(57)【要約】【課題】比較的容易な演算を付加して測位システムのハードウェア的な資源を増やさなくても測位信頼度および測位精度を高めることが可能な無線測位システムおよび測位方法を提供する。【解決手段】本発明の無線測位システムは、測位対象物から順次受信されるパルス間の時間間隔に対して標準偏差値を算出し、その標準偏差値から信頼度を算定する少なくとも一つの測位ノード（受信部）と、前記各測位ノードから前記信頼度の含まれたメッセージを受信して前記測位対象物（送信部）の位置を求める測位サーバーとを含み、測位対象物と各測位ノード間の距離値を補完して測位解像度を高めることができるうえ、各測位ノード別に信頼度値をモニタリングすることにより、当該ノードの測位性能を容易に観察することができ、測位ノードの性能観察および保守の尺度とすることができる。【選択図】図２
2011047915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の時間間隔で多数のパルスを生成して送り出す測位対象物としてのタグと、
前記タグから送り出された多数のパルスを順次受信し、受信されたパルス間の受信時間間隔に対して標準偏差を算出し、該標準偏差から信頼度を算定する少なくとも一つのノードと、
前記各ノードから前記信頼度の含まれたメッセージを受信して前記タグの位置を求める測位サーバーとを含むことを特徴とする、無線測位システム。
【請求項２】
前記信頼度は
ｔ（Ｎｏｄｅｋ）をノードｋの信頼度を示し、σ（Ｎｏｄｅｋ）をノードｋで受信されたパルス間の受信時間間隔の標準偏差を示すとしたときに、下記数式、すなわち、
ｔ（Ｎｏｄｅｋ）＝１／σ（Ｎｏｄｅｋ）  …（数式）
に従って算出されことを特徴とする、請求項１に記載の無線測位システム。
【請求項３】
前記測位サーバーは、前記メッセージに含まれた各ノードにおける最初パルス到達時間から前記測位対象物および前記各ノード間の距離を算出し、算出された距離に前記信頼度を適用して前記測位対象物の位置を求めることを特徴とする、請求項１に記載の無線測位システム。
【請求項４】
前記測位サーバーは、ＴＯＡ（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ａｒｒｉｖａｌ）方式またはＴＤＯＡ（Ｔｉｍｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｆ  Ａｒｒｉｖａｌ）方式で前記測位対象物と前記各ノード間の距離を算出することを特徴とする、請求項３に記載の無線測位システム。
【請求項５】
前記測位サーバーは、前記各ノードに対して正常動作状態における算出可能な標準偏差値の範囲を算定し、前記各ノードから受信された標準偏差値が算定された範囲を外れる場合、当該ノードに故障が発生したと判断することを特徴とする、請求項１に記載の無線測位システム。
【請求項６】
測位対象物から一定の時間間隔で送り出された多数のパルスを順次受信する第１段階と、
受信されたパルス間の受信時間間隔に対して標準偏差を算出し、該標準偏差から信頼度を算定する第２段階とを含み、
測位対象物との推定距離に前記信頼度を適用して前記測位対象物の位置が求められるようにすることを特徴とする、無線測位システムの測位方法。
【請求項７】
前記第２段階の後、前記受信されたパルスの受信時間を用いて前記測位対象物との推定距離を算出し、算出された推定距離値に前記信頼度を適用して前記測位対象物の位置を推定するようにする第３段階をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の無線測位システムの測位方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線測位システムおよび測位方法に関し、より詳しくは、測位システムのハードウェア的な資源を増強せずとも、測位対象物に対する測位精度および測位信頼度を向上させ、測位システムの性能観察およびメンテナンスを容易に行うことができるようにする無線測位システムおよび測位方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線測位技術は、例えばＧＰＳなどの衛星航法システム、または例えばＣＭＤＡ、ＷＬＡＮ、ＵＷＢおよびＢｌｕｅｔｏｏｔｈなどの無線通信システムにおいて端末の位置を測定する技術であって、最近、位置情報に対する要求の増加に伴ってその利用分野が拡大されつつある。
