JP5026086B2 - Tdoa/gps混成ワイヤレス位置検出システム - Google Patents
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Description
本発明は、セルラ電話機またはパーソナル・ディジタル・アシスタント等のような、ワイヤレス通信移動局(MS)デバイスの位置および運動の判定のための技術を提供する。汎地球測位システム(GPS)信号の組み合わせに対する位置検出に関係する無線周波数(RF)信号特性測定値を、通信インフラストラクチャ信号および関連する、位置指示、付随、インフラストラクチャおよび環境情報と共に統合して評価することにより、位置パラメータを決定する。位置を検出する通信デバイス内に埋め込まれているGPS受信設備によって、GPS衛星宇宙船(SV)信号を受信し、MS位置の判定を支援する。特性GPS測定値の内特に関心があるのは、受信側MSの位置におけるGPS送信帯域(複数の帯域)内でのSV信号の到達時刻である。加えて、MSデバイスおよび陸上局(LS)サイトにおいて展開されている通信システム・インフラストラクチャ機器における固有の通信設備が提供する通信帯域信号も、位置検出関連パラメータの計算のために処理する。これらインフラストラクチャに基づく信号特性は、信号到達時刻または時間差(TOAまたはTDOA)、信号到達角度(AOA)、受信信号電力レベル(MSおよび/またはLSにおける)、および対象のMSについての通信システム・タイミング進み(TA)情報を含む。本発明は、双方の種類の信号に関する、即ち、GPSおよび通信周波数帯域双方における測定情報の統合を可能にし、MS位置の最適な推定の判定のために応用する技法について説明する。加えて、本発明のロバスト性または有効性および精度は、直接信号特性測定に関連するもの以外の潜在的なMS位置の更に別の条件付きまたは確率的指示を与える補助即ち付随情報の位置計算に統合することによって、更に高めることができる。
MS GPS受信機の簡素性、効率、感度、および応答時間は、1つ以上の支援局のインフラストラクチャから得られる補助の使用によって向上させることができる。この中で引用し本願にも含まれるものとしたGPSについての記載、および同様の関連文献にも示されているように、標準的な(例えば、非軍事用)GPS受信機は、GPS SV粗/捕捉(C/A)信号を受信し、既知の送信信号波形に基づく相関信号処理によって、TOAまたは疑似距離尺度を抽出する。基本的なGPS C/A信号は、毎秒50ビット(pbs)のデータ・ストリームの符号分割多元接続(CDMA)符号化によって形成されるナビゲーション・メッセージから成る。各SVは、1023ビット・コード即ち「チップ」のパターンと一意に関連付けられており、毎秒1,020,000チップの速度でのC/Aメッセージの符号化において適用される。したがって、C/Aコードは、SV送信において1.0ミリ秒(msec)毎に繰り返し、20回のこのような繰り返しが、送信する各ビットに含まれる。CDMA復調プロセスは、複製相関照合(matched replica correlation)を適用して、受信信号におけるコードの存在を検出し、相関遅延ラグ(correlation delay lag)は、有効処理信号帯域に反比例する時間分解能において、TOAの可能なドメインをカバーする。標準的なSV軌道では、SVからMSまたは地表付近までの信号伝搬時間は、MSからSVへの方位に応じて、67から89msecの範囲に、即ち、22msec未満の枠内に納まる(頭上のSVでは近くなり、水平線上のSVでは遠くなる)。ドプラ・シフト周波数差の可能なドメインは、頭上のSVに対する最少から、水平線上にあるSVに対する4.5キロヘルツ(kHz)程度までの範囲を取り、相関の有効コヒーレント統合時間(effective coherent integration time)に反比例するドプラ周波数分解能において、信号相関計算内にカバーされなければならない。最後に、これらの信号の、MS受信機が受信しようとしている、その一意のCDMAコードとの相関付けは、SV信号毎に遂行されなければならない。GPS受信機がこの潜在的に多様なパラメータ全てを探索することが必要なため、受信機が位置推定を行う、または利用可能なSV信号一揃いとの接触を得るのに成功することが可能になる期間である、初期位置算出(TTFF)までの応答時間が長くなる。これらの信号処理探索ドメインの全ては、支援インフラストラクチャが与える補助によって簡略化することができる。
