JP5116750B2 - 位置特定方法、測位システム及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、位置特定方法、測位システム及びプログラムに関し、更に詳しくは、通信端末の位置を特定するための位置特定方法、測位システム及びプログラムに関する。

物体の位置を検出する測位システムとして知られているＧＰＳ（Global Positioning System）は、例えば屋内など、衛星からの電波が受信できない環境では利用することができない。そこで、屋内などの環境下では、電波を用いた測位システムが用いられる。

この種のシステムは、通信端末から発信された電波が測位端末に到達するまでの時間を利用して無線通信端末と測位端末との間の距離を計測する方法や、測位端末に到達した電波の減衰量に基づいて無線通信端末と測位端末との間の距離を計測する方法などを用いて、通信端末の位置を特定する（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、上述した測位システムでは、マルチパスにより測位精度が低下するという課題がある。

例えば、電波の到達時間を利用して距離を計測する際に、反射波のみが測位端末に到達すると、計測された通信端末と測位端末との距離が、実際の距離よりも大きくなってしまう。その理由は、反射波の経路が、実際の通信端末と測位端末との距離よりも長くなるためである。

また、電波の減衰量に基づいて距離を算出する方法を用いたい場合に、直接波と反射波とが干渉すると、算出された通信端末と測位端末との距離が、実際の距離より著しく短くなったり或いは長くなったりすることがある。

上述した計測距離と実際の距離との誤差は、反射波に起因するものである。このため、電波を使用する環境が同じであるときには、計測した距離に常に一定の誤差が含まれる。したがって、距離を複数回に渡り計測した結果の平均値や分散を利用しても、計測距離に含まれる誤差の割合を予想するのは困難である。

そこで、マルチパスが起こり得る環境下においても、精度よく測位を行うことを可能とするシステムが種々提案されている（例えば特許文献２参照）。

特表２００５−５３５８８６号公報 特開２００５−１１７４４０号公報

特許文献２に記載されたシステムは、複数のアンテナを有する移動局と、この移動局と無線通信を行う基地局とから構成されている。このシステムは、移動局の複数のアンテナを介して出力された電波それぞれのマルチパス特性の相違に基づいて、マルチパスによる誤差を特定し、移動局と基地局との相対位置を精度よく検出しようとするものである。

しかしながら、マルチパスが発生しやすい状況下では、基地局に到達する電波相互間のマルチパス特性の差はわずかでしかない。この場合には、マルチパスによる誤差を効果的に低減することが困難となる場合がある。また、本システムでは、電波を出力するためのアンテナが複数本必要になる。このため、装置の製造コストが高くなるといった不都合も考えられる。

本発明は、上述の事情の下になされたものであり、マルチパスによる計測誤差の影響を低減し、精度よく通信端末の位置を特定することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の位置特定方法は、所定の範囲に存在する通信端末と、複数の基準位置との間の距離に基づいて、通信端末の位置を特定するための位置特定方法であって、基準位置にそれぞれ配置された基準端末と、通信端末との通信結果に基づいて、通信端末と基準端末との間の第１距離を計測する工程と、通信端末の、所定の範囲における仮定の位置を順次決定する工程と、基準端末と仮定の位置との間の第２距離を順次算出する工程と、第１距離と第２距離との差が、所定の閾値よりも大きい場合にほぼ零となる値を出力し、それ以外の場合に第１距離と第２距離との差に応じた値を出力する評価関数を用いた演算を行う工程と、演算により、基準端末毎に算出された値の合計が最も大きいときの仮定の位置を、通信端末の位置として特定する工程とを含む。

本発明によれば、測定結果に含まれる誤差が大きいと考えられる場合には、当該測定結果が除外され、信頼性の高い計測結果のみに基づいて、通信端末の位置が特定される。このため、マルチパスによって計測距離に誤差が生じたとしても、精度よく通信端末の位置を測位することができる。

第１の実施形態に係る測位システムの概略的な構成を示す図である。 通信端末のブロック図である。 基準端末のブロック図である。 測位システムの動作を説明するためのフローチャート（その１）である。 測位システムの動作を説明するためのフローチャート（その２）である。 スペースに規定されたＸＹ座標系及びグリッド線を示す図である。 評価関数の特性を説明するための図である。 基準端末の位置座標と、計測距離との対応関係を説明するための図である。 計測距離の誤差と相対度数の関係を表すグラフを示す図である。 通信端末位置を特定する手順を説明するための図である。 変形例に係る通信端末のブロック図である。 計測距離の誤差の確率密度分布を表すグラフを示す図である。 第２の実施形態に係る測位システムの概略的な構成を示す図である。 管理端末のブロック図である。 管理端末の動作を説明するためのフローチャートである。 通信端末の位置を特定する手順を説明するための図である。 変形例に係る管理端末のブロック図である。

《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る測位システム１０の概略的な構成を示す図である。測位システム１０は、多数のユーザによって共有されるスペース３０を利用するユーザ５１の位置を測位するためのシステムである。

図１に示されるように、測位システム１０は、ユーザ５１に所持される通信端末１１Ａと、スペース３０の４角近傍にそれぞれ配置された４つの基準端末２１_１〜２１_４とを有している。

図２は、通信端末１１Ａのブロック図である。図２に示されるように、通信端末１１Ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１ａ、主記憶部１１ｂ、補助記憶部１１ｃ、及び通信ユニット１１ｄを有している。

