(57)【要約】【課題】相対伝搬時間と基地局座標を用いた無線端末装置の位置測定において、相対伝搬時間の基準となる基地局の選択方法によっては位置測定誤差が大きくなる。【解決手段】相対伝搬時間の基準選択方法を、（１）全相対伝搬時間が０または正となるよう基準局を選択する、（２）相対伝搬時間の２乗和が最小となる基準局を選択する、または（３）位置測定演算に使用する評価関数値が最小となる基準局を選択する基準局選択手段を有する無線端末装置、またはサーバ装置を用いることで課題を解決する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の基地局と無線端末との間で送信される位置測定信号の伝搬時間の相対値である相対伝搬時間を算出し、該相対伝搬時間と上記複数の基地局の座標から無線端末の位置測定を行う無線端末位置測定方法であって、
上記複数の基地局の何れか１つを基準局として選択する手順と、
該位置測定信号の受信タイミングを取得する手順と、
上記基準局に対応する受信タイミングと上記基準局以外の基地局に対応する該受信タイミングの相対値に基づいて該相対伝搬時間を算出する手順と、
該相対伝搬時間と上記複数の基地局の座標から無線端末の位置測定を行う手順と、
該位置測定の結果を出力する手順とを有することを特徴とする無線端末位置測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の無線端末位置測定方法であって、
上記基準局を選択する手順は、複数基地局と無線端末間の全ての該相対伝搬時間が０または正となる基地局を選択し、相対伝搬時間の基準局とすることを特徴とする無線端末位置測定方法。
【請求項３】
請求項１記載の無線端末位置測定方法であって、
上記基準局を選択する手順は、上記相対伝搬時間の基準局を交代で選び、基準局毎に各相対伝搬時間の２乗和を算出し、該２乗和の値に基づいて基準局を選択することを特徴とする無線端末位置測定方法。
【請求項４】
請求項１記載の無線端末位置測定方法であって、
上記位置測定を行う手順において、何れかの基地局を基準局と仮定して求められる端末位置の評価関数値を出力し、
上記基準局を選択する手順は、複数の基地局を基準局と仮定して出力された上記評価関数値に基づいて該基準局を選択することを特徴とする無線端末位置測定方法。
【請求項５】
請求項４記載の無線端末位置測定方法であって、
上記評価関数値は、基地局ごとの測拒誤差の２乗値の線形和であることを特徴とする無線端末位置測定方法。
【請求項６】
複数の基地局と無線端末との間で送信される位置測定信号の伝搬時間の相対値である相対伝搬時間を算出し、該相対伝搬時間と上記複数の基地局の座標から無線端末の位置測定を行う無線端末位置測定システムであって、
上記複数の基地局の何れか１つを基準局として選択する第１の手段と、
該位置測定信号の受信タイミングを取得する第２の手段と、
上記基準局に対応する受信タイミングと上記基準局以外の基地局に対応する該受信タイミングの相対値に基づいて該相対伝搬時間を算出する第３の手段と、
該相対伝搬時間と上記複数の基地局の座標から無線端末の位置測定を行う第４の手段と、
該位置測定の結果を出力する第５の手段とを有することを特徴とする無線端末位置測定システム。
【請求項７】
請求項６記載の無線端末位置測定システムであって、
上記第１、第３、第４及び第５の手段を具備するサーバ装置を有し、
上記複数の基地局は第２の手段を具備し、該取得した受信タイミングを上記サーバ装置に転送し、
上記位置測定信号は該無線端末から送信され、上記複数の基地局において受信されるものであることを特徴とする無線端末位置測定システム。
【請求項８】
請求項６記載の無線端末位置測定システムであって、
上記無線端末は、上記第１、第２、第３、第４及び第５の手段を有し、
上記位置測定信号は上記複数の基地局から送信され、該無線端末で受信されるものであることを特徴とする無線端末位置測定システム。
【請求項９】
請求項６記載の無線端末位置測定システムであって、
上記第１の手段は、複数基地局と無線端末間の全ての該相対伝搬時間が０または正となる基地局を選択し、相対伝搬時間の基準局とすることを特徴とする無線端末位置測定システム。
【請求項１０】
請求項６記載の無線端末位置測定方法であって、
