專利名稱：局部定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定移動(dòng)臺的位置；具體涉及利用到達(dá)時(shí)差(TDOA)方法查找移動(dòng)臺。
全球定位系統(tǒng)(GPS)通常提供精確的測量位置給接收機(jī)。GPS接收機(jī)從衛(wèi)星接收信號，根據(jù)該衛(wèi)星的已知位置，通過完成TDOA計(jì)算確定它的位置。接收機(jī)一般附屬在車輛或船只上，完成其單一的目的。GPS的昂貴費(fèi)用往往限制它的購買者為豪華轎車，飛機(jī)，和輪船的擁有者。
數(shù)字蜂窩式/PCS電話已成為一個(gè)非常方便和廉價(jià)的方法，不管人們在什么地方，用于該人與其他人或通信系統(tǒng)的通信。在緊急情況下人們可以撥打9-1-1電話。然而，在不利用衛(wèi)星和GPS的情況下，當(dāng)前的無線通信系統(tǒng)不能確定主叫方的位置。
當(dāng)前的無線通信系統(tǒng)利用多址技術(shù)組合來自不同源的信號，允許多個(gè)用戶分享公用媒體而沒有互相之間的干擾。一種基本類型的多址技術(shù)是碼分多址(CDMA)。在CDMA中，每個(gè)基站發(fā)射一個(gè)導(dǎo)頻信道信號，它基本上是一個(gè)未調(diào)制的偽隨機(jī)噪聲(PN)序列。PN序列包括一連串PN碼片(chip)，每個(gè)PN碼片對應(yīng)于約800.4ft的距離。每個(gè)基站采用不同的計(jì)時(shí)偏置發(fā)射導(dǎo)頻信道信號，使移動(dòng)臺能夠區(qū)分從哪個(gè)基站發(fā)射的導(dǎo)頻信道信號。
移動(dòng)臺與服務(wù)的基站在時(shí)間上是同步的，即，是與移動(dòng)臺通信的那個(gè)基站是同步的。移動(dòng)臺搜索稱之為導(dǎo)頻信道信號搜索窗的時(shí)間間隔。安排每個(gè)基站發(fā)射它的導(dǎo)頻信道信號，使移動(dòng)臺可以期望在每個(gè)搜索窗內(nèi)開始接收不超過一個(gè)導(dǎo)頻信道信號。當(dāng)移動(dòng)臺檢測導(dǎo)頻信道信號時(shí)，若導(dǎo)頻信道信號到達(dá)該移動(dòng)臺，它就測量該導(dǎo)頻信道信號的強(qiáng)度和記錄該導(dǎo)頻信道信號的相位，用PN碼片表示。若導(dǎo)頻信道信號的強(qiáng)度超過預(yù)定的閾值，則發(fā)射該導(dǎo)頻信道信號的基站對于移動(dòng)臺而言是“可見”的。移動(dòng)臺通過反向鏈路發(fā)射測量和記錄到服務(wù)的基站或某個(gè)其他的預(yù)定位置。
確定移動(dòng)臺地理位置的常規(guī)方法通常至少需要3個(gè)“可見”基站與該移動(dòng)臺之間的距離表示。基站與移動(dòng)臺之間的距離等于信號從基站傳播到移動(dòng)臺的時(shí)間Δti乘以該信號的波速ν。若Δt1ν是從該移動(dòng)臺(已知其地理坐標(biāo)為(x0，y0))到第一基站(已知其地理坐標(biāo)為(x1，y1))的距離，Δt2ν是從該移動(dòng)臺到第二基站(已知其地理坐標(biāo)為(x2，y2))的距離，和Δt3ν是從該移動(dòng)臺到第三基站(已知其地理坐標(biāo)為(x3，y3))的距離，則根據(jù)畢達(dá)哥拉斯(Pythagoras)定理，導(dǎo)出用到達(dá)時(shí)間(TOA)方法確定該移動(dòng)臺(x0，y0)位置的以下公式Δt1v=(x1-x0)2+(y1-y0)2,---(1)]]>Δt2v=(x2-x0)2+(y2-y0)2---(2)]]>Δt3v=(x3-x0)2+(y3-y0)2---(3)]]>然而，在CDMA中，時(shí)間Δti是未知的，因?yàn)橐苿?dòng)臺沒有測量Δti的絕對時(shí)間參考標(biāo)準(zhǔn)。
TDOA方法把公式數(shù)目從3個(gè)減少到2個(gè)。(公式(3)減公式(1)和公式(2)減公式(1))。若沒有以下描述的系統(tǒng)測量誤差或多路徑效應(yīng)，則TDOA方法給出精確位置的確定方法。遺憾的是，系統(tǒng)測量誤差和多路徑效應(yīng)一般總是存在的，因此造成與確定真實(shí)位置的偏差。所以，不能利用以上公式直接地精確確定移動(dòng)臺M的地理位置。
本發(fā)明處理這些問題是通過給出一個(gè)局部定位系統(tǒng)(LPS)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成利用碼分多址(CDMA)正向鏈路或時(shí)分多址(TDMA)反向鏈路中的無線電傳播參量估算移動(dòng)臺的位置。
