(57)【要約】【課題】  マルチパス環境下でも直接波の到来方向を正確に推定可能な直接波到来方向推定装置を提供する。【解決手段】  指向性切換手段２０は、アレーアンテナ１０のバラクタダイオード１１〜１６に供給する制御電圧セットを変えてアレーアンテナ１０の指向性をｎ個の方向に順次切換える。アレーアンテナ１０は、各方向においてキャリア周波数が異なるｍ個の電波を発信源から受信する。方向推定手段４０は、電波強度検出手段３０によって検出された各方向におけるｍ個の電波に対応するｍ個の受信電波強度に基づいて電波の反射および／または回折の影響を抑制して各方向における受信電波強度を検出し、その検出したｎ個の受信電波強度のうち、最大の受信電波強度が得られる方向を直接波の到来方向と推定する。【選択図】        図１
2006053088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波が反射および／または回折するマルチパス環境下において発信源から到来する直接波の到来方向を推定する直接波到来方向推定装置であって、
前記発信源の設置面に略平行な水平面内において指向性をｎ（ｎは２以上の整数）個の方向に切換えて各方向毎に前記発信源からのキャリア周波数が異なるｍ（ｍは２以上の整数）個の電波を受信するアンテナ装置と、
前記指向性が１つの方向に設定されたときに前記アンテナ装置によって受信された前記ｍの電波に対応するｍ個の受信電波強度に基づいて前記反射および／または回折の影響を抑制して前記１つの方向における受信電波強度を検出することにより前記ｎ個の方向におけるｎ個の受信電波強度を検出し、その検出したｎ個の受信電波強度のうち受信電波強度が最大となる方向を前記直接波の到来方向と推定する方向推定手段とを備える直接波到来方向推定装置。
【請求項２】
前記方向推定手段は、前記ｍ個の受信電波強度のうち最大の受信電波強度を前記１つの方向における受信電波強度として検出する、請求項１に記載の直接波到来方向推定装置。
【請求項３】
前記方向推定手段は、前記ｍ個の受信電波強度の平均値を前記１つの方向における受信電波強度として検出する、請求項１に記載の直接波到来方向推定装置。
【請求項４】
前記アンテナ装置は、
給電素子と、
少なくとも１つの無給電素子と、
前記少なくとも１つの無給電素子に装荷された可変容量素子の容量を変化させ、前記指向性を前記ｎ個の方向に切換える指向性切換手段とを含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の直接波到来方向推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、コヒーレント波の直接波の到来方向を推定する直接波到来方向推定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
屋内および地下街等の電波がマルチパスを経由して伝搬する環境下では、複数の反射波が様々な方向から到来する。この場合、反射波と直接波とは、位相が異なるだけのコヒーレント波となる。
【０００３】
このようなコヒーレント波からなる反射波および直接波の到来方向を推定する方法として、アンテナから放射するビームの方向を変えて電波を受信し、その受信した電波の受信電波強度が最大になる方向を直接波の到来方向と推定する方法が知られている（非特許文献１）。
【非特許文献１】古樋  知重、橋口  正哉、大平  孝、浅田  峯夫、岡田  敏美，”腕時計型マイクロ波ビーコンと携帯型電波到来方向探知機の雪中実験”，信学論（Ｂ），Ｖｏｌ．１８６−Ｂ，Ｎｏ．２，ｐｐ２１９−２２５，Ｆｅｂ．２００３．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、非特許文献１に記載された到来方向推定方法では、電波のキャリア周波数が１個であるため、直接波の受信電波強度が反射波の受信電波強度よりも弱くなる領域が存在し、直接波の到来方向を正確に推定することが困難であるという問題がある。
【０００５】
図１５は、キャリア周波数が１個である場合における直接波および反射波の受信電力の分布を示す分布図である。図１５において、縦軸は、受信電力を表し、横軸は、発信源と到来方向推定装置との距離を表す。また、太線は、直接波の受信電力の分布を表し、点線は、反射波の受信電力の分布を表す。更に、破線は、反射波がない場合の受信電力の分布を表す。
【０００６】
図１５から明らかなように、２．４ｍ、３．５ｍおよび３．７〜３．８ｍにおいて、直接波の受信電力は、反射波の受信電力よりも大きく低下している。これは、マルチパス環境下においては、複数の反射波は、相互に干渉し、直接波よりも強くなることがあるからである。
【０００７】
このように、電波のキャリア周波数を１個にした場合、直接波の受信電力よりも反射波の受信電力の方が強くなる領域が存在し、直接波の到来方向を正確に推定することが困難である。
