JP2016148591A - Direction-of-arrival estimation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、無線通信信号を用いて送信機が存在する方位を推定する技術に関する。 The present invention relates to a technique for estimating an azimuth in which a transmitter exists using a wireless communication signal.
従来、被測定系から送信された高UHF帯(数GHz)の無線通信信号を、測定系が有するアレーアンテナの各エレメントで受信し、その受信信号の受信強度や位相情報に基づいて被測定系からの無線通信信号の到来方向や、被測定系と測定系の相対位置を求める技術が知られている。そして、これら被測定系および測定系の周囲に、電波を反射する反射物が存在すると、測定系では、被測定系から直接到来する直接波だけでなく、反射物に反射してから到来する反射波も受信する。従って、被測定系が位置する方向を正しく検出するには、直接波と反射波を識別することが必要となる。これを実現する技術の一つとして、測定系を移動させることで異なる2地点で無線通信信号を受信し、両地点での無線通信信号の到来方向の角度変化から直接波と反射波を選別する技術が知られている(特許文献1参照)。 Conventionally, a radio communication signal in a high UHF band (several GHz) transmitted from a system to be measured is received by each element of an array antenna included in the measurement system, and the system to be measured is based on reception intensity and phase information of the received signal. There are known techniques for obtaining the direction of arrival of a radio communication signal from the radio and the relative position of the system under measurement and the measurement system. If there is a reflector that reflects radio waves around the system to be measured and the measurement system, the measurement system reflects not only the direct wave that directly arrives from the system to be measured but also the reflection that arrives after being reflected by the reflector. I also receive waves. Therefore, in order to correctly detect the direction in which the system to be measured is located, it is necessary to identify the direct wave and the reflected wave. As one of the technologies to achieve this, wireless communication signals are received at two different points by moving the measurement system, and direct waves and reflected waves are selected based on angle changes in the direction of arrival of wireless communication signals at both points. A technique is known (see Patent Document 1).
しかしながら、従来技術は、測定系(特にアレーアンテナ)の位置を移動させる必要があり、測定系の位置が固定されている条件下では、適用することができないという問題があった。 However, the prior art needs to move the position of the measurement system (particularly the array antenna), and there is a problem that it cannot be applied under conditions where the position of the measurement system is fixed.
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、アレーアンテナの位置が固定されていても反射波と直接波の選別を実現する技術の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to provide a technique for realizing selection of reflected waves and direct waves even when the position of the array antenna is fixed.
本発明の到来方向推定装置は、アレーアンテナを構成するm(mは3以上の整数)個のアンテナエレメントからの受信信号に従って、到来波の到来方向を推定するものであり、第1方位候補算出部と、直接波選定部と、到来方向決定部とを備える。 The arrival direction estimation apparatus of the present invention estimates the arrival direction of an incoming wave according to received signals from m (m is an integer of 3 or more) antenna elements constituting an array antenna, and calculates a first azimuth candidate. Unit, a direct wave selection unit, and an arrival direction determination unit.
第1方位候補算出部は、アレーアンテナを、それぞれがn(1<n<m)個のアンテナエレメントからなり、且つ該アンテナエレメントの配列方向の中心位置が互いに異なるように選択した複数の部分アレーアンテナのそれぞれについて、該部分アレーアンテナからの受信信号に従って到来波の到来方向を求める。直接波選定部は、第1方位候補算出部にて部分アレーアンテナ毎に求められた各到来波の到来方向を比較することによって、送信元から直接到来する直接波を選定する。到来方向決定部は、直接波選定部にて選定された直接波の到来方向を用いて、到来方向の推定結果を決定する。 The first azimuth candidate calculation unit includes a plurality of partial arrays in which the array antennas are each composed of n (1 <n <m) antenna elements and the center positions of the antenna elements in the arrangement direction are different from each other. For each antenna, the arrival direction of the incoming wave is determined according to the received signal from the partial array antenna. The direct wave selection unit selects the direct wave that directly arrives from the transmission source by comparing the arrival directions of the incoming waves obtained for each partial array antenna by the first direction candidate calculation unit. The arrival direction determination unit determines the arrival direction estimation result using the arrival direction of the direct wave selected by the direct wave selection unit.
このような構成によれば、単一のアレーアンテナを、中心位置が互いに異なるように設定された複数の部分アンテナとして使用することにより、位置の異なる複数地点での受信信号が得られるため、アレーアンテナを移動させることなく、直接波と反射波を選別することができる。 According to such a configuration, since a single array antenna is used as a plurality of partial antennas whose center positions are different from each other, received signals at a plurality of points having different positions can be obtained. Direct waves and reflected waves can be selected without moving the antenna.
なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 In addition, the code | symbol in the parenthesis described in the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later as one aspect, Comprising: The technical scope of this invention is limited is not.
以下に本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
[構成]
位置推定システム1は、図1に示すように、被測定装置(送信側装置)2と、測定装置(受信側装置)3とを備える。被測定装置2は、例えば、携帯電話機やスマートキーなどからなり、測定装置3は、例えば車両に搭載される車載器として構成される。
Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.
[Constitution]
As illustrated in FIG. 1, the
被測定装置2は、アンテナ21、送信機22、通信制御器23を備える。送信機22は、アンテナ21を介して高UHF帯(数GHz)を使用し所定の通信規格(例えば、WiFi(登録商標)やBluetooth (登録商標))に従った無線通信信号を送信する。通信制御器23は、無線通信信号を使用した通信を制御する。以下では、被測定装置2が送信する電波を「指定波」ともいう。
The device under
測定装置3は、第1アレーアンテナ31と、第2アレーアンテナ32と、第1受信部33と、第2受信部34と、位置推定部35とを備える。
第1および第2アレーアンテナ31,32は、図2に示すように、いずれも水平方向に配列されたm(mは3以上の正数、図ではm=8)個のアンテナエレメントE1〜Emで構成されている。また、両アレーアンテナ31,32は、少なくとも水平方向に異なる位置に配置される。
The
As shown in FIG. 2, each of the first and
図1に戻り、第1受信部33は、第1アレーアンテナ31からの受信信号に従って、受信した指定波の到来方向を推定し、その推定結果である第1推定方位DR1を位置推定部35に供給する。第2受信部34は、第2アレーアンテナ32からの受信信号に従って、受信した指定波の到来方向を推定し、その推定結果である第2推定方位DR2を位置推定部35に供給する。
Returning to FIG. 1, the first receiving
第1受信部33および第2受信部34は、同様の構成をしているため、ここでは第1受信部33の構成についてのみ説明する。第1受信部33は、エレメント切替器331と、受信機332と、直接波到来方向推定部333とを備える。エレメント切替器331は、第1アレーアンテナ31を構成する各アンテナエレメントE1〜Emからの受信信号を入力し、直接波到来方向推定部333からの指示に従って選択されたアンテナエレメントからの受信信号を受信機332に供給する。なお、図2に示すように、全てのアンテナエレメントを選択する設定をY0、アレーアンテナの一端(図では左端)からn(図ではn=4)個のアンテナエレメントを選択する設定をY1、アレーアンテナの他端(図では右端)からn個のアンテナエレメントを選択する設定をY2と表記する。設定Y1またはY2によって選択されるアンテナエレメントによって構成されるアレーアンテナを、以下では、部分アレーアンテナと呼ぶ。部分アレーアンテナを構成するアンテナエレメントの数(以下「エレメント数」という)nは、同時に受信する可能性のある到来波(直接波と反射波の合計数)の最大数をpとして、n=p+1に設定される。
Since the first receiving
図1に戻り、受信機332は、エレメント切替器331を介して供給される受信信号をサンプリングして直接波到来方向推定部333に供給する。直接波到来方向推定部333は、CPU,ROM,RAMを備えた周知のマイクロコンピュータからなり、受信機332から供給されるサンプリングされた受信信号(以下、受信データという)を処理することによって直接波の到来方向を推定する直接波到来方向推定処理を実行する。
Returning to FIG. 1, the
位置推定部35は、第1受信部33で推定された第1推定方位DR1、第2受信部34で推定された第2推定方位DR2、第1アレーアンテナ31と第2アレーアンテナ32の設置間隔等に従い、周知の三角測量の手法を用いて指定波の送信元である被測定装置2の位置を推定する。
The
[直接波到来方向推定処理]
ここで、直接波到来方向推定部333が実行する直接波到来方向推定処理の詳細を、図3に示すフローチャートを用いて説明する。本処理は、測定装置3を搭載する車両のバッテリからの給電がある限り繰り返し起動される。
[Direct wave arrival direction estimation processing]
Here, the details of the direct wave arrival direction estimation processing executed by the direct wave arrival
本処理が起動すると、直接波到来方向推定部333として機能するCPUは、S110にて、エレメント切替器331の設定をY0に初期化する。
続くS120では、指定波を受信するまで待機し、指定波を受信するとS130に進む。
When this process is activated, the CPU functioning as the direct wave arrival
In continuing S120, it waits until a designated wave is received, and if a designated wave is received, it will progress to S130.
