JP6634734B2 - 距離推定システム、距離推定装置、距離推定方法及び距離推定プログラム - Google Patents

Description

本発明は、距離推定システム、距離推定装置、距離推定方法及び距離推定プログラムに関し、電波を利用して受信局の位置推定に係る距離を推定するシステムに適用し得るものである。

ノードの位置を推定する位置推定技術には種々の技術がある。その１つとして、受信局が受信した電波の強度（例えば、受信電力値）と、送信局と受信局との間の距離とを利用して、受信局の位置を推定するものがある。受信局の推定位置の精度を向上させるためには、受信局と送信局との間の距離を精度良く推定することが求められる。

距離と、電波の減衰量（以下、「パスロス」と呼ぶ。）の関係式は、これまで様々な実験、研究により求められている。図２は、自由空間でのパスロスと距離との関係を説明する説明図である。受信局の位置推定処理では、図２に例示するパスロスと距離との関係を利用して、送信局から送信された電波の受信局における受信電力値を利用することで、送信局と受信局との間の距離を推定することが可能である。

特開２０１２−２１１７６７号公報

しかしながら、基地局（送信局）と、例えば携帯端末等の無線通信端末（以下、単に「端末」と呼ぶ。）との間で距離推定を行う場合には、距離精度はこれまで十分ではなかった。

例えば、端末を胸ポケットに入れるユーザーもいれば、鞄に入れるユーザーもいる。このとき、端末のアンテナは、完全に全方位無指向性のアンテナパターンとして作ることが困難であるため、端末の姿勢によって、受信しやすい角度（図３（Ａ）参照）、受信しにくい角度がある（図３（Ｂ）参照）。端末の姿勢によっては、受信電力値が異なる。例えば、図３（Ａ）の場合には受信電力値＝−７０ｄＢｍとなり、図３（Ｂ）の場合には受信電力値＝−８０ｄＢｍとなる。そのため、送信局から同じ距離Ｌに位置している場合でも、端末の姿勢によって、実際より短い距離を推定したり、又は長い距離を推定したりして、結果として位置精度は良くなかった。

そのため、上記課題に鑑み、受信局の姿勢情報と受信局における電波の強度とを用いて、送信局と受信局との間の推定距離の精度を向上させることができる距離推定システム、距離推定装置、距離推定方法及び距離推定プログラムが求められている。

かかる課題を解決するために、第１の本発明に係る距離推定システムは、１又は複数の送信局から送信された電波の強度に基づいて、各送信局と受信局との間の距離を推定する距離推定システムにおいて、（１）受信局の位置情報を推定する位置推定手段と、（２）推定した受信局の位置情報を各送信局に通知し、各送信局から見た受信局の方向に応じた送信アンテナの各利得を取得する取得手段と、（３）受信アンテナを介して受信した電波の強度を測定する電波強度測定手段と、（４）受信アンテナの受信特性を示すアンテナ受信特性情報を記憶するアンテナ受信特性情報記憶手段と、（５）受信局の姿勢情報を推定する姿勢推定手段と、（６）受信局の姿勢情報及びアンテナ受信特性情報に基づいて、各電波の到来方向に対する受信アンテナの利得を推定する利得推定手段と、（７）推定されたアンテナの各利得及び各電波の強度に基づいて得られる各電波の減衰量に応じた距離を推定する距離推定手段とを備え、距離推定手段が、推定された受信アンテナの各利得と、各電波の強度と、各送信局の送信電波の強度、及び、各送信局から見た受信局の方向に応じた送信アンテナの各利得とに基づいて、各電波の減衰量を求めることを特徴とする。

第２の本発明に係る距離推定装置は、１又は複数の送信局から送信された電波の強度に基づいて、各送信局と受信局との間の距離を推定する距離推定装置において、（１）受信局の位置情報を推定する位置推定手段と、（２）推定した受信局の位置情報を各送信局に通知し、各送信局から見た受信局の方向に応じた送信アンテナの各利得を取得する取得手段と、（３）受信アンテナを介して受信した電波の強度を測定する電波強度測定手段と、（４）受信アンテナの受信特性を示すアンテナ受信特性情報を記憶するアンテナ受信特性情報記憶手段と、（５）受信局の姿勢情報を推定する姿勢推定手段と、（６）受信局の姿勢情報及びアンテナ受信特性情報に基づいて、各電波の到来方向に対する受信アンテナの利得を推定する利得推定手段と、（７）推定されたアンテナの各利得及び各電波の強度に基づいて得られる各電波の減衰量に応じた距離を推定する距離推定手段とを備え、距離推定手段が、推定された受信アンテナの各利得と、各電波の強度と、各送信局の送信電波の強度、及び、各送信局から見た受信局の方向に応じた送信アンテナの各利得とに基づいて、各電波の減衰量を求めることを特徴とする。

