專利名稱：用于無線輔助混合定位系統(tǒng)中位置確定的方法和裝置的制作方法
用于無線輔助混合定位系統(tǒng)中位置確定的方法和裝置本申請是申請日為2003年4月25日申請?zhí)枮榈?3814752. I號發(fā)明名稱為“用于無線輔助混合定位系統(tǒng)中位置確定的方法和裝置”的中國專利申請的分案申請。相關申請本申請要求美國臨時申請序列號為60/375965、2002年4月25日提交的專利的優(yōu)先權。領域所揭示的方法和裝置涉及位置確定過程，尤其涉及無線輔助混合定位系統(tǒng)。背景為了計算無線蜂窩網(wǎng)絡(例如，移動設備，諸如蜂窩電話網(wǎng)絡內(nèi)的蜂窩電話)內(nèi)的設備的位置，幾種方法使用“多邊測量”(三個發(fā)射機的情況下為“三角測量”)。多邊測量使用由幾個發(fā)射機(諸如基站)發(fā)送且在接收機(諸如移動設備)處接收的信號的到達時間的測量，來確定接收機的位置。例如，一種稱為高級前向鏈路三用測量(AFLT)(也稱為高級觀察時間差(EOTD))的方法，在移動設備處測量從幾個基站的每個發(fā)送的信號的到達時間。這些到達時間測量被發(fā)送到位置確定實體(PDE)，所述位置確定實體也稱為定位服務器，使用這些到達時間測量計算移動設備的位置。這些基站處的當天時間被同步使得每個基站處的當天時間相同并處在規(guī)定的誤差內(nèi)?；镜木_位置和到達時間測量被用于確定移動設備的位置。圖I示出了 AFLT系統(tǒng)的示例，其中來自蜂窩基站101、103和105的信號的到達時間測量(TR1、TR2和TR3)在移動設備處被測量，所述移動設備諸如移動蜂窩電話111。這些到達時間測量接著可以被用于計算移動設備的位置。這些計算可以在移動設備自身處進行，或者如果移動設備獲得的定時信息通過通信鏈路被發(fā)送到定位服務器則在定位服務器處進行。通常，到達時間測量通過蜂窩基站之一(例如，基站101、或103、或105)被通信至定位服務器115。定位服務器115被耦合用來通過移動交換中心113接收來自基站的數(shù)據(jù)。 移動交換中心113將信號(例如，語音通信)提供往返于陸地線公共交換電話網(wǎng)絡(PSTN) 間，從而信號可以從移動設備傳遞到其它通信設備，諸如PSTN上的其它陸地線電話或者其它移動電話。一些情況下，定位服務器也可以通過蜂窩鏈路與移動交換中心通信。定位服務器也可以監(jiān)視來自幾個基站的發(fā)射，以便確定這些發(fā)射的相對定時。在另一種稱為到達時間差(TDOA)的方法中，來自移動設備的信號到達時間在幾個基站處被測量。如果TR1、TR2和TR3的箭頭被保留，則圖I應用于此情況。接著，此定時數(shù)據(jù)可以被通信到定位服務器，以計算移動設備的位置。然而，第三種方法包括使用用于從衛(wèi)星定位系統(tǒng)(SPS)接收信號的移動設備中的接收機，所述衛(wèi)星定位系統(tǒng)諸如美國全球定位衛(wèi)星(GPS)系統(tǒng)，俄國Glonass系統(tǒng)、提出的歐洲Galileo系統(tǒng)或任何其它這樣的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。或者，衛(wèi)星和“偽衛(wèi)星”的組合可以被使用。偽衛(wèi)星是基于地面的發(fā)射機，所述發(fā)射機廣播在L波段載波信號上調(diào)制的PN碼(與 GPS信號相似)，L波段載波信號一般與SPS時間同步。每個偽衛(wèi)星可以被分配給一個唯一的PN碼，從而允許被遠程接收機識別。偽衛(wèi)星在來自軌道衛(wèi)星的SPS信號不可利用的情況下有用，諸如在隧道、礦山、建筑物或其它被包圍的區(qū)域中。這里所使用的術語“導航發(fā)射機”被認為包括任何衛(wèi)星、通信基站、偽衛(wèi)星或偽衛(wèi)星的等價物。術語“空載導航發(fā)射機”和 “陸地導航發(fā)射機”被用于區(qū)分近地表的導航接收機和不近地表的導航接收機。這里使用的術語SPS信號被認為包括導航發(fā)射機發(fā)送的任何信號。這樣的SPS方法可以使用蜂窩網(wǎng)絡以便或者提供輔助數(shù)據(jù)或者在計算SPS接收機的位置所需的過程中共享。或者，這樣的方法可以完全匿名(即，不使用蜂窩網(wǎng)絡)。這樣的方法的示例在美國專利號為5841396、 5949944以及5812087中被描述。在實際的低成本實現(xiàn)中，移動設備的蜂窩通信接收機和 SPS接收機都被集成進同樣的封裝中，在一些情況下，可以共享公共的電子電路。 AFLT方法或TDOA方法與SPS方法的結(jié)合在這里被稱為“混合”方法。在上述方法的另一變化中，對從基站發(fā)送到移動設備并且返回的信號計算往返延時(RTD)。在一相似的備選方法中，對從移動設備發(fā)送到基站并且返回的信號計算程返延時。在這些情況的每個中，往返延時被分為兩部分，以便確定單程的時間延時的估計?；镜奈恢煤蛦纬萄訒r的知識將移動設備的位置限制在地球上的一個圓周。如果第二基站的位置和從第二基站到移動設備的單程延時已知，則結(jié)果是兩個兩個圓周的交集，所述交集進而將移動設備的位置限制到地球上的兩點。第三基站和延時(或者，到達角度或關于移動設備駐留在其中小區(qū)扇區(qū)的信息)的知識可以解決兩點中哪點是移動設備的位置的模糊。在基于多邊測量的定位系統(tǒng)中，通常有四種首要的未知量。