JP2006507500A - タイミング情報の取得およびレンジングを行うための装置、システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

システムは、第１装置（１）と、１つまたは複数の第２装置（２）とを含む。第１信号（６１）および第２信号（６２）が、第１装置（１）から第２装置（２）へと送信され、第３信号（６３）が、第２装置から第１装置へと送信される。これらの信号（６１，６２，６４）が送信され受信される時刻が、測定され、第１および第２装置の第１および第２ローカルクロックにおける異なるクロック速度の修正を含むタイミング情報の計算に用いられる。

Description

本発明は、第１および第２装置の間のタイミング情報を得るためのシステムおよび方法に関し、特に、このタイミング情報を用いたレンジングの方法に関する。

レンジングは、２つの電子装置ＡおよびＢの間で、信号を伝えることによる距離の測定を含む。装置ＡおよびＢの両方が、内部にクロックを有すると仮定される。典型的には、ＡがＢに信号を送り、Ｂがこれを受信すると、直ちにＡに信号を返送する。Ａは次に、その信号の送信とＢから戻った信号の受信の間の時間差を計算し、これを２で割り、速度を掛けて、ＡからＢへの距離または距離範囲を得る。

この方法は、Ａに位置するクロックのみを用いており、ＡとＢのクロックが同期されてない場合に起こり得る問題を避けるものである。しかしながら、ＢからＡへの信号の返送に遅れがあった場合に、問題が発生し、測定される距離範囲に著しい不正確さを生じる原因となる。

この問題を、ＡのクロックとＢのクロックの両方を使用して修正する方法は、ＡとＢのクロックが同期されていないということを、考慮に入れる必要がある。

１９９５年７月に、Aetherwire & Location Inc for the US Advanced Research Projects Agency / Federal Bureau of Investigation (Contract J-FBI-94-058)により作成された、“Low-power, miniature, Distributed Position Location and Communication Devices Using Ultra-Wideband, Nonsinusoidal Communication Technology”と題されたレポートにおける“Protocols for Co-operating Localisers to Determine range”から、従来の提案の１つが知られている。本明細書を書いている時点では、このレポートの１バージョンが、https://www.aetherwire.comより入手可能である。

このレポートにおいて、レンジングの方法が提案されており、この方法では、装置Ｂが、Ｂのクロックに基づいて示された遅延時間であって、ＢがＡからの信号に返信する際にかかる遅延時間を、Ａに送信する。これにより、Ａは遅延に対する修正を行うことができる。

しかしながら、この手法は、ＡのクロックおよびＢのクロックが、正確に同一の速度で進行していることを前提としている。少しでも不一致があれば、エラーが発生する。

したがって、異なる速度で進行する、同期されていないクロックを扱うことが可能な方法の必要性が存在する。

本発明によると、それぞれ第１および第２ローカルクロックを有する第１および第２装置の間のタイミング情報を得るための方法が提供され、この方法は、
第１信号を、第１ローカルクロックを基準とする第１時刻ｔ１に、第１装置から第２装置に送信し、
第１信号が第２装置に到着する、第２ローカルクロックを基準とする第２時刻ｔ２を、測定し、
第２信号を、第１ローカルクロックを基準とする、ｔ１とは異なる第３時刻ｔ３に、第１装置から第２装置に送信し、
第２信号が第２装置に到着する、第２ローカルクロックを基準とする第４時刻ｔ４を、測定し、
第３信号を、第２ローカルクロックを基準とする第５時刻ｔ５に、第２装置から第１装置に送信し、
第３信号が第１装置に到着する、第１ローカルクロックを基準とする第６時刻ｔ６を測定し、
第１および第２ローカルクロックにおける異なるクロック速度およびクロックタイムの修正を含めて、第１、第２、第３、第４、第５および第６時刻から、タイミング情報を計算する。

本発明に係る方法は、このように、これらの信号からのタイミング情報を用いて、ローカルクロックにおけるオフセットクロックおよび異なるクロック速度を修正する。したがって、異なるクロックが、正確に同一の速度を有する必要がない。

