JP2017156102A

JP2017156102A - 位置推定システム

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Publication number: JP2017156102A
Application number: JP2016036845A
Authority: JP
Inventors: 三浦　龍; Ryu Miura; 龍三浦; 滝沢　賢一; Kenichi Takizawa; 賢一滝沢; 原　晋介; Shinsuke Hara; 晋介原; 文枝小野; Fumie Ono
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-02-29
Also published as: WO2017150323A1; JP6742589B2

Abstract

【課題】無線信号のドップラーシフト量等を正確に測定するステップを経ることなく対象物の位置を推定することができ、その推定精度を格段に向上させる。【解決手段】外部から制御可能とされた飛行軌道上を飛行する過程で対象物に取り付けられた信号発信機２０から発信された無線信号を継続して受信する飛行体３０と、飛行体３０により受信された無線信号に関するデータの位置に対する相対的な変化傾向を観測する観測部３３と、観測されたデータの相対的な変化傾向が予め設定した条件を満たす条件満足位置を求め、飛行体３０を互いに異なる飛行軌道上で飛行させる過程で観測部３３から３回以上に亘り観測された相対的な変化傾向から条件満足位置を３箇所以上に亘り求めるとともに、それぞれの条件満足位置における３次元的な位置情報並びに方向ベクトルが代入された３つ以上の平面の方程式に基づいて対象物の位置を推定する位置推定部３５とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、静止状態にあるか又は僅かに移動する対象物の位置を推定する位置推定システムに関するものである。

近年において、徘徊のために行方がわからなくなった高齢者の探索や、遭難者の探索を行うために、人間の現在位置を正確に推定するための技術に対する社会的なニーズが高まっている。また測定対象が人間である場合に限定されること無く、例えば野生動物等の生態探査を高精度に行うため、野生動物の現在位置を正確に推定する技術も求められている。

その推定の確実性を向上させるために、静止状態にある対象物から発信される無線信号を移動体により受信し、その受信信号から得られる情報に基づいて当該移動体の位置から対象物までの距離や角度を求めることで位置推定する技術も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。例えば、対象物から発信される無線信号の発振周波数が既知で、かつ移動体の速度が既知である場合を仮定したとき、移動体の任意の位置で受信した無線信号の周波数を測定することにより、そのドップラーシフト量に基づいて移動体から対象物までの角度を推定することができる。これらのプロセスを複数個所で行うことにより、対象物の位置も推定できる。

特公平７−１１７５８０号公報

しかしながら、この特許文献１の開示技術によれば、移動体が任意の位置において位置推定の対象物までの角度を推定しようとする場合、対象物から発振される無線信号の発振周波数に加え、無線信号を受信した位置や当該位置における移動体の移動方向、更に当該位置における移動速度を正確に検知する必要がある。さらにこの特許文献１の開示技術によれば、かかる位置推定を行うためには、ドップラーシフト量も正確に測定する必要がある。

対象物から発信される無線信号の発振周波数は、移動体が静止している場合に信号を受信すれば容易に検知することができ、また移動体の位置と進行方向はＧＰＳ等を用いれば簡単に取得することができる。しかしながら、移動体の測定位置での移動速度と、無線信号のドップラーシフト量を正確に測定することは実際のところ困難である。

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、移動体の移動速度と、無線信号のドップラーシフト量を正確に測定するステップを経ることなく対象物の位置を推定することができ、その推定精度を格段に向上させることが可能な位置推定システムを提供することにある。

本発明者らは、上述した課題を解決するために、以下の構成からなる位置推定システムを発明した。

第１発明に係る位置推定システムは、静止状態にあるか又は僅かに移動する対象物の位置を推定する位置推定システムにおいて、外部から制御可能とされた飛行軌道上を飛行する過程で上記対象物に取り付けられた信号発信機から発信された無線信号を継続して受信する飛行体と、上記飛行体における上記飛行軌道上の各位置の３次元的な位置情報並びに当該位置における上記飛行軌道の３次元的な方向ベクトルを検出する飛行体位置情報検出手段と、上記飛行体により受信された無線信号に関するデータの上記位置に対する相対的な変化傾向を観測する観測手段と、上記観測手段により観測されたデータの相対的な変化傾向が予め設定した条件を満たす条件満足位置を求めると共に、その条件満足位置における３次元的な位置情報並びに方向ベクトルを上記飛行体位置情報取得手段から取得してこれを平面の方程式に代入する位置推定手段とを備え、上記位置推定手段は、飛行体を互いに異なる飛行軌道上で飛行させる過程で上記観測手段から３回以上に亘り観測された相対的な変化傾向から上記条件満足位置を３箇所以上に亘り求めるとともに、それぞれの上記条件満足位置における３次元的な位置情報並びに方向ベクトルが代入された３つ以上の平面の方程式に基づいて上記対象物の位置を推定することを特徴とする。

