JP4784976B2

JP4784976B2 - 電波到来方向推定装置、電波到来方向推定プログラム、および記録媒体

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Publication number: JP4784976B2
Application number: JP2005255008A
Authority: JP
Inventors: 雅之中野; 雅文博野; 健宏宮本; 幸雄佐藤; 宏之新井; 弘一市毛
Original assignee: KDDI Corp; Nihon Dengyo Kosaku Co Ltd; Yokohama National University NUC
Current assignee: KDDI Corp; Nihon Dengyo Kosaku Co Ltd; Yokohama National University NUC
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2025-09-02
Also published as: JP2007064941A

Description

本発明は、電波発信源から到来する電波の到来方向を推定する電波到来方向推定装置に関する。また、本発明は、電波発信源から到来する電波の到来方向の推定演算をコンピュータに実行させるための電波到来方向推定プログラム、および電波到来方向推定プログラムを記録した記録媒体にも関する。

従来、不法リピータや不法パーソナル無線、海外製の無線伝送の監視カメラ等によって放射されるスプリアスによって、無線容量が著しく減少すると共に、通信品質の劣化が極めて大きな問題となっている。無線システムに悪影響を及ぼす上記の不法電波の発信源を探知するため、従来では基地局設備と電波測定車による大掛かりなシステムが用いられていた。しかし、最近、発信源が多く存在する繁華街等では、電波測定車による測定では利便性が悪いため、携帯可能なスペクトラムアナライザと指向性アンテナ（主に八木アンテナ）を人間が直接持ち運び、利用している。

スペクトラムアナライザと八木アンテナを用いた不法電波の発信源の探知は以下のようにして行われる。スペクトラムアナライザで周波数掃引を行い、スペクトラムアナライザの画面を見ながら、人間が八木アンテナを水平面内で３６０度手動で回転させ、画面上での変化を目視し、変化があった方向に不法電波の発信源が存在することを記録する。続いて、別の場所に移動し、同じ測定を行う。これを繰り返して、主に３地点で測定を行うことによって、不法電波の発信源の位置を絞り込み、最終的に特定していく。
特開２０００−３５７９１１号公報特開２０００−１２１７１６号公報

しかし、スペクトラムアナライザと八木アンテナ等の指向性アンテナを用いた不法電波の発信源の探知方法は、スペクトラムアナライザで周波数掃引を行いながら、指向性アンテナを回転させる必要があるため、非常に時間を要する。例えば、１回の周波数掃引に４秒必要であり、指向性アンテナを３０度ずつ回転させながら周波数掃引を行う場合、４×３６０／３０＝４８秒の時間が最大必要となる。また、この方法では、指向性アンテナが手動で回転するので、測定に大きな誤差が生じてしまう。さらに、不法電波の発信源は必ずしも連続的に電波を送信しているとは限らず、間欠的に送信している場合があり、測定のタイミングによっては、上記の時間（最大４８秒）では不法電波の発信源からの電波を捕捉することができない可能性がある。その場合、作業者は、不法電波の発信源が周辺には存在しないと誤判定してしまうことがある。

また、一般に、持ち運び可能な指向性アンテナの水平面内のビーム幅は、例えば八木アンテナでは半値幅が５０度程度と広いため、発信源の位置の推定範囲を絞り込んでより正確にその位置を求めることができない。３点測位によって不法電波の発信源の位置は徐々に絞り込まれるが、発信源の位置を絞り込もうとすればするほど、上述したように、より多くの時間を要するという問題がある。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、到来波の発信源の位置を高速かつ高精度に推定することができる電波到来方向推定装置、電波到来方向推定プログラム、および記録媒体を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、本発明は、複数のアンテナで受信された到来波の受信信号の周波数スペクトラムを生成する周波数スペクトラム生成手段と、信号レベルを比較することによって、前記周波数スペクトラムに含まれる前記到来波を識別する電波識別手段と、前記電波識別手段によって到来波が検出された周波数帯域において、前記到来波の到来数を推定すると共に、MUSIC（Multiple Signal Classification）法を用いて前記到来波の到来方向を推定する到来波推定手段とを備え、前記到来波推定手段は、前記到来波の数を指定してMUSICスペクトラムを生成し、前記MUSICスペクトラム中のノイズレベルが所定レベル未満となった場合に、指定した前記到来波の数を前記到来数と推定することを特徴とする電波到来方向推定装置である。

