JP2000180186A - 限局的測位システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 限局的測位システム（ＬＰＳ）は、移動局の
位置を確定するためにＣＤＭＡ方式正リンクまたはＴＤ
ＭＡ方式逆リンクにおける電波伝搬パラメータを使用す
る。上記移動局はパイロットチャネル信号を少なくとも
３カ所の別々の基地局から受信し、上記パイロットチャ
ネル信号のＰＮチップオフセットを記録する。上記ＬＰ
Ｓの到着時間差三角測量法は、追加的な信号検出能力を
必要としない。基地局は、特定の位相を持ち、かつ少な
くともあらかじめ決められた最低強度で移動局へ到達す
るパイロットチャネル信号を送信する。上記移動局は、
上記「可視的な」パイロットチャネル信号、その位相お
よび信号強度を、上記移動局の位置の推定に一組のコス
ト関数として表現される非線形位置決定システムを利用
するＬＰＳへ返信する。上記ＬＰＳは、デジタルセル式
電話を携帯する遭難者の位置を決定することによって、
無線ＣＤＭＡシステムの９１１番通話における移動局の
位置決定問題をも解決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、移動局の位置決定
に関し、特に到着時間差（ＴＤＯＡ）を用いた移動局の
位置測定に関する。

【０００２】

【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】全
地球的測位システム（ＧＰＳ）は、通常、受信機に対し
てその位置についての正確な測定値を提供するために使
用される。ＧＰＳ受信機は衛星から信号を受信し、既知
の衛星位置を基準にＴＤＯＡ計算を行うことによって自
己の位置を決定する。受信機は一般に車両または船舶に
搭載され、この単一の目的のために設置される。ＧＰＳ
受信機が高価なため、これを購入するのは一般に高級
車、航空機および船舶の所有者に限られていた。

【０００３】個人にとってデジタルセル方式／ＰＣＳ方
式の電話は、どこにいても他の人または他の通信システ
ムと通信できる、便利で安価な手段となった。また、緊
急の場合には、９１１番へ連絡することもできる。しか
し現在のところ、無線通信システムは、衛星とＧＰＳを
使わなければ発信者の位置を正確に判断することができ
ない。

【０００４】現行の無線通信システムは、異なる発信元
からの信号を併合し、多数のユーザが相互に干渉するこ
となく共通の媒体を共用できるようにするために、多元
接続技術を利用する。多元接続技術の基本形式の一つが
符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）である。ＣＤＭＡでは、
各基地局がパイロットチャネル信号を送信するが、それ
は必然的に未変調疑似ランダムノイズ（ＰＮ）シーケン
スである。ＰＮシーケンスは一連のＰＮチップからな
り、各ＰＮチップは約２４３．９６１９２メートル（約
８００．４フィート）の距離に相当する。各基地局は、
パイロットチャネル信号がどの基地局から送信されてい
るかを移動局が区別できるような異なるタイミングオフ
セットを用いてパイロットチャネル信号を送信する。

【０００５】移動局は、相手の基地局、すなわち、移動
局が通信中の基地局と時間的に同期する。移動局は、上
記パイロットチャネル信号についての検索ウィンドウと
して指示された時間間隔を探索する。各基地局は、移動
局が各検索ウィンドウ内でただ１つのパイロットチャネ
ル信号を受信し始めることが期待できるように自己のパ
イロットチャネル信号を送信するよう構成される。移動
局がパイロットチャネル信号を検出した場合、移動局は
パイロットチャネル信号が移動局へ到着しときにその強
さを測定し、パイロットチャネル信号の位相をＰＮチッ
プに置き換えて記録する。パイロットチャネル信号の強
さがあらかじめ決められたしきい値を超える場合には、
パイロットチャネル信号を送信した基地局が移動局にと
って「可視化」する。この測定値および記録は移動局か
ら相手の基地局またはあらかじめ決められた場所へ逆リ
ンクで送信される。

【０００６】移動局の地理的な位置を判断する従来の手
法は一般に、少なくとも３カ所の「可視的な」基地局と
上記移動局との距離の表示を必要とする。基地局と移動
局との間の距離は、信号が上記基地局から上記移動局へ
伝わるための時間Δｔ_iに上記信号の波長速度υを乗じ
たものに等しい。Δｔ₁υが上記移動局（地理座標
（ｘ₀，ｙ₀））から第一の基地局（既知の地理座標（ｘ
₁，ｙ₁））までの距離を、Δｔ₂υが上記移動局から第
二の基地局（既知の地理座標（ｘ₂，ｙ₂））までの距離
を、そしてΔｔ₃υが上記移動局から第三の基地局（既
知の地理座標（ｘ₃，ｙ₃））までの距離を示す場合、ピ
タゴラスの定理に基づいて、到着時間（ＴＯＡ）法で上
記移動局（ｘ₀，ｙ₀）を決定するための以下の方程式が
導かれる。 Δｔ₁υ＝√（（ｘ₁−ｘ₀）²＋（ｙ₁−ｙ₀）²） （１） Δｔ₂υ＝√（（ｘ₂−ｘ₀）²＋（ｙ₂−ｙ₀）²） （２） Δｔ₃υ＝√（（ｘ₃−ｘ₀）²＋（ｙ₃−ｙ₀）²） （３） しかし、ＣＤＭＡにおいては移動局がΔｔ_iを測定する
ための絶対的な時間基準を持たないため、時間Δｔ_iは
未知である。

【０００７】ＴＤＯＡ法は方程式の数を３個から２個に
減らす（方程式（３）引く方程式（１）と方程式（２）
引く方程式（１））。ＴＤＯＡ法は、システム測定誤差
または下記に示すマルチパス効果が存在しなければ正確
な位置決定ができる。だが残念ながら、通常はシステム
測定誤差およびマルチパス効果が存在し、正しい位置決
定とはずれが生じる。このため、上記の方程式は上記移
動局Ｍの地理的な位置を正確に決定するために直接使用
することはできない。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、移動局の位置
を推定するために符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）方式正
リンクまたは時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）方式逆リ
ンクにおける電波伝搬パラメータを使用するべく設計さ
れた限局的測位システム（ＬＰＳ）を提供することでこ
れらの問題に対処する。

