CN1383492A - 用于定位系统的到达时间估算 - Google Patents

Abstract

一种确定一个移动无线电站位置的方法包括估算在移动站和固定站之间传送的无线电信号的到达时间和从该到达时间导出其位置,到达时间估算方法包括产生粗略估算的第一估算步骤,粗略估算用来限定产生更精确估算的第二估算步骤的范围。

Description

用于定位系统的到达时间估算

技术领域

本发明涉及一种估算无线电信号到达时间的方法和按本发明方法操作的设备，特别地但非唯一地应用到移动无线电设备的定位系统。

背景技术

用于移动无线电设备的定位系统具有多种应用，例如用在和连同移动电话形成的紧急呼叫，由于许多人们形成的紧急呼叫不知道其准确位置，因此难以使紧急服务到达他们。已发展了多种确定一个移动无线电设备位置的技术。在以下公开文献中包括定位技术的评论：“AnOverview of the Challenge and progress in Meeting the E-911Requirment  for Location service”，J.H. Recd et al，IEEECommunication Magazine，April 1988，PP.30-37。

通过计算其离开固定在已知位置的三个或更多个无线电基站的距离可确定一个移动无线电设备的位置。该移动无线电位置将处在围绕每个基站的圆(或在三维情况下是球)的交点，每个圆的半径相应该移动无线电设备离开那个基站的距离。这样的距离容易据移动无线电发射机和基站接收机之间无线电信号传送的传播延迟来加以确定，假定无线电信号在固定的光速(3×10⁸m/s)上传播。例如10μs的传播延迟将相应3Km的距离。通过将普通称为TOA(到达时间)测量同已知的从该发射机发射该无线电信号的时间相组合来确定传播延迟。

在其中并不要求知道发射时间的更为实际的确定传播延时的方法是测量由移动无线电发射机发射的信号到达每个基站接收机的时间差。替代起因于绝对TOA测量的围绕每个基站的圆形定位轨线，对每对基站计算相应于该移动无线电发射机离该对内的每个基站的距离差的双曲轨线，而该移动无线电设备的位置将处在这些双曲线的交点上。一般称测量到达时间差为TDOA(到达时间差)测量。

用TOA和TDOA测量计算位置的方法在下列文献中曾讨论过：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测量，其位置计算精度在很大程度上取决于到达时间的测量精度。在本发明的说明书和权利要求中使用术语“到达时间”包括TOA和TDOA两者。

通过使用从一个发射机向一个接收机发射的伪噪声(PN)序列的相关特性可测量到达时间。

接收的信号和发射信号的复制信号的相关性在两者同步时将在相关函数中产生一个峰值。甚至在存在着由多径传播和噪声引起的严重失真的情况下可检测这个峰值。因此，测量到达时间的问题等效于在失真的接收信号和发射信号的复制信号之间的相关函数中的峰值的位置的精确检测。人们知道接收信号同该复制信号的相关性既可在时域又可在频域执行，例如参见T.S.Rappaport等以上参考文献。

对于紧急情况，关键的是位置计算的速度和精度。位置计算的速度和精度取决于到达时间测量的速度和精度，因而依次取决于可利用的处理能力和所使用的算法。为提供大规模市场销路和设备价格是低的，因此低处理功率要求是重要的。

发明的公开

本发明的一个目的在于通过提供改进到达时间估算提供用于移动无线电设备的定位系统的改进。

按照本发明的一个方面，提供的用于确定与无线电基站相关的一个移动无线电站的位置的系统包括多个无线电基站，每个被配置来发射一个信号；和一个移动无线电站，被配置来接收由每个无线电基站发射的信号，并且具有用于估算每个接收信号的到达时间的装置和根据每个接收信号到达的估算时间计算该移动无线电站的位置的装置，其中用于估算到达时间的装置还包括用于形成具有第一解的第一到达时间估算的装置和用于形成具有第二解的第二到达时间估算的装置，第一到达时间估算贡献于确定形成第二到达时间估算的装置的范围，而第二解比第一解更精确。