本発明は、電波到来方向推定装置において、前記到来波推定手段は、ランダムノイズが加えられた前記受信信号に対してMDL（Minimum Description Length）法を用いて前記到来数を推定することを特徴とする。

本発明は、電波到来方向推定装置において、少なくとも２地点で受信された到来波の受信信号に基づいて、各地点から、前記到来波推定手段によって推定された前記到来波の到来方向に伸びる線が交差した地点を前記到来波の発信源の位置として特定する位置特定手段をさらに備えたことを特徴とする。

本発明は、複数のアンテナで受信された到来波の受信信号の周波数スペクトラムを生成する第１のステップと、信号レベルを比較することによって、前記周波数スペクトラムに含まれる前記到来波を識別する第２のステップと、前記第２のステップで電波が検出された周波数帯域において、前記到来波の到来数を推定すると共に、MUSIC（Multiple Signal Classification）法を用いて前記到来波の到来方向を推定する場合、前記到来波の数を指定してMUSICスペクトラムを生成し、前記MUSICスペクトラム中のノイズレベルが所定レベル未満となった場合に、指定した前記到来波の数を前記到来数と推定する第３のステップとをコンピュータに実行させるための電波到来方向推定プログラムである。

本発明は、電波到来方向推定プログラムにおいて、前記第３のステップにおいて、ランダムノイズが加えられた前記受信信号に対してMDL（Minimum Description Length）法を用いて前記到来数を推定することを特徴とする。

本発明は、電波到来方向推定プログラムにおいて、少なくとも２地点で受信された到来波の受信信号に基づいて、各地点から、前記第３のステップで推定された前記到来波の到来方向に伸びる線が交差した地点を前記到来波の発信源の位置として特定する第４のステップをさらに備えたことを特徴とする。

本発明は、電波到来方向推定プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。

本発明によれば、到来波の発信源の位置を高速かつ高精度に推定することができるという効果が得られる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態による電波到来方向推定装置の構成を示している。この電波到来方向推定装置は、アダプティブアレーを構成するアンテナ１ａ〜１ｄを備えている。各アンテナは所定間隔で矩形状に配置されており、４素子のアンテナを構成している。各アンテナは電波を受信して電気信号に変換し、受信信号として出力する。なお、アンテナの数は複数であればよく、４つに限定されない。また、各アンテナを直線状に所定間隔で配置してもよい。

受信部２ａ〜２ｄは、アンテナ１ａ〜１ｄから出力された受信信号の増幅処理や、フィルタリング処理、復調処理を行う。ＡＤ変換部３ａ〜３ｄは、受信部２ａ〜２ｄによって処理されたアナログの受信信号をデジタルの受信信号（ベースバンド信号）に変換する。データ出力部４は演算処理部５とＴＣＰ／ＩＰ通信を行い、ＡＤ変換部３ａ〜３ｄから出力された受信信号を演算処理部５へ送信する。

演算処理部５は、入力された受信信号のデジタルデータ列を用いて到来波を解析する。ＧＰＳ部６はＧＰＳアンテナおよびＧＰＳ受信機を備え、現在位置の測定を行う。電子ジャイロ部７は電波到来方向推定装置の向き（方位）を検出する。アンテナ１ａ〜１ｄ、受信部２ａ〜２ｄ、ＡＤ変換部３ａ〜３ｄ、データ出力部４、ＧＰＳ部６、および電子ジャイロ部７は、持ち運びが可能な本体１００に収納されている。また、演算処理部５は、例えば汎用のＰＣ（Personal Computer）である。ＧＰＳ部６および電子ジャイロ部７は、例えばＲＳ−２３２Ｃ規格のケーブルで演算処理部５に接続されている。

図２は演算処理部５の構成を示している。データ入力部５０１はデータ出力部４とＴＣＰ／ＩＰ通信を行い、受信信号を受信する。ＦＦＴ部５０２（周波数スペクトラム生成手段）は、受信信号の時間領域のデジタルデータ列に対して三角窓関数を掛けて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行い、受信信号の周波数スペクトラムを生成する。三角窓は計算負荷が軽く、ＦＦＴによるスペクトラムの漏れを軽減できる。また、高速サンプリングが可能なため、掃引速度を速めることができる。例えば、従来のスペクトラムアナライザでは２０ＭＨｚの掃引に対して約６秒かかるが、ＦＦＴによると０．２５秒で掃引を行うことができる。

