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JP3963467B2 - Direct wave arrival direction estimation device - Google Patents
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Description

この発明は、コヒーレント波の直接波の到来方向を推定する直接波到来方向推定装置に関するものである。   The present invention relates to a direct wave arrival direction estimation device that estimates the arrival direction of a direct wave of a coherent wave.

屋内および地下街等の電波がマルチパスを経由して伝搬する環境下では、複数の反射波が様々な方向から到来する。この場合、反射波と直接波とは、位相が異なるだけのコヒーレント波となる。   In an environment where radio waves such as indoors and underground shopping streets propagate through multipaths, a plurality of reflected waves arrive from various directions. In this case, the reflected wave and the direct wave are coherent waves having different phases.

このようなコヒーレント波からなる反射波および直接波の到来方向を推定する方法として、アンテナから放射するビームの方向を変えて電波を受信し、その受信した電波の受信電波強度が最大になる方向を直接波の到来方向と推定する方法が知られている(非特許文献1)。
古樋 知重、橋口 正哉、大平 孝、浅田 峯夫、岡田 敏美,”腕時計型マイクロ波ビーコンと携帯型電波到来方向探知機の雪中実験”,信学論(B),Vol.186−B,No.2,pp219−225,Feb.2003.
As a method of estimating the direction of arrival of reflected waves and direct waves consisting of such coherent waves, the direction of the beam radiated from the antenna is changed to receive the radio wave, and the direction in which the received radio wave intensity of the received radio wave is maximum is determined. A method for estimating the arrival direction of a direct wave is known (Non-Patent Document 1).
Tomoshige Furudate, Masaya Hashiguchi, Takashi Ohira, Toshio Asada, Toshimi Okada, “Snow Experiments on Microwave Beacons and Portable Radio Direction-of-arrival Detectors”, Science Theory (B), Vol. 186-B, no. 2, pp 219-225, Feb. 2003.

しかし、非特許文献1に記載された到来方向推定方法では、電波のキャリア周波数が1個であるため、直接波の受信電波強度が反射波の受信電波強度よりも弱くなる領域が存在し、直接波の到来方向を正確に推定することが困難であるという問題がある。   However, in the direction-of-arrival estimation method described in Non-Patent Document 1, since the radio wave has a single carrier frequency, there is a region where the received radio wave intensity of the direct wave is weaker than the received radio wave intensity of the reflected wave. There is a problem that it is difficult to accurately estimate the direction of arrival of waves.

図15は、キャリア周波数が1個である場合における直接波および反射波の受信電力の分布を示す分布図である。図15において、縦軸は、受信電力を表し、横軸は、発信源と到来方向推定装置との距離を表す。また、太線は、直接波の受信電力の分布を表し、点線は、反射波の受信電力の分布を表す。更に、破線は、反射波がない場合の受信電力の分布を表す。   FIG. 15 is a distribution diagram showing the distribution of the received power of the direct wave and the reflected wave when the carrier frequency is one. In FIG. 15, the vertical axis represents received power, and the horizontal axis represents the distance between the transmission source and the arrival direction estimation device. The thick line represents the distribution of the received power of the direct wave, and the dotted line represents the distribution of the received power of the reflected wave. Furthermore, the broken line represents the distribution of received power when there is no reflected wave.

図15から明らかなように、2.4m、3.5mおよび3.7〜3.8mにおいて、直接波の受信電力は、反射波の受信電力よりも大きく低下している。これは、マルチパス環境下においては、複数の反射波は、相互に干渉し、直接波よりも強くなることがあるからである。   As is apparent from FIG. 15, at 2.4 m, 3.5 m, and 3.7 to 3.8 m, the reception power of the direct wave is significantly lower than the reception power of the reflected wave. This is because in a multipath environment, a plurality of reflected waves interfere with each other and may be stronger than direct waves.

このように、電波のキャリア周波数を1個にした場合、直接波の受信電力よりも反射波の受信電力の方が強くなる領域が存在し、直接波の到来方向を正確に推定することが困難である。   Thus, when the radio wave carrier frequency is set to one, there is a region where the received power of the reflected wave is stronger than the received power of the direct wave, and it is difficult to accurately estimate the arrival direction of the direct wave. It is.

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、マルチパス環境下でも直接波の到来方向を正確に推定可能な直接波到来方向推定装置を提供することである。   Therefore, the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a direct wave arrival direction estimation device capable of accurately estimating the arrival direction of a direct wave even in a multipath environment. is there.

この発明によれば、直接波到来方向推定装置は、電波が反射および/または回折するマルチパス環境下において発信源から到来する直接波の到来方向を推定する直接波到来方向推定装置であって、アンテナ装置と、方向推定手段とを備える。アンテナ装置は、発信源の設置面に略平行な水平面内において指向性をn(nは2以上の整数)個の方向に切換えて各方向毎に発信源からのキャリア周波数が異なるm(mは2以上の整数)個の電波を受信する。方向推定手段は、指向性が1つの方向に設定されたときにアンテナ装置によって受信されたmの電波に対応するm個の受信電波強度に基づいて反射および/または回折の影響を抑制して1つの方向における受信電波強度を検出することによりn個の方向におけるn個の受信電波強度を検出し、その検出したn個の受信電波強度のうち受信電波強度が最大となる方向を直接波の到来方向と推定する。   According to the present invention, the direct wave arrival direction estimation device is a direct wave arrival direction estimation device that estimates the arrival direction of a direct wave coming from a transmission source in a multipath environment in which radio waves are reflected and / or diffracted. An antenna device and direction estimating means are provided. The antenna device switches the directivity to n (n is an integer of 2 or more) directions in a horizontal plane substantially parallel to the installation surface of the transmission source, and the carrier frequency from the transmission source differs in each direction m (m is Receive an integer of 2 or more radio waves. The direction estimation means suppresses the influence of reflection and / or diffraction based on m received radio wave intensities corresponding to m radio waves received by the antenna device when the directivity is set in one direction. By detecting the received radio field strength in one direction, n received radio field strengths in n directions are detected, and the direction in which the received radio wave intensity is the maximum among the detected n received radio field strengths is the arrival of a direct wave. Estimated direction.

好ましくは、方向推定手段は、m個の受信電波強度のうち最大の受信電波強度を1つの方向における受信電波強度として検出する。   Preferably, the direction estimating means detects the maximum received radio wave intensity among the m received radio wave intensities as the received radio wave intensity in one direction.

好ましくは、方向推定手段は、m個の受信電波強度の平均値を1つの方向における受信電波強度として検出する。   Preferably, the direction estimating means detects an average value of m received radio wave intensities as a received radio wave intensity in one direction.

好ましくは、アンテナ装置は、給電素子と、少なくとも1つの無給電素子と、少なくとも1つの無給電素子に装荷された可変容量素子の容量を変化させ、指向性をn個の方向に切換える指向性切換手段とを含む。   Preferably, the antenna device changes directivity in n directions by changing the capacitance of the feed element, the at least one parasitic element, and the variable capacitance element loaded on the at least one parasitic element. Means.

この発明による直接波到来方向推定装置は、アンテナ装置の指向性を複数の方向に順次切換え、各方向において発信源からキャリア周波数が異なる複数の電波を受信する。そして、直接波到来方向推定装置は、その受信したキャリア周波数が異なる複数の電波に対応する複数の受信電波強度に基づいて、電波の反射および/または回折の影響を抑制して各方向における受信電波強度を検出し、その検出した複数の方向における複数の受信電波強度のうち最大の受信電波強度が得られる方向を直接波の到来方向と推定する。   The direct wave arrival direction estimation device according to the present invention sequentially switches the directivity of the antenna device in a plurality of directions, and receives a plurality of radio waves having different carrier frequencies from the transmission source in each direction. Then, the direct wave arrival direction estimation device suppresses the influence of the reflection and / or diffraction of the radio waves based on the received radio wave intensities corresponding to the received radio waves having different carrier frequencies, and receives the received radio waves in each direction. The intensity is detected, and the direction in which the maximum received radio wave intensity is obtained among the plurality of received radio wave intensities in the detected directions is estimated as the direct wave arrival direction.

したがって、この発明によれば、マルチパス環境下でも直接波の到来方向を正確に推定できる。   Therefore, according to the present invention, the arrival direction of a direct wave can be accurately estimated even in a multipath environment.