【０００３】
特に、最近では、ＲＦＩＤ、超音波、赤外線、ＵＷＢなどを用いた近距離高精密無線測位システムに関する研究が盛んに行われている。例えば、建物の内部のようにＧＰＳ衛星信号が到達していない地域でも使用者または事物などの位置を探し出すことが可能な室内測位技術が開発されており、センサーと端末間の無線信号送受信を介して端末の位置を探し出す技術が広く研究されている。
一般に、端末の運動軌跡は、一定の速度で動く区間と、加速を持って動く区間に分けられる。このような区間で室内測位システムにおける同一の運動モデルを設定して測位すると、モデルの運動と端末の運動との間に不整合が発生し、測位システムで推定された端末の位置と実際端末の位置との間にギャップが発生することにより、測位正確度が大幅に低下する。
【０００４】
また、センサーと端末間の無線信号を送受信して位置を測定する技術は、日常的に理想的な条件下で行われることは難しく、障害物が密集していることにより、信号が迂回、反射または屈折する場合、多重電波、同期化エラー、測定エラーなどの様々な要因により、ある程度のエラーは含まれ得る。これにより、測定された位置情報が不正確になる。
【０００５】
よって、このような無線測位システムに対して測位信頼度および測位精度を向上させるための方法として、従来では、測位用パルス信号の帯域幅を増やす、或いは送受信器のクロックジッターを減らす、或いは受信されたパルス信号をさらに細密にサンプリングするなど、主にハードウェア的な性能を向上させる方法が提案されてきたが、このようなハードウェア的な性能の向上は、必然的に費用の増加を伴ううえ、既存のシステムを活用するにも適しない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、上述した従来の技術に係る問題点を解決するためのもので、その目的とするところは、比較的容易な演算を付加して測位システムの資源を増やさなくても測位信頼度および測位精度を高めることが可能な無線測位システムおよび測位方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、一定の時間間隔で多数のパルスを生成して送り出す測位対象物としてのタグと、前記タグから送り出された多数のパルスを順次受信し、受信されたパルス間の受信時間間隔に対して標準偏差を算出し、該標準偏差から信頼度を算定する少なくとも一つのノードと、前記各ノードから前記信頼度の含まれたメッセージを受信し、前記タグの位置を求める測位サーバーとを含み、測位対象物と各測位ノード間の距離値を補完して測位解像度を高めることができるうえ、各測位ノード別に信頼度値をモニタリングすることにより、測位ノードの性能観察および保守に活用することができる、無線測位システムを提供する。
【０００８】
また、本発明の他の観点によれば、測位対象物から一定の時間間隔で送り出された多数のパルスを順次受信する第１段階と、受信されたパルス間の受信時間間隔に対して標準偏差を算出し、該標準偏差から信頼度を算定する第２段階とを含み、測位対象物との推定距離に前記信頼度を適用して前記測位対象物の位置が求められるようにする、無線測位システムの測位方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の好適な実施例に係る無線測位システムの構成を簡略に示す概略図である。
【図２】本発明の好適な実施例に係る無線測位システムにおける、各ノードで受信したパルス例を示すグラフである。
【図３】本発明の好適な実施例に係る無線測位システムにおける、任意のノードに対して当該ノードで受信したパルス時間間隔の標準偏差値と実際測定された測位エラー間の関係を示す相関図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
