JP6836936B2 - Estimating method and estimation device using it - Google Patents
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Description
本発明は、推定技術に関し、未知の発信源の位置を推定する推定方法およびそれを利用した推定装置に関する。 The present invention relates to an estimation technique, and relates to an estimation method for estimating the position of an unknown source and an estimation device using the estimation method.
無線の位置を推定するために、TOA(Time Of Arrival)、RSS(Receive Signal Strengh)等が使用されているが、見通しがなく、かつマルチパス環境である屋内環境での使用には、RSSの方が適している。RSSによる処理を簡易にするために、超平面方程式、因子グラフも使用される(例えば、非特許文献1参照)。 TOA (Time Of Arrival), RSS (Receive Signal Strengh), etc. are used to estimate the position of the radio, but RSS is used in an indoor environment where there is no line of sight and a multipath environment. Is more suitable. Hyperplane equations and factor graphs are also used to simplify processing by RSS (see, for example, Non-Patent Document 1).
信号の送信元になる無線装置の位置をRSSをもとに推定する場合、無線装置における送信電力の情報が必要になる。しかしながら、推定対象となる無線装置が、不法無線局や未知発信源である場合、送信電力の情報を取得することが困難である。そこで、2つのセンサのそれぞれにおけるRSSを減算することによって導出されたDRSS(Differential RSS)をもとに、推定がなされる。DRSSでは、無線装置を囲むような少なくとも4つの観測スポットが必要になる。 When estimating the position of the wireless device that is the source of the signal based on RSS, information on the transmission power in the wireless device is required. However, when the wireless device to be estimated is an illegal wireless station or an unknown transmission source, it is difficult to acquire information on the transmission power. Therefore, the estimation is made based on the DRSS (Differential RSS) derived by subtracting the RSS in each of the two sensors. The DRSS requires at least four observation spots that surround the radio.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、送信電力の情報がなくても、送信元になる無線装置の位置を推定する技術を提供することである。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide a technique for estimating the position of a wireless device as a transmission source even if there is no information on transmission power.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の推定装置は、対象となる無線装置からの信号が複数のセンサのそれぞれにおいて受信されており、各センサでのサンプルのTOA(Time Of Arrival)とRSS(Receive Signal Strength)を取得する第1取得部と、第1取得部において取得したサンプルのTOAからセンサ間のサンプルのTDOA(Time Difference Of Arrival)を導出するTDOAサンプル測定部と、TDOAサンプル測定部において導出したセンサ間のサンプルのTDOAを使用して、ピタゴラスのTDOAベースの因子グラフ処理を実行することによって、無線装置の位置座標の第1推定値を導出する第1因子グラフ処理部と、第1因子グラフ処理部において導出した第1推定値の近くに配置された少なくとも4つのセンサを特定する特定部と、既知の送信装置からのトレーニング信号が複数のセンサのそれぞれにおいて受信されており、各センサでのサンプルのRSSを取得する第2取得部と、第2取得部において取得したRSSのうち、特定部において特定した少なくとも4つのセンサに対するRSSを選択する選択部と、選択部において選択したRSSをもとに、係数を計算する係数計算部と、第1取得部において取得したサンプルのRSSからセンサ間のサンプルのDRSS(Differential RSS)を導出し、導出したDRSSと係数計算部において計算した係数とを使用しながら、DRSSベースの因子グラフ処理を実行することによって、無線装置の位置座標の第2推定値を導出する第2因子グラフ処理部と、を備える。 In order to solve the above problems, in the estimation device of a certain aspect of the present invention, the signal from the target wireless device is received by each of the plurality of sensors, and the TOA (Time Of Arrival) of the sample in each sensor is received. The first acquisition unit that acquires RSS (Receive Signal Strength), the TDOA sample measurement unit that derives the TDOA (Time Difference Of Arrival) of the sample between the sensors from the TOA of the sample acquired in the first acquisition unit, and the TDOA sample. With the first factor graph processing unit that derives the first estimated value of the position coordinates of the radio device by executing the TDOA-based factor graph processing of Pitagolas using the TDOA of the sample between the sensors derived in the measurement unit. , A specific unit that identifies at least four sensors located near the first estimated value derived in the first factor graph processing unit, and training signals from known transmitters are received by each of the plurality of sensors. , A second acquisition unit that acquires the RSS of the sample in each sensor, a selection unit that selects the RSS for at least four sensors specified in the specific unit among the RSS acquired in the second acquisition unit, and a selection unit in the selection unit. Based on the RSS, the coefficient calculation unit that calculates the coefficient and the DRSS (Differential RSS) of the sample between the sensors are derived from the RSS of the sample acquired in the first acquisition unit, and the derived DRSS and the coefficient calculation unit calculate. It is provided with a second factor graph processing unit for deriving a second estimated value of the position coordinates of the radio device by executing the DRSS-based factor graph processing while using the obtained coefficient.