第３の本発明に係る距離推定方法は、１又は複数の送信局から送信された電波の強度に基づいて、各送信局と受信局との間の距離を推定する距離推定方法において、受信アンテナの受信特性を示すアンテナ受信特性情報を記憶するアンテナ受信特性情報記憶手段を備え、（１）位置推定手段が、受信局の位置情報を推定し、（２）取得手段が、推定した受信局の位置情報を各送信局に通知し、各送信局から見た受信局の方向に応じた送信アンテナの各利得を取得し、（３）電波強度測定手段が、受信アンテナを介して受信した電波の強度を測定し、（４）姿勢推定手段が、受信局の姿勢情報を推定し、（５）利得推定手段が、受信局の姿勢情報及びアンテナ受信特性情報に基づいて、各電波の到来方向に対する受信アンテナの利得を推定し、（６）距離推定手段が、推定されたアンテナの各利得及び各電波の強度に基づいて得られる各電波の減衰量に応じた距離を推定し、距離推定手段が、推定された受信アンテナの各利得と、各電波の強度と、各送信局の送信電波の強度、及び、各送信局から見た受信局の方向に応じた送信アンテナの各利得とに基づいて、各電波の減衰量を求めることを特徴とする。

第４の本発明に係る距離推定プログラムは、１又は複数の送信局から送信された電波の強度に基づいて、各送信局と受信局との間の距離を推定する距離推定プログラムにおいて、コンピュータを、（１）受信局の位置情報を推定する位置推定手段と、（２）推定した受信局の位置情報を各送信局に通知し、各送信局から見た受信局の方向に応じた送信アンテナの各利得を取得する取得手段と、（３）受信アンテナを介して受信した電波の強度を測定する電波強度測定手段と、（４）受信アンテナの受信特性を示すアンテナ受信特性情報を記憶するアンテナ受信特性情報記憶手段と、（５）受信局の姿勢情報を推定する姿勢推定手段と、（６）受信局の姿勢情報及びアンテナ受信特性情報に基づいて、各電波の到来方向に対する受信アンテナの利得を推定する利得推定手段と、（７）推定されたアンテナの各利得及び各電波の強度に基づいて得られる各電波の減衰量に応じた距離を推定する距離推定手段として機能させ、距離推定手段が、推定された受信アンテナの各利得と、各電波の強度と、各送信局の送信電波の強度、及び、各送信局から見た受信局の方向に応じた送信アンテナの各利得とに基づいて、各電波の減衰量を求めることを特徴とする。

本発明によれば、受信局の姿勢情報と受信局における電波の強度とを用いて、送信局と受信局との間の推定距離の精度を向上させることができる。

第１の実施形態に係る受信局としての端末１の内部構成を示す内部構成図である。 自由空間でのパスロスと距離との関係を説明する説明図である。 端末の姿勢と電波の受信電力値との関係を説明する説明図である。 第１の実施形態に係る通信システムの全体構成を示す全体構成図である。 アンテナパターン情報１１１ａの一例を説明する説明図である。 第１の実施形態に係る距離推定処理の動作を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る距離推定処理の動作を説明する説明図である。 第２の実施形態に係る通信システムの全体的な構成を示す全体構成図である。 第２の実施形態に係る受信局としての端末１の内部構成を示す内部構成図である。 第２の実施形態の距離推定部２０による各送信局２の方向を推定する処理の動作を示すフローチャートである。 変形実施形態に係る距離推定処理の手順を示すシーケンス図である。

（Ａ）第１の実施形態
以下では、本発明に係る距離推定システム、距離推定装置、距離推定方法及び距離推定プログラムの第１の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図４は、第１の実施形態に係る通信システムの全体構成を示す全体構成図である。第１の実施形態に係る通信システム１０は、複数（図４では４台）の送信局２−１〜２−４、複数（図４では３台）の無線通信端末（以下、「端末」と呼ぶ。）１−１〜１−３を有する。

なお、以下では、全ての送信局に共通する説明を行うときには送信局２と呼ぶ。また、全ての端末に共通する説明を行うときには端末１と呼ぶ。

送信局２は、例えば、固定設置されたノードであり、例えば、公衆又は専用に設けられた無線ＬＡＮのアクセスポイント等を適用できる。送信局２は、例えば、ビーコン信号や連続波等を送信するものである。ビーコン信号には、必要に応じて、送信局２の識別情報、送信局２の位置情報、送信局２の送信出力値、送信アンテナゲインの値等を含むようにしても良い。また、送信局２は、屋内に固定されたものであっても良いし、移動可能なものであっても良い。

端末１は、送信局２から送信された電波を受信する受信ノードである。端末１は、例えば、ユーザーが所持する移動可能なノードを適用できる。端末１は、無線通信機能を備える装置を備えるものであれば広く適用できる。より具体的に、端末１は、スマートフォン、携帯電話機、携帯端末、ウェアラブル端末、乗り物（例えば、自動車、自転車、車いす、小型自動車等を含む概念）等に搭載される。

図１は、第１の実施形態に係る受信局としての端末１の内部構成を示す内部構成図である。なお、端末１のハードウェア構成は図示しないが、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、入出力インタフェース、通信装置等を有する回路等を適用できる。ＣＰＵがＲＯＭに格納される処理プログラムを実行することにより距離を推定する。

図１において、端末１は、距離推定部１１、センサ部１２、無線部１３、バッテリ１４を有する。

距離推定部１１は、無線部１３により受信された電波の強度に基づいて、送信局２と端末１との間の距離を推定するものである。具体的には、距離推定部１１は、センサ部１２により検出されたセンサ情報に基づいて端末１の姿勢を推定し、推定した端末１の姿勢で電波の到来方向のアンテナゲイン（利得）を計算する。そして、距離推定部１１は、計算したアンテナゲインを用いて、受信した電波の減衰量（パスロス）を計算し、そのパスロスと受信電力値とを用いて送信局２と端末１との間の距離を推定する。