把兩組稱之為代價(jià)函數(shù)的公式減至最小，LPS利用三角形測量方法確定移動(dòng)臺的位置。第一組代價(jià)函數(shù)代表從“可見”基站到移動(dòng)臺的距離誤差，第二組代價(jià)函數(shù)代表移動(dòng)臺位置估算中的位置誤差。兩組代價(jià)函數(shù)包含這樣的變量，它是該組內(nèi)多個(gè)代價(jià)函數(shù)的公共變量。估算每個(gè)公式內(nèi)未知變量的值使代價(jià)函數(shù)變成最小，從而使該組中距離誤差或位置誤差盡可能接近于零。
當(dāng)移動(dòng)臺與基站之間的距離是未知時(shí)，為了確定移動(dòng)臺的地理坐標(biāo)，LPS首先估算從移動(dòng)臺到基站的距離以減輕系統(tǒng)測量誤差和多路徑效應(yīng)。在估算該距離之后，LPS根據(jù)估算的距離估算移動(dòng)臺(x0，y0)的地理坐標(biāo)。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，LPS是計(jì)算機(jī)中確定移動(dòng)臺地理位置的軟件實(shí)施方案。LPS接收數(shù)據(jù)樣本，它包含導(dǎo)頻信道信號到移動(dòng)臺的到達(dá)時(shí)間信息，和訪問基站信息，它指出與到達(dá)時(shí)間信息相關(guān)的至少3個(gè)蜂窩式或PCS基站的位置。然后，把第一組公式或代價(jià)函數(shù)減至最小，LPS估算從移動(dòng)臺到基站的距離；根據(jù)估算的距離，把第二組公式或代價(jià)函數(shù)減至最小，LPS估算移動(dòng)臺的地理位置。
本發(fā)明的LPS有這樣的優(yōu)點(diǎn)，利用現(xiàn)有的設(shè)備給出類似GPS定位的能力。該LPS不需要附加的信號檢測能力，只需要稍微改動(dòng)現(xiàn)有的無線電話系統(tǒng)。除了標(biāo)準(zhǔn)的CDMA/TDMA系統(tǒng)以外，不需要附加的硬件，從而使LPS有高的成本效益。LPS還解決了無線CDMA/TDMA系統(tǒng)的9-1-1移動(dòng)臺位置問題。所以，LPS能夠根據(jù)數(shù)字電話機(jī)確定受困惑人的位置。
參照以下附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中相同的數(shù)字代表相同的元件

圖1舉例說明位于三角形內(nèi)部的移動(dòng)臺，該三角形是由三個(gè)不同基站構(gòu)成的；圖2舉例說明位于三角形外部的移動(dòng)臺，該三角形是由三個(gè)不同基站構(gòu)成的；圖3a是按照本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的LPS實(shí)施方案示意圖；圖3b是按照本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的LPS實(shí)施方案示意圖；圖4舉例說明一個(gè)LPS優(yōu)選實(shí)施例的流程圖；和圖5是一個(gè)說明LPS性能分析的曲線圖例子。
此處所描述的諸實(shí)施例是用在CDMA正向鏈路三角形測量方法(FLT)的系統(tǒng)中。應(yīng)當(dāng)明白，在與諸基站同步之后，該實(shí)施例也可用在TDMA反向鏈路三角形測量方法(RLT)的系統(tǒng)中。
LPS確定移動(dòng)臺的地理坐標(biāo)是通過，接收代表有關(guān)該移動(dòng)臺信息的數(shù)據(jù)樣本，訪問有關(guān)至少3個(gè)基站的基站信息，和估算該移動(dòng)臺的位置。根據(jù)數(shù)據(jù)樣本和基站信息，LPS確定移動(dòng)臺的位置是通過，把第一組公式或代價(jià)函數(shù)減至最小，估算該移動(dòng)臺與基站之間的距離，然后把第二組公式或代價(jià)函數(shù)減至最小，估算該移動(dòng)臺的地理坐標(biāo)。
LPS的基礎(chǔ)是TDOA，它利用測得的導(dǎo)頻信道信號相移或碼片偏置信息，該信號是從對移動(dòng)臺是“可見”的特定基站發(fā)射的。TDOA三角形測量方法要求至少來自3個(gè)“可見”基站的時(shí)間或傳播延遲測量。若移動(dòng)臺“可見”的基站少于3個(gè)，則LPS將等待3個(gè)“可見”基站的移動(dòng)臺報(bào)告，或調(diào)整信號強(qiáng)度閾值，使該移動(dòng)臺識別來自其他基站更多的導(dǎo)頻信道信號。該移動(dòng)臺頻繁地測量導(dǎo)頻信道信號的相位，就可以積累對位置的估算，隨著時(shí)間的推移使位置的估算更加精確。
圖1展示代表移動(dòng)臺M的一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)位于代表“可見”基站的點(diǎn)b1，b2和b3三角形的內(nèi)部，該點(diǎn)離移動(dòng)臺M的距離分別為d1，d2和d3。測得諸基站之間的距離為基站b1與b2之間的長度b1b2；基站b1與b3之間的長度b1b3；和基站b2與b3之間的長度b2b3。夾角α12，α13和α23分別是由弧線b1Mb2，b1Mb3和b2Mb3形成的。在圖1中，夾角α23等于360°減去夾角α12和α13。除了移動(dòng)臺M位于三角形b1b2b3的外部和夾角α23等于夾角α12與α13之和以外，圖2類似于圖1。
