JP2019516982A - ポジショニングシステム - Google Patents

Abstract

超広帯域二方向測距ベースのポジショニングシステム（６００）は、複数のアクティブタグ（６０６）であってそれぞれが位置を有する、アクティブタグ（６０６）、及び複数のアクティブタグのうちのタグ（６０６）の位置の位置特定のために構成された複数のビーコン（６０４）、を含む。アクティブタグ（６０６）及びビーコン（６０４）は、共通タイムベースに継続的に同期される。

Description

本開示はポジショニングシステムに関する。特に本開示は、所与のエリア内の物体の位置を識別するため又は前記物体を追跡するために使用されるシステムに関する。

ポジショニングシステム（ＰＳ）は、建物の内部の又は密集した産業エリア内の物体又は人々を無線で位置特定するために使用されるデバイスのネットワークである。グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）のシステムは通常、４つ以上のＧＰＳ衛星までの遮られていない見通し線（ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｉｇｈｔ）を必要とするので、屋内位置又はその他の混雑した位置を確立するためには適していないため、特別な設計が必要である。マイクロ波は屋根、壁、及びその他の物体によって減衰及び散乱され、表面における複数の反射は、制御できないエラーに寄与するマルチパス伝播を発生させる。

飛行時間（ＴｏＦ）は、信号が送信機から受信機まで伝播するために要する時間の量である。信号伝播速度は一定且つ既知であるため、信号の移動時間は距離を計算するために直接使用可能である。複数のアンカーステーションに対する複数（ＧＰＳでは少なくとも４つの衛星）の測定値を三辺測量と組み合わせて、位置を見出すことが可能である。

光速度は３×１０^８ｍ／秒であるため、無線周波数（ＲＦ）ベースのシステムでは、クロック同期における不正確さがポジショニングエラーの重要な要因となる。ＧＰＳにおいては、ＴｏＦには一般に、センサのための高信頼の時間源を維持するための複雑な同期メカニズムが必要とされる。

加えて、ＴｏＦベースの方法の精度は多くの場合、混雑している可能性がある屋内位置及び産業環境などの、密集した人口を伴う位置特定状況において、物体からのＲＦ信号の反射及び回折によって引き起こされる広範なマルチパス状態によって損なわれる。

建設材料によって引き起こされる減衰及び反射という理由から、少なくとも３つのアンカー点までの遮られていない見通し線を、システムによってカバーされるべき任意の位置において有することが望ましい。結果として、より多くの数のアンカーステーションが必要とされる。

一実施形態による超広帯域二方向測距ベースのポジショニングシステムは、複数のアクティブタグであってそれぞれが位置を有する、アクティブタグ、及び前記複数のアクティブタグのうちのタグの位置の位置特定のために構成された複数のビーコン、を含む。前記複数のアクティブタグ及び前記複数のビーコンは、共通タイムベースに継続的に同期される。

アプリケーションサーバと複数の固定位置ビーコンとを有するシステムにおいてアクティブタグの位置を特定する方法は、一実施形態では、前記複数の固定位置ビーコンに共通タイムベースを提供すること、及び前記複数の固定位置ビーコンのそれぞれから同期メッセージを提供すること、を含む。前記アクティブタグは、前記同期メッセージに基づいて前記共通タイムベースに登録される。前記アクティブタグは前記複数のビーコンのうちの少なくとも一部に対して測距される。前記アクティブタグはその位置を、前記複数のビーコンのうちの少なくとも１つのビーコンに報告する。

別の実施形態によるポジショニングシステムは、複数のアクティブタグ、及び超広帯域二方向測距ベースのネットワーク上で前記複数のアクティブタグと通信する複数の固定位置ビーコン、を含む。前記システム内の前記複数のアクティブタグのうちの各アクティブタグは、前記アクティブタグと前記複数のビーコンのうちの少なくとも１つとの間の二方向測距ポーリングのための、グローバルに指定されたウィンドウを有する。前記複数のビーコンは、前記グローバルに指定されたウィンドウ内で二方向測距ポーリングを受け入れる。前記複数のアクティブタグは、グローバル報告タイムスロット内で位置を報告する。

本概要及び要約は、詳細な説明において以下にさらに説明する概念の抜粋を簡略化された形態で紹介するために提供される。本概要及び要約は、特許請求の範囲に記載の主題の重要な特徴又は本質的な特徴を識別することを意図するものではなく、特許請求の範囲に記載の主題の範囲を決定することにおける補助として使用されることを意図するものでもない。

本開示の一実施形態によるポジショニングシステムのブロック図を示す。 本開示の一実施形態によるアンカーステーションのブロック図である。 本開示の一実施形態によるモバイルステーションのブロック図である。 セントラル位置、アンカーステーション、及びモバイルステーションを示すブロック図である。 ビーコン通信信号とタグポジショニング報告との間のタイミングを示すタイミング図である。 タグのグローバルタイムスロットウィンドウ上でリスニングしている２つのビーコンを示す図である。

特定の一構成では、本システムは、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）ネットワーク（ＩＥＣ６２５９１）などの商業的に実績のある産業用メッシュネットワークに基づいており、図１にブロック図の形態で示されている。

