JP2005086579A - 近距離無線通信による移動体の位置検出システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来産業的に利用されている位置検出技術であるＧＰＳでは屋内や地下では衛星からの電波が届かず利用できない。本発明は、屋内や地下でも利用できる安価な位置計測及びナビゲーションシステムの提供するものである。
【解決手段】
近距離無線通信機を備えた移動端末と基地局の位置情報通信網により、送受信電力を比較することで端末と基地局間の距離を計測して、三点測量の原理によりユーザーの位置を決定し、該近距離無線通信によって地図や店舗の情報などの位置情報コンテンツをユーザーに対して配信する。
【選択図】 図１

Description

本発明は位置検出手段を備えた近距離無線通信端末とこのシステムを用いた地図情報及び位置情報コンテンツの提示システムに関するものである。

移動体の位置検出にはＧＰＳを用いた方式がもっとも普及しており、従来のカーナビゲーションシステムのみでなくＧＰＳ搭載の携帯電話など人の位置検出にも有効に使われるようになってきている。

携帯電話やＰＤＡなどの携帯情報端末で取得した位置情報に応じて、ユーザー（移動体）の現在地の周辺地図をサーバーからダウンロードして表示したり、周辺の飲食店など店舗の情報を検索したりと、位置情報を基にしたサービスが展開されつつある。
特開２００２−２０９２４６号公報、特開２００２−２９０３２１号公報

ＧＰＳを用いた位置検出技術では、屋内や地下、高架橋の下などＧＰＳ衛星からの電波を補足しづらい地点においては正確な測位ができず、位置精度の低下もしくは位置検出機能が発揮できない問題点がある。

また、ＧＰＳ衛星とＧＰＳ受信機との間には通信の双方向性がないために、ユーザーが位置に応じた情報を得たい時にはユーザーの位置情報を携帯電話やＰＨＳなどのネットワークインフラを利用してサーバーに通知し、コンテンツを取得する必要がある。このように位置情報の取得とコンテンツの獲得の手段を別々に切り分けることは、コンテンツの獲得に時間がかかりスムーズでリアルタイムなサービス提供を阻害するものである。

ＧＰＳの電波圏外に当たる屋内での位置検出手段としては、赤外線を用いたものやカメラを用いたものなどが研究されているが、特殊な装置を用いるため高価である。

本発明の目的は、ブルートゥースなどの汎用の近距離無線通信機を用いた安価な屋内位置検出装置の提供と、上記近距離無線通信リンクを用いた高速で即時性の高い情報コンテンツ獲得の手段を提供することである。

ユーザーは移動端末（移動体のもつ端末）を用いて基地局との間で近距離無線通信による送受信電力のやり取りを行うことで基地局側においてユーザーの位置検出を行い、ユーザーの位置に応じて地図や店舗情報などの位置情報と関連したコンテンツを基地局のコンテンツサーバーから該近距離無線通信によりダウンロードし、前記移動端末に表示する。

従来のブルートゥースを用いた位置検出（特開２００２−２０９２４６号公報、特開２００２−２９０３２１号公報など）では、ブルートゥースの基地局からの通信サービスエリア内に端末が存在するか否かを検出するものであった。しかしながらこのような方式だと端末がどの基地局の周囲に存在しているかという低い精度でしか位置を特定できないだけでなく、障害物による通信環境の変化や送信電力制御による端末からの送信電力の変化に対して対応できない。

また、ＧＰＳの位置測定方式のひとつとして詳細に位置を測定できるモードである干渉測位方式があり広域的な地理測量に用いられているが、この方式を近距離無線通信を用いて屋内位置検出に適用する場合、移動端末と基地局間の距離が短くなってしまい、電波の到達時間の差が極微なものになり位相差の測定が困難である。

さらに、屋内や地下などローカルエリアにおける位置計測を実現するに当たり、測位すべき移動体の数が不特定多数に及び、なお基地局の数が非常に多くなるために、基地局や移動端末のアドレスをすべて装置内に保持しておくことは不可能である。このため、ユーザーは自らが存在する位置情報通信網内の基地局のアドレスを自動的に取得し、また各基地局も該基地局の属する位置情報通信網に新たに参加した移動端末のアドレスを自動的に取得するための仕組みが必要である。

基地局の設置を必要とするインフラ依存型の位置情報システムでは、安価で簡便なシステムを構成するにあたり、新たなインフラを設置する際に機器の設定などの手間を極力必要としないことも重要である。

位置測定用の基地局ネットワークによって構成される位置情報通信網内において、ユーザーの所持する移動端末は近距離無線通信によって基地局の備える近距離無線通信機との間の通信リンクにおける送受信電力や搬送波の位相差を測定することで、基地局との間の距離を測定する。移動端末と複数の基地局との距離を計測し三点測量の原理を用いることで、ユーザーの位置を計測する。

前記近距離無線通信機を用いた距離計測について、通信データの中に送受信電力を盛り込む方法、送信電界強度を段階的に変化させてそれぞれ異なるアドレスに対応付けてアクセスを行う方法、搬送波の位相差を測定する干渉測位方式の３つの測位方法を持ち、それぞれの測位方法をユーザーの使用目的に応じて選択的に切り替えることにより位置計測の高速化や端末の低消費電力化を実現する。

基地局は位置計測の対象となるエリア内に複数配置され、基地局と基地局間は前記近距離無線通信や有線のネットワークによって相互接続され、一定のエリア内での位置情報通信網を形成する。基地局は内蔵されたＧＰＳにより個別の絶対位置を計測し、また近距離無線通信によって互いの相対位置関係とアドレスを相互に交換することで、位置情報通信網内での基地局同士の位置関係や主従関係を自動的に構成する。

