JPWO2008126694A1 - 移動局位置測定方法 - Google Patents
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Abstract
移動局を測位するための基地局の位置を実測しないでその基地局の位置を正確に測定できる移動局位置測定方法を提供する。発信受信時刻検出工程(S6、S7) において、既知の位置に設置された複数の固定発信器C1乃至C4から所定の基地局K1へ発信された電波の発信時刻ts1乃至ts4および受信時刻s1 乃至s4 、すなわち電波の伝搬時間が検出され、基地局位置算出工程(S4) において、それら電波の発信時刻ts1乃至ts4および受信時刻s1 乃至s4 に基づいて求められる複数の固定発信器C1乃至C4から所定の基地局K1までの伝搬距離l1 、l2 、l3 、l4 と、それらの固定発信器C1乃至C4の既知の位置(xn,yn,zn ;n=1〜4)とに基づいて、基地局K1乃至K4の位置(Xn,Yn,Zn ;n=1〜4)がそれぞれ算出される。各基地局K1乃至K4の位置をそれぞれ実測しないでもそれらの基地局K1乃至K4の位置を正確に測定できる。
Description
本発明は、移動局から発信された電波を複数の基地局が受信し、その複数の基地局がそれぞれ受信した電波の伝搬時間とその複数の基地局の位置とに基づいてその移動局の位置を測定する移動局位置測定方法に関し、特に、その基地局の位置を正確に測定する技術に関するものである。
移動可能な物や生体等の位置を検出或いは測定するために、電波を発信する移動局がその物や生体に付されることが行われている。たとえば、RFIDタグや小型発信器などがそれである。このような移動局の位置を知るために、移動局から発信された電波を予め設置した複数の基地局で受信し、その複数の基地局でそれぞれ受信した電波の伝搬時間とその複数の基地局の位置とに基づいて、その移動局の位置を測定する移動局位置測定方法が知られている。たとえば、特許文献1に記載された位置検出方法がそれである。また、移動局から電波を発信し、予め設置した複数の固定タグからの反射波を再び移動局で受信して、その反射波の電波強度と複数の固定タグの位置とに基づいて、その移動局の位置を測定する移動局位置測定方法が知られている。たとえば、特許文献2に記載された位置検出方法がそれである。
ところで、上記従来の位置検出方法によれば、基地局の位置或いは固定タグの位置は既知であることが前提で移動局或いはタグリーダの位置を測定するものであることから、基地局が精度よく容易に計測可能な位置に設置される場合は問題ない。しかしながら、一般に、基地局は受信感度を高めるために見通しがよく高所に設置される場合が多い。このため、基地局の位置を実測するのに時間がかかるだけでなく、高い測定精度が得られないので、移動局の検出位置の誤差を発生させる一因となっていた。
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、移動局を測位するための基地局の位置を実測しないでその基地局の位置を正確に測定できる移動局位置測定方法を提供することにある。
斯かる目的を達成するための請求項1に係る発明の要旨とするところは、(a) 移動局と複数の基地局との間で電波を送受信し、それらの電波の伝搬時間と該複数の基地局の位置とに基づいて該移動局の位置を測定する移動局位置測定方法であって、(b) 前記移動局の位置測定空間内の既知の複数位置にそれぞれ設置された複数の固定発信器から各基地局へ発信された電波の伝搬時間と、前記固定発信器の既知の位置とに基づいて、前記複数の基地局の位置を算出する基地局位置算出工程を、含むことにある。
請求項1に係る発明によれば、既知の複数位置にそれぞれ設置された複数の固定発信器から各基地局へ発信された電波の伝搬時間と、前記固定発信器の既知の位置とに基づいて、前記複数の基地局の位置が算出されるので、基地局の位置を実測しないでもその基地局の位置を正確に測定できる。また、それら複数の基地局がそれぞれ受信した移動局からの電波の伝搬距離とその基地局の位置とに基づいて移動局の位置を測定することができる。
ここで、好適には、前記複数の固定発信器を、前記位置測定空間内において固定発信器の位置を提供する固定発信器の電子データにより既に位置出しされている場所に設置する固定発信器設置工程を、含む。このようにすれば、固定発信器の位置が正確且つ容易に求められ、移動局測位のための電子制御装置に入力される。
また、好適には、前記固定発信器設置工程は、前記複数の固定発信器を、前記位置測定空間内の4ケ所以上に設置される。このようにすれば、移動局の位置測定空間内の4ケ所以上に固定発信器が設置されるので、基地局の位置を3次元座標として求めることができる。
また、好適には、前記固定発信器設置工程は、前記複数の固定発信器を、前記位置測定空間のコーナ部または該コーナ部から一定の位置に設置される。このようにすれば、固定発信器が位置測定空間の基準となる位置であるコーナ部またはそのコーナ部に位置的に関連した場所に設置されるので、固定発信器の位置精度が正確に得られる。
また、好適には、(a) 既知の前記複数の固定発信器の位置に基づく該複数の固定発信器間の実距離と電波の速度とから算出される電波の伝搬時間と、該複数の固定発信器のうちの1つからの発信時刻と他の固定発信器への受信時刻との間の時間である電波の実測の伝搬時間と基づいて、該複数の固定発信器間の相互の時計誤差を求める固定発信器時計合せ工程を含み、(b) 前記基地局位置算出工程は、前記固定発信器間の相互の時計誤差を考慮した、前記複数の固定発信器から前記複数の基地局までの電波の伝搬時間に基づいて前記伝搬距離を算出し、該伝搬距離と前記固定発信器の既知の位置とに基づいて、前記複数の基地局の位置を算出するものである。このようにすれば、固定発信器間の相互の時計誤差すなわち時間誤差を考慮して、複数の固定発信器から前記複数の基地局までの電波の伝搬時間に基づいて前記複数の基地局の位置が距離に算出されるので、複数の基地局がそれぞれ受信した移動局からの電波の伝搬距離とその基地局の位置とに基づいて移動局の位置が正確に測定される。
