使用粗位置估计确定位置的方法和装置

发明领域

本发明涉及设备定位。本发明更特定地涉及到使用设备位置的粗估计和用 于确定该粗估计的发射机位置的估计以确定设备位置的方法和装置。

相关技术描述

定位设备的一般方法是确定从已知地点的多个源发射的信号到达设备所 在范围内的接收机需要的时间量。一种提供从已知位置的多个发射机来的信号 的系统是著名的全球定位卫星(GPS)系统。GPS系统内卫星的位置可用若干不同 的信息段识别，其中一些比另一些精确。例如，如果一组被称为“天文历”的 信息的某日的时间可供利用，则可合理准确地确定GPS卫星位置。来自每个卫 星的传输为特定发射卫星提供一天内的时间和天文历。天文历提供了定义接收 天文历的特定卫星的轨道信息。

另外，所有卫星发射另一组信息，称为“日历”。日历包括更少关于“星 座”内的所有卫星位置的较不准确的消息。日历和天文历信息在有限时间内有 效。日历信息被认为有大约3公里准确度以及从日历被发射时刻起大约一星期 有效时间。天文历提供关于卫星轨道的信息，其精确度大约为1米，有效时间 大约为2小时。数据越老日历和天文历的信息误差也增加。相应的，除非在合 适的时间间隔内收到更新信息，关于卫星位置的信息在日历和天文历越老时越 不准确。

在没有关于卫星位置的准确信息时，基于从卫星发射来的信号的接收确定 的位置将会是不准确的。因此，需要接收从卫星或其他源来的更新。一种这样 的替代源是能从GPS卫星获得需要信息的GPS接收机的无线通信系统基站。然 而，为使要被定位的设备能以有规律的时间间隔获得信息，这需要消耗宝贵资 源，诸如接收信息需要的功率以及将信息从一个远程源发射到设备需要的带 宽。相应地，当前要求能以最小资源使用实现准确确定接收机位置的方法。在 有一种系统中该需求特别急迫，该系统中发射机随时间移动且该种发射机的位 置只在接受到从远离进行位置计算的设备的源来的更新消息时才能准确地知 道。在此描述的方法和装置实现这种需求。

                        发明概述

在此揭示的方法和装置允许使用较不准确信息以计算伪范围接收设备的 位置(即粗位置估计)。在一例中，较不精确的信息经日历或天文历更新。如上 所述，日历和天文历信息提供诸如GPS卫星的位置定位发射机的定位。使用发 射机的不准确定位引起确定伪范围接收设备的定位确定的误差。

根据在此揭示的方法和装置，在有更多准确信息的远程定位处实现伪范围 接收设备的粗位置估计的校正。或者，该种校正可以在以后当有更多准确信息 时实现。揭示的方法和装置依赖存在于用于计算粗位置估计的较不精确的信息 (如旧日历和/或天文历)内的误差了解。

揭示的方法和装置的一个优势在于粗位置估计和用于计算粗位置估计的 充分信息的标识可以在相对短的消息内传输或存储。相比之下，这需要更大的 带宽以发射到具有更精确信息的定位，需要计算定位更准确估计的测量。类似 的，需要更多的存储容量以存储这些测量直到有更准确的信息可供使用。相应 地，当进行测量的时间和地点处没有准确信息时，本发明提供的方法和装置用 于节省计算位置估计中的内存或带宽。

                      附图的简要描述

通过下面提出的结合附图的详细描述，本发明的特征、目的和优点将变得 更加明显，附图中相同的符号具有相同的标识，其中：

图1是包括当前揭示的伪范围接收设备的系统的简化说明；

图2是根据揭示的方法和装置的伪范围接收设备和位置识别设备的经简化 的框图；

图3是基于伪范围接收机设备内计算的粗位置估计，位置识别设备确定更 准确的位置估计(即伪范围接收设备)过程的流程图。

                   最优实施例的详细描述

图1是包括目前揭示的伪范围接收设备201的系统简化说明。该伪范围接 收设备201接收由多个发射机203a-203d通过天线204发射的信号(集体采用203 作标识)。伪范围接收设备201与位置识别设备207通信。位置识别设备207协 助确定伪范围接收设备201的位置，这在下面将详细解释。

本发明的一实施例中，伪范围接收设备201是蜂窝电话，它能从多个发射 机203处接收信号。然而，要理解的是伪范围接收设备201可能是任何能相对 于参考时间确定接收到的信号的到达时间的设备。例如，伪范围接收设备201 可能是由无线调制解调器的计算机终端、独立的GPS接收机、能从基于地面的 发射机接收信号的接收机或任何其它这种接收机。值得注意的是，使用不准确 发射机定位与准确范围进行的粗位置估计，与伪范围相反，可能使用揭示的方 法和装置校正。

