混合gnss和tdoa無線定位系統的製作方法

2023-12-05 19:25:06

專利名稱：混合gnss和tdoa無線定位系統的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用於定位也被稱為移動臺(MS)的無線設備——例如在模擬或數 字蜂窩系統、個人通信系統(PCS)、增強的專用移動無線電裝置(ESMR)以及其他類型的無 線通信系統中使用的那些——的方法和裝置。更特別地但不排他地，本發明涉及用於增加 無線設備的無線定位的準確性和效率的方法，該無線設備包含在基於網絡的無線定位系統 中的全球導航衛星系統(GNSS)接收機。背景U-TDOA定位系統(以及其他定位系統)的定位性能一般被表示為一個或多個循 環誤差概率。美國聯邦通信委員會(FCC)作為增強9-1-1第II階段委託管理的部分要求 基於網絡的系統例如U-TDOA被部署為產生精確度，該精確度產生對於67%的應急服務呼 叫者的一百米(100m或328. 1英尺)的準確度以及對於95 %的應急服務呼叫者的三百米 (300m或984. 25英尺)的準確度。在1998年被首次在商業上部署的基於覆蓋網絡的無線定位系統在支持包括應急 服務定位的基於定位的服務中被廣泛地部署。當行動電話使用增加時，對於商業的基於定 位的服務和用於增強的9-1-1的有線線路相同服務，對高準確度和高效率的無線定位的需 要增加。對於高準確性、高效率的無線定位系統的需要的例子可在於2007年11月20日發 布的聯邦通信委員會的07-166報告和指令中被找到。07-166指令確立了 2010年9月11 日的原定期限，到該原定期限為止所有的無線運營商必須展示在他們所服務的公共安全應 答點(PSAP)的至少75%之內的全E911定位準確度一致性，並展示在所有其PSAP服務區域 中的定位準確性要求的50%之內的一致性。該指令最初需要運營商在2010年9月11日之 前實現他們所服務的所有PSAP的完全一致。為了確保無線運營商朝著全PSAP級一致性取得進步，FCC設立了需要運營商在 2008年9月11日之前在他們所服務的每個經濟區域內以及在逐漸更小的地理區域(包括 都市統計區域和鄉村服務區域，在2010年9月11日之前)內實現位置準確度一致性的一系 列臨時基準，直到他們在2012年展示全PSAP級一致性。無線運營商必須向FCC遞交兩年 一次的進展報告(分別在2009年和2011年的9月11日之前)，其描述他們朝實現全PSAP 級一致性的進展。一致性被預期為基於如在FCC工程和技術(OET)辦公室公報第71號準 則中詳細說明的測試；但是，FCC在07-116報告和指令中宣稱FCC可在將來定義另外的測 試報告要求。FCC07-166報告和指令被美國哥倫比亞區巡迴地區的上訴法院延緩，且所提出的 時間表和期限處於危險中，但是FCC明確意圖對無線運營商的E911系統強加更嚴格的要求。委員會在頒布新標準中所闡述的目標沒有改變，該新標準允許公共安全工作者更 好地從無線電話定位要求緊急援助的個人。當FCC朝著PSAP級定位準確度(以及效率)委託管理發展時，用於組合不同的定 位技術的方法成為必要。本發明是在通信和定位技術的領域內。它提供用於組合GPS和 UTDOA的互補技術以實現準確度提高的手段。GNSS接收機(GNSS系統的例子包括美國NAVSTAR全球定位系統和俄羅斯聯邦的 GL0NASS系統。GNSS系統的其他例子(包括歐盟提出的伽利略系統和中國提出的北鬥衛星 導航和定位系統)一般產生高度準確的偽距測量，但是在城市環境衛星覆蓋中可能變得非 常有限。在城市環境中，UTDOA具有的優勢是具有更好的覆蓋和更多的測量，但是一般提供 較不準確的個人TDOA測量。當存在對這兩個系統的稀疏覆蓋時，這兩個系統都不可能能夠 獨立地提供位置解；但是，當一起使用時，準確的定位估計變得可行。提供了有效地利用來自GPS和UTDOA網絡的測量來找到移動臺(MS)的位置的方 法和系統。GPS中的下行鏈路偽距測量被轉換成U-TDOA並與其他測量組合。衛星基於在偽 距測量時的衛星位置被處理為具有非常高的天線高度的傳輸塔。