CN100353181C - 地磁辅助无线通信系统定位方法及无线通信定位系统 - Google Patents

Abstract

一种无线通信定位系统与其定位方法，适用于与一基站联机的一移动通信终端设备的定位；通过无线通信系统基站坐标、基站座落扇区地磁强度分布数据库、并由移动通信终端设备传递数据信息，推算移动通信终端设备和基站的距离R、移动通信终端设备测量所在位置的地磁强度，定位出移动通信终端设备的绝对坐标，作为定位服务的坐标数据。本发明更进一步解决由上述定位方法得到不只一个位置时，可在移动通信终端设备再次移动时，以同样方法重新定位，而如果此时再次得到不只一个位置，便由移动通信终端设备传回其行进方向，以判断正确位置。

Description

地磁辅助无线通信系统定位方法及无线通信定位系统

技术领域

本发明涉及一种定位方法及系统，特别涉及一种利用地磁辅助无线通信定位方法以及无线通信定位系统。

背景技术

目前已知的定位技术通常利用多个无线电收发机与一移动通信终端设备之间传输无线信息，来决定该移动通信终端设备的坐标位置；而一些公知定位技术，包括如图1所示利用信号到达的角度(AOA--Angle of Arrival)，以两个基站S1及S2与移动通信终端设备形成的角度α1和α2，决定该移动通信终端设备的位置A；图2所示利用信号到达的时间(TOA-Time ofArrival)推算移动通信终端设备与基站S1、S2、S3的距离，以其距离为半径画圆，三个圆交叉点即系该移动通信终端设备的位置A；图3所示利用信号到达的时间差(TDOA-Time Difference of Arrival)，也就是从基站S1与从基站S2传送信号所费的时间差，即可知道该移动通信端设备于两个基站之间的距离比例，同样地找到基站S2及S3距离该移动通信终端设备的比例，便可求得位置A；以及利用基站接收到的信号强弱度等方法，都必须要至少两个以上的无线电收发机或基站，结合两个以上的角度、时间、或信号强度数据才可决定一个移动通信终端设备所在位置的坐标。

上述AOA定位方式并不适用于密集建筑物的城市中、TOA定位方式必须测量三个不同无线电收发机传输信号所费时间，决定一个位置、TDOA定位方式也必需利用至少三个基站、而使用信号强弱度不但需要三个基站同时测量，且得到的测量值将有很大的误差。

发明内容

综合所述，本发明因而提出一种通过地磁测量辅助，达到利用单一基站定位的方法，并可应用在移动通信系统所提供的定位服务。

因此，本发明的目的在于提供一种使用单一基站配合测量即可决定移动通信终端设备的所在位置的方法与系统。

本发明的另一目的在于提供一种定位系统，是低成本且易实施于原有移动通信系统上，因此，移动通信服务提供者可以简单、有效率地使其通信系统增加提供定位的功能。

本发明的另一目的是，利用上述定位方法，应用在移动通信系统中各种有关使用者所在位置的服务，如移动通信系统的位置服务、电子地图等。

为达成上述目的，本发明提供一种无线通信系统定位方法，适用于与一基站联机的一移动通信终端设备的定位，该方法利用地磁数据和移动通信终端设备与基站之间的距离，找出该移动通信终端设备的所在位置。本发明的定位方法包括提供一地磁强度分布数据库给上述基站，而此数据库内有多个等地磁线数据，每一个等地磁线数据纪录收集所有相等地磁强度的位置点；通过移动通信终端设备所传递给基站的数据信号，推算出两者之间的距离R；并由移动通信终端设备测量所在位置的地磁强度，且将测量结果传回基站，于是在基站的地磁强度分布数据库中，找出对应于所测量结果的等地磁线；最后综合该距离R与该等地磁线，定位出上述移动通信中端设备的所在位置。

