JP2007507718A - 到着時間差（ｔｄｏａ）測位サービスの方法とシステム - Google Patents

Abstract

到着の時間差方法を使用して位置を三角測量するために３次元位置座標を使用し、誤差を減少し、誤差を訂正し、移動送信装置と基地局で高度に正確なクロックの必要性なしで全地球測位システムを利用する、移動送信装置の位置を決定する方法とシステム。

Description

本発明は測位発見の方法とシステムに関係する。特に本発明は、「到着時間差」を利用する測位発見方法とシステムに関係する。

地理位置決定には各種の方法と技術が提案されている。最も広範に使用されているのは全地球測位システム（ＧＰＳ）である。ＧＰＳシステムは軍事及び商用応用に広範囲に使用されている衛星ベースの擬似範囲測位システムである。標準のＧＰＳ精度は軍事応用では１０メートル以下、商用応用では１００メートル以下である。商用応用で測位精度を改善するため差動ＧＰＳ（ＤＧＰＳ）が導入された。ＧＰＳは開放された見通しのよい区域のユーザーには正確な測位情報を提供する。これは、２次元データを得るためには少なくとも３個の衛星が、３次元データを得るためには４個以上の衛星がＧＰＳ受信器の範囲内にある必要がある。都市及び／または影になった環境下での人造または自然構造物による衛星の遮断はＧＰＳを動作不能とする。一般的にこのようなＧＰＳシステムは都市及び／または影になる環境では広範囲の屋外測定範囲を得られない。また、このようなＧＰＳシステムは相対的に高価となりやすい。

その他の共通な位置測位方法は、方位測定（ＤＦ）、双曲線法及び到着時間（ＴＤＯＡ）を含む。ＤＦ技術は操舵可能なアンテナまたは位相アレイ・アンテナ・システムを必要とする。ＤＦ技術は相当な空間分解能を提供し多数の信号を測位する能力を有するが、通常ＤＦシステムは非常に複雑である。複雑性は高コスト、低い信頼性を意味し、しばしばシステムの使用に寸法と電力制限を課する。ＴＯＡは簡単な三角測量法であるが、これは基地局と移動装置の全ての両方が高度に正確なクロックを有することを必要とする。高度に正確なクロックの必要性はＴＯＡ方法の使用に重要なコスト課題を課する。

以下は「従来技術」としては適格ではないかもしれないが、全体的な背景材料として読者に以下の米国特許文書を引用する。これらの引用特許の各々は含まれる材料の実体が引用により本明細書に含まれる。米国特許番号：第３、９９６、５９０号、第４、０６０、８０９号、第４、２５２、９９９号、第４、７８３、７４４号、第５、６８９、２６９号、第５、７５２、２１８号、第５、７８１、１５０号、第５、９５２、９５９号、第５、９６３、１３０号、第６、０４１、２２２号、第６、０６１、３３７号、第６、１０４、９７８号、第６、１８４、８０１号、第６、１９８、３９０号、第６、２０４、８１３号、第６、２３６、３６５号、第６、２５２、５４４号、第６、２４９、２５２号、第６、２９５、０２３号、第６、３２４、２１３号、第６、３５３、４０６号、第６、３８８、６１１号、第６、３９２、６９２号、第６、４２４、８２６号、第６、４２９、８１１号、第６、４２９、８１２号、第６、４５２、５４４号、第６、４５９、７０４号、第６、４９７、６５６号、第６、５０９、８２９号、第６、５６０、４６２号。

測位誤差を最小としつつ、遠隔通信源位置を測位する方法とシステムを提供することが望ましい。特に、到着時間差（ＴＤＯＡ）方法を使用して、３次元位置座標を識別する方法とシステムを提供することが望ましい。

