JP2005117440A - 無線位置検出方法およびそのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 マルチパス環境において、効率的および高精度に移動体の位置を検出する。
【解決手段】 複数の互いに異なったアンテナ位置において送受可能な無線通信手段を含む移動局と、該移動局の備える無線通信手段との間で無線通信する基地局と、上記無線通信手段と基地局との間で往復する複数の無線信号をそれぞれ受信する複数の無線受信装置と、上記複数の無線受信装置により測定された上記受信に関する時刻と、上記それぞれの無線受信装置の位置と、上記基地局の位置とから、上記移動局の位置を検出するサーバとからなる無線位置検出システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無線位置検出方法に関するもので、特に無線LANシステムにおける位置検出方法に関する。

無線LANを用いた端末の位置検出システムが同出願人が先に出願した特願2002-260772号に示されている。このシステムは、端末と基地局との間で交わされる無線信号を、上記基地局とは別の複数の基地局が受信し、それぞれ計測した該信号に関する受信時刻に基づいて、上記端末の位置を検出することを特徴としている。IEEE802.11準拠の基地局において、チップクロックの許容誤差は±25ppm未満に規定されている。このクロックには個体差があるため、図7に示すとおり、基地局間のクロック誤差は時間とともに変化する。しかし、数秒以下であれば、この変化はほぼ一次式で近似することが可能である。そのため、同出願人が先に出願した特願2002-260772号で示されているように、基地局間のクロック誤差の算出に、基地局からの複数の無線信号が必要となる。

一方、このような無線位置検出システムを屋内等、無線信号の反射壁のある環境で運用する場合、マルチパスにより無線信号の波形が歪み、各基地局における受信時刻決定の誤差が増大する。同出願人が先に出願した特願2003-030281号では、基地局が、端末からの信号を複数受信し、計測した該信号に関する受信時刻を平均化することで、マルチパス環境における測距誤差を低減する方法が示されている。

上述の二点から、複数の無線信号の利用が有効である。しかし、その分の無線通信時間を要する。特に高速な移動体の位置を検出する場合には、複数の無線信号の送受に伴う無線通信時間の延長を極力抑えなければならない。

特開2000-197863号公報

そこで、マルチパス環境において、高い精度で効率的に移動体の位置を検出することが課題である。

上記課題を解決するための手段は、複数の互いに異なったアンテナ位置において送受信可能な無線通信手段を含む移動局と、該移動局の備える無線通信手段との間で無線通信する基地局と、上記無線通信手段と基地局との間で往復する複数の無線信号をそれぞれ受信する複数の無線受信装置と、上記複数の無線受信装置により測定された上記受信に関する時刻と、上記それぞれの無線受信装置の位置と、上記基地局の位置とから、上記移動局の位置を検出するサーバとからなる無線位置検出システムである。

本発明では、移動局の備える異なったアンテナ位置にて送受可能な無線通信手段と基地局との間で往復する無線信号を各無線受信装置が測定することにより、マルチパス特性の異なる信号を各受信装置において得ることが可能となる。その結果、マルチパス環境において、位置検出誤差の低減に有効である。また、各無線受信装置における無線通信手段からの信号の受信時刻の決定において、必要となる基地局からの複数の無線信号として、基地局から無線通信手段に対して、該複数の互いに異なったアンテナ位置にて、送信される無線信号を利用するので、効率的に移動局の位置を検出できる。

図1を用いて本発明による無線位置検出システムの実施例を説明する。同図において、100は移動局、150は無線LAN基地局（以下、基地局）、151、152、153は無線LAN受信装置（以下、受信装置）、160はサーバ、140はローカルエリアネットワーク（LAN）を示す。移動局100は、アンテナ111、121と無線通信手段112、122とを備える。受信装置１５１、１５２、１５３は受信機能を有するものであればよく、例えば無線ＬＡＮアクセスポイントなどである。ただし、端末の位置測定方法における役割が基地局150とは異なるので、以下、説明の簡潔のために基地局150とは異なる用語を用いる。上記無線通信手段は、例えば、無線LAN端末であり、それぞれの備えるアンテナを使って、基地局150と無線通信する。各アンテナ同士の距離は、無線通信手段の操作する無線信号の波長の1/4以上とすることが好ましい。マルチパス環境において、このようにアンテナ同士を離すことにより、マルチパス特性の異なる信号を各受信装置において受信することが可能となる。