按照本发明的第二方面，提供的用于确定与无线电基站相关的一个移动无线电站的位置的系统包括配备来发射信号的一个移动无线电站，多个无线电基站，每个被配备来接收由该移动无线电站发射的信号，并具有用来估算该接收信号的到达时间的装置和根据在每个无线电基站接收的信号的估算的到达时间计算该移动无线电站位置的装置；其中用于估算到达时间的装置还包括用于形成具有第一解的第一到达时间估算的装置和用于形成具有第二解的第二到达时间估算的装置，该第一到达时间估算贡献于确定形成第二到达时间估算的装置的范围，而第二解比第一解更精确。

按照本发明第三方面，提供的用于确定与无线电基站相关的一个移动无线电站的位置的方法包括从多个无线电基站发射信号；在移动无线电站接收由每个无线电基站发射的信号；估算每个接收信号的到达时间；并据到达时间的估算计算该移动无线电站的位置；其中到达时间的估算还包括形成具有第一解的第一估算阶段并产生到达时间的第一估算，和形成具有第二解的第二估算阶段并产生到达时间第二估算；第一到达时间估算贡献于确定第二估算阶段的范围，而第二解比第一解更精确。

按照本发明的第四方面，提供的用于确定与无线电基站相关的一个移动无线电站的位置的方法包括从一个移动无线电站发射一个信号；在多个无线电基站处接收由该移动无线电站发射的信号；估算每个接收信号的到达时间；根据到达时间的估算计算该移动无线电站的位置；其中到达时间的估算还包括形成具有第一解的第一估算阶段并产生第一到达时间估算；以及形成具有第二解的第二估算阶段并产生第二到达时间估算；第一到达时间估算贡献于确定第二估算阶段的范围，而第二解比第一解更精确。

按照本发明的第五方面，提供的用于估算在一固定无线电站和一移动无线电站之间发射的无线电信号的到达时间的设备包括用于形成到达时间第一估算的第一装置，该第一装置具有第一解，以及用于形成到达时间第二估算的第二装置，该第二装置具有第二解，到达时间第一估算贡献于确定第二装置操作的范围，而第二解比第一解更精确。在本发明的一个实施例中，从一个无线电基站发射一个PN序列并由一个移动接收机接收。在该接收机中使用两个到达时间估算阶段。

在第一估算阶段中，执行如下频域计算。计算接收信号的快速富立叶变换(FFT)并乘以复制发送信号的FFT。计算乘积的反FFT将产生接收信号和发射信号的相关函数。在该相关函数中的一个明显的峰值相应于接收信号和复制信号之间的强的相似性，由此指示接受该发射的序列，而该峰值的位置指示所接收的信号中该序列的到达时间。此外可以有多个小峰由多径传播产生，但是都被分开处理，因此在本发明的上下文中可以忽略。

对于第一估算阶段使用例如在该发射的序列码片的1/4到1/16周期的范围的粗略的取样间隔，这导至只是用等于该取样间隔的分辨度粗略估算到达时间，然而处理快速执行并只要求低的处理功率。

在第一估算阶段中已定位相关函数中一个明显的峰值的位置后，在第二估算阶段处理接收的信号。

在第二估算阶段中，执行如下时域计算。对于在阶段一估算期间检测的相关函数中的该峰值范围中的复制信号的连续移位，通过计算交叉相关系数计算接收信号和发射信号的复制信号的交叉相关函数，移位增量小于在阶段一中使用的取样间隔，直到已识别相关函数中的一个峰值为止。通过使用一个小的移位增量，比在第一估算阶段中更准确地确定该峰值的位置。该峰值指示在移动接收机处所发射序列的到达时间。

第二估算阶段产生比第一阶段更高分辨率的到达时间估算。一般地，两个阶段估算比一个阶段是处理更为精细，但是第二估算阶段限制在第一估算阶段内检测的粗略估算的范围。阶段一和二组合结果的到达时间估算可以比纯频域估算或纯时域估算更准确和/或更快和/或更少精细的处理器。由设备的设计人选择这些好处之间的理想的折衷。

