CN1202968A

CN1202968A - 定位系统

Info

Publication number: CN1202968A
Application number: CN96198421A
Authority: CN
Inventors: P·J·杜费特－史密斯; K·J·B·格赖格
Original assignee: Cambridge Positioning Systems Ltd
Current assignee: Cambridge Positioning Systems Ltd
Priority date: 1995-09-19
Filing date: 1996-09-19
Publication date: 1998-12-23
Also published as: AU6994296A; CA2230982A1; HK1015884A1; US6342854B1; IL123599A; IL123599A0; DK0880712T3; AU713289B2; US6094168A; WO1997011384A1; KR19990063677A; EP1118871A3; EP0880712B1; MX9802182A; ES2165998T3; DE69617744D1; GB9519087D0; ATE210303T1; EP0880712A1; BR9610493A

Abstract

本发明涉及一个定位系统,它用于接收多个发射源(BTS)发射的数字电话信号,本系统有一对接收站(CBU和CRU),其中一个在已知位置(0),另一个在流动目标(0)上;一个定位处理器(CPP);和将链路信号(L1和L2)从每个接收站传送到定位处理器的装置,该链接信号包含关于在接收站所接收的来自发射源的信号的信息。每个接收站基本同步地接收发自相应发射源的信号。定位处理器比较一个接收站接收的信息和另一个接收站接收的信息,并且确定两个接收站所接收的相应信号之间的延时,从而确定流动目标的位置。

Description

定位系统

本发明涉及一个利用无线电或其它广播传输的定位系统。特别是，它涉及的系统采用“全球移动通信系统”(GSM)或其它一些数字传输系统。

在我们的欧洲专利“EP-B-0303371”中，我们描述了一个无线电导航和跟踪系统，就是现在大家知道的“CURSOR”，它采用发自几个无线电发射器的信号的空间相干来确定一个流动接收器的位置。它的原理在上述专利说明书中有解释，在这里表明了由流动接收站(流动站)直接接收的信号是如何与那些由位置已知的固定基站(基站)接收的信号相比较以确定它们的相位差的，然后确定基站及流动站同每个发射器的距离之差。在二维的导航和跟踪中，要确定相对于基站和发射器网络的流动站的位置，需要在独立的发射器上做三次这样的测量。为每个新位置所计算出的未知数值，不仅有流动站的空间x和y坐标位置，还有在两个接收器设置中本振的相位偏差。另一专利WO94/28432中的说明书表明了同一原理是如何应用于隧道以及其它诸如地下停车场等的掩蔽空间的。Duffet-smith和Woan(Journal ofNavigation，45，157，1992)描述了一个特殊的相位测量系统的应用，其中采用了发自三个或更多个中波AM公共广播电台的信号来跟踪在英国敛桥(Cambridge.Uk)中和周围的一辆汽车的位置，这辆车的车速为110km/h，跟踪精度为5米。该系统的一大优点在于不需为CURSOR的操作建立附加的昂贵的相干无线电发射器的基础设施。相反地，CURSOR能使用由为任意目的建立的任何独立无线电发射器发出的信号。

EP-B-0303371同时也解释了调制发送的带宽更宽的信号是如何用于测量接收到的来自在基站和流动站的每个发射器的信号之间的时间差。在这里，互相关峰值的位置可以当作两个接收信号之间时间差的估计值，进而可以看作基站和流动站的发射器之间的距离差。由于有了相位测量系统，在三个分布于广阔空间的发射器上做三次这样的测量。并利用在两个接收站中振荡器的时间偏差就足以计算出流动站的空间坐标x和y轴的值。

移动电话越来越多地采用GSM和其它数字技术，可取的是，增加时间测量CURSOR定位技术以为用户提供附加服务。但是，数字电话发射器发出的信号很复杂，因此，要将这两种技术相结合就需要克服许多困难。

根据本发明，提供了一个定位系统，它用于接收由一定数量的发射源发射的宽带信号，这个数量至少要等于所要监测的流动目标运动的维数，这个系统包括：

一对接收站，在应用中，第一个接收站放在已知位置，另一个放置于流动目标；

一个定位处理器；

将一个链路信号从每个接收站传送到定位处理器的装置；该链路信号包含有关由接收站接收的发自发射源的信号的信息；

这里，每个接收站被配置以基本同步地接收发自相应发射源的信号，定位处理器被配置以比较来自一个接收站的关于在这个接收站所接收的来自发射源的信号的所接收信息与来自另一个接收站的关于在另一个接收站所接收的来自发射源的信号的所接收信息。并确定在两个接收站所接收相应信号之间的时间延迟，用以确定流动目标的位置。

