CN1309775A - 根据gps和蜂窝网络组合测距的定位系统 - Google Patents
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Abstract
提供用于在移动电信系统内定位移动终端(38)的方法和装置。在某些实施例中,GPS测距信号(14)和蜂窝基站所发射的下行链路信号由移动终端接收,该终端设计来利用这两种测距信号确定其当前位置。在另一些实施例中,由移动终端(38)接收GPS测距信号(14),移动终端也设计来发射上行链路信号给蜂窝基站(20)。通过结合由这些不同测距信号传输的每个测量数据确定移动站的当前位置。通过组合卫星和陆地(20)定位处理的可使用资源,明显增加定位一个移动终端(38)的能力。
Description
有关申请
根据美国法规§119(e)35条,本申请要求1998年5月28日申请的美国临时申请号60/087207的申请日权益。
本发明技术领域
本发明涉及移动电信系统,更具体地涉及定位移动终端的方法和装置。
背景技术
希望并且在某些地方也为法律所要求,移动电信网络提供商能够确定移动终端(MT)例如正进行通信的蜂窝电话的大致地理位置。
现在正测试或使用的有各种MT定位技术。这些定位技术可以分成三个基本类型。
第一个基本类型包括“上行链路信号”定位技术,其中移动电信网络设计来根据与一个或几个上行链路信号有关的测距确定MT位置,该信号由MT发射并且由必要数量具有已知位置的接收机接收,例如蜂窝电话基站(BSs)。
第二种基本类型包括“下行链路信号”定位技术,其中移动电信网络设计来根据与接收有关的测距确定MT位置,通过由MT接收来自必要数量具有已知位置的发射机的下行链路信号进行。
第三种基本类型包括使用不与移动电信网络中所使用的上行链路或下行链路信号有关的定位服务。这种定位服务的一个例子是全球定位系统(GPS),其中GPS接收机采集并且分析由具有已知位置的GPS卫星发射信号的测距。当前,在轨道上有二十四颗GPS卫星。
这三种基本类型的每个定位技术包括采集测距,例如到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、所观察时间差(OTD)等。这些测距通过检测发射/接收信号中的一个或几个计量特征来收集。各种定位技术每个具有一定限制或缺点,可能明显减少它们的精确度。
通过举例方式,利用现有BS的当前可使用或建议的TOA、TDOA和OTD定位技术一般需要至少三个或更多BS接收MT所发射的上行链路信号,或相反MT接收从至少三个BS所发射的下行链路信号,以执行定位处理。类似地,针对GPS,一个GPS接收机需要接收从至少四个GPS卫星所发射的信号进行定位处理。
不幸地是,有些时候在必需的发射机和接收机之间不总有清楚的视距(LOS)。例如,在市区环境,LOS经常被建筑和/或其它结构阻挡,而在某些其它环境自然呈现的地形和/或其它特征(例如,山,峡谷,森林,气候等)可能减少LOS,衰减所发射的信号,或在接收机产生多径信号。对于许多高频信号或弱信号,LOS损失或这些障碍的引入可能导致定位技术明显不精确或完全不能使用。
因此,需要提供具有改善的精确度、可靠性和/或可存取性定位技术的方法和装置。
概述
按照本发明的某些方面,提供用于定位一个移动终端的方法和装置。该方法和装置组合了陆基定位技术与基于卫星的定位技术,产生改善的精确度、可靠性和可存取性。例如,考虑在上面背景技术部分中指出的三种基本类型,本发明提供了用于将第一和/或第二类型中定位技术的至少一部分与第三种类型中的定位技术组合的各种方法和装置。
因此,按照本发明的某些实施例,例如通过移动终端定位方法满足上述和其它需要。该方法包括利用移动终端接收来自至少一个卫星的信号和来自至少一个陆地发射机的信号。该方法进一步包括测量每个所接收信号的“传播时间”并且将每个传播时间的测量结果转换为对应的距离值。然后通过移动站利用该距离值确定其近似位置。在某些实施例中,卫星是全球定位系统(GPS)的一部分而陆地发射机是移动电信系统内的基站。在其它实施例中,该方法也包括利用位于移动终端内的单一时间测量单元,来测量第一类信号和第二类信号两者各自的传播时间。
按照本发明的进一步实施例,也提供了用于移动终端和移动电信系统中的装置。每个这些实施例,包括至少一个时间测量单元,该单元设计来接收与至少一个卫星有关的信号和与至少一个陆地发射机有关的信号。该时间测量单元进一步设计来测量每个所接收信号的传播时间,将每个传播时间的测量结果转换为对应的距离值,并且利用该距离值确定和输出移动终端的近似位置。
按照本发明进一步实施例,提供定位移动终端的另一个方法。该方法也满足上述和其它需要并且包括利用移动终端接收来自多个卫星的多个第一类信号,和发射至少一个第二类信号给多个基站。该方法进一步包括测量在移动终端所接收第一类信号每个的传播时间,并且测量在多个基站上所接收第二类信号每个的传播时间。另外,该方法包括将每个传播时间测量结果转换为距离值,并且利用该距离值确定移动终端的近似位置。在某些进一步实施例中,卫星是全球定位系统(GPS)的一部分。该方法通过将至少两个卫星每个和至少两个基站每个内的时钟同步,可以只利用两个卫星信号和两个基站。如果有来自至少两个卫星的信号和至少三个基站接收来自移动站的第二类信号,或反之如果有来自至少三个卫星的信号和至少两个基站接收来自移动站的第二类信号,也可以使用该方法。
