JP2015052601A - 広域測位システム - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2008年9月10日に出願された米国(US)特許出願第61/095,856号の利益を主張する。
本発明は一般に測位システムに関連する。本発明は、特に広域測位システムに関連する。
信機ネットワークを含む。測位システムは、測位信号及び/又は衛星信号を取得して追跡するリモート受信機を含む。衛星信号は衛星ベースの測位システムの信号である。リモート受信機の第1のモードは、リモート受信機が測位信号及び/又は衛星信号を使用して位置を計算する、端末ベースの(terminal-based)測位(位置決め、positioning)を使用
する。測位システムは、リモート受信機に結合されたサーバーを備える。リモート受信機の第2の動作モードは、サーバーが測位信号及び/又は衛星信号からリモート受信機の位置を計算する、ネットワークベースの測位を含み、リモート受信機は測位信号及び/又は衛星信号を受信しサーバーに転送する。
離れた送信機は、異なるCDMA符号を使用する一方で同じTDMAスロットを使用することを認められる。これにより、システムの広域なスケーラビリティが可能になる。TDMAスロッティング(slotting)は、保証された近遠性能のために決定論的であり得るし、又は良好な平均的な近遠性能を提供するためにランダム化され得る。搬送波信号はまた、任意の「近遠」問題に対処すべく符号の相互相関性能を改善するために何ヘルツかだけ(例えば、ゴールド符号の繰り返し周波数の一部)オフセットされてもよい。2つのタワーが同じTDMAスロットを使用するが異なる符号を使用する場合、受信機における相互相関は、より弱い信号を検出する前により強い信号の干渉除去を使用することによりさらに拒絶することができる。
、TDMAフレーム持続時間(frame duration)は、同じ送信機の2つの連続するスロット間の期間である。TDMAフレーム持続時間は、サービス区域(coverage area)に位
置するのに必要な送信機スロットの数とTDMAスロット持続時間との積によって決定される。感度は単一のTDMAスロットによって必ずしも制限されないが、TDMAスロット持続時間は感度要件(sensitivity requirements)によって決定される。1つの例示的な構成は、TDMAフレーム持続時間として1秒を使用し、TDMAスロット持続時間として100msを使用してもよい。
接したタワーに関するジオコード情報及び区域において様々な送信機によって使用されるシーケンスの指標;送信機(オプション)及び近隣の送信機のためのクロックタイミング補正;ローカルの大気補正(atmospheric corrections)(オプション);GNSS時間
に対するWAPSタイミングの関係(オプション);擬似距離の解明(resolution)において受信機を援助するための都市、都市近郊、ローカルの環境についての指示(オプション);並びに、PNシーケンスの基準指標(base index)又はゴールド符号系列に対する指標からのオフセット。ブロードキャストされる送信データフレームにおいて、安全性及び/又はライセンス管理の理由から単一の又は1組の受信機を停止させるための情報を含むフィールドが含まれてもよい。
何学的希釈(GDOP)は、精度要求に基づく所定のしきい値未満である。RF計画調査を行うソフトウェアプログラムはネットワーク内及びネットワークの周りのGDOPについての分析を含むように増強される。GDOPは受信機位置及び送信機位置の関数である。ネットワーク設計(planning)にGDOPを組み入れる1つの方法は、以下のように最適化を設定することである。最小化されるべき関数は、範囲(カバレージ)の大きさ(体積、ボリューム、volume)にわたってGDOPの二乗の体積積分である。体積積分は受信機位置の(x、y、z)座標に関するものである。最小化はn個の送信機位置座標、i=1,...,nに対してxmin<x<xmax、ymin<y<ymax、zmin<z<zmaxであって、範囲体積についてxmin、ymin及びzminが下限であり、xmax、ymax及びzmaxが上限であるという範囲体積にあるという制約に従う所与のサービスエリアにおける(x1、y1、z1)、(x2、y2、z2)、...、(xn、yn、zn)、に関するものである。最小化されるべき関数は、
また、最小化されるべき関数は、カバレージ領域Rjの重要性(すなわち、要求される性能品質)によって重み付けされてもよい。
のzとして平均的な垂直上方(average vertical up)を備えたローカルレベルの座標系
において行われてもよい。上記の制約された最小化問題を解決するソフトウェアは、関数fを最小化する最適化された送信機位置(x1、y1、z1)、(x2、y2、z2)、...、(xn、yn、zn)を出力する。
1)共通のWAPS受信アンテナ(アンテナ1)
2)様々なWAPS送信機アンテナ(ローカルアンテナ1−4)に接続するRFパワー増幅器及びスプリッター/スイッチ
3)WAPSユーザー受信機
アンテナ1は、ローカルアンテナ1−4へのコンポジット信号(合成信号、composite signal)を受信し、増幅し、ローカルアンテナ1−4に分配する。(好ましくは)ユーザー受信機における異なるリピーターからの送信のオーバーラップ(衝突)がないような方法で、スイッチングが行われるべきである。送信の衝突は、ガードインターバルの使用を通じて回避することができる。スイッチから送信アンテナまでの既知のケーブル遅延は、すべてのローカルリピーターについての全体の遅延を均一にするためにリピーター−増幅
器−送信機において遅延を加算すること、又は、ユーザー受信機におけるケーブル遅延だけ、特定のリピーターからの推定される到着時間を調節することによって、補償されるべきである。TDMAが広域WAPSネットワークにおいて使用される場合、各広域スロット(各スロットは1つの広域WAPSタワーを含む)がすべてのリピータースロットにおいて生じるように、リピータースロットのスイッチングレートが選択される。1つの例示的な構成は、広域TDMAフレーム持続時間の倍数(multiple)に等しいリピータースロット持続時間を使用するであろう。具体的には、広域TDMAフレームが1秒である場合、その後リピータースロットは整数の秒数であり得る。この構成は最も単純であるが、ケーブル上のRF信号分配の要件のため、小さな制限された領域における配置にのみ適している。ユーザーWAPS受信機は、リピータースロット期間中の静的な(又は準静的な)仮定の下で位置及び作業を計算するためにリピータータワーをリスンする場合に、到着の時間差を使用する。送信がリピーターからのものであるという事実は、各WAPSタワー信号が1つのリピータースロットから次のものまで同じタイミング差(ジャンプ)を示すという事実によって自動的に検出することができる。
