逆方向レイ追跡法を用いて送信機を位置特定する方法
建造物内の送信機を位置特定する方法によると、送信機は建造物の壁、天井及び床と複数回反射するレイを放射する。Ｋ個の受信機の各々は送信機からのレイを受信し、受信機は各レイのＡＯＡ（到来角）、ＴＯＡ（到着時間）及びパワーを推定する。受信機の少なくとも１つが建造物の既知の設計図及び壁の材料特性を用いて、逆方向レイ追跡アルゴリズムを適用することによって高い精度で送信機を位置特定する。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
米国政府は本発明の支払済みライセンスを有し、政府契約番号ＳＢ１３４１０５Ｗ１３６３の条件によって与えられる合理的な条件で特許権者が制限された状況において他者にライセンス契約することを要する権利を有する。
【０００２】
送信機の位置特定は多くのアプリケーションにおいて重要である。例えば、緊急事態（例えば、大型建造物内での火災等）において、警官、消防士等のような緊急要員の位置を監視する能力を持つことによって外部監視装置はより良い連携及び／又は安全確保が可能となる。
【０００３】
屋外のシナリオでは、送信機はＧＰＳデバイスを送信機に取り付けることによって位置特定できる。しかし、ＧＰＳ信号の受信は多くの構造物及び建造物内では信頼性が低く、従って、ＧＰＳデバイスを用いて構造物及び建造物内部の送信機を位置特定することは難しく、場合によっては不可能である。
【０００４】
構造物及び建造物内で送信機を位置特定するための従来の方法は３つのカテゴリに分類される。それらは到着時間（ＴＯＡ）、到来角（ＡＯＡ）及び信号強度に基づく技術である。各方法はＧＳＭ８０２．１１ｂ、Ｂａｙｅｓｉａｎに基づく位置特定法又はウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）技法のような技術を用いる既存のネットワーク内で実施される。しかし、これらの従来の方法は送信機の正確な位置特定を与えるために２以上の受信機を必要とし、又は、ＧＰＳ信号の場合、これらの信号は建造物の通過及び拡散を経て遅延拡散及び減衰によって崩されるので、構造物又は建造物内の送信機を位置特定することができない。
【０００５】
これらの制約のために、建造物内環境のユーザ又は物体を位置特定及び追跡するために他の技術が開発されてきた。そのような１つのシステムは、追跡されるべきアイテム上に配置されたタグを用いる。タグは能動性又は受動性のいずれでもよい。能動タグは電源回路を含むので基地局と通信できる。受動タグは内部電源を含まず、それが基地局の範囲内を通過する際に誘導的に又は電磁的に充電される。受動タグはこの供給電力を用いて局と通信する。基地局は有線又は無線ネットワークによってともに物理的にリンクされている。各タグはそれ自体を固有に識別するコードを送信する。従って、タグの位置はタグが最後に通信した基地局の付近にあるものとして特定される。
【０００６】
そのようなタグに基づく追跡及び位置特定システムは、建造物内環境において有用であるが、特化した基地局の大掛かりな敷設を必要とする。タグに基づくシステムは特定の基地局の「近く」にあるものとしてタグの位置を特定することができるだけであり、結果として、十分に高い分解能を実現するためには、多数の基地局が敷設されなければならない。追跡又は位置特定されるべきアイテム毎に際立つタグが配置されなければならず、赤外線タグの場合には、タグと基地局の間の「見通し線」があるときしかシステムは動作しない。これらの全ての理由のために、タグに基づく位置特定技術は非常に限定的な成功に留まってきた。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施例は送信機を位置特定するための方法、装置及びシステムを提供する。少なくとも幾つかの実施例は逆方向レイ追跡法による屋内送信機位置予測を用いる。少なくとも幾つかの方法は、逆方向レイ追跡法を用いる技法に基づいて到着時間（ＴＯＡ）、到来角（ＡＯＡ）及び信号強度を単一のフレームワークに合成する。
【０００８】
少なくとも一実施例によると、送信機は１以上の受信機によって受信される信号に基づいて位置特定されることができる。受信機は受信パワーをＴＯＡだけでなくＡＯＡの関数として測定する。
【０００９】
少なくとも一実施例は送信機を位置特定するための方法を提供する。少なくともこの実施例によると、受信機において、送信機についての複数の候補位置が複数の信号レイ（信号線）の信号レイ特性に基づいて生成される。候補位置は送信機から受信機への複数の信号レイによって横断される推定経路に沿う点となる。受信機は各候補位置に関連付けられる少なくとも１つのメトリックに基づいて送信機を位置特定することができる。その少なくとも１つのメトリックは各候補位置において信号レイ特性及び仮想信号レイ特性に基づいて生成される。
【００１０】
少なくとも１つの他の実施例は送信機を位置特定するための送受信機を提供する。送受信機は、送信機についての複数の候補位置を複数の信号レイの信号レイ特性に基づいて生成するように構成された位置推定装置を含む。候補位置は送信機から受信機への複数の信号レイによって横断される推定経路に沿う点となる。位置推定装置はさらに、各候補位置に関連付けられた少なくとも１つのメトリックに基づいて送信機を位置特定するように構成することができる。少なくとも１つのメトリックは各候補位置における信号レイ特性及び仮想信号レイ特性に基づいて生成される。
【００１１】
本発明は以下に与えられる詳細な説明及び添付図面（同様の要素は同様の符号によって表される）からより完全に理解され、これらは例示目的のみで与えられ、従って本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は実施例による送信機位置特定システムを示す。
【図２】図２は実施例による受信機を示す。
【図３】図３は実施例による送信機を位置特定するための方法を示すフローチャートである。
【図４】図４は実施例による逆方向レイ追跡法の簡単な例を示す。
【図５】図５は他の実施例による送信機位置特定システムを示す。
【図６】図６Ａ−６Ｄは仮想レイと壁が同一平面にあるときの仮想レイと壁の交差例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施例は、受信機においてＥｍｉｔｔｅｒ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ（ＥＬＶＩＳ）といわれる逆方向レイ追跡アルゴリズムを用いる放射源及び／又は送信機を位置特定するための方法及びアルゴリズムを提供する。少なくとも一実施例によると、逆方向レイ追跡法は建造物等の構造物内の送信機の位置を予測するために使用される。少なくとも幾つかの実施例によると、位置特定方法は逆方向レイ追跡法を用いる技法に基づいて到着時間（ＴＯＡ）、到来角（ＡＯＡ）及び信号強度を単一のフレームワークに合成する。
【００１４】
少なくとも１実施例は、構造物又は建造物の外に位置する１以上の受信機によって送信機から受信された信号の特性に基づいて、建造物内の送信機の位置特定を可能とする。実施例は、送信機又は受信機が静止しているのか、移動しているのか（例えば、消防士のような速い応答者によって搬送されているのか）、又は送信機と受信機の間に見通し線が存在するか否かにかかわらず、建造物又は他の構造物内の送信機の位置の一層正確な特定を可能とする。
【００１５】
図面において、同様の符号は同様の要素を指すものとする。
【００１６】
実施例は適切なコンピューティング環境において実施されているものとして説明する。必須ではないが、実施例はコンピュータプロセッサ又はＣＰＵによって実行されているコンピュータで実行可能なインストラクション（プログラムモジュール等）の一般的な意味で記載される。一般に、プログラムモジュールは特定のタスクを実行し、又は特定のアブストラクトデータタイプを実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む。さらに、当業者であれば、実施例は、移動体又はセルラ電話、手持ち型デバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサに基づく又はプログラマブル消費者用電気製品、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ等を含む他のコンピュータシステム構成で実施できることがわかるはずである。実施例はまた、タスクが通信ネットワークを介してリンクされた遠隔処理デバイスによって実行されるような分散コンピューティング環境においても実施され得る。分散コンピューティング環境では、プログラムモジュールはローカル及び遠隔メモリ記憶デバイスの両方に位置し得る。
【００１７】
以降の記載において、実施例は、特にそれ以外を示さない限り、１以上のプロセッサによって実行される挙動及び動作のシンボル表現を参照して記載される。そのため、そのような挙動及び動作は、場合に応じてコンピュータに実行されているものとして言及するが、構成された形態でデータを表す電気信号のプロセッサによる操作を含む。この操作は、コンピュータのメモリシステム内の各位置でデータを変換し、又はそれを維持し、当業者によってよく理解されている態様でコンピュータの動作を再構成し、あるいは変更する。データが保持されるデータ構造体は、データのフォーマットによって定義される特定のプロパティを有するメモリの物理位置である。しかし、実施例は上記の意味で記載されるものの、当業者であれば以降に記載される種々の挙動及び動作がハードウェアでも実施できることが分かるはずであり、限定的なものを意図するものではない。
【００１８】
実施例は建造物内に位置する送信機に関して記載されるが、実施例はトンネルのような他の構造物内、及び／又は群衆又は山岳地帯における送信機を位置特定する際にも使用できる。少なくとも一実施例によると、送信機の位置は逆方向レイ追跡アルゴリズムを用いて受信信号特性に基づいて推定される。
【００１９】
図１は実施例による送信機位置特定システムを示す。
【００２０】
図１を参照すると、一実施例によると、建造物２００の外部に位置する受信機２０４Ｒは、図３に関して以下により詳しく述べる位置特定方法を用いて建造物２００内の送信機２０２Ｅを位置絞込みする（即ち、位置特定する）ことができる。
【００２１】
少なくとも本実施例によると、送信機２０２Ｅは無線信号を送信（即ち、放射）し、これが複数の伝搬経路を介して受信機２０４Ｒにおいて受信される。送信機２０２Ｅは全方向に電磁放射信号（例えば、無線周波数（ＲＦ）信号）を放射することができるあらゆるタイプの送信機、送受信機又は通信機器とすることができる。例えば、送信機２０２Ｅは、建造物２００の壁及び／又は構造体を貫通し及び／又はそれに反射されることができる周知の無線通信信号（例えば、ＧＳＭ、ＣＤＭＡ、ＴＤＭＡ等）又は任意の他の適切な無線周波数（ＲＦ）信号のような無線信号を送信することができる。
【００２２】
送信機２０２Ｅによって放射される信号は送信パワーＰＴ等の既知の信号特性を持つ。
【００２３】
図２は受信機２０４Ｒをより詳細に示す。図示するように、受信機２０４Ｒは上述の無線通信信号（例えば、ＧＳＭ、ＣＤＭＡ、ＴＤＭＡ等）のような無線信号を送信、受信及び処理するための受信装置２０４Ｒ−２を含む。受信装置２０４Ｒ−２は１以上のアンテナを有するアンテナアレイを含み、その各々は図１の送信機２０２Ｅによって送信される上記の無線信号を送信及び受信することができる。
【００２４】
受信装置２０４Ｒ−２は周知のアンテナアレイを含み、各受信信号、即ち「レイ」についての受信パワー、到来角（ＡＯＡ）、到着時間（ＴＯＡ）等のような信号特性を判定する能力がある。受信装置２０４Ｒ−２は上昇角、アジマス角、ＴＯＡ等の関数としてレイの受信パワーを測定できる。このようなアンテナ、アンテナアレイ及び受信装置は当分野では周知であるので、それらの詳述は説明の簡明化のために省略する。
【００２５】
レイは始点及び方向ベクトルによって記述され、無限の長さのものとする。レイは壁に当ると、レイセグメントとなる。レイセグメントは始点及び終点によって記述され、終点は入射点（発生点）（ＰＯＩ）として知られている。上述の信号特性を判定する方法は周知であるので、ここでは説明の簡明化のために簡単に述べる。
