JP6251930B2 - Position estimation system - Google Patents

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本発明は、無線を用いた端末の位置推定に関するものである。特に、見通し外(Non−Line Of Sight。以下「NLOS」とする)環境が原因となる位置推定精度の劣化を低減するものである。     The present invention relates to position estimation of a terminal using radio. In particular, it is intended to reduce deterioration in position estimation accuracy caused by an environment outside the line-of-sight (Non-Line Of Light, hereinafter referred to as “NLOS”).

一般的な位置検出技術として、GPS(Global Positioning System。以下「GPS」とする)がある。GPSは人工衛星からの電波を用いた位置検出システムであり、屋外においては高い精度で位置推定が可能であるが、屋内では屋根などの障害物により見通し波が遮られるために位置推定精度が劣化してしまう。そこで屋内においては、空間上に設置された複数のセンサノードでターゲットノードからの電波を受信し、センサネットワークを用いて得られた情報を統合することによってターゲットノードの位置は推定される。ターゲットノード位置の推定は、電波の到来時間 (Time of Arrival。以下「TOA」とする)、到来時間差(Time Difference of Arrival。以下「TDOA」とする)、到来方向(Angle of Arrival。以下「AOA」とする)、受信信号強度(Received Signal Strength。以下「RSS」)などを各センサノードにおいて測定することによりなされる。また、TOAとAOAを同時に測定することによって推定精度を向上させるハイブリッド方式(Hybrid TOA/AOA。以下「HTA」とする)方式も考案されている(たとえば、非特許文献1参照)。   As a general position detection technique, there is GPS (Global Positioning System; hereinafter referred to as “GPS”). GPS is a position detection system that uses radio waves from artificial satellites, and can estimate the position with high accuracy outdoors, but the position estimation accuracy deteriorates because the line of sight is blocked by obstacles such as the roof indoors. Resulting in. Therefore, indoors, the position of the target node is estimated by receiving radio waves from the target node by a plurality of sensor nodes installed in the space and integrating information obtained using the sensor network. The target node position is estimated by the arrival time of radio waves (Time of Arrival, hereinafter referred to as “TOA”), the arrival time difference (Time Difference of Arrival, hereinafter referred to as “TDOA”), and the direction of arrival (Angle of Arrival, hereinafter referred to as “AOA”). ”), The received signal strength (Received Signal Strength; hereinafter referred to as“ RSS ”) and the like are measured at each sensor node. In addition, a hybrid system (Hybrid TOA / AOA, hereinafter referred to as “HTA”) that improves estimation accuracy by simultaneously measuring TOA and AOA has been devised (see, for example, Non-Patent Document 1).

位置推定を行う際、測定値には必ず測定誤差が生じる。位置推定に用いる周波数が超広帯域(Ultra−Wide−Band。以下「UWB」とする)だった場合、マルチパスの影響を強く受け、TOA測定値にわずかなバイアスがかかる(たとえば、非特許文献2参照)。また、ターゲットノードから送信される電波が障害物によって妨げられ、センサノードに直接波が届かなくなる見通し外(Non−Line of Sight。以下「NLOS」とする)環境によって位置推定精度は大幅に劣化する。センサノードに直接波が届く見通し(Line of Sight。以下「LOS」とする)環境に対して、NLOS環境においてはターゲットノードから送信された電波の反射波もしくは回折波がセンサノードで受信されるため、測定誤差が大幅に大きくなる。 NLOS環境のモデルとしてよく知られているものにGSDM(Gaussian Scatter Density model)がある。このモデルはターゲットノードから送信された電波が散乱物によって一度だけ散乱してからセンサノードで受信されるとする単一散乱モデルのひとつであり、散乱物の位置がターゲットノードを中心とした二次元ガウス分布に従って存在すると仮定するモデルである(例えば、非特許文献3参照)。   When performing position estimation, measurement errors always occur in the measured values. When the frequency used for position estimation is an ultra-wideband (Ultra-Wide-Band; hereinafter referred to as “UWB”), it is strongly influenced by multipath, and a slight bias is applied to the TOA measurement value (for example, Non-Patent Document 2). reference). In addition, the radio wave transmitted from the target node is obstructed by an obstacle, and the position estimation accuracy is greatly deteriorated by the non-line-of-sight (hereinafter referred to as “NLOS”) environment where the direct wave does not reach the sensor node. . In contrast to a line-of-sight (hereinafter referred to as “LOS”) environment in which a wave directly reaches the sensor node, a reflected wave or diffracted wave of a radio wave transmitted from the target node is received by the sensor node in the NLOS environment. The measurement error is greatly increased. A well-known model of the NLOS environment is GSDM (Gaussian Scatter Density model). This model is one of the single scattering models in which the radio wave transmitted from the target node is scattered once by the scatterer and then received by the sensor node. The position of the scatterer is a two-dimensional model centered on the target node. This model is assumed to exist according to a Gaussian distribution (see, for example, Non-Patent Document 3).

NLOS環境による誤差は、位置推定精度の大幅な劣化に繋がるため、NLOS環境による低減は位置推定の性能改善になくてはならないものである。最もよく知られたNLOS環境測定値除去手法のひとつとしてIMR(Iterative Minimum Residual)法が挙げられる(たとえば、非特許文献4参照)。IMR法は、測定値を様々に組み合わせてターゲット位置を繰り返し推定し、推定したターゲット位置から得られる残差の比較により精度の悪い測定値を選び出して取り除く手法である。この動作を繰り返すことで精度の悪い測定値が一つずつ取り除かれる。IMR法はNLOS環境にあるセンサノードの判別(以下「NLOS判別」とする)に必要な演算量が少なく、省電力化が必要となるセンサネットワークに対し適しており、特にTOAを用いた位置推定方式によく適用される。   Since the error due to the NLOS environment leads to a significant deterioration in the position estimation accuracy, the reduction due to the NLOS environment is indispensable for improving the position estimation performance. One of the most well-known NLOS environmental measurement value removal methods is the IMR (Iterative Minimum Residual) method (see, for example, Non-Patent Document 4). The IMR method is a method of repeatedly estimating a target position by variously combining measurement values, and selecting and removing measurement values with low accuracy by comparing residuals obtained from the estimated target positions. By repeating this operation, inaccurate measurement values are removed one by one. The IMR method is suitable for a sensor network that requires a small amount of calculation for discrimination of a sensor node in an NLOS environment (hereinafter referred to as “NLOS discrimination”) and requires power saving. In particular, position estimation using TOA Well applied to formulas.

S. Venkatraman and J. Caffery,Jr., ”Hybrid TOA/AOA Techniques for Mobile Location in Non-Line-of-Sight Environments,” WCNC.2004 , pp.274-278, Vol.1, 2004.S. Venkatraman and J. Caffery, Jr., “Hybrid TOA / AOA Techniques for Mobile Location in Non-Line-of-Sight Environments,” WCNC.2004, pp.274-278, Vol.1, 2004. B Alavi, K pahlavan, “Modeling of the TOA-based Distance Measurement Error Using UWB Indoor Radio Measurements,” IEEE Communications, vol.10,no.4, 2006.B Alavi, K pahlavan, “Modeling of the TOA-based Distance Measurement Error Using UWB Indoor Radio Measurements,” IEEE Communications, vol.10, no.4, 2006. Ramakrishna Janaswamy, “Angle and Time of Arrival Statistics for the Gaussian Scatter Density Model,” Wireless Communications, IEEE Transactions on, Vol. 1, Issue 3, pp.488-497, 2002.Ramakrishna Janaswamy, “Angle and Time of Arrival Statistics for the Gaussian Scatter Density Model,” Wireless Communications, IEEE Transactions on, Vol. 1, Issue 3, pp.488-497, 2002. X. Li, “An iterative NLOS mitigation algorithm for location estimation in sensor networks, “ in Oroceedings of the 15th IST Mobile Wireless Communications Summit, Myconos, Greece, June 2006.X. Li, “An iterative NLOS mitigation algorithm for location estimation in sensor networks,“ in Oroceedings of the 15th IST Mobile Wireless Communications Summit, Myconos, Greece, June 2006.

