JP2005020216A

JP2005020216A - 無線位置測定方法と装置

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Publication number: JP2005020216A
Application number: JP2003180428A
Authority: JP
Inventors: Mikio Kuwabara; 幹夫桑原; Naoto Matsuzawa; 直人松沢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】本発明が解決する課題は、ビル街や屋内のようにＧＰＳのみでは位置測定が困難な環境において、端末が自律的に位置測定の実施を可能とすること、すなわちＧＰＳと基地局からの信号の両方を用いて測位を行うハイブリッド型の自律測位を可能とすることである。
【解決手段】（１）該当基地局のブロードキャストチャネルが受信可能な時に該当基地局の位置やＩＤ等の情報を収集し、（２）ＧＰＳによる単独測位が可能な時にパイロットが受信でいる基地局の受信タイミングと上記基地局情報から該当基地局の信号送信タイミングあるいは送信タイミング誤差を計測しておき、蓄積しておく。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線電波発信源から送信された信号を受信し、端末の位置を測定する無線位置測定装置の位置計算方法に関する。特にＧＰＳ受信機を端末内に持ち、ＧＰＳ衛星からの信号とセルラ基地局からの信号との両方を使って端末の位置を特定するシステムであって、端末が自律的に連続して自身の位置計算を行う方法について記載している。
【０００２】
【従来の技術】
図２、３、４を用いて、従来の技術による位置計算方法について説明する。図２はＧＰＳ衛星からの信号とセルラ基地局からの信号の両方を使って端末の位置を特定するシステムの概念図を示している。図２で、端末１００はＧＰＳ受信機を内蔵している。このＧＰＳ受信機を使ってＧＰＳ衛星４００〜４０３が送信する信号を受信し、受信タイミングから端末の位置を測定している。通常、端末はビル街や屋内においても使用されるが、こうした環境においては、微弱な電波であるＧＰＳ衛星からの電波を捕らえることは難しく、観測できる衛星数が４未満となってしまう。図では４０３のＧＰＳ衛星の信号が建物に遮蔽されて端末に受信できなくなっていることを概念的に示している。ＧＰＳは、Ｘ，Ｙ，Ｚの３次元の位置と測定時刻が未知数であるため、端末位置を求めるためには、少なくとも４つ以上のＧＰＳ衛星からの信号を受信する必要があり、上記のように観測できる衛星数が４未満になると位置測定が不可能となる。こうした場合の対策として、例えば、特許文献１がある。ここで開示されている技術は、より高い感度を得る処理を高速に行うためにＦＦＴを利用したソフトウェアによる信号処理技術の応用技術が開示されている。また、例えば特許文献２には、以下に示すハイブリッド測位方式が開示されている。これは、ＧＰＳのみではなく、セルラ基地局５００、５０１を信号発信源のひとつとして扱い、セルラ基地局から送信されている信号の受信タイミングを測定することでセルラ基地局をあたかもＧＰＳ衛星と同等に扱い、信号源の数が４以下にならないように工夫して様々な場所で位置測定が可能となる方法である。
【０００３】
図３は従来技術からなるシステム構成を示す図である。この方式は無線アシステッドＧＰＳ（ＷＡＧあるいはＡＧＰＳ）と呼ばれている。端末１００はセルラ通信機１０２とＧＰＳ受信機１０１を内蔵し、セルラ通信機１０２によってセルラ基地局５００と通信することができる。セルラ基地局５００がつながるセルラ網６００には、情報サーバー７００がつながり、ここで端末が必要とするＧＰＳ情報を供給することができる。こうしたＧＰＳのアシスト情報については、特許文献３に開示されている。無線ネットワークを介して端末１００にＧＰＳの情報を送ることで、ＧＰＳはコールドスタートが可能となり、消費電力の低減や精度を向上させることができる。図３で、端末１００内のセルラ通信機１０２は、サーバー７００から受け取ったＧＰＳ衛星の情報をＧＰＳ受信機１０１に供給し、ＧＰＳ受信機１０１は、この情報を使って観測するべきＧＰＳ衛星を特定し、さらには受信信号と相関演算を行う窓の位相も特定する。また、ドップラー周波数の補正に関する情報も供給できる。これによって上記ＧＰＳ受信機は衛星の位置情報などのアルマナック情報を、自らがＧＰＳ衛星の信号を受信することで得る必要がなくなる。衛星から送信されているアルマナック情報は５０ＢＰＳの低速チャネルで送信されている関係から電源を投入してからすべての衛星の情報を得るには、１５分程度の時間が必要となり、コールドスタートができない欠点があったが、本従来例により、コールドスタートによる測定が可能となる。ＧＰＳ受信機１０１は、端末１００の位置計算を行うことも可能であるが、計算に必要となる計算能力を端末に持たなければならないために端末のＣＰＵ負荷が上がることや、位置情報に対して課金するための手段がないことなどを理由として、無線ネットワーク６００につながるサーバー７００において位置計算を実施する方法が一般的である。この場合、端末１００は、衛星のＩＤと受信タイミングの情報だけをメモリ装置１０７に蓄積し、セルラ通信機１０２を介して、この情報を無線でセルラ基地局５００に転送し、更には無線ネットワーク６００を介して情報サーバー７００にこの情報を転送する。最終的には、サーバー７００において端末から得られた情報と、サーバーに蓄えられたＧＰＳ衛星位置の情報（アルマナック情報）と信号送信タイミング情報を使って、上記端末１００の位置計算を実施する。
【０００４】