本文所描述的創造性技術和概念應用於所有的全球導航衛星系統以及時分復 用和頻分復用(TDMA/FDMA)無線通信系統，包括廣泛使用的IS-136 (TDMA)、GSM、OFDM和 SC-FDMA無線系統，以及碼分無線通信系統例如CDMA(IS-95、IS-2000)和通用移動電信系 統(UTMS)，後者還被作為W-CDMA。以下所描述的用於移動通信(GSM)模型和美國NAVSTAR 全球定位系統(GPS)的全球系統是本發明可被使用的示例性的而不是排他性的環境。參考文獻對於與本文所描述的主題相關的另外的背景可參考以下的參考文獻[1]Β· W. Parkinson， J.J.Spilker， P. Axelrad 禾口 P. Enge， 「 GPS Navigation Algorithms, " in Global Positioning Systems Theory and Applications Volume 1, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc.Washington, DC, 1996.[2]A. Leick, GPS Satellite Survey, 2nd Ed.，John Wiley & Sons，Inc.，New York,1995.[3]R. Thompson, J. Moran 禾口 G. Swenson, Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy, John Wiley and Sons,1986.[4]R. McDonough,A. ffhalen,Detection of Signals in Noise,2nd Ed. ,Academic Press. , San Diego, CA,1995.[5]ff.Venables 禾口 B.Ripley， Modern Applied Statistics with S-PLUS, Springer-Verlag, 1997.[6]Fernandex-Corbaton ^ Α "Method and apparatus for determining an algebraic solution to GPS terrestrial hybrid location system equations,，，美 15專 利 6，289，280，2001 年 9 月 11 日。[7] J. Cho, "Hybrid navigation system using neural network,，，美國專利 6，919，842，2005 年 7 月 19 日。[8] Soliman ^Α "Method and apparatus for determining the location ofa remote station in a CDMA communication network, " ^H^^J 6, 188, 354, 2001 ^ 2
月13日。[9]美國專利 5，327，144，Stilp 等人[10]美國專利 5，608，410，Stilp 等人[10]美國專利申請 10/748367，Maloney 等人[12]美國專利 4，445，118，Taylor 等人概述如無線定位領域中技術人員所熟知的，測量出的TDOA值可被用來確定無線發射 機的地理位置。在本發明中，對於給定組的UTDOA測量執行GPS偽距的轉換，以便對兩種不 同技術實現測量基線的準確組合。然後，找到作為測量數據的函數的GPS基線的初始權重， 後面是優化GPS和UTDOA權重的相對縮放比例的改進。然後執行搜索和降低權重的迭代過 程。搜索過程需要兩種類型的測量的組合，其包括對於每種類型的測量解決獨立的偏倚。這 個搜索過程還包括對於GPA而不是對於UTDOA必要的垂直(Z)維度的計算。然後執行不同 的降低權重操作來改進先前的解。最後，來自幾何精度因子(GDOP)計算和殘差計算的結果 提供對產生最終位置解的停止條件的輸入。附圖的簡要說明當結合附圖閱讀時，前述的概述以及以下的詳細描述被更好地理解。為了說明本