図１は、既知の位置に配置された複数のアンカーステーション（又は「ビーコン」）３０２（図３に示す３つのアンカーステーション３０２Ａ、３０２Ｂ、及び３０２Ｃ、以下でより詳細に説明する）と、モバイルステーション（「タグ」「携帯型ユニット」又は「ＰＵ」とも呼ばれる）３０４（以下でより詳細に説明する）であってそれについて位置３１０が特定されることが所望されるモバイルステーション３０４とを有するシステム３００を示す。アンカーステーション３０２は、一実施形態では、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）ネットワークなどの無線ネットワークメッシュ３０６の部分である。動作中、複数のアンカーステーション３０２は、監視されるエリアの周りの既知の位置３０８Ａ、３０８Ｂ、及び３０８Ｃに位置付けられている。モバイルステーション３０４は、物体であってそれについて位置３１０が知られることが所望される物体上に、又はその物体に極めて接近して置かれている。前記物体は、限定するためではなく単なる例として、１つの在庫品であってもよく、又は人であってもよい。

図１に示す一実施形態では、アンカーステーション３０２からモバイルステーション３０４までの距離を判定するために、アンカーステーション３０２はＲＦメッセージ３２０（すなわちＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）メッセージ）を送信する。以下で説明するように、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）信号は当技術分野において知られているように、同期情報を含み得るため同期を可能にし、且つデータの送信も可能にする。この同期及びデータ送信機能を使用することにより、ＲＦパルスが一意の同期パルスとして使用されることが可能になり、したがってどのアンカーステーション３０２又はモバイルステーション３０４が送信しているかを、その送信がいつ行われたかに加えて知ることが可能になる。ＲＦパルスの送信と応答の受信との間の時間差により、前記モバイルステーションと、送信しているアンカーステーション３０２との間の距離を判定することが可能になる。前記モバイルステーションについての位置は、３つの別個のアンカーステーションからの距離計算値を使用し、例えば三辺測量を使用して特定されてもよい。

ＴＤＭＡは、信号を複数のタイムスロットに分割することによってネットワーク上の周波数チャネルを共有するための既知の規格である。本明細書中に記載するアンカーステーション３０２などの各ステーションは、特定のタイムスロットを送信のために割り当てられることによって、パルスのために使用される周波数を共有してもよい。一実施形態では、１又は複数のモバイルステーション３０４からその／それらの位置に関する情報を受信したセントラルステーション３１２が、特定された位置を使用してＴＤＭＡ内のタイムスロッティングを調節する。セントラルステーション３１２はシステム３００内で使用され、１又は複数のモバイルステーション３０４からの情報を受信するためにメッシュ３０６と接続されている。アンカーステーション３０２のためのタイムスロットは、セントラルステーション３１２によって割り当てられる。ＣＤＭＡ技術、又はその他の、時間及び／若しくは周波数のスロッティング技術若しくは共有技術を含む、任意の適切な通信技術が採用されてもよい。あるいは又は加えて、アンカーステーション３０２はセントラルステーション３１２と直接通信してもよい。

一実施形態では、１又は複数のモバイルステーション３０４についての位置情報が、様々なアンカーステーションのためのタイムスロットを調節するために使用される。例えば、あるモバイルステーションの位置３１０が、いくつかのアンカーステーション３０２に他のアンカーステーションよりも近い場合、より大きな距離を隔てたアンカーステーション３０２のためのタイムスロットは拡大されて、距離に起因する他のアンカーステーション３０２からのオーバーラップなしにパルス伝播及び受信が可能にされてもよい。セントラルステーション３１２は、一実施形態では、各見通し線アンカーステーション３０２から各モバイルステーション３０４までの距離を監視し、予期される伝播時間に従って前記アンカーステーションのためのタイムスロットを調節して、アンカーステーション３０２の間のクロストークを低減する。さらに、スペクトラム拡散技術を含む、パルス符号化及び様々な周波数技術（ｐｕｌｓｅ ｃｏｄｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）もまた、近接したアンカーステーション３０２又はその他のアンカーステーションの間のクロストークを低減するために使用されてもよい。

アンカーシステムステーション３０２は全て、ネットワーク３００上の登録されたデバイスであり、したがって各アンカー点３０２は、ＲＦ送信機４０２を有するＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）デバイスである。加えて、アンカーステーション３０２は、通信信号３３０を使用して通信してもよい所望により存在する通信モジュール４０４と、何らかのグルーロジック４０６とを含む。

アンカーステーション３０２の詳細が図２に示されている。各アンカーステーション３０２は、一実施形態では、ＲＦ送信機（すなわち、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標））４０２と、通信モジュール４０４と、ＲＦ送信機４０２及び通信モジュール４０４などの様々なより複雑なロジック回路の間のインタフェースを可能にするグルーロジック４０６と、アンカーステーション３０２内の処理ユニット４０８又は同様のものと、クロック４１０とを含む。グルーロジック４０６は当技術分野において知られており、本明細書中ではさらなる説明は行わない。また、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）は、ハイウェイアドレッサブルリモートトランスデューサ（ＨＡＲＴ（登録商標））プロトコルに基づく、無線センサネットワーキングのための既知の規格である。一実施形態では、アンカーステーション３０２は、各アンカーステーション３０２が無線メッシュネットワーク３０６上のＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）デバイスであるように、デバイスのメッシュネットワークの部分となっている。クロック４１０は、一実施形態では、ＲＦ信号３２０などの信号の送信時刻を処理ユニット４０６が判定することを可能にするために、処理ユニット４０６に動作可能に結合されている。別の実施形態では、クロック４１０は処理ユニット４０６の一部であってもよい。

