CN107850660B - 位置检测系统以及计算机程序 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够以较高的精度检测移动站的位置的位置检测系统以及计算机程序。为此，输入从移动站(11)在每一更新周期发送并被设置位置已知的至少3个各固定站(1)、(2)、(3)接收的定位脉冲(P)的到达时刻(t)和载波相位(φ)。接下来，使用误差减少算法，使用定位脉冲(P)的载波相位差(Δφ)来预测上一更新周期中的定位脉冲(P)的到达时刻(t_k)至下一更新周期中的定位脉冲(P)的到达时刻(t_k+1)。接下来，使用预测的定位脉冲(P)的到达时刻(t)来运算移动站(11)的位置。将更新周期的时间间隔(dt)设定为因移动站(11)以假定的最大移动速度移动而在时间间隔(dt)内发生变化的载波相位差的差值(Δφ_nm)未达到180°以上的时间间隔。

Description

位置检测系统以及计算机程序

技术领域

本发明涉及基于从移动站到达固定站的无线信号的到达时刻来检测移动站的位置的位置检测系统以及计算机程序。

背景技术

以往，作为这种位置检测系统，有实时检测移动站的位置的实时位置检测系统(RTLS：Real Time Location System)。作为该RTLS中的一般的技术，有使用到达时刻差(TDOA:Time Difference of Arrival)的信息的TDOA技术。在TDOA技术中，通过处于已知的位置的多个固定站和位置计算服务器，来计算移动站的位置。一般地，固定站采取时间同步，各个固定站接收由移动站发出的无线信号。无线信号使用脉冲或以其为标准的波形的信号。移动站的位置根据各固定站进行接收的时刻之差来计算。作为使用了这样的TDOA技术的RTLS，例如，有专利文献1所公开的位置通知系统。

另外，根据在各测定中接收的无线信号的载波相位的变化，来计算各测定之间的物体的移动量，换句话说物体位置的相对的变化量的基于相位的跟踪技术也被应用于位置检测。这样的位置检测技术例如被用于专利文献2所公开的判定摆动结构物的运动的系统。在该系统中，设置把握以及固定位置的至少3个基准发射器，并对摆动结构物安装接收器。这些基准发射器以规定的载波频率发送发送信号，接收器接收该发送信号。评价装置将由接收器接收到的各载波的相位与各基准发射器的相位进行比较，来判定相位差。而且，根据该相位差来计算摆动结构物的位置的变化。

专利文献1:日本特开2008－228163号公报

专利文献2:日本特表2012－506032号公报

在RTLS中的一般的TDOA技术中，为了提高测定脉冲信号的接收时刻的分辨率，希望脉冲信号的脉冲宽度尽可能短。但是，若缩短脉冲宽度，则信号的占用带宽变宽，从电波法等观点来看存在实际运用上的问题。在基于将依据IEEE Std 802.15.4-2011进行了标准化的研究的UWB(Ultra Wide Band)应用于基础设施(物理层)的高速传感器网络的TDOA中，带宽通常也为1GHz左右，距离分辨率也为30cm左右。但是，对于UWB来说，根据规定，各国对发送输出、户外使用等有限制，有不能应用的情况。另一方面，在不使用UWB，例如使用2.4GHz频段的ISM(Industry Science Medical)频段的情况下，带宽大致为80MHz左右，若用距离分辨率对其进行换算，则会产生数米左右的误差。

另外，在基于相位的跟踪技术中，也基于使用频率，但一般地根据载波的相位能够得到比根据脉冲信号的时刻高的分辨率。例如，在2.4GHz频段的ISM频段的情况下，波长大致为12cm左右，即使假设20°左右的测定误差，若用距离分辨率换算则也可得到1cm以下的精度。另一方面，相位每隔360°成为相同的状态。例如，在上述ISM频段的情况下，大致每隔12cm成为相同的状态。因此，无法得知处于其中的哪个位置以及绝对的位置。

在上述的专利文献2的位置检测中，仅根据相位得到的是物体的移动的变化量。因此，若初始位置是已知的，则能够根据物体的移动的变化量来计算物体的位置，但存在因物体的急剧的移动等，而将相位检测为相差360°的整数倍的位置的可能性。在专利文献2中，将该现象指定为“测定相位值的2π模糊性”。为了避免该现象，需要使测定间隔变得密集，以使各次测定之间的物体的移动量收敛于相位π以下，即半波长以下。这基于如下的理论：若测定的时间间隔变得非常短，则在该较短的时间内，物体不会移动半波长以上。但在即便如此相位还是偏移了2π的情况下，为此就需要特殊的操作。

因此，在该基于相位的位置检测方式中，在如作为目标的移动站快速移动的用途中，为了以非常短的测定时间间隔进行测定需要设计系统。但是，由此测定频率增多，所以会产生消耗电力增大、或在追踪多个目标时信号碰撞(冲突)的产生频率升高等问题。另外，需要通过一些方法了解初始位置，另外，在移动站移动了超过半波长的情况下，也需要通过一些方法了解其状态，并对其进行修正。

发明内容

本发明是为了解决这样的课题而提出的，

在具备设置位置已知的至少3个固定站、在位置运算的每一更新周期向各固定站发送无线信号的1个或者多个移动站、以及通过计算机基于从移动站到达各固定站的无线信号的到达时刻来运算移动站的位置的运算装置的位置检测系统中，其特征在于，

各固定站检测在每一更新周期到达的无线信号的到达时刻以及无线信号的载波相位，

运算装置具备：

预测单元，使用基于状态测定值对系统的状态值所包含的误差进行修正来预测更加可靠的系统的状态值的误差减少算法，利用无线信号的载波相位差来预测上一更新周期中的无线信号的到达时刻至下一更新周期中的无线信号的到达时刻；和