在基于Cartesian坐標的系統(tǒng)中，四個未知量包括移動設備的位置的三個分量(X、y和Z，可以代表緯度、經(jīng)度和高度)以及移動設備的“時鐘偏差”。時鐘偏差是移動設備中的時鐘所保持的時間和發(fā)射機中所保持的時間之間的差別，假定每個發(fā)射機中保持的時間與每個其它發(fā)射機完全同步。在GPS衛(wèi)星的情況下，每個衛(wèi)星中的時鐘是原子鐘。原子鐘提供的精確度使每個衛(wèi)星中的時間非常近于完全同步。本領域的技術人員將清楚要解出四個未知量并且形成移動設備的位置估計，至少需要獲得四個獨立的方程。如果四個未知量之一能被估計或已知，諸如高度，則只需要三個獨立方程。衛(wèi)星的定位信息、信號被從此衛(wèi)星發(fā)送的時間以及從此衛(wèi)星發(fā)送的信號的到達時間的測量提供足夠的信息來形成一獨立方程。每個附加的衛(wèi)星和相關的定時信息的集合增加一附加獨立方程。迭代位置確定過程通常開始于先驗估計位置。接著，估計的位置隨著每次迭代被改進?；诠烙嫷奈恢茫恢眯Ｕ蛄亢蜁r鐘偏差的經(jīng)改善的估計被確定。在SPS系統(tǒng)，四個獨立方程能被用于使用著名的最小平方迭代求解改進方法而解出四個未知量。對這些方程的最小平方解提供了對先驗解的調(diào)整。每個測量也應該被適當加權。 當每個測量輸入的先驗精確度估計變化顯著時，加權過程能幫助提高精確度。例如，美國專利號6313786包含對誤差估計過程和加權方案的描述。高度輔助已經(jīng)在多種用于確定移動設備的位置的方法中被使用。高度輔助通?；诟叨鹊膫螠y量。已知移動設備的高度將移動設備的可能位置限制到具有位于地球中心的球心的球體(橢圓體)表面。此信息可以被用于減少獨立到達時間測量的數(shù)目，所述測量被要求以確定移動設備的位置。通常，估計的高度可以是(I)由移動設備的操作員人工提供，(2)被設置離從前一個三維解的某一高度，(3)被設置到某一預定值，或者(4)從保持在定位服務器的映射信息(諸如地形學或測量學數(shù)據(jù)庫)導出。美國專利號6061018描述了一種方法，通過此方法從“小區(qū)目標”的信息確定估計的高度。小區(qū)目標是具有與移動設備通信的小區(qū)站點發(fā)射機的小區(qū)站點。美國專利號 6061018也描述了一種方法，用于通過比較從偽范圍測量計算的高度與估計的高度而從多個SPS衛(wèi)星確定偽范圍的測量條件。概要所揭示的用于在定位系統(tǒng)中確定一移動設備的位置的方法的一實施例包括使用移動設備和導航發(fā)射機之間的第一假設的幾何關系而計算移動設備的第二估計位置。第一幾何關系線性獨立于移動設備的高度和第二幾何關系。第二幾何關系基于關于導航發(fā)射機測量的范圍信息(例如，從移動設備到導航設備的范圍、偽范圍、到達時間或往返時間)。在此實施例的一示例中，第一幾何關系由校正向量確定，所述校正向量涉及移動設備的第一估計位置和第二估計位置之間的差別。第二估計位置從校正向量和第一估計位置計算而得。第一幾何關系規(guī)定校正向量的第一分量沿第一方向，所述第一方向與從導航發(fā)射機指向第一估計位置的第二方向不平行。第一幾何關系相對于用于確定校正向量的其它關系而被加權。第一幾何關系的權重可以從以下確定a)移動設備的時鐘偏差內(nèi)的估計誤差山)關于導航發(fā)射機測量的范圍信息內(nèi)的估計誤差；以及/或者c)從導航發(fā)射機到移動設備的第一估計位置的估計范圍。在此實施例的另一示例匯總，第一方向與第二方向正交，且在水平平面內(nèi)；而且校正向量的第一分量被假定為零。用于規(guī)定校正向量的第一分量的線性方程的系數(shù)被計算用于確定校正向量。在此實施例的又一示例中，第一估計位置從導航發(fā)射機的一天線確定的方向獲得。所揭示的用于在定位系統(tǒng)中確定一移動設備的位置的方法的又一實施例包括基于從導航發(fā)射機發(fā)送到移動設備的信號的強度而確定估計的時鐘偏差。使用估計的時鐘偏差確定移動設備的估計位置。估計的時鐘偏差相對于確定移動設備的估計位置中的其它限制而被加權。在此實施例的一示例中，估計輸入功率(EIP)被用于信號強度的指示。從 IS-801消息中基站發(fā)送的參數(shù)(例如，Ec/ΙΟ以及整個導頻功率)被接收，而且可以用于計算估計輸入功率(EIP)。現(xiàn)在所揭示的方法和裝置包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和計算機可讀媒質(zhì)，所述系統(tǒng)執(zhí)行這些方法，當數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)上執(zhí)行計算機可讀媒質(zhì)時，計算機可讀媒質(zhì)使系統(tǒng)執(zhí)行這些方法。通過下面提出的結(jié)合附圖的詳細描述，其它特征將變得更加明顯。附圖的簡要描述這里所揭示的方法和裝置通過下圖來說明，附圖中相同的符號具有相同的元件。圖I示出了確定移動設備的位置的現(xiàn)有技術蜂窩網(wǎng)絡的示例。圖2示出了定位服務器的示例，所述定位服務器與這里所揭示的方法和裝置結(jié)合使用。圖3示出了建立用于確定移動設備的位置的線性幾何關系的一般方法。圖4說明了用于確定移動設備的位置的一般方法。圖5說明了按照這里所揭示的方法和裝置建立用于確定移動設備的位置的假定線性幾何關系的方法。圖6說明了當傳統(tǒng)線性幾何關系基于范圍信息時解的不確定區(qū)域。