本発明の別の態様は、推定方法である。この方法は、対象となる無線装置からの信号が複数のセンサのそれぞれにおいて受信されており、各センサでのサンプルのTOA(Time Of Arrival)とRSS(Receive Signal Strength)を取得するステップと、取得したサンプルのTOAからセンサ間のサンプルのTDOA(Time Difference Of Arrival)を導出するステップと、導出したセンサ間のサンプルのTDOAを使用して、ピタゴラスのTDOAベースの因子グラフ処理を実行することによって、無線装置の位置座標の第1推定値を導出するステップと、導出した第1推定値の近くに配置された少なくとも4つのセンサを特定するステップと、既知の送信装置からのトレーニング信号が複数のセンサのそれぞれにおいて受信されており、各センサでのトレーニング信号に対するサンプルのRSSを取得するステップと、トレーニング信号に対するサンプルのRSSのうち、特定した少なくとも4つのセンサに対するRSSを選択するステップと、選択したRSSをもとに、係数を計算するステップと、対象となる無線装置からの信号に対するサンプルのRSSからセンサ間のサンプルのDRSS(Differential RSS)を導出し、導出したDRSSと、計算した係数とを使用しながら、DRSSベースの因子グラフ処理を実行することによって、無線装置の位置座標の第2推定値を導出するステップと、を備える。 Another aspect of the present invention is an estimation method. In this method, a signal from a target wireless device is received by each of a plurality of sensors, and a step of acquiring a sample TOA (Time Of Arrival) and RSS (Receive Signal Strength) at each sensor and acquisition are performed. By performing a TDOA-based factor graphing process of Pitagolas using the steps of deriving the sample TDOA (Time Difference Of Arrival) between the sensors from the TOA of the sample and the TDOA of the sample between the derived sensors. A step of deriving a first estimate of the position coordinates of the radio device, a step of identifying at least four sensors located near the derived first estimate, and multiple sensors with training signals from known transmitters. The step of acquiring the sample RSS for the training signal at each sensor, the step of selecting the RSS for at least four identified sensors among the sample RSS for the training signal, and the selected RSS. Based on the step of calculating the coefficient, the DRSS (Differential RSS) of the sample between the sensors is derived from the sample RSS for the signal from the target radio device, and the derived DRSS and the calculated coefficient are used. At the same time, it includes a step of deriving a second estimate of the position coordinates of the radio device by performing DRSS-based factor graph processing.
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above components and the conversion of the expression of the present invention between methods, devices, systems, recording media, computer programs and the like are also effective as aspects of the present invention.
本発明によれば、送信電力の情報がなくても、送信元になる無線装置の位置を推定できる。 According to the present invention, the position of the wireless device as the transmission source can be estimated without the information of the transmission power.
本発明を具体的に説明する前に、まず概要を述べる。本発明の実施例は、不法無線局や未知発信源(以下、「無線装置」という)の位置を推定する推定装置に関する。ジオロケーションの近年のトレンドは、低価格、高精度、簡易性を確立することであるが、このジオロケーションは、未知の無線装置の位置を推定することにも使用されつつある。ここで、「未知」は、ターゲットである無線装置のTOAと送信電力が分からないことを示す。無線でのジオロケーションは、電磁波の性質を観測することによって、無線装置の地理的座標を計算する処理として定義される。無線装置の地理的位置を推定するために、TOA、RSS、TDOA(Time Difference Of Arrival)、それらの組合せにおいて電磁波の性質が観測される。 Before explaining the present invention in detail, first, an outline will be given. An embodiment of the present invention relates to an estimation device that estimates the position of an illegal radio station or an unknown source (hereinafter referred to as “radio device”). A recent trend in geoposition is to establish low cost, high accuracy, and simplicity, but this geoposition is also being used to estimate the location of unknown radios. Here, "unknown" indicates that the TOA and transmission power of the target wireless device are unknown. Radio geoposition is defined as the process of calculating the geographic coordinates of a radio device by observing the nature of electromagnetic waves. In order to estimate the geographical location of the radio device, the properties of electromagnetic waves are observed in TOA, RSS, TDOA (Time Difference Of Arrival), and combinations thereof.
これまで、RSSとTOAの測定の組合せや、RSSとDOA(Direction Of Arrival)の測定の組合せが、ジオロケーションに使用されている。これらの組合せよって、RSSだけ、TOAだけ、DOAだけの場合よりも精度が向上する。しかしながら、方向角を得るために追加の構成が必要になる。また、RSSとTOAの組合せでは、未知のターゲットに対する絶対的な送信電力とタイムスタンプの情報がなければ、未知の無線装置の位置を推定できない。 So far, a combination of RSS and TOA measurements and a combination of RSS and DOA (Direction Of Arrival) measurements have been used for geopositioning. The combination of these improves the accuracy as compared with the case of RSS alone, TOA alone, and DOA alone. However, additional configuration is required to obtain the azimuth. Further, in the combination of RSS and TOA, the position of the unknown wireless device cannot be estimated without the information of the absolute transmission power and the time stamp for the unknown target.
本実施例では、未知の無線装置の位置を推定するために、PTDOA(Pythagorean Time Difference Of Arrival)因子グラフとDRSS因子グラフとが組み合わされる。因子グラフのアルゴリズム構造では、グローバル関数が複数のローカル関数に分解される。ローカル関数として、因子グラフは2種類のノードを含む。1つ目は因子ノードであり、因子ノードは、更新したソフト情報(SI)メッセージを計算する。2つ目は変数ノードであり、変数ノードは、サムプロダクトアルゴリズムを実行し、因子ノードに値を渡す。これら因子ノードと変数ノードとの間では、測定データの平均値と分散値が交換される。 In this embodiment, a PTDOA (Pythagorean Time Difference Of Arrival) factor graph and a DRSS factor graph are combined to estimate the location of an unknown radio device. In the algorithmic structure of the factor graph, global functions are decomposed into multiple local functions. As a local function, the factor graph contains two types of nodes. The first is the factor node, which calculates the updated software information (SI) message. The second is the variable node, which executes the thumb product algorithm and passes the value to the factor node. The mean value and the variance value of the measurement data are exchanged between these factor nodes and the variable nodes.
