JP2004301850A

JP2004301850A - 測位システム

Info

Publication number: JP2004301850A
Application number: JP2004161863A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Jiyosawa; 俊明如澤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】移動局の位置座標を別の位置情報センターで計算し、移動局において計算の必要をなくす。
【解決手段】移動局５は基地局１のゾーンに属し、基地局１からサービスを受けている。移動局５の位置を求めるには最低３つの基地局が必要であるが、正確にその位置を測定するためには４つ以上が望ましい。測位の際は、まず、移動局がメッセージを送信する。移動局の送信用チャネルにはリクエスト・メッセージやアクノレッジ・メッセージなどを送るアクセス・チャネルと通話中にメッセージを送るトラフィック・チャネルがある。測位の際、移動局が待ち受け状態にあるならば、移動局はアクセス・チャネルを使用してスペクトル拡散信号を送信する。移動局が通話中ならば通話に使用しているトラフィック・チャネルを用いる。メッセージはそれが測位を行うためのものであるということを含める。
【選択図】図１

Description

本発明は、測位システム、より詳細には、ＣＤＭＡ（符号分割多重アクセス通信方式）を用いたディジタル移動体通信システムにおける移動局の位置を測定する測位システムに関し、例えば、老人徘徊システム、野生動物の生態調査システム、或いは、路線バスの運行状況表示システム等に応用可能なものである。

地上の物体の位置を測定するシステムとして、現在一般的に広く使用されているのがＧＰＳ（グローバル・ポジショニング・システム）である。ＧＰＳは地球の軌道上にある３個以上の通信衛星から送信されるマイクロ波を受信することにより地上の物体の３次元座標を求めるものである。

また、最近、ＰＨＳ（パーソナル・ハンディホン・システム）により位置情報提供サービスも開始されている。エリアの小さい基地局の特長を生かして、移動局が属している基地局エリアを特定することにより、基地局エリア単位での大まかな移動局の位置を特定し、その位置情報を提供するものである。

特許文献１では、ＣＤＭＡディジタル移動通信システムを用いた移動局の測位システムを示している。これは複数の基地局からの同系列のスペクトル拡散信号を移動局が受信し、あらかじめ各基地局毎に決められた送信時間の差分を減算して、複数の基地局からのスペクトル拡散信号の伝播遅延時間差を得ることにより、移動局の位置を求める測位システムである。
特開平７−１８１２４２号公報

近年、自動車の位置特定の際にＧＰＳが広く用いられている。ＧＰＳを用いて移動局の測位を行う場合には、別途ＧＰＳ用の受信装置が必要になる。よって、ＧＰＳはその受信機を自動車に搭載してその位置情報を求めるのには都合がいいが、受信機を人が携行する場合には向かない。また、移動体電話とＧＰＳ受信機のデュアル・モード端末にして測位を行う方法も考えられる。しかしながら、これも受信装置が大きくなり携帯性が損なわれる恐れがある。

また、最近、急速に普及したＰＨＳを用いて行う位置情報サービスも開始されている。これはピコセルの基地局エリアの特長を生かして、ＰＨＳを携行している移動者がどの基地局に属しているかを特定するものである。基地局のエリア半径が小さいので大まかな移動者の位置は確認できる。しかしながら、ピンポイントの測位はできない。

特許文献１は、前述のように、ＣＤＭＡディジタル移動通信システムを用いた移動局の測位システムを示している。これは、複数の基地局からの同系列のスペクトル拡散信号を移動局が受信し、あらかじめ各基地局毎に決められた送信時間の差分を減算して、複数の基地局からのスペクトル拡散信号の伝播遅延時間差を得ることにより、移動局の位置を求める測位システムである。この場合、移動局は基地局の座標情報と同系列のスペクトル拡散信号の送信時間の差分情報を送ってもらい、それらの情報をもとに移動局自身の位置を移動機内で計算する。この場合、移動機内での位置計算回路を付加する必要があり、また計算した結果を基地局にメッセージ送信するための他のチャネルを割り当てたり、測位専用チャネルを新たに作ったりする必要がある。