圖7說明了當假定的幾何關系按照這里所揭示的方法和裝置而被使用時解的不確定區(qū)域。圖8按照這里所揭示的方法和裝置示出了將估計輸入功率與基站和移動設備之間的范圍相關的方法。圖9示出了按照這里所揭示的方法和裝置的一實施例在一示例相關的估計范圍方面的誤差，所述相關是在估計輸入功率和相關范圍之間的相關。

圖10示出了按照這里所揭示的方法和裝置的一實施例確定移動設備的估計位置的方法的整體流程圖。圖11示出了按照這里所揭示的方法和裝置確定移動設備的估計位置的方法的流程圖。圖12示出了按照這里所揭示的方法和裝置確定移動設備的估計位置的方法的詳細流程圖。圖13示出了按照這里所揭示的方法和裝置確定移動設備的估計位置的另一方法的流程圖。圖14示出了按照這里所揭示的方法和裝置確定移動設備的估計時鐘偏差的方法的流程圖。優(yōu)選實施例的詳細描述下列描述和附圖用于說明所揭示的方法和裝置，而不被認為限制所揭示的方法和裝置。為了提供對所揭示方法和裝置的透徹理解，描述了幾個具體的詳細情況。然而，在某些實例中，為了簡化所揭示的方法和裝置的描述，不描述熟知的或傳統(tǒng)細節(jié)。圖2示出了在所揭示方法和裝置的多個實施例中被用作服務器的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的示例。例如，如美國專利號5841396中所描述，服務器可以將諸如多普勒的輔助數(shù)據(jù)或其它輔助數(shù)據(jù)提供給移動設備中的SPS接收機。而且，或者可選地，定位服務器而非移動設備執(zhí)行最終位置計算(在接收偽范圍或其它數(shù)據(jù)后，由這些數(shù)據(jù)能從移動設備確定偽范圍)， 接著將此位置確定轉(zhuǎn)交給基站或一些其它系統(tǒng)。作為定位服務器的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通常包括通信設備212，諸如調(diào)制解調(diào)器或網(wǎng)絡接口。定位服務器可以通過通信設備212 (例如，調(diào)制解調(diào)器或其它網(wǎng)絡接口)被耦合到幾個不同的網(wǎng)絡。這些網(wǎng)絡包括蜂窩交換中心或多個蜂窩交換中心225、基于陸地的電話系統(tǒng)交換機223、蜂窩基站、其它SPS信號源227、或者其它定位服務器221的其它處理器。多個蜂窩基站通常被安排以使用無線覆蓋來覆蓋地理區(qū)域。而且這些不同的基站被耦合到至少一個移動交換中心，這在現(xiàn)有技術中熟知的(例如，參見圖I)。因此，多個基站在地理上是分散的但通過移動交換中心耦合在一起。網(wǎng)絡220可以被連接到提供差分 SPS信息的參考SPS接收機的網(wǎng)絡。網(wǎng)絡220也可以提供SPS天文數(shù)據(jù)，用于計算移動設備的位置。網(wǎng)絡通過調(diào)制解調(diào)器或其它通信接口被耦合到一微處理器203。網(wǎng)絡220可以被耦合到其它計算機或網(wǎng)絡組件。網(wǎng)絡220也可以被耦合到緊急處理器操作的計算機系統(tǒng)， 所述緊急處理器諸如響應于911電話呼叫的公共安全回答點。使用定位服務器的方法的多種示例已經(jīng)在幾個美國專利中被描述，包括美國專利號5841396、5874914、5812087以及 6215442。定位服務器201，是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的一種形式，包括總線202?？偩€被耦合到微處理器203、R0M207、易失性RAM205以及非易失性存儲器206。微處理器203被耦合到高速緩沖存儲器204，如圖2的示例中所示?？偩€202將這些各種組件互連在一起。圖2示出了非易性失存儲器是直接耦合到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的其它組件的本地設備，可以理解所揭示的方法和裝置可以使用遠離系統(tǒng)的非易失性存儲器，諸如通過如調(diào)制解調(diào)器或以太網(wǎng)接口的網(wǎng)絡接口耦合到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的網(wǎng)絡存儲設備。總線202可以包括通過各種本領域內(nèi)公知的網(wǎng)橋、控制器和/或適配器連接到彼此的一個或多個總線。在許多情況下，定位服務器可以無人工輔助地自動執(zhí)行它的操作。在需要人為互動的一些設計中，I/O控制器209可以與顯示器、鍵盤或其它I/O設備通信。值得注意的是，圖2示出了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的多種組件，它不是用于表示互連組件的任何某種結(jié)構(gòu)或方式，因為這些細節(jié)是公知的，與所揭示的方法和裝置沒有緊密關系。也可以理解，網(wǎng)絡計算機和具有較少或較多組件的其它數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)也可以結(jié)合所揭示的方法和裝置而被使用，并且可以作為定位服務器或PDE。由此描述顯而易見，所揭示的方法和裝置的多個方面被包含，至少部分包含在軟件中。也就是說，可以響應于處理器執(zhí)行存儲器中包含的指令的序列而在計算機系統(tǒng)或其它數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中執(zhí)行這些技術，所述存儲器諸如R0M207、易失性RAM205、非易失性存儲器206、高速緩沖204或者遠程存儲設備。