Rf發射器的可攜式反覆的地理定位的製作方法
2023-10-17 23:06:49
專利名稱：Rf發射器的可攜式反覆的地理定位的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用於定位無線設備的方法和裝置，所述無線設備包括 固定的基站以及移動臺(MS),例如那些在模擬蜂窩系統或數字蜂窩系統、 個人通信系統(PCS)、增強型專用移動無線電(ESMR)、以及其他類型 的無線通信系統中使用的無線設備。更特別地，但是不排他地，本發明涉 及利用少於三臺的接收器通過三邊測量法(trilateration)進行的發射器定位。
背景技術：
確定發射射頻(RF)能量的設備的物理位置的方法被稱為地理定位 (geolocation )。對於RF發射器的地理定位來說，存在多種技術。常用的 地理定位4支術^皮稱為到達時間差(TDOA)。傳統上，藉助於TDOA進行 的地理定位是通過在處於不同的並且已知的位置的多個傳感器同時捕獲 RF發射器的信號來實現的。在多個傳感器中任何一對傳感器之間的TDOA 是RF能量從其起始點傳播到兩個傳感器的中每一個傳感器所用的時間的 差值。在已知位置在二維上進行的兩個傳感器之間的TDOA的測量生成一 條雙曲線，這兩個傳感器與該雙曲線的焦點相符合。該雙曲線生成可能從 其發出RF能量的多個位置。從其他傳感器對得到多條雙曲線將會產生從 其發出RF能量的唯一的位置。在二維上利用TDOA進行RF發射器的地理定位要求信號由處於最少三個不同地理位置的傳感器接收。每對傳感器
生成作為RF能量的可能來源的雙曲線。在三維上利用TDOA進行RF發 射器的地理定位要求信號由處於最少四個不同地理位置的傳感器接收。每 對傳感器生成作為RF能量的可能來源的作為面的雙曲面。在本說明書中， 我們將公開用於由單個傳感器以反覆(iterative)方式地理定位信號的方法和 裝置，所述信號具有在商業化無線電信中非常普通的定時特性。此外，我 們公開了用於由兩個或更多傳感器以反覆方式定位信號的方法和裝置。
發明內容
以下發明內容旨在解釋下面更詳細描述的說明性實施方式的幾個方 面。本發明內容並不旨在涵蓋所公開的主題的所有發明性方面，也不旨在 限制下面闡明的權利要求的保護範圍。
本發明的說明性實施方式可以採取各種形式，例如，本發明可以用便 攜式地理定位傳感器、包括可攜式地理定位傳感器的使用的方法、以及系 統來實現。本發明可以用包括數位訊號處理裝置的硬體或硬體和軟體的組 合來實現。
在一個示例性實施方式中，根據本發明的可攜式地理定位傳感器包括 用於接收定時信號的定時信號接收器；用於接收和處理來自感興趣的發射 器(emitter of interest, EOI)的信號的可調的寬帶接收器；用於對來自EOI 的傳輸(transmission )加時間戳的信號處理器；以及裝入定時信號接收器、 可調的寬帶接收器和信號處理器的可攜式外殼。
根據本發明的 一種示例性方法可用於利用至少 一個可攜式地理定位 傳感器來定位EOI。該方法包括在第一位置，在第一時間段期間，利用 第一可攜式地理定位傳感器接收、加時間戳和存儲EOI傳輸；將第一便攜 式地理定位傳感器移動到第二位置；在第二位置，在第二時間段期間，利 用第一可攜式地理定位傳感器接收、加時間戳和存儲EOI傳輸；以及利用 在第一時間段和第二時間段期間存儲的表示EOI傳輸的數據來計算EOI 的位置。本發明方法可以利用單個可攜式地理定位傳感器來執行，該單個
li可攜式地理定位傳感器被反覆地移動到不同位置，在這些不同位置接收來 自EOI的傳輸。本方法還利用兩個或更多地理定位傳感器來執行，其中至 少一個傳感器是可攜式的並被移動，以便其用於在兩個或更多位置收集
EOI傳輸。所利用的地理定位傳感器的數量可基於EOI傳輸的特徵來選擇 (例如，當EOI傳輸包括定時信息時，可使用單個可攜式傳感器)。
另一個說明性的實施方式可採取用於定位EOI的系統的形式。在該實 施方式中，該系統包括可攜式裝置和計算裝置，所述可攜式裝置包括在一 個接收器處，在第一位置在第一時間段期間接收、加時間戳和存儲EOI傳 輸，並且在第二位置在第二時間段期間接收、加時間戳和存儲EOI傳輸， 所述計算裝置包括處理器，以利用在第一時間段和第二時間段期間存儲的 表示EOI傳輸的數據計算EOI的位置。計算裝置可以在與可攜式裝置相同 的外殼中被集成，或者可以是分離的。
下面描述其他方面和實施方式。
當結合附圖進行閱讀時，前述的發明內容以及下面的詳細描述被更好 地理解。為了說明本發明，在附圖中示出了本發明的示例性結構；然而， 本發明並不限於所公開的具體的方法和手段。在附圖中
