JP2006508345A - 測距および測位方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明の方法および装置は、縦方向（４）および横方向（６）に延びる壁（８）および通路（１０）を備えたビルディング（２）内で利用される。基地局（２０、２２）は、縦方向（４）および横方向（６）に向いたｃｏｓｅｃ^２のパターンを有する向きのアンテナを備え、移動局（２６）の位置を決定するためにその距離を測定する。

Description

本発明は、測距および／または測位のための方法および装置、特にビルディング内で使用される方法および装置に関する。

受信機の位置を無線周波（ＲＦ）信号強度を用いて計算する屋内測位システムが提案されている。ＲＦ信号は、複数の基地局から受信され、受信信号強度は、伝播環境についての知識と位置計算を実行する三辺測量（ｔｒｉｌａｔｅｒａｔｉｏｎ）とを用いて、距離測定値に変換される。三辺測量は、既知の地点からの距離を使用して位置を計算する、よく知られた数学的技法である。三辺測量は、三角測量（ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ）と近い関係にあるが、三辺測量が距離を使用するのに対して、三角測量は角度を使用する。

そのような屋内測位システムの中で最も広く知られているものは、三辺測量と、測定された値のデータベースを用いる信号強度のパターンマッチングとを組み合わせた、マイクロソフトが設計したＲＡＤＡＲとして知られるシステムである。ＲＡＤＡＲについては、Ｂａｈｌ他、「ＲＡＤＡＲ：ａｎ ｉｎ−ｂｕｉｌｄｉｎｇ ＲＦ−ｂａｓｅｄ ｕｓｅｒ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ」、ＩＮＦＯＣＯＭ ２０００議事録、テルアビブ、２０００年３月に記載がある。

しかし、そのような屋内測位システムは、ほぼ部屋の大きさに相当する、約３ｍのメジアン誤差距離（ｍｅｄｉａｎ ｅｒｒｏｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ）の精度をもつに過ぎない。

経験的モデルを使用して信号強度測定値を距離測定値に変換するシステムは、自由空間での信号強度式を単に距離の関数であると仮定するシステムよりも性能を向上することができる。しかし、実測される信号強度は、単独の経験的モデルとはかけ離れたものとなる場合がある。

これらの食い違いには、数々の原因が存在する。第１に、送信機と受信機の間に存在する仕切り、壁、およびその他の物体の数の変化が、送信機と受信機の間の距離が一定であっても、受信機における信号強度の変化の原因となる。第２に、高速フェージング効果が、信号強度が非常に小さいゼロ（ヌル（ｎｕｌｌ））の原因となる。

したがって、距離測定値の、ひいては位置決定の精度を向上させる屋内測位システムが必要とされている。

本発明によれば、実質的に直交する縦（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）方向および横（ｌａｔｅｒａｌ）方向に延びる通路および／または壁を有する建造物における屋内測位の方法が設けされ、この方法は、
縦方向に対してｃｏｓｅｃ^２の感度パターンを有するアンテナを備える基地局を設け、
全方向性アンテナを備える移動局を設け、
一方の基地局および移動局から他方の移動局および基地局に測距信号を送信し、
受信測距信号の送信信号との比較による相対信号強度を測定して、移動局から基地局までの横方向距離の大きさを得る、
ことを含む。

したがって、本発明は、基地局において、ｃｏｓｅｃ^２の感度を示すアンテナを使用する。言い換えれば、θを信号が縦方向に対してなす角度とすると、アンテナの感度は、ｃｏｓｅｃ^２θに従って変化する。しかし、当業者であれば理解されるように、アンテナの感度が、θのすべての値について、ｃｏｓｅｃ^２θに従って変化するというわけではない。実際、ｃｏｓｅｃ関数は、θが０および１８０°となるところで特異点を有する。したがって、上記のことが当てはまるθの範囲は、例えば、３０°から１５０°や、１５°から１６５°の間などとなるかもしれず、この正確な値は、適用例、有効性、および適切なアンテナのコストに依存する。この範囲の外側では、感度は、例えば、θが０および１８０°のときの値に近づいていく。

