通过计算用于补偿未同步网络站时钟偏移的校正因数的基于tdoa的定位的制作方法

专利名称：通过计算用于补偿未同步网络站时钟偏移的校正因数的基于tdoa的定位的制作方法
通过计算用于补偿未同步网络站时钟偏移的校正因数的基于TDOA的定位本发明涉及无线移动网络，或具有移动用户定位功能的无线本地网络的接入点，相关联的方法以及计算机程序产品。
背景技术：
近年来，确定使用移动设备的用户的位置已经变得越来越重要，以便向用户提供适当的服务，如餐厅或购物建议或定位用户以便提供急救医疗服务。另一方面，定位用户以提供适当的涉及罪犯的法律实施也变得重要起来。
为确定移动设备的位置，建立了通常由卫星支持的方法，诸如使用全球定位系统，该全球定位系统被广泛地用来确定汽车的位置并用于进行路线计划和导航。然而，这样的方法却具有下列缺点，它们要求只适用于导航目的的特殊接收器和发射器，并在用户设备上以及就基础结构而言要求额外的技术才能使相对应的卫星发射适当的导航信号。由于在移动基础设施以及设备市场的高度竞争，因此，在竞争对手之间有强烈的使移动设备及其基础设施在技术上简单的趋势，以便在市场上保持成本竞争力或赢得竞争优势。因此，非常需要为移动设备提供，在技术上简单、同时又可靠并且有效、又足够精确以确定用户的位置以便能够向他或她提供合适的服务的定位服务。因此，建立了通过在固定的接收站接收由用户的移动设备发射的信号并基于从用户设备向不同的固定接收器的不同信号传播来计算用户设备的位置，确定用户位置的方法。在这样的环境中，位置确定中所涉及的所有设备都使其相应分析基于共同时钟，这十分关键。这样系统的定位精度与时钟的精度以及被用来确定位置确定中所涉及的传播延迟的相应时钟同步性直接相关。一种这样的方法基于到达时间差TD0A，并使用信号传播到两个目的地花费的时间差作为计算距离的间接方法。例如，在最少三个基站的情况下，从手机接收信号，信号到达每一基站塔花费的时间差可用于对移动单元的位置进行三角测量。TDOA系统不需要任何专门的天线，如此，基础设施非常简单。当待定位的移动设备进行发射时，目标移动信号的到达时间被TDOA位置测量装置在能够接收信号的每一基站或接入点记录。由于移动设备的信号以恒定的速度(光速)传播，因此对任何两侧的信号的到达时间的比较可以利用简单的计算来确定移动设备与每一侧的相对位置。当绘制成图表时，此关系描述空间中的虚双曲线(imaginary hyperbola)。目标移动设备位于此曲线上的某处,虽然精确地确定在哪里还需要附加信息。当进行涉及来自第三基站或接入点一侧的测量的相同计算时，计算来自站点A、B、C的到达时间之差，例如，站点A和C之间的或者站点B和C之间的，可以描述独立的位置双曲线。两个双曲线AB和BC相交的点是目标移动设备的位置。通常，TDOA要求基站或接入点处(但不一定在目标移动设备处)的精确时间同步。显而易见，时钟测量的不精确性可能会导致大的定位误差。然而，高时钟精度以及相对应的主时钟以及相关联的同步过程要求技术上复杂化的解决方案，另一方面，这些解决方案要求基础设施设备(诸如基站)以及例如接入点处的自适应，以便给它们提供合适的时钟参考。

发明内容
因此，需要在不要求时钟同步或昂贵的主时钟的情况下提供对移动设备的位置估计。此问题通过根据权利要求I所述的用于计时的方法，通过根据权利要求13或15所述的用于计时的装置，以及通过根据权利要求17所述的用于计时的计算机程序产品来解决。在从属权利要求中给出了本发明的另一优选发展方案。有利地，根据本发明的方法利用这样的事实无线移动网络的基站或无线本地网络的接入点位于已知位置，因此处于固定的位置关系。这可以允许计算在那些站之间传输 并被分别接收的信标信号的信号传播延迟。这些是基于已知信号传播速度以及站之间的相应距离来计算的。另外，通过确定到达的时间差，可以确定两个独立接收站的本地时钟的彼此关系，不需要绝对值。如此，通过测量独立接收站处的唯一标识信号的接收时间，可以建模独立接收站对的相关时钟行为，并将其与绝对的已知到达时间差一起使用，以计算由相应的基站或无线接入点从用户的移动设备接收到的信号的校正值，来校正用户信号的相应到达时间差。