(57)【要約】【課題】低速なベースバンド信号のみの処理で、高い分解能のタイムスタンプを得ることができ、少ない通信回数で、高精度の位置測定が可能な、電波による測位方法及び測位システムを提供することを課題とする。【解決手段】位置が既知であって、同時に電波を受信してタイムスタンプを生成する少なくとも３台の受信機１〜３と、基準となる位置に設置される少なくとも１台の基準送信機４と、移動体に取り付けられる移動体送信機５と、受信機１〜３からそれぞれのタイムスタンプ情報を受け取って、位置の算出を行う位置計算機６とを含んで構成され、タイムスタンプ情報は、各受信機１〜３において、受信フレームから取り出したフレーム内データから理想的な位相差波形を生成し、受信フレームの実際の位相差波形データと理想的な位相差波形データとをそれぞれ小単位に分割した後相関演算することによって生成されるタイムスタンプ群である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも３台の受信機において、測位対象である移動体の送信機及び位置が既知の少なくとも１台の基準送信機から発信された電波を受信し、当該電波の伝播遅延時間により距離の差を求め、複数の距離の差から位置を推定する測位方法であって、
電波が前記各受信機に到来したタイミングを計測するために、前記各受信機において受信フレームの内容から生成した理想的な位相差波形データと、実際の受信フレームの位相差波形データをそれぞれ細かく分割してから相関演算を行って、分割単位毎のタイムスタンプを生成することと、それら一連のタイムスタンプを統計処理することにより当該フレームのタイムスタンプを決定することを含むことを特徴とする電波による測位方法。
【請求項２】
少なくとも３台の受信機において、測位対象である移動体の送信機及び位置が既知の少なくとも１台の基準送信機から発信された電波を受信し、当該電波の伝播遅延時間により距離の差を求め、複数の距離の差から位置を推定する測位方法であって、
前記少なくとも３台の受信機のそれぞれにおいて前記移動体送信機からフレームを受信する受信ステップと、
前記少なくとも３台の受信機のそれぞれにおいて、前記受信したフレームから取り出したフレーム内データより理想的な位相差波形を生成する理想波形生成ステップと、
前記受信フレームの実際の位相差波形データと前記理想波形データとをそれぞれ小単位に分割する波形データ分割ステップと、
前記小単位に分割した波形データから相関演算によってタイムスタンプ群を生成するタイムスタンプ群生成ステップと、
前記少なくとも３台の受信機において生成した前記タイムスタンプ群間の差を用いて距離の差を算出する距離差算出ステップと、
から成ることを特徴とする電波による測位方法。
【請求項３】
前記タイムスタンプ群は、前記分割された実際の位相差波形データの一単位とそれに対応する前記理想波形データの一単位との相関演算を行い、その相関値が最大となったところを当該単位のタイムスタンプとしていくことにより生成される、請求項２に記載の電波による測位方法。
【請求項４】
少なくとも３台の受信機において、測位対象である移動体の送信機及び位置が既知の少なくとも１台の基準送信機から発信された電波を受信し、当該電波の伝播遅延時間により距離の差を求め、複数の距離の差から位置を推定する測位方法を実施するためのシステムであって、
位置が既知であって、同時に電波を受信してタイムスタンプを生成する前記少なくとも３台の受信機と、基準となる位置に設置される前記少なくとも１台の基準送信機と、前記移動体に取り付けられる移動体送信機と、前記少なくとも３台の受信機からそれぞれのタイムスタンプ情報を受け取って、位置の算出を行う位置計算機とを含んで構成され、
