WO2000075684A1 - Dispositif de positionnement utilisant une communication cellulaire - Google Patents

Description

明 細 書

セルラ通信を使った測位装置 技術分野

本発明は、 セルラ通信において端末の位置を検出する装置に関する。 背景技術

米 F C Cでは無線通信において位置検出できるよう勧告を出している。 日本においても P H Sを使った位置検出がされている。

ナビゲーシヨンやガイ ドサ一ビス等、 より高精度な位置検出について は、 例えば U S P 5 8 4 1 3 9 6力 セルラ通信を使って G P Sの受信 情報を送る D G P S技術を開示している。

他の測位技術として、 基地局において端末から送信される信号の電界 強度、 到来方向、 或いは遅延時間から端末位置を推定する方法がある。 他に、 端末が測定した信号の特徴を抽出してロケーションサーバに送 信し、 サーバが端末位置を特定する方法がある。 発明の開示

上記 D G P Sを利用した測位方法はセルラ通信端末に G P S受信機と 信号処理装置をさらに付加する必要がある。 また G P Sの受信信号は微 弱なので測位可能ェリアは限られ、 屋内や車内等の弱電界強度ェリァで のセルラ通信端末の測位が難しレ、。

次に、 端末からの送信信号を基地局で受信する上記方法は、 連続測定 を行う場合に端末の消費電力が大きくなり、 端末の電池寿命が課題とな る。 また測定精度を向上させるためには多くの基地局において端末を観 測することが必要となる。 しかし、 その場合は基地局資源を同時に多数 使う必要があり、 運用コス トの増加や、 現行システムに簡単に応用でき ない等の課題がある。

そこで、 各基地局が同一一定時間間隔でパルス信号を送信し、 各報知 チャネルで当該基地局を特定する情報や周辺基地局からのパルス信号と の位相関係を示す信号が送信されるセルラ方式での測位方法が検討され た。

その結果、 上記課題は、 端末が、 複数の基地局から発信される信号の 符号系列又は送信タイミング及びそれら基地局の緯度と経度を記憶する 記憶手段と、 測定された複数の基地局からの信号の受信タイミングと該 記憶手段に蓄積された複数基地局の信号送信タイミングとの照合、 ある いは符号系列の照合により受信した信号の発信元基地局を推定するとと もに、 推定された基地局の発信タイミングと受信タイミングの差から伝 搬遅延量を推定する遅延量推定手段と、 少なくとも 3局以上の基地局に ついて推定された伝搬遅延量に基づき端末位置を推定する位置推定手段 とをもつこと、 によって解決されることがわかった。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の 1実施例の構成を示す図である。

図 2は、 送信タイミングと受信タイミングの時間ずれ発生を説明する 図である。

図 3は、 本発明の第 2の実施例の構成を示す図である。

図 4は、 本発明の第 3の実施例の構成を示す図である。

図 5は、 本発明の第 4の実施例の構成を示す図である。

図 6は、 本発明の第 5の実施例の構成を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 図面を用いて本発明の具体的な実施形態について詳細に説明す る。

図面における符号は以下のとおりである。

I . . . 端末、 2. . . RF部、 3. . . IF部、 4. . . 逆拡散部、 5. . . 信号処理部、 6. . . 基地局情報蓄積用のメモリ、

I I、 1 2、 1 3. . . セルラ基地局、

21. . . 基地局アンテナ直下で受信した場合の逆拡散部出力、

22. . . 基地局アンテナから遠方で受信した場合の逆拡散部出力、 30. . . サーバ、 3 1. . . サ一バ内のメモリ、

32. . . 基地局装置内のメモリ、 40. . . 測定局、 4 1. . . 測定 局 RF部、 42. . . 測定局 I F部、 43. . . 測定局逆拡散部、

44. . . 測定局信号処理部 図 1は本発明の第 1 の実施例を示す。 図 2は第 1 の実施例で端末一基 地局間距離により受信される信号の絶対時間がずれることを示す概念図 である。 以下では拡散符号により帯域拡散された信号を例に取り説明を 行う。

