JP4387211B2

JP4387211B2 - 到来方向及び位置の推定方法

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Publication number: JP4387211B2
Application number: JP2004019674A
Authority: JP
Inventors: 純寺田; 宏行 ▲高▼橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2024-01-28
Also published as: JP2005214708A

Description

本発明は、複数のサイトに複数個ずつ配置されたブランチに共通の送信端から到来した波動信号に所定の信号処理を施すことによって、その送信端の方向または位置を推定する到来方向および位置の推定方法に関する。

複数のブランチに到来する電磁波や音波の到来方向の推定に適用可能な処理のアルゴリズムについては、多様なものがあり、かつ従来よりさまざまな提案が行われている。
また、このようなアルゴリズムに基づいて上記の到来方向を推定する装置は、後述する非特許文献１に掲載され、例えば、図４に示す空中線系として構成される。
ここに、図４に示す空中線系は、下記の要素から構成される。
・複数Ｍのサイト１０-1〜１０-Mにそれぞれ配置されたアレーアンテナ１１-1〜１１-M（複数Ｎのアンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1〜１２-MNの列としてそれぞれ構成され、これらのアンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1〜１２-MNは、何れのアレーアンテナ１１-１〜１１-Mにおいても共通の間隔ｄで直線状に配置される。）
・これらのサイト１０-1〜１０-Mにおいて、アンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1〜１２-MNの給電点にそれぞれ接続された信号処理回路１３-1〜１３-M
以下、アレーアンテナ１１-1〜１１-Mに共通の事項にかかわる記述では、添え番号「１」から「Ｍ」の何れにも該当し得ることを意味する添え文字「ｃ」を該当する符号に付与する。

このような構成の空中線系では、例えば、アレーアンテナ１１-cに方位角θの方向から到来し、かつ到来方向の推定の対象となる到来波は、その到来波の振幅ａと、この方位角θおよび上述した間隔ｄとに応じて定まる位相差φと、上記のアンテナ素子１２-c1 〜１２-cN の数Ｎ（≧２）とに対して、下式(1) で示されるベクトルｒとして表記される。
ｒ＝[ａａ・ｅ^jφ … ａ・ｅ^j(N-1)φ]^T ・・・(1)
信号処理回路１３-cは、例えば、ＭＵＳＩＣ(MUltiple SIgnal Classification)アルゴリズムに基づいて下記の処理を行うことによって、上記の到来方向を推定する。
・この到来方向がとり得る範囲（ここでは、簡単のため、マイナス９０度ないしプラス９０度の何れかに等しい方位角θで表されると仮定する。）を規定の精度（例えば、１度毎）でスキャンする。
・そのスキャンの下で適宜仮定される方位角θの方向からアンテナ素子１２-c1 〜１２-cN に到来するべき到来波の方向ベクトル（これらの到来波を示すモードベクトルの全ての成分の振幅成分が「１」に正規化されることによって得られる。）ａ(θ)と、アレーアンテナ１１-cに到来している到来波の数Ｌと、このアレーアンテナ１１-cのアンテナ素子の数Ｋ（＝Ｎ）とに併せて、上述したベクトルｒに含まれる熱雑音の成分の固有値Ｅ_N(≡［ｅ_L+1，…，ｅ_K］）に対して下式(2) で示されるＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_MU(θ)を一括して求める。
・このようにして求められたＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_MU(θ)が最大となる方位角θで示される方位を到来方向として推定する。

また、信号処理回路１３-cは、この信号処理回路１３-cと、既述の信号処理回路１３-1〜１３-Mの内、この信号処理回路１３-c以外の信号処理回路とからなる２つの信号処理回路は、これらの２つの信号処理回路によって既述の通りに求められた方位角と、これらの２つの信号処理回路がそれぞれ配置されたサイトの位置（ここでは、既知の情報として予め与えられると仮定する。）とに基づいて幾何学的に、その方位角が求められた到来波の送信端の位置を求める。

