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【発明の名称】 無線測位システム
【発明者】 【氏名】関口 英紀

【氏名】藤井 彰

【氏名】浅井 雅文

【要約】 【課題】無線測位システムにおいて,メイン局の時計合わせ用の電波を直接受信できない基地局の時計を補正できるようにする。

【構成】無線測位システムの複数の基地局として,各基地局S2,S3の時計を合わせるために時計合わせ用の同期信号を送信する一つのメイン局Mと,メイン局Mまたは他の基地局が発信した同期信号を受信し,かつ,他の基地局S2,S3へ同期信号を送信する一または複数の中継局Rと,メイン局Mまたは中継局Rが発信した同期信号を受信する基地局S2,S3とを備えて,無線測位システムの測位サーバにおいて,同期信号をもとに各基地局S2,S3の時計をメイン局Mの時計に合わせるための補正処理を行う。そして,移動端末Pからの電波の受信時刻を補正し,この補正された時刻によってTDOAにより移動端末Pの位置を算出する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電波を送信する移動端末と,前記移動端末からの電波を受信する位置が既知である複数の基地局と,前記移動端末から前記各基地局へ電波が到達する時間差を利用して当該移動端末の位置を算出する測位サーバとを備える無線測位システムにおいて,
前記複数の基地局として,
各基地局各々の時計を合わせるために時計合わせ用の同期信号を送信する一つのメインの基地局と,
前記メインの基地局または他の基地局が発信した前記同期信号を受信し,かつ,前記他の基地局へ前記同期信号を送信する一または複数の中継用の基地局と,
前記メインの基地局または前記中継用の基地局が発信した前記同期信号を受信する基地局とを備え,
前記測位サーバは,前記同期信号をもとに前記各基地局の時計を前記メインの基地局の時計に合わせるための補正処理を行う補正手段と,
前記補正手段の処理結果を用いて,前記移動端末の位置を算出する測位手段とを備える
ことを特徴とする無線測位システム。
【請求項2】
前記補正手段は,前記メインの基地局からの同期信号を受信できる基地局について,前記メインの基地局の時計をもとに時計合わせの補正処理を行い,前記メインの基地局からの同期信号を受信できない基地局について,前記中継用の基地局からの同期信号を受信して,前記メインの基地局をもとに補正処理が行われた前記中継用の基地局の時計をもとに時計合わせの補正処理を行う
ことを特徴とする請求項1に記載の無線測位システム。
【請求項3】
前記補正手段は,前記メインの基地局の同期信号を受信できない基地局について,当該基地局から前記メインの基地局までの間で中継する中継用の基地局の数が最小となる中継用の基地局を,前記補正処理に用いる中継用の基地局として選択する
ことを特徴とする請求項2に記載の無線測位システム。
【請求項4】
前記測位サーバは,前記移動端末が発信した電波を受信できる基地局を選択してグループを設定し,当該グループに含まれるメインの基地局または中継用の基地局のいずれか一つの基地局を前記補正処理に使用する基地局として選択する組合せ決定手段を備え,
前記補正手段は,前記各グループの基地局について,前記組合せ決定手段によって選択された基地局の時計をもとに時計合わせの補正処理を行う
ことを特徴とする請求項1に記載の無線測位システム。
【請求項5】
前記組合せ決定手段は,前記グループ内から中継用の基地局を選択する場合に,その中継用の基地局が発信した前記同期信号が受信できるグループ内の基地局の数が最大である中継用の基地局を選択する
ことを特徴とする請求項4に記載の無線測位システム。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は,移動端末から発信した電波が複数の基地局まで到達する時間差(TDOA: Time Difference of Arrival)を利用して移動端末の位置を求める無線測位システムであって,複数の基地局の時間情報を補正して測位処理を行うものに関する。
【背景技術】
【0002】
図10は,TDOAの原理を示す図である。TDOAの原理により,移動端末Pから発信した電波が複数の基地局B1,B2,B3まで到達する時間差を利用して移動端末Pの位置を求めることができる。このとき,移動端末Pが発信した電波の各基地局への到達時間差を求めるためには,測位に必要な時間精度と同等以上の精度で基地局間の時計(タイマ)を合わせておく必要がある。例えば,30cm単位で測位するためには,1ナノ秒(ns)単位の精度による時計合わせが必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
無線測位システムを構成する各基地局の時計をひとつのクロックによって動作させるようにすれば良いが,遅延保証された同軸ケーブルを用いて各基地局を接続することは,設置が煩雑となり,好ましくない。
【0004】
