JP6031104B2 - 携帯装置の方位を決定するコンセプト - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、携帯装置の方位を決定するコンセプトに関する。本発明のいくつかの実施の形態は、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）姿勢位置追跡のためのコンセプトに関する。

最新のスマートフォンには、種々のセンサが備えられている。測位のため、通信衛星の受信機、ＧＳＭ（登録商標：Ｇｒｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）モジュール、および、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）モジュールを用いることができる。これらに基づいて、歩行者ナビゲーションに対する新規で安価な取り組みを提案することができる。これは、タクシーを呼ぶことから、催し物の検索、都市および博物館の案内まで、歩行者のための新しいタイプの位置情報サービスを可能とする。

ナビゲーションの第一の選択肢は、通常、全地球位測位網（ＧＰＳ）である。しかしながら、都市および屋内の環境でＧＰＳの精度および有効性が欠けていることは、広く知られている問題である。スマートフォンで広く用いられている補助ＧＰＳ（Ａ−ＧＰＳ）を利用することで、最初のＧＰＳ位置の特定までの起動時間、および電力消費を削減することができる。しかし、信号が検出には弱すぎる場合、測位は失敗する。さらに、屋外では、装置の水平姿勢が電子コンパスを使うことで容易に検出できるが、屋内では、磁気擾乱がコンパス出力を信頼できないものとしてしまう。

屋内環境における代替または補完的な解決策として、非特許文献１は、Ｗｉ−Ｆｉ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｗｉ−ｆｉ．ｏｒｇ／参照、Ｗｉ−Ｆｉは、Ｗｉ−Ｆｉ Ａｌｌｉａｎｃｅ（２００３）の登録商標である）ネットワークにおける受信信号強度（ＲＳＳ）に基づく測位アプローチを提案している。近年、公的および私的なアクセスポイントの数の増加により、Ｗｉ−Ｆｉ測位は歩行者ナビゲーションにおいてより魅力的なものとなってきており（非特許文献２）、すでに多くのスマートフォンに組み込まれている。

歩行者の追跡において残されている課題のひとつは、人の向きを推定することである。歩行者は、非常にゆっくりと移動し、その位置を変えることなくいつでも方向を変えることができる。そのため、連続した位置から計算される歩行者の速度ベクトルの精度は、非常に低いものとなる。測位精度は、Ｗｉ−Ｆｉと、非特許文献３、４に提案されている低コストのセンサを用いた推測航法と、を組み合わせることで改善することができる。歩行者用には、非特許文献５で分析されているように、推測航法を歩幅検出により改善することができる。しかしながら、姿勢の推定は、いまだ課題となっている。

さらに、非特許文献６，７では、建物内の物体および人の位置の決定に特有の問題が検討されている。それによると、低コストのアプローチは、現在広く展開されている無線ＬＡＮ次第である。

Ｗｉ−Ｆｉ測位方法は、２つのグループに分けられる。第１のグループは、既知のＷｉ−Ｆｉアクセスポイントの位置および信号強度のデータベースを必要とし（例えば、非特許文献８，９参照）、第２のグループは、フィンガープリントと呼ばれるデータベースを必要とする（例えば、非特許文献１０〜１５参照）。

フィンガープリンティング・データベースは、前もって取得されたＲＳＳ測定結果により作成される。そしてこれらは、これらが観測された位置の座標を用いて参照される。たとえば、１つのフィンガープリントは、ジオリファレンス位置、ＲＳＳ値、および受信したアクセスポイントに関連する識別子を含んでいる。測位のため、フィンガープリンティングは、現在のＲＳＳ測定結果をデータベース内のフィンガープリントのエントリに関連づけることで行われる。そして、一番合致しているフィンガープリントを選択したのち、ユーザの位置を、例えばこれらの相関の結果により重み付けされたフィンガープリント位置の平均値により、計算することができる。フィンガープリンティングについてのさらなる詳細については、非特許文献１６に記載がある。

各々の環境は、特有の信号伝搬を示す。特定の位置におけるＲＳＳは、経路損失（物体による遮蔽とマルチパス伝搬）に依存する。遮蔽物の密度が高いほど、異なるフィンガープリントの類似性が信号スペース内でより低下するため、Ｗｉ−Ｆｉ測位の精度がより高くなる。したがって、建造物の構造および備品によって、屋内Ｗｉ−Ｆｉ測位が良好に機能する。屋外、特に広い区画では、データベースの相関が曖昧なものとなる。

意味のあるＷｉ−Ｆｉ測位結果を得るために、実際には、少なくとも３つのアクセスポイントを観測する。都市環境におけるＷｉ−Ｆｉ測位の長所は、社会基盤がすでに構築されていることである。既存の私的および公的なアクセスポイントを使うことも可能である。しかしその一方、測位は時間経過による気づかれない変化の影響を受けるし、利用可能なアクセスポイントの数は、場所によって異なっている。データベースの変化の分析が、非特許文献１７に示されている。

非特許部文献１７，１８に報告されているように、測定結果を修正してフィンガープリンティング・データベースを構築するために、さまざまな方法が使用される。

図１は、フィンガープリンティング位置と、各位置において検出されたアクセスポイントの数と、を示す地理的地域を示す。測位のテストベッド（試験用プラットフォーム）として、フラウンホーファＩＩＳでは、ドイツのいくつかの主要都市の大都市圏（ベルリン、ハンブルグ、ニュルンベルグ、およびミュンヘンを含む）を用いている。図１において、ニュルンベルグの都心部をカバーするデータベースの一部が示されている。仮にもサービスエリア内であれは、平均で、ひとつのフィンガープリントが２１箇所のアクセスポイントを含んでいる。換言すると、図１は、ニュルンベルグにおいて、フラウンホーファＩＩＳ製Ａｗｉｌｏｃ（登録商標）のフィンガープリントティング・データベースから抽出され、ｏｐｅｎｓｔｒｅｅｔｍａｐｓ．ｏｒｇのｍａｐ上で視覚化された例を示す。ここで、ドットが、拡大して示すように、フィンガープリント位置と各位置で検出されたアクセスポイントの量とを表す。

