JPWO2018216170A1

JPWO2018216170A1 - 変位計測装置

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Publication number: JPWO2018216170A1
Application number: JP2019514830A
Authority: JP
Inventors: 翼寺田; 正資大島; 網嶋　武; 武網嶋; 信弘鈴木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-05-25
Filing date: 2017-05-25
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2037-05-25
Also published as: JP6556412B2; WO2018216170A1

Abstract

変位計測装置は、計測点に設置されて送信アンテナ２，３から電波を送信する電波発信機１と、固定点に設置されて電波発信機１からの電波を受信して受信信号を出力する複数の受信アンテナ４と、複数の受信アンテナ４の受信信号に基づいて各送信アンテナ２，３の測位値を求める測位演算部１１と、電波の反射源となる障害物に起因する測位値の誤差を低減するために送信アンテナ２，３の測位値を補正する補正処理を行って補正後の測位値を測位結果として出力する測位結果補正部１２とを備えている。

Description

この発明は、変位計測装置に関し、特に、地滑りの恐れのある斜面または構造物の変位または振動等を計測するための変位計測装置に関する。

斜面または構造物の変位等を計測する手段として、従来、測定点に電波発信機を設置して、その電波を固定点に設置した複数の受信アンテナで受信することで、測定点と各受信アンテナとの位相差の時間変化に基づいて、電波発信機の位置の変位を計測する装置がある（例えば、特許文献１参照）。

この種の従来の変位計測装置においては、電波発信機および各受信アンテナの周囲に電波の反射源がない理想的な環境が想定されている。もし、電波発信機もしくは各受信アンテナの周囲に反射源が存在する場合（以下、マルチパス環境と呼ぶ）、受信アンテナに複数波が到来し、複数波の合成で位相が真値から回転することで計測変位に誤差が生じてしまう。

特開２００１−２７２４４８号公報

上記のように、従来の変位計測装置では、電波発信機もしくは各受信アンテナの周囲に反射源が存在する場合に計測変位に誤差が生じてしまうという課題があった。反射源としては、例えば草木等の植生、地面、建物及びポール等の構造物などが考えられる。

この課題の解決策として、植生であれば除去を行うことが考えられるが、年単位の長期的な変位計測を行う場合、除去費用が膨大になるという問題がある。

その他の解決策として、電波発信機もしくは受信アンテナに指向性を持たせる方法が考えられるが、複数の電波発信機を用いて斜面を広範囲に計測する場合は、指向性の制御が困難という問題に加えて、装置規模が大きくなる等の問題がある。

この発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、マルチパス環境における計測値の誤差を低減することが可能な変位計測装置を得ることを目的とする。

この発明は、計測点に設置され、１以上の送信アンテナから電波を送信する電波発信機と、固定点に設置され、前記電波発信機からの前記電波を受信して、受信信号を出力する複数の受信アンテナと、前記複数の受信アンテナの前記受信信号に基づいて各前記送信アンテナの測位値を求める測位部と、前記電波の反射源となる障害物に起因する前記測位値の誤差を低減するために前記送信アンテナの前記測位値を補正する補正処理を行って、補正後の前記測位値を測位結果として出力する測位結果補正部とを備えた変位計測装置である。

この発明に係る変位計測装置は、複数の受信アンテナの受信信号に基づいて各送信アンテナの測位値を求め、電波の反射源となる障害物に起因する測位値の誤差を低減するために送信アンテナの測位値を補正する補正処理を行って、補正後の測位値を測位結果として出力するようにしたので、電波の反射源となる障害物が存在するマルチパス環境における計測値の誤差を低減することができる。

