JP2005521060A - 位置を決定するための方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

位置を決定するための方法及び装置は、位置が決定されるべき遠隔送信器(22)から信号を受信する受信器(14)を有する。受信された信号のパワースペクトラム密度のフーリエ変換が決定され、ラインオブサイト(LOS)信号が存在するかチェックがなされる。存在すれば、LOS信号を識別するためにマルチパス軽減技術が実行され、一旦識別されたら、LOS信号の伝播時間を導出することによって遠隔送信器の位置が決定される。LOS信号を検出しない場合にマルチパス軽減技術を抑止することによって、電流が節約されることができる。1つの実施例においては、ゼロ周波数でのピークの大きさを他の全てのピークの最大の大きさで除算することによって、LOS信号の有無は決定され、答えが1より少なければLOSは存在しない。

Description

本発明は、位置を決定するための方法及び装置に関する。本発明は、乳児、潜在的に危険な場所で働いている人々及びペット(例えばイヌ及びネコ)等の生命のある物体並びに倉庫中の物品等の生命のない物体の位置を特定／監視するための無線システムへの応用がある。
本質的には、位置決定システムは、位置を決定されるべき物体が携帯する送信器と、送信された信号を受信して物体の位置を決定する受信器とを有する。しかし、正確に、高い信頼度で位置を決定するには、受信器は、マルチパス反射信号の中から、ラインオブサイト(LOS)信号の存在を確認することが可能でなければならない。LOS信号が存在するかどうかが最初に確認されることなく、受信された信号がマルチパス軽減技術に従って処理されると、LOS信号がブロックされて存在しなかったことによって計算された位置が反射信号に基づいていたことにより、計算される位置が誤っている可能性がある。位置決定システムに対する信頼を低下させる以外にも、危険な状況にある物体の発見の遅延は、悲劇的な結果を生じうる。また、マルチパス軽減技術は計算的に集中的であるため、比較的高い電力消費につながり、携帯型装置における電池の急速な放電につながる可能性がある。
本発明の目的は、位置を決定する際の信頼性を改善することである。
本発明の1つの側面によれば、遠隔送信器から信号を受信するステップと、ラインオブサイト(LOS)信号が存在するか決定するステップと、前記LOS信号を用いて前記遠隔送信器の位置を決定するステップとを有する位置を決定する方法が提供される。
本発明の第2の側面によれば、遠隔送信器から信号を受信するための受信手段と、ラインオブサイト(LOS)信号が存在するか決定するための手段と、前記LOS信号を用いて前記遠隔送信器の位置を決定するための手段とを有する位置決定装置が提供される。
本発明は、LOS信号が存在するかの試験が肯定的であれば、追加の試験は実行する価値がある、という事実の認識に基づく。このような追加の試験は、マルチパス軽減技術であってもよく、これは、例えば、B. Townsend, D. J. R. van Nee, P. Fenton及びK. van Dierendonckによる「Performance Evaluation of the Multipath Estimating Delay Lock Loop」, Proc. of the Institute of navigation National Technical Meeting, Anaheim, California, USA,1995年1月18〜22日, 277〜283ページに開示されている。しかし、LOS信号が検出されない場合には、受信器は、マルチパス軽減技術を続行するのを抑止することができ、これにより、電力を節約し、また随意に、許容可能な信号が受信されなかったことをユーザに知らせる警報が作動されることができる。
LOS信号の存在を確認する方法は、受信された信号のパワースペクトラム密度のフーリエ変換の検査に基づく。このような技術は、Steve Zeilinger, Tim Talty及びMichael Chrysochoosによる「Multipath Channel Characteristics Using Spectral Analysis of the Signal Power Density」、IEEE Transactions on Broadcasting, Vol. 44, No. 4, 1998年12月、527〜539ページに開示されている。しかし、この論文は、LOS信号がマルチパス信号の中に存在するか否かを確認すること及びこのような存在の確認をどのように試験するかについての単純であるが効果的な態様を開示していない。