また,携帯電話の位置を知るために携帯基地局間で時間同期させる場合に,特許文献1のように,汎地球測位システム(GPS)の電波を受信して,携帯基地局の時刻をGPSに同期させることが行われている。しかし,GPSからの電波が受信できない屋内では使用できないうえ,GPSのクロック精度は,数10nsのため,1mよりも高精度で測位する場合には,精度が足りない。
【0005】
そこで,特許文献2のように,図11に示すような状況の場合に,特定の基地局(メイン局)Mから同期用の電波を(同期信号)送信し,他の基地局(サブ局)S1,S2では,それぞれ,メイン局Mから送信された同期信号を受信して自局の時計(タイマ)Ts1,Ts2をメイン局Mの時計(Tm)に補正する方法がある。
【0006】
しかし,図12に示すように障害物があるような場合や,測位範囲が電波の到達範囲よりも広いような場合には,必ずしもメイン局Mからの同期信号が全てのサブ局Sで受信できるとは限らず,そのため,同期信号が受信できないサブ局Sの時計は補正できないという問題があった。
【特許文献1】特表2003−513291号公報
【特許文献2】特開2004−101254号公報
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は,電波を送信する移動端末と,前記移動端末からの電波を受信する位置が既知である複数の基地局と,前記移動端末から前記各基地局へ電波が到達する時間差を利用して当該移動端末の位置を算出する測位サーバとを備える無線測位システムにおいて,前記複数の基地局として,各基地局の時計を合わせるための同期信号を送信する一つのメインの基地局(メイン局)と,メイン局または他の基地局が発信した前記同期信号を受信し,かつ,他の基地局へ同期信号を送信する一または複数の中継用の基地局(中継局)と,メイン局または中継局が発信した同期信号を受信する基地局(サブ局)とを備え,前記測位サーバに,前記同期信号をもとに前記各基地局の時計をメイン局の時計に合わせるための補正処理を行う補正手段と,前記補正手段の処理結果を用いて,前記移動端末の位置を算出する測位手段とを備えることを特徴とする。
【0008】
また,前記補正手段は,メイン局からの同期信号を受信できる基地局について,メイン局の時計をもとに時計合わせの補正処理を行い,メイン局からの同期信号を受信できない基地局について,中継局からの同期信号を受信して,メイン局をもとに補正処理が行われた中継局の時計をもとに時計合わせの補正処理を行うようにしてもよい。
【0009】
また,前記補正手段は,メイン局の同期信号を受信できない基地局について,当該基地局からメイン局までの間で中継する中継局の数が最小となる中継局を,補正処理に用いる中継用の基地局として選択するようにしてもよい。
【0010】
また,前記測位サーバは,移動端末が発信した電波を受信できる基地局を選択してグループを設定し,このグループに含まれるメイン局または中継局のいずれか一つの基地局を補正処理に使用する基地局として選択する組合せ決定手段を備えるとともに,前記補正手段は,各グループの基地局について,前記組合せ決定手段によって選択された基地局の時計をもとに時計合わせの補正処理を行うようにしてもよい。
【0011】
また,前記組合せ決定手段は,グループ内から中継局を選択する場合に,その中継局が発信した同期信号が受信できるグループ内の基地局の数が最大である中継局を選択するようにしてもよい。
【0012】
図1は,本発明の原理を示す図である。
【0013】
本発明では,図1に示すように,無線測位システムを構成する基地局として,時計合わせ用の同期信号を送信するメイン局Mと,メイン局Mの電波が届く基地局の中に同期信号の中継局R1を設ける。そして,メイン局Mの電波が届かない中継局R1からの電波が届く他の基地局であるサブ局(遠方局)S3は,中継局R1の時計(タイマ)Tr1に合わせるようにする。中継局R1ではメイン局Mの電波が届くために,中継局R1のタイマTr1は,メイン局のタイマTmに合わせて補正することができる。そこで,遠方局S3のタイマTs3を中継局R1のタイマTr1に換算後,さらに,メイン局MのタイマTmに再換算する。
【0014】
また,図2に示すように,無線測位システム内の基地局として複数の中継局Rを備えるようにして,メイン局Mの同期信号をサブ局に再中継することによって,いくらでも測位エリアを拡げることができる。
【0015】
ただし,同期信号を中継するたびに時計合わせの精度が劣化する。移動端末の測位計算のためには,その移動端末から電波が届く範囲内の基地局同士で時計が同期していればよく,必ずしも無線測位システム内の全基地局の時計が同期している必要がない。そこで,移動端末から電波が届く基地局同士でのみ時計合わせをするようにする。そのためには,ひとつの移動端末から電波が届く基地局同士は,極力,ひとつの中継局R(メイン局Mも含む)からの同期信号で時計合わせをするようにする。
【0016】
例えば,図2で移動端末P1の位置では,移動端末P1からの電波は中継局R2,中継局R3,サブ局S3,S4,S5に届く。一方,サブ局S3,S4は,中継局R1からの同期信号と中継局R2からの同期信号の両方が届く。このような場合に,移動端末P1の位置を測位計算する場合に,サブ局S3,S4は,中継局R1に時計合わせをするのではなく,中継局R2に時計合わせをするようにする。同様にサブ局S5は,中継局R2からの同期信号と中継局R3からの同期信号の両方が届くが,サブ局S5は,中継局R3に時計合わせをするのではなく,中継局R2に時計合わせをするようにする。
