专利名称：移动站点定位方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用移动通信系统对移动站点进行定位的移动站点定位方法，并涉及实现该种方法的移动站点定位系统。具体而言，本发明有可能减轻定位操作所需的计算负担(数量和时间)。
对于一般的移动通信系统，移动站与基站之间按照下述方式实现稳定的通信。移动站测量邻近各基站无线电波发射链路上的场强，并选取场强最大的基站。随后在所选取基站的无线电波覆盖区域内注册该移动站的位置。按照这种方式，确保移动站与基站之间有稳定的无线电发射链路。
进而，在确保与优化基站有最可靠无线电波发射链路后，移动站间歇地测量场强等参数。由于移动站的运动，当前基站接收的场强可变得弱于其它基站接收的场强。这明显降低了通信的可靠性。在这种情况下，移动站的位置注册从当前基站更新为下一基站。随后无线电波发射链路被切换至新的基站。在这种方式下，确保总有一优化通信链路。
但是对于一般的移动通信系统，移动站的位置只能粗略地确定到一个基站的无线电波覆盖区域大小。它无法将移动站位置精确地定位到更小面积的区域。
如果移动站定位是可行的，则可以通过移动站访问或经普通电话使用自身或所需移动站的位置信息。所获取位置信息的使用方式可以各种各样。而且基站可以存储移动站的位置信息。存储的位置信息可以在处理各种信息(例如无线电波覆盖区域内移动站的利用率或统计处理信息)过程中作为有用的数据使用。
移动站的定位可以利用当今广泛使用的GPS实现。在这种情况下，移动站需要容纳还未曾使用过的新系统。如上所述，为了定位移动站，比较好的做法是使移动站在不过多改动现有系统的前提下利用普通移动通信系统的已有功能。为此新的方法不断问世。
按照未经审查的日本专利申请No.7-38951，移动站发射包括自识别信息在内的位置检测信号。至少有三个邻近基站接收到该信号并且检测接收信号的场强。与各基站相连的中心交换站根据每个基站提供的与接收信号场强相关的信息计算移动站的位置。按照这项现有技术，中心交换站根据接收信号的场强计算移动站与每个基站之间的距离。以每个基站为圆心并以计算所得距离为半径绘示圆圈。随后将所绘圆圈的相交部分确定为移动站的位置。
而且按照未经审查的日本专利申请No.3-235077，至少有三个基站与移动站通信。经过计算，得出无线电波在每个基站与移动站之间来回传播所需的延迟时间。随后，根据每个基站获得的延迟时间计算移动站的位置。
但是上述移动站定位方法的特征在于移动站位置以点的形式给出，因此计算耗用时间长并且可能会引起较大的计算误差。
图7为一般移动站定位方法的示意图。按照一种用于移动站31定位的方法，利用了接收信号的延迟时间。即，延迟时间Δt1、Δt2和Δt3分别等于无线电波在移动站31与基站21、22和23之间来回传播所需的时间。利用测量得到的延迟时间Δf1、Δf2和Δf3，计算出移动站31与各基站21、22和23之间的距离。随后根据计算得到的移动站到三个基站21-23的距离确定其位置。
按照其它一种用于移动站31定位的方法，利用了接收信号的场强。即场强R1-R3分别代表无线电波在移动站31与基站21、22和23之间的衰减程度。利用测量得到的场强R1-R3，计算出移动站31与各基站21、22和23之间的距离。随后根据计算得到的移动站到三个基站21-23的距离确定其位置。
但是以点的形式定位移动站存在的缺点是，运动状态(例如移动站的运动速度和方向)或无线电波传播条件(例如季节、时间、地理环境、天气、磁场等)可能会引起相当程度的计算误差。特别是在利用微波的移动通信系统中，由于上述各种误差因素的相互作用，计算误差趋于增大。而且当如果需要尽可能减少计算误差的话，就需要采用复杂的计算方法来计算延迟时间或场强。这大大增加了计算时间。
为了解决上述常见的问题，本发明的一个目标是提供一种移动站定位方法，它能够允许有更大的误差范围并缩短总的计算时间。而且本发明提供了实现上述定位方法的移动站定位系统。