接收站可以顺序地接收从相应发射源发出的信号，相互之间也依此顺序。

本发明也包括确定一个流动目标的位置的一种方法，这个方法包括从一定数量的发射源发射一个宽带信号，这个数量至少要等于所监测流动目标的运动维数；由一对接收站接收信号，在应用中，第一个接收站放于已知位置，另一个放置于流动目标，每个接收站被配置来基本同步地接收发自相应发射源的信号；从每个接收站传送链接信号到一个定位处理器，该链路信号包含关于在相应接收站接收的发自发射源的信号的信息；比较在定位处理器所接收到发自一个接收站的关于在一个接收站所接收到发自发射源的信号的信息与来自另一个接收站关于另一个接收站所接收到发自发射源的信号的信息；确定在两个接收站所接收的相应信号之间的时间延迟，用以确定流动目标的位置。

而且，本发明包括一种估计两个位置上接收广播信号的时间偏差的方法，在这里，一个位置上接收的信号易受多径效应干扰，这个方法包括在一个位置上接收的信号的自相关；在另一个位置接收到的信号的自相关；在一个位置和另一个位置上接收的信号的互相关；建立包括在对应于负时间轴的另一位置所接收信号的自相关部分，以及在对应于正时间轴的从这一位置所接收信号的自相关部分的模型；在此模型最佳地符合所测量的两个地方接收的信号的自相关的基础上，测量其偏差，作为两个地方接收信号之间的时间偏差的估计值。

在一些系统中，每个接收站也被用来接收发自一个或多个发射器的第二个信号，该信号用来补偿在顺序地接收信号时设备偏置中的变化。

定位处理器可以同一个接收站放到一起，也可以放在远端。

在一个实施例中，发自一个接收站的链路信号被传送到另一个接收站，并由另一个接收站传送到定位处理器。

优选地，为了达到定位的目的，提供有关流动目标位置信息的信号将从定位处理器传送到至少一个接收站。

这个系统可能更进一步包括一个或更多个监测站和一个提供有关流动目标位置信息的信号，该信号可能从定位处理器传送到一个或多个监测站。

为了提供更高级的功能，可能会将一个数据库服务器连接到定位处理器，这个数据库服务器中有和许多已知位置相关的数据元素；该系统更进一步包括将由定位处理器确定的有关流动目标位置的信息传送给数据库服务器的设备；检索有关由定位处理器确定的位置的数据元素的设备；将这些数据元素传送给一个接收站或一个或更多个监测站。

这个或每个接收站，或者这个或每个监测站最好包括一个显示器，流动目标的位置将显示在这个显示器上，它可能是个点阵显示器。

这个数据库服务器可能包含图形信息，图形信息被发送到接收站或监控站，并且显示在显示器上以指示出流动目标的位置。

发射源和接收站最好包括一个数字蜂窝电话网络，比如一个GSM网络的设备。如果由接收站来监控多个发射源的信号长度并且选择一些足够强的信号来接收，那将是很有益的。

从相应的发射源接收的信号之间的准同步最好用监测接收发射信号中特定部分的方式来获得，但是，可选择地，通过独立于诸如本地时钟信号的发射信号的方式，也可以达到目的。

这个系统最好包括一组地区的、国家的，甚至国际的网络化的固定接收站，用来提供定位系统的广阔的覆盖面和用途。

接收站能够同步地接收两个或更多个信道的信号，而且重复地接收多个发射信号源将会是有益的。

下面的描述将会说明CURSOR系统的时间测量原理是怎样应用于数字无线网络的，比如用于GSM电话系统，使得诸如袖珍电话手机一类的接收机，可以被测出相对于发射网络的位置。用于这类网络的设备已经包括了大多数定位操作所需的设备，所以只需少量额外费用便可完成此事。每个测量位置的精度(连同其它参数一道)同信号带宽成反比；对于200KHZ的GSM信道带宽位置测量精度大约是50m。在基站和流动站都可以接收多于3个GSM发射器的信号的情形下，在这方面可以获得一些改进；它们就可以都用于定位处理。

根据本发明的定位系统的操作原理，以及一个用于GSM技术的特殊应用，将参照附图及包含的表格来描述，其中有：

图1是基本系统单元的示意图。

图2是用于定义系统坐标的示意图；

图3图示了互相关函数的计算；

图4图示了包括有本发明的时间测量技术的GSM网络，并且标记了其逻辑单元；

图5图示了一个GSM手机的基本电路部件；

图6图示了在测量相对时延中克服多径传播影响的一个特定的方法；

图7(a，b，c)显示了包含本发明的GSM系统中单元的多种不同配置；

图8描述了位置信息是如何以图形的方式显示在一个小液晶显示器上的；

图9描述了在英国剑桥(Cambridge，UK)进行的一次实验中各个单元及测试地点的安排；

表1表明了内在测量误差随信号噪声功率比及记录比特数变化的情况；

表2给出了在英国剑桥(Cambridge，UK)的对定位系统进行测试的一些结果。

操作原理

我们假设一个发射器A是个广播调制无线电信号，其中信号中心频率为νo，带宽为Δν。这个信号被固定基站O及流动接收器R接收，如图1所示。我们定义一个笛卡尔坐标，其中坐标轴原点在基站，如图2所示。坐标轴可以是任意方向的，但较方便地是，将y轴方向置于本地地图网格的南-北指向。a(a_x，a_y)是一个定义发射器位置的矢量，r＝(x，y)定义流动站位置。矢量r-a＝(x-a_x，y-a_y)完成三角形OAR。

