(57)【要約】【課題】  受信信号を構成するマルチパス遅延波成分を利用して、移動通信システムにおける測位精度を向上する。【解決手段】  位置測定装置は、複数の信号の各々について当該受信信号を構成するマルチパス遅延波成分を検出するマルチパス遅延検出部と、検出されたマルチパス遅延波の中から所定の基準に適合する複数の遅延波を選択するセレクタと、事前に求めた見通し外パスに関するＮＬＯＳ遅延関数を格納する格納部と、セレクタにより選択された遅延波と前記格納部から読み出されたＮＬＯＳ遅延関数とに基づいて移動局の位置を特定する位置計算部とを備える。【選択図】  図１
2006023267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受信信号の各々について、当該受信信号を構成するマルチパス遅延波成分を検出するマルチパス遅延検出部と、
検出されたマルチパス遅延波成分の中から所定の基準に適合する複数の遅延波を選択するセレクタと、
事前に求めた見通し外パスに関するＮＬＯＳ遅延関数を格納する格納部と、
前記セレクタにより選択された遅延波と、前記格納部から読み出されたＮＬＯＳ遅延関数とに基づいて移動局の位置を特定する位置計算部と
を備えることを特徴とする位置測定装置。
【請求項２】
複数の受信信号の各々について、当該受信信号を構成するマルチパス遅延波成分を検出するマルチパス遅延検出部と、
検出されたマルチパス遅延波成分の中から所定の基準に適合する複数の遅延波を選択するセレクタと、
前記選択された遅延波に基づいて、到来時間差データを生成するＴＤＯＡデータ生成部と、
事前に求めた見通し外パスに関するＮＬＯＳ遅延関数を格納する格納部と、
前記ＴＤＯＡデータ生成部によって生成されたＴＤＯＡデータと、前記格納部から読み出されたＮＬＯＳ遅延関数とに基づいて移動局の位置を特定する位置計算部と
を備えることを特徴とする位置測定装置。
【請求項３】
前記セレクタは、前記マルチパス遅延波成分の中に見通し内パスで受信されたＬＯＳ遅延波がある場合は当該ＬＯＳ遅延波を選択し、さらに、見通し外パスで受信されたＮＬＯＳ遅延波のうちで所定の条件を満たすＮＬＯＳ遅延波を選択することを特徴とする請求項１または２に記載の位置測定装置。
【請求項４】
前記セレクタは、前記見通し外パスで受信されたＮＬＯＳ遅延波の中で、ＮＬＯＳ遅延の変動が第１のしきい値よりも小さく、かつ信号強度が第２のしきい値よりも大きい遅延波を選択することを特徴とする請求項３に記載の位置測定装置。
【請求項５】
前記セレクタは、前記マルチパス遅延波成分が見通し内（ＬＯＳ）で受信された受信信号に基づくものなのか、見通し外（ＮＬＯＳ）で受信された受信信号に基づくものなのかを判断するＮＬＯＳ判断部を有することを特徴とする請求項３に記載の位置測定装置。
【請求項６】
今回の位置測定に寄与する基地局と前記移動局とが、所定の配置関係にある場合に、より低い測位次元の問題に還元して前記移動局の位置を推定する第２の位置計算部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の位置測定装置。
【請求項７】
前記第２の位置計算部は、前記基地局と前記移動局とが、前記所定の配置関係にあるか否かを判断する基地局−移動局配置検出部と、前記所定の配置関係にあると判断された場合に、より低い測位次元で位置推定パラメータを算出する還元型位置計算部とを有することを特徴とする請求項６に記載の位置測定装置。
【請求項８】
複数の受信信号の各々について、当該受信信号を構成するマルチパス遅延波成分を検出するステップと、
検出されたマルチパス遅延波成分の中から所定の基準に適合する複数の遅延波を選択するステップと、
前記選択された遅延波と、事前情報からあらかじめ求めた見通し外パスに関するＮＬＯＳ遅延関数とに基づいて移動局の位置を推定するステップと
を含む位置測定方法。
【請求項９】
複数の受信信号の各々について、当該受信信号を構成するマルチパス遅延波成分を検出するステップと、
検出されたマルチパス遅延波成分の中から所定の基準に適合する複数の遅延波を選択するステップと、
前記選択された遅延波に基づいて、到来時間差データを生成するステップと、
前記選択された遅延波の到来時間差データと、事前情報からあらかじめ求めた見通し外パスに関するＮＬＯＳ遅延関数とに基づいて移動局の位置を推定するステップと
を含む位置測定方法置。
【請求項１０】
前記選択ステップにおいて、前記マルチパス遅延波成分の中に、見通し内パスで受信されたＬＯＳ遅延波がある場合は当該ＬＯＳ遅延波を選択し、さらに、見通し外パスで受信されたＮＬＯＳ遅延波のうちで所定の条件を満たすＮＬＯＳ遅延波を選択することを特徴とする請求項８または９に記載の位置測定装置。
【請求項１１】
前記選択ステップにおいて、前記見通し外パスで受信されたＮＬＯＳ遅延波の中で、ＮＬＯＳ遅延の変動が第１のしきい値よりも小さく、かつ信号強度が第２のしきい値よりも大きい遅延波を選択することを特徴とする請求項１０に記載の位置測定方法。
【請求項１２】
前記選択ステップにおいて、前記マルチパス遅延波成分が見通し内（ＬＯＳ）で受信された受信信号に基づくのか、見通し外（ＮＬＯＳ）で受信された受信信号に基づくのかを判断することを特徴とする請求項１０に記載の位置測定方法。
【請求項１３】
１以上の基地局からの受信信号に基づいて、今回の測位に寄与する基地局と測位対象となる移動局が、より低い測位次元に還元される配置関係にあるか否かを判断するステップと、
より低い測位次元に還元される配置関係にある場合に、より低い測位次元の問題に還元して前記移動局の位置推定を行うステップと
を含む位置測定方法。
【請求項１４】
前記配置関係判断ステップは、今回の測位に寄与する基地局が所定の数だけ存在するか否かを判断するステップを含み、
前記位置推定ステップは、前記基地局が所定の数だけ存在しないと判断された場合に、還元された測位次元についての最適パラメータを推定し、その他の次元に関するパラメータについては、実行可能領域から選択される任意の値を選択することを特徴とする請求項１３に記載の位置測定方法。
【請求項１５】
前記配置関係判断ステップは、今回の測位に寄与する基地局が所定の数だけ存在する場合に、前記基地局と移動局とが、所定の位置関係にあるか否かを判断するステップをさらに含み、
前記位置推定ステップは、前記基地局と移動局とが前記所定の位置関係にあると判断された場合に、還元された測位次元での位置推定を行うことを特徴とする請求項１４に記載の位置測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線信号を利用して移動局の現在地を推定する測位装置および測位方法に関し、特に、移動局と複数の基地局との間で送受信される無線信号のマルチパス遅延成分を利用して、移動局の位置を高精度に特定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マルチパス環境では、送信点では同一であった信号が、高層ビルなどの建造物による反射や障害物のコーナー部での回折などにより、様々な経路を通過して受信点局に到着する。したがって、受信信号には、直線で最短距離を結ぶ直接波と、この直接波よりも若干送れて到着する遅延波とが含まれている。直接波が期待できるような通信を、アンテナ間が直接見通すことができることから、ＬＯＳ（line-of-sight）または見通し内通信と呼ぶ。障害物によりアンテナ間が見通せず、直接波が期待できない通信を、ＮＬＯＳ（non-line-of-sight）または見通し外通信と呼ぶ。見通し外通信では、最初に到来する先行波も反射や屈折を受けたＮＬＯＳ信号である。
【０００３】
このようなマルチパス環境で送受信される無線信号を用いた位置決定は、広帯域移動通信システムにおいて重要な課題となっている。これまで、位置決定の一般的な方法は、最初に到来した成分（先行波）に基づいてのみ測位しており、マルチパス環境での測位の問題をシングルパスのモデルに還元するものであった。先行波を用いた測位方法としては、基地局と移動端末との間で送受信される無線信号を利用して三辺測量（光波測量）を行い、移動端末の位置を検出する方法が知られている。
【０００４】
一方、受信信号からマルチパス遅延プロファイルを作成し、この遅延プロファイルを利用して測位の精度を向上する提案がなされている（たとえば、特許文献１および２参照）。特許文献１では、求めた遅延プロファイルから遅延分散を計算し、分散値に基づいて測位精度を決定する。特許文献２では、三辺測量の原理を用いて測位する際に、遅延プロファイルを用いて干渉信号をキャンセルしたうえで位置計算することによって、測位精度を上げる。
【０００５】
さらに、水中への応用として、受信信号のマルチパス構造を全面的に採用した音響測位方法が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。この方法では、まず、２種類のマルチパス遅延、すなわち実際の受信信号の遅延成分と、いわゆるレイトレーシング（光線追跡）モデルによって予測された遅延成分とを生成する。次に、測定された遅延と予測された遅延との差を一次反転（linear inversion）して位置を求める。
【０００６】
一方、ナビゲーションシステムにおいてランドマークが同一直線上に並ぶ場合の測位精度を向上する信号処理方法が提案されている（たとえば、非特許文献２参照）。この方法は、受信信号におけるマルチパス成分の利用とは無関係であるが、送信局(ランドマーク)が特殊な位置関係にある場合の信号処理方法として、リッジ回帰を用いた最小二乗平均（ＬＭＳ）アルゴリズムを修正した方法を開示している。
【特許文献１】特開２００１−２９８７６３号公報
【特許文献２】特開２００３−１９４９１６号公報
【非特許文献１】M. Deffenbaugh, H. Schmidt and J.G. Bellingham, “Acoustic Positioning in a Fading Multipath Environment,” Proc. MTS/IEEE ‘Prospects for the 21st Century’ (MTS/IEEE Oceans 1996), Vol. 2, pp. 596-600, September 1996.
