JP3961951B2 - 無線によるクロック同期 - Google Patents

Description

【０００１】
本出願は、２０００年１１月１４日出願の米国特許仮出願６０／２４８、３５７号、及び２００１年２月２０日出願の米国特許仮出願６０／２７０、２５４号の優先権を主張するものであり、これら出願の全体を引用によりここに全て組み入れる。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線装置のクロックを同期させるための方法及びシステムに関する。詳細には、本発明は、移動装置の位置を求めるために用いられる無線受信局のクロックを同期させることに関する。
【０００３】
【従来の技術】
最近の無線装置の急速な普及は異例であり、この無線装置は、中央位置との間及び／又は相互にデータ又は音声信号を交換することができる通信及び計算装置を備える。これら装置は、通常、専用周波数即ち電磁スペクトルの専用セグメント上で電波を介して通信する。これらの無線通信の範囲は変化し、その範囲を拡張するために、中継局であるセル方式タワーその他の無線装置のネットワークにおけるノードを用いることができる。
【０００４】
これら装置のいくつかは、セル方式電話であるが、無線装置は、無線能力を有する携帯型即ち手持型コンピュータ、電子メール送受信装置、携帯無線呼出装置、又は双方向無線通信装置のような多機能を備えるものが多くなっている。これらの装置が送信する信号は、その装置したがって装置の利用者の位置検出にも使用することができる。例えば、セル方式電話に変更を加えて、緊急時に通話発信者の位置を正確に特定できるようにすることが可能である。場合によっては、ビーコン即ち位置検出装置は、消防士又は他の救助隊員等の危険な状況にある人員の位置の追跡を継続するという特定の機能を備えることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
無線信号を送信する装置の位置を求めるために様々な方法が開発されてきた。例えば、２又はそれ以上の方向性ある受信機を用いることによって発信機の位置を検出するのに三角測量を用いることができる。しかし、無線信号が到達する位置からの方位即ち方向を判定できなければならないために、受信機は、かなりの高機能でなければならない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、位置検出システムの複数受信局における内蔵クロックを同期させる方法及びシステムである。ビーコンが参照データ・パケットを既知の位置において送信する。第１の到達時刻が第２の到達時刻と比較され、相関関係にある到達時刻データが求められる。第１の到達時刻は、第１の受信局による参照データ・パケットの受信時刻であり、第２の到達時刻は、第２の受信局による参照データ・パケットの受信時刻である。相関関係にある到達時刻データと第１及び第２の到達時刻との関数として線形多項式適合を計算する。第１及び第２の受信局におけるデータ・パケットの到達時刻は、線形多項式適合の関数として同期される。
別の態様においては、本発明は、移動装置の位置を検出する方法であり、この方法は、複数受信局の内蔵クロックを同期させ、対の受信局において移動装置からデータ・パケットを受信し、対の受信局の各々における同期したデータ・パケットの到達時刻を求め、同期した到達時刻に基づき双曲線３点測量を用いて移動装置の位置を計算することを含む。
【０００７】
本発明は、複数の無線装置の内蔵クロックを同期させる方法及びシステムである。多くの状況において、無線装置の位置を求めることが極めて望ましい。この機能は、装置の利用者の位置を検出しなければならないような緊急時においては非常に貴重である。例えば、本発明は、通話発信者が対応不能であり、自分の位置を知らせることがたとえできなくても、セル方式電話を用いて１人の９１１番への通話発信者の位置を検出するのに有用である。他の場合において、本発明は、無線装置に位置感知情報をもたらすようになったＩＥＥＥ ８０２．１１、ＩＥＥＥ ８０２．１１ｂ、ＩＥＥＥ ８０２．１１ａ、ブルートゥース、又は無線ＬＡＮに関係する将来標準（総称して「８０２．１１ｘのネットワーク標準」）のどんなものでも利用することが可能な携帯情報端末のような無線装置について、その位置を知るのに役立てることができる。
