CN100420312C - 改进的定位系统和蜂窝通信网络 - Google Patents

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Abstract

在一种移动通信网络中使用的定位系统包括多个基站，这些基站在设定的时间内发射已知信号以便在获取位置数据时使用；第一发射和接收装置；用于在每个第一发射和接收装置中确定来自每个基站已知信号的到达时间的设备；用于确定在未知位置的一个第二发射和接收装置的来自每个基站的已知信号的到达时间的设备；比较设备，用于将在第一发射和接收装置和第二发射和接收装置中接收到的已知信号之间的时间差异进行比较；和位置确定设备，用于确定所述的第二装置的位置。每个第一发射和接收装置包括从另一组接收到的信号如GPS信号中获取其位置的设备。

Description

改进的定位系统和蜂窝通信网络
技术领域
本发明涉及一种在移动通信网络如蜂窝通信系统中使用的定位系统。
背景技术
在蜂窝通信网络中已提出许多确定移动装置位置的不同设备。其中最常使用的一种是公知的EOTD(增强型偏移时间微分，或增强型观测时间微分)。该系统通过在移动装置中测量从不同基站到达的特定信号之间的时差进行工作。这种测量要求有三个或更多个基站。这就在来自不同基站之间的信号之间产生偏移，该偏移被返回报告给网络。在网络中进行的适当处理能够将该偏移与来自在已知固定位置进行测量的等效数据相比较。然后该比较就允许计算与基站和已知固定位置有关的手机的位置。
图1表示包括三个基站24的移动通信网络。两种类型的发射和接收装置，即，一个移动手机24和一个定位装置26，接收从基站来的信号。每个发射和接收装置测量来自每个基站的已知信号之间的时差。每个发射和接收装置将偏移数据报告给网络。
网络知道所有基站20和定位装置26的位置。它通过使用该偏移数据能够计算移动手机24与每个基站20相隔的距离。需要执行该计算的数学是公知的，这里就不必重复了，但是对本领域的技术人员来说是熟知的。
计算的输出是描述移动手机和每个基站之间分离的一系列弧。由于如测量精确性的因素在每个弧中会存在固有的误差。因此移动手机24的位置在不能确定重叠区大小的条件下就被确定为弧重叠区的中心。
定位装置(FPU)22能够使它接收到的数据与许多其它的FPU的数据相结合以能获得一个区域的计时差异的图。通过比较来自移动装置，即移动手机的测量数据，和从FPU获得的计时图，就能够获得手机的估算位置。
这样就会存在一个问题，在于FPUs通常放置在网络已经拥有的站点(即，基站位置)。这就限制了站点的数量，形成稍微过分简单化看待无线电波传播的观念。EOTD使用这些数据在该区域中模仿所期望的计时差异。但是，这个假定了公知FPU之间的计时差异是线性的。这对于直线传播来说是精确的，但非常遗憾，这种传播在蜂窝系统中不普遍；经过建筑物，山等的信号反射和折射在改变无线信号传播的距离时是非常重要的因素。这就导致了模仿和现实之间的差异，因此对确定移动手机或手持便携式设备(HHP)位置的精确性产生了限制。
迄今为止，人们已提出了两种建议设法消除这些误差。这些建议如下：
(1)在高山，建筑物等地区使用地理信息系统(GIS)提供数据。然后，该传播模拟用于演绎可能出现障碍物的效果。所需要的模型是加强处理器，仅对限定的大气环境有效。而且，结果全部依赖于GIS系统中可见要素。任何附加建筑物或拆毁需要该模仿重新启动。
(2)为了增加FPU的数量，因此就给出更多共同工作的模型的参考位置。从网络方面来说，这是一个不盈利的昂贵方案，它涉及到额外硬件位置的购买，但是所提交位置的精确性仅随着FPU数量的平方根而增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种定位系统，该定位系统不会增加传播模型的计算，无需增加附加成本，能够高精度地确定蜂窝通信等系统中移动装置的位置。
本发明的另一个目的是提供一种在这种定位系统中使用的发射和接收装置。
