより、目標からの信号に含まれる情報を抽出する手段を有し、初期値算出部１０は信号処理部５−１〜５−Nで抽出された情報を用いて、測位演算部１２で用いられる初期値１１を算出することを特徴とする。このような構成により、変調信号３に、自身の位置に関する情報が含まれている場合には、その情報を参考として重心座標(xハット, yハット, zハット)を信頼度がより高い方へ補正することが可能になる。

実施の形態５．
実施の形態１〜４では、測位装置１は他の装置からの情報を用いなかったのに対し、本実施の形態では他の装置から得られる情報を用いて初期値算出部１０が初期値１１の算出を行う構成を示す。

本発明の実施の形態５における測位装置１の構成を図１２に示す。図１２は実施の形態１の構成を示す図１に、測位装置１以外の他の通信システム２０aや管制システム２０bとの通信手段を有する他装置情報通信器２１を加え、他装置情報通信器２１から初期値補正情報Ｂ２２を初期値算出部１０へ出力するように構成したものである。その他の構成は実施の形態１の構成を示す図１と同じである。

図１３は本実施の形態５における初期値算出部１０の詳細な構成を示す図である。図１３は本発明の実施の形態１の初期値算出部１０の詳細な構成を示す図３に、あらたに初期値補正部１９を加えたもので、その他の構成は図３と同じである。図１４は本実施の形態５における初期値補正部１９の動作手順を示すフローチャートを示す図である。

次に、図１２〜図１４を用いて初期値補正部１９の動作を説明する。例えば、航空機１次監視レーダ(Primary Surveillance Radar：PSR)は通常の送受信レーダとして本発明の測位装置とは独立して動作する航空機航法管制システムである。PSRは測位対象航空機の位置を、PSR自身を中心とする極座標表現、つまり方位φ、仰角θ、距離Rの情報として検出している。本実施の形態では、他の通信システム２０aや管制システム２０bから測位対象航空機の位置に関する情報を他装置情報通信器２１で受信し、他装置情報通信器２１からその位置情報を含む初期値補正情報Ｂ２２を初期値算出部１０へ出力する。初期値算出部１０内の初期値補正部１９は初期値補正情報Ｂ２２内に測位対象航空機の位置に関する情報（φ、θ、Rなどの測位対象航空機の位置に関する情報）が含まれているかどうかを解析する(ＳＴ１４０)。解析の結果、初期値補正情報Ｂ２２内に測位対象航空機の位置に関する情報が含まれていると判断された場合には、初期値補正情報Ｂ２２内に測位対象航空機の位置に関する情報を用いて初期値１１を算出する。具体的には、まず、φ、θ、Rの極座標表現から本測位装置１で用いているXYZ直交座標に変換する。極座標から直交座標への変換手順は公知であるため、ここでは詳細な記述を省く。この変換の結果得られた位置座標と、実施の形態１のＳＴ１０２で得た重心座標の算術平均値を初期値１１(x0, y0, z0)に算出する(ＳＴ１４１)。なお、ここでは算術平均値を用いる方法を示したが、例えば本発明の測位装置１による到来時刻情報７−１〜７−Nの観測精度(分解能)とPSRなどのレーダの観測精度(分解能)を比較して、観測精度(分解能)が高い方の情報に重みを付けて平均するなど、ここでは詳細に記載しないが他の方法も有効である。一方、ＳＴ１４０にて初期値補正情報Ｂ２２内に参考情報がないと検出された場合には、実施の形態１のＳＴ１０２により算出した重心座標(xハット, yハット, zハット)をそのまま初期値１１(x0, y0, z0)とする(ＳＴ１４２)。

以上のように構成することで、他の独立した通信システムや航法管制システムから入手できた情報に、目標発信器２の位置に関する情報が含まれている場合にはその情報を参考として重心座標(xハット, yハット, zハット)を信頼度がより高い方へ補正することが可能になる。その結果、収束演算の安定性向上、測位精度の向上につながるという効果が得られる。