なお、このような送信端の位置は、例えば、単一のサイト１０-cに備えられたアレーアンテナ１１-cに含まれるアンテナ素子１２-11〜１２-cNが区分されて構成される複数のサブアレーアンテナ毎に既述の方位角が求められ、これらの方位角と、個々のサブアレーアンテナが個別に設置された仮想的なサイトの位置とに基づいて、同様に幾何学的に求められてもよい。
「アレーアンテナによる適応信号処理」、第１７３ページないし第２６８ページ、科学技術出版社 http://www.mobile.ss.titech.ac.jp/mobile/seminar/ohp-011015＿hungchin.pdf http://www.cybernet.co.jp/matlab/support/3vent/conf97/tsuji.pdf http://maxwell.elcom.nitech.ac.jp/~kikuma/source.html

ところで、上述した従来例では、複数Ｍのサイト１０-1〜１０-Mにそれぞれ配置されたアレーアンテナ１１-1〜１１-Mの全てが適用されることによって既述の到来角θや送信端の位置が求められるためには、これらのアレーアンテナ１１-1〜１１-Mにそれぞれ備えられたアンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1〜１２-MNに到来した全ての到来波が同時にサンプリングされなければならないが、このようなサンプリングは、技術的に可能であっても、実際にはコスト、各サイトの置局条件その他の制約に阻まれ、困難である場合が多かった。

また、このようなサンプリングは、アンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1 〜１２-MN に到来した到来波が、これらの到来波の位相の検出が容易に達成される低い帯域に周波数変換される場合であっても、これらの周波数変換に適用される局発信号の全ての位相が同じでなければ達成されなかった。
本発明は、ハードウエアの構成が複雑化することなく、多様な異なる位置に個別に設置されたブランチの全てを有効に活用することによって、これらのブランチに到来した波動信号の送信端の方位または位置を求めることができる到来方向及び位置の推定方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、Ｍ個の異なるサイト（地理的位置）に設置されたＮ個のアンテナ素子で構成されるＭ個のアレーアンテナを、１つの（Ｍ×Ｎ）個のアンテナ素子で構成されるアレーアンテナと見なし、前記（Ｍ×Ｎ）個のアンテナ素子に、共通の送信端から到来した受信信号の方向ベクトルを求め、前記送信端が取り得る範囲の方位角毎に前記（Ｍ×Ｎ）個のアンテナ素子の位相補正値を求め、前記位相補正値に基づいて、（Ｍ×Ｎ）行の補正行列を求め、前記方向ベクトルに前記補正行列を掛け合わせて、前記（Ｍ×Ｎ）個のアンテナ素子で構成されるアレーアンテナの補正方向ベクトルを求め、前記補正方向ベクトルを用いて、前記送信端が取り得る範囲の方位角をスキャンさせてＭＵＳＩＣスペクトラム値が最大となる方位角θを前記送信端から到来する受信波の到来方向として推定することを特徴とする。
例えば、第１の方法として、複数のサイトに個別に設置された複数のアレーアンテナに共通の送信端から到来した波動信号の集合を示すベクトルを求められる。さらに、これらの複数のサイトに個別に設置された複数のアレーアンテナ毎に、実際に上記の送信端から到来した波動信号の位相に付帯し、かつこれらのアレーアンテナの配置と送信端が位置し得る個々の方向とに対して定まる誤差を是正する処理が既述のベクトルに施されることによって補正ベクトルを求められる。また、このような送信端が位置し得る方向の内、上述した複数のアレーアンテナの全てにその送信端から到来すべき波動信号の集合を示す補正モードベクトルと、既述の補正ベクトルとの相関が最大となる方向として、この送信端の方位が推定される。

すなわち、既述の通りに複数のアレーアンテナの全てに共通の送信端から到来した波動信号の集合を示すベクトルが補正ベクトルに変換される過程では、これらの波動信号の全てが同期してサンプリングされなくても、共通のサイトに全てのアレーアンテナが配置されていないことに起因してこれらのアレーアンテナ間に生じる位相の偏差が是正される。
したがって、送信端の方位の推定は、これらの複数のサイトに個別に設置された複数のアレーアンテナが単一の「アレーアンテナの集合」として機能することによって、安価に実現され、しかも、その推定の基準となる個々のサイトの位置やアレーアンテナの配置の多様な設定が可能となる。

