JP2010515052A - Ｒｆ放出体の可搬型反復地理的位置検出 - Google Patents

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Abstract

ＴＤＯＡの使用による静止ＲＦ放出体の反復地理的位置検出は、１つの可搬型地理的位置検出（例えば、ＴＤＯＡ）センサ、１対の可搬型地理的位置検出センサ、および３つ以上の可搬型地理的位置検出センサの使用を含むことができる。可搬型地理的位置検出センサを反復プロセスに追加することによって、位置検出対象の信号に対する制約が減少し、位置検出精度向上を得るために必要な反復回数も削減する。
【選択図】図１

Description

相互引用
本願は、２００６年１２月２７日に出願し、"Portable, Iterative Geolocation of RF Emitters"（ＲＦ放出体の可搬型反復地理的位置検出）と題する米国特許出願第１１／６１６，７２９号（弁理士整理番号ＴＰＩ−０８４１）の優先権を主張する。その内容は、ここで引用したことにより、全体が本願にも含まれるものとする。
技術分野
本発明は、一般的には、アナログまたはディジタル・セルラ・システム、個人通信システム（ＰＣＳ）、改良型特殊移動体無線機（ＥＳＭＲ）、およびその他の種類のワイヤレス通信システムにおいて用いられるような、固定基地局および移動局（ＭＳ）を含む、ワイヤレス・デバイスの位置検出方法および装置に関する。更に特定すれば、本発明は、３台未満の受信機を用いた三角測量法による放出体の位置検出に関する。
無線周波数（ＲＦ）エネルギを放出するデバイスの物理的位置を判定するプロセスは、地理的位置検出(geolocation)として知られている。ＲＦ放出体の地理的位置検出には多くの技法が存在する。慣例的な地理的位置検出技法の１つは、到達時間差（ＴＤＯＡ）として知られている。慣行にしたがうと、ＴＤＯＡによる地理的位置検出を遂行するには、異なる既知の位置にある複数のセンサにおいて、ＲＦ放出体の信号を同時に捕獲する。複数のセンサの任意の対間でも、ＴＤＯＡはＲＦエネルギがその発生源地点から２つのセンサの各々まで伝搬するのに要する時間差である。既知の位置において二次元で２つのセンサ間におけるＴＤＯＡを測定すると、双曲線が得られ、２つのセンサが双曲線の焦点と一致する。この双曲線から、ＲＦエネルギが発散していった元の複数の位置が求められる。他のセンサ対から複数の双曲線を導き出すと、ＲＦエネルギが発散した元の唯一の位置が求められる。二次元のＴＤＯＡによるＲＦ放出体の地理的位置検出には、最低でも３箇所の別個の地理的位置においてセンサによって信号を受信する必要がある。各センサ対は、潜在的なＲＦエネルギ源として、双曲線を生成する。三次元のＴＤＯＡによるＲＦ放出体の地理的位置検出には、最低でも４箇所の別個の地理的位置においてセンサによって信号を受信する必要がある。各センサ対は、潜在的なＲＦエネルギ源として、双曲面を平面のように生成する。
本明細書では、１つのセンサとの商用ワイヤレス電気通信において非常に慣例的なタイミング・プロパティを有する信号の地理的位置を反復的に検出する方法および装置を開示する。加えて、２つ以上のセンサによって信号の地理的位置を反復的に検出する方法および装置も開示する。
次の摘要は、以下で更に詳細に説明する例示的な実施形態の様々な形態を説明することを意図している。この摘要は、開示する主題の発明的形態を全て網羅することを意図するのではなく、以下で明記する特許請求の範囲の保護範囲を限定することを意図するのでもない。
本発明の例示的な実施形態は、種々の形態をなすことができる。例えば、本発明は、可搬型地理的位置検出センサ、可搬型地理的位置検出センサの使用を含む方法、およびシステムにおいて実現することができる。本発明は、ハードウェア、またはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせで実現することができ、ディジタル信号処理手段を含む。
一実施形態例では、本発明による可搬型地理的位置検出センサは、タイミング信号を受信するタイミング信号受信機と、対象の放出体（ＥＯＩ）からの信号を受信し処理する同調可能広帯域受信機と、ＥＯＩからの送信にタイム・スタンプを付与する信号プロセッサと、タイミング信号受信機、同調可能広帯域受信機、および信号受信機を収容する可搬型筐体とを備えている。
本発明による方法の一例は、少なくとも１つの可搬型地理的位置検出センサを用いてＥＯＩの位置を検出するために用いることができる。この方法は、第１の位置において、第１の時間期間中にＥＯＩ送信を受信し、タイム・スタンプを付与し、格納するために第１可搬型地理的位置検出センサを用いるステップと、第１可搬型地理的位置検出センサを第２の位置に移動させるステップと、第２の位置において、第２の時間期間中にＥＯＩ送信を受信し、タイム・スタンプを付与し、格納するために第１可搬型地理的位置検出センサを用いるステップと、第１および第２の時間期間中に格納したＥＯＩ送信を表すデータを用いて、ＥＯＩの位置を計算するステップとを備えている。本発明の方法は、１つの可搬型地理的位置検出センサを用いて実行することができ、このセンサを反復的に異なる位置に移動させ、その位置においてＥＯＩからの送信を受信する。また、本方法は２つ以上の地理的位置検出センサを用いて実行することもでき、その場合センサの内少なくとも１つは可搬型であり、２箇所以上の位置でＥＯＩ送信を収集するために用いられるように移動させる。利用する地理的位置検出センサの数は、ＥＯＩ送信の特性に基づいて選択すればよい（例えば、ＥＯＩ送信がタイミング情報を含む場合は、１つの可搬型センサを用いればよい）。
別の例示的実施形態は、対象放出体（ＥＯＩ）の位置を検出するシステムの形態をなす。この実施形態では、システムは、第１の時間期間中に第１の位置において、ＥＯＩ送信を受信し、タイム・スタンプを付与し、格納し、更に第２の時間期間中に第２の位置において、ＥＯＩ送信を受信し、タイム・スタンプを付与し、格納するために１つの受信機を含む可搬手段と、第１および第２の時間期間中に格納したＥＯＩ送信を表すデータを用いて、ＥＯＩの位置を計算する、プロセッサを含む計算手段とを備えている。計算手段は、可搬手段と同じ筐体の中に一体化してもよく、あるいは別個としてもよい。
