专利名称：在蜂窝通信网中确定位置的方法
技术领域：
本发明涉及一种在蜂窝通信网中确定位置的方法，该方法依靠移动无线终端根据对测距信号的到时(TOA)测量确定它的位置，这些测距信号是由几个地理位置或它们的天线位置准确了解的基站发送的。将这样一种方法在技术上一般称为蜂窝定位。
一种改进TOA测量可靠性的方法公开在美国专利说明书5,999,124中，其中将GPS卫星的TOA测量和从蜂窝网测距信号得到的测量结果的组合用于改进移动无线终端对位置的计算。在开阔地区使用GPS卫星是可接受的，移动无线终端可以接收优质无线电信号，但是在城市地区或室内是不太能接受的，因为建筑物或墙可以阻挡或衰减来自卫星的信号。
依据本发明的一个方面，在此提供一种确定移动无线终端位置的方法，包括使无线终端用在具有多个第一基站的第一网络上操作并实现相对于一个或多个第一基站的位置测量；使无线终端用在具有多个第二基站的第二网络上操作并实现相对于一个或多个第二基站的位置测量，将所获得的位置测量结果组合并从所组合的测量结果确定无线终端的位置。
依据本发明的另一方面，在此提供一种蜂窝通信系统，包括由地理上分布开的第一基站组成的第一网络，地埋上分布开的第二基站组成的第二网络，和至少一个包含从第一网络和第二网络接收无线信号的装置的移动无线终端，交替地选择从第一和第二网络接收到的信号的装置，以及从所选的信号确定终端位置的到时(TOA)确定装置。
依据本发明的又一方面，在此提供一种移动无线终端，包括从第一网络和第二网络接收无线信号的装置，交替地选择从第一和第二网络接收到的信号的装置，和从所选的信号确定终端位置的到时(TOA)确定装置。
通过能够接入至少两个网络，有可能获得多个TOA测量结果，也就是三个或多个测量结果，和对每个测量结果赋于置信度指示或加权指示。这样当实施蜂窝定位时，无线终端可以选择最佳的k个测量结果，其中k等于或大于3。依据本发明的方法的另一个好处是在一个网络对于要确定的位置坐标来说并不具有足够的基站的情况下能够通过蜂窝定位获得位置坐标。具有多个TOA测量结果的又一个好处是可以利用空间分集，也就是这样的事实，即多径将来自不同的路径和可以被平均掉，或者当两个网络工作在不同的频段中时可以利用频率分集来改进系统。
在本发明的一个实施方案中，移动无线终端是多模式，例如双频段的终端，能够工作在几种类型的蜂窝系统中，如GSM和UMTS 3G FDD模式或IMT-DS(在英国)，IS-95和IS-136(在美国)，GSM和CDMA2000(在南美)以及PHS和W-CDMA(在远东)。在GSM和UMTS的情况下，GSM基站是不同步的，需要一种称为增强的观测时间差(E-OTD)的技术。除了测距信号外，E-OTD需要从各个基站接收所要求的定时偏置信息。对于利用多网络定位来说，使用多模式移动无线终端的一个好处是不需要额外的硬件加到终端中。另外，估计到即使在完全部署UMTS 3G FDD模式或IMT-DS网络的情况下，一个UMTS接收机将有12％的时间看不到2个以上的基站，因此仅仅利用UMTS网络将不能够确定它的位置。通过能够从第二网络获得定位信息，可以提供完全的定位服务。
在本发明的另一个实施方案中，第一和第二网络按照相同的标准工作。
如果需要的话，可将测量结果发送到一个远距离站上，将这些测量结果组合和确定无线终端的位置。作为选项，远距离站可以将所确定的位置发送到无线终端。
在图中相同的参考数字用于指明相应的特性。
为了使移动无线终端MWT能够利用到时(TOA)测量确定它的位置，各个基站发送测距信号。测距信号可以包括每个基站或它的发射天线的位置的详细数据，如果天线没有与基站放在一起的话。如果需要的话，可以从不同的来源获得基站的位置，从MWT自身的数据库或一个远距离数据库获得。终端MWT分析测距信号以便完成到时差(TDOA)测量。GSM基站是不同步的，需要一种称为增强的观测时间差(E-OTD)的技术。这种技术需要终端MWT要求基站GSM1，GSM2或GSM3除了测距信号外要供给定时偏置信号。