送信器および受信器は、好ましくは、無線周波数送信器および受信器である。このような無線信号は、ｃの信号速度を有し、これは、空気中の光の速度である。

この方法は、第１ローカルクロックに対する第２ローカルクロックの速度の測定値ａを計算することができる。これは、好適な実施形態においては、次のようになる。

第１および第２装置の間の距離範囲ｒを、記録された時刻および信号速度ｃから、次の式を用いて計算することができる。

第１装置において、時間情報を協同して収集するために、第３信号は、第２、第４および第５時刻を含んでいてもよい。

代わりの実施形態においては、個別の信号に第２、第４および第５時刻を含めて、第２装置から第１装置に送信してもよい。あるいは、遅延および距離範囲の計算は、（ｔ４−ｔ２）および（ｔ５−ｔ２）のみを必要とし、したがって、遅延および距離範囲情報のみが必要である場合に、代わりに（ｔ４−ｔ２）および（ｔ５−ｔ２）を送信しても良いことに留意されたい。

さらに、必ずしも第１装置で情報を集める必要はない。また、信号に第１、第３および第６時刻を含めて、第１装置から第２装置に送り、第２装置に計算を行わせることも可能である。さらに、すべての必要なデータを第３装置に送って、計算を行わせることも可能である。

このシステムでは、例えば装置のフィルタまたは他の構成要素において、既知の遅延に対する時間の修正を行ってもよい。

他の態様においては、本発明は、タイミング情報を得るためのシステムに関し、このシステムは、
第１ローカルクロックと、送信器と、受信器とを有する第１装置であって、
第１信号を、第１ローカルクロックを基準とする第１時刻ｔ１に送信し、
第２信号を、第１ローカルクロックを基準とする第３時刻ｔ３に送信し、
第３信号を受信し、第３信号が第１装置に到着する、第１ローカルクロックを基準とする第６時刻ｔ６を測定するように構成された第１装置と、
第２ローカルクロックと、送信器と、受信器とを有する第２装置であって、
第１信号を受信し、第１信号が第２装置に到着する、第２ローカルクロックを基準とする第２時刻ｔ２を測定し、
第２信号を受信し、第２信号が第２装置に到着する、第２ローカルクロックを基準とする第４時刻ｔ４を測定し、
第３信号を、第２ローカルクロックを基準とする第５時刻ｔ５に送信するように構成された第２装置と、
を備え、
第１および第２ローカルクロックにおける異なるクロック速度およびクロックタイムの修正を含めて、第１、第２、第３、第４、第５および第６時刻から、タイミング情報を計算するように構成されている。

第１装置を、移動局とし、第２装置を、第１基地局とてもよく、システムは、それぞれローカルクロックを有するさらなる基地局をさらに含んでもよい。さらなる基地局は、それぞれ、第１および第２のさらなる基地局信号を受信し、さらなる基地局のローカルクロックを基準とする、これらの信号がさらなる基地局に到着する時刻を測定し、さらなる応答信号を、さらなる基地局のローカルクロックを基準とする所定の時刻に送信するように構成してもよい。システムは、移動局とそれぞれの基地局との間で送信される信号の時刻を用いて、それぞれの基地局からの移動局の距離範囲を計算し、この距離範囲から、移動局の位置を計算してもよい。

移動局からそれぞれの基地局へ送信される信号は、それぞれの基地局に共通の放送信号とすることができ、あるいは、それぞれの基地局のための個別のメッセージ信号を、使用してもよい。したがって、好適な実施形態においては、移動局から基地局へと送信される第１および第２信号は、さらなる基地局においても、第１および第２のさらなる基地局信号として受信され、ただし、第１基地局から返送される第３信号は、それぞれのさらなる基地局から返送されるさらなる応答信号とは別のものである。放送信号を使用するこの手法は、移動局が、第１および第２信号を送信する際に、どの基地局が距離範囲内にあるかを知る必要性を避ける。