図 1において、 3局ある基地局 （11、 1 2、 1 3) からはそれぞれ特 定の信号が送信されている。 基地局からの矢印は電波が端末で受信され ていることを示す。 端末 1ではアンテナにより受信された信号は RF部 2で増幅された後、 I F部 3でダウンコンバートされてデジタルのベー スパンド信号に変換される。 その後逆拡散部 4で特定符号系列との相関 検波からパス検出を行い、 デジタルシグナルプロセッサ （DS P) 5が 信号の受信タイミングを検出する。 この時、 基本的には端末 1に最も近 い基地局から、 当該基地局を判別する情報が送信される。 各基地局から 送信される符号系列と送信タイミングおよび送信基地局の緯度、 経度情 報は予めメモリ 6に蓄えられている。 これらの情報をもとに D S P 5は 受信タイミングのパスサーチをする。 これらの情報を用いることは受信 信号のパス検出時間を短縮するのに役立つ。 図 2で、 上図は端末を基地 局アンテナの真下においた場合の逆拡散部 4の出力を示す図であり、 1 点でピーク 2 1が観測されている。 下図は基地局一端末間がある距離離 れた場合の逆拡散部 4の出力を示しており、 ピーク 2 1 とずれた位置に ピーク 2 2が検出されている。 ここでは簡単のためマルチバスはないも のとしている。 ピーク 2 1と 2 2の間の位相シフト量から両者の伝搬距 離の差が逆算できる。 位置が既知である 2つの基地局からの距離がわか れば端末の位置を推定することが可能となる。

一般に移動体通信ではマルチパスにより様々なパスが検出される。 し かし、 そのうち最も受信タイミングの早い （時間軸で早期の） ものが最 短距離を伝搬してきたパスと推定できる。 そこで、 これを最短受信タイ ミングとする。 信号の送信されるべきタイミングはメモリ 6に蓄積され ているので、 測定結果と送信された時間との差をとることにより各基地 局からの相対遅延量、 あるいは相対伝搬距離が判明する。 なお、 端末で は基地局系の絶対時間がわからないため、 それぞれの測定結果は相対的 なものとなる。 端末において基地局系の絶対時間が判明している場合に は最低 2局の基地局からの 「絶対伝搬距離」 がわかる。 そのため、 既に 判明している基地局の緯度、 経度情報と絶対伝搬距離から、 端末の 2次 元位置 （緯度、 経度） の 2つの候補が推定される。 この 2つの候補のう ち、 前回の測位位置に近い方が現在の自己位置と推定される。 また、 絶 対時間がわからない場合でも、 最低 3基地局との 「相対伝搬距離」 から、 2次元位置と絶対時間を推定することが可能となる。 すなわち、 3つの 基地局の位置と送信タイミングの差と受信タイミングの差がわかれば、 一意に自己位置が確定する。 これは数学的に証明されるものであるとと もに、 この方法は GPSで使われている方法と同じであり、 詳細な説明は 省略する。

本発明では、 端末 1のメモリ 6に、 測定に必要な基地局情報を蓄積す ることで、 端末独自で測定が可能となる。 そのため、 測定結果を基地局 へ送信しなければならなかつた従来方法に対して、 信号の送信回数を削 减することができる。 また、 送信回数削減は電力削減につながるので、 端末の電池寿命を長大化することができる。 また連続測定する場合も サーバ等への連続アクセスが不要である。 さらに本発明では GPS等の他 システムも不要である。 従って、 該他システムに必要なハードウェアが 不要となり、 端末の小型化、 消費電力削減、 端末価格の低減で効果があ る。

第 1の実施例では、 拡散符号によるスぺク トル拡散信号を例に挙げて 説明した。 しかし、 送信される符号系列と、 予めメモリ 6に蓄えられて いる符号系列との相関処理から符号の受信タイミングを測定するという 原理が実現可能であれば、 T DMA C DMA、 あるいは Q P S Kや B P S Kといった多元接続方式や符号方式でもよい。 但し CDMA方式では、 一般にべ一スパンド信号の帯域が広いためパス分解能が高く、 高精度な 推定が可能である。 またマルチパスの分離能力も高い。

