(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）複数のベースステーションのうちの第１のベースステーションにおいて外部で発生され受信された信号に同期されている第１のオーディオトーンを発生し、
（ｂ）前記第１のベースステーションから移動装置へ前記第１のオーディオトーンを送信し、
（ｃ）前記移動装置から前記複数のベースステーションへ前記第１のオーディオトーンを再送信し、
（ｄ）前記複数のベースステーションにおいて前記第１のオーディオトーンを受信し、前記複数のベースステーションはいずれのベースステーションからも信号を受信する必要のないように前記外部で発生され受信された信号に同期されたオーディオ基準トーンをそれぞれ局部的に発生し、
（ｅ）前記複数のベースステーションのそれぞれで受信された前記第１のオーディオトーンとそれぞれのベースステーションで局部的に発生された前記オーディオ基準トーンとの間の位相差を計算し、
（ｆ）前記計算された各位相差を使用して前記複数のベースステーションのそれぞれと前記移動装置との間の距離および関連する複数の位置曲線を計算し、
（ｇ）前記複数の位置曲線を使用して前記移動装置の位置を決定することを特徴とするセルラ電話システムの動作方法。
【請求項２】
前記複数のベースステーションで受信された前記第１のオーディオトーンに応答して複数の受信信号強度指示信号を生成するステップをさらに有する請求項１記載の方法。
【請求項３】
（ａ）どの移動装置が位置を決定されることを要求されているかをシステム制御装置において決定し、
（ｂ）１つのベースステーションを通して前記システム制御装置から位置を要求される移動装置および周囲のベースステーションに、チャンネルを、予め決められた位置決定チャンネルへ変更する命令を送信するステップをさらに有する請求項１記載の方法。
【請求項４】
（ａ）複数のベースステーションのうちの第１のベースステーションにおいて外部で発生され受信された信号に同期されている第１のオーディオトーンを発生するための手段、
（ｂ）前記第１のベースステーションから移動装置へ前記第１のオーディオトーンを送信するための手段、
（ｃ）前記移動装置から前記複数のベースステーションへ前記第１のオーディオトーンを再送信するための手段、
（ｄ）前記複数のベースステーションにおいて前記第１のオーディオトーンを受信し、前記複数のベースステーションはいずれのベースステーションからも信号を受信する必要のないように前記外部で発生され受信された信号に同期されたオーディオ基準トーンをそれぞれ局部的に発生するための手段、
（ｅ）前記複数のベースステーションのそれぞれで受信された前記第１のオーディオトーンとそれぞれのベースステーションで局部的に発生された前記オーディオ基準トーンとの間の位相差を計算するための手段、
（ｆ）前記計算された各位相差を使用して前記複数のベースステーションのそれぞれと前記移動装置との間の距離および関連する複数の位置曲線を計算するための手段、
（ｇ）前記複数の位置曲線を使用して前記移動装置の位置を決定するための手段、
とを具備するセルラ電話システム。
【請求項５】
複数の前記位相差を用いて前記複数のベースステーションに対応する関連した複数の位置曲線を計算するシステム制御装置を備え、システム制御装置は前記複数の位置曲線を用いて前記位置を決定する請求項４記載のセルラ電話システム。
【請求項６】
複数の位相差に基づいて前記移動装置の位置を決定するシステム制御装置を備え、前記システム制御装置は、どの移動装置が位置を決定されることを要求されているかを決定し、１つのベースステーションを通して前記システム制御装置から位置を要求される移動装置および周囲のベースステーションに、チャンネルを、予め決められた位置決定チャンネルへ変更する命令を送信する請求項４記載のセルラ電話システム。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
Ｉ．発明の分野
本発明は位置決定方法に関する。特に、本発明は複数のベースステーションを使用して移動装置の位置を決定する新しく改良された方法に関する。
II．従来の技術の説明