絶対時間基準=tWAPS_abs
時間調整=Δsystem=tWAPSーtx−tWAPS_abs
絶対時間基準に対してWAPSシステム時間を同期させることが不可欠ではないことに留意されたい。しかし、すべてのWAPS送信機は共通のWAPSシステム時間に対して同期される(すなわち、すべてのWAPS送信機の相対的なタイミング同期)。(もしあれば)WAPSシステム時間に関する各送信機のタイミング補正が計算されるべきである。タイミング補正は、電波(air)WAPS支援送信を介して直接的に、又は他のある通
信手段を介して、受信機にとって利用可能にされるべきである。その支援は、例えば、セルラー(又は他の)モデムを介して、又は(イリジウム、デジタルTV、メディアフローもしくはセルラーシステムのブロードキャストチャネルなどの)システムからのブロードキャストデータを介して、WAPS受信機に配信することができる。代替的に、タイミング補正はサーバーへ送信することができ、サーバーにおいて位置を計算する場合に使用することができる。実施例のタワー同期の記述がそれに続く。
どの非常に安定したクロック基準の使用により、システムは、装置が特定のタワー・データをこれ以上変調することができない万一の場合に備えて、装置上でタワーごとにこの補正を格納/送信することが可能となる。利用可能なものがある場合、この補正データはまた、通信媒体を介して装置へ送信することができる。タワーからの補正データは、基準受信機又は他のタワーのブロードキャストをリスンするタワー上に取り付けられた受信機のいずれかによって監視することができ、集中型のサーバーに伝えることができる。タワーはまた、その後に装置への通信リンクを介してそれらのタワーの近くで装置へこの情報を広めることができる集中型のサーバーにこのカウント情報を周期的に送信することができる。代替的に、サーバーは、近隣のタワーのための支援情報としてこの情報をブロードキャストすることができるように(例えば、現場における)タワーからの情報を近隣のタワーへ渡すことができる。近隣のタワーのための支援情報は、近辺のタワーに関する、(タワーが静的であるので)位置情報及びタイミング補正情報を含み得る。
ることは、それを独自のものにする。各タワーについての基準受信機の擬似距離(符号位相)測定値は、時間タグ付けされて、その後サーバーへ送信される。タワーj及びiの基準受信機において測定された受信符号の位相ベースの距離は以下のように書くことができる:
タワーi及びjの間のクロックタイミングの差、dti−dtjは、上の2つの式を差し引いて、基準受信機から送信タワーまでの既知の幾何学的距離を使用することにより、サーバーにおいて計算される。これにより、ローバー(rover)/移動局測定における送
信機間のタイミング差の除去が可能になる。送信タワーにおいて使用されるクロックが比較的安定している場合、時間差dti−dtjのよりよい(例えば、雑音の少ない)推定値を得るために、時間にわたる平均化を使用することができることに留意されたい。
ローバー/移動局において測定された受信符号の位相ベースの距離は、次のように書くことができる:
代替的に、タイミング差の補正は、その場で誤差を補正するため及び移動局における位置計算を容易にするために移動局へ返送することができる。差分補正は、基準局と移動局の両方によって見ることができるのと同じ多くの送信機に適用することができる。この方法は、概念的に、システムがタワー同期なしに動作することを可能にすることができ、又は代替的に、大まかに同期されたシステムにおいて任意の残存クロック誤差を補正することを可能にすることができる。
するので、時間転送を直接的に決定するために位相の単一の差を使用することができないことに注目されたい。符号と位相の観察結果の組み合わせた使用により、符号からの時間差に関する絶対的な情報及び搬送波位相からの時間差の発生に関する正確な情報を利用することが可能になる。搬送波位相の単一の差における誤差分散(error variance)はよりよい時間転送追跡につながる符号位相の単一の差よりかなり良好である。
タワー間の時間転送に加えて、GPS時間に対するタワーのタイミングは、共通の視聴時間転送において使用されるGPSタイミング受信機によって見つけることができる。
なる、正確なGPS時間及び周波数を提供することができる。
、その時におけるその用途についてのその領域におけるスペクトル利用可能性及び精度要件に基づいて見積もられる。受信機は装置への通信リンクを介してシステムパラメーターを通知される。
ができる。それらは、システムが所与の時間においてテレビ信号を受信するか又はWAPS信号を受信するという点で、相互排他的な基準で動作することができる。別の実施例において、それがそのようなシステムにWAPS RFセクションを加えることをより簡単にする場合、アンテナは、テレビチューナーとWAPSシステムとの間で共有することができ、両方のシステムが同時に動作することを可能にする。システム/ダイがFM無線機などの無線機を有する場合ににおいて、RFフロントエンドはWAPSシステム及びFM無線機の両方を提供するために修正することができ、これらの無線機は相互排他的な基準で動作することができる。同様の修正は、WAPS RF帯域に近い近接する周波数で動作する幾つかのRFフロントエンドを有するシステムに対して行うことができる。
りよい調整のために他のシステムと交換することができる。例えば、周波数更新はWAPS取得段階中に一時停止することができ、又はWAPS受信機がスリープ状態である場合に周波数更新は予定され得る。通信は、制御信号の形式又は代替的にメッセージの形式で、送受信機システムとWAPSシステムとの間で交換することができる。
C/A符号システム(チップレートに影響する)の利用可能な帯域幅の半分のみを有するが、WAPSブロードキャスト信号は商用品質のC/A符号GPS受信機の限界内で動作するように構成されるという事実にある。さらに、信号の利用可能性に基づいて、アルゴリズムは、位置を決定するためにGPS信号が使用されるべきか、又は、WAPS信号もしくはその組み合わせが最も正確な位置を得るために使用されるべきであるかを決定する。
てもよい。当該支援はまたローカルエリアにおいて可視のSVに特化されてもよい。
の観点から、WAPS受信機の性能を改善するのを助けることができる。例として、図17は、実施例による、GNSS受信機からWAPS受信機への支援情報の転送を示すブロック図である。GNSSシステムは、LORAN、e−LORAN又は同様の地上測位システムによって取り替えることができることに留意されたい。位置推定値は、部分的なもの(例えば、高度又は2次元位置)、完全なもの(例えば、3次元位置)又は未加工の(raw)距離/擬似距離データであり得る。ハイブリッド解決法においてこの距離情報の使