この発明の実施の形態１に係る変位計測装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係る変位計測装置のハードウェア構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係る変位計測装置に設けられた測位結果補正部の概要を説明するための図である。この発明の実施の形態１に係る変位計測装置の処理の流れを示すフローチャートである。この発明の実施の形態１に係る変位計測装置によるシミュレーション結果を示す図である。この発明の実施の形態１に係る変位計測装置によるシミュレーション諸元を示す図である。この発明の実施の形態１に係る変位計測装置における素子配置を示す図である。この発明の実施の形態２に係る変位計測装置の処理の流れを示すフローチャートである。この発明の実施の形態３に係る変位計測装置の処理の流れを示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態に係る変位計測装置について、図面に基づいて説明する。当該変位計測装置においては、計測対象に対して電波発信源を取り付け、電波発信源からの電波を受信アンテナで受信することで電波発信源の位置を計測して、計測値の時間的な変化に基づいて計測対象の変位を検出する。以下では、電波発信源の位置を計測することを「測位」と呼び、計測により得られた計測値を「測位値」と呼ぶこととする。このとき、電波を送受信する送信アンテナまたは受信アンテナの周囲に、電波の反射源となる障害物が存在するマルチパス環境下においては、当該障害物に起因する測位値の誤差が発生する。そのため、下記の各実施の形態においては、測位により得られた測位値に対して、当該誤差を低減するための補正処理を行って、補正後の測位値を測位結果として出力する。なお、電波の反射源となる障害物の例としては、草木等の植生、地面、建物及びポール等の構造物などがある。以下、各実施の形態について、詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る変位計測装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、計測対象に対して複数の計測点を設定し、それらの計測点に、それぞれ、電波発信機１を設置する。計測対象としては、例えば、斜面、構造物などが挙げられる。電波発信機１は、２本以上の送信アンテナを含み、そのうちの１本が基準送信アンテナ２であり、他が非基準送信アンテナ３である。図１においては、図の簡略化のために、非基準送信アンテナ３を１つだけ図示しているが、非基準送信アンテナ３は２つ以上であってもよい。電波発信機１の送信アンテナ２，３から送信される電波は、電波受信機３０で受信される。電波受信機３０は、固定点に設置された複数の受信アンテナ４と、各受信アンテナ４の受信信号を伝送する伝送用ケーブル５と、受信信号を増幅する低雑音増幅器６（ＬＮＡ）と、受信信号に対して周波数変換を行う周波数変換器７（Ｄ／Ｃ）と、アナログ信号である受信信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器８と、デジタル信号間の位相差を算出する位相差算出部９と、各位相差を送信アンテナ２，３ごとに弁別する送信アンテナ弁別部１０と、弁別された位相差から各送信アンテナ２，３の測位を行う測位演算部１１と、測位結果の補正を行う測位結果補正部１２とから構成される。

なお、ここで、伝送用ケーブル５、低雑音増幅器６、周波数変換器７、Ａ／Ｄ変換器８、送信アンテナ弁別部１０は、それぞれ、各受信アンテナ４ごとに、１つずつ設けられている。すなわち、図１の例においては、４個の受信アンテナ４が設けられているため、伝送用ケーブル５、低雑音増幅器６、周波数変換器７、Ａ／Ｄ変換器８、送信アンテナ弁別部１０もそれぞれ４個ずつ設けられている。一方、測位演算部１１は、電波発信機１の各送信アンテナ２，３ごとに設けられている。図１の例では、電波発信機１には、２本の送信アンテナが設けられているため、測位演算部１１も２個設けられている。但し、受信アンテナ４および送信アンテナ２，３の個数は、図１の例に限定されるものではなく、それぞれ、１以上の任意の個数であってよい。

また、図１において、低雑音増幅器６、周波数変換器７、Ａ／Ｄ変換器８、送信アンテナ弁別部１０は、必ずしも、すべて設ける必要はなく、必要に応じて設けるようにしてもよい。特に、送信アンテナ弁別部１０は、電波発信機１に設けられている送信アンテナの個数が１個の場合には、不要である。

また、位相差算出部９と測位演算部１１とは、受信アンテナ４の受信信号に基づいて送信アンテナ２，３のそれぞれの測位値を求める測位部を構成している。

図２に、実施の形態１に係る変位計測装置のハードウェア構成図を示す。但し、図２においては、変位計測装置の各構成要素のうち、位相差算出部９、送信アンテナ弁別部１０、測位演算部１１、および、測位結果補正部１２を構成するハードウェアについてのみ図示している。他の構成要素１〜８については、専用の処理回路により構成すればよい。Ａ／Ｄ変換器８から出力されたデータは、Ａ／Ｄ変換後データ入力インターフェース１８に入力され、その後、当該データに対して、位相差算出部９から測位結果補正部１２までの各処理が施される。位相差算出部９から測位結果補正部１２までの各処理は、ＣＰＵ１４が、メモリ１５に格納されているプログラムを実行することにより実現される。測位結果補正部１２から出力される測位結果は、補助記憶装置１６に蓄積され、必要に応じて表示装置１７に表示される。