圖3a是舉例說明LPS的實(shí)施方案圖。LPS包括計(jì)算機(jī)10和構(gòu)件20，且可以放在一個(gè)基站中。構(gòu)件20包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)和可執(zhí)行程序，用于尋找移動(dòng)臺M的位置。
圖3b是舉例說明另一個(gè)LPS的實(shí)施方案圖。LPS1包括計(jì)算機(jī)10，用于接收傳送可執(zhí)行程序的信號30以尋找移動(dòng)臺M的位置。發(fā)射的信號30是有載波或沒有載波的數(shù)字格式。
圖4舉例說明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中LPS尋找移動(dòng)臺M位置的流程圖，。在步驟S10，LPS1讀出來自移動(dòng)臺M的數(shù)據(jù)樣本(例如，扇區(qū)編號，導(dǎo)頻信道信號的導(dǎo)頻相位和強(qiáng)度)。在步驟S20，LPS1讀出小區(qū)現(xiàn)場表，它包含一些信息，諸如，基站ID，基站的扇區(qū)編號，和基站的地理位置，例如，測出的緯度和經(jīng)度。在步驟30，把數(shù)據(jù)樣本的扇區(qū)編號與小區(qū)現(xiàn)場表中的編號進(jìn)行匹配，確定該導(dǎo)頻信道信號來自何處。若導(dǎo)頻信道信號至少來自3個(gè)基站，則構(gòu)成如圖1或圖2所示的三角形b1b2b3，可以確定移動(dòng)臺M與基站b1，b2和b3之間的距離和移動(dòng)臺M的地理位置。
在步驟S40，估算移動(dòng)臺M與可見基站b1，b2和b3之間的距離。計(jì)算機(jī)10計(jì)算距離d1，使一組代價(jià)函數(shù)的距離誤差減至最小，并根據(jù)估算的距離d1確定距離d2和d3。以下描述距離d1的估算和根據(jù)距離d1確定距離d2和d3。
在步驟S50，LPS利用TDOA確定移動(dòng)臺M的地理坐標(biāo)。LPS1計(jì)算移動(dòng)臺M的本地坐標(biāo)，即，(x0，y0)與服務(wù)的基站b1之間關(guān)系，并根據(jù)基站b1，b2和b3已知的緯度和經(jīng)度，把本地坐標(biāo)(x0，y0)轉(zhuǎn)換成全球的緯度和經(jīng)度。若存在相繼的導(dǎo)頻信道信號相位的測量和記錄，則可以重新計(jì)算移動(dòng)臺M的地理位置，并取平均值以獲得更精確的分析。
步驟S40-估算移動(dòng)臺與基站之間的距離TODA方法中兩個(gè)最嚴(yán)重的系統(tǒng)測量誤差是導(dǎo)頻信道信號相位測量中的舍入誤差和諸基站之間的同步誤差。對于導(dǎo)頻信道信號相位測量，若一個(gè)碼片對應(yīng)于800.4ft，則舍入誤差(在最壞情況下為半個(gè)碼片)在位置偏差中的貢獻(xiàn)為400.2ft。若舍入誤差滿足均勻分布，則它可以用隨機(jī)變量T1表示。
理想上，每個(gè)基站與其他基站在時(shí)間上同步。每個(gè)基站也可以利用GPS時(shí)鐘在時(shí)間上同步。然而，基站中的實(shí)際時(shí)鐘往往在標(biāo)稱值附近漂移。漂移誤差可以用滿足另一種均勻分布的隨機(jī)變量T2表示?？梢园褍蓚€(gè)誤差源的影響相加得到系統(tǒng)測量誤差T，它等于隨機(jī)變量T1與T2之和。所以，測出的導(dǎo)頻信道信號相位pi等于真實(shí)的導(dǎo)頻信道信號相位加上系統(tǒng)測量誤差T。
若所進(jìn)行的測量是屬于視線(LOS)信號的測量，則TDOA方法工作得最好，因?yàn)橹本€是兩點(diǎn)之間最短的距離。遺憾的是，移動(dòng)臺M不可能總是從基站b1，b2和b3接收到LOS信號。從任何一個(gè)基站b1，b2和b3發(fā)射的單個(gè)信號在到達(dá)移動(dòng)臺M之前，該信號可能從不同的物體上反射，例如，建筑物，樹木和車輛；所以，沿著一條比該信號是LOS信號長的路徑傳播。這個(gè)多路徑效應(yīng)造成信號延遲到達(dá)，給TDOA估算帶來不利的影響。
由于不能保證移動(dòng)臺M從可見基站b1，b2和b3獲得視線(LOS)信號，當(dāng)利用TDOA確定移動(dòng)臺M與基站b1，b2和b3之間的距離時(shí)，必須考慮到多路徑信號造成到達(dá)時(shí)間的延遲。然而，延遲量是不同的，取決于移動(dòng)臺M與基站b1，b2和b3之間的距離和放置的物體，所以很難用一個(gè)模型來描述。因此，單個(gè)多路徑參量μ代表由多路徑效應(yīng)造成適當(dāng)比例的時(shí)間延遲，并把它當(dāng)作一個(gè)非隨機(jī)參量而不是隨機(jī)數(shù)，因?yàn)楸仨殞λ械膶?dǎo)頻信道信號估算單個(gè)多路徑參量μ。多路徑參量μ一般小于1；若移動(dòng)臺M從可見基站b1，b2和b3只獲得LOS信號，則多路徑參量μ等于其最大值1。