【０００８】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、マルチパス環境下でも直接波の到来方向を正確に推定可能な直接波到来方向推定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によれば、直接波到来方向推定装置は、電波が反射および／または回折するマルチパス環境下において発信源から到来する直接波の到来方向を推定する直接波到来方向推定装置であって、アンテナ装置と、方向推定手段とを備える。アンテナ装置は、発信源の設置面に略平行な水平面内において指向性をｎ（ｎは２以上の整数）個の方向に切換えて各方向毎に発信源からのキャリア周波数が異なるｍ（ｍは２以上の整数）個の電波を受信する。方向推定手段は、指向性が１つの方向に設定されたときにアンテナ装置によって受信されたｍの電波に対応するｍ個の受信電波強度に基づいて反射および／または回折の影響を抑制して１つの方向における受信電波強度を検出することによりｎ個の方向におけるｎ個の受信電波強度を検出し、その検出したｎ個の受信電波強度のうち受信電波強度が最大となる方向を直接波の到来方向と推定する。
【００１０】
好ましくは、方向推定手段は、ｍ個の受信電波強度のうち最大の受信電波強度を１つの方向における受信電波強度として検出する。
【００１１】
好ましくは、方向推定手段は、ｍ個の受信電波強度の平均値を１つの方向における受信電波強度として検出する。
【００１２】
好ましくは、アンテナ装置は、給電素子と、少なくとも１つの無給電素子と、少なくとも１つの無給電素子に装荷された可変容量素子の容量を変化させ、指向性をｎ個の方向に切換える指向性切換手段とを含む。
【発明の効果】
【００１３】
この発明による直接波到来方向推定装置は、アンテナ装置の指向性を複数の方向に順次切換え、各方向において発信源からキャリア周波数が異なる複数の電波を受信する。そして、直接波到来方向推定装置は、その受信したキャリア周波数が異なる複数の電波に対応する複数の受信電波強度に基づいて、電波の反射および／または回折の影響を抑制して各方向における受信電波強度を検出し、その検出した複数の方向における複数の受信電波強度のうち最大の受信電波強度が得られる方向を直接波の到来方向と推定する。
【００１４】
したがって、この発明によれば、マルチパス環境下でも直接波の到来方向を正確に推定できる。
【００１５】
また、この発明による直接波到来方向推定装置は、キャリア周波数が異なる複数の電波に対応する複数の受信電波強度のうち、最大の受信電波強度を各方向における受信電波強度として検出する。
【００１６】
さらに、この発明による直接波到来方向推定装置は、キャリア周波数が異なる複数の電波に対応する複数の受信電波強度の平均値を各方向における受信電波強度として検出する。
【００１７】
したがって、この発明によれば、簡単な構成によって電波の反射および／または回折の影響を抑制して直接波の到来方向を精度良く推定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１９】
図１は、この発明の実施の形態による到来方向推定装置の概略図である。図１を参照して、この発明の実施の形態による到来方向推定装置１００は、アレーアンテナ１０と、指向性切換手段２０と、電波強度検出手段３０と、方向推定手段４０とを備える。なお、到来方向推定装置１００は、電波が反射および／または回折するマルチパス環境下において発信源からの直接波の到来方向を推定する装置である。
【００２０】
アレーアンテナ１０は、アンテナ素子１〜７と、バラクタダイオード１１〜１６とを含む。アンテナ素子１〜７は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸からなるｘｙｚ直交座標におけるｚ軸に沿ってｘ−ｙ平面（所定平面）に配置される。なお、この発明においては、図１に示すｘ−ｙ平面内における方角を示す方位角を有するコヒーレント波を到来方向推定の対象とする。即ち、発信源の設置面に略平行な水平面内における方位角を有するコヒーレント波を到来方向推定の対象とする。
【００２１】
図２は、図１に示すｘ−ｙ平面におけるアンテナ素子１〜７の平面配置図である。図２を参照して、アンテナ素子１〜６は、アンテナ素子７を中心にして等間隔に円形に配置される。
【００２２】
再び、図１を参照して、アンテナ素子１〜６は、無給電素子であり、アンテナ素子７は、給電素子である。バラクタダイオード１１〜１６は、それぞれ、アンテナ素子１〜６と接地ノードとの間に接続される。これによって、無給電素子であるアンテナ素子１〜６には、可変容量素子であるバラクタダイオード１１〜１６がそれぞれ装荷される。
【００２３】
このように、アレーアンテナ１０は、１本の給電素子（アンテナ素子７）と、６本の無給電素子（アンテナ素子１〜６）とからなる７本のアンテナ素子が給電素子を中心にして円形に配置された構造からなる。
【００２４】
