無線端末における位置推定方法、無線端末及び位置推定プログラム
【課題】測位電波を受信することができない環境にあっても、無線端末が相互に通信することで位置情報を推定すると共に、その位置情報の精度を高めることができる無線端末の位置推定方法、無線端末及び位置推定プログラムを提供する。
【解決手段】複数の無線端末が無線リンクを介して相互に接続されるネットワークシステムにおける無線端末の位置推定方法において、無線端末は、自無線端末の位置情報と位置情報の精度を高い順に規定したレベルとを保持し、通信可能な他無線端末を探索し、他無線端末の位置情報及びレベルを取得する第１のステップと、他無線端末のレベルと自無線端末のレベルとを比較する第２のステップと、自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより低い場合、自無線端末から他無線端末までの推定距離を算出し、その推定距離に基づいて推定位置情報を算出する第３のステップとを有する。
【解決手段】複数の無線端末が無線リンクを介して相互に接続されるネットワークシステムにおける無線端末の位置推定方法において、無線端末は、自無線端末の位置情報と位置情報の精度を高い順に規定したレベルとを保持し、通信可能な他無線端末を探索し、他無線端末の位置情報及びレベルを取得する第１のステップと、他無線端末のレベルと自無線端末のレベルとを比較する第２のステップと、自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより低い場合、自無線端末から他無線端末までの推定距離を算出し、その推定距離に基づいて推定位置情報を算出する第３のステップとを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の無線端末が無線リンクを介して相互に接続されるネットワークシステムにおける無線端末の位置推定方法、無線端末及び位置推定プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線端末の測位技術として、ＧＰＳ(Global Positioning System)衛星から送信される測位電波が広く利用されている。この技術によれば、無線端末は、測位電波を受信することによって当該衛星からの距離を算出する。４機以上のＧＰＳ衛星からの測位電波を受信することによって、１０ｍ程度の精度で位置を測定することができる。一方、無線端末が、３機以下のＧＰＳ衛星からの測位電波しか受信できなかった場合、又は、受信した測位電波を送信する衛星との仰角が仰角マスク以下である場合には、測位の精度は大きく劣化する。
【０００３】
これに対し、屋内のように、ＧＰＳ衛星からの測位電波が遮断される場所に位置する無線端末については、ＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentifier）タグを用いて位置を推定する技術や、複数のカメラによって撮影された画像に基づいて位置を推定する技術もある。
【０００４】
例えば、屋内に、測位電波を送信する複数の測位基準装置を設置し、その測位基準装置と無線端末との間の距離を、その伝播特性を用いて推定する技術もある（例えば特許文献１及び非特許文献１参照）。この技術によれば、サーバが、測位基準装置の位置情報と、無線端末によって推定された距離とを用いて、その無線端末の位置情報を算出する。
【０００５】
一方、センサネットワークを用いて無線端末の位置を推定する技術もある（例えば非特許文献２参照）。この技術によれば、無線端末が、他無線端末から位置情報を取得し、無線端末間の距離を伝播受信強度に基づいて推定する。その位置情報及び距離を用いて、その無線端末の位置を算出する。この技術によれば、インフラストラクチャとして、多数の測位基準装置を配置する必要がない。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−５３５１０号公報
【非特許文献１】日立製作所ワイヤレスインフォベンチャーカンパニー、「日立AirSenseTM UWBエントリーモデル」、２００７年１２月１０日、[online]、［平成２０年１１月１日検索］、インターネット＜URL:http://www.hitachi.co.jp/New/cnews/month/2007/12/1210a.html＞
【非特許文献２】Bo Liu、「A Study on Wireless Sensor NetworksLocation”、 Wireless Communications」、 Networking and Mobile Computing、 2006年、WiCOM2006、[online]、［平成２０年１１月１日検索］、インターネット＜URL:http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=4149451＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１及び非特許文献１に記載された技術によれば、無線端末自体が、ＧＰＳ衛星又は測位基準装置からの測位電波を用いて測位するために、測位可能なエリアを広げるには、多数の測位基準装置が必要となる。
【０００８】
一方で、自無線端末が、他無線端末の位置情報及びその距離に基づいて位置情報を推定する技術もある。しかしながら、位置情報が、他無線端末の位置情報及び距離の精度が低い場合もあり、その場合、自無線端末によって算出される位置情報自体の精度も低くなる。この技術によれば、無線端末の位置情報の信頼度が、指数関数的に低下する可能性が強い。
【０００９】
これに対し、非特許文献２に記載の技術によれば、「重み」の概念を導入している。即ち、一般的なＧＰＳシステムと同等の位置推定アルゴリズムを用いるものの、「近距離に位置する無線端末間における距離の推定は、より正確である」との前提条件から、推定距離の誤差に対して重み付けをする。具体的には、各無線端末の位置情報の信頼度と、距離情報の信頼度とに基づいて重み付けをする。電波受信強度が高いほど、距離情報の信頼度も高いと仮定する。距離情報の信頼度を、隣接無線端末の位置情報の信頼度に乗算することによって、自無線端末の位置情報の信頼度を算出する。
【００１０】
しかしながら、現実的には、近距離であってもマルチパスやフェージングなどが存在する環境下では、「近距離に位置する無線端末間における距離の推定は、より正確である」との前提に基づいて算出された「重み」は、より誤差が増加させる可能性がある。従って、自無線端末は、他無線端末の位置情報の精度を判断し、その位置情報を自無線端末の位置推定に使用するか否かを取捨選択することが重要となる。
【００１１】
そこで、本発明は、測位電波を受信することができない環境にあっても、無線端末が相互に通信することで位置情報を推定すると共に、その位置情報の精度を高めることができる無線端末の位置推定方法、無線端末及び位置推定プログラム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】
【００１２】
本発明によれば、複数の無線端末が無線リンクを介して相互に接続されるネットワークシステムにおける無線端末の位置推定方法において、
無線端末は、自無線端末の位置情報と、該位置情報の精度を高い順に規定したレベルとを保持し、
自無線端末と無線リンクを介して通信可能な他無線端末を探索し、他無線端末の位置情報及びレベルを取得する第１のステップと、
他無線端末のレベルと自無線端末のレベルとを比較する第２のステップと、
自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより低い場合、受信電波に基づいて、自無線端末から他無線端末までの推定距離を算出する第３のステップと、
他無線端末の位置情報及び推定距離に基づいて、自無線端末の推定位置情報を算出する第４のステップと、
を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の位置推定方法における他の実施形態によれば、他無線端末のレベル及び推定距離に基づいて自無線端末のレベルを算出し、該レベルを自無線端末のレベルとして更新するする第５のステップを更に有することも好ましい。
【００１４】
本発明の位置推定方法における他の実施形態によれば、他無線端末の位置情報と自無線端末の位置情報とを直線上に結ぶ距離Ｄを算出し、該距離Ｄと第３のステップで算出された推定距離Ｄ’との差分が、所定閾値以上である場合、直線上における他無線端末からの推定距離Ｄ’に対応する位置情報を用いて、自無線端末の位置情報を更新する第６のステップを更に有することも好ましい。
【００１５】
本発明の位置推定方法における他の実施形態によれば、第３のステップについて、推定距離は、他無線端末からの受信電波の伝播損失又は到達時間に基づいて推定されることも好ましい。
【００１６】
本発明の位置推定方法における他の実施形態によれば、
無線端末は、測位電波を受信可能であって、
第１のステップの前段について、無線端末は、測位電波を受信し且つ自無線端末の位置情報を取得可能か否かを判定し、取得できない場合に第１のステップへ移行することも好ましい。
【００１７】
本発明の位置推定方法における他の実施形態によれば、
ＧＰＳ(Global
Positioning System)衛星からの測位電波である場合、捕捉したＧＰＳ衛星の数及び仰角に基づいてレベルを算出し、又は、
