专利名称：用于确定移动装置位置的系统和方法
技术领域：
本发明一般地涉及电信，更特别的是涉及用于确定一个移动收发信机位置的系统和装置。
背景技术：
在过去的十年中移动通信已经显示出巨大的增长势头。与移动通信曾经只限于不存在有线通信的情况中非常紧急的电话呼叫相反，现在许多人都用移动通信作为他们主要的通信方式。进一步，最近移动通信包括了许多处理能力，如PDA(个人数字助理)，手持计算机，笔记本计算机以及其它装置。一些寻呼机也有了双向通信能力。
我们经常希望能以某种精度确定一个移动通信装置的位置。移动定位服务是非常有益的一个明显的应用例子是与紧急(例如911)服务有关的。在紧急情况中，移动装置的用户可能不知道他或她的位置，或者在紧张状态中他或她弄不清楚现在的位置。这能够导致将非常紧急的服务如警察，消防队和救护车服务派到错误的地点。
许多其它的服务也可能需要位置信息以便有最佳效率。例如，一家公司可以向顾客提供收费的“路边帮助”或“看门人”服务。这些服务能够为移动装置的用户提供到最近的加油站的方向，拖车服务，指导等。为了有效地管理这些服务工作，希望有关于用户位置的相当精确的信息。
一种解决方法是在每部电话中安装一个GPS(全球定位系统)装置，该装置能够发送位置信息作为要求服务的一部分。虽然GPS装置能够产生非常精确的位置信息，但是它需要从多个卫星接收清析的信号。典型地，当移动通信装置处于建筑物内时或者当高大的建筑物包围移动通信装置时就不能精确地接收到卫星信号。因此，GPS定位服务将在许多最需要它们的情况中无法工作。
许多解决方法都用三角测量，根据来自移动装置的发射确定位置。这些解决方法包括TOA(到达时间)和TDOA(到达时间差)技术。时间同步对于接收信号的接收者(典型地，基站)来说有特别的重要性，因为甚至非常小的变化(小到数十毫微秒)都能够在最终的位置计算中引起极大的不正确性。
所以，在工业上产生了对用于确定移动通信装置位置的高精确方法和设备的需要。
技术内容在本发明中，提供一种用于确定多个移动通信装置中的一个的位置的系统。一个发射机发射第1信号，该第1信号有一个用于识别要确定位置的一个特定的移动通信装置的装置识别码和一个时间指示符。在每个移动通信装置中的电路接收第1信号并对第1信号的识别码和一个内部的识别码之间匹配作出响应发射第2信号。多个接收机中的每一个都有一个内部时钟。当接收到第1信号时，根据在第1信号中的时间指示符设置这些时钟。当接收到第2信号时，确定在第1信号和第2信号之间的时间差。控制电路确定与由多个接收机确定的时间差对应的特定的移动通信装置的位置。
本发明提供许多已有技术没有的重要的优点。第一，能够导出非常精确的位置信息。第二，能够用可以用在建筑物内的常规技术发射信号。第三，消除了在接收机内的传播延迟的影响，第四，为了明确地确定移动通信装置的位置只需要三个接收机，尽管更多的接收机可以提供更高的精度。
现在，为了较完全地理解本发明和本发明的优点，我们参照下列所附诸图进行描述，其中图1是说明用于确定移动通信装置位置的已有技术的图；图2是有自动同步能力的定位服务的通信系统的图；图3是表示用于确定想要的移动通信装置位置的信号的图；
图4a是说明用本发明可能相对于单个接收机对移动装置进行定位的图；图4b是说明根据图4a的三组可能定位的相交的图；图4c是说明根据图4a三组可能定位的相交的图，其中遇到意外的延迟；图5说明一个频移电路；和图6说明在同一个频率上再次广播一个信号的电路。
具体实施例方式
用图1-6能最好地了解本发明，在不同的图中对于相同的部件用相同的数字标记。
图1是说明用于确定移动通信装置10的位置的已有技术的图。多个接收机12，典型地是基站，一般地在移动通信装置10的附近。一个发射机14，也能够位于基站内，一般地在移动通信装置10的周围工作。网络控制16与接收机12和发射机14耦合。