按照本发明的另外某些实施例也提供用于移动电信系统中定位移动终端的一种装置。该装置包括一个卫星定位系统,例如GPS,具有设计来输出多个第一类信号的多个卫星。在移动电信系统内提供多个基站和至少一个位置确定节点。该装置进一步包括与至少多个基站中的一个进行无线电通信并且设计来发射至少一个第二类信号给多个基站中的至少一个并且从多个卫星接收多个第一类信号的一个移动站。在此,移动站测量每个第一类信号的传播时间并且将接收的每个第一类信号的距离值提供给位置确定节点。多个基站设计来从移动终端接收第二类信号,测量每个第二类信号的传播时间并且将所接收的每个第二类信号的距离值传输给位置确定节点。该位置确定节点然后能够确定移动终端各种距离值的近似位置。
按照本发明进一步实施例,提供一种共享时钟装置。在某些实施例中,有利地使用该共享时钟装置以相关两(2)个不同时钟信号,例如本地移动终端或基站时钟信号与GPS时钟信号。该共享时钟装置包括一个相关器,该相关器将第一时钟信号与第二时钟信号相关,并且输出相关的时钟信号。该装置也包括一个帧发生器,其接收第一时钟信号和输出对应的所产生的帧信号。相关后的时钟信号和所产生的帧信号然后被提供给一个比较器,该比较器测量两个信号的代数和并且输出相应的相加后输出时钟信号。
附图简要说明
通过参照下列详细说明并结合附图可以更完整地理解本发明的各种方法和装置,图中:
图1是方框图,表示一个卫星移动接收机定位系统,例如由美国国防部提供的全球定位系统(GPS)。
图2是方框图,表示具有上行链路到达时间(TOA)移动终端(MT)定位系统的移动电信系统示范性部分。
图3是方框图,表示示范性组合的GPS和上行链路TOA MT定位系统,用于例如按照图2的本发明某些实施例中的移动电信系统。
图4是方框图,表示示范性共享时钟装置,用于按照本发明某些实施例中的移动电信系统内的MT或者基站(BS)。
图5是方框图,表示具有下行链路TOA、到达时间差(TDOA)或所观察时间差(OTD)MT定位系统,用于例如图2的移动电信系统内替代上行链路TOA MT定位系统的移动电信系统的示例性部分。
图6表示时间线和与从三个不同基站所发射的下行链路信号有关的一些唯一信号特征图形,该三个不同基站是例如图5中的MT定位系统一部分。
图7表示时间线和与MT从三个不同基站所接收的下行链路发射的信号有关的一些唯一信号特征的图形,该基站是例如图5中的MT定位系统一部分。
图8是方框图,表示按照本发明某些进一步实施例用于例如图2和5中的移动电信系统中的示范性组合GPS和下行链路TOA、TDOA或OTD MT定位系统。
图9是方框图,表示按照本发明的某些实施例修改用于MT内的示范性GPS配置的接收机部分,并且设计来处理GPS信号和与组合GPS和下行链路TOA、TDOA或OTD MT定位系统例如图8中的有关的基站信号测距信号两者。
图10是方框图,表示按照本发明某些进一步实施例修改用于MT内的GPS配置接收机的示范性实施例部分,并且设计来处理GPS信号和与组合GPS和下行链路TOA、TDOA或OTD的MT定位系统例如图8中的有关的基站测距信号两者。
图11是方框图,表示按照本发明另一个实施例修改用于MT内的GPS配置接收机的另一个示范性实施例部分,并且设计来处理GPS信号和与组合GPS和下行链路TOA、TDOA或OTD的MT定位系统例如图8中的有关的基站测距信号两者。
图12是方框图,表示按照本发明某些实施例用于图10和11中示范性GPS配置接收机的示范性锁相环设计。
详细说明A.引言
按照本发明的一些方面,移动终端(MT)例如主动地通信的蜂窝电话由与移动电信网络系统和全球定位系统(GPS)有关的组合常规定位技术定位。
这些分散系统的每个利用具有一些共同特征的定位技术。例如这些系统的每个需要从发射机和接收机之间传递的信号采集必要数量的测距,其中或者发射机或者接收机具有已知和可确定的位置。
另外,每个采集的测距可以从时间间隔测量转换为相应的距离测量,例如通过乘以光速或与信号有关的所希望传输速度。一旦完成从时间到距离的转换,则可以使用传统的三角测量等数学技术根据已知位置和计算出的距离确定MT的位置坐标。
在到达时间TOA定位技术情况下,例如基站位置(BS)是已知的并且总不改变。可以以任何方式进行测距,包括1)当从MT以上行链路信号重复广播时,使每个BS测量同步字(同步字)的TOA;2)使每个BS测量与终端通信所需要的提前定时;和/或3)使MT分别根据从每个BS发射的下行链路信号中的同步字测量TOA。假设MT位于相对二维的环境内,需要来自三个BS的距离信息求解地面上的x和y位置坐标以及同步字广播的未知时间(或者上行链路或者下行链路)。
