(57)【要約】      （修正有）【課題】セルラー式携帯電話測位システムにおいて、少なくとも１つの基地局と携帯端末との間で、制御チャンネルに割当てられた周波数の無線信号を用いた相互間の通信によって、携帯端末の位置を高精度で測位することを可能とする。【解決手段】基地局１０１のセルを４つのセクタに分け、指向性アンテナ２１ａａ、２１ａｂは第１のセクタに設けられ、同様に、２組の指向性アンテナが残りのセクタ毎に設けられている。携帯端末１０３において、前記基地局１０１から送信される距離測定信号の位相を測定して前記基地局１０１からの距離を算出し、前記基地局１０１の複数の指向性アンテナ２１ａａ、２１ａｂに対応した方向測定信号の位相差を測定して前記基地局が位置する方向を算出し、前記距離の算出結果と、方向の算出結果とから、前記携帯端末１０３の１次元〜３次元の内の何れかの次元の位置を高精度で測位する。【選択図】図１
2011149809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
携帯電話システムの制御チャンネルを利用するセルラー式携帯電話測位システムにおいて、
前記携帯電話システムの制御チャンネルに割当てられた周波数の無線信号を移動しながら時分割で送信しあるいは受信するための携帯端末と、セル毎もしくはセクタ毎に配置され位置の基準となる少なくとも１つの基地局とから構成され、
前記携帯端末が、少なくとも、アンテナ切替器と、信号生成手段と、送信機と、受信機と、信号再生手段と、位相測定手段と、位置算出手段とを有し、
前記アンテナ切替器が、アンテナを送信機又は受信機のいずれかに時分割で切替え、
前記信号生成手段が、少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、起点信号を含む測位要求信号とを生成し、
前記送信機が、前記測位要求信号を含む無線信号を前記基地局に向けて送信し、
前記受信機が、前記基地局から送信される無線信号を受信し、
前記信号再生手段が、前記受信機によって受信される無線信号から、距離測定信号と方向測定信号とを再生し、
前記位相測定手段が、前記再生された距離測定信号と方向測定信号との位相を測定し、
前記位置算出手段が、前記位相の測定結果から自局の位置を測位し、
前記基地局が、少なくとも、アンテナ切替器と、受信機と、信号再生手段と、同期発振手段と、信号生成手段と、送信機とを有し、
前記アンテナ切替器が、複数の指向性アンテナを周期的に切替え、あるいは送信機又は受信機のいずれかに時分割で切替え、
前記受信機が、前記携帯端末から送信される測位要求信号を含む無線信号を受信し、
前記信号再生手段が、前記受信機によって受信される無線信号から測位要求信号に含まれる起点信号を再生し、
前記同期発振手段が、前記再生された起点信号と高精度でかつ短時間に同期を確立して同期を保持し、
前記信号生成手段が、前記同期発振手段の出力と同期しあるいは直交する距離測定信号と、前記距離測定信号とは別に、方向を測定するための方向測定信号とを生成し、
前記送信機が、前記携帯端末から送信される測位要求信号に対応して、少なくとも前記距離測定信号と方向測定信号とを含む無線信号を、セル毎もしくはセクタ毎に配置された基地局に予め割当てられた周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で、複数の指向性アンテナを周期的に切替えながら、前記携帯端末に向けて送信し、
前記携帯端末において、前記距離測定信号の位相を測定して前記基地局からの距離を算出し、前記基地局の複数の指向性アンテナに対応した方向測定信号の位相差を測定して前記基地局が位置する方向を算出し、
前記距離の算出結果と、方向の算出結果とから、自局の１次元〜３次元の内の何れかの次元の位置を高精度で測位する
ことを特徴とするセルラー式携帯電話測位システム。
【請求項２】
携帯電話システムの制御チャンネルを利用するセルラー式携帯電話測位システムにおいて、
前記携帯電話システムの制御チャンネルに割当てられた周波数の無線信号を移動しながら時分割で送信しあるいは受信するための携帯端末と、セル毎もしくはセクタ毎に配置され位置の基準となる少なくとも１つの基地局とから構成され、
前記基地局が、少なくとも、アンテナ切替器と、受信機と、信号生成手段と、送信機と、信号再生手段と、位相測定手段と、位置算出手段とを有し、
前記アンテナ切替器が、複数の指向性アンテナを周期的に切替え、あるいは送信機又は受信機のいずれかに時分割で切替え、
前記信号生成手段が、少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、起点信号を含む測位要求信号とを生成し、
前記送信機が、前記起点信号を含む無線信号を、前記携帯端末に向けて、セル毎もしくはセクタ毎に配置された基地局に予め割当てられた周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で、バースト信号として送信し、
前記受信機が、前記測位要求信号に応答して前記携帯端末から送信される無線信号を、セル毎もしくはセクタ毎に配置された基地局に予め割当てられた周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で、複数の指向性アンテナを周期的に切替えながら受信し、
前記信号再生手段が、前記受信機によって受信される無線信号から、距離測定信号と方向測定信号とを再生し、
前記位相測定手段が、前記再生された距離測定信号と方向測定信号との位相を測定し、
前記位置算出手段が、前記位相の測定結果から携帯端末の位置を測位し、
前記携帯端末が、少なくとも、アンテナ切替器と、受信機と、信号再生手段と、同期発振手段と、信号生成手段と、送信機とを有し、
前記アンテナ切替器が、アンテナを送信機又は受信機のいずれかに時分割で切替え、
前記受信機が、前記基地局に予め割当てられた周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で、送信される無線信号を受信し、
前記信号再生手段が、前記受信機によって受信される無線信号から、測位要求信号に含まれる起点信号を再生し、
前記同期発振手段が、前記再生された起点信号と高精度でかつ短時間に同期を確立して同期を保持し、
前記信号生成手段が、前記同期発振手段の出力と同期しあるいは直交する距離測定信号と、前記距離測定信号とは別に、方向を測定するための方向測定信号とを生成し、
前記送信機が、前記基地局から送信される測位要求信号に対応して、少なくとも前記距離測定信号と方向測定信号とを含む無線信号を、セル毎もしくはセクタ毎に配置された基地局に予め割当てられた周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で、前記基地局に向けて送信し、
前記基地局において、前記距離測定信号の位相を測定して携帯端末からの距離を算出し、前記基地局の複数の指向性アンテナに対応した方向測定信号の位相差を測定して携帯端末が位置する方向を算出し、
前記距離の算出結果と、方向の算出結果とから、前記携帯端末の１次元〜３次元の内の何れかの次元の位置を高精度で測位する
ことを特徴とするセルラー式携帯電話測位システム。
【請求項３】
前記携帯端末が、少なくとも、位置登録要求信号、発呼要求信号、もしくは緊急発信要求信号を含む無線信号を送信し、前記無線信号を受信した基地局が、前記携帯端末を指定して、少なくとも測位要求信号を含む無線信号を送信し、前記基地局が、前記携帯端末の１次元〜３次元の内の何れかの次元の位置を高精度で測位することを特徴とする請求項第２項に記載のセルラー式携帯電話測位システム。
【請求項４】
前記携帯端末もしくは基地局から送信される起点信号と、前記基地局もしくは携帯端末から送信される距離測定信号と方向測定信号とが、単一もしくは同期しあるいは直交する複数の、搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの組合せであることを特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載のセルラー式携帯電話測位システム。
【請求項５】
前記信号再生手段において、前記再生する起点信号もしくは測定信号が、無線信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号である場合には、群遅延歪みの少ない帯域通過フイルタを通し、あるいは無線信号を変調した変調信号である場合には、遅延誤差の少ないアナログ復調器もしくは高い周波数のクロック信号を用いる遅延誤差の少ないデジタル復調器によって復調した後に、前記帯域通過フイルタを通して再生することを特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載のセルラー式携帯電話測位システム。
