無線位置特定

無線位置特定は、無線位置特定または無線測位とも呼ばれ、電波を使用して何かの位置を見つけるプロセスです。一般的には受動的なもの、特にレーダーを指し、埋設ケーブル、水道本管、その他の公共設備の検出にも使用されます。これは、能動的に自分の位置を探す無線ナビゲーションに似ており、どちらも無線測定の一種です。無線位置特定は、貴重な資産を追跡するためのリアルタイム位置特定システム(RTLS) でも使用されます。

受信した電波の特性を測定することで、物体の位置を特定できます。電波は、位置を特定したい物体から発信される場合もあれば、後方散乱波である場合もあります (レーダーやパッシブRFIDなど)。スタッドファインダーは、超音波ではなく電波を使用する場合、無線位置特定を使用します。

1 つの手法では、受信信号強度 (RSSI) と発信信号強度の差を利用して距離を測定します。別の手法では、送信時刻と伝播速度がわかっている場合に、到着時刻(TOA) を使用します。既知の異なる場所にある複数の受信機からの TOA データを組み合わせると (到着時間差、TDOA)、送信時刻がわからなくても位置を推定できます。受信局での到着角度(AOA) は、指向性アンテナを使用するか、場所がわかっているアンテナ アレイでの到着時間差によって決定できます。AOA 情報は、前述の手法からの距離推定値と組み合わせて、送信機または後方散乱体の位置を特定できます。あるいは、場所がわかっている 2 つの受信局の AOA から送信機の位置を特定します。複数の受信機を使用して送信機の位置を特定する方法は、マルチラテレーションと呼ばれます。

媒体の伝送特性を計算に考慮に入れると、推定値が向上します。RSSI の場合、これは電磁透過率を意味し、TOA の場合、これは見通し外受信を意味する場合があります。

RSSI を使用して単一の受信機から送信機の位置を特定するには、位置特定する物体からの送信 (または後方散乱) 電力と、介在領域の伝搬特性の両方が既知である必要があります。何もない空間では、波長や位置特定する物体と比較して距離が大きい場合、信号強度は距離の2 乗に反比例して減少しますが、実際の環境のほとんどでは、吸収、屈折、影、反射など、さまざまな障害が発生する可能性があります。吸収は、約 10 GHz 未満の周波数での空気中の無線伝搬では無視できますが、回転分子状態が励起される可能性がある数 GHz の周波数では重要になります。屈折は、大気中の水分含有量と温度の勾配のため、長距離 (数十から数百キロメートル) では重要です。都市、山岳地帯、または屋内環境では、介在する障害物による妨害や近くの表面からの反射が非常に一般的であり、マルチパス歪みの一因となります。つまり、送信信号の反射および遅延複製が受信機で組み合わされます。異なる経路からの信号は、建設的または破壊的に加算される可能性があります。このような振幅の変化は、フェーディングと呼ばれます。送信機と受信機の位置に対する信号強度の依存性は複雑になり、多くの場合非単調になるため、単一の受信機による位置の推定は不正確で信頼性が低くなります。多くの受信機を使用するマルチラテレーションは、精度を向上させるために、多くの場合、較正測定 (「フィンガープリンティング」) と組み合わせられます。

TOA および AOA 測定も、マルチパス エラーの影響を受けます。特に、送信機から受信機への直接パスが障害物によってブロックされている場合にその傾向が強くなります。到着時間測定は、信号が対象のスケールで明確な時間依存特性を持つ場合 (たとえば、信号が既知の持続時間の短いパルスで構成されている場合) に最も正確ですが、フーリエ変換理論によれば、短い時間スケールで振幅または位相を変更するには、信号で広い帯域幅を使用する必要があります。たとえば、約 1 ns 持続時間のパルスを生成するには、約 0.3 m (1 フィート) 以内の位置を特定するのに十分な長さですが、約 1 GHz の帯域幅が必要です。無線スペクトルの多くの領域では、スペクトルの他の狭帯域ユーザーとの干渉を避けるため、このような広い帯域幅での放射は、関係する規制当局によって許可されていません。米国では、902～928 MHz および 2.4～2.483 GHz の産業、科学、医療ISM バンドなど、いくつかの帯域で無免許送信が許可されていますが、高出力送信はこれらの帯域外に拡張できません。ただし、いくつかの管轄区域では現在、他のスペクトル ユーザーとの干渉を最小限に抑えるために送信電力に制限を設けた上で、GHz または複数 GHz の帯域幅での超広帯域送信が許可されています。UWB パルスは時間的に非常に狭く、都市環境または屋内環境での TOA の正確な推定値を提供することがよくあります。