スペクトラム判定部５０３（電波識別手段）は、受信信号のレベルをノイズフロアレベル（全帯域の平均的なノイズレベル）等と比較することによって、周波数スペクトラムに含まれる到来波（正規波および不法電波発信源からの不法波）を識別し、不法波のピークレベルや、中心周波数、帯域幅の情報を取得する。スペクトラム判定部５０３が用いる受信信号は、アンテナ１ａ〜１ｄのいずれか１つのアンテナで受信されたものでよい。到来波数推定部５０４は、不法波が検出された周波数帯域において、MUSIC（Multiple Signal Classification）法を用いて、不法波の到来数を推定するためのMUSICスペクトラムを生成し、不法波の到来数を推定する。到来方向推定部５０５は、到来波数推定部５０４によって推定された不法波の到来数を用いて、不法波の到来方向を推定するためのMUSICスペクトラムをMUSIC法により生成する。不法波の到来数および到来方向の推定方法の詳細は後述する。

ピークサーチ部５０６は、到来方向推定部５０５によって生成されたMUSICスペクトラムの有効なピークを検出し、そのピークに対応した不法波の到来方向を抽出する。到来波電力推定部５０７は、ピークサーチ部５０６によって検出されたピークに対して電力推定を行う。到来波数推定部５０４、到来方向推定部５０５、ピークサーチ部５０６、および到来波電力推定部５０７は、不法波の到来数および到来方向を推定する到来波推定手段を構成している。

発信源位置特定部５０８（位置特定手段）は不法波の発信源の位置を特定する。１地点での測定の結果から、不法波の到来方向が推定されるので、少なくとも２地点で測定を行えば、各地点から到来波の到来方向（発信源方向）に伸びる線が交差した地点が不法波の発信源の位置となる。表示部５０９は、ＧＰＳ部６による現在位置の測定結果に基づいて地図を表示し、その地図上に不法波の到来方向の推定結果や不法波の発信源の位置等を表示する。なお、図示していないが演算処理部５は、測定結果や地図データ等を記憶するための記録媒体を含む記憶部を備えており、測定結果等を適宜読み出して使用する。

次に、スペクトラム判定部５０３による正規波と不法波の識別方法を説明する。スペクトラム判定部５０３は以下のようにして正規波と不法波を識別する（以下、図３参照）。スペクトラム判定部５０３は、ＦＦＴ部５０２によって生成された周波数スペクトラムのノイズフロアレベルの平均値Ａ_ｎを予め算出する。スペクトラム判定部５０３は、正規波が存在すべき所定のキャリア帯域内での信号レベルＡ（ｆ）の平均値を以下の（１）式より算出し、キャリア帯域内とキャリア帯域外の受信信号レベルには有意差があることから、以下の（２）式を満たす場合にキャリア帯域内に信号成分が存在すると判定する。ただし、（１）式においてｆ_Dはキャリア帯域内の周波数帯域であり、（２）式においてαはノイズフロアレベルとキャリア帯域内の信号レベルの差の最小値である。

また、スペクトラム判定部５０３は、キャリア帯域内での信号レベルＡ（ｆ）が以下の（３）式を満たす場合に、その信号が不法波であると判定する。これによって、不法リピータの発振等を検知することができる。キャリア帯域外での信号レベルはノイズフロアレベルに等しいことから、ｆ_ｌｏｗおよびｆ_ｈｉｇｈによって示される帯域外の範囲において、以下の（４）式が満たされる。ただし、（４）式においてεは許容変動幅である（以上、図３（ａ）参照）。

また、スペクトラム判定部５０３は全帯域での信号レベルの平均値を（５）式より算出し、正規波の信号成分を除くノイズフロアの領域での信号レベルＡ（ｆ）が（６）式を満たす場合に、その信号が不法波であると判定する。これによって、不法リピータ等を検知することができる。ただし、（５）式においてｆ_ａｌｌは解析対象の帯域幅である（以上、図３（ｂ）参照）。さらに、スペクトラム判定部５０３はガードバンドでの信号レベルＡ（ｆ）が（７）式を満たす場合に、その信号が不法波であると判定する。これによって、不法リピータ等を検知することができる。ただし、（７）式において、ｆ_ｇはガードバンド周波数帯域である。