また、好適には、(a) 前記基地局位置算出工程により求められた前記複数の基地局の位置間の距離と電波の速度とから算出される電波の伝搬時間と、該基地局のうちの1つからの発信時刻と他の基地局への受信時刻との間の時間である電波の実測の伝搬時間と基づいて、該基地局間の相互の時計誤差を求める基地局時計合せ工程と、(b) 前記基地局の間の相互の時計誤差を考慮した、前記移動局から前記複数の基地局までの電波の伝搬時間から算出された伝搬距離と、前記基地局位置算出工程により算出された前記基地局の位置とに基づいて該移動局の位置を算出する移動局位置算出工程とを、含む。このようにすれば、基地局間の相互の時計誤差と移動局から複数の基地局までの電波の伝搬距離とに基づいて移動局の位置が正確に算出される。
また、好適には、前記複数の基地局と接続された測位サーバが設けられ、この測位サーバは、前記固定発信器時計合せ工程、基地局位置算出工程、基地局時計合せ工程、および前記移動局位置算出工程を実行する。
10:移動局測位システム
P:位置測定空間
M:移動局
K1、K2、K3、K4:基地局
C1、C2、C3、C4:固定発信器
S3:固定発信器時計合せ工程
S4:基地局位置算出工程
S5:基地局時計合せ工程
S8、S9:移動局位置算出工程
P:位置測定空間
M:移動局
K1、K2、K3、K4:基地局
C1、C2、C3、C4:固定発信器
S3:固定発信器時計合せ工程
S4:基地局位置算出工程
S5:基地局時計合せ工程
S8、S9:移動局位置算出工程
以下、本発明の第1実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図1および図2は、本発明が好適に適用される位置測定空間Pと移動局測位システム10の構成を説明する図である。この移動局測位システム10は、室内、倉庫内、屋内屋外の資材置場等においてたとえば数m乃至百数十m程度の予め設定された位置測定空間P内を移動する移動局Mから発信される電波を複数個たとえば4個の基地局K1乃至K4で受信することにより、その移動局Mの位置(x,y,z)を測位するものである。上記基地局K1乃至K4は、有線或いは無線のネットワークやLANケーブル等の通信回線12を介して測位サーバ14に接続されている。それら基地局K1乃至K4は、その受信感度を高めるために見通しがよい比較的高所、たとえば柱、梁、壁、天井等に、上記位置測定空間Pを囲むように設置される。本実施例では、理解を容易とするために、図1および図2に示すように、位置測定空間Pは直方体で示され、基地局K1乃至K4はその直方体の上面を囲む四辺の中央部にそれぞれ設置されている。また、上記のように基地局K1乃至K4は高所に設置されることから、それら基地局K1乃至K4の位置を正確に実測するのに時間がかかるだけでなく、高い測定精度が得られないので、それら基地局K1乃至K4の位置を正確に測定するための固定発信器C1乃至C4が既知の位置、すなわち位置測定空間Pの四隅R1、R2、R3、R4にそれぞれ設置されている。
図3乃至図6は、上記移動局M、固定発信器C1乃至C4、基地局K1乃至K4、測位サーバ14の構成を概略説明するブロック線図である。図3において、移動局Mは、アンテナ16に受信した電波を弁別して復調した信号を出力するとともに、後述する制御部20により生成されるスペクトラム拡散された同期コードや自識別符号などの入力信号をたとえば2.4GHz帯のキャリヤ周波数で変調してアンテナ16から電波を送信する無線送受信部18と、受信信号を解釈するとともにその受信信号から解釈される指令に基づいて送信信号を生成制御する制御部20とを備える。この移動局Mは、生体や物体等の測位対象物と共に移動するように、たとえばそれに貼着可能なタグ状、カード状、ラベル状の比較的薄型に構成されるが、電波の送受信の電力や制御電力を供給するためにバッテリを備えるか或いは物体の電源に接続される電源22を備えており、少なくとも位置測定空間P内に到達可能な送信電力の送信電波が得られるようになっている。
上記図4において、固定発信器C1乃至C4は、アンテナ24に受信した電波を弁別して復調した信号を出力するとともに、入力信号を変調してアンテナ24から電波を送信する無線送受信部26と、受信信号および送信信号を制御する制御部28と、基準クロックを有して時刻情報を逐次出力する時計部30と、受信した信号を一時記憶するとともに制御プログラムや自己のID等を記憶する記憶部32と、それら無線送受信部26、制御部28、時計部30、記憶部32を収容するケース34とを備え、たとえば図7に示すように、基地局K1乃至K4の位置決定のために位置測定空間Pの既知の場所たとえば床上のコーナ部(角部)に設置される。図7に示すように、ケース34の上面にはアンテナ24が立設されており、ケース34の背面が位置測定空間Pの上記コーナ部の直交する側壁面に密接する状態で設置されると、アンテナ24の位置は位置測定空間Pのコーナ点の位置と一定の関係にあるので、位置測定空間Pのコーナの位置が既知であれば、アンテナ24の位置も既知となる。たとえば、アンテナ24とケース34の直交する2背面との距離がe、f、固定発信器C1のアンテナ24と、ケース34の底面との距離がhであるとし、コーナ点の既知の位置が(xC1, yC1, zC1)であるとすると、固定発信器C1の設置位置すなわちアンテナ24の位置は、(xC1+e, yC1+f, zC1+h)となる。これらの距離e、f、hが測位精度上で無視できない大きさであれば、そのアンテナ24の位置に示すように補正をしたものを固定発信器C1の設置位置として使用する。