無線位置特定は、さまざまな産業および軍事活動で使用されています。レーダー システムでは、単一の受信機を使用して後方散乱物体の位置を決定するために、TOA と AOA の組み合わせが使用されることがよくあります。ドップラー レーダーでは、ドップラー シフトも考慮され、位置ではなく速度が決定されます(ただし、将来の位置を決定するのに役立ちます)。較正された RTLS を使用するリアルタイム位置特定システム RTLS と TDOA は市販されています。広く使用されている全地球測位システム ( GPS ) は、既知の位置にある衛星からの信号の TOA に基づいています。

無線位置特定は、基地局を介して携帯電話でも使用されます。ほとんどの場合、これは無線塔間の三辺測量によって行われます。発信者または受話器の位置は、いくつかの方法で特定できます。

• 到来角（AOA ）には少なくとも2つの塔が必要であり、各塔からの角度に沿った線が交差する地点に発信者を配置する。
• 到着時間差（TDOA）と到着時刻（TOA ）はマルチラテレーションを使用して機能しますが、時間差、つまり各タワーからの距離を決定するのはネットワークです（地震計の場合と同様）。
• 位置シグネチャは、「フィンガープリンティング」を使用して、携帯電話の信号が各セル内の異なる場所で示すことが知られているパターン（マルチパスなど）を保存および呼び出します。

最初の 2 つは見通し線に依存しますが、山岳 地帯や高層ビルの周りでは見通し線が困難または不可能になることがあります。ただし、位置シグネチャは実際にはこれらの状況でより効果的に機能します。CingularやT - MobileなどのTDMAおよびGSMネットワークはTDOA を使用します。

Verizon WirelessやSprint PCSなどのCDMAネットワークでは、技術的には無線ナビゲーションに似た、端末ベースの無線位置特定技術が使用される傾向があります。GPS は、そのような技術の 1 つです。

携帯電話とネットワークの両方を必要とする複合ソリューションには、次のものがあります。

• 補助GPS（ワイヤレスまたはテレビ）により屋内でもGPSを使用可能
• 高度フォワードリンク三辺測量 (A-FLT)
• タイミングアドバンス/ネットワーク測定レポート (TA/NMR)
• 拡張観測時間差( E-OTD )

そもそも、携帯電話にこれらの機能が搭載される目的は、緊急電話番号への通話に応答する公衆安全応答センター(PSAP) が、発信者の居場所と、緊急サービスを正確にどこに送ればよいかを知ることです。この機能は、NANP (北米) ではワイヤレス拡張 911として知られています。携帯電話のユーザーは、収集した位置情報を他の電話番号やデータネットワークに送信することを許可するオプションを持つ場合があります。これにより、道に迷った人や他の位置情報サービスが必要な人を助けることができます。デフォルトでは、プライバシーを保護するために、このオプションは通常オフになっています。

無線標定サービス（略称：RLS）は、国際電気通信連合（ITU）の無線通信規則（RR）^[1]の第1.48条によれば、「無線標定を目的とした無線測位サービス」と定義されており、無線標定は「無線航行以外の目的で使用される無線測位」と定義されています。

この無線通信サービスは、 ITU無線通信規則（第1条）に従って次のように分類されます：
無線測位サービス（第1.40条）

• 無線標定業務（第1.48条）
  • 無線標定衛星業務（第1.49条）

無線位置特定サービスは基本的に

• 陸上移動、空中移動、海上移動の無線移動局（第1.89条）
• 無線標定陸上局（第1.90条）

• 
  陸上レーダー（パラボラアンテナ）
• 
  陸上レーダー（射撃管制レーダー FuMG 39「ヴュルツブルク」）
• 
  陸上レーダー（AN/FPQ-16 早期警戒レーダー）
• 
  海上移動レーダー（フリゲート艦ハンブルクのアクティブフェーズドアレイレーダー）
• 
  空中移動レーダー（回転レーダードームを備えたボーイングE-3セントリー）
• 
  陸上移動レーダー（TRML-3D航空監視レーダー）

無線標定衛星サービス（略称：RLSS）は、国際電気通信連合（ITU）の無線通信規則（RR）^[2]の第1.49条によれば、 「無線標定の目的で使用される無線測位衛星サービス。この（無線通信）サービスには、その運用に必要なフィーダリンクも含まれる。」 と定義されています。

無線測位衛星サービスは基本的に

• 地球のラジオ局
• フィーダーリンクと
• 宇宙ラジオ局

たとえば、地球衛星の軍事用レーダーセンサーは、このサービスの無線位置測定衛星サービスで動作します。

無線標定衛星サービスにおける 無線局の例

• 
  「ORS-2」宇宙搭載レーダー
• 
  「NROラクロス」レーダー衛星
• 
  「ROSAR」レーダー衛星

無線周波数の割り当ては、ITU無線通信規則（2012年版）第5条に従って規定されている。 ^[3]