根据本发明的一个方面，在一种移动通信网络中使用的定位系统，包括：多个基站，在预定的时间发射已知信号以便在获取移动装置(第二发射和接收装置)的位置数据时使用；多个第一发射和接收装置，具有可确定在该装置中来自每个基站已知信号的到达时间的设备；至少一个第二发射和接收装置，具有在该装置处于一个未知位置时，可确定该装置中来自每个基站的已知信号的到达时间的设备；将在所述第一发射和接收装置和所述第二发射和接收装置中接收到的已知信号之间的时间差异进行比较的比较设备；和，根据所述比较设备比较的结果来确定所述第二发射和接收装置的位置的设备，其中，每个第一发射和接收装置还包括从另一组接收到的信号中获取其位置的设备，并且重复地确定所述第一发射和接收装置的位置数据，其中，从另一组接收到的信号包括从卫星定位系统中接收到的信号，所述卫星定位系统是全球定位系统，其中，当所述从另一组接收到的信号中获取的所述第一发射和接收装置的位置数据在设定精度限值范围内获得位置数据时，执行所述差异的比较。
根据本发明，第一发射和接收装置通常是一种附加的位置固定装置(additional fixed position unit-AFPU)，第二发射和接收装置通常是一种如移动手机的移动装置。
根据本发明的另一个方面，一种在移动通信网络的定位系统中使用的发射和接收装置，包括：接收由基站在预定的时间发射的已知信号的设备；确定所述已知信号接收的计时的设备；将计时数据发射给所述移动通信网络的设备；从其它发射源接收信号的设备；根据从所述其它发射源接收到的信号来确定该发射和接收装置自己的位置数据的设备；和，将所述位置数据发射给所述移动通信网络的设备，其中，所述确定位置数据的设备重复地确定所述位置数据，其中，所述其它发射源包括发射位置确定数据的卫星，其中，所述确定位置数据的设备对从卫星接收的数据进行操作，并且，其中，只在当所述位置数据在设定精度限值范围内时，所述位置数据发射设备将所述位置数据发射给移动通信网络。
我们已意识到能够以最低或零成本给网络运营商增加大量的FPU，和完成本发明。这个产生的原因是因为如人们所料EOTD将作为标准特征加入将来的蜂窝产品中。而且，希望具有将来网络标准如2.5G和3G(第三代)的蜂窝产品将会在以前使用固定链路的应用中使用。其中一些蜂窝产品将需要长期地部署，如留在相同位置的主干线动力设备。这些实例包括无线互联网公用亭(kiosk)，公共信息系统，CCTV(闭路电视)装置和其它各种应用的装置。
位置固定设备将通过缺省支持EOTD测量，因为它是以标准手机的设计为基础的。如果该设备的位置能被精确地确定和报告给网络，那么它能被用作一附加FPU(即AFPU)。通过利用这种类型的设备作为AFPUs，参考点的数量会潜在地不受限制。而且，AFPU的成本对于网络运营商而言是低的。
为了在EOTD系统中作为AFPU操作，FPU将需要的附加设备如下：
(1)GPS(全球定位系统)或其它基于卫星的位置接收器；
(2)控制位置接收器和处理从其获得的位置的数据的软件；和
(3)打包位置数据和将位置数据发送给网络的软件。
EOTD系统的网络部分将需要修改以能允许它接收由AFPUs报告的位置信息。在一个实施例中，这个通过SMS或其它一些短信息服务将会实现，因为这个不需要改变网络信令层。
在另一个实施例中，合适的信息能够包含在无线资源层中。
在又一个实施例中，通过在AFPU和网络之间建立(需要时)一个专用呼叫能够实现信令。
在另一个实施例中，在移动装置或HHP不移动时它有时能被设置成作为一个AFPU进行操作。
本发明受到现在作参考用的后面权利要求的限定。
附图说明
现在通过参考附图的实施例将详细地描述本发明，其中：
图1是如上所讨论的EOTD系统的大致视图；
图2是适用于本发明的移动通信网络实例的大致视图；
图3是AFPU需要卫星定位数据处理过程的流程图；
图4是如何启动和禁止EOTD测量的流程图；
图5是AFPU中内部元件的方框图。
具体实施方式
在移动通信网络如蜂窝通信网络的服务区中布置许多基站20和许多附加位置固定位装置(AFPU)26。在图2的所示的实例中，有三个基站和两个AFPU。移动装置如移动手机能够在该区域附近移动。
基站20布置在相应的已知位置以便将通信服务提供给移动装置24。基站20在设定的时间发射已知的信号以便在获取位置数据时使用。移动装置24具有普通蜂窝手机的功能，还设置有计时确定装置25，用于确定来自每个基站的已知信号到达的时间。移动装置24通报基站20来自各个基站20的信号计时。
AFPU26通过卫星定位系统如GPS具有确定其当前位置的能力。AFPU26具有接收来自GPS卫星21的信号的功能，接收来自基站20的信号的功能和将EOTD报告发射给基站20的功能。
该网络还包括一与基站20相连接的比较计算装置27，它将在移动装置24中获得的计时与在AFPU26中获得的计时相比较，和一位置确定装置28，用于根据比较计算装置27的比较结果确定移动装置24的位置。该比较计算装置27和位置确定装置28由网络运营商安装作为网络的固有设备。