【非特許文献２】R.J. Kelly, “Reducig Geometric Dilution of Precision Using Ridge Regression”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 26, No. 1, January 1990.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献１および２では、測位精度の向上のために遅延プロファイルを利用してはいるが、遅延プロファイルを精度の決定や干渉の低減に用いているにすぎず、遅延成分そのものを位置計算に用いるわけではない。これらの文献では、位置計算はあくまでも先行波のみに基づいて行っている。また、非特許文献１では、光線追跡（レイトレーシング）モデルを構築しているが、そのような光線追跡モデルは移動通信チャネルに適用し難く、最適化を図ることができない。
【０００８】
そこで、本発明は、受信信号を構成するマルチパス遅延成分（先行波と、それに引き続く複数の遅延波を含む）の中から複数の有用な遅延成分を選択して測位計算に利用し、高精度に位置推定を行う無線測位の手法を提供することを課題とする。
【０００９】
さらに、基地局と移動局とが、一般に位置推定が不可能とされている特殊な位置関係にあるときでも、ある程度の精度で移動局の位置を推定する手法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の技術的根拠は、以下の２点にある。
（１）最初に到来した先行信号の他に、見通し外（ＮＬＯＳ：non-line-of-sight）パスによる第２到来波以降の遅延信号も、目的物の位置に関する情報を搬送しているはずである。したがって、従来技術のように最初に到来した先行波成分のみから位置計算するのではなく、利用価値のあるマルチパス遅延成分を積極的に位置計算に用いることによって、測位精度が向上すると考えられる。
（２）上記（１）の妥当性は、実験と分析により実証可能である。
【００１１】
本明細書において、先行波とは、最初に到着した信号成分を意味する。先行波も送信時点からみた受信遅延（時間差）を含み、マルチパス受信の一部を構成することから、本明細書では、先行波を、最初に受信された遅延波として扱う。先行波に引き続く遅延波成分は、第２波以降の遅延波と称することとする。
【００１２】
マルチパス受信信号に含まれる複数の遅延波成分を用いて位置計算するには、見通し外（ＮＬＯＳ）の遅延成分に関する事前情報が必要である。先行波（最初の遅延波）が直接波である場合は、第２波以降の遅延波についての事前情報を要する。一方、先行波が直接波でない場合は、先行波も見通し外（ＮＬＯＳ）遅延信号として事前情報を要する。ここで、事前情報とは、なんらかの方法で事前に求められたＮＬＯＳパスについての情報であり、たとえば、事前に測定により統計的に求められた情報や、代表的な環境をモデル化して理論的に求められた情報などを含む。本発明では、マルチパス受信信号に含まれる複数の遅延波を処理するに際して、ＮＬＯＳ遅延情報を定義し、これを用いて測位精度を強化する。
【００１３】
より具体的には、ＮＬＯＳ遅延情報の一例として、見通し外（ＮＬＯＳ）遅延信号のパス長に関する確率密度関数（遅延関数）を求める。さらに、マルチパス構成を全面的に採用するのではなく、ある基準を充たす遅延波のみを選択する。そして、選択した遅延波のサブセットと、ＮＬＯＳ遅延関数の双方を用い、事後確率を最大にするＭＡＰ（Maximum Aposteriori Probability）推定法に基づいて、対象物の位置を推定する。
【００１４】
本発明の第１の側面では、同期型の移動通信システムに適用される位置測定装置を提供する。位置測定装置は、複数の受信信号の各々について、当該受信信号を構成するマルチパス遅延波成分を検出するマルチパス遅延検出部と、検出されたマルチパス遅延波成分の中から所定の基準に適合する複数の遅延波を選択するセレクタと、事前に求めた見通し外パスに関するＮＬＯＳ遅延関数を格納する格納部と、前記セレクタにより選択された遅延波と前記格納部から読み出されたＮＬＯＳ遅延関数とに基づいて移動局の位置を特定する位置計算部とを備える。
【００１５】
このような位置測定装置によれば、受信信号を構成するマルチパス遅延波に含まれる有用な情報を利用することによって、移動局の位置を高精度に推定することができる。
【００１６】
本発明の第２の側面では、非同期型の移動通信システムに適用される位置測定装置を提供する。位置測定装置は、複数の受信信号の各々について、当該受信信号を構成するマルチパス遅延波成分を検出するマルチパス遅延検出部と、検出されたマルチパス遅延波成分の中から所定の基準に適合する複数の遅延波を選択するセレクタと、前記選択された遅延波に基づいて到来時間差データを生成するＴＤＯＡデータ生成部と、事前に求めた見通し外パスに関するＮＬＯＳ遅延関数を格納する格納部と、前記ＴＤＯＡデータ生成部によって生成されたＴＤＯＡデータと前記格納部から読み出されたＮＬＯＳ遅延関数とに基づいて移動局の位置を特定する位置計算部とを備える。
【００１７】
このような位置測定装置によれば、非同期のシステムであっても、マルチパス遅延波成分を有効に利用して、移動局の位置を高精度に推定することが可能になる。
【００１８】
本発明の第３の側面では、移動通信システムにおける位置測定方法を提供する。この方法は、
（ａ）複数の受信信号の各々について、当該受信信号を構成するマルチパス遅延波成分を検出するステップと、
（ｂ）検出されたマルチパス遅延波の中から所定の基準に適合する複数の遅延波を選択するステップと、
（ｃ）前記選択された遅延波と、事前情報からあらかじめ求めた見通し外パスに関するＮＬＯＳ遅延関数とに基づいて移動局の位置を推定するステップと
を含む。
【００１９】
このような方法によれば、受信信号を構成するマルチパス遅延波成分のうち、一定の基準に適合する有効な遅延波だけを利用するので、移動局の位置推定を高精度に行うことができる。
【００２０】
本発明の第４の側面では、非同期の移動通信システムにおける位置測定方法を提供する。この方法は、
（ａ）複数の受信信号の各々について、当該受信信号を構成するマルチパス遅延波成分を検出するステップと、
（ｂ）検出されたマルチパス遅延波の中から所定の基準に適合する複数の遅延波を選択するステップと、
（ｃ）前記選択された遅延波に基づいて、到来時間差データを生成するステップと、
（ｄ）前記選択された遅延波の到来時間差データと、事前情報からあらかじめ求めた見通し外パスに関するＮＬＯＳ遅延関数とに基づいて移動局の位置を推定するステップと
を含む。
【００２１】
このような方法によれば、移動局と基地局との間で同期がとれていない場合でも、位置計算に有効なマルチパス遅延波を選択し、移動局と基地局との間の時間オフセットを考慮したうえで、移動局の位置を高精度に推定することが可能になる。
【００２２】
本発明の第５の側面では、基地局と移動局とが、従来の位置測定方法では測位不能と
される特殊な位置関係にある場合でも、ある程度の精度で移動局の位置推定を可能にする位置測定方法を提供する。
【００２３】
この方法は、
（ａ）１以上の基地局からの受信信号に基づいて、今回の測位に寄与する基地局と測位対象となる移動局が、より低い測位次元に還元される配置関係にあるか否かを判断するステップと、
（ｂ）より低い測位次元に還元される場合に、より低い測位次元の問題に還元して前記移動局の位置推定を行うステップと
を含む。
【発明の効果】
【００２４】
上述した位置測定装置および方法により、マルチパス環境下で、より高精度な位置測定が実現される。
【００２５】