ところが、HTA方式に対してIMR法を適用した場合、NLOS環境下のセンサノードが複数あるときに判別誤りが増加し、位置推定精度が劣化するという問題があった。発明者の検討によれば、このようなターゲットノードの位置推定精度の劣化が発生するのは、AOAを用いた位置推定ではNLOS環境による大きな誤差により推定位置が大幅に変動するからである。したがって、IMR法において、AOAを用いた推定位置から得られる残差の比較によってNLOS環境にあるセンサノードを判別する場合、NLOS環境にあるセンサノードが2つ以上あると判別の精度が悪化する。   However, when the IMR method is applied to the HTA method, there is a problem that when there are a plurality of sensor nodes in an NLOS environment, discrimination errors increase and the position estimation accuracy deteriorates. According to the inventor's investigation, the target node position estimation accuracy deteriorates because the position estimation using the AOA greatly varies due to a large error caused by the NLOS environment. Therefore, in the IMR method, when the sensor node in the NLOS environment is determined by comparing the residual obtained from the estimated position using the AOA, the accuracy of the determination is deteriorated if there are two or more sensor nodes in the NLOS environment.

上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、ターゲットノード(2)から送信された信号を受信し、受信した前記信号に基づいて、前記ターゲットノード(2)から自機までの距離を算出可能な距離情報(d)と、前記信号の到来方向を算出可能な到来方向情報(θ)との組を出力する複数個のセンサノード(3−i)と、処理手段(4)と、を備え、前記処理手段(4)は、前記複数のセンサノード(3−i)の各々から出力された距離情報(d)および到来方向情報(θ)の組を取得する測定値取得手段(S100)と、前記取得手段(S100)で取得されたすべての組の距離情報(d)および到来方向情報(θ)のうち、距離情報(d)のみを、前記ターゲットノード(2)の位置推定に利用する対象に含め、前記対象を用いて、誤差の大きい距離情報(d)を選び、選んだ距離情報(d)を前記対象から取り除く第1除去手段(S105、S110)と、前記第1除去手段(S105、S110)によって前記対象から誤差の大きい距離情報(d)が取り除かれた後、前記対象に残った複数個の距離情報(d)のいずれか1つと組になる複数個の到来方向情報(θ)を、前記対象に追加し、追加後の前記対象を用いて、前記対象から、誤差の大きい距離情報(d)と到来方向情報(θ)の組を取り除く第2除去手段(S115)と、前記第2除去手段(S115)で誤差の大きい距離情報(d)と到来方向情報(θ)の組が取り除かれた後の前記対象を用いて算出されたターゲットノードの推定位置を取得する推定位置取得手段(S120)と、を有することを特徴とする位置推定システムである。 In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 receives the signal transmitted from the target node (2), and based on the received signal, the distance from the target node (2) to the own device A plurality of sensor nodes (3-i) that output a set of distance information (d i ) that can be calculated and arrival direction information (θ i ) that can calculate the direction of arrival of the signal, and processing means (4 And the processing means (4) obtains a set of distance information (d i ) and direction-of-arrival information (θ i ) output from each of the plurality of sensor nodes (3-i). Of the distance acquisition unit (S100) and all the distance information (d i ) and arrival direction information (θ i ) acquired by the acquisition unit (S100), only the distance information (d i ) Pair used for position estimation of node (2) To include, with the object, select a large distance information error (d i), a selected distance information first removing means for removing (d i) from the subject (S105, S110), said first removal means After the distance information (d i ) having a large error is removed from the target in (S105, S110), a plurality of arrivals paired with any one of the plurality of distance information (d i ) remaining in the target A direction information (θ i ) is added to the target, and a pair of distance information (d i ) and direction-of-arrival information (θ i ) having a large error is removed from the target using the target after the addition. The target calculated using the target after the pair of distance information (d i ) and arrival direction information (θ i ) having a large error is removed by the removing means (S115) and the second removing means (S115). Get the estimated position of the node And an estimated position acquisition means (S120).

このようになっていることで、あらかじめ第1除去手段(S105、S110)において、距離情報(d)および到来方向情報(θ)のうち距離情報(d)のみに基づいて、NLOS環境にあるセンサノードの距離情報(d)が、ターゲットノード(2)の位置推定に利用する対象から除外される可能性が高い。したがって、距離情報(d)および到来方向情報(θ)の両方を用いる前記第2除去手段(S115)の実行開始時において、NLOS環境にあるセンサノードの距離情報(d)および到来方向情報(θ)の数が当初よりも減っており、その結果、判別の精度が向上する。 In this way, in the first removal means (S105, S110) in advance, based on only the distance information (d i ) out of the distance information (d i ) and the arrival direction information (θ i ), the NLOS environment There is a high possibility that the distance information (d i ) of the sensor node located at is excluded from the target used for position estimation of the target node (2). Therefore, at the start of execution of the second removal means (S115) using both the distance information (d i ) and the arrival direction information (θ i ), the distance information (d i ) and the arrival direction of the sensor node in the NLOS environment The number of pieces of information (θ i ) is reduced compared to the beginning, and as a result, the accuracy of discrimination is improved.

本発明の実施形態におけるセンサネットワークを用いた位置推定システムのシステムモデルを示す図である。It is a figure which shows the system model of the position estimation system using the sensor network in embodiment of this invention. 本実施形態におけるNLOS判別処理および位置推定の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the NLOS discrimination | determination process and position estimation in this embodiment. NLOS判別処理中においてTOA測定値のみを用いたNLOS判別を行うサブルーチンの流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the subroutine which performs NLOS discrimination | determination using only a TOA measurement value during NLOS discrimination | determination processing. NLOS判別処理中においてTOA・AOA両方の測定値を用いたNLOS判別を行うサブルーチンの流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the subroutine which performs NLOS discrimination | determination using the measured value of both TOA and AOA during NLOS discrimination | determination processing. 計算機シミュレーションにおいてセンサノードおよびターゲットノードが存在する領域であるセンサフィールドの図である。It is a figure of the sensor field which is an area | region where a sensor node and a target node exist in computer simulation. 計算機シミュレーションの結果を示す図で、本実施形態のHTA方式におけるIMR法を適用した場合のセンサフィールド全体のRMSEを示す図である。It is a figure which shows the result of a computer simulation, and is a figure which shows RMSE of the whole sensor field at the time of applying the IMR method in the HTA system of this embodiment. 計算機シミュレーションの結果を示す図で、既存の方法としてTOA方式におけるIMR法を適用した場合のセンサフィールド全体のRMSEを示す図である。It is a figure which shows the result of a computer simulation, and is a figure which shows RMSE of the whole sensor field at the time of applying the IMR method in a TOA system as an existing method. HTA方式にIMR法を単純に適用した場合のセンサフィールド全体のRMSEを示す図である。It is a figure which shows RMSE of the whole sensor field at the time of applying an IMR method to an HTA system simply.

以下に図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図1は、本実施形態に係るセンサネットワークを用いた位置推定システムのシステムモデルである。センサネットワークを用いた位置推定システムはセンサフィールド1内の単一もしくは複数のターゲットノード2(図1では単一)および複数のセンサノード3−i(i=1,2,…,N)(図1ではN=9)と中央処理装置4で構成される。ターゲットノード2は無線で信号を発信する機能および可搬性を有する。それぞれのセンサノード3−iは信号がターゲットノード2から送信されてから自機に到来するまでの時間である到来時間t(i=1,2,…,N)および当該信号の自機への到来方向を表す到来角度θ(i=1,2,…,N)を測定する機能を有する。到来時間tおよび到来角度θを測定するための構成および方法は、TOA方式、AOA方式で用いられる周知の構成および方法を用いればよい。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a system model of a position estimation system using a sensor network according to the present embodiment. A position estimation system using a sensor network includes a single or a plurality of target nodes 2 (single in FIG. 1) and a plurality of sensor nodes 3-i (i = 1, 2,..., N) in the sensor field 1 (FIG. 1 includes N = 9) and the central processing unit 4. The target node 2 has a function of transmitting a signal wirelessly and portability. Each sensor node 3-i has an arrival time t i (i = 1, 2,..., N), which is a time from when a signal is transmitted from the target node 2 until it arrives at its own device, and its own signal. Has a function of measuring an angle of arrival θ i (i = 1, 2,..., N) representing the direction of arrival of. As a configuration and method for measuring the arrival time t i and the arrival angle θ i , a known configuration and method used in the TOA method and the AOA method may be used.

