WO2022239055A1 - 測位装置 - Google Patents

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WO2022239055A1
WO2022239055A1 PCT/JP2021/017655 JP2021017655W WO2022239055A1 WO 2022239055 A1 WO2022239055 A1 WO 2022239055A1 JP 2021017655 W JP2021017655 W JP 2021017655W WO 2022239055 A1 WO2022239055 A1 WO 2022239055A1
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WO
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station
radio
difference
arrival
radio waves
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/017655
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English (en)
French (fr)
Inventor
嘉孝 原
武 網嶋
Original Assignee
三菱電機株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/04—Position of source determined by a plurality of spaced direction-finders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/08—Position of single direction-finder fixed by determining direction of a plurality of spaced sources of known location
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/12—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves by co-ordinating position lines of different shape, e.g. hyperbolic, circular, elliptical or radial

Definitions

  • the present disclosure relates to a positioning device that estimates the position of a mobile station.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 are known (for example, Non-Patent Documents 1 and 2).
  • the arrival time difference at a mobile station of radio waves simultaneously transmitted from a plurality of fixed transmitting stations is estimated, and the position of the mobile station that satisfies the arrival time difference is determined. At this time, time synchronization is required between the transmitting stations, but time synchronization is not required between the mobile station and the transmitting station.
  • the present disclosure has been made to solve the above problems, and an object thereof is to obtain a positioning device capable of determining the position of a mobile station using radio waves transmitted from two transmitting stations.
  • a positioning device includes a reception information acquisition unit that acquires reception information at a wireless station of a first radio wave transmitted from a first transmission station and a second radio wave transmitted from a second transmission station. a time difference estimating unit for estimating the arrival time difference of the first and second radio waves at the wireless station using the received information; and a time difference estimating unit for estimating the first and second radio waves using the received information. a difference of arrival estimating unit for estimating the difference in arrival angle of the radio station; and a position estimating unit for estimating the position of the radio station using the estimated time difference of arrival and the estimated difference of arrival angle. It is characterized by having
  • the position of a wireless station can be determined even when radio waves are received from two transmitting stations, and positioning can be performed in more diverse environments than the conventional TDOA positioning method.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a positioning device 100 according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a diagram showing how radio waves are transmitted from transmitting stations 1 and 2 to a mobile station 3 in Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the positioning device 100 according to Embodiment 1;
  • 2 is a diagram showing the positional relationship between transmitting stations 1 and 2 and a mobile station 3 in Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a diagram showing a spatial positional relationship between transmitting stations 1 and 2 and a mobile station 3 in Embodiment 1.
  • FIG. A dedicated processing circuit that implements the functions of the positioning device 100 according to the first embodiment.
  • a processing circuit and a memory that realize the functions of the positioning device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 10 shows the relationship between the L-shaped array antenna and the direction of arrival of radio waves in Embodiment 5.
  • a mobile station 3 transmits radio waves 03 from a plurality of antennas, and reception stations 4 and 5 receive radio waves 03.
  • FIG. FIG. 12 shows the configuration of positioning device 200 in this embodiment.
  • Embodiment 1 Embodiments of the present disclosure will be described below.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a positioning device 100 according to Embodiment 1.
  • the positioning device 100 is provided in the mobile station 3, and includes an array antenna 11 for receiving radio waves, a time difference estimating unit 12 for estimating the difference in arrival time between two radio waves, and a difference in arrival angle for estimating the difference in arrival angles between two radio waves.
  • the same reference numerals denote the same or corresponding parts.
  • FIG. 2 shows how radio waves are transmitted from the transmitting stations 1 and 2 to the mobile station 3.
  • fixed transmitting stations 1 and 2 synchronized in time simultaneously transmit radio waves 01 and 02 using different radio frequencies, respectively, and a mobile station 3 receives the radio waves.
  • the positioning device 100 of the mobile station 3 estimates the position of the mobile station 3 using the received radio waves. This positioning is basically performed in an environment where the mobile station 3 receives the direct waves from the transmitting stations 1 and 2 separately from other scattered waves and estimates the reception time and arrival angle of the direct waves.
  • radio waves 01 and 02 represent direct waves received by the mobile station 3 .
  • this embodiment discloses a positioning device 100 that estimates the position of the mobile station 3 based on the reception result of unidirectional wireless transmission from the transmitting stations 1 and 2 to the mobile station 3.
  • one direction means that the reception result of downlink radio transmission from the transmitting stations 1 and 2 to the mobile station 3 is used for positioning, but the uplink from the mobile station 3 to the transmitting stations 1 and 2 is used. It means that the reception result of radio transmission of the link is not used for positioning.
  • the case of performing wireless transmission on the downlink and performing wireless transmission on the uplink is called bidirectional wireless transmission.
  • the number of radio transmissions required for positioning increases, and delays tend to occur.
  • the mobile station 3 since the mobile station 3 transmits and receives radio waves, there is a problem that the control becomes complicated.
  • the positioning apparatus 100 that performs positioning based on the reception result of unidirectional wireless transmission handled in the present embodiment simple control is used to achieve low delay compared to the case of using the reception result of bidirectional wireless transmission. It is possible to perform positioning with
  • FIG. 3 is a flow chart showing the operation of the positioning device 100 according to the first embodiment. The operation of the positioning device 100 will be described below with reference to FIG.
  • ADOA Angle Difference Of Arrival
  • the received signals are input to a matched filter corresponding to the known signal included in the received signal, and the time when the matched filter output peaks.
  • the arrival time difference can also be estimated with the reception time of each radio wave.
  • the arrival angle can be estimated using the amplitude value of the matched filter output in each array antenna.
  • a two-dimensional array antenna is required to estimate the arrival angle difference ⁇ , but in special cases, it may be possible to estimate the arrival angle difference ⁇ using a linear linear array antenna.
  • a linear linear array antenna As a specific example, when the transmitting stations 1 and 2 and the mobile station 3 are on the same plane, one-dimensional arrival angle estimation is performed on the plane using a one-dimensional linear array antenna, and the estimated arrival angle is can be used to estimate the arrival angle difference ⁇ . Also, there is a case where the positioning device 100 can acquire the equivalent value of the arrival time difference T even if the fixed transmitting stations 1 and 2 do not simultaneously transmit the radio waves 01 and 02 using different radio frequencies.
  • the transmitting station 1 transmits the radio wave 01
  • the transmitting station 2 transmits the radio wave 02 at the same frequency at a predetermined time interval
  • the measuring device 100 detects the arrival time difference between the radio wave 01 and the radio wave 02.
  • the equivalent value of the arrival time difference T can be obtained.
  • the arrival time difference T and the arrival angle difference ⁇ can be estimated by various methods, but any method that can estimate the arrival time difference T and the arrival angle difference ⁇ may be used in this embodiment.
  • the positioning device 100 uses the arrival time difference T and the arrival angle difference ⁇ between the radio waves 01 and 02 in the position estimation unit 14 to determine the position of the mobile station 3 that simultaneously satisfies the arrival time difference and the arrival angle difference. A position is obtained (S13).
  • the target of positioning is an environment where radio waves are received from three or more transmitting stations, and x is uniquely determined using two or more conditional expressions resulting from the arrival time difference of radio waves. do.
  • the position x is determined using the arrival angle difference ⁇ of the radio waves 01 and 02 in an environment where radio waves are received from two transmitting stations, which cannot be handled by the conventional DL-TDOA positioning method.
  • FIG. 4 shows possible positions of the mobile station 3 when the arrival angle difference is ⁇ .
  • the position x of the mobile station that satisfies the arrival angle difference ⁇ is expressed by the following equation.
  • ⁇ is a variable defined within the range of the following equation. d/tan ⁇ + r sin ⁇ > 0 ⁇ - ⁇ /2 ⁇ 3 ⁇ /2- ⁇ (4)
  • the position x of the mobile station that satisfies the arrival angle difference .DELTA..phi.
  • the mobile station position x is the position that satisfies both the position condition I (formula (2)) that satisfies the arrival time difference T and the position condition II (formula (3)) that satisfies the arrival angle difference ⁇ . .
  • the position of this mobile station will be explained using FIG. In FIG. 4, a curve 41 (solid line portion) and an arc 42 represent positions of mobile stations that satisfy position conditions I and II, respectively.
  • the position x of the mobile station satisfying position conditions I and II at the same time can be uniquely determined as the intersection of curve 41 and arc 42 .
  • FIG. 5 shows the spatial positional relationship among mobile station 3, transmitting station 1, and transmitting station 2.
  • FIG. 5 shows the case where the mobile station 3 is on the xy plane and the transmitting station 1 and the transmitting station 2 are not on the xy plane.
  • the positions of mobile stations are estimated by the following procedure using radio waves 01 and 02 transmitted from transmitting stations 1 and 2 located at arbitrary positions in space.