また、各アンテナ同士の距離は、定数10の7乗（単位はメートル×ヘルツ）を無線通信手段が操作する無線信号の周波数占有帯域幅（単位はヘルツ）で割った商（単位はメートル）の大きさ以下とすることが望ましい。これは、「(社)情報処理学会DICOMO2003シンポジウム No141」によれば、GPS（Global Positioning System）で約１0ｍ、IEEE802.11bに準拠した無線LAN位置検出システムで約1mの測位精度が期待できるので、各アンテナの位置の違いによる位置算出結果の誤差の増大を抑えることに役立つ。

基地局150は、LAN140を介して接続されるサーバ160からの指示に基づいて、移動局の備える複数の無線通信手段112、122と無線通信を行う。受信装置151、152、153は、サーバ160の指示に基づいて、基地局150と無線通信手段112、122との間で往復する無線信号を受信し、サンプリングし、ディジタル化し、蓄積する。また、それぞれの備えるクロックで計測した上記蓄積した時刻を記録する。サーバ160は、上記各受信装置が蓄積した各無線信号と該蓄積時刻と、各受信装置の位置と、基地局の位置とに基づいて移動局の位置を算出する。

図2を用いて本発明による無線位置検出方法の実施例を説明する。サーバ160は、基地局150と無線通信手段112、122との間の無線信号を受信するよう、受信装置151、152、153に指示する（S100）。受信装置151、152、153は、受信計測（S200）を開始する。サーバ160は基地局150に対して無線通信手段112、122と無線通信するよう指示する（S300）。基地局150は無線通信手段112、122とそれぞれ無線通信する（S410、S420）。基地局と無線通信手段との無線通信は、一往復の無線信号を交わすことからなる。例えば、基地局150は無線通信手段112に対して所定の無線信号のを送信を要求する無線信号を送信する（S411）。これに対し、無線通信手段112は上記要求の応答のための無線信号を基地局150に送信する（S412）。S420においては、基地局150は上記の要求のための信号を無線通信手段122に送信し（S421）、無線通信手段122はそれに応答して応答無線信号を送信する（S422）。上記要求ための無線信号には、例えば所定のデータパケットを、上記応答のための無線信号には、上記データパケットに対するACKパケットを適用してよい。あるいは、上記要求のための無線信号には、例えばRTS（request to send）パケットを、上記応答のための無線信号には、上記RTSパケットに対するCTS（clear to send）パケットを適用してもよい。いずれの適用例においても、IEEE802.11に準拠した無線通信手段において、上記要求及び応答のための無線信号の送信は、既に備え済みの機能を用いて実現することができる。そのため、無線通信手段にはIEEE802.11に準拠した汎用の無線LAN端末を適用でき、コスト面で有効である。基地局150は無線通信手段112、122とそれぞれ無線通信する（S410、S420）際に、同一の無線周波数チャネルを用いてよい。これにより、基地局における無線周波数チャネルの変更操作による処理遅延の発生を抑えられ、効率的に移動局の位置を検出できる。

受信装置151、152、153は、無線通信（S410、S420）における各無線信号を受信し、サンプリングし、ディジタル化し、蓄積し、それぞれの備えるクロックで計測した上記蓄積した時刻を記録する（S200）。受信装置151、152、153は、それぞれ受信した無線信号について該蓄積内容と該蓄積時刻とを含む受信測定結果を、それぞれサーバ160に送る（S500）。サーバ160は、上記各受信装置の受信測定結果と、各受信装置の位置と、基地局の位置とに基づいて移動局の位置を算出する（S600）。

図3を用いて本発明による無線位置検出方法において位置算出（S600）の実施例を説明する。

最初のステップでは、基地局160から無線通信手段121、122へそれぞれ送信した無線信号（無線信号要求）と該各無線信号に応答した各無線信号（無線信号応答）とを各受信装置15j（j=1,2,..）において受信蓄積した内容と該蓄積時刻とに基づいて、各受信装置における上記各無線信号の受信時刻を決定する（S610）。上記受信時刻の決定には、例えば、特開2000-197863号公報（特許文献１）記載の方法を利用できる。ここで、基地局160から無線手段12i（i=1,2,..）に送信した無線信号の受信装置15j(j=1,2,..)における受信時刻をT_{m_i@j}、無線手段12i（i=1,2,..）から基地局150に送信した無線信号の受信装置15j(j=1,2,..)における受信時刻をT_{i_m@j}とする。

次のステップでは、所定の受信装置に対し、各受信装置における上記決定した各受信時刻のクロック誤差を計算する（S620）。基地局150から無線手段12i（i=1,2,..）に無線信号要求を受信装置において受信した際の、例えば、受信装置151のクロックに対する受信装置15j(j=1,2,..)のクロックの誤差E_{j_1, m_i@j}は、