また、この発明による直接波到来方向推定装置は、キャリア周波数が異なる複数の電波に対応する複数の受信電波強度のうち、最大の受信電波強度を各方向における受信電波強度として検出する。   The direct wave arrival direction estimation apparatus according to the present invention detects the maximum received radio wave intensity as the received radio wave intensity in each direction among a plurality of received radio wave intensities corresponding to a plurality of radio waves having different carrier frequencies.

さらに、この発明による直接波到来方向推定装置は、キャリア周波数が異なる複数の電波に対応する複数の受信電波強度の平均値を各方向における受信電波強度として検出する。   Furthermore, the direct wave arrival direction estimation device according to the present invention detects an average value of a plurality of received radio wave intensities corresponding to a plurality of radio waves having different carrier frequencies as the received radio wave intensity in each direction.

したがって、この発明によれば、簡単な構成によって電波の反射および/または回折の影響を抑制して直接波の到来方向を精度良く推定できる。   Therefore, according to the present invention, it is possible to accurately estimate the arrival direction of a direct wave while suppressing the influence of radio wave reflection and / or diffraction with a simple configuration.

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。   Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

図1は、この発明の実施の形態による到来方向推定装置の概略図である。図1を参照して、この発明の実施の形態による到来方向推定装置100は、アレーアンテナ10と、指向性切換手段20と、電波強度検出手段30と、方向推定手段40とを備える。なお、到来方向推定装置100は、電波が反射および/または回折するマルチパス環境下において発信源からの直接波の到来方向を推定する装置である。   FIG. 1 is a schematic diagram of an arrival direction estimating apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, arrival direction estimation apparatus 100 according to the embodiment of the present invention includes an array antenna 10, directivity switching means 20, radio wave intensity detection means 30, and direction estimation means 40. The arrival direction estimation apparatus 100 is an apparatus that estimates the arrival direction of a direct wave from a transmission source in a multipath environment where radio waves are reflected and / or diffracted.

アレーアンテナ10は、アンテナ素子1〜7と、バラクタダイオード11〜16とを含む。アンテナ素子1〜7は、x軸、y軸およびz軸からなるxyz直交座標におけるz軸に沿ってx−y平面(所定平面)に配置される。なお、この発明においては、図1に示すx−y平面内における方角を示す方位角を有するコヒーレント波を到来方向推定の対象とする。即ち、発信源の設置面に略平行な水平面内における方位角を有するコヒーレント波を到来方向推定の対象とする。   Array antenna 10 includes antenna elements 1 to 7 and varactor diodes 11 to 16. The antenna elements 1 to 7 are arranged on the xy plane (predetermined plane) along the z axis in the xyz orthogonal coordinates including the x axis, the y axis, and the z axis. In the present invention, a coherent wave having an azimuth indicating a direction in the xy plane shown in FIG. That is, a coherent wave having an azimuth angle in a horizontal plane substantially parallel to the installation surface of the transmission source is used as an object of arrival direction estimation.

図2は、図1に示すx−y平面におけるアンテナ素子1〜7の平面配置図である。図2を参照して、アンテナ素子1〜6は、アンテナ素子7を中心にして等間隔に円形に配置される。   FIG. 2 is a plan layout view of the antenna elements 1 to 7 in the xy plane shown in FIG. Referring to FIG. 2, antenna elements 1 to 6 are arranged in a circle at equal intervals around antenna element 7.

再び、図1を参照して、アンテナ素子1〜6は、無給電素子であり、アンテナ素子7は、給電素子である。バラクタダイオード11〜16は、それぞれ、アンテナ素子1〜6と接地ノードとの間に接続される。これによって、無給電素子であるアンテナ素子1〜6には、可変容量素子であるバラクタダイオード11〜16がそれぞれ装荷される。   Referring to FIG. 1 again, antenna elements 1 to 6 are parasitic elements, and antenna element 7 is a feed element. Varactor diodes 11-16 are connected between antenna elements 1-6 and the ground node, respectively. Thereby, the varactor diodes 11 to 16 which are variable capacitance elements are loaded on the antenna elements 1 to 6 which are parasitic elements, respectively.

このように、アレーアンテナ10は、1本の給電素子(アンテナ素子7)と、6本の無給電素子(アンテナ素子1〜6)とからなる7本のアンテナ素子が給電素子を中心にして円形に配置された構造からなる。   As described above, the array antenna 10 has seven antenna elements including one feeding element (antenna element 7) and six parasitic elements (antenna elements 1 to 6) that are circular with the feeding element as the center. It consists of the structure arranged in.

指向性切換手段20は、バラクタダイオード11〜16に制御電圧セットCVL1〜CVL6を供給し、アレーアンテナ10の指向性を切換える。バラクタダイオード11〜16は、それぞれ、制御電圧CVL1〜CVL6によって容量(リアクタンス値)が変化する。指向性切換手段20は、各バラクタダイオード11〜16におけるリアクタンス値が“hi”または“lo”になるように各制御電圧CVL1〜CVL6の電圧値を決定し、制御電圧セットCVL1〜CVL6をバラクタダイオード11〜16へ供給する。   Directivity switching means 20 supplies control voltage sets CVL 1 to CVL 6 to varactor diodes 11 to 16 to switch the directivity of array antenna 10. The capacitances (reactance values) of the varactor diodes 11 to 16 are changed by the control voltages CVL1 to CVL6, respectively. The directivity switching means 20 determines the voltage values of the control voltages CVL1 to CVL6 so that the reactance values in the varactor diodes 11 to 16 become “hi” or “lo”, and sets the control voltage sets CVL1 to CVL6 to the varactor diodes. To 11-16.

この場合、指向性切換手段20は、バラクタダイオード11〜16におけるリアクタンス値xm1〜xm6のセットxが表1に示すように変化するように制御電圧セットCVL1〜CVL6をバラクタダイオード11〜16へ供給する。 In this case, directivity switching means 20, the reactance value x m1 ~x m6 set x m varactor control voltage set CVL1~CVL6 to vary as shown in Table 1 diode in the varactor diode 11 to 16 11 to 16 To supply.

リアクタンス値xm1が“lo”であり、リアクタンス値xm2〜xm6が“hi”であるとき(i=1)、アレーアンテナ10は、0度の方向(図2に示すx軸の正方向を0度の方向とする)に指向性があるビームパターンBP1を有する。 When the reactance value x m1 is “lo” and the reactance values x m2 to x m6 are “hi” (i = 1), the array antenna 10 has a direction of 0 degrees (the positive direction of the x axis shown in FIG. 2). Is a beam pattern BP1 having directivity.

また、リアクタンス値xm1,xm2が“lo”であり、リアクタンス値xm3〜xm6が“hi”であるとき(i=2)、アレーアンテナ10は、30度の方向に指向性があるビームパターンBP2を有する。 Further, when the reactance values x m1 and x m2 are “lo” and the reactance values x m3 to x m6 are “hi” (i = 2), the array antenna 10 has directivity in the direction of 30 degrees. It has a beam pattern BP2.

さらに、リアクタンス値xm2が“lo”であり、リアクタンス値xm1,xm3〜xm6が“hi”であるとき(i=3)、アレーアンテナ10は、60度の方向に指向性があるビームパターンBP3を有する。 Furthermore, when the reactance value x m2 is “lo” and the reactance values x m1 , x m3 to x m6 are “hi” (i = 3), the array antenna 10 has directivity in the direction of 60 degrees. It has a beam pattern BP3.

以下、同様にして、リアクタンス値xm1〜xm6を表1に従って切換えたとき(i=4〜12)、アレーアンテナ10は、90度、120度、150度、180度、210度、240度、270度、300度および330度の方向に指向性があるビームパターンBP4〜BPM12を有する(図2参照)。 Similarly, when the reactance values x m1 to x m6 are switched according to Table 1 (i = 4 to 12), the array antenna 10 is 90 degrees, 120 degrees, 150 degrees, 180 degrees, 210 degrees, and 240 degrees. Beam patterns BP4 to BPM12 having directivity in directions of 270 degrees, 300 degrees, and 330 degrees are included (see FIG. 2).

このように、指向性切換手段20は、無給電素子であるアンテナ素子1〜6に装荷されたバラクタダイオード11〜16のリアクタンス値xm1〜xm6を変えることによってアレーアンテナ10の指向性を切換える。 Thus, the directivity switching means 20 switches the directivity of the array antenna 10 by changing the reactance values x m1 to x m6 of the varactor diodes 11 to 16 loaded on the antenna elements 1 to 6 which are parasitic elements. .