【００２６】
図２をさらに参照すると、受信機２０４Ｒはまた、位置推定装置（ＬＥＵ）（即ち、バックレイトレーサ）２０４Ｒ−６及びメモリ２０４Ｒ−８を含む。受信装置２０４Ｒ−２によって判定される各レイについての信号特性はＬＥＵ２０４Ｒ−６への出力となり、同時にメモリ２０４Ｒ−８に記憶される。ＬＥＵ２０４Ｒ−６の動作の方法は図３に関してより詳細に述べる。
【００２７】
図３は一実施例による送信機を位置特定するための方法を示す。上述したように、図３の方法は図２に示すＬＥＵ２０４Ｒ−６で実行することができる。
【００２８】
図２及び３を参照すると、受信装置２０４Ｒ−２からの各レイについての信号レイ特性を受信すると、ステップＳ１０２においてＬＥＵ２０４Ｒ−６はＮ個の最も強いレイを特定することができる。即ち、例えば、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は各受信レイの受信パワーを比較して最も強い受信パワーを有するＮ個のレイを特定する。
【００２９】
代替的に、ＬＥＵ２０４Ｒ−６はフィルタリングによってＮ個の最も強いレイを特定することができる。即ち、例えば、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は各受信レイに対応付けられる受信パワーを所定又は所与の閾値と比較することができる。閾値以上の対応受信パワーを有する各レイがＮ個の最強のレイの１つとして選択され得る。この実施例では、閾値は、例えば人間のオペレータによって、例えば建造物の構造、送信機の既知の送信パワー等に関する経験的データを用いて決定される。
【００３０】
実施例によると、受信機２０４Ｒは送信機２０２Ｅが位置する建造物の設計図の知識及び建造物の構造組成物（例えば、壁の材料組成等）に関する情報を有していてもよい。
【００３１】
Ｎ個の最強の受信レイを特定した後、ステップＳ１０４においてＬＥＵ２０４Ｒ−６は逆方向レイ追跡法を用いて送信機２０２Ｅから受信機２０４Ｒへの受信レイの経路を推定することができる。即ち、例えば、受信機２０４ＲはＬＥＵ２０４Ｒ−６内のシミュレーションを介して、Ｎ個のレイの各々を連続する入射点に対して停止条件が満たされるまで逆追跡することができる。受信レイを逆追跡する際に、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は、シミュレーションされる仮想レイを用いて、実際のレイの戻り経路（それは受信レイの推定経路をたどる）をシミュレーションすることができる。
【００３２】
仮想レイは始点及び方向ベクトルによっても記述されるシミュレーション上のレイであり、無限の長さをもつものとする。仮想レイが壁に当ると、仮想レイは仮想レイセグメントとなる。仮想レイセグメントは始点及び終点によって記述され、終点は入射点（ＰＯＩ）として知られる。言い換えると、仮想レイセグメントは仮想レイの一部分である。
【００３３】
少なくとも幾つかの実施例によると、特定の入射点で、
（ａ）入射点での仮想レイの予測パワーＰが想定パワーＰＴ以上である場合、なお、想定パワーＰＴは送信機の既知の送信パワーである、
（ｂ）仮想レイによって横断される経路上の入射点の数が閾値限界を超える場合、又は
（ｃ）仮想レイが建造物から離れた場合、
停止条件が満足される。
【００３４】
停止条件が満たされると逆追跡は終了する。逆追跡中に遭遇する各入射点（即ち、点）の位置がメモリ２０４Ｒ−８内に（例えば、建造物の設計図を用いて決定される座標の形式等で）記録される。メモリ２０４Ｒ−８内で、入射点は逆追跡されている受信レイとの対応関係において記憶される。全ての逆方向追跡されるレイについての特性（例えば、レイパワー、伝搬遅延等）及び建造物２００の建築設計図をメモリ２０４Ｒ−８に記憶することもできる。
【００３５】
Ｎ個のレイ各々の逆追跡は直列又は並列に実行することができ、それを行う方法を以下に図４に関してさらに詳細に説明する。上記のように、逆方向レイ追跡はＬＥＵ２０４Ｒ−６におけるシミュレーションとして実行できる。
【００３６】
図３を再度参照すると、ステップＳ１０４においてＮ個の最強レイを逆追跡した後に、ステップＳ１０６においてステップＬＥＵ２０４Ｒ−６はメモリ２０４Ｒ−８に記憶された入射点に基づいて候補位置を特定することができる。特定された候補位置は送信機２０２Ｅについての可能な位置を表す。
【００３７】
候補位置は逆追跡されるレイの対となる交点（又は、代替的に、ユーザ又は人間のオペレータによって指定される範囲内の概略の交点）である。即ち、例えば、候補位置は少なくとも２本の逆追跡されるレイに共通する入射点となり得る。少なくとも一実施例によると、２より多い仮想レイが同じ入射点で交差する場合、その点は複数の候補位置を有し得る。
【００３８】
理想的な条件の下では、送信機２０２Ｅの実際の位置は、全ての仮想レイの予測パワーＰが送信パワーＰＴに等しい状態で複数の仮想レイ交点を有すること、及び受信機２０４Ｒから送信機２０２Ｅへの各仮想レイについての推定伝搬時間も等しいことによって特徴付けられる。
【００３９】
上記のように、候補位置を生成するために、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は少なくとも２本の仮想レイが交差する入射点を特定することになる。入射点は仮想レイが壁又は構造体に突き当たり又は衝突する点である。
【００４０】
少なくとも一実施例によると、ＬＥＵ２０４Ｒ−６はメモリ２０４Ｒ−８に記憶された入射点を解析することによって候補位置を特定することができる。入射点は逆追跡される各受信レイに対応して記憶されるので、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は逆追跡される各レイに対応付けられた各入射点の位置を比較して少なくとも２つの逆追跡されるレイに共通する点を特定することができる。その少なくとも２つの逆追跡されるレイに共通する点は候補位置として識別される。
【００４１】
代替的に、入射点は各仮想レイとの対応において記憶される。本例では、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は各仮想レイに対応付けられた各入射点の位置を比較して少なくとも２つの仮想レイに共通する点を特定する。その少なくとも２つの仮想レイに共通する点は候補位置として識別される。
【００４２】
図３をさらに参照すると、ステップＳ１０８において、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は各候補位置に対応付けられる特性（例えば、推定及び／又は予測信号特性）に基づいて送信機２０２Ｅの実際の位置を特定することができる。少なくとも一実施例によると、特性（例えば、推定及び／又は予測される信号特性）が各候補位置で交差する仮想レイに対応付けられる。
【００４３】
一例では、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は、候補位置各々に対応付けられる少なくとも１つのメトリックに基づいて候補位置を送信機２０２Ｅの実際の位置として選択することができる。少なくとも１つのメトリックは候補位置各々について特定された複数の位置メトリックの偏重和であってもよい。実施例は候補位置各々について特定された複数の位置メトリックに関して記載されるが、各候補位置は１以上の対応付けられた位置メトリックを有し、送信機２０２Ｅの実際の位置は各候補位置に対応付けられた１以上の位置メトリックに基づいて特定することもできる。
【００４４】
ＬＥＵ２０４Ｒ−６は各記憶された候補位置に対応付けられる偏重メトリックを特定し、記憶された各候補位置に対応付けられた偏重メトリックに基づいて送信機０２Ｅの実際の位置を選択することができる。候補位置を送信機２０２Ｅの実際の位置として選択する際に、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は記憶された各候補位置に対応付けられた偏重メトリックを比較して最も高い対応偏重メトリックを持つ候補位置を特定する。最も高い偏重メトリックを有する候補位置は送信機２０２Ｅの実際の位置として選択又は識別されることになる。
【００４５】
偏重メトリックは特定の候補位置に対応付けられた複数の位置メトリックの和であればよい。各候補位置に対応付けられた位置メトリックは隣接候補位置メトリック、パワー差メトリック、想定−予測パワーメトリック及び／又は遅延メトリックを含み得る。位置メトリックの各々は追加の測定パラメータに基づいて特定することができる。
【００４６】
隣接候補位置メトリックは交点の数又は候補位置の付近（例えば、所与の範囲の近く又はその範囲内）にある候補位置に基づいて特定することができる。複数の候補位置の領域は送信機２０２Ｅの実際の位置を含む可能性が高い。特定の候補位置についての隣接候補位置メトリックを計算する方法例が以下にさらに詳しく記載される。この説明の目的のため、ｎｉはｉ番目の候補位置の付近又は近くにある可能な隣接候補位置の数を示す。
【００４７】
隣接候補位置メトリックは、ｉ番目の候補位置の付近又は近くにある可能な隣接候補位置の数及びｋ番目の候補位置の付近にある可能な隣接候補位置の数に基づいて生成することができる。ｋ番目の候補位置は可能な隣接候補位置の最大数を持つ候補位置のことである。少なくともこの実施例によると、ｉ番目の候補位置についての隣接候補位置メトリックｍ１，ｉは以下の式（１）で与えられ、数値（例えば、１０進数値）を生成する。ここで述べるように、下付き数字（例えば、ｍ１，ｉにおける「１」）は複数の位置メトリック間を区別するものである。
【数１】
【００４８】
パワー差メトリックは候補位置で入射する仮想レイ間の予測パワー差に基づいて特定することができる。送信機の実際の位置では、交差する仮想レイの予測パワーＰは互いに許容範囲以内となるべきである。この説明の目的のために、ｐｉはｉ番目の候補位置での交差仮想レイ間の絶対パワーの差を示すものとする。
【００４９】
パワー差メトリックはｉ番目の候補位置での予測パワーｐｉ及びｋ番目の候補位置での予測パワーｐｋに基づいて生成することができる。ｋ番目の候補位置での予測パワーは全ての候補位置についての最大予測パワー差を意味する。少なくともこの実施例によると、ｉ番目の候補位置についての予測パワー差メトリックｍ２，ｉは以下の式（２）で与えられ、数値（例えば、１０進数値）を生成する。
【数２】
【００５０】
想定−予測パワーメトリックは候補位置で入射する各仮想レイについての想定送信パワーＰＴと予測パワーＰの差に基づいて特定することができる。送信機の実際の位置において、理想的には、入射仮想レイの予測パワーＰは送信機２０２Ｅの既知の送信パワーＰＴに等しい。しかし、これは、送信機２０２Ｅと受信機２０４Ｒの間の伝搬中に信号の干渉やフェーディングのために常にそうなるとは限らない。従って、送信機２０２Ｅの既知の送信パワーと候補位置における仮想レイ入射の推定パワーの間の差が、想定−予測パワーメトリックを特定するために使用され得る。
【００５１】
例示目的として、ｉ番目の候補位置で交差する２つのレイが検討され、Δｐｉ，１が想定パワーＰＴからの第１のレイのパワー偏差を示し（例えば、Δｐｉ，１＝Ｐ１−ＰＴ）、Δｐｉ，２が想定パワーＰＴからの第２のレイのパワー偏差を示すものとする（例えば、Δｐｉ，２＝Ｐ２−ＰＴ）。
【００５２】
第１の想定−予測パワーメトリックｍ３，ｉは、第１のレイのｉ番目の候補におけるパワー偏差Δｐｉ，１及びｋ番目の候補位置における想定パワーからのパワー偏差Δｐｋ，１に基づいて特定することができる。なお、ｋ番目の候補位置におけるパワー偏差は全ての候補位置についての最大パワー偏差である。より具体的には、ｉ番目の候補位置についての想定−予測パワーメトリックｍ３，ｉは以下の式（３）で与えられ、数値（例えば、１０進数値）を生成する。
【数３】
【００５３】
