专利名称：用于模拟蜂窝系统的定位方法
背景技术：
I.发明领域本发明涉及位置确定。本发明尤其涉及用多个基站确定移动单元(mobileunit)位置的新的和改进的方法。
II.相关领域的描述下文中公开了一种确定在蜂窝无线电通中工作的移动单元的位置的方法和装置。蜂窝无线电通中定位业务有许多想要的应用，如紧急呼叫(911)的定位业务、儿童定位器、迅速发送业务和舰船监视系统。同时，蜂窝系统操作员还可以采用这种方法根据移动单元定位的精确知识来确定业务参数，如有限流动性用户的低成本服务。这种业务还可以用来确定被盗蜂窝电话的位置和调查蜂窝通信的欺诈使用。
无线电设备位置确定的方法利用了测量无线电信号的传播延迟的技术，假定无线电信号从发射机到接收机是沿直线传播的。无线电延迟测量与定向天线的角度测量是雷达的基本原理。由于移动车辆中采用发射-应答机，而不完全依赖于移动车辆反射的信号而使雷达定位的使用日益增多。
另外，可以用多个发射机和/或接收机来形成所谓的三边测量(tri-latera-tion)系统，从而进行多个时间延迟测量。Loran系统是一个将一系列编码脉冲从已知和固定地点发送到移动接收机的例子。移动接收机比较来自不同发射机的信号的到达时间，从而确定位置的双曲线。类似地，全球定位系统(global po-sitioning system，GPS)提供来自一组24个地球轨道卫星的传输。移动接收机采用卫星位置信息以及从四个或更多个卫星接收的信号之间的时间延迟差来确定它们的位置。
从上述例子我们可以看到，无线电定位系统可以分成两种类型，一种是移动装置用户可以确定其自身位置的系统，另一种是可以确定移动单元发射-应答机的位置的系统(如雷达系统)。本文中揭示的系统是第二种类型，其中，蜂窝电话系统的固定部分确定移动单元蜂窝电话的位置。通常，这样的系统要求移动单元用户发射一无线电信号(除非是在无源雷达的情况下)。
无线电定位的方法诸如在1992年6月30日授权的、标题为“双卫星导航系统和方法”、转让给本发明的受让人的美国专利5,126,748中所揭示的方法，要求移动终端既发射又接收，这样，比起只含有接收能力的移动终端的Loran和GPS系统来说，这种方法要求用较少的发射机对确定位置的圆形线进行来回时间的测量。在其他系统中，移动终端可以只含有发射机，而其他系统部件则进行方向搜寻或多个来自不同地点的信号的接收，以确定位置。一个例子是确定被击落飞机位置的SARSAT(搜索和营救卫星)系统。该系统中，被击落飞机以国际呼救频率121.5Mhz(和273MHz)发射一信号。地球轨道卫星将该信号转发到一地面终端。当卫星从头顶上经过时，可以检测多普勒(Doppler)频移的变化，并确定位置线。同一卫星或类似的多个卫星多次经过头顶可以确定一组位置线，其交点确定被击落飞机的位置。
本发明可以利用AMPS(自动消息处理系统)业务(或类似的业务)中运行的移动单元蜂窝电话的现有能力来提供定位的新业务，而无需修改现有大量的AMPS移动单元蜂窝电话。在AMPS(自动消息处理系统)业务中，移动单元在824-849MHz的UHF频率下进行发射，而基站在869-894MHz的频率下进行发射。频带被分割成两组832个信道对，均匀地相隔30kHz。一组416个信道对是许可用于给定区域内两个业务提供者中的每一个的。
AMPS系统用模拟FM调制来发射电话话音。移动单元和基站采用全双工技术同时发射，从而用户所有时刻都感觉到沿两个方向的连续链路。
通常，为大城市区域服务的大蜂窝系统中的每一基站分配有提供电话业务的一组57个信道对。另外，分配一个信道用作信令和寻呼。在其控制信道上通过将数字信息传送到最近的基站，在移动单元处开始呼叫。当呼叫在该蜂窝区的覆盖区域内正在进行时，基站将在其相应的控制信道上应答，而有一个信道分配给移动单元用。如果移动单元进入另一蜂窝区的覆盖区域时该呼叫仍在进行，来自基站的控制信息将指令移动单元，把信道变成分配给移动单元正在进入的那一蜂窝区的信道。这一过程称为手动切换(handoff)。
