专利名称：闭环跟踪系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在远端和本地确定与跟踪能够运用GPS(全球定位系统)的无线通信设备的地理位置的系统和方法。
背景技术：
全球定位系统(GPS)使用移动GPS接收机来接收来自GPS卫星的全球位置数据。GPS接收机把经度和纬度位置提供给操作者。如果位置数据是可靠而精确的，并且能够很经济地得到，则GPS系统是有效的。
蜂窝电话给予蜂窝电话用户在任何时间从几乎任何地方发起呼叫的能力。在紧急911蜂窝电话呼叫的情形下，911操作员常常希望确定蜂窝电话呼叫者的位置。对于非紧急情形，也希望识别蜂窝电话用户发起呼叫的位置。例如，操作者在不熟悉的城市驾车时，可能希望确定特定的旅馆或餐厅的位置。
授权给Grimes的美国专利No.5,388,147描述一种蜂窝通信系统，其中蜂窝电话把地理坐标变换成定位信息，以及把定位信息发送到蜂窝通信系统。
这些蜂窝电话定位系统的问题在于，从地理坐标得到的定位信息常常太粗略，从而对于定位蜂窝电话用户没有很大价值。这些蜂窝定位系统的另一个问题在于，蜂窝电话不能在由蜂窝电话操作者建立的、用于与一个跟踪系统操作者通信的相同话音信道上发送包含定位信息的数字数据。便携式定位器装置使用与蜂窝网完全分开的通信网。
本发明解决与现有技术有关的这个和其它问题。
发明概要闭环跟踪系统通过在实时和历史的基础上向移动单元查询位置数据从而精确地跟踪目标。所查询的数据在生成候选轨迹之前被过滤和被校正。跟踪系统选择最佳的候选者以供在地图上显示。当跟踪系统需要附加信息来实现最佳候选者的选择时，就向移动单元查询用于作出正确选择所必须的数据，从而使得跟踪系统成为闭环。
跟踪系统通过一个话音信道发送数字位置数据，该话音信道与为了跟跟踪系统的电话接听者进行话音通信而建立的话音信道相同。这防止移动单元必须与跟踪系统建立第二个分开的无线数据通信连接。
使用地图来识别被跟踪的移动单元的位置。通过使用除全球定位系统和三角数据外的、来自各种不同的源的测量校正值，可以提供在纬度和经度上更好的位置精度。
通过参照附图作出以下的本发明的优选实施例的详细说明，将更容易明白本发明的上述的和其它的特性与优点。
附图简述
图1是使用闭环跟踪来跟踪移动单元的通信系统的系统图。
图2是图1所示的移动单元的详细的方框图。
图2是图1所示的跟踪系统的详细的方框图。
图4是显示用于跟踪移动单元与跟踪系统之间的通信的消息流程的图。
图5是显示用于从冷启动得出移动单元位置的消息流程的图。
图6是显示用于移动单元历史请求的消息流程的图。
图7是显示在移动单元或在跟踪系统中进行预处理的方框图。
图8是显示在预处理期间被使用来滤除坏的移动单元测量值的粗滤波器的方框图。
图9是显示来自操纵模型的测量的运动状态和预测的运动状态的图。
图10是显示对于操纵模型如何确定位置记分的图。
图11是显示对于操纵模型如何确定方位(heading)记分的图。
图12显示对于操纵模型如何确定速度、加速度或冲击记分的图。
图13是显示对于操纵模型的总的记分如何被使用来识别好的和坏的移动单元测量值的图。
图14是显示在跟踪系统中如何执行跟踪的方框图。
图15是显示空间阵列中道路和交截点候选者的图。
图16是显示在空间阵列中如何交换仓室(bin)的图。
图17是显示如何生成虚拟轨迹的图。
图18是显示对于同一个道路如何生成一个以上的虚拟轨迹的图。
图19是显示虚拟轨迹如何随时间传播的图。
图20是显示对于不同的运动状态如何生成新的虚拟轨迹以及如何删除老的虚拟轨迹的图。
图21是显示对于虚拟轨迹如何产生距离记分的图。
图22是显示对于虚拟轨迹如何产生方位记分的图。
图23是显示对于虚拟轨迹如何产生速度记分的图。
图24是显示对于虚拟轨迹如何产生总的记分的图。
图25是显示跟踪系统如何选择最佳的虚拟轨迹的图。
图26是显示对于最佳的虚拟轨迹如何得出地址的图。
优选实施例详细描述参照图1，无线通信网12包括移动单元14，该移动单元14接收来自用户23的话音信号。在图1所示的例子中，移动单元14是蜂窝电话。然而，移动单元可以是与跟踪系统40之间进行无线数据通信的任何便携式设备。例如，移动单元14也可以是安装在汽车中的装置或是安装在便携式计算机或掌上式计算机中的系统。
在移动单元14中的话音编码器(音码器)18把话音信号22编码成编码的数字话音信号31，并将其通过无线数字无线信道34(蜂窝呼叫)进行发送。蜂窝电话14把编码的话音信号31发送到蜂窝通信台址(小区台址)36，后者把蜂窝呼叫转发到蜂窝电信交换系统(CTSS)38。CTSS 38把蜂窝呼叫通过PSTN网和/或互联网42连接到跟踪系统40。
移动单元14中的GPS处理器30接收来自一个或多个GPS卫星20的经度、纬度和其它位置信息。带内信令(IBS)调制解调器28固定在移动单元14中。IBS调制解调器28把数字GPS数据29调制成合成的数字数据音26。数字数据音26防止蜂窝网12和地面线路网络42中的编码的部件(诸如音码器18)破坏数字数据。话音编码器18把数字数据音26变换成编码的数字数据32，后者可以在被使用来发送编码的话音信号31的同一个数字音频信道34上被发送。
IBS调制解调器28中使用的编码和调制方案允许数字数据29通过在移动单元14中用于编码话音信号22的同一个话音编码器18被发送。这防止用户23必须通过使用分开的无线调制解调器发送数字数据，以及使得用户23能够在同一个数字无线呼叫期间发送话音信号和数字信号。在2000年3月21日提交的、共同待决的美国专利申请序列号No.09/531,367中详细地描述IBS调制解调器，该专利申请在此引用，以供参考。