【請求項６】
前記基地局もしくは携帯端末の同期発振手段が、基準発振器もしくは位相同期発振器によって駆動されるセットあるいはリセット付きのカウンタあるいは数値制御発振器によって構成され、前記受信機によって受信され信号再生手段によって復調されもしくは再生された起点信号の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを、同期検出手段によって少なくとも１６ＭＨｚ以上の周波数のクロック信号を用いて検出し、前記同期検出手段が検出したタイミングで、前記カウンタあるいは数値制御発振器をセットしもしくはリセットすることによって、前記同期発振手段が起点信号と短時間で同期を確立し、同期を保持できることを特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載のセルラー式携帯電話測位システム。
【請求項７】
前記基地局あるいは携帯端末の同期発振手段と、前記復調されもしくは再生された起点信号との間の同期確立誤差を低減し、高精度でかつ短時間に同期を確立させるために、前記携帯端末、前記基地局、あるいはこれらの両方に同期確立誤差関数を付与し、前記同期確立誤差関数が前記同期確立誤差を限りなくゼロに近づける特性を有することを特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載のセルラー式携帯電話測位システム。
【請求項８】
前記基地局あるいは携帯端末の同期検出手段に前記同期確立誤差関数を付与するために、前記位相同期発振器から出力されるクロック信号の位相をシフトさせるための複数組の移相手段と、前記複数組の移相手段によって各々異なった位相にシフトされた複数組のクロック信号を選択して外部に出力するためのタイミング制御手段とを設け、前記移相手段の移相量の合計を、前記クロック信号の一周期の間隔よりも大きく設定することによって、距離の算出精度を向上させることを特徴とする請求項第７項に記載のセルラー式携帯電話測位システム。
【請求項９】
前記基地局あるいは携帯端末の同期発振手段に前記同期確立誤差関数を付与するために、前記同期発振手段が複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器を有し、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器が、前記再生された起点信号と各々異なった複数のタイミングで切替手段によって切替えられて同期を確立し、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器から出力される出力信号を異なった複数のタイミングで選択手段によって選択し、前記選択された出力信号に同期しもしくは直交した単一もしくは複数の距離測定信号を生成して前記携帯端末あるいは基地局に向けて送信し、前記携帯端末あるいは基地局の信号処理手段において、前記複数のタイミングに対応して算出した距離の平均値を求めることによって、距離の算出精度を向上させることを特徴とする請求項第７項に記載のセルラー式携帯電話測位システム。
【請求項１０】
前記基地局あるいは携帯端末から送信され、あるいは前記基地局あるいは携帯端末によって受信される起点信号に前記同期確立誤差関数を付与するために、少なくとも前記基地局の複数の指向性アンテナを周期的に切替えながら、あるいは前記基地局に加え携帯端末にも複数のアンテナを設けて周期的に切替えながら、前記起点信号を送信しあるいは受信し、距離の算出精度を向上させることを特徴とする請求項第７項に記載のセルラー式携帯電話測位システム。
【請求項１１】
前記携帯端末の受信機、基地局の受信機、あるいはこれらの両方が、複数のアンテナを設けて周期的に切替え、前記複数のアンテナに対応して距離を測定しあるいは算出した結果の内、距離を比較的に短く測定しあるいは算出したものを選択し、平均し、荷重平均を行い、あるいはこれらの組み合わせを行うことによって、前記距離測定結果あるいは距離算出結果を補正しあるいは補完することを特徴とする請求項第１０項に記載のセルラー式携帯電話測位システム。
【請求項１２】
前記携帯端末あるいは基地局の位相測定手段が積和演算器を有し、前記積和演算器のＳｉｎのルックアップテーブルとして０、１、０、−１、もしくは１、１、−１、−１、もしくはこれらの整数倍の繰り返しとし、Ｃｏｓのルックアップテーブルとして１、０、−１、０、もしくは１、−１、−１、１、もしくはこれらの整数倍の繰り返しとして積和演算する。なお、積和演算を行う際の１との乗算は前記デジタル信号と同じ値であり、−１との乗算は前記デジタル信号の補数を求めることであり、０との剰算は０であり、前記積和演算器を単純化でき、しかも高速で、リアルタイムの演算が可能となることを特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載のセルラー式携帯電話測位システム。
【請求項１３】
前記基地局の指向性アンテナが、反射板付きのアレーアンテナから構成され、セル毎もしくはセクタ毎に指向性の方向を斜め下方向もしくは水平方向に向けて設置され、水平方向に２組、あるいは水平方向に２組と垂直方向に２組との合計４組が配置され、各組の間隔が前記無線信号の搬送周波数の０．２５波長から２波長の間隔で配置されることを特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載のセルラー式携帯電話測位システム。
【請求項１４】
前記携帯端末の受信機、基地局の受信機、あるいはこれらの両方が、伝搬経路の品質を検知する品質検知手段を有し、前記品質検知手段が、前記受信機において受信した無線信号の電力あるいは信号対雑音比を測定した結果から回線品質を分析し、前記位相測定手段で距離測定信号の位相あるいは方向測定信号の位相差を測定した結果から距離測定精度あるいは方向測定精度を分析し、あるいはこれらの分析の両方を行い、前記距離測定処理、方向測定処理、あるいはこれらの両方の結果を補正しあるいは補完することを特徴とする請求項第１項から第１３項までのいずれかに該当するセルラー式携帯電話測位システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、セルラー式携帯電話測位システムにおいて、少なくとも１つの基地局と携帯端末との間で、制御チャンネルに割当てられた周波数の無線信号を用いて相互間の通信を行うことによって、携帯端末の位置を高精度で測位することを可能とするものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数の基地局を用いて測位を行なうシステムが提案されている。（例えば、特許文献１〜３参照）
【特許文献１】特開２００９−０６５３０１号公報
【特許文献２】特開２００８−１３９２９２号公報
【特許文献３】特開２０００−１８０５２８号公報
【０００３】
図９は、特許文献１に記載されている従来の「移動体通信端末の現在位置測位計算方法」の実施例である。
図９において、ＰＨＳ端末や、携帯電話端末のような移動体通信端末の所在位置を固定基地局の電界強度を利用して高精度に測定する移動体通信端末の現在位置測位計算方法を提供する。送受信機を具備した固定基地局が発する電界強度を測定して移動体通信端末の現在位置を求める移動体通信端末の位置探査方法において、移動体通信端末が電波を測定可能なそれぞれの基地局の測定電界強度から計算された移動体通信端末からそれぞれの基地局までの距離の合計と、計算地点とそれぞれの基地局との距離の合計との差が最も小さくなるような地点を現在位置とする最小二乗法を用いた移動体通信端末の現在位置測位計算方法を提供する。
【０００４】
上記のように、従来の「移動体通信端末の現在位置測位計算方法」では３次元の測位を行なうために少なくとも４局の基地局が必要であり（２次元の測位を行なうためには少なくとも３局の基地局が必要）、更に、所在位置を固定基地局の電界強度を利用しているため、マルチパスあるいはフエーヂングによって誤差を受けやすい問題点があった。
【０００５】