利用双频段蜂窝系统之一，也就是GSM或UMTS，MWT需要来自至少3个基站的可靠的TOA测量结果。然而，在城市地区测距信号可被严重衰减地到达，而且所述的各个GSM没量的可靠性也是可以不同的。在UMTS的情况下，估计终端MWT将在12％的时间内看不到2个以上的基站。
为了能够获得可信赖的位置确定，双频段终端MWT既使用GSM又使用UMTS系统。
图2示出一种GSM/UMTS移动无线终端的方框简图。终端包括一个UMTS发送接收机10和一个GSM发送接收机12，它们的输出11，13被连到转换开关16的各个端点14，15。来自所选的发送接收机10或12的测距信号被施加到TOA估值器18。然后定时估值被中继到定位算法级20，确定终端MWT的位置。结果被传送到控制器22，按照预先存储的软件控制终端的操作。LCD屏幕24被连到控制器22，可用于显示终端MWT的位置。一个键板26，话筒28和场声器30也连到控制器22。
在GSM测距信号的情况下，TOA估值器18进行GSM E-OTD定位测量，当切换到UMTS发送接收机10时，进行UMTS TDOA测量。可以在接收机10和12中实现相对时间差的排除。
定位算法级20将某些或全部的E-OTD和TDOA测量结果组合。它们可按一种适当的统计算法编组或排序，例如直方图，或可单独加权，使得不可靠的或不太可靠的测量结果被较少地加权或删掉。通过能够使用范围更大的基站，位置坐标算法也将得到更准确的结果。
虽然终端MWT通过E-OTD方法进行TOA测量和减去观测到的时间偏置，定位算法将包含区分TOA测量结果以便除去由于MWT振荡器的偏置引起的公共的定时误差。
在GSM和UMTS基站对安放在一起的情况下，如GSM1和UMTS1，GSM2和UMTS2以及GSM3和UMTS3，频率分集可能有助于组合分离的定时估值。作为一个例子，GSM网络工作在900MHz或1800MHz，传播特性与在2100MHz上的UMTS下行不同。即使TOA估值提供相同的距离，仍可选取具有较高可靠性，例如最大信噪比(SNR)的信号。图3用实线示出GSM TOA估值32，用虚线示出UMTS信号34。将注意到在样本50的区域中GSM TOA估值具有清晰确定的峰值，而UMTS信号是有噪声的，微弱的，其峰值是无法确定的。因此，GSM TOA估值32具有最大的SNR，可被信赖地选取。
图3也可用于说明在空间分集的情况下来自一个基站的非视线测量结果，曲线34与来自另一个基站的清晰测量结果，曲线32的对比关系，在这种情况下基站并未安放在一起，多径特性可以是完全不同的。
实际上，一个处于UMTS模式的双频段MWT从所述的2个UMTS基站取得距离测量结果，然后切换到GSM模式，并从4个GSM基站取得距离测量结果。考虑TDOA，将有6个TDOA测量结果可从TOA估值器18(图2)传送到三角测量算法级20(图2)。这样得到比从单独利用GSM或UMTS可得到的要多的测量结果，结果定位将更准确，因为它是基于较好的测量结果。
由于能够选择更好的测量结果，所以获得显著改进的位置估值。举例来说，以下的结果是对于不同的城市地区在精确相同的条件下利用精确相同的算法获得的。输入是从一个网络的仅仅3个基站和从另一个网络的7个基站接收到的，然后采用加权-误差越低性能越好。
误差(用米为单位，在67％的情况下)
通过选择较好的测量结果，在某些情况下准确度可以获得超过100％的改进。
在
图1和2所示的实施方案的一种未示出的变型中，第一和第二网络中的基站按照相同的标准，如GSM或UMTS工作，为了避免第一和第二网络中每个网络的操作者必须为TDOA定位安装比正常的语音和数据操作所需的要多的基站，操作者们有一个协议，从而移动无线终端提供有必要的软件，使它们能够不仅从它们自己的网络而且也从在相同地区中拥有基站的至少一个其他的竞争网络提取包括它们的基站位置的下行测距信息信号。因为进行TOA测量的基站位置是至关重要的，可以使用任何方便的手段下载这种信息，例如，一种小型的邻居数据库。这样，移动无线终端和/或基站能够根据从至少2个网络可得到的最佳信号计算它的位置。
