專利名稱：用于定位系統(tǒng)的到達時間估算的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種估算無線電信號到達時間的方法和按本發(fā)明方法操作的設備，特別地但非唯一地應用到移動無線電設備的定位系統(tǒng)。
通過計算其離開固定在已知位置的三個或更多個無線電基站的距離可確定一個移動無線電設備的位置。該移動無線電位置將處在圍繞每個基站的圓(或在三維情況下是球)的交點，每個圓的半徑相應該移動無線電設備離開那個基站的距離。這樣的距離容易據(jù)移動無線電發(fā)射機和基站接收機之間無線電信號傳送的傳播延遲來加以確定，假定無線電信號在固定的光速(3×108m/s)上傳播。例如10μs的傳播延遲將相應3Km的距離。通過將普通稱為TOA(到達時間)測量同已知的從該發(fā)射機發(fā)射該無線電信號的時間相組合來確定傳播延遲。
在其中并不要求知道發(fā)射時間的更為實際的確定傳播延時的方法是測量由移動無線電發(fā)射機發(fā)射的信號到達每個基站接收機的時間差。替代起因于絕對TOA測量的圍繞每個基站的圓形定位軌線，對每對基站計算相應于該移動無線電發(fā)射機離該對內(nèi)的每個基站的距離差的雙曲軌線，而該移動無線電設備的位置將處在這些雙曲線的交點上。一般稱測量到達時間差為TDOA(到達時間差)測量。
用TOA和TDOA測量計算位置的方法在下列文獻中曾討論過T.S.Rappaport et al“Position Location Using WirelessCommunications On Highways of the Future”IEEE CommunicationMagazine，October 1996，PP.33-41。
不管是使用TOA或TDOA測量，其位置計算精度在很大程度上取決于到達時間的測量精度。在本發(fā)明的說明書和權利要求中使用術語“到達時間”包括TOA和TDOA兩者。
通過使用從一個發(fā)射機向一個接收機發(fā)射的偽噪聲(PN)序列的相關特性可測量到達時間。
接收的信號和發(fā)射信號的復制信號的相關性在兩者同步時將在相關函數(shù)中產(chǎn)生一個峰值。甚至在存在著由多徑傳播和噪聲引起的嚴重失真的情況下可檢測這個峰值。因此，測量到達時間的問題等效于在失真的接收信號和發(fā)射信號的復制信號之間的相關函數(shù)中的峰值的位置的精確檢測。人們知道接收信號同該復制信號的相關性既可在時域又可在頻域執(zhí)行，例如參見T.S.Rappaport等以上參考文獻。
對于緊急情況，關鍵的是位置計算的速度和精度。位置計算的速度和精度取決于到達時間測量的速度和精度，因而依次取決于可利用的處理能力和所使用的算法。為提供大規(guī)模市場銷路和設備價格是低的，因此低處理功率要求是重要的。
按照本發(fā)明的一個方面，提供的用于確定與無線電基站相關的一個移動無線電站的位置的系統(tǒng)包括多個無線電基站，每個被配置來發(fā)射一個信號；和一個移動無線電站，被配置來接收由每個無線電基站發(fā)射的信號，并且具有用于估算每個接收信號的到達時間的裝置和根據(jù)每個接收信號到達的估算時間計算該移動無線電站的位置的裝置，其中用于估算到達時間的裝置還包括用于形成具有第一解的第一到達時間估算的裝置和用于形成具有第二解的第二到達時間估算的裝置，第一到達時間估算貢獻于確定形成第二到達時間估算的裝置的范圍，而第二解比第一解更精確。
按照本發(fā)明的第二方面，提供的用于確定與無線電基站相關的一個移動無線電站的位置的系統(tǒng)包括配備來發(fā)射信號的一個移動無線電站，多個無線電基站，每個被配備來接收由該移動無線電站發(fā)射的信號，并具有用來估算該接收信號的到達時間的裝置和根據(jù)在每個無線電基站接收的信號的估算的到達時間計算該移動無線電站位置的裝置；其中用于估算到達時間的裝置還包括用于形成具有第一解的第一到達時間估算的裝置和用于形成具有第二解的第二到達時間估算的裝置，該第一到達時間估算貢獻于確定形成第二到達時間估算的裝置的范圍，而第二解比第一解更精確。