图3表示在步骤30中AFPU26第一次启动后它所发生活动的顺序。它的第一个步骤是在逻辑框32中获取卫星位置数据(即，定位数据)如GPS数据。在卫星位置数据中存在较小的固有误差，但是接着是一段时间内能够达到平均的已知模式。在步骤34中用检查过的精度继续数据的获取直到它超过n米。n的理想值将由网络运营商确定。如果AFPU正在移动，那么所获取的精度直到AFPU停止移动时才能获得。
当已知AFPU位置为足够的精度时，在逻辑框36中如下面有关图3所述的在AFPU26中启动EOTD报告功能。然后在逻辑框38中将包含AFPU的ID和其位置的报告发送给网络。该报告的通知通过专用连接如SMS，数据呼叫等如上所述进行执行。它也能够通过一些网络报文传递的形式进行发送。
发送给网络的信息包含位置数据，数据的精度和对于AFPU唯一的识别(ID)码。该代码必须在形式上与AFPU26将在其EOTD报告中使用的代码相同，或者是一种网络能够转换为EOTD标识的形式。
在逻辑框40中该网络接收来自AFPU的信息，将位置和ID信息记录在FPU的表中。就相关网络而言，AFPU发生的正常EOTD操作其意图和目的都有别于正常的FPU。
由于AFPU26不能完全在网络运营商控制的范围内，因此就需要许多安全描施以能保证AFPU未被移动或无效。这些安全措施如下：
(1)AFPU26需要定期通过使用卫星系统检查其位置。如果发现读数离开工作平均(running average)超过m米，那么就假定AFPU已被移动。这个过程在AFPU等待一段t秒时间的逻辑框42中发生，然后逻辑框44中提取GPS读数。在步骤46中推导位置的精度是否超过m米。如果是超过m米，那么就在逻辑框48中将最新位置加给位置数据的工作平均中，在逻辑框38中将新的工作平均发送给网络。如果在步骤46中位置精度没有超过m米，那么在将在下面有关图3讨论的逻辑框50中就不启动AFPU26的EOTD报告功能。在逻辑框52中将该位置误差通知给网络，在逻辑框32中AFPU26重新开始收集GPS位置数据。在此网络将从FPU的表中删除AFPU直到它从AFPU中接收到新的位置通知时为止。距离m是一个待确定的变量。它与n所选择的值相关。它可能与n相同，或者，可能是一个较小或较大的数值。m和n所选的值将会受到所使用的卫星定位系统的可达到精度的重要影响。
通过AFPU获取的工作平均可使用滑动窗口方法，即，使用设定数量的样值，或者另一种可选方案是平均从AFPU接通以来的所有位置，或者可使用其它一些方法。该滑动窗口方法对本发明的实施例来说是较佳的方法。
(2)如果AFPU26没有响应对于EOTD数据的请求，那么AFPU就可能被关断。如果发生这种情况，那么AFPU就从FPU的网络表中除掉。如果AFPU已被关断，那么在AFPU通过使用有关上述图2所述的顺序被重新激活时它将自动地返回网络中的激活表中。但是，其它一些原因也可能导致未被发送的EOTD响应。因此每个AFPU必须定期发送位置报告，这个时间间隔就是图3中逻辑框42所示的延时周期t。该周期t在安装时就被确定。如果使用滑动窗口平均方法，那么周期t应该是滑动窗口平均周期的一部分时间。
(3)网络被设置成仅请求其激活表中来自AFPU的EOTD数据。在与上述安全措施相结合时，该措施能够避免产生最潜在的误差。但是，由于收集数据时在EOTD请求和响应之间存在一个延迟，那么就存在一个在测量过程中AFPU变为无效的可能性。因此，就需要对AFPU进行特别检查以能确定它是否还是一个有效的装置。这就是图3的逻辑框36所示的报告激活检查的EOTD，在图4中将作详细的描述。
非常清楚重要的是AFPU26没有移动。通过EOTD系统确定的位置误差的下限是AFPU位置中的误差。在卫星定位系统中，位置精度与进行测量的时间长度相关。常用的GPS系统能够提供好过1米的精度，但是通常需要测量许多小时才能实现这个精度。瞬时测量通常仅对10米左右精度有用。假定EOTD系统的当前误差是10米左右的量级，这显然没有任何帮助。
新的卫星技术如欧洲伽利略系统提供比GPS更高的瞬时精度。这就有可能使用装备有HHP的卫星定位装置作为AFPU，即使它在短时移动或静止时。
显然，为了该系统能够运行，客户就必须购买具有卫星定位能力的设备。恰好，这个很可能成为标准。
