JP5048606B2

JP5048606B2 - 位置測定装置、位置測定方法およびコンピューター読み取り可能な記録媒体

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Inventors: ジョ，ユン−フーン
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Description

本発明は、特定客体（特定測定対象物）の位置測定に関する。

移動通信技術の発展に伴い、通信網で特定客体の位置を測定する多様な方式が研究されている。例えば、人工衛星から受信された信号を用いるＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）技術が挙げられる。ＧＰＳ技術は衛星信号の強度に依存し、全ての客体にＧＳＰ受信機を装着しなければならない。

本発明は、ＬＯＳ（ＬｉｎｅｏｆＳｉｇｈｔ）環境信号成分が受信されないＮＬＯＳ（ＮｏｎＬｉｎｅＯｆＳｉｇｈｔ)環境において、位置認識の精度を高め、特定客体の位置を測定する技術及びシステムを提供するところにその目的がある。

本発明の他の目的及び長所は、後述する説明によって理解することができ、本発明の実施例によってさらに明らかになる。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示した手段及びその組合せによって実現できることを容易に分かる。

本発明の第１態様による、位置測定対象装置の位置を測定する位置測定装置は、前記位置測定対象装置から送信された信号を受信する受信部と、前記受信信号を用いてＡＯＡ（ＡｎｇｌｅＯｆＡｒｒｉｖｅ）及びＴＯＡ（ＴｉｍｅＯｆＡｒｒｉｖｅ）方式を適用することで前記位置測定対象装置の位置を計算する位置計算部と、前記受信信号を用いて前記受信信号が伝送経路で透過した媒質のチャネル情報を推定する媒質チャネル推定部と、前記推定された媒質チャネル情報を用いて前記受信信号の媒質透過による遅延時間を算出し、該遅延時間を用いて前記位置計算部で計算した位置測定対象装置の位置を補正する位置補正部と、を含む。

本発明による位置測定装置は、後述するような特徴のうちの１つ又はそれ以上を選択的に含むことができる。前記媒質チャネル推定部は、前記受信信号を用いて受信チャネルを推定する受信チャネル推定部と、前記受信チャネルからアンテナ伝達関数及びＬＯＳ受信チャネルを除去して媒質チャネルを算出する媒質チャネル算出部と、を含むことができる。

本発明による位置測定装置は、アンテナ伝達関数及びＬＯＳ受信チャネルの情報を保存する記憶部をさらに含むことができる。前記媒質チャネル算出部は、前記記憶部に保存されたアンテナ伝達関数及びＬＯＳ受信チャネルの情報を用いて媒質チャネルを算出することができる。

前記位置補正部は、前記推定された媒質チャネルを用いて媒質の厚さを算出し、該媒質の厚さに基づいて前記受信信号の伝送距離偏移を算出する距離偏移算出部と、前記位置計算部で計算した位置測定対象装置の位置に前記距離偏移算出部で算出した伝送距離偏移を反映して前記位置測定対象装置の位置を決定する位置決定部と、を含むことができる。

また、本発明による位置測定装置は、媒質厚さ毎の媒質チャネル情報を保存する媒質情報記憶部をさらに含むことができる。前記距離偏移算出部は、前記推定された媒質チャネルを用いて前記媒質情報記憶部で媒質の厚さを算出することができる。

本発明による位置測定装置は、前記位置測定対象装置から受信される全方向の信号をスキャンし、最も先に受信される信号の受信方向をアンテナの投射角として決定する投射角決定部をさらに含むことができる。

前記位置計算部は、前記受信信号のうち最も先に受信された信号経路に対応するインパルス応答の時間インデックスを検出する検出部を含むことができる。前記投射角決定部は、前記検出部から出力される各投射角毎の時間インデックスのうち最も早い時間インデックスの投射角をアンテナの投射角として決定することができる。

本発明の他の態様による、位置測定対象装置の位置を測定する位置測定方法は、前記位置測定対象装置から送信された信号を受信する受信ステップと、受信された信号を用いてＡＯＡ及びＴＯＡ方式を適用することで前記位置測定対象装置の位置を計算する位置計算ステップと、前記受信信号が伝送経路で透過した媒質のチャネル情報を推定する媒質チャネル推定ステップと、推定された媒質チャネル情報を用いて前記受信信号の媒質透過による遅延時間を算出し、該遅延時間を用いて前記位置測定対象装置の位置を補正する位置決定ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明による位置測定方法は、後述するような特徴のうちの１つ又はそれ以上を選択的に含むことができる。前記媒質チャネル推定ステップは、前記受信信号を用いて受信チャネルを推定するステップと、推定された受信チャネルからアンテナ伝達関数及びＬＯＳ受信チャネルを除去して媒質チャネルを算出するステップと、を含むことができる。

前記位置決定ステップは、前記推定された媒質チャネル情報を用いて媒質の厚さを算出し、該媒質の厚さに基づいて前記受信信号の伝送距離偏移を算出するステップと、前記位置計算ステップで計算された位置測定対象装置の位置に前記算出された伝送距離偏移を反映して前記位置測定対象装置の位置を決定するステップと、を含むことができる。

本発明による位置測定方法は、前記位置測定対象装置から受信される全方向の信号をスキャンして最も先に受信される信号の受信方向をアンテナの投射角として決定する投射角決定ステップをさらに含むことができる。