ＣＰＵ１１ａは、補助記憶部１１ｃに記憶されているプログラムにしたがって、基準端末２１_１〜２１_４それぞれと無線通信を行う。そして、無線通信の結果に基づいて、通信端末１１Ａのスペース３０における位置を特定する。なお、位置を特定するための手順については後述する。

主記憶部１１ｂは、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を含んで構成され、ＣＰＵ１１ａの作業領域として用いられる。

補助記憶部１１ｃは、ＲＯＭ（Read Only Memory）、半導体メモリ等の不揮発性メモリを含んで構成されている。この補助記憶部１１ｃは、ＣＰＵ１１ａが実行するプログラム、及び基準端末２１_１〜２１_４のスペース３０における位置情報などを記憶している。また、ＣＰＵ１１ａの演算結果などを含む情報を逐次記憶する。

通信ユニット１１ｄは、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）方式の通信を行う通信インターフェイスなどを含んで構成されている。ＣＰＵ１１ａは、この通信ユニット１１ｄを介して、基準端末２１_１〜２１_４それぞれと無線通信を行う。

図３は、基準端末２１_１のブロック図である。図３に示されるように、基準端末２１_１は、通信端末１１Ａと同様に、ＣＰＵ２１ａ、主記憶部２１ｂ、補助記憶部２１ｃ、及び通信ユニット２１ｄを有している。

この基準端末２１_１の補助記憶部２１ｃには、ＣＰＵ２１ａが実行するプログラムと、通信端末毎に割り当てられた識別ＩＤなどの識別情報が記憶されている。ＣＰＵ２１ａは、補助記憶部２１ｃに記憶されているプログラムにしたがって、通信端末１１Ａと通信を行う。

基準端末２１_２〜２１_４も、基準端末２１_１と同等の構成を有している。そして、基準端末２１_２〜２１_４を構成するＣＰＵ２１ａは、通信ユニット２１ｄを介して、通信端末１１Ａと通信を行う。

本測位システム１０では、通信端末１１Ａと基準端末２１_１〜２１_４とが協働することにより、通信端末１１Ａの、スペース３０における位置が測位される。以下、通信端末１１Ａ及び基準端末２１_１〜２１_４の動作について、図４及び図５に示されるフローチャートを参照しつつ説明する。なお、前提として、通信端末１１Ａと、基準端末２１_１〜２１_４それぞれの間の通信が確立しているものとする。

通信端末１１ＡのＣＰＵ１１ａは、まず、基準端末２１_１に対して、測距要求信号を送信する（ステップＳ１０１）。ここで、基準端末２１_１に送信する測距要求信号を、測距要求信号Ｓ（１）と表示する。また、各基準端末２１_２〜２１_４に送信する測距要求信号を、それぞれ測距要求信号Ｓ（２）〜Ｓ（４）と表示する。

基準端末２１_１は、測距要求信号Ｓ（１）を受信すると、識別ＩＤを含む信号（応答信号）を送信する（ステップＳ２０１）。以下、基準端末２１_１から送信される応答信号を、応答信号ＩＤ（１）と表示する。また、各基準端末２１_２〜２１_４から送信される応答信号を、応答信号ＩＤ（２）〜ＩＤ（４）と表示する。

ＣＰＵ１１ａは、基準端末２１_１から送信された応答信号ＩＤ（１）を受信すると、電磁波が通信端末１１Ａと基準端末２１_１との間を往復するために要した時間（所用時間）を算出する。例えば、ＣＰＵ１１ａは、測距要求信号Ｓ（１）を送信した時刻ｔ１から、応答信号ＩＤ（１）を受信した時刻ｔ４までの時間Ｔ１を算出する。次に、この時間Ｔ１から、基準端末２１_１が測距要求信号Ｓ（１）を受信してから応答信号ＩＤ（１）を送信するまでの処理時間Ｔ３を減ずる。

この処理時間Ｔ３は、基準端末２１_１が、信号処理を行うのに要する時間である。このため、基準端末２１_１と通信端末１１Ａとの距離に依存して変動することはなく、常に一定である。ＣＰＵ１１ａは、時間Ｔ１から処理時間Ｔ３を減ずることで、電磁波が通信端末１１Ａから基準端末２１_１に到達するのに要する時間Ｔ２と、電磁波が基準端末２１_１から通信端末１１Ａに到達するのに要する時間Ｔ４との和を、応答時間ＲＴ（＝Ｔ２＋Ｔ４）として算出する（ステップＳ１０２）。なお、この処理時間Ｔ３は、基準端末２１_１〜２１_４相互間でほぼ等しく、予め計測され、通信端末１１Ａの補助記憶部１１ｃに記憶されている。また、各時間の計測は、例えばＣＰＵ１１ａが備えるカウンタなどを用いて行うことができる。

一般に、電磁波の伝搬速度Ｖは光速と等価である。このため、通信端末１１Ａを所持するユーザ５１が、スペース３０の内部を移動していたとしても、通信端末１１Ａから基準端末２１_１に電磁波が到達するまでの時間と、基準端末２１_１から通信端末１１Ａに電磁波が到達する時間とは、ほぼ等しいといえる。そこで、ＣＰＵ１１ａは、次式（１）に示されるように、電磁波の伝搬速度Ｖと、応答時間ＲＴを２で除したものとを乗じて、通信端末１１Ａと基準端末２１_１との計測距離ＭＤ（１）を算出する（ステップＳ１０３）。

