CN101971679A - 获得移动终端的位置 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定移动终端(106)的位置或位置改变的方法和设备。该移动终端具有用于接收来自一个或多个处于未知位置的发射源的信号的接收机(201)和能在工作时获得移动终端的位置(1a-1e)的独立定位装置(208)。在每个第一地点，测量从发射源(101-105)接收到的信号相互之间或相对于移动终端内的基准的第一组时间或相位偏移值。在独立定位装置不能工作的第二终端地点，在移动终端内测量第二组时间或相位偏移值。将这些值与所述第一测量的终端位置相组合，从而计算出处于第二地点的移动终端的位置或第一地点与第二地点之间的移动终端的位置改变。

Description

获得移动终端的位置
技术领域
本发明涉及利用移动终端从诸如数字电信网的基站之类的发射源接收到的信号来获得移动终端的位置。
背景技术
利用从一个或多个发射机接收到的信号对移动无线电终端进行定位的技术已被广泛地使用了许多年。这样的系统包括发射机地面网(例如，LORAN-C)和为了对接收机定位而特别部署的卫星网(例如，全球定位系统GPS)，以及使用诸如蜂窝移动电话网(例如，US6,529,165)或电视和无线电发射机网(例如，US 5,045,861)之类的通用无线电网络的方法。
例如，在蜂窝移动电话网内，移动终端的位置可以基于正服务小区的标识再加上诸如正服务发射机与移动终端之间的时间延迟、从正服务发射机和邻近发射机接收到的信号的强度或所接收的信号的入射角之类的信息。利用在移动终端从两个或更多个发射源接收到的信号的所观测到的到达时差(OTDA)可以得到改善了的位置。
OTDA方法只利用在蜂窝无线电网络内可得到的信号就给出了良好的位置准确度。然而，在诸如GSM和W-CDMA网之类的非同步网内，它们需要确定发射机的发送时间偏移，以便解定位方程式。这可以用具有附加接收机的位置测量单元(LMU)来完成。LMU被设置在已知地点，从而可以将它们的OTDA测量结果直接变换成网络定时模型(例如，WO-A-00-73813)。
或者，可以使用这样一种技术(US 6,529,165)，其中可以使用例如由两个处于未知位置的地理上完全不同的移动终端进行的对来自许多处于已知位置的地理上完全不同的发射机的信号的测量的结果来同时计算移动终端的位置和所测发射机之间的全部时间偏移，而不需要LMU。
与这些基于网络的定位系统关联的一个问题是必需知道发射机本身的地点。例如，对移动终端的位置进行计算的计算节点必需能访问在网络内每个基站的规定基准点之上的纬度、经度和高度的数据库。然而，这样的信息可能是商业上敏感的，因此难以得到，而且即使在可得到这样的信息时，数据库也可能含有误差。如果位置计算在移动终端本身内执行，就必需将数据库(可能是相当大的)发送给移动终端，从而耗费通信带宽。另一个问题是移动终端必需在网络上注册以便接收信息，因此不能以完全自主的模式工作。
本发明的目的在于通过提供一种方法来克服这些问题，通过该方法可以自主地获得移动终端(诸如在移动通信网内工作的移动终端)的位置。移动终端的位置可以在移动终端本身内计算，虽然准确度有所降低，但不需要能访问基站位置数据库。
发明内容
按照本发明，提供了一种确定移动终端的位置或位置改变的方法，所述移动终端具有用于接收来自一个或多个处于未知位置的发射源的信号的接收机，还具有能在工作时获得移动终端的位置的独立定位装置，所述方法包括下列步骤：
用所述独立定位装置在一个或多个第一地点测量移动终端的位置；
在每个第一地点，在移动终端内测量从发射源接收到的信号相互之间或相对于移动终端内的基准的相应第一组时间或相位偏移值；
在所述独立定位装置不能工作的第二终端地点，在移动终端内测量从发射源接收到的信号相互之间或相对于移动终端内的基准的第二组时间或相位偏移值；以及
组合所述值与所述第一测量的终端位置，从而计算出处于第二地点的移动终端的位置或第一地点与第二地点之间的移动终端的位置改变。
移动终端所携带的备用定位系统诸如GPS实际上被用来校准从发射源接收到的信号。以后，在备用系统不可用时，例如在移动终端移动到建筑物内部以致卫星信号太弱而不可测量时，仍可以用校准数据和对从发射源接收到的信号的新测量结果来确定移动终端的位置。
