CN1756965B - 用于无线辅助混合定位系统中位置确定的方法和装置 - Google Patents

用于无线辅助混合定位系统中位置确定的方法和装置 Download PDF

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Abstract

无线辅助定位系统中用于位置确定的方法和装置。在所揭示的方法和装置的一方面，一种用于确定定位系统中移动设备的位置的方法包括：使用与导航发射机(例如，基站、伪卫星或卫星定位系统(SPS)卫星)相关的移动设备的位置的第一假定几何关系计算移动设备的第二估计位置。第一几何关系线性独立于移动设备(例如，从辅助高度获得)的高度以及基于关于导航发射机测量的范围信息(例如，从移动设备到导航发射机、伪范围、到达时间或往返时间的范围)的第二几何关系。在所揭示的方法和装置的另一方面，用于确定定位系统中移动设备的位置的方法包括：由从导航发射机到移动设备发送的信号的强度指示符确定估计的时钟偏差。

Description

用于无线辅助混合定位系统中位置确定的方法和装置
相关申请
本申请要求美国临时申请序列号为60/375965、2002年4月25日提交的专利的优先权。
领域
所揭示的方法和装置涉及位置确定过程，尤其涉及无线辅助混合定位系统。
背景
为了计算无线蜂窝网络(例如，移动设备，诸如蜂窝电话网络内的蜂窝电话)内的设备的位置，几种方法使用“多边测量”(三个发射机的情况下为“三角测量”)。多边测量使用由几个发射机(诸如基站)发送且在接收机(诸如移动设备)处接收的信号的到达时间的测量，来确定接收机的位置。例如，一种称为高级前向链路三用测量(AFLT)(也称为高级观察时间差(EOTD))的方法，在移动设备处测量从几个基站的每个发送的信号的到达时间。这些到达时间测量被发送到位置确定实体(PDE)，所述位置确定实体也称为定位服务器，使用这些到达时间测量计算移动设备的位置。这些基站处的当天时间被同步使得每个基站处的当天时间相同并处在规定的误差内。基站的精确位置和到达时间测量被用于确定移动设备的位置。
图1示出了AFLT系统的示例，其中来自蜂窝基站101、103和105的信号的到达时间测量(TR1、TR2和TR3)在移动设备处被测量，所述移动设备诸如移动蜂窝电话111。这些到达时间测量接着可以被用于计算移动设备的位置。这些计算可以在移动设备自身处进行，或者如果移动设备获得的定时信息通过通信链路被发送到定位服务器则在定位服务器处进行。通常，到达时间测量通过蜂窝基站之一(例如，基站101、或103、或105)被通信至定位服务器115。定位服务器115被耦合用来通过移动交换中心113接收来自基站的数据。移动交换中心113将信号(例如，语音通信)提供往返于陆地线公共交换电话网络(PSTN)间，从而信号可以从移动设备传递到其它通信设备，诸如PSTN上的其它陆地线电话或者其它移动电话。一些情况下，定位服务器也可以通过蜂窝链路与移动交换中心通信。定位服务器也可以监视来自几个基站的发射，以便确定这些发射的相对定时。
在另一种称为到达时间差(TDOA)的方法中，来自移动设备的信号到达时间在几个基站处被测量。如果TR1、TR2和TR3的箭头被保留，则图1应用于此情况。接着，此定时数据可以被通信到定位服务器，以计算移动设备的位置。
然而，第三种方法包括使用用于从卫星定位系统(SPS)接收信号的移动设备中的接收机，所述卫星定位系统诸如美国全球定位卫星(GPS)系统，俄国Glonass系统、提出的欧洲Galileo系统或任何其它这样的卫星导航系统。或者，卫星和“伪卫星”的组合可以被使用。伪卫星是基于地面的发射机，所述发射机广播在L波段载波信号上调制的PN码(与GPS信号相似)，L波段载波信号一般与SPS时间同步。每个伪卫星可以被分配给一个唯一的PN码，从而允许被远程接收机识别。伪卫星在来自轨道卫星的SPS信号不可利用的情况下有用，诸如在隧道、矿山、建筑物或其它被包围的区域中。这里所使用的术语“导航发射机”被认为包括任何卫星、通信基站、伪卫星或伪卫星的等价物。术语“空载导航发射机”和“陆地导航发射机”被用于区分近地表的导航接收机和不近地表的导航接收机。这里使用的术语SPS信号被认为包括导航发射机发送的任何信号。这样的SPS方法可以使用蜂窝网络以便或者提供辅助数据或者在计算SPS接收机的位置所需的过程中共享。或者，这样的方法可以完全匿名(即，不使用蜂窝网络)。这样的方法的示例在美国专利号为5841396、5949944以及5812087中被描述。在实际的低成本实现中，移动设备的蜂窝通信接收机和SPS接收机都被集成进同样的封装中，在一些情况下，可以共享公共的电子电路。
AFLT方法或TDOA方法与SPS方法的结合在这里被称为“混合”方法。
在上述方法的另一变化中，对从基站发送到移动设备并且返回的信号计算往返延时(RTD)。在一相似的备选方法中，对从移动设备发送到基站并且返回的信号计算程返延时。在这些情况的每个中，往返延时被分为两部分，以便确定单程的时间延时的估计。基站的位置和单程延时的知识将移动设备的位置限制在地球上的一个圆周。如果第二基站的位置和从第二基站到移动设备的单程延时已知，则结果是两个两个圆周的交集，所述交集进而将移动设备的位置限制到地球上的两点。第三基站和延时(或者，到达角度或关于移动设备驻留在其中小区扇区的信息)的知识可以解决两点中哪点是移动设备的位置的模糊。
