JP2003506930A - 低精度クロックを使用して移動通信装置の位置を測定する方法及び装置 - Google Patents
低精度クロックを使用して移動通信装置の位置を測定する方法及び装置Info
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Abstract
Description
て移動通信装置の位置を測定する方法及び装置」の米国特許出願番号09/36
5,702から優先権を主張する。
らに特に、大きなマルチパス干渉の存在下において移動通信装置の位置を迅速か
つ正確に測定するために、比較的低精度のクロックを有する移動通信装置と基準
通信装置との間におけるスペクトル拡散測距信号の双方向送信を使用するシステ
ムに関する。
いて極めて有益だろう。軍事的には、全地球測位システム(GPS)信号のよう
な従来の位置測定システムの信号が(例えば、屋内で)使用不可能であるケース
を含む作戦行動及び救助任務の調整の際に兵員及び/又は軍用機材の位置を知る
ことが必要である。さらに一般的に言えば、適切に用意された移動通信装置が、
屋内又は屋外の両方に位置した人員及びリソースの位置を追跡するために使用可
能であり、こうした屋内又は屋外の両方に位置した人員及びリソースは、非限定
的に、戦術的任務に従事している警官、炎上する建物の付近又は内部に位置した
消防士、医療施設内又は救急現場に向かう途上の医療担当者及び装置(医師、看
護婦、医療補助員、救急車を含む)、捜索及び救助任務に従事している人員を含
む。さらに、一体化された位置発見通信装置が、パーソナルコンピュータ、ラッ
プトップコンピュータ、携帯用電子装置、スーツケース、ブリーフケース、高額
の在庫品、盗難車のような物品を含む貴重品が追跡及び位置発見されることを可
能にするだろう。従来の位置測定システム運用がより困難である都市環境内にお
いては、トラック、バス、及び、レンタル車両を含む商業用又は産業用車両を確
実に追跡することが望ましいだろう。さらに、ショッピングモールや遊園地や観
光地のような混雑した環境内での子供の位置発見、建物内の人員の位置発見、及
び留置施設内での囚人の位置発見を非限定的に含む様々な状況下において、移動
通信装置を携帯する人間を追跡することが望ましいだろう。
とにも応用できる。従来の地上/有線電話機とは違って、従来の移動電話機の位
置は、緊急呼出が行われる際に緊急応答システム(例えば、合衆国における91
1システム)によって自動的に測定されることは不可能である。したがって、発
呼者が自分の位置を知らせるために口を利くことが不可能である場合(例えば、
発呼者が意識を失っているか、のどが詰まっているか、不随意な状況にある時)
には、救助が提供されることが不可能である。移動電話機の位置を測定する能力
は、緊急呼出が行われた場所をピンポイントで発見するために使用されることが
可能である。こうした情報は、さらに、セルネットワーク管理 (Cell network m
anagement) を補助するためにも使用できる。
れている場合には、その移動通信装置が音声又はデータ通信を妨害することなし
に通信と位置発見とを同時に行うことが可能なように、位置発見能力を組み込む
ことが望ましいだろう。
異なる既知の位置にある多数の送信器(例えば、全地球測位システム(GPS)
衛星又は地上送信器)からそれぞれに送信される多数のタイミング信号を移動通
信装置において受信することが含まれている。移動通信装置は、タイミング信号
の到着時刻に基づいて各送信器に対する距離を測定することによって、三角測量
を使用してその移動通信装置の位置を計算することが可能である。
重経路又はより長い経路を含む複数の互いに異なる経路に沿って送信器から受信
器に進む信号によって引き起こされるマルチパス干渉の存在下では、こうした位
置発見技術の精度と操作性が著しく低下させられる可能性がある。不幸にして、
マルチパス干渉は、都市環境内及び/又は屋内のような位置発見技術がその最大
の有用性を発揮する幾つかの環境内において最も深刻である可能性があり、これ
は、人工構造物が、信号が反射される機会を生じさせ、それによって多数の互い
に異なる経路を経由して信号が受信器に到着することを引き起こすからである。
われてきた。マルチパス干渉環境内で位置発見を実現すると報告されているシス
テムの一例が、本明細書に全体が引例として組み入れてある“Spread S
pectrum Indoor Geolocation,”Navigati
on:Journal of The Institute of Navig
ation,Vol.45,No.2,Summer 1998においてぺター
ソン (Peterson) 他によって提示されている。この論文に記述されているシステ
ム(以下では「ぺターソンシステム」と呼ぶ)では、移動無線装置の送信器が、
搬送周波数258.5MHz及びチップレート23.5MHzで、変調された疑
似乱数ノイズ(PRN)シーケンスを連続的に送信する。この送信器は電池駆動
であり、したがって建物内を容易に運搬されることが可能である。試験サイトの
屋根上に配置された4つの広帯域アンテナが移動無線装置によって送信される信
号を受信する。信号が、屋根から中央位置に配置された受信器に延びる低損失ケ
ーブルを経由して、アンテナから4つの対応する受信器に送られる。受信器は、
ホストパーソナルコンピュータ(PC)内に配置されたアナログ/ディジタル(
A/D)変換器ボードを使用して移動無線装置によって送信された信号を復調し
、このホストパーソナルコンピュータは、5.5ミリ秒間に1.7s間隔で信号
をサンプリングし、その生データを処理して到着時刻(TOA)を測定する。こ
のシステムは、デュアルチャネルA/Dボードを各々が内蔵する2つの受信器コ
ンピュータを使用する。受信装置からの出力が2つのホストコンピュータ上のデ
ュアルチャネルA/Dボードに送り込まれる。ホストコンピュータの各々は、A
/Dボード上の両チャネルに共通のトリガに対する各チャネルのTOAを求める
ために、A/Dボードの各チャネル上の信号を処理する。TOAアルゴリズムは
、周波数ドメイン技術を使用して相関器の出力において得られるPRNシーケン
スの相互相関関数の立上がり縁を発見することに基づいている。TOAは、無線
ローカルエリアネットワークを経由して、ベースコンピュータとして働く第3の
コンピュータのRAMドライブに伝送される。ベースコンピュータはTOAから
時間差(TD)を計算し、送信器の2次元位置を算出する。その次に、この位置
がリアルタイムで建物オーバレイ上にプロットされる。
線装置との間の距離が、これらの無線装置の間を信号が移動するのに要する時間
を計測することによって測定される。この情報は、ターゲット無線装置と基準無
線装置とが同一の時間基準に同期した状態のままである場合にだけ、単方向通信
から測定されることが可能であるにすぎない。すなわち、送信無線装置はそのロ
ーカルクロックに基づいて信号の送信時刻を設定し、受信無線装置は、送信器の
クロックと同じ時間基準に常に同期されていなければならないそのローカルクロ
ックに基づいて信号の到着時刻を測定する。その次に、信号伝播の持続時間が、
基本的に到着時刻から送信時刻を引き算することによって求められることが可能
である。
信器のクロックと4つの受信器のクロックとの間の同期を必要とする。不幸にし
て、信号伝播の持続時間を正確に計測するために必要とされる正確な時間同期は
、時間の経過によるあらゆるローカルクロックの大きなタイムドリフトを許容で
きない。したがって、このシステムのクロックのすべては高度に正確でなければ
ならず(すなわち、約0.03百万分率 (ppm))、このことはシステムの
コストと複雑性を増大させることになる。
とが必要であることが、単方向の測距信号(ranging signal)から得られる位置
推定値の精度に関するさらに別の含意を有する。容易に事前にキャラクタライズ
又は予測できない非同期の事象が各無線装置内で生じる。こうした事象は、実際
の送信時刻及び到着時刻の情報に関して無線装置内で誤りを生じさせ、それによ
って距離及び位置推定値の精度を低下させる。
)の実現可能性を実証するために開発されたので、商業的に有用なシステムを構
成するために必要とされる幾つかの技術的問題に対処しない。例えば、受信器ア
ンテナは固定されており(移動不可能であり)、遠隔位置にある受信器にケーブ
ルで接続されている。したがって、このシステムは、送信条件の変化に適応でき