跟踪系统40接收由移动单元14发送的编码的话音信号31和编码的数字GPS数据32。跟踪系统40包括一个或多个IBS调制解调器41，用于检测和译码在无线信道34上发送的编码的数字GPS数据32。
图2是移动单元14的更详细的图。开关60把来自话筒58的话音信号22或来自IBS调制解调器28的数字数据音29耦合到话音编码器18。
可以通过移动单元14中显示屏幕62上的菜单或通过按钮64而对开关60进行控制。借助于按钮64的启动，可以使GPS处理器30把从GPS卫星20得到的GPS位置数据32发送到IBS调制解调器28，以便在无线信道34上发送。开关60也由移动单元14的键盘上的一个按键(未示出)控制。GPS处理器30也可以通过来自跟踪系统40的跟踪器请求或来自它本身的启动而自动地控制开关60。数字GPS数据也可以通过移动单元14的免提端口56被输入。当使用先进的调制技术时，这个开关是不必要的，因为话音和数据可以同时被发送。
借助于用户呼叫跟踪系统40的电话号码，可以由跟踪系统40建立无线信道35。在移动单元用户23与跟踪系统处的电话接听者84之间建立话音通信31(图3)。电话接听者84引导用户23去按压按钮64。蜂窝电话操作员23按压按钮64，以使得GPS处理器30发送从GPS卫星20得到的GPS数据。GPS处理器按照连续的方式获得GPS数据。在跟踪应用中，这个按钮的作用可以是周期性的，而不是按照“按下-发送”的方式起作用。同时，开关60把IBS调制解调器28连接到话音编码器18。IBS调制解调器28然后启动。GPS数据29被GPS处理器30输出到IBS调制器28。数字GPS数据被IBS调制解调器调制，以及被输出到移动单元14中话音编码器18去。话音编码器18通过无线信道34把编码的GPS数据输出到跟踪系统40。
用户23可以在人工呼叫跟踪系统40的电话号码后的任何时间按压按钮64。GPS位置数据(或其它数字数据)作为数字数据音通过IBS调制解调器28在无线信道34上被发送到跟踪系统。
跟踪系统40可以向GPS处理器30对附加的位置历史作出随后的请求44。响应于这些请求44，GPS处理器30发送附加GPS数据32给跟踪系统40。在跟踪系统识别对移动单元14最佳的跟踪后，跟踪信息46被发送到用户23。跟踪信息46可以以下列形式出现，即可以是跟踪系统处接电话接听者的实际话音信号、来自一个自动值班设备的以电子方式生成的音频信号、或在显示器62上显示给用户23的数字数据。在数据被成功地发送后，用户可再次按压按钮64，把开关60重新连接到话筒58。
图3是前面图1所示的跟踪系统40的更详细的图。跟踪系统40包括定位业务控制器(LSC)70，它包括IBS调制解调器72，用于接收来自移动单元14的数字GPS数据。处理器76使用位置数据，并且连同地图74、操纵模型78和定位历史79一起来跟踪移动单元14的位置。电话接听者84通过电话82接收来自移动单元的用户的初始定位请求。电话接听者84使用计算机80来接入由LSC 70译码以及用于显示由处理器76提供的跟踪信息的的位置数据。电话接听者84然后口头报告或以数字方式传送最佳的跟踪定位信息给移动单元14的用户23。
图4是显示在移动单元14与跟踪系统40之间的闭环通信顺序的方框图。图4的消息流假设GPS位置测量已经通过了移动单元14和缝合系统的滤波测试。在方块100，用户通过无线通信系统拨打缝合系统40。在呼叫建立期间，在方块102，移动单元保持与GPS卫星的GPS坐标点。跟踪系统40的LSC 70在方块104被连接到由移动单元14建立的音频路径。在方块106，LSC检测开放的线路，以及侦听与移动单元的连接。在方块108，跟踪系统40回答呼叫。
在方块110，在缝合系统处的电话接听者回答呼叫，以及请求确定移动单元的位置。响应于位置请求，在方块112，移动单元用户按压定位缝合按钮。在方块114，移动单元关断被连接到拾取音频话音信号的话筒的音频发送路径(TX)。在同时出现话音和数据的情形下，这个动作是不必要的，移动单元从GPS接收机得到位置坐标点，以及把该坐标点发送到跟踪系统。
在方块118，LSC译码由移动单元IBS调制解调器发送的位置消息。远端跟踪系统然后向移动单元传送闭环跟踪方案。在闭环跟踪方案中，远端跟踪系统可以请求来自移动单元的附加位置历史。移动单元存储以前的位置数据和当该位置历史被请求时把它发送到跟踪系统。在方块116，移动单元然后接通发送路径。
在方块120，位置数据被发送到地图引擎(map engine)(在图3上被显示为处理器76)，以便跟踪移动单元。地图引擎获得对于该移动单元的坐标点并对其进行显示。在方块122，地图坐标点被显示给远端跟踪系统处的电话接听者。根据这个移动单元坐标点，电话接听者通过已接通的发送信道提供辅助数据给移动单元。
在方块124，用户通过收听电话接听者信息接受帮助，然后终结与跟踪系统的通话。在方块126，呼叫连接被断开。在方块128，LSC检测呼叫终结以及挂机。在方块130，电话接听者挂机。
图5显示在移动单元中没有保持当前的GPS位置的情形下的呼叫的流程。这种情况也被称为“冷启动”，其中GPS处理器在从GPS卫星获得位置之前需要帮助。执行相同的操作100，104，106，108，110和112以便建立在跟踪系统与移动单元之间的通信。