また、遅延推定値を取得するための基地局の数が不十分な場合でも、ある程度の精度で移動局の位置を推定することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２７】
移動通信システムは、移動局と基地局との同期の有無によって、同期システムと非同期システムに分類される。そこで、これら２種類のシステムのそれぞれについて、本発明を適用した実施形態を述べることとする。
【００２８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る位置測定装置の概略ブロック図である。第１実施形態では、本発明の位置測定手法は、同期システムに適用される。位置測定装置１０は、複数の受信信号からそれぞれマルチパス遅延波成分を検出するマルチパス遅延検出部１１−１〜１１−Ｂと、検出されたマルチパス遅延波の中から所定の条件を満たす複数の遅延波を選択するセレクタ１３と、事前に求めたＮＬＯＳ遅延関数を格納する格納部１５と、セレクタ１３により選択された遅延波および格納部１５から読み出されたＮＬＯＳ遅延関数に基づいて移動局の位置を特定する位置計算部１７とを含む。ＮＬＯＳ遅延関数は、建築物等による反射、透過、回折などに起因するＮＬＯＳ（Non-line-of-sight：見通し外）遅延による遅延パス長の確率密度を表す関数である。
【００２９】
図１の位置測定装置１０は、移動局に適用することも可能であるし、基地局に接続される位置測定サーバ（不図示）として適用することも可能である。移動局に適用する場合は、移動局自体が自己位置を測定し、基地局へ位置情報を通知する。位置測定サーバとして適用する場合は、図１に示す位置測定装置１０の構成をそのまま位置測定サーバとしてもよいし、マルチパス遅延検出部１１−１〜１１−Ｂを基地局ＢＳ1 〜ＢＳB にそれぞれ配置する構成としてもよい。本実施形態では、ある移動局から送信された信号が、複数の基地局ＢＳ1 〜ＢＳB でそれぞれ受信され、受信された信号が基地局から位置測定装置（位置測定サーバ）１０に転送される場合を例にとって説明する。この場合、各基地局ＢＳb の位置ｐb =（ｘb，ｙb）は既知である。
【００３０】
各マルチパス遅延検出部１１−１〜１１−Ｂは、基地局ＢＳ1 〜ＢＳB から受けとった受信信号ｒ1（ｔ）〜ｒB（ｔ）をそれぞれ入力とし、各受信信号に含まれるマルチパス遅延波成分τbi を検出する。ここで、インデックス「ｂｉ」は、ｂ番目の基地局でｉ番目のパスを介して受信された遅延波であることを意味する。マルチパス遅延波成分は、たとえば自己相関に基づく方法や、超分解能（super-resolution）ＰＮ相関方法など、当業者にとって公知の方法を用いて検出することができる。
【００３１】
図２は、基地局ＢＳ1 で受信された受信信号ｒ1（ｔ）に基づくマルチパス遅延波を概念的に示す図である。図２の例では、最初に到来した先行波は、直接パスで伝搬したＬＯＳ（Line-of-sight：見通し内）遅延波とするが、先行波が必ずしもＬＯＳ遅延波であるとは限らず、反射、回折などの影響を受けたＮＬＯＳ遅延波であることも多い。２番目以降の遅延波は、どの受信信号から検出されたものであれ、ＮＬＯＳ（見通し外）遅延波である。図２の例では、２番目と５番目のＮＬＯＳ遅延波に、遅延のばらつきがみられる。
【００３２】
各基地局ＢＳb で受信される受信信号ｒb（ｔ）は、
【００３３】
【数１】
2006023267.tif 000003
で表わされる。ここで、ｓ（ｔ）は送信信号波形、ｎb（ｔ）は雑音成分、Ｎb は移動局から基地局ＢＳb へのマルチパスの数、Ａbi とτbi は、それぞれ受信信号ｒb（ｔ）におけるｉ番目のマルチパスの振幅と遅延である。
【００３４】
同期システムでは、遅延τbi は式（２）で表わされる。
【００３５】
【数２】
2006023267.tif 000004
ここで、ｃ＝３×１０8 ｍ／ｓは光速、ｌbi は、ＮＬＯＳ伝搬に起因する遅延部分に対応する遅延パス長である。ＮＬＯＳ遅延パス長ｌbi は、既知の確率密度関数（ｐｄｆ）に従う。任意の基地局ＢＳb（ｂ∈Ｂ）におけるマルチパス遅延波のＮＬＯＳ遅延パス長ｌbiの大きさは、次の順で大きくなるものとする。
【００３６】
０≦ｌb1＜ｌb2＜…＜ｌbNb 
基地局ＢＳb が移動局に対して見通し内（ＬＯＳ）にある場合、先行波（最初の遅延波）は直接パスで受信されており、ＮＬＯＳ遅延パス長ｌb1 はゼロ、すなわちｌb1＝０である。
【００３７】
検出された遅延τbi は、さらに式（３）で近似され、セレクタ１３に入力されるマルチパス遅延波が求められる。
【００３８】
【数３】
2006023267.tif 000005
式（３）において、ξbi は、ガウス分布Ｎ（０，Ψb-1 ）に従った検出誤差である。行列Ψb のエントリー｜Ψb｜ij は式（４）で表わされる。
【００３９】
【数４】
2006023267.tif 000006
βはｓ（ｔ）の有効帯域、Ｒbi は受信信号ｒb（ｔ）のｉ番目のパス成分の信号電力対雑音電力比（ＳＮＲ）、Re[…]は、ある複素数の実数部、アスタリスク（＊）が付けられたシンボルは、その共役複素数である。チップレートがＷのＣＤＭＡシステムでは、式（４）の行列の非対角エントリーは、式（５）で表わされる。
【００４０】
【数５】
2006023267.tif 000007
ここで、ｋbij＝２π（τbi−τbj）である。 
セレクタ１３は、各マルチパス遅延検出部１１−１〜１１−Ｂで検出されたマルチパス遅延波の中から、直接パスで受信された先行波（すなわちＬＯＳ遅延波）と、ＮＬＯＳ遅延波のうち所定の基準を満たす遅延波とを選択する。所定の基準として、たとえば、ＮＬＯＳ遅延波の強度αと、ＮＬＯＳ遅延パス長の標準偏差σを用いる。
【００４１】
図３は、セレクタ１３の概略構成図である。セレクタ１３は、マルチパス遅延検出部１１−１〜１１−Ｂによって検出された遅延波（先行波を含む）を入力とする遅延波入力部２１と、ＮＬＯＳ判断部２２と、比較部２３と、パス選択部２４を有する。ＮＬＯＳ判別部２２は、各マルチパス遅延検出部１１−１〜１１−Ｂで検出されたマルチパス遅延波セットが、ＮＬＯＳ遅延波のみで構成されるか、ＬＯＳ先行波を含むかを判断する。比較部２３は、ＮＬＯＳ遅延波のパラメータ、たとえば信号強度αと、ＮＬＯＳ遅延パス長の標準偏差σを、それぞれ所定の基準値と比較する。パス選択部２４は、ＮＬＯＳ判断部２２によってＬＯＳ遅延波であると判断された先行波と、比較部２３によって所定の基準を満たすと判断されたＮＬＯＳ遅延波とを選択して、位置計算部１７に出力する。
【００４２】
位置計算部１７は、ＮＬＯＳ遅延関数格納部１５から、ＮＬＯＳ遅延関数を読み出し、セレクタ１３によって選択された複数の遅延波およびＮＬＯＳ遅延関数を用いて、移動局ＭＳの現在位置を計算する。ＮＬＯＳ遅延関数は、ＮＬＯＳ（見通し外）パスに起因する遅延パス長ｌについて、事前に求められる確率密度関数ｐｌ（ｌ）である。移動局ＭＳの位置は、最大アポステリオリ確率（ＭＡＰ：Maximum Aposteriori Probability）の値として公式化される。すなわち式（６）で表わされる目的関数を最大とする（ｘ、ｙ）とＮＬＯＳ遅延ｌとが、求める値である。
【００４３】
【数６】
2006023267.tif 000008
ここでＴは行列の転置である。式（６）の右辺の第１の項（Σの項）は、セレクタ１３からの出力に基づいて求められる。右辺の第２の項は、ＮＬＯＳ遅延関数格納部１５から読み出された確率密度関数ｐｌ（ｌ）の自然対数である。
【００４４】