发射源原则上可以是任何种类的。例如，它们可以是独立的公共广播台或电视台，但尤其可以是诸如GSM或W-CDMA数字网之类的通信网的基站。唯一的要求是每个发射源所发送的信号支持对接收到信号的特征的时间或相位的测量。例如，调幅(AM)信号容易适合于测量载波的相位。在另一个例子中，来自GSM发射机的信号在调制内提供许多可以用来标记接收时间的“特征标记”，诸如帧边界或同步突发之类。在对移动终端的位置进行计算时，发射源的地点可能是已知的，也可能不是已知的，本发明的一个特殊特征就是不需要这样的信息(虽然，如果已知，可以使用该信息)。
移动终端可以是任何能接收来自发射源的信号的终端。它可以具有适合响应来自发射源的信号的天线，该天线被连接到接收机上，该接收机能执行诸如放大、滤波、变频、解调等的所需功能，以便将所接收的信号变换成适合测量时间或相位的形式。接收机可以是能在发射源所发射的信号之间切换(如通常在GSM网的终端内的情况那样)的单信道装置，或者接收机可以具有多个信道，以便可以并行接收多个信号。在CDMA终端的情况下，单信道接收机能同时接收来自多个发射源的信号，因为这些信号都在一个公共的射频信道内发送，但是具有正交扩频码，而来自不同基站的信号之间的分离在数字信号处理级内执行。
独立定位装置可以是任何能独立于发射源的信号而测量移动终端的位置的装置。这可以是诸如全球定位系统(GPS)、Galileo、Compass或准天顶卫星系统(QZSS)等的全球导航卫星系统(GNSS)，虽然也可以使用任何可替换的系统，例如远程导航系统(LORAN-C)。本发明的一个特殊特征是它能在这样的系统失效时代替该系统工作，因此可以不中断地获得移动终端的位置。例如，众所周知，GNSS系统在处于足够复杂的环境(诸如在建筑物内部或在茂密的叶子下)时失效，因为那时卫星信号的信号强度被衰减到低于临界检测门限。
第一终端地点是移动终端处在独立定位装置可工作和能获得移动终端的位置的那些地点。必需有至少一个这样的第一终端地点，但是可以有许多个。在每个第一终端地点，发射源接收机接收来自一个或多个发射源的信号，并测量每个信号的相位或时间偏移值。可以相对于移动终端内由诸如晶体振荡器之类的基准源产生的信号对每个信号进行测量。或者，可以将来自所述发射源之一的信号作为基准，并相对于该基准对其它信号进行测量。
第二终端地点是独立定位装置例如因为它所用的卫星信号已被建筑物结构衰减而不能工作但是仍然需要获得移动终端的位置的地点。本发明示出了如何能利用对从发射源接收到的信号的时间或相位偏移值的测量结果来计算处于第二地点的移动终端的位置。或者，在有些应用中，可能希望获得从第一终端地点到第二终端地点的矢量，实际上是获得移动终端的位置改变。
虽然本发明的主要目的是利用来自处于未知位置的发射源的信号来获得移动终端的位置，但是本发明也可在已在多个第一终端地点得到足够多的位置和时间或相位偏移值时用来获得发射源本身的位置。以这种方式，按照本发明工作的移动终端可以最终建立发射源位置的数据库，使得以后的第二终端地点可以用在该领域内已知的诸如在US 6,529,165中所描述的方法来获得。类似地，对于在一个足够小的区域内移动的移动终端来说，可以得到发射源的相对方位。在有些应用中，还可以计算出发射源离移动终端的距离。
当在第二终端地点计算移动终端的位置时，可以确定与所计算的位置关联的不定性区域。这样的不定性区域可以具有椭圆的形状，该椭圆被称为“误差椭圆”，它的大小、偏心率和定向限定所述区域，在该区域内不定性小于诸如一个标准偏差的规定值。在具有许多移动终端的系统内，可以用与每一个移动终端关联的误差椭圆来选择这些移动终端的一个子集，该子集中的移动终端的测量结果的质量足够好，可以传给服务器并用来计算发射源的发送时间偏移的模型。
下面将在数学上例示本发明的方法。处于N个第一终端地点中的第j个地点(j＝1...N)的移动终端的已知位置被表示为小写的位置矢量rj。在这个位置从M个基站发射机中的第k个发射机(k＝1...M)接收到信号的时间被表示为tjk，由以下方程式给出：
vtjk＝|rj-bk|+αk+εj                (1)