以下の説明は、セルラ無線サービスにおいて動作する移動装置の位置を決定するための方法および装置を開示している。位置決定サービスは、緊急電話（９１１）、チャイルドロケータ、配送サービス、およびフリート監視システムのための位置決定サービスのようなセルラ無線サービスにおいて多くの望ましい用途を有する。さらに、セルラシステムのオペレータは、限定された移動する顧客のためにできるだけ低いコストのサービスのような移動装置の位置の正確な情報に基づいてサービスパラメータを個々に生成する方法を使用することができる。そのようなサービスはまた、盗難にあったセルラ電話の場所を検出し、セルラサービスの不正な使用を調査するために有効である。
無線位置決定方法は、送信機から受信機へ直線を移動することが仮定されている無線信号の伝播遅延を測定する技術を使用する。指向性アンテナによって行われる角度測定と協同する無線遅延測定は、レーダの基本的な原理である。自動車によって反射される信号に全体的に依存するのではなく、自動車内のトランスポンダの使用によって、レーダの配置はしばしば増加される。
その代りに、多数の時間遅延測定は、いわゆる三角測量システムを形成するために多数の送信機および／または受信機を使用することができる。ロランシステムは、既知の固定された位置にあるベースステーションから移動装置の受信機へ１連のコードパルスを送信するシステムの１例である。移動装置受信機は、双曲線の位置を決定するために異なる送信機から信号の到達時間を比較する。同じように、地球規模の位置決定システム（ＧＰＳ）は、２４個の地球軌道衛星の組から送信を行なう。移動装置受信機は、衛星の位置の情報および４つ以上の衛星から受信された信号間の時間遅延差を使用することによって自分の位置を決定することができる。
上記の例から、無線位置決定システムは、２つの形式に分けることができ、それらは移動装置のユーザがそれ自身の位置を決定できるものと、別のパーティがレーダシステムのような移動装置トランスポンダの位置を決定できるものである。ここで開示されるシステムは、セルラ電話システムの固定された部分が移動装置のセルラ電話の配置を決定する第２の形式に属する。一般的に、そのようなシステムは移動装置ユーザが無線信号を送信することを要求する（受動的レーダの場合を除く）。
本発明の出願人の1992年6月30日出願の米国特許第5,126,748号明細書において開示されている無線位置決定方法は、移動装置が受信機能のみを有するロランおよびＧＰＳシステムに要求されるよりは一層少ない送信機位置を使用して、位置の円形ラインを定める往復タイミング測定を行なう送信および受信の両方を行なう移動端末装置を要求する。その他のシステムにおいて、移動装置端末は送信機のみを有し、残りのシステム素子は、方向発見または位置を決定するために異なる場所からの数多くの信号の受信を行なう。この１例は、墜落した航空機の位置を検出するためのＳＡＲＳＡＴシステムである。このシステムにおいて、墜落した航空機は国際遭難周波数１２１．５ＭＨｚ（および２７３ＭＨｚ）で信号を送信する。地上軌道衛星は、地球端末に対して信号を中継する。衛星が頭上を通るので、ドップラシフトの変化を検出し、１つのライン上の位置を決定することができる。同じまたは類似の衛星が多数回頭上を通過することによって、１組のラインの位置を決定し、その交点によって墜落した航空機の位置を決定することができる。
本発明は、数百万の既に存在しているＡＭＰＳ移動装置セルラ電話を変更することなく、新しい位置決定サービスを行なうためのＡＭＰＳサービス（または類似のサービス）において動作する移動装置のセルラ電話の既存の機能を使用することができる。ＡＭＰＳサービスにおいて、移動装置は８２４乃至８４９ＭＨｚ間のＵＨＦ周波数において送信し、ベースステーションは８６９乃至８９４ＭＨｚ間の周波数で送信する。周波数帯域は、均等に３０ｋＨｚ離された２組の８３２チャンネルの対に分割される。１組の４１６チャンネルの対は、所定の領域において２人のサービス供給者のそれぞれに権利を与えられている。
ＡＭＰＳシステムは、電話スピーチを送信するためにアナログＦＭ変調を使用している。移動装置およびベースステーションは、ユーザが常に両方向において連続リンクを知覚するように、全二重伝送技術を同時に使用して送信する。