本発明は、また、一態様において、第２ローカルクロックを有する第２装置と協同して動作するための装置を含む、個別の装置に関し、この装置は、
第１ローカルクロックと、
第１信号を、第１ローカルクロックを基準とする第１時刻ｔ１に第２装置に送信し、第２信号を、第１ローカルクロックを基準とする第３時刻ｔ３に第２装置に送信するように構成された送信器と、
第３信号を、第２装置から受信し、その到着時刻を、第１ローカルクロックを基準とする第６時刻ｔ６において測定するように構成された受信器と、
第２装置が第１信号を受信する、第２ローカルクロックに基づく第２時刻ｔ２と、第２装置が第２信号を受信する、第２ローカルクロックに基づく第４時刻ｔ４と、第２装置が第３信号を送信する、第２ローカルクロックに基づく第５時刻ｔ５と、を含むタイミング情報を、第２装置から受信し、第１および第２ローカルクロックにおける異なるクロック速度およびクロックタイムの修正を含めて、第１、第２、第３、第４、第５および第６時刻から、タイミング情報を計算するように構成された計算ユニットと、を備える。

上記装置においては、計算ユニットは第１装置に設けられていることに留意されたい。

上述のように、計算を第２装置において行いうことも可能であり、したがって、他の態様においては、第１ローカルクロックを有する第１装置と協同して動作するための装置が提供され、この装置は、
第２ローカルクロックと、
第１および第２信号を、第１装置から受信し、第１信号の到着時刻を、第２ローカルクロックに基づく第２時刻ｔ２として測定し、第２信号の到着時刻を、第２ローカルクロックに基づく第４時刻ｔ４として測定するように構成された受信器と、
第３信号を、第２ローカルクロックを基準とする第５時刻ｔ５に、第１装置に送信するように構成された送信器と、
第１装置が第１信号を送信する、第１ローカルクロックに基づく第１時刻ｔ１と、第１装置が第３信号を送信する、第１ローカルクロックに基づく第３時刻ｔ３と、第１装置が第６信号を受信する、第１ローカルクロックに基づく第６時刻ｔ６と、を含むタイミング情報を第１装置から受信し、第１および第２ローカルクロックにおける異なるクロック速度およびクロックタイムの修正を含めて、第１、第２、第３、第４、第５および第６時刻から、タイミング情報を計算するように構成された計算ユニットと、を備える。

図１は、通信アンテナ１１に接続され、第１ローカルクロック１４を含む通信マイクロプロセッサ１２により制御される通信送受信器１０を有する携帯電話１を示している。

この図は、また、通信アンテナ２１に接続され、第２ローカルクロック２６を含む通信マイクロプロセッサ２２により制御される通信送受信器２０をそれぞれが備える３つの基地局２を示している。

使用に際し、携帯電話は、基地局２のうちの１つである主基地局２４に登録され、この主基地局２４および対応する携帯電話ネットワークとの音声およびデータ通信を容易にする。このような通信には、例えば、音声通話、テキストメッセージ、およびインターネットへのアクセスが挙げられる。携帯電話ネットワーク内での２方向通信用の、このような電話および基地局の設計および製造は、周知であるため、本発明に直接関係がない部分については、さらなる説明は行わない。

多くの場合、携帯使用者は、移動局の場所の位置決定を行うことを望むであろう。例えば、緊急通話を行う場合、移動局が自動的に位置を決定し、この位置を、緊急サービスオペレータに渡す。これは、米国においてＰＳＡＰ（Public Safety Answer Point）として知られている。位置決定を得るためには、携帯電話ＭＳは、既知の場所の少なくとも３つの基地局に届く必要がある。図示されていないが、追加の基地局に届くことも可能である。

図２に示されるように、本発明によれば、システムは以下のステップを実行する。

最初に（ステップ３０）、第１信号６１が、移動局内のローカルクロック１４を基準とする第１時刻ｔ１において移動局から送信される。ローカルクロック１４は、以下では移動局ローカルクロックと呼ぶ。