其中，bk为表示第k个基站相对于与用于rj的相同的原点的位置的位置矢量，αk为发送时间偏移，εj为处于第j个第一地点的手机时钟的偏移，而v为无线电波的速度。竖线表示取所包含的矢量的模。tjk、αk和εj的值都是相对于一个公共时钟测量的。为简单起见，我们将我们的分析限制在一个平面内。在方程式(1)中，有与每个基站位置关联的两个未知值(例如纬度和经度)、与每个发射机关联的一个未知的发送时间偏移、以及与每个第一终端地点关联的一个未知的终端时钟偏移，使得在j和k的范围内总共有3M+N个未知值。另一方面，在N个第一地点中的每个地点进行M个时间偏移测量，总共进行MN个测量。因此，原则上，如果第一地点相互间隔适当，只要满足不等式MN≥3M+N，就可以根据这些测量导出所有的未知值。例如，5个第一位置(N＝5)和3个基站(M＝3)给出3M+N＝14，而MN＝15，所以在这种情况下满足这个不等式。
在移动终端已移动到由大写的位置矢量R(相对于用于rj和bk的原点)表示的第二终端地点时，移动终端对基站信号进行M个时间偏移测量，测量结果为Tk。bk和αk的值已经如上所述按照方程式(1)确定。这M个方程式(对于k＝1...M)呈现为以下形式：
vTk＝|R-bk|+αk+E                    (2)
其中，E为在第二终端地点的移动终端时钟偏移。在方程式(2)中仅有三个未知值：移动终端的纬度和经度、以及终端时钟偏移。因此，对来自3个或更多个基站的信号的接收时间偏移Tk的测量结果就足以导出移动终端的位置。
在有些应用中，移动终端可以包括用于直接测量终端时钟偏移的装置，因此可以相对于诸如GPS时间之类的已知时间基准确定εj的值。这样做的效果是使方程式(1)相互分离，并且实际上减少了要确定的未知量的个数。
附图说明
下面将参考附图进一步说明按照本发明的方法的一个例子和可以使用本发明的系统的例子，在这些附图中：
图1例示了在GSM网内工作的移动终端；
图2示出了终端的功能部件；以及
图3示出了移动终端的附加功能部件。
具体实施方式
下面参考图1说明本发明的一个例子的工作情况。数字通信网(在这种情况下为GSM网)的基站收发台(BTS)101-105的网络100具有在它内部工作并被示为处于多个地点1a-1e、2的移动终端106。在每个第一终端地点1a-1e，移动终端用GPS接收机来获得它的位置，同时测量从BTS 101-105接收到的信号相对于终端时钟(见下面)的时间偏移值。在这个例子中，按照以上方程式(1)组合GPS位置与各组定时测量结果，并且解这些方程式，求出BTS 101-105的位置以及附属于这些BTS的发射机的发送时间偏移。
后来，移动终端106移动到第二终端地点2，在第二终端地点2由于来自GPS卫星的信号过度衰减而GPS接收机不能工作。移动终端对来自这些BTS的子集BTS 103-105的信号进行一组定时测量，并按照方程式(2)组合这些测量结果，然后解这些方程式以获得该移动终端的位置。同时，估计出不定性椭圆107。
在另一个例子中，并不明确地执行计算BTS 101-105的位置和发送时间偏移的步骤，而是在一个计算步骤中组合所有测量结果，以获得移动终端在第二地点的位置。
图2示出了按照本发明进行工作的移动终端的主要功能块的示意图。移动终端106包括作为“独立定位装置”的GPS接收机208，GPS接收机208被连接到GPS天线209上，通过天线209接收来自GPS卫星的信号。由GPS接收机208计算出的位置通过链路211发送给处理器204。移动终端106还包括用于接收来自一个或多个BTS 101-105的信号的接收机201，接收机201被连接到天线202上，通过天线202接收来自BTS的信号。该移动终端还具有通过链路207为处理器204和接收机201提供终端时钟信号的振荡器206。这些时钟信号提供该移动终端内的基准。
接收机201含有在这样的装置内通常存在的放大器、滤波器、混频器、本机振荡器等，因此在图2中没有单独示出这些部件。该接收机可以在任何一个时刻在单个射频信道上进行接收，但是能快速切换射频以便接收由不同的BTS 101-105发送的同步突发(在所有的GSM网络中都存在的在广播控制信道上传送的同步突发)。接收到所述同步突发的相对于基准时钟信号的偏移值被测量并通过链路203发送给处理器204。