ジオロケーション技術において因子グラフは、TOAを使用してターゲットの位置を推定するためにサムプロダクトアルゴリズムを実行する。ガウス分布であると想定されるTOA測定結果の平均値と分散値だけがノードの間で交換される。各センサはTOAを測定し、平均値と分散値が計算される。しかしながら、因子グラフをベースとしたTOAは、ターゲットの完全な時間同期を必要とし、ターゲットが未知である場合にそれは不可能である。そのため、タイムスタンプの知識を不要とするために、因子グラフをベースとしたピタゴラスのTDOAが導入される。因子グラフをベースとしたピタゴラスのTDOAは、因子グラフをベースとしたTOAを修正したものであり、因子グラフにノードが追加される。追加されたノードでは、2つのセンサ間のTOAデータの減算が実行される。 In geolocation technology, the factor graph runs a thumb product algorithm to estimate the position of the target using TOA. Only the mean and variance of the TOA measurements, which are assumed to be Gaussian, are exchanged between the nodes. Each sensor measures TOA and the mean and variance values are calculated. However, factor graph-based TOA requires perfect time synchronization of the target, which is not possible if the target is unknown. Therefore, Pythagoras TDOA based on the factor graph is introduced in order to eliminate the need for knowledge of time stamps. The Pythagoras TDOA, which is based on the factor graph, is a modification of the TOA, which is based on the factor graph, and adds nodes to the factor graph. At the added node, subtraction of TOA data between the two sensors is performed.
因子グラフをベースとしたRSSもジオロケーション技術に使用される。いくつかの観測スポットから送信信号系列が送信され、RSSがワット単位で取得される。RSSはdB単位に変換されて因子グラフに入力される。トレーニングによって得られたRSS情報参照データは、内挿法によってPDP(Power Decay Profile)を生成するために使用される。ここで、局所的な線形性が、ターゲットの位置を推定するために利用される。これは、屋内において高精度である。 RSS based on the factor graph is also used for geolocation technology. Transmission signal sequences are transmitted from several observation spots, and RSS is acquired in watts. RSS is converted to dB and input to the factor graph. The RSS information reference data obtained by the training is used to generate a PDP (Power Decay Profile) by the interpolation method. Here, local linearity is used to estimate the position of the target. This is highly accurate indoors.
未知の無線装置における絶対的な送信電力の知識を不要とするために、因子グラフをベースとしたDRSSが提案される。DRSSは、2つのセンサのそれぞれにおけるRSSを減算することによって、RSSを修正した技術である。この減算は、因子グラフに新たなノードの追加を必要とする。しかしながら、DRSSでは、少なくとも4つの適切な観測スポットからのRSS情報を必要とする。それは、DRSSのアルゴリズムが差分領域で動作するので、4つかそれ以上の観測スポットがないと線型方程式が縮退してしまって位置が定まらないからである。なお、線型方程式が縮退することは、マトリクスのランクが一つ下がることともいえる。 A factor graph-based DRSS is proposed to eliminate the need for knowledge of absolute transmit power in unknown radios. DRSS is a technique that modifies RSS by subtracting RSS in each of the two sensors. This subtraction requires the addition of a new node to the factor graph. However, DRSS requires RSS information from at least four suitable observation spots. This is because the DRSS algorithm operates in the difference region, and the linear equations are degenerated and the position cannot be determined unless there are four or more observation spots. It can be said that the degeneracy of the linear equations lowers the rank of the matrix by one.
この観測スポットは、ターゲットに近い位置を有し、ターゲットを囲むように配置されなければならない。DRSS因子グラフでは、そのような適切な観測スポットが既知であり、ターゲットが観測スポットのグリッドの中に存在すべきである。実際は、多くの観測スポットが配置され、それらの中から適切な観測スポットを選択するための別のアルゴリズムを必要とする。このような別のアルゴリズムとして、RADARアルゴリズムが使用されるが、RADARアルゴリズムはターゲットの送信電力の知識を必要とする。そのため、ここでは、RADARアルゴリズムの代わりにPTDOA因子グラフを使用する。PTDOA因子グラフは、屋外環境におけるDRSS因子グラフのための観測スポットを選択するために使用される。 This observation spot must be close to the target and placed around the target. In the DRSS factor graph, such suitable observation spots are known and the target should be in the grid of observation spots. In reality, many observation spots are arranged and require another algorithm to select an appropriate observation spot from them. As such another algorithm, the RADAR algorithm is used, but the RADAR algorithm requires knowledge of the transmission power of the target. Therefore, here we use the PTDOA factor graph instead of the RADAR algorithm. The PTDOA factor graph is used to select observation spots for the DRSS factor graph in an outdoor environment.
