JP4728923B2

JP4728923B2 - 無線測位システム

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Publication number: JP4728923B2
Application number: JP2006260199A
Authority: JP
Inventors: 雅文浅井; 英紀関口; 彰藤井
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: JP2008085430A

Description

本発明は、移動する移動端末から発せられた電波を複数の基地局で受信して当該移動端末の位置を求める無線測位システムに関するものである。

従来、屋内や限られた範囲でものの位置を知る無線測位システムとして、特許文献１に記載されているような、無線ＬＡＮ電波を用いたシステムがある。これは移動端末から電波を発射し、その電波を周囲の受信器で受けることにより移動端末の位置を知るシステムである。この公知例の特色は、その移動端末に２つのアンテナを測位精度の半分以下の距離離して設置し、異なるマルチパス経路での受信結果からマルチパス波による測位誤差を排除しようというものである。

これに対し、ＵＷＢなど広帯域インパルスを用いた測位システムがある。この方式はインパルスのマルチパス分解能が非常に高く、ダイレクトパス波にマルチパス波が干渉することによる波形の歪みはほとんど無い。
特開２００５−１１７４４０号公報

しかし、無線ＬＡＮのように搬送波成分がある測位システムではその時間軸波形における最大振幅値が小さくても時間積分により検波のエネルギーは大きくなるため、通信距離が比較的大きくとれる利点がある。その反面、反射波や回折波などの干渉により波形が歪み、測位精度を上げることが難しい。

一方，インパルスでの測位では、波形の存在時間が短いため時間軸波形における最大振幅値が大きくないと、検波するに十分なエネルギーとはなりにくく、通信距離を得にくいという欠点がある。その反面、測位精度はとりやすい。

屋内等での高精度測位では、送受信機間の伝搬経路が見通しか見通しでないかということが大きな問題となる。人間が移動端末を携帯している場合を考えると、人間の後方には電波がほとんど発射されないなどの問題が生じることも容易に想像できる。送受信機間の見通しの伝搬経路を確保し、かつ精度の良い測位を実現するためには、送信機に対して多くの基地局が見える位置にあるような環境を作るのが望ましい。しかし、基地局を数多く設置するのは効率が悪いという問題があった。

本発明は、これらの問題を解決するため、各基地局が複数のアンテナに切り替え可能な機構をもち、移動端末から発せられた電波の各基地局での受信状況により、各基地局のアンテナを切り替え、少ない基地局で移動端末の測位を実現するようにしている。

本発明は、各基地局が複数のアンテナに切り替え可能な機構をもち、移動端末から発せられた電波の各基地局での受信状況により、各基地局のアンテナを切り替えることにより、基地局の数が少ない状態で、広範囲で死角の少ない移動端末の測位を行うことが可能となると共に、少ない基地局数ながら最適なアンテナを選択することにより高精度の測位を可能にした。

本発明は、各基地局が複数のアンテナに切り替え可能な機構をもち、移動端末から発せられた電波の各基地局での受信状況により、各基地局のアンテナを切り替え、基地局の数が少ない状態で、広範囲で死角の少ない移動端末の測位を行うことを実現すると共に、少ない基地局ながら最適な受信アンテナを選択することにより高精度の測位を実現した。

図１は、本発明のシステム構成図を示す。
図１において、測位サーバ１は、複数の基地局２１から、移動端末３１より電波を受信した時刻の通知を受けて当該移動端末３１の位置（以下の実施例では２次元位置、更に、３次元位置）を検出するものであって、ここでは、計算手段１１、アンテナ選択手段１２、アンテナ切換指示手段１３などから構成されるものである。

計算手段１１は、基地局２１から通知を受けた移動端末３１より電波を受信した時刻をもとに後述する（式１）により、移動端末３１の位置（２次元、３次元）を計算するものである。

アンテナ選択手段１２は、移動端末３１からの電波を受信できた基地局２１の情報を基に電波受信エリアを推定して当該電波受信エリア内の基地局２１のアンテナを選択したり、電波受信エリア内で最も移動端末３１の位置の測定精度が高くなると推定される位置のアンテナを選択したりなどするものである（図２から図４参照）。

アンテナ切換指示手段１３は、基地局２１のアンテナの切換指示を送信するものであって、基地局２１からの移動端末３１から電波を受信した時刻の通知された数が位置測定に必要な数に不足するときに、電波を受信していない基地局２１に指示して移動端末３１からの電波の受信を指示したり、位置測定に必要な数を満たすときに、電波を受信した基地局２１のうちの他のアンテナに切り換え指示を送信したりなどするものである（図２参照）。

