CN103404189B - 无线站的自定位 - Google Patents

Abstract

提供了一种自定位机制，其实时地确定和跟踪接入点的位置。位置未知接入点从位置知晓站的位置来确定该接入点的位置。该位置是基于预测估计来确定的，该预测估计在一时间段上基于位置知晓站的位置的测量值被更新。随后基于位置知晓站的距离测量之间的差异来跟踪该位置的移动。

Description

无线站的自定位

S·范卡彻曼

背景

本主题内容的诸实施例一般涉及通信，尤其涉及用于确定和连续跟踪无线站的位置的技术。

无线设备采用基于位置的服务的趋势在增长。这些基于位置的服务向无线设备的用户提供了可通过无线网络来访问的信息。基于位置的服务依赖于无线设备的地理位置。此类信息的示例可以是本地天气信息、开车方向、娱乐服务、等等。无线设备的地理位置是基于在特定的定位系统中使用的已知坐标系的（例如，WGS84）。此类定位系统的示例包括全球定位系统（GPS）以及在蜂窝网络（例如，GSM）中使用的地面定位系统。

典型的无线网络采用一个或多个接入点将无线设备通过有线介质（诸如因特网）连接至较大的通信网络（诸如因特网）。每个接入点具有与特定的定位系统相关联的位置。该位置可以是GPS位置、GSM位置、或类似位置。大多数接入点不知晓其位置并且通过手动配置来获得其位置。

此外，接入点位于各种地方，诸如公园、餐馆、私人企业、机场、图书馆等。这些接入点中的一些接入点的位置可以是固定的。在一些情形中，接入点的位置随着接入点移动而改变。该移动要求接入点的位置被更新。相应地，产生了对自动确定和跟踪接入点的位置的需要。

概述

给出了使得接入点能实时地确定和跟踪其在定位系统内的位置的自定位装置和方法的各种实施例。接入点具有基于定位系统内的坐标系的位置。该定位系统可以是无线通信系统或卫星系统。不知道其位置的接入点被称为位置未知接入点。位置未知接入点可使用从在该位置未知接入点的射程内的位置知晓站获得的信息来获悉该接入点的位置。

接入点通过利用扩展卡尔曼滤波器（EKF）来获悉其位置。EKF估计由来自有噪测量的非线性随机微分函数支配的离散时间控制系统的位置、或状态。EKF始于关于初始时间步阶从位置知晓站的位置推导出的初始状态估计和协方差。该初始状态估计被用于确定预测状态和预测协方差。在每个时间步阶处使用位置知晓站的距离测量来改善该预测状态估计和协方差，由此产生每个时间步阶处的输出状态和输出协方差。针对每个时间步阶计算该预测状态估计和输出状态，直至它们之间的差异达到用户定义的误差容限。

接入点通过将测试统计与特定置信度的阈值作比较来跟踪从其位置的移动。当移动得到确认时，接入点重新计算其位置。

附图简述

所公开的主题内容是作为示例而非限制在附图中解说的，在附图中相同的参考标号指示相似的元素，并且其中：

图1是解说根据一些实施例的通信系统的示例性配置的框图；

图2是解说根据一些实施例的接入点的示例性配置的框图；

图3是解说根据一些实施例的位置服务器的示例性配置的框图；

图4是解说根据一些实施例的用于确定和跟踪无线站的位置的方法的示例性流程图；

图5是解说根据一些实施例的用于确定无线站的位置的方法的示例性流程图；

图6是解说根据一些实施例的用于改善位置估计的方法的示例性流程图；以及

图7是解说根据一些实施例的用于检测无线站的移动的方法的示例性流程图。

详细描述

图1解说了在一些实施例中使用的通信系统100的示例性配置。示出了通信系统100具有通过无线通信系统110与一个或多个站104处于通信的一个或多个接入点102。每个接入点102通过有线链路114耦合至通信网络106。位置服务器108也可耦合至通信网络106。每个接入点102和站104可耦合至卫星系统112。