为了实现上述以及其它相关目标，本发明提供了一种新颖而效果出色的移动站定位方法。该方法设立了多个搜索区域，每个区域的面积小于基站无线电波覆盖区域。采用无线电波从各基站在传播上相互之间的时间差来定义每个搜索区域。特征信号从个基站发射出去并由移动站接收。接收这些特征信号的时间差被用来确定移动站所处的某一搜索区域。
本发明提供了一种包括基站和移动站的移动站定位系统。基站包括特征信号发生装置，用来生成特征信号；基站特征信号同步装置，用来控制特征信号的发射时间与其它邻近基站特征信号发射时间的同步；位置信息存储装置，用来存储搜索区域的位置信息；以及位置信息计算装置，用来根据移动站响应特征信号的接收而返回的信息并参照位置信息存储装置所存储的位置信息确定移动站所在的某一搜索区域。移动站包括特征信号延迟时间计算装置，用来计算各基站发射的特征信号接收过程中的时间差。
按照本发明，移动站的位置以区域，即二维区域的形式而非点的形式确定。这样计算中允许的误差范围扩大。而且本发明计算了特征信号接收过程中相互之间的时间差。与采用无线电波在每个基站与移动站之间传播时间进行计算的情况相比，这大大缩短了计算时间。
具体而言，本发明的第一方面是提供一种基于移动通信系统的移动站定位方法，所述方法包括以下步骤设立多个搜索区域(a1，a2，…)，每个区域的面积小于基站无线电波覆盖区域(211，221，231，241或251)；根据无线电波在基站与相关搜索区域之间传播的相互之间时间差定义基站与相关搜索区域之间的位置关系；从各基站(21，22，23)发射特征信号(d1，d2，d3)；获得特征信号传播中各基站特征信号发射与移动站(31)接收之间产生的相互之间的时间差(t12，t23，t13；T12，T23，T13)；以及根据特征信号之间的相互差值确定移动站所处某一搜索区域。这样，移动站的位置就可以以区域的形式而非点的形式给出。
比较好的做法是，基站同时发射其特征信号，而移动站计算特征信号接收过程中的时间差并将计算结果返回基站。这样基站就可以采用移动站计算得到的时间差来确定特定的搜索区域。
比较好的做法是，基站向目标搜索区域发射连续变化的特征信号，从而使特征信号同时到目标搜索区域，而移动站同时接收特征信号并向基站返回确认信号。这样，基站就可以根据各基站特征信号的发射时间差确定特定的搜索区域。
本发明的第二方面是提供一种移动站定位系统，用来设立多个搜索区域(a1，a2，…)，每个区域的面积小于移动通信系统基站(21，22…或25)的无线电波覆盖区域(211，221，…或251)；并用于确定移动站所处的特定搜索区域。移动站定位系统包括基站和移动站。基站(21)包括基站特征信号发生装置(41)，用来生成基站特征信号(d1)；基站特征信号同步装置(42)，用来控制特征信号(d1)的发射时间与其它邻近基站(22，23)特征信号(d2，d3)发射时间的同步；位置信息存储装置(44)，用来存储搜索区域的位置信息；位置信息计算装置(43)，用来根据移动站(31)响应特征信号的接收而返回的信息并参照位置信息存储装置所存储的位置信息确定移动站所在的某一搜索区域；以及位移滞后存储装置(45)，用来存储移动站的位移滞后。另一方面，移动站(31)包括特征信号延迟时间计算装置(51)，用来计算各基站发射的特征信号接收过程中的时间差(t12，t23，t13)；位置信息输出接口装置(52)，用来向基站输出所需的移动站位置信息；以及位置信息告知装置(53，54)，用来告知从基站获得的移动站位置信息。上述移动站定位方法可以借助这种系统实现。
比较好的做法是，基站特征信号发生装置生成的特征信号为分配给各基站的本征脉冲信号(各基站以不同方式调制的调制信号)或为分配给各基站的特征频率信号。接收特征信号的移动站能够区分这些特征信号并计算无线电波在各基站之间传播的相互时间差。
比较好的做法是，位置信息计算装置根据存储在位置信息存储装置中的位置信息确定出诸如纬度/经度、地区名或区段号之类的地图信息，它们代表了移动站所处的特定搜索区域。这样，利用适当的纬度/经度、地区名或区段号就可以标出移动站的位置。
