DE19948556A1 - Verfahren und Vorrichtungen zum Orten eines Mobilempfängers mittels Abwärtsstreckensignalen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtungen zum Orten eines Mobilempfängers mittels AbwärtsstreckensignalenInfo
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Abstract
Die Erfindung besteht aus Verfahren und Vorrichtungen zum Schätzen der Position und Geschwindigkeit eines Mobilempfängers (MR) unter Verwendung von entweder der Eintreffzeit (TOA) von Signalen, die vom MR empfangen werden, ihrer Eintreffphase (POA), ihrer Eintreffstärke (SOA), ihrer Eintrefffrequenz (FOA) oder einer Kombination daraus, mit Bezug auf eine Referenz, welche von einem Referenzempfänger (RR) an einem bekannten Standort erzeugt wird. Um für die Koordinaten des MR zu lösen, bedient sich die Erfindung entweder hyperbolischer Multilateration aufgrund der Eintreffzeitdifferenz (TDOA) oder linearer Multiangulation aufgrund der Eintreffphasendifferenz (PDOA) oder beider. Um für die Geschwindigkeit des MR zu lösen, bedient sich das Patent FOA aufgrund der Eintrefffrequenzdifferenz (FDOA). Ein bedeutender Beitrag dieser Erfindung ist die Art, auf welche der MR verfügbare Signale für Ortungszwecke empfängt, verarbeitet und kombiniert. Ein anderer bedeutender Beitrag dieser Erfindung ist die Art, wie der RR verfügbare Signale für Referenzzwecke empfängt, verarbeitet und kombiniert. Noch ein bedeutender Beitrag der Erfindung ist die Anwendung von Superauflösungsmethoden (SR-Methoden) an sowohl MR und RR, um die Auflösung der geschätzten TOAs, POAs, SOAs oder FOAs zu erhöhen.
Description
Diese Erfindung betrifft das Orten und Verfolgen
eines Mobilempfängers (MR) durch Verwendung eines Referenzempfängers
(RR) an einem bekannten Standort.
Immer dann, wenn dem MR sowie dem RR eine Reihe von Signalen zum
Empfang zur Verfügung stehen, ist es möglich, den MR zu orten. Beispiele
für Funksignale, welche mit weltweiter Reichweite existieren, sind
Satellitensignale, beispielsweise das Global Positioning System (GPS),
Iridium, Globalstar usw. Beispiele für Funksignale, welche Konstruktionen,
beispielsweise Gebäude, durchdringen können, sind zu Land stationierte
Systeme wie unter anderem Mobiltelefonie, PCS, Paging und ESMR. Sowohl
von Satelliten ausgehende Signale als auch von der Erde ausgehende Signale
können verwendet werden, um den MR durch Nutzung ihres Empfangs an
sowohl dem MR als auch dem RR zu orten. In diesem Patent bezeichnen wir
ein derartiges Ortungssystem als Drahtlosortungssystem (WLS) auf
Handgerätebasis (oder Vorwärts-/Abwärtsstrecken-WLS) im Gegensatz zu
einem WLS auf Netzbasis (oder Rückwärts-/Aufwärtsstrecken-WLS),
welches einen Mobilsender (MT) durch Verwendung einer Mehrzahl von
Empfängern, welche das vom MT ausgesandte Signal empfangen, ortet. Ein
Vorteil eines WLS auf Netzbasis ist, daß es passiv sein kann (insofern, als es
MR ohne Modifizierung oder Ergänzung der Drahtlossendungen orten kann)
und daß keine Modifikationen der Hardware oder des Betriebs des MT
erforderlich sind, damit das WLS den MT orten kann. Andererseits weist ein
WLS auf Handapparatbasis den Vorteil auf, daß es keine Modifizierung der
bestehenden Netzinfrastruktur erfordert. Die Ortung beim WLS auf
Handapparatbasis kann entweder am MR oder am RR oder an einem dritten
Empfänger (TR) erfolgen. Wenn die Ortung am MR erfolgt, muß der RR die
Referenzinformationen an den MR übertragen. Wenn die Ortung am RR
erfolgt, muß der MR die Lageinformationen an den RR übertragen. Wenn die
Ortung am TR erfolgt, müssen sowohl der MR als auch der RR ihre
entsprechenden Informationen an den TR übertragen.
Funksignale können einander beeinträchtigen, sofern keine
Vielfachzugriffsmethoden verwendet werden. Bestehende Funksignale
benützen eine beliebige aus einer Reihe von Vielfachzugriffsmethoden,
beispielsweise: Codemultiplex-Vielfachzugriff (CDMA), Zeitvielfachzugriff
(TDMA) und Frequenzvielfachzugriff (FDMA). CDMA wird bei IS-95, der
nordamerikanischen Norm für CDMA CTs, sowie bei GPS verwendet.
FDMA wird bei AMPs, der nordamerikanischen Norm für analoge CTs,
verwendet. TDMA wird bei IS-136, der nordamerikanischen Norm für
TDMA CTs, und bei GSM, der europäischen Norm für TDMA CTs,
verwendet. Ohne Verlust der Allgemeingültigkeit werden bei diesem Patent
GPS-Signale als Beispiel für ein von Satelliten ausgehendes Funksignal und
IS-95-Signale als Beispiel für ein von der Erde ausgehendes Funksignal
verwendet. Diese Wahl schließt weder irgendeine andere Norm noch
irgendeine Vielfachzugriffsmethode aus. In diesem Patent bezeichnen wir
einen Sender als Basisstationssender (BST). Es ist wichtig festzuhalten, daß
bei diesem Patent kein RR erforderlich ist, wenn die BSTs auf dasselbe
Referenzsignal referenziert sind.
Der Bedarf an drahtloser Ortung und Verfolgung von MRs ist im Wachsen
begriffen. Einige der möglichen Dienste für die Ortung von MRs sind:
In den letzten Jahren wurde die
Entwicklung von Technologien zum Orten von Mobiltelefonen (CTs) mit
zusehends größerem Nachdruck vorangetrieben. Die primäre treibende
Kraft waren verbesserte 911 (E911) Dienste für Mobiltelefonteilnehmer.
E911-Dienste liefern der 911-Vermittlungsperson Informationen wie die
Rufnummer, Straßenadresse und den Namen des Hauptteilnehmers. Im
Oktober 1996 veröffentlichte die FCC eine Entscheidung (CC-
Gerichtsregisternr. 94-102) mit Hinblick auf E911-Notrufsysteme und
verdeutlichte dieses im Dezember 1997. In dem Dokument fordert die
FCC, daß ein Anrufer, der die Nummer 911 von einem Mobilgerät aus
anruft, ab Oktober 2001 mit einer horizontalen Genauigkeit von 125
Metern RMS (Effektivwert) geortet werden muß.
Für gewöhnlich erfordert das
Verfolgen gestohlener Kraftfahrzeugen das Anbringen einer HF-
Markierung wie bei Bird, US-Patent Nr. 5,418,537, ausgegeben am 23. Mai
1995, wobei diese in jedem zu verfolgenden Kraftfahrzeug ständig
eingeschaltet bleibt, und eine neue Infrastruktur für die BSs im gesamten
gewünschten Servicebereich. Eine Alternativlösung ist, entweder
vorhandene CTs zu verwenden, um die bestehende
Mobiltelefoniereichweite und die weite Verfügbarkeit kostengünstiger
CTs zu nutzen, oder GPS-Empfänger zu verwenden, um die
Verfügbarkeit und Genauigkeit von Satellitensignalen zu nutzen.
Auch das Verwalten einer Flotte erfordert das Anbringen einer HF-
Markierung wie bei Song, US-Patent Nr. 5,208,756, ausgegeben am 4. Mai
1993, und Sheffer et al., US-Patent Nr. 5,218,367, ausgegeben am 8. Juni
1993. Anstattdessen können vorhandene CTs verwendet werden, um
die bestehende Mobiltelefoniereichweite und die weite Verfügbarkeit
kostengünstiger CTs zu nutzen. Andererseits können GPS-Empfänger
verwendet werden, um die Verfügbarkeit und Genauigkeit von
Satellitensignalen zu nutzen.
Ohne Verlust der Allgemeingültigkeit werden wir im gesamten vorliegenden
Dokument annehmen, daß es die Absicht des WLS auf Handapparatbasis ist,
die horizontale Position des MR sowie seine horizontale Geschwindigkeit zu
schätzen. Falls sowohl die vertikale als auch die horizontale Position eines
MR geschätzt werden sollen, ist zusätzlich zur Mindestanzahl, die zum
horizontalen Orten erforderlich ist, eine weitere unabhängige Messung
erforderlich.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden mit Bezugnahme auf
die Figuren beispielhaft und ohne die Absicht, die Erfindung auf die
offenbarten konkreten Ausführungsformen zu beschränken, beschrieben,
wobei in den Figuren gleichartige Bezugszeichen gleichartige Elemente
bezeichnen. Es zeigen:
Fig. 1 das Aussenden eines Signals, si(t) (103), durch den i-ten BST (102)
wobei τo,i die Sendezeit (TOT) des Signals ist. Ein MR (101) empfängt das
Signal gemeinsam mit anderen Signalen, welche von einer Reihe von BSTs
übertragen werden.
Wenn der BST (102) einem auf IS-95 basierenden Sektor in einem BS
entspricht, kann das Signal, si(t) (103), ein Pilotsignal, ein
Synchronisiersignal, ein Paging-Signal oder ein Vorwärtsverkehrssignal sein.
Wenn si(t) ein Pilotsignal ist, besteht es aus einem Einzelcode, welcher alle 2
Sekunden genau 75 Mal wiederholt wird, mit einer Periode von 32,768 Chips.
Der Pilotcode ist als die "Pilot-PN-Sequenz" oder der "Kurzcode" bekannt.
Wenngleich bei IS-95 alle Sektoren denselben Kurzcode aussenden, wird der
Pilot, welcher von jedem Sektor gesendet wird, um ein ganzzahliges
Vielfaches von 64 Chips von jedwedem anderen Pilotsignal zeitversetzt,
welches absehbarerweise gleichzeitig von einem MR empfangen werden
könnte. Da der Code eine Periode von 32.768 Chips aufweist und Piloten 64
Chips voneinander beabstandet sind, sind 512 eindeutige Pilotphasen
möglich.
Wenn der BST (102) einem auf GPS basierenden Satelliten entspricht, kann
das Signal, si(t) (103), entweder ein Groberfassungssignal (CA-Signal) oder
ein Präzisionssignal sein. Ist si(t) ein CA-Signal, besteht es aus einem
eindeutigen Gold-Code pro Satellit (d. h. bis zu 24 unterschiedlichen Codes),
welcher genau 1000 Mal pro Sekunde wiederholt wird, mit einer Periode von
1023 Chips, mit BPSK-Zusatzmeldungen mit 50 Bit/Sekunde. Die Codes sind
als "CA-Codes" bekannt.
Wenn der BST (102) einem auf AMPs basierenden Sektor oder einem auf IS-
136/GSM basierenden Sektor in einem BS entspricht, kann das Signal, si(t)
(103), ein Vorwärtssteuerungskanalsignal (FOCC-Signal) oder ein
Vorwärtsfernsprechkanalsignal (FVC-Signal) sein. Ist si(t) ein FOCC-Signal,
so besteht es aus Digitalfarbcodes (DCCs) mit Zusatzmeldungen, welche sich
auf die Kanalnummern der Pagingkanäle beziehen. Jeder DCC besteht aus
bekannten Daten, welche für ihren entsprechenden Betriebssektor eindeutig
sind, durchsetzt mit Zusatzmeldungen.
Nach Fig. 1, zeigt Fig. 2 das Aussenden des Signals si(t) durch den i-ten
BST (201) zur Zeit "τo,i" und dessen Empfang durch den MR (202) zur
Eintreifzeit: "τi", für i = 1, 2, 3.
Wenn der BST auf IS-95 oder GPS basiert, so ist die Zeit τo,i die Zeit des
Sendens einer bestimmten Pilot-PN-Sequenz, während τi die Zeit des
Empfangs einer derartigen PN-Sequenz ist. Basiert das BST auf AMPs, so ist
die Zeit τo,i die Zeit des Sendens einer bestimmten DCC-Sequenz, während τi
die Zeit des Empfangs einer derartigen Sequenz ist. Um für die horizontalen
Koordinaten (x,y) des MR (202) zu Iösen, hängt die Mindestzahl
erforderlicher BSTs von der verwendeten Ortungstechnologie ab.
Fig. 3 zeigt den Eintreffwinkel für mehrere Wellenfronten von BSTs an
einem MR und nimmt an, daß sich der MR in bezug auf die Grundlinie
zwischen den beiden BSTs weit von BSTi und BSTj entfernt befindet. Eine
derartige Annahme setzt voraus, daß die übertragenen Wellenfronten eben
sind, d. h. γi ≅ γj ≅ γi,j, wobei:
- - γi der Eintreffwinkel (AOA) von Signal si(t) vom i-ten BST zum MR ist,
- - γj der AOA von Signal sj(t) vom j-ten BST zum MR ist, und
- - γi,j als jener Winkel definiert wird, welcher zwischen:
- 1. der Linie, welche den i-ten BST mit dem j-ten BST verbindet (welche wir als Liniei,j bezeichnen); und
- 2. der Linie, welche den MR (301) und den Mittelpunkt der Liniei,j zwischen den beiden BSTs verbindet, (welche wir als Linieo,i,j bezeichnen)
Fig. 4 zeigt die Bewegungsrichtung (DOT) "ϕ" (401) in bezug auf Northing
(im Uhrzeigersinn von Northing) und die Geschwindigkeit v (402) des MR
(404) in bezug auf die BSTs (403). "ϕ" und v stellen die Geschwindigkeit
des MR in bezug auf die BSTs (403) dar. Bei einem Zellensystem sind die
BSTs stationär, was bei einem auf Satelliten basierenden System nicht der
Fall ist.
Ohne Verlust der Allgemeingültigkeit zeigt Fig. 5 die zweidimensionale
(horizontalen) Positionsortskurve (501) für TDOA2,1 welche als
definiert ist, wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist, (x1, y1, z1) die
Koordinaten der Antenne von BST1 sind, (x2, y2, z2) die Koordinaten der
Antenne bei BST2 sind und (x,y) die Koordinaten des MR (502) sind. Dies
wird durch Verwendung von auf TDOA basierender hyperbolischer
Multilateration erreicht (wie dargestellt bei Turin, G. L. et al., "A Statistical
Model of Urban Multipath Propagation," JEEE Transactions on Vehicular
Technology, Bd. VT-21, Nr. 1, Februar 1972, und wie dargestellt bei Smith,
J. O. et al., "Closed-Form Least-Squares Source Location Estimation from
Range-Difference Measurements," IEEE Transactions on Acoustics, Speech,
and Signal Processing, Bd. ASSP-35, Nr. 12, Dezember 1987).
Im Fall, bei dem die dreidimensionalen Koordinaten des MR erforderlich
sind, müssen wir für (x,y,z) lösen, unter Verwendung von
Ohne Verlust der Allgemeingültigkeit zeigt Fig. 6 die beiden einander
schneidenden Positionsortskurven für die zweidimensionalen Koordinaten
(x,y) des MR (603), welche auf TDOA2,1 (601) und TDOA3,1 (602) beruhen.
Mit anderen Worten: es ist möglich für (x,y) als Kreuzung zwischen den
beiden Trajektorien zu lösen, welche durch Verwendung von drei
Eintreffzeiten (TOAs) erhalten werden (nach Wählen der richtigen Seite jeder
Hyperbel). Um für (x,y,z) zu lösen, benötigen wir vier TOAs.
Fig. 7a zeigt die zweite Stufe des WLS, wobei das Signal, si(t), vom MR
(701) empfangen wird. Der MR (701) verarbeitet das empfangene Signal,
ri(t), um seine eigenen Koordinaten (x,y), seine eigene Geschwindigkeit v und
seine eigene DOT ϕ mit Hilfe eines an einem bekannten Standort
angeordneten Referenzempfängers (RR) (702) zu schätzen. Es ist Aufgabe
des RR, die Referenzinformationen in bezug auf die BSTs zu schätzen und
diese zum MR (701) zu übertragen. Wir bezeichnen ein derartiges System als
Option I.
Fig. 7b zeigt eine Alternative der zweiten Stufe des drahtlosen
Ortungssystems, wobei das Signal, si(t), vom MR (703) empfangen wird. Der
MR verarbeitet das empfangene Signal, ri(t), und überträgt die
Lageinformationen zum RR (704). Der RR schätzt seinerseits die
Koordinaten (x,y) des MR, seine Geschwindigkeit v und DOT ϕ, unter
Zugrundelegung der Lageinformationen, die vom MR (703) ausgesendet
werden, und unter Zugrundelegung der Referenzinformationen, die vom RR
(704) geschätzt werden. Wir bezeichnen ein derartiges System als Option II.
Fig. 7c zeigt noch eine weitere Alternative der zweiten Stufe des drahtlosen
Ortungssystems, wobei das Signal, si(t), vom MR (705) empfangen wird. Der
MR verarbeitet das empfangene Signal, ri(t), und sendet die
Lageinformationen zu einem dritten Empfänger (TR) (706). Der RR (707)
schätzt seinerseits die Referenzinformationen in bezug auf die BSTs und
überträgt diese zu demselben dritten Empfänger (TR) (706). Der TR schätzt
die Koordinaten (x,y) des MR, seine Geschwindigkeit v und DOT ϕ, unter
Zugrundelegung der Lageinformationen, welche vom MR (705) ausgesendet
werden, und unter Zugrundelegung der Referenzinformationen, welche vom
RR (707) ausgesendet werden. Wir bezeichnen ein derartiges System als
Option III.
Fig. 8 zeigt die Beschreibung von Konstruktion I für den MR. Das
empfangene HF-Signal ri(t), welches vom i-ten BST übertragen wird, wird
zunächst durch ein HF-Bandpaßfilter (BPF) (802) gefiltert, durch einen HF-
Verstärker (803) verstärkt, durch eine oder mehrere Zwischenfrequenzstufen
(ZF-Stufen) (810) abwärtskonvertiert. Jede ZF-Stufe besteht aus einem
Mischer (804) mit einer LO (808), welche durch Verwendung eines HF-
Synthesizers (809) erzeugt wird, einem ZF-BPF (805) und einem ZF-
Verstärker (806). Nach den ZF-Stufen wird das resultierende analoge ZF-
Signal (807) mit ZF-Frequenz f1 durch ein Prealiasingfilter (811) gefiltert,
durch einen A/D (812) abgetastet und durch Verwendung digitaler Filter
(813) nochmals gefiltert, um ein digitales ZF-Signal (814) mit mittlerer
Frequenz f2 zu erzeugen, wobei f2 < f1. Ein optioneller direkter
Digitalwandler (DDC) (815) wird verwendet, um das digitale ZF-Signal (814)
auf Basisband abwärts zu konvertieren. Das resultierende Signal wird
daraufhin von einem digitalen Signalprozessor (DSP) (817) verarbeitet, um
die Eintrefffrequenz (FOA) des empfangenen Signals, ri(t), zu schätzen. Eine
Funktion der geschätzten FOA wird zu einem Direktdigitalsynthesizer (DDS)
(819) rückgeführt, welcher den HF-Synthesizer (809) steuert. Der DSP (817)
liefert auch ein Referenzsignal (820) an den DDS (819). Eine bevorzugte
Quelle für das Referenzsignal (820) ist eine, welche allen BSTs gemein ist,
beispielsweise ein GPS-Signal.
Fig. 9a, 9b, 9c und 9d zeigen ein Ablaufdiagram für die Ortungsstrategie.
Die Ortungsstrategie besteht aus einer Reihe von Algorithmen
(Kleinstquadrate, Lage auf der konischen Achse (LOCA), Ebenenschnitt) und
mehreren Entscheidungen. In Anbetracht eines Satzes von Beobachtungen
gibt es 4 mögliche Resultate: zwei LS-Positionslösungen (908), zwei LOCA-
Positionslösungen (909), eine LS-Positionslösung (923, 936) und keine
Positionslösung (927).
Fig. 10 zeigt die bevorzugte Ausführungsform eines Algorithmus, mit
welchem ein MR TOA-Schätzwerte von Mehrfach-IS-95-Pilotsignalen
erhalten kann. Für jeden Piloten erfolgt eine Suche über mehrfache
Verzögerungszeiten. Wird ein Pilot erfaßt, so wird er weiter beobachtet, um
einen TOA-Schätzwert von verbesserter Genauigkeit zu erhalten.
Fig. 11 zeigt Korrelationswerte, welche eventuell beim Suchen nach einem
bestimmten Piloten über mehrfache Verzögerungszeiten oder
Verzögerungsoffsets erhalten werden. Ec/Io ist das Verhältnis der
durchschnittlichen Pilotchipenergie zur empfangenen Gesamtleistung. Ein
höherer Wert für Ec/Io zeigt eine größere Wahrscheinlichkeit des Eintreffens
des Pilotsignals an einem bestimmten Verzögerungsoffset an. In dieser Figur
werden die Verzögerungsoffsets in IS-95-Chips (ungefähr 0,814 µs)
ausgedrückt. In dieser Figur zeigt die horizontale gestrichelte Linie eine
Schwelle an (in diesem Fall -15 dB) zur Erfassung des Eintreffens des
Piloten. Es wird davon ausgegangen, daß ein Ec/Io-Wert, der größer als diese
Schwelle ist, ein Eintreffen des Pilotsignals am MR zu jener bestimmten
Verzögerungszeit anzeigt.
Fig. 12 zeigt eine mögliche Architektur für die Ausführungsform des MR
als ein CDMA CT, welches verwendet werden kann, um den Algorithmus
von Fig. 10 zu implementieren. Unter der Führung der Steuerung sucht der
Sucher nach Pilotsignalen an unterschiedlichen Verzögerungszeiten des
empfangenen Signals des MR. Die Demodulatorfinger werden
unterschiedlichen Pilotsignalen zugeordnet. Ist ein Demodulatorfinger einem
Pilot zugeordnet, so wird dieser seine Zeiteinstellung nachführen, um den
Pilot zu verfolgen, und so kann dieser Daten, welche synchron mit jenem
Pilot übertragen werden, demodulieren. Diese Architektur wird im US-Patent
Nummer 5,764,687, Mobile Demodulator Architecture for a Spread Spectrum
Multiple Access Communications System, beschrieben.
Die folgenden Begriffsbestimmungen haben Vorrang vor den Definitionen
für dieselben Begriffe, welche in der offenen Literatur zu finden sind.
- - Mobilempfänger (MR): ist eine Vorrichtung, welche ortsveränderlich oder feststehend sein kann, welche nur aus einem Empfänger oder aus sowohl einem Empfänger als auch einem Sender bestehen kann. Es kann sich dabei um ein gewöhnliches Mobiltelefon (CT), ein PCS-Telefon (Personalkommunikationssystem-Telefon), ein Schnurlostelefon, einen Personal Digital Assistant (PDA), einen GPS-Empfänger oder eine Kombination daraus handeln. Es kann eine Funkmarkierung oder ein drahtloses Telefon sein, welches nicht den Audio-Abschnitt des Telefons enthält. Es kann auch ein Sender sein, welcher periodisch über einen bestimmten Kanal sendet, oder ein Empfänger, welcher Funksignale empfängt, oder beides.
- - Referenzempfänger (RR): ist eine Vorrichtung an einem in bezug auf den Standort von BSTs, welche Funksignale aussenden, die von sowohl MR als auch RR empfangen werden sollen, bekannten Standort. Ein RR kann ortsveränderlich oder feststehend sein. Er kann nur aus einem Empfänger oder aus sowohl einem Empfänger als auch einem Sender bestehen. Der RR schätzt die TOA, POA, SOA und/oder FOA von Signalen, welche von den BSTs übertragen werden. Entweder überträgt er die Referenzinformationen zum MR oder zum TR oder er empfängt die Lageinformationen vom MR. In manchen eindeutigen Situationen, wenn die BSTs auf ein gemeinsames Signal referenziert werden, ist der RR nicht erforderlich.
- - Referenzinformationen: sind die geschätzten TOA, POA, SOA und/oder FOA der Signale, welche von einer Reihe von BSTs am RR gesendet werden, sowie die Lage derartiger BSTs.
- - Lageinformationen: ist die geschätzte TOA, POA, SOA und/oder FOA der Signale, welche von einer Reihe von BSTs am MR gesendet werden.
- - Dritter Empfänger (TR): ist eine Vorrichtung, welche Lageinformationen vom MR sowie Referenzinformationen vom RR empfängt, um die Lage des MR zu schätzen. Sie kann nur ein Empfänger oder ein Sender und ein Empfänger sein. Die mobile Schaltzentrale (MSC) kann die Rolle des TR erfüllen.
- - Basisstationssender (BST): ist eine Vorrichtung, deren Standort in bezug auf andere BSTs zu einem bestimmten Zeitpunkt bekannt ist. Ein BST kann ortsveränderlich oder feststehend sein. Er kann nur aus einem Sender oder aus sowohl einem Empfänger als auch einem Sender bestehen. Er kann eine gewöhnliche Zellenbasisstation (BS), ein gewöhnlicher Satelliten-Transceiver, ein GPS-Satellit, ein Loran-C-Sender, ein dedizierter Sender, ein Transponder oder jede beliebige andere Art von Sender-/Transceiver-Kombination sein.
- - Host: ist ein Prozessor, welcher die Lageinformationen gemeinsam mit den Referenzinformationen verarbeitet, um die Lage des MR zu schätzen. Die Funktion des Host kann vom MR, vom RR oder von einem TR ausgeführt werden. Der Host kann auch für Ortungsdienste, beispielsweise für Flottenmanagement, standortabhängige Verrechnung usw., zuständig sein.
- - WLS auf Netzbasis (Vorwärts-/Abwärtsstrecken-WLS): ortet einen Mobilempfänger (MR) durch Verwendung einer Mehrzahl von BSTs, welche Signale aussenden, die sowohl vom MR als auch vom RR empfangen werden.
- - WLS auf Handapnaratbasis (Rückwärts-/Aufwärtsstrecken-WLS): ortet einen Mobilsender (MT) durch Verwendung einer Mehrzahl von Empfängern, welche das Signal, das vom MT ausgesandt wird, empfangen.
- - Zelle: ist ein geographischer Bereich, der von einer Zellenbasisstation (BS) versorgt wird.
- - Sektorisierte Zelle: ist eine Zelle, welche aus mehreren einander nicht überlappenden Sektoren besteht. Jeder Sektor kann als eine unabhängige Zelle betrachtet werden, welche von einer eigenen Zellen-BS versorgt wird. Sektoren in einer Zelle werden jedoch für gewöhnlich von derselben Zellen-BS versorgt, um Kosten und Komplexität zu minimieren. Wir bezeichnen eine derartige BS als sektorisierte BS.
- - Pilotkanal: ist der Kanal, welcher von jedem Sektor zu verwenden ist, um ein (örtlich eindeutiges) Pilotsignal zu übertragen.
- - Pilotsignal: wird als eine dem MR bekannte Sequenz definiert.
- - Wie in der IS-95-Norm definiert wird, ist diese Sequenz ein Code, welcher alle 2 Sekunden genau 75 Mal wiederholt wird, und als "Pilot-PN-Sequenz" oder "Kurzcode" bekannt. Wenngleich alle Sektoren dasselbe Pilotsignal übertragen, weisen die Übertragungen von jeder Basisstation eine unterschiedliche Synchronisation oder Phasen auf, welche die Pilotsignale unterscheiden. Phaseninkremente werden als Vielfache von 64 Chips angegeben, wobei 1 Chip 1/1,2288 Microsekunden entspricht. Der Versatz in Einheiten von 64 Chips wird als Pilot-PN-Versatz bezeichnet. Pilotinkremente in einem Netz betragen für gewöhnlich 3 oder 4 PN- Versätze. APN-Versatz von 4 entspricht 256 Chips oder 208,3 Mikrosekunden.
- - Wie in der AMPs-Norm oder in der IS-136/GSM-Norm definiert ist, ist diese Sequenz ein Digitalfarbcode (DCC), welcher in bestimmten Zeitabständen wiederholt wird.
- - Superauflösungsalgorithmus (SR-Algorithmus): ist eine Operation,
welche ein Zeitdomänensignal, s(t), in ein Frequenzdomänensignal, S(f),
umwandelt, derart, daß das Frequenzdomänensignal, S(f), eine bessere
Auflösung als die Auflösung, welche durch die Fourier-Transformation
F{s(t)} geboten wird, von s(t) aufweist. Umgekehrt wandelt ein SR-
Algorithmus ein Frequenzdomänensignal, S(f), in ein Zeitdomänensignal,
s(t), mit einer besseren Auflösung als jener Auflösung, welche von der
umgekehrten Fourier-Transformation geboten wird, d. h. s(t) weist eine
bessere Auflösung als die umgekehrte Fouriertransformation F-1{S(f)}, von
S(f)) auf. Beispiele für SR-Algorithmen sind in der Literatur bestens
bekannt und umfassen:
- - MUSIC/ Wurzel MUSIC,
- - ESPRIT,
- - autoregressiver gleitender Durchschnitt,
- - Minimalvarianz,
- - MUSIC unter Verwendung höherrangiger Statistik,
- - ESPRIT unter Verwendung höherrangiger Statistik,
- - autoregressiver gleitender Durchschnitt unter Verwendung höherrangiger Statistik oder
- - Minimalvarianz unter Verwendung höherrangiger Statistik.
