CN100477854C - 移动台定位的方法和定位单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动台定位的方法和定位单元。在一种移动台(MS1)定位的方法中，所述的移动台(MS1)在第一位置(p1)上接收第一组基站(BS1、BS2、BS3、BS4、BS5、BS6)的信号，并且在至少一个第二位置(p2)上接收第二组基站(BS1、BS2、BS3、BS4、BS5、BS7)的信号。借助于在这两个位置(p1、p2)上所接收的信号，确定这两个位置(p1、p2)中的至少一个位置。

Description

移动台定位的方法和定位单元

技术领域

本发明涉及移动台定位的方法以及相应的定位单元。

背景技术

在第三代移动无线电系统中，例如在根据UMTS(通用移动通信系统)移动无线电标准工作的系统中，在移动终端中设有定位功能。

在UMTS标准中设有经空气接口传输的三种模式。在此涉及FDD(频分双工)模式、3.84兆码片/秒TDD(时分双工)模式和1.28兆码片/秒TDD模式。在FDD模式中，使用不同的频率沿上行链路(UL)和沿下行链路(DL)方向进行传输。在此，上行链路是指从终端或从移动台向网络单元的传输方向，所述网络单元也称为基站或结点B。下行链路相应地涉及从基站向移动台的传输方向。在TDD模式中，只使用一个载波频率，其中通过指派时隙来区分上行链路方向和下行链路方向。两种TDD模式的主要区别是：1.28兆码片/秒TDD模式的码片率低于3.84兆码片/秒TDD模式的码片率。在此，所有模式的用户都经正交代码分隔。这种基于代码的多路访问方法以码分多址(CDMA)的名称而被熟知。

从3GPP(第三代伙伴关系项目)技术规格TS 25.305V5.4.0可知在通信系统(UMTS)中使移动台定位的不同方法：

-小区ID法

-辅助GPS法(GPS：全球定位系统)

-OTDOA(观察的抵达时差)法

-OTDOA-IPDL(空闲周期下行链路)

这些方法既可在FDD模式中执行也可在TDD模式中执行。下面参照图1较详细地说明OTDOA法。

在TDMA系统(TDMA：时分多址)中，OTDOA法被称为E-OTD(加强观察的时差)。

为了提高定位的精确性尤其是提高最后所述的两种方法的定位的精确性，并且从而满足美利坚合众国移动无线电当局(FCC：联邦通信委员会)对紧急情况下的移动台的高要求，这两种方法还需进一步地改进。

如果在无线电通信系统中使用刚才所提及的那两种发射台不同步的方法，就必须对发射台附加地采用另外的定位测量单元(英语：定位测量单元[LMU])，以使它能够定位。

发明内容

因此，本发明的任务是提出改进的无线电通信系统中移动台的定位方法，所述的方法不再使用附加的定位单元。

此任务可以通过移动台定位的方法以及确定移动台的位置定位单元予以解决。

在所述的方法中，所述的移动台在第一位置上接收从第一组基站按照非同步方式发射的信号，所述的移动台在至少一个第二位置上接收从第二组基站按照非同步方式发射的信号，根据在两个位置上接收的信号来确定这两个位置中的至少一个位置。

所述的定位单元具有：单元，该单元用于接收关于移动台在第一位置上所接收的从第一组基站按照非同步方式发射的信号的信息，该单元并且用于接收关于移动台在至少一个第二位置上接收从第二组基站按照非同步方式发射的信号的信息，所述的定位单元还具有分析处理单元P，所述的分析处理单元借助于关于两个位置的信息来确定移动台的所述两个位置中的至少一个位置。

本发明涉及的有利的补充和扩展方案在具体实施方式部分进行了说明。

在根据本发明的定位移动台的方法中所述的移动台在第一位置上接收第一组基站的信号，并且在至少一个第二位置上接收第二组基站的信号。在考虑在这两个位置上接收到的信号的情况下至少确定这两个位置中的一个位置。

通过考虑从一个在第一位置上和从一个在第二位置上接收到的信号，就可以首先确定第一组基站和第二组基站的信号的未知的发射时间点的差，并且在OTDOA法或E-OTD法的范围内，在移动台定位时应考虑该差。由于存在有同步误差，同步的台站还可以有不同的发射时间点，所以，该方法既可以用于同步的也可以用于非同步的台站。

本发明可以有利地用于任意的无线电系统中。无线电系统可理解为经其无线电接口在台站间传输数据的任意系统。数据传输既可以双向进行也可以是单向进行。举例来说，无线电系统，尤其是任意的移动无线电系统，全都是按照GSM(移动通信的全球系统)标准或者UMTS标准的系统。