従って、本発明の目的は遠隔通信システムでの使用に適した地理的座標位置を決定する方法とシステムを提供することである。

本発明の他の目的は、影となる環境下で広範囲の屋外測定範囲を提供する地理座標位置を決定する方法とシステムを提供することである。

本発明の別の目的は、送信器クロックに同期すべき問題の受信器サイトでのクロックを必要としない地理座標位置を決定する方法とシステムを提供することである。

本発明のさらに別な目的は、到着時間差（ＴＤＯＡ）を基にした三角測量法技術を使用した地理座標位置を決定する方法とシステムを提供することである。

本発明の別の目的、利点、及びその他の新規の特徴は以下に続く説明に部分的に記述され、以下を調査することにより当業者には部分的に明らかとなり、または本明細書で記載するような本発明の実施から学んでもよい。本発明の目的と利点は添付の請求項で特に指摘した装置と組合せにより実現され達成される。本発明のさらに他の目的は、本発明を実施するために最も適した方式の単なる一例として、本発明の望ましい実施例を図示し説明した、以下の説明から当業者には容易に明らかとなる。理解できるように、本発明はその他の異なる実施例が可能であり、そのいくつかの詳細と固有の段階は本発明から逸脱することなく各種の側面で変更可能である。従って、その目的、図面、及び説明は本質的に例示として見なすべきで制限として見なすべきではない。

本発明は到着時間差（ＴＤＯＡ）を使用したアンテナ装置を測位する方法とシステムである。ＴＤＯＡは測位すべき移動装置に内蔵クロックを有することを必要としない技術である。到着時間技術の既知のユークリッド距離を有する代わりに、ＴＤＯＡは受信器間の範囲差を使用する。これらの範囲差は２次元では双曲線として、３次元空間では双曲面として記述可能である。この双曲線位置測位システムは、３つ以上の基地局間の範囲差測定を記述する双曲面の交点によりソースの位置を評価する。例えば、２次元の場合、３個の基地局サイト（Ｓ１からＳ３）と移動送信装置（ソース）の位置発見問題の双曲線解法が見出される。範囲差と受信器間のＴＤＯＡとの間の関係は以下により与えられる：
［数１］
Ｒ_i,j＝ｃｘｄ_ｉ，ｊ＝Ｒ_ｉ−Ｒ_ｊ
ここでｃは信号伝播速度（光速＝３ｘ１０^８メートル／秒）、ｄ（ｉ，ｊ）は受信器ｉとｊとの間のＴＤＯＡである。雑音と干渉がない場合、ＴＤＯＡ評価は受信器を焦点とする回転体の双曲面に可能なソース位置を制限する。

３次元システムでは、受信器間の範囲差Ｒ（ｉ、ｊ）を表示する双曲面は以下により与えられる：
［数２］
Ｒ_ｉ，ｊ＝［（Ｘ_ｉ−ｘ）^２＋（Ｙ_ｉ−ｙ）^２＋（Ｚ_ｉ−ｚ）^２］^１／２−
［（Ｘ_ｊ−ｘ）^２＋（Ｙ_ｊ−ｙ）^２＋（Ｚ_ｊ−ｚ）^２］^１／２
ここで［（Ｘ（ｉ）、Ｙ（ｉ）、Ｚ（ｉ）］と［（Ｘ（ｊ）、Ｙ（ｊ）、Ｚ（ｊ）］は受信器ｉとｊの位置を各々定義する。Ｒ（ｉ，ｊ）は基地局ｉとｊとの間の範囲差測定であり、（ｘ、ｙ、ｚ）は未知のソース座標である。

通常の解法の場合、測位すべきソースの未知数または座標数が式または範囲差測定の数と等しい場合、式は一致しており、唯一解が存在する。それ故、ソースと受信器が共平面にある２次元システムでは、２次元ソース位置は３つ以上のＴＤＯＡ測定から発生した２つ以上の双曲面の交点から決定される。３次元システムでは、４つ以上のＴＤＯＡ測定から発生された３つ以上の独立に生成された双曲面の交点が使用される。