第２発明に係る位置推定システムは、第１発明において、上記位置推定手段は、上記観測手段により観測されたデータの相対的な変化傾向から上記対象物に対して最も距離が近くなる位置を上記条件満足位置とすることを特徴とする。

第３発明に係る位置推定システムは、第２発明において、上記観測手段は、上記無線信号に関するデータとしての伝搬遅延量の相対的な変化傾向を観測し、上記位置推定手段は、上記観測手段により観測された伝搬遅延量が最小となる位置を上記条件満足位置とすることを特徴とする。

第４発明に係る位置推定システムは、第２発明において、上記観測手段は、上記無線信号に関するデータとしての無線信号の受信電力の相対的な変化傾向を観測し、上記位置推定手段は、上記観測手段により観測された受信電力が最大となる位置を上記条件満足位置とすることを特徴とする。

第５発明に係る位置推定システムは、第１発明において、上記観測手段は、上記無線信号に関するデータとしての無線信号の周波数の相対的な変化傾向を観測し、上記位置推定手段は、上記対象物から発信された無線信号の周波数ｆ₀を予め取得すると共に、上記観測手段により観測された周波数が周波数ｆ₀に最も近くなる位置を上記条件満足位置とすることを特徴とする。

第６発明に係る位置推定システムは、第１発明において、上記観測手段は、上記条件満足位置を検出することができるまで無線信号に関するデータを取得し続け、上記飛行体は、上記観測手段により上記条件満足位置を検出することができた後に、別の飛行軌道に変更して飛行し続けることを特徴とする。

上述した構成からなる本発明を適用した位置推定システムによれば、観測部３３により観測された無線信号に関するデータの相対的な変化傾向を追うだけで、飛行方向から９０°をなす方向に信号発信機２０の位置Ｕが存在する飛行軌道ｋ上の条件満足位置を特定することが可能となる。そして、この条件満足位置における３次元的な位置情報並びに方向ベクトルを平面の方程式に代入することを、互いに異なる飛行軌道間において３回以上に亘り繰り返して行うことにより、対象物の位置を推定することができる。

実際のプロセスにおいては、無線信号に関するデータを正確に測定するステップを経ることなく、単に当該データの相対的な変化傾向を追うだけで対象物の位置を推定することができる。このため、従来技術のように、移動体の移動速度と、無線信号のドップラーシフト量を正確に測定するステップを経ることなく対象物の位置を推定することができ、その推定精度を格段に向上させることが可能となる。

本発明を適用した位置推定システムの全体構成を示す図である。信号発信機並びに飛行体のブロック構成図である。本発明を適用した位置推定システムにおける位置推定のコンセプトについて説明するための図である。一の飛行軌道ｋを飛行体により飛行させる場合の例を示す図である。直線状に設定した飛行軌道上で飛行体を飛行させつつ、信号発信機から発信される無線信号を受信する例を示す図である。横軸を飛行方向に向けた直線状に飛行軌道の各位置とし、縦軸を無線信号に関するデータの相対的な変化傾向を示す図である。

以下、本発明を適用した位置推定システムを実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明をする。

本発明を適用した位置推定システム１０は、図１に示すように信号発信機２０と、飛行体３０とを備えている。

図２（ａ）は、信号発信機２０の構成を示している。信号発信機２０は、所定の周波数からなる信号を生成する信号生成部２１と、この信号生成部２１に接続されたアンテナ２２とを有している。この信号生成部２１において生成された所定の周波数からなる信号は、アンテナ２２により電波とされて四方に向けて発信される。以下、このアンテナ２２から発信される電波を無線信号という。

ちなみにこの信号発信機２０は、これら信号生成部２１並びにアンテナ２２を有しており、所定の周波数からなる無線信号を発信するものであればいかなる形態に具現化されるものであってもよく、例えばビーコンのみ発信するビーコン発信機として具現化されるものであってもよいし、携帯電話機、スマートフォン、ウェアラブル端末、タブレット型端末、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等のように無線通信を行うことが可能な通信端末として具現化されるものであってもよい。この信号発信機２０は実際に位置を推定したい対象に所持させ、或いは取り付けることとなる。仮に位置を推定したい対象が高齢者や子供等のような人間であれば、その人間にこの信号発信機２０を所持させる。また位置を推定したい対象が動物であれば、その動物に対して信号発信機２０を取り付ける。ちなみに、この信号発信機２０は、このような自由に動く生命体に対して取り付けられる場合に限定されるものではなく、木等の植物に取り付けられるものであってもよい。またこの信号発信機２０は、建築構造物、建材、石、道路、橋梁、トンネル、各種インフラ等の非生命体に取り付けられるものであってもよい。