本発明の現時点における好適な実施形態は、図3に示す主要機能を実現する。図3は、図2のPDEの主要コンポーネントの重要な機能性を示す、即ち、LG、SMLC、およびLMUである。特定の対象MSの位置検出要求は、移動測位局(MPC)と呼ばれる論理コンポーネントにおいて発生する。移動測位局は、PDEの外部にある。LG301は、位置検出要求を受信し、その真正性および有効性の妥当性を判断する。有効な要求であれば、WCS担当セル、および関連する通信プロトコル・パラメータを特定する。パラメータには、MSとのWCS通信に適用する、割り当て使用周波数が含まれる。LG302は、WCS担当セルの近隣で動作しているMSについて位置を判定するのに適したSMLCに、要求を供給する。選択されたSMLC303は、いずれの要求も受信し見直して、特定された担当セルと関連付けられた位置検出要求に対応するのに最適な、協同LMUのリストを決定する。GPSデータを補助する要求に迅速に対応する必要性を予期して、SML304は、日常的に、GPS SVについて位置判定および運動パラメータを指定する現GPS較正データを維持し評価する。これらのデータは、LMU305によって、それらのGPS受信機を介して永続的に監視されている。LMUは、SMLCに、ドプラ・シフト、疑似距離、およびLMUの位置において受信したGPS SVテレメトリ・ストリームについての関連する復調ナビゲーション・メッセージ・データを供給する。SMLC306は、LMUから周期的に伝達されるこれらのGPS SVデータを受信する。潜在的な可能性がある担当セル毎に、SMLC307は、周期的にまたは要求に応じて、セル・サイト付近の潜在的視野(potential view)において最適なSVを指定する現リストを、AGPS受信において補助するのに適切であると予期されるドプラ・シフトおよび疑似距離の制約ドメインと共に評価し導出する。
ここで取り組んでいる技法および用途に十分な精度で、受信位置における信号到達時刻(TOA)の測定値を、直接、信号受信位置と信号送信位置との間の距離に関係付ける。信号送信機−受信機距離DTRは、送信される信号の伝搬と一致し、地球を中心とした慣性(ECI)三次元デカルト座標系で表した、送信および受信位置X TおよびX R間の直線ベクトル長として表される。
前述の位置依存関係では、MS位置の判定には、GPSおよびインフラストラクチャ・システムの尺度の何らかの形態でというようにして、MSが信号受信点であるときの送信機の位置が分かってなければならず、更にMSが送信機であるときの受信位置が分かってなければならない。固定LS受信機位置の位置は、GPSに基づく調査を含む調査によって、精密に判定することができる。LSを伴う測定値から判定したMS位置の精度は、LS位置が分かる精度に直接関係する。GPS時間測定値の利用に特に重要なのは、MS位置を判定する精度の限界が、SV送信機の位置を知り表す際の精度に依存することである。
先の関係において注記したように、特定の時点におけるMSの位置の判定には、対象の信号間隔の送信および/または受信の時点を適切に捕捉し、処理した信号データと結び付けなければならない。GPSの時間軸は、GPS時間と呼ばれ、米国国立海軍天文台において規定されている規格と精度高く同期している。各SVのGPS送信は、そのSVのクロックによって確立された時間軸と同期した時点で行われる。世界中のGPS地上局は、各SVの位置、時間同期、および状態(health)を監視し、GPS時間標準と同期したSVの正確な解釈に対する「正しい」時間整合補正を記述する補正項をSVに供給する。これらの時間補正パラメータは、二次までであり、SVから送信されるナビゲーション・メッセージに含まれる。
GPSおよび関連するインフラストラクチャ測定値ならびに付随情報の合同結合を利用するための、本発明に記載した技術では、対象のMSの位置xは、それを導出する測定値および情報に関連する特定の時点について決定される。即ち、MSの位置は、通例または必ずしも、時間が一定であることを想定しておらず、そのように制約されておらず、逆に時間x(t)の関数となるように求められる。この一例を関係(2)に表す。GPS信号をMSにおいて受信し、そのTOAを測定する場合、時間測定値は、GPS受信機に埋め込まれている時間軸クロックに対して定量化する。SVと同様、MS受信機の時間軸は、GPS時間と本質的に同期しておらず、例えば、MS時間軸は、少なくともずれており(0次補正)、GPSのクロック周波数からのクロック周波数差(一次補正)だけドリフト(drift)している。したがって、基本TOA測定値は、MS時間軸にしたがって表記即ち「標示」(tag)されており、GPS時間に合わせた「真の」値に対して潜在的にバイアスしている。したがって、GPS受信機における基本TOA測定値は、その測定値に対するMSクロックのバイアス即ちオフセットの判定前に関係(2)において用いる場合、「疑似距離」(真の距離ではなく)の測定値を与えると言える。