到来方向推定装置100が発信源(図示せず)からの直接波の到来方向を推定するとき、アレーアンテナ10は、その指向性を上述した12個の方向に順次切換え、各方向においてキャリア周波数が異なる16個の電波を発信源から受信する。   When arrival direction estimation apparatus 100 estimates the arrival direction of a direct wave from a transmission source (not shown), array antenna 10 sequentially switches its directivity to the 12 directions described above, and the carrier frequency in each direction is 16 different radio waves are received from the source.

電波強度検出手段30は、アレーアンテナ10が受信した電波をアレーアンテナ10の給電素子7から受け、その受けた電波の受信電波強度RSSIを検出して方向推定手段40へ出力する。   The radio wave intensity detection means 30 receives the radio wave received by the array antenna 10 from the feed element 7 of the array antenna 10, detects the received radio wave intensity RSSI of the received radio wave, and outputs it to the direction estimation means 40.

より具体的には、電波強度検出手段30は、指向性が0度の方向に設定されたときアレーアンテナ10によって受信された16個の電波WV1_1〜WV1_16を給電素子7から受け、その受けた16個の電波WV1_1〜WV1_16に対応する16個の受信電波強度R1_1〜R1_16を検出して方向推定手段40へ出力する。   More specifically, the radio wave intensity detection means 30 receives 16 radio waves WV1_1 to WV1_16 received by the array antenna 10 from the power feeding element 7 when the directivity is set to a direction of 0 degree, and receives the received 16 Sixteen received radio wave intensities R1_1 to R1_16 corresponding to the individual radio waves WV1_1 to WV1_16 are detected and output to the direction estimating means 40.

また、電波強度検出手段30は、指向性が30度の方向に設定されたときにアレーアンテナ10によって受信された16の電波WV2_1〜WV2_16を給電素子7から受け、その受けた16個の電波WV2_1〜WV2_16に対応する16個の受信電波強度R2_1〜R2_16を検出して方向推定手段40へ出力する。   The radio wave intensity detection means 30 receives 16 radio waves WV2_1 to WV2_16 received by the array antenna 10 when the directivity is set in the direction of 30 degrees from the feed element 7, and receives the 16 radio waves WV2_1 received. 16 received radio wave intensities R2_1 to R2_16 corresponding to ˜WV2_16 are detected and output to the direction estimating means 40.

以下、同様にして、電波強度検出手段30は、指向性がθ(60度、90度、120度、150度、180度、210度、240度、270度、300度および330度)の方向に設定されたときにアレーアンテナ10によって受信された16個の電波WVi_1〜WVi_16(i=3〜12)を給電素子7から受け、その受けた16個の電波WVi_1〜WVi_16に対応する16個の受信電波強度Ri_1〜Ri_16を検出して方向推定手段40へ出力する。   Hereinafter, in the same manner, the radio wave intensity detection means 30 has a directionality of θ (60 degrees, 90 degrees, 120 degrees, 150 degrees, 180 degrees, 210 degrees, 240 degrees, 270 degrees, 300 degrees and 330 degrees). 16 radio waves WVi_1 to WVi_16 (i = 3 to 12) received by the array antenna 10 when set to 16 from the feeding element 7, and 16 radio waves corresponding to the received 16 radio waves WVi_1 to WVi_16 Received radio wave intensities Ri_1 to Ri_16 are detected and output to direction estimating means 40.

方向推定手段40は、電波強度検出手段30から受信電波強度R1_1〜R1_16,・・・,R12_1〜R12_16を受ける。そして、方向推定手段40は、アレーアンテナ10の指向性が0度の方向、30度の方向、・・・、330度の方向の順序で切換えられることが予め解っているので、電波強度検出手段30から受けた受信電波強度R1_1〜R1_16,・・・,R12_1〜R12_16を各方向に対応付ける。即ち、方向推定手段40は、表2に示す受信電波強度テーブルを作成する。   The direction estimation unit 40 receives the received radio field strengths R1_1 to R1_16,..., R12_1 to R12_16 from the radio field strength detection unit 30. The direction estimating means 40 is known in advance that the directivity of the array antenna 10 is switched in the order of 0 degrees, 30 degrees,..., 330 degrees. , R12_1 to R12_16 are associated with each direction. That is, the direction estimating means 40 creates a received radio wave intensity table shown in Table 2.

そして、方向推定手段40は、16個の受信電波強度Ri_1〜Ri_16(i=1〜12)に基づいて、電波の反射および/または回折による影響を抑制して各方向における受信電波強度Riを検出する。   Then, the direction estimating means 40 detects the received radio wave intensity Ri in each direction while suppressing the influence of radio wave reflection and / or diffraction based on the 16 received radio wave intensity Ri_1 to Ri_16 (i = 1 to 12). To do.

より具体的には、方向推定手段40は、16個の受信電波強度Ri_1〜Ri_16の平均値を演算することにより各方向における受信電波強度Riを検出する。   More specifically, the direction estimating means 40 detects the received radio field strength Ri in each direction by calculating an average value of the 16 received radio field strengths Ri_1 to Ri_16.

そして、方向推定手段40は、検出した12個の受信電波強度R1〜R12のうち、最大の受信電波強度を直接波の到来方向と推定する。   Then, the direction estimating means 40 estimates the maximum received radio wave intensity as the direct wave arrival direction among the detected 12 received radio wave intensity R1 to R12.

電波のキャリア周波数が異なれば、直接波と反射波との位相関係が変化するので、受信電波強度が弱くなる位置がキャリア周波数によって異なる。図3は、キャリア周波数が異なる3つの電波に対応する3つの受信電波強度のプロファイルである。図3において、縦軸は、受信電波強度を表し、横軸は、発信源との距離を表わす。そして、図3に示す受信電波強度のプロファイルは、アレーアンテナ10の指向性をある1つの方向に設定した場合のプロファイルである。   If the carrier frequency of the radio wave is different, the phase relationship between the direct wave and the reflected wave changes, so the position where the received radio wave intensity is weak differs depending on the carrier frequency. FIG. 3 shows three received radio wave intensity profiles corresponding to three radio waves having different carrier frequencies. In FIG. 3, the vertical axis represents the received radio wave intensity, and the horizontal axis represents the distance from the transmission source. The profile of the received radio wave intensity shown in FIG. 3 is a profile when the directivity of the array antenna 10 is set in one direction.

受信電波強度R1〜R3は、それぞれ、キャリア周波数が異なる3つの電波WV1〜WV3に対応する受信電波強度である。受信電波強度R1〜R3は、最大となる距離および最小となる距離が相互に異なる。   The received radio wave strengths R1 to R3 are the received radio wave strengths corresponding to the three radio waves WV1 to WV3 having different carrier frequencies. The received radio wave strengths R1 to R3 are different from each other in the maximum distance and the minimum distance.

このように、キャリア周波数が異なれば、受信電波強度が弱くなる距離(位置)が異なる。   Thus, if the carrier frequency is different, the distance (position) at which the received radio wave intensity is weakened is different.

受信電波強度R1〜R3の平均値Ravを演算すると、平均値Ravには、受信電波強度R1〜R3のように、強度が大きく低下する距離(位置)が存在しない。   When the average value Rav of the received radio wave strengths R1 to R3 is calculated, the average value Rav does not have a distance (position) where the strength is greatly reduced, unlike the received radio wave strengths R1 to R3.

これは、強度が大きく低下する距離(位置)が相互に異なる受信電波強度R1〜R3を加算することによって、受信電波強度R1(またはR2またはR3)において強度が大きく低下する距離(位置)が他の受信電波強度R2,R3(またはR3,R1またはR1,R2)によって除去されるからである。   This is because the distance (position) where the strength greatly decreases in the received radio wave intensity R1 (or R2 or R3) by adding the received radio wave intensities R1 to R3 whose distance (position) where the intensity greatly decreases is different. This is because the received radio wave intensity R2, R3 (or R3, R1 or R1, R2) is removed.

したがって、キャリア周波数が異なる16個の電波WVi_1〜WVi_16に対応する受信電波強度Ri_1〜Ri_16の平均値Riを演算することにより、電波の反射および/または回折によって生じた受信電波強度の大きな低下を除去できる。つまり、16個の受信電波強度Ri_1〜Ri_16の平均値Riを演算することにより、電波の反射および/または回折による影響を抑制して各方向における受信電波強度を検出できる。   Accordingly, by calculating the average value Ri of the received radio wave intensities Ri_1 to Ri_16 corresponding to 16 radio waves WVi_1 to WVi_16 having different carrier frequencies, a large decrease in the received radio wave intensity caused by radio wave reflection and / or diffraction is removed. it can. That is, by calculating the average value Ri of the 16 received radio wave intensities Ri_1 to Ri_16, it is possible to detect the received radio wave intensity in each direction while suppressing the influence of radio wave reflection and / or diffraction.