次に、実施の形態１に係る変位計測装置の動作について説明する。計測点に設置された複数の電波発信機１は、計測時に、各送信アンテナ２，３から電波を送信する。ここで、各電波発信機１は、斜面の地滑りまたは構造物の変位・振動等で、当初の設置位置からの変位が予想される。電波受信機３０は、それらの電波発信機１から送信された電波を、複数の受信アンテナ４で受信する。受信アンテナ４で受信された受信信号は、伝送用ケーブル５を通過して、低雑音増幅器６に入力される。当該受信信号は、低雑音増幅器６で増幅され、周波数変換器７で中間周波数に変換される。さらに、当該受信信号は、Ａ／Ｄ変換器８で、デジタル信号に変換される。ここで、伝送用ケーブル５での電力減衰が大きい場合は、受信アンテナ４に低雑音増幅器を追加してもよい。Ａ／Ｄ変換器８から出力されたデジタル信号は、位相差算出部９に入力される。位相差算出部９は、受信アンテナ４間の位相差を計算する。ここで、位相差算出部９は、例えば、特許文献１等に記載の従来手法を用いて処理を行う。すなわち、位相差算出部９は、複数の電波発信機１の送信アンテナのなかの２つのアンテナに係る少なくとも３つの異なる組み合わせについて、それぞれの組み合わせに係る２つの送信アンテナ間での受信信号の位相差を算出する。すなわち、受信アンテナがａ，ｂ，ｃ，ｄの４つであったとすると、２つの受信アンテナの組み合わせとして、（ａ，ｂ）、（ａ，ｃ）、（ａ，ｄ）、（ｂ，ｃ）、（ｂ，ｄ）、（ｃ，ｄ）の６組のうちの少なくとも３組を生成し、それらの組み合わせごとに、デジタル信号間の位相差を算出する。位相差算出部９で算出された位相差は、送信アンテナ弁別部１０により、送信アンテナ２，３毎に弁別される。ここで、各送信アンテナ２，３から送信する信号としては、例えば、時分割、周波数分割、符号分割等、送信アンテナ２，３毎に弁別可能となるような信号が用いられる。従って、送信アンテナ弁別部１０は、受信信号の種別に応じて、受信時刻別、周波数別、または、符号別に、受信信号を弁別することで、位相差算出部９から出力された位相差を送信アンテナ２，３ごとに弁別することができる。

２つの測位演算部１１には、送信アンテナ２，３に対応する位相差がそれぞれ入力される。すなわち、２つの測位演算部１１のうちの一方の測位演算部１１には、送信アンテナ２に対応する位相差が入力され、他方の測位演算部１１には、送信アンテナ３に対応する位相差が入力される。各測位演算部１１は、位相差に基づいて、各送信アンテナ２，３の測位を行う。ここで、測位演算部１１は、例えば、特許文献１等に記載の従来手法を用いて処理を行う。すなわち、測位演算部１１は、送信アンテナ弁別部１０で弁別された位相差を用いて、送信アンテナ２，３ごとに、２つの送信アンテナに係る少なくとも３つの異なる組み合わせについての位相差からそれぞれ導かれる少なくとも３つの等位相差面の交点を求めて、当該電波を送信した送信アンテナ２，３の位置の推定値を算出し、測位値として出力する。測位結果補正部１２は、各送信アンテナ２，３の測位値を補正し、補正後の測位値を測位結果として出力する。そうして測位結果補正部１２から出力される測位結果を時系列で並べることによって、電波発信機１の位置の変位が計測できるので、計測対象の変位の有無が検出できる。

以下、測位結果補正部１２の動作の詳細について述べる。実施の形態１においては、測位結果補正部１２は、電波発信機１の変位を、電波発信機１内の送信アンテナ２，３を切り替えることで模擬し、それによって得られる測位値を用いて、マルチパス環境において生じる測位値の誤差を補正するための補正係数を算出する。そうして、測位結果補正部１２は、測位演算部１１による測位値に対して、当該補正係数を乗算することで、当該測位値の補正を行う。

図３に、測位結果補正部１２の動作原理の概要を示す。図３において、電波発信機１９は、図１に示した電波発信機１である。図３においては、電波発信機１９が、電波発信機２２の位置まで変位したと仮定する。簡単のため、電波発信機１９は、２本の送信アンテナ２０，２１を持つと仮定している。ここでは、送信アンテナ２０は、図１に示す基準送信アンテナ２に相当し、送信アンテナ２１は、図１に示す非基準送信アンテナ３に相当する。電波発信機１９の変位により、基準送信アンテナ２０は基準送信アンテナ２３の位置に変位し、送信アンテナ２１は送信アンテナ２４の位置に変位する。

このとき、送信アンテナ２３，２４の測位値に誤差が発生していなければ、送信アンテナ２３，２４の測位値の差分は、送信アンテナ２３，２４の実配置の位置の差分と一致する。しかしながら、誤差が発生している場合には、測位値の差分と実配置の位置の差分とは一致しない。従って、それらの差分を比較することで、測位値の差分を実配置の位置の差分に一致させるための補正係数を求めることができる。こうして求めた補正係数を、測位値に乗算することで、測位値の真値を求めることができる。

