JP2014500948A - 衛星信号発生装置を利用した室内位置の測定システム及びその方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、建物内部、地下商店街、トンネル及び地下鉄のように衛星信号が到逹し難い陰影地域でも、現在の携帯電話またはナビゲーションのような衛星信号の受信端末機を保有した使用者に何らのハードウェアやソフトウェアの変更なしに、自由に位置測定サービスを提供することができる位置測定システム及びその方法に関する。
本発明は、衛星信号発生装置を利用した室内位置の測定システムにおいて、衛星信号を受信する受信アンテナと、実際の全ての衛星のリアルタイム衛星情報を計算し、更新することができる中央制御装置であって、前記受信アンテナから受信した衛星信号から衛星時間を抽出して同期化させ、前記衛星時間情報に基づいて、前記実際の全ての衛星のうち位置測量に利用可能な少なくとも４個の衛星番号を選定する中央制御装置と、前記中央制御装置から衛星番号が割り当てられ、前記中央制御装置から割り当てられた衛星番号に対応する衛星信号を発生させる少なくとも一つの衛星信号発生装置とを含み、前記衛星信号発生装置から伝送される少なくとも４個の衛星番号に対応する衛星信号に基づいて、室内衛星信号の受信端末機の使用者が自分の位置を測定することができる環境を提供することを特徴とする。

Description

本発明は、衛星信号発生装置を利用した室内位置の測定システム及びその方法に関し、さらに詳しくは、建物内部、地下商店街、トンネル及び地下鉄のように衛星信号が到逹し難い陰影地域でも、現在の携帯電話またはナビゲーションのような衛星信号の受信端末機を保有した使用者に何らのハードウェアやソフトウェアの変更なしに、自由に位置測定サービスを提供することができる位置測定システム及びその方法に関する。

一般的に、位置測定システムは、略地上１９，０００〜２５，０００Ｋｍに位置した衛星から衛星信号を受信した後、三角測量法などによって受信端末機の位置を測定するシステムである。

従って、位置測定システムは、衛星信号を直接受信することができる室外のみで位置を測定することができる限界を有しているところ、建物内部、地下商店街、トンネル及び地下鉄のような室内では、衛星信号を確実に受信することができず、位置測定サービスを提供することができないという問題点があった。

前記のような限界及び問題点を解決するために、既存に図１に示すように、衛星信号を屋上で受信した後、その受信した衛星信号を再び室内に伝送する方案（以下、従来技術という）が提案された。

しかし、前記のような従来技術によると、次のような問題点があった。

第一、送信アンテナ（ＴＸ ＡＮＴ）を通じて再伝送信号を受けても、受信アンテナ（ＲＸ ＡＮＴ）の座標で認識するという問題によって深刻な垂直誤差問題と、受信アンテナが設置された間隔が即ち水平誤差になるという問題点があった。水平誤差の改善のためには、多数の受信アンテナ（ＲＸ ＡＮＴ）が必要であり、製造及び設置原価の上昇をもたらすという問題点があった。

第二、室外に設置されている受信アンテナのポイントと、室内に対応設置される送信アンテナ（ＴＸ ＡＮＴ）のポイントとが正確にマッチングするように設置されなければならないが、屋上に設置される地形地物により、多数の受信アンテナを屋上に正確にマッチングするように設置するには現実的に難しいという問題点があった。

第三、図１において、点線で表示された各ケーブルの引入距離によってＬｏｓｓ率が変わるため、それぞれの送信アンテナ端子の電界強度を合わせなければならないという設置上の問題点があった。