因此，根据本发明的方法仅通过关联接入点或基站处的合适测量的合适计算，而不使用额外的硬件来解决本发明的问题。优选情况下，根据本发明的方法示例的另一发展，分析多个信号的传输和时间戳，这在模型曲线中可以有利地提供更高精度。有利地，根据本发明的方法的另一发展，以无线方式传输信号，这可以有利地允许非常简单的基础设施，因为不需要部署缆线和接线。有利地，根据本发明的方法的另一发展，信号被具体化为信标信号，因为这可以允许使用已经发射要用于本发明上下文中的信标信号的正常无线接入点或基站。有利地，根据本发明的方法的另一发展，信号是帧，因为帧本质上提供在其帧编号中拥有唯一标识属性的优点，因此进一步简化在目前所使用的传输系统中实现本发明的方法。进一步有利地，根据本发明的发展，帧可以具体化为根据诸如IEEE802. 11标准之类的局域网协议的帧，因为通过这种方式，标准可以由本发明容易地修改，通常所使用的传输标准适于结合在根据本发明的方法中。有利地，根据实施例，对于根据本发明的方法建模到达时间差，可以使用带有最小平方的多项式，因为这样的多项式在其数学结构方面是简单的而同时满足根据本发明的方法的两个时钟依赖性的描述性需求，而不会在建模过程中牺牲任何精度。优选情况下，根据本发明的方法实施例的另一发展，至少一个信号在任意时间点之前被传输，一个信号在任意时间点之后被传输，以便根据本发明的方法提高任意点处计时的精度。有利地，根据本发明的方法实施例的另一发展，确保在任意时间点之前和在任意时间点之后传输了相同数量的信号，以在根据本发明的方法的另一实施例确定计时中提供最闻的精度。优选情况下，根据本发明的方法的另一发展，不同接收站对处的到达时间差被用来通过基于到达时间差的位置确定方法，能够精确地确定移动站的位置。这可以允许确定两个双曲线以及它们的相对应的交点作为移动设备的位置。本发明提供了用于计时的装置，包括-至少第一、第二和第三设备；-第一设备具有用于发送带有唯一标识的至少第一和第二信号的发送装置；-第二和第三设备具有用于接收至少第一和第二信号的接收装置和时钟，以及用于将在相应信号接收时间处相应的所测量第二和第三本地时钟与相应信号相关联，导致第二和第三设备的至少两个本地时钟值对的处理装置；-用于基于本地时钟值对，建模第二和第三本地时钟随时间的依赖性时间函数作为第一模型曲线的建模装置； -第二和第三设备进一步适于在任意时间点在第二和第三设备处从用户设备接收用户信号，并接收之后将由第二和第三设备的相应第二和第三本地时钟测量的接收时间关联到用户信号，导致第二和第三设备的本地时钟用户值对，-处理装置，用于基于第一和第二设备、第一和第三设备之间的相应距离以及已知信号传播速度，来根据固定的位置关系计算在第二和第三设备处接收的来自第一设备的信号的参考到达时间差RTDOA ;以及用于根据用户值对来计算用户到达时间差UTDOA ；-用于在任意时间点，根据第一模型曲线确定值，并且基于该值，计算所确定的到达时间差DTDOA的装置；其中，处理装置适于将RTDOA和DTDOA相关以确定当前校正因数；以及-对于计时，使用当前校正因数来校正UTDOA。有利地，根据本发明的装置包括最小数量的接收设备以实现根据本发明的计时，这以能够解决本发明的问题的竞争性方式提供了简单基础结构。有利地，根据本发明的装置的另一发展可以允许为需要执行的计算密集型任务使用服务器(另一方面，这可以进一步简化接收站)，并且只要求将所接收信号的相应标识与其关联时间信息一起相对应地传递到用于计算移动设备位置的计算服务器。有利地，本发明的计算机程序产品通过提供用于存储和传输的装置来提供在相应基站以及接入点实现本发明的方法的简单手段。附图
简述随后，将通过附图中所示出的示例以及实施例来进一步解释本发明，其中图I示出根据本发明实施例的简单发射器和接收器装置；图2给出两个接收站的相关时钟行为的示例；图3示出根据本发明实施例的信号传输的示例；图4示出说明根据本发明实施例的基于到达时间差来估计用户位置的流程图；图5给出根据本发明的计算机程序产品的示例；以及图6给出根据本发明的装置的设备示例。