自装置の位置情報を放送する測位装置からの測位電波である場合、該測位装置との間の推定距離に基づいてレベルを算出することも好ましい。
【００１８】
本発明の位置推定方法における他の実施形態によれば、第２のステップについて、自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより高い場合は、処理を終了することも好ましい。
【００１９】
本発明によれば、無線リンクを介して相互接続するネットワークシステムにおける無線端末であって、
自無線端末の位置情報と、該位置情報の精度を高い順に規定したレベルとを記憶する記憶手段と、
自無線端末と無線リンクを介して通信可能な他無線端末を探索し、該無線端末の位置情報及びレベルを取得する他端末探索手段と、
他無線端末のレベルと自無線端末のレベルとを比較するレベル比較手段と、
自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより低い場合、自無線端末から探索した無線端末までの推定距離を算出する距離推定手段と、
他無線端末の位置情報及び推定距離に基づいて、自無線端末の推定位置情報を算出する位置情報推定手段と
を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、無線リンクを介して相互接続するネットワークシステムにおける無線端末に搭載されたコンピュータを機能させる位置推定プログラムにおいて、
自無線端末の位置情報と、該位置情報の精度を高い順に規定したレベルとを記憶する記憶手段と、
自無線端末と無線リンクを介して通信可能な他無線端末を探索し、該無線端末の位置情報及びレベルを取得する他端末探索手段と、
他無線端末のレベルと自無線端末のレベルとを比較するレベル比較手段と、
自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより低い場合、自無線端末から探索した無線端末までの推定距離を算出する距離推定手段と、
他無線端末の位置情報及び推定距離に基づいて、自無線端末の推定位置情報を算出する位置情報推定手段と
してコンピュータを機能させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の位置推定方法、無線端末及び位置推定プログラムによれば、測位電波を受信することができない環境にあっても、無線端末が相互に通信する際に、精度の高い位置情報のみを用いて当該無線端末の位置情報を推定するために、その位置情報の精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下では、図面を用いて、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明におけるシステム構成図である。
【００２４】
図１のネットワークシステムによれば、複数の無線端末１が、無線リンクを介して相互に通信可能である。また、無線端末１は、例えばＧＰＳ衛星からの測位電波を受信することによって、その位置情報を取得することができる。
【００２５】
ここで、複数の無線端末１の一部は、電波遮蔽物３によって測位電波を受信することができない場合がある。具体的には、屋内や地下街など、外部から電波が到達しにくい場所を想定している。従って、図１によれば、測位可能な第１の無線端末の群と、測位不可能な第２の無線端末の群とに区別される。
【００２６】
測位不可能な第２の無線端末は、測位電波は受信できなくても、測位可能な第１の無線端末と通信することができる場合がある。このとき、第２の無線端末は、第１の無線端末からその位置情報を取得することができる。また、第２の無線端末は、第１の無線端末からの受信電波の無線品質（例えば受信レベル）によって、第１の無線端末との間の距離を推定することできる。第１の無線端末の位置情報と、それら無線端末間の推定距離とを用いて、第２の無線端末自身がその位置情報を推定することができる。
【００２７】
これによって、測位電波を受信することができない第２の無線端末であっても、位置情報を推定することができる。その後、更なる測位電波を受信できない他無線端末は、位置情報を推定し且つ保持した第２の無線端末と通信することによって、位置情報を推定することができる。このように、無線端末は、自律分散的に他の無線端末と相互通信することによって、最終的には、ネットワークシステム全体の無線端末が、自らの位置情報を推定することができる。
【００２８】
図２は、無線端末の位置情報に対するレベルを表す説明図である。
【００２９】
図２によれば、縦方向に、位置情報のレベルが表されている。これは、物理的な位置関係を表すものではない。各無線端末が保持する位置情報には、その精度を表すレベルが対応付けられている。
【００３０】
位置情報の「レベル」は、最高精度をレベル０とし、順に低いもの（レベル１，２，３・・・）にされる。このレベルによって、各無線端末が保持する位置情報における精度の高低を、比較することができる。本発明によれば、無線端末は、他無線端末から受信した位置情報のレベルが、当該自無線端末が保持する位置情報のレベルよりも低い場合、他無線端末の位置情報を用いて位置情報を更新しないようにする。
【００３１】
次に、レベル付けの基準について説明する。ＧＰＳ衛星の位置情報は、現在利用できる最高精度のものであって、レベル０と規定される。次に、そのＧＰＳ衛星からの測位電波を受信した無線端末における位置情報は、レベル１と規定される。
【００３２】
尚、無線端末が、ＧＰＳ衛星からの測位電波を直接的に受信することができる場合であっても、その捕捉する衛星の数、仰角、無線端末の時刻精度、仰角マスク等の要因に応じて、その無線端末の位置情報の精度は変化する。それら要因に応じて、無線端末のレベルは、レベル１から２までの間で変化する。また、ＧＰＳ衛星が捕捉できず且つレベルが０より低い無線端末の位置情報を用いて推定した無線端末の位置情報は、レベル２よりも低いレベルが割り当てられる。レベルが２よりも低い無線端末の位置情報を用いて推定した無線端末の位置情報は、レベル３よりも低いレベルが割り当てられる。
【００３３】
図２によれば、ＧＰＳ衛星Ａ〜Ｅは、レベル０と規定される。
無線端末ｂは、ＧＰＳ衛星Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを空間的に十分なばらつきをもって捕捉している。そのために、精度良く位置情報を得ることが可能であり、「レベル１」と規定される。
無線端末ａは、無線端末ｂと同じ衛星を捕捉しているものの、衛星との仰角が小さい。そのために、無線端末ｂほどの精度が取れず、例えば「１．２」と規定される。
無線端末ｃは、ＧＰＳ衛星Ｂ、Ｃ及びＤを捕捉可能であるが、衛星Ａ及びＥを捕捉できない。そのために、更に劣化して「１．５」と規定される。
無線端末ｄは、ＧＰＳ衛星Ｄ及びＥの２つの衛星しか捕捉できない。そのために、位置情報の精度は、更に劣化した「１．７」と規定される。
無線端末ｅは、ＧＰＳ衛星を捕捉できないが、無線端末ａ、ｂ、ｃ及びｄを捕捉している。無線端末ｅは、これら無線端末の劣化したレベルの位置情報に基づいて、位置情報を推定するために、そのレベルは更に劣化し、例えば「２．２」と規定される。
以下、無線端末ｆ〜ｉが、同様にしてレベル付けされる。
【００３４】
このように、他無線端末から位置情報の精度と、自無線端末の位置情報の精度とは、比較可能となる。例えば、端末ｂと端末ｇとは、当初、直接的に通信可能ではないが、移動によって通信可能となった場合、端末ｂ及び端末ｇとの間でレベルを比較することができる。
【００３５】
尚、図２によれば、レベル０に、ＧＰＳ衛星の他、既知の位置情報を持つ固定のアクセスポイント、ＲＦＩＤシステム及び超音波位置検知システムも設置されている。勿論、映像を用いて無線端末の位置を測定する装置であってもよい。このように、異なる種類の位置情報配信システムが混在する場合であっても、位置情報の精度を「レベル」として扱うことができる。
【００３６】
また、国土地理院などから提供される位置情報のデータベースは、十分に信頼度が高いため、この位置情報は、ＧＰＳ衛星と同様にレベル０と規定できる。位置推定システム毎に異なるレベルを規定することによって、異なる測位装置であっても統合的な運用を容易にする。
【００３７】
図３は、図２における位置情報のレベルの改善を表す説明図である。
【００３８】
図３によれば、無線端末ｄは、これまで捕捉していたＧＰＳ衛星Ｄ及びＥ（図２参照）に加えて、新たに衛星Ｂ及びＣを捕捉したとする。無線端末ｄは、ＧＰＳ衛星を４機捕捉することとなる。これによって、無線端末ｄが保持する位置情報のレベルは、改善（向上）する。
【００３９】
無線端末ｄの位置情報のレベルが向上した場合、その無線端末ｄからの受信電波によって位置情報を推定していた無線端末ｅ〜ｈについても、その位置情報のレベルが向上する。更に、無線端末ｅ〜ｈからの受信電波によって位置情報を推定していた無線端末ｉについても、その位置情報のレベルが向上する。
【００４０】
図４は、無線端末における位置推定方法を表すフローチャートである。図５は、本発明を用いて推定される位置情報の説明図である。
【００４１】
図４によれば、無線端末は、自無線端末の位置情報と、その位置情報の精度を高い順に規定したレベルとを保持する。
【００４２】
（Ｓ４０１）無線端末は、ＧＰＳ衛星から測位電波を受信する。
（Ｓ４０２）次に、無線端末は、測位電波に基づいて、位置情報を取得可能か否か判定する。取得可能な場合は、Ｓ４１０へ移行する。