发射器A连续地发送信号。在预先安排的时间段，O和R的无线接收机开始接收并记录短长度的发送信息。例如，这一时刻可通过由A发出的触发脉冲，或由A发出的正常信号事务所获得的触发脉冲，或本地产生的触发脉冲的到达来标志。最后一种方式可以这样来实现，例如，通过使用由R和O的高精度时钟所获取的短暂脉冲，R和O在此之前已同步。在此应用的数字化形式中，这些信号应当首先从vo转换为基带和数字化，并存储于动态存储器中。虽然O和R尽可能同时地记录，但是两个记录之间仍会有时间偏差，这是由Ao和AR之间的距离差，以及O和R的触发脉冲到达的同步误差引起的。设Δt为这个时间偏差，有

Δt = \frac{{[{(x - a_{x})}^{2} + {(y - a_{y})}^{2}]}^{1 / 2} - {(a_{x}^{2} + a_{y}^{2})}^{1 / 2}}{ν} + ϵ

这里ε是同步误差，ν是无线电波的速度。

由O和R的记录的互相关可以得到Δt的估计值。如图1所示链路L1和L2，它们代表将每个接收站的记录的代表信号传送到定位处理器CPP。链路的状况，不论它是以接近实时还是以强加的延时的方式传送信息，都不是原理所带来的结果。事实是，每个接收站所作的双份记录在定位处理器中排列在一起相互之间进行比较。

两个记录的互相关现在由定位处理器采用任一适当的方式来完成。在数字信号的情形中，最好由微处理器来完成这个操作，微处理器计算出在对应于抽样间隔ts的时间偏差的离散间隔τ，处的函数的估计值，如图3中的点所示。这与函数的峰值对应于特定抽样不相同。所以微处理器也必须拟合一个内插函数，如虚线所示，以便于获得峰点位置的最佳估计值。相应于峰点的值τ是Δt的一个估计值。

准同步记录过程，通过一个或多个链路的传输，一个地点的记录备份的排列，由互相关得出的Δt的估计值，这些过程都必须在至少二到三个在空间上分离的发射器上进行。如果在O和R处的设备能足够精确地同步，那么通常仅需两次测量就足够了；否则，一般说来，若ε是未知的，那么至少需要做三次测量。在后一情形中，设A、B和C为三个发射器，分别处在三个矢量位置a＝(a_x，a_y)，b＝(b_x，b_y)和c＝(c_x，c_y)，则Δt的三个测量值为

Δ t_{a} = \frac{{[{(x - a_{x})}^{2} + {(y - a_{y})}^{2}]}^{1 / 2} - {(a_{x}^{2} + a_{y}^{2})}^{1 / 2}}{ν} + ϵ

Δ t_{b} = \frac{{[{(x - b_{x})}^{2} + {(y - b_{y})}^{2}]}^{1 / 2} - {(b_{x}^{2} + b_{y}^{2})}^{1 / 2}}{ν} + ϵ

及

Δ t_{c} = \frac{{[{(x - c_{x})}^{2} + {(y - c_{y})}^{2}]}^{1 / 2} - {(c_{x}^{2} + c_{y}^{2})}^{1 / 2}}{ν} + ϵ

由这三个非线性公式求解可得x，y和ε，这样，流动站的位置就可以确定了。事实上，用两对可能的值(x，y)来求解三个方程通常是不确切的。通常与显而易见那个是正确结果(例如只有一个可位于由三个发射器组成的三角形之中的情况相比，这仍有很大不足)，但是，如果要想自动地解决这个不确定性，那么就必须监测一个外加的发射器。

这个方法的精度依赖于由互相关得到的Δt的估计值的误差，有三个主要因素，第一，互相关的宽度影响结果的精度，因为更宽函数提供一个更不尖锐的峰点。这个宽度与发射信号的带宽Δν成反比。因此，较宽带的传输可以提供更高的内在位置定义精度。这里应当指出的是，这个“带宽”包括所有发自一个特定的无线电天线的信号，而不仅是一个特定信道。例如，假如10个相邻的带宽为200KHZ的信道，每个都在总带宽为2MHZ中处于工作状态，这样就有可能利用一个宽带接收机或一个可以同时接收不止一个信道的接收机，同时利用所有10个信道，这样就可以获得相应于2MHZ带宽的精度。如果其中有不工作的信道，它仍可能获得相应于距离最远的两个信道间距的全精度。

第二，信号的信号噪声功率比r很重要。假设我们在记录首先被转换为基带的接收信号的1比特抽样。每个抽样依据信号在抽样的瞬间是否高于或低于零被确定为“1”或“0”。我们同时假设信号完全包含在从0到Δν的归一化频带中，并且抽样率为奈奎斯特速率，等于2Δν。峰点位置的估计值的误差Δτ与连续抽样平均数q(r)相关，它仅包含一个误差，如下面近似式所示，