上記図5において、基地局K1乃至K4は、アンテナ36に受信した電波を弁別して復調した信号を出力するとともに、入力信号を変調してアンテナ36から電波を送信する無線送受信部38と、受信信号から各情報を解釈するとともにI/F部46からの指令に基づいて送信信号を制御する制御部40と、スペクトラム拡散された受信信号(同期信号)をレプリカを用いて相関係数を演算するとともに、基準クロックを有して時刻を逐次出力する時計部43を参照して時刻情報を逐次出力する測時部42と、受信した信号を一時記憶するとともに制御プログラムや自己のIDK1乃至IDK4等を記憶する記憶部44と、I/F部(入出力インターフェース部)46とを備え、たとえば図1に示すように、位置測定空間Pの上部たとえば天井を囲む4辺のそれぞれの中間部に設置されるとともに、I/F部46および通信回線12を介して測位サーバ14に接続されている。
前記図6において、測位サーバ14は、所謂コンピュータにより構成されており、通信回線12を介して基地局K1乃至K4に接続されたI/F部(入出力インターフェース部)50と、受信した信号を一時的に記憶する第1記憶部52と、測位演算処理プログラムが予め記憶された第2記憶部54と、信号入力のためにキーボードや或いはマウスなどから構成される入力部56と、第2記憶部54に予め記憶された測位演算処理プログラムに従って、入出力インターフェース部50から入力される信号を処理するとともにその入出力インターフェース部50を介して指令を出力することにより、基地局K1乃至K4の位置を算出し、且つ移動局Mの位置を算出する制御部58とを備えている。この制御部58により算出された移動局Mの位置は、図示しない表示器に表示されるとともに、通信回線12を介して接続された図示しない他の端末装置へ送信される。
図8は移動局Mの制御部20の制御作動の要部を示すフローチャートである。図8のステップ(以下、ステップを省略する)SM1では、いずれかの基地局からの指令を受信したか否かが判断される。このSM1の判断が否定されるうちはSM2の実行がスキップされるが、肯定されると、SM2において、自己のIDM を表す信号と、基地局Kで受信タイミングを正確に検出するためにM系列符号やGold径列符号でスペクトラム拡散された同期コードS0とが送信される。この送信は必要に応じて比較的短い所定の周期で繰り返し実行される。
図9は、固定発信器C1乃至C4の制御作動の要部を示すフローチャートである。図9のSC1において、たとえば基地局K1からの同期コードの送信指令が受信されたか否かが判断される。この判断が否定されるうちはSC2の実行がスキップされるが、肯定されると、SC2において、記憶部32に記憶された自己のIDとスペクトラム拡散された同期コードにより変調された電波が送信されるとともに、その発信時刻t1 が記憶部32に記憶される。次いで、SC3では、基地局Kからの同期コードの受信指令を受信したか否かが判断される。このSC3の判断が否定されるうちはSC4の実行がスキップされるが、肯定されると、SC4において、同期コードを受信するとともに、その受信時刻t2 乃至t4 がそれぞれの記憶部32に記憶される。さらに、SC5では、時刻情報送信指令を受信したか否かが判断される。このSC5の判断が否定されるうちはSC6の実行がスキップさせられるが、肯定されると、SC6において、記憶されていた送信時刻情報t1或いは受信時刻情報t2 乃至t4 が自己のIDとともに送信される。また、送信時には、各固定発信器からの受信時刻ts1乃至ts4が合わせて送信される。たとえば、基地局K1からの同期コード送信指令が固定発信器C1を指定するものであって、その固定発信器C1がその同期コード送信指令を受信する場合には、固定発信器C1では専ら上記SC1およびS2が実行され、他の固定発信器C2乃至C4では、同期コード受信指令を受けて、上記専らSC3およびS4が実行される。その後、基地局からの時刻情報送信指令を受けて、C1乃至C4でSC5およびSC6が実行される。このようにして固定発信器C1から送信された発信時刻t1 を表す信号と、固定発信器C2乃至C4から送信された受信時刻t2 乃至t4 を表す信号とを含む電波は、それら電波の発信時刻ts1乃至ts4を示す信号と各固定発信器を識別するためのIDC1乃至IDC4と共に、後述のように基地局K1によって受信される。
図10は基地局K1の制御部40の制御作動の要部を示すフローチャートである。
図10において、SK1では、同期コードを表す電波を固定発信器C1から送信させるためのコマンド(送信指令)を送信する指令が測位サーバ14から入力されたか否かが判断される。このSK1の判断が否定されるうちはSK2の実行がスキップさせられるが、肯定されると、SK2において、同期コードを固定発信器C1から送信させるコマンドを表す電波が基地局K1から固定発信器C1へ送信される。次に、SK3では、固定発信器からの電波を受信する指令が測位サーバ14から入力されたか否かが判断される。このSK3の判断が否定されるうちはSK4の実行がスキップさせられるが、肯定されると、SK4において、固定発信器C1乃至C4から送信された電波が受信され、その受信時刻s1乃至s4が記憶される。続くSK5において、固定発信器C1の同期コード発信時刻t1 、固定発信器C2乃至C4の同期コードの受信時刻t2 乃至t4 、固定発信器C1乃至C4の基地局K1に対する電波の発信時刻ts1乃至ts4、および、上記基地局K1の受信時刻s1 乃至s4 が、測位サーバ14へ出力される。