（Ｓ４０３）測位電波に基づいて自無線端末の位置情報を取得できない場合、無線端末は、無線リンクを介して通信可能な他無線端末を探索する。
（Ｓ４０４）無線端末は、無線リンクを介して通信可能な他無線端末から、位置情報及びレベルを取得する。
（Ｓ４０５）ここで、無線端末は、他無線端末のレベルと、自無線端末のレベルとを比較する。自無線端末のレベルが、他無線端末のレベル以上である場合、そのまま処理を終了する。
【００４３】
レベルは、前述したように位置情報の精度を規定している。従って、最高精度を０とし、精度が劣化するのに応じて順次大きな数値で規定される。Ｓ４０５の比較によって、自無線端末のレベルが、他無線端末のレベル以上である場合、その他無線端末の位置情報を用いて、自無線端末の位置情報の更新を実行しない。これによって、位置情報の精度の劣化を防止することができる。
【００４４】
（Ｓ４０６）一方、自無線端末のレベルが、他無線端末のレベルよりも低い場合、無線端末は、自無線端末の位置情報と、他無線端末の位置情報とを直線上に結ぶ補正対象距離Ｄを算出する。図５によれば、補正対象の位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）と、第１の他無線端末の位置情報（ｘ０，ｙ０，ｚ０）とを直線上に結ぶ補正対象距離Ｄが表されている。
【００４５】
（Ｓ４０７）次に、無線端末は、他無線端末からの受信電波に基づいて、他無線端末との間の推定距離Ｄ’を導出する。推定距離Ｄ’は、例えば受信電波強度に基づいて導出される。図５によれば、現実の位置の無線端末は、第１の他無線端末から受信した受信電波に基づいて、推定距離Ｄ’を導出する。
【００４６】
（Ｓ４０８）無線端末は、補正対象距離Ｄと、推定距離Ｄ’との差分の絶対値｜Ｄ−Ｄ’｜を算出する。
（Ｓ４０９）次に、無線端末は、その差分｜Ｄ−Ｄ’｜と所定閾値とを比較する。差分｜Ｄ−Ｄ’｜が、所定閾値以下である場合、そのまま処理を終了する。所定閾値で比較することによって、補正対象距離Ｄと推定距離Ｄ’との差分が小さい場合にも、頻繁に位置情報を更新することを避けることができる。
【００４７】
（Ｓ４１０）一方、差分｜Ｄ−Ｄ’｜が所定閾値よりも大きい場合、無線端末は、位置情報を更新する。幾何学的には、最初に、他無線端末の位置情報と自無線端末の位置情報とを結ぶ直線を算出し、その距離を補正対象距離Ｄとする。そして、他無線端末の位置情報を基点として、その直線上で、推定距離Ｄ’に対応する位置を決定する。その推定距離Ｄ’に対応する座標点を、新たに推定された位置情報となる。図５によれば、補正対象の位置情報と第１の他無線端末とを結ぶ直線上で、推定距離Ｄ’の位置を、１回目の推定位置とする。
【００４８】
（Ｓ４１１）無線端末は、自無線端末の位置情報の精度を規定するレベルを、他無線端末の位置情報のレベル及び推定距離Ｄ’等に基づいて算出する。例えば、推定距離Ｄ’が長くなるほど、レベル自体は、低く設定される。無線端末は、新たに設定されたレベルを用いて、保持する位置情報のレベルを更新する。
【００４９】
図５によれば、無線端末は、１回目の推定位置から、更に第２の他無線端末からの受信電波によって、位置を補正する。１回目の推定位置と、第２の他無線端末の位置情報（ｘ１，ｙ１，ｚ１）とを直線上に結ぶ補正対象距離Ｄが表されている。次に、現実の位置の無線端末は、第２の他無線端末から受信した受信電波に基づいて、推定距離Ｄ’を導出する。そして、第１の推定位置と第２の他無線端末とを結ぶ直線上で、推定距離Ｄ’の位置を、２回目の推定位置とする。
【００５０】
図６は、本実施形態の無線端末の機能構成図である。
【００５１】
図６によれば、無線端末１は、測位電波受信部１００と、無線ＬＡＮインタフェース部１１０とを有する。測位電波受信部１００は、ＧＰＳ衛星２からの測位電波を受信する。捕捉できたＧＰＳ衛星からの情報は、位置情報取得部１０１へ出力される。また、無線ＬＡＮインタフェース部１１０は、無線リンクを介して他無線端末と通信する。例えば、アドホックネットワークプロトコルの機能も有する。
【００５２】
また、無線端末１は、位置情報取得部１０１と、記憶部１０２と、他端末探索部１１１と、レベル比較部１１２と、距離推定部１１３と、位置情報推定部１１４と、レベル更新部１１５と、位置情報更新部１１６とを有する。これら機能構成部は、無線端末に搭載されたコンピュータによって実行される位置推定プログラムによって実現される。
【００５３】
位置情報取得部１０１は、測位電波受信部１００から測位電波の情報を受け取り、位置情報を取得可能か否かを判定する。位置情報を取得可能か否かは、捕捉できたＧＰＳ衛星の数や仰角等の情報に応じて判定される。取得できた自無線端末の位置情報は、記憶部１０２へ出力される。また、捕捉できたＧＰＳ衛星の数や仰角等の情報に応じて算出した、その位置情報のレベルも、記憶部１０２へ出力する。
【００５４】
記憶部１０２は、自無線端末の位置情報及びレベルを記憶する。自無線端末の位置情報は、位置情報推定部１１４へ出力され、自無線端末のレベルは、レベル比較部１１２へ出力される。
【００５５】
他端末探索部１１１は、位置情報取得部１０１によって測位電波から位置情報を取得できない場合に実行される。他端末探索部１１１は、無線ＬＡＮインタフェース部１１０を介して他無線端末を探索し、他無線端末から位置情報及びレベルを受信する。他無線端末の位置情報は、位置情報推定部１１４へ出力され、他無線端末のレベルは、レベル比較部１１２及びレベル更新部１１５へ出力される。また。他端末探索部１１１は、他無線端末からの電波の受信レベルを計測し、その受信レベルから他無線端末と自無線端末間の伝播損失Ｌ（又は遅延時間）を計測する。その伝播損失Ｌは、距離推定部１１３へ出力される。
【００５６】
尚、他端末探索部１１１は、タイマによって、周期的に周辺の他無線端末を探索することも好ましい。また、探索に必要な時間は、周辺の伝播環境等に応じて適応的に決定されるものであってもよいし、予め決定した一定時間であってもよい。
【００５７】
レベル比較部１１２は、他無線端末のレベルと、記憶部１０２に保持する自無線端末のレベルとを比較する。自無線端末のレベルが他無線端末のレベルよりも低い場合、推定許可が、距離推定部１１３へ通知される。自無線端末のレベルが他無線端末のレベル以上である場合、距離推定部１１３は実行されない。
【００５８】
距離推定部１１３は、レベル比較部１１２から推定許可の通知を受けた場合、他端末探索部１１１から出力される伝播損失Ｌに基づいて、他無線端末から自無線端末までの推定距離を算出する。端末間の距離ｄと伝播損失Ｌとの関係は、次式（１）で表される。
Ｌ＝１０ｌｏｇ１０（４πｄ／λ） 式（１）
ここで、Ｌは伝播損失であり、ｄは距離であり、λは使用電波の波長であり、πは円周率である。尚、伝播損失に代えて、遅延時間を用いるものであってもよい。
【００５９】
距離推定部１１３は、具体的には、他端末探索部１１１で計測された伝播損失Ｌから、式（１）の逆関数である次式（２）を用いて距離ｄを算出する。
ｄ＝（λ／４π）ｅｘｐ（（Ｌ（ｌｏｇｅ１０）／１０） 式（２）
この推定された距離ｄ（以下「推定距離Ｄ’」と表示する）は、位置情報推定部１１４、レベル更新部１１５及び位置情報更新部１１６へ出力される。尚、伝播損失Ｌは、マルチパスやフェージングなどの周辺環境によって大きく変動するため、例えば一定時間程度の観測をして、その変動を抑制することも好ましい。
【００６０】
位置情報推定部１１４は、他端末探索部１１１から他無線端末の位置情報を入力し、距離推定部１１３から推定距離Ｄ’を入力し、記憶部１０２から自無線端末の位置情報を入力する。ここで、他無線端末の位置情報（ｘ０，ｙ０，ｚ０）と、自無線端末の位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）とが結ばれた直線上における補正対象距離Ｄを、次式（３）によって算出する。
Ｄ＝√（（ｘ−ｘ０）２＋（ｙ−ｙ０）２＋（ｚ−ｚ０）２） 式（３）
【００６１】
次に、位置情報推定部１１４は、自無線端末の新たな推定位置（ｘ’，ｙ’，ｚ’）を、他無線端末の位置（ｘ０，ｙ０，ｚ０）から推定距離Ｄ’だけ離れたこの直線上における位置として算出する。即ち、次式（４）に基づいて、自無線端末の新たな推定位置（ｘ’，ｙ’，ｚ’)を算出する。
ｘ’−ｘ０＝（ｘ−ｘ０）Ｄ’／Ｄ
ｙ’−ｙ０＝（ｙ−ｙ０）Ｄ’／Ｄ 式（４）
ｚ’−ｚ０＝（ｚ−ｚ０）Ｄ’／Ｄ
自無線端末の新たな推定位置（ｘ’，ｙ’，ｚ’）は、記憶部１０２へ出力される。
【００６２】
レベル更新部１１５は、位置推定に用いた他無線端末のレベル及び推定距離に基づいて、自無線端末のレベルを更新する。自無線端末のレベルは、先ず、位置推定に用いた他無線端末のレベルに依存する。また、レベルは、距離推定による誤差を加えて、更に劣化する。距離推定による誤差は、その距離が大きいほど誤差も大きくなるために、推定距離が長くなるに応じてレベルが低下するように算出される。
【００６３】
位置情報更新部１１６は、位置情報推定部１１４で算出された推定位置情報（ｘ’，ｙ’，ｚ’)を用いて、自無線端末が保持する位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）を更新する。ここでは、上式（３）の距離Ｄと推定距離Ｄ’との差分の絶対値｜Ｄ−Ｄ’｜を計算する。そして、所定閾値と差分｜Ｄ−Ｄ’｜を比較する。所定閾値より差分が大きい場合には、新たに推定された位置情報(ｘ’、ｙ’、ｚ’)を用いて位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）を更新する。