位置运算单元，使用由预测单元预测的无线信号的到达时刻来运算移动站的位置。

另外，本发明构成用于使计算机执行如下步骤的计算机程序：

输入步骤，输入从1个或者多个移动站在位置运算的每一更新周期发送并被设置位置已知的至少3个各固定站接收的无线信号的到达时刻和载波相位；

预测步骤，使用基于状态测定值对系统的状态值所包含的误差进行修正来预测更加可靠的系统的状态值的误差减少算法，利用无线信号的载波相位差来预测上一更新周期中的无线信号的到达时刻至下一更新周期中的无线信号的到达时刻；以及

运算步骤，使用预测的无线信号的到达时刻来运算移动站的位置使用预测的无线信号的到达时刻来运算移动站的位置的运算步骤。

根据本结构，位置检测系统中的运算装置通过预测单元，并利用无线信号的载波相位差来预测前一更新周期中的无线信号的到达时刻至下一更新周期中的无线信号的到达时刻。而且，通过位置运算单元，使用由预测单元预测的无线信号的到达时刻，来运算移动站的位置。另外，计算机程序通过输入步骤，将由各固定站接收的无线信号的到达时刻和载波相位输入至计算机，并通过预测步骤，使计算机利用无线信号的载波相位差来预测前一更新周期中的无线信号的到达时刻至下一更新周期中的无线信号的到达时刻。而且，通过运算步骤，使计算机使用预测的无线信号的到达时刻来运算移动站的位置。

因此，使用比时刻精度高几个数量级的精度的载波相位差来预测移动站的位置运算所使用的无线信号的到达时刻。因此，即使在信号的占用带宽较宽且未使用距离分辨率较高的UWB的情况下，也可以较高的精度来运算移动站的位置。另外，由于基于使用误差减少算法以较高的精度预测的到达时刻的绝对值来计算移动站的绝对位置，所以无需预先了解移动站的初始位置。另外，即使在万一相位偏移了360°的整数倍而产生了误差的情况下，也通过误差减少算法依次持续更新预测处理，相位偏移得到修正。因此，在如以往那样，移动站移动了超过半波长的情况下，无需通过一些方法了解其状态，并对其进行修正的处理。

另外，本发明的位置检测系统的特征在于，

预测单元由如下单元构成：时刻差计算单元，计算固定站间的无线信号的到达时刻差；相位差计算单元，计算固定站间的无线信号的载波相位差与一更新周期前的固定站间的无线信号的载波相位差的差值；以及误差减少单元，进行通过误差减少算法使根据到达时刻差和载波相位差的差值预测的下一更新周期中的无线信号的到达时刻更加可靠的运算。

另外，本发明的计算机程序的特征在于，

在预测步骤中，计算固定站间的无线信号的到达时刻差、以及固定站间的无线信号的载波相位差与一更新周期前的固定站间的无线信号的载波相位差的差值，进行通过误差减少算法使根据到达时刻差和载波相位差的差值预测的下一更新周期中的无线信号的到达时刻更加可靠的运算。

根据本结构，可计算固定站间的无线信号的到达时刻差、和固定站间的无线信号的载波相位差与上一更新周期的该相位差的差值，并通过误差减少算法使根据到达时刻差和载波相位差的差值预测的下一更新周期中的无线信号的到达时刻更加可靠。

另外，本发明的位置检测系统以及计算机程序的特征在于，更新周期的时间间隔是由于移动站的移动而在更新周期的时间间隔内变化的载波相位差的差值未达到180°以上的时间间隔。

根据本结构，能够避免在更新周期的时间间隔内载波相位差的差值因移动站的移动而成为180°以上，因相位的不确定性而无法确定移动站的位置的情况。因此，可通过误差减少算法以极高的精度预测无线信号的到达时刻，并以极高的精度检测移动站的位置。

另外，本发明的位置检测系统的特征在于，

移动站在每一更新周期中隔开规定的时间间隔多次发送无线信号，

各固定站检测多次中的至少1次无线信号的到达时刻以及多次中的2次以上的无线信号的载波相位，

预测单元由如下单元构成：

时刻差计算单元，根据至少1次无线信号的到达时刻来计算固定站间的无线信号的到达时刻差；

相位差计算单元，计算根据2次以上的无线信号中的某次无线信号的载波相位求出的固定站间的无线信号的载波相位差与根据另一次无线信号的载波相位求出的固定站间的无线信号的载波相位差的差值；以及

误差减少单元，进行通过误差减少算法使根据到达时刻差和载波相位差的差值预测的下一更新周期中的无线信号的到达时刻更加可靠的运算。

另外，本发明的计算机程序的特征在于，

在输入步骤中，输入各固定站从在每一更新周期中隔开规定的时间间隔从移动站多次发送的无线信号中检测出的多次中的至少1次无线信号的到达时刻、和多次中的2次以上的无线信号的载波相位，

在预测步骤中，根据至少1次无线信号的到达时刻来计算固定站间的无线信号的到达时刻差，计算根据2次以上的无线信号中的某次无线信号的载波相位求出的固定站间的无线信号的载波相位差与根据另一次无线信号的载波相位求出的固定站间的无线信号的载波相位差的差值，进行通过误差减少算法使根据到达时刻差和载波相位差的差值预测的下一更新周期中的无线信号的到达时刻更加可靠的运算。

根据本结构，可根据在每一更新周期中隔开规定的时间间隔从移动站多次发送的无线信号中的至少1次无线信号的到达时刻，来计算固定站间的无线信号的到达时刻差。另外，可计算根据2次以上的无线信号中的某次无线信号的载波相位求出的固定站间的无线信号的载波相位差与根据另一次无线信号的载波相位求出的该载波相位差的差值。可根据计算出的到达时刻差和载波相位差的差值，通过误差减少算法更加可靠地预测下一更新周期中的无线信号的到达时刻。

