JP2006521533A - 測位システム、装置、及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、送信機（２）、受信機（４）、及び複数の反射体（６）を含む測位システム、装置、及び方法に関する。信号が送信機から受信機に直接送信されると共に、反射体（６）を介しても送信される。ロケーションサーバ（８）が信号成分（４０）を反射体（６）と共に識別することによって送信機又は受信機の未知の位置を計算する。

Description

本発明は、位置を測定する測位システム、装置、及び方法、特に屋内で用いるのに適したシステム、装置、及び方法に関する。

送信機と受信機との間の距離は送信機と受信機との間で信号を送信し、信号の伝送時間を測定し、信号の速度から距離を計算することによって測定することができる。もし発信時刻が送信機上のクロックによって測定され、到達時刻が受信機上のクロックによって測定されれば、到達時刻から発信時刻を差し引いた伝送時間から計算された距離は、両クロック間で正確に同期がとれていれば、まさに正確なものとなる。しかしそうでなければ、計算された距離は、信号速度を乗算して得られる誤差付き測定時間として定義される「虚偽の距離」であるということになる。

三次元において位置を正確に測定するために、モバイルユニットと幾つかの基地局との間で「虚偽の距離」（pseudorange ）が用いられる。一般に、モバイルユニットのクロックが未知の時刻ずれを持っているとすれば、４つの虚偽の距離が用いられることになる。なぜなら、測位問題は４つの未知数、すなわちｘ，ｙ及びｚ方向の位置と、送信機及び受信機間のクロックずれ（オフセット）とであるからである。

例えば、全地球測位システム（ＧＰＳ）においては、正確な測位を可能とするために４つの人工衛星からの無線信号がＧＰＳ受信機で受信される。というのは、ＧＰＳ受信機が人工衛星のクロックからずれた未知のクロックずれを持っているかもしれないからである。問題が二次元のみの、すなわち屋内の床上の位置を得ることであるとすれば、３つの基地局が必要とされるだけである。

しかし、１つより多くの基地局を必要とするということは好ましいことではなく、唯一の送信機又は基地局しか必要としないのがより好ましいことである。

測位のための１つのアプローチはセルＩＤを用いることである。その場合、モバイルユニットは基地局のすぐ近くにあり、モバイルユニットの位置は基地局の位置を単純にそれ自体の位置として用いる。例えば、これが３０ｍの距離を有するブルートゥースビーコンに適用される場合、測位精度は３０ｍであるとする。この測位精度のレベルは一般的に、特に屋内では満足できるものではない。さらに幾つかの異なる位置間の識別を可能とするシステムが幾つかの異なる位置として同数の基地局を必要とし、かくしてこのアプローチは必要とする基地局の数を事実上減少することができない。

測位のための他のアプローチが「マルチパス指紋方式」（multipath fingerprinting）である。例えば、ＵＳワイヤレス社が携帯電話で用いるためのマルチパス指紋方式を提案した。本書作成の時点で、かなりの詳細がウェブサイトhttp://www.uswcorp.comで提供されている。要するに、携帯電話がコールを行い、携帯電話からの信号が基地局で受信される。マルチパス効果、特に市街環境内のビルディングでの反射の結果として、携帯電話からの信号は信号強度の変化及び時間遅れを伴った幾つかの異なる成分として基地局に到達する。基地局はこれらの成分の信号強度及び時間遅れを測定する。基地局は、基地局管内の例えば解像度５ｍの各位置ごとにそれらのパラメータの取りうる値を保存しているデータベースに接続されている。基地局は受信され測定された成分とデータベースに記憶されている値との間の最良の適合条件を計算し、携帯電話の位置を推定する。このシステムは約１００ｍの測位精度を持つと信じられている。

しかしながら、このシステムはマルチパス成分の正確なデータベースを必要とし、しかもそれはモバイルユニットがそれぞれの取りうる可能な範囲内の場所で使用されることを必要とし、それぞれの可能な場所に対して送信機内で受信された成分の時間遅れ及び信号強度の測定を行うことを必要とする。これは屋内使用のためのシステムでは時間の浪費つまり高コストになり、法外にコスト高となる。さらに、もし環境に変化が生ずると、測定を繰り返す必要がある。

