CN101694520A - 无线电发射装置的定位与搜索引导 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种使用“移动测量站”和“参照引导仪”来确定无线电发射装置的方位，并引导搜索人员或“搜索机器人”对该装置实施搜索的方法与系统。移动测量站安装于一移动平台上，例如安装在警车，救护车或救火车上，或由使用者手持。参照引导仪为一手持仪器，包括一显示屏用来显示方位及引导信息，还包括一参照发射机。所述无线电发射装置可以是移动电话手机，无线掌上电脑，无线电标签等。搜索机器人为一装有参照发射机的机器人。

Description

无线电发射装置的定位与搜索引导

本申请是申请号为2004100501552的专利申请的分案，原申请日期为2004年6月29日。

技术领域

本发明涉及无线电系统。具体而言，本发明涉及无线电发射装置的定位与搜索引导的方法与系统。

背景技术

无线电发射装置包括蜂窝移动电话，个人通信系统，无绳电话及卫星电话，具有无线通信或发射功能的掌上电脑，笔记本电脑，双向呼机，无线电标签等等，对所有这类装置统称为无线电发射装置。

确定无线电发射装置的方位，对其实施跟踪与搜索具有重要的实用价值，其需求与日俱增。这方面的应用包括：

·紧急救援

紧急救援包括匪警、火警、急救等。E911是一个较为引人注目的紧急救援业务。美国联邦通信委员会(FCC)强制所有无线电通信运营商必须提供此项业务。911是北美的通用紧急救援电话号码，包括匪警，火警，急救等，类似于中国的119，110和120，三个号码的功能。当用户使用手机等拨打911时，E911业务向公共安全接听站(PSAP)自动提供手机的方位，使紧急救援车辆(警车，救护车，救火车)准确派往出事地点。权衡所需精度以及当前技术实施的可能性，FCC要求达到的定位精度为：基于手机的定位技术，应以至少67％的概率达到50米的精度；以至少95％的概率达到150米的精度。基于网络的定位技术，应以至少67％的概率达到100米的精度；以至少95％的概率达到300米的精度。欧盟也在推行类似的E112业务。

·追踪罪犯

跟踪并找到使用手机等无线电发射装置的罪犯；制止使用手机等无线电发射装置实施骚扰、欺诈、威胁，勒索等犯罪活动。

·跟踪盗用手机

实时制止非法盗用他人手机号码，可有效减少运营商损失，在某些国家和地区具有实际的商业价值。

·失窃物资找回

附着与高价物资(车辆，文物，珠宝等等)上的无线电发射装置，如无线电标签，可使跟踪系统找回物资。

·目标监视与跟踪

附着于被跟踪目标上的无线电发射装置可使定位系统有效监视与跟踪如儿童、病人、野兽、保释或在押犯、管制物资及设备(例如核材料、放射性材料、剧毒品罐)等。

无线电定位系统对于不同应用面临各种技术难题。在任何时间、地点、地形条件下以低成本实现高精度的定位是许多定位应用的技术难题。以常规E911业务为例，现有技术主要分为两类，即基于网络的技术和基于手机的技术。基于网络的现有技术，其定位精度对多径传播、有效测量站的数目及目标相对测量站之间的地理几何位置十分敏感。使用全球卫星定位系统(GPS)的基于手机的现有技术，在闹市区楼宇之间和室内会因卫星信号受阻而使定位精度恶化，而且对用户已购买的旧式手机无法实施定位。为在业务覆盖区所有地形下都达到精度要求，现有定位技术的成本将远远高于运营商及个人用户所能承受的水平。不仅如此，现有E911技术还不能解决在事发地点引导搜索人员准确找到目标的技术难题。

发明内容

本发明通过实施例提供了对发射无线电信号的装置(下文称其为“无线电目标”)实施定位，并引导搜索人员(或搜索机器人)接近并到达无线电目标的方法和系统。

一个方面，本发明使用包含一个或多个测量站的系统，其中至少有一个测量站安装在可移动装置上(下文称为“移动测量站”)，例如，安装在警车、救护车、救火车、直升飞机、气球、飞艇、船只或汽艇上，或由操作者肩扛或手持，等等。移动测量站或者单独运行，或者与其它测量站及移动测量站联合运行。它在向着无线电目标驶去的途中，或在无线电目标附近的搜索运动中不断反复测量无线电目标的方位。所述方法和系统充分利用了移动测量站对于无线电目标的相对运动和近距所带来的优点。

另一个方面，本发明使用包含一个或多个手持仪器(下文称“引导仪”)的系统。引导仪由搜索人员携带，用于在事发地点引导搜索人员找到并到达无线电目标的准确位置。

再一个方面，本发明使用包含一个或多个“参照发射机”的系统。参照发射机由搜索人员携带，它发射的信号与无线电目标发射的信号具有相似的传播特性。上文所述移动测量站(以及测量站)不仅测量无线电目标的方位，同时也测量参照发射机的方位，并提供参照发射机对于无线电目标的相对方位信息。本系统充分利用了无线电目标信号与参照发射机信号的相似性所带来的优点，根据两者的相对(且渐进相同)方位，并利用搜索运动所造成的相对方位变化的实时反馈，实现准确定位和搜索引导。显然，它也可使装有参照发射机的搜索机器人与移动测量站协同工作，完成搜索任务。

又一个方面，本发明中所述参照发射机与引导仪可合并为一个装置，此种参照发射机与引导仪的合并在下文称为“参照引导仪”。

本发明的主要特征包括移动搜索及移动定位、相对测量、在某些阶段的近距离测量、及有限数量的定位设备在服务区中的按需调动等。使用本发明所提供的方法和系统，即可以较低成本实现对无线电目标的搜索引导和准确定位。