そのため、測位結果補正部１２では、まず、基準送信アンテナ２３の測位値と送信アンテナ２４の測位値との差分と、それらの送信アンテナ２３，２４の実配置の位置の差分とに基づいて、測位値の誤差を補正するための補正係数を算出する（ステップ（１））。送信アンテナ２３，２４の実配置の位置の情報は、設計値または実測値として得られるので、測位結果補正部１２に予め記憶されておく。次に、ステップ（１）で算出した補正係数を、基準送信アンテナ２３の測位値に乗算すれば、基準送信アンテナ２３の測位値を補正することができる（ステップ（２））。

さらに詳細に説明する。いま、Ｌ本の送信アンテナを備える第ｍ番目（ｍ＝０，１，・・・，Ｍ−１）の電波発信機１を考える。Ｌ本の各送信アンテナの電波発信機１内の相対位置を既知とした時、時刻ｎ（ｎ＝０，１，・・・，Ｎ−１）におけるｌ番目の送信アンテナの実位置ベクトル（実配置）ｐ_m,lは、下式（１）で表される。

また、測位演算部１１によって得られる時刻ｎにおけるｌ番目の送信アンテナの測位位置ベクトル（測位値）ｐ_m,lハットは、下式（２）で表される。

ここで、電波発信機１もしくは各受信アンテナ４の周囲に電波の反射源となる障害物が存在すると、位相差算出部９において正しい位相差が求まらないことがある。その時、測位位置ベクトルｐ_m,lハットに誤差が生じる。

以下、測位結果補正部１２における上記誤差の低減を行う方法を説明する。ｌ＝０番目の送信アンテナを基準送信アンテナとし、各送信アンテナの相対位置を考える。ｌ＝１，２，・・・，Ｌ−１番目の送信アンテナと基準送信アンテナとの実相対位置ベクトルｄ_m,lは、下式（３）で表される。

ここで、実相対位置ベクトルｄ_m,lは、時変動しないため、（ｎ）を省略している。また、測位相対位置ベクトルｄ_m,lハットについても同様に考えると、下式（４）が得られる。

この時、実相対位置ベクトルｄ_m,lと測位相対位置ベクトルｄ_m,lハットとが線形変換で対応付けられると仮定する。実相対位置ベクトルｄ_m,lを、測位相対位置ベクトルｄ_m,lハットに射影する行列（以下、方向余弦行列と呼ぶ）をＡ_mとすると、下式（５）のような関係が得られる。

式（５）の各ベクトルｄ_m,lハット（ｎ），ｄ_m,lを並べて考えると、下式（６）が得られる。

ここで、Ｄ_mＤ_m ^Tがフルランクの時、方向余弦行列Ａ_mは、次式（７）のように推定できる。

よって、Ａ_mが可逆の時、式（５）の関係から、下式（８）に示すように、測位演算部１１によって得られた測位相対位置ベクトルｄ_m,lハットを用いて、実相対位置ベクトルｄ_m,lを求めることができる。

すなわち、式（８）で示されるように、測位演算部１１によって得られる測位値に、補正係数としてのＡ_m ^-1を乗算することで、測位演算部１１によって得られる測位値を補正することができる。

ここで、測位相対位置ベクトルｄ_m,lハットを、基準送信アンテナの時刻ｎにおける測位値と時刻ｎ−１における測位値との相対位置に置き換えても、前記の仮定から同様の議論が成り立つ。つまり、下式（９）が成り立つ。

以上より、補正後の基準送信アンテナの測位値をｐ_mチルダ（ｎ）とすると、下式（１０）が得られる。下式（１０）では、基準送信アンテナの時刻ｎと時刻ｎ−１とにおける測位値の差分に対してＡ_m ^-1を乗算することで、当該測位値の差分を補正し、補正後の測位値の差分を、時刻ｎ−１における補正後の基準送信アンテナの測位値ｐ_mチルダ（ｎ−１）に加算することで、時刻ｎにおける補正後の基準送信アンテナの測位値ｐ_mチルダ（ｎ）を求めている。

このように、実施の形態１による補正処理を用いることで、基準送信アンテナの測位値を補正することができ、送信アンテナの本数ＬがＬ＝２の時は最大１次元の補正、Ｌ＝３の時は最大２次元の補正、Ｌ≧４の時は最大３次元の補正が可能となる。