  • the positioning device 100 is described as being installed in the mobile station 3, it is also possible to place the positioning device 100 in a different location from the mobile station 3. Specifically, it is possible to store the received signals received by the mobile station 3 as a database, input the data to the positioning device 100 in a non-real-time offline environment, and perform positioning. It is also possible to transfer the reception signal received by the mobile station 3 to the positioning device 100 installed at another location using a radio signal. In this case, it is not necessary for the positioning device 100 to have the array antenna 11, instead the received signals can be obtained from a database or transferred signals. A case in which the positioning device 100 includes the array antenna 11 is one form. This embodiment can be performed by
  • Each function of the arrival time difference estimator 12, the arrival angle difference estimator 13, and the position estimator 14 in the positioning device 100 is implemented by a processing circuit.
  • This processing circuit even if it is dedicated hardware, is also called a CPU (Central Processing Unit, central processing unit, processing unit, arithmetic unit, microprocessor, microcomputer, processor, DSP) that executes programs stored in memory. ).
  • CPU Central Processing Unit, central processing unit, processing unit, arithmetic unit, microprocessor, microcomputer, processor, DSP
  • the processing circuit 601 may be, for example, a single circuit, multiple circuits, a programmed processor , parallel programmed processors (multiple programmed processors), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field Programmable Gate Array), or a combination thereof.
  • the functions of the arrival time difference estimating unit 12, the arrival angle difference estimating unit 13, and the position estimating unit 14 may be realized individually by processing circuits, or the functions of the respective units may be collectively realized by a processing circuit.
  • the processing circuit When the processing circuit is a CPU, the arrival time difference estimating unit 12, the arrival angle difference estimating unit 13, and the position estimating unit 14 in the positioning device 100 are provided with a processing circuit 701 and a memory 702, as shown in FIG.
  • the functions of the arrival time difference estimator 12, the arrival angle difference estimator 13, and the position estimator 14 are implemented by software, firmware, or a combination of software and firmware.
  • Software and firmware are written as programs and stored in the memory 702 .
  • the processing circuit 701 reads out and executes programs stored in the memory 702 to achieve the functions of each unit.
  • the positioning apparatus 100 has a memory 702 for storing a program that, when executed by the processing circuit 701, executes a time difference of arrival estimation step, a difference of arrival angle estimation step, and a position estimation step.
  • a program that, when executed by the processing circuit 701, executes a time difference of arrival estimation step, a difference of arrival angle estimation step, and a position estimation step.
  • An example of these programs is represented by steps S11-S13 shown in FIG. It can also be said that these programs cause a computer to execute the procedures and methods of the arrival time difference estimating section 12, the arrival angle difference estimating section 13, and the position estimating section 14.
  • the memory 702 corresponds to, for example, non-volatile or volatile semiconductor memory such as RAM, ROM, flash memory, EPROM, EEPROM, magnetic disk, flexible disk, optical disk, compact disk, mini disk, DVD, etc. do.
  • the functions of the arrival time difference estimating unit 12, the arrival angle difference estimating unit 13, and the position estimating unit 14 may be partially realized by dedicated hardware and partially realized by software or firmware.
  • the arrival time difference estimating unit 12 and the arrival angle difference estimating unit 13 are realized by a processing circuit as dedicated hardware, and the position estimating unit 14 is executed by the processing circuit reading out a program stored in a memory. It is possible to realize the function by
  • processing circuit 701 can implement each function described above by hardware, software, firmware, or a combination thereof.
  • the positioning apparatus 100 performs unidirectional wireless transmission from the first and second transmitting stations (or transmitting stations 1 and 2) to the wireless station (or mobile station 3).
  • a positioning device for estimating the position of the radio station based on the reception result comprising a first radio wave 01 transmitted from a first transmitting station (or transmitting station 1) and a second transmitting station (or transmitting station 2) a reception information acquisition unit that acquires reception information at the wireless station (or mobile station 3) of the second radio wave 02 transmitted from; a time difference estimating unit 12 for estimating the time difference of arrival at the radio station; and a difference of arrival angle estimating unit 13 for estimating the difference in arrival angles of the first and second radio waves at the radio station using the received information.
  • the reception information acquiring section is an array antenna 11 that receives the first and second radio waves.
  • the positioning device 100 can perform highly accurate positioning in real time using the reception information of radio waves received by the array antenna 11 .
  • the position estimating unit 14 calculates the position condition of the radio station that satisfies the estimated arrival time difference and the position of the radio station that satisfies the estimated arrival angle difference. A position that satisfies both conditions is estimated as the position of the radio station. With this configuration, even when radio waves are received from two transmitting stations, which cannot be handled by the conventional TDOA positioning method, the position of the radio station can be determined.
  • the simultaneously satisfied positions represent an equation (equation (2)) indicating the positional condition of the radio station satisfying the estimated arrival time difference and the positional condition of the radio station satisfying the estimated arrival angle difference. It is characterized by being given as a solution of the simultaneous equations of the equation (equation (3)). With this configuration, the positioning device 100 can uniquely determine the position of the wireless station.
  • Embodiment 1 describes the case of determining the position of a mobile station on a two-dimensional plane using radio waves from two transmitting stations. It can also be applied when This embodiment mode shows an example thereof.
  • the mobile station 3 When the mobile station 3 receives radio waves from three or more transmitting stations, as a simple method, there is a configuration in which two suitable transmitting stations are selected from the three or more transmitting stations and the method shown in Embodiment 1 is applied. Conceivable. There are various methods of selecting two appropriate transmitting stations, but for example, there is a method of selecting two transmitting stations with high received power of radio waves or selecting two transmitting stations with an arrival angle difference close to ⁇ /2.
  • the arrival time difference and the arrival angle difference between the radio wave 01 from the transmitting station 1 and the radio wave 02 from the transmitting station 2 are estimated. 42 can be drawn. Also, by estimating the arrival time difference and the arrival angle difference between the radio wave 01 from the transmitting station 1 and the radio wave 03 from the transmitting station 3, two curves other than the curves 41 and 42 in FIG. 4 can be drawn. As a result, a total of four curves can be drawn, the intersection of any two of the curves can be obtained, and the center of gravity of multiple intersections resulting from different combinations of curves can be determined as the position of the mobile station. can. Also, the position of the mobile station can be determined by performing a weighted average on the plurality of intersections.
  • the positioning device of the present invention is not limited to using radio waves from two transmitting stations, and can perform positioning using radio waves from three or more transmitting stations. In this case, by using the arrival angle difference information, it is possible to perform positioning with higher accuracy than the conventional TDOA.
  • radio waves are received from 3 transmitting stations, there is no change in receiving radio waves from 2 transmitting stations. It also corresponds to "when radio waves are received and positioning is performed according to the present invention.”
  • Embodiment 1 describes the case of determining the position of a mobile station on a two-dimensional plane using radio waves from two transmitting stations.
  • the present invention is not limited to this case, and can be applied even when the mobile station 3 exists on a specific curved surface.
  • the positioning device of the present invention is not limited to determining the position of the mobile station 3 on a two-dimensional plane, but can also be applied to the case where the mobile station exists on a specific curved surface. .
  • Embodiment 4 describes the case of determining the position of mobile station 3 on a two-dimensional plane using radio waves from two transmitting stations. This is not limited to the case of specifying the position of the mobile station 3, but can also be used to specify the position of the mobile station 3 existing at any position in the three-dimensional space. In this embodiment, an example of processing for specifying the position of mobile station 3 existing at an arbitrary position in a three-dimensional space will be disclosed.
  • radio waves are transmitted from at least four transmitting stations, and the mobile station 3 uses the arrival time difference of the four radio waves to It is necessary to determine the position of the mobile station.
  • the arrival time difference between the radio wave 01 from the transmitting station 1 and the radio wave 02 from the transmitting station 2 causes the first constraint condition.
  • the arrival time difference between the radio wave 01 from the transmitting station 1 and the radio wave 03 from the transmitting station 3 causes a second constraint condition.
  • the arrival time difference between the radio wave 01 from the transmitting station 1 and the radio wave 04 from the transmitting station 4 creates a third constraint.
  • the present invention by estimating the arrival angle difference of incoming radio waves, it is possible to generate a constraint condition regarding the position of the mobile station 3 . Therefore, it is possible to perform positioning of a mobile station using radio waves from a smaller number of transmitting stations than in the conventional TDOA.
  • the first constraint condition occurs due to the arrival time difference between the radio wave 01 from the transmitting station 1 and the radio wave 02 from the transmitting station 2 .
  • the arrival time difference between the radio wave 01 from the transmitting station 1 and the radio wave 03 from the transmitting station 3 causes a second constraint condition.
  • the difference in arrival angle between the radio wave 01 from the transmitting station 1 and the radio wave 02 from the transmitting station 2 creates a third constraint.
  • radio waves 01 and 02, radio waves 01 and 03, and radio waves 01 and the arrival angle difference of the radio wave 04 can be generated.