因此，通过将在每一更新周期中从移动站多次发送的无线信号的时间间隔调整为比用于避免由移动站的移动引起的相位的不确定性的时间间隔短，能够使各更新周期的时间间隔比用于避免由移动站的移动引起的相位的不确定性的时间间隔长。因此，根据本结构，除了无需预先了解移动站的初始位置，以较高的精度检测移动站的位置的上述作用效果以外，还起到能够减少移动站的无线信号的发送频率，并能够实现系统的低消耗电力化的作用效果。进一步，由于能够减少无线信号的发送频率，所以起到即使在从多个移动站发送信号的情况下，也能够减少冲突的产生频率的作用效果。另外，在本结构中，能够构成为根据多次发送的无线信号中的至少2次以上的无线信号的到达时刻，对各固定站间计算至少2个以上的到达时刻差，并使用到达时刻差的平均值，根据该结构，能够减少到达时刻差的误差。

另外，本发明的位置检测系统以及计算机程序的特征在于，在每一更新周期中多次发送的无线信号的规定的时间间隔是由于移动站的移动而在规定的时间间隔内变化的载波相位差的差值未达到180°以上的时间间隔。

根据本结构，能够避免在多次发送的无线信号的规定的时间间隔内载波相位差的差值因移动站的移动而成为180°以上，而由于相位的不确定性无法确定移动站的位置。因此，可通过误差减少算法以极高的精度预测无线信号的到达时刻，并以极高的精度检测移动站的位置。

另外，本发明的位置检测系统以及计算机程序的特征在于，从移动站隔开规定的时间间隔多次发送的无线信号的发送次数为2次。

根据本结构，通过将无线信号的发送次数限定在多次的最小值亦即2次，能够将系统的消耗电力和冲突的产生频率降到最低。

另外，本发明的位置检测系统以及计算机程序的特征在于，误差减少算法是每当时间步长前进就获得系统的状态测定值，并将获得的状态测定值与在一时间步长前预测出的系统的状态预测值进行比较来对下一时间步长的状态预测值进行修正，从而预测更加可靠的系统的状态值的卡尔曼滤波算法。

根据本结构，能够使用比较的简单的已知的算法，容易并且高精度地预测无线信号的到达时刻。

根据本发明，能够提供一种即使在信号的占用带宽较宽且未使用距离分辨率较高的UWB的情况下，也能够以较高的精度运算移动站的位置，而且能够减少系统的消耗电力和冲突的产生频率的位置检测系统以及计算机程序。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的位置检测系统的基本结构的框图。

图2是表示在本发明的第一实施方式的位置检测系统中，从移动站向各固定站发送的定位脉冲的发送时机的时序图。

图3是表示在本发明的第二实施方式的位置检测系统中，从移动站向各固定站发送的定位脉冲的发送时机的时序图。

具体实施方式

接下来，对本发明的位置检测系统以及用于实施计算机程序的方式进行说明。

图1是表示本发明的第一实施方式的位置检测系统的基本结构的框图。

本实施方式的位置检测系统的硬件结构为与一般的基于TDOA的RTLS大致相同的结构，由至少3个固定站(anchor)1、2、3、移动站(目标)11以及位置计算服务器21构成。移动站11在位置运算的每一更新周期中反复地将定位脉冲P作为无线信号发送至各固定站1、2、3。位置计算服务器21是基于从移动站11到达各固定站1、2、3的无线信号的到达时刻，并通过计算机运算移动站11的位置的运算装置，具备CPU(中央运算处理装置)、ROM(只读存储器)以及RAM(随机存取存储器)等而构成。CPU根据ROM中所存储的计算机程序，将RAM作为临时存储作业区域进行各种运算控制。本实施方式的位置检测系统的ROM中所存储的计算机程序与一般的基于TDOA的RTLS不同。

各固定站1、2、3与位置计算服务器21通过有线22或无线连接，各固定站1、2、3间采取时刻和相位的同步。位置计算服务器21也可以用作固定站1、2、3之一。将各固定站1、2、3适当地配置为在想要获取移动站11的位置的区域(位置获取区域)能够接收来自移动站11的无线信号，其设置位置是已知的。想要获取位置的移动站11在位置获取区域内存在一个或多个，位置计算服务器21追踪并且位置检测移动站11在位置获取区域内移动的状态。

图2是表示在第一实施方式的位置检测系统中，从移动站11向各固定站1、2、3发送的定位脉冲P的发送时机的时序图。如该图所示，以时间间隔dt的位置运算的更新周期，在各时间k、k+1、k+2、k+3、…离散地发出定位脉冲P。在第一实施方式中，定位脉冲P的发送周期与位置运算的更新周期dt相同。在各固定站1、2、3中，对于任意一个发送时机，都测定定位脉冲P的到达时刻t和载波相位φ，并检测在每一更新周期到达的定位脉冲P的到达时刻t，并且检测载波相位φ。

位置计算服务器21具备：预测单元，使用基于状态测定值对系统的状态值所包含的误差进行修正来预测更加可靠的系统的状态值的误差减少算法，并利用定位脉冲P的载波相位差Δφ来预测上一时刻k-1的更新周期中的定位脉冲P的到达时刻t至下一时刻k的更新周期中的定位脉冲P的到达时刻t；和位置运算单元，使用由预测单元预测的定位脉冲P的到达时刻t来运算移动站11的位置。

在本实施方式中，预测单元由时刻差计算单元、相位差计算单元以及误差减少单元构成。构成预测单元的这些各单元、以及上述的位置运算单元由CPU、ROM以及RAM的硬件资源构成，通过执行ROM中所存储的后述的程序而发挥功能。