図1は、推定装置100の構成を示す。推定装置100は、センサ10と総称される第1センサ10a、第2センサ10b、第3センサ10c、第Nセンサ10n、取得部12、TDOAサンプル測定部14、第1因子グラフ処理部16、特定部18、選択部20、係数計算部22、第2因子グラフ処理部24を含む。取得部12は、第1取得部12a、第2取得部12bを含む。第1因子グラフ処理部16は、ユークリッド因子ノード処理部40、ユークリッド変数ノード処理部42、ユークリッド距離推定因子ノード処理部44、サムプロダクトアルゴリズム変数ノード処理部46、ピタゴラス因子ノード処理部48、ピタゴラス変数ノード処理部50、変換因子ノード処理部52、サムプロダクトアルゴリズム処理部54、判定部56、出力部58を含む。第2因子グラフ処理部24は、RSS因子ノード処理部80、RSS変数ノード処理部82、DRSS因子ノード処理部84、DRSS変数ノード処理部86、線形平面因子ノード処理部88、出力部90を含む。サムプロダクトアルゴリズム変数ノード処理部46は、下り処理部60、上り処理部62を含み、ピタゴラス因子ノード処理部48は、下り処理部64、上り処理部66を含み、ピタゴラス変数ノード処理部50は、下り処理部68、上り処理部70を含み、変換因子ノード処理部52は、下り処理部72、上り処理部74を含む。
FIG. 1 shows the configuration of the
N個のセンサ10は、座標(Xh,Yh)に配置される。ここで、hはセンサ10のインデックスを示す。これは、1000×1000m2のエリアで、100mのメッシュ構成グリッドを有する。N個のセンサ10のうち、4つのセンサ10が観測スポットとされる。4つの観測スポットはターゲットを囲むように配置され、観測スポットの座標は(xm,ym)と示される。ここで、mは観測スポットのインデックスを示す。ここで、センサ10の位置は推定装置100に知られている。また、ターゲットの座標は(x,y)と示される。ターゲットは、静的な未知の無線装置であり、対象となる無線装置である。ターゲットから送信された信号は、センサ10に受信される。
The N sensors 10 are arranged at coordinates (X h , Y h). Here, h indicates the index of the sensor 10. It has an area of 1000 x 1000 m 2 and a mesh configuration grid of 100 m. Of the N sensors 10, four sensors 10 are observation spots. The four observation spots is arranged so as to surround the target, the coordinates of the observation spot are shown as (x m, y m). Here, m indicates the index of the observation spot. Here, the position of the sensor 10 is known to the
第1取得部12aは、各センサ10において受信された信号であって、かつターゲットから送信された信号をもとに、サンプルのTOAを取得する。TOAは、送信装置から送信され、かつ受信装置で受信された信号間の時間差を示す。ここでは、送信装置がターゲットに相当し、受信装置がセンサ10に相当する。TOAは次のように示される。
TDOAサンプル測定部14は、第1取得部12aからのサンプルのTOAを受けつけ、サンプルのTOAからセンサ10間のサンプルのTDOAを導出する。これは、送信時間の知識を不要にするためであり、具体的には、次のように、センサ10間のTOAを減算することによって、TDOAが導出される。
第1因子グラフ処理部16は、TDOAサンプル測定部14において導出したセンサ10間のサンプルのTDOAを使用して、PTDOAベースの因子グラフ処理を実行することによって、無線装置の位置座標の第1推定値を導出する。以下では、第1因子グラフ処理部16を詳細に説明する。
The first factor
第1因子グラフ処理部16におけるユークリッド因子ノード処理部40は、TDOAサンプル測定部14からTDOAを受けつける。ユークリッド因子ノード処理部40は、TDOAに電磁波の伝搬速度を乗算することによって、サンプルのTDOAをユークリッド距離の差に変換する。特に、ユークリッド因子ノード処理部40のEi,jは、K個のTDOAをユークリッド距離の差に変換し、平均値と分散値を計算する。これらは、因子グラフにおいて交換されるメッセージである。
The Euclidean factor
ユークリッド変数ノード処理部42には、2つの因子ノードだけが直接接続される。ユークリッド変数ノード処理部42は、ユークリッド因子ノード処理部40のEi,jからユークリッド距離推定因子ノード処理部44のDi,jへのメッセージを直接通過させる。このメッセージは、式(3)のような平均値と、式(4)のような分散値の形式で示される。
ユークリッド距離推定因子ノード処理部44のDi,jは、次のようにユークリッド距離の差を等価なユークリッド距離に変換する。
サムプロダクトアルゴリズム変数ノード処理部46のrhは、サムプロダクトアルゴリズムによって、ユークリッド距離推定因子ノード処理部44のDi,jとピタゴラス因子ノード処理部48のChからのメッセージを更新する。添え字hは1つ目あるいは2つ目のセンサ10のいずれかにかかわらないインデックスを示す。また、サムプロダクトアルゴリズム変数ノード処理部46は、更新したメッセージを目的地ノードに進める。
R h of sum product algorithm variable node processing unit 46, the sum product algorithm, D i of the Euclidean distance estimation factor node processing unit 44, and updates the message from the C h of j and Pythagoras factor
サムプロダクトアルゴリズム変数ノード処理部46の下り処理部60におけるrhからピタゴラス因子ノード処理部48のChへの更新メッセージは式(9)と式(10)のように示される。一方、サムプロダクトアルゴリズム変数ノード処理部46の上り処理部62におけるrhからユークリッド距離推定因子ノード処理部44のDi,jへの更新メッセージは式(11)と式(12)のように示される。しかしながら、このステップでの最初の繰り返しは、ピタゴラス因子ノード処理部48のChからのメッセージを示す平均値と分散値の初期値を必要とする。