圖1示意性地示出用於由單個傳感器反覆進行地理定位的基本原理。
圖2示意性地示出用於反覆的單個傳感器地理定位的可攜式TDOA傳感器。
圖3示意性地示出用於由一對傳感器反覆進行地理定位的基本原理。
圖4示意性地示出用於由一對傳感器反覆進行地理定位的可攜式 TDOA傳感器。
圖5示意性地示出用於由三個或更多傳感器反覆進行地理定位的基本 原理。
圖6示意性地示出用於由三個或更多傳感器反覆進行地理定位的便攜
12式TDOA傳感器。
圖7示意性地示出多路復用的時間差測量方法。 圖8是根據本發明的實施方式的方法的流程圖。
具體實施例方式
現在我們將描述本發明的說明性或目前優選的實施方式。首先，我們 提供概述，接著是更詳細的描述。
爿.禽迷
這裡，我們公開了一種用於確定RF發射設備的位置的基本原理，該 基本原理是漸進的。如果一個人具有感興趣的發射器(EOI)定時的先驗 知識並且該感興趣的發射器傳輸達一長的時間段，則單個傳感器可用於確 定位置。這包括由TDOA傳感器在多個不同的幾何地點捕獲EOI,所述 TDOA傳感器知道其自己的位置並且具有非常穩定的參考振蕩器。這還包 括描述(characterize )和補償EOl的頻率和定時漂移(dnft)。接著計算TDOA 和到達頻率差(FDOA)。假設EOI是固定的，FDOA描述EOI的頻率漂 移。對於從相同的參考振蕩器得到其RF載波和幀時鐘的發送器來說，借 助於FDOA進行的頻率漂移的測量將允許確定幀時鐘漂移。對於未從相同 的參考振蕩器得到其RF載波和幀時鐘的發送器來說，幀時鐘漂移率以不 同的方式被描述。 一項這樣的技術是再訪問數據採集位置並將測量的 TDOA與之前測量的TDOA相比較。存在用於補充幀時鐘漂移的其他技術。 例如，可以寫出一組方程，每個方程與一個數據採集位置相關聯，每個方 程式包括數據採集位置的地點、測量的頻率偏移(offset)、測量的時間偏移、 以及用於幀時鐘的模型，其中幀時鐘漂移作為參數中之一。在進行足夠數 量的數據採集後，可以由該組過定的(over-determined)方程確定幀時鐘 漂移參數的解決方案。此外，隨著更多數據採集的進行，能夠反覆地改進 該解決方案。根據EOI定時的先驗知識來確定TDOA。初始的位置估計能 夠在三次數據採集後在二維上進行計算，並且初始的位置估計能夠在四次 數據採集後在三維上進行計算。 一旦達到最少數量的數據採集，就能夠用更多的數據採集來反覆地改進位置估計，以得到更高的準確度。能夠向用 戶提供關於為了最好地改進準確度進行下 一次數據採集的移動的方向和 距離的指導。
如果對於單個傳感器方法不能滿足EOI的限制，那麼漸進的下一步是 使用在其之間具有通信連結的兩個傳感器。這種通信連結將允許這兩個傳
感器在時間上同時地捕荻EOI。由一對傳感器進行的每個同時進行的數據 採集將生成一條雙曲線，作為EOI可能位置的範圍。兩個傳感器的位置將 是該雙曲線的焦點。當傳感器中的 一個或兩個移動並且在兩個傳感器處同 時再次捕獲EOI時，將由TDOA處理產生另一條雙曲線。這兩條雙曲線的 交點將在二維上生成EOI的唯一位置。進一步再定位一個或兩個傳感器以 及隨後同時進行的數據採集將生成改進的定位準確度。具有更好的視野 (view-of-the-sky )的傳感器中的GNSS接收器能夠作為用於其他傳感器的 輔助GNSS伺服器，其將提供GNSS信號採集的更高的可靠性。(GNSS 表示全球導航衛星系統，其是給予採用衛星定位的導航系統的通用名稱。 通常有美國的全^求定位系統(GPS)或俄羅斯的GLONASS系統，但是終 歸要包括對地靜止系統，以補充GPS或GLONASS星座。)在定位方案的 當前重複中進行的當前位置估計的幾何精度衰減因子(GDOP)的分析提 供了關於在哪裡再定位傳感器以用於下一次同時進行的數據採集的指導。
增加更多靜止的和/或可攜式的傳感器將提高EOI的定位準確度，並且 將提高定位準確度提高的速率與傳感器再定位的數量的比值。當採用三個 或更多傳感器時，利用用於在傳感器之間進行通信的網狀通信網絡，將會 在提供傳感器之間提供更加可靠的連通性。
圖1示出了用於由單個傳感器(106)進行EOI (107)的地理定位的 一般基本原理。在時刻T1及位置Ll,單個可攜式TDOA傳感器接收、加 時間戳、並存儲EOI達一時間段。接著該單個可攜式TDOA傳感器被移動 到位置L2，並且該單個可攜式TDOA傳感器再次接收、加時間戳、並存 儲EOI達一時間段。重複進行這一過程，直到執行足夠數量的傳感器再定 位和信號採集為止。在這裡描述的說明性實施方式中，存在關於EOI的三 個約束。首先，EOI必須處於傳輸狀態達足夠長的時間段，以便單個便攜