これらセンサノード3−iの位置は通常は固定であり、位置推定システムの中央処理装置4において既知とされる。ここで、センサノード3−iで測定された到来時間t(i=1,2,…,N)は、各センサノード3−iにおいて光速cを乗算することによりセンサノード3−i・ターゲットノード2間距離d(i=1,2,…,N)となる。ここで、dをTOA測定値、θをAOA測定値と呼ぶ。各センサノード3−iで得られたTOA測定値(距離情報の一例に相当する)およびAOA測定値(到来方向情報の一例に相当する)の組は有線もしくは無線を用いて中央処理装置へ送信される。中央処理装置4では、各センサノード3−iから受信した上記TOA測定値およびAOA測定値の組の測定値データを統合し、これら複数組の測定値のデータを用いて、ターゲットノード2の推定位置を決定する。 The positions of these sensor nodes 3-i are normally fixed and are known in the central processing unit 4 of the position estimation system. Here, the arrival time t i (i = 1, 2,..., N) measured at the sensor node 3-i is multiplied by the speed of light c at each sensor node 3-i, thereby obtaining the sensor node 3-i / target. The distance d i between nodes 2 (i = 1, 2,..., N). Here, d i is called a TOA measurement value, and θ i is called an AOA measurement value. A set of TOA measurement values (corresponding to an example of distance information) and AOA measurement values (corresponding to an example of direction-of-arrival information) obtained at each sensor node 3-i is transmitted to the central processing unit using wired or wireless communication. Is done. The central processing unit 4 integrates the measurement value data of the set of the TOA measurement value and the AOA measurement value received from each sensor node 3-i, and estimates the target node 2 using the data of the plurality of sets of measurement values. Determine the position.

ここで、得られた複数組の測定値の中には、NLOS環境の影響により大きな誤差を含む測定値(TOA測定値、AOA測定値、またはその両方)が存在している可能性がある。NLOS環境下にあるセンサノード3−iの測定値をそのまま位置推定に用いた場合、位置推定精度が大幅に劣化してしまうため、どの測定値がNLOS環境下にあるかを判別する必要がある。   Here, there is a possibility that a measurement value (TOA measurement value, AOA measurement value, or both) including a large error exists due to the influence of the NLOS environment among the plurality of sets of measurement values obtained. When the measurement value of the sensor node 3-i in the NLOS environment is used for position estimation as it is, the position estimation accuracy is greatly deteriorated. Therefore, it is necessary to determine which measurement value is in the NLOS environment. .

本実施形態において、中央処理装置4がプログラムを実行することで実現するNLOS判別処理および位置推定の流れを図2に示す。図2において、TOA測定値のみを用いたIMR法のサブルーチン(ステップS105)の詳細を図3に、またTOA測定値とAOA測定値の両方を用いたIMR法のサブルーチン(ステップS115)の詳細を図4に示す。S100では、各センサノード3−iで得られて送信されたTOA測定値およびAOA測定値の組を取得および統合する。このとき、それぞれの測定値の組がどのセンサノード3で得られたものかを記憶してある。続くS105では、得られた複数組の測定値を用いてNLOS判別を行う。   FIG. 2 shows a flow of NLOS discrimination processing and position estimation realized by the central processing unit 4 executing a program in the present embodiment. 2, the details of the IMR method subroutine (step S105) using only the TOA measurement values are shown in FIG. 3, and the IMR method subroutine (step S115) using both the TOA measurement values and the AOA measurement values are shown in detail. As shown in FIG. In S100, a set of TOA measurement values and AOA measurement values obtained and transmitted by each sensor node 3-i is acquired and integrated. At this time, which sensor node 3 is used to store each set of measurement values is stored. In subsequent S105, NLOS discrimination is performed using the obtained plural sets of measurement values.

本実施形態では、NLOS判別手法であるIMR法を2回に分けて行うことが大きな特徴であり、1回目のIMR法では、得られた上記複数組の測定値のうち、すべてのTOA測定値のみを用いると共に、どのAOA測定値も用いない。このIMR法は一般的なIMR法と同様であり、以下に図3に示した流れに従って説明する。S200では、測定に用いた全N個のTOA測定値を用いてターゲットノード2の推定位置を導出する。推定位置(x、y)は最小二乗(Least Squares)(LS)法を用いることで次式と導出できる。   In this embodiment, the IMR method, which is an NLOS discrimination method, is performed in two steps. In the first IMR method, all the TOA measurement values among the plurality of sets of obtained measurement values are obtained. Only and not any AOA measurements. This IMR method is the same as the general IMR method, and will be described below in accordance with the flow shown in FIG. In S200, the estimated position of the target node 2 is derived using all N TOA measurement values used for the measurement. The estimated position (x, y) can be derived from the following equation by using a least squares (LS) method.

ただし、(x、y)はセンサノード3−iの位置であり、Nは推定位置算出に用いた測定値数であり、初めはすべての測定値を用いているためN=Nである。(1)式はよく知られたNewton−Raphson法などの解探索手法を用いることで解を得ることが可能である。また、得られた推定位置から正規化残差ηを次式から導出する。 However, (x i , y i ) is the position of the sensor node 3-i, N d is the number of measurement values used for calculating the estimated position, and since all measurement values are used initially, N d = N It is. Equation (1) can be obtained by using a solution search technique such as the well-known Newton-Raphson method. Also, a normalized residual η is derived from the following equation from the obtained estimated position.

なお、S200では、(2)式を用いて算出した正規化残差εを正規化残差ηとする。ここで、(1)式で表される残差は測定値数の違いによる影響をなくすため、用いた測定値数Nで正規化してある。なお、この時点では、ターゲットノード2の位置推定に利用する対象には、N組のTOA測定値およびAOA測定値の組のうちN個のTOA測定値のみが含まれている。 In S200, the normalized residual ε calculated using the equation (2) is set as a normalized residual η. Here, is normalized with (1) to eliminate the influence of residual is the difference between the measurement value of the number represented by the formula, the measurement value of the number N d of using. At this point, the target used for position estimation of the target node 2 includes only N TOA measurement values among a set of N sets of TOA measurement values and AOA measurement values.

続くS205は、推定位置算出に用いるTOA測定値数Nの値を1つ減らす。ターゲットノード2の位置推定に利用する対象に現在含まれているN+1個のTOA測定値からN個のTOA測定値を抽出する組み合わせはN+1通りある。続くS210では、このN+1通りのN個のTOA測定値群の各々を使用して、N+1通りの推定位置(x,y)および正規化残差εを算出する。これにより、N+1通りの推定位置および正規化残差を導出することができる。推定位置および正規化残差は(1)式および(2)式を用いることで導出が可能である。求めたN+1通りの正規化残差εの中で、最小の値となる正規化残差ε´とそのときの推定位置(x´、y´)を選択する。 Subsequent S205 is decreased by one the value of the TOA measurements number N d used in estimated position calculation. Combinations of extracting N d number of TOA measurements from N d + 1 pieces of TOA measurements currently contained in the target to be used for position estimation of the target node 2 is +1 ways N d. In subsequent S210, the N by using each of N d number of TOA measurements group d +1 ways to calculate the estimated position of the +1 kinds N d (x, y) and the normalized residual epsilon. As a result, N d +1 estimated positions and normalized residuals can be derived. The estimated position and the normalized residual can be derived by using the equations (1) and (2). Among the obtained N d +1 normalization residuals ε, a normalization residual ε ′ that is the minimum value and an estimated position (x ′, y ′) at that time are selected.

続くS215では、2つの正規化残差η、ε´の比較を行う。(η−ε´)が設定した微小値δTOA以上であり、かつNが3より大きい場合(S215:NO)、S218へ移行する。 In subsequent S215, the two normalized residuals η and ε ′ are compared. (Η-ε') is not less minute value [delta] TOA or set, and N when d is greater than 3 (S215: NO), the process proceeds to S218.

