混合gnss和tdoa无线定位系统的制作方法

专利名称：混合gnss和tdoa无线定位系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于定位也被称为移动台(MS)的无线设备——例如在模拟或数 字蜂窝系统、个人通信系统(PCS)、增强的专用移动无线电装置(ESMR)以及其他类型的无 线通信系统中使用的那些——的方法和装置。更特别地但不排他地，本发明涉及用于增加 无线设备的无线定位的准确性和效率的方法，该无线设备包含在基于网络的无线定位系统 中的全球导航卫星系统(GNSS)接收机。背景U-TDOA定位系统(以及其他定位系统)的定位性能一般被表示为一个或多个循 环误差概率。美国联邦通信委员会(FCC)作为增强9-1-1第II阶段委托管理的部分要求 基于网络的系统例如U-TDOA被部署为产生精确度，该精确度产生对于67%的应急服务呼 叫者的一百米(100m或328. 1英尺)的准确度以及对于95 %的应急服务呼叫者的三百米 (300m或984. 25英尺)的准确度。在1998年被首次在商业上部署的基于覆盖网络的无线定位系统在支持包括应急 服务定位的基于定位的服务中被广泛地部署。当移动电话使用增加时，对于商业的基于定 位的服务和用于增强的9-1-1的有线线路相同服务，对高准确度和高效率的无线定位的需 要增加。对于高准确性、高效率的无线定位系统的需要的例子可在于2007年11月20日发 布的联邦通信委员会的07-166报告和指令中被找到。07-166指令确立了 2010年9月11 日的原定期限，到该原定期限为止所有的无线运营商必须展示在他们所服务的公共安全应 答点(PSAP)的至少75%之内的全E911定位准确度一致性，并展示在所有其PSAP服务区域 中的定位准确性要求的50%之内的一致性。该指令最初需要运营商在2010年9月11日之 前实现他们所服务的所有PSAP的完全一致。为了确保无线运营商朝着全PSAP级一致性取得进步，FCC设立了需要运营商在 2008年9月11日之前在他们所服务的每个经济区域内以及在逐渐更小的地理区域(包括 都市统计区域和乡村服务区域，在2010年9月11日之前)内实现位置准确度一致性的一系 列临时基准，直到他们在2012年展示全PSAP级一致性。无线运营商必须向FCC递交两年 一次的进展报告(分别在2009年和2011年的9月11日之前)，其描述他们朝实现全PSAP 级一致性的进展。一致性被预期为基于如在FCC工程和技术(OET)办公室公报第71号准 则中详细说明的测试；但是，FCC在07-116报告和指令中宣称FCC可在将来定义另外的测 试报告要求。FCC07-166报告和指令被美国哥伦比亚区巡回地区的上诉法院延缓，且所提出的 时间表和期限处于危险中，但是FCC明确意图对无线运营商的E911系统强加更严格的要求。委员会在颁布新标准中所阐述的目标没有改变，该新标准允许公共安全工作者更 好地从无线电话定位要求紧急援助的个人。当FCC朝着PSAP级定位准确度(以及效率)委托管理发展时，用于组合不同的定 位技术的方法成为必要。本发明是在通信和定位技术的领域内。它提供用于组合GPS和 UTDOA的互补技术以实现准确度提高的手段。GNSS接收机(GNSS系统的例子包括美国NAVSTAR全球定位系统和俄罗斯联邦的 GL0NASS系统。GNSS系统的其他例子(包括欧盟提出的伽利略系统和中国提出的北斗卫星 导航和定位系统)一般产生高度准确的伪距测量，但是在城市环境卫星覆盖中可能变得非 常有限。在城市环境中，UTDOA具有的优势是具有更好的覆盖和更多的测量，但是一般提供 较不准确的个人TDOA测量。当存在对这两个系统的稀疏覆盖时，这两个系统都不可能能够 独立地提供位置解；但是，当一起使用时，准确的定位估计变得可行。提供了有效地利用来自GPS和UTDOA网络的测量来找到移动台(MS)的位置的方 法和系统。GPS中的下行链路伪距测量被转换成U-TDOA并与其他测量组合。卫星基于在伪 距测量时的卫星位置被处理为具有非常高的天线高度的传输塔。