在各種實施例中，硬件電路可以與軟件指令結(jié)合而被使用，以實現(xiàn)所揭示的方法和裝置。因此，這些技術不限于硬件電路和軟件的任何特定組合，也不限于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所執(zhí)行的指令的任何特殊源。而且，在整個描述中，多種功能和操作被描述為由軟件代碼執(zhí)行或引起以簡化當前描述。然而，本領域的技術人員將認識到，這些表達表示這些功能是諸如微處理器203的處理器的代碼執(zhí)行結(jié)果。在一些實施例中，所揭示的方法可以在同時用于諸如蜂窩切換、消息服務等等的其它功能的計算機系統(tǒng)上被執(zhí)行。在這種情況的一實施例中，圖2的一些或所有硬件被共享用于幾個功能。具有較多或較少組件的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)也可以被用在移動設備中以執(zhí)行定位確定的計算。當使用從陸地導航發(fā)射機發(fā)送的信號的到達時間測量時，經(jīng)常有大的方向不確定性，使用傳統(tǒng)方法難解決所述方向不確定性。當與空載導航發(fā)射機和移動設備之間的距離相比時，基站和移動設備之間的距離相對小。移動設備的估計位置的小變化能導致移動設備和陸地導航發(fā)射機之間的幾何(即角度)關系(例如，從基站指向移動設備的向量的方向余弦元素)的大的變化，諸如在高級前向鏈路三角測量系統(tǒng)(AFLT)中。例如，如果移動設備離基站很近，則當移動設備的位置變化相對小時從基站到移動設備的方向變化很大。幾何關系中的這些顯著變化可以導致迭代求解過程中的不穩(wěn)定或不可預測解。因此，當移動設備離基站很近時高精度地估計方向(即，“方向余弦元素”)變得困難。深知迭代過程中小的初始誤差能導致最終解中大的誤差。在這些情況下，首要的測量等式可以被去加權，以計及此方向不確定性。但是，這一方法可能“沖淡”導航求解的精確度。因此，當使用來自陸地導航發(fā)射機的測量時，期望有能達到穩(wěn)定、收斂且精確的導航解的求解過程。在所揭示的方法和裝置的至少一個實施例中，假定了陸地導航發(fā)射機和移動設備之間的幾何關系。通過規(guī)定移動設備的估計位置和陸地導航發(fā)射機的位置的關系中移動設備的定位方面的限制而進行這些假定，從而使迭代求解過程穩(wěn)定且改進移動設備的位置解。應該理解，如果移動設備的假定位置在基站附近，則將基本測量方程加入迭代加權最小平方過程可以導致非穩(wěn)定。這是由于事實從基站到假定的位置的估計方向?qū)俣ㄎ恢妹舾?。因此，在所揭示的方法和裝置的一實施例中，一個正交約束被加入以使求解穩(wěn)定。該約束將解限制到基站附近的某個角度區(qū)域。正交約束基于什么是已知或未知而被確定。隨著假定的位置變得離基站越來越近，正交約束變得越來越精確，然而傳統(tǒng)范圍約束在某種程度上必須被去加權以考慮到它的方向不確定性。例如，隨著假定的位置離基站越來越近，正交約束的權值能被增加；或者隨著假定的位置離基站越來越近，傳統(tǒng)范圍約束的權值可能被減小。而且，傳統(tǒng)測量的余項也可以被修改以計及潛在解區(qū)域的曲線特性。圖3示出了建立用于確定移動設備的位置的線性幾何關系的一般方法。通常，從在導航發(fā)射機和移動設備之間發(fā)送的信號的定時測量確定范圍信息(例如，從移動設備到基站的范圍、偽范圍、到達時間、往返時間或其它這些值)。這些范圍信息通常用于建立規(guī)定導航發(fā)射機B1 (313)和移動設備P(315)之間的距離Cl1 (301)的范圍束縛。當移動設備的第一估計位置A(303)被確定時，移動設備的隨后估計位置能通過解校正向量AP(305)而被建立?；诜秶畔?，可以對于校正向量AP建立一幾何關系。例如，通常線性化的范圍約束規(guī)定校正向量在方向e上的投影(319)等于距離Cl1和距離I1之間的差值；其中距離I1是基站B1和第一估計位置A之間的距離。從第一估計位置A和基站B1的已知位置，從基站BI 指向第一估計位置A的向量e(319)的方向余弦元素能被計算為(apbpc)。因此，校正向量(X，1，z)的線性方程能被規(guī)定為a^+b^+c^ = T1當范圍信息被規(guī)定為到達時間測量h，距離Cl1可被表示為Cl1 = c(tl-t)，其中c是光速，t是移動設備的時鐘偏差。因此，線性方程能被重寫為a^+b^+c^+ct = Ct1-I1圖4說明了確定移動設備的位置的一般方法。移動設備的第一估計位置A(411)、 基站B1 (413)的已知位置以及在第一估計位置A和基站B1之間的距離確定校正向量沿線 B1A的分量是Γι。因此，移動設備的第二估計位置的位置按照基于基站B1 (413)的線性化范圍約束而在線AnD1上。同樣，移動設備的第一估計位置Α(411)、基站B2的已知位置(435) 以及第一估計位置A和基站B2之間的距離按照基于基站B2 (435)的線性化范圍約束確定校正向量沿B2A的分量是r2。因此，移動設備的第二估計位置的位置也在線AnD2上。從這兩個幾何關系，移動設備的第二估計位置能在An處被確定用于二維示例。一般，從對應于四個不同導航發(fā)射機的四個到達時間測量、校正向量(X，y, z)和時鐘偏差能被解決。當存在多于四個這樣的測量時，最小均方(LMS)過程(或其它數(shù)量的過程)能被用于解出“最佳”滿足基于范圍信息的所有這些幾何關系的解。