例えば、第２の方法として、複数のサイトに個別に設置された複数のアレーアンテナに共通の送信端から到来した波動信号の集合を示すベクトルが求められる。さらに、その送信端が位置し得る方向の内、上述した複数のサイト毎に複数のアレーアンテナにその送信端から到来すべき波動信号の組み合わせを示すモードベクトルと、既述のベクトルとの相関が最大となる方向として、この送信端の方位が推定される。

すなわち、送信端の方位は、既述の補正ベクトルが求められることなく、かつモードベクトルがサイト毎にこの送信端から到来すべき波動信号の組み合わせとして特定されることによって推定される。しかし、このような推定の演算は、後述する第二の実施形態において数学的に証明されるように、第１の方法において行われる推定の演算に等価である。
したがって、送信端の方位の推定は、精度が低下することなく効率的に実現され、しかも、その推定に要する処理および記憶領域その他の資源の削減が図られる。

例えば、第３の方法として、複数のサイトに個別に設置された複数のアレーアンテナに、共通の送信端から到来した波動信号の集合を示すベクトルが求められる。さらに、これらの複数のサイトに個別に設置された複数のアレーアンテナ毎に、実際に上述した送信端から到来した波動信号の位相に付帯し、かつこれらのアレーアンテナの配置とその送信端が位置し得る個々の位置とに対して定まる誤差を是正する処理が既述のベクトルに施されることによって補正ベクトルを求められる。また、このような送信端が位置し得る位置の内、上述した複数のアレーアンテナの全てにその送信端から到来すべき波動信号の集合を示す補正モードベクトルと、既述の補正ベクトルとの相関が最大となる位置として、この送信端の位置が推定される。

すなわち、既述の通りに複数のアレーアンテナの全てに共通の送信端から到来した波動信号の集合を示すベクトルが補正ベクトルに変換される過程では、これらの波動信号の全てが同期してサンプリングされなくても、共通のサイトに全てのアレーアンテナが配置されていないことに起因してこれらのアレーアンテナ間に生じる位相の偏差が是正される。
したがって、送信端の位置の推定は、これらの複数のサイトに個別に設置された複数のアレーアンテナが単一の「アレーアンテナの集合」として機能することによって、安価に実現され、しかも、その推定の基準となる個々のサイトの位置やアレーアンテナの配置の多様な設定が可能となる。

例えば、第４の方法として、複数のサイトに個別に設置された複数のアレーアンテナに共通の送信端から到来した波動信号の集合を示すベクトルが求められる。さらに、その送信端が位置し得る位置の内、上述した複数のサイト毎に個別に設置された複数のアレーアンテナに個別にその送信端から到来すべき波動信号の組み合わせを示すモードベクトルと、既述のベクトルとの相関が最大となる位置として、この送信端の位置が推定される。

すなわち、送信端の位置は、既述の補正ベクトルが求められることなく、かつモードベクトルがサイト毎にこの送信端から到来すべき波動信号の組み合わせとして特定されることによって推定される。しかし、このような推定の演算は、後述する第二の実施形態において数学的に証明されるように、第３の方法において行われる推定の演算に等価である。
したがって、送信端の位置の推定は、精度が低下することなく効率的に実現され、しかも、その推定に要する処理および記憶領域その他の資源の削減が図られる。

例えば、第１の方法では、送信端の方位の推定は、複数のサイトに個別に設置された複数のアレーアンテナが単一の「アレーアンテナの集合」として機能することによって、安価に実現され、しかも、その推定の基準となる個々のサイトの位置やアレーアンテナの配置の多様な設定が可能となる。
例えば、第２の方法では、精度が低下することなく送信端の方位の推定が効率的に実現され、しかも、その推定に要する処理および記憶領域その他の資源の削減が図られる。

例えば、第３の方法では、送信端の位置の推定は、複数のサイトに個別に設置された複数のアレーアンテナが単一の「アレーアンテナの集合」として機能することによって、安価に実現され、しかも、その推定の基準となる個々のサイトの位置やアレーアンテナの配置の多様な設定が可能となる。
例えば、第４の方法では、精度が低下することなく送信端の位置の推定が効率的に実現され、しかも、その推定に要する処理および記憶領域その他の資源の削減が図られる。