図３に示すように、一構成では、モバイルステーション３０４もまた、所望により存在する通信ユニット５０２と、所望により存在するＧＰＳユニット５０４と、小型の処理ユニット５０６と、ＲＦ受信機５０８とを有するＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）デバイスである。

モバイルステーション３０４は、一実施形態では、所望により存在する通信モジュール５０２と、屋外位置において使用するための所望により存在するＧＰＳユニット５０４と、処理ユニット５０６と、ＲＦ受信機５０８と、クロック５１０とを含む。ＲＦ受信機５０８は処理ユニット５０６に動作可能に結合されている。クロック５１０は、一実施形態では、ＲＦ信号３２０などの信号の受信時刻を処理ユニット５０６が判定することを可能にするために、処理ユニット５０６に動作可能に結合されている。別の実施形態では、クロック５１０は処理ユニット５０６の一部であってもよい。

モバイルステーション３０４は、そのポジショニングを計算するために、少なくとも３つのアンカーステーション３０２までの距離を測定する。３つのアンカーステーション３０２により、各アンカーステーション３０２の見通し線内にあるモバイルステーション３０４についての位置の適切な特定が、例えば三辺測量によって可能になるが、より多くのアンカー点３０２がエリア内にある場合、測定のロバスト性を向上するために冗長性が使用されてもよい。３つのアンカーステーション３０２（それぞれ、３０２Ａ、３０２Ｂ、及び３０２Ｃ）が図３において示されているが、あるエリアを完全にカバーするために追加のアンカーステーションが使用されて位置３１０特定の精度が高められ、システム３００によってカバーされるエリアの全ての部分についての可能性のある見通し線の選択肢がより多く提供されてもよい、ということを理解されたい。さらに、１つのモバイルステーション３０４が示されているが、監視されるエリア内に多数のモバイルステーション３０４が配置されてもよく、システム３００は、ＲＦ信号を送信する同じ複数のアンカーステーション３０２を、多数のモバイルステーション３０４の多数の位置３１０を特定するために使用してもよい。モバイルステーション３０４は、取得した情報をセントラルステーション３１２にネットワーク３０６を介して報告する。セントラルステーション３１２は、ＴＤＭＡタイムスロットをモバイルステーション３０４の現在の位置３１０に従って最適化するアルゴリズムを実行してもよく、それに応じてネットワークパラメータを修正してもよい。前記メッシュネットワーク内では、アンカーステーション３０２の位置が前記ネットワーク上で送信されてもよいため、アンカーステーション３０２、モバイルステーション３０４、又はセントラルステーション３１２は、様々な実施形態において、モバイルステーション３０４の位置を特定し得る。

状況によっては、モバイルステーションの位置は、３つ未満のアンカーステーションを使用して特定され得る。そのような状況としては、以下に限定されないが、通路内又はその他の既知の限定されたエリア内に前記モバイルステーションが位置していることなどの、前記モバイルステーションに関して知られている何らかの外部情報が存在する場合、又はその他の追跡情報が前記モバイルステーションについて知られている場合が例として含まれる。そのような状況では、わずか１つのアンカーステーションを使用して位置が特定される可能性がある。

ポジショニングシステム（ＰＳ）であって前記ＰＳにおいては建物の内部の又は密集した産業エリア内の物体又は人々を無線で位置特定するためにデバイスのネットワークが使用されるＰＳが、一実施形態において提供される。位置特定のために必ずしもＧＰＳに依拠しないシステム実施形態が提供される。さらに、マイクロ波は特に屋内環境においては屋根、壁、及びその他の物体によって減衰及び散乱される。またさらに、表面における複数の反射は、制御できないエラーをもたらすマルチパス伝播を発生させる可能性がある。

システムのビーコンとタグとの間で超広帯域通信を使用するＰＳの実施形態６００が、図４においてブロック図で示されている。ＰＳ６００は、一実施形態では、アプリケーションサーバ６０２と複数のビーコン６０４と少なくとも１つのモバイルタグ６０６とを含む。この実施形態では、タグ６０６は、システム６００によって追跡される人又は機器に取り付けられているか、又はその他の方法で前記人又は機器によって運ばれていてもよい携帯型構成要素である。ビーコン６０４は、ポジショニングアリーナ又はエリア６２０の既定の座標に置かれた固定位置の静的アンカーである。一実施形態では、アリーナ６２０内の全ての位置が２つ以上のビーコン６０４によって、及び好ましくは少なくとも３つのビーコン６０４によって可視であることを可能にするように、図４に示すものなどのアレイ状に配置された複数のビーコン６０４がアリーナ６２０内に位置付けられている。ある条件下では、前記タグから少なくとも３つのビーコン６０４までの距離測定によって、アリーナ６２０内のタグ６０６の位置を特定するための十分な情報が提供される。