図４は、上述した位置測定装置１０の動作の流れを示すフローチャートである。まず、ステップＳ１０１で、自己相関法や超分解能ＰＮ相関法など、任意の方法により、各受信信号ｒb（ｔ）からマルチパス遅延波成分を算出する。次に、ステップＳ１０３で、算出されたマルチパス遅延波成分の中から、所定の条件を満たす遅延波のみを選択する。本実施形態では、ＬＯＳ遅延波（直接パスで伝搬した先行波）、およびＮＬＯＳ遅延波のうち所定の基準に合致する遅延波を選択する。
【００４５】
図５は、遅延波選択ステップＳ１０３の詳細な処理フローを示す。図５の例では、遅延波の選択を、各受信信号ｒｂ（ｔ）のマルチパス遅延波サブセットごとに行う。まず、ステップＳ２０１で初期化を行う。すなわち、基地局番号ｂとバス番号ｉを初期値に設定し（ｂ＝１、ｉ＝１）、この基地局ＢＳ1 で受信された信号のマルチパス遅延波選択の基準値となる信号強度α1 と、ＮＬＯＳ遅延パス長ｌbi の標準偏差σとを設定する。
【００４６】
次に、ステップＳ２０３で、基地局ＢＳb (初期化の直後はＢＳ1）で受信された信号がＮＬＯＳ（見通し外）で受信された信号かどうかを判断する。判断の一例として、まず基地局ＢＳb が先行波を直接パス（ＬＯＳ）で受信したのか、見通し外（ＮＬＯＳ）のパスで受信したのかに応じて、基地局（あるいはマルチパス遅延波のサブセット）をグループ分けする。ある移動局からの信号を受信する基地局の集合Ｂを、Ｂ＝｛１，２、…、Ｂ｝とすると、ＮＬＯＳ（見通し外）で信号を受信する基地局の集合ＮＬを、ＮＬ＝｛１、２、…、Ｍ｝、ＬＯＳ（見通し内）で受信する基地局の集合Ｌを、Ｌ＝｛Ｍ＋１，Ｍ＋２、…、Ｂ｝とする。先行波がＮＬＯＳパスから到来したものかどうかの判別が困難な場合は、ＮＬＯＳ信号として扱う。ＮＬＯＳの識別は、当業者にとって公知の手法、たとえば、以下の文献に示される判別アルゴリズムを用いて実行できる。
（１）J.Borras, P. Hatrack and N.B. Mandayam, “Decision Theoretic Framework for NLOS Identification,” Proc. IEEE Vehicular Technology Conference (IEEE VTC 1998 Spring), Vol. 2. pp. 1583-1587, Ottawa, Canada, Spring 1998.
（２）S. Gezici, H.Kobayashi and H.V. Poor, “Non-Parametric Non-Line-of-Sight Identification,” Proc. International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications (IEEE PIMRC 1998), Vol. 1, pp. 461-465, 1998.
ＮＬＯＳの識別自体をセレクタ１３で行ってもよいが、ＮＬＯＳ識別を各マルチパス遅延検出部１１−１〜１１−Ｂで行い、判別結果を示す識別子をマルチパス遅延波のサブセットに付してセレクタ１３に出力してもよい。後者の場合は、セレクタ１３は識別子に基づいて基地局のグループ分けを行い、現在処理中のマルチパス遅延波のサブセットが、集合ＮＬに属する基地局からのものかどうかを判断する。たとえば、基地局の番号ｂがＭ以下（ｂ≦Ｍ）であれば、集合ＮＬに含まれるので、現在処理中の遅延波がＮＬＯＳ基地局からのものであるとわかる。
【００４７】
ステップＳ２０３でＮＬＯＳであると判断された場合（Ｓ２０３でＹＥＳ）は、ステップＳ２０７へ進み、ＮＬＯＳでの遅延パス長ｌbi の標準偏差が基準値σよりも小さいかどうかを判断する。遅延パス長ｌbi は確率密度関数（ｐｄｆ）にしたがったランダム変数によって表わされ、ＮＬＯＳ遅延の偏差が小さいほど、より正確な遅延パス長ｌbi に関する情報を得ることができる。逆に、標準偏差が基準値σ以上である場合（Ｓ２０７でＮＯ）は、ＮＬＯＳ遅延パス長のばらつきが大きく、位置推定に用いるデータとして好ましくない。そこで、ステップＳ２１３へ進んで、このパスでの遅延波を排除する。標準偏差が基準値σより小さい場合（Ｓ２０７でＹＥＳ）は、ステップＳ２０９に進み、遅延波の信号強度|Ａbi|2が基準値αb よりも大きいかどうかを判断する。信号強度が基準値αb を超える場合は、ステップＳ２１１でこのパスでの遅延波を選択する。信号強度が基準値αb に達しない場合（Ｓ２０９でＮＯ）は、位置推定に用いるデータとして不適切として、ステップＳ２１３で、この遅延波を排除する。
【００４８】
一方、ステップＳ２０３で、ＮＬＯＳでないと判断された場合（Ｓ２０３でＮＯ）は、ステップＳ２０５に進み、現在処理中の遅延波が先行波（ｉ＝１）であるかどうかを判断する。処理対象である遅延波が先行波である場合（Ｓ２０５でＹＥＳ）は、処理中のマルチパス遅延波のサブセットは、ＬＯＳの集合Ｌに属する基地局からのものであり、その先行波は直接パスで受信されている。したがって、ステップＳ２１１に進み、このパスで受信された遅延波を選択する。先行波でない場合は（Ｓ２０５でＮＯ）、反射等の影響を受けているＮＯＬＳ遅延波になるので、ステップＳ２０７およびＳ２０９で、基準値σおよびαb についての条件を満たすかどうか判断する。条件を満たすものはステップＳ２１１で選択し、満たさないものは、ステップＳ２１３で排除する。
【００４９】
次に、ステップＳ２１５で、現在のパス番号ｉが最後のパス番号Ｎb に一致するかどうかを判断する。Ｎb に達していない場合は、ステップＳ２１９でｉの値をインクリメントして、ステップＳ２０７以降の処理を繰り返す。最後のパスまで処理が完了した場合、すなわちｉ＝Ｎb のとき（Ｓ２１５でＹＥＳ）は、ステップＳ２１７へ進み、現在処理中のサブセットの基地局番号ｂが全基地局数Ｂに達しているかどうかを判断する。ｂ＜Ｂの場合は、ステップＳ２２１でｂの値をインクリメントし、ｉを初期化し、基準値αを次のマルチパス遅延波サブセット用の値に設定する。そして、ステップＳ２０３以降の処理を繰り返す。ｂ＝Ｂのとき（Ｓ２１７でＹＥＳ）は、すべてのマルチパス遅延波サブセットの処理が完了したことになるので、このプロセスを終了する。
【００５０】
図２に示したマルチパス遅延波のサブセットを例にとると、まずＬＯＳの直接パスで受信された先行波が選択され、２番目と５番目に到着した遅延波は、ＮＬＯＳ遅延ｌbiのばらつきが大きいため排除される。３番目と４番目の遅延波は、所定の信号強度α1 を満たし、かつその遅延ばらつきが所定の標準偏差σよりも小さい場合に、位置計算に適した遅延波成分として選択される。パラメータαおよびσは、測位精度が向上するようにあらかじめ選択された正の値である。
【００５１】
図４に戻って、マルチパス遅延波の選択処理が終わったならば、ステップＳ１０５でＮＬＯＳ遅延パス長の確率密度に基づいて求められたＮＬＯＳ遅延関数ｐl（ｌ）を読み出す。ステップＳ１０７で、選択された複数のマルチパス遅延波と、ＮＬＯＳ遅延関数とに基づいて、式（６）の目的関数を最大にするｘ、ｙ、およびＮＬＯＳ遅延ｌを求める。
【００５２】
このように、第１実施形態によれば、マルチパス遅延波の信号強度（ｂ∈Bかつ１≦ｉ≦Ｎb のとき|Ａbi|2）と、ＮＬＯＳ遅延パス長ｌbi のばらつきを考慮し、位置計算に有用な遅延波だけを選択的に利用する。ｌbi の偏差が小さいほど、そして、マルチパス成分の信号強度が強いほど、より正確な測位が期待でき、測位精度が向上する。
【００５３】
受信信号を構成するマルチパス遅延波の中から有用な遅延波のみを選択することの、もうひとつの利点は、計算の複雑化を抑制できる点にある。移動局からの信号を受信する基地局の数が多いほど、そして、有効に利用されるＮＬＯＳ遅延波の数が多いほど、測位精度は向上するが、計算の複雑さと精度の向上は、トレードオフの関係にある。演算負荷と測位精度の向上を考慮して、基準値を設定するのが望ましい。
【００５４】