14式TDOA傳感器能夠被移動並且EOI被接收、被加時間戳並且被存儲。第 二， EOT必須是靜止的。第三，EOI必須在其傳輸中具有定時信息。
圖2示出單個可攜式TDOA傳感器(200)的框圖。其包括GNSS天 線(202 )和裝在可攜式外殼(210 )內的高靈敏度GNSS定時接收器(204 )。 這允許對來自EOI的傳輸打上非常精確的時間戳，以及對於描述EOI傳輸 的定時和頻率穩定性實現非常穩定的頻率參考，其中EOI傳輸的定時和頻 率穩定性是TDOA信號處理中必須考慮的。該單個可攜式TDOA傳感器 還具有TDOA天線(201 )和可調的、寬帶數字接收器和信號處理器(205 )。 這實現了EOI的接收、加時間戳、存儲和處理。可調的、寬帶數字接收器 被定義為用於以被調諧到的RF頻率接收寬帶無線傳輸並用模數轉換器將 其轉換為數字格式的設備。 一旦被接收的信號處於數字格式，則被接收的
信號就被以數位訊號處理的方式濾波為EOI的帶寬。控制器/顯示設備 (203 )向可攜式TDOA傳感器提供用戶界面。其將允許由用戶進行控制， 以及一旦進行了足夠數量的傳感器再定位和數據採集就在地圖或其他顯 示器上顯示EOT的位置。此外，其將提供關於為了最大程度增加定位準確 度，對於下一次再定位和數據採集的用戶能夠移動的方向和距離的指導。
圖3示出了由一對時間同步的TDOA傳感器(313和306 )進行的EOI
的反覆T DOA定位的一般基本原理。這兩個傳感器將接收、加時間戳以及
存儲EOI信號，該EOI信號在特定的位置對被同步接收。因此，用於兩個
傳感器彼此通信的機制被用於在精確的相同時間協調EOI的接收。接著，
傳感器中的一個或兩個被再定位，EOI被接收、被加時間戳以及被存儲。
該過程重複進行，直到執行足夠數量的傳感器再定位和信號採集。利用一
對傳感器來消除對EOI的約束，該約束即EOl必須在其傳輸中具有定時信 自、
圖4示出了用於圖3的實施方式的可攜式TDOA傳感器(400 )之一 的框圖。該框圖與圖2的框圖相同，但有兩點例外。首先，增加了通信天 線(409 )和收發器(408 )，以允許在兩個傳感器之間進行通信，從而協 調它們的數據採集。第二，此時高靈敏度GNSS接收器(404)能夠用作 輔助GNSS伺服器。如果一個傳感器具有用於接收GNSS信號的更清楚的視野，則該傳感器能夠發送GNSS輔助數據，以幫助其他傳感器的GNSS 定時接收器捕獲GNSS信號。
圖5示出了由三個或更多傳感器以反覆的方式進行EOI的被動地理定 位的一般基本原理。對於二維的地理定位來說，最少三個傳感器被用於唯 一的位置確定。因此，確定唯一的位置不需要傳感器的再定位，但是這將 提供改進的定位準確度。
圖6示出了圖5中表示的實施方式中的可攜式TDOA傳感器之一的框 圖。該框圖與圖4的可攜式TDOA傳感器相同，但是用網狀通信收發器 (608)代替通信收發器，以得到傳感器之間的更加可靠的通信。
圖7示出了在位置#1在最初的數據採集時，接收的無線通信信號的 幀定時最初如何與基於GNSS的幀時鐘校準。接著在第二位置，即位置# 2，執行數據採集，並且接收的幀定時與基於GNSS的幀時鐘進行比較， 以得到兩個位置之間的TDOA，即Atp這假定在發送器中有非常穩定的 幀時4f 。
圖8是根據本發明實施方式的方法的流程圖。該方法包括，在第一位 置，使用第一可攜式地理定位傳感器在第一時間段期間接收、加時間戳以 及存儲EOI傳輸(801 )。此外，在一個或更多地理定位傳感器處，EOI傳 輸可以被同時接收、加時間戳等，所述地理定位傳感器可以是可攜式傳感 器或固定的傳感器(例如，與無線通信系統的小區站點或BTS共址的位置 測量單元(LMU)) ( 802 )。接著，該方法使第一可攜式地理定位傳感器移 動到第二位置(803 )，並且在第二位置處，利用第一可攜式地理定位傳感 器在第二時間段期間接收、加時間戳以及存儲EOI傳輸(804 )。最後，在 足夠數量的反覆之後，利用在至少第 一 時間段和第二時間段期間存儲的表 示EOl傳輸的數據，來計算E01的位置。如所討論的，可以利用單個便攜 式地理定位傳感器執行該方法，其中該單個可攜式地理定位傳感器被反覆 地移動到不同位置，在這些不同位置接收來自EOI的傳輸；或者可以利用 兩個或更多地理定位傳感器執行該方法，其中至少 一 個傳感器是可攜式的 並且一皮移動，以便其被用於在兩個或更多位置收集EOI傳輸。
凡說效'/i,滋方4;^伴勿"/多迷
161.由單個傳感器進行GSM基站收發系統(BTS)的地理定位
通過利用圖2中示出的可攜式TDOA傳感器，由單個傳感器實現精確 的GSM BTS的地理定位，該可攜式TDOA傳感器具有集成的高靈^:度、 高精確度、高準確度的GNSS定時接收器204，並且在多個已知的地理位 置捕獲BTS傳輸。該基本原理在圖l中示出。