在基于多边测量的定位系统中，通常有四种首要的未知量。在基于Cartesian坐标的系统中，四个未知量包括移动设备的位置的三个分量(x、y和z，可以代表纬度、经度和高度)以及移动设备的“时钟偏差”。时钟偏差是移动设备中的时钟所保持的时间和发射机中所保持的时间之间的差别，假定每个发射机中保持的时间与每个其它发射机完全同步。在GPS卫星的情况下，每个卫星中的时钟是原子钟。原子钟提供的精确度使每个卫星中的时间非常近于完全同步。本领域的技术人员将清楚要解出四个未知量并且形成移动设备的位置估计，至少需要获得四个独立的方程。如果四个未知量之一能被估计或已知，诸如高度，则只需要三个独立方程。卫星的定位信息、信号被从此卫星发送的时间以及从此卫星发送的信号的到达时间的测量提供足够的信息来形成一独立方程。每个附加的卫星和相关的定时信息的集合增加一附加独立方程。
迭代位置确定过程通常开始于先验估计位置。接着，估计的位置随着每次迭代被改进。基于估计的位置，位置校正向量和时钟偏差的经改善的估计被确定。在SPS系统，四个独立方程能被用于使用著名的最小平方迭代求解改进方法而解出四个未知量。
对这些方程的最小平方解提供了对先验解的调整。每个测量也应该被适当加权。当每个测量输入的先验精确度估计变化显著时，加权过程能帮助提高精确度。例如，美国专利号6313786包含对误差估计过程和加权方案的描述。
高度辅助已经在多种用于确定移动设备的位置的方法中被使用。高度辅助通常基于高度的伪测量。已知移动设备的高度将移动设备的可能位置限制到具有位于地球中心的球心的球体(椭圆体)表面。此信息可以被用于减少独立到达时间测量的数目，所述测量被要求以确定移动设备的位置。通常，估计的高度可以是(1)由移动设备的操作员人工提供，(2)被设置离从前一个三维解的某一高度，(3)被设置到某一预定值，或者(4)从保持在定位服务器的映射信息(诸如地形学或测量学数据库)导出。
美国专利号6061018描述了一种方法，通过此方法从“小区目标”的信息确定估计的高度。小区目标是具有与移动设备通信的小区站点发射机的小区站点。美国专利号6061018也描述了一种方法，用于通过比较从伪范围测量计算的高度与估计的高度而从多个SPS卫星确定伪范围的测量条件。
摘要
所揭示的用于在定位系统中确定一移动设备的位置的方法的一实施例包括使用移动设备和导航发射机之间的第一假设的几何关系而计算移动设备的第二估计位置。第一几何关系线性独立于移动设备的高度和第二几何关系。第二几何关系基于关于导航发射机测量的范围信息(例如，从移动设备到导航设备的范围、伪范围、到达时间或往返时间)。
在此实施例的一示例中，第一几何关系由校正向量确定，所述校正向量涉及移动设备的第一估计位置和第二估计位置之间的差别。第二估计位置从校正向量和第一估计位置计算而得。第一几何关系规定校正向量的第一分量沿第一方向，所述第一方向与从导航发射机指向第一估计位置的第二方向不平行。第一几何关系相对于用于确定校正向量的其它关系而被加权。第一几何关系的权重可以从以下确定：a)移动设备的时钟偏差内的估计误差；b)关于导航发射机测量的范围信息内的估计误差；以及/或者c)从导航发射机到移动设备的第一估计位置的估计范围。
在此实施例的另一示例汇总，第一方向与第二方向正交，且在水平平面内；而且校正向量的第一分量被假定为零。用于规定校正向量的第一分量的线性方程的系数被计算用于确定校正向量。
在此实施例的又一示例中，第一估计位置从导航发射机的一天线确定的方向获得。
所揭示的用于在定位系统中确定一移动设备的位置的方法的又一实施例包括：基于从导航发射机发送到移动设备的信号的强度而确定估计的时钟偏差。使用估计的时钟偏差确定移动设备的估计位置。估计的时钟偏差相对于确定移动设备的估计位置中的其它限制而被加权。在此实施例的一示例中，估计输入功率(EIP)被用于信号强度的指示。从IS-801消息中基站发送的参数(例如，Ec/IO以及整个导频功率)被接收，而且可以用于计算估计输入功率(EIP)。
现在所揭示的方法和装置包括数据处理系统和计算机可读媒质，所述系统执行这些方法，当数据处理系统上执行计算机可读媒质时，计算机可读媒质使系统执行这些方法。
通过下面提出的结合附图的详细描述，其它特征将变得更加明显。
附图的简要描述
这里所揭示的方法和装置通过下图来说明，附图中相同的符号具有相同的元件。
图1示出了确定移动设备的位置的现有技术蜂窝网络的示例。
图2示出了定位服务器的示例，所述定位服务器与这里所揭示的方法和装置结合使用。
图3示出了建立用于确定移动设备的位置的线性几何关系的一般方法。
图4说明了用于确定移动设备的位置的一般方法。
图5说明了按照这里所揭示的方法和装置建立用于确定移动设备的位置的假定线性几何关系的方法。
图6说明了当传统线性几何关系基于范围信息时解的不确定区域。
图7说明了当假定的几何关系按照这里所揭示的方法和装置而被使用时解的不确定区域。
图8按照这里所揭示的方法和装置示出了将估计输入功率与基站和移动设备之间的范围相关的方法。
图9示出了按照这里所揭示的方法和装置的一实施例在一示例相关的估计范围方面的误差，所述相关是在估计输入功率和相关范围之间的相关。
图10示出了按照这里所揭示的方法和装置的一实施例确定移动设备的估计位置的方法的整体流程图。
图11示出了按照这里所揭示的方法和装置确定移动设备的估计位置的方法的流程图。
图12示出了按照这里所揭示的方法和装置确定移动设备的估计位置的方法的详细流程图。