在方块132，移动单元请求来自跟踪系统的GPS辅助数据。在方块134，LSC确定GPS辅助数据和对于移动单元为了得到在GPS卫星上的坐标点所必须的时间同步数据。在方块135，LSC发送必要的GPS数据到移动单元，以及移动单元得到来自GPS卫星的坐标点。在方块136，GPS位置数据被发送到LSC.LSC然后译码发送的GPS数据，以及进行闭环跟踪。当LSC具有从移动单元请求的所有的定位信息时，在方块137，移动单元接通音频发送路径。
在方块138，LSC发送位置数据到地图引擎，其中位置数据被使用来得出最佳的移动单元轨迹。在方块138，最佳的轨迹被显示给电话接听者。在方块140，电话接听者使用显示的信息来帮助移动单元。然后，在方块142，144，146和148，呼叫被终结。
图6显示对于由电话接听者人工发起的或由跟踪系统40自动地发起的历史请求的消息流程。在方块150，电话接听者向移动单元请求或者“停止”历史或者“操纵”历史。在方块152，LSC向移动单元请求历史数据。然后，在方块154，移动单元把来自存储器的所请求的位置历史发送到跟踪系统40。
在方块156，LSC译码位置历史数据，以及执行闭环跟踪。来自闭环跟踪的位置数据被发送到地图引擎。同时，在方块160，移动单元接通音频发送路径。在方块158，标识移动单元位置的地图被显示给电话接听者。在方块162，电话接听者根据地图位置给移动单元用户提供帮助。在方块164，166，168，和170，用户接受帮助以及终结呼叫。
图7是显示移动单元14如何预处理GPS数据和应答闭环跟踪器请求。在方块200，移动单元从一个或多个GPS卫星接收包含GPS测量数据的标准数字数据串。GPS数据串被变换成压缩的二进制格式。
在方块202，移动单元14中的GPS处理器30(图2)应答来自跟踪系统40的、对于位置和历史数据的请求205。GPS处理器30(图2)恢复先前被存储在存储器208的历史阵列中的压缩的二进制数据。
方块204滤除坏的GPS报告。根据高、中、低和无速度的操纵模型相对于过去的历史对当前的GPS报告进行过滤，以便检测和消除坏的GPS测量值。这在图8上更详细地被描述。在方块208，移动单元的位置数据被保存。移动单元停止位置历史和先前的报告历史在特定的时间间隔内被保存。保存的位置数据被使用来确定在先前规定的时间间隔内在操纵期间的高度的改变、复杂操纵的跟踪、和停止的位置。在一个例子中，历史时间间隔约为24小时。
以下的测量数据被保存在存储器块208。操纵历史包括在某些预定的时间间隔内移动单元的位置的历史。在一个例子中，操纵历史被保存最后30秒。操纵历史包括对于每个位置的全部运动状态。停止历史包括在最后二十四小时内移动单元停留的每个位置。刷新数据出现在移动单元周期地和自动地唤醒和更新它的当前的X和Y位置的情况下。
在方块206，移动单元位置数据被变换成分组，以及被加以调制，以便作为报告203发送到远端跟踪系统40。“带内”信号调制使得GPS报告203能够通过蜂窝电话网的数字话音信道进行发送。GPS数据可以通过使用变化的频率(被称为频率捷变键控(FAK))来发送，以便代表不同的比特表示。这些频率可以“欺骗”数字音码器，使得它们能够允许数据作为话音来传送。
可以达到更高的比特速率，因为该数据代表多个比特，而不是那种通过诸如移频键控(FSK)的方式发送的标准I/O组合。这些带内调制技术已在2000年3月21日提交的、题目为“Improved In-bandSignaling for Data Communications over Digital WirelessTelecommunication Network(用于数字无线电信网的数据通信的改进的带内信令)”的共同待决的美国专利申请序列号No.09/531,367中描述，该专利申请在此引用，以供参考。
通过使用这个传输方案，方块206响应于位置和历史请求205，以及执行与远端跟踪系统40之间在时间上同步的运行。
图8更详细地显示在图7的方块204中坏的移动单元GPS测量值如何被滤除。根据高/中/低/无速度操纵模型，移动单元相对于过去的测量历史来对当前的报告进行过滤，以便检测和消除坏的GPS定位测量值。应当看到，下面描述的过滤可替换地在跟踪系统中执行，而不是在移动单元中执行。
移动单元的运动状态被保存在图7的移动单元存储器208中。在方块210，识别移动单元的先前的运动状态。在一个例子中运动状态被每秒确定一次。运动状态包括移动单元的当前的位置、速度、加速度、和冲击。冲击是加速度的微分。
先前的运动状态被存储起来以便用于移动单元的先前的测量位置以及移动单元的新的或当前的运动状态，后者是部分地根据移动单元的先前的运动状态确定的。诸如加速度和冲击的参量是根据多个先前的运动状态的位置、速度、和加速度确定的。时间过滤器被使用来确保两个被比较的状态处在所执行这样的计算的合理的时间间隔内。
方块218把高、中、低和无速度操纵模型与从当前的和先前的运动状态得到的移动单元的动作相比较。操纵模型包括速度范围、方位范围、位置范围、加速度范围和冲击范围。这些范围依赖于操纵模型而变化。例如，无速度操纵模型代表移动单元当前处在停止状态。停止的移动单元的下一个方向可以是任何方向。因此，对于无速度操纵模型的方位范围在±180度内进行选择。然而，无速度操纵模型的速度范围是相对较小的，因为静止的移动单元在1秒的测量时间间隔内只能将速度改变一个有限的量。
另一方面，高速度操纵模型具有相对较小的方位范围。这是因为高速度移动单元在1秒内只能将它的方位改变有限的量。例如，一个高速度移动单元，诸如以60MPH(哩/每小时)行进的汽车，在1秒内不可能将方向改变90度。然而，60MPH的汽车可以在1秒内改变它的速度，或者加快或者减慢，其改变量比起一个携带移动单元的低速度的个人要大得多。因此，高速度操纵模型比起低速度操纵模型可以具有更大的速度范围。