引用したGPSに関する記載に示されているように、GPS疑似距離測定値を利用した位置判定計算の精度は、差分GPS(DGPS)調節の適用によって、系統的バイアスの一部を補正することができる。例えば、このような系統的バイアスが現れるのは、GPS管理がSAを導入し、故意にディザを行ったり、あるいはSVナビゲーション・メッセージにおいて送信した時間軸または暦表パラメータを省略するときである。他の変位も、電離層補正パラメータ、即ち、SVナビゲーション・メッセージにおいて伝達される伝搬群遅延が伝搬路に沿って遭遇する条件を正確に表さないときにも現れる場合がある。これらのようなバイアスは、1つ以上の支援局のネットワークから得られる、DGPS調節の監視、評価、および適用によって、MS位置の計算において軽減または補正することができる。
ここに記載する技術によって、MS位置の最適推定値が、その判定に利用できる位置関連情報の総体から得られる。位置関連情報は、受信信号特性の測定値、および潜在的なMS位置の相対的な確率即ち尤度を示す付随情報において得られる。位置状態パラメータの推定のための確率に基づく技法は、統計的推定プロセスの当業者には周知であり、Harry L. Van Treesによって、Detection, Estimation, and Modulation Theory, Parts I - IV, Van Trees, John Wiley, 2001における彼の論述の第1部の2.4章に紹介されているように、推定理論の典型的な論述において非常に注目されている。この中で引用した記載において示されているように、測定値のベクトル集合zにおいて固有の情報に条件付けられた、位置パラメータxの「状態ベクトル」の候補推定値の相対的な条件付き確率即ち尤度は、ベイズの確率関係によって、状態の条件下における測定値の発生の相対的確率、およびその状態の先験的確率に関係付けることができる。この確率関係は、通例、以下のように表すことができる。
関係(8)に表したベイズ確率関係により、多数の相補様式で、支援付随情報の利用および応用が可能となる。前述のように、そして参考文献に記載されているように、可能なMS位置のドメインは、利用可能な測定値および関連情報が与えられれば、総発生尤度に対して評価することができる。関係(2)から(7)に表されるように、典型的な測定した特性の各々は、特定の時点において、対象のMSの位置の非線形関数として表すことができる。加えて、ある種類の付随情報は、MS状態パラメータについて1つ以上の制約関係で表現することができる。例えば、ECEF座標系の三次元において典型的なGPS解を計算している間、MSが、空中ではなく、地上(ground terrain)にあることが分かっている場合、事実上その位置を地表(またはほぼ地表)に配置する、地球の中心におけるECEF原点からの距離に、得られる位置推定値を制約することができる。このようなそして同様の制約は、候補位置と関連付けられた先験的確率を予め調整することによって、または種々の制約およびそれらの不確実性の範囲を位置の関数として表現する「疑似測定値」を事実上含ませることによって、確率計算に含ませることができる。
GPS情報のインフラストラクチャ系情報との統合に対応するために、位置計算に適用する共通座標系は、両方の種類の情報を高精度に表せなければならない。先に注記したように、GPSの計算は、通例、ECEF座標系を用いて実施され、SVおよび対象のMSの位置および速度を高精度に表す。今日まで、セルラ電話機の位置判定のための、LSの陸上系ネットワークに関する情報のみの利用に適用する座標系は、通例、LSの局在的近傍における地表の平面投影を実行していた。このような残存するインフラストラクチャ系位置判定システムでは、位置検出システムの適用可能な動作ドメインの地理的範囲は、地表の曲率が、観察される関係に測定可能な程度の影響を与えないような十分に小さい領域に制限されていた。陸上系LSアンテナの調査される位置は、通例、測地緯度、経度、地面からの高度(agl)、ならびに関連する平均海水面上での局所地面の高さに関して表される。楕円に基づく測地座標(例えば、WGS84)の、平坦、平面座標系への変換では、通例、John P. Snyderの書物:Map Projections - A Working Manual(地図投影−作業マニュアル), Snyder, U.S. Geological Survey Professional Paper 1395, US Government Printing Office, 1987; Map Projections, A Reference Manual, Bugayevskiy and Snyder, Taylor & Francis, 1995に記載されているように、ランベルト正角円錐または(ユニバーサル)横断メルカトール(UTM)投影のような、正角図法を適用する。