ＤＢ１４は、各種情報を検索し易く格納したものであって、ここでは、全基地局２１の位置情報、アンテナの数とその位置情報などを予め格納したものである。

基地局２１は、移動端末３１の位置（２次元、３次元）で測定するために測定対象空間に配置した複数の基地局であって、各基地局２１は複数のアンテナを有してアンテナ切換機構２２で任意に切り換えるように構成したものである。各基地局２１、およびその各アンテナの位置は予め測定し、測位サーバ１のＤＢ１４に格納しておく。

移動端末３１は、測位対象の移動端末であって、その端末から発せられた電波を複数の基地局２１で当該電波の到達時刻をそれぞれ計測して測位サーバ１に集めて当該移動端末３１の位置（実施例では２次元、更に３次元でもよい）を測位するものである。

ここで、移動端末３１の２次元の位置測定する場合について、具体的に説明する。
（１）図１には、移動端末位置を知るためのTDOA(Time Difference of Arrival)方式の２次元測位の基本システムを示し、基地局２１が３台設置され、それらは測位サーバ１にそれぞれネットワークを介して接続されている。

（２）移動端末３１から発せられた電波は各基地局２１によって受信される。例えば、移動端末３１の２次元的な位置を知るためには、少なくとも移動端末３１から発せられた電波は３箇所以上の基地局２１に届く必要がある（３次元的位置の場合は、４箇所以上）。

（３）各基地局２１はなんらかの方法で時間同期（例えば精度の高いタイマがあり、更に、同期信号が所定時間毎に送信されて同期）がとられている状態とする。各基地局２１の座標を(X1, Y1),( X2, Y2),( X3, Y3)とし、移動端末の位置を(Xm,Ym)、光速をVcとする。

（４）時刻tmに移動端末３１から発せられた電波が各基地局２１にそれぞれ、t1,t2,t3の時刻に届いたとすると、以下の（式１）を得る。

（(X2 - Xm)² + (Y2 - Ym)²）^1/2 - ((X1 - Xm)² + (Y1 - Ym)²）^1/2
= Vc((t2-tm)-(t1-tm))
= Vc(t2-t1)
((X3 - Xm)² + (Y3 - Ym)²)^1/2 - ((Y1 - Xm)² + (Y1 - Ym)²)^1/2
= Vc((t3-tm)-(t1-tm))
= Vc(t3-t1) ・・・・・・・・（式１）
ここで、ｔｍは未知のままでもよく、測位サーバ１で通知を受けたt1,t2,t3から(Xm,Ym)について解くことにより、移動端末の位置がわかる。

以上の（１）から（４）によって、図１の３つの基地局２１のアンテナの位置および移動端末３１から電波を受信した時刻をもとに、測位サーバ１の計算手段１１が上記（式１）によって、移動端末３１の位置（ここでは、２次元位置、移動端末３１から電波を４つの基地局２１のアンテナで受信すれば３次元位置）を測位することが可能となる。

次に、図２のフローチャートの順番に従い、図１の構成の動作を詳細に説明する。
図２は、本発明の動作説明フローチャートを示す。

図２において、ステップ（１）は、各基地局はａ側のアンテナに接続（初期値）する。これは、図１の各基地局２１はａ側のアンテナとｂ側のアンテナの２つのアンテナがあり、そのうちの初期値としてａ側のアンテナに接続する。そして、移動端末３１からの送信待ち、即ち、各基地局２１で移動端末３１からの電波の受信を待機する。

ステップ（２）は、３つ以上の基地局で受信可能か判別する。これは、測位サーバ１が３つ以上の基地局２１から、移動端末３１からの電波を受信してその当該時刻ｔｎの通知を受けたか判別する。ＹＥＳの場合には、移動端末３１の位置計算可能であるので、ステップ（５）へ進む。一方、ＮＯの場合には、移動端末３１の位置計算不可であるので、ステップ（３）に進む。

ステップ（３）は、ステップ（２）のＮＯで３つ以上受信できなく、移動端末３１の位置計算不可と判明したので、受信できなかった基地局２１のアンテナをｂ側に変更する。これは、測位サーバ１は、ステップ（２）で移動端末３１から電波を受信した時刻ｔｎの通知を受けていない他の基地局２１のアンテナをａ側からｂ側に切り換えるように、通知する。