ピタゴラス因子ノード処理部48のChは、メッセージにピタゴラス演算を実行する。ピタゴラス因子ノード処理部48の下り処理部64は、式(13)から式(16)で示されるように、変数ノードΔxhとΔyhの相対的な距離のメッセージを導出する。ピタゴラス因子ノード処理部48の上り処理部66は、式(17)と式(18)で示されるようにrhのメッセージを置き換える。
さらに、ピタゴラス因子ノード処理部48のChにおいて交換されたメッセージの安定性を維持するために、下り処理部64は、次の制限を加える。
ピタゴラス変数ノード処理部50は、ユークリッド変数ノード処理部42と同様に、相対的な距離のノードΔxiとΔyiに直接つながる2つのノードだけが存在するので、メッセージはそれらの間で直接交換される。つまり、ピタゴラス因子ノード処理部48のChと変換因子ノード処理部52のAhとBhとの間で交換される。ピタゴラス変数ノード処理部50の下り処理部68の処理は、式(19)と式(20)に示され、上り処理部70の処理は、式(21)と式(22)に示される。
変換因子ノード処理部52のAhとBhは、変数ノードxinitとyinitで計算されるターゲットの位置を推定するために、相対的な距離のメッセージを変換する。変換因子ノード処理部52の下り処理部72の処理は、式(23)と式(24)に示され、上り処理部74の処理は、式(25)と式(26)に示される。
サムプロダクトアルゴリズム処理部54は、繰り返し処理において、変数ノードxinitとyinitに対して、式(27)と式(28)に示されるサムプロダクトアルゴリズムにしたがってメッセージを加算する。
判定部56は、変換因子ノード処理部52の処理結果が収束しているかを判定する。ここでは、式(27)の計算結果、式(28)の計算結果と、それまでに導出されていた式(27)の計算結果、式(28)の計算結果との変化量がしきい値よりも小さくなった場合に、収束と判定される。なお、収束の判定はyinitに対してもなされるとともに、平均値と分散値のいずれか一方をもとになされてもよい。収束していなければ、判定部56は、サムプロダクトアルゴリズム処理部54の処理結果を変換因子ノード処理部52の上り処理部74のAhとBhに戻す。
The
出力部58では、判定部56において繰り返しが収束したと判定された場合、変数ノードxinitとyinitが、式(27)と式(28)と同様にすべての入ってくるメッセージを加算する。
特定部18は、第1因子グラフ処理部16において導出した第1推定値の近くに配置された4つのセンサ10を観測スポットとして特定する。つまり、変数ノード(xinit,yinit)でのPTDOA因子グラフ推定アルゴリズムの結果は、DRSS因子グラフの初期位置として使用され、4つの最も適切な観測スポットを選択するためのターゲットの位置の粗い推定になる。
The
第2取得部12bは、既知の送信装置からのトレーニング信号が複数のセンサ10のそれぞれにおいて受信されており、各センサ10でのサンプルのRSSを取得する。既知の送信装置は、既知の位置座標に配置される。第2取得部12bは、サンプルのRSSに対して平均化処理を実行する。平均化の期間は、十分に長く、かつ十分なサンプルの量になるように設定される。これは、シャドウイングと瞬間的なフェージングの影響を低減することによって、パスロスフェージングだけが残り、エラーフリーにするためである。第2取得部12bは、平均化したサンプルのRSSを選択部20に出力する。選択部20は、第2取得部12bにおいて取得したRSSのうち、特定部18において特定した4つのセンサ10、つまり観測スポットに対するRSSを選択する。
The second acquisition unit 12b receives the training signal from the known transmission device in each of the plurality of sensors 10, and acquires the RSS of the sample in each sensor 10. Known transmitters are placed at known position coordinates. The second acquisition unit 12b executes the averaging process on the RSS of the sample. The averaging period is set to be long enough and to have a sufficient sample volume. This is because by reducing the effects of shadowing and momentary fading, only path loss fading remains and is error-free. The second acquisition unit 12b outputs the RSS of the averaged sample to the
これまでのRTDOA因子グラフの処理に続いて、DRSS因子グラフの処理が実行される。DRSS因子グラフでは、ターゲット(x,y)の位置推定が、受信信号の電力とPDPとの間の関係を介して得られる。ここで、受信信号の電力はセンサ10および第1取得部12aで得られ、PDPは前述のトレーニング信号から得られる。また、第2取得部12bにおいて、観測スポットにおいて受信したトレーニング信号には平均がなされる。トレーニング信号とターゲットからの信号のRSSを含むすべてのRSSサンプルはガウス的仮定にしたがう。そのため、これは、十分に長い平均だけによるパスロスモデルによってモデル化される。前述のごとく、十分に長い平均によって、瞬間のフェージング変動とシャドウイングが除外されるからである。その結果は、次のように示される。
ここで、Pはパスロスのべき指数を示し、dBを単位とする。d、d0、fc、f、nは、ターゲットあるいは観測スポットからh番目のセンサ10までのユークリッド距離(メートル単位)、パスロス指数モデルの参照距離(メートル単位)、キャリアの周波数(Hz単位)、光の速度(m/s)、パスロスのべき指数の係数をそれぞれ示す。 Here, P indicates a power index of path loss, and dB is used as a unit. d, d 0 , f c , f, n are the Euclidean distance (in meters) from the target or observation spot to the hth sensor 10, the reference distance of the path loss index model (in meters), and the carrier frequency (in Hz). , The speed of light (m / s), and the coefficient of the power index of the path loss are shown.
