JP2005517932A - 放出器位置決めシステム - Google Patents

Abstract

【課題】無線場（３）内で無線周波数信号（２）を放出している遠隔放出器（１）の位置を検出するシステムと方法の実現。
【解決手段】このシステムと方法は少くとも一つの受信機（４）を用い、この受信機は無線場という環境内部で移動可能であり、各受信機（４）は無線周波数信号の振幅を測定して記録し、またＧＮＳＳかＧＰＳ受信機を用いてその正確な位置を記録する。記録されたデータは処理されて、受信機（４）により予測されたデータと比較されて、遠隔放出器（１）の位置を推定する。

Description

この発明は、放出器位置決めシステム（emitter location system）に係り、限定するのではないが、とくに遠隔の放出器を、受信機位置から取得した多数の信号強度測定から、伝搬環境の知識を何も必要とせずに、位置決めするためのシステムに関する。

移動通信網を例にとると、そこでは移動電話トランシーバもしくはハンドセットの位置を網の所与のセルの内部で位置決めすることが必要とされる。網内部でのセルのサイト（sites）について少数のものが使用されて、ユーザの移動電話ハンドセットによって放出された信号の振幅を測定するよう使用しているシステムが知られている。この振幅データの組がそこで予め存在している基準（reference）データ組と比較される。この基準データ組は、送信機を網の受持ち領域（coverage area）内部の位置の網目の中の全点に向けて移動することによって生成される。実際の移動電話ハンドセットの信号の振幅を測定することによって得られたデータ組を基準データ組と比較することによって、移動電話ハンドセットの位置の推定、したがって使用者の位置の推定を得ることができる。このようなシステムは以下の特許文献に記載されている。
ＧＢ−Ａ−２ ３５２ １３４、ＧＢ−Ａ−２ ２９１ ３００、ＧＢ−Ａ−２ ３１１ ６９７、ＷＯ−Ａ−９８／１５１４９、及びＥＰ−Ａ−０ １３３ ３７８。

このシステムは、例えばある医学的な理由で、緊急サービスに接触しているが、その者の正確な位置を送ることができないでいるといったユーザを位置決めするためにとくに使用される。

このシステムには、データの基準組が生成されていて、それと信号振幅データとを比較して、それによって移動電話ハンドセットの位置の位置決めをしなければならないという不都合がある。さらに、実際のデータ組が局地的な不規則性、例えばデータの基準組に反映されていない気象条件によって影響されることがあげられる。

そこでこの発明は放出器位置決めシステムを提示することを目的とし、このシステムは基準データ組が生成されることを必要とせずに遠隔にある放出器の位置決めができるものとする。さらに、遠隔の放出器にとってはあらゆる無線伝搬条件に置かれることが可能であるようにし、例えば建て込んだ都市世帯から混んでいない地方地帯に至る範囲に置かれてよいようにしている。

この発明の一特徴によると、無線場内で無線周波数信号を放出している放出器の位置決めをするためのシステムであって、該システムは該無線場の環境内部で移動可能であり、かつ該環境内部の複数の位置からの該無線周波数信号の振幅を検出して記録することが可能な受信機を備えており、該受信機はまた振幅データをコード化することができ、かつそのデータを該放出器の位置の予測を生成するために該受信機により生成された一連の予測データと比較することができるシステムが提供される。

このシステムは、さらに追加の受信機を含んでもよく、この受信機の各々は複数の位置からの無線周波数信号の振幅を検出して記録することができる。

有利なものは、各受信機はＧＮＳＳもしくはＧＰＳ受信機と単一素子アンテナとを備えている。

各受信機は該無線周波数信号の振幅を連続して検出して記録することを該無線場の環境内部で移動しながら行う。

好ましくは、該データはパワー法則によりコード化される。

この発明の別な特徴によると、無線場内で無線周波数信号を放出している放出器の場所を位置決めする方法が提供されて、この方法は：
（ａ）該無線場内で受信機を位置決めする段階と；
（ｂ）該受信機位置で放出された信号の振幅を記録する段階と；
（ｃ）該受信機位置を記録する段階と；
（ｄ）第二の受信機位置で該受信機の再位置決めをする段階と；
（ｅ）該第二の受信機位置で放出された信号の振幅を記録する段階と；
（ｆ）該受信機位置を記録する段階と；
（ｇ）必要に応じて段階（ａ）ないし（ｆ）を繰返す段階と；
（ｈ）上記段階（ａ）ないし（ｇ）で生成されたデータをコード化する段階と；
（ｉ）該コード化されたデータを該受信機により予測されたデータと比較して、該放出器の予測された位置を生成する段階；とを備えている。