本申请的定位方法还包括解决由上述定位方法所求得不只一个可能位置的可能问题，其方法包括：该基站纪录所有可能位置的坐标，当该移动通信终端设备移动时，测量最新地磁强度及行进方向，并将最新测量数据传回基站；同样地，通过地磁强度分布数据库，找出所对应的等地磁线，并与由传至基站的数据信号而得到的最新距离，定位出该移动通信终端设备的最新所在位置；若此最新所在位置仍然不只一个时，便可由移动通信终端设备所传回的行进方向，判断其正确位置的坐标。

另外，本发明为了确保其定位的准确度，让基站随时接收最新的实时地磁磁场变动量强度，定时更新上述地磁强度分布数据库，并在地磁强度分布数据库每次使用前，预先求得基站的天线所发射电磁波功率对信号覆盖范围地磁强度分布所造成的影响的参数，加以修正。

上述定位方法中，推算基站与移动通信终端设备之间的距离的方法，可为来回时延(RTT delay)或接收信号强度指针(RSSI)。其中来回时延的方法以信号传递所费的时间，估计两地相距的距离；而接收信号强度指针的方法以所接收到的信号强弱度推判距离，所接收信号会因距离的增加而相对减弱，因而推算出大概距离。

本发明另外提供一种无线通信定位系统，包括一移动通信基站及一移动通信终端设备。其中该基站除了包括原有的一通信系统核心之外，还包括一地磁强度分布数据库，用来记录多组等地磁线数据，而每一个等地磁数据存储所有相同地磁强度的位置点数据。而该移动通信终端设备除了原有的一通信系统核心外，还包括了一磁场测量装置，用来测量移动通信终端设备所在位置的地磁强度。上述定位系统执行上述定位方法，以一距离及一地磁强度数据定位出该移动通信终端设备的所在位置。

上述移动通信终端设备可还包括一行进方向磁感应器，用来测量行进方向，当上述定位系统得到不只一个所在位置时，此行进方向数据会与地磁测量结果一起传递至基站，以帮助判断该移动通信终端设备的正确所在位置。

上述移动通信基站可还包括一磁场测量装置以及一测量、定位数据存储器；磁场测量装置是用来测量最新地磁变动量强度，以更新地磁强度分布数据库；而测量、定位数据存储器是为了当定位结果为不只一个时，存储先前定位的有关数据，用来与最新测量地磁、距离、及行进方位做比较，以得到该移动通信终端设备的所在位置。

本发明的定位系统中移动通信终端设备内的磁场测量装置与行进方向磁感应器可分别实施，也可实施于同一硬件设备中，而磁场测量装置与行进方向磁感应器可外加于原始设备之外或内含于原始设备之内。而此磁场测量装置与行进方向磁感应器的实施例为电子罗盘或超导磁力仪。同样地，移动通信基站内的磁场测量装置也可由电子罗盘或超导磁力仪等装置实施。