第1取得部12aは、各センサ10において受信された信号であって、かつターゲットから送信された信号をもとに、サンプルのRSSを取得する。第1取得部12aは、瞬間的なフェージング変動とシャドウイングを除去するために、サンプルのRSSを十分長い期間で平均化する。そのため、サンプルのRSSは、多くの独立した要因が集められることによって、測定エラーは、「0」を含まないガウスノイズでモデル化されるので、パスロス指数関数モデルで表現される。
The
第2因子グラフ処理部24は、第1取得部12aにおいて取得したサンプルのRSSからセンサ10間のサンプルのDRSSを導出し、DRSSベースの因子グラフ処理を実行することによって、無線装置の位置座標の第2推定値を導出する。なお、DRSSベースの因子グラフ処理を実行する際に、DRSSと、係数計算部22において計算した係数とを使用するが、係数計算部22において計算した係数については後述する。以下では、第2因子グラフ処理部24を詳細に説明する。
The second factor
第2因子グラフ処理部24のRSS因子ノード処理部80のHphは、RSSサンプルをワット単位からdB単位に変換する。RSS変数ノード処理部82のNphは、RSS因子ノード処理部80のHphからDRSS因子ノード処理部84のGpi,jにメッセージを送る。
DRSS因子ノード処理部84のGpi,jは、2つのセンサ10間においてRSSサンプルを減算し、次のように、DRSSサンプルを得る。
DRSS変数ノード処理部86のNpi,jは、次のように、DRSS因子ノード処理部84のGpi,jからのメッセージを線形平面因子ノード処理部88のFpi,jに直接渡す。
係数計算部22は、選択部20において選択したRSSをもとに、係数を計算する。具体的に説明すると、係数計算部22は、次のように、4つの適切な観測スポットから送られたトレーニング信号のRSSからセンサ10間のサンプルのDRSSを導出する。
また、係数のベクトルa、観測スポットの座標とDRSSの行列B、定数の行列Cは、次のように示される。
線形平面因子ノード処理部88のFpi,jは、ターゲットの位置を近似するために線形平面を生成する。線形平面因子ノード処理部88は、DRSS変数ノード処理部86から平均値と分散値とを入力するとともに、係数計算部22から係数も入力する。線形平面因子ノード処理部88は、入力した平均値、分散値、係数をもとに、無線装置の位置座標x、yの平均値と分散値とを次のように導出する。
さらに、線形平面因子ノード処理部88は、導出した平均値と分散値とに対してサムプロダクトアルゴリズムを実行する。
出力部90は、線形平面因子ノード処理部88において収束した平均値と分散値とを入力する。出力部90は、入力した平均値と分散値とに対してサムプロダクトアルゴリズムを実行する。
この構成は、ハードウエア的には、任意のコンピュータのCPU、メモリ、その他のLSIで実現でき、ソフトウエア的にはメモリにロードされたプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。 This configuration can be realized by the CPU, memory, or other LSI of any computer in terms of hardware, and by programs loaded in memory in terms of software, but here it is realized by cooperation between them. It depicts a functional block to be done. Therefore, it will be understood by those skilled in the art that these functional blocks can be realized in various ways by hardware only, software only, or a combination thereof.
以上の構成による推定装置100の動作を説明する。図2は、推定装置100によるPTDOAベースの因子グラフ処理の手順を示すフローチャートである。式(1)、式(2)が実行される(S10)。式(3)、式(4)が実行される(S12)。式(5)〜式(8)が実行される(S14)。第1因子グラフ処理部16は下り処理を実行する(S16)。収束していれば(S18のY)、式(29)、式(30)が実行される(S20)。繰り返しが終了すれば(S22のY)、第1推定値が出力される(S26)。収束していない場合(S18のN)、あるいは繰り返しが終了していない場合(S22のN)、第1因子グラフ処理部16は上り処理を実行する(S24)。ステップ14に戻る。
The operation of the
図3は、推定装置100による下り処理の手順を示すフローチャートである。式(9)、式(10)が実行される(S50)。mrh→Ch<εでなければ(S52のN)、式(13)〜式(16)が実行される(S56)。mrh→Ch<εであれば(S52のY)、mrh→Ch=εとされ(S54)、式(13)〜式(16)が実行される(S56)。式(19)、式(20)が実行される(S58)。式(23)、式(24)が実行される(S60)。式(27)、式(28)が実行される(S62)。
FIG. 3 is a flowchart showing the procedure of downlink processing by the
図4は、推定装置100による上り処理の手順を示すフローチャートである。式(25)、式(26)が実行される(S100)。式(21)、式(22)が実行される(S102)。m2 rh→Ch−mΔxh→Ch<0である場合(S104のY)、mΔxh→Ch=sign(mΔxh→Ch)×(abs(m2 rh→Ch)−δ)とされる(S106)。これはyに対してもなされる。m2 rh→Ch−mΔxh→Ch<0でない場合(S104のN)、ステップ106がスキップされる。式(17)、式(18)が実行される(S108)。σ2 Ch→rh>max(σ2 Dh→rh)である場合(S110のY)、σ2 Ch→rh=max(σ2 Dh→rh)とされる(S112)。σ2 Ch→rh>max(σ2 Dh→rh)でない場合(S110のN)、ステップ112がスキップされる。式(11)、式(12)が実行される(S114)。観測スポットが特定される(S116)。
FIG. 4 is a flowchart showing the procedure of uplink processing by the
図5は、推定装置100による計算処理の手順を示すフローチャートである。式(37)が実行される(S150)。式(38)、式(39)が実行される(S152)。式(40)が実行される(S154)。式(41)が実行される(S156)。
FIG. 5 is a flowchart showing a procedure of calculation processing by the
図6は、推定装置100によるDRSSベースの因子グラフ処理の手順を示すフローチャートである。式(32)が実行される(S200)。式(33)〜式(35)が実行される(S202)。式(36)が実行される(S204)。式(42)〜式(45)が実行される(S206)。式(46)、式(47)が実行される(S208)。収束していれば(S210のY)、式(48)、式(49)が実行される(S212)。繰り返しが終了すれば(S214のY)、第2推定値が出力される(S216)。収束してない場合(S210のN)、あるいは繰り返しが終了していない場合(S214のN)、ステップ206に戻る。
FIG. 6 is a flowchart showing a procedure of DRSS-based factor graph processing by the