在将n、m分别设为1、2、3的不同的值时，时刻差计算单元根据在固定站n、m中在时刻k分别测定的定位脉冲P的到达时刻t_n、t_m，通过以下的(1)式来计算固定站n、m间的定位脉冲P的到达时刻差t_nm。

t_nm＝t_m－t_n…(1)

相位差计算单元根据在固定站n、m中在时刻k分别测定的载波相位φ_n ^(k)、φ_m ^(k)、以及在时刻k-1分别测定的载波相位φ_n ^(k-1)、φ_m ^(k-1)，通过以下的(2)式来计算时刻k的更新周期的固定站n、m间的定位脉冲P的载波相位差φ_nm ^(k)(＝φ_m ^(k)－φ_n ^(k))与上一时刻k-1的更新周期的固定站n、m间的定位脉冲P的载波相位差φ_nm ^(k-1)(＝φ_m ^(k-1)－φ_n ^(k-1))的差值Δφ_nm。

Δφ_nm＝φ_nm ^(k)－φ_nm ^(k-1)＝(φ_m ^(k)－φ_n ^(k))－(φ_m ^(k-1)－φ_n ^(k-1))…(2)

误差减少单元进行通过上述的误差减少算法使根据到达时刻差t_nm和载波相位差的差值Δφ_nm预测的下一时刻k+1的更新周期中的定位脉冲P的到达时刻差t_nm’更加可靠的运算。

ROM中存储有用于使计算机执行如下步骤的计算机程序：输入从移动站11每隔更新周期反复地发送并被设置位置已知的至少3个各固定站1、2、3接收的定位脉冲P的到达时刻t和载波相位φ的输入步骤；使用上述的误差减少算法，并利用定位脉冲P的载波相位差Δφ来预测上一更新周期中的定位脉冲P的到达时刻t_k至下一更新周期中的定位脉冲P的到达时刻t_k+1的预测步骤；以及使用预测的定位脉冲P的到达时刻t来运算移动站11的位置的运算步骤。

在本实施方式中，在上述的预测步骤中，通过上述的(1)式来计算时刻k的更新周期中的固定站n、m间的定位脉冲P的到达时刻差t_nm，并通过上述的(2)式来计算时刻k的更新周期中的固定站n、m间的定位脉冲P的载波相位差φ_nm ^(k)(＝φ_m ^(k)－φ_n ^(k))与上一时刻k-1的更新周期中的固定站n、m间的定位脉冲P的载波相位差φ_nm ^(k-1)(＝φ_m ^(k-1)－φ_n ^(k-1))的差值Δφ_nm。然后，进行通过上述的误差减少算法使根据到达时刻差t_nm和载波相位差的差值Δφ_nm预测的下一时刻k+1的更新周期中的定位脉冲P的到达时刻差t_nm’更加可靠的运算。

若将定位脉冲P的载波的角频率设为ω，则下一时刻k+1的更新周期中的定位脉冲P的到达时刻差t_nm’被预测为处于用以下的(3)式来表示的值的附近。

t_nm’＝t_nm+dt×(Δφ_nm/ω)…(3)

然后，对在下一时刻k+1的更新周期中实际测定出的到达时刻差t_nm的值和通过(3)式预测的值进行比较，并进行通过上述的误差减少算法变得更加可靠的运算，从而能够推测精度更高的到达时刻差t_nm。在每一更新时机中依次对该依次处理进行更新处理，从而能够得到精度更高的到达时刻差t_nm。在本实施方式中，作为基于该预测和测定的上述的误差减少算法，使用已知的卡尔曼滤波算法，每当根据更新周期时间步长前进就获得系统的状态测定值，并将获得的状态测定值与在上一时间步长中预测出的系统的状态预测值进行比较来修正下一时间步长的状态预测值，从而预测更加可靠的系统的状态值。

在以下的(4)式中用矩阵来表示将卡尔曼滤波算法应用于本实施方式的固定站n、m间的载波相位差Δφ_nm的情况下的状态方程式的例子，在(5)式中用矩阵来表示观测方程式的例子。

[式1]

预测

更新

在这里，在载波相位差Δφ_nm上标注有点(·)的符号表示载波相位差Δφ_nm的一阶微分，另外，(4)式和(5)式的右边第二项中的σwt、

σvt、

分别表示遵循高斯分布假定的噪声。

在卡尔曼滤波中，每当时间步长前进一个就进行预测(Predict)和更新(Posteriori)这2个处理。在预测的处理中，依据上述的(4)式，根据上一时刻k-1的时间步长中的系统的状态预测值，来计算并推断当前时刻k的时间步长中的系统的状态值。在更新的处理中，获得当前时刻k的时间步长中的系统的状态测定值，并依据上述的(5)式对推断出的系统的状态值进行修正，来预测更加准确的系统的状态值。

为了避免载波相位φ偏移360°(＝2π)的整数倍而产生相位的不确定性，在本实施方式中，将更新周期的时间间隔dt设定为即使考虑误差因移动站11以假定的最大移动速度移动而在时间间隔dt内发生变化的载波相位差的差值Δφ_nm也未达到180°(＝π)以上的时间间隔。

基于如上述那样计算出的定位脉冲P的到达时刻差t_nm、和根据载波相位差的差值Δφ_nm通过卡尔曼滤波更加准确地预测的定位脉冲P的到达时刻差t_nm’，通过一般的TDOA技术的计算方法来进行移动站11的位置运算。