GSP/aGPS(EOTD)受信機によって計算された疑似距離は、TOA、TDOA、AOA、相対電力、および往復遅延のような、ネットワーク系位置測定値と組み合わせて、一層精度が高くロバストな解を計算することができる。例えば、制約TDOA/FDOA計算は、GPS/AGPS環境において用いることができる。制約は、衛星の位置および速度によって生ずる時間オフセットまたはドプラの影響を制限する補助受信機が収集したデータの組み合わせによって、GPS/AGPSが計算した位置を用いて決定した制約、ネットワーク系位置検出方法、または組み合わせと共に決定することができる。制約GDOA/FDOAは、GPS受信機にかかる処理負担を低減することができ、偽警報の殆どの機会を排除することによって感度を高めることができる。これ以上の背景については、2001年7月18日に出願した米国特許出願第09/908,998号、「ワイヤレス位置検出システムにおいてTDOAおよびFDOAを推定するための改良された方法」を参照のこと。その内容は、ここで引用したことにより、その全体が本願にも含まれるものとする。
改良同期化技法を採用すると、GSMビーコンおよびそれらのそれぞれのGPS時間へのマッピングに対するシステム感度を高めることができる。この技法を用いる際、Abisモニタ(またはAbis Monitoring System、即ち、AMS)を用いると、絶対フレーム番号(FN)のGPS時間に対するマッピングを部分的に記述する同期化情報を提供することができる。AMSが供給するパラメータは、RFN(減少フレーム番号、T1’、T2、T3)、即ち、GSMフレーム番号の部分的記述を収容する。この情報は、ダウンリンク経路を監視しているLMUが直接行った観察および計算と組み合わせることができ、更にタイミング解に集束することができる。ワイヤレス位置検出システムにおけるAMSの使用に関するこれ以上の情報については、2001年7月18日に出願された米国特許出願第09/909,221号、「ワイヤレス位置検出システムにおける呼情報の監視」を参照のこと。これは、公開第US−2002−0039904−A1として2002年4月4日に公開され、その内容は、ここで引用したことにより、その全体が本願にも含まれるものとする。
多重ベクトルGSM環境では、多数の位置に基づくサービスが存在し、各々、難しい精度、呼状態、およびレイテンシの要件がある。また、位置検出技術も、実世界のトラフィックおよび負荷要件に対処するように設計しなければならない。 結合TDOA/AGPSシステムは、ワイヤレス位置検出システムに対する多数の課題に立ち向かうための理想的なシステムを紹介する。
2.ユーザが通話中の場合、TDOAが最良であり、追加のトラフィック負荷もない。
3.MSがアイドル中または位置がレイテンシの影響を受けない場合、AGPSが最良である。
4.システムにかかっている負荷が少ない場合、AGPSが最良であり/最も精度が高い。
5.システムにかかっている負荷が多い場合、TDOAが最良である。
6.システムが高い精度を要求する場合、TDOAおよびAGPSを組み合わせて用いることができる。
7.旧式の電話機(GPS機能がない電話機)が動作中の場合、TDOAが最良である。
本発明の原理、好適な実施形態、および動作モードについて、以上の明細書に明記したが、この明細書から、当業者が記載した技術を実現するためにしかるべくデータ処理を実施できることは、いまや容易に明らかとなるはずである。ここに開示した実施形態は、制限ではなく、本発明を例示するものと解釈してしかるべきである。前述の開示は、当業者に利用可能な均等な構造の範囲を、いかなる見方においても限定することを意図しているのではなく、むしろこれまで想起されなかった方法で均等な構造の範囲を拡大することを意図している。添付した特許請求の範囲に明記されている本発明の範囲および精神から逸脱することなく、前述した例示の実施形態に対して多数の変形や変更が可能である。
Claims (7)
- 移動局(MS)の位置の判定のためのシステムであって、前記MSは、埋め込みGPS信号受信機能を装備し、移動通信のためのグローバル・システム(GSM)に基づいてワイヤレス通信ネットワーク内で動作するように装備され、前記システムが位置判定機器(PDE)を含み、該PDEが、
複数の位置測定ユニット(LMU)であって、各LMUが、信号の検出および処理のためのネットワーク状陸上局(LS)に埋め込まれ、各LMUが、GPSアンテナとワイヤレス通信帯域アンテナに接続され該アンテナから信号を受ける、複数の位置測定ユニット(LMU)と、
中央収集及び分析陸上局(LS)における担当移動位置検出センタ(SMLC)であって、前記LMUからの測定値を組み立て、前記MS位置を計算するように構成された、担当移動位置検出センタ(SMLC)と、