このように、本実施の形態の測位装置１は他の装置から情報を受信する他装置情報通信器２１を備え、初期値算出部１０は他装置情報通信器２１で抽出された情報を用いて、測位演算部１２で用いられる初期値１１を算出する。このような構成により、他の独立した通信システムや航法管制システムから入手できた情報に、目標発信器２の位置に関する情報が含まれている場合にはその情報を参考として重心座標(xハット, yハット, zハット)を信頼度がより高い方へ補正することが可能になる。

１：測位装置、２：目標発信器、３：変調信号、４−１〜４−N：受信アンテナ、５−１〜５−N：信号処理部、６−１〜６−N：デコードデータ、７−１〜７−N：到来時刻情報、８：センター受信部、９−１〜９−N-１：到来時間差、１０：初期値算出部、１１：初期値、１２：測位演算部、１３：目標発信器２の推定座標、１４：到来時刻並び換え部、１５：座標算出部 、１６：推定座標格納部、１７：初期値選択部、１８：初期値補正情報Ａ、１９：初期値補正部、２０ａ：通信システム、２０ｂ：管制システム、２１：他装置情報通信器、２２：初期値補正情報Ｂ

Claims (7)

1. 目標からの信号を受信する複数のアンテナと、
   前記複数のアンテナのそれぞれで受信された信号の自信号処理部への到来時刻を算出する複数の信号処理部と、
   前記複数の信号処理部のそれぞれで算出された到来時刻を用いて、前記複数の信号処理部の中の特定の信号処理部で算出された到来時刻と該特定の信号処理部以外の信号処理部で算出された到来時刻との差である到来時間差を算出するセンター受信部と、
   前記センター受信部で算出された到来時間差及び、前記複数のアンテナの位置を示す座標及び、初期値を用いて収束演算により前記目標の位置座標を推定する測位演算部と、
   前記測位演算部で用いられる前記初期値を前記複数の信号処理部で算出された到来時刻を用いて算出する初期値算出部と、
   を備えたことを特徴とする測位装置。
2. 前記初期値算出部は
   前記複数の信号処理部で算出された到来時刻を到来時刻の早い順に並び換える並び換え部と、
   前記並び換え部で並び換えられた到来時刻を到来時刻の早い順に複数抽出し、該抽出された複数の到来時刻のそれぞれが算出された信号処理部に対応するアンテナの位置を示す座標を用いて前記測位演算部で用いられる前記初期値を算出する座標算出部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の測位装置。
3. 前記座標算出部で算出される初期値は、前記抽出された複数の到来時刻のそれぞれが算出された信号処理部に対応するアンテナの位置を示す座標の重心座標である
   ことを特徴とする請求項２に記載の測位装置。
4. 前記測位演算部により推定された前記目標の推定座標を格納する推定座標格納部を備え、
   前記初期値算出部は前記推定座標格納部に格納された前記目標の推定座標を用いて前記測位演算部で次回の処理に用いられる前記初期値を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の測位装置。
5. 前記初期値算出部は
   前記複数の信号処理部で算出された到来時刻を到来時刻の早い順に並び換える並び換え部と、
   前記並び換え部で並び換えられた到来時刻を到来時刻の早い順に複数抽出し、該抽出された複数の到来時刻のそれぞれが算出された信号処理部に対応するアンテナの位置を示す座標の重心座標を算出する重心座標算出部と、
   前記推定座標格納部に格納された前記目標の推定座標と、前記重心座標算出部により算出された重心座標との幾何学的距離に基づき、前記目標の推定座標または前記重心座標のいずれか一方を前記測位演算部で次回の処理に用いられる前記初期値として選択する初期値選択部とを備えたことを特徴とする請求項４に記載の測位装置。
6. 前記目標からの信号は変調信号であり、
   前記信号処理部は前記目標からの信号を復調することにより、前記目標からの信号に含まれる情報を抽出する手段を有し、
   前記初期値算出部は前記信号処理部で抽出された情報を用いて、前記測位演算部で用いられる前記初期値を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の測位装置。
7. 他の装置から情報を受信する他装置情報通信器を備え、
   前記初期値算出部は前記他装置情報通信器で抽出された情報を用いて、前記測位演算部で用いられる前記初期値を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の測位装置。

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