比较好的做法是，移动站的位置信息告知装置为产生包括位置信息在内的语音的声音输出装置(53)和/或显示代表位置信息字母的字符显示单元(54)。这样，通过请求基站就可以实现自身或所需移动站位置的声音或字符显示。
比较好的是，基站具有发射特征信号的方向天线(Φ1，θ1)。在这种配置下，利用方向天线的方位来确定搜索区域。这样就可以改善定位精度。
上述说明中用括号括起的标号与本发明较佳实施例中所揭示部分相对应。因此标号只是为便于理解之用而非对本发明的范围作限定解释之用。
通过以下结合附图对本发明的说明，可以进一步理解本发明的上述和其它目标、特征和优点。
图1为按照本发明第一、第二和第三实施例的移动站定位方法的示意图；图2为按照本发明第一、第二和第三实施例的移动站定位系统的框图；图3为按照本发明第一、第二和第三实施例的移动站定位系统中基站布局的框图4为按照本发明第一、第二和第三实施例的移动站定位系统中移动站布局的框图；图5A为按照本发明第一实施例的移动站定位方法实现的基站特征信号发射时间的时序图；图5B为按照本发明第二实施例的移动站定位方法实现的基站特征信号发射时间的时序图；图6为按照本发明第三实施例的移动站定位方法的示意图；图7为一般移动站定位方法的示意图。
以下借助附图1-6详细阐述本发明较佳实施例。图中相同的部分用同一标号表示。
第一实施例按照第一实施例的移动站定位系统，提供了一种网格系统来定位移动站。如图1所示，由网格系统划分的每个二维(矩形)区域小于每个基站21、22或23的无线电波覆盖区域。本实施例确定的是移动站所处的网格区域。
例如，移动站可能位于网格区域(5，b)或(6，b)内。通过检测移动站到各基站21、22或23的距离可以区分出网格区域(5，b)与(6，b)的差别。为此，各基站21、22和23同时发射位置检测信号(基站的特征信号)d1、d2和d3。移动站从基站接收基站特征信号。基站特征信号接收过程中引起的时间差变化取决于移动站处于哪一个网格区域。
按照这里的移动站定位方法，与每个网格区域有关的时间差被预先存储着。具体而言，在每个网格区域上，对各基站21-23同时发射的基站特征信号d1、d2和d3的到达时间作了测量。随后将接收到信号之间的时间差保存在存储器内。通过后面将这种方式存储的数据与实际接收到的基站特征信号的比较确定移动站的当前位置。
图2示出了实现上述移动站定位方法的通信系统的布局。基站21、22、23和24分别具有各自的无线电波覆盖区域211、221、231和241。多个移动站31、32、33、34和35能够与基站21、22、23、24和25进行通信。这些基站21、22、23、24和25位于中心交换站11的管理区域111内。中心交换站控制着所有的基站21、22、23、24和25。
中心交换站11发射和接收管理区域111内与基站往来的同步信号“b”和控制信号“c”。同步信号“b”用来使基站特征信号“d”同步。而且中心交换站11发射和接收与其它交换站12和13往来的各种信号“a”。普通用户的电话9通过电话线与各交换站相连。
基站21-25发射和接收各自无线覆盖区域内与移动站31-35往来的控制信号“c”。而且基站21-25发射和接收与其它基站往来的同步信号“b”。假定利用本发明来定位移动站31。基站21、22和23向移动站31发射基站特征信号d1、d2和d3连同控制信号“c”。移动站31计算各基站特征信号d1、d2和d3中的时间差。随后代表计算结果的确认信号“e”被送回各基站。
图3示出了在本通信系统中采用的每个基站的布局示意图。基站特征信号发生器41产生基站特征信号。基站特征信号同步器42响应同步信号“b”使基站特征信号同步。收发机40发射和接收信号。位置信息存储器44存储预先测得的与网格区域有关的位置信息数据。位置信息计算器43借助存储的位置数据将移动站接收的确认信号转换为与网格有关的位置信息。位移滞后存储器45存储移动站运动中的滞后。
