JP2006501473A - Gpsを用いて遠隔装置の位置を判定する方法および装置 - Google Patents

Gpsを用いて遠隔装置の位置を判定する方法および装置 Download PDF

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Abstract

GPSを装備した装置による位置判定高速化という要望に対処するために、本願で記載する本発明の実施形態は、自己の位置を判定している遠隔装置(110)にGPS支援データを供給する。このGPS支援データは、特定の遠隔装置を収容する格子要素の中心点に関する。格子要素とは、地理的領域であり、その内部では、格子要素内のどこからでも、同一の12機以上のGPS衛星を見ることができる。格子要素についてGPS支援データを供給することにより、遠隔装置は、十分に局地的な性質のGPS支援データを受信し、その位置をより迅速に判定するのに役立つ。また、米国のような領域全域におけるセル・サイトよりははるかに少数の格子要素があるに過ぎないので、格子要素毎に現GPS支援データを維持しても、セル・サイト毎に維持する場合よりも、必要なネットワーク帯域幅は少なくて済む。

Description

本発明は、一般的には、GPS位置判定に関し、特に、ワイヤレス通信システムにおいてGPSを用いて遠隔装置の位置を判定することに関する。
GPS受信機は、通常、これらの位置を判定する際に、多数のGPS(即ち、GPS/NAVSTAR)衛星から同時に送信される信号の相対的到達時刻を計算する。これらの衛星は、そのメッセージの一部として、衛星測位データおよびクロック・タイミングまたは「エフェメリス」データのようなGPS支援データの双方を送信する。GPS信号を探索および取得し、多数の衛星についてのエフェメリスデータを読み取り、このデータから受信機の位置を計算するプロセスは、時間がかかり、数分を要する場合が多い。多くの場合、この非常に長い処理時間は容認できず、特に、911指令センタのために位置を判定している緊急の状況では容認できない。
GPS受信システムには、主な機能が2つある。(1)種々のGPS衛星までの疑似距離(pseudorange)の計算、および(2)これらの疑似距離ならびに衛星のタイミングおよびエフェメリスデータを用いた、受信プラットフォームの位置の計算である。疑似距離は、単に、各衛星からの受信信号と内部クロックとの間で測定される時間遅延である。GPS信号が一旦捕捉され追跡されると、衛星エフェメリスおよびタイミング・データは、GPS信号から抽出される。前述のように、この情報の収集は、通常比較的長い時間(30秒から数分)を要し、さらに低誤差率を達成するためには、高い信号受信レベルで行なわなければならない。
事実上既知のGPS受信機は全て、相関方法を利用して疑似距離を計算する。これらの相関方法は、リアル・タイムで、多くの場合ハードウェアの相関器を用いて行われる。GPS信号は、疑似ランダム(PN)シーケンスと呼ばれる、高速反復信号を収容する。コード・シーケンスは、ゴールド・コード(Gold code)として知られている系統群に属する。各GPS衛星は、一意のゴールド・コードを有する信号をブロードキャストする。
所与のGPS衛星から受信した信号について、ベースバンドへのダウンコンバージョン・プロセスに続いて、相関プロセッサが、その内部メモリ内に収容されている適切なゴールド・コードの格納されている複製と受信信号とを乗算し、次いで積を積分し、即ち、ロー・パス・フィルタ処理して、信号の存在の指示を得る。このプロセスは、「相関付け」動作と呼ばれている。この格納されている複製の受信信号に対する相対的タイミングを順次調節し、相関付け出力を観察することにより、受信機は、受信信号と内部クロックとの間の時間遅延を判定することができる。かかる出力の存在の初期判定を「捕捉」と呼んでいる。一旦、捕捉が行われると、プロセスは「追跡」フェーズに入り、ここで内部基準のタイミングを少量ずつ調節して、高い相関付け出力を維持する。