参考时间和接收到信号的时间间的差是一般称作“伪范围”。参考时间可 以是任何时间，只要参考时间对于所有进行的伪范围测量是公共的(或伪范围测 量可补调整以补偿所用的参考时间内的差)。术语伪范围用于指明发送和接收间 的准确时间差是不能确定的，一般这是由于在发射机和接收机内所用的时钟偏 移造成的。

除每个发射机203的实际位置外，图1说明每个发射机205a-205d的估计 位置(集体使用“205”为标号)。在发射机是卫星的情况下，诸如GPS卫星，卫 星的位置可以由许多不同的信息标识，其中一些比另一些精确。例如，如果某 日的时间和被称为“天文历”的一组信息可供使用，则可合理准确地确定GPS 卫星位置。然而，日历信息只在一段有限时间内有效。如果一天的准确时间和 当前的“日历”信息可供使用，则可作出较不精确的确定。然而，日历和天文 历信息只在一段有限时间内有效。

目前揭示的方法和装置提供一种方法，可以使用关于卫星定位的较不精确 信息(诸如旧日历或旧天文历)而计算伪范围接收设备201的位置(即粗位置估 计)。由于每个发射机的伪范围和不准确定位用于确定伪范围接收设备201的粗 位置估计，发射机203的定位误差将转变成计算伪范围接收设备201位置内的 误差。

伪范围接收设备201的粗位置估计校正基于用于计算粗位置估计的较不精 确的信息(例如旧日历和/或天文历)内存在的误差数量的了解而实现。

在目前此揭示的方法和装置的一实施例中，在位置识别设备207处实现校 正。该位置识别设备207可能位于离伪范围接收设备201较远处。然而，在所 揭示方法和装置的一些实施例中，位置识别设备207可能和伪范围接收设备201 位于同处。

图2是根据揭示的方法和装置的伪范围接收设备201和位置识别设备207 的经简化的框图。伪范围接收设备201可能是无线通信系统终端的元件，诸如 无线电话或使用无线调制解调器的计算机。或者，伪范围接收设备201可能是 独立的位置定位确定单元，诸如独立GPS接收机。该位置识别设备207可能是 无线通信系统基站收发机子系统(BTS)、基站控制器(BSC)或无线通信系统的移 动交换控制器(MSC)的组件(诸如“位置确定设备”通常称为“PDE”)。或者， 位置识别设备207可能是包括伪范围接收设备201的无线通信系统终端或其他 设备的元件或与之共存。一种位置识别设备207和伪范围接收设备共存的系统 的例子是这样一个系统，当进行测量时，关于发射机203的定位的准确信息当 前不可用。然而，将来某时可能会有准确消息可用。相应地，当作出伪范围测 量(或准确范围测量)，粗位置估计立刻被计算。该粗位置估计然后被存储直到 有关于发射机203更准确信息可供使用。

伪范围接收设备201耦合到天线204，并包括接收机303、处理电路305、 处理内存307和通信端口309。天线204从发射机203接收信号(图1示出)。 接收的信号从天线204耦合到接收机303。该接收机303包括所有确定接收信 号内的情报所必需的射频电路(或其他这种接收电路当信号不是射频信号时)。 该情报然后耦合到处理电路305。该处理电路305计算位置。该种计算可能包 括用于提供伪范围给位置识别设备207的计算。或者，除伪范围外，位置计算 可能包括指明位置识别设备201的位置的粗位置估计。该种粗位置估计由于发 射机203的假设位置的较大误差而引起的相对较大误差。

根据揭示方法和装置的一实施例，处理电路305通过执行存储在处理内存 307内的程序指令计算位置。然而，本领域的技术人员要理解揭示方法和装置 的处理单元305可能包括用来存储程序指令的处理内存，或处理电路305可能 时状态机或不需要程序指令来计算位置的专用电路。

位置确定计算的结果耦合到伪范围接收设备201内的通信端口。通信端口 309仅是将位置确定计算的结果耦合到位置识别设备207内的通信端口311的 通信接口。类似的，通信端口311是通信端口309和位置识别设备207间的通 信接口。

除通信端口311外，位置识别设备207还包括处理电路313和处理内存315。 然而，要注意的是，处理电路305可能能直接与位置识别设备207通信而不需 要离散通信端口。这可能是位置识别设备207和伪范围接收设备201共处的情 况。然而，要理解的是这还可能是揭示的方法和装置的实施例的位置识别设备 207和伪范围接收设备201不共处的情况。

位置识别设备207内的通信端口311耦合到处理电路313。这是伪范围接 收设备201的情况，位置识别设备207的处理电路313可能能直接和伪范围接 收设备201通信而不需要位置识别设备207的通信端口311。

