DE19948556A1 - Verfahren und Vorrichtungen zum Orten eines Mobilempfängers mittels Abwärtsstreckensignalen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtungen zum Orten eines Mobilempfängers mittels Abwärtsstreckensignalen

Info

Publication number
DE19948556A1
DE19948556A1 DE1999148556 DE19948556A DE19948556A1 DE 19948556 A1 DE19948556 A1 DE 19948556A1 DE 1999148556 DE1999148556 DE 1999148556 DE 19948556 A DE19948556 A DE 19948556A DE 19948556 A1 DE19948556 A1 DE 19948556A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
location
estimating
bsts
signal
aoa
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE1999148556
Other languages
English (en)
Inventor
Michel Fattouche
Richard Klukas
Kevin Oler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cell Loc Inc
Original Assignee
Cell Loc Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US09/169,730 external-priority patent/US6204812B1/en
Priority claimed from US09/169,916 external-priority patent/US6208297B1/en
Application filed by Cell Loc Inc filed Critical Cell Loc Inc
Publication of DE19948556A1 publication Critical patent/DE19948556A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W64/00—Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/0009—Transmission of position information to remote stations
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/1853—Satellite systems for providing telephony service to a mobile station, i.e. mobile satellite service
    • H04B7/18539—Arrangements for managing radio, resources, i.e. for establishing or releasing a connection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S2205/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S2205/001—Transmission of position information to remote stations
    • G01S2205/008—Transmission of position information to remote stations using a mobile telephone network
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/08—Position of single direction-finder fixed by determining direction of a plurality of spaced sources of known location
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/10—Position of receiver fixed by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements, e.g. omega or decca systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/12—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves by co-ordinating position lines of different shape, e.g. hyperbolic, circular, elliptical or radial
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/14—Determining absolute distances from a plurality of spaced points of known location