图13示出了按照这里所揭示的方法和装置确定移动设备的估计位置的另一方法的流程图。
图14示出了按照这里所揭示的方法和装置确定移动设备的估计时钟偏差的方法的流程图。
优选实施例的详细描述
下列描述和附图用于说明所揭示的方法和装置，而不被认为限制所揭示的方法和装置。为了提供对所揭示方法和装置的透彻理解，描述了几个具体的详细情况。然而，在某些实例中，为了简化所揭示的方法和装置的描述，不描述熟知的或传统细节。
图2示出了在所揭示方法和装置的多个实施例中被用作服务器的数据处理系统的示例。例如，如美国专利号5841396中所描述，服务器可以将诸如多普勒的辅助数据或其它辅助数据提供给移动设备中的SPS接收机。而且，或者可选地，定位服务器而非移动设备执行最终位置计算(在接收伪范围或其它数据后，由这些数据能从移动设备确定伪范围)，接着将此位置确定转交给基站或一些其它系统。作为定位服务器的数据处理系统通常包括通信设备212，诸如调制解调器或网络接口。定位服务器可以通过通信设备212(例如，调制解调器或其它网络接口)被耦合到几个不同的网络。这些网络包括蜂窝交换中心或多个蜂窝交换中心225、基于陆地的电话系统交换机223、蜂窝基站、其它SPS信号源227、或者其它定位服务器221的其它处理器。
多个蜂窝基站通常被安排以使用无线覆盖来覆盖地理区域。而且这些不同的基站被耦合到至少一个移动交换中心，这在现有技术中熟知的(例如，参见图1)。因此，多个基站在地理上是分散的但通过移动交换中心耦合在一起。网络220可以被连接到提供差分SPS信息的参考SPS接收机的网络。网络220也可以提供SPS天文数据，用于计算移动设备的位置。网络通过调制解调器或其它通信接口被耦合到一微处理器203。网络220可以被耦合到其它计算机或网络组件。网络220也可以被耦合到紧急处理器操作的计算机系统，所述紧急处理器诸如响应于911电话呼叫的公共安全回答点。使用定位服务器的方法的多种示例已经在几个美国专利中被描述，包括：美国专利号5841396、5874914、5812087以及6215442。
定位服务器201，是数据处理系统的一种形式，包括总线202。总线被耦合到微处理器203、ROM207、易失性RAM205以及非易失性存储器206。微处理器203被耦合到高速缓冲存储器204，如图2的示例中所示。总线202将这些各种组件互连在一起。图2示出了非易性失存储器是直接耦合到数据处理系统中的其它组件的本地设备，可以理解所揭示的方法和装置可以使用远离系统的非易失性存储器，诸如通过如调制解调器或以太网接口的网络接口耦合到数据处理系统的网络存储设备。总线202可以包括通过各种本领域内公知的网桥、控制器和/或适配器连接到彼此的一个或多个总线。在许多情况下，定位服务器可以无人工辅助地自动执行它的操作。在需要人为互动的一些设计中，I/O控制器209可以与显示器、键盘或其它I/O设备通信。
值得注意的是，图2示出了数据处理系统的多种组件，它不是用于表示互连组件的任何某种结构或方式，因为这些细节是公知的，与所揭示的方法和装置没有紧密关系。也可以理解，网络计算机和具有较少或较多组件的其它数据处理系统也可以结合所揭示的方法和装置而被使用，并且可以作为定位服务器或PDE。
由此描述显而易见，所揭示的方法和装置的多个方面被包含，至少部分包含在软件中。也就是说，可以响应于处理器执行存储器中包含的指令的序列而在计算机系统或其它数据处理系统中执行这些技术，所述存储器诸如ROM207、易失性RAM205、非易失性存储器206、高速缓冲204或者远程存储设备。在各种实施例中，硬件电路可以与软件指令结合而被使用，以实现所揭示的方法和装置。因此，这些技术不限于硬件电路和软件的任何特定组合，也不限于数据处理系统所执行的指令的任何特殊源。而且，在整个描述中，多种功能和操作被描述为由软件代码执行或引起以简化当前描述。然而，本领域的技术人员将认识到，这些表达表示这些功能是诸如微处理器203的处理器的代码执行结果。
在一些实施例中，所揭示的方法可以在同时用于诸如蜂窝切换、消息服务等等的其它功能的计算机系统上被执行。在这种情况的一实施例中，图2的一些或所有硬件被共享用于几个功能。具有较多或较少组件的数据处理系统也可以被用在移动设备中以执行定位确定的计算。
当使用从陆地导航发射机发送的信号的到达时间测量时，经常有大的方向不确定性，使用传统方法难解决所述方向不确定性。当与空载导航发射机和移动设备之间的距离相比时，基站和移动设备之间的距离相对小。移动设备的估计位置的小变化能导致移动设备和陆地导航发射机之间的几何(即角度)关系(例如，从基站指向移动设备的向量的方向余弦元素)的大的变化，诸如在高级前向链路三角测量系统(AFLT)中。
例如，如果移动设备离基站很近，则当移动设备的位置变化相对小时从基站到移动设备的方向变化很大。几何关系中的这些显著变化可以导致迭代求解过程中的不稳定或不可预测解。因此，当移动设备离基站很近时高精度地估计方向(即，“方向余弦元素”)变得困难。深知迭代过程中小的初始误差能导致最终解中大的误差。在这些情况下，首要的测量等式可以被去加权，以计及此方向不确定性。但是，这一方法可能“冲淡”导航求解的精确度。因此，当使用来自陆地导航发射机的测量时，期望有能达到稳定、收敛且精确的导航解的求解过程。
在所揭示的方法和装置的至少一个实施例中，假定了陆地导航发射机和移动设备之间的几何关系。通过规定移动设备的估计位置和陆地导航发射机的位置的关系中移动设备的定位方面的限制而进行这些假定，从而使迭代求解过程稳定且改进移动设备的位置解。