在GPS定位技术的情况下,GPS卫星的位置随时间改变。因此,GPS接收机需要接收来自GPS卫星(或在地面上的精确GPS相对信号源)的精确时间测量,以便知道在测距时刻GPS卫星的位置。GPS接收机与至少四个GPS卫星的每个之间的测距是通过下列方式进行的:1)在由每个GPS卫星发射的信号内的1023个片长的高德码序列中找到开始点;2)找到位边缘的开始时间;和3)找到数据消息的开始时间。对于从每个GPS卫星所接收信号产生的“传播时间”然后被转换为距离。产生的四个距离测量允许对x、y和z坐标中的GPS接收机位置求解,并且确定GPS时间与GPS接收机的独立时钟之间的未知时间差。
这样,在上述例子中,下面移动电信网络和GPS的定位处理基本上依赖于从某些已知位置接收的信号,和采集足够的信号数量的测距求解MT位置。这些和其它共同特征在下面进行更详细的描述,以表示本发明如何通过提供可以处理求解MT位置坐标的数学解决方案有利地组合了定位技术和/或定位处理。
按照本发明的某些方面,信号源可以包括陆基发射机、具有相对时间静态和/或动态位置的空间发射机的任何可行的组合。
本领域技术人员进一步认为,按照本发明的方法和装置可以因此适合于用在各种不同类型的移动终端,其它系统的发射机和/或专门用途的发射机。可是,为方便,在此描述的示范性实施例是指常规移动电信网络(例如蜂窝网络)和现有GPS某些方面的组合。
有了这些概念,现在将具体参照现有系统和某些示范性数学公式解释与按照本发明的各种方法和装置有关的某些特征。B.GPS定位系统例子
图1是方框图,表示常规卫星定位系统10,例如GPS,它包括一个接收机12和一个至少四个卫星的星座14,从卫星到接收机12的距离由接收机12根据获得和解码来自每个卫星的信号确定。这些确定的距离通常称为“伪距”,因为它们代表以由使用接收机12中的本地时钟产生的相干误差到卫星距离,该接收机没有与GPS时间“同步”。然而,根据测量时刻的卫星位置,可以产生对接收机12坐标x、y和z的解,以及接收机12内本地时钟与GPS时间之间的时间偏移或差。
为在三坐标中确定接收机12的位置,接收机12需要对至少四个卫星14进行测距。对于一个GPS接收机,这一般不成问题,因为当前GPS星座的二十四颗卫星提供地球表面大约99%的覆盖率。当然,接收机12最好需要具有足够清楚的到天空的视线(LOS)以提供最佳性能。
如同图1中表示的,以地球为中心的地球固定参照系统表示所列出的接收机12和每个卫星14的坐标。这样,Xi、Yi和Zi分别代表每个(第i个)卫星14的已知位置坐标。Ci代表每个(第i个)卫星14相对GPS时间的时间修正。Xu、Yu和Zu代表接收机12的未知坐标。Tu代表GPS时间与接收机12内部终端时钟时间之间的时间差。最后,Pi代表来自每个(第i个)卫星14信号的测量码相位。
按照本发明的某些实施例,当应用于蜂窝电话系统时GPS定位技术可以简化一些。例如,通过合理地假设将要工作(即与BS通信)的接收机12(例如具有GPS接收机的蜂窝电话)的未知位置在一个已知位置(即BS的位置)大约300公里内或更少而获得优势。因此,通过采用所测量的每个GPS信号的码相位并且对代表最近的每个测量加入例如适量毫秒,从每个(第i个)卫星14到接收机12近似位置的信号传播时间中舍去整数毫秒(N1),可以获得每个(第i个)卫星14的伪距PRi:
PRi=(Pi+Ni+Ci)/c (1)
其中c代表光速,最好对传播效应进行了修正。
通过测量每个信号接收机12的码相位基本上找到卫星14相对接收机12内部时钟的高德码序列(1023比特长)的开始。该测量最好需要作到大约几纳秒精确度以保持定位方法精确到英尺。内部时钟不与GPS时钟同步没关系,因为通过使用四个而非三个卫星测距解决该误差。因此,有四个公式和四个未知数:
PRi=((Xi-Xu)2+(Yi-Yu)2+(Zi-Zu)2)1/2+cTu (2)
本领域技术人员认为,这组问题可以用几种不同方法解决。一种方法是假设接收机12在近似已知位置,(如同在此对于组合GPS/蜂窝电话网络定位处理的某些实施例),和然后计算出该位置上测量的伪距PRi与计算出的伪距PRi`之间的差。这样,将这些伪距“差”向量乘以由到卫星14的方向向量形成的4乘4矩阵系数的逆矩阵,产生增量X、Y、Z和T,将该增量加入到开始假设的位置和时间误差(0)以获得这些变量的修正值。在此情况下,Xu`、Yu`、Zu`是接收机12的近似已知位置值。Ri`是从接收机12的近似已知位置到每个(第i个)卫星14到的距离。下面我们保留PRi`作为伪距而不是Ri`,因为在计算中通常省略PRi`中的Ni而没有明显影响。这从下列公式可以表示:PR1-PR1‘ (X1-XU’)/R1’(Y1-YU’)/R1’(Z1-ZU’)/R1’1 XU-XU’PR2-PR2‘ (X2-XU’)/R2’(Y2-YU’)/R2’(Z2-ZU’)/R2’1 YU-YU’PR3-PR3‘=(X3-XU’)/R3’(Y3-YU’)/R3’(Z3-ZU’)/R3’1×ZU-ZU’(3)PR4-PR4‘ (X4-XU’)/R4’(Y4-YU’)/R4’(Z4-ZU’)/R4’1 cTU
可以定义为:
dPR=H×dX (4)
利用H矩阵的逆矩阵提供
dX=H-1×dPR (5)
此公式5重复和递归地运算直到解收敛到Xu、Yu和Zu和时间多义性。C.上行链路TOA定位系统例子