通常、都市区域でサービスする大型セルラシステムにおける各ベースステーションは、電話サービスを提供するために１組の５７チャンネルの対を割当られている。さらに、１つのチャンネルは、信号およびページングを割り当てられている。その制御チャンネルにおいて最も近いベースステーションに対してデジタルメッセージを送信することによって移動装置において呼びが開始される。このセル内のサービス区域内で呼びが行なわれる一方で、ベースステーションは、移動装置によって使用されるチャンネル割当てにより対応する制御チャンネルに応答する。移動装置が別のセルのサービス区域へ移動する一方で呼びが続けられるならば、ベースステーションからの制御メッセージは、移動装置が入るセルに割当てられたチャンネルに変更するように移動装置に命令する。この処理方法はハンドオフと呼ばれる。
ＡＭＰＳシステムは、呼びが適切なベースステーションによって取扱われることを確実にするために管理可聴トーンと呼ばれる技術を含んでいる。このシステムにおいて、各ベースステーションは、進行中の各呼びの電話音声に対して高周波数の可聴トーンを付加する。このトーンは、５９８０、６０００、または６０３０Ｈｚの何れかで送信される。移動装置はこのトーンを検出してフィルタで選択し、それに電話音声を付加することによってベースステーションにそれを送り返す。その後ベースステーションは、ＳＡＴトーンをフィルタして検出し、受信されたトーンは、それが送信するトーンと同じ周波数であることを確実にする。異なる隣接するベースステーションへのＳＡＴトーン割当てのパターンは、誤った接続の例を検出し補正することができる。
ＡＭＰＳシステムが本来定められている時、移動装置の位置が、順方向リンクＳＡＴトーンとベースステーションによって移動装置から受信されるＳＡＴトーンとの間の位相差を測定することによって位置決定をできることが意図された。これは、ベースステーションの周囲の円において移動装置の位置決定をする往復時間遅延測定を可能にする。この技術は、一定の測定を行なうために戻りＳＡＴトーンの位相シフトの制御を特定化する必要を導入することが分かる。この付加された複雑さのために、この方法は詳細規定から削除された。
発明の概要
システムが特定の移動装置の位置決定をすることを望む時、移動装置は予め決められた専用チャンネルへ移動することを命令され、短い間隔、たとえば１乃至１０ミリ秒間そのＦＭ送信機において音声トーンを送信する。音声トーンの周波数は、スピーチスペクトルよりも大きい、例えば４ｋＨｚ以上であるべきである。トーンバーストの最後に、移動装置は、それが前に行なっていたこと、例えばその呼び、アイドルモード、等を継続することに戻る。位置決定サービスのために使用されるチャンネル周波数は、通常、システム全体においてこの目的のみに使用され、システム制御装置は、１つの移動装置のみが１度に位置決定信号を送信することを確実にする。
制御メッセージが移動装置に送信されると同時に、ベースステーションは、移動装置がトーンバーストを送信しようとしていることを示す制御メッセージを送信される。ベースステーションは、各ベースステーションにおいて正確な時間および周波数基準を利用可能にするＧＰＳ受信機を設置されている。ベースステーションは、ＧＰＳ受信機に基いて同じ周波数および同期化された位相でトーン基準信号を生成する。ベースステーションは、トーン基準信号と移動装置から受信された信号トーン（存在する場合のみ）との間の位相差を測定する。使用される測定間隔は、送信時間と同じであり、通常約１乃至１０ミリ秒である。位相差測定値は、測定の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の測定値と共にシステム制御装置に報告される。
移動装置の位置は、隣接するベースステーションによって報告されたトーンバースト位相間の位相差をコンピュータ処理することによって計算される。例えば、２つの隣接するベースステーションは、基準位相に対して同じ位相差を報告するならば、移動装置は２つのステーション間の垂直二等分線上のどこかにいることが分かる。位相が等しくないならば、移動装置は、同じ測定された位相差を有する点の軌跡である双曲線上であることが分かる。第３のベースステーションが位相測定を報告するならば、２つ以上の双曲線が決定される。双曲線の交点は移動装置の位置を決定する。
