JP3656526B2 - 無線通信基地局、無線位置測定システム、送信タイミング測定装置ならびに位置測定センタ装置 - Google Patents

無線通信基地局、無線位置測定システム、送信タイミング測定装置ならびに位置測定センタ装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセルラ無線基地局を使った位置測定システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平7-181242にセルラ無線基地局を使った位置測定装置が示されている。端末は無線基地局が送信する信号を受信し、その遅延量から基地局―端末間の距離を求め、端末位置を計測するものである。
【０００３】
CDMAの基地局装置には、GPSに同期して送信タイミングを決定するシステムがある。図２はＧＰＳに同期するシステムの構成を示すものである。ＧＰＳ人工衛星１，２，３は正確な時計機能をもっていてそれぞれ固有パタンの信号を送信している。それを受信したセルラ無線基地局５，６，７は複数の受信電波の遅延量と衛星の軌道情報から各基地局の位置と時間を割り出すことができる。これにより各基地局はＧＰＳ衛星と同じく正確な時計をもつことができる。従って各基地局は同期がとれた正確なタイミングで基地局個別パタンの信号を送信することが可能となる。端末４は上記基地局の場合と同様の原理によって自身の位置を測定することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図2のとおり、各セルラ無線基地局は、電波伝搬上の障害物を避ける為に、建物屋上等の見通し良い場所にアンテナを立てており、基地局装置本体は屋内に配置している。ＧＰＳ衛星１，２，３から送信される信号は、ＧＰＳ用のアンテナ１３で受信され、ＧＰＳ受信機１４によって場所と時間が推定される。基準クロック作成装置１５ではＧＰＳから推定された時間情報をもとに独自に持つオシレータを校正し、正確な時計を実現している。この基準クロック作成装置１５内のオシレータで作成された基準クロックはベースバンド部１２とＲＦ部１１に供給される。ベースバンド部１２はアンテナから送信される信号を作成するブロックであり、ＲＦ部１１はこれを無線周波数に変換し、アンテナ１０から送信するブロックである。
【０００５】
さて、位置測定を行う場合には、各基地局のアンテナの位置とアンテナから実際に電波が出ている時間が正確であることが要求される。ＧＰＳアンテナや基地局アンテナは、ベースバンド装置と距離を離して置かれているため、ケーブルを伝搬する為の時間がかかる。また、基準クロック作成部やベースバンド部では波形整形をするためのフィルタが入っており、これらで大きな遅延が発生する。このため、実際にアンテナから電波が送信される時間と、基地局装置が信号を出そうとした時間は異なる。この異なる時間差を本願では胃語、基地局送信タイミングオフセットという。位置測定端末は、基地局が信号を出そうとした時間が通知されるので、この基地局送信タイミングオフセットの分だけ位置計算結果は異なることになる。
【０００６】
なお、基地局は様々な場所に設置されており、アンテナと基地局装置間を結ぶケーブルの長さは設置場所により異なる。また新規に設置される基地局装置は部品等も異なる為、フィルタで発生する遅延も異なる。そのため、基地局送信タイミングオフセットは各基地局固有のものである。
【０００７】
ＧＰＳシステムにおいても、同様の考えからＤＧＰＳと呼ばれるシステムがあり、特開平9-311177に従来例が記載されている。これは地上の位置の判明した点で、ＧＰＳを使って位置計算を行い、その補正情報をＦＭ信号やインターネットを介して送信するものである。これによって時々刻々変化する電離層伝搬での遅延時間や衛星の軌道情報の補正を行うことができる。しかしながら本方法はセルラ局を信号源とする位置測定システムには使えない。なぜならセルラ基地局は地上にあるため、近傍の基地局から送信される信号と遠方の基地局から送信される信号との信号強度が大きく異なり、一つの観測局では同時に多数の基地局からの信号を測定することができないという遠近問題があるからである。また、GPS衛星の送信タイミングは変更不可能であり、上述のとおり、補正情報を付加する方法しかなかった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