この発明をよりよく理解するために添付の図面を、例に限定して、参照して行く。

まず、図１を参照すると、放出器（emitter）１の非常に簡単化した図が示されている。放出器１は無線周波数信号２を無線場（radio field）３内に放出する。移動（mobile）受信機４は無線場３の内で位置ＷからＸへ、Ｙへ、Ｚへと移動され、それらの各位置でデータを記録する。

移動受信機４は単一の素子と、全方向性（omni-directional）アンテナとを含んでいて、このアンテナは放出器１によって放出された無線周波数信号２と、グローバルナビゲーション衛星システム（ＧＮＳＳ）もしくはグローバルポジションシステム（ＧＰＳ）受信機により生成された信号を受信できる。この移動受信機は普通のアンテナを備えた単一のユニットであってよいし、代って別個のＧＰＳ受信機装置（一体化されているか外部のアンテナを備えているもの）と、データロガー(data logger)（計算機または類似のもの）、及び放出器１からの無線周波数信号２を検出するための専用受信機とで作られていてもよい。この場合に、すべての部品は適切なデータケーブル／リンクを介してすべて一緒に接続されることになる。

移動受信機４により記録されたデータは、放出器１からの受信された無線周波数信号２の強度（すなわち振幅）と、移動受信機４の位置とを含んでいて、この位置はＧＮＳＳもしくはＧＰＳ受信機装置で移動受信機ユニット４内に含まれたものから判断される。

多数のデータ点が移動受信機４によって収集されたときには、アルゴリズムが放出器１の最も可能性のある位置を計算するが、それはデータ点のすべてに対して単純な伝搬モデルを適用することによって行なわれる。このアルゴリズムは、実際の測定値と、その領域内の全データポイントについての予測値との間の差とか“適合の良好さ（goodness of fit）”とかに基づいたものである。放出器１の予測された場所は、予測されたデータと測定されたデータとの間に一致があるときに生成されることになる。

これは関心のある領域を表わしている点の網目（grid）を設定することによって行なわれる。網目上の各点について、そこで、各サンプル点までの距離が計算され、次に、放出器１があるパワー（power）と放射効率とを持っていると推定されて、予期される信号強度が、逆パワー法則（inverse power law）を推定して、計算される。各網目点について、各サンプル点に対する予測のアレイ（array)が生成される。これは［数１］で示す次の手順で要約できる。

一旦完了したならば、アレイを解析できて、網目に対して地図作られた(mapping)“良好さ”のプロフィルを生成する。“良好さ”のプロフィルは次の手順［数２］によって判断でき、これが予期値と得られた実際の値との間の最小差を見出すことになる。

“良好さ”のプロフィルがひとたび生成されれば、最良の“良好さ”値を有するポイントが放出器１の場所／領域とをピンポイント（pinpoint）するために選ぶことができる。“良好さ”プロフィルの尖鋭さ（sharpness）は予測に対する確信（confidence）の値を与える。典型的な“良好さ”プロフィルが図３に示されている。

予測された場所と、いずれかの数の輪廓線(contour lines)とがその領域の地図上に上画きすることができる。図４は実際の予測に一つの輪廓線５を加えたものを示し、さらに、明瞭にするために、サンプル点６として使用されたもの（二つだけが参照されている）も併せて示されている。

ひとたび場所が特定されると、さらなる技術が適用できて、予測された場所の正確さを改善することが試みられる。例えば、異なる方向での異なる放射効率は、放出器１が示すことのあるテークオフ（take off）での、可能性のある“ロップサイドネス（lopsidedness）”を除去しようとする試みに利用可能である。例えば、放射器１がある開口を通る一方向に主として放出されるようになっていてもよいし、閉じたオブジェクトによって一方向には余計にシールドがされていてもよいし、あるいは放出器１の片側に向けては開かれた空間が、また他側には高い建物があってもよい。

このアルゴリズムは絶対値よりもむしろ差を使用するので、数多くの無線周波数因子は不適切となる。例えば、放出器のパワー（power）、送信アンテナの効率、放出器周辺の初期シールド、及び受信用アンテナの効率は、このシステムを用いて予測された場所を生成するために必要とされない。

自由空間中での無線伝搬については、放出器からのある範囲で受信したパワーが範囲（range）の自乗の逆数(inverse square)に比例するとして計算することができる。混んだ都市での伝搬については、逆四次(inverse forth)法則が通常使用されている。このアルゴリズムはまた各点における信号強度を予測するために使用されたパワー法則を使用している。しかしながら、パワー法則のオーダー（order）での変化は予測される結果の位置に僅かな変動しか生じさせていないことがわかった。パワー法則は後処理で調節することができて、一番尖鋭な、またもっとも正確な応答を得るようにする。