S130では、全てのアンテナエレメントからの受信信号を用いて、MUSIC等の高分解能方位推定処理を実行することにより、全ての到来波の到来方向を推定する。
続くS140では、S120での処理によって検出された全ての到来方向を、方位候補としてメモリに保存する。
In S130, the arrival directions of all incoming waves are estimated by executing high-resolution azimuth estimation processing such as MUSIC using received signals from all antenna elements.
In subsequent S140, all arrival directions detected by the processing in S120 are stored in the memory as azimuth candidates.
続くS150では、部分アレーアンテナを利用して、直接波を選定する直接波選定処理(後述する)を実行する。
続くS160では、S140で保存された方位候補のうち、S150にて直接波に選定された到来波について後述のS230で推定された到来方向に最も近いものを、直接波の到来方向の推定結果に決定して、本処理を終了する。
In subsequent S150, a direct wave selection process (described later) for selecting a direct wave is executed using the partial array antenna.
In subsequent S160, among the azimuth candidates stored in S140, the closest arrival direction estimated in S230 to be described later for the incoming wave selected as the direct wave in S150 is used as the direct wave arrival direction estimation result. The process is terminated.
[直接波選定処理]
先のS150で実行する直接波選定処理の詳細を、図4,図5を参照して説明する。
本処理では、図4に示すように、まずS210にて、エレメント切替器331の切替設定に使用するパラメータiを1に初期化する。
[Direct wave selection processing]
Details of the direct wave selection processing executed in the previous S150 will be described with reference to FIGS.
In this process, as shown in FIG. 4, first, in step S210, the parameter i used for the switching setting of the
続くS220では、エレメント切替器331の設定をYiにする。
続くS230では、指定波を受信するまで待機する。指定波を受信すると、S240にて、設定Yiに対応する部分アレーアンテナを構成する各アンテナエレメントからの受信信号を用いて、指定波の到来方向θia,θib,…を推定する。なお、到来波の違いをa,b,c,…で表すものとする(図5参照)。
In subsequent S220, the setting of the
In continuing S230, it waits until a designated wave is received. When the designated wave is received, the arrival directions θia, θib,... Of the designated wave are estimated using received signals from the respective antenna elements constituting the partial array antenna corresponding to the setting Yi in S240. In addition, the difference of an incoming wave shall be represented by a, b, c, ... (refer FIG. 5).
続くS250では、パラメータiをインクリメントする。
続くS260では、パラメータiがエレメント切替器331の切替設定の数、即ち、部分アレーアンテナの種類の数であるImax(ここではImax=2)以上であるか否かを判断する。
In subsequent S250, the parameter i is incremented.
In subsequent S260, it is determined whether or not the parameter i is equal to or greater than the number of switching settings of the
i<Imaxであれば、未処理の切替設定があるものとしてS220に戻り、i≧Imaxであれば、全ての切替設定について処理が終了しているものとして、S270に進む。 If i <Imax, the process returns to S220 assuming that there is an unprocessed switch setting, and if i ≧ Imax, the process proceeds to S270, assuming that all the switch settings have been processed.
S270は、検出された到来波a,b,…毎に、各部分アレーアンテナで検出された到来方向の角度差Δθa,Δθb,…を算出する(図5参照)。なお、異なる切替設定で検出された二つの到来方向が、同一到来波によるものであるか否かは、両到来方向の角度差が所定範囲内にあるか否かによって判断する。 S270 calculates angle differences Δθa, Δθb,... Of arrival directions detected by the respective partial array antennas for each detected incoming wave a, b,... (See FIG. 5). Whether or not two arrival directions detected by different switching settings are due to the same arrival wave is determined based on whether or not the angle difference between the two arrival directions is within a predetermined range.
なお、Imax≧3の場合は、i,j=1〜Imax、i≠j、x=a,b,c,…として、切替設定の全ての組み合わせ(i,j)について、角度差Δθijx=|θix−θjx|を算出し、到来波x毎に得られた複数の角度差Δθijxの平均値または多数決によって決めた値を、その到来波xの角度差Δθxとする。 In the case of Imax ≧ 3, i, j = 1 to Imax, i ≠ j, x = a, b, c,..., And for all combinations (i, j) of the switching setting, the angle difference Δθijx = | θix−θjx | is calculated, and an average value or a value determined by majority decision of a plurality of angle differences Δθijx obtained for each incoming wave x is set as the angle difference Δθx of the incoming wave x.
