JP4586690B2

JP4586690B2 - 位置推定システム

Info

Publication number: JP4586690B2
Application number: JP2005261766A
Authority: JP
Inventors: 潔福井
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2025-09-09
Also published as: JP2007071816A; US20070060170A1; US7920874B2

Description

本発明は、無線信号の受信から端末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。

従来の位置推定システムは、例えば、位置を推定したい無線端末（ターゲット端末）と予め位置が分かっている３つ以上の無線端末（リファレンス端末）との間で受信電力を測定し、その測定した受信電力からターゲット端末から各リファレンス端末までのそれぞれの距離を推定して、三角法により位置を推定している（例えば、特許文献１参照）。
しかし、無線伝搬路は反射や回折の影響により、送受信端末の位置関係が同じでも受信電力が変動するマルチパスフェージングが発生する。この影響で、位置推定精度が劣化することが分かっている。
そこで、従来、無線伝搬路のマルチパスフェージングを考慮して端末間の距離と受信電力との関係を確立モデル化し、リファレンス端末の数を増やしたり、同じリファレンス端末との間で複数回受信電力を測定したりすることにより、位置推定精度の改善を図っている（例えば、特許文献２及び非特許文献１参照）。
また、ターゲット端末が複数あることを想定しており、ターゲット端末とリファレンス端末間の受信電力のみでなく、ターゲット端末間の受信電力も利用して位置推定を行っている（非特許文献１参照）。

特開平９−１５９７４６号公報（第３−４頁、図１）特表２００５−５０７０７０（第１２−２７頁、図１〜図９）趙大鵬、外７名、「センサネットワークにおける受信信号電力を用いた最尤位置推定法」、電子情報通信学会、技術報告、ＩＮ２００４−３２７、ｐｐ．４０９−４０１４

しかしながら、前述した従来の技術にあっては、無線通信では開放された空間を利用して通信するため、２つの端末が同時に無線信号を送信した場合、それぞれの無線信号を区別することができず、このため、ある端末間で無線通信を行っている最中に、他の端末から無線信号が送信されると、受信端末では所望の端末からの信号に、他の送信端末からの信号が干渉信号として足し合わされることになる。干渉信号として足し合わされている場合、受信電力は干渉信号の電力分大きくなる。干渉信号にはこの他、電子機器から漏洩する電磁波などもある。このような受信電力に干渉電力が含まれている場合、受信電力と端末間の距離の関係が干渉電力により変動し、このため、受信電力を利用した位置推定の精度が劣化するという課題があった。

本発明に係る位置推定システムは、位置推定要求信号を無線信号にて発信するターゲット端末と、所定の位置に配置され、ターゲット端末からの無線信号が受信されたときに受信電力値を測定する複数のリファレンス端末と、リファレンス端末毎に測定された受信電力値を基にターゲット端末の位置を推定する位置推定サーバとを備えた位置推定システムにおいて、複数のリファレンス端末は、予め受信電力値に対応してそれぞれ異なる閾値が設定され、測定された受信電力値に基づいて閾値を選択し、かつ、選択した閾値と受信された無線信号からどの程度明確にデジタル信号に変換できたか判定のための指標とを比較し、指標が閾値より大きいときに受信電力値を位置推定の利用可と判定する受信電力利用可否判定部を有している。

本発明においては、予め受信電力値に対応してそれぞれ異なる閾値が設定され、測定された受信電力値に基づいて閾値を選択し、かつ、選択した閾値と受信された無線信号からどの程度明確にデジタル信号に変換できたか判定のための指標とを比較し、指標が閾値より大きいときに受信電力値を位置推定の利用可と判定するようにしたので、ターゲット端末の推定位置を精度よく測定することができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１を示す位置推定システムの概略構成図、図２は実施の形態１におけるターゲット端末の構成図、図３は実施の形態１におけるリファレンス端末の構成図、図４は実施の形態１における位置推定サーバの構成図である。
実施の形態１の位置推定システムは、図１に示すように、利用者に携帯されたターゲット端末１０と、予め建物などの屋内に設置された複数のリファレンス端末２０と、複数のリファレンス端末２０からそれぞれ転送されてきた受信電力の測定値を基にターゲット端末１０の位置を推定する位置推定サーバ３０とから構成されている。