Δτ \approx \frac{2 \sqrt{q (r) - 1}}{(q (r) - 2) Δν \sqrt{N}}

因此N是用于互相关的抽样总数。q的最小值为2，因为甚至在没有信号时，1比特抽样是正确还是错误的几率相等。这里我们已经假设互相关函数是三角形形式的，而非对噪声信号及平方带通滤波器期待的Sinc-Squared函数。误差Δτ作为一个位置误差Δx加入到象限中，其中Δx＝vΔτ。在假设信号为似噪声信号，q(r)与r的关系可从如下表达式中得到

q (r) = \frac{1}{P}

P = \sqrt{\frac{2}{π}} {&Integral;}_{x = 0}^{\infty} Q (x \sqrt{r}) \exp (- \frac{x^{2}}{2}) dx

Q (a) = \frac{1}{\sqrt{2 π}} {&Integral;}_{x = 0}^{\infty} \exp (- \frac{x^{2}}{2}) dx

其中Δν设置为200KHZ，得到的结果如表1。表1

信号/噪声强度比r	q	N＝1024Δx/m	N＝4096Δx/m
信号/噪声强度比r	q	N＝1024Δx/m	N＝4096Δx/m	0	2.0	∞	∞
1	4.0	81	41	0	2.0	∞	∞
1	4.0	81	41	2	5.1	61	31
3	6.0	52	26	2	5.1	61	31
3	6.0	52	26	4	6.8	47	24
6	8.1	41	20	4	6.8	47	24
6	8.1	41	20	10	10.3	34	17
30	17.4	25	12	10	10.3	34	17
30	17.4	25	12	100	31.5	18	9

正如上面指出的那样，来自每个发射器的测量误差，分别称为Δx₁＞Δx₂、Δx₃，必须以90°相移相互之间并与在流动站位置的估计值中的任何其它误差相加。有趣的是，甚至在很差的接收条件下也能获得很好的结果。

三，通常在实践中也是最重要的，由于不能精确地知道信号到达流动站的路径而带来误差。多径传播扩展了互相关，使得估计峰点位置更困难。这导致所要找的蜂点幅度低于其它峰点幅度作多峰点的互相关。若所有的信号都以非直接路径到达，那么相应于视线传播路径就不会有点峰。应当指出，不论怎样，与直接路径相比，多径传播总是带来信号的延时。如果基站天线明显高于周围的散射物，使得它只接收最直接的信号，那么流动站上延时了的信号一定是出现在互相关峰点的后侧。(在这种情形中，有可能减少多径传播的影响，后面会作解释)。在将适当的内插值似合到离散抽样后，重要的是选择τ的最小值，有相当数量的信号作为Δt的值被用于位置的计算，而非峰点位置本身。

GSM中的应用

GSM网络中发射器发射的信号是复杂的。加于其设计中的灵活性与容量致使其变得很难，如果并非不可能，精确地预测所分配频谱(在欧洲为接近900MKZ和800MHZ)怎样在任何时刻被使用。频带被分为一系列带宽为200KHZ的射频(RF)信道，其中每个信道携载时间上分为一序列帧的调频信号(FM)。这个基本单元又被称作时分多址(TDMA)帧，帧长为4.615ms，更进一步地分为8个时隙。每个时隙上以270kbit/s的速率传送156.25bit的数据，并且可能代表一个数据和训练比特的“普通分帧”、一个固定模式的“频率校正分帧”、一个数据和同步比特的“同步分帧”、或是一个带有同步序列和数据的“访问分帧”。这些分帧中每一个都带有报头、报尾及保护比特。在任何时刻在所给定的帧中要使用多少个时隙，由一个给定的发射器中应广播多少个RF载波，这些都依赖于系统的建立方式及当时数据的业务流通量。然而在最小情况，即所有的载波都可以不工作，但是至少应该有一个RF载波一直处于工作状态，它承载所谓的广播控制信道，(BCCH；一个逻辑信道)，通过在每个TDMA帧中传输一个访问分帧的方式与在小区(Cell)中的手机通信。因此，我们可以依靠发自每个发射天线的至少一个FM广播，它的带宽大约是200KHZ，我们就可以利用它来作定位。