移動端末は、近距離無線システムの問合せ（インクワイアリ）機能や、無線ＬＡＮや携帯電話パケット通信など他の無線通信手段の補助により、ユーザーが属するエリアの位置情報通信網内にある基地局のアドレスを当該エリア内に入った際に自動的に取得する。

位置検出結果はユーザーの持つ移動端末及びコンテンツサーバーへと送られ、コンテンツサーバーから移動端末へユーザーの周辺の地図がダウンロードされる。ダウンロードされた地図は前記制御部に出力され、前記制御部によって表示形態を制御された後に前記表示部に表示される。

コンテンツサーバーはユーザー若しくは移動端末からの要求に応じて、位置情報をもとにコンテンツを検索し、前記近距離無線通信によって移動端末側に情報を送信する。

位置計測と情報配信の手段が分離しておらず、同一の近距離無線通信を用いていることで、位置計測から情報配信までの時間を短縮し、サービスの改善、向上を図ることが可能である。

この位置情報通信システムを用いることで、従来のＧＰＳの使用できない屋内や地下においても位置情報通信網を形成することができ、位置情報コンテンツを高速かつ効率的に取得できる。

本移動端末では測位方法を用途に応じて段階的な位置検出から詳細な位置検出まで切り替えることができ、ユーザーの要求に応じた位置測定精度の仕様変更や消費電力の低減、測位時間の短縮が可能である。

その測位方法の一つとして基地局側の近距離無線通信機が本来持つ固有のネットワーク・アドレス以外に送信電力通知用の仮想アドレスを複数登録し、移動端末からの送信電力ごとに上記仮想アドレスをひとつずつ対応付けて別々にアクセスを行うという構成をとったため、現段階の移動端末からの送信電力（通信エリアの範囲の大きさ）を基地局に通知し、またアクセスコード相関器を使って高速にこれを検出することができる。

別な測位方法として、近距離無線システムの通信データの中に、移動端末が発している送信電力を書き込んで基地局へ送信することで、移動端末側の送信電力を基地局に通知し、これを基地局における受信電力と比較することで空間伝播減衰から位置を詳細に測定することができる。

もう一つの測位方法として、ブルートゥースなど双方向通信が可能である近距離無線通信機を用いることで、搬送波を複数回往復させて位相差を往復回数だけ蓄積させ、微小な位相差の測定が可能になった。

本位置計測システムにおける基地局は、手動による設置位置の登録もしくはＧＰＳによる絶対位置計測を行ったうえで、必要であれば基地局同士での近距離無線通信による問合わせ機能を用いて相対位置関係の測定をするという構成をとったため、基地局設置時における基地局同士のネットワーク網を形成し、その地理的配置を記憶させるための設定で、人が手動で行わなければいけない部分を極力減らすことができる。

本発明の移動端末は、ユーザーの位置検出手段としてブルートゥースなどの近距離無線通信機を有し、ユーザーに地図や情報コンテンツを表示する表示部を備えた表示装置とこれらの通信機能や表示形態を制御する制御部を備えている。

本発明の基地局は移動端末と通信を行うための近距離無線通信機と測位演算を行う演算部、及び地図や店舗情報などの情報コンテンツを蓄積しユーザーの移動端末からの要求やユーザーの位置や移動速度に応じて情報コンテンツを提供する位置演算・コンテンツ配信用サーバーを備えている。

上記基地局は位置計測の対象となるエリア内に複数配置され、基地局と基地局間は前記近距離無線通信によって相互接続され一定のエリア内での位置情報通信網を形成する。基地局は内蔵されたＧＰＳにより個別の絶対位置を計測し、また近距離無線通信によって互いの相対位置関係とアドレスを相互に交換することで、位置情報通信網内での基地局同士の位置関係や主従関係を自動的に構成する。

移動端末は、ユーザーが存するエリアの位置情報通信網内にある基地局のアドレスを当該エリア内に入った際に自動的に取得し、移動端末の持つ記憶部に記録する。このときブルートゥースなど近距離無線システムの持つ問合せ（インクワイアリ）機能を使ってアドレス取得を行う方法が移動端末からの問合せと基地局からの問合せの２種類と、無線ＬＡＮや携帯電話パケット通信など他の無線通信手段の補助によりアドレス取得する方法と合計３種類のモードを持っており、消費電力やネットワークの状態を基準にして選択的に切り替えることができる。

位置情報通信網に参加した移動端末は、当該位置情報通信網内にある基地局との間でそれぞれが持つ近距離無線通信機により無線通信を行い、端末・基地局間の距離を計測する。この際、移動体の位置計測を高速に行いたい場合は、送信電力を数段階に制御することによる通信可能エリアの変化を用いて簡易的な距離計測を行う。基地局側が電波を受信したかどうかで移動端末が存在するエリアを数段階ごとに計測するものであるが、単純に送信電力を変化させただけでは基地局側に現在の送信電力を通知することができず、基地局は移動端末との距離を判定することができない。送信電力を走査する際に送信電力ごとに割り当てられた別々の仮想アドレスを用いて通信することにより、現在使用中の送信電力を基地局に通知し、移動端末と基地局間の距離を判定する。

詳細な位置計測をする必要がある場合は、送信電力と受信電力との比較を行い、空間伝送損失から２点間の距離を計測する。移動端末は計測対象となる端末・基地局間の通信リンクにおける移動端末からの送信電力を測定し、通信データの中に送信電力を盛り込んで基地局に送信する。移動端末からの送信電力データを受信した基地局は基地局における受信電力を測定し、送信電力と受信電力の比から２点間の距離を計測する。

さらに固定基地局同士の相対的な位置関係や地理的な測量などより詳細な位置関係を測定したい場合には、搬送波の位相差を測定し複数地点間の基線解析を行う。本システムは、屋内やローカルなエリアで用いるため、ＧＰＳの干渉測位法と比較して搬送波の行路長が短いために到達時間が極端に短くなってしまい、位相差の測定が困難であるという問題点があるが、電波を相互に複数回往復させて積算位相差を拡大させることで、近距離における搬送波の位相差測定を可能にする。