GSM無線通信系統是時分多址(TDMA )數字無線通信系統。調製類 型是GMSK，符號率是270 5/6千赫茲。每幀具有8個時隙，每個時隙的 持續時間是576 12/13微秒。從0到2,715，647對幀進行編號，並且每3 'J、 時28分53秒760毫秒重複。在移動臺和BTS之間利用控制信道信號來建 立和拆除無線電話呼叫，以及將移動臺與BTS進行校準，該BTS在時間 和頻率兩者上處理其通信量。BTS傳輸頻率校正脈沖(burst)和同步脈沖以 允許進行這種時間和頻率同步。同步脈沖在已知的時刻被傳輸，並具有BTS 的當前幀號及其標識符，即基站標識碼(BSIC)。該信號可用於被動地確 定BTS的位置。GSM BTS的其他已知特徵也可被利用。例如， 一般先驗 地已知中間碼(midamble )，並且因此能夠利用該中間碼。此外，許多商 業化的無線技術將基本網絡定時嵌入到基站傳輸中，以允許其移動用戶到 網絡的時間同步。所有這些波形都能夠使用該方法進行地理定位。這包括 在碼分多址(CDMA)無線網絡中的導頻和同步傳輸。正交頻分復用 (OFDM)波形也要求其移動用戶與基站時間同步，因此能夠用該方法進 行地理定位。GSM BTS中的基本參考頻率是13 MHz。符號率是13 MHz 除以整數48。時隙等於7500個13MHz的時間段。ETSI GSM規範05.10 要求GSM BTS頻率參考具有0.05百萬分率(ppm)或50 ppb的穩定性/ 準確度。相比之下，來自其高靈敏度GNSS定時接收器的可攜式TDOA傳 感器的lOMHz頻率參考具有0.001 ppb的穩定性/準確度或高於要求50,000 倍。高靈敏度GNSS定時接收器是能夠以低電平捕獲並跟蹤衛星導航信號 的接收器，低電平是典型的綜合考慮的環境。其可以自主地實現此目的， 或者使用來自具有更清晰的視野的伺服器的輔助數據。此外，其對從衛星 導航信號獲得的定時信號規定頻率參考，以提供非常精確和穩定的頻率參 考。這非常重要，因為如將要討論的，BTS頻率參考的頻率準確度/穩定性極大地影響其能夠被地理定位的準確度。因為可攜式TDOA傳感器具有非 常好的頻率準確度/穩定性，因此能夠測量和補償BTS幀時鐘的任何漂移， 並且因此獲得高的定位準確度。
單個傳感器GSM BTS地理定位方法包括最初從GSM BTS接收同 步脈沖，使接收的脈沖與內部合成的同步脈沖進行相關，以及將相關函數 的峰值與內部生成的基於GNSS的幀時鐘對準。這種最初的相關過程在數 學上被描述為
M, (r,= + r)e-,'^ 方程1
其中_y,(/)是接收的用於第 一數據採集位置的同步脈衝，，;、+ r)是合成 的同步脈衝，以及r是同步脈沖的持續時間，即576 12/13孩t秒。該相關 函數對於時延r，以及頻移w求最大值化。我們注意到相關函數的最大值 出現在。和^7處。
同步脈沖具有在其中被編碼的幀號，並且當BTS具有非常穩定的幀時 鍾時，幀正好每60/13000秒重複。在該第一地理數據採集位置執行BTS 傳輸的數據採集，並且基於GNSS的幀時鐘時間與接收的同步脈沖校準。 數據採集的煒度和經度從GNSS接收器記錄。該數據被存儲以進行進一步 的處理。因此， 一旦最初時間與BTS幀時鐘校準，將來就能夠預測特定幀 號的另一個特定同步脈沖的時間。這種特徵將被用於允許BTS的地理定 位。傳感器被移動到另一個地理位置，並且執行BTS傳輸的另一個數據採
脈衝已經被精確地時移了數據採集之間的適當的延時。這在數學上被描述 為
A/2(r,w) = JV2(/)r/(/ —"r + ^+ry 方程2
0
其中_y2(0是4^收的用於第二數據採集位置的同步脈衝，《々-"r+^ + r) 是合成的同步脈沖，該合成的同步脈沖已經在整數個幀內被時移了適當值 "r,並藉助於。與第一數據採集時間對準。在。和^2處確定和記錄該 二維相關函數的最大值。
此外，該數據被存儲以用於進一步的處理，並且數據採集位置的綿度和經度被記錄。該過程重複進行，直到對於數據採集來說已經訪問了足夠 數量的幾何位置為止，以提供良好的定位準確度。該過程在圖l中示出。
通過在圖7中以圖形方式示出的過程來確定TDOA。在l號位置，基 於GNSS的幀定時被精確地與從BTS接收的幀定時時間對準，即確定。。 接著，20分鐘後，即260,000個GSM幀，在另 一個地理位置重複進行該 過程。注意到在該實例中，方程2中的w等於260,000。第二位置將產生 基於GNSS的幀定時和接收的幀定時之間的時間差At^其等於r2- r,。 對於非常穩定的BTS幀時鐘來說，該時間差測量將生成一條雙曲線，兩個 數據採集位置在焦點處，BTS可以位於該焦點處。第三數據採集位置將生 成另一條雙曲線，該雙曲線將與第一條雙曲線在單個點處相交，以提供BTS 的唯一位置。然而，當訪問更多數量的不同數據採集位置時，就能夠極大 地提高定位準確度。