用を可能にするために、距離/擬似距離データは、SV(又はSV軌道パラメーターなどのSVの位置を計算するための手段)の位置とともに提供されるべきである。すべての位置支援情報は、その品質を示す測定基準(基準、metric)とともに提供されるべきである
。(ハードウェア信号を使用して、WAPSシステムに転送され得る)GNSS時間情報を提供する場合、(もしあれば)GPS時間に対するGNSS時間のオフセットは、WAPS受信機における使用を可能にするために提供されるべきである。周波数の推定値は、信頼基準(confidence metric)(推定値の推定される品質、例えば、推定値における最
大の期待誤差を示す)とともにクロック周波数の推定値として提供することができる。GNSSシステム及びWAPSシステムが同じクロックソースを共有する場合、これは十分である。GNSSシステム及びWAPSシステムが別個のクロックを使用する場合、WAPSシステムが較正する(すなわちNSSクロックに関してWAPSの相対的なクロックバイアスを推定する)ことを可能にするために、GNSSクロックはまたWAPSシステムに提供されるべきであり、又は、代替的に、WAPSシステムはGNSSシステムにそのクロックを提供すべきであり、GNSSシステムは較正推定値(すなわち、GNSSクロックに関するWAPSの相対的なクロックバイアスの推定値)を提供するべきである。
号の必要なしに)送信波形に時間整合する必要があるだけなので、WAPS受信機のジョブは単純になる。データビットを復号する必要性をなくすことにより、TTFFを低減し、したがって、受信機はすべてのビットを復号するために電源を連続的にオンにする必要がないので、電力が節約される。図18は、実施例による、WAPS支援情報がWAPSサーバーから提供される例示的な構成である。
信する低電力RF送信機を含んでもよい。例えば、当該シグネチャーは、送信機を一意的に識別する符号であってもよい。関連する受信機は、すべての方向においてスキャンするときの信号エネルギーピークの探知を通じて、又は(信号到着の指示を決定するために複数のアンテナ素子からの信号を使用する)方向探知を通じて、比較的より高い精度で送信機の位置を見つけることができるであろう。
多重パス信号の解消
多重パスの解消は測位システムにおいて重大である。無線チャネルは、しばしば、ランダムな位相及び振幅を備えたランダムに変化する多重パスコンポーネントにより特徴づけられる。測位を正確にするために、受信機アルゴリズムが、存在する場合にはライン・オブ・サイト(LOS)パス(最初の到着パスになる)を解決し、又は最初に到着するパス(必ずしもLOSコンポーネントではないかもしれない)を解決することは欠かせない。
が適用される。
ランダム系列の開始が受信機においておおよそ知られていると仮定する。
1.受信サンプルy[n]を送信系列x[n]と相互相関させて結果z[n]を得る。相互相関が畳み込みの観点から
2.z[n]の最初のピークを見つけて、npeakとしてそれを示す。z[n]のピークの左へwLサンプルを抽出し、ピークの右へwRサンプルを抽出し、このベクトルをpVとして示す。
ことである。さらに、斬新な(far-out)多重パスコンポーネントを解決するのを助ける
ために、特に左側(すなわち、wLの選択を通じて)すべての可能性のある多重パスコンポーネントを含むように、整数のwL及びwRが選択されるべきである。fsTcを越えるあまりに多くのサンプルを含むと、pVベクトルに導入されたノイズ量が増加され、したがって削減されなければならない。シミュレーション及び実験を通じて、wL及びwRの値の典型的な組は、それぞれ3fsTc及び3fsTcである。
最良の雑音性能に対して一致されるが、その制約はこのアルゴリズムが機能するためには要求されない。基準相関関数は
3.基準相関関数φref[n]が次に推定される。
有用なサンプルを含む。図20は、実施例による、基準相関関数を推定するためのフロー図である。
Refの長さNfftの高速フーリエ変換(FFT)を計算する。Nfftの最適値は、人工的及び実際に測定されたチャネルの両方を使用するシミュレーションを通じて多重パスの解決可能性をチェックすることにより得られる。通常のNfftの値は4096以上であると分かった。
8.低減されたチャネル推定ベクトルH[k]から行列Pを構築する。
Mがあまりに小さくなるように(1に近く)選択される場合、その後Rの固有値は数に非
常に制限され、その結果、高分解能アルゴリズムは信号とノイズとの間を表現することができない。Mがあまりに大きく(2Nに近く)なるように選択される場合、共分散を得る際の平均化の量が不十分であるので共分散行列推定値Rは信頼性が低く、また、得られた共分散行列Rは階数落ち(ランク落ち、rank-deficient)である。したがって、その許容範囲のちょうど真中にあるMの値、すなわちM=Nはよい選択である。これもまた経験的に確認された。
として、R上で特異値分解(SVD)を行う。ここでUは左の特異ベクトルの行列であり、Vは右の特異ベクトルの行列であり、Dは特異値の対角行列である。
11.次の重要なステップは信号とノイズの部分空間を分離することである。言いかえれば、特異値sV[ns+l]...sV[N]がノイズに対応するようにベクトルsV中の指標nsを選択することである。ノイズ特異値のベクトルをsVnoiseとして定義する。
a)信号対雑音比(例えば、チップ上のSNR)の関数でありT1=f(SNR)であるT1がしきい値であって、max(sV)/T1より小さいすべての特異値。図21は、実施例による、雑音部分空間を推定するためのフロー図である。
る分割についてのSNRを繰り返し推定してSNRの別の推定値と比較することによって、雑音部分空間を決定することを含む。図23は、別の代替的な実施例による、雑音部分空間を推定するためのフロー図である。
i.ノイズがsV()ns,ns+1,...Mによって表されると仮定し、ノイズ共分散を
ii.信号パワーを
iii.SNRの推定:
i.(周波数誤差の除去、並びにTcの間隔が開けられたサンプル及び符号非相関に対する再サンプリングの後に)受信されたデータサンプルが、Xiによって与えられる場合(ここでXiは補間されたピーク位置から開始してチップ間隔で配置される)、
Xi=S+Ni
ii.信号は
iii.ノイズは
iv.SNRは
3)以下の条件
d)別の方法は、c)l)を使用してノイズ及び信号部分空間の異なる分割についてのSNRを繰り返し推定し、
む。
図24は、さらに別の代替的な実施例による、雑音部分空間を推定するためのフロー図である。
1)wLen=(wL+wR)/fsTcを定義する。その後、第1のwLen特異値
は、重要な信号プラス雑音部分空間又は雑音部分空間の特異値(特異値の残りは相関性のあるノイズ及び信号並びに量子化効果を表す)を表す。
i.ノイズがsV(i):i=ns,ns+1...wLen;l<ns≦wLenによって表されると仮定し、
ii.