上記第１の手段は、上記相対伝搬時間の基準局を交代で選び、基準局毎に各相対伝搬時間の２乗和を算出し、該２乗和の値に基づいて基準局を選択することを特徴とする無線端末位置測定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線において端末と特定の信号発生源あるいは受信装置間の距離を測定し、その測距結果から端末の位置を計算する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１は、各基地局がＧＰＳ同期しているＣＤＭＡ方式を用いたセルラシステムにおいて、各基地局から届くパイロット信号の受信タイミングを観測することで無線端末装置と基地局間の伝搬距離を推定し、複数の伝搬距離推定結果から無線端末装置の位置計算方法を開示している。この従来例では、位置測定に使用される信号を送信する基地局が互いに同期し、それらを無線端末装置で受信している。無線端末装置で各基地局からの信号の受信タイミングを測定し、その相対値を得ることで相対伝搬時間を算出して、同結果と基地局座標から位置測定を行う。このとき、相対伝搬時間の基準局は、無線端末装置が同期をとる基地局である。同期基地局は、無線端末装置で受信電力が最も大きい信号の発信源である。すなわち、無線端末装置は受信電力で基準局を判定している。この方法は、無線端末装置から最も近い基地局を基準局とすることで、最も測距が小さい基準で相対伝搬時間を算出するため、位置測定誤差も小さくなると考えられていた。ここで、測距誤差とは、無線端末装置と基地局との間の幾何学的距離に対する、推定伝搬時間から計算される推定伝搬距離の差分を意味する。
【０００３】
しかし、実際は伝搬環境によって受信電力は変化するため、必ずしも受信電力の最も大きい基地局の伝搬時間推定誤差が小さいとも限らず、結果として位置測定誤差が大きくなる場合があった。
【０００４】
なお、位置測定演算のアルゴリズムは、測距誤差が最小となる無線端末装置の位置を計算するため、基地局毎の測距誤差２乗値の線形和を評価関数とし、同評価関数値を最小とする演算を行っている。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１８１２４２号公報
【発明が解決しようとする課題】
相対伝搬時間を距離換算した相対伝搬距離による位置測定の原理は、基準局を含めた２基地局を焦点とし、２焦点からの距離差が相対伝搬距離となる双曲線の交点を求めることである。しかし、相対伝搬時間の基準局の選び方によっては、同じ測定結果に対して交点が異なる場所がある。基準局の選択を誤ると、双曲線の交点が基準局から遠方となることから位置測定誤差が大きくなりやすくなる。
【０００６】
そこで、基準局の選択方法を工夫することで、双曲線の交点が遠方にならないようにして、位置測定誤差が大きくなるのを抑制する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の無線端末位置測定方法は基準局を、（１）全相対伝搬時間が０または正となるよう基準局を選択する、（２）相対伝搬時間の２乗和が最小となる基準局を選択する、または（３）位置測定演算に使用する評価関数値が最小となる基準局を選択する基準局選択手段を有する無線端末装置、またはサーバ装置を用いることで課題を解決する。
【０００８】
上記３つの選択法は、主に位置測定結果の発散を抑える効果がある。ここで発散とは、無線端末装置の位置測定結果が、基地局装置の存在するエリアから遠方となる現象を指す。相対伝搬時間を使用する位置測定では、相対伝搬時間を距離に換算した相対伝搬距離を距離差、２つの基地局座標を焦点とした双曲線を複数描き、その交点を解とする。（１）の選択方法では、全ての双曲線が基準局を囲む様に描かれるため、基準局周辺に解が得られる。（２）の選択方法では、各双曲線の距離差が０に近づくことから、基地局の重心周辺に解が得られる。（３）の選択方法は評価関数の形式に依存するが、相対測距誤差の２乗和を最小にする最小２乗法では、基準局選択により測距誤差が極端に大きいものを排除する様に動作する。ここで測距誤差とは、基地局−端末間の実際の距離に対する測定値の誤差を指す。以上のことから、基準局選択手段により位置測定結果の発散を抑えることが出来る。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を実施するためのシステム構成例を示した図である。ネットワーク４０を介して基地局装置１０とサーバ装置３０が接続され、無線端末装置２０は基地局装置１０と無線で接続する。基地局装置１０間で同期用信号１、基地局装置１０と無線端末装置２０の間で同期情報転送信号２と位置測定用信号３が送受信される。各信号については図２で説明する。ネットワーク４０は、Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ（ＬＡＮ）などデータ通信が出来るものであれば何でも良い。複数の基地局装置１０のうち一つは、他の基地局装置１０に対して同期用の信号を送信する。同期用の信号を送信する基地局はどれでも良い。
