(57)【要約】【課題】高い精度で移動局の位置を推定する。【解決手段】位置推定装置３００は、予め位置が特定されている複数の基地局２０１〜２０４と位置推定対象である複数の移動局１０１，１０２との一方向又は双方向通信により取得した所定の信号に基づき移動局の位置を推定する位置推定部３４０と、位置推定部３４０により推定された移動局の位置を用いて該位置を推定された移動局と前記複数の基地局との距離に含まれるバイアス量を推定するバイアス量推定部３５０と、位置推定部により推定された移動局の位置と、前記バイアス量分布取得部により取得されたバイアス量分布の該移動局の位置に対応するバイアス量から移動局の位置の推定のための初期値を求めるバイアス量推定部３５０と有する。位置推定部３４０は、バイアス量分布取得部３７０により取得されたバイアス量分布を移動局の位置の推定のために使用する。【選択図】図４
2011215001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め位置が特定されている複数の基地局と位置推定対象である複数の移動局との一方向又は双方向通信により取得した所定の信号に基づき移動局の位置を推定する位置推定部と、
前記位置推定部により推定された移動局の位置を用いて該位置を推定された移動局と前記複数の基地局との距離に含まれるバイアス量を推定するバイアス量推定部と、
バイアス量分布マップ上の前記推定された移動局の位置に前記推定されたバイアス量を記憶させて前記バイアス量分布マップを生成することにより、バイアス量分布を取得するバイアス量分布取得部と、
前記位置推定部により推定された移動局の位置と、前記バイアス量分布取得部により取得されたバイアス量分布の該移動局の位置に対応するバイアス量から前記移動局の位置の推定のための初期値を求めるバイアス量推定部と、を備えることを特徴とする位置推定装置。
【請求項２】
前記バイアス量推定部は、前記基地局毎のバイアス量分布マップのうち、前記バイアス量分布の分散が小さい方から３つ以上のバイアス量分布マップを選択し、該選択したバイアス量分布マップのバイアス量分布を用いて前記移動局の位置の推定のための初期値を求めることを特徴とする請求項１に記載の位置推定装置。
【請求項３】
前記バイアス量推定部は、前記バイアス量分布マップに含まれる、前記推定された移動局の位置に対するバイアス量の確率密度分布が閾値以上のバイアス量のみを移動局の位置の推定のための初期値に用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置推定装置。
【請求項４】
前記バイアス量分布取得部は、前記バイアス量分布マップ上の前記移動局の推定位置にバイアス量が記憶されていないとき、近傍の位置に記憶されたバイアス量により該記憶されていないバイアス量を補間することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の位置推定装置。
【請求項５】
前記バイアス量分布取得部は、前記複数の移動局に対してそれぞれ推定された複数の移動局の位置に前記推定されたバイアス量のそれぞれを記憶することによりバイアス量分布マップを更新することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の位置推定装置。
【請求項６】
前記バイアス量推定部は、前記バイアス量分布取得部により取得されたバイアス量分布を前記複数の移動局の位置の推定のための初期値を求めるために共通して使用することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の位置推定装置。
【請求項７】
前記バイアス量分布取得部は、基地局毎に前記バイアス量分布マップを生成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の位置推定装置。
【請求項８】
前記推定された移動局の位置と前記推定されたバイアス量とを関連付けて記憶するバイアス量記憶部をさらに備え、
前記バイアス量分布取得部は、前記バイアス量記憶部に一定時間内に記憶されたバイアス量に基づき前記バイアス量分布マップを更新することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の位置推定装置。
の位置推定装置。
【請求項９】
前記位置推定部は、前記取得した所定の信号に基づき、前記複数の基地局のそれぞれと前記移動局との距離を第１の距離として基地局毎に計測する距離計測部と、
今回、前記距離計測部により計測された前記複数の基地局のうちの一の基地局と前記移動局との前記第１の距離に含まれるバイアス量を、前回又は前回より前に前記複数の基地局のうちの他の複数の基地局と前記移動局との前記第１の距離に含まれると推定されたバイアス量を用いて推定する誤差推定部とを有し、
前記バイアス量推定部は、前記距離計測部により計測された前記第１の距離、及び前記バイアス量分布取得部により取得されたバイアス量分布を用いて前記移動局の位置を推定するための初期値を求めることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載された位置推定装置。
【請求項１０】
前記誤差推定部は、前記第１の距離に基づき各基地局と前記移動局と間の確からしい距離を推定するための複数の状態ベクトルの密度分布を推定し、前記推定された状態ベクトルの密度分布に基づき前記各基地局及び前記移動局間の確からしい距離として第２の距離を算出し、
前記バイアス量推定部は、前記第２の距離及び前記バイアス量分布取得部により取得されたバイアス量分布に基づき前記移動局の位置を推定するための初期値を求めることを特徴とする請求項９に記載された位置推定装置。
【請求項１１】
前記バイアス量分布取得部は、前記第２の距離を用いて推定された移動局の位置に前記推定されたバイアス量を記憶させてバイアス量分布マップを更新することを特徴とする請求項１０に記載された位置推定装置。
【請求項１２】
位置推定部が、予め位置が特定されている複数の基地局と位置推定対象である複数の移動局との一方向又は双方向通信により取得した所定の信号に基づき各移動局の位置を推定するステップと、
バイアス量推定部が、前記位置推定部により推定された移動局の位置を用いて該位置を推定された移動局と前記複数の基地局との距離に含まれるバイアス量を推定するステップと、
バイアス量分布取得部が、バイアス量分布マップ上の前記推定された移動局の位置に前記推定されたバイアス量を記憶させて前記バイアス量分布マップを生成することにより、バイアス量分布を取得するステップと、
バイアス量推定部が、前記位置推定部により推定された移動局の位置と、前記バイアス量分布取得部により取得されたバイアス量分布の該移動局の位置に対応するバイアス量から前記移動局の位置の推定のための初期値を求めるステップと、を含むことを特徴とする位置推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置推定装置及び位置推定方法に関する。より詳細には、本発明は、複数の移動局と複数の基地局で通信を行い、その通信結果である所定の信号に基づいて移動局の位置を推定する位置推定装置及び位置推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、移動局と複数の基地局で通信を行い、その通信結果である無線信号や受発信時刻などに基づいて移動局の位置を推定する測位システムが提案されている。たとえば、特許文献１〜４には、複数の無線基地局と移動局との間で無線信号を送受信し、移動局の位置を推定するシステムが提案されている。
【０００３】
無線信号としては、電波、音波、光、磁気などを用いたものがある。それらを用いて位置を求める方式のうち主要なものを大別すると、信号の受信強度を用いるＲＳＳＩ（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈ  Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）方式（特許文献１参照）、信号の伝播時間を用いるＴＯＡ（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ａｒｒｉｖａｌ）方式（特許文献２参照）、信号の伝播時間差を用いるＴＤＯＡ（Ｔｉｍｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｏｆ  Ａｒｒｉｖａｌ）方式、信号の受信方位を用いるＡＯＡ（Ａｎｇｌｅ  Ｏｆ  Ａｒｒｉｖａｌ）方式（特許文献３参照）の４方式が挙げられる。
【０００４】