上記では情報サーバー７００を利用したＧＰＳ単独測位について説明しているが、既に説明済みであるハイブリッド測位を利用して端末１００の位置を計算する場合についても、従来例の組み合わせで実施可能である。この場合、セルラ通信機は、特定基地局のＩＤを受信信号から取り出し、さらにはその特定の基地局から送信された信号の受信タイミングを測定し、これをＧＰＳと同様に、上記メモリ装置１０７に蓄積し、必要に応じて無線回線を介して情報サーバー７００に得た情報（基地局ＩＤあるいはそれ相当の情報と受信タイミング情報）を送り、サーバーにおいて端末位置を計算する。端末位置を計算するには、使われた衛星・基地局を特定するＩＤと、衛星・基地局から送信された信号の送信タイミングと受信タイミング、さらには衛星・基地局の位置が判明している必要がある。ＧＰＳについては、既に紹介している通り、サーバー７００は観測可能なＧＰＳ衛星の信号送信タイミング、衛星位置を蓄えており、信号受信タイミングは端末１００から送られてくる。基地局に関しても、サーバー７００は基地局位置と信号送信タイミングを予め蓄えており、信号受信タイミングは端末１００から送られてくる。これによって全ての情報が整い、端末の位置を求めることが可能となる。
【０００５】
図４は、端末１００において、ＧＰＳを用いてトラッキングを行う場合の装置構成を示している。無線アシステッドＧＰＳにおいてトラッキングを行う場合には、即応性や通信コストが問題となる。応答性を妨げる主な遅延要因は無線通信の伝送遅延であり、また、これが通信コスト上昇の原因でもある。
【０００６】
この課題を解決するために、端末１００で位置計算する方法がある。これには、端末１００がＧＰＳ衛星の信号送信タイミングや衛星位置を把握している必要がある。このため、サーバー７００はこれらのＧＰＳの情報を無線で端末１００に供給する。サーバー７００から供給されるＧＰＳの情報は、３０分程度は更新の必要がない。端末の動きが大きい場合にはＧＰＳ衛星を観測するときの窓の大きさが問題となる時があるが、トラッキングのように連続して測定している状態では、過去に測定した結果を使って、上記相関演算を行う窓の位相を調整することでこうした課題は解決される。したがって、端末１００でＧＰＳによる位置計算演算を行うこと、また、ある時刻のある特定エリアにおいてのＧＰＳの情報をもらい、連続して端末位置を測定し続けながらＧＰＳの情報を端末１００の内部で更新することによって、非常に利便性のよいトラッキングアプリケーションの実行が可能となる。上記で説明したＧＰＳのみによる自立的な測位方法については、非特許文献１において情報が示されており、公知である。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５８７４９１４号明細書
【特許文献２】米国特許第６１８８３５４号明細書
【特許文献３】米国特許第５８２５３２７号明細書
【非特許文献１】斎藤健二、”自律測位でさらに進化する、ｇｐｓＯｎｅ”、［ｏｎｌｉｎｅ］、２００２年８月６日、ＳｏｆｔｂａｎｋＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、［２００３年４月７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｚｄｎｅｔ．ｃｏ．ｊｐ／ｍｏｂｉｌｅ／０２０８／０６／ｎ＿ｇｐｓｏｎｅ．ｈｔｍｌ＞
【非特許文献２】土屋他、「ＧＰＳ測量の基礎」、社団法人日本測量協会、１９９５年
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以下では、ＩＳ−９５を例に挙げて説明する。従来技術では、（１）ネットワークアシストによるＧＰＳ方式、（２）ＧＰＳとセルラ基地局との情報を使うハイブリッド測位、そして（３）自律的ＧＰＳ測位についての技術が開示されていることを説明した。本発明が解決する課題は、ビル街や屋内のようにＧＰＳのみでは位置測定が困難な環境において、端末が自律的に位置測定の実施を可能とすること、すなわちＧＰＳと基地局からの信号の両方を用いて測位を行うハイブリッド型の自律測位を可能とすることである。
【０００９】
既に述べているように、ハイブリッド測位を実施するためには、使われた衛星・基地局を特定するＩＤと、衛星・基地局から送信された信号の送信タイミングと受信タイミング、さらには衛星・基地局の位置が判明している必要がある。衛星については、上記従来例において、図４を使った説明で、衛星の情報を無線で端末１００に通知する方法を述べている。基地局についても同様な処理を行うことで、ハイブリッド測位が可能となる。しかしここで別の課題が発生する。それは、以下に示される。
【００１０】
▲１▼一般にアンテナの位置は、保安上の理由から公開されていないことが多い。したがって、基地局の位置を保持するサーバーが、安易に情報を端末に伝えることは難しい。
【００１１】
▲２▼システム時間上の送信タイミングと、アンテナから実際に電波が出されるタイミングとの間に誤差がある。この誤差のために端末が測定した受信タイミングから、予め定めてあるＰＮオフセットから予測される送信タイミングを引いて求められる伝搬時間（＝伝搬距離）に誤差が発生してしまう。結果、計算した端末の位置には大きな誤差が含まれる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明では、次のような手段によりこれらの課題を解決し、端末におけるハイブリッド型の自律測位を実現する。
【００１３】
上記課題は、ＧＰＳ受信機が受信した信号とセルラ無線通信機が受信した信号から自身の位置を計算するハイブリッド型の無線位置測定端末において、ＧＰＳ信号を捕らえるための情報をネットワークに接続されるサーバー装置から間欠的に供給してもらい、ＧＰＳ衛星と基地局から送信される特定の信号の受信タイミングの測定を行い、得られた受信タイミングから端末の位置を求めることを特徴とする第１の無線位置測定方法により解決される。
【００１４】
上記課題は、上記第１の無線位置測定方法であって、上記セルラ無線通信機によって少なくとも１つの基地局から送信される信号を受信し、それを復調することで上記基地局に関する情報を得ると共に、ＧＰＳのみで上記装置の位置が計算できる状態の時に、上記基地局から送信されている特定の信号の受信タイミングを測定し、ＧＰＳのみを用いて求めた端末位置と上記基地局情報を使って、伝搬距離を算出することで伝搬時間を推定し、上記受信タイミングと伝搬時間を使い、セルラ基地局が上記特定信号を送信した送信タイミングを求め、上記セルラ基地局の情報と送信タイミングを端末に保持することを特徴とする第２の無線位置測定方法によって解決される。
