CN1168996C - 在定位无线接收机中补偿接收信号延迟的蜂窝定位系统 - Google Patents
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Abstract
定位系统通过补偿多个定位无线接收机中接收信号到达时间的器件公差定位移动单元。系统在定位无线接收机中确定接收无线信号的检测时间。系统考虑到相应的定位无线接收机的一个或多个接收机级所关联的预存信号延迟以及检测时间，确定接收无线信号的到达时间。
Description
背景
本发明一般涉及通信系统领域，更具体地涉及补偿定位无线接收机中的接收信号延迟。
商用无线通信的发展、特别是蜂窝无线电话系统的爆炸性增长，改变了人们通信的方式。一项调查表明大约80％的购买移动通信单元以及业务注册的人是为了增强个人安全性才这样做的。假设，这些用户中的很多人可能希望在紧急情况下使用他们的移动单元帮助他们，例如，当他们的汽车坏了或者需要快速医疗及/或警方响应的紧急情况下。在这些情况下，可能希望无线通信系统能够确定移动单元的位置，特别是在用户不知道他或她的精确位置情况下。此外，希望FCC不久会要求网络经营者将紧急呼叫者位置转发到紧急服务提供者。
有很多技术能够产生移动单元的位置信息。在一种定位系统中，移动单元可以估计自己的位置并在进行紧急呼叫时发出带有其坐标的消息。例如，为移动单元提供从GPS卫星网接收位置信息的全球定位系统(GPS)接收机可以完成这个任务。移动单元则可以向系统发出这个信息，系统则将其转发到紧急服务提供者。但是，这样需要对现有的移动单元做很大修改以便包括GPS接收机，而且在移动单元和基站之间需要附加的信令。
或者，向移动单元发送信号或者接收信号的基站可以用于确定移动单元的位置。各种技术，包括移动单元信号衰减、到达角以及移动单元信号在不同基站的到达时间差(TDOA)，都被建议用于提供移动单元的位置信息。例如，见Louis A.Stilp的题为“Time Differenceof Arrival Technology for Locating Narrowband CellularSignals(定位窄带蜂窝信号的到达时间差技术，SPIEVol.2602，pp.134-144)”的文章。另一种用于在无线通信系统中定位移动单元的系统是独立于无线通信系统操作的附属系统。附属系统包括它自己的用于定位移动单元的基站。尽管如此，附属系统可以与无线通信系统共享各种部件(例如，天线)，但是分别处理信号。这样是有好处的，例如作为一种提供移动单元位置但不修改系统中大量现有基站的方便的解决方案。
为了确定目标移动单元的位置，一些定位算法依赖于三个定位无线接收机在三个或多个位置报告的接收信号到达时间。通过处理到达时间，目标移动单元的位置通过已知的等半径圆定位算法来确定。这种算法依赖于半径对应于定位接收机所报告的到达时间的至少三个圆的交叉点。
实际上，定位无线接收机确定检测到来自目标移动单元的接收信号时所对应的检测时间，而不是接收信号实际到达定位无线接收机的时间。检测时间是接收信号从接收机检测器中出现的时间，已经通过了接收机的各个RF和IF级，为接收信号的检测增加了信号延迟。在理想条件下，检测时间与到达时间之间的差别是很小的。因为给定定位系统中的每个接收机会引入相同的延迟量，很容易通过系统的定位算法消除。但是由于器件公差，假设各个定位接收机具有相等延迟就无效了。