【０００９】ＬＰＳは、コスト関数と呼ばれる２組の方
程式を最小化することによって移動局の位置を三角法を
用いて決定する。コスト関数の第一組は上記「可視的
な」基地局から上記移動局までの距離誤差を表し、コス
ト関数の第二組は上記移動局の位置推定における位置誤
差を表す。いずれの組のコスト関数も、上記組内の複数
のコスト関数に共通する変数を含む。上記コスト関数
は、各方程式内の未知の変数の値を推定し上記組におけ
る距離または位置の誤差が可能なかぎりゼロに近くなる
ようにすることによって最小化される。

【００１０】移動局と基地局の間の距離が未知の場合に
上記移動局の地理座標を決定するには、ＬＰＳはシステ
ム測定誤差およびマルチパス効果を緩和するためにまず
上記移動局から上記基地局までの距離を推定する。上記
距離を推定した後、ＬＰＳは上記推定距離に基づいて上
記移動局の地理座標（ｘ₀，ｙ₀）を推定する。

【００１１】好適な実施形態では、ＬＰＳはコンピュー
ター上でソフトウェアを実行して移動局の地理的な位置
の決定を行う。ＬＰＳはパイロットチャネル信号の移動
局への到着時間を示す情報を含むデータ・サンプルを受
信し、また上記到着時間情報に関係する少なくとも３カ
所のセル方式またはＰＣＳの基地局の位置を示す情報へ
接続する。次にＬＰＳは、第一組の方程式またはコスト
関数を最小化することによって移動局から基地局までの
距離を推定し、第二組の方程式またはコスト関数を推定
距離に基づいて最小化することによって移動局の地理的
な位置を推定する。

【００１２】本発明のＬＰＳは、既存の機器を用いてＧ
ＰＳ様の測位能を発揮するという利点がある。このＬＰ
Ｓは追加的な信号検出能力を必要とせず、既存の無線電
話システムに小規模な変更が必要なだけである。標準的
なＣＤＭＡ／ＴＤＭＡシステムのほかには追加のハード
ウェアは必要ないため、このＬＰＳは費用効果が高い。
また、このＬＰＳは無線ＣＤＭＡ／ＴＤＭＡシステムの
９１１番通話における移動局位置決定問題も解決する。
このため、このＬＰＳは遭難者の位置をその人の携帯す
るデジタル電話から決定することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明を、下記の図面を参照しな
がら詳細に説明する。これらの図面の中で、類似の参照
番号は類似の要素を示し、また各図面は以下の通りであ
る。ここに説明する実施形態は、ＣＤＭＡ方式正リンク
三角測量（ＦＬＴ）システムでの使用例である。本実施
形態は、基地局を同期させればＴＤＭＡ方式逆リンク三
角測量（ＲＬＴ）システムにも適用できると考えられ
る。

【００１４】上記ＬＰＳは、移動局に関する情報を表す
データサンプルを受信し、少なくとも３カ所の基地局に
関する基地局情報に接続し、移動局の位置を推定するこ
とによって上記移動局の地理座標を決定する。上記ＬＰ
Ｓは、移動局と基地局の間の距離をそのデータサンプル
および基地局情報に基づいて推定するために第一組の方
程式またはコスト関数を最小化し、次に移動局の地理座
標を推定するために第二組の方程式またはコスト関数を
最小化することによって、移動局の位置を決定する。

【００１５】上記ＬＰＳは、移動局にとって「可視的
な」特定の基地局から送信されたパイロットチャネル信
号の測定された位相転換またはチップオフセット情報を
用いるＴＤＯＡに基づく。ＴＤＯＡ三角測量法は、少な
くとも３カ所の「可視的な」基地局からの時間または伝
搬遅延の測定を必要とする。移動局にとって「可視的
な」基地局が３カ所に満たない場合には、ＬＰＳは移動
局が３カ所の「可視的な」基地局を報告するまで待つ
か、または信号長のしきい値レベルを移動局が他の基地
局からより多くのパイロットチャネル信号を認識できる
ように補正する。移動局は頻繁にパイロットチャネル信
号を測定し、位置推定が可能になり、時間の経過ととも
に一層正確になるようにする。

【００１６】図１は、それぞれ移動局Ｍからの距離がｄ
₁、ｄ₂およびｄ₃の「可視的な」基地局ｂ₁、ｂ₂および
ｂ₃を表す点で構成される三角形の内側に位置する移動
局Ｍを表す点を示す。基地局との間の距離は次のように
測定される。基地局ｂ₁とｂ₂の間の長さｂ₁ｂ₂；基地局
ｂ₁とｂ₃の間の長さｂ₁ｂ₃；基地局ｂ₂とｂ₃の間の長さ
ｂ₂ｂ₃。角度α₁₂、α₁₃およびα₂₃は、それぞれ円弧ｂ
₁Ｍｂ₂、ｂ₁Ｍｂ₃およびｂ₂Ｍｂ₃によって形成される。
図１において、角度α₂₃は３６０度から角度α ₁₂および
α₁₃を引いたものに等しい。図２は、移動局Ｍが三角形
ｂ₁ｂ₂ｂ₃の外側にあり角度α₂₃が角度α₁₂とα₁₃を足
したものに等しいことを除けば図１と同様である。

【００１７】図３ａはＬＰＳの実現図である。ＬＰＳは
コンピュータ１０と製造物品２０を含み、基地局の一つ
に所在する。上記製造物品２０は、コンピュータで読み
取り可能な媒体および移動局Ｍの位置を決定するための
実施可能なプログラムを含む。

【００１８】図３ｂはもうひとつのＬＰＳの実現図であ
る。ＬＰＳ１は、移動局Ｍの位置を決定するための実施
可能なプログラムを運搬する信号３０を受信するための
コンピュータ１０を含む。上記信号３０はデジタル形式
で送信され、搬送波を伴う場合も伴わない場合もある。

