JP6495166B2 - 測位システム、測位方法、および測位プログラム - Google Patents

Description

本発明の一側面は、屋内でのユーザの現在位置を測定するためのシステム、方法、およびプログラムに関する。

従来から、屋内での測位方法としてＷｉ−Ｆｉを用いた方法と非可聴音（超音波）を用いた方法とがある。

Ｗｉ−Ｆｉによる測位システムは、Ｗｉ−Ｆｉのアクセスポイントとユーザの携帯端末とを備える。このシステムでは、携帯端末が複数のアクセスポイントから発せられる電波を受信し、アクセスポイントの固有情報（例えばＭＡＣアドレス）と電波強度のパターンとを用いて現在位置を推定する。しかし、このシステムは精度が５〜１０ｍ程度と比較的低く、ＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping）という技術を用いてもその精度は２．５ｍ程度までしか改善することができない。また、このシステムを用いる際には実地踏査を行って電波強度の地図を事前に作成する必要があり、アクセスポイントの廃止または新設に伴ってその強度地図を更新しなければならないので、地図の作成および維持のためのコストが嵩んでしまう。

これに対して、非可聴音を用いたシステムでは精度を５０ｃｍあるいは１ｍ程度まで改善でき、加えて強度地図が必要ないという利点がある。このようなシステムの一例として、下記特許文献１に記載の屋内測位システムがある。この測位システムは、位置ビーコン送信装置および位置ビーコン受信装置を備える。

特開２００９−２８８２４５号公報

しかしながら、非可聴音を用いたシステムでは精度が向上し強度地図が不要になる代わりに、測位専用のビーコンを設置するなどのインフラ整備が必要になる。例えば、上記特許文献１に記載の測位システムでは、送信側および受信側の双方について専用の装置（位置ビーコン送信装置および位置ビーコン受信装置）が必要である。また、ビーコンの送信の同期を取る必要があるが、このためには、装置間の時刻合わせを厳密に行うための専用の通信チャネルを用いたり、原子時計のような非常に精密な時計を各装置に実装したりする必要があるので、コストがさらに嵩んでしまう。

そこで、非可聴音を用いた屋内測位システムの導入コストを下げることが望まれている。

本発明の一側面に係る測位システムは、固定受信機が信号源固有の非可聴音を複数の信号源から受信したことを示す受信記録を該固定受信機の受信機ＩＤと関連付けて取得する第１取得部と、携帯端末の近くに設置されている固定受信機に対応する複数の信号源についての信号源情報を記憶部から取得する第２取得部であって、信号源情報が、非可聴音から信号源を特定するための情報と、該信号源における非可聴音の発信タイミングと、該信号源の位置とを含む、該第２取得部と、携帯端末が複数の非可聴音を受信した場合に、該複数の非可聴音を発した複数の信号源を第２取得部により取得された信号源情報に基づいて特定し、特定した複数の信号源についての信号源情報と、該携帯端末における該複数の非可聴音の受信記録とを用いて該携帯端末の現在位置を算出する測位部とを備える。

本発明の一側面に係る測位方法は、固定受信機、複数の信号源、および携帯端末を少なくとも備える測位システムにより実行される測位方法であって、固定受信機が信号源固有の非可聴音を複数の信号源から受信したことを示す受信記録を該固定受信機の受信機ＩＤと関連付けて取得する第１取得ステップと、携帯端末の近くに設置されている固定受信機に対応する複数の信号源についての信号源情報を記憶部から取得する第２取得ステップであって、信号源情報が、非可聴音から信号源を特定するための情報と、該信号源における非可聴音の発信タイミングと、該信号源の位置とを含む、該第２取得ステップと、携帯端末が複数の非可聴音を受信した場合に、該複数の非可聴音を発した複数の信号源を第２取得ステップにおいて取得された信号源情報に基づいて特定し、特定した複数の信号源についての信号源情報と、該携帯端末における該複数の非可聴音の受信記録とを用いて該携帯端末の現在位置を算出する測位ステップとを含む。

本発明の一側面に係る測位プログラムは、固定受信機が信号源固有の非可聴音を複数の信号源から受信したことを示す受信記録を該固定受信機の受信機ＩＤと関連付けて取得する第１取得部と、携帯端末の近くに設置されている固定受信機に対応する複数の信号源についての信号源情報を記憶部から取得する第２取得部であって、信号源情報が、非可聴音から信号源を特定するための情報と、該信号源における非可聴音の発信タイミングと、該信号源の位置とを含む、該第２取得部と、携帯端末が複数の非可聴音を受信した場合に、該複数の非可聴音を発した複数の信号源を第２取得部により取得された信号源情報に基づいて特定し、特定した複数の信号源についての信号源情報と、該携帯端末における該複数の非可聴音の受信記録とを用いて該携帯端末の現在位置を算出する測位部とをコンピュータシステムに実行させる。

このような側面においては、非可聴音から信号源を特定するための情報、および信号源の位置は記憶部から取得すればよいので、これらの情報を非可聴音に埋め込む必要がない。また、各信号源における非可聴音の発信タイミングも記憶部から取得するので、複数の信号源の間で非可聴音の同期を取る必要がない。これらにより信号源の仕組みが簡単になるので、多く設置する必要がある信号源のコストをその分だけ抑えることができる。その結果、測位システムの導入コストを全体として下げることができる。

他の側面に係る測位システムでは、測位部が、第１取得部により取得された固定受信機での非可聴音の受信記録と携帯端末での非可聴音の受信記録とから、該固定受信機と該携帯端末との間のタイマの誤差を求め、該誤差を考慮した発信タイミングと、該携帯端末において新たに受信された複数の非可聴音の受信記録とを用いて該携帯端末の現在位置を算出してもよい。

他の側面に係る測位システムでは、携帯端末が測位部を備えてもよい。

他の側面に係る測位システムでは、第２取得部が、携帯端末に設けられる要求部とサーバに設けられる応答部とを備え、要求部が、固定受信機の受信機ＩＤをサーバに送信し、応答部が、受信機ＩＤに対応する信号源情報を記憶部から取得して携帯端末に送信し、要求部が、応答部により取得された信号源情報を受信してもよい。