實際上，BTS幀時鐘並不是非常精確，將需要藉助於可攜式TDOA傳 感器被測量、描述和補償。這種測量在每個數據採集位置進行。由於BTS 幀時鐘是從13MHz的頻率參考獲得的，因此其可以在一個小時內在時間 上移動差不多48.75個符號，即使其滿足0.05 ppmGSM 05.10的穩定性規 範也是如此。這將通過利用在每個數據採集位置進行的頻移測量即w ,和w
2來補償，或者通過其他技術補償，所述其他技術例如在不同的時刻在相同
的地理位置測量EOI以確定幀時鐘隨著時間改變了多少。TDOA處理和 FDOA處理都一皮#^亍，並且所測量的FDOA被用於補償將被BTS的幀時 鐘的時移破壞的TDOA估計。特別地，可攜式TDOA傳感器中的採樣時 鍾在被鎖定到GNSS時，將保持小於每小時10納秒的漂移率。因此，在 其將開始影響一般郊區環境中定位準確度之前，可從BTS採集數據達大約 20小時，延遲擴展為200納秒。如果RF載波和幀時鐘從BTS中的相同參
考振蕩器獲得，則所測量的頻移031，0)2,...將用於補償所測量的時移T ,，T
2，...，從而補償BTS時鐘漂移和不穩定性。
多種因素影響TDOA地理定位中位置估計的準確度。傳感器數據採集 位置關於BTS位置的幾何方位是對定位準確度有重大影響的一個因素。最 佳的傳感器數據採集位置圍繞以BTS為中心的圓周均勻地排開。傳感器數
19據採集幾何排列的這種影響被描述為幾何精度衰減因子(GDOP)。其可被
計算為
^ 方程3
其中，H^:,/,-^是單位矢量",和"",之間的矢量差，",和" ,是從估計位
置分別到數據採集位置/和W的單位矢量。數值A，,是W/和M^,形成的平
行四邊形的面積，w是傳感器數據採集位置的數量。通過增加傳感器數據 採集位置的數量超過得到唯一的位置所需要的最小值，能夠極大地提高定 位準確度。然而，定位準確度提高的速率與傳感器數據採集的數量的比值 將取決於下一個傳感器數據採集的位置。這可以通過估算增加另外的傳感
器數據採集的GDOP以及在該方向上移動傳感器來確定。
2. 由一對同步的傳感器地理定位任意波形
由單個傳感器進行地理定位要求將被定位的信號具有嵌入其中的某 種類型的定時特徵，例如無線GSM通信的同步脈沖，這是先驗已知的。 這種先驗知識允許其被合成，並且使這種被合成的信號與接收的信號相 關，以確定延時。此外，其還要求補償信號的任何漂移或不穩定性。這兩 項約束能夠通過將另一個可攜式TDOA傳感器以及傳感器之間的通信鏈 接添加到系統中而被消除。兩個傳感器能夠藉助於通過它們共同的通信鏈 接進行的協調來同時捕獲EOI。兩個捕獲的信號的相關將產生延時估計。 知道數據採集期間兩個傳感器的位置， 一條雙曲線成為信號的候選位置。 所述相關在數學上被描述為
0
此外，增加更多的數據採集位置能夠極大地提高定位準確度。 一旦確 定出唯一的位置，就能夠通過估算GDOP來確定關於為了最小化定位誤差 對於下一個數據採集來^L向哪裡移動一個或兩個傳感器的指導。
3. 由三個或更多同步的傳感器地理定位任意波形所描述的用於確定RF發射器的位置的反覆過程能夠通過採用三個或 更多同步的傳感器而被改進。實際上，定位誤差與重複次數的比值的收斂 速率隨著數據採集傳感器的數量的增加而提高。然而，在可攜式數據採集 傳感器之間必須有通信連結，以協調數據採集。通過使用網狀通信網絡， 在實際的環境中，這被最佳地實現。網狀通信網絡允許任何傳感器與網絡 中的任何其他傳感器進行通信，只要其能夠與網絡中的至少 一個傳感器通 信即可。實際上，傳感器作為到不能直接與網絡中的所有傳感器通信的其
他傳感器的中繼。這將允許在自然環境中可靠地操作可攜式TDOA系統， 這種自然環境不會促成所有傳感器之間的直接通信。
C.潛論
本發明的真正範圍不限制於這裡公開的目前優選的實施方式。例如， 無線定位系統的目前優選的實施方式的前述公開採用說明性術語，例如基 站收發臺(BTS)、 TDOA傳感器、GPS、 GNSS、網狀網絡、以及類似術 語，這些術語不應該被解釋為限制下述權利要求的保護範圍，或者另外地 意味著無線定位系統的發明性方面限於所公開的特定方法和裝置。而且， 如本領域技術人員將理解的，這裡公開的許多發明性方面可以用在不基於 TDOA技術的定位系統中。例如，本發明不限於如上述構造的採用可攜式 TDOA傳感器的系統。這裡描述的TDOA傳感器、系統以及子系統本質上 是可編程的數據收集和處理設備，其可以採取各種形式而不脫離這裡公開 的發明性的基本原理。假如數位訊號處理和其他處理功能的成本快速下 降，則可能容易地，例如，將特定功能的處理從這裡描述的一個功能元件 轉移到另一個功能元件，而不改變系統的發明性操作。在多種情況下，這 裡描述的實施位置(即，功能元件)僅是設計者的優先選擇，而不是硬性 要求。因此，除了它們可能被特別地如此限制之外，下述權利要求的保護 範圍並不意味被限制於上述具體實施方式