如果第一组基站和第二组基站完全相同，在本发明的第一实施方式中可以有利地求解为定位而建立的方程式系统。以此方式，进入这个方程式系统的方程式内的台数和移动台位置的数量都是最少的。

在本发明的第二实施方式中，第一组基站和第二组基站至少有一个基站不相同。如果不能够在所有的位置接收相同基站的信号时，这是有利的。

移动台向无线电通信系统的定位单元发送关于在至少两个位置接收到的信号的信息并在那里进行定位是有利的。所述的信息例如是信号的接收时间点或者信号接收时间点的差或者是接收的信号。

另一个实施方式中是在移动台中进行定位，就是说，相应的定位单元处在移动台中。

如果向移动台通知(例如通过广播)电台的位置，那是很有利的。

定位单元具有进行根据本发明的方法所需要的所有的特征。

附图说明

下面借助附图中所示的实施例详细地说明本发明。附图中：

图1根据OTDOA法和OTDOA-IPDL法的定位示意图，

图2用于实施根据本发明进行定位的无线电通信系统的示意图，

图3用于实施按照图2进行定位的定位单元的示意图。

在图中相同的符号标示相同的对象。

具体实施方式

移动电台在下文中将被称为移动台。移动台例如是移动电话或者也可以是位置移动的用于传输图像数据和/或声音数据、电传、短信息业务SMS和E-mail的并且可接入互联网的装置。因此，它涉及一般的无线电通信系统的发射单元和/或接收单元。

在图1中图示出一种已知的定位方法。所示的OTDAO方法是基于测量经空气接口传输的来自多个基站和一个要定位的移动台之间的信号。根据该方法，需要定位的移动台试图检测从相应的两个位置不同的，相邻的基站发来的一个已知信号并且确定接收时间点。然后把这两个位置不同的，相邻的基站的这个已知信号的接收时间点向负责移动台定位的基站的有关的位置计算功能PCF(位置计算功能)进行发射并确定哪个基站是对此负责的。在这方面，分析指得是：位置计算功能，负责计算接收时间点的时间差或者说负责计算传输时间差。通过所述的时间差确定指示出移动台潜在的驻留位置的双曲面。如果基站和移动台处在地平面上，所述潜在的驻留位置就是在地平面上的双曲线。通过包括进另一个基站，移动台的驻留位置就在两条双曲线的交点上。

例如，在前序部分已经说明，TDMA系统(TDMA：时分多址)中，或GSM系统中的OTDOA法可以称为E-OTD(加强的观察时差)。

图1示出三个同步的基站BS1、BS2和BS3以及一个移动台MS1。可以通过第一基站BS1和第三基站BS3的信号的接收时间点的差来确定双曲线Hy13。相应地，通过第二基站BS2和第三基站的信号的接收时间点的差来确定双曲线Hy23。移动台MS1就位于这两条双曲线Hy13和Hy23的交点处。为了精确地定位至少还需要另一个信息。这样可以或

a)对第四基站进行进一步的OTDOA定位，或

b)在扇区化的小区中采用移动台所处的扇区的信息以进行判断，或

c)进行RTT测量(RTT：来回程时间)。如图1所示，在此基于在第三基站BS 3和移动台MS1之间传输的已知的信号往和返时间得出移动台在的圆周K上面。

如果基站BS1、BS2和BS3不同步，必须附加地由一个已知且位置固定的定位单元LMU来测定信号的接收时间差。通过这种附加的测量值，就可以确定和考虑基站的发射时间点的差。在移动台MS1的定位中，以此方式得到的精确度与用同步的基站BS1、BS2和BS3而不用定位单元LMU时得到的精确度是相应的。

要测量的信号可以是共同的导频信道信号或者说CPICH信号，所述的信号是由基站连续地发射的，但是也可以是其它的导频信号。当然，要检测的信号可以用任意的控制信道发射，例如GSM系统中的BCCH(广播控制信道)。为了简明下面从CPICH着手。为了区分CPICH信号，给每个基站都加编了另一个置乱代码。从而可以彼此有区别地接收CPICH信号，并且分配给相应的基站，以及计算所要求的时间差。

采用OTDOA方法在移动台定位时，可以达到约80米至100米的精确度。一种对OTDOA法的改进提供了OTDOA-IPDL法。所述的OTDOA-IPDL法是：在无线电通信网络上移动台经过与之建立关系的连接-基站的信号覆盖了其他几个基站的信号的情况下所得到的扩展。在此情况下，检测其他几个基站的信号是非常困难的，或者甚至是不可能的。这对于公共的控制信道上的信号尤其如此。因为所有的基站都采用它，并且通常用它来确定时间差。为了能够检测到其他几个基站的信号，在OTDOA-IPDL法中，短时间周期地断开连接-基站的传输。该连接-基站的传输方面出现的暂停即可被移动台利用来检测其他的，与之相邻的基站信号的接收时间点。这种暂停可以是多个符号长，一般是5个至10个符号长。在此，符号相应长度为：在UMTS-FDD模式中是256个码片，而在TDD模式中则最多为16个码片，其中一个码片在码片频率为3.84兆码片/秒时约为0.26微秒长。采用OTDOA-IPDL法时定位的精确度约可达到20米。