によって求められる。ここで、Pjは受信装置15j(j=1,2,..)の位置、Pmは基地局位置、cは電波伝搬速度、||x||はベクトルxの大きさを示す。

第三のステップでは、無線手段12i（i=1,2,..）から基地局150に送信した無線信号の受信装置15j(j=1,2,..)における受信時刻T_{i_m@j}を、上記算出したクロック誤差を用いて、補正する（S630）。受信装置同士のクロック誤差は時間とともに変化する。そのため、上記受信時刻T_{i_m@j}を正確に推定するためには、受信装置同士のクロック誤差とそれを取得した際の時刻情報が必要である。本発明の実施例において、上記推定には、基地局から複数の無線手段に送信したことで得られる複数のクロック誤差と該誤差を取得した際の時刻を利用する。例えば、無線通信手段12i（i=1,2,..）から基地局150に送信した無線信号の受信装置15j(j=1,2,..)における、受信装置151のクロックを基準に補正した、受信時刻R_{i_m@j, 1}は、

によって求められる。ここでE_{i_m@j, 1}は、無線通信手段12i（i=1,2,..）から基地局150に送信した信号の受信装置15j(j=1,2,..)における受信時刻の、受信装置151のクロックに対する誤差である。上記クロック誤差E_{j_1, i_m@j}は、例えば、上記受信装置151のクロックに対する受信装置15j(j=1,2,..)のクロックの誤差E_{j_1, m_i@j}と該対応する受信時刻T_{i_m@j}との対を少なくとも2組（i=1,2）を用い、ラグランジェ補間式を応用した数3から算出できる。

また、移動局が3つ以上の無線通信手段12i（i=1,2,..）を備える等によって、上記受信装置151のクロックに対する受信装置15j(j=1,2,..)のクロック誤差E_{j_1, m_i@j}と該対応する受信時刻T_{i_m@j}との対を3組以上（i=1,2,3,..）を取得している場合には、受信時刻T_{i_m@j}に対するクロック誤差E_{j_1, m_i@j}の関数の、例えば、回帰方程式を求め、該方程式により上記クロック誤差E_{i_m@j, 1}を求めてもよい。

第四のステップでは、上記補正した受信時刻と、各受信装置の位置とに基づいて、移動局位置を決定する（S640）。ここで、受信装置151のクロックを基準とした、移動局からの信号を受信装置15jで受信した時刻R_{t_m@j, 1}とする。
移動局の位置Ptは、各受信装置の位置Pj(j=1,2,..)と、受信装置における移動局からの無線信号の受信時刻R_{t_m@j, 1} (j=1,2,..)とから、各連立方程式数4の最尤解として算出される。

上記受信時刻R_{t_m@j, 1}は、例えば、上記複数の無線通信手段からの無線信号をそれぞれ受信装置15jで受信し補正した受信時刻R_{i_m@j, 1}（i=1,2,..）のiに関する平均値として数5により与えてもよい。

ここでNは、移動局の含む無線通信手段の個数である。

あるいは、移動局の位置Ptは、上記受信時刻R_{t_m@j, 1}を受信時刻R_{i_m@j, 1}に置き換えて数4より算出した無線通信手段のアンテナ位置Ptiの、i（i=1,2,..）に関する平均値として与えてもよい。

さらには、数4のjに関する一つの方程式において、受信時刻R_{t_m@j, 1}を、受信時刻R_{i_m@j, 1}（i=1,..,N）に置き換えて得られるN組の連立方程式を受信装置の数分含む連立方程式からなる数4の最尤解として算出してもよい。

上記いずれの方法によっても、マルチパス特性の異なる信号の各受信時刻を用いるため、各受信時刻の決定の誤差が平滑化される。その結果、マルチパス環境における、移動局の位置検出の誤差を低減することが可能となる。また、各受信装置における無線通信手段からの信号の受信時刻の決定において、受信装置同士のクロック誤差の推定が必要であり、そのため、各受信装置において基地局から複数の無線信号を受信することが必要である。本発明による実施の方法によれば、該複数の信号として、基地局から複数の無線通信手段への無線信号を利用するので、効率的に移動局の位置を検出できる。なお、以上では移動局100がアンテナ及び無線通信手段を２つずつ有する場合を説明したが、更に測定の精度を向上させるためにアンテナ及び無線通信装置を３つ以上ずつ備えてもよい。