一方、特許文献２に記載されている従来の「移動無線局の位置を決定する測位システム、プログラムおよび位置決定方式」では、移動無線端末の位置を決定するためのより簡単でより小さな構成を実現する。移動無線局（２６０〜２８２）の位置を決定する装置（４７０、３７０、１１０、１２０）は、第１の基準無線局（２００〜２４２）の位置、第２の基準無線局（２００〜２４２）の位置、第３の基準無線局（２００〜２４２）の位置、その移動無線局とその第１の基準無線局の間の第１の相対的角度方向、その移動無線局とその第２の基準無線局の間の第２の相対的角度方向、およびその移動無線局とその第３の基準無線局の間の第３の相対的角度方向から、その移動無線局の位置を決定する手段を具えているが、前記複数の基準無線局からの相対的角度方向のみを測定して測位するものであり、高精度の測位が難しい問題点がある。
【０００６】
また、特許文献３に記載されている従来の「移動体測位方法とその移動体測位システム」では、「位置測定用の装置の物理的制約を低減でき、保守性が高く、政治的制約の無い、高精度で安価なＬＰＳ移動体測位システムを構築する。１つまたは複数の地上基地局Ａ１，Ａ２，Ａ３…から位置特定用電波を発信させる。またこの位置特定用電波によって１つまたは複数の中継移動局Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３…夫々に自身の位置を検出、認識させる。そして、自身の位置が検出、認識された少なくとも１つの中継移動局Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３…からの位置特定用電波と、１つまたは複数の地上基地局Ａ１，Ａ２，Ａ３…から発信される位置特定用電波とを受信して移動体Ｍの相対的位相差例えば時間差を検出し、移動体Ｍの現在位置情報を獲得する。夫々の中継移動局Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３…は受信機Ｒ、位置計算機Ｐ、送信機Ｔを備えた航空機、船舶、自動車等更にはモバイルを利用したものとし、また、時刻データに基づく遅延信号として移動体Ｍへ送信するように位置・時間の自動補正機能を備えた構成とする。」とされているが、中継移動局を設けなければならないこと、相対的位相差例えば時間差を検出して距離のみを測定するなどの問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明は、セルラー式携帯電話システムにおいて、セル毎もしくはセクタ毎に配置された少なくとも１つの基地局と、移動体に設置されあるいは移動体によって携帯される携帯端末との間で、前記携帯電話システムの制御チャンネルに割当てられた周波数の無線信号を用いた相互通信によって、携帯端末の１次元〜３次元の内の何れかの次元の位置を高精度で測位するためのセルラー式広携帯電話測位システムを安価に実現するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係わるセルラー式携帯電話測位システムは、セル毎もしくはセクタ毎に複数の指向性アンテナを搭載して周期的に切替えながら、少なくとも、同期信号と、識別信号と、距離を測定するための距離測定信号と、方向を測定するための方向測定信号とを含む無線信号を、セル毎もしくはセクタ毎に配置され、予め割当てられた制御チャネルの周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で送信する基地局と、前記無線信号を受信して測位を行なうための携帯端末とから構成され、前記距離測定信号が、前記携帯端末から基地局に向けて送信される測位要求信号に含まれる起点信号と、高精度で同期しあるいは直交する搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの組み合わせであり、
【０００９】
あるいは、少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、距離を測定するための距離測定信号と、方向を測定するための方向測定信号とを含む無線信号を、セル毎もしくはセクタ毎に予め割当てられた制御チャネルの周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で送信する携帯端末と、複数の指向性アンテナを搭載して周期的に切替えながら、前記無線信号を受信して測位を行なうための基地局とから構成され、前記距離測定信号が、前記基地局から携帯端末に向けて送信される測位要求信号に含まれる起点信号と、高精度で同期しあるいは直交する搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの組み合わせであり、
【００１０】
前記距離測定信号と起点信号とが、瞬時にしかも高精度で同期を確立し、前記起点信号が消滅した後も、比較的に長時間同期を維持できる同期発振手段と、高精度でしかもリアルタイムで位相の測定が可能な位相測定手段とを用い、前記少なくとも１つの基地局と携帯端末との距離と、お互いが位置する方向を高精度で算出することによって、１次元〜３次元の内の何れかの次元の位置を高精度で測位するよう構成されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のセルラー式携帯電話測位システムでは、セル毎もしくはセクタ毎に配置された基地局と、移動体に設置されあるいは移動体によって携帯される携帯端末との間の、制御チャンネルに割当てられた周波数による相互間通信によって、携帯端末の１次元〜３次元の内の何れかの次元の位置を高精度でしかもリアルタイムで測位するためのシステムを安価に実現できる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この発明に係わるセルラー式携帯電話測位システムは、図１、図３、および請求項１に本発明の第１の実施の形態を示すように、携帯電話システムの制御チャンネルを利用するセルラー式携帯電話測位システムにおいて、前記携帯電話システムの制御チャンネルに割当てられた周波数の無線信号を移動しながら送信しあるいは受信するための携帯端末１０３と、セル毎もしくはセクタ毎に配置され位置の基準となる少なくとも１つの基地局１０１とから構成され、
【００１３】
前記携帯端末１０３が、少なくとも、アンテナ切替器３２と、信号生成手段３７と、送信機３４と、受信機３３と、信号再生手段３５と、位相測定手段３６と、位置算出手段３８とを有し、前記アンテナ切替器３２が、アンテナ３１を送信機又は受信機のいずれかに時分割で切替え、前記信号生成手段３７が、少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、起点信号を含む測位要求信号とを生成し、
【００１４】
前記送信機３４が、前記測位要求信号を含む無線信号を前記基地局１０１に向けてバースト信号として送信し、前記受信機３３が、前記基地局１０１から送信される無線信号を受信し、前記信号再生手段３５が、前記受信機３３によって受信される無線信号から、距離測定信号と方向測定信号とを再生し、前記位相測定手段３６が、前記再生された距離測定信号と方向測定信号との位相を測定し、前記位置算出手段３８が、前記位相の測定結果から自局の位置を測位し、
【００１５】
前記基地局１０１が、少なくとも、アンテナ切替器１９と、受信機１８と、信号再生手段１６と、同期発振手段１３と、信号生成手段１５と、送信機１７とを有し、前記アンテナ切替器１９が、複数の指向性アンテナ２１ａ、２１ｂを周期的に切替え、あるいは送信機１７又は受信機１８のいずれかに時分割で切替え、前記受信機１８が、前記携帯端末１０３から送信される測位要求信号を含む無線信号を受信し、
【００１６】
前記信号再生手段１６が、前記受信機１８によって受信される無線信号から測位要求信号に含まれる起点信号を再生し、前記同期発振手段１３が、前記再生された起点信号と高精度でかつ短時間に同期を確立して同期を保持し、前記信号生成手段１５が、前記同期発振手段１３の出力と同期しあるいは直交する距離測定信号と、前記距離測定信号とは別に、方向を測定するための方向測定信号とを生成し、
【００１７】
前記送信機１７が、前記携帯端末から送信される測位要求信号に対応して、少なくとも前記距離測定信号と方向測定信号とを含む無線信号を、セル毎もしくはセクタ毎に配置された基地局に予め割当てられた周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で、複数の指向性アンテナ２１ａ、２１ｂを周期的に切替えながら、前記携帯端末１０３に向けて送信し、前記携帯端末から送信される起点信号と、前記基地局から送信される距離測定信号と方向測定信号とが、単一もしくは同期しあるいは直交する複数の、搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの組合せであり、
【００１８】