同様に、第２の想定−予測パワーメトリックｍ４，ｉは、第２のレイのｉ番目の候補におけるパワー偏差Δｐｉ，２及びｋ番目の候補位置における想定パワーからのパワー偏差Δｐｋ，２に基づいて特定することができる。なお、ｋ番目の候補位置におけるパワー偏差は全ての候補位置についての最大パワー偏差である。より具体的には、ｉ番目の候補位置についての想定−予測パワーメトリックｍ４，ｉは以下の式（４）で与えられ、数値（例えば、１０進数値）を生成する。
【数４】
【００５４】
実施例はレイの到着時間には依存しない。しかし、受信機２０４Ｒが受信レイ間の遅延差を推定することができる場合、これらの到着時間は任意の所与の候補位置について推定できる。従って、受信機２０４Ｒによって測定された相対遅延のセットは任意の候補位置について算出された相対遅延のセットに対して比較されることができ、遅延メトリックとして知られる差は他の位置メトリックとして使用できる。
【００５５】
例えば、受信機２０４Ｒにおいて２本のレイｇ及びｈが時刻ｔｇ及びｔｈにそれぞれ到着したとする。仮想レイｇ´及びｈ´はｉ番目の候補位置で交差すると特定された場合、仮想レイｇ´及びｈ´の到着間の相対遅延はＬＥＵ２０４Ｒ−６によって特定されることになる。例えば、受信機２０４Ｒから候補位置への対応する経路がメモリ２０４Ｒ−８に記憶されるので、受信機２０４Ｒから候補位置への折り返されない距離ｄｈ´及びｄｇ´が特定される。この折り返されない距離ｄｈ´及びｄｇ´はそれぞれ仮想レイｈ´及びｇ´各々が伝搬する距離である。言い換えると、折り返されない距離ｄｈ´及びｄｇ´は、候補位置から受信機２０４Ｒへのレイｈ及びｇが伝搬する距離の推定値となる。仮想レイｇ´及びｈ´各々についての予測伝搬遅延は式（５）及び（６）を用いてＬＥＵ２０４Ｒ−６によって特定することができる。
【数５】
【数６】
【００５６】
式（５）及び（６）の各々において、ｃは光の速度である。式（５）及び（６）の結果を用いて、式（７）によって到着時間差メトリックｚｉがｉ番目の候補位置について算出される。
【数７】
【００５７】
到着時間差メトリックｚｉを算出した後、時間差位置メトリックが以下の式（８）によって与えられ、数値（例えば、１０進数値）を生成する。
【数８】
【００５８】
式（８）に示すように、時間差位置メトリックｍ５，ｉは、ｉ番目の候補位置において到着する仮想レイｇ´及びｈ´についての到着時間における差、及びレイｇ及びｈ各々についての予測伝搬遅延における差に基づいて特定することができる。各候補位置についての上述の偏重メトリックは１以上の上述の位置メトリックを用いて算出できる。偏重メトリックの算出の際に、各位置メトリックは測定値の信頼性に依存して別々に偏重される。少なくとも一実施例によると、特定の候補位置についての偏重メトリックは特定の候補位置に対応付けられた全ての位置メトリックを加算することによって計算することができる。
【００５９】
上記のように、各候補位置についての偏重メトリックを計算した後に、偏重メトリックが比較され、最も高い偏重メトリックに対応付けられた候補位置が送信機２０２Ｅの実際の位置として選出又は選択される。
【００６０】
少なくとも一実施例によると、送信機２０２Ｅの位置は表示スクリーンを介して、例えば、送信機２０２Ｅの実際の位置の表示とともに建造物図の形式で、ユーザに表示してもよい。そのようなディスプレイは当分野では周知であるので、説明の簡明化のために詳述を省略する。
【００６１】
上述のように、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は送信機２０２Ｅから受信機２０４Ｒへの経路に沿う各受信レイを、逆の順序で、停止条件が満足されるまで逆追跡することによって入射点及び候補位置を識別することができる。
【００６２】
図４に実施例による逆方向レイ追跡法の簡単な例を示す。
【００６３】
図４を参照すると、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は受信機２０４Ｒにおける送信機２０２Ｅからの受信レイによって横断される経路を、メモリ２０４Ｒ−８に記憶された受信レイの信号特性及び建造物の設計図を用いて予測することができる。
【００６４】
図示するように、送信機２０２Ｅからのレイは、受信機２０４Ｒにおいて受信される前に点Ｂを介して送信されて建造物２００を出る。受信レイ（例えば、到来角、受信パワー等）の特性を用いて、ＬＥＵ２０４Ｒ−６はレイが受信される方向を特定することができる。この方向ベクトルを用いて、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は仮想レイｒｇを、シミュレーションを介して、レイが受信される方向に点Ｂに向けて発射する。仮想レイｒｇは送信機２０２Ｅから受信機２０４Ｒに送信されたレイの最終レイセグメントを逆方向レイ追跡する。このような逆方向レイ追跡は以下の態様で実行することができる。
【００６５】
３Ｄの場合、点Ｂがある長方形状の壁は式（９）によって与えられる。
【数９】
【００６６】
式（９）において、ｎ＝（Ａ；Ｂ；Ｃ）Ｔは壁面に対する法線である。仮想レイｒｇが乗る線は、
【数１０】
のようにパラメータの形式で表すことができる。
【００６７】
例示目的のため、本実施例は（ｘ０；ｙ０；ｚ０）Ｔに関して、仮想レイｒｇの起点位置ベクトル（例えば、受信機２０４Ｒの場合において、仮想レイｒｇが入射する点）として記述される。ここで、ｖ＝（ｘｄ；ｙｄ；ｘｄ）Ｔは仮想レイｒｇの方向における単位ベクトルであり、長さパラメータｔ（ｔ＞０）は仮想レイ起点（ｘ０；ｙ０；ｚ０）Ｔと仮想レイｒｇ上の他の任意の点の間の距離に対応する。仮想レイｒｇと壁との交点を見つけるために、式（１０）が式（９）に代入されて式（１１）を得る。
【数１１】
【００６８】
交点Ｂは式（１１）をｔについて解くことによって決定される。本例では、ｔ≧０でかつ式（９）に関する上記の制約が満たされる場合に有効な交点が存在する。これらの制約が満たされる場合、点Ｂの位置（又は、より一般的に、仮想レイｒｇについての入射点）を決定するためにｔの値が用いられる。２つの新たな変数は、
【数１２】
及び
【数１３】
で導入される。
【００６９】
式（１２）及び（１３）が与えられると、式（１１）は式（１４）として書き換えることができる。
【数１４】
【００７０】
式（１４）において、Ｆは平面の法線と起点の位置ベクトル（ｘ０；ｙ０；ｚ０）Ｔのスカラ積であり、Ｅは平面の法線と線の方向ベクトル（ｘｄ；ｙｄ；ｚｄ）Ｔのスカラ積である。
【００７１】
Ｆ＝０の場合、起点の位置ベクトル（ｘ０；ｙ０；ｚ０）Ｔは平面の法線に対して直角である。Ｅ＝０の場合、線のベクトル（ｘｄ；ｙｄ；ｚｄ）Ｔは平面の法線に対して直角である。式（９）及び（１０）は仮想レイｒｇが壁に交差するかを判別するために以下のように用いることができる。
【００７２】
Ｅ＝０かつＦ＋Ｄ＝０の場合、送信機２０２Ｅ及び仮想レイｒｇは点Ｂがある壁と同一平面内にあることになる。この場合、仮想レイｒｇが壁に交差するかを判別するために、仮想レイｒｇ上で壁の各頂点から最も近い点が位置特定される。位置特定された点の少なくとも１つが壁上にある場合、仮想レイｒｇは壁に交差するものと判別される。
【００７３】
図６Ａ−６Ｄは例示の可能性を示すものであり、これらは仮想レイｒｇと壁が同一平面内にある場合に区別される必要がある。図６Ａは仮想レイｒｇ及び壁が同一平面上にあり、レイが頂点のみで壁と交差する例を示す。図６Ｂは、仮想レイｒｇ上の壁の頂点まで最短の点の１点のみが壁上にある例を示す。図６Ｃは仮想レイｒｇが壁と交差しない例を示す。この場合、仮想レイｒｇ上の壁の頂点まで最短の点のいずれの点も壁上にない。図６Ｄは仮想レイｒｇ上の壁の頂点まで最短の点の２点が壁上にある例を示す。この場合、仮想レイｒｇは壁に交差するものと判別される。
【００７４】
Ｅ＝０かつＦ＋Ｄ≠０の場合、仮想レイｒｇは壁面に平行であり、壁と同一平面にはなく、仮想レイｒｇは壁に交差しない。
【００７５】
Ｅ≠０かつＦ＋Ｄ＝０の場合、起点（ｘ０；ｙ０；ｚ０）Ｔは壁と同一平面にあるが、仮想レイｒｇは壁面に平行ではない。起点（ｘ０；ｙ０；ｚ０）Ｔの座標が式（９）の条件を満たす場合、起点（ｘ０；ｙ０；ｚ０）Ｔは壁上にある。
【００７６】
Ｅ≠０かつＦ＋Ｄ≠０の場合、線は壁面に交差するが起点及び仮想レイｒｇは壁と同一平面上にない。本例では、非ゼロのｔ値が式（１５）によって与えられる。
【数１５】
【００７７】
少なくとも幾つかの実施例によると、ｔ＞０の場合、仮想レイｒｇが壁面と交差することになる。仮想レイｒｇ及び壁についての入射点（即ち、本例では点Ｂ）が式（１０）を用いて決定され、壁上に交点があるか否かが、式（９）の条件が満たされるかを調べることによって判別される。
【００７８】
図４を参照すると、仮想レイｒｇが壁に点Ｂで衝突する。そしてＬＥＵ２０４Ｒ−６は停止条件が点Ｂにおいて満たされたかを判別する。
【００７９】
上記のように、点Ｂにおいて、
（ａ）仮想レイの予測パワーＰが想定パワーＰＴ以上である場合、なお、想定パワーＰＴは送信機の既知の送信パワーである、
（ｂ）仮想レイによって横断される経路上の入射点の数が閾値限界を超える場合、又は
（ｃ）仮想レイが建造物から離れる場合、
停止条件が満たされる。
【００８０】
図２を参照すると、少なくとも一実施例によると、受信装置２０４Ｒ−２は式（１６）を用いて受信レイの受信パワーＰＲを計算することができる。
【数１６】
【００８１】
式（１６）において、ｄはレイによって伝搬された折り返されない距離であり、ＧＴは送信アンテナゲイン、ＧＲは受信アンテナゲイン、ＰＴは送信パワー、ＰＲは受信パワー、λは波長である。式（１６）は、レイが受信機に到達する前にＭ回の透過及びＫ回の反射を経るものとしている。変数ｔｍはｍ番目の透過についての透過係数を示し、ｒｋはｋ番目の反射についての反射係数を示す。Ｍ、Ｋ、ｍ及びｋの全ては整数である。
【００８２】
式（１６）が与えられると、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は上述の式（１６）を反転することによって逆追跡されるレイの経路に沿う任意の点におけるパワーを予測できる。レイがＭ回の透過及びＫ回の反射を送信機２０２Ｅから受信機２０４Ｒへの経路を介して経験したものとして、Ｍ回の透過係数及びＫ回の反射係数の積はＳであり、以下の式（１７）によって表される。
【数１７】
【００８３】
反射係数及び透過係数は０から１の間の範囲となるので、反射及び／又は透過の数が増加するとＳは減少する。Ｓを用いて式（１７）を表し、式（１６）を反転すると、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は逆方向追跡されるレイ上の任意の点における予測パワーＰを、式（１８）を用いて計算することができる。
【数１８】
【００８４】
式（１８）において、ＧＴはアンテナゲイン、ＧＲは受信アンテナゲイン、λが波長、ＰＲは受信パワー、ｄは予測パワーＰが特定されている点と受信機２０４Ｒの間でレイが伝搬した合計経路長である。これらの値の各々はＬＥＵ２０４Ｒ−６で知得又は計算され得る。パラメータＧＴ、ＧＲ及びλは既知のシステムパラメータであり、係数ｒｋ及びｔｋは建造物内の壁及び構造体の既知のプロパティである。係数ｒｋ及びｔｋは建造物を建築するのに使用された材料のプロパティに基づいて算出することができる。距離ｄは位置推定装置２０４Ｒ−６によってシミュレーション中に算出された合計伝搬距離である。送信パワーＰＴは既知のシステムプロパティである。
【００８５】
レイは逆方向追跡されているため、仮想レイの予測パワーＰは受信機２０４Ｒからの距離が増加するにつれて、並びに反射及び／又は透過の数が増加するにつれて上昇する。従って、より小さいパワーＰＲを有する受信レイは、想定パワーＰＴ以上の値に達する前に、より多い回数を反射及び／又は透過されたことになるので更なる距離を逆方向追跡される必要がある。
【００８６】
図４を参照すると、停止条件が（ａ）が点Ｂにおいて満たされたかを判別するために、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は送信機２０２Ｅの予測パワーＰと想定又は既知の送信パワーＰＴを比較する。予測パワーＰが送信機２０２Ｅの想定パワーＰＴ以上である場合、停止条件（ａ）が満たされ、レイの逆方向レイ追跡は終了する。
【００８７】