本发明的其它方面将在下文对实施例的详细描述中，以及在权利要求书中得到进一步的说明和体现。

附图说明

为清楚说明本发明的搜索定位方法和过程，提供下列附图。通过对图中搜索定位实施例的描述，将使专业技术人员容易理解并实施本发明。

图1以移动电话作为无线电目标为例，描绘在车载模式下的定位系统以及相应方法。

图2以一虚构的都市建筑环境，描绘多径传播效应及直射波受阻挡对移动测量站的影响。

图3以一虚构的多径散播环境，描绘一种用以确定单独检测到的最早到达传播途径是否是真正的直射波，或真正的最早到达传播途径的方法。

图4以移动电话作为无线电目标为例，描绘在“离车”模式下的定位系统和相应方法。

图5以示例形式描绘显示屏显示的无线电目标，参照引导仪和移动测量站的二维绝对位置和相对位置，以及与之相叠加的预存于系统中的该区域地图及遥感照片。

图6以移动电话作为无线电目标为例，描绘当移动测量站装有基站发射机时，在车载模式及离车模式下的定位系统以及相应方法。

图7以移动电话作为无线电目标为例，描绘在三维模式下的定位系统和相应方法。

图8图示本发明中移动测量站的推荐实施例方框图。

图9图示本发明中参照引导仪的推荐实施例方框图。

注：以上各图中，彼此相似的功能单元使用了相同的标号，以便于识读。

具体实施方式

在阐明实施方式之前，作两点声明：

1)在以下说明中，经常使用蜂窝式移动电话手机作为无线电目标的例子。但对此决不应当理解为：本发明方法与系统中的无线电目标仅限于手机。事实上，取决于无线电目标的功能，无线电目标可能是蜂窝式移动电话手机，亦可能是个人通信系统手机，无绳电话，卫星通信电话，具有无线通信或发射功能的掌上电脑，笔记本电脑，双向呼机，数据信息机，具数据信息能力的蜂窝式移动电话，无线英特网设备，数据通信设备(具备或不具备电话功能)，无线电标签，等等。本发明对此无任何限制。

2)为便于描述，在以下详细说明中常以类似E911的紧急救援业务为例。但本发明方法与系统的应用决不限于E911等紧急救援业务。

下面将逐一结合附图，并通过图中实施例的详细描述，来说明本发明。

现结合图1描绘在车载模式下的定位系统以及相应方法。在图1中，无线电目标10是一个无线电发射装置，其方位有待测定，并对其实施搜索。这里，该无线电目标假设为通过无线路径40A与基站20A通信的手机。在某些情况下(例如当无线电目标为一处在软切换状态的CDMA发射装置时)，无线电目标10亦可能同时与其它基站通信，例如图中所示，通过无线路径40B与基站20B通信。无线电目标10正在发射无线电信号，例如，在拨打120急救电话后正在与急救中心(图中未绘出)接听员讲话；或者接通120电话后静静地呆在线上；或者接通120电话并挂机后，又接到120接听员打回的电话；或者其手机被定位业务信令带入某种为定位业务特别设计的业务模式，发射某种特定信号，例如，发射引导(Pilot)信号。接到120电话后，120接听员可通过传统途径获得该手机的大致方位。例如，通过口头交谈；或利用类似于“第一阶段E911”的技术，将与无线电目标10进行通信的基站20A的方位作为无线电目标10的大致方位，通过网络信令自动传往120急救中心并加以显示，路径40A的传播延时亦可作为附加信息；或利用现有的类似于“第二阶段E911”的技术，将其测量到的(仍带有较大误差的)无线电目标10的经纬度作为无线电目标10的大致方位。在图中，上述包含统计误差的无线电目标10的大致方位被标定为60。装备有移动测量站的紧急救援车辆30A，30B，例如警车、救护车、救火车，被紧急电话接听中心派往上述大致方位。本专业的技术人员都知道，无线电目标10发射的信号参数与特性，可以从安装于接听中心或与接听中心相联的数据库，从与接听中心相联的无线通信网络，以及从无线通信网的无线接口，提供给移动测量站30A，30B。这些信号参数与特性可包括发射频率，电话号码，电子序列号(ESN)，当无线电目标工作于TDMA(时分多址)方式时，其发射时隙位置，当无线电目标工作于CDMA(码分多址)或DSSS(直接序列扩频)方式时，其扩频码参数，当无线电目标工作于跳频方式时，其跳频参数等。使用这些参数及特性，移动测量站30A，30B的接收机在驶往目标区的途中可试图捕获并接收无线电目标10发射的信号50A，50B。如图中所示，移动测量站沿途(例如从位置30A’到位置30A的移动中，)会采得很多对入射信号例如50A’，50A的测量。在每做一次测量时，移动测量站30A本身的准确方位及移动方向亦可采用诸如安装于移动测量站的GPS(全球定位卫星系统)接收机确定。这些沿途在不同时刻不同位置30A’，30A多次测得的入射信号50A’，50A的参数，及在对应点上所确定的移动测量站30A的准确方位及移动方向，可被变换为适当的定位估计算法的输入数据，借用那些原本用来解多个测量站同时测量的定位算法解出无线电目标10的方位。这样，移动测量站30A沿途不断地进行新的测量，从而不断地改善对无线电目标10方位的估计。本专业的技术人员不难理解，在现有基于网络的方法中，可收到从无线电目标10发出信号的测量站(通常与基站同地点)的数目通常太少，尤其是远郊及部分近城区；这些测量站相对无线电目标10的几何关系常常遇到不利于定位精度的情况，例如几乎在一条直线上，等等；在建筑密集的城区，对直射波的阻挡以及多径传播效应常常使采用基于网络的固定测量站的方法做出无法接受的过大定位误差。使用移动测量站时，每个测量点相当于一个测量站，而沿途的测量点数目可以成百上千，这就相当于在传统方法中，沿途建了成百上千个测量站。其中不利的测量结果可以被去除或给予较低的加权。不利的测量点包括那些有较低的信噪比或信号干扰比的点；那些直射波或最早到达入射波丢失或过弱的点；那些相对于初步测得的无线电目标位置处于不利于定位的几何关系的点。上述去除或给予低加权的处理过程是一个累进的过程，即，如果当前没有更好的测量结果可以取得，一个相对较好的测量结果就会被采用。但一旦有了足够的更好的测量结果，那些过去曾保留的当时较“好”而现在已不尽人意的测量结果会在定位估计算法中去除或降低加权。该更新过程不断重复。本领域专业人员都熟悉，对信噪比或信号干扰比的检测可使用信噪比估计器或信号干扰比估计器实现。在一单次测量中，检测较晚到达的传播途径可以使用信道冲激响应估计器实现，这也为专业人员所了解。一旦这些较晚到达的传播途径被检测出，即可将其从定位估计过程中去除。相对于初步测得的无线电目标的不利几何关系，可以用“几何位置稀释”(GDOP)来量度，这一概念的使用亦为专业人员所熟知，无需进一步解释。一种用于确定单独测得的最早到达传播路径是否是真正的直射波或真正的最早到达传播路径的方法将会在下文结合图3作进一步说明。事实上，移动测量站的移动性还可用于通过对入射波的跟踪过程，来纠正由于直射波被阻挡及多径效应所造成的测量错误。这一点下面还将通过图2加以阐述。