距離推定部１１は、アンテナパターン情報部１１１、姿勢推定部１１２、アンテナゲイン推定部１１３、距離計算部１１４を有する。

アンテナパターン情報部１１１は、無線部１３のアンテナ部１３ａのアンテナパターン情報１１１ａを格納するものである。アンテナパターン情報１１１ａは、アンテナ部１３ａの受信特性（放射特性）を示すものである。アンテナパターン情報１１１ａは、アンテナ部１３ａの設計段階で得られる設計値であっても良いし、又は実装するアンテナ部１３ａの実測値であっても良い。

図５は、アンテナパターン情報１１１ａの一例を説明する説明図である。図５では、アンテナパターン情報１１１ａは、実装するアンテナ部１３ａの放射特性を関数として図示したものを示す。なお、アンテナパターン情報１１１ａの実際は、アンテナ部１３ａの方位における放射特性を示す関数式等であっても良い。

図５（Ａ）は、方位角平面パターンを示しており、図５（Ｂ）は、仰角平面パターンを示している。ここで、アンテナパターン情報１１１ａは、その一例として、図５（Ａ）の方位角平面パターン及び図５（Ｂ）の仰角平面パターンを有する。このように、アンテナパターン情報１１１ａが方位角平面パターンと仰角平面パターンを有するとした理由は、これらは、端末１に備え付けられたアンテナ部１３ａの放射特性を示すためである。すなわち、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に例示するアンテナパターン情報１１１ａのアンテナ部１３ａの傾きや方位は、端末１の傾きや方位と考えらえる。

なお、図５は、アンテナパターン情報１１１ａの一例を示すものであり、アンテナ部１３ａの放射特性が図５に図示するものに限定されるものではない。

姿勢推定部１１２は、センサ部１２から取得したセンサ情報に基づいて、端末１の姿勢を推定するものである。また、姿勢推定部１１２は、推定した端末１の姿勢の結果をアンテナゲイン推定部１１３に与える。

アンテナゲイン推定部１１３は、アンテナパターン情報部１１１に格納されるアンテナパターン情報１１１ａを参照して、姿勢推定部１１２により推定された端末１の姿勢に基づいて、到来した電波の方向に対するアンテナ部１３ａのアンテナゲインの値Ｇｒを推定するものである。アンテナゲイン推定部１１３は、推定したアンテナゲインの値Ｇｒを距離計算部１１４に与える。

距離計算部１１４は、無線部１３から受信した電波の受信電力値（ＲＳＳＩ）を取得し、受信した電波の受信電力値と、アンテナゲイン推定部１１３により推定されたアンテナゲインの値Ｇｒと、送信局２の送信出力値及び送信アンテナゲインとを用いて、受信した電波の減衰量（パスロス）を計算する。また、距離計算部１１４は、予め設定されている距離−パスロス関係情報１１４ａを参照して、計算したパスロスを用いて、送信局２と端末１との間の距離を計算する。

ここで、距離計算部１１４によるパスロスの計算の際、送信局２の送信出力値及び送信アンテナゲインの値に関する情報は、例えば、距離推定部１１が、無線部１３を通じて、送信局２との間のパケット通信により取得するようにしても良い。また、予め送信局２の送信出力値及び送信アンテナゲインに関する情報が既知であるときには、距離計算部１１４は、それらの既知の値を用いるようにしても良い。

センサ部１２は、端末１の姿勢を検出するセンサ群を有する。センサ部１２は、各センサにより検出されたセンサ情報を姿勢推定部１１２に与える。

センサ部１２は、例えば、加速度センサ１２１、ジャイロセンサ１２２、地磁気センサ１２３を有する。

加速度センサ１２１は、加速度を取得する機能を備える慣性センサである。加速度センサ１２１は、端末１の加速度を計測し、その加速度の情報を姿勢推定部１１２に与える。なお、加速度センサ１２１の種類や方式は、特に限定されるものではなく、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を応用したものなどを適用できる。

ジャイロセンサ１２２は、角速度を取得する機能を備える慣性センサである。ジャイロセンサ１２２は、端末１の角速度を計測し、その角速度の情報を姿勢推定部１１２に与える。なお、ジャイロセンサ１２２の種類や方式は、特に限定されるものではなく、例えば、ＭＥＭＳ技術を応用したものなどを適用できる。

地磁気センサ１２３は、いわゆる電子コンパスと呼ばれるものであり、地磁気から北の方向を基準とする絶対座標系の方位の情報を取得する機能を備え、端末１の方位の情報を姿勢推定部１１２に与える。

バッテリ１４は、端末１に搭載される機器に電源を供給する電源部であり、例えば、汎用的な２次電池等を適用できる。

無線部１３は、既存の無線機の機能を備えるものである。無線部１３は、電力測定部１３１を有しており、アンテナ部１３ａにより捕捉された電波の受信電力値を測定し、その測定結果を距離推定部１１に与える。なお、送信局２との間でパケット通信を行う場合、無線部１３は送信部（図示しない）を備えるようにしても良い。これは、端末１が推定した距離情報を送信局２に伝達する場合に、無線部の送信部が距離を含む情報を送信する。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
次に、第１の実施形態に係る端末１における距離推定処理の動作を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図６は、第１の実施形態に係る距離推定処理の動作を示すフローチャートである。