前記投射角決定ステップは、アンテナを所定の角度ほど回転させるステップと、各角度毎に受信信号で最も先に受信されたインパルス応答の時間インデックスを検出するステップと、検出された最も先に受信されたインパルス応答の時間インデックスのうち最小時間インデックスを選択し、それに対応する角度をアンテナの投射角として決定するステップと、を含むことができる。

本明細書で説明される技術及びシステムは、以下のような利点を提供する。本明細書で説明される技術及びシステムは、屋内環境において用いることができる。また、各客体に個別的な受信機が装着されなくても良く、故に具現に要するコストが低くて済む。さらに、ＬＯＳ信号成分が受信されないＮＬＯＳ環境または屋内領域における位置認識の精度を高め、特定客体の位置を提供することができる。

さらに、本明細書で説明される技術及びシステムは、都市地域において適用することができ、ＬＯＳ信号成分が反射されるか又は損失されることで生じるエラーを減らすことができる。また、ビルのような損失性媒質によって発生する信号遅延を減らすことで、測定距離の誤差を最小化することができる。さらに、壁や木材のドア、そしてビルのガラス窓のような損失性媒質によって発生する追加的な信号遅延を減らすことで、位置認識の精度を高めることができる。

以下、特定客体の位置を測定するための技術及びシステムを説明する。

客体の位置は、当該客体から送信された信号を用いて測定することができる。ＡＯＡは、位置測定対象客体から送信された信号の到来角を測定して位置測定対象客体の方向を検出して位置を決定する位置技術である。ＡＯＡを用いた客体位置測定は、主にＬＯＳ環境で行われる。都市地域、例えばＬＯＳ信号成分が受信されないか又はビルによって反射される地域でＡＯＡを用いると、位置測定に大きいエラーが生じる。

ＴＯＡは、位置特定対象客体と受信機との間の信号到達時間を測定して位置を決定する位置技術である。しかし、ビルのような損失性媒質によって信号遅延が発生して、距離誤差が生じる問題点がある。

近年、低コスト、低消費電力で通信だけでなく、屋内でも位置認識が可能であり、比較的に狭い領域で数十ｃｍ以内の精度で位置認識／追跡機能を提供する超広帯域（ＵＷＢ；ＵｌｔｒａＷｉｄｅＢａｎｄ）技術が脚光を浴びている。しかし、屋内で超広帯域（ＵＷＢ）技術を用いて位置認識を行っても、建物をなしている壁や木材のドア、ガラス窓のような損失性媒質によって信号伝播に追加的な遅延が引き起され、これにより位置認識の精度が低下する問題点がある。

図１は、本発明の一実施例による位置測定システムを示した図である。

図１に示したように、本発明による位置測定システム１００は、位置測定装置１１０、位置測定対象装置１３０、位置測定装置１１０と位置測定対象装置１３０との間で伝播信号を反射するか又は透過する損失性媒質１５０、１７０を含めて構成される。

図１の位置測定システム１００は、多数の送受信アンテナを用いるＭＩＭＯ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ）技術が適用される。したがって、図１の例では位置測定装置１１０に２個のアンテナ１１２、１１４を装着したものを例に挙げて説明する。しかし、２個以上のアンテナを用いても良い。無線通信において、フェージング、減衰、ノイズ、及び干渉などによって伝播信号の信頼性が大きく低下する。特に、多重経路によるフェージング現象は、互いに異なる経路を経て受信される互いに異なる位相と大きさを持つ信号の和による深刻な信号歪みをもたらし、高速通信の障害になる。ＭＩＭＯ技術は多数の送受信アンテナを用いることで、システムの帯域幅を増加させることなく高速通信を可能にする。

ＡＯＡ方式を用いる場合、従来の位置測定装置は最も強い信号が受信される方向にアンテナを向けて位置を測定する。ところが、一般に媒質（すなわち、損失性媒質１５０）を透過した信号より媒質（すなわち、損失性媒質１７０）に反射されて受信される信号の電力が強いため、ＮＬＯＳ環境で位置測定装置は反射信号が受信される方向に到来角θ_１を測定して位置を計算する。これによってＮＬＯＳ環境では、実際の位置測定対象装置１３０の位置ではなく媒質１７０の位置が位置測定対象装置１３０の位置として決定され、大きい位置誤差が発生する。

しかし、本発明による位置測定装置１１０は、最も強い信号が受信される方向ではなく最も先に受信される信号の伝播方向にアンテナを向けて到来角θ_２を測定し、位置を計算する。これにより、位置測定装置１１０は従来のＡＯＡ技術より位置測定の精度を高めることができる。

一方、ＡＯＡ方式を用いる場合、到来角θ_２の計算に誤差が発生すると、位置測定装置１１０で計算された位置測定対象装置１３０の位置にも誤差が発生する。このような誤差の発生を避けるため位置測定装置１１０は、最も先に受信される信号の伝播方向にアンテナ１１２、１１４を向けてＡＯＡ方式で位置を計算した後、２次的にＴＯＡ方式で位置補正を行う。すなわち、本発明による位置測定装置１１０は、ＴＯＡ方式で位置測定対象装置１３０の距離を計算した後、前記ＡＯＡ方式で計算された位置を前記ＴＯＡ方式で計算された距離に相応するように補正する。