この信号発信機２０の取り付け対象は、本発明を適用した位置推定システム１０による位置推定時において静止していることを前提としているが、これに限定されるものではなく、僅かに移動するものであってもよい。

本発明を適用した位置推定システム１０は、この信号発信機２０の位置を正確に検知することで、実際に位置を推定したい、この信号発信機２０が取り付けられる対象の位置を把握するためのシステムである。

飛行体３０は、自律飛行が可能な任意の飛行物体である。この飛行体３０は、固定翼機、回転翼機、飛行船、気球、ドローン、無人航空機（Unmanned aerial vehicle：ＵＡＶ）、ヘリコプター、飛行機等で具現化される。この飛行体３０は、人間が搭乗することの無い無人によるものであってもよいし、人間が搭乗可能とされていてもよい。但し、この飛行体３０は、ランダムに飛行するのではなく、その飛行軌道が外部から制御可能であることが前提となる。

図２（ｂ）は、飛行体３０の構成を示している。飛行体３０は、機体制御部３１と、アンテナ２９に接続された無線信号受信部３２と、この無線信号受信部３２に接続された観測部３３と、情報検出部３４と、観測部３３並びに情報検出部３４とに接続された位置推定部３５と、機体制御部３１に接続された操作部３６及び制御信号受信部３７と、位置推定部３５に接続された情報記憶部３８及び推定情報送信部３９とを有している。

機体制御部３１は、予め入力された飛行計画に規定される飛行軌道や飛行制御コマンドに基づいて、飛行体３０の推進システムや操舵システム（いずれも不図示）を制御する。機体制御部３１は、これら飛行計画や飛行制御コマンドは、操作部３６又は制御信号受信部３７を介して取得する。この機体制御部３１は、これら飛行計画や飛行制御コマンドに基づいて飛行高度や飛行方向が指定されることにより飛行軌道が特定されることとなり、指定した高度や座標を飛行することが可能となる。また、機体制御部３１は、これら飛行計画や飛行制御コマンドに基づいて飛行速度も指定されることになる。

操作部３６は、飛行計画や飛行制御コマンドをユーザが実際に入力するためのユーザインターフェースである。この操作部３６は、具体的にはキーボードやボタン、タッチパネル、マウス、スイッチ等により構成されているが、仮にこの飛行体３０が無人ではなく、人間が搭乗するものである場合には、操縦桿やコックピットがこれに該当する。操作部３６を介して入力された飛行計画や飛行制御コマンドは、機体制御部３１へと送られ、これに沿って飛行体３０の飛行軌道等が定まるものとなる。

制御信号受信部３７は、遠隔にて操作される図示しないコントローラ又は図示しない基地局を介して送信されてくる飛行計画や飛行制御コマンドを受信するためのデバイスである。これら飛行計画や飛行制御コマンドは、有線通信又は無線通信により外部から送信されてくる。仮にこれら飛行制御コマンド等が無線通信により送信されてくる場合には、制御信号受信部３７は、これを受信するためのアンテナとして構成されることとなる。制御信号受信部３７は、飛行計画や飛行制御コマンドを機体制御部３１へ送信する。機体制御部３１は、かかる飛行計画や飛行制御コマンドを受けて、これに応じた飛行体３０の飛行軌道等を決定していくこととなる。

即ちこの飛行体３０は、ユーザの意思に基づいて入力された飛行制御コマンド等に基づいて、飛行高度や飛行方向が制御されることから、任意の飛行軌道を飛行するのではなく、あくまでユーザの意向に従った飛行軌道を飛行することとなる。即ち、この飛行体３０の飛行軌道は、あくまで外部から制御されることが前提となる。

無線信号受信部３２は、アンテナ２９を介して信号発信機２０から送信されてくる無線信号を受信する。無線信号受信部３２は、この受信した無線信号を観測部３３へと出力する。

観測部３３は、無線信号受信部３２から送られてくる無線信号に関するデータを、各種観測基準に基づいて観測する。ここでいう無線信号に関するデータとは、無線信号に関するものであればいかなるデータであってもよく、例えば無線信号の伝搬遅延量（伝播遅延時間）、受信電力、周波数等である。この観測部３３は、無線信号に関するデータを取得した上で、その変化傾向を時系列的に観測し続ける。観測部３３は、無線信号に関するデータの観測結果を、位置推定部３５に対して通知する。