そこで、必要とされる基地局の数を極少化することができる測位システムに対する要求が存在することになる。

本発明によれば、
無線周波送信機を有する送信装置と、受信機を有する受信装置と、を使用し、両装置の一方は既知の位置に存在する基準装置であり、他方は未知の位置に存在する被試験装置であり、既知の位置に存在する幾つかの反射体を使用する、測位方法であって、
送信機から受信機に反射体を介して又は直接に進行する幾つかの信号成分を有する信号を送信し、
前記受信機内で送信信号の複数の信号成分を受信し、
前記複数の信号成分の到達時刻を測定し、
前記信号成分を、それを反射した反射体と共に識別し、
測定された前記信号成分の到達時刻を、識別された反射体の既知の位置及び前記基準装置の位置に当てはめることによって、未知の位置を計算する、
測位方法が提供される。

マルチパス指紋方式とは異なり、本発明による方法は、レンジ内の各位置からのマルチパス指紋の実験的決定を必要とせず、測定された指紋を最良の適合を決定するために各位置で予め記録されたものと比較する。

その代わり本発明の方法は幾つかの反射体の位置についての情報を用いる。信号成分を反射体と共に識別（identifying）することにより、反射体の既知の位置が未知の位置を計算するために用いられる。

好ましい実施態様においては、本方法は、信号成分を反射体と共に識別する複数の順列（permutations）を試験し、最良の適合を与える順列を識別することを含む。

起こりうる各順列はこれらを順番に試験することができる。これは最も簡単なアプローチである。

代替的に本発明は、起こりうる順列の部分集合（サブセット）を選択し、選択された部分集合内の順列を順番に試験することを含むことができる。

特に本発明は、信号成分の到来角度を受信機内で測定し、到来情報の角度に基づいて順列の部分集合を選択することを含む。

最良の適合は、簡単には信号成分の受信時刻を用いることができる。代替的には、最良の適合の計算は、各順列に対して未知の位置を探ることを試み、解を与えないか、又は本当らしくないか異様な解を与える順列を除外することを含む。例えば、受信機が存在する部屋又は区域の大きさの情報はその部屋又は区域内に存在しているとの解を制約し、その部屋又は区域内に存在しないとの解は拒絶される。かくして、成分を識別して未知の位置を計算するステップは、繰り返され、それは、幾つかの順列と、もっともらしい又はありそうな未知の位置と最良の適合として測定され選択された到達時刻を有する良好な適合との組み合わせと、に対して行われる。

成分の到達時刻を測定するのと同様に、本発明は受信した信号成分の信号強度を測定することを含む。その場合、信号成分を反射体と共に識別するステップは受信した信号の強度を期待値に当てはめることを含む。これは各反射体の大きさ及び反射性についての既知の情報を用いて行うことができる。

幾つかの分離した信号成分の到達時刻を測定することが必要である。これは幾つかの既知の方法で行うことができる。そのような測定には超広帯域信号が特に適当である。その理由は、信号の帯域幅が広ければ広いほどマルチパス成分及び到達時刻を正確に決定することが容易になるからである。従って好ましい実施態様は送信無線周波信号として超広帯域信号を送信することを含む。

送信機は周期的に送信する。このやり方では、未知の位置が規則的に決定されうる。

他のアスペクトにおいては、既知の位置に存在する複数の反射体を有する環境内で用いるための測位システムであって、
信号を送信する送信器と、
送信された信号の複数の信号成分を受信する受信機であって、各信号成分を送信機から直接又は反射体を介して間接に受信し、信号成分の到達時刻を測定するように構成された受信機と、
送信機及び受信機のいずれか一方の既知の位置を記憶し、かつ複数の反射体の既知の位置を記憶する記憶手段、並びに受信された複数の信号成分を反射体に関して各信号成分がどの反射体で反射されたのかを識別し、受信され測定された信号成分の到達時刻を記憶された既知の位置に当てはめることによって送信機及び受信機の他の未知の位置を計算する手段を有するロケーションサーバと、
を備えた測位システムが提供される。

本発明のさらに他のアスペクトによれば、送信機によって送信された信号から生ずる複数の受信信号成分を受信する受信機において測定された到達時刻から送信機又は受信機のいずれか一方の未知の位置を計算するロケーションサーバであって、送信機及び受信機のいずれか一方の既知の位置を記憶し、かつ複数の反射体の既知の位置を記憶する記憶手段と、受信された複数の信号成分を反射体に関して各信号成分がどの反射体で反射されたのかを識別し、受信された信号成分の測定された到達時刻を記憶された既知の位置に当てはめることによって送信機及び受信機の他の未知の位置を計算する手段と、を備えたロケーションサーバが提供される。