ターゲット端末１０は、図２に示すように、送信データ生成部１１と、送信回路１２と、無線信号を送信するためのアンテナ１１とで構成されている。送信データ生成部１１は、推定位置が必要なタイミング、例えば、本体に設けられたスイッチ（図示せず）がオンされたとき、或いは自動設定による所定時間毎に位置推定要求データを生成し、送信回路１２に渡す。この位置推定要求データには、自己を識別させるための例えばＩＤコードが添付されている。送信回路１２は、送信データ生成部１３により生成された位置推定要求データを位置推定要求信号に変換し、アンテナ１１から無線信号として空間に送信する。

リファレンス端末２０は、図３に示すように、無線信号を送受信するためのアンテナ２１と、受信回路２２と、受信データ処理部２３と、受信電力利用可否判定部２４と、送信データ生成部２５と、送信回路２６とからなっている。受信回路２２は、アンテナ２１からの無線信号を処理してデジタル情報に変換し、受信データとして受信データ処理部２３に出力する。また、この受信回路２２は、無線信号をデジタル情報に変換する際に、無線信号の受信電力値Ｓ１及び無線信号の信頼度Ｓ２を測定し、受信電力利用可否判定部２４に渡す。

無線信号の信頼度Ｓ２とは、アナログ値である無線信号を離散値であるデジタル信号のどの値に変換すべきかを判定する際に、どの程度明確に判定できたかの指標である。例えば、スペクトル拡散通信を行っている場合、デジタル情報を表すシンボルは、ＰＮ系列と呼ばれるビット列を掛け合わせて送信し、受信側では、送信側で掛け合わせられたＰＮ系列との相関を取ることによりデジタル信号を復元する。受信信号の雑音や干渉信号による劣化が少ない場合、受信信号とＰＮ系列との相関値が大きく、送信されたデジタル情報を表すシンボルを確実に復元することができるが、雑音や干渉信号による劣化が大きい場合は、受信信号とＰＮ系列との相関値が小さく、デジタル情報を表すシンボルを誤って復元する確率が高くなる。これは、逆に言うと、相関値が小さい場合は、雑音や干渉信号の影響が大きいということになる。

前述した受信データ処理部２３は、受信回路２２からの受信データを処理し、受信データがターゲット端末１０から送られてきた位置推定要求であったときに、送信データ生成部２５に対して、測定された受信電力値Ｓ１の送信データ作成を指示する。受信電力利用可否判定部２４は、受信回路２２からの受信電力値Ｓ１と信頼度Ｓ２とを受け取り、送信データ生成部２５に受信電力値Ｓ１と判定結果を渡す。この判定結果は、信頼度Ｓ２を予め設定された閾値と比較し、信頼度Ｓ２が閾値より大きいときは利用可とし、信頼度Ｓ２が閾値より小さいときは利用不可とする。なお、判定に用いる閾値は、常に一定の値を用いるようにしてもよいし、受信電力値（の範囲）毎に異なる値を設定しておいてもかまわない。

送信データ生成部２５は、受信電力利用可否判定部２４から受け取った受信電力値Ｓ１を位置推定サーバ３０に送信するための送信データを作成する。この送信データの作成は、受信データ処理部２３からの送信データ作成の指示を受け、かつ受信電力利用可否判定部２４の判定結果が可であったときのみ行われる。また、送信データ生成部２５は、送信データを作成する際、予め設定された自己のＩＤコード及び位置推定要求のあったターゲット端末１０のＩＤコードを添付する。送信回路２６は、送信データ生成部２５により生成された送信データを無線信号に変換しアンテナ２１に出力する。