上記のようなそれぞれの方法で一台の移動端末と複数の基地局との間で計測された距離を基地局同士で相互に交換し、三点測量法によりユーザーの位置検出を行う。

位置検出結果はユーザーの持つ移動端末及びコンテンツサーバーへと送られ、コンテンツサーバーから移動端末へユーザーの周辺の地図がダウンロードされる。ダウンロードされた地図は前記制御部に出力され、前記制御部によって表示形態を制御された後に前記表示部に表示される。

コンテンツサーバーはユーザー若しくは移動端末からの要求に応じて、位置情報をもとにコンテンツを検索し、前記近距離無線通信によって移動端末側に情報を送信する。

以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１及び図２を参照して、位置計測システム全体のシステム構成と通信のやり取りについて説明する。

移動端末２は基地局１との間でブルートゥースなどの近距離無線通信により位置を測定する。位置計測と共にユーザーの個人情報をやり取りし（Ｓ１）、それに応じて地図情報などのコンテンツを配信する（Ｓ２）。ユーザーの移動速度に応じて位置情報送出間隔を制御する（Ｓ３）ことで端末の消費電力を低下させ、またユーザーの移動方向にある次の基地局の情報を前もって送出する（Ｓ４）ことで、位置情報を途切れることなく取得することが可能である。

迷子の探索や徘徊老人の救護など、外部からの位置探索要求のあるとき（Ｓ５）には、インターネット５を介して情報センター１００から端末の詳細位置を取得することが可能である。道路交通情報や災害情報など、ユーザーに提供するコンテンツの更新が必要な場合も、情報センター１００からインターネット５経由で位置演算・コンテンツ配信用サーバー３に格納されたコンテンツを新たに追加・修正することが可能である。

図３及び図４を参照して、ユーザー（移動体）が持つ移動端末とインフラとなる基地局について電気的構成とその機能を説明する。移動端末はユーザーが携帯して位置情報を測定し、地図や音声などの表示、再生を行うための装置である。基地局は移動端末との間で近距離無線通信を行うことでユーザーの位置を検出し、ユーザーに位置情報やそれに付随するコンテンツを提供するための装置である。

図３に示す移動端末は、単体として携帯する使用形態やＰＤＡや携帯電話などの携帯情報端末のアダプターとして装着する使用形態を想定する。移動端末２は主な位置取得手段としてブルートゥースなどの近距離無線通信部７を持ち、ＧＰＳやジャイロスコープ、地磁気センサなど他の位置取得手段と併用し互いの出力を補間する形で、ユーザーの位置を詳細に計測する。キー入力、音声入力等も含めた入力部８によって、目的地や現在地の周辺の店舗などについての検索項目を入力し、基地局から近距離無線通信により地図や音声ナビゲーション情報などのコンテンツをダウンロードし、表示部１１や音声出力部１２に出力しユーザーに要求された情報を提供する。これら各モジュールはマイコンを主体とした制御部６によって制御される。ＰＤＣ／ＣＤＭＡ／ＰＨＳインタフェース１３は、基地局のアドレス取得に携帯電話やＰＨＳなどの補助的通信手段を使う場合のために用いられるもので、必ずしも必要としない。

図４に示す基地局は、イベント会場や地下鉄ホーム、地下駐車場、学校キャンパス、工場の構内など位置計測の対象となるエリア内に複数設置し、移動端末との間で双方向の近距離無線通信を行う。基地局１は、位置情報測定用とコンテンツ送出用とでそれぞれ通信機を分離し、複数の近距離無線通信部１４を制御部１５によって並列処理することで、複数の移動端末との通信を高速化する。基地局の設置場所の情報やセキュリティなどの設定のために入力部１６と外部インタフェース２３を持つ。コンテンツ格納部１８には、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭなどの電子媒体を用いて周辺地図や周囲の店舗ガイド、イベント情報などのコンテンツを格納することができるが、ユーザーが要求するコンテンツを当該基地局が保持していない場合は、無線ＬＡＮ、有線ＬＡＮ、携帯電話パケット網などの通信インタフェース２２を通じて別途設置する位置演算・コンテンツ配信用サーバー３にアクセスすることで、コンテンツを取得・送信することが可能である。前記通信インタフェース２２は、基地局同士で位置情報のやり取りを行う用途にも使用可能である。

基地局から移動端末へ送出されるコンテンツは、ユーザーの周辺地図である場合以外に、目的地までの経路案内の音声情報、ユーザー周辺の建物の情報、交通混雑情報、店舗のキャンペーン情報、イベント情報などが含まれ、コンテンツ提供者はインターネット５を介して位置演算・コンテンツ配信用サーバー３にアクセスし、新たなコンテンツを登録することができる。

基地局を対象エリアに設置した際、基地局同士はユーザーの位置情報を交換するための位置情報通信網１０１を形成する。位置情報通信網は、基地局同士を有線ＬＡＮや無線ＬＡＮ、構内ＰＨＳなどで接続したネットワークである場合や、基地局が有する近距離無線通信のネットワーク（例えば、ブルートゥースの場合、ブルートゥースのスキャッターネット）である場合などがある。位置情報通信網の形成においては、基地局同士のネットワーク上の相対的な位置関係を構成する必要があるが、手動の設定を必要としない位置情報通信網の自動的な構成法について図５を参照して説明する。