相関捕捉プロセスは、特に受信信号が弱いときに、非常に時間がかかる。取得時間を改善するために、多くのGPS受信機は、多くの相関器(潜在的には数千にも達する)を利用し、並行して相関ピークが求められるようにしている。しかしながら、位置判定時間を改善するという必要性は、特に、米国におけるFCCによるE911規定の発行によって、ワイヤレス環境においては、なおも残っている。
GPSを装備した装置による位置判定の高速化という要望に対処するために、本願は、自己の位置を判定している遠隔装置にGPS支援データを供給するという本発明の実施形態について述べる。このGPS支援データは、特定の遠隔装置を含む格子要素の中心点に関する。格子要素とは、地理的領域であり、その内部では、当該格子要素内のどこからでも、同一の12機以上のGPS衛星を見ることができる。(どの時点においても一度に実際に見える数は、GPSコンステレーション内における衛星の個々の配置に依存する。したがって、1つの格子要素領域では、好機には12機以上の衛星が見える潜在的可能性を共有する。)格子要素に対してGPS支援データを供給することにより、遠隔装置は、十分に局地的な性質のGPS支援データを受信し、その位置を一層迅速に判定するのに役立つ。また、米国のような領域全域におけるセル・サイトよりははるかに少数の格子要素があるに過ぎないので、格子要素毎に現GPS支援データを維持しても、セル・サイト毎に維持する場合よりも、必要なネットワーク帯域幅は少なくて済む。
開示する実施形態は、図1から図5を参照することにより更に深く理解することができる。図1は、本発明の一実施形態による通信システムの図である。システム100は、イリノイ州、シャンバーグ(Schaumburg)のモトローラ・インコーポレテッド(Motorola Inc.)から市販されている「iDEN」通信システム、全地球測地システム(GPS)衛星(衛星101〜103によって代表する)のコンステレーション、GPS基準ネットワーク、および公安応答局(PSAP:public safety answering point)で構成されている。PSAP126は、911コール・センタのような公安指令センタからなる。GPS基準ネットワーク105は、グローバル・ロケート・インコーポレイテッド(Global Locate,Inc.)のネットワークのようなネットワークから成る。移動局(MS)110および無線アクセス・ネットワーク(RAN)120は、「iDEN」通信システムを表す。しかしながら、本発明は、特定のワイヤレス技術に限定されるものではない。例えば、代替実施形態では、通信システム100は、限定ではないが、TETRA、GSM、CDMA、およびUMTSシステムにおけるような、その他の通信システム・プロトコルを利用するように構築することもできる。
RAN120は、増強基地送受信機システム(EBTS)121、基地サイト・コントローラ(BSC)122、移動交換局(MSC)123、移動体位置情報サービスセンタ(serving mobile location center:SMLC)124、および移動体位置情報ゲートウェイセンタ(gateway mobile location center:GMLC)125で構成されている。RAN120は、MS110にワイヤレス・サービスを提供する。しかしながら、本発明は、携帯電話機、即ち、必然的にワイヤレスである遠隔装置または通信装置に限定されるものではない。例えば、かかる装置は、GPSを装備しRAN120にワイヤレスで接続されているコンピュータ、またはGPSを装備しインターネット経由でRAN120に接続されているコンピュータを備えてもよい。
図1は、システム100が動作するために必要なネットワーク機器および機器構成機材の全てを示している訳ではないことは、当業者には認められよう。図1は、本発明の実施形態の説明に特に関連があるシステム・エンティティを、簡略化した図で示すに過ぎない。同様に、図2は、本発明の実施形態の説明に特に関連があるMSおよびSMLCの構成機材の簡略図を示す。MS110は、送信機201、受信機202、通信プロセッサ203、およびGPSプロセッサ204を備えている。SMLC124は、プロセッサ210、ネットワーク・インターフェース211、およびネットワーク・インターフェース21
2を備えている。