位相測定に対して要求される精度は１度程度である。例えば、１００メートルの精度（３００ｆｔ）は約３００ナノ秒の精度を要求する。トーンバーストが周波数において６ｋＨｚであるならば、位相測定における約２分の１度の分解能が所望の精度を生成する。Ｓ／Ｎが十分に高い場合、この程度の精度を容易に得られることに注意すべきである。
上記の目的のためにＳＡＴ信号（管理音声トーン）を使用することができる。ＡＭＰＳシステムにおいて、各ベースステーションは順方向チャンネルにおいて５９８０、６０００、または６０３０Ｈｚの何れかのトーンを送信する。移動装置はこのトーンを受信し、逆方向チャンネルにおいてそれを再送信する。
以下の方法によって標準ＡＭＰＳ電話の位置決定を行なうことができる。
１）呼びが移動装置と通常の方法で設定され、チャンネルを予め決められた位置決定チャンネルに変更する命令が移動装置に送信され、
２）移動装置と通信していたベースステーションが、位置決定チャンネルにおいて予め決められたＳＡＴトーン割当て、通常６０００Ｈｚを送信し、
３）移動装置が、通常の方法でＳＡＴトーンを受信および再送信し、周囲のベースステーションが帰還ＳＡＴトーンと受信されたＧＰＳタイミング信号から導き出された基準トーンとの間の位相差を測定し、
４）測定値が、中心点および計算された位置で集められ、
５）移動装置が、前の周波数に戻るように命令され、進行中の呼びを継続する。
可能であるならば、ＳＡＴトーン方法を使用して、呼びが継続している時に移動装置の位置を追跡することができる。接続されたベースステーションおよび隣接するベースステーションは、通常のセルラ通信信号における同期化された基準トーンに対するＳＡＴトーンの位相差を測定し続けることができる。しかしながら、ここでＳＡＴトーン周波数（いわゆるＳＡＴカラーコード）は、１つのベースステーションから別のベースステーションへ変化し、各場合において適切な測定値が生成されなければならない。さらに、隣接する共通チャンネルセルにおける移動装置からの共通チャンネル干渉の可能性は測定の正確さを劣化する。呼び処理中の如何なる時においても、一層正確な位置が要求されるならば、移動装置は専用の測定周波数に対して命令される。
所望の正確さを達成するために要求されるＳ／Ｎは、受信されたＳ／Ｎおよび平均時間によって決定される。２分の１度の分解能は、７ビットの分解能に対応する。全Ｓ／Ｎが４２ｄＢであることが要求されるように、分解能の各ビットは追加の６ｄＢのＳ／Ｎを要求する。受信された信号が４ｋＨｚの帯域幅において２０ｄＢのＳ／Ｎを有するならば、帯域幅は２２ｄＢに狭められる。これは、４ミリ秒の測定時間を要求することが明らかである。
移動装置端末の移動は、測定に大きい影響を与えないことに注意すべきである。４ミリ秒において、１００ｆｔ／秒で移動している移動装置は、測定分解能よりも著しく少ない０．４フィートしか移動しないことを考慮に入れるべきである。
６ＫＨｚのＳＡＴトーン周波数は、典型的な寸法のセルラ電話システムにおける不明瞭な位置決定を助けるために適していることにも注意するべきである。このトーン周波数に対する不明瞭な距離は約５０キロメートルであり、それは波形の完全な１サイクルまたは１６６．７マイクロ秒に対応する。
【図面の簡単な説明】
本発明の特徴、目的、および長所は、全体的に同じ参照符号によって対応して識別される図面と共に、以下で開示された詳細な説明を読むことによって一層明白になる。
図１は、例示されたセルラシステムの全体的なブロック図である。
図２は、位置決定処理を行うためにベースステーションによって実行される処理作業のブロック図である。
図３は、位相検出器回路のブロック図である。
図４は、位置決定の例示的な説明図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
システムの全体的なブロック図は、図１に示されている。セルラシステムは、ベースステーション100,101,102および恐らくその他の多くの付加的なベーステーションと、システム制御装置スイッチ20から構成されており、これは移動電話スイッチング局（ＭＴＳＯ）のようなセルラ産業において既に知られている。システム加入者の移動装置は、自動車電話10および11と、ポケットサイズの携帯セルラ電話機12および13の両方として示されている。