【００６４】
図７は、三角測量に基づく位置情報の推定を表す説明図である。
【００６５】
本発明によれば、自無線端末が、誤差を含むかもしれない位置情報を、記憶部に予め保持しておくことを前提としている。従って、自無線端末が、初期動作の段階では何ら位置情報を保持していない。この場合、位置情報推定部１１４は、例えば従来技術に基づく「三角測量」の技術を用いることができる。「三角測量」とは、複数の他無線端末の位置を中心にした各推定距離Ｄ’の半径を有する複数の球面の交点として、位置情報を推定する。
【００６６】
具体的には、無線端末は、自無線端末から無線リンクで通信可能な複数の他無線端末の探索が完了した後、予め定めておいた位置情報推定の条件を満たす場合に位置情報を算出する。この位置情報推定の条件として、例えば以下のような場合がある。
（１）捕捉した他無線端末の数が一定数以上になった場合
（２）自無線端末のレベル以上のレベルを持つ他無線端末が一定数以上存在する場合
（３）自無線端末の位置推定に未使用の他無線端末が一定数存在する場合
（４）累積した位置情報の誤差が閾値以上である場合
【００６７】
ここでは、位置情報推定の条件として、捕捉した他無線端末の数が５以上の場合に位置情報を推定するとする。この場合は、捕捉した５つの無線端末からの位置情報（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）（ｉ＝１から５）及びそれら他無線端末から自無線端末への伝播損失Ｌｉ（ｉ＝１から５）から推定される距離ｄｉ（ｉ＝１から５）に基づいて、式（５）で示される５つの式を得る。そして、これら５つの式を連立させて、位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）を得る。この位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）は、新たな推定位置情報(ｘ’、ｙ’、ｚ’)そのものである。このようにして、一度、自無線端末の位置情報を獲得した後は、既述したように、式（５）によって自無線端末の新たな推定位置を算出できる。
（ｘ−ｘ１）２＋（ｙ−ｙ１）２＋（ｚ−ｚ１）２＝ｄ１２
（ｘ−ｘ２）２＋（ｙ−ｙ２）２＋（ｚ−ｚ２）２＝ｄ２２
（ｘ−ｘ３）２＋（ｙ−ｙ３）２＋（ｚ−ｚ３）２＝ｄ３２ 式（５）
（ｘ−ｘ４）２＋（ｙ−ｙ４）２＋（ｚ−ｚ４）２＝ｄ４２
（ｘ−ｘ５）２＋（ｙ−ｙ５）２＋（ｚ−ｚ５）２＝ｄ５２
【００６８】
以上、詳細に説明したように、本発明の無線端末の位置推定方法、無線端末及び位置推定プログラムによれば、測位電波を受信することができない環境にあっても、無線端末が相互に通信する際に、精度の高い位置情報のみを用いて当該無線端末の位置情報を推定するために、その位置情報の精度を高めることができる。
【００６９】
また、本発明によれば、各無線端末が、伝播環境に依存することなく、自律分散的に位置情報を推定することできる。特に、センサネットワークを展開した領域内における利用が見込まれる。例えば、屋内や地下環境でも、各無線端末が、電波伝播状態や温度、湿度など様々な情報をセンシングし、それらの情報と測定した位置情報をセットにして管理することができる。また、ネットワーク内のいくつかの基準となる測位電波送信装置に対して、正確な位置情報を随時入力することによって、ネットワークの全無線端末の位置情報の精度を継続して向上させることもできる。
【００７０】
更に、本発明によれば、多数の測位電波送信装置をインフラストラクチャとして配置する必要がないために、低コストで位置情報の推定を実現することができる。更に、本発明によれば、測位電波送信装置の種別に応じて位置情報の精度を表すレベルを対応付けることもできる。更に、無線端末が保持する位置情報にはレベルが対応付けられており、そのレベルは、周辺の電波伝搬環境には依存しない位置情報の精度を表す。
【００７１】
前述した本発明の種々の実施形態において、本発明の技術思想及び見地の範囲の種々の変更、修正及び省略は、当業者によれば容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物として限定するものにのみ制約される。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明におけるシステム構成図である。
【図２】無線端末の位置情報に対するレベルを表す説明図である。
【図３】図２における位置情報のレベルの改善を表す説明図である。
【図４】無線端末における位置推定方法を表すフローチャートである。
【図５】本発明を用いて推定される位置情報の説明図である。
【図６】本発明における無線端末の機能構成図である。
【図７】三角測量に基づく位置情報の推定を表す説明図である。
【符号の説明】
【００７３】
１ 無線端末
１００ 測位電波受信部
１０１ 位置情報取得部
１０２ 記憶部
１１０ 無線ＬＡＮインタフェース部
１１１ 他端末探索部
１１３ 距離推定部
１１４ 位置情報推定部
１１５ レベル更新部
１１６ 位置情報更新部
２ ＧＰＳ衛星、測位電波送信装置
３ 電波遮蔽物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の無線端末が無線リンクを介して相互に接続されるネットワークシステムにおける無線端末の位置推定方法、無線端末及び位置推定プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線端末の測位技術として、ＧＰＳ(Global Positioning System)衛星から送信される測位電波が広く利用されている。この技術によれば、無線端末は、測位電波を受信することによって当該衛星からの距離を算出する。４機以上のＧＰＳ衛星からの測位電波を受信することによって、１０ｍ程度の精度で位置を測定することができる。一方、無線端末が、３機以下のＧＰＳ衛星からの測位電波しか受信できなかった場合、又は、受信した測位電波を送信する衛星との仰角が仰角マスク以下である場合には、測位の精度は大きく劣化する。
【０００３】
これに対し、屋内のように、ＧＰＳ衛星からの測位電波が遮断される場所に位置する無線端末については、ＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentifier）タグを用いて位置を推定する技術や、複数のカメラによって撮影された画像に基づいて位置を推定する技術もある。
【０００４】
例えば、屋内に、測位電波を送信する複数の測位基準装置を設置し、その測位基準装置と無線端末との間の距離を、その伝播特性を用いて推定する技術もある（例えば特許文献１及び非特許文献１参照）。この技術によれば、サーバが、測位基準装置の位置情報と、無線端末によって推定された距離とを用いて、その無線端末の位置情報を算出する。
【０００５】
一方、センサネットワークを用いて無線端末の位置を推定する技術もある（例えば非特許文献２参照）。この技術によれば、無線端末が、他無線端末から位置情報を取得し、無線端末間の距離を伝播受信強度に基づいて推定する。その位置情報及び距離を用いて、その無線端末の位置を算出する。この技術によれば、インフラストラクチャとして、多数の測位基準装置を配置する必要がない。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−５３５１０号公報
【非特許文献１】日立製作所ワイヤレスインフォベンチャーカンパニー、「日立AirSenseTM UWBエントリーモデル」、２００７年１２月１０日、[online]、［平成２０年１１月１日検索］、インターネット＜URL:http://www.hitachi.co.jp/New/cnews/month/2007/12/1210a.html＞
【非特許文献２】Bo Liu、「A Study on Wireless Sensor NetworksLocation”、 Wireless Communications」、 Networking and Mobile Computing、 2006年、WiCOM2006、[online]、［平成２０年１１月１日検索］、インターネット＜URL:http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=4149451＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１及び非特許文献１に記載された技術によれば、無線端末自体が、ＧＰＳ衛星又は測位基準装置からの測位電波を用いて測位するために、測位可能なエリアを広げるには、多数の測位基準装置が必要となる。
【０００８】
一方で、自無線端末が、他無線端末の位置情報及びその距離に基づいて位置情報を推定する技術もある。しかしながら、位置情報が、他無線端末の位置情報及び距離の精度が低い場合もあり、その場合、自無線端末によって算出される位置情報自体の精度も低くなる。この技術によれば、無線端末の位置情報の信頼度が、指数関数的に低下する可能性が強い。
【０００９】