發明的目的，附圖中示出了本發明的示例性結構；但是，本發明不限於所公開的具體的方法和工具。在附圖中


圖1 混合GPS/UTD0A網絡的圖示。
圖2:混合GPS/UTD0A過程的關鍵處理階段。
圖3:從GPS到UTDOA的轉換的圖示。
圖4 從GPS到UTDOA的轉換的流程圖。
圖5:對基線權重的混合GPS/UTD0A縮放。
圖6 :GPS和UTDOA權重的經驗縮放的範例曲線。
圖7:搜索過程的流程圖。
圖8 初始垂直定位的圖示。
圖9 對卡方(chi-square)度量的範例ζ相關性。
圖10作為ζ維的函數的在卡方計算中的不確定性的圖示。
圖11精細的ζ搜索的流程圖。
圖12=GPS降低權重過程的流程圖。
圖13偏倚的例子。
說明性實施方式的詳細描述
我們現描述本發明的說明性實施方式。首先，我們提供問題的詳細概述且然後提供我們的解決方案的更加詳細的描述。圖1示出了 U-TD0A、A-GPS混合無線定位系統。為了方便，只示出無線定位系統的 操作部件，處理對於基於定位的服務所共有的管理、計費、接入控制和授權服務的部件例如 中間件伺服器(例子包括移動定位中心(MPC)或全球移動定位系統(GMLC))未被示出。在圖1中，GNSS星群由兩個衛星101代表，這兩個衛星101以預先確立的格式發送包括年鑑和星曆數據的無線電數據流107，其允許行動裝置102的GNSS接收機子系統在 地球表面105上的任何位置用大地高度或橢球高度的估計潛在地自我定位。包含年鑑和星 歷數據的無線電傳輸107還由U-TDOA網絡的參考接收機103和協作接收機104接收。
由在地理上分布的接收機103、104、位置確定實體(PDE) 106和相關數據網絡109 組成的U-TDOA無線定位網絡使用行動裝置102上行鏈路傳輸108和由GNSS星群101無線 電傳輸107提供的單個時基來探測參考接收機103和1個或多個協作接收機104之間的到 達時間差。然後使用也稱為雙曲線定位的多邊法(Multi-Lateration)來計算位置估計。
GPS偽距向UTDOA的轉換將偽距與到UTDOA參考站的幾何距離進行比較，以便計算UTDOA參考站和MS處的 測量點之間的到達時間差。這在圖3中連同UTDOA測量的部件一起被示出。如圖3中所示出 的，衛星301的位置已知，S卩(X1，Y1，Z1)。衛星301的傳輸通過衛星傳輸路徑303在移動設 備102上被接收，且通過衛星傳輸路徑302在參考接收機103上被接收。在行動裝置102上 和參考接收機103上被接收的衛星信號之間的到達時間差被轉換為對於GPS TDOA(GTDOA) 的到達時間差。通過陸地無線電路徑305的協作接收機104和通過陸地無線電路徑304的 參考接收機103之間的到達時間差是對於UTDOA技術來說典型的測量出的UTD0A。UTDOA測量表示在協作基站和參考基站上的移動信號的到達時間差。對於UTDOA 測量，MS位置是未知的，而參考基站和協作基站的位置是已知的。對於所計算的GTDOA，MS 的作用被改變。MS實際上是具有未知位置的協作者，該未知位置從具有已知位置的衛星被 接收。MS的作用被改變，且不是如在UTDOA中的那樣有在發射機處的未知位置和在協作者 處的已知位置，而是未知位置在協作者(MS)處且已知位置在發射機(衛星)處。參考塔用 作對於UTDOA和GTDOA的相同的參考。對於GPS，在參考塔和衛星之間的視線(LOS)傳播延 遲可被直接計算，因為參考塔位置是已知的，且衛星位置可被計算。如圖2中所示出的，混合GPS/UTD0A過程的關鍵處理階段進入過程201。然後GPS 測量被轉換為行動裝置和GPS/GNSS 101之間的TDOA範圍或基線(202)。然後PDE 106計 算對於混合GPS/U-TD0A基線的權重。然後過程變為迭代的並通過加權迭代來循環(204)直 到符合停止條件(208)。在迭代循環中，使用當前的基線加權來確定混合位置估計(205)， 然後對U-TDOA基線執行降低權重操作(206)以及對GPS基線執行降低權重操作(207)。迭 代循環204繼續直到符合預設的停止條件(208)。當迭代的數量超過預先確定的最大值時 或當GDOP開始超過預先確定的閾值時停止條件出現。