JP5065815B2 - 移動体通信端末の現在位置測位計算方法および移動体通信端末 - Google Patents

Description

本発明はＰＨＳ端末や、携帯電話端末のような移動体通信端末の位置を固定基地局の電界強度を利用して高精度に測定する移動体通信端末の現在位置測位計算方法に関する。

ＰＨＳ端末や、携帯電話端末のような移動体通信端末を用いた通信においては、当該移動体通信端末の位置するエリアをカバーする基地局を介して移動体通信端末が既設の公衆電話回線網に接続される。このとき、移動体通信端末は多数のエリア内にそれぞれ設置されている基地局のうち移動体通信端末が位置しているエリア内の基地局、すなわち移動体通信端末に最も近い基地局を介して公衆電話回線網に接続される。

移動体通信端末は、待ち受け時に周辺基地局の電波の受信レベルを記憶し、通信を行う最大の受信レベルの基地局を選択する。すなわち、移動体通信端末の周辺基地局の電波の受信レベルは基地局の識別符号と共に移動体通信端末に記憶されており、基地局の識別符号と地理的位置情報を有するデータベースを参照し、各基地局の電波の受信レベルと地理的位置情報を用いて計算を行うことにより移動体通信端末の現在位置を特定できることが次に示す特許文献に開示されている。
特開平２−４４９２９号公報

ＰＨＳ端末や、携帯電話端末のような移動体通信端末の位置検出による位置情報提供サービスは近年急速に普及している。基地局と移動体通信端末との関係を利用したこの種の位置検出方法は、ＧＰＳ端末を用いた位置情報検出方法と比較して位置情報の精度が劣るものの、ＧＰＳ電波の届かない建造物内や地下鉄等でも利用できる利点があり、さらに消費電力の低減や大まかな位置を絞り込むための有用な方法として利用され始めている。

しかしながら、前記した従来の移動体通信端末による位置検出方法では、移動体通信端末の基地局電波の受信レベルによっては誤差が数百ｍ〜数十ｋｍとなることがあり、その位置計算精度を高めるための様々な研究が行われてきたが、たとえばＰＨＳによる位置情報サービスにおいては、現在も数百ｍ〜数ｋｍの位置計算誤差を含む地域も少なくない。

これは基地局から移動体通信端末に到達する電波が伝送路上での障害物等で減衰したりして、移動体通信端末で受信される複数の受信電界値から算出した移動体通信端末の位置と実際の移動体通信端末の位置がずれて正確な位置の検出が困難になるためである。

本発明の目的は、移動体通信端末が取得する周辺基地局の電波レベルを利用して移動体通信端末の位置を特定する手段において、その精度を飛躍的に向上させ、不明物流貨物の探索、徘徊老人や行方不明者の探索、盗難品の探索、あるいは地震による家屋倒壊時に建屋の下敷きになった被害者の探索等に利用して好適な移動体通信端末の現在位置測位計算方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の構成を詳述すれば、請求項１に係る発明は、送受信手段を具備した固定基地局が発する電界強度を測定して移動体通信端末の現在位置を求める移動体通信端末の位置探査方法において、前記移動体通信端末が測定可能なそれぞれの基地局の位置を質点とし、それぞれの基地局の測定電界強度をそれぞれの基地局に対応する質点における質量としたときの基地局の重心の地点を前記移動体通信端末の仮の現在位置とするステップと、各質点の質量を１としたときの基地局の重心の地点を求めるステップと、前記仮の現在位置に対して前記各質点の質量を１としたときの基地局の重心の地点と点対称の地点を前記移動体通信端末の現在位置とするステップと、を有することを特徴とする移動体通信端末の現在位置測位計算方法である。

請求項２に係る発明は、前記移動体通信端末が測定可能な複数の基地局の基地局密度が所定の閾値よりも低いと、前記移動体通信端末が電波を測定可能なそれぞれの基地局の測定電界強度から計算された前記移動体通信端末からそれぞれの基地局までの距離の値ｒｉと、それぞれの基地局の位置ｘｉ、ｙｉと、測定電界強度が最も大きい基地局の位置ｘｍａｘ、ｙｍａｘおよびこの基地局の測定電界強度から計算された前記移動体通信端末からこの基地局までの距離ｒｍａｘと、にもとづいて、次の［数１］を用いて前記移動体通信端末の現在位置を求めるステップ、