Ｗｉ−Ｆｉ測位は、受信可能なアクセスポイントの密度が十分に高いことから、都市部での位置特定によく用いられている。特に屋内においてＷｉ−Ｆｉ測位は信頼できる位置特定結果を提供するが、屋内環境のための安価で信頼できる姿勢推定システムとはなっていない。建造物における強磁性材料は、磁石方位を不確実とするような大きい磁気擾乱を引き起こす。マイクロ・エレクトロメカニカル・システム（ＭＥＭＳ）に基づく慣性航法システム（ＩＮＳ）は、時間の経過に伴い、大きなドリフトエラーの影響を受けてしまう。この問題は、センサデータ融合（ｓｅｎｓｏｒ ｄａｔａ ｆｕｓｉｏｎ）により、一部解決することができる（非特許文献１９）。
特許文献１は、自動方向探知システムを示している。この自動方向探知システムは、方向探知アンテナ配列を備える。このアイテナ配列はラジオ受信機に接続され、音声出力信号を処理して、区画分けされた円形の視認円形表示装置のひとつの区画を選択的に光らせて、受信信号が到来した方向を示す。
特許文献２は、ラジオ方向探知システムを開示している。このシステムは、互いに所定の方向に配置される複数のアンテナを構成する固定アンテナ配列を備える。さらに、このシステムは、標本回路および保持回路を備え、少なくとも１つの電波によりそれぞれ対応するアンテナに誘起された電圧の大きさを表す信号を標本化して蓄える。これに加えて、このシステムは、信号プロセッサを備え、蓄えられた信号および各アンテナのアンテナ応答データを利用して、少なくともひとつの電波の波面の向きを決定する。
特許文献３は、アンテナ基本設計概念およびこれを用いた無線追尾装置を示している。このアンテナ構造は、基台と、複数のマイクロアンテナを備える。基台は、この基台の端部に隣接して設けられた複数のリフレクタを備える。複数のマイクロアンテナは、指定された地域内における無線通信信号を受信するために、対応する複数のリフレクタのそれぞれに隣接して、基台上に配置されている。この無線追尾機器は、アンテナ構造と、コンバータと、無線受信モジュールと、プロセッサと、を備える。コンバータは、受信した信号を処理するため、マイクロアンテナに結合される。無線受信モジュールは、受信した無線通信信号をディジタル信号に変換するため、コンバータに結合される。プロセッサは、ディジタルデータにより無線通信信号に対応する位置データを生成するため、無線受信モジュールに結合される。
特許文献４は、方向探知装置を示している。この方向探知装置は、無指向性受信素子と、方向性受信素子の配列と、配列内の２つの隣接するエレメントへの別別の接続に適した
２つのログ・ビデオ検出器と、無線周波数送信機の方位角データを含む信号を生成するための減算回路と、を備える。
特許文献５は、方向探知システムを開示している。このシステムは、共通の軸まわりに配置された１組の指向性アンテナと、各アンテナに結合され、アンテナに入射する信号から無線周波数信号を引き出す受信機と、受信機に結合され、無線周波数信号の少なくとも最大の者を選択して、後段の解析のための信号とするセレクタと、を備える。

ＵＳ ４,２１９,８２１ Ａ ＩＥ ９１２３９１ Ａ１ ＵＳ ２００７／０２２２６８５ Ａ１ ＥＰ ０００２０７６ Ａ１ ＤＥ ２２４３０４１ Ａ

Ｂａｈｌ， Ｐ．， Ｐａｄｍａｎａｂｈａｎ， Ｖ．： Ｒａｄａｒ： ａｎ ｉｎ−ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｒｆ−ｂａｓｅｄ ｕｓｅｒ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． Ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｎ ＩＮＦＯＣＯＭ ｔｈｅ １９ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｏｃｉｅｔｉｅｓ， Ｔｅｌ Ａｖｉｖ， Ｉｓｒａｅｌ （２０００） Ｍｅｙｅｒ， Ｓ．， Ｖａｕｐｅｌ， Ｔ．， Ｈａｉｍｅｒｌ， Ｓ．： Ｗｉ−ｆｉ ｃｏｖｅｒａｇｅ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｕｒｐｏｓｅｓ ｉｎ ｐｅｒｍａｎｅｎｔｌｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｕｒｂａｎ ａｒｅａｓ． Ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｎ ＩＡＤＩＳ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ， Ａｍｓｔｅｒｄａｍ， Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ （２００８） Ｓｅｉｔｚ， Ｊ．， Ｖａｕｐｅｌ， Ｔ．， Ｍｅｙｅｒ， Ｓ．， Ｇｕｔｉｅｒｒｅｚ Ｂｏｒｏｎａｔ， Ｊ．， Ｔｈｉｅｌｅｃｋｅ， Ｊ．： Ａ ｈｉｄｄｅｎ ｍａｒｋｏｖ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ， ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｎ ＷＰＮＣ ｔｈｅ ７ｔｈ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ， Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ， Ｄｒｅｓｄｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ （２０１０）； Ｓｅｉｔｚ， Ｊ．， Ｖａｕｐｅｌ， Ｔ．， Ｊａｈｎ， Ｊ．， Ｍｅｙｅｒ， Ｓ．， Ｇｕｔｉｅｒｒｅｚ Ｂｏｒｏｎａｔ， Ｊ．， Ｔｈｉｅｌｅｃｋｅ， Ｊ． Ａ ｈｉｄｄｅｎ ｍａｒｋｏｖ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｕｒｂａｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔｉｎｇ ａｎｄ ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｄｅａｄ ｒｅｃｋｏｎｉｎｇ， ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｎ ｔｈｅ １３ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｆｕｓｉｏｎ， Ｅｄｉｎｂｕｒｇｈ， Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ （２０１０）． Ｊａｈｎ， Ｊ．， Ｂａｔｚｅｒ， Ｕ．， Ｓｅｉｔｚ， Ｊ．， Ｐａｔｉｎｏ Ｓｔｕｄｅｎｃｋａ， Ｌ．， Ｇｕｔｉｅｒｒｅｚ Ｂｏｒｏｎａｔ， Ｊ．： Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｓｔｅｐ ｌｅｎｇｔｈ ｅｓｔｉｍａｔｏｒｓ ｆｏｒ ｈａｎｄｈｅｌｄ ｄｅｖｉｃｅｓ． Ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｎ ｔｈｅ １３ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｄｏｏｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｄｏｏｒ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ （ＩＰＩＮ）， Ｚｕｒｉｃｈ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ （２０１０） Ｗａｌｌｂａｕｍ， Ｍ．： Ｉｎｄｏｏｒ ｇｅｏｌｏｃａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｌｏｃａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋｓ． Ｐｈ．Ｄ． ｔｈｅｓｉｓ， Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ＲＷＴＨ Ａａｃｈｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （２００５） １７ Ｗｅｌｃｈ， Ｇ．， Ｂｉｓｈｏｐ， Ｇ．： Ａｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ． Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ ａｔ Ｃｈａｐｅｌ Ｈｉｌｌ， Ｃｈａｐｅｌ Ｈｉｌｌ， ＮＣ， ＵＳＡ （１９９５） Ｓｋｙｈｏｏｋ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ： ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｋｙｈｏｏｋｗｉｒｅｌｅｓｓ．ｃｏｍ Ｓｃｈｉｌｉｔ， Ｂ．， ＬａＭａｒｃａ， Ａ．， Ｂｏｒｒｉｅｌｌｏ， Ｇ．， Ｇｒｉｓｗｏｌｄ， Ｗ．， ＭｃＤｏｎａｌｄ， Ｄ．， Ｌａｚｏｗｓｋａ， Ｅ．， Ｂａｌａｃｈａｎｄｒａｎ， Ａ．， Ｈｏｎｇ， Ｊ．， Ｉｖｅｒｓｏｎ， Ｖ．： Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ： Ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ ｌｏｃａｔｉｏｎ−ａｗａｒｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｌａｃｅ ｌａｂ ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ． Ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｎ ｔｈｅ １ｓｔ ＡＣＭ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｏｂｉｌｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｓｅｒｖｉｃｅｓ ｏｎ ＷＬＡＮ ｈｏｔｓｐｏｔｓ， Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ， ＣＡ， ＵＳＡ （２００３） Ｂａｈｌ， Ｐ．， Ｐａｄｍａｎａｂｈａｎ， Ｖ．： Ｒａｄａｒ： ａｎ ｉｎ−ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｒｆ−ｂａｓｅｄ ｕｓｅｒ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｎ ＩＮＦＯＣＯＭ ｔｈｅ １９ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｏｃｉｅｔｉｅｓ， Ｔｅｌ Ａｖｉｖ， Ｉｓｒａｅｌ （２０００）； Ｃａｓｔｒｏ， Ｐ．， Ｃｈｉｕ， Ｐ．， Ｋｒｅｍｅｎｅｋ， Ｔ．， Ｍｕｎｔｚ， Ｒ．： Ａ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃ ｒｏｏｍ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｓｅｒｖｉｃｅ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ， ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｎ ＵＢＩＣＯＭＰ ｔｈｅ ３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ， Ａｔｌａｎｔａ， ＧＡ， ＵＳＡ． Ｓｐｒｉｎｇｅｒ （２００１）； Ｈａｅｂｅｒｌｅｎ， Ａ．， Ｆｌａｎｎｅｒｙ， Ｅ．， Ｌａｄｄ， Ａ．， Ｒｕｄｙｓ， Ａ．， Ｗａｌｌａｃｈ， Ｄ．， Ｋａｖｒａｋｉ， Ｌ．： Ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｒｏｂｕｓｔ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｖｅｒ ｌａｒｇｅ−ｓｃａｌｅ ８０２．１１ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋｓ， ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｎ ＭｏｂｉＣｏｍ ｔｈｅ １０ｔｈ ａｎｎｕａｌ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ， Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ， ＰＡ， ＵＳＡ （２００４）； Ｉｂａｃｈ， Ｐ．， Ｈｂｎｅｒ， Ｔ．， Ｓｃｈｗｅｉｇｅｒｔ， Ｍ．： Ｍａｇｉｃｍａｐ−ｋｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓｂｅｓｔｉｍｍｕｎｇ ｂｅｒ ｗｌａｎ， ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｈａｏｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ， Ｂｅｒｌｉｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ （２００４）； Ｔｅｕｂｅｒ， Ａ．， Ｅｉｓｓｆｅｌｌｅｒ， Ｂ．： Ｗｌａｎ ｉｎｄｏｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｕｃｌｉｄｅａｎ ｄｉｓｔａｎｃｅｓ ａｎｄ ｆｕｚｚｙ ｌｏｇｉｃ， Ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｎ ＷＰＮＣ ｔｈｅ ３ｒｄ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ， Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ， Ｈａｎｎｏｖｅｒ， Ｇｅｒｍａｎｙ （２００６） Ｙｏｕｓｓｅｆ， Ｍ．， Ａｇｒａｗａｌａ， Ａ．： Ｔｈｅ ｈｏｒｕｓ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ， Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ １４（３）， ３５７−３７４ （２００８）． Ｂａｈｌ， Ｐ．， Ｐａｄｍａｎａｂｈａｎ， Ｖ．： Ｒａｄａｒ： ａｎ ｉｎ−ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｒｆ−ｂａｓｅｄ ｕｓｅｒ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｎ ＩＮＦＯＣＯＭ ｔｈｅ １９ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｏｃｉｅｔｉｅｓ， Ｔｅｌ Ａｖｉｖ， Ｉｓｒａｅｌ （２０００） Ｍｅｙｅｒ， Ｓ．， Ｖａｕｐｅｌ， Ｔ．， Ｈａｉｍｅｒｌ， Ｓ．： Ｗｉ−ｆｉ ｃｏｖｅｒａｇｅ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｕｒｐｏｓｅｓ ｉｎ ｐｅｒｍａｎｅｎｔｌｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｕｒｂａｎ ａｒｅａｓ． Ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｎ ＩＡＤＩＳ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ， Ａｍｓｔｅｒｄａｍ， Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ （２００８）． Ｖａｕｐｅｌ， Ｔ．， Ｓｅｉｔｚ， Ｊ．， Ｋｉｅｆｅｒ， Ｆ．， Ｈａｉｍｅｒｌ， Ｓ．， Ｔｈｉｅｌｅｃｋｅ， Ｊ．： Ｗｉ−ｆｉ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ： Ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ， ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｎ ｔｈｅ １３ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｄｏｏｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｄｏｏｒ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ （ＩＰＩＮ）， Ｚｕｒｉｃｈ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ （２０１０） Ｋｒａｆｔ， Ｅ．： Ａ ｑｕａｔｅｒｎｉｏｎ−ｂａｓｅｄ ｕｎｓｃｅｎｔｅｄ ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ ｆｏｒ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ． Ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｎ ｔｈｅ ６ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｆｕｓｉｏｎ， Ｃａｉｒｎｓ， Ｑｕｅｅｎｓｌａｎｄ， Ａｕｓｔｒａｌｉａ （２００３） Ｗｅｌｃｈ， Ｇ．， Ｂｉｓｈｏｐ， Ｇ．： Ａｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ ａｔ Ｃｈａｐｅｌ Ｈｉｌｌ， Ｃｈａｐｅｌ Ｈｉｌｌ， ＮＣ， ＵＳＡ （１９９５）