【００１５】
上記課題は、上記第１の無線位置測定方法であって、上記セルラ無線通信機によって少なくとも１つの基地局から送信される信号を受信し、それを復調することで上記基地局に関する情報を得ると共に、ＧＰＳのみを用いて上記装置の位置が計算できる状態の時に、上記基地局から送信されている特定の信号の受信タイミングを測定し、ＧＰＳのみを用いて求めた端末位置と上記基地局情報を使って、伝搬距離を算出することで伝搬時間を推定し、上記受信タイミングと伝搬時間を使い、セルラ基地局が上記特定信号を送信した送信タイミングを求め、更には上記送信タイミングとＧＰＳが生成する時刻との比較から送信タイミングの補正値を求め、上記セルラ基地局の情報と送信タイミングの補正値を端末に保持することを特徴とする第３の無線位置測定方法によって解決される。
【００１６】
上記課題は、上記第２の無線位置測定方法であって、上記ＧＰＳのみで位置が計算できない時に、セルラ通信機によって周囲の基地局から送信される特定の信号を受信し、上記端末に保持された送信タイミングを使って端末で観測された信号の受信タイミングから伝搬時間を計算し、更にはＧＰＳ衛星からの信号と上記基地局からの信号を使って端末位置を計算することを特徴とする第４の無線位置測定方法によって解決される。
【００１７】
上記課題は、上記第３の無線位置測定方法であって、上記ＧＰＳのみで位置が計算できない時に、セルラ通信機によって周囲の基地局から送信される特定の信号を受信し、上記端末に保持された送信タイミングの補正値と各基地局によって決まっている上記特定信号の送信タイミングを使って端末で観測された信号の受信タイミングから伝搬時間を計算し、更にはＧＰＳ衛星からの信号と上記基地局からの信号を使って端末位置を計算することを特徴とする第５の無線位置測定方法によって解決される。
【００１８】
上記課題は、上記第２の無線位置測定方法であって、上記端末は得られた基地局の送信タイミングを無線ネットワークにつながるサーバー装置に伝達することを特徴とする第６の無線位置測定方法によって解決される。
【００１９】
上記課題は、上記第３の無線位置測定方法であって、上記端末は得られた基地局の送信タイミングの補正値を無線ネットワークにつながるサーバー装置に伝達することを特徴とする第７の無線位置測定方法によって解決される。
【００２０】
上記課題は、上記第１の無線位置測定方法であって、上記端末は、ＧＰＳのみでは位置計算を完了できない場合に、最寄り基地局を特定する情報を上記無線ネットワークにつながるサーバー装置に伝え、サーバーは送信タイミング（または送信タイミングの補正値）を、上記無線ネットワークを介して上記端末に送信し、上記端末はその情報を使って、ＧＰＳ衛星と基地局から送信される信号を使って端末の位置を求めることを特徴とする第８の無線位置測定方法によって解決される。
【００２１】
上記課題は、ＧＰＳ受信機が受信した信号とセルラ無線通信機が受信した信号から端末の位置を計算するハイブリッド型の無線位置測定装置において、上記端末はまず自身の持つＧＰＳ信号の受信に関する情報が更新の必要性があるかを判断するステップ２０１と、上記ステップ２０１において、更新の必要と判断した場合に、無線ネットワークを通じてサーバー装置と交信し、ＧＰＳ信号の受信に関する情報を更新するステップ２０２と、上記ステップ２０２終了後、あるいは上記ステップ２０１においてＧＰＳ情報を更新しなくて良いと判断された場合に、上記ＧＰＳ情報を利用してＧＰＳ衛星からの信号を受信して、ＧＰＳのみを用いた測位を試みるステップ２０３と、それによりＧＰＳのみを用いた測位が可能であるかを判断するステップ２０４と、ＧＰＳのみを用いた測位が可能であるならば、上記端末のメモリ内に蓄積された基地局情報の調査を行い、その情報の更新が必要であるかを判断するステップ２０５と、上記ステップ２０５で判断した結果、更新が必要な場合には基地局情報を収集し、収集した情報をメモリに蓄積するステップ２０６と、上記ステップ２０５で基地局情報の更新が不要である場合か、あるいはステップ２０６が終了した後に、既に完了している上記ＧＰＳ測位の結果を端末位置として測位処理を終了するステップ２０７と、上記ステップ２０４においてＧＰＳのみを用いた測定が不可能な場合にＧＰＳと基地局から送信された信号で端末位置を測定するハイブリッド測位の実施を試みるステップ２０８と、それによりハイブリッド測位が可能であるかを判断するステップ２０９と、ハイブリッド測位が可能であるならば、ハイブリッド測位結果を端末位置として測位処理を終了するステップ２１０と、ステップ２０９において、ハイブリッド測位が不可能な場合には、測位不能として測位処理を終了するステップ２１０ならなることを特徴とする第９の無線位置測定方法によって解決される。
【００２２】
上記課題は、上記第９の無線位置測定方法であって、上記ステップ２０６は、セルラ通信機で基地局が送信しているシステム情報を取得して、近接基地局の特徴を調査するステップ３０１と、調査結果から近接基地局の情報を既に取得済みであるかを判断するステップ３０２と、上記判断の結果、情報をもっていない基地局がある場合には、該当基地局の制御情報を観測し、該当基地局に関する基地局情報を取得して、取得結果を上記装置内のメモリに蓄積するステップ３０３と、ステップ３０３終了後あるいは、上記ステップ３０２において基地局情報収集の必要性がない場合、該当基地局の遅延プロファイルを作成するステップ３０４と、得られた遅延プロファイルに対してパス検出を行い、受信タイミングを測定するステップ３０５と、ＧＰＳで得られた上記装置の位置と基地局情報から得られる基地局位置から伝搬時間を推定するステップ３０６と、上記受信タイミングから上記伝搬時間を引き、送信タイミングを算出するステップ３０７と、上記送信タイミングと上記ＧＰＳで得られた時刻と更には予めメモリに蓄積された送信タイミング補正値とを比較し、上記補正値の誤差が閾値以下あるいは既に測定済みであるかを判断するステップ３０８と、誤差が閾値以上あるいは測定未済の場合には、測定した送信タイミングとＧＰＳ時刻を使ってメモリに蓄積されている上記補正値を更新するステップ３０９と、ステップ３０９終了かあるいはステップ３０８で補正値の誤差が閾値よりも小さい場合にステップ２０６を終了することを特徴とする第１０の無線位置測定方法によって解決される。