をさらに有することを特徴とする請求項１記載の移動体通信端末の現在位置測位計算方である。

また、請求項３に係る発明は、送受信手段を具備した固定基地局が発する電界強度を測定して移動体通信端末の現在位置を求める移動体通信端末であって、自機が測定可能なそれぞれの基地局の位置を質点とし、それぞれの基地局の測定電界強度をそれぞれの基地局に対応する質点における質量としたときの基地局の重心の地点を自機の仮の現在位置とし、各質点の質量を１としたときの基地局の重心の地点を求め、前記仮の現在位置に対して前記各質点の質量を１としたときの基地局の重心の地点と点対称の地点を自機の現在位置とすることを特徴とする移動体通信端末である。

さらに、請求項４に係る発明は、自機が測定可能な複数の基地局の基地局密度が所定の閾値よりも低いと、自機が電波を測定可能なそれぞれの基地局の測定電界強度から計算された自機からそれぞれの基地局までの距離の値ｒｉと、それぞれの基地局の位置ｘｉ、ｙｉと、測定電界強度が最も大きい基地局の位置ｘｍａｘ、ｙｍａｘおよびこの基地局の測定電界強度から計算された自機からこの基地局までの距離ｒｍａｘと、にもとづいて、次の［数１］を用いて自機の現在位置を求める、

請求項３記載の移動体通信端末である。

移動体通信端末が計測する基地局電波の電界強度をＥとし、移動体通信端末から基地局までの距離をＤとすると、ＥとＤは反比例の関係にあり、Ｅ＝ｋ／Ｄと表すことができる。ここで、ｋは比例定数であり、移動体通信端末及び基地局に付設してある送受信設備の種類、設置環境などにより異なる値をとるが、測定時にｋを決定するための情報を得るのは困難な場合が多い。

また、基地局と移動体通信端末の間の伝送路上での障害物などの影響により、測定する基地局の電波によりＥとＤの上記の関係が成り立たない場合があり、実際には測定電界強度から計算された距離には誤差を含む。これを踏まえて、ｘ−ｙ座標上で、このＥとＤの関係に注目した最小二乗法を用いて移動体通信端末の位置を計算する方法が、次の式〔数２〕を最小にする点（Ｘ，Ｙ）を計算結果とする計算方法である。

ここで、ｘｉ及びｙｉはそれぞれ基地局番号ｉ番の基地局のｘ座標及びｙ座標、ｒｉは電界強度から算出した基地局番号ｉ番の基地局と移動体通信端末間の距離、ａはｋを基にした比例定数、ｎは計算に使用した基地局の数である。この式の値を最小にするＸ，Ｙ，ａを求めることにより、移動体通信端末の現在位置の地点（Ｘ，Ｙ）を求めることができる。

前述のとおり、ａは測定するごとに変化する値であるが、変動要因を特定することが難しいため上記の最小二乗法による最適化が正しい値と大きく異なる値になる場合がある。そこで、移動体通信端末が電波を測定可能なそれぞれの基地局の測定電界強度から計算された移動体通信端末からそれぞれの基地局までの距離の値、及び計算地点とそれぞれの基地局との距離の値の差異を縮小し、〔数２〕を、各基地局と移動体通信端末との距離から計算される各項の値に大きな差が出ないように、また距離と電界強度の逆数との間の比例定数ａは最も誤差が小さいと考えられる電界強度の最も強く計測された基地局のものを用いて計算されるように特徴づけた式に最小二乗法を適用し、式の値を最小にするＸ，Ｙを求めることにより、移動体通信端末の現在位置の地点の座標（Ｘ，Ｙ）を求めることができ、ａの最適化を行わずに精度の良い計算結果を得ることができる。

これら二種類の最小二乗法を用いた測位計算方法の計算精度について図１に示す。

図１は多地点における移動体通信端末と固定基地局を用いた実際の測位計算結果を分析し、それぞれの精度についてまとめたものであり、縦軸は測位計算誤差、横軸は移動体通信端末周辺の基地局の平均間隔を表し、２つのグラフのそれぞれの軸のスケールは同じである。斜線３より下の領域にはグラフの計算結果の８０％を含んでおり、斜線３の傾きが小さいほど計算方法の精度が良い。