I S - 9 5に代表される CDMA 方式では下り回線で同期検波を実施す る為、 基地局からパイロッ ト信号が送信されている。 こうしたパイロッ ト信号のショ一トコ一ドは無変調かつ情報も伝送されておらず、 測位に 都合がよい。

また、 この場合、 送信出力は個別チャネルに比べて大きいため信号検 出も容易である。 従って、 同時に多数の基地局からの信号を捕獲しやす レ、。 受信したパイロットシンボルが、 どの基地局からの信号であるかを 識別するにはロングコードの位相により識別することができる。 周辺基 地局の送信タイミングは端末 1のメモリ 6に収納されている。 受信され た信号の逆拡散結果と収納されているタイミングの比較から、 その信号 に対応する基地局を推定することができる。 例えば受信された信号の相 対位置が予めメモリにもつパタンと一致するところを探す方法や、 端末 で予め持つ時計の精度を考慮して推定範囲をしぼり、 その中で先のパタ ンが一致する基地局を探す等の方法、 あるいは基地局から報知される情 報から最寄りの基地局を割り出す方法が考えられる。 本実施例ではパイ ロット信号を例に挙げて説明しているが、 共通制御チャネルで、 且つそ の送信信号内容が既知であればその送信信号を用いてもよい。

本発明は、 3つ以上の基地局からの信号を用いることができる。 例え ば 6局の基地局が観測可能な場合、 独立な 3局を 2組使って、 各組で得 られる端末の位置を推定することができる。 この場合、 各組で 1点の推 定位置が得られるので、 合計 2点が推定される。 独立の意味は、 各組で 得られた端末の位置の 2点の誤差が確率的に互いに独立であることを表 わしている。 従って、 得られた 2点を平均することで誤差が統計的に削 减され、 測定精度を向上させることができる。 同様に 3 N局の基地局が 観測できる場合には、 N点の独立な推定結果が得られるため、 統計的な 精度は Nの平方根に比例して向上させることができる。 I S— 9 5に代 表される C DMA方式ではパイ口ット信号を他の個別チャネルよりも高 い電力で出す方式がある。 そのため、 端末は 3局以上の基地局を観測で きる。 従って上記で説明した空間平均により効果的に測位精度を向上さ せることができる。

本実施例では、 伝搬路のインパルス応答を測定し、 その最も受信タイ ミングが早いパスをもって最短パスが推定される。 ところで移動体通信 の伝搬路はフエージングが発生する。 このことは時間間隔を隔てて測定 した場合にその誤差要因が独立であることを示している。 従って、 上記 の空間平均操作と同様に、 平均操作で測位誤差を削减できる。 そのため、 数回の測定を行ってそれらを独立な測定結果として扱えば、 測位精度を 向上させることができる。

3 N個の受信結果から推定される測定結果 1点は、 N点の 2乗誤差平 均が最小となる点を選ぶ方法でもよい。 こちらの方が演算数は増える力；、 測定精度は向上する。 よって課題は解決される。

第 2の実施例を図 3を用いて説明する。

第 1の実施例では、 端末のメモリに周囲基地局の符号系列と送信タイ ミングおよび緯度、 経度情報が蓄積されていた。 しかし、 運用上これら のパラメータは変更されることがある。 さらに全国の基地局情報を記憶 するとメモリ容量が大きくなる。 そのため、 セルラを使って定期的に、 あるいは必要に応じて情報を更新できるようにする。 そうすることで、 ユーザは端末の買い替えが不要となる。 また、 端末周辺の限られた基地 局分の情報だけを記憶するだけでよいので、 メモリ容量が小さくできる。