ＲＳＳＩ方式は、特許文献１に示したように、信号の受信強度から距離を推定し、そこから３辺測量で位置を推定する方式である。この方式は、高精度に距離を推定することが難しい一方で、厳密かつ高精度な時刻管理が不要で、様々な機器に造りこみやすいといった特徴がある。受信強度から距離を推定することが難しいため、複数の受信信号の強弱のパターンの学習と識別により位置を推定するものもあるが、これには付近に学習済のエリアがなければ位置を推定できないといった課題がある。
【０００５】
ＴＯＡ方式は、信号の伝播時間から距離を計測し、そこから３辺測量で位置を推定する方式である。例えば、移動局から基地局に向かって信号を送信した際の信号の伝播時間をｔとし（通信方向が逆の場合や、双方向通信のものもある）、信号の伝播速度をｃとすると、基地局と移動局間の距離ｌは、ｌ＝ｃ×ｔで求めることができる。無線信号の一例として電波を媒体としたものの場合、一般に空気中の電波の伝播速度は一定（約３０万ｋｍ／秒）のため、時計の精度が十分に高ければ安定した位置精度を実現しやすい。例えば移動局と基地局の全ての時計が同期している場合、伝播時間ｔの計測は１回の通信で行なえる。他にも同期なしで距離を求める方法もあるが、その場合には、移動局から発信した電波が基地局に到着し、更に基地局から移動局にて受信した電波を検出する必要があるため処理の負荷が高くなる。
【０００６】
例えばＴＯＡ方式で用いられる測距の一方式であるＴＷＲ（Ｔｗｏ  Ｗａｙ  Ｒａｎｇｉｎｇ）方式では、移動局から基地局に信号を送出し、信号を受信した基地局は直ちに移動局に返信を行ない、移動局は、自局が信号を送出してから基地局からの信号を受信するまでの往復伝播時間から、基地局で折り返しに必要な処理時間を減算して２で割ることにより、片道にかかった伝播時間を求めることができる。いずれにしても、信号の伝播時間を計測するため、高精度な内部時計は必要である。たとえば電波を用いた場合、約１ｎｓの時刻誤差で約３０ｃｍの距離誤差が生じる。
【０００７】
ＴＤＯＡ方式は、ＴＯＡ方式と同様に信号の伝播時間をベースとしているが、基地局と移動局の距離を計測せずに、移動局からマルチキャスト発信した信号を同時に複数の基地局にて受信し、その受信時間差に基づいて位置を求める。２つの基地局で受信した信号の受信時刻差は、信号の伝播速度を掛け合わせると、移動局から見た距離差となる。２つの基地局から同一の距離差を発生し得る位置は双曲線を描くため、基地局３局以上で同時に信号を受信すると、複数の双曲線が得られ、それらの交点を求めることにより位置が決定する。この方式は、ＴＯＡ方式と比較し、移動局が信号を受信する必要がない点、１回の測位に必要な信号の送信回数が少ない（通常、移動局からの１回の信号発信で位置が確定する）といった利点がある一方、基地局間で時刻を厳密に同期しなければならず、また基地局に内蔵する時計には必ず誤差があるため、時計の精度にあわせて逐次時刻同期を行なう必要がある。
【０００８】
ＡＯＡ方式は、複数の基地局が移動局から信号を受信した際の信号の到達角度に基づき、三角測量を行なう方式である。信号の到達角度は、例えば電波の場合は、アレイアンテナ、音波の場合はマイクロフォンアレイなどを用い、ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ  ＳＩｇｎａｌ  Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法などを用いることで推定できる。距離的に非常に近いアンテナ（マイクロフォン）間の受信時刻差を用いるため、非常に高い精度で個々の受信信号をサンプリングする必要があるといった難しさがある。
【０００９】
このように、各方式には様々な状況により得手、不得手があり、すべてのケースにおいて常に最良となる方式は存在しない。特に、これら無線信号を用いる方式の共通の課題として、反射波による影響がある。
【００１０】
例えば特許文献２では、ＴＯＡ方式で位置を推定するシステムにおいて、反射波の影響を低減する方式が提案されている。通常、基地局と移動局の間に見通し（ＬＯＳ：  Ｌｉｎｅ  ｏｆ  ｓｉｇｈｔ）があり、直線で結ばれる経路（図１のＤ１〜Ｄ４）を通る直接波で通信が行なわれる場合には、直線距離を求めることが可能である。しかしながら、現実には経路途中の構造物Ｏｂなどにより反射が発生することがあり、このような反射波を用いて距離を計測すると、直線距離よりも長い距離（図１のＤ１’）が得られてしまう。これは、基地局と移動局を最短で結ぶ経路がお互いを直線で結ぶ直接波の通る経路であり、それ以外の反射波の通る経路はすべて直線よりも長くなるＤ１’＞Ｄ１の関係が成り立つためである。しかし、この関係を逆に利用することで、なるべく直線の経路に近いものを選ぶことができる。例えば１回の通信の中で直接波と反射波が混在する合成波の場合は、一番初めに到達した成分が直接波による成分であり、この成分により伝播時間を求めることができれば、直線距離を算出することができる。また例えば複数回、信号の伝播時間を計測でき、その中に反射波と直接波による計測値が混在している場合は、最小の計測値を選ぶことで直接波による計測結果を選ぶことができ、それに基づき直線距離を得ることができる。また、この最小値を選ぶという処理は、たとえ直接波による計測結果がなく、すべて反射波によるものであったとしても、直接波と比較して最も差の少ない反射波を選ぶことになり、距離計測の誤差を低減するような直線距離に近い値を選ぶことができる。通信の受信品質をあわせて用いると、多重反射波などの品質の悪い通信を排除でき、より直接波に近いものを選ぶことも可能かもしれない。長期間にわたって継続して計測を行なう場合、移動局の基地局から見た平均移動速度を算出することで、よりもっともらしい位置を算出することも可能である。
【００１１】
特許文献３では、ＴＤＯＡ方式とＡＯＡ方式を組み合わせることで、位置精度を高めようとする技術が開示されている。ＡＯＡ方式は、角度の分解能が一定の場合、基地局と移動局の距離が離れるに従い、位置の分解能が低下する。一方で基地局と距離が十分に近い場合は、高い位置分解能を有する。かかる特徴により、信号の受信時刻が早いものが、移動局に最も近い基地局であり、位置分解能が高いとし、高い重み付けを行なう。このように時刻により重みを変えて加重平均をとることで、よりもっともらしい位置の推定を行なう。また、特許文献３では、受信時刻を得るため、ＴＤＯＡ方式の測位もあわせて行い、それらを重み付けによって加重平均を取ることにより、もっともらしい位置を計測する方式が提案されている。
【００１２】
特許文献４では、ＲＳＳＩ方式で位置推定を行う際に用いる電波強度データを多大なコストをかけずに収集する方法を提案している。ＲＳＳＩ方式で位置推定を行うためには、検出したい位置における電波強度データを取得しておく必要がある。しかし、前述した通り電波環境の変化によって推定精度は劣化する問題点がある。高い推定精度を保つためには変化する電波環境に対応した、電波強度データを作成する必要がある。しかし、電波強度マップを更新する作業は、一般的に既知の位置に対する各基地局の電波強度を人手で測定する必要があるため膨大な人的労力、時間、コストがかかる問題がある。特許文献４では、これらのコストを要せずに動的に電波強度マップを更新するために、測定対象である移動端末が受信した各基地局の電波強度データを、最も近傍に位置する基地局の位置における電波強度データとして記録する方法を提案している。移動端末に最も近傍している基地局の選定の仕方は、受信した電波強度の中から最も強いもの（電波強度は距離の二乗に反比例して減衰する）、すなわち最も距離が近いものを選択する。この収集方法では、基地局の近傍エリア以外のエリアの電波強度データが取得できないため、それらを補間する方法を提案している。基地局の位置が既知であり、基地局間の距離が既知である時、移動端末が受信した各基地局の信号の大きさが分かる（つまり、各基地局と移動端末の距離が分かる）ので、横軸に各基地局までの距離、縦軸に各基地局の電波強度をプロットし、最適の減衰曲線を求めることで移動体端末周辺の電波強度分布が求まる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００９−８５７８０号公報
【特許文献２】特開２００１−２７５１４８号公報
【特許文献３】特開２００７−１３５００号公報
【特許文献４】特開２００９−５５１３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、上記の手法は、例えば基地局と移動局の間に見通しがなく（このような状態を以下、ＮＬＯＳ（Ｎｏｎ  Ｌｉｎｅ  ｏｆ  ｓｉｇｈｔ）と呼ぶ。）、直接波が届かずに反射波のみで伝播経路が構成される場合や、直接波による測定が十分に行なえない場合に、正しく位置を推定することは非常に難しい。
【００１５】