受信機とロケーションサーバとの間の接続は直接、又はブルートゥース８０２．１１ｂなどのような手段を介して行うことができる。実際この実施態様ではロケーションサーバは受信機の一部に共通に配置することができる。

ロケーションサーバがモバイルユニットとは分離している場合、ロケーションサーバは送信機が周期的に送信をしなければならないモバイルユニットを追跡することができる。

送信機はネットワークにリンクさせることも可能である。

実施態様においては、受信機ではなく、送信機がロケーションサーバと共通に配置することができる。

次に添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。なお、図示の実施例はあくまでも説明のための図示であることに留意されたい。

図１を参照して、屋内環境内に送信機２が配置されている。送信機２はアンテナ１０、トランシーバ１２、及び制御システム１４を備えている。

既知の場所に幾つかの反射体６が配置されている。これらの反射体は選択された場所に設けられ計画的に位置決めされた無線周波反射体と同様に、壁のような屋内環境のままの特徴を含みうる。

既知の位置の受信機４はアンテナ２０、トランシーバ２２、及び制御システム２４を備えている。制御システム２４はプロセッサ２６及びメモリ２８を含む。

制御システム３４を有するロケーションサーバ８が設けられている。制御システム３４はプロセッサ３６及びメモリ３８を含む。メモリ３８は送信機２及び反射体６の位置、並びに位置計算を行うためのコード３７を記録するデータベース３９を含んでいる。ロケーションサーバ８は受信機４と通信する必要があり、図示の実施例ではロケーションサーバはそれ自体アンテナ３０及びトランシーバ３２を持っている。

代替実施例では、ロケーションサーバ８はネットワークを介して送信機２に接続することができ、また送信機を介して受信機４と通信することができる。それに代えて、ロケーションサーバ８は、送信機２又は受信機４内に必要なコード３７及び反射体位置データ３９を含むことによって送信機２又は受信機４のいずれかに集約することもできる。

使用時には、送信機２のアンテナ１０から超広帯域信号４０が送信される（ステップ５０）。このような信号の使用は信号成分の到達時刻の決定を容易にする。当業者は「超広帯域」なる表現を容易に理解するであろう。この信号は特に５００ＭＨｚより高い広帯域とするのが好ましい。

受信機４はその信号の幾つかの成分４２を拾い上げる。複数成分４２の一つは送信機２から受信機４に直接進行する直接成分４４であり、他の成分４２は反射体６を介して進行する間接成分４６である。

受信機４はそれらの成分４２の到達時刻を決定する（ステップ５２）。成分の分析方法及び到達時刻の決定方法は当業者の良く知るところであり、これ以上の説明は省略する。可能性としては、J.G.Proakis著「ディジタル通信（Digital Communications）」第３版、McGraw-Hill出版社のような刊行物に述べられているような、拡散スペクトル信号又は超広帯域信号用ＲＡＫＥ受信機、又はソフトウェアベースの相関器を含む。次に受信機４は到達時刻をロケーションサーバ８に送信する（ステップ５４）。次にロケーションサーバ８内のコード３７が動作し、受信機４の位置を計算する。

各成分の到達時刻を測定することは必要でないということに注意すべきである。数多くの成分がありうるが、多くは非常に弱いものである。必要とされるものは全て幾つかの重要な成分の到達時刻を測定しなければならない。

最初の到来成分は直接成分４４であり、後の成分は間接成分４６である。

τ_０を測定された直接成分４４の到達時刻、τ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・ｎ）をさらに考慮されるべき測定されたｎ個の間接成分４６の到達時刻であるとする。これらは例えば１０個の最重要成分でありうる。（ｘ_Ｔ，ｙ_Ｔ）を送信機の既知の位置、（ｘ_ｊ，ｙ_ｊ）（ｊ＝１，２，・・・ｎ）をＮ個の反射体の既知の位置であるとする。仮に各反射体が正確に１つの信号成分を生成するものとすれば、ｎ＝Ｎであるが、それは本質的なものではない。送信機と受信機の両クロック間の時間差をｔ_ｃ、既知の受信機位置を（ｘ_Ｕ，ｙ_Ｕ）、さらに光速をｃとする。