为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图示，作详细说明如下。

附图说明

图1示出传统利用信号到达的角度(AOA--Angle of Arrival)的定位方法；

图2示出传统利用信号到达的时间(TOA-Time of Arrival)的定位方法；

图3示出传统利用信号到达的时间差(TDOA-Time Difference of Arrival)的定位方法；

图4为现有无线通信系统的简单示意图；

图5A～图5E为本发明定位方法的最佳实施例的示意图；

图6为本发明定位方法的流程图；

图7为移动通信终端设备外加功能区块可能方法的示意图；

图8为移动通信基站外加功能区块示意图。

标号说明

500：移动通信基站；

502：移动通信终端设备；

504、506、508：方向性天线所划分的扇区范围；

510、518：圆弧线；

512、520：等地磁线；

514、516：移动通信终端可能所在位置的坐标；

522、524：第二次定位所得的可能所在位置的坐标；

526、528：移动通信终端设备的行进方向；

601～610：本发明定位方法的步骤；

700～移动通信终端设备的通信系统核心；

702～磁场测量装置；

704～行进方向磁感应器；

800～移动通信基站的通信系统核心；

801～磁场测量装置；

802～地磁强度分布数据库；

803～测量、定位数据存储器。

具体实施方式

本发明提供一种无线通信系统定位的方法，如图4所示，该系统包括通信基站400～406发射信号覆盖于小区406～410的范围内、以及移动通信终端设备412。移动通信终端设备412在任何时间内，处于任一个无线通信定位系统的小区内以连接于一基站，如图4中，移动通信终端设备412连接于小区408内的基站402。而基站的位置可由架设时，以其它精密测量方法，如GPS定位等，得到一组经纬度数据，并记录于该系统内，基站信号所覆盖的范围可由通信服务提供者的数据库取得。因此移动通信终端设备412可通过连接基站402这个动作，而确定该移动通信终端设备412的位置是在该基站402所负责的信号覆盖范围408内。

基站通常使用方向性天线传递数据，故一个有n个信号传输方向的天线，其发射范围可划分为n个扇区(n sectors)。因此移动通信终端设备的可能位置范围，可由该方向性天线的传输方向，缩小其范围至一个扇区内，而扇区划分得越多、也就是当n越大时，每一个扇区也就越小，而第一次定位就可得到正确坐标的机率也就越大。这里以一个基站具有三个扇区为例，说明本发明的最佳实施例，如图5A所示，基站500因其方向性天线，将发射信号范围划分为三个扇区504、506、508，图中移动通信终端设备502因连接时传送信号至基站500，而可被定位于扇区508的信号覆盖范围内。

移动通信终端设备502传递信号至基站500，通过测量移动通信终端设备502与基站500之间传输信号的时间标记，算出该信号传递所费的时间，也就是来回时延(Round Time Trip delay)；利用该来回时延，即可推算出移动通信终端设备502与基站500之间的距离R，如图5B所示，可由基站500为中心，R为半径，画一圆并与扇区508信号覆盖范围的扇型做交集，即可得到一圆弧510，此圆弧线510的宽度代表了由此方法找出距离R的误差范围。

由移动通信终端设备502测量地磁强度，并将测量结果回送基站500。基站500在架设阶段测量建置完成一地磁强度分布数据库，数据库内包括多个等地磁线数据，每一个等地磁在线所有位置点代表相同的地磁强度；为了更准确的定位，数据库随时加上磁场变动量强度；如图5C所示，所传回的地磁强度测量结果在该数据库内查询，可得到一个等地磁线512，而移动通信终端设备502的准确位置，可由该等地磁线512与先前所得到的圆弧线510的交叉点求得。在本图例中，等地磁线以直线代表，在现实状况中，等地磁线未必为直线，但多数接近直线。

如果移动通信终端设备502位于扇区504的范围内，但仍位于与基站500相距R的圆弧510上，经由上述定位方法，可能会产生如图5D所示的情况，造成两个可能坐标514和516，造成系统的判别错误的坐标，因此需要额外进行下列步骤，以做进一步修正。将坐标514和坐标516记录在基站500内，并当移动通信终端设备502移动时，再度测量新的地磁强度以及行进方向，如图5E所示，将测量数据回报给基站后，以新的距离R’画出圆弧线518，并由新测量的地磁强度得到等地磁线520，来算出新的可能坐标。图5E显示当新的测量数据仍得到两个可能坐标522及524时，可由移动通信终端设备502所传回的行进方向，比较由先前记录的坐标与新算出的坐标所得到的行进方向526及528，判断移动通信终端设备502的正确坐标为坐标524。