当業者は、これらのエンティティおよび構成機材の各々を実現する多くの方法、および/または「モトローラ社」(MOTOROLA)のようなワイヤレス通信会社から購入する多くの方法について熟知している。例えば、プロセッサは、通例、マイクロプロセッサおよび/またはディジタル信号プロセッサ、メモリ、および/または、回路で表現されているアルゴリズム、および/またはコンピュータ命令として表現されているアルゴリズムを実現するように設計された論理回路を備えている。更に、プロセッサは、データ通信ネットワークおよび/または専用通信リンクを通じて他のデバイスと通信するために、ネットワーク・インターフェースと結合されている場合が多い。あるアルゴリズム、ロジック・フロー、またはメッセージ伝送フローが与えられれば、当業者には、必要に応じて、指定されたロジックを実行し、ネットワーク・インターフェースを通じて通信するプロセッサを実現するために利用可能な設計および開発技法が分かるであろう。更に、本発明のSMLCの態様は、単に専用SMLC内だけでなく、RAN120の種々の物理的構成機材内およびそれら相互で実現可能であることも、当業者は認めよう。
MSにおいて用いられる送信機、受信機、およびプロセッサは、当技術分野では一般的で周知である。更に、GPSシグナリングの受信および位置の判定(GPSプロセッサによる等)も当技術分野では一般的で周知である。本発明の第1実施形態では、公知の「iDEN」MSを、公知の通信設計および開発技法を用いて改造し、本発明のロジックを実施する。同様に、本発明の第1実施形態では、公知の通信設計および開発技法を用いて、公知のSMLCを改造し、本発明のロジックを実施する。
通信システム100の動作は、本発明の第1実施形態にしたがって、実質的に以下のように行われる。SMLC124は、GPS基準ネットワーク105から、格子要素の中心点に関連する、更新されたGPS支援データを取得する。格子要素とは、その内部において、当該格子要素のいずれの地点からでも同じ12機以上のGPS衛星を見ることができる地理的領域である。例えば、格子要素は、マスク角度(mask angle)をある位置の水平な(即ち、遮られない)地平線(level horizon)に対して適用することによって決定することができる。1994連邦無線ナビゲーションプラン(1994 Federal Radionavigation Plan)では設計指針が提示され、米国沿岸警備隊DGPSナビゲーションサービス(USCG DGPS Navigation Service)は7.5度のマスク角度を用いてベースライン距離(ユーザから局まで)を作成することを許可されたことが示されている。7.5度のマスク角度は、400キロメートルよりも大きいユーザから局までの離間距離を表す。7.5度のマスクでは、9機よりも多い衛星を共有して見ることができる。
本発明の第1実施形態は、1度のマスクを適用し、12機よりも多い衛星の共有を可能にする(即ち、これらの衛星は、ある位置の水平地平線よりも高いが、必ずしも遮られていない訳ではない)。この1度のマスクは、セル・タワーを、75キロメートルより遥かに遠くない所定の格子要素の中心と関連付ける必要があることを意味する。(尚、これは、経度と共に変動することに留意されたい。75kmとは、米国の中央内陸部の緯度に基づいた近似である。)つまり、正方形の格子要素は、約150キロメートル×150キロメートルの大きさとなるはずである。したがって、通信システム100が担当する地理的領域は、1辺が150キロメートルの格子要素と重複し、その領域を十分カバーする。しかしながら、本発明の代替実施形態では、格子要素は、正方形である必要はなく、多角形でなくてもよい。結局、実際には、格子要素は地球の表面の一部を覆っているため、それらの格子要素は、少なくとも部分的に湾曲している(単なる二次元形状ではない)表面である。
図3および図4は、本発明の第1実施形態によるSMLC124が用いる表の例である。表300は、サポートされている各セル・サイトのセルIDを、そのセルの特定の経度および緯度とマッピングし、更にセルIDを、各セル・サイトが位置する格子要素にマッピングする。表400は、各格子要素の中心点の位置(緯度および経度)と、各特定の格子要素に対応する最新のGPS支援データとを含む。このように、SMLC124のプロセッサ210は、ネットワーク・インターフェース211を通じて、GPS基準ネットワーク105から、各格子要素の更新されたGPS支援データを取得する。第1実施形態では、SMLC124は、ほぼ毎分、そのGPS支援データを、GPS基準ネットワーク105からの現行データによって更新する。キャッシュされているデータが古くなり過ぎるのを防止するためには、頻繁な更新が必要である。