他の側面に係る測位システムでは、サーバが第１取得部を備えてもよい。

他の側面に係る測位システムでは、測位部が、携帯端末が一つの非可聴音を受信した場合に実行される更なる測位機能を備え、更なる測位機能が、一つの非可聴音を発した一つの信号源の位置を信号源情報に基づいて特定するステップと、一つの非可聴音についてのドップラーシフトのシフト量を繰り返し求めるステップと、一つの信号源の位置が、シフト量が正の値から負の値に変わった時点における携帯端末の現在位置であると推定するステップとを含んでもよい。

本発明の一側面によれば、非可聴音を用いた屋内測位システムの導入コストを下げることができる。

第１実施形態に係る測位システムの全体構成を示す図である。 第１実施形態に係る測位システムの全体構成を示す図である。 サーバおよび携帯端末のハードウェア構成を示す図である。 第１実施形態に係る測位システムの機能構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る測位システムの動作を示すシーケンス図である。 第１実施形態に係る測位プログラムの構成を示す図である。 第２実施形態に係る測位システムの全体構成を示す図である。 第２実施形態に係る測位システムの機能構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係る測位プログラムの構成を示す図である。 第３実施形態に係る測位システムの全体構成を示す図である。 第３実施形態に係る測位システムの機能構成を示す図である。 第３実施形態に係る測位システムの動作を示すシーケンス図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態に係る測位システム１について説明する。測位システム１は、屋内にいるユーザの位置を測定するコンピュータシステムである。図１に示すように、測位システム１は、屋内Ｒに設置されたビーコン（信号源）１０および固定受信機２０と、サーバ３０と、ユーザが所持する携帯端末４０とを備えている。サーバ３０は通信ネットワークＮを介して固定受信機２０および携帯端末４０のそれぞれと接続する。測位システム１では機器間の時刻の差を一定の範囲内に抑える必要があるが、そのための一手段として、固定受信機２０、サーバ３０、および携帯端末４０はネットワーク・タイム・プロトコル（ＮＴＰ）による時刻合わせの機能を備えている。共通で用いられるＮＴＰサーバはサーバ３０でもよいし他のコンピュータでもよい。

なお、通信ネットワークＮの具体的な構成は限定されない。例えば、通信ネットワークＮは有線ネットワークおよび無線ネットワーク（例えばＷｉ−Ｆｉ）の一方または双方により構築されてもよい。また、通信ネットワークＮはインターネットおよびＬＡＮの一方または双方により構築されてもよい。

壁などで仕切られた空間内のどこにユーザ（携帯端末４０）が位置しているかを捕捉するためには少なくとも４台のビーコン１０と少なくとも１台の固定受信機２０が必要である。例えば２０ｍ四方の部屋にこれらの機器を設置する場合には、図２に示すように、その部屋Ｒの四隅と各壁のほぼ中央に合計８台のビーコン１０を設け、部屋Ｒの中央付近に１台の固定受信機２０を設ける。もちろん、ビーコン１０および固定受信機２０の設置態様はこの例に限定されず、部屋の形状および大きさ、ビーコン１０の発信性能、固定受信機２０の受信性能などに応じて決めればよい。

もっとも、一つの固定受信機２０は比較的多くの（例えば１０個以上の）ビーコン１０からの非可聴音を処理することができるので、その設置数はビーコン１０よりも圧倒的に少なくて済む。固定受信機２０は非可聴音を処理するためのプロセッサやネットワーク・インタフェースなどを備えているのでビーコン１０に比べ高価だが、その設置数を抑えることができるので、全体としては測位システム１の導入コストを抑えることができる。

ビーコン１０は、非可聴音を発する装置である。個々のビーコン１０は、他のビーコン１０と同期を取ることなく（すなわち、他のビーコン１０とは独立に）、水晶発振器により一定の時間間隔で同じ非可聴音信号を発信する単なる再生装置付スピーカであり、いかなる信号の受信も行わない。

ビーコン１０は、特定の周波数（例えば２００００Ｈｚ）の非可聴音信号を直接スペクトラム拡散（Direct Sequence Spread Spectrum（ＤＳＳＳ））することで非可聴音を生成する。個々のビーコン１０は他のビーコン１０と異なる固有の拡散系列を用いて直接スペクトラム拡散を実行するので、各ビーコン１０から発せられる非可聴音の信号波形は他のビーコン１０からのいかなる信号波形とも異なる。したがって、複数のビーコン１０からの非可聴音が時間的にオーバーラップしても、受信側で複数の非可聴音を分離することができ、その結果、受信側は個々の非可聴音の信号源を特定することができる。

ビーコン・データベース５１は、各ビーコン１０の情報を記憶する装置である。ビーコン情報（信号源情報）の各レコードは少なくとも下記の項目を含む。上述したように拡散系列はビーコン毎に異なるので、拡散系列ＩＤはビーコンの識別子であるとも言える。なお、拡散系列そのものを拡散系列ＩＤとして用いてもよい。

・拡散系列を一意に特定するための拡散系列ＩＤ
・拡散系列
・ビーコンの設置位置を示す三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）
・非可聴音の発信タイミング（ビーコン１０からの発信時刻）の定義式（ｔｉ＝ａｉ＋ｂ）。ここで、定数ａは時間間隔であり、定数ｂは基準時であり、変数ｉは基準時からの発信回数を示す。

固定受信機２０は、近くにある複数のビーコン１０からの非可聴音を受信する装置である。固定受信機２０は自機の近くに位置するビーコン１０（すなわち、受信する可能性がある非可聴音の信号源）に対応するビーコン情報を予め記憶している。これは、固定受信機２０がビーコン・データベース５１の一部のコピーを保持していることを意味する。