移动单元的动作是根据在方块214产生的操纵模型的先前的和当前的运动状态被确定的。在方块218，把快、中、慢和停止的操纵模型与所得出的目标的行动相比较。如果当前测量的运动状态216处在任何一个操纵模型的范围内，则在方块222，把该测量值作为良好的测量值保存。如果当前测量的运动状态216不处在任何一个操纵模型的预定的门限值内，则在方块220把当前的测量值标记为坏的。
图9-11更详细地显示操纵模型如何被使用来滤除坏的测量值。方块230显示在时间T1测量的移动单元的先前的运动状态K1。先前的运动状态K1包括在时间T1时的位置、速度、加速度、冲击和方位。
运动状态可以具有或多或少的参量，这取决于被使用来跟踪移动单元的具体的跟踪方案。GPS处理器30负责获取用于确定移动单元位置的GPS卫星数据，并且负责计算作为跟踪预处理功能的速度、方位、加速度和冲击。取决于处理需要，这个功能可以在跟踪系统或移动单元中执行。这个选择是根据希望扩大处理负载与希望减小远端单元成本这两者的相对关系而作出的。
在移动单元中(图2)或者在跟踪系统40中(图3)的GPS处理器30根据先前的运动状态计算速度、加速度、冲击和方位。
方块234中显示了无速度操纵模型的一个例子。在无速度操纵模型234中预选择对于位置、速度、加速度、冲击和方位参量的范围235。例如，在无速度操纵模型234中的位置范围是在与时间T1时的先前测量的位置相距0-5英尺之间。速度范围是与运动状态K1中先前测量的速度相差0-5MPH。对于方位可以预选择一个范围。在本例中，在无速度操纵模型中方位范围是从0-360度的任何值。对于加速度和冲击的范围也可预先规定。
方块236显示低速度操纵模型的一个例子。低速度操纵模型234的位置范围是0-20英尺。速度是在0MPH与±5MPH之间。应当指出，方位范围仅仅是±90度，并且小于无速度操纵模型的360度范围。这是因为慢运动移动单元在1秒内不太可能改变方向90度以上。类似的操纵模型可被使用于中等和高速度操纵模型。
图10显示移动单元的当前的测量位置M1如何与移动单元的预测的位置P1进行比较的一个例子。圆238代表离预测位置P1的、对于中等速度操纵模型的位置范围。圆238代表移动单元如果以中等速度(比如说10-40MPH)行进时可能处在的所有可能位置。圆240的中心代表移动单元当前测量的位置。圆240的直径代表与GPS测量有关的估值的误差。例如，圆240可能具有100英尺的直径。
任何的地理测试，诸如x平方(x2)测试，可被使用来确定在远238与圆240之间的重叠区域242的大小。确定两个地理形状的交截部分是本领域技术人员已知的，所以，这里不作更详细的描述。区域242正比于提供给中等速度操纵模型的被测量的运动状态的位置记分M1。虚线圆244代表对于高速度操纵模型的位置范围。由于移动单元对于高速度操纵模型具有较高的速度，圆244的面积更大。点线区域246与阴影区域242相组合，代表对于高速度操纵模型的当前测量的移动单元位置的位置记分M1。
图11显示对于各种操纵模型如何计算方位记分的图。矢量250代表基于先前的运动状态K1的、移动单元的预测的方位。矢量252代表在时间T2对于移动单元的当前测量的方位。虚线254代表对于低速度操纵模型的方位范围。虚线256代表对于中等速度操纵模型的方位范围。
当移动单元速度增加时，方位改变的范围减小。例如，在40MPH时比起10MPH时更难转边45度。因此，对于低速度操纵模型的方位范围254大于中等速度操纵模型的方位范围256。
首先确定在时间T2测量的当前的方位252是否处在任何操纵模型的范围内。在图11所示的例子中，测量的方位252不处于中等操纵模型的范围256内。所以，对于中等速度操纵模型的方位记分是零。在本例中，当前测量的方位252处在低速度操作模型的方位范围内。所以，可确定在预测的方位250与测量的方位252之间的角度258。对于低速度操纵模型的方位记分正比于角度258。
图12显示被用于确定不同操纵模型的速度记分的类似的矢量分析。类似的矢量分析被使用来得出加速度和冲击记分。速度矢量251代表在当前时间T2移动单元的预测的当前的速度。在一个例子中，预测速度是与对于先前的运动状态K1的计算速度相同的。虚线255代表对于低速度操纵模型的速度范围。虚线257代表对于中等速度操纵模型的速度范围。
如上所述，首先确定移动单元的当前测量的速度253是否处在任何操纵模型的范围内。如果不是，则对于操纵模型的速度记分都被设置为零。如果测量的速度253是处在一个或多个操纵模型的范围内，则把测量的速度253与预测的速度251进行比较。
在本例中，测量的速度253处在中等操纵模型的速度范围257内。预测速度251与测量速度253之间的差值被使用来得出对于中等速度操纵模型的速度记分。因为测量的速度253不处于低速度操纵模型的范围255内，对于低速度操纵模型的速度记分被设置为零。
图13显示对于不同的操纵模型的记分如何被使用来确定测量的移动单元位置是被保持还是被丢弃。方块260显示相对于低速度操纵模型的、对于移动单元的测量位置的记分262。记分262是对于每个无速度、低、中和高速度操纵模型针对每个参量得出的，如图9-12所示。在一个例子中，每个记分被归一化为处在0与1之间的范围。