本発明の目的は、装置の方向を決定するための改善されたコンセプトを提供することにある。

この目的は、請求項１に記載の装置、請求項１２に記載の装置の操作方法、および請求項１３に記載のコンピュータプログラムにより解決される。

本発明の実施の形態は、受信機および方位決定部からなる携帯装置を提供する。受信機は据置型送信機からの信号を受信する複数のアンテナを備える。この複数のアンテナの各アンテナは、異なる受信方向を有するように配置されている。受信機は、複数の検出信号強度を得るために、各アンテナで受信された信号の信号強度を検出する。方位決定部は、複数の検出信号強度に基づいて、据置型送信機に応じた携帯装置の方位を決定する。

本発明のコンセプトによれば、据置型送信機の信号は、複数のアンテナで受信される。複数のアンテナは、異なる受信方向を有するように配置されているので、複数のアンテナにおける各アンテナは、受信機により測定や検出が可能な特有のまたは異なる信号強度を持つ信号を受信する。これにより、送信機に応じた携帯装置の方位を、複数の検出信号強度に基づき、方位決定部により決定することができる。

本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は、フィンガープリンティング位置、および各位置において検出されたアクセスポイントの数を示す地理的地域の表示を示す。 図２は、本発明の実施の形態に係る携帯装置のブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る、少なくとも３つの据置型送信機のある環境における、図２に示す携帯装置のブロック図である。 図４は、４つの方向性アンテナからなるアンテナ組立体１０６で検出されたＲＳＳ測定値を用いた繰り返し姿勢および位置推定プロセスの説明図である。 図５ａは、本発明の実施の形態に係る据置型送信機に応じた４つのアンテナの方位の説明図である。 図５ｂは、図５ａに示す４つのアンテナで測定されシミュレートされたアンテナゲインの極座標図である。 図６ａは、４つのアクセスポイントでシミュレートされた地域（灰色の点）と、姿勢の参照経路（灰色の矢印）と、標準的なＷｉ−Ｆｉ測位結果（円）と、のレイアウトを示す。 図６ｂは、４つのアクセスポイントでシミュレートされた地域（灰色の点）と、姿勢の参照経路（灰色の矢印）と、本発明のコンセプトによる姿勢と位置追跡（黒い矢印）を用いた結果と、のレイアウトを示す。 図７ａは、無指向性ＲＳＳ変動に応じた絶対姿勢誤差を表す図である。 図７ｂは、無指向性ＲＳＳ変動に応じた測位誤差を表す図である。 図７ｃは、指向性ＲＳＳ変動に応じた絶対姿勢誤差を表す図である。 図７ｄは、指向性ＲＳＳ変動に応じた測位誤差を表す図である。 図８ａは、４つのアクセスポイントのある部屋（灰色の点）と、姿勢の参照経路（灰色の矢印）と、標準的なＷｉ−Ｆｉ測位の実験結果（円）と、のレイアウトを示す。 図８ｂは、４つのアクセスポイントのある部屋（灰色の点）と、姿勢の参照経路（灰色の矢印）と、本発明のコンセプトにより実験した姿勢および位置の推定（黒い矢印）と、のレイアウトを示す。 図９ａは、図８ｂに示す姿勢推定の実験の姿勢誤差を測定番号の関数として示す図である。 図９ｂは、図８ｂに示す位置推定の実験の測位誤差を測定番号の関数として示す図である。