アプリケーションサーバ６０２は、一実施形態では、セットアップ及びコンフィギュレーション情報を準備し、ビーコン６０４に送信する。アプリケーションサーバ６０２はまた、一実施形態では、タグ６０６の位置をエンドユーザに表示する目的のために又はアーカイブのために又は任意のその他のさらなる解析のために、タグ６０６についての位置情報を及びその他の情報をビーコン６０４から受信し処理する。１つのタグ６０６が示されているが、多くのタグ６０６がアリーナ６２０内の位置に存在してもよいということを理解されたい。アプリケーションサーバ６０２はビーコン６０４と組み合わせて、一実施形態では、アリーナ６２０内の複数のタグ６０６の位置を監視するために使用される。アプリケーションサーバ６０２は、一実施形態では、以下でさらに説明するライン６０８において示されている低電力ネットワークを介してビーコン６０４と通信する。

図４は、アプリケーションサーバ６０２とビーコン６０４と携帯型タグ６０６との間の通信を示す図である。一実施形態では、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）ネットワークなどの無線ネットワークが、距離測定のためにＵＷＢ（例えばＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ−２０１１）を使用するポジショニングシステムのためのバックボーンとして使用される。タグ６０６と１又は複数のビーコン６０４との間の超広帯域測距信号６１２及びデータリンク６１０と共に、６０８において、ビーコン６０４と通信するために使用される低電力ネットワークが示されている。図示されている例では、ビーコン６０４は、約３０メートルの間隔を有して施設（例えばアリーナ６２０）全体にわたって分散されている。

ビーコン６０４は、一実施形態では、ＵＷＢ測距信号ライン６１２によって示されているように、超広帯域（ＵＷＢ）技術を使用して、ライン６１０として示されているデータリンクに沿ってタグ６０６と通信する。ＵＷＢはそのマルチパス信号を解決する能力及び障害物を貫通する能力により、苛酷な環境においてさえ信号到着時刻（ＴＯＡ）測定を介して高い測距精度を達成する可能性を提供する。例えば、ＵＷＢネットワーク内の一対のノードＡ及びノードＢの間の分離距離に関する情報は、信号伝播遅延、すなわち飛行時間（ＴＯＦ）（１）Ｔ_ｆ＝ｄ／ｃの測定を使用して得ることができ、ここで、ｄは２つのノード間の実際の距離であり、ｃは電磁波の速度（ｃ ３＊１０^８ｍ／ｓ）である。ノードＡ及びノードＢは、様々な実施形態において、複数のビーコン６０４であってもよく、又はビーコン６０４とタグ６０６とであってもよく、又は複数のタグ６０６であってもよい。一実施形態では、タグ６０６は、モバイル位置ロケータであるように特化されたビーコンである。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ−２０１１規格は、位置特定機能を有する低速無線ネットワークのための最初のＵＷＢベースの規格である。しかしその他の超広帯域通信技術が採用されてもよい。

例えば、第１のノードＡが第２の受信ノードＢに、Ａのパケットの送信時のタイムスタンプｔ_１を含むパケットを送信すると仮定する。ノードＢは時刻ｔ_２において前記パケットを受信する。理想的な条件下では、すなわちノードＡ及びノードＢのノードクロックが共通の時刻基準に完全に同期している場合には、飛行時間（Ｔ_ｆ）がノードＢにおいて（２）Ｔ_ｆ＝ｔ_２−ｔ_１として判定され得る。ノードＡとノードＢとの間の距離は、この一方向測距においてＴ_ｆを使用して推定され得る。しかし一方向測距ではノード間の非常に正確な同期が必要とされ、低コストの電子機器を用いてこの同期を維持することは非常に困難である。例えば、ノードＡとノードＢとの間の比較的小さな１０ｎ秒の同期エラーが３メートルの測距エラーをもたらす。

実際には、ＴＯＦ推定は多くの場合、二方向測距（ＴＷＲ）を用いて（共通時刻基準を用いずに）行われる。ＴＷＲでは、ノードがノードＢにパケットを送信し、ノードＢは応答遅延Ｔ_ｄの後でノードＡに確認応答パケットを送信することによって応答する。ノードＡにおけるラウンドトリップ時間（Ｔ_ＲＴ）は（３）Ｔ_ＲＴ＝２Ｔ_ｆ＋Ｔ_ｄによって判定され、Ｔ_ｄが既知であると仮定すると、これから前記距離が推定され得る。Ｔ_ｄ及びＴ_ＲＴを知ることによりＴ_ｆの計算が可能になる。

いくつかの実施形態では、タグ６０６及びビーコン６０４の両方におけるクロック精度は１〜１０パーツパーミリオン（ＰＰＭ）の範囲内に制限されることが予期される。クロックの不正確さによって、タグ６０６とビーコン６０４との間でＴ_ｄにおける著しい差が生成され得る。例えば（式３を参照）、０．５ｍ秒の公称Ｔ_ｄ値に対して、１０ｐｐｍのエラーにより５ナノ秒（ｎ秒）のＴ_ＲＴエラーがもたらされ、これは約０．７５メートルの測距エラーに等しい。

定義上、ＵＷＢ（ＩＴＴＴ８０２．１５．４ａ−２０１１ベース）ＴＷＲシーケンシングが２つのノード間で行われる。理論的には（規格によれば）、クロストークなしに（同じチャネル上で）並列に行われることが可能な測定の数は、前記チャネルに応じて２又は４に制限される。