図 3で情報サーバ 30内のメモリ 31 には各基地局の情報が蓄積され ている。 各端末はセルラ基地局 1 1 を通じてサーバにアクセスし、 メモ リ 31内の情報を引き出す。 引き出された情報はセルラ基地局 1 1を介し、 無線接続で端末に転送される。 端末はこの信号を再生し、 自身のメモリ 6に情報を蓄積し、 測位時に本情報を活用する。 以上の工程により各端 末は情報の更新が定期的、 あるいは必要最小限で済むため、 端末消費電 力を削減することができる。 またメモリ内に最新情報をもって測位する ことができるため測位精度が劣化せずにすむ。

第 3の実施例を図 4を用いて説明する。

第 2 の実施例では、 端末が情報要求を出し、 情報更新を行っていた。 しかし第 3 の実施例では、 基地局 11 内に最新情報を蓄積し、 報知チヤ ネルを用いて報知する。 この場合、 端末から情報要求の送信を行わなく てよいので、 端末の消費電力を削減できる。 端末は報知チャネルを観測 し、 定期的又は必要に応じて自身のメモリ 6の内容を更新する。

図 4で、 基地局 1 1は測位に必要な情報を蓄積するメモリ 32 を具備 する。 測位に必要な情報は、 基地局の符号情報 （符号、 タイミング） 、 位置情報 （緯度、 経度） である。 これを報知チャネルで送信する。 端末 は、 情報が更新されたことを知ったら、 あるいは別のセルに移動したら、 あるいは電源が投入された時、 測位を開始する直前などに、 測位に必要 な上記情報をメモリ 6内に蓄積する。 情報を有料化する場合は、 情報に スクランブルをかけ、 デスクランブル方法を有償で提供する等の方法が 可能である。

端末において、 測定結果として得られるものが緯度、 経度情報だけで あると、 ユーザにとっては使いづらい。 そこで、 報知チャネルを使って その基地局周辺の地図情報も報知する。 端末は、 この地図情報の上に測 定結果の緯度及び経度情報から得られる地点を表示する。 これにより端 末は必要最小限の地図記憶手段のみで対応することができ、 端末の小型 軽量化できる。

図 5を用いて第 4の実施例を説明する。

第 3 の実施例では各基地局内の情報の更新に煩わしさがある。 そこで 複数の基地局に共有のサーバ 30を設け、 その内部のメモリ 31内に情報 を蓄積する。 情報はサーバ 30で一括更新できる。 基地局 1 1は定期的に サーバにアクセスし、 そのメモリ 32内の情報を更新している。

第 5の実施例を図 6を用いて説明する。

基地局は位置固定であり、 基準時間に対しその送信タイミングも殆ど ずれない。 しかしながらケーブルやフィルタによる遅延のため、 実際に アンテナから信号が送信されるタイミングが多少ずれてしまうことがあ る。 測定精度を高めるには、 送信されるべき時間と実際に送信された時 間との差を検知し、 補正する必要がある。

図 6では、 基地局同様にビル屋上等の見通しの良い場所に測定局 40 を設置する。 固定である測定局の緯度経度は精細に測定することができ る。 測定局は周囲基地局の信号を観測している。 測定局 40 には端末と 同様に RF部 41、 IF部 42、 逆拡散部 43、 信号処理部 44がある。 そして、 測定局 40 は、 逆拡散結果から各基地局の受信タイミングを割り出し、 既知である基地局一測定局間距離に基き、 アンテナから実際に信号送信 されるタイミングを計算する。 得られた送信タイミング結果は、 サーバ 30 に伝えられる。 サーバ 30 はメモリ 31 に補正されたデータを蓄積す る。 端末 1 は適時セルラ経由でサーバ 30 にアクセスし、 得られた補正 済みのデータを使って測位を行うことができる。

