(57)【要約】【課題】  マルチパス環境において、到来する直接波および反射波を分離してそれぞれの到来方向を簡単に推定する。【解決手段】  回転台の中心とその中心以外の位置に設置された２つのアンテナと、各アンテナの受信信号に対して同相成分と直交成分に分離する手段と、送信信号と同一の符号との相関処理により各相関波形を生成する手段と、各相関波形の電力を算出する手段と、各相関波形の電力のピークを検出する手段と、各相関波形の振幅比から相関波形の位相を算出する手段と、相関波形の位相差を検出する手段と、相関波形の電力のピークから直接波と反射波のそれぞれのタイミングを求め、それぞれのタイミングで観測される相関波形の位相差と回転台の回転角との関係を求め、それぞれのタイミングと位相差の絶対値が最大となる回転台の角度に基づいて直接波と反射波の到来方向を推定する手段とを備える。【選択図】        図１
2009014688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信機から送信された送信信号が直接波および反射波として到来するマルチパス環境で直接波および反射波の到来方向を推定する電波到来方向推定装置において、
回転台と、
前記回転台の回転角を制御する手段と、
前記回転台の中心と、その中心以外の位置に設置された２つのアンテナと、
前記２つのアンテナの受信信号のそれぞれに対して、同相成分と直交成分に分離する手段と、
前記２つのアンテナの受信信号のそれぞれに対して、前記同相成分および前記直交成分と前記送信信号と同一の符号との相関処理により、同相成分の相関波形および直交成分の相関波形を生成する手段と、
前記２つのアンテナの受信信号のそれぞれに対して、前記同相成分の相関波形および直交成分の相関波形の振幅の二乗和の平方根から相関波形の電力を算出する手段と、
前記２つのアンテナの受信信号のそれぞれに対して、前記相関波形の電力が所定の雑音電力以上となる相関波形の電力のピークを検出する手段と、
前記２つのアンテナの受信信号のそれぞれに対して、前記同相成分の相関波形および直交成分の相関波形の振幅比から相関波形の位相を算出する手段と、
前記２つのアンテナの受信信号のそれぞれに対する前記相関波形の位相差を検出する手段と、
前記２つのアンテナの受信信号のそれぞれに対する前記相関波形の電力のピークから前記直接波および前記反射波のそれぞれのタイミングを求め、それぞれのタイミングで観測される前記相関波形の位相差と前記回転台の回転角との関係を求め、それぞれのタイミングと位相差の絶対値が最大となる回転台の角度に基づいて、前記直接波および前記反射波の到来方向を推定する手段と
を備えたことを特徴とする電波到来方向推定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電波到来方向推定装置において、
前記直接波に対する前記相関波形の電力のピークが観測されるタイミングを基準に、前記反射波に対する前記相関波形の電力のピークが観測されるタイミングの時間差を求め、この時間差から前記直接波の伝搬距離を基準とした前記反射波の伝搬距離を求める手段を備えた
ことを特徴とする電波到来方向推定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電波到来方向推定装置において、
前記２つのアンテナを設置する前記回転台の中心と、その中心以外の位置との距離を前記受信信号の中心波長の１／２とする構成である
ことを特徴とする電波到来方向推定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電波到来方向推定装置において、
前記送信信号と同一の符号で前記相関処理を行う符号はＰＮ符号である
ことを特徴とする電波到来方向推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送信機から送信された送信信号が直接波および反射波として到来するマルチパス環境において、直接波および反射波の到来方向を推定する電波到来方向推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電波到来方向推定装置では、アレイアンテナなど複数のアンテナを用い、各アンテナの受信信号の位相差を検出することにより電波到来方向を推定する方法が一般的であった（非特許文献１）。
【０００３】
図４は、アレイアンテナを用いた従来の電波到来方向推定装置の構成例を示す。ここでの電波（波長λ）は、アンテナが並ぶ直線に垂直な方向（ブロードサイド方向）からみて角度θの方向から到来しているものとする。
【０００４】
図４において、アンテナ４１，４２は間隔λ／２で配置されている。アンテナ４１で受信した電波は受信機４３で位相φ１が検出される。同様に、アンテナ４２で受信した電波は受信機４４で位相φ２が検出される。位相比較器４５は、アンテナ４１を基準としたアンテナ４２との位相差Δφ（＝φ２−φ１）を検出する。この位相差Δφと電波到来方向θとの間には