図４は、上述した判定基準を用いた不法波の抽出手順を示している。以下、図４を参照しながら、スペクトラム判定部５０３による不法波の抽出処理を説明する。まず、アンテナ１ａ〜１ｄが接続されていない状態で、スペクトラム判定部５０３は、（１）式を用いてノイズフロアレベルの平均値を算出する（ステップＳ４０１）。続いて、アンテナ１ａ〜１ｄが接続された状態で、スペクトラム判定部５０３は、（２）式を用いて、キャリア帯域内の信号レベルが一定以上であるか、すなわちキャリア帯域内に信号成分が存在するか否かを判定する（ステップＳ４０２）。

（２）式が満たされる場合には、スペクトラム判定部５０３はキャリア帯域のピークレベル、中心周波数、および帯域幅を出力する（ステップＳ４０３）。また、（２）式が満たされない場合には、処理はステップＳ４０４に進む。続いて、スペクトラム判定部５０３は、（６）式を用いて、ノイズフロアで信号レベルが上昇している部分があるか否かを判定する（ステップＳ４０４）。

（６）式が満たされる場合には、スペクトラム判定部５０３は、不法波を検出したとして、そのピークレベル、中心周波数、および帯域幅を記憶部に格納して情報を保存する（ステップＳ４０５）。また、（６）式が満たされない場合には、処理はステップＳ４０６に進む。続いて、スペクトラム判定部５０３は、（３）式を用いて、キャリア帯域内で信号レベルが上昇している部分があるか否かを判定する（ステップＳ４０６）。

（３）式が満たされる場合には、スペクトラム判定部５０３は、不法波を検出したとして、そのピークレベル、中心周波数、および帯域幅を記憶部に格納して情報を保存する（ステップＳ４０７）。また、（３）式が満たされない場合には、処理はステップＳ４０８に進む。続いて、スペクトラム判定部５０３は、保存された不法波の数がいくつであったかを判定する（ステップＳ４０８）。保存された不法波が１つ以上であった場合には、処理はステップＳ４０９に進み、保存された不法波が０個であった場合には、処理はステップＳ４１１に進む。

保存された不法波が１つ以上であった場合、スペクトラム判定部５０３は、保存された情報を記憶部から読み出し、ピークレベルの大きい順に不法波を最大３つ選択して（ステップＳ４０９）、そのピークレベル、中心周波数、および帯域幅を出力する（ステップＳ４１０）。一方、保存された不法波が０個であった場合、スペクトラム判定部５０３は、（７）式を用いて、ガードバンドでの信号レベルの判定を行う（ステップＳ４１１）。

（７）式が満たされる場合には、スペクトラム判定部５０３は、不法波が一様に存在する、すなわち帯域全体に広がる不法波が存在すると判定する（ステップＳ４１２）。この場合には、ステップＳ４０４，Ｓ４０６の判定では不法波として検出されなかったが、アンテナ１ａ〜１ｄの動作がＯＦＦとなった状態の信号レベルよりも全体の信号レベルが大きく上昇していることになるので、帯域全体に広がる不法波が存在すると判定されることになる。一方、（７）式が満たされなかった場合には、スペクトラム判定部５０３は、不法波が存在しないと判定する（ステップＳ４１３）。

なお、ステップＳ４０２，Ｓ４０４，Ｓ４０６の各判定においては、低周波側から順に、信号レベルが閾値を超えるか否かが判定され、閾値を超えた場合には、連続的に閾値を超えている周波数範囲が測定される。その結果、ステップＳ４０３，４０５，４０７においてピークレベル、中心周波数、および帯域幅が取得される。

次に、不法波の到来波数および到来方向の推定方法を説明する。上記のようにして検出された１つ１つの不法波には、実際には到来方向の異なる複数の不法波が含まれている可能性があるため、到来波数推定部５０４は、到来方向の相違も考慮した実際の不法波の到来数を推定する。到来波数推定部５０４は、不法波の到来数の仮の値を指定した上で、MUSIC法を用いてMUSICスペクトラムを生成し、MUSICスペクトラム中のノイズレベルを判定することによって、指定した仮の値の、不法波の到来数の推定値としての有効性を判断する。