【００２３】
上記課題は、無線位置測定端末であって、ＧＰＳ衛星からの信号を受信して受信機位置と時刻を算出するＧＰＳ受信手段１０１と、セルラ基地局と交信し、且つ最寄りの基地局の送信する信号を受信し、その基地局あるいは周囲基地局の情報を入手し、且つ相関器を使って受信信号の受信タイミングを測定するセルラ通信手段１０２と、セルラ通信機につながり、上記ＧＰＳ受信機に無線通信により得られたＧＰＳ衛星の情報を伝え、またＧＰＳ受信機から得られたＧＰＳ衛星の更新情報に基づいて上記ＧＰＳ衛星の情報を更新する衛星情報管理手段１０６と、上記最寄りの基地局あるいは周囲基地局の情報と、上記最寄りあるいは周囲の基地局から送信されている信号の受信タイミング測定結果の情報を上記セルラ受信手段から入手し、且つＧＰＳのみによる端末位置と時刻の情報を上記ＧＰＳ受信手段から入手して上記最寄りあるいは周囲基地局に関する送信タイミング補正情報を求め、送信タイミング補正情報を作成するセルラ基地局情報解析手段１０３と、上記セルラ基地局情報解析手段が作成した送信タイミング補正情報と信号受信により得られた基地局の情報を蓄積するメモリ１０４と、上記ＧＰＳ受信手段の受信したＧＰＳ衛星の情報と受信タイミング測定結果および上記セルラ通信手段の受信した基地局情報と受信タイミング測定結果と上記メモリに蓄積された最寄り基地局の情報を使って端末の位置を計算するハイブリッド位置検出手段１０５からなる第１の無線位置測定端末によって解決される。
【００２４】
上記課題は、上記第１の無線位置測定端末であって、基地局から制御チャネルによって基地局の情報の収集指示が出されている場合に、上記該当基地局に関する補正情報の測定結果を、セルラ通信手段を介して無線ネットワークにつながるサーバー装置に送信することを特徴とする第２の無線位置測定端末によって解決される。
【００２５】
上記課題は、第１の無線位置測定端末であって、上記メモリに最寄りの基地局の情報がない場合に、上記該当基地局に関する補正情報の測定結果を、セルラ通信手段を介して無線ネットワークにつながるサーバー装置から得ることを特徴とする第３の無線位置測定端末によって解決される。
【００２６】
上記課題は、無線ネットワークに接続されるサーバー装置であって、端末から最寄りの基地局のＩＤを元に上記基地局の情報を要求された場合に、メモリに蓄積されていた基地局送信タイミング補正情報を上記端末に無線を介して送信することを特徴とする第１のサーバー装置によって解決される。
【００２７】
上記課題は、無線ネットワークに接続されるサーバー装置であって、端末から基地局ＩＤと測定された送信タイミング補正情報が送られてきた場合に、上記情報をメモリに蓄積することを特徴とする第２のサーバー装置によって解決される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下では、端末１００の機能ブロック、測位の手順、基地局情報収集の手順について、図１、図５、図６、図７を用いて説明する。
【００２９】
１．端末の機能ブロック
図１を使い、上記課題を解決する端末の構成について説明する。図１は、本発明からなる第１の実施例の構成図である。以下では、説明の便宜上、６つの機能ブロックに分けて説明しているが、全体あるいは一部を１つのＬＳＩやＤＳＰ等で構成しても本発明の効果は変わらない。
【００３０】
第１のブロックはＧＰＳ受信部１０１である。このブロックには、ＧＰＳ受信用のアンテナ、ＲＦ部、相関部や信号処理部が含まれ、全体として機能している。図１ではＧＰＳアンテナは後に説明するセルラ通信部１０２のアンテナと別々に描かれているが、両方の信号を受信できる周波数特性をもったアンテナであるならば、共通化しても本発明の効果は変わらない。
【００３１】
ＧＰＳ受信部１０１の機能は、ＧＰＳアンテナが受信した信号を、後に説明する衛星情報管理部１０６からの情報に基づいてパス検出を行い、信号処理を行って端末の位置と時刻を測定することである。
【００３２】
上記で「パス検出」とはＧＰＳ受信部１０１の相関部によって実施される処理を示している。ここでは、衛星情報管理部１０６が供給する（１）信号系列の情報と（２）おおよその受信タイミングを使い、ＧＰＳ受信部１０１のＲＦ部が受信した信号と既知である送信信号系列との相関演算を行う。この相関演算により、衛星からの信号の受信タイミングを求めることができる。相関演算を行う信号系列のある特定区間の位相を窓と呼び、相関演算はこの窓について実施される。
【００３３】
上記で「信号処理」とは、ＧＰＳ受信部１０１の信号処理部で実施される処理を示し、上記解析によって得られた４つ以上の衛星に関する受信タイミングと衛星情報管理部１０６が提供する衛星の軌道情報を使って、端末の位置と時刻を計算する処理を示す。ＧＰＳ受信部１０１の信号処理部では、最小二乗法などの計算手法を利用して、端末位置と時刻を求める。これらを求めるために実施する計算は通常のＧＰＳにおいて実施される方法に等しい。詳しい計算方法は、例えば非特許文献２に記載されている。
【００３４】
ＧＰＳ受信部１０１は後で述べるハイブリッド位置検出部１０５に上記ＧＰＳ信号の受信タイミングの測定結果を供給する。ハイブリッド位置検出部１０５はＧＰＳ衛星と基地局からの信号を使って位置検出を行う機能ブロックであるが、このＧＰＳ受信部１０１からは、ＧＰＳ衛星に関わる測定結果が供給される。
【００３５】
第２のブロックはセルラ通信部１０２である。このブロックにはアンテナ、ＲＦ部、モデム部が含まれ、全体として機能している。セルラ通信部１０２はセルラ無線ネットワークと通信し、必要な情報の入手を行うのに使われる。必要な情報はＧＰＳと基地局の情報の２つに分類される。