したがって、これらの発明が適用された装置やシステムでは、個々のサイトに備えられた既存のハードウエアの構成が基本的に変更されることなく、しかも、これらのサイトや既述のアレーアンテナの多様な配置に対する柔軟な適応が可能となると共に、所望の送信端にかかわる測距や測位その他の実現に併せて、これらの測距や測位の応用による付加価値の向上が安価に達成される。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について詳細に説明する。
以下に示す各実施形態の特徴は信号処理回路１３-cによって行われる処理の手順にあり、これらの実施形態のハードウエアの構成は基本的に図４に示す従来例と同じである。
［第一の実施形態］
図１は、本発明の第一および第二の実施形態の動作フローチャートである。

以下、図１および図４を参照して本発明の第一の実施形態の動作を説明する。
信号処理回路１３-cの主記憶の特定の記憶領域には、図２に示すように、サイト１０-1〜１０-M（アレーアンテナ１１-1〜１１-M）に到来波が到来し得る方向を示す方位角θ（ここでは、マイナス９０度ないしプラス９０度の範囲を±１度の精度で示すと仮定する。）に個別に対応した面を有し、これらの面に、「サイト１０-1〜１０-M（アレーアンテナ１１-1〜１１-M）に対応し、かつ下記の２つのフィールドから構成されるレコード」の列を含む位相補正レジスタ１３Ｒ-cが予め配置される。
・対応するサイト（アレーアンテナ）を示すユニークな識別子（ここでは、該当するサイトまたはアレーアンテナの符号に付加された添え番号に等しいと仮定する。）が予め格納された「識別子」フィールド
・該当する面に対応した方位角の方向から対応するサイト（アレーアンテナ）に到来波が到来した場合に、他のサイト（アレーアンテナ）に到来したその到来波がこれらのサイトで非同期にサンプリングされるためにこの到来波の位相に付帯し、かつ補正されるべき誤差（以下、「位相補正値」という。）φc が予め格納された「位相補正値」フィールド
なお、このような位相補正値は、サイト１０-1〜１０-M（アレーアンテナ１１-1〜１１-M）の地理的な配置（置局条件）と、上述した方位角がとり得る個々の値とに基づいて一義的に定まり、かつ予め算出される。

サイト１０-1〜１０-Mでは、信号処理回路１３-1〜１３-Mは、アレーアンテナ１１-1〜１１-Mにそれぞれ到来した到来波を非同期にサンプリングする。したがって、このように非同期にサンプリングされた到来波は、これらのアレーアンテナ１１-1〜１１-Mのアンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1 〜１２-MN がそれぞれＮ個ずつ直線状に等間隔ｄで配置されている場合には、サイト１０-1〜１０-Mに個別に到来した時点における振幅ａ₁〜ａ_Mと、方位角θ₁〜θ_Mおよび上述した間隔ｄとに応じて定まる位相差φ₁〜φ_Mと、個々のサイトに配置されたアレーアンテナのアンテナ素子の数Ｎ（≧２）とに対して、下式(3) で示されるベクトルｒとして表記される。
ｒ＝[ａ₁ ａ₁・ｅ^jφ¹ … ａ₁・ｅ^j(N-1)φ¹
・・・ａ_M ａ_M・ｅ^jφ^M … ａ_M・ｅ^j(N-1)φ^M]^T ・・・(3)
また、サイト１０-1〜１０-Mでは、アレーアンテナ１１-1〜１１-Mにそれぞれ到来した到来波が非同期にサンプリングされるために、これらのアレーアンテナ１１-1〜１１-Mに個別にＮ個ずつ備えられたアンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1 〜１２-MN にこの到来波が到来すべき方向を示す方向ベクトルａも、これらのアンテナ素子１２-11 〜１２-1N 、…、１２-M1〜１２-MN毎に異なり、かつ上式(3) と準じた下式(4) で示される。
ａ＝[α₁ α₁・ｅ^jφ¹ … α₁・ｅ^j(N-1)φ¹
・・・α_M α_M・ｅ^jφ^M … α_M・ｅ^j(N-1)φ^M]^T ・・・(4)
ここに、φ₁〜φ_Mは、位相補正レジスタ１３Ｒ-cの「位相補正値」フィールドの値として与えられる位相補正値である。