位置推定サーバ３１は、図４に示すように、無線信号を受信するためのアンテナ３１と、受信回路３２と、受信データ処理部３３と、位置推定処理部３４とからなっている。受信回路３２は、アンテナ３１から入力された無線信号を処理し、デジタル情報に変換し、受信データとして受信データ処理部３３に渡す。受信データ処理部３３は、受信データを処理し、この受信データがリファレンス端末２０から送られてきた受信電力値Ｓ１であったときに位置推定処理部３４に渡す。

位置推定処理部３４は、例えば、屋内に設置された複数のリファレンス端末２０のＩＤコードと設置位置（例えば座標）とが対応付けられた位置データ、及び受信電力値と端末間距離とが対応付けられた距離データを有し、受信データ処理部３３によって渡されたリファレンス端末２０からの受信電力値Ｓ１を基に距離データからターゲット端末１０とリファレンス端末２０間の距離を判別し、また、そのリファレンス端末２０のＩＤコードを基に位置データから設置位置を判別する。そして、判別した端末間の距離とリファレンス端末２０毎の設置位置とに基づいてターゲット端末１０の位置を推定する。

前記の受信電力値と端末間の距離の関係は、例えば、前述した非特許文献１に記載の方法と同じように、無線伝搬路のマルチパスフェージングを考慮している。なお、位置推定方法として非特許文献１の方法に限定されるわけではなく、受信電力値Ｓ１を基に受信電力値とターゲット端末１０とリファレンス端末２０間の距離の関係を利用してターゲット端末１０の位置を推定する方法であれば、他の方法でもかまわない。

次に、前記のように構成された位置推定システムの動作について説明する。
ターゲット端末１０が無線の位置推定要求信号を発信すると、位置推定要求信号の受信可能な位置に配置された複数のリファレンス端末２０が受信する。この時、位置推定要求信号を受信した複数のリファレンス端末２０においては、受信回路２２が、位置推定要求信号から受信電力値Ｓ１及び信頼度Ｓ２をそれぞれ測定して受信電力利用可否判定部２４に出力すると共に、位置推定要求信号をデジタル情報に変換し、受信データとして受信データ処理部２３に出力する。

次いで、受信データ処理部２３が、受信データから位置推定要求を認識したとき受信電力値Ｓ１の送信データ作成を送信データ生成部２５に指示する。一方、受信電力利用可否判定部２４は、入力された受信電力値Ｓ１及び信頼度Ｓ２のうち信頼度Ｓ２と予め設定された閾値とを比較し、信頼度Ｓ２が閾値より小さいときは利用不可と判断するが、信頼度Ｓ２が閾値より大きいときは利用可と判断して、その結果と受信電力値Ｓ１とを送信データ生成部２５に出力する。

その後、送信データ生成部２５が、送信データの作成指示と、受信電力利用可否判定部２４からの受信電力の利用可及びその受信電力値Ｓ１とを受けると、受信電力値Ｓ１の送信データを作成し、送信回路２６が、その送信データを無線信号に変換してアンテナ２１から位置推定サーバ３０に送信する。

位置推定サーバ３０は、リファレンス端末２０から送られてきた信頼度の高い受信電力値Ｓ１の無線信号が受信されると、受信電力値Ｓ１を基に端末間の距離を前記距離データから判別し、かつ、そのリファレンス端末２０のＩＤコードを基に設置位置を位置データから判別する。この判別は、リファレンス端末２０からの無線信号（受信電力値Ｓ１）が受信される毎に行う。そして、この判別により入手したそれぞれの端末間の距離と各リファレンス端末２０の設置位置とに基づいてターゲット端末１０の位置を推定する。

以上のように実施の形態１によれば、リファレンス端末２０で信頼度Ｓ２を基に受信電力値Ｓ１の利用可否を判定することにより、信頼度Ｓ２が低く、受信電力値Ｓ１に干渉電力が含まれている可能性のあるデータを用いずに位置推定ができるので、位置推定の精度を向上させることができる。また、信頼度Ｓ２の低い受信電力値Ｓ１を位置推定サーバ３０に送信することがないので、位置推定のための通信量が少なく処理時間が短くなるという効果がある。