建設材料及び同様のものによって引き起こされるものなどの、ある環境における減衰及び反射という理由から、（タグ６０６などの）モバイルビーコンから（ビーコン６０４などの）少なくとも３つのビーコンまでの遮られていない見通し線を、システム６００によってカバーされるべき任意の位置に前記モバイルビーコン／タグがある場合に有することが望ましい。結果として、多数のビーコン６０４が使用されてもよい。

多数のビーコン６０４の使用により、ビーコン６０４の設置コストに制限が加えられる可能性がある。したがって、ビーコン６０４は少なくとも部分的にバッテリ駆動であること、及びビーコン６０４からアプリケーションサーバ６０２までの（低電力ネットワーク６０８上などでの）通信は無線であることが望ましい。いくつかの実施形態では、ビーコンは、それらの電力の少なくとも一部のために、既知の方法で取り出されるものなどの他の形態のエネルギーを使用してもよい。

システム６００などのＰＳはまた、何千ものタグを、品物及び／又は人員の位置を特定するために採用してもよい。（システム６００の又はタグ６０６の特定の更新レートによる）ポジショニング更新のために、タグ６０６のそれぞれは、その現在の位置を推定可能なように、ビーコン６０４との少なくとも３つのＴＷＲシーケンス内に含まれていなければならない。一般に、測定レートは、タグ６０６の数と、タグ６０６当たりの測定と、更新レートとの乗算である。

ＴＷＲラウンドトリップ時間は通常、１ミリ秒程度である。何千ものタグ６０６と、数秒〜数１０秒程度の更新レートとを有するシステムについて、これは、クロストークなしに多数のＴＷＲ測定を可能にするためにＴＷＲ測定の調整が慎重に制御されることを意味している。

一実施形態では、ＴＷＲにおいて、ノードＢが作動されてノードＡからのポーリングを待機する。ノードＢ（タグ又はビーコン）上のバッテリ寿命を維持するために、ノードＢは、システムＡがポーリングを送信する直前にリスニングを開始することが望ましい。一実施形態では、アプリケーションサーバ６０２などのアプリケーションサーバがスケジューリング情報をビーコン６０４に、例えばノードＢなどに送信し、それによりビーコン６０４は、ポーリングの転送の前にちょうど間に合ってリスニングのためにアクティブにされる。一実施形態では、これはＩＥＥＥ８０２．１４．４−２００３準拠ネットワーク上で行われる。

システム６００内のいくつかのタグ６０６が他のタグより低い更新レートを有することが望ましい場合がある。例えば、タグ６０６が取り付けられた機器が移動する可能性が工場労働者より低い場合、又は特定の既知のエリア内を移動する可能性がある場合、又は同様の場合、例えば、機器上に引っかけられたタグ６０６は工場労働者より低い更新レートで動作してもよい。システム６００は、一実施形態では、複数のタグを監視し、前記複数のタグのうちの少なくとも１つのタグが関連付けられた機器などの、前記少なくとも１つのタグの判定された状態に応じて、前記少なくとも１つのタグを他のタグより遅いレートで更新する。

ＰＳ６００のもう１つの機能は、ビーコン６０４からセントラルアプリケーションステーション６０２まで継続的に情報を転送することである。ビーコン６０４とセントラルアプリケーションステーション６０２との間で転送されるデータは、（システム６００の構成に応じて）未加工の測距測定値又はタグ６０６の計算された位置であってもよい。ＴＷＲ測定値及び同様のものなどの、未加工の測定値に関する情報は、一実施形態では、ＩＥＥＥ８０２．１４．４−２００３準拠ネットワーク上で行われてもよい。

システム６００において、タグ６０６などの多数のタグとビーコン６０４などのビーコンとのためのポジショニングシステム６００の課題に対処するシステムアーキテクチャが提供される。システム６００は、いくつかの実施形態では、１又は複数の利点を提供する。１つの利点は、システム６００内での測距測定のレートを増加するやり方での、クロス干渉のないタグ／ビーコン測定の効率的な調整である。別の利点は、異なるタイプのタグについての異なる更新レートである。さらに別の利点は、タグ６０６及びビーコン６０４の両方についての動作シーケンスが、電力消費を低減するやり方で、且つ活動が行われるべきでない限りタグ６０６及び／又はビーコン６０４が休止状態になることを可能にするやり方で設計された、低電力動作である。別の利点は、ユニットのタイムベースの間のクロックドリフトを補償するための、ビーコン６０４とタグ６０６との間のクロックドリフトの較正である。

システム６００などのシステム上の動作のためのアーキテクチャは、一実施形態では以下のように提供される。

全てのビーコン６０４は、ビーコン６０４とアプリケーションサーバ６０２との間の双方向通信を提供する低電力ネットワーク６０８上のノードとして動作する。一実施形態では、ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ−２０１１がこの低電力ネットワークのために使用される。一実施形態では、ネットワーク６０８は、一般に使用されるネットワークについての標準的な要件と考えられ得る１ミリ秒〜数ミリ秒の期間内でのシステム６００全体の同期がなされるようなやり方で、全てのノード（すなわちビーコン６０４）に共通タイムベースを提供する。同期のためのこのタイミングは、ＵＷＢ測距のために使用されるものより約６桁小さい。