また、図７は、第１の実施形態に係る距離推定処理の動作を説明する説明図である。

以下では、第１の実施形態では、動作説明を容易にするために、電波を送信する送信局２がユーザーの前方にあり、ユーザーの前方から電波が到来する場合を想定して説明する。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）では、説明の便宜上、水平方向を上から見た図となっており、さらに高さ方向（Ｚ軸方向）は送信局２と端末１が一致しているとする。

端末１において、姿勢推定部１１２は、加速度センサ１２１から加速度の情報、ジャイロセンサ１２２から角速度の情報、地磁気センサ１２３から絶対方位に関する情報を取得する。姿勢推定部１１２は、取得した加速度の情報、角速度の情報、絶対方位に関する情報に基づいて、端末１の姿勢を推定する（ステップＳ１０１）。

ここで、姿勢推定部１１２による、現時刻ｔにおける端末１の姿勢［Ψ_ｔ θ_ｔ φ_ｔ］^Ｔを推定する方法を説明する。

端末１は、任意の姿勢でユーザーに所持されることが想定される。そのため、姿勢推定部１１２は、端末１の姿勢をオイラー角に従って回転させ、世界座標系での姿勢を変換する。

姿勢推定部１１２は、以下の（１）式、（２）式によりジャイロセンサ１２２の出力［ω_ｔ ω_ｔ ω_ｔ］^Ｔを利用して、端末１の姿勢［Ψ_ｔ θ_ｔ φ_ｔ］^Ｔを計算することができる（オイラー角ＺＹＸ系の回転行列）。

さらに、静止時の姿勢を推定したい場合は、例えば、以下の計算により、姿勢推定部１１２は端末１の姿勢を推定できる。つまり、姿勢推定部１１２において、（２）式の初期値である［Ψ_０ θ_０ φ_０］^Ｔは、地磁気センサ１２３の出力と加速度センサ１２１の出力とを利用して計算する。以下に、初期値である［Ψ_０ θ_０ φ_０］^Ｔの計算方法を説明する。

端末１が完全に静止しているとき、加速度センサ１２１は重力加速度ｇのみを加速度として検出する。このとき、加速度は、ロール角、ピッチ角、ヨー角を用いて（３）式で示すことができる。

姿勢推定部１１２において、式（３）を解くことで、ロール角、ピッチ角は、式（４）、式（５）として表すことができる。

次に、ヨー角を求める。地磁気センサ１２３の出力（ｍ_ｘ，ｍ_ｙ，ｍ_ｚ）を変換すると式（６）となる。

（７）式からヨー角を計算することができる。

姿勢推定部１１２により推定される姿勢情報は、例えば、（Ｘ座標，Ｙ座標）のような２次元、あるいは、（Ｘ座標，Ｙ座標，Ｚ座標）３次元の形式で表現される。

アンテナゲイン推定部１１３は、推定された端末１の姿勢の状態変化情報とアンテナパターン情報部１１１のアンテナパターン情報１１１ａとを用いて、電波到来方向のアンテナゲインの値Ｇｒを推定する（ステップＳ１０２）。

つまり、アンテナゲイン推定部１１３は、アンテナパターン情報部１１１から端末１のアンテナパターン情報１１１ａを読み出す。そして、アンテナゲイン推定部１１３は、姿勢推定部１１２から推定した姿勢の状態変化情報（すなわち、垂直方向の傾きと水平方向の角度）と、アンテナパターン情報１１１ａとを用いて、電波到来方向に対するアンテナゲインの値Ｇｒを計算する。

第１の実施形態の動作説明では、端末１の水平方向の角度を用いて説明する。端末１の姿勢の状態変化情報には、水平方向の角度が含まれている。従って、この端末１の姿勢の結果の水平方向の角度を、ユーザーの前方方向に対する端末１の角度とする。また、ここではユーザーの前方方向から電波が到来することを想定している。そのため、アンテナゲイン推定部１１３は、アンテナパターン情報１１１ａを参照して、端末１の姿勢の結果を用いて、電波の到来方向に対するアンテナゲインの値Ｇｒを推定する。

例えば、図７（Ａ）は、姿勢推定部１１２により推定された端末１の姿勢の結果（すなわち、水平方向の角度）が０度の場合を示す。この場合、図７（Ａ）に示すように、歩行するユーザーの方向と端末１の姿勢の水平方向の角度とが一致している。アンテナゲイン推定部１１３は、アンテナパターン情報１１１ａを参照して、水平方向の角度が０度のときのアンテナゲインの値Ｇｒを計算する。例えば、アンテナパターン情報１１１ａを参照して、水平方向の角度が０度の場合のアンテナゲインの値Ｇｒが１０ｄＢｉであるとすると、アンテナゲイン推定部１１３は、アンテナゲインの値Ｇｒ＝１０ｄＢｉを計算する。