现通过图2这一虚构的都市建筑环境，描绘多径传播效应及直射波受阻挡对移动测量站的影响。图中移动测量站30沿街从30A’位置驶往30A位置。当它在30A’位置时，来自无线电目标10的直射波50A’’’受到大楼B阻挡，但移动测量站30可接收到来自无线电目标10并经大楼D反射的电波50A’，移动测量站30会由此认定无线电目标在大楼D方向，并“错误”地引导车辆驶向大楼D。当到达大楼D前的位置30A时，移动测量站30就获得了类似大楼D的视野，移动测量站30因此开始能“看”到直射波50A。移动测量站30会“意识到”波束50A更强，到达更早，是一个更值得追踪的波束，故此引导移动测量站30所在车辆驶往无线电目标10的真正所在大楼C。我们看到，如果不是采用安装在车辆上的移动测量站30，而是采用与基站安装在同一处的固定测量站(图中未绘出)，若该固定测量站只“看”到来自大楼D的经反射的最早到达波束，则会错误地把紧急救援车辆引导至大楼D，给呼救者带来巨大风险。

现通过图3这一虚构的多径散播环境，描绘一种用以确定单独检测到的最早到达传播途径是否是真正的直射波或真正的最早到达传播途径的方法。图中的移动测量站30沿途在30A、30A’、30A’’位置采集来自无线电目标10的信号。周围建筑A、B、C、D构成对信号从无线电目标10传播至移动测量站30的阻挡及反射地貌。在30A处，移动测量站30可检测到经大楼C反射的传播路径50A₁，但直射波50A₂因大楼A阻挡而太弱，检测不到。因此，虽50A₁比50A₂晚到，在30A处，50A₁仍被检测为该处的最早到达波束。当移动测量站30到达30A’位置时，直线传播路径50A’₃仍被大楼A阻挡而过弱，无法检测到。然而，移动测量站30却能够检测到分别经大楼C与B反射的波束50A’₁和50A’₂。在50A’₁和50A’₂之间，通过区别多径的手段，移动测量站30可以确定50A’₂到达比50A’₁早。因此，50A’₁被确定为不是最早到达途径，而50A’₂是在该30A’位置被单独确定的最早到达途径。是否50A’₂是真正的最早到达途径，仅凭在30A’处一点的单独测量还无法最终确定。现在我们试图用30A和30A’两点的测量来联合地确定，它们各自单独检测到的最早到达途径50A₁和50A’₂是否是真正的最早到达途径，即，直射波。其方法是，测量在两点30A和30A’上单独检测到的最早到达途径的传播延迟之差，并确定两点30A和30A’间的距离。如果延迟之差大于距离之差除以光速，那么，在两条传播路径当中，较长延迟者可被确定为不是真正的直射波或真正的最早到达途径。如果延迟之差不大于距离之差除以光速，那么，两条传播路径仍不能确定它们是否是真正的直射波或真正的最早到达途径。图中的例子，如果无线电目标10至大楼C再至30A的传播延迟长于无线电目标10至大楼B再至30A’的传播延迟，且之差大于30A到30A’的距离除以光速，那么，单独检测到的最早到达途径50A₁不是真正的直射波或真正的最早到达途径；如果前者延迟短于后者延迟，且之差大于30A到30A’的距离除以光速，那么，单独检测到的最早到达途径50A’₂不是真正的直射波或真正的最早到达途径；否则，当上述两者均不成立，单凭30A和30A’两点的联合检测，仍无法确定50A₁和50A’₂是否是真正的最早到达途径或直射波。当移动测量站30到达30A’’位置时，在图3中我们可以看到，移动测量站30可“观察”到直射波50A’’，但移动测量站30本身并不知道这一事实，它仍需采用上述单独的和联合的检测方法来确定之。用联合确定方法，移动测量站30要测量50A’’与50A’₂两途径的延迟差，确定30A’与30A’’的距离，并使用上文所述规则验证是否50A’’与50A’₂两途径中任何一个可被确定为不是直射波或最早到达途径。如果关于50A’’与50A’₂的此次判断仍为不确定，可进一步对30A’’与30A两点使用其对应的延迟差和距离及上文所述规则进行判断。随着移动测量站30的继续前行，新的测量点不断获得，可反复对它们任意组合的两点间的对应传播延迟差和对应距离进行上述判断。

现在回到图1来说明另一个可选用的实施例。如果使用多个移动测量站，那么，多个移动测量站之间，例如图中标为30A和30B移动测量站之间，可通过直接或间接的无线电路径(图中未示出)相互通信，将它们各自测量到的关于来自无线电目标10的信号50A，50B的参数互相传给对方30A，30B。多个移动测量站30A，30B测得的参数组合在一起来解无线电目标10的方位，以到达更高的精度和可靠性。

仍参见图1，作为又一个可选用的实施例，我们所使用的一个或多个移动测量站30A，30B进而通过无线/有线通信信道(图中未示出)与固定测量站70A，70B相互通信，来共享它们测得的关于来自无线电目标10的信号40A，40B，50A，50B的参数。通常固定测量站70A，70B与基站20A，20B安装于同一地点。将移动测量站30A，30B和固定测量站70A，70B测得到参数组合在一起去解无线电目标10的方位，以更进一步达到高精度和高可靠性。