【0017】
このように使用する同期信号を選択することによって,移動端末P1からの電波が届く基地局R2,R3,S3,S4,S5は,全て,中継局R2に時計合わせをすることができる。また,移動端末P2の位置では,移動端末P2からの電波は中継局R3,サブ局S5,S6,S7に届く。この場合には,サブ局S5は,中継局R2に時計合わせをするのではなく,中継局R3に時計合わせをするようにする。このように,同じサブ局S5の時計合わせであっても,移動端末Pの位置によって,時計合わせに利用する中継局が変わることが本発明の特徴である。
【0018】
さらに,図3に示すように,ひとつの中継局Rからの同期信号のみでは測位できない場合もある。移動端末P1の位置では,移動端末P1からの電波は中継局R3,サブ局S4,S5,S6に届く。しかし,これらの基地局は,ひとつの中継局からの同期信号を受けることができない。具体的には,サブ局S5,S6は,中継局R3からの同期信号を受けることができるが,中継局R1,R2からの同期信号のみを受けることができない。サブ局S4は,中継局R1,R2からの同期信号のみを受けることができ,中継局R3からの同期信号を受けることができない。そこで,サブ局S4のみ,一度,中継局R2の時計に合わせ,さらに,中継局R2は中継局R3の同期信号が届くので,さらに,中継局R3の時計に再換算する。サブ局S4を中継局R1に合わせ,次に,中継局R2に合わせ,さらに,中継局R3に合わせることもできるが,このようにすると再換算の処理回数が増えてしまうため,先ず,中継局R2に合わせるようにする。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば,無線測位システムにおけるひとつのメイン局から全ての基地局に同期信号が届かなくても,メイン局からの電波を受けることができる中継局を経由することで,測位計算上で必要な基地局間の時計合わせを実現することができる。
【0020】
また,GPSの電波を利用することなく,より高精度に時計合わせを行うことができるため,屋内で30cm単位の高精度な測位を実現することができる。
【0021】
よって,複雑な障害物があったり,障害物の位置が変わったりするような屋内での高精度な無線測位システムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
以下に,本発明の最良の実施の形態としていくつかの実施例を示す。
【0023】
本発明の無線測位システムは,測位サーバ1,および位置情報が既知である複数の基地局2で構成される。
【0024】
測位サーバ1は,各基地局2から測位用の電波(測位信号)の受信時刻を取得してTDOAにより移動端末Pの位置を計算する。また,各基地局2間で送受信される時計合わせ用の電波(同期信号)の送信時刻,受信時刻をもとに各基地局の時計合わせを行う。測位サーバ1は,各基地局2からの同期信号の送信/受信時刻の情報を有線または無線の回線を用いて取得する。本実施の形態では,測位サーバ1と各基地局2とは,例えばイーサネット(商標登録)などのネットワークで接続されている。
【0025】
基地局2は,移動端末Pが送信する測位信号を受信し,測位サーバ1へ,受信した移動端末Pの識別情報および測位信号の受信時刻を送信する。基地局2は,メイン局M,中継局R,および,これら以外の基地局であるサブ局Sとして構成される。
【0026】
メイン局Mは,各基地局2の時計合わせのための同期信号を送信することができる基地局である。中継局Rは,メイン局Mあるいはその他の中継局Rから同期信号を受信でき,かつ他の基地局2に同期信号を送信できる基地局である。サブ局は,メイン局M,中継局Rから同期信号を受信する基地局である。
〔第1の実施例〕
第1の実施例では,無線測位システムを構成する基地局の時計を,最終的に全てメイン局Mの時計に合わせる。メイン局Mから電波が届かないサブ局Sの時計は,中継局Rを経由してメイン局Mに合わせるようにする。
【0027】
図2を用いて,第1の実施例における各基地局の時計合わせの処理をより具体的に説明する。メイン局Mから同期信号が届くサブ局S1,S2と中継局R1はメイン局Mに合わせる。中継局R2,サブ局S3,S4は中継局R1に合わせ,さらに,中継局R1の補正を用いてメイン局Mに合わせる。中継局R3,サブ局S5は中継局R2に合わせ,さらに中継局R1に合わせ,そして,メイン局Mに合わせる。サブ局S6,S7は中継局R3に合わせ,さらに中継局R2に合わせ,さらに中継局R1に合わせ,そして,メイン局Mに合わせる。サブ局S5は,一度,中継局R3に合わせてから,中継局R2,R1と経由させることも可能であるが,メイン局Mまで中継する中継局の数が少ない方が時計合わせの精度が劣化しないため,中継局R3を経由せずに,中継局R2に合わせる。同様に,サブ局S3,S4も中継局R2には合わせずに中継局R1に合わせるようにする。
【0028】