ＭＤ（１）＝Ｖ×（ＲＴ／２） …（１）

以降、ＣＰＵ１１ａは、上述と同様の手順で、通信端末１１Ａと、基準端末２１_２〜２１_４それぞれとの計測距離ＭＤ（２），ＭＤ（３），ＭＤ（４）を算出する（ステップＳ１０４〜Ｓ１１２）。また、基準端末２１_２〜２１_４それぞれは、通信端末１１Ａからの測距要求信号Ｓ（２）〜Ｓ（４）に応じて、応答信号ＩＤ（２）〜ＩＤ（４）を送信する（ステップＳ２０２〜Ｓ２０４）。

次に、ＣＰＵ１１ａは、図６に示されるように、スペース３０に、基準端末２１_１を原点とするＸＹ座標系と、Ｘ軸及びＹ軸に平行なグリッド線を規定する。ここでは、ＣＰＵ１１ａは、一例として、ＸＹ座標系と、Ｙ軸に沿って等間隔に配置された２０本のグリッド線と、Ｘ軸に沿って等間隔に配置された２５本のグリッド線とを規定する（ステップＳ１１３）。これにより、スペース３０には、Ｘ軸及びＹ軸と、グリッド線とで５４６個の点Ｐ_Ｍ（Ｍ＝１、２…５４６）が規定される。

次に、ＣＰＵ１１ａは、５４６個の点Ｐ_Ｍをそれぞれ選択し、基準端末２１_１〜２１_４の中心と一致する点Ｐ（１）〜Ｐ（４）それぞれと、選択した点Ｐ_Ｍとの計算距離ＣＤ_Ｍ（１），ＣＤ_Ｍ（２），ＣＤ_Ｍ（３），ＣＤ_Ｍ（４）をそれぞれ算出する（ステップＳ１１４）。

次に、ＣＰＵ１１ａは、各点Ｐ_Ｍについて、算出した計算距離ＣＤ_Ｍ（ｉ）及び計測距離ＭＤ（ｉ）を変数とする評価関数Ｅ（Ｐ_Ｍ，ＭＤ（ｉ））を用いた演算を行う。なお、ｉは１から４までの整数である。評価関数Ｅ（Ｐ_Ｍ，ＭＤ（ｉ））は、計測距離ＭＤ（ｉ）が、点Ｐ_Ｍの位置に対して適当である場合に、値が大きくなり、適当でない場合に値がほぼ零となる関数である。この評価関数Ｅ（Ｐ_Ｍ，ＭＤ（ｉ））は、例えば次式（２）で示される。なお、σ_ｉ ^２は、直接波を用いて通信端末１１Ａと基準端末２１_１〜２１_４との間の距離を計測したときの誤差の分散である。

図７は、計算距離ＣＤ_Ｍ（ｉ）が７．５ｍであるときの、評価関数Ｅ（Ｐ_Ｍ，ＭＤ（ｉ））の特性を示す図である。この図は、相互に直交する２本の横軸それぞれが、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の距離を表し、縦軸が評価関数Ｅ（Ｐ_Ｍ，ＭＤ（ｉ））の算出結果を表している。この評価関数Ｅ（Ｐ_Ｍ，ＭＤ（ｉ））の算出結果は、計測距離ＭＤ（ｉ）が計算距離ＣＤ（ｉ）と等しい７．５ｍのときにピークになり、計測距離ＭＤ（ｉ）が、７．５ｍから大きくなるにしたがって、或いは小さくなるにしたがって、急峻に小さくなりほぼ零になる。

ＣＰＵ１１ａは、次式（３）に示されるように、計測距離ＭＤ（１），ＭＤ（２），ＭＤ（３），ＭＤ（４）について、この評価関数Ｅ（Ｐ_Ｍ，ＭＤ（ｉ））を用いた演算を施す。そして、それぞれの計測距離ＭＤ（１）〜ＭＤ（４）についての演算結果Ｅ_Ｒ（１），Ｅ_Ｒ（２），Ｅ_Ｒ（３），Ｅ_Ｒ（４）の和を判定値ＥＴ_Ｍとして算出する（ステップＳ１１５）。なお、ｋは、基準端末２１_１〜２１_４の総数であり、ここでは４である。

ＣＰＵ１１ａは、各点Ｐ_Ｍについて、判定値ＥＴ_Ｍをそれぞれ算出すると、最も判定値ＥＴ_Ｍが大きいときの点Ｐ_Ｍを、通信端末１１Ａのスペース３０における位置と特定する（ステップＳ１１６）。

例えば、図８の表に示されるように、基準端末２１_１〜２１_４それぞれのＸＹ座標系における位置座標が（０，０）、（１２，０）、（０，１０）、（１２，１０）であり、計測距離ＭＤ（１）〜ＭＤ（４）がそれぞれ、１０．３４ｍ、７．１０ｍ、８．８７ｍ、７．８６ｍであった場合を考える。なお、ここでは、各計測距離ＭＤ（１）〜ＭＤ（４）のうち、計測距離ＭＤ（１）〜ＭＤ（３）は、直接波に基づいて計測された値であり、計測距離ＭＤ（４）は、例えばスペース３０を包囲する壁などに反射された反射波に基づいて計測された値である。