处理器204将接收机201所测得的时间偏移值和GPS接收机208所测得的移动终端位置存储在处理器的存储器205内。当移动终端已在足够多的第一终端地点1a-1e进行了测量时，处理器就运行一个软件程序，该软件程序利用存储在存储器205内的数据，用方程式(1)来计算这些BTS的位置和发送时间偏移。所计算出的这些被存储在处理器204的第二存储器210内。
在工作中，当移动终端处在第二地点2而且GPS接收机208例如由于终端已移动到卫星信号受到衰减的建筑物内部而不能获得移动终端的位置时，由于GSM信号比卫星信号强得多，接收机201仍能接收到来自BTS 103-105的信号。移动终端测量一组相对于链路207上的时钟信号的时间偏移值，并将这些值通过链路203发送给处理器204。处理器204运行第二软件程序，第二软件程序利用存储在第二存储器210内的数据连同当前这组时间偏移值，用方程式(2)来计算移动终端的位置。如果需要的话，还可以估计出误差椭圆107。
在这种方法的另一个例子中，确定移动终端的相对于基准时间的基准时钟偏移。移动终端106在第一终端地点进行测量，如上所述。然而，它带有使它能测量相对于GPS时间的时间的定时器单元301(见图3)。大约与在第一终端地点(1a-1e)得到GPS定位同时，从GPS接收机208通过链路302向定时器单元301发送一个脉冲。这个脉冲在精确已知的GPS时间发送。定时器单元301用链路207上存在的来自振荡器206的时钟信号给该脉冲到达加上时间标记。大约与得到GPS定位同时，用接收机201测量来自BTS 101-105的信号的一组到达时间。用链路207上存在的来自振荡器206的时钟信号给这些到达时间中的每一个都加上时间标记，因此可以使这些到达时间与先前测量的GPS时间关联。按照方程式(1)，由移动终端106在同一地点对来自一个特定的BTS的信号所作的定时观测相差终端时钟(在这种情况下为振荡器206)的经过时间。类似地，这些观测组的GPS时间标记相差相同的经过时间。因此，在方程式(1)中不需要变量εj，方程式(1)现在仅仅含有未知量αk和bk，从而分离成一些独立的方程式组，可以依次解这些方程式组以求出每个BTS。

Claims (10)

1.一种确定移动终端的位置或位置改变的方法，所述移动终端具有用于接收来自处于未知位置的一个或多个发射源的信号的接收机，还具有能在工作时获得移动终端的位置的独立定位装置，所述方法包括下列步骤：
用所述独立定位装置测量处于一个或多个第一地点的移动终端的位置；
在每个第一地点，在移动终端内测量从发射源接收到的信号相互之间或相对于移动终端内的基准的相应第一组时间或相位偏移值；
在所述独立定位装置不能工作的第二终端地点，在移动终端内测量从发射源接收到的信号相互之间或相对于移动终端内的基准的第二组时间或相位偏移值；以及
组合所述值与所述第一测量的终端位置，从而计算出处于第二地点的移动终端的位置或第一地点与第二地点之间的移动终端的位置改变。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，所述发射源是数字通信网的基站。
3.按照权利要求1所述的方法，其中，所述独立定位装置是全球导航卫星系统接收机。
4.按照权利要求1所述的方法，其中，对从发射源接收到的信号的时间或相位偏移值的测量是相对于移动终端内所产生的信号进行的。
5.按照权利要求1所述的方法，其中，对从发射源接收到的信号的时间或相位偏移值的测量是相对于来自所述发射源之一的信号进行的。
6.按照权利要求1所述的方法，其中，所述发射源本身的位置也被确定。
7.按照权利要求6所述的方法，还包括在移动终端内建立发射源位置的数据库。
8.一种移动通信终端，具有：
用于接收来自通信网的发射源的通信信号的接收机；
能在工作时获得移动终端的位置的独立定位装置；
用于测量从发射源接收到的通信信号相互之间或相对于移动终端内的基准的各组时间或相位偏移值的装置；以及
用于组合在终端的多个地点测量的所述偏移值与由所述独立定位装置测量的终端位置，从而在以后的地点计算出移动终端的位置或第一地点与第二地点之间的移动终端的位置改变的装置。
9.按照权利要求8所述的移动通信终端，其中，所述接收机是能在发射源所发射的信号之间切换的单信道装置。
10.按照权利要求8所述的移动通信终端，其中，所述接收机是被配置成并行接收多个通信信号的多信道装置。
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