実施の形態２．
図５は実施の形態２におけるターゲット端末の構成図、図６は実施の形態２におけるリファレンス端末の構成図、図７は実施の形態２における位置推定サーバの構成図である。なお、図２〜図４で説明した実施の形態１と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。また、実施の形態２の位置推定システムの構成は、実施の形態１で示した図１の構成と同じである。

実施の形態２におけるターゲット端末１０は、図５に示すように、アンテナ１３と、送信回路１２と、受信回路１４と、受信データ処理部１５と、推定位置記憶部１６と、送信データ生成部１１ａとを備えている。受信回路１４は、位置推定サーバ３０から送られてきた無線信号を処理し、デジタル情報に変換し、受信データとして受信データ処理部１５に出力する。受信データ処理部１５は、受信データを処理し、この受信データの中に前回の推定位置情報が含まれていたときその情報を推定位置記憶部１６に格納する。この推定位置情報は、前回に位置推定要求信号を発信したときの自己の位置情報である。

送信データ生成部１１ａは、例えばスイッチ（図示せず）のオン操作を検知したときに、推定位置記憶部１６から前回の推定位置情報を読み出して、その情報を含む位置推定要求データを生成し、送信回路１２に渡す。また、送信データ生成部１１ａは、推定位置記憶部１６に推定位置情報が格納されていないときは、その旨を示すデータを含ませた位置推定要求データを生成し、前記と同様に送信回路１２に渡す。

リファレンス端末２０は、図６に示すように、アンテナ２１と、受信回路２２と、受信データ処理部２３ａと、受信電力利用可否判定部２４ａと、送信データ生成部２５と、送信回路２６とからなっている。受信データ処理部２３ａは、実施の形態１と同じ動作に加え、受信データに前回の推定位置情報があったとき、その情報を受信電力利用可否判定部２４ａに出力する。受信電力利用可否判定部２４ａは、距離と閾値とが対応付けられた閾値データを有し、前回の推定位置情報がなかったとき、実施の形態１と同じ動作をし、その推定位置情報を受け取ったときは、推定位置情報と予め設定された自己の位置情報とからターゲット端末１０までの距離を算出し、その距離に対応する閾値を閾値データから選択する。この閾値は、実施の形態１で述べたように、受信電力値Ｓ１の利用可否を判定するためのデータである。

位置推定サーバ３１は、図７に示すように、アンテナ３１と、受信回路３２と、受信データ処理部３３と、位置推定処理部３４ａと、送信データ生成部３５と、送信回路３６とからなっている。位置推定処理部３４ａは、実施の形態１と同様の処理によりターゲット端末１０の位置を推定した際、その推定位置情報を送信データ生成部３５に渡す。この送信データ生成部３５は、推定位置情報を受けたときにその推定位置情報をターゲット端末１０に送信するための送信データを生成し、送信回路３６に出力する。送信回路３６は、入力された送信データを無線信号に変換し、アンテナ３１を通じてターゲット端末１０に送信する。

次に、実施の形態２に係る位置推定システムの動作について説明する。
ターゲット端末１０から推定位置情報を含む無線の位置推定要求信号が発信されると、位置推定要求信号の受信可能な位置に配置された複数のリファレンス端末２０が受信する。この時、その位置推定要求信号を受信した複数のリファレンス端末２０においては、受信回路２２が、位置推定要求信号から受信電力値Ｓ１及び信頼度Ｓ２をそれぞれ測定して受信電力利用可否判定部２４に出力すると共に、位置推定要求信号をデジタル情報に変換し、受信データとして受信データ処理部２３に出力する。

次いで、受信データ処理部２３が、受信データから位置推定要求を確認したとき受信電力値Ｓ１の送信データ作成を送信データ生成部２５に指示し、前回の推定位置情報を確認したときはその情報を受信電力利用可否判定部２４に渡す。一方、受信電力利用可否判定部２４は、受信データ処理部２３からの推定位置情報を受けたとき、推定位置情報と予め設定された自己の位置情報とからターゲット端末１０までの距離を算出し、その距離に対応する閾値を閾値データから選択する。そして、受信データ処理部２３から受けた受信電力値Ｓ１及び信頼度Ｓ２のうち信頼度Ｓ２と、選択した閾値とを比較し、信頼度Ｓ２が閾値より小さいときは利用不可と判断するが、信頼度Ｓ２が閾値より大きいときは利用可と判断して、その結果と受信電力値Ｓ１とを送信データ生成部２５に出力する。また、推定位置情報を受けなかったときは、実施の形態１と同様に予め設定された閾値と信頼度Ｓ２とを比較する。