図 5の場合にも本実施例は適用できる。

第 6 の実施例を説明する。 都市部のビル街等では、 様々なマルチパス が発生するため、 測定精度が劣化する。 他方特徴的な人工物が増加する ため、 簡単な質問で人工物を特定することにより位置推定精度を向上で きる。 端末には通常、 液晶等の表示システムとキーパッドが具備されて いる。 その地域特有の構造、 形状を表示システムで表示し、 端末ユーザ がそれに答えることで推定精度を向上させることができる。 表示- ムは 「特徴的な建物甲が直前に見えるか？」 「レス トラン乙が右手に見 えるか」 等の視覚的な質問を行い、 その回答結果から測位精度を向上さ せていく。 また、 測位が不能なときなど、 端末が 「道沿いに 2 0 m移動 してください」 等の表示をして、 電波の不感地帯をさけることで測定精 度を向上させることができる。 質問は地図にリンクした情報であり、 端 末が地図情報をダウンロードする際、 同時にダウン口一ドする。

上記に列挙してきた実施例では、 端末のアンテナダイバーシチを行つ ていない例で説明した。 ダイバーシチ受信する場合、 それぞれのアンテ ナの受信信号は独立となるため、 ダイバーシチ枝の枠をこえた全てのパ スのなかで、 最も始めに受信されたパスを使って基地局一端末間の距離 推定を行えばよい。 マルチパスフェージングの影響はアンテナ毎に独立 であるため、 最短パスが受信される確率向上し、 推定精度が上がる。 セルラ通信環境では、 端末の移動や周囲環境の変化によってフェージ ングが発生している。 従って地域、 測定時間によっては常に 3局以上の 基地局を捕獲することが困難である場合がある。 複数回の測定を連続し て行っている場合、 前回の測定で端末におレ、て絶対時間を推定すること ができる。 端末の時計精度が悪い場合においても、 前回測定と新たな測 定の時間間隔が十分短ければ、 前回測定時に推定された時間で端末の時 計を校正し、 端末において絶対時間の近似値を推定することが可能であ る。 従って最低 2局の基地局を捕獲できれば、 位置測定を実施すること が可能である。 そのため端末は時間計測手段をもち、 前回の測定で 3局 以上の基地局が捕獲できた場合に、 端末位置と絶対時間を推定し、 推定 された絶対時間から時間測定手段を校正する。 もし次回の測定において 2局の基地局しか捕捉出来ず、 且つ該時間測定手段の精度と前回と新た な測定の時間間隔の積が必要とされる位置の測定精度と光速の積に比べ 小さい場合には、 端末内の時間測定手段の精度が十分として、 位置測定 に該時間測定手段を利用する。

本発明によれば、 G P Sのような付加回路を要する別システムを用い なくてもセルラ基地局の送信する信号から精度良く端末位置を推定する ことができる。 また端末からの電波送信が少なく、 連続測定においても 消費電力が削減される。 消費電力が少ないのでナビゲ一シヨンやガイ ド に応用できる。 端末で測定を行うので基地局資源を使用せず、 簡易に現 行システムに応用することができる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . セルラ方式を採用する複数の基地局が発信する信号の符号系列と送 信タイミング及び該複数の基地局の緯度と経度を記憶する記憶手段と、 上記複数の基地局が発信する信号の受信タイミングあるいは符号系列と 該記憶手段に蓄積された複数基地局の信号送信タイミングあるいは符号 系列との照合により受信した信号の発信元基地局を推定するとともに推 定された発信元基地局の送信タイミングと受信タイミングの差から伝搬 遅延量を推定する遅延量推定手段と、 該遅延量推定手段により少なくと も 3局以上の基地局に対して得られた相対遅延量から自己位置を推定す る位置推定手段を具備することを特徴とする測位装置。

2 . 請求項 1において、 該セルラ方式は C D M A通信を採用することを 特徴とする測位装置。

3 . 請求項 1又は 2において、 上記遅延量推定手段は、 上記複数の基地 局の共通制御チャネルあるいは共通パイ口ッ ト信号の受信タイミングぁ るいは符号系列を利用することを特徴とする測位装置。

4 . 請求項 1乃至 3の何れかにおいて、 上記位置推定手段は、 上記複数 の基地局任意の 3基地局を使って得られる位置推定点を複数求め、 その 平均位置をもつて推定結果とすることを特徴とする測位装置。