例えば特許文献２の方法では、ＮＬＯＳの状態にあったとしても、時間的な経過により移動局の移動や環境の変化などで、ＮＬＯＳの状態が一時的にでも解消し、直接波が到達すると仮定している。例えば屋外で移動局が道路上を継続的に移動しており、ビルなどの建築物の影響で一時的にＮＬＯＳ状態となっている場合は、時間的経過によってＬＯＳ状態（Ｌｉｎｅ  ｏｆ  ｓｉｇｈｔ：見通しがある状態）とＮＬＯＳ状態が交互に遷移し、長期的にみれば直接波による距離計測が可能な場合も多くある。このような場合では、文献２でもある程度正しく位置を推定可能である。しかし、たとえばオフィス空間などの屋内環境で人や物体を対象とした位置検知を行う場合では、室内の壁や棚などの構造物によりＮＬＯＳ状態になると、検知対象が継続的に移動しない場合が多いため、なかなかＮＬＯＳ状態が解消しないといった課題がある。特許文献２の方法では、このような課題に対処できない。たとえば電波の場合、電波暗室でない屋内など周囲に電波を良く反射する壁面のある環境などでは、直接波と反射波が複雑に混在することになるが、このような場合に電波の強度や雑音などの問題で、直接波を取り逃がす場合がよく起こり得る。このような場合、直接波を受信できる頻度が問題となり、頻度が低い場合には、十分な精度で位置測位が出来ないといった問題も起こる。
【００１６】
また、特許文献３の方法では、特にＡＯＡ方式の分解能が高い基地局近くに移動局がある場合に反射波を拾ってしまうと、移動局が遠方にある場合よりも信号の入射角が大きく変わり、位置精度を大きく低下させる原因となる。
【００１７】
また、特許文献４の方法では、移動局の位置の電波強度を近似的に基地局の位置の電波強度としているために、基地局間の間隔が広ければ広いほど、位置推定精度は大きく低下するという問題がある。
【００１８】
上記問題に鑑み、本発明は、位置推定のための初期値をバイアス量分布マップから得ることにより、位置推定の演算を収束させるまでの時間を短縮するとともに、高い精度で移動局の位置を推定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、予め位置が特定されている複数の基地局と位置推定対象である複数の移動局との一方向又は双方向通信により取得した所定の信号に基づき移動局の位置を推定する位置推定部と、前記位置推定部により推定された移動局の位置を用いて該位置を推定された移動局と前記複数の基地局との距離に含まれるバイアス量を推定するバイアス量推定部と、バイアス量分布マップ上の前記推定された移動局の位置に前記推定されたバイアス量を記憶させて前記バイアス量分布マップを生成することにより、バイアス量分布を取得するバイアス量分布取得部と、前記位置推定部により推定された移動局の位置と、前記バイアス量分布取得部により取得されたバイアス量分布の該移動局の位置に対応するバイアス量から前記移動局の位置の推定のための初期値を求めるバイアス量推定部と、を備えることを特徴とする位置推定装置が提供される。
【００２０】
通常、ＴＯＡ方式で位置推定を行う場合、最低３つの基地局からの観測値があれば位置を求めることが出来るが、バイアス量を多く含む精度の悪い観測値が含まれていると、３円が重畳する領域が大きくなり推定される位置の精度は悪くなる。この状態で繰り返しバイアス量を推定した場合、収束までに多くの計算時間を要し、推定されたバイアス量の精度も悪くなってしまう問題がある。また、一度バイアス量を推定した位置に対して再度位置推定を行う場合に、初期値を一様乱数で与えているため、過去に推定したバイアス量を扱えず、同じだけの計算時間がかかるという問題もある。
【００２１】
これに対して、かかる構成によれば、推定したバイアス量を推定した位置情報と対応付けて、バイアス量分布マップ上に記憶することにより、バイアス量の分布状態を容易に把握することができる。これにより、バイアス量分布マップを用いて位置推定のための初期値を求めることにより、想定される誤差分を含まない初期値を算出することができる。これにより、位置推定の演算を収束させるまでの時間を短縮するとともに、高い精度で移動局の位置を推定することができる。また、見通しのないＮＬＯＳ環境や、反射波の発生しやすい環境に対する耐性が得られる。前記移動局の位置の推定のための初期値をバイアス量分布マップの該当バイアス量に基づき得ることができる。この結果、移動局の位置を推定するための初期値に含まれる想定誤差分（バイアス量）を除くことができるため、位置推定の演算を収束させるまでの時間を短縮することができるとともに、高い精度で移動局の位置を推定することができる。
【００２２】
前記バイアス量推定部は、前記基地局毎のバイアス量分布マップのうち、前記バイアス量分布の分散が小さい方から３つ以上のバイアス量分布マップを選択し、該選択したバイアス量分布マップのバイアス量分布を用いて前記移動局の位置を推定のための初期値を求めてもよい。
【００２３】
前記バイアス量推定部は、前記バイアス量分布マップに含まれる、前記推定された移動局の位置に対するバイアス量の確率密度分布が閾値以上のバイアス量のみを移動局の位置の推定のための初期値に用いてもよい。
【００２４】
前記バイアス量分布取得部は、前記バイアス量分布マップ上の前記移動局の推定位置にバイアス量が記憶されていないとき、近傍の位置に記憶されたバイアス量により該記憶されていないバイアス量を補間してもよい。
【００２５】
前記バイアス量分布取得部は、前記複数の移動局に対してそれぞれ推定された複数の移動局の位置に前記推定されたバイアス量のそれぞれを記憶することによりバイアス量分布マップを更新してもよい。
【００２６】
前記位置推定部は、前記バイアス量分布取得部により取得されたバイアス量分布を前記複数の移動局の位置の推定のための初期値を求めるために共通して使用してもよい。
【００２７】
前記バイアス量分布取得部は、基地局毎に前記バイアス量分布マップを生成してもよい。
【００２８】
前記推定された移動局の位置と前記推定されたバイアス量とを関連付けて記憶するバイアス量記憶部をさらに備え、前記バイアス量分布取得部は、前記バイアス量記憶部に一定時間内に記憶されたバイアス量に基づき前記バイアス量分布マップを更新してもよい。
【００２９】
前記位置推定部は、前記取得した所定の信号に基づき、前記複数の基地局のそれぞれと前記移動局との距離を第１の距離として基地局毎に計測する距離計測部と、今回、前記距離計測部により計測された前記複数の基地局のうちの一の基地局と前記移動局との前記第１の距離に含まれるバイアス量を、前回又は前回より前に前記複数の基地局のうちの他の複数の基地局と前記移動局との前記第１の距離に含まれると推定されたバイアス量を用いて推定する誤差推定部とを有し、前記バイアス量推定部は、前記距離計測部により計測された前記第１の距離、及び前記バイアス量分布取得部により取得されたバイアス量分布を用いて前記移動局の位置を推定するための初期値を求めてもよい。
【００３０】
前記誤差推定部は、前記第１の距離に基づき各基地局と前記移動局と間の確からしい距離を推定するための複数の状態ベクトルの密度分布を推定し、前記推定された状態ベクトルの密度分布に基づき前記各基地局及び前記移動局間の確からしい距離として第２の距離を算出し、前記バイアス量推定部は、前記第２の距離及び前記バイアス量分布取得部により取得されたバイアス量分布に基づき前記移動局の位置を推定するための初期値を求めてもよい。
【００３１】
前記バイアス量分布取得部は、前記第２の距離を用いて推定された移動局の位置に前記推定されたバイアス量を記憶させてバイアス量分布マップを更新してもよい。
【００３２】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、位置推定部が、予め位置が特定されている複数の基地局と位置推定対象である複数の移動局との一方向又は双方向通信により取得した所定の信号に基づき各移動局の位置を推定するステップと、バイアス量推定部が、前記位置推定部により推定された移動局の位置を用いて該位置を推定された移動局と前記複数の基地局との距離に含まれるバイアス量を推定するステップと、バイアス量分布取得部が、バイアス量分布マップ上の前記推定された移動局の位置に前記推定されたバイアス量を記憶させて前記バイアス量分布マップを生成することにより、バイアス量分布を取得するステップと、バイアス量推定部が、前記位置推定部により推定された移動局の位置と、前記バイアス量分布取得部により取得されたバイアス量分布の該移動局の位置に対応するバイアス量から前記移動局の位置の推定のための初期値を求めるステップと、を含むことを特徴とする位置推定方法が提供される。
【発明の効果】
【００３３】