本発明の三角測量法システムはこのＴＤＯＡ技術を使用する。本発明の本実施例では、各基地局には、ＧＰＳシステムで使用するセシウム・クロック基準にタワーを同期させるために使用される全地球測位システム（ＧＰＳ）受信器が設けられ、ＴＤＯＡの測定に使用される１０ナノ秒（１００ＭＨｚ）基準クロックも与える。別の実施例は異なるかつ改良されたＧＰＳシステムを使用し、本発明の概念から逸脱することなく異なる基準クロックを使用可能である。本方式はプラスマイナス１０ナノ秒の本質的なシステム誤差を有し、これはナノ秒当り約１フィート（３０．５ｃｍ）の距離誤差、すなわち約１０フィート（３ｍ）の位置決定誤差を有する。多重路誤差が本システムでの主要な誤差源である。

本発明のＴＤＯＡ位置発見の解法は基本的に上述した球面の場合と同じ式数を使用するが、通常Ｒ値も未知である。一例として、３個の受信器サイトと１個の特定装置位置を解く、以下のマスキャドのモデルを示す：
ｍｉ：＝５２８０；１マイルは５２８０フィートと等しい
サイト１：＝（０、０、０．１）ｘｍｉ；タワー［１、２、３］の位置をセット
サイト２：＝（５、０、０．２）ｘｍｉ
サイト３：＝（５、５、０．３）ｘｍｉ
雑音：＝１０；フィート単位での装置の位置
ｄｅｖ：＝（３、４、１）ｘｍｉ
ｄｅｖ：＝（１．５８４ｘ１０^４、２．１１２ｘ１０^４、５．２８ｘ１０^３）
Ｅｕｃｌｉｄ（ａ、ｂ）：＝［（ａ_０−ｂ_０）^２＋（ａ_１−ｂ_１）^２＋（ａ_２−ｂ_２）^２］^１／２；関数を発生し復帰
；２間のユークリッド距離
；ｘｙｚベクトル
ｃ：＝（１８６０００５２８０）ｃ＝９．８２１ｘ１０^８；フィート／秒での光速
Ｅ：＝［Ｅｕｃｌｉｄ（サイト１、ｄｅｖ）＋ｒｎｄ（雑音）、
；タワーからの報告距離と雑音
Ｅｕｃｌｉｄ（サイト２、ｄｅｖ）＋ｒｎｄ（雑音）、
Ｅｕｃｌｉｄ（サイト３、ｄｅｖ）＋ｒｎｄ（雑音）］
Ｅ：＝［２．６８２ １０^４、２．３９９ｘ１０^４、１．２３８ｘ１０^４］
Ｔ：＝１００；実時間スタンプを１００にセット
Ｔ：＝Ｔ＋Ｅ；単純にＲＦが単位時間に走行する、それ故
Ｔ＝（２．６９２ｘ１０^４、２．４０９ｘ１０^４、１．２４８ｘ１０^４）；各サイトの時間はＴ＋Ｅ、実際に
；公式はＴ＝Ｔ＋Ｅ／ｃであるが、大きなＣ値はソルバにスケーリング問題を発生する
Ｔ１＝２．４０９ｘ１０^４
ｄｅｌｔａ_０：＝（Ｔ_０−Ｔ_１）；局間のデルタ時間も計算可能である
ｄｅｌｔａ_１：＝（Ｔ_０−Ｔ_２）
ｄｅｌｔａ_２：＝（Ｔ_１−Ｔ_２）
ｄｅｌｔａ＝（２．８３５ｘ１０^３、１．４４５ｘ１０^４、１．１６１ｘ１０^４）
ｕ：＝（３、３、．５）ｘｍｉｌｅ Ｒ：＝（３、３、３）ｘmile；ソルバの推測値をセット
以下を与える；気圧計により装置はｚを報告
；それ故ｕ［ｚ］は拘束
Ｒ_０−Ｒ_１＝ｄｅｌｔａ_０
Ｒ_０−Ｒ_２＝ｄｅｌｔａ_１
Ｒ_１−Ｒ_２＝ｄｅｌｔａ_２ ｕ_２＝ｄｅｖ_２；ｚを気圧高度にセット