【０００８】
信号送信ができる装置を正確に位置検出する基本は、正確なタイミングでの演算を実行することである。移動体の位置を求めるために用いられる方法の１つは、双曲線３点測量を実行することである。この方法によれば、タイミング情報は、位置情報にマッピングすることができる。位置検出されるべき移動装置は、例えば発信機の身元について記載したデータ等の情報を含むパケット即ち伝送を発信する。既知の位置を有する多数の受信機が該パケットを受信する。受信機は、位置固定であっても、移動可能であってもよい。受信機が移動可能な場合には、システムによって受信機のそれらの位置が前もって知られていなければならない。
【０００９】
いずれか２つの受信機におけるパケットの到達時刻差は、固有の空間における双曲線計算を可能にし、該双曲線に沿って移動装置が位置検出される。２つの受信機からなるもう一対の受信機におけるパケットの到達時刻差を考慮することによって、空間における第２の双曲線が計算可能になり、該双曲線に沿って移動体が位置検出される。そのように定義された２つの双曲線の交点が、移動装置の正確な位置を特定する。双曲線３点測量の重要な特徴は、各対の受信局におけるパケットの相対的な到達時刻だけが知られる必要があるということであり、絶対的な到達時刻、即ちパケットが受信されるときの実際の時刻が知らされる必要はない。２つの受信局におけるパケット到達の相対的時刻が知らされていれば、送信する移動装置の位置は特定可能である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は上記した方法の図形表示である。移動装置Ｍは、受信局Ａ、Ｂ、Ｃが受信できるデータのパケットを送信する。次に、パケットは、少なくとも２対の受信局、例えばＡ、Ｂの対とＢ、Ｃの対によって受信される。双曲線Ａ−Ｂ及びＢ−Ｃのような双曲線が各対から計算され、これらの双曲線に沿って、移動装置はその位置が検出される。図１に示されるように、それらの双曲線に沿う各地点が１対の位置座標に相当する。２つの双曲線の交点が移動装置の位置を定める。この例においては、移動装置は、Ｘ座標に沿った値３３及びＹ座標に沿った値２２にあるものとされる。
【００１１】
本発明による位置検出システムにおいては、各受信機は区別できる位置に配置され、他の受信局のクロックから独立して動作するクロックを持つ。クロックは完全に同一にすることができないため、各々のクロックは、それぞれ極めて類似の周波数ではあるが区別できる周波数を持ち、それ自身で任意の開始時間を有する。移動している装置の位置を正確に求めるためには、受信局の全てにおいてクロックは同期している必要がある。複数の受信局が同じ位置にあるか、比較的に近接している場合には、必要な同期は、クロックを有線で互いに接続することによって達成させることができる。しかしながら、受信局が戸外の離れた位置にある場合には、受信機を互いに有線接続することは、費用の面から不可能である。
【００１２】
本発明の実施形態は、互いに有線接続することが実際上できない複数の受信局のクロックを同期させるための方法及びシステムを提供する。１つの実施形態において、ビーコンは、受信局の地理的な中央地点に近接する既知の位置に固定して設けられる。図２に示されるように、ビーコン１０は、受信局１２、１４、１６、１８に対して中央位置に配置される。全システムは、移動している送信装置２０の位置を検出するように設計される。移動装置２０のただ１つのみが示されているが、このシステムは、１つ以上の装置の位置検出にも適用することができる。
【００１３】
ビーコン１０は、データの参照パケット２２を連続的に送信し、この参照パケット２２は、各受信ユニット１２−１８によって受信される。この参照パケット２２は、８０２．１１ｘネットワーク標準に基づいて作成することができ、ネットワーク内の所定の位置に固定されたアクセス・ポイントによって送信することができる。それらパケットが到達するときに、各受信ユニットは、パケットにタイムスタンプを記録する。ビーコン１０が受信局の対、例えば局１４及び局１６から等距離に配置され、それら受信局のクロックが同一であるという理想的な状況においては、２つの受信機の各々は、受信機内蔵のクロックにより同時にパケットを正確に受信するために、それら受信機におけるパケットの到達時刻差（ＴＤＯＡ）は０になる。実際には、受信局１４、１６がビーコン１０から正確に等距離であったとしても、２個のクロックが同期していなければ、ＴＤＯＡは０にはならない。