本文所描述的创造性技术和概念应用于所有的全球导航卫星系统以及时分复 用和频分复用(TDMA/FDMA)无线通信系统，包括广泛使用的IS-136 (TDMA)、GSM、OFDM和 SC-FDMA无线系统，以及码分无线通信系统例如CDMA(IS-95、IS-2000)和通用移动电信系 统(UTMS)，后者还被作为W-CDMA。以下所描述的用于移动通信(GSM)模型和美国NAVSTAR 全球定位系统(GPS)的全球系统是本发明可被使用的示例性的而不是排他性的环境。参考文献对于与本文所描述的主题相关的另外的背景可参考以下的参考文献[1]Β· W. Parkinson， J.J.Spilker， P. Axelrad 禾口 P. Enge， “ GPS Navigation Algorithms, " in Global Positioning Systems Theory and Applications Volume 1, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc.Washington, DC, 1996.[2]A. Leick, GPS Satellite Survey, 2nd Ed.，John Wiley & Sons，Inc.，New York,1995.[3]R. Thompson, J. Moran 禾口 G. Swenson, Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy, John Wiley and Sons,1986.[4]R. McDonough,A. ffhalen,Detection of Signals in Noise,2nd Ed. ,Academic Press. , San Diego, CA,1995.[5]ff.Venables 禾口 B.Ripley， Modern Applied Statistics with S-PLUS, Springer-Verlag, 1997.[6]Fernandex-Corbaton ^ Α "Method and apparatus for determining an algebraic solution to GPS terrestrial hybrid location system equations,，，美 15专 利 6，289，280，2001 年 9 月 11 日。[7] J. Cho, "Hybrid navigation system using neural network,，，美国专利 6，919，842，2005 年 7 月 19 日。[8] Soliman ^Α "Method and apparatus for determining the location ofa remote station in a CDMA communication network, " ^H^^J 6, 188, 354, 2001 ^ 2
月13日。[9]美国专利 5，327，144，Stilp 等人[10]美国专利 5，608，410，Stilp 等人[10]美国专利申请 10/748367，Maloney 等人[12]美国专利 4，445，118，Taylor 等人概述如无线定位领域中技术人员所熟知的，测量出的TDOA值可被用来确定无线发射 机的地理位置。在本发明中，对于给定组的UTDOA测量执行GPS伪距的转换，以便对两种不 同技术实现测量基线的准确组合。然后，找到作为测量数据的函数的GPS基线的初始权重， 后面是优化GPS和UTDOA权重的相对缩放比例的改进。然后执行搜索和降低权重的迭代过 程。搜索过程需要两种类型的测量的组合，其包括对于每种类型的测量解决独立的偏倚。这 个搜索过程还包括对于GPA而不是对于UTDOA必要的垂直(Z)维度的计算。然后执行不同 的降低权重操作来改进先前的解。最后，来自几何精度因子(GDOP)计算和残差计算的结果 提供对产生最终位置解的停止条件的输入。附图的简要说明当结合附图阅读时，前述的概述以及以下的详细描述被更好地理解。为了说明本
发明的目的，附图中示出了本发明的示例性结构；但是，本发明不限于所公开的具体的方法和工具。在附图中