图4表示AFPU26如何确定它是否应该对EOTD请求进行报告。该过程在步骤60和逻辑框62中提及，网络要求AFPU进行EOTD测量。然后在逻辑框64中AFPU进行测量。接着在步骤66中确定有关EOTD报告是否应该启动。如果是，在逻辑框68中EOTD数据就发送给网络，在逻辑框70中网络在其AFPU模型中使用EOTD数据。如果EOTD报告不应该被启动，那么该过程就直接跳入步骤72结束。
应该明白AFPU26能够构成放置在固定位置如卫星电话亭，CCTV照相机等上的接收器。但是，在HHP不移动经常持续相当长周期的基础上，还有可能使用HHP作为AFPU。例如，人们在办公室时，他们的HHP往往是处在固定位置，如上衣口袋或写字台上。这些固定位置能够保持相当长的时间周期，以此能够使他们被用作AFPU。如上所述，改进的卫星技术将使移动装置在它们处于短期静止的情况下或者在他们可能移动时而能被使用。
图5表示在AFPU26中使用的电路方框图。AFPU26包括一蜂窝调制解调器80和一天线82。天线82接收来自基站20的信号，将信号发射给基站20，并与蜂窝调制解调器80相连接。调制解调器80通过路由器86与主功能设备84(CCTV照相机，互联网公用亭等)相耦接。用于确定来自相应基站20的已知信号之间计时的计时测量装置96与调制解调器80相连接。该计时测量设有对应于经过基站20从网络接收到的EOTD请求的EOTD报告功能，执行EOTD报告处理。所确定的计时作为EOTD报告经过基站20从蜂窝调制解调器80发送给网络。
路由器86还与具有天线90的卫星定位译码器88相耦接，该天线90用于接收来自GPS卫星21的信号。通常天线90不同于与蜂窝调制解调器相连接的天线82。卫星定位译码器88构成为能够通过卫星定位获取AFPU26的位置，能够确定所获取位置的精度和能够执行参考图3和4所述的AFPU26的功能。路由器86的运行能够将来自定位译码器88的位置信号发送给蜂窝调制解调器88以能发射给基站20。
虽然本发明的较佳实施例通过使用专用术语已作描述，但是这样的描述仅起解释目的作用，应该明白在没有脱离后面权利要求的精神和保护范围的情况下可对其作出变化和修改。

Claims (6)

1. 一种移动通信网络中使用的定位系统，包括：
多个基站，在预定的时间发射已知信号以便在获取第二发射和接收装置的位置数据时使用；
多个第一发射和接收装置，具有可确定在该装置中来自每个基站已知信号的到达时间的设备；
至少一个第二发射和接收装置，具有在该装置处于一个未知位置时，可确定该装置中来自每个基站的已知信号的到达时间的设备；
将在所述第一发射和接收装置和所述第二发射和接收装置中接收到的已知信号之间的时间差异进行比较的比较设备；和
根据所述比较设备比较的结果来确定所述第二发射和接收装置的位置的设备，
其中，每个第一发射和接收装置还包括从另一组接收到的信号中获取其位置的设备，并且重复地确定所述第一发射和接收装置的位置数据，
其中，从另一组接收到的信号包括从卫星定位系统中接收到的信号，所述卫星定位系统是全球定位系统(GPS)，
其中，当所述从另一组接收到的信号中获取的所述第一发射和接收装置的位置数据在设定精度限值范围内获得位置数据时，执行所述差异的比较。
2. 如权利要求1所述的定位系统，其中，所述移动通信网络包括一蜂窝通信网络。
3. 一种在移动通信网络的定位系统中使用的发射和接收装置，包括：
接收由基站在预定的时间发射的已知信号的设备；
确定所述已知信号接收的计时的设备；
将计时数据发射给所述移动通信网络的设备；
从其它发射源接收信号的设备；
根据从所述其它发射源接收到的信号来确定该发射和接收装置自己的位置数据的设备；和
将所述位置数据发射给所述移动通信网络的设备，
其中，所述确定位置数据的设备重复地确定所述位置数据，
其中，所述其它发射源包括发射位置确定数据的卫星，
其中，所述确定位置数据的设备对从卫星接收的数据进行操作，并且
其中，只在当所述位置数据在设定精度限值范围内时，所述位置数据发射设备将所述位置数据发射给移动通信网络。
4. 如权利要求3所述的发射和接收装置，其中，所述重复确定的位置数据是对预定数目采样值的平均。
5. 如权利要求3所述的发射和接收装置，其中，如果位置数据的精度落在预定数值之外，该装置就不将所述位置数据发射给所述移动通信网络。
6. 如权利要求3所述的发射和接收装置，其中，该移动通信网络包括一蜂窝通信网络。
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