【００１４】
本発明によって全受信局のクロックを同期させるには、ビーコン１０から受信されたパケットに基づき計算されたＴＤＯＡを０と等しくなるようにさせる。クロックを同期させるためには、ビーコン１０を全受信局から等距離にはできない場合であっても、全受信局１２−１８へのＴＤＯＡを０になるようにさせる。ビーコン１０と受信局１２−１８とは相対的に移動しないために、ＴＤＯＡの期待値は一定になることから、ＴＤＯＡを０になるようにさせる結果として生じる不正確さは大きなものではなく、本発明による後の計算中において補正することが可能である。
【００１５】
本発明の１つの例示的な実施形態によると、例えば受信局１４及び１６のような２つの受信機Ａ及びＢ間のＴＤＯＡは、ステーションＡのクロックのタイムスタンプからステーションＢのクロックからのタイムスタンプを引算することによって計算される。即ち、ＴＤＯＡ_A/B＝ｔ_B−ｔ_Aである。ビーコン１０が全受信機まで等距離にある場合には、到達時刻差は０であり、ＴＤＯＡ_A/B＝０になる。第１段階として、これを真であると仮定する。いずれか２つの受信機によって受信された一連のパケットのタイムスタンプが互いに相関関係にある場合には、完全に同期したクロックを用いている限りは、受信機Ｂのタイムスタンプに対する受信機Ａからのタイムスタンプのグラフは、１の勾配を有する直線になる。例えば、クロックＡによって示された到達時刻がｙ軸線上に、且つクロックＢによって示された到達時刻がｘ軸線上にプロットされたならば、直線のための方程式はｙ−ｘ＝０、即ちｙ＝ｘになる。
【００１６】
しかしながら、上記されたように、受信局１２−１８それぞれの１つのクロックは独立しており、そのため、それらはわずかに異なる周波数及び開始時間を有する。従って、到達時刻のグラフは、実際には、勾配１の直線には決してならない。その代わりに、直線方程式はｙ＝ｍｘ＋ｂになる。該方程式において、ｍは直線勾配であり、ｂはｙ切片である。直線勾配は、考慮される２つのクロック周波数における差の関数であり、一方、ｙ切片はその２つの受信機の任意のクロック開始時間の間に生じる差の関数である。本発明の実施形態によると、データから適切な勾配及びｙ切片を求めるために、線形多項式適合が用いられる。線形多項式適合は最小二乗法を用いて求めることができる。
【００１７】
受信局Ａ及びＢの対からなるクロックが完全に同期している場合には、勾配ｍは常に１に等しく、切片ｂは常に０に等しい。本発明の例示的な実施形態によると、勾配及び切片は、実際には、連続的に計算され更新される。この実施形態においては、受信局のうちの１つのクロックが参照クロックとして用いられ、その他の受信局のクロック全てが参照クロックの周波数及び開始時間に一致させるように修正される。本発明の実施形態による参照クロックは、データ・パケットの相対的到達時刻のみが重要であって絶対時間は重要でないので、受信局間において任意に選択することが可能である。
【００１８】
本発明による勾配及びｙ切片の多項式係数が一旦求められると、対をなす受信局用の０以外のＴＤＯＡが補正される。受信局１２−１８及びビーコン１０の各々の間の距離についての既知の差が、バイアス即ち２対の受信局間における実際のＴＤＯＡに適用された修正率、並びにビーコン１０及び受信機１２−１８の既知の位置から計算される期待値であるＴＤＯＡを求めるのに用いられる。
本発明による修正段階が一旦採られると、いずれのクロックも該クロックに関連し、該クロックに同期させるために用いられる３つの数値を有する。各クロックは、通常は周波数偏差によって生じる１と異なる値を持つ勾配ｍ、クロックの任意の開始時間から求められるｙ切片ｂ、及び各受信局１２−１８への異なる距離によって生じるバイアスを有する。
【００１９】