  • the positioning device 100 of the present invention can also be used to specify the position of the mobile station 3 existing at any position in the three-dimensional space.
  • the positioning device 100 When the position of the mobile station 3 existing at an arbitrary position in the three-dimensional space is specified, the positioning device 100 also includes an arrival time difference estimator for estimating the arrival time difference between the first radio wave 01 and the second radio wave 02. 12, an arrival angle difference estimator 13 for estimating the arrival angle difference between the first and second radio waves, and the estimated arrival time difference and the estimated arrival angle difference to estimate the position of the wireless station. and a position estimating unit 14 .
  • Embodiment 5 the arrival angle difference estimation is performed using the equation (1) in S12, but an example of the process of acquiring the direction vector u required when performing the arrival angle difference estimation will be disclosed.
  • FIG. 8(a) shows the relationship between the L-shaped array antenna and the direction of arrival of radio waves (radio waves 01 or 02).
  • the L-shaped array antenna is composed of linear array antennas (referred to as array X and array Y, respectively) arranged on the X and Y axes (the XYZ axes are irrelevant to the xyz axes in Embodiment 1). Cartesian coordinates).
  • array X and array Y linear array antennas
  • u the directional vector of the radio wave
  • uc -u be the reverse vector.
  • vector uc (sin ⁇ cos ⁇ , sin ⁇ sin ⁇ , cos ⁇ ) T (20)
  • ⁇ represents the angle that uc makes with the Z-axis
  • ⁇ represents the angle that the vector that projects uc onto the XY plane makes with the X-axis.
  • FIG. 8(b) shows a cross section of the XYZ space cut by a plane containing the array X and the propagation direction of radio waves.
  • the incident angle ⁇ X at which the radio wave is incident on the X-axis on this cross section can be estimated using the received signal at the array X.
  • the incident angle ⁇ Y at which the radio wave is incident on the Y axis can be estimated using the received signal at the Y array.
  • the vector uc can be expressed by the following equation using ⁇ X and ⁇ Y.
  • uc (sin ⁇ X, sin ⁇ Y, (1-sin 2 ⁇ X-sin 2 ⁇ Y) 1/2 ) T (21)
  • Various arrival angle estimation methods for estimating the incident angles ⁇ X and ⁇ Y have been known so far, and any of them may be used to estimate the incident angles ⁇ X and ⁇ Y.
  • the array antenna 11 is characterized by arranging a plurality of antennas on a two-dimensional plane. With this configuration, the positioning device 100 can accurately grasp the arrival angle of the received radio wave and perform highly accurate positioning.
  • Embodiment 6 In Embodiment 1, a two-dimensional array antenna is generally required to estimate the arrival angle difference ⁇ , but in special cases, the arrival angle difference ⁇ can be estimated using a linear linear array antenna. said that there is a case.
  • This embodiment discloses an embodiment in which mobile station 3 can estimate arrival angle difference ⁇ using array antenna 11 in which antennas are linearly arranged.
  • mobile station 3 has array antenna 11 in which antennas are arranged linearly. However, when mobile station 3 moves, the position at which array antenna 11 receives radio waves changes over time.
  • mobile station 3 is assumed to have linear array antenna 11 in a direction perpendicular to the direction of movement. For example, if the mobile station 3 is a vehicle-mounted mobile station, the mobile station 3 can grasp the speed v [m/s] based on the speed measurement result of the vehicle.
  • a linear array antenna has a configuration similar to that of a two-dimensional array antenna as a whole. Therefore, in an environment where radio waves 01 and 02 are transmitted from transmitting stations 1 and 2 at times t0, t1, ..., tK, the received signal at the linear array antenna at times t0, t1, ..., tK is is handled in the same manner as the received signal at the two-dimensional array antenna, two-dimensional arrival angle estimation can be performed in the same manner as in the fifth embodiment.
  • tk 0, 1, 2, . . . , K
  • the mobile station 3 is provided with the linear array antenna 11 in the direction perpendicular to the movement direction, but the linear array antenna 11 does not necessarily have to be provided in the vertical direction.
  • the positioning device 100 can perform positioning of the mobile station 3 using the received signal from the array antenna 11 having a linear antenna arrangement.
  • the two-dimensional arrival angle estimation can be performed using the movement just before the stationary position, and the two-dimensional arrival angle estimation value at the stationary position can be obtained ( However, this excludes the case where the mobile station 3 is a fixed station that does not move at all).
  • the array antenna 11 is characterized by linearly arranging a plurality of antennas. With this configuration, the positioning apparatus 100 can arrange the array antenna 11 necessary for estimating the arrival angle of radio waves in a narrow space, and can reduce the size of the apparatus required for positioning.
  • the arrival time difference estimating unit 12 estimates the arrival time difference using the reception information of the first and second radio waves received at a plurality of times, and estimates the arrival angle
  • the estimation unit 13 is characterized by estimating the arrival angle difference using the reception information of the first and second radio waves received at a plurality of times. With this configuration, the positioning apparatus 100 can estimate the arrival angle difference using the array antenna 11 arranged in a narrow space.
  • Embodiment 7 In Embodiments 1 to 6, the positioning of the mobile station 3 in the downlink, in which radio waves are received from the transmitting stations 1 and 2 and the radio waves are received by the mobile station 3, is handled. It can also be performed in an uplink environment where radio waves are transmitted and the receiving stations 4 and 5 receive the radio waves. In this embodiment, a configuration is disclosed in which radio waves are transmitted in the uplink and the positioning of the mobile station 3 is performed.
  • FIG. 11 shows how the mobile station 3 transmits radio waves 03 from a plurality of antennas and the receiving stations 4 and 5 receive the radio waves 03 .
  • FIG. 12 shows the configuration of positioning device 200 in this embodiment.
  • the positioning device 200 includes a reception information acquisition section 21 , an arrival time difference estimation section 22 , an exit angle difference estimation section 23 and a position estimation section 24 .
  • the receiving stations 4 and 5 transmit the radio waves 03 to the positioning device 200 via a wired or wireless network.
  • the positioning device 200 acquires the reception information of the radio wave 03 at the receiving stations 4 and 5 in the reception information acquisition unit 21, and uses the arrival time difference estimation unit 22 to estimate the arrival time difference of the radio wave 03 at the receiving stations 4 and 5.
  • the output angle estimator 23 uses the received information to determine the output angle at the mobile station 3 of the radio wave 03 received by the receiving station 4 and the output angle at the mobile station 3 of the radio wave 03 received by the receiving station 5. is estimated, and the estimated value is used to estimate the emission angle difference .DELTA..phi.
  • the position estimator 24 estimates the position of the mobile station 3 using the estimated arrival time difference and exit angle difference.
  • the receiving stations 4 and 5 are time-synchronized by the network, and the receiving stations 4 and 5 can detect the reception time of the radio wave 03.
  • the reception information is information including reception times at the receiving stations 4 and 5, and the arrival time difference estimator 22 can estimate the arrival time difference using the reception information.
  • the receiving station 4 (or receiving station 5) connects each antenna of the mobile station 3 and the receiving station 4 (or receiving station 5). channel can be estimated.
  • the emission angle of the radio wave 03 emitted from the mobile station 3 toward the receiving station 4 (or receiving station 5) can be estimated using the channel estimation value. Further, by using estimated values of the outgoing angle from the mobile station 3 toward the receiving station 4 and the outgoing angle from the mobile station 3 toward the receiving station 5, the difference in outgoing angles ⁇ of radio waves can be estimated.
  • Embodiment 1 the mobile station 3 estimates the arrival time difference and the arrival angle difference using the radio waves from the transmitting stations 1 and 2.
  • Embodiment 1 and this embodiment have a relationship in which transmission and reception are interchanged, and the arrival time difference measured in the uplink is the same as the arrival time difference measured in the downlink.
  • the difference in angle of arrival measured in the uplink is the same as the difference in angle of arrival measured in the downlink (except for error components due to noise and sentiment). Therefore, the position estimator 24 treats the estimated arrival time difference and emission angle difference in the same manner as the arrival time difference and the arrival angle difference in the first embodiment, thereby allowing the mobile station to 3 can be estimated.
  • this embodiment discloses a positioning device 200 that estimates the position of the mobile station 3 based on the reception result of one-way radio transmission from the mobile station 3 to the receiving stations 4 and 5 .
  • "one direction" means that uplink radio waves are transmitted from the mobile station 3 to the receiving stations 4 and 5, but downlink radio transmissions from the receiving stations 4 and 5 to the mobile station 3 are received. It means that the result is not used for positioning.
  • positioning device 200 that performs positioning based on the reception result of one-way wireless transmission handled in this embodiment positioning is performed with less delay using simpler control than when using the reception result of two-way wireless transmission. becomes possible.