同一または同等の要素、あるいは、同一または同等の機能性は、以下の記述では、同一または同等の参照番号で示す。

以下の記述において、詳細の大半は、本発明の実施の形態のより包括的な説明を提供するために記載している。しかし、本発明がこれらの特定の詳細なしでも実施できることは、当業者にとって明らかである。その他の実施の形態中において、公知の構造および装置は、本発明の実施の形態が不明瞭になることを避けるために、詳細であるよりはむしろ、ブロック図形式で表している。加えて、以下に述べられている異なる実施の形態の特徴は、特に注記のない限り、互いに組み合わせることができる。

図２は、本発明の実施の形態に係る携帯装置１００のブロック図を示す。携帯装置１００は、受信機１０２と、方位決定部１０４と、を備える。受信機１０２は、据置型送信機１１０からの信号１０８を受信する複数のアンテナ１０６−１〜１０６−ｎを有する。複数のアンテナ１０６−１〜１０６−ｎの各アンテナは、異なる受信方向を有するように配置されている。受信機１０２は、複数の検出信号強度を得るために、複数のアンテナ１０６−１〜１０６−ｎで受信した信号１０８の信号強度を検出する。方位決定部１０４は、複数の検出信号強度に基づいて、据置型送信機１１０に応じた携帯装置１００の方位１１２を決定する。

本発明のコンセプトによれば、据置型送信機１１０の信号１０８は、複数のアンテナ１０６−１〜１０６−ｎで受信される。複数のアンテナ１０６−１〜１０６−ｎは、異なる受信方向を有するように配置されているので、複数のアンテナ１０６−１〜１０６−ｎの各アンテナは、特徴的または異なる信号強度で信号１０８を受信し、その信号強度を携帯装置１００の受信機１０２で測定または検出できる。これにより、送信機１１０に応じた携帯装置１００の方位が、複数の検出信号強度に基づいて、方位決定部１０４により決定できる。

実施の形態において、携帯装置１００の受信機１０２は、ｎ個までのアンテナ１０６−１〜０６−ｎを有することができる。ｎは、２以上の自然数である（ｎ≧２）。例えば、図２に示すように、受信機１０２は、２つのアンテナ１０６−１および１０６−ｎを有することができる（ｎ＝２）。さらに、図２において、携帯装置１００の受信機１０２を、３つのアンテナ１０６−１〜１０６−ｎを有する構成とすることもできる（ｎ＝３）。

図２に示すように、携帯装置１００の方位１１２を、記載上、矢印で表すことにする。携帯装置１００と据置型送信機１１０との間の関連方位は、図２に示されるように、角度φ_ｔｒで表される。

実施の形態において、複数のアンテナ１０６−１〜１０６−ｎは、受信方向が一平面内に並ぶように配置することができる。例えば、この一平面を、送信機１１０のアンテナの主送信方向に向けて並べるか、あるいは、平行となるように配置してもよい。

さらに、この一平面を、携帯装置１００の主表面と平行になるように配置してもよい。この主表面は、携帯装置１００のユーザに向けて通常操作のために割り当てられている。例えば、携帯装置１００は、携帯装置１００の（現在の）方位を表示する表示部を備えることができる。この場合、ユーザは、携帯装置１００を、通常は自身に対して表示が見えるように保持する。そこで、携帯装置１００の主表面を、表示部を含む面としてもよく、表示部そのものとしてもよい。あるいは、この一平面を、例えばユーザが方位を決定するために携帯装置１００を保持するときのような通常動作のとき、水平（重力ベクトルに対して垂直）またはほぼ水平となるように配置することもできる。

さらに、方位決定部１０４は、携帯装置１００の方位１１２が、携帯装置１００の水平方位が地球の重力ベクトルに対して垂直になるように、携帯装置１００の方位１１２を決定するように構成することができる。

当然のことながら、複数のアンテナ１０６−１〜１０６−ｎを有する受信機１０２は、ｉ個の据置型送信機からのｉ個の信号を受信する。ｉは、１と同じかそれ以上の自然数である（ｉ≧１）。以下では、携帯装置１００の機能を、少なくとも３つの据置型送信機のある環境における例により記述する。

図３は、本発明の実施の形態に係る、少なくとも３つの据置型送信機１１０−１〜１１０−ｉ（ｉ＝３）のある環境における、図２に示す携帯装置１００のブロック図である。複数のアンテナ１０６−１〜１０６−ｎを有する受信機１０２は、少なくとも３つの据置型送信機１１０−１〜１１０−ｉ（ｉ＝３）から、少なくとも３つの信号１０８−１〜１０８−ｉ（ｉ＝３）を受信する構成となっている。受信機１０２は、少なくとも３つの信号１０８−１〜１０８−ｉ（ｉ＝３）の各信号の複数の信号強度を得るため、複数のアンテナ１０６−１〜１０６−ｎを用いて、少なくとも３つの信号１０８−１〜１０８−ｉ（ｉ＝３）の信号強度を検出する構成となっている。そのため、方位決定部１０４は、少なくとも３つの信号１０８−１〜１０８−ｉ（ｉ＝３）の各信号の複数の検出信号強度に基づいて、少なくとも３つの据置型送信機１１０−１〜１１０−ｉ（ｉ＝３）に対する携帯装置１００の方位１１２を決定する。

図３に示すように、携帯装置１００の受信機１０２は、４つのアンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）を有することができる。この４つのアンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）は、４つのアンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）の受信方向が互いに直交するように配置することができる。さらに、この４つのアンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）は、４つのアンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）の受信方向を、すでに上述したように、一平面内に配置することができる。

したがって、図３に示す４つのアンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）を有する受信機１０２は、４つのアンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）を用いて、少なくとも３つの据置型送信機１１０−１〜１１０−ｉ（ｉ＝３）から受信した少なくとも３つの信号１０８−１〜１０８−ｉ（ｉ＝３）の信号強度を検出することができる。換言すれば、図３に示す携帯装置１００の受信機１０２は、据置型送信機１１０−１から受信した信号１０８−１の４つの信号強度と、据置型送信機１１０−２から受信した信号１０８−２の４つの信号強度と、据置型送信機１１０−３から受信した信号１０８−３の４つの信号強度と、を検出することができる。