サイト１０-1〜１０-Mに備えられた信号処理回路１３-1〜１３-Mは、アレーアンテナ１１-1〜１１-M（アンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1〜１２-MN）にそれぞれ到来した到来波については、上述したように他のサイトに備えられた信号処理回路と非同期にサンプリングする。
さらに、これらの信号処理回路１３-1〜１３-Mの内、特定の信号処理回路１３-Sは、例えば、図示されない通信リンクを介して他の全ての信号処理回路によって非同期にサンプリングされた到来波の振幅および位相を収集し（図１(1))、これらの振幅および位相と、自局で同様にサンプリングされた到来波の振幅および位相との集合として、上式(3) に相当するベクトルｒ_act を取得する（図１(2))。

さらに、特定の信号処理回路１３-Sは、例えば、上述した到来波の到来方向がとり得る方位角θ（マイナス９０度≦θ≦プラス９０度）を１度ずつ更新し、このような方位角θの個々の値について、下記の処理を行う。
・位相補正レジスタ１３Ｒ-cの面の内、該当する方位角θに対応した面にサイト１０-1〜１０-M毎に予め格納された「位相補正値」フィールドの値ψ₁〜ψ_Mを求め（図１(3))、これらの値ψ₁〜ψ_Mに対して上式(4) の右辺および下式(5) で示される方向ベクトルａ_act と補正行列Ｑとを特定する（図１(4)、(5))。

・このような補正行列Ｑ、上述したベクトルｒ_act および方向ベクトルａ_act に対して下式(6)、(7) で示される補正ベクトルｒ_act′ および補正方向ベクトルａ_act′ を求める（図１(6))。
ｒ_act′＝ｒ_act・Ｑ・・・(6)
ａ_act′＝ａ_act・Ｑ・・・(7)
・これらの補正ベクトルｒ_act′ および補正方向ベクトルａ_act′ と、アレーアンテナ１１-cに到来している到来波の数Ｌと、アンテナ素子の数Ｋ（＝Ｎ）とに併せて、補正ベクトルｒ_act′ に含まれる熱雑音の成分の固有値Ｅ_N′(≡［ｅ_L+1，…，ｅ_K］）に対して下式(8) で示されるＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_MU(θ)を求める（図１(7))。

また、特定の信号処理回路１３-Sは、方位角θ（マイナス９０度≦θ≦プラス９０度）の全てについて上述した処理を完結すると、これらの方位角θの内、求められたＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_MU(θ)の値の降順に対応するＬ（既述の到来波の数に等しい。）個の方位角で個別に示される方位を既述の到来方向として特定する（図１(8))。

すなわち、サイト１０-1〜１０-Mにそれぞれ備えられたアレーアンテナ１１-1〜１１-M（アンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1〜１２-MN）は、これらのアレーアンテナ１１-1〜１１-M（アンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1〜１２-MN）に共通の送信端から到来した到来波が同期してサンプリングされなくても、上述した算術演算の下でその送信端の方位角θの推定に精度よく適用される。

このように本実施形態によれば、サイト１０-1〜１０-Mの何れにも上記のサンプリングを実現するハードウエアが備えられることなく、アレーアンテナ１１-1〜１１-M（アンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1〜１２-MN）が単一のアレーアンテナとして機能することによって、安価に到来方向の推定が実現され、しかも、その推定の基準となるサイト１０-1〜１０-Mの位置やアレーアンテナ１１-1〜１１-M（アンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1〜１２-MN）の配置の多様な設定が可能となる。

したがって、サイト１０-1〜１０-Mにおいて個別に推定された方位角が単に平均化される場合に比べて、多様な地理的な条件に対する柔軟な適応が可能となり、かつ上述した到来方向の推定の精度が高められる。
なお、本実施形態では、補正方向ベクトルａ_act′ は、上式(6) に示すように、既述の方向ベクトルａ_act と補正行列Ｑとの積として求められている。