AMPS系统包括称为监测音(SAT)的技术以确保呼叫由恰当基站处理。该系统中，每一基站向正在进行的每一呼叫的电话声音内加入一高频单音。此单音将以5980、6000或6030Hz发送。移动单元将对此单音进行检测和滤波，并通过加在电话话音上发回基站。随后，基站对SAT单音进行滤波并检测，并确保接收到的单音与它发射的单音具有相同的频率。向不同相邻基站分配的SAT单音的方式使得可以检测并校正不正确接续的情形。
当最初定义AMPS系统时，人们设想可以测量前向链路SAT单音和由基站从移动单元接收的SAT单音之间的相位差来确定移动单元的位置。这可以采用来回延时测量，它将把移动单元定位在绕基站的圆周上。人们发现，这种技术必须对返回SAT单音的相移进行分类控制(specifrcation controlling)，以便提供相符的测量。由于这增加了复杂性，因而这种方法在本说明书中略去。
发明概述当系统想要对某一特定的移动单元定位时，移动单元受指令控制，进入一预定和专用信道，并在短时间间隔(如1到10毫秒)内在其FM发射机上发射一单音。单音的频率应当在话音频谱之上，例如大于4kHz。在单音脉冲群的末了处，移动单元回到提前先前进行的状态，例如继续其呼叫、空闲模式等等。用作定位业务的信道频率通常在整个系统中是专用与这一目的的，并且系统控制器会确保一次只有一个移动单元发射一定位信号。
在向移动单元传送控制信息的同时，还向基站传送一控制信息，该信息表示一移动单元将发射一单音脉冲群。基站配有GPS接收机，从而可以在每一基站处提供准确的时间和频率基准。基站以相同频率和根据GPS接收机的同步相位产生单音参考信号。基站测量单频参考信号和从移动单元接收到的信号单音(如果有的化)之间的相位差。所使用的测量时间间隔与发射时间间隔相同，通常约为1到10毫秒。相位差测量结果与信噪比(S/N)测量结果一起报告给系统控制器。
通过计算相邻基站报告的单音脉冲群相位之间的相位差来计算移动单元的位置。例如，如果相邻基站报告相对于参考相位具有相同的相位差，则可以得知移动单元处在两基站之间的垂直平分线上。如果相位不相等，则可以知道移动单元处在抛物线上，该抛物线是具有相同测量相位差的点的轨迹。如果第三个基站报告了一个相位测量结果，则确定另两条拋物线。这些抛物线的交点确定移动单元位置的解答。
相位测量所要求的精度在一度的数量级上。例如，100米(300英尺)的精度要求约300纳秒的精度。如果单音脉冲串是6kHz的频率，则相位测量中约为半度的分辨率会得到所要求的精度。注意，如果S/N足够高，这一精度的数量级应当是可以很容易得到的。
可以采用SAT信号(监测音)用作上述目的。在AMPS系统中，每一基站在前向信道上发射5980、6000或6030Hz的单音。移动单元接收这一单音，并在反向信道上发射该单音。
人们可以采用下述方法来进行任一标准AMPS电话的定位1)以普通方式与移动单元建立呼叫；向移动单元传送一指令，指令其将信道改变成预定的定位信道；2)与移动单元进行通信的基站在定位信道上发射一预定的SAT单音分配，通常为6000Hz；3)移动单元以通常的方式接收和再发射SAT单音；周围基站测量返回的SAT单音和从接收到的GPS定时信号产生的参考单音之间的相位差；4)在中心点收集测量结果并计算位置；以及5)移动单元接受指令，回到其先前的频率，并继续可能正在进行的任何呼叫。
可以采用SAT单音方法，当呼叫继续进行时跟踪移动单元的位置。所接续的基站和邻近的基站可以继续测量正常蜂窝通信信号上的相对于同步参考单音的SAT单音相位差。然而，SAT单音频率(所谓的SAT色标码)现在随基站的不同而不同，必须针对每一种情况进行恰当的测量。同时，来自邻近同信道蜂窝区的移动单元的同信道干扰的可能性会降低测量准确度。如果在呼叫期间的任何时刻，需要更准确的定位，则可以指令移动单元至专用测量频率。