【００１９】図４は、好適な実施形態で移動局Ｍの位置
を決定するためのＬＰＳのフローチャートを示す。ステ
ップＳ１０において、ＬＰＳ１は移動局Ｍからのデータ
サンプル（たとえば、セクター番号、パイロットフェー
ズ、およびパイロットチャネル信号の強さ）を読み込
む。ステップＳ２０において、ＬＰＳ１は、基地局のＩ
Ｄ、基地局のセクター番号、および、たとえば、緯度お
よび経度のような基地局の測定された地理的な位置など
の情報を含む、セル・サイト・テーブルを読み込む。ス
テップＳ３０において、パイロットチャネル信号が発信
された場所を決定するためにデータサンプルの部門番号
がセル・サイト・テーブル中の部門番号と整合される。
パイロットチャネル信号が少なくとも３カ所の基地局か
ら発せられている場合は、図１または図２に示されるよ
うな三角形ｂ₁ｂ₂ｂ₃が形成され、移動局Ｍと基地局
ｂ₁、ｂ₂およびｂ₃との間の距離および移動局Ｍの地理
的な位置が決定できる。

【００２０】移動局Ｍと上記可視的な基地局ｂ₁、ｂ₂お
よびｂ₃との間の距離はステップＳ４０で推定される。
コンピュータ１０は、距離誤差についてのコスト関数の
組が最小化されるように距離ｄ₁を計算し、距離ｄ₂およ
びｄ₃を上記推定距離ｄ₁を基準に決定する。距離ｄ₁の
推定および距離ｄ₁に基づく距離ｄ₂およびｄ₃の決定を
以下で説明する。

【００２１】ＬＰＳは、移動局Ｍの地理座標をＳ５０で
ＴＤＯＡを用いて決定する。ＬＰＳ１は、移動局Ｍのロ
ーカル座標すなわち（ｘ₀，ｙ₀）を相手方基地局ｂ₁と
の関係で計算し、ローカル座標（ｘ₀，ｙ₀）を基地局ｂ
₁、ｂ₂およびｂ₃の既知の緯度および経度を基準に地球
上の緯度および経度へ変換する。次のパイロットチャネ
ル信号位相の測定値および記録が存在する場合は、移動
局Ｍの地理的位置を再度推定し、平均をとって一段と正
確な分析を行うことができる。

【００２２】＜ステップＳ４０−移動局と基地局との間
の距離の推定＞ＴＤＯＡ法における最も重大なシステム
測定誤差は、パイロットチャネル信号位相の測定値にお
ける端数処理の誤差と、基地局相互間の同期誤差の二つ
である。パイロットチャネル信号位相の測定値について
は、１チップが２４３．９６１９２メートル（８００．
４フィート）に相当するとすれば、端数処理誤差（最悪
の場合、半チップ分）は１２１．９８０９６メートル
（４００．２フィート）の位置のずれを招き得る。分布
の均一性が確保できるならば、端数処理の誤差は確率変
数Ｔ₁によって表すことができる。

【００２３】各基地局は他の基地局と時間同期している
ことが理想である。各基地局は、ＧＰＳクロックを用い
て時間同期を取ることもできる。しかし、基地局にある
実際のクロックは公称値の周辺で変動する傾向がある。
上記ドリフト誤差は、ここでも分布の均一性を確保しつ
つ確率変数Ｔ₂として表すことができる。誤差発生源の
影響は、確率変数Ｔ₁およびＴ₂の和であるシステム測定
値誤差Ｔへ加算することができる。この結果、測定され
たパイロットチャネル信号位相ｐ_iは真のパイロットチ
ャネル信号位相にシステム測定値誤差Ｔを加えたものと
等しくなる。

【００２４】直線は２点間の最短線であるため、ＴＤＯ
Ａは、使用されている測定値が見通し内（ＬＯＳ）信号
に属する場合に最もよく機能する。残念ながら、移動局
Ｍは必ずしも基地局ｂ₁、ｂ₂およびｂ₃からＬＯＳ信号
を受信することはできない。基地局ｂ₁、ｂ₂およびｂ₃
のいずれかから送信された単一の信号は、移動局Ｍへ到
達する以前に建物、樹木および車両などの他の物体によ
って反射される可能性があり、その場合もしその信号が
ＬＯＳ信号であったならば本来よりも長い経路をたど
る。このマルチパス効果は上記信号の到着の遅延を惹起
し、ＴＤＯＡ推定に悪影響を及ぼす。

【００２５】移動局Ｍが可視的な基地局ｂ₁、ｂ₂および
ｂ₃から見通し内（ＬＯＳ）信号を取得するという保証
はないため、ＴＤＯＡを用いて移動局Ｍと基地局ｂ₁、
ｂ₂およびｂ₃との間の距離を決定する際には、マルチパ
ス信号によって惹起される到着時間の遅延を考慮してお
かなければならない。しかし、遅延の量は移動局Ｍと基
地局ｂ₁、ｂ₂およびｂ₃との間の距離およびその間に位
置する物体によって異なり、したがってモデル化するこ
とは大変むずかしい。このため、単一のマルチパス・パ
ラメータμがマルチパス効果によって生じる相対的な時
間遅延を表し、乱数ではなく非確率的パラメータとして
モデル化される。その理由は、上記単一のマルチパス・
パラメータμはすべてのパイロットチャネル信号につい
て推定されなければならないためである。マルチパス・
パラメータμは、通常は、１未満であり、上記移動局Ｍ
が可視的な基地局ｂ₁、ｂ₂およびｂ₃からのＬＯＳ信号
だけを取得する場合にその最大値１をとる。