図４は、第ｍ番目の電波発信機１の測位演算処理および補正処理の処理フローを表している。図４において、Ｔｘ_mは、第ｍ番目の電波発信機１を示し、Ｔｘ_m,lは、電波発信機Ｔｘ_mのｌ番目（ｌ＝０，１，・・・，Ｌ−１）の送信アンテナを示す。また、図４の破線で囲んだ各ステップＳＴ００３〜ＳＴ００４は、基準送信アンテナＴｘ_m,0以外の各送信アンテナＴｘ_m,l（ｌ＝１，２，・・・，Ｌ−１）における測位演算処理を表しており、ステップ数はＬ−１である。

図４において、ステップＳＴ００１では、基準送信アンテナＴｘ_m,0から受信した電波を用いて、例えば特許文献１等に記載の従来手法により、基準送信アンテナＴｘ_m,0の測位位置ベクトルｐ_m,0ハットを求める。ステップＳＴ００２では、方向余弦行列Ａ_mの更新の必要性の有無を判断する。更新の有無の判断基準としては、バッテリ容量またはトラフィックの混雑具合などがある。ステップＳＴ００２で、更新が不要と判断された場合には、そのまま、ステップＳＴ０００６に進む。一方、ステップＳＴ００２で、更新が必要と判断された場合には、ステップＳＴ００３に進む。ステップＳＴ００３からステップＳＴ００４までの各ステップでは、基準送信アンテナ以外の各送信アンテナＴｘ_m,l（ｌ＝１，２，・・・，Ｌ−１）の電波を用いて、上記従来手法により、各送信アンテナＴｘ_m,l（ｌ＝１，２，・・・，Ｌ−１）の測位位置ベクトルｐ_m,lハットを求める。ステップＳＴ００５では、式（７）を用いて、方向余弦行列Ａ_mの更新を行う。ステップＳＴ００６では、式（１０）を用いて、測位値ｐ_m,0ハット（ｎ）の補正を行って、補正後の測位値ｐ_mチルダ（ｎ）を求める。

次に、実施の形態１の効果を示す。図５は、実施の形態１に係わる変位計測装置の効果を示す計算機シミュレーション結果である。図５においては、１次元の変位計測を実施した結果を示す。ここで、１次元の変位計測を実施する場合は、方向余弦行列Ａ_mはスカラーで表される。主な計算条件を図６の表に示し、送信アンテナと受信アンテナとの位置関係を図７に示す。図７において、送信アンテナをＴｘｉ、受信アンテナをＲｘｊとする。ただし、ｉ，ｊは、０以上の整数である。シミュレーションでは、ｉ＝０，１とし、ｊ＝０，１，・・・，６として、送信アンテナを２個もつ電波発信機１のそれぞれから電波を発信し、７つの受信アンテナには直接波と反射波の合成波が到来する状況を仮定した。図５においては、測位結果補正部１２で補正を行った測位値を＊で示し、基準送信アンテナのみで測位を行った従来方式の測位値を△で示し、電波発信機の実際の動き（真値）を破線で示した。図５に示されるように、従来方式の測位値は、測定時刻０〜０．５および１〜１．５の範囲では、真値に近い値となっているが、測定時刻０．５〜１の範囲では、従来方式の測位値と真値との間に大幅な測位誤差が発生している。一方、実施の形態１における測位結果補正部１２の測位値と真値とは常にほぼ一致しており、測位誤差は発生していない。これらの結果から分かるように、実施の形態１に係る変位計測装置においては、測位結果補正部１２における補正を行うことで、従来方式で生じる測位誤差を低減できていることがわかる。

なお、上記の説明では、式（７）に示すように、２以上の送信アンテナを使用して方向余弦行列Ａ_mの推定を行ったが、その場合に限らず、送信アンテナ自身を移動させ、移動前と移動後の各位置での測位を行っても同様の目的を達成することができる。その場合には、送信アンテナの位置を変位させて方向余弦行列Ａ_mの推定を行うため、電波発信機１に２以上の送信アンテナを設ける必要はなく、送信アンテナの個数は１つでもよい。但し、予め指定された移動距離だけ模擬的に送信アンテナを移動させるために、送信アンテナを移動させるための駆動部を、変位計測装置が備える必要がある。なお、駆動部は、送信アンテナだけを移動させてもよいが、電波発信機本体を移動させることで送信アンテナを移動させるようにしてもよい。測位演算部１１は、駆動部による送信アンテナの移動前の測位値と、駆動部による送信アンテナの移動後の測位値とを求める。測位結果補正部１２は、測位演算部１１から送信アンテナの移動前の測位値と移動後の測位値とが入力される。測位結果補正部１２は、送信アンテナの移動前の測位値と移動後の測位値との差分と、駆動部による送信アンテナの移動距離を示す実差分とに基づいて、送信アンテナの移動前の測位値と移動後の測位値との差分を、実差分に変換する行列を予め算出しておく。そうして、測位結果補正部１２は、測位演算部１１によって求められる送信アンテナの測位値に対して、当該行列を乗算することで、送信アンテナの測位値を補正することができる。