现在参照图2,示范性移动电信系统16的方框图,该系统设计来执行常规的上行链路TOA定位技术,根据与来自一个MT18并且由至少四个或更多BS20接收的至少一个上行链路信号有关的测距。
BS20是移动电信网络的一部分,其中例如每个BS20连接到至少一个基站控制器(BTS)22,其进一步连接到至少一个组合的移动交换中心/访问位置寄存器(MSC/VLR)24。MSC/VLR24进一步连接到内部位置寄存器(HLR)26和网关移动交换中心(GMSC)28。GMSC28提供了与至少一个另外通信网络30的连接,通过该连接呼叫可以连接在MT18和至少一个电信终端(TT)32之间。提供一个定位服务控制器(LSG)34以请求和/或反之控制/配置MT18和BS20以进行MT定位处理。这种设计和对于系统16的类似设计是公知的。
例如一种典型的蜂窝电话信号提供了进行测距的许多机会。测距通常根据由MT18发射到BS20的上行链路信号中的一个或几个可识别或唯一特征。唯一特征的例子包括帧同步字,或用于指向接收机均衡器的比特同步码型。不论使用何种类型的唯一特征,都由例如LSC34提前确定或按另一种方式建立,该特定唯一特征是在各个BS20中测量TOA的共同点。
如同所公知的,这种MT定位处理可以用几个方式增强以减少误差,例如对多次测量进行平均或测量信号中的第一峰值例如使多径误差最小。因为BS天线塔等在地面上,很少有机会确定MT18的高度。这意味着系统16可以使用最少三个BS20确定MT18的位置坐标和MT18与BS20之间的时间差(假设BS20内的时钟是同步的)。
可是,为了下列说明中的数学问题,假设使用四个BS20,如图2所示。在此,Xi、Yi和Zi代表每个(第i个)BS20的已知位置坐标。Xu、Yu和Zu代表MT18的未知位置坐标。TBu代表BS(蜂窝)时间和MT时钟时间之间的时间差。Ti代表根据MT18信号唯一特征测量出的时间。
使用具有蜂窝电话系统GPS的一种方法假设单独的BS20包括一个GPS接收机,和/或反之能够获得GPS时间,利用该时间测量来自MT18信号中唯一特征的TOA,T1。在这种情况下,TBu因此变成Tu而两组测量之间具有适合的同步。如同发送信号特征时我们不知道TBu,这种(第i个)伪距可以确定为所观察时间除以光速。因此,
PRi=Ti/c (6)
如同前面图1的系统10,该伪距等于修正未知时间的实际距离:
PRi=((Xi-Xu)2+(Yi-Yu)2+(Z-Zu)2)1/2+cTBu (7)
这导致与前面公式(3)、(4)和(5)类似的数学公式,这可以例如反复处理直到解收敛。
可是应当注意,BS20和MT18之间的距离远远短于接收机12和卫星14之间的距离(图1),以致H矩阵不由于假设近似位置与实际位置中的适当误差而改变。这意味着多个重复的解必须执行收敛到修正位置解。D.组合的GPS和上行链路TOA定位系统
示例
现在参照图3,表示按照本发明某些实施例的示范性组合GPS和蜂窝网络定位系统36的方框图。组合定位系统36可以设计来例如图2中那样,提供与TT32的标准连接,并且有效耦合到LSC34以支持MT定位处理。
如图3所示的并在此描述的组合定位系统36可以进一步设计来针对定位处理可切换和/或选择性工作。这样,组合定位系统36可以设计成组合的基于卫星/陆地信号定位系统,基于纯陆地信号定位系统,或成为基于纯卫星信号定位系统。
例如,在组合定位系统36中的MT38可以基本上起改进的GPS接收机12(即提供通信能力的接收机)或MT18的作用(见图2),取决于用户的选择、来自LSC34或其它网络资源的命令、和/或根据可用性、卫星信号和陆地信号的质量和/或数量。
如同所示,组合定位系统36包括MT38,和多个卫星14和BS20。在该例子中,组合定位系统36基本上将GPS定位技术与上行链路TOA定位技术合并。这需要将来自GPS定位处理的数据与来自上行链路TOA定位处理的数据联合。
在第一例子中,假设两个时间不确定性,Tu和TBu是没有联系的(例如,蜂窝BS20没有同步到GPS时间)。这样,对于卫星测量,伪距是:
PRi=(Pi+Ni+Ci)/c (8)
对于(陆地)上行链路TOA测量,假设BS是同步的伪距是:
PRi=Ti/c (9)
导致公式3(即GPS例子)等效现在看着象:PR1-PR1‘ (X1-XU’)/R1’(Y1-YU’)/R1’(Z1-ZU’)/R1’10 XU-XU’PR2-PR2‘ (X2-XU’)/R2’(Y2-YU’)/R2’(Z2-ZU’)/R2’10 YU-YU’PR3-PR3‘=(X3-XU’)/R3’(Y3-YU’)/R3’(Z3-ZU’)/R3’10×ZU-ZU’(8)PR4-PR4‘ (X4-XU’)/R4’(Y4-YU’)/R4’(Z4-ZU’)/R4’01 cYUPR5-PR5‘ (X5-XU’)/R4’(Y5-YU’)/R4’(Z5-ZU’)/R5’01 cTBU
其中H矩阵的第四列标志相对三个卫星14的时间误差出现/缺少,而H矩阵的第五列标志相对两个BS20(或陆地时间与卫星时间之间)的时间误差出现/缺少。
这然后可以如同公式4中定义为:
dPR=H×dX (9)
利用H矩阵逆矩阵提供:
dX=H-1×dPR (10)