これに対し、非特許文献２に記載の技術によれば、「重み」の概念を導入している。即ち、一般的なＧＰＳシステムと同等の位置推定アルゴリズムを用いるものの、「近距離に位置する無線端末間における距離の推定は、より正確である」との前提条件から、推定距離の誤差に対して重み付けをする。具体的には、各無線端末の位置情報の信頼度と、距離情報の信頼度とに基づいて重み付けをする。電波受信強度が高いほど、距離情報の信頼度も高いと仮定する。距離情報の信頼度を、隣接無線端末の位置情報の信頼度に乗算することによって、自無線端末の位置情報の信頼度を算出する。
【００１０】
しかしながら、現実的には、近距離であってもマルチパスやフェージングなどが存在する環境下では、「近距離に位置する無線端末間における距離の推定は、より正確である」との前提に基づいて算出された「重み」は、より誤差が増加させる可能性がある。従って、自無線端末は、他無線端末の位置情報の精度を判断し、その位置情報を自無線端末の位置推定に使用するか否かを取捨選択することが重要となる。
【００１１】
そこで、本発明は、測位電波を受信することができない環境にあっても、無線端末が相互に通信することで位置情報を推定すると共に、その位置情報の精度を高めることができる無線端末の位置推定方法、無線端末及び位置推定プログラム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】
【００１２】
本発明によれば、複数の無線端末が無線リンクを介して相互に接続されるネットワークシステムにおける無線端末の位置推定方法において、
無線端末は、自無線端末の位置情報と、該位置情報の精度を高い順に規定したレベルとを保持し、
自無線端末と無線リンクを介して通信可能な他無線端末を探索し、他無線端末の位置情報及びレベルを取得する第１のステップと、
他無線端末のレベルと自無線端末のレベルとを比較する第２のステップと、
自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより低い場合、受信電波に基づいて、自無線端末から他無線端末までの推定距離を算出する第３のステップと、
他無線端末の位置情報及び推定距離に基づいて、自無線端末の推定位置情報を算出する第４のステップと、
を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の位置推定方法における他の実施形態によれば、他無線端末のレベル及び推定距離に基づいて自無線端末のレベルを算出し、該レベルを自無線端末のレベルとして更新するする第５のステップを更に有することも好ましい。
【００１４】
本発明の位置推定方法における他の実施形態によれば、他無線端末の位置情報と自無線端末の位置情報とを直線上に結ぶ距離Ｄを算出し、該距離Ｄと第３のステップで算出された推定距離Ｄ’との差分が、所定閾値以上である場合、直線上における他無線端末からの推定距離Ｄ’に対応する位置情報を用いて、自無線端末の位置情報を更新する第６のステップを更に有することも好ましい。
【００１５】
本発明の位置推定方法における他の実施形態によれば、第３のステップについて、推定距離は、他無線端末からの受信電波の伝播損失又は到達時間に基づいて推定されることも好ましい。
【００１６】
本発明の位置推定方法における他の実施形態によれば、
無線端末は、測位電波を受信可能であって、
第１のステップの前段について、無線端末は、測位電波を受信し且つ自無線端末の位置情報を取得可能か否かを判定し、取得できない場合に第１のステップへ移行することも好ましい。
【００１７】
本発明の位置推定方法における他の実施形態によれば、
ＧＰＳ(Global
Positioning System)衛星からの測位電波である場合、捕捉したＧＰＳ衛星の数及び仰角に基づいてレベルを算出し、又は、
自装置の位置情報を放送する測位装置からの測位電波である場合、該測位装置との間の推定距離に基づいてレベルを算出することも好ましい。
【００１８】
本発明の位置推定方法における他の実施形態によれば、第２のステップについて、自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより高い場合は、処理を終了することも好ましい。
【００１９】
本発明によれば、無線リンクを介して相互接続するネットワークシステムにおける無線端末であって、
自無線端末の位置情報と、該位置情報の精度を高い順に規定したレベルとを記憶する記憶手段と、
自無線端末と無線リンクを介して通信可能な他無線端末を探索し、該無線端末の位置情報及びレベルを取得する他端末探索手段と、
他無線端末のレベルと自無線端末のレベルとを比較するレベル比較手段と、
自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより低い場合、自無線端末から探索した無線端末までの推定距離を算出する距離推定手段と、
他無線端末の位置情報及び推定距離に基づいて、自無線端末の推定位置情報を算出する位置情報推定手段と
を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、無線リンクを介して相互接続するネットワークシステムにおける無線端末に搭載されたコンピュータを機能させる位置推定プログラムにおいて、
自無線端末の位置情報と、該位置情報の精度を高い順に規定したレベルとを記憶する記憶手段と、
自無線端末と無線リンクを介して通信可能な他無線端末を探索し、該無線端末の位置情報及びレベルを取得する他端末探索手段と、
他無線端末のレベルと自無線端末のレベルとを比較するレベル比較手段と、
自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより低い場合、自無線端末から探索した無線端末までの推定距離を算出する距離推定手段と、
他無線端末の位置情報及び推定距離に基づいて、自無線端末の推定位置情報を算出する位置情報推定手段と
してコンピュータを機能させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の位置推定方法、無線端末及び位置推定プログラムによれば、測位電波を受信することができない環境にあっても、無線端末が相互に通信する際に、精度の高い位置情報のみを用いて当該無線端末の位置情報を推定するために、その位置情報の精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下では、図面を用いて、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明におけるシステム構成図である。
【００２４】
図１のネットワークシステムによれば、複数の無線端末１が、無線リンクを介して相互に通信可能である。また、無線端末１は、例えばＧＰＳ衛星からの測位電波を受信することによって、その位置情報を取得することができる。
【００２５】
ここで、複数の無線端末１の一部は、電波遮蔽物３によって測位電波を受信することができない場合がある。具体的には、屋内や地下街など、外部から電波が到達しにくい場所を想定している。従って、図１によれば、測位可能な第１の無線端末の群と、測位不可能な第２の無線端末の群とに区別される。
【００２６】
測位不可能な第２の無線端末は、測位電波は受信できなくても、測位可能な第１の無線端末と通信することができる場合がある。このとき、第２の無線端末は、第１の無線端末からその位置情報を取得することができる。また、第２の無線端末は、第１の無線端末からの受信電波の無線品質（例えば受信レベル）によって、第１の無線端末との間の距離を推定することできる。第１の無線端末の位置情報と、それら無線端末間の推定距離とを用いて、第２の無線端末自身がその位置情報を推定することができる。
【００２７】
これによって、測位電波を受信することができない第２の無線端末であっても、位置情報を推定することができる。その後、更なる測位電波を受信できない他無線端末は、位置情報を推定し且つ保持した第２の無線端末と通信することによって、位置情報を推定することができる。このように、無線端末は、自律分散的に他の無線端末と相互通信することによって、最終的には、ネットワークシステム全体の無線端末が、自らの位置情報を推定することができる。
【００２８】
図２は、無線端末の位置情報に対するレベルを表す説明図である。
【００２９】
図２によれば、縦方向に、位置情報のレベルが表されている。これは、物理的な位置関係を表すものではない。各無線端末が保持する位置情報には、その精度を表すレベルが対応付けられている。
【００３０】
位置情報の「レベル」は、最高精度をレベル０とし、順に低いもの（レベル１，２，３・・・）にされる。このレベルによって、各無線端末が保持する位置情報における精度の高低を、比較することができる。本発明によれば、無線端末は、他無線端末から受信した位置情報のレベルが、当該自無線端末が保持する位置情報のレベルよりも低い場合、他無線端末の位置情報を用いて位置情報を更新しないようにする。
【００３１】
次に、レベル付けの基準について説明する。ＧＰＳ衛星の位置情報は、現在利用できる最高精度のものであって、レベル０と規定される。次に、そのＧＰＳ衛星からの測位電波を受信した無線端末における位置情報は、レベル１と規定される。
【００３２】
尚、無線端末が、ＧＰＳ衛星からの測位電波を直接的に受信することができる場合であっても、その捕捉する衛星の数、仰角、無線端末の時刻精度、仰角マスク等の要因に応じて、その無線端末の位置情報の精度は変化する。それら要因に応じて、無線端末のレベルは、レベル１から２までの間で変化する。また、ＧＰＳ衛星が捕捉できず且つレベルが０より低い無線端末の位置情報を用いて推定した無線端末の位置情報は、レベル２よりも低いレベルが割り当てられる。レベルが２よりも低い無線端末の位置情報を用いて推定した無線端末の位置情報は、レベル３よりも低いレベルが割り当てられる。