  • the positioning apparatus 200 performs unidirectional radio transmission from the radio station (or mobile station 3) to the first and second receiving stations (or receiving stations 4 and 5).
  • a positioning device 200 for estimating the position of the radio station based on the reception result, and comprising a first receiving station (or receiving station 4) and a second receiving station 4 for radio waves 03 transmitted from the radio station (or mobile station 3).
  • a reception information acquisition unit 21 that acquires reception information at a reception station (or reception station 5), and the radio wave 03 between the first reception station and the second reception station using the reception information.
  • an arrival time difference estimating unit 22 for estimating the arrival time difference of the radio wave received by the first receiving station and the radio wave received by the second receiving station using the received information.
  • An output angle estimating unit 23 for estimating an angle difference, and a position estimating unit 24 for estimating the position of the radio station using the estimated arrival time difference and the estimated output angle difference is possible to determine the position of a wireless station even when radio waves are received by only two receiving stations, which cannot be handled by the conventional TDOA positioning method.

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Abstract

本開示に係る測位装置は、第１及び第２の送信局から無線局への一方向の無線伝送の受信結果に基づき、前記無線局の位置を推定する測位装置であって、前記第１の送信局から送信された第１の電波と、前記第２の送信局から送信された第２の電波の前記無線局での受信情報を取得する受信情報取得部と、前記受信情報を用いて、前記第１及び前記第２の電波の前記無線局における到来時間差を推定する到来時間差推定部と、前記受信情報を用いて、前記第１及び前記第２の電波の前記無線局における到来角差を推定する到来角差推定部と、前記推定された到来時間差及び前記推定された到来角差を用いて、前記無線局の位置を推定する位置推定部と、を備えたことを特徴とする。本開示によれば、従来のTDOA測位法では対応できない２送信局から電波を受信する場合においても、無線局の位置を決定することができ、従来のTDOA測位法より多様な環境で測位を行える。

Description

測位装置
　本開示は、移動局の位置を推定する測位装置に関する。
IoT (Internet of Things) 環境の構築に向けて、モノや車の位置・速度を推定するセンシング技術の研究開発が活発に行われている。既にさまざまなセンシング技術が存在するが、移動局の測位を行う代表的な技術の一つとして、下りリンク(DL, Downlink)で到来時間差(TDOA, Time Difference Of Arrival)を用いる下りリンクTDOA測位法(以下，DL-TDOA測位法)が知られている（例えば、非特許文献１、２）。
DL-TDOA測位法では、複数の固定送信局から同時に送信された電波の移動局での到来時間差を推定し、その到来時間差を満たす移動局の位置を決定する。この際、送信局間では時刻同期が必要とされるが、移動局と送信局の間では時刻同期は必要とされない。DL-TDOA測位法では、２次元平面上の移動局の位置を決定するために、３局以上の送信局から有効な電波を受信する必要がある（例えば、非特許文献１、２）。
F. Gustafsson and F. Gunnarsson, ``Positioning using time-difference of arrival measurements,'' IEEE Int. Conf. Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), April 2003. S. Gezici, ``A survey on wireless position estimation,'' Wireless Personal Commun., vol. 44, no. 3, pp. 263--282, Feb. 2008.
　従来技術では、２次元平面上の移動局の位置を決定するために、３局以上の送信局から有効な電波を受信する必要がある。しかし、実環境では、２局以下の送信局からしか有効な電波を受信できない場合もあり、その場合に測位を行えない問題が発生する。
本開示は上記課題を解決するためになされたもので、２局の送信局から送信された電波を用いて、移動局の位置を決定することのできる測位装置を得ることを目的とする。
　本開示に係る測位装置は、第１の送信局から送信された第１の電波と、第２の送信局から送信された第２の電波の無線局での受信情報を取得する受信情報取得部と、前記受信情報を用いて、前記第１及び前記第２の電波の前記無線局における到来時間差を推定する到来時間差推定部と、前記受信情報を用いて、前記第１及び前記第２の電波の前記無線局における到来角差を推定する到来角差推定部と、前記推定された到来時間差及び前記推定された到来角差を用いて、前記無線局の位置を推定する位置推定部と、を備えたことを特徴とする。
本開示によれば、２送信局から電波を受信する場合にも無線局の位置を決定することができ、従来のTDOA測位法より多様な環境で測位を行える。
実施の形態１に係る測位装置１００の構成例を示す図。 実施の形態１において送信局１、２から移動局３への電波送信の様子を示す図。 実施の形態１に係る測位装置１００の動作を示すフローチャート。 実施の形態１における送信局１，２と移動局３の位置関係を示す図。 実施の形態１における送信局１，２と移動局３の空間的な位置関係を示す図。 実施の形態１に係る測位装置１００の機能を実現する専用処理回路。 実施の形態１に係る測位装置１００の機能を実現する処理回路とメモリ。 実施の形態５におけるL字形状アレーアンテナと電波の到来方向の関係。 実施の形態６における異なる時刻tkでの線形アレーアンテナの位置関係。 実施の形態６における時刻tk(k=0, 1, …, K)での線形アレーアンテナの全体図。 移動局３が複数のアンテナから電波０３を送信し、受信局４、５で電波０３を受信する様子を示す。 図１２に本実施の形態における測位装置２００の構成を示す。
　実施の形態１．
　以下、本開示の実施の形態について説明する。
　図１は実施の形態１に係る測位装置１００の構成例を示す図である。測位装置１００は移動局３内に備えられており、電波を受信するアレーアンテナ１１、２つの電波の到来時間差を推定する到来時間差推定部１２、２つの電波の到来角差を推定する到来角差推定部１３、到来角差と到来時間差の推定値を用いて移動局３の位置を推定する位置推定部１４を備える。なお、以降の各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。
　図２は、送信局１、２から移動局３への電波の送信の様子を示す。本図において、時刻同期のとられた固定送信局１、２はそれぞれ異なる無線周波数を用いて電波０１、電波０２を同時に送信し、移動局３でその電波を受信する。移動局３の測位装置１００は受信した電波を用いて、移動局３の位置を推定する。この測位は、基本的に、移動局３が送信局１、２からの直接波を他の散乱波と分離して受信し、その直接波の受信時刻と到来角を推定できる環境で行われる。以下、電波０１、電波０２は、移動局３で受信される直接波を表す。
　また、本実施の形態では、送信局１、２から移動局３への一方向の無線伝送の受信結果に基づき、移動局３の位置を推定する測位装置１００を開示する。ここで、一方向とは、送信局１、２から移動局３に向けての下りリンクの無線伝送の受信結果を測位に利用するが、移動局３から送信局１、２に向けての上りリンクの無線伝送の受信結果を測位に用いないことを意味する。
　一般に、下りリンクで無線伝送を行い、かつ、上りリンクで無線伝送を行う場合を双方向無線伝送と呼ぶ。双方向無線伝送の受信結果を用いて移動局３の位置を推定する測位法はこれまでにあるが、測位に必要な無線伝送の回数が多くなり、遅延が生じやすくなる。また、移動局３が電波の送受信を行うため、制御が複雑となるなどの問題がある。これに対して、本実施の形態で扱う一方向の無線伝送の受信結果に基づき測位を行う測位装置１００では、双方向の無線伝送の受信結果を用いる場合より、簡易な制御を用いて低遅延で測位を行うことが可能となる。