该公式10被反复计算,直到解收敛于Xu、Yu和Zu,并且时间多义性。应当注意,求解需要来自至少两个卫星14和至少两个基站的信号以再次求解两个不同时间不确定性。也注意,可以容纳更多测量,即矩阵H不必是正方型矩阵。如果矩阵H不是正方形,则H的逆矩阵变成(HTH)-1HT。
必要的处理可以在MT38、BS20和/或其它网络计算资源中完成。
按照本发明进一步实施例,MT38进一步设计来测量GPS码相位测量与用在上行链路TOA中的信号特征时间之间的时间关系,由此与Tu和TBu有关。这样做,有利地将总测量最小数量减少到四,这其中可以选择根据卫星14和/或BS20的任何数量。在此情况下,产生的公式将类似公式(3)、(4)和(5)。
参照本发明的某些实施例,涉及Tu和TBu的一个示例性方法是共享卫星部分44和MT38中的陆地部分42(见图4)之间的公共时钟。E.共享时钟装置示例
如图4所述的方块图中,表明共享时钟装置40用在MT38和/或BS20中。共享时钟装置40包括一个陆地部分42和一个卫星部分44。
陆地部分42设计来提供与MT38和/或BS20的常规蜂窝通信能力有关的信号处理。这样,陆地部分42包括至少一个本地时钟46和一个蜂窝控制器单元47。蜂窝控制器单元47设计来提供控制/处理蜂窝发射信号(上行链路和/或下行链路,当可使用时)。利用配备在MT38中的常规技术,与下行链路信号有关的测距在蜂窝控制器单元47中完成。类似地,利用配备在BS20中的常规技术,与上行链路信号有关的测距在蜂窝控制器单元47中完成。时钟46是MT14的本地内部时钟(或当结合基站BS内的时钟)。
卫星部分44包括一个GPS时钟48,GPS相关器50,一个帧同步发生器52,一个比较器54和一个消息发生器56。
GPS相关器50从内部时钟46和GPS时钟48接收两个输入。GPS相关器将两个信号相关并且输出相关的时钟信号(值)T1给比较器54。帧同步发生器52从时钟46接收本地内部时钟信号并且输出相应的帧同步信号(值)T2给比较器54。比较器54测量两个输入信号(值),T1和T2的和,并且然后给消息发生器56提供相应和输出信号(值)T3。消息发生器56必须格式化和输出信号(值)T3,或反之配置信号(值)T3中的信息用于BS20,MT38中(例如用于作为本地处理一部分的进一步处理),或用于和输出信号中信息可以传递到的其它网络资源。从消息发生器56提供输出的目的是例如通过通信链路(内部或外部),或给蜂窝控制器单元47。本领域技术人员认为,帧同步发生器52,其在图4的示范性实施例中描述为在卫星部分44内,可以另一个方式地包括在陆地部分42中。
如同上面所暗示的,共享时钟装置40可以进一步适合于下行链路TOA、TDOA或OTD配置的MT定位系统。在这种情况下,共享时钟装置40包括在BS20内并且用于简化基于下行链路的MT定位处理。
通过举例,某些常规和建议的OTD系统包括使用一个或几个另外的MT,这些MT固定在已知位置上并且设计来从三个或更多BS20接收与OTD定位处理有关的下行链路信号。这些另外(固定)MT(未示出)确定何时由BS20发射一个超帧或其它唯一特征,并且响应产生对每个BS20的时间修正。
通过使用BS20中的共享时钟装置40,不需要这些另外MT或类似配置的装置并且可以因此从OTD类型系统中取消。由共享时钟装置40所提供的功能允许在BS20上确定时间信息,例如如图4中通过观察超帧或其它唯一特征与GPS时间之间的差。
现在对在OTD定位系统和有关基于下行链路定位处理中实施的本发明示范性实施例进行了说明。F.下行链路TOA/TDOA/OTD定位系统例子
图5是方框图,类似于图2,表示按照本发明某些实施例配置移动电信系统58示范性OTD部分。
系统58包括MT60和至少四个BS20。在典型OTD定位处理中,MT60进行对三个或更多BS20的测距。这些测距包括:(1)确定发射中特定点的到达时间,例如相对MT60内本地时钟的每个信号的帧同步工作的第一比特的上升沿;(2)或者每个BS20上发射中的这些点对某个公共时钟同步,和/或测量每个BS20上发射中这些点当发射时相对公共时钟例如GPS时间。
MT60需要设计来至少执行第一功能(上述步骤1),和将产生的测距值发射到一个或几个BS20用于由或者BS20或者某些其它网络资源进行另外处理(例如见图2)。不论这些额外处理在哪里完成,基本功能是通过组合来自MT60所接收结果和第二组测量(上述步骤2)和所涉及BS20的已知位置确定MT60的位置。
参照本发明的某些实施例,替代只进行相对测距(例如,伪距测量),系统58也设计来将同步数据(例如,时钟修正)和BS位置数据传输给MT60用于“插件板上”计算MT60位置。以此方式,网络58类似于图1中基于卫星的定位系统10,只是在这种情况下“卫星”(即BS)相对时间不运动。
另外,如上所述,甚至可以类似进行在发射信号上寻找唯一位置的方法并且用于明显优越的本发明每个方面。
如图5所示,在地心固定坐标参照系中表示各种坐标。Xi、Yi、Zi代表(第i个)BS20的已知位置坐标。Xu、Yu、Zu代表MT60的未知位置坐标。TBu代表BS时间和MT时钟时间之间的时间差。Ti代表测量的由(第i个)BS20发射信号中唯一特征的时间。