- - Frequenzdomänen-Rayleigh-Auflösung: ist die Frequenzdomänenauflösung, welche von der Fourier-Transformation angeboten wird.
- - Zeitdomänen-Rayleigh-Auflösung: ist die Zeitdomänenauflösung, welche von der inversen Fourier-Transformation angeboten wird.
- - Inverser SR-Algorithmus: ist ein Algorithmus, welcher ein
Zeitdomänensignal verarbeitet, um seine Zeitdomänenauflösung relativ zur
herkömmlichen Zeitdomänen-Rayleigh-Auflösung zu verbessern. Eine
bevorzugte Ausführungsform des inversen SR-Algorithmus umfaßt
- - einen herkömmlichen Zeitdomänenkorrelator,
- - ein Zeitdomänenfenster,
- - eine Fourier-Transformation,
- - ein Frequenzdomänenfenster,
- - einen Frequenzdomänenequalizer und
- - einen Prozessor, welcher einen SR-Algorithmus ausführt, um die TOAs im empfangenen Signal an einem bestimmten MR aufzulösen.
- - einen Frequenzdomänenkorrelator,
- - ein Frequenzdomänenfenster,
- - eine inverse Fourier-Transformation,
- - ein Zeitdomänenfenster,
- - einen Zeitdomänenequalizer und
- - einen Prozessor, der einen SR-Algorithmus ausführt, um die FOAs im empfangenen Signal an einem bestimmten MR aufzulösen.
- - Sektorantennen: sind Zellen-Antennen, welche in einigen BS, die mehr als einen Sektor abdecken, vorliegen. Jeder Sektor weist eine dedizierte Antenne (oder einen Satz von Antennen, falls Diversität angewendet wird) auf.
- - Filter auf Fourier-Transformations-Basis: sind Filter, welche:
- 1. das Zeitdomänensignal Fourier-transformieren, danach
- 2. das transformierte Signal über ein bestimmtes Band "fenstern" und
- 3. das "gefensterte" Signal einer inversen Fourier-Transformation unterziehen.
Das CT mißt die Qualität empfangener Pilotsignale durch Berechnen des
Verhältnisses zwischen der empfangenen Energie eines Piloten (Ec) zur
gesamten durch das Mobilgerät empfangenen Leistung (Io). Diese Messung
wird als Ec/Io des Piloten bezeichnet. Diese Messung steht in engem
Zusammenhang mit der Signalstärke des Piloten. Ein IS-95 CT bedient sich
der Ec/Io-Messung eines Piloten, um die Eignung der
Kommunikationsverbindung zwischen sich selbst (dem CT) und jenem
bestimmten Sektor in einem BS zu schätzen. Wenn sich beispielsweise ein
CT in einem Modus befindet, in welchem es stets nur mit einem Sektor auf
einmal kommunizieren kann, kann es beschließen, mit jenem Sektor zu
kommunizieren, der das höchste vom CT gemessene Ec/Io aufweist.
Ein IS-95 CT kann ein Sucherelement und mehrere Demodulatorfinger
aufweisen, wie aus Fig. 12 hervorgeht. Ein Sucher wird verwendet, um
durch Messen des Ec/Io eines Pilotsignals zu verschiedenen Verzögerungen
nach Pilotsignalen zu suchen. Ein Demodulatorfinger verfolgt ein Pilotsignal
und kann ein Informationssignal, welches mit dem Pilotsignal verbunden ist,
demodulieren.
Zusätzlich zum Übertragen eines Pilotsignals kann eine Basisstation auch ein
oder mehrere Informationssignale, welche mit dem Pilot verbunden sind,
übertragen. Diese informationstragenden Signale werden mit derselben
Hochfrequenz übertragen wie deren zugeordnetes Pilotsignal und werden mit
dem Pilotsignal synchronisiert. Somit wird ein Informationssignal
Ausbreitungseffekten (Dämpfung, Phasenverschiebung, Zeitverzögerungen,
Mehrwegeführung, Frequenzverschiebung) unterzogen, welche jenen seines
zugeordneten Pilotsignals nahezu gleichen. Ein Mobilgerät verfolgt dann die
Ausbreitungseffekte eines Piloten, um das Demodulieren von Informationen
aus einem zugeordneten Signal oder Codekanal zu unterstützen. Ebenso kann
das Mobilgerät die Zuverlässigkeit von Informationen, die aus einem
Codekanal demoduliert werden, aufbauend auf der Ec/Io-Qualitätsmessung
des zugeordneten Pilotsignals schätzen.
Im allgemeinen sucht ein CT nach Pilotsignalen unter Verwendung eines oder
mehrerer Sucher und ordnet dann ausgehend von den Sucherergebnissen
Demodulatorfinger zu, um Informationen aus Codekanälen, die mit
geeigneten Piloten verbunden sind, zu demodulieren. Dieser Vorgang ist ein
kontinuierlicher, damit sich die Fingerzuordnung an die sich ändernden
Bedingungen, welche für eine CT-Zellenumgebung typisch sind, anpaßt.
Während des Normalbetriebs werden die Sucher und Demodulatorfinger in
einem IS-95 CT für gewöhnlich gemäß Algorithmen zugeordnet, welche die
Kommunikationsleistung des Telefons und des Gesamtnetzes optimieren.
Diese Zuordnungsalgorithmen schränken die Schätzleistung des CT-
Standortes ein, da sie oftmals Pilotsignale außer Acht lassen, welche für die
Schätzung des Standortes zweckdienlich sind. Wir bevorzugen es, das CT
dazu zu zwingen, einen Zustand einzunehmen, der für die Ortung optimiert
ist.
- - Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Drahtlosortungssystem (WLS) auf Handapparatbasis vorgesehen, wodurch ein MR durch Verwendung von Signalen, welche sowohl vom MR als auch einem RR empfangen werden, geortet werden kann. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, die statischen und kinematischen Positionsinformationen eines MR, welcher Signale empfängt, die von einer Reihe von BSTs ausgesendet werden, zu schätzen.
- - Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System vorgesehen, welches eine Korrektur für die Fehlerquellen, welche die unterschiedlichen Ortungstechnologien für ein WLS auf Handapparatbasis beeinflussen, auf eindeutige und neuartige Weise realisiert.
- - Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System vorgesehen, welches für die Position des MR durch Verwendung von Kleinstquadrate löst, wobei Abschlußfehler und standardisierte Residuen verwendet werden, um die Beobachtungen zu markieren, welche eventuell einen Blunder aufweisen.
- - Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System vorgesehen, welches sich des Verfahrens nach Chaffee oder der Lage auf der konischen Achse (LOCA) bedient, um Lösungsbinärverzweigung zu erkennen.
- - Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System vorgesehen, das sich LOCA und/oder Ebenenschnittes bedient, um eine Ausgangsposition für Kleinstquadrate vorzusehen.
- - Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System vorgesehen, das sich einzeln oder als Kombination TDOA-Beobachtungen, Hybrid- TDOA-Beobachtungen und AOA-Beobachtungen bedient, um den MR zu orten.
- - Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System vorgesehen, welches die AOA-Mehrdeutigkeit an einer Zellen-BS durch Verwendung der TDOA-Informationen von zwei entfernt gelegenen BSs oder des AOA von mehreren Sektoren an derselben Zellen-BS auflöst.
- - Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System vorgesehen, welches sich der Bereichsinformationen von zwei BSTs oder des AOA von mehreren Sektoren an derselben Zellular-Basisstation bedient, um die AOA-Mehrdeutigkeit an einem derartigen BST aufzulösen.
- - Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Drahtlosortungssystem (WLS) auf Handapparatbasis vorgesehen, wobei ein MR durch Verwendung von Signalen, welche sowohl vom MR als auch einem RR empfangen werden, geortet werden kann. Insbesondere ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, die statischen und kinematischen Positionsinformationen eines MR, welcher Signale empfängt, die von einer Reihe von BSTs ausgesendet werden, zu schätzen.
- - Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Verwendung der
SR- und inversen SR-Algorithmen bezüglich der Korrelationsfunktion
(welche durch Korrelieren der empfangenen Signale sowohl am MR als
auch am RR mit einer reinen Version von sich selbst erhalten wird)
vorgesehen, um:
- - die Korrelationsspitzen über die Rayleigh-Auflösung hinaus aufzulösen und
- - die Verwendung einer Schwelle beim Auswählen der Korrelationsspitze zu vermeiden.
- - Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System und Verfahren zum Orten eines MR durch Schätzen der Eintreffphase (POA) von vorhandenen oder generierten Tönen vorgesehen, welche in den empfangenen Signalen enthalten sind. Die generierten Töne können durch Ausführen einer nichtlinearen Operation bezüglich der empfangenen Signale am MR erhalten werden. Die Phasen der vorhandenen oder generierten Töne können mittels SR-Algorithmen herausgelöst werden, um die Auswirkung von Mehrwegeführung durch Wählen des Tons, welcher dem zeitbezogen ersten Eintreffen entspricht, zu reduzieren.
- - Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung der geschätzten POA, um entweder die TOA der empfangenen Signale oder deren AOA durch Verwendung der Eintreffphasendifferenz (PDOA) zu schätzen.
- - Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, die AOA-Mehrdeutigkeit an einer Zellen-BS durch Verwenden der TDOA-Informationen von zwei entfernt gelegenen BSs oder des AOA von mehreren Sektoren an demselben Zellen-BS aufzulösen.
- - Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung der Bereichsinformationen von zwei BSTs oder des AOA von mehreren Sektoren an derselben Zellen-Basisstation, um die AOA-Mehrdeutigkeit an einem derartigen BST aufzulösen.
- - Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Drahtlosortungssystem (WLS) auf Handapparatbasis vorgesehen, wodurch ein MR durch Verwendung von Signalen, welche sowohl vom MR als auch einem RR empfangen werden, geortet werden kann. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, die statischen und kinematischen Positionsinformationen eines MR, welcher Signale empfängt, die von einer Reihe von BSTs ausgesendet werden, zu schätzen.
- - Es ist ebenso ein Aspekt der Erfindung, ein System vorzusehen, welches eine Korrektur für die Fehlerquellen, welche die unterschiedlichen Ortungstechnologien für ein WLS auf Handapparatbasis beeinflussen, auf eindeutige und neuartige Weise realisiert. Insbesondere wird vorgeschlagen, eine Korrektur für Frequenzfehler, Taktoffsets, Gesamtgruppenlaufzeiten, Mehrwegeführung und Interferenz durchzuführen.
- - Noch ein anderer Aspekt der Erfindung ist, die Dopplerverschiebung (dfi) in jedem empfangenen Signal am MR zu schätzen, um die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung (DOT) des MR unter Verwendung von der Eintrefffrequenzdifferenz (FDOA) zu schätzen. Dies gilt für Modifikationen: I und II.
- - Noch ein anderer Aspekt der Erfindung ist, die Verwendung von RRs zu minimieren, um die Kosten und Komplexität eines WLS auf Handapparatbasis zu senken. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Drahtlosortungssystem (WLS) auf Handapparatbasis herzustellen, wobei ein MR, ohne einen RR zu erfordern, geortet werden kann. Dies gilt für alle drei Modifikationen: 0, I und II.
- - Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Drahtlosortungssystem (WLS) auf Handapparatbasis vorgesehen, wodurch ein MR durch Verwendung von Signalen, welche sowohl vom MR als auch einem RR empfangen werden, geortet werden kann. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, die statischen und kinematischen Positionsinformationen eines MR, welcher Signale empfängt, die von einer Reihe von BSTs ausgesendet werden, zu schätzen.
- - Ein weiterer Beitrag dieser Erfindung ist die Weise, auf welche ein CT
aufgefordert wird, als MR in einem WLS auf Handapparatbasis zu agieren,
wobei ein Sender in einer Zellen-BS als ein BST betrachtet wird. Man
sollte sich auch vor Augen halten, daß, damit ein CT als ein MR fungiert,
eventuell ein gewisser Grad an CT-Modifizierung erforderlich ist. Da es
weltweit eine große Anzahl bestehender CTs gibt, ist es wichtig, sich vor
Augen zu halten, daß manche Grade der Modifikation des CT derzeit
bestehende CTs eventuell ausschließen (was kein erwünschtes Resultat ist).
Wir bemühen uns, den Grad der CT-Modifikation für ein gewünschtes
WLS-Leistungsniveau zu senken. Drei Grade der CT-Modifikation wurde
bei diesem Patent festgestellt:
- 1. Modifikation 0, welche keine Modifikation des CT erfordert;
- 2. Modifikation I, welche nur softwaremäßige Modifikation des bestehenden CT erfordert; und
- 3. Modifikation II, welche sowohl software- als auch hardwaremäßige Modifikationen des bestehenden CT erfordert.
Es ist ein Aspekt der Erfindung, Modifikation 0, I und II gegenüber
existierenden Verfahren zu verbessern.
- - Ein Aspekt der Erfindung ist es, ein System vorzusehen, welches die Schwelle optimiert, die beim Wählen der Korrelationsspitze verwendet wird, und die Liste von Signalen zu optimieren, welche für die Korrelation in Betracht gezogen werden, für alle Modifikationen: 0, I und II. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, sowohl die Schwelle als auch die Liste von Signalen, welche für die Korrelation in Betracht gezogen werden, auf der Grundlage des Minimierens der HDOP zu optimieren.
- - Noch ein anderer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung der SR- und
inversen SR-Algorithmen in bezug auf die Korrelationsfunktion (welche
durch Korrelieren der empfangenen Signale an sowohl MR als auch RR
mit einer reinen Version von ihnen selbst erhalten wird), um:
- - die Korrelationsspitzen jenseits der Rayleigh-Auflösung aufzulösen und
- - die Verwendung einer Schwelle beim Auswählen der Korrelationsspitze zu vermeiden.
- - Noch ein anderer Aspekt der Erfindung ist ein System zum Orten eines MR durch Schätzen der Eintreffphase (POA) von vorhandenen oder generierten Tönen, die in den empfangenen Signalen enthalten sind. Die generierten Töne können durch Ausführen einer nichtlinearen Operation bezüglich der empfangenen Signalen am MR erhalten werden. Die Phasen der vorhandenen oder generierten Töne können durch Verwendung von SR- Algorithmen herausgelöst werden, um der Effekt der Mehrwegeführung durch Wählen des Tones zu reduzieren, welcher dem ersten Eintreffen in der Zeit entspricht. Dies gilt für Modifikationen: I und II.
- - Noch ein anderer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung der geschätzten POA, um entweder die TOA der empfangenen Signale oder ihren AOA durch Verwendung der Eintreffphasendifferenz (PDOA) zu schätzen. Dies gilt für Modifikationen: I und II.
- - Noch ein anderer Aspekt der Erfindung ist das Vorsehen eines Systems, welches die Dopplerverschiebung (dfi) in jedem empfangenen Signal am MR schätzt, um die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung (DOT) des MR unter Verwendung der Eintrefffrequenzdifferenz (FDOA) schätzt. Dies gilt für Modifikationen: I und II.
- - Noch ein anderer Aspekt der Erfindung ist ein System, welches die Verwendung von RRs minimiert, um die Kosten und Komplexität eines WLS auf Handapparatbasis zu reduzieren. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Drahtlosortungssystem (WLS) auf Handapparatbasis vorgesehen, wobei ein MR, ohne einen RR zu erfordern, geortet werden kann. Dies gilt für alle drei Modifikationen: 0, I und II.
- - Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System vorgesehen, welches die AOA-Mehrdeutigkeit an einer Zellen-BS durch Verwendung der TDOA-Informationen von zwei entfernt gelegenen BSs oder des AOA von mehreren Sektoren an derselben Zellen-BS auflöst.
- - Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System vorgesehen, welches die Bereichsinformationen von zwei BSTs oder den AOA von mehreren Sektoren an derselben Zellenbasisstation verwendet, um die AOA-Mehrdeutigkeit an einem derartigen BST aufzulösen.
In einem WLS beeinflussen viele Faktoren die Systemleistung:
- 1. HF-Abschattung und flacher Schwund,
- 2. Frequenzversatz (einschließlich LOs-Drift und Dopplerverschiebungen),
- 3. Taktfehler,
- 4. Zeitverzögerungen,
- 5. Rauschen,
- 6. Mehrwegeführung (selektiver Schwund),
- 7. Interferenz;
- 8. geographische Geometrie der BSTs relativ zum beabsichtigten MR.
Jeder Faktor beeinträchtigt die geschätzte Position des MR in Abhängigkeit
von der Technologie, welche zum Herauslösen der unabhängigen
Gleichungen, die zur Ortung erforderlich sind, verwendet wird.
Insbesondere kann das Tiefpaß(LP)-Äquivalenzsignal,
i(t), welches vom i-ten BST übertragen wird, modellhaft dargestellt werden
als:
i(t) = e-j2π(fc+Δfi)τo,i ej(2πΔfit+ζi) pi(t - τo,i) (3)
und das HF-Übertragungssignal, si(t), (siehe Fig. 1) kann ausgedrückt
werden als:
si(t) = Re{ej2πfct i(t)} (4)
wobei
- - Re {.} eine Realteiloperation bezeichnet;
- - fc die Trägerfrequenz ist,
- - Δfi der Frequenzversatz von fc ist (für gewöhnlich dem MR nicht bekannt, da er vom BST abhängt; er ist vom RR zu schätzen),
- - τo,i = Sendezeit von Signal pi(t) (ebenfalls dem MR unbekannt),
- - ζi die Phase der Frequenz fc + Δfi ist (ebenfalls dem MR unbekannt),
- - j = √-1 und
- - pi(t) ein bandbegrenztes Basisbandsignal ist, welches vom i-ten BST übertragen wird.
Nun kann das LP-Äquivalenzsignal, i(t), welches vom MR
empfangen wird und (t) entspricht, modellhaft dargestellt werden als:
i(t) = GiRi -n ej(θi+ζi) ej2π(δfi+Δfi)t pi(t - τi + τo,i - Δti) + wi(t) + MPi(t) + i(t) (5)
und das HF-Empfangssignal, ri(t), (siehe Fig. 2) kann ausgedrückt werden
als:
ri(t) = Re{ej2πfct i(t)} (6)
wobei
- - Re {.} eine Realteiloperation bezeichnet;
- - Gi die (reelle) Verstärkung aufgrund der Sende- und Empfangsantennen darstellt: vom i-ten BST zur MR-Antenne (d. h. eine Funktion der beiden Antennenmuster),
- - Ri -n die (reelle) Dämpfung aufgrund des Ausbreitungskanals darstellt,
wobei- - n eine reelle Zahl ist (für gewöhnlich zwischen 2 und 4), welche vom Kanal abhängt, und
- - Ri der Bereich zwischen dem i-ten BST und dem MR ist,
θi = {-2π(fc + δfi + Δfi) (τi - τo,i + Δti)}mod 2π (7)
- - δfi der Frequenzversatz infolge der Dopplerverschiebung relativ zum Ausbreitungskanal ist (eine Funktion der Geschwindigkeit, v, hinsichtlich der BSTs und der Bewegungsrichtung (DOT), ϕ, in bezug auf Northing).
- - τi = TOA eines Signals pi(t - τo,i) (eine Funktion des Bereiches Ri),
- - Δti die Gesamtgruppenlaufzeit durch den i-ten BST zur MR-Antenne (für gewöhnlich eine Funktion der Frequenz) ist,
- - wi(t) das additive Gaußsche weiße Rauschen (AWGN, komplex) infolge thermischen Rauschens am MR darstellt (eine Funktion von Temperatur und Bandbreite),
- - MPi(t) alle Mehrwegekomponenten (komplex) an der MR-Antenne darstellt (eine Funktion der Umgebung und der Höhenlage der Antennen), und
- - i(t) Tiefpaß-Äquivalenzinterferenz (sowohl vom Inband- als auch vom Außerbandtyp) am MR darstellt.
Bei IS-95 wird ein Reihe von Pilotsignalen,
Synchronisiersignalen, Pagingsignalen und Vorwärtsverkehrssignalen über
dasselbe Frequenzband in der Vorwärtsstrecke gesendet. Bei GPS wird eine
Reihe von Signalen von den Satelliten über dasselbe Frequenzband gesendet.
Mit anderen Worten: in einem CDMA-System stellt i(t) alle CDMA-Signale
ausschließlich i(t) dar.
Mehrere ZF-Stufen abwärtskonvertieren das
empfangene HF-Signal, ri(t), in ein analoges Basisbandsignal, i(t), was dem
Ausführen der folgenden Operation gleichkommt:
i(t) = Re{ej2πfct i(t) e-j2π(fc+Δfo)t e-jζo } = Re{i(t) e-j2πΔfot e-jζo } (8)
wobei
- - Δfo der Frequenzfehler zwischen den lokalen Oszillatoren (LOs) im MR-Empfänger und der Trägerfrequenz fc ist; und
- - ζo die Trägerphase in den lokalen Oszillatoren (LOs) des MR ist.
Aus den Gleichungen (5), (6) und (8) kann man:
- - "ψi = θi - ζo + ζi " als Eintreffphase (POA) des empfangenen Signals, i(t), vom i-ten BST am MR; und
- - "fi = δfi - Δfo + Δfi" als Eintrefffrequenz (FOA) des empfangenen Signals, i(t), vom i-ten BST am MR bezeichnen.
Schließlich wandelt ein Analog-Digital-Wandler (A/D-
Wandler) das Basisbandsignal, (t), in ein digitales Signal (m), was dem
Ausführen der folgenden Operation gleichkommt:
(m) = (t)|t = m Δ T + q(m) (9)
wobei
- - ΔT das Abtastintervall im MR ist;
- - m eine Ganzzahl ist; und
- - q(m) das Quantisierungsrauschen ist, welches von der Anzahl von Bits im A/D-Wandler abhängt.
Es gibt mehrere Informationsquellen, aus welchen eine unabhängige
Gleichung aus Gleichung (5) extrahiert werden kann, welche die statische
Lage des MR, d. h. die Koordinaten (x,y) des MR, betrifft:
- 1. Ri -n,
- 2. ψi, und
- 3. pi(t - τi + - Δti).
Darüber hinaus gibt es eine Informationsquelle, aus welcher eine
unabhängige Gleichung aus Gleichung (5) extrahiert werden kann, welche die
kinematische Lage des MR, d. h. die Geschwindigkeit , betrifft, und zwar:
- 1. fi.
Beginnend mit den statischen Informationen haben wir:
Im statischen Fall kann die erste Quelle, Ri -n, verwendet werden, um
Ri zu schätzen. Allerdings ist Ri -n aufgrund des Wesens des Funkkanals
unzuverlässig, bei dem HF-Abschattung und flacher Schwund den Wert von
"n" in "Ri -n" von 2 (für Sichtverbindung (LOS)) bis 4 (für eine städtische
Umgebung, wie bei Hata, M., "Empirical Formula for Radio Propagation
Loss in Land Mobile Radio Services," IEEE Transactions on Vehicular
Technology, Bd. VT-29, Nr. 3, August 1980, gezeigt wird) oder sogar 6 in
stark verstädterten Umgebungen abweichen lassen. Somit kann, sofern nicht
LOS zwischen dem MR und dem i-ten BST gewährleistet ist, Ri -n nur eine
Genauigkeit von einigen Kilometern für Ri bieten. Im Fall, in dem LOS
gewährleistet ist (z. B. in einer flachen Umgebung, beispielsweise auf dem
Meer oder über einem See), muß Gi dem i-ten BST bekannt sein und kann "n"
als 2 gewählt werden.
Die zweite Quelle, die POA
ψi = { -2π(fc + δfi + Δfi)(τi - τo,i + Δti) + Δζi}mod 2π (10)
kann verwendet werden, um die TOA, τi, zu schätzen, wobei Δζi = ζi - ζo. Die
POA, ψi, wird durch Gleichungen (10) und (11) auf den Bereich, Ri, zwischen
dem i-ten BST und dem MR bezogen:
Ri = (τi - τo,i)c (11)
wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist.
Da die Sendezeit, τo,i, in (11) dem MR nicht bekannt ist, kann diese entweder:
- 1. geschätzt und daraufhin der Schätzwert beim TOA-Orten verwendet werden oder
- 2. unter Verwendung von TDOA-Orten entfernt werden.
Sowohl TOA- als auch TDOA-Orten werden im Patent an späterer Stelle
erläutert.
Beim TOA-Orten ist ein mögliches Verfahren, τo zu schätzen, die Umlaufzeit
(RTD) zwischen:
- - der Übertragung vom MR zu einem aktiven BST und
- - dem Empfang der Antwort des aktiven BST durch den MR
zu schätzen.
Diesfalls gilt,
2Ri = (2τi - τMR)c (12)
wobei τMR die Sendezeit vom MR zum BST ist und 2τi die TOA der Antwort
des BST an den MR ist. Ein Nachteil beim Schätzen der RTD aus Gleichung
(12) ist, daß Gleichung (12) davon ausgeht, daß der BST in der Lage ist, eine
Antwort an den MR zurück zu senden. Diese Annahme macht das WLS auf
Handapparatbasis von der Funktionstüchtigkeit der BSTs abhängig. Dies
läuft darauf hinaus, daß das WLS auf Handapparatbasis netzabhängig ist.
Dennoch werden wir uns weiterhin eines derartigen Konzepts bedienen, um
in der Lage zu sein, eine Lösung auf Handapparatbasis mit einer Lösung auf
Netzbasis zu unterstützen.
Des weiteren ist beim TOA-Orten ein Nachteil des Verwendens θi in
Gleichung (10), um τi zu schätzen, das Vorhandensein einer "Modulo 2π"-
Operation in (10), was darauf hinausläuft, daß es bei der TOA-Schätzung zu
einer großen Ganzzahlmehrdeutigkeit kommen kann.
Beim TDOA-Orten ist ein Paar von TOAs, τi und τj, je unabhängiger
Gleichung erforderlich. In diesem Fall ist der Grad an Mehrdeutigkeit eine
Funktion der Grundlinie zwischen den beiden Sendeantennen, d. h. zwischen
dem i-ten BST und dem j-ten BST, in bezug auf die Wellenlänge, welche der
Frequenz: fc + δfi + Δfi in (10) entspricht, wie aus Gleichung (13) hervorgeht:
τi - τj = (τo,i - τo,j) - {(ψi - ψj) - (Δζi - Δζj) + 2πn}/2πfc - (Δti - Δtj)
+ Zusatzterm (13)
wobei
- - τi der TOA von ri(t) am MR entspricht;
- - τj der TOA von ri(t) am MR entspricht;
- - το ,i der TOT von pi(t - το,i) entspricht;
- - τo,j der TOT von pi(t - τo,j) entspricht;
- - n die Ganzzahlmehrdeutigkeit ist; und
- - der Zusatzterm in (13) auf das Vorhandensein von
- - Δfi in (10), welche vom Fehler in den LOs für die i-te BS relativ zu fc abhängt; und auf
- - δfi in (10), welche von der Geschwindigkeit des MR und der fc entsprechenden Wellenlänge λ abhängt, zurückzuführen ist.
Der Term (το ,i - το ,j) ist dem MR bekannt und kann in Gleichung (13)
eingebunden werden.
Bei den Normen IS-95 und J-STD-008 kann die CT-Frequenz, fc + Δfo, um
bis zu 0,05 parts per million abweichen (d. h. um bis zu 95 Hz für eine
1900 MHz-Trägerfrequenz). Des weiteren kann bei der Mobiltelefonie in
Nordamerika die Trägerfrequenz, fc, Werte um 800 MHz (bei einer
Wellenlänge λ von ungefähr 37,5 cm) oder Werte um 1,9 GHz (bei einer
Wellenlänge λ von ungefähr 15,8 cm) annehmen. Dies hat zur Folge, daß für
eine Geschwindigkeit von 100 km/h δfi:
-75 Hz < δfi <75 Hz bei fc = 800 Mhz oder
-150 Hz < δfi <150 Hz bei fc = 1.9 GHz entspricht.
-150 Hz < δfi <150 Hz bei fc = 1.9 GHz entspricht.
- 1. fc » δfi und fc » Δfo, d. h. der Zusatzterm in (13) ist vernachlässigbar; und
- 2. der Grad an Mehrdeutigkeit in (13) kann potentiell groß sein, es sei denn, die Grundlinie zwischen den beiden Empfangsantennen ist klein in bezug auf die Wellenlänge, λ, welche der Frequenz, fc, entspricht. Wir bezeichnen eine derartige Lösung als Lösung I.
Wenn die Grundlinie, di,j, zwischen der Antenne am i-ten BST und
der Antenne am j-ten BST von derselben Größenordnung ist wie die
Wellenlänge, λ, ist es möglich, unter Verwendung von entweder TDOA oder
PDOA eine Lösung zu generieren. Die TDOA-Lösung zwischen den beiden
Antennen ist eine Hyperbel, während die PDOA-Lösung zwischen den beiden
Antennen eine Linie ist. Beide Lösungen nähern sich der exakten Lösung an
und treffen asymptotisch aufeinander, d. h. die PDOA-Linie und die TDOA-
Hyperbel treffen im Unendlichen aufeinander.
Von einem praktischen Gesichtspunkt aus kann die Grundlinie,
di,j, nur dann von derselben Größenordnung wie λ sein, wenn die beiden
Antennen zu unterschiedlichen Sektoren derselben Zellenbasisstation
gehören.