図５では、複数の基地局を対象エリアに設置後、親基地局となるひとつの基地局ａはＧＰＳの単独測位か手動による設定で自らの絶対位置を特定し、同時にブルートゥースなど近距離無線システムの持つ問合せ（インクワイアリ）機能を用いて周囲に存在する基地局のアドレス（ブルートゥース通信機の場合、ＢＤアドレス）を取得する。このとき、位置情報通信網内の基地局のネットワーク上での配置をわかりやすく表現するために、基地局それぞれに階層的な網内アドレスを付与する。一例を示すと、親基地局ａは０３という網内アドレスを持っている場合、インクワイアリによって発見された子基地局ｂ、ｃはそれぞれ０３−０１、０３−０２という網内アドレスを付与される。次に基地局ｂは同様にインクワイアリによって基地局ｅのアドレスを取得し、網内アドレス０３−０１−０１を与える。このような手段によって新たな基地局が発見されなくなるまでインクワイアリを繰り返し、エリア内に存在する全ての基地局に階層的な網内アドレスを設定し、このデータベースを各基地局が保持して位置情報通信網１０１を構成する。各基地局に付与された網内アドレスのデータベースは親基地局ａに付随するモデム２４を介して無線、有線の手段によりインターネットに伝達される１０２。

複数の基地局が既に位置情報通信網を構成している状態で、そこに新たな基地局を設置した際には、新たに設置した基地局がインクワイアリをかけるか、基地局に定期的にインクワイアリをかける機能を備えることで、新たに設置された基地局を既に構成された位置情報通信網に自動的に追加登録する。

移動端末は、位置計測とコンテンツ獲得のために最近隣の位置情報通信網に加入する（ネットワークのノードのひとつに組み込まれる）必要がある。この際、最近隣の位置情報通信網に属する基地局のアドレスが必要となるが、移動端末と基地局は以下に説明する３つの方法の何れかを用いて、互いのアドレスを交換する。それぞれのアドレス取得方法について図６〜８を参照して説明する。

図６に示す方法は、基地局がインクワイアリをかけ、移動端末が応答しアドレスを返信するものである。図６においては、移動端末２の位置が位置情報通信網１０５に最も近いため、位置情報通信網１０５に加入することになる。この方法では、基地局にはインクワイアリを発する近距離無線通信機が複数備わっているため、端末の発見効率（端末発見の所要時間の短縮、発見の漏れの少なさ）が高い。しかしながら、移動端末２を常に基地局からのインクワイアリ待ち受け状態にしておく必要があるため、移動端末２の消費電力が増大する。テーマパークの入り口や鉄道の改札口など、多数のユーザーの認識を同時に行う必要がある場合に有効な手段である。

図７に示す方法では、移動端末２がインクワイアリをかけ基地局のアドレスを取得し、位置情報通信網１０５に加入する。この場合、移動端末２をインクワイアリ待ち受け状態にする必要が無いため消費電力を抑えることができ、また移動端末の移動速度に応じてインクワイアリの間欠周期を制御することができる。端末の移動速度が速いときにはアクセスの周期を短くし通信ウィンドウの比率を大きくすることで、基地局との通信成功確立を高める。反対に端末の移動速度が遅い場合には、アクセス周期を長くし通信ウィンドウの比率を小さくすることで、端末の消費電力を低減させる。

図８に示す方法では、移動端末２は携帯電話のパケット通信など他の補助的ネットワーク手段１０６によって基地局のアドレスを取得し位置情報通信網１０５に加入する。ネットワーク情報の確実な取得が可能であるが、位置情報通信網の動的な変化には対応しづらい。また、地下など携帯電話が電波塔２５と通信できない場所ではこの方法は使用できない。

このように位置情報通信網内の基地局や移動端末のアドレスを取得するための手段として３つの方法を選択することが可能であり、端末の電池残量や外部ネットワークの使用可否状態などを指標にして、それぞれの状態を自動・手動で切り替えることができることを特徴とする。図９に示すように例えば移動端末２の発見効率を高めたいという理由で基地局からのインクワイアリ方式を用いている場合に、移動端末２の電池残量が少なくなってきたときは、自動的に端末からのインクワイアリ方式に切り替えるなどの状態遷移１１０が可能である。また、携帯電話の補助的ネットワークによってアドレス取得を行うモードから、携帯電話の圏外である地下に入ったときに自動的に基地局からのインクワイアリに切り替える１１２ことが可能である。

本発明の実施の一例として、本システムを展示会場や遊園地、スポーツスタジアムなどある特定の目的を持った空間内で用いる場合、エリア内への人の出入りは入り口や出口の特定の箇所に絞られることが多い。当該エリアに出入りする人が所有する移動端末のアドレスを検出するために、入り口に専用の高速インクワイアリ用基地局を設置し、基地局と移動端末との間で近距離無線通信を行うことで、複数の人の出入りの把握及び各移動端末への網内基地局のアドレスの受け渡しを行う。移動端末は前記入り口専用基地局から当該エリア内の基地局の個数とそれぞれのアドレスを近距離無線通信により取得し、メモリに蓄える。

本発明の実施の一例として、本システムを大学のキャンパスや病院・工場・地下鉄などの屋内・地下施設内など、エリア内への人の出入りがある一定の場所に限られない場合は、移動端末からのインクワイアリを行うことで、付近の基地局のアドレスを取得する。

移動端末が基地局の形成する位置情報通信網に加入した後、ユーザーの位置情報を検出するためのフェーズに移るが、位置検出の要求精度や位置検出に要する時間によって、３つの異なる測位方法を選択することができる。これらの各方法について図１０〜１４を参照して説明する。

はじめに、数段階程度の簡易的な位置情報を瞬時に取得するための測位方法を、図１０〜１２を参照して説明する。図１０に示す方法では、移動端末は基地局に対して異なる電界強度で周期的にアクセスすることで、該基地局との距離を段階的に検出する。以下に特にブルートゥースを用いた場合について、図１１、図１２のメッセージ・シーケンス・チャートを参照しながら詳細な測定方法を説明する。