指向性切換手段２０は、バラクタダイオード１１〜１６に制御電圧セットＣＶＬ１〜ＣＶＬ６を供給し、アレーアンテナ１０の指向性を切換える。バラクタダイオード１１〜１６は、それぞれ、制御電圧ＣＶＬ１〜ＣＶＬ６によって容量（リアクタンス値）が変化する。指向性切換手段２０は、各バラクタダイオード１１〜１６におけるリアクタンス値が“ｈｉ”または“ｌｏ”になるように各制御電圧ＣＶＬ１〜ＣＶＬ６の電圧値を決定し、制御電圧セットＣＶＬ１〜ＣＶＬ６をバラクタダイオード１１〜１６へ供給する。
【００２５】
この場合、指向性切換手段２０は、バラクタダイオード１１〜１６におけるリアクタンス値ｘｍ１〜ｘｍ６のセットｘｍが表１に示すように変化するように制御電圧セットＣＶＬ１〜ＣＶＬ６をバラクタダイオード１１〜１６へ供給する。
【００２６】
【表１】
2006053088.tif 000003
【００２７】
リアクタンス値ｘｍ１が“ｌｏ”であり、リアクタンス値ｘｍ２〜ｘｍ６が“ｈｉ”であるとき（ｉ＝１）、アレーアンテナ１０は、０度の方向（図２に示すｘ軸の正方向を０度の方向とする）に指向性があるビームパターンＢＰ１を有する。
【００２８】
また、リアクタンス値ｘｍ１，ｘｍ２が“ｌｏ”であり、リアクタンス値ｘｍ３〜ｘｍ６が“ｈｉ”であるとき（ｉ＝２）、アレーアンテナ１０は、３０度の方向に指向性があるビームパターンＢＰ２を有する。
【００２９】
さらに、リアクタンス値ｘｍ２が“ｌｏ”であり、リアクタンス値ｘｍ１，ｘｍ３〜ｘｍ６が“ｈｉ”であるとき（ｉ＝３）、アレーアンテナ１０は、６０度の方向に指向性があるビームパターンＢＰ３を有する。
【００３０】
以下、同様にして、リアクタンス値ｘｍ１〜ｘｍ６を表１に従って切換えたとき（ｉ＝４〜１２）、アレーアンテナ１０は、９０度、１２０度、１５０度、１８０度、２１０度、２４０度、２７０度、３００度および３３０度の方向に指向性があるビームパターンＢＰ４〜ＢＰＭ１２を有する（図２参照）。
【００３１】
このように、指向性切換手段２０は、無給電素子であるアンテナ素子１〜６に装荷されたバラクタダイオード１１〜１６のリアクタンス値ｘｍ１〜ｘｍ６を変えることによってアレーアンテナ１０の指向性を切換える。
【００３２】
到来方向推定装置１００が発信源（図示せず）からの直接波の到来方向を推定するとき、アレーアンテナ１０は、その指向性を上述した１２個の方向に順次切換え、各方向においてキャリア周波数が異なる１６個の電波を発信源から受信する。
【００３３】
電波強度検出手段３０は、アレーアンテナ１０が受信した電波をアレーアンテナ１０の給電素子７から受け、その受けた電波の受信電波強度ＲＳＳＩを検出して方向推定手段４０へ出力する。
【００３４】
より具体的には、電波強度検出手段３０は、指向性が０度の方向に設定されたときアレーアンテナ１０によって受信された１６個の電波ＷＶ１＿１〜ＷＶ１＿１６を給電素子７から受け、その受けた１６個の電波ＷＶ１＿１〜ＷＶ１＿１６に対応する１６個の受信電波強度Ｒ１＿１〜Ｒ１＿１６を検出して方向推定手段４０へ出力する。
【００３５】
また、電波強度検出手段３０は、指向性が３０度の方向に設定されたときにアレーアンテナ１０によって受信された１６の電波ＷＶ２＿１〜ＷＶ２＿１６を給電素子７から受け、その受けた１６個の電波ＷＶ２＿１〜ＷＶ２＿１６に対応する１６個の受信電波強度Ｒ２＿１〜Ｒ２＿１６を検出して方向推定手段４０へ出力する。
【００３６】
以下、同様にして、電波強度検出手段３０は、指向性がθ（６０度、９０度、１２０度、１５０度、１８０度、２１０度、２４０度、２７０度、３００度および３３０度）の方向に設定されたときにアレーアンテナ１０によって受信された１６個の電波ＷＶｉ＿１〜ＷＶｉ＿１６（ｉ＝３〜１２）を給電素子７から受け、その受けた１６個の電波ＷＶｉ＿１〜ＷＶｉ＿１６に対応する１６個の受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６を検出して方向推定手段４０へ出力する。
【００３７】
方向推定手段４０は、電波強度検出手段３０から受信電波強度Ｒ１＿１〜Ｒ１＿１６，・・・，Ｒ１２＿１〜Ｒ１２＿１６を受ける。そして、方向推定手段４０は、アレーアンテナ１０の指向性が０度の方向、３０度の方向、・・・、３３０度の方向の順序で切換えられることが予め解っているので、電波強度検出手段３０から受けた受信電波強度Ｒ１＿１〜Ｒ１＿１６，・・・，Ｒ１２＿１〜Ｒ１２＿１６を各方向に対応付ける。即ち、方向推定手段４０は、表２に示す受信電波強度テーブルを作成する。
【００３８】
【表２】
2006053088.tif 000004
【００３９】
そして、方向推定手段４０は、１６個の受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６（ｉ＝１〜１２）に基づいて、電波の反射および／または回折による影響を抑制して各方向における受信電波強度Ｒｉを検出する。
【００４０】
より具体的には、方向推定手段４０は、１６個の受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６の平均値を演算することにより各方向における受信電波強度Ｒｉを検出する。
【００４１】
そして、方向推定手段４０は、検出した１２個の受信電波強度Ｒ１〜Ｒ１２のうち、最大の受信電波強度を直接波の到来方向と推定する。