図１は本発明の好適な実施例に係る無線測位システムの構成を簡略に示す概略図である。
【００１２】
パルス信号を用いて無線測位を行う無線測位システムは、図１に示すように、無線パルス信号を送り出す測位対象物としてのタグ１０と、タグ１０の周囲に配置され、タグから送り出される無線パルス信号を受信する少なくとも一つのノードＮｏｄｅａ〜Ｎｏｄｅｄと、各ノードからデータを受信してタグに対する測位を行う測位サーバー２０とを含んでなる。測位サーバー２０が各ノードから受信する前記データは、各ノードでタグからパルス列を受信した視覚情報などに対するデータである。
【００１３】
前記少なくとも一つのノードＮｏｄｅａ〜Ｎｏｄｅｄは、タグまたは測位サーバーに対して無線通信機能を備えているものであって、ＧＰＳまたは移動通信網を介して測位する場合にはＧＰＳ受信器、移動通信端末機または基地局などで実現でき、ＢｌｕｅｔｏｏｔｈやＵＷＢなどで測位する場合にはパルス信号を受信するセンサーまたは受信器を備えた端末などで実現できる。
【００１４】
パルス信号を用いる測位方式は、タグ１０と各ノードＮｏｄｅａ〜Ｎｏｄｅｄ間のパルス到達時間（ＴＯＡ、Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ａｒｒｉｖａｌ）、或いはタグ１０で生成されたパルスが各ノードＮｏｄｅａ〜Ｎｏｄｅｄに到達する時間の差（ＴＤＯＡ、Ｔｉｍｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｆ  Ａｒｒｉｖａｌ）を用いる。
【００１５】
本発明に係る無線測位システムは、各ノードＮｏｄｅａ〜Ｎｏｄｅｄにおけるパルス受信時間または受信時間の差だけでなく、各ノードＮｏｄｅａ〜Ｎｏｄｅｄで順次受信するパルスの時間間隔値を活用して、様々な要因によって発生しうるパルス受信時間のエラーをさらに補完することができるようにすることにより、測位信頼度または測位精度を向上させることを可能にする。
【００１６】
よって、本発明に係る無線測位システムは、ＴＯＡ方式またはＴＤＯＡ方式に適用することができ、これらの方式に基づいて変形された各種測位方式にも適用できる。
図２（ａ）〜図２（ｃ）は本発明の好適な実施例に係る無線測位システムにおいてタグから送り出された多数のパルス信号に対して、各ノードで受信したパルス列を示すグラフであって、図２（ａ）はタグで生成されたパルス列を示し、図２（ｂ）は第１ノードで受信したパルス列を示し、図２（ｃ）は第４ノードで受信したパルス列を示す。
【００１７】
タグ１０では、図２（ａ）に示すように、Ｎ個の測位用無線パルス信号を同一の時間間隔Ｄｔで順次生成して周囲の各ノードＮｏｄｅａ〜Ｎｏｄｅｄに送り出す。前記各ノードでは、タグから送り出されたパルス信号を順次受信するが、距離差に応じて各ノード毎に所定の時間遅延を持ってこそ、前記パルスが順次受信される。
【００１８】
図２（ｂ）および図２（ｃ）を参照して例を挙げて説明すると、第１ノードＮｏｄｅａにおいては、図２（ｂ）に示すようにタグ１０から一番目のパルスが送り出された後、所定の時間遅延Δａを経てこそ、タグから送り出されたＮ個のパルスが順次受信され、これと同様に、第４ノードＮｏｄｅｄにおいても、図２（ｃ）に示すように所定の時間遅延Δｄを経てこそ、タグ１０から送り出されたパルスが受信され始める。
【００１９】
この際、各ノードＮｏｄｅａ〜Ｎｏｄｅｄに受信されたパルス列は、タグ１０で生成されたパルス列とは異なり、無線チャネル環境または距離による信号対雑音比（ＳＮＲ）の差または各ノードのハードウェア的な状態変化などによってパルス間の受信時間間隔が少しずつ異なる。
【００２０】