处理单元313接收在伪范围接收设备201内的位置确定计算的结果。另外， 位置识别设备207内的处理电路313接收伪范围接收设备201用来进行位置确 定计算的信息拷贝。本领域的技术人员可以理解伪范围接收设备201使用的信 息可能是日历(以及日历有效的时刻)，天文历(以及天文历有效的时刻)，或伪 范围接收设备201内的处理电路305可以用于估计发射机203的位置的任何其 他信息(如图1所示)。该信息可能由伪范围接收设备201连同位置确定计算的 结果而提供。还应理解的是在一些实施例中，由于其他指示可用来推导使用了 何种信息，所以可能不需要显式示出使用了哪些信息。例如，粗位置估计发射 到位置识别设备207的时刻足以使位置识别设备207准确地推导出使用了何种 日历和天文历以计算粗位置估计。而且，在揭示方法和装置的实施例中，位置 识别设备207可负责将伪范围接收设备201使用的信息发射到伪范围接收设备 201以计算粗位置估计。因此，伪范围接收设备不需要告诉位置识别设备207 使用了何种信息。

在揭示方法和装置的实施例中，位置识别设备207在接收位置确定计算的 结果之前接收该信息。另外，处理电路305使用的消息可能在位置识别设备207 内在为简洁之故未示出的通信链路上从伪范围接收设备201之外的其他源接 收。例如，信息可能直接由位置识别设备207从发射机203被接收。或者，消 息可能由位置识别设备207从不同于图1示出的诸如无线通信系统基站的元件 (未示出)的其他任何元件的源被接收。

在揭示方法和装置的一实施例中，位置识别设备207可能由多于一组信息 (即日历几个版本，伪范围接收设备201可能使用其中的任何一个以实现位置 确定计算)。在该情况下，伪范围接收设备201可能需要提供附加信息给位置 识别设备207。该附加信息会指明伪范围接收设备201从位置识别设备207可 用的信息中使用何种信息以实现位置确定计算。

图3是基于伪范围接收机设备内计算的粗位置估计，位置识别设备207确 定更准确的位置估计(即伪范围接收设备201的位置)过程的流程图。

如上所述，位置识别设备207首先从伪范围接收设备201接收位置确定计 算的结果(诸如粗位置估计)(步骤401)。该位置识别设备207还接收指明使用 何种信息以实现位置确定计算的信息(例如，使用哪个版本的日历或天文历以 确定粗位置估计)以及进行伪范围测量的时间(步骤403)。接着，位置识别设备 207确定发射机203定位的更准确估计(步骤405)。这可通过使用最准确的伪 范围接收设备201得到的伪范围测量时刻的日历和天文历信息确定。在一实施 例中，位置识别设备207维持由GPS星座的卫星发射的日历和天文历记录。该 记录使得位置识别设备207能使用最准确的日历和天文历以以下描述的方式从 伪范围接收设备201接收到的位置来校正位置确定计算。

一旦位置识别设备207具有关于发射机203的位置的相对准确信息和关于 伪范围接收设备201假设的发射机所处位置205(见图1)的信息，位置识别设 备207试图校正从伪范围接收设备201接收的位置确定计算。

位置确定计算的校正首先通过计算“等价伪范围误差”而作出。为每个发 射机203计算等价伪范围误差。图1示出发射机处在代表发射机203的“更准 确”的定位估计点。图1示出发射机在点205a-205d(集合用“205”标记)。值 得注意的是，发射机203a和发射机205a对应相同卫星的位置定位估计(如发 射机在定位205a处示出为阴影的事实说明)。然而，取决于发射机的定位是否 已使用或多或少的当前信息(即使用伪范围测量时刻或准确或不准确的日历和 天文历)，发射机的定位被认为是不同的。

位置识别设备207识别与每个发射机203相关的“发射机位置误差向量” 209a-209d(集合由“209”标记)，该向量形成在两点203、205之间。与每个 发射机203相关的发射机位置误差向量然后经投影到发射机203和伪范围接收 设备201间的211a-211d线(集合由“211”标记)方向上的单位向量上。该投 影在图1上由点205和线211上一点间的虚线213代表，选取线211上的点使 得线213垂直与线211。

本领域的技术人员可理解投影有图1示出的由两个带方向的箭头215a- 215d(集合由“215”标记)的大小代表。该大小代表了等价伪范围误差的值。 该大小有或正或负的影响取决于选择的符号约定。

由于在发射机203和伪范围接收设备201以及位置识别设备207间的相对 较大距离，单位向量的方向另外由点205和位置识别设备207间的线定义。单 位向量的方向还可由点205和伪范围接收设备201间的线定义。另外，单位向 量的方向还可由点203和位置识别设备207间的线定义。另外，单位向量的方 向还可由点203或205和与伪范围接收设备通信的无线通信系统基站间的线定 义。所有的这些方向基本相同，即使图1中看来不是这样，这是由于示出元件 间距离相对失真引起的。即，发射机和设备201、207间的距离要比点203和 205间的距离大多了。另外，在发射机和设备201、207中任一个间的距离比设 备201和207间的距离大多了。