ず、当該無線装置が1つ又は複数の基準受信器と通信できない状況を調整するこ
とも補整することも不可能である。信号処理及び解析が、標準サイズのパーソナ
ルコンピュータと他の大型の実験機器とを使用して行われる。このシステムは比
較的低いチップレートを使用し、このシステムの精度と操作性とに有害なマルチ
パス干渉の影響を受けやすいままである。さらに、このシステムによって測定さ
れる無線装置の位置は2次元位置(すなわち、水平面における位置)にすぎない
。
元の屋内位置又は屋外位置を迅速かつ正確に測定することが可能な、上述の実際
的な用途で使用するための商業的に実現可能な位置発見システムが依然として必
要とされている。
を含む様々な環境の中で、移動通信装置の3次元位置を迅速かつ確実かつ正確に
測定することである。
車両、移動電話機、子供、囚人のような人間及び物品の位置発見及び/又は追跡
を含む様々な用途に有用な位置発見能力を有する、小型のハンドヘルド型又は携
帯用の移動通信装置を提供することである。
引き起こされる干渉の効果を最小限に抑え、それによって、過酷なマルチパス条
件下でさえ高度に正確な3次元位置推定値を与えることである。
不要にすることによって位置検出システムのコストを低下させ、それによって高
精度クロックのような高コストの構成要素を不要にすることである。
位置測定精度を改善するために、最新技術のスペクトル拡散チップレート及び帯
域を使用することである。
正確に測定するように、直接経路信号からマルチパス干渉を分離することである
。
処理することによって生じさせられる誤りを最小限に抑えることである。
体の位置を測定するために、固定無線装置と他の移動無線装置とのあらゆる組合
せに適応的に依存することが可能である、自己回復システムを提供することであ
る。
トウェア能力の多くを使用することによって、位置発見移動通信装置の設計及び
製造コストを最小限に抑えることである。
動通信装置が音声及びデータ通信を妨害することなく同時にその移動通信装置の
位置を通信し確定することができるように、この移動通信装置に位置発見能力を
組み込むことである。
って明確に要求されていない限りは、こうした目的の2つ以上を必要とするもの
として本発明が構成されることは意図されていない。
となしに、ハンドヘルド型又は携帯用のスペクトル拡散通信装置の正確で信頼性
の高い3次元位置を数ミリ秒以内に発見することを実現する。スペクトル拡散波
形及び処理技術を使用することによって、本発明のシステムは、過酷なマルチパ
ス環境内において1メートル未満の精度で位置測定を行うことが可能である。
によって計算するために使用される正確な距離測定値を得るために測距メッセー
ジの到着時刻が正確に測定される双方向往復測距メッセージ方式を使用する。マ
スタすなわちターゲット移動無線装置が、基準無線装置の位置とメッセージター
ンアラウンド時間(すなわち、アウトバウンド測距メッセージの受信と応答測距
メッセージの送信との間の時間)とを表示する応答測距メッセージを送信するこ
とによって応答する複数の基準無線装置にアウトバウンド測距メッセージを送信
する。応答測距メッセージの受信時に、マスタ無線装置は、ターンアラウンド測
距メッセージの送信と応答メッセージの到着時刻との間の経過時間からターンア
ラウンド時間と内部処理遅延とを引き算することによって、信号伝播時間とした
がって距離とを測定する。こうして、個々の無線装置は共通の時間基準に同期さ
れることが不要であり、このことが、従来の時間同期システムで必要な高度に正
確なシステムクロックの必要性を排除する。音声及びデータ通信を妨害すること
なしに位置検出能力を実現するために、短い測距メッセージが音声及びデータメ
ッセージによって非侵入的にインタリーブされることが可能である。
される。内部遅延校正を行うことによって、送信器及び受信器の予測困難な遅延
変動によって引き起こされる誤りが最小限に抑えられることが可能である。この
システムは、マルチパス干渉を低減させるために最新技術のスペクトル拡散チッ
プレート及び帯域を使用し、TOA推定処理の一部分を行うために既存のハード
ウェア及びソフトウェアを利用する。TOA推定値に対するマルチパス干渉の悪
影響をさらに低減させるように、測距メッセージ中の収集シーケンスの立上がり
縁を正確に位置発見するために、立上がり縁の曲線当てはめ(leading edge cur
ve fitting)が使用される。マルチパス干渉の大きさが、収集シーケンスのパル
ス幅を評価することによって測定される。マルチパスが大きい場合には、必要に
応じて、直接経路信号に対してマルチパス干渉を直交させるために周波数ダイバ
ーシチが使用され、この場合にマルチパス干渉の悪影響を最小限に抑えるために
、最適の搬送周波数が識別され、TOAの推定に使用される。
線装置との通信を必要とする従来のシステムとは違って、本発明のシステムは、
固定無線装置及び/又は移動無線装置を含む1組の基準無線装置を使用すること
が可能であり、この場合に移動通信装置の位置を測定するための基礎となる1組
の無線装置は、移動通信装置の送信条件と位置とに応じて時間の経過と共に変化
することが可能である。既知の位置にある固定無線装置又は移動無線装置のあら
ゆる組合せが、このシステムにおける別の移動無線装置のための基準無線装置と
して使用されることが可能であり、このことが、変動する条件の下での適応性を
実現する。
機材、貴重品、車両、移動電話機、子供、囚人のような人間及び物品の位置発見
及び/又は追跡を含む、様々な用途に有用である。
の特定の実施形態の後述の詳細な説明を、特に個々の図面の参照数字が同じ構成
要素を表すために使用されている添付図面を参照しながら検討することによって
、明らかになるだろう。
声又はデータ通信を妨害することなしに、数ミリ秒以内に、正確で信頼性の高い
位置発見情報を提供する。スペクトル拡散波形及び処理技術を使用することによ
って、本発明のシステムは過酷なマルチパス環境下において1メートル未満の精
度で位置を測定することが可能である。特に、双方向の到着時刻メッセージ通信
方式が、従来の時間同期システムで必要とされる高度に正確なシステムクロック
を不要にすると同時に上述の目的を実現するために使用される。内部遅延校正と
周波数ダイバーシチと信号立上がり縁の曲線当てはめとを行うことによって、測
距信号到着時刻の高度に正確な推定値が得られることが可能であり、このことが
推定値に基づいた距離及び位置計算の精度を確実なものにする。特定の組の固定
位置の基準無線装置との通信を必要とする従来のシステムとは違って、本発明の
システムは、固定無線装置及び/又は移動無線装置を含む1組の基準無線装置を
使用することが可能であり、この場合に、移動通信装置の位置を測定するための
基礎となる1組の無線装置は、移動通信装置の送信条件と位置とに応じて時間経
過と共に変化することが可能である。
、18、20と通信するターゲットすなわち「マスタ」移動通信装置すなわち「
無線装置」12を含む。本説明と特許請求項とで使用される場合には、移動通信
装置すなわち移動無線装置は、ハンドヘルド型又は身体装着型の無線装置、あら
ゆるタイプの移動電話機(例えば、アナログセルラ電話機、ディジタルセルラ電
話機、又は衛星ベースの電話機)、ページャ又はポケットベル(登録商標)装置 、地上車両又は航空機内に搭載されているか組み込まれているか埋め込まれてい る無線装置、又は無線送受信能力を有するあらゆる携帯用電子装置を非限定的に 含む、通信信号を送信及び/又は受信することが可能なあらゆる携帯用の装置で ある。
を搬送するために本明細書で説明する仕方でマスタ無線装置12と通信すること
が可能な、既知の位置にあるあらゆる無線装置であることが可能である。例えば
、1つ又は複数の基準無線装置が、塔又は建物のような既知の場所に固定的に取
り付けられているビーコン型の無線装置であることが可能である。さらに、1つ
又は複数の基準無線装置は、他のソースから、例えば、全地球測位システム(G
PS)信号の受信から、又は、座標が既知でありかつ無線装置に入力されている
調査済みの位置に現時点で存在していることからその位置を測定することが可能
な移動無線装置(基準無線装置はそれ自体としてはGPS衛星ではない)である
ことも可能である。最後に、より詳細に後述するように、特定のターゲット無線
装置によって依拠される基準無線装置の1つ又は複数が、マスタ無線装置に類似
した又は同一の別の移動通信装置であることが可能であり、この場合に、基準無