また例えば、図７（Ｂ）は、姿勢推定部１１２により推定された端末１の姿勢の結果、すなわち水平方向の角度が３０度の場合を示す。この場合、アンテナゲイン推定部１１３は、アンテナパターン情報１１１ａを参照して、水平方向の角度が３０度のときのアンテナゲインの値Ｇｒを計算する。例えば、アンテナパターン情報１１１ａを参照して、水平方向の角度が３０度の場合のアンテナゲインの値Ｇｒが３ｄＢｉであるとすると、アンテナゲイン推定部１１３は、アンテナゲインの値Ｇｒ＝３ｄＢｉを計算する。

次に、距離計算部１１４は、アンテナゲイン推定部１１３により推定されたアンテナゲインの値Ｇｒと、無線部１３からの電波の受信電力値とを利用して、電波の減衰量（パスロス）を計算する。そして、距離計算部１１４は、距離−パスロス関係情報１１４ａを参照して、推定したパスロスから距離を推定する（ステップＳ１０３）。

距離計算部１１４は、式（８）に従って、電波の減衰量を推定する。なお、ここでは、パスロスの値を単純に計算するために、端末１等で発生するノイズなどを無視している。勿論、ノイズ等を想定した別の関数式を用いるようにしても良い。
電波の減衰量（パスロス）＝（送信アンテナゲイン）＋（送信出力値）＋（受信アンテナゲイン）−（受信電力値） …（８）

ここで、距離計算部１１４によるパスロスの計算の際、送信局２の電波の送信出力値及び送信アンテナゲインに関する情報は、端末１において既知であるとする。つまり、送信出力値と送信アンテナゲインに関する情報は、端末１が送信局２から受信するようにしても良いし、送信局２において設定されている場合には、端末１に予め設定されるようにしても良い。

このようにして距離計算部１１４がパスロスの値を推定すると、予め設定されている距離−パスロス関係情報１１４ａ（図２参照）を参照して、距離計算部１１４がパスロスに対する距離を推定する。

（Ａ−３）第１の実施形態の効果
以上のように、第１の実施形態によれば、加速度センサ、角速度センサを用いて端末の姿勢（垂直方向の傾き、水平方向の角度）を計算し、端末の姿勢情報とアンテナパターンが考慮された受信アンテナゲインによってパスロスが計算できるため、距離の推定値の精度を向上することができる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明に係る距離推定システム、距離推定装置、距離推定方法及び距離推定プログラムの第２の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

第２の実施形態では、送信局が送信する電波を受信する受信局としての端末の位置を推定する位置推定システムに本発明を適用する場合を例示する。

（Ｂ−１）第２の実施形態の構成
第１の実施形態では、端末１の距離推定部１１が、送信局２がユーザーの前方にあることを想定して、端末１と送信局２との間の距離を推定する場合を例示した。実際の運用では、送信局２がユーザーの前方に位置するとは限らず、端末１のいずれの方向に送信局２が存在する場合においても、送信局２と端末１との間の距離を推定できる方が、利便性は高い。

第２の実施形態では、受信局として端末１と各送信局２との位置関係に基づくベクトル方向を各電波の到来方向として、各送信局２と端末１との間の距離を推定する。

図８は、第２の実施形態に係る通信システムの全体的な構成を示す全体構成図である。第１の実施形態に係る通信システム１０は、複数（図４では４台）の送信局２−１〜２−４、複数（図４では３台）の無線通信端末（以下、「端末」と呼ぶ。）１−１〜１−３を有する。

送信局２は、例えば、固定設置されたノードであり、受信局（受信ノード）としての端末１の位置を推定するシステムのアンカーノードとなる。送信局２は、例えば、公衆又は専用に設けられた無線ＬＡＮのアクセスポイント等を適用できる。送信局２は、位置が既知であれば、屋内に固定されたものであっても良いし、移動可能なものであっても良い。

端末１は、複数の送信局が送信した電波を受信し、各電波の受信電力値から自身の位置を推定するものである。つまり、端末１は、位置推定の対象とするノードであり、例えば、ユーザーが所持する移動可能なノードを適用できる。端末１は、無線通信機能を備える装置を備えるものであれば広く適用できる。より具体的に、端末１は、スマートフォン、携帯電話機、携帯端末、ウェアラブル端末、乗り物（例えば、自動車、自転車、車いす、小型自動車等を含む概念）等に搭載される。

第２の実施形態では、説明便宜上、端末１が自ら情報を収集して、送信局２との間の距離を推定して自らの位置を推定する場合を想定して説明する。しかし、送信局２が、端末１から位置推定に必要な情報を取得して、端末１の位置を推定するようにしても良い。その場合、送信局２と端末１との間で、位置推定に必要な情報を含むパケットを通信し合うことで実現できる。また、位置推定システムの処理機能を、端末１と送信局２とに分散的に配置するようにしても良い。

図９は、第２の実施形態に係る受信局としての端末１の内部構成を示す内部構成図である。なお、端末１のハードウェア構成は図示しないが、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、入出力インタフェース、通信装置等を有する回路等を適用できる。ＣＰＵがＲＯＭに格納される処理プログラムを実行することにより距離を推定する。

図９において、端末１は、距離推定部１１Ａ、センサ部１２、無線部１３、バッテリ１４を有する。なお、センサ部１２、無線部１３、バッテリ１４は、第１の実施形態に係る図１に示す構成要素と同一又は対応するものであるため、ここでの詳細な説明は省略する。