iii.SNRの推定:
a)
b)
組み合わせ方法
上述のスタンドアロンの方法とは別に、多数の他の組み合わせ方法が可能である。チップ上のSNRに基づいたスキームの組み合わせは有効な方法である。以下、実際上実現することができる組み合わせスキームのリストについて記載する:
1.chipSNRRefより小さいchipSNRについて、ノイズ特異値を選択するために方法12(d)を選択する。そうでなければ方法12(a)を選択する。
chipSNRRefの一般的な値は10dBである。
位置の計算
受信機ユニットの位置は、端末ユニット又はサーバーのいずれかにおいて利用可能な測位エンジンによって決定される。受信機は、システムからの距離測定値を使用することができ、又は機会の他の信号からの任意の測定値とシステム距離測定値を組み合わせることができる。測定値が既知の位置に由来するならば、距離測定の十分な組により位置決定がなされる。3D空間における距離の式は
送信機の位置は(xi,yi,zi)によって与えられ、モバイル装置の未知の位置はあるローカル座標フレームにおいて(X,Y,Z)によって与えられる。3つ以上の送信機が、定点(fix)を計算するために使用される3つ以上の距離測定値を生成する。受信
機の時間がWAPSタイミングと同期されないので、当該測定値は、そのうえ、受信機時間バイアスの付加的な項目を有する。
Baro=(Zb−Z)
として提供する。これらの非線形連立方程式を解く1つの方法は、任意の初期点における問題を線形化して、その後、最終的な解につながるようにこの初期位置に対する補正を反復して見つけることである。
最終位置の解は
幾何学的な距離は、(X,Y,Z,Δt)=(X0,Y0,Z0,Δt0)に関するテイラー級数において拡大することができる。
偏導関数は
この実施例において、4つの未知のものを備えた4つの一次方程式が示される。追加の距離推定は行列中により多くの行を生成する。その結果は式の組
観測行列の最後の行は気圧高度計測定値を表す。3 1の列(column of three 1)は、
すべての3つの距離についての同じ時間バイアスを表す。これらの式はAx=bの形をしている。解x=A−1*bである。気圧計測定値がない場合、さらに1つの追加の測定は、上記行列の行1から3に類似する追加の行を追加することに留意されたい。この追加の測定は受信機の高度の推定を可能にするであろう。未知のものの数より多くの利用可能な測定値がある場合、その後、解は、A+=(ATA)−1ATにより与えられるAの擬似逆に基づき、最小二乗解はx=A+ −1bにより与えられることに留意されたい。測定の品質が等しくない場合、最小二乗の意味で式Ax=bを解く最適な方法は各式からの誤差についてのSNRに比例した重みを使用することである。これはA+=(ATWA)−1ATWによる解x=A+ −1bにつながる。対角重み付け行列Wは測定値のノイズ分散に比例した重みによって形成される。これらの式の解は、
これにより本方法の最初の反復が完了する。更新された位置及び時間バイアス推定値が初期の推測にとって代わり、アルゴリズムはデルタパラメーターがあるしきい値未満であるまで継続する。典型的な停止点は、あるしきい値未満(例えば、1メートル)のデルタ値のノルムについてのものである。
の組が機能するために、初期の推測は、(上述のように)重心、受信される信号が最も強い送信機に近い点又は反復のない一連の式によって閉じた形式の解(閉形式解)を与える直接的な方法によって得られる送信機に近い点に基づいてもよい。初期の推測が、重心、又は受信信号が最も強い送信機に近い点である場合、初期の推測は最小二乗法を使用して改善される。初期の推測が反復のない一連の式による閉じた形式の解を与える直接的な方法によって得られる場合、初期解自体が最終解であり、それは、(信号強度及び仰角などのパラメーターから得られる)それらの測定値における期待誤差を使用することにより、重み付けされた個々の測定値とともに、未知のものよりさらに多くの測定値(従って、式)が存在する場合に限り、最小二乗法を使用して改善される。さらに、一連の測定が時間内に処理されることになっている場合、上述のように得られた解は最適解の「軌跡(trajectory)」を得るためにカルマンフィルターに供給されてもよい。
重みWiは、測定された距離RiのSNRに反比例するように選択される。受信機位置の最良の推定値は、目的関数を最小化する(X,Y,Z,Δt)の組として得られる。気圧計又は他の高度支援が利用可能な場合、目的関数は、
この方法に基づいた位置解決は、特に小さな形状の地上システム構成のもとで、より安定的でロバストになる。この構成において、受信機座標の小さな変化は、観測行列を大きく変化させ、時には線形化された反復が収束しないことにつながる。極小値が存在することができるように、目的関数の形状に影響する測定値における残存バイアスのせいで、極小値への収束又は発散がより多く生じる。残存バイアスは屋内/都市の峡谷(canyon)環境においてとてもありふれたものとなり得る。上述の非線形方程式は、小さな形状の線形化問題の克服に加えて、測定バイアスに対して位置アルゴリズムをロバストにする。
平均の重み付けされた二乗平均擬似距離残差は、
HDOP、VDOP、PDOPは、
特定のSNRにおける擬似距離RMS(二乗平均)誤差は
ここでfは、一般にその引数の非線形単調減少関数である。当該関数fは、信号BW及び受信機BWの関数として特定の受信機構成について分析的に導出することができ、又は代替的に、距離誤差に対するテーブルマッピングSNRとしてシミュレーションから見つけることができる。
2次元位置の品質測定基準は、
同様に、高度及び3次元位置の品質測定基準は
量αは所望の信頼度に基づいて選択される。例えば、値1が68%の信頼に使用される一方、値3は95%の信頼を得るために使用される。