位置測定装置１１０で最も先に受信される信号は、損失性媒質１５０を透過して伝送されるため、損失性媒質１５０によって伝播遅延が発生し、その伝播遅延時間によってＴＯＡを用いた距離計算に誤差が発生する。したがって位置測定装置１１０は、損失性媒質１５０による伝播遅延時間を推定し、その伝播遅延時間を反映して伝播遅延による距離偏移を除去する。

より具体的に、位置測定装置１１０は、アンテナ伝達関数、ＬＯＳ環境における受信チャネル情報、そして損失性媒質１５０の厚さに応じるチャネル情報（すなわち、媒質チャネル情報）を予め記憶又は保存する。位置測定装置１１０は、損失性媒質１５０を透過して受信された信号から受信チャネル（すなわち、ＬＯＳチャネル＋媒質チャネル＋アンテナ伝達関数）を推定した後、その受信チャネルからアンテナ伝達関数及びＬＯＳチャネルを除去して媒質チャネルを推定する。位置測定装置１１０は、推定した媒質チャネルに基づいて予め記憶している媒質チャネル情報から媒質１５０の厚さを算出し、算出した媒質１５０の厚さと誘電定数を用いて最終的に媒質１５０による伝播遅延時間を導出する。そして位置測定装置１１０は、ＴＯＡを用いて計算した位置測定対象装置１３０の位置から前記伝播遅延時間を反映して伝播遅延によって発生したＴＯＡ位置誤差を除去する。

図２は、本発明の一実施例による位置測定装置のブロック構成図である。

図２に示したように、位置測定装置１１０は、ＲＦ受信部２１０、媒質チャネル推定部２３０、位置計算部２５０、及び位置補正部２７０を含む。

まず、ＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）受信部２１０は、位置測定対象装置１３０から伝送されたＲＦ信号を複数のアンテナを用いて受信し、周波数下向変換、アナログ−デジタル変換などの無線受信処理を施して出力する。

媒質チャネル推定部２３０は、ＲＦ受信部２１０で無線受信処理が施された信号を該ＲＦ受信部２１０から受信し、受信信号が伝送チャネル経路で透過した媒質のチャネルを推定する。媒質チャネル推定部２３０は、ＲＦ受信部２１０から出力された信号に挿入されたパイロットシンボルと既知のパイロットシンボルを用いて受信チャネルを推定する。また、媒質チャネル推定部２３０は、その推定した受信チャネル、アンテナ伝達関数、及びＬＯＳチャネル情報に基づいて、位置測定対象装置１３０から送信された信号が透過した媒質１５０の媒質チャネルを計算する。受信チャネルはアンテナ伝達関数とＬＯＳチャネル、そして媒質１５０のチャネルの和で表すことができ、故に受信チャネルからアンテナ伝達関数とＬＯＳチャネルを除去すれば媒質１５０のチャネルが導出される。アンテナ伝達関数は位置測定装置内の記憶装置に予め保存され、ＬＯＳチャネルはＦｒｉｉｓ方程式に従って次の数式１のように表される。

ここで、ｆは帯域周波数、ＲはＴＯＡで求めた距離、ｃは光の速度である。数式１において、ＬＯＳチャネルの大きさ（Ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）のみを考慮すれば、指数関数（ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ）部分は１になり、最終的にＬＯＳチャネルは（ｃ／４πｆＲ）^２になる。

位置計算部２５０は、ＲＦ受信部２１０から出力される信号を用いて位置測定対象装置１３０の位置を計算する。位置計算部２５０は、ＴＯＡ及びＡＯＡ方式を用いて位置測定対象装置１３０の位置を計算する。位置補正部２７０は、媒質チャネル推定部２３０から出力された媒質１５０のチャネルを用いて媒質１５０の厚さ情報を獲得する。位置補正部２７０は、その獲得した媒質１５０の厚さ情報及び媒質１５０の誘電定数を用いて伝播遅延時間を算出し、その伝播遅延時間に応じた距離偏移を算出する。また、位置補正部２７０は媒質１５０の誘電定数、媒質１５０の厚さに応じるチャネル情報を保存する。ここで、媒質としては代表的にガラス、壁、木などが挙げられる。屋内環境の場合、損失性媒質は壁が殆どであるため、壁の誘電定数、その厚さに応じるチャネル情報を保存することが望ましい。損失性媒質１５０を透過した信号は電力損失が発生するが、透過した媒質１５０の厚さに比例して電力損失は増加する。位置補正部２７０は、このような媒質１５０の厚さによる損失勾配情報、すなわちチャネル情報を保存する。

位置補正部２７０は、媒質チャネル推定部２３０から出力された媒質１５０のチャネルに一致するチャネル情報を持つ媒質１５０の厚さを前述の保存した情報から獲得する。すなわち、位置測定対象装置１３０から送信された信号が透過した媒質１５０の厚さ情報を獲得する。そして、位置補正部２７０は獲得した媒質１５０の厚さ情報及び媒質１５０の誘電定数を用いて伝播遅延時間を算出し、その伝播遅延時間に応じた距離偏移を算出する。すなわち、伝播遅延時間に送信速度を乗じて距離を求める。