【００１０】
図２は、本発明の信号のフロー実施例を示した図である。本発明では基本的に次の２つを実施する。（ａ）基地局間の同期と（ｂ）無線端末装置の位置測定である。基地局間の同期をとるため、ある基地局を選択して同期用信号１を送信させ、他の基地局でそれを受信し、受信信号のサンプリング単位で示される受信タイミングを記録する。同期用信号は受信側で既知の系列であれば良い。同期情報転送信号２は、同期用信号１のサンプリング結果と受信タイミングを無線端末装置に転送するものである。位置測定用信号３は、無線端末装置と各基地局間の伝搬時間を推定するために送信される。システム構成によっては無線端末装置が送信して各基地局で受信する方法もある。基準局選択ステップ４は、該伝搬時間の相対値の基準となる基地局を選択するステップである。具体的には、既に示した通り、（１）全相対伝搬時間が０または正となるよう基準局を選択する、（２）相対伝搬時間の２乗和が最小となる基準局を選択する、または（３）位置測定演算に使用する評価関数値が最小となる基準局を選択する。本発明の基礎となるシステム構成・方法については、同出願人が先に出願した特願２００２−２６０７７２号に記載されているもの等が挙げられるが、特許文献１のように基地局同士が同期しているシステムにおいても、特願２００２−２６０７７２号のように基地局同士が同期していないシステムにおいても、本発明は有効である。
【００１１】
図３は、本発明の第一の実施例を示した図である。基地局装置１０は、基地局間の時計ずれを補正するためのデータを収集する同期情報収集手段１０１と、同データを格納する基地局メモリ１０２と、同メモリ内のデータを無線端末装置２０に転送する転送手段１０３と、無線端末装置２０に位置測定用の信号を送信する基地局送信手段１０４で構成される。転送手段１０３と基地局送信手段１０４は同一の送信アンテナを用いて良い。同期情報収集手段１０１については後ほど図６を用いて説明する。
【００１２】
無線端末装置２０は、上記転送手段１０３と基地局送信手段１０４から送信される信号を受信する端末受信手段１０５と、端末受信手段１０５で受信した信号を格納する端末メモリ１０６と、各基地局から受信した同期情報と基地局情報メモリ１１２に格納されている基地局座標から各基地局の時計ずれを算出する同期手段１０７と、各基地局から受信した位置測定用信号の受信タイミングを推定する受信時刻取得手段１０８と、各基地局の時計ずれと各基地局信号の受信タイミングから相対伝搬時間を推定する相対伝搬時間算出手段１０９と、相対伝搬時間算出手段１０９の出力や位置測定手段１１３の出力を用いて基準局を選択する基準局選択手段１１０と、基地局の座標情報を格納している基地局情報メモリ１１２と、基地局の座標情報を更新するためのメモリ更新手段１１１と、相対伝搬時間と基地局座標から無線端末装置２０の位置と、必要に応じて何れかの基地局を基準局と仮定した場合の評価関数値を出力する位置測定手段１１３と、位置測定手段１１３の出力を外部アプリケーションに転送する出力手段１１４で構成される。
【００１３】
同期手段１０７については後ほど図７にて説明する。受信時刻取得手段１０８は、受信信号と既知系列との相関演算により受信タイミングを推定するもので、スライディング相関法の動作をするハードウェアやソフトウェアにより実現される。相対伝搬時間算出手段１０９は、各基地局からの位置測定用信号の受信タイミングから各基地局の時計ずれを減算し、ある基地局を基準とした相対値を算出する。基準局選択手段１１０は、（１）相対伝搬時間算出手段１０９の出力を０または正とする基準を選択、（２）相対伝搬時間算出手段１０９の出力の２乗和が最小となる基準局を選択、または（３）何れかの基地局を基準局と仮定して位置測定手段１１３が出力する評価関数値に基づいて基準局を選択するアルゴリズムにより実現される。（３）の方法は、基準局を入れ替えてその都度位置測定を行う必要がある。メモリ更新手段１１１は、基地局情報メモリ１１２の内容を書きかえる仕組みを持つが、新たに書きこまれる情報は端末受信手段１０５を使用して外部サーバから無線で入力、及びコネクタなどの有線インターフェースを用いて入力のどちらの方法でも良い。