【００３３】
図２によれば、ＧＰＳ衛星Ａ〜Ｅは、レベル０と規定される。
無線端末ｂは、ＧＰＳ衛星Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを空間的に十分なばらつきをもって捕捉している。そのために、精度良く位置情報を得ることが可能であり、「レベル１」と規定される。
無線端末ａは、無線端末ｂと同じ衛星を捕捉しているものの、衛星との仰角が小さい。そのために、無線端末ｂほどの精度が取れず、例えば「１．２」と規定される。
無線端末ｃは、ＧＰＳ衛星Ｂ、Ｃ及びＤを捕捉可能であるが、衛星Ａ及びＥを捕捉できない。そのために、更に劣化して「１．５」と規定される。
無線端末ｄは、ＧＰＳ衛星Ｄ及びＥの２つの衛星しか捕捉できない。そのために、位置情報の精度は、更に劣化した「１．７」と規定される。
無線端末ｅは、ＧＰＳ衛星を捕捉できないが、無線端末ａ、ｂ、ｃ及びｄを捕捉している。無線端末ｅは、これら無線端末の劣化したレベルの位置情報に基づいて、位置情報を推定するために、そのレベルは更に劣化し、例えば「２．２」と規定される。
以下、無線端末ｆ〜ｉが、同様にしてレベル付けされる。
【００３４】
このように、他無線端末から位置情報の精度と、自無線端末の位置情報の精度とは、比較可能となる。例えば、端末ｂと端末ｇとは、当初、直接的に通信可能ではないが、移動によって通信可能となった場合、端末ｂ及び端末ｇとの間でレベルを比較することができる。
【００３５】
尚、図２によれば、レベル０に、ＧＰＳ衛星の他、既知の位置情報を持つ固定のアクセスポイント、ＲＦＩＤシステム及び超音波位置検知システムも設置されている。勿論、映像を用いて無線端末の位置を測定する装置であってもよい。このように、異なる種類の位置情報配信システムが混在する場合であっても、位置情報の精度を「レベル」として扱うことができる。
【００３６】
また、国土地理院などから提供される位置情報のデータベースは、十分に信頼度が高いため、この位置情報は、ＧＰＳ衛星と同様にレベル０と規定できる。位置推定システム毎に異なるレベルを規定することによって、異なる測位装置であっても統合的な運用を容易にする。
【００３７】
図３は、図２における位置情報のレベルの改善を表す説明図である。
【００３８】
図３によれば、無線端末ｄは、これまで捕捉していたＧＰＳ衛星Ｄ及びＥ（図２参照）に加えて、新たに衛星Ｂ及びＣを捕捉したとする。無線端末ｄは、ＧＰＳ衛星を４機捕捉することとなる。これによって、無線端末ｄが保持する位置情報のレベルは、改善（向上）する。
【００３９】
無線端末ｄの位置情報のレベルが向上した場合、その無線端末ｄからの受信電波によって位置情報を推定していた無線端末ｅ〜ｈについても、その位置情報のレベルが向上する。更に、無線端末ｅ〜ｈからの受信電波によって位置情報を推定していた無線端末ｉについても、その位置情報のレベルが向上する。
【００４０】
図４は、無線端末における位置推定方法を表すフローチャートである。図５は、本発明を用いて推定される位置情報の説明図である。
【００４１】
図４によれば、無線端末は、自無線端末の位置情報と、その位置情報の精度を高い順に規定したレベルとを保持する。
【００４２】
（Ｓ４０１）無線端末は、ＧＰＳ衛星から測位電波を受信する。
（Ｓ４０２）次に、無線端末は、測位電波に基づいて、位置情報を取得可能か否か判定する。取得可能な場合は、Ｓ４１０へ移行する。
（Ｓ４０３）測位電波に基づいて自無線端末の位置情報を取得できない場合、無線端末は、無線リンクを介して通信可能な他無線端末を探索する。
（Ｓ４０４）無線端末は、無線リンクを介して通信可能な他無線端末から、位置情報及びレベルを取得する。
（Ｓ４０５）ここで、無線端末は、他無線端末のレベルと、自無線端末のレベルとを比較する。自無線端末のレベルが、他無線端末のレベル以上である場合、そのまま処理を終了する。
【００４３】
レベルは、前述したように位置情報の精度を規定している。従って、最高精度を０とし、精度が劣化するのに応じて順次大きな数値で規定される。Ｓ４０５の比較によって、自無線端末のレベルが、他無線端末のレベル以上である場合、その他無線端末の位置情報を用いて、自無線端末の位置情報の更新を実行しない。これによって、位置情報の精度の劣化を防止することができる。
【００４４】
（Ｓ４０６）一方、自無線端末のレベルが、他無線端末のレベルよりも低い場合、無線端末は、自無線端末の位置情報と、他無線端末の位置情報とを直線上に結ぶ補正対象距離Ｄを算出する。図５によれば、補正対象の位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）と、第１の他無線端末の位置情報（ｘ０，ｙ０，ｚ０）とを直線上に結ぶ補正対象距離Ｄが表されている。
【００４５】
（Ｓ４０７）次に、無線端末は、他無線端末からの受信電波に基づいて、他無線端末との間の推定距離Ｄ’を導出する。推定距離Ｄ’は、例えば受信電波強度に基づいて導出される。図５によれば、現実の位置の無線端末は、第１の他無線端末から受信した受信電波に基づいて、推定距離Ｄ’を導出する。
【００４６】
（Ｓ４０８）無線端末は、補正対象距離Ｄと、推定距離Ｄ’との差分の絶対値｜Ｄ−Ｄ’｜を算出する。
（Ｓ４０９）次に、無線端末は、その差分｜Ｄ−Ｄ’｜と所定閾値とを比較する。差分｜Ｄ−Ｄ’｜が、所定閾値以下である場合、そのまま処理を終了する。所定閾値で比較することによって、補正対象距離Ｄと推定距離Ｄ’との差分が小さい場合にも、頻繁に位置情報を更新することを避けることができる。
【００４７】
（Ｓ４１０）一方、差分｜Ｄ−Ｄ’｜が所定閾値よりも大きい場合、無線端末は、位置情報を更新する。幾何学的には、最初に、他無線端末の位置情報と自無線端末の位置情報とを結ぶ直線を算出し、その距離を補正対象距離Ｄとする。そして、他無線端末の位置情報を基点として、その直線上で、推定距離Ｄ’に対応する位置を決定する。その推定距離Ｄ’に対応する座標点を、新たに推定された位置情報となる。図５によれば、補正対象の位置情報と第１の他無線端末とを結ぶ直線上で、推定距離Ｄ’の位置を、１回目の推定位置とする。
【００４８】
（Ｓ４１１）無線端末は、自無線端末の位置情報の精度を規定するレベルを、他無線端末の位置情報のレベル及び推定距離Ｄ’等に基づいて算出する。例えば、推定距離Ｄ’が長くなるほど、レベル自体は、低く設定される。無線端末は、新たに設定されたレベルを用いて、保持する位置情報のレベルを更新する。
【００４９】
図５によれば、無線端末は、１回目の推定位置から、更に第２の他無線端末からの受信電波によって、位置を補正する。１回目の推定位置と、第２の他無線端末の位置情報（ｘ１，ｙ１，ｚ１）とを直線上に結ぶ補正対象距離Ｄが表されている。次に、現実の位置の無線端末は、第２の他無線端末から受信した受信電波に基づいて、推定距離Ｄ’を導出する。そして、第１の推定位置と第２の他無線端末とを結ぶ直線上で、推定距離Ｄ’の位置を、２回目の推定位置とする。
【００５０】
図６は、本実施形態の無線端末の機能構成図である。
【００５１】
図６によれば、無線端末１は、測位電波受信部１００と、無線ＬＡＮインタフェース部１１０とを有する。測位電波受信部１００は、ＧＰＳ衛星２からの測位電波を受信する。捕捉できたＧＰＳ衛星からの情報は、位置情報取得部１０１へ出力される。また、無線ＬＡＮインタフェース部１１０は、無線リンクを介して他無線端末と通信する。例えば、アドホックネットワークプロトコルの機能も有する。
【００５２】
また、無線端末１は、位置情報取得部１０１と、記憶部１０２と、他端末探索部１１１と、レベル比較部１１２と、距離推定部１１３と、位置情報推定部１１４と、レベル更新部１１５と、位置情報更新部１１６とを有する。これら機能構成部は、無線端末に搭載されたコンピュータによって実行される位置推定プログラムによって実現される。
【００５３】
位置情報取得部１０１は、測位電波受信部１００から測位電波の情報を受け取り、位置情報を取得可能か否かを判定する。位置情報を取得可能か否かは、捕捉できたＧＰＳ衛星の数や仰角等の情報に応じて判定される。取得できた自無線端末の位置情報は、記憶部１０２へ出力される。また、捕捉できたＧＰＳ衛星の数や仰角等の情報に応じて算出した、その位置情報のレベルも、記憶部１０２へ出力する。
【００５４】
記憶部１０２は、自無線端末の位置情報及びレベルを記憶する。自無線端末の位置情報は、位置情報推定部１１４へ出力され、自無線端末のレベルは、レベル比較部１１２へ出力される。
【００５５】
他端末探索部１１１は、位置情報取得部１０１によって測位電波から位置情報を取得できない場合に実行される。他端末探索部１１１は、無線ＬＡＮインタフェース部１１０を介して他無線端末を探索し、他無線端末から位置情報及びレベルを受信する。他無線端末の位置情報は、位置情報推定部１１４へ出力され、他無線端末のレベルは、レベル比較部１１２及びレベル更新部１１５へ出力される。また。他端末探索部１１１は、他無線端末からの電波の受信レベルを計測し、その受信レベルから他無線端末と自無線端末間の伝播損失Ｌ（又は遅延時間）を計測する。その伝播損失Ｌは、距離推定部１１３へ出力される。
【００５６】