次いで、SK6において、同期コードを表す電波を基地局K1から送信させるためのコマンド(送信指令)を送信する指令が測位サーバ14から入力されたか否かが判断される。このSK6の判断が否定されるうちはSK7の実行がスキップさせられるが、肯定されると、SK7において、同期コードを固定発信器C1から送信させるコマンドを表す電波が基地局K1から固定発信器C1へ送信される。次に、SK7では、同期コードが基地局K1から他の基地局K2乃至K4へ送信され、その発信時刻T1が記憶部44に記憶されるとともに、基地局K1のIDK1とともに測位サーバ14へ出力される。次に、SK8において、他の基地局からの同期コードを受信する指令が測位サーバ14から入力されたか否かが判断される。このSK8の判断が否定されるうちはSK9、SK10の実行がスキップさせられるが、肯定されると、基地局K1から送信された電波が受信され、その受信時刻T2乃至T4が記憶部44に記憶される。次いで、SK10において、その受信時刻T2乃至T4が各基地局K2乃至K4のIDM2乃至IDM4とともに測位サーバ14へ出力される。
次いで、SK11では、移動局Mからの電波を受信する指令が測位サーパ14から入力されたか否かが判断される。このSK11の判断が否定されるうちはSK12およびSK13の実行がスキップさせられるが、肯定されると、SK12において、上記移動局Mからの電波が受信され、その受信時刻S1が記憶される。続くSK13においては、その受信時刻S1が移動局Mからの発信時刻S0および移動局IDM と共に測位サーバ14へ出力される。
図11乃至図14は、測位サーバ14の制御作動を説明するフローチャートであり、図11は位置検出制御のメインフローを示し、図12は図11の固定発信器間時計誤差算出ルーチンを示し、図13は図11の基地局位置算出ルーチンを示し、図14は基地局間時計誤差算出ルーチンをそれぞれ示している。
図11のメインフローの実行に先立っては、固定発信器設置工程に相当する作業が実行される。すなわち、固定発信器C1乃至C4を境界線の交点等の位置データを容易に取得できる位置、たとえば図1に示すように位置測定空間Pの床上の4箇所の隅R1、R2、R3、R4の内側位置に設置する作業が行われるとともに、たとえば位置測定空間Pの外郭を構成する建造物の図面から読み取られた固定発信器C1乃至C4の設置位置(xn,yn,zn ;n=1〜4)が入力部56から入力操作されることにより第1記憶部52に記憶される。一般に、建造物であれば、その図面内において固定発信器C1乃至C4の設置位置を提供する電子データである設計時のCADデータが採用され、そのCADデータから固定発信器C1乃至C4の設置位置(xn,yn,zn ;n=1〜4)が取得される。
次いで、オペレータの入力部56を使用した測位開始操作に応答して図11のメインフローが実行される。先ず、図11のS1では、基地局K1乃至K4の少なくとも1部の新たな設置や設置位置変更、基地局K1乃至K4や固定発信器C1乃至C4の部品交換特に時計部30、時計部43、測時部42の修理や交換などの更新条件が成立したか否かが、入力部56からの入力信号や受信した信号等に基づいて判断される。このS1の判断が否定される場合は、S6以下の移動局Mの位置算出のためのステップが実行される。
しかし、S1の判断が肯定される場合は、S2において、予め入力部56から入力操作されて第1記憶部52に記憶された固定発信器C1乃至C4の設置位置情報(xn,yn,zn ;n=1〜4)が、設置位置データとアンテナ位置とがずれている場合は必要に応じてたとえば図7に示すずれの修正を受けた後に、第1記憶部52から読み込まれる。
次いで、固定発信器時計合せ工程或いは固定発信器時計合せ手段に対応するS3の固定発信器間時計誤差算出ルーチンが図12に示すように実行される。図12のS31では、図15に示すように基地局K1から発信指示をさせ、その発信指示を受けた固定発信器C1が同期コードを発信したときの発信時刻t1 と、他の固定発信器C2乃至C4がその同期コードを受信した受信時刻t2 乃至t4 とが各記憶部32に記憶されるとともに、図16に示すように、それら発信時刻t1 および受信時刻t2乃至t4 は基地局K1へ送信されてその基地局K1の記憶部44に予め記憶される。これにより、図12のS31では、それら発信時刻t1 および受信時刻t2乃至t4 が、基地局K1から第1記憶部52に読み込まれる。次いで、S32では、予め記憶された次式から、前記固定発信器C1乃至C4の既知の位置(xn,yn,zn ;n=1〜4)に基づいて、固定発信器C1と他の固定発信器C2乃至C4との間の実距離d12、d13、d14が算出される。
d12=√[(x1-x2)2 +(y1-y2)2 +(z1-z2)2]
d13=√[(x1-x3)2 +(y1-y3)2 +(z1-z3)2]
d14=√[(x1-x4)2 +(y1-y4)2 +(z1-z4)2]
d13=√[(x1-x3)2 +(y1-y3)2 +(z1-z3)2]
d14=√[(x1-x4)2 +(y1-y4)2 +(z1-z4)2]
そして、S33では、予め記憶された次式から、上記固定発信器C1と他の固定発信器C2乃至C4との間の実距離d12、d13、d14と、上記固定発信器C1から送信された発信時刻t1および他の固定発信器C2乃至C4の受信時刻t2乃至t4とに基づいて、固定発信器C1と他の固定発信器C2乃至C4との時計部30間の時計誤差δ12、δ13、δ14(sec)が算出される。たとえば固定発信器C1と固定発信器C2との時計部30間の時計誤差δ12を示す次式は、δ12=d12/c− (t2 −t1 )として変形することができ、その右辺第1項は距離d12を電波の速度cで割ったことにより得られる理論的な伝搬時間であり、第2項は固定発信器C1の時計部30で計測された発信時刻t1 と固定発信器C2の時計部30で計測された受信時刻t2 との間の時間である実測の伝搬時間であり、それら時計部30が正しければ上記時計誤差δ12が零となるが、いずれか一方がずれていれば、上記時計誤差δ12が正または負の値として得られる。なお、次式以下の各式において、cは予め設定され且つ記憶された電波の速度(光速)である。