根据这样的本实施方式的位置检测系统以及计算机程序，可使用比时刻精度高几个数量级的精度的载波相位差Δφ来预测移动站11的位置运算所使用的定位脉冲P的到达时刻t。因此，即使在信号的占用带宽较宽且未使用距离分辨率较高的UWB的情况下，也可以较高的精度来运算移动站11的位置。另外，由于基于使用误差减少算法以较高的精度预测的到达时刻t的绝对值来计算移动站11的绝对位置，所以无需预先了解移动站11的初始位置。另外，即使在万一相位偏移360°的整数倍而产生了误差的情况下，也通过误差减少算法依次持续更新预测处理，从而相位偏移被修正。因此，无需如以往那样，在移动站移动了超过半波长的情况下，进行通过一些方法了解其状态，并对其进行修正的处理。

另外，根据本实施方式的位置检测系统以及计算机程序，由于将更新周期的时间间隔dt设定为载波相位差的差值Δφ_nm未达到180°以上的时间间隔，所以能够避免在更新周期的时间间隔dt内差值Δφ_nm因移动站11的移动而成为180°以上，而由于相位的不确定性无法确定移动站11的位置。因此，可通过误差减少算法以极高的精度来预测定位脉冲P的到达时刻差t_nm，并以极高的精度来检测移动站11的位置。

另外，对于本实施方式的位置检测系统以及计算机程序而言，由于误差减少算法是卡尔曼滤波算法，所以能够使用相对简单的已知的算法，容易并且高精度地预测定位脉冲P的到达时刻差t_nm。

接下来，对本发明的第二实施方式的位置检测系统以及计算机程序进行说明。

对于第二实施方式的位置检测系统的基本的结构而言，与第一实施方式的位置检测系统相同用图1所示的框图来表示。但是，如图3的时序图所示，移动站11在每一时间间隔dt的位置运算的更新周期中，隔开规定的时间间隔dp反复地发送多次定位脉冲P。在本实施方式中，在时间间隔dt的每一更新周期中发送2次定位脉冲P。各固定站1、2、3检测多次中的至少1次定位脉冲P的到达时刻t，并且检测多次中的2次以上定位脉冲P的载波相位φ。在本实施方式中，在每一更新周期中，测定2次定位脉冲P的到达时刻t，并且测定2次定位脉冲P的载波相位φ。

在这里，在将第一次的定位脉冲P设为f、将第二次的定位脉冲P设为s，将固定站1、2、3设为n(n＝1，2，3)时，将有关第一次的定位脉冲f的到达时刻t和载波相位φ的测定结果记作到达时刻t_n ^(f)、载波相位φ_n ^(f)，将有关第二次的定位脉冲s的测定结果记作到达时刻t_n ^(s)、载波相位φ_n ^(s)。

位置计算服务器21具备如下单元而构成：预测单元，在第二实施方式中也使用与第一实施方式相同的误差减少算法，换句话说，卡尔曼滤波算法，并利用定位脉冲P的载波相位差Δφ来预测上一时刻k-1的更新周期中的定位脉冲P的到达时刻t至下一时刻k的更新周期中的定位脉冲P的到达时刻t；和位置运算单元，使用由预测单元预测的定位脉冲P的到达时刻t来运算移动站11的位置。但是，在第二实施方式中构成预测单元的时刻差计算单元、相位差计算单元以及误差减少单元如以下那样与第一实施方式不同。

第二实施方式中的时刻差计算单元根据多次中的至少1次，在本实施方式中为2次定位脉冲P的到达时刻t，通过以下的(6)式来计算固定站n与固定站m(m＝1，2，3≠n)之间的定位脉冲P的到达时刻差t_nm。

t_nm＝{(t_m ^(f)－t_n ^(f))+(t_m ^(s)－t_n ^(s))}/2…(6)

如(6)式那样，优选到达时刻差t_nm为第一次的到达时刻差(t_m ^(f)－t_n ^(f))与第二次的到达时刻差(t_m ^(s)－t_n ^(s))的平均值，但也可以为任意一个到达时刻差(t_m ^(f)－t_n ^(f))或者(t_m ^(s)－t_n ^(s))。优选采用平均值的理由是因为希望减少误差。针对固定站1、2、3间的各组合进行计算到达时刻差t_nm。

第二实施方式中的相位差计算单元通过以下的(7)式来计算根据多次中的2次以上的定位脉冲P，在本实施方式中为2次的定位脉冲P中的第一次的定位脉冲P的载波相位φ_n ^(f)、φ_m ^(f)求出的固定站n、m间的定位脉冲P的载波相位差φ_nm ^(f)、与根据另一次的第二次的定位脉冲P的载波相位φ_n ^(s)、φ_m ^(s)求出的固定站n、m间的定位脉冲P的载波相位差φ_nm ^(s)的差值Δφ_nm。

Δφ_nm＝φ_nm ^(s)－φ_nm ^(f)＝(φ_m ^(s)－φ_n ^(s))－(φ_m ^(f)－φ_n ^(f))…(7)

该差值Δφ_nm也是针对固定站1、2、3间的各组合来计算的。

第二实施方式中的误差减少单元进行通过卡尔曼滤波算法使根据上述的到达时刻差t_nm和载波相位差的差值Δφ_nm预测的下一时刻k+1的更新周期中的定位脉冲P的到达时刻差t_nm’更加可靠的运算。

在位置计算服务器21的ROM中与第一实施方式相同，存储有用于使计算机执行如下步骤的计算机程序：输入从移动站11每隔更新周期反复地发送并被设置位置已知的至少3个各固定站1、2、3接收的定位脉冲P的到达时刻t和载波相位φ的输入步骤；使用卡尔曼滤波算法，并利用定位脉冲P的载波相位差Δφ来预测上一更新周期中的定位脉冲P的到达时刻t_k至下一更新周期中的定位脉冲P的到达时刻t_k+1的预测步骤；以及使用预测的定位脉冲P的到达时刻t来运算移动站11的位置的运算步骤。