ステップ（４）は、３つ以上の基地局で受信できたか判別する。これは、ステップ（３）で移動端末３１からの電波を受信できかった基地局２１のアンテナをａ側からｂ側に切り換えて再度、移動端末３１からの電波の受信を試みて受信できた基地局２１からの受信した時刻ｔｍを受信し、ステップ（２）のときに受信でき、今回も受信できた基地局とを併せて合計３つ以上の基地局２１で移動端末３１からの電波を受信できたか判別する。ＹＥＳの場合には、移動端末３１の位置計算可能となったので、ステップ（５）に進む。ＮＯの場合には、測位不可であると判明したので、ステップ（１）に戻る。尚、基地局２１に２つのアンテナがあり、ａ側（初期値）、ｂ側の２つがある場合について、説明したが、更に、３つ以上のアンテナがある場合には更にステップ（３）、（４）を残りのアンテナが無くなるまで繰り返す。

ステップ（５）は、ステップ（２）あるいはステップ（４）で３つ以上の基地局２１で移動端末３１からの電波の到達時間ｔｎ，ｔｍを測定できて位置計算可能と判明したので、測位成立と判定し、精度は十分か判別する。これは、受信できた３つ以上の基地局２１のアンテナの位置をもとに、予め指定された十分な位置精度が計算できるか，あるいは更に、精度の高い測位が可能か判別する（後述する図３から図５参照）。ＹＥＳの場合には、ステップ（５）の測位結果（３つ以上の基地局２１で受信した移動端末３１からの電波の受信時刻ｔｎ，ｔｍを測位結果）とし出力し（出力された受信時刻ｔｎ，ｔｍをもとに計算手段１１が公知の後述する式で移動端末３１の位置を計算する）、ここでは、ステップ（１）に戻り繰り返す。

ステップ（６）は、最良の測位精度の期待できるアンテナ位置の有無判断する。これは、ステップ（５）で３つ以上の基地局２１で移動端末３１からの電波の到達時間を受信できたかが、精度が十分でないと判明したので、更に、最良の測位精度の期待できるアンテナ位置があるか否かを判断、例えば図３から図５で後述するように、移動端末３１から電波を受信できた基地局２１のアンテナの位置をもとに受信エリアを想定し、当該受信エリア内で最良の測位精度の期待できるアンテナ位置が、現在測定したアンテナの位置以外にあるか判別する（図３から図５参照）。ＹＥＳ（有り）の場合には、ステップ（７）に進む。ＮＯ（無）の場合には、現状の測定結果が最良と判明したので、ステップ（５）の測位結果採用して出力し（出力された受信時刻ｔｎ，ｔｍをもとに計算手段１１が公知の後述する式で移動端末３１の位置を計算する）、ステップ（１）に戻り繰り返す。

ステップ（７）は、測位精度向上の期待できるアンテナ位置へ切り換える。これは、図１のアンテナ切換指示手段１３が該当基地局２１に該当アンテナ位置への切換を通知する。

ステップ（８）は、３つ以上の基地局で受信可能か判別する。これは、ステップ（７）でアンテナ位置の切換を基地局２１に指示したので、再度、基地局２１で移動端末３１からの電波の受信時刻を測定し、これら時刻の通知を受けた測位サーバ１が３つ以上の基地局２１で受信可能か判別する。ＹＥＳの場合には、当該受信したステップ（８）の測位結果を採用して出力し（出力された受信時刻ｔｎ，ｔｍをもとに計算手段１１が公知の後述する式で移動端末３１の位置を計算する）、ステップ（１）に戻り繰り返す。ＮＯの場合には、アンテナを切り換えたが３つ以上の基地局２１で電波を受信できなかったと判明したので、ステップ（９）でステップ（５）より測位精度の期待できる他のアンテナ位置有無を判断し、ＹＥＳ（有り）の場合には残りの他のアンテナについて繰り返すために、ステップ（７）に戻り、繰り返す。一方、ＮＯ（無）の場合には、残りの他のアンテナがないと判明したので、ステップ（５）の測位結果採用して出力し（出力された受信時刻ｔｎ，ｔｍをもとに計算手段１１が公知の後述する式で移動端末３１の位置を計算する）、ステップ（１）以下を繰り返す。