受信したユークリッド距離Ｒを用いて、測位すべき装置の未知（ｕ）ｘｙｚに対してサイトの既知のｘｙｚを与え、連立方程式を解く。
［数３］
（サイト１_０−ｕ_０）^２＋（サイト１_１−ｕ_１）^２＋（サイト１_２−ｕ_２）^２＝Ｒ_０ ^２
（サイト２_０−ｕ_０）^２＋（サイト２_１−ｕ_１）^２＋（サイト２_２−ｕ_２）^２＝Ｒ_１ ^２
（サイト３_０−ｕ_０）^２＋（サイト３_１−ｕ_１）^２＋（サイト３_２−ｕ_２）^２＝Ｒ_２ ^２
Ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｅ（ｕ、Ｒ）：＝Ｍｉｎｅｒｒ（ｕ、Ｒ）
ａｎｓ：＝Ｔｒａｎｇｕｌａｔｅ（ｕ、Ｒ）
ｃｄｅｖ：＝ａｎｓ０
ｃｄｅｖ＝（１．５８４ｘ１０^４、２．１１２ｘ１０^４、５．２８ｘ１０^３）
ｄｅｖ＝（１．５８４ｘ１０^４、２．１１２ｘ１０^４、５．２８ｘ１０^３）
ｃｄｅｖ−ｄｅｖ＝（−２．０７５、−２．３４、０）

図１は本発明の１つの望ましい実施例の主要部品を図示するシステム・ブロック線図を図示する。衛星システム１００を使用して基地局１０１ａ−ｄに配置したＧＰＳ受信器１０２ａ−ｄの操作を容易にし、ＧＰＳ受信器１０２ａ−ｄは基地局１０１ａ−ｄのクロック１０５ａ−ｄをＮＴＳＢセシウム・クロック標準にロックする。本発明の本実施例では、キャリア周波数と共に基地局１０１ａ−ｄのＡ／Ｄサンプリング・クロックもＧＰＳ受信器により得られた１０ＭＨｚ信号からロックされ得られる。各基地局１０１ａ−ｄには、ＧＰＳ受信器１０２ａ−ｄ、処理装置１０３ａ−ｄ、高度（通常は気圧）センサ１０４ａ−ｄ、及び本実施例では基準クロック１０５ａ−ｄが設けられる。ＧＰＳ受信器１０２ａ−ｄには、ＧＰＳ受信器１０２ａ−ｄと電子通信している、アンテナ１０６ａ−ｄが設けられるのが望ましい。ＧＰＳ受信器１０２ａ−ｄ、高度センサ１０４ａ−ｄと基準クロック１０５ａ−ｄは通常プロセッサ１０３ａ−ｄと電気通信し、可変な程度で、プロセッサにより制御される。

図２は本発明の方法の１つの望ましい実施例の過程の流れ図を図示する。測位すべき装置から受信した信号が４つ以上の受信サイトにより受信された場合、以下のようなＴＤＯＡ三角測量法が実行される。または、測位すべき装置から受信した信号が３つの受信サイトによってのみ受信された場合、最初に３つのサイトと装置は全て同一平面にあるという仮定がなされる。全３サイトの平均固定高度に対する解法のｚ値は拘束され、続行するＴＤＯＡ三角測量法は以下のように実行される。この方式は測位すべき装置の近似位置を得られる。次いで各サイトの気圧高度の表面内挿が実行され、サイトの既知のｚ高度を基に、装置の報告気圧高度とサイトの内挿気圧高度との間の高度差を使用して測位すべき装置の実際のｚ高度を計算する。測位すべき装置の高度評価を使用して未知のｘｙｚ位置を有するサイトのｚ値（これは装置から信号を受信しない）を拘束し、ＴＤＯＡ三角測量法が以下のように実行される。この方式は、測位すべき装置の位置の現在の最良評価である生成ｘｙｚ位置を提供する。