情報検出部３４は、飛行体３０における各種情報を検出するための部位である。この情報検出部３４は、１又は複数からなる計測器等で構成されており、例えばエンジン回転数を判別するための装置、姿勢センサ、高度計、加速度センサ、対気速度計、磁気コンパスやジャイロコンパス等の方位計等で構成されている。またこの情報検出部３４は、現時点における飛行体３０の位置情報を検出するため、ＧＰＳ（Global Positioning System）装置を有する者であってもよい。このＧＰＳ装置では、飛行体３０の現時点における緯度、経度、高度及び時間情報を取得する。ちなみに、このような位置情報を検出するための手段としては、ＧＰＳ装置以外の衛星測位システムを利用するようにしてもよい。また時間情報を取得する際には、このＧＰＳ装置以外の電波時計を使用するようにしてもよい。これらの計測器や装置を有する情報検出部３４によれば、少なくとも飛行体３０の飛行軌道上における各位置の３次元的な位置情報を取得することができる。また当該位置における飛行軌道の３次元的な方向ベクトルを検出することができる。情報検出部３４は、この方向ベクトルを、例えばＧＰＳや地磁気センサ等により検出する。情報検出部３４は、少なくともこの取得した飛行体３０の飛行軌道上における各位置の３次元的な位置情報並びに当該位置における飛行軌道の３次元的な方向ベクトルを位置推定部３５へ送信する。

位置推定部３５は、観測部３３から無線信号に関するデータの観測結果が送られてくる。また位置推定部３５は、情報検出部３４から飛行体３０の飛行軌道上における各位置の３次元的な位置情報並びに当該位置における飛行軌道の３次元的な方向ベクトルを受信する。位置推定部３５は、かかるデータの観測結果に基づき、これら位置情報や方向ベクトルを参照しつつ、信号発信機２０の位置推定を行う。この位置推定の詳細については、後述する。位置推定部３５は、この推定した信号発信機２０の位置を情報記憶部３８及び／又は推定情報送信部３９へと出力する。

情報記憶部３８は、（Flash Memory）等の半導体メモリ素子、ハードディスク、光ディスク等の記憶装置等で構成される。この情報記憶部３８は、位置推定部３５から送信されてきた信号発信機２０の推定位置に関する情報を記憶する。またこの情報記憶部３８は、観測部３３から送信されてきた無線信号に関するデータの観測結果や、情報検出部３４から送信されてきた位置情報や方向ベクトルも必要に応じて記憶する。情報記憶部３８に記憶された信号発信機２０の推定位置に関する情報、無線信号に関するデータの観測結果、位置情報や方向ベクトルは、位置推定部３５等による制御の下で必要に応じて読み出される。

推定情報送信部３９は、位置推定部３５から送信されてくる信号発信機２０の推定位置に関する情報を無線通信又は有線通信を通じて外部の図示しない基地局やコントローラ等に送信する。

次に本発明を適用した位置推定システム１０における位置推定のコンセプトについて説明をする。

本発明を適用した位置推定システム１０によれば、図３に示すように、飛行体３０を飛行軌道１、２、３、・・・ｋ、・・Ｎ（ここでＮ≧３）に亘り、飛行させる。飛行体３０は、各飛行軌道ｋを飛行する過程において、信号発信機２０から発信される周波数ｆ₀[Hz]の無線信号を受信し続ける。そして、この飛行体３０は、受信した無線信号に関するデータを観測することにより飛行軌道の方向に対して９０°方向に位置する信号発信機２０の位置を推定していくこととなる。この図３でいうところの飛行軌道１においては、Ｑ₁においてその飛行軌道の方向に対して９０°方向に信号発信機２０の座標Ｕが位置していることとなる。同様に飛行軌道２においては、Ｑ₂においてその飛行軌道の方向に対して９０°方向に信号発信機２０のＵが位置していることとなる。また飛行軌道ｋにおいては、Ｑ_kにおいてその飛行軌道の方向に対して９０°方向に信号発信機２０のＵが位置していることとなる。以下、この推定対象としての信号発信機２０の３次元座標をＵ＝［Ｘ，Ｙ，Ｚ］で与えるものとする。

図４は、一の飛行軌道ｋを飛行体３０により飛行させる場合の例を示している。飛行軌道ｋにおける飛行体３０の飛行方向における方向ベクトルはｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］で与えられる。また、その飛行方向から９０°をなす方向に信号発信機２０の位置Ｕが存在する飛行軌道ｋ上の位置Ｑ_kの位置ベクトルは、Ｑ_k＝［ｘ_k，ｙ_k，ｙ_k］で与えられる。即ち、方向ベクトルｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］は、飛行軌道ｋ上の位置Ｑ_kにおいて飛行体３０の飛行方向を示すものであり、この位置Ｑ_kから９０°をなす方向に信号発信機２０の位置Ｕが存在することとなる。

本発明を適用した位置推定システム１０によれば、飛行体３０を飛行軌道ｋ上において飛行させながら、その飛行方向ｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］から９０°をなす方向に信号発信機２０の位置Ｕが存在する飛行軌道ｋ上の位置Ｑ_kを探索する動作を行っていくこととなる。