前記携帯端末１０３において、前記距離測定信号の位相を測定して前記基地局からの距離を算出し、前記基地局の複数の指向性アンテナに対応した方向測定信号の位相差を測定して前記基地局１０３が位置する方向を算出し、前記距離の算出結果と、方向の算出結果とから、前記携帯端末自局１０３の１次元〜３次元の内の何れかの次元の位置を高精度で測位する。
【００１９】
また、図１、図４、および請求項２に本発明の第２の実施の形態を示すように、携帯電話システムの制御チャンネルを利用するセルラー式携帯電話測位システムにおいて、前記携帯電話システムの制御チャンネルに割当てられた周波数の無線信号を移動しながら時分割で送信しあるいは受信するための携帯端末１０３と、セル毎もしくはセクタ毎に配置され位置の基準となる少なくとも１つの基地局１０１とから構成され、
【００２０】
前記基地局１０１が、少なくとも、アンテナ切替器１９と、受信機１８と、信号生成手段３７と、送信機１７と、信号再生手段３５と、位相測定手段３６と、位置算出手段３８とを有し、前記アンテナ切替器１９が、複数の指向性アンテナ２１ａ、２１ｂを周期的に切替え、あるいは送信機１７又は受信機１８のいずれかに時分割で切替え、
前記信号生成手段３７が、少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、起点信号を含む測位要求信号とを生成し、前記送信機１７が、前記起点信号を含む無線信号を、前記携帯端末１０３に向けて、セル毎もしくはセクタ毎に配置された基地局１０１に予め割当てられた周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で、バースト信号として送信し、
【００２１】
前記受信機１８が、前記測位要求信号に応答して前記携帯端末１０３から送信される無線信号を、セル毎もしくはセクタ毎に配置された基地局１０１に予め割当てられた周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で、複数の指向性アンテナ２１ａ、２１ｂを周期的に切替えながら受信し、前記信号再生手段３５が、前記受信機１８によって受信される無線信号から、距離測定信号と方向測定信号とを再生し、前記位相測定手段３６が、前記再生された距離測定信号と方向測定信号との位相を測定し、前記位置算出手段３８が、前記位相の測定結果から携帯端末１０３の位置を測位し、
【００２２】
前記携帯端末１０３が、少なくとも、アンテナ切替器３２と、受信機３３と、信号生成手段１５と、信号再生手段１６と、同期発振手段１３と、送信機３４とを有し、前記アンテナ切替器３２が、アンテナ３１を送信機３４又は受信機３３のいずれかに時分割で切替え、
前記受信機３３が、前記基地局１０３に予め割当てられた周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で、送信される無線信号を受信し、前記再生手段１６が、前記受信機３３によって受信される無線信号から、測位要求信号に含まれる起点信号を再生し、前記同期発振手段１３が、前記再生された起点信号と高精度でかつ短時間に同期を確立して同期を保持し、
【００２３】
前記信号生成手段１５が、前記同期発振手段１３の出力と同期しあるいは直交する距離測定信号と、前記距離測定信号とは別に、方向を測定するための方向測定信号とを生成し、前記送信機３４が、前記基地局から送信される測位要求信号に対応して、少なくとも前記距離測定信号と方向測定信号を含む無線信号を、セル毎もしくはセクタ毎に配置された基地局１０３に予め割当てられた周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で、前記基地局１０３に向けて送信し、
【００２４】
前記基地局１０１において、前記距離測定信号の位相を測定して携帯端末からの距離を算出し、前記基地局の複数の指向性アンテナに対応した方向測定信号の位相差を測定して携帯端末が位置する方向を算出し、前記距離の算出結果と、方向の算出結果とから、前記携帯端末の１次元〜３次元の内の何れかの次元の位置を高精度で測位する。
【００２５】
また、請求項３に示すように、前記携帯端末１０３が、少なくとも、位置登録要求信号、発呼要求信号、もしくは緊急発信要求信号を含む無線信号を送信し、前記無線信号を受信した基地局１０１が、前記携帯端末１０３を指定して、少なくとも測位要求信号を含む無線信号を送信し、前記基地局１０１が、前記携帯端末１０３の１次元〜３次元の内の何れかの次元の位置を高精度で測位する。
【００２６】
また、請求項４に示すように、前記携帯端末もしくは基地局から送信される起点信号と、前記基地局もしくは携帯端末から送信される距離測定信号と方向測定信号とが、単一もしくは同期しあるいは直交する複数の、搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの組合せである。
【００２７】
また、請求項５に示すように、前記信号再生手段１６、３５において、前記再生する起点信号もしくは測定信号が、無線信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号である場合には、群遅延歪みの少ない帯域通過フイルタを通し、あるいは無線信号を変調した変調信号である場合には、遅延誤差の少ないアナログ復調器もしくは高い周波数のクロック信号を用いる遅延誤差の少ないデジタル復調器によって復調した後に、前記帯域通過フイルタを通して再生する。
【００２８】
また、図３、図４、および請求項６に示すように、前記基地局１０１もしくは携帯端末１０３の同期発振手段１３が、基準発振器１１もしくは位相同期発振器１２によって駆動されるセットあるいはリセット付きのカウンタあるいは数値制御発振器によって構成され、前記受信機によって受信され信号再生手段１５、３７によって復調されもしくは再生された起点信号の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを、同期検出手段１４によって少なくとも１６ＭＨｚ以上の周波数のクロック信号を用いて検出し、前記同期検出手段が検出したタイミングで、前記カウンタあるいは数値制御発振器をセットしもしくはリセットすることによって、前記同期発振手段１３が起点信号と短時間で同期を確立し、同期を保持できる。
【００２９】
また、請求項７に示すように、前記基地局１０１あるいは携帯端末１０３の同期発振手段１３と、前記復調されもしくは再生された起点信号との間の同期確立誤差を低減し、高精度でかつ短時間に同期を確立させるために、前記携帯端末１０３、前記基地局１０１、あるいはこれらの両方に同期確立誤差関数を付与し、前記同期確立誤差関数が前記同期確立誤差を限りなくゼロに近づける。
【００３０】
また、図６および請求項８に示すように、前記基地局１０１あるいは携帯端末１０３の同期検出手段１４に前記同期確立誤差関数を付与するために、前記位相同期発振器１２から出力されるクロック信号の位相をシフトさせるための複数組の移相手段５１と、前記複数組の移相手段によって各々異なった位相にシフトされた複数組のクロック信号を選択して外部に出力するためのタイミング制御手段５３とを設け、前記移相手段の移相量の合計を、前記クロック信号の一周期の間隔よりも大きく設定することによって、距離の算出精度を向上させる。
【００３１】
また、図７および請求項９に示すように、前記基地局１０１あるいは携帯端末１０３の同期発振手段１３に前記同期確立誤差関数を付与するために、前記同期発振手段１３が複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器９２ａ〜９２ｎを有し、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器が、前記再生された起点信号と各々異なった複数のタイミングで切替手段によって切替えられて同期を確立し、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器から出力される出力信号を異なった複数のタイミングで選択手段によって選択し、前記選択された出力信号に同期しあるいは直交した単一もしくは複数の距離測定信号を生成して前記携帯端末１０３あるいは基地局１０１に向けて送信し、前記携帯端末あるいは基地局の信号処理手段において、前記複数のタイミングに対応して算出した距離の平均値を求めることによって、距離の算出精度を向上させる。
【００３２】
また、請求項１０に示すように、前記基地局１０１あるいは携帯端末１０３から送信され、あるいは前記基地局あるいは携帯端末によって受信される起点信号に前記同期確立誤差関数を付与するために、少なくとも前記基地局１０１のセル毎もしくはセクタ毎の複数の指向性アンテナを周期的に切替えながら、あるいは前記基地局１０１に加え携帯端末１０３にも複数のアンテナを設けて周期的に切替えながら、前記起点信号を送信しあるいは受信し、距離の算出精度を向上させる。