。
2權利要求
1.一種可攜式地理定位傳感器，其包括定時信號接收器，其用於接收定時信號；可調的寬帶接收器，其可操作地連接到所述定時信號接收器，所述可調的寬帶接收器用於接收和處理來自感興趣的發射器(EOI)的信號；信號處理器，其可操作地連接到所述可調的寬帶接收器，所述信號處理器用於對來自所述感興趣的發射器的傳輸加時間戳；以及可攜式外殼，所述可攜式外殼封裝所述定時信號接收器、所述可調的寬帶接收器以及所述信號處理器。
2. 如權利要求1所述的可攜式地理定位傳感器，其中所述定時信號 接收器通過數字通信連結連接到所述可調的寬帶接收器。
3. 如權利要求1所述的可攜式地理定位傳感器，其中所述可調的寬 帶接收器包括寬帶數字接收器。
4. 如權利要求1所述的可攜式地理定位傳感器，其中所述可調的寬 帶接收器被配置為接收來自於感興趣的發射器的傳輸，所述感興趣的發射 器包括無線通信系統的基站收發臺(BTS)。
5. 如權利要求1所述的可攜式地理定位傳感器，其中所述定時信號 接收器被配置為從基於衛星的導航系統接收GNSS信號，並提供精確的採 樣時鐘信號。
6. 如權利要求1所述的可攜式地理定位傳感器，其中所述定時信號 接收器被配置為向所述信號處理器提高穩定的頻率參考，並且其中所述信 號處理器被配置為利用所述頻率採用來描述所述感興趣的發射器傳輸的 定時和頻率穩定性。
7. 如權利要求1所述的可攜式地理定位傳感器，其中所述可調的寬 帶接收器和所述信號處理器被配置為接收、加時間戳、存儲以及處理所接收的來自所述感興趣的發射器的傳輸。
8. 如權利要求1所述的可攜式地理定位傳感器，其進一步包括用於與控制器和顯示設備(203 )通信的通信連結(207 )。
9. 如權利要求8所述的可攜式地理定位傳感器，其中所述控制器和 顯示設備被配置為提供一種用戶通過其可控制所述可攜式地理定位傳感 器的裝置，顯示所述感興趣的發射器的位置，以及提供關於為了增強定位 準確度在隨後數據採集周期中所述用戶能夠移動的方向和距離的指導。
10. 如權利要求1所述的可攜式地理定位傳感器，其進一步包括被配 置為允許與第二可攜式地理定位傳感器進行通信的通信收發器。
11. 如權利要求1所述的可攜式地理定位傳感器，其中所述定時信號 接收器被進一步配置為作為輔助的GPS/GNSS伺服器，並且發送 GPS/GNSS輔助數據，以幫助第二可攜式地理定位傳感器捕獲GPS/GNSS 信號。
12. 如權利要求10所述的可攜式地理定位傳感器，其中所述通信收 發器包括網狀通信收發器。
13. 如權利要求1所述的可攜式地理定位傳感器，其中所述可攜式地 理定位傳感器被配置為通過使用所述定時信號接收器從全球定位系統(GPS )或全球導航衛星系統(GNSS )接收信號，來確定所述可攜式地理 定位傳感器的位置。
14. 如權利要求1所述的可攜式地理定位傳感器，其中所述定時信號接收器通過數字通信連結連接到所述可調的寬帶 接收器；其中所述可調的寬帶接收器包括寬帶數字接收器，並被配置為接收來 自感興趣的發射器的傳輸，所述感興趣的發射器包括無線通信系統的基站 收發臺(BTS);其中所述定時信號接收器被配置為從基於衛星的導航系統接收GPS 信號，並提供精確的採樣時鐘信號；其中所述定時信號接收器被配置為向所迷信號處理器提供穩定的頻 率參考，以及其中所述信號處理器被配置為利用所述頻率參考來描述所述 感興趣的發射器傳輸的所述定時和頻率穩定性；其中所述可調的寬帶接收器和信號處理器被配置為接收、加時間戳、存儲和處理所接收的來自所述感興趣的發射器的傳輸；所述可攜式地理定位傳感器進一步包括用於與控制器和顯示設備通 信的通信連結；其中所述控制器和顯示設備被配置為提供一種用戶通過其可控制所 述可攜式地理定位傳感器的裝置，顯示所述感興趣的發射器的所述位置， 以及提供關於為了增強所述定位準確度在隨後數據採集周期時所述用戶 能夠移動的方向和距離的指導；以及所述可攜式地理定位傳感器進一步包括被配置為允許與第二可攜式 地理定位傳感器進行通信的通信收發器。
15. 如權利要求14所述的可攜式地理定位傳感器，其中所述定時信 號接收器進一步被配置為作為輔助的GPS/GNSS伺服器，並且發送 GPS/GNSS輔助數據，以幫助第二可攜式地理定位傳感器捕獲GPS/GNSS 信號。