移動端末は取得した基地局のアドレスから算出されるアクセスコードを用いてあるひとつの基地局に対して呼出し（ページング）をかける。移動端末はブルートゥース接続要求を表すＩＤパケットを送信し（Ｓ６）、基地局からの接続要求応答を待つ。一定期間基地局からの応答がなければ、通信範囲内に基地局が存在しないと判断し（Ｓ７）、送信電力を一段階増加させてもう一度同じ基地局に対してアクセスを行う（Ｓ８）。ブルートゥース通信では周波数ホッピングが採用されており、複数回のＩＤパケット送信の後に端末と基地局の通信周波数が一致する（Ｓ９）と、接続要求を受け付けたことを表すＩＤパケットが基地局から返信される（Ｓ１０）。このように移動端末側のブルートゥース通信部は送信電力を段階的に増大させながら基地局にアクセスし、初めて基地局からの応答があったところの送信電力と通信距離との相関関係から、基地局と移動端末間の距離を推定する。

しかしこの方法では、移動端末側は現在の送信電力から基地局との距離を推定することが可能であるが、基地局側に移動端末からの送信電力を知らせることができない。たとえば工場内において作業員の位置を連続的にモニターしたい場合などは、端末を持ったユーザーだけでなく基地局側へも位置情報を伝達する必要がある。

この問題を解決するために、一つの基地局にそのブルートゥース通信機が持つ固有のＢＤアドレスとは別に複数の仮想アドレスを付与することを考える。前記接続要求の際、移動端末側からの送信電力を基地局の一つの仮想アドレスに対応付け、送信電力に対応したアクセスコードで基地局にアクセスすることで、基地局側に現在の送信電力を知らせることができる。図１０に例示するように、送信電力１ｍＷの場合はアクセスコードＦＤを用い、送信電力を１０ｍＷに増加させた場合はアクセスコードをＦＥに変えてアクセスする。送信電力を１００ｍＷに増加させた場合はアクセスコードＦＦとして該基地局にアクセスする。ただし、これらのアクセスコードＦＤ、ＦＥ、ＦＦはいずれも同一の基地局が持つ仮想的な位置情報取得用アドレスである。

基地局のブルートゥース通信部では、移動端末側の送信電力ごとに割り当てられた複数の異なるアクセスコードをブルートゥース通信機に内蔵されたアクセスコード相関器に登録し、移動端末からの本基地局への接続要求を前記アクセスコード相関器の出力のうちある一定の閾値を超えたことを判別することで、移動端末のブルートゥースの送信電力を高速に取得することができる。

基地局からの応答を表すＩＤパケットを受信（Ｓ１０）した移動端末は、移動端末の内蔵するブルートゥース通信機が持つ固有のＢＤアドレスやクロックによって構成されるＦＨＳパケットを基地局に返信する（Ｓ１１）。ＦＨＳパケットを受信した基地局では、測位対象となる移動端末のアドレスを知ることでユーザーを特定することができる。

これらの動作を繰り返し、次に候補となる別な基地局にアクセスして位置計測を継続する。このようなブルートゥースの呼出し機能を応用した位置計測方法では、通信線路の同期の確立や相互のリンク設定の前段階において位置計測を行っているため、簡易的な位置計測を高速に行うことが可能である。

ただし、上記のような方法においては、通信リンクが確保されていないためにコンテンツの送受信ができない。ユーザーからの要求で、地図情報などのコンテンツを取得したい場合には、前記ＦＨＳパケットに位置計測完了後移動端末と基地局との間にデータ通信のできる通信路を確立することを表す１ビットのフラグを付与する。ブルートゥースｖｅｒ．１．１の標準規格においては、このようなフラグは定められていないが、規格中における将来のために予約されたフィールドに、前記リンク確立の有無を表すビットを設ける。

位置情報取得とともに位置や移動速度に応じた情報コンテンツの配信を必要とするときにはデータ通信リンク確立のためのフラグをオンに設定し、単に位置計測のみでよい場合にはフラグをオフに設定する。

前記ＦＨＳパケットを受信した基地局は、ＦＨＳパケットに含まれる移動端末とのデータ通信リンク確立の有無によって、ＦＨＳパケットの受信を表すＩＤパケットを移動端末に送信するか否かを判別する。データ通信リンクを確立する場合には、図１２に示すように、ブルートゥース規格における通常の呼出し処理手続きに従って、移動端末側へＩＤパケットを送信し（Ｓ１２）、リンク管理のための相互の情報を交換した後（Ｓ１３、Ｓ１４）、データ通信のためのリンクを確立する。データ通信リンクを確立しない場合には、通常の呼出し処理を変更し移動端末へのＩＤパケットを送信しない。端末は基地局からの返信パケットを受信できないためにタイムアウトし、次の繰り返し処理に移行する。

基地局との通信リンクを確立した移動端末は、移動体の位置と移動速度に応じて周辺地図や位置情報コンテンツを基地局から獲得する。前回の計測時との移動距離の差分から移動速度が速いと判断したときには、広範囲の地図を提供するなど、移動速度や方向に応じて的確なコンテンツを与えることができる。

次に図１３を参照して移動体の詳細な位置計測の要求がある場合の測位方法について説明する。これは前記呼出し処理を用いた方法ではなく、通信リンク確立後、移動端末と基地局の送受信電力をデータ通信によりやり取りすることで電波の空間伝播損失を算出し、より詳細な位置情報を取得することを特徴とする。