LOS信号を検出するために統計的方法が知られているが、これは十分に信頼性があるとはみなされていない。1つの既知の技術は、多重反射の確率分布がRicianであればLOS信号は存在し、多重反射の確率分布がRayleighであればLOS信号は存在しない、と仮定する。この方法の欠点は、マルチパス信号が時間に対して正規に分布している、即ち、これら信号が本質的にランダムである、という事実に依存しているということである。これは、必ずしも信頼性があるわけではない近似である。
本発明は、例示により、添付の図面を参照して説明される。
図面においては、対応する機能を示すために同一の参照番号が用いられている。
図1を参照すると、位置決定システムは、複数の等間隔に設置されたアンテナA1〜ANを有し、ここでNは、20のオーダーの値を有する整数である。アンテナA1〜ANは、表示装置12に結合される出力を有する位置決定装置10に結合される。装置10は、復調器16に結合された出力を有する多重チャネル受信器及び相関器14を含む。復調された信号は、プログラムROM 20に保有されるソフトウェアに従って動作するプロセッサ18に適用される。プロセッサ18は、種々の数値演算及び特にフーリエ変換を実行することが可能である。プロセッサ18の出力は、表示装置12に結合され、この表示装置12は、送信器22の位置を表示することが可能であり、この表示装置12は、例えば、どこにいるかを両親が常に監視したい、遊び場所で自由に遊んでいる幼い子供24によって携帯されている。当然のことながら、送信器22が監視されるべき物体又は人に携帯されている又は取付けされている位置決定システムの多くの他の応用がある。
動作中において、直接シーケンス拡散スペクトラム(DSSS)信号を有する送信された照射線は、アンテナA1〜ANによって直接受信される。更に、この照射線は、該照射線が直接信号又はラインオブサイト(LOS)信号の受信に引き続いて受信されるようにする反射器26等の反射器によって1回又は複数回反射された後受信される。アンテナA1〜ANは、空間の各箇所の受信パワーが記録されることを可能にする受信器14に結合される。正確な位置測定をすることができるためには、LOS信号が無線受信器14によって受信されたかどうかを検出することが必要である。受信された信号においてLOS信号が検出されなかったら、マルチパス又は反射のみの照射線に基づいた位置測定は、非常に不正確でありうる。
本発明の方法の1つの実施例において、有効なフーリエ変換を遅延パワープロファイルに実行するのに充分な数のポイントが記録される。このようにして、正反射の数及び振幅を与えるk空間のパワースペクトル密度が得られる。信号パワースペクトル密度の検査によって、マルチパス信号に対応するピークと共に、LOS信号が存在することを示すk＝0に中心を持つピークが存在しうる。このような状況においては、マルチパス軽減技術と呼ばれるプロセスによって、LOS信号が存在するかどうかを試験する価値があり、この技術は、本願明細書のプリアンブルにて特定されたProc. of the Institute of Navigation National Technical Meetingにおいてより完全に説明されている。この技術は、それ自体が比較的大きい電流を消費する。位置決定装置に対する送信器22の位置は、伝播時間を測定することによって決定され、これは、測定・送信技術を用いて相関によって達成されることができる。これは、未公開PCT出願IB02/03844及び米国特許出願第10/252499号(英国特許出願第0125600.7号、出願人整理番号PHGB010173に対応)に開示されている。要約すると、この技術は、第1のデバイスのローカルクロックに対する時間t1で第1のデバイスから第2のデバイスにタイミング信号を送信し、第2のデバイスのローカルクロックに対しての、第2のデバイスにおける当該信号の到着時間t2を測定するステップと、第2のデバイスのローカルクロックに対する時間t3で第2のデバイスから第1のデバイスにタイミング信号を送信し、第1のデバイスのローカルクロックに対しての、第1のデバイスにおける当該信号の到着時間t4を測定するステップと、値t1、t2、t3及びt4をデバイスの1つに集めるステップとを有する。第1の及び第2のデバイスのローカルクロック間の差ΔClock(同時発生の欠如)は、どちらのデバイスにおいても値t1、t2、t3及びt4を用いて容易に決定されることができる。例えば：