S218では、ターゲットノード2の位置推定に利用する対象であるN+1個のTOA測定値のうち、直前のS210で算出した正規化残差ε´の計算に用いられなかったTOA測定値に対応するセンサノード3−iを、NLOS環境下のセンサノード3−iであるとみなした処理を行う。具体的には、当該TOA測定値を選び、選んだTOA測定値を、ターゲットノード2の位置推定に利用する対象から、取り除く。続いてステップS220では、η=ε´に変更し、推定位置算出に用いる測定値数を1つ減らした後、S210へと戻る。 In S218, among the N d +1 TOA measurement values to be used for position estimation of the target node 2, it corresponds to the TOA measurement value that was not used in the calculation of the normalized residual ε ′ calculated in the immediately preceding S210. The sensor node 3-i to be processed is regarded as the sensor node 3-i in the NLOS environment. Specifically, the TOA measurement value is selected, and the selected TOA measurement value is removed from the target used for position estimation of the target node 2. Subsequently, in step S220, the value is changed to η = ε ′, the number of measurement values used for calculating the estimated position is reduced by 1, and the process returns to S210.

この繰り返しにより精度の悪いTOA測定値が、ターゲットノード2の位置推定に利用する対象から、1つずつ取り除かれていく。   By repeating this, the TOA measurement value with low accuracy is removed one by one from the target used for position estimation of the target node 2 one by one.

S215において、(η−ε´)が微小値δTOAより小さくなった場合、もしくはNが3以下となった場合(S215:YES)、S225へ移行し、そのときのNを返し、TOA測定値のみを用いたNLOS判別を終了する。 In S215, (η-ε') If is smaller than the very small value [delta] TOA, or N if d becomes 3 or less (S215: YES), the process proceeds to S225, returns the N d at that time, TOA The NLOS discrimination using only the measured value is terminated.

ここで、TOA測定値のみを用いたNLOS判別では、ステップS218を複数回繰り返すことで、ターゲットノード2の位置推定に利用する対象から複数のNLOS測定値(NLOS環境下にあるTOA測定値)を取り除いた結果、使用する測定値数が少なくなった場合、NLOS判別を誤る確率が高くなる。そのためTOA測定値のみを用いたNLOS判別では,最後に取り除いたTOA測定値は、実際にはNLOS環境下のセンサノード3−iに対応した測定値でないにも関わらず、誤って取り除かれた確率が高い。   Here, in the NLOS discrimination using only the TOA measurement value, by repeating step S218 a plurality of times, a plurality of NLOS measurement values (TOA measurement values under the NLOS environment) from the target used for position estimation of the target node 2 are obtained. As a result of the removal, when the number of measurement values to be used decreases, the probability of erroneous NLOS discrimination increases. Therefore, in the NLOS discrimination using only the TOA measurement values, the probability that the last removed TOA measurement value is erroneously removed even though it is not actually the measurement value corresponding to the sensor node 3-i in the NLOS environment. Is expensive.

そこで最後にNLOS環境下のセンサノード3−iに対応すると判別された測定値は、最終的には取り除かずに残しておき、当該TOA測定値(および組になるAOA測定値)を用いてもう一度IMR法によるNLOS判別を行うことが好ましい(ただし必須ではない)。   Therefore, the measurement value finally determined to correspond to the sensor node 3-i under the NLOS environment is left without being finally removed, and once again using the TOA measurement value (and the paired AOA measurement value). It is preferable (but not essential) to perform NLOS discrimination by the IMR method.

そこで、中央処理装置4は、S110で、一回目のIMR法(S105)により最後に取り除いたTOA測定値を、次のNLOS判別で用いるため、ターゲットノード2の位置推定に利用する対象に戻す。またそれと共に、Nを1つ増やす。 Therefore, in S110, the central processing unit 4 returns the TOA measurement value finally removed by the first IMR method (S105) to the target used for position estimation of the target node 2 in order to use it in the next NLOS discrimination. At the same time, Nd is increased by one.

続くS115では、ターゲットノード2の位置推定に利用する対象に含まれる複数個のTOA測定値のいずれか1つと組になるすべてのAOA測定値を選び、選んだAOA測定値を当該対象に追加する。そしてその上で、IMR法を行う。図4に示した流れに従って説明を行う。S300では、ターゲットノード2の位置推定に利用する対象として、当該対象に含まれるTOA測定値のいずれかと組になるすべてのAOA測定値を追加する。そして、ターゲットノード2の位置推定に利用する対象に含まれているN組の測定値(TOA測定値、AOA測定値)を用いてターゲットノード2の推定位置および正規化残差を導出する。推定位置は1回目のIMR法と同様にLS法を用い、次式で表される。 In subsequent S115, all AOA measurement values paired with any one of a plurality of TOA measurement values included in the target used for position estimation of the target node 2 are selected, and the selected AOA measurement value is added to the target. . Then, the IMR method is performed. The description will be made according to the flow shown in FIG. In S300, all AOA measurement values that are paired with any of the TOA measurement values included in the target are added as targets used for position estimation of the target node 2. Then, N d sets of measurement values contained in the object to be used for position estimation of the target node 2 (TOA measurements, AOA measurements) derives the estimated position and normalized residual of the target node 2 using. The estimated position is expressed by the following equation using the LS method as in the first IMR method.

ただし、γi,TOA、γi,AOAはそれぞれi番目のTOA、AOA測定値に対する重みであり、それぞれの測定値の信頼度によって決定される。この重みは通常、誤差の分散の逆数とされる。また、推定位置から得られる正規化残差は次式で表される。 However, γ i, TOA , γ i, AOA are weights for the i-th TOA and AOA measurement values, respectively, and are determined by the reliability of each measurement value. This weight is usually the reciprocal of the error variance. Further, the normalized residual obtained from the estimated position is expressed by the following equation.

なお、S300では、(6)式を用いて算出した正規化残差εを正規化残差ζとする。ここで、(6)式で表される残差は測定値数の違いによる影響をなくすため、用いた測定値数Ndで正規化してある。 In S300, the normalized residual ε calculated using the equation (6) is set as the normalized residual ζ. Here, the residual represented by the equation (6) is normalized by the number of measured values Nd used to eliminate the influence of the difference in the number of measured values.

続くS305は、推定位置算出に用いるTOA測定値数Nの値を1つ減らす。ターゲットノード2の位置推定に利用する対象に現在含まれているN+1組の測定値(TOA測定値、AOA測定値)からN組のTOA測定値を抽出する組み合わせはN+1通りある。続くS310では、このN+1通りのN組の測定値群(TOA測定値とAOA測定値の組を複数個有する群)の各々を使用して、N+1通りの推定位置(x,y)および正規化残差εを算出する。これにより、N+1通りの推定位置および正規化残差を導出することができる。推定位置および正規化残差は(3)式〜(6)式を用いることで導出が可能である。求めたN+1通りの正規化残差の中で、最も小さい値となる正規化残差ε´およびそのときの推定位置(x´、y´)を選択する。 Subsequent S305 is decreased by one the value of the TOA measurements number N d used in estimated position calculation. N d + 1 set of measurements that are currently in the object to be used for position estimation of the target node 2 (TOA measurements, AOA measurements) combination to extract the N d sets of TOA measurements from one +1 ways N d . In subsequent S310, using each of the N d sets of measurements group +1 ways this N d (group having a plurality of sets of TOA measurements and AOA measurements), the estimated position of the N d +1 ways (x, y) and normalized residual ε are calculated. As a result, N d +1 estimated positions and normalized residuals can be derived. The estimated position and the normalized residual can be derived by using equations (3) to (6). Among the obtained N d +1 normalization residuals, the normalization residual ε ′ that is the smallest value and the estimated position (x ′, y ′) at that time are selected.

続くS315では、正規化残差の比較を行う。(ζ−ε´)が設定した微小値δAOAより小さい場合(S315:YES)、S320へ移行し、同じまたは大きい場合(S315:NO)、S325へ移行する。S320ではS300で算出した(x、y)を返して判定終了する。 In subsequent S315, the normalized residuals are compared. When (ζ−ε ′) is smaller than the set minute value δ AOA (S315: YES), the process proceeds to S320, and when it is the same or larger (S315: NO), the process proceeds to S325. In S320, (x, y) calculated in S300 is returned and the determination ends.