他の形態および実施形態について、以下に説明する。
以上の摘要および以下の詳細な説明は、添付図面と合わせて読むと、一層良く理解できる。本発明を例示する目的で、本発明の構造例を図面に示すが、本発明は、開示する具体的な方法および手段に限定されるのではない。図面において、
図１は、１つのセンサによる反復地理的位置検出の概念を模式的に示す。 図２は、反復、単一センサ地理的位置検出のための可搬型ＴＤＯＡセンサを模式的に示す。 図３は、１対のセンサによる反復地理的位置検出の概念を模式的に示す。 図４は、１対のセンサによる反復地理的位置検出のための可搬型ＴＤＯＡセンサを模式的に示す。 図５は、３つ以上のセンサによる反復地理的位置検出の概念を模式的に示す。 図６は、３つ以上のセンサによる反復地理的位置検出のための可搬型ＴＤＯＡセンサを模式的に示す。 図７は、多重化時間差測定手法を模式的に示す。 図８は、本発明の一実施形態による方法のフローチャートである。
これより、本発明の例示的な実施形態、または現時点における好適な実施形態について説明する。最初に、全体像を規定し、次いで更に詳細な説明を行う。
Ａ．全体像
ここでは、漸進的(progressive)である、ＲＦ放出デバイスの位置を判定する概念を開示する。対象放出体（ＥＯＩ）のタイミングを先験的に知っており、放出体が長時間送信する場合、１つのセンサを利用してその位置を判定することができる。これには、複数の別個の幾何学的位置において、ＴＤＯＡセンサを用いてＥＯＩを捕獲することを含む。ＴＤＯＡセンサは、それ自体の位置が分かっており、非常に安定な基準発振器を有する。また、ＥＯＩの周波数およびタイミングのドリフトを特徴付け、これらを補償することも含む。次いで、ＴＤＯＡおよび到達周波数差（ＦＤＯＡ）を計算する。ＥＯＩは静止しており、ＦＤＯＡはＥＯＩの周波数ドリフトを特徴付けると仮定する。同じ基準発振器からそれぞれのＲＦキャリアおよびフレーミング・クロック(framing clock)を得る送信機について、ＦＤＯＡによって周波数ドリフトを測定すると、フレーム・クロックのドリフトを判定することができる。同じ基準発振器からそれぞれのＲＦキャリアおよびフレーミング・クロックを得ない送信機では、フレーム・クロック・ドリフト・レートは、異なる様式で特徴付けられる。このような技法の１つは、データ捕獲位置を再訪問し、測定したＴＤＯＡを直前のＴＤＯＡ測定値と比較することである。フレーム・クロック・ドリフトを補償するための別の技法も存在する。例えば、１組の方程式を書くことができ、各々、データ捕獲位置と関連付けられており、データ捕獲位置、測定した周波数オフセット、測定した時間オフセット、ならびにフレーム・クロックおよびそのドリフトをパラメータの１つとするモデルを組み込む。十分な数のデータを捕獲した後、フレーム・クロック・ドリフト・パラメータについての解を、この１組の過決定方程式(over-determined equations)から決定することができる。加えて、データ捕獲を行う回数が多い程、反復的に精細化することができる。ＴＤＯＡは、ＥＯＩタイミングの先験的知識から決定する。初期の位置推定値は、３回のデータ捕獲後に二次元で計算することができ、４回のデータ捕獲後では三次元で計算することができる。一旦最小数のデータ捕獲を行ったなら、より多くのデータ捕獲により、位置推定値を反復的に精細化していき、精度を高めることができる。最大の精度向上を得るために、次のデータ捕獲について、移動すべき方向および距離についてユーザに指針を提供することができる。
単一センサ手法ではＥＯＩ制約を満たすことができない場合、漸進的な次のステップは、間に通信リンクを有する２つのセンサを用いることである。この通信リンクにより、２つのセンサが時間的に同時にＥＯＩを捕獲することが可能になる。１対のセンサによる各同時データ捕獲により、ＥＯＩの可能な位置の範囲として、双曲線が得られる。２つのセンサの位置は、双曲線の焦点となる。これらのセンサの一方または双方を移動させ、双方のセンサにおいて同時にＥＯＩを再度捕獲すると、ＴＤＯＡ処理から別の双曲線が得られる。これら２つの双曲線の交点が、二次元におけるＥＯＩの一意の位置となる。更に一方または双方のセンサの位置を変え、続いて同時にデータを捕獲すると、位置検出の精度を改良して得られる。センサにおいて空視野(view-of-the-sky)に勝るＧＮＳＳ受信機を用いると、他のセンサのための補助ＧＮＳＳサーバとして動作することができ、ＧＮＳＳ信号の捕獲においてロバスト性が増大する。（ＧＮＳＳは、汎地球ナビゲーション衛星システムを意味し、衛星測位を用いるナビゲーション・システムに与えられた包括的名称である。これらは、通常、アメリカ汎地球測位システム（ＧＰＳ）またはロシアＧＬＯＮＡＳＳシステムであるが、ＧＰＳまたはＧＬＯＮＡＳＳコンスタレーションを補う対地静止システムも最終的に含む。）位置解の現在の反復における現在の位置推定値の幾何学的正確度希釈（ＧＤＯＰ：Geometric Dilution of Precision）を分析すると、次の同時データ捕獲では、どこにセンサを配置し直せばよいかについての指針が得られる。
静止センサおよび／または可搬型センサを追加する程、ＥＯＩの位置検出精度が向上し、位置検出精度に対するセンサ再配置の回数の割合が改善する。センサ間の通信にメッシュ上通信ネットワークを利用すると、３つ以上のセンサを利用する場合、センサ間における接続性が一層ロバストになる。
図１は、１つのセンサ（１０６）による、ＥＯＩ（１０７）の地理的位置検出の総合的概念を示す。時点Ｔ１および位置Ｌ１において、１つの可搬型ＴＤＯＡセンサは、タイム・スタンプを受信し、ある時間期間ＥＯＩを格納する。次に、１つの可搬型ＴＤＯＡセンサを位置Ｌ２に移動させ、再度１つの可搬型ＴＤＯＡセンサはタイム・スタンプを受信し、ある時間期間ＥＯＩを格納する。十分な回数のセンサ再配置および信号捕獲を実行し終えるまで、このプロセスを繰り返す。ここに記載する例示的実施形態では、ＥＯＩには３つの制約がある。最初に、１つの可搬型ＴＤＯＡセンサを移動しＥＯＩを受信し、タイム・スタンプを付与し、格納することができるように、十分な時間期間だけ送信していなければならない。第２に、静止していなければならない。第３に、その送信の中にタイミング情報を有していなければならない。