Figure 2005521060
しかし、このようなLOSピークが検出されない場合には、不正確さのリスクが結果に対する信頼度を低下させるため、一般的に、位置を決定しようとする価値がない。
図2は、有効なフーリエ変換を実行するために充分な数の点を導くための代替技術を示す。示された実施例において、単一アンテナを有する受信器は、矢印28によって示されるように一定速度で移動され、この受信器は、多くの時点で受信パワーを記録する。一旦充分な数のポイントが記録されると、有効なフーリエ変換がパワースペクトラム密度プロファイルに対して実行され、正反射の数及び振幅を与えることができる。k = 0に中心を持つピークは、LOS信号が存在することを示し、そうでないものは、LOS信号ではないことを示す。
図3に示されるフローチャートによって、位置を決定するためのプロセスが示される。ブロック30は、受信器14が、ブロック34によって示されるように復調されるDSSS(直接シーケンス拡散スペクトラム)信号を受信することを示す。信号出力密度のフーリエ変換が得られ、これはブロック36によって示される。ブロック38は、LOS信号の存在を検出することを示す。ブロック40は、LOS信号が検出されたかチェックすることに関する。LOS信号が発見されなかった(N)場合、フローチャートは、ブロック32〜40に示される動作を反復する前に任意の時間遅延を導入するブロック42へ進行する。
ブロック40からの返事がイエス(Y)である場合、ブロック44において、LOS信号及びマルチパス成分を確認するために、復調された信号にマルチパス軽減技術が用いられる。ブロック46において、伝播時間が相関によって決定される。その後に、ブロック48で、送信器22(図1及び2)の位置が決定されて、表示装置12に表示される。
図4は、パワースペクトラム密度(即ちパワーに対してプロットされる周波数)を示す。多くのピークが示され、これらは、f = 0におけるLOS信号、及び、より高い周波数におけるマルチパス又は反射成分Γ1〜Γ5によるものである。
マルチパスがない場合には、場所に対して測定され(図1)又は時間ドメインで測定される(図2)信号の場の平均電力密度は一定である。一定パワーのフーリエ変換は、DC成分を与える、即ちゼロ周波数におけるピークを与える。
LOSがあるか試験するために、幾つかのアルゴリズム試験が説明される。空間周波数ωにおいては、そこの領域は、例えば図4において示されるように、多くのスペクトルピークである。本願明細書のプリアンブルにおいて参照されたIEEE Transactions on Broadcastingの論文から、これらのピークの大きさの式が導出されるが、ここでは便宜のため、以下のように提示される。
Figure 2005521060
スペクトルピークの周波数成分対振幅の上記の表において、
Figure 2005521060
 であり、ここで、Ε0は直流電界であり、ηは磁場定数であり、Γnは反射係数である。Κの形式は、このアルゴリズムにとって重要なものではない。LOSが存在する場合のパワースペクトラム密度のDC成分の大きさは、
Figure 2005521060
 で与えられ、LOSが存在しないとDC成分は、
Figure 2005521060
 の形式を取り、非DC成分は、
Figure 2005521060
 又は
Figure 2005521060
 の形式を取る。周波数領域の出力密度が、ピークについて分析される。交差項(cross
terms)から生じない、即ち、他のピークのビート周波数において発生しない、ω>
0についてのピークの合計数は、反射の合計数Nである。これらのピークの大きさは、Γ1、Γ2、...Γnとして記録される。これに関して更に、最大ピーク、即ちFmax=ΚΓmaxの形式を取る図4のピークΓ5が識別されるであろう。