根据本发明包含有定位系统的一个地区GSM网络，如图4所示。这里我们可以看到基站接收器，下文将采用其缩写CBU，编为CBU_A，CBU_B，CBU_C，等等，分别位于发射器A、B、C等，它们不仅能接收本地发射器的信号，而且还能接收至少2个远处其它地区的发射器发射的信号。我们还可以看到一些包含流动接收器的手机，下文中提到时将采用其缩写CRU，编号为CRU₁，CRU₂等等，它们在本地区内处于工作状态。重要的是，这些手机可以象接收本地发射机的发射信号一样，也能接收远处的同样一组的发射机的信号。如上所述，接收远处的信号不需要高的信噪比，但尽管如此，在乡村地区，由于手机分离非常远，要接收远处的发射信号就会限制住这个系统的应用的。图4显示了定位处理器(CPP)和一个提供服务的数据库(SPD)。这是一个提供与位置有关的数据的设备，这些数据专门用来满足定位系统用户的要求。例如，用户想在一个他不熟悉的城市里找火车站，他可能需要得知方向，定位处理器会计算出用户的位置，并将用户位置与用户请求一起发送给提供服务的数据库。数据库将响应请求的指令序列。这里显示的配置中定位处理器是一个独立的远端单元，仅是几种可能配置(参看下文)中的一种。例如，CPP和CRU可以一起被集成到手机内部，使得可以由手机自身的计算机来作位置处理。

有必要建立一个触发脉冲码，它从每个发射器中周期地广播出来，也许它可以包含在BCCH逻辑信道中。如上所述，这可以是建立在已有的GSM帧结构中的特殊的码，也可能是一个普通GSM信号自身的不断重复元素，比如一个以3个“0”结束的每4秒重复一次的帧数。触发码的到达将引起处于工作状态的接收机(CRU)开始记录至少三个发射器发射的信号。为一个特定的操作者甚至为一个特定的手机，做一套独特的触发码，这会在市场上带来商业性的好处。这样就提供了一个为定位服务的用户收费的装置。(当然还有许多其它的收费方式。)触发码还可以激活附于GSM发射器上的基站单元(CBU)的记录机构。由于大多数GSM手机一次只能接收一个RF信道，就必须首先建立记录远处信号的命令，例如采用单元广播或短信息服务。下面我们会看到，为了计算记录时段的变动，有必要在下一时刻记录本地发射信号。如果对于两个远处发射器中的每个都记录2048个抽样。(每个正交相位信号J和Q各取1024个抽样)，记录4096个本地发射器的抽样(两套2048个抽样)，整个过程可以在几百毫秒内完成，其中包括在信道间转换和锁定到每个新频率上的时间。流动接收器(CRU)及基站接收器(CBU)所作记录由任意合适的装置发送到定位处理器(CPP)。例如，流动接收可以利用GSM信号中的时隙，或建立一个数据转换呼叫。基站接收器可以通过陆上通信线将它的记录发送到远端的定位处理器。这个处理器接收由基站及流动接收器接收的信号的拷贝，并在存储器中汇编这些拷贝，用来做相关及定位处理。还可能用到两个接收站记录的信号的其它段落，比如信号长度。

一旦数据被汇编好，处理器便执行互相关分析。可以采用标准方法，但后面还会描述一个优选的方法，它能减少多径传播的影响。在估计了Δt_a、Δt_b和Δt_c之后，处理器便解方程而得到x和y的值。但是，必须顺序地接收三个发射器的信号，这使得同步误差ε随时变化，在记录时段不可能是个常量，这就带来了复杂性。我们可以在短时段内对此误差建模；作为一个偏移量加上一个线性斜率，即：

ε＝ε₀+ε₁t

这里ε₀和ε₁是常数，t是时间。我们还不知道ε₁的值，我们可以通过在第二个时刻再次记录发自本地发射器的信号(包括基站和流动站)来做到这点。现在，我们得到了在顺序时间序列t₁，t₂，t₃，和t₁的Δt的值，方程(1)变为：

Δ t_{a} (t_{1}) = \frac{{[{(x - a_{x})}^{2} + {(y - a_{y})}^{2}]}^{1 / 2} - {(a_{x}^{2} + a_{y}^{2})}^{1 / 2}}{ν} + ϵ_{0} + ϵ_{1} t_{1}

Δ t_{b} (t_{2}) = \frac{{[{(x - b_{x})}^{2} + {(y - b_{y})}^{2}]}^{1 / 2} - {(b_{x}^{2} + b_{y}^{2})}^{1 / 2}}{ν} + ϵ_{0} + ϵ_{1} t_{2}

Δ t_{c} (t_{3}) = \frac{{[{(x - c_{x})}^{2} + {(y - c_{y})}^{2}]}^{1 / 2} - {(c_{x}^{2} + c_{y}^{2})}^{1 / 2}}{ν} + ϵ_{0} + ϵ_{1} t_{3}

及

Δ t_{a} (t_{1}) = \frac{{[{(x - a_{x})}^{2} + {(y - a_{y})}^{2}]}^{1 / 2} - {(a_{x}^{2} + a_{y}^{2})}^{1 / 2}}{ν} + ϵ_{0} + ϵ_{1} t_{4} - - - - (2)

方程中第一个和最后一个相减便可得到

Δt_a(t₄)-Δt_a(t₁)＝ε₁(t₄-t₁)

从这个等式可以得到ε₁，因此，由包含四个Δt的估值的方程(2)可以求解而恢复出x和y。

包含有多信道接收器的手机能同时接收所有三个信道的信号，就不必重复记录从发射器A发出的信号，因为时钟之间的偏移率(由ε₁表示，不会带来影响，也不必进行确定了。高质量的单信道手机也能免除重复记录，如果时钟偏移误差小到可以忽略不计的话。