しかし、このような補正方向ベクトルａ_act′ は、例えば、アンテナ素子１２-11 〜１２-1N 、…、１２-M1〜１２-MNの全ての物理的な配置と、到来波の波長とに基づいて直接求められてもよい。
［第二の実施形態］
以下、図２および図４を参照して本発明の第二の実施形態の動作を説明する。

まず、本実施形態の原理を説明する。
上述した補正ベクトルｒ′の相関行列Ｒ_XX（＝ｒ′・ｒ′^H)は、既述の補正行列Ｑと、ベクトルｒとに対して、一般に、下式(9) で表わされる。
Ｒ_XX＝(Ｑｒ)(Ｑｒ)^H＝Ｑ(ｒｒ^H)Ｑ^H＝ＱＲ_XX0Ｑ^H ・・・(9)
（ただし、Ｒ_XX0 はベクトルｒの相関行列）
また、このような相関行列Ｒ_XX0 は、補正行列Ｑの如何にかかわらず成立する恒等式ＱＱ^H＝Ｑ^HＱ＝１がこの式(9) に適用されることによって、上式(9) で示される相関行列Ｒ_XXに対して、下式(10)で表わされる。
Ｒ_XX0 ＝Ｑ^HＲ_XXＱ・・・(10)
さらに、上式(10)は、相関行列Ｒ_XX0 の固有ベクトルの１つであるｕ₀ が両辺に乗じられることによって、下式(11)に変形可能である。
Ｒ_XX0ｕ₀＝Ｑ^HＲ_XXＱｕ₀＝λ₀ｕ₀ ・・・(11)
また、上式(11)の第二の辺および第三の辺のみから構成される等式は、下式(12)に変形可能である。
Ｒ_XX(Ｑｕ₀)＝λ₀(Ｑｕ₀）・・・(12)
したがって、相関行列Ｒ_XXの固有ベクトルｕは、上式(12)の括弧内の項Ｑｕ₀ に該当する。

ところで、既述の到来方向の推定は、一般に、「ベクトルｒに含まれる熱雑音の成分に直行する成分」を示す「そのベクトルｒの固有ベクトルｕ（＝Ｑｕ₀ ）」と、上述した補正行列Ｑと、既述の式(4) で示される方位ベクトルａに対して、下式(13)が成立する方位角θを求めることを意味する。
｜(Ｑａ)^H(Ｑｕ₀)｜²＝０・・・(13)
また、上式(13)は、下式(14)に変形可能であり、さらに、上記の恒等式が適用されることによって下式(15)に等価となる。
｜ａ^HＱ^HＱｕ₀｜²＝０・・・(14)
｜ａ^Hｕ₀｜²＝０・・・(15)
すなわち、方位角θは、補正行列Ｑが適用されることなく、かつ補正ベクトルｒ′および補正方向ベクトルａ′に代えてそれぞれ既述のベクトルｒおよび方向ベクトルａが適用されることによって、同様に求められる。

本実施形態では、特定の信号処理回路１３-Sは、図１に点線で示されるように、このような原理に基づいて下記の処理を行うことなく、かつ上式(8) ではなく下式(16)で示されるＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_MU(θ)を求める（図１(a))点を除いて、既述の第一の実施形態と同様の精度で方位角θを求める。
・補正行列Ｑを特定する処理（図１(4))
・上式(6)、(7)で示される補正ベクトルｒ_act′ および補正方向ベクトルａ_act′ を求める処理（図１(6))

したがって、本実施形態によれば、既述の第一の実施形態に比べて、方位角θの算出に要する処理量に併せて、記憶領域その他の資源が削減され、その方位角θの算出の速度や実時間性が高められる。
［第三の実施形態］
図３は、本発明の第三の実施形態の動作フローチャートである。