その上で、固定受信機２０は受信した非可聴音に対応する拡散系列を検索して、その非可聴音がどのビーコン１０から発せられたかを特定する。また、固定受信機２０は自機のタイマを用いてその非可聴音の受信時刻を取得する。続いて、固定受信機２０は自機を特定するための受信機ＩＤと、自機の設置位置を示す三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）と、特定した拡散系列ＩＤと、受信時刻とを含む受信記録を生成し、その受信記録をサーバ３０に送信する。固定受信機２０は非可聴音を受信する度に受信記録の生成および送信を実行する。なお、受信機ＩＤは、固定受信機２０を一意に特定できるのであれば何でもよく、例えばＭＡＣアドレスであってもよい。

また、固定受信機２０はＷｉ−Ｆｉなどの無線通信機能を備え、近くの携帯端末４０と通信する。接近してきた携帯端末４０と通信接続すると、固定受信機２０はその受信機ＩＤを携帯端末４０に送信する。

履歴データベース５２は、各固定受信機２０の受信記録を記憶する装置である。上述したように、受信記録の各レコードは少なくとも受信機ＩＤと、固定受信機２０の設置位置を示す三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）と、拡散系列ＩＤと、固定受信機２０での受信時刻とを含む。各固定受信機２０はいずれかのビーコン１０から一回分の非可聴音を受信する度に受信記録を生成するので、履歴データベース５２にはそのレコードが蓄積される。

サーバ３０は、携帯端末４０からの要求に応じて、測位に必要な情報をその携帯端末４０に提供するコンピュータである。サーバ３０は１台のコンピュータで構成されていてもよいし、複数台のコンピュータで構成されていてもよい。

携帯端末４０は、ユーザが所持するコンピュータである。携帯端末４０は、非可聴音を受信するマイクと、サーバ３０と通信する機能と、後述する測位機能とを備える。携帯端末４０として例えば高機能携帯端末（スマートフォン）が挙げられるが、それらの機能を備えているのであれば携帯端末４０の種類は限定されない。

サーバ３０および携帯端末４０の基本的なハードウェア構成を図３に示す。サーバ３０および携帯端末４０のどちらも、オペレーティングシステムやアプリケーション・プログラムなどを実行するＣＰＵ１０１と、ＲＯＭ及びＲＡＭで構成される主記憶部１０２と、ハードディスクやフラッシュメモリなどで構成される補助記憶部１０３と、ネットワークカードあるいは無線通信モジュールで構成される通信制御部１０４と、キーボード、マウス、タッチパネル、マイクなどの入力装置１０５と、ディスプレイやスピーカなどの出力装置１０６とを備えている。

当然ながら、組み込まれるモジュールは携帯端末４０とサーバ３０とで異なり得る。例えば、携帯端末４０が入力装置１０５としてタッチパネルを備える一方で、サーバ３０の入力装置１０５がキーボードおよびマウスであることが考えられる。

後述するサーバ３０および携帯端末４０の各機能的構成要素は、ＣＰＵ１０１又は主記憶部１０２の上に所定のソフトウェアを読み込ませ、ＣＰＵ１０１の制御の下で通信制御部１０４や入力装置１０５、出力装置１０６などを動作させ、主記憶部１０２又は補助記憶部１０３におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。処理に必要なデータやデータベースは主記憶部１０２又は補助記憶部１０３内に格納される。

次に、サーバ３０の各機能要素を説明する。図４に示すように、サーバ３０は機能的構成要素として記録部（第１取得部）３１および提供部（第２取得部、応答部）３２を備えている。

記録部３１は、各固定受信機２０から受信記録を受信して履歴データベース５２に格納する機能要素である。

提供部３２は、携帯端末４０からの要求に応じて、その携帯端末４０での測位に必要な情報を提供する機能要素である。まず、提供部３２は、固定受信機２０と通信している携帯端末４０からその受信機ＩＤを受信する。続いて、提供部３２はその受信機ＩＤに対応する複数の拡散系列ＩＤのそれぞれについての最近の受信記録を履歴データベース５２から読み出す。これは、その固定受信機２０が周辺の各ビーコン１０（以下では「周辺のビーコン群」ともいう）から最後にいつ非可聴音を受信したかを示す情報を取り出すことを意味する。続いて、提供部３２は取得した受信記録に対応する複数の拡散系列ＩＤに対応する複数のビーコン情報のレコードをビーコン・データベース５１から読み出す。このように、提供部３２は、携帯端末４０の近くに設置されている固定受信機２０に対応する複数のビーコン１０についてのビーコン情報を取得する。そして、提供部３２は周辺のビーコン群についてのビーコン情報および受信記録を補助情報として携帯端末４０に送信する。

なお、本実施形態では携帯端末４０は測位のために少なくとも４台のビーコン１０から非可聴音を受信する必要がある。したがって、本実施形態では、「周辺のビーコン群」は少なくとも４台のビーコン１０を含むものとし、補助情報には当該少なくとも４台のビーコン１０に関するビーコン情報および受信記録が含まれるものとする。

次に、携帯端末４０の各機能要素を説明する。図４に示すように、携帯端末４０は機能的構成要素として取得部（第２取得部、要求部）４１および測位部４２を備えている。これらの機能要素は、携帯端末４０内にインストールされたプログラム（後述する端末プログラムＰ２）が手動でまたは自動的に実行されることで実現する。

取得部４１は、測位に必要な情報をサーバ３０から取得する機能要素である。取得部４１は近くに設置されている固定受信機２０と無線通信することで、その固定受信機２０の受信機ＩＤを当該固定受信機２０から取得する。続いて、取得部４１はその受信機ＩＤをサーバ３０に送信し、この要求に応じてサーバ３０から送られてくる補助情報を受信および保持する。

測位部４２は、携帯端末４０の現在位置を特定する機能要素である。測位部４２はまず自機のタイマと固定受信機２０のタイマとの誤差Δを求め、続いてその誤差Δを考慮して測位を実行する。これらの一連の処理において、測位部４２は取得部４１により保持されている補助情報（すなわち、ビーコン情報および受信記録）を参照する。タイマの誤差を考慮する理由は、固定受信機２０と携帯端末４０とは共通のＮＴＰサーバを用いて時刻合わせを行うものの、ＮＴＰでは誤差を１秒程度までしか抑えられず、測位のためにはその誤差を更に小さくしなければならないからである。