加权因子264可被应用到各个记分262。加权因子264允许把优先级分配到特定的参量，它可提供有关当前的移动单元测量精度的更好的信息。例如，在一个实验中，已发现位置记分比起其它参量提供更多的关于移动单元测量精度的信息。因此，在方块260中应用到位置参量上的加权因子#1比起其它加权因子264增加得更大。
加权因子264被应用到记分262上，以便得到对于低速度操纵模型记分260的总的记分266。图形268显示对于每个操纵模型的示例的记分。对于移动单元的当前测量的位置的最高的记分是对于低速度操纵模型的记分266。本例中低速度操纵模型记分具有25的数值。如果最高操纵模型记分大于门限值270，则在图8的方块222中，由GPS处理器保存当前测量的数值。如果最高操纵模型记分低于门限值270，则对于移动单元位置的当前测量的数值被标记为坏的以及被丢弃。门限值270是根据实验数据而预先规定的，它可随系统跟踪性能而改变。
如果测量的位置已通过上述的粗过滤，则该测量值被保存以及最终被发送到跟踪系统40作为移动单元的新的运动状态。重要的是指出，从GPS处理器得到的实际的原始测量位置数据被发送到跟踪系统。跟踪系统然后进行进一步预处理。这防止移动单元对位置作出假设，而不顾其它地图、历史和可供跟踪系统使用的其它传感器参量。
跟踪系统处理图14显示跟踪系统40如何使用来自移动单元的位置数据来产生最佳的轨迹。在方块280，由跟踪系统向移动单元请求当前的GPS位置数据和过去的历史数据。从移动单元接收的数据被变换成公共的表示和坐标系统。所述公共表示是包含纬度、经度(位置)、高度、方位、速度、加速度和冲击的运动状态。在一个例子中，使用世界测地系统(WGS84)坐标。WGS 84是地球固定的全球参考坐标系统，包括一个地球模型。
可以向移动单元请求几个不同的报告。第一个请求只得到移动单元的当前的测量的位置。另一个请求得到历史报告。至少有三种类型的历史报告。一个停止历史报告表示在某个先前的时间间隔内(例如24小时)移动单元停止时的所有的位置。操纵历史表示在某个先前的时间间隔内(例如最后30秒)移动单元的所有的位置。周期历史报告表示每30分钟一次对移动单元进行的周期的位置测量值。
方块282确定哪个操纵模型最好地代表移动单元的当前的运动状态。在时间T1的先前的运动状态K1与在时间T2的移动单元的当前的位置进行比较。通过先前的运动状态与当前的位置相比较，跟踪系统确定在时间T2时预测的运动状态。方块282选择一个操纵模型，该模型能提供与移动单元的当前的运动状态最佳的匹配。如图7-13所示，识别最佳的操纵模型的一个方法是识别能提供最佳的记分的操纵模型。操纵模型表示移动单元是处在高、中、慢、或无速度状态下。
方块284确定对于移动单元的当前的位置的道路和交叉点候选者。方块286产生和更新虚拟轨迹。方块288把虚拟轨迹融合到相关的道路中。数学上的切线和投影方法被使用来确定移动单元当前测量的运动状态的纬度和经度位置。在方块284中指明的道路和交叉点候选者通过使用测地学距离被过滤。在过滤过程中使用的测地学距离是建立在GPS误差的基础之上的。方块290使用Basian方法来给候选虚拟轨迹记分。速度、历史、距离和方位是在Basian记分方法中使用的记分。其结果是一个计算出的置信度。这些置信度在时间上相加和被归一化。识别一个最佳的轨迹，它比起所有其它虚拟轨迹能提高信号噪声比。
方块292选择最佳的虚拟轨迹。对每个轨迹的计算的置信度进行比较。建立信号噪声比门限值(报告基底)。信号噪声比门限值是可变的，以及可以被加以改变以便适应具有地理参考误差的地图。这允许跟踪系统可以工作在未改进的和稍稍进行了地理校正的地图数据库。在高度精确的地图上，信号噪声比门限值可被设置得较高，从而加速轨迹计算和消除不必要的虚拟轨迹。然后，根据速度、方位、操纵模型、与道路之间的距离、和先前的操纵条件来选择最佳的轨迹。
在方块294更新轨迹文件。可以根据能通过噪声门限值的最佳的轨迹来构建复合轨迹文件。在信号噪声比门限值方面不存在虚拟轨迹的情形下，使用原始的位置报告。针对在目标与移动单元的投影位置之间的误差的估值来计算协方差。置信度数值被显示装置使用来表明轨迹被老化而丢弃。所识别的最好虚拟轨迹被保存在复合轨迹文件中，以便作为可能的轨迹候选者的多假设历史来加以保持。所述历史可以随时被使用来校正误相关(miscorrelation)和改进轨迹精度。
一旦选择了最好虚拟轨迹，方块296就确定对于最好虚拟轨迹的地理编码的地址。这是通过从地址地图数据库中提取指向最好虚拟轨迹的最接近的测地学的地址而完成的。
通过计算协方差，方块298可以周期性地计算虚拟轨迹置信度。当协方差超过合理性门限值或虚拟轨迹随时间老化而丢弃时，虚拟轨迹被删除以及历史文件中最后的已知的位置被保存。在轨迹文件中提供置信度信息，以便用于实时显示置信度减弱。
方块300提供轨迹历史记录给电话接听者，其中包括对于每个最佳的虚拟轨迹的停止的位置点、位置、速度、和方位。这些数据在预测跟踪时被使用于将来的报告。方块302输出轨迹报告给显示器。更新值周期地提供给轨迹文件。更新值包括位置、速度、方位、纬度/经度、置信度和地理编码的地址。
虚拟轨迹生成图15更详细地显示在图14的方块284中如何识别道路和交叉点候选者。对于特定的区域304的交叉点和道路根据纬度和经度被分类成空间阵列。移动单元根据当前测量的位置306从跟踪系统请求位置。在位置306的给定距离318内所有交叉点308、310、312、314和316的一个空间阵列被用来作为交叉点候选者。交叉点320、322和324被丢弃，因为它们在过滤器326以外。以同样的方式，道路328、330、332、334和336被用作为道路候选者，因为它们处在过滤器326内。道路338被丢弃，因为它在过滤器326以外。