続くS280では、S270にて、到来波毎に求められた角度差Δθxが最大の到来波を直接波に選定して本処理を終了する。
なお、角度差の比較によって直接波と反射波を選別できることは、例えば、特許文献1に詳述されているため、ここでは説明を省略する。
In subsequent S280, in S270, the incoming wave having the maximum angle difference Δθx obtained for each incoming wave is selected as the direct wave, and this process is terminated.
Note that the fact that direct waves and reflected waves can be selected by comparing the angle difference is described in detail in, for example,
[効果]
以上説明したように、位置推定システム1を構成する測定装置3は、単一のアレーアンテナ31を、中心位置が互いに異なるように設定された複数の部分アンテナとして使用することにより、位置の異なる複数地点での受信信号を得るようにされているため、測定装置3を移動させることなく、直接波と反射波の選別を実現することができる。
[effect]
As described above, the measuring
また、測定装置3では、部分アレーアンテナからの受信信号を用いて推定した低解像度の到来方向によって直接波を選定し、その直接波の到来方向としては、全てのアレーアンテナからの受信信号を用いて推定した高解像度の到来方向を用いている。これにより、精度の高い到来方向の推定結果を得ることができる。
The measuring
[他の実施形態]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得る。
[Other Embodiments]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention can take a various form, without being limited to the said embodiment.
(1)上記実施形態では、直接波到来方向推定部333および位置推定部35の機能を、マイクロコンピュータが実行する処理によって実現している。ただし、これらの各部をソフトウェアによって実現することはあくまでも一例であり、その全体または一部を例えばロジック回路等のハードウェアにて実現してもよい。
(1) In the above embodiment, the functions of the direct wave arrival
(2)上記実施形態では、部分アレーアンテナとして、m個のアレーアンテナの一端からn個のアンテナエレメントを選択するもの、および他端からn個のアンテナエレメントを選択するものを使用している。図2では、n=m/2の関係を有するように設定されているが、これに限定されるものではなく、図6(a)や(b)に示すように、2≦n≦m−1の範囲で任意に設定することができる。但し、nを大きくするほど、両部分アレーアンテナの位置差が小さくなるため、角度差の分解能が劣化するが、エレメント数が増えるため検出可能な到来波の数が増大し、逆に、nを小さくするほど、角度差の分解能が劣化するが、検出可能な到来波数が減少する。 (2) In the above embodiment, as the partial array antenna, one that selects n antenna elements from one end of m array antennas and one that selects n antenna elements from the other end are used. In FIG. 2, it is set so as to have a relationship of n = m / 2, but is not limited to this, and as shown in FIGS. 6A and 6B, 2 ≦ n ≦ m−. It can be arbitrarily set within the range of 1. However, as n is increased, the position difference between the two partial array antennas is reduced, so the resolution of the angle difference is degraded. However, the number of incoming waves is increased because the number of elements is increased. The smaller the resolution, the lower the resolution of the angle difference, but the number of detectable incoming waves decreases.
また、部分アレーアンテナは、必ずしも両端に設定する必要はなく、各部分アンテナの中心位置が異なっていればよい。図6(c)に示すように、アレーアンテナの全エレメント数がm、部分アレーアンテナのエレメント数がnであれば、(m−n+1)種類の部分アレーアンテナを設定することができ、そのうちの任意の二つ以上を使用することができる。 Further, the partial array antennas do not necessarily have to be set at both ends, and it is sufficient that the center positions of the partial antennas are different. As shown in FIG. 6C, if the total number of elements of the array antenna is m and the number of elements of the partial array antenna is n, (m−n + 1) types of partial array antennas can be set. Any two or more can be used.
(3)上記実施形態では、アレーアンテナ全体を使用して求めた到来方向を直接波の到来方向としているが、部分アレーアンテナを使用して求めた到来方向を、そのまま直接波の到来方向としてもよい。 (3) In the above embodiment, the arrival direction obtained using the entire array antenna is set as the direct wave arrival direction. However, the arrival direction obtained using the partial array antenna may be directly used as the direct wave arrival direction. Good.