図3は、発信源との距離に対して受信電波強度R1〜R3およびその平均値Ravがどのように変化するかを示すが、例えば、発信源との距離がx1である位置においてアレーアンテナ10が発信源からキャリア周波数が異なる3つの電波WV1〜WV3を受信する場合を想定する。   FIG. 3 shows how the received radio wave strengths R1 to R3 and the average value Rav thereof change with respect to the distance to the transmission source. For example, the array antenna 10 at a position where the distance to the transmission source is x1. Assume that three radio waves WV1 to WV3 having different carrier frequencies are received from a transmission source.

この場合、受信電波強度R1は大きく低下し、受信電波強度R2,R3は大きく低下しないので、アレーアンテナ10は、電波WV1を受信電波強度が弱い電波として受信し、電波WV1,WV2を受信電波強度が強い電波として受信する。そして、電波WV1〜WV3に対応する受信電波強度R1〜R3の平均値を演算することによって、受信電波強度R1における大きな低下を受信電波強度R2,R3によって除去して距離(位置)x1での所定の方向における受信電波強度を検出できる。この方法を距離(位置)x1において、アレーアンテナ10の指向性を各方向に設定したときに適用すれば、距離(位置)x1における各方向に対する受信電波強度を、受信電波強度R1における大きな低下を受信電波強度R2,R3によって除去して検出できる。   In this case, the received radio wave strength R1 is greatly reduced, and the received radio wave strengths R2 and R3 are not greatly reduced. Therefore, the array antenna 10 receives the radio wave WV1 as a radio wave having a weak received radio wave strength, and receives the radio waves WV1 and WV2 as received radio wave strengths. Is received as a strong radio wave. Then, by calculating an average value of the received radio wave strengths R1 to R3 corresponding to the radio waves WV1 to WV3, a large decrease in the received radio wave strength R1 is removed by the received radio wave strengths R2 and R3, and a predetermined distance (position) x1 is obtained. The received radio wave intensity in the direction of can be detected. If this method is applied when the directivity of the array antenna 10 is set in each direction at the distance (position) x1, the received radio wave intensity in each direction at the distance (position) x1 is greatly reduced in the received radio wave intensity R1. It can be detected by removing the received radio wave intensity R2, R3.

したがって、アレーアンテナ10が設置された各位置において、キャリア周波数が異なる複数の電波に対応する複数の受信電波強度の平均値を演算することは、電波の反射および/または回折の影響を抑制して受信電波強度を検出することに有効である。   Therefore, calculating the average value of a plurality of received radio wave intensities corresponding to a plurality of radio waves having different carrier frequencies at each position where the array antenna 10 is installed suppresses the influence of radio wave reflection and / or diffraction. This is effective for detecting the received radio wave intensity.

そこで、この発明においては、各方向においてアレーアンテナ10によって受信された16個の受信電波強度Ri_1〜Ri_16の平均値を演算して各方向における受信電波強度Riを検出することにしたものである。   Therefore, in the present invention, the average value of the 16 received radio wave intensities Ri_1 to Ri_16 received by the array antenna 10 in each direction is calculated to detect the received radio wave intensity Ri in each direction.

12個の方向における12個の受信電波強度のうち、受信電波強度が最大である方向を直接波の到来方向と推定することにしたのは、直接波は、発信源からアレーアンテナ10へ最短の経路を直進するので、壁、天井および床等によって多重反射される反射波および障害物等によって回折する回折波よりも受信電波強度が強くなるからである。   Of the 12 received radio wave intensities in the 12 directions, the direction in which the received radio wave intensity is maximum is estimated as the direct wave arrival direction. The direct wave is the shortest from the source to the array antenna 10. This is because, since the vehicle travels straight through the path, the received radio wave intensity becomes stronger than the reflected wave that is multiple-reflected by the walls, ceiling, floor, etc. and the diffracted wave that is diffracted by the obstacle.

なお、キャリア周波数が異なる複数の電波に対応する複数の受信電波強度の平均値を演算して各方向における受信電波強度を検出し、その検出した複数の受信電波強度のうち最大の受信電波強度が得られる方向を直接波の到来方向と推定する方法を「周波数スムージング法」と呼ぶ。   The received radio field strength in each direction is detected by calculating the average value of the multiple received radio wave strengths corresponding to the multiple radio waves having different carrier frequencies, and the maximum received radio wave strength among the detected multiple received radio wave strengths is A method of estimating the obtained direction as the direct wave arrival direction is called a “frequency smoothing method”.

この発明においては、方向推定手段40は、電波強度検出手段30から受けた受信電波強度R1_1〜R1_16,・・・,R12_1〜R12_16に基づいて、周波数スムージング法以外の方向によって直接波の到来方向を推定してもよい。   In the present invention, the direction estimating means 40 determines the arrival direction of the direct wave based on the received radio wave strengths R1_1 to R1_16,..., R12_1 to R12_16 received from the radio wave strength detecting means 30 by a direction other than the frequency smoothing method. It may be estimated.

即ち、方向推定手段40は、各方向における16個の受信電波強度Ri_1〜Ri_16のうち、最大の受信電波強度Ri_maxを各方向における受信電波強度Riとして検出し、その検出した12個の受信電波強度R1〜R12のうち、最大の受信電波強度が得られる方向を直接波の到来方向と推定する。なお、この方法を「周波数選択法」と呼ぶ。   That is, the direction estimation means 40 detects the maximum received radio wave intensity Ri_max among the 16 received radio wave intensity Ri_1 to Ri_16 in each direction as the received radio wave intensity Ri in each direction, and the detected 12 received radio wave intensity. The direction in which the maximum received radio wave intensity is obtained among R1 to R12 is estimated as the direct wave arrival direction. This method is called “frequency selection method”.

より具体的には、方向推定手段40は、受信電波強度R1_1〜R1_16のうち、最大の受信電波強度R1_maxを検出し、受信電波強度R2_1〜R2_16のうち、最大の受信電波強度R2_maxを検出し、以下、同様にして受信電波強度Ri_1〜Ri_16(i=3〜12)のうち、最大の受信電波強度Ri_maxを検出する。そして、方向推定手段40は、12個の受信電波強度R1_max〜R12_maxのうち、最大の受信電波強度(R1_max〜R12_maxのいずれか)が得られる方向を直接波の到来方向と推定する。   More specifically, the direction estimating means 40 detects the maximum received radio wave strength R1_max among the received radio wave strengths R1_1 to R1_16, detects the maximum received radio wave strength R2_max among the received radio wave strengths R2_1 to R2_16, In the same manner, the maximum received radio wave intensity Ri_max is detected from the received radio wave intensity Ri_1 to Ri_16 (i = 3 to 12). Then, the direction estimating means 40 estimates the direction in which the maximum received radio wave intensity (any one of R1_max to R12_max) is obtained from the 12 received radio wave intensity R1_max to R12_max as the direct wave arrival direction.

各方向における16個の受信電波強度Ri_1〜Ri_16(i=1〜12)のうち、最大の受信電波強度Ri_maxを検出することは、電波の反射および/または回折の影響を抑制して受信電波強度を検出することに相当する。理由は、次のとおりである。   Of the 16 received radio wave strengths Ri_1 to Ri_16 (i = 1 to 12) in each direction, detecting the maximum received radio wave strength Ri_max suppresses the influence of radio wave reflection and / or diffraction and reduces the received radio wave strength. Is equivalent to detecting. The reason is as follows.

上述したように、キャリア周波数が異なれば、直接波と反射波との位相関係が異なるため、各方向において受信電波強度Ri_1〜Ri_16が直接波と反射波とが重なり合った電波の受信電波強度として検出されたとしても、受信電波強度Ri_1〜Ri_16は、相互に異なる強度を有する。即ち、受信電波強度Ri_1〜Ri_16は、直接波と反射波との位相関係が逆である場合の強度(最小強度)から直接波と反射波とが同位相である場合の強度(最大強度)までの範囲に分布する。   As described above, since the phase relationship between the direct wave and the reflected wave is different if the carrier frequency is different, the received radio wave strengths Ri_1 to Ri_16 are detected as the received radio wave strengths of the radio waves in which the direct wave and the reflected wave overlap in each direction. Even if the received radio wave intensities Ri_1 to Ri_16 are different, they have different intensities. That is, the received radio wave intensities Ri_1 to Ri_16 range from the intensity (minimum intensity) when the phase relationship between the direct wave and the reflected wave is opposite to the intensity (maximum intensity) when the direct wave and the reflected wave are in phase. It is distributed in the range.