上述線性化范圍約束基于移動設備的估計位置(例如，方向余弦元素a1; b1； C1)。 當獲得位置的更新估計時，這些幾何關系(例如，方向余弦元素)能被相應地更新，以考慮到幾何方面的變化。接著更新的線性化范圍約束可被建立。圖5說明了建立假定的線性幾何關系的方法，所述第一關系用于按照所揭示的方法和裝置的一實施例確定移動設備的位置。除了傳統(tǒng)范圍約束，所述傳統(tǒng)范圍約束規(guī)定校正向量AP(505)的分量沿從基站B1指向移動設備的第一估計位置(A)的方向e(523)，使用假定的幾何關系。假定的幾何關系規(guī)定校正向量沿方向n(521)的分量為零。因為方向 η (521)正交于方向e (523),傳統(tǒng)線性化范圍約束被規(guī)定在方向e上,這樣的幾何限制被稱為正交約束。當結(jié)合二維示例中的線性化正交約束而使用正交約束時，移動設備的第二估計位置能在D1 (517)被確定。值得注意的是，在三維情況下，對于具有范圍約束的每個導航發(fā)射機能假定兩個線性獨立正交約束。當使用這些假定的幾何關系時，如果不存在足夠的獨立范圍測量以確定移動設備的精確位置，則執(zhí)行“最佳”估計以確定移動設備的估計位置，以及如果不存在足夠的獨立范圍測量并且應用加權過程(例如，LMS)，則能確定移動設備的精確位置。而且，這樣的假定幾何關系能通過將進一步的約束加于求解并且阻止解在合理解的區(qū)域周圍漂移而使迭代求解穩(wěn)定化。假定方向n(521)的方向余弦元素是(a'1； Ci ι)，正交約束能被寫為a' j+b' XJ+Cf ^ = O在所揭示的方法和裝置的一示例中，方向η不僅與方向e垂直，而且在水平面。因此c' X = O ;而且正交約束是a' 1x+b/ ^ = O在正交約束中，只有變化的參數(shù)是基于當前估計位置及其權值的方向余弦元素， 主要取決于先驗時鐘不確定性、測量不確定性以及離開基站的先驗估計范圍。根據(jù)定義，余項總是零，但是對于LMS解的每個隨后迭代，時鐘和范圍估計可以變化，影響了正交約束的權值?；蛘?，關于與移動設備的假定位置相關的移動設備的定位和導航發(fā)射機的位置有關的其它假定可以被用于約束這些求解。例如，假定校正向量的分量在其它方向，而不是正交于從基站指向移動設備的方向。圖6說明了當傳統(tǒng)線性幾何關系基于范圍信息時解中的不確定區(qū)域。當基站和移動站之間的范圍是Cl1時，二維情況下移動設備的位置被約束在圓周611上。當范圍Cl1的測量中估計的誤差是ε (603)時，與范圍測量相關的不確定區(qū)域是環(huán)621。當范圍約束被線性化時，范圍Cl1將移動設備的第二估計位置的解約束在線601。當范圍Cl1的測量中估計的誤差是ε (603)時，與線性化范圍測量相關的不確定區(qū)域是帶625，在兩個方向延伸到無窮。 線性化范圍約束將此解限制到方向e(615)而不是方向n(613)的移動設備的位置。因此， 線性化范圍約束使第二估計位置在遠離環(huán)621的允許區(qū)域的區(qū)域中。這可能引起不穩(wěn)定或不可預測的解。圖7說明了當按照所揭示的方法和裝置的一實施例使用假定的幾何關系時解中的不確定區(qū)域。相似于圖6中，當范圍Cl1的測量中估計的誤差是ε (603)時，與范圍測量相關的不確定區(qū)域是環(huán)721。因為線性化范圍約束將解限制在方向e (715)，具有不確定性ε， 而且正交約束將解限制在方向η(713)，具有不確定性ε C1，第二估計位置的解被限制在區(qū)域 725中，當不使用正交約束時，所述區(qū)域725遠小于帶625 (圖6中)。因此，正交約束能通過將解限制在可能的允許區(qū)域而使迭代求解過程穩(wěn)定化。當少于四個測量可用時，一般不可能形成導航解。對于無線輔助混合方法，四個或更多獨立測量經(jīng)?？捎?，諸如高度信息和其它。然而，一些來自無線輔助混合方法的測量包含一些唯一非線性。所揭示的方法和裝置的至少一個實施例嘗試從用于普遍的混合方法中的這些測量建立線性化約束。
在許多情況下，對于移動設備和導航發(fā)射機之間傳播的信號只有I或2個時間延時測量可用。在這些情況下，傳統(tǒng)的導航解不可能。即使使用更多的測量，當移動設備離基站(或者偽衛(wèi)星)非常近時，穩(wěn)定性也是個問題。當來自移動設備通過其通信的服務基站的信號足夠強以致于沒有來自其它基站的信號能被接受時，以及沒有基于測量的空載導航發(fā)射機可用時，這種問題尤其普遍。這樣的近遠問題對于基于CDMA的系統(tǒng)是普遍的。在這樣的情況下，移動設備可能離基站近。傳統(tǒng)的導航算法沒有辦法描述這樣的情況，可能由于大的方向不確定性變得不穩(wěn)定，可能返回較不精確的“小區(qū)扇區(qū)”解。這種情況下，附加的約束能限制解，使其被約束在穩(wěn)定區(qū)域。應該注意的是，在移動設備離基站非常近的一些情況下，近似距離可能只基于信號強度被推斷。需要此可觀察的模型來將適當?shù)姆匠梯斎胩峁┑阶钚∑椒綄Ш浇庵?。即使在依賴與這些粗約束的導航解的精確度相對較差的情況下， 仍然足夠進一步約束已在進行的信號搜索，并且會是適合于一些基于定位的服務，從而證明非常有價值?？梢詮囊苿釉O備和基站之間的估計范圍約束移動設備的時鐘偏差。可以從信號強度的給定測量(例如，估計的輸入功率)的經(jīng)驗函數(shù)獲得粗估計的范圍?；蛘撸梢曰诟_的往返時間測量。信號強度能幫助建立移動設備可能已經(jīng)離服務基站多遠；以及依次能被用于估計移動設備的時鐘狀態(tài)。