線装置は本発明の方法によってそれ自体の位置を測定する(この場合には、「基
準」無線装置は他の無線装置のための基準無線装置とそれ自体の「マスタ」無線
装置の両方として機能する)。各基準無線装置が潜在的に移動無線装置であるこ
とが可能であるという事実が、基準無線装置14、16、18、20の各々の下
の「(移動体)」という表示によって図1に示されている。
置14、16、18、20と通信する。具体的に述べると、マスタ無線装置12
と基準無線装置14、16、18、20の各々は、測距メッセージを送受信する
ための送信器と受信器とに接続されているアンテナを含む。各無線装置のアンテ
ナと送信器と受信器は、さらに音声及びデータメッセージのような他の通信のた
めに使用されてもよい。マスタ無線装置と基準無線装置との間で送信される測距
メッセージの到着時刻(TOA)が、各基準無線装置に対する距離を測定するた
めに使用され、その次に三角測量が、基準無線装置に対するマスタ無線装置の位
置を距離測定値から決定するために使用される。基準無線装置との間で交換され
る測距メッセージからマスタ無線装置がそのマスタ無線装置自体の位置を測定す
ることを可能にするために、各基準無線装置はそれ自体の位置を知っておりかつ
この情報をマスタ無線装置に送らなければならない。
れている方式のような単方向TOA方式ではなく、双方向すなわち往復測距メッ
セージ方式を使用する。図1の双方向の矢印から分かるように、マスタ無線装置
12は初期アウトバウンド測距メッセージを基準無線装置14、16、18、2
0の各々に送信し、各基準無線装置から応答測距メッセージを受信する。例えば
、マスタ無線装置12は、最初に測距メッセージを基準無線装置14と交換し、
その次に測距メッセージを基準無線装置16と交換する等の形で、個々の基準無
線装置各々と測距メッセージを逐次的に交換する。
ソフトウェアを利用するために、距離測定のために使用されるメッセージ通信プ
ロトコルは、これらの無線装置によって使用されるthe Carrier S
ense Multiple Access−Collision Avoid
ance (CSMA−CA)プロトコルから得られることが可能である。図2
に示されているように、CSMA−CAプロトコルのRequest−to−S
end(RTS)及びClear−to−Send(CTS)メッセージは、初
期アウトバウンド測距メッセージと応答測距メッセージとをそれぞれに供給する
ために保存され、CSMA−CAプロトコルのMessage and Ack
nowledgementパケットの使用は不要である。RTSメッセージはマ
スタ無線装置から基準無線装置に送信される初期アウトバウンド測距メッセージ
(図ではRTS−Tとして示されている)としての使用に適合化されることが可
能であり、CTSメッセージは、各基準無線装置からマスタ無線装置に送信され
る応答測距メッセージ(図ではTOA Msg.として示されている)としての
使用に適合化されることが可能である。標準RTS及びCTSメッセージのフォ
ーマットは、より詳細に後述するように、本発明の測距メッセージ通信方式をサ
ポートするように変更されることが可能である。標準RTS及びCTSメッセー
ジに関しては、本発明の測距メッセージは、音声及びデータ通信を妨害すること
なしに測距メッセージの交換を可能にするように、音声及びデータ通信メッセー
ジによってインタリーブされることが可能である。当然であるが、本発明のメッ
セージ通信方式は何らかの特定のプロトコルには限定されず、アウトバウンド測
距メッセージと応答測距メッセージとの送信を可能にするあらゆる適切なメッセ
ージ構造が、本発明を実現するために使用可能である。
初期アウトバウンド測距メッセージRTS−Tを送信するマスタ無線装置で開始
する(このプロセスは逐次的に各基準無線装置に関して繰り返される)。基準無
線装置はマスタ無線装置からの距離に比例した遅延の後にRTS−Tメッセージ
を受信し、RTS−Tメッセージの到着時刻を測定する。その次に、基準無線装
置はマスタ無線装置に対して応答測距メッセージ(TOA Msg.)を送信す
る。TOAメッセージパケットは、基準無線装置におけるターンアラウンド時間
、すなわち、RTS−Tメッセージの到着とそれに対応するTOAメッセージの
送信との間の時間を表示する。マスタ無線装置はTOAメッセージの到着時間を
測定して、往復遅延時間とターンアラウンド時間との情報から基準無線装置に対
する距離を導き出す。
T波形22の例が図3に示されている。この波形は収集部分とこれに続くデータ
部分とを含む。この波形の収集部分は、各128チップの16個の4μs記号を
含む通信収集シーケンス(comm. acquisition)24で始まる。通信収集シーケ
ンスは、CSMA−CAプロトコルの従来のRTS波形における通信収集シーケ
ンスと同一である。したがって、この典型的な実施形態の基準無線装置の受信器
における既存のハードウェア及びソフトウェアが、RTS−Tメッセージの到着
を検出するために使用可能である。RTS−Tメッセージの収集部分は、さらに
、4096チップを含む到着時刻(TOA)同期シーケンス26(持続時間12
8μs)を含む。より詳細に後述するように、TOA同期シーケンスが、到着時
刻を正確に測定するために通信収集シーケンスと組み合わせて使用される。
4μs)と「他のデータ」(16ビット、64μs)とを含む。「行先アドレス
」フィールドは、マスタ無線装置がRTS−Tメッセージの宛先としている基準
無線装置を表示するために使用される。「他のデータ」フィールドが、マスタ無
線装置、測距モードを表示するフラグもしくはデータ、又は、マルチパス干渉の
状態に関する情報のような情報を含むことが可能である。
Msg.)は、さらに、通信収集シーケンスとTOA収集シーケンスとを含む
収集シーケンスも含む。TOAメッセージのデータ部分内では、基準無線装置が
行先マスタ無線装置を識別し、及びメッセージ源としてその基準無線装置自体を
識別することもできる。TOAメッセージは、さらに遠端ターンアラウンド時間
の推定値も含み、この遠端ターンアラウンド時間は基準無線装置におけるRTS
−Tメッセージの到着時刻と基準無線装置からのTOAメッセージの送信時刻と
の間の持続時間である。TOAメッセージは、さらに基準無線装置の現在位置を
表示するメッセージ情報も含む。この情報は、受信されて基準無線装置によって
処理された又はビーコン型無線装置又は他の移動無線装置からの距離測定によっ
て本発明の方法を使用して処理された受信GPS信号から座標が既に分かってい
る位置に基準無線装置が存在するという事実から得られることが可能である。
マスタ無線装置に供給される)基準無線装置における遠端ターンアラウンド時間
と、応答測距メッセージの到着時刻と、内部送信/受信処理遅延とを正確に知る
ことによって、マスタ無線装置はそのマスタ無線装置と各基準無線装置との間の
双方向信号伝播時間を正確に測定することが可能である。さらに明確に述べると
、双方向又は往復伝播時間(TRT)とは、応答メッセージの到着時刻(TOA)
からアウトバウンドメッセージの送信時刻(TT)を引き算し、さらに、ターン
アラウンド時間の持続時間(ΔTTA)とマスタ無線装置内での内部処理遅延(Δ
TID)(基準無線装置の内部処理遅延はターンアラウンド時間ΔTTAの中に含ま
れる)とを引き算したものである。 TRT=TOA−TT−ΔTTA−ΔTID (1) 式(1)では別々に表されているが、内部処理遅延に関する計算は到着時刻T
OAと送信時刻TTとの正確な測定の一部分と見なされることが可能であり、し
たがって、さらに一般的には、往復信号伝播時間TRTは、a)アウトバウンド測
距メッセージの送信時刻と応答測距メッセージの到着時刻との間の経過時間と、
b)ターンアラウンド時間ΔTTAとの間の差として記述されることが可能である
。
の速度(例えば空気中の光の速度)に単方向伝播時間を乗算することによって、
距離が容易に算出される。 距離=(速度)(TRT)/2 (2)
てそれ自体の時間基準フレームにおいて既知であるということに留意されたい。
同様に応答測距メッセージの到着時刻(TOA)が、マスタ無線装置によってそ
れ自体の時間基準フレームにおいて既知である。ターンアラウンド時間(ΔTTA )は絶対的な持続時間であり、あらゆるローカルクロックの特定のタイミング基
準には無関係である。すなわち、ターンアラウンド時間は、基準無線装置によっ
て送信される応答メッセージの送信時刻と基準無線装置におけるアウトバウンド