【００４２】
電波のキャリア周波数が異なれば、直接波と反射波との位相関係が変化するので、受信電波強度が弱くなる位置がキャリア周波数によって異なる。図３は、キャリア周波数が異なる３つの電波に対応する３つの受信電波強度のプロファイルである。図３において、縦軸は、受信電波強度を表し、横軸は、発信源との距離を表わす。そして、図３に示す受信電波強度のプロファイルは、アレーアンテナ１０の指向性をある１つの方向に設定した場合のプロファイルである。
【００４３】
受信電波強度Ｒ１〜Ｒ３は、それぞれ、キャリア周波数が異なる３つの電波ＷＶ１〜ＷＶ３に対応する受信電波強度である。受信電波強度Ｒ１〜Ｒ３は、最大となる距離および最小となる距離が相互に異なる。
【００４４】
このように、キャリア周波数が異なれば、受信電波強度が弱くなる距離（位置）が異なる。
【００４５】
受信電波強度Ｒ１〜Ｒ３の平均値Ｒａｖを演算すると、平均値Ｒａｖには、受信電波強度Ｒ１〜Ｒ３のように、強度が大きく低下する距離（位置）が存在しない。
【００４６】
これは、強度が大きく低下する距離（位置）が相互に異なる受信電波強度Ｒ１〜Ｒ３を加算することによって、受信電波強度Ｒ１（またはＲ２またはＲ３）において強度が大きく低下する距離（位置）が他の受信電波強度Ｒ２，Ｒ３（またはＲ３，Ｒ１またはＲ１，Ｒ２）によって除去されるからである。
【００４７】
したがって、キャリア周波数が異なる１６個の電波ＷＶｉ＿１〜ＷＶｉ＿１６に対応する受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６の平均値Ｒｉを演算することにより、電波の反射および／または回折によって生じた受信電波強度の大きな低下を除去できる。つまり、１６個の受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６の平均値Ｒｉを演算することにより、電波の反射および／または回折による影響を抑制して各方向における受信電波強度を検出できる。
【００４８】
図３は、発信源との距離に対して受信電波強度Ｒ１〜Ｒ３およびその平均値Ｒａｖがどのように変化するかを示すが、例えば、発信源との距離がｘ１である位置においてアレーアンテナ１０が発信源からキャリア周波数が異なる３つの電波ＷＶ１〜ＷＶ３を受信する場合を想定する。
【００４９】
この場合、受信電波強度Ｒ１は大きく低下し、受信電波強度Ｒ２，Ｒ３は大きく低下しないので、アレーアンテナ１０は、電波ＷＶ１を受信電波強度が弱い電波として受信し、電波ＷＶ１，ＷＶ２を受信電波強度が強い電波として受信する。そして、電波ＷＶ１〜ＷＶ３に対応する受信電波強度Ｒ１〜Ｒ３の平均値を演算することによって、受信電波強度Ｒ１における大きな低下を受信電波強度Ｒ２，Ｒ３によって除去して距離（位置）ｘ１での所定の方向における受信電波強度を検出できる。この方法を距離（位置）ｘ１において、アレーアンテナ１０の指向性を各方向に設定したときに適用すれば、距離（位置）ｘ１における各方向に対する受信電波強度を、受信電波強度Ｒ１における大きな低下を受信電波強度Ｒ２，Ｒ３によって除去して検出できる。
【００５０】
したがって、アレーアンテナ１０が設置された各位置において、キャリア周波数が異なる複数の電波に対応する複数の受信電波強度の平均値を演算することは、電波の反射および／または回折の影響を抑制して受信電波強度を検出することに有効である。
【００５１】
そこで、この発明においては、各方向においてアレーアンテナ１０によって受信された１６個の受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６の平均値を演算して各方向における受信電波強度Ｒｉを検出することにしたものである。
【００５２】
１２個の方向における１２個の受信電波強度のうち、受信電波強度が最大である方向を直接波の到来方向と推定することにしたのは、直接波は、発信源からアレーアンテナ１０へ最短の経路を直進するので、壁、天井および床等によって多重反射される反射波および障害物等によって回折する回折波よりも受信電波強度が強くなるからである。
【００５３】
なお、キャリア周波数が異なる複数の電波に対応する複数の受信電波強度の平均値を演算して各方向における受信電波強度を検出し、その検出した複数の受信電波強度のうち最大の受信電波強度が得られる方向を直接波の到来方向と推定する方法を「周波数スムージング法」と呼ぶ。
【００５４】
この発明においては、方向推定手段４０は、電波強度検出手段３０から受けた受信電波強度Ｒ１＿１〜Ｒ１＿１６，・・・，Ｒ１２＿１〜Ｒ１２＿１６に基づいて、周波数スムージング法以外の方向によって直接波の到来方向を推定してもよい。
【００５５】
即ち、方向推定手段４０は、各方向における１６個の受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６のうち、最大の受信電波強度Ｒｉ＿ｍａｘを各方向における受信電波強度Ｒｉとして検出し、その検出した１２個の受信電波強度Ｒ１〜Ｒ１２のうち、最大の受信電波強度が得られる方向を直接波の到来方向と推定する。なお、この方法を「周波数選択法」と呼ぶ。