)におけるWAPS基準受信機の使用を含む。「差動広域測位システム」に示され、タイミング同期のコンテキストにおいて議論されるように、WAPSタワー及び基準受信機の緯度、経度、高度とともにタイムスタンプされた基準受信機測定値は、特定のタイムスタンプにおけるWAPSタワー送信間のタイミングデルタ(timing delta)を決定するために使用することができる。送信機間のタイミングデルタが一旦知られると、距離の式は再び単一の共通時間バイアスを有するように低減することができる。その後、WAPS受信機は、WAPSデータストリームの復調(例えば、データストリームからタイミング補正を抽出すること)を回避することができる。WAPS受信機測定値はサーバーへ送信することができ、次に、位置はサーバーにおいて計算することができ、又は代替的に、基準受信機測定値はWAPS受信機へ中継することができ、位置はそこで計算することができる。WAPSタワーの緯度、経度及び高度が既に知られている/位置計算での使用に利用可能であると仮定される。WAPSデータストリームが安全である場合、この差動システムは、タイミング補正の目的のためにセキュアなデータストリームからデータを抽出することの必要性を回避することができる。
タベースは、測位が必要とされる領域における訓練測定値に基づいて所与の目標地域について構築される。RSSIデータベースもまた、ソリューションを改善するために到来角(AOA)情報により増大される場合がある。WAPS受信機RSSI測定値(及びおそらくはAOA測定値)は、その後、位置推定値を得るためにこのデータベースを調べるために使用される。WAPS RSSI測定値を使用する代替的な方法は、伝播モデル(又は単純な外挿/補間技術)を使用して測定値を距離推定値に変換し、次に、位置を決定するために三辺測量(トリラテレーション、tri-lateration)を使用することである。この指紋採取技術におけるRSSI測定値は距離に変換することができる任意の他の測定値で置き換えることができることに留意されたい。
ースバンドにおけるIQデータであってもよい)を含む。信号を得ることができるのに十分なサンプルを格納することが十分であることに留意されたい。サンプルはWAPSタワーへの距離を探索し、取得し、計算するために後に処理される。本方法は、オフラインデータを使用して、サーバー上の中央データベースに格納され得るタワー位置及びタイミング補正情報を検索してもよい。オフライン位置計算についてのこの方法は、デバイス上のメモリーのみのコストでWAPS測位をサポートする能力を提供する。この方法の他の利点は、WAPS IQデータを格納するのに取られる時間が非常に短く、位置に迅速にタグ付けする必要のある用途にとって便利なものとするが、正確な位置が瞬時に必要ではないということである。この方法のための1つの可能な応用は写真について地理的タグ付け(geo-tagging)をするためのものであってもよい。
様々な技術を搬送波位相測定値における整数曖昧性Ntを解決するために使用することができる。符号位相測定、複数の周波数における測定及び/又は他の方法は、曖昧性を解決するために使用することができる。続いて、時間tkにおける搬送波位相測定値は、正確な初期位置から開始する位置の正確な追跡を提供することができる。将来の時間における搬送波位相測定値は
搬送波位相測定がサイクルスリップを有していない限りNiは変化せず(すなわち、信号は連続位相ロックにより追跡されるべきである)、新たな位置は最小二乗法を使用して計算することができる。代替的に、これらの測定値は新たな位置状態を更新するためにカルマンフィルターにおいて使用することができる位相ロックが失われると、整数曖昧性の新たな値を計算する必要がある。
送信機におけるいかなるタイミング誤差もこれらの観測量に現れず、したがって、システムが非同期であるか又は不完全に同期される場合でさえ、位置解決が可能となることに
留意されたい。加えて、対流圏の遅延が短い基準値(例えば、基準受信機rと受信機sとの間の距離)に対してローカルエリアにおいて相関する可能性があるので、測定値におけるいかなる対流圏の遅延誤差もほとんど相殺する。通信チャネルは、位置計算のために基準受信機rから受信機sへ距離及び搬送波の測定値を送信するために使用される。又は、代替的に、受信機s及び受信機rは、位置計算のためにサーバーへ距離及び搬送波を通信する必要がある。
」の測定値は送信機におけるタイミング同期の喪失又は多重パスなどのチャネル効果によるものであり得る。
ハイブリッド測位及び他のシステムとの情報交換
実施例のシステムは、測位を提供するために、任意の「機会の信号(signal of opportunity)」と組み合わせることができる。機会の信号の例は次のうちの1つ以上を含むが
これらに限定されない:GPS受信機;Galileo;Glonass;アナログ又はデジタルTV信号;メディアフロー、Wi−Fi、FM信号などのシステムからの信号;WiMax;セルラー(UMTS、LTE、CDMA、GSMなど);ブルートゥース(登録商標)、並びに、LORAN及びe−LORAN受信機。
適切に重み付けされて組み合わせられる。重み付けは、受信された信号の信号対雑音比(SNR)を使用してもよく、又は、代替的に、受信機の環境を定義する基準(例えば、支援データからの、都市、郊外、地方の環境についての知識、アプリケーションからの入力に基づく、受信機が屋内にあるか又は屋外にあるかについての知識)を使用してもよい。これは、通常、実施例のシステムが利用不能であるか又は信号の受信地域(カバレージ)が制限された環境において行われる。特定の測定のための重みにSNRを使用する場合、当該重みは、位置を得るためにWAPS測定値のほか他のシステム測定値の最適な組み合
わせを可能とするように、単にSNRの逆関数(又はより低いSNRをもつ信号に対してより低い重みを提供する任意の他の関数)であってもよい。最終的な測位解は、追加の信号ソースから距離測定値を取ってきてWAPS距離測定値と組み合わせ、緯度、経度及び高度について位置解を導出すること、又は、追加のソース/デバイスから位置測定値及びWAPSシステムから位置測定値を取ってきて、異なるシステムからの位置品質測定基準に基づくこれらの位置測定値の組み合わせを使用して最適化された位置解を提供することによって、計算することができる。WAPS測定値/WAPS位置推定値を使用してハイブリッド解を得る様々な構成が図26、図27及び図28に示される。以下に記載されるアーキテクチャーのいずれも、システムのハードウェア及びソフトウェア分割に依存する使用のために選択することができる。
用してセンサーを再較正するための良い時期がいつなのかを決定する際の複雑さである。