【００３６】
ＧＰＳ衛星に関わる情報について説明する。端末は、例えば自分の最寄り基地局のＩＤ等の端末のおおよその位置がわかる情報を、セルラ無線ネットワークにつながるサーバーに供給し、サーバーから以下の情報を受け取る。すなわち（１）ＧＰＳ衛星の位置・速度・軌道あるいはそれに関連するアルマナック情報、（２）送信されている信号の系列、および（３）端末のおおよその位置で観測されるＧＰＳ衛星信号の受信タイミング概算値、の３つの情報である。これらの情報は衛星情報管理部１０６に送られる。これらの情報に加え、ドップラー周波数に関する情報や電離層遅延に関わる誤差情報等も同時に送ることで、ＧＰＳによる位置同定の精度を向上させることもできる。
【００３７】
基地局に関する情報について説明する。この情報はさらに２つの種類に分類することができる。１つは基地局自身が送信するブロードキャスト信号の受信により得られる情報で、端末は通常からこの情報を受信している。このブロードキャスト信号の例として、図７にはＩＳ−９５におけるシステムパラメータメッセージを挙げている。システムパラメータメッセージはページングチャネル上に配置されるメッセージであり、各基地局は定期的にこのメッセージを送信している。このメッセージの中で、本発明に利用する重要な情報は、項番２のパイロット信号送信タイミングオフセットを示すＰＩＬＯＴ＿ＰＮと、項番４、５のＳＩＤ、ＮＩＤと、項番２２、２３のアンテナ緯度、経度である。端末は、適時、これらの情報をセルラ基地局情報メモリ部１０４に蓄積して、情報収集を行っている。基地局に関するもう１つの情報は、基地局が送信しているパイロット信号の受信タイミングに関する情報である。ＩＳ−９５を例に挙げ、パイロット信号による受信タイミングについて説明する。各基地局がＧＰＳ受信機を持っていて、それに同期して各基地局はパイロット信号を送信している。したがって異なる基地局間はＧＰＳ受信機の精度で同期していることになる。セルラ通信部１０２は、上記のパイロット信号を受信し、例えばモデム内の相関器の機能を使って受信タイミングを測定する。測定した結果は後に説明するセルラ基地局情報解析部１０３に送られる。
【００３８】
セルラ通信部１０２は後で述べるハイブリッド位置検出部１０５に上記受信タイミングの測定結果を供給する。ハイブリッド位置検出部１０５はＧＰＳ衛星と基地局からの信号を使って位置検出を行う機能ブロックであるが、このセルラ通信部１０２からは、基地局に関わる測定結果が供給される。
【００３９】
第３のブロックはセルラ基地局情報解析部１０３である。このブロックは従来技術にはなかった機能である。このブロックの機能は、ＧＰＳ受信部１０１により供給される端末１００の位置やＧＰＳ時刻と、セルラ通信部１０２により供給される受信タイミングや基地局位置から、基地局送信タイミングあるいは送信タイミング補正値を求めることにある。
【００４０】
ＧＰＳ受信部１０１からは端末１００の現在位置と時刻が供給される。供給される時刻は、端末が独自に持っている時計の進み／遅れを測るために利用される。この正確な時計によって、端末もＧＰＳに同期して各基地局が送信するパイロット信号の受信タイミングを測定することができる。他方、セルラ通信部１０２からは特定基地局に関するＩＤあるいはＰＮコード、受信タイミング、そして基地局位置が供給される。これらの情報を使ってセルラ基地局情報解析部１０３は各基地局の送信タイミングを推定し、セルラ基地局情報メモリ部１０４に情報を蓄積しておく。
【００４１】
送信タイミングの推定方法は以下に示される。端末の位置はＧＰＳ受信部１０１から判明しており、これと基地局位置を使うことで端末―基地局間の距離が判明する。距離を伝搬速度である光速で割ることで伝搬に要する時間が判明する。したがって、受信タイミングから得られた伝搬時間を引くことで送信タイミングが判明する。
【００４２】
ここで、基地局位置は半固定であるため、過去に該当基地局のブロードキャスト信号を受信した際に得た情報でもよい。この場合、得られた情報はセルラ基地局情報メモリ部１０４に蓄積されているから、セルラ基地局情報メモリ部１０４にアクセスすることで過去に測定された基地局位置の情報を取り出すことができる。セルラ基地局情報メモリ部１０４から情報を取り出すためのインデックスとして基地局のＩＤを利用することができる。ＩＳ−９５では、既に説明したようにＳＩＤとＮＩＤの２つのＩＤが各基地局にユニークに与えられるので、この情報を使うことができるが、これを取り出すためには、上記ブロードキャスト信号を受信する必要がある。しかしながら、常に利用したい基地局の上記ブローキャスト信号を正しく復調することができるとは限らない。そこで、ＩＤは今ブロードキャスト信号が受信可能な基地局のものを使用して地域を限定し、最終的な基地局の特定にはＰＩＬＯＴ＿ＰＮ情報を使うことが実用上は有効である。この方法によってセルラ基地局情報メモリ部１０４に蓄積された必要な情報を取り出すことができる。
【００４３】
第４のブロックはセルラ基地局情報メモリ部１０４である。このブロックの機能は、既に述べられているが、各基地局の情報を蓄積しておくことであり、必要に応じてセルラ基地局情報解析部１０３や、後に説明するハイブリッド位置検出部１０５に蓄積情報を供給することである。
【００４４】
セルラ基地局情報メモリ１０４は、セルラ基地局情報解析部１０３から受け取った情報（セルラ通信部１０２から得た基地局ＩＤや基地局位置に関する情報、更には受信タイミングと他の情報から作成した基地局送信タイミングの情報）を受け取り、これを蓄積しておく。また、既に述べた通り、セルラ基地局情報解析部１０３が過去に蓄積していた基地局の位置情報が必要な場合には、ブロードキャスト信号が受信可能な基地局のＩＤと該当局のＰＩＬＯＴ＿ＰＮ情報を元に蓄積情報を検索し、必要な基地局の位置情報を提供する。また、後に説明するハイブリッド位置検出部１０５が必要な基地局の送信タイミングおよび基地局位置情報は、最寄り基地局のＩＤとＰＩＬＯＴ＿ＰＮを使って、あるいは該当基地局のＩＤを使って基地局を特定し、蓄積情報を検索して必要な情報を渡す。