应该理解，如果移动设备的假定位置在基站附近，则将基本测量方程加入迭代加权最小平方过程可以导致非稳定。这是由于事实：从基站到假定的位置的估计方向对假定位置敏感。因此，在所揭示的方法和装置的一实施例中，一个正交约束被加入以使求解稳定。该约束将解限制到基站附近的某个角度区域。正交约束基于什么是已知或未知而被确定。随着假定的位置变得离基站越来越近，正交约束变得越来越精确，然而传统范围约束在某种程度上必须被去加权以考虑到它的方向不确定性。例如，随着假定的位置离基站越来越近，正交约束的权值能被增加；或者随着假定的位置离基站越来越近，传统范围约束的权值可能被减小。而且，传统测量的余项也可以被修改以计及潜在解区域的曲线特性。
图3示出了建立用于确定移动设备的位置的线性几何关系的一般方法。通常，从在导航发射机和移动设备之间发送的信号的定时测量确定范围信息(例如，从移动设备到基站的范围、伪范围、到达时间、往返时间或其它这些值)。这些范围信息通常用于建立规定导航发射机B1(313)和移动设备P(315)之间的距离d1(301)的范围束缚。当移动设备的第一估计位置A(303)被确定时，移动设备的随后估计位置能通过解校正向量AP(305)而被建立。基于范围信息，可以对于校正向量AP建立一几何关系。例如，通常线性化的范围约束规定校正向量在方向e上的投影(319)等于距离d1和距离l1之间的差值；其中距离l1是基站B1和第一估计位置A之间的距离。从第一估计位置A和基站B1的已知位置，从基站B1指向第一估计位置A的向量e(319)的方向余弦元素能被计算为(a1，b1，c1)。因此，校正向量(x，y，z)的线性方程能被规定为：
a1x+b1y+c1z＝r1
当范围信息被规定为到达时间测量t1，距离d1可被表示为d1＝c(t1-t)，其中c是光速，t是移动设备的时钟偏差。因此，线性方程能被重写为：
a1x+b1y+c1z+ct＝ct1-l1
图4说明了确定移动设备的位置的一般方法。移动设备的第一估计位置A(411)、基站B1(413)的已知位置以及在第一估计位置A和基站B1之间的距离确定校正向量沿线B1A的分量是r1。因此，移动设备的第二估计位置的位置按照基于基站B1(413)的线性化范围约束而在线AnD1上。同样，移动设备的第一估计位置A(411)、基站B2的已知位置(435)以及第一估计位置A和基站B2之间的距离按照基于基站B2(435)的线性化范围约束确定校正向量沿B2A的分量是r2。因此，移动设备的第二估计位置的位置也在线AnD2上。从这两个几何关系，移动设备的第二估计位置能在An处被确定用于二维示例。
一般，从对应于四个不同导航发射机的四个到达时间测量、校正向量(x，y，z)和时钟偏差能被解决。当存在多于四个这样的测量时，最小均方(LMS)过程(或其它数量的过程)能被用于解出“最佳”满足基于范围信息的所有这些几何关系的解。
上述线性化范围约束基于移动设备的估计位置(例如，方向余弦元素a1，b1，c1)。当获得位置的更新估计时，这些几何关系(例如，方向余弦元素)能被相应地更新，以考虑到几何方面的变化。接着更新的线性化范围约束可被建立。
图5说明了建立假定的线性几何关系的方法，所述第一关系用于按照所揭示的方法和装置的一实施例确定移动设备的位置。除了传统范围约束，所述传统范围约束规定校正向量AP(505)的分量沿从基站B1指向移动设备的第一估计位置(A)的方向e(523)，使用假定的几何关系。假定的几何关系规定校正向量沿方向n(521)的分量为零。因为方向n(521)正交于方向e(523)，传统线性化范围约束被规定在方向e上，这样的几何限制被称为正交约束。当结合二维示例中的线性化正交约束而使用正交约束时，移动设备的第二估计位置能在D1(517)被确定。值得注意的是，在三维情况下，对于具有范围约束的每个导航发射机能假定两个线性独立正交约束。当使用这些假定的几何关系时，如果不存在足够的独立范围测量以确定移动设备的精确位置，则执行“最佳”估计以确定移动设备的估计位置，以及如果不存在足够的独立范围测量并且应用加权过程(例如，LMS)，则能确定移动设备的精确位置。而且，这样的假定几何关系能通过将进一步的约束加于求解并且阻止解在合理解的区域周围漂移而使迭代求解稳定化。
假定方向n(521)的方向余弦元素是(a1′，b1′，c1′)，正交约束能被写为：
a1′x+b1′y+c1′z＝0
在所揭示的方法和装置的一示例中，方向n不仅与方向e垂直，而且在水平面。因此c1′＝0；而且正交约束是：
a1′x+b1′y＝0
在正交约束中，只有变化的参数是基于当前估计位置及其权值的方向余弦元素，主要取决于先验时钟不确定性、测量不确定性以及离开基站的先验估计范围。根据定义，余项总是零，但是对于LMS解的每个随后迭代，时钟和范围估计可以变化，影响了正交约束的权值。
或者，关于与移动设备的假定位置相关的移动设备的定位和导航发射机的位置有关的其它假定可以被用于约束这些求解。例如，假定校正向量的分量在其它方向，而不是正交于从基站指向移动设备的方向。