そのようなアンテナが知られており、具体的には、従来のレーダであって、特に空港のレーダで使用されている。しかし、そのようなアンテナを従来のレーダシステムで使用したときの効果は、本発明における効果とは非常に異なっている。これは、そのようなアンテナを使用する従来のレーダシステムでは、地面に対してほぼｃｏｓｅｃ^２θの感度パターンを有する信号が、基地局から送信されるためである。信号は、物体によって反射され、その後、基地局に戻ってくる。したがって、従来のレーダシステムでは、ｃｏｓｅｃ^２アンテナを使用して送信された信号の強度は、ｃｏｓｅｃ^２θに従って変化し、その信号の受信も、ｃｏｓｅｃ^２θに従って変化するので、結果として、全体的な変化は（ｃｏｓｅｃ^２θ）^２＝ｃｏｓｅｃ^４θに従う。

対称的に、本発明では、信号強度は、基地局と移動局との間で一方向にだけ送信される信号に基づいて測定されるので、受信信号強度は、ｃｏｓｅｃ^４θの項ではなく、ｃｏｓｅｃ^２θの項を有する。

本発明は、ビルディング（建物）が一般に、本明細書で「縦」および「横」と呼ぶ、２つの好ましい直交する方向を向いた通路および壁を有する直線構成の内部構造を備えているという事実を利用する。「縦」および「横」という用語は、これら２つの方向を任意に呼び分けるためのものであり、縦方向をビルディングの長さ方向とし、横方向を幅方向とすることを暗示する意図はない。これは、多くのビルディングでは、２つの内部的な好ましい方向に、任意選択以外の方法で、縦方向および横方向を割り当てることは不可能なためである。

基地局からの距離がｒ、縦方向となす角度がθ、基地局からの横方向の間隔がｈである移動局について考える（図１を参照）。幾何学的に、ｃｏｓｅｃ^２θ＝ｒ^２／ｈ^２である。自由空間では、信号伝播は、１／ｒ^２に従うので、縦方向に対してｃｏｓｅｃ^２のアンテナパターンを使用すれば、ｒ^２の項は相殺されて、信号強度は１／ｈ^２に比例したものとなり、したがって、横方向距離の大きさに従って挙動する。

ビルディングの内部では、自由空間経路損失の他にも、信号が壁および仕切りを通過するときの減衰に起因するさらなる損失が発生する。横方向距離が大きくなると、信号が通過しなければならない壁や仕切りの数も増加するので、信号が通過する壁、仕切りなどの数は、横方向距離と共に変化する非常に重要な成分をもつことを発明者らは認識した。壁によって引き起こされる追加損失は、直角距離（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ）ｈが一定の線上に位置する移動局から任意の角度θで到達する信号についておおよそ一定であるが、これは、いずれの場合も、信号はおおよそ同じ数の壁を通過するためである。したがって、受信信号は、全方向性アンテナパターンを使用して距離の尺度とするよりも、基地局においてｃｏｓｅｃ^２のアンテナパターンを使用することで、より優れた横方向距離の尺度となる。

多くの場合、移動局の位置を正確に決定するために、さらにビルディングの内部構造についての経験的モデルを利用する必要があることもある。信号が通過する壁や仕切りの数は、ｈが一定ならば、おおよそ一定であることに発明者らは気がついた。したがって、横方向距離は、距離を単独で用いるよりも、信号強度のより優れた決定因子となり、基地局のアンテナにｃｏｓｅｃ^２のパターンを使用することは、未加工データが、必要な減衰のより優れた表現となることを意味する。経験的モデルでは、より僅かな補正しか必要でなく、したがって、より優れた結果が設けされる。

好ましくは、第２の基地局が設けられ、第２の測距信号が、第２の基地局と移動局との間で一方向に送信され、複数の基地局と移動局との間で送信される測距信号からのデータを用いる三辺測量を利用して、移動局の位置が決定される。第２の基地局には好ましくは、横方向に対する方向に対してｃｏｓｅｃ^２の感度パターンを有するアンテナが備えられる。

さらに好ましくは、１つまたは複数の追加の基地局が設けられ、さらなる測距信号が、追加の基地局と移動局との間で一方向に送信され、複数の基地局と移動局との間で送信される測距信号からのデータを用いる三辺測量を利用して、移動局の位置が決定される。