按照本發(fā)明第三方面，提供的用于確定與無線電基站相關的一個移動無線電站的位置的方法包括從多個無線電基站發(fā)射信號；在移動無線電站接收由每個無線電基站發(fā)射的信號；估算每個接收信號的到達時間；并據(jù)到達時間的估算計算該移動無線電站的位置；其中到達時間的估算還包括形成具有第一解的第一估算階段并產(chǎn)生到達時間的第一估算，和形成具有第二解的第二估算階段并產(chǎn)生到達時間第二估算；第一到達時間估算貢獻于確定第二估算階段的范圍，而第二解比第一解更精確。
按照本發(fā)明的第四方面，提供的用于確定與無線電基站相關的一個移動無線電站的位置的方法包括從一個移動無線電站發(fā)射一個信號；在多個無線電基站處接收由該移動無線電站發(fā)射的信號；估算每個接收信號的到達時間；根據(jù)到達時間的估算計算該移動無線電站的位置；其中到達時間的估算還包括形成具有第一解的第一估算階段并產(chǎn)生第一到達時間估算；以及形成具有第二解的第二估算階段并產(chǎn)生第二到達時間估算；第一到達時間估算貢獻于確定第二估算階段的范圍，而第二解比第一解更精確。
按照本發(fā)明的第五方面，提供的用于估算在一固定無線電站和一移動無線電站之間發(fā)射的無線電信號的到達時間的設備包括用于形成到達時間第一估算的第一裝置，該第一裝置具有第一解，以及用于形成到達時間第二估算的第二裝置，該第二裝置具有第二解，到達時間第一估算貢獻于確定第二裝置操作的范圍，而第二解比第一解更精確。在本發(fā)明的一個實施例中，從一個無線電基站發(fā)射一個PN序列并由一個移動接收機接收。在該接收機中使用兩個到達時間估算階段。
在第一估算階段中，執(zhí)行如下頻域計算。計算接收信號的快速富立葉變換(FFT)并乘以復制發(fā)送信號的FFT。計算乘積的反FFT將產(chǎn)生接收信號和發(fā)射信號的相關函數(shù)。在該相關函數(shù)中的一個明顯的峰值相應于接收信號和復制信號之間的強的相似性，由此指示接受該發(fā)射的序列，而該峰值的位置指示所接收的信號中該序列的到達時間。此外可以有多個小峰由多徑傳播產(chǎn)生，但是都被分開處理，因此在本發(fā)明的上下文中可以忽略。
對于第一估算階段使用例如在該發(fā)射的序列碼片的1/4到1/16周期的范圍的粗略的取樣間隔，這導至只是用等于該取樣間隔的分辨度粗略估算到達時間，然而處理快速執(zhí)行并只要求低的處理功率。
在第一估算階段中已定位相關函數(shù)中一個明顯的峰值的位置后，在第二估算階段處理接收的信號。
在第二估算階段中，執(zhí)行如下時域計算。對于在階段一估算期間檢測的相關函數(shù)中的該峰值范圍中的復制信號的連續(xù)移位，通過計算交叉相關系數(shù)計算接收信號和發(fā)射信號的復制信號的交叉相關函數(shù)，移位增量小于在階段一中使用的取樣間隔，直到已識別相關函數(shù)中的一個峰值為止。通過使用一個小的移位增量，比在第一估算階段中更準確地確定該峰值的位置。該峰值指示在移動接收機處所發(fā)射序列的到達時間。
第二估算階段產(chǎn)生比第一階段更高分辨率的到達時間估算。一般地，兩個階段估算比一個階段是處理更為精細，但是第二估算階段限制在第一估算階段內(nèi)檢測的粗略估算的范圍。階段一和二組合結果的到達時間估算可以比純頻域估算或純時域估算更準確和/或更快和/或更少精細的處理器。由設備的設計人選擇這些好處之間的理想的折衷。
還從另外的無線電基站發(fā)送PN序列，移動接收機計算其能檢測的每個序列的到達時間。通過使用不同的序列和/或不同的頻率能區(qū)別來自不同無線電基站的序列。
之后由移動接收機使用技術中已知的TOA或TDOA系統(tǒng)公式計算接收機的位置用于估算來自每個無線電基站的序列的到達時間。為計算接收機的位置，必須從至少三個無線電基站接收信號。