測距メッセージの到着時刻との間の差にとして基準無線装置によって測定される
。基準無線装置における到着時刻と送信時刻とが基準無線装置のローカルクロッ
クの時間基準フレームにおいて測定されるが、その結果として得られる時間差(
ΔTTA)は基準無線装置の基準時間フレームとは無関係である。したがって、往
復伝播時間(TRT)は、基準無線装置のどんなクロックのタイミング基準に対す
る参照も同期もなしに、マスタ無線装置のローカルクロックによって保持された
マスタ無線装置自体のタイミング基準において、マスタ無線装置によって測定さ
れることが可能である(すなわち、システム同期は不要である)。実際には、マ
スタ無線装置は、アウトバウンド測距メッセージが送信される時に「タイマを始
動させ」、応答測距メッセージが到着した時に「タイマを停止させ」、その次に
、往復信号伝播の持続時間を得るために、「タイマの経過時間」からターンアラ
ウンド時間と内部処理遅延とを引き算する。
ーカルクロックを同一のタイミング基準に同期する必要を取り除く。したがって
、ローカルクロックは比較的低い精度を有し、このことがシステムの複雑性とコ
ストを低減させる。すなわち、ローカルクロックの同期を維持する従来のシステ
ムは、時間の経過につれてクロックが互いに対してドリフトすることを防止する
ために、高精度のクロック(例えば0.03ppm)と周期的な同期処理とを必
要とする。これとは対照的に、本発明のクロックは例えば約1ppmの精度であ
ることが可能である。本明細書で使用する場合に、術語「低精度クロック」は、
時間同期システムで使用される現在の最新技術のクロック精度に比較して低い精
度、具体的には約0.5ppmから約10ppmmの範囲内の精度を有するクロ
ックを意味する。本発明のクロックは時間の経過につれて大きなドリフトを被る
だろうが、本発明のシステムがクロックの同期に依存してないので、このドリフ
トはシステムの性能に悪影響を与えない。更に明確に述べると、本発明のシステ
ムはマスタ無線装置と基準無線装置との間の信号の往復遅延時間を調べる。比較
的低い精度のクロックの場合でさえ、短い往復時間遅延中にマスタ無線装置のロ
ーカルクロックが被る、及び、さらに短いターンアラウンド時間中に基準無線装
置のローカルクロックが被る瞬間的又は短期的なドリフトすなわち変動はわずか
である。
正確に測定するために、及びマスタ無線装置の位置を正確に推定するために、測
距メッセージの送信時刻と到着時刻とを正確に測定することが可能でなければな
らない。本発明は、従来においては到着時刻の推定値の精度を低下させる傾向が
ある激しいマルチパス干渉の存在下でさえ、真の到着時刻と送信時刻とを正確に
測定するための幾つかの技術を含む。
非同期の事象が、各無線機内で発生する。こうした事象は、実際の送信時刻と到
着時刻の情報に関して無線装置内で誤りを生じさせ、それによって距離及び位置
推定値の精度を低下させる。言い換えると、各無線装置内で信号処理に要する時
間は時間の経過につれて一定不変ではなく、到着時刻推定値と送信時刻推定値と
の不正確さを生じさせる固定値を処理遅延が有すると想定できる。
じる処理遅延タイミング誤りを最小限に抑えるように、各無線装置は、測距メッ
セージの処理時に生じる実際の内部プロセッサ時間遅延を正確に推定するために
、測距メッセージの送信時刻に時間的に近い時点で内部遅延校正を行う。
置内の内部遅延(Tmt+Tmr)を測定するためにループバックスルーパッド
(loop back through pad)40を使用して内部遅延校正を行うことによって、
TOA測距プロセスを開始する。複数回(例えば10回)の試行が行われ、遅延
推定値の変動を減少させるために平均化される。遅延Tmtはマスタ無線装置遅
延である。これは、送信信号が実現される送信モデム(Txモデム)42による
遅延と、中間周波数(BB−IF)変換44に対する送信ベースバンドによる遅
延と、マスタ無線装置の送信無線周波数(Tx RF)アナログ回路系46によ
る遅延との合計である。遅延Tmrはマスタ無線装置受信器遅延である。これは
、マスタ無線装置の受信無線周波数(Rx RF)アナログ回路系48による遅
延と、IF−BB変換50による遅延と、復調処理が生じる受信モデム(Rx
mdm)52による遅延との合計である。
るTOAデータフィールド内のビットセットを伴ってRTS−Tアウトバウンド
測距メッセージを基準無線装置に送信することによって、TOA測距メッセージ
シーケンスを開始する。基準無線装置はRTS−Tを受け取り、TOAデータビ
ットを読み取り、基準無線装置の内部遅延(Trt+Trr)を測定するために
ループバックスルーパッド54を使用して内部遅延校正を行い、ターンアラウン
ド遅延を(後述するように)さらに改善するために曲線の当てはめを行い、TO
Aメッセージを形成する。TOAメッセージは、基準無線装置の位置を表示する
データ(例えば、GPS位置データ)と、遅延校正の結果と、曲線の当てはめに
よるターンアラウンド遅延改善とを含む。遅延Trrは基準無線装置遅延である
。これは、無線装置のRx RFアナログ回路系56による遅延と、IF−BB
変換58による遅延と、復調処理が生じるRxモデム60による遅延との合計で
ある。遅延Trtは基準無線装置送信器遅延である。これは、Txモデム62に
よる遅延と、送信BB−IF変換64による遅延と、基準無線装置のTx RF
アナログ回路系66による遅延との合計である。TOAメッセージは、最終的な
単方向TOAと距離と相対位置とを計算するマスタ無線装置に送り返される。
線装置にプリロードされており、かつ、TOAをアンテナ/空気インタフェース
に対照するために遅延校正の結果と組み合わされている定数である。遅延Taは
、一定の範囲の動作温度にわたるアンテナ及びケーブルの大きなサンプルによる
遅延を測定することと、測定値の平均偏差と標準偏差とを計算することとによっ
て測定される。アンテナと電子機器との間のケーブルに関するケーブル遅延はT
aに含まれているということに留意されたい。
、校正プロセスと推定アンテナ遅延Taとから求められるマスタ無線装置の送信
器遅延及び受信器遅延Tmt、Tmrから求められる。同様に、ターンアラウン
ド時間TTの持続時間の推定値が、校正プロセスと推定アンテナ遅延Taとから
求められる基準無線装置の送信器遅延及び受信器遅延Trt、Trrから求めら
れる。アウトバウンド測距メッセージの送信と応答測距メッセージの受信との間
においてマスタ無線装置によって測定される合計経過時間が、メッセージ信号の
伝播に由来した時間と、無線装置内の処理遅延に由来した時間とを含む。処理遅
延に由来した時間を正確に推定して引き算することによって、信号伝播時間(及
び、したがって、距離)がより正確に求められることが可能である。
復可能な精度を得るための鍵の1つである。本質的に、実際の測距メッセージを
後で送信するために使用される処理と同じ処理を通して校正信号を送ることによ
って、キャラクタライズが困難な処理遅延の変動を、より正確な測定値を得るた
めに校正することが可能である。図4に示されているように、マスタ無線装置の
校正プロセスが、往復メッセージ時間の持続時間を測定するタイマを始動させる
直前に行われることが可能であり、基準無線装置の校正が基準無線装置における
ターンアラウンド時間中に行われることが可能である。更に一般的に述べると、
無線装置における校正は、測距信号の送信の直前の任意の時点(例えば、数ミリ
秒以内)に行われることが可能である。例えば、マスタ無線装置と基準無線装置
との間の測距メッセージの最初の交換の直後に後続の測距メッセージがマスタ無
線装置と基準無線装置との間で交換される場合には、これらの後続のメッセージ
のために校正を繰り返すことは不要である(図4を参照されたい)。
は、基準無線装置におけるアウトバウンド測距メッセージの到着時刻とマスタ無
線装置における応答測距メッセージの到着時刻との高精度の推定である。本発明
の別の側面では、測距メッセージの同期シーケンスの立上がり縁のタイミングが
、到着時刻推定値の精度を低下させる可能性があるマルチパス干渉を評価して回
避することによって正確に測定される。特に、通信収集シーケンスとRTS−T
及びTOAメッセージのTOA同期シーケンスとを使用する2段階の信号収集方
式が使用される。通信収集シーケンスの検出は、到着時刻が高精度で推定される
TOA同期シーケンスの収集をトリガするために使用される。
ケンスの収集(及び、マスタ無線装置におけるTOAメッセージの収集)を示す