图16显示被使用于空间阵列304的仓室如何随时间按照移动单元的当前的测量位置306动态地改变。空间阵列304被分成多个仓室340A-340I。在一个例子中，每个仓室340代表经度和纬度上的1/10度。中心仓室340E是包含移动单元的当前的测量位置306的仓室。对于中心仓室340E和围绕着仓室340E的每个仓室的、处在滤波器326内的交叉点和道路候选者被使用来跟踪移动单元。交叉点和道路候选者按照它们相应的仓室被分类。
无论何时只要当前的测量的移动单元位置306移动到一个不同的仓室时，来自中心仓室和周围的仓室的道路和交叉点候选者就被使用来识别新的道路和交叉点候选者。被丢弃的现有的道路和交叉点候选者不再组成用于当前的移动单元位置的九仓室空间阵列的一部分。这防止位置306达到空间阵列的边缘以及具有受限制的数目的道路和交叉点候选者。例如，移动单元可以从仓室340E中的位置306移动到仓室340I中的新的位置342。跟踪系统306保持来自仓室340E、340F、340H和340I的、仍旧处在新的过滤器区域344内的道路和交叉点候选者。对于仓室340A、340B、340C、340D和340G的道路和交叉点候选者被丢弃，以及来自仓室340J、340K、340L、340M和340N的、处在过滤器区域344内的新的道路和交叉点候选者被添加。通过总是把空间阵列中心定在当前的测量的位置附近，不单防止跟踪系统接近空间阵列的边缘，而且可以快速识别道路和交叉点候选者。这也允许动态地更新空间阵列，从而减少把所有的点同时存储到存储器的需要。这就可以提供对于代表一个区域的数据组的更好的数据库管理。
更新和传播虚拟轨迹图17-19更详细地显示在图14的方块286中跟踪系统如何产生和更新虚拟轨迹，以及在图14的方块288中如何把候选者融合到道路和交叉点。
移动单元306的最后测量的运动状态被使用来生成对于识别的道路和交叉点候选者的新的虚拟轨迹350。每个虚拟轨迹350具有它自己的运动状态，它是基于移动单元的最后测量的运动状态、选择的操纵模型、纬度、经度、方位、高度、时间、道路标识、道路类型、道路类别、和与道路或交叉点候选者有关的任何其它参量。道路类别把道路标识为高速度道路、低速度道路、铁路轨道等等。
虚拟轨迹是对其中跟踪系统相信移动单元可以位于的不同位置的预测。例如，虚拟轨迹350A位于从移动单元测量位置306到道路候选者328的最接近的切线距离上。虚拟轨迹350A的方位被选择为在最接近位置306的道路328上的点351处道路328的方向。例如，道路328可以以通常的北南方向延伸，在偏北的第一方向上离开正北8度以及对于以相反方向行走时离开正北188度。在位置306处移动单元的方位可以具有离开正北10度的方位。在道路328上虚拟轨迹350A的位置被选择为在点351的位置处在8度的方位。当没有与当前的运动状态的方位相匹配的清楚的道路方向时，虚拟矢量350可以在道路的两个方向上被选择，或在来自交叉点的每个方向上被选择。
图18显示对于同一个道路候选者如何产生多个虚拟轨迹。道路候选者330可被断开成分段352、354和356。最接近的切线距离355从移动单元位置306到道路330的分段354被计算。对于分段354生成虚拟轨迹350B。道路330的其它分段352和356也可被识别为候选者。与道路分段352之间的距离被投影到位置306。虚拟轨迹350D和350E是分别对于道路分段352和356生成的。
图19显示虚拟轨迹350如何沿着相应于移动单元的当前的测量的运动状态的道路候选者而传播的。虚拟轨迹350是按照对于当前的移动单元运动状态所选择的操纵模型而传播的。例如，矢量350F代表在位置360处在道路328上的一个虚拟轨迹的运动状态，它与在时间T1时在位置306处移动单元的先前的测量的运动状态相对应。在移动单元的第二测量时间T2，虚拟轨迹350F被传播到新的位置和运动状态362。
在时间T2时虚拟轨迹350F的新的运动状态按照选择的操纵模型而改变。例如，中等速度操纵模型可能被选择用于移动单元。中等速度操纵模型可以具有30MPH的相关的速度。如果虚拟轨迹每秒一次被更新，在时间T2时传播的虚拟轨迹350F沿道路328被移动到48.5英尺远的位置。
图20显示虚拟轨迹350如何恒定地生成和更新。移动单元在时间T4被测量为处在新的位置364。当移动单元移动到这个新的位置时，新的道路和交叉点候选者在空间阵列中被跟踪系统识别。对于新的道路和交叉点候选者生成新的虚拟轨迹350K、350L、350M、350N和350R，它们都处在过滤区域326内。虚拟轨迹350G、350H、350I、和350J不再处在滤波326的范围326内，所以被删除。同样地，如果虚拟轨迹在选择的时间间隔内无法提供最小记分，则它们可被老化而丢弃。
即使移动单元在短的时间间隔内无法产生测量位置，虚拟轨迹仍继续跟踪移动单元。例如，移动单元可能在隧道中行进以及不能在几秒内获得或发送任何GPS坐标。在移动单元进入隧道之前产生的虚拟轨迹被传播到隧道，以及在移动单元从隧道出口后再次被获取和被验证。因此，即使在没有测量位置被发送，跟踪系统仍可虚拟地跟踪移动单元。
虚拟轨迹记分产生最高记分的虚拟轨迹作为最好轨迹被报告给跟踪系统电话接听者。图21-24在下面描述虚拟轨迹如何被记分以及如何选择最佳的虚拟轨迹。
距离图21显示对于虚拟轨迹350如何计算距离记分。确定从虚拟轨迹350到当前的测量的位置306的距离。该距离是基于两种或多种可能的情形计算的。在第一种情形下，距离测量值是沿道路的切线距离，诸如道路距离362。第二种情形是对于道路的切线处在实际交叉点以外的情形，这被称为映射情形。映射情形早先已在图18中描述。