以上説明したように本発明によれば、ＮＬＯＳ状態の場合や直接波と反射波が混在して受信するような環境下であっても、位置推定のための初期値をバイアス量分布マップから得ることにより、位置推定の演算を収束させるまでの時間を短縮しながら、高い精度で移動局の位置を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態に係る位置推定システムの全体構成を示した図である。
【図２】直接波及び反射波を説明するための図である。
【図３】同実施形態に係る位置推定装置の内部構成を示した図である。
【図４】同実施形態に係る位置推定処理を示したフローチャートである。
【図５】同実施形態に係る位置推定方法を説明するための図である。
【図６】同実施形態に係る位置推定方法を説明するための図である。
【図７】同実施形態に係る位置推定方法を説明するための図である。
【図８】同実施形態に係る状態ベクトルの収束過程を概念的に示した図である。
【図９】同実施形態に係るバイアス量分布マップの一例を示した図である。
【図１０】同実施形態に係るバイアス量記憶部の記憶状態の一例を示した図である。
【図１１】同実施形態に係るバイアス量の分布の一例を示した図である。
【図１２】複数の基地局のある推定位置でのバイアス量の確率密度分布の違いを示した図である。
【図１３】ある推定位置でのバイアス量の確率密度分布の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３６】
［位置推定システムの全体構成］
まず、本発明の一実施形態に係る位置推定システムの全体構成について図１を参照しながら説明する。本実施形態に係る位置推定システム１０は、複数の移動局として第１の移動局１０１、第２の移動局１０２、複数の基地局として第１の基地局２０１、第２の基地局２０２、第３の基地局２０３及び第４の基地局２０４を有している。位置推定システム１０は、第１の移動局１０１及び第２の移動局１０２の位置を推定する。第１の基地局２０１〜第４の基地局２０４は、位置が既知、もしくは位置推定演算時にその位置が取得でき、移動局１０１，１０２との一方向又は双方向通信が可能である。位置推定システム１０は、基地局２０１〜２０４と移動局１０１，１０２との通信の結果、取得した所定の信号に基づき移動局１０１、１０２の位置を推定する。この推定結果を複数の移動局で共有し、各移動局の位置の推定に用いる。各移動局の推定結果の共有の仕方は、各移動局同士が通信を行って共有しても良いし、各移動局の推定結果を外部に記憶し共有しても良い。移動局と基地局との通信結果は、移動局毎にＩＤを付加するなどして、複数の移動局の識別が可能である。
【００３７】
第１の基地局２０１〜第４の基地局２０４は、例えば屋内の無線ＬＡＮの基地局や携帯電話の基地局等のように設置されている。また、第１の基地局２０１〜第４の基地局２０４は、測位信号にデータを付加することで、通信網としての共用も可能である。また、第１の基地局２０１〜第４の基地局２０４の位置を特定する手段があれば、基地局を固定する必要はなく、移動局１０１，１０２と同様に可動式の形態としても良い。
【００３８】
移動局１０１，１０２としては、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）やセンサーネットワークのノード、携帯電話、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、アクティブタグなど、様々な形態への適用が可能である。ここでは、移動局が２局、基地局が４局の例をあげて説明するが、移動局は１局でも３局以上でも良く、また、基地局も２局以上であれば何局であっても良い。通常、３辺測量による位置の推定には３局以上の基地局が必要だが、電波以外に位置に関連する制約条件（たとえば人がいる領域がある程度決まっている場合など）がある場合、基地局が２局であっても位置を推定することができる場合がある。例えば２つの基地局からの距離がそれぞれｘメートルとｙメートルとなるエリアは、空間内には環状に存在するが、そのうちオフィスフロア（たとえば床面から１ｍ上部にある平面）やオフィス内で人が移動可能な範囲などの制約条件との交点を求めると、１点が得られる場合がある。このような場合は、２局からでも位置検知が可能である。
【００３９】
［位置推定装置の内部構成］
図３に、本実施形態に係る位置推定装置３００の内部構成（ブロック）図を示す。位置推定装置３００は、基地局に内蔵されていてもよいし、移動局に内蔵されていてもよい。基地局や移動局と別体で存在していてもよい。位置推定装置３００は、距離計測部３１０、誤差推定部３２０、誤差記憶部３３０、位置推定部３４０、バイアス量推定部３５０、バイアス量記憶部３６０及びバイアス量分布取得部３７０を有している。
【００４０】
距離計測部３１０は、第１の測距部３１１、第２の測距部３１２、第３の測距部３１３及び第４の測距部３１４を有している。第１の測距部３１１〜第４の測距部３１４は、移動局１０１，１０２と第１の基地局２０１〜第４の基地局２０４との通信により取得した所定の信号に基づき、第１の基地局２０１〜第４の基地局２０４と移動局１０１，１０２との観測距離を基地局毎に計測する。すなわち、第１の測距部３１１〜第４の測距部３１４は、第１の基地局２０１〜第４の基地局２０４から、移動局１０１，１０２との通信結果（上記所定の信号に相当）を取得し、移動局１０１，１０２とそれぞれの基地局との観測距離を出力する。たとえば第１の測距部３１１は、移動局１０１，１０２と第１の基地局２０１との間の通信結果から観測距離（図１のＤ１１、Ｄ２１）を算出する。同様に、第２の測距手段３１２、第３の測距部３１３及び第４の測距部３１４は、移動局１０１，１０２との通信結果から観測距離Ｄ１２、Ｄ２２、Ｄ１３、Ｄ２３、Ｄ１４、Ｄ２４を算出する。このとき、各基地局２０１〜２０４の通信結果がどの移動局との通信結果であるかは、前述したようにＩＤによって識別可能である。
【００４１】
なお、各測距部で距離を求めるために用いた通信結果は、必ずしも基地局から得る必要はなく、移動局側で収集したのち、特定の基地局へ複数基地局分をまとめて渡してもよいし、別の通信路で測距部へ渡しても良い。ここの通信路やプロトコルについては、いかような方法でも可能である。
【００４２】
第１の測距部３１１〜第４の測距部３１４は、前記所定の信号（通信結果）から第１の基地局２０１〜第４の基地局２０４及び移動局１０１，１０２間の信号の伝搬時間を計測し、計測された伝搬時間に所与の伝搬速度を乗算することによって観測距離をそれぞれ算出する。図２に示したように、算出された第１の基地局２０１〜第４の基地局２０４と移動局１０１，１０２との間の観測距離は、何らの障害物がない場合、観測距離Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４となる。しかしながら、実際には、経路途中の構造物Ｏｂなどにより反射が発生し、このような反射波を用いて距離が計測されるため、直線距離Ｄ１１よりも長い観測距離Ｄ１’が算出される場合がある。
【００４３】
なお、第１の測距部３１１〜第４の測距部３１４は、所定時間毎に前記所定の信号を取得し、取得した所定の信号に基づき所定時間毎に観測距離を計測することを繰り返す。各基地局及び移動局間の観測距離は、距離計測部３１０により計測される第１の距離に相当する。
【００４４】
誤差推定部３２０は、第１の誤差推定部３２１、第２の誤差推定部３２２、第３の誤差推定部３２３及び第４の誤差推定部３２４を有している。第１の誤差推定部３２１〜第４の誤差推定部３２４は、第１の測距部３１１〜第４の測距部３１４により計測された観測距離と、過去の履歴等から推定した誤差の分布に加え、今現在観測された観測値を用いて暫定的な位置が求められており、バイアス量推定部３５０により、その位置に対応するバイアス量がバイアス量分布マップから求められているから、そのバイアス量を観測誤差の初期値として、移動局の距離(位置)を推定する。
【００４５】
具体的には、第１の誤差推定部３２１〜第４の誤差推定部３２４は、基地局と移動局との観測距離に含まれるバイアス量を、基地局毎に生成されたバイアス量分布マップ上の前記推定された移動局の位置に対応して記憶されたバイアス量を用いて推定する。
【００４６】
バイアス量ｂは、図２の反射経路Ｄ１’に示したように、直線距離Ｄ１に対して観測距離に含まれる誤差値（伸び量）である。たとえば第１の基地局２０１と移動局１０１，１０２との間に電波を通さない障害物Ｏｂがあると、電波は、たとえば建物Ｂｒの壁を反射して基地局まで到達する。このときの観測距離はＤ１’となり、第１の基地局２０１及び移動局１０１，１０２間の真の距離よりバイアス量ｂだけ長くなる。
【００４７】