図4を用いて本発明による無線位置検出システムの第2の実施例を説明する。図1の構成図と比較して特徴的なのは移動局100である。図4における移動局は、アンテナ111と無線通信手段112とアンテナ位置を変化させるための回転軸114とを備える。該軸の中心とアンテナ端の回転軌道との距離は、無線通信手段の操作する無線信号の波長の1/4以上とすることが好ましい。また、該軸の回転については、一つの無線通信（S410）とその次の無線通信（S420）との間の時間にπ/3（ラジアン）変化する角速度をもつことが好ましい。

また、該軸の中心とアンテナ端の回転軌道との距離の2倍の値（単位はメートル）は、定数10の7乗（単位はメートル×ヘルツ）を無線通信手段が操作する無線信号の周波数占有帯域幅（単位はヘルツ）で割った商（単位はメートル）の大きさ以下とすることが望ましい。

その他、図4において、図1に記載の同等の箇所は既述の通りにつき、説明を省略する。
該システムを用いた無線位置検出方法は、図2および図３のフロー図において複数の無線通信手段に対する操作を、単一の無線通信手段対し、複数の互いに異なったアンテナ位置にて各々実施すればよい。アンテナ位置を決めるパラメータが上述のもの以外の場合であっても、基地局150からの信号の受信及びそれに対する応答信号の送信が行われる位置が無線信号の波長の1/4以上離れていれば、マルチパス特性の異なる信号を各受信装置において受信することが可能となるという効果を得ることができる。

図5を用いて本発明による無線位置検出システムの第3の実施例を説明する。図1の構成図と比較して特徴的なのは移動局100である。図5における移動局は、複数のアンテナ111、121と、無線通信手段112と、上記複数のアンテナのうちの一つを選択するためのスイッチ113とを備える。各アンテナ同士の距離は、無線通信手段の操作する無線信号の波長の1/4以上とすることが好ましい。マルチパス環境において、このようにアンテナ同士を離すことにより、マルチパス特性の異なる信号を各受信装置において受信することが可能となる。

また、各アンテナ同士の距離は、定数10の7乗（単位はメートル×ヘルツ）を無線通信手段が操作する無線信号の周波数占有帯域幅（単位はヘルツ）で割った商（単位はメートル）の大きさ以下とすることが望ましい。測定精度は、測位に用いられる無線信号の周波数占有帯域幅によって変化するが、上述の計算によって求められるアンテナ間の距離は、経験的に、用いられる周波数占有帯域に対応する測位精度（誤差範囲）の半分程度に相当するものである。

その他、図5において、図1に記載の同等の箇所は既述の通りにつき、説明を省略する。

図6を用いて該システムを用いた無線位置検出方法を説明する。図2のフロー図と比較して特徴的な箇所は、基地局への無線信号の送信を完了する毎に、上記スイッチ113によって次の無線通信に使用するアンテナに順次切り替えるステップ（S413）である。その他、図2および図３のフロー図において複数の無線通信手段に対する操作を、図6および図３のフロー図では、単一の無線通信手段に対し、複数の互いに異なったアンテナ位置にて各々実施する。

本発明による無線位置検出システムの実施例を示す構成図である。 本発明による無線位置検出方法の実施例を示すフロー図である。 本発明による無線位置検出方法の位置算出の実施例を示すフロー図である。 本発明による無線位置検出システムの第２の実施例を示す構成図である。 本発明による無線位置検出システムの第３の実施例を示す構成図である。 本発明による無線位置検出方法の位置算出の別の実施例を示すフロー図である。 基地局間のクロック誤差の時間変化を示す図である。

符号の説明

100：移動局、111、121：アンテナ、112、122：無線通信手段、113：スイッチ、114：回転軸、140：ネットワーク、150：基地局、151、152、153：無線受信装置、160：サーバ。

Claims (14)