还从另外的无线电基站发送PN序列，移动接收机计算其能检测的每个序列的到达时间。通过使用不同的序列和/或不同的频率能区别来自不同无线电基站的序列。

之后由移动接收机使用技术中已知的TOA或TDOA系统公式计算接收机的位置用于估算来自每个无线电基站的序列的到达时间。为计算接收机的位置，必须从至少三个无线电基站接收信号。

在本发明的第二实施例中从一个移动无线电设备发送一个序列然后由多个无线电基站接收。在一和两阶段估算到达时间的情况下，后续的移动无线设备位置的计算是在固定网络中执行的，而不是在该移动无线电设备中执行的。为计算该移动无线电设备的位置，该由该移动无线电设备发送的信号必需由至少三个无线电基站所接收。

其中移动无线电设备计算其自身位置的第一实施例的好处在于具有定位能力的移动无线电设备能够容易地用固定网络的零或小的升级插入，并且任何数量的移动无线电设备能够对它们的用户提供位置信息而不对该网络加载。

其中在固定网络中执行移动无线电设备位置计算的第二实施例的好处在于能够用零或移动无线电设备小的升级插入移动无线电设备定位业务。

本发明可有利地加以应用的例子是：手持或车载定位设备，例如GPS(全球定位系统)接收机；手持或车载移动无线电通信设备，例如具有定位能力的移动电话；以及手持或车载无线电数据通信设备，例如具有定位能力的移动因特网终端。

附图简述

现在将参照附图，借助例子描述本发明：

图1是说明一个移动无线电系统的示意图，包括一个在三个固定无线电基站的无线电范围内漫游的移动无线电设备；

图2是一个方块图，表示图1中所示的每个无线电基站的相关的元件；

图3是一个方块图，表示图1中所示的移动无线电设备的相关的元件；

图4是一个方块图，详细地表示用在图1中所示的移动无线电设备中的时域相关的元件；

图5是相关函数的一个例子。

执行本发明的模式

参照图1说明一个移动无线电设备1从三个固定的无线电基站2，3和4接收无线电信号。调谐基站2，3和4以便在额定的相同频率上发射。使用中当移动无线电设备在周围运动时，它可以在多个或不多的基站的范围内。使用到达时间定位方法，将仅仅可能准确地确定该移动无线电设备是在三个或更多个基站中场合下的位置。

参照图2，每个固定无线电基站2，3和4包括一个PN序列发生器6，PN序列输入到发射机7，无线电发射机信号通过天线8广播。PN序列在预定的间隔发送，从每个发射和发射的PN序列的时间必须均一地控制在很严密的限度内，因此用一个准确的时钟5驱动PN序列发生器6，该时钟5包括一个GPS接收机(全球定位系统)，PN序列长度为0.666ms，在每秒3.84M片的速率上包括2560片。

参照图3，由天线10和接收机11的组合接收无线电信号。当移动无线电设备用户要求知道其位置时，它通过用户接口(未示)向控制器15指示其要求，基于此，控制器15使一个输入缓冲器12储存接收的无线电信号。之后控制器15使一个频域相关器14从输入缓冲器12读出储存信号的0.666ms部分和从一个复制存储器13读出复制的发送信号，然后计算该两个信号的交叉相关函数。由频域相关器14通过计算该储存信号部分的快速频率转换(FFT)，计算该复制信号的FFT，将该两个FFT相乘在一起，以及计算该积的反FFT来计算交叉相关函数。

重复处理读储存在输入缓冲器12中的接收的无线电信号的0.666ms部分并用储存在复制存储器13中的复制发送信号相关该部分，直到检测出在该交叉相关函数中的一个清晰的峰值。