【００２６】ひとつのマルチパス・パラメータμは均一
のマルチパス効果を意味するものと仮定されることに留
意されたい。すなわち、たとえ各基地局ｂ₁、ｂ₂および
ｂ₃各々から発されるパイロットチャネル信号への上記
マルチパス効果が異なる場合でも、上記マルチパス効果
によって惹起された遅延は各パイロットチャネル信号に
対して同一であると仮定される。均一の特別遅延を表す
マルチパス・パラメータμは、上記マルチパス効果を相
当に軽減することができる。上記マルチパス・パラメー
タμは、地方、都市部、郊外地域、ハイウェイ等の特有
の環境に関係するモデルによって定義される一定の範囲
で変動する可能性がある。

【００２７】移動局Ｍは、上記パイロットチャネル信号
が基地局ｂ_iから移動局Ｍまで伝わるのにかかる時間を
決定するための、基地局ｂ_iがパイロットチャネル信号
を送信する正確な時間（ＧＰＳと同期した）を知らず、
また移動局Ｍが上記パイロットチャネル信号を受信する
正確な時間も知らない。したがって、基地局ｂ_iと移動
局Ｍとの間の距離ｄ₁、ｄ₂およびｄ₃は未知である。

【００２８】しかし、基地局は相互に同期しており、移
動局Ｍは相手方基地局ｂ₁と同期している。こうして移
動局Ｍは、離れた基地局ｂ₂およびｂ₃が相手方基地局ｂ
₁のパイロットチャネル信号に関連させて発したパイロ
ットチャネル信号位相のチップオフセットを記録するこ
とができる。このため移動局Ｍは、相手方基地局ｂ₁か
らの上記パイロットチャネル信号の受信後、上記パイロ
ットチャネル信号が離れた基地局ｂ₂およびｂ₃から移動
局Ｍまで伝わるための追加時間を決定することができ
る。その理由は、上記基地局ｂ₂およびｂ₃の位相は、上
記移動局Ｍが相手方基地局ｂ₁と同期しているためにゼ
ロに設定される上記基地局ｂ₁の位相と関連させて測定
できるからである。移動局Ｍは、一つのパイロットチャ
ネル信号の位相ｐ₂を基地局ｂ₁およびｂ₂のパイロット
チャネル信号位相記録間の位相差として識別し、また一
つのパイロットチャネル信号の位相ｐ₃を基地局ｂ₁およ
びｂ₃のパイロットチャネル信号位相記録間の位相差と
して識別する。このため距離ｄ ₂は、距離ｄ₁に２４３．
９６１９２メートル（８００．４フィート）と上記パイ
ロットチャネル信号位相ｐ₂との積を加えたものに等し
い。つまり、 ｄ₂＝ｄ₁＋２４３．９６１９２（Ｐ₂）メートル（８００．４（ｐ₂）フィート ） （４） 同様に、距離ｄ₃は距離ｄ₁に８００．４フィートと上記
パイロットチャネル信号位相ｐ₃との積を加えたものに
等しい。つまり、 ｄ₃＝ｄ₁＋２４３．９６１９２（Ｐ₂）メートル（８００．４（ｐ₃）フィート ） （５） しかし、距離ｄ₂およびｄ₃を決定できるようにするため
には先にｄ₁を推定しなければならない。

【００２９】そこで、ＬＰＳ１が距離ｄ₁を推定する。
距離ｄ₁の推定値を求めるにあたって、次の方程式
（６）−（８）は、次の距離誤差Ｆ₁₂、Ｆ₁₃および
Ｆ₂₃、距離ｄ₁、マルチパス・パラメータμおよび角度
αを求めるために最小化するべきコスト関数であり、方
程式（４）および（５）に基づく距離ｄ₂およびｄ₃を代
替する。 Ｆ₁₂＝（ｂ₁ｂ₂）²−μ²ｄ₁ ²−μ²ｄ₂ ²＋２μ²（ｄ₁）（ｄ₂）ｃｏｓα₁₂ （６） Ｆ₁₃＝（ｂ₁ｂ₃）²−μ²ｄ₁ ²−μ²ｄ₃ ²＋２μ²（ｄ₁）（ｄ₃）ｃｏｓα₁₃ （７） Ｆ₂₃＝（ｂ₂ｂ₃）²−μ²ｄ₂ ²−μ²ｄ₃ ²＋２μ²（ｄ₂）（ｄ₃）ｃｏｓα₂₃ （８） 距離誤差Ｆ₁₂、Ｆ₁₃およびＦ₂₃についてのコスト関数
は、距離ｄ₁について最良の推定値を得るために最小化
しなければならない。

【００３０】コスト関数Ｆ₁₂、Ｆ₁₃およびＦ₂₃の最小化
は、ｄ₁に関しては最急降下法または増分探索法などの
有名な最小化法を用いて行うことができる。たとえば、
増分探索法を用いると、上記のコスト関数は、距離ｄ₁
の範囲およびマルチパス・パラメータμを推定し、方程
式（６）−（８）をあらかじめ決められた範囲内の各増
分について解き、距離誤差Ｆ₁₂、Ｆ₁₃およびＦ₂₃を最も
ゼロに近づける距離ｄ ₁、マルチパス・パラメータニュ
ーおよび角度α₁₂、α₁₃およびα₂₃を選択することによ
って最小化することができる。距離ｄ₁が推定された
後、距離ｄ₂およびｄ₃は方程式（４）および（５）を用
いて決定できる。

【００３１】方程式（６）−（８）には、距離ｄ₁、マ
ルチパス・パラメータμ、角度α₁₂およびα₁₃と、未知
の値が４つある。上述したとおり、移動局Ｍが三角形ｂ
₁ｂ₂ｂ₃の内部に位置する場合は、α₂₃は３６０度から
角度α₁₂およびα₁₃を減じたものに等しい。移動局Ｍが
三角形ｂ₁ｂ₂ｂ₃の外部に位置する場合は、α₂₃は角度
α₁₂およびα₁₃を加算したものに等しい。しかし、角度
α₁₂およびα₁₃は推定距離ｄ₁に基づいて決定される。
換言すれば、角度α₁₂およびα₁₃の値は距離ｄ₁の値に
よって決定される。