16. 如權利要求14所述的可攜式地理定位傳感器，其中所述通信收 發器包括網狀通信收發器。
17. 如權利要求14所述的可攜式地理定位傳感器，其中所述可攜式 地理定位傳感器^^皮配置為通過使用所述定時信號接收器從全球定位系統(GPS)或全球導航衛星系統(GNSS)接收信號，來確定所述可攜式地理 定位傳感器的位置。
18. —種用於定位感興趣的發射器(EOI)的方法，所述方法利用至 少一個可攜式地理定位傳感器，所述方法包括以下步驟在第一位置，在第一時間段期間，利用第一可攜式地理定位傳感器接 收、加時間戳以及存儲感興趣的發射器傳輸；將所述第 一可攜式地理定位傳感器移動到第二位置；在所述第二位置，在第二時間段期間，利用所述第一可攜式地理定位傳感器接收、加時間戳以及存儲感興趣的發射器傳輸；以及利用在所述第一時間段和所述第二時間段期間存儲的表示所述感興 趣的發射器傳輸的數據，來計算所述感興趣的發射器的位置。
19. 如權利要求18所述的方法，其中所述方法用於定位感興趣的發 射器，所述感興趣的發射器傳輸達足夠長的時間段，以便單個地理定位傳 感器能夠被移動並且所述感興趣的發射器在三個或更多位置被接收、被加 時間戳和被存儲。
20. 如權利要求18所述的方法，其中所述方法被用於定位靜止的感 興趣的發射器。
21.如權利要求18所述的方法，其中所述方法被用於定位在其傳輸 中包括定時信息的感興趣的發射器。
22. 如權利要求18所述的方法，其中所述第一可攜式地理定位傳感 器包括定時信號接收器，其被配置為接收定時信號；可調的寬帶接收器，其被配置為接收來自感興趣的發射器的信號；以及信號處理器，其被配置為對來自所述感興趣的發射器的傳輸加時間戳。
23. 如權利要求22所述的方法，其中所述定時信號接收器通過數字 通信連結連接到所述可調的寬帶接收器。
24. 如權利要求22所述的方法，其中所述可調的寬帶接收器包括寬 帶數字接收器。
25. 如權利要求18所述的方法，其中所述方法用於從無線通信系統 的基站收發臺(BTS)接收傳輸，並定位所述無線通信系統的所述基站收 發臺。
26.如權利要求22所述的方法，其中所述定時信號接收器被配置為從基於衛星的導航系統接收GPS信號，並且提供精確的採樣時鐘信號。
27. 如權利要求22所述的方法，其中所述定時信號接收器被配置為 向所述信號處理器提供穩定的頻率參考，並且其中所述信號處理器被配置 為使用所述頻率參考來描迷所述感興趣的發射器傳輸的定時和頻率穩定 性。
28. 如權利要求22所述的方法，其中所述可調的寬帶接收器和所述 信號處理器被配置為接收、加時間戳、存儲和處理所接收的來自所述感興 趣的發射器的傳輸。
29. 如權利要求22所述的方法，進一步包括利用連接到所述可攜式 地理定位傳感器的控制器和顯示設備，來控制所述可攜式地理定位傳感 器，顯示所述感興趣的發射器的所述位置，以及提供關於為了增強定位準 確度在隨後的數據採集周期中所述可攜式地理定位傳感器移動的方向和 距離的指導。
30. 如權利要求22所述的方法，進一步包括利用通信收發器在所述 可攜式地理定位傳感器和第二可攜式地理定位傳感器之間傳輸通信。
31. 如權利要求22所述的方法，進一步包括利用所述定時信號接收 器作為輔助GPS伺服器，並發送GPS輔助數據來輔助第二可攜式地理定 位傳感器捕獲GPS信號。
32. 如權利要求30所述的方法，其中所述通信收發器包括網狀通信 收發器。
33. 如權利要求22所述的方法，其中所述可攜式地理定位傳感器被 配置為通過利用所述定時信號接收器從全球定位系統(GPS)或全球導航 衛星系統(GNSS)接收信號，來確定所述可攜式地理定位傳感器的位置。
34. 如權利要求22所述的方法，進一步包括 移動所述第一可攜式地理定位傳感器到第三位置；以及 在所述第三位置，在第三時間段期間，利用所述第一可攜式地理定位傳感器接收、加時間戳和存儲感興趣的發射器傳輸；其中計算所述感興趣的發射器的位置的所述步驟包括利用在所述第 一時間段、所述第二時間段以及所述第三時間段期間存儲的表示所述感興 趣的發射器傳輸的數據。
35. 如權利要求18所述的方法，進一步包括在所述第一時間段期間 利用所述第一地理定位傳感器和第二地理定位傳感器接收、加時間戳和存 儲感興趣的發射器傳輸；其中所述第二地理定位傳感器處於不同於所述第 一位置和所述第二位置的位置，並且其中計算所述感興趣的發射器的位置 的所述步驟包括利用在所述第 一時間段和所述第二時間段期間存儲的、來 自所述第一地理定位傳感器和所述第二地理定位傳感器的、表示所述感興 趣的發射器傳輸的數據。