基地局情報メモリ１１２は少なくとも各基地局の座標と、基地局と位置測定用信号の受信結果を関連付ける情報が必要である。例えば、無線ＬＡＮを使用する場合は基地局のＩＰアドレスまたはＭＡＣアドレスが関連情報となる。位置測定手段１１３は、基地局座標と相対伝搬時間を使用して無線端末装置２０の位置を算出し、無線端末装置の位置、および必要に応じて評価関数値を出力する。例えば、基地局毎の測距誤差２乗値の線形和を評価関数とし、同評価関数値を最小とする無線端末装置の位置を探索する。出力手段１１４は、外部アプリケーションに無線端末位置を転送する。外部アプリケーションは無線端末装置に内蔵されていても、無線でリンクしたサーバ装置など無線端末装置に内蔵されていないものでも良い。
【００１４】
図４は、本発明の第二の実施例を示した図である。基地局装置１０は、基地局間の時計ずれを補正するためのデータを収集する同期情報収集手段１０１と、無線端末装置２０から送信される位置測定用信号と他の基地局から送信される同期用信号を受信する基地局受信手段１１５と、同期情報収集手段１０１と基地局受信手段１１５で入力される信号や受信タイミングを格納する基地局メモリ１０２と、同メモリ内のデータを無線端末装置２０に転送する転送手段１０３で構成される。
【００１５】
無線端末装置２０は、上記基地局受信手段に位置測定用信号を送信する端末送信手段１１６と、転送手段１０３から送信される信号を受信する端末受信手段１０５と、端末受信手段１０５で受信した信号を格納する端末メモリ１０６と、各基地局から受信した同期情報と基地局情報メモリ１１２に格納されている基地局座標から各基地局の時計ずれを算出する同期手段１０７と、各基地局から受信した位置測定用信号の受信タイミングを推定する受信時刻取得手段１０８と、各基地局の時計ずれと各基地局信号の受信タイミングから相対伝搬時間を推定する相対伝搬時間算出手段１０９と、相対伝搬時間算出手段１０９の出力や位置測定手段１１３の出力を用いて基準局を選択する基準局選択手段１１０と、基地局の座標情報を格納している基地局情報メモリ１１２と、基地局の座標情報を更新するためのメモリ更新手段１１１と、相対伝搬時間と基地局座標から無線端末装置２０の位置と評価関数値を出力する位置測定手段１１３と、位置測定手段１１３の出力を外部アプリケーションに転送する出力手段１１４で構成される。
【００１６】
実施例１との大きな違いは、位置測定用信号の送信元となる装置である。実施例１では基地局装置１０が送信元となり無線端末装置２０へ送信するが、実施例２では逆となる。この順序が逆になることにより本発明の効果は変わらない。実施例１と２で共通しているのは、無線端末装置２０の端末メモリ１０６以下の構成である。この部分が本発明の中心となるところで、その入り口となる端末メモリでは、位置測定に必要な情報を揃えておく必要がある。
【００１７】
図５は、本発明の第三の実施例を示した図である。無線端末装置２０は、位置測定用の信号を基地局に送信する端末送信手段１１６で構成される。基地局装置１０は、基地局間の時計ずれを補正するためのデータを収集する同期情報収集手段１０１と、無線端末装置２０から送信される位置測定用信号と他の基地局から送信される同期用信号を受信する基地局受信手段１１５と、同期情報収集手段１０１と基地局受信手段１１５で入力される信号や受信タイミングを格納する基地局メモリ１０２と、同メモリ内のデータを無線端末装置２０に転送する転送手段１０３で構成される。
【００１８】
サーバ装置３０は、転送手段１０３から送信される信号を受信するサーバ受信手段１１７と、サーバ受信手段１１７で受信した信号を格納するサーバメモリ１１８と、各基地局から受信した同期情報と基地局情報メモリ１２４に格納されている基地局座標から各基地局の時計ずれを算出する同期手段１１９と、各基地局から受信した位置測定用信号の受信タイミングを推定する受信時刻取得手段１２０と、各基地局の時計ずれと各基地局信号の受信タイミングから相対伝搬時間を推定する相対伝搬時間算出手段１２１と、相対伝搬時間算出手段１２１の出力や位置測定手段１２５の出力を用いて基準局を選択する基準局選択手段１２２と、基地局の座標情報を格納している基地局情報メモリ１２４と、基地局の座標情報を更新するためのメモリ更新手段１２３と、相対伝搬時間と基地局座標から無線端末装置２０の位置と評価関数値を出力する位置測定手段１２５と、位置測定手段１２５の出力を外部アプリケーションに転送する出力手段１２６で構成される。
【００１９】