図34は、実施例による、FM受信機とWAPS受信機との間での位置、周波数及び時間の推定値の交換を示すブロック図である。WAPSシステムからの位置推定値はFM受信機に提供することができる。その後、この位置推定値は、例えば、ローカル領域におけるアクティブなFM無線局を自動的に決定するために使用されてもよい。その上、FM信号はRDS(無線データサービス、Radio Data Service)送信を含んでもよい。FM局の位置がRDS/RBDSデータストリーム(例えば、送信機の場所に関するデータを提供して都市及び州の名を与え、DGPSナビゲーションデータを提供する、位置及びナビゲーション(LN)機能)に含まれている場合、次にこの情報はWAPS受信機に対する位置支援を提供するために使用することができる。WAPSシステムからの周波数推定値は、特定の局についてFM受信機チューニング時間を低減するために容易に使用することができる。他の目的において、FM受信機における推定値の周波数品質はFM無線局送信品質に基づく。WAPSシステムにおける時間推定値はGPS時間に基づき、時間はタイミング整合を支援するためにFM受信機に転送することができる。RDS/RBDS送信におけるクロック時間(時刻、CT)機能はRDSデータに対するタイミングを決定するために使用されてもよく、WAPS受信機へ転送することができる。
ケールに良好に同期しない)セルラーシステムは、粗い時間推定値を提供し得る。
テムがローカル領域において自由である(TVの余白に制限されない)と検知し又は決定し、そのスペクトルにおいて位置ビーコンを送信する、任意のスペクトルとして定義される。実施例の送信機は、未使用のスペクトルを検出し及び/又はスペクトルを調整する集中型データベースに地理的位置(容易にGPSタイミング受信機から得ることができる)を通信するためにスペクトル検知技術を使用することができる。受信機は、これらのビーコンをリスンするためのスペクトル検知技術を含んでもよく、又は、別の実施例において、通信媒体を使用してそこへ合わせられるべき周波数について通知されてもよい。(送信機が、送信するためのスペクトル及び/又は送信するのに必要である時間期間を次に割り当てる、集中型データベースへ、送信機の地理的位置をブロードキャストすることを要求される場合)WAPSシステムは、動的な余白利用可能性又は割り当てに適合し得る。WAPSシステムは、このスペクトルにおいて連続的にブロードキャストすることができ、又はスペクトルについての集中型の調整サービスによって制御されるような他のシステムと当該スペクトルを共有することができる。WAPSシステムコンポーネントのチッピングレート及びデータレートは、任意の所与の時間において精度の要件並びに/又は信号パワー及び帯域幅の利用可能性に適合するように動的に修正することができる。システムパラメーターは受信機によって検知することができるか、又は通信媒体を介して受信機に通信することができる。送信機は、ローカルネットワークを形成することができ、又はより広い地理的領域におけるスペクトル利用可能性の場合に、連続的なネットワークを形成することができる。
暗号化及びセキュリティ
実施例のシステムにおけるオーバーヘッド情報は暗号化アルゴリズムを使用して暗号化することができる。これにより、ユーザーは、システムを使用し、システムの使用について費用請求され、情報のセキュリティを制御する手段を提供することが可能となる。鍵は信号を解読するために適用することができる。鍵は、PC、無線・ネットワーク、ハードウェア・ドングルを使用して得ることができ、又はそれが任意の意図しないソースによってアクセス不能である方法でデバイスの不揮発性メモリーへと焼きつけることができる。
報などの、各送信機に特有のデータを含む。システムメッセージは、暗号鍵を構成し、受信機を有効/無効にするため、又は受信機の特定の組への目標とされる一方向のプライベート情報の交換のために使用される。
きである。装置の暗号境界の外(すなわち、任意の種類の付属の記憶装置)に格納されるセッションキーは、装置の安全な鍵を使用して暗号化される。
ない。
パラメーターセンサーは、センサーからの測定値に時間タグを付けるため及び/又は位置タグを付けるためにWAPSシステムの受信機へ統合することができる。パラメーターセンサーは、数例を挙げると、温度センサー、湿度センサー、重量センサー、及びスキャナータイプのセンサーを含んでもよいが、これらに限定されない。例えば、X線検出器は、追跡される受信機、又は追跡される受信機を含む装置が、X線機器を通り抜けるかどうかを決定するために使用することができる。X線イベントの時間及びX線機器の位置は、検出器によってタグ付けすることができる。加えて、他のパラメーターセンサーは、センサーからの測定値に時間タグ付け及び位置タグ付けの両方をするために、WAPSシステムへ統合することができる。
ードと共存するように実施することができる。WAPSシステム単独、又は統合されたWAPS及びGPSシステム並びに/もしくは他の測位システムは、SIMカードを追跡することができるように、携帯電話加入者識別モジュール(SIM)カード上で共存するように実施することができる。
搬送波位相による正確な測位
(1m未満まで)更に精度を改善するためにWAPSシステム性能を増大する1つの方法は、以下に記載されるような搬送波位相測位システムを実施することである。ビーコンは通常のWAPS送信機として設定される。この方法については、簡易な連続的位相追跡を容易にするためにTDMAスロットを使用しないことが望ましいかもしれない(しかし不可欠ではない)。TDMAが使用されない場合、近遠問題は、受信機における干渉除去及び増加したダイナミックレンジを通じて克服することができる。そのような方法をサポートするWAPS受信機は、すべての可視の衛星について連続的な方法で符号及び搬送波位相を測定しタイムスタンプをすることができる。さらに、連続的な方法で符号及び搬送波位相の同様な測定を行うことができる基準受信機が既知の調査された位置に存在する。WAPS受信機及び基準受信機からの測定値は装置又はサーバーのいずれかにおいて位置を計算するために組み合わせられてもよい。そのようなシステムの構成は差動WAPSシステムと同一である。