図３に示す少なくとも３つの送信機１１０−１〜１１０−ｉ（ｉ＝３）は、Ｗｉ−Ｆｉアクセスポイントのような送受信機とすることができる。これにより、複数のアンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）を有する受信機１０２は、Ｗｉ−Ｆｉアクセスポイントとなる少なくとも３つの据置型送信機１１０−１〜１１０−ｉ（ｉ＝３）から、少なくとも３つの信号１０８−１〜１０８−ｉ（ｉ＝３）を受信するように構成される。この実施の形態において、Ｗｉ−Ｆｉとは、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、８０２．１１ｂ、８０２．１１ｃ、８０２．１１ｄ、８０２．１１ｅ、８０２．１１ｆ、８０２．１１ｇ、８０２．１１ｈ、８０２．１１ｉ、８０２．１１ｊ、８０２．１１ｎ、およびこれに類するＩＥＥＥ８０２．１１仕様の無線ローカルエリアネットワークをいう。

また、携帯装置１００はさらに、少なくとも３つの信号１０８−１〜１０８−ｉ（ｉ＝３）の各信号に対する複数の検出信号強度に基づいて、少なくとも３つのＷｉ−Ｆｉアクセスポイント１０−１〜１１０−ｉ（ｉ＝３）に対する携帯装置１００の位置を決定する位置決定部１１４を備える。

以下では、図３に示す携帯装置１００の実施例、すなわち、４つのアンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）を有する受信機１０２、方位決定部１０４、および位置決定部１１４を備える携帯装置１００について説明する。すなわち、以下では、本発明のコンセプトによる室内での姿勢（方位または指向）および位置の推定のアプローチを提示する。ここでは、追加のセンサは使用せず、特別なアンテナ組立体１０６のみを使用する。当然ながら、以下の記述は、図２に示す携帯装置１００にも適用可能である。

図４は、姿勢および位置の繰り返し推定プロセスを説明する図である。このプロセスでは、４つの指向性アンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）を有するアンテナ組立体１０６のＲＳＳ測定値を用いる。ＲＳＳ測定値は、水平に直交方向（受信方向）を向く４本の指向性アンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）の組立体１０６を用いて、同時に取得される。したがって、時間ｔにおけるＲＳＳ測定値ｒ_ｔ（ｘ，ｙ，φ）は、組立体１０６の位置（ｘ，ｙ）および姿勢角度φに依存する。これら測定値を用いて、最初に、組立体１０６の姿勢が推定される。次に、標準的な無指向性Ｗｉ−Ｆｉアンテナに対する対応するＲＳＳ値を計算する。さらに、上述の関連および／または先行技術で説明されているように、フィンガープリンティングを用いて位置が推定される。携帯装置１００の位置を決定するためにＷｉ−Ｆｉフィンガープリンティングを選択する理由は、フィンガープリンティングはアクセスポイントに基づく方法よりも高い精度を実現できることが報告されており、アクセスポイントの場所は一般には公表されていないからである。

送信機（アクセスポイント）１１０−１〜１１０−ｉまでの距離ｄ、姿勢φで受信されたｄＢ単位のＲＳＳ値Ｐ_Ｒｘ（ｄ，φ）は、以下のように表すことができる。

１つのＲＳＳ値が、指向性アンテナ１０６−１〜１０６−ｎごとに得られる。ＰＴｘ（ｄ０）は、受信機１０２への距離ｄ０で測定された参照信号強度である。次の項が経路損失で、ηは経路損失指数であり、ＧＲｘ（φ）はアンテナ利得である。最後の減数は、信号１０８の経路上のｋ個の異なる遮蔽物を表す。この遮蔽物は、等しい減衰ａｋをもつｎｋ個の物体にグループ分けされる。マルチパス伝搬は考慮しない。

図５ａは、本発明の実機の形態に係る据置型送信機１１０に対する４つのアンテナ１０６−１〜１０６−ｎの方位φを説明する図である。さらに、図５ａは、アンテナ組立体１０６と、アンテナ組立体１０６の姿勢φに対して相対的に時計廻りにφ_２=９０°回転した指向性アンテナ１０６−ｎ（ｎ＝２）に使用される角度との概略を示す。１つのアンテナ１０６−ｎの入射角φ_ｉは、参照方向に対する送信機１１０と受信機の位置の間の角度φ_ｔｒから、アンテナ組立体１０６の姿勢φと、信号を受信する組立体１０６の指向性アンテナ１０６−ｎの回転角度φ_ｎと、を減算したものである。

図５ｂは、図５ａにφｎ∈［０° ９０° １８０° ２７０°］で示された４つのアンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）について、測定およびシミュレートされたアンテナ利得の極座標図を示す。この図において、実線は測定されたアンテナゲインを示し、点線はシミュレートされたアンテナ利得を示す。換言すると、アンテナ組立体１０６の例として、図５ｂには、特殊な、小型のアンテナ組立体１０６の極座標図が、アンテナ利得の近似の結果と共に示されている。本発明のコンセプトによるアンテナ組立体１０６は、４つの双極子アンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）および移相器を基礎としている。組立体１０６の指向性利得Ｇ_Ｒｘ（φ）に近似させるために、極方程式を用いることができる。

Ａは等方性部分であり、Ｂはアンテナ１０６−１〜１０６−ｎのダイポール部分である。例えば、Ａ＝１およびＢ＝０なら無指向性アンテナ、Ａ＝０およびＢ＝１ならダイポール・アンテナとなる。以下に例示する実験で用いたアンテナ組立体１０６では、Ａ＝０．４４、Ｂ＝０．３４が最適である。

アンテナ組立体１０６の姿勢φを推定するために、指向性アンテナ１０６−１〜１０６−ｎにより取得されたＲＳＳ値の差が、拡張カルマンフィルタ（ＥＫＦ）内で使用される。ＥＫＦの解説は、非特許文献２０に記載されている。式（１）の絶対値に代えてこの差を用いることの主な利点は、参照信号強度、経路損失、および直線経路上の物体による減衰を、無視することができることである。

別の有益な効果は、ＲＳＳ値の差を用いることで、感度が向上することである。測定可能な範囲は、１７ｄＢ（図５ｂ）から３４ｄＢに増加する。このことは、１ｄＢのサンプル間隔のあるいはその倍数のＲＳＳ値を出力する商業的なＷｉ−Ｆｉカードとして、重要である。

提示された姿勢推定の時間更新において、姿勢の予測推定値（a priori estimate）

を計算する。このとき、２つの時間ステップ間において、変化はないと仮定する。共分散の予測推定値は、このとき、単純に、最後のステップからの更新（a posteriori）共分散に、プロセス雑音共分散を加えたものとなる。

ランダム変数ｗ_ｋは、正規確率分布ｐ（ｗ）∝Ｎ（０，Ｑ）で仮定されたプロセス雑音を表す。カルマンゲインＫｋは、以下で演算できる。

ここで、Ｒ_ｋは測定雑音共分散マトリックスであり、Ｈ_ｋは測定値の状態に関する。ＲＳＳ差を用いることで、差のそれぞれの対の相関を、Ｒ_ｋ内で考慮する必要がある。h_kは非線形関数であり、姿勢の予測値におけるｈ_ｋの導関数のヤコビ行列を演算することで線形化される。非線形測定式ｈ_ｋ（φ）は、６つの可能なＲＳＳ差から成り立つ。ベクトルｖ_ｋは、ｐ（ｖ）∝Ｎ（０，Ｒ）で仮定される測定雑音を表す。