如上所述，几乎所有的用于本项发明的所需的GSM手机内的硬件元件，对于普通GSM操作中都已有了。图5图示了一个典型的应用。信号在混频器4中与由振荡器5产生的本地振荡信号LO₁混频而变成中频IF之前，处于900MHZ或1800MHZ范围的RF信号由天线1接收，被RF放大器2放大，被RF带通滤波器3滤波。LO₁已经包含了所需的信道转换能力。有一点对本发明很重要，它的频率要锁相到一个主振荡器MO上，MO通常是一个晶体振荡器6。这也是一个对普通GSM操作的要求，故这不会带来附加费用。IF信号在放大器7中放大，在带通滤波器8中被滤波，在正交混频器9和10中用来自第二本地振荡器11的信号LO₂来将其转换为基带。象LO₁一样，这个第二振荡器也需锁相到主振荡器上。但是，微调(自动频率控制AFC)常常也包含在环路中，它在记录过程中必须保持恒定。正交输出被低通滤波器12和13滤波，在A/D转换器14和15中被数字化，标为I和Q的比特流就产生了。这样，位置判定只需要微处理器16在程序18的控制下在动态RAM17中记录这个比特流。也许还需要附加的寄存器。主要的改进是使位置判定能在运行在微处理器的微程序中进行，并且有必要将处理器升级到更快的型号上。在基地接收站中也需要类似的设备。

根据本发明的系统中，一个商业上的限制因素大概是将基站及流动站的记录传送到定位处理器作互相关处理的设备。因而重要的是尽可能地减少传送的比特数。如上所述，既使在信号接收条件不好的情况下，1比特抽样也能产生足够好的结果。假设采用2比特抽样，虽然能取得稍高一些的精确度，但其在链路荷载中的增加并不吸引人。事实上，将1比特采样的数目加倍，进而使得抽样间隔的长度翻倍，这样或许比使用2比特采样更好。有必要测量I和Q信道，并求得复数互相关，因为基站和流动站的信号并不一定同相，这些晶体振荡器并未锁定到一起，令流动站(CRM)上的正交比特流表示为I和Q(参见图5)，这里

I＝V₁(t)cos(θ₁)

及Q＝V₂(t)sin(θ₁)

其中θ₁是信号的相位，V₁(t)和V₂(t)是它们的幅度在基站(CBU)记的相应值为

I′＝V₁′(t)cos(θ₂)

及Q′＝V₂′(t)sin(θ₂)

I^{'} = V_{1}^{'} (t) \cos (θ_{2})

然后，微处理器就必须计算相应于II’、QQ’IQ’及I’Q的四个互相关，并寻求出p的峰值，

p = \sqrt{{({II}^{'} + {QQ}^{'})}^{2} + {({IQ}^{'} - I^{'} Q)}^{2}}

相位差θ＝θ₁-θ₂可由下式求得

θ = \tan^{- 1} {\frac{I^{'} Q - {IQ}^{'}}{{II}^{'} + {QQ}^{'}}}

这可以用来除去基站及流动站的本地振荡器之间有小的频率偏差，以使得可以做更长的积分。

上述方程(1)和(2)说明了如何估计时间延迟Δt的，它可以用来推导出流动站的位置(x，y)以及基站和流动站之间的同步误差ε。这个过程的中心是从互相关得到的Δt的估值的精度。如上所述，对精度的主要限制很可能是由信号从GSM发射器传送到流动站过程中的多径传播引起的。已假设基站的天线被安装在比地面散射足够高的地方，使得多径传播小到可以忽略不计。在这些情形下，到达流动站的多径传输引起互相关的轮廓向着较长时间时延的方向扩展，因为最直接的信号先到达。获取Δt估值的优选方法是基于使用基站和流动站的自相关(ACF)，以及使用二者的互相关(CCF)。我们利用二个自相关来推导出互相关最可能的形状，再将那“模型”拟合到互相关上以得到Δt的最佳估值。

两自相关ACF_CRU和ACF_CBU，和互相关CCF都可以由任何标准设备得到(参看示例：“Random Data：analysis and measurementprocedures”J.S.Bendat和A.G.Piesol著，Wiley-Interscience.1971)；我们推荐包含快速付立叶变换的方法。ACF_CBU所传送信号“内在的”自相关的一个很好估值(忽略多径影响)，而同时ACF_CRU会被多径信号干扰，也即，信号被延迟了超过等效于30m的路程。这在图6中以一个特例加以说明，其中，曲线A是ACF_CBU，曲线B是ACF_CRU。我们可以看到，由于相关是对称的，故在曲线B中，多径出现在主峰两侧的第二级峰点处。这个“模型”是通过提取ACF_CBU左半部分(即，在A中中心峰左侧，相应于负时间轴部分的曲线)并将它接到ACF_CRU右侧部分上(即B中中心峰右侧、相应于正时间轴部分的曲线)而建立的。这由图6曲线C表示。测量的CCF由曲线D表示，我们可以看到模型C描绘了主要特性。于是，时间偏差Δt的估值可以通过使用任一标准方法将此模型拟合到测量的CCF而求得，同时允许模型两半的幅度为任意参量，如Δt一样。拟合过程也产生“拟合品质因数”参量，它用来作为判断剔除或包含这些数据的标准。

