特開 2024-172877 到来角推定システム及び位置推定システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024172877

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】到来角推定システム及び位置推定システム

(51)【国際特許分類】

   G01S 3/46 20060101AFI20241205BHJP

   G01S 5/04 20060101ALI20241205BHJP

   H01Q 21/06 20060101ALI20241205BHJP

【ＦＩ】

G01S3/46

G01S5/04

H01Q21/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023090909

(22)【出願日】2023-06-01

(71)【出願人】

【識別番号】000004651

【氏名又は名称】日本信号株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100129425

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 護晃

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(72)【発明者】

【氏名】夢川 凌央

【テーマコード（参考）】

5J021

5J062

【Ｆターム（参考）】

5J021AA06

5J021FA17

5J021FA23

5J021FA24

5J021FA26

5J021HA01

5J062BB05

5J062CC14

(57)【要約】

【課題】送信デバイスの無線通信規格やシステムに依存せずに、且つ送信デバイスに専用のハードウェアを搭載したりソフトウェアをインストールすることなく、到来角の推定を行うことができる到来角推定システム、及びこの到来角推定システムを用いて送信デバイスの位置を推定する位置推定システムを提供する。
【解決手段】到来角推定システムは、送信デバイス１から送信された電波の取得に関する処理を実行するアナログ部１２と、アナログ部で取得した電波の到来方向を推定する到来角推定処理を実行するデジタル部１３とを備える。そして、複数のアンテナ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄで受信し、アナログ部で取得した電波をデジタル部でデコード処理して、到来角推定の対象となる電波であるか否かを判断し、該対象と判断した場合、到来角推定処理を実行する、ことを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

送信デバイスから送信された電波の取得に関する処理を実行するアナログ部と、
前記アナログ部で取得した電波の到来方向を推定する到来角推定処理を実行するデジタル部とを備え、
前記アナログ部で取得した電波を前記デジタル部でデコード処理して、到来角推定の対象となる電波であるか否かを判断し、該対象と判断した場合、前記到来角推定処理を実行する、ことを特徴とする到来角推定システム。

【請求項2】

前記アナログ部は、複数のアンテナで受信した電波と基準となる高周波信号が入力される複数のミキサーと、前記複数のミキサーにそれぞれ対応して設けられ、これらミキサーの出力が入力される複数のバンドパスフィルタと、前記複数のバンドパスフィルタにそれぞれ対応して設けられ、これらバンドパスフィルタの出力が入力される複数のレベル調整器と、前記複数のレベル調整器にそれぞれ対応して設けられ、これらレベル調整器の出力が入力される複数のＡ／Ｄ変換器と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の到来角推定システム。

【請求項3】

前記デジタル部は、前記複数のＡ／Ｄ変換器にそれぞれ対応して設けられ、これらＡ／Ｄ変換器の出力が入力される複数の波形処理回路と、前記複数の波形処理回路にそれぞれ対応して設けられ、これら波形処理回路の出力が入力される複数のデコーダと、これら波形処理回路の出力がそれぞれ入力され、前記到来角推定処理を実行する電波を抽出して到来角を推定する処理装置と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の到来角推定システム。

【請求項4】

前記デコード処理は、前記送信デバイスから送信された電波に含まれる識別コードをデコードして、到来角推定の対象となる電波であるか否かを判断するものである、ことを特徴とする請求項１に記載の到来角推定システム。

【請求項5】

前記到来角の推定は、前記複数の波形処理回路の出力から電波の位相差を求め、これらの位相差に基づいて送信デバイスの方向を推定するものである、ことを特徴とする請求項３に記載の到来角推定システム。