固定受信機２０により受信される非可聴音の発信タイミングをｔｉ＝ａｉ＋ｂで表すとすると、携帯端末４０により受信される非可聴音の発信タイミングはｔｉ＝ａｉ＋ｂ＋Δで表される。測位部４２はまずこの誤差Δを求める。測位部４２は周辺のビーコン群から一定の時間（例えば１〜２秒間）だけ非可聴音を受信する。そして、測位部４２はビーコン情報を参照してその各非可聴音の信号源を特定すると共に、自機のタイマにより各非可聴音の受信時刻を得ることで、拡散系列ＩＤと受信時刻とのペアを複数個取得する。このペアは、携帯端末４０での非可聴音の受信記録である。続いて、測位部４２は取得部４１が保持している受信記録（固定受信機２０での受信時刻）と、取得したペア（携帯端末４０での受信時刻）と、ビーコン情報で示される発信タイミングとに基づいて誤差Δを求める。

続いて、測位部４２は周辺のビーコン群から新たに非可聴音を受信し、ＧＰＳ（Global Positioning System）と同様の手法で測位を行う。

具体的には、測位部４２はまず個々の非可聴音について下記のステップ１〜３を実行することで、各ビーコン１０と携帯端末４０との間の距離を求める。

１．ビーコン情報を参照することで非可聴音の信号源（ビーコン１０）および発信時刻を特定する。発信タイミングの定義式を用いる際には誤差Δを考慮する。
２．誤差Δを考慮して得られた発信時刻と自機のタイマにより得られた非可聴音の受信時刻との差分を伝播時間として取得する。
３．音速とその伝播時間とを乗ずることでビーコン１０までの距離を求める。

続いて、測位部４２は各ビーコン１０からの距離と、ビーコン情報から得られる各ビーコンの設置位置（ｘ，ｙ，ｚ）とを用いて、携帯端末４０の現在位置を求める。

最後に、測位部４２は求めた現在位置を出力するが、出力の態様は何ら限定されない。例えば、測位部４２は現在位置を画面上に表示してもよいし、携帯端末４０内のメモリに格納してもよいし、任意の他の情報処理装置にその現在位置を送信してもよい。

次に、図５を用いて、測位システム１の動作を説明するとともに本実施形態に係る測位方法について説明する。以下では、固定受信機２０で生成された受信記録が履歴データベース５２に蓄積されていること（第１取得ステップ）を前提とし、携帯端末４０がその固定受信機２０と通信接続し始めた時点からの処理を説明する。

携帯端末４０では、取得部４１がその固定受信機２０から受信機ＩＤを受信し（ステップＳ１１）、続いてその受信機ＩＤをサーバ３０に送信する（ステップＳ１２）。サーバ３０では、提供部３２がその受信機ＩＤに対応するビーコン情報および受信記録をビーコン・データベース５１および履歴データベース５２から読み出し、これらの情報を補助情報として携帯端末４０に送信する（ステップＳ１３、第２取得ステップ）。取得部４１はその補助情報を受信して保持する。

続いて、測位部４２が携帯端末４０と固定受信機２０との間のタイマの誤差Δを求めるために周辺のビーコン群から非可聴音を受信する（ステップＳ１４）。そして、測位部４２は携帯端末４０での受信時刻と、受信記録（固定受信機２０での受信時刻）と、ビーコン情報（発信タイミング）とに基づいて誤差Δを求める（ステップＳ１５）。

続いて、測位部４２は測位のためにもう一度周辺のビーコン群から非可聴音を受信する（ステップＳ１６）。そして、測位部４２はその受信時刻とビーコン情報（誤差Δを考慮した発信タイミング）とに基づいて測位を行う（ステップＳ１７、測位ステップ）。測位部４２はステップＳ１６，Ｓ１７で示される測位処理を繰り返し実行してもよく、この場合にはユーザの移動経路を求めることができる。

次に、図６を用いて、１台以上のコンピュータを備えるコンピュータシステムを測位システム１として機能させるための測位プログラムＰＡを説明する。測位プログラムＰＡは、コンピュータをサーバ３０として機能させるためのサーバプログラムＰ１と、コンピュータを携帯端末４０として機能させるための端末プログラムＰ２とを備える。

サーバプログラムＰ１はメインモジュールＰ１０、記録モジュールＰ１１、および提供モジュールＰ１２を備えている。メインモジュールＰ１０は、サーバ３０の機能を統括的に制御する部分である。記録モジュールＰ１１および提供モジュールＰ１２を実行することにより実現される機能はそれぞれ、上記の記録部３１および提供部３２の機能と同様である。

端末プログラムＰ２はメインモジュールＰ２０、取得モジュールＰ２１、および測位モジュールＰ２２を備えている。メインモジュールＰ２０は、携帯端末４０の測位機能を統括的に制御する部分である。取得モジュールＰ２１および測位モジュールＰ２２を実行することにより実現される機能はそれぞれ、上記の取得部４１および測位部４２の機能と同様である。

サーバプログラムＰ１および端末プログラムＰ２はそれぞれ、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤＲＯＭ、半導体メモリ等の有形の記録媒体に固定的に記録された上で提供されてもよい。また、それらのプログラムＰ１，Ｐ２は、搬送波に重畳されたデータ信号として通信ネットワークを介して提供されてもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、非可聴音については特定のビーコン１０に固有の拡散系列によって拡散されるだけでよく、ビーコン１０の発信タイミング等の情報を非可聴音に埋め込む必要がない。また、スペクトラム拡散により信号が時間的にオーバーラップした場合であっても信号を検出することができる。携帯端末４０は、各ビーコン１０における非可聴音の発信タイミングをビーコン・データベース５１から取得するので、携帯端末４０と複数のビーコン１０との間で同期を取る必要がなく、ビーコン１０は、所定のタイミングで非可聴音を発信するのみの構成で足りる。これらによりビーコン１０の仕組みを簡単にすることができるので、多く設置する必要があるビーコン１０のコストをその分だけ抑えることができる。その結果、測位システム１の導入コストを全体として下げることができる。