本発明の本ＴＤＯＡ三角測量処理は図２に詳細に記載されている。初期値は２０１で設定される。これらの初期値は、フィートからマイルやタワー（基地局サイト）の位置のような定数を通常含む。サイト・ベクトル間のユークリッド距離は２０２で計算される。報告位置は雑音込みで２０３で計算される。実時間スタンプは２０４でセットされる。位置決定には重要ではないスケーリング問題が除去されるように、時間スタンプは２０４で簡略化される。局間のデルタ時間が２０６で計算される。ソルバの推測値が２０７で設定される。ｚ値は高度センサ（通常気圧計）から２０８で報告される。サイトと未知装置との間のユークリッド距離は２０９で計算される。未知装置の位置は次いで２１０で三角測量される。この三角測量２１０段階は以下にさらに説明するように偏差統計と誤差訂正の発生を含むことが可能である。

各サイト１０１ａ−ｄにより与えられたデータから計算された範囲差はＧＰＳ受信器１０２ａ−ｄの組合せ円形公差誤差（ＣＥＰ）以上にドリフト可能である。範囲差データの生成誤差を本発明の本実施例では、（１）地図または監査データから各サイトの実際のｘｙｚ位置を決定し、（２）基地局ＧＰＳ受信器１０２ａ−ｄからの基地局１０１ａ−ｄの報告ｘｙｚ位置との間の誤差を計算し、（３）基地局サイトの既知の位置に対する各ＧＰＳ受信器１０２ａ−ｄからのｘｙｚ位置から範囲差データを収集し、（４）既知のｘｙｚ位置から設定した基地局サイト位置の連立方程式で範囲差データを使用し、正しい測位位置に収束する、ことにより訂正する。

本発明の記載の実施例は全ての面で例示としてであり、制限的なものとして考えるべきではない。特定の段階と関係公式を提供したが、本発明はこれには限定されない。それ故、本発明の範囲は以上の説明ではなく特許請求の範囲により指示する。請求項の等価性の意味と範囲内に該当する全ての変更はその範囲内に含まれる。

明細書の一部に含まれその一部を形成する添付の図面は本発明の望ましい実施例を図示する。全ての別の実施例ではないが、いくつかを以下の説明で記述してある。
本発明の望ましい実施例の主要部品を図示するシステム・ブロック線図。 本発明の方法の望ましい実施例の過程流れ図。 本発明の本実施例を詳細に参照し、その例は添付図面に図示されている。

Claims (20)