　図３は実施の形態１に係る測位装置１００の動作を示すフローチャートである。以下、図３を用いて、測位装置１００の動作を説明する。
移動局３内に設定された測位装置１００では、到来時間差推定部１２で送信局１からの電波０１に対する送信局２からの電波０２の到来時間差Tを推定する（S１１）。また、到来角差推定部１３でアレーアンテナ１１で受信した信号を用いて電波０１, ０２の到来角を個別に推定し、その推定値を用いて電波０１, ０２の到来角差(ADOA, Angle Difference Of Arrival) Δφ(＞＝０)を推定する（S１２）。
ここで、電波i(=０１, ０２)の進行方向を示す３×１単位ベクトルを方向ベクトルui (||ui||＝１)とすると、到来角差Δφはu01とu02のなす角として定義される。すなわち、到来角差Δφは次式で与えられる。
u01 Tu02=||u01||・||u02|| cosΔφ　⇒　Δφ＝cos-１ （u01 Tu02)　（１）
ここで、Tは転置を表す。
なお、一般に、電波i(=０１, ０２)の３次元方向ベクトルuiを推定するためには２次元アレーアンテナが必要となる。従って、移動局３の測位装置１００は、通常、S１２において、２次元平面上にアンテナが配置されたアレーアンテナ１１を用いて電波０１, ０２の到来角を個別に推定して方向ベクトルui(i=０１, ０２)を求め、得られた方向ベクトルu01とu02を用いて、式(１)から到来角差Δφを算出する。
なお、S１１において到来時間差を推定する際には、電波０１、０２を受信した後、その受信信号を受信信号が含む既知信号に対応した整合フィルタに入力し、その整合フィルタ出力がピークとなる時刻を各電波の受信時刻として到来時間差を推定することもできる。また、S１２において到来角差を推定する際には、各アレーアンテナにおける整合フィルタ出力の振幅値を用いて、到来角推定を行うこともできる。
　また、一般的には、到来角差Δφを推定するために２次元アレーアンテナが必要となるが、特殊な場合には１次線形アレーアンテナを用いて到来角差Δφを推定できる場合もある。具体的な一例として、送信局１、２と移動局３が同一平面上にある場合は、その平面上で１次元線形アレーアンテナを用いて１次元の到来角推定を行い、その到来角推定値を用いて到来角差Δφを推定できる。また、固定送信局１、２がそれぞれ異なる無線周波数を用いて電波０１、電波０２を同時に送信しなくても、測位装置１００が到来時間差Tの等価値を取得できる場合もある。具体的な一例としては、送信局１が電波０１を送信した後、所定の時間間隔を空けて送信局２が同じ周波数で電波０２を送信し、測定装置１００で電波０１と電波０２の到来時間差から所定の時間間隔を差し引くことで、到来時間差Tの等価値を取得できる。このように、到来時間差Tと到来角差Δφはさまざまな方法で推定できるが、本実施の形態では、到来時間差Tと到来角差Δφを推定できるいかなる方法を用いても構わない。
　測位装置１００は、S１１とS１２を行った後に、位置推定部１４で電波０１と電波０２の到来時間差T及び到来角差Δφを用いて、その到来時間差及び到来角差を同時に満たす移動局３の位置を求める（S１３）。
以下では、S１３の詳細を説明する。ここでは、移動局３が平面(xy平面とする)上に存在する場合を扱う。送信局１, ２に関しても、xy平面に存在する場合(以下，平面モデル、常にz=０)を扱い、
・ 移動局の位置(未知):　x=(x, y)     (y > ０)
・ 送信局１の位置(既知): x１=(０, ０)
・ 送信局２の位置(既知): x２=(２d, ０)
・ 電波０１に対する電波０２の到来時間差(既知) : T
・ 電波０１, ０２の到来角差(既知) : Δφ(> ０)
を想定する。ここで、移動局の位置x は未知だが、y>０であることは既知とする（x は位置ベクトルだが「位置」と略記する）。図４に送信局１、２と移動局３の位置関係を示す。以下では、S１３において、既知のx１, x２, T, Δφから位置x=(x, y) を推定する方法を説明する。
まず、電波０１, ０２の到来時間差Tを満たす移動局の位置xの条件について述べる。この条件は従来からよく知られており、位置xは次式を満たす必要がある。
||x-x２||-||x-x１||=cT   　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
ここで、cは光速を表す。
式(２)を満たす位置x=(x, y)は、x１とx２を焦点とする双曲線の一部である曲線４１（図４に記載）に属する。しかし、式(２)のみではxを一意に決定できない。そのため、従来のDL-TDOA測位法では３局以上の送信局から電波を受信する環境を測位の対象としており、電波の到来時間差から生じる２つ以上の条件式を用いて、xを一意に決定する。これに対して、本実施の形態では、従来のDL-TDOA測位法では対応できない２送信局から電波を受信する環境において、電波０１, ０２の到来角差Δφを用いて位置xを決定する。
到来角差Δφを満たす移動局３の位置xの条件について説明する。図４に到来角差がΔφのときに移動局３の取り得る位置を示す。図４において、送信局１と移動局３を結ぶ直線３１と、送信局２と移動局３を結ぶ直線３２のなす角(円周角に相当)はΔφとなる。従って、移動局３の位置は、中心座標S(d, d/tanΔφ)，半径r=d/sinΔφをもつ円のうちy > ０を満たす弧４２上となる。
すなわち、到来角差Δφを満たす移動局の位置xは次式で表される。
x ＝（d+rcosξ, d／tanΔφ+r sin ξ）
　　＝（d(sinΔφ+cosξ)／sinΔφ, d(cosΔφ+sinξ)／sinΔφ）   （３）
ここで、ξは次式の範囲で定義される変数である。
ｄ／tanΔφ+ r sin ξ＞ ０ ⇒Δφ－π／２ ＜ξ＜３π／２－Δφ （４）
このように、到来角差Δφを満たす移動局の位置x は弧４２上となる。
本実施の形態のS１３では、到来時間差Tを満たす位置条件I (式(２))と到来角差Δφを満たす位置条件II (式(３))を同時に満たす位置を移動局の位置xとする。この移動局の位置を図４を用いて説明する。図４において、曲線４１(実線部)と弧４２はそれぞれ位置条件I, IIを満たす移動局の位置を表す。位置条件I, IIを同時に満たす移動局の位置xは、曲線４１と弧４２の交点として一意に決定できる。
この交点を見つけるため、x１=(０, ０), x２=(２ｄ, ０)と式(３) (位置条件II)のxを式(２) (位置条件I)に代入すると、変数ξは次式の関係を満たす。
F(ξ)=cT  
ここで、F(ξ)は次式の関数である。
F(ξ)＝(２1/2d／sinΔφ)[{１+sin(ξ-Δφ)}1/2-{１+sin(ξ＋Δφ)}1/2］
従って、位置条件I, IIを同時に満たす移動局の推定位置x’は次式で与えられる。
x’=(d(sinΔφ+cosξ０)／sinΔφ, d(sinΔφ+cosξ０)／sinΔφ)  （５）
ξ０= argξ minΔφ-π/2<ξ<3π/2-Δφ|F(ξ)-cT|  　　　　 　　　（６）
式（５）（６）の演算を行うことで、S１３では、到来時間差Tと到来角差Δφを用いて移動局の位置を一意に決定できる。
ここまでは送信局１, ２がxy平面上に存在する場合を扱ったが、以下では送信局１, ２がxyz空間上の任意の位置に存在する場合(以下、立体モデル)について述べる。なお、移動局３はこれまでと変わらず、xy平面上に存在する。ここでは、x, x１, x２を以下に変更し、xyz空間上で説明する。
・ 移動局の位置(未知) : x =(x, y, ０)  (y>０) 
・ 送信局１の位置(既知) : x１=(０, ０, h１)
・ 送信局２の位置(既知) : x２=(２d, ０, h２)
図５に移動局３、送信局１、送信局２の空間的な位置関係を示す。図５では、移動局３がxy平面上にあり、送信局１、送信局２がxy平面上にない場合を示している。
図５において、移動局３から送信局１、２を結ぶ直線５１上におろした垂線の足をQとする。このとき、送信局１、送信局２、移動局３を含む平面Wにおいて、送信局１を仮想原点、送信局１→送信局２方向を仮想x方向、Q→移動局３方向を仮想y方向とみなすと、平面W上では前述の平面モデルと同じ議論が成り立つ。具体的には、送信局１、２を結ぶ線分の長さを２d１={(２d)２+(h１-h２)２}１/２とおくと、移動局３の仮想x方向の成分J１、仮想y方向の成分J２は、式(５)と同様に次式で与えられる。
(J１,J２)=(d１(sinΔφ+cosξ１)／sinΔφ, d１(cosΔφ+sinξ１)／sinΔφ)（７）
ここで、ξ１は式(６)におけるdをd１に変更した次式で与えられる。　
ξ１=argξ minΔφ-π/2<ξ<３π/2-Δφ|F１(ξ)-cT|　　　（８）
F１(ξ)=(２1/2d１/sinΔφ)[{１+sin(ξ-Δφ)}1/2－{１+sin(ξ+Δφ)}1/2]（９）
また、J１を用いると、xyz空間におけるQの座標は次式で表される。
 (Qx, ０, Qz)=(J１２d/２d０, ０, J１(h２-h１)/２d０+h１) （１０）
ここで、送信局１から送信局２に至る次式のベクトルv
　v=(２d, ０, h２-h１)　　　　　　　　　　  　　　　　　（１１）
と、Qから移動局に至る次式のベクトルｗ
ｗ=(x-Qx, y, -Qz)　　　　　　　　　 　  　　　　　　　（１２）
を用いると、v ⊥ｗの関係から式(１３)、||ｗ||=J２の関係から式(１４)が成り立つ。
　   vｗT=２d(x-Qx)-(h２-h１) Qz=０　　　　　　　　　  　  （１３）
||ｗ||２=(x-Qx)２+y２+Qz２=J２ ２ 　　　 　　　　　　　 （１４）
式(１３)、 (１４)をx, yについて解くと、移動局の推定位置 x’=(x, y, ０)は次式で表される。
x’=(Qx+(h２-h１)Qz/(２d), {J２ ２-Qz ２{(h２-h１)２+4d２ ２}/4d２}1/2, ０)（１５）
式(１５)は、送信局１、２が空間上の任意の位置にある場合に適用可能である。特殊な場合として、式(１５)にh１=h２=０を代入すると、式(５)と一致する。