最後に、測定の更新において、更新された状態

および共分散Ｐ_ｋは、測定ベクトルｚ_ｋ内の測定されたＲＳＳの差を用いて計算される。

提示されたＥＫＦにおいて、１つの反復ステップは、検出されたアクセスポイント１１０−１〜１１０−ｉの各々に対して、測定されたｒ_ｔの各々を用いて実行される。そうして、１以上の反復ステップが、時間ステップごとに実行される。実際のところ、これは、１つのステップにおいて検出されたすべてのアクセスポイント１１０−１〜１１０−ｉを使用するより、良好な成績を示した。

通常、フィンガープリンティング・データベースは、無指向性Ｗｉ−Ｆｉアンテナ１０６−１〜１０６−ｎを用いて取得される。それゆえ、一般的あるいは公知のフィンガープリンティング・データベースを用いることができるように、仮想無指向性アンテナに対する等価ｒ_ｔベクトルを演算することができる。アクセスポイントｉに対するｒ_ｔ，ｉは、４つの指向性アンテナのすべての結果に対して、推定された姿勢φを用いて、次のように計算される。

最後に、位置［ｘ，ｙ］が、上述の関連および／または先行技術で説明されているように、フィンガープリンティングを用いて計算される。

以下に、本発明のコンセプトに係る姿勢および位置推定のシミュレーション結果を、標準的なＷｉ−Ｆｉ測位シミュレーション結果と比較する。そして、携帯装置１００の性能を評価し、測定されたＲＳＳ値がデータベースエントリからずれた場合の測位誤差を分析する。シミュレーションのために、１ｍの間隔の標準グリッドを有するデータベースを用いる。

図６ａおよび図６ｂに、グリッドのサイズおよび４つのアクセスポイント１１０−１〜１１０−４の位置を示す。さらに、４つの追加のアクセスポイントが、シミュレーションされた部屋の端部から１０ｍ離れて配置されている。無指向性アンテナ（Ｇ_Ｒｘ（φ）＝０）に対してではなく、各グリッド位置および各アクセスポイント１１０−１〜１１０−ｉに対して、フィンガープリンティング・データベースを構築するために、式（１）にしたがって、Ｐ_Ｒｘ（ｄ）を計算する。

ひとつのシミュレーション経路は、図６ａおよび図６ｂで示すように、４５個のＲＳＳ測定値ｒ_ｔ（ｗ，ｙ，φ）に分割される。このシミュレーション経路は、位置［５，５］で始まり、灰色の矢印に沿って［５，２５］まで行く。角では、人が博物館で異なる物体に目を向けていることをシミュレーションするために、姿勢が９０°回転している。最後に、この経路は、開始位置で終わる。ＲＳＳ測定値をシミュレーションするために、データベースのエントリに、２つの方法で摂動を与える。第１に、各アクセスポイント１１０−１〜１１０−ｉのＲＳＳ変動を、データベースのエントリにランダム雑音を加えることにより生成する。

これらのＲＳＳ変動ｖ_０は、すべてアンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）に同様の影響を及ぼす。したがって、これらのＲＳＳ変動ｖ_０を、無指向性ＲＳＳ変動という。現実には、これは、環境の変化を意味する。ＲＳＳ変動は局所的であるが、測定値間の局所相関についてはこれでと説明できない。

第２に、方向性ＲＳＳ変動を、４方向φ_ｄからのランダム雑音でシミュレートする。4方向（受信方向）としたのは、単純のためである。方向性ＲＳＳ変動は、小さな環境変動によって生じ、信号伝搬路のごく一部に影響を及ぼす。無指向性アンテナに対し、これらの４方向の変動を付加的に重畳する。

各方向性アンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）に対して、ＲＳＳ変動を、方向性雑音を加えて計算し、式（３）を用いてモデル化する。

図６ａに、無指向性アンテナを用いる標準的Ｗｉ−Ｆｉ測位について行ったひとつのシミュレーションの結果（丸）を、参照経路および参照姿勢（灰色の矢印）と共に示す。図６ａに示すように、測位結果は、経路の廻りに分布している。図６ｂに、４本の指向性アンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）を有し、σ_ｏ＝１ｄＢ，σ_ｄ＝１ｄＢの組立体１０６を用いた、新たな姿勢および位置の追跡の結果（黒い矢印）を示す。

確率論的なＲＳＳ変動を加えたより一般な結果を得るために、経路の処理を、同じσ_ｏまたはσ_ｄの値を用いて２０回繰り返すことができる。σ_ｏおよびσ_ｄの影響を別々に検討し、他のパラメータは零に設定する。

図７ａに、種々のσ_ｏ値に対する姿勢推定結果を示し、図７ｃに、種々のσ_ｄ値に対する姿勢推定結果を示す。対応する測位結果を図７ｂおよび図７ｄに示し、比較のために、標準的Ｗｉ−Ｆｉ測位の結果を共に示す。

種々のσ_ｏに対して、測位結果はほぼ同じであり、姿勢誤差は非常に小さい。姿勢誤差は、σ_ｏが大きいと増加する。その理由は、送受信機の位置φ_ｔｒとの角度計算の誤差が、測位誤差の増加と共に増加するからである。

一方、図７ｃおよび図７ｄに示す方向性ＲＳＳ変動σ_ｄについては、姿勢推定誤差が大きい。とはいえ、すべての誤差の９５％以上は３０°以下である。したがって、方向性ＲＳＳ変動は、姿勢推定により大きな影響をもつ。

一方、新規のアプローチを用いる場合の測位誤差は、標準的なフィンガープリンティングのほぼ半分である。その理由は、方向性アンテナ１０６−１〜１０６−ｎで測定されたＲＳＳ値が方向性雑音による同等の影響を受けているわけではないので、式（１１）から得られる仮想的な無指向性ＲＳＳ値が、より正確だからである。そして、ＥＫＦは、測定値をフィルタし、良好な姿勢候補を推定する。したがって、姿勢および位置の推定のために提示されたアプローチは、方向性ＲＳＳ変動により強固である。

以下では、本発明のコンセプトに係る携帯装置１００を用いた姿勢および位置推定の実験結果を説明する。すなわち、独創的なコンセプトの実データを用いた証明について説明する。データは、ニュルンベルグの“Ｍｕｓｅｕｍ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｋｕｌｔｕｒ”で収集した。上述したシミュレーションから得られた結果を、実験的な設定で得られた結果と比較する。ＲＳＳ測定値を、無指向性アンテナと指向性アンテナを用い、博物館の特別展示用の部屋の４５地点で収集した。