また、本実施形態では固定受信機２０と携帯端末４０との間のタイマの誤差を求めた上で、その誤差を考慮した発信タイミングを用いて携帯端末４０の現在位置を算出する。具体的には、ＮＴＰを用いた時刻調整により装置間の時刻の誤差を１秒程度の範囲内に抑え、更に、固定受信機２０および携帯端末４０の受信記録と各ビーコン１０の発信タイミングとに基づいてタイマの誤差を求める。これにより、各ビーコン１０からの非可聴音の発信タイミングをより小さい誤差（例えば１０ミリ秒以下の誤差）で得られるので、各ビーコン１０によって発せられた信号を検出するための計算量を削減することができる。

また、本実施形態では携帯端末４０が測位部４２を備えるが、これは携帯端末４０が非可聴音の受信機能を備えることを意味する。携帯端末４０が受信装置の役割を果たすことで、測位機能を有する専用の受信端末を利用する必要がなく、測位システム１のコストを全体として抑えることができる。

また、本実施形態では携帯端末４０は必要なビーコン情報だけをサーバ３０から取得するので、ビーコン情報を記憶するための携帯端末４０のメモリ消費量を抑えることができる。

本実施形態のようにＤＳＳＳで生成された非可聴音からビーコン１０を特定する場合には受信側での計算負荷が大きくなり、何ら拘束条件のない状況下で携帯端末４０にビーコン１０を特定させようとするとその携帯端末４０の性能をかなり高くする必要がある。しかし、本実施形態では、携帯端末４０はサーバ３０から得られる周辺のビーコン群の発信タイミングを用いるので、ビーコン１０を特定するための計算負荷を大幅に（例えば１／１０以下に）下げることができる。

また、本実施形態ではサーバ３０が固定受信機２０での非可聴音の受信記録を受信して履歴データベース５２に記録する。そのため、携帯端末４０において非可聴音を記録し続ける必要がなく、したがって、携帯端末４０の処理負荷をその分だけ下げることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る測位システム２は、幅が狭くてユーザの進行方向が強く制限される空間（例えば幅が３ｍ以下の通路）におけるユーザの位置をドップラーシフトの理論を用いて特定する。本実施形態は、ユーザが施設を訪れたことを特定するための処理（チェックイン）に応用することが可能である。以下では、第１実施形態と異なる点について特に説明し、他の点については説明を省略する。

図７に示すように、測位システム２はビーコン１０と、サーバ６０と、携帯端末７０とを備えていれば足り、固定受信機２０を設ける必要はない。また、履歴データベース５２も不要である。ビーコン１０はユーザが通過したか否かを特定したい場所に一つずつ設けられる。ユーザの移動経路を特定しようとする場合には通路に沿って所定の間隔でビーコン１０を設置すればよい。

図８に示すように、サーバ６０は機能的構成要素として提供部６１を備えている。提供部６１はビーコン・データベース５１内のすべてのビーコン情報を携帯端末７０に送信する機能要素である。すなわち、提供部６１はビーコン・データベース５１のコピーを携帯端末７０に提供する。提供部６１は必要なタイミングでのみビーコン情報を送信すればよい。例えば、提供部６１は携帯端末７０がビーコン情報を要求してきた時やビーコン・データベース５１が更新された時などにビーコン情報を送信する。

図８に示すように、携帯端末７０は取得部７１および測位部７２を備えている。これらの機能要素は、携帯端末７０内にインストールされたプログラム（後述する端末プログラムＰ４）が手動でまたは自動的に実行されることで実現する。

取得部７１は、ビーコン情報をサーバ６０から取得する機能要素である。取得部７１はプル配信またはプッシュ配信のいずれかによりサーバ６０から送られてくるビーコン情報を受信および保持する。

測位部７２は、携帯端末７０の現在位置を特定する機能要素である。ビーコン１０からの非可聴音を受信し始めると、測位部７２はまずビーコン情報を参照してその非可聴音の信号源（ビーコン１０）を特定する。これは、測位部７２がそのビーコン１０の設置位置を取得することを意味する。その後、測位部７２は、受信し続けている非可聴音についてのドップラーシフトのシフト量Δｆ（ｖ）を所定の時間間隔で繰り返し求める。図７に示すように、シフト量Δｆ（ｖ）は受信機（携帯端末７０）が信号源（ビーコン１０）に近づいている間は正の値であり、その後受信機（携帯端末７０）が信号源（ビーコン１０）から遠ざかり始めると負の値になる。この原理を利用して、測位部７２はそのシフト量が正の値から負の値に変わった時点を捕捉し、特定したビーコン１０の設置位置が、その時点における携帯端末７０の現在位置であると推定する。最後に、測位部７２は推定した現在位置を任意の手法で出力する。

ここで、本実施形態では発信タイミングの定義式を用いないので、ビーコン情報は当該定義式を含んでいなくてもよい。

次に、図９を用いて、１台以上のコンピュータを備えるコンピュータシステムを測位システム２として機能させるための測位プログラムＰＢを説明する。測位プログラムＰＢは、コンピュータをサーバ６０として機能させるためのサーバプログラムＰ３と、コンピュータを携帯端末７０として機能させるための端末プログラムＰ４とを備える。測位プログラムＰＢの配布方法は第１実施形態における測位プログラムＰＡと同様である。

サーバプログラムＰ３はメインモジュールＰ３０および提供モジュールＰ３１を備えている。メインモジュールＰ３０は、サーバ６０の機能を統括的に制御する部分である。提供モジュールＰ３１を実行することにより実現される機能は、上記の提供部６１の機能と同様である。

端末プログラムＰ４はメインモジュールＰ４０、取得モジュールＰ４１、および測位モジュールＰ４２を備えている。メインモジュールＰ４０は、携帯端末７０の測位機能を統括的に制御する部分である。取得モジュールＰ４１および測位モジュールＰ４２を実行することにより実現される機能はそれぞれ、上記の取得部７１および測位部７２の機能と同様である。