図５の例では、直線状に設定した飛行軌道ｋ上で飛行体３０を飛行させつつ、信号発信機２０から発信される無線信号を受信する例を示している。飛行軌道ｋにおいて飛行体３０が位置Ｑ_k-1、・・・Ｑ_k-2・・・Ｑ_k-3，を経て方向ベクトルｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］の方向に直線状に飛行していく場合、位置Ｕと最も距離が近いのは位置Ｑ_k-2である。そして、この位置Ｕと最も距離が近い位置Ｑ_k-2から方向ベクトルｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］の方向に対して９０°をなす方向に信号発信機２０の位置Ｕが存在する。図５において、位置Ｕと最も距離が近いのは位置Ｑ_k-2であり、位置Ｕからこの方向ベクトルｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］の飛行軌道に向けて引かれる垂線の位置が、位置Ｑ_k-2となる。

このため、このような位置Ｕと最も距離が近い飛行軌道ｋ上の位置Ｑ_k-2を、信号発信機２０から発信される無線信号を介して解析していくこととなる。例えば無線信号の受信電力を解析した場合、飛行体３０が位置Ｑ_k-1、・・・Ｑ_k-2・・・Ｑ_k-3を経て方向ベクトルｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］の方向に直線状に飛行する過程において、位置Ｑ_k-1から位置Ｑ_k-2に至るまでには位置Ｕからの距離が徐々に近くなるため、これに応じて受信電力が徐々に大きくなる。一方、飛行体３０が位置Ｑ_k-2から位置Ｑ_k-3に至るまでには位置Ｕからの距離が徐々に遠くなるため、これに応じて受信電力が徐々に小さくなる。その結果、受信電力のピークはちょうど位置Ｑ_k-2において現れることとなる。

従って、飛行体３０が位置Ｑ_k-1、・・・Ｑ_k-2・・・Ｑ_k-3を経て方向ベクトルｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］の方向に直線状に飛行する過程において、この受信電力の相対的な変化傾向を追うことにより、そのピークの位置を特定することで、位置Ｑ_k-2の位置情報を求めることが可能となる。その結果、受信電力の相対的な変化傾向を追うだけで、飛行方向ｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］から９０°をなす方向に信号発信機２０の位置Ｕが存在する飛行軌道ｋ上の位置Ｑ_k（以下、このような条件を満たす位置Ｑ_kを条件満足位置という。）特定することが可能となる。

図６は、横軸を飛行方向ｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］に向けた直線状の飛行軌道ｋの各位置とし、縦軸を無線信号に関するデータの相対的な変化傾向を示している。図６（ａ）は、縦軸を構成する無線信号に関するデータとして伝搬遅延量を、図６（ｂ）は、縦軸を構成する無線信号に関するデータとして上述した受信電力を、図６（ｃ）は、縦軸を構成する無線信号に関するデータとして受信周波数をそれぞれ割り当てている。

図６（ａ）の例では、無線信号の伝搬遅延量（伝播遅延時間）を飛行方向ｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］に向けた直線状の飛行軌道に沿って測定していく。そして、この伝搬遅延量が最小となる位置Ｑ_kが条件満足位置となる。

図６（ｂ）の例では、上述と同様に受信電力が最大となる位置Ｑ_kが条件満足位置となる。

図６（ｃ）の例では、受信する無線信号が受けるドップラーシフト量が０となることを利用した場合、無線信号の周波数を観測し、その周波数が信号発信機２０から発信される周波数ｆ₀に最も近くなる位置が条件満足位置となる。

この図６の例において、いずれのケースにおいても縦軸について絶対的な正確な値を測定する必要は無く、あくまで横軸の位置に対して相対的な変化傾向を識別し、その最大値、最小値、或いは周波数ｆ₀に最も近くなるところを特定することで、条件満足位置を求めることができる。従って、条件満足位置を求めるにあたり、無線信号に関するデータを観測する観測部３３の詳細なキャリブレーションの必要が無くなり、観測が複雑化してしまうのを防止することができる。

なお、条件満足位置を求める方法は、これらに限定されるものではなく、他のいかなる方法に基づいて求めるようにしてもよい。即ち、位置Ｕからの距離を識別することが可能な他のデータを無線信号から観測し、その相対的な変化傾向から最も距離が近くなる条件満足位置を特定できるものであればいかなる方法に基づくものであってもよい。或いは、観測されたデータの相対的な変化傾向を追い、例えば図６（ｃ）に示すような周波数ｆ₀に最も近くなるという条件等、予め設定した条件を満たすものを条件満足位置として特定するものであれば、他のいかなる方法が適用されるものであってもよい。