開示された位置決定システムはさらに、正確な同期手段として地球規模位置決定システム（ＧＰＳ）の地球軌道衛星200,201,202,および203を使用している。ＧＰＳは、４つ以上の衛星を地球上の如何なる場所においても常に見ることができるように、軌道内に配置されている２４個の衛星の配列から構成されている。これらの衛星は、視界内の衛星からの信号の到達時間の正確な差をＧＰＳ受信機によって測定できるようにする信号を送信する。衛星はＧＰＳ受信機において正確な時刻および周波数を得ることを可能にする協定世界時間（ＵＴＣ）に同期される。このＧＰＳの機能は、各ベースステーションにおいて正確に同期された基準トーンを生成するための手段として使用される。
セルラシステムは、各ベースステーションのサービス区域内において約５７まで以下の同時電話呼びを移動装置に供給することができる。通常、各ベースステーションは、周囲のベースステーションにおいて使用されていない５７の無線周波数チャンネルの対に割当てられる。さらに遠くに配置されているベースステーションは、周波数の再使用として知られている方法でチャンネルを再使用することができる。周波数の再使用は、各システムが自由に使用できるチャンネルを合計で４１６だけしか有していなくても、チャンネルが不足することなく、数百のベースステーションによって１つの都市のサービスを行うことを可能にする。
開示のシステムにおいて、４１６チャンネルの中の１つ以上が、位置決定システム専用であり、電話呼びには使用されないことが意図されている。これは、その他の移動装置からの共通のチャンネル干渉を生じない“クリアなチャンネル”を可能にし、一層高い信号対雑音比、一層短い測定時間、および一層の正確な位置決定を行なうことを可能にする。位置決定のための単一のチャンネルは、システム制御装置の制御のもとでシステム内の全ての移動装置によって共有される。システム制御装置は、どの移動装置が位置を決定することを要求するかを決定し、ベースステーションを介して、測定されるべき移動装置および周囲のベースステーションへ命令を送信する。数多くの位置測定を行なわなければならないならば、１つ以上のＲＦチャンネルをこの目的のためのみに割当てることができる。
進行中の各呼びにおいて説明された測定を行なうことによって、サンプリングによってではなく連続的にシステムにおける各移動装置の電話呼びの位置を監視するために説明された技術を使用することもできる。
図２は、位置決定処理を行うためにベースステーションによって実行される処理作業のブロック図を示している。ＧＰＳアンテナ300およびＧＰＳ受信機301は、ネットワークにおけるベースステーションに対して共通の周波数の分配手段および時間基準を与える。地球規模位置決定システム（ＧＰＳ）は、地球上の各点が４つ以上の衛星を連続的に視界中に有するように、地球の周りの円形傾斜軌道における２４の衛星のネットワークから構成されている。衛星は、受信された信号において非常に正確な時間測定を可能にする拡散スペクトル波形によって変調された無線信号を送信する。ＧＰＳ受信機は、衛星から４つ以上のダウンリンク信号を得て、それらに同期化する。その後、異なる衛星からの信号間の到達時間の差が測定される。衛星からのデータリンクにおいて連続的に送信される軌道パラメータの情報と共に、ＧＰＳ受信機は三次元空間においてその位置を得ることができ、副産物として協定世界時間（ＵＴＣ）に同期される非常に正確な時刻を得る。システムにおける各ベースステーションがそのように設置されるならば、それらを全て非常に正確に同期することができる。位置決定機能のために、ＵＴＣに対する同期は必要なく、全てのベースステーションを共通基準に同期化することのみが要求されることに注意すべきである。
異なるベースステーションにおける位相測定の同期化のためにその他の手段を使用することも可能である。例えば、テレビ放送信号をそのように利用することもできる。テレビ放送信号は、カラーバーストおよび画像の水平および垂直同期の構成に対する非常に安定して正確な周波数基準を使用している。これらの信号は、都市における全てのベースステーションにおいて受信可能であるならば、位相測定処理を同期化するために使用することができる。ＴＶ送信機から各ベースステーションへの伝播遅延における差を考慮に入れなければならない。