【００５６】
より具体的には、方向推定手段４０は、受信電波強度Ｒ１＿１〜Ｒ１＿１６のうち、最大の受信電波強度Ｒ１＿ｍａｘを検出し、受信電波強度Ｒ２＿１〜Ｒ２＿１６のうち、最大の受信電波強度Ｒ２＿ｍａｘを検出し、以下、同様にして受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６（ｉ＝３〜１２）のうち、最大の受信電波強度Ｒｉ＿ｍａｘを検出する。そして、方向推定手段４０は、１２個の受信電波強度Ｒ１＿ｍａｘ〜Ｒ１２＿ｍａｘのうち、最大の受信電波強度（Ｒ１＿ｍａｘ〜Ｒ１２＿ｍａｘのいずれか）が得られる方向を直接波の到来方向と推定する。
【００５７】
各方向における１６個の受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６（ｉ＝１〜１２）のうち、最大の受信電波強度Ｒｉ＿ｍａｘを検出することは、電波の反射および／または回折の影響を抑制して受信電波強度を検出することに相当する。理由は、次のとおりである。
【００５８】
上述したように、キャリア周波数が異なれば、直接波と反射波との位相関係が異なるため、各方向において受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６が直接波と反射波とが重なり合った電波の受信電波強度として検出されたとしても、受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６は、相互に異なる強度を有する。即ち、受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６は、直接波と反射波との位相関係が逆である場合の強度（最小強度）から直接波と反射波とが同位相である場合の強度（最大強度）までの範囲に分布する。
【００５９】
そして、受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６のうち、最大の受信電波強度Ｒｉ＿ｍａｘは、直接波の受信電波強度を強めるように直接波と反射波とが重なり合っている場合、または直接波の受信電波強度を弱めるように直接波と反射波とが重なり合っていても受信電波強度を弱める度合が最も小さい場合に検出される。
【００６０】
したがって、１６個の受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６のうち、最大の受信電波強度Ｒｉ＿ｍａｘを検出することは、電波の反射および／または回折の影響を抑制して受信電波強度を検出することに相当する。
【００６１】
図４は、周波数スムージング法により直接波の到来方向を推定する動作を説明するためのフローチャートである。一連の動作が開始されると、到来方向推定装置１００の指向性切換手段２０は、ｉ＝１を設定し（ステップＳ１）、アレーアンテナ１０の指向性を方向Ｄｉ（ｉ＝１、即ち、０度の方向）に設定する（ステップＳ２）。
【００６２】
そして、方向推定手段４０は、ｊ＝１を設定する（ステップＳ３）。その後、発信源は、キャリア周波数ｆｊの電波ＷＶｉ＿ｊをｘ−ｙ平面においてオムニパターンで放射する。そして、アレーアンテナ１０は、発信源からの電波ＷＶｉ＿ｊを受信し（ステップＳ４）、電波強度検出手段３０は、アレーアンテナ１０の給電素子７から電波ＷＶｉ＿ｊを受け、その受けた電波ＷＶｉ＿ｊの受信電波強度Ｒｉ＿ｊを検出し（ステップＳ５）、その検出した受信電波強度Ｒｉ＿ｊを方向推定手段４０へ出力する。
【００６３】
方向推定手段４０は、電波強度検出手段３０から受けた受信電波強度Ｒｉ＿ｊを保持するとともに、ｊ＝１６であるか否かを判定する（ステップＳ６）。そして、ｊ＝１６でないとき、方向推定手段４０は、ｊ＝ｊ＋１を設定する（ステップＳ７）。その後、ステップＳ６において、ｊ＝１６であると判定されるまで、上述したステップＳ４〜ステップＳ７が繰返し実行される。
【００６４】
ステップＳ６において、ｊ＝１６であると判定されると、１つの方向における１６個の受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６が検出されたことになり（ステップＳ８）、方向推定手段４０は、１つの方向（０度の方向）に対応付けて１６個の受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６を記憶する。
【００６５】
その後、指向性切換手段２０は、ｉ＝１２であるか否かを判定し（ステップＳ９）、ｉ＝１２でないとき、ｉ＝ｉ＋１を設定する（ステップＳ１０）。そして、ステップＳ９において、ｉ＝１２であると判定されるまで、上述したステップＳ２〜ステップＳ１０が繰返し実行される。
【００６６】
ステップＳ１０において、ｉ＝１２であると判定されると、１２個の方向に対応して、１６個の受信電波強度Ｒ１＿１〜Ｒ１＿１６，・・・，Ｒ１２＿１〜Ｒ１２＿１６が検出されたことになる（ステップＳ１１）。
【００６７】