當前面的條件符合時，最後的位置解 是被返回的那個解。當後面的條件符合時，來自先前迭代的位置解是被返回的那個解。然 後混合GPS/UTD0A過程結束(209)，產生混合位置估計。用於將GPS參數轉換為TDOA的程序在圖4中被描繪出。一旦進入該程序(401)， 就識別出TDOA參考塔(402)，且然後對於每個衛星計算TDOA (403)。對於每個衛星(403)， 找到衛星的位置，且在[1]中對偽距進行標準校正(404)，以使得它們反映幾何距離(405)。 然後計算衛星和參考塔之間的傳播延遲(406)。然後通過用光速除所校正的偽距來計算衛 星和MS之間的所測量的傳播時間(407)。注意，如稍後所描述的，在這個傳播延遲中仍有必 須被移除的接收機時鐘誤差偏倚。GPS TDOA被計算為從衛星到MS的傳播延遲與從衛星到 參考塔的傳播延遲之間的差(408)。然後對在MS上接收到的偽隨機噪聲(PRN)和在參考塔上的PRN的假設接收之間的交叉相關計算相關係數(409)。如果參考塔上的信噪比(SNR)相對於MS(充當協作者) 上的SNR是大的，那麼對於第i個偽距測量，在MS上的SNR和相關係數之間存在以下的關 系[3]SNRl72 - P,/(l - P12)1'2(1)當協作者(MS)上的SNR是已知時，這個方程被重新整理且對於GPS TDOA的相關 係數是
權利要求
1.一種在定位行動裝置時使用的方法，包括(a)在所述行動裝置處，基於從一個或多個衛星接收的信號來獲取偽距測量，其中所述 一個或多個衛星是全球導航衛星系統(GNSQ或全球定位系統(GPQ的至少一個的衛星，(b)基於GPS偽距測量來計算GPS到達時間差(G-TDOA)值，所述G-TDOA值代表所述移 動設備和所述GPS/GNSS衛星之間的基線；(c)獲取代表第一陸地接收機和第二陸地接收機之間的第一基線的上行鏈路到達時間 差(U-TDOA)測量；(d)提供混合GPS/U-TD0A基線；(e)計算對於所述混合GPS/U-TD0A基線的加權；以及(f)使用所述混合GPS/U-TD0A基線和所述加權來估計所述行動裝置的位置。
2.如權利要求1所述的方法，其中計算加權的步驟包括迭代降低權重方法，所述迭代 降低權重方法包括使用當前基線加權來確定混合位置估計，以及然後對所述U-TDOA基線 和G-TDOA基線降低權重，直到符合第一規定的停止條件或第二規定的停止條件。
3.如權利要求2所述的方法，其中當迭代的數量超過預先確定的最大值時，認為符合 所述第一停止條件。
4.如權利要求3所述的方法，其中當符合所述第一停止條件時最後的位置解被用作所 述行動裝置的位置的估計。
5.如權利要求2所述的方法，還包括確定幾何精度因子(GDOP)值，其中當所述GDOP超 過預先確定的閾值時，認為符合所述第二停止條件。
6.如權利要求5所述的方法，其中當符合所述第二停止條件時，來自先前的迭代的位 置解被用作所述行動裝置的位置的估計。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述方法在包括U-TDOA無線定位網絡和輔助式 GPS(A-GPS)網絡的混合無線定位系統中被實現。
8.如權利要求7所述的方法，其中來自所述全球定位系統或全球導航衛星系統的至少 一個衛星的無線電數據流被U-TDOA定位子系統中的所述行動裝置、參考接收機和至少一 個協作接收機接收，所述數據流包括以預先確定的格式的年鑑和星曆數據，其中所述移動 設備能夠用大地高度或橢球高度的估計潛在地自我定位。
9.如權利要求7所述的方法，其中所述U-TDOA無線定位網絡包括在地理上分布的接收 機和位置確定實體(PDE)的網絡，所述網絡設置為使用來自所述行動裝置的上行鏈路傳輸 和由來自所述全球定位系統或全球導航衛星系統的至少一個衛星的無線電傳輸提供的時 基來探測所述參考接收機和至少兩個協作接收機之間的到達時間差，並使用多邊算法計算 位置估計。
10.如權利要求1所述的方法，其中計算G-TDOA值的步驟包括使用用於將GPS偽距轉 換為U-TDOA值的過程，所述過程包括將GPS偽距與到所述U-TDOA無線定位網絡的參考 站的幾何距離相比較，以及計算分別在所述行動裝置和所述參考站上接收到的衛星信號的 TDOA值，其中所述衛星和所述參考站的位置是已知的，且其中所計算的TDOA值代表所述 G-TDOA 值。