接入点102是有能力将无线设备连接至通信网络106的桥。通常情况下，接入点102通过有线链路（诸如使用以太网联网协议的同轴电缆双绞线）耦合至通信网络106。通信网络106可以是以任何配置来构造的任何类型的网络，诸如但不限于因特网。

每个站104可以是任何类型的无线设备，诸如但不限于，蜂窝电话、PDA、个人计算机、服务器、任何类型的计算设备、等等。每个接入点102通过无线通信系统110与一个或多个站104通信。在一些实施例中，接入点102与蜂窝网络中使用的坐标系内的位置相关联。接入点102可利用本文描述的技术来确定其在该坐标系内的位置，而非直接从无线通信系统110接收其位置。

在根据IEEE802.11标准操作的无线通信系统中，接入点和站通过称为帧的传输来进行通信。接入点周期性地传送信标帧以宣告其存在以及中继关于其标识和位置的信息。站通常监视无线电信道并侦听在射程内的信标帧或信标。站与接入点相关联以获得对通信网络106及由其提供的服务的访问。站使用关联请求帧来与接入点相关联。接入点向该站发送回包含接受或拒绝该关联请求的关联响应帧。

站或接入点在其需要来自另一站或接入点的信息时传送探测请求帧。对该探测请求帧进行响应的接入点或站通过发送包含所请求信息的探测响应帧来进行响应。

每个接入点102和站104可与卫星系统（也称为全球导航卫星系统（GNSS））112（诸如GPS、GLONASS等等）中的一个或多个卫星通信。若接入点具有GPS接收机，则该接入点可从GNSS确定其位置。然而，若GPS接收机不能接收到信号，则接入点可利用本文描述的技术来确定其位置。

图2示出接入点102的示例性配置。示出了接入点102具有耦合至发射机/接收机单元122的至少一个天线120、网络接口132、控制器134、以及存储器136。天线120耦合至发射机/接收机单元122并且用于发射和接收WiFi信号。发射机/接收机单元122可包括卫星电路系统（未示出），用于从和向卫星系统112（图1）接收和传送信号。另外，发射机/接收机单元122可包括WiFi电路系统（未示出），用于通过天线120从和向无线通信系统110（图1）接收和传送无线信号。网络接口132用于通过有线链路114与通信网络106进行通信，控制器134管理和控制该接入点内的处理，并且存储器136用于存储在接入点102的操作中使用的指令和数据。

存储器136是非瞬态计算机可读介质，其可存储可执行规程、代码、应用和数据。其可以是任何类型的存储器设备（例如，随机存取存储器、只读存储器、闪存等）、磁性存储、易失性存储、非易失性存储、光学存储、DVD、CD等等。存储器136可包含如下的指令和数据：

·操作系统138；

·自定位规程140；

·来自位置知晓站的距离测量数据142；

·来自位置知晓站的位置数据144；以及

·其他应用和数据146。

回到图1，位置服务器108是通过通信网络106与接入点102（并由此与诸站104）处于通信的计算设备。位置服务器108可以是任何类型的计算设备，诸如但不限于，服务器、个人计算机、PDA、蜂窝电话等。位置服务器108可用于在参考数据库中存储各种接入点和站的位置以及按需提供附加的计算和资源。参考图3，位置服务器108至少可包括耦合至发射机/接收机单元152的天线150、控制位置服务器108的操作的处理器162、用于与通信网络106通信的网络接口164、以及存储器154。存储器154是非瞬态计算机可读介质，其可存储可执行规程、代码、应用和数据。其可以是任何类型的存储器设备（例如，随机存取存储器、只读存储器、闪存等）、磁性存储、易失性存储、非易失性存储、光学存储、DVD、CD等等。存储器154可包含如下的指令和数据：

·操作系统156；

·存储各种站和接入点的位置和/或测量数据的参考数据库158；以及

·其他应用和数据160。

现在将注意力转到以上描述的通信系统所利用的自定位方法体系的实施例。

自定位过程使用称为扩展卡尔曼滤波器（EKF）的估计技术来估计接入点的位置。EKF估计由来自有噪测量的非线性随机微分函数支配的离散时间控制系统的状态。实质上，该方法体系估计系统状态，其不能通过测量作为状态的函数并且受噪声破坏的变量来测量。