GPS支援データは、衛星軌道パラメータ(例えば、赤道に対する軌道の傾き、昇交点の経度、近地点の引数、長半径軸の長さ、偏心度、および所与の時刻における軌道楕円上の衛星の位置)、衛星クロックのずれ、正確な日時、格子要素の中心点の位置、衛星健全性状態(satellite health status)、および電離層補正パラメータというようなデータを含む。第1実施形態では、SMLC124によって各格子要素について収集したGPS支援データは、その時点におけるその格子要素のために特別に作成されている。例えば、その格子要素によって現在見ることができる衛星についてのデータのみを収集し、個々の位置に対して特定的なデータを、格子要素の中心点について収集する(表400に示されている通り)。更に、第1実施形態のGPS支援データは、例えば、セル・サイト即ちサービス領域の緯度/経度ではなく、格子要素の中心点の緯度および経度を含む。格子要素の中心点の位置で十分であるため、MSは、セル・サイトの位置を必要としない。
図5は、システム・エンティティ間の通信、および本発明の第1実施形態によって実行するロジックを示すメッセージ・フロー図である。MS110の通信プロセッサ203が緊急通話要求501をRAN120に送信したときが、E911に適用するための位置判定のきっかけとなる。MSC123は、MS110とPSAP126との間の音声接続502の設定を調整する。こうして、MS110のユーザは、911通信指令係(dispatcher)のような公安の誰かと話すことができる。第1実施形態では、MS110はまた、GPS支援要求503もRAN120に送る。メッセージ501,503のいずれかまたは双方は、現在、MS110を担当しているセル・サイトのセルIDを含んでいる。このため、この要求およびセルIDはSMLC124に転送される。
SMLC124のプロセッサ210は、ネットワーク・インターフェース212を通じて、GPS支援要求を受信し、どの格子要素がそのセルIDに対応するのかを判定する。次いで、プロセッサ210は、MS110の格子要素に対応するGPS支援データ504を、ネットワーク・インターフェース212を通じて、MS110に送る。通信プロセッサ203は、受信機202を通じて、GPS支援データ504を受信し、これをGPSプロセッサ204に供給する。次いで、プロセッサ204は、受信機202を通じて、GPS支援データを用いてその視認可能なGPS衛星の少なくとも一部を捕捉し追跡することによって、より迅速にMS110の位置を判定することが可能となる。MS110の位置(例えば、経度および緯度)を判定すると、プロセッサ204はその位置を通信プロセッサ203に渡し、通信プロセッサ203は位置メッセージ505を送信機201を通じてRAN120に送る。したがって、PSAP126が位置要求506をRAN120に送ると、RAN120はMS110の位置を示す位置メッセージ507で公安職員に応答する。こうして、メッセージ・フロー500は完了する。
メッセージ・フロー500は、本発明の第1実施形態に対するメッセージ伝送を表し、E911への適用に焦点をあてている。しかしながら、他のメッセージ・フローも本発明
を具体化することができる。例えば、位置情報強化サービス(location enhanced service)の場合、通話要求も、音声接続も、GPS支援要求も行わなくてよく、PSAPを伴わなくてもよい。代わりに、MSは、GMLCのようなエンティティから位置要求を受信する可能性があり、あるいは恐らく、MSがGPS支援データのみを受信し、これが位置判定のきっかけとなる可能性もある。