さらに、市街地やビジネス街など建造物の多い地区においては、移動体通信端末による基地局電波の受信において、電波の遮断やマルチパスが生じ易く、測定電界強度と距離との間に相関がほとんどなくなる場合がある。このとき、移動体通信端末が電界強度を取得する周辺の基地局は、端末を中心として周囲に無作為に選択される場合が多く、この場合、移動体通信端末が測定可能なそれぞれの基地局の位置を質点とし、それぞれの基地局の測定電界強度をそれぞれの基地局に対応する質点における質量としたときの、重心の地点を移動体通信端末の位置にする計算方法を用いることで測位計算精度を高めることができる。

２次元において、上記の重心計算を移動体通信端末の位置検出手段に用いると、各基地局が同一円周上にあり、円の中心と各基地局を結ぶ対称軸が２つ以上存在するとき、若しくはある円の中心と各基地局を結ぶ線を円周上に延長しその円の中心と各基地局を結ぶ対称軸が２つ以上存在するとき、移動体通信端末の位置はその円の中心に計算される。

つまり、移動体通信端末の位置計算に用いる基地局が端末の周囲に等間隔に並んでいる場合、計算結果と実際の移動体通信端末の位置が一致する。市街地やビジネス街においては基地局設置間隔も狭く、移動体通信端末が電波の測定を行う基地局は、端末の周辺にほぼ等間隔に選択させることが多いので、上記の重心計算により移動体通信端末の位置を特定することにより、測位計算精度を高くすることができる。また、上記の最小二乗法は計算結果を導くために何回も計算を繰り返すが、重心の計算は単純な計算を１回実行することで計算が終了するので測位計算時間を短縮することができる。

また、移動体通信端末が測定する電界強度の強い基地局がごく近い位置に２つ以上存在する場合や、移動体通信端末から遠い位置にある基地局の電界強度測定値が大きい場合、測位計算結果の位置はその基地局の方向にずれる。この場合、測位計算結果に対して、各質点の質量を１としたときの計算結果と、点対称の地点を移動体通信端末の現在位置とする測位計算方法を用いることにより、重心計算による測位計算結果が補正される。

これら２種類の重心計算を用いた測位計算方法の計算精度がよいことを図２に示す。

図２は多地点における移動体通信端末と固定基地局を用いた実際の測位計算結果を分析し、それぞれの精度についてまとめたものであり、縦軸は測位計算誤差、横軸は移動体通信端末周辺の基地局の平均間隔を表し、２つのグラフのそれぞれの軸のスケールは同じである。斜線６より下の領域にはグラフの計算結果の８０％を含んでおり、斜線６の傾きが小さいほど計算方法の精度が良い。

このように、本発明によれば、移動体通信端末が取得する周辺基地局の電界強度を利用して移動体通信端末の位置を特定する方法において、その精度を飛躍的に向上させることができ、不明物流貨物の探索、徘徊老人や行方不明者の探索、盗難品の探索、あるいは地震による家屋倒壊時に建屋の下敷きになった被害者の探索等に利用して好適な移動体通信端末の現在位置測位計算方法を提供することができる。

以下、本発明に係る移動体通信端末の現在位置測位計算方法の実施形態を図面に基づき説明する。

図３は移動体通信端末を用いた測位システムの概念図、図４は最小二乗法を用いた測位計算方法の説明図、図５は重心計算を用いた測位計算方法の説明図である。

図３において、７は移動体通信端末としてのＰＨＳ端末であり、当該ＰＨＳ端末７は基地局８を介して既設の公衆電話回線網（ＰＨＳ網）９に接続され、かかる公衆電話回線網９を通じて他の移動体通信端末或いは諸々のネットワークと通信が可能である。

この移動体通信端末７は、送受信可能な複数箇所の基地局情報を保持しており、それらの複数の基地局８の基地局番号及びそれらとの電界強度情報を有する。

本実施形態では、それらの情報を公衆電話回線網９を利用してサーバ１０に送信し、サーバ１０内の基地局位置データベース１１により送信された基地局番号に対応する基地局位置を特定し、サーバ１０内の位置計算プログラム（測位アルゴリズム）１２により移動体通信端末７の位置を計算する。計算結果はインターネットを経由して汎用の情報通信端末で確認することが可能である。

図３で位置計算サーバ１０が移動体通信端末７から取得した基地局の位置と電界強度を用いて行う測位計算の方法を図４について説明する。ここで、移動体通信端末７は基地局１，２，３，４から送出される電波を受信しており、受信した電界強度から計算したそれぞれの基地局１，２，３，４との距離をｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ４とする。ｘ−ｙ座標上において基地局１，２，３，４の位置の座標をそれぞれ（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３），（ｘ４，ｙ４）とする。