但是，在第二实施方式中，在上述的输入步骤中，输入各固定站1、2、3从在每一更新周期中隔开规定的时间间隔dp由移动站11多次发送的定位脉冲P中检测出的多次中的至少1次定位脉冲P的到达时刻t、以及多次中的2次以上的定位脉冲P的载波相位φ。在本实施方式中，输入各固定站1、2、3从在每一更新周期中2次发送的定位脉冲P中检测出的2次定位脉冲P的到达时刻t以及2次定位脉冲P的载波相位φ。

另外，在上述的预测步骤中，根据2次定位脉冲P的到达时刻t，通过上述的(6)式来计算固定站n、m间的定位脉冲P的到达时刻差t_nm，并通过上述的(7)式来计算根据2次定位脉冲P中的第一次的定位脉冲P的载波相位φ求出的固定站n、m间的定位脉冲P的载波相位差φ_nm ^(f)(＝φ_m ^(f)－φ_n ^(f))与根据另一次的第二次的定位脉冲P的载波相位φ求出的固定站n、m间的定位脉冲P的载波相位差φ_nm ^(s)(＝φ_m ^(s)－φ_n ^(s))的差值Δφ_nm。然后，进行通过卡尔曼滤波算法使根据到达时刻差t_nm和载波相位差的差值Δφ_nm预测的下一时刻k+1的更新周期中的定位脉冲P的到达时刻差t_nm’更加可靠的运算。

基于时刻k的更新时机的到达时刻差t_nm和载波相位差的差值Δφ_nm，若将载波的角频率设为ω，则时刻k+1的下一更新时机中的定位脉冲P的到达时刻差t_nm’被预测为处于用以下的(8)式表示的值的附近。

t_nm’＝t_nm+(dt/dp)×(Δφ_nm/ω)…(8)

然后，对在下一时刻k+1的更新周期实际测定出的到达时刻差t_nm的值和通过(8)式预测的值进行比较，并进行通过卡尔曼滤波算法使其更加可靠的运算，从而能够推测精度更高的到达时刻差t_nm。通过在每一更新时机依次对该依次处理进行更新处理，能够得到精度更高的到达时刻差t_nm。

在以下的(9)式中用矩阵表示将卡尔曼滤波算法应用于本实施方式的固定站n、m间的载波相位差Δφ_nm的情况下的状态方程式的例子，在(10)式中用矩阵表示观测方程式的例子。

[数2]

预测

更新

在这里，(9)式和(10)式中的各符号与(4)式和(5)式中的各符号相同。在预测(Predict)的处理中，根据上述的(9)式，根据上一时刻k-1的时间步长中的系统的状态预测值，计算并推断当前时刻k的时间步长中的系统的状态值。在更新(Posteriori)的处理中，得到当前时刻k的时间步长中的系统的状态测定值，并根据上述的(10)式对推断出的系统的状态值进行修正，来预测更加准确的系统的状态值。

在本实施方式中，为了避免载波相位φ偏移360°(＝2π)的整数倍而产生相位的不确定性，将在每一更新周期中2次发送的定位脉冲P的时间间隔dp设定为即使考虑误差因移动站11以假定的最大移动速度移动而在时间间隔dp内发生变化的载波相位差的差值Δφ_nm也未达到180°(＝π)以上的时间间隔。另一方面，由于预测(predict)中的相位的误差以dt/dp放大，所以为了确保更高位置检测精度，优选时间间隔dp在满足差值Δφ_nm未达到180°以上的时间间隔的条件的基础上，为尽可能大的值。

在本实施方式中，也基于根据如上述那样计算出的定位脉冲P的到达时刻差t_nm、和载波相位差的差值Δφ_nm通过卡尔曼滤波更加准确地预测的定位脉冲P的到达时刻差t_nm’，根据一般的TDOA技术的计算方法，来进行移动站11的位置运算。

根据这样的第二实施方式的位置检测系统以及计算机程序，也使用比时刻精度高几个数量级的精度的载波相位差Δφ来预测移动站11的位置运算所使用的定位脉冲P的到达时刻t。因此，与第一实施方式相同，即使在信号的占用带宽较宽且未使用距离分辨率较高的UWB的情况下，也可以较高的精度来运算移动站11的位置。另外，由于基于使用误差减少算法以较高的精度预测的到达时刻t的绝对值来计算移动站11的绝对位置，所以无需预先了解移动站11的初始位置。另外，即使在万一相位偏移360°的整数倍而产生了误差的情况下，也通过误差减少算法依次持续更新预测处理，从而相位偏移被修正，在移动站移动了超过半波长的情况下，无需通过一些方法了解其状态，并对其进行修正的处理。

另外，根据第二实施方式的位置检测系统以及计算机程序，由于将在每一更新周期中多次发送的定位脉冲P的时间间隔dp设定为载波相位差的差值Δφ_nm未达到180°以上的时间间隔，所以能够避免在时间间隔dp内差值Δφ_nm因移动站11的移动而成为180°以上，由于相位的不确定性而无法确定移动站11的位置。因此，在第二实施方式中，可通过误差减少算法以极高的精度来预测定位脉冲P的到达时刻差t_nm，并以极高的精度来检测移动站11的位置。

另外，在第二实施方式的位置检测系统以及计算机程序中，由于误差减少算法是卡尔曼滤波算法，所以也能够使用相对简单的已知的算法，容易并且高精度地预测定位脉冲P的到达时刻差t_nm。