Δφ＝π sinθ
の関係があるため、到来方向検出器４６は位相比較器４５から位相差Δφを入力し、
θ＝ sin-1(Δφ／π）
を計算して電波到来方向θを推定する。
【非特許文献１】菊間信良、「アダプティブアンテナ技術」、pp.12-13、オーム社発行、2003年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、マルチパス環境のように同じ方向から複数の電波が到来する場合、従来の装置構成ではそれぞれの電波を分離して到来方向を推定することが困難であった。また、到来角の異なるＮ個の到来波をそれぞれ分離して推定するには、２Ｎ＋１個以上のアンテナが必要となり、到来波の数に比例して装置が大規模になる問題があった。
【０００６】
本発明は、マルチパス環境において、到来する直接波および反射波を分離してそれぞれの到来方向を簡単に推定することができる電波到来方向推定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、送信機から送信された送信信号が直接波および反射波として到来するマルチパス環境で直接波および反射波の到来方向を推定する電波到来方向推定装置において、回転台と、回転台の回転角を制御する手段と、回転台の中心と、その中心以外の位置に設置された２つのアンテナと、２つのアンテナの受信信号のそれぞれに対して、同相成分と直交成分に分離する手段と、２つのアンテナの受信信号のそれぞれに対して、同相成分および直交成分と送信信号と同一の符号との相関処理により、同相成分の相関波形および直交成分の相関波形を生成する手段と、２つのアンテナの受信信号のそれぞれに対して、同相成分の相関波形および直交成分の相関波形の振幅の二乗和の平方根から相関波形の電力を算出する手段と、２つのアンテナの受信信号のそれぞれに対して、相関波形の電力が所定の雑音電力以上となる相関波形の電力のピークを検出する手段と、２つのアンテナの受信信号のそれぞれに対して、同相成分の相関波形および直交成分の相関波形の振幅比から相関波形の位相を算出する手段と、２つのアンテナの受信信号のそれぞれに対する相関波形の位相差を検出する手段と、２つのアンテナの受信信号のそれぞれに対する相関波形の電力のピークから直接波および反射波のそれぞれのタイミングを求め、それぞれのタイミングで観測される相関波形の位相差と回転台の回転角との関係を求め、それぞれのタイミングと位相差の絶対値が最大となる回転台の角度に基づいて、直接波および反射波の到来方向を推定する手段とを備える。
【０００８】
また、直接波に対する相関波形の電力のピークが観測されるタイミングを基準に、反射波に対する相関波形の電力のピークが観測されるタイミングの時間差を求め、この時間差から直接波の伝搬距離を基準とした反射波の伝搬距離を求める手段を備えてもよい。
【０００９】
また、２つのアンテナを設置する回転台の中心と、その中心以外の位置との距離を受信信号の中心波長の１／２とする構成としてもよい。
【００１０】
また、送信信号と同一の符号で相関処理を行う符号はＰＮ符号が望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電波到来方向推定装置は、回転台の２ヶ所で受信したそれぞれの相関ピークを求め、それぞれの相関ピークの位相差と回転台の角度関係を時間軸上で分離して求め、位相差の絶対値が最大となる回転台の角度に基づいて、時間差のある直接波と反射波を分離してそれぞれの到来方向を推定することができる。これにより、ほぼ同じ方向から複数の電波が到来するようなマルチパス環境でも、小規模な装置によりそれぞれの電波を分離して到来方向を推定することができる。
【００１２】
また、同時に直接波の伝搬距離を基準とした反射波の伝搬距離を求めることができるので、反射波の到来方向と合わせることにより反射物を推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の電波到来方向推定装置の実施形態を示す。
図において、送信機１００と受信機２００との間には反射物１，２が存在する。送信機１００のアンテナ１０１から送信された電波（波長λ）は、受信機２００の２つのアンテナ２０１，２０２に直接に到達する直接波と、反射物１，２でそれぞれ反射してアンテナ２０１，２０２に到達する反射波１，２がある。ここで直接波の到来方向に対する反射波１，２の到来方向を角度θ１とする。すなわち、反射波１，２は、同じ方向からそれぞれ到来するものとする。
【００１４】