第四、受信アンテナの設置位置の高低により、それぞれ異なる座標値が受信されるという問題点があった。このような問題点は、垂直誤差率に相当な影響を及ぼす。

第五、送信アンテナ間の正確なＲＦ Ｐｏｗｅｒを合わせなければ、ＲＦ Ｐｏｗｅｒの高い送信アンテナの信号を端末機が受信し続けるという問題点があった。

それで、本発明者は、衛星信号と同一の信号構造の衛星信号を送信することを基本とし、受信アンテナから受信した衛星信号から衛星時間を抽出し、その衛星時間に基づいて、実際の全ての衛星のうち位置測量に適合した少なくとも４個の衛星番号を選定して衛星信号発生装置に割り当て、さらに、予め計算された実際の全ての衛星のリアルタイム衛星情報に基づいて、その衛星信号発生装置に、当該衛星番号に対応する衛星信号を発生させることで、室内でも室外と同一の環境下で位置測定サービスを提供することができるシステムを開発することに至った。

本発明の目的は、使用者端末機のハードウェアまたはソフトウェア変更なしにも、室外位置の測定環境と室内位置の測定環境との間に自由にハンドオーバー（Ｈａｎｄｏｖｅｒ）するシームレス（Ｓｅａｍｌｅｓｓ）位置測定のシステム環境を構築できるようにすることにある。

また、本発明は、設置空間の広狭によって衛星信号発生装置を選択的に一つまたは多数個設置し、その設置された衛星信号発生装置から少なくとも一つ以上の衛星信号を伝送することができるように構成することで、設置空間によって衛星信号発生装置の設置個数を調節することができ、原価を節減できるようにすることにその目的がある。

また、本発明は、受信機の簡単なプログラム修正を条件として視野角内に存在する衛星だけでなく、視野角から外れた軌道にある衛星までも選定して、当該衛星の衛星信号を位置測定に利用することができるため、位置測定の正確度を大幅に改善できるようにすることにその目的がある。

前記目的を達成するための本発明の一実施例は、衛星信号発生装置を利用した室内位置の測定システムにおいて、衛星信号を受信する受信アンテナと、実際の全ての衛星のリアルタイム衛星情報を計算して更新することができる中央制御装置であって、前記受信アンテナから受信した衛星信号から衛星時間を抽出して同期化させ、前記衛星時間情報に基づいて、前記実際の全ての衛星のうち位置測量に利用可能な少なくとも４個の衛星番号を選定する中央制御装置と、前記中央制御装置から衛星番号が割り当てられ、前記中央制御装置から割り当てられた衛星番号に対応する衛星信号を発生させる少なくとも一つの衛星信号発生装置とを含み、前記衛星信号発生装置から伝送される少なくとも４個の衛星番号に対応する衛星信号に基づいて、室内衛星信号の受信端末機の使用者が自分の位置を測定することができる環境を提供することを特徴とする。

好ましくは、前記中央制御装置または前記衛星信号発生装置は、前記選定された衛星番号に対して当該衛星番号の実際の軌道座標及び対応衛星信号発生装置の既に測量された位置座標に基づいて、実際の衛星と対応衛星信号発生装置との間の距離を計算し、その計算された距離を光の速度で分けて遅延伝送時間を計算するように構成される。

より好ましくは、第２項において、前記衛星信号発生装置は、前記中央処理装置から受信するか、または自体的に計算した前記遅延伝送時間ほど前記選定された衛星番号に対応する衛星信号を遅延させて発生させるように構成される。

最も好ましくは、前記衛星信号発生装置は、少なくとも４個以上の衛星番号が割り当てられ、その割り当てられた衛星番号に対応する衛星信号を発生させるように構成される。

好ましくは、前記中央制御装置は、前記衛星時間情報に基づいて、視野角（Ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ）内に存在する実際の全ての衛星のうち位置測量に利用可能な少なくとも４個の衛星番号を選定するように構成される。

好ましくは、前記中央制御装置は、実際の全ての衛星のうち視野角内に存在する一つの衛星と、その衛星を中心として緯度及び経度上で１２０度角度周辺に存在する少なくとも３個の衛星とを選定するように構成される。