在基站和流动站都能收到多于3个GSM发射信号的情形下，特别是一个或多个路径基本上是间接时，在定位处理中全部采用这些数据将会带来好处。此时，拟合参量的品质因数会为每个用于计算位置的Δt提供一个权重因数。

GSM手机包括多级模拟/数字转换器(ADC)，采用自适应技术以减少多径传播带来的误差。因此，依赖手机的设计，就可以使用调制信号本身来作互相关处理，而不用来自接收器的I和Q数据流，当然，由自适应带来的外加时延是必须要除去的，而所有的处理过程都未能考虑到完全一间接信号的未知附加路径长度，但尽管如此，对于估计时延，采用解调输出比用预处理的I和Q未加工数据流要好。图5中虚线框内是一个FM鉴别器(FMD)。FM鉴别器将频率偏差转变为输出中的一个固定(DC)偏移量，所以不需要正交信号(I和Q)，而代之以一个单独信号(图5中的J)。这带来了另外两个优点：(a)在链路中只需传输一半的数据，(b)不需校正定位处理器的频率偏差，因而大大地减少了处理器的费用。

如上所述，依照如下设备的相对位置：GSM发射器(常称作“收发基站”，BTS)，流动接收站(CRU)，基站接收器(CBU)，定位处理器(CPP)和一个提供服务的数据库(SPD)，根据本发明的定位系统可以有几种不同的配置。图7a，7b和7c描绘了三种配置，分别记为A，B和C。每种配置又进一步分为两种。图7a显示了配置A，其中CPP和SPD一起被放置在远离CBU和CRU的地方。可能会出现这种情形，例如，当一个CPP/SPD联合体服务于整个一地区时。在Al中，每个BTS上有一个与它一同放置的CBU。在A2中，服务于三个BTS所围的小区的CBU被示于小区内某处。除了有许多CPD外，配置B1和B2(图7b)分别同A1和A2相似。B1中，每个BTS上附着一个CBU；B2中，每个由三个BTS组成的三角形中有一个CPP，图中只示出了一个三角形。地区的SPD处在远端位置。配置C1和C2(图7C)与A1和A2相似，但定位处理在每个手机中执行。其它的配置也是可能的，其中每种配置都有适合于特定商业应用的相对好处。

在一些商业应用中，作为提供服务的数据库对有关位置服务请求的响应的一部分，以图形方式显示地图信息这样是可取的。图8给出了这样的一个例子，它显示了地区的地图是如何显示在附着于定位处理器或一个监测站的屏幕上的。用户询问指向标记为Z的实心圆的方向，而定位处理器计算出用户的位置在标志为W的实心圆处。用户手机包括一个液晶点阵显示器，它能显示出大地图的小局部，就象基于字符的信息一样。显示于手机的第一幅屏幕可能会如图8中记为(a)的图片一样。这是一幅本地区的大比例地图，其中有一个其圆心在所计算位置的半径为100m的圆。道路标记为1，2，3等等，它们与指示第二个屏幕中，图片(b)的名字相对应。用户可以根据需要在不同屏幕间切换。图形C显示了本地区的更大比例地图，同时还有一个指针K，它指示出目的地Z的方向。显然，还可能会有其它信息的屏幕，包括有一个给出目的地地址，本地交通条件，大约距离的屏幕，等等。在一个商业应用中，在手机显示器上也可以有一定范围的有限数量的广告。

对原型系统的测试。

使用一对标准手持袖珍单元和一些附加记录设备的原型测试装置已在英国剑桥(Cambridge，UK)建成。基站(CBU)建在城市中心附近(见图9)的一座三层楼中，天线安在楼顶。流动接收器(CRU)由轿车负载到城市南部的不同位置，如图9中的十字符号所示。试验中采用了三个GSM发射器(BTS)，分别处于城中心、南部的GreatShelford、东南部的Fulbourn。表2给出了坐标方向的平均位置误差，即大约十个独立位置判定值的平均值与地图上测量的真实位置之差。仅使用简单的数据分析技术，而无需抵消多径传播影响的特殊鉴别。将基站接收器和流动接收器相邻地放在工作台上测试，可知装置的精度小于20m rms。测试号1至6是在流动站静止的情形下进行的；而测试7至11中，流动站以40至64Km/h的速度运动。

表2

位置号平均东向误差平均北向误差

(m) (m)