S325では、S310で算出した(x´、y´)を返しNLOS判定を終了する。(x´、y´)を返すということは、(x´、y´)の算出の際に用いられなかった1組の測定値(TOA測定値、AOA測定値)が、ターゲットノード2の位置推定に利用する対象から取り除かれたということである。   In S325, (x ′, y ′) calculated in S310 is returned, and the NLOS determination is terminated. Returning (x ′, y ′) means that a set of measurement values (TOA measurement value, AOA measurement value) that was not used in the calculation of (x ′, y ′) is the position of the target node 2. It has been removed from the target used for estimation.

図2に戻り、S120では返された値をターゲットノード2の推定位置とする。以上を持ってNLOS判別および推定位置算出を終了する。   Returning to FIG. 2, in S <b> 120, the returned value is set as the estimated position of the target node 2. With the above, the NLOS discrimination and the estimated position calculation are finished.

次に、本実施形態で中央処理装置4が実行するNLOS判別手法(図2)を用いて計算機シミュレーションを行い、その特性を比較した結果を説明する。計算機シミュレーションにおいて、位置推定を行う領域であるセンサフィールド1の図を図5に示す。図5は縦の長さと横の長さがそれぞれ10.0mの二次元空間であり、センサノード3−iが9個(N=1,…,9)、そのうちNLOS環境下のセンサノード3−1、3−6、3−7が3個である。またターゲットノード2は、図示していないが、図5のセンサフィールド1全域にx方向、y方向それぞれに0.1[m]刻みの格子点上に配置し、各ターゲットノード2の位置で本実施形態のNLOS判別を用いた位置推定を行うものとする。   Next, a computer simulation is performed using the NLOS discrimination method (FIG. 2) executed by the central processing unit 4 in the present embodiment, and the result of comparing the characteristics will be described. FIG. 5 shows a diagram of the sensor field 1 which is a region where position estimation is performed in the computer simulation. FIG. 5 shows a two-dimensional space having a vertical length and a horizontal length of 10.0 m, respectively, and nine sensor nodes 3-i (N = 1,..., 9), of which the sensor node 3-under the NLOS environment 1, 3-6, 3-7. Further, although not shown, the target nodes 2 are arranged on the grid points in increments of 0.1 [m] in the x direction and the y direction in the entire sensor field 1 in FIG. Assume that position estimation using the NLOS discrimination of the embodiment is performed.

ここで、各センサノード3−iでの測定値は決められた測定回数分だけ測定を行った後、平均をとった値としている。事前測定回数をM回、i番目のセンサノード3−iにおける事前測定回数j回目の測定値をdi,jとしたときの平均化を行った後の測定値は次の式で表される。 Here, the measured value at each sensor node 3-i is an averaged value after measuring for the determined number of measurements. The measured value after averaging when the number of pre-measurements is M and the measurement value of the j-th pre-measurement number at the i-th sensor node 3-i is d i, j is expressed by the following equation. .

この操作を行うことによって測定値に含まれる雑音の分散を抑えることができ、測定回数Mを大きくする毎に推定精度が向上される。計算機シミュレーションにおいては、事前測定回数M=30とした。 By performing this operation, it is possible to suppress the variance of the noise included in the measurement value, and the estimation accuracy is improved each time the number of measurements M is increased. In the computer simulation, the number of prior measurements M = 30.

位置推定に使用する周波数はUltra Wide Band(UWB)である500[MHz]とした。UWBは時間分解能が高く、高い時間分解能が必要なTOAを用いた位置推定に適している(ただし、本発明の適用対象がUWBに限られるわけではない)。また、測定誤差が比較的小さいために位置推定によく用いられる。屋内環境におけるTOA測定値の見通し内(LOS)誤差として、非特許文献2に示された実測値から得られた値を用いる。非特許文献2によると、TOAのLOS誤差はガウス分布に従い、その平均および分散は次式で表される。   The frequency used for position estimation was set to 500 [MHz], which is Ultra Wide Band (UWB). UWB has high temporal resolution and is suitable for position estimation using TOA that requires high temporal resolution (however, the application target of the present invention is not limited to UWB). Also, since the measurement error is relatively small, it is often used for position estimation. As the line-of-sight (LOS) error of the TOA measurement value in the indoor environment, a value obtained from the actual measurement value shown in Non-Patent Document 2 is used. According to Non-Patent Document 2, the LOS error of TOA follows a Gaussian distribution, and its mean and variance are expressed by the following equations.

ただし、dはセンサノード3−i・ターゲットノード2間距離であり、使用周波数が500[MHz]のときmTOA,LOS=0.21m、σTOA,LOS=0.269mである。 Here, d i is the distance between the sensor node 3-i and the target node 2, and m TOA, LOS = 0.21 m and σ TOA, LOS = 0.269 m when the operating frequency is 500 [MHz].

AOAのLOS誤差は一般的に平均が0のガウス分布に従うとされる。計算機シミュレーションにおいてAOAのLOS誤差の分散は次式のように設定した。   AOA LOS error generally follows a Gaussian distribution with a mean of zero. In the computer simulation, the variance of the LOA error of AOA was set as follows:

また、(3)式のHTA方式におけるLS法の重みγi,TOA、γi,AOAはそれぞれ(9)式、(10)式の逆数としてある。 Further, the weights γ i, TOA , γ i, and AOA of the LS method in the HTA method of equation (3) are the reciprocals of equations (9) and (10), respectively.

次に、TOA測定値およびAOA測定値の見通し外(NLOS)誤差は、単一散乱モデルで与えられることが多い。単一散乱モデルとは、ターゲットノード2から送信された電波が散乱物(scatterer)において一度だけ散乱されてからセンサノード3−iに到達するモデルである。実際の環境では、電波が複数回散乱されてからセンサノード3−iで受信される場合も考えられるが、散乱を起こすたびに信号電力は大幅に減衰するため、2回以上散乱を起こしてから届く信号は電力低下により受信できないものとする。センサノード3−i・ターゲットノード2間距離をD,センサノード3−iの位置を(−D/2,0),ターゲットノード2の実際の位置を(−D/2,0),散乱物の位置を(p,q)としたとき、TOAのNLOS誤差mTOA,NLOSおよびAOAのNLOS誤差mAOA,NLOSは次式で表される。 Secondly, non-line-of-sight (NLOS) errors in TOA and AOA measurements are often given in a single scattering model. The single scattering model is a model in which the radio wave transmitted from the target node 2 reaches the sensor node 3-i after being scattered only once in the scatterer. In an actual environment, the radio wave may be received by the sensor node 3-i after being scattered a plurality of times, but the signal power is greatly attenuated each time the scattering occurs. The signal that arrives cannot be received due to power reduction. The distance between the sensor node 3-i and the target node 2 is D, the position of the sensor node 3-i is (-D / 2, 0), the actual position of the target node 2 is (-D / 2, 0), and the scatterer Where (p, q) is the NLOS error m TOA, NLOS of TOA and NLOS error m AOA, NLOS of AOA are expressed by the following equations.

(11)式、(12)式より、TOAおよびAOAのNLOS誤差は散乱物の位置(p,q)に依存する。散乱物の位置(p,q)のとり方には屋外環境を想定するCSM(Circular Scattering Model)や屋内環境を想定するESM(Elliptical Scattering Model)などさまざまなモデルが存在する。計算機シミュレーションにおいては、非特許文献3に示されたGSDM(Gaussian Scatter Density Model)を用いる。このモデルは散乱物の分布がターゲットノード2を中心とした二次元ガウス分布に従うと仮定するモデルであり、屋内環境・屋外環境ともに実測にあったモデルである。計算機シミュレーションにおいて、GSDMにおける2次元ガウス分布の分散σは次式とした。 From the equations (11) and (12), the NLOS error of TOA and AOA depends on the position (p, q) of the scatterer. Various models exist such as CSM (Circular Scattering Model) that assumes an outdoor environment and ESM (Elliptical Scattering Model) that assumes an indoor environment in order to determine the position (p, q) of the scattering object. In computer simulation, GSDM (Gaussian Scatter Density Model) shown in Non-Patent Document 3 is used. This model assumes that the distribution of scattered objects follows a two-dimensional Gaussian distribution centered on the target node 2, and is a model that has been measured in both indoor and outdoor environments. In the computer simulation, the variance σ s of the two-dimensional Gaussian distribution in GSDM is expressed as follows.