図９には、横軸を計測距離の誤差とし、縦軸を相対度数とするグラフが示されている。マルチパスによる計測距離の誤差は、壁面や障害物などに反射された電磁波（反射波）によって計測距離が求められることに起因するものである。このため、図９を参照するとわかるように、距離誤差はそのほとんどがプラス側に現れる。この理由から、マルチパスによる影響を受けて計測された計測距離ＭＤ（４）の値は、直接波に基づいて計測された計測距離よりも大きな値となっている。この値は、当然に実際の通信端末１１Ａと基準端末２１_４との距離よりも大きくなる。

本実施形態では、上述のような計測距離ＭＤ（１）〜ＭＤ（４）が得られた場合には、図１０に示されるように、半径をそれぞれ計測距離ＭＤ（１）〜ＭＤ（４）とする円Ｃ（１）〜Ｃ（４）のうち、円Ｃ（４）を除く円Ｃ（１）〜Ｃ（３）の交点とほぼ一致する点Ｐｏ１が、スペース３０における通信端末１１Ａの位置として特定される。

評価関数Ｅを用いた演算の演算結果Ｅ_Ｒ（１）〜Ｅ_Ｒ（４）は、マルチパスの影響で実際の値よりも大きくなっていると考えられる計測距離が変数となったときに、ほぼ零となる。このため、最終的に算出される判定値ＥＴ_Ｍは、マルチパスの影響を受けないものとなる。したがって、この判定値ＥＴ_Ｍを用いて、精度よく点Ｐ_Ｍと通信端末１１Ａとの位置を特定することが可能となる。以下、その理由を、従来の方法で検出した結果を引用しつつ説明する。

一例として、図１０には、従来の方法で特定された通信端末１１Ａの位置を表す点Ｐｏ２が示されている。この点Ｐｏ２は、次式（４）で表される演算結果としての判定値ＥＴ_Ｍが最小となるときの点である。

最小二乗法を用いた演算では、式（４）を参照するとわかるように、判定値ＥＴ_Ｍが、すべての計測距離ＭＤ（１）〜ＭＤ（４）に基づいて算出される。このため、計測距離ＭＤ（１）〜ＭＤ（４）の値に、マルチパスによる誤差が含まれる場合には、この誤差を含んだ計測距離に基づいて、通信端末１１Ａの位置が特定される。例えば、図１０を参照するとわかるように、計測距離ＭＤ（４）に含まれる誤差の影響で、通信端末１１Ａの位置が、基準端末２１_４から離れた方向へずれた状態で特定される。

一方、本実施形態では、マルチパスによる誤差を含む計測距離ＭＤ（４）が除外されたうえで、通信端末１１Ａの位置が特定される。例えば、図１０を参照するとわかるように、マルチパスによる誤差を含まない計測距離ＭＤ（１）〜ＭＤ（３）のみに基づいて、通信端末１１Ａの位置が特定される。したがって、本実施形態に係る測位システム１０では、従来の方法に比べて、通信端末１１Ａの位置がより精度よく特定される。

以上説明したように、本実施形態では、マルチパスの影響を受けることなく、通信端末１１Ａのスペース３０における位置を精度よく特定することができる。

また、本実施形態では、通信端末１１Ａは、定期的に図４及び図５に示される処理を実行することで、スペース３０を移動するユーザ５１の位置をリアルタイムに検出することが可能となる。

また、本実施形態では、測距要求信号Ｓ（ｉ）を送信した時刻から、応答信号ＩＤ（ｉ）を受信した時刻までの時間Ｔ１から、基準端末２１_１〜２１_４での処理時間Ｔ３を減ずることで、応答時間ＲＴを求めた。これに限らず、測距要求信号Ｓ（ｉ）が送信された時刻から、測距要求信号Ｓ（ｉ）が受信された時刻までの時間と、応答信号ＩＤ（ｉ）が送信された時刻から、応答信号ＩＤ（ｉ）が受信された時刻までの時間を直接計測することとしてもよい。

また、本実施形態では、測位システム１０は、通信端末１１Ａと４つの基準端末２１_１〜２１_４とから構成されている。これに限らず、測位システム１０は、５つ以上の基準端末を備えていてもよい。また、２つ以上の通信端末を備えていても良い。この場合、それぞれの通信端末は、適当なタイミングで、距離の計測を行えばよい。

なお、測位システム１０は、ユーザ５１が２次元平面内を移動する場合には、３つの基準端末を有していれば必要十分であり、３次元空間内を移動する場合には４つの基準端末を有していれば必要十分である。

また、本実施形態では、通信端末１１Ａが、一例としてユーザ５１によって所持されている場合について説明した。通信端末１１Ａは、必ずしもユーザ５１に所持されている必要はなく、例えば、通信端末１１Ａは、空調装置等のリモコンとして、室内空間で利用されるものであってもよい。また、通信端末１１Ａは、室内空間に配置される機器に設けられていてもよい。この場合には、室内空間における機器の位置に応じて、当該機器の制御を行うことが可能となる。

また、本実施形態では、スペース３０にグリッド線を規定し、このグリッド線で規定される点Ｐ_Ｍのなかから、通信端末１１Ａが位置する可能性が高い点を特定し、この点の位置を通信端末１１Ａのスペース３０における位置と特定した。これに限らず、一旦大まかなピッチでグリッド線を規定して、通信端末１１Ａと一致する可能性が高い点を特定し、その後、この特定した点の周囲の領域にこまかいピッチでグリッド線を規定して、通信端末１１Ａと一致する可能性が高い点を特定することとしてもよい。これによれば、最初からスペース３０にこまかいピッチでグリッド線を規定する場合に比べて、計算距離ＣＤ（ｉ）を算出する際の計算量を少なくすることができる。