また、図５に示した遅延波選択ステップでは、基地局ごとに、先行波がＬＯＳパスで受信されているかＮＬＯＳパスで受信されているかによって、グループ分けを行い、基地局（マルチパス遅延サブセット）ごとに、基準を満たす遅延波を選択したが、この例に限定されない。たとえば、すべてのＬＯＳ先行波を選択したならば、残りのＮＬＯＳ遅延波（ＮＬＯＳ先行波を含む）を一括して、順次基準となる条件に適合するか否かを判断してゆく手順であってもよい。この場合は、セレクタ１３自体にＬＯＳ信号かＮＬＯＳ信号かを判断する機能を持たせ、ステップＳ２０３でＬＯＳ信号と判断された場合に、ステップＳ２０５を省略してそのままこの信号パスを選択する。
（第２実施形態）
次に、図６および７を参照して、本発明の第２実施形態に係る位置測定の手法を説明する。第２実施形態は、本発明の位置測定技術を、非同期システムに適用するものである。図６は、第２実施形態に係る位置測定装置５０の概略ブロック図、図７は、位置測定装置５０の動作を示すフローチャートである。
【００５５】
位置測定装置５０は、複数の受信信号からそれぞれマルチパス遅延波成分を検出するマルチパス遅延検出部５１−１〜５１−Ｂと、検出されたマルチパス遅延波の中から所定の条件を満たす複数の遅延波を選択するセレクタ５３と、選択された遅延波に基づいてＴＤＯＡ（time-difference-of-arrival：到来時間差）データを生成するＴＤＯＡデータ生成部５４と、ＮＬＯＳ遅延関数を格納する格納部５５と、ＴＤＯＡデータ生成部５４により生成されたＴＤＯＡデータと格納部５５から読み出されたＮＬＯＳ遅延関数とに基づいて移動局の位置を特定する位置計算部５７とを含む。
【００５６】
各マルチパス遅延検出部５１−１〜５１−Ｂに入力される受信信号ｒb（ｔ）は、基地局ＢＳb における受信信号であり、第１実施形態と同様に、式（１）で表される。
【００５７】
非同期システムでは、式（１）に含まれる遅延τbiは式（７）で表わされる。
【００５８】
【数７】
2006023267.tif 000009
ここで、ｃ＝３×１０8 ｍ／ｓは光速、ｌbi は、ＮＬＯＳ伝搬に起因する遅延部分に対応する遅延パス長、ｌ0／ｃは、移動局のクロックと基地局のクロックとの間の未知の時間オフセットである。
【００５９】
セレクタ５３で選択された複数のマルチパス遅延波は、ＴＤＯＡデータ生成部５４により、ベクトルデータ
【００６０】
【数８】
2006023267.tif 000010
に変換される。
【００６１】
位置計算部５７は、ＮＬＯＳ遅延関数格納部５５からＮＬＯＳ遅延関数を読み出し、ＴＤＯＡデータ生成部５４の出力とＮＬＯＳ遅延関数を用いて、移動局ＭＳの現在位置を計算する。ＮＬＯＳ遅延関数は、ＮＬＯＳ（見通し外）パスに起因する遅延パス長ｌについて、事前情報に基づいて求められる確率密度関数ｐｌ（ｌ）である。移動局ＭＳの位置は、最大アポステリオリ確率（ＭＡＰ：Maximum Aposteriori Probability）の値として公式化される。すなわち式（８）で表わされる目的関数を最大とする（ｘ、ｙ）とＮＬＯＳ遅延ｌとが、求める値である。
【００６２】
【数９】
2006023267.tif 000011
ここで、
【００６３】
【数１０】
2006023267.tif 000012
はベクトル
【００６４】
【数１１】
2006023267.tif 000013
の共分散行列である。
【００６５】
図７は、第２実施形態に係る位置測定方法を示すフローチャートである。まず、ステップＳ３０１で、自己相関法や超分解能ＰＮ相関法など、任意の方法により、各受信信号ｒb（ｔ）からマルチパス遅延波成分を算出する。次に、ステップＳ３０３で、算出されたマルチパス遅延波成分の中から、所定の条件を満たす遅延波のみを選択する。第２実施形態でも、ＬＯＳ遅延波（直接パスで伝搬した先行波）と、ＮＬＯＳ遅延波の中で所定の基準に合致する遅延波とを選択する。選択の方法は、図５のフローチャートに示すように、各基地局で受信された信号を構成するマルチパス遅延波のサブセットごとに行ってもよいし、あるいは、すべてのＬＯＳ遅延波を選択した後に、残りのすべてのＮＬＯＳ遅延波に対し、順次、ステップＳ２０７とＳ２０９の条件判断を行ってもよい。
【００６６】
次にステップＳ３０５で、選択された遅延波に基づいてＴＤＯＡデータを生成する。ＴＤＯＡデータの生成は、選択されたＬＯＳ（見通し内）遅延波の中から、あるひとつの推定値τB1を基準値として選び、この基準値と、選択された残りの遅延波との間の差異を求める。そして、これらの差（ＴＤＯＡ値）をベクトルにして、
【００６７】
【数１２】
2006023267.tif 000014
を生成する。
【００６８】
ＴＤＯＡデータの生成が終わったならば、ステップＳ３０７でＮＬＯＳ遅延パス長の確率密度に基づいて求められたＮＬＯＳ遅延関数ｐl（ｌ）を読み出す。ステップＳ３０９で、ＴＤＯＡデータとＮＬＯＳ遅延関数とに基づき、ＭＡＰ（最大アポステリオリ）推定法により式（８）の目的関数を最大にするｘ、ｙ、およびＮＬＯＳ遅延ｌを求める。これにより、移動局の現在位置が特定される。
【００６９】
上述した手法により、移動通信システムにおける従来の測位方法に比較して、より高精度に移動局の位置が推定される。測位精度の向上の度合いは、マルチパス遅延波を選択する際の基準値として用いる信号強度αと、ＮＬＯＳ遅延パス長の標準偏差σの設定に応じて決まる。選択されたパスの電力が大きく、そして遅延時間の標準偏差が小さいほど測位精度が向上する。また、選択される遅延波の数が多いほど、測位精度が向上する。
【００７０】
次に、図８〜１０を参照して、本発明の第３実施形態に係る位置測定装置および方法を説明する。上述した第１および第２実施形態では、複数の基地局で受信された移動局からの信号に含まれる有効なマルチパス成分に基づいて、移動局の位置を推定した。この場合、位置推定に十分な数の基地局が存在することを前提としていた。
【００７１】
第３実施形態では、第１および第２実施形態の方法では位置特定ができない特殊なケース、たとえば、移動局からの信号を受信した基地局の数が２以下である場合にでも、基地局と移動局との位置関係によっては、ある程度の許容範囲で、なおも位置推定が可能になることを立証し、特殊な位置関係を考慮した位置測定の手法を提供する。
【００７２】
上述した特殊なケースの例として、以下の例が挙げられる。
（ケース１）  ２次元測位において単一の基地局からの信号だけが取得される場合。この場合、遅延の推定すなわち移動局の位置推定は、極座標（ｒ，θ）の半径方向においてのみ可能になり、θ方向の推定はまったく制約を受けない。三次元測位空間において２つの基地局からの信号だけが取得可能な場合にも、同様のことが当てはまる。
（ケース２）  ２次元測位において、移動局（ＭＳ）と、この移動局と通信可能な２以上のすべての基地局（ＢＳ）が一直線上に並ぶ場合、位置推定は２次元の問題から１次元の問題に還元される。また、３次元測位空間において、移動局と３以上のすべての基地局（ＢＳ）が同一平面上に位置する場合は、３次元の問題から２次元の問題に還元され、同一ライン上に位置する場合は、３次元の問題から１次元の問題に還元され得る。
【００７３】
通常、測位の問題は、２次元あるいは３次元の最適化の問題として説明される。目的関数は、最尤推定（ＭＬＥ：maximum likelihood estimation）や最小二乗平均誤差（ＭＭＳＥ：minimum mean square error）などの基準に基づいて生成され、勾配法やダイレクトサーチ法などを最適化のツールとして用いる（Y. Qi and H. Kobayashi, “Mitigation of non-line-of-sight effects in time-of-arrival positioning,” Proc. 35th Annual Conference on Information Sciences and Systems (CISS 2001), The Johns Hopkins University, March 2001, pp. 590-2）。