應(yīng)當(dāng)注意，采用單個(gè)多路徑參量μ意味著單一的多路徑效應(yīng)。就是說，即使對每個(gè)基站b1，b2和b3導(dǎo)頻信道信號的多路徑效應(yīng)是不同的，我們假設(shè)，多路徑效應(yīng)造成的延遲對于每個(gè)導(dǎo)頻信道信號都是相同的。代表相同的附加延遲的多路徑參量μ可以大大緩和多路徑效應(yīng)的影響。多路徑參量μ可以在模型規(guī)定的某個(gè)范圍內(nèi)變化，這個(gè)模型是與典型的環(huán)境有關(guān)，諸如，農(nóng)村，城鎮(zhèn)，郊區(qū)，高速公路，等等。
移動(dòng)臺M并不知道基站bi發(fā)射導(dǎo)頻信道信號的正確時(shí)間(與GSP同步)，也不知道移動(dòng)臺M接收到該導(dǎo)頻信道信號的正確時(shí)間，以便確定導(dǎo)頻信道信號從基站bi傳播到移動(dòng)臺M所需的時(shí)間。所以，基站bi與移動(dòng)臺M之間的距離d1，d2和d3都是未知的。
然而，諸基站之間是互相同步的，且移動(dòng)臺M與服務(wù)的基站b1是同步的。因此，移動(dòng)臺M能夠記錄從遠(yuǎn)處基站b2和b3發(fā)射的導(dǎo)頻信道信號相位的碼片偏置與服務(wù)的基站b1導(dǎo)頻信道信號之間的關(guān)系。所以，在從服務(wù)的基站b1接收到導(dǎo)頻信道信號以后，移動(dòng)臺M可以確定該導(dǎo)頻信道信號從遠(yuǎn)處基站b2和b3傳播到移動(dòng)臺M所需的附加時(shí)間，因?yàn)椋鄬τ诜?wù)的基站b1相位，遠(yuǎn)處基站b2和b3的相位是可以測量的，由于移動(dòng)臺M是與服務(wù)的基站b1同步的，這個(gè)相位設(shè)置為零。移動(dòng)臺M識別導(dǎo)頻信道信號相位p2作為基站b1與b2的導(dǎo)頻信道信號相位記錄之間的相差，識別導(dǎo)頻信道信號相位p3作為基站b1與b3的導(dǎo)頻信道信號相位記錄之間的相差。因此，距離d2等于距離d1加800.4 ft乘導(dǎo)頻信道信號的相位p2，即d2＝d1+800.4(p2)ft (4)類似地，距離d3等于距離d1加800.4ft乘導(dǎo)頻信道信號的相位p3，即d3＝d1+800.4(p3)ft (5)然而，在可以確定距離d2和d3之前，必須先估算距離d1。
因此，LPS1估算距離d1。為了尋找距離d1的估算值，對于距離d1，多路徑參量μ和夾角α和基于公式(4)和(5)替換距離d2和d3，以下的公式(6)-(8)是把距離誤差F12，F(xiàn)13，和F23減至最小的代價(jià)函數(shù)F12＝(b1b2)2-μ2d12-μ2d22+2μ2(d1)(d2)cosα12，(6)F13＝(b1b3)2-μ2d12-μ2d32+2μ2(d1)(d3)cosα13，(7)F23＝(b2b3)2-μ2d22-μ2d32+2μ2(d2)(d3)cosα23(8)必須把距離誤差F12，F(xiàn)13和F23的代價(jià)函數(shù)減至最小以獲得最佳結(jié)果。
利用熟知的最小化方法，諸如，最陡下降或增量搜索d1的方法，可以完成代價(jià)函數(shù)F12，F(xiàn)13，和F23的最小化。例如，利用增量搜索方法，通過估算距離d1和多路徑參量μ的范圍，求解該范圍內(nèi)每個(gè)預(yù)定增量的公式(6)-(8)，和選取距離d1，多路徑參量μ和夾角α12，α13和α23給出距離誤差F12，F(xiàn)13和F23最接近于零，就可以使以上代價(jià)函數(shù)減至最小。在估算距離d1以后，利用公式(4)和(5)可以確定距離d2和d3。
公式(6)-(8)有4個(gè)未知數(shù)，即，距離d1，多路徑參量μ和夾角α12，α13。如上所述，當(dāng)移動(dòng)臺M在三角形b1b2b3的內(nèi)部時(shí)，夾角α23等于360°減去夾角α12和α13。當(dāng)移動(dòng)臺M在三角形b1b2b3的外部時(shí)，夾角α23等于夾角α12與α13之和。然而，夾角α12和α13是基于估算的距離d1確定的，換句話說，夾角α12和α13是根據(jù)距離d1的值確定的。
熟練的專業(yè)人員很容易明白，CDMA(和TDMA)系統(tǒng)能夠測量發(fā)射的導(dǎo)頻信道信號從服務(wù)的基站b1到移動(dòng)臺M并返回到服務(wù)的基站b1的往返路程延遲。這個(gè)往返路程延遲具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，允許LPS1利用更窄的地域估算距離d1的范圍。