在本發(fā)明的第二實施例中從一個移動無線電設備發(fā)送一個序列然后由多個無線電基站接收。在一和兩階段估算到達時間的情況下，后續(xù)的移動無線設備位置的計算是在固定網(wǎng)絡中執(zhí)行的，而不是在該移動無線電設備中執(zhí)行的。為計算該移動無線電設備的位置，該由該移動無線電設備發(fā)送的信號必需由至少三個無線電基站所接收。
其中移動無線電設備計算其自身位置的第一實施例的好處在于具有定位能力的移動無線電設備能夠容易地用固定網(wǎng)絡的零或小的升級插入，并且任何數(shù)量的移動無線電設備能夠對它們的用戶提供位置信息而不對該網(wǎng)絡加載。
其中在固定網(wǎng)絡中執(zhí)行移動無線電設備位置計算的第二實施例的好處在于能夠用零或移動無線電設備小的升級插入移動無線電設備定位業(yè)務。
本發(fā)明可有利地加以應用的例子是手持或車載定位設備，例如GPS(全球定位系統(tǒng))接收機；手持或車載移動無線電通信設備，例如具有定位能力的移動電話；以及手持或車載無線電數(shù)據(jù)通信設備，例如具有定位能力的移動因特網(wǎng)終端。
執(zhí)行本發(fā)明的模式參照

圖1說明一個移動無線電設備1從三個固定的無線電基站2，3和4接收無線電信號。調(diào)諧基站2，3和4以便在額定的相同頻率上發(fā)射。使用中當移動無線電設備在周圍運動時，它可以在多個或不多的基站的范圍內(nèi)。使用到達時間定位方法，將僅僅可能準確地確定該移動無線電設備是在三個或更多個基站中場合下的位置。
參照圖2，每個固定無線電基站2，3和4包括一個PN序列發(fā)生器6，PN序列輸入到發(fā)射機7，無線電發(fā)射機信號通過天線8廣播。PN序列在預定的間隔發(fā)送，從每個發(fā)射和發(fā)射的PN序列的時間必須均一地控制在很嚴密的限度內(nèi)，因此用一個準確的時鐘5驅動PN序列發(fā)生器6，該時鐘5包括一個GPS接收機(全球定位系統(tǒng))，PN序列長度為0.666ms，在每秒3.84M片的速率上包括2560片。
參照圖3，由天線10和接收機11的組合接收無線電信號。當移動無線電設備用戶要求知道其位置時，它通過用戶接口(未示)向控制器15指示其要求，基于此，控制器15使一個輸入緩沖器12儲存接收的無線電信號。之后控制器15使一個頻域相關器14從輸入緩沖器12讀出儲存信號的0.666ms部分和從一個復制存儲器13讀出復制的發(fā)送信號，然后計算該兩個信號的交叉相關函數(shù)。由頻域相關器14通過計算該儲存信號部分的快速頻率轉換(FFT)，計算該復制信號的FFT，將該兩個FFT相乘在一起，以及計算該積的反FFT來計算交叉相關函數(shù)。
重復處理讀儲存在輸入緩沖器12中的接收的無線電信號的0.666ms部分并用儲存在復制存儲器13中的復制發(fā)送信號相關該部分，直到檢測出在該交叉相關函數(shù)中的一個清晰的峰值。
圖5表示峰值清晰的一個交叉相關函數(shù)的例子。
該峰值位置表示與儲存信號相關的PN序列到達的近似時間。
到達時間的計算精度取決于片碼率(chip rate)和用于計算FFT的取樣間隔。每秒3.84M片的片率對應的片持續(xù)時間為0.26μs。使用1/4片持續(xù)時間的取樣間隔，可得到的最大時間分辨率為0.065μs，其相應19.54m的最大距離分辨率。如果取樣間隔為一個片持續(xù)時間的1/16，則可得到的最大時間分辨率為0.016μs，其相應最大距離分辨率4.88m。
當在相關函數(shù)中的一個清晰峰值由頻域相關器14檢測時，與儲存信號相關的峰值的位置傳送到控制器15，而該控制器15使時域相關器16從輸入緩沖器12讀出該儲存的信號的部分，并從復制儲存器13讀出復制的發(fā)送信號，按已知相關公式在時域計算該兩個信號的交叉相關函數(shù)。由時域相關器16從該輸入緩沖器12選讀的儲存的信號部分是從由頻域相關器傳送的估算到達時間的范圍選擇的，并在兩端為PN序列的持續(xù)時間外加一個儲備。適當?shù)膬錇?0片。