【００３２】熟練した実務家ならすでにお気づきのとお
り、ＣＤＭＡ（およびＴＤＭＡ）システムは、相手方基
地局ｂ₁から発したパイロットチャネル信号の移動局Ｍ
までと、そこから相手方基地局ｂ₁へ戻るまでとの往復
の遅延を測定することができる。この往復の遅延は、上
記ＬＰＳ１が距離ｄ₁の範囲を推定するにあたってより
狭い範囲を利用できるという利点をもたらす。

【００３３】＜ステップＳ５０−移動局の位置の決定＞
距離ｄ₁、ｄ₂およびｄ₃を推定した後、コスト関数Ｇ₁、
Ｇ₂およびＧ₃についての方程式（９）−（１１）を最小
化することによって移動局Ｍのデカルト座標（ｘ₀，
ｙ₀）が推定できる。 Ｇ₁＝μ²（ｄ₁）²−［（ｘ₁−ｘ₀）²＋（ｙ₁−ｙ₀）²］ （９） Ｇ₂＝μ²（ｄ₂）²−［（ｘ₂−ｘ₀）²＋（ｙ₂−ｙ₀）²］ （１０） Ｇ₃＝μ²（ｄ₃）²−［（ｘ₃−ｘ₀）²＋（ｙ₃−ｙ₀）²］ （１１） ここで、Ｇ_i（ｉ＝１，２，３）は位置誤差を表し、こ
れは理想例ではゼロになる。しかし、距離ｄ₁、ｄ₂およ
びｄ₃は推定値なので方程式（７〜９）は正確に解くこ
とはできない。だが、Ｇ_iを最小化することによって
（ｘ₀，ｙ₀）の最良の推定値を発見することはできる。

【００３４】＜推定および座標変換の例＞移動局Ｍは基
地局と同期している。その結果、基地局ｂ₁へ返送され
る移動局Ｍの応答メッセージ中では、基地局ｂ₁から送
信された基準パイロットチャネル信号の位相変換はゼロ
に設定される。基地局ｂ₂およびｂ₃からのパイロットチ
ャネル信号位相は基地局ｂ₁のゼロ移相からのチップオ
フセットとして記録される。このため、ひとたび距離ｄ
₁が推定されると距離ｄ₂およびｄ₃は上述のとおり直接
に決定できる。

【００３５】図４のステップＳ１０およびＳ２０にした
がって、ＬＰＳ１は移動局Ｍの情報および基地局ｂ₁、
ｂ₂およびｂ₃の情報を含めた入力情報を集める。たとえ
ば、移動局Ｍはパイロットチャネル信号を、基地局ｂ₁
が発したものは基地局識別パイロットＰＮ４３２および
パイロットチャネル信号の強さ１７（−８．５ｄＢ）と
ともに記録する。基地局ｂ₂が発したものは、基地局識
別パイロットＰＮ７６、ＰＮチップ４個に相当するパイ
ロットチャネル信号位相ｐ₂、およびパイロットチャネ
ル信号の強さ２１（−１０．５ｄＢ）とともに記録す
る。また、基地局ｂ₃が発したものは、基地局識別パイ
ロットＰＮ２２０、ＰＮチップ３個に相当するパイロッ
トチャネル信号位相ｐ₂、およびパイロットチャネル信
号の強さ１９（−９．５ｄＢ）とともに記録する。図４
のステップＳ３０にしたがって、移動局Ｍが報告したパ
イロットＰＮは、ｂ₁、ｂ₂およびｂ₃のいずれの基地局
が上記パイロットチャネル信号を送信したかを決定する
ためにセル・サイト・テーブルに保存されているセクタ
ー情報中のパイロットＰＮと整合される。ここで、基地
局ｂ₁は、セル番号１３８、パイロットＰＮ４３２を送
信し、緯度４０．８６１３８９、経度−７３．８６４１
６７に所在する。基地局ｂ₂は、セル番号１４０、パイ
ロットＰＮ７６を送信し、緯度４０．８６７５００、経
度−７３．８８４７２２に所在する。そして基地局ｂ₃
は、セル番号４３、パイロットＰＮ２２０を送信し、緯
度４０．８７８８８９、経度−７３．８７１３８９に所
在する。

【００３６】基地局の緯度および経度はローカル座標系
（ｘ，ｙ）へ変換される。基地局ｂ ₁の座標（０，０）
は原点とされ、基地局ｂ₂の座標（ｘ₂，０）はｘ軸上に
設定され、基地局ｂ₃の座標（ｘ₃，ｙ₃）は上記基地局
間の既知の距離から決定される。

【００３７】図４のステップＳ４０に従い、次にコスト
関数方程式（６）−（８）を最小化して、距離ｄ₁＝１
２８８．８０９メートル（０．８０１マイル）、マルチ
パス・パラメータμ＝０．９８、角度α₁₂＝１．７８４
０８４ラジアン、角度α₁₃＝３．００２２８１ラジア
ン、および角度α₂₃＝１．２１８８５９ラジアンを推定
する。推定距離ｄ₁に基づいて、上述のとおり距離ｄ₂お
よびｄ₃が直接にそれぞれ１５８２．６４４５６メート
ル（０．９８３６２０マイル）および１３５０．９２１
２２７メートル（０．８３９６０３マイル）に決定され
る。図４のステップＳ５０に従い、次に方程式（９）−
（１１）を最小化して、ローカルデカルト座標（ｘ₀，
ｙ₀）が（３６１．３６１９６２，５７５．３４６２
２）（（０．２３７０１８，０．３５７５８０））に等
しいことを決定する。これらの座標は緯度と経度へ戻し
変換することができ、基地局Ｍの位置を地図上へ記して
どの街路上にいるかを示すことが一段と容易にできる。
この例では、移動局Ｍの地理的位置のローカルデカルト
座標（３６１．３６１９６２，５７５．３４６２２）
（（０．２３７０１８，０．３５７５８０））は緯度４
０．８６７４６５および経度−７３．８６５８８５へ変
換される。