このように、本実施の形態のS１３では、送信局Tx１、 ２の位置x１, x２，電波０１, ０２の到来時間差T、電波０１、０２の到来角差Δφを用いて、移動局の位置xを推定できる。
まとめると、本実施の形態では、空間上の任意の位置にある送信局１、２から送信された電波０１、０２を用いて、移動局の位置を以下の手順で推定する。
（I） 電波０１,０２の到来時間差Tを推定する（S１１）
（II）電波０１,０２の到来角推定を行い、電波０１,０２の到来角差Δφを推定する（S１２）
（III）到来時間差T と到来角差ΔφからJ１, J２(式(７))とQx, Qz(式(１０))を算出し、x’(式(１５))を求める(h１=h２=０の場合は、代わりにx’(式(５))を求めてもよい)（S１３）。
なお、式(７)～(１０)ではTとΔφの真値を用いたが、実際には、真値T, Δφの代わりにTとΔφの推定値を用いる。また、上述の（III）の演算法は一例であり、別の演算法を用いて移動局の３の位置を算出することもできる。
　これまでの説明では、移動局３の位置を推定する形態について説明したが、移動局３の代わりに平面上の未知の位置に置かれた移動しない固定無線局の位置を推定する場合にも、これまでと同様の手法を用いることができる。言い換えれば、移動局３を無線局としても上述の説明は成り立つ。
　また、測位装置１００は移動局３内に設置するものとして説明したが、測位装置１００を移動局３と別の場所に置くことも可能である。具体的には、移動局３で受信した受信信号をデータベースとし格納し、非リアルタイムのオフライン環境で、測位装置１００にそのデータを入力して、測位を行うことも可能である。また、移動局３で受信した受信信号を別の場所に設置された測位装置１００に無線信号を用いて転送することも可能である。この場合、測位装置１００がアレーアンテナ１１を備えることは必須ではなく、その代わりにデータベース又は転送された信号から受信信号を取得することができる。測位装置１００がアレーアンテナ１１を備えるケースは一形態であり、より一般的には、測位装置１００は、電波０１と電波０２の移動局３での受信情報を取得する受信情報取得部を備えることで本実施の形態を行える。
　測位装置１００における到来時間差推定部１２、到来角差推定部１３、位置推定部１４の各機能は、処理回路（Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）により実現される。この処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサー、ＤＳＰともいう）であってもよい。
　処理回路が専用のハードウェアである場合、図６に示すように、処理回路６０１は、例えば、単一回路（ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ）、複合回路（ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、プログラム化したプロセッサー（ａ　ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、並列プログラム化したプロセッサー（ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。到来時間差推定部１２、到来角差推定部１３、位置推定部１４の各部の機能それぞれを処理回路で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路で実現してもよい。
　処理回路がＣＰＵの場合、測位装置１００における到来時間差推定部１２、到来角差推定部１３、位置推定部１４は、図７に示すように、処理回路７０１と、メモリ７０２とを備える。到来時間差推定部１２、到来角差推定部１３、位置推定部１４の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアやファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ７０２に格納される。処理回路７０１は、メモリ７０２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、測位装置１００は、処理回路７０１により実行されるときに、到来時間差推定ステップ、到来角差推定ステップ、位置推定ステップを実行するプログラムを格納するためのメモリ７０２を備える。これらのプログラムの一例は図３に示されるステップＳ１１～Ｓ１３で表わされる。また、これらのプログラムは、到来時間差推定部１２、到来角差推定部１３、位置推定部１４の手順や方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリ７０２とは、例えば、RAM、ROM、フラッシュメモリー、EPROM、EEPROM等の不揮発性または揮発性の半導体メモリや、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等が該当する。
　なお、到来時間差推定部１２、到来角差推定部１３、位置推定部１４の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。例えば、到来時間差推定部１２、到来角差推定部１３については専用のハードウェアとしての処理回路でその機能を実現し、位置推定部１４については処理回路がメモリに格納されたプログラムを読み出して実行することによってその機能を実現することが可能である。
　このように、処理回路７０１は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。
以上示したように、本実施の形態に係る測位装置１００は、第１及び第２の送信局（又は送信局１、２）から無線局（又は移動局３）への一方向の無線伝送の受信結果に基づき、前記無線局の位置を推定する測位装置であって、第１の送信局（又は送信局１）から送信された第１の電波０１と、第２の送信局（又は送信局２）から送信された第２の電波０２の無線局（又は移動局３）での受信情報を取得する受信情報取得部と、前記受信情報を用いて、前記第１及び前記第２の電波の前記無線局における到来時間差を推定する到来時間差推定部１２と、前記受信情報を用いて、前記第１及び前記第２の電波の前記無線局における到来角差を推定する到来角差推定部１３と、前記推定された到来時間差及び前記推定された到来角差を用いて、前記無線局の位置を推定する位置推定部１４と、を備えたことを特徴とする。この構成によって、従来のTDOA測位法では対応できない２送信局のみから電波を受信する場合にも無線局の位置を決定することができ、従来のTDOA測位法より多様な環境で測位を行える。
また、本実施の形態に係る測位装置１００において、前記受信情報取得部は、前記第１及び前記第２の電波を受信するアレーアンテナ１１であることを特徴とする。この構成によって、測位装置１００はアレーアンテナ１１で受信した電波の受信情報を用いて、リアルタイムに高精度な測位を行える。
また、本実施の形態に係る測位装置１００において、前記位置推定部１４は、前記推定された到来時間差を満たす前記無線局の位置条件と、前記推定された到来角差を満たす前記無線局の位置条件を、同時に満たす位置を前記無線局の位置として推定することを特徴とする。この構成によって、従来のTDOA測位法では対応できない２送信局から電波を受信する場合においても、無線局の位置を決定することができる。
また、前記同時に満たす位置は、前記推定された到来時間差を満たす前記無線局の位置条件を示す方程式（式（２））と、前記推定された到来角差を満たす前記無線局の位置条件を示す方程式（式（３））の連立方程式の解として与えられることを特徴とする。この構成によって、測位装置１００は無線局の位置を一意に決定することができる。
　実施の形態２．
　実施の形態１では、２送信局からの電波を用いて２次元平面上の移動局の位置を決定する場合について述べたが、本発明は、移動局３が３以上の送信局から電波を受信する場合にも適用することができる。本実施の形態では、その一例を示す。
　移動局３が３以上の送信局から電波を受信する場合、簡便な方法としては、３以上の送信局から適切な２送信局を選択して実施の形態１に示した方法を適用する構成が考えられる。適切な２送信局を選択する方法はさまざまであるが、例えば、電波の受信電力の大きい２送信局を選択したり、到来角差がπ／２に近い２送信局を選択する方法がある。
　また、３送信局から電波を受信する場合、送信局１からの電波０１と送信局２からの電波０２の到来時間差と到来角差を推定すると、実施の形態１の図４の曲線４１と曲線４２を描くことができる。また、送信局１からの電波０１と、送信局３からの電波０３の到来時間差と到来角差を推定すると、図４の曲線４１と曲線４２とは別の２つの曲線を描くことができる。その結果、合わせて４つの曲線を描くことができ、その曲線の中の任意の２つの曲線の交点を求め、異なる曲線の組み合わせから生じる複数の交点の重心を移動局の位置として決定することができる。また、その複数の交点に対して重みづけ平均を行うことで、移動局の位置を決定することもできる。
　従来のTDOAでは、到来角差によって生じる条件を表す曲線を描くことはできないが、本実施の形態では到来角差によって生じる条件を表す曲線を描くことができる。その結果、到来角差によって生じる制約条件を満たす移動局の位置を求めることで、従来のTDOAよりも移動局の位置推定精度を向上することができる。
　このように、本発明の測位装置は、２送信局からの電波を用いる場合に限られるものではなく、３以上の送信局からの電波を用いて測位を行うことができる。この場合、到来角差情報を用いることで、従来のTDOAより高精度な測位を行える。なお、３送信局から電波を受信する場合も、２送信局から電波を受信することに変わりはなく、３送信局から電波を受信して本発明の測位を行う場合は、「２送信局から電波を受信して本発明の測位を行う場合」にも該当する。
　実施の形態３．
　実施の形態１では、２送信局からの電波を用いて２次元平面上の移動局の位置を決定する場合について述べたが、本発明は、２次元平面上の移動局３の位置を決定する場合に限られるものではなく、特定の曲面上に移動局３が存在する場合にも適用することができる。