追加の基地局には、縦向きにｃｏｓｅｃ^２の感度パターンを有するアンテナを備えることができ、それによって、移動局が何階に位置しているかを決定する。

別の態様では、本発明は、好ましい縦方向および横方向を有する建造物において、移動局の位置を求めるのに使用され、アンテナと、測距信号をアンテナを介して移動局に送信し、かつ／または移動局から受信するように構成される送信機および／または受信機とを備える基地局に関し、アンテナは、ビルディング内の縦方向、横方向、または垂直方向に向いたｃｏｓｅｃ^２の感度パターンを有する。

さらに別の態様では、本発明は、実質的に直交する縦方向および横方向に延びる通路および壁を有する建造物において、移動局の位置を求めるためのシステムに関し、このシステムは、全方向性アンテナを有する移動局と、上で説明した複数の基地局とを備える。このシステムは、移動局と基地局との間で測距信号を送信し、それらの送信強度に対する受信測距信号の減衰を測定するように構成される。

本発明のシステムは、測定した減衰値から、ビルディング内における移動局の位置を計算するように構成されたコードを備える。コードと、コードが計算を実行するために動作する対応するプロセッサとは、移動局もしくは基地局に配置することができ、または別々に分けて配置することができる。便利な実施形態では、測定した受信電力値から、同じコードによって、減衰値も計算される。

別の態様では、本発明は、実質的に直交する縦方向および横方向に延びる通路および壁を有するビルディングと、各々がｃｏｓｅｃ^２の利得パターンを有するアンテナを有する複数の基地局とを備える設備されたシステムにも関する。この態様では、基地局のうちの第１の基地局は、ビルディング内における縦方向に向いたｃｏｓｅｃ^２のパターンを有する向きのアンテナを備え、基地局のうちの第２の基地局は、ビルディング内における横方向に向いたｃｏｓｅｃ^２のパターンを有する向きのアンテナを備える。

垂直方向なｃｏｓｅｃ^２のパターンの向きのアンテナを備える、基地局のうちの第３の基地局を設備することもできる。

本発明をより良く理解するため、次に添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を例としてのみ説明する。

図２および図３を参照すると、本発明は、大部分のビルディングでは、互いに直交する好ましい縦方向４および横方向６が存在し、壁８や通路１０など、ビルディングの特徴の大部分は、縦方向４および横方向６と平行に延びているという事実を利用している。同様に、図３を参照すると、垂直方向１２が、第３の好ましい方向とされている。

図示の配置では、ビルディング内に３基の基地局が備えられている。第１の基地局２０は、縦方向４に沿った向きのｃｏｓｅｃ^２アンテナを備える。第２の基地局２２は、横方向６に沿った向きのｃｏｓｅｃ^２アンテナを備え、第３の基地局２４は、屋根の上に設置され、垂直方向１２に沿った向きのアンテナを備える。基地局はどれも、ビルディングの端に存在する。

移動局２６が、ビルディング内に配置されている。移動局２６は、全方向性アンテナを備える。

図４に、移動局および基地局を概略的に示す。具体的には示されていないが、基地局２０のアンテナ２８は、ｃｏｓｅｃ^２アンテナであり、移動局２６のアンテナ３０は、全方向性アンテナである。移動局および基地局は各々、送受信機３２と、プロセッサ３４およびメモリ３６を有するコントローラとを備える。個々の局に以下で説明する方法を実行させるためのコードは、移動局および基地局の個々のメモリに設けられる。

使用時、個々のメモリ３６に保存されたコードによって制御される個々のプロセッサ３４の制御下で、測距信号が、基地局２０、２２、２４から移動局２６に送信される。信号は基地局で捕捉され、信号強度が測定される。当業者であれば、信号強度を測定する方法はわかるであろうから、それについてはこれ以上説明しない。

計算は、送信信号に対する受信信号の相対値、すなわち、減衰について行われることに留意されたい。減衰を計算するには、受信機は、送信電力および受信電力を知る必要がある。受信電力は、簡単に測定される。送信電力に関しては、受信機が送信電力と受信電力とを比較できるように、送信電力およびアンテナ利得を含むメッセージの一部として、送信電力値を送信機から受信機に送信することができる。代替として、送信電力と受信電力とを共に含む、単一の実効（effective）輻射電力量を送信することができる。

しかし、説明する実施形態では、減衰情報は、基地局２０と移動局２６との間の通信リンクの較正を行うことによって取得される。移動局２６は、基地局の近くの距離が分かっている制御ロケーションに配置され、信号が送信され、制御受信電力が測定される。その後、以降の測定では、受信電力を基準の制御受信電力と比較して、減衰の相対的な大きさを取得することができる。