本発明における測位システムは、測位対象の移動局が基地局の送信時のスペクトル拡散の際に用いる同系列のＰＮ符号によってスペクトル拡散した信号を複数の基地局に送信し、基地局において伝播遅延時間差を得、その情報と基地局の座標情報をもつ位置情報センターにおいて移動局の座標を算出する。これは移動局に複数の基地局の座標情報を送信する必要がなくなり、また移動局の位置座標を別の位置情報センターで計算するので、移動局においての計算の必要がなくなる。したがって、移動局に位置計算する機能を余計に付加する必要がなくなる。

複数の基地局間の伝播遅延時間差を求めるには、移動局からの信号波の受信時刻を求める必要がある。基地局に相関値算出回路を設けることにより、移動局からのスペクトル拡散信号と基地局内で発生するＰＮ符号の相関値を求めることができる。移動局が送信時にスペクトル拡散する際に用いるＰＮ符号と基地局内で発生するＰＮ符号は同系列のものであるから、基地局が移動局からのスペクトル拡散信号を受信した場合、相関値算出装置に相関ピークが検出される。この相関ピークを検出することにより基地局の受信タイミングが分かり、移動局からの信号の基地局間での伝播遅延時間差を求めることができる。

測位では移動局・基地局間の距離を正確に測定することが重要である。移動局と基地局の間の伝播路は建物・地形の影響で複数が考えられる。そのマルチパスから直線距離に近い信号波の受信時刻を所定の信号波の受信時刻にすることが正確な測位に結び付く。したがって、基地局は受信したマルチパスのうち最初に到来した信号波の受信時刻をその所定波の受信時刻とすることにより、測位の精度を向上することができる。

移動局は他の基地局のゾーンへの干渉を防止するため、その送信電力を抑えている。特に、移動局がサービスを受けている基地局の位置に近づくほどその送信電力を下げるので、他の周辺の基地局がこの移動局からの信号を受信することが困難になる。したがって、移動局の送信するスペクトル拡散信号の拡散符号長を大きくすることにより、移動局から遠くに位置する基地局が移動局からのスペクトル拡散信号を受信することを助ける。

複数の基地局が求めた移動局からのスペクトル拡散信号の伝播遅延時間差とそれぞれの基地局の３次元座標をもとに、移動局の位置座標を計算する位置情報センターを別途設けることにより、移動機内に余計な回路を設けずに移動局の位置情報を求めることができる。

移動機を携行するユーザが自分自身の位置を知りたい場合に、位置情報センターから送られてくる位置算出結果を基地局を介して移動局にメッセージとして送信することにより、ユーザは自分自身の位置を知ることができる。

移動機を携行するユーザの位置を他の無線システムに接続してある電話・端末もしくは有線または無線の公衆回線に接続している電話・端末からの問い合わせで、対象の移動局の位置を算出し、その算出した位置情報を問い合わせのあった端末にメッセージとして送信することにより、簡易に目的の移動局の位置を知ることができる。

痴呆性老人または子供の位置情報を提供するサービスにＰＨＳが考えられる。ＰＨＳはピコセルを適用する特徴上、移動局にサービスをしている基地局を特定することによって移動局の位置を基地局エリア単位で求めることが可能である。しかしながら移動局の位置をピンポイントで特定することはできない。上述のディジタルＣＤＭＡ移動体通信システムを用いて測位システムを用いることで、痴呆性老人または子供の精度の高い位置情報サービスを提供できる。

従来、野生動物の位置を推定する方法として発信機を使う方法がある。しかしながら、おおよその位置を知ることは可能であるが、位置特定まではいかない。ディジタルＣＤＭＡ移動体通信システムを用いると、より精度の高い位置情報を提供することができる。したがって、正確な野生動物の生態調査に役立つ。

バスの運行状況は渋滞・工事などの交通事情によりなかなか把握することは困難である。ディジタルＣＤＭＡ移動体通信システムの移動機をバスの車体に取り付けることで、いつでもバスの位置を特定することが可能になる。バスの位置情報を停留所に設けた表示装置で地図と一緒に表示することによりバス停留所でバスを待つ人にバスの運行状況を提供することができる。