5 . 請求項 1乃至 4の何れかにおいて、 上記位置推定手段は、 上記複数 の基地局が送出する信号を時間間隔を隔てて複数回受信して得られる位 置推定点を複数求め、 その平均位置をもって推定結果とすることを特徴 とする測位装置。

6 . 請求項 4又は 5において、 上記位置推定手段は、 得られた複数の相 対遅延量の 2乗誤差平均が最小となる位置を推定結果とすることを特徴 とする測位装置。

7 . 請求項 1乃至 6の何れかにおいて、 該記憶手段に記載された複数基 地局の発信信号とそのタイミング、 及びそれら基地局の経度と緯度情報 あるいは当該基地局周辺の地図情報をセルラ通信を介してサーバ一の蓄 積手段から得ることを特徴とする測位装置。

8 . 請求項 1乃至 6の何れかにおいて、 上記記憶手段は上記複数の基地 局の少なくとも一つの基地局の共通制御チャネルの報知チャネルから送 信される自局及びその周辺局の緯度、 経度情報および送信信号の符号系 列情報およびその送信タイミングを蓄積することを特徴とする測位装置。

9 . 請求項 8において、 上記記憶手段は上記複数の基地局の少なくとも 一つの基地局の共通制御チャネルの報知チャネルから送信される自局周 囲の地図情報を記憶することを特徴とする測位装置。

1 0 . 請求項 1乃至 9の何れかにおいて、 上記記憶手段に記憶された地 図情報と上記位置推定手段によつて得られた推定位置とを表示する表示 手段をさらに有することを特徴とする測位装置。

1 1 . 請求項 1 0において、 キーパッドをさらに具備し、 該キーバッド 又は上記表示手段を介してユーザから得られた情報を基に自己位置を推 定することを特徴とする測位装置。

1 2 . 請求項 1乃至 1 1の何れかにおいて、 複数のアンテナを具備し、 該複数のアンテナを用いてダイバ一シチ受信を行い、 複数のダイバーシ チ枝にわたって推定された全てのパスの内、 最も始めに受信されたパス を使って基地局一端末間の距離推定することを特徴とする測位装置。

1 3 . 請求項 1乃至 1 2の何れかにおいて、 時間計測手段をさらに具備 し、 前回の測位の際に絶対時間を推定し、 該絶対時間を基準に 2局の基 地局との距離を推定して自己位置を推定することを特徴とする測位装置

1 4 . セルラ方式を採用する複数の基地局の送信信号を受信し、 その受 信タイミングと基地局の緯度、 経度および測定局の緯度、 経度情報から、 受信される信号のタイミングずれを測定し、 実際に送信すべき予定時刻 との差分を計算するタイミング誤差測定手段と、 該タイミング誤差測定 手段の計算結果に基づく補正情報を蓄積するサーバ蓄積手段とを具備す ることを特徴とする誤差測定装置。

1 5 . 請求項 1 4において、 上記複数の基地局の少なくとも一つの基地 局に定期的に上記補正情報を送信することを特徴とする誤差測定装置。

1 6 . 3つの基地局から互いに同一一定時間間隔毎に送信される特定の 3つの信号を受信し、 該 3つの信号に対応する基地局を判別し、 判別さ れた 3つの基地局の位置情報及び上記 3つの信号の送信タイミングと実 際に受信した上記 3つの信号の受信タイミングの情報を用いて自己位置 を推定することを特徴とする測位方法。

1 7 . 請求項 1 6において、 上記 3つの信号の 1つの信号に同期するこ とにより、 該 1つの信号に対応する基地局から送信される該基地局及び 他の 2つの基地局を特定する情報と上記 3つの信号の送信タイミングに 関する情報を得ることを特徴とする測位方法。

1 8 . 請求項 1 6又は 1 7において、 上記 3つの基地局の位置情報を予 め端末に記憶しておくことを特徴とする測位方法。