例如,如图6的时序图所示,在GSM系统情况下,OTD方法可以使用二十六个比特的同步字作为发射信号波形的唯一特征。因此,每个BS20测量相对公共时间的同步字的开始,例如UTC或GPS时间。
如图7的时序图所示,然后,MT60使用其内部时钟(例如图4中的时钟46)测量不同由BS同步字的到达时间。在此,Ti代表从(第i个)BS20所接收的每个信号的相对MT60内部时钟的TOA。
在下列与示范性OTD定位处理有关的数学求解/处理中,MT时间等于GPS时间加TBu,其中TBu是未知的,因为在此例子中MT60没有接入GPS时间。从每个(第i个)BS20到MT60的“传播时间”TOF由TOFi表示。
尽管对于蜂窝系统通常是2维问题(一阶的),为说明本发明某些方面,下列数学运算包括使用四个BS20,由此允许三维求解。
因此,
PRi=(Ti+Ci)/c (11)
这提供了如与GPS有关的公式1到5相同的方程组。因此,MT位置可以如同前面计算:
PRi=((Xi-Xu)2+(Yi-Yu)2+(Zi-Zu)2)1/2+cTBu (12)
这导致:PR1-PR1‘ (X1-XU’)/R1’(Y1-YU’)/R1’(Z1-ZU’)/R1’1 XU-XU’PR2-PR2‘ (X2-XU’)/R2’(Y2-YU’)/R2’(Z2-ZU’)/R2’1 YU-YU’PR3-PR3‘=(X3-XU’)/R3’(Y3-YU’)/R3’(Z3-ZU’)/R3’1×ZU-ZU’(13)PR4-PR4‘ (X4-XU’)/R4’(Y4-YU’)/R4’(Z4-ZU’)/R4’1 cTU这中定义为:dPR=H×dX (14)利用H矩阵逆矩阵提供:dX=H-1×dPR (15)
然后反复求解,直到找到Xu、Yu和Zu以及时间不确定性的解。F.组合GPS和下行链路TOA/TDOA/OTD例子
现在参照图8,是表示按照本发明其它实施例的组合GPS和下行链路TOA/OTD配置的系统62的方框图。如同下面更详细描述的,由MT64所接收的来自BS20的信号基本上被认为就象从固定GPS卫星发射的。这允许陆基和空基MT定位技术之间的有效数据混合。
在该例子中,假设GPS系统用于测量Ci,如同上面的OTD情况。另外,假设对于两种测量只出现相对GPS的单一时间不确定性。
如图8所示,MT64接收来自两个卫星14和两个BS20的信号,这澄清了寻找解答涉及的变量。可是,在此,可以包括任何数量的卫星14和/或BS20,甚至它们中的一个减少到零,只要对MT64提供至少四个信号即可。这允许三维的MT64位置确定。
如图8所示,在地心固定坐标参考系统中表示了各种位置坐标。Xi、Yi、Zi、代表(第i个)BS20和/或(第i个)卫星14的已知位置坐标。Xu、Yu、Zu代表MT64的未知位置坐标。Tu代表GPS时间与MT时钟时间之间的时间差。Ti代表测量出的由(第i个)BS20和/或(第i个)卫星14发射信号中唯一特征时间。Ci代表相对GPS时间的(第i个)时钟源时间修正。
伪距和公式如同前面一样:
PRi=(Ti+Ci)/c (16)
因而,具有与GPS有关的公式1到5基本上相同的方程组。因此,MT64位置坐标可以计算:
PRi=((Xi-Xu)2+(Yi-Yu)2+(Zi-Zu)2)1/2+cTBu (17)
因此,PR1-PR1‘ (X1-XU’)/R2’(Y1-YU’)/R1’(Z1-ZU’)/R1’1 XU-XU’PR2-PR2‘ (X2-XU’)/R2’(Y2-YU’)/R2’(Z2-ZU’)/R2’1 YU-YU’PR3-PR3‘=(X3-XU’)/R3’(Y3-YU’)/R3’(Z3-ZU’)/R3’1×ZU-ZU’(18)PR4-PR4‘ (X4-XU’)/R4’(Y4-YU’)/R4’(Z4-ZU’)/R4’1 cTu这可以定义为:dPR=H×dX (19)利用H矩阵逆矩阵提供:dX=H-1×dPR (20)如同前面一样,该公式(例如20)可以反复求解以确定Xu、Yu和Zu以及时间不确定性的解答。G.移动终端判断例子
用在组合或混合GPS测距信息与蜂窝测距信息的示范性方法可以进一步包括一种算法,例如下列的一种,在使用BS信号之前其采用了GPS信号可使用的优势。这减少了例如移动电信网络资源的负担。
首先,MT64将试图采集来自尽可能多的GPS信号的测距。最好,MT64能够根据所接收的GPS信号确定GPS时间。
第二,如果没有足够的GPS卫星信号可用,或如果某些信号太弱或不可信,则MT64应当利用BS(陆地)测距补充GPS测距。
第三,如果没有GPS信号可用,则MT64将使用可用的BS20测距,并且使用足够多的该信号以校准MT时钟。
第四,如果BS20没有与GPS时间同步,例如,将需要一个额外的BS20测距以针对蜂窝系统时间校准MT时钟(例如,见上面的组合GPS和上行链路TOA例子)。H.测距技术例子
现在注意在上述各种系统中涉及的测量处理,并且特别是用于MT64中按照本发明某些实施例的某些方法和装置。
MT64上所接收信号弱是常见的。例如,信号可能非常弱(例如,大约OdB的载波干扰比C/I)。为发现这样信号中的唯一特征例如同步字通常需要使用相关功能。