上述的无线通信系统定位的方法可简单的以图6的流程图表达。其中步骤601、步骤602为移动通信终端设备所进行的程序，步骤603到步骤607为基站所进行的程序，步骤608到步骤610则为基站内部数据存储装置，实线箭号为控制流程方向，虚线箭号为数据传送方向。图6中步骤601是移动通信终端设备测量地磁强度与行进方向，此测量时机通常会在射频电路不发射电磁波时，如GSM系统中非上传数据的时间区间，因在此时段测量是为了避免通信系统射频电路的干扰。步骤602将该测量数据传回基站；步骤608将测量数据存储在基站内部数据存储装置。步骤610内存储的地磁强度分布数据库可通过步骤603测量基站所在位置的最新地磁强度，修正该地磁强度分布数据库的内容；另外，地磁强度分布数据库在每次使用前，必须由预先求得的各扇区发射电磁波功率对信号覆盖范围地磁强度分部所造成的影响的参数，加以修正；而步骤610内也同时存储了基站坐标、各扇区负责的信号发射范围、以及以来回时延等数据，这些数据是用来在步骤604中计算移动通信终端设备的坐标；步骤605存储由步骤604所算出的坐标。如果此次定位的结果只得到一个坐标时，前进至步骤607，并结束此次定位；否则，至步骤606排定下次定位时间，并回到步骤601，以算出新的定位坐标。

图7图示出了本定位方法需要在原始移动通信终端设备70的通信系统核心700之外，加上功能区块702及704，分别为磁场测量装置以及行进方向磁感应器，使移动通信终端设备70可测量所在地的地磁强度及行进方向，这两个功能区块702及704可外加于移动通信终端设备70之外(如图7A)或内含于移动通信终端设备70之内(如图7B)，当定位功能启动时，通信系统核心700要求磁场测量装置702进行移动通信终端设备70所在位置的磁场测量，同时利用该行进方向磁感应器704进行行进方向测量，通信系统核心700将所测量到的地磁强度及行进方向参数传至图8的移动通信基站设备端800。

图8为本定位方法须在原始移动通信基站设备端800外加的功能区块，其中801为磁场测量装置、802为地磁强度分布数据库、803为测量、定位数据存储器；移动通信基站设备端800接收移动通信终端设备70将所测量到的地磁强度及行进方向参数后，依其接收信号强度或是传输信号的延迟时间，推算出上述移动通信终端设备与上述基站之间的距离R，而得知移动通信终端设备70的所在位置，是在以移动通信基站设备端800为中心、半径实质上为R的一圆弧上的圆弧范围内；

移动通信基站设备端800从地磁强度分布数据库802中，找出对应移动通信终端设备70所在位置的等地磁线；以及

移动通信基站设备端800，结合上述圆弧范围所代表的位置和所找出的等地磁线所代表的位置点数据，定位出移动通信终端设备70的所在位置。

另磁场测量装置801作为移动通信基站设备端800所在位置的等地磁线校正之用，其校正结果用来更新地磁强度分布数据库802；测量定位数据存储器803则用于纪录移动通信终端设备70所送来的数据。

虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用于限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作一些更动与修改，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书定义为准。

Claims (15)

1.一种无线通信系统定位的方法，用于与一基站联机的一移动通信终端设备的定位，包括下列步骤：

提供一地磁强度分布数据库给上述基站；其中，上述地磁强度分布数据库内记录复数等地磁线数据，每一上述等地磁线数据代表具有相等地磁强度的所有位置点数据；

通过一距离估计方法推算出上述移动通信终端设备与上述基站之间的距离R，而得知上述移动通信终端设备的所在位置，是在以上述基站为中心、半径实质上为R的一圆弧上的圆弧范围内；