參照圖4，時域控制器16操作細節(jié)如下。儲存的信號部分通過輸入端30從輸入緩沖器12讀入相關寄存器20。復制的發(fā)送信號從并行連接31上的復制儲存器13讀入早緩沖器26，晚緩沖器27和精密緩沖器28。借助NCO(數(shù)控振蕩器)，復制信號被記錄在這三個緩沖器之外，由此產(chǎn)生早，晚和精密復制信號的相位，由NCO調(diào)節(jié)器24控制NCO 25的頻率和相位。三個復制信號的相位傳送到相關寄存器20。在該相關寄存器中，儲存的信號部分同該三個復制信號的相位相關。從相關寄存器20到NCO調(diào)節(jié)器24的反饋連接32使NCO調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)該NCO 25的頻率和相位直到精密相位復制信號和儲存的信號部分同步，這種同步由相關函數(shù)中的一個清晰峰值來指示。
當在相關函數(shù)中的一個清晰峰值由時域相關器16檢測時，與儲存的信號相關的峰值的位置傳送到控制器15。峰值位置表示與儲存的信號相關的PN序列的準確到達時間。
可以用其確定相關函數(shù)中峰值位置的精度取決于NCO的分辨度。例如，選擇對NCO的驅動頻率為30.7MHz，并使用24位的NCO，則由NCO提供的輸出頻率的最小增量為 NCO將在其輸出端被設置產(chǎn)生取樣頻率。對3.84MHz的片率，每片取樣四次，這將要求取樣頻率為每秒15.36M個信號瞬時值。最小分辨度可用距離表示如下 =3.108[115.36·106-115.36·106+1.83105]]]>＝2.3281μm因此，本發(fā)明方法允許強的子片步幅，由此允許亞毫米精度的最小分辨度。
每個固定無線電站2，3和4發(fā)送一個不同的PN序列。實際上為清晰起見在圖中均未作表示，復制儲存器13提供每個復制的發(fā)送信號，對于由移動無線電設備可接收的每個序列在頻域相關器和時域相關器中重復相關處理。由此對每個序列產(chǎn)生一個相關函數(shù)峰值。這些峰值的每一個的位置傳送到控制器15。
控制器15計算每個峰值之間的時間差，并將時間差傳送到位置計算器17。
位置計算器使用已知的公式和固定無線電基站位置18的一個數(shù)據(jù)庫用該時間差去計算移動無線電設備的位置。在計算出該位置后在顯示器19上將其向該移動無線電設備的用戶展示。
說明了在上述說明書中使用序列和估算參數(shù)，但并不是確定的。
可選擇地，可多次接收每個PN序列，并且對每個接收的序列計算相關峰值的位置，據(jù)此可計算精度進一步加以改進的平均到達時間。
雖然在估算的第二階段已使用時域計算來描述本發(fā)明的實施例，但是也可交替地使用頻域計算，例如MUSIC或ESPRIT算法，其比在第一估算階段中的頻域計算具有更高的分辨度。
在本發(fā)明說明書和權利要求中在一個元件之前的字母“a”或“an”并不排除存在多個這樣的元件。此外，字“Comprising”并不排除存在其他例舉的元件或步驟。
根據(jù)閱讀本發(fā)明的公開，對本專業(yè)技術人員而言顯見有另外的改進。這樣的改進可以包括在到達時間估算技術和定位系統(tǒng)技術中已知的其他特征，并可以將其用來替代或附加到在此已加以描述的特征。
工業(yè)應用性在定位系統(tǒng)中估算無線電信號到達時間等。
權利要求
1.一個用于確定與多個無線電基站相關的一個移動無線電站的位置的系統(tǒng)，包括多個無線電基站，每個配置來發(fā)送一個信號；和配置一個移動無線電站接收由每個無線電基站發(fā)送的信號并具有估算每個接收的信號的到達時間的裝置和根據(jù)每個接收信號估算的到達時間計算該移動無線電站的位置的裝置，其中估算到達時間的裝置還包括用于形成具有第一分辨度的第一到達時間估算的一個裝置和用于形成具有第二分辨度的第二到達時間估算的一個裝置，第一到達時間估算貢獻于確定用于形成第二到達時間估算的裝置的范圍，第二分辨度比第一分辨度更精確。