获取要求准确度所需要的S/N是由接收到的S/N和平均时间确定的。半度的分辨率与七比特分辨率对应。每一比特的分辨率需要另外6dB的S/N，从而总的S/N需要42dB。如果在4kHz的带宽内接收到的信号具有20dB的S/N，则带宽必须变窄22dB。这会出现需要4毫秒测量时间的情况。
注意移动单元终端移动不应该显著影响测量。考虑在4毫秒的时间内，在100英尺/秒的速度下移动的移动单元将仅移动0.4英尺，明显小于测量分辨率精度。
同时注意6KHz的SAT单音频率在通常大小的蜂窝电话系统中适于用来支持明确的定位。对于该单音频率的意义不明确的距离(ambiguity distance)为对应于波形整个一个周期或166.7微秒的约50公里。
附图简述在结合附图对本发明作了详细描述以后，本发明的特征、目的和优点将变得更为清楚。附图中相同的部件采用相同的标号。
图1是典型蜂窝系统的整体框图；图2是由基站进行处理操作来支持定位处理的方框图；图3是相位检波器电路的方框图；以及图4是一例定位图。
较佳实施例的详细描述图1是本发明的整体框图。蜂窝系统包含有基站100、101、102以及可能的许多附加基站和系统控制器和交换机20(它在蜂窝通信产业中也称为移动电话交换局(MTSO))。系统用户移动单元在图中为车辆电话10和11以及便携式大小的便携式蜂窝电话12和13。
本发明中揭示的定位系统也采用全球定位系统的地球轨道卫星200、201、202和203，作为精确同步装置。GPS系统含有排列在轨道上的24个卫星构成的星座，从而任何时刻在地球的任意位置处都可以看到4个或更多个卫星。这些卫星发射信号，使得可以由GPS系统接收机测量从正在观测的卫星，到达的信号的准确的时间差。卫星与协调世界时(Universal Coordinated Time，UTC)同步，使得在GPS接收机处可以获得一天的准确时间和频率。GPS的这一能力用作在每一基站处产生准确同步参考单音的装置。
在每一基站的覆盖区内，蜂窝电话系统可以向移动单元提供多达五十七个同时电话呼叫。通常，每一基站配有57个无线电频道对，这些频道对在任意周围基站中是不采用的。位于较远处的基站可以重复使用这些信道，这种技术称为频率再用。频率再用在即使每一系统仅具有416个信道供其自用，一城市可以由几百个基站来覆盖而不会用完信道。
在揭示的系统中，人们注意到416个信道中的一个或多个可以专用于定位系统，而不用作电话呼叫。这就允许“无干扰信道(Clear channel)，而不会产生来自其他移动单元的同信道干扰，从而实现更高的信噪比、更短的测量时间和更准确的定位。这种用于定位的单个信道在系统控制器的控制下可以由系统中的所有移动单元共用。系统控制器会确定哪一些移动单元需要确定位置，并通过基站向要测量的移动单元和周围基站发送指令。如果必须对大量的位置进行测量，则一个以上个RF信道可以专用于该目的。
也可以采用所揭示的技术通过对每一移动单元的呼叫的位置进行连续而不是抽样的监视，其做法是对每一正在进行的呼叫作所揭示的测量。
图2给出的是通过基站进行的支持定位处理的处理操作方框图。GPS天线300和GPS接收机301提供了一种用来向网络中的基站分配共用频率和时间基准的装置。全球定位系统(GPS)在绕地球的倾斜的环形轨道上含有一个由24个卫星组成的网络，从而在地球上的每一点处可以连续地观察到4个或更多个卫星。卫星发射一个由扩展谱波形调制的无线电信号，从而对接收到的信号可以进行非常精确的时间测量。GPS接收机从卫星获得4个或更多个下行线路信号，并与之同步。随后，测量来自不同卫星的信号之间的到达时间差。与从卫星的数据链路上连续发射的轨道参数信息一起，GPS接收机可以用作解决三维空间中定位，并且作为副产品，获取了与协调世界时(UTC)同步的一天很准确的时间。如果系统中每一基站是这样配置的，则可以使它们都很准确地同步。注意，用于定位功能目的时，是不需要与UTC同步的，只需要使所有的基站与一共用基准同步。
也可以在不同的基站中采用其他的用于相位测量同步的装置。例如，可以采用电视广播信号。电视广播信号通常采用高稳定并且精确的频率基准来构筑图象的彩色同步信号和水平及垂直同步。如果在某一城市中的所有基站可接收到这些信号的话，则可以用来使相位测量过程同步。还必须考虑从TV发射机到每一基站的传播延迟的差。