位置信息存储器44存储的表格描述了每个网格区域测得的基站特征信号之间一定范围的时间差，每个网格区域用纬度/经度或地区名或区段号表示。位置信息计算器43将移动站接收到的确认信号转换为相应的纬度/经度或地区名或区段号。
图4示出了移动站的布局示意图。特征信号延迟时间计算器51计算接收的基站特征信号之间的时间差并根据计算的时间差产生确认信号。收发机50发射或接收信号。位置信息输出接口输出基站所需的位置信息。声音输出装置53产生包括位置信息在内的语音报文。字符显示单元54显示代表位置信息的字母。以下阐述本系统的操作，特别是移动站31的功能。
首先，移动站31与基站21、22和23往来发射和接收控制信号“c”以把移动站31的位置注册到各基站的无线电波覆盖区域。与此同时，测量移动站31与基站21、22和23之间的场强。与测得场强相关的数据连同控制信号一起与基站21、22和23交换。按照图2所示的实施例，移动站31被注册到基站21的无线电波覆盖区域。
在控制信号“c”的交换过程中，各基站21、22和23的基站特征信号发生器41受基站特征信号同步器42的同步控制，产生基站同步信号d1、d2和d3。基站特征信号d1、d2和d3同时向移动站31发射。基站特征信号“d”可以是分配给每个基站的本征脉冲信号(由各基站以不同方式调制的调制信号)或为分配给各基站的特征频率信号。
为了确定当前网格区域，除了特殊情况，移动站31需要接收至少从三个基站(即21、22和23)发送的多个基站特征信号“d”(即d1、d2和d3)。基站的无线电波覆盖区域211、221、231、241和251需要一定程度的强场来稳定移动站与基站之间的通信。但是主要用来定位移动站的特征信号和确认信号可以在较弱场强下发射。因此采用较低场强即可满足定位要求的区域要大于每个基站无线电波的覆盖区域。
在移动站31接收到基站特征信号d1-d3之后，特征信号延迟时间计算器51计算接收的基站特征信号之间的时间差而收发机50向位于移动站31位置所注册的无线电波覆盖区域内的基站21发射确认信号“e”。
具体而言，如图5A所示，基站特征信号d1-d3分别从基站21、22和23同时发射。移动站31的的特征信号延迟时间计算器51计算出特征信号d1接收时间t1与特征信号d2接收时间t2之间的时间差t12、特征信号d2接收时间t2与特征信号d3接收时间t3之间的时间差t13以及特征信号d3接收时间t3与特征信号d1接收时间t1之间的时间差t13。代表计算结果的t12、t23和t13的确认信号“e”向基站21发射。
特征信号时间差t12、t23和t13根据有关网格区域位置而变化。换句话说，这些数值与每个网格区域存在固有关系。因此，当给出确认信号“e”时，就可以唯一地确定相应的网格区域。
当基站21接收确认信号“e”时，位置信息计算器43借助存储在位置信息存储器44内的位置信息数据搜索或检索与确认信号“e”对应的网格区域的确认号(图1中的b5)。即位置信息计算器43确定具有一定时间差范围的相应网格区域，该时间差范围包括用确认信号“e”表示的基站特征信号的时间差t12、t23和t13。搜索结果被转换可作为地理信息使用的合适数据，例如纬度/经度、地区名、区段号等。
计算的位置信息存储在位移滞后存储器45内，该存储器存储移动站运动中的滞后。位移滞后存储器45内存储的滞后数据一直处于允许查询状态。
当移动站31检测其自身位置或其位移滞后时，移动站31与所注册位置的基站21通信并从位移滞后存储器45内获得相关信息。从位移滞后存储器45获取的数据经位置信息输出接口52被输出到声音输出装置53或者字符显示单元。这样就产生了表示位置信息的语音或字母。
而且基站21-25可以经中心交换站11交换位移滞后存储器45内存储的数据。中心交换站11和其它的交换站12以及13可以交换与所辖区域内基站存储的位移滞后有关的信息。因此移动站31能够通过所注册位置的基站21检测自身或其它移动站32-35的位置或位移滞后。而且，移动站31能够检测其它辖区内其它移动站的位置位移滞后。移动站31能够经各基站或者通过电话线与交换中心相连的普通用户电话9检测任何移动站的位置位移滞后。