また、本実施形態では、各点Ｐ_Ｍそれぞれについて、式（３）で示される演算を行った。これに限らず、例えば計測距離ＭＤ（ｉ）と計算距離ＣＤ（ｉ）との差と、この差に対応する判定値ＥＴ_Ｍとの関係を示すテーブルを用意しておき、このテーブルにしたがって、判定値ＥＴ_Ｍを決定してもよい。これによれば、一旦評価関数Ｅを用いた計算を行ってテーブルを生成しておけば、通信端末１１Ａの位置の測位を行うごとに、式（３）で示される演算を行う必要がなくなる。

また、本実施形態では、通信端末１１ＡのＣＰＵ１１ａは、応答時間ＲＴに基づく測位を行った。これに限らず、基準端末２１_１〜２１_４が、測距要求信号Ｓ（ｉ）を送信するとともに、この測距要求信号Ｓ（ｉ）に対する応答信号を受信することによって応答時間ＲＴを算出し、この応答時間ＲＴに基づいて、通信端末１１Ａとの距離を計測してもよい。この場合は、基準端末２１_１〜２１_４のうちのいずれかが、各基準端末での計測距離を通信によって取得し、取得した情報に基づいて、通信端末１１Ａのスペース３０における位置を特定すればよい。

また、評価関数Ｅを用いた演算を表す式（３）は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、計測距離ＭＤ（ｉ）の算出を複数回行った結果に基づいて、分散σ_ｉ ^２を変更してもよい。また、重みＷ_ｉを設定し、この重みＷ_ｉを加味した次式（５）を用いた演算を行ってもよい。この重みＷ_ｉは、エラーレートなどの通信状態や、基準端末２１_１〜２１_４が設置された位置の信頼性などに応じて増減させることが考えられる。

また、計測距離ＭＤ（ｉ）の誤差について、計測距離の誤差の分布モデルを定義し、この分布モデルに基づいた関数によって評価関数Ｅを定義することとしてもよい。例えば、図９に示されるように分布する計測距離の誤差を指数分布に従うと仮定し、次式（６）に示される演算式により、判定値ＥＴ_Ｍを算出することとしてもよい。また、事前に実環境で計測距離ＭＤ（ｉ）を計測し、得られた計測距離ＭＤ（ｉ）の誤差と度数との対応を保持して度数分布を更新し、この度数分布に基づいて、判定値ＥＴ_Ｍを算出することとしてもよい。

また、本実施形態では、通信端末１１Ａが、ＣＰＵ１１ａと、このＣＰＵ１１ａによって実行されるプログラムを記憶する補助記憶部１１ｃを含んで構成されている。これに限らず、通信端末１１Ａは、例えば図１１に示されるように、通信ユニット１１ｄ、記憶部１１ｅ、距離計測部１１ｆ、距離算出部１１ｇ、演算部１１ｈ、及び特定部１１ｉを含んで構成されていてもよい。

この変形例に係る通信端末１１Ａでは、記憶部１１ｅは、通信ユニット１１ｄの通信結果、及び上記各部１１ｆ〜１１ｉでの処理結果を記憶する。また、距離計測部１１ｆは、計測距離ＭＤ（ｉ）を算出する。また、距離算出部１１ｇは、計算距離ＣＤ（ｉ）を算出する。また、演算部１１ｈは、判定値ＥＴ_Ｍを算出する。また、特定部１１ｉは、判定値ＥＴ_Ｍに基づいて、通信端末１１Ａのスペース３０における位置を特定する。そして、この特定結果を外部機器等へ出力する。

また、本実施形態では、電磁波の到達時間に基づいて、通信端末１１Ａと基準端末２１_１〜２１_４との間の距離を計測した。これに限らず、電磁波の減衰量に基づいて、通信端末１１Ａと基準端末２１_１〜２１_４との間の距離を計測してもよい。一般に、搬送波は距離の２乗に比例して減衰する。このため、通信端末１１Ａは、基準端末２１_１〜２１_４から出力されたときの電磁波の強度と、受信した電磁波の強度との差から、通信端末１１Ａと基準端末２１_１〜２１_４との間の距離を計測することができる。

この場合、電波を受信する地点での電界強度は、反射波の干渉によるマルチパスフェージングによる誤差を含んでいる。さらに、電界強度は距離の２乗に比例して弱くなる。このため、例えば、ある一定の距離に対して電界強度の対数が正規分布となるようなばらつきを持つと仮定すると、計測距離ＭＤ（ｉ）の誤差の確率密度分布は図１２に示されるグラフのようになる。このように、電磁波の減衰量に基づいて距離を計測する方法によっても、計測距離の誤差は正規分布とはならない。したがって、実環境において、通信端末１１Ａと基準端末２１_１〜２１_４との間の計測距離ＭＤ（ｉ）のうちのいずれかが、マルチパスの影響を受けることにより、実際の距離よりも大きくなることが考えられる。

本発明は、電磁波の減衰を用いて距離の計測を行う場合にも、通信端末１１Ａのスペース３０における位置を、マルチパスの影響を受けることなく、精度よく特定することができる。