予測パワーＰが想定パワーＰＴ未満である場合、停止条件（ａ）は満たされず、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は仮想レイｒｇの経路上の入射点の数が閾値よりも大きいかを判別する。レイを逆方向レイ追跡するとき、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は仮想レイの経路に沿う入射点（例えば反射及び／又は透過）の数を追跡する。即ち、例えば、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は仮想レイが建造物の壁又は構造体に衝突する毎にカウンタ（不図示）を増分する。
【００８８】
仮想レイについての入射点の閾値数の例は５程度であるが、任意の閾値を使用できる。現在の入射点（この場合は点Ｂ）を含む入射点の数が（閾値に）達した場合、停止条件（ｂ）が満たされ、点Ｂを起点とするレイセグメントを含むレイの逆方向レイ追跡を終了する。
【００８９】
停止条件が満たされたか否かにかかわらず、点Ｂにおいて、この点の座標が特定され、その位置が可能な候補位置としてメモリ２０４Ｒ−８に記憶される。
【００９０】
図４を参照すると、上記停止条件のいずれも満たされない場合、点Ｂは透過された仮想レイセグメントｒｋ及び反射された仮想レイセグメントｒｎが発せられた事実上の送信機（又は放射源）となる。反射されたレイセグメントｒｎは建造物を出るので、仮想レイセグメントｒｎについて停止条件（ｃ）が満たされ、仮想レイセグメントｒｎの逆方向追跡が終了する。
【００９１】
一方、透過された仮想レイセグメントｒｋは建造物から出ておらず他の壁に点Ｃで衝突すると、仮想レイセグメントｒｋの逆方向追跡は継続する。点Ｃにおいて、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は停止条件（ａ）又は（ｂ）が満たされたかを点Ｂに関して上述したのと同じ態様で判別することができる。これも上述したように、点Ｃで停止条件が満たされたかにかかわらずこの点の座標が特定され、その位置が可能な候補位置としてメモリ２０４Ｒ−８に記憶される。
【００９２】
停止条件が点Ｃで満たされた場合、逆方向レイ追跡は終了する。停止条件が点Ｃで満たされない場合、点Ｃは反射された仮想レイセグメントｒｌ及び透過された仮想レイセグメントｒｍが発せられた事実上の送信機（又は放射源）となる。透過された仮想レイセグメントｒｍは建造物を出るので、仮想レイセグメントｒｍについて停止条件（ｃ）が満たされることにより、この仮想レイセグメントの逆方向追跡は終了する。
【００９３】
反射された仮想レイセグメントｒｌは建造物を出ないが、その代わりに点Ｅで衝突する。点Ｅにおいて、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は停止条件（ａ）又は（ｂ）が満たされたかを点Ｂ及びＣに関して上述したのと同じ態様で判別することができる。これも上述したように、点Ｅで停止条件が満たされたかにかかわらずこの点の座標が特定され、その位置が可能な候補位置としてメモリ２０４Ｒ−８に記憶される。
【００９４】
点Ｅは送信機２０２Ｅの位置であるので、点Ｅにおける仮想レイの予測パワーＰが想定パワーＰＴ以上となることによって仮想レイについての停止条件（ａ）が満たされる。各逆方向追跡されたレイについて停止条件が満たされた後、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は上述のように送信機の実際の位置を特定することができる。
【００９５】
実施例によると、単一の受信機が送信機を位置特定するのに使用され得る。しかし、複数の受信機が、それとともに又は代替的に、送信機の位置特定に関連する予測エラーを減少させるのに使用され得る。
【００９６】
送信機の位置が検知及び後続の処理の持続時間にわたって変化しない場合（例えば、送信機が静止している場合）、複数の受信機を用いる代わりに受信機におけるアンテナ設定の位置を変化させて複数の測定値が取得されるようにしてもよい。
【００９７】
図５は他の実施例による送信機位置特定システムを示す。図示するように、システムは複数の受信機２０４Ｒ、２０６Ｒ及び２０８Ｒを含み、それらの各々は送信機２０２Ｅから送信された信号を受信することができる。本実施例によると、各受信機２０４Ｒ、２０６Ｒ及び２０８Ｒは中央処理装置（例えば、受信機２０４ＲにおけるＬＥＵ２０４Ｒ−６）に受信信号の特性を送る。少なくとも受信機２０６Ｒ及び２０８Ｒは送信機２０２Ｅから送信された信号を受信すること及び無線信号の形式で情報を受信機２０４Ｒに送信することができる送受信機となる。例えば、信号特性は各入着レイのＡＯＡ、ＴＯＡ及び受信パワー並びに受信機自体の座標を含んでいればよい。
【００９８】
この実施例では、各受信機は、レイ選択手順を除いて、図２の受信機２０４Ｒと同様の態様で動作することができる。この実施例では、全てのアンテナ間で受信されたＮ番目に強いレイが逆追跡のために選択される。
【００９９】
例えば、合計Ｋ個の受信機があり、ｋ番目の受信機がｎｋ本のレイを報告するものとする。以下の本数のレイから、最も高い受信パワーのＮ本のレイを選択することができる。
【数１９】
従って、より送信機に近い受信機がより多くのレイに寄与する可能性が高く、より遠い受信機はより少ないレイにしか寄与しないことになる。その受信機で受信された全てのレイの間の最も高い関連パワーを有するレイを選択すると、逆方向レイ追跡を用いてレイが衝突する壁の数が弱いレイよりも少ないので演算時間が減少する。
【０１００】
実施例によると、受信機の数を増加することによって予測エラーが減少するが、受信機数とは独立して固定数のレイが選択されるので演算時間を増加することにはならない。少なくとも幾つかの実施例では、受信機数を増加することによって、より強いレイが生成され得るので演算時間が減少する。異なる受信機からのレイを逆方向レイ追跡することは、より少ない交点に帰着する。従って、候補位置がより少なくなり、これによって演算時間がさらに減少することになる。
【０１０１】
実施例は屋内環境についての逆方向レイ追跡に基づく位置特定ツールを提供する。逆方向レイ追跡は、特に複数の受信機が使用される場合、劣化にも効果的である。角度分解能が比較的高い場合、実施例は従来の位置特定方法よりも信頼性の高い結果を単一の受信機で提供できる。より低い角度分解能の場合、複数の受信機が十分な正確さをもって位置特定することが必要となる。実施例によると、ＬＯＳは放射器と受信機の間に必要ではない。
【０１０２】
発明はこのように記載されるものであるが、同じものが多くの態様で変更できることは明らかである。このような変更例は発明から離れたものとはみなされず、全てのそのような変形例は発明の範囲内に含まれることが意図されている。
【背景技術】
【０００１】
米国政府は本発明の支払済みライセンスを有し、政府契約番号ＳＢ１３４１０５Ｗ１３６３の条件によって与えられる合理的な条件で特許権者が制限された状況において他者にライセンス契約することを要する権利を有する。
【０００２】
送信機の位置特定は多くのアプリケーションにおいて重要である。例えば、緊急事態（例えば、大型建造物内での火災等）において、警官、消防士等のような緊急要員の位置を監視する能力を持つことによって外部監視装置はより良い連携及び／又は安全確保が可能となる。
【０００３】
屋外のシナリオでは、送信機はＧＰＳデバイスを送信機に取り付けることによって位置特定できる。しかし、ＧＰＳ信号の受信は多くの構造物及び建造物内では信頼性が低く、従って、ＧＰＳデバイスを用いて構造物及び建造物内部の送信機を位置特定することは難しく、場合によっては不可能である。
【０００４】
構造物及び建造物内で送信機を位置特定するための従来の方法は３つのカテゴリに分類される。それらは到着時間（ＴＯＡ）、到来角（ＡＯＡ）及び信号強度に基づく技術である。各方法はＧＳＭ８０２．１１ｂ、Ｂａｙｅｓｉａｎに基づく位置特定法又はウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）技法のような技術を用いる既存のネットワーク内で実施される。しかし、これらの従来の方法は送信機の正確な位置特定を与えるために２以上の受信機を必要とし、又は、ＧＰＳ信号の場合、これらの信号は建造物の通過及び拡散を経て遅延拡散及び減衰によって崩されるので、構造物又は建造物内の送信機を位置特定することができない。
【０００５】
これらの制約のために、建造物内環境のユーザ又は物体を位置特定及び追跡するために他の技術が開発されてきた。そのような１つのシステムは、追跡されるべきアイテム上に配置されたタグを用いる。タグは能動性又は受動性のいずれでもよい。能動タグは電源回路を含むので基地局と通信できる。受動タグは内部電源を含まず、それが基地局の範囲内を通過する際に誘導的に又は電磁的に充電される。受動タグはこの供給電力を用いて局と通信する。基地局は有線又は無線ネットワークによってともに物理的にリンクされている。各タグはそれ自体を固有に識別するコードを送信する。従って、タグの位置はタグが最後に通信した基地局の付近にあるものとして特定される。
【０００６】
そのようなタグに基づく追跡及び位置特定システムは、建造物内環境において有用であるが、特化した基地局の大掛かりな敷設を必要とする。タグに基づくシステムは特定の基地局の「近く」にあるものとしてタグの位置を特定することができるだけであり、結果として、十分に高い分解能を実現するためには、多数の基地局が敷設されなければならない。追跡又は位置特定されるべきアイテム毎に際立つタグが配置されなければならず、赤外線タグの場合には、タグと基地局の間の「見通し線」があるときしかシステムは動作しない。これらの全ての理由のために、タグに基づく位置特定技術は非常に限定的な成功に留まってきた。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施例は送信機を位置特定するための方法、装置及びシステムを提供する。少なくとも幾つかの実施例は逆方向レイ追跡法による屋内送信機位置予測を用いる。少なくとも幾つかの方法は、逆方向レイ追跡法を用いる技法に基づいて到着時間（ＴＯＡ）、到来角（ＡＯＡ）及び信号強度を単一のフレームワークに合成する。
【０００８】
少なくとも一実施例によると、送信機は１以上の受信機によって受信される信号に基づいて位置特定されることができる。受信機は受信パワーをＴＯＡだけでなくＡＯＡの関数として測定する。
【０００９】
少なくとも一実施例は送信機を位置特定するための方法を提供する。少なくともこの実施例によると、受信機において、送信機についての複数の候補位置が複数の信号レイ（信号線）の信号レイ特性に基づいて生成される。候補位置は送信機から受信機への複数の信号レイによって横断される推定経路に沿う点となる。受信機は各候補位置に関連付けられる少なくとも１つのメトリックに基づいて送信機を位置特定することができる。その少なくとも１つのメトリックは各候補位置において信号レイ特性及び仮想信号レイ特性に基づいて生成される。
【００１０】
少なくとも１つの他の実施例は送信機を位置特定するための送受信機を提供する。送受信機は、送信機についての複数の候補位置を複数の信号レイの信号レイ特性に基づいて生成するように構成された位置推定装置を含む。候補位置は送信機から受信機への複数の信号レイによって横断される推定経路に沿う点となる。位置推定装置はさらに、各候補位置に関連付けられた少なくとも１つのメトリックに基づいて送信機を位置特定するように構成することができる。少なくとも１つのメトリックは各候補位置における信号レイ特性及び仮想信号レイ特性に基づいて生成される。
【００１１】
本発明は以下に与えられる詳細な説明及び添付図面（同様の要素は同様の符号によって表される）からより完全に理解され、これらは例示目的のみで与えられ、従って本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は実施例による送信機位置特定システムを示す。
【図２】図２は実施例による受信機を示す。
【図３】図３は実施例による送信機を位置特定するための方法を示すフローチャートである。