图5表示峰值清晰的一个交叉相关函数的例子。

该峰值位置表示与储存信号相关的PN序列到达的近似时间。

到达时间的计算精度取决于片码率(chip rate)和用于计算FFT的取样间隔。每秒3.84M片的片率对应的片持续时间为0.26μs。使用1/4片持续时间的取样间隔，可得到的最大时间分辨率为0.065μs，其相应19.54m的最大距离分辨率。如果取样间隔为一个片持续时间的1/16，则可得到的最大时间分辨率为0.016μs，其相应最大距离分辨率4.88m。

当在相关函数中的一个清晰峰值由频域相关器14检测时，与储存信号相关的峰值的位置传送到控制器15，而该控制器15使时域相关器16从输入缓冲器12读出该储存的信号的部分，并从复制储存器13读出复制的发送信号，按已知相关公式在时域计算该两个信号的交叉相关函数。由时域相关器16从该输入缓冲器12选读的储存的信号部分是从由频域相关器传送的估算到达时间的范围选择的，并在两端为PN序列的持续时间外加一个储备。适当的储备为10片。

参照图4，时域控制器16操作细节如下。储存的信号部分通过输入端30从输入缓冲器12读入相关寄存器20。复制的发送信号从并行连接31上的复制储存器13读入早缓冲器26，晚缓冲器27和精密缓冲器28。借助NCO(数控振荡器)，复制信号被记录在这三个缓冲器之外，由此产生早，晚和精密复制信号的相位，由NCO调节器24控制NCO 25的频率和相位。三个复制信号的相位传送到相关寄存器20。在该相关寄存器中，储存的信号部分同该三个复制信号的相位相关。从相关寄存器20到NCO调节器24的反馈连接32使NCO调节器调节该NCO 25的频率和相位直到精密相位复制信号和储存的信号部分同步，这种同步由相关函数中的一个清晰峰值来指示。

当在相关函数中的一个清晰峰值由时域相关器16检测时，与储存的信号相关的峰值的位置传送到控制器15。峰值位置表示与储存的信号相关的PN序列的准确到达时间。

可以用其确定相关函数中峰值位置的精度取决于NCO的分辨度。例如，选择对NCO的驱动频率为30.7MHz，并使用24位的NCO，则由NCO提供的输出频率的最小增量为：

NCO将在其输出端被设置产生取样频率。对3.84MHz的片率，每片取样四次，这将要求取样频率为每秒15.36M个信号瞬时值。最小分辨度可用距离表示如下：

$={3.10}^8[\frac{1}{15.36\·{10}^6}-\frac{1}{15.36\·{10}^6+1.83105}]$

                      ＝2.3281μm

因此，本发明方法允许强的子片步幅，由此允许亚毫米精度的最小分辨度。

每个固定无线电站2，3和4发送一个不同的PN序列。实际上为清晰起见在图中均未作表示，复制储存器13提供每个复制的发送信号，对于由移动无线电设备可接收的每个序列在频域相关器和时域相关器中重复相关处理。由此对每个序列产生一个相关函数峰值。这些峰值的每一个的位置传送到控制器15。

控制器15计算每个峰值之间的时间差，并将时间差传送到位置计算器17。

位置计算器使用已知的公式和固定无线电基站位置18的一个数据库用该时间差去计算移动无线电设备的位置。在计算出该位置后在显示器19上将其向该移动无线电设备的用户展示。

说明了在上述说明书中使用序列和估算参数，但并不是确定的。

可选择地，可多次接收每个PN序列，并且对每个接收的序列计算相关峰值的位置，据此可计算精度进一步加以改进的平均到达时间。

虽然在估算的第二阶段已使用时域计算来描述本发明的实施例，但是也可交替地使用频域计算，例如MUSIC或ESPRIT算法，其比在第一估算阶段中的频域计算具有更高的分辨度。

在本发明说明书和权利要求中在一个元件之前的字母“a”或“an”并不排除存在多个这样的元件。此外，字“Comprising”并不排除存在其他例举的元件或步骤。

根据阅读本发明的公开，对本专业技术人员而言显见有另外的改进。这样的改进可以包括在到达时间估算技术和定位系统技术中已知的其他特征，并可以将其用来替代或附加到在此已加以描述的特征。