位置補正部２７０は、位置計算部２５０から出力された位置測定対象装置１３０の位置を算出した媒質１５０による距離偏移値を用いて補正する。したがって、媒質１５０による位置誤差が除去され、正確な位置情報を獲得することができる。

図３は、位置測定装置の詳細なブロック構成図である。

図３に示したように、位置測定装置１１０の媒質チャネル推定部２３０は、受信チャネル推定部２３１、媒質チャネル算出部２３３、アンテナ伝達関数・ＬＯＳチャネル記憶部２３５を含み、位置計算部２５０はシンボル同期検出部２５１、ＴＡＯ計算部２５３及びＡＯＡ計算部２５５を含み、位置補正部２７０は媒質情報記憶部２７１、距離偏移算出部２７３及び位置決定部２７５を含む。

媒質チャネル推定部２３０の受信チャネル推定部２３１は、ＲＦ受信部２１０で無線受信処理が施された信号を該ＲＦ受信部２１０から受信し、伝送経路上の受信チャネルを推定する。具体的に、受信チャネル推定部２３１は、ＲＦ受信部２１０から出力された信号に挿入されたパイロットシンボル及び既知のパイロットシンボルを用いて受信チャネルを推定し、受信チャネル推定結果を媒質チャネル算出部２３３に出力する。信号の損失が大きい場合があるため、受信チャネル推定部２３１は、多数の信号から繰り返して受信チャネルを推定し、その多数の受信チャネルをスライディング平均化して、最終的に受信チャネルを確定することが望ましい。

媒質チャネル算出部２３３は、受信チャネル推定部２３１から出力された受信チャネルと、アンテナ伝達関数・ＬＯＳチャネル記憶部２３５に記憶されたアンテナ伝達関数及びＬＯＳチャネル情報に基づいて、位置測定対象装置１３０から送信された信号が透過した媒質１５０の媒質チャネルを算出する。具体的に、受信チャネル推定部２３１で推定した受信チャネルは、アンテナ伝達関数とＬＯＳチャネル、そして媒質１５０のチャネルが合算されたものであって、受信チャネル推定部２３１で推定した受信チャネルからアンテナ伝達関数とＬＯＳチャネルを除去すれば媒質１５０のチャネルが導出される。

アンテナ伝達関数・ＬＯＳチャネル記憶部２３５は、位置測定装置１１０と位置測定対象装置１３０とを近接させて獲得したチャネル情報であるアンテナ伝達関数を記録して保存する。また、アンテナ伝達関数・ＬＯＳチャネル記憶部２３５は、位置測定装置１１０と位置測定対象装置１３０との間に媒質１５０のないＬＯＳ環境であるときのチャネル情報を記録して保存する。

一方、位置計算部２５０のシンボル同期検出部２５１は、ＲＦ受信部２１０から出力された信号の相関値を計算し、その相関値の勾配（すなわち、微分値）が減少し始める地点の時間インデックス（すなわち、カウンター）を出力する。すなわち、シンボル同期検出部２５１は、多重経路信号のうち最も先に受信された信号経路の最大インパルス応答のインデックスを出力する。

ＴＯＡ計算部２５３は、シンボル同期検出部２５１から出力されるインデックスを用いて位置測定装置１１０から位置測定対象装置１３０の距離を計算する。

ＡＯＡ計算部２５３は、２つのアンテナ（すなわち、アンテナ１１２、１１４）の角度情報を受信し、その受信された２つのアンテナの角度情報を用いて位置測定対象装置１３０の位置座標を計算する。

位置補正部２７０の距離偏移算出部２７３は、媒質チャネル算出部２３３から出力された媒質１５０のチャネルを用いて媒質情報記憶部２７１から媒質１５０の厚さ情報を獲得する。位置補正部２７０は、その獲得した媒質１５０の厚さ情報及び媒質１５０の誘電定数を用いて伝播遅延時間を算出し、その伝播遅延時間に応じた距離偏移を算出する。

具体的に、媒質情報記憶部２７１は媒質１５０の誘電定数、媒質１５０の厚さに応じるチャネル情報を保存する。ここで、媒質はガラス、壁、木などの物質を指す。屋内環境において、損失性媒質は壁が殆どであるため、媒質情報記憶部２７１は壁の誘電定数、その厚さに応じるチャネル情報を保存する。損失性媒質１５０を透過した信号は電力損失が発生するが、透過した媒質１５０の厚さに比例して電力損失は増加する。

図６は媒質情報記憶部２７１に保存された媒質１５０の厚さに応じるチャネル情報を示した図である。図６に示したように、損失性媒質１５０は一定厚さで周波数が大きくなるほど電力損失が増加する。また、一定周波数で媒質１５０の厚さが増加するほど電力損失が増加する。言い換えれば、損失性媒質１５０のチャネルは媒質１５０の厚さが増加するほど損失勾配の傾斜が急になる。

媒質情報記憶部２７１は、このような媒質１５０の厚さに応じた損失勾配情報、すなわちチャネル情報を保存する。距離偏移算出部２７３は、媒質チャネル算出部２３３から出力された媒質１５０のチャネルに一致するチャネル情報を持つ媒質１５０の厚さを媒質情報記憶部２７１から獲得する。すなわち、位置測定対象装置１３０から送信された信号が透過した媒質１５０の厚さ情報を獲得する。そして、距離偏移算出部２７３は獲得した媒質１５０の厚さ情報及び媒質１５０の誘電定数を用いて伝播遅延時間を算出する。また、距離偏移算出部２７３は、その伝播遅延時間に応じた距離偏移を算出する。すなわち、伝播遅延時間に送信速度を乗じて距離を求める。