【００３３】
また、請求項１１に示すように、前記携帯端末の受信機３３、基地局の受信機１８、あるいはこれらの両方が、複数のアンテナを設けて周期的に切替え、前記複数のアンテナに対応して距離を測定しあるいは算出した結果の内、距離を比較的に短く測定しあるいは算出したものを選択し、平均し、荷重平均を行い、あるいはこれらの組み合わせを行うことによって、前記距離測定結果あるいは距離算出結果を補正しあるいは補完する。
【００３４】
また、請求項１２に示すように、前記携帯端末１０３あるいは基地局１０１の位相測定手段３６が積和演算器を有し、前記積和演算器のＳｉｎのルックアップテーブルとして０、１、０、−１、もしくは１、１、−１、−１、もしくはこれらの整数倍の繰り返しとし、Ｃｏｓのルックアップテーブルとして１、０、−１、０、もしくは１、−１、−１、１、もしくはこれらの整数倍の繰り返しとして積和演算する。なお、積和演算を行う際の１との乗算は前記デジタル信号と同じ値であり、−１との乗算は前記デジタル信号の補数を求めることであり、０との剰算は０であり、前記積和演算器を単純化でき、しかも高速で、リアルタイムの演算が可能となる。
【００３５】
また、請求項１３に示すように、前記基地局１０１の指向性アンテナが、反射板付きのアレーアンテナから構成され、セル毎もしくはセクタ毎に指向性の方向を斜め下方向もしくは水平方向に向けて設置され、水平方向に２組、あるいは水平方向に２組と垂直方向に２組との合計４組が配置され、各組の間隔が前記無線信号の搬送周波数の０．２５波長から２波長の間隔で配置される。
【００３６】
また、請求項１４に示すように、前記携帯端末１０３の受信機、基地局１０１の受信機、あるいはこれらの両方が、伝搬経路の品質を検知する品質検知手段を有し、前記品質検知手段が、前記受信機において受信した無線信号の電力あるいは信号対雑音比を測定した結果から回線品質を分析し、前記位相測定手段で距離測定信号の位相あるいは方向測定信号の位相差を測定した結果から距離測定精度あるいは方向測定精度を分析し、あるいはこれらの分析の両方を行い、前記距離測定処理、方向測定処理、あるいはこれらの両方の結果を補正しあるいは補完する。
【００３７】
（実施の形態１）
図３は本発明の第１の形態によるセルラー式携帯電話測位システムの構成図である。図３に示す携帯電話システムの制御チャンネルを利用するセルラー式携帯電話測位システムにおいて、前記携帯電話システムの制御チャンネルに割当てられた周波数の無線信号を移動しながら送信しあるいは受信するための携帯端末１０３と、セル毎もしくはセクタ毎に配置され位置の基準となる少なくとも１つの基地局１０１とから構成され、
【００３８】
前記携帯端末１０３が、少なくとも、アンテナ切替器３２と、信号生成手段３７と、送信機３４と、受信機３３と、信号再生手段３５と、位相測定手段３６と、位置算出手段３８とを有し、前記アンテナ切替器３２が、アンテナ３１を送信機又は受信機のいずれかに時分割で切替え、前記信号生成手段３７が、少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、起点信号を含む測位要求信号とを生成し、
【００３９】
前記送信機３４が、前記測位要求信号を含む無線信号を前記基地局１０１に向けてバースト信号として送信し、前記受信機３３が、前記基地局１０１から送信される無線信号を受信し、前記信号再生手段３５が、前記受信機３３によって受信される無線信号から、距離測定信号と方向測定信号とを再生し、前記位相測定手段３６が、前記再生された距離測定信号と方向測定信号との位相を測定し、前記位置算出手段３８が、前記位相の測定結果から自局の位置を測位し、
【００４０】
前記基地局１０１が、少なくとも、アンテナ切替器１９と、受信機１８と、信号再生手段１６と、同期発振手段１３と、信号生成手段１５と、送信機１７とを有し、前記アンテナ切替器１９が、複数の指向性アンテナ２１ａ、２１ｂを周期的に切替え、あるいは送信機１７又は受信機１８のいずれかに時分割で切替え、前記受信機１８が、前記携帯端末１０３から送信される測位要求信号を含む無線信号を受信し、
【００４１】
前記信号再生手段１６が、前記受信機１８によって受信される無線信号から測位要求信号に含まれる起点信号を再生し、前記同期発振手段１３が、前記再生された起点信号と高精度でかつ短時間に同期を確立して同期を保持し、前記信号生成手段１５が、前記同期発振手段１３の出力と同期しあるいは直交する距離測定信号と、前記距離測定信号とは別に、方向を測定するための方向測定信号とを生成し、
【００４２】
前記送信機１７が、前記携帯端末から送信される測位要求信号に対応して、少なくとも前記距離測定信号と方向測定信号とを含む無線信号を、セル毎もしくはセクタ毎に配置された基地局に予め割当てられた周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で、複数の指向性アンテナ２１ａ、２１ｂを周期的に切替えながら、前記携帯端末１０３に向けて送信し、前記携帯端末から送信される起点信号と、前記基地局から送信される距離測定信号と方向測定信号とが、単一もしくは同期しあるいは直交する複数の、搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの組合せであり、
【００４３】
前記携帯端末１０３において、前記距離測定信号の位相を測定して前記基地局からの距離を算出し、前記基地局の複数の指向性アンテナに対応した方向測定信号の位相差を測定して前記基地局１０３が位置する方向を算出し、前記距離の算出結果と、方向の算出結果とから、前記携帯端末自局１０３の１次元〜３次元の内の何れかの次元の位置を高精度で測位できる。
【００４４】
なお、前記携帯端末１０３もしくは基地局１０１から送信される起点信号と、前記基地局もしくは携帯端末から送信される距離測定信号と方向測定信号とが、単一もしくは同期しあるいは直交する複数の、搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの組合せである。
また、前記信号再生手段１６、３５において、前記再生する起点信号もしくは測定信号が、無線信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号である場合には、群遅延歪みの少ない帯域通過フイルタを通し、あるいは無線信号を変調した変調信号である場合には、遅延誤差の少ないアナログ復調器もしくは高い周波数のクロック信号を用いる遅延誤差の少ないデジタル復調器によって復調した後に、前記帯域通過フイルタを通して再生する。
【００４５】
また、図３、図４に示すように、前記基地局１０１もしくは携帯端末１０３の同期発振手段１３が、基準発振器１１もしくは位相同期発振器１２によって駆動されるセットあるいはリセット付きのカウンタあるいは数値制御発振器によって構成され、前記受信機によって受信され信号再生手段１５、３７によって復調されもしくは再生された起点信号の立上がり点、立下がり点、もしくはゼロ交差点のタイミングを、同期検出手段１４によって少なくとも１６ＭＨｚ以上の周波数のクロック信号を用いて検出し、前記同期検出手段が検出したタイミングで、前記カウンタあるいは数値制御発振器をセットしもしくはリセットすることによって、前記同期発振手段１３が起点信号と短時間で同期を確立し、同期を保持できる。
【００４６】
また、前記基地局１０１あるいは携帯端末１０３の同期発振手段１３と、前記復調されもしくは再生された起点信号との間の同期確立誤差を低減し、高精度でかつ短時間に同期を確立させるために、前記携帯端末１０３、前記基地局１０１、あるいはこれらの両方に同期確立誤差関数を付与し、前記同期確立誤差関数が前記同期確立誤差を限りなくゼロに近づけることができる。
【００４７】
また、図６に示すように、前記基地局１０１あるいは携帯端末１０３の同期検出手段１４に前記同期確立誤差関数を付与するために、前記位相同期発振器１２から出力されるクロック信号の位相をシフトさせるための複数組の移相手段５１と、前記複数組の移相手段によって各々異なった位相にシフトされた複数組のクロック信号を選択して外部に出力するためのタイミング制御手段５３とを設け、前記移相手段の移相量の合計を、前記クロック信号の一周期の間隔よりも大きく設定することによって、距離の算出精度を向上できる。
【００４８】