【請求項6】

前記送信デバイスは、携帯型情報通信機器である、ことを特徴とする請求項１に記載の到来角推定システム。

【請求項7】

前記請求項１乃至６のいずれか１項に記載の到来角推定システムを複数備え、前記送信デバイスの方向と位置を特定する、ことを特徴とする位置推定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、送信デバイスに専用のハードウェアやソフトウェア処理を組み込むことなく、到来角の推定を行うことができる到来角推定システム、及びこの到来角推定システムを複数用いて送信デバイスの位置を推定する位置推定システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、規定の通信規格に準拠した信号を送受信する第１、第２のアンテナを備え、信号到来角とアンテナ間位相差の関係に基づき、信号到来角の推定精度をより高めたい第１の領域から信号を受信した際と、この第１の領域以外の第２の領域から信号を受信した際とを比較し、第１の領域から信号を受信した際におけるアンテナ間位相差の絶対値が小さくなるように配置する通信装置が記載されている。そして、超広帯域（ＵＷＢ：Ultra Wide Band）の信号を用いることで、より高い精度で信号の到来角を推定するようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－１０８９４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１の技術では、送信機（送信デバイス）と受信機（受信デバイス）の両方に専用のハードウェアを搭載し、ソフトウェアをインストールする必要がある。また、送信機の無線通信規格やシステムに依存するため、到来角推定未対応の無線通信規格や到来角推定対応の無線通信規格が実装されていない無線通信装置では到来角推定ができない、という課題がある。

【0005】

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、送信デバイスの無線通信規格やシステムに依存せずに、且つ送信デバイスに専用のハードウェアを搭載したりソフトウェアをインストールすることなく、到来角の推定を行うことができる到来角推定システム、及びこの到来角推定システムを用いて送信デバイスの位置を推定する位置推定システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る到来角推定システムは、送信デバイスから送信された電波の取得に関する処理を実行するアナログ部と、前記アナログ部で取得した電波の到来方向を推定する到来角推定処理を実行するデジタル部とを備え、前記アナログ部で取得した電波を前記デジタル部でデコード処理して、到来角推定の対象となる電波であるか否かを判断し、該対象と判断した場合、前記到来角推定処理を実行する、ことを特徴とする。
また、本発明に係る位置推定システムは、上記到来角推定システムを複数備え、送信デバイスの方向と位置を特定する、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明では、電波をデコード処理して、受信した電波が到来角推定の対象となる電波であるか否かを判断し、受信した電波が到来角推定の対象であるときに、到来角推定処理を実行する電波を抽出して、送信デバイスからの電波の到来角を推定する。これによって、到来角推定未対応の無線通信規格、及び到来角推定対応の無線通信規格が実装されていない無線通信デバイスを用いた到来角推定が可能となる。また、この到来角推定システムを複数用いて電波を受信することで、異なる受信位置の到来角から送信デバイスの位置を推定できる。

【0008】

従って、本発明によれば、送信デバイスの無線通信規格やシステムに依存せずに、且つ送信デバイスに専用のハードウェアを搭載したりソフトウェアをインストールすることなく、到来角の推定を行うことができる到来角推定システム、及びこの到来角推定システムを用いて送信デバイスの位置を推定する位置推定システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る到来角推定システム、及び位置推定システムの概略構成について説明するためのブロック図である。

【図2】図１に示した到来角推定システム、及び位置推定システムの概略的な動作について説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る到来角推定システム及び位置推定システムの概略構成を示している。このシステムは、携帯型情報通信機器であるスマートフォン１などの送信デバイスと、複数台の無線機（受信デバイス）２－１，２－２，…と、これらの無線機２－１，２－２，…から得たデータを受け取って処理し、各種の制御を行うパーソナルコンピュータ３などの制御装置とで構成される。送信デバイスと受信デバイスとの間の無線通信には、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷｉＦｉ、５Ｇ、ＬＴＥ、ＵＷＢなど日常で使用している電波の規格を用いる。

【0011】

無線機２－１は、スマートフォン１から送信された電波を受信するアンテナ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、これらアンテナ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄで受信した電波の周波数設定などの電波取得に関する処理を実行するアナログ部１２と、このアナログ部１２で取得した電波をデジタル処理（波形処理やデコード処理）して到来方向を推定する到来角推定処理を実行するデジタル部１３とを備えている。そして、アナログ部１２で取得した電波をデジタル部１３でデコード処理して、到来角推定の対象となる電波であるか否かを判断し、到来角推定の対象と判断した場合に到来角推定処理を実行するようになっている。

【0012】

図１では無線機２－１のみ回路構成を詳細に示しているが、無線機２－２，…も同様に構成されている。無線機２－１，２－２，…がそれぞれ到来角推定システムであり、これら複数の無線機２－１，２－２，…で電波を受信し、異なる受信位置の到来角を推定することで、スマートフォン１の方向と位置を特定する位置推定システムとなる。