この信号は、基地局で受信され（ステップ３２）、その到着時刻が測定される。この測定到着時刻を、第２時刻ｔ２と称し、これは、基地局のローカルクロック２６を基準とする。次いで、第２信号６２が、ｔ１とは異なる第３時刻ｔ３に移動局から送信され（ステップ３４）、時刻ｔ３は、再び移動局ローカルクロックで測定される。この信号は、基地局にて受信され（ステップ３６）、その到着時刻が、基地局ローカルクロックに基づいて第４時刻ｔ４として測定される。次いで、第３信号６３が、基地局ローカルクロックを基準とする第５時刻ｔ５に基地局から移動局に送信され（ステップ３８）、移動局において受信され（ステップ４０）、移動局ローカルクロックにより測定される第６時刻ｔ６として測定される。

信号を送信および受信するステップは、図３においてステップ４２として概略的に示されている。

位置計算を行うための測定時刻を、協同して収集する必要がある。説明される実施形態において、計算は移動局１において行われる。基地局２において測定される時刻に関する情報は、第３信号で基地局から移動局へと送信され、その結果、移動局は、時刻ｔ２、ｔ４およびｔ５を含む。移動局が、第３信号を受信すると、そのメモリ（通信プロセッサ１２の一部）にデータを格納することにより、タイミングデータを協同して収集する（ステップ４４）。このステップの一部として、移動及び基地局１，２における信号の送受信における既知の遅延の時間を収集する。

次に、移動局は、次の式を用いて、記録された時刻および光の速度ｃから、移動局１と基地局２の間の距離範囲を計算する（ステップ４６）。

比率ａは、移動局ローカルクロックを基準とする、基地局ローカルクロックの速度の測定値である。

この手順は、少なくとも２つのさらなる基地局と共に、移動局により繰り返され（ステップ４８）、移動局からこれらの追加的な基地局への距離範囲が計算される。

次いで、移動局における三辺測量（ステップ５０）を用いて、移動局の位置が決定される。三辺測量は、当該技術分野において周知の簡易な幾何学的技術であるため、さらなる説明は行わない。

移動局位置は、次に、音声およびデータ通信を目的として、移動局が登録されている主基地局２４に送信され、緊急サービスオペレータに転送され、これにより、電話の使用者は、迅速な、その場所に特定の援助を受けることができる。

好ましくは、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５およびｔ６は、ナノ秒の分解能で測定され、数メートル内のレンジングを可能にする。

タイミング信号の送信と受信の時刻を測定するための特定の方法は、周知であるため、さらなる説明は行わない。当業者は、経過測定の時間の一部として発生するフィルタ、アナログ・デジタル変換器等を原因とする遅延が、送受信器に発生し得ること、そして、これらの遅延を、測定された距離範囲から差し引く必要があることを理解するであろう。しかしながら、相対クロック速度測定ａは、遅延が一定であると仮定すると、このような遅延の影響を受けない。

第２の実施形態においては、基地局２は、屋内または局部ネットワークの基地局であり、移動局１は、対応する移動局である。

その他としては、基地局および移動局が、上述したように機能し、位置決定を行う。

本開示の文脈より、他の変形および修正が、当業者には明らかとなるであろう。このような変形および修正は、通信および位置決定システムの設計、製造および使用において周知の、同等の他の機能を含むことができ、これらは、本明細書に記載される機能への追加またはその代わりとして使用することができる。特許請求の範囲は、本出願において、特定の機能の組合せとして構成されているが、開示の範囲は、ここに明示的または暗黙的に記載されるどのような新規な機能またはどのような新規な組合せ、あるいはどのような一般化も、それが同一の技術的問題の一部またはすべてを、本発明がするように軽減するにせよ、しないにせよ、含むものと理解されるべきである。本出願人は、このような機能および／またはこのような機能の組合せに関する新たな特許請求の範囲を、本適用またはそれより導かれるどのようなさらなる適用の実行の間にも構成し得ることを、ここに明記する。

本発明を、３つの距離範囲の測定を用いて上に述べたが、３つを超える基地局に届かせることも可能であり、また、結果として生じる過度に決定された等式のセットを、最適な種類の反復方法を用いて解き、改善された精度および誤差の許容度で位置決定を提供することも可能である。さらに、電話移動局により送信される第１および第２タイミング信号は、３つの基地局すべてによって、または実際に距離範囲内にあるいずれに基地局によっても、受信および測定することができる。これは、異なる第１および第２信号を、異なる基地局に送る必要性を回避する。