下面以UMTS标准的移动无线电系统为例说明本发明，但是并非把本发明限制于此。

在图2中，简括地示出根据本发明进行移动台定位的第一个优选实例。在第一时间点t1时，第一基站BS1和其它四个基站BS2、BS3、BS4和BS5就向移动台MS1传输信号。这些基站不同步地传输其信号，也就是说信号有不同的发射时间点。移动台MS1在时间点t1的位置是第一位置p1。在时间点t2时，移动台MS1处在另一个位置，即第二位置p2，并且从五个基站SB1、SB2、SB3、SB4和SB5接收信号。移动台MS1把信号的相应接收时间点或者接收时间点的差对两个时间点t₁，t₂存储进存储器中。

在时间点t2时，有移动台MS1要进行定位的请求。这个请求由无线电通信系统通知移动台MS1。当然，移动台也可以没有无线电通信系统发出的请求的情况下，而自行引入定位。

不受其限制地，在该实施例中采用第一基站BS1的信号接收时间点作为基准时间。对于第一位置p1的接收时间点的计算出的差OTD_1k(p1)而言，下面的关系式是适用的：

OTD_1k(p1)＝GTD_1k(p1)+RTD_1k

式中GTD_1k(p1)给出第一基站BS1的信号和其它几个基站BS2、BS3、BS4和BS5的信号的真正传输时间差。从而GTD_1k(p1)等于第一位置p1与第一基站BS1之间的距离与第一基站BS1与第k基站BS2、BS3、BS4、BS5之间的距离的差值除以信号的传播速度的商：

${\mathrm{GTD}}_{1k}\left(p1\right)=\frac{1}{C}(\sqrt{{(X_{p1}-X_{\mathrm{BS}1})}^2+{(Y_{p1}-Y_{\mathrm{BS}1})}^2}-\sqrt{{(X_{p1}-X_{\mathrm{BSk}})}^2+{(Y_{p1}-Y_{\mathrm{BSk}})}^2})$

式中C相应于信号的传播速度，而X_p1、Y_p1、X_BS1、Y_BS1、X_BSk、Y_BSk为移动台MS1的第一位置p1及第一基站BS1和其它的基站BS2、BS3、BS4和BS5的X座标和Y座标。

RTD_1k表示第一基站BS1的信号和其它的基站BS2、BS3、BS4和BS5的信号的发射时间点的差。

对于第一位置p1而言，就得出了在四个信号接收时间点上测得的差OTD_1k(p1)的四个方程式。对于第二位置p2而言，也可得出四个测得的差OTD_1k(p2)的方程：

OTD_1k(p2)＝GTD_1k(p2)+RTD_1k

全部的方程组由八个方程式组成，并且从而可以解出八个未知数。所述的未知数是X_p1、Y_p1、X_p2、Y_p2、RTD₁₂、RTD₁₃、RTD₁₄和RTD₁₅。通过解该方程组移动台MS1得到第一和第二位置p1、p2的座标，也就是说，这两个座标各用二维确定有定位请求的时间点t2的实际位置和一个较早时间的位置。

移动台MS1通过存储器为不同位置的信号的接收时间点提供存储并且提供为解方程组所需要的其它的值的存储。当然它也可以存储接收时间点的差。移动台MS1的定位单元PE可以用来解所述方程组。

基站BS1、BS2、BS3、BS4、BS5、BS6和BS7的位置对移动台MS1来说，均是已知的。这些位置在连接建立时、或在有请求定位时、通过时间上重复地指定的连接或经广播的方法(英语：broadcast)通知移动台MS1。

当然也可以用三维确定移动台MS1的位置。在对此可以采用附加电台和/或在移动台MS1的另一个位置上的其它接收时间点的差。二维的定位也可以在采用与图2所示不同的数量的基站和/或位置p1、p2进行。

如果用移动台的两个位置上的信号进行二维定位，为此(参见图2)需要至少五个等同的基站。如果与此相反地用移动台MS1的至少三个位置的信号，则在每个位置上刚好有四个等同的基站的信号就足够了。然而如果在在至少三个位置上接收相应的至少五个基站的信号，则在每两个位置上，这些基站中，至少有一个基站是不同的。在总共有编号为1至7的七个基站的情况下，在第一位置上接收基站1、2、3、4和5的信号，在第二位置上接收基站1、2、3、4和6的信号，并且在第三位置上接收基站1、2、3、5和7的信号。这样就得出有12个未知数和12个方程式的一个可解的方程组。