　実施の形態１では、空間モデルについて説明する際に、移動局３の位置をx =(x, y, ０)(y>０)と仮定し、式（１３）（１４）からx, yを解いたが、x =(x, y, ０) を２変数を含むさまざまな座標成分に置き換えても、式（１３）（１４）からその２変数を解くことができれば、移動局３の位置xを決定できる。
例えば、x =(x, y, y2)の場合、
　v=(２d, ０, h２-h１)　　　　　　　　　　   　　　　（１６）
ｗ=(x-Qx, y, y2-Qz)　　　　　　　　　 　　　　　 　（１７）
となり、
　   vｗT=２d(x-Qx)+(h２-h１)(y2-Qz)=０　　　　　　 　  （１８）
||ｗ||２=(x-Qx)２+y２+(y2-Qz)２=J２ ２ 　　　 　  　 （１９）
が成り立つ。式（１８）（１９）からx、ｙを解けば、xを決定することができる。ここで、移動局３は曲面座標x =(x, y, y2)上に存在するが、この場合にも本発明の測位装置を適用することができる。
　このように、本発明の測位装置は、２次元平面上の移動局３の位置を決定する場合に限られるものではなく、特定の曲面上に移動局が存在する場合にも適用することができる。
　実施の形態４．
　実施の形態１では、２送信局からの電波を用いて２次元平面上の移動局３の位置を決定する場合について述べたが、本発明は、２次元平面上の移動局３の位置を決定する場合に限らず、３次元空間上の任意の位置に存在する移動局３の位置を特定する際にも用いることができる。本実施の形態では、３次元空間上の任意の位置に存在する移動局３の位置を特定する場合の処理例を開示する。
　従来のTDOAでは、空間上の任意の位置にある移動局３の位置を決定するためには、少なくとも４つの送信局から電波を送信し、移動局３でその４つの電波の到来時間差を用いて移動局の位置を決定する必要がある。具体的には、送信局１からの電波０１と送信局２からの電波０２の到来時間差によって、第１の制約条件が発生する。また、送信局１からの電波０１と送信局３からの電波０３の到来時間差によって、第２の制約条件が発生する。また、送信局１からの電波０１と送信局４からの電波０４の到来時間差によって、第３の制約条件が発生する。その結果、３つの制約条件から、移動局３の位置x =(x, y, z)を表す変数x, y, zを含む３つの方程式が生じる、３つの方程式からx, y, zを解くことができる。このx, y, zを解くために必要な３つの方程式を生成するためには、３つの到来時間差、すなわち、４送信局からの電波受信が必要となる。
　これに対し、本発明では、到来する電波の到来角差を推定することで、移動局３の位置に関する制約条件を生成することができる。従って、従来のTDOAより少ない数の送信局からの電波を用いて移動局の測位を行うことが可能となる。
　具体例として、３送信局からの電波を用いる場合を取り上げる。この場合、送信局１からの電波０１と送信局２からの電波０２の到来時間差によって、第１の制約条件が発生する。また、送信局１からの電波０１と送信局３からの電波０３の到来時間差によって、第２の制約条件が発生する。また、送信局１からの電波０１と送信局２からの電波０２の到来角差によって、第３の制約条件が発生する。その結果、３つの制約条件から、移動局の位置x =(x, y, z)を表す変数x, y, zを含む３つの方程式が生じ、３つの方程式からx, y, zを解くことができる。すなわち、本実施の形態では、３送信局からの電波受信を用いて、３次元空間の任意の位置にある移動局３の位置を決定することができる。
　また、本発明では、４送信局からの電波を用いた場合、従来のTDOAと同じ到来時間差にから発生する３つの制約条件に加えて、電波０１と電波０２、電波０１と電波０３、電波０１と電波０４の到来角差の制約条件を生成することができる。その結果、より多くの制約条件を考慮して、移動局の位置を決定することができ、従来のTDOAよりも高精度に移動局の位置を決定することができる。
　このように、本発明の測位装置１００は、３次元空間上の任意の位置に存在する移動局３の位置を特定する際にも用いることができる。
　なお、３次元空間上の任意の位置に存在する移動局３の位置を特定する場合も、測位装置１００は、第１の電波０１と第２の電波０２の到来時間差を推定する到来時間差推定部１２と、前記第１及び前記第２の電波の到来角差を推定する到来角差推定部１３と、推定された到来時間差及び推定された到来角差を用いて、無線局の位置を推定する位置推定部１４と、を備えた構成を有している。
　実施の形態５.
　実施の形態１において、S１２において式（１）を用いて到来角差推定を行うが、到来角差推定を行う際に必要となる方向ベクトルuを取得する処理の一例を開示する。
ここでは、一例として、L字形状アレーアンテナを2次元アレーアンテナとして用いる場合の到来角差推定を示す。図８(a)にL字形状アレーアンテナと電波(電波０１又は電波０２)の到来方向の関係を示す。図において、L字形状アレーアンテナはX軸とY軸に配置された線形アレーアンテナ(それぞれをアレーX、アレーYと呼ぶ)で構成されている（XYZ軸は実施の形態１におけるxyz軸と無関係な直交座標）。また、電波の方向ベクトルをu　(uのZ成分は負)、逆方向ベクトルをuc=-uとする。
このとき、ベクトルucは次式で表される。
     uc＝(sinαcosβ, sinαsinβ, cosα)T   （２０）
ここで、αはucがZ軸となす角、βはucをXY平面に射影したベクトルがX軸となす角を表す。
図８(b)にアレーXと電波の進行方向を含む平面でXYZ空間を切った断面を表す。この断面上で電波がX軸に入射する入射角φXは、アレーXでの受信信号を用いて推定できる。同様に、電波がY軸に入射する入射角φYは、アレーYでの受信信号を用いて推定できる。
図８より、ベクトルucはφXとφYを用いて次式で表すことができる。
uc=(sinφX, sinφY, (1-sin2φX-sin2φY)1/2)T 　　　（２１）
アレーX, Yでの受信信号を用いて入射角φX, φYを推定すると、式(２１)より、方向ベクトルu(=-uc)を推定できる。よって、到来角差推定部１３では式（２１）を用いて方向ベクトルuを取得でき、取得した方向ベクトルを用いて式（１）から到来角差を取得できる。なお、入射角φX, φYを推定するさまざまな到来角推定法がこれまでに知られているが、そのいずれを用いて入射角φX, φYを推定しても構わない。
このように、本実施の形態に係る測位装置１００において、前記アレーアンテナ１１は、複数のアンテナを２次元平面上に配置したことを特徴とする。この構成によって、測位装置１００は受信した電波の到来角を的確に把握でき、高精度な測位を行える。
　実施の形態６.
　実施の形態１では、一般的には、到来角差Δφを推定するために２次元アレーアンテナが必要となるが、特殊な場合には１次線形アレーアンテナを用いて到来角差Δφを推定できる場合があることを述べた。本実施の形態では、移動局３が線形にアンテナが配置されたアレーアンテナ１１を用いて到来角差Δφを推定できる一形態を開示する。
本実施の形態では、移動局３は線形にアンテナが配置されたアレーアンテナ１１を備えるが、移動局３が移動を利用する場合、アレーアンテナ１１が電波を受信する位置は時間的に変化する。図９に移動局３が既知の速度v[m/s]で移動する場合の時刻tk (k=0, 1, 2, ..., K)における線形アレーアンテナ１１の位置を示す。ここで、移動局３は移動方向に垂直な向きに線形アレーアンテナ１１を備えるとする。なお、移動局３は、例えば移動局３が車載移動局の場合、車の速度計測結果に基づいて速度v[m/s]を把握できる。
図９に示すように、時刻tkにおける線形アレーアンテナ１１－ｋは時刻t0における線形アレーアンテナ１１－０から距離Lk=v tk離れた位置に配置され、時刻t0, t1, ..., tKにおける線形アレーアンテナは全体として2次元アレーアンテナと同様の構成となる。従って、時刻t0, t1, ..., tKに送信局１、２からそれぞれ電波０１、電波０２が送信される環境では、時刻t0, t1, ..., tKにおける線形アレーアンテナでの受信信号を2次元アレーアンテナでの受信信号と同様に扱えば、実施の形態５で示した場合と同様に2次元到来角推定を行うことができる。
図１０に時刻tk (k=0, 1, 2, ..., K)における線形アレーアンテナ１１の位置と到来する電波の位置関係を示す。時刻t0, t1, ..., tKに送信局１、２からそれぞれ電波０１、電波０２が送信される環境では、時刻tk (k=0, 1, 2, ..., K)における線形アレーアンテナ１１での受信信号を用いれば、方向ベクトルベクトルuを算出できる。なお、ここでは、移動局３は移動方向に垂直な向きに線形アレーアンテナ１１を備えるとしたが、必ずしも垂直な向きに線形アレーアンテナ１１を備えなくても構わない。時刻tk (k=0, 1, 2, ..., K)における線形アレーアンテナ１１が全体として２次元平面上に配置されるアレーアンテナとなる場合には、到来角推定を行うことができる。
　このように、移動局３の移動を利用すると、測位装置１００は線形なアンテナ配置を持つアレーアンテナ１１での受信信号を用いて、移動局３の測位を行うことができる。なお、移動局３が静止している場合、その静止直前の移動を用いて上記2次元到来角推定を行うことができ、実質的にその静止位置での2次元到来角推定値を取得できる(但し、移動局３が全く移動しない固定局である場合を除く)。
このように、本実施の形態に係る測位装置１００において、前記アレーアンテナ１１は、複数のアンテナを線形に配置したことを特徴とする。この構成によって、測位装置１００は電波の到来角を推定するために必要なアレーアンテナ１１を狭いスペースに配置することができ、測位に要する装置規模を小さくすることができる。
また、本実施の形態に係る測位装置１００において、前記到来時間差推定部１２は複数の時刻で受信した前記第１及び前記第２の電波の受信情報を用いて到来時間差を推定し、前記到来角推定部１３は複数の時刻で受信した前記第１及び前記第２の電波の受信情報を用いて到来角差を推定することを特徴とする。この構成によって、狭いスペースに配置されたアレーアンテナ１１を用いて測位装置１００は到来角差を推定することができる。
　実施の形態７.