Wir nehmen an, daß sich der MR in bezug auf di,j weit von beiden Antennen
entfernt befindet. Eine derartige Annahme bedeutet, daß:
- 1. die gesendete Wellenfront eben ist, d. h. γi ≅ γj ≅ γi,j, wobei:
- - γi der Eintreffwinkel (AOA) von ri(t) von der Antenne des i-ten BST zum MR ist,
- - γi der AOA von rj(t) von der Antenne des j-ten BST zum MR ist und
- - γi,j als der Winkel deiniert ist, welcher zwischen:
- - der Linie, welche die Antenne des i-ten BST mit der Antenne des j-ten BST verbindet (welche wird als Liniei,j bezeichnen); und
- - der Linie, welche den MR mit dem Mittelpunkt von Liniei,j zwischen den beiden Antennen (welche wird als Linieo,i,j bezeichnen) verbindet,
- 2. die folgende Gleichung die Eintreffphasendifferenz (PDOA),
(ψi - ψj) mit dem Winkel γi,j in Bezie 99999 00070 552 001000280000000200012000285919988800040 0002019948556 00004 99880hung setzt:
wobei:
- - ψi die Eintreffphase (POA) von ri(t) am MR; und
- - ψj die POA von ri(t) am MR ist.
Die Lösung für γi,j in (14) ist
wobei k in (15) eine Ganzzahl ist, welche die folgende Bedingung erfüllen
muß:
Wenn beispielsweise di,j = λ, erhalten wir die folgenden möglichen Lösungen
für k:
Manche der Lösungen in (17) sind trivial. Wenn di,j zusehends größer als λ
wird, erhalten wir mehr nichttriviale Lösungen. Wenngleich das Erhalten von
mehr als einer Lösung auf Mehrdeutigkeit schließen läßt, ist es möglich, die
Mehrdeutigkeit durch Verwendung von Kleinstquadratemethoden wie an
späterer Stelle erläutert aufzulösen.
Beim Verarbeiten von ψi, um entweder τi oder γi zu schätzen, treffen wir auf
folgende Fehlerquellen:
Wenn eine lineare Anordnung von Antennen verwendet wird, um den
AOA eines HF-Signals, welches als ebene Wellenfront genähert wird,
zu schätzen (d. h. unter Annahme einer entfernt gelegenen HF-Quelle),
ist die Cramer-Rao-Schranke auf der Varianz, var(i), des geschätzten
AOA, i, gleich
wobei
- - var(i)|Tone die Varianz der Schätzung i des Trägers γi,
- - SNRi|Tone = Ai 2/(2σn 2),
- - Ai die Amplitude des Tons ist,
- - σn 2 die Rauschvarianz ist,
- - M die Anzahl von Elementen in der Antennenanordnung ist,
- - d der Abstand zwischen Antennenelementen ist,
- - fm die Frequenz des Tons ist und
- - c die Lichtgeschwindigkeit ist.
Gleichung (18) beruht auf der Übertragung eines Schmalbandtons
von jedem Element der Anordnung mit derselben Phase. Wenn das
gesendete Signal si(t) entweder ein Breitbandsignal (z. B. CDMA) ist
oder si(t) eine eindeutige Frequenz fm (z. B. FDMA) aufweist, gilt (18)
nicht mehr direkt sondern kann nach einigen mathematischen
Bereinigungen der empfangenen Signale unter Verwendung der vom
RR geschätzten Referenzinformationen gültig gemacht werden.
Die Cramer-Rao-
Schranke sieht eine Untergrenze der Varianz, var(i)|Tone, des
Schätzwertes, i, der Phase ψi für einen Ton mit Frequenz fm infolge
von AWGN vor:
wobei
- - var(i)|Tone die Varianz des Schätzwertes, i des Bereichs Ri ist,
- - λ die Wellenlänge des Tons ist,
- - fm die Frequenz des Tons ist, welche λ entspricht (d. h. fm = c/λ),
- - SNRi|Tone = Ai 2/(2σn 2) wobei SNRi der Rauschabstand am MR vom i-ten BST ist,
- - Ai die Amplitude des Tons am MR vom i-ten BST ist,
- - σ2 n die Rauschvarianz ist,
- - Ni die Anzahl von Abtastungen ist (welche durch Ti = Ni/fs in direktem Zusammenhang mit dem Beobachtungsintervall Ti steht, wobei fs die Abtastfrequenz ist),
- - c die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist.
Auch hier fußt Gleichung (19) auf der Übertragung eines
Schmalbandtons von jedem Element der Anordnung mit derselben
Phase. Wenn das übertragene Signal si(t) entweder ein
Breitbandsignal (z. B. CDMA) ist oder si(t) eine eindeutige Frequenz
fm (e. g. FDMA) aufweist, gilt (19) nicht mehr direkt sondern kann
nach einigen mathematischen Bereinigungen der empfangenen
Signale unter Verwendung der vom RR geschätzten
Referenzinformationen gültig gemacht werden.
Die Phase des Tons fm ist um Δζi verschoben. Wenn
Δζi eine Funktion der Frequenz fm ist, muß er geschätzt werden,
wobei andernfalls die Phase ψi verzerrt ist.
Die Ausbreitungsverzögerung τi wird durch
Δti beeinflußt, welche die Systemverzögerung durch die Antenne,
Kabel, Filter, Verstärker usw. darstellt. Auch hier muß Δti, wenn
diese eine Funktion der Frequenz fm ist, geschätzt werden, wobei
andernfalls die Ausbreitungsverzögerung von einem empfangenen
Signal zum anderen erheblich schwanken kann.
Bei TDOA entspricht die
Mehrwegeführung MPi(t) einer Zusatzverzögerung über den
Ausbreitungskanal und muß entweder geschätzt und entfernt oder
abgeschwächt werden. Im Fall, bei dem der Phasenschätzwert
verwendet wird, um für den AOA des empfangenen Signals ri(t) zu
lösen, besteht die Auswirkung der Mehrwegeführung darin, den AOA
von ri(t) je nach dem AOA von MPi(t) und dessen Größenordnung um
ein gewisses Ausmaß zu verschieben.
Je nach dem Interferenzgrad kann i(t) eine
drastische Auswirkung auf die Genauigkeit der geschätzten Phase
haben und das HF-Vorfeld des Empfängers sättigen. Ihre
Auswirkungen können mit sowohl analoger als auch digitaler
Hardware sowie mit geeigneter Software, unabhängig davon, ob es
sich dabei um solche vom Inband- oder Außerbandtyp handelt,
abgeschwächt werden.
Die praktische Beschreibung dieses Patents wird Verfahren und
Vorrichtungen darlegen, um θi zu schätzen und seine Fehlerquellen
abzuschwächen.
Die letzte (und häufigste) Informationsquelle, welche
verwendet werden kann, um eine unabhängige Gleichung für den
statischen Standort des MR herauszulösen, ist:
pi(t - τi + τo,i - Δti) (20)
welche verwendet werden kann, um entweder τi oder γi zu schätzen:
- - Wenn τi direkt geschätzt wird, bezeichnen wir die Lösung als Lösung II. Diesfalls kann entweder TOA-Ortung oder TDOA-Ortung verwendet werden.
- - Wenn γi aus τi geschätzt wird, bezeichnen wir die Lösung als Lösung III. Diesfalls wird AOA-Ortung verwendet.
- - Wenn τi indirekt ausgehend von den Phasen von Tönen in pi(t - τi + το,i - Δti) geschätzt wird, bezeichnen wir die Lösung als Lösung IV. Auch hier kann entweder TOA-Ortung oder TDOA-Ortung, wie oben beschrieben wurde, verwendet werden.
Das häufigste Verfahren zum Schätzen von τi besteht darin, pi(t
- τi + το ,i - Δti) mit pi(t) zu kreuzkorrelieren, d. h. r(t) mit pi(t) zu
kreuzkorrelieren. Im allgemeinen ergeben sich aus einer derartigen
Korrelation mehrere Spitzen, insbesondere beim Empfangen von
Pilotsignalen in CDMA, wobei alle übertragenen Piloten ident sind,
abgesehen von einer relativen Verzögerung zwischen Piloten. Diesfalls
liegt die Spitze, welche τi in pi(t - τi + το ,i - Δti) entspricht, innerhalb einer
zumutbaren Ausbreitungsverzögerung, τi - το ,i, in bezug auf einen Takt, der
vom Signal abgeleitet wird, und kann von anderen Piloten unterschieden
werden.
- - Beim TOA-Orten muß die Sendezeit, το ,i, von der Antenne des i-ten BST zum MR geschätzt werden, um τi - το ,i zu schätzen. Ein mögliches Verfahren ist, die RTD zwischen der MR-Übertragung und dem Empfang der BST-Antwort auf die MR-Übertragung am MR wie in Gleichung (12) dargestellt zu schätzen.
- - Beim TDOA-Orten wird die Sendezeit, το ,i, unter Verwendung einer zusätzlichen unabhängigen Gleichung geschätzt. Dies wird durch Schätzen von τj bewerkstelligt. Wiederum ist das üblichste Verfahren zum Schätzen von τj, pj(t - τj + τo,j - Δtj) mit pj(t) zu kreuzkorrelieren, d. h. rj(t) mit pj(t) zu kreuzkorrelieren. Bei CDMA liegt die resultierende Korrelationsspitze, welche τj in pj(t - τj + το ,j - Δtj) entspricht, innerhalb einer zumutbaren Ausbreitungsverzögerung, τj - τo,j, mit Hinblick auf einen Takt, der vom Signal abgeleitet wird. Die TDOA, τi - τj, kann verwendet werden, um die relative Verzögerung zu schätzen, (τi - τo,j) - (τj - τo,j) da die relative TOT, τo,i - τo,j, zwischen dem i-ten Piloten und dem j-ten Piloten am MR bekannt ist.
Um γi,j aus der TDOA-Lösung, τi - τj, zu schätzen, nehmen wir
an, daß sich der MR sowohl von der Antenne am i-ten BSAT als auch von
der Antenne am j-ten BST in bezug auf deren Grundlinie, di,j, weit entfernt
befindet. Wie vorhin erwähnt wurde, bedeutet eine derartige Annahme in
der Praxis, daß:
- 1. beide Antennen am selben BST existieren.
- 2. die empfangene Wellenfront eben ist, d. h. γi ≅ γj ≅ γi,j, wobei
- - γi der Eintreffwinkel (AOA) von ri(t) von der Antenne des i-ten BST zum MR ist,
- - γj der AOA von rj(t) von der Antenne vom j-ten BST zum MR ist und
- - γi,j als der Winkel definiert ist, der zwischen:
- - der Linie, welche die Antenne des i-ten BST mit der Antenne des j-ten BST (welche wir als Liniei,j, bezeichnen) verbindet, und
- - der Linie, welche den MR mit dem Mittelpunkt der Liniei,j, zwischen den beiden Antennen (welche wir als Linieo,i,j bezeichnen) verbindet,
- 3. Gleichung (21) setzt den Winkel γi,j mit der Eintreffzeitdifferenz
(TDOA), τi - τj, in Relation wie folgt
wobei- - di,j der Abstand zwischen der Antenne am i-ten BST und der Antenne am j-ten BST ist; und
- - c die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist.
Der Vorteil beim Schätzen des AOA, γi,j, unter Verwendung von pi(t - τi
+ τo,i - Δti) in Gleichung (20) aus Gleichung (22):
an Stelle der Verwendung von ψi in (10) aus Gleichung (23):
ist die Tatsache, daß in Gleichung (22) abgesehen vom ± in der Lösung
von γi keine Mehrdeutigkeiten vorkommen, während Gleichung (23) je
nach dem Wert der Ganzzahl k eine Reihe von Mehrdeutigkeiten
aufweisen kann.
Die Nachteile beim Schätzen des AOA, γi,j, unter Verwendung von pi(t -
τi + τo,i - Δti) in Gleichung (20) an Stelle der Verwendung von ψi in (10)
sind:
- 1. eine kleine Grundlinie ist zwischen den beiden Antennen erforderlich; und
- 2. das Rauschen wirkt sich auf die Varianz, var(i)|pi(t), von i erheblich stärker aus als auf die Varianz, var(i), von i.
Der zweite Nachteil kann durch Vergleichen der Cramer-Rao-Schranke für
i
mit der CRLB füri:
erläutert werden.
Angenommen, daß SNRi|Tone × Ni in (24) gleich SNRi|pi(t) in (25) ist, dann
ist die Differenz zwischen (24) und (25) fm 2 in (24) verglichen mit BW2 in
(25). Bei AMPs ist BW ungefähr gleich 30 KHz, während fm gleich der
Trägerfrequenz fc sein kann, welche gleich 800 MHz ist. Das Verhältnis
zwischen den beiden Werten in dB beträgt 44.26. Bei IS-95 und J-STD-008
ist BW ungefähr gleich 1,23 MHz, während fm gleich der Trägerfrequenz fc,
d. h. 800 MHz, sein kann. Das Verhältnis zwischen den beiden Werten in dB
beträgt 28,13 dB. In beiden Fällen ist die Differenz groß. Dennoch ist pi(t -
τi - Δti) in (20) für TDOA-Orten geeignet, während ψi in (10) für AOA-
Orten geeignet ist, wie hier erläutert wird:
- - Wenn wir ψi in (10) verwenden, um den AOA, γi,j, zu schätzen, erhalten wir eine Untergrenze von 5 × 10-5 radians2 für SNR, SNRi|Tone × Ni, von 30 dB und für eine Entfernung, d, von einer Wellenlänge, d. h. 0,375 m. Dies entspricht dem Erhalten einer Standardabweichung für i,j von 7.07 × 10-3 radians, was einem Bereichsfehler von 7,11 Meter für jeden Kilometerbereich zwischen dem MR und den Antennen entspricht.
- - Andererseits ist pi(t -τi + τo,i - Δti) in (20) für TDOA-Orten geeignet, da diesfalls die Grundlinie zwischen Antennen nicht klein sein muß. Wenn wir beispielsweise annehmen, daß SNR, SNRi|pi(t), in Gleichung (25) 30 dB für AMPs beträgt, beträgt die Untergrenze auf der Varianz, var(i)| pi(t) = c2 var(i)| pi(t), des Bereichs Ri 2553 Meter2 oder weist äquivalent dazu i eine Standardabweichung von 50,53 Meter auf. Wenn wir andererseits annehmen, daß SNR, SNRi| pi(t), in Gleichung (25) 10 dB für IS-95 beträgt, beträgt der Bereich Ri 150,69 Meter2 oder es weist äquivalent dazu R; eine Standardabweichung von 12,28 Meter auf.
Wenn τi indirekt ausgehend von den Phasen von Tönen in pi(t
- τi + τo,i - Δti) geschätzt wird, kann in der Lösung noch eine
Ganzzahlmehrdeutigkeit herrschen, es sei denn, die Wellenlänge der
gewählten Töne ist mit Hinblick auf den Bereich zwischen dem MR und
der Antenne am i-ten BST groß. Die gewählten Töne werden unten
besprochen, wo eine Lösung für die Ganzzahlmehrdeutigkeit dargelegt
wird.
Beim Verarbeiten von pi(t - τi + τo,i - Δti), um τi zu schätzen, stoßen wir auf
die folgenden Fehlerquellen:
Die Cramer-Rao-Schranke sieht eine untere Grenze der
Auswirkung von AWGN auf die Varianz, var(i)pi(t), des Schätzwertes
der Verzögerung τi vor:
wobei
- - var(i)pi(t) die Varianz des Schätzwertes, i, des Bereiches Ri,
- - BW die Effektivwert-Bandbreite von pi(t),
- - SNRi|pi(t) = 2Ei/No,
- - Ei die Energie von ri(t) ist,
- - No die Rauschleistungsspektraldichte ist und
- - c die Lichtgeschwindigkeit ist.
Gleichung (26) zeigt auf, daß die Bandbreite des Signals eine
bedeutende Rolle bei der Genauigkeit des Drahtlosortungssystems spielt.
Bei IS-95 weisen die Hochfrequenz(HF)-Kanäle eine Bandbreite von
ungefähr 1,25 MHz auf, welche mit jener von Systemen vergleichbar ist,
welche primär zum Orten konzipiert wurden, beispielsweise von Global
Positioning Systemen (GPS) mit einer BW von 1 MHz über Kanäle von
Standard Positioning Services (SPS) und Ortungssystemen auf ISM-
Basis mit einer typischen Bandbreite von 10 MHz. Bei GPS kann das
Ortungssystem zunächst einen herkömmlichen Gleitkorrelator benutzen,
um einen Satz von Pseudobereichen zu erhalten (ein Pseudobereich je
Satellit) (siehe z. B. Spilker, J. J., "GPS Signal Structure and Performance
Characteristics," Global Positioning System, Volume 1, The Institute of
Navigation, Washington D. C., 1980). Die Pseudobereiche werden
daraufhin bei der Multilateration verwendet, um einen
Positionsbestimmungswert des GPS-Empfängers zu erhalten. Eine
typische Genauigkeit für einen handelsüblichen Einpunkt-GPS-
Empfänger (d. h. kein differentieller Empfang) mit SPS beträgt rund 30 m
RMS ohne selektive Verfügbarkeit (SA). In direkten Proportionen sollte
ein auf der Erde stationiertes IS-95-Ortungssystem, welches sich zuerst
eines herkömmlichen Gleitkorrelators bedient, um einen TOA-
Schätzwert des ausgesendeten Funksignals zu erhalten, gefolgt von einer
hyperbolischen (differentiellen) Multilateration aller TOA-Schätzwerte,
eine Ortungsgenauigkeit bieten, die besser als 30 m RMS ist, unter der
Annahme, daß keine Mehrwegeführung vorliegt. Der Grund dafür ist,
daß die Korrelationsfunktion, aus welcher ein TOA geschätzt werden
kann, eine Auflösung aufweist, welche auf jene der Fourier-
Transformation beschränkt ist. Die herkömmliche Auflösungsgrenze bei
Verfahren auf Fourier-Basis ist das Rayleigh-Auflösungskriterium,
welches aus Haykin, S., "Adaptive Filter Theory, " 2nd Edition, Prentice
Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1991, hervorgeht. Weiteres Verarbeiten
unter Verwendung von SR- und inverser SR-Algorithmen erbringt
oftmals ein Resultat mit einer höheren Auflösung, wie bei Dumont, L. R.,
et al., "Super-resolution of Multipath Channels in a Spread Spectrum
Location System," IEE Electronic Letters, Bd. 30, Nr. 19, S. 1583-1584,
15. September 1994, und bei Fattouche et al., US-Patent Nr. 5,570,305
ausgegeben im Okt. 1996, und bei Ziskind, I. et al., "Maximum
Likelihood Localization of Multiple Sources by Alternating Projection,"
IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Bd. ASSP-36,
Nr. 10, Oktober 1988, zu ersehen ist. Es wird vorgeschlagen,
SR- und inverse SR-Algorithmen zu verwenden, um die Auflösung des
WLS über die Rayleigh-Auflösung hinaus zu verbessern, im Gegensatz
zu:
Dent, US-Patent Nr. 5,404,376, ausgegeben am 4. April 1995;
Dunn et al., US-Patent Nr. 5,600,706, ausgegeben am 4. Februar 1997; Khan et al., US-Patent Nr. 5,646,632, ausgegeben am 8. Juli 1997;
Ghosh et al., US-Patent Nr. 5,646,632, ausgegeben am 16. April 1996;
Krasner, US-Patent Nr. 5,663,734, ausgegeben am 2. Sept. 1997; und
Krasner, US-Patent Nr. 5,781,156, ausgegeben am 14. Juli 1998;
welche die Korrelationsspitze nicht weiterverarbeiten.
Dent, US-Patent Nr. 5,404,376, ausgegeben am 4. April 1995;
Dunn et al., US-Patent Nr. 5,600,706, ausgegeben am 4. Februar 1997; Khan et al., US-Patent Nr. 5,646,632, ausgegeben am 8. Juli 1997;
Ghosh et al., US-Patent Nr. 5,646,632, ausgegeben am 16. April 1996;
Krasner, US-Patent Nr. 5,663,734, ausgegeben am 2. Sept. 1997; und
Krasner, US-Patent Nr. 5,781,156, ausgegeben am 14. Juli 1998;
welche die Korrelationsspitze nicht weiterverarbeiten.
Das Beobachtungsintervall, Ti, steht direkt mit der Energie Ei im
empfangenen Signal ri(t) am MR in Relation, da
Es steht auch mit dem stationären Ansprechen eines Filters in
Relation, derart, daß das Ansprechen des Filters seinen stationären
Zustand erreicht, solange
wobei BWi die Bandbreite des Filters ist, welches ri(t) verarbeitet.
Die Ausbreitungsverzögerung τi wird durch
Δti beeinflußt, welche die Systemverzögerung durch Antenne, Kabel,
Filter, Verstärker usw. darstellt. Wenn sich Δti von einem BST zu
einem anderen unabhängig vom RR ändert, muß sie geschätzt
werden, wobei andernfalls die Ausbreitungsverzögerung von einem
empfangenen Signal zu einem anderen erheblich schwanken kann.
Je nach dem Interferenzgrad kann i(t) eine
drastische Auswirkung auf die Genauigkeit der geschätzten Phase
haben und das HF-Vorfeld des Empfängers sättigen. Ihre
Auswirkungen können mit sowohl analoger als auch digitaler
Hardware sowie mit geeigneter Software, unabhängig davon, ob es
sich dabei um solche vom Inband- oder Außerbandtyp handelt,
abgeschwächt werden.
Die Mehrwegeführung MPi(t) entspricht
einer Zusatzverzögerung über den Ausbreitungskanal und muß
entweder geschätzt und entfernt oder abgeschwächt werden. Im Fall,
daß die geschätzte Zeitverzögerung τi verwendet wird, um für die
TDOA zwischen dem empfangenen Signal ri(t) und dem
empfangenen Signal rj(t) zu lösen, ist die Differenz in
Mehrwegeführung, MPi(t) - MPj(t), der Verzerrfaktor, welcher
abgeschwächt werden muß.
Wenn Mehrwegeführung berücksichtigt wird, könnte sich die
Genauigkeit des zu Land stationierten AMPs-WLS sogar noch weiter
verschlechtern. Das Zellenfunk-Frequenzband liegt zwischen 824 und
894 MHz, und die Ausbreitungseigenschaften bei diesen UHF-
Frequenzen werden eine nachhaltige Auswirkung auf die Ortung
mittels Multilateration, wie bei Parsons D., "The Mobile Radio
Propagation Channel," John Wiley & Sons, New York, 1992, gezeigt
wird, zur Folge haben. Daß die gemessenen Bereiche
Sichtverbindungs(LOS)-Entfernungen entsprechen ist eine
wesentliche Annahme, welche beim Schätzen der Position mittels
Multilateration gemacht wird. Wenngleich LOS der vorherrschende
Sendemodus bei diesem Band ist, sind Reflexionen von natürlichen
und von Menschenhand geschaffenen Gegenständen sowie Beugung
um derartige Gegenstände ebenfalls Möglichkeiten.
Mehrwegeführung und Beugung ermöglichen, daß sich das zellulare
Signal in stark verbauten Bereichen sowie im Gebäudeinneren
ausbreitet. Allerdings bewirken diese auch, daß die Meßbereiche
länger sind als die echte LOS-Entfernung, was Fehler in den
Multilaterationsvorgang einschleust. Darüber hinaus ist die
Ausbreitungsentfernung bei UHF relativ kurz. Dies ermöglicht eine
Frequenzwiederverwendung im Zellenfunk-System, begrenzt jedoch
die Anzahl von Beobachtbaren im Multilaterationsvorgang.
Beispielsweise verursacht Mehrwegeführung in einer dichten
städtischen Umgebung mit einer Verzögerungsstreubreite von 3
Mikrosekunden (wie aus Hata, M., "Empirical Formula for Radio
Propagation Loss in Land Mobile Radio Services," IEEE
Transactions on Vehicular Technology, Bd. VT-29, Nr. 3, August
1980, hervorgeht), daß sich die Ortungsgenauigkeit auf mehr als
1400 m RMS verschlechtert. Auch hier ist dies darauf
zurückzuführen, daß die Korrelationsfunktion, aus welcher die
Mehrwegeführung berechnet werden kann, eine Auflösung aufweist,
welche auf jene der Fourier-Transformation beschränkt ist, was
darauf schließen läßt, daß jedwede Mehrwegeführung innerhalb einer
derartigen Auflösung anhand von herkömmlichen Verfahren
unauflösbar ist. Weiterverarbeitung unter Verwendung eines inversen
SR-Algorithmus liefert oftmals ein Ergebnis mit höherer
Mehrwegeauflösung, wie aus Dumont, L. R., et al., "Super-resolution
of Multipath Channels in a Spread Spectrum Location System," IEE
Electronic Letters, Bd. 30, Nr. 19, S. 1583-1584, 15. September 1994,
und aus Fattouche et al., US-Patent Nr. 5,570,305, ausgegeben im
Okt. 1996, und aus Ziskind, I. et al., "Maximum Likelihood
Localization of Multiple Sources by Alternating Projection," IEEE
Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Bd. ASSP-36, Nr. 10,
Oktober 1988, hervorgeht. Eine andere Lösung für
Mehrwegeauflösung geht auf Morley, G. D. et al., "Improved
Location Estimation with pulse-ranging in presence of shadowing and
multipath excess-delay effects," Electronics Letters, Bd. 31, Nr. 18, S. 1609-1610,
31. Aug. 1995, zurück. Es wird vorgeschlagen, SR- und
inverse SR-Algorithmen zu verwenden, um die
Mehrwegekomponenten im empfangenen Funksignal besser
aufzulösen, in Gegensatz zu
Dent, US-Patent Nr. 5,404,376, ausgegeben am 4. April 1995;
Dunn et al., US-Patent Nr. 5,600,706, ausgegeben am 4. Feb. 1997; Khan et al., US-Patent Nr. 5,646,632, ausgegeben am 8. Juli 1997;
Ghosh et al., US-Patent Nr. 5,646,632, ausgegeben am 16. April 1996;
Krasner, US-Patent Nr. 5,663,734, ausgegeben am 2. Sept. 1997; und
Krasner, US-Patent Nr. 5,781,156, ausgegeben am 14. Juli 1998;
welche die Korrelationsspitze nicht weiterverarbeiten.
Dent, US-Patent Nr. 5,404,376, ausgegeben am 4. April 1995;
Dunn et al., US-Patent Nr. 5,600,706, ausgegeben am 4. Feb. 1997; Khan et al., US-Patent Nr. 5,646,632, ausgegeben am 8. Juli 1997;
Ghosh et al., US-Patent Nr. 5,646,632, ausgegeben am 16. April 1996;
Krasner, US-Patent Nr. 5,663,734, ausgegeben am 2. Sept. 1997; und
Krasner, US-Patent Nr. 5,781,156, ausgegeben am 14. Juli 1998;
welche die Korrelationsspitze nicht weiterverarbeiten.
Es liegen vorhandene Töne und generierte Töne vor. Beide Arten von
Tönen tragen die MR-Lageinformationen in ihren Phasen (mod 2π).
Wenn das empfangene Signal, ri(t), periodisch ist (z. B. das Pilotsignal
bei IS-95, der CA-Code bei GPS), kann es durch Verwendung von
Fourier-Reihen angenähert werden, oder äquivalent dazu kann eine
Reihe von Tönen verwendet werden, um die Pilotsequenz anzunähern:
wobei
- - fm die Grundfrequenz der Pilotsequenz ist;
- - τi die Ausbreitungsverzögerung an der Antenne des i-ten BST ist; und
- - cn der komplexe Fourier-Koeffizient der Pilotsequenz ist.
Durch Verwendung der unten angeführten Gleichung (30) kann die
TOA, τi, folgendermaßen geschätzt werden:
(t - τi) = {(Phase des n-ten Terms in (29)) Modulo 2π}/(2πnfm) (30)
Wenn das empfangene Signal, ri(t), zyklostationär ist, generiert es einen
Ton, wenn eine nichtlineare Operation in bezug darauf ausgeführt wird.
Die Phase eines derartigen Tons trägt Lageinformationen, welche den
MR betreffen. Die meisten digitalen Signale sind zyklostationär, und der
generierte Ton erfolgt für gewöhnlich "Symbolrate" (außer bei CDMA,
wo der generierte Ton die "Chipping-Rate" ist).
In dem Fall, wenn die BSTs auf AMPS/TDMA/GSM basieren, ist die
Nutzung des zyklostationären Wesens des empfangenen Signals
besonders wichtig, zumal diesfalls es nicht wichtig ist, über eine saubere
Kopie des Empfangssignals zu verfügen. Nach dem Ausführen der
nichtlinearen Operation bezüglich des Empfangssignals wird ein Ton mit
einer bekannten (oder geschätzten) Frequenz generiert. Dies läßt den
Schluß zu, daß die Beobachtungsdauer verlängert werden kann, solange
ein zu empfangendes Signal zur Verfügung steht, d. h. solange ein Anruf
hinsichtlich eines CT läuft. Dies führt zu einem verbesserten SNR für
das empfangene Signal, wie bei den oben gezeigten CRLBs erläutert
wird.
Die praktische Beschreibung stellt Verfahren und Vorrichtungen vor, um τi zu
schätzen und ihre Fehlerquellen abzuschwächen.