このアルゴリズムは無線場３内の環境についての情報を何も必要としない。例えば、建物が存在するとかしないとか、建物の位置、建物の材料の無線反射率もしくは吸収率、放出器の放射の極座標表示図(polar plot)、受信用アンテナの極座標表示図に関する情報を必要としない。さらに、放射器位置がＧＮＳＳもしくはＧＰＳ位置に戻って参照されるので地図情報の必要性がない。

領域内の各点についての“適合の良好さ”は、例えば最悪と最良の適合（fit）の間の最小平均差とか平均についての最小ばらつき（標準偏差）といった規準（criteria）を用いて決めることができる。

多くの異なる移動プラットホームから集められた、多分異なる時刻に集められた（同一場所に放出器が留まっているとして）データを組合せることは可能である。図２は図１のものと似たシステムを示しているが、この場合には、多数の移動受信機４_A ，４_B ，４_C ，４_D があって、その各々が放出器１により放出された信号の振幅と、ＧＮＳＳもしくはＧＰＳを用いてそれぞれの位置とを記録している。

好ましいのは、移動受信機の対が少くとも一つの共通の測定点を通過することである。

さらに、できる限り多数のデータ点が集められて、それにより可動のフラッタ（flutter）やフェージングが平均されて消えるようにするのが好都合である。またフラッタの割合（rate）が局所的な多経路環境の測定値として使用されてよいことである。

もし受信機が移動する車輌（vehicle）内にあるときは、車輌を停止させて測定をすることは必要とされておらず、一連の継続測定を実施することが利点にできる。

このシステムで使用される初期アルゴリズムは距離についての固定のパワー（power）法則を推定している。これは都市や産業環境にとっては適切なものでないことがある。放出器１に近接しているときには、無線周波数信号は主として反射して建物の間を経路とするものとなる。しかしながら、放出器１から遠方の場所では、受信機４により受信された無線周波数信号は屋上での屈折に起因するものとなることができる。アルゴリズムは場所についての予測でこれに対処することができる。

このシステムはまた、放出器と受信機素子とが互換性があって、それにより多数の固定送信機であって、その各々のパワーと位置とが知られているものが移動受信機を位置付けるようにすることを条件として動作することは明らかであろう。

上述のシステムは次の規準を満足する無線信号の全周波数に対して適切なものである：
（ｉ）測定は波長以上に隔って行なわれなければならない。

（ii）測定は放出器位置から５波長よりも大きくとって行なわれる。

（iii）放射は放出器と受信機との間に置かれたオブジェクト内で過剰に吸収されない。

こういった理由については、１０ＭＨｚと５ＧＨｚとの間に使用可能な周波数を限定するものとなりそうである。無線周波数信号でこの規準を満足しないものについては、放出器１の予測された位置が正確にならないことがあることは明らかである。

この発明の別の実施例では、無線場３は環境（上述したところのような）内の多数の点でサンプルされて、その値は放出器１の推定された位置からの計算された場と相関がとられる。この原理は、“コスト関数”が一次的には観察された場と、放出器１の推定された位置から計算された電磁場との間の相関の度合に基づいて設定されることとしている。放出器１の推定された位置は、“コスト関数”が最小となるまで調節される。おびただしい数の標準的な方法がこのプロセスを最適化するためにすでに利用可能とされていて、例えばフュージョンプロセス（fusion processes）とかメタヒューリスティックス（meta-heuristics）を最適化するようにしている。この方法は、伝搬損失の知識に強く依存していて、したがって介在している地形、カルチャ、及び建物の詳細な情報が次第次第に重要なものとなっている。

得られた場の計算は、関心のある周波数範囲に適切であるツールを使用する。この方法は周波数に依存しない。第一の試験場所は各観察点から得られた一定の場の強度の表面の交差として設定される。各点についての表面は、適切な伝搬予測ツールと地形の詳細とから計算される。第一の試験場所の選択は重要（critical）ではなく、ランダムプロセスによって置換できる。しかしながら、後の方法は“コスト関数”の低い値に安定されるのに長時間かかることになる。

上述の第一の実施例では、伝搬損失は物理的距離だけに基づいていると理解されよう。しかしながら、loss α rangeⁿ におけるパワーｎはレンジ２ないし６では非常に重要とならないことに留意されたい。

このシステムはまた測定点の既知の場所と、一連の可能性のある放出器位置（これから距離が簡単に計算できる）とを必要としている。この方法は受信アンテナ極座標パターンでさらに改善ができる。

第二の実施例のシステムは、より正確で、しかもより少い測定点を必要とすると理解されよう。伝搬損失が地形地図と適切な伝搬モデルとを用いることにより明白に評価される。

これが測定点についての既知の位置、すなわち受信機の位置と、放出器を置くことができる可能性のある一連の方向と、測定点と可能性のある放出器位置（地形地図からのもの）との間の介在する地面のトポロジィ（topology）と、周波数と、アンテナの高さと、放出器パワーと、アンテナ効率とを必要としている。この方法は地面の導電率地図と、受信アンテナ極座標パターンと、物理的寸法と使用された材料とを含む建物データを利用することによりさらに改善することができる。