そして、方向推定手段４０は、受信電波強度Ｒ１＿１〜Ｒ１＿１６，・・・，Ｒ１２＿１〜Ｒ１２＿１６に基づいて、各方向における平均値Ｒｉ＿ａｖｅを演算し（ステップＳ１２）、その演算した１２個の平均値Ｒ１＿ａｖｅ〜Ｒ１２＿ａｖｅのうち、最大の受信電波強度が得られる方向を直接波の到来方向と推定する（ステップＳ１３）。これにより、一連の動作は終了する。
【００６８】
図５は、周波数選択法により直接波の到来方向を推定する動作を説明するためのフローチャートである。図５に示すフローチャートは、図４に示すフローチャートのステップＳ１２，Ｓ１３をそれぞれステップＳ１２Ａ，Ｓ１３Ａに代えたものであり、その他は、図４に示すフローチャートと同じである。
【００６９】
１２個の方向に対応して、１６個の受信電波強度Ｒ１＿１〜Ｒ１＿１６，・・・，Ｒ１２＿１〜Ｒ１２＿１６が検出されると（ステップＳ１１）、方向推定手段４０は、各方向において、受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６のうち、最大の受信電波強度Ｒｉ＿ｍａｘを検出する（ステップＳ１２Ａ）。
【００７０】
即ち、方向推定手段４０は、０度の方向において、受信電波強度Ｒ１＿１〜Ｒ１＿１６のうち、最大の受信電波強度Ｒ１＿ｍａｘを検出し、３０度の方向において、受信電波強度Ｒ２＿１〜Ｒ２＿１６のうち、最大の受信電波強度Ｒ２＿ｍａｘを検出し、以下、同様にして、θ（６０度、９０度、１２０度、１５０度、１８０度、２１０度、２４０度、２７０度、３００度および３３０度）の方向において、受信電波強度Ｒｉ＿１〜Ｒｉ＿１６（ｉ＝３〜１２）のうち、最大の受信電波強度Ｒｉ＿ｍａｘ（ｉ＝３〜１２）を検出する。
【００７１】
そして、方向推定手段４０は、１２個の受信電波強度Ｒ１＿ｍａｘ〜Ｒ１２＿ｍａｘをそれぞれ１２個の方向における受信電波強度とし、１２個の受信電波強度Ｒ１＿ｍａｘ〜Ｒ１２＿ｍａｘのうち、最大の受信電波強度が得られる方向を直接波の到来方向と推定する（ステップＳ１３Ａ）。これにより、一連の動作は終了する。
【００７２】
このように、この発明においては、到来方向推定装置１００は、アレーアンテナ１０の指向性を１２個の方向に順次切換え、指向性を各方向に設定したときに発信源からキャリア周波数が異なる複数の電波を受信し、キャリア周波数が異なる複数の電波に対応する複数の受信電波強度に基づいて電波の反射および／または回折の影響を抑制して各方向における受信電波強度を検出する。そして、到来方向推定装置１００は、複数の方向における複数の受信電波強度のうち、最大の受信電波強度が得られる方向を直接波の到来方向と推定する。
【００７３】
上述した周波数スムージング法および周波数選択法による到来方向の推定をシミュレーションした結果について説明する。
【００７４】
図６は、シミュレーションに用いた電波空間を示す模式図である。１０ｍ×１０ｍ×３ｍの直方体の部屋５０の１つの隅Ａをｘｙｚ座標の原点とした。アレーアンテナ１０は、座標［ｘ，ｙ，１ｍ］に設置され、発信源６０は、座標［５ｍ，５ｍ，１ｍ］に固定された。部屋５０は、コンクリート壁によって囲まれている。
【００７５】
そして、アレーアンテナ１０の高さを１ｍに保持したまま、アレーアンテナ１０をｘ−ｙ平面内で順次移動させ、発信源６０からの直接波の到来方向を推定した。
【００７６】
シミュレーションの各条件を表３に示す。
【００７７】
【表３】
2006053088.tif 000005
【００７８】
部屋５０のコンクリート壁による電波の反射は、８回とし、フレネル係数で各反射波の振幅に重み付けを行なった。
【００７９】
また、発信源６０が放射する電波の周波数帯は、２４０４ＭＨｚ〜２４８４ＭＨｚまでの範囲であり、キャリア周波数の個数は、１個、２個、４個、８個、１６個および３２個と変えられた。キャリア周波数が２個以上の場合、各キャリア周波数間の間隔は、等間隔に設定された。
【００８０】
更に、発信源６０は、水平面内無指向性、かつ、垂直偏波の電波を放射する。
【００８１】
図７は、１５０度および１８０度の方向における図１に示すアレーアンテナ１０のビームパターンを示す図である。アレーアンテナ１０の指向性を１５０度の方向に設定する場合、バラクタダイオード１１〜１６の容量は、それぞれ、１３．４［ｐＦ］、１３．４［ｐＦ］、０．６４５［ｐＦ］、０．６４５［ｐＦ］、１３．４［ｐＦ］、１３．４［ｐＦ］に設定される。また、アレーアンテナ１０の指向性を１８０度の方向に設定する場合、バラクタダイオード１１〜１６の容量は、それぞれ、１３．４［ｐＦ］、１３．４［ｐＦ］、１３．４［ｐＦ］、０．５９［ｐＦ］、１３．４［ｐＦ］、１３．４［ｐＦ］に設定される。
【００８２】
図７に示すように、１５０度および１８０度の方向において、キャリア周波数を２４０４ＭＨｚ〜２４８４ＭＨｚの範囲で変化させても、ビームパターンは殆ど同じである。即ち、アレーアンテナ１０は、２４０４ＭＨｚ〜２４８４ＭＨｚの範囲にキャリア周波数を有する電波をほぼ同じアンテナ特性によって受信可能である。
【００８３】
表４に、３ｄＢビーム幅、Ｆ／Ｂ比、および隣接ビーム識別度を示す。