36. 如權利要求35所述的方法，其中所述第二地理定位傳感器在至 少所述第 一時間段期間被時間同步到所述第 一地理定位傳感器。
37. 如權利要求35所述的方法，其中所述第一地理定位傳感器和所 述第二地理定位傳感器利用每個傳感器內的通信收發器來協調同時接收 所述感興趣的發射器傳輸。
38. 如權利要求18所述的方法，其中到達時間差(TDOA)測量通過 下述步驟來獲得在初始數據採集時間，在所述第一位置，將所接收的無 線通信信號的幀定時與基於GNSS的幀時鐘校準，接著在所述第二位置執 行數據採集，以及比較在所述第二位置所接收的幀定時與所述基於GNSS 的幀時鐘，以得到所迷第一位置和所述第二位置之間的到達時間差。
39. —種用於定位感興趣的發射器(EOI)的系統，其包括可攜式裝置，其包括在一個接收器處，在第一時間段期間，在第一位 置處接收、加時間戳和存儲感興趣的發射器傳輸，以及在第二時間段期間， 在第二位置處接收、加時間戳和存儲感興趣的發射器傳輸；以及計算裝置，其包括處理器，以利用在所述第一時間段和所述第二時間 段期間存儲的表示所述感興趣的發射器傳輸的數據來計算所述感興趣的 發射器的位置。
40. 如權利要求39所述的系統，其包括定位感興趣的發射器的裝置， 所述感興趣的發射器傳輸達足夠長的時間段，以便所述可攜式裝置能夠被 移動並且所述感興趣的發射器在三個或更多位置被接收、被加時間戳和被 存儲。
41. 如權利要求39所述的系統，其中所述可攜式裝置包括用於接收感興趣的發射器傳輸中的定時信息的裝置。
42. 如權利要求39所述的系統，其中所述可攜式裝置進一步包括 定時信號接收器，其被配置為接收定時信號；可調的寬帶接收器，其被配置為接收來自感興趣的發射器的信號；以及信號處理器，其被配置為對來自所述感興趣的發射器的傳輸加時間戳。
43. 如權利要求39所述的系統，其中所述系統包括用於從無線通信 系統的基站收發臺(BTS)接收傳輸、並定位所述無線通信系統的所述基 站收發臺的裝置。
44. 如權利要求39所述的系統，其中所述可攜式裝置進一步包括用 於從基於衛星的導航系統接收GNSS信號、並且提供精確的採樣時鐘信號 的裝置。
45. 如權利要求39所述的系統，其中所述可攜式裝置進一步包括用 於提供穩定的頻率參考並且使用所述頻率參考來描述所述感興趣的發射 器傳輸的定時和頻率穩定性的裝置。
46. 如權利要求39所迷的系統，其包括用於接收、加時間戳、存儲 和處理所接收的來自所述感興趣的發射器的傳輸的裝置。
47. 如權利要求39所述的系統，其進一步包括用於與控制器和顯示 設備通過接口連接的裝置，以允許用戶控制所述可攜式裝置，顯示所述感 興趣的發射器的所述位置，以及向所述用戶提供關於為了增強定位準確度 在隨後的數據採集周期中所述可攜式地理定位傳感器移動的方向和距離的指導。
48. 如權利要求39所述的系統，其進一步包括用於在所述可攜式裝 置和第二可攜式裝置之間傳輸通信的通信收發器。
49. 如權利要求39所述的系統，其進一步包括用於提供GPS輔助數 據來輔助第二可攜式裝置的裝置。
50. 如權利要求48所述的系統，其中所述通信收發器包括網狀通信 收發器。
51. 如權利要求39所述的系統，其中所迷可攜式裝置包括用於通過 利用來自全球定位系統(GPS)或全球導航衛星系統(GNSS)的信號來確 定所述可攜式裝置的位置的裝置。
52. 如權利要求39所述的系統，其包括用於將所述可攜式裝置時間 同步到第二可攜式裝置的裝置。
53. 如權利要求39所述的系統，其包括用於通過所述可攜式裝置和 第二可攜式裝置來協調感興趣的發射器傳輸的同時接收的裝置。
54. 如權利要求39所述的系統，其包括用於通過下述步驟來進行到 達時間差(TDOA)測量的裝置在初始數據採集時間、在所述第一位置 將接收的無線通信信號的幀定時與基於GNSS的幀時鐘校準，接著在第二 位置執行數據採集，以及比較在所述第二位置所接收的幀定時與所述基於 GNSS的幀時鐘，以得到所述到達時間差。
全文摘要
通過利用TDOA進行的靜止RF發射器的反覆地理定位可包括使用單個可攜式地理定位(例如，TDOA)傳感器、一對可攜式地理定位傳感器以及三個或更多可攜式地理定位傳感器。將可攜式地理定位傳感器添加到反覆過程減少了對於將被定位的信號的約束，以及提供了獲得提高的定位準確度所需要的反覆次數的降低。
文檔編號G01S1/24GK101568850SQ200780048409
公開日2009年10月28日 申請日期2007年12月21日 優先權日2006年12月27日
發明者傑弗裡·F·布爾, 羅伯特·J·安德森, 羅納德·S·勒菲弗 申請人:真實定位公司