図１３−（１）では、移動端末２は距離測定のために基地局１に対して間欠的にアクセスを行い、現時点の送信電力を通信データに載せて送信する。測位信号を受信した基地局は、当該基地局地点における受信電力を測定し、これを受信信号のデータ中に含まれた前記移動端末における送信出力と比較し、電波の空間伝播損失から移動端末と基地局との間の距離測定を行う。この際、図１３-（２）のように、移動端末との距離を検知した基地局は取得した距離計測結果を位置情報センターに向けて送信する。送受信電力の比と距離との換算については、下記［数１］で表すフリスの伝播公式を用いる。ただし、ｄは端末と基地局間の距離（ｍ）、Ｐｔは移動端末の送信する電波の送信電力（Ｗ）、Ｐｒは基地局の受信する電波の受信電力（Ｗ）、Ｇｔは送信アンテナの絶対利得、Ｇｒは受信アンテナの絶対利得、λは通信に用いる電波の波長（ｍ）である。

図１４に移動端末・基地局間の距離と送受信電力比の関係を示す。図１４はブルートゥースを用いて送受信電力比を測定したものである。グラフの横軸は移動端末と基地局間の距離を表し、縦軸は移動端末側の送信電力と基地局側の受信電力の比をｄＢ表示している。図１４に見られるように、距離と送受信電力とは相関関係を持っており、送受信電力を測定することで距離を推定できる。

送信側の移動端末における送信電力を受信側である基地局に通知しているのは、ブルートゥースなど一般的な近距離無線通信においては、無線通信における消費電力の最適化と、受信電力の平滑化によるデータ検出確率の向上のため、送信電力制御の機能を持っているためである。送信電力が二つの通信機間の距離や周囲の環境の影響により動的に変化するため、送受信電力の比較のためには移動端末からの現時点の送信電力を基地局に通知する必要がある。

移動端末は同様の方法で移動体の近くにある前記基地局とは別の基地局に向けてアクセスを行い、前記測位方法を用いて当該基地局との距離計測を行う。この際、移動端末との距離を検知した基地局は取得した距離計測結果を位置演算・コンテンツ配信用サーバー３に向けて送信する。

複数の基地局と移動端末との間の距離を取得した位置演算・コンテンツ配信用サーバー３は、三点測量法により当該移動端末の絶対位置を算出し、移動端末の測位を行った前記基地局に対して移動端末の絶対位置を送信する。

図１３−（３）のように、移動端末の絶対位置を取得した基地局は、移動端末に対して現在位置と周辺の地図とを送信する。このとき、基地局は移動端末の相対位置の変化から移動体の速度と移動方向を判断し、移動速度の速いときは縮尺の小さな地図を送信し、移動速度が遅いときは縮尺の大きな地図を送信する。

複数の基地局との相対距離の時間的変化から、基地局は端末の移動方向を特定できる。基地局は位置情報通信網の構成時において、手動による設置位置登録やＧＰＳによる自動設置位置登録などの手段でそれぞれの設置位置が既知のものとなっているため、特定の基地局から遠ざかっており別な基地局に近づいているなどの情報を検知すれば、ユーザーの移動方向を特定できる。

移動体が移動するにつれアクセス中の基地局の通信エリアを外れると、次の基地局に対してアクセスをかける必要がある。移動端末はアクセス中の基地局の通信エリアを外れる前に、次にアクセスをかけるべき基地局のアドレスを通信中の基地局から取得する。

それぞれの基地局は位置情報通信網形成時（設置時）にそれぞれの基地局の近距離無線通信機が持つネットワーク・アドレス（ブルートゥースの場合、ＢＤアドレス）を、位置情報通信網の地理的構成に応じて階層的に配置された基地局ごとの網内アドレスと共に持っており、移動体の移動方向に応じて次のアクセス候補となる基地局のアドレスを移動端末に対して送信する。この際移動体の移動方向に応じて、ＲやＬといった左右の方向を表すヘッダを付加する。移動端末は図３のアドレス登録部１０にアクセスすべき基地局のアドレスをデータベースとして保持しており、次にアクセスすべき基地局のアドレスを基地局から取得する際に登録アドレスデータベースを更新する。

移動端末は基地局から受信した移動体の相対位置の時間的差分をとるか、若しくは移動端末に内蔵された速度計を用いて移動体の移動速度を検出する。

図１６に示すように、移動体の移動速度が速い場合１２１には、基地局にアクセスする周期を短くしアクセス時間幅とアクセス周期との時間比率を小さくすることで、基地局を捕捉しやすくする。

移動体の移動速度が遅い場合１２０には、基地局にアクセスする周期を長くしアクセス時間幅とアクセス周期との時間比率を大きくすることで、移動端末の消費電力を低減する。

前記二つの測位モードは、近距離無線通信のシステムを用いた測位方法で主に電界強度を基にして位置を検出した方法であるが、近距離無線通信の搬送波の位相差を測定することで相対位置を検出する方法について、図１５を用いて説明する。

この方法では、測定する２点の相対距離及び方向を検出する目的で使用することができ、測定に時間を要するが精密な測位が可能である。ブルートゥース通信では、２．４５ＧＨｚ帯の周波数を用いておりその波長は約１２ｃｍである。この位相を計測することで、はるかに高い精度で距離計測が可能である。さらに複数の基地局からの距離差を求めることで、２点間距離差の百万分の一程度の精度で２点間の距離と方向を測定できる。この方法は、ＧＰＳにおいては干渉測位法として実用化されている。

しかし、屋内や狭域での短距離無線通信によりこの方法を実施する場合、基地局と端末、あるいは基地局同士の距離が近くなってしまい、電波の到達時間が極端に短いために積算位相差の測定が困難である。この問題を解決するために、基地局１と端末２との間で電波を複数回往復させ、位相差を拡大して測定する。

端末２及び基地局１は、電波を折り返し送受信するための通信機とＰＬＬなどの位相差測定回路２６を内蔵しており、測定された拡大位相差を電波の往復回数だけ除算して真の位相差を求め、基地局と端末間の基線解析により電波の行路差を算出する。