本願にに記載するような、ワイヤレス・システムにおいて位置判定を実行することにより、2つの重要な利点が得られる。第1に、遠隔装置は、RANから受信するGPS支援データによって、自身の位置をより迅速に判定することができる。第2に、RANとGPS基準ネットワークとの間で、周期的に、セル・サイト/サービス領域に基づくのではなく、格子要素に基づいて、GPS支援データを収集することにより、ネットワーク・トラフィック、そして恐らくは加入コストが減少する。E991の要求および現行の位置情報強化サービスによる、潜在的に多数のGPS基準ネットワークへの問合わせは、格子要素系によってフィルタにかけられる。例えば、同じ格子要素から発信する全ての要求は、GPS基準ネットワークに対して個々の要求を発生するのではなく、キャッシュされている同一のGPS支援データを受信する。このため、1つの格子要素のGPS支援データは、潜在的に数百万個の装置に供することができる。
以上の明細書では、具体的な実施形態を参照しながら、本発明について説明した。しかしながら、添付した特許請求の範囲に明記されている本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の修正や変更が可能であることは、当業者には認められよう。したがって、明細書および図面は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で捕らえるのであり、かかる修正は全て、本発明の範囲に含まれることを意図している。加えて、図面における要素は、簡略化および明確化を目的として図示されていることは、当業者には認められよう。例えば、本発明の種々の実施形態の理解を深める一助になるように、図面における要素の一部は、その寸法を他の要素に対して誇張している場合もある。
本発明の具体的な実施形態に関して、効果、その他の利点、および問題に対する解法についてこれまで説明した。しかしながら、効果、利点、問題に対する解法、およびかかる効果、利点、または解法をも生じさせる、または一層顕著にすることができるあらゆる要素(複数の要素)は、いずれの請求項または全ての請求項の重要な、必要な、または本質的な特徴または要素として解釈しないこととする。
ここで用いる場合、「備える」、「備えている」、またはそのいずれの変形も、非排他的包含を含むことを意図しており、要素のリストを備えているプロセス、方法、物品、または装置が、これらの要素のみを含むのではなく、明示的にリストされていない、あるいはかかるプロセス、方法、物品、または装置に固有のその他の要素を含み得るものとする。ここで用いる場合、「a」または「an」という用語は、1つまたは1つよりも多いことを定義するものとする。ここで用いる場合、「複数」という用語は、2または2より多いことを定義するものとする。ここで用いる場合、「他の」という用語は、少なくとも第2以降であることを定義するものとする。ここで用いる場合、「含む」および/または「有する」という用語は、備える(即ち、開いた言語)と同様であると定義するものとする。ここで用いる場合、「結合」という用語は、接続と同様であると定義するものとするが、必ずしも直接的とは限らず、更に必ずしも機械的または電気的であるとは限らない。ここで用いる場合、「プログラム」(または「プログラミング」)という用語は、コンピュータ・システム上での実行のために設計された一連の命令と定義するものとする。プログラム、プログラミング、またはコンピュータ・プログラムは、サブルーチン、関数、手続き、オブジェクト・メソッド、オブジェクト実施、実行可能アプリケーション、アプレット、サーブレット(servlet)、ソース・コード、オブジェクト・コード、共有ライブラリ/ダイナミック・ロード・ライブラリ、および/またはコンピュータ上での実行
のために設計されたその他の命令のシーケンスを含むことができる。
本発明の一実施形態によるワイヤレス通信システムの図。 本発明の一実施形態による移動局および担当移動体探索センタ(SMLC)のブロック図。 本発明の一実施形態によるSMLCによって用いられる表の一例を示す図。 本発明の一実施形態によるSMLCによって用いられる表の一例を示す図。 システム・エンティティ間の通信、および本発明の一実施形態によって実行されるロジックを示すメッセージ・フロー図。

Claims (10)

  1. GPSを用いて遠隔装置の位置を判定する方法であって、