上記の実施例で参照した放出器１は移動電話ハンドセットである必要はなく、いずれの放出器とすることもでき、固定もしくは移動で、少くとも上記開示の周波数範囲内にある無線周波数信号を放出できるものでよいことが理解されよう。放出器は手持ちのものであったり、車載のものであってよく、また特定の場所を送信できるだけのものでも、変換できるものであってよい。

上記のシステムは上記の使用に限定されることを要さないことは理解されよう。例えば、記述したシステムは海に残された人物とか極寒の中にある人物の位置決めに使用されることができる。

混雑してはいない田舎の地方に置かれた放出器を模式的な単純化して表わした図であり、この地方では無線周波数信号を放出しており、無線周波数信号の振幅は放出器により生成された無線の場（radio field）を通って移動する受信機により、検出され、かつ記録されるものである。 無線周波数信号を放出する図１の放出器を示す模式的な、単純化して表わした図であり、無線周波数信号の振幅は、放出器により生成された無線の場の内部に置かれた多数の受信機により検出されかつ記録されるものである。 この発明によるシステムによって生成された“良好”プロフィルのスクリーンショット（screen-shot）であり、ドットは放出器の予測された位置を印している。 この発明によるシステムによって生成された単一の輪廓（contour）で上書きした地図（マップ）のスクリーンショットであり、サークルは放出器の予測された位置を印している。

Claims (10)

1. 無線場内で無線周波数信号を放出している放出器の位置決めをするためのシステムであって、該システムは該無線場の環境内部で移動可能であり、かつ該環境内部の複数の位置からの該無線周波数信号の振幅を検出して記録することが可能とされている受信機を備えており、該受信機はまた振幅データをコード化することができ、かつそのデータを該放出器の位置の予測を生成するために該受信機により生成された一連の予測データと比較することができる。
2. 請求項１記載の放出器の位置決めをするためのシステムは、さらに追加の受信機を含み、この受信機の各々は複数の位置からの無線周波数信号の振幅を検出して記録することができる。
3. 請求項１または請求項２記載の放出器の位置決めをするためのシステムであって、各受信機はＧＮＳＳもしくはＧＰＳ受信機と単一素子アンテナとを備えているシステム。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の放出器の位置決めをするためのシステムであって、各受信機は該無線周波数信号の振幅を連続して検出して記録することを該無線場の環境内部で移動しながら行うシステム。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の放出器の位置決めをするためのシステムであって、該データはパワー法則によりコード化されるシステム。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載のシステムであって、該コード化されたデータは無線場を含んでいる環境を表わすデータを含んでいないシステム。
7. 無線場内で無線周波数信号を放出している放出器の場所を位置決めする方法であって、該方法は：
   （ａ）該無線場内で受信機を位置決めする段階と；
   （ｂ）該受信機位置で放出された信号の振幅を記録する段階と；
   （ｃ）該受信機位置を記録する段階と；
   （ｄ）第二の位置で該受信機の再位置決めをする段階と；
   （ｅ）該第二の受信機位置で放出された信号の振幅を記録する段階と；
   （ｆ）該受信機位置を記録する段階と；
   （ｇ）必要に応じて段階（ａ）ないし段階（ｆ）を繰返す段階と；
   （ｈ）上記段階（ａ）ないし段階（ｇ）で生成されたデータをコード化する段階と；
   （ｉ）該コード化されたデータを該受信機により予測されたデータと比較して、該放出器の予測された位置を生成する段階；とを備えている。
8. 請求項７記載の方法であって、さらに：
   別の位置にある追加の受信機を位置決めする段階と；
   それぞれ別の位置にある放出器により放出された無線周波数信号の振幅を記録する段階と；
   該追加の受信機の位置を記録する段階と；
   該放出器の予測された位置を生成するために比較用に生成された追加のデータをコード化する段階；とを備えた方法。
9. 請求項７と請求項８とのいずれか一方または両方に記載の方法段階を実行するためのプログラムコード手段を含んでいる計算機プログラムであって、該プログラムが適切な記録用及び位置決め用デバイスと関係している計算機か処理手段かの一方もしくは両方上でプログラムが実行されるときに、該方法段階を実行する計算機プログラム。
10. 請求項７と請求項８とのいずれか一方または両方に記載の方法段階を実行するための計算機読取り可能な媒体上に記憶されたプログラムコード手段を含んでいる計算機プログラムプロダクトであって、該プログラムが適切な記録用及び位置決め用デバイスと関係している計算機か処理手段かの一方もしくは両方上で実行されるときに、該方法段階を実行する計算機プログラム製品。

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