δ12=(t1 +d12/c)−t2
δ13=(t1 +d13/c)−t3
δ14=(t1 +d14/c)−t4
δ13=(t1 +d13/c)−t3
δ14=(t1 +d14/c)−t4
図11に戻って、基地局位置算出工程或いは基地局位置算出手段に対応するS4の基地局位置算出ルーチンが、図13に示すように実行される。前記のように各固定発信器C1乃至C4から基地局K1へ固定発信器C1から送信された発信(送信) 時刻t1 を表す信号と、固定発信器C2乃至C4から送信された受信時刻t2 乃至t4 を表す信号とを含む電波送信されるとき、図17に示すように固定発信器C1乃至C4からはそれらの発信時刻情報である発信(送信)時刻ts1乃至ts4および各IDも共に送信されてくる。このため、図13のS41では、固定発信器C1乃至C4からそれぞれ送信されてきた電波の発信時刻ts1乃至ts4と、それらの電波を受けた基地局K1の受信時刻s1 乃至s4 とが、基地局K1から入力される。次いで、S42では、各固定発信器C1乃至C4間の時計誤差δ12、δ13、δ14を考慮して、基地局K1と各固定発信器C1乃至C4との間の4経路の電波の伝搬距離l1 、l2 、l3 、l4 が、予め記憶された次式から、上記発信時刻ts1乃至ts4および受信時刻s1 乃至s4 に基づいてそれぞれ算出される。次式では、上記4経路での発信時刻ts1乃至ts4と受信時刻s1 乃至s4 との間の伝搬時間(s1 −ts1)、 [s2 −(ts2+δ12)] 、 [s3 −(ts3+δ13)] 、 [s4 −(ts4+δ14)] に、電波の速度cがそれぞれ掛け算されることにより伝搬距離l1、l2 、l3 、l4 が算出されている。
l1 =c(s1 −ts1)
l2 =c [s2 −(ts2+δ12)]
l3 =c [s3 −(ts3+δ13)]
l4 =c [s4 −(ts4+δ14)]
l2 =c [s2 −(ts2+δ12)]
l3 =c [s3 −(ts3+δ13)]
l4 =c [s4 −(ts4+δ14)]
続くS43では、予め記憶された連立方程式から、上記距離l1 、l2 、l3 、l4 および各固定発信器C1乃至C4の設置位置(xn,yn,zn ;n=1〜4)に基づいて、各基地局K1乃至K4の設置位置(Xn,Yn,Zn ;n=1〜4)が算出される。なお、以下に示す予め記憶された連立方程式は固定発信器C1の設置位置(X1,Y1,Z1 )を算出するためのものであるが、他の基地局K2乃至K4の設置位置(Xn,Yn,Zn ;n=2〜4)を算出する場合も同様のものが用いられる。
√[(X1-x2)2 +(Y1-y2)2 +( Z1-z2)2]−
√[(X1-x1)2 +(Y1-y1)2 +( Z1-z1)2]=l2 −l1
√[(X1-x3)2 +(Y1-y3)2 +( Z1-z3)2]−
√[(X1-x1)2 +(Y1-y1)2 +( Z1-z1)2]=l3 −l1
√[(X1-x4)2 +(Y1-y4)2 +( Z1-z4)2]−
√[(X1-x1)2 +(Y1-y1)2 +( Z1-z1)2]=l4 −l1
√[(X1-x1)2 +(Y1-y1)2 +( Z1-z1)2]=l2 −l1
√[(X1-x3)2 +(Y1-y3)2 +( Z1-z3)2]−
√[(X1-x1)2 +(Y1-y1)2 +( Z1-z1)2]=l3 −l1
√[(X1-x4)2 +(Y1-y4)2 +( Z1-z4)2]−
√[(X1-x1)2 +(Y1-y1)2 +( Z1-z1)2]=l4 −l1
図11に戻って、基地局時計合せ工程或いは基地局時計合せ手段に対応するS5の基地局間時計誤差算出ルーチンが図14に示すように実行される。図14のS51では、図18に示すように、基地局K1から同期コードが発信させられると、基地局K1ではその同期コードを発信した発信時刻T1 が記憶部44に記憶され、記憶された発信時刻T1 が測位サーバ14へ送信されてそれが第1記憶部52に読み込まれる。次いで、S52では、図18に示すように、同期コードを受信した他の基地局K2乃至K4ではその同期コードの受信時刻T2 乃至T4 が各記憶部44に記憶されるので、各基地局K1乃至K4に記憶された受信時刻T2 乃至T4 が測位サーバ14へ送信されてそれらが第1記憶部52に読み込まれる。
続くS53では、予め記憶された次式から、S4において算出された各基地局の設置位置(Xn,Yn,Zn ;n=1〜4)に基づいて、基地局K1と他の基地局K2乃至K4との間の距離D12、D13、D14が算出される。
D12=√[(X1-X2)2 +(Y1-Y2)2 +( Z1-Z2)2]
D13=√[(X1-X3)2 +(Y1-Y3)2 +( Z1-Z3)2]
D14=√[(X1-X4)2 +(Y1-Y4)2 +( Z1-Z4)2]
D13=√[(X1-X3)2 +(Y1-Y3)2 +( Z1-Z3)2]
D14=√[(X1-X4)2 +(Y1-Y4)2 +( Z1-Z4)2]