前記タイムスタンプ情報は、前記各受信機において、受信フレームから取り出したフレーム内データから理想的な位相差波形を生成し、前記受信フレームの実際の位相差波形データと前記理想的な位相差波形データとをそれぞれ小単位に分割した後相関演算することによって生成されるタイムスタンプ群であることを特徴とする電波による測位システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電波による測位方法及び測位システムに関するものであり、より詳細には、少ない通信回数で精度の高い位置の測定を行うことができる、電波による測位方法及び測位システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特定の空間内において、人や物がどの位置に位置しているのかという位置情報は、行動を決定したり、その位置固有の情報を得て、種々のアプリケーションを提供したりするために必要不可欠なものとなる。位置情報に求められる検出精度はアプリケーションによって様々で、例えば、カーナビゲーションの場合の許容範囲は一般に数ｍ程度とされ、工場内や室内での物品管理や動線管理等の場合の許容範囲は、通例１ｍ以下とされる。
【０００３】
位置検出技術としては、電波の到達時間（ＴＯＦ＝Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）を用いた測位方法が知られており、これには、ＴＯＡ（Ｔｉｍｅ
Ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ）やＴＤＯＡ（Ｔｉｍｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｏｆ  Ａｒｒｉｖａｌ）等がある。このＴＯＡやＴＤＯＡは、ターゲットから発せられた信号である音波や電波が、ターゲットと各ノードとの間の距離に応じて異なる時刻に到来することを利用した検出技術であって、いずれの場合にも少なくとも３つのノードが必要となり、且つ、各ノード間における正確な時刻同期が必要となる。
【０００４】
例えば、ＴＤＯＡによる測位方法について説明すると、図７において、３台の受信機３１〜３３の設置位置及び発信機３４の設置位置は既知であり、発信機３５が移動体であり、且つ、測位対象であって、発信機３４及び発信機３５から発せられた電波を受信機３１〜３３で同時に受信する。そして、受信機３１で見た発信機３４の電波と発信機３５の電波の到達時間差と、受信機３２で見た、発信機３４の電波と発信機３５の電波の到達時間差の関係から、受信機３１、３２間に双曲線を描くことができる。同様に、受信機３１、３３の間でも双曲線を描くことができ、それらの双曲線の交点が移動体である発信機３５の位置を示すことになる。
【０００５】
このようにＴＤＯＡでは、２つのフレームの到着時間の差から距離の算出を行うが、仮に、受信機間に１０ｐｐｍの周波数誤差が存在し、フレーム間が１０ｍｓであったとすると、この場合、１０ｍｓの１０ｐｐｍ分、つまり１００ｎｓがタイムスタンプの誤差となるところ、この１００ｎｓは距離にして３０ｍにもなるため、その影響を無視することはできない。このため、通常は、各受信機間を時刻同期させた上でタイムスタンプを測定するが、ナノ秒オーダーの正確な時刻同期はそれ自体が難しい技術であるため、受信機の複雑化を招く結果となる。
【０００６】
また、ＴＯＡやＴＤＯＡの検出技術においては、その測位精度を上げる手段の一つとして、電波の到達時間の計測精度を向上させることが考えられる。しかし、電波としてＩＲ−ＵＷＢのようなパルス性の信号を用いる場合には、電波の到着タイミングを精度よく得るのが比較的容易であるが、ＺｉｇＢｅｅ（ワイヤレスセンサーネットワークを構築するのに適した無線通信規格）等に用いられているＩＥＥＥ８０２．１５．４による、低速・狭帯域通信においては、信号の変化が緩やかであるためにその変化を捉えにくく、その分電波の到達検出の時間精度が低下する傾向にある。
【０００７】
従来、ＩＥＥＥ８０２．１５．４を対象として、搬送波の切れ目を使ってタイムスタンプを取る方法が提唱されている（特開２００８−２３２８２８号公報）。しかし、この方法の場合もそうであるが、タイムスタンプは、通常、１フレームに１つ付加される情報であるところ、タイムスタンプには、ほとんどの場合において受信信号のノイズによる誤差が含まれる。このノイズ除去のために、一般的には、多数のタイムスタンプを取得して、統計的な処理を施すような手法が採られるが、この方法を実行するためには多数のパケットの送受信が必要になるために、以下のような問題を伴うことになる。
【０００８】