11.如權利要求10所述的方法，其中用於將GPS偽距轉換為U-TDOA值的所述過程還包 括識別所述參考站以及計算每個衛星的TDOA值，對於每個衛星，包括i.尋找所述衛星的位置，且對所述偽距進行校正以使得它們反映幾何距離；ii.計算所述衛星和所述參考站之間的傳播延遲；iii.計算所述衛星和所述行動裝置之間的所測量的傳播時間，所計算的時間包括接收 機時鐘誤差偏倚；iv.計算所述G-TDOA值作為從所述衛星到所述行動裝置的傳播延遲和從所述衛星到 所述參考站的傳播延遲之間的差；v.計算在所述行動裝置處接收到的偽隨機噪聲(PRN)信號和在所述參考站處的所述 PRN的假設接收之間的交叉相關的相關係數；vi.確定在所述參考站處的信噪比(SNR)相對於所述行動裝置處的SNR是大的；vii.使用所述SNR獲取所述偽距測量的質量的測量；以及viii.對每個衛星重複這個程序，所述每個衛星的信號被所述行動裝置接收。
12.如權利要求11所述的方法，還包括使用所述行動裝置處的所述SNR獲取對於所述 G-TDOA的相關係數的測量。
13.如權利要求12所述的方法，其中與G-TDOA值相關聯的第i個偽距測量(Pi)的相 關係數通常滿足與所述行動裝置處的所述SNR的下列關係=Pi = Ι/α+1/SNRi)"2。
14.如權利要求1所述的方法，還包括用於加權偽距測量的過程，所述過程包括基於由 用於獲取所述偽距測量的所述GPS接收機報告的信噪比(SNR)來加權偽距測量。
15.如權利要求14所述的方法，其中用於加權偽距測量的所述過程包括使用用於基 於規定的因子來縮放GPS和U-TDOA權重的迭代降低權重過程，所述規定的因子包括對於 U-TDOA和GPS的測量誤差分布、可用的GPS測量的數量以及可用的U-TDOA測量的數量。
16.如權利要求14所述的方法，其中用於加權偽距測量的所述過程包括對於每個GPS 基線，基於理論TDOA RMS誤差來計算初始加權。
17.如權利要求16所述的方法，其中理論加性高斯白噪聲(AWGN)TDOARMS誤差 (aTD0AMsi)基於空中接口，且對於每個GPS基線使用GPS SNR和對所述U-TDOA測量的空中 接口參數被計算。
18.如權利要求16所述的方法，其中所述TDOARMS誤差通過多徑效應(σ M」)增加，且 對於每個GPS基線使用GPS SNR和對所述U-TDOA測量的空中接口參數被計算。
19.如權利要求17所述的方法，還包括將權重(Wai)計算為被平方的RMS誤差的反函
20.如權利要求17所述的方法，其中用於加權偽距測量的所述過程還包括縮放理論加 權測量數據。
21.如權利要求14所述的方法，其中用於加權偽距測量的所述過程還包括使用從過去 的GPS和U-TDOA位置測量編譯得到的GPS基線測量誤差的資料庫以及U-TDOA測量誤差的 資料庫。
22.如權利要求21所述的方法，其中用於加權偽距測量的所述過程還包括使用粗比例 因子(S。)，其中所述粗比例因子S。代表在所述GPS基線測量誤差和所述U-TDOA測量誤差 上平均的RMS誤差的比。
23.如權利要求22所述的方法，其中所述粗比例因子S。被定義為 ^ — UTDOA2rms
24.如權利要求23所述的方法，其中用於加權偽距測量的所述過程還包括指定所述粗 比例因子和來自所述理論GPS TDOA的權重的乘積作為對於每個GPS基線的初始加權。
25.如權利要求M所述的方法，其中被指定為初始加權的所述乘積被定義為
26.如權利要求21所述的方法，其中用於加權偽距測量的所述過程還包括使用混合 GPS/U-TD0A測量計算的精細比例因子(Sf)。
27.如權利要求沈所述的方法，其中所述精細比例因子被使用來如下導出最終測量權重WGi = Sffai 其中 S = SfSc0
28.如權利要求1所述的方法，還包括使用混合加權最小二乘算法，所述算法提供對於 GPS和U-TDOA貢獻中的偏倚的分析解，包括執行GPS偽距貢獻的轉換以及將所轉換的和加 權的GPS貢獻與從所述偽距測量獲取的所計算的GPS TDOA值組合。