次いで、S54では、予め記憶された次式から、上記基地局K1と他の基地局K2乃至K4との間の距離D12、D13、D14と、上記基地局K1から送信された発信時刻T1および他の基地局K2乃至K4の受信時刻T2乃至T4とに基づいて、基地局K1と他の基地局K2乃至K4の時計部43間の時計誤差Δ12、Δ13、Δ14(sec)が算出される。たとえば基地局K1と基地局K2との時計部43間の時計誤差Δ12を示す次式は、Δ12=D12/c−(T2 −T1 )として変形することができ、その右辺第1項は距離D12を電波の速度cで割ったことにより得られる理論的な伝搬時間であり、第2項は基地局K1の測時部42でその時計部43の時刻を参照して計測された発信時刻T1 と基地局K2の測時部42でその時計部43の時刻を参照して計測された受信時刻T2 との間の時間である実測の伝搬時間であり、それら時計部43が正しければ上記時計誤差Δ12は零となるが、いずれか一方がずれていれば、上記時計誤差Δ12が正または負の値として得られる。
Δ12=(T1 +D12/c)−T2
Δ13=(T1 +D13/c)−T3
Δ14=(T1 +D14/c)−T4
Δ13=(T1 +D13/c)−T3
Δ14=(T1 +D14/c)−T4
以上のようにして、各基地局K1乃至K4の設置位置(Xn,Yn,Zn ;n=1〜4)が算出され、基地局K1と他の基地局K2乃至K4の時計部43間の時計誤差Δ12、Δ13、Δ14が算出されると、発信受信時刻検出工程或いは発信受信時刻検出手段に対応する図11のS6乃至S7と、移動局位置算出工程或いは移動局位置算出手段に対応する図11のS8乃至S9とを含む移動局Mの測位ルーチンが実行される。先ず、図11のS6では、図19に示すように、基地局K1から移動局Mへ送信指令信号が発信される。この送信指令信号を受けた移動局Mからは、発信(送信)時刻S0と移動局Mの自己のIDM とを表す電波が発信される。続くS7では、その電波を受けた各基地局K1乃至K4が、電波のそれぞれの受信時刻S1乃至S4とその電波が示す発信時刻S0と移動局Mの自己のIDM とを第1記憶部52に記憶するとともに、それら移動局Mの発信時刻S0およびIDM と、各基地局K1乃至K4の受信時刻S1乃至S4とが、各基地局K1乃至K4から通信回線12を介して測位サーバ14の第1記憶部52に読み込まれる。上記電波の発信時刻S0および受信時刻S1乃至S4は、移動局Mから発信されて各基地局K1乃至K4が受信するまでの電波の伝搬時間を示すものであるから、上記発信受信時刻検出工程或いは発信受信時刻検出手段は、伝搬時間検出工程或いは伝搬時間検出手段にも対応している。
次いで、前記移動局位置算出工程に含まれる基地局移動局間距離算出工程或いは基地局移動局間距離算出手段に対応するS8では、予め記憶された次式から、S7において読み込まれた、移動局Mの発信時刻S0 および各基地局K1乃至K4の受信時刻S1 乃至S4 と、各基地局K1乃至K4の時計部43間の時計誤差Δ12、Δ13、Δ14とに基づいて、各基地局K1乃至K4と移動局Mとの間の4経路の伝搬の伝搬距離L1 、L2 、L3 、L4 がそれぞれ算出される。次式では、上記4経路での発信時刻S0と受信時刻S1 乃至S4 との間の実測の伝搬時間(S1 −S0 )、(S2 +Δ12−S0)、(S3 +Δ13−S0 )、(S4 +Δ14−S0 )に、電波の速度cがそれぞれ掛け算されることにより伝搬距離L1 、L2 、L3 、L4 が算出されている。したがって、このS8には、伝搬時間算出工程或いは伝搬時間算出手段が含まれる。
L1 =c(S1 −S0 )
L2 =c(S2 +Δ12−S0 )
L3 =c(S3 +Δ13−S0 )
L4 =c(S4 +Δ14−S0 )
L2 =c(S2 +Δ12−S0 )
L3 =c(S3 +Δ13−S0 )
L4 =c(S4 +Δ14−S0 )
そして、移動局位置算出工程に対応するS9では、予め記憶された次式から、S4において算出された各基地局K1乃至K4の設置位置(Xn,Yn,Zn ;n=1〜4)、および、各基地局K1乃至K4と移動局Mとの間の距離L1 、L2 、L3 、L4 に基づいて、移動局Mの位置(x,y,z)が算出される。
√[(X2-x)2+( Y2-y)2+( Z2-z)2] −
√[(X1-x)2+( Y1-y)2+( Z1-z)2] =L2 −L1
√[(X3-x)2+( Y3-y)2+( Z3-z)2] −
√[(X1-x)2+( Y1-y)2+( Z1-z)2] =L3 −L1
√[(X4-x)2+( Y4-y)2+( Z4-z)2] −
√[(X1-x)2+( Y1-y)2+( Z1-z)2] =L4 −L1
√[(X1-x)2+( Y1-y)2+( Z1-z)2] =L2 −L1
√[(X3-x)2+( Y3-y)2+( Z3-z)2] −
√[(X1-x)2+( Y1-y)2+( Z1-z)2] =L3 −L1
√[(X4-x)2+( Y4-y)2+( Z4-z)2] −
√[(X1-x)2+( Y1-y)2+( Z1-z)2] =L4 −L1
上述のように、本実施例によれば、既知の複数位置にそれぞれ設置された複数の固定発信器C1乃至C4から所定の基地局K1へ発信された電波の発信時刻ts1乃至ts4および受信時刻s1 乃至s4 がそれぞれ検出され、基地局位置算出工程(S4) において、それら電波の発信時刻ts1乃至ts4および受信時刻s1 乃至s4 と、それらの固定発信器C1乃至C4の既知の位置(xn,yn,zn ;n=1〜4)とに基づいて、所定の基地局K1を含む複数の基地局K1乃至K4の位置(Xn,Yn,Zn ;n=1〜4)がそれぞれ算出されるので、各基地局K1乃至K4の位置をそれぞれ実測しないでもそれらの基地局K1乃至K4の位置を正確に測定できる。また、複数の基地局K1乃至K4がそれぞれ受信した移動局Mからの電波の伝搬距離L1 、L2 、L3 、L4 とその基地局K1乃至K4の位置(Xn,Yn,Zn ;n=1〜4)とに基づいて移動局Mの位置(x, y, z)を測定することができる。