さらに、上の説明は、非常時を対象としているが、移動局の使用者がその位置を知りたいときはいつでも、同一の手順を実行することができる。

さらに、レンジングのステップは、必ずしも移動局により開始される必要はなく、計算についても、必ずしも移動局にて実行させる必要はない。したがって、基地局のうちの１つが、レンジングステップを開始してもよく、この場合、計算を基地局で実行することが便利であろう。

本発明の実施形態は、純粋に例示として、添付の図面を参照に説明される。
図１は、近くにある複数の携帯電話ネットワーク基地局にレンジングする携帯電話移動局を示している。 図２は、信号の交換を示している。 図３は、本発明のレンジングの動作のフロー図を示している。

Claims (12)

1. それぞれ第１および第２ローカルクロックを有する第１および第２装置の間のタイミング情報を得る方法であって、
   第１信号を、前記第１ローカルクロックを基準とする第１時刻ｔ１に、前記第１装置から前記第２装置に送信し、
   前記第１信号が前記第２装置に到着する、前記第２ローカルクロックを基準とする第２時刻ｔ２を、測定し、
   第２信号を、前記第１ローカルクロックを基準とする、ｔ１とは異なる第３時刻ｔ３に、前記第１装置から前記第２装置に送信し、
   前記第２信号が前記第２装置に到着する、前記第２ローカルクロックを基準とする第４時刻ｔ４を、測定し、
   第３信号を、前記第２ローカルクロックを基準とする第５時刻ｔ５に、前記第２装置から前記第１装置に送信し、
   前記第３信号が前記第１装置に到着する、前記第１ローカルクロックを基準とする第６時刻ｔ６を測定し、
   前記第１および第２ローカルクロックにおける異なるクロック速度およびクロックタイムの修正を含めて、前記第１、第２、第３、第４、第５および第６時刻から、タイミング情報を計算する、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記第４時刻から、前記第２時刻を引き、前記第２ローカルクロックに基づく前記第１および第２信号の間の時間の測定値を得、
   前記第３時刻から、前記第１時刻を引き、前記第１ローカルクロックに基づく前記第１および第２信号の間の時間の測定値を得、
   第２装置クロックに基づく前記第１および第２信号の間の時間を、第１装置クロックに基づく前記第１および第２信号の間の時間で割り、前記第１ローカルクロックを基準とする前記第２ローカルクロックの速度の測定値を得る、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第２、第４および第５時刻を前記第１装置に伝送するために、前記第３信号は、測定された前記第２、第４および第５時刻を含んでいる、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１および第２装置における所定の遅延のために、前記第１、第２、第３、第４、第５および第６時刻を修正することを特徴とする前記請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の方法。
5. 距離範囲ｒを、記録された時刻および信号速度ｃから、
   

   

   を用いて計算することを特徴とする前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の方法。
6. 移動局の位置決定を行う方法であって、
   前記基地局を第２局とし、前記移動局を第１局として距離範囲を計算する、請求項５に記載の方法を、各基地局に対し使用して、複数の基地局と前記移動局との間の距離範囲を計算し、
   前記移動局の前記基地局からの距離範囲を使用して、三辺測量を行い、前記移動局の位置を決定する、
   ことを特徴とする方法。
7. タイミング情報を得るためのシステムにおいて、
   第１ローカルクロックと、送信器と、受信器とを有する第１装置であって、
   第１信号を、前記第１ローカルクロックを基準とする第１時刻ｔ１に送信し、
   第２信号を、前記第１ローカルクロックを基準とする第３時刻ｔ３に送信し、
   第３信号を受信し、前記第３信号が前記第１装置に到着する、前記第１ローカルクロックを基準とする第６時刻ｔ６を測定するように構成された第１装置と、
   第２ローカルクロックと、送信器と、受信器とを有する第２装置であって、
   前記第１信号を受信し、前記第１信号が前記第２装置に到着する、前記第２ローカルクロックを基準とする第２時刻ｔ２を測定し、
   前記第２信号を受信し、前記第２信号が前記第２装置に到着する、前記第２ローカルクロックを基準とする第４時刻ｔ４を測定し、
   前記第３信号を、前記第２ローカルクロックを基準とする第５時刻ｔ５に送信するように構成された第２装置と、
   を備え、
   前記第１および第２ローカルクロックにおける異なるクロック速度およびクロックタイムの修正を含めて、前記第１、第２、第３、第４、第５および第６時刻から、タイミング情報を計算するように構成されている、
   ことを特徴とするシステム。
8. 前記第１および第２装置の間の距離範囲ｒを、記録された時刻および光の速度ｃから、
   