そして、受信電波強度Ri_1〜Ri_16のうち、最大の受信電波強度Ri_maxは、直接波の受信電波強度を強めるように直接波と反射波とが重なり合っている場合、または直接波の受信電波強度を弱めるように直接波と反射波とが重なり合っていても受信電波強度を弱める度合が最も小さい場合に検出される。   Of the received radio wave strengths Ri_1 to Ri_16, the maximum received radio wave strength Ri_max is when the direct wave and the reflected wave are overlapped so as to increase the received radio wave strength of the direct wave, or the received radio wave strength of the direct wave is weakened. In this way, even when the direct wave and the reflected wave overlap, it is detected when the degree of weakening the received radio wave intensity is the smallest.

したがって、16個の受信電波強度Ri_1〜Ri_16のうち、最大の受信電波強度Ri_maxを検出することは、電波の反射および/または回折の影響を抑制して受信電波強度を検出することに相当する。   Therefore, detecting the maximum received radio wave intensity Ri_max among the 16 received radio wave intensity Ri_1 to Ri_16 corresponds to detecting the received radio wave intensity while suppressing the influence of radio wave reflection and / or diffraction.

図4は、周波数スムージング法により直接波の到来方向を推定する動作を説明するためのフローチャートである。一連の動作が開始されると、到来方向推定装置100の指向性切換手段20は、i=1を設定し(ステップS1)、アレーアンテナ10の指向性を方向Di(i=1、即ち、0度の方向)に設定する(ステップS2)。   FIG. 4 is a flowchart for explaining the operation of estimating the arrival direction of the direct wave by the frequency smoothing method. When a series of operations is started, the directivity switching means 20 of the arrival direction estimating apparatus 100 sets i = 1 (step S1), and changes the directivity of the array antenna 10 to the direction Di (i = 1, that is, 0). (Direction of degrees) is set (step S2).

そして、方向推定手段40は、j=1を設定する(ステップS3)。その後、発信源は、キャリア周波数fjの電波WVi_jをx−y平面においてオムニパターンで放射する。そして、アレーアンテナ10は、発信源からの電波WVi_jを受信し(ステップS4)、電波強度検出手段30は、アレーアンテナ10の給電素子7から電波WVi_jを受け、その受けた電波WVi_jの受信電波強度Ri_jを検出し(ステップS5)、その検出した受信電波強度Ri_jを方向推定手段40へ出力する。   Then, the direction estimating means 40 sets j = 1 (step S3). Thereafter, the transmission source radiates the radio wave WVi_j having the carrier frequency fj in an omni pattern in the xy plane. The array antenna 10 receives the radio wave WVi_j from the transmission source (step S4), and the radio wave intensity detection means 30 receives the radio wave WVi_j from the feeding element 7 of the array antenna 10 and receives the received radio wave intensity of the received radio wave WVi_j. Ri_j is detected (step S5), and the detected received radio wave intensity Ri_j is output to the direction estimating means 40.

方向推定手段40は、電波強度検出手段30から受けた受信電波強度Ri_jを保持するとともに、j=16であるか否かを判定する(ステップS6)。そして、j=16でないとき、方向推定手段40は、j=j+1を設定する(ステップS7)。その後、ステップS6において、j=16であると判定されるまで、上述したステップS4〜ステップS7が繰返し実行される。   The direction estimation unit 40 holds the received radio field intensity Ri_j received from the radio field intensity detection unit 30, and determines whether j = 16 (step S6). If j = 16 is not true, the direction estimating means 40 sets j = j + 1 (step S7). Thereafter, the above-described steps S4 to S7 are repeatedly executed until it is determined in step S6 that j = 16.

ステップS6において、j=16であると判定されると、1つの方向における16個の受信電波強度Ri_1〜Ri_16が検出されたことになり(ステップS8)、方向推定手段40は、1つの方向(0度の方向)に対応付けて16個の受信電波強度Ri_1〜Ri_16を記憶する。   If it is determined in step S6 that j = 16, 16 received radio wave intensities Ri_1 to Ri_16 in one direction are detected (step S8), and the direction estimating means 40 is in one direction ( 16 received radio wave intensities Ri_1 to Ri_16 are stored in association with the direction of 0 degree.

その後、指向性切換手段20は、i=12であるか否かを判定し(ステップS9)、i=12でないとき、i=i+1を設定する(ステップS10)。そして、ステップS9において、i=12であると判定されるまで、上述したステップS2〜ステップS10が繰返し実行される。   Thereafter, the directivity switching means 20 determines whether i = 12 (step S9), and when i = 12, i = i + 1 is set (step S10). In step S9, steps S2 to S10 described above are repeatedly executed until it is determined that i = 12.

ステップS10において、i=12であると判定されると、12個の方向に対応して、16個の受信電波強度R1_1〜R1_16,・・・,R12_1〜R12_16が検出されたことになる(ステップS11)。   If it is determined in step S10 that i = 12, 16 received radio wave intensities R1_1 to R1_16,..., R12_1 to R12_16 are detected corresponding to 12 directions (step S10). S11).

そして、方向推定手段40は、受信電波強度R1_1〜R1_16,・・・,R12_1〜R12_16に基づいて、各方向における平均値Ri_aveを演算し(ステップS12)、その演算した12個の平均値R1_ave〜R12_aveのうち、最大の受信電波強度が得られる方向を直接波の到来方向と推定する(ステップS13)。これにより、一連の動作は終了する。   Then, the direction estimation means 40 calculates an average value Ri_ave in each direction based on the received radio wave strengths R1_1 to R1_16,..., R12_1 to R12_16 (step S12), and the calculated 12 average values R1_ave˜ Of R12_ave, the direction in which the maximum received radio wave intensity is obtained is estimated as the direct wave arrival direction (step S13). Thereby, a series of operation | movement is complete | finished.

図5は、周波数選択法により直接波の到来方向を推定する動作を説明するためのフローチャートである。図5に示すフローチャートは、図4に示すフローチャートのステップS12,S13をそれぞれステップS12A,S13Aに代えたものであり、その他は、図4に示すフローチャートと同じである。   FIG. 5 is a flowchart for explaining the operation of estimating the arrival direction of the direct wave by the frequency selection method. The flowchart shown in FIG. 5 is the same as the flowchart shown in FIG. 4 except that steps S12 and S13 in the flowchart shown in FIG. 4 are replaced with steps S12A and S13A, respectively.

12個の方向に対応して、16個の受信電波強度R1_1〜R1_16,・・・,R12_1〜R12_16が検出されると(ステップS11)、方向推定手段40は、各方向において、受信電波強度Ri_1〜Ri_16のうち、最大の受信電波強度Ri_maxを検出する(ステップS12A)。   When 16 received radio wave strengths R1_1 to R1_16,..., R12_1 to R12_16 are detected corresponding to 12 directions (step S11), the direction estimating means 40 receives the received radio wave strength Ri_1 in each direction. The maximum received radio wave intensity Ri_max is detected among -Ri_16 (step S12A).

即ち、方向推定手段40は、0度の方向において、受信電波強度R1_1〜R1_16のうち、最大の受信電波強度R1_maxを検出し、30度の方向において、受信電波強度R2_1〜R2_16のうち、最大の受信電波強度R2_maxを検出し、以下、同様にして、θ(60度、90度、120度、150度、180度、210度、240度、270度、300度および330度)の方向において、受信電波強度Ri_1〜Ri_16(i=3〜12)のうち、最大の受信電波強度Ri_max(i=3〜12)を検出する。   That is, the direction estimating means 40 detects the maximum received radio wave strength R1_max among the received radio wave strengths R1_1 to R1_16 in the direction of 0 degrees, and the maximum of the received radio wave strengths R2_1 to R2_16 in the direction of 30 degrees. In the direction of θ (60 degrees, 90 degrees, 120 degrees, 150 degrees, 180 degrees, 210 degrees, 240 degrees, 270 degrees, 300 degrees and 330 degrees), the received radio wave intensity R2_max is detected in the same manner. Among the received radio wave intensities Ri_1 to Ri_16 (i = 3 to 12), the maximum received radio wave intensity Ri_max (i = 3 to 12) is detected.