现假设移动电话作为无线电目标，结合图4的实例来描述在“离车”模式下的定位系统以及相应方法。采用上述系统与方法，或者采用其它任何系统与方法，或者混合采用这些系统与方法，在确定无线电目标10所在的事发地点(某一局部小区域或地貌结构，例如一座建筑)之后，装备有移动测量站30A的车辆在事发地点附近停车。装备有参照引导仪100A，100B的救援人员从30A车中走出，试图接近无线电目标10。在参照引导仪100A，100B中的参照发射机(下文将结合图9进一步说明)通过无线路径110A，110B，与为无线电目标10服务的同一基站20A建立电波通信。参照引导仪100A，100B建立的该电波通信110A，110B与无线电目标10经路径40A的电波通信具有相同的工作模式。例如，若无线电目标10建立的电波通信是CDMA模式，则参照引导仪100A，100B建立的电波通信也是CDMA模式；若无线电目标10建立的电波通信是GSM模式，则参照引导仪100A，100B建立的电波通信也是GSM模式，等等。如果可能，参照引导仪100A，100B建立的电波通信110A，110B最好与无线电目标10建立的电波通信40A处于同一频率(例如，基于TDMA的电波通信最好在同一个频率上占据另一个时隙；基于CDMA的电波通信最好在同一个频率上占据另一个扩频码)。如果这不能做到(例如基于FDMA的电波通信)，最好使用一个与路径40A所使用频率较接近的频率。该相同或相近的频率，或者更一般地说，所属信号的无线电特性的相同或相似性，将使得无线电目标10和参照引导仪100A，100B的无线路径的电波传播特性极为相似，且在参照引导仪100A，100B接近无线电目标10时渐进相同。照引导仪100A，100B发射的无线电信号经所示无线路径120A，120B，120C，120D也被测量站30A，30B接收，进而，在测量无线电目标10方位的同时，移动测量站30A，30B亦测量参照引导仪100A，100B的方位。虽然对无线电目标10以及对参照引导仪100A，100B的绝对方位测量精度可能会因诸如直射波被阻，多径传播等因素而恶化，但当参照引导仪100A，100B接近无线电目标10时，由于无线电目标10以及参照引导仪100A，100B会遇到类似并且渐进相同的多径效应，移动测量站30A，30B测量到的无线电目标10与参照引导仪100A，100B之间的相对方位精度会受到很小的影响，因而相对方位测量比绝对方位测量更为可靠。为使移动测量站30A，30B对无线电目标10以及参照引导仪100A，100B的信号具有相似的检测特性，无线电目标10和参照引导仪100A，100B的其它信号特征，如发射功率，发射时间长度等也应尽量接近。在某些情形，虽然手持参照引导仪100A，100B的救援人员在距离上十分接近无线电目标10，但救援人员与呼救者可能身处不同的建筑结构中，例如一墙之隔的两个楼梯之中。对这种情况提供判别手段可提高搜索效率。该判别可通过比较无线电目标10及参照引导仪100A，100B信号特性的不相似性实现，例如，在移动测量站30A，30B比较来自它们的信号强度的差别，比较它们(10，100A，100B)各自报告的发射功率的差别，以及比较它们的多径传播分布特征图的差别。在此描述的对搜索的引导方法还适用于使用机器人的搜索，其中机器人取代搜索人员的功能，一个安装在机器人上的参照发射机和一个指南针传感器(或称地磁传感器)部分地取代参照引导仪100A，100B的功能(其中指南针传感器或地磁传感器的功能将在下文结合图9加以详细说明)，一个安装在机器人控制台上的显示设备取代参照引导仪100A，100B的另一部分功能。其它方面保持不变。

进一步参见图4，移动测量站30A(或30B)和参照引导仪100A，100B还包括另一组无线电收发信机，最好是无线本地网(WLAN)收发信机，用以通过无线路径120A’，120C’相互联系。通过无线路径120A’，120C’传送用于显示在参照引导仪100A，100B显示屏上的信息，以显示无线电目标10相对于参照引导仪100A，100B的相对方位，亦可同时进一步显示无线电目标10相对于移动测量站30A，30B的相对方位。这些所显示的信息指导手持参照引导仪100A，100B的搜索人员的每一步搜索行动。有关显示方法在下面结合图5进一步讨论。

图5给出了一个显示于参照引导仪100A，100B显示屏及移动测量站30A，30B显示屏上的二维图像的优选实施例。图中显示了无线电目标10，参照引导仪100A，100B，以及移动测量站30A，30B的绝对与相对方位，以及与之相叠加的预存于系统中的该区域地图及遥感照片。有关图形最好使用彩色显示(受文档规格所限，图中未示出彩色)，图中有关符号分别标明无线电目标10，参照引导仪100A，100B，以及移动测量站30A，30B的位置，覆盖其上的地图及遥感照片是从系统存储装置中调出的，用以标明上述各目标与地面其它参照物的相互位置。

现假设以移动电话作为无线电目标，通过图6描述当移动测量站装有基站发射机时，在车载模式及离车模式下的定位系统以及相应方法的另一实施例。与上文结合图1所述的方法一样，当无线电目标10拨打紧急救援电话例如120，救援中心(图中未示出)将装备有移动测量站设备的救援车辆30A，30B派往救援中心所得知大致目标区域。无线电目标10发出信号经无线路径40A与基站20A通信，某些情形下，亦同时与其它基站通信，例如图中所示，经无线路径40B与基站20B通信。当移动测量站30A，30B与无线电目标10足够接近时，移动测量站30A，30B可检测到来自无线电目标10的信号，例如经图中所示的路径50及路径200的上行方向(从无线电目标10到移动测量站30A的方向)。于是，移动测量站30A，30B可开始测量并不断修正无线电目标10的方位。当某移动测量站(例如30A)与无线电目标10接近到一定程度时，两者间的无线路径(例如200)质量会变得比无线电目标10与基站间的路径(例如40A，40B)质量还好，此时，相应移动测量站30A将启动其中装载的基站发射机，并通知服务基站20A给无线电目标10发出切换指令，将其切换到与移动测量站30A通信。接到并执行切换指令后，无线电目标10建立起与移动测量站30A的双向通信，如无线路径200所示，终止与基站20A，20B对通信路径40A，40B。由于无线电目标10与移动测量站30A之间的近距离，其通信路径质量更好，呼救者与救援人员的通信会更加可靠。得益于近距离，移动测量站30A装载的基站发射机更可通过许多通信标准具有的功率控制指令使无线电目标10的平均发射功率更加降低，使得无线电目标10的电池通话时间延长，有利于正在进行中的定位与搜索工作。移动测量站30A装载的基站发射机更可将其发射的功率控制指令与其定位测量的活动相协调，进一步延长电池通话时间，优化定位测量时的信噪比或信号干扰比，以提高测量精度。无线电目标10所发射信号的其它特性亦可受移动测量站30A装载的基站发射机控制而与定位测量活动相协调，更有利于定位精度的提高和电池工作寿命。与上文结合图4所述的方法一样，在确定无线电目标10所处的事发地点后，装备有移动测量站30A的车辆在事发地点处停靠，手持参照引导仪100A，100B的救援人员从30A车上下来，去接近无线电目标10。但与图4所述不同的是，参照引导仪100A，100B中的参照发射机(下文将结合图9进一步说明)将与移动测量站30A建立通信，如图中无线路径210A，210B所示，而不是与基站20A。该无线路径210A，210B的其它特性则与图4中描述的一样，例如，与无线电目标10建立的无线路径200具有相同的工作模式(如同是GSM或同是CDMA，等)，并尽量使用相同频率，当不能使用相同频率时(如采用FDMA时)，则尽量使用与之接近的频率。在使用参照引导仪100A，100B引导对无线电目标10的搜索方面，方法也与图4的描述相同。在图6所示方法中，无线路径210A，210B的下行方向(从移动测量站30A的基站发射机到参照引导仪100A，100B中参照发射机所属接收机的方向)，除了用于传送呼救者与搜索人员的话音外，最好还用来做一个新的工作，即传送用于显示在参照引导仪100A，100B屏幕上的有关信息。这样就省去了上文所述的移动测量站30A，30B和参照引导仪100A，100B中的无线本地网收发信机。此外，移动测量站30A的基站发射机发向参照引导仪100A，100B的功率控制指令，亦可得到将参照引导仪100A，100B发射功率与移动测量站30A的定位测量活动相协调的优点，以优化测量时的信噪比，达到对参照引导仪100A，100B位置的更高定位精度，间接地提高对无线电目标10的相对定位精度，同时也可延长引导仪100A，100B的电池寿命。频率以及移动测量站基站发射机所发信号的其它特性需适当地加以选择，确保不对基站20B，20B的运行及它们所服务的用户造成干扰。