直接成分４４の到達時刻τ_０を支配する式は次の通りである。

間接成分４６の到達時刻τ_ｉを支配する式は次の通りである。

これらの式は二次元のものとして提供されるが、これらを三次元に拡張することは当業者にとっては容易に可能なことである。

信号ｉ＝１，・・・，ｎの反射体の位置（ｘ_ｊ，ｙ_ｊ）が既知であれば、これらの式はマノラキス（Manolakis）の方法、特にニュートンの方法のような幾つかの知られた方法のいずれかによって（ｘ_Ｕ，ｙ_Ｕ）に対して容易に解くことができる。式を解くのに必要とされる数より多くの成分が測定された場合、すなわち上記（ｘ_Ｕ，ｙ_Ｕ，ｔ_Ｃ）の３つの未知数に対して３成分より多くの成分が測定された場合は、最小自乗法を用いることができる。最小自乗法はＧＰＳシステムでも用いられている方法である。問題は、上記の式がｎ個の信号成分（ｉ＝１，・・・，ｎ）に対する反射体の位置の点から述べられ、ｎ個の信号成分のいずれかがＮ個の反射体（ｊ＝１，・・・，Ｎ）のいずれかに対応するのかが直ちに知られうるとは限らないということである。

従って、どの成分がどの反射体に対応するのかを決定することが必要となる。

本発明の第１実施例によれば、これは第１順列においてｎ個の信号成分をＮ個の反射体に割当て（ステップ５６）、その割当てに基づいて未知の位置の計算を試みる（ステップ５８）ことによって行われる。このステップはｎ個の信号成分とＮ個の反射体との（ｎ，Ｎ）順列のそれぞれに対して繰り返される（ステップ５９）。例えば、ｎ＝Ｎ＝５であれば、５！＝１２０個の仮説をチェックすることになる。

次に各順列に対して、結果（もし、あれば）が妥当なものであるかどうかをロケーションサーバ８が決定する（ステップ６０）。結果が存在しないことがしばしばある。その結果から妥当性が決定される。もし未知数より多くの式があれば、その時は上述のごとく最小自乗法を用いて解を見出すことができる。その場合、妥当性は式の互換性の統計的処理によっても決定されうる。かくして、しばしば妥当な結果を与える１つの順列のみが存在することになる。ユーザが送信機の範囲内に居ると分かっていれば、最良結果の選択が可能となる。万一１組より多い式が１つの解を与える場合には、送信機位置の直近で得られる結果が選択されうる。

次に、この結果は、もし情報が受信機４に要求された場合はそこに送り返され、又は要求があれば他の幾つかの場所に送り返される（ステップ６２）。

この実施例の変形例においては、受信機４が受信信号成分４２の信号強度を測定し、結果が妥当であるかどうかを決定するステップ（ステップ６０）が、受信信号強度が適切な解を選択するために特定の反射体に組み合わされる可能性を決定することを含む。これは、反射体６の反射性及びサイズの既知情報を用いることを含む。

さらなる実施例（図３）においては、順列の数が式を解く前に当初の（ｎ，Ｎ）から減少されている。かくして、順列を割当て、計算を実行する前に、適当な順列を選択するさらなるステップ（ステップ６４）が実行される。１つのアプローチにおいて、信号の強度情報が選択ステップ６４を実行するために用いられる。

このアプローチの好ましい変形例においては、受信機が信号成分４２のそれぞれの到来情報の角度を測定する。次にロケーションサーバ８がその情報を用いて反射体の適当な順列及び信号成分を選択する（ステップ６４）。

代替構成例においては、送信機位置が未知であり、受信機位置が既知である場合である。ここでも同じアプローチを用いることができる。

本発明は屋内で用いることに限定されることはなく、適当な反射体が存在し、又は配置することができる環境であれば、屋外で用いることも可能である。

特に無線信号又は超音波信号を含む任意の適当な信号を用いることができる。

本明細書の開示を解釈することにより、当業者にとっては他の変形例及び修正例も明らかなことであろう。そのような変形例及び修正例は、ここで述べた特徴に加えて、又はその代わりに用いられる、測位システムの設計、製造、及び使用において既に知られている他の均等な特徴を必要とすることもありうる。特許請求の範囲はこの出願において特徴の特定の組合せにまとめられているが、明細書の表現は、明示的であろうと暗示的であろうとそれらの一般化であろうと、本発明と同じ技術的課題の一部又は全部を解決するかどうかに従い、ここに開示された任意の新規な特徴及び任意の特徴の組合せを含むものと理解されるべきものである。

本発明によるシステムの概念図である。 本発明の第１実施例の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第２実施例の動作を説明するフローチャートである。

Claims (14)