第１の問題は、採用する方式が限定されるということである。即ち、パケットを生成するためには電力が必要であるところ、電池で駆動される無線端末の場合は、如何にして電池の消耗を抑えるかが重要な課題となり、そのために、可能な限り電波を発する回数を減らさざるを得ないことになる。従って、パケットを大量に生成する必要がある方式は採用するに適さないことになる。また、第２の問題は、１回の測定に必要なパケットの数が多いと、１つの距離を出すために要する時間が長くなってしまい、一定時間内に計測できる回数が減ってしまうという問題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２３２８２８号公報
【特許文献２】特開２０１１−１９９６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、タイムスタンプを用いて電波による測位を行おうとする場合、タイムスタンプは１フレームに１つ付加される情報であるところから種々の制約が伴い、精度の高い位置測定は期待できなかった。そこで本発明は、低速なベースバンド信号のみの処理で、高い分解能のタイムスタンプを得ることができ、少ない通信回数で、高精度の位置測定が可能な、電波による測位方法及び測位システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、少なくとも３台の受信機において、測位対象である移動体の送信機及び位置が既知の少なくとも１台の基準送信機から発信された電波を受信し、当該電波の伝播遅延時間により距離の差を求め、複数の距離の差から位置を推定する測位方法であって、電波が前記各受信機に到来したタイミングを計測するために、前記各受信機において受信フレームの内容から生成した理想的な位相差波形データと、実際の受信フレームの位相差波形データをそれぞれ細かく分割してから相関演算を行って、分割単位毎のタイムスタンプを生成することと、それら一連のタイムスタンプを統計処理することにより当該フレームのタイムスタンプを決定することを含むことを特徴とする電波による測位方法である。
【００１２】
また、上記課題を解決するための請求項２に記載の発明は、少なくとも３台の受信機において、測位対象である移動体の送信機及び位置が既知の少なくとも１台の基準送信機から発信された電波を受信し、当該電波の伝播遅延時間により距離の差を求め、複数の距離の差から位置を推定する測位方法であって、前記少なくとも３台の受信機のそれぞれにおいて前記移動体送信機からフレームを受信する受信ステップと、前記少なくとも３台の受信機のそれぞれにおいて、前記受信したフレームから取り出したフレーム内データより理想的な位相差波形を生成する理想波形生成ステップと、前記受信フレームの実際の位相差波形データと前記理想波形データとをそれぞれ小単位に分割する波形データ分割ステップと、前記小単位に分割した波形データから相関演算によってタイムスタンプ群を生成するタイムスタンプ群生成ステップと、前記少なくとも３台の受信機において生成した前記タイムスタンプ群間の差を用いて距離の差を算出する距離差算出ステップと、から成ることを特徴とする電波による測位方法である。
【００１３】
前記タイムスタンプ群は、前記分割された実際の位相差波形データの一単位とそれに対応する前記理想波形データの一単位との相関演算を行い、その相関値が最大となったところを当該単位のタイムスタンプとしていくことにより生成される。
【００１４】
また、上記課題を解決するための請求項４に記載の発明は、少なくとも３台の受信機において、測位対象である移動体の送信機及び位置が既知の少なくとも１台の基準送信機から発信された電波を受信し、当該電波の伝播遅延時間により距離の差を求め、複数の距離の差から位置を推定する測位方法を実施するためのシステムであって、位置が既知であって、同時に電波を受信してタイムスタンプを生成する前記少なくとも３台の受信機と、基準となる位置に設置される前記少なくとも１台の基準送信機と、前記移動体に取り付けられる移動体送信機と、前記少なくとも３台の受信機からそれぞれのタイムスタンプ情報を受け取って、位置の算出を行う位置計算機とを含んで構成され、前記タイムスタンプ情報は、前記各受信機において、受信フレームから取り出したフレーム内データから理想的な位相差波形を生成し、前記受信フレームの実際の位相差波形データと前記理想的な位相差波形データとをそれぞれ小単位に分割した後相関演算することによって生成されるタイムスタンプ群であることを特徴とする電波による測位システムである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は上述した通りであって、少なくとも３台の受信機において、受信フレームの内容から生成した理想的な位相差波形データと実際の受信フレームの位相差波形データとをそれぞれ細かく分割してから相関演算を行って、分割単位毎のタイムスタンプを生成し、それら一連のタイムスタンプを統計処理することにより当該フレームのタイムスタンプを決定するものであるため、低速なベースバンド信号のみの処理で、高い分解能のタイムスタンプを得ることができ、以て、少ない通信回数で、高精度の位置測定が可能となる効果がある。
【００１６】
更に、タイムスタンプの算出と同時に周波数誤差の算出を行うことで、時刻同期を行うことなく正しい時間差を計測することが可能であり、また、受信機間でタイムスタンプの関係を見ることで、受信機同士の時計の周波数誤差の測定を行うことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る電波による測位システムの一実施形態の全体概略構成図である。
【図２】本発明に係る電波による測位システムの一実施形態における受信機の内部構成及び動作を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る電波による測位方法におけるタイムスタンプの生成方法を説明するための説明図である。
【図４】本発明に係る電波による測位方法におけるタイムスタンプ生成方法を説明するための説明図である。
【図５】本発明に係る電波による測位方法におけるタイムスタンプ生成方法を説明するための説明図である。
【図６】本発明に係る電波による測位方法におけるタイムスタンプ生成方法を説明するための説明図である。
【図７】ＴＤＯＡによる測位方法を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明を実施するための形態を、添付図面に依拠して説明する。本発明に係る電波による測位方法は、少なくとも３台の受信機において測位対象から発信された電波を受信し、当該電波の伝播遅延時間により距離の差を求め、複数の距離の差から位置を推定する測位方法であって、電波が前記各受信機に到来したタイミングを計測するために、前記各受信機において受信フレームの内容から生成した理想的な位相差波形データと、実際の受信フレームの位相差波形データをそれぞれ細かく分割してから相関演算を行って、分割単位毎のタイムスタンプを生成することと、それら一連のタイムスタンプを統計処理することにより当該フレームのタイムスタンプを決定することとを含むことを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明に係る電波による測位システムは、上記本発明に係る測位方法を実施するためのもので、図１に示されるように、位置が既知であって、同時に電波を受信してタイムスタンプを生成する少なくとも３台の受信機１〜３と、基準となる位置に設置固定される少なくとも１台の基準送信機４と、ターゲット（測位対象）となる移動体に取り付けられる移動体送信機５と、各受信機１〜３からタイムスタンプ情報を受け取って、位置の算出を行う位置計算機（演算ノード）６とで構成される。なお、図１においては、基準送信機４は１台のみ表現されている。
【００２０】
本システムを構成する受信機１〜３は、基本的構成は一般的なものと特に変わりはないが、更に、図２に示されるような、ＡＤ変換後のベースバンド信号を特殊処理するための固有の構成を備える。即ち、各受信機１〜３においては、復調器１１の出力がＡＤコンバータ１２によってサンプリングされ、その出力がアップコンバータ１３とデコーダ１６とに供給される。そして、アップコンバータ１３においてアップコンバートされたＩ相・Ｑ相の波形を一次元の情報にするために、アップコンバータ１３に接続されている位相算出器１４において位相差波形が求められ、それが波形分割器１５に入力される。波形分割器１５において分割された位相差波形は、波形分割器１５に接続されている相関器２０への一方の入力となる。
【００２１】