尚、他端末探索部１１１は、タイマによって、周期的に周辺の他無線端末を探索することも好ましい。また、探索に必要な時間は、周辺の伝播環境等に応じて適応的に決定されるものであってもよいし、予め決定した一定時間であってもよい。
【００５７】
レベル比較部１１２は、他無線端末のレベルと、記憶部１０２に保持する自無線端末のレベルとを比較する。自無線端末のレベルが他無線端末のレベルよりも低い場合、推定許可が、距離推定部１１３へ通知される。自無線端末のレベルが他無線端末のレベル以上である場合、距離推定部１１３は実行されない。
【００５８】
距離推定部１１３は、レベル比較部１１２から推定許可の通知を受けた場合、他端末探索部１１１から出力される伝播損失Ｌに基づいて、他無線端末から自無線端末までの推定距離を算出する。端末間の距離ｄと伝播損失Ｌとの関係は、次式（１）で表される。
Ｌ＝１０ｌｏｇ１０（４πｄ／λ） 式（１）
ここで、Ｌは伝播損失であり、ｄは距離であり、λは使用電波の波長であり、πは円周率である。尚、伝播損失に代えて、遅延時間を用いるものであってもよい。
【００５９】
距離推定部１１３は、具体的には、他端末探索部１１１で計測された伝播損失Ｌから、式（１）の逆関数である次式（２）を用いて距離ｄを算出する。
ｄ＝（λ／４π）ｅｘｐ（（Ｌ（ｌｏｇｅ１０）／１０） 式（２）
この推定された距離ｄ（以下「推定距離Ｄ’」と表示する）は、位置情報推定部１１４、レベル更新部１１５及び位置情報更新部１１６へ出力される。尚、伝播損失Ｌは、マルチパスやフェージングなどの周辺環境によって大きく変動するため、例えば一定時間程度の観測をして、その変動を抑制することも好ましい。
【００６０】
位置情報推定部１１４は、他端末探索部１１１から他無線端末の位置情報を入力し、距離推定部１１３から推定距離Ｄ’を入力し、記憶部１０２から自無線端末の位置情報を入力する。ここで、他無線端末の位置情報（ｘ０，ｙ０，ｚ０）と、自無線端末の位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）とが結ばれた直線上における補正対象距離Ｄを、次式（３）によって算出する。
Ｄ＝√（（ｘ−ｘ０）２＋（ｙ−ｙ０）２＋（ｚ−ｚ０）２） 式（３）
【００６１】
次に、位置情報推定部１１４は、自無線端末の新たな推定位置（ｘ’，ｙ’，ｚ’）を、他無線端末の位置（ｘ０，ｙ０，ｚ０）から推定距離Ｄ’だけ離れたこの直線上における位置として算出する。即ち、次式（４）に基づいて、自無線端末の新たな推定位置（ｘ’，ｙ’，ｚ’)を算出する。
ｘ’−ｘ０＝（ｘ−ｘ０）Ｄ’／Ｄ
ｙ’−ｙ０＝（ｙ−ｙ０）Ｄ’／Ｄ 式（４）
ｚ’−ｚ０＝（ｚ−ｚ０）Ｄ’／Ｄ
自無線端末の新たな推定位置（ｘ’，ｙ’，ｚ’）は、記憶部１０２へ出力される。
【００６２】
レベル更新部１１５は、位置推定に用いた他無線端末のレベル及び推定距離に基づいて、自無線端末のレベルを更新する。自無線端末のレベルは、先ず、位置推定に用いた他無線端末のレベルに依存する。また、レベルは、距離推定による誤差を加えて、更に劣化する。距離推定による誤差は、その距離が大きいほど誤差も大きくなるために、推定距離が長くなるに応じてレベルが低下するように算出される。
【００６３】
位置情報更新部１１６は、位置情報推定部１１４で算出された推定位置情報（ｘ’，ｙ’，ｚ’)を用いて、自無線端末が保持する位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）を更新する。ここでは、上式（３）の距離Ｄと推定距離Ｄ’との差分の絶対値｜Ｄ−Ｄ’｜を計算する。そして、所定閾値と差分｜Ｄ−Ｄ’｜を比較する。所定閾値より差分が大きい場合には、新たに推定された位置情報(ｘ’、ｙ’、ｚ’)を用いて位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）を更新する。
【００６４】
図７は、三角測量に基づく位置情報の推定を表す説明図である。
【００６５】
本発明によれば、自無線端末が、誤差を含むかもしれない位置情報を、記憶部に予め保持しておくことを前提としている。従って、自無線端末が、初期動作の段階では何ら位置情報を保持していない。この場合、位置情報推定部１１４は、例えば従来技術に基づく「三角測量」の技術を用いることができる。「三角測量」とは、複数の他無線端末の位置を中心にした各推定距離Ｄ’の半径を有する複数の球面の交点として、位置情報を推定する。
【００６６】
具体的には、無線端末は、自無線端末から無線リンクで通信可能な複数の他無線端末の探索が完了した後、予め定めておいた位置情報推定の条件を満たす場合に位置情報を算出する。この位置情報推定の条件として、例えば以下のような場合がある。
（１）捕捉した他無線端末の数が一定数以上になった場合
（２）自無線端末のレベル以上のレベルを持つ他無線端末が一定数以上存在する場合
（３）自無線端末の位置推定に未使用の他無線端末が一定数存在する場合
（４）累積した位置情報の誤差が閾値以上である場合
【００６７】
ここでは、位置情報推定の条件として、捕捉した他無線端末の数が５以上の場合に位置情報を推定するとする。この場合は、捕捉した５つの無線端末からの位置情報（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）（ｉ＝１から５）及びそれら他無線端末から自無線端末への伝播損失Ｌｉ（ｉ＝１から５）から推定される距離ｄｉ（ｉ＝１から５）に基づいて、式（５）で示される５つの式を得る。そして、これら５つの式を連立させて、位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）を得る。この位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）は、新たな推定位置情報(ｘ’、ｙ’、ｚ’)そのものである。このようにして、一度、自無線端末の位置情報を獲得した後は、既述したように、式（５）によって自無線端末の新たな推定位置を算出できる。
（ｘ−ｘ１）２＋（ｙ−ｙ１）２＋（ｚ−ｚ１）２＝ｄ１２
（ｘ−ｘ２）２＋（ｙ−ｙ２）２＋（ｚ−ｚ２）２＝ｄ２２
（ｘ−ｘ３）２＋（ｙ−ｙ３）２＋（ｚ−ｚ３）２＝ｄ３２ 式（５）
（ｘ−ｘ４）２＋（ｙ−ｙ４）２＋（ｚ−ｚ４）２＝ｄ４２
（ｘ−ｘ５）２＋（ｙ−ｙ５）２＋（ｚ−ｚ５）２＝ｄ５２
【００６８】
以上、詳細に説明したように、本発明の無線端末の位置推定方法、無線端末及び位置推定プログラムによれば、測位電波を受信することができない環境にあっても、無線端末が相互に通信する際に、精度の高い位置情報のみを用いて当該無線端末の位置情報を推定するために、その位置情報の精度を高めることができる。
【００６９】
また、本発明によれば、各無線端末が、伝播環境に依存することなく、自律分散的に位置情報を推定することできる。特に、センサネットワークを展開した領域内における利用が見込まれる。例えば、屋内や地下環境でも、各無線端末が、電波伝播状態や温度、湿度など様々な情報をセンシングし、それらの情報と測定した位置情報をセットにして管理することができる。また、ネットワーク内のいくつかの基準となる測位電波送信装置に対して、正確な位置情報を随時入力することによって、ネットワークの全無線端末の位置情報の精度を継続して向上させることもできる。
【００７０】
更に、本発明によれば、多数の測位電波送信装置をインフラストラクチャとして配置する必要がないために、低コストで位置情報の推定を実現することができる。更に、本発明によれば、測位電波送信装置の種別に応じて位置情報の精度を表すレベルを対応付けることもできる。更に、無線端末が保持する位置情報にはレベルが対応付けられており、そのレベルは、周辺の電波伝搬環境には依存しない位置情報の精度を表す。
【００７１】
前述した本発明の種々の実施形態において、本発明の技術思想及び見地の範囲の種々の変更、修正及び省略は、当業者によれば容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物として限定するものにのみ制約される。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明におけるシステム構成図である。
【図２】無線端末の位置情報に対するレベルを表す説明図である。
【図３】図２における位置情報のレベルの改善を表す説明図である。
【図４】無線端末における位置推定方法を表すフローチャートである。
【図５】本発明を用いて推定される位置情報の説明図である。
【図６】本発明における無線端末の機能構成図である。
【図７】三角測量に基づく位置情報の推定を表す説明図である。
【符号の説明】
【００７３】
１ 無線端末
１００ 測位電波受信部
１０１ 位置情報取得部
１０２ 記憶部
１１０ 無線ＬＡＮインタフェース部
１１１ 他端末探索部
１１３ 距離推定部
１１４ 位置情報推定部
１１５ レベル更新部
１１６ 位置情報更新部
２ ＧＰＳ衛星、測位電波送信装置
３ 電波遮蔽物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の無線端末が無線リンクを介して相互に接続されるネットワークシステムにおける無線端末の位置推定方法において、
前記無線端末は、自無線端末の位置情報と、該位置情報の精度を高い順に規定したレベルとを保持し、
自無線端末と無線リンクを介して通信可能な他無線端末を探索し、他無線端末の位置情報及びレベルを取得する第１のステップと、
他無線端末のレベルと自無線端末のレベルとを比較する第２のステップと、