如果移动无线终端被设计成按照单一标准操作，则它将拥有一个单一的发送接收机而不是图2中所示的两个发送接收机。
为了描述方便，移动无线终端已经在上下文中描述成能够在单一频段或双频段中工作。然而，本发明的讲授内容可被应用到多频段和多标准中。
如果需要的话，操作者和/或服务提供者可以对能够从它自己的网络以外的一个网络或若干网络接收测距信息的这些终端收取手续费。
可选的方案是，可以在基站或远距离站之一中得到位置坐标。在这样一种情况下，基站可以包括这样的装置，如扇形天线，用于进行入射角(AOA)测量。一旦位置坐标已被确定，可以将它中继到移动无线终端。可选的方案是，从事位置坐标测定的基站或远距离站可以进行它自己的与无线终端有关的TOA，TODA或AOA测量，并将这些测量结果与由无线终端完成的结果相组合以便计算位置坐标。
工业适用性位置确定系统和设备。
权利要求
1.一种确定移动无线终端位置的方法，包括使无线终端用在具有多个第一基站的第一网络上工作并实施相对于一个或多个第一基站的位置测量；使无线终端用在具有多个第二基站的第二网络上工作并实施相对于一个或多个第二基站的位置测量，将所得到的位置测量结果组合并从所组合的测量结果确定无线终端的位置。
2.如权利要求1方法，其特征在于测量结果是增强的观测时间差(E-OTD)。
3.如权利要求1或2的方法，其特征在于测量结果是到时差(TDOA)。
4.如权利要求1，2或3的方法，其特征在于当组合时将这些位置测量结果加权。
5.如权利要求1到4的任一项的方法，其特征在于使用入射角(AOA)测量结果，可选择地与TOA或TIOA测量结果组合，以确定无线终端的位置。
6.如权利要求5的方法，其特征在于移动终端发送相对于第一和第二基站完成的位置测量结果到远距离站，其中远距离站将位置测量结果组合，并从所组合的测量结果确定无线终端的位置。
7.如权利要求6的方法，其特征在于远距离站发送无线终端的位置数据到无线终端。
8.如权利要求5，6或7的方法，其特征在于远距离站进行有关无线终端位置的TOA，TDOA或AOA测量，并将这些测量结果与由无线终端完成的测量结果相组合，以便计算无线终端的位置。
9.如权利要求1到8的任一项的方法，其特征在于第一和第二网络按照不同的标准工作。
10.一种蜂窝通信系统包括由地理上分布开的第一基站组成的第一网络，由地理上分布开的第二基站组成的第二网络，和至少一个移动无线终端，包含从第一网络和第二网络接收无线信号的装置，交替地选择从第一和第二网络接收到的信号的装置，和用于从所选的信号确定终端位置的到时(TOA)确定装置。
11.如权利要求10的系统，其特征在于第一和第二网络按照不同的标准工作。
12.一种移动无线终端包括从第一网络和第二网络接收无线信号的装置，交替地选择从第一和第二网络接收到的信号的装置，和用于从所选的信号确定终端位置的到时(TOA)确定装置。
13.如权利要求12的终端，其特征在于接收装置包括除去相对时差的装置和TOA确定装置包括TOA估值器和定位算法极。
14.如权利要求13的终端，其特征在于提供加权装置，根据信号越不可靠，加权函数越低的原则对来自TOA估值器的输出加权。
全文摘要
一种确定蜂窝手机，例如电话或PDA，位置的到时(T0A)方法，包括使无线终端(MWT)适应在拥有多个第一基站(GSM1到GSM3)的第一网络(GSM)上工作，和实施相对于由一个或多个第一基站发送的测距信号的位置测量，使无线终端适应在拥有多个第二基站(UMTS1到UMTS3)的第二网络(UMTS)上工作，和实施相对于由一个或多个第二基站发送的测距信号的位置测量。位置测量结果被组合，并从所组合的测量结果确定无线终端的位置。可由无线终端(MWT)或远距离站确定位置坐标，位置测量结果由无线终端中继到远距离站。
文档编号G01S5/06GK1460390SQ02800984
公开日2003年12月3日 申请日期2002年3月26日 优先权日2001年3月30日
发明者S·R·多利, S·莫里迪, D·G·波尔茨诺 申请人:皇家菲利浦电子有限公司