ＧＰＳ受信機301は、毎秒１パルス（１ｐｐｓ）の信号340および１ＭＨｚ信号341を生成する。１ＭＨｚ信号は安定した発振器を同期化するために使用される。シンセサイザ302は、各ベースステーションにおいて１つの共通の位相に同期化される６０００Ｈｚの信号342を発生するために安定化された１ＭＨｚおよび１ｐｐｓの信号を使用する。
シンセサイザ302は非常に簡単である。例えば、１ＭＨｚの信号は１２で乗算され、１２ＭＨｚの信号を生成する。その後１２ＭＨｚの信号は、デジタル除算器において２０００によって除算される。その結果６０００Ｈｚの方形波信号が生成される。除算回路は、各秒の最初に１ｐｐｓ信号によってリセットされる。これは、全てのベースステーションにおいて２０００による除算の回路が、同じ時間に同じ状態であることを確実にする。
６ｋＨｚの基準信号は、加算器318においてＭＴＳＯからの送信音声と加算される。６ｋＨｚの信号は、このチャンネルに対するＳＡＴ信号として使用される。生成された信号は、セルラ送信機317によってＦＭ送信信号へ変喚される。８６９乃至８９４ＭＨｚの帯域における予め決められた３０ｋＨｚチャンネルは、位置決定専用である。原則的に、通常の電話呼びのために使用されるチャンネルは、この目的のために使用することができる。その後、生成されたＦＭ信号は、セルラ送信アンテナ316によって放射される。加算器318を有するセルラ送信機317は普通のセルラベースステーション送信機であるが、ＳＡＴトーンに対してシンセサイザ302から６ｋＨｚの基準信号を受信する機能のみを付加的に有する。
システムにおけるベースステーションの１つのみが、１度に移動装置へ送信する。しかしながら、周囲のベースステーションは信号を受信し、その測定を行なうことができる。
移動装置は信号を受信し、ＳＡＴトーンを復調し、それをそれ自身のベースバンド送信音声と加算し、それを再送信する。これらの移動装置の機能は普通のセルラ電話呼び中のＡＭＰＳ移動装置の普通の機能である。したがって位置決定の所望のサービスを提供するために特別な装置は移動装置では要求されない。位置決定のために付加される装置は、ベースステーション、すなわち位置決定サービスを供給することが望まれるベースステーションにおいてのみ設置される。
ベースステーションは、セルラ受信アンテナ310により移動装置から信号を受信する。その後この信号はセルラ受信機311によって増幅され復調される。受信機は、ベースステーション制御装置320から制御信号343を受信し、受信信号強度指示（ＲＳＳＩ）信号344を制御装置320へ供給する。制御装置320は、移動装置の位置の計算において使用するために、その他の信号と共にＲＳＳＩ信号をＭＴＳＯへ中継する。受信音声345は、ＡＭＰＳベーステーションにおける普通の方法でＭＴＳＯへ伝送される。普通のＡＭＰＳベーステーション受信機の機能以外の受信機311に要求される唯一の付加的な機能は、帯域通過フィルタ312に対してＳＡＴトーン信号346出力がされることだけである。
典型的にリミッタ弁別器であるが、当業者にはその他の多くのＦＭ復調回路が知られている受信機311のＦＭ復調器回路におけるスピーチ信号と共に、移動装置の送信信号に付加されるＳＡＴトーン信号が復調される。６ｋＨｚにおけるＳＡＴトーン信号は、帯域通過フィルタ312によってスピーチ信号から分割される。このフィルタは通常、数百Ｈｚの帯域幅を有する。一般的に、このフィルタの帯域幅が一層狭くなると、ＳＡＴトーン信号の信号対雑音比は一層高くなるが、出力信号の位相測定のために要求される時間は、それがフィルタの帯域幅に比例する時間応答を示すので、一層長くなる。
フィルタ312の出力は、周波数シンセサイザ302から６ｋＨｚの基準信号と共に位相検出器314へ入力される。この位相検出器は、６ｋＨｚの基準信号と受信されたＳＡＴトーンとの間の位相差を測定する。その位相差は受信される移動装置とベースステーションとの間の距離に比例する。固定され、前もって決定されていてもよいＳＡＴトーンにおいて、セルラ送信機317への入力と送信アンテナ316との間の実効位相シフトのようなある程度の位相シフトがある。送信機におけるフィルタおよび等化回路の応答、並びに１つの場所から他の場所への信号伝送の物理的遅延の両方によって、位相シフトが生じる。同じように、セルラ受信機311および帯域通過フィルタ312において付加的な位相シフトがある。これらの位相シフトは、これらが固定される時にシステムの外部で測定され較正される。