一旦信號強度被轉(zhuǎn)換為估計的時鐘偏差，時鐘估計能直接被輸入導航方程以便使解穩(wěn)定，并且將解僅限制解到合理的時鐘偏差。而且，此先驗時鐘估計能被用于更好地加權與每個網(wǎng)絡測量相關聯(lián)的位置約束。此時鐘偏差約束等式是下列形式t = Cb其中，Cb是來自到基站的估計范圍的估計時鐘偏差。估計時鐘偏差Cb可以從W c確定，其中尤是到基站的估計范圍山是從基站發(fā)送到移動站的發(fā)送信號的到達時間；以及c是光速。在所揭示的方法和裝置的實施例中，從下列方程確定估計范圍de = MaxAntennaRange^O. 5*pow(10. O, (-125-EIP)/30. O)其中EIP(dBm) =Ec/I0(dB)+I0(dBm)。參數(shù)Ec/ΙΟ以及整個導航功率IO可以在 IS-801消息中被接收。上述方程假定接收信號功率作為范圍的三次冪函數(shù)減??；也可以假定無線網(wǎng)絡的某個最小功率電平?；蛘吣苁褂没趯ьl發(fā)射機功率、陸地類型、天線方向圖以及每個小區(qū)扇區(qū)的其它顯著參數(shù)的更一般的等方程。應該理解，同類的鏈路分析能被用于不具有導頻的網(wǎng)絡，使用對于每個合適的信號類型不論什么可用的信號強度、發(fā)射機功率以及天線信息都有效。圖8示出了按照所揭示的方法和裝置的一實施例將估計輸入功率與基站和移動設備之間的范圍相關的方法。可以從準確的測量收集從基站到移動設備的范圍對從基站發(fā)送到移動設備的導頻信號的估計輸入功率的數(shù)據(jù)點(例如，801)。例如，移動設備可放在車中而到處開動，同時記錄估計輸入功率對相應范圍。數(shù)據(jù)點可能是擬合用于產(chǎn)生將估計輸入功率映射到估計范圍的經(jīng)驗函數(shù)的曲線。因為估計輸入功率受諸如陸地條件的因素影響，對于不同接收條件可以產(chǎn)生不同的經(jīng)驗函數(shù)。圖8示出了由實際收集的數(shù)據(jù)導出的經(jīng)驗函數(shù)(811、813以及815)。從圖8可以看出，當信號非常強時，到基站的范圍相對?。蝗欢?，當信號較弱時，范圍有更多不確定性。圖9示出了估計范圍中的誤差，用于按照所揭示的方法和裝置的一實施例在估計輸入功率和相關的范圍之間的一示例相關性。圖9中估計范圍內(nèi)的誤差是從經(jīng)驗函數(shù)813 導出的估計范圍和相應數(shù)據(jù)點(例如，圖8中的801)的測量范圍之間的差。圖9示出，估計輸入功率越強，從經(jīng)驗函數(shù)導出的估計范圍更精確。因此，從經(jīng)驗函數(shù)導出的估計范圍在求解移動設備的估計位置中能按照移動設備和基站之間的距離被加權。當從信號強度指示符估計時鐘偏差(例如，使用圖8中的曲線)時，估計中的誤差可預測地為輸入功率的函數(shù)。因此，粗時間輔助輸入同不相容的任何其它潛在源一起作為輸入功率的函數(shù)被加權，所述不相容的其它潛在源諸如手機校準不確定性、前向鏈路校準不確定性、或者移動設備時間偏移(也稱為Tx/Rx延時)。圖10示出了按照所揭示的方法和裝置的一實施例確定移動設備的被估計部分的一方法的整體流程圖。操作1001確定移動設備的第一估計位置。操作1003對與一個或多個導航發(fā)射機相關的移動設備確定范圍信息，諸如范圍、偽范圍、到達時間、往返時間等等的測量。通常，范圍信息被用于建立傳統(tǒng)線性化范圍約束。操作1005從第一估計位置、導航發(fā)射機的位置和范圍信息并且假定與導航發(fā)射機相關的移動設備的位置的至少一個幾何關系而計算移動設備的第二估計位置。第一幾何關系線性獨立于移動設備的高度以及基于對于導航發(fā)射機測量的范圍信息的第二幾何關系。在所揭示的方法和裝置的一實施例中， 正交約束被假定來穩(wěn)定化和改善位置求解。圖11示出了按照所揭示的方法和裝置的一實施例確定移動設備的估計位置。操作1101確定移動設備的第一估計位置；以及操作1103為第一方程確定第一系數(shù)，所述第一方程規(guī)定基于第一范圍測量的范圍約束(例如，范圍、偽范圍、到達時間、往返時間或其它)，第一范圍測量與移動設備和導航發(fā)射機之間的范圍有關。從假定條件(例如，校正向量的一分量為零)沿第一方向，操作1105確定第二方程的第二參數(shù)，該第一方向與沿經(jīng)過導航發(fā)射機和移動設備的第一估計位置的一條線的第二方向垂直。操作1107使用第一和第二參數(shù)(例如，使用加權最小平方過程)計算移動設備的第二估計位置。當使用加權過程中，范圍約束的加權及其相關正交約束能從移動設備和基站之間的距離確定。例如，移動設備離基站越近，正交約束上的權值更大，而且范圍約束上的權值越小。圖12示出了按照這里所揭示的方法和裝置確定移動設備的估計位置的方法的詳細流程圖。操作1201假定移動設備的第一位置；而且操作1203使用基于第一假定位置的輔助高度獲得第一位置的估計高度。操作1205計算估計時鐘偏差(例如，在移動設備處從基站的估計輸入功率，或者從往返時間測量)操作1207-1209對于每個導航發(fā)射機執(zhí)行，以確定每個導航發(fā)射機的范圍和正交約束。操作1207計算線性化范圍約束的第一系數(shù)，所述線性化范圍約束是一線性方程，規(guī)定了條件沿從第一位置指向?qū)Ш桨l(fā)射機的第一方向，用于求解到移動設備的第一位置的校正向量的條件；以及操作1209對于至少一個正交約束計算第二系數(shù)，所述正交約束是假定校正向量的至少一個零分量沿正交于第一方向的一方向。一旦操作1211確定所有的導航發(fā)射機被處理以建立未知數(shù)的線性方程，操作1215從第一和第二系數(shù)、估計的高度和時鐘偏差(例如，使用加權最小平方方法)計算校正向量的解。操作1217使用計算的校正向量更新移動設備的第一位置。正交約束作為示例被示出， 其它假定條件也能被用來約束迭代解。