步驟S50-確定移動(dòng)臺的地理位置在估算距離d1，d2和d3之后，把代價(jià)函數(shù)G1，G2和G3的公式(9)-(11)減至最小，就可以估算移動(dòng)臺M的直角坐標(biāo)(x0，y0)G1＝μ2(d1)2-[(x1-x0)2+(y1-y0)2](9)G2＝μ2(d2)2-[(x2-x0)2+(y2-y0)2](10)G3＝μ2(d3)2-[(x3-x0)2+(y3-y0)2](11)其中Gi(i＝1，2，和3)代表位置誤差，且在理想情況下為零。然而，由于d1，d2和d3是估算的，不能精確地求解公式(9)-(11)，但通過把Gi減至最小，可以找到(x0，y0)的最佳估算。
估算和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的例子移動(dòng)臺M是與基站同步的。所以，在移動(dòng)臺M送回到基站b1的應(yīng)答消息中，設(shè)定基站b1發(fā)射參考導(dǎo)頻信道信號的相移為零。記錄基站b2和b3的導(dǎo)頻信道信號相位成與基站b1零相移的碼片偏置。因此，一旦估算了距離d1，如上面所討論的，可以直接地確定距離d2和d3。
按照圖4中的步驟S10和S20，LPS1收集包括移動(dòng)臺M信息和基站b1，b2和b3信息在內(nèi)的輸入信息。例如，移動(dòng)臺M記錄從基站b1發(fā)射的導(dǎo)頻信道信號，基站標(biāo)識導(dǎo)頻PN為432和導(dǎo)頻信道信號強(qiáng)度為17(-8.5dB)；從基站b2發(fā)射的導(dǎo)頻信道信號，基站標(biāo)識導(dǎo)頻PN為76，導(dǎo)頻信道信號相位p2等于4PN碼片，和導(dǎo)頻信道信號強(qiáng)度為21(-10.5 dB)；以及從基站b3發(fā)射的導(dǎo)頻信道信號，基站標(biāo)識導(dǎo)頻PN為220，導(dǎo)頻信道信號相位p3等于3PN碼片，和導(dǎo)頻信道信號強(qiáng)度為19(-9.5dB)。按照圖4中的步驟S30，移動(dòng)臺M報(bào)告的導(dǎo)頻PN是與小區(qū)現(xiàn)場表存儲的扇區(qū)信息中的PN匹配的，可以確定從哪個(gè)基站b1，b2和b3送出的導(dǎo)頻信道信號。此處，基站b1的小區(qū)編號為138，發(fā)射的導(dǎo)頻PN為432，和位于緯度40.861389和經(jīng)度-73.864167；基站b2的小區(qū)編號為140，發(fā)射的導(dǎo)頻PN為76，和位于緯度40.867500和經(jīng)度-73.884722；和基站b3的小區(qū)編號為43，發(fā)射的導(dǎo)頻PN為220，和位于緯度40.878889和經(jīng)度-73.871389。
把諸基站的緯度和經(jīng)度轉(zhuǎn)換成本地坐標(biāo)系統(tǒng)(x，y)?；綽1的坐標(biāo)(0，0)設(shè)置在原點(diǎn)，基站b2的坐標(biāo)(x2，0)設(shè)置在x軸上，而基站b3的坐標(biāo)(x3，y3)是根據(jù)各基站之間已知的距離確定的。
按照圖4中的步驟S40，把代價(jià)函數(shù)公式(6)-(8)減至最小后估算出，距離d1＝0.801哩，多路徑參量μ＝0.98，夾角α12＝1.784084弧度，夾角α13＝3.002281弧度和夾角α23＝1.218859弧度。根據(jù)估算的距離d1，如上所述，直接地確定距離d2和d3分別等于0.983620哩和0.839603哩。按照圖4中的步驟S50，把公式(9)-(11)減至最小后確定，本地直角坐標(biāo)(x0，y0)等于(0.237018，0.357580)。再把這些坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成緯度和經(jīng)度，可以更容易地把移動(dòng)臺M的位置標(biāo)記在地圖上，指出它位于哪條街上。在這個(gè)例子中，移動(dòng)臺M地理位置的本地直角坐標(biāo)(0.237018，0.357580)轉(zhuǎn)換成緯度40.867465和經(jīng)度-73.865885。
在以上例子中，夾角α13等于夾角α12與夾角α23之和。所以，移動(dòng)臺M不是位于三角形b1b2b3的內(nèi)部，而是位于長度b1b3的外部。
估算距離偏差圖5中下方的曲線表示移動(dòng)臺M的真實(shí)位置與LPS估算位置之間距離偏差的一個(gè)例子，這是根據(jù)系統(tǒng)測量誤差造成的時(shí)間偏差(μs)，該誤差包括導(dǎo)頻信道信號相位測量中的舍入誤差和同步誤差。上方的曲線代表在一個(gè)瞬時(shí)得到的最大誤差。若這個(gè)瞬時(shí)圖延伸一段時(shí)間，對距離偏差取平均值，則該距離偏差變成下方的平均誤差曲線。因此，若諸基站是同步的，則導(dǎo)頻信道信號相位測量中舍入誤差一項(xiàng)接近200ft。