図において、図１に示す処理と同じ処理については、図１において付された番号と同じ番号を付して示す。
以下、図２ないし図４を参照して本発明の第三の実施形態の動作を説明する。
本実施形態では、位相補正レジスタ１３Ｒ-cは、図２に括弧書きされるように、サイト１０-1〜１０-M（アレーアンテナ１１-1〜１１-M）に到来波が到来し得る方向を示す方位角θではなく、その到来波の送信端が位置し得る異なる地点の座標（ここでは、直交座標として与えられると仮定する。）毎に対応した面を有する。

なお、このような面は、既述の「識別子」フィールドと「位相補正値」フィールドから構成されるレコードの集合として構成される。
また、この「位相補正値」フィールドに予め格納される位相補正値は、サイト１０-1〜１０-M（アレーアンテナ１１-1〜１１-M）の地理的な配置（置局条件）と上述した座標の仮定値とに基づいて一義的に定まり、かつ予め算出される。

さらに、サイト１０-1〜１０-Mに個別に備えられた信号処理回路１３-1〜１３-Mの内、特定の信号処理回路は、図３に実線で示すように、下記の点を除いて、既述の第一の実施形態または第二の実施形態と同様の処理を行う。
・ＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_MU(θ)については、到来波の到来方向がとり得る方位角ではなく、その到来波の送信端が位置し得る地点の座標を上述した位相補正レジスタ１３Ｒ-cの面に対応した座標に順次設定し、その位相補正レジスタ１３Ｒ-cの該当する面を適宜参照することによって、個々の面（座標）毎に順次求める（図３(A))。
・このようにして全ての面（座標）に対応したＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_MU(θ)が求められると、これらの座標の内、求められたＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_MU(θ)の値の降順に対応するＬ（既述の到来波の数に等しい。）個の座標で個別に示される地点を既述の送信端の位置として推定する（図３(B))。

すなわち、サイト１０-1〜１０-Mにそれぞれ備えられたアレーアンテナ１１-1〜１１-M（アンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1〜１２-MN）は、これらのアレーアンテナ１１-1〜１１-M（アンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1〜１２-MN）に共通の送信端から到来した到来波が同期してサンプリングされなくても、上述した算術演算の下でその送信端の位置の推定に精度よく適用される。

このように本実施形態によれば、サイト１０-1〜１０-Mの何れにも上記のサンプリングを同期して実現するハードウエアが備えられることなく、アレーアンテナ１１-1〜１１-M（アンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1〜１２-MN）が単一のアレーアンテナとして機能することによって、安価に送信端の位置の推定が実現され、しかも、その推定の基準となるサイト１０-1〜１０-Mの位置やアレーアンテナ１１-1〜１１-M（アンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1〜１２-MN）の配置の多様な設定が可能となる。

したがって、サイト１０-1〜１０-Mにおいて個別に推定された送信端の位置が単に平均化される場合に比べて、多様な地理的な条件に対する柔軟な適応が可能となり、かつ上述した到来方向の推定の精度が高められる。
なお、上述した各実施形態では、到来波が到来した方向を示す方位角θまたはその到来波の送信端が位置する地点の座標を推定する処理は、これらの方位角θまたは座標のとり得る全ての値に対応したＭＵＳＩＣスペクトラムが一括して求められた後に、これらの求められたＭＵＳＩＣスペクトラムの内、値が最大であるＭＵＳＩＣスペクトラムに対応する方位角または座標を得る処理として実現されている。

また、これらのＭＵＳＩＣスペクトラムの技術的な意義は、一般に、「ベクトルｒ′（またはベクトルｒ）と方位ベクトルａ′（または方位ベクトルａ）との相互相関」に該当し、その方位ベクトルａ′（または方位ベクトルａ）は、既述のモードベクトルとの対比においては、そのモードベクトルに含まれる全ての要素の振幅成分が「１」その他の共通の値に設定された点で異なる。

したがって、このような処理の過程では、上記の相互相関の値の精度が十分に高く確保されるならば、方位ベクトルａ′（または方位ベクトルａ）に代えてモードベクトルが適用されてもよく、かつ方位角θまたは座標のとり得る全ての値に対応したＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_MU(θ)は必ずしも一括して求められなくてもよい。
さらに、上述した各実施形態では、複数の１０-1〜１０-Mにそれぞれ備えられたアレーアンテナ１１-1〜１１-Mに到来する到来波について、その到来波が到来する方向を示す方位角θまたはこの到来波の送信端の位置を示す座標が推定されている。