29.如權利要求觀所述的方法，其中所述混合加權最小二乘算法還包括執行對於GPS基線的三維搜索。
30.如權利要求四所述的方法，其中所述混合加權最小二乘算法還包括採用所述移動 設備的測試位置計算TDOA值並搜索直到符合規定的停止條件為止，包括對每個測試位置 計算卡方度量並對所述度量求和。
31.如權利要求30所述的方法，其中所述混合加權最小二乘算法還包括計算包括對 GPS和U-TDOA的分離的偏倚值的組合的卡方度量。
32.如權利要求31所述的方法，其中所述混合加權最小二乘算法還包括確定最小卡方 度量和對應的測試位置，其中當以預先確定的最高解析度找到最小值時，認為符合所述停 止條件。
33.如權利要求30所述的方法，其中在包括所轉換的GPSUTDOA基線的三維中執行 U-TDOA搜索，所述U-TDOA搜索包括首先在二維(x，y)中搜索在所有GPS基線上的最小卡 方度量，且然後使用ζ搜索算法在第三維(ζ)中搜索。
34.如權利要求30所述的方法，其中規定的停止條件包括當最小位置解落到搜索空間 的邊緣上時在當前解析度處繼續進行搜索。
35.如權利要求30所述的方法，其中規定的停止條件包括當最小位置解落在搜索空間 的邊緣上時在當前地圖解析度處繼續進行搜索。
36.如權利要求33所述的方法，其中所述ζ搜索算法包括使用所述行動裝置的高度的 初始估計、粗略搜索、精細搜索和操縱準則。
37.如權利要求36所述的方法，其中所述ζ搜索算法還包括在關於UTDOA坐標系統的 ζ維中尋找初始搜索位置；其中所述粗略搜索包括計算和使用代表在地面水平以上的一般高度處的所述行動裝置的位置的初始估計^ ；其中所述操縱準則包括選擇對處於預先確 定的解析度閾值之下的解析度的所述粗略搜索，以及一旦達到所述解析度閾值就執行所述 精細搜索。
38.一種無線定位系統，包括用於與行動裝置通信以及基於由所述行動裝置從一個或多個衛星接收到的信號從所 述行動裝置獲取偽距測量的裝置，其中所述一個或多個衛星是全球導航衛星系統(GNSS) 或全球定位系統(GPS)的至少一個的衛星；用於基於GPS偽距測量來計算GPS到達時間差(G-TDOA)值的裝置，所述G-TDOA值代 表所述行動裝置和所述GPS/GNSS衛星之間的基線；用於獲取代表第一陸地接收機和第二陸地接收機之間的第一基線的上行鏈路到達時 間差(U-TDOA)測量的裝置；用於提供混合GPS/U-TD0A基線的裝置；用於計算對於所述混合GPS/U-TD0A基線的加權的裝置；以及用於使用所述混合GPS/U-TD0A基線和所述加權來估計所述行動裝置的位置的裝置。
39.如權利要求38所述的系統，其中用於計算加權的所述裝置包括用於實現迭代降低 權重的裝置，所述迭代降低權重包括使用當前的基線加權來確定混合位置估計，以及然後 對所述U-TDOA基線和G-TDOA基線降低權重，直到符合第一規定的停止條件或者第二規定 的停止條件。
40.如權利要求39所述的系統，其中當迭代的數量超過預先確定的最大值時，認為符 合所述第一停止條件。
41.如權利要求40所述的系統，其中當符合所述第一停止條件時，最後的位置解被用 作所述行動裝置的位置的估計。
42.如權利要求39所述的系統，還包括用於確定幾何精度因子(⑶0P)值的裝置，其中 當所述GDOP超過預先確定的閾值時，認為符合所述第二停止條件。
43.如權利要求42所述的系統，其中當符合所述第二停止條件時，來自先前的迭代的 位置解被用作所述行動裝置的位置的估計。
44.如權利要求38所述的系統，其中所述系統是包括U-TDOA無線定位網絡和輔助式 GPS(A-GPS)網絡的混合無線定位系統。
45.如權利要求44所述的系統，其中來自所述全球定位系統或全球導航衛星系統的至 少一個衛星的無線電數據流被U-TDOA定位子系統中的所述行動裝置、參考接收機和至少 一個協作接收機接收，所述數據流包括以預先確定的格式的年鑑和星曆數據，其中所述移 動設備能夠用大地高度或橢球高度的估計潛在地自我定位。