好ましくは、前記衛星の種類は、ＧＰＳ、ガリレオ（Ｇａｌｉｌｅｏ）、グロナス（ＧＬＯＮＡＳＳ）を含む。

本発明の他の実施例による衛星信号発生装置を利用した室内位置の測定方法は、受信アンテナによって衛星信号を受信し、その受信された衛星信号を中央制御装置に伝送するステップと、前記受信した衛星信号から衛星時間を抽出し、その抽出された衛星時間に基づいてシステムを同期化させるステップと、実際の全ての衛星のリアルタイム衛星情報及び前記衛星時間情報に基づいて、前記実際の全ての衛星のうち位置測量に利用可能な少なくとも４個の衛星番号を選定し、前記選定された衛星番号を衛星信号発生装置に割り当てるステップと、前記選定された衛星番号に対して当該衛星番号の実際の軌道座標及び対応衛星信号発生装置の設置位置座標に基づいて、実際の衛星と対応衛星信号発生装置との間の距離を計算し、その計算された距離を光の速度で分けて遅延伝送時間を計算するステップと、前記衛星信号発生装置に、前記選定された衛星番号に対応する衛星信号を前記遅延伝送時間ほど遅延して発生させるステップと、前記衛星信号発生装置から伝送される少なくとも４個の衛星番号に対応する衛星信号に基づいて、室内衛星信号の受信端末機の使用者の位置を測定するステップとを含むように構成される。

本発明によると、次のような効果がある。

第一、使用者端末機のハードウェアまたはソフトウェアの変更なしにも、室外位置の測定環境と室内位置の測定環境との間にハンドオーバーするシームレス位置測定のシステム環境を構築することができるようにする効果がある。

第二、設置空間の広狭によって衛星信号発生装置を選択的に一つまたは多数個設置し、その設置された衛星信号発生装置から少なくとも一つ以上の衛星信号を伝送することができるように構成することで、設置空間によって衛星信号発生装置の設置個数を調節することができ、原価を節減する効果を有する。

第三、受信機の簡単なプログラム修正を条件として、視野角内に存在する衛星だけでなく、視野角から外れた軌道にある衛星までも選定して、当該衛星の衛星信号を位置測定に利用することができるため、特に垂直位置測定の正確度を大幅に改善することができる効果を有する。

従来技術による室内位置の測定システムの一例を示す図面である。 本発明の実施例による衛星信号発生装置を利用した室内位置の測定システムを示す図面である。 本発明の実施例によって視野角を考慮して衛星番号を選定する方法の理解を助けるための図面である。 実際の衛星の視野角を示す図面である。 設置場所の広狭によって、本発明による衛星信号発生装置が設置された一例を示す図面である。 実際の衛星と対応衛星信号発生装置との間の距離を計算し、遅延伝送時間を算出する方法を説明するための図面である。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して、さらに詳しく説明する。

図２は、本発明による室内位置の測定システムの構成図である。

図２を参照すると、本発明による衛星信号発生装置を利用した室内位置の測定システムは、衛星信号を受信する受信アンテナと、実際の全ての衛星のリアルタイム衛星情報を計算し、更新することができる中央制御装置であって、前記受信アンテナから受信した衛星信号から衛星時間を抽出して同期化させ、前記衛星時間情報に基づいて、前記実際の全ての衛星のうち位置測量に適合した少なくとも４個の衛星番号を選定する中央制御装置と、前記中央制御装置から衛星番号が割り当てられ、前記中央制御装置から割り当てられた衛星番号に対応する衛星信号を発生させる少なくとも一つの衛星信号発生装置とで構成される。

前記受信アンテナは、実際の衛星から衛星信号を受信することができるように室外に設置されるアンテナであって、実際の衛星から衛星信号を受信する機能をする。前記受信アンテナは、本発明による位置測定システムが設置される建物などの屋上に設置されることが好ましい。