受信機２００の２つのアンテナ２０１，２０２は、回転台２０３の中心からλ／２の位置と、中心位置とにそれぞれ設置される。なお、アンテナ２０１は、回転台２０３の中心からλ／２の位置に限定されるものではなく、一般にｎλ／２（ｎは奇数）、あるいは中心からｍλ（ｍは自然数）以外の任意の間隔であってもよい。回転台２０３は、制御部２０４の制御により回転角度θが制御される。ここで、直接波の到来方向に対してアンテナ２０２，２０１が順番に並ぶ位置をθ＝０とすると、図１に示すようにθ＝θ１のときに、反射物２、反射物１、アンテナ２０２，アンテナ２０１の順に直線状に並ぶことになる。なお、受信機２００のアンテナ２０１，２０２には全方向から反射波が到来するが、図１では本発明の特徴的動作を説明するために、受信機２００に対して同じ方向から到来する反射波１，２のみを示す。
【００１５】
本実施形態では、送信機１００はできるだけ相関特性に優れた符号を送信することが望ましいので、一例として相関特性に優れたＰＮ（Pseudo Noise) 符号で変調された信号を送信するものとする。すなわち、符号器１０２はＰＮ符号を生成し、変調器１０３はこのＰＮ符号で変調された信号を出力し、無線部１０４はこの変調信号を無線信号に変換してアンテナ１０１から送信する。
【００１６】
受信機２００のアンテナ２０１の受信信号は、ミクサ２１１，２１２、発振器２１３、π／２移相器２１４からなる直交検波器により、同相成分（Ｉch）と直交成分（Ｑch）に分離される。同相成分は相関検出器（Ｉch）２１５に入力され、符号器２１６から出力される送信機１００の符号器１０２と同一のＰＮ符号との相関処理（例えばＰＮ符号を１ビットずつシフトを繰り返しなから相関をとるスライディング相関検波）によりＩchの相関波形が出力される。直交成分は相関検出器（Ｑch）２１７に入力され、符号器２１６から出力されるＰＮ符号との相関処理によりＱchの相関波形が出力される。Ｉchの相関波形およびＱchの相関波形は包絡線検出器２１８に入力され、相関波形の包絡線信号（電力）が求められる。包絡線信号（電力）は、各相関波形の振幅をＩとＱとすると、各振幅の自乗和の平方根（（I2＋Q2)1/2）で与えられる。
【００１７】
この包絡線信号はピーク検出器２１９に入力され、雑音電力以上のピークが到来波の振幅として判別される。複数のピークが検出される場合には、最初のピークが送信機１００から受信機２００のアンテナ２０１に到達する最短の到来波（直接波）であり、それ以降のピークが反射や回折などを繰り返して順次到達する到来波（反射波）に相当する。例えば、図１に示すように直接波と２つの反射波がある場合には、図２に示すように３つのピークとして分離して検出される。ここではタイミングｔ１で直接波、タイミングｔ２で反射波１、タイミングｔ３で反射波２がそれぞれ周期的に検出される。ピーク検出器２１９の出力は時間検出器２２０に入力され、アンテナ２０１に対して直接波の到来タイミングｔ１およびそれを基準とした反射波１，２の時間差（ｔ２−ｔ１，ｔ３−ｔ１）がそれぞれ検出される。
【００１８】
同様に、受信機２００のアンテナ２０２の受信信号は、ミクサ２２１，２２２、発振器２２３、π／２移相器２２４からなる直交検波器により、同相成分（Ｉch）と直交成分（Ｑch）に分離される。同相成分は相関検出器（Ｉch）２２５に入力され、符号器２２６から出力される送信機１００の符号器１０２と同一のＰＮ符号との相関処理によりＩchの相関波形が出力される。直交成分は相関検出器（Ｑch）２２７に入力され、符号器２２６から出力されるＰＮ符号との相関処理によりＱchの相関波形が出力される。Ｉchの相関波形およびＱchの相関波形は包絡線検出器２２８に入力され、相関波形の包絡線信号（電力）が求められる。この包絡線信号はピーク検出器２２９に入力され、雑音電力以上のピークが到来波の振幅として判別される。ピーク検出器２２９の出力は時間検出器２３０に入力され、アンテナ２０２に対して直接波の到来タイミングを基準とした反射波１，２の時間差がそれぞれ検出される。
【００１９】
時間検出器２２０と時間検出器２３０の各出力は時間比較器２３１で時間比較され、タイミングｔ１，ｔ２，ｔ３の各ピークは、それぞれ直接波、反射波１、反射波２として判別され、距離・到来方向検出器２３２に入力される。
【００２０】
アンテナ２０１に対応する相関検波器（Ｉch）２１５および相関検出器（Ｑch）２１７から出力されたＩchの相関波形およびＱchの相関波形は、それぞれ分岐して位相検出器２３３に入力され、Ｉchの相関波形およびＱchの相関波形の振幅比（Ｑ／Ｉ）から相関波形の位相（tan-1(Q/I)) が求められる。また、アンテナ２０２に対応する相関検出器（Ｉch）２２５および相関検出器（Ｑch）２２７から出力されたＩchの相関波形およびＱchの相関波形は、それぞれ分岐して位相検出器２３４に入力され、Ｉchの相関波形およびＱchの相関波形の振幅比（Ｑ／Ｉ）から相関波形の位相（tan-1(Q/I)) が求められる。
【００２１】