现假定以移动电话作为无线电目标，通过图7的实例描绘在三维模式下的定位系统以及相应方法。如图中所示，在推荐实施方案中，当至少一个移动测量站30足够地接近无线电目标10时，或当至少一个移动测量站30在事发地点停靠后，定位测量的实施开始在三维坐标中进行。这样无线电目标10及参照引导仪100的高度就不再是一个水平面上定位测量精度的恶化因素。更进一步，无线电目标10及参照引导仪100的高度也同时被测量并显示在参照引导仪100及移动测量站30的显示屏上，作为搜索定位的信息之一提供给使用者。推荐的显示方法是在二维显示图形上的每个定位目标符号旁标注明高度；或在操作者控制下，在有关定位目标符号旁弹出目标高度数字。有关高度的数值推荐采用相对于移动测量站30所处高度的相对高度值。作为另一个实施方案，对包括高度在内的定位信息的显示亦可采用三维图形。

注意：在以上的说明中，移动测量站30的数目和参照引导仪100的数目均为示例性的。在实施及使用本发明时，移动测量站30可以是一个或多个；参照引导仪100的数目亦可以是一个或多个；移动测量站30和参照引导仪100的数目也不一定相同。

图8所示框图为移动测量站推荐实施例的框图。现就其各功能及其相互关系作出说明。如图所示，本发明移动测量站30的推荐实施例包括一天线305，一接收机310，一GPS天线315，一GPS接收机320，一数字信号处理子系统325，一校证天线330，一校正发射机及移动电话接收机335，一显示与用户接口单元345，一无线本地网(WLAN)天线350，一无线本地网收发信机355，一重力传感器360，以及一指南针(地磁)传感器365。作为可选装置，移动测量站30亦可进一步包括一基站发射机370及一发射天线375。

天线305用于接收来自无线电目标10，参照引导仪100，100A，100B的信号，以测定它们的位置。天线305最好是阵列天线，这样，不但能够对上述信号进行到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA)测量(包括这些基本算法的改型算法)，还能够对上述信号进行到达角度(AOA)测量以及其它信号参数的测量。而且，天线305最好是三维阵列天线，即，其天线的多个接收单元在三维空间的每一轴向展开，从而可在三维空间中对上述信号进行到达角度(AOA)测量。天线305最好安装于车辆或船只的顶部，直升飞机或其它飞行器的底部，以便对来自陆地或水体结构之间的入射信号获得较为广阔的视野。

接收机310将天线305接收到的射频信号转换至基带，并将其数字化。接收机310的功能为本领域的专业人员所熟知，包括放大，下变频，滤波，自动增益控制，模数转换，等等，在此无需赘述。为进行信号的到达角度测量，接收机310最好是阵列接收机，它由一系列相同的接收通道构成，其下变频器使用共同的或相互同步锁定的本振频率源。所述频率源最好由GPS接收机320提供。接收机310的数字化基带信号输出提供给数字信号处理子系统325作进一步的处理，这将在下文详述。

作为另一可选实施例，天线305可以是安装于旋转装置上并带有角度传感器的窄波束天线，用以测量信号到达角度(AOA)。所述旋转装置最好可在三维立体角上作旋转以便在三维空间进行到达角度测量。

GPS天线315接收来自GPS(卫星全球定位系统)卫星的信号，或来自其它功能相似的定位卫星的信号，例如GLONASS(全球导航卫星系统)，北斗导航卫星，或拟议中的加利略(Galileo)卫星定位系统，等等，但在行文中一律称其为GPS天线。该天线最好安装于移动平台的顶部，以取得对空中卫星的最佳视野。所接收到的信号送往GPS接收机320。

GPS接收机320用于接收GPS天线315收到的GPS卫星信号或其它类似卫星的信号。通过对上述卫星信号的接收与处理，向移动测量站30的其它单元提供以下输出或相关信号：精确频率及时间基准源；移动测量站30，30A，30B的所处位置及运动状态的有关信息，包括经纬度、高度、运动方向，亦可能包括运动速度。

校证天线330是一射频逸出源，用来校正阵列天线305及阵列接收机310。校证天线330的制造使得它与阵列天线305的每一单元具有固定的已知传播时延。它最好与阵列天线305制造在同一个固体机构上，以确保校证天线330与阵列天线305的每一单元间的电磁耦合(如图中340所示)具有确定的时延。注入校证天线330的校正信号由校正发射机335发送，将在下面详述。校证天线330另外还用以接收来自为无线电目标10服务的基站20A，20B的信号。