図4に,第1実施例における無線測位システム構成例を示す。
【0029】
メイン局Mは,同期信号生成部21,送信部22,同期送信時刻保持部23,受信部24および端末受信時刻保持部26を備える。メイン局Mは,同期信号生成部21によって同期信号を生成し,送信部22を介してアンテナから送信するとともに,同期信号を送信した時刻(同期送信時刻)を同期送信時刻保持部23に保持する。また,移動端末Pが送信した測位信号を受信部24で受信し,測位信号を受信した時刻(端末受信時刻)を端末受信時刻保持部26に保持する。そして,同期送信時刻保持部23に保持された同期送信時刻,および端末受信時刻保持部26に保持された移動端末Pの端末受信時刻は,測位サーバ1へ送信される。
【0030】
中継局R1,…,Rnは,同期信号生成部31,送信部32,同期送信時刻保持部33,受信部24,同期受信時刻保持部35および端末受信時刻保持部36を備える。中継局R1,…,Rnは,同期信号生成部31によって同期信号を生成し,送信部32を介してアンテナから送信するとともに,同期信号を送信した時刻(同期送信時刻)を同期送信時刻保持部33に保持する。また,メイン局Mや他の中継局Rから送信された同期信号を受信部34で受信し,同期信号を受信した時刻(同期受信時刻)を同期受信時刻保持部35で保持する。さらに,移動端末Pから測位信号を受信した時刻(端末受信時刻)を端末受信時刻保持部36に保持する。そして,同期送信時刻保持部33に保持された同期送信時刻,同期受信時刻保持部35に保持された同期受信時刻,および端末受信時刻保持部36に保持された移動端末Pの端末受信時刻は,測位サーバ1へ送信される。
【0031】
サブ局S1,…,Snは,受信部44,同期受信時刻保持部45,および端末受信時刻保持部46を備える。サブ局S1,…,Snは,受信部44によって,メイン局Mや中継局R1,…,Rnから同期信号を受信し,同期信号を受信した時刻(同期受信時刻)を同期受信時刻保持部45で保持する。また,移動端末Pから測位信号を受信した時刻(端末受信時刻)を端末受信時刻保持部46に保持する。そして,同期受信時刻保持部45に保持された同期受信時刻,および端末受信時刻保持部46に保持された移動端末Pの端末受信時刻は,測位サーバ1へ送信される。
【0032】
測位サーバ1は,補正係数作成部11,端末受信時刻補正部12,および測位計算部13を備える。
【0033】
補正係数作成部11は,基地局2(メイン局M,中継局R1,…,Rn,サブ局S1,…,Sn)のそれぞれから,同期送信時刻,同期受信時刻を取得する。そして,同期送信時刻保持部23と同期受信時刻保持部35に保持された同期信号の送信時刻(同期送信時刻)とその受信時刻(同期受信時刻)を用いて,時計合わせのための補正係数を補正係数作成部11で作成する。
【0034】
端末受信時刻補正部12は,補正係数作成部11で計算された補正係数を用いて,各基地局2の端末受信時刻保持部26,36,46で保持された端末受信時刻を補正する。
【0035】
測位計算部13は,端末受信時刻補正部12によって補正された結果を用いて,各移動端末Pの位置を計算する。
【0036】
本実施例では,同期信号としてインパルス電波を用いる。これによって,受信時刻を正確に求めることができる。図5にこの場合の基地局2のブロック構成例を,図6に送信データのフォーマット例を示す。
【0037】
図5に示すように,各基地局2は,基本的には同一構成であり,送信ブロック100,複数の受信ブロック200,タイマ300,バンドパスフィルタ部(BPF)400,パワーアンプ部(PA)410,アンテナ部420,低雑音アンプ部(LNA)430,パルス検出部440,MPU500で構成される。
【0038】
送信ブロック100は,同期用PN系列発生部101,PPMデータ変調部103,インパルス生成部105,および送信時刻保持部107で構成される。受信ブロック200は,相関器201,PN系列発生部203,PPMデータ復調部205,および受信時刻保持部207で構成される。
【0039】
メイン局Mは,他の基地局2からの同期信号は受信しないので,同期信号を受信する受信ブロック200を備える必要がなく,複数の移動端末P1,…,Pnからの測位信号を受信する複数の受信ブロック200−1,…,200−Lを備える。
【0040】
中継局Rは,メイン局Mあるいは他の中継局2からの同期信号を受信する1個の受信ブロック200−1と,複数の移動端末Pからの測位信号を受信する複数の受信ブロック200−2,…,200−Lを備える。
【0041】
サブ局Sは,同期信号を送信しないので,送信ブロック100を備える必要がなく,同期信号用の1個の受信ブロック200−1と移動端末Pからの測位信号を受信する複数の受信ブロック200−2,…,200−Lを備える。
【0042】