以上によって、図１の構成のもとで、各基地局２１のアンテナを初期値側（ａ側）に切り換えて移動端末３１からの電波を受信した時刻を測位サーバ１に通知させ、測位サーバ１では受信できた時刻の数が３つ以上でないときは受信できなかった各基地局２１のアンテナをｂ側に変更させで再度、移動端末３１からの電波を受信させ、３つ以上の基地局２１で電波を受信できたときは、ステップ（５）に進む。次に、受信できた３つ以上で測位精度が十分か判別し、十分の場合には受信した３つ以上の測位結果を出力する。

一方、十分でない場合には、３つ以上の電波を受信した基地局２１のアンテナの位置をもとに受信エリアを推定し、更に、最良の測位精度が期待できるアンテナ位置があるか判別し、有りの場合（ステップ（６）の有りの場合）には、最良の測位精度が期待できるアンテナ位置に切換指示を通知して再度、移動端末３１からの電波を受信して３つ以上で測位できたときはこれを測位結果として出力し、一方、３つ以上で測定できかったときは残りの他のアンテナ位置に切り換えて繰り返し、最良の測位精度が測位できるアンテナ位置で測定した測位結果を出力することが可能となる。

これらにより、各基地局２１の複数のアンテナのうちから最良の測位精度が期待できるアンテナ位置に切り換えて当該最良の測位結果を得ることが可能となる。

図３は、本発明の説明図を示す。
図３の（ａ）は、矩形領域内の各隅にアンテナ１，２，３，４（基地局１，２，３，４）を配置した例を示す。図示の矩形領域内を移動する移動端末３１から発射された電波は図示の電波到達エリアに示すように、周囲に一様に届くため測位が可能である。

しかし、図３の（ｂ）に示すように、移動端末３１を例えば人の胸にとりつけた場合には、電波到達エリアが図示の範囲となり、偏りを生じ、測位ができない場合がある。

測位を可能とするためには、図３の（ｃ）に示すように基地局２１の数を増やす必要がある。基地局２１を増やすことで、移動端末３１の電波到達エリアの偏りによる測位の死角範囲を狭くすることができるが、基地局２１の設置個数は、機器や敷設コストを抑えるため必要最小限であることが望ましい。

そこで、図３の（ｄ）に示すように、各基地局２１から２つのアンテナを切り替えられるような機構を持つシステムとしておく。これにより、図３の（ｃ）の従来システムに比べ、半分の基地局数ですむこととなる。

図４は、本発明の説明図を示す。これは、移動体３１からの電波を３つの基地局２１のアンテナでそれぞれその到達時間（受信した時間）をそれぞれ測定し、移動端末３１の位置を（式１）で計算する様子を模式的に示す。

図４の（ａ）は、電波（例えばパルス）を模式的に示す。
ここで、移動端末送信時刻ｔｍとする（（式１）で説明したように、ｔｍは判ってもよいし、（式１）で測定ｔ１，ｔ２，ｔ３から計算して求めるようにしてもよい）。

基地局１受信時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３は、各基地局２１のアンテナで移動端末３１からの電波（例えばパルス）を受信した時刻である。

図４の（ｂ）は、既述した（式１）に、基地局１受信時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３（必要に応じて（ｔｍ））を代入して計算して解（移動端末３１の２次元位置）を求めるときの各曲線を模式的に表したものである。

図中で、基地局１，２，３を図示の位置に配置したとする。そして、移動端末３１の位置から各基地局１，２，３までの距離を図示のように、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３とする。そして、各基地局１，２，３（正確には各基地局のアンテナ）でそれぞれ図４の（ａ）に示すｔ１，ｔ２，ｔ３の時刻に移動端末３１からの電波を受信したとすると、既述した（式１）に代入し、
（Ａ） (（ｔ２−ｔｍ）−（ｔ１−ｔｍ））Ｖｃ＝Ｌ２−Ｌ１を満たす線（曲線）
（Ｂ） (（ｔ３−ｔｍ）−（ｔ１−ｔｍ））Ｖｃ＝Ｌ３−Ｌ１を満たす線（曲線）
（Ｃ） (（ｔ３−ｔｍ）−（ｔ２−ｔｍ））Ｖｃ＝Ｌ３−Ｌ２を満たす線（曲線）
を得て、これを表すと図４の（ｂ）の図示の線（曲線）となり、これらの交点が移動端末３１の位置として求めることが可能となる。