反向鏈路三角形測量方法(RLT)在北美TDMA系統(tǒng)中，在基站而不是在移動(dòng)臺獲得到達(dá)時(shí)間。移動(dòng)臺發(fā)射編碼的數(shù)字校驗(yàn)色碼(CDVCC)信號作為該移動(dòng)臺的標(biāo)識。在接收到CDVCC后，接收基站給接收到的CDVCC信號作上時(shí)間標(biāo)記。若諸基站是同步的，把第一基站接收到信號的時(shí)間從另一個(gè)基站在以后接收到該信號的時(shí)間中減去，則這些基站確定了CDVCC信號不同到達(dá)時(shí)間之間的相對時(shí)間差。因此，LPS可適用于CDMA系統(tǒng)和TDMA系統(tǒng)。
所以，若諸時(shí)鐘信號或?qū)ふ姨囟ㄒ苿?dòng)臺位置的諸基站是同步的，則公式(6)-(11)也可適用于TDMA RLT地理位置系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^安裝GPS完成同步。反向鏈路信號通過反向鏈路從移動(dòng)臺發(fā)射到基站，該反向鏈路一般與CDMA系統(tǒng)的正向鏈路有不同的頻帶。但在TDMA系統(tǒng)情況下有相同的頻帶而在不同的時(shí)隙。
若到達(dá)時(shí)間的測量是在基站，則TDMA反向鏈路給出更精確的位置測量，因?yàn)?，它沒有如在CDMA正向鏈路中的碼片舍入誤差。此外，TDMA中的功率控制不如在CDMA中那樣嚴(yán)格，所以，更容易讓幾個(gè)基站“看見”來自移動(dòng)臺的信號。TDMA反向鏈路三角形測量方法所需的輸入包括移動(dòng)臺請求測定位置服務(wù)的標(biāo)識，到達(dá)諸基站的相對時(shí)間，全部基站的位置(緯度/經(jīng)度)，和往返路程中的延遲(為了對準(zhǔn)起見，在TDMA中連續(xù)地測量)。還要求知道來自移動(dòng)臺的信號強(qiáng)度，借助于越區(qū)切換可以在相鄰的基站進(jìn)行測量信號強(qiáng)度。
雖然本發(fā)明的描述是結(jié)合特定的實(shí)施例，但是，顯而易見，專業(yè)人員可以知道有許多不同的方案，改動(dòng)，和變化。因此，此處提出的幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例只是用于說明而不是限制性的。如在以下權(quán)利要求書中所確定的，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的條件下可以作各種變化。
權(quán)利要求
1.一種確定移動(dòng)臺位置的方法，包括步驟(a)接收導(dǎo)頻信道信號信息，該信息指出導(dǎo)頻信道信號傳播到移動(dòng)臺的到達(dá)時(shí)間；和(b)基于導(dǎo)頻信道信號信息和基站信息，通過把一組位置誤差代價(jià)函數(shù)減至最小，估算移動(dòng)臺的位置，其中基站信息指出與到達(dá)時(shí)間相關(guān)的多個(gè)基站的位置。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中位置誤差代價(jià)函數(shù)是從以下公式導(dǎo)出的G1＝μ2(d1)2-[(x1-x0)2+(y1-y0)2]G2＝μ2(d2)2-[(x2-x0)2+(y2-y0)2]G3＝μ2(d3)2-[(x3-x0)2+(y3-y0)2]其中μ是多路徑效應(yīng)參量，d1是移動(dòng)臺到第一基站的距離，d2是移動(dòng)臺到第二基站的距離，d3是移動(dòng)臺到第三基站的距離，(x0，y0)是移動(dòng)臺的本地直角坐標(biāo)，(x1，y1)是第一基站的本地直角坐標(biāo)，(x2，y2)是第二基站的本地直角坐標(biāo)，和(x3，y3)是第三基站的本地直角坐標(biāo)。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其中d2＝d1+800.4(p2)ft，其中p2是第一基站與第二基站的導(dǎo)頻信道信號相位記錄之間的相差，和d3＝d1+800.4(p3)ft，其中p3是第一基站與第三基站的導(dǎo)頻信道信號相位記錄之間的相差。
4.按照權(quán)利要求1的方法，在步驟(b)之前，還包括步驟(c)接收基站信息，該信息指出多個(gè)基站的位置；和(d)基于導(dǎo)頻信道信號信息和基站信息共同的源標(biāo)識符，把導(dǎo)頻信道信號信息與基站信息進(jìn)行匹配。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其中到達(dá)時(shí)間對應(yīng)于基站的同步計(jì)時(shí)。