式(1)から、LOSが存在する場合の比は、以下によって与えられる：
Figure 2005521060
 式(2)から、LOSが存在しない場合の比は、以下の形式を取る。
Figure 2005521060
 Κが除去されるように、比形式が用いられる。
式(6)及び式(7)から、LOSが存在する場合と存在しない場合とについての下限がそれぞれ以下のように決定される：
Figure 2005521060
 LOSが存在しない場合には、
Figure 2005521060
 式(5)で特定される比を取ることによるΦの値が1よりも小さくなる場合(即ちΦ<1)、
Figure 2005521060
 と示すことができ、従って、LOS信号は存在せず、受信された信号に例えばマルチパス軽減技術を適用する理由は無い。
この試験を実行するのに必要なのは、ゼロ周波数におけるピークの大きさを単に他の全てのピークの最大の大きさ(即ちFmax)で除算することのみである。この試験は、うまくLOSの欠如を識別する、即ち、LOSがない場合には、Φは常に1よりも少ない。
LOSの有無についての他のアルゴリズム試験は、(1) 受信データからNの全ての反射係数及び値を決定するステップと、(2) 上限試験を適用するステップとを含む。しかし、これらの試験の各々は、決定されるべきKの値を必要とする。
これは、2つの反射ピークF1=ΚΓ1及びF2=ΚΓ2の大きさ並びにこれらのビート周波数F3=ΚΓ1Γ2の大きさを考えることによって行われてもよい。以下の式においてこれらの値で置換することにより、
Figure 2005521060
 F1、F2及びF3の大きさが決定されることができるので、Kは、容易に計算されることができる。
前述の試験(1)に戻ると、ビート周波数ピーク以外の全ての反射ピークが観察され、これらの振幅Anが認識され、また、DC成分(例えば値「H」)を計算することによってLOSが決定される。上記の式(3)から、
Figure 2005521060
 である。LOSが存在すれば、
Figure 2005521060
 LOSが存在しなければ、
Figure 2005521060
 である。試験は、DCピークの値(H)がvalueC又はvalueEに等しいかどうかである。
H=Eならば、LOSは存在せず、H=Cならば、LOSは存在する。
上限試験(2)は、LOSが存在する以下の場合に基づく：
Figure 2005521060
 LOSが存在しないと、
Figure 2005521060
スペクトル解析から反射ピークの数Nを、そして、データからΓmaxを決定することによって、上限が計算されることが可能になる。
データの最大ピークは、次式
Figure 2005521060
 から決定されることができ、ここで、Γmax及びKは、上記の通りに決定されたものである。
上限の値は、LOSが無い場合にはNΓmaxであり、LOSがある場合には1/Γmax + NΓmaxである。
Figure 2005521060
 ならば、LOSは存在し、
Figure 2005521060
 ならば、試験は確定的でない。
本明細書及び請求項において、要素の前に付した「1つの(a又はan)」という単語は、その要素が複数あることを排除するものではない。更に、「有する(comprising)」という単語は、記載された以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。
本開示を読むことによって、当業者には他の変形例が明らかになるであろう。このような変形例は、位置決定装置及びその構成要素の、既知の、設計、製造及び使用に関する他の特徴と関連していてよく、これらの特徴は、ここで説明された特徴に代わって、又は追加して、使用することができる。請求項は、本出願において特徴の特定の組合せについて構成されたが、本出願の開示の範囲は、ここに明示若しくは暗示で開示された新規な特徴若しくは新規な特徴の組合せ又はそのあらゆる一般化も、何れかの請求項に現在記載されたものと同一の発明に関するか否かは関係なく、また、本発明と同じ技術的課題の一部又は全てを軽減するか否かに関係なく、含むということが理解されるであろう。本出願人は、本願又は本願から導かれるあらゆる他の出願の手続処理の最中にこのような特徴及び／又はこのような特徴の組合せについての請求項が作成可能であることをここに通知する。