上記測位計算方法により、移動体通信端末のｘ−ｙ座標上の位置は次式〔数１〕を最小にする点（Ｘ，Ｙ）上に計算される。

基地局密度の高い地域においては、上記の計算方法に切り替える。計算方法は基地局と移動体通信端末の配置において、次の式〔数３〕で計算されるｘ−ｙ座標上の点の座標（Ｘ，Ｙ）を測位結果とする方法である。

この式〔数３〕において、ｍは測定されたそれぞれの基地局の電波の電界強度である。 この方法で計算したときに著しく精度が悪い地区においては、上記した測位計算方法が特に有効である。すなわち、図５の基地局と移動体通信端末の配置において、〔数３〕の測位計算結果２２に対して、次の式〔数４〕の計算結果２１と点対称となる点の座標２３を移動体通信端末の現在位置とするものである。

以上のように、本発明移動体通信端末の現在位置測位計算方法によれば、移動体通信端末や基地局の種類の特性及び移動体通信端末と基地局の間における建造物などによる基地局電波の伝搬特性の変化に拠らず、精度良く移動体通信端末の現在位置を測位することが可能となる。

測位計算結果の精度を表すグラフである。 測位計算結果の精度を表すグラフである。 移動体通信端末を用いた測位システムの概念図である。 最小二乗法を用いた測位計算方法の説明図である。 重心計算を用いた測位計算方法の説明図である。

７：移動体通信端末
８：基地局
９：公衆電話回線網
１０：位置計算サーバ
１１：基地局位置データベース
１２：位置計算プログラム（測位アルゴリズム）

Claims (4)

1. 送受信手段を具備した固定基地局が発する電界強度を測定して移動体通信端末の現在位置を求める移動体通信端末の位置探査方法において、
   前記移動体通信端末が測定可能なそれぞれの基地局の位置を質点とし、それぞれの基地局の測定電界強度をそれぞれの基地局に対応する質点における質量としたときの基地局の重心の地点を前記移動体通信端末の仮の現在位置とするステップと、
   各質点の質量を１としたときの基地局の重心の地点を求めるステップと、
   前記仮の現在位置に対して前記各質点の質量を１としたときの基地局の重心の地点と点対称の地点を前記移動体通信端末の現在位置とするステップと、
   を有することを特徴とする移動体通信端末の現在位置測位計算方法。
2. 前記移動体通信端末が測定可能な複数の基地局の基地局密度が所定の閾値よりも低いと、前記移動体通信端末が電波を測定可能なそれぞれの基地局の測定電界強度から計算された前記移動体通信端末からそれぞれの基地局までの距離の値ｒｉと、それぞれの基地局の位置ｘｉ、ｙｉと、測定電界強度が最も大きい基地局の位置ｘｍａｘ、ｙｍａｘおよびこの基地局の測定電界強度から計算された前記移動体通信端末からこの基地局までの距離ｒｍａｘと、にもとづいて、次の［数１］を用いて前記移動体通信端末の現在位置を求めるステップ、
   

   

   をさらに有することを特徴とする請求項１記載の移動体通信端末の現在位置測位計算方法。
3. 送受信手段を具備した固定基地局が発する電界強度を測定して移動体通信端末の現在位置を求める移動体通信端末であって、
   自機が測定可能なそれぞれの基地局の位置を質点とし、それぞれの基地局の測定電界強度をそれぞれの基地局に対応する質点における質量としたときの基地局の重心の地点を自機の仮の現在位置とし、各質点の質量を１としたときの基地局の重心の地点を求め、前記仮の現在位置に対して前記各質点の質量を１としたときの基地局の重心の地点と点対称の地点を自機の現在位置とすることを特徴とする移動体通信端末。
4. 自機が測定可能な複数の基地局の基地局密度が所定の閾値よりも低いと、自機が電波を測定可能なそれぞれの基地局の測定電界強度から計算された自機からそれぞれの基地局までの距離の値ｒｉと、それぞれの基地局の位置ｘｉ、ｙｉと、測定電界強度が最も大きい基地局の位置ｘｍａｘ、ｙｍａｘおよびこの基地局の測定電界強度から計算された自機からこの基地局までの距離ｒｍａｘと、にもとづいて、次の［数１］を用いて自機の現在位置を求める、
   

   

   請求項３記載の移動体通信端末。

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