基地局アンテナから送信された信号を受信して、その受信タイミングを測定する送信タイミング測定装置と、基地局の送信タイミングを制御する送信タイミング制御手段とを有し、該送信タイミング測定装置の結果から送信タイミング制御装置が規定の送信タイミングで信号送信するようフィードバック制御を行う。
【０００９】
アンテナにおける送信タイミングを校正するため、基地局送信タイミングオフセットがなくなる。
【００１０】
送信タイミング測定装置を基地局アンテナ近傍に設置しているため、特開平9-311177のような観測局を設置する場所を確保する必要がない。また、マルチパスによる影響もない。
【００１１】
さらに、送信タイミング測定装置は各基地局に設けられているので、遠近問題もない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第1の実施例である。基地局装置５，６，７はＧＰＳ衛星１，２，３より信号を受信し同期している。その基地局から送信される信号をもとに無線端末４は自身の位置を検出する。各基地局はＧＰＳ用アンテナ１３とセルラ用アンテナ１６を持つ送信タイミング測定装置１８を具備している。ここでセルラ用アンテナ１６はセルラ受信機１７につながり、セルラ基地局のアンテナ１０から送信されている信号を受信している。また同時にＧＰＳアンテナ１３はＧＰＳ受信機１４につながり、ＧＰＳ衛星１〜３からの信号を受信している。基準クロック作成回路１５では、ＧＰＳ受信機１４の位置とＧＰＳ受信機における時間から内部クロックを校正して正確な基準クロックを作成し、この基準クロックに同期してセルラ基地局からの信号のタイミングを測定する。これによりセルラ基地局のアンテナ１０から送信された信号がセルラ用アンテナ１６に受信された正確な時刻を測定することができる。基地局アンテナの位置を予め基準クロック作成装置１５に入力しておくと、ＧＰＳ受信機で測定された位置との関係からアンテナから送信タイミング測定装置までの伝搬距離が判明する。この距離を光速で割った値が伝搬時間である。既に説明したようにセルラ用アンテナ１６とセルラ受信機によって、基地局アンテナ１０から送信された信号の正確な受信時刻が判明しているため、それから伝搬時間を差し引くことで基地局アンテナ１０から電波が送信された時刻が判明する。その送信された時間が正しい値となるように基準クロック作成装置１５は基準クロックを作成する。以下では基準クロック作成装置１５がどのように基地局アンテナ１０から送信される信号のタイミングを調整しているか例を挙げて説明する。
【００１３】
受信ベースバンド部１２は、基地局アンテナ１０から送信される信号のベースバンド信号を作成するユニットである。ベースバンド部で作成された信号はＲＦ部１１でキャリヤ周波数に変調された後に基地局アンテナ１０から送信される。基地局アンテナから送信される信号のタイミングは上記基準クロックに同期しているため、送信される信号のタイミングは基準クロック作成装置で制御可能となる。但し多数の無線端末が配下に繋がる基地局は、急激にその送信信号のタイミングを変化させることはできないため、上記基準クロックは、例えば80ミリ秒といったフレーム毎に１／１６チップずつといった微小な“遅れ”や“進み”の調整を繰り返して、基地局アンテナから信号が送信される時間のずれをなくしていく。
【００１４】
図１でＲＦ部１１からベースバンド部１２に向かう矢印は上り回線の受信動作を示している。また基準クロック作成装置１５からＲＦ部１１に伸びている矢印はＲＦ部内で必要となるキャリヤ周波数を作成するための基準クロックを基準クロック作成装置が作成していることを示している。
【００１５】
上記第1の実施例でもＧＰＳ用アンテナ１３やセルラ用アンテナ１６からそれぞれの受信機１４および１７に入力されるまでにケーブル遅延が発生する。また受信機内や基準クロック作成装置１５までのケーブル遅延も考えられる。しかし電波による位置測定では、各基地局から送信された信号の相対的な受信タイミング差すなわちＴＤＯＡ（time difference of arrival）が正確に求まれば端末位置の測定による誤差は発生しない。したがって上記遅延は同じケーブル長、部品を使った装置によって構成される送信タイミング測定装置１８を使えばその誤差は小さくすることができる。
【００１６】