1 66.5 -59.5

2 -5.5 80.0

3 -68.0 -15.0

4 89.0 90.0

5 -19.0 41.0

6 64.0 79.0

7 -73.0 6.0

8 -62.0 59.0

9 17.0 128.0

10 43.0 31.0

11 95.0 105.0

Claims

1.一个定位系统，用于接收发自一定数量的发射源的宽带信号，发射源数量至少等于所监测的流动目标运动的维数，该系统包括：

一对接收站，使用中第一接收站位于已知位置，第二接收站位于流动目标上；

一个定位处理器；

将链路信号从每个接收站传到定位处理器的设备，链路信号包括关于接收站从发射源接收的信号的信息；

每个接收站被配置来基本同时地从相应的发射源接收信号，定位处理器被配置来将接收自一个接收站的关于一个接收站接收的来自发射源的信号的信息，与接收自另一个接收站的关于另一个接收站接收的来自发射源的信号的信息相比较，以确定两接收站相应于信号之间的时延，从而确定流动目标的位置。

2.根据权利要求1的一个定位系统，其特征在于，接收站可以顺序地接收相应发射源的信号，相互之间也是以相同顺序接收的。

3.根据权利要求1或要求2的一个定位系统，其特征在于，每个接收站还被配置来接收发自一个或多个发射源的第二信号。

4.根据权利要求1至3中的任一权利要求的一个定位系统，其特征在于，定位处理器与一个接收站被一起安置。

5.根据权利要求4的一个定位系统，其特征在于，链路信号从一个接收站传送到另一个接收站，并从另一个接收站传送到定位处理器。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求的一个定位系统，其特征在于，定位处理器放置在远离接收站的地方。

7.根据权利要求1至6中任一权利要求的一个定位系统，其特征在于，一个提供关于流动目标位置信息的信号，从定位处理器传送到至少一个接收站。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求的一个定位系统，更进一步包括一个监测站，而其中一个提供关于流动目标位置信息的信号从定位处理器传送到监测站。

9.根据权利要求1至8中任一权利要求的一个定位系统，进一步包括：

与上述定位处理器相连的一个数据库服务器，该数据库服务器包含与许多已知位置有关的数据元素；

将关于定位处理器所确定的流动目标位置的信息传送到数据库服务器的设备；

检索与定位处理器所确定的位置有关的数据元素的设备；

将数据元素传送到一个接收站或监测站的设备。

10.根据权利要求1至9的任一权利要求的一个定位系统，其特征在于，这个或每个接收站或监测站包括一个显示器，流动目标的位置显示于该显示器上。

11.根据权利要求10的一个定位系统，其特征在于，显示器包含一个点阵显示器。

12.当基于权利要求9时，根据要求10或11的一个定位系统，其中数据库服务器包含图形信息，该图形信息传送到接收站或监测站，并且显示在显示器上以指示出流动目标的位置。

13.根据前述权利要求中的任何一条的一个定位系统，其特征在于，发射源和接收站包含一个数字蜂局电话网的器件。

14.根据权利要求13的一个定位系统，其特征在于，数字蜂窝电话网络是一个GSM网络。

15.根据前述任何一条权利要求的一个定位系统，其特征在于，接收站监测许多发射源的信号长度，并选择许多个对接收来说足够强的信号。

16.根据权利要求1至15的任一权利要求的一个定位系统，其中特征在于，接收的来自不同发射源的信号之间的准同步是通过监测接收的发射信号中特定部分来实现的。

17.根据权利要求15的一个定位系统，其特征在于，接收的来自不同发射源的信号间的准同步是由独立于发射信号的设备所实现的。

18.一种确定流动目标位置的方法，它包括从一定数量的发射源发出宽带信号，发射源数量至少应等于监测流动目标运动维数；一对接收站接收这些信号，在使用中，第一个接收站在已知位置，另一个接收站位于流动目标上，每个接收站被配置来基本同时地接收来自相应发射源的信号；链路信号从每个接收站传送到定位处理器，链路信号包含关于相应接收站所接收的来自发射源信号的信息，将定位处理器所接收的来自一个接收站的关于一个接收站接收的来自发射源信号的信息，与所接收的来自另一个接收站的关于另一个接收站接收的来自发射源信号的信息相比较；并且确定接收站所接收的信号之间的时延，从而确定流动目标的位置。

19.根据权力要求18的一个方法，其特征在于，广播信号是一个数字移动电话网络的发射信号。

20.一种估计在两个位置上所接收广播信号的接收时间之间的偏差的方法，在一个位置所接收的信号可能会受多径效应的干扰，这个方法包括对在一个位置所接收的信号作自相关处理；对在另一个位置接收的信号作自相关处理；将一个位置上接收的信号与在另一个位置上接收的信号作互相关处理；建立一个包括相应于负时间轴的在另一个位置所接收信号的自相关部分以及相应于正时间轴的在一个位置上所接收信号的自相关部分的模型；在模型最符合于所测量在一个位置和另一个位置的接收信号的互相关时，测量偏差，作为在两个位置所接收信号之间时间偏差的估计值。