相関検出器２３３，２３４から出力されるＩchとＱchの相関波形の位相は位相比較器２３５に入力され、アンテナ２０１およびアンテナ２０２の各相関波形の位相差が検出される。ここで、アンテナ２０１，２０２が設置される回転台２０３は制御部２０４の制御により角度θが制御されており、回転台２０３の角度θを変化させながら位相検出器２３３，２３４の出力を位相比較器２３５で比較することにより、位相差の角度特性が求められる。図３において、回転台２０３を回転させながらタイミングｔ１で観測される位相差のプロファイルが直接波を表し、タイミングｔ２，ｔ３で観測される位相差のプロファイルが反射波１，２を表すが、位相比較器２３５では各位相差のプロファイルが直接波を表すか、反射波１，２を表すかを特定することができない。
【００２２】
そこで、この位相差のプロファイルを距離・到来方向検出器２３２に入力し、時間比較器２３１から与えられるタイミングｔ１，ｔ２，ｔ３と照合する。
【００２３】
まず、タイミングｔ１で観測される位相差のプロファイルを参照し、位相差の絶対値が最大となる回転台２０３の角度θに基づき、例えば位相差が最小（−π）となる回転台２０３の角度θを０とし、その回転台２０３の位置におけるアンテナ２０１からアンテナ２０２の方向を直接波の到来方向を推定することができる。なお、位相差が最大（π）となる回転台の角度θをπとし、それからπを減ずることにより直接波の到来方向を推定してもよい。
【００２４】
また、タイミングｔ２で観測される位相差のプロファイルを参照し、位相差の絶対値が最大となる回転台２０３の角度θに基づき、例えば位相差が最小（−π）となる回転台２０３の角度θ１を反射波１の到来方向を推定することができる。なお、位相差が最大（π）となる回転台の角度（θ１＋π）とし、それからπを減ずることにより反射波１の到来方向を推定してもよい。
【００２５】
また、タイミングｔ３で観測される位相差のプロファイルを参照し、位相差の絶対値が最大となる回転台２０３の角度θに基づき、例えば位相差が最小（−π）となる回転台２０３の角度θ１を反射波２の到来方向を推定することができる。なお、位相差が最大（π）となる回転台の角度（θ１＋π）とし、それからπを減ずることにより反射波２の到来方向を推定してもよい。
【００２６】
これにより、反射波１，２は同じθ１の方向から到来していることが判明する。また、反射波１，２が異なる方向および距離の反射物から到来している場合には、図３におけるタイミングｔ１，ｔ２，ｔ３で観測される位相差のプロファイルは別々になり、直接波，反射波１，反射波２の到来方向０，θ１，θ２がそれぞれ推定される。同様に、他の複数の反射波についても時間軸上で分離した位相差と回転台２０３の角度θに基づいて、それぞれの反射波の到来方向を推定することができる。ただし、伝搬距離が等しく、かつ異なる方向から到来する反射波については、本構成ではその到来方向を判別することができない。
【００２７】
また、距離・到来方向検出器２３２では、時間検出器２２０，２３０および時間比較器２３１の検出結果に基づき、アンテナ２０１，２０２に対して直接波の到来タイミングｔ１、およびそれを基準とした反射波１，２の時間差（ｔ２−ｔ１，ｔ３−ｔ１）がそれぞれ判明する。これにより、直接波の伝搬距離を基準とした反射波１，２の伝搬距離を求めることができる。さらに、反射波が１回反射で到来すると仮定すると、（直接波の伝搬距離＋遅延波の伝搬距離）を長軸とし、送信点および受信点を焦点とする楕円上から反射が到来することが判明するので、反射波１，２の到来方向θ１が推定されれば、受信点からθ１方向の上記楕円上に存在する反射物１，２を特定することができる。なお、直接波の伝搬距離は、ＧＰＳその他の手段により送信機１００と受信機２００との間の距離として予め求めておくものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す図。
【図２】相関波形の各ピークを表す図。
【図３】相関波形の各ピークにおける位相差を表す図。
【図４】アレイアンテナを用いた従来の電波到来方向推定装置の構成例を示す図。
【符号の説明】
【００２９】
１，２  反射物
１００  送信機
１０１  アンテナ
１０２  符号器
１０３  変調器
１０４  無線部
２００  受信機
２０１，２０２  アンテナ
２０３  回転台
２０４  制御部
２１１，２１２，２２１，２２２  ミクサ
２１３，２２３  発振器
２１４，２２４  π／２移相器
２１５，２２５  相関検出器（Ｉch）
２１６，２２６  符号器
２１７，２２７  相関検出器（Ｑch）
２１８，２２８  包絡線検出器
２１９，２２９  ピーク検出器
２２０，２３０  時間検出器
２３１  時間比較器
２３２  距離・到来方向検出器
２３３，２３４  位相検出器
２３５  位相比較器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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