【００３８】上の例において、角度α₁₃は角度α₁₂に角
度α₂₃を加えたものに等しい。したがって、上記移動局
Ｍは三角形ｂ₁ｂ₂ｂ₃の内部に位置するのではなく、長
さｂ₁ｂ₃の外側に位置する。

【００３９】＜推定値の距離的ずれ＞図５の下側の線
は、パイロットチャネル信号位相測定における端数処理
誤差および同期誤差を含むシステム測定誤差によって惹
起された時間的ずれ（μｓ）を基準とする移動局Ｍの真
実の位置とＬＰＳで推定された位置との間の距離的ずれ
メートルの例を示す。上側の線は、スナップショット時
間中の作業についての最大誤差を表す。スナップショッ
トを時間軸に沿って延ばし、距離的ずれを平均すれば、
距離的誤差はもっと低い平均誤差線になるだろう。した
がって、基地局が同期していればパイロットチャネル信
号位相測定における端数処理誤差単独で２００フィート
に近づく。

【００４０】＜逆リンク三角測量法（ＲＬＴ）＞北米Ｔ
ＤＭＡシステムでは、到着時間は移動局よりも基地局で
獲得されることが多い。移動局は、上記移動局の識別票
として符号デジタル検証色分け（ＣＤＶＣＣ）信号を送
信する。上記ＣＤＶＣＣ信号を受信すると、受信側基地
局は上記ＣＤＶＣＣ信号の受信時刻を刻印する。上記基
地局が同期していれば、上記基地局は次に、第一の基地
局での上記信号受信時刻を他の基地局で後に受信された
信号の受信時刻から引くことによって、上記ＣＤＶＣＣ
信号の到着の相対時間差を決定する。このため、上記Ｌ
ＰＳはＣＤＭＡおよびＴＤＭＡの両方式に適用できる。

【００４１】したがって、クロック信号、または特定の
移動局の位置決定にかかわる基地局が同期していれば、
方程式（６）−（１１）もＴＤＭＡ ＲＬＴ 地理的位
置システムへ適用することができる。上記同期はＧＰＳ
のインストールによって行うことができる。移動局から
基地局へ、逆リンクを通じて逆リンク信号が送信され
る。逆リンクは通常、ＣＤＭＡ方式の正リンクとは異な
る周波数帯であるが、ＴＤＭＡ方式とは同一の周波数帯
で異なる時間スロットを持つ。

【００４２】ＴＤＭＡ逆リンクには、ＣＤＭＡ正リンク
におけるようなチップ端数処理誤差が存在しないため、
到着時間が基地局で測定されるならば位置決定の正確性
が向上するという利点を持つ。さらに、ＴＤＭＡにおけ
る出力管理はＣＤＭＡのように厳重なものではなく、こ
のため複数の基地局が上記移動局からの信号を「見る」
ことが容易になる。ＴＤＭＡ逆リンク三角測量が必要と
する入力は、位置決定サービスを要求する移動局の識別
票、上記基地局への相対到着時間、すべての基地局の位
置（緯度／経度）、および往復の遅延（ＴＤＭＡでは時
間調整の目的で継続的に測定される）などである。上記
移動局からの信号の強さも得られることが望ましく、ま
たハンドオフを支援するために近隣基地局で測定するこ
ともできる。

【００４３】本発明をその具体的な実施形態と関連させ
て説明してきたが、この技術に熟練した人にとっては多
数の代替策、修正および変更が考えられることは明らか
であろう。したがって、本文中に記した本発明の好適な
実施形態は例示としてのものであり、制限的なものでは
ない。以下の特許請求の範囲に定義される本発明の精神
および範囲から逸脱することなく種々の変更をすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】３カ所の異なる基地局が形成する三角形の内部
に位置する移動局を示す。

【図２】３カ所の異なる基地局が形成する三角形の外部
に位置する移動局を示す。

【図３ａ】本発明の好適な実施形態によるＬＰＳ実現の
概略図である。

【図３ｂ】本発明の他の好適な実施形態によるＬＰＳ実
現の概略図である。

【図４】ＬＰＳの好適な実施形態のフローチャートを示
す。

【図５】ＬＰＳの作業分析の例を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マリア イー． パラマラ アメリカ合衆国 07834 ニュージャーシ ィ，デンヴィル，ランディング トレイル 66 (72)発明者 チャールズ ヴァーヴァロ アメリカ合衆国 60139 イリノイス，グ レンデール ハイツ，バーデッテ アヴェ ニュー 22ダブリュ410