线367代表从虚拟轨迹350B位置(纬度和经度)到测量的位置306的距离。线363代表从道路336上的虚拟轨迹350G到测量的位置306的距离，线365代表从道路332上的虚拟轨迹350D到位置306的距离，以及线369代表从道路328上的虚拟轨迹350F到位置306的距离。
距离371被存储在表370中。相同的和不同的加权因子372可以施加到该距离上。例如，如果虚拟轨迹是和与最后的最好选择的轨迹相同的道路有关的，则虚拟轨迹可以得到更高的加权因子。在另一个例子中，虚拟轨迹可能具有相关的道路类别，诸如低速度道路或人行道。然而，移动单元在位置306时的当前测量的运动状态可能表示移动单元正行进在高速度道路上。因此，加权因子可以施加到该虚拟轨迹，以便降低它的记分。
表370产生出距离记分的一个表374。差的距离记分出现在最大过滤距离318(图15)。最佳的距离记分是在零距离，在此，测量的移动单元位置直接处在与虚拟轨迹有关的道路的上面。虚拟轨迹350B在表370上具有10英尺的最好距离，以及虚拟轨迹350G具有50英尺的最坏距离。然后，记分374被加权，正如上面所述。
方位图22显示对于与虚拟轨迹350有关的方位如何确定方位记分。把处在位置306的移动单元的当前测量的运动状态的方位与虚拟轨迹350的实际的道路方位进行比较。其差值被使用来确定方位记分。最坏的方位记分是离开移动单元方位90度以及最佳的方位是离开移动单元方位0度或180度。如果其中有一条道路是单向的，则方位记分按照道路的单向方向以及移动单元是如何地接近于该方向来进行计算。
表376显示样本方位记分。虚拟轨迹350B和350D具有离开正北90度的道路332的方位。移动单元具有离开正北60度的测量的方位。所以，虚拟轨迹350B和350D具有离开移动单元30度的方位差值。虚拟轨迹350F具有离开正北2度的方位，并且因而具有离开移动单元的测量的方位58度的方位差值。相同的或不同的加权值也可施加到方位记分上。在本例中，对于所有的虚拟轨迹的方位记分都提供以等于5的加权因子。
先前的方位(历史)通过从最后的更新中取方位和把它与移动单元的当前的方位相比较，也可以对先前的方位计算记分。每个虚拟轨迹被给予一个记分。这个功能有助于解决由“最近的邻居”距离记分引起的偏移接近性(offset closeness)问题。任何附加的先前运动状态参量也可被包括在加权因子内。
速度图23显示对于不同的虚拟轨迹350如何计算速度记分。速度记分是通过取虚拟轨迹的相关的道路的速度标称值和把它与移动单元的当前运动状态所计算的速度相比较而被计算的。根据在当前测量的速度相对于标称的速度之间的差值和虚拟轨迹道路的类别，每个虚拟轨迹被给予一个记分。
表378显示对于虚拟轨迹350的样本速度记分。对于移动单元在时间T1时当前的运动状态，可以计算出它具有35MPH的速度。在位置377的道路332具有30MPH的标称值。在移动单元306与虚拟轨迹350B之间的速度差值是5MPH。把数值为2的加权因子施加到表378上的所有的速度记分上。虚拟轨迹350B具有的最终的速度记分为10。对于所有其它的候选者虚拟轨迹350计算速度记分。
虚拟轨迹350B、350D和350F具有最佳的速度记分，因为它们的相关的道路具有与移动单元的测量的速度(35MPH)最接近的标称值。虚拟轨迹350G具有最坏的速度记分，因为它的相关的道路336的标称值是70MPH。
图24和25更详细地说明了在图14的方块292中对于每个虚拟轨迹不同的记分如何相加在一起，以便确定移动单元的最佳的虚拟轨迹。在表380中，最低的总的记分代表最佳的虚拟轨迹。然而，各种不同的记分技术可被使用来把最佳的记分指派给最接近的距离、方位或速度虚拟轨迹。在表380中也可利用其它的记分参量。例如，对于速度、加速度和冲击的记分可以相加在一起。
在方块382，对于每个候选者虚拟轨迹的距离、方位、速度和历史记分被相加在一起，以便计算对于每个虚拟轨迹382的总的记分。一个附加的加权因子可被施加到虚拟轨迹上。在本例中，在图24上，使用200的门限值。如果在判决块386有一个或多个虚拟轨迹具有比门限值好的记分，则在方块384选择具有最好记分的虚拟轨迹作为最好虚拟轨迹。在图24的例子中，最好记分是最低的记分。具有低于200的门限值的最低记分的虚拟轨迹是虚拟轨迹350B。所以，在方块384，选择虚拟轨迹350B作为最好轨迹。
如果在判决块386没有虚拟轨迹记分比门限值200好，则在方块388，跟踪系统可以请求附加的测量历史(如果可提供的话)。然后，产生附加虚拟轨迹，以及在方块390从历史报告中计算新的虚拟轨迹记分。如果在判决块392，有一个或多个新的虚拟轨迹记分比门限值200好，则在方块394，选择具有最好记分的虚拟轨迹作为最好虚拟轨迹。如果仍旧没有虚拟轨迹记分比门限值好，则在方块396，使用移动单元的当前的测量的运动状态作为最好轨迹。
被使用来显示给电话接听者的最好虚拟轨迹随时间改变。被选择为最好虚拟轨迹的不同的虚拟轨迹在图14的方块294中被使用来更新轨迹文件。仅仅是用于测量时间参考的最好虚拟轨迹被输出给电话接听者。其它虚拟轨迹被保持以及在跟踪系统中被传播，但不显示给电话接听者。如果另一个虚拟轨迹在下一个测量时间内提供更好的记分，则该虚拟轨迹在下一个测量时间内被发送给电话接听者。这是使得系统成为一个自适应的多假设跟踪器的方法。