タグ６０６とビーコン６０４との間の無線データリンクは、ＵＷＢ無線６１２に、又は別の標準技術で動作する専用データリンク６１０に基づいていてもよい。二方向測距（ＴＷＲ）は、一実施形態では、タグ６０６によって開始される。タグ６０６はアリーナ６２０内でのその位置を、すぐ近くに位置するビーコン６０４までの、又は少なくともタグ６０６との見通し線通信内にあるビーコン６０４までのＴＷＲ測定値に基づいて計算する。タグ６０６がその位置を特定したら、前記タグはその特定された位置をビーコン６０４に報告する。ビーコン６０４に報告されたタグ６０６の位置は、次に、アプリケーションサーバ６０２に低電力ネットワーク６０８を介して転送される。一実施形態では、各タグ６０６は、ビーコン６０４のリストと各ビーコン６０４の座標とを維持する。

システム６００内の各ビーコン６０４及び各タグ６０６は、一実施形態では、一意のシステムＩＤを有する。このシステムＩＤはセントラルアプリケーションサーバ６０２によって割り当てられてもよく、上述のような、セントラルアプリケーションサーバ６０２から特定のビーコン６０４及び／又はタグ６０６までの情報の配布を可能にする。

各タグ６０６は、一実施形態では、一意のアクティブＩＤを有する。前記システムの一実施形態では、前記アクティブＩＤは前記システムＩＤと同一である。別の実施形態では、前記アクティブＩＤは、ある登録手順の部分として一時的であってもよい。

システム６００などのシステムは、一実施形態では、数１０秒の程度のグローバルサイクル時間を有する。サイクルごとに、ビーコン６０４のうちのそれぞれは、そのビーコンのＩＤ及び座標を含む短い同期メッセージをブロードキャストする。前記同期メッセージは、前記サイクル内の（一実施形態では、サイクル開始時刻から既定のオフセット時間の）既定のタイムスロット内で送信される。ビーコン６０４のための前記既定のタイムスロットは、一実施形態では、セントラルアプリケーションサーバ６０２によって、本明細書中で説明したＴＤＭＡなどの割り当てプロトコルを使用して割り当てられる。

サイクル開始からのオフセットとしてのビーコン６０４メッセージ時刻は、一実施形態では、ビーコンのＩＤを知ることにより計算可能である。ビーコンＩＤを知っていれば前記既定のオフセット時間がわかり、サイクル開始時刻に基づいて計算可能である。

タグ６０６は、一実施形態では、ビーコン同期メッセージのうちの全て又はいくつかの検知について継続的にアクティブである。タグ６０６によって同期メッセージが受信され次第、タグ６０６はビーコン６０４クロックと完全に同期しており、したがってネットワーク同期精度範囲内でネットワークグローバルタイムベースに同期している。

一実施形態では、システム６００は、Ｋタイムスロットの長さを有するグローバル登録ウィンドウを使用する。ビーコン６０４は、このウィンドウ内で、タグ６０６の登録メッセージの検知についてアクティブである。

一実施形態では、各タグ６０６のアクティブＩＤについて前記サイクル内で割り当てられる一意のグローバルタイムスロットが存在する。前記一意のグローバルタイムスロットは、位置報告メッセージタイムスロットと距離測定スロットとを含む。位置報告メッセージタイムスロットにおいて、タグ６０６は、その最後の（測定された且つ計算された）位置をこのタイムスロット内で報告する。最後のタグ位置を報告するメッセージは、１又は複数のビーコン６０４によって受信されてもよい。距離測定スロット内で、タグ６０６は、その付近の、又はタグ６０６の見通し線内にあるビーコン６０４に対する距離測定を実行してもよい。前記距離測定スロットは、一実施形態では、タグ６０６当たりｎ回のＴＷＲ測定の長さのグローバルタイムスロットである。前記グローバル登録ウィンドウ内でのタグ６０６の登録に続いて、ビーコン６０４は、このスロット内でのタグＴＷＲ測定の検知についてアクティブである。前記ＴＷＲ測定は、一実施形態では、前記距離測定を含むポーリングとして発生する。

３０秒のサイクル時間の例７００が、図５においてグラフィック形態で示されている。サイクル７００内での様々なタイムスロット及び動作についての動作シーケンスが示されている。サイクル７００は時刻７０２において開始し、時刻７０４において終了する。時刻７０２において、フレーム開始７０６がタグ登録のために発生する。タグ登録において、タグ６０６は、ビーコン６０４からの同期メッセージについて７０８において継続的にリスニングしている。一実施形態では、ビーコン６０４時刻同期のために２００タイムスロットが利用可能である。ビーコン６０４の同期メッセージを最初に受信した後、タグ６０６は７１０において登録メッセージを送信する。前記メッセージは、割り当てられた数（一実施形態では１００スロット）のタイムスロットのうちの１つの中で無作為に送信される。登録メッセージを受信し次第、ビーコン６０４は、７１２において、タグ６０６に確認メッセージを送信する。一実施形態では、タグ登録に対するビーコン確認応答は２００タイムスロットの中で発生する。ビーコン６０４は、７１４において、タグ位置報告スロット上のリスニングを開始する（一実施形態では、タグ位置報告タイムスロットは、１０００のブロック内に配置されており、且つ連続している）。