2.一個用于確定與多個無線電基站相關的一個移動無線電站的位置的系統(tǒng)，包括一個移動無線電站配置來發(fā)送一個信號，多個無線電基站，每個配置來接收由該移動無線電站發(fā)送的信號并具有用于估算該接收信號到達時間的裝置，和根據(jù)在每個無線電基站接收的信號的估算的到達時間計算該移動站位置的裝置；其中，用于估算到達時間的裝置還包括用于形成具有第一分辨度的第一到達時間估算的裝置和用于形成具有第二分辨度的第二到達時間估算的裝置，第一到達時間估算貢獻于確定用于形成第二到達時間估算的裝置的范圍，第二分辨度比第一分辨度更精確。
3.如權利要求1或2的系統(tǒng)，其特征在于用于形成第一到達時間估算的裝置包括用于將復制發(fā)送信號的快速富立葉變換與接收信號的快速富立葉變換相乘并確定合成積的反富立叫變換的裝置。
4.如權利要求1或2的系統(tǒng)，其特征在于用于形成第二到達時間估算的裝置包括用于執(zhí)行接收信號和復制發(fā)送信號的時域相關的裝置。
5.一種用于確定與多個無線電基站相關的一個移動無線電站的位置的方法，包括從多個無線電基站發(fā)送一個信號；在移動無線電站接收由每個無線電基站發(fā)送的信號；計算每個接收信號的到達時間；根據(jù)到達時間計算估算該移動無線電站的位置；其中到達時間估算還包括形成具有第一分辨度的第一階段估算并產(chǎn)生第一到達時間估算；和形成具有第二分辨度的第二階段估算并產(chǎn)生第二到達時間估算；第一到達時間估算貢獻于確定第二階段估算的范圍，而第二分辨度比第一分辨度更精確。
6.一種用于確定與多個無線電基站相關的一個移動無線電站的位置的方法，包括從移動無線電站發(fā)送一個信號；在多個無線電基站接收由該移動無線電站發(fā)送的信號；估算每個接收的信號的到達時間；根據(jù)到達時間計算估算該移動無線電站的位置；其中到達時間估算還包括形成具有第一分辨度的第一階段估算并產(chǎn)生第一到達時間估算；和形成具有第二分辨度的第二階段估算并產(chǎn)生第二到達時間估算；第一到達時間估算貢獻于確定第二階段估算的范圍，而第二分辨度比第一分辨度更精確。
7.如權利要求5或6的方法，其特征在于第一階段估算包括將復制發(fā)送信號的快速富立葉變換與接收信號的快速富立葉變換相乘并確定合成積的反富立葉變換。
8.如權利要求5或6的方法，其特征在于第二階段估算包括執(zhí)行接收信號和復制發(fā)送信號時域相關。
9.用于估算在一個固定無線電站和一個移動無線電站之間發(fā)射的無線電信號的到達時間的設備包括第一裝置，用于形成第一到達時間估算，該第一裝置具有第一分辨度，以及第二裝置，用于形成第二到達時間估算，該第二裝置具有第二分辨度；第一到達時間估算貢獻于確定第二裝置工作范圍，而第二分辨度比第一分辨度更準確。
10.如權利要求9的設備，其特征在于用于形成第一到達時間估算的第一裝置包括用于將復制發(fā)送信號的快速富立葉轉換與接收信號的快速富立葉轉換相乘并確定合成積的反富立葉變換的裝置。
11.如權利要求9的裝置，其特征在于用于形成第二到達時間估算的裝置包括用于執(zhí)行接收信號和復制發(fā)送信號的時域相關的裝置。
12.如權利要求11的設備，其特征在于用于執(zhí)行時域相關的裝置包括一個NCO。
全文摘要
一種確定一個移動無線電站位置的方法包括估算在移動站和固定站之間傳送的無線電信號的到達時間和從該到達時間導出其位置,到達時間估算方法包括產(chǎn)生粗略估算的第一估算步驟,粗略估算用來限定產(chǎn)生更精確估算的第二估算步驟的范圍。
文檔編號G01S5/10GK1383492SQ01801795
公開日2002年12月4日 申請日期2001年4月10日 優(yōu)先權日2000年4月25日
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