6.按照權(quán)利要求1的方法，在步驟(b)之前，還包括步驟(e)通過把一組距離誤差代價(jià)函數(shù)減至最小，估算從移動(dòng)臺到一個(gè)基站的距離，該代價(jià)函數(shù)包含諸基站與移動(dòng)臺之間形成的夾角。
7.按照權(quán)利要求6的方法，其中距離誤差代價(jià)函數(shù)是從以下公式導(dǎo)出的F12＝(b1b2)2-μ2d12-μ2d22+2μ2(d1)(d2)cosα12F13＝(b1b3)2-μ2d12-μ2d32+2μ2(d1)(d3)cosα13F23＝(b2b3)2-μ2d22-μ2d32+2μ2(d2)(d3)cosα23其中b1b2是從第一基站到第二基站的距離，b1b3是從第一基站到第三基站的距離，b2b3是從第二基站到第三基站的距離，μ是多路徑效應(yīng)參量，d1是從移動(dòng)臺到第一基站的距離，d2是從移動(dòng)臺到第二基站的距離，d3是從移動(dòng)臺到第三基站的距離，α12表示移動(dòng)臺到第一基站的直線與移動(dòng)臺到第二基站的直線之間形成的夾角，α13表示移動(dòng)臺到第一基站的直線與移動(dòng)臺到第三基站的直線之間形成的夾角，和α23表示移動(dòng)臺到第二基站的直線與移動(dòng)臺到第三基站的直線之間形成的夾角。
8.按照權(quán)利要求1的方法，其中導(dǎo)頻信道信號信息至少包括源標(biāo)識符，導(dǎo)頻信道信號相位和導(dǎo)頻強(qiáng)度三者中的一個(gè)。
9.按照權(quán)利要求1的方法，其中基站信息至少包括源標(biāo)識符和基站位置二者中的一個(gè)。
10.按照權(quán)利要求1的方法，還包括步驟利用先前的移動(dòng)臺估算對移動(dòng)臺的位置估算求平均，得到該移動(dòng)臺位置的平均估算。
11.按照權(quán)利要求1的方法，其中導(dǎo)頻信道信號信息包括在CDMA信號內(nèi)。
12.按照權(quán)利要求1的方法，其中導(dǎo)頻信道信號信息包括在TDMA信號內(nèi)。
13.一種在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的局部定位系統(tǒng)，用于確定移動(dòng)臺的位置，該系統(tǒng)包括接收導(dǎo)頻信道信號信息的裝置，該信息指出導(dǎo)頻信道信號傳播到移動(dòng)臺的到達(dá)時(shí)間；和估算移動(dòng)臺位置的裝置，基于導(dǎo)頻信道信號信息和基站信息，把一組位置誤差代價(jià)函數(shù)減至最小，其中基站信息指出與到達(dá)時(shí)間相關(guān)的多個(gè)基站的位置。
14.按照權(quán)利要求13的局部定位系統(tǒng)，其中位置誤差代價(jià)函數(shù)是從以下公式導(dǎo)出的G1＝μ2(d1)2-[(x1-x0)2+(y1-y0)2]G2＝μ2(d2)2-[(x2-x0)2+(y2-y0)2]G3＝μ2(d3)2-[(x3-x0)2+(y3-y0)2]其中μ是多路徑效應(yīng)參量，d1是移動(dòng)臺到第一基站的距離，d2是移動(dòng)臺到第二基站的距離，d3是移動(dòng)臺到第三基站的距離，(x0，y0)是移動(dòng)臺的本地直角坐標(biāo)，(x1，y1)是第一基站的本地直角坐標(biāo)，(x2，y2)是第二基站的本地直角坐標(biāo)，和(x3，y3)是第三基站的本地直角坐標(biāo)。
15.按照權(quán)利要求14的局部定位系統(tǒng)，其中d2＝d1+800.4(p2)ft，其中p2是第一基站與第二基站的導(dǎo)頻信道信號相位記錄之間的相差，和d3＝d1+800.4(p3)ft，其中p3是第一基站與第三基站的導(dǎo)頻信道信號相位記錄之間的相差。
16.按照權(quán)利要求13的局部定位系統(tǒng)，在估算移動(dòng)臺位置的裝置之前，還包括接收基站信息的裝置，該信息指出多個(gè)基站的位置；和基于導(dǎo)頻信道信號信息和基站信息共同的源標(biāo)識符，把導(dǎo)頻信道信號信息與基站信息匹配的裝置。
17.按照權(quán)利要求13的局部定位系統(tǒng)，其中到達(dá)時(shí)間對應(yīng)于諸基站的同步計(jì)時(shí)。
18.按照權(quán)利要求13的局部定位系統(tǒng)，在估算移動(dòng)臺位置的裝置之前，還包括通過把一組距離誤差代價(jià)函數(shù)減至最小，估算從移動(dòng)臺到一個(gè)基站距離的裝置，該代價(jià)函數(shù)包含諸基站與移動(dòng)臺之間形成的夾角。