例如，某些类型的IF滤波器在群时延——通过滤波器传播能量所需时间——上变化很大，即使是标称相同的器件。经验数据表明由于较好的性能价格比特性而广泛用于接收机中的陶瓷IF滤波器的群时延表现为偏离均值大约正负100纳秒。因此，位置确定受到各种不确定性和公差的影响，导致定位的不精确和模糊。在非理想条件下的定位系统中，接收信号到达时间中100纳秒的不确定性引入大约30米(大约100英尺)的位置不确定性。参考图1，通过用于确定移动单元位置的第一定位无线接收机和第二定位接收机的到达时间所对应的圆的交叉部分之间的虚线表示了正负100纳秒所引起的位置不确定性。每个定位无线接收机用其半径表征了正负100纳秒不确定性的两个同心圆代表。因此，具有诸如IF滤波器这样的公差分布极限中得到的器件的定位无线接收机，使系统的定位误差和模糊性在几百英尺的量级。因此，需要一种补偿定位无线接收机中由器件公差引起的位置不确定性的定位系统。
概述
强调这种需要的本发明在通过测量和预存与定位无线接收机关联的信号延迟来改善定位精度的定位系统中示范。因此，根据本发明定位移动单元的定位系统包括检测器——检测相应的定位无线接收机从移动单元接收的无线信号，以及定时设备——确定与接收信号关联的检测时间。处理器基于检测时间和预存在存储设备中的测量的或计算的信号延迟确定接收无线信号的到达时间。移动单元定位器处理多个定位无线接收机中的到达时间，对移动单元定位。
根据发明更详细的特性，信号延迟包括与一个接收机级中包括的滤波器关联的测量的或计算的群时延，以及与无线接收机中包含的传输线关联的测量的或计算的传输线延迟。优选地，到达时间基于信号延迟和检测时间之间的差。但是，在示范实施例中，到达时间可以基于检测时间和从信号延迟相对标称值的差中得到的增量值。
结合附图，本发明的其它特性和优点将会从优选实施例的如下描述中清晰，附图以举例方式说明了发明的原理。
附图的简要描述
图1是表明使用常规定位无线接收机来定位移动单元所关联的位置不精确性图。
图2是有利地结合了本发明的定位系统框图。
图3是图2系统中使用的定位无线接收机的框图。
图4是用于发射与图3接收机关联的信号延迟的延迟消息图。
详细描述
参考图1，表示了有利地结合了本发明的定位系统1。在示范实施例中，定位系统1是与如下Stilp等人的美国专利的公开类似的附属系统：No.5,327,144，题为“Cellular Telephone Location System(蜂窝电话定位系统)”，该公开内容这里结合以资参照。随着揭示将会明确，除了附属定位系统，非附属定位系统也会同等地得到本发明的好处。定位系统1包括三个定位无线接收机2、3、4，它们不一定与多个用户移动单元所操作的蜂窝无线通信系统的基站处于同一位置。还表示了蜂窝系统基站5，支持服务小区6内的无线通信，具体而言是与移动单元7的无线通信，移动单元7的位置将根据本发明来确定。定位无线接收机2、3和4监视移动单元7对系统的接入。当移动单元7进行紧急接入时，定位系统1处理定位接收机2、3和4从移动单元7接收信号的到达时间，以便使用(例如)熟知的等半径圆定位算法确定移动单元7的位置。在示范实施例中，对定位无线接收机2、3、4的到达时间的处理在中央站8中进行，后者将移动单元7的位置信息报告给紧急服务中心9。
根据本发明，与定位无线接收机2、3、4的一个或多个接收机级关联的测量或计算的信号延迟预存在每个定位无线接收机或中央站8中。当确定移动单元7的位置时，中央站8中结合的移动单元位置查找器5处理基于定位无线接收机对应的信号延迟得到的到达时间。因此，不象常规的方法，本发明在进行位置确定时考虑了与定位无线接收机关联的预存的信号延迟变量。通过测量并预存信号延迟，发明的定位系统可以精确地定位移动单元7，而不会引入与定位无线接收机2、3、4的器件公差有关的不确定性。
参考图3，表示了定位系统的一个定位无线接收机10的框图。定位无线接收机10包括多个接收机级，每个都对接收信号的检测引入了可测的信号延迟。如所示，接收机天线11从移动单元7(图2中表示)接收发射信号，并通过传输线14提供给RF级12。众所周知将天线11连接到RF级12的传输线14使接收信号拖延了一个传输线延迟。提供预放大和接收机选择性的RF级12，将接收信号提供给IF级16，以便用熟知方式下变频。IF级16在线路18上提供IF信号，包括接收信号所传输的信息。为了提供IF信号，IF级16使用IF滤波器20，例如一个陶瓷滤波器，它引入了附加的群时延。因此，接收信号的信号延迟包括传输线延迟和群时延。IF信号在检测时刻提供给检测接收信号的检测器22。定位无线接收机使用熟知的逻辑电路24和定时设备(例如时钟设备26)测量检测时间。