また、ＡＤコンバータ１２から出力され、デコーダ１６において解析されたパケットはテンプレート波形生成器１７に送られ、Ｉ相・Ｑ相の波形となって、位相算出器１８に送られる。そして、位相算出器１８からの出力が波形分割器１９に供給されて分割され、その分割波形が相関器２０へのもう一方の入力となる。後述するように、受信機１〜３のそれぞれの相関器２０において、各受信機１〜３のタイムスタンプ群が生成され、そのタイムスタンプ群情報が位置計算機６に集められる。
【００２２】
本発明に係る方法は、基準送信機４が１台あれば実施可能であるが、好ましくは複数台用いることとする。これは、基準送信機４が１台の場合は、距離が遠くて電波が届かないために、あるいは、移動体の通過により基準送信機４が隠れてしまうことがあるために、基準電波を取得できないとか、反射等によって基準電波の正しい受信が困難となるとかいった問題が生ずるおそれがあるである。また、基準送信機４を複数台用いる場合は、複数の基準送信機４からの電波を使用して複数の測位計算を試行し、最適な回答を選択することで、精度向上を図ることが可能となる。
【００２３】
以下に、このシステムを用いた本発明に係る電波による測位方法につき、ステップごとに、より詳細に説明する。なお、以下の説明は、タイムスタンプを１ｎｓの分解能で算出する場合を例にしている。
【００２４】
受信ステップ
本システムにおいては、設置位置が既知で移動しない基準送信機４と、測位対象である移動体に取り付けられている移動体送信機５から発せられた電波が、各受信機１〜３において同時に受信される。ＩＥＥＥ８０２．１５．４においては、Ｏ−ＱＰＳＫという、Ｉ相とＱ相の時間を１／２シンボルずらして位相変調する変調方式が採られており、５００ｋＨｚの正弦波を折り返した形状のベースバンド信号となっている。元の波形を復元するには、その数倍程度のサンプリングレートがあれば足りるので、ここではその８倍に当たる４ＭＨｚでサンプリングすると仮定する。各受信機１〜３においては、それぞれ復調器１１によってサンプリングした波形から通常の復調処理が行われ、受信フレームのフレーム内データ（パケット）が取り出される。
【００２５】
位相差波形生成ステップ
このステップは二手に分かれ、その一方においては、デコーダ１６において、受信フレームから取り出したパケットに基づいて、理想的なＩ相・Ｑ相の受信波形が計算される。この波形は、時間分解能１ｎｓで計算される。この波形から、Ｉ相・Ｑ相の位相差を求め、位相差波形が生成される（テンプレート波形生成器１７）。以下、この計算された理想的な位相差波形をテンプレート波形と呼ぶこととする。
【００２６】
また、他方の工程側では、アップコンバータ１３において、４ＭＨｚでサンプリングした受信波形が、補間処理を行うことで１ＧＨｚにアップサンプリングされ、また、位相算出機１４において、補間されたＩ相・Ｑ相の信号の位相差が算出されることで、受信波形の位相差波形データが得られる。
【００２７】
位相差波形分割ステップ
次に、テンプレート波形データ及び受信波形の位相差波形データが、波形分割器１５、１９によってそれぞれ１文字単位に分割される（図３（Ａ）参照）。受信波形については、パケットの内容が分かっているので、その位相差波形データのどの部分がどのような内容に相当するかは、おおよそ算出可能である。但し、この時点で分かるのは、おおよその値だけであり、精度の高い対応関係はまだ分からない。
【００２８】
例えば、図３に示される例のように、パケットのデコード結果が仮に「ＡＢＣＤＥ」であるとした場合、このパケットの内容が「ＡＢＣＤＥ」であることは既知であるので、予め、「Ａ」〜「Ｅ」の各文字に高精度に対応する理想的な５つのシンボル波形を生成しておくことができる。一方、受信波形データも、「Ａ」〜「Ｅ」の各文字に対応させて５つのシンボルに分割するが、その分割は、およそのタイミングを出すだけであって、高精度に対応している訳ではない。
【００２９】
タイムスタンプ群生成ステップ
次に、相関器２０において、５つに分割された受信フレームのシンボルのうちの最初のシンボルに相当する部分に対して、対応する最初のテンプレート波形との相関演算が行われる。そして、相関値が最大になったところが、そのシンボルのタイムスタンプとして記録される（図３（Ｂ））。同様に、フレーム全体に対して、対応するテンプレート波形との相関演算が行われ、それぞれタイムスタンプが記録されて、タイムスタンプ群が生成される。なお、受信機１における波形のサンプリングは受信機１の時計に基づいて行われるため、このタイムスタンプは、受信機１の時計に基づいた時刻となる。以上と同様な処理が、受信機２及び受信機３において同時に行われる。