可以对于选择的最好虚拟轨迹生成置信度数值。置信度数值正比于选择的最好虚拟轨迹的记分。例如，在图24上，对于选择的最好虚拟轨迹350B的置信度记分正比于记分180。当老的虚拟轨迹在某个预定的时间段内无法提供好于门限值的记分时，该老的虚拟轨迹从跟踪系统数据库中被去除。
生成地理编码的地址图26显示如何按照选择的最好虚拟轨迹识别街道地址。在本例中，虚拟轨迹350B被选择为最好虚拟轨迹。当前的测量时间的虚拟轨迹350B位于点399。与移动单元的实际的测量的运动状态相反，虚拟轨迹被使用来识别街道地址，因为虚拟轨迹是与已知的街道经度和纬度位置有关的。
点401、403、405、407、和409代表地理编码的地址(街道地址)，它们先前已被存储在跟踪系统的地图数据库中。每个地址401、403、405、407、和409具有相关的经度和纬度。把最佳的虚拟轨迹350B的经度和纬度与在过滤区域内街道地址401、403、405、407、和409的经度和纬度进行比较。过滤区域由标准GPS误差规定。具有最接近于位置300的距离的街道地址被选择为该街道地址。例如，地址409被识别为最接近于虚拟轨迹450B的位置的距离。与点409有关的街道地址是111 S.W.Morrison Street，Portland(莫里逊大街，波特兰)，Or.97205。然后把该地址输出给电话接听者，以便中继到移动单元用户或其它紧急/服务中心。
其它参数可被使用来帮助识别最好地址。例如，被测量位置的移动单元可被识别为在道路332的特定的一侧。在道路332的同一个被识别的一侧的街道地址比起在道路332的另一侧的地址给予更高的优先级。
也可以按照选择的最好虚拟轨迹的方位选择街道地址。例如，最好虚拟轨迹可能具有道路332上向东的方位。道路332的南侧的地址然后比起在道路332的北侧的地址被给予更高的优先级。同样地，如果虚拟轨迹方位是在道路332上向西，则道路332的北侧的地址比起在道路332的南侧的地址得到更高的优先级。
最好虚拟轨迹和相关的街道地址然后被输出给电话接听者。电话接听者然后把信息通过口述或以数字方式中继到移动单元的用户。
本领域技术人员将会看到，对于本发明的上述的实施例的细节可以作出许多改变而不会背离本发明的基本原理。所以，本发明的范围应当仅仅由以下的权利要求确定。
权利要求
1.用于跟踪一个设备的系统，包括移动单元，用于获得位置数据和通过无线网的音频信道传送位置数据，移动单元也使用音频信道发送话音信号；以及跟踪系统，通过音频信道接收位置数据和话音信号，跟踪系统使用位置数据来识别对于位置数据的地图位置，然后把地图位置作为数字数据或话音信号通过音频信道转发回移动单元。
2.按照权利要求1的系统，其中跟踪系统向移动单元请求位置历史，根据从移动单元接收的位置数据历史来计算地图位置。
3.按照权利要求1的系统，其中跟踪系统按照接收的位置数据生成交叉点和道路候选者，识别在交叉点和道路候选者上的虚拟轨迹，以及选择与测量的位置数据相匹配的一个虚拟轨迹作为最佳的虚拟轨迹。
4.按照权利要求3的系统，其中跟踪系统识别操纵模型，它最好地代表移动单元的行动，然后按照操纵模型把虚拟轨迹沿着交叉点和道路候选者传播。
5.按照权利要求1的系统，其中测量的位置数据由移动单元或由跟踪系统按照用于移动单元的预定的操纵模型进行过滤。
6.按照权利要求5的系统，其中操纵模型包括无、低、中、和高速度操纵模型。
7.按照权利要求5的系统，其中测量的位置按照测量的位置在操纵模型中识别的距离、速度和方位范围内的适合程度而进行过滤。
8.按照权利要求7的系统，其中不处在这些范围内的测量的位置在发送到跟踪系统之前，在移动单元中被过滤。
9.按照权利要求1的系统，其中移动单元周期地从GPS卫星得到位置数据，然后把位置数据作为位置历史而存储，移动单元在被跟踪系统请求时然后通过音频信道发送位置历史。
10.按照权利要求1的系统，其中移动单元包括带内信令调制解调器和话音编码译码器，带内信令调制解调器把位置数据变换成音频音，音频音被话音编码译码器编码成音频数据，以便通过音频信道发送。
11.按照权利要求10的系统，其中跟踪系统包括带内信令调制解调器，用于把编码的音频数据变换回数字位置数据。
12.按照权利要求1的系统，其中移动单元包括与跟踪系统之间的用于发送位置数据的无线或有线连接。
13.按照权利要求13的系统，其中最好选择的虚拟轨迹被使用来识别对于位置数据的地址。
14.按照权利要求1的系统，其中跟踪系统对位置数据进行调整，以便将其精确地显示在未校正的地图上。
15.按照权利要求1的系统，其中减小精度的位置数据被加以改进，以便精确地显示在校正的地图上。
全文摘要
闭环跟踪系统通过在实时和历史的基础上向移动单元查询位置数据从而精确地跟踪目标。所查询的数据在生成候选轨迹之前被过滤和被校正。跟踪系统选择最佳的候选者以供在地图上显示。当跟踪系统需要附加信息来实现最佳候选者的选择时,就向移动单元查询用于作出正确选择所必须的数据,从而使得跟踪系统成为闭环。跟踪系统通过一个话音信道发送数字位置数据,该话音信道与为了跟跟踪系统的电话接听者进行话音通信而建立的话音信道相同。这防止移动单元必须与跟踪系统建立第二个分开的无线数据通信连接。使用地图来识别被跟踪的移动单元的位置。通过使用除全球定位系统和三角数据外的、来自各种不同的源的测量校正值,可以提供在纬度和经度上更好的位置精度。
文档编号G08G1/127GK1390342SQ00815610
公开日2003年1月8日 申请日期2000年9月12日 优先权日1999年9月13日
发明者皮尔斯·卢特, 特蕾西·奥尔森, D·A·普雷斯顿, J·普雷斯顿 申请人:爱尔比奎特公司