距離推定部１１Ａは、第１の実施形態と同様に、センサ部１２からのセンサ情報を用いて端末１の姿勢を推定して、無線部１３のアンテナゲインを推定し、このアンテナゲインと、無線部１３により受信された電波の受信電力値とを用いて各送信局２と端末１との間のそれぞれの距離を推定するものである。さらに、距離推定部１１Ａは、送信局２と端末１との間の各距離を用いて、自身の位置を推定するものである。また、距離推定部１１Ａは、推定した自身の位置情報を用いて、各送信局２の存在する方向を推定するものである。

図９に示すように、距離推定部１１Ａは、アンテナパターン情報部１１１、姿勢推定部１１２、アンテナゲイン推定部１１３、位置推定部２１、送信局方向推定部２２を有する。なお、アンテナパターン情報部１１１、姿勢推定部１１２、アンテナゲイン推定部１１３は、基本的には、第１の実施形態と同一又は対応するものであるため、ここでは、第２の実施形態に特徴的な構成を中心に詳細に説明する。

位置推定部２１は、各送信局２により送信された電波の受信電力値を無線部１３から取得し、前回推定したアンテナゲインの値Ｇｒを用いて、各送信局２との間の距離を送信局２毎に推定するものである。位置推定部２１によるアンテナゲインの値Ｇｒの計算方法は、第１の実施形態と同様の方法を適用するため、ここでの詳細な説明は省略する。

また、位置推定部２１は、各送信局２との間の距離の推定値を用いて、例えば最尤推定法等により自身の端末１の位置を推定するものである。位置推定部２１は、推定した端末１の位置に関する情報を送信局方向推定部２２に与える。

送信局方向推定部２２は、位置推定部２１から端末１の位置に関する情報を受け取り、各送信局２の位置に関する情報と、端末１の位置に関する情報とに基づいて、各送信局２が端末１に対してどの方向に存在しているかを推定するものである。つまり、端末１の位置情報（例えば、（Ｘ座標，Ｙ座標））と、各送信局２の位置情報（例えば、（Ｘ座標，Ｙ座標））とに基づくベクトルを求める。このベクトル方向は、端末１から見たときの各送信局２の方向を意図する。従って、送信局方向推定部２２は、端末１の位置情報と、各送信局２の位置情報とに基づいて得られたベクトル方向を、各送信局２の方向として求める。

ここで、例えば、各送信局２の位置に関する情報は既知である場合には端末１に記憶されているものを用いることができる。また例えば、送信局２と端末１との間の通信により、送信局２が、自局の位置情報を端末１に送信するようにしても良い。

また、送信局方向推定部２２は、例えば、絶対方位を用いて、北を基準として端末１から見て３６０度のどの方向に送信局が存在するかで表現することができる。送信局方向推定部２２は、推定した結果をアンテナゲイン推定部１１３に渡す。

アンテナゲイン推定部１１３は、送信局方向推定部２２により推定された各送信局の方向を、各電波の到来方向として、各電波の到来方向に対するアンテナゲインの値Ｇｒを推定するものである。つまり、第１の実施形態では、ユーザーの前方から電波が到来する場合を例示したが、第２の実施形態では、端末１と各送信局２との位置関係から得られるベクトル方向（すなわち、端末１から見たときの送信局２の方向）を、電波の到来方向とし、この電波の到来方向に対するアンテナ部１３ａのアンテナゲインの値Ｇｒを推定する。

（Ｂ−２）第２の実施形態の動作
図１０は、第２の実施形態の距離推定部２０による各送信局２の方向を推定する処理の動作を示すフローチャートである。

端末１において、無線部１３が近隣の送信局２から電波を受信すると、電力測定部１３１が電波の受信電力値を測定し、測定された電波の受信電力値が距離推定部１１Ａに与えられる。これにより、距離推定部１１Ａの位置推定部２１は、電波の受信電力値を取得する（ステップＳ２０１）。

位置推定部２１は、取得した受信電力値を送信局２毎に記憶しておく。また、位置推定部２１は、アンテナゲイン推定部１１３により前回推定されたアンテナゲインの値Ｇｒを用いて、端末１の現在の位置を推定する（ステップＳ２０２）。

ここで、位置推定部２１による端末１の位置の推定方法は種々の推定方法を適用することができる。第２の実施形態では、以下のように最尤推定法により端末１の位置を推定する場合を例示する。

まず、位置推定部２１は、端末１の推定位置（ｘ＾，ｙ＾，ｚ＾）を、式（９）に従って、それぞれの送信局２との間の距離の推定値ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）を最大にするときのｘ，ｙ，ｚを計算することによって求める。

さらに、ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）は、式（１０）、式（１１）に示すことができる。

式（１０）、式（１１）において、α、βは、電波伝搬の環境により経験的に決まる値である。Ｎは、単位時間内に取得した受信電力値の情報数である。Ｐ_ｎは、アンテナゲイン推定部１１３により前回推定されたアンテナゲインの値Ｇｒを用いて計算された受信電力値である。アンテナゲインの値Ｇｒは、第１の実施形態で説明した計算方法により、送信局２毎に、送信局２への方向によって計算された値である。