46.如權利要求44的系統，其中所述U-TDOA無線定位網絡包括在地理上分布的接收機 和位置確定實體(PDE)的網絡，所述網絡設置為使用來自所述行動裝置的上行鏈路傳輸和 由來自所述全球定位系統或全球導航衛星系統的至少一個衛星的無線電傳輸提供的時基 來探測所述參考接收機和至少兩個協作接收機之間的到達時間差，並使用多邊算法計算位 置估計。
47.如權利要求38所述的方法，其中用於計算G-TDOA值的所述裝置使用用於將GPS偽 距轉換為U-TDOA值的過程，所述過程包括將GPS偽距與到所述U-TDOA無線定位網絡的參考站的幾何距離相比較，以及計算分別在所述行動裝置和所述參考站上接收到的衛星信號 的TDOA值，其中所述衛星和所述參考站的位置是已知的，且其中所計算的TDOA值代表所述 G-TDOA 值。
48.如權利要求47所述的系統，其中用於將GPS偽距轉換為U-TDOA值的所述過程還包 括識別所述參考站以及計算每個衛星的TDOA值，對於每個衛星，包括i.尋找所述衛星的位置，且對所述偽距進行校正以使得它們反映幾何距離； .計算所述衛星和所述參考站之間的傳播延遲；iii.計算所述衛星和所述行動裝置之間的所測量的傳播時間，所計算的時間包括接收 機時鐘誤差偏倚；iv.計算所述G-TDOA值作為從所述衛星到所述行動裝置的傳播延遲和從所述衛星到 所述參考站的傳播延遲之間的差；v.計算在所述行動裝置處接收到的偽隨機噪聲(PRN)信號和在所述參考站處的所述 PRN的假設接收之間的交叉相關的相關係數；vi.確定在所述參考站處的信噪比(SNR)相對於所述行動裝置處的SNR是大的；vii.使用所述SNR獲取所述偽距測量的質量的測量；以及viii.對每個衛星重複這個程序，所述每個衛星的信號被所述行動裝置接收。
49.如權利要求48所述的系統，還包括用於使用在所述行動裝置處的所述SNR來獲取 對所述G-TDOA的相關係數的測量的裝置。
50.如權利要求49所述的系統，其中與G-TDOA值相關聯的第i個偽距測量(Pi)的相 關係數通常滿足與所述行動裝置處的所述SNR的下列關係=Pi = Ι/α+1/SNRi)"2。
51.如權利要求38所述的系統，還包括用於執行加權偽距測量的過程的裝置，所述過 程包括基於由用於獲取所述偽距測量的所述GPS接收機報告的信噪比(SNR)來加權偽距測 量。
52.如權利要求51所述的系統，其中用於加權偽距測量的所述過程包括使用用於基 於規定的因子來縮放GPS和U-TDOA權重的迭代降低權重過程，所述規定的因子包括對於 U-TDOA和GPS的測量誤差分布、可用的GPS測量的數量以及可用的U-TDOA測量的數量。
53.如權利要求51所述的系統，其中用於加權偽距測量的所述過程包括對於每個GPS 基線，基於理論TDOA RMS誤差來計算初始加權。
54.如權利要求53所述的系統，其中理論加性高斯白噪聲(AWGN)TDOA RMS誤差 (aTD0AMsi)基於空中接口，且對於每個GPS基線使用GPS SNR和對所述U-TDOA測量的空中 接口參數被計算。
55.如權利要求53所述的系統，其中所述TDOARMS誤差通過多徑效應(σ M」)增加，且 對於每個GPS基線使用GPS SNR和對所述U-TDOA測量的空中接口參數被計算。
56.如權利要求M所述的系統，還包括用於執行將權重(Wai)計算為被平方的RMS誤 差的反函數的裝置，W =- -0dTDOA2ms」+G2M」
57.如權利要求M所述的系統，其中用於加權偽距測量的所述過程還包括用於縮放理 論加權測量數據的裝置。
58.如權利要求51所述的系統，其中用於加權偽距測量的所述過程使用從過去的GPS 和U-TDOA位置測量編譯得到的GPS基線測量誤差的資料庫以及U-TDOA測量誤差的資料庫。
59.如權利要求58所述的系統，其中用於加權偽距測量的所述過程使用粗比例因子 (Sc)，其中所述粗比例因子S。代表在所述GPS基線測量誤差和所述U-TDOA測量誤差上平均 的RMS誤差的比。
60.如權利要求59所述的系統，其中所述粗比例因子Sc被定義為
61.如權利要求60所述的系統，其中用於加權偽距測量的所述過程指定所述粗比例因 子和來自所述理論GPS TDOA的權重的乘積作為對於每個GPS基線的初始加權。
62.如權利要求61所述的系統，其中被指定為初始加權的所述乘積被定義為