《第２の実施形態》
次に本発明の第２の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、第１の実施形態と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。

図１３は、本実施形態に係る測位システム１０の概略的な構成を示す図である。測位システム１０は、複数の通信端末相互間の距離の計測を行い、それぞれの通信端末に対する、他の通信端末の相対位置を特定するシステムである。この測位システム１０は、管理端末２２と、５つの通信端末１１Ａ〜１１Ｅとから構成されている。

通信端末１１Ａ〜１１Ｅそれぞれは、他の通信端末との間で無線通信を行うとともに、管理端末２２との間で無線通信を行う。また、通信端末１１Ａ〜１１Ｅそれぞれは、直接通信ができない通信端末に対して、通信可能な他の通信端末を仲介して通信を行う、いわゆるマルチポップ通信を行うことができる。例えば、図１３を参照するとわかるように、通信端末１１Ａは、通信端末１１Ｅと直接的に無線通信を行うことはできないが、通信端末１１Ｂ或いは通信端末１１Ｃを介して、間接的に通信端末１１Ｅと無線通信を行うことができる。以下、説明の便宜上、直接無線通信を行うことが可能な通信端末を隣接端末ともいうものとする。例えば、通信端末１１Ａと直接無線通信を行うことが可能な通信端末１１Ｂ，１１Ｃを、通信端末１１Ａの隣接端末１１Ｂ，１１Ｃとも表示する。

図１４は、管理端末２２のブロック図である。図１４に示されるように、管理端末２２は、ＣＰＵ２２ａ、主記憶部２２ｂ、補助記憶部２２ｃ、及び通信ユニット２２ｄを有している。

この管理端末２２の補助記憶部２２ｃは、ＣＰＵ２２ａが実行するプログラムと、各通信端末１１Ａ〜１１Ｅの識別ＩＤ（Ａ）〜ＩＤ（Ｅ）などを記憶している。また、補助記憶部２２ｃは、各通信端末１１Ａ〜１１Ｅから送信される情報を逐次記憶する。

本測位システム１０では、通信端末１１Ａ〜１１Ｅから管理端末２２へ計測結果が送信され、管理端末２２によって、各通信端末１１Ａ〜１１Ｅの相対位置が測位される。以下、管理端末２２の動作について、図１５のフローチャートに基づいて説明する。

まず、管理端末２２のＣＰＵ２２ａは、各通信端末１１Ａ〜１１Ｅに、測位指令を送信する（ステップＳ３０１）。これにより、通信端末１１Ａ〜１１Ｅそれぞれは、第１の実施形態で説明した手順で、隣接端末との距離を計測する。そして、通信端末１１Ａ〜１１Ｅそれぞれは、計測して得た計測距離を、管理端末２２へ送信する。

次に、ＣＰＵ２２ａは、通信端末１１Ａ〜１１Ｅのなかから、相互に通信可能な３つの通信端末を基準端末として選択する（ステップＳ３０２）。例えば、ここでは３つの通信端末１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを選択する。

次に、ＣＰＵ２２ａは、選択した通信端末の基準位置を特定する。例えば、ＣＰＵ２２ａは、通信端末１１Ａの位置を原点（０，０）とし、通信端末１１Ｂの位置を（Ｘ_Ｂ、０）とし、通信端末１１Ｃの位置を（Ｘ_Ｃ，Ｙ_Ｃ）と定義する。これは、一例として、図１６に示されるように、通信端末１１Ａの位置を原点とし、この原点と通信端末１１Ｂの位置を通るｘ軸と、原点を通りｘ軸に直交するｙ軸とから規定されるｘｙ座標系を定義するのと等価である。そして、ＣＰＵ２２ａは、通信端末１１Ａと通信端末１１Ｂとの計測距離ＭＤ（ＡＢ）から、ｘｙ座標系における通信端末１１Ｂの位置（Ｘ_Ｂ，０）を特定する。そして、通信端末１１Ａと通信端末１１Ｃとの計測距離ＭＤ（ＡＣ）と、通信端末１１Ｂと通信端末１１Ｃとの計測距離ＭＤ（ＢＣ）とから、ｘｙ座標系における通信端末１１Ｃの位置（Ｘ_Ｃ，Ｙ_Ｃ）を特定する。これにより、通信端末１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃが位置するところが基準位置となる（ステップＳ３０３）。

次に、ＣＰＵ２２ａは、ｘｙ座標系における位置が特定された３つ以上の通信端末を隣接端末として有する通信端末を選択する（ステップＳ３０４）。ここでは、位置が特定された通信端末１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを隣接端末として有する通信端末１１Ｄが選択される。

次に、管理端末２２は、基準端末に対する隣接端末の位置を特定する。例えば、管理端末２２は、この隣接端末１１Ｄと通信端末１１Ａ〜１１Ｃとの計測距離ＭＤ（ＤＡ），ＭＤ（ＤＢ），ＭＤ（ＤＣ）を用いて、隣接端末１１Ｄの、通信端末１１Ａ〜１１Ｃを基準とする位置を特定する（ステップＳ３０５）。これにより、通信端末１１Ｄのｘｙ座標系における位置が特定される。