在这种方式下，上述定位移动站的方法确定了所需移动站所处的网格区域。这种方法对误差稳健，而这里的误差是在移动站计算基站特征信号之间的时间差时产生的。即使产生或大或小的误差，都能够精确地检测出移动站所在的网格。换句话说，扩大了计算误差的允许范围。
按照上述实施例，移动站接收至少三个基站发射的基站特征信号。但是当误差允许范围扩大或者位置检测误差可以在后面补偿时，发射基站特征信号的基站数量可以进一步精简。例如利用下面第三实施例所示的方向天线可以有效补偿位置检测误差。
而且移动站定位时间也不局限于移动站位置的注册时间因而可以在任何时候进行。
第二实施例本发明第二较佳实施例涉及移动站定位方法，它能够减轻移动站的负担。按照第二实施例的移动站定位方法可以采用与第一实施例相同的布局来实现。
如图5B所示，按照第二实施例的定位方法，从各基站发射的基站特征信号d1、d2和d3同时到达目标网格区域。为此，各基站互相控制基站特征信号d1、d2和d3的发射时序。对于每个网格区域进行同样的调整。这样，通过连续改变目标网格区域，每个基站根据调整的时序发射基站特征信号。
例如，在基站23发射基站特征信号d3之后并在基站22发射基站特征信号d2之前的延迟时间为T23。基站特征信号同步器42控制延迟时间T23的长短从而使基站特征信号d2和d3同时到达网格区域(5，b)。同样，在基站22发射基站特征信号d2之后而在基站21发射基站特征信号d1之前的延迟时间为T21。基站特征信号同步器42控制延迟时间T21的长短从而使基站特征信号d1和d2同时到达网格区域(5，b)。换句话说，在基站23发射基站特征信号d3之后而在基站21发射基站特征信号d1之前的延迟时间为T13。接着提供预先确定的时间间隔。在经过预先确定的时间间隔之后，基站21、22和23受发射时序的控制发射基站特征信号d1、d2和d3，从而使基站特征信号d1、d2和d3同时到达下一个网格区域(5，c)。对于连续变化的每个目标网格区域，基站21、22和23重复进行该发射操作。
另一方面，移动站3 1接收基站21、22和23分别发射的基站特征信号d1、d2和d3。当基站特征信号d1、d2和d3在预先确定的时间差允许范围内到达时，移动站31向基站21发射确认信号“e”。
在接收确认信号“e”之后，基站21根据基站21-23所发射基站特征信号d1、d2和d3发射时间差T12、T23和T13确定当前网格区域的识别号。识别号被转换为代表被确定网格区域的纬度/经度、地区名或区段号的相应数据。位移滞后存储器45存储与移动站运动有关的滞后数据。
除了上面所述以外，上述移动站定位系统也可以检测移动站的位置。移动站通过以排他方式确认基站特征信号d1、d2和d3是否在预先确定的时间差内到达来检测其位置。与第一实施例的方法相比，它减轻了移动站的计算负担。
第三实施例本发明的第三实施例涉及移动站定位方法，它利用方向天线来提高移动站定位精度。
图6示出了该定位系统的基站。束角为Φ1的方向天线被用来发射基站特征信号“d”和控制信号“c”。当θ1代表方向天线的方位角时，基站特征信号“d”以较窄的角度范围Ф1发射，其中心在θ1角度上。基站利用第一和第二实施例描述的定位方法确定有关移动站所处的网格区域。在这种情况下，通过将移动站发射的确认信号“e”中的有关信息连同方向天线的方位角信息θ1一起处理可以提高定位精度。由此可以减少为定位移动站而向其发射基站特征信号的基站数量。
除了上面描述以外，按照本发明的定位系统，与已有技术不同，没有必要以点的形式定位移动站。相反，本发明确定的是移动站所处的网格区域(即二维区域)。因此这可以扩大定位计算的误差允许范围。计算精度的要求也有所降低并且减轻了计算负担。
而且本发明的移动站定位方法根据无线电波在各基站与有关网格区域之间传播的相互时间差来确定网格区域。与根据无线电波在各基站与网格区域之间实际的传播时间或者来回时间来计算时间延迟的情况相比，这减轻了移动站定位的计算量和耗用时间。