　実施の形態１～６では、送信局１、２から電波を受信し、移動局３で電波を受信する下りリンクでの移動局３の測位を扱ったが、同様の測位は、移動局３が電波を送信し、受信局４，５が電波を受信する上りリンク環境でも行うことができる。本実施の形態では、上りリンクで電波を伝送し、移動局３の測位を行う形態を開示する。
図１１に移動局３が複数のアンテナから電波０３を送信し、受信局４、５で電波０３を受信する様子を示す。また、図１２に本実施の形態における測位装置２００の構成を示す。測位装置２００は受信情報取得部２１、到来時間差推定部２２、出射角差推定部２３、位置推定部２４を備える。
本実施の形態では、移動局３が複数のアンテナから電波０３を送信し、受信局４、５で電波０３を受信すると、受信局４、５は有線または無線ネットワークを介して測位装置２００にその受信情報を通知する。測位装置２００は受信情報取得部２１で電波０３の受信局４、５における受信情報を取得し、到来時間差推定部２２でその受信情報を用いて電波０３の受信局４、５での到来時間差を推定する。また、出射角推定部２３では、その受信情報を用いて、受信局４で受信される電波０３の移動局３における出射角と、受信局５で受信される電波０３の移動局３における出射角を推定し、その推定値を用いて、移動局３から受信局４に向けて出射される電波と移動局３から受信局５に出射される電波の出射角差Δφを推定する。位置推定部２４では、推定された到来時間差と出射角差を用いて、移動局３の位置を推定する。
　なお、受信局４、５は、ネットワークによって時刻同期されており、受信局４、５は電波０３の受信時刻を検出できる。受信情報は、受信局４、５での受信時刻を含む情報であり、到来時間差推定部２２ではその受信情報を用いて到来時間差を推定することができる。また、移動局３が複数のアンテナから互いに直交する既知信号を含む電波を送信する場合、受信局４（又は受信局５）では移動局３の各アンテナと受信局４（又は受信局５）とのチャネルを推定することができる。また、そのチャネル推定値を用いて移動局３から受信局４（又は受信局５）方向へ出射される電波０３の出射角を推定することができる。また、移動局３から受信局４方向への出射角と、移動局３から受信局５方向への出射角の推定値を用いれば、電波の出射角差Δφを推定できる。
　実施の形態１における下りリンク無線伝送では、送信局１、２からの電波を用いて移動局３で到来時間差と到来角差を推定したが、本実施の形態における上りリンク無線伝送では、移動局３の複数アンテナから送信される電波を用いて、受信局４、５での到来時間差と出射角差を推定している。基本的に、実施の形態１と本実施の形態は送受信を入れ替えた関係であり、上りリンクで測定される到来時間差は、下りリンクで測定される到来時間差と同じとなる。上りリンクで測定される出射角差は、下りリンクで測定される到来角差と同じとなる（但し、雑音や感傷による誤差成分を除く）。従って、位置推定部２４では、推定された到来時間差及び出射角差を実施の形態１における到来時間差及び到来角差と同様に扱うことによって、実施の形態１の位置推定部１４と同様に移動局３の位置を推定できる。
　なお、本実施の形態では、移動局３から受信局４、５への一方向の無線伝送の受信結果に基づき、移動局３の位置を推定する測位装置２００を開示している。ここで、一方向とは、移動局３から受信局４、５に向けての上りリンクの電波を送信するが、受信局４、５から移動局３に向けての下りリンクの無線伝送の受信結果を測位に用いないことを意味する。本実施の形態で扱う一方向の無線伝送の受信結果に基づき測位を行う測位装置２００では、双方向の無線伝送の受信結果を用いる場合より、簡易な制御を用いて低遅延で測位を行うことが可能となる。
以上示したように、本実施の形態に係る測位装置２００は、無線局（又は移動局３）から第１及び第２の受信局（又は受信局４、５）への一方向の無線伝送の受信結果に基づき、前記無線局の位置を推定する測位装置２００であって、無線局（又は移動局３）から送信された電波０３の第１の受信局（又は受信局４）及び第２の受信局（又は受信局５）での受信情報を取得する受信情報取得部２１と、前記受信情報を用いて、前記第１の受信局と前記第２の受信局との間での前記電波０３の到来時間差を推定する到来時間差推定部２２と、前記受信情報を用いて、前記第１の受信局で受信される電波と、前記第２の受信局で受信される電波の前記無線局における出射角差を推定する出射角推定部２３と、前記推定された到来時間差及び前記推定された出射角差を用いて、前記無線局の位置を推定する位置推定部２４と、を備えたことを特徴とする。この構成によって、従来のTDOA測位法では対応できない２受信局のみで電波を受信する場合にも無線局の位置を決定することができ、従来のTDOA測位法より多様な環境で測位を行える。
０１、０２、０３：電波、１、２：送信局、３：移動局、４、５：受信局、１１、１１－０、１１－１、１１－Ｋ：アレーアンテナ、１２、２２：到来時間差推定部、１３：到来角差推定部、１４、２４：位置推定部、２１：受信情報取得部、２３：出射角差推定部、３１、３２：直線、４１：曲線、４２：弧、５１：直線、１００、２００：測位装置、６０１：処理回路、７０１：処理回路、７０２：メモリ

Claims (8)

  1. 第１及び第２の送信局から無線局への一方向の無線伝送の受信結果に基づき前記無線局の位置を推定する測位装置であって、
    前記第１の送信局から送信された第１の電波と、前記第２の送信局から送信された第２の電波の前記無線局での受信情報を取得する受信情報取得部と、
    前記受信情報を用いて、前記第１及び前記第２の電波の前記無線局における到来時間差を推定する到来時間差推定部と、
    前記受信情報を用いて、前記第１及び前記第２の電波の前記無線局における到来角差を推定する到来角差推定部と、
    前記推定された到来時間差及び前記推定された到来角差を用いて、前記無線局の位置を推定する位置推定部と、
    を備えたことを特徴とする測位装置。
  2. 前記受信情報取得部は、前記第１及び前記第２の電波を受信するアレーアンテナである
    ことを特徴とする請求項１に記載の測位装置。
  3. 前記アレーアンテナは、複数のアンテナを２次元平面上に配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の測位装置。
  4. 前記アレーアンテナは、複数のアンテナを線形に配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の測位装置。
  5. 前記到来時間差推定部は複数の時刻で受信した前記第１及び前記第２の電波の受信情報を用いて到来時間差を推定し、
    前記到来角推定部は複数の時刻で受信した前記第１及び前記第２の電波の受信情報を用いて到来角差を推定することを特徴とする請求項４に記載の測位装置。
  6. 前記位置推定部は、前記推定された到来時間差を満たす前記無線局の位置条件と、前記推定された到来角差を満たす前記無線局の位置条件を、同時に満たす位置を前記無線局の位置として推定する
    ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の測位装置。
  7. 前記同時に満たす位置は、前記推定された到来時間差を満たす前記無線局の位置条件を示す方程式と、前記推定された到来角差を満たす前記無線局の位置条件を示す方程式の連立方程式の解として与えられることを特徴とする請求項６に記載の測位装置。
  8. 無線局から第１及び第２の受信局への一方向の無線伝送の受信結果に基づき前記無線局の位置を推定する測位装置であって、
    前記無線局から送信された電波の前記第１の受信局及び前記第２の受信局での受信情報を取得する受信情報取得部と、
    前記受信情報を用いて、前記第１の受信局と前記第２の受信局との間での前記電波の到来時間差を推定する到来時間差推定部と、
    前記受信情報を用いて、前記第１の受信局で受信される電波と、前記第２の受信局で受信される電波の前記無線局における出射角差を推定する出射角推定部と、
    前記推定された到来時間差及び前記推定された出射角差を用いて、前記無線局の位置を推定する位置推定部と、
    を備えたことを特徴とする測位装置。
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