この方法は、位置情報通信網の構成に当たって設置された基地局同士の相対位置関係を測定するためにも使用できる。

移動端末は上記の３つの測位モードを持ち用途や要求仕様に応じてこれらを自動または手動で切り替えることで、位置精度や測位時間の変更が可能である。ただし、本発明の実施例としては上記の３つの測位モードのどれか単独または複数を持つものを排除するものではない。

位置計測システムの全体の構成図である。 位置情報システム全体の通信のやり取りを表すメッセージ・シーケンス・チャート図である。 移動端末の電気的構成図である。 基地局の電気的構成図である。 基地局設置時の位置情報通信網の自動的な構成法を表す。 移動端末の位置情報通信網への加入方法のうち、基地局からのインクワイアリ方式を表す。 移動端末の位置情報通信網への加入方法のうち、端末からのインクワイアリ方式を表す。 移動端末の位置情報通信網への加入方法のうち、携帯電話ネットワークによるアシスト方式を表す。 位置情報通信網への３つの加入方法の状態遷移図である。 移動端末と基地局との間の測位方法のうち、電界強度とアクセスコードを用いた方法の説明図である。 図９の測位方法の移動端末と基地局との間の通信のやり取りを表すメッセージ・シーケンス・チャート図である。コンテンツ配信をせずに位置情報取得のみの場合を表す。 図９の測位方法の移動端末と基地局との間の通信のやり取りを表すメッセージ・シーケンス・チャート図である。位置情報取得後、コンテンツ配信をする場合を表す。 移動端末と基地局との間の距離計測法のうち、電波の空間伝送損失を利用した方式の説明図である。 移動端末と基地局間の距離と、送受信電力比との関係を表すグラフである。 移動端末と基地局との間の距離計測法のうち、搬送波の位相差を利用した方式の説明図である。 端末の移動速度によるアクセス周期制御の説明図である。

符号の説明

１ 基地局
２ 移動端末
３ 位置演算・コンテンツ配信用サーバー
４ バックボーンネットワーク
５ インターネット
６ 制御部
７ 近距離無線通信部
８ 入力部
９ 記憶部
１０ アドレス登録部
１１ 表示部
１２ 音声出力部
１３ ＰＤＣ／ＣＤＭＡ／ＰＨＳ送受信部
１４ 近距離無線通信部
１５ 制御部
１６ 入力部
１７ 記憶部
１８ コンテンツ格納部
１９ 表示部
２０ 網内基地局アドレス格納部
２１ ＧＰＳモジュール
２２ 無線通信部
２３ 外部インタフェース
２４ 通信モデム
２５ 電波塔
２６ 位相測定装置
１００ 情報センター
１０１ 単一の位置情報通信網
１０２ 外部ネットワークインフラとの接続
１０３ 位置情報通信網１
１０４ 位置情報通信網２
１０５ 位置情報通信網３
１１０ 端末高速移動時
１１１ 端末の電力低下時／省電力要求時
１１２ 携帯電話のネットワークが使用不可時（圏外／未サポート時）
１１３ 携帯電話ネットワーク使用可能時
１１４ 携帯電話ネットワーク使用可能時
１１５ １ｍＷ送信時アクセスコードＦＤ
１１６ １０ｍＷ送信時アクセスコードＦＥ
１１７ １００ｍＷ送信時アクセスコードＦＦ
１２０ 「スキャン状態の時間比率を小さくすることで低消費電力化する」ことを説明する図
１２１ 「スキャン状態の時間比率を大きくすることで高速移動に追随できるようにする」ことを説明する図
ａ 位置情報通信網１０１内の基地局、網内アドレス０３
ｂ 位置情報通信網１０１内の基地局、網内アドレス０３−０１
ｃ 位置情報通信網１０１内の基地局、網内アドレス０３−０２
ｄ 位置情報通信網１０１内の基地局、網内アドレス０３−０２−０１
ｅ 位置情報通信網１０１内の基地局、網内アドレス０３−０１−０１
ｆ 位置情報通信網１０１内の基地局、網内アドレス０３−０２−０２
ｇ 位置情報通信網１０１内の基地局、網内アドレス０３−０２−０２−０１
ｈ 位置情報通信網１０１内の基地局、網内アドレス０３−０１−０１−０１
ｉ 位置情報通信網１０１内の基地局、網内アドレス０３−０１−０１−０２
ｊ 位置情報通信網１０１内の基地局、網内アドレス０３−０２−０２−０２

Claims (20)