而且本发明的移动站定位方法对基站特征信号的发射时序进行控制从而使基站特征信号同时到达目标网格区域。按照该方法，减轻了移动站的计算负担。因此无需扩大移动站的体积或容量。
而且按照本发明的移动站定位方法，可以有效定位移动站。
而且当在基站内采用方向天线时，可以提高移动站定位的精度。
本发明的精神和范围由后面所附权利要求限定。
权利要求
1.一种基于移动通信系统的移动站定位方法，其特征在于包括以下步骤设立多个搜索区域(a1，a2，…)，每个区域的面积小于基站无线电波覆盖区域(211，221，231，241或251)；根据无线电波在基站与相关搜索区域之间传播的相互之间时间差定义基站与相关搜索区域之间的位置关系；从各基站(21，22，23)发射特征信号(d1，d2，d3)以获取特征信号传播中各基站特征信号发射与移动站(31)接收之间产生的相互之间的时间差(t12，t23，t13；T12，T23，T13)；以及根据特征信号之间的相互差值确定移动站所处某一搜索区域。
2.如权利要求1所述的移动站定位方法，其特征在于所述基站同时发射其特征信号，而移动站计算特征信号接收过程中的时间差并将计算结构返回基站。
3.如权利要求1所述的移动站定位方法，其特征在于所述基站向目标搜索区域发射连续变化的特征信号，从而使特征信号同时到目标搜索区域，而移动站同时接收特征信号并向基站返回确认信号。
4.一种移动站定位系统，用来设立多个搜索区域(a1，a2，…)，每个区域的面积小于基站(21，22…或25)无线电波覆盖区域(211，221，…或251)；并用于确定移动站所处的特定搜索区域，其特征在于基站(21)包括基站特征信号发生装置(41)，用来生成基站特征信号(d1)；基站特征信号同步装置(42)，用来控制特征信号(d1)的发射时间与其它邻近基站(22，23)特征信号(d2，d3)发射时间的同步；位置信息存储装置(44)，用来存储搜索区域的位置信息；位置信息计算装置(43)，用来根据移动站(31)响应特征信号的接收而返回的信息并参照位置信息存储装置所存储的位置信息确定移动站所在的某一搜索区域；以及位移滞后存储装置(45)，用来存储移动站的位移滞后。所述移动站(31)包括特征信号延迟时间计算装置(51)，用来计算各基站(21，22，23)发射的特征信号(d1，d2，d3)接收过程中的时间差(t12，t23，t13)；位置信息输出接口装置(52)，用来向基站输出所需的移动站位置信息；以及位置信息告知装置(53，54)，用来告知从基站获得的移动站位置信息。
5.如权利要求4所述的移动站定位系统，其特征在于所述基站特征信号发生装置生成的特征信号为分配给各基站的本征脉冲信号(各基站以不同方式调制的调制信号)或为分配给各基站的特征频率信号。
6.如权利要求4所述的移动站定位系统，其特征在于所述位置信息计算装置根据存储在位置信息存储装置中的位置信息确定出诸如纬度/经度、地区名或区段号之类的地图信息，它们代表了移动站所处的特定搜索区域。
7.如权利要求4所述的移动站定位系统，其特征在于所述移动站的位置信息告知装置为产生包括位置信息在内的语音消息的声音输出装置(53)和/或显示代表位置信息字母的字符显示单元(54)。
8.如权利要求4所述的移动站定位系统，其特征在于所述基站具有发射特征信号的方向天线(Ф1，θ1)。
全文摘要
一种基于移动通信系统的移动站定位方法,包括以下步骤:设立搜索区域(a1,a2…),根据无线电波在基站与相关搜索区域之间传播的时间差定义它们之间的位置关系;从各基站(21,22,23)发射特征信号(d1,d2,d3);获得特征信号传播中各基站特征信号发射与移动站(31)接收之间产生的时间差(t12,t23,t13;T12,T23,T13);以及根据特征信号之间的相互差值确定移动站所处某一搜索区域。
文档编号G01S5/00GK1189753SQ98103718
公开日1998年8月5日 申请日期1998年1月26日 优先权日1997年1月31日
发明者伊藤绅一郎 申请人:松下电器产业株式会社