Beim kinematischen Fall, wo sich der MR in bezug auf die BSTs
bewegt, sind die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung (DOT) des MR
von Interesse. Die einzige Informationsquelle, welche verwendet werden
kann, um eine unabhängige Gleichung für die Geschwindigkeit und DOT des
MR herauszulösen, ist
fi = δfi - Δfo + Δfi (31)
welche verwendet werden kann, um die Dopplerverschiebung δfi zu schätzen.
Dies wird in Fig. 4 erläutert, welche ein Dreiantennensystem annimmt: die
Antenne am m-ten BST mit den Koordinaten (xm,ym,zm), die Antenne am k
ten BST mit den Koordinaten (xk,yk,zk) und die Antenne des n-ten BST mit
den Koordinaten (xn,yn,zn). Diesfalls stehen die FOAs: fm, fk und fn in Relation
mit
- - der Bewegungsrichtung (DOT), ϕ, relativ zu Northing (im Uhrzeigersinn),
- - der relativen Bewegungsgeschwindigkeit, v, in bezug auf die BSTs und
- - den Frequenzversätzen Δfi, wie folgt:
fm = fc + δfm - Δfo + Δfm = fc + v/λ cos(ϕ - Λm) - Δfo + Δfm (32a)
fk = fc + δfk - Δfo + Δfk = fc + v/λ cos(ϕ - Λk) - Δfo + Δfk (32b)
fn = fc + δfn - Δfo + Δfn = fc + v/λ cos(ϕ - Λn) - Δfn + Δfk (32c)
wobei
- - Λm der Winkel im Uhrzeigersinn von Northing zur Linie, die durch (xm,ym) und (x,y) gebildet wird, ist,
- - Λk der Winkel im Uhrzeigersinn von Northing zur Linie, welche durch (xk,yk) und (x,y) gebildet wird, ist,
- - Λn der Winkel im Uhrzeigersinn von Northing zur Linie, welche durch (xn,yn) und (x,y) gebildet wird, ist und
- - (x,y) die 2-D (horizontalen) Koordinaten des MR sind.
Mit anderen Worten, wir haben drei Gleichungen (32a, b und c) mit 6
Unbekannten: ϕ, v, Δfm, Δfk, Δfn und Δfo. Das ist ein Problem, welches gelöst
werden kann, wenn die Frequenzversatzwerte Δfm, Δfk, Δfn durch den RR
geschätzt und entfernt werden. Dann erhalten wir zwei Gleichungen mit zwei
Unbekannten: v und ϕ nach Verwendung der Eintrefffrequenzdifferenz
(FDOA):
fm - fk = v/λ cos(ϕ - Λm) - v/λ cos(ϕ - Λk) (33a)
fk - fn = v/λ cos(ϕ - Λk) - v/λ cos(ϕ - Λn) (33b)
Wir bezeichnen eine derartige Lösung als Lösung V. Es ist festzuhalten, daß
bei Lösung V die Position des MR (x,y) vor dem Schätzen der
Geschwindigkeit des MR bekannt sein (oder geschätzt werden) muß, um in
der Lage zu sein, Λm, Λk und Λn in Gleichungen (33) zu kennen.
Beim Verarbeiten von fi, um δfi zu schätzen, stoßen wir auf die folgenden
Fehlerquellen:
Die Cramer-Rao-Schranke sieht eine untere Grenze für
die Varianz, var(δi)|Tone, des Schätzwertes der Frequenz δfi eines Tons,
infolge AWGN vor:
wobei
- - var(δi)|Tone die Varianz des Schätzwertes, δi, der Frequenz δfi ist,
- - SNRi|Tone = Ai 2/(2σn 2) der SNR des Tons am MR von der Antenne des i- ten BST ist,
- - Ai die Amplitude des Tons am MR von der Antenne des i-ten BST ist,
- - σn 2 die Rauschvarianz ist und
- - Ni die Anzahl von Abtastungen ist (welche in direkter Relation mit dem Beobachtungsintervall Ti steht).
Wie oben erwähnt wurde, haben wir drei
Gleichungen (32a-32c) mit 6 Unbekannten: ϕ, v, Δfm Δfk Δfn und Δfo
Dieses Problem kann gelöst werden, wenn die Frequenzversätze Δfi vom
RR geschätzt und entfernt werden.
Die Auswirkung der Mehrwegeführung
MPi(t) ist diesfalls derart, daß δfi aufgrund von dynamischen (nicht
stationären) Reflektoren wie Automobilen, Bussen, LKWs usw. eine
gewisse Dopplerverschiebung verliehen wird.
Diesfalls spielt i(t) dieselbe Rolle beim Verzerren des
Schätzwertes des Frequenz δfi wie beim Verzerren des Schätzwertes der
Phase θi, abgesehen davon, daß ihre Auswirkung stärker reduziert werden
kann.
In den Gleichungen (33) wird angenommen,
daß die Position, (x,y), des MR vor dem Schätzen seiner Geschwindigkeit
und DOT bekannt ist. Dies ist für gewöhnlich nicht wahr, und (x,y) muß
zunächst geschätzt werden. Die Schätzung von (x,y) ist unvollkommen,
was darauf hinausläuft, daß sie Fehler enthalten wird, welche die
Schätzung der Geschwindigkeit des MR und seiner DOT beeinflussen
können.
Die praktische Beschreibung erläutert Verfahren und Vorrichtungen, um δfm,
δfk, und δfn zu schätzen und Fehlerquellen abzuschwächen.
In einem 2-D (horizontalen) Ortungssystem ist es möglich, die Position eines
MR vom Bereich des MR zu zumindest zwei BSTs zu schätzen. Der MR-
horizontale Positionsschätzwert ist einfach der Schnittpunkt zweier
horizontaler Kreise mit Radien, welche gleich den Bereichen sind und an den
BSTs ihre Mittelpunkte haben. Dieses Ortungsverfahren kann daher als
Kreismultilateration bezeichnet werden. Bereiche können durch Subtrahieren
der bekannten Sendezeit τo des Signals s(t) von der gemessenen TOA, τi, des
Signals ri(t) berechnet werden. Es gibt drei mögliche Lösungen:
- 1. Wenn die Sendezeit, τo, bekannt ist, bezeichnen wir die Ortungsmethode als Bereichsorten.
- 2. Wenn die Sendezeit, τo, unbekannt ist und geschätzt werden soll, bezeichnen wir die Ortungsmethode als TOA-Orten.
- 3. Wenn die Sendezeit, τo, unbekannt ist und unter Verwendung von TDOA entfernt werden soll, bezeichnen wird die Ortungsmethode als TDOA- Orten (welches in den folgenden beiden Abschnitten besprochen wird).
Beim Bereichsorten ist eine Art des Ermittelns der Sendezeit, τo, die RTD
zwischen einem MR und einem BST mit Bezug auf die Umlaufzeit von dem
Zeitpunkt, zu dem der MR ein Signal zum BST sendet, zum Zeitpunkt, zu
dem er die Anwort des BST auf die MR-Sendung erhält, zu verwenden.
Diesfalls ist ein Minimum von zwei unabhängigen Gleichungen erforderlich,
um für die Unbekannten x und y zu lösen. Wenn zwei Bereiche aus TOA-
Messungen von zwei verschiedenen BSTs geschätzt werden, erhalten wir
zwei Lösungen für die MR-Ortung an den Schnittpunkten von zwei Kreisen,
welche ihre Mittelpunkte an den beiden BSTs aufweisen. Diese
Mehrdeutigkeit kann durch Einbinden einer dritten Bereichsmessung von
einem anderen BST oder durch (näherungsweise) Winkelschätzung von einer
oder mehreren Orten durch Untersuchen der Signalstärke oder
Phasendifferenz beim Eintreffen aufgelöst werden.
Beim TOA-Orten haben wir nun drei Unbekannte: x, y und τo. TOAs von
drei BSs sind erforderlich, und die Gleichung, welche dem i-ten BST
entspricht, lautet
wobei
- - τi die Eintreffzeit des Signals ri(t) von der Antenne des i-ten BST am MR ist,
- - τo die Sendezeit von Signal s(t) vom i-ten BST ist,
- - (x, y) die am besten bekannte 2-D Position des MR ist,
- - (xi, yi) die bekannte 2-D Position der Antenne am i ten BST ist, wobei i = 1, . . ., N.
Wenn mehr als die Mindestanzahl von BSTs verfügbar sind, wie oben
erläutert wurde, so heißt es, daß Redundanz vorliegt. Wenn ein redundanter
Satz gemessener TOAs Fehler enthält, müssen die TOAs bereinigt werden,
um eine eindeutige Lösung für die Unbekannten zu erhalten. Der Grad, um
welchen jede TOA bereinigt wird, wird als Residuum bezeichnet. Mehrere
Verfahren des Bereinigens des Beobachteten gemäß einigen
Optimierungskriterien sind verfügbar, u. a.:
- - allgemeine erwartungstreue Mindestvarianzschätzung,
- - beste lineare erwartungstreue Schätzung,
- - Maximalwahrscheinlichkeitsschätzung,
- - Kleinstquadratschätzung,
- - Momentenmethode,
- - allgemeine Bayessche Schätzung,
- - Lineare Bayessche Schätzung,
- - Kalman-Filtern usw.
Es wird vorgezogen, die beobachteten TOAs derart bereinigen, daß die
Summe der Quadrate der Residuen ein Minimum ist. Dies ist
Kleinstquadrateschätzung.
In einem Ortungssystem spielt die Geometrie (das heißt, die relativen
Positionen der BSTs mit Hinblick auf einander und den zu ortenden MR) eine
bedeutende Rolle, wie aus Gleichung (36) hervorgeht
std(Position) = DOP × std(i) (36)
wobei
- - std(i) die Standardabweichung des Bereichsschätzwertes i ist, welcher aus Gleichungen (19) oder (26) erhalten wird und
- - DOP die Präzisionsverdünnung ist, welche ein Maß der Geometrie ist.
In einem 2-D-Ortungssystem ist es üblich, auf die Horizontal-DOP (HDOP)
Bezug zu nehmen, welche als
definiert ist, wobei
- - EDOP die Ost-DOP ist und als Quadratwurzel des Elements in der 1. Reihe und 1. Spalte von CTOA definiert wird,
- - NDOP die Nord-DOP ist und als Quadratwurzel des Elements in der 2. Reihe und 2. Spalte von CTOA definiert wird,
- - CTOA eine unskalierte Matrix ist, welche als CTOA = [ATC1 -1A]-1 definiert wird,
- - C1 die unskalierte Meßkovarianzmatrix (die Identitätsmatrix von geeigneter Dimension) ist,
- - A die Designmatrix für das Modell von Gleichung (35)
ist und als
definiert wird, und di
der beste abgeleitete Abstand (Bereich) zwischen dem
MR und der Antenne am i-ten BST ist.
Beim Positionsschätzvorgang müssen nicht alle TOA-Beobachtungen gleich
gewichtet sein. TOA-Beobachtungen, welche als zuverlässiger erachtet
werden, können schwerer gewichtet werden, als jene, die als weniger
zuverlässig erachtet werden. Dies wird durch die
Beobachtungskovarianzmatrix bewerkstelligt. Die Inverse von C1 ist die
Gewichtungsmatrix. Größere Werte auf der Diagonalen von C1 -1 entsprechen
schwererer Gewichtung für die entsprechenden TOA-Beobachtungen. Im
Zusammenhang mit Mobiltelefonortung ist RSSI von jedem BST ein
Verfahren, um den TOAs Gewichtungen zuzuteilen. Ein hoher RSSI von
einem BST deutet auf eine zuverlässige TOA hin. Dies ist auf zwei Tatsachen
zurückzuführen:
- 1. Der RSSI von einem BST besteht für gewöhnlich aus Empfangssignalleistung + Empfangsrauschleistung. Das Rauschen im Empfänger ist in erster Linie thermisches Rauschen, welches eine Funktion von Bandbreite und Temperatur ist. Wenn zwei BSs vergleichbare Temperaturen und Bandbreiten aufweisen, ist die Empfangsrauschleistung in beiden BSTs ungefähr dieselbe. Somit bedeutet ein hoher RSSI eine hohe Empfangssignalleistung, was wiederum auf ein hohes SNR hinausläuft. Dies ist erstrebenswert.
- 2. Des weiteren bedeutet ein höherer RSSI für gewöhnlich weniger Abschattung als ein niedrigerer RSSI, was wiederum weniger Mehrwegeführung bedeutet. Dies ist ebenfalls erstrebenswert.
"Blunder" sind schwere Fehler in den TOA-Beobachtungen. Sie können
durch große Schwankungen im Signalpegel verursacht werden, welche
entweder auf flachen Schwund oder plötzliche Inband-Interferenz
zurückzuführen sind. Wenn sie nicht beseitigt werden, verursachen Blunder
große Fehler hinsichtlich der geschätzten Position. Es ist möglich, Blunder
enthaltende Beobachtungen durch Beobachten des Abschlußfehlers jeder
Beobachtung während des iterativen Kleinstquadrate-Vorganges zu erkennen.
Ein Abschlußfehler wird als der Wert des Positionsmodells (35) definiert,
welchem die beste verfügbare Positionsschätzung (x, y) zugeteilt wird.
Blunder enthaltende Beobachtungen weisen im allgemeinen weit größere
Abschlußfehler als Beobachtungen, welche keine Blunder enthalten, auf.
Wenn eine Beobachtung als einen Blunder aufweisend erkannt wird, kann sie
vom Positionsschätzvorgang entfernt werden.
Wir versuchen, die Auswirkungen der Geometrie zu reduzieren, d. h. den Wert
der HDOP in (37) zu reduzieren, indem wir den MR eine große Anzahl von
BSTs überwachen lassen. In der Zellenfunkkommunikation sind
Frequenzwiederverwendung und flacher Schwund häufige Vorkommnisse.
Daher erhöht das Erhöhen der Anzahl von Überwachungs-BSs (was
wahrscheinlich die HDOP reduziert) im allgemeinen std(i). Infolgedessen
ist die Blunder-Erkennung wesentlich als Teil des Verfahrens zum
Minimieren von Positionsfehlern durch das Maximieren der Anzahl von BSs
(und somit durch das Reduzieren der HDOP), ohne eine große Einbuße
hinsichtlich std(i) in Kauf nehmen zu müssen. In Fällen, in denen Blunder
nicht erkannt werden, kann ein schlechteres SNR an manchen BSs die
Einbindung von Messungen von jenen BSs bewirken, um den std(range) mehr
zu erhöhen, als diese die HDOP reduzieren. In Anbetracht dieses
Kompromisses wird die Anzahl von BSTs, welche zum Orten des MR
verwendet werden, optimiert, derart, daß std(Position) in (36) minimiert wird.
Blunder können auch durch eine statistische Analyse der
Beobachtungsresiduen erkannt werden, welche aus dem Kleinstquadrate-
Vorgang berechnet werden, wie bei Vanicek, P., Krakiwsky, E., "Geodesy:
The Concepts," North-Holland Publishing Company, Amsterdam, 1982, zu
ersehen ist. Das Residuum jeder TOA-Beobachtung kann durch seine eigene
geschätzte Standardabweichung geschätzt werden, derart, daß der gesamte
Satz von Residuen als zur normalen Verteilung mit Nullmittel und
Einheitsstandardabweichung gehörend angenommen wird. Ist diese
Hypothese richtig, sollten die normierten Residuen innerhalb eines gewissen
spezifizierten Vertrauensbereiches für die Standardnormalverteilung fallen.
Für eine Beobachtung, deren Residuum markiert ist, wird vermutet, daß sie
einen Blunder enthält.
Anstatt die unbekannte Sendezeit zu schätzen, ist es möglich, diese zu
beseitigen. Dies wird durch Differenzieren von TOAs von zwei
verschiedenen BSTs bewerkstelligt. Da die Sendezeit von beiden BSTs
sowohl am RR als auch am MR bekannt ist, kann sie von der resultierenden
TDOA (Zeitdifferenz des Eintreffens) entfernt werden. Es kann gezeigt
werden, daß die Ortskurve aus Punkten, für welche eine bestimmte TDOA
gültig ist, einer Hyperbel entspricht. Die Seite der Hyperbel, auf welcher der
MR liegen muß, ist am Vorzeichen der TDOA zu erkennen. Mit TOAs von
drei BSs können zwei unabhängige TDOAs gebildet werden. Der
Schnittpunkt der beiden entsprechenden Hyperbeln schätzt die Position des
MR. Dieses Verfahren wird gemeinhin als hyperbolische Multilateration
bezeichnet.
Das 2-D-Ortungsmodell für hyperbolische Multilateration ist
wobei
- - Δτij = τi - τj, i≠j, und
- - τi die Eintreffzeit von Signal ri(t) an der Antenne des i-ten BST ist.
Die Geometrie wirkt sich auch auf das TDOA-Orten aus. Die HDOP wird
wieder aus (37) berechnet, wobei die Designmatrix nun
lautet, wobei N in (40) die Anzahl von BSTs darstellt. Es ist zu beachten, daß
die TOA von der Antenne des ersten BST von allen anderen TOAs
subtrahiert wird.
Die unskalierte Beobachtungskovarianzmatrix lautet
Ein Gewichten der TDOA-Beobachtungen ist möglich. Da allerdings die
TDOAs eine Funktion von zwei TOAs sind, ist das Verfahren des Zuordnens
von Gewichtungen nicht mehr direkt.
Blunder-Erkennung kann auch beim TDOA-Orten durchgeführt werden.
Allerdings entsprechen in diesem Zusammenhang Abschlußfehler und
Residuen TDOAs. Demnach kann ein versagender Abschlußfehler oder ein
versagendes Residuum auf einen Blunder in einer der beiden TOA-
Beobachtungen, aus denen die TDOA abgeleitet wird, zurückzuführen sein.
Es ist nicht immer möglich, den fehlerverursachenden BST herauszutrennen.
Zwei Hyperbelhälften, welche aus zwei unabhängigen TDOAs gebildet
werden, können sich zweimal überschneiden. Dies ergibt zwei mathematisch
richtige Lösungen. Dies gilt vor allem im Fall des Ortens von MRs, wo kurze
Entfernungen und schlechte Geometrie allzu oft vorkommen.
Lösungsbinärverzweigung (die Existenz zweier Lösungen für die
Ortungsgleichungen) ist sehr häufig ein Problemfaktor beim exakt
bestimmten Fall. Für den exakt bestimmten Fall kann die Existenz von zwei
Lösungen anhand des bei Chaffee, J. W. et al., "Bifurcation of Pseudorange
Equations," Proceedings of the 1993 National Technical Meeting, San
Francisco, California, 20.-22. Januar 1993, The Institute of Navigation,
angegeben Verfahrens festgestellt werden. Wenngleich es ursprünglich der
Erkennung von Binärverzweigung beim GPS (Global Positioning System)
dienen sollte, ist dieses Verfahren gleichermaßen auf den Fall der MR-Ortung
anwendbar.
Wenn mehr als zwei TDOAs im 2-D-Ortungsfall verfügbar sind, ist die
Wahrscheinlichkeit einer exakten Lösungsbinarverzweigung äußerst gering.
Es ist jedoch möglich, daß Binärverzweigung für eine Untermenge von zwei
TDOAs besteht. In einem derartigen Fall kann die zweite Lösung die
endgültige Lösung beeinflussen, welche unter Verwendung aller verfügbaren
TDOAs erhalten wurde.
In jedem Fall kann, wenn eine Lösungsbinärverzweigung besteht, der
iterative Kleinstquadrate-Positionsschätzungsalgorithmus zu einer beliebigen
der beiden Lösungen konvergieren. Die konvergierte Lösung ist eine
Funktion der ursprünglichen Ausgangsposition, welche verwendet wird, um
den iterativen Kleinstquadrate-Vorgang zu beginnen. Um auf die Lösung,
welche der tatsächlichen Position des MR entspricht, zu konvergieren, muß
die Ausgangsposition, welche zum Beginnen der Kleinstquadrate verwendet
wird, relativ genau sein. Fall keine Vorabinformationen über den Standort des
MR verfügbar sind, ist ein in geschlossener Form darstellbarer
Positionsschätzalgorithmus, der sich der TOA- oder TDOA-Beobachtungen
bedient, die einzige Möglichkeit.
Eine Reihe von in geschlossener Form darstellbaren Ortungsalgorithmen
wurden entwickelt. Beispiele sind sphärische Interpolation (Smith, J. O., et al.,
"Closed-Form Least-Squares Source Location Estimation from Range-
Difference Measurements," IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and
Signal Processing, Bd. ASSP-35, Nr. 12, Dez. 1987, S. 1661-1669), die
Methode von Schau und Robinson (Schau, H. C., et al., "Passive source
localization employing intersecting spherical surfaces from time-of-arrival
differences," IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal
Processing, Bd. ASSP-35, Nr. 8, Aug. 1987, S. 1223-1225), das Verfahren
nach Bancroft (Bancroft, S., "An algebraic solution of the GPS equations,"
IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Bd. AES-21, Nr. 7,
Jan. 1985, S. 56-59), die Methode von Chan und Ho (Chan, Y. T., et al., "A
Simple and Efficient Estimator for Hyperbolic Location," IEEE Transactions
on Signal Processing, Bd. 42, Nr. 8, Aug. 1994, S. 1905-1915) und LOCA
(Lage auf der konischen Achse) von Schmidt, R. O. "A New Approach to
Geometry of Range Difference Location," IEEE Transactions on Aerospace
and Electronic Systems, Bd. AES-8, Nr. 6, Nov. 1972, S. 821-835.
LOCA wird bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet.
LOCA ist das mathematische Doppel hyperbolischer Trilateration. Der
grundlegende Lehrsatz von LOCA besagt, daß TOA-Differenzen von drei
BSTs mit bekanntem Standort eine gerade Positionslinie ergeben. Diese
gerade Linie ist die Hauptachse eines Kegelschnitts. Die drei BSTs liegen auf
dem Kegelschnitt, und der MR, dessen Standort geschätzt wird, liegt an
einem Brennpunkt des Kegelschnitts. Im Fall von Redundanz und 3-D-
Ortung wird LOCA zum Ebenenschnitt erweitert, wie bei Schmidt, R. O., "A
New Approach to Geometry of Range Difference Location," IEEE
Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Bd. AES-8, Nr. 6, Nov.
1972, S. 821-835, zu ersehen ist.
Ebenenschnitt kann gleichermaßen auf den Fall der Redundanz beim 2-D-
Orten angewendet werden.
Bei LOCA sind Kegelschnitte möglich: eine Ellipse, eine Hyperbel oder eine
Parabel. Der jeweilige Kegelschnitt hängt von den relativen Positionen der
BSTs und dem zu ortenden MR ab. Jeder dieser Kegelschnitte weist zwei
Brennpunkte auf (bei der Parabel befindet sich ein Brennpunkt im
Unendlichen) und daher zwei mögliche Lösungen. Im Fall einer Ellipse wird
der richtige Brennpunkt von den Vorzeichen der TDOAs bestimmt. Im Fall
der Parabel ist die Lösung offensichtlich. Wenn der Kegelschnitt jedoch eine
Hyperbel ist, kann der richtige Brennpunkt nicht aus den gegebenen TDOAs
ermittelt werden. Chaffees Verfahren der Binärverzweigungserkennung bei
Chaffee, J. W. et al., "Bifurcation of Pseudorange Equations," Proceedings of
the 1993 National technical Meeting, San Francisco, California, 20.-22. Januar
1993, The Institute of Navigation, zeigt Binärverzweigung für den Fall
der Hyperbel und keine Binärverzweigung für die Fälle der Ellipse und der
Parabel. Mit vier BSs wird ein zweiter Kegelschnitt erhalten. Der
Schnittpunkt der Hauptachsen der beiden Kegelschnitte ist die MR-
Positionsschätzung. Somit besteht keine Mehrdeutigkeit und
Binärverzweigung stellt keinen Problemfaktor dar, wenn Ebenenschnitt bei
Vorliegen von Redundanz verwendet wird.
Wenn die TOAs große Fehler enthalten, können LOCA oder Ebenenschnitt
eine äußerst schlechte Lösung darstellen. Wenn sie als Ausgangsposition für
Kleinstquadrate verwendet wird, kann diese schlechte Lösung bewirken, daß
Kleinstquadrate divergiert. In diesem Fall kann die beste mögliche
Vorgehensweise sein, die Koordinaten der beteiligten BSs zu mitteln und
diesen Wert als Ausgangsposition für Kleinstquadrate zu verwenden. Eine
andere Alternative ist, die genäherten Koordinaten des BST, mit welchem der
MR kommuniziert, als Ausgangsposition zu verwenden.
In manchen Fällen ist es erstrebenswert oder sogar erforderlich, TDOAs und
nicht TOAs zu verwenden. Wie jedoch oben erläutert wird, ist es nicht immer
möglich, Blunder herauszutrennen, wenn TDOAs verwendet werden. Es ist
jedoch möglich, ein Ortungsmodell zu konstruieren, welches sich TDOAs
bedient, für einzelne TOAs jedoch Residuen und Abschlußfehler ergibt.
Um dies zu bewerkstelligen, wird ein BST als Referenz gewählt. Daraufhin
wird die Annahme gemacht, daß die TOA am Referenzort gleich der
Sendezeit, τ0 ist. Ab diesem Punkt folgt die Entwicklung jener der
Kreismultilateration, abgesehen davon, daß die TOA des Referenz-BST von
allen TOAs (einschließlich jener der Referenz-BST) subtrahiert wird, anstatt
die Sendezeit zu subtrahieren. Das Ortungsmodell lautet dann
wobei
- - Δτi1 = τi - τ1 = 1, . . ., N und
- - Ru der Bereich von der Antenne des Referenz-BST (ersten BST) zur Position des MR ist.
Das Modell aus (42) weist dieselbe Struktur auf wie jenes der
Kreismultilateration (Gleichung (35)), abgesehen davon, daß die dritte
Unbekannte Ru ist und nicht die Sendezeit.
Das Modell von (42) liefert N Beobachtungen und daher N Residuen und
Abschlußfehler für N BSTs. Die N Beobachtungen sind jedoch eine 0 und N-
1 TDOAs. Die Struktur der Gleichungen ist jene des TOA-Ortens, wogegen
die Beobachtungen jene des TDOA-Ortens sind. Daher der Name Hybrid-
TDOA-Orten.
Die Designmatrix für Hybrid-TDOA-Orten ist
Es ist zu beachten, daß (43) mit (38) ident ist, abgesehen von der dritten
Spalte, welche der dritten Unbekannten entspricht.
Die ungewichtete und unskalierte Beobachtungskovarianzmatrix, C1, ist
dieselbe wie jene für TOA-Ortung, die Identitätsmatrix der Dimension N.
DOPs können wie zuvor aus [ATC1 -1A]-1 berechnet werden.
Wenngleich die Beobachtungen genau gesagt TDOAs sind, können sie als
Beobachtungen behandelt werden, welche den einzelnen BSTs entsprechen.
Das heißt, die erste Beobachtung, welche immer Null ist, kann als die
Beobachtung des Referenz-BST (oder ersten BST) betrachtet werden. Die
zweite Beobachtung, welche aus der TOA der Referenz-BS subtrahiert von
der TOA des zweiten BST besteht, wird als Beobachtung des zweiten BST
behandelt und so weiter. Demgemäß können die N diagonalen Elemente von
C1 für die einzelnen BSTs gewichtet werden.
Auf gleiche Weise stehen N unabhängige Abschlußfehler und Residuen, eine
für jeden BST, zur Analyse zur Verfügung. Daraufhin kann Blunder-
Erkennung wie beim Fall von TOA-Ortung durchgeführt werden und Blunder
in einzelnen TOA-Beobachtungen können erkannt werden.
Da die verwendeten Beobachtungen in Wirklichkeit TDOAs sind, unterliegt
dieses Ortungsverfahren Lösungsbinärverzweigung. Das Verfahren des
Behandelns von Mehrfachlösungen, welches im Rahmen der hyperbolischen
Multilateration besprochen wurde, ist hier gleichermaßen anwendbar.
Im Fall eindeutiger AOA-Messungen liegen nur zwei Unbekannte für die
Positionsschätzung vor - die 2-D-Koordinaten des zu ortenden MR. Daher
sind mindestens zwei unabhängige AOA-Messungen erforderlich. Verwenden
wir also wieder (x,y) als 2-D-Koordinaten des MR und (xi,yi) als 2-D-
Koordinaten der Antenne des i-ten BST. An der Antenne des i-ten BST wird
der AOA, Λi, gemessen, wobei:
- - Λi der Winkel im Uhrzeigersinn von Northing zu der Linie, welche den MR mit der Antenne des i-ten BST verbindet, ist (ähnlich Λi in Gleichungen (32) und (33); nicht zu verwechseln mit γi in Gleichungen (15), (16), (21), (22) und (23)).
Das mathematische Ortungsmodell ist dann
(x - xi)cosΛi - (y - yi)sin Λi = 0 (44)
Wenn mehr als zwei unabhängige AOA-Beobachtungen verfügbar sind,
können Kleinstquadrate verwendet werden, um eine eindeutige Lösung zu
erhalten.
Die relativen Positionen von BSTs in bezug auf einander und auf den zu
ortenden MR sind ebenfalls für die AOA-Ortung von Bedeutung. DOP kann
wieder zum Quantifizieren der Geometrie verwendet werden. Aus dem 2-D-
Ortungsmodell (44) wird die Designmatrix als
ermittelt. Die unskalierte und ungewichtete Beobachtungskovarianzmatrix,
C1, ist die Identitätsmatrix von Dimension N. Die DOPs können wieder aus
[ATC1 -1A]-1 ermittelt werden.