例えば、タグ１０では、図２（ａ）に示すように、一定の時間間隔Ｄｔでパルス列が生成される。ところが、第１ノードＮｏｄｅａでは、図２（ｂ）に示すように、タグから順次受信したパルス間の時間間隔がＤａ１、Ｄａ２、・・・、Ｄａ（ｎ−１）などのようにそれぞれ同一または異なる値を持つことができる。これと同様に、第４ノードＮｏｄｅｄにおいても、図２（ｃ）に示すように、タグから順次受信されたパルス間の時間間隔がＤｄ１、Ｄｄ２、・・・、Ｄｄ（ｎ−１）のように同一または異なる値を持つことができる。
【００２１】
このような時間間隔の差異は、上述したように、無線チャネル環境や距離による信号対雑音比、または各ノードのハードウェアの状態変化などの環境的要因により発生するもので、無線測位を行う時点における信頼度と大きい関連がある。すなわち、例えば、タグ１０と第１ノードＮｏｄｅａ間の距離に大きい変化が発生することなく、第１ノードＮｏｄｅａでパルス列を受信する間、急に第１ノードＮｏｄｅａのハードウェアに異常が発生し或いはチャネル環境が劣化すると、第１ノードＮｏｄｅａでは次に受信されるパルスを正常に受信することができなくなり、これにより既に受信された最後のパルスと次に受信されるパルス間の時間間隔は大きく開けられる。ところが、タグと第１ノードＮｏｄｅａ間の距離は比較的一定に維持されていたので、非正常状態と判断することが可能なこのときの時間間隔をそのまま測位に反映すると、それだけ測位精度および測位信頼度が低下するといえる。
【００２２】
また、該当ノードで、受信した各パルス間の時間間隔が比較的一定であり、或いは受信されたパルス間の時間間隔がタグで生成されたパルス列の時間間隔に近接すればするほど、当該ノードで受信したパルス信号が高い信頼度を持つと言える。
このような点を考慮するとき、本発明に係る無線測位システムでは、任意の第ｋノードに対して、第ｋノードで受信されたパルス列の各パルス間の時間間隔に対する標準偏差値を求めることにより信頼度を定義することができる。上述したように、ＴＯＡまたはＴＤＯＡ方式で各ノードとタグ間の距離を推定するとき、前記信頼度を反映して補完することにより、より正確にタグに対する測位を行うことができる。
【００２３】
上述したＴＯＡ方式またはＴＤＯＡ方式は一般な距離推定方式なので、これについての具体的な説明は本明細書では省略し、本発明の主要技術思想である［信頼度の算出によって推定距離を補完する技術］について詳細に説明する。
【００２４】
これについてより具体的に説明すると、任意の第ｋノードにおける信頼度ｔ（Ｎｏｄｅｋ）は前記第ｋノードで受信したパルス列に対する｛Ｄｄ１、Ｄｄ２、・・・、Ｄｄ（ｎ−１）｝の標準偏差σ（Ｎｏｄｅｋ）を用いて下記数式１のとおり定義することができる。
ｔ（Ｎｏｄｅｋ）＝１／σ（Ｎｏｄｅｋ）  …（数式１）
【００２５】
数式１は、受信されたパルス列内の受信時間間隔に対する標準偏差値を用いて信頼度を算出したもので、前記標準偏差値以外の統計指標またはこれに加えて他の代表性のある統計指標を適用して変形することもできる。
【００２６】
図３は本発明の好適な実施例に係る無線測位システムにおいて、任意のノードに対して該当ノードで受信したパルス時間間隔の標準偏差値と実際測定された測位エラー間の関係を示す相関図である。図３に示すように、Ｘ軸の標準偏差値とＹ軸の測位エラー値は比例関係を示している。これは当該ノードにおけるパルス受信時間間隔の標準偏差が大きいほど、信頼度値が低いほど、測位エラーが増加することを示している。
【００２７】
一方、各ノードまたは測位サーバーでは、受信したパルス間の時間間隔から各ノードとタグ間の距離を推定算出し、これと共に各ノードにおける信頼度がそれぞれ算出されると、測位サーバーで各ノードから受信した推定距離に信頼度値を反映して２次元無線測位を行う。
【００２８】
例えば、特定ノードからの推定距離に対応する信頼度値が著しく低い場合、該当する推定距離は２次元測位に使用せず、他の残りノードからの推定距離情報のみを用いて測位を行うことができる。より具体的に説明すると、他のノードに比べて信頼度値が著しく低い特定ノードの推定距離は無線環境または該当ノードのパルス感知誤動作などによってエラー要因が多く反映されたものと推定することができる。これにより、このようなノードからの推定距離を反映するよりは反映しないことがより正確にタグの位置を定めることができる。