図２は、１つの可搬型ＴＤＯＡセンサ（２００）のブロック図を示す。これは、ＧＮＳＳアンテナ（２０２）と、高感度ＧＮＳＳタイミング受信機（２０４）を備えており、これらは可搬型筐体（２１０）の中に密閉されている。これによって、ＥＯＩからの送信に非常に精度の高いタイム・スタンプを付けることが可能になり、ＴＤＯＡ信号処理において考慮しなければならないＥＯＩ送信のタイミングおよび周波数安定性を特徴付ける、非常に安定した周波数基準を得ることが可能になる。また、これはＴＤＯＡアンテナ（２０１）、ならびに同調可能な広帯域ディジタル受信機および信号プロセッサ（２０５）も有する。これによって、ＥＯＩの受信、タイム・スタンプ付与、格納、および処理が可能となる。同調可能な広帯域ディジタル受信機は、広帯域ワイヤレス送信をＲＦ周波数で受信するデバイスとして定める。同調可能な広帯域ディジタル受信機は、ＲＦ周波数に同調され、広帯域ワイヤレス送信を、アナログ／ディジタル変換器によってディジタル・フォーマットに変換する。一旦ディジタル・フォーマットになったなら、ディジタル信号処理によって、受信信号をＥＯＩの帯域幅に濾波する。コントローラ／ディスプレイ・デバイス（２０３）は、可搬型ＴＤＯＡセンサにユーザ・インターフェースを提供する。これによって、ユーザによるそれの制御が可能となり、更に一旦十分な回数のセンサ再配置およびデータ捕獲が行われれば、ＥＯＩの位置を地図またはその他の表示上に表示することが可能となる。更に、次の再配置およびデータ捕獲にとって位置検出精度を最大に向上させるためにユーザが移動させることができる方向および距離についての指針を与える。
図３は、１対の時間同期ＴＤＯＡセンサ（３１３および３０６）によるＥＯＩの反復ＴＤＯＡ位置検出の総合的概念を示す。２つのセンサは、同期して、特定の２箇所において受信するＥＯＩ信号を受信し、タイム・スタンプを付与し、格納する。つまり、２つのセンサが互いに通信するメカニズムを用いて、正確に同時にＥＯＩの受信を調整する。次いで、一方または双方のセンサを再配置し、ＥＯＩを受信し、タイム・スタンプを付与し、格納する。このプロセスは、十分な回数のセンサ再配置および信号捕獲が行われるまで、繰り返す。１対のセンサを用いることによって、その送信の中にプロセス・タイミング情報を有さなければならないという、ＥＯＩに対する制約を解消する。
図４は、図３の実施形態のための可搬型ＴＤＯＡセンサ（４００）の一方のブロック図を示す。これは、２つの例外を除いて、図２のそれと同一である。まず、２つのセンサ間において、それらのデータ捕獲を調整するための通信が可能となるように、通信アンテナ（４０９）および送受信機（４０８）を追加する。第２に、高感度ＧＮＳＳ受信機（４０４）がここでは補助ＧＮＳＳサーバとしての役割を果たすことができる。センサの一方の方がＧＮＳＳ信号の受信に対して明確な空視野を有する場合、このセンサがＧＮＳＳ補助データを送り、ＧＮＳＳ信号を捕獲する際に、他方のセンサのＧＮＳＳタイミング受信機を補助する。
図５は、３つ以上のセンサを用いたＥＯＩの反復的な受動地理的位置検出の総合的概念を示す。二次元の地理的位置検出では、最少で３つのセンサを用いれば、一意の位置判断が可能になる。つまり、一意の位置を判定するためには、センサの再配置は不要であるが、位置検出精度は向上する。
図６は、図５に提案した実施形態における可搬型ＴＤＯＡセンサの一方のブロック図を示す。これは、図４の可搬型ＴＤＯＡセンサと同一であるが、通信用送受信機をメッシュ通信送受信機（６０８）と交換して、センサ間における通信のロバスト性強化を図っている。
図７は、ワイヤレス通信信号の受信フレーム・タイミングを初期状態において、どのように、位置＃１における初期データ捕獲時におけるＧＮＳＳ基準フレーム・クロックと整合させるかを示す。次いで、第２の位置、位置＃２において信号捕獲を行い、受信フレーム・タイミングをＧＮＳＳ基準フレーム・クロックと比較して、送信機におけるフレーム・クロックが完全に安定していると仮定して、２つの位置間におけるＴＤＯＡ、Δｔ１を導き出す。
図８は、本発明の一実施形態による方法のフローチャートである。この方法は、第１の位置において、第１可搬型地理的位置検出センサを用いて、第１時間期間中にＥＯＩ送信を受信し、タイム・スタンプを付与し、格納することを含む（８０１）。加えて、ＥＯＩ送信は、１つ以上の地理的位置検出センサにおいて、同時に受信し、タイム・スタンプを付与する等としてもよい。地理的位置検出センサは、可搬型センサでも固定センサでもよい（例えば、ワイヤレス通信システムのセル・サイトまたはＢＴＳと同じ位置に配置した位置測定ユニット（ＬＭＵ））（８０２）。次に、本方法は、第１可搬型地理的位置検出センサを第２の位置に移動し（８０３）、第２の位置において、第１可搬型地理的位置検出センサを用いて、第２の時間期間中にＥＯＩ送信を受信し、タイム・スタンプを付与し、格納する（８０４）。最後に、十分な反復の後、少なくとも第１および第２の時間期間中に格納したＥＯＩ送信を表すデータを用いて、ＥＯＩの位置を計算する。先に論じたように、本方法は、１つの可搬型地理的位置検出センサを用い、これを反復的に異なる位置に移動させ、そこでＥＯＩからの送信を受信することによって実行することができ、あるいは本方法は２つ以上の地理的位置検出センサを用いて実行することもでき、その場合、センサの内少なくとも１つは可搬型であり、２箇所以上の位置でＥＯＩ送信を収集するために用いられるように移動させる。
Ｂ．例示的実施形態の詳細な説明
１．１つのセンサを用いたＧＳＭ基地送受信システム（ＢＴＳ）の地理的位置検出