そして、方向推定手段40は、12個の受信電波強度R1_max〜R12_maxをそれぞれ12個の方向における受信電波強度とし、12個の受信電波強度R1_max〜R12_maxのうち、最大の受信電波強度が得られる方向を直接波の到来方向と推定する(ステップS13A)。これにより、一連の動作は終了する。   Then, the direction estimating means 40 sets the 12 received radio wave strengths R1_max to R12_max as the received radio wave strengths in 12 directions, and the direction in which the maximum received radio wave strength is obtained among the 12 received radio wave strengths R1_max to R12_max. Is estimated as the direct wave arrival direction (step S13A). Thereby, a series of operation | movement is complete | finished.

このように、この発明においては、到来方向推定装置100は、アレーアンテナ10の指向性を12個の方向に順次切換え、指向性を各方向に設定したときに発信源からキャリア周波数が異なる複数の電波を受信し、キャリア周波数が異なる複数の電波に対応する複数の受信電波強度に基づいて電波の反射および/または回折の影響を抑制して各方向における受信電波強度を検出する。そして、到来方向推定装置100は、複数の方向における複数の受信電波強度のうち、最大の受信電波強度が得られる方向を直接波の到来方向と推定する。   As described above, in this invention, the arrival direction estimating apparatus 100 sequentially switches the directivity of the array antenna 10 to 12 directions, and sets the directivity in each direction, so that a plurality of carrier frequencies differ from the transmission source. A radio wave is received, and the received radio wave intensity in each direction is detected while suppressing the influence of reflection and / or diffraction of the radio wave based on a plurality of received radio wave intensities corresponding to a plurality of radio waves having different carrier frequencies. Then, arrival direction estimation apparatus 100 estimates the direction in which the maximum received radio wave intensity is obtained among the plurality of received radio wave intensities in a plurality of directions as the direct wave arrival direction.

上述した周波数スムージング法および周波数選択法による到来方向の推定をシミュレーションした結果について説明する。   The result of simulating the estimation of the direction of arrival by the frequency smoothing method and the frequency selection method described above will be described.

図6は、シミュレーションに用いた電波空間を示す模式図である。10m×10m×3mの直方体の部屋50の1つの隅Aをxyz座標の原点とした。アレーアンテナ10は、座標[x,y,1m]に設置され、発信源60は、座標[5m,5m,1m]に固定された。部屋50は、コンクリート壁によって囲まれている。   FIG. 6 is a schematic diagram showing a radio wave space used for the simulation. One corner A of a rectangular parallelepiped room 50 of 10 m × 10 m × 3 m was used as the origin of the xyz coordinates. The array antenna 10 was installed at coordinates [x, y, 1 m], and the transmission source 60 was fixed at coordinates [5 m, 5 m, 1 m]. The room 50 is surrounded by a concrete wall.

そして、アレーアンテナ10の高さを1mに保持したまま、アレーアンテナ10をx−y平面内で順次移動させ、発信源60からの直接波の到来方向を推定した。   Then, the array antenna 10 was sequentially moved in the xy plane while maintaining the height of the array antenna 10 at 1 m, and the arrival direction of the direct wave from the transmission source 60 was estimated.

シミュレーションの各条件を表3に示す。   Table 3 shows the simulation conditions.

部屋50のコンクリート壁による電波の反射は、8回とし、フレネル係数で各反射波の振幅に重み付けを行なった。   The radio wave was reflected by the concrete wall of the room 50 eight times, and the amplitude of each reflected wave was weighted with the Fresnel coefficient.

また、発信源60が放射する電波の周波数帯は、2404MHz〜2484MHzまでの範囲であり、キャリア周波数の個数は、1個、2個、4個、8個、16個および32個と変えられた。キャリア周波数が2個以上の場合、各キャリア周波数間の間隔は、等間隔に設定された。   In addition, the frequency band of the radio wave radiated from the transmission source 60 is in the range from 2404 MHz to 2484 MHz, and the number of carrier frequencies has been changed to 1, 2, 4, 8, 16, and 32. . When there are two or more carrier frequencies, the intervals between the carrier frequencies are set at equal intervals.

更に、発信源60は、水平面内無指向性、かつ、垂直偏波の電波を放射する。   Furthermore, the transmission source 60 radiates radio waves of non-directional horizontal polarization and vertical polarization.

図7は、150度および180度の方向における図1に示すアレーアンテナ10のビームパターンを示す図である。アレーアンテナ10の指向性を150度の方向に設定する場合、バラクタダイオード11〜16の容量は、それぞれ、13.4[pF]、13.4[pF]、0.645[pF]、0.645[pF]、13.4[pF]、13.4[pF]に設定される。また、アレーアンテナ10の指向性を180度の方向に設定する場合、バラクタダイオード11〜16の容量は、それぞれ、13.4[pF]、13.4[pF]、13.4[pF]、0.59[pF]、13.4[pF]、13.4[pF]に設定される。   FIG. 7 is a diagram showing a beam pattern of array antenna 10 shown in FIG. 1 in directions of 150 degrees and 180 degrees. When the directivity of the array antenna 10 is set to a direction of 150 degrees, the capacitances of the varactor diodes 11 to 16 are 13.4 [pF], 13.4 [pF], 0.645 [pF], 0. 645 [pF], 13.4 [pF], and 13.4 [pF]. When the directivity of the array antenna 10 is set to a direction of 180 degrees, the capacitances of the varactor diodes 11 to 16 are 13.4 [pF], 13.4 [pF], 13.4 [pF], It is set to 0.59 [pF], 13.4 [pF], and 13.4 [pF].

図7に示すように、150度および180度の方向において、キャリア周波数を2404MHz〜2484MHzの範囲で変化させても、ビームパターンは殆ど同じである。即ち、アレーアンテナ10は、2404MHz〜2484MHzの範囲にキャリア周波数を有する電波をほぼ同じアンテナ特性によって受信可能である。   As shown in FIG. 7, the beam pattern is almost the same even when the carrier frequency is changed in the range of 2404 MHz to 2484 MHz in the directions of 150 degrees and 180 degrees. That is, the array antenna 10 can receive radio waves having a carrier frequency in the range of 2404 MHz to 2484 MHz with substantially the same antenna characteristics.

表4に、3dBビーム幅、F/B比、および隣接ビーム識別度を示す。   Table 4 shows the 3 dB beam width, F / B ratio, and adjacent beam discrimination.

表4の結果から、2404MHz〜2484MHzの全周波数帯において概ね同じビームパターンになっていることがわかる。   From the results of Table 4, it can be seen that the beam patterns are substantially the same in the entire frequency band of 2404 MHz to 2484 MHz.

図8は、キャリア周波数が16個である場合における受信電力と距離との関係図である。図8において、縦軸は、受信電力、すなわち、受信電波強度を表わし、横軸は、アレーアンテナ10と発信源60との距離を表わす。   FIG. 8 is a relationship diagram between received power and distance when the carrier frequency is 16. In FIG. 8, the vertical axis represents the received power, that is, the received radio wave intensity, and the horizontal axis represents the distance between the array antenna 10 and the transmission source 60.

図8における実線および複数の点線は、12個の方向を示す。そして、実線および複数の点線の各々は、上述した周波数スムージング法によって受信電波強度を求めたものである。   A solid line and a plurality of dotted lines in FIG. 8 indicate 12 directions. Each of the solid line and the plurality of dotted lines is obtained from the received radio wave intensity by the frequency smoothing method described above.

その結果、アレーアンテナ10と発信源60との間の距離が2m〜4mの範囲において、実線によって表わされる受信電波強度は、点線によって表わされる受信電波強度以上である。したがって、実線によって表わされる受信電波強度が得られる方向が直接波の到来方向である。   As a result, in the range where the distance between the array antenna 10 and the transmission source 60 is 2 m to 4 m, the received radio wave intensity represented by the solid line is equal to or higher than the received radio wave intensity represented by the dotted line. Therefore, the direction in which the received radio wave intensity represented by the solid line is obtained is the direct wave arrival direction.