縦方向４を向いた第１の基地局２０を参照すると、ｃｏｓｅｃ^２アンテナの感度は、移動局２６において、測定信号を、１／ｒ^２ではなく、１／ｈ^２だけ減衰させるが、これは、縦方向４における送信の増大が、一定の横方向間隔ｈを保ちながら移動局２６が基地局２０から遠ざかるにつれて大きくなる距離を補償するためである。

したがって、移動局は、基地局から測距信号を受信４０し、それらの各信号の減衰を計算４２し、その後、三辺測量４４を用いて位置を計算することによって、その位置を計算する（図５）。この実施形態では、移動局は、これらの計算を移動局の内部プロセッサ３４に実行させるコードを、メモリ３６に備えている。しかし、代替実施形態では、これらの計算を実行するコードは、１つまたは複数の基地局に、またはすべての基地局が接続される、例えば、サーバなどの別のコンピュータに備えることができる。

１次近似を得るには、三辺測量ステップ４４は、未加工の減衰値と、ビルディング内での平均伝送減衰についての知識とを単純に使用することができる。しかし、そのような単純な測定値を、ビルディング内の位置にともなう減衰変化についてのより複雑な測定値と組み合わせ、観測された減衰を減衰マップに当てはめることもできる。この第２のケースでも、生成された未加工の減衰データは、縦方向４、横方向６、および垂直方法１２の距離におおよそ対応しており、したがって、この手法用のより良い未加工データを表すので、本発明は依然として利点をもたらす。例えば、減衰量は、移動局２６から基地局２０までの距離ｒの変化よりも、横方向距離８の変化によって、はるかに正確に表される。

本発明の一代替実施形態では、システムは、上で説明したものとほぼ同じであるが、実施形態の測位システムが、位置決定を後処理で行う点が異なる。

ユーザが微弱信号領域に突然入ったり、移動局を覆ったりしたことに起因するいくつかの測位誤差は、距離の急激な変化として現れる。したがって、これらの位置決定のいくつかを不正確であるとして放棄するために、フィルタが使用される。例えば、マップを使用して、壁の足早な通り抜けが帰結されるような位置決定は、桁外れな高速による通路の移動が帰結されるような位置決定と同様に、本来あり得ないものとして無視することができる。フィルタには、カルマンフィルタを含むことができる。

本発明の適用分野は多岐にわたり、ビルディング内で従業員の居所を追跡することばかりでなく、ショッピングセンタで親が子供の居所を見つけることや、病院で医者や患者の居所を見つけることも含まれる。

本開示を読むことにより、その他の変形および変更が、当業者には明らかであろう。そのような変形および変更は、測位システムの設計、製造、および使用においてすでに知られており、本明細書で説明した特徴に加えて、またはそれらの代わりに使用することができる同等およびその他の特徴を含むことができる。本出願では、特許請求の範囲は特徴の特定の組み合わせとして明確に述べられているが、本開示の範囲には、本発明が緩和するのと同じ技術的問題の一部または全部を緩和するかどうかに関わらず、本明細書に明示的または暗黙的に開示されている任意の新規な特徴もしくは任意の新規な特徴の組み合わせ、またはそれらの任意の一般化も含まれることを理解されたい。出願者らは、これによって、本出願および本出願から派生する任意の別の出願に関する訴訟中に、新しい特許請求の範囲を任意のそのような特徴および／またはそのような特徴の組み合わせとして明確に述べることができることを予告しておく。

例えば、信号を基地局から移動局に送信する代わりに、信号の一部または全部を反対方向に送信することができる。基地局はネットワークを構成し、その中の１つが三辺測量計算を実行することができ、または代替として、その計算を実行するため、独立のコンピュータシステムを設けすることができる。

基地局の数を３基に制限する必要はまったくない。大きなビルディングでは、３基よりはるかに多くの基地局をビルディング内の様々な場所に設置し、それらの基地局の一部または全部を使用して三辺測量を実行すれば、効率的であろう。

移動局は、タグ、携帯電話、またはその他の任意のハンドヘルド装置とすることができる。

ビルディングとの関連で本発明を説明してきたが、本発明は、例えば、船上、または複数のビルディングが平行に向きを揃えて建ち並ぶエリアなど、整然とした直線構成のパターンを有するその他のエリアにも適用される。