次に、送信局方向推定部２２は、それぞれの送信局２毎に、各送信局２の方向を計算する。ここでは、端末１の近隣の送信局２のうち、送信局方向推定部２２が注目する送信局を送信局Ａとする。送信局方向推定部２２は、位置推定部２１により推定された端末１の推定位置と、既知の送信局Ａの位置との関係から、送信局Ａの方向を計算する（ステップＳ２０３）。

また、姿勢推定部１１２は、第１の実施形態で説明した計算方法により、加速度センサ１２１、ジャイロセンサ１２２、地磁気センサ１２３からのセンサ情報を用いて、端末１の姿勢の情報を推定する。そして、姿勢推定部１１２は、端末１の姿勢の情報をアンテナゲイン推定部１１３に与える（ステップＳ２０４）。

アンテナゲイン推定部１１３は、第１の実施形態で説明した計算方法により、アンテナパターン情報１１１ａを参照し、姿勢推定部１１２からの端末１の姿勢に情報を用いて、各送信局２からの電波の到来方向のアンテナゲインの値Ｇｒを推定する（ステップＳ２０５）。

アンテナゲイン推定部１１３は、アンテナゲイン推定部１１３により推定された各電波の到来方向に対するアンテナゲインの値Ｇｒを用いてパスロスを計算し、パスロスから送信局Ａとの間の距離を推定する（ステップＳ２０６）。

位置推定部２１は、前回の送信局Ａとの間の推定距離と、今回の送信局Ａとの間の推定距離との差分の絶対値を計算する。

そして、差分の絶対値が閾値未満の場合には、位置推定部２１は、端末１と送信局Ａとの間の推定距離が収束したと判断し、位置推定処理を終了する。

一方、差分の絶対値が閾値未満でない場合（差分の絶対値が閾値以上の場合）、位置推定部２１は、ステップＳ２０２に戻り、最尤推定法等により端末１の位置を推定する（ステップＳ２０７）。

なお、上記の処理は、送信局Ａのみの場合を例示したが、全ての送信局２についても同様の処理を行う。

（Ｂ−３）第２の実施形態の効果
以上のように、第２の実施形態によれば、送信局の方向が不明である場合でも、電波による自端末の位置推定を行うことで、各送信局に対しての方向を推定することができる。そのため、送信局の方向推定も含めて、距離推定システムが自律的に距離推定を行うことが可能となる。

（Ｃ）他の実施形態
上述した各実施形態においても種々の変形実施形態を言及したが、本発明は、以下の変形実施形態にも適用できる。

（Ｃ−１）第１及び第２の実施形態では、端末１の受信アンテナゲインの値Ｇｒを電波到来方向に合わせて調整する場合を例示した。端末１の位置推定が可能であれば、送信局２からみた端末１の方向を認識できるため、送信アンテナゲインの値Ｇｓについても、方向に合わせた正確な値を利用することができる。これにより、送信アンテナゲインの値Ｇｓが正確になるため、送信局と端末１との間の距離精度も向上する。

図１１は、変形実施形態に係る距離推定処理の手順を示すシーケンス図である。

ここでは、通信システムが送信局２と端末１から構成されるとする。端末１は、送信局２に対して推定した自端末１の位置情報を送る（ステップＳ３０１）。送信局２は端末１の位置情報から端末１の方向を計算し（ステップＳ３０２）、端末の方向の送信アンテナゲインＧｓを計算する（ステップＳ３０３）。

送信局２は、送信アンテナゲインＧｓの情報を端末１に送信し（ステップＳ３０４）、端末１は、方向が考慮された送信アンテナゲインＧｓを利用して距離を推定する。

（Ｃ−２）上述した第１及び第２の実施形態で説明した距離推定部は、受信局としての端末１が備えるシステムである場合を例示した。しかし、距離推定システムは、送信局と受信局との間で分散的に配置されて構築できるものであっても良い。

１０…通信システム、１…通信端末、１１及び１１Ａ…距離推定部、１１１…アンテナパターン情報部、１１１ａ…アンテナパターン情報、１１２…姿勢推定部、１１３…アンテナゲイン推定部、１２…センサ部、１２１…加速度センサ、１２２…ジャイロセンサ１２２…地磁気センサ、１３…無線部、２１…位置推定部、２２…送信局方向推定部。

Claims (8)