また、方向余弦行列Ａ_mの推定精度を向上するために、Ｄ_mハット（ｎ）は、ある時間間隔で平均化した値を用いてもよい。平均後のＤ_mハット（ｎ）を、Ｄ_mバー（ｎ）とすると、下式（１１）で表される。

ただし、Ｔは自然数である。式（１１）は、時刻（ｎ−Ｔ−１）から時刻ｎまでのＴ回分の測位を行う時間間隔で、測位値を抽出して、それらの測位値を平均化している。このように、ある時間間隔で平均化した測位値を用いて方向余弦行列Ａ_mを求めることで、方向余弦行列Ａ_mの推定精度をより向上させることができる。なお、ここで、平均化処理として、調和平均、相乗平均等を用いても良い。

以上のように、実施の形態１によれば、変位計測装置が、計測点に設置され、１以上の送信アンテナ２，３から電波を送信する電波発信機１と、固定点に設置され、電波発信機１からの電波を受信して、受信信号を出力する複数の受信アンテナ４と、それらの受信アンテナ４の受信信号に基づいて各送信アンテナ２，３の測位値を求める測位部９，１１と、電波の反射源となる障害物に起因する測位値の誤差を低減するために送信アンテナ２，３の測位値を補正する補正処理を行って、補正後の測位値を測位結果として出力する測位結果補正部１２とを備えている。これにより、反射源となる障害物が存在するマルチパス環境においても、測位値の誤差を低減することができ、計測対象の計測点の測位を精度よく行うことができる。その結果、当該計測点の測位値の時間的な変化に基づいて、斜面または構造物などの計測対象に変位が発生しているか否かを確実に検証することができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る変位計測装置について説明する。実施の形態２に係る変位計測装置の構成は、図１と同じであるため、ここでは、図１を参照することとし、説明は省略する。

以下、実施の形態２に係る変位計測装置の動作の詳細を説明する。実施の形態１では、測位結果補正部１２が、方向余弦行列Ａ_mを用いて補正処理を行っていたが、実施の形態２では、測位結果補正部１２が、補正処理として、電波発信機１における各送信アンテナの測位値の平均値を求め、当該平均値を補正後の測位結果として出力する。他の構成および動作については、実施の形態１と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

実施の形態１で述べた通り、ｌ番目の送信アンテナの実位置ベクトルおよび測位位置ベクトルは、それぞれ、式（１），（２）に示されるように、ｐ_m,l（ｎ），ｐ_m,lハット（ｎ）で表される。このとき、実施の形態２における補正後の基準送信アンテナの測位値ｐ_mチルダ（ｎ）は、下式（１２）で表される。

ここで、単純に、ｐ_m,lハット（ｎ）の平均値を求めると、各送信アンテナの実配置に応じた誤差が発生する。そのため、式（１２）においては、各送信アンテナの測位値を基準送信アンテナ位置にフィッティングした後に、平均化を行っている。ここで、平均化処理として、調和平均、相乗平均等を用いても良い。

図８は、実施の形態２における、第ｍ番目の電波発信機１の測位演算処理および補正処理の処理フローを表している。図８において、Ｔｘ_mは、第ｍ番目の電波発信機１を示し、Ｔｘ_m,lは、電波発信機Ｔｘ_mのｌ番目（ｌ＝０，１，・・・，Ｌ−１）の送信アンテナを示す。また、図８の破線で囲んだ各ステップＳＴ１０２〜ＳＴ１０３は、基準送信アンテナＴｘ_m,0以外の各送信アンテナＴｘ_m,l（ｌ＝１，２，・・・，Ｌ−１）における測位演算処理を表しており、ステップ数はＬ−１である。