ｃｏｓｅｃ^２のパターンを示した概略図である。 本発明の測位システムが設備されたビルディングの平面図である。 図２のビルディングの側面図である。 基地局および移動局を示した概略図である。 移動局の動作を概略的に示したフローチャートである。

Claims (10)

1. 実質的に直交する縦方向（４）および横方向（６）に延びる通路（１０）および／または壁（８）を有する建造物（２）における屋内の測位方法であって、
   縦方向に対してｃｏｓｅｃ^２の感度パターンを有するアンテナ（２８）を備える基地局（２０）を設け、
   全方向性アンテナ（３０）を備える移動局（２６）を設け、
   一方の前記基地局（２０）および前記移動局（２６）から他方の前記移動局（２６）および基地局（２０）に測距信号を送信し、
   受信した測距信号の、前記送信信号との比較による、相対信号強度を測定して、前記移動局（２６）から前記基地局（２０）までの横方向距離の大きさを得る、
   方法。
2. 第２の基地局（２２）を設け、
   一方の前記第２の基地局（２２）および前記移動局（２６）から他方の前記第２の基地局（２２）および前記移動局（２６）に第２の測距信号を送信し、
   複数の前記基地局と前記移動局との間で送信される前記測距信号からのデータを使用して、前記移動局の位置を決定する、
   ことをさらに含む請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の基地局が、横方向に対してｃｏｓｅｃ^２の感度パターンを有するアンテナを備える請求項２に記載の方法。
4. 第３の基地局（２４）を設け、
   一方の前記第３の基地局（２４）および前記移動局（２６）から他方の前記第３の基地局（２４）および前記移動局（２６）に第３の測距信号を送信し、
   複数の前記基地局（２０、２２、２４）と前記移動局との間で送信される前記測距信号からのデータを使用して、前記移動局（２６）の位置を決定する、
   ことをさらに含む請求項２または３に記載の方法。
5. 前記第３の基地局が、垂直方向に対してｃｏｓｅｃ^２の感度パターンを有するアンテナを備える請求項４に記載の方法。
6. 好ましい縦方向（４）および横方向（６）を有する建造物において、移動局（２６）の位置を求めるのに使用される基地局（２０）であって、
   アンテナ（２８）と、
   測距信号を前記アンテナ（２８）を介して前記移動局に送信し、かつ／または前記移動局から受信するように構成される送信機および／または受信機（３２）と、
   を備え、
   前記アンテナ（２８）は、ビルディング内の縦方向、横方向、または垂直方向に対してｃｏｓｅｃ^２の感度パターンを有する、
   基地局。
7. 実質的に直交する縦方向および横方向に延びる通路および壁を有する建造物において、移動局の位置を求めるためのシステムであって、
   請求項６に記載の複数の基地局（２０、２２、２４）と、
   全方向性アンテナ（３０）を有する移動局（２６）と、
   を備え、
   前記システムは、前記移動局（２６）と前記基地局（２０、２２、２４）との間で測距信号を送信し、それらの送信強度に対する受信測距信号の減衰を測定するように構成されている、
   システム。
8. 前記測定減衰値と前記基地局の位置とから前記移動局の位置を計算するためのコードをさらに備える請求項７に記載のシステム。
9. 実質的に直交する縦方向（４）および横方向（６）に延びる通路（１０）および壁（８）を有するビルディング（２）と、
   前記ビルディング内に設備された請求項６に記載の複数の基地局（２０、２２、２４）と、
   を備え、
   前記基地局（２０）のうちの第１の基地局が、前記ビルディング内における縦方向（４）に向いたｃｏｓｅｃ^２のパターンを有する向きのアンテナ（２８）を備え、
   前記基地局（２２）のうちの第２の基地局が、前記ビルディング内において横方向（６）に向いたｃｏｓｅｃ^２のパターンを有する向きのアンテナ（２８）を備えた、
   設備済システム。
10. 前記基地局（２４）のうちの第３の基地局が、前記ビルディング内における垂直方向（１２）に向いたｃｏｓｅｃ^２のパターンを有する向きのアンテナ（２８）を有する請求項９に記載の設備されたシステム。

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