GPS接收机301提供了一个每秒1脉冲(1pps)的信号340，和一个1MHz的信号341。该1MHz的信号用来与稳定振荡器同步。合成器302使用该稳定的1MHz和1pps信号来产生在每一基站与公共相位同步的6000Hz信号342。
合成器302可以很简单。例如，1MHz信号被12乘，产生一12MHz的信号。该12MHz信号随后在数字分频器(digital divider)中被2000分频。结果是6000Hz的方波信号。分频器电路在每一秒的开始时由1pps信号复位。这就确保了所有基站中的被2000分频的电路在相同时刻处在相同的状态。
6kHz参考信号在加法器318中与来自MTSO的发射音频信号相加。6kHz信号用作该信道的SAT单音。合成的信号由蜂窝发射机317转换成一FM发射信号。869-894MHz频带中的一个预定的30kHz信道专用作定位目的。原则上讲，可以用于普通电话呼叫的任一信道都可以用作这一目的。得到的FM信号随后由蜂窝发射天线316发射出去。带有加法器318的蜂窝发射机317是一种普通的蜂窝基站发射机，它仅有的另一个附加功能是从合成器302接受6kHz参考信号，用作SAT单音。
系统中每次只有一个基站向移动单元进行发射。然而，周围的基站通常能够接收信号并对其进行测量。
移动单元将接收信号、调制SAT单音、以及将其与自身的基带发射音频叠加并重新发射。在普通的蜂窝电话呼叫过程中，移动单元的这些功能是AMPS移动单元的普通功能。所以，不需要特别的移动单元设备来提供所要求的定位业务。附加的定位设备仅仅安装在基站中，并且仅仅安装在要求提供定位业务的那些基站中。
基站将以蜂窝接收天线310接收由移动单元来的信号。该信号随后经蜂窝接收机311放大和解调。接收机将从基站控制器320接受控制信号343，并向控制器320提供一接受信号强度指示(RSSI)信号344。控制器320将RSSI信号与其他信号一起传送给MTSO，用作移动单元位置的计算。接收音频信号345以AMPS基站的普通方式传送到MTSO。除了普通AMPS基站接收机的功能以外，接收机311所需的唯一附加功能是SAT单音信号346要输出到带通滤波器312。
加到移动单元的发射信号上去的SAT单音信号是与话音信号一起在接收机311的FM解调器电路中解调的，FM解调器通常是一种限幅器-鉴频器，或者是在本领域中所熟知的用于FM解调的许多种其他电路。6kHz SAT单音信号由带通滤波器312与话音信号隔开。该滤波器通常可以具有几百Hz的带宽。一般情况下，滤波器的带宽越窄，SAT单音的信噪比将越高，但输出信号的相位测量要求更长的时间，这是由于其呈现出与滤波器的带宽成正比的时间响应的缘故。
滤波器312的输出是与来自频率合成器302的6kHz参考信号一起输入到相位检波器314的。相位检波器检测6kHz参考信号与接收到的SAT单音之间的相位差。该相位差将正比于正被接收的移动单元和基站之间的距离。SAT单音中存在某些相移，这些相移是固定的，并且是可以事先确定的，比如蜂窝发射机317的输入和发射天线316之间的有效相移。相移是由于发射机中的滤波器和均衡电路的响应以及将信号从一个地点传送到另一个地点所产生的物理延迟而引起的。与此类似，蜂窝接收机311和带通滤波器312中也会存在附加相移。由于这些相移是固定的，所以可以从系统中测量出来并校准掉。
另一相移来源是由移动单元中的电路引起的。精确的相移值将随电话机的不同而不同，然而可以确定并校准掉总的相移范围。所幸的是，本发明所揭示的系统的定位准度不取决于移动单元电路所引起的相移。
最后一个，也是最重要的一个相移来源，是由于通过移动单元和基站之间的空间传送信号的物理延迟而引起的。由于相对相移是在三个或更多个基站中的每一个中测量的，所以只有将信号从移动单元传送到基站的相移对于定位来说是重要的。除了建立相位检波器314的工作范围以外，只有一个基站向移动单元传送信号，所以这一相移是不重要的。