また、図７に示すように、前記基地局１０１あるいは携帯端末１０３の同期発振手段１３に前記同期確立誤差関数を付与するために、前記同期発振手段１３が複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器９２ａ〜９２ｎを有し、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器が、前記再生された起点信号と各々異なった複数のタイミングで切替手段によって切替えられて同期を確立し、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器から出力される出力信号を異なった複数のタイミングで選択手段によって選択し、前記選択された出力信号に同期しあるいは直交した単一もしくは複数の距離測定信号を生成して前記携帯端末１０３あるいは基地局１０１に向けて送信し、前記携帯端末あるいは基地局の信号処理手段において、前記複数のタイミングに対応して算出した距離の平均値を求めることによって、距離の算出精度を向上させる。
【００４９】
また、前記基地局１０１あるいは携帯端末１０３から送信され、あるいは前記基地局あるいは携帯端末によって受信される起点信号に前記同期確立誤差関数を付与するために、少なくとも前記基地局１０１のセル毎もしくはセクタ毎の複数の指向性アンテナを周期的に切替えながら、あるいは前記基地局１０１に加え携帯端末１０３にも複数のアンテナを設けて周期的に切替えながら、前記起点信号を送信しあるいは受信し、距離の算出精度を向上させる。
【００５０】
また、前記携帯端末の受信機３３、基地局の受信機１８、あるいはこれらの両方が、複数のアンテナを設けて周期的に切替え、前記複数のアンテナに対応して距離を測定しあるいは算出した結果の内、距離を比較的に短く測定しあるいは算出したものを選択し、平均し、荷重平均を行い、あるいはこれらの組み合わせを行うことによって、前記距離測定結果あるいは距離算出結果を補正しあるいは補完する。
【００５１】
また、前記携帯１０３および基地局１０１の位相測定手段３６が積和演算器を有し、前記距離測定信号および方向測定信号を、例えば８ビット以上のアナログデジタル変換器によってデジタル信号に変換した後に、Ｓｉｎのルックアップテーブルとして０、１、０、−１、もしくは１、１、−１、−１、もしくはこれらの整数倍の繰り返しとし、Ｃｏｓのルックアップテーブルとして１、０、−１、０、もしくは１、−１、−１、１、もしくはこれらの整数倍の繰り返しとして積和演算する。なお、積和演算を行う際の１との乗算は前記デジタル信号と同じ値であり、−１との乗算は前記デジタル信号の補数を求めることであり、０との剰算は０であり、前記積和演算器を単純化でき、しかも高速で、リアルタイムの演算が可能となる。
【００５２】
また、位置演算の主要な部分である位相測定を前記積和演算器を用いて処理できるので、前記位置算出手段３８に要求される処理内容はそれほど大きくなく、通常のマイクロプロセッサを用いて構成することができるメリットが得られる。
また、前記基地局１０１の指向性アンテナが、反射板付きのアレーアンテナから構成され、セル毎もしくはセクタ毎に指向性の方向を斜め下方向もしくは水平方向に向けて設置され、水平方向に２組、あるいは水平方向に２組と垂直方向に２組との合計４組が配置され、各組の間隔が前記無線信号の搬送周波数の０．２５波長から２波長の間隔で配置され、前記各組のアレーアンテナ間のアイソレーションが１０ｄB程度以上である。
【００５３】
また、前記携帯端末１０３の受信機、基地局１０１の受信機、あるいはこれらの両方が、伝搬経路の品質を検知する品質検知手段を有し、前記品質検知手段が、前記受信機において受信した無線信号の電力あるいは信号対雑音比を測定した結果から回線品質を分析し、前記位相測定手段で距離測定信号の位相あるいは方向測定信号の位相差を測定した結果から距離測定精度あるいは方向測定精度を分析し、あるいはこれらの分析の両方を行い、前記距離測定処理、方向測定処理、あるいはこれらの両方の結果を補正しあるいは補完する。
【００５４】
（実施の形態２）
図４は本発明の第２の形態によるセルラー式携帯電話測位システムの構成図である。図４に示す携帯電話システムの制御チャンネルを利用するセルラー式携帯電話測位システムにおいて、前記携帯電話システムの制御チャンネルに割当てられた周波数の無線信号を移動しながら送信しあるいは受信するための携帯端末１０３と、セル毎もしくはセクタ毎に配置され位置の基準となる少なくとも１つの基地局１０１とから構成され、
【００５５】
前記基地局１０１が、少なくとも、アンテナ切替器１９と、受信機１８と、信号生成手段３７と、送信機１７と、信号再生手段３５と、位相測定手段３６と、位置算出手段３８とを有し、前記アンテナ切替器１９が、複数の指向性アンテナ２１ａ、２１ｂを周期的に切替え、あるいは送信機１７又は受信機１８のいずれかに時分割で切替え、
前記信号生成手段３７が、少なくとも、システム同期信号と、識別信号と、起点信号を含む測位要求信号とを生成し、前記送信機１７が、前記起点信号を含む無線信号を、前記携帯端末１０３に向けて、セル毎もしくはセクタ毎に配置された基地局１０１に予め割当てられた周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で、バースト信号として送信し、
【００５６】
前記受信機１８が、前記測位要求信号に応答して前記携帯端末１０３から送信される無線信号を、セル毎もしくはセクタ毎に配置された基地局１０１に予め割当てられた周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で、複数の指向性アンテナ２１ａ、２１ｂを周期的に切替えながら受信し、前記信号再生手段３５が、前記受信機１８によって受信される無線信号から、距離測定信号と方向測定信号とを再生し、前記位相測定手段３６が、前記再生された距離測定信号と方向測定信号との位相を測定し、前記位置算出手段３８が、前記位相の測定結果から携帯端末１０３の位置を測位し、
【００５７】
前記携帯端末１０３が、少なくとも、アンテナ切替器３２と、受信機３３と、信号生成手段１５と、信号再生手段１６と、同期発振手段１３と、送信機３４とを有し、前記アンテナ切替器３２が、アンテナ３１を送信機３４又は受信機３３のいずれかに時分割で切替え、
前記受信機３３が、前記基地局１０３に予め割当てられた周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で、送信される無線信号を受信し、前記再生手段１６が、前記受信機３３によって受信される無線信号から、測位要求信号に含まれる起点信号を再生し、前記同期発振手段１３が、前記再生された起点信号と高精度でかつ短時間に同期を確立して同期を保持し、
【００５８】
前記信号生成手段１５が、前記同期発振手段１３の出力と同期しあるいは直交する距離測定信号と、前記距離測定信号とは別に、方向を測定するための方向測定信号とを生成し、前記送信機３４が、前記基地局から送信される測位要求信号に対応して、少なくとも前記距離測定信号と方向測定信号を含む無線信号を、セル毎もしくはセクタ毎に配置された基地局１０３に予め割当てられた周波数、タイムスロット、もしくはこれらの両方で、前記基地局１０３に向けて送信し、
【００５９】
前記基地局１０１において、前記距離測定信号の位相を測定して携帯端末からの距離を算出し、前記基地局の複数の指向性アンテナに対応した方向測定信号の位相差を測定して携帯端末が位置する方向を算出し、前記距離の算出結果と、方向の算出結果とから、前記携帯端末の１次元〜３次元の内の何れかの次元の位置を高精度で測位する。
【００６０】
なお、前記携帯端末１０３が、少なくとも、位置登録要求信号、発呼要求信号、もしくは緊急発信要求信号を含む無線信号を送信し、前記無線信号を受信した基地局１０１が、前記携帯端末１０３を指定して、少なくとも測位要求信号を含む無線信号を送信し、前記基地局１０１が、前記携帯端末１０３の１次元〜３次元の内の何れかの次元の位置を高精度で測位することができる。
【００６１】
図１は、本発明のセルラー式携帯電話測位システムの構成図である。図１において、１０１は基地局、１０２ａはｘ軸、１０２ｂはｙ軸、１０３ａ、１０３ｂは携帯端末、１０４ａ、１０４ｂは基地局と携帯端末との間の距離、１０５ａ、１０５ｂは基地局のアンテナから見た水平面の方向、２１ａａ〜２１ｄｂは指向性アンテナである。基地局１０１のセルは４つのセクタに分けられ、指向性アンテナ２１ａａ、２１ａｂは第１のセクタに設けられ、同様に、２組の指向性アンテナが残りのセクタ毎に設けられている。
【００６２】
携帯端末１０３ａの現在位置が第１のセクタのエリア内であるとすると、基地局１０１のアンテナ２１ａａとアンテナ２１ａｂの中心部から携帯端末までの距離Ｌａ（ｍ）を１０４ａ、基地局１０１のアンテナ２１ａａとアンテナ２１ａｂの中心部から見た携帯端末１０３が位置する方向をαａ（ｙ）とすると、携帯端末１０３ａの１次元もしくは２次元の位置を、アンテナ２１ａａ、２１ａｂの傾き角度とは関係なく下記により求めることができる。