第１の誤差推定部３２１〜第４の誤差推定部３２４は、状態ベクトルの密度分布に基づきバイアス量を求め、求められたバイアス量と観測距離とから各基地局と移動局との誤差量を取り除いた各基地局と移動局との確からしい距離を算出する。より具体的には、第１の誤差推定部３２１〜第４の誤差推定部３２４は、観測距離に基づき各基地局及び移動局間の確からしい距離を推定するための複数の状態ベクトルの密度分布を推定し、前記推定された状態ベクトルの密度分布に基づき前記各基地局及び前記移動局間の確からしい距離を算出する。なお、第１の距離から各基地局と移動局との誤差量を取り除いた（各基地局と移動局との確からしい）距離は、第２の距離に相当する。
【００４８】
第１の誤差推定部３２１〜第４の誤差推定部３２４は、状態ベクトルの密度分布の分散値と所与の閾値とを比較することにより、状態ベクトルの密度分布が収束していると判断した場合、求められたバイアス量と観測距離とから第２の距離を算出する。一方、第１の誤差推定部３２１〜第４の誤差推定部３２４は、状態ベクトルの密度分布の分散値と所与の閾値とを比較することにより、状態ベクトルの密度分布が収束していないと判断した場合、観測距離をそのまま前記第２の距離とする。
【００４９】
第１の誤差推定部３２１〜第４の誤差推定部３２４は、前記第１の距離が計測される都度、上記の方法で状態ベクトル密度分布を更新し、更新された状態ベクトル密度分布に基づき第２の距離を算出する。
【００５０】
誤差記憶部３３０は、第１の誤差記憶部３３１、第２の誤差記憶部３３２、第３の誤差記憶部３３３及び第４の誤差記憶部３３４を有している。第１の誤差記憶部３３１〜第４の誤差記憶部３３４は、たとえばバイアス量等の過去の誤差の推定値や誤差を推定するための状態ベクトルを記憶する。
【００５１】
よって、今回、第１の測距部３１１〜第４の測距部３１４のいずれかにより計測される一の基地局と移動局との観測距離に含まれるバイアス量は、第１の誤差記憶部３３１〜第４の誤差記憶部３３４に記憶された、前回又は前回より前に他の複数の基地局と移動局との観測距離に含まれると推定されたバイアス量を用いて推定されることとなる。
【００５２】
位置推定部３４０は、予め位置が特定されている複数の基地局と位置推定対象である複数の移動局との一方向又は双方向通信により取得した所定の信号に基づき移動局の位置を推定する。具体的には、位置推定部３４０は、第１の測距部３１１〜第４の測距部３１４により算出された各基地局及び移動局間の観測距離を用いて第１の移動局１０１及び第２の移動局１０２の位置を推定する。第１の移動局１０１及び第２の移動局１０２の位置を推定する際には、算出された第２の距離を用いてもよい。位置の推定に当たっては、次に説明するバイアス量推定部３５０により求められたバイアス量を初期値として用いる。
【００５３】
バイアス量推定部３５０は、位置推定部３４０が計算した第１の移動局１０１及び第２の移動局１０２の推定位置（ｘ、ｙ）と基地局の位置と観測距離から、推定位置に対応したバイアス量を求める。すなわち、バイアス量推定部３５０は、バイアス量分布マップの移動局１０２の推定位置（ｘ、ｙ）に記憶されたバイアス量を求め、これらの情報から移動局の推定のための初期値を算出する。
【００５４】
第１の誤差推定部３２１〜第４の誤差推定部３２４は、後述するバイアス量分布取得部３７０により取得されたバイアス量分布を複数の移動局の推定初期位置を算出するために共通して使用する。
【００５５】
バイアス量記憶部３６０は、図１０に示したように、観測時刻（時刻情報）３６１、移動局ＩＤ３６２、推定位置３６３（位置座標（ｘ、ｙ））及びバイアス量３６４を対応づけて記憶する。これらの情報は、基地局毎に記憶される。バイアス量記憶部３６０は、基地局の内部に持たせてもよいし、外部に記憶するようにしてもよい。なお、推定位置３６３（位置座標（ｘ、ｙ））及びバイアス量３６４以外の項目は、記憶されていたほうが好ましい情報であるが、なくてもよい。
【００５６】
バイアス量分布取得部３７０は、バイアス量記憶部３６０から推定位置３６３に対応するバイアス量３６４を取得し、位置情報に対してバイアス量がどのように分布しているかを求め、図１１に示したようなバイアス量分布マップを作成し、提供する。つまり、バイアス量分布取得部３７０は、バイアス量分布マップ上の前記推定された移動局の位置に前記推定されたバイアス量を記憶させてバイアス量分布マップを生成することにより、バイアス量分布を取得する。バイアス量記憶部３６０にバイアス量の記憶がない場合（初期状態等）は、全ての位置でバイアス量が０の分布としてもよい。
【００５７】
バイアス量分布取得部３７０は、複数の移動局１０１，１０２に対してそれぞれ推定された複数の移動局の位置に前記推定されたバイアス量のそれぞれを記憶することによりバイアス量分布マップを更新する。バイアス量分布取得部３７０は、基地局毎にバイアス量分布マップを生成する。
【００５８】
なお、各部への指令は、専用の制御デバイスあるいはプログラムを実行する図示しないＣＰＵにより実行される。各プログラムやバイアス量分布マップは、図示しないＲＯＭや不揮発性メモリに予め記憶されている。ＣＰＵが、これらのメモリから各プログラムを読み出し実行することにより、各部の各機能が実現される。
【００５９】
［位置推定装置の動作］
次に、本実施形態に係る位置推定装置３００の動作について、図４に示した移動局の位置推定処理を示したフローチャートを参照しながら説明する。ここでは、第１の測距部３１１により測定された観測距離から第１の誤差推定部３２１により推定された誤差（バイアス量）及びバイアス量分布マップの所定位置のバイアス量を用いて第１の基地局２０１と移動局１０１，１０２との第２の距離（最も確からしい距離）を推定し、移動局１０１，１０２の位置を推定する。
【００６０】
第２の距離（最も確からしい距離）の推定手段は、状態ベクトルの初期化ステップで誤差を一様に与える代わりに、第１の距離から暫定の位置を求め、求めた位置に対応するバイアス量をバイアス量分布マップから求め、求められたバイアス量を用いて前記暫定の位置に含まれる想定誤差分を除いた値を算出し、この値を位置推定のための初期値として扱うことで、第２の距離を求める。以下に具体的に説明する。
【００６１】
移動局の位置推定処理は、距離計測ステップＳ３０１、バイアス量分布取得ステップＳ３０２、状態ベクトル初期化ステップＳ３０３、誤差推定ステップ（尤度算出ステップＳ３０４、バイアス量推定ステップＳ３０５）、出力ステップＳ３０６の順に実行される。
【００６２】
（距離計測ステップ）
距離計測ステップＳ３０１では、図７に示すような従来の技術により移動局及び基地局間の観測距離を算出する。たとえば、距離計測ステップＳ３０１では、距離計測部３１０が、第１の基地局２０１〜第４の基地局２０４と第１の移動局１０１及び第２の移動局１０２との通信により取得した所定の信号に基づき、第１の基地局２０１〜第４の基地局２０４と移動局１０１，１０２との観測距離を基地局毎に計測する。以下に観測距離の計測方法について例を挙げて説明する。
【００６３】
前述したように、第１の基地局２０１〜第４の基地局２０４は、第１の移動局１０１及び第２の移動局１０２と通信を行なう。第１の測距部３１１〜第４の測距部３１４は、第１の基地局２０１〜第４の基地局２０４のそれぞれと移動局１０１，１０２との通信結果から、観測距離を算出する。
【００６４】
第１の測距部３１１は、第１の基地局２０１と第１の移動局１０１との通信結果から、第１の基地局２０１と第１の移動局１０１との間の観測距離を求める。同様に、第１の基地局２０１と第２の移動局１０２との通信結果から、第１の基地局２０１と第２の移動局１０２との間の観測距離を求める。ＴＯＡ方式の場合は、例えば基地局と移動局の間で信号を送受信し、信号の伝播に要した時間に信号の伝播速度をかけることで、観測距離を求める。
【００６５】
たとえば、第１の基地局２０１から移動局１０１，１０２に送られる信号の発信時間をそれぞれＴＳ１１、ＴＳ２１とし、第１の基地局２０１から移動局１０１，１０２に信号が到達した後、移動局１０１，１０２から信号を発信し、その信号を第１の基地局２０１が受信した時間をそれぞれＴＲ１１、ＴＲ２１とし、移動局１０１，１０２で信号を受信してから信号を発信するまでの時間をそれぞれｔ１ｍ、ｔ２ｍとし、信号の伝播速度をｃとすると、第１の測距部３１１では、第１の基地局２０１と第１の移動局１０１との観測距離Ｄ１１、及び第１の基地局２０１と第２の移動局１０２との観測距離Ｄ２１を、以下のように求めることができる。
【００６６】
【数１】
2011215001.tif 000003
【００６７】
移動局１０１，１０２と基地局２０１〜２０４が時刻同期を行なっている場合、第１の移動局１０１が第１の基地局２０１に対して信号を発信した時刻をＴＭ１１、第１の基地局２０１が信号を受信した時刻をＴＢ１１、第２の移動局１０２が第１の基地局２０１に対して信号を発信した時刻をＴＭ２１、第１の基地局２０１が信号を受信した時刻をＴＢ２１とすると、第１の基地局２０１と移動局１０１，１０２とのそれぞれの観測距離Ｄ１１、Ｄ２１は、以下のように求めることもできる。