距離は、ユーザー位置及び送信機位置pu及びp(k)の観点から、
送信機クロックバイアスについての知識における誤差を除去するために、対応する搬送波位相方程式
下付き文字rは基準受信機を表し、(1)から(2)を差し引いて
これは
dturには関心がないので、指標(k)の異なる値について差分(5)によって除去することができ、いわゆる二重の差分観測量の式
ここで
次に、式(6)は
ここで
通常、二重差分に使用される送信機lは送信機のうちの1つであり、便宜上それをlとしてラベル付けすることは
式(10)は未知のユーザー位置puにおける非線形式である。極小値サーチアルゴリズムは一次方程式において機能し、そのため、式(10)は線形化されて以下のように反復して解かれる。反復をmとして、puへの近似はpu mである。
式(13)はx=Δpuにおいて線形であり、以下に与えられる極小値サーチアルゴリズムを使用してΔpuについて解かれる。そのようにして得られたΔpuを使用して、式(11)は反復mにおけるpuを得るために使用され、次にそのようにして得られたpuは、次の反復(m+1)におけるpu m+1として使用される。Δpuが収束を決定するの
に十分に小さくなるまで、反復が継続される。反復の初めにおいて、pu 0は符号位相ベースの解から得ることができる。
(17)を解くために
したがって、
3つの位置座標の合計の数より大きくなるときのGNSSの場合とは異なり)複数の時期の測定値は、整数曖昧性について浮動小数曖昧性(float ambiguities)として解決する
際に助けとならない。しかし、複数の時期の測定値はより多くの搬送波位相測定誤差を許容し、さらに成功した曖昧性解決を可能にする。複数の時期の場合において、式(13)は
上述の式のような単一の時期の場合についての展開に続いて、問題は
そして、Nについて(23)を解くために、
測位システムの信号であり、リモート受信機の第1の動作モードはリモート受信機が測位信号及び衛星信号のうち少なくとも1つからリモート受信機の位置を計算する、端末ベースの測位を含む、リモート受信機;及び、リモート受信機に結合されたサーバーであって、リモート受信機の第2の動作モードは、サーバーが測位信号及び衛星信号のうち少なくとも1つからリモート受信機の位置を計算する、ネットワークベースの測位を含み、リモート受信機は測位信号及び衛星信号のうち少なくとも1つを受信してサーバーへ転送する、サーバー。
ー、レイアウト形状、及び/又は他の特性の観点から、具体化されたデータ及び/又は命令として表現する(表す)ことができることに留意すべきである。そのような形式を整えられた(フォーマットされた、formatted)データ及び/又は命令が具体化され得るコン
ピューター読み取り可能な媒体は、様々な形式の不揮発性記憶媒体(例えば、光学記憶媒体、磁気記憶媒体又は半導体記憶媒体)及び無線、光もしくは有線の信号伝達媒体又はそれらの任意の組み合わせを介してそのような形式を整えられたデータ及び/又は命令を転送するために使用され得る搬送波を含むが、これらに限定されない。搬送波によるそのような形式を整えられたデータ及び/又は命令の転送の例は、1つ以上のデータ転送プロトコル(例えば、HTTP、HTTPs、FTP、SMTP、WAPなど)によるインターネット及び/又は他のコンピューターネットワークを介した転送(アップロード、ダウンロード、電子メールなど)を含むが、これらに限定されない。1つ以上のコンピューター読み取り可能な媒体を介してコンピューターシステム内で受信される場合、上述のコンポーネントについてのそのようなデータ及び/又は命令ベースの表現は、1つ以上の他のコンピュータープログラムの実行とともに、当該コンピューターシステム内の処理エンティティ(例えば、1つ以上のプロセッサー)によって処理され得る。
Claims (40)
- 受信機の位置を推定する方法であって、
送信機ネットワークの送信機によって送信される測位信号を使用して、受信機の推定される位置を計算するステップ
を含み、
前記推定される位置は動作モード中に計算され、前記動作モードは、前記推定される位置が前記受信機によって計算される第1の動作モード又は前記推定される位置がサーバーによって計算される第2の動作モードである方法。 - 前記測位信号の各々について、その測位信号から抽出される1つ又は複数の信号サンプルに基づいて、及び、その測位信号に対応する送信系列にさらに基づいて、相互相関関数を決定するステップを含む請求項1に記載の方法。
- 各々の相互相関関数から相互相関サンプルのベクトルを決定するステップを含む請求項1に記載の方法。
- 前記測位信号の各々について、高分解能の到着時間測定方法及びその測位信号に対応する相互相関サンプルの前記ベクトルを使用して、その測位信号に対応する1つ又は複数の信号パスに対応する情報を識別するステップを含む請求項3に記載の方法。
- 前記1つ又は複数の信号パスに関連付けられる前記情報は、前記1つ又は複数の信号パスに対応する1つ又は複数の到着時間推定値を含む請求項4に記載の方法。
- 到着時間推定値は前記1つ又は複数の信号パスのうち最も早い信号パスに対応し、前記方法は、最も早い信号パスに基づいて前記受信機の第1の位置を推定するステップを含む請求項3に記載の方法。
- 前記1つ又は複数の信号パスに関連付けられる前記情報は、その測位信号に対応する信号対雑音比の推定値を含む請求項4に記載の方法。
- 相互相関サンプルの各ベクトルは、前記相互相関関数のピークを含む請求項4に記載の方法。
- 相互相関サンプルの各ベクトルは、前記相互相関関数のピークの左の相互相関サンプルの組、及び前記相互相関関数の前記ピークの右の相互相関サンプルの第2の組を含む請求項4に記載の方法。
- 前記相互相関関数は前記信号サンプルを前記送信系列と相互相関させることによって生成され、各送信系列は擬似ランダム系列である請求項4に記載の方法。
- 前記高分解能の到着時間測定方法は、MUSICアルゴリズム、ESPRITアルゴリズム、固有空間分解法のうちの少なくとも1つに基づく請求項4に記載の方法。
- 計算された関数及び高いSNRを有し歪みを有さないチャネル環境における測定のうちの少なくとも1つによって決定される相関関数から基準ベクトルを生成するステップを含む請求項4に記載の方法。