MUSIC法は、アレー入力の相関行列の固有値・固有ベクトルにより到来方向を推定するものである。アレー入力相関行列の固有値のうち、熱雑音電力よりも大きいものの数により、到来波数が推定される。また、熱雑音電力に等しい固有値に対応する固有ベクトルからなる雑音部分空間行列を用いてスペクトル関数を構築するとき、その極大値を与える角度が到来方向の推定値となる。MUSIC法は、例えば以下の文献に記載されている。
R.O.Schimidt: "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation",IEEE Trans.,vol.AP-34,No.3,pp.276-280(Mar.1986)

図５は、MUSIC法を用いて算出されるMUSICスペクトラムの例である。到来波数推定部５０４は、電子ジャイロ部７によって検出された電波到来方向推定装置の向き（方位）の情報も利用してMUSICスペクトラムを生成する。これによって、電波到来方向推定装置の設置方向に依存せずに、到来方向を正確に推定することができる。図５に示されるように、２つの不法波が到来している環境において、１波と推定して到来方向を推定した結果がスペクトラム５１であり、２波と推定して到来方向を推定した結果がスペクトラム５２である。

スペクトラム５１では、到来波数が誤って指定されたため、ノイズフロアレベルが−５ｄＢ程度と高くなっている。一方、スペクトラム５２では、実際に到来している不法波の数が指定されたため、ノイズフロアレベルが−３０ｄＢ以下と低くなっている。到来波数推定部５０４は、到来波数の推定値を１から順に増やしていきながらMUSICスペクトラムを算出し、MUSICスペクトラム中のノイズフロアレベルが所定レベル未満となった場合に、そのとき指定した到来波数が実際の到来波数であると判断する（ノイズフロア閾値判定）。

このように本実施形態では、実際の到来波数よりも少ない到来波数を推定値として算出されたMUSICスペクトラムではノイズフロアレベルが下がらず、実際の到来波数以上の到来波数を推定値として算出されたMUSICスペクトラムではノイズフロアレベルが下がる傾向を用いて到来波数の推定が行われる。ノイズフロア閾値判定は、例えばサンプル数が１０００の場合、閾値を−３０ｄＢと仮定し、その閾値を下回るサンプル数が８０％（８００サンプル）を超えた場合に、ノイズフロアレベルが下がったと判定することによって行われる。

図６は、到来波数推定部５０４による到来波数の推定手順を示している。以下、図６を参照しながら、到来波数推定部５０４による到来波数の推定処理を説明する。この推定処理においては、所定回数（本実施形態では１０回）だけ到来波数の推定が繰り返し行われ、各回での到来波数の推定結果が記録され、１０回の推定処理を通して最も多く検出された到来波数が実際の推定値となる。各回の推定処理は、各回の直前にアンテナ１ａ〜１ｄで受信された受信信号を用いて行われる。

まず、到来波数推定部５０４は、スペクトラム判定部５０３によって不法波として検出されたものの中から、中心周波数を指定することによって不法波の帯域を選択した上で、計算回数Nの値を０に設定する（ステップＳ６０１）。続いて、到来波数推定部５０４は、波数ｍの値を１に設定すると共に、計算回数Ｎの値を１だけ増加する（ステップＳ６０２）。到来波数推定部５０４は、MUSIC法を用いてMUSICスペクトラムを算出し（ステップＳ６０３）、MUSICスペクトラム中のノイズフロアレベルが所定レベル（本実施形態ではα）未満であるか否かを判定する（ステップＳ６０４）。

ノイズフロアレベルが所定レベル以上であった場合には、到来波数推定部５０４は波数ｍの値を１だけ増加させた上で（ステップＳ６０５）、再度ステップＳ６０３の処理を行う。また、ノイズフロアレベルが所定レベル未満であった場合には、到来波数推定部５０４はそのときの波数ｍの値を記憶部に格納し、記憶させる（ステップＳ６０６）。続いて、到来波数推定部５０４は、計算回数Ｎの値が１０であるか否か、すなわち到来波数の推定処理を１０回行ったか否かを判定する（ステップＳ６０７）。