   

   
   用いて計算することを特徴とする請求項７に記載のシステム。
9. 前記第１装置は、移動局であり、前記第２装置は、第１基地局であり、
   前記システムは、それぞれがローカルクロックを有するさらなる基地局を含んでおり、前記さらなる基地局は、それぞれ、
   第１および第２のさらなる基地局信号を受信し、前記さらなる基地局のローカルクロックを基準とする、これらの信号が前記さらなる基地局に到着する時刻を測定し、
   さらなる応答信号を、前記さらなる基地局のローカルクロックを基準とする所定の時刻に送信するように構成されており、
   前記システムは、前記移動局とそれぞれの前記基地局との間で送信される信号の時刻を用いて、それぞれの前記基地局からの前記移動局の距離範囲を計算し、前記距離範囲から、前記移動局の位置を計算するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記移動局から前記基地局へと送信される前記第１および第２信号は、前記さらなる基地局においても、前記第１および第２のさらなる基地局信号として受信されるが、前記第１基地局から返送される前記第３信号は、それぞれの前記さらなる基地局から返送される前記さらなる応答信号とは別のものである、ことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 第２ローカルクロックを有する第２装置と協同して動作するための装置であって、
    第１ローカルクロックと、
    第１信号を、前記第１ローカルクロックを基準とする第１時刻ｔ１に前記第２装置に送信し、第２信号を、前記第１ローカルクロックを基準とする第３時刻ｔ３に前記第２装置に送信するように構成された送信器と、
    第３信号を、前記第２装置から受信し、その到着時刻を、前記第１ローカルクロックを基準とする第６時刻ｔ６において測定するように構成された受信器と、
    前記第２装置が前記第１信号を受信する、前記第２ローカルクロックに基づく第２時刻ｔ２と、前記第２装置が前記第２信号を受信する、前記第２ローカルクロックに基づく第４時刻ｔ４と、前記第２装置が前記第３信号を送信する、前記第２ローカルクロックに基づく第５時刻ｔ５と、を含むタイミング情報を、前記第２装置から受信し、前記第１および第２ローカルクロックにおける異なるクロック速度およびクロックタイムの修正を含めて、前記第１、第２、第３、第４、第５および第６時刻から、タイミング情報を計算するように構成された計算ユニットと、
    を備えることを特徴とする装置。
12. 第１ローカルクロックを有する第１装置と協同して動作するための装置であって、
    第２ローカルクロックと、
    第１および第２信号を、前記第１装置から受信し、前記第１信号の到着時刻を、前記第２ローカルクロックに基づく第２時刻ｔ２として測定し、前記第２信号の到着時刻を、前記第２ローカルクロックに基づく第４時刻ｔ４として測定するように構成された受信器と、
    第３信号を、前記第２ローカルクロックを基準とする第５時刻ｔ５に、前記第１装置に送信するように構成された送信器と、
    前記第１装置が前記第１信号を送信する、前記第１ローカルクロックに基づく第１時刻ｔ１と、前記第１装置が前記第３信号を送信する、前記第１ローカルクロックに基づく第３時刻ｔ３と、前記第１装置が第６信号を受信する、前記第１ローカルクロックに基づく第６時刻ｔ６と、を含むタイミング情報を、前記第１装置から受信し、前記第１および第２ローカルクロックにおける異なるクロック速度およびクロックタイムの修正を含めて、前記第１、第２、第３、第４、第５および第６時刻から、タイミング情報を計算するように構成された計算ユニットと、
    を備えることを特徴とする装置。

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