Die einzelnen AOA-Beobachtungen können durch die
Beobachtungskovarianzmatrix C1 gewichtet werden. Jenen AOA-
Beobachtungen, die als zuverlässiger erachtet werden, wird eine kleinere
Varianz oder umgekehrt eine schwerere Gewichtung zugeteilt.
Wie beim Fall von TOA- oder TDOA-Beobachtungen können AOA-
Beobachtungen Blunder enthalten. Wenn redundante Beobachtungen
verfügbar sind, kann statistisches Prüfen der Beobachtungsresiduen und
-Abschlußfehler verwendet werden, um Beobachtungen zu erkennen, welche
Blunder enthalten.
- 1. Wie oben erwähnt wurde, kommt es bei der AOA-Lösung in Gleichung
(15) zu einem Mehrdeutigkeitsproblem, welches gelöst werden kann,
entweder durch
- - Verwendung von TDOA sowie AOA gemäß Erläuterung im nächsten Abschnitt oder
- - durch Verwendung von mehr als zwei Antennen an derselben BS. Dies ist in sektorisierten Zellen möglich, da jeder Sektor für gewöhnlich zwei Diversitätsantennen aufweist. Mit anderen Worten könnten in einer Dreisektorenzelle insgesamt sechs Antennen verfügbar sein.
- 2. Wenn die Diversitätsantennen nur vertikal getrennt sind, ist der geschätzte AOA der Elevationswinkel. Diesfalls ist es möglich, beide Diversitätsantennen zu verwenden, da sie voneinander unabhängig sind, d. h. sie liefern unabhängige Beobachtungen. Diversitätsbeobachtungen können mittels bestens bekannter Verfahren, unter anderem mittels Selektionskombinieren, Maximalverhältniskombinieren, Kophasenkombinieren, Gleichverstärkungskombinieren, oder anderer Verfahren, kombiniert werden.
Kleinstquadrate ermöglicht die Kombination unterschiedlicher Arten von
Beobachtungen. Insbesondere ist es möglich, unter Verwendung von sowohl
AOA-Beobachtungen und TDOA-Beobachtungen innerhalb einer einzigen
Kleinstquadratebereinigung die 2-D-Position zu schätzen.
Eine Kombination aus den beiden unterschiedlichen Beobachtungsarten ist in
derartigen Situationen besonders zweckmäßig, in denen nur zwei BSTs zum
Schätzen der 2-D-Position eines MR verfügbar sind. Wenn zwei BSTs
verwendet werden, um den AOA des kommenden Signals für diese BSTs zu
schätzen, sind zahlreiche AOA-Mehrdeutigkeiten möglich, wie aus
Gleichung (15) hervorgeht. Dies ist sowohl auf das Wesen der AOA-
Schätzung mit einer 1-D-Lineaxanordnung als auch auf die Tatsache
zurückzuführen, daß die Beabstandung zwischen Antennen größer sein kann
als eine Wellenlänge. Daher sind mit nur zwei unabhängigen AOA-
Beobachtungen viele Positionslösungen möglich, und es gibt keine
Möglichkeit festzustellen, welche der vielen Lösungen richtig ist.
Wenn jedoch zusätzlich zu den beiden unabhängigen AOA-Beobachtungen,
TOA ebenso an jedem der beiden fern gelegenen BSTs gemessen wird
(möglicherweise unter Verwendung von pi(t - τi + τo,i - Δti) in Gleichung (20)),
kann eine TDOA berechnet werden. Diese TDOA entspricht einer
Hyperbelseite, welche, falls kein Fehler vorliegt, durch den Schnittpunkt von
zwei der vielen Trägerlinien, welche aus den mehrdeutigen AOAs abgeleitet
werden, kreuzt.
Wenn die AOA- und TDOA-Beobachtungen Fehler umfassen, werden sich
keine zwei Trägerlinien und die gemessene Hyperbelseite exakt miteinander
kreuzen. Für die gemessene TDOA und jedwede zwei bestimmten AOAs,
ergibt Kleinstquadrate die Positionslösung, welche die Summe der Quadrate
der Residuen minimiert. Beobachtungsresiduen sind verfügbar, da zwei
Unbekannte, die 2-D-Koordinaten, mit drei unabhängigen Beobachtungen (2
unabhängige AOAs und 1 TDOA) vorliegen.
Um das richtige AOA-Paar aus den Mehrdeutigkeiten herauszutrennen, wird
jede AOA-Kombination mit der TDOA-Beobachtung in Kleinstquadrate
kombiniert. Jene Kombination von AOAs, welche zur kleinsten Summe von
Quadraten von Residuen führt, wird als richtig gewählt. Die entsprechende
Positionslösung wird als MR-Positionsschätzung verwendet.
Wenn AOA- und TDOA-Beobachtungen in Kleinstquadrate kombiniert
werden, werden sowohl das Modell für AOA-Orten (44) und das Modell für
TDOA-Orten (39) verwendet. Ohne Verlust der Allgemeingültigkeit ist die
Designmatrix A für zwei unabhängige AOA-Beobachtungen und eine TDOA-
Beobachtung
wobei di die beste abgeleitete Entfernung zwischen dem MR und dem i-ten
BST ist. Es ist zu beachten, daß die ersten beiden Reihen den beiden AOA-
Messungen entsprechen, während die dritte Reihe der TDOA-Messung
entspricht. Die beiden Spalten entsprechen den beiden Unbekannten, x und y.
Zusätzliche AOA- und TDOA-Messungen können durch Hinzufügen
geeigneter Reihen zu (46) eingebunden werden. Es ist zu beachten, daß der
1/c Faktor, welcher in (40) zu ersehen ist, in der TDOA-Meßreihe von (46)
fehlt. Dies erfolgt derart, daß die Einheiten im gesamten A dimensionslos
sind.
Der Abschlußfehlervektor, welcher für den
Kleinstquadratebereinigungsmechanismus erforderlich ist, besteht lediglich
aus den Abschlußfehlern aller Beobachtungen. Der Abschlußfehlervektor,
welcher der Designmatrix von (46) entspricht, ist
wobei
- - Δτ12 = τ1 - τ2.
Da die AOA- und TDOA-Beobachtungen unabhängig sind, ist die unskalierte
Beobachtungskovarianzmatrix die Identitätsmatrix von geeigneter Dimension
(Anzahl von AOA-Beobachtungen zuzüglich der Anzahl von TDOA-
Beobachtungen).
DOP kann wieder zum Quantifizieren der Geometrie verwendet werden. Die
DOPs (HDOP, EDOP, NDOP) können aus [ATC1 -1A]-1 ermittelt werden,
wobei A und C1 unmittelbar oben definiert werden.
Die einzelnen AOA- und TDOA-Beobachtungen können durch die
Beobachtungskovarianzmatrix C1 gewichtet werden. Jenen AOA- und/oder
TDOA-Beobachtungen, welche als zuverlässiger betrachtet werden, wird eine
kleinere Varianz oder umgekehrt eine schwerere Gewichtung zugeteilt.
Sowohl TDOA- als auch AOA-Beobachtungen können Blunder enthalten.
Statistisches Prüfen der Beobachtungsresiduen und -abschlußfehler kann
verwendet werden, um Beobachtungen, welche Blunder enthalten, zu
erkennen.
Sind die Sendezeit oder die Umlaufzeit bekannt, ist der Bereich, i, vom MR
zum i-ten BST der beobachtete Parameter. Diesfalls können AOA- und
Bereichsorten ebenfalls kombiniert werden, um die Lage des MR mit drei
BSTs zu schätzen. Ohne Verlust der Allgemeingültigkeit ist die Designmatrix
A für zwei AOA-Beobachtungen und eine Bereichsbeobachtung
Der Abschlußfehlervektor, welcher dieser Designmatrix entspricht, ist
Da die AOA- und Bereichsbeobachtungen unabhängig sind, ist die
unskalierte Beobachtungskovarianzmatrix die Identitätsmatrix von geeigneter
Dimension (Anzahl von AOA-Beobachtungen zuzüglich der Anzahl von
Bereichsbeobachtungen).
Andererseits ist, ohne Verlust der Allgemeingültigkeit, die Designmatrix A
für eine AOA-Beobachtung und zwei Bereichsbeobachtungen
Der Abschlußfehlervektor, welcher dieser Designmatrix entspricht, ist
Auch hier kann DOP verwendet werden, um die Geometrie zu quantifizieren.
Die DOPs (HDOP, EDOP, NDOP) können aus [ATC1 -1A]-1 ermittelt werden,
wobei A und C1 unmittelbar oben definiert werden.
Die einzelnen AOA- und Bereichsbeobachtungen können durch die
Beobachtungskovarianzmatrix C1 gewichtet werden. Jenen AOA- und/oder
Bereichsbeobachtungen, welche als zuverlässiger betrachtet werden, wird
eine kleinere Varianz oder umgekehrt eine schwerere Gewichtung zugeteilt.
Sowohl die AOA- als auch die Bereichsbeobachtungen können Blunder
enthalten. Statistisches Prüfen der Beobachtungsresiduen und -abschlußfehler
kann verwendet werden, um Beobachtungen, welche Blunder enthalten, zu
erkennen.
In einem kinematischen Ortungssystem muß die 3-D- oder 2-D-Lage des sich
bewegenden MR zu verschiedenen Zeitabschnitten geschätzt werden. Zudem
kann die Dopplerverschiebung des von jedem BST übertragenen Signals wie
früher besprochen geschätzt werden. Die Gleichungen, welche die Frequenz
(einschließlich der Dopplerverschiebung) des eintreffenden Signals am MR
vom BST
- 1. mit der relativen Geschwindigkeit des MR mit Bezug auf die BSTs,
- 2. mit ihrer DOT und
- 3. mit dem jedem BST eigenen Frequenzversatz
in Relation bringen, werden in Gleichungen (35) angeführt.
Das Schätzmodell für Geschwindigkeit und DOT ist daher
fi - v/λcos(ϕ - Λi) - Δfi + Δfo = 0 (52)
wobei Δfi, der Frequenzversatz für den i-ten BST, vom RR als bekannt
angenommen wird. Da zu jedwedem bestimmten Zeitabschnitt die Position
des MR (x,y) mittels eines der oben genannten Verfahren geschätzt wird,
kann der Winkel Λi in (52) für jeden BST berechnet werden. In Gleichung
(52) sind dann fi, λ, Δfi und Λi die Bekannten (wobei fi gemessen oder
beobachtet wird) und v, ϕ und Δfo die Unbekannten. Drei BSTs sind
erforderlich - dieselbe Anzahl, welche erforderlich ist, um die 2D-MR-
Position unter Verwendung von TOA- oder TDOA-Ortung zu schätzen.
Die Geometrie beeinflußt auch die Schätzung von Geschwindigkeit und
DOT. Beispielsweise ist es intuitiv klar, daß, wenn sich MR auf einer Linie
bewegt, die senkrecht auf die Linie steht, welche diesen und einen BST
verbindet, keine Informationen betreffend die Geschwindigkeit des MR aus
beobachteten Daten an jenem BST verfügbar sind.
Die Designmatrix für das Modell von (52) ist
Die DOPs können wieder aus [ATC1 -1A]-1 ermittelt werden. Diesfalls sind die
DOPs Geschwindigkeits-DOP, Bewegungsrichtungs-DOP und
Frequenzversatz-DOP. C1 ist die unskalierte und ungewichtete
Identitätsmatrix von Dimension N.
In einem WLS auf Handapparatbasis ist es erstrebenswert imstande zu sein,
ein Zellen-BS als BST zu verwenden und anzufordern, daß ein CT als ein MR
wirkt, um die Vorgabe des FCC für E911 zu erfüllen sowie den derzeit 60
Millionen Mobiltelefonteilnehmern in Nordamerika, die Erwartungen zufolge
bis zum Jahr 2001 auf 120 Millionen anwachsen sollen, Ortungsdienste
anzubieten. Dies könnte jedoch eine Änderung des CT sowie eine Änderung
der Zellenfunknormen erfordern. Wenn die erforderlichen Änderungen
derzeit existierende CTs ausschließen, wird die Vorgabe des FCC für E911
durch Verwendung eines derartigen Systems nicht erfüllt. Dennoch ist eine
Lösung auf Handapparatbasis attraktiv, da sie eine Genauigkeit bietet, welche
mit jener vergleichbar ist, die von für Ortungszwecke verwendeten Systemen
wie GPS und Loran-C angeboten wird. Aus diesem Grund ist es dennoch
akzeptabel, unabhängig von den Vorgaben der FCC Änderungen am CT
vorzunehmen.
Einige Änderungen am CT könnten Änderungen der Norm voraussetzen. Wir
legen das Schwergewicht auf Änderungen des CT, während wir bemüht sind,
die Änderungen der Norm zu reduzieren. Drei Stufen der CT-Modifikation
werden wie folgt dargelegt:
- 1. Modifikation 0, welche keine Modifikation des CT erfordert;
- 2. Modifikation I, welche nur softwaremäßige Modifikation des bestehenden CT erfordert; und
- 3. Modifikation II, welche sowohl software- als auch hardwaremäßige Modifikationen des bestehenden CT erfordert.
Eine Hardwaremodifikation des bestehenden CT ist erforderlich, wenn eine
erforderliche Änderung in den Signalverarbeitungsalgorithmen nicht
softwaremäßig realisiert werden kann. Dies kann auf
- - erforderliche Änderungen (z. B. eine Änderung beim HF-Vorfeld, bei den Antennen oder bei den Mischern), welche nicht softwaremäßig realisiert werden können; oder
- - auf die Tatsache, daß die digitale Hardware nicht geeignet ist, um manche softwaremäßig realisierten Tasks auszuführen (z. B. wenn ASIC-Chips an Stelle von Allzweck-DSP-Chips in den bestehenden CTs verwendet werden)
zurückzuführen sein.
Es wird hier vorgeschlagen, Modifikation 0, I und II gegenüber den
bestehenden Verfahren zu verbessern.
Diesfalls fußen die bestehenden Verfahren nur auf Pilotsignalen, welche von
Zellensektoren ausgesendet werden, um den CT zu orten. Insbesondere
beschreiben die bestehenden Verfahren eine typische Operation eines CT,
welcher nach Piloten sucht und deren TOAs ermittelt. Allerdings ist diese
Normalbetriebsart eines CT ausgebildet, die Leistung des CT beim
Empfangen von Datensignalen zu maximieren und die
Kommunikationsleistung (d. h. Kapazität des Systems, Zuverlässigkeit der
Datenübertragung usw.) zu maximieren. Verbesserung 0 bringt
Ortungszustand 0, welchen das CT immer dann einnimmt, wenn es in
Modifikation 0 aufgefordert wird, sich zu orten. Ortungszustand 0 optimiert
mehrere Konstruktionsparameter in Modifikation 0 wie folgt:
Das üblichste Verfahren zum Schätzen der TOAs, POAs,
Eintreffstärke (SOAs) und FOAs von empfangenen Signalen am MR umfaßt
das Korrelieren eines empfangenen Signals mit einer reinen Version von sich
selbst. Herkömmliche Verfahren sind nicht imstande, Korrelationsspitzen
über die herkömmliche Zeitdomänen-Rayleigh-Auflösung hinaus aufzulösen.
Des weiteren wählen herkömmliche Verfahren entweder die höchste
Korrelationsspitze über einer bestimmten Schwelle oder die Spitze, welche
dem ersten Eintreffen über einer bestimmten Schwelle entspricht. Über einen
Mehrwegekanal ist es möglich anzunehmen, daß die erste Spitze über einer
bestimmten Schwelle der richtigen Spitze entspricht, allerdings können
Aliasing, Rauschen und Interferenz bewirken, daß unerwünschte Spitzen
zeitlich noch vor der richtigen Spitze auftreten. Es ist eine Aufgabe von
Improvement 0,
- 1. die Schwelle, welche beim Auswählen der Korrelationsspitze verwendet wird, zu optimieren; und
- 2. die Liste von BSs, welche zur Korrelation in Betracht gezogen werden, zu optimieren.
Eine derartige Optimierung beruht auf dem Minimieren der HDOP. Die
optimierten Parameter: Schwelle und Liste von BSs, werden daraufhin immer
dann zum CT übertragen, wenn gewünscht wird, Ortungszustand 0
einzunehmen. In einem derartigen Zustand wird das CT gezwungen, mehr
Signale von mehr BSTs zu empfangen, um HDOP zu reduzieren. Der
Optimierungsprozeß kann wie folgt erläutert werden. Damit das CT mehr
Signale empfängt, muß seine Schwelle gesenkt werden. Eine niedrigere
Schwelle zwingt jedoch das CT dazu, schwache Signale anzunehmen. Dies
führt zu schwachen SNR-Signalen, welche unter Mehrwegeführung und
Interferenz leiden könnten. Um HDOP zu minimieren und gleichzeitig die
Wirkung von Rauschen und Mehrwegeführung zu reduzieren, besteht der
Optimiervorgang aus Lösen für die Position des MR unter Verwendung der
Kleinstquadrate, gewichtet nach dem individuellen RSSI von jedem
empfangenen Signal.
Bei Modifikation I erfordern bestehende Verfahren ein großes Maß an
Änderung von Normen. Verbesserung I erfordert hingegen keine Änderung
von Normen. Sie zwingt das CT, den Ortungszustand I einzunehmen:
Diese besteht aus der Verwendung der SR- und inversen
SR-Algorithmen über die Korrelationsfunktion (welche durch Korrelieren der
empfangenen Signale an sowohl MR und RR mit einer reinen Version von
diesen selbst erhalten wird), um:
- 1. die Korrelationsspitzen über die herkömmliche Zeitdomänen- Rayleigh-Auflösung hinaus aufzulösen; und um
- 2. die Verwendung einer Schwelle beim Auswählen der Korrelationsspitze zu vermeiden.
Ein wichtiges Merkmal beim inversen SR-Algorithmus ist die Tatsache, daß
dieser im allgemeinen eine Reihe von Korrelationsspitzen erzeugt:
- - eine Spitze, welche dem Direktpfadsignal entspricht, sowie,
- - eine Reihe unerwünschter Spitzen, die durch Rauschen, Aliasing, Mehrwegeführung und Interferenz verursacht werden, welche die richtige Spitze umgeben.
Anstatt eine Schwelle zu verwenden, besteht Ortungszustand I aus dem
Auswählen der Korrelationsspitze, welche das kleinste Residuum erzeugt,
wenn eine gewichtete Kleinstquadrateoperation in bezug auf alle möglichen
Korrelationsspitzen durchgeführt wird, die sich aus dem Superauflösen der
Korrelationsfunktionen ergeben, welche aus dem empfangenen Signalen
unter Verwendung des inversen SR-Algorithmus erzeugt werden. Es ist
ebenso eine Aufgabe von Ortungszustand I, die Liste von BSs, welche für
die Korrelation berücksichtigt werden, auf der Grrundlage des Minimierens
von HDOP zu optimieren.
In Modifikation II erfordern bestehende Verfahren ein großes Maß an
Änderung von Normen sowie Änderung von CTs. Insbesondere besteht sie
aus dem Empfangen von GPS-Signalen, zum Teil am CT und zum Teil am
RR. Anstattdessen werden in Modifikation II mehrere Verbesserungen
gegenüber bestehenden Verfahren angeboten:
- - Sie gestattet dem CT, zwischen dem Empfang von Zellensignalen oder dem Empfang nichtzellularer Signale (beispielsweise GPS, Loran-C usw.) oder beiden auszuwählen;
- - Sie gestattet dem CT, Verbesserung 0 und/oder Verbesserung I zu verwenden, d. h. Ortungszustand 0 und/oder Ortungszustand I einzunehmen;
- - Sie gestattet dem CT, die Trägerphase der empfangenen Signale zur TDOA-Ortung zu verwenden;
- - Sie gestattet dem CT, AOA für GPS/Loran-C zu verwenden;
- - Sie gestattet dem CT, durch Verwendung von nur zwei unabhängigen BSs, mit einem Minimum von zwei Sektoren je BS, bei Verwendung von AOA-Schätzung, sich selbst zu orten;
- - Sie gestattet dem CT, Dualfrequenzempfänger für GPS zu verwenden;
- - Sie gestattet dem CT, Pseudolite bei GPS zu verwenden;
- - Sie gestattet dem CT, erweitertes Zellen-GPS zu verwenden;
- - Sie gestattet dem CT, Kurznachrichten entweder zum Übertragen seiner Positionsdaten oder zum Empfangen der Referenzinformationen zu verwenden, um nicht netzabhängig zu sein;
- - Sie gestattet dem CT, Positionsdaten von sowohl GPS als auch Zellensignalen zu kombinieren. Nur GPS erfordert vier Satelliten, um für (x,y,z,) und den Taktfehler des CTs zu lösen. Nur der Mobilapparat erfordert drei BSs, um für (x,y) und den Taktfehler des CTs zu lösen. Beim Kombinieren von GPS-Gleichungen mit Zellfunkgleichungen benötigen wir insgesamt vier Gleichungen, da wir noch immer vier Unbekannte haben: x, y, z und den Taktfehler des CTs. Eine mögliche Alternative ist, z durch die Höhe der BSs zu ersetzen. Dies kann jedoch einen Fehler in die Schätzung für x und y einschleusen.
Hier wird vorgeschlagen, einen IS-95-Empfänger zu verwenden, welcher die
TOA von mehreren Pilotsignalen zur Verwendung beim Schätzen der Lage
des Empfängers mißt. Dieser Empfänger kann durch Modifikationen des
Betriebs einer breiten Vielfalt von CDMA-Empfängern, einschließlich
CDMA CTs, hergestellt werden.
Ein IS-95 CT wird gesteuert, um Ortungszustand 0 oder Ortungszustand I
einzunehmen, durch einen Befehl, der von:
- 1. einem entfernt gelegenen Standort empfangen wird,
- 2. einen vom Benutzer des CT empfangenen Befehl, oder
- 3. durch andere vorgegebene Umstände, beispielsweise Initialisierung beim Hochfahren oder Ursprung eines CT.
- 1. stellt das CT eine Liste von Piloten zusammen, nach denen gesucht werden soll (1011), wie aus Fig. 10 hervorgeht. Diese Liste kann aus einer Kombination des aktiven Satzes des CT, seines Nachbarsatzes, seines verbleibenden Satzes und einer Liste von Piloten, welche in einer Nachricht von einer entfernt gelegenen Quelle angegeben werden, welche vom CT empfangen wird, gebildet werden.
- 2. Der Vorgang des Suchens nach Piloten und des Zuteilens eines Demodulatorfingers, um eine verfeinerte TOA-Schätzung zu erhalten, wird für jeden Pilot in der Pilotsuchliste ausgeführt. In den Blöcken (1012), (1013), (1014), (1015), (1016), (1017) und (1018) stellt P einen der Piloten aus der Liste dar. Block (1012) initialisiert P auf den ersten Piloten in der Suchliste.
- 3. Ein Sucherelement wird beauftragt, im empfangenen Signal nach Pilot P zu suchen (1013). Ein Fenster von PN-Versatzwerten (Start und Ende, oder Mitte und Breite) wird dem Sucher vorgegeben. Der Sucher berechnet daraufhin die empfangene Energie von Pilot P an mehreren Verzögerungsversatzwerten innerhalb des Suchfensters. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind diese Verzögerungsversatzwerte ein halbes Chip (0,4069 Mikrosekunden) voneinander beabstandet. Für jeden Verzögerungsversatz akkumuliert der Sucher empfangene Pilotenergie während einer vorgegebenen Zeitdauer (0,5 ms bei der bevorzugten Ausführungsform).
- 4. Die Sucherergebnisse werden auf Anzeichen für den Empfang eines Pilotsignals von ausreichender Qualität überprüft (1014). Bei der bevorzugten Ausführungsform wird das Verhältnis der durchschnittlichen Pilotchipenergie zur empfangenen Gesamtenergie (als Ec/Io bezeichnet) an jedem Verzögerungsversatz berechnet. Fig. 11 zeigt einen möglichen Satz von Werten für Sucherergebnisse. In diesem Beispiel tritt in der Nähe von Verzögerungsversatz 7 eine erhebliche Pilotenergie auf. Der Pilot Ec/Io an jedem Verzögerungsversatz wird mit einem Schwellwert (-15 dB bei der bevorzugten Ausführungsform) verglichen. Überschreitet der Ec/Io an einem oder mehreren Verzögerungsversatzwerten die Schwelle, so wird der früheste derartige Verzögerungsversatz als erste Schätzung der Eintreffzeit des Piloten verwendet. Wird die Schwelle an keinem der Verzögerungsversätze überschritten, so wird ermittelt, daß der Pilot nicht erfaßt wurde.
- 5. Wurde der Pilot P erfaßt, so wird dem Piloten P ein Demodulatorfinger am ersten Schätzwert der Eintreffzeit des Piloten zugeordnet (1015). Dem Finger wird gestattet, den Pilot P während eines Zeitraums (2 ms bei der bevorzugten Ausführungsform) zu verfolgen, wonach
- 6. der Verzögerungsversatz des Fingers gewonnen und als Eintreffzeit von Pilot P gespeichert wird (1016).
- 7. Nachdem der Sucher die Suche nach Pilot P abgeschlossen hat, wird P dem nächsten Piloten in der Liste zugeteilt (1017), (1018).
- 8. Nach Durchgehen der Liste werden die Suchresultate zusammengestellt (1019), für weiteres Verarbeiten oder Übertragen zu einem entfernt gelegenen Ort.
Fig. 10 zeigt Schritte, welche sequentiell ausgeführt werden. Manche
Schritte könnten parallel ausgeführt werden. Insbesondere kann der Sucher
die Suche nach einem anderen Piloten beginnen, während ein
Demodulatorfinger einen zuvor gefundenen Piloten verfolgt.
Ist die Zeitreferenz des CT nicht hinlänglich stabil, kann ein
Demodulatorfinger einem Piloten zugeordnet werden, während andere Piloten
von anderen Fingern gesucht und verfolgt werden, um eine bekannte
Zeitreferenz aufrechtzuerhalten.
Ein Demodulatorfinger kann einen Piloten unter Verwendung einer
verzögerungsvernegelten Schleife verfolgen, wie in US-Patent 5,764,687
beschrieben wird. Dies führt dazu, daß sich der Finger zur Spitze des
Eintreffens des Piloten bewegt. Verbesserte Leistung kann dadurch erreicht
werden, daß ein Finger zu einer vorbestimmten Ec/Io-Schwelle an der
ansteigenden Flanke der Pilotenergie relativ zum Verzögerungsversatz
nachgeführt wird.
Der Ortungsbetrieb wird am Host durchgeführt, welcher entweder innerhalb
des MR (Option I) oder vom MR (Option II und III) abgesetzt (z. B.
innerhalb des RR oder eines TR) angeordnet sein kann. Bei Option II und III
wird vorgezogen, soviel des Verarbeitens wie möglich am MR
durchzuführen, um die Menge an Informationen, welche vom MR zum Host
übertragen werden, zu reduzieren. Wenn beispielsweise TDOA zum Orten
verwendet wird, ist es vorzuziehen, die TOA eines empfangenen Signals, ri(t),
welches vom i-ten BST übertragen wird, am MR zu messen. Dasselbe gilt für
PDOA und FDOA. Im Fall der TOA und der POA besteht die erforderliche
Verarbeitung aus dem Korrelieren des empfangenen Signals mit einer reinen
Version von pi(t) und dem Senden der Informationen, welche die
Korrelationsspitzen betreffen, zum Host. Im Fall der FOA besteht die
erforderliche Verarbeitung aus dem Korrelieren des empfangenen Signals mit
mehreren reinen Versionen des pi(t) auf verschiedenen Frequenzen und dem
Senden der Informationen, welche die Korrelationsspitzen betreffen, zum
Host.
Die Korrelationsspitzen zwischen ri(t) und einer reinen Version von pi(t)
können unter Verwendung von SR-Algorithmen superaufgelöst werden. Es
ist mitunter vorzuziehen, die SR-Algorithmen am Host und nicht am MR
durchzuführen, da dies eine Reihe rechenintensiver Operationen erfordert,
welche einfacher am Host als am MR entwickelt werden können. Dies
bedeutet, daß die Korrelationsspitze zum Host übertragen werden muß,
welche keine große Menge an Informationen darstellt und einfach zum Host
übertragen werden kann.
Um in der Lage zu sein, das empfangene Signal, ri(t), am MR zu korrelieren,
muß zuvor eine reine Version von pi(t) am MR verfügbar sein. Um ein
Korrelieren von ri(t) mit pi(t) zu vermeiden, kann eine beliebige der beiden
folgenden Vorgangsweisen verwendet werden:
- 1. Filtern des gesamten empfangenen Signals;
- 2. Heraustrennen der Phase eines vorhandenen Tons. In diesem Fall sind TOA- und AOA-Informationen in der Phase des Tons enthalten, während die FOA-Informationen in der Frequenz des Tons enthalten sind und durch Verwendung von Vorgangsweise III (siehe unten) herausgetrennt werden können.
- 1. Filtern des gesamten empfangenen Signals;
- 2. Ausführen einer nichtlinearen Operation bezüglich des gefilterten Signals;
- 3. Heraustrennen der Phase eines Tons, welcher durch die nichtlineare Operation aus Schritt 2 generiert wird. In diesem Fall sind TOA- und AOA-Informationen in der Phase des Tons enthalten, während die FOA-Informationen in der Frequenz des Tons enthalten sind und durch Verwendung von Vorgangsweise III (siehe unten) herausgetrennt werden können.