このようにして求められた条件満足位置Ｑ_kにおける座標Ｑ_k＝［ｘ_k，ｙ_k，ｙ_k］を含むと共に、飛行体３０の飛行軌道ｋの方向ベクトルｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］に対して垂直な平面Ｐ_kは、信号発信機２０の３次元座標Ｕ＝［Ｘ，Ｙ，Ｚ］を含むものとなる。その条件満足位置Ｑ_kにおける座標Ｑ_k＝［ｘ_k，ｙ_k，ｙ_k］は、情報検出部３４から得ることができ、飛行体３０の飛行軌道ｋの方向ベクトルｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］は既知であるため、Ｐ_k上の任意の点をＰ＝［ｘ，ｙ，ｚ］とすると平面の方程式はｄ_k・（Ｐ−Ｑ_k）＝０より、以下の（１）式により表すことができる。

・・・・・・・・・（１）

また、このＰ_k上の任意の点をＰ＝［ｘ，ｙ，ｚ］がＵ＝［Ｘ，Ｙ，Ｚ］である場合には、この（１）式においてｘ＝Ｘを代入し、ｙ＝Ｙを代入し、ｚ＝Ｚを代入すると以下の（２）式により表すことができる。

・・・・・・・・・（２）

但し、この（２）式は、変数Ｘ、Ｙ，Ｚが３つあることから、少なくともこのような平面の方程式が合計３以上存在しないと、これら変数Ｘ、Ｙ，Ｚの解は求められないこととなる。

図３は、このような飛行軌道ｋの方向ベクトルｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］に対して垂直な平面Ｐ_kを平面Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ_kに亘り３個描いたものである。これらの平面Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ_kは、それぞれに垂直な飛行軌道１の方向ベクトルｄ₁、飛行軌道２の方向ベクトルｄ₂、飛行軌道ｋの方向ベクトルｄ_kが互いに異なる方向に向けて延長されている。推定誤差がない場合には、異なる３個の平面Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ_kは一点で交わり、その点がＵの推定値となる。実際にこのＵの３次元座標Ｕ＝［Ｘ，Ｙ，Ｚ］は、上述した方法に基づき、それぞれの平面Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ_kについて式（２）の平面の方程式を作り、その連立方程式を解くことにより、求めることができる。

次に本発明を適用した位置推定システム１０における実際の位置推定動作について説明をする。

この位置推定システム１０を動作させる前において、位置推定の対象物に信号発信機２０を予め取り付けておく。この信号発信機２０における信号生成部２１は、常時、又は断続的に周波数ｆ₀の信号を生成する。この生成された信号は、アンテナ２２を介して無線信号として常時、又は断続的に発信されることとなる。

また、この位置推定システム１０のユーザは、操作部３６を操作することにより、或いは図示しない基地局又はコントローラを介して、飛行計画や飛行制御コマンドを入力する。これにより飛行体３０の飛行軌道をユーザ側にて制御することができる。飛行制御コマンド等を受けた機体制御部３１は、これに基づいて飛行体３０を飛行軌道ｋに向けて飛行させる。

飛行体３０を飛行軌道ｋに向けて飛行させる過程で、情報検出部３４は、少なくとも飛行体３０の飛行軌道上における位置の３次元的な位置情報並びに当該位置における飛行軌道の３次元的な方向ベクトルを取得し続け、これを位置推定部３５へと出力する。また飛行体３０を飛行軌道ｋに向けて飛行させる過程で、信号発信機２０のアンテナ２２から発信された無線信号は、飛行体３０におけるアンテナ２９を介して無線信号受信部３２により受信され、更に観測部３３に送られる。観測部３３には、上述したように受信電圧、伝播遅延時間、周波数等を始めとした何れかのデータをこの無線信号から観測する。

これらの動作は、飛行体３０を飛行軌道ｋに向けて飛行させる過程で繰り返し行われていくこととなる。その結果、飛行軌道ｋ上の各位置につき、３次元的な位置情報並びに当該位置における飛行軌道の３次元的な方向ベクトルを順次取得することができる。また飛行軌道ｋ上の各位置につき受信電圧等を始めとした無線信号に関するデータを観測部３３において順次観測することにより、図６に示すような横軸を位置とした相対的な変化傾向を取得することができる。

位置推定部３５には、観測部３３により観測された無線信号に関するデータの相対的な変化傾向が順次入力される。これと共に、位置推定部３５には、飛行軌道ｋ上の各位置につき、３次元的な位置情報並びに当該位置における飛行軌道ｋの３次元的な方向ベクトルが情報検出部３４から入力される。位置推定部３５は、この無線信号に関するデータの相対的な変化傾向に基づいて条件満足位置Ｑ_kを特定する作業を行う。また条件満足位置Ｑ_kが特定できた場合には、情報検出部３４から入力された３次元的な位置情報のうち、条件満足位置Ｑ_kの座標Ｑ_k＝［ｘ_k，ｙ_k，ｙ_k］を取得するとともに、情報検出部３４から入力された３飛行軌道ｋの３次元的な方向ベクトルｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］を取得する。位置推定部３５は、この取得した条件満足位置Ｑ_kの座標Ｑ_k＝［ｘ_k，ｙ_k，ｙ_k］と、３次元的な方向ベクトルｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］を式（２）に代入することで平面の方程式を得ることができる。