請求項１の発明は、符号分割多重アクセス通信方式を用いて複数の基地局と移動局の間で通信を行う移動体通信システムにおける移動局の位置を測定する測位システムであって、移動局と各基地局との距離と、移動局から各基地局までのメッセージ伝播時間とで表す第一の関係式と、移動局がＰＮ符号でスペクトル拡散した信号を送信し、基地局が受信したスペクトル拡散信号の基地局間における伝播遅延時間の差と、移動局から各基地局までのメッセージ伝播時間とで表す第二の関係式とを作成し、該第一の関係式および該第二の関係式を解くことによって、移動局の位置を求めるようにしたことを特徴としたものである。

請求項２の発明は、符号分割多重アクセス通信方式を用いて複数の基地局と移動局の間で通信を行う移動体通信システムにおける移動局の位置を測定する測位システムであって、測定の際に移動局が待ち受け状態にあるならば、移動局はアクセス・チャネルを使用してスペクトル拡散信号を送信し、移動局が通話中ならば使用しているトラフィック・チャンネルを用いるようにしたことを特徴としたものである。

請求項３の発明は、移動局からのスペクトル拡散信号を復調するために、移動局がアクセス・チャネルで送信する場合には、該移動局が属している基地局とメッセージ送受信のための上りリンク・下りリンクのチャネル番号とパイロットＰＮシーケンスを送信し、トラフィック・チャネルで送信する場合には、該移動局のシリアル番号を送信することによって、受信したスペクトル拡散信号が測位対象の移動局のものであることを確認できるようにしたことを特徴としたものである。

本発明によれば、基地局のメッセージ送信のスペクトル拡散の際に用いるＰＮ符号と同系列のＰＮ符号を用いて、移動局が信号をスペクトル拡散し複数の基地局に送信し、このスペクトル拡散信号の複数の基地局までの伝播遅延時間差を得ることにより、移動局の位置を特定することができる。基地局どうしも位相の異なる同系列のＰＮ符号を用いているので、伝播遅延時間差を簡単に求めることができ、したがって、移動局の位置を簡易に測定できる。

また、それぞれに基地局に移動局からのスペクトル拡散信号と基地局内で発生するＰＮ符号との相互相関値を求めることにより、移動局からのスペクトル拡散信号の基地局間の伝播時間遅延差を簡易に求めることができる。

図１は、複数の基地局と移動局で構成されたディジタル移動体通信システムを用いた測位システムの構成例を説明するための図で、図中、１〜４は基地局、５は移動局を示し、図中の移動局５は基地局１のゾーンに属し、基地局１からサービスを受けている。
移動局５の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）、基地局１から４までの座標をそれぞれ（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁），（ｘ₂，ｙ₂，ｚ₂），（ｘ₃，ｙ₃，ｚ₃），（ｘ₄，ｙ₄，ｚ₄）とする。
移動局５の位置を求めるには最低３つの基地局が必要であるが、正確にその位置を測定するためには４つ以上が望ましい。
測位の際は、測位対象の移動局がＰＮ符号でスペクトル拡散した信号を送信し、現在サービスを受けている基地局を含めた周辺の３つ以上の基地局がそのスペクトル拡散信号を受信し、その基地局間のスペクトル拡散信号の伝播遅延時間の差を求める。
次に、そのスペクトル拡散信号を送信した移動局が測位対象の移動局かどうか確認するために受信波を復調し、メッセージ内容を確認する。

ＣＤＭＡディジタル移動体通信システムでは、それぞれの基地局はスペクトル拡散の際は同系列のＰＮ符号を用いており、基地局どうしの識別のためにその同系列のＰＮ符号に一定の位置差（パイロットＰＮオフセット）をもたしている。
それぞれの基地局は常時１チャネルを使用してそのＰＮ符号を送信しており（パイロット・チャネル）、メッセージ送信の際はそのＰＮ符号を使用してデータ信号をスペクトル拡散している。
移動局は常時この基地局からのパイロット・チャネルを監視しており、基地局からのメッセージを受信した場合、パイロット・チャネル上のＰＮ符号を使用し受信信号を逆拡散して復調を行っている。
また、移動局は受信待ち受状態においても常時パイロット信号を監視しているので、サービスを受けている基地局のパイロットＰＮオフセットを確認することができる。
また、移動局の受信するＰＮ符号はその属している基地局内で発生するＰＮ符号より伝播時間分位相が遅れていることになる。