図6に示すように,送信データは,PN系列の一種である8値のリードソロモンRS系列でタイムホッピング(TH)されており,さらに,パルス位置変調でデータ変調されている。1チップが100nsの場合に,RS系列として“5763421”を使用すると,1μsのパルス区間の内,最初のパルスは500nsの位置に,次のパルスは700nsの位置にタイムホッピングされている。同期用のデータ無変調のプリアンブル部は,7パルス7μsであり,その後にデータ部がくるように構成される。データ部も同じRS系列でタイムホッピングされているが,さらに,データが1のときには,1チップパルス位置がずれるパルス位置変調(PPM)されている。例えば,“0110”のデータの場合に,“5763…”のRS系列は,“5873…”と変調され,500ns,800ns,700ns,300nsの位置にパルスがホッピングされる。
【0043】
図5に示す構成の場合では,送信側の基地局2では,同期用PN系列発生部101によって,RS系列を発生する。PPMデータ変調部103によって,MPU500から渡された送信データの1,0に従ってPPMデータ変調を行い,インパルス生成部105にパルスが送られる。インパルス生成部105は,ステップリカバリダイオードによって,パルスの立ち上がり部で非常に細いインパルスを生成する。生成したインパルスは非常に広い帯域を有しているが,例えば,電波法のマスクに適合するように,3.1GHz〜5GHzのバンドパスフィルタリングを行うBPF400を通すことで,不要な3.1GHz以下の成分と5GHz以上の成分を除去する。インパルス電波は,BPF400の通過後,PA410で増幅され,アンテナ420によって放射される。送信時刻保持部107では,データ送信時にプリアンブル後の最初のパルスを発生する時刻が同期送信時刻として保存される。
【0044】
一方,受信側の基地局2では,アンテナ420から受信されたインパルス電波は,BPF400で不要な周波数成分が除去された後,LNA430で増幅され,パルス検出部440でパルスの有無が検出される。パルス検出部440は,公知のダイオードによる包絡線検波回路とコンパレータなどで実現される。検出されたパルスは,PN系列発生部203で発生されたRS系列と,デジタルマッチドフィルタによる相関器201において比較される。相関器201によってプリアンブル部が検出されたならば,同期が確立されたとして,PPMデータ復調部205で,次に続くデータ部のPPMを復調し,受信データを生成する。また,受信時刻保持部207では,データ部の最初のパルスを検出したならば,その時刻を同期受信時刻として保持される。
【0045】
図7に,移動端末Pの装置構成例を示す。移動端末Pは,MPU610,測位用PN系列発生部621,PPMデータ変調部623,インパルス生成部625,バンドパスフィルタ部(BPF)630,パワーアンプ部(PA)640,およびアンテナ部650を備える。移動端末Pは,送信機能のみ有し,基地局2の送信ブロック100と同様に,TH/PPMによってインパルス電波を生成し,送信する。
【0046】
次に,各基地局の時計合わせの処理について,より詳細に説明する。
【0047】
例えば,図2で,サブ局S1の時計は,メイン局Mの時計に合わせる。サブ局S1の時計Ts1はメイン局Mとはオフセット(時間原点)やスケール(時計の進み方、時計クロック周波数)がずれているため,以下の1次式(1)で補正するものとする。
【0048】
Tms1=Ams1・Ts1+Bms1 (1)
メイン局Mが同期信号を送信した時刻をTm,メイン局Mからサブ局S1までの電波の伝播遅延時間をDms1,メイン局Mの時計で見たサブ局S1が同期信号を受信した時刻をTms1,サブ局S1の時計で見た同期信号の受信時刻をTs1とすると,
Tm+Dms1=Tms1=Ams1・Ts1+Bms1 (2)
となる。そして,式(2)から,
Tm=Ams1・Ts1+Bms1−Dms1 (3)
伝播遅延時間Dms1は既知であると仮定すると,式(3)で未知数はAms1とBms1の2個であるから,2回の同期信号によりAms1とBms1とを解くことができる。実際には,誤差が含まれるため,例えば,連続したq回の同期信号から最小二乗法により求めることで補正係数の精度を向上させる。すなわち,メイン局MからTm(1),Tm(2),…,Tm(q)の時刻に同期信号を送信し,サブ局S1の自局の時計でTs1(1),Ts1(2),…,Ts1(q)に同期信号を受信したとすると,式(3)は,
Tm(1)=Ams1・Ts1(1)+Bms1−Dms1,
Tm(2)=Ams1・Ts1(2)+Bms1−Dms1,
…,
Tm(q)=Ams1・Ts1(q)+Bms1−Dms1 (4)
となる。そこで,最小二乗法により,補正係数は,
Ams1=(ΣTs1(k)ΣTm(k)−qΣTm(k)Ts1(k))/
((ΣTs1(k))2−qΣTs1(k)2
Bms1=(ΣTs1(k)ΣTm(k)Ts1(k)−ΣTm(k)ΣTs1(k)2)/
((ΣTs1(k))2−qΣTs1(k)2)+Dms1 (5)
となる。また,最初にq個の同期信号で補正係数を求めるが,次に,1個の同期信号がくるたびに,最新のq個を用いて逐次更新するようにする。
【0049】
同様の方法で,中継局R1の時計Tr1は補正係数Amr1,Bmr1を用いて,
Tmr1=Amr1・Tr1+Bmr1 (6)
一方,サブ局S3は,先ず中継局R1に合わせるため,
Tr1s1=Ar1s3・Ts3+Br1s3 (7)
となり,式(6),式(7)から,