例如,一种相关检测和发现同步字峰值相关点(例如在GSM中的固定已知26比特长序列)的方法将使用类似常规GPS接收机中所使用的方法。因此,例如,GPS接收机或信号处理器可以进一步设计来相关检测GSM信号中的26比特同步字,而不必存储和然后事后处理所接收信号样本。产生的修改后的GPS接收机或信号处理器可以检测并且发现GPS高德码和唯一特征,例如蜂窝信号中的同步字。
这样,例如,GPS接收机或信号处理器可以设计来:
(1)使用例如从适当中频(IF)模块所获得的信号取样数据流,其等于比特速率的大约46.6倍(例如在GSM情况下大约270.83kbps),这产生大约比特速率37.3倍的取样速率;
(2)以大约9.3作为检测均值分样取样数据流;
(3)在一个比特周期内使用该数据流多次(因为该信号是过采样)与正搜索的比特序列的多个相位相干。在某些情况下,例如当信号样本没有被存储时,一个或几个累加器可以用于实时保持这些多个相干结果。
(4)确定在信号取样数据流中是否出现同步字,和完成最大和相邻相关器输出的插值法,以例如利用适当阈值标准的峰值检波器确定同步字的实际相位;和
(5)将产生的相位与适当时钟数据组合,以指定同步字第一沿的到达时间(或中央,如果需要的化)。
在该例子中修改的GPS接收机或信号处理器同时利用一部分比特的解搜索比特位置上的同步字。在例如GSM的情况下,十个实际相关器可以用于查找26比特同步字。该解则是大约1/4比特,即在一比特中有四个相位,这在输入信号取样数据流上可能实时出现产生总共约150个同时相关。由于在比特空间为过采样,在这种GPS接收机或信号处理器中将多半不需要额外的均衡。
这种配置或改进的GPS接收机或信号处理器具有在采样数据上执行适当的多普勒频移的其它能力,以消除如果采样频率实际与信号频率无关时出现的丢失。根据来自例如MT64正与通信的BS20发射的强信号可以获得多普勒良好开始估计。
在上述例子中,数字处理实际上以正常比特速率的约48倍进行。对于GSM非常方便,因为48倍比特速率是大约13MHz。IF将被转换为大约12.64MHz并且采样速率大约10.1MHz。
为更好地说明这些示范性频率转换和相关运算和有关优点,在图9中表示了用在移动终端例如MT64中的改进GPS接收机70的示例性部分。改进GPS接收机70包括一个变频器72,其设计来接收并且下变频GSM信号并且提供相应的下变频后GSM信号给GPS相关器74(例如,在信号处理器内)。GPS相关器74设计来由改进GSM信号和常规GPS信号检测信号特征,并且提供适当的输出。
图10和11提供了另外的细节,分别以示范性改进GPS接收机100和示范性改进零差GPS接收机100’的形式。接收机100从GSM前端102接收一个GSM信号。前端102可以例如包括一个常规GSM控制器单元,处理器,收发信机等。GSM信号通过SAW干扰滤波器104接收并且由乘法器108变频(下变频)。然后,产生的变频信号由LC滤波器110滤波并且然后使用缓冲器112、A/D转换器116、FIR带通滤波器(BPF)118采样和量化,以在累加器120中产生2比特。来自累加器120的数字输出被提供给GPS基带(BB)相关器114,这提供了相关器输出和/或峰值检波器输出。接收机100最好具有高IF。此高IF信号最好在电路链早期抽头,以便GSM信号明显线性进入A/D转换器116。
因为过采样速率,减少了来自SAW干扰滤波器104产生的干扰量,A/D结果可以少于某些设计,由于通过C/I比确定。另外,通过每个比特提供四个样本,在采样后的输出数据流中有最少的残余慢旋度(例如在GPS情况下每个码片仅仅2采样)。
在图11中,类似地,改进零差GPS接收机100`从GSM前端102接收一个GSM信号。GSM信号通过低通滤波器(LP)130接收和产生的低频信号使用缓冲器112、A/D转换器116、FIR BPF118采样和量化,以在累加器120中产生2比特。来自累加器120的数字输出被提供给GPS BB相关器114,这提供了相关器输出和/或峰值检波器输出。
如图12所示,提供给图10和11中的A/D转换器116的10.1MHz采样时钟可以从整数锁相环140的13.0MHz信号推导出,其中系统时钟与采样时钟的比是9比7。因此,示范性整数锁相环140包括一个九分频的方块142其接收13.0MHz信号,和一个7分频的方块148在反馈回路中,它们的每个为乘法器144提供输入。乘法器144的输出通过滤波器146提供然后使用输出并且反馈。
尽管在附图和前面的详细说明中已经表示了本发明各种方法和设计的一些优选实施例,应当理解,本发明不限于所公开的示范性实施例,能够进行大量重新设计、修改和替换而不脱离下列权利要求书所阐述和限定的本发明精神。
Claims (26)
1.一种方法包括:
使用移动终端接收来自至少一个卫星的至少一个第一类信号;
使用移动终端接收来自至少一个陆地发射机的至少一个第二类信号;
测量每个第一类信号的传播时间;
测量每个第二类信号的传播时间;
将得出的与每个第一类信号有关的传播时间测量转换为相应的第一类距离值;
将得出的与每个第二类信号有关的传播时间测量转换为相应的第二类距离值;
使用至少一个第一类距离值和至少一个第二类距离值确定移动终端的近似位置。