校正发射机及移动电话接收机335中的校正发射机部分产生用于校正阵列天线305及阵列接收机310的信号。该校正发射机最好可这样设置，使其产生与无线电目标10及参照引导仪100，100A，100B发射的信号具有相同频率和调制格式的校正信号。这样，对阵列天线305及阵列接收机310的校正即可在移动测量站30定位测量的实际工作状态下进行。获得无线电目标10的参数(例如频率与调制模式)后，在开始对其进行定位测量之前，最好使用上述获得的参数对移动测量站30进行自校正。校正发射机及移动电话接收机335中的移动电话接收机部分用于接收来自为无线电目标10服务的基站20A，20B的信号，以获得信令消息中包含的有关参数及网络定时信息。事实上，当被搜索的无线电目标10仅限于移动电话时，校正发射机及移动电话接收机335实际上就是一个可被移动测量站30灵活设置工作参数的移动电话，包括其发射机部分及接收机部分。

显示与用户接口单元345包括一个从数字信号处理子系统325接受数据的显示屏，用以显示定位信息，例如，其显示可能包括无线电目标10，参照引导仪100，100A，100B，以及移动测量站30，30A，30B的绝对与相对方位、高度，与之相叠加的该区域地图，以及反映该区域地貌结构的遥感照片等。在图5中给出了一个示例。该单元还包括用户接口，接受用户对移动测量站30的控制。

无线本地网(WLAN)天线350和收发信机355将数字信号处理子系统325提供的图像或图形参数信号经无线路径发送至参照引导仪100，100A，100B，以便在参照引导仪显示屏上显示。虽然在此355被称为无线本地网收发信机，并推荐采用无线本地网收发信机，但这并不排除使用其它类型收发信机来实施本发明。

重力传感器360用于向数字信号处理子系统325报告车辆(或其它承载移动测量站30的移动平台)的倾斜度，以在数字信号处理子系统325的计算中对到达角度测量进行纠正。

指南针(地磁)传感器365在车辆(或其它承载移动测量站30的移动平台)停靠时，向数字信号处理子系统325报告该车辆(或其它移动平台)的朝向，用以在数字信号处理子系统325的计算中对到达角度测量进行纠正。在车辆(或其它移动平台)运动时，最好用GPS测得的移动方向对该磁性传感器进行校正，以消除车体磁性干扰的影响。

作为另一选择，重力传感器360和地磁传感器365可用基于陀螺仪的传感器替代，或被一加速度传感器及相关计算处理所替代。

数字信号处理子系统325包括信号处理器件和装置，诸如专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵(FPGA)，数字信号处理器(DSP)芯片，微控制器及通用微处理器，半导体存储器，大规模存储装置(如硬盘或光盘)，外围设备等。数字信号处理子系统325在移动测量站30中的功能包括：对阵列接收机进行自校；对来自无线电目标10，参照引导仪100，100A，100B的信号，实施到达角度法(AOA)、到达时间(TOA)法，或到达时间差(TDOA)法的计算(包括这些方法的改型)，或计算与之相关的参数；计算自无线电目标10，参照引导仪100，100A，100B及移动测量站30的经纬度和高度；在移动测量站30运动时，根据GPS接收机320提供的信息计算运动方向；在移动测量站30静止时，根据地磁传感器365的输入确定车辆(或其它承载移动测量站30的移动平台)的朝向，根据重力传感器360的输入确定车辆(或其它承载移动平台)的倾斜角；将移动测量站30的方位坐标点(由GPS接收机320提供或由本数字信号处理子系统325计算获得)及无线电目标10和参照引导仪100，100A，100B的方位坐标点与从大规模存储装置调出的本区域电子地图相叠加，并根据车辆(或其它承载移动平台)的运动方向或停靠朝向，将上述图形旋转至适当的显示角度；根据操作者从用户接口345输入的操作指令，对显示图形进行缩放、平移、旋转及变化属性，并生成最后的显示图形或图像；将所述显示信息输出至显示单元345，并将所述相关显示信息输出至无线本地网收发信机355，进一步传送至参照引导仪100，100A，100B显示屏交付显示；控制与设置移动测量站30内的所有功能部件。当移动测量站30装备有站载基站发射机370和其所属天线375(在下面详述)时，数字信号处理子系统325进一步(与接收机310一起)担负起一个基站所承担的数字处理功能，如对无线电目标10或参照引导仪100，100A，100B收发信号的编译码，功率控制，信令及通信协议的处理等。

作为一种可选实施例，移动测量站30亦可进一步包括一站载基站发射机370及一所属发射天线375。站载基站发射机370承担一个普通基站发射机的功能，包括与数字信号处理子系统325及接收机310一起实现信令及通信协议，功率控制，还包括数模转换，调制，上变频，功率放大，及经天线375辐射到空中。正如在对图6的说明中已经讨论过的，当装备有站载基站发射机370及所属发射天线375时，承担上文描述的无线本地网收发信机355及所属天线350的功能，向参照引导仪100，100A，100B传送显示数据。

图9所示的框图为本发明中参照引导仪100的推荐实施例框图。现对各方框的功能及其相互关系做出详细说明。如图所示，本发明参照引导仪100的推荐实施例包括一参照发射机440，一用于参照发射机的天线450，一无线本地网(WLAN)收发信机430，一用于无线本地网收发信机的天线460，一微处理器410，一显示及用户接口单元420。在另一可选实方案中，还进一步包括一GPS接收机480和所属天线490，及一指南针(地磁)传感器470。

参照发射机440是一个可以按无线电目标10的空中接口，以与之相同调制方式和相同(或相近)频率发射信号的装置。取决于所采用的通信标准，该发射机通常要求与之相配的接收机一起工作，以实现诸如功率控制及通信协议处理等通信标准中规定的功能。因此，在这种情况下，当无线电目标10为一遵从某通信标准的移动电话手机时，参考发射机440实际上也是一个遵从该通信标准的移动电话手机，它包括一个图中未明显标示出的手机接收机。所述参考发射机(及所属接收机)440最好支持多频段，多通信标准，并可像一个普通移动电话一样，通过它可与无线电目标10等进行电话话音通信。如前所述，参考发射机440的主要功能是发射类似于无线电目标10发射的信号，用以被移动测量站30，30A，30B确定其与无线电目标10的相对方位。

无线本地网收发信机430及所属天线460与安装在移动测量站30，30A，30B中的对应无线本地网收发信机355(参见图8)相互通信，用以接收显示于参照引导仪100显示数据及用户接口单元420的数据。虽然该单元430被称为无线本地网收发信机，并推荐采用无线本地网收发信机，本发明并不排除使用其它类型的收发信机来实施本发明。