【図４】図４は実施例による逆方向レイ追跡法の簡単な例を示す。
【図５】図５は他の実施例による送信機位置特定システムを示す。
【図６】図６Ａ−６Ｄは仮想レイと壁が同一平面にあるときの仮想レイと壁の交差例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施例は、受信機においてＥｍｉｔｔｅｒ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ（ＥＬＶＩＳ）といわれる逆方向レイ追跡アルゴリズムを用いる放射源及び／又は送信機を位置特定するための方法及びアルゴリズムを提供する。少なくとも一実施例によると、逆方向レイ追跡法は建造物等の構造物内の送信機の位置を予測するために使用される。少なくとも幾つかの実施例によると、位置特定方法は逆方向レイ追跡法を用いる技法に基づいて到着時間（ＴＯＡ）、到来角（ＡＯＡ）及び信号強度を単一のフレームワークに合成する。
【００１４】
少なくとも１実施例は、構造物又は建造物の外に位置する１以上の受信機によって送信機から受信された信号の特性に基づいて、建造物内の送信機の位置特定を可能とする。実施例は、送信機又は受信機が静止しているのか、移動しているのか（例えば、消防士のような速い応答者によって搬送されているのか）、又は送信機と受信機の間に見通し線が存在するか否かにかかわらず、建造物又は他の構造物内の送信機の位置の一層正確な特定を可能とする。
【００１５】
図面において、同様の符号は同様の要素を指すものとする。
【００１６】
実施例は適切なコンピューティング環境において実施されているものとして説明する。必須ではないが、実施例はコンピュータプロセッサ又はＣＰＵによって実行されているコンピュータで実行可能なインストラクション（プログラムモジュール等）の一般的な意味で記載される。一般に、プログラムモジュールは特定のタスクを実行し、又は特定のアブストラクトデータタイプを実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む。さらに、当業者であれば、実施例は、移動体又はセルラ電話、手持ち型デバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサに基づく又はプログラマブル消費者用電気製品、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ等を含む他のコンピュータシステム構成で実施できることがわかるはずである。実施例はまた、タスクが通信ネットワークを介してリンクされた遠隔処理デバイスによって実行されるような分散コンピューティング環境においても実施され得る。分散コンピューティング環境では、プログラムモジュールはローカル及び遠隔メモリ記憶デバイスの両方に位置し得る。
【００１７】
以降の記載において、実施例は、特にそれ以外を示さない限り、１以上のプロセッサによって実行される挙動及び動作のシンボル表現を参照して記載される。そのため、そのような挙動及び動作は、場合に応じてコンピュータに実行されているものとして言及するが、構成された形態でデータを表す電気信号のプロセッサによる操作を含む。この操作は、コンピュータのメモリシステム内の各位置でデータを変換し、又はそれを維持し、当業者によってよく理解されている態様でコンピュータの動作を再構成し、あるいは変更する。データが保持されるデータ構造体は、データのフォーマットによって定義される特定のプロパティを有するメモリの物理位置である。しかし、実施例は上記の意味で記載されるものの、当業者であれば以降に記載される種々の挙動及び動作がハードウェアでも実施できることが分かるはずであり、限定的なものを意図するものではない。
【００１８】
実施例は建造物内に位置する送信機に関して記載されるが、実施例はトンネルのような他の構造物内、及び／又は群衆又は山岳地帯における送信機を位置特定する際にも使用できる。少なくとも一実施例によると、送信機の位置は逆方向レイ追跡アルゴリズムを用いて受信信号特性に基づいて推定される。
【００１９】
図１は実施例による送信機位置特定システムを示す。
【００２０】
図１を参照すると、一実施例によると、建造物２００の外部に位置する受信機２０４Ｒは、図３に関して以下により詳しく述べる位置特定方法を用いて建造物２００内の送信機２０２Ｅを位置絞込みする（即ち、位置特定する）ことができる。
【００２１】
少なくとも本実施例によると、送信機２０２Ｅは無線信号を送信（即ち、放射）し、これが複数の伝搬経路を介して受信機２０４Ｒにおいて受信される。送信機２０２Ｅは全方向に電磁放射信号（例えば、無線周波数（ＲＦ）信号）を放射することができるあらゆるタイプの送信機、送受信機又は通信機器とすることができる。例えば、送信機２０２Ｅは、建造物２００の壁及び／又は構造体を貫通し及び／又はそれに反射されることができる周知の無線通信信号（例えば、ＧＳＭ、ＣＤＭＡ、ＴＤＭＡ等）又は任意の他の適切な無線周波数（ＲＦ）信号のような無線信号を送信することができる。
【００２２】
送信機２０２Ｅによって放射される信号は送信パワーＰＴ等の既知の信号特性を持つ。
【００２３】
図２は受信機２０４Ｒをより詳細に示す。図示するように、受信機２０４Ｒは上述の無線通信信号（例えば、ＧＳＭ、ＣＤＭＡ、ＴＤＭＡ等）のような無線信号を送信、受信及び処理するための受信装置２０４Ｒ−２を含む。受信装置２０４Ｒ−２は１以上のアンテナを有するアンテナアレイを含み、その各々は図１の送信機２０２Ｅによって送信される上記の無線信号を送信及び受信することができる。
【００２４】
受信装置２０４Ｒ−２は周知のアンテナアレイを含み、各受信信号、即ち「レイ」についての受信パワー、到来角（ＡＯＡ）、到着時間（ＴＯＡ）等のような信号特性を判定する能力がある。受信装置２０４Ｒ−２は上昇角、アジマス角、ＴＯＡ等の関数としてレイの受信パワーを測定できる。このようなアンテナ、アンテナアレイ及び受信装置は当分野では周知であるので、それらの詳述は説明の簡明化のために省略する。
【００２５】
レイは始点及び方向ベクトルによって記述され、無限の長さのものとする。レイは壁に当ると、レイセグメントとなる。レイセグメントは始点及び終点によって記述され、終点は入射点（発生点）（ＰＯＩ）として知られている。上述の信号特性を判定する方法は周知であるので、ここでは説明の簡明化のために簡単に述べる。
【００２６】
図２をさらに参照すると、受信機２０４Ｒはまた、位置推定装置（ＬＥＵ）（即ち、バックレイトレーサ）２０４Ｒ−６及びメモリ２０４Ｒ−８を含む。受信装置２０４Ｒ−２によって判定される各レイについての信号特性はＬＥＵ２０４Ｒ−６への出力となり、同時にメモリ２０４Ｒ−８に記憶される。ＬＥＵ２０４Ｒ−６の動作の方法は図３に関してより詳細に述べる。
【００２７】
図３は一実施例による送信機を位置特定するための方法を示す。上述したように、図３の方法は図２に示すＬＥＵ２０４Ｒ−６で実行することができる。
【００２８】
図２及び３を参照すると、受信装置２０４Ｒ−２からの各レイについての信号レイ特性を受信すると、ステップＳ１０２においてＬＥＵ２０４Ｒ−６はＮ個の最も強いレイを特定することができる。即ち、例えば、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は各受信レイの受信パワーを比較して最も強い受信パワーを有するＮ個のレイを特定する。
【００２９】
代替的に、ＬＥＵ２０４Ｒ−６はフィルタリングによってＮ個の最も強いレイを特定することができる。即ち、例えば、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は各受信レイに対応付けられる受信パワーを所定又は所与の閾値と比較することができる。閾値以上の対応受信パワーを有する各レイがＮ個の最強のレイの１つとして選択され得る。この実施例では、閾値は、例えば人間のオペレータによって、例えば建造物の構造、送信機の既知の送信パワー等に関する経験的データを用いて決定される。
【００３０】
実施例によると、受信機２０４Ｒは送信機２０２Ｅが位置する建造物の設計図の知識及び建造物の構造組成物（例えば、壁の材料組成等）に関する情報を有していてもよい。
【００３１】
Ｎ個の最強の受信レイを特定した後、ステップＳ１０４においてＬＥＵ２０４Ｒ−６は逆方向レイ追跡法を用いて送信機２０２Ｅから受信機２０４Ｒへの受信レイの経路を推定することができる。即ち、例えば、受信機２０４ＲはＬＥＵ２０４Ｒ−６内のシミュレーションを介して、Ｎ個のレイの各々を連続する入射点に対して停止条件が満たされるまで逆追跡することができる。受信レイを逆追跡する際に、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は、シミュレーションされる仮想レイを用いて、実際のレイの戻り経路（それは受信レイの推定経路をたどる）をシミュレーションすることができる。
【００３２】
仮想レイは始点及び方向ベクトルによっても記述されるシミュレーション上のレイであり、無限の長さをもつものとする。仮想レイが壁に当ると、仮想レイは仮想レイセグメントとなる。仮想レイセグメントは始点及び終点によって記述され、終点は入射点（ＰＯＩ）として知られる。言い換えると、仮想レイセグメントは仮想レイの一部分である。
【００３３】
少なくとも幾つかの実施例によると、特定の入射点で、
（ａ）入射点での仮想レイの予測パワーＰが想定パワーＰＴ以上である場合、なお、想定パワーＰＴは送信機の既知の送信パワーである、
（ｂ）仮想レイによって横断される経路上の入射点の数が閾値限界を超える場合、又は
（ｃ）仮想レイが建造物から離れた場合、
停止条件が満足される。
【００３４】
停止条件が満たされると逆追跡は終了する。逆追跡中に遭遇する各入射点（即ち、点）の位置がメモリ２０４Ｒ−８内に（例えば、建造物の設計図を用いて決定される座標の形式等で）記録される。メモリ２０４Ｒ−８内で、入射点は逆追跡されている受信レイとの対応関係において記憶される。全ての逆方向追跡されるレイについての特性（例えば、レイパワー、伝搬遅延等）及び建造物２００の建築設計図をメモリ２０４Ｒ−８に記憶することもできる。
【００３５】
Ｎ個のレイ各々の逆追跡は直列又は並列に実行することができ、それを行う方法を以下に図４に関してさらに詳細に説明する。上記のように、逆方向レイ追跡はＬＥＵ２０４Ｒ−６におけるシミュレーションとして実行できる。
【００３６】
図３を再度参照すると、ステップＳ１０４においてＮ個の最強レイを逆追跡した後に、ステップＳ１０６においてステップＬＥＵ２０４Ｒ−６はメモリ２０４Ｒ−８に記憶された入射点に基づいて候補位置を特定することができる。特定された候補位置は送信機２０２Ｅについての可能な位置を表す。
【００３７】
候補位置は逆追跡されるレイの対となる交点（又は、代替的に、ユーザ又は人間のオペレータによって指定される範囲内の概略の交点）である。即ち、例えば、候補位置は少なくとも２本の逆追跡されるレイに共通する入射点となり得る。少なくとも一実施例によると、２より多い仮想レイが同じ入射点で交差する場合、その点は複数の候補位置を有し得る。
【００３８】
理想的な条件の下では、送信機２０２Ｅの実際の位置は、全ての仮想レイの予測パワーＰが送信パワーＰＴに等しい状態で複数の仮想レイ交点を有すること、及び受信機２０４Ｒから送信機２０２Ｅへの各仮想レイについての推定伝搬時間も等しいことによって特徴付けられる。
【００３９】
上記のように、候補位置を生成するために、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は少なくとも２本の仮想レイが交差する入射点を特定することになる。入射点は仮想レイが壁又は構造体に突き当たり又は衝突する点である。
【００４０】
少なくとも一実施例によると、ＬＥＵ２０４Ｒ−６はメモリ２０４Ｒ−８に記憶された入射点を解析することによって候補位置を特定することができる。入射点は逆追跡される各受信レイに対応して記憶されるので、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は逆追跡される各レイに対応付けられた各入射点の位置を比較して少なくとも２つの逆追跡されるレイに共通する点を特定することができる。その少なくとも２つの逆追跡されるレイに共通する点は候補位置として識別される。