キャリア周波数が1個である場合、図15に示すように、アレーアンテナ10と発信源60との間の距離が2m〜4mの範囲において直接波の受信電波強度が反射波の受信電波強度よりも弱くなる領域が存在していたが、キャリア周波数が16個である場合には、アレーアンテナ10と発信源60との間の距離が2m〜4mの全範囲において、直接波の受信電波強度は、反射波の受信電波強度以上である。したがって、周波数スムージング法を用いることによって、反射波の影響を抑制して直接波の到来方向を推定できることがわかった。   When the carrier frequency is one, as shown in FIG. 15, the received radio wave intensity of the direct wave is higher than the received radio wave intensity of the reflected wave in the range of 2 m to 4 m between the array antenna 10 and the transmission source 60. There was a weakened region, but when the carrier frequency is 16, the received radio wave intensity of the direct wave in the entire range where the distance between the array antenna 10 and the transmission source 60 is 2 m to 4 m is It is higher than the received radio wave intensity of the reflected wave. Therefore, it was found that the arrival direction of the direct wave can be estimated by using the frequency smoothing method while suppressing the influence of the reflected wave.

図9は、キャリア周波数が1個である場合の推定角度誤差分布図である。図10は、16個のキャリア周波数を用いた周波数選択法によって到来方向を推定した場合の推定角度誤差分布図である。図11は、16個のキャリア周波数を用いた周波数スムージング法によって到来方向を推定した場合の推定角度誤差分布図である。   FIG. 9 is an estimated angle error distribution diagram when the carrier frequency is one. FIG. 10 is an estimated angle error distribution diagram when the arrival direction is estimated by the frequency selection method using 16 carrier frequencies. FIG. 11 is an estimated angle error distribution diagram when the arrival direction is estimated by the frequency smoothing method using 16 carrier frequencies.

図9、図10および図11に示す場合においては、発信源60は、座標[5m,5m,1m]に固定され、アレーアンテナ10は、1mの高さを保持しながらx座標およびy座標が10cm毎に変えられた。したがって、図9、図10および図11におけるx−y平面の中心[50,50]に発信源60が設置されている。また、図9、図10および図11においては、白い部分は、角度誤差が15度以下であることを表わし、黒い部分は、角度誤差が15度よりも大きいことを表わす。   In the case shown in FIGS. 9, 10 and 11, the transmission source 60 is fixed at coordinates [5m, 5m, 1m], and the array antenna 10 has an x coordinate and a y coordinate while maintaining a height of 1 m. It was changed every 10 cm. Therefore, the transmission source 60 is installed in the center [50, 50] of the xy plane in FIG. 9, FIG. 10, and FIG. In FIGS. 9, 10, and 11, the white portion indicates that the angle error is 15 degrees or less, and the black portion indicates that the angle error is greater than 15 degrees.

キャリア周波数が1個である場合、2484MHzのキャリア周波数が用いられた。発信源60が2484MHzの電波を放射した場合、発信源60から2m以内の距離では、角度誤差が15度以下となる領域が大半を占めているが、発信源60から2m以上になると、角度誤差が15度以下である領域が減少し、大部分が発信源60の正しい方向を推定できなくなる(図9参照)。   In the case of a single carrier frequency, a carrier frequency of 2484 MHz was used. When the transmission source 60 radiates a radio wave of 2484 MHz, the area where the angle error is 15 degrees or less occupies most of the distance within 2 m from the transmission source 60, but when the transmission source 60 is 2 m or more, the angular error The area where the angle is 15 degrees or less is reduced, and most of them cannot estimate the correct direction of the transmission source 60 (see FIG. 9).

キャリア周波数が16個である周波数選択法を用いた場合、特定の領域および四隅は、角度誤差が大きいが、角度誤差が15度以下である領域は、キャリア周波数が1個である場合に比べ拡大している(図10参照)。   When the frequency selection method with 16 carrier frequencies is used, the specific area and the four corners have a large angular error, but the area where the angular error is 15 degrees or less is larger than when the carrier frequency is one. (See FIG. 10).

更に、キャリア周波数が16個である周波数スムージング法を用いた場合、周波数選択法と同様に、特定の領域および四隅は、角度誤差が大きいが、角度誤差が15度以下である領域は、周波数選択法を用いた場合に比べ拡大している(図11参照)。   Furthermore, when the frequency smoothing method with 16 carrier frequencies is used, as in the frequency selection method, a specific region and four corners have a large angular error, but a region with an angular error of 15 degrees or less has a frequency selection. Compared to the case of using the method (see FIG. 11).

このように、周波数選択法および周波数スムージング法を用いることによって、直接波の到来方向を精度良く推定できる。   Thus, by using the frequency selection method and the frequency smoothing method, it is possible to accurately estimate the arrival direction of the direct wave.

次に、累積確率と角度誤差との関係について説明する。図12は、周波数選択法を用いた場合における累積確率と角度誤差との関係図である。また、図13は、周波数スムージング法を用いた場合における累積確率と角度誤差との関係図である。   Next, the relationship between the cumulative probability and the angle error will be described. FIG. 12 is a relationship diagram between the cumulative probability and the angle error when the frequency selection method is used. FIG. 13 is a relationship diagram between the cumulative probability and the angle error when the frequency smoothing method is used.

図12および図13においては、キャリア周波数は、1個、2個、4個、8個、16個および32個と変えられた。また、図12および図13において、縦軸は、累積確率を表し、横軸は、角度誤差を表わす。   In FIG. 12 and FIG. 13, the carrier frequency was changed to 1, 2, 4, 8, 16, and 32. 12 and 13, the vertical axis represents the cumulative probability, and the horizontal axis represents the angle error.

周波数選択法を用いた場合、1個のキャリア周波数では、推定角度誤差が15度以内の累積確率は、30%であるが、キャリア周波数が増加するに伴って15度以内の累積確率は、改善される。そして、キャリア周波数が8個以上では、15度以内の累積確率は、ほぼ飽和し、32個のキャリア周波数では、15度以内の累積確率は42%となる(図12参照)。   When the frequency selection method is used, the cumulative probability of the estimated angle error within 15 degrees is 30% with one carrier frequency, but the cumulative probability within 15 degrees improves as the carrier frequency increases. Is done. When the carrier frequency is 8 or more, the cumulative probability within 15 degrees is almost saturated, and with 32 carrier frequencies, the cumulative probability within 15 degrees is 42% (see FIG. 12).

15度以内の累積確率が8個以上のキャリア周波数でほぼ飽和するのは、キャリア周波数の間隔が狭いため、受信電波強度の落ち込みが低減され難いためである。   The reason why the cumulative probability within 15 degrees is almost saturated at the carrier frequency of 8 or more is that the drop of the received radio wave intensity is difficult to be reduced because the carrier frequency interval is narrow.

周波数スムージング法を用いた場合、キャリア周波数の増加に伴って15度以内の累積確率は、改善され、32個のキャリア周波数では、15度以内の累積確率は、60%に達する。そして、周波数スムージング法を用いた場合、15度以内の累積確率は、キャリア周波数が1個である場合に比べ2倍、周波数選択法に比べ1.4倍に改善される。また、15度以内の累積確率が8個以上のキャリア周波数でほぼ飽和する理由は、周波数選択法の場合と同じである。   When the frequency smoothing method is used, the cumulative probability within 15 degrees is improved as the carrier frequency is increased. With 32 carrier frequencies, the cumulative probability within 15 degrees reaches 60%. When the frequency smoothing method is used, the cumulative probability within 15 degrees is improved twice as compared with the case where the carrier frequency is one, and 1.4 times compared with the frequency selection method. The reason why the cumulative probability within 15 degrees is almost saturated at eight or more carrier frequencies is the same as in the frequency selection method.

このように、キャリア周波数を増加することによって、推定角度誤差を低減できる。   Thus, the estimated angle error can be reduced by increasing the carrier frequency.

図14は、キャリア間隔を変えた場合の累積確率と角度誤差との関係図である。図14において、縦軸は、累積確率を表し、横軸は、角度誤差を表わす。また、キャリア周波数は8個に固定され、キャリア間隔は、0.5MHzから11.4MHzまでの範囲で変えられた。   FIG. 14 is a relationship diagram between the cumulative probability and the angle error when the carrier interval is changed. In FIG. 14, the vertical axis represents the cumulative probability, and the horizontal axis represents the angle error. Moreover, the carrier frequency was fixed to 8, and the carrier interval was changed in the range from 0.5 MHz to 11.4 MHz.

キャリア間隔の増加に伴って、累積確率は、改善され、5MHz以上で飽和する傾向を示す。   With increasing carrier spacing, the cumulative probability improves and shows a tendency to saturate at 5 MHz and above.