在工作中，网络本身必须是同步的或用诸外部源进行同步(即，GPS时钟)。如下面将较详细地讨论那样，接收机时间同步是重要的。当发射机14从网络控制16收到一个确定移动通信装置10的位置的命令时，发射机14发出一个识别要被确定位置的特定的移动通信装置10的信号(“初始信号”)。这个信号也被诸接收机12接收。被该信号识别的移动通信装置10将广播一个信号(“定时信号”)对初始信号作出响应。另一方面，能够用信息如呼叫建立，帧信息或其它的内务操作开始三角测量。
移动通信装置10有一个有限范围的输出。接收机12中的一些将检测定时信号(图1中的R1-R4)，而诸其它的接收机将不检测(图1中的R5)。接收信号的每个接收机12将检测接收信号的时间。如果定时信号的接收时间超过一个从接收初始信号开始的时间阈值，则定时信号无效。
每个接收机12都根据每个接收机的内部时钟，存储一个指示定时信号接收时间的值。如果定时信号有效，则用来自每个接收机12的接收时间计算移动通信装置10的位置。因为定位脉冲的起始时间一般地说对于位置确定所需的精度是未知的，所以通常使用TDOA法。用该技术，将诸接收机12之间的到达时间差用于三角测量。因此，用T1-2，T1-3，T1-4进行三角测量，其中Tx-y是接收机Rx和Ry之间的定时信号的接收时间差。
上面描述的用于确定移动通信装置10的位置的系统有若干个缺点。第一，网络中的诸发射机14和诸接收机12必须高度同步。为了移动通信装置10的精确定位对于所有的接收机一日之内时钟的时间必须同步到数十毫微秒以内。第二，移动通信装置10负责随着识别一个初始信号产生定时信号，这样在每个移动通信装置10上都需要增加额外的功能。第三，为了得到至少三个三角测量点，四个接收机12必须接收有效的定时信号。因为诸接收机不会近距离地放置在大都市区域的外面，所以这减小了网络的有效范围。第四，在每个接收机中由于天线，电缆和诸内部部件引起的延迟从接收机到接收机是变化的。这些延迟能够影响与接收定时信号有关的时间戳，所以必须加以考虑和归一化。又，诸延迟在数十毫微秒范围内游移的计算能严重地影响定位计算的精度。
图2说明一个改进的用于确定移动通信装置20位置的定位设备和方法。再一次，多个接收机12，典型地是基站，一般地在移动通信装置20的附近。一个发射机24，也能够位于基站内，一般地也在移动通信装置20的附近。网络控制电路26与接收机22和发射机24耦合。
为了确定移动通信装置20的位置，网络控制电路26命令发射机24产生第1信号S1，该信号S1包含对于单个移动通信装置20是唯一的一个时间戳和一个标识符。将这个信号广播给诸移动通信装置20和在发射机24附近的诸接收机22。接收信号S1的每个接收机22用S1信号将它的内部时钟设置到时间戳中指示的时间。为了得到最高的精度，每个接收机22补偿发射机24和接收机22之间的距离，该距离是固定的和已知的。因此，在附近的所有接收机22将自动地与每个S1信号同步到一个高精度。
诸移动通信装置20接收同一个信号S1，它们中的一个将被信号S1识别(如果它在发射机24的广播区域内)。这个被识别的移动通信装置20，在接收信号S1时，再广播一个信号作为信号S2。在移动通信装置20的广播区域内的诸接收机22接收再广播信号S2。在图2说明的实施例中，接收机R1到R4接收再广播信号，而接收机R5在移动通信装置20的广播范围外。
再广播信号S2可以取若干种形式。在第1实施例中，移动通信装置20接收在第1频率上的信号S1并立即广播在第2频率上的信号作为信号S2。在第2实施例中，移动通信装置20接收信号S1并在同一个频率上发射信号S2。移动通信装置20也可以在信号上加上信息，如一个指示通过移动通信装置20的电子电路引起的传播延迟的值，如图3所示。
诸接收机22接收信号S2并根据按照信号S1设置的内部时钟标记接收信号S2的时间。这样，信号从发射机24到一个给定的接收机行进的时间是Ts2-Ts1，其中Ts1是接收信号S1的时间，Ts2是接收信号S2的时间。