本発明の実施例によれば、PTDOAを使用するので、タイムスタンプの知識を不要にできる。また、PTDOAを実行するので、ターゲットの位置を粗く推定できる。また、ターゲットの位置が粗く推定されるので、複数のセンサから、4つの観測スポットを選択できる。また、ターゲットを囲むような4つの観測スポットが選択されるので、DRSSを実行できる。また、各センサでのサンプルのRSSをもとに、センサ間のサンプルのDRSSを導出して処理を実行するので、相対的な値を使用できる。また、相対的な使用するので、絶対的な送信電力の情報を不要にできる。また、絶対的な送信電力の情報が不要になるので、送信電力の情報がなくても、RSSをベースにして送信元になるターゲットの位置を推定できる。また、送信元になるターゲットの位置が推定されるので、不法無線局や未知発信源を探索できる。 According to the embodiment of the present invention, since PTDOA is used, knowledge of time stamps can be eliminated. Moreover, since PTDOA is executed, the position of the target can be roughly estimated. Moreover, since the position of the target is roughly estimated, four observation spots can be selected from a plurality of sensors. Also, since four observation spots surrounding the target are selected, DRSS can be executed. Further, since the DRSS of the sample between the sensors is derived and the process is executed based on the RSS of the sample in each sensor, a relative value can be used. Moreover, since it is used relative to each other, it is possible to eliminate the need for information on absolute transmission power. Further, since the absolute transmission power information is not required, the position of the target that becomes the transmission source can be estimated based on the RSS even if there is no transmission power information. Moreover, since the position of the target that becomes the transmission source is estimated, it is possible to search for illegal radio stations and unknown sources.
以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素の組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described above based on examples. This embodiment is an example, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications are possible for the combination of each of these components, and that such modifications are also within the scope of the present invention.
本実施例において、特定部18は4つのセンサ10を観測スポットとして特定している。しかしながらこれに限らず例えば、特定部18は、4つ以上のセンサ10を観測スポットとして特定してもよい。本変形例によれば、推定精度を向上できる。
In this embodiment, the
10 センサ、 12 取得部、 14 TDOAサンプル測定部、 16 第1因子グラフ処理部、 18 特定部、 20 選択部、 22 係数計算部、 24 第2因子グラフ処理部、 40 ユークリッド因子ノード処理部、 42 ユークリッド変数ノード処理部、 44 ユークリッド距離推定因子ノード処理部、 46 サムプロダクトアルゴリズム変数ノード処理部、 48 ピタゴラス因子ノード処理部、 50 ピタゴラス変数ノード処理部、 52 変換因子ノード処理部、 54 サムプロダクトアルゴリズム処理部、 56 判定部、 58 出力部、 60 下り処理部、 62 上り処理部、 64 下り処理部、 66 上り処理部、 68 下り処理部、 70 上り処理部、 72 下り処理部、 74 上り処理部、 80 RSS因子ノード処理部、 82 RSS変数ノード処理部、 84 DRSS因子ノード処理部、 86 DRSS変数ノード処理部、 88 線形平面因子ノード処理部、 90 出力部、 100 推定装置。 10 Sensor, 12 Acquisition part, 14 TDOA sample measurement part, 16 First factor graph processing part, 18 Specific part, 20 Selection part, 22 Coefficient calculation part, 24 Second factor graph processing part, 40 Euclidean factor node processing part, 42 Euclidean variable node processing unit, 44 Euclidean distance estimation factor node processing unit, 46 thumb product algorithm variable node processing unit, 48 Pythagoras factor node processing unit, 50 Pythagoras variable node processing unit, 52 conversion factor node processing unit, 54 thumb product algorithm processing unit. Unit, 56 Judgment unit, 58 Output unit, 60 Down processing unit, 62 Up processing unit, 64 Down processing unit, 66 Up processing unit, 68 Down processing unit, 70 Up processing unit, 72 Down processing unit, 74 Up processing unit, 80 RSS factor node processing unit, 82 RSS variable node processing unit, 84 DRSS factor node processing unit, 86 DRSS variable node processing unit, 88 linear plane factor node processing unit, 90 output unit, 100 estimator.