【００６３】
Ｘｘａ＝Ｘ０−Ｌａ＊Ｓｉｎ(α(ｙ))    −−−−(１)
Ｙｙａ＝Ｙ０−Ｌａ＊Ｃｏｓ(α(ｙ))    −−−−(２)
ここで、前記距離測定信号が１００ｋＨｚの場合、距離の測定レンジが１．５ｋｍとなり、前記距離測定信号の位相が最大３６０°となるので、位相差を検出することによって相対距離が高精度で測定できる。
【００６４】
なお、携帯端末１０３ａが携帯端末ｂの位置に移動すると、第１のセクタの制御チャネルから第２のセクタの制御チャネルにハンドオーバーするので、同様に携帯端末ｂの位置が測位できる。
また、図２で説明するように、基地局１０１のセクタ毎に、４組の指向性アンテナを設けて周期的に切替えることによって、３次元の位置を測位することも可能である。
【００６５】
また、前記携帯端末１０３にも方向測定信号の０．５〜２波長の間隔で複数の指向性アンテナを接続し、周期的に切替ながら距離の算出、方向の算出、あるいはこれらの両方を行ない、あるいは複数回の測位の結果を移動平均することで、マルチパスによる影響を軽減することができる。
また、前記１次元の位置とは、前記基地局と携帯端末との距離、もしくは前記携帯端末が位置する方向を意味する。
【００６６】
図２は、本発明の基地局アンテナの外観図である。図２において、１０１は基地局、２０１ａは基地局アンテナの正面図、２０１ｂは基地局アンテナの側面図、２１ａａ、２１ａｂは２組のアレーアンテナ、２１ｂａ、２１ｂｂは２組のアレーアンテナ、２１ｃａ、２１ｃｂは２組のアレーアンテナ、２１ｄａ、２１ｄｂは２組のアレーアンテナである。
前記２組のアレーアンテナは反射板付きの指向性アンテナであり、例えば、複数のダイポールアンテナを直列に並べた直線アレーアンテナであり、水平方向に、方向測定信号の０．５〜２波長の間隔で配置される。２組のアレーアンテナの間隔を方向測定信号の１波長の間隔で設置すると、約２２ｄBの結合損となるので、方向の測定に用いることができる。
【００６７】
なお、前記携帯電話システムの通話チャンネルに対して無指向性アンテナが用いられる場合には、図２のアンテナとは別に、従来型のコリニア型無指向性アンテナが必要である。
また、各組のアレーアンテナを垂直方向に２分割し、方向測定信号の１波長の間隔で配置して、垂直方向に２組の指向性アンテナを設けると、水平方向の２組と合わせて合計４組の指向性アンテナとなる。前記４組の指向性アンテナを周期的に切り替えながら携帯端末が位置する方向を測定することで、３次元の測位が可能となる。
【００６８】
図５は、本発明の無線信号の構成例を示す図である。図５において、６１ａ〜６１ｄはシステム同期信号、６２ａ〜６２ｄはＭＡＣレイヤ、６３ａは前記基地局１０１から送信される起点信号含む測位要求信号、６３ｂは前記移動端末で受信される起点信号含む測位要求信号、６３ｃは前記携帯端末から送信される距離測定信号と方向測定信号、６３ｄは前記基地局１０１で受信される複数組の距離測定信号と方向測定信号、６４は基地局１０１の時間軸、６５は携帯端末１０３の時間軸である。
【００６９】
前記システム同期信号６１ａ〜６１ｄは複数ビットのユニークワードであり、±１００ナノ秒程度の精度で前記携帯端末１０３と複数の基地局１０１との間の制御タイミングを合わせることができるが、この程度の精度で時間差を測定して距離を求めると、近距離でも測位誤差が数十ｍと大きくなる問題点がある。
前記ＭＡＣレイヤ６２ａ〜６２ｄは、少なくとも、識別番号、相手先番号、報知信号、もしくはこれらの組合せから構成され、前記システム同期信号６１ａ〜６１ｄとセットになって生成される。
【００７０】
前記測位要求信号に含まれる起点信号は、前記基地局１０１と、携帯端末１０３との間で精密な同期を確立するための信号であり、単一もしくは同期しあるいは直交する複数の搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの任意の組合せによる信号が用いられる。
一方、前記距離測定信号と方向測定信号は、正確な距離と方向の測定を行うための信号であり、単一もしくは同期しあるいは直交する複数の搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、スペクトル拡散符号、もしくはこれらの任意の組合せによる信号が用いられる。
【００７１】
また、前記ＭＡＣレイヤ６２ｃの継続時間を０．５ｍｓ程度とし、前記距離測定信号と方向測定信号６３ｂ、６３ｃの継続時間を各々０．５ｍｓ程度とすると、システム同期信号の継続時間を無視して、合計で１ｍｓ程度の継続時間となるので、前記基地局と携帯端末に搭載される基準発振器の周波数偏差を±１ｐｐｍとすると、１ｍｓ間の周波数の変化は、起点信号の周波数を０．１ＭＨｚとすると、±１×（１／１０００）Ｈｚとなるので、同期発振器の同期保持誤差は、±３６０°×（１／１０００）＝±１°となり、距離の測定誤差は、±１．５ｋｍ×（１°／３６０°）＝±４．２ｍ程度となる。
【００７２】
図６は、本発明のタイミングチャートである。図６において、７１ａは基地局１０１から送信される起点信号、７１ｂは携帯端末１０３によって再生される起点信号、７２は前記携帯端末１０３に向けて起点信号が伝搬する伝搬経路、７３ａは前記携帯端末１０３よって再生された起点信号と同期して生成される距離測定信号、７３ｂは前記基地局１０１よって再生された携帯端末１０３からの距離測定信号、７４は携帯端末１０３から距離測定信号が伝搬する伝搬経路、
【００７３】
７５は時分割の時間間隔、７６は前記基地局１０１で生成された起点信号と携帯端末１０３から送信された距離測定信号との位相差、８１ａは基地局１０３の送信機の時間軸、８１ｂは前記基地局１０１の受信機の時間軸、８２ａは前携帯端末１０３の送信機の時間軸、８２ｂは前携帯端末１０３の受信機の時間軸である。
【００７４】
前記基地局１０１から送信される前記起点信号７１ａをＡＳｉｎ（２πｆ１ｔ）とすると、前記起点信号７１ａが、距離Ｌａ（ｍ）の伝搬経路７２を伝搬し、前記携帯端末１０３によって受信され、起点信号７１ｂとして再生されると、ＢＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋２πＬａ（ｆ１／Ｃ）｝に位相が変化する。
前記再生された起点信号７１ｂと、同期確立誤差がゼロで同期した距離測定信号７３ａを生成すると、生成された距離測定信号７３ａは、同じくＢＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋２πＬａ（ｆ１／Ｃ）｝で表される。
【００７５】
前記時分割の間隔７５後に、前記生成された距離測定信号７３ａが、前記携帯端末１０３から送信され、再び、距離Ｌａ（ｍ）の伝搬経路７４を伝搬し、前記基地局１０１で再生される距離測定信号７３ｂは、ＣＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋４πＬａ（ｆ１／Ｃ）｝で表わされる。ここで、Ｃは光の速度とする。
そこで、前記基地局１０１で最初に生成された起点信号７１ａと同期しあるいは直交し、周波数が前記起点信号の整数倍のクロック信号を用い、前記再生された距離測定信号７３ｂの位相を測定すると、前記基地局１０１で最初に生成された起点信号７１ａと前記基地局１０１で再生された距離測定信号７３ｂとの位相差７６が測定され、ΔΦ＝｛４πＬａ（ｆ１／Ｃ）｝となることから、Ｌａ＝｛ＣΔΦ／４πｆ１｝から、距離Ｌａ（ｍ）が算出できる。
【００７６】
図７は、本発明の同期確立誤差関数生成手段の構成図である。図７において、１１は基準発振器、１２は位相同期発振器、２７は誤差関数生成手段、５１は移相手段、５２ａ〜５２ｎは移相手段５１の切替タップ、５３は切替制御手段、５４、５５、５６は接続端子である。
前段の基準発振器１１の出力信号を位相同期発振器１２によって高い周波数に変換し、接続端子５４を介して位相手段５１に入力する。移相手段５１は、複数段のシフトレジスタ、あるいは複数段の遅延素子、あるいは複数段の遅延回路などによって構成され、各段の信号出力は切替タップ５２ａ〜５２ｎによって引き出され、切替制御手段５３によって順次切替えられ、クロック信号として接続端子５６から外部に出力される。
【００７７】
前記移相手段５１の各段の移相量は極力小さいことが望ましく、かつ移相量の合計は、前記クロック信号の１周期以上であることが必要である。例えば、前記クロック信号の周波数が２５６ＭＨｚであるとすると、移相手段５１の各段の移相量は４ナノ秒以下（例えば、０．４ナノ秒など）であり、かつ移相量の合計は４ナノ秒以上（例えば、６．４ナノ秒など）とする必要がある。