该系统状态是接入点的未知位置。EKF通过每个时间步阶k处的状态等式以及每个时间步阶k处的输出等式来表示该系统状态。状态等式由差分等式或转换模型f(·)来支配，f(·)涉及时间步阶k-1到当前步阶k的状态。时间步阶k处的状态等式数学地表示如下：

x_k=f(x_k-1)+w_k-1

其中x_k是时间步阶k处的状态，

f(·)是状态转换模型（线性或非线性），以及

w_k是过程噪声矢量，其是从具有零均值和协方差Q_k的高斯分布提取的（w_k～N(0,Q_k)），其中Q_k是过程噪声协方差矩阵。

输出等式表示在时间步阶k处作为非线性差分等式或转换模型h(·)的函数对系统状态的测量，其考虑了测量噪声。时间步阶k处的输出等式数学地表示如下：

z_k=h(x_k)+v_k

其中z_k是对状态x_k的测量，

h(·)是将状态空间映射到测量空间的非线性测量转换模型，以及

v_k是测量噪声，其是从具有零均值和协方差R_k的高斯分布提取的（v_k～N(0,R_k)），其中R_k是测量噪声协方差矩阵。

时间步阶k处的状态表示为x_k。状态x可数学地表示为矢量，其中该矢量中的每个条目表示位置。例如，状态矢量x可以是由三元组（纬度、经度、海拔）表示的三维矢量，表示为（纬度、经度）的二维矢量、或在地理坐标系内使用的任何其他表示。

扩展卡尔曼滤波器包括两个阶段：预测阶段和更新阶段。在预测阶段，在当前时间步阶k处的预测状态估计是从先前时间步阶k-1估计的。该预测状态估计不包括在当前时间步阶k处观测到的测量数据。第二阶段是更新阶段，其中将该预测状态估计与在当前时间步阶处观测到的测量数据相组合以产生改善的状态估计。该预测阶段和更新阶段针对一时间段上的每个时间步阶重复或重作，直至该状态估计收敛到预定误差容限内。

预测阶段如下生成预测状态及其相应的预测协方差：

预测状态

预测协方差P_k|k-1=P_k-1|k-1+Q_k-1 (2)

其中k=时间步阶，

x_k=时间步阶k处的状态，

Q_k=时间步阶k处的过程噪声协方差矩阵。

更新阶段如下生成经更新状态及其协方差：

革新

革新协方差

卡尔曼增益

经更新状态

经更新协方差P_k|k=(I-K_k H_k)P_k|k-1 (7)

其中

z_k是测量矩阵并且数学地表示为z_k=h(x_k)+v_k，其中v_k是测量噪声，

H_k是h关于x的偏导数的雅可比矩阵，并且数学地表示为

R_k是测量噪声协方差矩阵，以及

I是单位矩阵。

现在将注意力转到在自定位方法体系中使用EKF的更详细描述。

参照图4，自定位规程140始于确定是否已知接入点的精确位置（步骤164）。精确位置是接入点直接从定位系统确定的位置，而不是基于来自其相关联站的位置数据所估计的位置。在已知接入点的精确位置的情形中（步骤164-是），该接入点可参与辅助其诸站进行这些站的自定位（步骤168）以及跟踪从其位置的任何移动（步骤170）。步骤168和170在下面更详细地描述。

当该精确位置是未知时（步骤164-否），规程140着手确定其自身的位置（步骤166）。转到图5，由于接入点不知道其位置，因此该接入点被配置成挂起其参与辅助其诸站确定这些站的位置（步骤168）。

接下来，计算初始状态估计及相应的初始状态误差协方差P₀，以初始化EKF（步骤182）。在一实施例中，该初始状态估计是从位置知晓站的位置确定的。在一些实施例中，位置未知接入点可使用在2010年7月20日提交的、申请号为12/840,155、转让给创锐讯通讯公司的题为“Management–Packet Communication of GPS Satellite Positions（GPS卫星位置的管理分组通信）”的美国专利申请中描述的广播帧来获得这些位置，该美国专利申请通过援引纳入于此。