ＧＳＭ ＢＴの高精度地理的位置検出を１つのセンサで遂行するには、図２に示す可搬型ＴＤＯＡセンサを利用する。このセンサは、一体化した高感度、高正確度、高精度ＧＮＳＳタイミング受信機２０４を有し、複数の既知の地理的位置においてＢＴＳ送信を捕獲する。この概念を図１に示す。
ＧＳＭワイヤレス通信システムは、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）ディジタル・ワイヤレス通信システムである。変調形式は、ＧＭＳＫであり、シンボル・レートは２７０ ５／６キロヘルツである。各フレームは、スロット毎に、期間が５７６ １２／１３マイクロ秒のタイム・スロットを８個有する。フレームには０から２，７１５，６４７まで付番されており、フレームは３時間２８分５３秒７６０ミリ秒毎に繰り返す。移動体とＢＴＳとの間において制御チャネル信号を用いて、ワイヤレス電話呼の設定および解除を行い、更に移動体をＢＴＳと整合させる。ＢＴＳは、そのトラフィックを時間および周波数双方について処理する。ＢＴＳは、周波数補正バーストおよび同期バーストを送信し、この時間および周波数同期を可能にする。同期バーストは、既知の時点に送信され、ＢＴＳの現在のフレーム番号およびその識別、即ち、基地局識別コード（ＢＳＩＣ）を有する。この信号を利用すると、ＢＴＳの位置を受動的に判定することができる。ＧＳＭ ＢＴＳの別の既知の特性を用いることもできる。例えば、ミッドアンブルは、通例、先験的に分かっており、したがって用いることができる。加えて、多くの商用ワイヤレス技術が基本ネットワーク・タイミングを基地局送信に埋め込んで、その移動体ユーザがネットワークとの時間同期を取ることができるようにしている。これらの波形の全てについて、この手法によって、地理的位置を検出することができる。これらには、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）ワイヤレス・ネットワークにおけるパイロットおよび同期送信が含まれる。また、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）波形も、それらの移動体加入者が基地局との時間的同期を取ることを必要とし、したがってこの手法によって地理的位置を検出することができる。ＧＳＭ ＢＴＳにおける基本的基準周波数は、１３ＭＨｚである。シンボル・レートは、１３ＭＨｚを整数の４８で除算した値となる。タイム・スロットは、７５００個の１３ＭＨｚ時間期間に等しい。ＥＴＳＩ ＧＳＭ仕様０５．１０では、ＧＳＭ ＢＴＳ周波数基準が１００万に対して０．０５（ｐｐｍ）、即ち５０ｐｐｂの安定性／精度を有することが必要である。対照的に、可搬型ＴＤＯＡセンサにおける、その高感度ＧＮＳＳタイミング受信機からの１０ＭＨｚ周波数基準は、０．００１ｐｐｂの安定性／精度を有する、即ち、要求量よりも５０，０００倍高い。高感度ＧＮＳＳタイミング受信機とは、悪化した環境では通例である低レベルにおいて、衛星ナビゲーション信号を捕獲し追跡することができるものである。これを自動的に行うことができ、あるいは空視野が一層明確なサーバからの補助データを用いて行うこともできる。加えて、これは周波数基準を、それが衛星ナビゲーション信号から導き出すタイミング信号に規制し、非常に精度が高く安定した周波数基準を供給するようにしている。これが重要なのは、以下で論ずるが、ＢＴＳ周波数基準の周波数精度／安定性は、地理的位置を検出可能な精度に大きな影響を及ぼすからである。可搬型ＴＤＯＡセンサは、非常に高い周波数精度／安定性を有するので、ＢＴＳのフレーム・クロックにおけるドリフトはいずれも測定し補償することができるので、高い位置検出精度が得られる。
単一センサＧＳＭ ＢＴＳ地理的位置検出手法は、最初にＧＳＭ ＢＴＳから同期バーストを受信し、受信したバーストを内部合成同期バーストと相関付け、相関関数のピークを、内部発生、ＧＮＳＳ基準フレーム・クロックと整合させることを含む。この初期相関プロセスは、数学的には次のように記述する。
Figure 2010515052
 式１
ここで、yl(t)は、最初のデータ捕獲位置について受信した同期バーストであり、rl*(t+τ)は、合成同期バーストであり、Ｔは同期バーストの持続期間、即ち、５７６ １２／１３マイクロ秒である。遅延τおよび周波数シフトωに応じて、この相関関数を最大化する。この相関関数の最大値はτlおよびωlにおいて生ずることを注記しておく。
同期バーストには、その中にフレーム番号がエンコードされており、ＢＴＳが完全に安定したフレーム・クロックを有するときには、フレームは正確に６０／１３，０００秒毎に繰り返す。ＢＴＳ送信のデータ捕獲は、この最初の地理的データ捕獲位置において行われ、ＧＮＳＳ基準フレーム・クロック時間を、受信した同期バーストに整合する。データ捕獲の緯度および経度は、ＧＮＳＳ受信機から知らされる。このデータは、更に処理するために、格納する。つまり、一旦最初にＢＴＳフレーム・クロックに時間整合したなら、特定のフレーム番号の別の特定の同期バーストの時刻を将来予測することができる。この特徴を利用して、ＢＴＳの地理的位置検出を可能にする。センサを別の地理的位置に移動し、ＢＴＳ送信の別のデータ捕獲を行う。再度、受信した同期バーストを、合成同期バーストと相関付ける。合成同期バーストは、データ捕獲間におけるしかるべき時間遅れだけ正確に時間シフトされている。これは、数学的には次のように記述する。
Figure 2010515052
 式２
ここで、y2(t)は、２箇所目のデータ捕獲位置について受信した同期バーストであり、r2*(t-nT+τ1+τ)は、しかるべき量だけ整数のフレームｎＴにわたって時間シフトされ、最初のデータ捕獲とτ１によって時間整合されている合成同期バーストである。この二次元相関関数の最大値をτ2およびω2において判定し記録する。
この場合も、更に処理するためにこのデータを格納し、データ捕獲位置の緯度および経度を記録する。このプロセスは、高い位置検出精度が得られるだけの十分な回数だけ地理的位置を訪問しデータを捕獲するまで、繰り返す。このプロセスを図１に示す。