1. 装置送信の到着の相対時間を決定するシステムにおいて、
   （Ａ）第１基地局であって、
   （１）アンテナ・システムと、
   （２）前記アンテナ・システムと通信する全地球測位システム受信器と、
   （３）前記全地球測位システム受信器と通信するプロセッサと、
   （４）前記プロセッサと通信する高度センサと、
   （５）前記プロセッサと通信する基準クロックと、
   を含む前記第１基地局と、
   （Ｂ）前記プロセッサ上で実行するプログラムであって、前記第１基地局への前記装置通信の到着の相対時間を決定する前記プログラムと、
   を含む装置送信の到着の相対時間を決定するシステム。
2. 請求項１記載の装置送信の到着の相対時間を決定するシステムにおいて、第２基地局をさらに含む、装置送信の到着の相対時間を決定するシステム。
3. 請求項２記載の装置送信の到着の相対時間を決定するシステムにおいて、第３基地局をさらに含む、装置送信の到着の相対時間を決定するシステム。
4. 請求項３記載の装置送信の到着の相対時間を決定するシステムにおいて、第４基地局をさらに含む、装置送信の到着の相対時間を決定するシステム。
5. 請求項４記載の装置送信の到着の相対時間を決定するシステムにおいて、前記プロセッサ上で実行する前記プログラムは、前記基地局から到着時間情報を受信し、前記送信装置から前記基地局への範囲差を計算する到着時間差技術をさらに含む、装置送信の到着の相対時間を決定するシステム。
6. 請求項５記載の装置送信の到着の相対時間を決定するシステムにおいて、前記到着時間差技術は前記範囲差のユークリッド計算をさらに含む、装置送信の到着の相対時間を決定するシステム。
7. 請求項５記載の装置送信の到着の相対時間を決定するシステムにおいて、前記到着時間差技術は３次元範囲を計算する、装置送信の到着の相対時間を決定するシステム。
8. 請求項１記載の装置送信の到着の相対時間を決定するシステムにおいて、前記全地球測位システムは前記基地局をクロック基準に同期する、装置送信の到着の相対時間を決定するシステム。
9. 請求項１記載の装置送信の到着の相対時間を決定するシステムにおいて、誤差訂正過程をさらに含む、装置送信の到着の相対時間を決定するシステム。
10. 請求項１記載の装置送信の到着の相対時間を決定するシステムにおいて、前記送信装置は移動機である、装置送信の到着の相対時間を決定するシステム。
11. 請求項５記載の装置送信の到着の相対時間を決定するシステムにおいて、前記到着時間差技術は、前記送信装置から前記３個以上の基地局への３つ以上の到着相対時間から前記送信装置の位置の三角測量をさらに含む、装置送信の到着の相対時間を決定するシステム。
12. 移動送信装置を決定する方法において、
    （Ａ）前記送信装置から複数個の基地局への信号を受信する段階と、
    （Ｂ）前記信号を受信する前記複数個の基地局の数を決定する段階と、
    （Ｃ）前記送信装置と前記複数個の基地局との間の複数個の距離から前記送信装置の位置を三角測量する段階と、
    を含む、移動送信装置を決定する方法。
13. 請求項１２記載の移動送信装置を決定する方法において、前記複数個の基地局は、
    （１）ＧＰＳ受信器と、
    （２）前記ＧＰＳ受信器と通信するプロセッサと、
    （３）前記プロセッサと通信する高度センサと、
    （４）前記プロセッサと通信する基準クロックと、
    を含む、移動送信装置を決定する方法。
14. 請求項１２記載の移動送信装置を決定する方法において、前記三角法は、前記複数個の基地局への前記送信信号の到着の時間距離を計算する段階をさらに含む、移動送信装置を決定する方法。
15. 請求項１４記載の移動送信装置を決定する方法において、前記到着の時間差を計算する段階は前記基地局から前記送信装置へのユークリッド距離を計算する段階をさらに含む、移動送信装置を決定する方法。
16. 請求項１４記載の移動送信装置を決定する方法において、前記到着の時間差を計算する段階はシステム中の雑音を考慮する段階をさらに含む、移動送信装置を決定する方法。
17. 請求項１４記載の移動送信装置を決定する方法において、前記到着の時間差を計算する段階は前記送信装置と前記基地局間のユークリッド距離を計算する段階をさらに含む、移動送信装置を決定する方法。
18. 請求項１７記載の移動送信装置を決定する方法において、前記到着の時間差を計算する段階は、前記送信装置と前記複数個の基地局との間の複数の距離から前記送信装置の位置を三角測量する段階をさらに含む、移動送信装置を決定する方法。
19. 請求項１４記載の移動送信装置を決定する方法において、前記到着の時間差を計算する段階は誤差を訂正する段階をさらに含む、移動送信装置を決定する方法。
20. 請求項１７記載の移動送信装置を決定する方法において、前記ユークリッド距離は３次元距離である、移動送信装置を決定する方法。

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