前記中央制御装置は、実際の全ての衛星、例えば、現在３２個の衛星のリアルタイム衛星情報（例えば、リアルタイム軌道情報など）を周期的にアップデートして格納しており、前記受信アンテナから受信した衛星信号から衛星時間を抽出して衛星信号発生装置を同期化させる機能をする。また、中央制御装置は、前記衛星時間情報及び本発明のシステムが設置された位置情報に基づいて、前記実際の全ての衛星のうち位置測量に最も適合した少なくとも４個の衛星番号を選定する。さらに、中央制御装置は、選定された衛星番号を衛星信号発生装置に割り当て、選定された衛星番号に対応する実際の衛星の衛星信号情報を衛星信号発生装置に伝送する。この場合、中央制御装置は、多数設置された衛星信号発生装置にそれぞれ一つの衛星番号を割り当て、当該衛星信号を発生させるようにすることができるだけでなく、一つの衛星信号発生装置に少なくとも４個の衛星番号を割り当てて当該衛星信号を発生させるようにすることもできる。

好ましくは、図３（ａ）に示すように、現在の位置を基準として、視野角内に存在する実際の全ての衛星のうち位置測量に適合した少なくとも４個の衛星番号を選定する。勿論、時間が経過するにつれて視野角内に存在する衛星が変更されることにより、前記選定された衛星番号を変更することができることは自明である。

例えば、図４を参照すると、図４に示した視野角の条件下で、０９時には３、６、１６、２１番衛星が選定されてもよいが、時間が経過するにつれて、例えば１２時には、３、１１、１９、２４番衛星に変更されてもよい。

さらに好ましくは、図３（ｂ）に示すように、実際の全ての衛星のうち視野角内に存在する一つの衛星と、その衛星を中心として緯度及び経度上で１２０度角度周辺に存在する少なくとも３個の衛星とを選定することができる。即ち、本発明によると、上述したように、視野角内に存在する衛星だけでなく、視野角から外れた軌道にある衛星までも選定して、当該衛星の衛星信号を位置測定に利用することができるため、位置測定の正確度を大幅に改善することができるという利点がある。

前記衛星信号発生装置は、前記中央制御装置から割り当てられた衛星番号に対応する衛星信号を発生させる機能をし、設置場所によって一つまたはそれ以上に構成することができる。図５を参照すると、サービス面積の広い地下空間の場合は、多数の衛星信号発生装置を設置し、相対的に設置空間の狭い地上建物には、一つの衛星信号発生装置を設置した。この場合、設置空間による設置個数に関係なく、一つの衛星信号発生装置が少なくとも４個の衛星番号が割り当てられて多数の衛星信号を発生させることができることは自明である。

一方、前記中央制御装置は、前記選定された衛星番号に対して、当該衛星番号の実際の軌道座標及び対応衛星信号発生装置の設置位置座標に基づいて、実際の衛星と対応衛星信号発生装置との間の距離を計算し、その計算された距離を光の速度で分けて計算された遅延伝送時間を対応衛星信号発生装置に伝送する。勿論、場合によって前記衛星信号発生装置が自体的に前記遅延伝送時間を計算した後、対応衛星信号を前記遅延伝送時間ほど遅延させて送信するように構成することができることも自明である。

このように、遅延伝送時間ほど遅延させて送信しなければならない理由は、実際の衛星と衛星信号発生装置の航法データの中には、同一の位置座標値を含んでいるが、衛星信号発生装置は、ほぼ地表面に設置された固定座標上に存在するので、実際の衛星信号が電離層、対流圏を通過するのに所要される時間ほど遅延伝送時間で補償しなければならないからである。

前記遅延伝送時間を計算する方法を図６を参照して概略的に説明すると、次のようである。

３２個の衛星のうち視野角内で選定された任意の一衛星ＳＶｉに対して、任意の時間の緯度、経度、高度をＸｊ、Ｙｊ、Ｚｊといい（ｊ値は軌道に沿って衛星が移動するので時間により変更される）、
衛星信号発生装置のうち前記ＳＶｉ衛星の衛星信号を再現する装置をＳＳＧｉといい、その座標は、固定座標として、Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１といい、
前記ＳＶｉとＳＳＧｉとの擬似距離をρｉとする時、