具体实施例方式将参考特定实施例并参考特定图形来描述本发明，但是本发明不仅限于此，只由权利要求来加以限制。所描述附图只是示意性的，而非限制性的。在附图中，出于说明目的，一些元件的大小可能被放大，而不是按比例描绘的。在本说明书和权利要求书中使用术语“包括”之处，它不排除其他元件或步骤。在引用单名词时使用不定冠词或定冠词(例如，“一”或“该”，“所述”)之处，这包括该名词的复数形式，除非特别声明。在权利要求书中所使用的术语“包括”，不应该解释为只限于此后所列出的装置；它不排除其他元件或步骤。如此，表达“包括装置A和B的设备”的范围不应该仅限于只由组件A和B构成的设备。意味着，对于本发明，该设备的唯一相关的组件是A和B。此外，本说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等等用于区分类似的元件，而不一定用于描述连续或时间顺序。可以理解，在适当的情况下，如此使用的术语是可互换的，本文所描述的本发明实施例能够以与本文所描述的或所示出的顺序不同的其他顺序来操作。此外，本说明书和权利要求书中的术语“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等等只用于描述性目的，而不一定用于描述相对位置。可以理解，在适当的情况下，如此使用的术语 是可互换的，本文所描述的本发明的各实施例能够以与本文所描述的或所示出的朝向不同的其他朝向来操作。作为图I中给出的示例，具体化本发明的方法的基本配置包括三个接入点API、AP2以及AP4，或由三个接入点组成。在不限制本发明的情况下，这些接入点可以是分别能够发送和接收信号(例如，无线信号)的任何站。成为收发器(即，既是发射器又是接收器)的潜力在不必有单独的发射和接收站以及最佳地使用资源方面具有特定优势。在此情况下，接入点可以是无线LAN的接入点，例如根据IEEE标准802. 11。但是，不作为任何限制，接入点可以是能够分别传输、接收信号、多个信号、特别是可以配备有唯一标识符或至少一个允许信号被标识为唯一信号的元素的无线信号的站。例如，可以想象，每一信号都具有不同的格式，并且因此作为唯一信号的信号唯一标识符是格式。在此情况下，站AP4发送唯一信号、唯一信号序列，由站AP2和APl接收。在接收到唯一信号后，通过它们的本地时钟，相应的站APl和AP2将唯一信号与在接收到唯一信号时由其本地时钟测量的时间相关联。不作为任何限制，这样的关联可以对于一个、两个或多个唯一信号执行，以便与从站AP4共同接收到相同的各个唯一信号关联地拟定站AP2和APl的本地时钟的依赖性。常常在诸如站AP1、AP2和AP4之类的无线接入点，它们具有简单结构，并且因此只使用低成本计时设备，这会具有缺点这些时钟常遭受温度漂移到时钟不准确性漂移，例如相位漂移，和/或时钟的频率漂移，这会造成各个站APl到AP4的计时的某种不准确性。站APl到AP4的各种时钟的绝对偏移和速率差可以以每秒的微秒漂移，或等效地，百万分之几PPM来量化。当测量这些偏移时，它们可以累积或积累并维持数秒或数分钟的长时段。这会提供精确的测量。累积的偏移或与之相关的任何值都可以被存储，例如，存储在可选的位置引擎处。位置引擎可以以执行不同站处到达时间差的计算的服务器的形式来实现。对于到达时间差测量，可以计算可以被实现为移动设备的用户设备(未示出)以及两个或更多接收站(例如，AP2、APl、以及AP4)之间的信号传输时间的时间差。在图I中，从2. 410到2. 480所标记的双曲线表示AP2和AP4之间的恒定延迟差曲线，而从I. 410到I. 480所标记的双曲线表示站APl和AP4之间的恒定延迟差曲线。如110所示，在给出的示例中，用户的位置应该是双曲线120上的某处。另一方面，也如140所示，用户的位置也应该是由参考符号130所标记的双曲线上的某处。因此，在双曲线110和130的相交处，可以标识也由参考符号140所表示的用户的位置，即用户移动设备的位置，。