工业应用性

在定位系统中估算无线电信号到达时间等。

Claims (12)

1.一个用于确定与多个无线电基站相关的一个移动无线电站的位置的系统，包括多个无线电基站，每个配置来发送一个信号；和配置一个移动无线电站接收由每个无线电基站发送的信号并具有估算每个接收的信号的到达时间的装置和根据每个接收信号估算的到达时间计算该移动无线电站的位置的装置，其中估算到达时间的装置还包括用于形成具有第一分辨度的第一到达时间估算的一个装置和用于形成具有第二分辨度的第二到达时间估算的一个装置，第一到达时间估算贡献于确定用于形成第二到达时间估算的装置的范围，第二分辨度比第一分辨度更精确。

2.一个用于确定与多个无线电基站相关的一个移动无线电站的位置的系统，包括一个移动无线电站配置来发送一个信号，多个无线电基站，每个配置来接收由该移动无线电站发送的信号并具有用于估算该接收信号到达时间的装置，和根据在每个无线电基站接收的信号的估算的到达时间计算该移动站位置的装置；其中，用于估算到达时间的装置还包括用于形成具有第一分辨度的第一到达时间估算的装置和用于形成具有第二分辨度的第二到达时间估算的装置，第一到达时间估算贡献于确定用于形成第二到达时间估算的装置的范围，第二分辨度比第一分辨度更精确。

3.如权利要求1或2的系统，其特征在于用于形成第一到达时间估算的装置包括用于将复制发送信号的快速富立叶变换与接收信号的快速富立叶变换相乘并确定合成积的反富立叫变换的装置。

4.如权利要求1或2的系统，其特征在于用于形成第二到达时间估算的装置包括用于执行接收信号和复制发送信号的时域相关的装置。

5.一种用于确定与多个无线电基站相关的一个移动无线电站的位置的方法，包括从多个无线电基站发送一个信号；在移动无线电站接收由每个无线电基站发送的信号；计算每个接收信号的到达时间；根据到达时间计算估算该移动无线电站的位置；其中到达时间估算还包括形成具有第一分辨度的第一阶段估算并产生第一到达时间估算；和形成具有第二分辨度的第二阶段估算并产生第二到达时间估算；第一到达时间估算贡献于确定第二阶段估算的范围，而第二分辨度比第一分辨度更精确。

6.一种用于确定与多个无线电基站相关的一个移动无线电站的位置的方法，包括从移动无线电站发送一个信号；在多个无线电基站接收由该移动无线电站发送的信号；估算每个接收的信号的到达时间；根据到达时间计算估算该移动无线电站的位置；其中到达时间估算还包括形成具有第一分辨度的第一阶段估算并产生第一到达时间估算；和形成具有第二分辨度的第二阶段估算并产生第二到达时间估算；第一到达时间估算贡献于确定第二阶段估算的范围，而第二分辨度比第一分辨度更精确。

7.如权利要求5或6的方法，其特征在于第一阶段估算包括将复制发送信号的快速富立叶变换与接收信号的快速富立叶变换相乘并确定合成积的反富立叶变换。

8.如权利要求5或6的方法，其特征在于第二阶段估算包括执行接收信号和复制发送信号时域相关。

9.用于估算在一个固定无线电站和一个移动无线电站之间发射的无线电信号的到达时间的设备包括第一装置，用于形成第一到达时间估算，该第一装置具有第一分辨度，以及第二装置，用于形成第二到达时间估算，该第二装置具有第二分辨度；第一到达时间估算贡献于确定第二装置工作范围，而第二分辨度比第一分辨度更准确。

10.如权利要求9的设备，其特征在于用于形成第一到达时间估算的第一装置包括用于将复制发送信号的快速富立叶转换与接收信号的快速富立叶转换相乘并确定合成积的反富立叶变换的装置。

11.如权利要求9的装置，其特征在于用于形成第二到达时间估算的装置包括用于执行接收信号和复制发送信号的时域相关的装置。

12.如权利要求11的设备，其特征在于用于执行时域相关的装置包括一个NCO。

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