ＴＤＯＡは、図７に図式的に示すプロセスによって判定する。位置番号１において、ＧＮＳＳ基準フレーム・タイミングを、ＢＴＳから受信したフレーム・タイミングと正確に時間整合する。即ち、τ１を決定する。次いで、２０分後、即ち、２６０，０００ＧＳＭフレーム後に、別の地理的位置において、このプロセスを繰り返す。尚、式２のｎは、この例では、２６０，０００に等しいことを注記しておく。２番目の位置では、ＧＮＳＳ基準フレーム・タイミングと受信フレーム・タイミングとの間の時間差Δｔ１を得る。これは、τ2−τ１に等しい。完全に安定なＢＴＳフレーム・クロックでは、この時間差測定値から双曲線が得られ、２つのデータ捕獲位置が焦点となり、そこでＢＴＳの位置を検出することができる。第３のデータ捕獲位置では、別の双曲線が得られる。この双曲線は、ＢＴＳの一意の位置を提示する１つの地点において、最初の双曲線と交差する。しかしながら、位置検出精度は、別個のデータ捕獲位置に訪問する回数が増えるにしたがって、大幅に高めることができる。
実際には、ＢＴＳフレーム・クロックは完全に高精度ではなく、可搬型ＴＤＯＡセンサによって測定し、特徴付け、補償する必要がある。この測定は、データ捕獲位置毎に行われる。ＴＢＳフレーム・クロックは１３ＭＨｚ周波数基準から導き出されるので、０．０５ｐｐｍというＧＳＭ０５．１０安定性仕様を満たしていても、１時間に４８．７５シンボル程度は、時間的に移動することができる。これは、各データ捕獲位置における周波数オフセット測定値、即ち、ω１およびω2を利用することによって補償され、あるいはフレーム・クロックが経時的にどのくらい変化したか判定するために同じ地理的位置において異なる時点でＥＯＩを測定するというような別の技法によっても補償される。ＴＤＯＡおよびＦＤＯＡ処理双方を実行し、測定したＦＤＯＡを用いて、ＢＴＳフレーム・クロックの時間ドリフトによって変転すると考えられるＴＤＯＡ推定値を補償する。具体的には、可搬型ＴＤＯＡセンサにおけるサンプル・クロックは、ＧＮＳＳにロックされると、１時間当たり１０ナノ秒未満のドリフト・レートを維持する。つまり、２００ナノ秒の遅延拡散(delay spread)がある典型的な都市環境において、位置検出に影響を及ぼし始める前に、ＢＴＳから約２０時間にわたってデータを捕獲することができる。測定した周波数オフセットω１、ω2、．．．、は、測定した時間オフセットτ１、τ2、．．．を補償するために用いられ、これによって、ＲＦキャリアおよびフレーム・クロックがＢＴＳにおける同じ基準発振器から導き出されているとすれば、ＢＴＳクロックのドリフトおよび不安定性を補償する。
ＴＤＯＡ地理的位置検出における位置推定値の精度に影響を及ぼす要因は多数ある。センサ・データ捕獲位置の、ＢＴＳの位置に対する幾何学的方位は、位置検出精度に強い影響を及ぼす１つの要因である。最適なセンサ・データ捕獲位置は、ＢＴＳを中心とする円の円周に疎って均一に離間されている。このセンサ・データ捕獲の幾何学的影響は、幾何学的正確度希釈（ＧＤＯＰ）と記述されている。これは次のように計算することができる。
Figure 2010515052
 式３
ここで、wlm=ul-umは、単位ベクトルulおよびum間の差ベクトルであり、これらは、それぞれ、評価位置からデータ捕獲位置ｌおよびｍまでの単位ベクトルである。量βlmは、wllおよびwlm によって形成される平行四辺形の面積であり、Ｎはセンサ・データ捕獲位置の数である。位置検出精度は、一意の位置に対して要求される最小数を超えてセンサ・データ捕獲位置の数を増大させることによって、大幅に向上させることができる。しかしながら、位置検出精度向上のセンサ・データ捕獲回数に対する比率は、次のセンサ・データ捕獲の位置に左右される。これは、別のセンサ・データ捕獲の追加に対するＧＤＯＰを評価し、その方向にセンサを移動させることによって決定することができる。
２．１対の同期センサによる任意波形の地理的位置検出
１つのセンサによる地理的位置検出では、位置検出対象信号の中に、先験的に分かっている、ワイヤレスＧＳＭ通信の同期パルスのような、何らかの種類のタイミング特性が埋め込まれていなければならない。この先験的な知識により、それを合成し、この合成した信号を受信信号と相関付けて、時間遅延を判定する。加えて、信号のどのドリフトや不安定も補償しなければならない。これら２つの制約は、別の可搬型ＴＤＯＡセンサをシステムに追加し、これらの間に通信リンクを追加することによって回避することができる。２つのセンサは、これらの共通通信リンクを通じた調整によって、同時に（ＥＯＩ）を捕獲することができる。２つの捕獲信号を相関付けることにより、時間遅延の推定値が得られる。データ捕獲の間における２つのセンサの位置が分かっていれば、双曲線は信号に対する候補位置となる。相関は、数学的には次のように記述する。
Figure 2010515052
この場合でも、データ捕獲位置を多く追加する程、位置検出精度を大幅に高めることができる。一旦一意の位置を判定したなら、ＧＤＯＰの評価によって、次のデータ捕獲にとって位置検出誤差を最小限に抑えるためセンサの一方または双方をどこに移動させるかについての指針を与える。
３．３つ以上の同期センサによる任意波形の地理的位置検出
説明したＲＦ放出体の位置を判定するための反復プロセスは、３つ以上の同期センサを用いることによって改良することができる。実際、位置検出誤差の繰り返し回数に対する収束率は、データ捕獲センサの数が多くなる程改善する。しかしながら、データ捕獲を調整するために、可搬型データ捕獲センサ間には通信リンクが存在しなければならない。これは、実用的な環境では、メッシュ通信ネットワークの使用によって遂行するのが一番良い。メッシュ通信ネットワークは、ネットワークにおけるセンサの少なくとも１つと通信することができるのであれば、どのようなセンサでも、ネットワークにおける他の任意のセンサと通信することを可能にする。実際には、センサは、ネットワークにおけるセンサの全てと直接通信することができない他のセンサに対するリレーとして機能する。これによって、全てのセンサ間における直接通信に適さない物理的環境において、可搬型ＴＤＯＡシステムのロバストな動作が可能になる。
Ｃ．結論