図３、図４および図５ａに示す４本の方向性アンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）を有する特製アンテナ組立体はまだＷｉ−Ｆｉ送信用になっていないので、市販の方向性アンテナ（ＷｉＭｏ Ａｎｔｅｎｎｅｎ ｕｎｄ Ｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋ ＧｍｂＨ製ＰＡ−２４０８Ａパッチアンテナ：２．４ＧＨｚ ｗａｖｅｌａｎアンテナ８ｄｂｉ、ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｗｉｍｏ．ｃｏｍ）を使用した。各測定位置において、このアンテナを手動で回転させた。最初に、フィンガープリンティング・データベース用のデータを、無指向性アンテナを用いたそれぞれの位置で収集した。次に、ＲＳＳ測定を、図８ａおよび図８ｂに示すように、経路上の３３か所の位置で、両方のアンテナで実行した。ここでは、標準的なＷｉ−Ｆｉアンテナ測位に対する無指向性測定値を使用した。図８ａに、標準的なＷｉ−Ｆｉフィンガープリンティングを用いた測位結果を示す。試験の設定があまり遮蔽物のない単一の部屋であり、Ｗｉ−Ｆｉ測位には困難な場所であるため、測位誤差は、シミュレーションによる得られた図６ａよりも大きい。方向性アンテナ１０６−１〜１０６−ｎのＲＳＳ測定値を用いて、ＥＫＦによる姿勢推定をテストした。１回の行動の姿勢推定結果を図８ｂに示す。また、対応する姿勢および測位誤差を、図９ａおよび図９ｂにそれぞれ示す。ここで、図９ａは、ＥＫＦを用いた２つの測定行動に対する絶対姿勢誤差（実線）および平均絶対姿勢誤差（点線）を度で示す。図９ｂは、標準的なＷｉ−Ｆｉ測位を用いた場合の対応する測位誤差（実線）および平均測位誤差（点線）を示す。

ここで留意すべきことは、姿勢および位置の推定が別々に行われたことである。姿勢推定のため、推定された位置の代わりに参照位置を用いてφ_ｔｒを計算した。このため、図８ｂで姿勢を表す矢印は、参照位置のものである。

実験的な設定を用いたこの最初のテストにおいて、絶対姿勢誤差は５０°より小さく、平均値は２０°より小さかった。これは、博物館の来館者が展示物を容易に見つけるのに十分に有望である。Ｗｉ−Ｆｉ測位の誤差は、平均誤差２．３ｍという屋内環境に典型的なものである。

本発明の実施の形態は、屋内環境でのＷｉ−Ｆｉ測位の技術水準を拡張するものである。ＲＳＳ測定値は、特定のアンテナ組立体１０６の４本の方向性アンテナ１０６−１〜１０６−ｎを用いて、同時に取得される。強固な姿勢推定のため、拡張カルマンフィルタを用いることができる。測位のため、標準的なＷｉ−Ｆｉフィンガープリンティングを、既存のフィンガープリンティング・データベースで用いることができる。

シミュレーション結果は、新規なアプローチを用いて、測位の正確さが方向性ＲＳＳ変動の存在下で改善されることを実証している。これは、位置追跡におけるより高い強固性に導く。大きなＲＳＳ変動があっても、絶対姿勢誤差の平均値は１０°より小さく、測位誤差は５mより小さかった。博物館内でのテストは、本発明に係るコンセプトの実現可能性を裏付けた。このケースでは、絶対姿勢誤差の平均は２０°以下であった。

屋内環境における姿勢と位置追跡のために提示されたアプローチは、電子博物館案内の自動化に向けたものである。さらに、本発明に係るアプローチは、歩行者ナビゲーションに対する既存の移動モデルおよび確率論的コンセプトを組み合わせることができ、例えば隠れマルコフモデルを用いて、姿勢および位置追跡の精度を高めることができる。

本発明の実施の形態は、屋内環境における歩行者ナビゲーションへのアプローチを提供する。それは、処理能力が低く低コストのセンサを用いた携帯プラットフォームに向けたものである。そこで、４本の水平に配置された指向性アンテナ１０６−１〜１０６−ｎ（ｎ＝４）を用いて、範囲内の送信機（アクセスポイント）１１０−１〜１１０−ｉのＷｉ−Ｆｉ信号強度を収集する。姿勢推定のために拡張カルマンフィルタを用い、位置追跡のためにＷｉ−Ｆｉフィンガープリンティングを用いることができる。このアプローチを用いて、例えば博物館のような屋内環境において、携帯装置１００の姿勢を推定することができ、位置を追跡することができる。これは、拡張現実によって視界内の展示物に付加的な情報を提供する電子ガイドの使用を可能にする。

本発明に係る実施の形態は、無線通信網と指向性アンテナ１０６−１〜１０６−ｎの信号強度測定値を用いて、方位と位置の同時推定を作り出す。

本発明に係る実施の形態は、信号強度に基づいて、方位と位置の推定を作り出す。

いくつかの実施の形態では、無線通信網の複数の送信機１１０−１〜１１０−ｉからの信号１０８−１〜１０８−ｉの信号強度を、受信機１０２の複数の指向性アンテナ１０６−１〜１０６−ｎを用いて、可能な限り同時に（あるいは、同時期に）測定する。これとは別に、それぞれの送信機の信号を、指向性アンテナを用いる複数の受信機により記録（または受信）することができる。これとともに、受信機の方位および位置を、同時に推定する。付随的情報項目として、いくつかの据置型通信相手の位置、双方向特性および指向性アンテナの配置が、この推定方法を支援し、その品質を改善する。

本発明に係るいくつかの実施の形態は、無線ローカルエリアネットワークの測位（ＷＬＡＮ測位）で利用することができる。

本発明のさらなる実施の形態は、携帯装置の操作の方法を提供する。この方法は、据置型送信機からの信号を、各アンテナが異なる受信方向を向いて配置された複数のアンテナを有する受信機で受信するステップと、複数の検出信号強度を得るために、各アンテナで受信した信号の信号強度を検出するステップと、複数の検出信号強度に基づいて、携帯装置の据置型送信機に対する方位を決定するステップと、を有する。

当然ながら、携帯装置１００の方位を決定する上述のコンセプトは、据置型装置の据置型送信機および／または携帯送信機に対する方位の決定にも利用することができる。

したがって、本発明のさらなる実施の形態は、受信機および方位決定部からなる据置型装置を提供する。受信機は、送信機（例えば、据置型送信機および／または携帯型送信機）からの信号を受信する複数のアンテナを有する。複数のアンテナの各アンテナは、複数の検出信号強度を得るために、受信した信号の信号強度を検出するように配置されている。方位決定部は、複数の検出信号強度に基づいて、送信機に応じて据置型装置の方位を決定する。

いくつかの態様を装置として記載したが、明らかに、これらの態様を対応する方法の記述、すなわちブロックまたは装置が方法ステップまたは方法ステップの特徴に対応する記述で表現することができる。同様に、方法ステップとして記述された態様もまた、対応するブロックまたは項目、あるいは対応する装置の特徴の記述で表現することができる。

実現要求によっては、本発明の実施の形態を、ハードウェアまたはソフトアェアで実現することもできる。この実現は、電子的に読み取り可能な制御信号であって、プログラム可能なコンピュータシステムと協働して（または協働できて）対応する方法を実行する制御信号を記憶するディジタル記憶媒体、例えばフレキシブルディスク、ＤＶＤ、ブルーレイ（登録商標）、ＣＤ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）、あるいはフラッシュメモリを用いることで行われる。

本発明に係るいくつかの実施の形態は、電子的に読み込み可能であって、プログラム可能なコンピュータシステムと協働して、ここに記述した方法のひとつを実行する電子的に読み取り可能な制御信号を有するデータ担体を含む。

一般に、本発明の実施の形態は、プログラムコードを有するコンピュータプログラム製品として実現され、そのプログラムコードは、そのコンピュータプログラム製品がコンピュータ上で稼働するときに、方法のひとつを実行するように作動する。プログラムコードは、例えば、機械読み取り可能な担体に蓄えられる。