次に、NLOS判別手法であるIMR法において用いられる微小値δを設定する。本実施形態のNLOS判別ではIMR法をTOA測定値のみを用いた場合(S105)とTOA測定値、AOA測定値両方を用いた場合(S115)の2回に分けて行うため、微小値δは2種類存在する。TOA測定値のみを用いた場合の微小値δTOA(図3のS215でδとして用いられる)およびTOA測定値、AOA測定値両方を用いた場合の微小値δHTA(図4のS315でδとして用いられる)はそれぞれ次式とした。 Next, a minute value δ used in the IMR method which is an NLOS discrimination method is set. In the NLOS discrimination of this embodiment, since the IMR method is performed in two cases, when only the TOA measurement value is used (S105) and when both the TOA measurement value and the AOA measurement value are used (S115), the minute value δ is There are two types. Minute value δ when using only TOA measurement value δ TOA (used as δ in S215 of FIG. 3) and minute value δ HTA when using both TOA measurement value and AOA measurement value (As δ in S315 of FIG. 4) Used) was defined as follows:

(14)式において、εは、i<Nの場合は、S210でTOA測定値をi個用いた場合の正規化残差ε´であり、i=Nの場合は、S200で算出した正規化残差ηである。したがって、N<N−1の場合に用いられるδTOAは、前回のS215で算出したη−ε´
の絶対値の1/5に相当する。つまり、N<N−1の場合は、今回のS215における正規化残差の変化量が、前回S215における正規化残差の変化量の絶対値の1/5よりも小さいか否かを判定していることになる。S218で除外されるTOA測定値は誤差の大きい測定値なので、殆どの場合、残差ε’はS210を実行する度に小さくなっていくので、正規化誤差の減少量が大きいほどδTOAの値が大きいことになる。
In equation (14), ε i is a normalized residual ε ′ when i TON measurement values are used in S210 when i <N, and a normality calculated in S200 when i = N. The residual η. Therefore, δTOA used in the case of N d <N−1 is η−ε ′ calculated in the previous S215.
Is equivalent to 1/5 of the absolute value of. That is, when N d <N−1, it is determined whether or not the amount of change in the normalized residual in S215 this time is smaller than 1/5 of the absolute value of the amount of change in the normalized residual in S215 last time. Will be. Since the TOA measurement value excluded in S218 is a measurement value with a large error, in most cases, the residual ε ′ decreases with each execution of S210. Therefore, the larger the reduction amount of the normalization error, the larger the value of δTOA . Will be big.

位置推定システムの性能評価には、平均二乗誤差(Root Mean Square Error)(RMSE)を用いる。RMSEはターゲットノード2の真の位置と推定位置との標準偏差であり、位置推定をL回行った場合のRMSEは次式で与えられる。   A root mean square error (RMSE) is used for performance evaluation of the position estimation system. RMSE is a standard deviation between the true position of the target node 2 and the estimated position. The RMSE when the position is estimated L times is given by the following equation.

ここで、(X,Y)はターゲットノード2の真の位置、(xR,l,yR,l)はi回目の位置推定で得られた推定位置である。計算機シミュレーションでは、推定回数L=1000とした。 Here, (X, Y) is the true position of the target node 2, and (x R, l , y R, l ) is the estimated position obtained by the i-th position estimation. In the computer simulation, the estimated number of times L = 1000.

計算機シミュレーションにより算出した図5のセンサフィールド1全体におけるRMSEを図6に示す。ここで既存の方法として、図5と同じ条件のセンサフィールド1に対して、TOA方式にIMR法を適用した場合のRMSEを、比較例として図7に示す。   FIG. 6 shows the RMSE in the entire sensor field 1 of FIG. 5 calculated by computer simulation. Here, as an existing method, FIG. 7 shows, as a comparative example, RMSE when the IMR method is applied to the TOA method for the sensor field 1 under the same conditions as in FIG.

また、図5と同じ条件のセンサフィールド1に対して、HTA方式にIMR法を単純に適用した場合のRMSEを、比較例として図8に示す。HTA方式にIMR法を単純に適用するということは、TOA測定値のみを用いてIMR法を実行するのではなく、常に、TOA測定値、AOA測定値の両方を用いてIMR法を実行するということである。より詳細には、図3のS200、S210の処理に対して、TOA測定値のみならず、使用するTOA測定値と組になるAOA測定値をすべて用いて、(3)式〜(6)式を用いてターゲットノード2の推定位置および正規化残差を算出するような変更を加えればよい。   FIG. 8 shows a comparative example of RMSE when the IMR method is simply applied to the HTA method for the sensor field 1 under the same conditions as in FIG. Simply applying the IMR method to the HTA method does not always execute the IMR method using only the TOA measurement value, but always executes the IMR method using both the TOA measurement value and the AOA measurement value. That is. More specifically, for the processing of S200 and S210 in FIG. 3, not only the TOA measurement value but also all the AOA measurement values that are paired with the TOA measurement value to be used are used, and the equations (3) to (6) It is sufficient to make a change such that the estimated position of the target node 2 and the normalized residual are calculated by using.

図6〜図8では、RMSEが低い部分は白い色で、高い部分は黒い色で示してある。RMSEが低いほど位置推定精度はよいため、白で示されている部分が多いほど推定精度がよいといえる。図6と図7、図8を比較すると、図6のほうが白で示されている部分が多く、推定精度がよいことが分かる。   In FIGS. 6 to 8, the portion with a low RMSE is shown in white and the portion with a high RMSE is shown in black. Since the position estimation accuracy is better as the RMSE is lower, it can be said that the estimation accuracy is better as the number of white portions is increased. Comparing FIG. 6, FIG. 7 and FIG. 8, it can be seen that there are many parts shown in white in FIG.

図8では、センサフィールド中央付近の範囲(より具体的には、5.0m≦X≦8.0m、且つ2.0m≦Y≦8.0mの範囲であり、ただし、X=5.0m、Y=5.0mを中心とする半径1.0mの円内を除く範囲)で、図6と比べてRMSEが顕著に大きくなっている。これは、HTA方式に対して上記のように単純にIMR法を適用した場合、複数のNLOS測定値(NLOS環境下にあるセンサノードのTOA測定値、AOA測定値)をうまく除去できず、誤差の大きいNLOS測定値を複数残したまま推定位置を算出してしまうためである。   In FIG. 8, a range near the center of the sensor field (more specifically, a range of 5.0 m ≦ X ≦ 8.0 m and 2.0 m ≦ Y ≦ 8.0 m, where X = 5.0 m, In a range excluding a circle with a radius of 1.0 m centered at Y = 5.0 m), the RMSE is significantly larger than that in FIG. This is because when the IMR method is simply applied to the HTA method as described above, a plurality of NLOS measurement values (TOA measurement values and AOA measurement values of the sensor node under the NLOS environment) cannot be removed well, and an error occurs. This is because the estimated position is calculated while leaving a plurality of NLOS measurement values having large values.

実際、図8の例では、上記したセンサフィールド中央付近の範囲の殆どの位置で、3個のNLOS環境下のセンサノード3−1、3−6、3−7の測定値(TOA測定値、AOA測定値の組)のうち、2組以下しか取り除くことができず、そればかりか、NLOS環境下にないセンサノード3−2〜3−5、3−8、3−9のうちいずれか1つ以上の測定値(TOA測定値、AOA測定値の組)を取り除いてしまっていた。   In fact, in the example of FIG. 8, the measured values (TOA measured values, 3A, Among the AOA measurement value sets), only two or less sets can be removed, and any one of the sensor nodes 3-2 to 3-5, 3-8, and 3-9 that are not in the NLOS environment. One or more measurement values (a set of TOA measurement values and AOA measurement values) have been removed.

このようになるのは、AOAを用いた位置推定ではNLOS環境による大きな誤差により推定位置が大幅に変動するからである。このように、IMR法において、AOAを用いた推定位置から得られる残差の比較によってNLOS環境にあるセンサノードを判別する場合、NLOS環境にあるセンサノードが2つ以上あると判別の精度が悪化する。   This is because in the position estimation using the AOA, the estimated position varies greatly due to a large error due to the NLOS environment. As described above, in the IMR method, when the sensor node in the NLOS environment is determined by comparing the residual obtained from the estimated position using the AOA, the accuracy of the determination is deteriorated if there are two or more sensor nodes in the NLOS environment. To do.