图6说明了当传统线性几何关系基于范围信息时解中的不确定区域。当基站和移动站之间的范围是d1时，二维情况下移动设备的位置被约束在圆周611上。当范围d1的测量中估计的误差是ε(603)时，与范围测量相关的不确定区域是环621。当范围约束被线性化时，范围d1将移动设备的第二估计位置的解约束在线601。当范围d1的测量中估计的误差是ε(603)时，与线性化范围测量相关的不确定区域是带625，在两个方向延伸到无穷。线性化范围约束将此解限制到方向e(615)而不是方向n(613)的移动设备的位置。因此，线性化范围约束使第二估计位置在远离环621的允许区域的区域中。这可能引起不稳定或不可预测的解。
图7说明了当按照所揭示的方法和装置的一实施例使用假定的几何关系时解中的不确定区域。相似于图6中，当范围d1的测量中估计的误差是ε(603)时，与范围测量相关的不确定区域是环721。因为线性化范围约束将解限制在方向e(715)，具有不确定性ε，而且正交约束将解限制在方向n(713)，具有不确定性ε0，第二估计位置的解被限制在区域725中，当不使用正交约束时，所述区域725远小于带625(图6中)。因此，正交约束能通过将解限制在可能的允许区域而使迭代求解过程稳定化。
当少于四个测量可用时，一般不可能形成导航解。对于无线辅助混合方法，四个或更多独立测量经常可用，诸如高度信息和其它。然而，一些来自无线辅助混合方法的测量包含一些唯一非线性。所揭示的方法和装置的至少一个实施例尝试从用于普遍的混合方法中的这些测量建立线性化约束。
在许多情况下，对于移动设备和导航发射机之间传播的信号只有1或2个时间延时测量可用。在这些情况下，传统的导航解不可能。即使使用更多的测量，当移动设备离基站(或者伪卫星)非常近时，稳定性也是个问题。当来自移动设备通过其通信的服务基站的信号足够强以致于没有来自其它基站的信号能被接受时，以及没有基于测量的空载导航发射机可用时，这种问题尤其普遍。这样的近远问题对于基于CDMA的系统是普遍的。在这样的情况下，移动设备可能离基站近。传统的导航算法没有办法描述这样的情况，可能由于大的方向不确定性变得不稳定，可能返回较不精确的“小区扇区”解。这种情况下，附加的约束能限制解，使其被约束在稳定区域。应该注意的是，在移动设备离基站非常近的一些情况下，近似距离可能只基于信号强度被推断。需要此可观察的模型来将适当的方程输入提供到最小平方导航解中。即使在依赖与这些粗约束的导航解的精确度相对较差的情况下，仍然足够进一步约束已在进行的信号搜索，并且会是适合于一些基于定位的服务，从而证明非常有价值。
可以从移动设备和基站之间的估计范围约束移动设备的时钟偏差。可以从信号强度的给定测量(例如，估计的输入功率)的经验函数获得粗估计的范围。或者，可以基于更精确的往返时间测量。
信号强度能帮助建立移动设备可能已经离服务基站多远；以及依次能被用于估计移动设备的时钟状态。一旦信号强度被转换为估计的时钟偏差，时钟估计能直接被输入导航方程以便使解稳定，并且将解仅限制解到合理的时钟偏差。而且，此先验时钟估计能被用于更好地加权与每个网络测量相关联的位置约束。此时钟偏差约束等式是下列形式：
t＝cb
其中，cb是来自到基站的估计范围的估计时钟偏差。估计时钟偏差cb可以从t1-de/c确定，其中de是到基站的估计范围；t1是从基站发送到移动站的发送信号的到达时间；以及c是光速。
在所揭示的方法和装置的实施例中，从下列方程确定估计范围：
de＝MaxAntennaRange*0.5*pow(10.0，(-125-EIP)/30.0)
其中EIP(dBm)＝Ec/IO(dB)+IO(dBm)。参数Ec/IO以及整个导航功率IO可以在IS-801消息中被接收。
上述方程假定接收信号功率作为范围的三次幂函数减小；也可以假定无线网络的某个最小功率电平。或者能使用基于导频发射机功率、陆地类型、天线方向图以及每个小区扇区的其它显著参数的更一般的等方程。应该理解，同类的链路分析能被用于不具有导频的网络，使用对于每个合适的信号类型不论什么可用的信号强度、发射机功率以及天线信息都有效。
图8示出了按照所揭示的方法和装置的一实施例将估计输入功率与基站和移动设备之间的范围相关的方法。可以从准确的测量收集从基站到移动设备的范围对从基站发送到移动设备的导频信号的估计输入功率的数据点(例如，801)。例如，移动设备可放在车中而到处开动，同时记录估计输入功率对相应范围。数据点可能是拟合用于产生将估计输入功率映射到估计范围的经验函数的曲线。因为估计输入功率受诸如陆地条件的因素影响，对于不同接收条件可以产生不同的经验函数。图8示出了由实际收集的数据导出的经验函数(811、813以及815)。从图8可以看出，当信号非常强时，到基站的范围相对小；然而，当信号较弱时，范围有更多不确定性。
图9示出了估计范围中的误差，用于按照所揭示的方法和装置的一实施例在估计输入功率和相关的范围之间的一示例相关性。图9中估计范围内的误差是从经验函数813导出的估计范围和相应数据点(例如，图8中的801)的测量范围之间的差。图9示出，估计输入功率越强，从经验函数导出的估计范围更精确。因此，从经验函数导出的估计范围在求解移动设备的估计位置中能按照移动设备和基站之间的距离被加权。
当从信号强度指示符估计时钟偏差(例如，使用图8中的曲线)时，估计中的误差可预测地为输入功率的函数。因此，粗时间辅助输入同不相容的任何其它潜在源一起作为输入功率的函数被加权，所述不相容的其它潜在源诸如手机校准不确定性、前向链路校准不确定性、或者移动设备时间偏移(也称为Tx/Rx延时)。