対象とするMSの識別および担当セル割り当てデータを指定する移動位置決めセンタ(MPC)からの位置検出要求を受けるように構成された、前記中央陸上局における位置検出ゲートウェイ(LG)であって、該LGが、位置検出要求の受け取りのためおよび前記MPCへの位置判定結果の提供のためのPDEポータルを提供する、位置検出ゲートウェイ(LG)と、
を含み、
前記システムが、
前記MPCから生ずる対象とする特定のMSの位置検出の要求を、前記LGにおいて受け、前記LGが、前記位置検出要求のための真正性及び許可の妥当性を判断し、有効な要求が、前記MSとの通信に対し適用される、前記担当セルと、割り当てられた周波数を含む関連した通信プロトコル・パラメータとを識別するステップと、
前記LGが、前記担当セルの付近において動作しているMSの位置判定に対し適当な前記SMLCに対し、前記要求を提供するステップと、
前記選択されたSMLCが、任意の要求を受けて検討して、識別された前記担当セルと関連した位置検出要求を支援するのに最適な協同LMUのリストを決定するステップと、
GPSデータを補助する要求を高速で支援するための必要性を予想して、前記SMLCが、前記GPS衛星宇宙船(SV)のための位置および運動パラメータを指定する現行のGPS構成データを維持し評価し、該データが、前記LMUによりそのGPS受信機を通して永続的にモニタされ、前記LMUが、前記SMLCに対し、ドプラ・シフト、疑似距離、前記LMU位置において受けるGPSのSVテレメトリ・ストリームのための関連する復調されたナビゲーション・メッセージ・データを供給するステップと、
前記SMLCが、前記LMUから周期的に伝達される前記GPSのSVデータを受け、担当セルに対して、前記SMLCが、現行のリストを評価し導出し、前記現行のリストが、AGPS受信における補助に適当であると予想されるドメインにドプラ・シフトと疑似距離を制限すると共に、前記セル・サイトにおいてその衛星信号を受信することができるSVを指定するステップと、
前記GPS構成パラメータの最新の記述の利用可能性を展開して前記MSのGPS受信機における初期位置算出時間(TTFF)を低減するため、前記SMLCが、特定の位置検出要求に応答し、前記担当セル・サイトの付近に対し適切な前記AGPSパラメータを提供し、該AGPSパラメータは、前記LGが受け、GPSデータ要求で前記MSに伝達されるべく前記MPCに供給されるステップと、
を実行するようにプログラムされ構成された、システム。 - 請求項1記載のシステムであって、前記SMLCはさらに続行して、識別した前記セル・サイトが担当する位置判定において協同するように最適に構成されたすべてのLMUからの、前記MS位置に関係したデータの発生を要求する、システム。
- 請求項2記載のシステムにおいて、前記LMUは、信号取得および処理設備を適用して、位置判定計算の支援に適切なデータを検出し抽出し、前記LMUデータは、次に、位置検出処理に統合するため前記SMLCに供給され該SMLCが受ける、システム。
- 請求項3記載のシステムにおいて、位置判定の支援において、前記MS位置に関連した前記GPSデータは、前記MS受信機により検知され、どのような補助であれその処理設備が展開するように構成され、前記MSは、このデータを発生し該データを位置計算において含めるために前記担当セル・サイトに伝達し、前記MSのGPSデータは、前記ワイヤレス通信システム(WCS)によって前記PDEに供給され、前記LGは、該データを前記WCSから受けるか、あるいはオプションとして前記LMUが、前記MSのGPSデータを前記MS応答メッセージから受け復調して供給する、システム。
- 請求項4記載のシステムにおいて、前記SMLCは、統合された前記位置判定計算に挿入するために前記MSが供給した前記GPS情報を受ける、システム。
- 請求項5記載のシステムにおいて、前記LMUおよび前記MSから受けた前記データにより、前記SMLCは、前記MS位置パラメータのための最適なあり得る推定を導出することにおいて前記データのすべてを統合する、システム。
- 請求項6記載のシステムにおいて、前記協同LMUから得た位置検出関係の測定値は、種々の形態のデータおよびLMU位置からの位置感度と種々の個々の正確さを支援する機器とを含み、前記GPSデータは、スタンドアロンのデータ位置を、可能性のある訂正可能なバイアスと共に、個々に定めるかあるいは支援することができ、あるいは前記GPS信号伝搬経路の遮断あるいは歪みに起因するSV信号の不完全な集合を、一定の範囲に限定するための疑似距離およびドプラ測定値のみを提供することができ、前記SMLCは、提供された前記データのすべてを組み合わせこれらを確率に基づく評価に統合し、該評価は、前記位置推定を更に条件付けるために追加のどのような関連する付随情報であっても組み込む、システム。
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