【００４１】
代替的に、入射点は各仮想レイとの対応において記憶される。本例では、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は各仮想レイに対応付けられた各入射点の位置を比較して少なくとも２つの仮想レイに共通する点を特定する。その少なくとも２つの仮想レイに共通する点は候補位置として識別される。
【００４２】
図３をさらに参照すると、ステップＳ１０８において、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は各候補位置に対応付けられる特性（例えば、推定及び／又は予測信号特性）に基づいて送信機２０２Ｅの実際の位置を特定することができる。少なくとも一実施例によると、特性（例えば、推定及び／又は予測される信号特性）が各候補位置で交差する仮想レイに対応付けられる。
【００４３】
一例では、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は、候補位置各々に対応付けられる少なくとも１つのメトリックに基づいて候補位置を送信機２０２Ｅの実際の位置として選択することができる。少なくとも１つのメトリックは候補位置各々について特定された複数の位置メトリックの偏重和であってもよい。実施例は候補位置各々について特定された複数の位置メトリックに関して記載されるが、各候補位置は１以上の対応付けられた位置メトリックを有し、送信機２０２Ｅの実際の位置は各候補位置に対応付けられた１以上の位置メトリックに基づいて特定することもできる。
【００４４】
ＬＥＵ２０４Ｒ−６は各記憶された候補位置に対応付けられる偏重メトリックを特定し、記憶された各候補位置に対応付けられた偏重メトリックに基づいて送信機０２Ｅの実際の位置を選択することができる。候補位置を送信機２０２Ｅの実際の位置として選択する際に、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は記憶された各候補位置に対応付けられた偏重メトリックを比較して最も高い対応偏重メトリックを持つ候補位置を特定する。最も高い偏重メトリックを有する候補位置は送信機２０２Ｅの実際の位置として選択又は識別されることになる。
【００４５】
偏重メトリックは特定の候補位置に対応付けられた複数の位置メトリックの和であればよい。各候補位置に対応付けられた位置メトリックは隣接候補位置メトリック、パワー差メトリック、想定−予測パワーメトリック及び／又は遅延メトリックを含み得る。位置メトリックの各々は追加の測定パラメータに基づいて特定することができる。
【００４６】
隣接候補位置メトリックは交点の数又は候補位置の付近（例えば、所与の範囲の近く又はその範囲内）にある候補位置に基づいて特定することができる。複数の候補位置の領域は送信機２０２Ｅの実際の位置を含む可能性が高い。特定の候補位置についての隣接候補位置メトリックを計算する方法例が以下にさらに詳しく記載される。この説明の目的のため、ｎｉはｉ番目の候補位置の付近又は近くにある可能な隣接候補位置の数を示す。
【００４７】
隣接候補位置メトリックは、ｉ番目の候補位置の付近又は近くにある可能な隣接候補位置の数及びｋ番目の候補位置の付近にある可能な隣接候補位置の数に基づいて生成することができる。ｋ番目の候補位置は可能な隣接候補位置の最大数を持つ候補位置のことである。少なくともこの実施例によると、ｉ番目の候補位置についての隣接候補位置メトリックｍ１，ｉは以下の式（１）で与えられ、数値（例えば、１０進数値）を生成する。ここで述べるように、下付き数字（例えば、ｍ１，ｉにおける「１」）は複数の位置メトリック間を区別するものである。
【数１】
【００４８】
パワー差メトリックは候補位置で入射する仮想レイ間の予測パワー差に基づいて特定することができる。送信機の実際の位置では、交差する仮想レイの予測パワーＰは互いに許容範囲以内となるべきである。この説明の目的のために、ｐｉはｉ番目の候補位置での交差仮想レイ間の絶対パワーの差を示すものとする。
【００４９】
パワー差メトリックはｉ番目の候補位置での予測パワーｐｉ及びｋ番目の候補位置での予測パワーｐｋに基づいて生成することができる。ｋ番目の候補位置での予測パワーは全ての候補位置についての最大予測パワー差を意味する。少なくともこの実施例によると、ｉ番目の候補位置についての予測パワー差メトリックｍ２，ｉは以下の式（２）で与えられ、数値（例えば、１０進数値）を生成する。
【数２】
【００５０】
想定−予測パワーメトリックは候補位置で入射する各仮想レイについての想定送信パワーＰＴと予測パワーＰの差に基づいて特定することができる。送信機の実際の位置において、理想的には、入射仮想レイの予測パワーＰは送信機２０２Ｅの既知の送信パワーＰＴに等しい。しかし、これは、送信機２０２Ｅと受信機２０４Ｒの間の伝搬中に信号の干渉やフェーディングのために常にそうなるとは限らない。従って、送信機２０２Ｅの既知の送信パワーと候補位置における仮想レイ入射の推定パワーの間の差が、想定−予測パワーメトリックを特定するために使用され得る。
【００５１】
例示目的として、ｉ番目の候補位置で交差する２つのレイが検討され、Δｐｉ，１が想定パワーＰＴからの第１のレイのパワー偏差を示し（例えば、Δｐｉ，１＝Ｐ１−ＰＴ）、Δｐｉ，２が想定パワーＰＴからの第２のレイのパワー偏差を示すものとする（例えば、Δｐｉ，２＝Ｐ２−ＰＴ）。
【００５２】
第１の想定−予測パワーメトリックｍ３，ｉは、第１のレイのｉ番目の候補におけるパワー偏差Δｐｉ，１及びｋ番目の候補位置における想定パワーからのパワー偏差Δｐｋ，１に基づいて特定することができる。なお、ｋ番目の候補位置におけるパワー偏差は全ての候補位置についての最大パワー偏差である。より具体的には、ｉ番目の候補位置についての想定−予測パワーメトリックｍ３，ｉは以下の式（３）で与えられ、数値（例えば、１０進数値）を生成する。
【数３】
【００５３】
同様に、第２の想定−予測パワーメトリックｍ４，ｉは、第２のレイのｉ番目の候補におけるパワー偏差Δｐｉ，２及びｋ番目の候補位置における想定パワーからのパワー偏差Δｐｋ，２に基づいて特定することができる。なお、ｋ番目の候補位置におけるパワー偏差は全ての候補位置についての最大パワー偏差である。より具体的には、ｉ番目の候補位置についての想定−予測パワーメトリックｍ４，ｉは以下の式（４）で与えられ、数値（例えば、１０進数値）を生成する。
【数４】
【００５４】
実施例はレイの到着時間には依存しない。しかし、受信機２０４Ｒが受信レイ間の遅延差を推定することができる場合、これらの到着時間は任意の所与の候補位置について推定できる。従って、受信機２０４Ｒによって測定された相対遅延のセットは任意の候補位置について算出された相対遅延のセットに対して比較されることができ、遅延メトリックとして知られる差は他の位置メトリックとして使用できる。
【００５５】
例えば、受信機２０４Ｒにおいて２本のレイｇ及びｈが時刻ｔｇ及びｔｈにそれぞれ到着したとする。仮想レイｇ´及びｈ´はｉ番目の候補位置で交差すると特定された場合、仮想レイｇ´及びｈ´の到着間の相対遅延はＬＥＵ２０４Ｒ−６によって特定されることになる。例えば、受信機２０４Ｒから候補位置への対応する経路がメモリ２０４Ｒ−８に記憶されるので、受信機２０４Ｒから候補位置への折り返されない距離ｄｈ´及びｄｇ´が特定される。この折り返されない距離ｄｈ´及びｄｇ´はそれぞれ仮想レイｈ´及びｇ´各々が伝搬する距離である。言い換えると、折り返されない距離ｄｈ´及びｄｇ´は、候補位置から受信機２０４Ｒへのレイｈ及びｇが伝搬する距離の推定値となる。仮想レイｇ´及びｈ´各々についての予測伝搬遅延は式（５）及び（６）を用いてＬＥＵ２０４Ｒ−６によって特定することができる。
【数５】
【数６】
【００５６】
式（５）及び（６）の各々において、ｃは光の速度である。式（５）及び（６）の結果を用いて、式（７）によって到着時間差メトリックｚｉがｉ番目の候補位置について算出される。
【数７】
【００５７】
到着時間差メトリックｚｉを算出した後、時間差位置メトリックが以下の式（８）によって与えられ、数値（例えば、１０進数値）を生成する。
【数８】
【００５８】
式（８）に示すように、時間差位置メトリックｍ５，ｉは、ｉ番目の候補位置において到着する仮想レイｇ´及びｈ´についての到着時間における差、及びレイｇ及びｈ各々についての予測伝搬遅延における差に基づいて特定することができる。各候補位置についての上述の偏重メトリックは１以上の上述の位置メトリックを用いて算出できる。偏重メトリックの算出の際に、各位置メトリックは測定値の信頼性に依存して別々に偏重される。少なくとも一実施例によると、特定の候補位置についての偏重メトリックは特定の候補位置に対応付けられた全ての位置メトリックを加算することによって計算することができる。
【００５９】
上記のように、各候補位置についての偏重メトリックを計算した後に、偏重メトリックが比較され、最も高い偏重メトリックに対応付けられた候補位置が送信機２０２Ｅの実際の位置として選出又は選択される。
【００６０】
少なくとも一実施例によると、送信機２０２Ｅの位置は表示スクリーンを介して、例えば、送信機２０２Ｅの実際の位置の表示とともに建造物図の形式で、ユーザに表示してもよい。そのようなディスプレイは当分野では周知であるので、説明の簡明化のために詳述を省略する。
【００６１】
上述のように、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は送信機２０２Ｅから受信機２０４Ｒへの経路に沿う各受信レイを、逆の順序で、停止条件が満足されるまで逆追跡することによって入射点及び候補位置を識別することができる。
【００６２】
図４に実施例による逆方向レイ追跡法の簡単な例を示す。
【００６３】
図４を参照すると、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は受信機２０４Ｒにおける送信機２０２Ｅからの受信レイによって横断される経路を、メモリ２０４Ｒ−８に記憶された受信レイの信号特性及び建造物の設計図を用いて予測することができる。
【００６４】
図示するように、送信機２０２Ｅからのレイは、受信機２０４Ｒにおいて受信される前に点Ｂを介して送信されて建造物２００を出る。受信レイ（例えば、到来角、受信パワー等）の特性を用いて、ＬＥＵ２０４Ｒ−６はレイが受信される方向を特定することができる。この方向ベクトルを用いて、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は仮想レイｒｇを、シミュレーションを介して、レイが受信される方向に点Ｂに向けて発射する。仮想レイｒｇは送信機２０２Ｅから受信機２０４Ｒに送信されたレイの最終レイセグメントを逆方向レイ追跡する。このような逆方向レイ追跡は以下の態様で実行することができる。
【００６５】
３Ｄの場合、点Ｂがある長方形状の壁は式（９）によって与えられる。
【数９】
【００６６】
式（９）において、ｎ＝（Ａ；Ｂ；Ｃ）Ｔは壁面に対する法線である。仮想レイｒｇが乗る線は、
【数１０】
のようにパラメータの形式で表すことができる。
【００６７】
例示目的のため、本実施例は（ｘ０；ｙ０；ｚ０）Ｔに関して、仮想レイｒｇの起点位置ベクトル（例えば、受信機２０４Ｒの場合において、仮想レイｒｇが入射する点）として記述される。ここで、ｖ＝（ｘｄ；ｙｄ；ｘｄ）Ｔは仮想レイｒｇの方向における単位ベクトルであり、長さパラメータｔ（ｔ＞０）は仮想レイ起点（ｘ０；ｙ０；ｚ０）Ｔと仮想レイｒｇ上の他の任意の点の間の距離に対応する。仮想レイｒｇと壁との交点を見つけるために、式（１０）が式（９）に代入されて式（１１）を得る。
【数１１】
【００６８】
交点Ｂは式（１１）をｔについて解くことによって決定される。本例では、ｔ≧０でかつ式（９）に関する上記の制約が満たされる場合に有効な交点が存在する。これらの制約が満たされる場合、点Ｂの位置（又は、より一般的に、仮想レイｒｇについての入射点）を決定するためにｔの値が用いられる。２つの新たな変数は、
【数１２】
及び
【数１３】