移動装置２０によって送られるパケット２４が受信局１２−１８のうちの１つによって受信される時が、受信局のクロックによってタイムスタンプされた時である。次に、タイムスタンプは、周波数偏差及び内蔵クロックの任意の開始時刻を補正するように調節される。更には、対をなす受信局間のＴＤＯＡは、公式ＴＤＯＡ_A/B＝ｔ_A−ｔ_Bを用いて、即ち移動装置２０から送られてくるパケットの調整された受信時刻を用いて計算される。ＴＤＯＡ_A/Bが求められた後に、クロックの同期段階において実行されたｍ及びｂの計算に関連したゼロ以外のＴＤＯＡを補正するために、バイアスが加算される。少なくとも２対の受信局についてＴＤＯＡが計算されると、移動装置２０の位置を、双曲線３点測量を用いて求めることができる。
【００２０】
図３には、本発明の実施形態により受信局のクロックを同期させ、移動装置の位置を求めるために用いられる方法を記載するフローチャートが示される。この方法は、図２に示した構成要素に関して記載されるが、該方法を異なる多数の受信局、移動装置及びビーコンを備えた他の構成に適用することもできる。段階１００において、参照パケット２２がビーコン１０から送り出され、受信局１２−１８によって受信される。上記したように、段階１０２において、ビーコン１０と各受信局１２−１８との間が等距離であると仮定して、各受信局に関する勾配ｍ及びｙ切片ｂが計算される。
勾配及びｙ切片が一旦計算されると、段階１０４において、各受信局に関するバイアスが計算される。バイアスは、上記したように、ビーコン１０及び受信局１２−１８の既知の位置から計算される。段階１００、１０２及び１０４は、同期段階の一部であり、移動装置２０の位置検出を遂行することができるように受信局のクロックを測定するのに用いられる。クロックが同期させられた後の段階１０６から１１２までは、移動装置２０の位置を検出するためのものである。
【００２１】
段階１０６において、パケット２４が移動可能な装置２０から送付され、少なくとも２対の受信局によって受信される。対の受信局のためのＴＤＯＡは、段階１０８において、内蔵クロックを同期させるように計算済みの勾配ｍ及びｙ切片を利用して計算される。段階１１０において、計算済みのＴＤＯＡ値は、段階１０４において計算されたバイアス値を用いて修正され、且つ対の受信局に関するＴＤＯＡの修正値が双曲線を計算するのに用いられ、該双曲線に沿って移動装置２０の位置が位置検出される。尚、少なくとも２対の受信局に関して計算された双曲線は、上記したように、移動装置２０の位置を検出するために段階１１２において用いることもできる。
【００２２】
本発明は、１つの移動装置及び４つの固定受信局を有する実施形態に関して記載した。しかしながら、他の実施形態として、追加の移動装置及び／又は追加のビーコン及び／又は追加の受信局又はより少ない受信局を有するように工夫することが可能である。従って、冒頭の特許請求範囲に記載された本発明の最も広い精神及び範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変形でもって実施をすることができる。本明細書と図面は、従って、限定的な意味ではなく説明のためのものと看做されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態による移動無線装置の位置を求めるために用いられる双曲線の交点を表すグラフである。
【図２】 本発明の１つの実施形態による送受信する無線装置の例示的配置である。
【図３】 移動装置の位置を検出するために用いられる受信局のクロックを同期させる本発明による方法の実施形態を示す。
【符号の説明】
１０ ビーコン
１２ 受信局
１４ 受信局
１６ 受信局
１８ 受信局
２０ 移動装置
２２ 参照パケット
２４ パケット

Claims (15)

1. システムにおける対をなす第１組の第１と第２の受信局Ａ、Ｂの内蔵クロックを同期させる方法であって、
   対をなす第１組の第１と第２の受信局Ａ、Ｂの地理的中央地点に近接する既知の位置にあるビーコンから一連の参照データ・パケットを送信し、
   前記ビーコンが前記地理的中央地点にあると仮定し、