機能ブロック図が図6に示されている。アナログ/ディジタル(A/D)変換後
に、スペクトル拡散複素信号の形の通信収集シーケンスが、基準無線装置のモデ
ムのための時間同期を提供するために処理される。具体的には、収集検出処理は
、送信された通信収集波形を検出して必要なタイミング情報を得るために、ディ
ジタル整合フィルタリングとバーカーコード (Barker code) 相関とを使用する
。例えば、通信収集プロセッサ70は、検出確率=99.5%、誤り検出確率=
10-6、及び、チップの1/4に決められた検出時間という動作要件に合致する
ように構成されることが可能である。
ッピング(chipping)している長さ128のPNシーケンスに適合させられた係
数を有するディジタル整合フィルタ(DMF)72(N=128)を含む。DM
F72は記号の各々を拡散解除(de-spread)して、各記号と整合している時に
ピーク応答を与える。PNシーケンスは16個のセグメントの各々に関して同一
であることが可能である。DMF72は、例えば32MHzで、同期させられる
ことが可能であり、それによって、同相(I)フィルタセクションのための12
8個の係数と直交(Q)フィルタセクションのための128個の係数を得ること
が可能である。DMF係数はプログラム可能であることが可能である。
。更に明確に述べると、差分検出器74は、記号間隔だけDMF72の出力を遅
延させる複素遅延ユニット76と、遅延信号の複素共役を形成する複素共役ユニ
ット78と、DMF72の出力とDMF72の出力の遅延された複素共役とを受
け取って差分検出器出力を生じさせる比較器80とを含む。決定変数は、これら
2つの複素数の間の位相差に比例しており、これは、BPSKの場合には、差分
検出器出力の実数部から抽出されることが可能である(ブロック82を参照され
たい)。
のような記号シーケンス相関器86に供給される。バーカーコード相関器の出力
が検出しきい値88と比較される。検出しきい値を超える場合には、通信の検出
が宣言される。
)は、CSMA−CAプロトコルにおいて従来のRTSメッセージの通信収集シ
ーケンスを検出するために使用される処理と同一であり、このことが既存のハー
ドウェアとソフトウェアが使用されることを可能にする。通信収集プロセッサ7
0は通信収集シーケンスを16個の128チップ記号のシーケンスとして取り扱
い、したがって、比較的短い整合フィルタ(N=128)を使用し、結果的に適
度な量の処理をもたらす。この適度な処理負荷が望ましいが、これは、(到着時
刻がアプリオリには知られてはいない)通信収集シーケンスを検出するために受
信器がこの処理を連続的に行わなければならないからである。
されることが可能であるが(すなわち、1段階TOA推定プロセス)、より長い
記号をより長い整合フィルタで処理することによって、より正確な推定値が得ら
れることが可能である。しかし、より長い整合フィルタを連続的にランすること
は過大な処理を必要とするだろう。したがって、本発明のシステムは2段階のプ
ロセスを使用し、このプロセスでは、通信収集シーケンスの検出が、より長い収
集記号がより長い整合フィルタを用いて処理される第2の段階(すなわち、TO
A同期処理)をトリガする。この追加の処理は、通信収集シーケンスの検出によ
って識別される限られた時間期間にわたってだけ必要とされるにすぎず、このこ
とが過大な処理を防止する。
る。TOA処理が、アウトバウンドRST−T測距メッセージの受信時に基準無
線装置において、及び応答TOA測距メッセージの受信時にマスタ無線装置にお
いて生じるということに留意されたい。測距メッセージの通信収集シーケンスの
検出処理(ブロック70)中に、TOA同期シーケンスがバッファ90内にバッ
ファリングされる。通信収集シーケンスの検出は、バッファリングされたTOA
同期シーケンスをTOAプロセッサ92が処理することをトリガする。整合フィ
ルタリングが、ディジタル整合フィルタ(N=4096)を使用して4096チ
ップのTOA同期シーケンスに対して行われる。大きさ関数を行った後に(ブロ
ック94)、フィルタリングされたTOA同期シーケンスがパルス幅評価器96
に加えられ、パルス幅評価器96は測距メッセージの周波数におけるマスタ無線
装置と基準無線装置との間のマルチパス干渉の度合いを測定する。本質的には、
整合フィルタからのTOA同期シーケンスの無マルチパスの相関関数の複製がパ
ルス幅評価器96の中に格納される(すなわち、無マルチパスのパルス波形プロ
ファイルが知られている)。パルス幅評価器96はパルス波形の複製を整合フィ
ルタ92の出力のプロファイルを通過させ、さらに、直接経路信号と後続のマル
チパス信号とのタイミングを識別するために複製パルス波形と整合フィルタ出力
の間のおおよその曲線当てはめを実現するように、平均最小2乗誤差当てはめ(
least-mean-square error fit)を行う(直接経路信号と後続のマルチパス信号
との時点では、整合フィルタプロファイルは複製プロファイルに類似しているだ
ろう)。このようにして、パルス幅評価器96は、直接経路信号と最も近い後続
のマルチパス信号との間の分離をチップ単位で測定する。
成されることが可能である。図7に示されている実施形態では、TOAプロセッ
サは、2つの選択可能なレベルの精度、すなわち1メートル精度と3メートル精
度とを実現することが可能である(精度は結果的な距離推定値を基準とする)。
所望の精度モードがマスタ無線装置又はシステムコントローラによって設定され
ることが可能であり、及び初期RTS−Tメッセージ又は別の先行メッセージに
おいて基準無線装置に送られることが可能である。
が直接経路信号から分離していると判定する場合には、そのマルチパス干渉は、
TOA推定値に悪影響を与えるという点から見てわずかであると分類される。図
7に示されている典型的な実施形態では、マルチパス干渉が4つ以上のチップ幅
だけ直接経路信号から分離している場合には、そのマルチパス干渉はわずかであ
ると見なされる。随意に、2つ以上のチップ幅であるしきい値が、マルチパス干
渉の度合いのより厳密な推定値を与えるために使用されることが可能である。
は、TOA推定値が、立上がり縁サンプルとピーク後の2つのサンプルとを使用
する曲線当てはめアルゴリズムによって得られる。この場合にはマルチパスがピ
ーク後のサンプルに悪影響を与えることがないので、ピーク後のサンプルが使用
されることが可能である。この場合には、選択される精度モードに無関係に、高
精度のTOA測定(例えば、1メートル精度)が得られる。
離を正確に測定するために、上述の仕方で処理される(すなわち、基準無線装置
では、TOA推定値がターンアラウンド時間を正確に測定するために使用され、
マスタ無線装置では、TOA推定値が往復伝播時間を正確に測定するために使用
される)。結果的に得られた距離推定値が、TOA精度推定値(例えば1メート
ル又は3メートル)と共に、マスタ無線装置の位置解を追跡するナビゲーション
カルマンフィルタ(navigation Kalman filter)(図示されていない)に供給さ
れる。
号と最も近いマルチパス信号との間の分離が予め決められた数(例えば、3つ)
のチップ幅よりも小さいと判定する時に、マルチパス干渉が大きいと分類される
。この場合には、高精度(例えば1メートル)のTOAモード又はより低い精度
(例えば3メートル)のTOAモードが選択されているかにどうかに応じて、処
理が異なる。より低い精度(例えば3メートル)のモードが選択されている場合
には、立上がり縁の曲線当てはめ100が、TOAを推定するために実行される
。この場合には、マルチパス干渉がピーク後のサンプルに悪影響を与える可能性
が高いので、ピーク後のサンプルが使用されないということに留意されたい。T
OA推定値のより低い精度をカルマンフィルタに報告することに加えて、関連し
たフィルタ利得を低減させるために、マルチパス警報がカルマンフィルタに送ら
れるということに留意されたい。
トル)モードが選択されている場合には、TOAプロセッサは、マルチパス干渉
を最小限に抑える最適送信周波数を識別するために、周波数ダイバーシチを使用
するプロセスを実行する。周波数ダイバーシチ処理が行われなければならないこ
とを宣言する能力が、基準無線装置(アウトバウンドRTS−T測距メッセージ
処理時)とマスタ無線装置(応答TOA測距メッセージ処理時)の一方又は両方
に存在することが可能であるということに留意されたい。