【００６８】
【数２】
2011215001.tif 000004
【００６９】
（観測誤差と誤差推定）
移動局１０１と第２の基地局２０２〜第４の基地局２０４との観測距離Ｄ１２〜Ｄ１４についても、第２の測距部３１２〜第４の測距部３１４により同様に求めることが出来る。また、ＲＳＳＩ方式の場合は、たとえば基地局と移動局が通信を行なった際の電波強度を得て、電波強度と距離との関係から観測距離を求めることができる。
【００７０】
第１の測距部３１１〜第４の測距部３１４で得られる観測距離Ｄ１１〜Ｄ１４、Ｄ２１〜Ｄ２４は、観測値としての距離であり、実際の真の距離ではなく、様々な要因に基づく観測誤差ｅ１１〜ｅ１４、ｅ２１〜ｅ２４を含む。真の距離をＧ１１〜Ｇ１４、Ｇ２１〜Ｇ２４とすると、以下の関係が成り立つ。
【００７１】
【数３】
2011215001.tif 000005
【００７２】
例えばＴＯＡ方式の場合には、信号の伝播時間を測定する際のクロックの分解能、揺らぎやクロック自身の誤差のほか、アンテナ（音波の場合はマイクロフォンなど）と信号を検波し受信時間を付与する部分までの伝送路内の伝播時間、検波処理時間等に誤差要因が存在しうる。ＴＷＲ方式の場合には、通信の折り返しに必要な処理時間の推定誤差などの要因が発生しうる。また電波や音波等を利用するため、壁の反射などによる反射波の影響や多重反射と直接波の合成、壁などによる直接波の遮断や減衰などが起こりえるほか、電波環境・音波環境としての環境ノイズ重畳による検波ミスや誤検波なども発生する。このうち、位置や距離を測定するといった目的からは、反射波の影響が非常に大きく、反射波を捉えてしまうと、反射経路の推定が難しいため直接波の伝播経路（例えば図２のＤ１１）より延びた反射波の伝播経路（例えば図２のＤ１’）を、直接波の経路と誤って観測してしまい、大きな観測誤差が発生することになる。
【００７３】
反射波による影響では、ＮＬＯＳ環境では常に反射波を捉えてしまい、非常に大きくて量がある程度固定的なバイアス的な誤差を生じうる。また、アンテナと検波回路までの伝播路の伝播時間は、アンテナの付け替えやケーブル長の影響により、量としては小さいもののバイアス的な誤差を発生しうる。このようなバイアス的な誤差は、観測誤差の中ではある程度固定的な成分となるため、バイアス量ｂｉｊと定義し、これと真の観測雑音ｅ’ｉｊとの合成を観測誤差ｅｉｊと考えることができる。
【００７４】
【数４】
2011215001.tif 000006
【００７５】
ＮＬＯＳ環境で、非常に大きなバイアス量が生じた場合の補償を考えると、バイアス量と観測誤差の関係はｂｉｊ＞＞ｅ’ｉｊとなることがあり、このような場合は、観測誤差とバイアス量の関係を以下の式のようにみなすこともできる。
【００７６】
【数５】
2011215001.tif 000007
【００７７】
またクロック分解能に起因する誤差やハードウェア上の熱雑音等、ある程度ランダム状、白色雑音状の誤差が発生しうるが、これはｅ’ｉｊに分類可能である。これらのように、複数の要因による誤差が合成された観測誤差が発生する。
【００７８】
前述したとおり、ＮＬＯＳ環境で、非常に大きなバイアス的な誤差が発生した場合、バイアス量ｂｉｊ＞＞ｅ’ｉｊとなることがあり、このような場合に、バイアス量を推定できれば、距離精度や位置精度を飛躍的に向上させることができる。たとえばＩＲ−ＵＷＢ（Ｉｍｐｕｌｓｅ  Ｒａｄｉｏ  Ｕｌｔｒａ  ｗｉｄｅｂａｎｄ）無線を利用したＴＯＡ／ＴＤＯＡ型の位置検知デバイスでは、反射波の影響などがないＬＯＳ環境においては、一般に距離や位置の検知精度が５０ｃｍ程度といわれている。基地局の設置間隔を２０ｍ間隔とすると、ＮＬＯＳ環境では基地局と移動局間の観測距離に数ｍ〜十数ｍレベルのバイアス量が発生する場合があり、このバイアス量の分だけ位置の検知精度が劣化する。通常、位置検知を行なう場合は、位置が分かっている複数の基地局を利用し、移動局と複数の基地局との通信結果から位置を推定する。そのため、一つ一つの基地局のバイアス量を推定する場合に、他の基地局との通信結果を用いることができる。誤差の推定を逐次的に繰り返すことにより、バイアス量を精度良く推定できれば、最終的な距離や位置の精度をＬＯＳ環境に近づけることができる。
【００７９】
（バイアス量分布取得ステップ）
バイアス量分布取得ステップＳ３０２では、後述するバイアス量推定ステップＳ３０５にて推定されるバイアス量をマッピングしたバイアス量分布マップに基づき観測位置のバイアス量を取得する。
【００８０】
バイアス量分布マップは、図９に示したように、幅ｗ、高さｈのテーブル構造を基地局毎に持ち、位置情報（ｘ、ｙ）に対応したバイアス量ｂを格納する。幅ｗはｘ座標に対応し、高さｈはｙ座標に対応する。ｘ座標とｙ座標が交わる部分に、そのｘ座標及びｙ座標に対応するバイアス量ｂを格納する。たとえば、座標（ｉ、ｊ）の位置にはバイアス量ｂｉｊが格納されている。
【００８１】
（状態ベクトル初期化ステップ）
状態ベクトル初期化ステップＳ３０３では、距離計測ステップＳ３０１にて計測された距離から算出される移動局の位置と、バイアス量分布取得ステップＳ３０２にてバイアス量分布マップに基づき取得された、前記移動局の位置に対するバイアス量に基づき、次の誤差推定ステップにて用いる移動局の推定のための初期値（初期位置）を求める。
【００８２】
バイアス量分布マップに対応するバイアス量がない場合には、取り得る値の範囲にほぼ一様に分布する擬似乱数値や、平均ａ，分散σ２のガウス分布に従う乱数などを状態ベクトルに与えることができる（図８（ａ）を参照）。この状態ベクトルは、誤差記憶部３３０に記憶される。バイアス量がある場合には、推定バイアス量の初期値はバイアス量分布取得部３７０により得られるバイアス量に移動局の移動し得る確率に基づくランダム値を加算して用いる。
【００８３】
（誤差推定）
誤差推定ステップ（尤度算出ステップＳ３０４、バイアス量推定ステップＳ３０５）では、誤差推定部３２０が、今回、距離計測ステップＳ３０１にて計測された第１の基地局２０１〜第４の基地局２０４のうちの一の基地局と移動局１０１，１０２との観測距離に含まれる誤差量をバイアス量として推定する。
【００８４】
第１の誤差推定部３２１〜第４の誤差推定部３２４では、第１の測距部３１１〜第４の測距部３１４から得られた観測距離Ｄ１１〜Ｄ１４、Ｄ２１〜Ｄ２４から推定距離ｇ１１〜ｇ１４、ｇ２１〜ｇ２４および推定バイアス量ｂ１１〜ｂ１４、ｂ２１〜ｂ２４を推定する。ここでは、第１の誤差推定部３２１について記載するが、第２の誤差推定部３２２〜第４の誤差推定部３２４についても同様な処理でバイアス量を推定することが可能である。
【００８５】
第１の誤差推定部３２１では、Ｎ個の状態ベクトルを用いてバイアス量ｂ１１を推定し推定距離ｇ１１を求める。Ｎは、値が大きくなるほど精度良く観測誤差を推定できる可能性が高まるが、一方で処理量がＮに比例して高くなるため、１０〜数千程度の範囲の値が良く用いられる。
【００８６】
Ｎ個の状態ベクトルを、以下の式（６）と定義する。
【数６】
2011215001.tif 000008
【００８７】
ここでｔは観測時刻を示し、ｔ＝０は初期状態、ｔ＝１は、観測開始後最初に得られた観測値に基づく状態ベクトルである。また１個の状態ベクトルの一例を、たとえば以下のように表現できる。
【数７】
2011215001.tif 000009
ただし、ｉ＝１，…，Ｎ
【００８８】
ここで、ｇitは、時刻ｔにおける基地局と移動局間の推定距離を指し、ｂitは、時刻ｔにおける推定バイアス量を指す。状態ベクトルの要素は、推定距離ｇitのみでもよいし、推定バイアス量ｂitのみでもよい。また、移動局がある程度一定の速度で移動していると仮定し、状態ベクトルに速度項を付加するなど、１次元、２次元以上の次元であってもよいが、ここでは、推定距離と推定バイアスの２次元の例に基づき説明を行う。
【００８９】
以下では、第１の移動局と基地局２０１〜２０４との距離推定を例に挙げて、図４の各ステップについて説明を行うが、第２の移動局と基地局２０１〜２０４との場合も処理は同様である。
【００９０】
（尤度算出ステップ）
誤差推定ステップ中の尤度算出ステップＳ３０４では、観測値を用いて尤度を算出する。尤度は、第１の基地局２０１〜第４の基地局２０４による測距結果である第１の測距部３１１〜第４の測距部３１４の出力Ｄ１１〜Ｄ１４と、それぞれの基地局の推定バイアス量を用いて対数尤度Ｌitを求める。座標（ｇ、ｂ）における対数尤度関数Ｌt（ｇ、ｂ）を、次式で定める。
【００９１】
【数８】
2011215001.tif 000010
【００９２】