最終的に、遅延伝送時間は、

である。

ここで、Ｃは、光の速度２．９９７９２４５８×１０^８ｍ/sであり、Ｂｕは、ケーブルの長さ、使用者の時間誤差、サービス面積による遅延時間の補償値などに対する未確定値である。

従って、前記衛星信号発生装置は、前記中央処理装置から受信した前記遅延伝送時間ほど前記選定された衛星番号に対応する衛星信号を遅延させて発生することで、実際の衛星と対応衛星信号発生装置の設置位置との間の距離差によって発生する誤差を補償することができる。

前記のような本発明の位置測定システムによると、室外環境と同様に、室内でも前記衛星信号発生装置から送信される少なくとも４個の衛星番号に対応する衛星信号を受信することで、室内に位置する衛星信号の受信端末機の使用者の位置を正確に測定することができるようになる。

以下、本発明の実施例による衛星信号発生装置を利用した室内位置の測定方法について説明する。

第一、受信アンテナによって衛星信号を受信し、その受信された衛星信号を中央制御装置に伝送するステップである。これは、室外に設置された受信アンテナが実際の衛星の衛星信号を受信し、その受信された衛星信号をリアルタイムで中央制御装置に伝送するステップである。

第二、前記受信した衛星信号から衛星時間を抽出し、その抽出された衛星時間に基づいてシステムを同期化させるステップである。これは、中央処理装置が受信アンテナから受信した衛星信号から衛星時間を抽出し、その抽出された衛星時間と衛星信号発生装置とを同期化させるステップである。

第三、実際の全ての衛星のリアルタイム衛星情報及び前記衛星時間情報に基づいて、前記実際の全ての衛星のうち位置測量に適合した少なくとも４個の衛星番号を選定し、前記選定された衛星番号を衛星信号発生装置に割り当てるステップである。これは、中央処理装置が予め計算及び更新している実際の全ての衛星のリアルタイム衛星情報及び前記抽出した衛星時間情報に基づいて、現設置位置の基準として位置測量に最も適合した少なくとも４個の衛星番号を選定した後、その選定された衛星番号を衛星信号発生装置に割り当てるステップである。

第四、前記選定された衛星番号に対して、当該衛星番号の実際の軌道座標及び対応衛星信号発生装置の設置位置座標に基づいて、実際の衛星と対応衛星信号発生装置との間の距離を計算し、その計算された距離を光の速度で分けて計算された遅延伝送時間を対応衛星信号発生装置に伝送するステップである。これは、選定された衛星番号に対応する実際の衛星と選定された衛星番号に対応する衛星信号を発生させる衛星信号発生装置の最終端送信アンテナとの間の距離差に起因した誤差と、サービス面積のサイズや時間差などに起因した誤差などを補償するために、衛星信号発生装置の衛星信号発生の遅延時間を計算するステップである。

第五、前記衛星信号発生装置に、前記選定された衛星番号に対応する衛星信号を前記遅延伝送時間ほど遅延させて発生させるステップである。

第六、前記衛星信号発生装置から伝送される少なくとも４個の衛星番号に対応する衛星信号に基づいて、室内衛星信号の受信端末機の使用者の位置を測定するステップである。これは、前記衛星信号発生装置から受信した衛星信号に基づいて、位置測量によって使用者端末機の現位置を測定するステップである。

上記で説明し、図面に示した本発明の一実施例は、本発明の技術的思想を限定すると解釈されてはならない。特に、ここで衛星とは、現在国内で広く使用されるＧＰＳ衛星だけでなく、諸外国で使用されているガリレオ（Ｇａｌｉｌｅｏ）、グロナス（ＧＬＯＮＡＳＳ）まで含む包括的な概念で理解されるべきであろう。一方、本発明の保護範囲は、請求の範囲に記載された事項によってのみ制限され、本発明の技術分野で通常の知識を持った者は、本発明の技術的思想を多様な形態で改良変更することが可能である。従って、このような改良及び変更は、通常の知識を持った者に自明である限り、本発明の保護範囲に属するようになる。