图3中示出相位检波器电路的方框图。输入信号馈送到乘法器电路330和331。6kHz的参考信号馈送到乘法器330的第二输入端以及相移器电路332的输入端。相移器电路将6kHz参考信号的相位相移90度(或π/2)。相移器332的输出馈送到乘法器331的第二输入端。将正弦波的相位相移90度的电路在本领域中是人们所熟知的。某些情况下对于频率合成器302最好产生相移90度的两个6kHz参考信号的输出。乘法器电路形成两个输入信号的算术乘积。即，如果两个输入信号是x和y，则输出是x*y。两个乘法器电路330和331的输出335和336分别是合并器电路333的输入A和B。合并器的输出信号等于输入比值的反正切函数。该相位检波器电路的作用覆盖180度的相位差范围。注意比值A/B当B等于零时是未定义的，B等于零出现在相位差相隔180度的两个点处。通常，相移的固定值是可以调整的，从而相位检波器的有效范围位于这两个未定义值之间。180度的工作范围与25km或15.5的法定英里的范围变化对应。这对于将这种技术应用到AMPS蜂窝电话系统的大多数情况是合适的。
再参见图2，相位检波器电路314的输出由低通滤波器315取平均，产生要求的信噪比。经滤波的输出随后被数字化，并传送到控制器320。控制器将相位差测量值与RSSI测量值一起传送到MTSO，在那里计算移动单元的位置。
滤波器要求增加的是在测量过程开始时使滤波器312和315复位，从而防止测量开始前接收的噪声信号影响测量结果。
很明显，对于本领域的技术人员来说，有许多不同的方法来实现相位检波器电路。一种人们感兴趣的做法是使从蜂窝接收机311输出的SAT单音信号数字化，随后再以数字电路执行带通滤波器312、相位检测器314和低通滤波器315的功能。这就使得可以直接利用合成器302的输出，而无需首先将该信号转换成模拟形式。这些处理步骤也可以通过合适的数字信号处理器(DSP)电路来执行。
定位过程是在MTSO处开始的。如果我们假定给定的移动单元已经与系统进行通信，并且确定应该对该移动单元进行定位，则MTSO将控制下述步骤1)向移动单元传送一指令，指令其将信道改变成预定的定位信道；2)与该移动单元进行通信的基站以预定的指派为6000Hz SAT单音在该信道上进行发射；3)移动单元以通常的方式接收并重新发射SAT单音，所有周围的基站测量返回的SAT单音和从接收的GPS定时信号得到的参考单音得出的相位差；4)在MTSO处收集测量值，并计算位置；以及5)移动单元接受指令(通过发射一正常控制信息)，返回到其先前的频率，继续可能正在进行的任一呼叫。
MTSO将向系统中的所有基站发出信号，指出正在进行测量，并且所有基站在指定的时刻都将进行相位测量。大多数基站将处在该移动单元的范围之外，而不会进行有意义的测量。来自这些接收机的RSSI信号将指出这是一个微弱信号，而MTSO将忽略来自这些基站的相位测量。通常，只有最靠近的到正与该移动单元进行通信的相邻基站才会产生有意义的测量。除了忽略来自低的RSSI接收机的相位测量以外，MTSO处理还会选择以忽略来自不靠近正在通信的基站的测量值。
定位是按如下所述方法进行的来自成对的基站的相位测量值将确定站与站之间位置的双曲线。例如，假定图4中基站400和401的相位差测量值相差10度，比如说基站400测得的相位差相对于参考值是-49度，而基站401的测得是-59度。因此，便携装置412离开基站401比它离开基站400更靠近约1英里。另外便携装置412在由点的轨迹形成的双曲线上，该曲线上的点离开401比它离开400更靠近约一英里。假定我们还发现，基站402测得便携装置412相对于参考值为-39度。因此，便携装置412离开400比它离开402更靠近10度或者约1英里。同时，便携装置离开401比它离开402更靠近约2英里。现在我们确定了三条抛物线。它们在地图上的交点为移动单元的所在处。给定基站的位置，根据时间差来计算位置的算法在本领域中是人们所熟知的。除了测量和计算是在基站和MTSO处而不是在移动单元处进行以外，事实上计算过程与Loran定位系统中所使用的是相同的。