【００４５】
第５のブロックはハイブリッド位置検出部１０５である。本ブロックで行う位置計算の方法は、例えば、特許文献２に示されている方法と同じであり、基地局をＧＰＳ衛星の１つとみなし、軌道情報の代わりに基地局の位置情報を使い、端末の位置を求める。既に述べられているが、各基地局のアンテナから送信しているパイロット信号の送信タイミングは、各基地局のＰＩＬＯＴ＿ＰＮで指示されたＰＮオフセットの値からは若干のずれが発生している。これは、主にアンテナまでのケーブルによる伝搬遅延と基地局装置内の処理遅延が影響していると考えられる。セルラ基地局情報メモリ１０４には、ＧＰＳを使って測定した正確な送信タイミングあるいはその補正値が格納されているため、このずれ（誤差）を補償することができる。また、位置計算に必要な基地局位置やＰＩＬＯＴ＿ＰＮ等の情報もセルラ基地局情報メモリ１０４に格納されているため、この情報を元に端末が自律的に測定を行うことができる。
【００４６】
最後のブロックは衛星情報管理部１０６である。本ブロックの機能は、ＧＰＳ受信器をコールドスタートで動作させるために、ＧＰＳの受信情報を格納し、必要に応じてその情報を更新することである。
【００４７】
既に述べられている通り、サーバー装置からはＧＰＳ衛星を受信するための情報（衛星の軌道情報や送信系列の情報、受信窓の情報、ドップラー周波数等の誤差情報）を受け取る。これによって上記ＧＰＳ受信機は衛星のアルマナック情報を、自らがＧＰＳ衛星の信号を受信することで得る必要がなくなり、コールドスタートによる測定が可能となる。サーバー７００から供給されるＧＰＳの情報は、３０分程度は更新の必要がないため、この間は、衛星情報管理部１０６が衛星位置を軌道情報に従って計算し、連続するトラッキング動作の場合には、相関演算を行う窓を前回の測定結果に従って更新する等の処理を行い、情報の更新を端末内部で実行する。
【００４８】
６つのブロックに分けて説明したが、本発明の特徴となるブロックは、セルラ基地局情報解析部１０３とセルラ基地局情報メモリ１０４である。この２つのブロックが、機能することで、（１）該当基地局のブロードキャストチャネルが受信可能な時に該当基地局の位置やＩＤ等の情報を収集し、（２）ＧＰＳによる単独測位が可能な時にパイロットが受信でいる基地局の受信タイミングと上記基地局情報から該当基地局の信号送信タイミングあるいは送信タイミング誤差を計測しておき、蓄積しておくことができる。また、この情報を利用して、無線ネットワークにつながるサーバーから基地局の情報をもらわずに測位に必要な全ての情報を収集することが可能となる。よって端末においてサーバー７００からの間欠的なＧＰＳ受信のためのアシスト情報だけで、自律的にＧＰＳとセルラ基地局から送信される信号を使って測位を行うことが可能となり課題は解決される。
ところで上記実施例の場合、端末は、最初にＧＰＳによる単独測位に成功し、該当基地局の送信タイミングに関する情報を持っていないとハイブリッド測位が実施できない。この場合、送信タイミング（あるいは送信タイミング補正）に関する情報だけをサーバー７００から供給する方法が有効である。送信タイミング（あるいは送信タイミング補正）情報は機密情報ではないため、無線を介して情報を端末に対して供与することは何ら問題はない。そこで、端末は、ＧＰＳの単独測位ができない場合であって、かつ現在接続可能な基地局が存在するが、その基地局の送信タイミングに関する情報が取得できていない場合に、該当基地局の情報をセルラ基地局情報メモリ１０４から、あるいは該当基地局の送信するブロードキャスト信号から得て、かつ、該当基地局の送信タイミングに関する情報をサーバー７００に要求する。サーバー７００では、予め蓄えられていた要求された基地局の送信タイミング情報を、無線を介して端末に伝える。これによって端末は該当基地局についての全ての情報を収集することが可能となり、ハイブリッド測位を実施することができる。
【００４９】
サーバー７００に予め蓄えられていた情報は、別途取得した値でもよいし、他の端末がＧＰＳによる単独測位に成功したときに上記別の端末のセルラ基地局情報解析手段が求めた情報を、無線回線を介してサーバーに登録したものでもよい。端末が独自に求めた値を使えば、別途送信タイミングを測定する手間を省くことができるため、システムの構築が安価に実現可能である。端末が測定結果をサーバーにレポートするかどうかを判断する情報が必要となるが、例えば基地局のブロードキャストチャネルを使ってレポートの指示を各端末にすることで、そのエリアの端末は、ＧＰＳの単独測位に成功した時点で、追加的に該当基地局の送信タイミングを測定し、結果をサーバーに報告させることも１つの実施例である。また、従来例であるサーバーにおいて端末位置を計算させる端末の測定結果を利用する方法もある。この場合には、サーバーは、端末がＧＰＳ測位を完了し測定結果を報告してきた時に、追加的に基地局の受信タイミングの測定の実施を指示し、その結果を送信タイミング測定に利用することができる。いずれの方法であっても、別途送信タイミングオフセットを測定する必要はないため、容易にシステムの立ち上げが実施できる。
【００５０】
２．測位の手順
本ブロック内で実行される解析の手順を説明する。望ましい実施形態として、図５に測位のフローチャート２００を示す。
【００５１】
“スタート”から開始し、まずＧＰＳによる測定を試みる。そのため、ステップ２０１では、端末内に蓄積、更新しているＧＰＳ情報が有効であるかを判定する。端末が持つＧＰＳ情報を更新する必要がある場合には、ステップ２０２にてＧＰＳ情報の更新を行う。必要なければステップ２０３にてＧＰＳ単独測位を試みる。ステップ２０４では、観測衛星数や測位誤差判定を利用し、ＧＰＳ単独測位が可能であるかを判断する。
【００５２】