この位置を特定する過程では、第１の実施形態で説明した式（３）で表される演算と同等の演算が行われる。これにより、ｘ軸に平行なグリッド線と、ｙ軸に平行なグリッド線とによって規定される点Ｐ_Ｍと通信端末１１Ａ〜１１Ｃとの計算距離ＣＤ_Ｍ（Ａ）〜ＣＤ_Ｍ（Ｃ）と、計測距離ＭＤ（ＤＡ），ＭＤ（ＤＢ），ＭＤ（ＤＣ）との関係が評価関数によって評価され、マルチパスによる誤差を含むと考えられる計測距離が除外された上で、通信端末１１Ｄの位置が特定される。

次に、ＣＰＵ２２ａは、測位システム１０を構成する通信端末１１Ａ〜１１Ｅのうちから、位置が特定されていない通信端末の有無を確認する（ステップＳ３０６）。ここでの判断が肯定された場合（ステップＳ３０６：Ｙｅｓ）には、ＣＰＵ２２ａは、ステップＳ３０４〜ステップＳ３０６までの処理を繰り返し実行する。これにより、通信端末１１Ｅについて、基準端末としての隣接端末１１Ｂ〜１１Ｄとの計測距離ＭＤ（ＥＢ），ＭＤ（ＥＣ），ＭＤ（ＥＤ）に基づく位置の特定が行われる。一方、ここでの判断が否定された場合には（ステップＳ３０６：Ｎｏ）、管理端末２２は、処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態では、マルチパスによる誤差を含むと考えられる計測距離ＭＤが、評価関数Ｅを用いた演算が行われる過程で除外される。そして、マルチパスによる誤差を含まない計測距離ＭＤに基づいて、通信端末１１Ａ〜１１Ｅそれぞれのｘｙ座標系における位置が精度良く特定される。

また、本実施形態では、管理端末２２は、定期的に図１５に示される処理を実行することで、スペース３０を移動するユーザ５１相互間の位置関係をリアルタイムに検出することが可能となる。

また、本実施形態では、最初に３つの通信端末１１Ａ〜１１Ｃの位置が特定された後、順次残りの通信端末１１Ｄ，１１Ｅの位置が特定される。このため、直接無線通信ができない通信端末間の相対位置を精度よく特定することができる。

なお、本実施形態では、管理端末２２は、通信端末１１Ａ〜１１Ｅのなかから、相互に通信可能な３つの通信端末１１Ａ〜１１Ｃを基準端末として選択し、この基準端末１１Ａ〜１１Ｃのｘｙ座標系における位置を特定した。これに限らず、通信端末１１Ａ〜１１Ｃのスペース３０における位置がわかっている場合には、この位置情報を用いて、他の通信端末１１Ｄ，１１Ｅの位置を特定してもよい。この方法によれば、通信端末１１Ｄ，１１Ｅのスペース３０における絶対位置を特定することができる。

また、本実施形態では、通信端末１１Ａ〜１１Ｅが、一例としてユーザ５１によって所持されている場合について説明した。通信端末１１Ａ〜１１Ｅは、必ずしもユーザ５１に所持されている必要はなく、例えば、通信端末１１Ａ〜１１Ｅは、空調装置等のリモコンとして、室内空間で利用されるものであってもよい。また、通信端末１１Ａ〜１１Ｅは、室内空間に配置される機器に設けられていてもよい。この場合には、室内空間に複数の機器を設置した際に、室内空間における各機器の配置を容易に把握することができる。このため、機器の配置に応じて、それぞれの機器の制御を行うことが可能となる。

また、本実施形態では、管理端末２２が、ＣＰＵ１１ａと、このＣＰＵ１１ａによって実行されるプログラムを記憶する補助記憶部１１ｃを含んで構成されている。これに限らず、管理端末２２は、例えば図１７に示されるように、通信ユニット２２ｄ、記憶部２２ｅ、選択部２２ｆ、距離計測部２２ｇ、距離算出部２２ｈ、演算部２２ｉ、及び特定部２２ｊを含んで構成されていてもよい。

この変形例に係る管理端末２２では、記憶部２２ｅは、通信ユニット２２ｄの通信結果、及び上記各部２２ｆ〜２２ｊでの処理結果を記憶する。また、選択部２２ｆは、通信端末１１Ａ〜１１Ｅのなかから、相互に通信可能な３つの通信端末を基準端末として選択する。そして、この基準端末の位置を基準位置に設定する。また、距離計測部２２ｇは、隣接端末と基準端末との間の計測距離ＭＤを算出する。また、距離算出部２２ｈは、計算距離ＣＤ_Ｍを算出する。また、演算部２２ｉは、判定値ＥＴ_Ｍを算出する。また、特定部２２ｊは、判定値ＥＴ_Ｍに基づいて、ｘｙ座標系における隣接端末１１Ｄ，１１Ｅの位置を特定する。そして、この特定結果を外部機器等へ出力する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。つまり、本発明の範囲は、実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。

本発明の位置特定方法、測位システム及びプログラムは、通信端末の位置を特定するのに適している。

１０ 測位システム
１１Ａ〜１１Ｅ 通信端末
１１ａ ＣＰＵ
１１ｂ 主記憶部
１１ｃ 補助記憶部
１１ｄ 通信ユニット
１１ｅ 記憶部
１１ｆ 距離計測部
１１ｇ 距離算出部
１１ｈ 演算部
１１ｉ 特定部
２１_１〜２１_４ 基準端末
２１ａ ＣＰＵ
２１ｂ 主記憶部
２１ｃ 補助記憶部
２１ｄ 通信ユニット
２２ 管理端末
２２ａ ＣＰＵ
２２ｂ 主記憶部
２２ｃ 補助記憶部
２２ｄ 通信ユニット
２２ｅ 記憶部
２２ｆ 選択部
２２ｇ 距離計測部
２２ｈ 距離算出部
２２ｉ 演算部
２２ｊ 特定部
３０ スペース
５１ ユーザ