測位の際は、まず、移動局がメッセージを送信する。移動局の送信用チャネルにはリクエスト・メッセージやアクノレッジ・メッセージなどを送るアクセス・チャネルと通話中にメッセージを送るトラフィック・チャネルがある。
測位の際、移動局が待ち受け状態にあるならば、移動局はアクセス・チャネルを使用してスペクトル拡散信号を送信する。
移動局が通話中ならば通話に使用しているトラフィック・チャネルを用いる。メッセージはそれが測位を行うためのものであるということを含める。

移動局がメッセージを送信し、サービスを提供している基地局を含めた周辺の複数の基地局がそのメッセージを受信する。
基地局１，２，３，４までの伝播時間をそれぞれＴ₁，Ｔ₂，Ｔ₃，Ｔ₄とすると、基地局・移動局の３次元座標から次の４つの式が得られる。

図２は、移動局が送信したメッセージ信号を４つの基地局が受信する状態を時間的に表している。移動局がスペクトル拡散信号を送信する時間をｔ_Mとすると、移動がそのメッセージのスペクトル拡散に使用しているＰＮ符号は基地局１からのパイロット・チャネル上で受信したものであるから、移動局のＰＮ信号は基地局１のＰＮ信号より位相が遅れていることになる。
いま、基地局送信されているパイロット信号が移動局まで到達するまでの伝播時間をＴ1′とすると、その位相差（時間差）はＴ₁′となる。ここで、基地局１の送信するＰＮ符号の位相差（パイロットＰＮオフセット）を基準とする。
移動局から送信されたメッセージ信号が基地局１，２，３，４に受信されるまでの伝播時間をそれぞれＴ₁，Ｔ₂，Ｔ₃，Ｔ₄とし、基地局１のパイロットＰＮ符号の位相を基準とした場合の基地局１のＰＮ符号に対する基地局２，３，４の発生するＰＮ符号のパイロットＰＮオフセットをそれぞれＴ_PN1，Ｔ_PN2，Ｔ_PN3，Ｔ_PN4とする。基地局１から移動局へのパイロット信号の伝播時間と移動局から基地局１へのメッセージ信号の伝播時間は等しいので、Ｔ₁＝Ｔ₁′と考えられる。

基地局は受信スペクトル拡散信号を基地局内で発生するＰＮ符号との相関をとることにより、その受信時刻を求めることができる。受信時刻に相関ピークが現れるのでそのチップ位置を特定することができる。基地局２，３，４では基地局１のＰＮ符号に対するパイロットＰＮオフセットＴ_PN2，Ｔ_PN3，Ｔ_PN4分、受信信号の相関ピークが時間的に遅延することになる。またディジタルＣＤＭＡ移動体通信システムはパイロットＰＮ符号がシステムタイムに同期している。
したがって、移動局のメッセージの送信時刻ｔ_Mは特定できないが、基地局１での受信時刻と残りの基地局２，３，４での受信時刻との時間差Δｔ₂，Δｔ₃，Δｔ₄を測定することはできる。
さらに、移動局の受信する基地局１からのパイロットＰＮ符号と基地局１内で発生するＰＮ符号の位相差（時間差）ｔ₀−ｔ_MはＴ₁＝Ｔ₁′より求めることができるから、基地局１のＰＮ符号の基準時刻ｔ₀も測定することができる。
したがって、この伝播時間差は次式（５）〜（７）のようになり、（１）〜（７）式の７本の式より７個の未知数ｘ，ｙ，ｚ，Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃，Ｔ₄を求めることができる。