る場合を取り上げると、マスタ無線装置は、M個のアウトバウンド測距メッセー
ジとこれに対応するM個の応答測距メッセージとのシーケンスを送信するために
使用されるM個の搬送周波数のセットを識別する(ブロック102)。基準無線
装置が周波数ダイバーシチ処理の必要性を宣言するように構成されている場合に
は、基準無線装置は、このプロセスを開始する必要性を応答TOA測距メッセー
ジにおいてマスタ無線装置に通報することが可能である。これらの周波数は「ピ
ング(ping)」周波数と呼ばれるが、これは、最適周波数を求めてM個の異なる
周波数信号すなわち複数の「ピング」の高速の連続が無線装置間で送信されるか
らである。パルス幅情報を使用することによって、ピングの数とピング周波数と
が求められ、制御情報がマスタ無線装置のRFシステムに伝送される。様々な周
波数がマルチパスにおいて様々な搬送波位相を生じさせる。マルチパスの搬送波
位相が直接経路に対して90°である時に測距性能が最良である。この直交性条
件が満たされる場合には、最小のマルチパス効果を伴って直接経路をより高い精
度で曲線当てはめすることが可能であるように、直接経路とマルチパスとが互い
に分離させられる。
されることが可能である。例えば、予め決められた周波数範囲をカバーする設定
周波数における固定された数の搬送周波数(例えば、M=8、既に送信された第
1の周波数を含む)が使用可能である(例えば、15MHz範囲をカバーする2
MHz増分での搬送周波数)。あるいは、マルチパスの度合いに応じて試行/周
波数の数が1からMまでの中から選択されることが可能である。さらに一般的に
は、ピング周波数は、直接経路信号に対してマルチパス干渉の位相を最良に直交
させる周波数を発見するために、搬送波位相を通るDMFの出力における同位相
及び直角位相のサンプルを15°の増分(又は他の増分)で効果的に回転させる
ように、計算されるか予め決められることが可能である。
次の「M−1」個のTRS−T/TOAメッセージ交換が、各交換に関して互い
に異なる搬送周波数を使用して送信される。これらの後続の「M−1」個のRT
S/TOAメッセージ交換は、収集部分と無線装置識別番号(図4ではTOAメ
ッセージ上の接尾辞「S」で示されている)とを含む短縮されたパケットを使用
することが可能である。これらのパケットが交換される高速の速度のために、遅
延校正とGPSデータは不要である。
収集シーケンスとTOA同期シーケンスとを初期測距メッセージと同じ仕方で処
理する。明確に述べると、通信収集シーケンスの検出時には、TOA同期シーケ
ンスは(搬送周波数を考慮して)整合フィルタリングされ、大きさが測定され、
及びその結果得られた信号が、直接経路信号に対するマルチパス干渉の近接性を
測定するために、パルス幅評価器によって評価される(ブロック104、106
、108を参照されたい)。M個の測距メッセージと整合フィルタの出力の各々
からのパルス幅評価の結果がバッファ110内に記憶される。M回の試行の完了
時に、最良のマルチパス弁別を有する周波数が識別され(ブロック112)、T
OAを推定するために、立上がり縁曲線当てはめ114が対応する整合フィルタ
の出力に対して行われる。具体的に述べると、最適のパルス幅が最短の経路遅延
を伴って搬送波位相で生じる周波数を発見するために、データが捜索される。そ
の結果得られるTOA測定値が、マスタ無線装置と基準無線装置との間の距離を
正確に決定するために上述の仕方で処理され、距離推定値とTOA精度推定値と
が、マスタ無線装置の位置を更新するためにナビゲーションカルマンフィルタに
供給される。
うことに留意されたい。受信器は、マルチパス干渉を評価するために通信収集シ
ーケンスを直接使用して、信号の立上がり縁を測定するために曲線当てはめを行
うことが可能である。例えば、通信収集シーケンスが連続的にバッファリングさ
れ、検出時には、通信収集シーケンスを1つの長い記号として取り扱うより長い
整合フィルタ(N=2048)が、TOA推定を行うために使用されることが可
能である。この場合には、通信収集処理によって与えられる比較的おおまかなT
OA推定値が、TOAプロセッサがその長さ2048の整合フィルタを使用して
通信収集シーケンスを整合フィルタリングする時間的範囲を制限するために使用
されることが可能である。これ以外の点では、TOA処理は図7に示されている
TOA処理と同様である(DMFは長さ4096チップではなく長さ2048チ
ップである)。しかし、より高精度の推定値が、上述のTOA同期シーケンスを
使用することによって得られることが可能であり、これは、4096チップのT
OA同期シーケンスが、より低いサイドローブのような卓越した信号特性を得る
からである。
の他の具体例と変型とが本発明の範囲内に含まれるということが理解されるだろ
う。例えば、高精度TOAモードが選択される場合には、無線装置が、(上述の
アルゴリズムで必要とされるように)マルチパス干渉が大きいかどうかを第1の
周波数で最初に評価することなしに、M個の異なる周波数で測距メッセージを自
動的に交換することが可能であり、及び、単一の測距メッセージ交換が、より低
精度のTOAモードで常に使用されることが可能である。このアプローチは、高
精度モードでは複数の往復測距メッセージの送信を自動的に必要するが、このア
プローチは潜在的により単純なメッセージ通信を実現することが可能であり、こ
れは、第1のメッセージ交換の後に追加の測距メッセージを送信すべきか否かを
決定することに関して偶然性が存在しないからである。
法によって、基準無線装置の各々に対する測定距離からマスタ無線装置自体の位
置を測定する。マスタ無線装置の位置が測定され終わると、そのマスタ無線装置
は、他の無線装置、又は、マスタ無線装置とおそらくは他の関連の移動無線装置
との追跡及び/又はマッピングを行うコントローラ又はコーディネータに対して
、この情報を送ることが可能である。距離測定/位置発見処理は、必要に応じて
マスタ無線装置又はシステムコントローラによって周期的に行われることも開始
されることも可能である。
ムが自己回復型であることを可能にする。すなわち、幾つかの移動無線装置を伴
う状況では、各移動無線装置は、その移動無線装置自体の位置を測定するための
マスタ無線装置と他の移動無線装置のための基準無線装置との両方として機能す
ることが可能であってよい。したがって、特定の移動無線装置が基準無線装置の
現在のセットから適切な測距信号を受信することが不可能である時に、その移動
無線装置は、測距信号が受け入れ可能である移動無線装置を含むように基準無線
装置のセットを変更することが可能である。例えば、第1の移動無線装置が、固
定されているかGPSベースの4つの基準無線装置に依存している場合がある。
第2の移動無線装置が、その固定/GPSベースの基準無線装置の1つからの信
号強度が弱すぎるような位置にあるか、又はその位置ジオメトリが、その4つの
固定/GPSベースの基準無線装置が正確な3次元情報を提供しないような配置
(例えば、2つが同一の見通し線に沿っている)である場合がある。この場合に
は、第2の移動無線装置が、第1の移動無線装置がより良好な結果をもたらす場
合に、その第1の移動無線装置を基準無線装置の1つとして使用することが可能
である。この柔軟性は、測距信号の受信のために移動無線装置が固定送信器に依
存しなければならずかつ位置を測定するために他の移動無線装置から離れること
が不可能である従来のシステムとは対照的である。
線装置があらゆる数の基準無線装置と測距メッセージを通信し合うことが可能で
あることが理解されるだろう。例えば、マスタ無線装置は、例えば2つの基準無
線装置との通信から何らかの位置情報を求めることが可能である。さらに、マス
タ無線装置は5つ以上の基準無線装置と測距メッセージを交換し、TOAメッセ
ージの信号強度、ジオメトリ等に基づいて、位置発見プロセスが行われる毎に最
適の4つの距離メッセージを動的に選択することが可能である。このようにして
、例えば、マスタ無線装置は4つの最も近い隣接無線装置を基準無線装置として
使用することが可能である。
ド型のスペクトル拡散無線装置の物理的フットプリントの内側に容易に収容され
、このことが、このシステムが様々な用途に使用されることを可能にする。例え
ば、軍事演習における状況認識を実現するために、本発明のシステムは、戦場作
戦の調整作業の際に兵員及び/又は軍用機材の位置を測定し追跡するために使用
されることが可能である。このことは、大気状態や地形や屋内の無線装置位置の