63.如權利要求58所述的系統，其中用於加權偽距測量的所述過程使用利用混合GPS/ U-TDOA測量計算的精細比例因子(Sf)。
64.如權利要求63所述的系統，其中所述精細比例因子被使用來如下導出最終測量權重Wci = Sffai 其中 S = SfSc0
65.如權利要求38所述的系統，還包括用於使用混合加權最小二乘算法的裝置，所述 算法提供對於GPS和U-TDOA貢獻中的偏倚的分析解，包括執行GPS偽距貢獻的轉換以及將 所轉換的和加權的GPS貢獻與從所述偽距測量獲取的所計算的GPS TDOA值組合。
66.如權利要求65所述的系統，其中所述混合加權最小二乘算法還包括執行對於GPS基線的三維搜索。
67.如權利要求66所述的系統，其中所述混合加權最小二乘算法還包括採用所述移動 設備的測試位置計算TDOA值並搜索直到符合規定的停止條件為止，包括對每個測試位置 計算卡方度量並對所述度量求和。
68.如權利要求67所述的系統，其中所述混合加權最小二乘算法還包括計算包括對 GPS和U-TDOA的分離的偏倚值的組合的卡方度量。
69.如權利要求68所述的系統，其中所述混合加權最小二乘算法還包括確定最小卡方 度量和對應的測試位置，其中當以預先確定的最高解析度找到最小值時，認為符合所述停 止條件。
70.如權利要求67所述的系統，還包括在三維上執行U-TDOA搜索的裝置，所述U-TDOA 搜索包括首先在二維(χ，y)中搜索在所有GPS基線上的最小卡方度量，且然後使用ζ搜索 算法在第三維(ζ)中搜索。
71.如權利要求67所述的系統，其中規定的停止條件包括當最小位置解落到搜索空間 的邊緣上時在當前解析度處繼續進行搜索。
72.如權利要求67所述的系統，其中規定的停止條件包括當最小位置解落在搜索空間 的邊緣上時在當前地圖解析度處繼續進行搜索。
73.如權利要求70所述的系統，其中所述ζ搜索算法包括使用所述行動裝置的高度的 初始估計、粗略搜索、精細搜索和操縱準則。
74.如權利要求73所述的系統，其中所述ζ搜索算法還包括在關於UTDOA坐標系統的 ζ維中尋找初始搜索位置；其中所述粗略搜索包括計算和使用代表在地面水平以上的一般 高度處的所述行動裝置的位置的初始估計το ；其中所述操縱準則包括選擇對處於預先確 定的解析度閾值之下的解析度的所述粗略搜索，以及一旦達到所述解析度閾值就執行所述 精細搜索。
75.一種計算機可讀介質，包含用於實現在定位行動裝置時使用的下列計算機實現方 法的計算機可讀指令與行動裝置通信以及基於由所述行動裝置從一個或多個衛星接收到的信號從所述移 動設備獲取偽距測量，其中所述一個或多個衛星是全球導航衛星系統(GNSQ或全球定位 系統(GPS)的至少一個的衛星；基於GPS偽距測量來計算GPS到達時間差(G-TDOA)值，所述G-TDOA值代表所述移動 設備和所述GPS/GNSS衛星之間的基線；獲取代表第一陸地接收機和第二陸地接收機之間的第一基線的上行鏈路到達時間差 (U-TDOA)測量；提供混合GPS/U-TD0A基線；計算對於所述混合GPS/U-TD0A基線的加權；以及使用所述混合GPS/U-TD0A基線和所述加權來估計所述行動裝置的位置。
全文摘要
提供了用於位置確定的方法和裝置，其使用來自全球定位系統(GPS)接收機和基於陸地的上行鏈路到達時間差(UTDOA)接收機的測量。所述方法涉及通過計算可比較的交叉相關係數和關於UTDOA參考站的到達時間差將下行鏈路衛星測量轉換為等效的UTDOA測量。所述方法包括加權操作，由此UTDOA測量的相對權重和GPS測量的相對權重基於理論縮放來調整，後面是經驗調整。所述方法還涉及對度量的有效計算和組合，所述度量用於將候選位置解與UTDOA和GPS測量之間的加權誤差最小化。通過在最佳位置解被接近時增加搜索操作的複雜性，上述最小化對於UTDOA在兩維上以及對於GPS測量在三維上有效地完成。
文檔編號H04W24/00GK102119546SQ200980131356
公開日2011年7月6日 申請日期2009年8月7日 優先權日2008年8月14日
發明者拉什杜斯·S·米亞, 皮特·A·博耶, 羅伯特·J·安德森, 羅納德·勒菲弗 申請人:真實定位公司