另外，在第一实施方式中，对移动站11的移动量充分小的情况，即移动站11的移动速度较慢的情况、更新周期的时间间隔dt充分短的情况进行了说明。但是，根据第二实施方式的位置检测系统以及计算机程序，通过将在每一更新周期中从移动站11多次发送的定位脉冲P的时间间隔dp调整为比用于避免由移动站11的移动引起的相位的不确定性的时间间隔短，能够使各更新周期的时间间隔dt比用于避免由移动站11的移动引起的相位的不确定性的时间间隔长。因此，根据第二实施方式，除了在第一实施方式中起到的上述的作用效果以外，还起到能够减少移动站11的定位脉冲P的发送频率，并能够实现系统的低消耗电力化的作用效果。即，若是同容量的电池则能够延长系统的驱动时间。或者，能够减少为了实现相同驱动时间所需要的电池的重量。进一步，由于能够减少定位脉冲P的发送频率，所以即使在构建从多个移动站11发送信号的RTLS的情况下，也起到能够减少冲突的产生频率的作用效果。

另外，第二实施方式的位置检测系统以及计算机程序由于将从移动站11隔开规定的时间间隔dp多次发送的定位脉冲P的发送次数限定在作为多次的最小值的2次，所以能够将系统的消耗电力和冲突的产生频率降到最低。

此外，在第二实施方式中，将定位脉冲P的发送次数如上述那样设为作为多次的最小值的2次，但也可以是3次以上的多次。定位脉冲P的发送次数越多，越能够减少误差。

另外，在第一和第二各实施方式中，将固定站1、2、3的数量设为3个进行了说明。但是，对于固定站的数量而言，如上述的各实施方式那样，若是二维(2D)的位置检测则为3个以上，若是三维(3D)的位置检测则也可以是4个以上的任意的数量。数量越多冗长性越高，由于通过固定站的组合来检测多个位置，所以通过考虑它们的位置，进一步提高位置精度的可能性升高。另外，移动站11的数量也并不局限于一个，也可以是一并使用通过ID等来识别多个移动站的方法，从而追踪/检测多个移动站的系统。

另外，在第一和第二各实施方式中，以基于TDOA的RTLS为例，但在移动站也同步的情况下，在TOA(Time of Arrival)的系统中，也同样能够应用上述的各实施方式的时刻精度提高的方法。在该情况下，不是固定站间的时刻差/相位差，在移动站与各固定站之间的收发信号时刻差/载波相位差上应用上述的方法。

另外，在第一和第二各实施方式中，将基于状态测定值对系统的状态值所包含的误差进行修正来预测更加可靠的系统的状态值的误差减少算法，作为根据上一更新周期的状态值来预测下一更新周期的状态值，并且根据实际得到的下一更新周期的状态值对其误差进行修正的卡尔曼滤波算法进行了说明。但是，基于预测和实测的误差减少算法并不限于卡尔曼滤波算法。例如，在作为上述的误差减少算法使用了作为使仿真模型和观测数据依次同化的方法而被认知的粒子滤波器、使概率分布已知来求似然函数和最大似然推断量，并计算最大似然推断值的最大似然推断法等算法的情况下，也可起到与上述的各实施方式相同的作用效果。另外，在使用卡尔曼滤波的情况下，表现系统的状态空间模型的状态方程式以及观测方程式并不限于上述的各实施方式所示的各式。

另外，在第一和第二各实施方式中，与一般的基于TDOA的RTLS相同，对全部的固定站1、2、3通过有线22或无线使时刻和相位同步的情况进行了说明。但是，在与各固定站1、2、3的测定时机大致相同时刻，从位置被固定的参考站对各固定站1、2、3分配基准信号，从而无需通过有线22或无线来采取各固定站1、2、3间的同步，系统的构建很容易。

在该情况下，各固定站1、2、3以相同的频率的基准时钟动作，但各自非同步地独立地动作。另外，移动站11基于移动站用的基准时钟，作为定位脉冲P以规定的发送周期发送第一无线信号。参考站基于参考站用的基准时钟，作为基准信号发送第二无线信号。此时，移动站11发送用于参考站发送第二无线信号的触发无线信号，参考站在接收到该触发无线信号时发送第二无线信号。各固定站1、2、3接收第一无线信号，并提取第一无线信号的载波相位与各固定站1、2、3各自的基准时钟相位的相位差，另外，接收第二无线信号，并提取第二无线信号的载波相位与各固定站1、2、3各自的基准时钟相位的相位差。

位置计算服务器21使用移动站11与各固定站1、2、3之间的相位差信息、和参考站与各固定站1、2、3之间的相位差信息，消除各固定站1、2、3中的基准时钟的相位偏移。换句话说，从在固定站n中得到的相位差信息中减去在固定站m中得到的相位差信息，从而计算消除了移动站11、参考站以及固定站n、m的相位偏移的固定站n、m间的载波相位差Δφ_nm。在这里，所谓的相位偏移意味着因移动站11、参考站以及各固定站1、2、3非同步地独立地动作而产生的相位的偏移。通过相位偏移的该消除，无需采取各固定站1、2、3间的同步。

附图标记说明

1、2、3…固定站；

11…移动站；

21…位置计算服务器(运算装置)；

22…有线；

P…定位脉冲(无线信号)；

dt…更新周期的时间间隔；

dp…每一更新周期的发送时间间隔。

Claims (14)

1.一种位置检测系统，具备设置位置已知的至少3个固定站、在位置运算的每一更新周期向各上述固定站发送无线信号的1个或者多个移动站、以及通过计算机基于从上述移动站到达各上述固定站的上述无线信号的到达时刻来运算上述移动站的位置的运算装置，上述位置检测系统的特征在于，

各上述固定站检测在每一更新周期到达的上述无线信号的到达时刻以及上述无线信号的载波相位，

上述运算装置具备：

预测单元，使用基于状态测定值对系统的状态值所包含的误差进行修正来预测更加可靠的系统的状态值的误差减少算法，利用上述无线信号的载波相位差来预测上一更新周期中的上述无线信号的到达时刻至下一更新周期中的上述无线信号的到达时刻；和