    格子要素内の位置に関連するGPS支援データを受信するステップであって、前記格子要素は、地理的領域であり、該領域内では、所定数のGPS衛星が前記格子要素内の中心点から見えるときに、前記所定数のGPS衛星は視認可能であり、GPS衛星が、ある位置の水平地平線よりも上方にあるときに、当該衛星は視認可能である、ステップと、
    前記GPS支援データを用いてGPS衛星を捕捉し追跡することによって、前記遠隔装置の位置を判定するステップと、
    から成る方法。
  2. 請求項1記載の方法において、前記地理的領域は、ほぼ正方形状をなし、前記所定数のGPS衛星は、少なくとも12機である、方法。
  3. 請求項1記載の方法であって、更に、通話要求を無線アクセス・ネットワーク(RAN)に送るステップを含む、方法。
  4. 請求項1記載の方法であって、更に、GPS支援データの要求を、無線アクセス・ネットワーク(RAN)に送るステップを含む、方法。
  5. 請求項1記載の方法であって、更に、前記遠隔装置の位置を、無線アクセス・ネットワーク(RAN)に送るステップを含む、方法。
  6. 通信装置であって、
    受信機と、
    前記受信機に結合され、該受信機を通じて、格子要素内部の位置に関連するGPS支援データを受信するように適合されている通信プロセッサであって、前記格子要素は、地理的領域であり、該領域内では、所定数のGPS衛星が前記格子要素内の中心点から見えるときに、前記所定数のGPS衛星は視認可能であり、GPS衛星が、ある位置の水平地平線よりも上方にあるときに、当該衛星が視認可能である、通信プロセッサと、
    前記受信機および前記通信プロセッサに結合され、前記GPS支援データを用いて、前記受信機を通じてGPS衛星を捕捉および追跡することによって、前記遠隔装置の位置を判定するように適合されているGPSプロセッサとを備える、通信装置。
  7. GPSを用いて遠隔装置の位置判定を容易にする方法であって、
    格子要素の中心点に関連する更新GPS支援データを、GPS基準ネットワークから取得するステップであって、前記格子要素は、地理的領域であり、該領域内では、所定数のGPS衛星が前記格子要素内の中心点から見えるときに、前記所定数のGPS衛星が視認可能であり、GPS衛星がある位置の水平地平線よりも上にあるときに、当該衛星が視認可能である、ステップと、
    前記格子要素に関連するGPS支援データが要求されていることを示すGPS支援要求を受信するステップと、
    前記格子要素の中心点に関連するGPS支援データを送るステップと、
    から成る、方法。
  8. 請求項7記載の方法において、前記GPS支援要求は、セルIDを備えており、前記方法は、更に、前記セルIDが前記格子要素に関連付けられていることを判定するステップを含む、方法。
  9. 請求項7記載の方法であって、更に、前記PGS基準ネットワークから、前記格子要素
    の中心点に関連する更新GPS支援データを周期的に取得するステップを含む、方法。
  10. 移動体位置情報サービスセンタ(SMLC)であって、
    第1ネットワーク・インターフェースと、
    第2ネットワーク・インターフェースと、
    前記第1および第2インターフェースに結合され、前記第1ネットワーク・インターフェースを通じて、GPS基準ネットワークから、格子要素の中心点に関連する更新されたGPS支援データを取得するように適合され、前記第2ネットワーク・インターフェースを通じて、前記格子要素に関連するGPS支援データが要求されていることを示すGPS支援要求を受信するように適合され、前記第2ネットワーク・インターフェースを通じて、前記格子要素の中心点に関連するGPS支援データを送るように適合されているプロセッサであって、前記格子要素は、地理的領域であり、該領域内では、所定数のGPS衛星が前記格子要素内の中心点から見えるときに、前記所定数のGPS衛星が視認可能であり、GPS衛星がある位置の水平地平線よりも上にあるときに、当該衛星が視認可能である、プロセッサと、
    を備える移動体位置情報サービスセンタ。
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