微处理器410用于控制和设置参照引导仪100内的所有可控功能单元。它亦接收用户通过显示及用户接口单元420给出的操作指令，对参照引导仪100实施控制，包括对显示的控制，如缩放，平移，旋转，改变图形属性及显示格式等。

作为一可选实施例，参照引导仪100还包括一地磁传感器470，它向微处理器410报告参照引导仪100机体的手持朝向，根据朝向微处理器410自动对显示屏420上显示的图像实施旋转，使得所显示图像的朝向自动对准周围环境的相关方向，用户可根据图像中显示的方向直接决定自己的搜索走动方向，而无需人工找出东南西北，方便对无线电目标10的搜索。

作为另一可选实施例，参照引导仪100还包括一GPS接收机480及所属GPS天线490，它们在GPS信号具有足够场强的场合向微处理器410报告参照引导仪100的绝对方位。所报告的方位通过无线本地网收发信机430及所属天线460传送给移动测量站30。收到来自参照引导仪100中GPS接收机480报告的方位，移动测量站30将用它来修正移动测量站30自己测得的关于参照引导仪100的方位。

作为又一可选实施例，正如上文关于图6和图8的叙述，当移动测量站30包括一站载基站发射机370及所属天线375时，参照发射机(及附属接收机)440和所属天线450承担无线本地网收发信机430及所属天线460的功能，例如，接收用于显示于显示器420的数据。在此可选实施方案中，无线本地网收发信机430及所属天线460可在参照引导仪100中去掉。

上文所述方法与系统，当应用于并非E911业务的其它业务时，无线电目标10的发射过程可以是无线电目标10发起的，亦可以是无线电目标10终接的；可以是有人介入的，亦可以是无人介入的。例如，发射过程可以是无线电目标10被某些手段触发而自行启动的；亦可以是人或机器打出电话，而该电话被无线电目标10终接而开始发射；还可以是某种专门设计的特殊发射过程。

在整个说明书及权利要求书中，包括在附图中，术语“无线电目标”与“目标无线电发射装置”或“无线电发射装置”是互相可换用的；术语“参照发射机”与“移动参照无线电发射装置”或“参照无线电发射装置”是互相可换用的。此外，如前所述，当“参照发射机”与“引导仪”合并为一个装置时，该具有参照发射机与引导仪双重功能的装置被称为“参照引导仪”。根据上下文，当谈到参照引导仪时，可能指参照发射机的功能，亦可能指引导仪的功能，或两者兼有。当涉及引导仪时，可能指单独的引导仪，或指参照引导仪的引导仪功能。当涉及参照发射机或参照无线发射装置时，可能指单独的参照发射机或单独的参照无线发射装置，亦可能指参照引导仪的参照发射机功能。

此间描述的实施例是包含与本发明元素相对应元素的结构、系统或方法的实例。该书面说明可使本领域专业人员具备制造和使用包含与本发明元素相应的经变更的元素的实施方案的能力。因此，本发明的范畴包括不与本发明所述相违背的其它结构、系统或方法，亦包括与本发明所述无实质性区别的其它结构、系统或方法。

Claims (12)

1.一种使用可移动测量站并利用可移动测量站的可移动性作为要素之一来确定一个无线电发射装置的方位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

获得所述无线电发射装置所发射信号的信号特性；

所述可移动测量站捕获并接收所述无线电发射装置所发射的信号；

所述可移动测量站在第一个点位对来自所述无线电发射装置的信号实施信号参数测量；

确定所述可移动测量站自身在上述测量点位的方位参数；

利用可移动测量站的可移动性在至少一个第二点位处重复上述测量及确定两个步骤；以及

使用所述第一及至少一个第二点位构成的多个点位得到的信号参数测量数据和方位参数数据来估计所述无线电发射装置的方位。

2.如权利要求1所述的使用可移动测量站来确定一个无线电发射装置的方位的方法，其特征在于，所述信号参数测量包括：

在所述可移动测量站实施信号参数测量的各个测量点位，测量从所述无线电发射装置到所述可移动测量站的信号传播延迟或与该传播延迟相关的参数；

测量从所述无线电发射装置到所述可移动测量站实施信号参数测量的任何两个测量点位的信号传播延迟之差或与该传播延迟之差相关的参数；以及

在可移动测量站实施信号参数测量的测量点位，测量来自所述无线电发射装置的信号的到达角度或与该到达角度相关的参数。

3.如权利要求1所述的使用可移动测量站来确定一个无线电发射装置的方位的方法，其特征在于，估计所述无线电发射装置的方位，包括将在各个测量点位测得的所述信号参数及可移动测量站的所述方位参数转化为至少下列求解方法之一：

由一组在至少三个测量点位测得的所述信号参数，和所述可移动测量站方位参数中包括的位置参数转化成的到达时间TOA法；

由一组在至少三个测量点位测得的所述信号参数，和所述可移动测量站方位参数中包括的位置参数转化成的到达时间差TDOA法；

由一组在至少两个测量点位测得的所述信号参数，和所述可移动测量站方位参数中包括的位置及朝向参数转化成的到达角度AOA法；

由一组在至少一个测量点位测得的所述信号参数，和所述可移动测量站方位参数中包括的位置及朝向参数转化成的到达时间与到达角度法；以及

由一组在至少一对测量点位测得的所述信号参数，和所述可移动测量站方位参数中包括的位置及朝向参数转化成的到达时间差与到达角度法。

4.如权利要求1所述的使用可移动测量站来确定一个无线电发射装置的方位的方法，其特征在于，进一步包括对所述无线电发射装置的方位估计实施精确修正的以下步骤：

a)利用可移动测量站的可移动性在至少一个第三点位处重复测量及确定两个步骤；

b)判断由所述信号参数测量和所述可移动测量站的方位参数确定两个步骤在所述第一、至少一个第二、及至少一个第三点位所获取的数据的质量，其中所述判断可基于至少下列准则之一：