   前記受信局Ａによる特定の参照データ・パケットの受信時刻である第１の到達時刻ｔ _A と前記受信局Ｂによる前記参照データ・パケットの受信時刻である第２の到達時刻ｔ _B とを、前記一連の基準データパケットの各々に対しプロットすることによって第１の到着時刻ｔ _A と第２の到着時刻ｔ _B とに相関関係をもたせ、
   線形多項式適合ｔ _B = ｍｔ _A + ｂを計算し、ここで、勾配ｍは、前記受信局Ａ、Ｂの前記内蔵クロックの周波数の差の関数であり、ｙ切片ｂは前記受信局ＡとＢの内蔵クロックの異なる開始時間によるずれであり、
   前記ビーコンと前記受信局Ａ、Ｂ間の距離の既知の差を用いて前記内蔵クロックに関するバイアスを求め、
   前記勾配ｍと前記ずれｂと前記バイアスとに従って前記受信局Ａ、Ｂの前記内蔵クロックを同期させる、
   段階を含む方法。
2. 第３及び第４の受信局の前記相関段階及び前記計算段階を繰り返し、前記第３及び前記第４の受信局の勾配、ｙ切片、及びバイアスのそれぞれを更に求める段階を更に含む請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の受信局Ａに関連して第３の受信局の前記相関段階及び前記計算段階を繰り返し、前記第１及び前記第３の受信局の勾配、ｙ切片、及びバイアスのそれぞれを更に求める段階を更に含む請求項２に記載の方法。
4. 移動装置によって送付された第１のデータ・パケットの到達時刻、並びに、受信局の第１及び第２の対の各々が前記第１、第２、第３及び第４の受信局のいずれか２つを含み、前記第１の対が前記第２の対に含まれない少なくとも一つの受信局を含む場合において、前記第１及び第２の対の受信局について計算された勾配、ｙ−切片及びバイアスの関数として、前記第１及び前記第２の受信局と前記第３及び前記第４の受信局との間の到達時差を修正する段階を更に含む請求項３に記載の方法。
5. 所定の割合で受信局の内蔵クロックの同期を更新するために送信、比較及び計算段階を繰り返す段階を更に含む請求項１に記載の方法。
6. 請求項１に記載の方法に従って、複数受信局の内蔵クロックを同期させ、
   前記受信局の第１及び第２の受信局によって前記移動装置からのデータ・パケットを受信し、
   前記第１及び第２の受信局における前記データ・パケットの同期した到達時刻を求め、
   前記第１及び第２の受信局の間の到達時刻差を計算し、
   同期した前記到達時刻の関数として、双曲線３点測量を用いて前記移動装置の前記位置を計算する、
   段階を含む移動装置の位置を求める方法。
7. 第１及び第２の対が、第１受信局、第２受信局、第３受信局及び第４受信局のうちのいずれか２つの受信局を含み、前記第１の対が前記第２の対に含まれていない少なくとも一つの受信局を含む場合において、少なくとも前記第１の対及び前記第２の対の受信局に対応する同期した到達時刻を求める段階を更に含む請求項６に記載の方法。
8. 第１、第２及び第３の対が、第１受信局、第２受信局、第３受信局、第４受信局、第５受信局及び第６受信局のうちのいずれか２つの受信局を含み、前記第１の対が前記第２及び第３の対に含まれていない少なくとも一つの受信局を含み、前記第２の対が前記第３の対に含まれていない少なくとも一つの受信局を含む場合において、少なくとも前記第１の対、前記第２の対、及び前記第３の対の受信局に対応する同期した到達時刻を求める段階を更に含む請求項６に記載の方法。
9. 前記同期段階が、
   既知の位置におけるビーコンから参照データ・パケットを送信し、
   前記第１受信局における参照データ・パケットの受信時刻である第１の到達時刻と前記第２の受信局における参照データ・パケットの受信時刻である第２の到達時刻とを比較して、相関関係にある到達時刻データを求め、
   相関関係にある到達時刻データと前記第１の到達時刻及び前記第２の到達時刻との関数として線形多項式適合を計算し、
   前記線形多項式適合の関数として前記第１及び前記第２の受信局における前記参照データ・パケットの到達時刻を同期させる段階を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
10. 内蔵クロックを有する複数の受信局と、