本发明的实施例利用这样的事实已知的站APl到AP4之间的距离是已知的，因为它们成固定的位置关系，而且基于站彼此之间的间隔距离， 可以通过利用距离和传播速度来计算相应发射的信号的精确传播时间。通过基于精确计算来建立到达时间差，可以建立精确到达时间差与由所讨论的两个站的不精确时钟测量的到达时间差的关系。基于两个接收站处到达时间差的时间依赖性模型，可以进行分析以标识由两个接收站的不精确时钟测量的到达时间差的相应误差值。此外，基于精确计算，系统能够计算校正值，并能够导出在任意时间点关于这两个接收站的精确到达时间差。例如，这可以通过将任意时间点的正确值与此时间点的建模值相关联以计算当前校正值来实现。优选地，此上下文中的数学运算是除法以将值相关联，以及乘法以利用当前校正值来计算从用户设备接收到的信号的经校正到达时间差。可以对于作为图I的实施例中所示出配置的一部分的任何两个接收站，执行这样的过程。因此，根据本发明，不需要确定绝对值，相反只需要确定任何两个接收站之间的相关时钟行为。当然，也可以由用户设备确定到达时间差，这另一方面要求多个进一步设施，以便从用户设备接收和/或向用户设备转发相对应的数据。为了对用户设备执行精确位置估计，优选地，要求约为Ins量级的时序精度，这对应于三分之一米。图2给出了由参考符号290表示的两个站APl和AP2处的时钟行为的示例。在垂直轴上，站AP2处的时钟本地时间由275来标记,在水平轴上,站APl的时间由265来标记。曲线图中的由参考符号215、220、230、235、240、245以及255来表示的三角形分别表示站APl到AP2处唯一信号的接收时间。如果APl和AP2处的时钟正确地并且非常精确地执行，则将不会有连接三角形的曲线，它们全部都将落在直线上。在此情况下，已经从信号(可以是来自AP4的信标信号)的接收时间减去了基于信号传播速度以及分别在AP4与AP2和AP4与APl之间的距离计算的已知信号传播时间。由于站的位置是已知的，因此，计算可以由本领域普通技术人员轻松地执行。还可以想象，可以通过任何合适的回归或内插法，例如通过简单多项式，来建模连接各个三角形的由参考符号210所表示的曲线。然而，还可以构想其他合适的建模技术，例如通过利用测量的本地时钟值对培训的神经网络的值近似。参考符号250将时间表示为在相应的站APl和AP2处接收到来自用户移动设备的信号的任意时间点。可以通过多项式曲线拟合来获得测量值之间的平滑曲线，该平滑曲线产生用户观察时间处AP I和AP2之间的时间差。例如在图3所示出的配置中进一步说明不精确本地时钟的这种依赖性。具体而言，这里示出了由321所指的站AP2的本地时钟以及由311所指的站APl的本地时钟。进一步指出，基于距离以及传播速度的计算，由参考符号Tp42所标记的AP4和AP2之间的信号传播时间是已知的，由TpU所表不的在AP4和APl之间传输的信号传播时间同样如此。为从站AP4发送的信号和相关时序进行的测量可以例如被发送到由参考符号380所表示的服务器，该服务器执行所需的计算以及诸如回归分析之类的合适建模功能，其多项式曲线拟合是一个示例，而由参考符号350所标记的箭头例示了该发送。例如，可以通过空中测量来获得相关时钟行为。
例如，可以按下列方式来执行传播时间校正。可以假设，在已知位置有两个接收站APl和AP2。APl和AP2的时钟正在以纳秒走动，并且彼此不同步。如此，它们相对于彼此在时间上漂移。另一方面，APl和AP2两者都能够精确地对接收到的相同信号(例如以来自单一发射站AP4的帧的形式)加盖时间戳。基于信号传播速度和站之间的距离，已知由AP4发送的帧在Ins内传播0. 3m,因此与APl相隔30m并且与AP2相隔18m的AP4导致从AP4到AP130m/0. 3m/ns=100ns的传播延迟，而从AP4到AP2的传播延迟是18m/0. 3m/ns=60ns。例如，API利用629，154，927ns的读数对从AP4接收到的帧加盖时间戳，而AP2利用402，549，572ns的读数对从AP4接收到的相同帧加盖时间戳。在此情况下，APl例如计算与AP4发送帧的同时其时钟读数是629，154，927-100=权利要求