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

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft das Orten und Verfolgen eines Mobilempfängers (MR) durch Verwendung eines Referenzempfängers (RR) an einem bekannten Standort.
Hintergrund der Erfindung
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:
1. Verbesserte Notfallsdienste
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.
2. Verfolgen betrügerischer Anrufe 3. Verfolgen gestohlener Kraftfahrzeuge
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.
4. Flottenmanagement für Botendienste und Speditionsunternehmen
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.
5. Standortabhängige Verrechnung
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.
Beschreibung der Figuren
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)
    im Uhrzeigersinn von Linieo,i,j nach Linien gebildet wird.
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.
Begriffsbestimmungen
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.
    Alternativ dazu kann ein inverser SR-Algorithmus ein Frequenzdomänensignal verarbeiten, um dessen Frequenzdomänenauflösung relativ zur herkömmlichen Frequenzdomänen- Rayleigh-Auflösung zu verbessern. Diesfalls umfaßt eine bevorzugte Ausführungsform des inversen SR-Algorithmus
    • - 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.
Beschreibung eines Pilotsignale empfangenden IS-95 CT
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.
Aufgaben und Zusammenfassung der Erfindung
  • - 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.
Aufgaben und Zusammenfassung der Erfindung
  • - 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.
    Es ist ebenfalls eine Aufgabe der Erfindung, die Liste von Signalen, welche für die Korrelation berücksichtigt werden, auch hier aufbauend auf dem Minimieren der HDOP, zu optimieren.
  • - 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.
Aufgaben und Zusammenfassung der Erfindung
  • - 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.
Aufgaben und Zusammenfassung der Erfindung
  • - 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.
    Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein System vorgesehen, welches die Liste von Signalen, welche für die Korrelation in Betracht gezogen werden, wiederum auf der Grundlage des Minimierens der HDOP optimiert. Dies gilt für Modifikationen: I und II.
  • - 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.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG Theorie
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.
HF-Übertragung
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.
HF-Empfang
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)
    die Phase des empfangenen HF-Signals am MR ist, wobei:
    • - 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.
Gesamt-HF-Empfang
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.
Basisbandempfang
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.
Digitaler Empfang
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.
Quellen von Lageinformationen in Gleichung (5)
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:
1. Ri -n
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.
2. ψi
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.
Schlußfolgerung
  • 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.
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.
Bemerkung
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,
      im Uhrzeigersinn von Linieo,i,j nach Liniei,j gebildet wird.
  • 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:
Die Auswirkung von Rauschen, wit), auf γi
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 Auswirkung von Rauschen, wi(t) auf ψi
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.
Phasenversatz
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.
Zeitverzögerungen, Δti
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.
Mehrwegeführung, MPi(t)
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.
Interferenz, i(t)
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.
3. pi(t - τi + τo,i - Δti
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.
Lösung II
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.
Lösung III
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,
    im Uhrzeigersinn von Linieo,i,j nach Liniei,j gebildet wird.
  • 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.
Lösung IV
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:
Rauschen, wi(t)
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.
Die Auswirkung der Bandbreite, BW
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.
Die Auswirkung des Beobachtungsintervalls, Ti
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.
Zeitverzögerungen, Δti
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.
Interferenz, i(t)
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.
Mehrwegeführung, MPi(t)
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.
Die Auswirkung von Mehrwegeführung MPi(t)
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.
Auswahl von Tönen für Lösung IV
Es liegen vorhandene Töne und generierte Töne vor. Beide Arten von Tönen tragen die MR-Lageinformationen in ihren Phasen (mod 2π).
Vorhandene Töne in der periodischen Pilotsequenz
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)
Generierte Töne unter Verwendung einer nichtlinearen Operation in bezug auf die Pilotsequenz
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.
4. fi
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:
Rauschen, wi(t)
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).
Freqenzversätze, Δfi
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.
Mehrwegeführung, MPi(t)
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.
Interferenz, i(t)
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.
Fehler beim Schätzen (x,y)
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.
Ortungstechnologien 1. TOA/Bereichs-Ortung (Kreismultilateration)
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.
Auswirkung der Geometrie auf TOA-Orten
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.
Gewichten der TOA-Beobachtungen
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-Erkennung beim TOA-Orten
"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.
2. TDOA-Orten (Hyperbolische Multilateration)
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.
Auswirkung der Geometrie auf TDOA-Orten
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
Gewichten der TDOA-Beobachtungen
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 beim TDOA-Orten
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.
Mehrfachlösungen beim TDOA-Orten
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.
3. Hybrid-TDOA-Orten (Kreismultilateration mit TDOAs)
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.
Auswirkung der Geometrie auf 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.
Gewichten der Hybrid-TDOA-Beobachtungen
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.
Blunder-Erkennung beim Hybrid-TDOA-Orten
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.
Mehrfachlösungen beim Hybrid-TDOA-Orten
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.
4. AOA-Orten
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.
Auswirkung der Geometrie auf AOA-Orten
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.
Gewichten der AOA-Beobachtungen
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.
Blunder-Erkennung beim AOA-Orten
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.
Feststellungen
  • 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.
5. AOA/TDOA-Orten
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).
Auswirkungen der Geometrie auf AOA/TDOA-Orten
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.
Gewichten der AOA/TDOA-Beobachtungen
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.
Blunder-Erkennung beim AOA/TDOA-Orten
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.
6. AOA/Bereichs-Orten
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
Auswirkung der Geometrie auf AOA/Bereichs-Orten
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.
Gewichten der AOA/Bereichs-Beobachtungen
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.
Blunder-Erkennung beim AOA/Bereichs-Orten
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.
7. Schätzung der Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung
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.
Auswirkung der Geometrie auf Geschwindigkeits- und Bewegungs­ richtungsschätzung
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.
Praktische Beschreibung der Erfindung Veranlassen, daß ein CT als ein MR wirkt
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:
Verbesserung 0
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:
Verbesserung I
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.
Beschreibung eines IS-95 CT, welches Pilotsignale empfängt
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.
Nach Einnehmen des Ortungszustands 0 oder I
  • 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.
Signalverarbeitung
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:
Vorgangsweise I
  • 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.
Vorgangsweise II
  • 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.
Hardware
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):
Konstruktion I
  • 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:
Vorgangsweise III
  • 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.
Erläuterung von Vorgangsweise III
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.
Anmerkungen
  • 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:
Vorgangsweise IV
  • 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.
Kalibrierverfahren am RR
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:
Vorgangsweise V
  • 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.
Host-Software
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.
Übertragen von Lageinformationen des MR über das Internet
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.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die nichtlineare Operation aus der Gruppe ausgewählt wird, umfassend:
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.
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.
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.
12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Zeitdomänensignal, ri(t), am Host konstruiert wird durch
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
34. System nach Anspruch 33, wobei jede ZF-Stufe des ZF-Abtastempfängers umfaßt:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
DE1999148556 1998-10-09 1999-10-08 Verfahren und Vorrichtungen zum Orten eines Mobilempfängers mittels Abwärtsstreckensignalen Withdrawn DE19948556A1 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16985298A 1998-10-09 1998-10-09
US16996098A 1998-10-09 1998-10-09
US09/169,730 US6204812B1 (en) 1998-10-09 1998-10-09 Methods and apparatus to position a mobile receiver using downlink signals, part II
US09/169,916 US6208297B1 (en) 1998-10-09 1998-10-09 Methods and apparatus to position a mobile receiver using downlink signals, part I

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE19948556A1 true DE19948556A1 (de) 2000-06-29

Family

ID=27496877

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE1999148556 Withdrawn DE19948556A1 (de) 1998-10-09 1999-10-08 Verfahren und Vorrichtungen zum Orten eines Mobilempfängers mittels Abwärtsstreckensignalen