Claims (2)
前記第1取得部において取得したサンプルのTOAからセンサ間のサンプルのTDOA(Time Difference Of Arrival)を導出するTDOAサンプル測定部と、
前記TDOAサンプル測定部において導出したセンサ間のサンプルのTDOAを使用して、ピタゴラスのTDOAベースの因子グラフ処理を実行することによって、無線装置の位置座標の第1推定値を導出する第1因子グラフ処理部と、
前記第1因子グラフ処理部において導出した第1推定値の近くに配置された少なくとも4つのセンサを特定する特定部と、
既知の送信装置からのトレーニング信号が複数のセンサのそれぞれにおいて受信されており、各センサでのサンプルのRSSを取得する第2取得部と、
前記第2取得部において取得したRSSのうち、前記特定部において特定した少なくとも4つのセンサに対するRSSを選択する選択部と、
前記選択部において選択したRSSをもとに、係数を計算する係数計算部と、
前記第1取得部において取得したサンプルのRSSからセンサ間のサンプルのDRSS(Differential RSS)を導出し、導出したDRSSと前記係数計算部において計算した係数とを使用しながら、DRSSベースの因子グラフ処理を実行することによって、無線装置の位置座標の第2推定値を導出する第2因子グラフ処理部と、
を備えることを特徴とする推定装置。 A signal from a target wireless device is received by each of a plurality of sensors, and a first acquisition unit that acquires TOA (Time Of Arrival) and RSS (Receive Signal Strength) of a sample at each sensor, and a first acquisition unit.
A TDOA sample measuring unit for deriving a sample TDOA (Time Difference Of Arrival) between sensors from the sample TOA acquired in the first acquisition unit, and a TDOA sample measuring unit.
A first factor graph for deriving a first estimate of the position coordinates of a radio device by performing a Pythagoras TDOA-based factor graph process using the TDOA of the sample between the sensors derived in the TDOA sample measurement unit. Processing unit and
A specific unit that identifies at least four sensors arranged near the first estimated value derived in the first factor graph processing unit, and a specific unit.
A training signal from a known transmitter is received by each of the plurality of sensors, and a second acquisition unit that acquires RSS of a sample at each sensor, and
Among the RSS acquired in the second acquisition unit, a selection unit that selects RSS for at least four sensors specified in the specific unit, and
A coefficient calculation unit that calculates a coefficient based on the RSS selected in the selection unit, and a coefficient calculation unit.
DRSS (Differential RSS) of the sample between the sensors is derived from the RSS of the sample acquired in the first acquisition unit, and the DRSS-based factor graph processing is performed using the derived DRSS and the coefficient calculated in the coefficient calculation unit. The second factor graph processing unit that derives the second estimated value of the position coordinates of the wireless device by executing
An estimation device comprising.
取得したサンプルのTOAからセンサ間のサンプルのTDOA(Time Difference Of Arrival)を導出するステップと、
導出したセンサ間のサンプルのTDOAを使用して、ピタゴラスのTDOAベースの因子グラフ処理を実行することによって、無線装置の位置座標の第1推定値を導出するステップと、
導出した第1推定値の近くに配置された少なくとも4つのセンサを特定するステップと、
既知の送信装置からのトレーニング信号が複数のセンサのそれぞれにおいて受信されており、各センサでのトレーニング信号に対するサンプルのRSSを取得するステップと、
トレーニング信号に対するサンプルのRSSのうち、特定した少なくとも4つのセンサに対するRSSを選択するステップと、
選択したRSSをもとに、係数を計算するステップと、
対象となる無線装置からの信号に対するサンプルのRSSからセンサ間のサンプルのDRSS(Differential RSS)を導出し、導出したDRSSと、計算した係数とを使用しながら、DRSSベースの因子グラフ処理を実行することによって、無線装置の位置座標の第2推定値を導出するステップと、
を備えることを特徴とする推定方法。 A signal from the target wireless device is received by each of the plurality of sensors, and a step of acquiring TOA (Time Of Arrival) and RSS (Receive Signal Strength) of a sample at each sensor, and
The step of deriving the sample TDOA (Time Difference Of Arrival) between the sensors from the acquired sample TOA, and
The step of deriving the first estimate of the position coordinates of the radio device by performing the Pythagoras TDOA-based factor graph processing using the sample TDOA between the derived sensors.
Steps to identify at least four sensors located near the derived first estimate, and
Training signals from known transmitters are received at each of the sensors, and the steps to obtain a sample RSS for the training signal at each sensor, and
Of the sample RSS for the training signal, the step of selecting the RSS for at least four identified sensors, and
Steps to calculate the coefficients based on the selected RSS,
A sample DRSS (Differential RSS) between sensors is derived from the sample RSS for the signal from the target radio device, and the DRSS-based factor graph processing is executed using the derived DRSS and the calculated coefficient. By doing so, the step of deriving the second estimated value of the position coordinates of the wireless device,
An estimation method characterized by comprising.
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