で導入される。
【００６９】
式（１２）及び（１３）が与えられると、式（１１）は式（１４）として書き換えることができる。
【数１４】
【００７０】
式（１４）において、Ｆは平面の法線と起点の位置ベクトル（ｘ０；ｙ０；ｚ０）Ｔのスカラ積であり、Ｅは平面の法線と線の方向ベクトル（ｘｄ；ｙｄ；ｚｄ）Ｔのスカラ積である。
【００７１】
Ｆ＝０の場合、起点の位置ベクトル（ｘ０；ｙ０；ｚ０）Ｔは平面の法線に対して直角である。Ｅ＝０の場合、線のベクトル（ｘｄ；ｙｄ；ｚｄ）Ｔは平面の法線に対して直角である。式（９）及び（１０）は仮想レイｒｇが壁に交差するかを判別するために以下のように用いることができる。
【００７２】
Ｅ＝０かつＦ＋Ｄ＝０の場合、送信機２０２Ｅ及び仮想レイｒｇは点Ｂがある壁と同一平面内にあることになる。この場合、仮想レイｒｇが壁に交差するかを判別するために、仮想レイｒｇ上で壁の各頂点から最も近い点が位置特定される。位置特定された点の少なくとも１つが壁上にある場合、仮想レイｒｇは壁に交差するものと判別される。
【００７３】
図６Ａ−６Ｄは例示の可能性を示すものであり、これらは仮想レイｒｇと壁が同一平面内にある場合に区別される必要がある。図６Ａは仮想レイｒｇ及び壁が同一平面上にあり、レイが頂点のみで壁と交差する例を示す。図６Ｂは、仮想レイｒｇ上の壁の頂点まで最短の点の１点のみが壁上にある例を示す。図６Ｃは仮想レイｒｇが壁と交差しない例を示す。この場合、仮想レイｒｇ上の壁の頂点まで最短の点のいずれの点も壁上にない。図６Ｄは仮想レイｒｇ上の壁の頂点まで最短の点の２点が壁上にある例を示す。この場合、仮想レイｒｇは壁に交差するものと判別される。
【００７４】
Ｅ＝０かつＦ＋Ｄ≠０の場合、仮想レイｒｇは壁面に平行であり、壁と同一平面にはなく、仮想レイｒｇは壁に交差しない。
【００７５】
Ｅ≠０かつＦ＋Ｄ＝０の場合、起点（ｘ０；ｙ０；ｚ０）Ｔは壁と同一平面にあるが、仮想レイｒｇは壁面に平行ではない。起点（ｘ０；ｙ０；ｚ０）Ｔの座標が式（９）の条件を満たす場合、起点（ｘ０；ｙ０；ｚ０）Ｔは壁上にある。
【００７６】
Ｅ≠０かつＦ＋Ｄ≠０の場合、線は壁面に交差するが起点及び仮想レイｒｇは壁と同一平面上にない。本例では、非ゼロのｔ値が式（１５）によって与えられる。
【数１５】
【００７７】
少なくとも幾つかの実施例によると、ｔ＞０の場合、仮想レイｒｇが壁面と交差することになる。仮想レイｒｇ及び壁についての入射点（即ち、本例では点Ｂ）が式（１０）を用いて決定され、壁上に交点があるか否かが、式（９）の条件が満たされるかを調べることによって判別される。
【００７８】
図４を参照すると、仮想レイｒｇが壁に点Ｂで衝突する。そしてＬＥＵ２０４Ｒ−６は停止条件が点Ｂにおいて満たされたかを判別する。
【００７９】
上記のように、点Ｂにおいて、
（ａ）仮想レイの予測パワーＰが想定パワーＰＴ以上である場合、なお、想定パワーＰＴは送信機の既知の送信パワーである、
（ｂ）仮想レイによって横断される経路上の入射点の数が閾値限界を超える場合、又は
（ｃ）仮想レイが建造物から離れる場合、
停止条件が満たされる。
【００８０】
図２を参照すると、少なくとも一実施例によると、受信装置２０４Ｒ−２は式（１６）を用いて受信レイの受信パワーＰＲを計算することができる。
【数１６】
【００８１】
式（１６）において、ｄはレイによって伝搬された折り返されない距離であり、ＧＴは送信アンテナゲイン、ＧＲは受信アンテナゲイン、ＰＴは送信パワー、ＰＲは受信パワー、λは波長である。式（１６）は、レイが受信機に到達する前にＭ回の透過及びＫ回の反射を経るものとしている。変数ｔｍはｍ番目の透過についての透過係数を示し、ｒｋはｋ番目の反射についての反射係数を示す。Ｍ、Ｋ、ｍ及びｋの全ては整数である。
【００８２】
式（１６）が与えられると、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は上述の式（１６）を反転することによって逆追跡されるレイの経路に沿う任意の点におけるパワーを予測できる。レイがＭ回の透過及びＫ回の反射を送信機２０２Ｅから受信機２０４Ｒへの経路を介して経験したものとして、Ｍ回の透過係数及びＫ回の反射係数の積はＳであり、以下の式（１７）によって表される。
【数１７】
【００８３】
反射係数及び透過係数は０から１の間の範囲となるので、反射及び／又は透過の数が増加するとＳは減少する。Ｓを用いて式（１７）を表し、式（１６）を反転すると、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は逆方向追跡されるレイ上の任意の点における予測パワーＰを、式（１８）を用いて計算することができる。
【数１８】
【００８４】
式（１８）において、ＧＴはアンテナゲイン、ＧＲは受信アンテナゲイン、λが波長、ＰＲは受信パワー、ｄは予測パワーＰが特定されている点と受信機２０４Ｒの間でレイが伝搬した合計経路長である。これらの値の各々はＬＥＵ２０４Ｒ−６で知得又は計算され得る。パラメータＧＴ、ＧＲ及びλは既知のシステムパラメータであり、係数ｒｋ及びｔｋは建造物内の壁及び構造体の既知のプロパティである。係数ｒｋ及びｔｋは建造物を建築するのに使用された材料のプロパティに基づいて算出することができる。距離ｄは位置推定装置２０４Ｒ−６によってシミュレーション中に算出された合計伝搬距離である。送信パワーＰＴは既知のシステムプロパティである。
【００８５】
レイは逆方向追跡されているため、仮想レイの予測パワーＰは受信機２０４Ｒからの距離が増加するにつれて、並びに反射及び／又は透過の数が増加するにつれて上昇する。従って、より小さいパワーＰＲを有する受信レイは、想定パワーＰＴ以上の値に達する前に、より多い回数を反射及び／又は透過されたことになるので更なる距離を逆方向追跡される必要がある。
【００８６】
図４を参照すると、停止条件が（ａ）が点Ｂにおいて満たされたかを判別するために、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は送信機２０２Ｅの予測パワーＰと想定又は既知の送信パワーＰＴを比較する。予測パワーＰが送信機２０２Ｅの想定パワーＰＴ以上である場合、停止条件（ａ）が満たされ、レイの逆方向レイ追跡は終了する。
【００８７】
予測パワーＰが想定パワーＰＴ未満である場合、停止条件（ａ）は満たされず、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は仮想レイｒｇの経路上の入射点の数が閾値よりも大きいかを判別する。レイを逆方向レイ追跡するとき、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は仮想レイの経路に沿う入射点（例えば反射及び／又は透過）の数を追跡する。即ち、例えば、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は仮想レイが建造物の壁又は構造体に衝突する毎にカウンタ（不図示）を増分する。
【００８８】
仮想レイについての入射点の閾値数の例は５程度であるが、任意の閾値を使用できる。現在の入射点（この場合は点Ｂ）を含む入射点の数が（閾値に）達した場合、停止条件（ｂ）が満たされ、点Ｂを起点とするレイセグメントを含むレイの逆方向レイ追跡を終了する。
【００８９】
停止条件が満たされたか否かにかかわらず、点Ｂにおいて、この点の座標が特定され、その位置が可能な候補位置としてメモリ２０４Ｒ−８に記憶される。
【００９０】
図４を参照すると、上記停止条件のいずれも満たされない場合、点Ｂは透過された仮想レイセグメントｒｋ及び反射された仮想レイセグメントｒｎが発せられた事実上の送信機（又は放射源）となる。反射されたレイセグメントｒｎは建造物を出るので、仮想レイセグメントｒｎについて停止条件（ｃ）が満たされ、仮想レイセグメントｒｎの逆方向追跡が終了する。
【００９１】
一方、透過された仮想レイセグメントｒｋは建造物から出ておらず他の壁に点Ｃで衝突すると、仮想レイセグメントｒｋの逆方向追跡は継続する。点Ｃにおいて、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は停止条件（ａ）又は（ｂ）が満たされたかを点Ｂに関して上述したのと同じ態様で判別することができる。これも上述したように、点Ｃで停止条件が満たされたかにかかわらずこの点の座標が特定され、その位置が可能な候補位置としてメモリ２０４Ｒ−８に記憶される。
【００９２】
停止条件が点Ｃで満たされた場合、逆方向レイ追跡は終了する。停止条件が点Ｃで満たされない場合、点Ｃは反射された仮想レイセグメントｒｌ及び透過された仮想レイセグメントｒｍが発せられた事実上の送信機（又は放射源）となる。透過された仮想レイセグメントｒｍは建造物を出るので、仮想レイセグメントｒｍについて停止条件（ｃ）が満たされることにより、この仮想レイセグメントの逆方向追跡は終了する。
【００９３】
反射された仮想レイセグメントｒｌは建造物を出ないが、その代わりに点Ｅで衝突する。点Ｅにおいて、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は停止条件（ａ）又は（ｂ）が満たされたかを点Ｂ及びＣに関して上述したのと同じ態様で判別することができる。これも上述したように、点Ｅで停止条件が満たされたかにかかわらずこの点の座標が特定され、その位置が可能な候補位置としてメモリ２０４Ｒ−８に記憶される。
【００９４】
点Ｅは送信機２０２Ｅの位置であるので、点Ｅにおける仮想レイの予測パワーＰが想定パワーＰＴ以上となることによって仮想レイについての停止条件（ａ）が満たされる。各逆方向追跡されたレイについて停止条件が満たされた後、ＬＥＵ２０４Ｒ−６は上述のように送信機の実際の位置を特定することができる。
【００９５】
実施例によると、単一の受信機が送信機を位置特定するのに使用され得る。しかし、複数の受信機が、それとともに又は代替的に、送信機の位置特定に関連する予測エラーを減少させるのに使用され得る。
【００９６】
送信機の位置が検知及び後続の処理の持続時間にわたって変化しない場合（例えば、送信機が静止している場合）、複数の受信機を用いる代わりに受信機におけるアンテナ設定の位置を変化させて複数の測定値が取得されるようにしてもよい。
【００９７】
図５は他の実施例による送信機位置特定システムを示す。図示するように、システムは複数の受信機２０４Ｒ、２０６Ｒ及び２０８Ｒを含み、それらの各々は送信機２０２Ｅから送信された信号を受信することができる。本実施例によると、各受信機２０４Ｒ、２０６Ｒ及び２０８Ｒは中央処理装置（例えば、受信機２０４ＲにおけるＬＥＵ２０４Ｒ−６）に受信信号の特性を送る。少なくとも受信機２０６Ｒ及び２０８Ｒは送信機２０２Ｅから送信された信号を受信すること及び無線信号の形式で情報を受信機２０４Ｒに送信することができる送受信機となる。例えば、信号特性は各入着レイのＡＯＡ、ＴＯＡ及び受信パワー並びに受信機自体の座標を含んでいればよい。
【００９８】
この実施例では、各受信機は、レイ選択手順を除いて、図２の受信機２０４Ｒと同様の態様で動作することができる。この実施例では、全てのアンテナ間で受信されたＮ番目に強いレイが逆追跡のために選択される。
【００９９】
例えば、合計Ｋ個の受信機があり、ｋ番目の受信機がｎｋ本のレイを報告するものとする。以下の本数のレイから、最も高い受信パワーのＮ本のレイを選択することができる。
【数１９】
従って、より送信機に近い受信機がより多くのレイに寄与する可能性が高く、より遠い受信機はより少ないレイにしか寄与しないことになる。その受信機で受信された全てのレイの間の最も高い関連パワーを有するレイを選択すると、逆方向レイ追跡を用いてレイが衝突する壁の数が弱いレイよりも少ないので演算時間が減少する。
【０１００】
実施例によると、受信機の数を増加することによって予測エラーが減少するが、受信機数とは独立して固定数のレイが選択されるので演算時間を増加することにはならない。少なくとも幾つかの実施例では、受信機数を増加することによって、より強いレイが生成され得るので演算時間が減少する。異なる受信機からのレイを逆方向レイ追跡することは、より少ない交点に帰着する。従って、候補位置がより少なくなり、これによって演算時間がさらに減少することになる。