1. 無線周波送信機（１２）を有する送信装置（２）と、受信機（２２）を有する受信装置（４）と、を使用し、両装置の一方は既知の位置に存在する基準装置であり、他方は未知の位置に存在する被試験装置であり、既知の位置に存在する幾つかの反射体を使用する、測位方法であって、
   送信機（２）から受信機（４）に反射体（６）を介して又は直接に進行する幾つかの信号成分を有する信号を送信し、
   前記受信機（４）内で送信信号の複数の信号成分を受信し、
   前記複数の信号成分の到達時刻を測定し、
   前記信号成分を、それを反射した反射体と共に識別し、
   測定された前記信号成分の到達時刻を、識別された反射体の既知の位置及び前記基準装置の位置に当てはめることによって、未知の位置を計算する、
   測位方法。
2. 前記反射体への信号成分の割当ての可能な複数の順列を試験し、前記信号成分を反射した前記反射体への信号成分の割当ての順列を識別し、前記信号成分の計算された到達時刻の測定された到達時刻への最良の適合を与え、及び／又は前記未知の位置の解を可能とし、及び／又は計算された未知の位置の、あり得べき未知の位置への、最良の適合を与える、請求項１に記載の測位方法。
3. 信号成分の識別の各可能な順列が反射体と共に順番に試験される、請求項２に記載の測位方法。
4. 可能な順列の部分集合を選択し、選択された部分集合の順列を順番に試験する、請求項２に記載の測位方法。
5. 信号成分の到来角度を受信機（４）内で測定し、到来情報の角度に基づいて順列の部分集合を選択する、請求項４に記載の測位方法。
6. 受信した信号成分の信号強度を測定し、反射体からの信号成分を識別するステップが受信した信号の強度を期待値に当てはめる、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の測位方法。
7. 信号が無線周波信号である、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の測位方法。
8. 送信無線周波信号として超広帯域信号を送信する、請求項７に記載の測位方法。
9. 測定された到達時刻から送信機又は受信機の未知の位置を計算するステップが、
   τ_０を直接信号成分の測定された到達時刻、
   τ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・ｎ）をｎ個の間接成分の測定された到達時刻、
   （ｘ_Ｔ，ｙ_Ｔ）を送信機の位置、
   （ｘ_Ｒ，ｙ_Ｒ）を受信機の位置、
   （ｘ_ｊ，ｙ_ｊ）（ｊ＝１，２，・・・ｎ）をｉ番目の信号成分と共に識別された反射体の位置、
   ｔ_ｃを送信機クロックに対する受信機クロックの未知のクロック差、さらに
   ｃを光速として、
   連立方程式、
   

   

   を、ｉ＝１，・・・ｎに対して解くことによって実行される、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の測位方法。
10. 既知の位置に存在する複数の反射体（６）を有する環境内で用いるための測位システムであって、
    信号を送信する送信機（２）と、
    送信された信号の複数の信号成分を受信する受信機（４）であって、各信号成分を前記送信機から直接又は反射体（６）を介して間接に受信し、信号成分の到達時刻を測定するように構成された受信機（４）と、
    ロケーションサーバ（８）であって、
    前記送信機（２）と受信機（４）のうちの一方のものの既知の位置を記憶し、かつ複数の反射体（６）の既知の位置を記憶する、手段（３９）と、
    複数の受信信号成分を、各信号成分を反射する前記反射体（６）に関して識別し、さらに、受信信号成分の到達時刻を記憶された既知の位置に当てはめることにより、前記送信機（２）と受信機（４）のうちの他方のものの未知の位置を計算する、手段（３６）と、
    を有するロケーションサーバ（８）と、
    を備えている測位システム。
11. 送信機（２）又は受信機（４）のいずれか一方の未知の位置を計算するロケーションサーバであって、その計算は、送信機（２）によって送信された信号に基づいた、複数の受信信号成分の、前記受信機（４）における測定到達時刻に基づいてなされる、ケーションサーバであり、
    送信機（２）と受信機（４）のいずれか一方の既知の位置を記憶し、かつ、複数の反射体（６）の既知の位置を記憶する、手段（３９）と、
    複数の受信信号成分を、各信号成分を反射する前記反射体（６）に関して識別し、さらに、受信信号成分の到達時刻を記憶された既知の位置に当てはめることにより、前記送信機（２）と受信機（４）のうちの他方のものの未知の位置を計算する、手段（３６）と、
    を備えているロケーションサーバ（８）。
12. 送信機（２）をさらに備えている請求項１１に記載のロケーションサーバ。
13. 受信機（４）をさらに備えている請求項１１に記載のロケーションサーバ。
14. 集積回路に組み入れられている請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載のロケーションサーバ。

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