これらの結果から、マルチパスの影響が大きい環境下では、ある程度、キャリア間隔を取り、周波数スムージング法を用いることによって、推定角度誤差を改善できることがわかった。   From these results, it was found that the estimated angular error can be improved by taking a carrier interval to some extent and using the frequency smoothing method in an environment where the influence of multipath is large.

上述したように、この発明による周波数スムージング法または周波数選択法を用いることによって、発信源60からの直接波の到来方向を反射波の影響を抑制して精度良く推定できる。   As described above, by using the frequency smoothing method or the frequency selection method according to the present invention, the arrival direction of the direct wave from the transmission source 60 can be accurately estimated while suppressing the influence of the reflected wave.

なお、この発明においては、アレーアンテナ10は、7本のアンテナ素子からなるものに限らず、1本の給電素子と、1本以上の無給電素子とからなる2本以上のアンテナ素子から構成されていればよい。   In the present invention, the array antenna 10 is not limited to the one composed of seven antenna elements, but is composed of two or more antenna elements composed of one feeding element and one or more parasitic elements. It only has to be.

また、キャリア周波数は、多い方向が良いが図12および図13に示すようにキャリア周波数が2個以上において推定角度誤差が15度以下となる累積確率が改善されているので、キャリア周波数は、2個以上であればよい。   The carrier frequency is preferably in the direction of many, but the cumulative probability that the estimated angle error is 15 degrees or less is improved when the number of carrier frequencies is two or more as shown in FIG. 12 and FIG. It may be more than one.

更に、到来方向推定装置100は、アレーアンテナ10に限らず、複数のアンテナ素子を直線状に配列した指向性を切換え可能なアンテナを搭載していてもよく、指向性が切換え可能なアンテナであれば、どのようなアンテナを搭載していてもよい。   Furthermore, the arrival direction estimating apparatus 100 is not limited to the array antenna 10 and may be equipped with an antenna capable of switching directivity in which a plurality of antenna elements are arranged in a straight line. Any antenna may be mounted.

更に、アレーアンテナ10および指向性切換手段20は、「アンテナ装置」を構成する。   Furthermore, array antenna 10 and directivity switching means 20 constitute an “antenna device”.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims for patent and all modifications within the scope.

この発明は、マルチパス環境下でも直接波の到来方向を正確に推定可能な直接波到来方向推定装置に適用される。   The present invention is applied to a direct wave arrival direction estimation device that can accurately estimate the arrival direction of a direct wave even in a multipath environment.

この発明の実施の形態による到来方向推定装置の概略図である。It is the schematic of the arrival direction estimation apparatus by embodiment of this invention. 図1に示すx−y平面におけるアンテナ素子の平面配置図である。FIG. 2 is a plan layout view of antenna elements in an xy plane shown in FIG. 1. キャリア周波数が異なる3つの電波に対応する3つの受信電波強度のプロファイルである。It is a profile of three received radio wave strengths corresponding to three radio waves having different carrier frequencies. 周波数スムージング法により直接波の到来方向を推定する動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the operation | movement which estimates the arrival direction of a direct wave by a frequency smoothing method. 周波数選択法により直接波の到来方向を推定する動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the operation | movement which estimates the arrival direction of a direct wave by a frequency selection method. シミュレーションに用いた電波空間を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the electromagnetic wave space used for simulation. 150度および180度の方向における図1に示すアレーアンテナのビームパターンを示す図である。It is a figure which shows the beam pattern of the array antenna shown in FIG. 1 in the direction of 150 degree | times and 180 degree | times. キャリア周波数が16個である場合における受信電力と距離との関係図である。FIG. 6 is a relationship diagram between received power and distance when the carrier frequency is 16. キャリア周波数が1個である場合の推定角度誤差分布図である。It is an estimation angle error distribution map in case a carrier frequency is one. 16個のキャリア周波数を用いた周波数選択法によって到来方向を推定した場合の推定角度誤差分布図である。It is an estimation angle error distribution map at the time of estimating an arrival direction by the frequency selection method using 16 carrier frequencies. 16個のキャリア周波数を用いた周波数スムージング法によって到来方向を推定した場合の推定角度誤差分布図である。It is an estimated angle error distribution map when the direction of arrival is estimated by the frequency smoothing method using 16 carrier frequencies. 周波数選択法を用いた場合における累積確率と角度誤差との関係図である。FIG. 6 is a relationship diagram between cumulative probability and angle error when using a frequency selection method. 周波数スムージング法を用いた場合における累積確率と角度誤差との関係図である。FIG. 6 is a relationship diagram between an accumulated probability and an angle error when a frequency smoothing method is used. キャリア間隔を変えた場合の累積確率と角度誤差との関係図である。FIG. 6 is a relationship diagram between cumulative probability and angle error when the carrier interval is changed. キャリア周波数が1個である場合における直接波および反射波の受信電力の分布を示す分布図である。It is a distribution map which shows distribution of the received power of a direct wave and a reflected wave in case a carrier frequency is one.

符号の説明Explanation of symbols

1〜7 アンテナ素子、10 アレーアンテナ、11〜16 バラクタダイオード、20 指向性切換手段、30 電波強度検出手段、40 方向推定手段、50 部屋、60 発信源、100 到来方向推定装置。   1 to 7 antenna elements, 10 array antennas, 11 to 16 varactor diodes, 20 directivity switching means, 30 radio wave intensity detection means, 40 direction estimation means, 50 rooms, 60 transmission source, 100 arrival direction estimation device.

Claims (4)

電波が反射および/または回折するマルチパス環境下において発信源から到来する直接波の到来方向を推定する直接波到来方向推定装置であって、
前記発信源の設置面に略平行な水平面内において指向性をn(nは2以上の整数)個の方向に切換えて各方向毎に前記発信源からのキャリア周波数が異なるm(mは2以上の整数)個の電波を受信するアンテナ装置と、
前記指向性が1つの方向に設定されたときに前記アンテナ装置によって受信された前記mの電波に対応するm個の受信電波強度に基づいて前記反射および/または回折の影響を抑制して前記1つの方向における受信電波強度を検出することにより前記n個の方向におけるn個の受信電波強度を検出し、その検出したn個の受信電波強度のうち受信電波強度が最大となる方向を前記直接波の到来方向と推定する方向推定手段とを備える直接波到来方向推定装置。
A direct wave arrival direction estimation device for estimating an arrival direction of a direct wave coming from a transmission source in a multipath environment where radio waves are reflected and / or diffracted,
The directivity is switched to n (n is an integer of 2 or more) directions in a horizontal plane substantially parallel to the installation surface of the transmission source, and the carrier frequency from the transmission source differs in each direction m (m is 2 or more). An integer) antenna device for receiving radio waves,
When the directivity is set in one direction, the influence of the reflection and / or diffraction is suppressed based on m received radio wave intensities corresponding to the m radio waves received by the antenna device. N received radio wave intensities in the n directions are detected by detecting received radio wave intensities in one direction, and the direction in which the received radio wave intensity is maximum is detected among the detected n received radio wave intensities. A direct wave arrival direction estimation device comprising a direction estimation means for estimating a direction of arrival of a direct wave.
前記方向推定手段は、前記m個の受信電波強度のうち最大の受信電波強度を前記1つの方向における受信電波強度として検出する、請求項1に記載の直接波到来方向推定装置。   2. The direct wave arrival direction estimation device according to claim 1, wherein the direction estimation unit detects a maximum received radio wave intensity among the m received radio wave intensities as a received radio wave intensity in the one direction. 前記方向推定手段は、前記m個の受信電波強度の平均値を前記1つの方向における受信電波強度として検出する、請求項1に記載の直接波到来方向推定装置。   The direct wave arrival direction estimation device according to claim 1, wherein the direction estimation means detects an average value of the m received radio wave intensities as a received radio wave intensity in the one direction. 前記アンテナ装置は、
給電素子と、
少なくとも1つの無給電素子と、
前記少なくとも1つの無給電素子に装荷された可変容量素子の容量を変化させ、前記指向性を前記n個の方向に切換える指向性切換手段とを含む、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の直接波到来方向推定装置。
The antenna device is
A feeding element;
At least one parasitic element;
The directivity switching means for changing the capacitance of the variable capacitive element loaded on the at least one parasitic element and switching the directivity in the n directions. The direct wave arrival direction estimation apparatus according to the item.
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