ためにGPS信号が微弱であるか利用不可能である状況において特に有用であり
、又は、GPS位置情報の精度を増大又は向上させるために特に有用である。こ
の位置情報は、兵員及び機材の現在位置を動的にマッピングするために、及び、
さらに別の軍事行動を調整するために、指揮官によって使用されることが可能で
ある。さらに、個々の移動無線装置は他の関連の兵員に関する位置情報を受け取
って表示することが可能であり、したがって戦場の兵士が自分たちの即時的な環
境に関する状況認識を得ることが可能になる。
の付近またな内側に位置した消防士、医療施設内又は救急現場に向かう途上の医
療担当者及び医療機材、及び、捜索/救助任務に従事している人員を非限定的に
含む、屋内又は屋外の両方に位置した非軍関係の人員及びリソースを位置発見し
追跡するために使用されることも可能である。
ュータ、携帯用電子装置、スーツケース(例えば、空港内での位置発見のため)
、ブリーフケース、高額の在庫品、盗難車のような物品に移動無線装置を取り付
けるか、又は、こうした物品中に移動無線装置を埋め込むことによって、高価な
物品を追跡するために使用されることも可能である。
のシステムは、移動無線装置が装着されたトラック、バス、及び、レンタル車両
を含む商業用又は産業用の車両を確実に追跡することも可能である。さらに、シ
ョッピングモールや遊園地や観光地のような混雑した環境内での子供の位置、建
物内の人員の位置、及び、留置施設内での囚人の位置を非限定的に含む様々な状
況において、移動通信装置を携帯する人間を追跡することが望ましいだろう。移
動無線装置は、その無線装置をブレスレットやネックレスやポケットや靴底のよ
うな衣類の中に組み込むことによって、身体上に携帯されることが可能である。
する。本発明の距離測定及び位置発見能力を従来の移動電話機の中に組み込むこ
とによって、緊急呼出が行われる時又は他のあらゆる有用な時点において、その
電話機の位置が測定されることが可能である。この能力は、さらに、セルネット
ワーク管理(すなわち、セルハンドオフ判断)を補助するために使用されること
も可能である。
きたが、内部遅延校正とTOA処理とを含むこの双方向往復距離測定方法が、固
体材料や水や真空中を通して送信される電磁信号、あらゆる媒質中を通して送信
される圧力波又は音響波(例えば、地震波、音波、又は、超音波)を非限定的に
含む、他の媒質中において他のタイプの信号と共に使用されることが可能である
ということを理解されたい。
れた方法及び装置の好ましい実施形態を説明してきたが、本明細書で説明した開
示内容を考慮して、他の改変と変型と変更とが当業者に示唆されるだろう。した
がって、こうした変型と改変と変更とのすべてが、添付の特許請求項に定義され
ている通りの本発明の範囲に含まれているということを理解しなければならない
。
修正CSMA−CAプロトコルを示すメッセージタイミング図である。
初期アウトバウンド測距メッセージの構造を示す図である。
タ無線装置と基準無線装置とによって行われる内部遅延校正のタイミングを示す
図である。
よって行われる内部遅延校正処理を示す機能ブロック図である。
スを検出するために使用される収集処理を示す機能ブロック図である。
を含む、測距メッセージの到着時刻を測定するために行われる処理を示す機能ブ
ロック図である。
Claims (41)
- 【請求項1】 移動通信装置の位置を測定する位置発見システムであって、 各々が測距メッセージを送受信するようになっている、既知の位置を有する複
数の基準通信装置と、 前記基準通信装置と測距メッセージを交換するようになっている移動通信装置
であって、各基準通信装置に対してアウトバウンド測距メッセージを送信し、前
記アウトバウンド測距メッセージに応答して各基準通信装置から送信される応答
測距メッセージを受信し、前記アウトバウンド測距メッセージと前記応答測距メ
ッセージとの往復信号伝播時間から各基準通信装置に対する距離を測定し、前記
基準無線装置の前記既知の位置と各基準通信装置に対する前記距離とからその移
動通信装置の位置を測定する移動通信装置、とを含むシステム。 - 【請求項2】 前記移動通信装置はローカルタイミング基準を維持するよう
になっているクロックを含み、前記移動通信装置は前記ローカルタイミング基準
にしたがって前記アウトバウンド測距メッセージの送信時刻と前記応答測距メッ
セージの到着時刻とを測定し、 各基準通信装置は、前記移動通信装置の前記クロックの前記ローカルタイミン
グ基準と同期していないローカルタイミング基準を維持するようになっているク
ロックを含み、各基準通信装置は、前記基準無線装置の前記ローカルタイミング
基準にしたがって前記アウトバウンド測距メッセージの到着時刻と前記応答測距
メッセージの送信時刻とを測定する、請求項1に記載のシステム。 - 【請求項3】 前記移動通信装置の前記クロックと前記基準無線装置の各々
の前記クロックは低精度クロックである、請求項2に記載のシステム。 - 【請求項4】 前記アウトバウンド測距メッセージと前記応答測距メッセー
ジはスペクトル拡散信号である、請求項1に記載のシステム。 - 【請求項5】 前記基準無線装置の各々は、前記応答測距メッセージの送信
時刻と前記アウトバウンド測距メッセージの受信時刻との間の差としてターンア
ラウンド時間を測定し、 前記移動通信装置は、前記アウトバウンド測距メッセージの送信時刻と前記応
答測距メッセージの到着時刻との間の差として経過時間を測定し、前記経過時間
と前記ターンアラウンド時間との間の差として前記往復信号伝播時間を測定する
、請求項1に記載のシステム。 - 【請求項6】 前記移動通信装置は、内部送信器及び受信器タイミング遅延
を推定するために内部遅延校正を行い、この推定された内部送信器及び受信器タ
イミング遅延を前記往復信号伝播時間の測定に使用し、 各基準通信装置は、内部送信器及び受信器タイミング遅延を推定するために内
部遅延校正を行い、この推定された内部送信器及び受信器タイミング遅延を前記
ターンアラウンド時間の測定に使用する、請求項5に記載のシステム。 - 【請求項7】 前記移動通信装置によって行われる前記内部遅延校正は、前
記移動通信装置の送信器及び受信器を経由して未送信の測距メッセージをループ
させるために必要とされる時間を測定することの複数回の試行と、前記複数回の
試行から平均遅延を計算することとを含み、 各基準通信装置によって行われる前記内部遅延校正は、前記基準無線装置の送
信器及び受信器を経由して未送信の測距メッセージをループさせるために必要と
される時間を測定することの複数回の試行と、前記複数回の試行から平均遅延を
計算することとを含む、請求項6に記載のシステム。 - 【請求項8】 前記アウトバウンド測距メッセージは行先基準通信装置を識
別し、前記応答測距メッセージは、前記基準通信装置の位置と前記基準通信装置
におけるターンアラウンド時間とを表示する位置情報を含む、請求項5に記載の
システム。 - 【請求項9】 各基準通信装置は、既知の位置に永久的に取り付けられた固
定通信装置と、別の移動通信装置との一方である、請求項1に記載のシステム。 - 【請求項10】 前記基準通信装置の少なくとも1つが別の移動通信装置で
ある、請求項9に記載のシステム。 - 【請求項11】 前記移動通信装置は、1組の通信装置内のどの通信装置が
前記基準通信装置として働くかを変更することが可能である、請求項9に記載の
システム。 - 【請求項12】 前記移動通信装置は、立上がり縁の曲線当てはめを使用し
て前記応答測距メッセージの到着時刻を測定し、 各基準通信装置は、立上がり縁の曲線当てはめを使用して前記アウトバウンド
測距メッセージの到着時刻を測定する、請求項1に記載のシステム。 - 【請求項13】 前記移動通信装置は、複数の精度モード内の1つの精度モ
ードで前記応答測距メッセージの到着時刻を測定するように構成されている、請
求項1に記載のシステム。 - 【請求項14】 前記移動通信装置は、マルチパス干渉のレベルを測定する
ように構成されているパルス幅評価器を含む、請求項1に記載のシステム。 - 【請求項15】 前記パルス幅評価器がマルチパス干渉が大きいと判定する
時に、前記移動通信装置は、複数の周波数で複数のアウトバウンド測距メッセー
ジを各基準通信装置に送信し、複数の周波数で複数の応答測距メッセージを各基
準通信装置から受信し、前記移動通信装置は、前記マルチパス干渉を最小限に抑
える前記周波数内の1つの周波数における前記アウトバウンド測距メッセージと