計算回数Ｎの値が１０でなかった場合には、ステップＳ６０２に戻り、波数ｍの値を１に設定すると共に計算回数Ｎの値を増加して、再度上記の処理が行われる。また、計算回数Ｎの値が１０であった場合には、到来波数推定部５０４は、１０回の推定処理によって得られた波数ｍの値のうち、最も多くカウントされた波数ｍの値を到来波数の推定値とする（ステップＳ６０８）。例えば、１０回の推定処理において、ｍ＝１となったのが３回、ｍ＝２となったのが６回、ｍ＝３となったのが１回であったとすると、到来波数の推定値は２となる。ｍ＝１となったのが５回、ｍ＝２となったのが５回である等、回数が並んだ場合には、もう１回上記の推定処理を行い、先に回数が多くなったものを推定値とすればよい。

また、上記の推定処理の繰り返しの回数は１０に限定されず、任意の数でよい。到来波数の推定値を１ずつ増加させながら推定処理を行った結果、推定値が所定値に達してもノイズフロアレベルが所定レベル未満とならなかった場合には、「エラー」に１を加算して次の回の推定処理を行い、１０回の推定処理の結果、「エラー」が最も多かった場合には、推定結果として「エラー」が出力される。

到来方向推定部５０５は、到来波数推定部５０４によって推定された到来波数の推定値を用いて、MUSICスペクトラムを算出する。ピークサーチ部５０６はMUSICスペクトラムの中で有効なピークを検出する。ピーク判定において、ピークサーチ部５０６は、MUSICスペクトラムに描かれる曲線の極大値の前後の傾きの大きさとピークレベルが所定値以上となった場合に、その極大値をピークと判定し、ピークに対応した到来方向を数値化して記憶部に格納する（図７参照）。

次に、表示部５０９による測定結果の表示例を説明する。図８は、表示部５０９の画面に表示される測定結果の例である。周波数スペクトラム表示欄８０１には、ＦＦＴ部５０２によって生成された周波数スペクトラムが表示される。到来方向推定スペクトラム表示欄８０２には、到来方向推定部５０５によって生成されたMUSICスペクトラムが表示される。特定波情報表示欄８０３には、不法波の到来方向や帯域等の情報が表示される。帯域に関しては、不法波の発信源の種類を特定するための一助として、狭帯域なのか、それとも広帯域なのかを表示してもよい。

マップ表示欄８０４には地図が表示され、地図上には、各測定地点における不法波の到来方向の推定結果と、不法波の発信源の位置が表示される。図８においては、測定地点８０５で測定された受信信号に基づいて推定された不法波の到来方向が直線８０６で示され、測定地点８０７で測定された受信信号に基づいて推定された不法波の到来方向が直線８０８で示されている。２本の直線の交点８０９が不法波の発信源として表示されている。発信源位置特定部５０８は、過去に複数の測定地点で受信された受信信号に基づいて推定された不法波の到来方向の推定結果に基づいて、各測定地点から不法波の到来方向（発信源方向）に伸びる線（図８では直線８０６および８０８）の交点の位置を算出し、不法波の発信源として特定する。

到来方向の推定結果を示す直線８０６および８０８は、各到来波の電力に対応した色で表示される。到来波電力推定部５０７は、ピークサーチ部５０６によって検出されたピークに対して電力推定を行い、電力推定結果を不法波の到来方向等のデータと関連付けて記憶部に格納する。電力推定の方法は、例えば以下の文献に記載されている。
菊間信良、「アレーアンテナによる適用信号処理」、科学技術出版（１９９８年）

図９の表示例においては、測定地点９０１で測定された受信信号に基づいて推定された不法波の到来方向が直線９０２および９０３で示され、測定地点９０４で測定された受信信号に基づいて推定された不法波の到来方向が直線９０５で示されている。２本の直線の交点９０６が不法波の発信源として表示されている。直線９０２および９０５に対応した不法波の電力は高く、直線９０３に対応した不法波の電力は低く、各電力に対応した色で各直線が表示される。この結果から、直線９０３が示す到来波は、直線９０５が示す不法波が建造物等で反射された反射波であると判断することができる。

上述したように、本実施形態による電波到来方向推定装置は、MUSIC法によるヌルステアリングと呼ばれる方法で不法波の到来方向を推定する。一般に、ヌルステアリングにおけるヌル幅は３〜４度であり、ビームステアリングにおけるビーム幅（例えば八木アンテナでは５０度）と比べて非常に狭い。このため、図１０に示されるように、３地点で測定を行う従来方法（図１０（ａ））と比べて、本実施形態（図１０（ｂ））では２地点で測定を行うだけで、不法電波の発信源の位置を高速かつ高精度に推定することができる。