Die nichtlineare Operation in Vorgangsweise II kann entweder eine
quadratische Operation (z. B. Quadrieren des Signals), eine
Verzögerungsproduktoperation (d. h. Multiplizieren des Signals mit einer
verzögerten Version von sich selbst) oder jedwede andere geeignete
nichtlineare Operation sein.
Vorgangsweise I und II können beide zum Erfassen des Signals und zum
Schätzen seiner TOA verwendet werden. Dies wird durch Stempeln der Zeit
unter Verwendung eines zuverlässigen Taktgebers entweder am Beginn
generierten Tons oder Erhalten des Zeitstempels am Ende des
Beobachtungsfensters (Letzteres wird bevorzugt) bewerkstelligt.
Vorgangsweise I und II können durch Auflösen des vorhandenen oder
generierten Tons unter Verwendung von SR- und inversen SR-Algorithmen
verbessert werden. Überdies kann das in Schritt 1 von Vorgangsweise II
erforderliche Filtern in der digitalen Domäne ausgeführt werden, um die
Auswirkung der Temperatur und der Alterung auf die
Gruppenlaufzeitvariation zu reduzieren.
Vorgangsweise I und II können verbessert werden, indem sie mehrere Male
wiederholt werden und daraufhin entweder die Lageinformationen gemittelt
oder die TDOA, PDOA oder FDOA zwischen Paaren aus BSTs gemittelt
werden.
Ein alternatives Verfahren zum Verbessern von Vorgangsweise I und II
sieht vor, die Beobachtungsdauer, Ti, des empfangenen Signals, ri(t),
erheblich zu erhöhen, um dadurch das Empfangs-SNR zu erhöhen. Um in der
Lage zu sein, Ti beliebig zu erhöhen, muß pi(t) am MR verfügbar sein. Ein
wichtiges Merkmal in Vorgangsweise II ist die Tatsache, daß das Signal ri(t),
welches vom i-ten BST gesendet wird, kein deterministisches Signal sein
muß, d. h. es muß keine reine Kopie des Signals am MR verfügbar sein. Ein
gleichermaßen wichtiges Merkmal in Vorgangsweise II ist die Tatsache, daß
die Wahrscheinlichkeit der Ortung 100% beträgt, nicht wie bei
Vorgangsweise I, wo sie unter 100% liegt. Dies führt zur Tatsache, daß bei
Vorgangsweise II das Erhöhen der Beobachtungsdauer, Ti, verschiedenen
Situationen Rechnung tragen kann. Beispielsweise kann in ländlichen
Gebieten, wo die Zellen groß sind, das SNR durch Vergrößern der
Beobachtungsdauer vergrößert werden. Oder es ist analog dazu, wenn die
Geometrie nicht gut ist (d. h. HDOP ist groß, z. B. Bundesstraße), möglich, es
durch Vergrößern der Beobachtungsdauer und somit Erhöhen der Anzahl von
BSTs, welches das Signal ri(t) mit einem angemessenen Pegel empfangen, zu
verbessern. Die Beobachtungsdauer wird somit vorzugsweise mit Bezug auf
das SNR und die HDOP optimiert. Zusätzlich zum Reduzieren der HDOP
durch Erhöhen der Anzahl von BSTs führt dies auch zur Reduktion der
Auswirkung von Mehrwegeführung, insbesondere in städtischen Zentren.
Um die Auswirkung von Inband-Interferenz auf die Phase des gewünschten
Tons zu reduzieren, werden Schmalbanddigitalfilter mit einer Bandbreite von
einigen Hertz verwendet (z. B. Filter auf Fourier-Transformationsbasis, Filter
auf gleitender Fourier Transformationsbasis, IIR-Filter, FIR-Filter usw. . . .).
Das Filter auf Fourier Transformationsbasis weist eine Bandbreite auf,
welche eine Funktion der Beobachtungsdauer, Ti ist. Das IIR-Filter weist eine
stationäre Ansprechzeit auf, welche eine Funktion von Ti ist. Mit anderen
Worten: die Beobachtungsdauer, Ti, muß ausgewählt werden, um das SNR
(es wird erhöht) gegenüber der Bandbreite des Filters (sie wird verringert)
gegenüber der Ansprechzeit des Drahtlosortungssystems (sie wird minimiert)
zu optimieren.
Um die Auswirkung der Mehrwegeführung, MPi(t), auf die Leistung eines
kinematischen Drahtlosortungssystem zu verringern, ist es erstrebenswert, die
verschiedenen Doppler-Frequenzen δfi (welche verschiedenen TOAs und
verschiedenen AOAs entsprechen) aufzulösen und die Frequenz zu wählen,
welche dem ersten Eintreffen entspricht. Das Verfahren des Auflösens der
verschiedenen Frequenzen kann unter Verwendung von SR-Algorithmen
erfolgen.
Um Modifikation II gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern, sollte
versucht werden,
- 1. Folgendes zu verringern oder zu vermeiden:
- - Verstärkungsungleichgewicht;
- - Phasenungleichgewicht;
- - Trägerdurchschleifung; und
- - DC-Offset,
- 2. imstande zu sein, dasselbe HF-Vorfeld für alle Normen (analog oder digital) über ein Fixband zu verwenden; und
- 3. Außerband-Interferenzquellen (z. B. Paging, Bündelfunk usw.) durch Verwendung digitaler Filter im digitalen Signalprozessor (DSP) zu unterdrücken.
Um die drei oben genannten Zielsetzungen zu erreichen wird vorgeschlagen,
einen linearen ZF-Abtastempfänger für den MR oder für den RR oder für
beide zu verwenden. Ein derartiger ZF-Abtastempfänger ist ausgebildet, um
hohe Unterdrückung, geringe Gruppenlaufzeitvariation und gute
Empfindlichkeit aufzuweisen. Um hohe Unterdrückung mit guter
Empfindlichkeit aufzuweisen, ist der Empfänger ausgebildet, Folgendes
aufzuweisen (siehe Fig. 8):
- 1. Eine Reihe von Zwischenfrequenz(ZF)-Stufen (810), welche das empfangene HF-Signal Re{i(t)exp(j2πfct)} (801) in ein ZF-Signal (807) mit der ZF-Frequenz f1 konvertieren. Initialunterdrückung wird bei ZF durch Verwendung eines ZF-Bandpaßfilters (BPF) (802), gefolgt von einem HF-Verstärker (803) für gute Empfindlichkeit, erreicht. Folgeunterdrückungen werden an jeder ZF-Stufe, welche aus einem Mischer (804), gefolgt von einem Zwischenfrequenz(ZF)-BPF-Filter (805) und einem ZF-Verstärker (806), bestehen, erreicht.
- 2. Ein Prealiasingfilter (811) ist dem Analog/Digital-Wandler (812) vorgelagert, welcher das ZF-Analogsignal in ein ZF-Digitalsignal umwandelt. Die Abtastrate soll unter der Nyquist-Rate liegen, um aliasierte Kopien des ZF-Signals (807) nahe einer niedrigeren digitalen ZF, f2, zu erzwingen.
- 3. Digitale Filter (813), welche Rauschen und Interferenz außerhalb der digitalen ZF-Bandbreite unterdrücken.
- 4. Ein digitaler Abwärtswandler (DDC) (804), welcher das (reelle) digitale ZF-Signal in ein (komplexes) digitales Basisbandsignal (optionell) konvertiert.
Um eine niedrige Gruppenlaufzeitvariation zu erhalten, wird die folgende
Vorgangsweise vorgeschlagen:
- 1. Schätzen des Trägerversatzes (818), (infolge von Doppler, δfi, und infolge des LO-Versatzes, Δfi) des Signals ri(t) (801) unter Verwendung des digitalen Signalprozessors (DSP) (817).
- 2. Einstellen der lokalen Oszillatoren (808) im Empfänger entsprechend dem MR während des Empfangs von ri(t) (801) auf der Grundlage des geschätzten Trägerversatzes (818) in oben genanntem Schritt 2.
Da die Gesamtgruppenlaufzeit, Δti, eine
Funktion der Frequenz ist, kann sie von einer Frequenz zur anderen
beträchtlich schwanken. Des weiteren kann nach Maßgabe der AMPs-Norm,
Δfi ganze 2 kHz betragen. Aus diesem Grund ist es von Bedeutung, zu
bewirken, daß Δfi vom Trägerversatz, Δfi + δfi unabhängig ist. Dies wird
durch Schätzen des Trägerversatzes, Δfi + δfi, in Schritt 1 von
Vorgangsweise III und Entfernen desselben in Schritt 2 von
Vorgangsweise III vor dessen Verarbeitung zu Ortungszwecken erreicht. Mit
anderen Worten: Schritt 1 und 2 zwingen die Gesamtgruppenlaufzeit, Δti,
konstant zu bleiben, wodurch auf Frequenzversätze zurückzuführende
Gesamtgruppenlaufzeitvariationen reduziert werden. Um auf Temperatur und
Alterung im RR zurückgehende Gesamtgruppenlaufzeitvariationen zu
reduzieren, muß am RR regelmäßig ein Kalibriervorgang durchgeführt
werden.
- 1. In Vorgangsweise III kann Schritt 1 unter Verwendung einer diskreten Tragerrückgewinnungsschleife (CRL), welche in Vorgangsweise IV (siehe unten) beschrieben wird, durchgeführt werden.
- 2. In Vorgangsweise III kann Schritt 2 unter Verwendung eines direkten Digitalsynthesisers (DDS) (809) durchgeführt werden.
Die diskrete Trägerrückgewinnungsschleife besteht aus mehreren Schritten,
welche mehrere Male wiederholt werden, bis ein zufriedenstellender
Leistungspegel erreicht wird:
- 1. Digitales Signalverarbeiten des abgetasteten IF-Signals (814 oder 816) unter Verwendung des DSP (817), um eine adäquate objektive Funktion, fobj, abzuleiten.
- 2. Wenn fobj auf innerhalb einer bestimmten Zwangsbedingung optimiert wird, Stoppen der Schleife, andernfalls:
- 3. Suchen nach einem neuen Frequenzversatz (818),
- 4. Einstellen des LO (808) mittels des neuen Frequenzversatzes (818) und
- 5. Rückkehr zu Schritt 1.
In Vorgangsweise IV kann Schritt 3 unter Verwendung eines
Suchalgorithmus vom Gradiententyp oder jedwedes anderen geeigneten
Suchalgorithmus durchgeführt werden.
In Vorgangsweise IV kann Schritt 4 unter Verwendung von entweder nur
einem DDS (809) oder einem DDS und einem digitalen Abwärtswandler
(DDC) (815) durchgeführt werden. Wenn nur ein DDS (815) in Schritt 4
verwendet wird, so verarbeitet Schritt 1 in Vorgangsweise IV ein neues
Segment des Signals, ri(t), bei jeder Iteration. Wenn ein DDS (809) und ein
DDC (809) in Schritt 4 verwendet werden, so verarbeitet Schritt 1 in
Vorgangsweise IV dasselbe gespeicherte Segment des Signals, ri(t), bei jeder
Iteration, bis der DDS (809) verwendet wird. Es wird vorgezogen, sowohl
den DDC als auch den DDS zu verwenden, um die Auswirkung von endlicher
Präzisionsarithmetik auf den Schätzvorgang zu reduzieren.
Im Fall, bei dem Konstruktion I keinen Schritt 4 enthält, kann der DSP (817)
in Schritt 1 von Vorgangsweise IV der Trägerrückgewinnungsschleife aus
einem digitalen Kerbenfilter bestehen, welcher an der gewünschten ZF-
Frequenz f2 zentriert ist, dessen Ansprechleistung zu minimieren ist, d. h. fobj
ist das Ansprechen des digitalen Kerbenfilters. Diesfalls kann das
Kerbenfilter bestehen aus
- 1. einem ersten digitalen Bandpaßfilter, welches an der f2 + Frequenz des gewünschten Tons zentriert ist, und
- 2. einem zweiten digitalen Bandpaßfilter, welches an der f2 - Frequenz des gewünschten Tons zentriert ist.
Die Bandpaßfilter können unter Verwendung (reeller) digitaler
Biquadratfilter implementiert werden.
Alternativ dazu kann der DSP (817) in Schritt 1 in Vorgangsweise IV der
Trägerrückgewinnungsschleife aus einem digitalen Bandpaßfilter bestehen,
das an der gewünschten ZF-Frequenz f2 zentriert ist, dessen Ansprechleistung
maximiert werden soll, d. h. fobj ist das Ansprechen des Bandpaßfilters.
Diesfalls kann das BPF als ein (komplexes) digitales IIR-Filter 1. (oder
höherer) Ordnung implementiert werden.
Im Fall, in dem Konstruktion I Schritt 4 enthält, ist das zu verarbeitende
Signal ein Basisbandsignal (816) und das digitale BPF wird ein einfaches
(komplexes) LPF. Ein Beispiel für ein derartiges LPF ist ein
Mittelwertbildungsfilter, welches während des Beobachtungsintervalls alle
reellen Abtastwerte summiert und alle imaginären Abtastwerte summiert.
Um die Wirkung von Taktfehlern und LO-Versatz (oder -Drift), ΔfI, zu
reduzieren, wird eine gemeinsame Referenz für alle LOs und für alle Takte
verwendet. Eine geeignete gemeinsame Referenz für die LOs und für die
Takte kann aus dem GPS-Signal abgeleitet werden.
Vorausgesetzt, daß entweder alle LOs in den BSTs eine gemeinsame
Referenz haben, was bedeutet, daß
Δf1 = Δf2 = Δf3 = Δf
in Gleichungen (32), oder daß der RR Δf1, Δf2, Δf3 schätzt, damit diese
entfernt werden, ist es möglich, die Geschwindigkeit, v, in bezug auf die
BSTs und die Bewegungsrichtung (DOT), ϕ, des MR aus den
Trägerversatzwerten zu schätz 15497 00070 552 001000280000000200012000285911538600040 0002019948556 00004 15378en, welche aus Vorgangsweise V an jedem BS
unter Verwendung der diskreten Trägerrückgewinnungsschleife geschätzt
werden. Dies kann durch Verwendung der Eintrefffrequenzdifferenz (FDOA)
zwischen jedem Paar von BS bewerkstelligt werden, wie in Gleichungen (33)
zum Ausdruck gebracht wird.
Es wird bevorzugt, die Verwendung der RRs zu minimieren, um Kosten und
Komplexität eines WLS auf Handapparatbasis zu reduzieren. Es ist
erwünscht, ein Drahtlosortungssystem (WLS) auf Handapparatbasis
herzustellen, wobei ein MR, ohne einen RR zu erfordern, geortet werden
kann. Dies wird durch Betrachten eines Senders in einem bestehenden
Zellsektor als BST erreicht. Der Vorteil ist, daß ein derartiger Sektor für
gewöhnlich auf andere Sektoren, welche zu demselben BST gehören,
zeitreferenziert wird, d. h. Sektoren in demselben BS werden mehr oder
weniger miteinander synchronisiert. Dies bedeutet, daß der MR den AOA von
Signalen, welche von derartigen Sektoren gesendet werden, ohne einen RR zu
benötigen, schätzen kann. Überdies kann der MR seinen Standort durch
Verwenden von lediglich zwei unabhängiger BSs auf der Grundlage des
individuellen geschätzten AOA von jedem BS, ohne einen RR zu benötigen,
schätzen.
Ein Drahtlosortungssystem muß vor dem Betrieb (und gelegentlich während
des Betriebs) kalibriert werden, um die Auswirkung der
Gesamtgruppenlaufzeit, Δti, an jedem RR zu entfernen. Überdies können
Temperatur und Alterung bewirken, daß sich die Gesamtgruppenlaufzeit im
Lauf der Zeit ändert. Daher ist es erforderlich, den RR regelmäßig zu
kalibrieren. Ein Verfahren zum Kalibrieren eines RR ist folgendes:
- 1. Übertragen von Signalen zu exakten Zeitintervallen von einem Sender an einem bekannten Standort zum RR über mehrere Frequenzbänder. Sowohl der RR als auch der Sender müssen auf dieselbe Taktquelle referenziert werden;
- 2. Charakterisieren des Frequenzgangs des RR;
- 3. Schätzen der Laufzeit zwischen dem Sender und dem RR;
- 4. Schätzen der Gruppenlaufzeit des RR.
Vorgangsweise V kann mehrere Male wiederholt werden, um die relative
Gruppenlaufzeit über den Zeitverlauf zu mitteln. Um die Aufstellungskosten
eines Senders an bekannten Standorten zu reduzieren, wird ein MR in der
Nähe des RR aufbewahrt. Dies ermöglicht die automatische Kalibrierung,
ohne Eingreifen durch Personen zu erfordern, indem der MR gezwungen
wird, als Sender zu wirken.
Um die relativen Gruppenlaufzeitvariationen zwischen Kalibrierintervallen zu
minimieren wird empfohlen, SAW-Filter als BPF (803, 805, 811) in Fig. 8
zu verwenden. Es wird auch empfohlen, die SAW-Filter (803, 805, 811) in
einem Metallblock anzuordnen, um Biegewirkungen infolge von
Temperaturschwankungen zu minimieren.
In Anbetracht einer Reihe von Ortungsalgorithmen und einer Reihe von
Verfahren zur Blunder-Erkennung wird die Ortungsstrategie verwendet,
welche in Fig. 9a, 9b, 9c und 9d abgebildet ist. Fig. 9 veranschaulicht die
bevorzugte Ausführungsform zum Bereinigen der beobachteten TOAs, derart,
daß die Summe aus den Quadraten der Residuen ein Minimum ist. Andere
Verfahren zum Bereinigen des Beobachteten gemäß einiger Optimierkriterien
sind verfügbar, u. a.:
- - allgemeine erwartungstreue Mindestvarianzschätzung,
- - beste lineare erwartungstreue Schätzung
- - Maximalwahrscheinlichkeitsschätzung,
- - Momentenmethode,
- - Allgemeine Bayessche Schätzung,
- - Lineare Bayessche Schätzung,
- - Kalman-Filtern usw.
Der Ortungsvorgang beginnt mit einem Satz von TOA-Beobachtungen von
mindestens drei BSs. Wenn nur drei TOAs verfügbar sind (901), erfolgt eine
Prüfung auf Lösungsbinärverzweigung (902). Im Fall von
Lösungsbinärverzweigung wird der LOCA-Algorithmus (903) bezüglich der
TOA-Beobachtungen ausgeführt, was zwei Lösungen ergibt. Diese beiden
Lösungen werden jeweils als Ausgangsposition für Kleinstquadrate (904 und
905) verwendet, was zu zwei Kleinstquadratlösungen für den MR führt. Der
Kleinstquadratalgorithmus hier und in allen anderen Teilen von Fig. 9 ist
Hybrid-TDOA-Orten, wobei die Empfangssignalstärke verwendet wird, um
die einzelnen BS-Beobachtungen zu gewichten. Während jeder Iteration von
Kleinstquadrate werden Abschlußfehler für jeden BST berechnet. Wenn
irgendein Abschlußfehler ein Mehrfaches des Effektivwertes des gesamten
Satzes von Abschlußfehlern überschreitet, so werden der entsprechende BST
und ihre TOA nicht mehr innerhalb jener konkreten Ausführung von
Kleinstquadrate verwendet.
Wenn beide Kleinstquadratelösungen (904 und 905) konvergieren (906),
jedoch nicht gleich sind (907), wird angenommen, daß Kleinstquadrate zu
den beiden möglichen Lösungen konvergierte, und beide
Kleinstquadratelösungen werden als mögliche Lösungen für den MR (908)
gemeldet. Wenn eine beliebige der beiden LS-Lösungen divergieren (906)
oder die konvergierenden Lösungen gleich sind (907), werden die beiden
LOCA-Lösungen von (903) als mögliche Positionen des MR (909) gemeldet.
Wenn an (902) festgestellt wird, daß keine Binärverzweigung vorliegt, wird
LOCA neuerlich ausgeführt (910), ergibt jedoch nur eine Lösung. Diese
Lösung wird als die Ausgangsposition in Kleinstquadrate (911) verwendet.
Wenn Redundanz vorliegt (901), wird Ebenenschnitt (912) (oder jedweder
andere in geschlossener Form darstellbare Positionsschätzalgorithmus)
ausgeführt. Die resultierende Lösung wird als Ausgangsposition für
Kleinstquadrate (913) verwendet. An diesem Punkt erfolgt eine Überprüfung,
ob Kleinstquadrate (913 oder 911) konvergierte (914). Falls Kleinstquadrate
konvergiert, wird eine andere Überprüfung auf Beobachungsredundanz
durchgeführt (915). Falls keine Redundanz vorliegt, wird die
Kleinstquadratelösung als Positionsschätzwert des MR gemeldet (923). Falls
Redundanz vorliegt, werden die normalisierten Residuen statistisch auf
Normalität überprüft (916). Die Kleinstquadratelösung wird gemeldet (923),
sollten alle Residuen bestehen. Versagen irgendwelche Residuen, so werden
die Redundanzzahlen der versagenden Beobachtungen überprüft (917). Die
Redundanzzahl der i-ten Beobachtung wird definiert als
gi = (CC1 -1))ii (52)
wobei C die Kovarianzmatrix der Residuen ist und definiert wird als
C = C1 - A[ATC1 -1A]-1 AT. (53)
Sollten alle versagenden Beobachtungen Redundanzzahlen aufweisen, die
kleiner als eine gewisse Schwelle (vorzugsweise liegt diese Schwelle bei 0,5)
sind, wird die Kleinstquadratelösung als MR-Positionsschätzwert gemeldet
(923).
Falls Beobachtungen mit versagenden Residuen Redundanzzahlen größer als
die Schwelle (917) aufweisen, wird jene Beobachtung mit einer
Redundanzzahl, die größer als die Schwelle ist, und mit dem größten
standardisierten Residuum dauerhaft vom Beobachtungssatz entfernt (928).
Die Ausgangsposition, welche für die vorherige Ausführung der
Kleinstquadrate verwendet wurde, wird gespeichert (929) und in
Kleinstquadrate mit dem abgestrichenen Beobachtungsdatensatz
wiederverwendet (930 oder 931).
Sollte Kleinstquadrate nun divergieren (932), so wird die vorherige
Kleinstquadratelösung, welche konvergierte, als Positionsschätzwert des MR
gemeldet (936). Falls Kleinstquadrate konvergiert (932) und keine
Redundanz vorliegt (933), wird die jüngst konvergierende
Kleinstquadratelösung gemeldet (936). Falls Redundanz vorliegt (933),
werden die standardisierten Residuen auf Normalität geprüft (934). Sollten
alle Residuen bestehen, wird die jüngst konvergierende
Kleinstquadratelösung gemeldet (936). Andernfalls, wenn alle versagenden
Beobachtungen Redundanzzahlen aufweisen, die kleiner sind als eine
bestimmte Schwelle (vorzugsweise ist diese Schwelle 0,5), wird die jüngst
konvergierende Kleinstquadratelösung gemeldet (936).
Wenn Beobachtungen mit versagenden Residuen Redundanzzahlen
aufweisen, die größer als die Schwelle sind (935), wird jene Beobachtung mit
einer Redundanzzahl, die größer als die Schwelle ist, und mit dem größten
standardisierten Residuum dauerhaft vom Beobachtungssatz entfernt (928).
Daraufhin wird der Vorgang wie unmittelbar oben beschrieben fortgesetzt.
Wenn Kleinstquadrate bei (914) divergiert, wird Kleinstquadrate nochmals
ausgeführt, wobei jedoch der Durchschnitt der Koordinaten von beteiligten
BSTs als Ausgangsposition verwendet wird (918). Wenn Kleinstquadrate nun
konvergiert (919), jedoch keine Beobachtungsredundanz vorliegt (920), so
wird die jüngst konvergierende Kleinstquadratelösung als
Positionsschätzwert des MR (923) gemeldet. Falls Redundanz vorliegt (920),
werden die standardisierten Residuen auf Normalität geprüft (921). Sollten
alle Residuen bestehen, so wird die jüngst konvergierende
Kleinstquadratelösung gemeldet (923). Sollten einige der Residuen versagen,
jedoch keine der entsprechenden Beobachtungen Redundanzzahlen
aufweisen, die größer als eine gewisse Schwelle sind (922), so wird die jüngst
konvergierende Kleinstquadratelösung gemeldet (923).
Falls Beobachtungen mit versagenden Residuen Redundanzzahlen aufweisen,
die größer als die Schwelle sind (922), so wird jene Beobachtung mit
Redundanzzahl, die größer als die Schwelle ist, und mit dem größten
standardisierten Residuum dauerhaft vom Beobachtungssatz entfernt (928).
Daraufhin wird der Vorgang von (928) wie oben beschrieben fortgesetzt.
Wenn Kleinstquadrate bei (919) nicht konvergiert und keine Redundanz
vorliegt (924), so wird entweder keine Lösung für diesen bestimmten Satz
von Beobachtungsdaten gemeldet oder es wird die Lösung von der letzten
Iteration vor der Divergenz gemeldet (927). Falls Redundanz vorliegt, jedoch
alle der standardisierten Residuen die Normalitätsprüfung bestehen (925),
wird keine Lösung für diesen bestimmten Satz von Beobachtungsdaten
gemeldet oder die Lösung von der letzten Iteration vor der Divergenz
gemeldet (927). Sollten einige der Residuen versagen, so wird die
Beobachtung mit dem größten standardisierten Residuum dauerhaft aus dem
Datensatz entfernt, unabhängig von seiner Redundanzzahl. Der Vorgang
beginnt dann an Punkt (912), wie oben beschrieben wird.
Fig. 9 gilt auch für,
- - AOA-Ortung,
- - AOA/TDOA-Ortung und
- - AOA/Bereichs-Ortung.
In Anbetracht der Tatsache, daß das Internet global und kostengünstig ist,
kann die Kommunikation zwischen dem Host und dem Kunden über dieses
bewerkstelligt werden. Wenn beispielsweise ein MR 911 wegen eines
Notfalls anruft, ist es möglich, die Positionsdaten des MR vom Host zum
PSAP über das Internet weiterzuleiten. Auch im Fall, bei dem ein aktiver MR
von einem Kunden geortet werden soll, können dessen Positionsdaten über
das Internet vom Host zum Kunden weitergeleitet werden.
Der Nutzen des Internets für die Funktion des Übertragens von MR-
Lageinformationen auf einer globalen Ebene erweitert die Anwendbarkeit des
Drahtlosortungssystems über das Mobilfunknetz hinaus, für welches die
BSTs aufgestellt wurden. Durch die neueste Internettechnologie wie Java,
Javaßeans sowie CORBA (Common Object Request Broker Architecture),
können MR-Lageinformationen, welche sich am Host befinden, mit
Informationen Dritter (d. h. einer Landkartendatenbank oder einer Datenbank
bestehend aus geocodierten Geschäftsadressen wie Restaurants,
Abschleppunternehmen usw.), die sich an einem anderen geographischen Ort
befinden, möglicherweise sogar in einem anderen Land, integriert werden.
Die Kombination dieser MR-Lageinformationen mit Informationen Dritter
kann über das Internet übertragen werden, um es Kunden zu ermöglichen,
einen bestimmten MR zu orten, in bezug auf entweder eine Position auf einer
Landkarte (d. h. Straßenadresse) und/oder einen Unternehmensstandort,
vorausgesetzt, daß sich der MR innerhalb der Netzreichweite für das
Drahtlosortungssystem beindet. Durch diesen Vorgang kann auf die MR-
Lageinformationen und die Datenbankinformationen Dritter zugegriffen oder
diese können dem Kunden "angeboten" werden, mittels effizienter Java-
Internet-Technologieprozesse. Der Diensteanbieter wird die verschiedenen
Komponenten, einschließlich der MR-Lageinformationen, welche vom
Drahtlosortungssystem und der Datenbank mit Informationen Dritter
abgeleitet wurden, miteinander integrieren. Der Integrationsvorgang der
verschiedenen Datenbanken ist für den Kunden transparent. Der Kunde wird
nur wissen, daß der Dienst auf Standortbasis als solcher existiert, um alle
verschiedenen Komponenten zusammenzuführen, um für einen kompletten
Dienst zu sorgen, welcher entweder auf regionaler, nationaler oder
möglicherweise auf globaler Ebene angeboten werden kann. Durch das
Internet können diese Dienste auf Standortbasis nun dem Kunden auf einer
wirtschaftlichen Plattform angeboten werden. Beispiele für derartige Dienste
sind Flottenmanagement, Wachdienste, Pannenhilfe, Kindersuchdienste usw.
Auf dem Internet sind Aspekte der Rechtskonformität und Sicherheit ein
Problemfaktor, und in manchen Fällen kann eine Standleitung erforderlich
sein.
In diesem Dokument bezeichnet der Begriff reine Kopie eine Kopie
eines Signals, welche kein Rauschen aufweist, welche beispielsweise mittels
einer gespeicherten Version des Sendesignals erhalten werden kann. Niedrige
Gruppenlaufzeitvariation bedeutet vorzugsweise wenige 10tel von
Nanosekunden der Gruppenlaufzeit. Eine adäquate objektive Funktion ist
eine in der Literatur bekannte Funktion, beispielsweise das Minimieren des
mittleren Fehlerquadrats. Ein PSAP ist eine öffentliche Notrufeinrichtung,
beispielsweise eine 911-Station. Ein RSSI ist eine
Empfängersignalstärkeanzeige.