Claims (12)

1. 所定の範囲に存在する通信端末と、複数の基準位置との間の距離に基づいて、前記通信端末の位置を特定するための位置特定方法であって、
   前記基準位置にそれぞれ配置された基準端末と、前記通信端末との通信結果に基づいて、前記通信端末と前記基準端末との間の第１距離を計測する工程と、
   前記通信端末の、前記所定の範囲における仮定の位置を順次決定する工程と、
   前記基準端末と前記仮定の位置との間の第２距離を順次算出する工程と、
   前記第１距離と前記第２距離との差が、所定の閾値よりも大きい場合に、ほぼ零となる値を出力し、それ以外の場合に、前記差に応じた値を出力する評価関数を用いた演算を行う工程と、
   前記演算により、前記基準端末毎に算出された前記値の合計が最も大きいときの、前記仮定の位置を前記通信端末の位置として特定する工程と、
   を含む位置特定方法。
2. 複数ある前記通信端末から、前記基準端末となる前記通信端末を選択する工程と、
   前記基準端末が位置するところを前記基準位置に設定する工程と、
   を更に含む請求項１に記載の位置特定方法。
3. 位置が特定された前記通信端末を、前記基準端末に設定する工程を更に含む請求項２に記載の位置特定方法。
4. 前記評価関数は、前記第１距離と前記第２距離との前記差を変数とする確率分布の確率密度関数である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の位置特定方法。
5. 前記確率密度関数は、前記第１距離の誤差が正規分布であるとするときの関数である請求項４に記載の位置特定方法。
6. 前記確率密度関数は、算出された前記第１距離の誤差の分布に基づく関数である請求項４に記載の位置特定方法。
7. 前記通信端末は、ウルトラワイドバンド方式の通信を行う請求項１乃至６のいずれか一項に記載の位置特定方法。
8. 前記第１距離は、前記基準端末及び前記通信端末のうちの一方から発信された電波が、他方へ到達するまでの時間に基づいて算出される請求項１乃至７のいずれか一項に記載の位置特定方法。
9. 前記第１距離は、前記基準端末及び前記通信端末のうちの一方から発信された電波の強度と、他方に到達した前記電波の強度との差に基づいて算出される請求項１乃至７のいずれか一項に記載の位置特定方法。
10. 基準位置に配置された基準端末と、
    所定の範囲に存在し、前記基準端末と無線通信を行う通信端末と、
    前記基準端末と、前記通信端末との通信結果に基づいて、前記通信端末と前記基準端末との間の第１距離を計測する距離計測手段と、
    前記通信端末の、前記所定の範囲における仮定の位置を順次決定し、前記基準端末と前記仮定の位置との間の第２距離を順次算出する距離算出手段と、
    前記第１距離と前記第２距離との差が、所定の閾値よりも大きい場合に、ほぼ零となる値を出力し、それ以外の場合に、前記差に応じた値を出力する評価関数を用いた演算を行う演算手段と、
    前記演算により、前記基準端末毎に算出された前記値の合計が最も大きいときの、前記仮定の位置を前記通信端末の位置として特定する位置特定手段と、
    を備える測位システム。
11. 所定の範囲に存在し、相互に通信を行う複数の通信端末と、
    複数の前記通信端末のなかから、複数の前記通信端末の相対位置を特定するための基準となる前記通信端末を、基準端末として選択する選択手段と、
    前記基準端末と、前記基準端末以外の前記通信端末との通信結果に基づいて、前記基準端末と、前記基準端末以外の前記通信端末との間の第１距離を計測する距離計測手段と、
    前記基準端末以外の前記通信端末の、前記所定の範囲における仮定の位置を順次決定し、前記基準端末と前記仮定の位置との間の第２距離を順次算出する距離算出手段と、
    前記第１距離と前記第２距離との差が、所定の閾値よりも大きい場合に、ほぼ零となる値を出力し、それ以外の場合に、前記差に応じた値を出力する評価関数を用いた演算を行う演算手段と、
    前記演算により、前記基準端末毎に算出された前記値の合計が最も大きいときの、前記仮定の位置を前記通信端末の位置として特定する位置特定手段と、
    を備える測位システム。
12. コンピュータに、
    基準位置にそれぞれ配置された基準端末と、通信端末との通信結果に基づいて、前記通信端末と前記基準端末との間の第１距離を算出する手順と、
    前記通信端末の、前記所定の範囲における仮定の位置を順次決定する手順と、
    前記基準端末の位置と、前記仮定の位置との間の第２距離を順次算出する手順と、
    前記第１距離と前記第２距離との差が、所定の閾値よりも大きい場合に、ほぼ零となる値を出力し、それ以外の場合に、前記差に応じた値を出力する評価関数を用いた演算を行う手順と、
    前記演算により、前記基準端末毎に算出された前記値の合計が最も大きいときの、前記仮定の位置を前記通信端末の位置として特定する手順と、
    を実行させるためのプログラム。

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