只要方程组可解，定位就可以采用任意的基站和移动台的位置进行组合。从而总是需要至少是与未知数一样多的方程式。如果方程组定得过多，也就是说有多于未知数的方程式，就有利地导致提高定位的精确度。为了进一步地提高定位精确度，可以在移动台的位置上附加地对相应的至少一个基站所进行的RTT测量。

在第二实例中，移动台在位置p1上，附加地接收第六基站BS6的信号。在第二位置p2上，因为第六基站BS6过远而不能被接收到。移动台却附加地接收到此时处于可接收距离之内的第七基站BS7的信号。第六和第七基站的附加信号BS6，BS7传输用点划线来表示。在第一和第二时间点t1、t2得到一个附加的未知数和一个附加的方程式，从而继续存在可解的方程组，尽管是部分地采用了不同的基站的信号。

根据本发明，移动台MS1在没有定位请求的情况下也可以反复地在不同的位置上，确定基站BS1、BS2、BS3、BS4、BS5、BS6、BS7的信号接收时间点。如果有尽可能多的位置上的信号的接收时间点，被存储进来，一旦在有定位请求时，总有足够的数据存货，即使移动台MS1已经有一段时间不再移动，定位也能够进行。

在另一个实例中，移动台MS1向无线电通信系统的定位单元PE转交在两个位置p1、p2存入了的，关于接收的信号的信息(例如信号的接收时间点或接收时间点的差)。在定位单元PE中解方程组并且确定有定位请求的时间点t2的位置p2，以及早先的时间点t1的位置。定位单元PE既可以安排在无线电通信系统的无线电接入网(UTRAN：通用地面无线电接入网)中，也可以安排在连接在无线电接入网上的核心网络(英语：core network)中。此时，核心网络一般都知道基站(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7)的位置，在必要的情况下，可向无线电接入网转交。

把无线电通信系统的定位单元PE构成为能够主管大量的移动台。

图3中示出了一个有发射和接收单元SE的定位单元，该单元接收有关基站(BS1、BS2、BS3、BS4、BS5、BS6、BS7)信号的信息，并且它把这些信息输送到处理器P中，以便确定移动台MS1的位置p1和p2。例如，所述信息是基站(BS1、BS2、BS3、BS4、BS5、BS6、BS7)的接收信号或者是基站(BS1、BS2、BS3、BS4、BS5、BS6、BS7)的信号的接收时间点或者接收时间点的差。

当然，在本发明的范围内，如果基站信号的已有信息不足以建立可解的方程组时，在这种情况下，也可以进行定位。此时应该把已知的关于基站信号的信息与在移动台中和/或无线电系统中已知的其他信息结合起来。例如，所述其他已知信息可涉及RTT测量或者信号强度测量，涉及关于小区ID的信息、涉及所谓的定时超前值或者涉及GPS测量得出的数据。以此方式在混合定位法中使用关于基站信号的信息，并且还在单独地考虑每个单个方法(例如CITA(小区ID/定时超前)、E-CITA(加强的CITA)、RTT测量或者信号强度测量或者GPS测量)时，不能够定位或者不能够给出所希望的精确度时，也能够进行定位。

Claims (7)

1.移动台定位的方法，其中

-所述的移动台在第一位置上接收从第一组基站按照非同步方式发射的信号，

-所述的移动台在至少一个第二位置上接收从第二组基站按照非同步方式发射的信号，

-根据在两个位置上接收的信号来确定这两个位置中的至少一个位置。

2.如权利要求1所述的方法，其中

第一组基站中的一部分和第二组基站中的一部分是完全相同的。

3.如权利要求1所述的方法，其中

第一组基站和第二组基站中至少有一个基站是不相同的。

4.如权利要求1至3之一所述的方法，其中，移动台向一个无线电通信系统的一个定位单元发送关于在至少两个位置接收到的信号的信息并且在那里进行定位。

5.如权利要求1至3之一所述的方法，其中，在移动台中进行定位。

6.如权利要求5所述的方法，其中，向移动台通知所述基站的位置。

7.确定移动台的位置的定位单元，

-具有单元，该单元用于接收关于移动台在第一位置上所接收的从第一组基站按照非同步方式发射的信号的信息，该单元并且用于接收关于移动台在至少一个第二位置上接收从第二组基站按照非同步方式发射的信号的信息，

-并且具有分析处理单元P，所述的分析处理单元借助于关于两个位置的信息来确定移动台的所述两个位置中的至少一个位置。

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