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE19948556A1 (de)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001065271A1 (en) * 1998-10-09 2001-09-07 Cell-Loc Inc. Methods and apparatus to position a mobile receiver using downlink signals
DE10144443A1 (de) * 2001-09-05 2003-03-20 Deutsche Telekom Ag Verfahren zur Ermittlung des Aufenthaltortes einer Personengruppe
DE10146829A1 (de) * 2001-09-21 2003-04-30 Willtek Comm Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer Basisstation
DE10211714A1 (de) * 2002-03-16 2003-10-09 Astrium Gmbh Verfahren und Anordnungen zur Übertragung von Pseudolite-Trajektorien innerhalb von Navigationsdaten eines Satelliten-Navigationssystem
US7110774B1 (en) 2000-10-27 2006-09-19 Intel Corporation Dual mode uplink/downlink location measurement and multi-protocol location measurement
US7508341B2 (en) 2002-03-16 2009-03-24 Eads Astrium Gmbh Method and arrangements for the transmission of pseudolite trajectories within navigation data of a satellite navigation system
DE10107133B4 (de) * 2001-02-15 2015-05-07 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Positionsbestimmung
CN110573899A (zh) * 2017-03-07 2019-12-13 索尼特技术公司 超声位置确定系统

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001065271A1 (en) * 1998-10-09 2001-09-07 Cell-Loc Inc. Methods and apparatus to position a mobile receiver using downlink signals
US7110774B1 (en) 2000-10-27 2006-09-19 Intel Corporation Dual mode uplink/downlink location measurement and multi-protocol location measurement
DE10107133B4 (de) * 2001-02-15 2015-05-07 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Positionsbestimmung
DE10144443A1 (de) * 2001-09-05 2003-03-20 Deutsche Telekom Ag Verfahren zur Ermittlung des Aufenthaltortes einer Personengruppe
DE10146829A1 (de) * 2001-09-21 2003-04-30 Willtek Comm Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer Basisstation
DE10146829B4 (de) * 2001-09-21 2017-08-17 Aeroflex Ltd. Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer Basisstation
DE10211714A1 (de) * 2002-03-16 2003-10-09 Astrium Gmbh Verfahren und Anordnungen zur Übertragung von Pseudolite-Trajektorien innerhalb von Navigationsdaten eines Satelliten-Navigationssystem
US7508341B2 (en) 2002-03-16 2009-03-24 Eads Astrium Gmbh Method and arrangements for the transmission of pseudolite trajectories within navigation data of a satellite navigation system
CN110573899A (zh) * 2017-03-07 2019-12-13 索尼特技术公司 超声位置确定系统
CN110573899B (zh) * 2017-03-07 2024-03-08 索尼特技术公司 超声位置确定系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69834137T2 (de) Verfahren zur bestimmung des standortes eines gps empfängers mit einem geschätzten zeitreferenzwert
DE60213575T2 (de) Verfahren zur positionsbestimmung in einem zellularen kommunikationsnetz
DE60016933T2 (de) Verfahren und einrichtung zur ortung eines mobil-endgeräts mittels zeitgebern von geringer genauigkeit
US6266014B1 (en) Methods and apparatus to position a mobile receiver using downlink signals part IV
DE69929915T2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Zeit im Satellitenpositionierungssystem
US6204812B1 (en) Methods and apparatus to position a mobile receiver using downlink signals, part II
DE10084224B4 (de) Verfahren zur Positionsbestimmung aus GPS-Signalen
US6208297B1 (en) Methods and apparatus to position a mobile receiver using downlink signals, part I
DE60126348T2 (de) Positionsbestimmungsverfahren und -system
US5890068A (en) Wireless location system
DE60212580T2 (de) Ortungssystem und Verfahren
DE602004002310T2 (de) Ortungssystem
DE69909250T2 (de) Gerät und verfahren zur ortsbestimmung einer mobilen station in einer mobilen kommunikationsanordnung
DE69922054T2 (de) Verfahren und system zur bestimmung des aufenthaltsortes eines funkteilnehmers in einem cdma-kommunikationssystem
EP2335442B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum schätzen einer orientierung eines mobilen endgeräts
US6256506B1 (en) Method and system for creating a radio frequency signature for a signature region in a coverage area of a wireless communication system
EP1793640A1 (de) Auswahl von Positionsmesseinheiten zur Bestimmung der Position einer mobilen Kommunikationsstation
US6259924B1 (en) Method and system for comparing measured radio frequency signal propagation characteristics in a wireless communication system
DE69936354T2 (de) Synthese der bandbreite für ein drahtloses positionsbestimmungssystem
DE102008012347A1 (de) Entfernungsmessvorrichtung, Positionsbestimmungsvorrichtung und Verfahren zur Entfernungsmessung und Positionsbestimmung für diese
DE102008010882A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Richtungsschätzung und/oder Decodierung von Sekundärradarsignalen
DE10196828T5 (de) Dual-Modus-Uplink/Downlink-Positionsmessung und Multi-Protokoll-Positionsmessung
DE102020215852B4 (de) Robuste Ankunftszeitschätzung unter Verwendung von faltenden neuronalen Netzerken (oder anderen Funktionsapproximationen) auf randomisierten Kanalmodellen
EP3821268B1 (de) Ortungsverfahren zur lokalisierung wenigstens eines objektes unter verwendung wellenbasierter signale sowie ortungssystem
Undi et al. Angle-resolved THz channel measurements at 300 GHz in an outdoor environment

Legal Events

Date Code Title Description
8139 Disposal/non-payment of the annual fee