位置決定部２７５は、ＡＯＡ計算部２５５から出力された位置測定対象装置１３０の位置座標と、ＴＯＡ計算部２５３から出力された位置測定対象装置１３０の距離と、距離偏移算出部２７３から出力された媒質１５０による距離偏移値を用いて位置測定対象装置１３０の位置を計算する。具体的に図７を参照して説明すれば次のようである。

図７は、位置決定部２７５で位置測定対象装置１３０の位置を計算する過程を説明する図である。位置決定部２７５は、まずＡＯＡ計算部２５５から出力された位置座標を用いて位置測定対象装置１３０の位置を計算する。図７において７０１は、ＡＯＡ計算部２５５から出力された位置座標を用いて計算した位置測定対象装置１３０の位置を示す。位置測定対象装置１３０から伝送された信号から算出された到来角に若干の誤差があるだけでも、図７のように実際位置７０５とＡＯＡ方式によって算出された位置７０１とには誤差が発生する。

したがって、位置決定部２７５は、まずＡＯＡ方式によって位置を決定した後、ＴＯＡ方式によって位置を補正する。位置決定部２７５は、ＴＯＡ計算部２５３から出力された位置測定対象装置１３０の距離情報に前記距離偏移算出部２７３から出力された距離偏移情報を反映して補正する（図７の７０３）。位置決定部２７５は、位置測定装置１１０の位置からＡＯＡ方式によって求めた位置７０１を繋ぐ一直線上で補正された距離だけ離れた位置を位置測定対象装置１３０の位置として決定する（７０５は最終実際位置を示す）。

図４は、本発明の他の実施例による位置測定装置のブロック構成図である。

図４に示したように、本実施例による位置測定装置１１０は、投射角決定部４１０及びアンテナ投射角調整部４３０をさらに含む。

投射角決定部４１０は、アンテナ投射角調整部４３０にアンテナ回転命令を伝達し、また位置測定対象装置１３０から伝送される信号のうち最も先に受信される信号の受信方向をアンテナ角度として決定する。具体的に、投射角決定部４１０は、アンテナ投射角調整部４３０にアンテナ回転命令を伝達してアンテナの角度を変化させる。そして、アンテナの角度変化に従ってシンボル同期検出部２５１から出力される信号を用いて位置測定対象装置１３０から最も先に受信される信号を選択し、その選択された信号の受信方向をアンテナの投射角として決定する。シンボル同期検出部２５１では各アンテナ角度から受信された信号の経路のうち最も先に信号が受信された経路のインパルス応答の時間インデックスを角度毎に出力する。投射角決定部４１０は、全ての角度から収集された最も先に信号が受信された経路のインパルス応答の時間インデックスの中でも、最も先に信号が受信された経路の時間インデックスを選択する。そして、投射角決定部４１０は、その選択された時間インデックスに該当するインパルス応答に対応するアンテナの角度を投射角として決定する。

シンボル同期検出部２５１及び投射角決定部４１０の動作について図５を参照して具体的に説明する。図５は位置測定対象装置１３０から受信される信号の伝送経路に応じたインパルス応答の例を示した図である。

シンボル同期検出部２５１は、位置測定装置１１０のアンテナの角度が回転されて投射角が変更されるとき、アンテナの角度変化に応じた各投射角毎に最も先に信号が受信された経路のインパルス応答を検出する。

図９は任意の一投射角で最も先に信号が受信された経路のインパルス応答を検出する方法を説明する図である。図９（ａ）は任意の一投射角のインパルス応答を示したグラフである。任意の一投射角には多重経路信号が受信され、故に図９（ａ）のように任意の一投射角のインパルス応答９０５は多重経路のインパルス応答９０１、９０３が重畳して現われる。したがって、９０５のようなインパルス応答から最も先に信号が受信された経路のインパルス応答９０１を探すためには、９０５のインパルス応答の勾配を用いる。図９（ｂ）の９０７はインパルス応答９０５の勾配を示したものであり、インパルス応答９０５のうち最も先に信号が受信された経路のインパルス応答９０１は勾配が減少し始める地点９０９である。結局、シンボル同期検出部２５１はＦＩＲ（ＦｉｎｉｔｅＩｍｐｕｌｓｅＲｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタリングの後、サンプル間微分をして勾配を求め、勾配が初めて減少する地点を最も先に信号が受信された経路のインパルス応答として検出する。

図５を参照すれば、シンボル同期検出部２５１は、各投射角毎にインパルス応答を求めて、図９を参照した方法で各投射角毎に最も先に信号が受信されたインパルス応答５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ、５０１ｄを選択する。そして、投射角決定部４１０は、シンボル同期検出部２５１で検出した各投射角毎の最も先に信号が受信されたインパルス応答５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ、５０１ｄのうち最小の時間インデックスを持つインパルス応答５０１ｂを選択し、そのインパルス応答５０１ｂが検出されたアンテナの角度を投射角として決定する。