Tms3=Amr1・Ar1s3・Ts3+Amr1・Br1s3+Bmr1 (8)
としてメイン局Mの時計に合わせることができる。同様にすれば,全ての基地局2の時計をメイン局Mの時計に合わせることができる。
【0050】
なお,ここでは,1次式で時計を補正しているが,それに限定するものではなく,2次式やそれ以上の高次の式で補正してもよい。
【0051】
次に,測位計算について示す。
【0052】
移動端末P1から送信された測位信号は,n個の基地局2で受信される。測位サーバ1では,各基地局に電波が到達する時間差を用いてTDOA方式によって移動端末P1の位置を求める。
【0053】
各基地局2で受信した移動端末Pの測位信号の受信時刻は,測位サーバ1で時間補正され,メイン局Mの時計に合わせられる。移動端末Pの未知の座標を(X,Y),各基地局2の既知の座標を(X,X),…,(X,Y)としたとき,i番目の基地局とj番目の基地局での受信時刻差をTij,光速をCとすると,
【0054】
【数1】



【0055】
となるので,上記の連立方程式をX,Yについて解けばよい。
【0056】
一般には,最小二乗法を用いてニュートン法による繰り返し計算で解くので,それについて説明する。
【0057】
移動端末Pの位置の推定初期値として(X0,Y0)とすると測定した受信時刻差と推定した端末座標に基づいて求めた受信時刻差との差分からなる残差行列は,
【0058】
【数2】



【0059】
となるので初期値の補正項は,
【0060】
【数3】



【0061】
補正項ΔX,ΔYが所定値以下になるまで,推定値X0,Y0にΔX,ΔYを加えて推定値を補正し、式(10),式(11)を繰り返せばよい。
〔第2の実施例〕
次に,第2の実施例を示す。第1の実施例では,全ての基地局2の時計をメイン局Mに合わせるが,第2実施例では,移動端末Pから電波を受信できる複数の基地局2をひとつのグループとし,このグループ内の基地局2を極力,ひとつの中継局R(メイン局Mを含む)に時計合わせする。第1の実施例で,同期信号を中継するたびに時計合わせの精度が劣化するため,全ての基地局2の時計をひとつに合わせるのではなく,グループごとに局所的に時計合わせを行うものである。
【0062】
図2において,移動端末P1から電波が届く範囲内にある中継局R2,R3,サブ局S3,S4,S5をひとつのグループとする。そして,グループ内のそれぞれの基地局2の時計を中継局R2に合わせる。一方,移動端末P2から電波が届く範囲内にある中継局R3,サブ局S5,S6,S7をひとつのグループとし,それぞれの基地局2の時計は中継局R3に合わせる。中継局R3やサブ局S5は移動端末P1の測位計算をする時と移動端末P2の測位計算をする時とでは異なるグループ,すなわち,異なる中継局Rの時計に合わせる。
【0063】
さらに,図3に示すように,移動端末P1から電波が届く範囲内にある中継局R3,サブ局S4,S5,S6をひとつのグループとするが,必ずしもひとつの中継局Rに時計合わせできない。そこで,中継局R3の電波が届くサブ局S5,S6は中継局R3に合わせ,サブ局S4は一度,中継局R2に合わせ,さらに,中継局R3に合わせる。複数の中継局Rを経由して時計合わせをする方法は第1実施例における処理と同様である。
【0064】
図8に,第2の実施例におけるシステム構成例を示す。第2の実施例において,メイン局Mと中継局Rは同じ扱いであるため,以下では,全て中継局Rとして説明する。
【0065】
中継局Rおよびサブ局Sは,それぞれ第1の実施例と同様に構成される。中継局Rは同期信号を送信する時刻(同期送信時刻)と他の基地局2からの同期信号を受信した時刻(同期受信時刻)とを保持する。サブ局は,同期信号を受信した時刻を保持する。
【0066】
測位サーバ1は,第1の実施例における構成に加えて,グループを決める機能を付加し,補正係数作成部11,端末受信時刻補正部12,測位計算部13,補正表作成部15,補正表16および組合せ決定部17を備える。
【0067】
補正表作成部15は,測位に先立って,各中継局Rから電波が届く基地局2を求めておき,補正表16を作成する。補正表16の作成は,所定の期間または契機によって行う。
【0068】
図9に補正表の例を示す。補正表16の各行は各基地局を示し,各列は中継局Rを示す。そして,その行の基地局がその列の中継局Rから電波受信が可能な場合には,その行列位置に「受信可(○)」を設定する。
【0069】
例えば,図9(A)の補正表16は,図2において各中継局Rから電波受信可能な基地局を示す。図9(A)では,メイン局Mからは,M列を見ることによって,メイン局M(自分自身も含める),中継局R1,サブ局S1,S2の各基地局2に電波が届くことが分かる。中継局R1からは,R1列を見ることで,メイン局M,中継局R1,R2,サブ局S2,S3,S4に電波が届くことが分かる。また,サブ局S3は,S3行を見ることによって,中継局R1とR2からの同期信号を受けられることが分かる。
【0070】
そして,補正計数作成部11は,補正表16に「受信可(○)」が設定されている位置について,その中継局Rからの同期信号により基地局2の時計を合わせるための補正係数を計算し,補正表16に保持しておく。補正係数の求め方や補正式は,第1の実施例と同様である。