その後、送信データ生成部２５が、送信データの作成指示と、受信電力利用可否判定部２４からの受信電力の利用可及び受信電力値Ｓ１とを受けとると、受信電力値Ｓ１の送信データを作成し、送信回路２６が、その送信データを無線信号に変換してアンテナ２１から位置推定サーバ３０に送信する。

位置推定サーバ３０は、リファレンス端末２０から送られてきた信頼度の高い受信電力値Ｓ１の無線信号が受信されると、受信電力値Ｓ１を基に端末間の距離を前記距離データから判別し、かつ、そのリファレンス端末２０のＩＤコードを基に設置位置を位置データから判別する。この判別は、リファレンス端末２０からの無線信号（受信電力値Ｓ１）が受信される毎に行う。そして、この判別により入手したそれぞれの端末間の距離と各リファレンス端末２０の設置位置とに基づいてターゲット端末１０の位置を推定する。そして、その推定位置情報を含む送信データを生成して無線信号に変換し、位置推定要求信号を発信したターゲット端末１０にアンテナ３１を通じて送信する。

一方、位置推定要求信号を発信したターゲット端末１０においては、受信回路１４が、位置推定サーバ３０からの無線信号を受信すると、デジタル情報に変換し、受信データとして受信データ処理部１５に出力し、受信データ処理部１５が、その受信データの中に前回の推定位置情報が含まれていたときその情報を推定位置記憶部１６に格納する。

以上のように実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に位置推定のための通信量が少なく処理時間が短くなるという効果に加え、リファレンス端末２０で受信電力値Ｓ１を利用するかどうかの判定に使う信頼度Ｓ２の閾値を柔軟に設定できるので、位置推定の精度をより向上させることができる。

なお、前記の実施の形態１、２では、リファレンス端末２０で受信電力値Ｓ１を位置推定に利用できるかどうかを判定するようにしているが、リファレンス端末２０で測定した受信電力値Ｓ１及び信頼度Ｓ２の双方を位置推定サーバ３０に送り、位置推定サーバ３０で受信電力値Ｓ１を位置推定に利用できるかどうかを判定するようにしてもよい。またこの場合、受信電力値Ｓ１を位置推定に利用できるかどうかを判定するのではなく、信頼度Ｓ２に応じて重み付けして位置推定を行うようにしてもよい。

また、前記の実施の形態１、２では、参考文献１に記載の位置推定方法を適用した場合を例に説明しているが、受信電力値Ｓ１を基にターゲット端末１０の位置を推定する方法であれば、どんな位置推定方法であっても適用可能である。

本発明の実施の形態１を示す位置推定システムの概略構成図である。実施の形態１におけるターゲット端末の構成図である。実施の形態１におけるリファレンス端末の構成図である。実施の形態１における位置推定サーバの構成図である。実施の形態２におけるターゲット端末の構成図である。実施の形態２におけるリファレンス端末の構成図である。実施の形態２における位置推定サーバの構成図である。