图1 混合GPS/UTD0A网络的图示。
图2:混合GPS/UTD0A过程的关键处理阶段。
图3:从GPS到UTDOA的转换的图示。
图4 从GPS到UTDOA的转换的流程图。
图5:对基线权重的混合GPS/UTD0A缩放。
图6 :GPS和UTDOA权重的经验缩放的范例曲线。
图7:搜索过程的流程图。
图8 初始垂直定位的图示。
图9 对卡方(chi-square)度量的范例ζ相关性。
图10作为ζ维的函数的在卡方计算中的不确定性的图示。
图11精细的ζ搜索的流程图。
图12=GPS降低权重过程的流程图。
图13偏倚的例子。
说明性实施方式的详细描述
我们现描述本发明的说明性实施方式。首先，我们提供问题的详细概述且然后提供我们的解决方案的更加详细的描述。图1示出了 U-TD0A、A-GPS混合无线定位系统。为了方便，只示出无线定位系统的 操作部件，处理对于基于定位的服务所共有的管理、计费、接入控制和授权服务的部件例如 中间件服务器(例子包括移动定位中心(MPC)或全球移动定位系统(GMLC))未被示出。在图1中，GNSS星群由两个卫星101代表，这两个卫星101以预先确立的格式发送包括年鉴和星历数据的无线电数据流107，其允许移动设备102的GNSS接收机子系统在 地球表面105上的任何位置用大地高度或椭球高度的估计潜在地自我定位。包含年鉴和星 历数据的无线电传输107还由U-TDOA网络的参考接收机103和协作接收机104接收。
由在地理上分布的接收机103、104、位置确定实体(PDE) 106和相关数据网络109 组成的U-TDOA无线定位网络使用移动设备102上行链路传输108和由GNSS星群101无线 电传输107提供的单个时基来探测参考接收机103和1个或多个协作接收机104之间的到 达时间差。然后使用也称为双曲线定位的多边法(Multi-Lateration)来计算位置估计。
GPS伪距向UTDOA的转换将伪距与到UTDOA参考站的几何距离进行比较，以便计算UTDOA参考站和MS处的 测量点之间的到达时间差。这在图3中连同UTDOA测量的部件一起被示出。如图3中所示出 的，卫星301的位置已知，S卩(X1，Y1，Z1)。卫星301的传输通过卫星传输路径303在移动设 备102上被接收，且通过卫星传输路径302在参考接收机103上被接收。在移动设备102上 和参考接收机103上被接收的卫星信号之间的到达时间差被转换为对于GPS TDOA(GTDOA) 的到达时间差。通过陆地无线电路径305的协作接收机104和通过陆地无线电路径304的 参考接收机103之间的到达时间差是对于UTDOA技术来说典型的测量出的UTD0A。UTDOA测量表示在协作基站和参考基站上的移动信号的到达时间差。对于UTDOA 测量，MS位置是未知的，而参考基站和协作基站的位置是已知的。对于所计算的GTDOA，MS 的作用被改变。MS实际上是具有未知位置的协作者，该未知位置从具有已知位置的卫星被 接收。MS的作用被改变，且不是如在UTDOA中的那样有在发射机处的未知位置和在协作者 处的已知位置，而是未知位置在协作者(MS)处且已知位置在发射机(卫星)处。参考塔用 作对于UTDOA和GTDOA的相同的参考。对于GPS，在参考塔和卫星之间的视线(LOS)传播延 迟可被直接计算，因为参考塔位置是已知的，且卫星位置可被计算。如图2中所示出的，混合GPS/UTD0A过程的关键处理阶段进入过程201。然后GPS 测量被转换为移动设备和GPS/GNSS 101之间的TDOA范围或基线(202)。然后PDE 106计 算对于混合GPS/U-TD0A基线的权重。然后过程变为迭代的并通过加权迭代来循环(204)直 到符合停止条件(208)。在迭代循环中，使用当前的基线加权来确定混合位置估计(205)， 然后对U-TDOA基线执行降低权重操作(206)以及对GPS基线执行降低权重操作(207)。迭 代循环204继续直到符合预设的停止条件(208)。当迭代的数量超过预先确定的最大值时 或当GDOP开始超过预先确定的阈值时停止条件出现。当前面的条件符合时，最后的位置解 是被返回的那个解。当后面的条件符合时，来自先前迭代的位置解是被返回的那个解。