简言之，信标帧的信息元素被站用来向其接收射程内的接入点广播该站的位置数据和相关联的质量估计。该位置数据可通过信标帧以规律的间隔进行广播。替换地，探测请求可由站或接入点发出以获得该位置数据和质量估计。接收该探测请求的站将用其位置数据和/或质量估计来回复。

在其中位置未知接入点在初始时间步阶处与一个位置知晓站相关联的情形中，该位置知晓站的位置被用作初始状态估计。初始状态误差协方差可基于接入点的质量估计或最大距离。在其中接入点与一个以上位置知晓站相关联的情形中，初始状态估计可以是这些位置知晓站的位置的加权平均。权重可以基于来自位置知晓站的传入信号的功率的收到信号强度或任何其他信号质量测量。替换地，权重可以基于来自位置知晓站的定时测量。此类定时测量的示例有但不限于：传统的到达时间（TOA）测量、往返时间（RTT）测量、以及观测时间差（OTD）测量。在另一实施例中，权重可以是信号质量和/或定时测量的任何组合。在其中位置未知接入点与三个以上位置知晓站相关联的又一实施例中，初始状态估计可以使用任一种已知的批处理最小平方技术来确定。

接下来，通过使用EKF以估计接入点的位置来改善该初始状态估计（步骤184）。图6描绘了用于在预定误差容限内估计该位置的步骤。参照图6，EKF针对每个时间步阶k迭代，直至该过程收敛（步骤190）。在步骤192，EKF如以上关于等式(1)和(2)所描述地计算预测位置估计及其协方差。步骤192是以上描述的EKF的预测阶段。

在步骤194，EFK从其位置知晓站获得测量数据。在其中位置表示为二元组(x,y)的实施例中，该测量数据可数学地表示如下：

其中(x_k,y_k)表示位置未知接入点在时间k的坐标，

表示站i在时间k的坐标，其针对位置未知接入点的射程内的所有i，以及

是测量噪声，其假定为具有方差的零均值高斯白噪声，并且函数h_i关于该状态是可微分的。

接入点可用数种方式中的任一种来获得该测量数据。在一些实施例中，该测量数据可基于从位置知晓站获得的定时测量来推导。这些定时测量可以是传统的到达时间（TOA）测量、往返时间（RTT）测量、以及观测时间差（OTD）测量中的任一种。

在一些其他实施例中，距离或间距测量数据可从更高级的测量推导出，诸如在2009年9月3日提交的、申请号为12/553,757、转让给创锐讯通讯公司的题为“Synchronization-Free Station Locator In Wireless Network（无线网络中的无同步站定位器）”的美国专利申请中描述的那些更高级的测量，该美国专利申请通过援引纳入于此。简言之，该专利申请提供了用于确定站与接入点的间距或距离的若干不同实施例。在一些实施例中，接入点可向站发送单播并记录其出发时间（TOD）。该站接收该单播分组并记录其抵达时间TOA(D)。该站向接入点发送回确收分组并记录其出发时间TOD(D_ACK)。该接入点接收该确收分组并记录其抵达时间TOA(D_ACK)。该接入点与该站之间的间距可使用TOA(D_ACK)与TOD(D)之间的第一差值以及TOD(D_ACK)与TOA(D)之间的第二差值来确定。该专利申请中描述的其他实施例也可用于在步骤194中获得距离测量数据。

接下来在步骤196，EKF如以上关于等式(3)-(7)所描述地用该测量数据来更新该预测状态估计和协方差。步骤196是以上描述的EKF的更新阶段。

该过程在步骤198中测试收敛。在当前时间步阶k处的状态估计与先前时间步阶k-1处的状态估计之间的差值落在用户定义的误差容限内时，EKF收敛。数学地，当发生以下条件时，EKF收敛：其中∈是用户定义的误差容限。若不满足收敛准则，则EKF针对下一时间步阶前进通过步骤192–198的另一迭代。否则，若满足收敛准则，则当前状态估计被认为是该接入点的位置。