i)信号干扰比；

ii)信噪比；

iii)在所使用的某定位方法意义上，所述可移动测量站在该测量点位与其它测量点位所处几何位置相对于所述无线电发射装置的几何位置的优劣性，或其定量的测度；

iv)所测得最早到达传播路径是否是真正的直射波路径或真正的最早到达传播路径，或其置信水平；以及

c)在实施所述方位估计的过程中，应用至少下列方法之一：

v)剔除在某些测量点位获取的质量差的所述信号参数测量和所述可移动测量站的方位参数数据；

vi)在所述测量点位获取的信号参数测量数据和可移动测量站的方位参数数据对方位估计的贡献用一组权重进行加权，其中，所述权重是所述判定的相应数据质量的单调非降函数。

5.如权利要求4所述的方法，一种判断所测得来自无线电发射装置的最早到达传播路径是否是真正的直射波路径或真正的最早到达传播路径的方法，其特征在于，包括以下步骤：

从检测到的信号参数，求得所述可移动测量站任意两测量点位之间来自无线电发射装置的传播延迟之差；

从所确定的所述可移动测量站的方位参数，求得所述可移动测量站的所述两测量点位间的距离；以及

根据以下判据做出判断：

i)如果所述两测量点之间来自无线电发射装置的传播延迟之差之绝对值大于两测量点位之间的距离之差除以光速，那么，在两测量点检测到的两条最早到达传播路径当中，较长延迟者可被确定为不是真正的直射波或真正的最早到达途径；

ii)如果所述两测量点之间来自无线电发射装置的传播延迟之差之绝对值不大于两测量点位之间的距离之差除以光速，那么，仅仅根据在该两测量点的信息，仍不能确定检测到的两条最早到达传播路径是否是真正的直射波或真正的最早到达途径。

6.如权利要求4所述的使用可移动测量站来确定一个无线电发射装置的方位的方法，其特征在于，所述对无线电发射装置的方位估计实施精确修正的方法是一个累进的过程，即当在同一测量点位不同时间或新的测量点位，所述信号参数测量获得新数据及所述可移动测量站方位参数确定获得新数据时，所述对方位估计的精确修正进一步包括以下步骤：

a)当新获得的数据具有可接受的质量，并且所述数据的总数低于一个预先确定的最大值时，把新获得的数据和现有数据一起使用；

b)当新获得的数据使得所有所述数据总数超过一个预先确定的最大值时，剔除所有所述数据中质量最差的数据并保持数据总数等于所述最大值；

c)如果所述可移动测量站在同一测量点位重复测量，只保留该点位测到的最好数据，剔除较差的数据，不管数据新旧；

d)判断是否应终止现累进过程并开始一个新的累进过程，在下列条件下，终止现累进过程并开始一个新的累进过程：发现新的最早到达途径；发现所述无线电发射装置在显著地移动；

e)根据新检测的数据，判断是否以前剔除的数据实质上具有较好的质量，并重新启用以前剔除的好数据来改善对所述无线电发射装置的方位估计；以及

f)根据新检测的数据，判断是否以前保留的数据实质上却是质量差的数据，剔除保留的质量差的数据来改进对所述无线电发射装置的方位估计。

7.如权利要求6所述的使用可移动测量站来确定一个无线电发射装置的方位的方法，其特征在于，步骤b)进一步受一具有预定值的计时器限制，并包括下列步骤：

每当检测到一组新的高质量数据，剔除相应数量的差质量数据时，所述计时器重置；以及

如果所述计时器触发时还没有检测到新的高质量的数据，则下一组测到的数据即使比现存最差数据还差，也用来取代现存最差数据，并在数据更新时使计时器重置。

8.如权利要求6所述的使用可移动测量站来确定一个无线电发射装置的方位的方法，其特征在于，步骤c)进一步受一具有预定值的计时器限制，并包括下列步骤：

每当检测到一组新的高质量数据，剔除相应数量的差质量数据时，所述计时器重置；以及

如果计时器触发时还没有检测到新的高质量的数据，用下一组测到的可用数据代替现存的从该测量点位获得的一组好数据，并在数据更新时使计时器重置。

9.如权利要求1所述的使用可移动测量站来确定一个无线电发射装置的方位的方法，进一步包括一种改进所述定位精度，并增加所述无线电发射装置的电池可支持工作时间的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

a)对所述无线电发射装置所发射的信号特性实施控制，其中所述信号特性包括至少下列之一：

i)发射功率；

ii)发射时间长度；

iii)发射时间占空比；

iv)发射信号调制方法；

v)发射信号扩频方法；

vi)发射信号频率捷变方法；以及

b)协同所述信号特性的控制与所述信号参数的测量活动。

10.一种用于确定至少一个无线电发射装置的方位的可移动测量站设备，其特征在于，它包括：

一个天线子系统；

第一接收机，其输入端与所述天线子系统相耦合，用于接收发自所述无线电发射装置的信号；

第二接收机，其输入端与所述天线子系统相耦合，用于接收定位卫星信号，向所述第一接收机提供精确频率源及定时，输出关于本可移动测量站的方位参数的信号；

一显示与用户接口单元，用于向用户显示定位及搜索引导信息，并接受用户对本可移动测量站的控制；

一数字信号处理单元，与所述第一及第二接收机，显示与用户接口单元分别相耦合，执行信号处理和控制的功能；以及

由上述功能子系统构成的可移动测量站设备可以执行至少以下功能之一：

捕获并接收所述无线电发射装置所发射的信号；

移动自身至多个点位；

在所述点位上对所接收到的来自所述无线电发射装置的信号实施信号参数测量；

在所述点位上确定本可移动测量站的方位参数；

使用在所述多个点位得到的信号参数测量数据和方位参数数据估计所述无线电发射装置的方位；

使用在所述多个点位得到的信号参数测量数据和方位参数数据对所述无线电发射装置的方位估计实施精确修正；

显示所述无线电发射装置的位置信息。

11.如权利要求10所述可移动测量站设备，其特征在于，所述天线子系统包括一阵列天线，所述第一接收机是一阵列接收机，其各个阵列信道是相互相位锁定的。

12.如权利要求10所述可移动测量站设备，其特征在于，它进一步包含：

一第二天线，用于发射信号来校正所述天线子系统及所述第一接收机；

一校正发射机，它与所述第二天线相耦合，亦与所述数字信号处理单元相耦合，用于产生对所述天线子系统及所述第一接收机实施校正的信号；以及

重力传感器、地磁传感器、陀螺仪传感器或加速度传感器其中至少之一，与所述数字信号处理单元相耦合，用于为确定可移动测量站的方位参数提供信息。

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