位置运算单元，使用由上述预测单元预测的上述无线信号的到达时刻来运算上述移动站的位置，

上述预测单元由如下单元构成：

时刻差计算单元，计算上述固定站间的上述无线信号的到达时刻差；

相位差计算单元，计算上述固定站间的上述无线信号的载波相位差与一更新周期前的上述固定站间的上述无线信号的载波相位差的差值；以及

误差减少单元，进行通过上述误差减少算法使根据上述到达时刻差和载波相位差的上述差值预测的下一更新周期中的上述无线信号的到达时刻更加可靠的运算。

2.根据权利要求1所述的位置检测系统，其特征在于，

上述更新周期的时间间隔是由于上述移动站的移动而在上述更新周期的时间间隔内变化的载波相位差的上述差值未达到180°以上的时间间隔。

3.根据权利要求1所述的位置检测系统，其特征在于，

上述移动站在每一更新周期中隔开规定的时间间隔多次发送上述无线信号，

各上述固定站检测上述多次中的至少1次上述无线信号的到达时刻以及上述多次中的2次以上的上述无线信号的载波相位，

上述时刻差计算单元根据至少1次上述无线信号的到达时刻来计算上述固定站间的上述无线信号的到达时刻差；

上述相位差计算单元计算根据2次以上的上述无线信号中的某次无线信号的载波相位求出的上述固定站间的上述无线信号的载波相位差与根据另一次无线信号的载波相位求出的上述固定站间的上述无线信号的载波相位差的差值；以及

上述误差减少单元进行通过上述误差减少算法使根据上述到达时刻差和载波相位差的上述差值预测的下一更新周期中的上述无线信号的到达时刻更加可靠的运算。

4.根据权利要求3所述的位置检测系统，其特征在于，

在每一上述更新周期中多次发送的上述无线信号的规定的上述时间间隔是由于上述移动站的移动而在规定的上述时间间隔内变化的载波相位差的上述差值未达到180°以上的时间间隔。

5.根据权利要求3所述的位置检测系统，其特征在于，

从上述移动站隔开规定的时间间隔多次发送的上述无线信号的发送次数为2次。

6.根据权利要求4所述的位置检测系统，其特征在于，

从上述移动站隔开规定的时间间隔多次发送的上述无线信号的发送次数为2次。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的位置检测系统，其特征在于，

上述误差减少算法是每当时间步长前进就获得系统的状态测定值，并将获得的状态测定值与在一时间步长前预测出的系统的状态预测值进行比较来对下一时间步长的状态预测值进行修正，从而预测更加可靠的系统的状态值的卡尔曼滤波算法。

8.一种存储介质，存储计算机程序，该计算机程序用于使计算机执行如下步骤：

输入步骤，输入从1个或者多个移动站在位置运算的每一更新周期发送并被设置位置已知的至少3个各固定站接收的无线信号的到达时刻和载波相位；

预测步骤，使用基于状态测定值对系统的状态值所包含的误差进行修正来预测更加可靠的系统的状态值的误差减少算法，利用上述无线信号的载波相位差来预测上一更新周期中的上述无线信号的到达时刻至下一更新周期中的上述无线信号的到达时刻；以及

运算步骤，使用预测的上述无线信号的到达时刻来运算上述移动站的位置，

在上述预测步骤中，计算上述固定站间的上述无线信号的到达时刻差、以及上述固定站间的上述无线信号的载波相位差与一更新周期前的上述固定站间的上述无线信号的载波相位差的差值，进行通过上述误差减少算法使根据上述到达时刻差和载波相位差的上述差值预测的下一更新周期中的上述无线信号的到达时刻更加可靠的运算。

9.根据权利要求8所述的存储介质，其特征在于，

上述更新周期的时间间隔是由于上述移动站的移动而在上述更新周期的时间间隔内变化的载波相位差的上述差值未达到180°以上的时间间隔。

10.根据权利要求8所述的存储介质，其特征在于，

在上述输入步骤中，输入各上述固定站从在每一更新周期中隔开规定的时间间隔从上述移动站多次发送的上述无线信号中检测出的上述多次中的至少1次上述无线信号的到达时刻、和上述多次中的2次以上的上述无线信号的载波相位，

在上述预测步骤中，根据至少1次上述无线信号的到达时刻来计算上述固定站间的上述无线信号的到达时刻差，计算根据2次以上的上述无线信号中的某次无线信号的载波相位求出的上述固定站间的上述无线信号的载波相位差与根据另一次无线信号的载波相位求出的上述固定站间的上述无线信号的载波相位差的差值，进行通过上述误差减少算法使根据上述到达时刻差和载波相位差的上述差值预测的下一更新周期中的上述无线信号的到达时刻更加可靠的运算。

11.根据权利要求10所述的存储介质，其特征在于，

在每一上述更新周期中多次发送的上述无线信号的规定的上述时间间隔是由于上述移动站的移动而在规定的上述时间间隔内变化的载波相位差的上述差值未达到180°以上的时间间隔。

12.根据权利要求10所述的存储介质，其特征在于，

从上述移动站隔开规定的时间间隔多次发送的上述无线信号的发送次数为2次。

13.根据权利要求11所述的存储介质，其特征在于，

从上述移动站隔开规定的时间间隔多次发送的上述无线信号的发送次数为2次。

14.根据权利要求8～13中任一项所述的存储介质，其特征在于，

上述误差减少算法是每当时间步长前进就获得系统的状态测定值，并将获得的状态测定值与在一时间步长前预测出的系统的状态预测值进行比较来对下一时间步长的状态预测值进行修正，从而预测更加可靠的系统的状态值的卡尔曼滤波算法。

Images