    前記受信局に接続されたプロセッサと、
    前記受信局の地理的中央地点に近接する既知の位置を有し、一連の参照データ・パケットを前記受信局に送信するように適応されたビーコンと、
    を含み、
    前記受信局のそれぞれが前記プロセッサに一連の前記参照データ・パケットの到達時刻を転送するようにし、
    前記プロセッサは、対をなす一組の受信局Ａ、Ｂに関する線形多項式適合ｔ _B = ｍｔ _A + ｂを計算し、ここで、ｔ _A 、ｔ _B は、それぞれ受信局Ａ、Ｂにおける前記一連の到達時刻であり、勾配ｍは、前記受信局Ａ、Ｂの前記内蔵クロックの周波数の差の関数であり、ｙ切片ｂは前記受信局ＡとＢの内蔵クロックの異なる開始時間によるずれであり、
    前記ビーコンと前記受信局Ａ、Ｂ間の距離の既知の差を用いて前記内蔵クロックに関するバイアスを計算し、
    前記プロセッサは、さらに前記勾配ｍと前記ずれｂと前記バイアスに従って、前記受信局Ａ、Ｂの前記内蔵クロックを同期させるようになっている、
    ことを特徴とする移動装置位置検出ネットワークにおける内蔵クロックを同期させるためのシステム。
11. 前記受信局が複数対に区分けされ、少なくとも２対が前記移動装置の位置検出に用いられることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
12. 前記プロセッサが、前記複数受信局のうちの第１の受信局による前記参照データ・パケットの受信時刻である前記第１の到達時刻と前記複数受信局のうちの第２の受信局による前記参照データ・パケットの受信時刻である第２の到達時刻とを受信し、前記プロセッサが、相関関係にある到達時刻データを求めるために前記第２の到達時刻に対して前記第１の到達時刻を比較し、前記ビーコンと前記第１及び前記第２の受信局との間が等距離にあると仮定して、前記プロセッサが前記相関関係にある到達時刻データと前記第１及び前記第２の到達時刻との関数として勾配及びｙ切片を計算し、前記プロセッサが、前記ビーコンと前記第１及び前記第２の受信局との間の既知の距離差から、前記相関関係にある到達時刻データのバイアスを計算することを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
13. 位置検出システムの受信局内蔵のクロックを同期させる方法であって、
    前記位置検出システム内の一組の受信局Ａ、Ｂに関して、
    既知の位置におけるビーコンから一連の参照データ・パケットを送信し、
    前記ビーコンが前記受信局Ａ、Ｂの前記地理的中央地点にあると仮定し、
    前記受信局Ａによる特定の参照データ・パケットの受信時刻である第１の到達時刻ｔ _A と前記受信局Ｂによる前記参照データ・パケットの受信時刻である第２の到達時刻ｔ _B とを、前記一連の基準データパケットの各々に対しプロットすることによって第１の到着時刻ｔ _A と第２の到着時刻ｔ _B とに相関関係をもたせ、
    線形多項式適合ｔ _B = ｍｔ _A + ｂを計算し、ここで、勾配ｍは、前記受信局Ａ、Ｂの前記内蔵クロックの周波数の差の関数であり、ｙ切片ｂは前記受信局ＡとＢの内蔵クロックの異なる開始時間によるずれであり、
    前記ビーコンと前記受信局Ａ、Ｂ間の距離の既知の差を用いて前記内蔵クロックに関するバイアスを求め、
    前記勾配ｍと前記ずれｂと前記バイアスとに従って前記受信局Ａ、Ｂの前記内蔵クロックを同期させ、
    これらの段階を前記位置検出システムにおける第２組の受信局について反復する、
    段階からなる方法。
14. 前記複数の受信局のうちの最初の受信局が前記第１の対及び前記第２の対の受信局の両方に含まれることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１対の受信局が第１及び第２の受信局を含み、前記第２対の受信局が第３及び第４受信局を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。

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