1.一种至少涉及成固定位置关系的第一设备(AP4)、第二设备(AP2)以及第三设备(API)的用于计时方法，所述方法包括 -至少所述第一设备(AP4)发送具有唯一标识的至少第一和第二信号； -至少所述第二(AP2)和第三设备(API)在接收到所述第一和第二信号时将由所述第二和第三设备的相应第二和第三本地时钟(321，311)测量的接收时间分别与所述第一和所述第二信号相关联，导致所述第二(AP2)和第三(API)设备的至少两个本地时钟值对； -基于所述本地时钟值对,建模所述第二和第三本地时钟随时间的依赖性时间函数，作为第一模型曲线； -在任意时间点，在所述第二(AP2)和第三(API)设备处从用户设备接收用户信号，在接收后，将由所述第二和第三设备的相应第二和第三本地时钟(321，311)测量的接收时间与所述用户信号相关联，导致所述第二(AP2)和第三(API)设备的本地时钟用户值对； -基于所述第一(AP4)与所述第二(AP2)设备和所述第一(AP4)与所述第三(API)设备之间的相应距离以及已知信号传播速度，根据所述固定位置关系，计算在所述第二(AP2)和第三(API)设备处从所述第一设备(AP4)接收到的信号的参考到达时间差RTDOA ； -根据所述用户值对，计算用户到达时间差UTDOA ； -在任意时间点，根据所述第一模型曲线确定值，并基于所述值计算所确定到达时间差DTDOA ； -将RTDOA与DTDOA相关联，以确定当前校正因数；以及 -对于计时，使用当前校正因数来校正UTDOA。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，发送两个以上的信号；并且其中，对于所有信号，建模相应的模型曲线。
3.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述信号是以无线方式发送的。
4.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述信号是信标信号。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述信号是帧。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述唯一标识是帧编号。
7.如前述权利要求5到6中任一项所述的方法，其特征在于，所述帧是根据标准IEEE802. 11 的帧。
8.如权利要求2到7中任一项所述的方法，其特征在于，所述对时间函数的建模涉及多项式的最小平方拟合。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个信号在所述任意时间点之前被发送，至少一个信号在所述任意时间点之后被发射。
10.如权利要求2到9中任一项所述的方法，其特征在于，在所述任意时间点之前和之后发送相同数量的信号。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，涉及与所述第一到第三设备(AP4，AP2，API)成固定位置关系的第二第三设备，建模第二模型曲线，以及计算与所述第二第三设备和所述第二设备(AP2)或所述第三设备(API)的星座图相关的第二用户TD0A。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，基于所述第一和所述第二用户TD0A，确定用户设备的位置。