在完成了测量过程以后，MTSO将指令移动单元和基站回到系统的常规(非定位)信道，腾出定位信道供另一移动单元使用。
很清楚，如果配置的所有基站接收机进行所揭示的相对相位测量，则可以同时确定正在进行呼叫的所有移动单元的位置。只有一个明显的附加问题，那就是由于蜂窝系统通常所采用的频率再用过程，所以容易出现同信道干扰。
应该清楚的是，每一基站的覆盖区必须略大于基本蜂窝通信业务所要求的覆盖区。通常，一移动单元需要能够在正好超过两基站之间中点的某点处与一基站进行通信。对于进行操作的定位业务来说，移动单元必须能够从靠近原先的基站的某点处与相邻基站进行通信。因此，移动单元能够在定位操作中进行通信的范围必须约比正常运行下的范围大两倍。由于为了提高系统容量以满足业务要求，蜂窝区已经被分割成比基本覆盖范围小得多的区域，因而这不会在大多数蜂窝系统中出现问题。所以几乎在系统覆盖区的任何地方，移动单元通常应该能够与必要的三个基站进行通信。
前文中对较佳实施例的描述使本领域中的技术人员能够制作和使用本发明。很明显，对于本领域的技术人员来说，还可以对这些实施例作各种改进，并且无需借助于发明专家的帮助，可以将所揭示的基本原理应用于其他实施例。因此，本发明并非仅限于上述实施例，而应该在最宽的范围内来理解所揭示的发明原理和新特征。
权利要求
1.一种在采用多个基站的模拟蜂窝系统中确定某移动单元当前位置的方法，其特征在于，它包含下述步骤在所述多个基站中的每一个处提供具有公共相位的比较信号，所述基站中的每一个具有一固定的预定位置；从所述移动单元发射一信号，所述移动单元具有一随时间变化的位置；在所述多个基站中的每一个处接收所述信号，并将所述信号的相位与所述比较信号的公共相位比较，在所述多个基站中每一个处产生相位差；计算从所述移动单元至所述多个基站之所述第三基站的距离与从所述移动单元至所述多个基站中所述第一基站的距离的确定第三定位曲线的第三距离差；计算从所述移动单元至所述多个基站的第一基站的距离与从所述移动单元至多个基站中第二基站的距离的确定第一定位曲线的第一距离差；计算从所述移动单元至所述多个基站中所述第二基站的距离与从所述移动单元至所述多个基站中第三基站的距离的确定第二定位曲线的第二距离差；以及根据所述第一定位曲线、所述第二定位曲线和所述第三位置曲线的交点，求解所述移动单元的所述当前位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包含这样一个步骤，即，在每一所述基站处，测量所述接收到的信号的信号质量指数，其中，与所述第一基站、所述第二基站和所述第三基站对应的所述信号质量指数指出一良好的信号质量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包含下述步骤在一通信信道上，在所述移动单元和所述第一基站之间建立双向通信；以及在所述移动单元处接收来自所述第一基站的第一通信信号单音；其中，所述信号是所述第一通信信号的复制形式。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，它还包含下述步骤通过所述第一基站，指令所述移动单元在发射所述信号前改变至一预定的定位信道；以及通过所述第一基站，指令所述移动单元在发射所述信号以后改变至所述通信信道。
全文摘要
一种用于模拟蜂窝系统定位的方法，它包含提供一比较信号；从可移装置发射一信号；接收该信号，并将其相位与参考信号的公共相位比较，产生一相位差；计算第一、第二和第三距离差；根据第一、第二和第三定位曲线求解所述可移装置的当前位置。
文档编号H04W76/04GK1149339SQ95192208
公开日1997年5月7日 申请日期1995年3月24日 优先权日1994年3月25日
发明者克莱因·S·吉尔豪森 申请人:夸尔柯姆股份有限公司