図８において、ステップＳＴ１０１では、図４のステップＳＴ００１と同様に、基準送信アンテナＴｘ_m,0から受信した電波を用いて、例えば特許文献１等に記載の従来手法により、基準送信アンテナＴｘ_m,0の測位位置ベクトルｐ_m,0ハットを求める。ステップＳＴ１０２からＳＴ１０３までの各ステップでは、図４のステップＳＴ００３からＳＴ００４までの各ステップと同様に、基準送信アンテナ以外の各送信アンテナＴｘ_m,l（ｌ＝１，２，・・・，Ｌ−１）の電波を用いて、上記従来手法により、各送信アンテナＴｘ_m,l（ｌ＝１，２，・・・，Ｌ−１）の測位位置ベクトルｐ_m,lハットを求める。ステップＳＴ１０４では、式（１２）を用いて、各送信アンテナＴｘ_m,l（ｌ＝０，１，・・・，Ｌ−１）の測位位置ベクトルｐ_m,lハットの平均化を行って、平均化で求めた平均値を、補正後の測位値ｐ_mチルダ（ｎ）として出力する。

以上のように、実施の形態２の方法を用いても、測位値の補正を行うことができ、実施の形態１と同様の効果が得られる。また、実施の形態１では、式（７）で求めた方向余弦行列Ａ_mの特性によっては、式（１０）の補正結果の誤差が増大する可能性があるが、実施の形態２では、測位値を平均化するため、誤差の増大が抑えられるという利点がある。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る変位計測装置について説明する。実施の形態３に係る変位計測装置の構成は、図１と同じであるため、ここでは、図１を参照することとし、説明は省略する。

以下、実施の形態３に係る変位計測装置の動作の詳細を説明する。実施の形態３では、電波発信機１における各送信アンテナの測位値の中から、信頼できる測位値を選択し、補正後の測位値として出力する。測位値の選択は、最も平均ＳＮＲ（ＳｉｇｎａｌｔｏＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ）が高い送信アンテナからの信号に対応する測位値を出力することで行う。ｌ番目の送信アンテナからｒ番目（ｒ＝０，１，・・・，Ｒ−１）の受信アンテナに到来する信号電力をＰ_l,rとし、ｒ番目の受信アンテナの雑音電力をＮ_rとすると、ｌ番目の送信アンテナからｒ番目の受信アンテナに到来する信号のＳＮＲ η_l,rは、下式（１３）で表わされる。

また、最も平均ＳＮＲが高い送信アンテナ番号をｌ_maxとすると、ｌ_maxは、下式（１４）で表される。

得られたｌｍａｘを用いて、補正後の測位値ｐｍチルダ（ｎ）は、下式（１５）で表わされる。

以上のように、実施の形態３の方法を用いても、測位値の補正を行うことができる。

図９は、実施の形態３における、第ｍ番目の電波発信機１の測位演算処理および補正処理の処理フローを表している。図９において、Ｔｘ_mは、第ｍ番目の電波発信機１を示し、Ｔｘ_m,lは、電波発信機Ｔｘ_mのｌ番目（ｌ＝０，１，・・・，Ｌ−１）の送信アンテナを示す。また、図９の破線で囲んだ各ステップＳＴ２０２〜ＳＴ２０３は、基準送信アンテナＴｘ_m,0以外の各送信アンテナＴｘ_m,l（ｌ＝１，２，・・・，Ｌ−１）における測位演算処理を表しており、ステップ数はＬ−１である。

図９において、ステップＳＴ２０１では、図４のステップＳＴ００１と同様に、基準送信アンテナＴｘ_m,0から受信した電波を用いて、例えば特許文献１等に記載の従来手法により、基準送信アンテナＴｘ_m,0の測位位置ベクトルｐ_m,0ハットを求める。ステップＳＴ２０２からＳＴ２０３までの各ステップでは、図４のステップＳＴ００３からＳＴ００４までの各ステップと同様に、基準送信アンテナ以外の各送信アンテナＴｘ_m,l（ｌ＝１，２，・・・，Ｌ−１）の電波を用いて、上記従来手法により、各送信アンテナＴｘ_m,l（ｌ＝１，２，・・・，Ｌ−１）の測位位置ベクトルｐ_m,lハットを求める。ステップＳＴ２０４では、式（１４）を用いて、送信アンテナ番号ｌ_maxの算出を行う。ステップＳＴ２０５では、式（１５）を用いて、補正後の測位値ｐ_mチルダ（ｎ）を算出する。

なお、上記の説明では、ＳＮＲを用いて、信頼できる測位値の選択を行ったが、その場合に限定されない。例えば、信頼できる測位値として、前回の測位値からのずれが最も小さい送信アンテナに対応する測位値を選択してもよく、その場合においても、同様の効果を得ることができる。前回の補正後の測位値を、ｐ_mチルダ（ｎ−１）とすると、ｌ_maxは、下式（１６）で表わされる。