しかし、本発明は、このような到来波と同様に既述の演算の対象となる振幅および位相が所望の精度で計測され、かつ伝搬路（チャネル）の特性に整合した値の集合として既述の位相補正レジスタ１３Ｒ-cの内容が予め求められるならば、超音波、光信号その他の如何なる波動信号に対しても適応可能である。
また、上述した各実施形態には、ＭＵＳＩＣアルゴリズムが適用されている。

しかし、本発明はこのようなＭＵＳＩＣアルゴリズムに限定されず、既述の相互相関の値が求められ、その値が最大である方位角θや座標の特定が可能であるならば、そのＭＵＳＩＣアルゴリズムに代えて、例えば、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒアルゴリズム、Ｃａｐｏｎアルゴリズム、ＬＰアルゴリズム、Ｍｉｎ−Ｎｏｒｍアルゴリズムその他が適用されてもよい。

さらに、上述した各実施形態では、複数のサイト１０-1〜１０-Mにそれぞれ備えられたアレーアンテナ１１-1〜１１-Mのアンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1 〜１２-MN に個別に到来した到来波の位相や振幅が既述の処理の過程で参照されている。
しかし、アンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1〜１２-MNは、「これらのアンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1〜１２-MNの配置や位相補正レジスタ１３Ｒ-cの内容」のように、既述の処理の過程で参照される演算対象が所望の精度で得られる限り、アレーアンテナの素子としてではなく、個別のアンテナとして備えられなくてもよい。

また、上述した各実施形態では、アンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1 〜１２-MN は、それぞれアレーアンテナ１１-1〜１１-Mの素子として備えられている。
しかし、これらのアンテナ素子１２-11〜１２-1N、…、１２-M1〜１２-MNは、アレーアンテナの素子として備えられる場合であっても、所定の間隔ｄで仮想的な直線（あるいは平面）上に配置されなくてもよく、所望の精度による既述の補正行列Ｑの定義が確実に達成される限り、どのように配置されてもよい。

さらに、上述した各実施形態では、到来波の送信端の方向や位置は、二次元平面上における方向や位置として推定されている。
しかし、本発明は、このような場合に限定されず、所望の到来波の送信端の方向や位置が「三次元空間における方向や位置」として推定されるべき場合であっても、既述の演算の対象となるベクトルや行列が所望の精度で与えられる限り、同様に適用可能である。

また、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲において多様な形態による実施形態が可能であり、かつ構成装置の全てまたは一部に如何なる改良が施されてもよい。

本発明の第一および第二の実施形態の動作フローチャートである。位相補正レジスタの構成を示す図である。本発明の第三の実施形態の動作フローチャートである。受信波の到来方向の推定に供される空中線系の構成例を示す図である。

符号の説明

１０サイト
１１アレーアンテナ
１２アンテナ素子
１３信号処理回路
１３Ｒ位相補正レジスタ

Claims

Ｍ個の異なるサイトに設置されたＮ個のアンテナ素子で構成されるＭ個のアレーアンテナを、１つの（Ｍ×Ｎ）個のアンテナ素子で構成されるアレーアンテナと見なし、
前記（Ｍ×Ｎ）個のアンテナ素子に、共通の送信端から到来した受信信号の方向ベクトルを求め、
前記送信端が取り得る範囲の方位角毎に前記（Ｍ×Ｎ）個のアンテナ素子の位相補正値を求め、
前記位相補正値に基づいて、（Ｍ×Ｎ）行の補正行列を求め、
前記方向ベクトルに前記補正行列を掛け合わせて、前記（Ｍ×Ｎ）個のアンテナ素子で構成されるアレーアンテナの補正方向ベクトルを求め、
前記補正方向ベクトルを用いて、前記送信端が取り得る範囲の方位角をスキャンさせてＭＵＳＩＣスペクトラム値が最大となる方位角θを前記送信端から到来する受信波の到来方向として推定する
ことを特徴とする到来方向推定方法。