2.如同权利要求1中的方法,其中至少一个卫星是全球定位系统(GPS)的一部分。
3.如同权利要求1中的方法,其中陆地发射机是具有其内至少一个基站的移动电信系统的一部分,并且第二类信号包括从基站发射的下行链路信号。
4.如同权利要求1的方法,其中测量每个第一类信号传播时间和测量每个第二类信号传播时间的每个步骤进一步包括使用单一时间计量单元测量第一类信号和第二类信号两者的各自传播时间。
5.如同权利要求4的方法,其中单一时间计量单元位于移动终端内并且包括一个变频器和一个相关器。
6.用在移动终端中的一种装置,该装置包括至少一个时间计量单元设计来接收与至少一个卫星有关的至少一个第一类信号和与至少一个陆地发射机有关的至少一个第二类信号,测量每个第一类信号和每个第二类信号的传播时间,将每个得出的测量传播时间转换为相应的距离值,使用相应的距离值确定和输出移动终端的近似位置。
7.如同权利要求6的装置,其中至少一个卫星是全球定位系统(GPS)的一部分。
8.如同权利要求6的装置,其中陆地发射机是具有至少一个基站的移动电信系统的一部分,并且第二类信号包括从基站发射的下行链路信号。
9.一种移动电信系统,包括一个移动终端,该移动终端具有至少一个时间测量单元设计来接收与至少一个卫星有关的至少一个第一类信号和与至少一个陆地发射机有关的至少一个第二类信号,测量每个第一类信号和每个第二类信号的传播时间,将每个得出的测量传播时间转换为相应的距离值,使用相应的距离值确定和输出移动终端的近似位置。
10.如同权利要求9的移动电信系统,其中至少一个卫星是全球定位系统(GPS)的一部分。
11.如同权利要求9的移动电信系统,进一步包括至少一个基站设计来与移动终端通信,和其中第二类信号包括从基站发射给移动终端的下行链路信号。
12.一种方法包括:
使用移动终端接收来自多个卫星的多个第一类信号;
使用移动终端发射来自多个基站的至少一个第二类信号;
测量在移动终端上所接收的每个第一类信号的传播时间;
测量在多个基站上所接收的每个第二类信号的传播时间;
将得出的与每个第一类信号有关的传播时间测量转换为相应的第一类距离值;
将得出的与每个第二类信号有关的传播时间测量转换为相应的第二类距离值;和
使用第一类距离值和第二类距离值确定移动终端的近似位置。
13.如同权利要求12的方法,其中至少一个卫星是全球定位系统(GPS)的一部分。
14.如同权利要求12的方法,其中多个卫星包括只两个卫星并且多个基站只包括两个基站,并且该方法进一步包括将至少两个卫星的每个和至少两个基站的每个内的时钟同步的步骤。
15.如同权利要求12的方法,其中多个卫星包括至少两个卫星并且多个基站包括至少三个基站。
16.如同权利要求12的方法,其中多个卫星包括至少三个卫星并且多个基站包括至少两个基站。
17.如同权利要求12的方法,其中测量在移动终端所接收每个第一类信号传播时间的步骤由移动终端完成。
18.如同权利要求12的方法,其中将得出的与每个第一类信号有关的传播时间测量转换为相应第一类距离值的步骤由移动终端完成。
19.一种用于定位移动终端的移动电信系统装置,该装置包括:
一个卫星定位系统具有多个卫星设计来输出多个第一类信号;
多个基站在移动电信系统内;
一个位置确定节点在移动电信系统内,和
一个移动站与至少多个基站之一无线电通信并且设计来发射至少一个第二类信号给多个基站,和进一步接收来自多个卫星的多个第一类信号,计量每个第一类信号的传播时间,和向位置确定节点提供所接收每个第一类信号的距离值,
其中多个基站进一步设计来接收来自移动终端的第二类信号,测量每个第二类信号的传播时间,并且将所接收每个第二类信号的距离值传输给位置确定节点,该位置确定节点设计来利用第一类距离值和第二类距离值确定移动终端的近似位置。
20.如同权利要求19的方法,其中至少一个卫星是全球定位系统(GPS)的一部分。
21.如同权利要求19的方法,其中多个卫星包括只两个卫星并且多个基站包括只两个基站,并且该方法进一步包括将至少两个卫星的每个和至少两个基站的每个内的时钟同步的步骤。
22.如同权利要求19的方法,其中多个卫星包括至少两个卫星并且多个基站包括至少三个基站。
23.如同权利要求19的方法,其中多个卫星包括至少三个卫星并且多个基站包括至少两个基站。
24.一种共享时钟装置包括:
一个第一时钟输出第一时钟信号;
一个第二时钟输出第二时钟信号;
一个相关器连接到第一时钟和第二时钟并且设计来将第一时钟信号与第二时钟信号相关和输出相关的时钟信号;
一个帧发生器连接到第一时钟并且设计来接收第一时钟信号和输出产生的对应帧信号;和
一个比较器连接到相关器和帧发生器并且设计来测量相关的时钟信号和产生的帧信号的代数和以及输出相应的求和后输出时钟信号。
25.如同权利要求24的共享时钟装置,进一步包括:
一个消息发生器连接到比较器并且设计来格式化求和后输出时钟信号,以用于从包括移动终端和基站的组中所选择的至少一个移动电信网络资源。
26.如同权利要求24的共享时钟装置,其中第二时钟信号是全球定位系统(GPS)时钟信号。
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