アンテナ投射角調整部４３０は、投射角決定部４１０から出力されたアンテナ回転命令に従って既に設定された角度（例えば、１゜）ほど時計回り方向または逆時計回り方向にアンテナ（すなわち、アンテナ１１２、１１４）の方向を回転させる。また、アンテナ投射角調整部４３０は、投射角決定部４１０のアンテナ回転命令に従って特定方向にアンテナの方向を回転させて固定する。

ＴＯＡ計算部２５３は、アンテナ方向が決定された後、投射角決定部４１０からアンテナ方向決定完了信号を受信する。ＴＯＡ計算部２５３は、アンテナ方向決定完了信号の受信によって、シンボル同期検出部２５１から出力される信号を用いて位置測定対象装置１３０の距離を計算する。

ＡＯＡ計算部２５５は、投射角決定部４１０によってアンテナ方向が決定された後、投射角決定部４１０から２つのアンテナの角度情報を受信し、その受信された２つのアンテナの角度情報を用いて位置測定対象装置１３０の位置座標を計算する。

図８は、本発明の一実施例による位置測定装置で位置測定対象装置の位置を測定する方法を説明するフロー図である。

図８に示したように、位置測定装置１１０はユーザから位置測定命令が入力されて位置測定対象装置１３０が特定されれば、まずアンテナの角度を０゜に初期化する（Ｓ８０１）。

位置測定装置１１０は、アンテナの角度を増加（例えば、１゜）させた後、位置測定対象装置１３０に信号送信命令を伝送する（Ｓ８０３）。このように位置測定装置１１０から位置測定対象装置１３０に信号送信命令が伝送されれば、位置測定対象装置１３０は位置測定のための信号を送出する。位置測定対象装置１３０から送出された信号は媒質１７０に反射されるか又は媒質１５０を透過して位置測定装置１１０のアンテナで受信される。

位置測定装置１１０は現在アンテナ角度で受信される多重経路の信号のうち最も先に受信された信号経路のインパルス応答の時間インデックスを検出する（Ｓ８０５）。位置測定装置１１０は、検出されたインパルス応答の時間インデックスを最小時間インデックスとして設定して投射角と共に保存する（Ｓ８０７）。

位置測定装置１１０は３６０゜回転が完了したか否かを判断し（Ｓ８０９）、３６０゜回転が完了していない場合、ステップＳ８０３に戻って再びアンテナの角度を１゜増加させた後、位置測定対象装置１３０に信号送信命令を伝送する。位置測定装置１１０は、アンテナの角度を１゜増加させた後に受信される多重経路の信号のうち最も先に受信された信号経路のインパルス応答の時間インデックスをさらに検出する（Ｓ８０５）。位置測定装置１１０は、既に保存されている最小時間インデックスと検出された時間インデックスとを比べて最小時間インデックス及び投射角を更新する（Ｓ８０７）。すなわち、現在アンテナ角度で検出したインパルス応答の時間インデックスと既に保存されている最小時間インデックスとを比べ、もし現在検出したインパルス応答の時間インデックスが既に保存されている最小時間インデックスより小さい場合、既に保存されている最小時間インデックス値を現在検出したインパルス応答の時間インデックス値に更新し、共に投射角も更新する。このように全方向に対して上述した過程が全て完了すれば、位置測定装置１１０は最終的に最も先に受信された信号の時間インデックス値及び投射角情報を保存することになる。

全方向のスキャンが完了した後、位置測定装置１１０は、ステップＳ８０７で保存及び更新された最小時間インデックスに対応した投射角にアンテナの角度を設定した後、ＡＯＡ方式によって位置測定対象装置１３０の１次位置を計算する（Ｓ８１１）。すなわち、最も先に到着する信号に対してＡＯＡを用いて位置測定対象装置１３０の位置を計算する。

次いで、位置測定装置１１０はＴＯＡを用いて位置測定対象装置１３０の２次位置を計算する（Ｓ８１３）。すなわち、位置測定装置１１０からＡＯＡを用いて求めた位置測定対象装置１３０の位置を繋ぐ一直線上で、位置測定装置１１０からＴＯＡを用いて求めた距離だけ離れたところを位置測定対象装置１３０の位置として決定する。

位置測定装置１１０は、受信信号を用いて媒質１５０のチャネルを推定し、それによる伝播遅延時間を算出して距離偏移を計算する（Ｓ８１５）。より具体的に、位置測定装置１１０の媒質チャネル算出部２３３は、受信チャネル推定部２３１から出力された受信チャネルと、アンテナ伝達関数・ＬＯＳチャネル記憶部２３５に記憶されたアンテナ伝達関数及びＬＯＳチャネルに基づいて、位置測定対象装置１３０から送信された信号が透過した媒質１５０のチャネルを推定する。具体的に、受信チャネル推定部２３１で推定した受信チャネルはアンテナ伝達関数とＬＯＳチャネル、そして媒質１５０のチャネルが合算されたものであり、受信チャネル推定部２３１で推定した受信チャネルからアンテナ伝達関数とＬＯＳチャネルを除去すれば媒質１５０のチャネルが導出される。また、位置測定装置１１０の距離偏移算出部２７３は、媒質チャネル算出部２３３から出力された媒質１５０のチャネルを用いて媒質情報記憶部２７１から媒質１５０の厚さ情報を獲得し、その獲得した媒質１５０の厚さ情報及び媒質１５０の誘電定数を用いて伝播遅延時間を算出し、その伝播遅延時間に応じた距離偏移を算出する。