【００７４】
２次元配置での位置推定を一般的なケースとして例にとってみると、上述した２つの特殊なケースでの測位誤差は、非常に大きなものになり、位置推定結果として用いることができない。このことは、クラメール・ラオの理論下限（ＣＲＬＢ：Cramer-Rao Lower Limit）で表わされる最小測位誤差が無限大になるという分析結果からも確認される。
【００７５】
第３実施形態では、このような不都合を回避し、移動局と基地局が位置推定には不向きな特殊な位置関係にある場合でも、より低い次元の問題に還元して取り扱うことによって、ある程度の精度が確保された位置推定値を算出する手法を提案する。この手法は２つの基本的な段階を含む。ひとつは、現在の基地局−移動局（ＢＳ−ＭＳ）配置が、還元された次元配置（特殊なケース）に該当するか否かを判断する段階、もうひとつは、適切な次元での測位方法を用いて移動局の位置推定を行う段階である。
【００７６】
第３実施形態の位置測定装置および方法の具体的な構成例を説明する前に、測位の問題をより低い次元の問題に還元した位置推定の原理を説明する。なお、第３実施形態では、移動通信システムに含まれるすべての基地局（ＢＳ）が同期しているものとする。移動局（ＭＳ）のクロックが基地局のクロックと同期しているか否かによって、同期システムまたは非同期システムに区分される。通常の位置関係で、各基地局からの受信信号に含まれるマルチパス遅延成分に基づいて移動局の位置を推定する点では、第１実施例（同期システム）および第２実施例（非同期システム）と同様である。また、移動局からの信号を複数の基地局で受信する上りリンクだけではなく、複数の基地局から送信された信号を移動局で受信する下りリンクにも本発明が適用される点も、第１実施形態および第２実施形態と同様である。
【００７７】
まず、集合Ｂ＝｛１，２，…，Ｂ｝を基地局ＢＳの集合とすると、基地局の位置｛ｐｂ，ｂ∈Ｂ｝はすべて既知である。移動局の位置ｐは未知であり、移動局の位置ベクトルｐが推定すべきパラメータとなる。測位次元が一次元、２次元、３次元であるかどうかに応じて、移動局の位置ｐは、それぞれｘ，（ｘｙ）Ｔ，（ｘｙｚ）Ｔで表わされる。もっとも、移動局の位置は直交座標に限られず、極座標で表わしてもよい。上付き文字“Ｔ”は、位置ベクトルの転置である。基地局ＢＳの位置｛ｐb ，ｂ∈Ｂ｝についても、同様のことが当てはまる。ｂ番目の基地局ＢＳb の遅延推定値は、式（９）で表わされる。
【００７８】
【数１３】
2006023267.tif 000015
ここで、ξb は推定誤差を表わし、ガウス分布Ｎ（０，σｂ2）で近似することができる。分散σb2 は、システムのパラメータであり、
σb2 ＝４πβ2Ｒb 
で表わされる。ここで、Ｒb は基地局ＢＳb での信号電力対雑音電力比（ＳＮＲ）、βは基地局ＢＳb で受信された信号の有効帯域幅である。同期システムにおける遅延τbは、式（１０）で表わされる。
【００７９】
【数１４】
2006023267.tif 000016
ここで、ｃは光速（ｃ＝３×１０8 ｍ／ｓ）、‖・‖はユークリッド距離である。一方、
非同期システムの遅延τbは式（１１）で表わされる。
【００８０】
【数１５】
2006023267.tif 000017
ここで、ｌ0／ｃは移動局ＭＳのクロックと基地局ＢＳのクロックとの間の未知の時間差（タイムオフセット）である。
【００８１】
基地局−移動局間の配置が上記の特殊なケースに該当する場合に、通常と同じ位置推定方法を用いると、クラメール−ラオの理論下限（ＣＲＬＢ）で表わされる測位誤差が無限大になり、位置を特定できない。クラメール−ラオの理論下限（ＣＲＬＢ）とは、未知のパラメータの不偏推定値の分散（または共分散行列）の下限値を不等式で表わしたものであり、式（１２）で表わされる。
【００８２】
【数１６】
2006023267.tif 000018
ここでＪｐ-1 はフィッシャー情報行列（ＦＩＭ）であり、不等式“Ａ＞Ｂ”は、行列（Ａ−Ｂ）が非負定値であることを意味し、Ｅｐ［・］は位置ベクトルｐについての期待値である。フィッシャー情報行列（ＦＩＭ）は、式（１３）から求めることができる。
【００８３】
【数１７】
2006023267.tif 000019
ここで関数ｆｐは、移動局の位置ｐにおける各基地局からの遅延推定値の結合確率密度関数であり、式（１４）で表わされる。
【００８４】
【数１８】
2006023267.tif 000020
行列Ｊｐはまた、式（１５）で表わされる。
【００８５】
【数１９】
2006023267.tif 000021
ここで、角度φb は、
φb ＝ｔａｎ-1[(ｙ−ｙb)／(ｘ−ｘb)]
で求められる。これらのことから、２次元測位において、
（１）移動局と信号の送受信を行う基地局の数が１であるとき（Ｂ＝１）、
（２）移動局と、すべての通信可能な基地局が一直線上に並ぶとき、すなわち、ｉ≠ｊでφｉ−φｊ＝０またはπとなるとき
に、最小二乗平均誤差（ＭＭＳＥ）が無限大になることがわかる。
【００８６】
これに対し、上述した特殊な位置関係（１）、（２）を、適切な次元の問題として取り扱うことによって、測位誤差は有限の値を取り得る。これについて、２つの特殊なケースの各々について、まず２次元配置を例にとって説明する。
（１）ケース１について：単一の基地局ＢＳの場合
単一の基地局ＢＳ1のみが移動局ＭＳと通信する場合、単一の遅延推定値
【００８７】
【数２０】
2006023267.tif 000022
だけが取得可能である。この場合、移動局の位置は、点（ｘ1 ，ｙ1）を中心とする半径
【００８８】
【数２１】
2006023267.tif 000023
の円上（正確には、誤差を考慮した環状の領域）のいずれかの地点に存在する。この場合の位置推定誤差の期待値を、式（１６）で表わす。
【００８９】
【数２２】
2006023267.tif 000024
ここで半径および角度
【００９０】
【数２３】
2006023267.tif 000025
は、それぞれ、ガウス分布Ｎ（τ1 ，σ12）を有する正規ランダム変数、および[０、２π]の範囲で均一に取り得る角度として推定される。式（１６）において、分散σ1 がτ1 に比較して十分に小さい場合に、平均二乗誤差（ＭＳＥ）は有限の値を取る。
【００９１】
すなわち、２次元測位で単一の基地局だけが移動局との間で信号の送受信を行う特殊な配置関係にある場合、式（１６）で表わされる推定式を用いることにより、位置推定誤差の範囲を、従来のような無限大ではなく、有限の範囲に導くことができる。この有限値は、位置推定の確からしさをも表わす。得られた有限値が十分に小さいならば、算出された位置推定値は、半径方向の距離しか特定されていないとしても、移動局の位置を表わす情報として許容される。したがって、適切なしきい値を設定することによって、単一の基地局からの遅延推定値しか得られない場合でも、ある程度の精度で移動局の位置を特定することが可能になる。
【００９２】
この場合、半径ρ以外の次元についてのパラメータ（２次元測位ではθ）については、実行可能な領域における任意の値を選択することができる。実行可能な領域とは、たとえば交通手段のない海の上など、あり得ない場所（方向）を除いた領域である。
【００９３】
上記の例は２次元測位に基づくので、基地局の数が１の場合をケース１としたが、３次元測位の場合は、後述するように、２以下の基地局だけから遅延推定値が得られる場合がケース１に該当する。