回到图5，规程140确定用于检测在已确定接入点位置之后接入点的移动的测试统计（步骤186）。一般而言，该测试统计可数学地定义如下：

其中k是收敛的时间步阶。

回到图4，一旦位置未知接入点知道其位置，该位置未知接入点就能参与辅助其他站进行这些站的自定位确定（步骤170）。该位置未知接入点可通过广播其位置或通过用其位置响应探测请求来辅助其他站或接入点。如上所述，位置未知接入点以规律的间隔来传送信标帧。在这些信标帧中，该位置未知接入点的位置数据和质量估计可被传送。在该信标帧的接收射程内的诸站可接收该位置未知接入点的位置和质量估计。替换地，该位置未知接入点可响应请求其位置的探测请求。

另外，该位置未知接入点跟踪任何移动，该移动可指示该位置未知接入点需要重新确定其位置（步骤170）。在一些实施例中，监视位置移动是使用卡方测试（chi-squaretesting）来执行。在使用该技术时，规程140总是测试声称测试统计（即，期望值）与当前测得状态之间没有显著差别的零假设。该测试是通过确定具有n_k个自由度的卡方随机变量的测试统计t_k是否落在置信区域(1-α)中来执行的。置信度α是用户定义的参数。给定针对特定置信度α的用户定义阈值χ²α，该假设测试就测试该测试统计t_k相对于用户定义阈值χ²α处于何处。当t_k<χ²α时指示没有移动，以及当t_k>χ²α时检测到移动。

参照图7，在步骤202，通过确定tk<χ²α还是t_k>χ²α来对测试统计执行该假设测试。在未检测到移动的情形中（步骤204-否），规程170再次测试该假设（步骤202）。该测试可随机地、连续地、或以用户定义的间隔来执行。

在检测到移动的情形中（步骤204-是），规程170确认已发生移动（步骤206）。在时间k的单个测试统计可能不足以确认该位置未知接入点已移位。移动确认可通过作为时间区间[k,k+N-1]内的若干测试统计的组合来编制测试统计的方式进行确定，其中N是附加时间步阶的数目，并且k是该假设测试首次失败时的时间步阶。该新的测试统计可以是在时间区间[k,k+N-1]内取的测试统计的平均。在步骤208，通过相对于针对特定置信度α的用户定义阈值χ²α测试在时间区间[k,k+N-1]内取的测试统计的平均来确定移动确认。若移动得到确认（步骤208-是），则按以上说明的方式确定新的位置（步骤166）。否则，若移动未得到确认（步骤208-否），则规程170继续跟踪任何其他移动（步骤202）。

以上描述的过程在接入点的操作期间连续地重复。替换地，该过程可被调用以在预定时间间隔处执行，以按需跟踪接入点的位置以及重新计算该位置。在接入点断电的情形中，该过程将从头重启。

在一些实施例中，位置未知接入点可利用位置服务器108来获得和在参考数据库158中存储位置知晓站的位置。位置服务器108除了其他已知技术以外还可以使用本文描述的任何技术来获得位置知晓站的位置。另外，位置服务器108可被用于使用本文描述的技术或通过其他手段来跟踪这些站的移动并将经更新的位置存储在参考数据库158中。自定位规程140可从位置服务器108获得位置和/或测量数据。

在一些实施例中，接入点102可装备有卫星接收机但是可能没有正在使用卫星数据来确定其位置。接入点102可能隐藏在卫星信号接收被阻挡的室内位置，或者可能正经历影响卫星数据接收的其他问题。在这些情景中，接入点102可采用本文描述的技术基于其位置知晓站的位置来获悉该接入点102的位置并连续地改善其位置。

出于解释目的，以上描述是参照特定实施例来描述的。然而，以上的解说性讨论并非旨在穷举或将本发明限于所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变型都是可能的。选取和描述各实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实践应用，从而允许本领域其他技术人员能够随各种适于所构想的特定用途的修改一起最好地利用本发明和各种实施例。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等效技术方案来定义。