圖13示出了按照這里所揭示的方法和裝置確定移動設備的估計位置的另一方法的流程圖。操作1301獲得基站的位置；而且操作1303獲得基站的天線指向角度。操作1305 計算基站和移動設備之間的估計范圍。估計范圍能從信號強度指示符(例如，估計輸入功率)獲得，或者從往返時間測量獲得。操作1307從基站的位置、天線指向角度、估計范圍并且假定移動設備在近地平線而計算移動設備的估計位置。輔助高度能被用于確定移動設備的高度。圖14示出了按照這里所揭示的方法和裝置確定移動設備的估計時鐘偏差的方法的流程圖。操作1401在移動設備處從基站接收信號參數(shù)(例如，Ec/ΙΟ、整個導頻功率、或者其它)。操作1403使用這些參數(shù)確定估計輸入功率(EIP)。操作1405確定從基站到移動設備的估計范圍(例如，通過使用經(jīng)驗函數(shù)從估計輸入功率映射)。操作1407使用估計范圍計算估計的時鐘偏差。對于這些約束的有用性的一示例，考慮僅有一個來自基站的可用導頻信號的情況。從而，只有一個傳統(tǒng)的線性化范圍約束能被建立。因為移動設備的高度能通過假定用于使用輔助高度在近地平線而被估計，還要兩個獨立測量被要求以確定移動設備的位置。如果移動設備和基站之間的估計范圍相對小，則傳統(tǒng)的線性化范圍約束可能有些被去加權， 以考慮到方向不確定性。通常，第一先驗位置估計將沿一條線，所述線從基站沿其天線指向角度延伸；以及能通過使用sine縮放(天線張開角度/2)且基于角度不確定性而減小與首要測量相關的范圍估計?；贗S-801消息中接收的信息的估計時鐘偏差(例如，估計輸入功率)能被用于建立時鐘偏差約束。時鐘偏差被稱為“粗時間輔助”。最后，水平面的正交約束能被用于提供未知量的附加方程。水平面的正交約束每個基站產(chǎn)生一個額外方程。因此，穩(wěn)定的、雖然非常粗略的四維導航解能使用僅一個可用的導頻而獲得。在移動設備離基站非常近的情況下(在封閉小區(qū)情況下經(jīng)常這樣)，這經(jīng)常足夠好地能向?qū)Ш浇馓峁┖侠淼木_度。與到塔的距離開關，粗略解可以被用于精確化其它可用導航發(fā)射機的搜索窗口。 最后，應該注意的是，往返時間測量將進一步提高精確度，實質(zhì)上使用更精確的時鐘偏差估計來代替粗略的輔助時間，所述精確的時鐘偏差測量依次提高正交導頻的精確度估計，因為它的權重主要基于先驗時鐘偏差估計。還可能簡單地將小區(qū)扇區(qū)的中心提供為單導頻情況下的導航解，或者也許將此解基于CTA估計移進移出。然而，建立用于正交約束和時鐘偏差約束的線性方程的方法不僅工作用于單導頻情況，還能被應用于附加測量可用的一般化情況。考慮用于基站的一個導頻相位測量和用于衛(wèi)星的一個偽范圍測量可用的情況。從輔助高度得知陸地高度，實質(zhì)上提供3個一般測量。因為輔助高度和粗輔助時間將問題簡化到水平面，一般具有對移動設備定位的合理解的雙曲線。其中，對應于衛(wèi)星和基站的范圍約束都滿足的。這樣，迭代最小平方解可能不穩(wěn)定。在這種情況下，導頻正交將附加的限制加到解中，使其不振蕩或抖動。從而，此解將按照初始先驗估計可靠地覆蓋雙曲線上的一個單點。 在前述說明中，所解釋的方法和裝置已經(jīng)結(jié)合它們的具體示例性實施例被描述。 各種修改對于本領域的技術人員來說是顯而易見的，不背離下列權利要求書中列出的本發(fā)明的最寬泛的原理和范圍。因此，說明和附圖被認為是說明性的而非限制性的。
權利要求
1.一種在定位系統(tǒng)中確定移動設備的位置的方法，所述方法包括基于由從導航發(fā)射機向所述移動設備發(fā)送的信號的強度指示符確定估計的時鐘偏差， 其中確定估計的時鐘偏差包括基于經(jīng)驗函數(shù)將所述強度指示符映射到從所述導航發(fā)射機到所述移動設備的估計范圍；以及基于所述估計范圍確定所述估計的時鐘偏差。
2.如權利要求I所述的方法，其特征在于，所述導航發(fā)射機包括以下之一a)基站；或b)偽衛(wèi)星。
3.如權利要求I所述的方法，還包括使用所述估計的時鐘偏差確定所述移動設備的估計位置。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述估計的時鐘偏差相對于確定所述移動設備的估計位置中的其它限制而被加權。
5.如權利要求I所述的方法，其特征在于，所述強度指示符包括估計輸入功率(EIP)。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，確定估計的時鐘偏差包括從所述導航發(fā)射機接收參數(shù)；以及從所述參數(shù)計算所述估計輸入功率(EIP)。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述參數(shù)包括以下至少之一a)Ec/I0;或b)總導頻功率。
8.一種非暫時性機器可讀媒質(zhì)，包含可執(zhí)行的計算機程序指令，當其被數(shù)字處理系統(tǒng)執(zhí)行時使所述系統(tǒng)執(zhí)行在一定位系統(tǒng)中確定移動設備的位置的方法，所述方法包括基于由從導航發(fā)射機向所述移動設備發(fā)送的信號的強度指示符確定估計的時鐘偏差， 其中確定估計的時鐘偏差包括基于經(jīng)驗函數(shù)將所述強度指示符映射到從所述導航發(fā)射機到所述移動設備的估計范圍；以及基于所述估計范圍確定所述估計的時鐘偏差。