1. 近距離無線通信による移動体の位置検出手段において、基地局の近距離無線通信機のもつ問合わせ機能を用いて基地局同士の地理的配置とネットワーク内でのノードの構造とを基地局の設置と同時に自動的に取得し、一定エリア内の基地局同士の位置情報通信網を自動的に構成することを特徴とする方法。
2. 基地局同士の地理的配置とネットワーク内でのノードの構造とを基地局の設置と同時に自動的に取得する装置において、問合わせ機能をもつ近距離無線通信機と、自動的に問合わせをして基地局登録を行う制御部及びアドレス登録部を備えたことを特徴とする近距離無線通信による移動体の位置検出システムの位置検出用通信基地局。
3. 近距離無線通信による移動体の位置検出手段において、移動体から最も近い場所にある位置情報通信網に属する基地局のアドレスを移動端末からの問合わせによって取得し、移動端末が該位置情報通信網のひとつのネットワークノードとして位置情報通信網に加わることを特徴とする方法。
4. 移動体から最も近い場所にある位置情報通信網に属する基地局のアドレスを移動端末からの問合わせによって取得し、該位置情報通信網のひとつのネットワークノードとして位置情報通信網に加わる装置において、問合わせ機能をもつ近距離無線通信機と、取得した位置情報通信網内の基地局アドレスを保持するアドレス登録部とを備えたことを特徴とする近距離無線通信による移動体の位置検出システムの移動端末。
5. 近距離無線通信による移動体の位置検出手段において、位置情報通信網に近い場所にある移動端末のアドレスを、近距離無線通信機を備えた基地局からの問合わせによって取得し、該移動端末を該位置情報通信網のひとつのネットワークノードとして位置情報通信網に加えることを特徴とする方法。
6. 位置情報通信網に近い場所にある移動端末のアドレスを基地局からの問合わせによって取得し、該移動端末を該位置情報通信網のひとつのネットワークノードとして位置情報通信網に加える装置において、問合わせ機能をもつ近距離無線通信機と、取得した移動端末のアドレスを保持するアドレス登録部とを備えたことを特徴とする近距離無線通信による移動体の位置検出システムの位置検出用通信基地局。
7. 近距離無線通信による移動体の位置検出手段において、移動体から最も近い場所にある位置情報通信網に属する基地局のアドレスを携帯電話など他のネットワークからのアシストによって取得し、移動端末が該位置情報通信網のひとつのネットワークノードとして位置情報通信網に加わることを特徴とする方法。
8. 移動体から最も近い場所にある位置情報通信網に属する基地局のアドレスを携帯電話など他のネットワークからのアシストによって取得し、該位置情報通信網のひとつのネットワークノードとして位置情報通信網に加わる装置において、携帯電話など近距離無線以外の組込み又は装着型の無線通信手段をもつ移動端末、及び、近距離無線通信機を備えた基地局のネットワークアドレスをインターネット上のサーバーにアップロードする装置を備えた位置検出用通信基地局を有することを特徴とする移動体の位置検出システム。
9. 用途や消費電力、ネットワーク状態に応じて手動又は自動でモードを切り替えることを特徴とする請求項３、５又は７のいずれかに記載の位置情報通信網加入方法。
10. 用途や消費電力、ネットワーク状態に応じて手動又は自動で切り替えられる複数のモードをもったことを特徴とする請求項４、６又は８のいずれかに記載の移動端末及び位置検出用通信基地局。
11. 近距離無線通信による移動体の位置検出手段において、近距離無線通信機の呼出し処理において送信電力を変化させそれぞれの送信電力をひとつの基地局がもつ仮想アクセスコードに割り当て通信可否の状態判断から距離を高速判定することを特徴とする測位方法。
12. 近距離無線通信機の呼出し処理において送信電力を変化させそれぞれの送信電力をひとつの基地局がもつ仮想アクセスコードに割り当て通信可否の状態判断から距離を判定する装置において、送信電力を制御できる近距離無線通信機と、それぞれの送信電力に対して個々の仮想アクセスコードを用いて同一の基地局にアクセスする機能をもった制御部とを備えた移動端末、及び、該移動端末からの複数の仮想アクセスコードによるアクセスを判定するアクセスコード相関器と、アクセスコードと送信電力を対応させる制御部とを備えた位置検出用通信基地局を有することを特徴とする移動体の位置検出システム。
13. 近距離無線通信による移動体の位置検出手段において、近距離無線通信機を備えた移動端末が自らの送信電力を通信データに記載して基地局に現時点の送信電力を通知し、基地局は受信電力と送信機の送信電力とを比較して詳細な距離を測定することを特徴とする測位方法。
14. 移動端末が自らの送信電力を通信データに記載して基地局に現時点の送信電力を通知し、基地局は受信電力と送信機の送信電力とを比較して詳細な距離を測定する装置において、送信電力測定器をもった近距離無線通信機により送信電力をデータとして基地局側に伝える装置をもつ移動端末、及び、移動端末からの送信電力を受信したさい基地局における受信電力を測定し両者を比較することで空間伝播損失から距離を判定する装置をもつ位置検出用通信基地局を有することを特徴とする移動体の位置検出システム。
15. 近距離無線通信による移動体の位置検出手段において、近距離無線通信機の搬送波を複数回往復させることで位相差を測定し、干渉測位を行うことで複数の基地局間及び移動端末と基地局間の距離を高精度に測定することを特徴とする測位方法。
16. 近距離無線通信機の搬送波を複数回往復させることで位相差を測定する装置と、干渉測位を行うことで複数の基地局間及び移動端末と基地局間の距離を高精度に測定する装置とをもつ移動端末及び位置検出用通信基地局を有することを特徴とする移動体の位置検出システム。
17. 要求される位置精度や位置検出にかかる時間に応じて手動又は自動でモードを切り替えられる複数のモードをもつことを特徴とする請求項１１、１３又は１５のいずれかに記載の移動体の測位方法。
18. 要求される位置精度や位置検出にかかる時間に応じて手動又は自動で切り替えられる複数のモードをもつ移動端末及び位置検出用通信基地局を有することを特徴とする請求項１２、１４又は１６のいずれかに記載の移動体の位置検出システム。
19. 近距離無線通信による移動体の位置検出手段において、近距離無線通信機を備えた移動体の位置や移動速度、移動方向を検出された位置情報の時間的差分から判定し、それに応じて位置検出や位置情報コンテンツの送出周期を動的に変化させることを特徴とする方法。
20. 近距離無線通信機を備えた移動体の位置や移動速度、移動方向に応じて位置検出や位置情報コンテンツの送出周期を動的に変化させる装置において、移動体の位置情報を時系列に管理するデータベースとその位置情報の時間的差分から移動体の移動方向と速度を算出するプログラムとをもち、移動端末に位置検出信号の送出周期を制御する制御信号を送ったり、位置情報コンテンツの送出周期を変化させたりする移動端末及び位置検出用通信基地局を有することを特徴とする移動体の位置検出システム。

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