一旦每个发射机的等价伪范围误差被计算，该值被应用于线性估计算法， 诸如一般用于从伪范围值确定到GPS卫星的GPS接收机定位的有名的“最小均 方差”算法(步骤409)。

以下是详细的过程描述用以计算伪范围接收设备201的定位，基于：(1) 发射机定位的不准确估计了解，诸如一例中的GPS卫星，用于为伪范围接收设 备201计算有误差的定位；(2)作出伪范围测量的时间；以及(3)在测量伪范围 时刻的GPS卫星定位的更准确的信息。

要理解的是只有发射机定位误差的径向分量要加以考虑的假设。揭示的方 法和装置的目的在于获得伪范围接收设备201位置的偏移量并将该偏移量加到 有伪范围接收设备提供给位置识别设备207的位置确定计算上。对该例，假 设发射机是GPS卫星。然而，对于本领域技术人员很清楚的是该过程可以用于 任何有会变旧的定位信息的移动发射机。

是日历导出的定位，且bSi a是时钟偏移。

是天文历导出的定位，且bSi e是第i个卫星在测量伪范 围时刻的时钟偏移。

是当用在从卫星接收到的信号和从日历获得的卫星 位置上应用伪范围测量的最小均方差(LMS)算法时，伪范围接收设备201获得 的伪范围接收设备201的定位。

是用户定位的初始估计。对该初始估计，可能使用定 位 ua。然而本领域的技术人员理解该估计能从其他源导出，诸如在陆地通信网 络上进行的范围测量。

由于基于日历而确定的卫星i位置以及基于天文历确定的卫星i的位置间 的差别而引起的测量误差由此给出：

${ϵ}_i=({\bar{s}}_i^e-{\bar{s}}_i^a)·\frac{{\bar{s}}_i^a-{\bar{u}}^{\mathrm{init}}}{|{\bar{s}}_i^a-{\bar{u}}^{\mathrm{init}}|}+(b_{S1}^e-b_{S1}^a)·c$

其中c定义为光速。

这些误差可组合成列向量 ε。

该集合矩阵为：

$H=\left[\begin{array}{cccc}\frac{x_u^{\mathrm{init}}-x_{S1}^a}{|{\bar{u}}^{\mathrm{init}}-{\bar{s}}_1^a|}& \frac{y_u^{\mathrm{init}}-y_{S1}^a}{|{\bar{u}}^{\mathrm{init}}-{\bar{s}}_1^a|}& \frac{z_u^{\mathrm{init}}-z_{S1}^a}{|{\bar{u}}^{\mathrm{init}}-{\bar{s}}_1^a|}& -1\\ \frac{x_u^{\mathrm{init}}-x_{S2}^a}{|{\bar{u}}^{\mathrm{init}}-{\bar{s}}_2^a|}& \frac{y_u^{\mathrm{init}}-y_{S2}^a}{|{\bar{u}}^{\mathrm{init}}-{\bar{s}}_2^a|}& \frac{z_u^{\mathrm{init}}-z_{S2}^a}{|{\bar{u}}^{\mathrm{init}}-{\bar{s}}_2^a|}& -1\\ \underset{.}{.}& \underset{.}{.}& \underset{.}{.}& \underset{.}{.}\\ \frac{x_u^{\mathrm{init}}-x_{\mathrm{Sn}}^a}{|{\bar{u}}^{\mathrm{init}}-{\bar{s}}_n^a|}& \frac{y_u^{\mathrm{init}}-y_{\mathrm{Sn}}^a}{|{\bar{u}}^{\mathrm{init}}-{\bar{s}}_n^a|}& \frac{z_u^{\mathrm{init}}-z_{\mathrm{Sn}}^a}{|{\bar{u}}^{\mathrm{init}}-{\bar{s}}_n^a|}& -1\end{array}\right]$

基于线性假设，卫星位置误差引起的位置误差最佳估计为：

$\delta {\stackrel{\widehat{‾}}{u}}^T={(H^T·R^{-1}·H)}^{-1}·H^T·\overline{ϵ}$

其中R是卫星测量的协方差矩阵。使用天文历导出的卫星位置获得的用户 位置最终估计将是：

${\stackrel{\widehat{‾}}{u}}^e={\bar{u}}^a+\delta \stackrel{\widehat{‾}}{u}$

本领域的技术人员会意识到一旦卫星位置误差变得比几公里大时，本计算 便失去其有效性。

上述优选实施例的描述使本领域的技术人员能制造或使用本发明。这些实 施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的，这里定义的一般原 理可以被应用于其它实施例中而不使用创造能力。因此，本发明并不限于这里 示出的实施例，而要符合与这里揭示的原理和新颖特征一致的最宽泛的范围。

                          发明背景