自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより低い場合、受信電波に基づいて、自無線端末から他無線端末までの推定距離を算出する第３のステップと、
前記他無線端末の位置情報及び推定距離に基づいて、自無線端末の推定位置情報を算出する第４のステップと、
を有することを特徴とする位置推定方法。
【請求項２】
他無線端末のレベル及び推定距離に基づいて自無線端末のレベルを算出し、該レベルを自無線端末のレベルとして更新するする第５のステップを更に有することを特徴とする請求項１に記載の位置推定方法。
【請求項３】
前記他無線端末の位置情報と自無線端末の位置情報とを直線上に結ぶ距離Ｄを算出し、該距離Ｄと第３のステップで算出された推定距離Ｄ’との差分が、所定閾値以上である場合、前記直線上における前記他無線端末からの推定距離Ｄ’に対応する位置情報を用いて、前記自無線端末の位置情報を更新する第６のステップを更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の位置推定方法。
【請求項４】
第３のステップについて、前記推定距離は、他無線端末からの受信電波の伝播損失又は到達時間に基づいて推定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の位置推定方法。
【請求項５】
前記無線端末は、測位電波を受信可能であって、
第１のステップの前段について、前記無線端末は、前記測位電波を受信し且つ自無線端末の位置情報を取得可能か否かを判定し、取得できない場合に第１のステップへ移行することを特徴とする請求項１に記載の位置推定方法。
【請求項６】
ＧＰＳ(Global Positioning System)衛星からの測位電波である場合、捕捉したＧＰＳ衛星の数及び仰角に基づいてレベルを算出し、又は、
自装置の位置情報を放送する測位装置からの測位電波である場合、該測位装置との間の推定距離に基づいてレベルを算出する
ことを特徴とする請求項５に記載の位置推定方法。
【請求項７】
第２のステップについて、自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより高い場合は、処理を終了することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の位置推定方法。
【請求項８】
無線リンクを介して相互接続するネットワークシステムにおける無線端末であって、
自無線端末の位置情報と、該位置情報の精度を高い順に規定したレベルとを記憶する記憶手段と、
自無線端末と無線リンクを介して通信可能な他無線端末を探索し、該無線端末の位置情報及びレベルを取得する他端末探索手段と、
他無線端末のレベルと自無線端末のレベルとを比較するレベル比較手段と、
自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより低い場合、自無線端末から前記探索した無線端末までの推定距離を算出する距離推定手段と、
前記他無線端末の位置情報及び推定距離に基づいて、自無線端末の推定位置情報を算出する位置情報推定手段と
を有することを特徴とする無線端末。
【請求項９】
無線リンクを介して相互接続するネットワークシステムにおける無線端末に搭載されたコンピュータを機能させる位置推定プログラムにおいて、
自無線端末の位置情報と、該位置情報の精度を高い順に規定したレベルとを記憶する記憶手段と、
自無線端末と無線リンクを介して通信可能な他無線端末を探索し、該無線端末の位置情報及びレベルを取得する他端末探索手段と、
他無線端末のレベルと自無線端末のレベルとを比較するレベル比較手段と、
自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより低い場合、自無線端末から前記探索した無線端末までの推定距離を算出する距離推定手段と、
前記他無線端末の位置情報及び推定距離に基づいて、自無線端末の推定位置情報を算出する位置情報推定手段と
してコンピュータを機能させることを特徴とする位置推定プログラム。
【請求項１】
複数の無線端末が無線リンクを介して相互に接続されるネットワークシステムにおける無線端末の位置推定方法において、
前記無線端末は、自無線端末の位置情報と、該位置情報の精度を高い順に規定したレベルとを保持し、
自無線端末と無線リンクを介して通信可能な他無線端末を探索し、他無線端末の位置情報及びレベルを取得する第１のステップと、
他無線端末のレベルと自無線端末のレベルとを比較する第２のステップと、
自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより低い場合、受信電波に基づいて、自無線端末から他無線端末までの推定距離を算出する第３のステップと、
前記他無線端末の位置情報及び推定距離に基づいて、自無線端末の推定位置情報を算出する第４のステップと、
を有することを特徴とする位置推定方法。
【請求項２】
他無線端末のレベル及び推定距離に基づいて自無線端末のレベルを算出し、該レベルを自無線端末のレベルとして更新するする第５のステップを更に有することを特徴とする請求項１に記載の位置推定方法。
【請求項３】
前記他無線端末の位置情報と自無線端末の位置情報とを直線上に結ぶ距離Ｄを算出し、該距離Ｄと第３のステップで算出された推定距離Ｄ’との差分が、所定閾値以上である場合、前記直線上における前記他無線端末からの推定距離Ｄ’に対応する位置情報を用いて、前記自無線端末の位置情報を更新する第６のステップを更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の位置推定方法。
【請求項４】
第３のステップについて、前記推定距離は、他無線端末からの受信電波の伝播損失又は到達時間に基づいて推定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の位置推定方法。
【請求項５】
前記無線端末は、測位電波を受信可能であって、
第１のステップの前段について、前記無線端末は、前記測位電波を受信し且つ自無線端末の位置情報を取得可能か否かを判定し、取得できない場合に第１のステップへ移行することを特徴とする請求項１に記載の位置推定方法。
【請求項６】
ＧＰＳ(Global Positioning System)衛星からの測位電波である場合、捕捉したＧＰＳ衛星の数及び仰角に基づいてレベルを算出し、又は、
自装置の位置情報を放送する測位装置からの測位電波である場合、該測位装置との間の推定距離に基づいてレベルを算出する
ことを特徴とする請求項５に記載の位置推定方法。
【請求項７】
第２のステップについて、自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより高い場合は、処理を終了することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の位置推定方法。
【請求項８】
無線リンクを介して相互接続するネットワークシステムにおける無線端末であって、
自無線端末の位置情報と、該位置情報の精度を高い順に規定したレベルとを記憶する記憶手段と、
自無線端末と無線リンクを介して通信可能な他無線端末を探索し、該無線端末の位置情報及びレベルを取得する他端末探索手段と、
他無線端末のレベルと自無線端末のレベルとを比較するレベル比較手段と、
自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより低い場合、自無線端末から前記探索した無線端末までの推定距離を算出する距離推定手段と、
前記他無線端末の位置情報及び推定距離に基づいて、自無線端末の推定位置情報を算出する位置情報推定手段と
を有することを特徴とする無線端末。
【請求項９】
無線リンクを介して相互接続するネットワークシステムにおける無線端末に搭載されたコンピュータを機能させる位置推定プログラムにおいて、
自無線端末の位置情報と、該位置情報の精度を高い順に規定したレベルとを記憶する記憶手段と、
自無線端末と無線リンクを介して通信可能な他無線端末を探索し、該無線端末の位置情報及びレベルを取得する他端末探索手段と、
他無線端末のレベルと自無線端末のレベルとを比較するレベル比較手段と、
自無線端末のレベルが他無線端末のレベルより低い場合、自無線端末から前記探索した無線端末までの推定距離を算出する距離推定手段と、
前記他無線端末の位置情報及び推定距離に基づいて、自無線端末の推定位置情報を算出する位置情報推定手段と
してコンピュータを機能させることを特徴とする位置推定プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１１２８６９（Ｐ２０１０−１１２８６９Ａ）
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８６３５３（Ｐ２００８−２８６３５３）
【出願日】平成２０年１１月７日（２００８．１１．７）
【出願人】（０００２０８８９１）ＫＤＤＩ株式会社 (2,700)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月７日（２００８．１１．７）
【出願人】（０００２０８８９１）ＫＤＤＩ株式会社 (2,700)
【Ｆターム（参考）】
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