19.按照權(quán)利要求18的局部定位系統(tǒng)，其中距離誤差代價(jià)函數(shù)是從以下公式導(dǎo)出的F12＝(b1b2)2-μ2d12-μ2d22+2μ2(d1)(d2)cosα12F13＝(b1b3)2-μ2d12-μ2d32+2μ2(d1)(d3)cosα13F23＝(b2b3)2-μ2d22-μ2d32+2μ2(d2)(d3)cosα23其中b1b2是從第一基站到第二基站的距離，b1b3是從第一基站到第三基站的距離，b2b3是從第二基站到第三基站的距離，μ是多路徑效應(yīng)參量，d1是從移動(dòng)臺到第一基站的距離，d2是從移動(dòng)臺到第二基站的距離，d3是從移動(dòng)臺到第三基站的距離，α12表示移動(dòng)臺到第一基站的直線與移動(dòng)臺到第二基站的直線之間形成的夾角，α13表示移動(dòng)臺到第一基站的直線與移動(dòng)臺到第三基站的直線之間形成的夾角，和α23表示移動(dòng)臺到第二基站的直線與移動(dòng)臺到第三基站的直線之間形成的夾角。
20.按照權(quán)利要求13的局部定位系統(tǒng)，其中導(dǎo)頻信道信號信息至少包括源標(biāo)識符，導(dǎo)頻信道信號相位和導(dǎo)頻強(qiáng)度三者中的一個(gè)。
21.按照權(quán)利要求20的局部定位系統(tǒng)，其中基站信息至少包括源標(biāo)識符和基站位置二者中的一個(gè)。
22.按照權(quán)利要求13的局部定位系統(tǒng)，還包括這樣一個(gè)裝置利用先前的移動(dòng)臺估算對移動(dòng)臺的位置估算求平均，得到該移動(dòng)臺位置的平均估算。
23.按照權(quán)利要求13的局部定位系統(tǒng)，其中導(dǎo)頻信道信號信息包括在CDMA信號內(nèi)。
24.按照權(quán)利要求13的局部定位系統(tǒng)，其中導(dǎo)頻信道信號信息包括在TDMA信號內(nèi)。
25.一種在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)的可執(zhí)行程序，用于確定移動(dòng)臺的位置，包括接收源代碼段，用于接收導(dǎo)頻信道信號信息，該信息指出導(dǎo)頻信道信號傳播到移動(dòng)臺的到達(dá)時(shí)間；和估算源代碼段，基于導(dǎo)頻信道信號信息和基站信息，把一組位置誤差代價(jià)函數(shù)減至最小，以估算移動(dòng)臺的位置，其中基站信息指出與到達(dá)時(shí)間相關(guān)的多個(gè)基站的位置。
26.按照權(quán)利要求25的可執(zhí)行程序，還包括計(jì)算源代碼段，把一組位置誤差代價(jià)函數(shù)減至最小，估算從移動(dòng)臺到一個(gè)基站的距離，該代價(jià)函數(shù)包含諸基站與移動(dòng)臺之間形成的夾角。
27.一種計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號，包括接收信號段，用于接收導(dǎo)頻信道信號信息，該信息指出導(dǎo)頻信道信號傳播到移動(dòng)臺的到達(dá)時(shí)間；和估算信號段，基于導(dǎo)頻信道信號信息和基站信息，把一組位置誤差代價(jià)函數(shù)減至最小，以于估算移動(dòng)臺的位置，其中基站信息指出與到達(dá)時(shí)間相關(guān)的多個(gè)基站的位置。
28.按照權(quán)利要求27的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號，還包括計(jì)算信號段，把一組位置誤差代價(jià)函數(shù)減至最小，以估算從移動(dòng)臺到一個(gè)基站的距離，該代價(jià)函數(shù)包含諸基站與移動(dòng)臺之間形成的夾角。
29.按照權(quán)利要求27的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號，其中計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號是在載波上實(shí)現(xiàn)的。
全文摘要
一種局部定位系統(tǒng)(LPS),利用CDMA正向鏈路或TDMA反向鏈路中的無線電傳播參量確定移動(dòng)臺的位置。移動(dòng)臺至少從3個(gè)不同的基站接收導(dǎo)頻信道信號和記錄該導(dǎo)頻信道信號的PN碼片偏置。LPS的到達(dá)時(shí)差三角形測量方法不需要附加的信號檢測能力。諸基站送出導(dǎo)頻信道信號,這些信號以特定的相位和至少預(yù)定的最小強(qiáng)度到達(dá)移動(dòng)臺。通過確定攜帶數(shù)字蜂窩式電話機(jī)處于困惑中人們所在的位置,LPS還解決無線CDMA系統(tǒng)的9－1－移動(dòng)臺定位問題。
文檔編號H04Q7/34GK1257387SQ9912671
公開日2000年6月21日 申請日期1999年12月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月16日
發(fā)明者拜倫·華·辰, 瑪麗亞·E·帕拉瑪拉, 查爾斯·沃瓦羅 申請人:朗迅科技公司