本発明の真の範囲は、本明細書に開示した、現時点における好適な実施形態に限定されるのではない。例えば、ワイヤレス位置検出システムの現時点における好適な実施形態の前述の開示では、基地送受信局（ＢＴＳ）、ＴＤＯＡセンサ、ＧＰＳ、ＧＮＳＳ、メッシュ・ネットワーク等というような、説明用語を用いたが、これらが以下の特許請求の範囲の保護範囲を限定するように解釈してはならず、またそうでなくてもワイヤレス位置検出システムの発明的形態が、開示した特定の方法および装置に限定されることを暗示するように解釈してはならない。更に、当業者には言外であろうが、本明細書において開示した発明の形態の多くは、ＴＤＯＡ技法に基づかない位置検出システムにおいても応用することができる。例えば、本発明は、前述のように構成した可搬型ＴＤＯＡセンサを採用するシステムに限定されるのではない。本明細書において記載したＴＤＯＡセンサ、システム、およびサブシステム等は、本質的に、プログラマブル・データ収集および処理デバイスであり、本明細書に開示した発明の概念から逸脱することなく、種々の形態をなすことができる。ディジタル信号処理およびその他の処理機能のコストが急速に下落していることから、例えば、本発明のシステムの動作を変更することなく、特定の機能に対する処理を、本明細書に記載した機能的要素の１つから、別の機能的要素に移転することも容易に可能である。多くの場合、本明細書において記載した実現例（即ち、機能要素）の位置は、単に設計者の好みに過ぎず、必須要件ではない。したがって、明示的に限定され得る場合を除いて、以下の請求項の保護範囲は、先に記載した具体的な実施形態に限定することは意図していない。

Claims (54)

  1. 可搬型地理的位置検出センサであって、
    タイミング信号を受信するタイミング信号受信機と、
    前記タイミング信号受信機に動作的に結合されており、対象の放出体（ＥＯＩ）からの信号を受信し処理する同調可能広帯域受信機と、
    前記同調可能広帯域受信機に動作的に結合されており、前記ＥＯＩからの送信にタイム・スタンプを付与する信号プロセッサと、
    前記のタイミング信号受信機、同調可能広帯域受信機、および信号受信機を収容する可搬型筐体と、
    を備えた、可搬型地理的位置検出センサ。
  2. 請求項１記載の可搬型地理的位置検出センサにおいて、前記タイミング信号受信機は、ディジタル通信リンクによって、前記同調可能広帯域受信機に結合された、可搬型地理的位置検出センサ。
  3. 請求項１記載の可搬型地理的位置検出センサにおいて、前記同調可能広帯域受信機は、広帯域ディジタル受信機を備えた、可搬型地理的位置検出センサ。
  4. 請求項１記載の可搬型地理的位置検出センサにおいて、前記同調可能広帯域受信機は、ワイヤレス通信システムの基地送受信局（ＢＴＳ）を備えたＥＯＩからの送信を受信するように構成された、可搬型地理的位置検出センサ。
  5. 請求項１記載の可搬型地理的位置検出センサにおいて、前記タイミング信号受信機は、衛星ベースのナビゲーション・システムからのＧＮＳＳ信号を受信し、高精度のサンプリング・クロック信号を供給するように構成された、可搬型地理的位置検出センサ。
  6. 請求項１記載の可搬型地理的位置検出センサにおいて、前記タイミング信号受信機は、前記信号プロセッサに安定な周波数基準を供給するように構成されており、前記信号プロセッサは、前記ＥＯＩ送信のタイミングおよび周波数安定性を特徴付けるために前記周波数基準を用いるように構成された、可搬型地理的位置検出センサ。
  7. 請求項１記載の可搬型地理的位置検出センサにおいて、前記同調可能広帯域受信機および信号プロセッサは、前記ＥＯＩからの送信を受信し、受信した送信にタイム・スタンプを付与し、格納し、処理するように構成された、可搬型地理的位置検出センサ。
  8. 請求項１記載の可搬型地理的位置検出センサであって、更に、コントローラおよびディスプレイ・デバイス（２０３）と通信するための通信リンク（２０７）を備えた、可搬型地理的位置検出センサ。
  9. 請求項８記載の可搬型地理的位置検出センサにおいて、前記コントローラおよびディスプレイ・デバイスは、前記ＥＯＩの位置を表示するため、また後続のデータ捕獲サイクルにおいて位置検出精度を高めるためにユーザが動かすことができる方向および距離に関する指針を与えるために、ユーザが前記可搬型地理的位置検出センサを制御することができる手段を提供するように構成された、可搬型地理的位置検出センサ。
  10. 請求項１記載の可搬型地理的位置検出センサであって、更に、第２可搬型地理的位置検出センサとの通信を可能にするように構成された通信送受信機を備えた、可搬型地理的位置検出センサ。
  11. 請求項１記載の可搬型地理的位置検出センサにおいて、前記タイミング信号受信機は、更に、補助ＧＰＳ／ＧＮＳＳサーバとしての役割を果たし、ＧＰＳ／ＧＮＳＳ信号の捕獲において第２可搬型地理的位置検出センサを補助するためにＧＰＳ／ＧＮＳＳ補助データを送るように構成された、可搬型地理的位置検出センサ。
  12. 請求項１０記載の可搬型地理的位置検出センサにおいて、前記通信送受信機は、メッシュ通信送受信機を備えた、可搬型地理的位置検出センサ。
  13. 請求項１記載の可搬型地理的位置検出センサにおいて、前記タイミング信号受信機を用いて汎地球測位システム（ＧＰＳ）または汎地球ナビゲーション衛星システム（ＧＮＳＳ）からの信号を受信することによって、その位置を判定するように構成された、可搬型地理的位置検出センサ。
  14. 請求項１記載の可搬型地理的位置検出センサにおいて、
    前記タイミング信号受信機は、ディジタル通信リンクによって前記同調可能広帯域受信機に結合されており、
    前記同調可能広帯域受信機は、広帯域ディジタル受信機を備えており、ワイヤレス通信システムの基地送受信局（ＢＴＳ）を備えたＥＯＩからの送信を受信するように構成されており、
    前記タイミング信号受信機は、衛星ベースのナビゲーション・システムからのＧＰＳ信号を受信し、高精度のサンプリング・クロック信号を供給するように構成されており、