【００８４】
【表４】
2006053088.tif 000006
【００８５】
表４の結果から、２４０４ＭＨｚ〜２４８４ＭＨｚの全周波数帯において概ね同じビームパターンになっていることがわかる。
【００８６】
図８は、キャリア周波数が１６個である場合における受信電力と距離との関係図である。図８において、縦軸は、受信電力、すなわち、受信電波強度を表わし、横軸は、アレーアンテナ１０と発信源６０との距離を表わす。
【００８７】
図８における実線および複数の点線は、１２個の方向を示す。そして、実線および複数の点線の各々は、上述した周波数スムージング法によって受信電波強度を求めたものである。
【００８８】
その結果、アレーアンテナ１０と発信源６０との間の距離が２ｍ〜４ｍの範囲において、実線によって表わされる受信電波強度は、点線によって表わされる受信電波強度以上である。したがって、実線によって表わされる受信電波強度が得られる方向が直接波の到来方向である。
【００８９】
キャリア周波数が１個である場合、図１５に示すように、アレーアンテナ１０と発信源６０との間の距離が２ｍ〜４ｍの範囲において直接波の受信電波強度が反射波の受信電波強度よりも弱くなる領域が存在していたが、キャリア周波数が１６個である場合には、アレーアンテナ１０と発信源６０との間の距離が２ｍ〜４ｍの全範囲において、直接波の受信電波強度は、反射波の受信電波強度以上である。したがって、周波数スムージング法を用いることによって、反射波の影響を抑制して直接波の到来方向を推定できることがわかった。
【００９０】
図９は、キャリア周波数が１個である場合の推定角度誤差分布図である。図１０は、１６個のキャリア周波数を用いた周波数選択法によって到来方向を推定した場合の推定角度誤差分布図である。図１１は、１６個のキャリア周波数を用いた周波数スムージング法によって到来方向を推定した場合の推定角度誤差分布図である。
【００９１】
図９、図１０および図１１に示す場合においては、発信源６０は、座標［５ｍ，５ｍ，１ｍ］に固定され、アレーアンテナ１０は、１ｍの高さを保持しながらｘ座標およびｙ座標が１０ｃｍ毎に変えられた。したがって、図９、図１０および図１１におけるｘ−ｙ平面の中心［５０，５０］に発信源６０が設置されている。また、図９、図１０および図１１においては、白い部分は、角度誤差が１５度以下であることを表わし、黒い部分は、角度誤差が１５度よりも大きいことを表わす。
【００９２】
キャリア周波数が１個である場合、２４８４ＭＨｚのキャリア周波数が用いられた。発信源６０が２４８４ＭＨｚの電波を放射した場合、発信源６０から２ｍ以内の距離では、角度誤差が１５度以下となる領域が大半を占めているが、発信源６０から２ｍ以上になると、角度誤差が１５度以下である領域が減少し、大部分が発信源６０の正しい方向を推定できなくなる（図９参照）。
【００９３】
キャリア周波数が１６個である周波数選択法を用いた場合、特定の領域および四隅は、角度誤差が大きいが、角度誤差が１５度以下である領域は、キャリア周波数が１個である場合に比べ拡大している（図１０参照）。
【００９４】
更に、キャリア周波数が１６個である周波数スムージング法を用いた場合、周波数選択法と同様に、特定の領域および四隅は、角度誤差が大きいが、角度誤差が１５度以下である領域は、周波数選択法を用いた場合に比べ拡大している（図１１参照）。
【００９５】
このように、周波数選択法および周波数スムージング法を用いることによって、直接波の到来方向を精度良く推定できる。
【００９６】
次に、累積確率と角度誤差との関係について説明する。図１２は、周波数選択法を用いた場合における累積確率と角度誤差との関係図である。また、図１３は、周波数スムージング法を用いた場合における累積確率と角度誤差との関係図である。
【００９７】
図１２および図１３においては、キャリア周波数は、１個、２個、４個、８個、１６個および３２個と変えられた。また、図１２および図１３において、縦軸は、累積確率を表し、横軸は、角度誤差を表わす。
【００９８】
周波数選択法を用いた場合、１個のキャリア周波数では、推定角度誤差が１５度以内の累積確率は、３０％であるが、キャリア周波数が増加するに伴って１５度以内の累積確率は、改善される。そして、キャリア周波数が８個以上では、１５度以内の累積確率は、ほぼ飽和し、３２個のキャリア周波数では、１５度以内の累積確率は４２％となる（図１２参照）。
【００９９】
１５度以内の累積確率が８個以上のキャリア周波数でほぼ飽和するのは、キャリア周波数の間隔が狭いため、受信電波強度の落ち込みが低減され難いためである。
【０１００】
周波数スムージング法を用いた場合、キャリア周波数の増加に伴って１５度以内の累積確率は、改善され、３２個のキャリア周波数では、１５度以内の累積確率は、６０％に達する。そして、周波数スムージング法を用いた場合、１５度以内の累積確率は、キャリア周波数が１個である場合に比べ２倍、周波数選択法に比べ１．４倍に改善される。また、１５度以内の累積確率が８個以上のキャリア周波数でほぼ飽和する理由は、周波数選択法の場合と同じである。