9.如權利要求8所述的媒質(zhì)，其特征在于，所述導航發(fā)射機包括以下之一a)基站；或b)偽衛(wèi)星。
10.如權利要求8所述的媒質(zhì)，還包括使用所述估計的時鐘偏差確定所述移動設備的估計位置。
11.如權利要求10所述的媒質(zhì)，其特征在于，所述估計的時鐘偏差相對于確定所述移動設備的估計位置中的其它限制而被加權。
12.如權利要求8所述的媒質(zhì)，其特征在于，所述強度指示符包括估計輸入功率(EIP)。
13.如權利要求12所述的媒質(zhì)，其特征在于，確定估計的時鐘偏差包括從所述導航發(fā)射機接收參數(shù)；以及從所述參數(shù)計算所述估計輸入功率(EIP)。
14.如權利要求13所述的媒質(zhì)，其特征在于，所述參數(shù)包括以下至少之一a)Ec/I0;或b)總導頻功率。
15.一種在定位系統(tǒng)中確定移動設備的位置的數(shù)字處理系統(tǒng)，所述處理系統(tǒng)包括 用于基于由從導航發(fā)射機向所述移動設備發(fā)送的信號的強度指示符確定估計的時鐘偏差的裝置，其中用于確定估計的時鐘偏差的裝置包括用于基于經(jīng)驗函數(shù)將所述強度指示符映射到從所述導航發(fā)射機到所述移動設備的估計范圍的裝置；以及用于基于所述估計范圍確定所述估計的時鐘偏差的裝置。
16.如權利要求I所述的數(shù)字處理系統(tǒng)，其特征在于，所述導航發(fā)射機包括以下之一a)基站；或b)偽衛(wèi)星。
17.如權利要求15所述的數(shù)字處理系統(tǒng)，還包括用于使用所述估計的時鐘偏差確定所述移動設備的估計位置的裝置。
18.如權利要求17所述的數(shù)字處理系統(tǒng)，其特征在于，所述估計的時鐘偏差相對于確定所述移動設備的估計位置中的其它限制而被加權。
19.如權利要求15所述的數(shù)字處理系統(tǒng)，其特征在于，所述強度指示符包括估計輸入功率(EIP)。
20.如權利要求19所述的數(shù)字處理系統(tǒng)，其特征在于，用于確定估計的時鐘偏差的裝置包括用于從所述導航發(fā)射機接收參數(shù)的裝置；以及用于從所述參數(shù)計算所述估計輸入功率(EIP)的裝置。
21.如權利要求20所述的數(shù)字處理系統(tǒng)，其特征在于，所述參數(shù)包括以下至少之一a)Ec/I0;或b)總導頻功率。
22.一種在定位系統(tǒng)中確定移動設備的位置的數(shù)字處理系統(tǒng)，所述數(shù)字處理系統(tǒng)包括處理器，被配置為基于由從導航發(fā)射機向所述移動設備發(fā)送的信號的強度指示符確定估計的時鐘偏差， 其中確定估計的時鐘偏差包括基于經(jīng)驗函數(shù)將所述強度指示符映射到從所述導航發(fā)射機到所述移動設備的估計范圍；以及基于所述估計范圍確定所述估計的時鐘偏差。
23.如權利要求22所述的數(shù)字處理系統(tǒng)，其特征在于，所述導航發(fā)射機包括以下之一a)基站；或b)偽衛(wèi)星。
24.如權利要求22所述的數(shù)字處理系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器還被配置為使用所述估計的時鐘偏差確定所述移動設備的估計位置。
25.如權利要求24所述的數(shù)字處理系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器被配置為相對于確定所述移動設備的估計位置中的其它限制而加權所述估計的時鐘偏差。
26.如權利要求22所述的數(shù)字處理系統(tǒng)，其特征在于，所述強度指示符包括估計輸入功率(EIP)。
27.如權利要求26所述的數(shù)字處理系統(tǒng)，其特征在于，當確定估計的時鐘偏差時，所述處理器被配置為從所述導航發(fā)射機接收參數(shù)；以及從所述參數(shù)計算所述估計輸入功率(EIP)。
28.如權利要求27所述的數(shù)字處理系統(tǒng)，其特征在于，所述參數(shù)包括以下至少之一a)Ec/I0;或b)總導頻功率。
全文摘要
用于無線輔助混合定位系統(tǒng)中位置確定的方法和裝置。在所揭示的方法和裝置的一方面，一種用于確定定位系統(tǒng)中移動設備的位置的方法包括使用與導航發(fā)射機(例如，基站、偽衛(wèi)星或衛(wèi)星定位系統(tǒng)(SPS)衛(wèi)星)相關的移動設備的位置的第一假定幾何關系計算移動設備的第二估計位置。第一幾何關系線性獨立于移動設備(例如，從輔助高度獲得)的高度以及基于關于導航發(fā)射機測量的范圍信息(例如，從移動設備到導航發(fā)射機、偽范圍、到達時間或往返時間的范圍)的第二幾何關系。在所揭示的方法和裝置的另一方面，用于確定定位系統(tǒng)中移動設備的位置的方法包括由從導航發(fā)射機到移動設備發(fā)送的信號的強度指示符確定估計的時鐘偏差。
文檔編號G01S19/42GK102612138SQ201210022169
公開日2012年7月25日 申請日期2003年4月25日 優(yōu)先權日2002年4月25日
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