位相シフトの付加的な原因は移動装置における回路によって生じる。この位相シフトの正確な値は、電話機によって変化するが、位相シフトの一般的な範囲を決定し較正することができる。都合良いことに、開示されたシステムの位置決定の正確さは、移動装置回路によって生じる位相シフトに依存しない。
位相シフトの最後の原因であり、最も重要なものは、移動装置とベースステーションとの間の空気中を通して信号を伝送する物理的遅延によるものである。相対的な位相シフトは、３つ以上のベースステーションのそれぞれにおいて測定されるので、移動装置からベーステーションへの送信の位相シフトのみが、位置決定のために重要である。ベースステーションの１つのみが移動装置へ送信するので、位相検出器314の動作範囲を設定することを除いて、この位相シフトは重要ではない。
位相検出器回路のブロック図が、図３に示されている。入力信号は、乗算器回路330および331へ供給される。６ｋＨｚの基準信号は、乗算器330の第２の入力および位相シフタ回路332へ供給される。位相シフタ回路は６ｋＨｚの基準信号の位相を９０°（すなわちπ／２）シフトする。位相シフタ332の出力は乗算器331の第２の入力に供給される。正弦波の位相を９０°シフトする回路は当業者によく知られている。或る場合において、周波数シンセサイザ302が位相を９０°シフトされた６ｋＨｚの基準信号の２つの出力を生成することが好ましい。乗算器は、２つの入力信号の積を生成する。すなわち、２つの入力が信号ｘおよびｙであるならば、出力はｘ×ｙである。２つの乗算器回路330および331の出力335および336は、それぞれ結合器333の入力ＡおよびＢである。結合器の出力信号は、入力比の逆正接関数（tan-1Ａ／Ｂ）に等しい。この位相検出器回路は、１８０°の位相差範囲において機能する。入力Ｂがゼロに等しい時、すなわち２つの点において位相差が１８０°離れる時、比Ａ／Ｂは定められないことに注意すべきである。通常、位相検出器回路の有効範囲が、これらの２つの定められない値の間にあるように、位相シフトの固定された値は調節される。１８０°の動作範囲は、２５ｋｍまたは１５．５スタチュ（statue）マイルの変化範囲に対応する。これは、ＡＭＰＳセルラ電話システムに対する殆どの技術的応用に適する。
再び図２を参照すると、位相検出器回路314の出力は、所望の信号対雑音比を生成するために低域通過フィルタ315によって平均化される。その後フィルタされた出力はデジタル化され、制御装置320へ送られる。制御装置は、ＲＳＳＩ測定値と共に位相差測定値を、移動装置の位置が計算されるＭＴＳＯへ送る。
フィルタに対する望ましい改良は、測定の前に受信される雑音信号がその結果に影響を与えることを防ぐために、測定処理の最初にフィルタ312および315をリセットすることである。
当業者に明白な位相検出器回路を構成する多くの異なる方法がある。魅力的な構成は、セルラ受信機311からのＳＡＴトーン出力信号をデジタル化し、その後デジタル回路において帯域通過フィルタ312、位相検出器314、および低域通過フィルタ315の機能の全てを実行する。これは、最初にこの信号をアナログ型式に変換せずにシンセサイザ302の出力を直接に使用できるようにする。これらの処理ステップは、適切なデジタル信号処理装置（ＤＳＰ）回路によって実行されることができる。
位置決定処理は、ＭＴＳＯにおいて開始される。所定の移動装置が既にシステムと通信しており、この移動装置に対して位置決定が行われることが決定されると仮定するならば、ＭＴＳＯは以下のステップを制御する。
１）チャンネルを予め決められた位置決定チャンネルへ変更することを移動装置に命令する命令がそれに送信され、
２）移動装置と通信していたベースステーションが、６０００Ｈｚの予め決められたＳＡＴトーン割当てを有するチャンネルにおいて送信し、
３）移動装置が、普通の方法でＳＡＴトーンを受信して再送信し、全ての周囲のベースステーションが、帰還したＳＡＴトーンと、受信されたＧＰＳタイミング信号から導出された基準トーンとの間の位相差を測定し、
４）測定が、ＭＴＳＯにおいて収集されて、位置が計算され、
５）移動装置が、（通常の制御メッセージを送信することによって）進行中の呼びを継続するために前の周波数へ戻すことを命令される。