1. 移動局と、該移動局と無線通信を行う基地局と、複数の無線受信装置と、該基地局及び複数の無線受信装置とネットワークを介して接続されるサーバ装置とを有する無線位置検出システムであって、
   上記移動局は第１及び第２のアンテナ位置で無線信号を送受信可能な送受信部を有し、
   上記複数の無線受信装置は受信タイミング測定部を有し、それぞれ、該受信タイミング測定部において上記基地局から上記移動局の第１及び第２のアンテナ位置の送受信部へ送信される基準信号を受信して基準信号受信タイミングを測定し、上記移動局の第１及び第２のアンテナ位置の送受信部から上記基地局へ送信される第１及び第２の移動局信号を受信して第１及び第２の移動局信号受信タイミングを測定し、上記基準信号受信タイミングと第１及び第２の移動局信号受信タイミングとを上記サーバに通知し、
   上記サーバ装置は、上記複数の無線受信装置から通知される、それぞれの無線受信装置における上記基準信号受信タイミングと第１及び第２の移動局信号受信タイミングとに基づいて上記移動局の位置を計算することを特徴とする無線位置検出システム。
2. 請求項１記載の無線位置検出システムであって、上記移動局の送受信部は、第１及び第２のアンテナ位置のそれぞれに第１及び第２の送受信用アンテナを有することを特徴とする無線位置検出システム。
3. 請求項２記載の無線位置検出システムであって、上記移動局は、第１及び第２の送受信用アンテナを時分割で用いて無線信号の送受信を行うことを特徴とする無線位置検出システム。
4. 請求項１記載の無線位置検出システムであって、上記移動局の送受信部は、１の送受信用アンテナ装置を移動して第１及び第２のアンテナ位置に設置する移動機構を有し、上記送受信用アンテナ装置が第１または第２のアンテナ位置にあるときに上記移動局信号の送信を行うことを特徴とする無線位置検出システム。
5. 請求項１記載の無線位置検出システムであって、上記複数の無線受信装置は互いに非同期であるクロックを用いてそれぞれの無線受信装置における受信タイミングを測定することを特徴とする無線位置検出システム。
6. 請求項５記載の無線位置検出システムであって、上記サーバ装置は、上記基地局及び上記複数の無線受信装置の位置情報と上記複数の無線受信装置で測定された上記基準信号受信タイミングとを用いて上記非同期であるクロックの誤差を補正する計算を行うことを特徴とする無線位置検出システム。
7. 請求項１記載の無線位置検出システムであって、上記第１と第２のアンテナ位置は、上記無線信号の周波数占有帯域幅に応じて定まる測位精度の半分以下の距離だけ離れて位置することを特徴とする無線位置検出システム。
8. 移動局と、該移動局と無線通信を行う基地局と、複数の無線受信装置と、該基地局及び複数の無線受信装置とネットワークを介して接続されるサーバ装置とを用いて上記移動局の位置を測定する無線位置測定方法であって、
   上記移動局は、第１及び第２のアンテナ位置で無線信号を送受信可能な送受信部を用いて上記基地局と無線信号の送受信を行い、
   上記複数の無線受信装置は、それぞれ、上記基地局から上記移動局の第１及び第２のアンテナ位置の送受信部へ送信される基準信号を受信して基準信号受信タイミングを測定し、上記移動局の第１及び第２のアンテナ位置の送受信部から上記基地局へ送信される第１及び第２の移動局信号を受信して第１及び第２の移動局信号受信タイミングを測定し、上記基準信号受信タイミングと第１及び第２の移動局信号受信タイミングとを上記サーバに通知し、
   上記サーバ装置は、上記複数の無線受信装置から通知される、それぞれの無線受信装置における上記基準信号受信タイミングと第１及び第２の移動局信号受信タイミングとに基づいて上記移動局の位置を計算することを特徴とする無線位置検出方法。
9. 請求項８記載の無線位置検出方法であって、上記移動局の送受信部は、第１及び第２のアンテナ位置のそれぞれに第１及び第２の送受信用アンテナを有することを特徴とする無線位置検出方法。
10. 請求項９記載の無線位置検出方法であって、上記移動局は、第１及び第２の送受信用アンテナを時分割で用いて無線信号の送受信を行うことを特徴とする無線位置検出方法。
11. 請求項８記載の無線位置検出方法であって、上記移動局の送受信部は、１の送受信用アンテナ装置を移動して第１及び第２のアンテナ位置に設置する移動機構を有し、上記送受信用アンテナ装置が第１または第２のアンテナ位置にあるときに上記移動局信号の送信を行うことを特徴とする無線位置検出方法。
12. 請求項８記載の無線位置検出方法であって、上記複数の無線受信装置は互いに非同期であるクロックを有し、各無線受信装置においてそれぞれが有する該クロックを用いて受信タイミングを測定することを特徴とする無線位置検出方法。
13. 請求項１２記載の無線位置検出方法であって、上記サーバ装置は、上記基地局及び上記複数の無線受信装置の位置情報と上記複数の無線受信装置で測定された上記基準信号受信タイミングとを用いて上記非同期であるクロックの誤差を補正する計算を行うことを特徴とする無線位置検出方法。
14. 請求項８記載の無線位置検出方法であって、上記第１と第２のアンテナ位置は、上記無線信号の周波数占有帯域幅に応じて定まる測位精度の半分以下の距離だけ離れて位置することを特徴とする無線位置検出方法。
    

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