【0071】
次に,測位計算する場合に,移動端末P1からは,中継局R2,R3,サブ局S3,S4,S5に電波が届くため,組合せ決定部17は,補正表16で移動端末P1の列を作成して,電波が届く基地局の行の位置にフラグ(/)を設定する。この時,移動端末P1の列のフラグ(/)位置と「受信可(○)」の位置とがより多く一致している列を探す。ここでは,中継局R2の列が一致していることが分かる。そこで,移動端末P1の測位計算をする場合には,中継局R2の時計に合わせることが決定される。同様に,移動端末P2の測位計算では,移動端末P2の列のフラグ(/)は中継局R3の列の「受信可(○)」に含まれるため,中継局R3の時計に合わせることが決定される。
【0072】
一方,図9(B)の補正表16は,図3において各中継局Rから電波受信可能な基地局を示す。図9(B)では,移動端末P1の位置では,中継局R2,R3,サブ局S4,S5,S6の行にフラグ(/)が設定されているが,これらと「受信可(○)」とが一致する列が補正表16の中にない。そこで,より多く一致する列を探すと,中継局R3の列となる。ただし,サブ局S4の行には「受信可(○)」がないため,サブ局S4は,中継局R3の同期信号が届かないことが分かる。さらに,サブ局S4の行を見ると,中継局R1,R2の列に「受信可(○)」がある。そこで,中継局R1,R2の行を見ると,中継局R2の行は中継局R3の列に「受信可(○)」があるため,中継局R2は中継局R3に時計合わせできることが分かる。すなわち,サブ局S4は中継局R2に合わせ,さらに,中継局R3に合わせることが決定される。このようにして,組合せ決定部17は,以上の組み合わせを決定する。この決定に従って,補正表16から,補正係数を求め,端末受信時刻を補正して測位計算を行う。時刻補正方法や測位計算方法は,第1の実施例と同様である。
【0073】
第2の実施例の別な処理例として,測位計算に用いるグループの基地局2の中で,ひとつの中継局Rからの電波が届かない基地局2は,測位計算に使用しないようにすることもできる。例えば,図9(B)において,サブ局S4は中継局R3からの電波が届かない。しかし,2次元において測位計算する場合には,最低3個の基地局2に電波が届けば測位計算を行うことができる。この移動端末P1では,5個の基地局2に電波が届く状況であって,測位計算上2個が冗長なため,サブ局S4は使用しないで測位計算するようにしてもよい。
【0074】
さらに,別の処理例として,上記した処理例のようにサブ局S4を測位計算に全く使わないのではなく,測位計算において各基地局の重み付けを行い,サブ局S4への重みを減らして測位計算に使用することもできる。式(11)の最小二乗法で,ひとつの中継局Rから電波が届かない基地局2については,重みを他の基地局の1/wと設定し,式(11)を重み付きの最小二乗法の式(12)と変形してもよい。
【0075】
【数4】



【0076】
以上,本発明をその実施の形態により説明したが,本発明はその主旨の範囲において種々の変形が可能であることは当然である。
【0077】
また,本発明は,コンピュータにより読み取られ実行される処理プログラムとして実施するものとして説明したが,本発明を実現する処理プログラムは,コンピュータが読み取り可能な,可搬媒体メモリ,半導体メモリ,ハードディスクなどの適当な記録媒体に格納することができ,これらの記録媒体に記録して提供され,または,通信インタフェースを介して種々の通信網を利用した送受信により提供されるものである。
【0078】
本発明の形態および実施例の特徴を列記すると以下のとおりである。
【0079】
(付記1)
電波を送信する移動端末と,前記移動端末からの電波を受信する位置が既知である複数の基地局と,前記移動端末から前記各基地局へ電波が到達する時間差を利用して当該移動端末の位置を算出する測位サーバとを備える無線測位システムにおいて,
前記複数の基地局として,
各基地局各々の時計を合わせるために時計合わせ用の同期信号を送信する一つのメインの基地局と,
前記メインの基地局または他の基地局が発信した前記同期信号を受信し,かつ,前記他の基地局へ前記同期信号を送信する一または複数の中継用の基地局と,
前記メインの基地局または前記中継用の基地局が発信した前記同期信号を受信する基地局とを備え,
前記測位サーバは,前記同期信号をもとに前記各基地局の時計を前記メインの基地局の時計に合わせるための補正処理を行う補正手段と,
前記補正手段の処理結果を用いて,前記移動端末の位置を算出する測位手段とを備える
ことを特徴とする無線測位システム。
【0080】
(付記2)
前記補正手段は,前記メインの基地局からの同期信号を受信できる基地局について,前記メインの基地局の時計をもとに時計合わせの補正処理を行い,前記メインの基地局からの同期信号を受信できない基地局について,前記中継用の基地局からの同期信号を受信して,前記メインの基地局をもとに補正処理が行われた前記中継用の基地局の時計をもとに時計合わせの補正処理を行う
ことを特徴とする前記付記1に記載の無線測位システム。