ＭＴＳＯは、測定が行われるシステム中の全てのベースステーションへ送信し、全てのベースステーションは指示された時間に位相測定を行なうように試みる。ベースステーションのほとんどは、移動装置の範囲外にあり、重要な測定を行なわない。そのような受信機からのＲＳＳＩ信号は弱い信号を示しており、ＭＴＳＯはこれらのベースステーションからの位相測定を無視する。通常、移動装置と通信しているベースステーションに対して最も近くに隣接しているベースステーションのみが重要な測定を行なう。ＭＴＳＯ処理は、低いＲＳＳＩを有する受信機からの位相測定を無視することに加えて、通信しているベースステーションから近くないベースステーションからの測定も無視することを選択する。
位置は、ベースステーションの対からの位相測定が、ステーション間の位置の双曲線を定めるように決定される。例えば、図４におけるベースステーション400および401に対する位相差測定が、１０°異なると仮定する。例えば、ベースステーション400は基準に対して−４９°を測定し、ベースステーション401は−５９°を測定する。したがって、携帯装置412はベースステーション401よりもベースステーション400に対して約１マイル近い。さらにそれは、点の軌跡である双曲線において、401よりも400に約１マイル近い。我々が、ベースステーション402が携帯装置412を基準に対して−３９°であることを測定することも発見すると仮定する。したがって、携帯装置412は１０°であるか、または400よりも402に対して約１マイル近い。さらに、携帯装置412は401よりも402に約２マイル近い。我々はここで３つの双曲線を定める。それらがマップ上で交差しているところが移動装置の位置である。ベースステーションの位置の情報が与えられて、時間差に基いて位置を計算するアルゴリズムは、当業者によく知られている。事実、移動装置においてではなくベースステーションおよびＭＴＳＯにおいて測定および計算が行なわれることを除いて、計算処理はロラン位置決定システムで使用される処理と同じである。
測定処理の完了の際、ＭＴＳＯは、別の移動装置が使用するために位置決定チャンネルを解放するために、システムの標準（位置決定以外の）チャンネルへ戻すことを移動装置およびベースステーションへ命令する。
明白に、全てのベースステーションが、開示された相対的位相測定を行なうために設備を設けられるならば、呼びを進行する一方で、全ての移動装置の位置を同時に決定することができる。これに関する唯一の重要な付加的な問題は、セルラシステムによって通常使用される周波数の再使用処理のために共通チャンネルの干渉が発生し易いことである。
各ベースステーションのサービス区域は、基本的なセルラサービスのために要求されるサービス区域よりも幾分大きくなければならないことが明白である。通常、移動装置は２つのベースステーション間の中間点をほんのわずかに通り過ぎた点においてベースステーションと通信可能であることが必要である。位置決定サービスを実行するために、移動装置は、第１のベースステーションに隣接する点から隣接するベースステーションと通信可能でなければならない。したがって、位置決定作業において移動装置が通信可能な範囲は、通常動作区域の約２倍でなければならない。セルがサービスに対する要求を満たすようにシステムのキャパシティを増加するために、基本的なサービスに対して要求されるよりもはるかに小さいサービス区域に分割されるので、これは殆どのセルラシステムにおいて問題ではない。したがって、移動装置は通常、システムのサービス区域内のほぼどこに位置していても存在する３つの必要なベースステーションと通信可能であるべきである。
以上の本発明の好ましい実施形態の説明は、当業者が本発明を生成し使用できるように提供される。これらの実施形態に対する種々の変更は当業者には容易に明白であり、ここで定められた全体的な原理は、発明能力を使用せずにその他の実施形態に応用することができる。したがって、本発明はここで示される実施形態に限定されず、ここで説明された原理および新しい特徴に矛盾しない幅広い範囲と調和することが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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