ここで、上記３つ以上の基地局２１のアンテナで移動端末２１からの電波を受信して測位が成立した場合に、移動端末３１の測位結果と、基地局２１のアンテナ位置の関係から、測位精度がより高く見込めるアンテナ位置の組み合わせで測位を行う。このとき位置精度向上のための各基地局とアンテナの組み合わせの選択基準として、公知の精度劣化指数（DOP:Dilution of Precision）が最も小さいものを用いればよい（例えばDOPの参考文献例：「宇宙における電波計測と電波航法」、他 2000年コロナ社）。

例えば、移動端末２１の位置を求めるのに得た図示の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）の曲線の交点をなす角が大きいもの、具体的には３０°以上（あるいは６０°以上）などの条件の測位情報を採用すればよい。または、得られた時間情報をもとに、位置計算する途中で得られる上記性能劣化指数が最も小さい測位情報結果を採用して移動端末３１の測位位置の精度向上を図る。

また、上記説明した測位システムは、無線ＬＡＮなどを用いる移動端末、更に、インパルスを用いた測位システムなどについて適用できる。いずれも移動端末３１から放射された電波を複数の基地局２１の任意のアンテナで受信してその時刻を測定し、当該移動端末３１の位置を特定できればよい。そのときに、ある基地局２１で電波を受信できなくても、当該基地局１の複数のアンテナのうちの他のアンテナに切換えて電波を受信できるものを探したり、更に、基地局２１内のいずれのアンテナで電波を受信できてもそのうちの最良の精度が期待できるアンテナに切り換えて測位することにより、測位の死角領域を最小限にし、かつ最良の測位精度で移動端末３１の位置を測位することが可能となる。

図５は、本発明の他のシステム構成図を示す。これは、図１の応用として、アンテナを固定位置にそれぞれ設置し、それぞれの基地局２１は重複しない条件のもとで、任意のアンテナを選ぶことができるようにした機構を持つ例である。

・基地局１は、アンテナh,a,b
・基地局２はアンテナｂ,c,d
・基地局３はアンテナd,e,f
・基地局４はアンテナf,g,h
をそれぞれ選択できるような構成としている。このようにすることで、隣り合った３つのうちから１つのアンテナを選択した測位が可能となるため、移動端末３１の発射した電波の到達範囲が大きく偏っている場合にも、より測位範囲の死角の少ない測位システムを実現できる。
得ることができる。

本発明は、各基地局が複数のアンテナに切り替え可能な機構をもち、移動端末から発せられた電波の各端末での受信状況により、各基地局のアンテナを切り替え、少ない基地局で移動端末の測位を実現する無線測位システムに関するものである。

本発明のシステム構成図である。本発明の動作説明フローチャートである。本発明の説明図である。本発明の説明図である。本発明の他のシステム構成図である。

符号の説明

１：測位サーバ
１１：計算手段
１２：アンテナ選択手段
１３：アンテナ切換指示手段
２１：基地局
２２：アンテナ切換機構
３１：移動端末

Claims

移動する移動端末から発せられた電波を複数の基地局で受信して当該移動端末の位置を求める無線測位システムにおいて、
異なる位置に配置した複数のアンテナを有すると共に、当該複数のアンテナを切り換える切換機構を設けた基地局と、
前記基地局を複数設けて当該各基地局から、測位対象の移動端末からの電波を受信したときに当該受信した時刻をそれぞれ通知を受け、当該通知を受けた時刻をもとに移動端末の位置を計算する計算手段と、前記通知を受けた時刻の数が移動端末の位置を計算するに必要な数を満たさないときに、当該時刻の通知を受けた基地局以外の基地局にアンテナの切り換え指示を送信し、切り換えた後のアンテナで測定した移動端末からの時刻を受信し、前記計算手段に再計算させるアンテナ切換手段とを設けた測位サーバと
を備えたことを特徴とする無線測位システム。
更に、前記通知を受けた時刻の数が移動端末の位置を計算するに必要な数を満たしたときに、当該時刻の通知を受けた基地局にアンテナの切り換え指示を送信し、切り換えた後のアンテナで測定した移動端末からの時刻を受信し、前記計算手段に再計算させることを特徴とする請求項１記載の無線測位システム。
前記請求項２において、計算して算出した移動端末の位置をもとに、電波を受信できる可能性の高い範囲内で各基地局のいずれのアンテナがより良い位置にあるかを求め、当該求めた位置のアンテナへの切り換え指示を該当基地局に通知することを特徴とする無線測位システム。
前記移動端末からインパルスを発信して各基地局で受信して上記時刻を測定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の無線測位システム。