Claims (29)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動局の位置を決定するための方法であ
   って、 （ａ）パイロットチャネル信号の前記移動局への到着時
   間を示すパイロットチャネル信号情報を受信するステッ
   プと、 （ｂ）一組の位置誤差コスト関数を前記パイロットチャ
   ネル信号情報および前記到着時間が関わる複数の基地局
   の位置を示す基地局情報に基づいて最小化することによ
   って前記移動局の位置を推定するステップとを含む方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の方法において、位置誤
   差コスト関数が、方程式： Ｇ₁＝μ²（ｄ₁）²−［（ｘ₁−ｘ₀）²＋（ｙ₁−
   ｙ₀）²］、 Ｇ₂＝μ²（ｄ₂）²−［（ｘ₂−ｘ₀）²＋（ｙ₂−
   ｙ₀）²］、 Ｇ₃＝μ²（ｄ₃）²−［（ｘ₃−ｘ₀）²＋（ｙ₃−ｙ₀）²］ から得られる方法であって、ここで、μはマルチパス効
   果パラメータ、ｄ₁は前記移動局から第１の基地局まで
   の距離、ｄ₂は前記移動局から第２の基地局までの距
   離、ｄ₃は前記移動局から第３の基地局までの距離、
   （ｘ₀，ｙ₀）は前記移動局のローカルデカルト座標、
   （ｘ₁，ｙ₁）は前記第１の基地局のローカルデカルト座
   標、（ｘ₂，ｙ₂）は前記第２の移動局のローカルデカル
   ト座標、および（ｘ₃，ｙ₃）は前記第３の移動局のロー
   カルデカルト座標である方法。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の方法において、 ｄ₂＝ｄ₁＋２４３．９６１９２（Ｐ₂）メートル（８０
   ０．４（ｐ₂）ｆｔ）であって、ここで、ｐ₂は前記第１
   および第２の基地局のパイロットチャネル信号位相の記
   録の間の位相差であり、 ｄ₃＝ｄ₁＋２４３．９６１９２（Ｐ₃）メートル（８０
   ０．４（ｐ₃）ｆｔ）であって、ここで、ｐ₃は前記第１
   および第３の基地局のパイロットチャネル信号位相の記
   録の間の位相差である方法。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の方法において、ステッ
   プ（ｂ）に先立ち、 （ｃ）前記複数の基地局の位置を示す前記基地局情報を
   受信するステップと、 （ｄ）前記パイロットチャネル信号情報と前記基地局情
   報とを前記パイロットチャネル信号情報および前記基地
   局情報の両方に共通する信号源識別子に基づいて整合す
   るステップとをさらに含む方法。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の方法において、前記到
   着時間が前記基地局の同期したタイミングに対応する方
   法。
6. 【請求項６】 請求項１に記載の方法において、ステッ
   プ（ｂ）に先立ち、 （ｅ）前記移動局から基地局のうちの一つまでの距離
   を、前記基地局と前記移動局とによって形成される角度
   を含む一組の距離誤差コスト関数を最小化することによ
   って推定するステップをさらに含む方法。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の方法において、距離誤
   差コスト関数が、方程式： Ｆ₁₂＝（ｂ₁ｂ₂）²−μ²ｄ₁ ²−μ²ｄ₂ ²＋２μ²（ｄ₁）（ｄ₂）ｃｏｓα₁₂、 Ｆ₁₃＝（ｂ₁ｂ₃）²−μ²ｄ₁ ²−μ²ｄ₃ ²＋２μ²（ｄ₁）（ｄ₃）ｃｏｓα₁₃、 Ｆ₂₃＝（ｂ₂ｂ₃）²−μ²ｄ₂ ²−μ²ｄ₃ ²＋２μ²（ｄ₂）（ｄ₃）ｃｏｓα₂₃ から得られる方法であって、ここで、ｂ₁ｂ₂は第１の基
   地局から第２の基地局までの距離、ｂ₁ｂ₃は第１の基地
   局から第３の基地局までの距離、ｂ₂ｂ₃は第２の基地局
   から第３の基地局までの距離、μはマルチパス効果パラ
   メータ、ｄ₁は前記移動局から第１の基地局までの距
   離、ｄ₂は前記移動局から第２の基地局までの距離、ｄ₃
   は前記移動局から第三の基地局までの距離、α₁₂は前記
   移動局と第１および第２の基地局との間の直線によって
   形成される角度を表し、α₁₃は前記移動局と第１および
   第３の基地局との間の直線によって形成される角度を表
   し、またα₂₃は前記移動局と第２および第３の基地局と
   の間の直線によって形成される角度を表す方法。
8. 【請求項８】 請求項１に記載の方法において、前記パ
   イロットチャネル信号情報が少なくとも１つの信号源識
   別子、パイロットチャネル信号位相およびパイロット強
   度を含む方法。
9. 【請求項９】 請求項８に記載の方法において、前記基
   地局情報が少なくとも１つの信号源識別子および基地局
   の位置を含む方法。
10. 【請求項１０】 請求項１に記載の方法において、移動
    局の位置の平均推定値を得るために前記移動局の位置の
    推定値を以前の前記移動局の推定値と平均するステップ
    をさらに含む方法。
11. 【請求項１１】 請求項１に記載の方法において、前記
    パイロットチャネル信号情報がＣＤＭＡ信号に含まれる
    方法。
12. 【請求項１２】 請求項１に記載の方法において、前記
    パイロットチャネル信号情報がＴＤＭＡ信号に含まれる
    方法。
13. 【請求項１３】 移動局の位置を決定するためのコンピ
    ュータ上で実施される限局的測位システムであって、 前記移動局におけるパイロットチャネル信号の到着時間
    を示すパイロットチャネル信号情報を受信するための手
    段と、 前記パイロットチャネル信号情報および前記到着時間が
    関わる複数の基地局の位置を示す基地局情報に基づき一
    組の位置誤差コスト関数を最小化することによって前記
    移動局の位置を推定するための手段とを含むシステム。
14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の限局的測位システ
    ムにおいて、位置誤差コスト関数が、方程式： Ｇ₁＝μ²（ｄ₁）²−［（ｘ₁−ｘ₀）²＋（ｙ₁−ｙ₀）²］ Ｇ₂＝μ²（ｄ₂）²−［（ｘ₂−ｘ₀）²＋（ｙ₂−ｙ₀）²］ Ｇ₃＝μ²（ｄ₃）²−［（ｘ₃−ｘ₀）²＋（ｙ₃−ｙ₀）²］ から得られるシステムであって、ここで、μはマルチパ
    ス効果パラメータ、ｄ₁は前記移動局から第１の基地局