以上説明したように、本実施形態によれば、ビーコン１０の位置情報を取得し、そのビーコン１０からの非可聴音についてのドップラーシフトのシフト量を観測しさえすれば、これらの情報に基づいて携帯端末７０の現在位置を推定することができる。したがって、本実施形態での測位方法は非常に簡易であるといえる。また、固定受信機を設ける必要がないので、測位システム２の導入コストをその分だけ下げることができる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

第１実施形態では、携帯端末４０が固定受信機２０から受信機ＩＤを受信した場合にその受信機ＩＤをサーバ３０に送信することで測位処理が始まったが、測位処理を開始するタイミングはこれに限定されない。例えば、携帯端末４０は、屋内においてＧＰＳ情報を取得した場合や、固定受信機２０とは別のＷｉ−Ｆｉのアクセスポイントから位置情報を取得した場合などに、これらのＧＰＳ情報または位置情報をサーバ３０に送信することで測位処理を開始してもよい。この変形例では、サーバ３０の提供部３２は、そのＧＰＳ情報または位置情報と、予め保持している固定受信機２０の情報（固定受信機のＩＤおよび設置位置）とを比較して、携帯端末４０の近くに設置されている固定受信機２０を特定する。そして、提供部３２は、特定した固定受信機２０の受信機ＩＤを用いて、上記第１実施形態と同様に補助情報を抽出して携帯端末４０に送信する。

第１および第２実施形態を組み合わせて成る測位システムも本発明の範囲内である。すなわち、幅および奥行きの双方が広い空間（例えば部屋）では第１実施形態の測位方法を用い、幅が狭い空間（例えば通路）では第２実施形態の測位方法を用いてもよい。この場合には、携帯端末およびサーバはそれぞれ、第１および第２実施形態で説明した機能要素の双方を備えることになる。

第１および第２実施形態の手法は、ＰＤＲ（Pedestrian Dead Reckoning）やＷｉ−Ｆｉ測位などの従来の手法で求めた現在位置を補正するために用いられてもよい。本発明は、それ単独での測位と位置補正との双方に適用可能である。

第１および第２実施形態では測位システムが携帯端末およびサーバを備えるが、そのシステムがクライアント・サーバ型であることは必須ではない。もし、携帯端末が高性能であれば、サーバ３０，６０の機能も携帯端末に実装することでサーバを省略してもよい。また、第１および第２実施形態では測位システムが固定受信機とサーバとを備えるが、これらの固定受信機およびサーバを一体化してもよい。

（第３実施形態）
第１実施形態では、固定受信機２０を基準に各ビーコン１０と同期を取り、固定受信機２０と携帯端末４０とは、共通のＮＴＰサーバを用いた時刻合わせを行った後、上述した、固定受信機２０での音波信号の受信記録および携帯端末４０での音波信号の受信記録と各ビーコン１０の発信タイミングとに基づいて時刻合わせを行う方法がある。しかしながら、時刻合わせの方法は上述した方法に限られず、例えば、以下に示す方法を採用することができる。

第３実施形態では、携帯端末９０とビーコン（信号源）１００との時刻合わせ（タイマの誤差調整）について説明する。以下では、第１実施形態及び第２実施形態と異なる点について特に説明し、他の点については説明を省略する。

図１０は、第３実施形態に係る測位システム３の全体構成を示す図である。図１０に示すように、測位システム３は、例示的に、ビーコン１００、サーバ８０、および携帯端末９０を備えて構成されている。第３実施形態と第１実施形態との相違点は、たとえば、本実施形態に係る測位システム３が、第１実施形態に係る測位システム１の固定受信機２０（例えば、図２等を参照）を備えていない点である。

ビーコン１００は、非可聴音を発する装置である。各ビーコン１００は、他のビーコン１００と同期を取ることなく（すなわち、他のビーコン１００とは独立に）、水晶発振器により一定の時間間隔で同じ非可聴音信号を発信する再生装置付スピーカである。また、後述する、サーバ８０からの要求に基づいて現時刻を記憶する。さらに、後述する、サーバ８０からの問い合わせに基づいて記憶した現時刻情報をサーバ８０に送信する。

図１１は、第３実施形態に係る測位システム３の機能構成を示す図である。サーバ８０は、時刻合わせに必要な情報を携帯端末９０に送信するコンピュータであり、機能的構成要素として要求部８１、記録部８３および提供部８５を備えている。これらの機能要素は、サーバ８０内にインストールされたプログラム（サーバプログラム）が手動でまたは自動的に実行されることで実現する。サーバ８０は１台のコンピュータで構成されていてもよいし、複数台のコンピュータで構成されていてもよい。

要求部８１は、各ビーコン１００に対して、各ビーコン１００の現時刻情報（カウンタ値）を記録するように要求する機能要素である。要求部８１が実行する当該要求は、各ビーコン１００に対してブロードキャストで複数回行われる。また、要求部８１は、各ビーコン１００に対して、記録した現時刻情報の送信を要求する機能要素である。要求部８１が実行する現時刻情報の送信要求は、各ビーコン１００に対する上記記録要求ごとに行われてもよいし、その他の任意のタイミングで行われてもよい。

記録部８３は、各ビーコン１００から現時刻情報を受信して履歴データベース５２に格納する機能要素である。履歴データベース５２は、上述したとおり、少なくとも各ビーコン１００の現時刻情報を格納している。なお、上述したとおり、本実施形態の測位システム３は、固定受信機２０を備えていないため、固定受信機２０に関する情報、たとえば、受信機ＩＤなどの情報は格納されていない。