（２）ケース２について：移動局と基地局とが直線上に並ぶとき
次に、特殊配置の第２のケースについて説明する。２次元測位を例にとると、移動局と基地局とが一直線上に並ぶ場合、測位の問題は一次元の問題に還元される。したがって、式（９）で表わされる遅延推定値は、式（１７）のように修正される。
【００９４】
【数２４】
2006023267.tif 000026
ここで、ｘは移動局の位置、ｘb は基地局の位置である。遅延推定値
【００９５】
【数２５】
2006023267.tif 000027
は、正の値、負の値の双方をとり得る。雑音誤差成分ｎb は、遅延推定値
【００９６】
【数２６】
2006023267.tif 000028
の符号を決定できる程度に、十分小さいものとする。移動局ＭＳの位置に関する最尤推定値は、重み付けされた総和として、式（１８）で表わされる。
【００９７】
【数２７】
2006023267.tif 000029
このときの対応する最小二乗誤差（ＭＳＥ）は、式（１９）で表わされ、これも有限の値をとることがわかる。
【００９８】
【数２８】
2006023267.tif 000030
式（１８）で表わされる位置推定方法は、基地局ＢＳと移動局ＭＳとがＬＯＳ(見通し内)の位置関係にある場合に適用される。基地局ＢＳと移動局ＭＳが一直線上に並ぶ場合であっても、ＮＬＯＳ（見通し外）の関係にある場合は、第１実施形態（同期システム)または第２実施形態（非同期システム）で用いたＭＡＰ法により、受信信号に含まれる有効マルチパス成分を用いた位置推定を行う。
【００９９】
３次元測位の場合は、移動局と、３以上の数の基地局のすべてが同一平面上または同一ライン上に位置する場合に、特殊ケース２に該当する。
【０１００】
次に、３次元測位の場合の還元された次元での位置推定の原理を説明する。上述したように、３次元測位における特殊なケース１の場合とは、受信信号を得ることのできる基地局の数が、１または２の場合である。そこで、基地局の数が１の場合と、２の場合に分けて説明する。
（３次元測位におけるケース１−１）
基地局ＢＳ1 からの受信信号だけが取得可能である。この基地局ＢＳ1 の位置を原点とする球座標を用い、移動局の位置を（ρ，θ，ψ）T  とすると、遅延推定値から、半径
【０１０１】
【数２９】
2006023267.tif 000031
が推定され、緯度方向の推定値
【０１０２】
【数３０】
2006023267.tif 000032
と、経度方向の推定値
【０１０３】
【数３１】
2006023267.tif 000033
は、それぞれ［０，π］と［０，２π］の範囲で均一に取り得る角度である。最小二乗誤差（ＭＳＥ）は、式（２０）で求められる。
【０１０４】
【数３２】
2006023267.tif 000034
（３次元測位におけるケース１−２）
２つの基地局ＢＳ1 、ＢＳ2 からの受信信号のみが取得可能な場合は、まず、２次元での解を検討する。２つの基地局ＢＳ1 、ＢＳ2 の位置をそれぞれ（ｘ1 ，０）、（ｘ2 ，０）、移動局ＭＳの実際の位置を（ｘ、ｙ）T とすると、移動局ＭＳの推定位置
【０１０５】
【数３３】
2006023267.tif 000035
の分布は、式（２１）で表わされる結合ガウシアン確率密度関数に一致する。
【０１０６】
【数３４】
2006023267.tif 000036
ここで、行列Ｊｐは式（１５）で表わされる。これを円筒座標を用い、ｘ→ｚ、ｙ→ρとして３次元の問題に公式化する場合、移動局ＭＳの推定位置は、
【０１０７】
【数３５】
2006023267.tif 000037
となり、パラメータ
【０１０８】
【数３６】
2006023267.tif 000038
は［０，２π］の範囲で均一に取り得る角度である。最小二乗誤差（ＭＳＥ）は、式（２２）で表わされる。
【０１０９】
【数３７】
2006023267.tif 000039
ここで、分散σx2およびσy2は
【０１１０】
【数３８】
2006023267.tif 000040
であり、右辺の［Ａ］nnは、行列Ａのｎ番目の対角項である。
【０１１１】
図８は、第３実施形態に係る位置測定装置３０の概略構成を示すブロック図である。位置測定装置３０は、受信信号を構成するマルチパス遅延波成分を検出するマルチパス遅延検出部１１と、検出されたマルチパス遅延波成分の中から所定の基準に適合する複数の遅延波を選択するセレクタ１３と、事前に求めた見通し外パスに関するＮＬＯＳ遅延関数を格納する格納部１５と、セレクタ１３により選択された遅延波と、前記格納部１５から読み出されたＮＬＯＳ遅延関数とに基づいて移動局の位置を特定する位置計算部１７と、移動局および基地局の現在の位置関係が特殊な配置関係にある場合に、測位次元をより低い次元に還元して位置推定を行う特殊位置計算部３１を有する。図８の例では、還元された次元での位置推定を同期システムに適用しているが、図６に示す非同期システムでの位置測定装置にも同様に適用可能である。
【０１１２】
図９は、特殊位置計算部３１の内部構成を示す図である。特殊位置計算部３１は、基地局−移動局配置検出部３２と、還元型位置計算部３５と、確からしさ判断部３４を有する。基地局−移動局配置検出部３２は、マルチパス遅延検出部１１への入力信号に基づいて、現在の測位に寄与する基地局ＢＳの数および位置を特定し、さらに、これらの基地局と移動局との配置関係を検出する。基地局と移動局との配置関係は、たとえば、前回までの移動局の位置推定値の推移など、過去の履歴に基づいて決定することができる。
【０１１３】
基地局−移動局配置検出部３２の検出結果が、上述したケース１またはケース２で述べた特殊な位置関係に該当する場合、還元型位置計算部３５は、対応する次元での最適な位置推定アルゴリズムを用いて、移動局ＭＳの位置を推定する。確からしさ判断部は、還元型位置計算部３５で求められた位置推定値の確からしさが、所定の基準にあるか否かを判断し、確からしさが十分なときに、還元型位置計算部３５が求めた位置推定値を移動局ＭＳの位置情報として出力させる。確からしさは、たとえば還元型位置計算部３５が算出した有限の位置推定誤差が、所定のしきい値よりも小さい場合に、許容範囲とする。位置推定の確からしさが不十分な場合、たとえば、有限の位置推定誤差が所定のしきい値以上の場合は、この位置推定値を破棄する。
【０１１４】
一方、基地局−移動局配置検出部３２の検出結果が、特殊な位置関係（ケース１またはケース２）に該当しない場合は、位置計算部１７で、各基地局からの受信信号に含まれる有効マルチパス成分を使用したＭＡＰ法により移動局ＭＳの位置を推定する。
【０１１５】
基地局と移動局とが、直線上（３次元測定の場合は同一平面上）にある場合に、基地局−移動局配置検出部３２は、各基地局と移動局がＮＬＯＳ（見通し外）の関係にあるか否かをさらに判断する。このＮＬＯＳ判断部は、基地局−移動局配置検出部３２の内部に独立に設けても良いし、図３に示すようにセレクタ１３内部のＮＬＯＳ判断部２２を共用してもよい。
【０１１６】
図１０は、第３実施形態に係る位置測定装置３０の動作を示すフローチャートである。まず、ステップＳ４０１で、基地局−移動局配置検出部３２は、マルチパス遅延検出部１１で受信された各基地局からの受信信号に基づいて、今回の測位に寄与する基地局の数が十分な数であるか否かを判断する。十分な数とは、２次元測位の場合は、基地局ＢＳの数が２以上の場合、すなわち、２以上の遅延推定値が得られる場合を意味する。逆にいうと、２次元測位で、単一の基地局ＢＳからの遅延推定値しか得られない場合は、不十分な数と判断される。３次元測位の場合は、基地局ＢＳの数が３以上の場合を十分な数とみなし、検出される基地局の数が１または２のときは、不十分な数とする。