    までの距離、ｄ₂は前記移動局から第２の基地局までの
    距離、ｄ₃は前記移動局から第３の基地局までの距離、
    （ｘ₀，ｙ₀）は前記移動局のローカルデカルト座標、
    （ｘ₁，ｙ₁）は前記第１の基地局のローカルデカルト座
    標、（ｘ₂，ｙ₂）は前記第２の移動局のローカルデカル
    ト座標、および（ｘ₃，ｙ₃）は前記第３の移動局のロー
    カルデカルト座標であるシステム。
15. 【請求項１５】 請求項１４に記載の限局的測位システ
    ムにおいて、 ｄ₂＝ｄ₁＋２４３．９６１９２（Ｐ₂）メートル（８０
    ０．４（ｐ₂）ｆｔ）であって、ここで、ｐ₂は前記第１
    および第２の基地局のパイロットチャネル信号位相の記
    録の間の位相差であり、 ｄ₃＝ｄ₁＋２４３．９６１９２（Ｐ₃）メートル（８０
    ０．４（ｐ₃）ｆｔ）であって、ここで、ｐ₃は前記第１
    および第３の基地局のパイロットチャネル信号位相の記
    録の間の位相差であるシステム。
16. 【請求項１６】 請求項１３に記載の限局的測位システ
    ムにおいて、前記移動局の位置を推定するための手段に
    先立ち、 前記複数の基地局の位置を示す前記基地局情報を受信す
    るための手段と、 前記パイロットチャネル信号情報と前記基地局情報とを
    前記パイロットチャネル信号情報および前記基地局情報
    の両方に共通する信号源識別子に基づいて整合するため
    の手段とをさらに含むシステム。
17. 【請求項１７】 請求項１３に記載の限局的測位システ
    ムにおいて、前記到着時間が前記基地局の同期したタイ
    ミングに対応するシステム。
18. 【請求項１８】 請求項１３に記載の限局的測位システ
    ムにおいて、前記移動局の位置を推定するための手段に
    先立ち、 前記移動局から基地局のうちの一つまでの距離を、前記
    基地局と前記移動局とによって形成される角度を含む一
    組の距離誤差コスト関数を最小化することによって推定
    するための手段をさらに含むシステム。
19. 【請求項１９】 請求項１８に記載の限局的測位システ
    ムにおいて、距離誤差コスト関数が、方程式： Ｆ₁₂＝（ｂ₁ｂ₂）²−μ²ｄ₁ ²−μ²ｄ₂ ²＋２μ²（ｄ₁）（ｄ₂）ｃｏｓα₁₂、 Ｆ₁₃＝（ｂ₁ｂ₃）²−μ²ｄ₁ ²−μ²ｄ₃ ²＋２μ²（ｄ₁）（ｄ₃）ｃｏｓα₁₃、 Ｆ₂₃＝（ｂ₂ｂ₃）²−μ²ｄ₂ ²−μ²ｄ₃ ²＋２μ²（ｄ₂）（ｄ₃）ｃｏｓα₂₃ から得られるシステムであって、ここで、ｂ₁ｂ₂は第１
    の基地局から第２の基地局までの距離、ｂ₁ｂ₃は第１の
    基地局から第３の基地局までの距離、ｂ₂ｂ₃は第２の基
    地局から第３の基地局までの距離、μはマルチパス効果
    パラメータ、ｄ₁は前記移動局から第１の基地局までの
    距離、ｄ₂は前記移動局から第２の基地局までの距離、
    ｄ₃は前記移動局から第三の基地局までの距離、α₁₂は
    前記移動局と第１および第２の基地局との間の直線によ
    って形成される角度を表し、α₁₃は前記移動局と第１お
    よび第３の基地局との間の直線によって形成される角度
    を表し、またα₂₃は前記移動局と第２および第３の基地
    局との間の直線によって形成される角度を表すシステ
    ム。
20. 【請求項２０】 請求項１３に記載の限局的測位システ
    ムにおいて、前記パイロットチャネル信号情報が少なく
    とも１つの信号源識別子、パイロットチャネル信号位相
    およびパイロット強度を含むシステム。
21. 【請求項２１】 請求項２０に記載の限局的測位システ
    ムにおいて、前記基地局情報が少なくとも１つの信号源
    識別子および基地局の位置を含むシステム。
22. 【請求項２２】 請求項１３に記載の限局的測位システ
    ムにおいて、移動局の位置の平均推定値を得るために前
    記移動局の位置の推定値を以前の前記移動局の推定値と
    平均するための手段をさらに含むシステム。
23. 【請求項２３】 請求項１３に記載の限局的測位システ
    ムにおいて、前記パイロットチャネル信号情報がＣＤＭ
    Ａ信号に含まれるシステム。
24. 【請求項２４】 請求項１３に記載の限局的測位システ
    ムにおいて、前記パイロットチャネル信号情報がＴＤＭ
    Ａ信号に含まれるシステム。
25. 【請求項２５】 移動局の位置を決定するためのコンピ
    ュータで読み取り可能な媒体上に作成された実施可能な
    プログラムであって、 前記移動局へのパイロットチャネル信号の到着時間を示
    すパイロットチャネル信号情報を受信するための受信用
    ソースコードセグメントと、 前記パイロットチャネル信号情報および前記到着時間が
    関わる複数の基地局の位置を示す基地局情報に基づき一
    組の位置誤差コスト関数を最小化することによって前記
    移動局の位置を推定するための推定用ソースコードセグ
    メントとを含むプログラム。
26. 【請求項２６】 請求項２５に記載の実施可能なプログ
    ラムにおいて、 前記移動局から基地局のうちの一つまでの距離を、前記
    基地局と前記移動局とによって形成される角度を含む一
    組の距離誤差コスト関数を最小化することによって推定
    するための計算用ソースコードセグメントをさらに含む
    プログラム。
27. 【請求項２７】 コンピュータデータ信号であって、 前記移動局へのパイロットチャネル信号の到着時間を示
    すパイロットチャネル信号情報を受信するための受信用
    信号セグメントと、 前記パイロットチャネル信号情報および前記到着時間が
    関わる複数の基地局の位置を示す基地局情報に基づき一
    組の位置誤差コスト関数を最小化することによって前記
    移動局の位置を推定するための推定用信号セグメントと
    を含むコンピュータデータ信号。
28. 【請求項２８】 請求項２７に記載のコンピュータデー
    タ信号において、 前記移動局から基地局のうちの一つまでの距離を、前記
    基地局と前記移動局とによって形成される角度を含む一
    組の距離誤差コスト関数を最小化することによって推定
    するための計算用信号セグメントをさらに含むコンピュ
    ータデータ信号。
29. 【請求項２９】 請求項２７に記載のコンピュータデー
    タ信号において、前記コンピュータデータ信号が搬送波
    上に包含されているコンピュータデータ信号。