次に、位置推定システム１０のユーザは、操作部３６を操作することにより、或いは図示しない基地局又はコントローラを介して、上述した飛行軌道ｋとは異なる他の飛行軌道となるように設定を行い、飛行体３０を飛行させ、上述と同様の動作を実行していく。これを３回以上に亘り実行することにより、互いに異なる飛行軌道ｋ上で飛行させた飛行体３０を介して、観測部３３から３回以上に亘り相対的な無線信号に関するデータの変化傾向を取得することができ、条件満足位置を３箇所以上に亘り求めることが可能となる。また、各条件満足位置における３次元的な位置情報並びに方向ベクトルが代入された３つ以上の平面の方程式を得ることができ、これを解くことにより対象物の位置Ｕを推定することが可能となる。

このようにして、本発明を適用した位置推定システム１０によれば、観測部３３により観測された無線信号に関するデータの相対的な変化傾向を追うだけで、飛行方向から９０°をなす方向に信号発信機２０の位置Ｕが存在する飛行軌道ｋ上の条件満足位置を特定することが可能となる。そして、この条件満足位置における３次元的な位置情報並びに方向ベクトルを平面の方程式に代入することを、互いに異なる飛行軌道間において３回以上に亘り繰り返して行うことにより、対象物の位置を推定することができる。

位置推定部３５は、対象物の位置Ｕを推定した後、これを情報記憶部３８に記憶するようにしてもよいし、図示しない表示画面上にこれを表示するようにしてもよい。或いは位置推定部３５は、推定した対象物の位置Ｕを推定情報送信部３９を介して外部の図示しない基地局やコントローラ等に無線通信又は有線通信を介して送信するようにしてもよい。

なお、上述した実施の形態においては、飛行軌道ｋの３次元的な方向ベクトルｄ_k＝［ａ_k，ｂ_k，ｃ_k］は、情報検出部３４により検出してこれを位置推定部３５に送信する場合を例にとり説明をしたが、これに限定されるものではない。操作部３６等からユーザにより入力された飛行計画や飛行制御コマンドに基づいてこのような方向ベクトルｄ_kが特定できる場合には、これを位置推定部３５に提供することで得るようにしてもよい。

また上述した実施の形態においては、推定誤差が無い場合を例に挙げて説明をしたが、推定誤差がある場合には以下の推定を行うようにしてもよい。

一般にこのような推定誤差がある場合、平面は一点で交わらない。Ｕの真の位置Ｕ＝［Ｘ，Ｙ，Ｚ］から平面Ｐ_kまでの距離は、以下の（３）式により与えられる。

・・・・・・・・・・・（３）

このため、この距離を誤差と考え、Ｕを最小二乗推定法で推定するならば、以下の（４）式により求めることができる。

・・・・・・・・・・・（４）

また本発明は、飛行体３０の移動速度を情報検出部３４により測定し、或いは対象物の移動速度を図示しない計測手段により計測して、これを情報記憶部３８に記憶しておき、飛行体３０の移動速度、対象物の移動速度の何れか１以上に基づいて、飛行軌道ｋの数を決定するようにしてもよい。

また、観測部３３、位置推定部３５の何れか１以上をこの飛行体３０内部に設けるのではなく、外部の図示しない基地局やコントローラ内に実装するようにしてもよい。かかる場合には、無線信号受信部３２により無線信号を受信した場合には、これを推定情報送信部３９を介して図示しない基地局やコントローラ内に送信し、これらの中に実装された観測部３３、位置推定部３５を介して位置推定を行うこととなる。

なお、本発明によれば、飛行体３０を飛行軌道ｋは、直線状とされていることが前提となるが、飛行軌道ｋから他の飛行軌道ｋ+１に切り替える際において、飛行体３０をその都度離着陸させるようにしてもよいが、飛行体３０の飛行軌道を途中で変更することにより切り替えるようにしてもよい。

かかる場合において、条件満足位置を図６（ｂ）に示すように受信電力の位置で追う場合において、受信電力を計測した結果、飛行体３０が進むにつれてこれが下がり続ける場合には、飛行体３０は条件満足位置から徐々に離間していることを意味している。かかる場合には、飛行体３０がその飛行軌道上を飛行し続けたとしても受信電力が最大なる条件満足位置に到達し得ないため、その飛行軌道上での飛行体３０の飛行は中止する。