【0013】

なお、４本のアンテナ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄで受信した電波を、４系統の回路で並列的に処理する例について説明するが、少なくとも２本のアンテナで受信した電波を２系統の回路で処理することで到来角を推定することができる。

【0014】

アナログ部１２は、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ規格（ＢＬＥ：Bluetooth Low Energy）を使った到来角推定（ＡｏＡ：Angle of Arrival）を行うと仮定すると、ＢＬＥが使用する周波数帯（例えば２．４ＧＨｚ帯）の電波を取得できるように設定を行う。このアナログ部１２は、アンプ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ、ミキサー１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ、バンドパスフィルタ１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ、レベル調整器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ、及びＡ／Ｄ変換器１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄを含んで構成されている。

【0015】

アンテナ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄで受信された電波はそれぞれ、アンプ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄで増幅され、ミキサー１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄに入力される。これらのミキサー１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄにはそれぞれ、局部発振器（ローカルオシレータ）１９から基準となる高周波信号が入力されている。ミキサー１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの出力はそれぞれ、バンドパスフィルタ１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄに入力され、ノイズや受信したい周波数以外の電波がカットされて、所望の周波数の電波がレベル調整器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄに出力される。レベル調整器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄでは、ゲインを調整して一定の信号レベル出力に調整され、Ａ／Ｄ変換器１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄに入力されてデジタル波形（ＩＱデータ）に変換される。

【0016】

ＩＱデータは、Ｉ軸（搬送波と同じ位相成分のＩ信号）とＱ軸（搬送波と直交する位相成分のＱ信号）で表わされ、Ｉ軸－Ｑ軸の直交座標上の点（シンボルポイント）として表現される。そして、受信したＩＱデータが復調されてベースバンド信号が抽出される。

【0017】

デジタル部１３は、このアナログ部１２で取得した電波を波形処理（ＩＱデータの管理）、取得した電波が例えばＢＬＥの電波であるか判定、ＢＬＥの電波であると判定された場合にデコード処理して到来方向を推定する到来角推定処理、及び到来角推定（ＡｏＡ）のための位相のキャリブレーションなどを実行するものである。デコード処理は、スマートフォン１から送信された電波に含まれる識別コード（通信パケットに含まれるＩＤ情報）をデコードして、到来角推定の対象となる電波であるか否かを判断する。到来角の推定は、複数の波形処理回路の出力から電波の位相差を求め、これらの位相差に基づいてスマートフォン１の方向を推定する。

【0018】

このデジタル部１３は、波形処理回路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄと、デコーダ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと、処理装置２３として働くマイクロコンピュータ（マイコン）を含んで構成される。本例では、波形処理回路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄと、デコーダ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）で形成されている。

【0019】

波形処理回路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄにはそれぞれ、Ａ／Ｄ変換器１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄから出力されるデジタルデータ（ＩＱデータ）が入力されて波形処理が行われる。この波形処理によって、各波形処理回路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄに入力されたＩＱデータの位相差（ずれ）が検出される。波形処理されたＩＱデータは、デコーダ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄでデコード処理され、取得された電波がＢＬＥの電波であるか否かが判定される。これらデコーダ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの出力は、処理装置２３に入力され、位相のキャリブレーションが行われた後、到来角推定（ＡｏＡ）が実行される。

【0020】

図２は、図１に示した到来角推定システム及び位置推定システムの概略的な動作を示している。まず、送信デバイスであるスマートフォン１から電波を受信する（ステップＳ１）。４本のアンテナ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、同期が取れており、電波を同時に受信する。しかし、アンテナ切替スイッチを用いて電波を１つずつ受信することもできる。

【0021】

アンテナ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄで受信した電波はそれぞれ、アンプ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ、ミキサー１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ、バンドパスフィルタ１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ、及びレベル調整器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを順次介してＡ／Ｄ変換器１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄに入力され、アナログ信号からデジタル信号に変換される（ステップＳ２）。

【0022】

続いて、Ａ／Ｄ変換器１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄの出力を波形処理回路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄで波形処理し、デコーダ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄでデコード処理して（ステップＳ３）、意図した電波か否か判定する。本例では、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（ＢＬＥのアドバタイズパケット）の電波であるか否かを切り分けの判断基準にする（ステップＳ４）。そして、意図した電波であれば処理装置２３により位相キャリブレーションを行い（ステップＳ５）、到来角推定（ＡｏＡ）を実行する（ステップＳ６）。