次に、本実施形態の変形例を説明する。前述したように到来波数推定部５０４は、MUSIC法を用いて不法波の到来数を推定しているが、MDL（Minimum Description Length）法を用いて不法波の到来数を推定することもできる。以下、MDL法を用いた不法波の到来数の推定方法を説明する。なお、MDL法は、例えば以下の文献に記載されている。
M.Wax,T.Kailath:"MDetection of Signal by Information Theoretic Criteria",IEEE Trans.,vol.ASSP-33,No.2,pp.387-392(Apr.1985)

ＡＤ変換部３ａ〜３ｄに入力される受信信号は、演算処理部５のバンドパスフィルタ処理によってノイズが除去されているが、これによって不法波の到来数の推定に誤差が生じるという問題が発生している。そこで、到来波数推定部５０４が不法波の到来数を正しく推定できるように、受信信号に対してランダムノイズが加えられる。一般的にMDL法においては、到来波数推定を行うことが可能な信号レベルのダイナミックレンジが小さい。そこで、ＡＤ変換部３ａ〜３ｄの入力信号のレンジ（受信電力）を監視し、そのレンジに応じて適切なノイズの量を求め、その量に応じたランダムノイズを受信信号に付加する。

以下、MATLABによる数値シミュレーション結果を示す。アンテナとして４素子リニアアレイを想定し、３０度方向および６０度方向から合計２波が到来する状態を想定した。これら２波の変調信号を用いて、ランダムノイズを変化させながら、実際の到来数、MDL法で推定した到来数、および前述したMUSIC法による推定結果を比較した。ランダムノイズを加えていない信号（図１１（ａ））を用いた場合、MUSICスペクトラムは図１１（ｂ）となり、また、MDL法を用いると、到来数は３と推定された。この結果、MDL法では到来数が誤って推定されたことが分かる。

適切なランダムノイズを加えた信号（図１２（ａ））を用いた場合、MUSICスペクトラムは図１２（ｂ）となり、また、MDL法を用いると、到来数は２と推定された。この結果、MDL法では到来数が正しく推定されたことが分かる。さらに、過剰なランダムノイズを加えた信号（図１３（ａ））を用いた場合、MUSICスペクトラムは図１３（ｂ）となり、また、MDL法を用いると、到来数は１と推定された。この結果、MDL法では到来数が誤って推定されたことが分かる。

以上の結果から、受信信号に適切なランダムノイズを加えることによって、MDL法で不法波の到来数を正しく推定できることが分かる。受信信号に加えるランダムノイズの量（振幅レンジ）は、ＡＤ変換部３ａ〜３ｄに入力される受信信号の振幅レンジに応じて決定される。図１４〜図２０の（ａ）は、ＡＤ変換部３ａ〜３ｄに入力される受信信号（サンプリング結果）を示しており、（ｂ）は、MDL法で到来数を正しく推定した際に受信信号に加えられたランダムノイズ（サンプリング結果）を示している。ＡＤ変換部３ａ〜３ｄの入力信号のレンジと、入力信号に加えるランダムノイズのレンジは、おおよそ図２１の通りである。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、不法波の中には間欠送信されているものが多く、１回のＦＦＴ測定のみでは不法波を抽出できない場合があるので、連続測定を行い、ＦＦＴ部５０２による処理結果を平均化してもよい。これによって、間欠送信されている不法波を特定することができる。また、スペクトラム判定部５０３は、ノイズフロアレベルＡ_ｎとして平均値を算出しているが、中央値や最頻値等としてもよい。

さらに、上述した実施形態による電波到来方向推定装置は、その動作および機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータに読み込ませ、実行させることにより実現してもよい。

ここで、「コンピュータ」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上述したプログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上述したプログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータにすでに記録されているプログラムとの組合せで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