このように距離偏移を計算した後、位置測定装置１１０は、ステップＳ８１３で求めた位置測定対象装置１３０の位置を補正する（Ｓ８１７）。すなわち、媒質１５０によってステップＳ８１３で求めた位置測定対象装置１３０の位置は実際位置より遠いところであるため、位置測定対象装置１３０の位置を位置測定装置１１０の方に距離偏移だけ移動させる。

以上の方法によれば、位置測定装置１１０は位置測定対象装置１３０の位置を精度良く測定することができる。

本明細書において上述された技術及びシステムは、超広帯域（ＵＷＢ：ＵｌｔｒａＷｉｄｅＢａｎｄ）通信システムで使用することができる。ＵＷＢ技術は、広範囲な既存の周波数帯域を侵入せず、かなり低電力で送受信することで、既存の周波数チャネルへの干渉を回避しながら、短距離で高速情報伝送を可能にする。特に、ＵＷＢ技術は時間分解能に優れたパルス信号を使用し、高精度の屋内位置認識に用いられるため、本明細書で説明された技術及びシステムがＵＷＢ技術に適用される場合、より正確な位置認識が可能である。ＵＷＢ帯域において、ＯＦＤＭ（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術を用いて位置認識の誤差を減らすことができる。ＯＦＤＭ技術は帯域を５２８ＭＨｚのサーブバンドに分けてＦＨＳＳ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｈｏｐｐｉｎｇ−Ｓｐｒｅａｄ−Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）で使用帯域を跳び越えながら使うため、全てのＵＷＢ帯域を効率的に使用することができる。

上述したような本発明の方法は、プログラムとして具現されてコンピューター読み取り可能形態で記録媒体（ＣＤ−ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フロッピーディスク、ハードディスク、光磁気ディスクなど）に保存することができる。

本明細書は多くの特徴を含むが、そのような特徴が本発明の範囲又は特許請求の範囲を制限すると解釈されてはならない。また、本明細書の個別の実施例で説明された特徴は、単一実施例で組み合わされて具現されることができる。逆に、本明細書の単一実施例で説明された特徴は、個別の実施例又は適切なサブコンビネーションで具現されることができる。

なお、図面においては動作が特定の順をもって説明されたが、所望の結果を得るために、このような動作が図示されたような特定の順で、又は一連の連続する順で、又は説明された動作の全てが、行われねばならないと理解されてはいけない。ある環境では、マルチタスキング及び並列プロセッシングが有利である場合もある。さらに、上述した実施例における多様なシステムの構成要素の区分は、全ての実施例でそのような区分を要すると理解されてはならない。上述したプログラムの構成要素及びシステムは、一般に単一のソフトウェア製品又は複数のソフトウェア製品のパッケージとして具現されることができる。

本発明によれば、壁や木材のドア、そしてガラス窓のように伝播信号に遅延をもたらして位置認識の精度を低下させる要素を位置認識に反映することで、位置認識の精度を高めることができる。特に、広帯域を使うＵＷＢ（３．１〜１０．２ＧＨｚ）と８０２．１１ｎ（２．４ＧＨｚ、５ＧＨｚ）通信システムで位置認識の精度を高めることができる。

上述した本発明は、本発明が属する技術分野で通常の知識を持った者にとっては、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な置換、変形、及び変更が可能であるため、上述した実施例及び添付された図面によって限定されるものではない。

本発明の一実施例による位置測定システムを示した図である。本発明の一実施例による位置測定装置のブロック構成図である。図１の位置測定装置の詳細なブロック構成図である。本発明の他の実施例による位置測定装置のブロック構成図である。位置測定対象装置から受信される信号の伝送経路に応じるインパルス応答の例を示した図である。図３の媒質情報記憶部に保存された媒質の厚さに応じるチャネル情報を示した図である。図３の位置補正部で位置測定対象装置の位置を計算する過程を説明する図である。本発明の一実施例による位置測定装置で位置測定対象装置の位置を測定する方法を説明するフロー図である。任意の投射角で初めて信号が受信された経路のインパルス応答を検出する過程を示す図である。

符号の説明

１００位置測定システム、
１１０位置測定装置、
１１２、１１４アンテナ、
１３０位置測定対象装置、
１５０、１７０媒質、
２１０ＲＦ受信部、
２３０媒質チャネル推定部、
２３１受信チャネル推定部、
２３３媒質チャネル算出部、
２３５チャネル記憶部、
２５０位置計算部、
２５１シンボル同期検出部、
２５３計算部、
２５５計算部、
２７０位置補正部、
２７１媒質情報記憶部、
２７３距離偏移算出部、
２７５位置決定部、
４１０投射角決定部、
４３０アンテナ投射角調整部。