我们应该注意在接收机中接收S1或S2信号和存储接收时间之间的任何传播延迟都在确定差Ts2-Ts1时被消除。
如图4a所示，时间差Ts2-Ts1，指示发射机24和移动通信装置20之间的距离，加上移动通信装置20和接收机22之间的距离。当发射机24和接收机22的位置固定和已知时，能够将对于一个给定时间差的可能性定义为一个发射机24和接收机22作为焦点的椭圆。网络控制电路26能够用这个信息准确确定移动通信装置20的位置。
如果三个接收机22离发射机24和移动通信装置20足够近以便接收诸信号S1，S2，则可以定义与发射机24，接收机22的位置和由Ts2-Ts1定义的距离对应的三个椭圆。如图4b所示，三个椭圆将在移动通信装置20的位置上相交。
我们应该注意为了位置的精确确定，三个椭圆不需要精确地相交。如果，例如，不考虑通过移动通信装置20的延迟引起诸椭圆扩大，则如图4c所示，在诸椭圆之间的三个交点之间产生一个区域30，用最小二乘法确定的区域30的中心能够非常接近移动通信装置20的位置。
进一步，当有有效数据的接收机少于两个时，可以将移动通信装置20的位置确定在两个交点中的一个。用其它的信息，如来自用户，地图，或到达角的信息可以解决这个不确定性。
如上所述的，S2信号可以是S1信号在不同频率上的重复变体，或可以在同一个频率上接收和再发射S2信号。可以用图5所示的一个简单电路以非常小的时间延迟实现S1信号到一个不同频率的频移。在这个实施例中，将混频电路40提供给移动通信装置20。混频电路40通过天线42接收来自发射机24的S1信号。滤波器/组合器43将该信号从任何同时输出的信号隔离开来并使该信号通过滤波器/放大器44作进一步的调节。滤波器/放大器44的输出是到混频器46的输入，还有振荡器48的输出也是到混频器46的输入，这使S1信号的频率频移到一个希望的中频(IF)。IF信号通过带通滤波器50。混频器52接收带通滤波器50的输出和振荡器54的输出，这使频率进一步频移到希望的第2频率。
图6说明一个在同一个频率上接收S1信号和发射S2信号的电路。在这个实施例中，通过天线62接收来自发射机24的S1信号。通过滤波器/放大器64调节S1信号。混频器66接收滤波器/放大器64的输出和振荡器68的输出，这使S1信号转移到一个希望的中频上。在解调器70中将IF信号解调成二进制形式。将诸经解调的位存储在存储器/处理72中，存储器/处理72将任何希望的附加数据加到该信号上。从存储器/处理72将用于信号S2的数据输出到调制器74。通过混频器和振荡器68将调制器74的输出转移到信号S1的原来的频率上。然后放大S2信号并用天线62将它发射出去。
在移动通信装置20内解调来自发射机的信号和再调制该信号需要一个很大的延迟。所以，我们希望加上关于通过移动通信装置20的延迟(它可以在诸不同的移动通信装置之间改变)的信息，以便在更精确地测量该信号从发射机24行进到移动通信装置20的时间中将该延迟信息提供给接收机22。然后计算出该时间间隔为Ts2-Ts1-Td，其中Td是通过移动通信装置20的延迟。
本发明提供许多已有技术没有的重要的优点。第一，能够导出非常精确的位置信息。第二，能够用可以用在建筑物内的常规技术发射信号。第三，消除了在接收机内的传播延迟，第四，为了确定移动通信装置20的位置只需要三个接收机，尽管更多的接收机可以提供更高的精度。
虽然我们已经用某些说明性的实施例详细地描述了本发明，但是对于那些熟练的技术人员来说，他们将提出对这些实施例的诸不同的修改以及诸其它的实施例。本发明包括属于本发明范围内的任何修改或诸其它的实施例。
权利要求