图10示出了按照所揭示的方法和装置的一实施例确定移动设备的被估计部分的一方法的整体流程图。操作1001确定移动设备的第一估计位置。操作1003对与一个或多个导航发射机相关的移动设备确定范围信息，诸如范围、伪范围、到达时间、往返时间等等的测量。通常，范围信息被用于建立传统线性化范围约束。操作1005从第一估计位置、导航发射机的位置和范围信息并且假定与导航发射机相关的移动设备的位置的至少一个几何关系而计算移动设备的第二估计位置。第一几何关系线性独立于移动设备的高度以及基于对于导航发射机测量的范围信息的第二几何关系。在所揭示的方法和装置的一实施例中，正交约束被假定来稳定化和改善位置求解。
图11示出了按照所揭示的方法和装置的一实施例确定移动设备的估计位置。操作1101确定移动设备的第一估计位置；以及操作1103为第一方程确定第一系数，所述第一方程规定基于第一范围测量的范围约束(例如，范围、伪范围、到达时间、往返时间或其它)，第一范围测量与移动设备和导航发射机之间的范围有关。从假定条件(例如，校正向量的一分量为零)沿第一方向，操作1105确定第二方程的第二参数，该第一方向与沿经过导航发射机和移动设备的第一估计位置的一条线的第二方向垂直。操作1107使用第一和第二参数(例如，使用加权最小平方过程)计算移动设备的第二估计位置。当使用加权过程中，范围约束的加权及其相关正交约束能从移动设备和基站之间的距离确定。例如，移动设备离基站越近，正交约束上的权值更大，而且范围约束上的权值越小。
图12示出了按照这里所揭示的方法和装置确定移动设备的估计位置的方法的详细流程图。操作1201假定移动设备的第一位置；而且操作1203使用基于第一假定位置的辅助高度获得第一位置的估计高度。操作1205计算估计时钟偏差(例如，在移动设备处从基站的估计输入功率，或者从往返时间测量)操作1207-1209对于每个导航发射机执行，以确定每个导航发射机的范围和正交约束。操作1207计算线性化范围约束的第一系数，所述线性化范围约束是一线性方程，规定了条件沿从第一位置指向导航发射机的第一方向，用于求解到移动设备的第一位置的校正向量的条件；以及操作1209对于至少一个正交约束计算第二系数，所述正交约束是假定校正向量的至少一个零分量沿正交于第一方向的一方向。一旦操作1211确定所有的导航发射机被处理以建立未知数的线性方程，操作1215从第一和第二系数、估计的高度和时钟偏差(例如，使用加权最小平方方法)计算校正向量的解。操作1217使用计算的校正向量更新移动设备的第一位置。正交约束作为示例被示出，其它假定条件也能被用来约束迭代解。
图13示出了按照这里所揭示的方法和装置确定移动设备的估计位置的另一方法的流程图。操作1301获得基站的位置；而且操作1303获得基站的天线指向角度。操作1305计算基站和移动设备之间的估计范围。估计范围能从信号强度指示符(例如，估计输入功率)获得，或者从往返时间测量获得。操作1307从基站的位置、天线指向角度、估计范围并且假定移动设备在近地平线而计算移动设备的估计位置。辅助高度能被用于确定移动设备的高度。
图14示出了按照这里所揭示的方法和装置确定移动设备的估计时钟偏差的方法的流程图。操作1401在移动设备处从基站接收信号参数(例如，Ec/IO、整个导频功率、或者其它)。操作1403使用这些参数确定估计输入功率(EIP)。操作1405确定从基站到移动设备的估计范围(例如，通过使用经验函数从估计输入功率映射)。操作1407使用估计范围计算估计的时钟偏差。
对于这些约束的有用性的一示例，考虑仅有一个来自基站的可用导频信号的情况。从而，只有一个传统的线性化范围约束能被建立。因为移动设备的高度能通过假定用于使用辅助高度在近地平线而被估计，还要两个独立测量被要求以确定移动设备的位置。如果移动设备和基站之间的估计范围相对小，则传统的线性化范围约束可能有些被去加权，以考虑到方向不确定性。通常，第一先验位置估计将沿一条线，所述线从基站沿其天线指向角度延伸；以及能通过使用sinc缩放(天线张开角度/2)且基于角度不确定性而减小与首要测量相关的范围估计。基于IS-801消息中接收的信息的估计时钟偏差(例如，估计输入功率)能被用于建立时钟偏差约束。时钟偏差被称为“粗时间辅助”。最后，水平面的正交约束能被用于提供未知量的附加方程。水平面的正交约束每个基站产生一个额外方程。因此，稳定的、虽然非常粗略的四维导航解能使用仅一个可用的导频而获得。在移动设备离基站非常近的情况下(在封闭小区情况下经常这样)，这经常足够好地能向导航解提供合理的精确度。与到塔的距离开关，粗略解可以被用于精确化其它可用导航发射机的搜索窗口。最后，应该注意的是，往返时间测量将进一步提高精确度，实质上使用更精确的时钟偏差估计来代替粗略的辅助时间，所述精确的时钟偏差测量依次提高正交导频的精确度估计，因为它的权重主要基于先验时钟偏差估计。
还可能简单地将小区扇区的中心提供为单导频情况下的导航解，或者也许将此解基于CTA估计移进移出。然而，建立用于正交约束和时钟偏差约束的线性方程的方法不仅工作用于单导频情况，还能被应用于附加测量可用的一般化情况。
考虑用于基站的一个导频相位测量和用于卫星的一个伪范围测量可用的情况。从辅助高度得知陆地高度，实质上提供3个一般测量。因为辅助高度和粗辅助时间将问题简化到水平面，一般具有对移动设备定位的合理解的双曲线。其中，对应于卫星和基站的范围约束都满足的。这样，迭代最小平方解可能不稳定。在这种情况下，导频正交将附加的限制加到解中，使其不振荡或抖动。从而，此解将按照初始先验估计可靠地覆盖双曲线上的一个单点。