Claims

位置測定対象装置の位置を測定する位置測定装置であって、
前記位置測定対象装置から送信された信号を受信する受信部と、
前記受信信号を用いてＡＯＡ及びＴＯＡ技術を適用することで前記位置測定対象装置の位置を計算する位置計算部と、
前記受信信号を用いて前記受信信号が伝送経路で透過した媒質のチャネルを推定する媒質チャネル推定部と、
前記推定された媒質チャネルを用いて前記受信信号の媒質透過による遅延時間を算出し、該遅延時間を用いて前記位置計算部で計算した位置測定対象装置の位置を補正する位置補正部と、
前記位置測定対象装置から受信される全方向の信号をスキャンして最も先に受信される信号の受信方向をアンテナの投射角として決定する投射角決定部と、を含み、
前記投射角決定部は、
前記アンテナを所定の角度毎回転させ、
前記所定の角度毎に前記受信された信号のうち最も先に受信された信号経路のインパルス応答の時間インデックスを検出し、
前記検出された時間インデックスのうち最小の時間インデックスを選択し、該最小時間インデックスに対応する前記所定の角度を前記アンテナの投射角として決定する、
ことを特徴とする位置測定装置。
前記媒質チャネル推定部は、
前記受信信号を用いて受信チャネルを推定する受信チャネル推定部と、
前記受信チャネルからアンテナ伝達関数及びＬＯＳ受信チャネルを除去して媒質チャネルを算出する媒質チャネル算出部と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
アンテナ伝達関数及びＬＯＳ受信チャネルの情報を保存する記憶部をさらに含み、
前記媒質チャネル算出部は、前記記憶部に保存されたアンテナ伝達関数及びＬＯＳ受信チャネルの情報を用いて媒質チャネルを算出することを特徴とする請求項２に記載の位置測定装置。
前記位置補正部は、
前記推定された媒質チャネルを用いて媒質の厚さを算出し、該媒質の厚さに基づいて前記受信信号の伝送距離偏移を算出する距離偏移算出部と、
前記位置計算部で計算した位置測定対象装置の位置に前記距離偏移算出部で算出した伝送距離偏移を反映して前記位置測定対象装置の位置を決定する位置決定部と、
を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の位置測定装置。
媒質厚さ毎の媒質チャネル情報を保存する媒質情報記憶部をさらに含み、
前記距離偏移算出部は、前記推定された媒質チャネルを用いて前記媒質情報記憶部で媒質の厚さを算出することを特徴とする請求項４に記載の位置測定装置。
前記投射角決定部の命令に従ってアンテナの投射角を調整する投射角調整部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
位置測定対象装置の位置を測定する位置測定方法であって、
前記位置測定対象装置から送信された信号を受信する受信ステップと、
受信された信号を用いてＡＯＡ及びＴＯＡ技術を適用することで前記位置測定対象装置の位置を計算する位置計算ステップと、
前記受信信号が伝送経路で透過した媒質のチャネル情報を推定する媒質チャネル推定ステップと、
推定された媒質チャネル情報を用いて前記受信信号の媒質透過による遅延時間を算出し、該遅延時間を用いて前記位置測定対象装置の位置を補正する位置決定ステップと、
前記位置測定対象装置から受信される全方向の信号をスキャンして最も先に受信される信号の受信方向をアンテナの投射角として決定する投射角決定ステップと、を含み、
前記投射角決定ステップは、
前記アンテナを所定の角度毎回転させるステップと、
前記所定の角度毎に前記受信された信号のうち最も先に受信された信号経路のインパルス応答の時間インデックスを検出するステップと、
前記検出された時間インデックスのうち最小の時間インデックスを選択し、該最小時間インデックスに対応する前記所定の角度を前記アンテナの投射角として決定するステップと、
を含むことを特徴とする位置測定方法。
前記媒質チャネル推定ステップは、
前記受信信号を用いて受信チャネルを推定するステップと、
推定された受信チャネルからアンテナ伝達関数及びＬＯＳ受信チャネルを除去して媒質チャネルを算出するステップと、
を含むことを特徴とする請求項７に記載の位置測定方法。
前記位置決定ステップは、
前記推定された媒質チャネル情報を用いて媒質の厚さを算出し、該媒質の厚さに基づいて前記受信信号の伝送距離偏移を算出するステップと、
前記位置計算ステップで計算された位置測定対象装置の位置に前記算出された伝送距離偏移を反映して前記位置測定対象装置の位置を決定するステップと、
を含むことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の位置測定方法。
データ処理装置を動作可能にするコンピューター読み取り可能な命令を記録した記録媒体であって、
位置測定対象装置から送信された信号を受信する第１機能と、
受信された信号を用いてＡＯＡ及びＴＯＡ方式を適用することで前記位置測定対象装置の位置を計算する第２機能と、
前記受信信号が伝送経路で透過した媒質のチャネル情報を推定する第３機能と、
推定された媒質チャネル情報を用いて前記受信信号の媒質透過による遅延時間を算出し、該遅延時間を用いて前記位置測定対象装置の位置を補正する第４機能と、
前記位置測定対象装置から受信される全方向の信号をスキャンして最も先に受信される信号の受信方向をアンテナの投射角として決定する第５機能として、アンテナを所定の角度毎回転させる機能と、前記所定の角度毎に前記受信された信号のうち最も先に受信された信号経路のインパルス応答の時間インデックスを検出する機能と、前記検出された時間インデックスのうち最小の時間インデックスを選択し、該最小の時間インデックスに対応する前記所定の角度を前記アンテナの投射角として決定する機能を備える第５機能と、を記録したコンピューター読み取り可能な記録媒体。