他の実施の形態は、ここに記述した方法のひとつを実行するための、機械読み取り可能な担体に蓄えられるコンピュータプログラムを含む。

換言すると、本発明の方法の実施の形態はコンピュータプログラムであり、このコンピュータプログラムは、コンピュータ上で稼働するときに、ここに記述した方法のひとつを実行するためのプログラムコードを有する。

本発明の方法のさらなる実施の形態は、データ単体（またはディジタル記憶媒体、またはコンピュータ読み取り可能な媒体）であり、このデータ単体に記録された、ここに騎士月した方法のひとつを実行するコンピュータプログラムを含む。

本発明の方法のさらなる実施の形態は、ここに記述した方法のひとつを実行するコンピュータプログラムを表現するデータストリームまたは一連の信号である。このデータストリームまたは一連の信号は、例えば、インターネットを経由するようなデータ通信接続を介して転送されるように構成される。

さらなる実施の形態は、ここに記述した方法のひとつ実行するように構成された、または適合された処理手段、例えばコンピュータ、またはプログラム可能な論理デバイスを含む。

さらなる実施の形態は、ここに記述した方法のひとつを実行するコンピュータプログラムを格納したコンピュータを含む。

いくつかの実施の形態では、ここに記述した方法のいくつかまたはすべてを実行するプログラム可能な論理デバイス（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ）を用いてもよい。いくつかの実施の形態では、フィールドプログラマブルゲートアレイが、ここに記述した方法のひとつを実行するため、マイクロプロセッサと協働してもよい。一般的に、本発明の方法は、望ましくは、どのようなハードウェア装置でも実施される。

上述した実施の形態は、単に、本発明の本質を説明するものである。ここで詳細に記述した構成および詳細の変更および変形は、他の当業者にとって明らかであると理解される。したがって、ここで意図しているのは、添付の特許請求の範囲のみにより限定され、ここで示した実施の形態の記載および説明によって提示した特定の詳細により限定されるものではないことである。

Claims (10)

1. 少なくとも３つのＷｉ−Ｆｉアクセスポイント（１１０−１〜１１０−ｉ）から少なくとも３つの信号（１０８−１〜１０８−ｎ）を受信する複数の指向性アンテナ（１０６−１〜１０６−ｎ）を有し、前記複数の指向性アンテナ（１０６−１〜１０６−ｎ）の各アンテナが異なる受信方向に向けて配置され、前記少なくとも３つの信号（１０８−１〜１０８−ｉ）の各信号に対して複数の検出信号強度を得るために、各アンテナで受信された前記少なくとも３つの信号（１０８−１〜１０８−ｉ）の信号強度を検出する受信機（１０２）と、
   前記少なくとも３つの信号（１０８−１〜１０８−ｉ）の各信号に対する前記複数の検出信号強度に基づいて、前記少なくとも３つのＷｉ−Ｆｉアクセスポイント（１１０−１〜１１０−ｉ）に対する自装置（１００）の方位（１１２）を決定する方位決定部（１０４）と、
   前記少なくとも３つの信号（１０８−１〜１０８−ｉ）の各信号に対する前記複数の検出信号強度およびＷｉ−Ｆｉフィンガープリンティング・データに基づいて、前記少なくとも３つのＷｉ−Ｆｉアクセスポイント（１１０−１〜１１０−ｉ）に対する前記自装置（１００）の位置を決定する位置決定部（１１４）と、
   を備え、
   前記位置決定部（１１４）は、前記少なくとも３つの信号（１０８−１〜１０８−ｉ）の各信号に対する前記複数の検出信号強度を、単一の無指向性アンテナを有する受信機（１０２）で検出された信号強度に相当する等価単一信号強度に変換し、前記少なくとも３つの信号（１０８−１〜１０８−ｉ）の各信号に対する前記等価単一信号強度に基づいて、自装置（１００）の位置を決定する構成であり、
   前記位置決定部（１１４）は、Ｗｉ−Ｆｉフィンガープリンティング・データがデータベースとして格納されたメモリを有し、前記データベースの各エントリは、参照位置およびこの参照位置における前記少なくとも３つの信号（１０８−１〜１０８−ｉ）の各信号の参照単一信号強度を含み、前記位置決定部（１１４）は、前記等価単一信号強度と前記データベースの参照信号強度との相関に基づいて、前記装置（１００）の位置を決定する
   ことを特徴とする装置（１００）。
2. 請求項１記載の装置（１００）において、前記複数の指向性アンテナ（１０６−１〜１０６−ｎ）が、前記複数の指向性アンテナ（１０６−１〜１０６−ｎ）の受信方向が一平面内となるように配置されていることを特徴とする装置。
3. 請求項２記載の装置（１００）において、前記一平面は、前記装置（１００）のユーザに向けた通常操作に割り当てられた前記装置（１００）の主表面に平行に配置されていることを特徴とする装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載の装置（１００）において、前記複数の指向性アンテナ（１０６−１〜１０６−ｎ）は４つのアンテナであり、その４つのアンテナの受信方向は、互いに直交するように配置されていることを特徴とする装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項記載の装置（１００）において、前記方位決定部（１０４）は、前記装置（１００）の方位（１１２）が、地球の重力ベクトルに対して垂直な水平方位となるように、前記装置（１００）の方位（１１２）を決定することを特徴とする装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項記載の装置（１００）において、前記方位決定部（１０４）は、前記複数の検出信号強度の間の差に基づいて、前記装置（１００）の方位（１１２）を決定することを特徴とする装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載の装置（１００）において、前記方位決定部（１０４）は、拡張カルマンフィルタを用いて、前記装置（１００）の方位（１１２）を決定することを特徴とする装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項記載の装置（１００）において、前記装置（１００）は携帯装置または据置装置であることを特徴とする装置。
9. 各アンテナが異なる受信方向に向けて配置された複数の指向性アンテナを有する受信機で、少なくとも３つのＷｉ−Ｆｉアクセスポイントから少なくとも３つの信号を受信し、
   前記少なくとも３つの信号の各信号に対して複数の検出信号強度を得るために、各アンテナで受信された前記少なくとも３つの信号の信号強度を検出し、
   前記少なくとも３つの信号の各信号に対する前記複数の検出信号強度に基づいて、前記少なくとも３つのＷｉ−Ｆｉアクセスポイントに対する方位を決定し、
   前記少なくとも３つの信号の各信号に対する前記複数の検出信号強度に基づき、参照位置とその参照位置における前記少なくとも３つの信号の各信号に対する参照信号強度とをそれぞれエントリとするＷｉ−Ｆｉフィンガープリンティング・データベースを参照して、前記少なくとも３つのＷｉ−Ｆｉアクセスポイントに対する位置の決定を行う
   方法であり、
   前記位置の決定は、前記少なくとも３つの信号の各信号に対する前記複数の検出信号強度を、単一の無指向性アンテナを有する受信機で検出された信号強度に相当する等価単一信号強度に変換し、前記少なくとも３つの信号の各信号に対する前記等価単一信号強度と前記Ｗｉ−Ｆｉフィンガープリンティング・データベースの参照信号強度との相関に基づいて行う
   方法。
10. コンピュータまたはマイクロプロセッサで動作するときに、請求項９に記載の方法を実行するプログラムコードを有するコンピュータプログラム。
    

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