ステップ２０４でＧＰＳ単独測位が可能な場合には、基地局情報収集を行う。まずステップ２０５にて、基地局情報の更新が必要であるかを判断する。判断基準は、ブロードキャスト情報が受信可能で該当基地局の送信タイミング情報が不明であるか、あるいは内部のセルラ基地局情報メモリに基地局の情報が蓄積されていて該当基地局の送信タイミングが不明である場合に基地局情報の更新が必要であると判断する。あるいは、過去に情報を収集した時から一定時間以上の経過がある場合や、ハイブリッド測位を実施した場合に誤差が大きい場合や、仮に送信タイミングを測定してみて、今回測定した送信タイミングの値と、過去にセルラ基地局情報メモリに蓄積された値との差が規定以上の場合等に更新が必要と判断する。更新が必要な場合には、ステップ２０６にて基地局情報の収集、蓄積を行う。最後にＧＰＳ測位を結果とするステップ２０７を実施して処理を終える。
【００５３】
ステップ２０４でＧＰＳ単独測位が不可能な場合には、ハイブリッド測位を試みる。ステップ２０８では、パイロット信号が受信可能で、且つ該当基地局の基地局情報（基地局位置、ＰＮオフセット、および送信タイミング（あるいは送信タイミング補正値）の情報）が全て取得済みである基地局を利用して、それをＧＰＳ衛星の１つとして三辺測量を実施し、例えば最小２乗法等の計算手法を使って端末の位置を算出する。ステップ２０９ではハイブリッド測位後に測位の精度を評価する。ステップ２０９で、ハイブリッド測位可能ならば、ハイブリッド測位を結果とするステップ２１０を実行して処理を終了する。もし、ステップ２０９においてハイブリッド測位が不可能であると評価された場合には、測位不能として、処理を終えるステップ２１１を実行する。
【００５４】
３．基地局情報収集の手順
図６を用いて、ステップ２０６の基地局情報収集および蓄積についてより詳細に説明する。図６はステップ２０６のフローを示すフローチャートである。
【００５５】
ステップ２０６は“スタート”から開始する。まず現在従属しているアクティブな基地局から送信されているネイバーリストをチェックし、近接する基地局のＰＮオフセットをリストアップするステップ３０１を実施する。次にステップ３０２において、該当ネイバーリスト内の基地局について基地局情報を取得済みであるかをチェックする。取得していない基地局の情報があれば、ステップ３０３に制御を移し、該当基地局のブロードキャストチャネル（ページングチャネル）を観測する。ブロードキャストチャネル内には、図７で説明したように、基地局位置、ＰＮオフセット等の基地局情報が格納されており、それを復調して取り出し、基地局情報メモリに格納する。
【００５６】
ネイバーリストに挙げられた全ての基地局のブロードキャストチャネルが正しく復調できるわけではない。所要Ｅ_ｂ／Ｉ_０が規定に満たない基地局からの信号は高い確率でブロードキャストチャネルの正しい復調ができないため、先にパイロット信号の受信電力を測定し、Ｅ_ｂ／Ｉ_０を推定してから、それによりブロードキャストチャネルが受信可能かどうかを判定するようにすれば、ステップ３０３の実行速度を高速化することができる。
【００５７】
以下のステップでは、相関演算を使って受信信号のタイミングを測定する。まずステップ３０４では、該当基地局の送信するパイロット信号を受信し、これを相関演算器にかけて遅延プロファイルを作成する。次にステップ３０５では、作成した遅延プロファイルに対してパス検出を行い、受信タイミングを測定する。
【００５８】
以下のステップでは、受信タイミングから送信タイミングを算出する。まずステップ３０６では、ＧＰＳ単独測位で得た端末位置と既に取得済みである基地局位置から、両者間の距離を算出する。得られた距離を光速で割ることで、伝搬時間を求める。次にステップ３０７では、測定により得られた受信タイミングから、上記伝搬時間を引いて送信タイミングを算出する。
【００５９】
以下のステップでは、得られた送信タイミングの誤差を判定し、誤差が規定値以内であれば、得られた送信タイミング（補正値）をセルラ基地局情報メモリに格納する。ここで、補正値を格納する場合には、基準値が必要となる。ＩＳ−９５では、各基地局はＣＤＭＡ基準時間に対して、各基地局が持つＰＮオフセット×６４チップ分だけ、送信しているパイロット信号のＰＮ位相を遅らせている。したがって、該当基地局のＰＮオフセット値から送信タイミングの基準値を算出することができる。測定結果から、この基準値を差し引いた値が補正値となる。まずステップ３０８では、例えば測定した送信タイミングから上記送信タイミングの基準値を引いて補正値を求める。補正値は、平均的なアンテナケーブル長や基地局装置内の内部遅延によって決まるおおよその遅れがあるため、これを予め定義しておき、この値をさらに上記補正値から引く。すると平均的なオフセットに対する測定結果の誤差が得られるから、これの絶対値が規定の値以下となる場合には誤差が少ないと判断することができる。セルラ通信では、セルのサービスエリアを広げるために、リピータ局が設置されている場合がある。リピータ局は、セルラ基地局のアンテナから送信される信号を一部取り出してケーブルで引き回した後に再度信号を増幅して送信するような構造となっているため、通常の自由空間伝搬よりも大きな遅延をもって受信されることが一般的である。そのため、リピータが送信する信号を、本発明の端末が受信すると、大きな誤差を持った基地局として登録してしまい、不都合が生じる。こうした現象を防止するためにステップ３０８は必要である。ステップ３０８で、誤差小さいと判断された場合には、ステップ３０９に制御が移り、セルラ基地局情報メモリに、測定された送信タイミング（補正値）が格納される。そしてステップ３１０で本ルーチンから復帰する。
【００６０】
【発明の効果】
以上、説明した本発明によれば、ビル街や屋内のようにＧＰＳのみでは位置測定が困難な環境において、端末が自律的に位置測定の実施が可能となる。すなわち、ＧＰＳと基地局からの信号の両方を用いて測位を行うハイブリッド型の自律測位が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明からなる端末の構成図。
【図２】従来技術の概要を示す図。
【図３】従来技術からなる測位システムの構成図。
【図４】従来技術からなる端末の構成図。