上記第１の実施例では基地局アンテナが１台である場合を例に挙げて説明したがセクタアンテナのように複数のアンテナが設置されている場合も本発明は効果がある。但し、共通の基準クロック作成装置を使い共通制御している場合であって、個別のセクタアンテナケーブルの長さが異なる場合は、第１の実施例では制御できない。この場合セルラ受信機から判明する各セクタの遅延差を補償するため、セクタ間の遅延差を補償する信号をベースバンド部にフィードバックする必要がある（図２の１９の信号線）。本構成により、各セクタを個別に制御することが可能となり、セクタ毎に送信タイミングを調整することができる。
【００１７】
上記第１の実施例では、正確な時間を測定するためにＧＰＳ受信機を用いた例を説明したが、これに限らない。例えばセシウム時計等の原子時計各基地局に設けてもよい。
【００１８】
上記第１の実施例では、セルラ用のアンテナは基地局装置のアンテナとは別の場所に設ける例を説明したがこれに限らない。例えば基地局用のアンテナに繋がるケーブルあるいはアンテナ素子にカプリングさせて取り出しても本発明の効果は変わらない。
【００１９】
図３は、本発明の第２の実施例である。第１の実施例との違いは、第2の実施例が基地局装置の送信タイミングを調整しないことである。
【００２０】
送信タイミング測定装置は、ＧＰＳ用アンテナ１３とセルラ用アンテナ１６を持つ。ＧＰＳ受信機１４はアンテナ１３が受信したＧＰＳ衛星からの信号から送信タイミング測定装置２１が置かれている位置と正確な時刻をもとめ、基準となるクロック信号を出力する。セルラ通信機２３は、基地局装置から送信された信号を受信して、パイロット信号の受信されるタイミングを測定する。測定の方法としては、例えば基地局が送信しているパイロット信号に合わせたスライディング相関器を使い、相関が大きくなる位相から受信信号タイミングを測定する方法がある。
【００２１】
受信タイミング測定機２４はＧＰＳ受信機１４で得られた正確なクロックに基づいてセルラ通信機２３が測定したパイロット信号の受信タイミングの時刻を測定する。そして測定された受信タイミングはメモリ装置２５に蓄積される。パイロット信号は周期信号であるため、長時間の測定を行い、その結果を平均する方法も本発明の範疇である。平均化によって受信タイミングの測定精度を向上させることができる。一般に一回の測定における誤差がσで、測定毎に誤差が独立な事象であるならば、Ｎ回の平均操作により誤差はσ／sqrt(Ｎ)に下げることができる。
【００２２】
メモリ装置に蓄積された受信タイミングは制御装置２６によって送信タイミングの誤差情報に変換される。誤差情報の作成方法は以下に説明される。
【００２３】
制御装置２６には予め基地局アンテナの位置が記憶されている。ＧＰＳ受信機１４の出力から送信タイミング測定装置の位置は明らかになるから、その差から基地局アンテナと送信タイミング測定装置間の距離が判明する。これを光速で割ることで、電波がアンテナ間の伝搬に必要となった時間が割りだせ、先に得られている受信タイミングから基地局のアンテナ端における電波の送信タイミングを測定することができる。測定された送信タイミングと、仕様から定まる基地局の送信タイミングの差から送信タイミングの誤差が推定される。
【００２４】
該制御装置２６は、求めた送信タイミングの誤差情報を定期的にネットワーク２７につながるセンタ装置２８に送っている。センタ装置２８への伝送方法は有線であっても無線であっても本発明の効果は変わらない。受信タイミングの誤差情報（オフセット情報）は、例えばセルラ通信装置２３を介してセルラ網を通じてセンタ装置２８に送られてもよい。センタ装置２８に蓄積された情報は、端末４の位置測定の要求に従って端末４にダウンロードされる。端末では位置計算を行う際に、端末において測定した受信タイミングから誤差に伴うオフセット分を差し引いて得られた補正後の受信タイミング情報を使って位置計算を行う。位置計算の詳細な方法は特開平7-181242に記されているためここでは省略する。本実施例によれば基地局の送信タイミングはオフセットしたままであるが、そのオフセット値を位置計算時に補償することができるため、正確な位置を計算できる。
【００２５】
上記第2の実施例では、送信タイミング測定装置を常設し、通信によって位置測定センタ装置に情報を送る方法について説明したが、基地局装置はGPSに同期しているものがある。この場合には一度測定しておけば、送信タイミングの補正値は殆ど問題にならない程度しか変化しない。従って１度送信タイミング測定装置で測定して、その測定結果を位置測定センタ装置に蓄積しておく方法も有効である。この場合、送信タイミング測定装置は可搬式のものが便利である。いずれの場合においてもGPSを利用すれば送信タイミング測定装置の位置を求めることは容易である。したがって一つの解決手段として、車載型の送信タイミング測定装置で様々な場所において送信タイミングを測定し、その平均値によって送信タイミング補正値を計算する方法も本発明の範疇に含まれる。