実施例２と位置測定の方法は変わらないが、位置測定処理の大半をサーバ装置にて実施することにより無線端末装置での処理量を少なくした方法である。このように、位置測定処理の各手段を基地局装置１０、無線端末装置２０、サーバ装置３０に分散しても、次に述べる場合を除いて本発明の効果は変わらない。各手段の実装に制限があるのは、（Ａ）位置測定用信号の送受信は基地局装置と無線端末装置で対になっている必要がある、（Ｂ）同期情報収集手段は基地局装置に実装されなければならないの２つである。
【００２０】
図６は、同期情報収集手段１０１の実施例を示す。同期情報収集手段１０１は、基地局側での時計ずれを補正するために基地局間で同期用信号の送受信、及びその受信タイミングの測定を行う。時計ずれの演算は後述の同期手段１０７で行う。同期情報収集手段１０１は、ある基地局からの同期用信号を受信する基地局受信手段１１５と、受信信号をサンプリングするために必要なクロックを生成するクロック生成手段２０１と、基地局内でクロックをカウントアップして信号を受信した時刻を取得するタイミング取得手段２０２で構成される。基地局受信手段１１５とタイミング取得手段２０２で得た結果を基地局メモリ１０２へ格納する。
【００２１】
図７は、同期手段１０７または同期手段１１９の実施例を示す。同期手段１０７または１１９は、基地局側での時計ずれを補正する手段である。同期手段１０７または１１９への入力は、基地局装置１０から無線端末装置２０またはサーバ装置３０に転送された同期情報である。無線端末装置２０に実装されている同期手段１０７は端末メモリ１０６、サーバ装置３０に実装されている同期手段１１９はサーバメモリ１１８からリードして入力する。同期手段１０７または１１９は、同手段に入力したデータから基地局同期用信号の受信タイミングを推定する受信タイミング推定手段３０２と、基地局同期用信号の送信元基地局と受信基地局間の距離を算出する基地局間距離算出手段３０１と、基地局間距離を時間に換算して基地局同期用信号の受信タイミングから減算するタイミング補正手段３０３から構成される。補正後の受信タイミングは送信元基地局の送信タイミングに相当するため、補正後受信タイミングの基地局間の差分は各基地局のクロックずれを表す。クロックずれは、相対伝搬時間算出手段１０９または１２１で得られる位置測定用信号の相対伝搬時間から減算される。
【００２２】
【発明の効果】
相対伝搬時間の基準選択について、（１）全相対伝搬時間が０または正となるよう基準局を選択する、（２）相対伝搬時間の２乗和が最小となる基準局を選択する、または（３）位置測定演算に使用する評価関数値が最小となる基準局を選択する基準局選択手段を有する無線端末装置、またはサーバ装置を用いることで、無線端末装置の位置測定誤差が小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するためのシステム構成例。
【図２】本発明による信号フローの実施例。
【図３】本発明による第一の実施例。
【図４】本発明による第二の実施例。
【図５】本発明による第三の実施例。
【図６】同期情報収集手段の実施例。
【図７】同期手段の実施例。
【符号の説明】
１…同期用信号，  ２…同期情報転送，  ３…位置測定用信号，  ４…基準局選択ステップ，  １０…基地局装置，  ２０…無線端末装置，  ３０…サーバ装置，  ４０…ネットワーク，  １０１…同期情報収集手段，  １０２…基地局メモリ，  １０３…転送手段，  １０４…基地局送信手段，  １０５…端末受信手段，  １０６…端末メモリ，  １０７…同期手段，  １０８…受信時刻取得手段，  １０９…相対伝搬時間算出手段，  １１０…基準局選択手段，  １１１…メモリ更新手段，  １１２…基地局情報メモリ，  １１３…位置測定手段，  １１４…出力手段，  １１５…基地局受信手段，  １１６…端末送信手段，  １１７…サーバ受信手段，  １１８…サーバメモリ，  １１９…同期手段，  １２０…受信時刻取得手段，  １２１…相対伝搬時間算出手段，  １２２…基準局選択手段，  １２３…メモリ更新手段，  １２４…基地局情報メモリ，  １２５…位置測定手段，  １２６…出力手段，  ２０１…クロック生成手段，  ２０２…タイミング取得手段，  ３０１…基地局間距離算出手段，  ３０２…受信タイミング推定手段，  ３０３…タイミング補正手段。
【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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