(4)上記実施形態では、使用する部分アレーアンテナの設定に応じてエレメント切替器331を切り替えて、設定毎に受信信号を取得し直しているが、アレーアンテナを構成する全てのアンテナエレメントの受信信号を一括して取得してメモリに記憶し、部分アレーアンテナに関する処理を実行する際には、対応するアンテナエレメントからの受信信号の記憶値を読み出して処理するようにしてもよい。この場合、エレメント切替器331を省略できるため装置構成を簡略化することができる。
(4) In the above embodiment, the
(5)上記実施形態における一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加または置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。 (5) The functions of one component in the above embodiment may be distributed to a plurality of components, or the functions of a plurality of components may be integrated into one component. Further, at least a part of the configuration of the above embodiment may be replaced with a known configuration having the same function. Moreover, you may abbreviate | omit a part of structure of the said embodiment. Further, at least a part of the configuration of the above embodiment may be added to or replaced with the configuration of the other embodiment. In addition, all the aspects included in the technical idea specified only by the wording described in the claim are embodiment of this invention.
(6)本発明は、到来方向推定装置(第1受信部33,第2受信部34)の他、到来方向推定装置を構成要素とする装置(測定装置3)やシステム(位置推定システム1)など、種々の形態で実現することもできる。
(6) In the present invention, in addition to the arrival direction estimation devices (the
1…位置推定システム 2…被測定装置 3…測定装置 21…アンテナ 22…送信機 23…通信制御器 31…第1アレーアンテナ 32…第2アレーアンテナ 33…第1受信部 34…第2受信部 35…位置推定部 331…エレメント切替器 332…受信機 333…直接波到来方向推定部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記アレーアンテナを、それぞれがn(1<n<m)個の前記アンテナエレメントからなり、且つ該アンテナエレメントの配列方向の中心位置が互いに異なるように選択した複数の部分アレーアンテナのそれぞれについて、該部分アレーアンテナからの受信信号に従って受信した全ての到来波の到来方向を求める第1方位候補算出部(333:S210〜S260)と、
前記第1方位候補算出部にて前記部分アレーアンテナ毎に求められた各到来波の到来方向を比較することによって、送信元から直接到来する直接波を選定する直接波選定部(333:S270〜S280)と、
前記直接波選定部にて選定された直接波の到来方向を用いて、到来方向の推定結果を決定する到来方向決定部(333:S110〜S140,S160)と、
を備えることを特徴とする到来方向推定装置。 An arrival direction estimation device (33, 34) for estimating an arrival direction of an incoming wave according to received signals from m (m is an integer of 3 or more) antenna elements constituting an array antenna (31, 32),
The array antenna is composed of n (1 <n <m) antenna elements, and each of the partial array antennas selected so that the center positions of the antenna elements in the arrangement direction are different from each other. A first azimuth candidate calculation unit (333: S210 to S260) for determining the arrival directions of all incoming waves received according to the received signal from the partial array antenna;
A direct wave selection unit (333: S270 to S270) that selects a direct wave coming directly from the transmission source by comparing the arrival directions of the incoming waves obtained for each of the partial array antennas by the first orientation candidate calculation unit. S280),
An arrival direction determination unit (333: S110 to S140, S160) that determines an estimation result of the arrival direction using the arrival direction of the direct wave selected by the direct wave selection unit;
An arrival direction estimation apparatus comprising:
前記直接波選定部は、前記部分アレーアンテナの全ての組み合わせについて前記角度差を算出し、前記到来波毎に前記角度差を平均または多数決した結果を用いて、前記直接波を選定することを特徴とする請求項2に記載の到来方向推定装置。 Three or more partial array antennas are set,
The direct wave selection unit calculates the angle difference for all combinations of the partial array antennas, and selects the direct wave using an average or majority result of the angle difference for each incoming wave. The arrival direction estimation apparatus according to claim 2.
前記部分アレーアンテナを構成するアンテナエレメントより多くのアンテナエレメントからの受信信号に従って前記到来波の到来方向を推定する第2方位候補算出部(333:S110〜S140)と、
前記2方位候補算出部にて算出された到来方向のうち、前記直接波選定部にて選定された直接波の到来方向に最も近いものを選択して前記推定結果とする選択手段(333:S160)と、
を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の到来方向推定装置。 The arrival direction determining unit
A second azimuth candidate calculation unit (333: S110 to S140) that estimates an arrival direction of the incoming wave according to reception signals from more antenna elements than the antenna elements that constitute the partial array antenna;
Selection means (333: S160) that selects the closest direction to the arrival direction of the direct wave selected by the direct wave selection unit from the arrival directions calculated by the two-azimuth candidate calculation unit (333: S160) )When,
The direction-of-arrival estimation apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
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