在本发明中，传输线延迟和群时延都根据熟知的确定与接收信号的RF级有关的信号延迟的方法测量或计算。例如，每个定位无线接收机2、3、4的信号延迟可以在制造时或安装时由技术人员使用双踪示波器或自动装置测量。传输线延迟可以基于线长和速度因子测量或计算。通常在纳秒范围的信号延迟值预存在信号延迟存储设备28中，优选地以二进制编码的十进制数存储。存储设备28可以通过DIP开关或存储在非易失存储设备中的二进制字节或字来表示预存的二进制编码的十进制数。
在发明的一个示范实施例中，定位无线接收机10使用减法器30从检测时间中减去预存的信号延迟，确定接收信号的实际到达时间。在这种设计下，定位无线接收机10向中央站8报告到达时间，以便与从其它类似定位无线接收机接收的其它到达时间一起处理。定位无线接收机通过以有线或无线传输介质链接到中央控制器的发射机32报告到达时间。
根据发明的一个变化，定位无线接收机10向中央站8发送时延延迟和检测时间。例如在一个变化中，定位无线接收机10向中央站8发射具有两个域的数字编码的延迟消息。如图4中所示，第一个域34传输检测时间，第二个域36传输接收机的信号延迟。在另一个变化中，第二个域36可以包含信号延迟相对标称值的差所对应的增量值。在这种设计下，中央站8负责从检测时间中减去信号延迟，以便确定到达时间。定位无线接收机8可以不时地或周期性地向中央站8传输延迟消息，以便提供更新的位置信息。在这种设计下，存储了发射的延迟消息的中央站8从周期性更新的检测时间中减去预存的信号延迟，连续地确定到达时间。
返回参考图2，根据本发明的另一个方面，中央站8包括中央存储设备38，存储与每个定位无线接收机有关的信号延迟。根据发明的这个方面，信号延迟在系统安装时使用已知位置处的参考信号源来确定，该已知位置优选地与每个定位接收机距离相等。通过从参考信号源确定到达时间，可以测量与每个定位无线接收机关联的信号延迟。无线定位接收机2、3和4的信号延迟可以存储在中央存储设备38中。存储的信号延迟随后可以由移动位置查找器15检索，在处理到达时间过程中查找器15也接收定位无线接收机2、3、4发射的检测时间，用以定位移动单元7。
从前面描述可见，本发明通过去除定位无线接收机中使用的器件所关联的公差变化，为使用到达时间定位移动单元的定位算法引入了一定精度。这样本发明可以用于任何精确定位移动单元的通信系统，无论附属或非附属的。
尽管发明仅参考目前优选实施例进行了详细描述，但是本领域技术人员将会理解在与发明不背离情况下可以进行各种修改。因此，发明仅通过如下权利要求来限定，权利要求意图包含它的所有等效物。
Claims (26)
1.使用多个定位无线接收机(2、3、4)定位移动单元(7)的装置，包括：
在相应的定位无线接收机中检测从移动单元接收的无线信号的检测器(22)；
确定与接收信号有关的检测时间的定时设备(26)；所述装置的特征在于：
存储设备(28)，存储相应的定位无线接收机的一个或多个接收机级所关联的信号延迟；以及
处理器(20)，基于检测时间和信号延迟确定接收无线信号的到达时间，以及
移动单元查找器(15)，处理多个定位无线接收机中的到达时间，确定移动单元的位置。
2.权利要求1的装置，其特征在于，信号延迟对应于包括在一个接收机级中与滤波器(20)相关联的群时延。
3.权利要求1的装置，其特征在于，信号延迟对应于传输线延迟(12)。
4.权利要求1的装置，其特征在于，到达时间基于信号延迟和检测时间之间的差。
5.权利要求1的装置，其特征在于，到达时间基于检测时间和从信号延迟与标称值之间的差得到的增量值。