ただし、||・||は、フロベニウスノルムを表す。

以上のように、実施の形態３の方法を用いても、測位値の補正を行うことができ、実施の形態１と同様の効果が得られる。また、実施の形態３では、ＳＮＲが低い測位値、または、ずれが大きい測位値を使用しないため、それらの誤差の影響を受けない利点がある。

１電波発信機、２基準送信アンテナ、３非基準送信アンテナ、４受信アンテナ、５伝送用ケーブル、６低雑音増幅器（ＬＮＡ）、７周波数変換器（Ｄ／Ｃ）、８Ａ／Ｄ変換器、９位相差算出部、１０送信アンテナ弁別部、１１測位演算部、１２測位結果補正部。

Claims

計測点に設置され、１以上の送信アンテナから電波を送信する電波発信機と、
固定点に設置され、前記電波発信機からの前記電波を受信して、受信信号を出力する複数の受信アンテナと、
前記複数の受信アンテナの前記受信信号に基づいて各前記送信アンテナの測位値を求める測位部と、
前記電波の反射源となる障害物に起因する前記測位値の誤差を低減するために前記送信アンテナの前記測位値を補正する補正処理を行って、補正後の前記測位値を測位結果として出力する測位結果補正部と
を備えた変位計測装置。
前記電波発信機の前記送信アンテナは、１つの基準送信アンテナと、１以上の非基準送信アンテナとを含み、
前記測位部は、前記基準送信アンテナの測位値と各前記非基準送信アンテナの測位値とを求め、
前記測位結果補正部は、
前記測位部から前記基準送信アンテナの測位値と各前記非基準送信アンテナの測位値とが入力され、それらの測位値の差分に基づいて、前記測位部によって求められる前記送信アンテナの前記測位値を補正して、補正後の前記送信アンテナの前記測位値を前記測位結果として出力する、
請求項１に記載の変位計測装置。
前記測位結果補正部は、
前記測位部から入力される前記基準送信アンテナの前記測位値と各前記非基準送信アンテナの前記測位値との差分と、前記基準送信アンテナと各前記非基準送信アンテナとの実配置の位置の差分とに基づいて、前記基準送信アンテナの前記測位値と各前記非基準送信アンテナの前記測位値との前記差分を、前記実配置の位置の差分に変換する行列を算出し、
前記測位部によって求められる前記送信アンテナの前記測位値に前記行列を乗算することで、前記送信アンテナの前記測位値を補正して、補正後の前記送信アンテナの前記測位値を前記測位結果として出力する、
請求項２に記載の変位計測装置。
予め指定された移動距離だけ前記送信アンテナを模擬的に移動させる駆動部をさらに備え、
前記測位部は、前記送信アンテナの移動前の測位値と、前記駆動部による前記送信アンテナの移動後の測位値とを求め、
前記測位結果補正部は、
前記測位部から前記送信アンテナの前記移動前の測位値と前記移動後の測位値とがそれぞれ入力され、それらの測位値の差分に基づいて前記測位部によって求められる前記送信アンテナの前記測位値を補正して、補正後の前記送信アンテナの前記測位値を前記測位結果として出力する、
請求項１に記載の変位計測装置。
前記測位結果補正部は、
前記測位部から入力される前記送信アンテナの前記移動前の測位値と前記移動後の測位値との差分と、前記駆動部による前記送信アンテナの前記移動距離を示す実差分とに基づいて、前記送信アンテナの前記移動前の測位値と前記移動後の測位値との前記差分を前記実差分に変換する行列を算出し、
前記測位部によって求められる前記送信アンテナの前記測位値に前記行列を乗算することで、前記送信アンテナの前記測位値を補正して、補正後の前記送信アンテナの前記測位値を前記測位結果として出力する、
請求項４に記載の変位計測装置。
前記測位結果補正部は、前記行列の算出に用いる前記測位値として、前記測位部によって求められた測位値のうち、予め設定された時間間隔で平均化された測位値を用いる、
請求項３または５に記載の変位計測装置。
前記測位結果補正部は、前記測位部によって求められた各前記送信アンテナの前記測位値を平均化して、平均化した前記測位値を前記測位結果として出力する、
請求項１に記載の変位計測装置。
前記測位結果補正部は、前記測位部によって求められた各前記送信アンテナの前記測位値のうち、ＳＮＲが最も高い測位値を選択して、選択した前記測位値を前記測位結果として出力する、
請求項１に記載の変位計測装置。
前記測位結果補正部は、前記測位部によって求められた各前記送信アンテナの前記測位値のうち、前回の測位値からのずれが最も小さい測位値を選択して、選択した前記測位値を前記測位結果として出力する、
請求項１に記載の変位計測装置。