1. １又は複数の送信局から送信された電波の強度に基づいて、上記各送信局と受信局との間の距離を推定する距離推定システムにおいて、
   上記受信局の位置情報を推定する位置推定手段と、
   上記推定した受信局の位置情報を上記各送信局に通知し、上記各送信局から見た上記受信局の方向に応じた送信アンテナの各利得を取得する取得手段と、
   受信アンテナを介して受信した電波の強度を測定する電波強度測定手段と、
   受信アンテナの受信特性を示すアンテナ受信特性情報を記憶するアンテナ受信特性情報記憶手段と、
   上記受信局の姿勢情報を推定する姿勢推定手段と、
   上記受信局の姿勢情報及び上記アンテナ受信特性情報に基づいて、各電波の到来方向に対する受信アンテナの利得を推定する利得推定手段と、
   推定された上記アンテナの各利得及び各電波の強度に基づいて得られる各電波の減衰量に応じた距離を推定する距離推定手段と
   を備え、
   上記距離推定手段が、推定された受信アンテナの各利得と、上記各電波の強度と、上記各送信局の送信電波の強度、及び、上記各送信局から見た上記受信局の方向に応じた上記送信アンテナの各利得とに基づいて、上記各電波の減衰量を求める
   ことを特徴とする距離推定システム。
2. 上記距離推定手段が、上記各送信局と上記受信局との間の距離の推定を繰り返し行ない、前回の推定距離と今回の推定距離との差分値が所定値未満となった場合、推定処理を終了することを特徴とする請求項1に記載の距離推定システム。
3. 上記利得推定手段が、上記受信局の姿勢情報に基づいて、受信する各電波の到来方向に対する傾き角度を推定し、上記アンテナ受信特性情報を参照して上記傾き角度に応じた上記受信アンテナの利得を推定することを特徴とする請求項１又は２に記載の距離推定システム。
4. 推定された上記受信局の位置情報と上記各送信局の位置情報とに基づいて得られる上記各送信局の方向を推定する送信局方向推定手段を備え、
   上記利得推定手段が、推定された上記各送信局の方向を各電波の到来方向として、上記受信アンテナの利得を推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の距離推定システム。
5. 上記姿勢推定手段が、上記受信局に設けられた慣性センサにより検出された状態変化情報と、絶対方位情報とに基づいて、上記受信局の姿勢情報を推定するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の距離推定システム。
6. １又は複数の送信局から送信された電波の強度に基づいて、上記各送信局と受信局との間の距離を推定する距離推定装置において、
   上記受信局の位置情報を推定する位置推定手段と、
   上記推定した受信局の位置情報を上記各送信局に通知し、上記各送信局から見た上記受信局の方向に応じた送信アンテナの各利得を取得する取得手段と、
   受信アンテナを介して受信した電波の強度を測定する電波強度測定手段と、
   受信アンテナの受信特性を示すアンテナ受信特性情報を記憶するアンテナ受信特性情報記憶手段と、
   上記受信局の姿勢情報を推定する姿勢推定手段と、
   上記受信局の姿勢情報及び上記アンテナ受信特性情報に基づいて、各電波の到来方向に対する受信アンテナの利得を推定する利得推定手段と、
   推定された上記アンテナの各利得及び各電波の強度に基づいて得られる各電波の減衰量に応じた距離を推定する距離推定手段と
   を備え、
   上記距離推定手段が、推定された受信アンテナの各利得と、上記各電波の強度と、上記各送信局の送信電波の強度、及び、上記各送信局から見た上記受信局の方向に応じた上記送信アンテナの各利得とに基づいて、上記各電波の減衰量を求める
   ことを特徴とする距離推定装置。
7. １又は複数の送信局から送信された電波の強度に基づいて、上記各送信局と受信局との間の距離を推定する距離推定方法において、
   受信アンテナの受信特性を示すアンテナ受信特性情報を記憶するアンテナ受信特性情報記憶手段を備え、
   位置推定手段が、上記受信局の位置情報を推定し、
   取得手段が、上記推定した受信局の位置情報を上記各送信局に通知し、上記各送信局から見た上記受信局の方向に応じた送信アンテナの各利得を取得し、
   電波強度測定手段が、受信アンテナを介して受信した電波の強度を測定し、
   姿勢推定手段が、上記受信局の姿勢情報を推定し、
   利得推定手段が、上記受信局の姿勢情報及び上記アンテナ受信特性情報に基づいて、各電波の到来方向に対する受信アンテナの利得を推定し、
   距離推定手段が、推定された上記アンテナの各利得及び各電波の強度に基づいて得られる各電波の減衰量に応じた距離を推定し、
   上記距離推定手段が、推定された受信アンテナの各利得と、上記各電波の強度と、上記各送信局の送信電波の強度、及び、上記各送信局から見た上記受信局の方向に応じた上記送信アンテナの各利得とに基づいて、上記各電波の減衰量を求める
   ことを特徴とする距離推定方法。
8. １又は複数の送信局から送信された電波の強度に基づいて、上記各送信局と受信局との間の距離を推定する距離推定プログラムにおいて、
   コンピュータを、
   上記受信局の位置情報を推定する位置推定手段と、
   上記推定した受信局の位置情報を上記各送信局に通知し、上記各送信局から見た上記受信局の方向に応じた送信アンテナの各利得を取得する取得手段と、
   受信アンテナを介して受信した電波の強度を測定する電波強度測定手段と、
   受信アンテナの受信特性を示すアンテナ受信特性情報を記憶するアンテナ受信特性情報記憶手段と、
   上記受信局の姿勢情報を推定する姿勢推定手段と、
   上記受信局の姿勢情報及び上記アンテナ受信特性情報に基づいて、各電波の到来方向に対する受信アンテナの利得を推定する利得推定手段と、
   推定された上記アンテナの各利得及び各電波の強度に基づいて得られる各電波の減衰量に応じた距離を推定する距離推定手段と
   して機能させ、
   上記距離推定手段が、推定された受信アンテナの各利得と、上記各電波の強度と、上記各送信局の送信電波の強度、及び、上記各送信局から見た上記受信局の方向に応じた上記送信アンテナの各利得とに基づいて、上記各電波の減衰量を求める
   ことを特徴とする距離推定プログラム。

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