次に、上記の複数の基地局が受信したスペクトル拡散信号が測位対象の移動局のものか基地局１に属する他の移動局のものかどうか判断する。基地局２，３，４が基地局１に属する多数の移動局の中から測位対象の移動局を識別する必要がある。
移動局からのスペクトル拡散信号を復調するためには、移動局がアクセス・チャネルを用いて送信する場合、移動局が属している基地局１とメッセージ送受信するための上りリンク・下りリンクのチャネル番号とパイロットＰＮシーケンスが、トラフィック・チャネルを使用して送信する場合、移動機のシリアル番号が必要になる。
したがって基地局１は上記の移動局のパラメータを基地局２，３，４に送る。ゆえに基地局２，３，４は移動局からのスペクトル拡散信号を復調し、メッセージの内容を確認し、それが測位対象のものであるか確認することができる。
以上により、移動局の位置を特定できる。

前述の測位システムにおいて、基地局内で移動局から送信されたスペクトル拡散信号と基地の相互相関値を算出する相関値算出装置をそれぞれの基地局に備える。
基地局に相関値算出回路を設けることにより、移動局からのスペクトル拡散信号と基地局内で発生するＰＮ符号の相関値を求めることができる。
移動局が送信時にスペクトル拡散する際に用いるＰＮ符号と基地局内で発生するＰＮ符号は同系列のものであるから、基地局が移動局からのスペクトル拡散信号を受信した場合、相関値算出装置に相関ピークが検出される。
この相関ピークを検出することにより基地局の受信タイミングが分かり、移動局からの信号の基地局間での伝播遅延時間差を求めることができる。

上述の測位システムにおいて、移動局から送信される信号は建物・地形により反射を重ねマルチパスで基地局に到来することが考えられる。図３に移動局５と基地局１の間に建物６や山７があり、それらに反射することによりマルチパスが生じることを表している。
そこで、図２のように、それぞれの基地局の受信時刻はマルチパスのうち最初に到来した受信波の受信時刻とする。
測位の際、移動局から基地局の直線距離を知ることは精度の点においてとても重要である。直線距離に近い経路を通って到来する波ほど早く受信される。
したがって、マルチパス受信波のうち最初に受信されたスペクトル拡散信号の受信時刻をその信号の受信時刻とする。

ディジタルＣＤＭＡ移動体通信方式では、移動局はそれが属している基地局以外のゾーンに干渉を与えないように、その送信電力を抑えている。したがって、移動局がそれに属している基地局の位置に近づくほどその送信電力を下げるので、他の基地局の受信が困難になる。
移動局・基地局間距離が大きい場合、移動局が送信するスペクトル拡散通信の拡散符号長を大きくすると、遠くに位置する基地局はその受信が可能になる。

図４は、位置情報センターをもつ測位システムの構成例を示す図である。
本測位システムにおいて、移動局からのメッセージ信号のそれぞれの基地局間の伝播遅延時間差、パイロットＰＮオフセットおよびそれぞれの基地局の位置座標をもとに、移動局の位置座標を計算する位置情報センター１１を設ける。
位置情報センターは測位時には必ず基地局の位置情報を持っており、測位の際には測位対象になる移動局の周辺に存在する複数の基地局から移動局からの信号の伝播遅延時間差およびそれぞれの基地局のパイロットＰＮオフセットをもらい、移動局の座標を計算する役割を果たす。
この位置情報センターは基地局とは別に設置してもいいし、それぞれの基地局内にその機能をもたせてもいい。図５は、基地局が位置情報センターの機能をもった場合の測位システムの構成例を示す図で、図中の１′〜４′は基地局兼位置情報センターを示す。

図６は、移動局端末への位置情報提供を説明するための図である。本測位システムでは、測位対象の移動局５を携行するユーザが自分の位置を問い合わせる場合が考えられる。この場合、その移動局５のサービスを受けている基地局１が求められた移動局の位置情報を含めたメッセージを移動局５に送信し、その位置情報を提供する。