    前記タイミング信号受信機は、安定な周波数基準を前記信号プロセッサに供給するように構成されており、前記信号プロセッサは、前記ＥＯＩ送信のタイミングおよび周波数安定性を特徴付けるために、前記周波数基準を用いるように構成されており、
    前記同調可能広帯域受信機および信号プロセッサは、前記ＥＯＩからの送信を受信し、受信した送信にタイム・スタンプを付与し、格納し、処理するように構成されており、
    更に、コントローラおよびディスプレイ・デバイスと通信するための通信リンクを備えており、
    前記コントローラおよびディスプレイ・デバイスは、前記ＥＯＩの位置を表示するため、また後続のデータ捕獲サイクルにおいて位置検出精度を高めるためにユーザが動かすことができる方向および距離に関する指針を与えるために、ユーザが前記可搬型地理的位置検出センサを制御することができる手段を提供するように構成されており、
    更に、第２可搬型地理的位置検出センサとの通信を可能にするように構成された通信送受信機を備えた、可搬型地理的位置検出センサ。
  15. 請求項１４記載の可搬型地理的位置検出センサにおいて、前記タイミング信号受信機は、更に、補助ＧＰＳ／ＧＮＳＳサーバとしての役割を果たし、ＧＰＳ／ＧＮＳＳ信号の捕獲において第２可搬型地理的位置検出センサを補助するためにＧＰＳ／ＧＮＳＳ補助データを送るように構成された、可搬型地理的位置検出センサ。
  16. 請求項１４記載の可搬型地理的位置検出センサにおいて、前記通信送受信機は、メッシュ通信送受信機を備えた、可搬型地理的位置検出センサ。
  17. 請求項１４記載の可搬型地理的位置検出センサにおいて、前記タイミング信号受信機を用いて汎地球測位システム（ＧＰＳ）または汎地球ナビゲーション衛星システム（ＧＮＳＳ）からの信号を受信することによって、その位置を判定するように構成された、可搬型地理的位置検出センサ。
  18. 少なくとも１つの可搬型地理的位置検出センサを用いて対象放出体（ＥＯＩ）の位置を検出する方法であって、
    第１の位置において、第１の時間期間中にＥＯＩ送信を受信し、タイム・スタンプを付与し、格納するために第１可搬型地理的位置検出センサを用いるステップと、
    前記第１可搬型地理的位置検出センサを第２の位置に移動させるステップと、
    前記第２の位置において、第２の時間期間中にＥＯＩ送信を受信し、タイム・スタンプを付与し、格納するために前記第１可搬型地理的位置検出センサを用いるステップと、
    前記第１および第２の時間期間中に格納した前記ＥＯＩ送信を表すデータを用いて、前記ＥＯＩの位置を計算するステップと、
    を備えた、方法。
  19. 請求項１８記載の方法において、前記１つの地理的位置検出センサを移動し、３箇所以上の位置において前記ＥＯＩを受信し、タイム・スタンプを付与し、格納することができるように、十分な時間期間送信するＥＯＩの位置を検出するために用いる、方法。
  20. 請求項１８記載の方法において、静止したＥＯＩの位置を検出するために用いる、方法。
  21. 請求項１８記載の方法において、その送信の中にタイミング情報を含むＥＯＩの位置を検出するために用いる、方法。
  22. 請求項１８記載の方法において、前記第１可搬型地理的位置検出センサは、
    タイミング信号を受信するように構成されたタイミング信号受信機と、
    ＥＯＩからの信号を受信するように構成された同調可能広帯域受信機と、
    前記ＥＯＩからの送信にタイム・スタンプを付与するように構成された信号プロセッサと、
    を備えた、方法。
  23. 請求項２２記載の方法において、前記タイミング信号受信機は、ディジタル通信リンクによって前記同調可能広帯域受信機に結合された、方法。
  24. 請求項２２記載の方法において、前記同調可能広帯域受信機は、広帯域ディジタル受信機を備えた、方法。
  25. 請求項１８記載の方法において、ワイヤレス通信システムの基地送受信局（ＢＴＳ）からの送信を受信し、その位置を検出するために用いる、方法。
  26. 請求項２２記載の方法において、前記タイミング信号受信機は、衛星ベースのナビゲーション・システムからのＧＰＳ信号を受信し、高精度のサンプリング・クロック信号を供給するように構成された、方法。
  27. 請求項２２記載の方法において、前記タイミング信号受信機は、前記信号プロセッサに安定な周波数基準を供給するように構成されており、前記信号プロセッサは、前記ＥＯＩ送信のタイミングおよび周波数安定性を特徴付けるために前記周波数基準を用いるように構成された、方法。
  28. 請求項２２記載の方法において、前記同調可能広帯域受信機および信号プロセッサは、前記ＥＯＩからの送信を受信し、受信したＥＯＩにタイム・スタンプを付与し、格納し、処理するように構成された、方法。
  29. 請求項２２記載の方法であって、更に、前記可搬型地理的位置検出センサを制御し、前記ＥＯＩの位置を表示し、後続のデータ捕獲サイクルにおいて位置検出精度を高めるため前記可搬型地理的位置検出センサを移動させる方向および距離に関する指針を与えるために、前記可搬型地理的位置検出センサに結合されたコントローラおよびディスプレイ・デバイスを用いるステップを備えた、方法。
  30. 請求項２２記載の方法であって、更に、前記可搬型地理的位置検出センサと第２可搬型地理的位置検出センサとの間で通信を行うために通信送受信機を用いるステップを備えた、方法。
  31. 請求項２２記載の方法であって、更に、補助ＧＰＳサーバとしての役割を果たし、ＧＰＳ信号の捕獲において第２可搬型地理的位置検出センサを補助するためにＧＰＳ補助データを送るために前記タイミング信号受信機を用いるステップを備えた、方法。
  32. 請求項３０記載の方法において、前記通信送受信機は、メッシュ通信送受信機を備えた、方法。
  33. 請求項２２記載の方法において、前記可搬型地理的位置検出センサは、前記タイミング信号受信機を用いて汎地球測位システム（ＧＰＳ）または汎地球ナビゲーション衛星システム（ＧＮＳＳ）からの信号を受信することによって、その位置を判定するように構成された、方法。