13.一种用于计时的装置，包括 -至少第一(AP4)、第二(AP2)和第三(API)设备； -所述第一设备(AP4)具有用于发送带有唯一标识的至少第一和第二信号的发射器(620)； -所述第二和第三设备(AP2，API)具有用于接收所述至少第一和第二信号的接收器(615)和时钟，以及用于将在相应信号的接收时间处的相应所测量第二和第三本地时钟(321，311)与相应信号相关联，导致所述第二(AP2)和第三(API)设备的至少两个本地时钟值对的控制器(625)； -处理器(625)，用于基于所述本地时钟值对，建模所述第二和第三本地时钟随时间的依赖性时间函数，作为第一模型曲线； -所述第二(AP2)和第三(API)设备进一步适于在任意时间点在所述第二(AP2)和第三(API)设备处从用户设备接收用户信号，并接收到所述用户信号之后将由所述第二和第三设备的相应第二和第三本地时钟(321，311)测量的接收时间与所述用户信号相关联，导致所述第二(AP2)和第三(API)设备的本地时钟用户值对， -所述处理器(625)适于基于所述第一(AP4)与所述第二(AP2)设备和所述第一(AP4)与所述第三(API)设备之间的相应距离以及已知信号传播速度，根据所述固定位置关系，计算在所述第二(AP2)和第三(API)设备处从所述第一设备(AP4)接收的信号的参考到达时间差RTDOA ;以及用于根据所述用户值对来计算用户到达时间差UTDOA ； -所述处理器(625)进一步适于在所述任意时间点，根据所述第一模型曲线确定值，并且基于所述值计算所确定到达时间差DTDOA ； -其中，所述处理器(625)进一步适于关联RTDOA和DTDOA以确定当前校正因数；以及 -对于计时，使用所述当前校正因数来校正UTDOA。
14.如权利要求13所述的装置，包括连接到所述设备(AP1，AP2，AP4)的配备有所述处理器(625)以执行计算和建模的服务器(380)。
15.一种用于计时的装置，包括 -至少第一(AP4)、第二(AP2)和第三(API)设备； -所述第一设备(AP4)具有用于发送带有唯一标识的至少第一和第二信号的发射装置； -所述第二和第三设备(AP2，API)具有用于接收所述至少第一和第二信号的接收装置和时钟，以及用于将在相应信号的接收时间处的相应所测量第二和第三本地时钟(321，311)与相应信号相关联，导致所述第二(AP2)和第三(API)设备的至少两个本地时钟值对的处理装置； -用于基于所述本地时钟值对，建模所述第二和第三本地时钟随时间的依赖性时间函数作为第一模型曲线的建模装置； -所述第二(AP2)和第三(API)设备进一步适于在任意时间点在所述第二(AP2)和第三(API)设备处从用户设备接收用户信号，并在接收到所述用户信号之后将由所述第二和第三设备的相应第二和第三本地时钟(321，311)测量的接收时间与所述用户信号相关联，导致所述第二(AP2)和第三(API)设备的本地时钟用户值对， -处理装置(380)，用于基于所述第一(AP4)与所述第二(AP2)设备和所述第一(AP4)与所述第三(API)设备之间的相应距离以及已知信号传播速度，根据所述固定位置关系，计算在所述第二(AP2)和第三(API)设备处从所述第一设备(AP4)接收的信号的参考到达时间差RTDOA ；以及用于根据所述用户值对来计算用户到达时间差UTDOA ； -用于在任意时间点，根据所述第一模型曲线确定值，并且基于所述值计算所确定到达时间差DTDOA的装置； -其中，所述处理装置(380)适于关联RTDOA和DTDOA以确定当前校正因数；以及 -对于计时，使用所述当前校正因数来校正UTDOA。
16.如权利要求15所述的装置，包括连接到所述设备(AP1，AP2，AP4)以执行计算和建模的服务器(380)。
17.一种计算机程序产品(500)，包括在其上面存储了程序代码的存储介质(500)，当程序代码被计算机读取和执行时，执行如权利要求I到13所述的方法中的任一个。
全文摘要
本发明提供一种用于计时的方法、装置以及计算机程序产品，该计时利用各个接收站的时钟的相关行为以及相应的建模，以导出来自用户设备的信号的到达时间差，该时间差可用于基于建模时钟行为来校正到达时间差，并导致接收到的用户信号的正确计时无需各种接收站中的时钟同步。此原理适用于多对接收站以及在它们之间传输的信标信号，并可以对用户设备进行正确的位置估计。
文档编号G01S5/02GK102762999SQ201080055565
公开日2012年10月31日 申请日期2010年1月22日 优先权日2009年12月10日
发明者D·贝文, S·盖尔 申请人:诺泰网络有限公司