提供部（取得部、テーブル作成部）８５は、各ビーコン１００の発信スケジュールテーブルを作成する機能要素である。具体的には、提供部８５は、履歴データベース５２から現時刻情報を取得する。また、ビーコン・データベース５１に格納されている、各ビーコン１００のビーコン情報を取得する。そして、上記現時刻情報につき、任意のビーコン１００の現時刻情報を基準に各ビーコン１００間の同期を取ったうえ、ビーコン・データベース５１に格納されている、各ビーコン１００のビーコン情報（発信タイミング等）に基づいて、各ビーコン１００の発信時刻情報を算出し、ビーコン１００と各ビーコン１００の発信時刻情報とが対応づけられた発信スケジュールテーブルを作成する。また、提供部８５は、作成した発信スケジュールテーブルを携帯端末９０の要求に応じて、携帯端末９０に送信する機能要素である。さらに、提供部８５は、ビーコン・データベース５１に格納されているビーコン情報を携帯端末９０に送信する。

次に、図１１に示すように、携帯端末９０は、機能的構成要素として取得部９１および測位部９３を備えている。これらの機能要素は、携帯端末９０内にインストールされたプログラム（端末プログラム）が手動でまたは自動的に実行されることで実現する。

取得部９１は、サーバ８０により作成された発信スケジュールテーブルを取得する機能要素である。また、取得部９１は、後述する測位部（タイマ誤差調整部）９３によるタイマ誤差調整や測位に必要な情報をサーバ８０に要求し、この要求に応じてサーバ８０から送られてくるビーコン情報などを受信および保持する。

測位部（タイマ誤差調整部）９３は、時刻合わせを行う機能要素である。測位部９３は、周辺のビーコン群から一定の時間（例えば１〜２秒間）だけ非可聴音を受信する。そして、測位部９３はビーコン情報を参照してその各非可聴音の信号源を特定すると共に、自機のタイマにより各非可聴音の受信時刻を得ることで、拡散系列ＩＤと受信時刻とのペアを複数個取得する。このペアは、携帯端末９０での非可聴音の受信記録である。続いて、測位部９３はサーバ８０が作成した各ビーコン１００の発信スケジュールテーブルと、取得したペア（携帯端末４０での受信時刻）とに基づいて、自機のタイマとビーコン１００のタイマとの時刻合わせ（誤差調整）を行う。上述した時刻合わせは、時間の経過とともに、携帯端末９０とビーコン１００とのタイマのズレが生じるおそれがあるため、定期的に行うことが好ましい。また、測位部９３は、携帯端末９０の現在位置を特定する機能要素である。測位部９３の当該機能については、上述した測位部４２又は測位部７２の機能と同様であり、説明を省略する。

図１２は、第３実施形態に係る測位システム３の動作を示すシーケンス図である。

図１２に示すように、まず、サーバ８０は、各ビーコン１００に対して、ブロードキャストで現時刻記録の要求を行う（ステップＳ２１）。

サーバ８０は、あるビーコン１００に対して、現時刻情報の問い合わせを行う（ステップＳ２２）。ビーコン１００は、記録している時刻情報を、サーバ８０に対して送信する（ステップＳ２３）。

次に、サーバ８０は、他のビーコン１００に対して、現時刻情報の問い合わせを行う（ステップＳ２４）。ビーコン１００は、記録している現時刻情報を、サーバ８０に対して送信する（ステップＳ２５）。

サーバ８０は、各ビーコン１００から受信した現時刻情報及び各ビーコン１００のビーコン情報に基づいて発信スケジュールテーブルを作成する（ステップＳ２６）。

携帯端末９０は、サーバ８０に対して、発信スケジュールテーブルを要求する（ステップＳ２７）。

サーバ８０は、携帯端末９０からの要求に対して、発信スケジュールテーブルを送信する（ステップＳ２８）。

携帯端末９０は、発信スケジュールテーブル及びビーコン情報を参照することで、時刻調整をする（ステップＳ２９）。

なお、サーバ８０は通信ネットワークＮを介してビーコン１００および携帯端末９０のそれぞれと接続する。通信ネットワークＮの具体的な構成は限定されない。例えば、通信ネットワークＮは有線ネットワークおよび無線ネットワーク（例えばＷｉ−Ｆｉ）の一方または双方により構築されてもよい。また、通信ネットワークＮはインターネットおよびＬＡＮの一方または双方により構築されてもよい。

第３実施形態では以上のように構成することにより、サーバ８０は、各ビーコン１００の非可聴音の発信タイミングを予測（発信スケジュールテーブルを作成）でき、第１実施形態のように固定受信機２０の設置位置による制約を受けることなく測位システム３を構成することができる。

また、サーバプログラムおよび端末プログラムはそれぞれ、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤＲＯＭ、半導体メモリ等の有形の記録媒体に固定的に記録された上で提供されてもよい。また、それらのプログラムは、搬送波に重畳されたデータ信号として通信ネットワークを介して提供されてもよい。

さらに、上述したとおり、測位部４２,９３は各ビーコン１０，１００からの距離と、ビーコン情報から得られる各ビーコンの設置位置（ｘ，ｙ，ｚ）とを用いて、双曲線航法により携帯端末４０，９０の現在位置を求めることができるが、これに限られず、携帯端末４０，９０の移動速度も求めることができるように構成されていてもよい。

さらにまた、第３実施形態では測位システム３が携帯端末９０およびサーバ８０を備えるが、そのシステムがクライアント・サーバ型であることは必須ではない。サーバ８０の機能も携帯端末９０に実装することでサーバ８０を省略してもよい。またさらに、第３実施形態では測位システム３は第１実施形態の固定受信機２０を備えていないが、固定受信機２０が備える機能の一部又は全部をサーバ８０が備えるように構成してもよい。

１，２…測位システム、１０…ビーコン（信号源）、２０…固定受信機、３０…サーバ、３１…記録部（第１取得部）、３２…提供部（第２取得部、応答部）、４０…携帯端末、４１…取得部（第２取得部、要求部）、４２…測位部、５１…ビーコン・データベース、５２…履歴データベース、６０…サーバ、６１…提供部、７０…携帯端末、７１…取得部、７２…測位部、８０…サーバ、８１…要求部、８３…記憶部、８５…提供部、９０…携帯端末、９１…取得部、９３…測位部、１００…ビーコン（信号源）、ＰＡ，ＰＢ…測位プログラム、Ｐ１…サーバプログラム、Ｐ１０…メインモジュール、Ｐ１１…記録モジュール、Ｐ１２…提供モジュール、Ｐ２…端末プログラム、Ｐ２０…メインモジュール、Ｐ２１…取得モジュール、Ｐ２２…測位モジュール、Ｐ３…サーバプログラム、Ｐ３０…メインモジュール、Ｐ３１…提供モジュール、Ｐ４…端末プログラム、Ｐ４０…メインモジュール、Ｐ４１…取得モジュール、Ｐ４２…測位モジュール。