Jedes Dokument, auf welches in diesem Dokument dahingehend
Bezug genommen wird, daß es zweckdienliche Informationen zum
Implementieren der MR-Ortung enthält, ist diesem Dokument durch
Bezugnahme einverleibt.
Modifikationen der offenbarten bevorzugten Ausführungsformen
können, ohne daß diese vom Umfang der Erfindung abweichen, für
einschlägig versierte Fachleute klar ersichtlich sein.
Claims (127)
1. Verfahren des Schätzens des Standortes eines Mobilempfängers (MR),
umfassend die folgenden Schritte:
Empfangen einer Mehrzahl von Signalen von einer Mehrzahl von Basisstationssendern (BSTs) durch den MR; und
Ausführen einer nichtlinearen Operation bezüglich der Mehrzahl empfangener Signale am MR, um mindestens einen Ton je empfangenem Signal zu generieren.
Empfangen einer Mehrzahl von Signalen von einer Mehrzahl von Basisstationssendern (BSTs) durch den MR; und
Ausführen einer nichtlinearen Operation bezüglich der Mehrzahl empfangener Signale am MR, um mindestens einen Ton je empfangenem Signal zu generieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die nichtlineare Operation aus der Gruppe
ausgewählt wird, umfassend:
eine quadratische Operation;
eine Verzögerungsproduktoperation; und
eine Absolutwertoperation.
eine quadratische Operation;
eine Verzögerungsproduktoperation; und
eine Absolutwertoperation.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ortungsoperation durch Schätzen der
Phasen des mindestens einen generierten Tons ausgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die empfangenen Signale vor dem
Ausführen der nichtlinearen Operation gefiltert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die empfangenen Signale vor dem
Ausführen der Filteroperation mit einer sauberen Kopie von sich selbst korreliert werden.
6. Verfahren des Schätzens des Standortes eines Mobilempfängers (MR),
umfassend die folgenden Schritte:
Empfangen einer Mehrzahl von Signalen von einer Mehrzahl von Basisstationssendern (BSTs) durch den MR; und
Schätzen des Standortes des MR durch Schätzen der Phasen von vorhandenen Tönen in jedem empfangenen Signal.
Empfangen einer Mehrzahl von Signalen von einer Mehrzahl von Basisstationssendern (BSTs) durch den MR; und
Schätzen des Standortes des MR durch Schätzen der Phasen von vorhandenen Tönen in jedem empfangenen Signal.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, wobei die generierten oder vorhandenen
Töne durch Verwendung von SR- oder inversen SR-Algorithmen aufgelöst werden.
8. Verfahren des Schätzens des Standortes des MR in Anspruch 1 oder 6 durch
Herauslösen der Töne mittels digitalen Filterns.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verfahren des digitalen Filterns die
folgenden Schritte umfaßt:
Ausführen einer Fourier-Transformation (FT) bezüglich Segmenten des Signals,
Fenstern der gewünschten Frequenzdomänenbänder für jedes FT-Segment; und
Ausführen einer inversen Fourier-Transformation (IFT) bezüglich der gefensterten Bänder.
Ausführen einer Fourier-Transformation (FT) bezüglich Segmenten des Signals,
Fenstern der gewünschten Frequenzdomänenbänder für jedes FT-Segment; und
Ausführen einer inversen Fourier-Transformation (IFT) bezüglich der gefensterten Bänder.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die gefensterten Frequenzdomänenbänder
für jedes FT-Segment zu einem Host übertragen werden.
11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verfahren des digitalen Filterns eine
Operation ausführt, welche aus der Gruppe ausgewählt wird, welche besteht aus:
einer gleitenden (oder rekursiven) FT-Operation,
einer IIR-Filteroperation; und
einer FIR-Filteroperation.
einer gleitenden (oder rekursiven) FT-Operation,
einer IIR-Filteroperation; und
einer FIR-Filteroperation.
12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Zeitdomänensignal, ri(t), am Host
konstruiert wird durch
Anhängen aller Empfangssignalfrequenzdomänensegmente; und
Ausführen einer IFT-Operation.
Anhängen aller Empfangssignalfrequenzdomänensegmente; und
Ausführen einer IFT-Operation.
13. Verfahren nach Anspruch 9 oder 12, wobei eine Mehrzahl von Tönen im
rekonstruierten Zeitdomänensignal, ri(t), durch Verwendung von SR- oder inversen SR
Algorithmen aufgelöst werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein Ton aus der Mehrzahl aufgelöster
Töne ausgewählt wird, derart, daß er der frühesten Eintreffzeit aller aufgelösten Töne
entspricht.
15. Verfahren nach Anspruch 7 oder 13, wobei die SR- oder die inversen SR-
Algorithmen aus der Gruppe von Algorithmen ausgewählt werden, bestehend aus:
MUSIC,
ESPRIT,
autoregressiver gleitender Durchschnitt,
Minimalvarianz,
MUSIC unter Verwendung höherrangiger Statistik,
ESPRIT unter Verwendung höherrangiger Statistik,
autoregressiver gleitender Durchschnitt unter Verwendung höherrangiger Statistik, und
Minimalvarianz unter Verwendung höherrangiger Statistik.
MUSIC,
ESPRIT,
autoregressiver gleitender Durchschnitt,
Minimalvarianz,
MUSIC unter Verwendung höherrangiger Statistik,
ESPRIT unter Verwendung höherrangiger Statistik,
autoregressiver gleitender Durchschnitt unter Verwendung höherrangiger Statistik, und
Minimalvarianz unter Verwendung höherrangiger Statistik.
16. Verfahren nach 15, des weiteren umfassend
das Verfahren, welches einen inversen SR-Algorithmus ausführt;
wobei der inverse SR-Algorithmus umfaßt:
einen herkömmlichen Zeitdomänenkorrelator,
ein Zeitdomänenfenster,
eine Fourier-Transformation,
ein Frequenzdomänenfenster,
einen Frequenzdomänenequaliser, und
einen Prozessor, welcher einen SR-Algorithmus ausführt, um die TOAs im empfangenen Signal an einem bestimmen BST aufzulösen.
das Verfahren, welches einen inversen SR-Algorithmus ausführt;
wobei der inverse SR-Algorithmus umfaßt:
einen herkömmlichen Zeitdomänenkorrelator,
ein Zeitdomänenfenster,
eine Fourier-Transformation,
ein Frequenzdomänenfenster,
einen Frequenzdomänenequaliser, und
einen Prozessor, welcher einen SR-Algorithmus ausführt, um die TOAs im empfangenen Signal an einem bestimmen BST aufzulösen.
17. Verfahren nach 15, des weiteren umfassend:
das Verfahren, welches einen inversen SR-Algorithmus ausführt;
wobei der inverse SR-Algorithmus umfaßt:
einen Frequenzdomänenkorrelator,
ein Frequenzdomänenfenster,
eine inverse Fourier-Transformation,
ein Zeitdomänenfenster,
einen Zeitdomänenequaliser, und
einen Prozessor, welcher einen SR-Algorithmus ausführt, um die FOAs im empfangenen Signal an einem bestimmen BST aufzulösen.
das Verfahren, welches einen inversen SR-Algorithmus ausführt;
wobei der inverse SR-Algorithmus umfaßt:
einen Frequenzdomänenkorrelator,
ein Frequenzdomänenfenster,
eine inverse Fourier-Transformation,
ein Zeitdomänenfenster,
einen Zeitdomänenequaliser, und
einen Prozessor, welcher einen SR-Algorithmus ausführt, um die FOAs im empfangenen Signal an einem bestimmen BST aufzulösen.
18. Verfahren des Schätzens des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs ausgesendet werden, wobei eine oder
mehrere Antennen am MR verwendet werden und bei welchem die Ortung des MR durch
Verwendung eines Verfahrens erreicht wird, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend:
AOA-Orten (Multiangulation),
TOA-Orten (Kreismultilateration),
Bereichs-Orten (Kreismultilateration),
TDOA-Orten (hyperbolische Multilateration),
TDOA-Orten (Kreismultilateration mit TDOAs),
AOA/TDOA-Orten (Multiangulation/hyperbolische Multilateration),
AOA/TDOA-Orten (Multiangulation/Kreismultilateration mit TDOAs),
AOA/Bereichs-Orten (Multiangulation/Kreismultilateration),
AOA/Bereichs-Orten (Multiangulation/Kreismultilateration), und
Kombinieren der Signale von allen Antennen für Ortungszwecke.
AOA-Orten (Multiangulation),
TOA-Orten (Kreismultilateration),
Bereichs-Orten (Kreismultilateration),
TDOA-Orten (hyperbolische Multilateration),
TDOA-Orten (Kreismultilateration mit TDOAs),
AOA/TDOA-Orten (Multiangulation/hyperbolische Multilateration),
AOA/TDOA-Orten (Multiangulation/Kreismultilateration mit TDOAs),
AOA/Bereichs-Orten (Multiangulation/Kreismultilateration),
AOA/Bereichs-Orten (Multiangulation/Kreismultilateration), und
Kombinieren der Signale von allen Antennen für Ortungszwecke.
19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei mehr als eine Antenne verwendet wird.
20. Verfahren des Schätzens des Standortes eines MR aus Anspruch 18, wobei
das Kombinieren der Signale von allen Antennen aus der Gruppe ausgewählt wird, bestehend
aus:
Selektionskombinieren,
Maximalverhältniskombinieren,
Kophasenkombinieren, und
Gleichverstärkungskombinieren.
Selektionskombinieren,
Maximalverhältniskombinieren,
Kophasenkombinieren, und
Gleichverstärkungskombinieren.
21. Ein Verfahren des Schätzens des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl
von Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs übertragen werden, unter Verwendung
von Gleichung (29) und Gleichung (30).
22. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Ortung des MR durch Verwendung
eines Verfahrens erreicht wird, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend:
Bereichs-Orten (Kreismultilateration) mit Umlaufzeit, und
AOA/Bereichs-Orten (Multiangulation/Kreismultilateration) mit Umlaufzeit.
Bereichs-Orten (Kreismultilateration) mit Umlaufzeit, und
AOA/Bereichs-Orten (Multiangulation/Kreismultilateration) mit Umlaufzeit.
23. Verfahren des Schätzens des Standortes eines MR, wobei die Ortung des
MR aufgrund einer Lösung erreicht wird, welche aus der Gruppe ausgewählt wird,
umfassend:
Lösung I,
Lösung II,
Lösung III und
Lösung IV.
Lösung I,
Lösung II,
Lösung III und
Lösung IV.
24. System zum Schätzen des Standortes eines Mobilempfängers (MR),
umfassend:
einen Empfänger am MR zum Empfangen einer Mehrzahl von Signalen von einer Mehrzahl von Basisstationssendern (BSTs); und
ein Rechenmittel, welches über eine Kommunikationsverbindung an den Empfänger angeschlossen ist, zum Ausführen einer nichtlinearen Operation bezüglich der Mehrzahl empfangener Signale, um mindestens einen Ton je empfangenem Signal zu generieren.
einen Empfänger am MR zum Empfangen einer Mehrzahl von Signalen von einer Mehrzahl von Basisstationssendern (BSTs); und
ein Rechenmittel, welches über eine Kommunikationsverbindung an den Empfänger angeschlossen ist, zum Ausführen einer nichtlinearen Operation bezüglich der Mehrzahl empfangener Signale, um mindestens einen Ton je empfangenem Signal zu generieren.
25. System zum Schätzen des Standorts eines Mobilempfängers (MR),
umfassend:
einen Empfänger am MR zum Empfangen einer Mehrzahl von Signalen von einer Mehrzahl von Basisstationssendern (BSTs); und
ein Rechenmittel, welches über eine Kommunikationsverbindung an den Empfänger angeschlossen ist, zum Schätzen des Standortes des MR durch Schätzen der Phasen vorhandener Töne in jedem empfangenen Signal.
einen Empfänger am MR zum Empfangen einer Mehrzahl von Signalen von einer Mehrzahl von Basisstationssendern (BSTs); und
ein Rechenmittel, welches über eine Kommunikationsverbindung an den Empfänger angeschlossen ist, zum Schätzen des Standortes des MR durch Schätzen der Phasen vorhandener Töne in jedem empfangenen Signal.
26. System nach Anspruch 24, des weiteren umfassend ein Rechenmittel zum
Ausführen eines inversen SR-Algorithmus;
wobei der inverse SR-Algorithmus umfaßt:
einen herkömmlichen Zeitdomänenkorrelator,
ein Zeitdomänenfenster,
eine Fourier-Transformation,
ein Frequenzdomänenfenster,
einen Frequenzdomänenequaliser und
einen Prozessor, welcher einen SR-Algorithmus ausführt, um die TOAs im empfangenen Signal an einem bestimmten BST aufzulösen.
wobei der inverse SR-Algorithmus umfaßt:
einen herkömmlichen Zeitdomänenkorrelator,
ein Zeitdomänenfenster,
eine Fourier-Transformation,
ein Frequenzdomänenfenster,
einen Frequenzdomänenequaliser und
einen Prozessor, welcher einen SR-Algorithmus ausführt, um die TOAs im empfangenen Signal an einem bestimmten BST aufzulösen.
27. System nach Anspruch 24, des weiteren umfassend ein Rechenmittel
zum Ausführen eines inversen SR-Algorithmus;
wobei der inverse SR Algorithmus umfaßt:
einen Frequenzdomänenkorrelator,
ein Frequenzdomänenfenster,
eine inverse Fourier-Transformation,
ein Zeitdomänenfenster,
einen Zeitdomänenequaliser und
einen Prozessor, welcher einen SR-Algorithmus ausführt, um die FOAs im empfangenen Signal an einem bestimmten BST aufzulösen.
wobei der inverse SR Algorithmus umfaßt:
einen Frequenzdomänenkorrelator,
ein Frequenzdomänenfenster,
eine inverse Fourier-Transformation,
ein Zeitdomänenfenster,
einen Zeitdomänenequaliser und
einen Prozessor, welcher einen SR-Algorithmus ausführt, um die FOAs im empfangenen Signal an einem bestimmten BST aufzulösen.
28. System zum Schätzen des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs ausgesendet werden, wobei eine oder
mehrere Antennen am MR verwendet werden und wobei das System Mittel zum
Implementieren einer Methode umfaßt, welche aus der Gruppe ausgewählt wird, umfassend:
AOA-Orten (Multiangulation),
TOA-Orten (Kreismultilateration),
Bereichs-Orten (Kreismultilateration),
TDOA-Orten (hyperbolische Multilateration),
TDOA-Orten (Kreismultilateration mit TDOAs),
AOA/TDOA-Orten (Multiangulation/hyperbolische Multilateration),
AOA/TDOA-Orten (Multiangulation/Kreismultilateration mit TDOAs),
AOA/Bereichs-Orten (Multiangulation/Kreismultilateration),
AOA/Bereichs-Orten (Multiangulation/Kreismultilateration), und
Kombinieren der Signale von allen Antennen für Ortungszwecke.
AOA-Orten (Multiangulation),
TOA-Orten (Kreismultilateration),
Bereichs-Orten (Kreismultilateration),
TDOA-Orten (hyperbolische Multilateration),
TDOA-Orten (Kreismultilateration mit TDOAs),
AOA/TDOA-Orten (Multiangulation/hyperbolische Multilateration),
AOA/TDOA-Orten (Multiangulation/Kreismultilateration mit TDOAs),
AOA/Bereichs-Orten (Multiangulation/Kreismultilateration),
AOA/Bereichs-Orten (Multiangulation/Kreismultilateration), und
Kombinieren der Signale von allen Antennen für Ortungszwecke.
29. System nach Anspruch 28, wobei mehr als eine Antenne am MR verwendet
wird.
30. System zum Schätzen des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs ausgesendet werden, unter Verwendung von
Gleichung (29) und Gleichung (30).
31. System nach Anspruch 28, des weiteren umfassend Mittel zum
Implementieren einer Methode, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend:
Bereichs-Orten (Kreismultilateration) mit Umlaufzeit, und
AOA/Bereichs-Orten (Multiangulation/Kreismultilateration) mit Umlaufzeit.
Bereichs-Orten (Kreismultilateration) mit Umlaufzeit, und
AOA/Bereichs-Orten (Multiangulation/Kreismultilateration) mit Umlaufzeit.
32. System zum Schätzen des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs ausgesendet werden, aufgrund einer
beliebigen der folgenden Lösungen:
Lösung I,
Lösung II,
Lösung III und
Lösung IV.
Lösung I,
Lösung II,
Lösung III und
Lösung IV.
33. System zum Schätzen des Standortes eines Mobilempfängers (MR), wobei das
System einen Empfänger umfaßt, welcher eine Mehrzahl von Signalen empfängt, welche von
einer Mehrzahl von BSTs ausgesendet werden;
wobei der Empfänger einen ZF-Abtastempfänger umfaßt, umfassend:
eine Reihe von ZF-Stufen zum Konvertieren eines empfangenen HF- Signals ri(t) in ein analoges ZF-Signal mit ZF-Frequenz f1;
ein Prealiasingfilter;
einen Analog-Digital(A/D)-Wandler, welcher das analoge ZF-Signal in ein digitales ZF-Signal konvertiert; und
einen Prozessor zum Verarbeiten des digitalen ZF-Signals.
wobei der Empfänger einen ZF-Abtastempfänger umfaßt, umfassend:
eine Reihe von ZF-Stufen zum Konvertieren eines empfangenen HF- Signals ri(t) in ein analoges ZF-Signal mit ZF-Frequenz f1;
ein Prealiasingfilter;
einen Analog-Digital(A/D)-Wandler, welcher das analoge ZF-Signal in ein digitales ZF-Signal konvertiert; und
einen Prozessor zum Verarbeiten des digitalen ZF-Signals.
34. System nach Anspruch 33, wobei jede ZF-Stufe des ZF-Abtastempfängers
umfaßt:
einen Mischer;
ein ZF-Bandpaß(BPF)-Filter; und
einen ZF-Verstärker.
einen Mischer;
ein ZF-Bandpaß(BPF)-Filter; und
einen ZF-Verstärker.
35. System nach Anspruch 33, wobei die Abtastrate des A/D-Wandlers unter der
Nyquist-Rate liegt, um aliasierte Kopien des, digitalen ZF-Signals nahe einer unteren
Zwischenfrequenz f2 zu erzwingen.
36. System nach Anspruch 33, wobei der Prozessor Funktionen ausführt, welche
aus der Gruppe ausgewählt werden, welche folgende Funktionen umfaßt:
digitales Filtern, um Rauschen und Interferenz außerhalb der digitalen ZF- Bandbreite zu unterdrücken;
digitale Abwärtskonversion, um das digitale ZF-Signal in ein komplexes digitales Basisbandsignal zu konvertieren; und
diskrete Trägerrückgewinnung in einer Trägerrückgewinnungsschleife.
digitales Filtern, um Rauschen und Interferenz außerhalb der digitalen ZF- Bandbreite zu unterdrücken;
digitale Abwärtskonversion, um das digitale ZF-Signal in ein komplexes digitales Basisbandsignal zu konvertieren; und
diskrete Trägerrückgewinnung in einer Trägerrückgewinnungsschleife.
37. System nach Anspruch 33, wobei der ZF-Abtastempfänger niedrige
Gruppenlaufzeitvariationen über ein gewünschtes Frequenzband aufweist.
38. System nach Anspruch 33, wobei der ZF-Abtastempfänger einen oder mehrere
lokale Oszillatoren (LOs) und Takte umfaßt und eine gemeinsame Referenz für alle LOs und
für alle Takte aufweist.
39. System nach Anspruch 38, wobei die gemeinsame Referenz für die LOs und
für die Takte auf GPS beruht.
40. System nach Anspruch 34, wobei das Prealiasingfilter ein SAW-Filter ist und
das BPF ein SAW-Filter ist.
41. System nach Anspruch 40, wobei die SAW-Filter in einem metallischen Block
angeordnet werden, um Biege- oder Temperatureffekte zu minimieren.
42. System nach Anspruch 33, wobei der Empfänger der MR ist.
43. System nach Anspruch 33, wobei der Empfänger ein Referenzempfänger ist,
welcher nicht der MR ist.
44. System zum Schätzen des Standortes eines MR durch Verwendung eines
Referenzempfängers, welcher einen LO aufweist, wobei das System umfaßt:
einen Schätzer zum Schätzen des Trägerversatzes (infolge von Doppler, δfi, und infolge von LO-Versatz, Δfi) der Mehrzahl von Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet und vom RR empfangen werden.
einen Schätzer zum Schätzen des Trägerversatzes (infolge von Doppler, δfi, und infolge von LO-Versatz, Δfi) der Mehrzahl von Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet und vom RR empfangen werden.
45. System nach Anspruch 44, des weiteren umfassend eine diskrete
Trägerrückgewinnungsschleife.
46. System nach Anspruch 45, wobei die Trägerrückgewinnungsschleife einen
Prozessor umfaßt, welcher konfiguriert ist, um die folgenden Schritte zu wiederholen, bis ein
zufriedenstellendes Leistungsniveau erreicht wird:
- 1. Verarbeiten der abgetasteten ZF, um eine adäquate objektive Funktion, fobj abzuleiten;
- 2. Wenn fob auf innerhalb einer gewissen Zwangsbedingung optimiert ist, Stoppen der Schleife, andernfalls:
- 3. Suchen nach einem neuen Frequenzversatz,
- 4. Einjustieren des LO um den neuen Frequenzversatz und
- 5. Rückkehr zu Schritt 1.
47. System nach Anspruch 46, wobei die Suche nach einem neuen
Frequenzversatz in Schritt 3 mittels eines Suchalgorithmus vom Gradiententyp durchgeführt
wird.
48. System nach Anspruch 47, wobei Einjustieren des LO um den neuen
Frequenzversatz entweder mittels eines DDS oder eines digitalen Abwärtswandlers oder
einer Kombination daraus vorgenommen werden kann.
49. System nach Anspruch 36 oder 46, wobei der Prozessor die Funktion einer
Trägerrückgewinnungsschleife durch Ausführen einer digitalen Kerbfilteroperation ausführt,
welche an der gewünschten ZF-Frequenz f2 zentriert ist und deren Ansprechleistung eine
optimierte objektive Funktion fobj, ist, welche von der abgetasteten ZF abgeleitet wurde.
50. System nach Anspruch 49, wobei die digitale Kerbfilteroperation besteht aus:
einem ersten digitalen Bandpaßfilter, welches an der f2 + Frequenz des gewünschten Tons zentriert ist; und
einem zweiten digitalen Bandpaßfilter, welches an der f2 - Frequenz des gewünschten Tons zentriert ist.
einem ersten digitalen Bandpaßfilter, welches an der f2 + Frequenz des gewünschten Tons zentriert ist; und
einem zweiten digitalen Bandpaßfilter, welches an der f2 - Frequenz des gewünschten Tons zentriert ist.
51. System nach Anspruch 36 oder 46, wobei der Prozessor konfiguiert ist, um
die Funktion einer Trägerrückgewinnungsschleife auszuführen, durch Ausführen einer
digitalen Bandpaßfilteroperation, welche an der gewünschten ZF-Frequenz f2 zentriert ist und
deren Ansprechleistung eine optimierte objektive Funktion, fobj, ist, welche aus dem
abgetasteten ZF-Signal abgeleitet wurde.
52. System nach Anspruch 51, wobei die gewünschte ZF-Frequenz f2 gleich Null
ist und das digitale BPF ein LPF ist.
53. System nach Anspruch 51, wobei beide Bandpaßfilter durch Verwendung
digitaler Biquadratfilter implementiert sind.
54. System nach Anspruch 46, des weiteren umfassend einen Host und wobei der
zuletzt angetroffene geschätzte Trägerversatz zum Host übertragen wird, um als
Unterstützung beim Schätzen der Geschwindigkeit v des MR und seiner Bewegungsrichtung
zu dienen.
55. System zum Schätzen des Standortes eines MR, welcher einen LO aufweist,
wobei das System umfaßt:
einen Schätzer zum Schätzen des Trägerversatzes (infolge von Doppler, δfi, und infolge von LO-Versatz, Δfi) der Mehrzahl von Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet und vom MR empfangen werden.
einen Schätzer zum Schätzen des Trägerversatzes (infolge von Doppler, δfi, und infolge von LO-Versatz, Δfi) der Mehrzahl von Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet und vom MR empfangen werden.
56. System nach Anspruch 55, wobei der Schätzer eine diskrete
Trägerrückgewinnungsschleife umfaßt.
57. System nach Anspruch 56, wobei die Trägerrückgewinnungsschleife einen
Prozessor umfaßt, welcher konfiguriert ist, um die folgenden Schritte auszuführen, bis ein
zufriedenstellendes Leistungsniveau erreicht wird:
- 1. Verarbeiten der abgetasteten ZF, um eine adäquate objektive Funktion, fobj abzuleiten;
- 2. Wenn fob auf innerhalb einer gewissen Zwangsbedingung optimiert ist, Stoppen der Schleife, andernfalls:
- 3. Suchen nach einem neuen Frequenzversatz,
- 4. Einjustieren des LO um den neuen Frequenzversatz und
- 5. Rückkehr zu Schritt 1.
58. System nach Anspruch 57, wobei die Suche nach einem neuen
Frequenzversatz in Schritt 3 mittels eines Suchalgorithmus vom Gradiententyp durchgeführt
wird.
59. System nach Anspruch 57, wobei Einjustieren des LO um den neuen
Frequenzversatz entweder mittels eines DDS oder eines digitalen Abwärtswandlers oder
einer Kombination daraus durchgeführt wird.
60. System nach Anspruch 46, wobei der Prozessor konfiguriert ist, um die
Funktion einer Trägerrückgewinnungsschleife durch Ausführen einer digitalen
Kerbfilteroperation auszuführen, welche an der gewünschten ZF-Frequenz f2 zentriert ist und
deren Ansprechleistung eine optimierte objektive Funktion, fobj, ist, welche aus dem
abgetasteten ZF-Signal abgeleitet wurde.
61. System nach Anspruch 59, wobei die digitale Kerbfilteroperation besteht aus:
einem ersten digitalen Bandpaßfilter, welches an der f2 + Frequenz des gewünschten Tons zentriert ist; und
einem zweiten digitalen Bandpaßfilter, welches an der f2 - Frequenz des gewünschten Tons zentriert ist.
einem ersten digitalen Bandpaßfilter, welches an der f2 + Frequenz des gewünschten Tons zentriert ist; und
einem zweiten digitalen Bandpaßfilter, welches an der f2 - Frequenz des gewünschten Tons zentriert ist.
62. System nach Anspruch 61, wobei der Prozessor konfiguriert ist, um die
Funktion einer Trägerrückgewinnungsschleife durch Ausführen einer digitalen
Bandpaßfilteroperation auszuführen, welche an der gewünschten ZF-Frequenz f2 zentriert ist
und deren Ansprechleistung eine optimierte objektive Funktion, fobj, ist, welche aus dem
abgetasteten ZF-Signal abgeleitet wurde.
63. System nach Anspruch 62, wobei die gewünschte ZF-Frequenz f2 gleich Null
ist und das digitale BPF ein LPF ist.
64. System nach Anspruch 61, wobei beide Bandpaßfilter durch Verwendung
digitaler Biquadratfilter implementiert sind.
65. System nach Anspruch 55 oder 56, des weiteren umfassend einen Host und
wobei der zuletzt angetroffene geschätzte Trägerversatz zum Host übertragen wird, um die
Geschwindigkeit v des MR und seine Bewegungsrichtung zu schätzen.
66. System nach Anspruch 65, wobei die Geschwindigkeit des CT und seine
Bewegungsrichtung als Funktion der Differenz zwischen den geschätzten Trägerversätzen
geschätzt wird.
67. Verfahren des Schätzens des Standortes eines MR, wobei das Verfahren die
folgenden Schritte umfaßt:
Empfangen einer Mehrzahl von Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs übertragen werden, an einem Empfänger;
Konvertieren des empfangenen HF-Signals ri(t) in ein ZF-Signal mit ZF-Frequenz f1 in einem ZF-Abtastempfänger;
Filtern des ZF-Signals mit einem Prealiasingfilter;
Konvertieren des gefilterten analogen ZF-Signals in ein digitales ZF-Signal in einem Analog/Digital-Wandler; und
Verarbeiten des digitalen ZF-Signals in einem Signalprozessor.
Empfangen einer Mehrzahl von Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs übertragen werden, an einem Empfänger;
Konvertieren des empfangenen HF-Signals ri(t) in ein ZF-Signal mit ZF-Frequenz f1 in einem ZF-Abtastempfänger;
Filtern des ZF-Signals mit einem Prealiasingfilter;
Konvertieren des gefilterten analogen ZF-Signals in ein digitales ZF-Signal in einem Analog/Digital-Wandler; und
Verarbeiten des digitalen ZF-Signals in einem Signalprozessor.
68. Verfahren nach Anspruch 67, wobei der Empfänger der MR ist.
69. Verfahren des Schätzens des Standortes eines MR, wobei das Verfahren die
folgenden Schritte umfaßt:
Schätzen des Trägerversatzes (infolge von Doppler, δfi, und infolge von LO- Versatz, Δfi) einer Mehrzahl von Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet und von einem RR empfangen werden.
Schätzen des Trägerversatzes (infolge von Doppler, δfi, und infolge von LO- Versatz, Δfi) einer Mehrzahl von Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet und von einem RR empfangen werden.