在前述说明中，所解释的方法和装置已经结合它们的具体示例性实施例被描述。各种修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的，不背离下列权利要求书中列出的本发明的最宽泛的原理和范围。因此，说明和附图被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (42)

1.一种在定位系统中确定移动设备的位置的方法，此方法包括：
基于移动设备的第一估计位置，使用所述移动设备的所述第一估计位置与导航发射机相关的第一假定几何关系、对所述第一假定几何关系的正交约束、以及基于关于所述导航发射机测量的范围信息的第二几何关系来计算所述移动设备的第二估计位置，其中所述第一几何关系线性独立于所述移动设备的高度以及所述第二几何关系；
其中，所述第一几何关系被相对于第三关系加权，用于确定所述第二估计位置；并且其中所述第一几何关系的权重取决于从所述移动设备的所述第一估计位置到所述导航发射机的距离。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于第一几何关系的权重随着从第一估计位置到导航发射机的距离减小而增大。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于第三几何关系的权重随着从第一估计位置到导航发射机的距离减小而减小。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，范围信息是以下之一：
a)从移动设备到导航发射机的范围；
b)伪范围；
c)到达时间；以及
d)往返时间。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，导航发射机是以下之一：
a)基站；
b)伪卫星；以及
c)卫星定位系统(SPS)卫星。
6.一种在定位系统中确定移动设备的位置的方法，此方法包括：
基于移动设备的第一估计位置，使用所述移动设备的所述第一估计位置与导航发射机相关的第一假定几何关系、对所述第一假定几何关系的正交约束、以及基于关于所述导航发射机测量的范围信息的第二几何关系来计算所述移动设备的第二估计位置，其中所述第一几何关系线性独立于所述移动设备的高度以及所述第二几何关系；
其中对于与所述移动设备的所述第一估计位置和所述第二估计位置之间的差相关的校正向量假定所述第一几何关系；并且其中从所述校正向量和所述第一估计位置计算所述第二估计位置。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，第一几何关系规定校正向量的第一分量沿第一方向，所述第一方向与从导航发射机指向第一估计位置的第二方向不平行。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，第一方向与第二方向正交，且校正向量的第一分量是零。
9.如权利要求7所述的方法，还包括：
计算线性方程的系数，所述方程用于规定校正向量的第一分量；以及
使用线性方程的系数确定校正向量。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，第一方向与用于定义移动设备的高度的方向正交。
11.如权利要求6所述的方法，其特征在于，第一几何关系相对于用于确定校正向量的其它关系而被加权。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，第一几何关系的权重从下列中至少一个确定：
a)移动设备的时钟偏差中的估计误差；
b)关于导航发射机测量的范围信息中的估计误差；以及
c)从导航发射机到移动设备的第一估计位置的估计范围。
13.如权利要求6所述的方法，其特征在于，第一估计位置从导航发射机的天线所确定的方向获得。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述移动设备的时钟偏差中的估计误差是基于包括以下步骤的方法来确定的：
由从导航发射机到移动设备发送的信号的强度指示符确定估计的时钟偏差。
15.一种在定位系统中确定移动设备的位置的设备，所述设备包括：用于基于移动设备的第一估计位置、使用所述移动设备的所述第一估计位置与导航发射机相关的第一假定几何关系、对所述第一假定几何关系的正交约束、以及基于关于所述导航发射机测量的范围信息的第二几何关系来计算所述移动设备的第二估计位置的装置，其中所述第一几何关系线性独立于移动设备的高度以及所述第二几何关系；
其中所述第一几何关系被相对于第三关系加权，用于确定所述第二估计位置；并且其中所述第一几何关系的权重取决于从所述移动设备的所述第一估计位置到所述导航发射机的距离。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，用于第一几何关系的权重随着从第一估计位置到导航发射机的距离减小而减小。
17.如权利要求15所述的设备，其特征在于，用于第三几何关系的权重随着从第一估计位置到导航发射机的距离减小而增大。
18.如权利要求15所述的设备，其特征在于，范围信息是以下之一：
a)从移动设备到导航发射机的范围；
b)伪范围；
c)到达时间；以及
d)往返时间。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于，导航发射机是以下之一：
a)基站；