【００７８】
上記の移相手段５１が無い場合には、同期発振手段１３の同期確立精度は±２ナノ秒であり、起点信号の周波数を１ＭＨｚとすると、距離の測定精度は、測位レンジの１５０ｍに対して、±３０ｃｍが限界となるが、上記の移相手段５１を設け、各段に割付けられた移相量を０．４ナノ秒とし、算出した距離の平均値を求めると、測位精度を±１５ｃｍに改善することができる。
【００７９】
なお、前記移相手段５１は前記同期発振手段１３に対して同期確立誤差関数を付与することになり、複数段のタップ５２ａ〜５２ｎの各段ごとに生じる同期確立誤差の合計を同期確立誤差関数として表現すれば、同期確立誤差関数は多項式によって表現でき、しかも前記多項式は０もしくは一定値に収斂することになる。
【００８０】
図８は、本発明の同期確立誤差関数生成手段の他の構成図である。図８において、９１、９３は切替スイッチ、９２ａ〜９２ｎは複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器、９４〜９６は接続端子である。
接続端子９４に供給される前記起点信号の立上り点、立下り点、もしくはゼロ交差点のタイミングから検出されたセットあるいはリセット信号は、切替スイッチ９１によって順次切替えられ、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器９２ａ〜９２ｎを順次セットしあるいはリセットする。
【００８１】
一方、接続端子９６には位相同期発振器１２（記載せず）からクロック信号が供給され、前記セットあるいはリセット信号によるセットあるいはリセットのタイミングに同期して、前記複数組のカウンタ９２ａ〜９２ｎによって、通常、低い周波数へカウントダウンされる。
前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器９２ａ〜９２ｎによって生成された出力信号は、切替スイッチ９３により順次切替えられ、接続端子９５を経由して、前記信号生成手段１５に供給される。
【００８２】
ここで、前記位相同期発振器１２から前記同期検出手段１４に供給されるクロック信号の周波数もしくは位相と、前記再生した起点信号の周波数もしくは位相とは非相関とし、かつ／又は両者間の周波数もしくは位相の関係を前記起点信号を受信している時間内にランダムに変化させることができれば、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器９２ａ〜９２ｎの同期確立誤差の間の相関係数を低く抑えられるので、前記距離測定信号の位相を測定して距離を算出した結果から平均値を求めることで、距離測定精度を改善できるメリットが得られる。
【００８３】
言い換えれば、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器９２ａ〜９２ｎの各々に対応して、前記同期検出手段１４によって検出されるセットあるいはリセット信号の検出タイミングを変化させ、前記位相同期発振器１２から供給されるクロック信号の複数ビットの時間間隔内で、各々異なったタイミングでセットしあるいはリセットすることが出来きれば、全体として、同期確立誤差の平均値が０もしくは一定値に収斂することになり、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器９２ａ〜９２ｎを設けることによって、前記同期検出手段１４へ供給するクロック信号の周波数を比較的に低く抑えても、高精度の測位が可能となる。
【００８４】
なお、切替スイッチ９１と９３の切替タイミングは同一でなく、少なくとも、前記時分割の間隔で受送信を行うタイミングに合わせる必要がある。
また、前記複数組のカウンタを用いると、１組当たり８段程度以下のカウンタで済むことから、８組のカウンタを設けても、６４段程度のカウンタで済むことから経済的な規模となる。
また、前記複数組のカウンタあるいは複数組の数値制御発振器９２ａ〜９２ｎの各組ごとに生じる同期確立誤差の合計を同期確立誤差関数として表現すれば、同期確立誤差関数は多項式によって表現でき、しかも前記多項式は０もしくは一定値に収斂することになる。
【００８５】
一方、従来のように、アナログ式あるいはデジタル式の遅延手段を設けて折り返す場合には、例えば、時分割で受信し送信する場合の間隔が２ミリ秒であり、継続時間が１ミリ秒の場合、前記起点信号の周波数が１ＭＨｚ程度であるとしても、特に、デジタル式の遅延手段の場合には、クロック信号の周波数を１００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚ以上に設定する必要があるので、大規模な遅延素子が必要となる。
ただし、前記の遅延手段の入力端子と出力端子の間に切替スイッチを設け、前記起点信号を読み込む場合には前記切替スイッチを切り離し、読み込み完了後にはリング状に接続し、読み出す場合には切り離すことで、少なくとも時分割で受信し送信する部分の間隔２ミリ秒分に必要な遅延時間を節約することができるメリットがある。
【００８６】
以上の説明では無線信号として電波を用いる場合について述べたが、無線信号として超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を含むことができる。なお、超音波信号あるいは光信号の場合には、アンテナの代わりに送受波器を用い、また、光信号の場合には比較的に周波数が高い副搬送波信号あるいは高いチップレートの拡散符号を用いるものとする。
【００８７】
また、前記携帯端末の受信機、基地局の受信機、あるいはこれらの両方が、複数のアンテナを設けて周期的に切替え、前記品質検知手段において、前記複数のアンテナに対応して距離を測定しあるいは算出した結果の内、距離を比較的に短く算出したものを選択し、平均し、荷重平均を行い、あるいはこれらの組み合わせを行うことによって、前記距離測定結果あるいは距離算出結果を補正しあるいは補完することができる。
また、前記基地局が単一のアンテナを有し、前記携帯端末が複数の指向性アンテナを搭載して周期的に切替えながら受信することでも、前記携帯端末１０３の１次元〜３次元の内の何れかの次元の位置を測位することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は上記のように構成されているため、前記無線信号の周波数として、セルラー方式の携帯電話システムに割当てられた制御チャネルの周波数、あるいはその近傍の周波数を割当て、セル毎、セクター毎、もしくはこれらの両方毎に配置された複数の基地局と携帯電話端末との間の、同一周波数による時分割通信によって、携帯電話端末の１次元〜３次元の内の何れかの次元の位置を高精度で測位できる。
特に、携帯電話機が測位システムと共用可能となるので、携帯電話加入者の利便性が図られる。
【００８９】
また、前記基地局を擬似衛星局とし、屋外と屋内でＧＰＳをシームレスにつなぐ高精度なセルラー式擬似衛星測位システムが経済的な方法で実現できる。
また、前記基地局が屋外あるいは屋内を問わず離散的に配置されると、歩行者の自律移動支援システム、あるいは歩行者ナビゲーションシステム、あるいは火災時もしくは災害時の避難・誘導システム等に適用できる。
また、本発明の高精度測位技術は基盤技術であり、他の多くの分野での活用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明のセルラー式携帯電話測位システムの構成図
【図２】本発明の基地局アンテナの外観図
【図３】本発明の実施の形態１によるセルラー式携帯電話測位システムの構成図
【図４】本発明の実施の形態２によるセルラー式携帯電話測位システムの構成図
【図５】本発明の無線信号の構成を示す図
【図６】本発明のタイミングチャート
【図７】本発明の同期確立誤差関数生成手段の構成図
【図８】本発明の同期確立誤差関数生成手段の他の構成図
【図９】従来の実施例を示す構成図
【符号の説明】
【００９１】
１０１                  セル毎もしくはセクタ毎に配置された基地局
２１ａａ〜２１ｄｂ      基地局に設置された複数の指向性アンテナ
１０３                  携帯端末
１０４ａ、１０４ｂ      複数の基地局と携帯端末との間の距離
１０５ａ、１０５ｂ      複数の基地局から見た携帯端末の方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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