スペクトル利用の調和を改善するために、この文書で規定されているサービス割り当ての大部分は、適切な国の行政機関の責任の範囲内にある周波数割り当ておよび利用の国別表に組み込まれました。割り当ては、プライマリ、セカンダリ、排他的、および共有のいずれかになります。

周波数割り当ての例

無線標定陸上局は、国際電気通信連合（ITU）のITU無線通信規則（RR）^[4]の第1.90条によれば、「移動中に使用されることを意図していない無線標定業務を行う無線局」と定義されています。各無線標定局は、恒久的または一時的に運用される無線通信サービスによって分類されます。

ITU無線規則（第1条）によれば、このタイプの無線局は次のように分類される可能性がある：無線測位サービス（第1.40条）の
無線測位局（第1.86条）

• 無線航行サービス（第1.42条）の無線航行移動局（第1.87条）
• 無線航行サービスの無線航行陸上局（第1.88条）
• 無線標定サービス（第1.48条）の無線標定移動局（第1.89条）
• 無線位置標定地上局

無線位置特定陸上局の選択

• 
  ドイツのレーダー ヴルツブルク リーゼ (FuMG 65)
• 
  ALTAIR (ARPA 長距離追跡計装レーダー)
• 
  NASA ワロップス飛行施設レーダー
• 
  アンテナ レーダーL バンドTAR フィンランド
• 
  3kW Cバンドレーダーの50フィート皿アンテナ
• 
  情報収集用フェーズドアレイレーダー FPS-108 COBRA DANE
• 
  フェーズドアレイレーダー AN/FPQ-16 PARCS
• 
  スカイガイド レーダー、Boppelsen on Lägern の Hochwacht (スイス)

無線標定移動局は、国際電気通信連合（ITU）のITU無線通信規則（RR）^[5]の第1.89条によれば、「移動中または不特定の地点での停止中に使用されることを意図した無線標定サービスの無線局」と定義されています。各無線標定局は、恒久的または一時的に運用される無線通信サービスによって分類されます。

ITU無線規則（第1条）によれば、このタイプの無線局は次のように分類される可能性がある：無線測位サービス（第1.40条）の
無線測位局（第1.86条）

• 無線航行サービス（第1.42条）の無線航行移動局（第1.87条）
• 無線航行サービスの無線航行陸上局（第1.88条）
• 無線位置特定移動局

無線位置特定移動局の選択

• 
  航空監視レーダー TRML-3D
• 
  ハイファインダーレーダー
• 
  RAAF レーダー、AN/TPS-77
• 
  ドイツのレーダーセンサーLÜR
• 
  日本軍におけるMIM-104パトリオット
• 
  ナイキ ヘラクレス IFC レーダー LOPAR および追跡レーダー (MTR、TTR、TRR) fltr
• 
  APAR レーダー Fregatte Hamburg (F 220)
• 
  兵器制御レーダー
• 
  海上設置型Xバンドレーダーの建設が進行中
• 
  ME Bf 110Gの空中レーダー「リヒテンシュタイン SN-2」

• 無線方向探知
• リアルタイム位置特定
• 雷検出

• Sun, Guolin; Chen, Jie; Guo, Wei; Liu, KJR (2005 年 7 月)。「ネットワーク支援ポジショニングにおける信号処理技術: 最先端のポジショニング設計の調査」(PDF)。IEEE信号処理マガジン。22 (4 ) : 12。Bibcode :2005ISPM... 22 ... 12S。CiteSeerX 10.1.1.319.3989。doi : 10.1109 /MSP.2005.1458273。S2CID 4093889  。 
• Patwari, N.; Ash, JN; Kyperountas, S.; Hero, AO; Moses, RL; Correal, NS (2005 年 7 月)。「ノードの位置特定: ワイヤレス センサー ネットワークにおける協調的位置特定」(  PDF ) 。IEEE Signal Processing Magazine。22 ( 4): 54。Bibcode :2005ISPM...22...54P。doi : 10.1109/MSP.2005.1458287。ISSN 1053-5888。S2CID 3259841  。
• Hashemi, H. (1993). 「屋内無線伝搬チャネル」. Proceedings of the IEEE . 81 (7): 943–968. doi :10.1109/5.231342.
• 「無線通信システムのための屋外/屋内伝搬モデリング」、M. Iskander、Z. Yun、Z. Zhang、IEEE アンテナおよび伝搬協会、AP-S 国際シンポジウム (ダイジェスト) v 2 2001、p 150-153