【０１０１】
このように、キャリア周波数を増加することによって、推定角度誤差を低減できる。
【０１０２】
図１４は、キャリア間隔を変えた場合の累積確率と角度誤差との関係図である。図１４において、縦軸は、累積確率を表し、横軸は、角度誤差を表わす。また、キャリア周波数は８個に固定され、キャリア間隔は、０．５ＭＨｚから１１．４ＭＨｚまでの範囲で変えられた。
【０１０３】
キャリア間隔の増加に伴って、累積確率は、改善され、５ＭＨｚ以上で飽和する傾向を示す。
【０１０４】
これらの結果から、マルチパスの影響が大きい環境下では、ある程度、キャリア間隔を取り、周波数スムージング法を用いることによって、推定角度誤差を改善できることがわかった。
【０１０５】
上述したように、この発明による周波数スムージング法または周波数選択法を用いることによって、発信源６０からの直接波の到来方向を反射波の影響を抑制して精度良く推定できる。
【０１０６】
なお、この発明においては、アレーアンテナ１０は、７本のアンテナ素子からなるものに限らず、１本の給電素子と、１本以上の無給電素子とからなる２本以上のアンテナ素子から構成されていればよい。
【０１０７】
また、キャリア周波数は、多い方向が良いが図１２および図１３に示すようにキャリア周波数が２個以上において推定角度誤差が１５度以下となる累積確率が改善されているので、キャリア周波数は、２個以上であればよい。
【０１０８】
更に、到来方向推定装置１００は、アレーアンテナ１０に限らず、複数のアンテナ素子を直線状に配列した指向性を切換え可能なアンテナを搭載していてもよく、指向性が切換え可能なアンテナであれば、どのようなアンテナを搭載していてもよい。
【０１０９】
更に、アレーアンテナ１０および指向性切換手段２０は、「アンテナ装置」を構成する。
【０１１０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
この発明は、マルチパス環境下でも直接波の到来方向を正確に推定可能な直接波到来方向推定装置に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】この発明の実施の形態による到来方向推定装置の概略図である。
【図２】図１に示すｘ−ｙ平面におけるアンテナ素子の平面配置図である。
【図３】キャリア周波数が異なる３つの電波に対応する３つの受信電波強度のプロファイルである。
【図４】周波数スムージング法により直接波の到来方向を推定する動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】周波数選択法により直接波の到来方向を推定する動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】シミュレーションに用いた電波空間を示す模式図である。
【図７】１５０度および１８０度の方向における図１に示すアレーアンテナのビームパターンを示す図である。
【図８】キャリア周波数が１６個である場合における受信電力と距離との関係図である。
【図９】キャリア周波数が１個である場合の推定角度誤差分布図である。
【図１０】１６個のキャリア周波数を用いた周波数選択法によって到来方向を推定した場合の推定角度誤差分布図である。
【図１１】１６個のキャリア周波数を用いた周波数スムージング法によって到来方向を推定した場合の推定角度誤差分布図である。
【図１２】周波数選択法を用いた場合における累積確率と角度誤差との関係図である。
【図１３】周波数スムージング法を用いた場合における累積確率と角度誤差との関係図である。
【図１４】キャリア間隔を変えた場合の累積確率と角度誤差との関係図である。
【図１５】キャリア周波数が１個である場合における直接波および反射波の受信電力の分布を示す分布図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１〜７  アンテナ素子、１０  アレーアンテナ、１１〜１６  バラクタダイオード、２０  指向性切換手段、３０  電波強度検出手段、４０  方向推定手段、５０  部屋、６０  発信源、１００  到来方向推定装置。
【図１】
2006053088.tif 000007
【図２】
2006053088.tif 000008
【図３】
2006053088.tif 000009
【図４】
2006053088.tif 000010
【図５】
2006053088.tif 000011
【図６】
2006053088.tif 000012
【図７】
2006053088.tif 000013
【図８】
2006053088.tif 000014
【図１２】
2006053088.tif 000015
【図１３】
2006053088.tif 000016
【図１４】
2006053088.tif 000017
【図１５】
2006053088.tif 000018
【図９】
2006053088.tif 000019
【図１０】
2006053088.tif 000020
【図１１】
2006053088.tif 000021