【０１０１】
実施例は屋内環境についての逆方向レイ追跡に基づく位置特定ツールを提供する。逆方向レイ追跡は、特に複数の受信機が使用される場合、劣化にも効果的である。角度分解能が比較的高い場合、実施例は従来の位置特定方法よりも信頼性の高い結果を単一の受信機で提供できる。より低い角度分解能の場合、複数の受信機が十分な正確さをもって位置特定することが必要となる。実施例によると、ＬＯＳは放射器と受信機の間に必要ではない。
【０１０２】
発明はこのように記載されるものであるが、同じものが多くの態様で変更できることは明らかである。このような変更例は発明から離れたものとはみなされず、全てのそのような変形例は発明の範囲内に含まれることが意図されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信機を位置特定する方法であって、
受信機において、複数の信号レイの信号レイ特性に基づいて該送信機についての複数の候補位置を生成するステップであって、該候補位置が、該送信機から該受信機への複数の信号レイによって横断される推定経路に沿う点である、生成ステップ、
各候補位置について、それぞれの候補位置に対応付けられた複数の位置メトリックの和をとることによって少なくとも１つの偏重メトリックを計算するステップ、及び
各候補位置に対応付けられた該少なくとも１つの偏重メトリックに基づいて該送信機を位置特定するステップ
からなり、複数の候補位置の間で第１の候補位置についての位置メトリックが、該第１の候補位置における信号レイについての予測メトリックと該複数の候補位置の第２の候補位置における信号レイについての予測メトリックの間の比較に少なくともある程度基づいて計算される、方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、前記生成ステップがさらに、
該送信機から受信される該複数の信号レイの各々を、停止条件が満たされるまで該受信機から逆追跡するステップ、
該逆追跡するステップ中に通過される入射点を識別するステップであって、該入射点は、該複数の信号レイが建造物の構造体又は壁に衝突する点である、識別ステップ、及び
該入射点の位置に基づいて少なくとも１つの交点を候補位置として選択するステップ
からなる方法。
【請求項３】
請求項２の方法において、前記選択するステップがさらに、
各入射点の位置を比較して、少なくとも２本の逆追跡される信号レイに共通の交点を識別する、比較ステップ、及び
該少なくとも２本の逆追跡される信号レイに共通の交点を候補位置として選択するステップ
からなる方法。
【請求項４】
請求項２の方法において、該逆追跡するステップがさらに、
受信信号レイの戻り経路上の第１の入射点に向けてシミュレーション上の仮想レイを発射するステップであって、該第１の点が受信信号レイによって通過された最後の点である、発射ステップ、及び
該受信信号レイの戻り経路を停止条件が満たされるまでシミュレーションするステップ
からなり、
該シミュレーションするステップの間、該戻り経路上の各入射点が該受信機におけるメモリに記録される、方法。
【請求項５】
請求項４の方法において、該シミュレーションするステップがさらに、
該第１の点で停止条件が満たされたかを、既知のシステムパラメータ及びシミュレーション上の仮想レイの予測される特性に基づいて、判別するステップ、及び
該判別するステップに基づいて、該受信信号レイの戻り経路のシミュレーションを終了するかを決定するステップ
からなる方法。
【請求項６】
請求項５の方法において、該判別するステップがさらに、
シミュレーションされた仮想レイが、該送信機が位置する構造物を該第１の入射点で出たかを判別するステップからなり、
第１のシミュレーション上の仮想レイのセグメントが該構造物を出た場合に停止条件が満たされる、方法。
【請求項７】
請求項５の方法において、前記判別するステップがさらに、
該第１の入射点の前及びそれを含む、該シミュレーション上の仮想レイによって通過された入射点の数をカウントするステップ、及び
該入射点の数を閾値と比較するステップ
からなり、該入射点の数が該閾値以上である場合に該停止条件が満たされる、方法。
【請求項８】
請求項５の方法において、前記判別するステップがさらに、
該第１の入射点での該シミュレーション上の仮想レイについての予測パワーを計算するステップ
からなり、該予測パワーが該受信信号レイの送信パワー以上である場合に該停止条件が満たされる、方法。
【請求項９】
請求項１の方法において、前記生成ステップがさらに、
該信号レイによって通過される各候補位置における信号レイに対応付けられる信号レイ特性を、既知のシステムパラメータ及び各通過される候補位置における該信号レイの予測信号レイ特性に基づいて、推定するステップ、及び
該少なくとも１つのメトリックを推定された該信号レイ特性に基づいて生成するステップ
からなる方法。
【請求項１０】
送信機を位置特定するための送受信機であって、
複数の信号レイの信号レイ特性に基づいて該送信機についての複数の候補位置を生成し、
各候補位置について、それぞれの候補位置に対応付けられた複数の位置メトリックの和をとって少なくとも１つの偏重メトリックを計算し、及び
各候補位置に対応付けられた該少なくとも１つの偏重メトリックに基づいて該送信機を位置特定する
ように構成された位置推定装置を備え、
複数の候補位置の間で第１の候補位置についての位置メトリックが、該第１の候補位置における信号レイについての予測メトリックと該複数の候補位置の第２の候補位置における第２の信号レイについての予測メトリックの間の比較に少なくともある程度基づいて計算される、送受信機。
【請求項１】
送信機を位置特定する方法であって、
受信機において、複数の信号レイの信号レイ特性に基づいて該送信機についての複数の候補位置を生成するステップであって、該候補位置が、該送信機から該受信機への複数の信号レイによって横断される推定経路に沿う点である、生成ステップ、
各候補位置について、それぞれの候補位置に対応付けられた複数の位置メトリックの和をとることによって少なくとも１つの偏重メトリックを計算するステップ、及び
各候補位置に対応付けられた該少なくとも１つの偏重メトリックに基づいて該送信機を位置特定するステップ
からなり、複数の候補位置の間で第１の候補位置についての位置メトリックが、該第１の候補位置における信号レイについての予測メトリックと該複数の候補位置の第２の候補位置における信号レイについての予測メトリックの間の比較に少なくともある程度基づいて計算される、方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、前記生成ステップがさらに、
該送信機から受信される該複数の信号レイの各々を、停止条件が満たされるまで該受信機から逆追跡するステップ、
該逆追跡するステップ中に通過される入射点を識別するステップであって、該入射点は、該複数の信号レイが建造物の構造体又は壁に衝突する点である、識別ステップ、及び
該入射点の位置に基づいて少なくとも１つの交点を候補位置として選択するステップ
からなる方法。
【請求項３】
請求項２の方法において、前記選択するステップがさらに、
各入射点の位置を比較して、少なくとも２本の逆追跡される信号レイに共通の交点を識別する、比較ステップ、及び
該少なくとも２本の逆追跡される信号レイに共通の交点を候補位置として選択するステップ
からなる方法。
【請求項４】
請求項２の方法において、該逆追跡するステップがさらに、
受信信号レイの戻り経路上の第１の入射点に向けてシミュレーション上の仮想レイを発射するステップであって、該第１の点が受信信号レイによって通過された最後の点である、発射ステップ、及び
該受信信号レイの戻り経路を停止条件が満たされるまでシミュレーションするステップ
からなり、
該シミュレーションするステップの間、該戻り経路上の各入射点が該受信機におけるメモリに記録される、方法。
【請求項５】
請求項４の方法において、該シミュレーションするステップがさらに、
該第１の点で停止条件が満たされたかを、既知のシステムパラメータ及びシミュレーション上の仮想レイの予測される特性に基づいて、判別するステップ、及び
該判別するステップに基づいて、該受信信号レイの戻り経路のシミュレーションを終了するかを決定するステップ
からなる方法。
【請求項６】
請求項５の方法において、該判別するステップがさらに、
シミュレーションされた仮想レイが、該送信機が位置する構造物を該第１の入射点で出たかを判別するステップからなり、
第１のシミュレーション上の仮想レイのセグメントが該構造物を出た場合に停止条件が満たされる、方法。
【請求項７】
請求項５の方法において、前記判別するステップがさらに、
該第１の入射点の前及びそれを含む、該シミュレーション上の仮想レイによって通過された入射点の数をカウントするステップ、及び
該入射点の数を閾値と比較するステップ
からなり、該入射点の数が該閾値以上である場合に該停止条件が満たされる、方法。
【請求項８】
請求項５の方法において、前記判別するステップがさらに、
該第１の入射点での該シミュレーション上の仮想レイについての予測パワーを計算するステップ
からなり、該予測パワーが該受信信号レイの送信パワー以上である場合に該停止条件が満たされる、方法。
【請求項９】
請求項１の方法において、前記生成ステップがさらに、
該信号レイによって通過される各候補位置における信号レイに対応付けられる信号レイ特性を、既知のシステムパラメータ及び各通過される候補位置における該信号レイの予測信号レイ特性に基づいて、推定するステップ、及び
該少なくとも１つのメトリックを推定された該信号レイ特性に基づいて生成するステップ
からなる方法。
【請求項１０】
送信機を位置特定するための送受信機であって、
複数の信号レイの信号レイ特性に基づいて該送信機についての複数の候補位置を生成し、
各候補位置について、それぞれの候補位置に対応付けられた複数の位置メトリックの和をとって少なくとも１つの偏重メトリックを計算し、及び
各候補位置に対応付けられた該少なくとも１つの偏重メトリックに基づいて該送信機を位置特定する
ように構成された位置推定装置を備え、
複数の候補位置の間で第１の候補位置についての位置メトリックが、該第１の候補位置における信号レイについての予測メトリックと該複数の候補位置の第２の候補位置における第２の信号レイについての予測メトリックの間の比較に少なくともある程度基づいて計算される、送受信機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１０−５２５３００（Ｐ２０１０−５２５３００Ａ）
【公表日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５５３５６０（Ｐ２００９−５５３５６０）
【出願日】平成１９年１１月７日（２００７．１１．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０２３４７３
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１５３５４８
【国際公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＧＳＭ
【出願人】（５９６０９２６９８）アルカテル−ルーセント ユーエスエー インコーポレーテッド (965)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月７日（２００７．１１．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０２３４７３
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１５３５４８
【国際公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＧＳＭ
【出願人】（５９６０９２６９８）アルカテル−ルーセント ユーエスエー インコーポレーテッド (965)
【Ｆターム（参考）】
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