Claims (18)

1.一种用于跟踪接入点的位置的方法，所述方法包括：

提供与位置未知接入点处于通信的一个或多个位置知晓站，每个位置知晓站具有已知位置，所述位置未知接入点具有未知位置；

从所述位置知晓站的一个或多个位置确定所述位置未知接入点的粗略位置估计；

在一时间段上基于从一个或多个所述位置知晓站获得的距离测量数据来改善所述粗略位置估计，直至所述粗略位置估计满足误差容限，其中改善所述粗略位置估计进一步包括：在所述时间段内的每个时间步阶处利用EKF来改善所述粗略位置估计，直至所述粗略位置估计满足所述误差容限；以及

使用所述改善的粗略位置估计作为所述位置未知接入点的位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

确定所述粗略位置估计进一步包括：

基于所述位置知晓站的位置的加权平均来估计所述粗略位置估计。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述加权平均是基于收到信号强度指示符或定时测量的。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

相对于所述位置知晓站的当前位置和所述位置未知接入点的当前位置来跟踪所述位置未知接入点的位置；

确定所述位置未知接入点已移动；以及

计算所述位置未知接入点的新位置。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，确定所述粗略位置估计进一步包括：

通过在第二时间段上对位置知晓站的距离测量进行采样来确认所述位置未知接入点的移动。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

提供与所述位置未知接入点的位置相关联的测试统计；

确定所述测试统计是否指示移动；以及

通过在第二时间段上计算一个或多个附加测试统计来确认所述位置未知接入点的移动。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，确定所述粗略位置估计进一步包括：

将所述测试统计与基于置信度的阈值作比较。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述已知位置是卫星定位系统和无线通信定位系统之一内的位置。

9.一种用于跟踪接入点的位置的装置，所述装置包括：

无线接收机，用于接收来自一个或多个位置知晓站的位置和测量数据，所述位置知晓站与所述装置处于通信中，所述装置具有未知位置；以及

耦合到所述无线接收机的处理器，其中所述处理器被配置成通过在一时间段上对所述位置的预测估计和所述位置的测量值进行加权平均直至预测估计满足阈值来确定所述装置的位置，其中所述处理器利用EKF来确定所述装置的位置。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述测量值是基于从一个或多个位置知晓站接收的测量数据的。

11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述处理器基于从一个或多个所述位置知晓站接收的位置数据来确定初始位置估计，以及基于作为初始位置估计的粗略位置估计确定预测估计，所述预测估计在所述时间段中的每个时间步阶处使用所述位置知晓站的测量数据来改善，直至所述预测估计满足所述阈值。

12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述处理器基于一个或多个位置知晓站的位置来跟踪所述装置的位置的移动。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述处理器通过在第二时间段上对一个或多个位置知晓站的位置进行采样来确认所述装置的位置的移动。

14.一种用于跟踪接入点的位置的系统，所述系统包括：

无线通信系统；

定位系统，其将位置与多个站中的每个站以及多个接入点中的每个接入点相关联；

至少一个位置未知接入点，每个位置未知接入点具有未知位置，每个位置未知接入点链接至所述无线通信系统，所述未知位置与所述定位系统相关联；

至少一个位置知晓站，每个位置知晓站具有已知位置，每个位置知晓站链接至所述无线通信系统，所述已知位置与所述定位系统相关联；

其中所述位置未知接入点基于所述位置知晓站的位置来确定所述位置未知接入点的已知位置的初始估计，并在一时间段上使用所述位置知晓站的距离测量来改善所述初始估计直至确定位置，其中所述位置未知接入点利用EKF来确定所述位置。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，进一步包括位置服务器，用于存储所述位置知晓站的位置和/或存储所述位置知晓站的距离测量。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述位置未知接入点从所述位置服务器获得所述位置知晓接入点的位置。

17.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述位置未知接入点从所述位置服务器获得所述位置知晓接入点的所述距离测量。

18.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述定位系统包括卫星系统或蜂窝系统。