図７は、他の公衆回線網に接続する電話（または端末）への位置情報提供を説明するための図である。本測位システムでは、他の移動体無線システムまたは他の有線もしくは無線の公衆回線１４を通じて、移動局の位置情報を問い合わせる場合が考えられる。この場合、求められた移動局の位置情報を含めたメッセージを交換局１３，１５を介して、その情報を問い合わせをしたユーザが使用している電話（もしくは端末）１６に送信する。

本測位システムを痴呆性老人または子供の位置情報提供サービスに用いる。
痴呆性老人・子供にディジタルＣＤＭＡ移動体通信システムの移動機を携行させ、保護者が家庭にある公衆回線を使用した電話もしくは端末や他の無線携帯電話などから痴呆性老人または子供の位置情報サービスをリクエストすることにより、測位システムが移動局の位置座標を測定し、その結果をメッセージとして電話もしくは端末に送る。
電話もしくは端末には位置情報（測位結果）を地図で表示できる装置を持つことが望ましい。
また、ファクシミリ端末なら測定結果を地図とともに表示して送ることが望ましい。

本測位システムを野生動物の生態調査サービスに使用する。
ディジタルＣＤＭＡ移動体通信システムの移動機を野生動物に取り付けることにより、野生動物の正確な位置を特定することができる。基地局を広範囲に設置することにより広範囲なきめ細かな野生動物の生態調査を行うことができる。

本測位システムを路線バスの運行状況提供サービスに適用する。
路線バスは渋滞・工事中などの道路状況により運行時間が左右される。特に交通量の激しい都市部ではその傾向が顕著である。バス停留所でバスを待つ人はバスの正確な到着時間を把握することは難しい。
そこでバスの車体にディジタルＣＤＭＡ移動体通信システムの移動機を設置し、バスの位置を定期的に測定する。測定結果をバス停留所に備え付けた表示装置に現在のバスの位置を地図とともに表示する。したがって、バスの運行状況を把握することが可能になる。

ディジタルＣＤＭＡ移動体通信システムを用いた測位システムの構成例を示す図である。各基地局で検出される移動局からのスペクトル拡散信号を示す図である。移動局・基地局間の伝播経路を示す図である。位置情報センターをもつ測位システムの構成例を示す図である。基地局が位置情報センターの機能を持つ場合の測位システムの構成例を示す図である。移動局端末への位置情報提供を説明するための図である。他の公衆回線網に接続する電話（または端末）への位置情報提供を説明するための図である。

符号の説明

１〜４…基地局、１′〜４′…基地局兼位置情報センター、５…移動局、６…建物、７…山、１１…位置情報センター、１２…制御局、１３，１５…交換制御局、１４…公衆回線網、１６…ユーザ端末機。

Claims

符号分割多重アクセス通信方式を用いて複数の基地局と移動局の間で通信を行う移動体通信システムにおける移動局の位置を測定する測位システムであって、移動局と各基地局との距離と、移動局から各基地局までのメッセージ伝播時間とで表す第一の関係式と、移動局がＰＮ符号でスペクトル拡散した信号を送信し、基地局が受信したスペクトル拡散信号の基地局間における伝播遅延時間の差と、移動局から各基地局までのメッセージ伝播時間とで表す第二の関係式とを作成し、該第一の関係式および該第二の関係式を解くことによって、移動局の位置を求めるようにしたことを特徴とする測位システム。
符号分割多重アクセス通信方式を用いて複数の基地局と移動局の間で通信を行う移動体通信システムにおける移動局の位置を測定する測位システムであって、測定の際に移動局が待ち受け状態にあるならば、移動局はアクセス・チャネルを使用してスペクトル拡散信号を送信し、移動局が通話中ならば使用しているトラフィック・チャンネルを用いるようにしたことを特徴とする測位システム。
移動局からのスペクトル拡散信号を復調するために、移動局がアクセス・チャネルで送信する場合には、該移動局が属している基地局とメッセージ送受信のための上りリンク・下りリンクのチャネル番号とパイロットＰＮシーケンスを送信し、トラフィック・チャネルで送信する場合には、該移動局のシリアル番号を送信することによって、受信したスペクトル拡散信号が測位対象の移動局のものであることを確認できるようにしたことを特徴とする測位システム。