【００３０】
距離差算出ステップ
次いで、受信機１のタイムスタンプ群と受信機２のタイムスタンプ群が位置計算機６に集められる。ここで、受信機１の時計が計測システム全体の基準時計であるとして、受信機２のタイムスタンプ群から受信機１のタイムスタンプ群を引く（対応するシンボルについてそれぞれ時間差を求める。）。そして、横軸に受信機１の時間、縦軸に受信機１のタイムスタンプと受信機２のタイムスタンプの差をとってプロットする（図５参照）。ここでプロットされるデータは、受信機１と受信機２の時計によってのみ決定されるものであって、送信機４、５の時計の誤差の影響は受けない。つまり、送信レートに誤差があっても、タイムスタンプには影響しない。
【００３１】
次に、プロットされた点群に対して、最小二乗法等によって求めた近似直線を引く（図５参照）。この近似直線は、送信機４が出したフレームに対して１本、送信機５が出したフレームに対して１本である。この２本は、仮に、受信機１と受信機２のサンプリングレートに誤差がなければ完全に水平なものとなるが、実際には必ずサンプリングレートに誤差があるため、ある傾きを持つことになり、また、その傾きは等しくなる筈である。この２本の直線の差が２台の送信機４、５の位置の差に比例する時間を示すことになり、また、直線の傾きが受信機間の時計の誤差を示すことになる。
【００３２】
続いて、大きな誤差を含むタイムスタンプの除去処理を行う。そのために先ず、タイムスタンプと近似直線までの距離の分散値を求め、この分散値が大幅に大きいタイムスタンプを削除する（図６参照）。そして、誤差が大きいタイムスタンプを削除した後、再度近似直線を求める処理からやり直す。この処理を、大きな誤差を含むタイムスタンプがなくなるまで反復し、最終的に残ったタイムスタンプ群から求められた２本の直線の差を以て、受信機１と受信機２の間の電波の受信時間差が決定される。      
【００３３】
この例では、受信機１、２と送信機４、５の合計４つの時計が存在するが、それぞれの時計が同期している必要はない。このようにして、僅か１往復のフレームのみで、受信機間のクロック誤差補正、及び、タイムスタンプのノイズ除去が可能になる。なお、上記のとおり、本発明に係る方法においては近似直線の差を以て距離の差とするが、近似直線についての計算方法は上記の方法に限らず、他の任意の方法を用いることができることは言うまでもない。
【００３４】
以上の処理が受信機１と受信機３の間においても行われ、受信機１と受信機３の間の電波の受信時間差が決定される。このようにして決定された受信機１と受信機２の間の電波の受信時間差と、受信機１と受信機３の間の電波の受信時間差を基に移動体送信機５、換言すれば、移動体の位置が決定される。上述した例は受信機が３つの場合であるが、４つ又はそれ以上の場合も３つの場合と同様な処理がなされる。
【００３５】
この発明をある程度詳細にその最も好ましい実施形態について説明してきたが、この発明の精神と範囲に反することなしに広範に異なる実施形態を構成することができることは明白である。従って、この発明は、添付請求の範囲において限定した以外はその特定の実施形態に制約されるものではない。
【符号の説明】
【００３６】
１    受信機
２    受信機
３    受信機
４    基準送信機
５    移動体送信機
６    位置計算機
１１    復調器
１２    ＡＤコンバータ
１３    アップコンバータ
１４    位相算出器
１５    波形分割器
１６    デコーダ
１７    テンプレート波形生成器
１８    位相算出器
１９    波形分割器
２０    相関器
【図１】
2014085205.tif 000003
【図２】
2014085205.tif 000004
【図３】
2014085205.tif 000005
【図４】
2014085205.tif 000006
【図５】
2014085205.tif 000007
【図６】
2014085205.tif 000008
【図７】
2014085205.tif 000009