【００２９】
また、任意の第ｋノードで現在算出された信頼度および推定された距離値をそれぞれｔ０（Ｎｏｄｅｋ）およびｐ０（Ｎｏｄｅｋ）とし、以前に算出された信頼度および推定された距離値をそれぞれｔ−１（Ｎｏｄｅｋ）、ｐ―１（Ｎｏｄｅｋ）とすれば、算出された前記各信頼度値を下記数式２に適用して、現在算出された推定距離を補正することができる。
ｐ０’（Ｎｏｄｅｋ）＝ｐ０（Ｎｏｄｅｋ）＊ｔ０（Ｎｏｄｅｋ）＋ｐ−１（Ｎｏｄｅｋ）＊ｔ−１（Ｎｏｄｅｋ）  …（数式２）
【００３０】
すなわち、数式２に示すように、推定距離値に信頼度値を加重値として乗算することにより、より信頼性のある推定距離値を算出することができる。
【００３１】
この他にも、各ノードに対してパルス間隔の標準偏差値σ（Ｎｏｄｅｋ）を求め、全てのノードに対して平均値を計算すると、パルス列が受信された時点でチャネルの雑音特性およびハードウェア的な性能が全て反映された雑音の大きさを知ることができる。よって、測位サーバーに雑音の大きさに応じてフィルター係数が変わる適応フィルター（ａｄａｐｔｉｖｅ  ｆｉｌｔｅｒ）などを適用すると、より正確な測位が行われる。
【００３２】
また、特定のノードに対して、受信されたパルス間隔の標準偏差値σ（Ｎｏｄｅｋ）を順次格納して比較分析すると、該当ノードの測位性能を概略的に把握することができ、これに基づいてノードの動作が正常状態なのか否かを判断し、測位システムのメンテナンスに活用することもできる。
【００３３】
一例を挙げて説明すると、上述したように各ノードでタグから受信したパルス列のパルス受信時間間隔に対する標準偏差値には、無線チャネル環境または当該ノードのハードウェア的性能が反映できるので、正常なハードウェア性能を示す標準偏差の範囲を算定することができる。したがって、当該ノードが正常動作するときに算出される標準偏差値の範囲を予め算定（または推定）して基準範囲として定め、実際該当ノードで動作の際に算出された標準偏差値が前記基準範囲を外れると、現在該当ノードの動作が不良であると判断することができる。不良と判断されると、該当ノードの取替または保守のためのお知らせメッセージを生成することができるので、使用者が直接各ノードの性能を点検せずともモニタリングが可能であり、正常範囲でもどれほど低い値を持つかによってハードウェアの老化などを判断することができる。
【００３４】
この際、該当ノードの正常／不良の判断は、標準偏差値が算出される度に、或いは一定の周期または一定の期間に応じて行われる。
【００３５】
上述したような本発明の実施例に係る無線測位システムにおいて、本明細書では、受信されたパルス間の時間間隔値の標準偏差を算出し、該標準偏差から信頼度を算定してタグの位置推定に活用する、さらにこれに加えて測位システムのメンテナンスに活用することなどの動作が測位サーバーで行われることを例として説明したが、これに限定されず、システム資源または測位効率性などの様々な要因に応じて各ノードで全て行われてもよく、場合によっては測位サーバーと各ノードが作業を分配して行ってもよい。
【００３６】
上述したように、本発明に係る無線測位システムおよび測位方法を例示の図面を参照して説明したが、本発明は本明細書に開示された実施例および図面によって限定されないことは言うまでもなく、パルスを用いた無線測位の際に、各ノードで受信されたパルス間の時間間隔値を用いて信頼度の指標を算出し、これを距離推定のときに反映することにより、別途のシステム資源を付加せずとも測位信頼度を高めるか、或いはシステムのメンテナンスに活用することができるようにする本発明の技術思想は保護される範囲内において、当業者によって容易に変形できるのは自明である。
【符号の説明】
【００３７】
１０    タグ（測位対象物）
２０    測位サーバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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