これに対し、本実施形態の手法を用いた場合の結果である図6では、上記したセンサフィールド中央付近の範囲においても、図8の結果に比べ、RMSEが顕著に低くなっていることが分かる。これは、TOA測定値のみを用いたNLOS判別により複数のNLOS測定値を除去した(S105、S110)ことにより、続けて行われるHTA方式でのNLOS判別(S115)では残っているNLOS測定値(TOA測定値、AOA測定値)が1組または0組となり、その結果、NLOS判別が正しく行われたためである。   On the other hand, in FIG. 6 which is a result when the method of the present embodiment is used, it can be seen that the RMSE is remarkably lowered in the range near the center of the sensor field as compared with the result of FIG. . This is because a plurality of NLOS measurement values are removed by NLOS discrimination using only the TOA measurement values (S105, S110), and the NLOS measurement values remaining in the NLOS discrimination (S115) in the HTA method to be subsequently performed (S115). (TOA measurement value, AOA measurement value) becomes one set or zero set, and as a result, NLOS discrimination is correctly performed.

つまり、上記したセンサフィールド中央付近の範囲内の殆どの位置で、中央処理装置4が実行は、図3の処理において、S210,S215、S220のループを3回以上繰り返すことで、3個以上のセンサノード3−i(NLOS環境にあるセンサノードを複数個含む)のTOA測定値が、ターゲットノード2の位置推定に利用する対象から取り除かれ、その後S225を経て図2のS110で、最後に取り除かれたTOA測定値を上記対象に戻す。その結果、2個以上のセンサノード3−i(NLOS環境にあるセンサノードを複数個含む)のTOA測定値がS105、S110で除去される。更に中央処理装置4は、上記したセンサフィールド中央付近の範囲内の殆どの位置で、図4の処理において、ターゲットノード2の位置推定に利用する対象に残っているNLOS測定値(TOA測定値、AOA測定値)が1組だけの場合は、S325でその1組のNLOS測定値が取り除かれて算出された推定位置を返し、当該対象に残っているNLOS測定値が0組の場合は、S320で残っているすべての組を用いて算出された推定位置を返す。   In other words, the central processing unit 4 is executed at almost all positions within the range near the center of the sensor field described above, by repeating the loop of S210, S215, and S220 three or more times in the process of FIG. The TOA measurement value of the sensor node 3-i (including a plurality of sensor nodes in the NLOS environment) is removed from the object used for position estimation of the target node 2, and then finally removed in S110 of FIG. 2 via S225. Return the measured TOA value to the target. As a result, the TOA measurement values of two or more sensor nodes 3-i (including a plurality of sensor nodes in the NLOS environment) are removed in S105 and S110. Further, the central processing unit 4 has the NLOS measurement values (TOA measurement values, TOA measurement values) remaining in the target used for position estimation of the target node 2 in the processing of FIG. If the AOA measurement value) is only one set, the estimated position calculated by removing the one set of NLOS measurement values in S325 is returned, and if the NLOS measurement value remaining in the target is zero set, S320 Returns the estimated position calculated using all pairs remaining in.

また、図6〜図8において、それぞれセンサフィールド全体でRMSEの平均を取ると図6は0.23985m、図7は0.67696m、図8は0.33071mとなった。このことからセンサフィールド全体において本実施形態は既存手法より位置推定精度が向上することが分かる。また、図6全体において、図2のS105でTOA測定値が取り除かれたNLOS環境下にあるセンサノードの数(S110で戻した後の時点における除去数)は、平均で2.0008個であった。この個数はNLOS環境下のセンサノード数よりも少なく、NLOS環境下のセンサノードを完全に除去できていない。しかし、NLOS測定値であっても含まれる誤差が極めて小さい場合があり、その場合はその測定値を除去せずに推定位置導出に用いたほうが位置推定精度は向上する。そのため、S105で取り除かれなかったNLOS測定値は誤差が小さく、S115における異常値判別精度およびS120における位置推定精度を劣化させることはない。   6 to 8, the RMSE averaged over the entire sensor field is 0.23985 m in FIG. 6, 0.67696 m in FIG. 7, and 0.33071 m in FIG. 8. From this, it can be seen that, in the entire sensor field, the present embodiment improves the position estimation accuracy over the existing method. In addition, in FIG. 6 as a whole, the number of sensor nodes in the NLOS environment from which the TOA measurement value was removed in S105 of FIG. 2 (the number of removals after the return in S110) was 2.0008 on average. It was. This number is smaller than the number of sensor nodes under the NLOS environment, and the sensor nodes under the NLOS environment cannot be completely removed. However, even if it is an NLOS measurement value, the included error may be very small. In this case, the position estimation accuracy is improved by using the measurement value without removing the measurement value. For this reason, the NLOS measurement value that has not been removed in S105 has a small error, and does not deteriorate the abnormal value determination accuracy in S115 and the position estimation accuracy in S120.

なお、本実施形態において、中央処理装置4が、S105、S110を実行することで第1除去手段の一例として機能し、S115を実行することで第2除去手段の一例として機能し、S120を実行することで推定位置取得手段の一例として機能する。   In this embodiment, the central processing unit 4 functions as an example of the first removal unit by executing S105 and S110, functions as an example of the second removal unit by executing S115, and executes S120. This functions as an example of an estimated position acquisition unit.

本実施形態は、上記のようになっていることで、あらかじめS105、S110において、TOA測定値およびAOA測定値のうちTOA測定値のみに基づいて、NLOS環境にある複数のセンサノードのTOA測定値が、ターゲットノード2の位置推定に利用する対象から除外される可能性が高い。したがって、TOA測定値およびAOA測定値の両方を用いるS115の実行開始時において、NLOS環境にあるセンサノードのTOA測定値およびAOA測定値の数が当初よりも減っており、その結果、NLOS判別の精度が向上する。   In the present embodiment, as described above, the TOA measurement values of a plurality of sensor nodes in the NLOS environment based on only the TOA measurement value among the TOA measurement value and the AOA measurement value in S105 and S110 in advance. However, there is a high possibility that the target node 2 is excluded from the target used for position estimation of the target node 2. Therefore, at the start of execution of S115 using both the TOA measurement value and the AOA measurement value, the number of TOA measurement values and AOA measurement values of the sensor node in the NLOS environment is reduced from the initial value. Accuracy is improved.

また、本実施形態では、HTA方式におけるIMR法を用いたNLOS判別において、最初にTOAのみの測定値を用いてNLOS判別を行い、NLOS環境にあるセンサノードを複数個取り除いた後、続けてTOAとAOAの測定値を用いてNLOS判別を行うものである。このような判別方法では、TOAのみの測定値を用いたNLOS判別で複数のNLOS環境のセンサノードが取り除かれているため、続けて行われるTOAとAOAの両方を用いたNLOS判別では判別に用いる測定値の中に含まれるNLOS環境下の測定値は1つ以下となることが多く、NLOS判別の誤りを減少させることが可能である。
(その他の実施形態)
上記実施形態では、中央処理装置4(処理手段の一例に相当する)は、ターゲットノード2ともセンサノード3−iとも違う別個の装置として実現されている。しかし、必ずしもこのようになっていなくてもよい。例えば、中央処理装置4を用意せず、センサノード3−iやターゲットノード2が中央処理装置4の機能を有していても構わない。
In the present embodiment, in the NLOS determination using the IMR method in the HTA method, the NLOS determination is first performed using the measured value of only the TOA, and after removing a plurality of sensor nodes in the NLOS environment, the TOA is continuously performed. And NLOS discrimination using the measured value of AOA. In such a discriminating method, the sensor nodes of a plurality of NLOS environments are removed by NLOS discrimination using only the measured value of TOA. Therefore, in the subsequent NLOS discrimination using both TOA and AOA, it is used for discrimination. The measurement value included in the measurement value is often one or less in the NLOS environment, and it is possible to reduce errors in NLOS determination.
(Other embodiments)
In the above embodiment, the central processing unit 4 (corresponding to an example of a processing unit) is realized as a separate device different from the target node 2 and the sensor node 3-i. However, this need not be the case. For example, the central processing unit 4 may not be prepared, and the sensor node 3-i and the target node 2 may have the function of the central processing unit 4.