受信器が複数のアンテナを有する位置決定システムの実施例のブロック略図である。 受信器が移動性であり一定速度で移動する位置決定システムの実施例のブロック略図である。 本発明による方法の実施例を示すフローチャートである。 マルチパス信号の信号出力密度のフーリエ変換を示す図である。

Claims (12)

  1. 遠隔送信器から信号を受信するステップと、ラインオブサイト(LOS)信号が存在するか決定するステップと、前記LOS信号を用いて前記遠隔送信器の位置を決定するステップとを有する位置を決定する方法。
  2. 請求項1に記載の方法において、前記受信された信号のパワースペクトラム密度のフーリエ変換を導出するステップと、ゼロ周波数でのDC値の存在をチェックするステップと、存在していれば、前記LOS信号を識別するためにマルチパス軽減技術を実行するステップとを特徴とする方法。
  3. 請求項2に記載の方法において、前記LOS信号が存在しないことに応答して前記マルチパス軽減技術を抑止するステップを特徴とする方法。
  4. 請求項1に記載の方法において、前記受信された信号のパワースペクトラム密度のフーリエ変換を導出するステップと、ゼロ周波数におけるピークの大きさを他の全てのピークの最大の大きさによって除算することによって前記LOS信号の有無を決定するステップであって、答えが1よりも小さければLOSは存在しないとするステップとを特徴とする方法。
  5. 請求項1に記載の方法において、前記受信された信号のパワースペクトラム密度のフーリエ変換を導出するステップと、比Φ=(DC成分の大きさ)/(反射ピークの大きさ)の下限を決定することによって前記LOS信号の有無を決定するステップであって、Φが1よりも小さければLOSは存在しないとするステップとを特徴とする方法。
  6. 請求項1に記載の方法において、前記受信された信号のパワースペクトラム密度のフーリエ変換を導出するステップと、全ての反射ピークの振幅を確認するステップと、DC成分を計算するステップと、当該計算された値が、LOSが存在することに関連した値に対応するか決定するステップとを特徴とする方法。
  7. 遠隔送信器から位置決定信号を受信するための受信手段と、ラインオブサイト(LOS)信号が存在するか決定するための手段と、前記LOS信号を用いて前記遠隔送信器の位置を決定するための手段とを有する位置決定装置。
  8. 請求項7に記載の位置決定装置において、前記受信された信号のパワースペクトラム密度のフーリエ変換を導出するための手段と、前記パワースペクトラム密度においてゼロ周波数でピークが存在するか決定するための手段と、ラインオブサイト(LOS)を識別するためにマルチパス軽減を実行する手段とを特徴とする装置。
  9. 請求項8に記載の装置において、LOS信号が存在しないことに応答して前記マルチパス軽減手段を抑止する手段を特徴とする装置。
  10. 請求項7に記載の装置において、ゼロ周波数でピークが存在するか決定するための前記手段は、前記受信された信号のパワースペクトラム密度のフーリエ変換を導出する手段と、ゼロ周波数におけるピークの大きさを他の全てのピークの最大の大きさによって除算した商を決定するための手段と、答えが1よりも小さいか決定し、小さければLOSは存在しないことを示す手段とを有することを特徴とする装置。
  11. 請求項7に記載の装置において、ゼロ周波数でピークが存在するか決定するための前記手段は、前記受信された信号のパワースペクトラム密度のフーリエ変換を導出する手段と、比Φ=(DC成分の大きさ)/(反射ピークの大きさ)の下限を決定する手段であって、Φが1よりも小さければLOSは存在しないとする手段とを有することを特徴とする装置。
  12. 請求項7に記載の装置において、前記受信された信号のパワースペクトラム密度のフーリエ変換を導出するための手段と、ビート周波数ピーク以外の全ての反射ピークの振幅を確認する手段と、DC成分を計算し、当該計算された値が、LOSが存在することに関連した値に対応するか決定する手段とを特徴とする装置。
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