b)伪卫星；以及
c)卫星定位系统(SPS)卫星。
20.一种在定位系统中确定移动设备的位置的设备，所述设备包括：
用于基于移动设备的第一估计位置、使用所述移动设备的所述第一估计位置与导航发射机相关的第一假定几何关系、对所述第一假定几何关系的正交约束、以及基于关于所述导航发射机测量的范围信息的第二几何关系来计算所述移动设备的第二估计位置的装置，其中所述第一几何关系线性独立于所述移动设备的高度以及所述第二几何关系；
其中对于与所述移动设备的所述第一估计位置和所述第二估计位置之间的差相关的校正向量假定所述第一几何关系；并且其中从所述校正向量和所述第一估计位置计算所述第二估计位置。
21.如权利要求20所述的设备，其特征在于，第一几何关系规定校正向量的第一分量沿第一方向，所述第一方向与从导航发射机指向第一估计位置的第二方向不平行。
22.如权利要求21所述的设备，其特征在于，第一方向与第二方向正交，且校正向量的第一分量是零。
23.如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
用于计算线性方程的系数的装置，所述方程用于规定校正向量的第一分量；以及
用于使用线性方程的系数确定校正向量的装置。
24.如权利要求23所述的设备，其特征在于，第一方向与用于定义移动设备的高度的方向正交。
25.如权利要求20所述的设备，其特征在于，第一几何关系相对于用于确定校正向量的其它关系而被加权。
26.如权利要求25所述的设备，其特征在于，第一几何关系的权重从下列中至少一个确定：
a)移动设备的时钟偏差中的估计误差；
b)关于导航发射机测量的范围信息中的估计误差；以及
c)从导航发射机到移动设备的第一估计位置的估计范围。
27.如权利要求20所述的设备，其特征在于，第一估计位置从导航发射机的天线所确定的方向获得。
28.如权利要求26所述的设备，其特征在于，所述时钟偏差中的估计误差是基于估计的时钟偏差来确定的，
所述估计的时钟偏差基于由从所述导航发射机向所述移动设备发送的信号的强度指示符。
29.一种在定位系统中确定移动设备的位置的数字处理系统，所述处理系统包括：用于基于移动设备的第一估计位置、使用所述移动设备的所述第一估计位置与导航发射机相关的第一假定几何关系、对所述第一假定几何关系的正交约束、以及基于关于所述导航发射机测量的范围信息的第二几何关系来计算所述移动设备的第二估计位置的装置，其中所述第一几何关系线性独立于移动设备的高度以及所述第二几何关系；
其中第一几何关系被相对于第三关系加权，用于确定所述第二估计位置；并且其中所述第一几何关系的权重取决于从所述移动设备的所述第一估计位置到所述导航发射机的距离。
30.如权利要求29所述的数字处理系统，其特征在于，用于第一几何关系的权重随着从第一估计位置到导航发射机的距离减小而增大。
31.如权利要求29所述的数字处理系统，其特征在于，用于第三几何关系的权重随着从第一估计位置到导航发射机的距离减小而减小。
32.如权利要求29所述的数字处理系统，其特征在于，范围信息是以下之一：
a)从移动设备到导航发射机的范围；
b)伪范围；
c)到达时间；以及
d)往返时间。
33.如权利要求32所述的数字处理系统，其特征在于，导航发射机是以下之一：
a)基站；
b)伪卫星；以及
c)卫星定位系统(SPS)卫星。
34.一种在定位系统中确定移动设备的位置的数字处理系统，所述处理器系统包括：
用于基于移动设备的第一估计位置、使用所述移动设备的所述第一估计位置与导航发射机相关的第一假定几何关系、对所述第一假定几何关系的正交约束、以及基于关于所述导航发射机测量的范围信息的第二几何关系来计算所述移动设备的第二估计位置的装置，其中所述第一几何关系线性独立于所述移动设备的高度以及所述第二几何关系；
其中对于与所述移动设备的所述第一估计位置和所述第二估计位置之间的差相关的校正向量假定所述第一几何关系；并且其中从所述校正向量和所述第一估计位置计算所述第二估计位置。
35.如权利要求34所述的数字处理系统，其特征在于，第一几何关系规定校正向量的第一分量沿第一方向，所述第一方向与从导航发射机指向第一估计位置的第二方向不平行。
36.如权利要求35所述的数字处理系统，其特征在于，第一方向与第二方向正交，且校正向量的第一分量是零。
37.如权利要求35所述的数字处理系统，还包括：
用于计算线性方程的系数的装置，所述方程用于规定校正向量的第一分量；以及
使用线性方程的系数确定校正向量的装置。
38.如权利要求37所述的数字处理系统，其特征在于，第一方向与用于定义移动设备的高度的方向正交。
39.如权利要求34所述的数字处理系统，其特征在于，第一几何关系相对于用于确定校正向量的其它关系而被加权。
40.如权利要求39所述的数字处理系统，其特征在于，第一几何关系的权重从下列中至少一个确定：
b)移动设备的时钟偏差中的估计误差；
b)关于导航发射机测量的范围信息中的估计误差；以及
c)从导航发射机到移动设备的第一估计位置的估计范围。
41.如权利要求34所述的数字处理系统，其特征在于，第一估计位置从导航发射机的天线所确定的方向获得。
42.如权利要求40所述的数字处理系统，其特征在于，还包括：
用于由从所述导航发射机到所述移动设备发送的信号的强度指示符确定估计的时钟偏差的装置。
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