一方、受信電力を計測した結果、飛行体３０が進むにつれてこれが上がり続ける場合には、飛行体３０は条件満足位置に徐々に近づいていることを意味している。かかる場合において、飛行体３は、その飛行軌道上を継続して飛行することとなる。その飛行の間において飛行体３は受信電力を検出し続けた結果、今までは飛行体３０が進むにつれて挙がり続けていた受信電力が下がり始めたとき、ちょうど図６（ｂ）に示すようなピーク位置が現れたことを意味する。このようなピーク位置が上述した条件満足位置に該当するが、その条件満足位置を特定できた段階で飛行体３０は他の飛行軌道に変更し、同様の観測を行うことが可能となる。上述した例はあくまで無線信号に関するデータとして受信電力を観測する場合を例に挙げて説明をしたが、他の例の場合も同様であり、伝搬遅延量が最小になる位置が現れるまで飛行体３０による飛行を継続するようにしてもよいし、観測された周波数が周波数ｆ₀に最も近くなる位置が特定できるまで飛行を継続するようにしてもよい。

即ち、本発明によれば、リアルタイムに無線信号に関するデータを取得し続け、条件満足位置が現れるか否かを飛行体３０を飛行させつつ判定し、条件満足位置が確認できるまでその飛行軌道上を直線状に飛行させるようにしてもよい。そして、飛行体３０は、観測部３３により、条件満足位置を確認することができた後に、別の飛行軌道に変更し、そのまま飛行し続けるようにしてもよい。つまり、条件満足位置の特定の有無を、飛行軌道変更の判定に使用するようにしてもよい。

１０位置推定システム
２０信号発信機
２１信号生成部
２２、２９アンテナ
３０飛行体
３１機体制御部
３２無線信号受信部
３３観測部
３４情報検出部
３５位置推定部
３６操作部
３７制御信号受信部
３８情報記憶部
３９推定情報送信部

Claims

静止状態にあるか又は僅かに移動する対象物の位置を推定する位置推定システムにおいて、
外部から制御可能とされた飛行軌道上を飛行する過程で上記対象物に取り付けられた信号発信機から発信された無線信号を継続して受信する飛行体と、
上記飛行体における上記飛行軌道上の各位置の３次元的な位置情報並びに当該位置における上記飛行軌道の３次元的な方向ベクトルを検出する飛行体位置情報検出手段と、
上記飛行体により受信された無線信号に関するデータの上記位置に対する相対的な変化傾向を観測する観測手段と、
上記観測手段により観測されたデータの相対的な変化傾向が予め設定した条件を満たす条件満足位置を求めると共に、その条件満足位置における３次元的な位置情報並びに方向ベクトルを上記飛行体位置情報取得手段から取得してこれを平面の方程式に代入する位置推定手段とを備え、
上記位置推定手段は、飛行体を互いに異なる飛行軌道上で飛行させる過程で上記観測手段から３回以上に亘り観測された相対的な変化傾向から上記条件満足位置を３箇所以上に亘り求めるとともに、それぞれの上記条件満足位置における３次元的な位置情報並びに方向ベクトルが代入された３つ以上の平面の方程式に基づいて上記対象物の位置を推定すること
を特徴とする位置推定システム。
上記位置推定手段は、上記観測手段により観測されたデータの相対的な変化傾向から上記対象物に対して最も距離が近くなる位置を上記条件満足位置とすること
を特徴とする請求項１記載の位置推定システム。
上記観測手段は、上記無線信号に関するデータとしての伝搬遅延量の相対的な変化傾向を観測し、
上記位置推定手段は、上記観測手段により観測された伝搬遅延量が最小となる位置を上記条件満足位置とすること
を特徴とする請求項２記載の位置推定システム。
上記観測手段は、上記無線信号に関するデータとしての無線信号の受信電力の相対的な変化傾向を観測し、
上記位置推定手段は、上記観測手段により観測された受信電力が最大となる位置を上記条件満足位置とすること
を特徴とする請求項２記載の位置推定システム。
上記観測手段は、上記無線信号に関するデータとしての無線信号の周波数の相対的な変化傾向を観測し、
上記位置推定手段は、上記対象物から発信された無線信号の周波数ｆ₀を予め取得すると共に、上記観測手段により観測された周波数が周波数ｆ₀に最も近くなる位置を上記条件満足位置とすること
を特徴とする請求項１記載の位置推定システム。
上記観測手段は、上記条件満足位置を検出することができるまで無線信号に関するデータを取得し続け、
上記飛行体は、上記観測手段により上記条件満足位置を検出することができた後に、別の飛行軌道に変更して飛行し続けること
を特徴とする請求項１記載の位置推定システム。