- 複数の擬似ランダム符号フレーム及び複数のビットのうちの少なくとも1つにわたってコヒーレントに平均化することにより前記ベクトル中の信号対雑音比を改善することによって、前記測位信号の各々に対応する複数のパスを識別するステップを含む請求項1に記載の方法。
- 前記ベクトルを使用してフーリエ変換を計算することにより、前記測位信号の各々に対応する複数のパスを識別するステップを含む請求項1に記載の方法。
- チャネルの周波数領域推定値を生成することによって前記測位信号の各々に対応する前記複数のパスを識別するステップを含む請求項14に記載の方法。
- 前記チャネルの前記周波数領域推定値から低減されたチャネル推定ベクトルを生成することによって、前記測位信号の各々に対応する前記複数のパスを識別するステップを含む請求項15に記載の方法。
- 前記低減されたチャネル推定ベクトルの推定された共分散行列を定義することによって、前記測位信号の各々に対応する前記複数のパスを識別するステップを含む請求項16に記載の方法。
- 前記推定された共分散行列に対して特異値分解を実行することによって、前記測位信号の各々に対応する前記複数のパスを識別するステップを含む請求項17に記載の方法。
- ソートされた特異値のベクトルを生成することによって、前記測位信号の各々に対応する複数のパスを識別するステップを含む請求項1に記載の方法。
- 雑音部分空間行列を生成することによって前記測位信号の各々に対応する複数のパスを識別するステップを含み、前記最も早い信号パスに対応する到着時間は前記雑音部分空間行列を使用して推定される請求項1に記載の方法。
- 非線形の目的関数に基づいて前記受信機の位置を決定し、前記目的関数を最小化する位置パラメーターの組として前記位置の最良の推定値を決定するステップを含む請求項1に記載の方法。
- 最小二乗法を使用した線形方程式の組に対する解に基づいて前記受信機の位置を決定するステップを含む請求項1に記載の方法。
- 前記高分解能の到着時間測定方法は、信号空間分離法、雑音空間分離法、特異値分解法、及び共分散推定法のうちの少なくとも1つに基づく請求項1に記載の方法。
- ある期間中に前記受信機の追加の位置を推定するステップを含み、前記追加の位置は、
前記期間中に前記送信機によって送信される追加の測位信号の各々について、その追加の測位信号から抽出される1つ又は複数の信号サンプルに基づいて、及び、その追加の測位信号に対応する追加の送信系列にさらに基づいて、追加の相互相関関数を決定するステップと、
各々の追加の相互相関関数から相互相関サンプルの追加のベクトルを決定するステップと、
前記追加の測位信号の各々について、前記高分解能の到着時間測定方法及びその追加の測位信号に対応する相互相関サンプルの前記追加のベクトルを使用して、その追加の測位信号に対応する1つ又は複数の信号パスに対応する情報を識別するステップと
によって推定される請求項6に記載の方法。 - 前記推定された第1の位置及び前記推定された追加の位置は位置推定値の組を形成し、前記システムは、前記位置推定値の組及びカルマンフィルターを使用して位置解の軌跡を決定する請求項24に記載の方法。
- 前記受信機の動きのモデルを制約するために物理的制限を使用するステップを含み、前記物理的制限は、地形図上の配置による高さの決定、気圧検知による高さの決定、及び領域における最も高い建物に基づく高さの制約のうちの1つである請求項6に記載の方法。
- 前記第1の位置の推定値、建物の地図、及び受信機の位置の制約を使用して、前記第1の位置の改善された推定値を決定するステップを含む請求項6に記載の方法。
- 前記第1の位置の推定値及び前記複数の測位信号以外のソースからの追加の測定値を使用して前記第1の位置の改善された推定値を決定するステップを含む請求項6に記載の方法。
- 位置品質測定基準が計算され、前記位置品質測定基準は、擬似距離測定式残差、測定値の品質、及び位置に対する前記送信機の配置のうちの少なくとも1つの関数である請求項1に記載の方法。
- センサーが前記受信機の前記推定された位置及び速度推定値に基づいて較正される請求項1に記載の方法。
- 複数の地上送信機からの信号のセグメントが格納され、前記送信機の各々に対するそれぞれの距離はサンプルセグメントを使用して計算され、おおよその位置及び時間タグが前記サンプルセグメントとともに格納される請求項1に記載の方法。
- 前記送信機に関連付けられるタイミング情報は、GNSS受信機のための繊細な時間支援として使用される請求項1に記載の方法。
- 前記受信機のクロック周波数推定値はGNSS受信機に周波数支援を提供するために使用される請求項1に記載の方法。
- GNSS受信機の周波数推定値及び前記周波数推定値に対応する信頼基準が前記GNSS受信機から前記受信機へ提供される請求項1に記載の方法。
- 位置推定値、周波数推定値、及び時間推定値のうちの少なくとも1つが、支援情報として前記受信機によって別のシステムへ提供される請求項1に記載の方法。
- 前記推定される位置は加速度計からの測定値を使用して計算され、位置更新の頻度は前記加速度計からのデータを使用して決定され、前記受信機の別の推定される位置は前記更新の頻度に従って計算され、前記受信機の速度は一連の位置解及び前記加速度計からの測定値を使用して決定される請求項1に記載の方法。
- 位置更新の頻度は加速度計からのデータを使用して決定され、前記受信機の別の推定される位置は前記更新の頻度に従って計算され、前記受信機の速度は一連の位置解及び前記加速度計からの測定値を使用して決定される請求項1に記載の方法。
- 前記複数の送信機の各々からローカルの大気補正を受け取るステップを含む請求項1に記載の方法。
- 前記受信機の推定される高度は、前記受信機における圧力の測定値を異なる高度における圧力の測定値と比較することによって計算され、前記受信機の推定される高度は前記送信機の各々についての既知の高度を使用して計算される請求項1に記載の方法。
- 屋内の建物の地図が、前記受信機の動きのモデルを制約するため又は距離測定値の品質を推定するために使用される請求項1に記載の方法。
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