【図５】測位の手順を示すフローチャート。
【図６】基地局情報収集の手順を示すフローチャート。
【図７】ＩＳ−９５Ｂのブローキャスト情報（システムパラメータメッセージの内容）。
【符号の説明】
１００．．．端末、１０１．．．ＧＰＳ受信機、１０２．．．セルラ通信機、１０３．．．セルラ基地局情報解析部、１０４．．．セルラ基地局情報メモリ、１０５．．．ハイブリッド位置検出部、１０６．．．衛星情報管理部、１０７．．．データ蓄積部、２００〜２１１．．．測位手順の各ブロック、３０１〜３１０．．．基地局情報収集の手順の各ブロック、４００〜４０３．．．ＧＰＳ衛星、５００〜５０１．．．セルラ基地局、６００．．．無線ネットワーク、７００．．．サーバー。

Claims

ＧＰＳ受信器とセルラ無線通信機とを有し、上記ＧＰＳ受信機が受信したＧＰＳ信号または上記セルラ無線通信機が受信したセルラ信号を用いて位置を計算する無線位置測定端末において、上記無線位置測定端末内に保持した上記ＧＰＳ信号を捕らえるために必要なＧＰＳ情報または上記セルラ信号を捕らえるために必要なセルラ情報を使い、上記ＧＰＳ信号または上記セルラ信号の受信タイミングの測定を行い、該測定された受信タイミングと上記端末内に保持した上記セルラ基地局の情報から端末の位置を求めることを特徴とする無線位置測定方法。
請求項１記載の無線位置測定方法であって、ＧＰＳ信号のみを用いて上記装置の位置が計算できる状態のときに、上記セルラ信号の受信タイミングを測定し、上記受信タイミング、測定された端末位置および上記基地局の位置情報を使って上記基地局が上記セルラ信号を送信した送信タイミングを求め、上記基地局の情報と上記送信タイミング情報を無線位置測定端末に保持することを特徴とする無線位置測定方法。
請求項１記載の無線位置測定方法であって、ＧＰＳ信号のみを用いて上記装置の位置が計算できる状態のときに、上記セルラ信号の受信タイミングを測定し、上記受信タイミング、測定された端末位置および上記基地局の位置情報を使って上記基地局が上記セルラ信号を送信した送信タイミングを求め、上記送信タイミングとＧＰＳが生成する時刻との比較から該送信タイミングの補正値を求め、上記セルラ基地局の情報と上記送信タイミングの補正値情報を無線位置測定端末に保持することを特徴とする無線位置測定方法。
請求項２または３記載の無線位置測定方法であって、上記ＧＰＳ信号のみで位置が計算できないときに、上記セルラ無線通信機によって周囲の基地局から送信されるセルラ信号を受信し、上記無線位置測定端末に保持された情報を使って、端末で観測された信号の受信タイミングから伝搬時間を計算し、ＧＰＳ衛星からの信号と上記基地局からの信号を使って端末位置を計算することを特徴とする無線位置測定方法。
請求項２または３記載の無線位置測定方法であって、上記無線位置測定端末は、上記セルラ信号を用いて得られた上記基地局についての情報を上記サーバー装置に伝達することを特徴とする無線位置測定方法。
請求項１記載の無線位置測定方法であって、上記端末は、上記ＧＰＳ信号のみでは位置測定ができない場合に、受信されるセルラ信号から判断される最寄り基地局を特定する情報を上記サーバー装置に伝え、ネットワークを介して該無線位置測定端末に接続されるサーバー装置は送信タイミングまたは送信タイミングの補正値を、上記無線ネットワークを介して上記無線位置測定端末に送信し、上記無線位置測定端末はその情報を使って、上記ＧＰＳ信号と上記セルラ信号を使って端末の位置を求めることを特徴とする無線位置測定方法。
請求項１記載の無線位置測定方法であって、上記端末は、上記サーバー装置から供給される上記ＧＰＳ情報を保持しておき、該保持されているＧＰＳ情報の更新の必要性を判断し、該ＧＰＳ情報の更新が必要と判断された場合に上記サーバー装置から新たに上記ＧＰＳ情報の供給を受けることを特徴とする無線位置測定方法。
請求項７記載の無線位置測定方法であって、上記セルラ通信機で基地局が送信しているシステム情報を取得して近接する基地局の情報を既に取得済みであるかを判断し、上記判断の結果、情報をもっていない基地局がある場合には、該当基地局の制御情報を観測し、該当基地局に関する基地局情報を取得して、取得結果を上記無線位置測定端末内のメモリに蓄積することを特徴とする無線位置測定方法。
無線位置測定端末であって、ＧＰＳ衛星からの信号を受信して受信機位置と時刻を算出するＧＰＳ受信手段と、周囲基地局からの信号の受信タイミングを測定するセルラ通信機と、該セルラ通信機に接続され、セルラ通信及びＧＰＳ受信器により受信される情報を用いて上記ＧＰＳ衛星の情報を更新する衛星情報管理手段と、周囲基地局の情報と、上記周囲基地局から送信されている信号の受信タイミング測定結果の情報を上記セルラ受信手段から入手し、且つＧＰＳ衛星からの信号のみによる端末位置と時刻の情報を上記ＧＰＳ受信手段から入手して上記周囲基地局に関する送信タイミング補正情報を求め、送信タイミング補正情報を作成するセルラ基地局情報解析手段と、上記セルラ基地局情報解析手段が作成した送信タイミング補正情報と信号受信により得られた基地局の情報を蓄積するメモリと、上記ＧＰＳ受信手段の受信した上記ＧＰＳ衛星の情報と受信タイミング測定結果とを、または上記セルラ通信手段の受信した基地局情報と受信タイミング測定結果と上記メモリに蓄積された周囲基地局の情報とを使って位置を計算する位置検出手段からなる無線位置測定端末。
請求項９記載の無線位置測定端末であって、上記該当基地局に関する補正情報の測定結果を、セルラ通信手段を介して無線ネットワークにつながるサーバー装置に送信することを特徴とする無線位置測定端末。
請求項９記載の無線位置測定端末であって、上記メモリに周囲基地局の情報がない場合に、上記該当基地局に関する補正情報の測定結果を、セルラ通信手段を介して無線ネットワークにつながるサーバー装置から得ることを特徴とする無線位置測定端末。
無線ネットワークに接続されるサーバー装置であって、端末から基地局ＩＤと測定された送信タイミング補正情報が送られてきた場合に、上記情報をメモリに蓄積することを特徴とするサーバー装置。