また、本実施例によれば、複数の固定発信器C1乃至C4を、位置測定空間P内においてCADデータにより既に位置出しされている場所に設置する固定発信器設置工程を、含むことから、固定発信器C1乃至C4の位置が正確且つ容易に求められ、移動局測位のための測位サーバ(電子制御装置)14へ入力される。
また、本実施例によれば、固定発信器設置工程は、複数の固定発信器C1乃至C4を、移動局Mの位置測定空間P内の4ケ所以上に設置されることから、所定の固定発信器たとえばC1から少なくとも3つの他の固定発信器C2乃至C4へ同期コード信号を送信したときの、所定の固定発信器C1の発信時刻t1 と他の固定発信器C2乃至C4の受信時刻t2 乃至t4 とから、所定の固定発信器C1と他の固定発信器C2乃至C4との間の実距離d12、d13、d14が求められ、それらの実距離d12、d13、d14からC1と他の固定発信器C2乃至C4との間の時計部30或いはその時計部30のクロックを基準として発生させられる時刻データの相互間の時計誤差δ12、δ13、δ14(sec)が求められる。
また、本実施例によれば、固定発信器設置工程は、複数の固定発信器C1乃至C4を、位置測定空間Pのコーナ部またはそのコーナ部から一定の位置に設置されることから固定発信器C1乃至C4の位置精度が正確に得られる。
また、本実施例によれば、(a) 複数の固定発信器C1乃至C4の既知の位置(xn,yn,zn ;n=1〜4)に基づくそれら複数の固定発信器C1乃至C4間の実距離d12、d13、d14と電波の速度cとから算出される理論上の電波の伝搬時間d12/c、d13/c、d14/cと、それら複数の固定発信器C1乃至C4のうちの1つの固定発信器C1から他の固定発信器C2乃至C4への電波の実測の伝搬時間(t2 −t1 )、(t3−t1 )、(t4−t1)に基づいて、それら複数の固定発信器C1乃至C4に備えられた時計部30の相互の時計誤差δ12、δ13、δ14を求める固定発信器時計合せ工程(S3)を含み、(b) 基地局位置算出工程(S4)では、固定発信器C1乃至C4に備えられた時計部30の相互の時計誤差δ12、δ13、δ14を考慮した、複数の固定発信器C1乃至C4から複数の基地局K1乃至K4までの電波の伝搬時間(s1 −ts1)、 [s2 −(ts2+δ12)] 、 [s3 −(ts3+δ13)] 、 [s4 −(ts4+δ14)] に基づいて伝搬距離l1 、l2 、l3 、l4 を算出し、その伝搬距離l1 、l2 、l3 、l4 と固定発信器C1乃至C4の既知の位置(xn,yn,zn ;n=1〜4)とに基づいて、複数の基地局K1乃至K4の位置(Xn,Yn,Zn ;n=1〜4)を算出するものである。このため、固定発信器C1乃至C4に備えられた時計部30の相互の時計誤差すなわち時間誤差δ12、δ13、δ14を考慮して、複数の固定発信器C1乃至C4から複数の基地局K1乃至K4までの電波の伝搬時間に基づいて複数の基地局K1乃至K4の位置(Xn,Yn,Zn ;n=1〜4)が正確に算出されるので、複数の基地局K1乃至K4がそれぞれ受信した移動局Mからの電波の伝搬距離L1 、L2 、L3 、L4 とその基地局K1乃至K4の位置(Xn,Yn,Zn ;n=1〜4)とに基づいて移動局Mの位置(x, y, z)が正確に測定される。
また、本実施例によれば、(a) 基地局位置算出工程(S4)により求められた複数の基地局K1乃至K4の位置(Xn,Yn,Zn ;n=1〜4)間の距離D12、D13、D14と電波の速度cとから算出される理論上の電波の伝搬時間D12/c、D13/c、D14/cと、それら基地局K1乃至K4のうちの1つの基地局K1から他の基地局K2乃至K4への電波の実測の伝搬時間(T2 −T1 )、(T3−T1 )、(T4−T1)と基づいて、各基地局K1乃至K4に備えられた時計部43の相互の時計誤差Δ12、Δ13、Δ14を求める基地局時計合せ工程(S5)と、(b) それら基地局K1乃至K4の間の相互の時計誤差Δ12、Δ13、Δ14を考慮した、移動局Mから複数の基地局K1乃至K4までの電波の伝搬時間(S1 −S0 )、(S2 +Δ12−S0 )、(S3 +Δ13−S0 )、(S4 +Δ14−S0 )から算出された伝搬距離L1 、L2 、L3 、L4 と、基地局位置算出工程により算出された基地局K1乃至K4の位置(Xn,Yn,Zn ;n=1〜4)とに基づいてその移動局Mの位置(x, y, z)を算出する移動局位置算出工程(S8、S9)とを、含むものである。このため、基地局K1乃至K4に備えられた時計部43の相互の時計誤差Δ12、Δ13、Δ14と移動局Mから複数の基地局K1乃至K4までの電波の伝搬時間(S1 −S0 )、(S2 +Δ12−S0)、(S3 +Δ13−S0 )、(S4 +Δ14−S0 )とに基づいて移動局Mの位置(x, y, z)が正確に算出される。
図20は、位置測定空間Pの他の例と、この位置測定空間Pにおける固定発信器C1乃至C4および基地局K1乃至K4の他の配置例を示している。この位置測定空間Pは、図1において固定発信器C3が配置されていた1つの隅において、柱、棚等の各柱状の障害物が突き出た1つの角Dが設けられている結果、5つの隅R1、R2、R4、R5、R6と1つの角Hから構成されている。基地局K1乃至K4に対して見通しのよい位置として、固定発信器C3はその1つの角の先端部に配置されているので、5つの隅R1、R2、R4、R5、R6にそれぞれ固定発信器を設ける場合に比較して、少ない台数とされる。
以上、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、更に別の態様においても実施される。