70. Verfahren des Schätzens des Standortes eines MR, wobei das Verfahren die
folgenden Schritte umfaßt:
Schätzen des Trägerversatzes (infolge von Doppler, δfi, und infolge von LO- Versatz, Δfi) einer Mehrzahl von Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet und vom MR empfangen werden.
Schätzen des Trägerversatzes (infolge von Doppler, δfi, und infolge von LO- Versatz, Δfi) einer Mehrzahl von Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet und vom MR empfangen werden.
71. Verfahren des Schätzens des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden, wobei das Verfahren die
folgenden Schritte umfaßt:
Charakterisieren der relativen Gruppenlaufzeit, Δti - Δtj, an einem RR zwischen einem vom i-ten BST empfangenen Signal und einem vom j-ten BST empfangenen Signal, vor der Operation;
Entfernen der charakterisierten relativen Gruppenlaufzeit, Δti - Δtj, von der geschätzten Eintreffzeitdifferenz, τi - τj, am MR zwischen einem vom i-ten BST empfangenen Signal und einem vom j-ten BST empfangenen Signal, um eine korrigierte Eintreffzeitdifferenz zu ergeben; und
Finden des Standortes des MR durch Verwendung der korrigierten Eintreffzeitdifferenz.
Charakterisieren der relativen Gruppenlaufzeit, Δti - Δtj, an einem RR zwischen einem vom i-ten BST empfangenen Signal und einem vom j-ten BST empfangenen Signal, vor der Operation;
Entfernen der charakterisierten relativen Gruppenlaufzeit, Δti - Δtj, von der geschätzten Eintreffzeitdifferenz, τi - τj, am MR zwischen einem vom i-ten BST empfangenen Signal und einem vom j-ten BST empfangenen Signal, um eine korrigierte Eintreffzeitdifferenz zu ergeben; und
Finden des Standortes des MR durch Verwendung der korrigierten Eintreffzeitdifferenz.
72. Verfahren des Schätzens des Standortes eines MR nach Anspruch 71, wobei
das Charakterisieren der relativen Gruppenlaufzeit, Δti - Δtj, erreicht wird durch
Zwingen eines Senders an einem bekannten Standort, zu einer bekannten Sendezeit (TOT) zu senden;
Empfangen des gesendeten Signals am RR;
Messen der Eintreffzeit (TOA) des Signals am RR;
Schätzen der Laufzeit als Differenz zwischen der TOA und der TOT; und
Finden der Differenz zwischen der geschätzten Laufzeit und der bekannten Laufzeit, wobei die Differenz die geschätzte Verzögerung des gesendeten Signals durch den RR ist.
Zwingen eines Senders an einem bekannten Standort, zu einer bekannten Sendezeit (TOT) zu senden;
Empfangen des gesendeten Signals am RR;
Messen der Eintreffzeit (TOA) des Signals am RR;
Schätzen der Laufzeit als Differenz zwischen der TOA und der TOT; und
Finden der Differenz zwischen der geschätzten Laufzeit und der bekannten Laufzeit, wobei die Differenz die geschätzte Verzögerung des gesendeten Signals durch den RR ist.
73. Verfahren nach Anspruch 71, des weiteren umfassend das mehrmalige
Wiederholen der Schritte aus Anspruch 72, um eine Mehrzahl geschätzter Verzögerungen zu
ergeben, gefolgt vom Mitteln der geschätzten Verzögerungen.
74. Verfahren nach Anspruch 72, wobei der Sender an einem bekannten
Standort ein CT ist.
75. Verfahren des Schätzens des Standortes eines MR in Ortungszustand 0 oder
Ortungszustand 1 aus einer Mehrzahl von Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs
gesendet werden, wobei die Übertragung der Positionsdaten vom Host zu einem Benutzer
über das Internet bewerkstelligt wird.
76. Verfahren nach Anspruch 75, wobei der MR 911 (lokale Notrufnummer) ruft
und die Daten zu einem PSAP übertragen werden.
77. Verfahren nach Anspruch 75, des weiteren umfassend das Erweitern der
Kapazität eines Drahtlosortungssystems auf Handapparatbasis über das Netz, in welchem es
installiert ist, hinaus durch Verwenden einer Internettechnologie als Grundlage, um
Datenbankdaten Dritter von verschiedenen Orten effizient zu integrieren, um ganzheitliche
ortungsgestützte Dienste auf regionaler, nationaler oder globaler Ebene vorzusehen.
78. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die Internettechnologie auf Java basiert.
79. Verfahren des Schätzens des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von Signalen,
welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden, umfassend:
die Verwendung von Kleinstquadrate, um für die Positionsdaten des MR zu lösen, und die Verwendung von TDOA-Beobachtungen von entfernt gelegenen BSTs, um für Mehrdeutigkeiten in einer AOA-Lösung aufzulösen;
die Verwendung von AOA-Beobachtungen von unterschiedlichen Sektoren an derselben Zellen-BS, um für Mehrdeutigkeiten in einer AOA-Lösung aufzulösen; und
die Verwendung von Bereichsbeobachtungen von unterschiedlichen BSTs, um für Mehrdeutigkeiten in einer AOA-Lösung aufzulösen.
die Verwendung von Kleinstquadrate, um für die Positionsdaten des MR zu lösen, und die Verwendung von TDOA-Beobachtungen von entfernt gelegenen BSTs, um für Mehrdeutigkeiten in einer AOA-Lösung aufzulösen;
die Verwendung von AOA-Beobachtungen von unterschiedlichen Sektoren an derselben Zellen-BS, um für Mehrdeutigkeiten in einer AOA-Lösung aufzulösen; und
die Verwendung von Bereichsbeobachtungen von unterschiedlichen BSTs, um für Mehrdeutigkeiten in einer AOA-Lösung aufzulösen.
80. Verfahren nach Anspruch 79, des weiteren umfassend das Quantifizieren der
Auswirkung der Geometrie auf die Positionsschätzung, bei sowohl AOA- als auch
Bereichsbeobachtungen, durch Verwendung der Designmatrix in Gleichung (48).
81. System zum Schätzen des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden, wobei das System einen
Host umfaßt, und wobei das System umfaßt;
Anpassen des MR, um einige oder alle der folgenden Daten von einer entfernt gelegenen Quelle zu empfangen und die Daten für die Ausführung eines Ortungszustandes zu verwenden:
Identifikation von Basisstationspilotsignalen für das Mobilgerät, um nach einer Piloterkennungsschwelle zu suchen;
Zeitdauer für Sucher, um Pilotenergie an jedem Verzögerungsversatz zu akkumulieren;
Suchfensterzeitlänge oder -dauer;
Beabstandung aufeinanderfolgender Abtastpunkte innerhalb des Suchfensters;
Frequenz, bei welcher die Suche nach Pilotsignalen durchgeführt wird;
Zellen-System, welches das Mobilgerät erfassen sollte;
die Anzahl, wie viele Male das Mobilgerät die gesamte oder einen Teil des Ortungsvorgangs wiederholen sollte;
Korrelationsintervall;
Standorte von Basisstationen; und
Anpassen des MR, um eine oder mehrere der folgenden Informationen zum Host zu senden:
Eintreffzeiten von Pilotsignalen;
Identifikation der Pilotsignale, welche von der Vorrichtung gemeldet werden;
Empfangssignalqualitäten von Pilotsignalen;
Pilotsuchergebnisse; und
Trägerfrequenzen von gemeldeten Pilotsignalen.
Anpassen des MR, um einige oder alle der folgenden Daten von einer entfernt gelegenen Quelle zu empfangen und die Daten für die Ausführung eines Ortungszustandes zu verwenden:
Identifikation von Basisstationspilotsignalen für das Mobilgerät, um nach einer Piloterkennungsschwelle zu suchen;
Zeitdauer für Sucher, um Pilotenergie an jedem Verzögerungsversatz zu akkumulieren;
Suchfensterzeitlänge oder -dauer;
Beabstandung aufeinanderfolgender Abtastpunkte innerhalb des Suchfensters;
Frequenz, bei welcher die Suche nach Pilotsignalen durchgeführt wird;
Zellen-System, welches das Mobilgerät erfassen sollte;
die Anzahl, wie viele Male das Mobilgerät die gesamte oder einen Teil des Ortungsvorgangs wiederholen sollte;
Korrelationsintervall;
Standorte von Basisstationen; und
Anpassen des MR, um eine oder mehrere der folgenden Informationen zum Host zu senden:
Eintreffzeiten von Pilotsignalen;
Identifikation der Pilotsignale, welche von der Vorrichtung gemeldet werden;
Empfangssignalqualitäten von Pilotsignalen;
Pilotsuchergebnisse; und
Trägerfrequenzen von gemeldeten Pilotsignalen.
82. System zum Schätzen des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden, wobei das System umfaßt:
erste Rechenmittel zum Charakterisieren der relativen Gruppenlaufzeit, Δti - Δtj, an einem RR zwischen einem Signal, das vom i-ten BST empfangen wird, und einem Signal, das vom j-ten BST empfangen wird, vor der Operation; und
zweite Rechenmittel zum Entfernen der charakterisierten relativen Laufzeit, Ati - Δtj, von der geschätzten Eintreffzeitdifferenz, τi - τj, am MR zwischen einem Signal, das vom i-ten BST empfangen wird, und einem Signal, das vom j-ten BST empfangen wird.
erste Rechenmittel zum Charakterisieren der relativen Gruppenlaufzeit, Δti - Δtj, an einem RR zwischen einem Signal, das vom i-ten BST empfangen wird, und einem Signal, das vom j-ten BST empfangen wird, vor der Operation; und
zweite Rechenmittel zum Entfernen der charakterisierten relativen Laufzeit, Ati - Δtj, von der geschätzten Eintreffzeitdifferenz, τi - τj, am MR zwischen einem Signal, das vom i-ten BST empfangen wird, und einem Signal, das vom j-ten BST empfangen wird.
83. System zum Schätzen des Standortes eines MR in Ortungszustand 0 oder in
Ortungszustand 1 aus einer Mehrzahl von Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs
gesendet werden, wobei die Übertragung der Positionsinformationen vom Host zu einem
Benutzer über das Internet bewerkstelligt wird.
84. System nach Anspruch 83, wobei Positionsdaten von einem Host eines MR,
welcher 911 anruft, über das Internet übertragen werden.
85. System zum Schätzen des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden, wobei:
Kleinstquadrate verwendet werden, um für die Positionsinformationen des MR zu lösen;
TDOA-Beobachtungen von entfernt gelegenen BSTs verwendet werden, um für Mehrdeutigkeiten in einer AOA-Lösung aufzulösen;
AOA-Beobachtungen von verschiedenen Sektoren an derselben Zellen-BS verwendet werden, um für Mehrdeutigkeiten in einer AOA-Lösung aufzulösen; und
AOA-Beobachtungen von verschiedenen Sektoren an derselben Zellen-BS verwendet werden, um für Mehrdeutigkeiten in einer AOA-Lösung aufzulösen.
Kleinstquadrate verwendet werden, um für die Positionsinformationen des MR zu lösen;
TDOA-Beobachtungen von entfernt gelegenen BSTs verwendet werden, um für Mehrdeutigkeiten in einer AOA-Lösung aufzulösen;
AOA-Beobachtungen von verschiedenen Sektoren an derselben Zellen-BS verwendet werden, um für Mehrdeutigkeiten in einer AOA-Lösung aufzulösen; und
AOA-Beobachtungen von verschiedenen Sektoren an derselben Zellen-BS verwendet werden, um für Mehrdeutigkeiten in einer AOA-Lösung aufzulösen.
86. System nach Anspruch 85, des weiteren umfassend ein erstes Rechenmittel
zum Quantifizieren der Wirkung der Geometrie auf die Positionsschätzung, bei sowohl
AOA- als auch Bereichsbeobachtungen, durch Verwendung der Designmatrix in Gleichung
(48).
87. Verfahren zum Schätzen des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden;
wobei der MR einige oder alle der folgenden Daten von einer entfernt gelegenen Quelle empfängt und diese Daten für die Ausführung eines Ortungszustandes verwendet:
Identifikation von Basisstationspilotsignalen für das Mobilgerät, um nach einer Piloterkennungsschwelle zu suchen;
Zeitdauer für Sucher, um Pilotenergie an jedem Verzögerungsversatz zu akkumulieren;
Suchfensterzeitlänge oder -dauer;
Beabstandung aufeinanderfolgender Abtastpunkte innerhalb des Suchfensters;
Frequenz, bei welcher die Suche nach Pilotsignalen durchgeführt wird;
Zellen-System, welches das Mobilgerät erfassen sollte;
die Anzahl, wie viele Male das Mobilgerät die gesamte oder einen Teil des Ortungsvorgangs wiederholen sollte;
Korrelationsintervall;
Standorte von Basisstationen; und
wobei einige oder alle der folgenden Informationen vom MR zum Host gesendet werden:
Eintreffzeiten von Pilotsignalen;
Identifikation der Pilotsignale, welche von der Vorrichtung gemeldet werden;
Empfangssignalqualitäten von Pilotsignalen;
Pilotsuchergebnisse;
Trägerfrequenzen von gemeldeten Pilotsignalen.
wobei der MR einige oder alle der folgenden Daten von einer entfernt gelegenen Quelle empfängt und diese Daten für die Ausführung eines Ortungszustandes verwendet:
Identifikation von Basisstationspilotsignalen für das Mobilgerät, um nach einer Piloterkennungsschwelle zu suchen;
Zeitdauer für Sucher, um Pilotenergie an jedem Verzögerungsversatz zu akkumulieren;
Suchfensterzeitlänge oder -dauer;
Beabstandung aufeinanderfolgender Abtastpunkte innerhalb des Suchfensters;
Frequenz, bei welcher die Suche nach Pilotsignalen durchgeführt wird;
Zellen-System, welches das Mobilgerät erfassen sollte;
die Anzahl, wie viele Male das Mobilgerät die gesamte oder einen Teil des Ortungsvorgangs wiederholen sollte;
Korrelationsintervall;
Standorte von Basisstationen; und
wobei einige oder alle der folgenden Informationen vom MR zum Host gesendet werden:
Eintreffzeiten von Pilotsignalen;
Identifikation der Pilotsignale, welche von der Vorrichtung gemeldet werden;
Empfangssignalqualitäten von Pilotsignalen;
Pilotsuchergebnisse;
Trägerfrequenzen von gemeldeten Pilotsignalen.
88. Verfahren zum Schätzen des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden, wobei Abschlußfehler
und/oder standardisierte Residuen verwendet werden, um Beobachtungen zu markieren,
welche eventuell einen Blunder enthalten.
89. Verfahren nach Anspruch 88, wobei Lageinformationen von jedem BST auf
der Grundlage ihres entsprechenden RSSI gewichtet werden und wobei ein Verfahren
ausgewählt aus der Gruppe, welche aus den folgenden Verfahren besteht, verwendet wird, um
für die Positionsinformationen des MR zu lösen:
allgemeine erwartungstreue Mindestvarianzschätzung,
beste lineare erwartungstreue Schätzung,
Maximalwahrscheinlichkeitsschätzung,
Kleinstquadrateschätzung,
Momentenmethode,
allgemeine Bayessche Schätzung,
lineare Bayessche Schätzung, und
Kalman-Filtern.
allgemeine erwartungstreue Mindestvarianzschätzung,
beste lineare erwartungstreue Schätzung,
Maximalwahrscheinlichkeitsschätzung,
Kleinstquadrateschätzung,
Momentenmethode,
allgemeine Bayessche Schätzung,
lineare Bayessche Schätzung, und
Kalman-Filtern.
90. Verfahren nach Anspruch 88, wobei ein Verfahren, welches aus der Gruppe
ausgewählt wird, die aus den folgenden Verfahren besteht, verwendet wird, um für die
Positionsinformation des CT zu lösen:
allgemeine erwartungstreue Mindestvarianzschätzung,
beste lineare erwartungstreue Schätzung,
Maximalwahrscheinlichkeitsschätzung,
Kleinstquadrateschätzung,
Momentenmethode,
allgemeine Bayessche Schätzung,
lineare Bayessche Schätzung, und
Kalman-Filtern.
allgemeine erwartungstreue Mindestvarianzschätzung,
beste lineare erwartungstreue Schätzung,
Maximalwahrscheinlichkeitsschätzung,
Kleinstquadrateschätzung,
Momentenmethode,
allgemeine Bayessche Schätzung,
lineare Bayessche Schätzung, und
Kalman-Filtern.
91. Verfahren nach Anspruch 88, wobei die markierten Beobachtungen entweder
verworfen werden oder in der LS-Lösung behalten werden, unter Zugrundelegung ihrer
Wirkung auf die Gesamtresiduen der LS-Lösung und ihrer individuellen Redundanzzahl.
92. Verfahren nach Anspruch 91, wobei Kleinstquadrate ohne die markierten
Beobachtungen wiederholt wird.
93. Verfahren nach Anspruch 92, wobei jüngst markierte Beobachtungen
entfernt werden und Kleinstquadrate wiederholt wird, bis Kleinstquadrate konvergiert oder
keine weiteren redundanten Beobachtungen vorliegen.
94. Verfahren nach Anspruch 88, welches ein Verfahren verwendet, das aus der
Gruppe ausgewählt ist, welche aus dem Verfahren nach Chaffee und LOCA besteht, um
Lösungsbinärverzweigung zu erkennen.
95. Verfahren nach Anspruch 93, wobei zwei Schätzungen der MR-Position
vorgesehen werden, falls eine Lösungsbinärverzweigung existiert und keine
Beobachtungsredundanz vorliegt.
96. Verfahren nach Anspruch 88, wobei das Hybrid-TDOA-Ortungsmodell in
Gleichung (42), welches Abschlußfehler und Residuen für die einzelnen BSTs ergibt,
verwendet wird.
97. Verfahren nach Anspruch 96, wobei ein Verfahren, welches aus der Gruppe
ausgewählt wird, die aus den folgenden Verfahren besteht, verwendet wird, um für die
Positionsinformationen des MR zu lösen:
allgemeine erwartungstreue Mindestvarianzschätzung,
beste lineare erwartungstreue Schätzung,
Maximalwahrscheinlichkeitsschätzung,
Kleinstquadrateschätzung,
Momentenmethode,
allgemeine Bayessche Schätzung,
lineare Bayessche Schätzung, und
Kalman-Filtern.
allgemeine erwartungstreue Mindestvarianzschätzung,
beste lineare erwartungstreue Schätzung,
Maximalwahrscheinlichkeitsschätzung,
Kleinstquadrateschätzung,
Momentenmethode,
allgemeine Bayessche Schätzung,
lineare Bayessche Schätzung, und
Kalman-Filtern.
98. Verfahren des Schätzens des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden, wobei eine Kombination
aus AOA- und TDOA-Beobachtungen verwendet wird, derart, daß der MR mit nur zwei
unabhängigen AOA-Beobachtungen und einer TDOA-Beobachtung geortet werden kann.
99. Verfahren nach Anspruch 98, wobei ein Verfahren, das aus der Gruppe
ausgewählt wird, welche aus den folgenden Verfahren besteht, verwendet wird, um für die
Positionsinformationen des MR zu lösen:
allgemeine erwartungstreue Mindestvarianzschätzung,
beste lineare erwartungstreue Schätzung,
Maximalwahrscheinlichkeitsschätzung,
Kleinstquadrateschätzung,
Momentenmethode,
allgemeine Bayessche Schätzung,
lineare Bayessche Schätzung, und
Kalman-Filtern.
allgemeine erwartungstreue Mindestvarianzschätzung,
beste lineare erwartungstreue Schätzung,
Maximalwahrscheinlichkeitsschätzung,
Kleinstquadrateschätzung,
Momentenmethode,
allgemeine Bayessche Schätzung,
lineare Bayessche Schätzung, und
Kalman-Filtern.
100. Verfahren des Schätzens des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden, wobei eine Kombination
aus AOA- und TOA-Beobachtungen verwendet wird, derart, daß der MR mit nur einer AOA-
Beobachtung und einer TOA-Beobachtung geortet werden kann.
101. Verfahren nach Anspruch 100, wobei ein Verfahren, welches aus der Gruppe
ausgewählt wird, die aus den folgenden Verfahren besteht, verwendet wird, um für die
Positionsinformationen des MR zu lösen:
allgemeine erwartungstreue Mindestvarianzschätzung,
beste lineare erwartungstreue Schätzung,
Maximalwahrscheinlichkeitsschätzung,
Kleinstquadrateschätzung,
Momentenmethode,
allgemeine Bayessche Schätzung,
lineare Bayessche Schätzung, und
Kalman-Filtern.
allgemeine erwartungstreue Mindestvarianzschätzung,
beste lineare erwartungstreue Schätzung,
Maximalwahrscheinlichkeitsschätzung,
Kleinstquadrateschätzung,
Momentenmethode,
allgemeine Bayessche Schätzung,
lineare Bayessche Schätzung, und
Kalman-Filtern.
102. Verfahren nach Anspruch 100, wobei die TOA-Beobachtungen auf dem
Schätzen der RTD zwischen der BS-Sendung und dem Empfang der Antwort des MR auf die
BS-Sendung beruhen.
103. Verfahren des Schätzens des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden, wobei eine Kombination
aus TOA-Beobachtungen gesendet wird, derart, daß der MR mit nur zwei unabhängigen
TOA-Beobachtungen geortet werden kann.
104. Verfahren nach Anspruch 103, wobei ein Verfahren, welches aus der Gruppe
ausgewählt wird, die aus den folgenden Verfahren besteht, verwendet wird, um für die
Positionsinformationen des MR zu lösen:
allgemeine erwartungstreue Mindestvarianzschätzung,
beste lineare erwartungstreue Schätzung,
Maximalwahrscheinlichkeitsschätzung,
Kleinstquadrateschätzung,
Momentenmethode,
allgemeine Bayessche Schätzung,
lineare Bayessche Schätzung, und
Kalman-Filtern.
allgemeine erwartungstreue Mindestvarianzschätzung,
beste lineare erwartungstreue Schätzung,
Maximalwahrscheinlichkeitsschätzung,
Kleinstquadrateschätzung,
Momentenmethode,
allgemeine Bayessche Schätzung,
lineare Bayessche Schätzung, und
Kalman-Filtern.
105. Verfahren nach Anspruch 103, wobei die TOA-Beobachtungen auf dem
Schätzen der RTD zwischen der BST-Sendung und dem Empfang der Antwort des MR auf
die BST-Sendung beruhen.
106. Verfahren nach Anspruch 89, wobei Kleinstquadrate verwendet wird, um für
die Positionsinformationen des MR zu lösen, und wobei die Anzahl von BSTs, welche beim
Orten des MR verwendet werden, optimiert wird.
107. Verfahren nach Anspruch 106, wobei die Optimierung der Anzahl von BSs,
welche beim Orten des MR verwendet werden, auf der Grundlage des Minimierens von
HDOP erreicht wird, während der mittlere empfangene RSSI von allen BSTs maximiert wird.
108. Verfahren nach Anspruch 89, wobei Kleinstquadrate verwendet wird, um für
die Positionsinformationen des MR zu lösen, wobei das Verfahren aus einem in
geschlossener Form darstellbaren Algorithmus besteht, um eine exakte Ausgangsposition
vorzusehen, um den Kleinstquadrate-Iterationsvorgang zu starten.
109. Verfahren nach Anspruch 108, wobei der in geschlossener Form darstellbare
Algorithmus aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus LOCA, Ebenenschnitt, den
Verfahren nach Bancroft, sphärischer Interpolation, dem Verfahren nach Schau und Robinson
und dem Verfahren nach Chan und Ho besteht, um eine exakte Ausgangsposition
vorzusehen, um den Kleinstquadrate-Iterationsvorgang zu starten.
110. Verfahren nach Anspruch 88, wobei die mittleren Koordinaten der beteiligten
BSs als die Ausgangsposition für Kleinstquadrate verwendet werden, in dem Fall, daß die
geschlossene Form dazu führt, daß Kleinstquadrate divergiert.
111. Verfahren nach Anspruch 88, wobei die Auswirkung der Geometrie auf AOA-
Orten durch Verwendung der Designmatrix in Gleichung (45) quantifiziert wird.
112. Verfahren nach Anspruch 98, wobei die Auswirkung der Geometrie auf die
Positionsschätzung, bei sowohl AOA- als auch TDOA-Beobachtungen, durch Verwendung
der Designmatrix in Gleichung (46) quantifiziert wird.
113. Verfahren des Schätzens des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden, welches die Auswirkung
der Geometrie auf die Geschwindigkeits- und Bewegungsrichtungsschätzung durch
Verwendung der Designmatrix in Gleichung (51) quantifiziert.
114. Verfahren des Schätzens des Standortes eines MR in Anspruch 88, wobei die
Beobachtungen aus der Gruppe ausgewählt werden, welche besteht aus
TOA,
POA, und
FOA.
TOA,
POA, und
FOA.
115. System zum Schätzen des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden, wobei Abschlußfehler
und/oder standardisierte Residuen verwendet werden, um Beobachtungen zu markieren,
welche eventuell einen Blunder enthalten.
116. System nach Anspruch 115, wobei Lageinformationen von jedem BST auf der
Grundlage ihres entsprechenden RSSI gewichtet werden und wobei ein Verfahren, das aus
einer Gruppe ausgewählt wird, welche aus den folgenden Verfahren besteht, verwendet wird,
um für die Positionsinformationen des MR zu lösen:
allgemeine erwartungstreue Mindestvarianzschätzung,
beste lineare erwartungstreue Schätzung,
Maximalwahrscheinlichkeitsschätzung,
Kleinstquadrateschätzung,
Momentenmethode,
allgemeine Bayessche Schätzung,
lineare Bayessche Schätzung, und
Kalman-Filtern.
allgemeine erwartungstreue Mindestvarianzschätzung,
beste lineare erwartungstreue Schätzung,
Maximalwahrscheinlichkeitsschätzung,
Kleinstquadrateschätzung,
Momentenmethode,
allgemeine Bayessche Schätzung,
lineare Bayessche Schätzung, und
Kalman-Filtern.
117. System nach Anspruch 115, welches sich eines Verfahrens bedient, das aus
der Gruppe, bestehend aus dem Verfahren nach Chaffee und LOCA, ausgewählt wird, um
Lösungsbinärverzweigung zu erkennen.
118. System nach Anspruch 115, wobei das Hybrid-TDOA-Ortungsmodell in
Gleichung (42), welches Abschlußfehler und Residuen für individuelle BSTs ergibt,
verwendet wird.
119. System zum Schätzen des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden, wobei eine Kombination
aus AOA- und TDOA-Beobachtungen verwendet wird, derart, daß der MR mit nur zwei
unabhängigen AOA-Beobachtungen und einer TDOA-Beobachtung geortet werden kann.
120. System zum Schätzen des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden, wobei eine Kombination
aus AOA- und TOA-Beobachtungen verwendet wird, derart, daß der MR mit nur einer AOA-
Beobachtung und einer TOA-Beobachtung geortet werden kann.
121. System zum Schätzen des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden, wobei eine Kombination
von TOA-Beobachtungen verwendet wird, derart, daß der MR mit nur zwei unabhängigen
TOA-Beobachtungen geortet werden kann.
122. System nach Anspruch 116 oder 121, wobei Kleinstquadrate verwendet wird,
um für die Positionsinformationen des MR zu lösen und wobei die Anzahl von BSTs, welche
beim Orten des MR verwendet wird, optimiert wird.
123. System nach Anspruch 116 oder 121, wobei Kleinstquadrate verwendet wird,
um für die Positionsinformationen des MR zu lösen, wobei das Verfahren aus einem in
geschlossener Form darstellbaren Algorithmus besteht, um eine exakte Ausgangsposition
vorzusehen, um den Kleinstquadrate-Iterationsvorgang zu starten.
124. System nach Anspruch 115 oder 116, wobei die mittleren Koordinaten der
beteiligten BSs als die Ausgangsposition für Kleinstquadrate verwendet werden, in dem Fall,
daß ein in geschlossener Form darstellbarer Algorithmus, welcher aus der Gruppe ausgewählt
wird, die aus LOCA, Ebenenschnitt, dem Verfahren nach Bancroft, sphärischer Interpolation,
dem Verfahren nach Schau und Robinson und der Lösung nach Chan und Ho besteht, dazu
führt, daß Kleinstquadrate divergiert.
125. System nach Anspruch 115 oder 116, wobei die Auswirkung der Geometrie
auf AOA-Orten durch Verwendung der Designmatrix in Gleichung (45) quantifiziert wird.
126. System zum Schätzen des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden, welches die Auswirkung
der Geometrie auf die Positionsschätzung, bei sowohl AOA- als auch TDOA-
Beobachtungen, durch Verwendung der Designmatrix in Gleichung (46) quantifiziert.
127. System zum Schätzen des Standortes eines MR aus einer Mehrzahl von
Signalen, welche von einer Mehrzahl von BSTs gesendet werden, welches die Auswirkung
der Geometrie auf die Geschwindigkeits- und Bewegungsrichtungsschätzung durch
Verwendung der Designmatrix in Gleichung (51) quantifiziert.
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US16985298A | 1998-10-09 | 1998-10-09 | |
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US09/169,730 US6204812B1 (en) | 1998-10-09 | 1998-10-09 | Methods and apparatus to position a mobile receiver using downlink signals, part II |
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---|---|
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