上記実施形態では、2次元空間において位置推定を行っているが、3次元空間において位置推定を行っても構わない。   In the above embodiment, position estimation is performed in a two-dimensional space, but position estimation may be performed in a three-dimensional space.

上記実施形態では、各センサノード3−iは、受信した信号のTOAに基づいて、ターゲットノード2と自機の間の距離dを算出し、算出した距離dを中央処理装置4に送信するようになっている。しかし、受信した信号のTOAそのものを、中央処理装置4に送信するようになっていてもよい。その場合は、中央処理装置4が、受信したTOAに基づいて距離dを算出すればよい。 In the above-described embodiment, each sensor node 3-i calculates the distance d i between the target node 2 and itself based on the TOA of the received signal, and transmits the calculated distance d i to the central processing unit 4. It is supposed to be. However, the TOA itself of the received signal may be transmitted to the central processing unit 4. In that case, the central processing unit 4 may calculate the distance d i based on the received TOA.

上記実施形態では、各センサノード3−iは、TOA方式を用いてターゲットノード2と自機の間の距離dの測定を行っている。しかし、そうではなく、例えばRSS方式やTDOA方式など他の距離測定方式を用いて、ターゲットノード2と自機の間の距離dの測定および送信を行うようになっていてもよい。その場合、各センサノード3−iは、距離dではなく、受信した信号のRSSそのものやTDOAそのものを中央処理装置4に送信するようになっていてもよい。その場合、その場合は、中央処理装置4が、受信したRSSまたはTDOAに基づいて距離dを算出すればよい。 In the above embodiment, each sensor node 3-i measures the distance d i between the target node 2 and its own device using the TOA method. However, not the case, for example, using other distance measurement methods such as RSS method or TDOA method may be adapted to perform the measurement and transmission of the distance d i between the target node 2 own device. In that case, each sensor node 3-i may transmit the RSS itself of the received signal or the TDOA itself to the central processing unit 4 instead of the distance d i . In that case, in that case, the central processing unit 4 may calculate the distance d i based on the received RSS or TDOA.

つまり、各センサノード3−iが送信するのは、前記ターゲットノード(2)から自機までの距離を算出可能な距離情報と、前記信号の到来方向を算出可能な到来方向情報との組であればよい。   That is, each sensor node 3-i transmits a set of distance information that can calculate the distance from the target node (2) to its own device and arrival direction information that can calculate the arrival direction of the signal. I just need it.

上記実施形態では、2回目のIMR法において、TOAとAOAの両方を用いたNLOS判別を1度だけ行っているが、これを複数回行っても構わない。   In the above embodiment, in the second IMR method, NLOS discrimination using both TOA and AOA is performed only once, but this may be performed a plurality of times.

上記実施形態では、ターゲットノード2の推定位置の算出に最小二乗法を用いているが、他の算出方式を用いても構わない。   In the above embodiment, the least square method is used to calculate the estimated position of the target node 2, but other calculation methods may be used.

本発明は、センサネットワークにおける距離測定および角度測定を行う位置推定において、適切に異常値を除去し、位置推定精度を向上させる方法として利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a method for appropriately removing an abnormal value and improving position estimation accuracy in position estimation for performing distance measurement and angle measurement in a sensor network.

1…センサフィールド
2…ターゲットノード
3−i…センサノード
4…中央処理装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sensor field 2 ... Target node 3-i ... Sensor node 4 ... Central processing unit

Claims (2)

ターゲットノード(2)から送信された信号を受信し、受信した前記信号に基づいて、前記ターゲットノード(2)から自機までの距離を算出可能な距離情報(d)と、前記信号の到来方向を算出可能な到来方向情報(θ)との組を算出する複数個のセンサノード(3−i)と、
処理手段(4)と、を備え、
前記処理手段(4)は、前記複数のセンサノード(3−i)の各々で算出された距離情報(d)および到来方向情報(θ)の組を取得する測定値取得手段(S100)と、
前記取得手段(S100)で取得されたすべての組の距離情報(d)および到来方向情報(θ)のうち、距離情報(d)のみを、前記ターゲットノード(2)の位置推定に利用する対象に含め、前記対象を用いて、誤差の大きい距離情報(d)を選び、選んだ距離情報(d)を前記対象から取り除く第1除去手段(S105、S110)と、
前記第1除去手段(S105、S110)によって前記対象から誤差の大きい距離情報(d)が取り除かれた後、前記対象に残った複数個の距離情報(d)のいずれか1つと組になる複数個の到来方向情報(θ)を、前記対象に追加し、追加後の前記対象を用いて、前記対象から、誤差の大きい距離情報(d)と到来方向情報(θ)の組を取り除く第2除去手段(S115)と、
前記第2除去手段(S115)で誤差の大きい距離情報(d)と到来方向情報(θ)の組が取り除かれた後の前記対象を用いて算出されたターゲットノードの推定位置を取得する推定位置取得手段(S120)と、を有することを特徴とする位置推定システム。
Receives a signal transmitted from the target node (2), and based on the received signal, distance information (d i ) capable of calculating a distance from the target node (2) to the own device, and arrival of the signal A plurality of sensor nodes (3-i) that calculate a pair with direction-of-arrival information (θ i ) capable of calculating a direction;
Processing means (4),
The processing means (4) is a measurement value acquisition means (S100) for acquiring a set of distance information (d i ) and arrival direction information (θ i ) calculated at each of the plurality of sensor nodes (3-i). When,
Of all the sets of distance information (d i ) and arrival direction information (θ i ) acquired by the acquisition unit (S100), only the distance information (d i ) is used for position estimation of the target node (2). A first removal means (S105, S110) for selecting distance information (d i ) having a large error using the target and including the selected distance information (d i ) from the target;
After the distance information (d i ) having a large error is removed from the target by the first removing means (S105, S110), it is combined with any one of a plurality of distance information (d i ) remaining on the target. A plurality of direction-of-arrival information (θ i ) is added to the target, and using the target after the addition, distance information (d i ) and direction-of-arrival information (θ i ) having a large error are added A second removing means (S115) for removing the set;
The estimated position of the target node calculated using the target after the pair of the distance information (d i ) and the arrival direction information (θ i ) having a large error is removed by the second removing unit (S115) is acquired. An estimated position acquisition unit (S120).
前記第1除去手段(S105、S110)は、
前記対象に含まれる距離情報(d)の数がN+1個であるとき、前記対象に含まれるN+1個の距離情報(d)を用いて前記ターゲットノード(2)の推定位置と残差ηを算出し、更に、前記対象に含まれるN+1個の距離情報(d)のうち、N+1通りのN個の測定値の各々を使用して、N+1通りの前記ターゲットノード(2)の推定位置およびN+1通りの残差(ε)を算出し、前記N+1通りの残差(ε)の中で最小の値となる残差ε´と、前記残差ηとの比較を行う、
という処理を、η−ε´が設定値(δTOA)より小さくなるまで、前記残差ε´の計算に用いられなかった距離情報(d)を前記対象から取り除きながら繰り返し、
η−ε´が設定値(δTOA)より小さくなると、前記対象から最後に取り除いた距離情報(d)を、前記対象に戻すことを特徴とする請求項1に記載の位置推定システム。
The first removal means (S105, S110)
When the number of the distance information (d i) included in the subject is a +1 N d, estimated position of the target node (2) using N d +1 distance information included in the object (d i) and calculating the residual eta, further, among the N d +1 pieces of distance information included in the object (d i), using each of the N d number of measurements of the N d +1 Street, N d +1 calculating the target node estimated position and N residuals d +1 street (2), as the (epsilon), the residual of the N d +1 ways residual becomes minimum value among (epsilon) Ipushiron' and A comparison with the residual η
The above process is repeated while removing distance information (d i ) that has not been used for the calculation of the residual ε ′ from the target until η−ε ′ becomes smaller than a set value (δ TOA ),
The position estimation system according to claim 1, wherein when η−ε ′ is smaller than a set value (δ TOA ), the distance information (d i ) last removed from the object is returned to the object.
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