  34. 請求項２２記載の方法であって、更に、
    前記第１可搬型地理的位置検出センサを第３の位置に移動させるステップと、
    前記第３の位置において、第３の時間期間中にＥＯＩ送信を受信し、タイム・スタンプを付与し、格納するために、前記第１可搬型地理的位置検出センサを用いるステップと、
    を備えており、前記ＥＯＩの位置を計算するステップは、前記第１、第２、および第３時間期間中に格納した前記ＥＯＩ送信を表すデータを用いることを含む、方法。
  35. 請求項１８記載の方法であって、更に、前記第１の時間期間中にＥＯＩ送信を受信し、タイム・スタンプを付与し、格納するために前記第１地理的位置検出センサおよび第２地理的位置検出センサを用いるステップを備えており、前記第２地理的位置検出センサは、前記第１および第２の位置とは異なる位置にあり、前記ＥＯＩの位置を計算するステップは、前記第１および第２の時間期間中に格納した前記ＥＯＩ送信を表す、前記第１および第２地理的位置検出センサからのデータの使用を含む、方法。
  36. 請求項３５記載の方法において、前記第２地理的位置検出センサは、少なくとも前記第１の時間期間中、前記第１地理的位置検出センサと時間同期が取られた、方法。
  37. 請求項３５記載の方法において、前記第１および第２地理的位置検出センサは、各センサにおいて、ＥＯＩ送信の同時受信を調整するために、通信送受信機を用いる、方法。
  38. 請求項１８記載の方法において、ワイヤレス通信信号の受信フレーム・タイミングを、前記第１の位置における初期データ捕獲時点におけるＧＮＳＳベースのフレーム・クロックと整合させることによって、到達時間差（ＴＤＯＡ）測定値を得て、次いで第２の位置においてデータ捕獲を実行し、前記第２の位置における受信したフレーム・タイミングを前記ＧＮＳＳベースのフレーム・クロックと比較して、前記第１および第２の位置間におけるＴＤＯＡを導き出す、方法。
  39. 対象放出体（ＥＯＩ）の位置を検出するシステムであって、
    第１の時間期間中に第１の位置において、ＥＯＩ送信を受信し、タイム・スタンプを付与し、格納し、更に第２の時間期間中に第２の位置において、ＥＯＩ送信を受信し、タイム・スタンプを付与し、格納するために１つの受信機を含む可搬手段と、
    前記第１および第２の時間期間中に格納した前記ＥＯＩ送信を表すデータを用いて、前記ＥＯＩの位置を計算する、プロセッサを含む計算手段と、
    を備えた、システム。
  40. 請求項３９記載のシステムであって、前記可搬手段を移動させ、３箇所以上の位置において前記ＥＯＩを受信し、タイム・スタンプを付与し、格納することができるように、十分な時間期間送信するＥＯＩの位置を検出する手段を備えた、システム。
  41. 請求項３９記載のシステムにおいて、前記可搬手段は、ＥＯＩ送信の中にあるタイミング情報を受信する手段を備えた、システム。
  42. 請求項３９記載のシステムにおいて、前記可搬手段は、更に、
    タイミング信号を受信するように構成されたタイミング信号受信機と、
    ＥＯＩからの信号を受信するように構成された同調可能広帯域受信機と、
    前記ＥＯＩからの送信にタイム・スタンプを付与するように構成された信号プロセッサと、
    を備えた、システム。
  43. 請求項３９記載のシステムにおいて、ワイヤレス通信システムの基地送受信局（ＢＴＳ）からの送信を受信し、その位置を検出する手段を備えた、システム。
  44. 請求項３９記載のシステムにおいて、前記可搬手段は、更に、衛星ベースのナビゲーション・システムからのＧＮＳＳ信号を受信し、高精度のサンプリング・クロック信号を供給する手段を備えた、システム。
  45. 請求項３９記載のシステムにおいて、前記可搬手段は、更に、安定な周波数基準を供給し、前記ＥＯＩ送信のタイミングおよび周波数安定性を特徴付けるために前記周波数基準を用いる手段を備えた、システム。
  46. 請求項３９記載のシステムであって、前記ＥＯＩからの送信を受信し、受信したＥＯＩにタイム・スタンプを付与し、格納し、処理する手段を備えた、システム。
  47. 請求項３９記載のシステムであって、更に、前記可搬手段のユーザ制御を可能にし、前記ＥＯＩの位置を表示し、後続のデータ捕獲サイクルにおいて位置検出精度を高めるため前記可搬手段を移動させる方向および距離に関する指針をユーザに与えるために、コントローラおよびディスプレイ・デバイスとインターフェースする手段を備えた、システム。
  48. 請求項３９記載のシステムであって、更に、前記可搬手段と第２可搬手段との間で通信を行うために通信送受信機を備えた、システム。
  49. 請求項３９記載のシステムであって、更に、第２可搬手段を補助するためにＧＰＳ補助データを供給する手段を備えた、システム。
  50. 請求項４８記載のシステムにおいて、前記通信送受信機は、メッシュ通信送受信機を備えた、システム。
  51. 請求項３９記載のシステムにおいて、前記可搬手段は、汎地球測位システム（ＧＰＳ）または汎地球ナビゲーション衛星システム（ＧＮＳＳ）からの信号を用いることによって、その位置を判定する手段を備えた、システム。
  52. 請求項３９記載のシステムであって、
    前記可搬手段を第２可搬手段と時間同期させる手段を備えた、システム。
  53. 請求項３９記載のシステムであって、前記可搬手段および第２可搬手段によるＥＯＩ送信の同時受信を調整する手段を備えた、システム。
  54. 請求項３９記載のシステムにおいて、ワイヤレス通信信号の受信フレーム・タイミングを、前記第１の位置での初期データ捕獲時点におけるＧＮＳＳベースのフレーム・クロックと整合させることによって、到達時間差（ＴＤＯＡ）測定を行い、次いで第２の位置においてデータ捕獲を実行し、前記第２の位置における受信したフレーム・タイミングを前記ＧＮＳＳベースのフレーム・クロックと比較してＴＤＯＡを得る手段を備えた、システム。
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