【００２６】
上記第2の実施例では、端末４において受信タイミングを補正する装置を説明したが、これに限るものではない。例えばセンタ装置において補正を行うことも本発明の範疇である。例えば、端末４は近傍基地局の受信タイミングを測定し、その結果をセンタ装置２８に送信する。センタ装置２８では、伝送されてきた情報を基に送信タイミングのオフセットを補償し、端末の位置計算を行う。位置の計算方法は上記第2の実施例と同じである。計算結果である端末位置を端末４に回答することで一連の作業を終了する。この様に送信タイミングの補償や位置計算をどこで行うかは本発明の本質ではなく、各基地局装置付近で測定された送信タイミングオフセット値をセンタ装置２８で一括管理し、必要に応じて使用する装置構成は本発明の範疇である。
【００２７】
ここで送信タイミング測定装置は、基地局装置と同じ構造物に設置することが望ましい。さすれば、課題で説明したマルチパスの影響を受けにくい。また、測定局を置くための新たな場所を確保する必要もなくなることから位置測定システムを運用するコストを下げることができる。このことは当然ながら第１の実施例についても同様である。
【００２８】
また、基地局送信タイミングの測定については、特に時間間隔については説明しなかったが、その間隔は連続である必要はない。各基地局はGPS等で同期されている場合が殆どであることから１度タイミングを補正すれば、或いはタイミングの補正値を測定すれば、その値は長期にわたって保持される。通常その値は数時間から数日の単位で変化することから少なくとも１時間以上の間隔で補正は十分である。
【００２９】
【発明の効果】
セルラ基地局を電波の発信源とする位置測定システムにおいて、各基地局が持つ送信タイミングの誤差を補償が可能となる。これにより端末位置の推定精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を有する第１の実施例の構成を示す図。
【図２】従来技術の構成を示す図。
【図３】本発明を有する第２の実施例の構成を示す図。
【符号の説明】
1、２、３...ＧＰＳ衛星、４...測位用の端末、５、６、７...基地局装置、１０...基地局アンテナ、１１...基地局ＲＦ部、１２...基地局ベースバンド部、１３...ＧＰＳ用アンテナ、１４...ＧＰＳ受信機、１５...基準クロック作成装置、１６...セルラ用アンテナ、１７...セルラ受信機、１８...送信タイミング測定装置、１９...セクタ補正信号、２０、２１，２２...送信タイミング測定装置、２３...セルラ通信機、２４...送信タイミング測定装置、２５...メモリ装置、２６...制御装置、２７...ネットワーク、２８...センタ装置。

Claims (3)

  1. 複数の基地局から送信される特定信号の受信タイミングをそれぞれ測定する複数の送信タイミング測定装置と、該複数の送信タイミング測定装置が測定した結果から得られる複数基地局の送信タイミングの補正値を蓄積する位置測定センタ装置と、上記複数の基地局の特定基地局から送信される特定信号の受信タイミングを測定する無線端末とを有し、上記位置測定センタ装置は上記無線端末からの要求に従って上記特定基地局の該補正値を該無線端末に送信し、該無線端末は該無線端末で測定された特定基地局からの信号の受信タイミングを上記補正値で補正して該無線端末位置を計算することを特徴とする無線位置測定システム。
  2. 請求項１において、上記複数の送信タイミング測定装置の各々は、GPＳあるいは時計機能によってタイミングを計測するタイミング測定装置と、該タイミング測定装置に同期して上記特定信号を受信する受信装置とを有する無線位置測定システム。
  3. 複数の基地局の特定信号の送信タイミングの補正値を蓄積する蓄積手段と、特定基地局からの信号受信タイミングと該補正値とを用いて位置測定を行う端末からの要求に応じて該蓄積手段に蓄積された上記補正値を該端末に送信する通信手段とを具備することを特徴とする位置測定センタ装置。
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