【0023】

ステップＳ６で得た到来角は、パーソナルコンピュータ３に入力されて各種の制御に応用される（ステップＳ７）。例えば、位置推定、エリア限定通信による認証や決済などの様々な分野に応用される。エリア限定通信では、ゲートに複数の無線機を搭載し、各々の無線機が取得する角度情報を組み合わせてユーザの位置を推定し、ゲートが定めた認証範囲内に位置するユーザのみと通信を確立する。この状態で、セキュリティゲートであれば通過を許可し、レジであれば決済を行う。

【0024】

そして、終了か否か判断し（ステップＳ８）、終了と判断されると処理を終了し、終了でないと判断されると、ステップＳ１に戻ってステップＳ１からステップＳ１２の動作を繰り返す。

【0025】

ステップＳ４で意図したＢｌｕｅｔｏｏｔｈの電波ではないと判定された場合には、ＷｉＦｉの電波か否か判定する（ステップＳ９）。ＷｉＦｉが意図した電波であれば、ステップＳ５に移動して処理装置２３により位相キャリブレーションを行い、到来角推定を実行する（ステップＳ６）。

【0026】

ステップＳ９で意図したＷｉＦｉの電波ではないと判定された場合には、ＬＴＥの電波か否か判定する（ステップＳ１０）。ＬＴＥが意図した電波であれば、ステップＳ５に移動して処理装置２３により位相キャリブレーションを行い、到来角推定を実行する（ステップＳ６）。

【0027】

ステップＳ１０で意図したＬＴＥの電波ではないと判定された場合には、５Ｇの電波か否か判定する（ステップＳ１１）。５Ｇが意図した電波であれば、ステップＳ５に移動して処理装置２３により位相キャリブレーションを行い、到来角推定を実行する（ステップＳ６）。

【0028】

ステップＳ１１で意図した５Ｇの電波ではないと判定された場合には、ＵＷＢの電波か否か判定する（ステップＳ１２）。ＵＷＢが意図した電波であれば、ステップＳ５に移動して処理装置２３により位相キャリブレーションを行い、到来角推定を実行する（ステップＳ６）。
一方、ステップＳ１２で意図したＵＷＢの電波ではないと判定された場合には、ステップＳ１に移動し、同様な動作を繰り返す。
このようにして、到来角推定の対象となる電波であるか否かを判断し、対象と判断した場合には、到来角推定処理を実行する。

【0029】

なお、アナログ部１２は、ソフトウェア無線機、もしくはＰＣ基板上に部品を実装したハード無線機のいずれかでも可能であり、これらはデジタル部１３と分離して構成することも可能である。また、複数の無線通信規格の電波を受信するためには、ソフトウェア無線機であれば周波数設定の変更を行えば良く、ハード無線機であればその無線通信規格が用いる周波数に対応した複数のハード無線機を用意し、順次切り替えることで対応できる。

【0030】

また、異なる通信規格を使用する場合に、その周波数帯の電波が取得できる回路に切り替えるだけで良く、専用のＩＣ（集積回路）のようなハードウェアを搭載したり、ソフトウェアをインストールする必要はない。

【0031】

上述したように、本発明では、電波をデコード処理して、受信した電波が到来角推定の対象となる電波であるか否かを判断し、受信した電波が到来角推定の対象であるときに、到来角推定処理を実行する電波を抽出して、送信デバイスからの電波の到来角を推定する。
従って、送信デバイスの無線通信規格やシステムに依存しないので、到来角推定未対応の無線通信規格、及び到来角推定対応の無線通信規格が実装されていない無線通信デバイスを用いた到来角推定が可能となる。また、推定した到来角から送信デバイスの位置を推定することも可能である。

【0032】

以上の実施形態で説明された回路構成や制御手順等については、本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものに過ぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

【符号の説明】

【0033】

１…スマートフォン（送信デバイス）、２－１，２－２…無線機（受信デバイス）、３…パーソナルコンピュータ（制御装置）、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ…アンテナ、１２…アナログ部、１３…デジタル部、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ…アンプ、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ…ミキサー、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ…バンドパスフィルタ、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ…レベル調整器、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ…Ａ／Ｄ変換器、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…波形処理回路、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ…デコーダ、２３…処理装置（マイクロコンピュータ）

【図1】

【図2】