ここで、Ｐｔ、ｘｙｚ（ｇ，ｂ）は、時刻ｔにおけるｘ番目の基地局ｘとｙ番目の基地局ｙとｚ番目の基地局ｚと基地局の推定距離を用いて尤度を求める関数である。それぞれ時刻ｔで決定済の移動局までの推定距離ｇｘ，ｇｙ，ｇｚを用い、それぞれの位置に基づき３辺測量など従来技術の原理で求めた移動局１０１の仮想位置（Ｘｘｙｚ，Ｙｘｙｚ，Ｚｘｙｚ）を移動局１０１の暫定的な位置とし、その暫定位置と第１の基地局２０１の距離から得られる距離ｇｘｙｚと、時刻ｔにおける観測距離Ｄｔ，１からｇｘｙｚを減算した推定バイアス量ｂｘｙｚ（＝Ｄｔ，１−ｇｘｙｚ）とし、第１の基地局２０１の位置を（ＸＢ，ＹＢ，ＺＢ）とすると、距離ｇｘｙｚは、例えば次式で表すことができる。
【００９３】
【数９】
2011215001.tif 000011
【００９４】
また、Ｐｔ，ｘｙｚ（ｇ，ｂ）は、例えば次式で表すことができる。
【数１０】
2011215001.tif 000012
【００９５】
σｋは基地局ｋでのパラメータであり、基地局ｋからの観測値を基準に求めた標準偏差を用いても良いし、誤差記憶部３３０へ記録される観測時刻毎に得られる推定距離ｇｋの分布から得ても良い。このように、第１の基地局２０１における推定距離と推定バイアス量からなる状態ベクトルの尤度計算に、他の基地局による観測値や推定値を用いるため、全体として基地局毎に異なるバイアス値の分布をしている場合に、時刻ｔが進むにつれて徐々に正しいバイアス値に収束させていくことが可能である。
【００９６】
2011215001.tif 000013
【００９７】
2011215001.tif 000014
【００９８】
2011215001.tif 000015
【００９９】
2011215001.tif 000016
【０１００】
2011215001.tif 000017
【０１０１】
Ｎ個の状態ベクトルが十分に収束していなければ、ステップＳ３０４及びステップＳ３０５を繰り返し、十分に収束してから出力ステップＳ３０６に進む。ただし、Ｎ個の状態ベクトルが十分に収束していなければ、観測距離Ｄｔ、１を推定距離ｇ１として出力してもよい。十分に収束していないという判断は、例えばｇｉｔ＋１の分布による標準偏差値が閾値α以上、尤度の最大値が非常に低い等の指標がある。
【０１０２】
以上のようにして、図４の位置推定処理が所定時間経過毎に実行される。すなわち、時刻ｔで図４の位置推定処理を実行した後、次の時刻ｔ＋１で新しい観測距離Ｄｔ＋１，１が得られると、距離計測ステップＳ３０１から再び処理を始める。
【０１０３】
（誤差推定ステップ）
なお、誤差推定ステップ（Ｓ３０４、Ｓ３０５）では、第１の誤差記憶部３３１で保持している時刻ｔの状態ベクトルの分布から、時刻（ｔ＋１）の状態ベクトルを予測する。予測した時刻（ｔ＋１）の状態ベクトルを、以下のように定義する（図８（ｂ），図８（ｅ）を参照）。
【０１０４】
【数１２】
2011215001.tif 000018
【０１０５】
【数１３】
2011215001.tif 000019
【０１０６】
【数１４】
2011215001.tif 000020
【０１０７】
（位置推定）
位置推定部３４０は、誤差推定部３２０から得られる第１の移動局１０１及び基地局２０１〜２０４間の推定距離ｇ１〜ｇ４を用いて位置推定を行う。図５を参照すると、推定距離ｇ１〜ｇ４が、基地局と移動局との間の距離の真値Ｇ１〜Ｇ４に等しい場合、各基地局からそれぞれの距離ｇ１〜ｇ４の円を描くと、円は移動局の位置で一点に交わり、位置を求めることができる。
【０１０８】
しかし、距離ｇ１〜ｇ４は推定量であり、真の距離とのズレが生じ得る。この場合、各基地局からそれぞれの距離ｇ１〜ｇ４の円を描くと、図６に示したように、円は移動局の位置で一点に交わらず、距離の真値よりも大きい誤差を含むとすると、図６の斜線部分の範囲内のどこが移動局の位置なのかをさらに推定する必要が生じる。
【０１０９】
たとえば、各基地局の２局の組み合わせ（１，４），（２，４），（３，４），（２，３），（１，３），（１，２）について、２局それぞれからの距離の交点を２か所（１点で交わる場合は１か所、交わらない場合は、基地局間を直線で結ぶ直線上で、それぞれの基地局からの推定距離の比で求めた１点）求め、それらの点の重心を第１の移動局１０１の位置と推定する方法や、２局それぞれの交点２か所を通る線分を求め、３局〜４局の基地局との距離で得られる２本の線分の交点を位置とし、もっとも密度の高い位置を第１の移動局１０１の推定位置としても良い。
【０１１０】
2011215001.tif 000021
【０１１１】
バイアス量推定部３５０では、位置推定部３４０で推定した位置座標と各基地局の座標を用いてバイアス値ｂ１〜ｂ４の推定を行う。位置推定部３４０で推定した位置座標（ｘｔ、ｙｔ）（ただし、ｔは時刻）と、位置が既知であるｉ番目の基地局の位置座標（Ｘｉ、Ｙｉ）との距離ｇｉを次式で求める。
【０１１２】
【数１５】
2011215001.tif 000022
【０１１３】
位置推定部３４０で推定した位置座標を正しい位置だと仮定すると、バイアス量ｂｉは次式で求まる。
ｂｉ＝Ｄｉ−ｇｉ・・・・（１６）
ただし、Ｄｉは基地局ｉの観測距離である。
【０１１４】
位置推定部３４０で推定した置座標（ｘｔ、ｙｔ）とそれを用いて推定したバイアス量ｂiをバイアス量記憶部３６０に記憶する。
【０１１５】
バイアス量記憶部３６０では、図１０に示したように、基地局毎に観測時刻（ｔ）３６１、移動局ＩＤ（ｉ）３６２、位置座標（ｘｔ、ｙｔ）３６３、バイアス量ｂｉ３６４を対応付けて記憶する。
【０１１６】
2011215001.tif 000023
【数１６】
2011215001.tif 000024
は、例えば以下の式にて求めることができる。
【０１１７】
【数１７】
2011215001.tif 000025
・・・（式１７）
ただし、
【数１８】
2011215001.tif 000026
、Ｎは近傍にあるバイアス値が存在するデータ数を示す。
【０１１８】
この他に、位置座標（ｘ、ｙ）に対するバイアス量をｂ＝ｆ（ｘ、ｙ）として２次元スプライン補間により、バイアス量が存在しない位置座標のバイアス量を補間してもよいし、存在する位置座標とバイアス量からカーネル密度推定を行い、密度関数を求め、バイアス量の補間を行ってもよい。
【０１１９】
また、同一位置でのバイアス量を確率密度分布によって、その位置における基地局毎の信頼度を判定することができる。図１２に示したように、バイアス量分布マップに格納されている、ある時間幅のバイアス量に対して、全体を１として横軸にバイアス量、縦軸に確率をとった確率密度関数によって表す。平均をμ、分散をσ２としたとき、バイアス量ｘに対する確率密度関数ｆ（ｘ）は次式で求まる。
【０１２０】
【数１９】
2011215001.tif 000027
・・・（式１８）
【０１２１】
ある位置に対する各基地局のバイアス量の分布の分散を比較することによって、基地局毎の信頼度を示すことができる。伝搬経路が安定している場合、推定されるバイアス量も安定するため分散σ２は小さくなる。一方、ＮＬＯＳ環境などで伝搬経路が安定していない場合、推定されるバイアス量は不安定となり、分散σ２は大きくなる。位置推定を行う際には、信頼度の高い（つまり、分散σ２が小さい）基地局から選択した、複数の基地局のバイアス量分布を利用することにより、早期にバイアス量を推定することができる。例えば、分散の小さい基地局のバイアス量分布を３局だけ利用し、他の基地局のバイアス量分布を位置推定に利用しないことにより、推定精度を維持したまま計算処理の負荷を軽減できる。なお、利用する基地局のバイアス量分布の個数は３局のみに限られず、３局以上であればよい。
【０１２２】
バイアス量推定部３５０は、位置推定部３４０で推定した最新のバイアス量に対する信頼度を確率密度関数によって判定することができる。具体的には、図１３に示したように、ある基地局に対して推定したバイアス量を確率密度関数に当てはめ、予め定められた閾値以上の確率のバイアス量のみ位置推定に利用し、閾値以下の確率のバイアス量を位置推定に利用しない方法を用いてもよい。また、閾値以下の確率のバイアス量は、バイアス量記憶部３６０に保存しない。これによれば、バイアス量（距離の誤差量）を多く持つ精度の悪い観測値を効果的に位置推定から除くことができ、位置推定精度を高めることができる。また、初期値をバイアス量のバイアス量分布マップから得ることにより、高速にバイアス量を推定することができる。
【０１２３】