符号の説明

１０ターゲット端末、１１送信データ生成部、１６推定位置記憶部、２０リファレンス端末、２４受信電力利用可否判定部、３０位置推定サーバ、３４位置推定処理部。

Claims

位置推定要求信号を無線信号にて発信するターゲット端末と、所定の位置に配置され、前記ターゲット端末からの無線信号が受信されたときに受信電力値を測定する複数のリファレンス端末と、前記リファレンス端末毎に測定された受信電力値を基に前記ターゲット端末の位置を推定する位置推定サーバとを備えた位置推定システムにおいて、
前記複数のリファレンス端末は、予め受信電力値に対応してそれぞれ異なる閾値が設定され、測定された受信電力値に基づいて閾値を選択し、かつ、選択した閾値と受信された無線信号からどの程度明確にデジタル信号に変換できたか判定のための指標とを比較し、指標が閾値より大きいときに前記受信電力値を位置推定の利用可と判定する受信電力利用可否判定部を有することを特徴とする位置推定システム。
前記指標は、スペクトル拡散通信方式における無線信号の復調時に相関検出器が検出する無線信号とＰＮ系列との相関値であることを特徴とする請求項１記載の位置推定システム。
位置推定要求信号を無線信号にて発信するターゲット端末と、所定の位置に配置され、前記ターゲット端末からの無線信号が受信されたときに受信電力値を測定する複数のリファレンス端末と、前記リファレンス端末毎に測定された受信電力値を基に前記ターゲット端末の位置を推定する位置推定サーバとを備えた位置推定システムにおいて、
前記複数のリファレンス端末は、予め前記ターゲット端末との距離に対応してそれぞれ異なる閾値が設定され、前記ターゲット端末の前回の推定位置が入手されたときそのターゲット端末との距離を算出し、かつ、算出した距離に基づいて閾値を選択し、そして、選択した閾値と受信された無線信号からどの程度明確にデジタル信号に変換できたか判定のための指標とを比較し、指標が閾値より大きいときに前記受信電力値を位置推定の利用可と判定する受信電力利用可否判定部を有することを特徴とする位置推定システム。
前記指標は、スペクトル拡散通信方式における無線信号の復調時に相関検出器が検出する無線信号とＰＮ系列との相関値であることを特徴とする請求項３記載の位置推定システム。
位置推定要求信号を無線信号にて発信するターゲット端末と、所定の位置に配置され、前記ターゲット端末からの無線信号が受信されたときに無線信号の受信電力値を測定する複数のリファレンス端末と、前記リファレンス端末毎に測定された受信電力値から前記ターゲット端末と各リファレンス端末との間のそれぞれの距離を判定し、かつ、判定した各距離を基に前記ターゲット端末の位置を推定する位置推定サーバとを備えた位置推定システムにおいて、
前記複数のリファレンス端末は、予め受信電力値に対応してそれぞれ異なる閾値が設定され、測定された受信電力値に基づいて閾値を選択し、かつ、選択した閾値と受信された無線信号からどの程度明確にデジタル信号に変換できたか判定のための指標とを比較し、指標が閾値より大きいときに前記受信電力値を位置推定の利用可と判定する受信電力利用可否判定部を有することを特徴とする位置推定システム。
前記指標は、スペクトル拡散通信方式における無線信号の復調時に相関検出器が検出する無線信号とＰＮ系列との相関値であることを特徴とする請求項５記載の位置推定システム。
位置推定要求信号を無線信号にて発信するターゲット端末と、所定の位置に配置され、前記ターゲット端末からの無線信号が受信されたときに無線信号の受信電力値を測定する複数のリファレンス端末と、前記リファレンス端末毎に測定された受信電力値から前記ターゲット端末と各リファレンス端末との間のそれぞれの距離を判定し、かつ、判定した各距離を基に前記ターゲット端末の位置を推定する位置推定サーバとを備えた位置推定システムにおいて、
前記複数のリファレンス端末は、予め前記ターゲット端末との距離に対応してそれぞれ異なる閾値が設定され、前記ターゲット端末の前回の推定位置が入手されたときそのターゲット端末との距離を算出し、かつ、算出した距離に基づいて閾値を選択し、そして、選択した閾値と受信された無線信号からどの程度明確にデジタル信号に変換できたか判定のための指標とを比較し、指標が閾値より大きいときに前記受信電力値を位置推定の利用可と判定する受信電力利用可否判定部を有することを特徴とする位置推定システム。
前記指標は、スペクトル拡散通信方式における無線信号の復調時に相関検出器が検出する無線信号とＰＮ系列との相関値であることを特徴とする請求項７記載の位置推定システム。