例えば、前述の実施例では、移動局Mおよび固定局K1乃至K4は、2.4GHz帯のキャリヤ周波数を用いていたが、他の周波数帯を用いるものであってもよく、また、同期コードとしてスペクトラム拡散された信号を用いたが、UWB(Ultra Wide Band)により同期コードを送受信してもよい。
また、前述の実施例において、固定発信器C1乃至C4の設置位置(xn,yn,zn ;n=1〜4)、基地局K1乃至K4の設置位置(Xn,Yn,Zn ;n=1〜4)、移動局Mの位置(x,y,z)は、x−y−z直交座標系で表現されていたが、他の座標系であってもよい。
また、前述の実施例において、基地局K1乃至K4の設置位置(Xn,Yn,Zn ;n=1〜4)、移動局Mの位置(x,y,z)を算出するために用いられる連立方程式は、等号の両側が距離差とされた連立方程式であったが、本実施例は、時計誤差が予め解消された後で3つの未知数(Xn,Yn,Zn )または(x,y,z)を求めるものであるので、たとえば等号の両辺が距離そのものである3つの連立方程式であってもよい。要するに、3つの未知数を求めることが可能な3つ以上の連立方程式であればよい。
また、前述の実施例において、既知の設置位置(xn,yn,zn ;n=1〜4)に設置された4台の固定発信器C1乃至C4と、設置位置(Xn,Yn,Zn ;n=1〜4)に設置された4台の基地局K1乃至K4が用いられていたが、3台ずつであってもよいし、5台以上であってもよい。
また、前述の実施例において、図8のステップSM1では、いずれかの基地局からの指令を受信したか否かが判断されていたが、予め設定された一定の周期で発信(送信) 時刻となったか否かが判断されるようにしてもよい。
なお、前述の実施例においては、前記伝搬時間検出工程に対応する発信受信時刻検出工程(S6乃至S7)は、移動局Mから発信され各基地局K1乃至K4のそれぞれが受信する電波の前記移動局Mにおける発信時刻S0と各基地局K1乃至K4のそれぞれにおける受信時刻S1乃至S4に基づいて電波の伝搬時間を検出したが、かかる態様に限られない。例えば各基地局K1乃至K4のそれぞれから発信され、移動局Mが受信する電波のそれぞれについて、各基地局K1乃至K4における発信時刻S11乃至S14と、前記移動局Mにおける電波の受信時刻S21乃至S24とに基づいて基地局K1と移動局Mとの間の電波の伝搬時間をS21−S11、基地局K2と移動局Mとの間の電波の伝搬時間をS22−S12、のように算出してもよい。また、各基地局K1乃至K4のそれぞれと移動局Mとの間の電波の往復の伝搬時間を検出し、その2分の1の値を伝搬の伝搬時間とすることも可能である。
その他、一々例示はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
Claims (6)
- 移動局と複数の基地局との間で電波を送受信し、それらの電波の伝搬時間と該複数の基地局の位置とに基づいて該移動局の位置を測定する移動局位置測定方法であって、
前記移動局の位置測定空間内の既知の複数位置にそれぞれ設置された複数の固定発信器から各基地局へ発信された電波の伝搬時間と、前記固定発信器の既知の位置とに基づいて、前記複数の基地局の位置を算出する基地局位置算出工程
を、含むことを特徴とする移動局位置測定方法。 - 前記複数の固定発信器を、前記位置測定空間内において固定発信器の位置を提供する固定発信器の電子データにより既に位置出しされている場所に設置する固定発信器設置工程を、含むことを特徴とする請求項1の移動局位置測定方法。
- 前記固定発信器設置工程は、前記複数の固定発信器を、前記位置測定空間内の4ケ所以上に設置することを特徴とする請求項2の移動局位置測定方法。
- 前記固定発信器設置工程は、前記複数の固定発信器を、前記位置測定空間のコーナ部または該コーナ部から一定の位置に設置することを特徴とする請求項2又は3のいずれかの移動局位置測定方法。
- 既知の前記複数の固定発信器の位置に基づく該複数の固定発信器間の距離と電波の速度とから算出される電波の伝搬時間と、該複数の固定発信器のうちの1つからの発信時刻と他の固定発信器への受信時刻との間の時間である電波の実測の伝搬時間と基づいて、該複数の固定発信器間の相互の時計誤差を求める固定発信器時計合せ工程を含み、
前記基地局位置算出工程は、前記固定発信器間の時計誤差を考慮した、前記複数の固定発信器から前記複数の基地局までの電波の伝搬時間に基づいて伝搬距離を算出し、該伝搬距離と前記固定発信器の既知の位置とに基づいて、前記複数の基地局の位置を算出するものであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかの移動局位置測定方法。 - 前記基地局位置算出工程により求められた前記複数の基地局の位置間の距離と電波の速度とから算出される電波の伝搬時間と、該基地局のうちの1つからの発信時刻と他の基地局への受信時刻との間の時間である電波の実測の伝搬時間と基づいて、該基地局間の相互の時計誤差を求める基地局時計合せ工程と、
前記基地局間の相互の時計誤差を考慮した、前記移動局から前記複数の基地局までの電波の伝搬時間から算出された伝搬距離と、前記基地局位置算出工程により算出された前記基地局の位置とに基づいて該移動局の位置を算出する移動局位置算出工程と
を、含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかの移動局位置測定方法。
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2009
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