让上述移动通信终端设备测量所在位置的地磁强度，并且将一第一测量结果传回上述基站；

通过上述第一测量结果，从上述地磁强度分布数据库中，找出一对应上述移动通信终端设备所在位置的等地磁线；以及

结合上述圆弧范围所代表的位置和所找出的上述等地磁线所代表的位置点数据，定位出上述移动通信终端设备的所在位置。

2.如权利要求1所述的无线通信系统定位的方法，其中上述定位方法所求得的位置不只一个时，还包括下列步骤：

记录上述定位方法所求得的所有位置，当上述移动通信终端设备移动时，再度测量新的地磁强度以及一行进方向，并将一第二测量结果传回上述基站；

通过上述第二测量结果，从上述地磁强度分布数据库中，找出一新对应上述移动通信终端设备所在位置的等地磁线；

结合通过上述移动通信终端设备所传递的数据信号而取得一新的圆弧上的位置，和所找出的上述新等地磁线所代表的位置点数据，定位出上述移动通信终端设备的最新所在位置；

此时若上述最新定位的所在位置依然有不只一个可能坐标时，则可由上述移动通信端设备所传回的上述行进方向，判断上述移动通信终端设备的正确坐标。

3.如权利要求1所述的无线通信系统定位的方法，其中上述基站还检测地磁磁场变动量强度，更新上述地磁强度分布数据库；并可在比较上述测量结果与上述地磁强度分布数据库时，加入上述最新测量的实时地磁磁场变动量强度，以增加其定位的准确度。

4.如权利要求1所述的无线通信系统定位的方法，其中该距离估计方法使用来回时延技术，以通过信号传递所费时间算出相距的距离R。

5.如权利要求1所述的无线通信系统定位的方法，其中该距离估计方法使用接收信号强弱度指针技术，以通过所接收到的信号强度推判距离R。

6.一种无线通信定位系统，包括：

一移动通信基站，包括：

一基站通信系统核心，用于传输和执行相关通信及控制功能；及

一地磁强度分布数据库，用于记录复数等地磁线数据，每一上述等地磁线数据代表具有相等地磁强度的所有位置点数据；以及

一移动通信终端设备，包括：

一终端设备通信系统核心，用于与上述移动通信基站联机，以及执行相关通信及控制功能；及

一磁场测量装置，用于测量上述移动通信终端设备所在位置的地磁强度；

其中，上述移动通信基站配合上述移动通信终端设备进行定位，执行以下步骤：

上述移动通信基站接收上述移动通信终端设备所传递的数据信号，推算出上述移动通信终端设备与上述基站之间的距离R，而得知上述移动通信终端设备的所在位置，是在以上述基站为中心、半径实质上为R的一圆弧上的圆弧范围内；

上述移动通信终端设备使用上述磁场测量装置测量所在位置的地磁强度，并且将测量结果传回上述基站；

上述移动通信基站通过上述测量结果，从上述地磁强度分布数据库中，找出对应上述移动通信终端设备所在位置的等地磁线；以及

上述移动通信基站，结合上述圆弧范围所代表的位置和所找出的上述等地磁线所代表的位置点数据，定位出上述移动通信终端设备的所在位置。

7.如权利要求6所述的无线通信定位系统，其中上述移动通信基站还包括一磁场测量装置，可测量最新地磁变动量强度，以更新上述地磁强度分布数据库。

8.如权利要求6所述的无线通信定位系统，其中上述移动通信终端设备还包括一行进方向磁感应器，可测量上述移动通信终端设备的行进方向，当上述无线通信定位系统得到不只一个所在位置时，此行进方向数据会与地磁测量结果一起传递至上述移动通信基站，以判断上述移动通信终端设备的正确所在位置。

9.如权利要求6所述的无线通信定位系统，其中上述移动通信基站还包括一测量、定位数据存储器，存储从上述移动通信终端设备所传递的地磁测量结果与先前定位的有关数据。

10.如权利要求6所述的无线通信定位系统，其中上述移动通信终端设备所包括的上述磁场测量装置，可通过一电子罗盘或一超导磁力仪实施。

11.如权利要求6所述的无线通信定位系统，其中上述磁场测量装置可为外加于上述移动通信终端设备的原始设备之外、或内含于原始设备之内。

12.如权利要求7所述的无线通信定位系统，其中上述磁场测量装置可通过一电子罗盘或一超导磁力仪实施。

13.如权利要求8所述的无线通信定位系统，其中上述行进方向磁感应器，可与上述移动通信终端设备的上述磁场测量装置实施于同一硬件设备装置中。

14.如权利要求13所述的无线通信定位系统，其中上述硬件设备装置可由一电子罗盘实施。

15.如权利要求13所述的无线通信定位系统，其中上述磁场测量装置与上述行进方向磁感应器可为外加于上述移动通信终端设备的原始设备之外、或内含于原始设备之内。

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