距離測定は以下のように実行される。距離測定において、ビーコン６０４は、登録されたタグの測定スロット７１４上で、登録されたタグのポーリングについて常にリスニングしている。タグ６０６は、特定のビーコン６０４に対するＴＷＲのためのポーリングをこの時間中に行うことを選択してもよい。そのタグ６０６は、単一のサイクル７００内で最大ｎ個のビーコン６０４に対してポーリングすることが可能である。

ビーコン６０４／タグ６０６クロックドリフト補償が、一実施形態では、応答遅延（Ｔ_ｄ）エラーを低減するために実行される。ビーコン６０４及びタグ６０６の両方は、ネットワーククロックに対する系統的クロックドリフトを有する。一実施形態において、このドリフトに対する較正及び補償では、以下のように、図６に示す例を使用すると、（タグ６０６などの）携帯型ユニットＰＵと（ビーコン６０４などの）ビーコンＢとの間でＴ_ｄが判定される。ビーコンＢはその内部クロックカウントを、サイクルｎにおける同期メッセージ７０８の部分としてグローバルウィンドウ８００内で送信する（Ｂ_ｃ ^ｎ）。ＰＵ（例えばタグ６０６）はその内部クロックカウントを、サイクルｎにおける前記同期メッセージが到着し次第、記録する（Ｔ_ｃ ^ｎ）。タグ６０６は、式（４）Ｄ＝（Ｔ_ｃ ^ｎ−Ｔ_ｃ ^ｎ−１）／（Ｂ_ｃ ^ｎ−Ｂ_ｃ ^ｎ−１）を使用して補正係数を計算する。この補正係数は、式（３）に取って代わる式（５）Ｔ_ＲＴ＝２Ｔ_ｆ＋Ｔ_ｄ＊Ｄを使用して時間遅延Ｔ_ｄを補正するために、タグ６０６によって使用される。補正された時間遅延は前記クロックドリフトを補償し、システム６００内のタグ６０６についての向上した位置特定を可能にする。

本開示について好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者は、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく形態及び詳細における変更が行われてもよいということを認識するであろう。本開示の実施形態は、屋内、屋外、又は混合環境において使用されてもよい。通信は任意の規格に従うものであってもよく、メッシュネットワークタイプの通信システムに限定されない。用語「ＲＦ」は任意の適切な波長の無線周波数を意味する。本明細書中で使用される場合、用語「アンカー」は、基地送信機であってその位置が既知であり、且つ位置を特定することにおける基準位置として使用される、基地送信機を意味する。用語「モバイルデバイス」は、モバイルステーションなどのデバイスであってその位置が識別される、デバイスを意味する。位置を特定するために使用される処理ユニットは、モバイルステーション内に、又は１若しくは複数のアンカーステーション内に、又はセントラルステーションにおいて、又は何らかのその他の位置において存在してもよい。

上記で示したモジュール５０４などの所望により存在するＧＰＳモジュールは、（タグ６０６などの）モバイルステーション内に備えられていてもよく、ＧＰＳ信号が得られる場合に使用されてもよい。低電力ＵＷＢ測距とＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ−２０１１に基づくものなどの通信プロトコルとの使用を介して達成されるロバストな測距を使用するポジショニングシステムのためのバックボーンとして、ＩＥＥＥ８０２．１５．４−２００３物理層に基づくものなどの低電力通信プロトコル（すなわち６０８）が使用されてもよい。しかしその他の測距及び通信のプロトコル及び技術が、本開示の実施形態を実装するために使用されてもよい。本構成により、マルチパスエラーを実質的に免れた正確な低電力位置検知が提供される。新規なアービトレーション技術により、何千ものタグの位置監視が可能になる。ビーコンとサーバとの間のバックホール通信には、好ましくは、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）、ＩＳＡ１００、Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ、ＬＯＲＡ（登録商標）ベースのＷＡＮ、又はその他などの低電力通信技術が採用される。

Claims (23)