1.一个用于确定多个移动通信装置中的一个的位置的系统，它包括一个发射机，用于发射第1信号，该第1信号有一个用于识别要确定位置的一个特定的移动通信装置的装置识别码和一个时间指示符；在每个移动通信装置中的再发射电路，用于接收第1信号并发射第2信号对所述的第1信号的所述的识别码和一个内部的识别码之间的匹配作出响应；多个接收机，它们有各自的内部时钟用于接收第1信号和根据在第1信号中的时间指示符设置它们的各自的内部时钟，接收第2信号，并确定在所述的第1信号和诸第2信号之间的时间差；和控制电路，用于确定与由多个接收机确定的诸时间差对应的特定的移动通信装置的位置。
2.权利要求1的系统，其中在第1频率上发射所述的第1信号和所述的再发射电路在不同于所述的第1频率的第2频率上发射所述的第2信号。
3.权利要求2的系统，其中所述的再发射电路包括一个频移器用于频移所述的第1信号的频率产生所述的第2信号。
4.权利要求1的系统，其中在第1频率上发射所述的第1信号和所述的再发射电路在所述的第1频率上发射所述的第2信号。
5.权利要求4的系统，其中所述的再发射电路包括解调电路和调制电路。
6.权利要求5的系统，其中所述的再发射电路包括用于暂时存储来自所述的第1信号的数据的存储器。
7.权利要求1的系统，其中所述的再发射电路包括用于将信息加到所述的第1信号上的电路。
8.权利要求7的系统，其中所述的再发射电路加上指示一个与移动通信装置有关的传播延迟的信息。
9.一个用于确定多个移动通信装置中的一个的位置的方法，它包括发射第1信号，第1信号有一个用于识别一个要确定位置的特定的移动通信装置的装置识别码和一个时间指示符；在诸移动通信装置中接收第1信号；从多个移动通信装置中的一个发射第2信号对所述的第1信号的所述的识别码和一个内部的识别码之间匹配作出响应；在有各自的内部时钟并根据在第1信号中的时间指示符设置各自的内部时钟的多个接收机中接收第1信号；在诸所述的接收机中接收第2信号；确定接收所述的第1和第2信号之间的时间差；和确定与由多个接收机确定的诸时间差对应的特定的移动通信装置的位置。
10.权利要求9的方法，其中发射所述的第1信号的所述的步骤包括在第1频率上发射第1信号，和发射所述的第2信号的所述的步骤包括在不同于所述的第1频率的第2频率上发射所述的第2信号的步骤。
11.权利要求10的方法，其中在第2频率上发射第2信号的所述的步骤包括频移所述的第1信号的频率产生所述的第2信号的步骤。
12.权利要求9的方法，其中发射所述的第1信号的所述的步骤包括在第1频率上发射第1信号，和发射所述的第2信号的所述的步骤包括在所述的第1频率上发射所述的第2信号的步骤。
13.权利要求12的方法，其中发射所述的第2信号的所述的步骤包括对所述的第1信号进行解调产生数据和在所述的第1频率上对所述的数据进行调制的诸步骤。
14.权利要求13的方法，其中发射所述的第2信号的所述的步骤包括将所述的数据存储在存储器中的步骤。
15.权利要求9的方法，其中发射所述的第2信号的所述的步骤包括将信息加到所述的第1信号上的步骤。
16.权利要求15的方法，其中所述的加信息的步骤包括加上指示一个与移动通信装置有关的传播延迟的信息的步骤。
全文摘要
本发明提供一种用于确定多个移动通信装置中的一个的位置的系统和方法。一个发射机(24)发射第1信号(S1),该第1信号有一个用于识别要确定位置的一个特定的移动通信装置的装置识别码和一个时间指示符。在选出的移动通信装置(20)中的再发射电路(40,60)接收第1信号并对此作出响应发射第2信号(S2)。多个接收机中的每一个(22)都有一个内部时钟。当接收第1信号时,根据在第1信号中的时间指示符设置这些时钟。当接收第2信号时,确定在第1信号和第2信号之间的时间差。网络控制电路(26)确定与由多个接收机确定的诸时间差对应的特定的移动通信装置的位置。
文档编号G01S1/00GK1338827SQ01124579
公开日2002年3月6日 申请日期2001年8月10日 优先权日2000年8月11日
发明者杜安·莫藤森 申请人:美国阿尔卡塔尔资源有限合伙公司