なお、閾値の決定方法としては、例えばＴＯＡ方式を用いた位置推定システムの場合、観測距離が移動局と基地局の真の距離より短くなることは原理的には起こりえないが、実際には計測上の誤差や計算精度等のシステムの誤りにより、観測距離が真の距離より短くなる場合がある。このような観測距離が含まれる場合、真の位置を推定することはできない。３円が重なる領域に真の位置が含まれないためである。真の距離よりも短くなる観測値を除くため、予め位置推定システムを用いて予備実験を行い、真の距離よりも短くなる観測距離の割合を求め、それを閾値として設定する。その他にも、真の距離より単純に確率が９５％以上のバイアス量のみ信頼できる区間のバイアス量として位置推定に採用してもよい。また、確率が９９％以上のバイアス量のみ信頼できる区間のバイアス量としてもよい。
【０１２４】
また、バイアス量分布マップに格納されている時刻情報を用いて、現時刻の近傍のデータのみを用いることにより、電波環境の変化、バイアス量の変化に追従した位置推定を実現することができる。確率密度関数の求め方は、ある時間幅のバイアス量に対して平均と分散とを求めることにより正規分布に近似して扱うことができる。他にも、カーネル密度推定やｋ−ＮＮ法などを用いても確率密度関数を求めることができる。
【０１２５】
バイアス量分布マップの共有の仕方は、移動局が個々に記憶し、互いに通信することによってマップ情報を共有してもよいし、外部に記憶することにより情報を共有するようにしてもよい。
【０１２６】
なお、位置推定方法は、以上に説明した方法以外の既存の方法を用いることができる。例えば、特開２００９−４７５５６号公報に記載のように、ＴＯＡ（到来時間）方式とＲＳＳ（受信信号強度）方式とにより位置を推定する方法を利用してもよい。この方法では、推定距離と波発生源から各座標までの実際の距離との差の二乗平均平方根を各座標において算出して、二乗平均平方根が最小となる座標を選択することにより位置を推定する。
【０１２７】
また、特表２００４−５３０３５８号公報に記載のように、ＴＯＡ（距離）とＡＯＡ（角度）を組み合わせて位置を推定するようにしてもよい。また、特開２００８−２４９４１９号公報に記載のように、あらかじめ測定エリアをメッシュで分割（障害物の周辺は大きく）し、対応座標を割り当てておく方法や、特開２００６−３１８７号公報に記載された位置推定方法を用いることもできる。さらに、特表２００９−５１５２０１号公報に記載されたＴＯＡ方式等を利用することも可能である。さらに、特開２００９−５５１３８号公報に記載された位置推定方法を利用することもできる。
【０１２８】
以上に説明したように、本実施形態に係る位置推定システム１０によれば、バイアス量分布マップを用いて位置推定のための初期値を求めることにより、想定される誤差分を含まない初期値を算出することができる。これにより、位置推定の演算を収束させるまでの時間を短縮するとともに、高い精度で移動局の位置を推定することができる。また、見通しのないＮＬＯＳ環境や、反射波の発生しやすい環境に対する耐性が得られる。
【０１２９】
通常、移動局が測定エリアを移動した際、基地局から得られた観測距離の中にはバイアス量を含んでいて、バイアス量が大きい場合には、図６に示したように真値を含む領域が大きくなり、正しく位置を推定することが困難になるため、逐次的に観測距離に含まれるバイアス量を計算し除くことにより、真値を含む領域を小さくすることにある程度の時間を要する。これに対して、本実施形態に係る位置推定方法よれば、初期状態からバイアス量が推定できているため、早期に真値を含む領域を小さくすることができ、位置推定の演算時間及びコストの削減を図ることができる。
【０１３０】
また、移動局が測定エリア内に複数存在する場合、本実施形態ではバイアス量分布マップを基地局毎に持ち、移動局同士で共有することにより、ある移動局で未知のエリアでも他の移動局で既知のエリアであれば、早期に位置推定が可能であり、測定エリア内に存在する移動局の数が多いほど、バイアス量分布マップに情報が多く集まり、バイアス量分布マップのバイアス量の精度を向上させることができる。
【０１３１】
また、ＮＬＯＳ環境かどうかを事前に設定する必要もなく、ＮＬＯＳ環境の場合に、ＮＬＯＳ環境の伝播経路の特性等を事前にモデル化して設定する必要もなく、伝播経路が未知である場合でも測位が可能なほか、動的に環境に追随することができるため、環境変化についても、従来方式よりも優れた精度で位置を検知可能である。
【０１３２】
通常、１個の移動局に対する位置検知は、複数の基地局との通信の結果に基づき遂行されるため、一部の基地局との通信結果がＮＬＯＳ状態で劣化し、観測距離が実際の直線距離と異なった場合でも、他の複数の基地局との通信結果を用いると、直線距離と比較したＮＬＯＳによる観測距離の伸び量（バイアス量）を含む誤差分布を推定できる場合がほとんどである。また、同一基地局との観測距離においても、長期的な分布をみると、移動速度が高速でないという条件下では直線距離を推定できる可能性は非常に高い。そのため、本実施形態では、複数の基地局との通信結果から得られる観測距離（第１の距離）から、個々の基地局と移動局間の直線距離やＮＬＯＳ等に起因するバイアス量を推定することができる。これにより、前記第１の距離及び今回推定されたバイアス量を用いて高い精度で移動局の位置を推定することができる。
【０１３３】
一般的には、基地局を多数配置すれば、確率的に信頼性の高い情報を収集する頻度も高くなり、位置精度を向上しやすいが、本発明を適用することで、基地局の設置数を増やさずに位置精度を高めることが可能となり、設置コストを削減することも可能である。
【０１３４】
上述した位置推定システムは、次のように応用することができる。例えば、通常、移動局は複数存在することがあるが、このような場合、移動局は移動局間でユニークなＩＤを発信することで、基地局は移動局毎にデータを収集することができる。また、基地局と移動局の通信上の関係は、逆（移動局が基地局との距離を収集する）でも良い。さらに、基地局の位置は、位置を知る方法があれば固定である必要はない。
【０１３５】
さらに、バイアス量分布マップを誤差推定部３２０の処理に用いても良い。異なる特性をもつ移動局が存在した場合には、特性に合わせたバイアス量分布マップを複数用意してもよい。
【０１３６】
なお、上記実施形態において、各部の動作は互いに関連しており、互いの関連を考慮しながら、一連の動作及び一連の処理として置き換えることができる。これにより、位置推定装置の実施形態を、位置推定方法の実施形態とすることができる。
【０１３７】
これにより位置推定部が、予め位置が特定されている複数の基地局と位置推定対象である複数の移動局との一方向又は双方向通信により取得した所定の信号に基づき各移動局の位置を推定するステップと、バイアス量推定部が、前記位置推定部により推定された移動局の位置を用いて該位置を推定された移動局と前記複数の基地局との距離に含まれるバイアス量を推定するステップと、バイアス量分布取得部が、バイアス量分布マップ上の前記推定された移動局の位置に前記推定されたバイアス量を記憶させて前記バイアス量分布マップを生成することにより、バイアス量分布を取得するステップと、を含むことを特徴とする位置推定方法を提供することができる。
【０１３８】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０１３９】
１０      位置推定システム
１０１    第１の移動局
１０２    第２の移動局
２０１    第１の基地局
２０２    第２の基地局
２０３    第３の基地局
２０４    第４の基地局
３１０    距離計測部
３１１    第１の測距部
３１２    第２の測距部
３１３    第３の測距部
３１４    第４の測距部
３２０    誤差推定部
３２１    第１の誤差推定部
３２２    第２の誤差推定部
３２３    第３の誤差推定部
３２４    第４の誤差推定部
３３０    誤差記憶部
３３１    第１の誤差記憶部
３３２    第２の誤差記憶部
３３３    第３の誤差記憶部
３３４    第４の誤差記憶部
３４０    位置推定部
３５０    バイアス量推定部
３６０    バイアス量記憶部
３７０    バイアス量分布取得部
【図１】
2011215001.tif 000028
【図２】
2011215001.tif 000029
【図３】
2011215001.tif 000030
【図４】
2011215001.tif 000031
【図５】
2011215001.tif 000032
【図６】
2011215001.tif 000033
【図７】
2011215001.tif 000034
【図８】
2011215001.tif 000035
【図９】
2011215001.tif 000036
【図１０】
2011215001.tif 000037
【図１１】
2011215001.tif 000038
【図１２】
2011215001.tif 000039
【図１３】
2011215001.tif 000040