1. それぞれが位置を有する複数のアクティブタグ、及び
   前記複数のアクティブタグのうちのタグの位置の位置特定のために構成された複数のビーコン、
   を含み、前記複数のアクティブタグ及び前記複数のビーコンは、共通タイムベースに継続的に同期される、
   超広帯域二方向測距ベースのポジショニングシステム。
2. 前記システム内の各アクティブタグは、前記アクティブタグと前記複数のビーコンのうちの少なくとも１つとの間の二方向測距ポーリングのための、グローバルに指定されたウィンドウを有する、請求項１に記載のポジショニングシステム。
3. 前記複数のビーコンのうちの各ビーコンは、既定のウィンドウ内で、前記複数のアクティブタグのうちのタグからの二方向測距ポーリングについてリスニングする、請求項１に記載のポジショニングシステム。
4. 前記複数のアクティブタグはグローバル報告タイムスロットを有する、請求項１に記載のポジショニングシステム。
5. 前記複数のアクティブタグのうちの各タグはその位置を、前記タグと前記複数のビーコンのうちの少なくとも１つのビーコンとの間の二方向測距に基づいて特定するように構成された、又は前記複数のタグのうちの各タグはその位置を、前記タグと少なくとも３つのビーコンとの間の二方向測距に基づいて特定するように構成された、請求項１に記載のポジショニングシステム。
6. 前記複数のビーコンにデータネットワークを介して結合された処理ユニット、
   をさらに含み、前記ビーコンは前記複数のアクティブタグからタグ位置を受信するように構成された、且つ前記処理ユニットは前記複数のビーコンから前記複数のアクティブタグの位置情報を受信するように構成された、請求項５に記載のポジショニングシステム。
7. 前記処理ユニットは、前記タグの判定された状態に応じたレートで前記複数のタグの位置を更新するようにさらに構成された、請求項６に記載のポジショニングシステム。
8. アプリケーションサーバと複数の固定位置ビーコンとを含むシステムを使用してアクティブタグの位置を特定する方法であって、
   前記複数の固定位置ビーコンに共通タイムベースを提供すること、
   前記複数の固定位置ビーコンのそれぞれから同期メッセージを提供すること、
   前記アクティブタグを、前記同期メッセージに基づいて前記共通タイムベースに登録すること、
   前記アクティブタグを、前記複数のビーコンのうちの少なくとも一部に対して測距すること、及び
   前記アクティブタグの位置を、前記複数のビーコンのうちの少なくとも１つのビーコンに報告すること、
   を含む、方法。
9. 前記システムの現在の更新サイクルｎについての、ビーコン同期メッセージの内部クロックカウントＢ_ｃ ^ｎと、前記アクティブタグの内部クロックカウントＴ_ｃ ^ｎとを使用して、前記複数のビーコン及び前記アクティブタグをドリフト補償することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. ドリフト補償することは、
    補正係数Ｄを判定して、前記共通タイムベースに対するクロックドリフトについて補正すること、
    を含む、請求項９に記載の方法。
11. 補正係数を判定することは、式Ｄ＝（Ｔ_ｃ ^ｎ−Ｔ_ｃ ^ｎ−１）／（Ｂ_ｃ ^ｎ−Ｂ_ｃ ^ｎ−１）を使用して行われる、請求項１０に記載の方法。
12. ビーコンと前記アクティブタグとの間の飛行時間はＴ_ｆであり、ビーコンとアクティブタグとの間の応答遅延はＴ_ｄであり、前記補正係数が二方向測距ラウンドトリップ飛行時間にＴ_ＲＴ＝２Ｔ_ｆ＋Ｔ_ｄ＊Ｄとして適用される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記アクティブタグを登録することは、
    前記アクティブタグによって、前記複数のビーコンからの同期メッセージについてリスニングすること、
    前記複数のビーコンのうちのビーコンから同期メッセージを受信したら、登録メッセージを送信すること、
    前記複数のビーコンのうちの前記ビーコンからの確認メッセージを前記タグにおいて受信すること、及び
    タグ位置報告タイムスロット内でのタグ位置報告についてのリスニングを開始すること、
    を含む、請求項８〜請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 同期メッセージを提供することは、前記システムについての更新サイクル内の所定のビーコン時間同期タイムスロットの範囲内で前記同期メッセージを提供すること、を含む、請求項８〜請求項１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記アクティブタグを登録することは、前記システムについての更新サイクル内の所定のタグ登録タイムスロットの範囲内で前記アクティブタグを登録すること、を含む、請求項８〜請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記アクティブタグを測距することは、前記更新サイクル内の前記タグ登録タイムスロットの後のタイムスロットの範囲内で前記アクティブタグを測距すること、を含む、請求項１６に記載の方法。
17. 前記アクティブタグを測距することは、
    前記アクティブタグから二方向測距信号を発行すること、
    前記アクティブタグにおいて、前記複数のビーコンのうちの少なくとも３つのビーコンから返信信号を受信すること、及び
    前記アクティブタグにおいて、前記共通時間ベースと受信された応答信号とを使用して、前記アクティブタグの位置を計算すること、
    を含む、請求項８〜請求項１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 二方向測距信号を発行することは、前記複数のビーコンのうちの決定された１つに発行すること、を含む、請求項１７に記載の方法。
19. 測距することは、前記システムの更新サイクル内で前記複数のビーコンのうちの２つ以上のビーコンに対して測距すること、を含む、請求項１８に記載の方法。
20. 二方向測距信号を発行することは、前記システムの更新サイクル内のグローバルに指定されたウィンドウ内で実行される、請求項１７に記載の方法。
21. 前記複数のビーコンと前記アプリケーションサーバとを無線通信ネットワークを用いて接続すること、及び
    前記複数のビーコンから前記アプリケーションサーバまでモバイルタグ情報を転送すること、
    をさらに含む、請求項８〜請求項２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 前記システムは複数のタグを監視するものであり、
    前記複数のタグのうちの少なくとも１つのタグの判定された状態に応じて、前記少なくとも１つのタグを他のタグより遅いレートで更新すること、
    をさらに含む、請求項８〜請求項２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 複数のアクティブタグ、
    超広帯域二方向測距ベースのネットワーク上で前記複数のアクティブタグと通信する複数の固定位置ビーコン、
    を含むポジショニングシステムであって、
    前記システム内の前記複数のアクティブタグのうちの各アクティブタグは、前記アクティブタグと前記複数のビーコンのうちの少なくとも１つとの間の二方向測距ポーリングのための、グローバルに指定されたウィンドウを有し、前記複数のビーコンは、前記グローバルに指定されたウィンドウ内で二方向測距ポーリングを受け入れ、前記複数のアクティブタグは、グローバル報告タイムスロット内で位置を報告する、ポジショニングシステム。