【0081】
(付記3)
前記補正手段は,前記メインの基地局の同期信号を受信できない基地局について,当該基地局から前記メインの基地局までの間で中継する中継用の基地局の数が最小となる中継用の基地局を,前記補正処理に用いる中継用の基地局として選択する
ことを特徴とする前記付記2に記載の無線測位システム。
【0082】
(付記4)
前記測位サーバは,前記移動端末が発信した電波を受信できる基地局を選択してグループを設定し,当該グループに含まれるメインの基地局または中継用の基地局のいずれか一つの基地局を前記補正処理に使用する基地局として選択する組合せ決定手段を備え,
前記補正手段は,前記各グループの基地局について,前記組合せ決定手段によって選択された基地局の時計をもとに時計合わせの補正処理を行う
ことを特徴とする前記付記1に記載の無線測位システム。
【0083】
(付記5)
前記組合せ決定手段は,前記グループ内から中継用の基地局を選択する場合に,その中継用の基地局が発信した前記同期信号が受信できるグループ内の基地局の数が最大である中継用の基地局を選択する
ことを特徴とする前記付記4に記載の無線測位システム。
【0084】
(付記6)
前記補正手段は,前記グループ内の前記選択された中継用の基地局が発信した前記同期信号を受信できない基地局について,前記選択された中継用の基地局の時計を用いて時計合わせの補正処理が行われた他の中継用の基地局の時計をもとに時計合わせの補正処理を行う
ことを特徴とする前記付記4に記載の無線測位システム。
【0085】
(付記7)
前記測位手段は,前記グループの基地局をもとに前記移動端末の位置を算出する場合に,前記グループ内で前記選択された中継用の基地局が発信した前記同期信号を受信できない基地局を除いた残りの基地局をもとに当該移動端末の位置を算出する
ことを特徴とする前記付記4に記載の無線測位システム。
【0086】
(付記8)
前記測位手段は,前記グループの基地局をもとに前記移動端末の位置を算出する場合に,前記移動端末の位置算出において,前記グループ内で前記選択された中継用の基地局が発信した前記同期信号を受信できない基地局に対する重み付けを他の基地局に対する重み付けより軽くした算出式により計算を行う
ことを特徴とする前記付記4に記載の無線測位システム。
【0087】
(付記9)
前記補正手段は,前記基地局の時計合わせを行う場合に,前記メインの基地局または前記中継用の基地局が発信した同期信号を複数回受信し,前記同期信号の送信時刻および受信時刻,ならびに前記基地局間の伝播遅延時間をもとに,当該基地局の時計合わせのための補正処理を行う
ことを特徴とする前記付記1〜付記8のいずれか一項に記載の無線測位システム。
【0088】
(付記10)
前記補正手段は,前記メインの基地局または前記中継用の基地局から受信した複数の同期信号のうち,最新の所定の個数の同期信号を使用して,逐次的に補正処理を行う
ことを特徴とする前記付記9に記載の無線測位システム。
【0089】
(付記11)
前記補正手段は,前記補正処理において,一次式の補正式を用いて処理を行う
ことを特徴とする前記付記9に記載の無線測位システム。
【0090】
(付記12)
前記移動端末から送信する電波と同期信号は,インパルス電波である
ことを特徴とする前記付記1〜付記11のいずれか一項に記載の無線測位システム。
【図面の簡単な説明】
【0091】
【図1】本発明の原理を示す図である。
【図2】複数の中継局がある場合の処理を説明するための図である。
【図3】一つの中継局で時計合わせができない場合の処理を説明するための図である。
【図4】第1実施例における無線測位システム構成例を示す図である。
【図5】基地局のブロック構成例を示す図である。
【図6】送信データのフォーマット例を示す図である。
【図7】移動端末Pの装置構成例を示す図である。
【図8】第2の実施例におけるシステム構成例を示す図である。
【図9】補正表の例を示す図である。
【図10】TDOAの原理を示す図である。
【図11】従来の時間同期の処理を説明するための図である。
【図12】従来手法による課題を説明するための図である。
【符号の説明】
【0092】
1 測位サーバ
11 補正係数作成部
12 端末受信時刻補正部
13 測位計算部
15 補正表作成部
16 補正表
17 組合せ決定部
M メイン局
R1,…,Rn 中継局
S1,…,Sn サブ局
P 移動端末
21,31 同期信号生成部
22,32, 送信部
23,33, 同期送信時刻保持部
24,34,44 受信部
35,45, 同期受信時刻保持部
26,36,46 端末受信時刻保持部

【出願人】 【識別番号】000005223
【氏名又は名称】富士通株式会社
【出願日】 平成18年6月21日(2006.6.21)
【代理人】 【識別番号】100087848
【弁理士】
【氏名又は名称】小笠原 吉義

【識別番号】100083297
【弁理士】
【氏名又は名称】山谷 晧榮


【公開番号】 特開2008−2888(P2008−2888A)
【公開日】 平成20年1月10日(2008.1.10)
【出願番号】 特願2006−171468(P2006−171468)