【０１１７】
基地局の数が不十分であると判断された場合（Ｓ４０１でＮＯ）、上述した特殊なケース１に該当するので、ステップＳ４０２に進み、還元された測位次元についての最適パラメータを算出する。他の次元に関するパラメータについては、実行可能な領域内で選択される任意の値を選択する。より具体的には、２次元測位のときは１次元の問題として、式（１６）に基づいて有限の値を取る最小二乗誤差（ＭＳＥ）を求め、１次元での位置推定パラメータρあるいはｘを算出する。残りの次元についてのパラメータ、たとえばθあるいはｙについては、とり得ない方向を除いた実行可能領域内の任意の値を選択する。３次元測位のときは、基地局の数に応じて、式（２０）または式（２２）に基づいて最小二乗誤差（ＭＳＥ）を求め、還元された次元での位置推定パラメータを算出し、それ以外の次元についてのパラメータについては、実行可能領域内の任意の値を選択する。
【０１１８】
最小二乗誤差を算出後、ステップＳ４０７に進み、求めた誤差が所定のしきい値よりも小さいか否かを判断する。すなわち、分散σ1 が遅延推定値τ1 に比較して非常に小さく、かつ、求めた最小二乗誤差（ＭＳＥ）が所定のしきい値よりも小さい場合は、ステップＳ４０８で位置推定結果を有効なものとして出力する。一方、最小二乗誤差（ＭＳＥ）がしきい値以上の場合は、ステップＳ４０９で推定結果を破棄する。
【０１１９】
ステップＳ４０１で基地局の数が十分であると判断された場合は（Ｓ４０１でＹＥＳ）、ステップＳ４０３に進み、基地局−移動局配置検出部３２において、今回の測位に寄与する基地局が、還元された測位次元の配置関係にあるか否かを判断する。たとえば、２次元測位では、検出された２以上の基地局ＢＳのすべてが一直線上に並ぶか否かを判断し、３次元測位では、検出された３以上の基地局ＢＳのすべてが、同一ライン上または同一平面上に位置するかを判断する。一直線上あるいは同一平面上に並ばない場合は（Ｓ４０３でＮＯ）、特殊ケースには該当しないので、ステップＳ４０５に進み、通常の位置推定を行う。このときの位置推定は、たとえば、第１実施形態および第２実施形態で述べた手法に基づいて行う。
【０１２０】
検出された基地局ＢＳが直線上または同一平面上に位置する場合（Ｓ４０３でＹＥＳ）は、ステップＳ４０４に進み、基地局−移動局配置検出部３２は、移動局ＭＳが基地局ＢＳで定義される直線上またはその近傍にあるか否かを推定する。３次元測位の場合は基地局ＢＳで定義される平面上またはその近傍にあるか否かについての判断も含む。
【０１２１】
ここで、測位対象である移動局ＭＳが、基地局配置と同一の直線または平面、またはその近傍にあるか否かの判断については、いくつかの方法が考えられる。
【０１２２】
たとえば、位置トラッキングなどの事前情報を用いる方法がある。過去の履歴から、直前の移動局ＭＳの位置と、移動速度および移動方向がわかっているので、今回の測位で移動局が特殊配置関係に含まれるか（含まれつつあるか）について決定できる。
【０１２３】
また、従来の測位方法では、移動局ＭＳが還元された測位次元に該当するような配置関係あるいはその近傍に接近しつつあるときは、実行不可能な点へと収束する。これは、たとえば前回推定された移動局の位置と、今回の位置推定により収束した点（位置）が、想定される移動局の移動速度では移動不可能な場合などに相当する。そこで、従来手法を用いた場合に得られる収束点の実現可能性を利用して、移動局が還元された測位次元に包含されるか否かを判断する。
【０１２４】
さらに、勾配法に基づく最適化手法を採用する測位方法では、最適な移動局位置を推定するための反復演算の過程で、移動局の推定位置が還元された測位次元へと移行しつつある場合に、逆行列の要素が非常に大きな値をとり、逆行列が不確かなものになる（逆行列が無限大になる）。この演算の不確かさを利用することによっても、移動局が還元された測位次元に含まれるか否かを判断できる。
【０１２５】
移動局ＭＳが特殊な位置関係に含まれない場合は（Ｓ４０４でＮＯ）、ステップＳ４０５へ進み、位置計算部１７で通常の位置計算を行う。この場合、たとえば２次元測位で検出された基地局ＢＳが２つである場合に、第１実施形態または第２実施形態の方法で位置推定を行ったとしても、クラメール−ラオの理論下限（ＣＲＬＢ）で有限の値を取り得る。
【０１２６】
移動局ＭＳが特殊な位置関係に含まれる場合（Ｓ４０４でＹＥＳ）、すなわち、２次元測位で移動局ＭＳと２以上の基地局ＢＳのすべてが直線上に並ぶ場合、あるいは３次元測位で移動局ＭＳと３以上の基地局ＢＳのすべてが直線上または同一平面上にある場合は、ステップＳ４０６に進み、還元型位置計算部３５で、還元された測位次元での位置計算を行う。具体的には、たとえば２次元測位のときは、一次元の問題に還元して、式（１８）に基づいて移動局ＭＳの位置を推定する。
【０１２７】
なお、上述したように、移動局と基地局とが直線上に並ぶが場合に、ＮＬＯＳ（見通し外）の関係にある場合は、システムの同期、非同期に応じて、第１実施形態または第２実施形態の方法で、位置推定を行う。
【０１２８】
第３実施形態の位置測定装置３０および位置測定方法によれば、移動局と基地局とが、従来の方法では位置推定不可能とされる特殊な配置関係にある場合でも、なおもある程度の精度をもって、移動局の位置の推定が可能になる。
【０１２９】
以上、特定の実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものでなく、当業者にとって可能な変形、代替も発明の範囲に含むものである。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る位置測定装置を示すブロック図である。
【図２】受信信号から算出されたマルチパス遅延波の一例を示す概略図である。
【図３】図１の位置測定装置で用いられるセレクタの構成例を示すブロック図である。
【図４】第１実施形態の位置測定方法を示すフローチャートである。
【図５】図４のフローチャートにおける遅延波選択ステップの詳細な処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態に係る位置測定装置を示すブロック図である。
【図７】第２実施形態の位置測定方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第３実施形態に係る位置測定装置を示すブロック図である。
【図９】図８の位置測定装置で用いられる特殊位置計算部のブロック図である。
【図１０】第３実施形態の位置測定方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１３１】
１０、３０、５０  位置測定装置
１１、５１  マルチパス遅延検出部
１３、５３  セレクタ
１５、５５  ＮＬＯＳ遅延関数格納部
１７、５７  位置計算部
２１  遅延波入力部
２２  ＮＬＯＳ判断部
２３  比較部
２４  パス選択部
３１  特殊位置計算部（第２の位置計算部）
３２  基地局−移動局配置検出部
３４  確からしさ判断部
３５  還元型位置計算部
５４  ＴＤＯＡデータ生成部
【図１】
2006023267.tif 000041
【図２】
2006023267.tif 000042
【図３】
2006023267.tif 000043
【図４】
2006023267.tif 000044
【図５】
2006023267.tif 000045
【図６】
2006023267.tif 000046
【図７】
2006023267.tif 000047
【図８】
2006023267.tif 000048
【図９】
2006023267.tif 000049
【図１０】
2006023267.tif 000050