前記応答測距メッセージとを使用して前記往復信号伝播時間を測定する、請求項
14に記載のシステム。 - 【請求項16】 前記アウトバウンド測距メッセージと前記応答測距メッセ
ージは収集部分を含み、 前記移動通信装置と各々の基準通信装置は、前記応答測距メッセージの到着時
刻(TOA)と前記アウトバウンド測距メッセージの到着時刻とをそれぞれに測
定するようになっている2段階信号収集プロセッサを含み、前記2段階信号収集
プロセッサは、前記収集部分を検出するための検出プロセッサと、前記収集部分
から前記到着時刻を正確に測定するためのTOA同期プロセッサとを含み、前記
検出プロセッサは、前記TOA同期プロセッサの動作をトリガする、請求項1に
記載のシステム。 - 【請求項17】 前記収集部分は通信収集シーケンスとTOA同期シーケン
スとを含み、前記検出プロセッサは前記通信収集シーケンスに対して動作し、前
記TOA同期プロセッサは前記TOA同期シーケンスに対して動作する、請求項
16に記載のシステム。 - 【請求項18】 前記アウトバウンド測距メッセージと前記応答測距メッセ
ージは少なくとも1つの音声及びデータメッセージによってインタリーブされて
いる、請求項1に記載のシステム。 - 【請求項19】 前記移動通信装置はハンドヘルド型無線装置である、請求
項1に記載のシステム。 - 【請求項20】 前記移動通信装置は人間の身体上に携帯されるように構成
されている、請求項1に記載のシステム。 - 【請求項21】 前記移動通信装置は前記身体上に着用される衣類の中に組
み込まれている、請求項1に記載のシステム。 - 【請求項22】 前記移動通信装置は移動電話機である、請求項1に記載の
システム。 - 【請求項23】 前記移動通信装置は移動可能な車両上に連結されている、
請求項1に記載のシステム。 - 【請求項24】 前記移動通信装置は屋内で測距メッセージを交換すること
が可能である、請求項1に記載のシステム。 - 【請求項25】 前記移動通信装置は、貴重品の追跡を容易にするために前
記貴重品に連結されている、請求項1に記載のシステム。 - 【請求項26】 移動通信装置と既知の位置を有する複数の基準通信装置と
の間でメッセージを交換することによって前記移動通信装置の位置を測定する方
法であって、 (a)前記移動通信装置から各基準通信装置に対してアウトバウンド測距メッ
セージを送信する段階と、 (b)前記アウトバウンド測距メッセージに応答して各基準通信装置から前記
移動通信装置に対して応答測距メッセージを送信する段階と (c)前記移動通信装置と前記基準通信装置との間で交換される前記アウトバ
ウンド測距メッセージと前記応答測距メッセージとの往復信号伝播時間から、前
記移動通信装置と各基準通信装置との間の距離を測定する段階と、 (d)前記基準通信装置の前記既知の位置と各基準通信装置に対する距離とか
ら前記移動通信装置の位置を測定する段階と、を含む方法。 - 【請求項27】 さらに、 (e)前記移動通信装置のローカルタイミング基準にしたがって前記アウトバ
ウンド測距メッセージの送信時刻と前記応答測距メッセージの到着時刻とを測定
する段階と、 (f)各基準通信装置に関して、前記移動通信装置の前記クロックの前記ロー
カルタイミング基準と同期していない前記基準通信装置のローカルタイミング基
準にしたがって、前記アウトバウンド測距メッセージの到着時刻と前記応答測距
メッセージの送信時刻とを測定する段階と、を含む請求項26に記載の方法。 - 【請求項28】 前記移動通信装置と前記基準通信装置は低精度クロックを
使用してローカルタイミング基準を維持する、請求項27に記載の方法。 - 【請求項29】 段階(a)と段階(b)はスペクトル拡散信号として前記
アウトバウンド測距メッセージと前記応答測距メッセージとを送信することを含
む、請求項26に記載の方法。 - 【請求項30】 さらに、 (e)前記応答測距メッセージの送信時刻と前記アウトバウンド測距メッセー
ジの到着時刻との間の差としてターンアラウンド時間を各基準通信装置において
測定する段階を含み、 段階(c)は、さらに、前記アウトバウンド測距メッセージの送信時刻と前記
応答測距メッセージの到着時刻との間の差として経過時間を前記移動通信装置に
おいて測定することと、前記経過時間と前記ターンアラウンド時間との間の差と
して前記往復信号伝播時間を測定することとを含む、請求項26に記載の方法。 - 【請求項31】 さらに、 (f)内部送信器及び受信器タイミング遅延を推定するために前記移動通信装
置において内部遅延校正を行い、段階(c)は、前記往復信号伝播時間を測定す
るために、推定された前記内部送信器及び受信器タイミング遅延を使用すること
を含む段階と、 (g)内部送信器及び受信器タイミング遅延を推定するために各基準通信装置
において内部遅延校正を行い、段階(e)は、前記ターンアラウンド時間を測定
するために、推定された前記内部送信器及び受信器タイミング遅延を使用するこ
とを含む段階と、を含む請求項30に記載の方法。 - 【請求項32】 段階(f)は、前記移動通信装置の送信器及び受信器を経
由して未送信の測距メッセージをループさせるために必要とされる時間を測定す
ることの複数回の試行と、前記複数回の試行から平均遅延を計算することとを含
み、 段階(g)は、前記基準無線装置の送信器及び受信器を経由して未送信の測距
メッセージをループさせるために必要とされる時間を測定することの複数回の試
行と、前記複数回の試行から平均遅延を計算すること、を含む請求項31に記載
の方法。 - 【請求項33】 段階(a)は、前記アウトバウンド測距メッセージにおい
て行先基準通信装置を識別することを含み、段階(b)は、前記基準通信装置の
位置と前記基準通信装置における前記ターンアラウンド時間とを表示する位置情
報を前記応答測距メッセージの中に組み込むこと、を含む請求項29に記載の方
法。 - 【請求項34】 少なくとも1つの前記基準通信装置は別の移動通信装置で
あり、前記方法は、さらに、前記少なくとも1つの前記基準通信装置の位置を測
定する段階も含む、請求項26に記載の方法。 - 【請求項35】 さらに、1組の通信装置の中のどの通信装置が前記移動通
信装置のための前記基準通信装置として働くかを変更する段階も含む、請求項2
6に記載の方法。 - 【請求項36】 さらに、 (e)立上がり縁の曲線当てはめを使用して前記移動通信装置において前記応
答測距メッセージの到着時刻を測定する段階と、 (f)立上がり縁の曲線当てはめを使用して各基準通信装置において前記アウ
トバウンド測距メッセージの到着時刻を測定する段階と、を含む請求項26に記
載の方法。 - 【請求項37】 さらに、 (f)複数の選択可能な精度モード内の1つの精度モードによって制御される
精度で前記移動通信装置において前記応答測距メッセージの到着時刻を測定する
段階を含む、請求項26に記載の方法。 - 【請求項38】 さらに、 (f)前記移動通信装置と各基準通信装置との間で送信される測距メッセージ
に関連付けられているマルチパス干渉のレベルを測定する段階を含む、請求項2
6に記載の方法。 - 【請求項39】 段階(f)においてマルチパス干渉が大きいと判定される
時に、前記方法は、さらに、 (g)前記移動通信装置から各基準通信装置に複数の周波数で複数のアウトバ
ウンド測距メッセージを送信する段階と、 (h)各基準通信装置から前記移動通信装置に前記複数の周波数で複数の応答
測距メッセージを送信する段階と、を含み、 段階(c)は、前記マルチパス干渉を最小限に抑える前記周波数内の1つの周
波数において前記アウトバウンド測距メッセージと前記応答測距メッセージとを
使用して前記往復信号伝播時間を測定すること、を含む請求項38に記載の方法
。 - 【請求項40】 前記応答測距メッセージは収集部分を含み、前記方法は、
さらに、 (e)前記収集部分の検出と、前記収集部分から到着時刻を正確に測定するた
めのTOA同期とを含む2段階プロセスを使用して、前記移動通信装置において
前記応答測距メッセージの到着時刻(TOA)を測定し、前記収集部分の検出が
TOA同期をトリガする段階を含む、請求項26に記載の方法。 - 【請求項41】 前記収集部分は通信収集シーケンスとTOA同期シーケン
スとを含み、段階(e)は、前記通信収集シーケンスを検出すること、前記TO
A同期シーケンスに対してTOA同期を行うこと、を含む請求項40に記載の方
法。
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