Claims (8)

1. 固定受信機が信号源固有の非可聴音を複数の信号源から受信したことを示す受信記録を該固定受信機の受信機ＩＤと関連付けて取得する第１取得部と、
   前記第１取得部により取得された、前記受信機ＩＤと関連付けられた前記受信記録に基づいて、携帯端末の近くに設置されている前記固定受信機が受信した非可聴音を発した前記複数の信号源についての信号源情報を記憶部から取得する第２取得部であって、前記信号源情報が、非可聴音から信号源を特定するための情報と、該信号源における非可聴音の発信タイミングと、該信号源の位置とを含む、該第２取得部と、
   前記携帯端末が複数の非可聴音を受信した場合に、該複数の非可聴音を発した複数の信号源を前記第２取得部により取得された信号源情報に基づいて特定し、特定した複数の信号源についての前記信号源情報と、該携帯端末における該複数の非可聴音の受信記録とを用いて該携帯端末の現在位置を算出する測位部と
   を備え、
   前記第２取得部は、前記携帯端末に設けられる要求部を備え、前記要求部が、前記携帯端末の近くに設置されている前記固定受信機から取得された前記固定受信機の受信機ＩＤに基づいて、前記受信機ＩＤに対応する信号源情報を前記記憶部から取得する、
   測位システム。
2. 前記測位部が、前記第１取得部により取得された前記固定受信機での前記複数の信号源からの非可聴音の受信記録と、前記携帯端末での非可聴音の受信記録と、前記複数の信号源についての信号源情報から、該固定受信機と該携帯端末との間のタイマの誤差及び該携帯端末の現在位置を求め、該誤差が考慮された前記発信タイミングと、該携帯端末において新たに受信された前記複数の非可聴音の受信記録とを用いて該携帯端末の現在位置を算出する、
   請求項１に記載の測位システム。
3. 前記携帯端末が前記測位部を備える、
   請求項１または２に記載の測位システム。
4. 前記第２取得部は、サーバに設けられる応答部を更に備え、
   前記応答部は、前記記憶部から取得された前記信号源情報を前記携帯端末に送信する、
   請求項３に記載の測位システム。
5. サーバが前記第１取得部を備える、
   請求項３または４に記載の測位システム。
6. 前記測位部が、前記携帯端末が一つの非可聴音を受信した場合に実行される更なる測位機能を備え、
   前記更なる測位機能が、
   前記一つの非可聴音を発した一つの信号源の位置を前記信号源情報に基づいて特定するステップと、
   前記一つの非可聴音についてのドップラーシフトのシフト量を繰り返し求めるステップと、
   前記一つの信号源の位置が、前記シフト量が正の値から負の値に変わった時点における前記携帯端末の現在位置であると推定するステップと
   を含む、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の測位システム。
7. 固定受信機、複数の信号源、および携帯端末を少なくとも備える測位システムにより実行される測位方法であって、
   前記固定受信機が信号源固有の非可聴音を前記複数の信号源から受信したことを示す受信記録を該固定受信機の受信機ＩＤと関連付けて取得する第１取得ステップと、
   前記第１取得ステップにより取得された、前記受信機ＩＤと関連付けられた前記受信記録に基づいて、前記携帯端末の近くに設置されている前記固定受信機が受信した非可聴音を発した前記複数の信号源についての信号源情報を記憶部から取得する第２取得ステップであって、前記信号源情報が、非可聴音から信号源を特定するための情報と、該信号源における非可聴音の発信タイミングと、該信号源の位置とを含む、該第２取得ステップと、
   前記携帯端末が複数の非可聴音を受信した場合に、該複数の非可聴音を発した複数の信号源を前記第２取得ステップにおいて取得された信号源情報に基づいて特定し、特定した複数の信号源についての前記信号源情報と、該携帯端末における該複数の非可聴音の受信記録とを用いて該携帯端末の現在位置を算出する測位ステップと
   を含み、
   前記第２取得ステップは、前記携帯端末の近くに設置されている前記固定受信機から取得された前記固定受信機の受信機ＩＤに基づいて、前記受信機ＩＤに対応する信号源情報を前記記憶部から取得する、
   測位方法。
8. 固定受信機が信号源固有の非可聴音を複数の信号源から受信したことを示す受信記録を該固定受信機の受信機ＩＤと関連付けて取得する第１取得部と、
   前記第１取得部により取得された、前記受信機ＩＤと関連付けられた前記受信記録に基づいて、携帯端末の近くに設置されている前記固定受信機が受信した非可聴音を発した前記複数の信号源についての信号源情報を記憶部から取得する第２取得部であって、前記信号源情報が、非可聴音から信号源を特定するための情報と、該信号源における非可聴音の発信タイミングと、該信号源の位置とを含む、該第２取得部と、
   前記携帯端末が複数の非可聴音を受信した場合に、該複数の非可聴音を発した複数の信号源を前記第２取得部により取得された信号源情報に基づいて特定し、特定した複数の信号源についての前記信号源情報と、該携帯端末における該複数の非可聴音の受信記録とを用いて該携帯端末の現在位置を算出する測位部と
   をコンピュータシステムに実行させ、
   前記第２取得部は、前記携帯端末に設けられる要求部を備え、前記要求部が、前記携帯端末の近くに設置されている前記固定受信機から取得された前記固定受信機の受信機ＩＤに基づいて、前記受信機ＩＤに対応する信号源情報を前記記憶部から取得する、
   測位プログラム。

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