本発明の一実施形態による電波到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態による電波到来方向推定装置が備える演算処理部の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態における正規波と不法波の識別方法を説明するための参考図である。本発明の一実施形態における不法波の抽出手順を示すフローチャートである。本発明の一実施形態における不法波の到来数の推定方法を説明するための参考図である。本発明の一実施形態における不法波の到来数の推定手順を示すフローチャートである。本発明の一実施形態におけるMUSICスペクトラムのピーク判定方法を説明するための参考図である。本発明の一実施形態における測定結果の表示例を示す参考図である。本発明の一実施形態における測定結果の表示例を示す参考図である。本発明の一実施形態による電波到来方向推定装置が奏する効果を説明するための参考図である。本発明の一実施形態における不法波の到来数の他の推定方法を説明するための参考図である。本発明の一実施形態における不法波の到来数の他の推定方法を説明するための参考図である。本発明の一実施形態における不法波の到来数の他の推定方法を説明するための参考図である。本発明の一実施形態におけるＡＤ変換部の入力信号とランダムノイズを示す参考図である。本発明の一実施形態におけるＡＤ変換部の入力信号とランダムノイズを示す参考図である。本発明の一実施形態におけるＡＤ変換部の入力信号とランダムノイズを示す参考図である。本発明の一実施形態におけるＡＤ変換部の入力信号とランダムノイズを示す参考図である。本発明の一実施形態におけるＡＤ変換部の入力信号とランダムノイズを示す参考図である。本発明の一実施形態におけるＡＤ変換部の入力信号とランダムノイズを示す参考図である。本発明の一実施形態におけるＡＤ変換部の入力信号とランダムノイズを示す参考図である。本発明の一実施形態におけるＡＤ変換部の入力信号のレンジとランダムノイズのレンジの関係を示す参考図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ・・・アンテナ、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ・・・受信部、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ・・・ＡＤ変換部、４・・・データ出力部、５・・・演算処理部、６・・・ＧＰＳ部、７・・・電子ジャイロ部、５０１・・・データ入力部、５０２・・・ＦＦＴ部、５０３・・・スペクトラム判定部、５０４・・・到来波数推定部、５０５・・・到来方向推定部、５０６・・・ピークサーチ部、５０７・・・到来波電力推定部、５０８・・・発信源位置特定部、５０９・・・表示部

Claims

複数のアンテナで受信された到来波の受信信号の周波数スペクトラムを生成する周波数スペクトラム生成手段と、
信号レベルを比較することによって、前記周波数スペクトラムに含まれる前記到来波を識別する電波識別手段と、
前記電波識別手段によって到来波が検出された周波数帯域において、前記到来波の到来数を推定すると共に、MUSIC（Multiple Signal Classification）法を用いて前記到来波の到来方向を推定する到来波推定手段と、
を備え、
前記到来波推定手段は、前記到来波の数を指定してMUSICスペクトラムを生成し、前記MUSICスペクトラム中のノイズレベルが所定レベル未満となった場合に、指定した前記到来波の数を前記到来数と推定することを特徴とする電波到来方向推定装置。
前記到来波推定手段は、ランダムノイズが加えられた前記受信信号に対してMDL（Minimum Description Length）法を用いて前記到来数を推定することを特徴とする請求項１に記載の電波到来方向推定装置。
少なくとも２地点で受信された到来波の受信信号に基づいて、各地点から、前記到来波推定手段によって推定された前記到来波の到来方向に伸びる線が交差した地点を前記到来波の発信源の位置として特定する位置特定手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかの項に記載の電波到来方向推定装置。
複数のアンテナで受信された到来波の受信信号の周波数スペクトラムを生成する第１のステップと、
信号レベルを比較することによって、前記周波数スペクトラムに含まれる前記到来波を識別する第２のステップと、
前記第２のステップで電波が検出された周波数帯域において、前記到来波の到来数を推定すると共に、MUSIC（Multiple Signal Classification）法を用いて前記到来波の到来方向を推定する場合、前記到来波の数を指定してMUSICスペクトラムを生成し、前記MUSICスペクトラム中のノイズレベルが所定レベル未満となった場合に、指定した前記到来波の数を前記到来数と推定する第３のステップと、
をコンピュータに実行させるための電波到来方向推定プログラム。
前記第３のステップにおいて、ランダムノイズが加えられた前記受信信号に対してMDL（Minimum Description Length）法を用いて前記到来数を推定することを特徴とする請求項４に記載の電波到来方向推定プログラム。
少なくとも２地点で受信された到来波の受信信号に基づいて、各地点から、前記第３のステップで推定された前記到来波の到来方向に伸びる線が交差した地点を前記到来波の発信源の位置として特定する第４のステップをさらに備えたことを特徴とする請求項４又は請求項５のいずれかの項に記載の電波到来方向推定プログラム。
請求項４〜請求項６のいずれかの項に記載の電波到来方向推定プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。