Claims (8)

1. 衛星信号発生装置を利用した室内位置の測定システムにおいて、
   衛星信号を受信する受信アンテナと、
   実際の全ての衛星のリアルタイム衛星情報を計算し、更新することができる中央制御装置であって、前記受信アンテナから受信した衛星信号から衛星時間を抽出して同期化させ、前記衛星時間情報に基づいて、前記実際の全ての衛星のうち位置測量に利用可能な少なくとも４個の衛星番号を選定する中央制御装置と、
   前記中央制御装置から衛星番号が割り当てられ、前記中央制御装置から割り当てられた衛星番号に対応する衛星信号を発生させる少なくとも一つの衛星信号発生装置とを含み、
   前記衛星信号発生装置から伝送される少なくとも４個の衛星番号に対応する衛星信号に基づいて、室内衛星信号の受信端末機の使用者が自分の位置を測定することができる環境を提供することを特徴とする位置測定システム。
2. 前記中央制御装置または前記衛星信号発生装置は、前記選定された衛星番号に対して当該衛星番号の実際の軌道座標及び対応衛星信号発生装置の既に測量された位置座標に基づいて、実際の衛星と対応衛星信号発生装置との間の距離を計算し、その計算された距離を光の速度で分けて遅延伝送時間を計算することを特徴とする請求項１に記載の位置測定システム。
3. 前記衛星信号発生装置は、前記中央処理装置から受信するか、または自体的に計算した前記遅延伝送時間ほど前記選定された衛星番号に対応する衛星信号を遅延させて発生させることを特徴とする請求項２に記載の位置測定システム。
4. 前記衛星信号発生装置は、少なくとも４個以上の衛星番号が割り当てられ、その割り当てられた衛星番号に対応する衛星信号を発生させることを特徴とする請求項１に記載の位置測定システム。
5. 前記中央制御装置は、前記衛星時間情報に基づいて、視野角（Ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ）内に存在する実際の全ての衛星のうち位置測量に利用可能な少なくとも４個の衛星番号を選定することを特徴とする請求項１に記載の位置測定システム。
6. 前記中央制御装置は、実際の全ての衛星のうち視野角内に存在する一つの衛星と、その衛星を中心として緯度及び経度上で１２０度角度周辺に存在する少なくとも３個の衛星とを選定することを特徴とする請求項１に記載の位置測定システム。
7. 前記衛星の種類は、ＧＰＳ、ガリレオ（Ｇａｌｉｌｅｏ）、グロナス（ＧＬＯＮＡＳＳ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の位置測定システム。
8. 衛星信号発生装置を利用した室内位置の測定方法において、
   受信アンテナによって衛星信号を受信し、その受信された衛星信号を中央制御装置に伝送するステップと、
   前記受信した衛星信号から衛星時間を抽出し、その抽出された衛星時間に基づいてシステムを同期化させるステップと、
   実際の全ての衛星のリアルタイム衛星情報及び前記衛星時間情報に基づいて、前記実際の全ての衛星のうち位置測量に利用可能な少なくとも４個の衛星番号を選定し、前記選定された衛星番号を衛星信号発生装置に割り当てるステップと、
   前記選定された衛星番号に対して当該衛星番号の実際の軌道座標及び対応衛星信号発生装置の設置位置座標に基づいて、実際の衛星と対応衛星信号発生装置との間の距離を計算し、その計算された距離を光の速度で分けて遅延伝送時間を計算するステップと、
   前記衛星信号発生装置に、前記選定された衛星番号に対応する衛星信号を前記遅延伝送時間ほど遅延させて発生させるステップと、
   前記衛星信号発生装置から伝送される少なくとも４個の衛星番号に対応する衛星信号に基づいて、室内衛星信号の受信端末機の使用者の位置を測定するステップと、
   を含むことを特徴とする室内位置の測定方法。

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