6.权利要求1的装置，其特征在于，使用处于与每个定位接收机等距离的已知位置的参考信号源确定信号延迟。
7.定位无线接收机(2、3、4)，包括：
一个或多个处理接收无线信号的接收机级(12、14、20)；所述定位接收机的特征在于：
预存与一个或多个接收机级关联的信号延迟的存储设备(28)；
检测器(22)，当接收无线信号被一个接收机级检测到时，产生与该时刻对应的检测时间；以及
发射机(32)，发射基于检测时间和信号延迟的到达时间信息。
8.权利要求7的无线接收机，其特征在于，一个接收机级(12、14、20)包括滤波器，而且其特征在于，信号延迟对应于滤波器所关联的群时延。
9.权利要求7的无线接收机，其特征在于，接收机包括传输线(12)，而且其特征在于，信号延迟对应于与传输线相关联的传输线延迟。
10.权利要求7的无线接收机，其特征在于，发射机(32)基于信号延迟与检测时间之间的差发射到达时间信息设备。
11.权利要求7的无线接收机，其特征在于，发射机(32)发射包括信号延迟和检测时间的到达时间信息。
12.权利要求7的无线接收机，其特征在于，到达时间信息基于从信号延迟与标称值的差得到的增量值。
13.权利要求7的无线接收机，其特征在于，发射机(32)周期性地发射到达时间信息。
14.定位移动单元的方法，包括：
至少一个相应的定位无线接收机检测从移动单元接收的无线信号；
确定与接收信号有关的检测时间；所述方法的特征在于：
检索与相应的定位无线接收机的一个或多个接收机级相关联的预存信号延迟；以及
基于检测时间和预存信号延迟确定接收无线信号的到达时间。
15.权利要求14的方法，还包括处理多个定位无线接收机的到达时间，以便确定移动单元的位置。
16.权利要求14的方法，其特征在于，信号延迟对应于包括在一个接收机级中的滤波器所关联的群时延。
17.权利要求14的方法，其特征在于，信号延迟对应于接收机中包括的传输线所关联的传输线延迟。
18.权利要求14的方法，其特征在于，到达时间基于信号延迟和检测时间之间的差。
19.权利要求14的方法，其特征在于，到达时间基于检测时间和从信号延迟与标称值之间的差得到的增量值。
20.一种用来定位移动单元(7)的蜂窝定位系统，包括：
多个定位无线接收机(2、3、4)，每个包括：
一个或多个处理接收无线信号的接收机级(12、14、20)；
检测器(20)，当接收无线信号被一个接收机级检测到时，产生对应于该时刻的检测时间；所述系统的特征在于：
中央站，包括：
存储设备(38)，存储每个定位无线接收机所关联的信号延迟；以及
移动单元查找器(15)，处理多个定位无线接收机的到达时间以便确定移动单元的位置，其中到达时间基于来自定位无线接收机的检测时间和信号延迟而得到。
21.权利要求20的用来定位移动单元(7)的蜂窝定位系统，其特征在于，信号延迟预存在中央站。
22.权利要求20的用来定位移动单元(7)的蜂窝定位系统，其特征在于，信号延迟从定位无线接收机发射。
23.权利要求20的用来定位移动单元(7)的蜂窝定位系统，其特征在于，每个接收机(2、3、4)都包括滤波器(20)，而且其特征在于，信号延迟对应于接收机滤波器所关联的群时延。
24.权利要求20的用来定位移动单元(7)的蜂窝定位系统，其特征在于，每个接收机(2、3、4)都包括传输线(12)，而且其特征在于，信号延迟对应于接收机所关联的传输线延迟。
25.权利要求20的用来定位移动单元(7)的蜂窝定位系统，其特征在于，到达时间基于信号延迟与接收机的检测时间之间的差。
26.权利要求20的用来定位移动单元(7)的蜂窝定位系统，其特征在于，信号延迟使用处于与每个定位接收机距离相等的已知位置的参考信号源来确定。
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