然 后混合GPS/UTD0A过程结束(209)，产生混合位置估计。用于将GPS参数转换为TDOA的程序在图4中被描绘出。一旦进入该程序(401)， 就识别出TDOA参考塔(402)，且然后对于每个卫星计算TDOA (403)。对于每个卫星(403)， 找到卫星的位置，且在[1]中对伪距进行标准校正(404)，以使得它们反映几何距离(405)。 然后计算卫星和参考塔之间的传播延迟(406)。然后通过用光速除所校正的伪距来计算卫 星和MS之间的所测量的传播时间(407)。注意，如稍后所描述的，在这个传播延迟中仍有必 须被移除的接收机时钟误差偏倚。GPS TDOA被计算为从卫星到MS的传播延迟与从卫星到 参考塔的传播延迟之间的差(408)。然后对在MS上接收到的伪随机噪声(PRN)和在参考塔上的PRN的假设接收之间的交叉相关计算相关系数(409)。如果参考塔上的信噪比(SNR)相对于MS(充当协作者) 上的SNR是大的，那么对于第i个伪距测量，在MS上的SNR和相关系数之间存在以下的关 系[3]SNRl72 - P,/(l - P12)1'2(1)当协作者(MS)上的SNR是已知时，这个方程被重新整理且对于GPS TDOA的相关 系数是
权利要求
1.一种在定位移动设备时使用的方法，包括(a)在所述移动设备处，基于从一个或多个卫星接收的信号来获取伪距测量，其中所述 一个或多个卫星是全球导航卫星系统(GNSQ或全球定位系统(GPQ的至少一个的卫星，(b)基于GPS伪距测量来计算GPS到达时间差(G-TDOA)值，所述G-TDOA值代表所述移 动设备和所述GPS/GNSS卫星之间的基线；(c)获取代表第一陆地接收机和第二陆地接收机之间的第一基线的上行链路到达时间 差(U-TDOA)测量；(d)提供混合GPS/U-TD0A基线；(e)计算对于所述混合GPS/U-TD0A基线的加权；以及(f)使用所述混合GPS/U-TD0A基线和所述加权来估计所述移动设备的位置。
2.如权利要求1所述的方法，其中计算加权的步骤包括迭代降低权重方法，所述迭代 降低权重方法包括使用当前基线加权来确定混合位置估计，以及然后对所述U-TDOA基线 和G-TDOA基线降低权重，直到符合第一规定的停止条件或第二规定的停止条件。
3.如权利要求2所述的方法，其中当迭代的数量超过预先确定的最大值时，认为符合 所述第一停止条件。
4.如权利要求3所述的方法，其中当符合所述第一停止条件时最后的位置解被用作所 述移动设备的位置的估计。
5.如权利要求2所述的方法，还包括确定几何精度因子(GDOP)值，其中当所述GDOP超 过预先确定的阈值时，认为符合所述第二停止条件。
6.如权利要求5所述的方法，其中当符合所述第二停止条件时，来自先前的迭代的位 置解被用作所述移动设备的位置的估计。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述方法在包括U-TDOA无线定位网络和辅助式 GPS(A-GPS)网络的混合无线定位系统中被实现。
8.如权利要求7所述的方法，其中来自所述全球定位系统或全球导航卫星系统的至少 一个卫星的无线电数据流被U-TDOA定位子系统中的所述移动设备、参考接收机和至少一 个协作接收机接收，所述数据流包括以预先确定的格式的年鉴和星历数据，其中所述移动 设备能够用大地高度或椭球高度的估计潜在地自我定位。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述U-TDOA无线定位网络包括在地理上分布的接收 机和位置确定实体(PDE)的网络，所述网络设置为使用来自所述移动设备的上行链路传输 和由来自所述全球定位系统或全球导航卫星系统的至少一个卫星的无线电传输提供的时 基来探测所述参考接收机和至少两个协作接收机之间的到达时间差，并使用多边算法计算 位置估计。
10.如权利要求1所述的方法，其中计算G-TDOA值的步骤包括使用用于将GPS伪距转 换为U-TDOA值的过程，所述过程包括将GPS伪距与到所述U-TDOA无线定位网络的参考 站的几何距离相比较，以及计算分别在所述移动设备和所述参考站上接收到的卫星信号的 TDOA值，其中所述卫星和所述参考站的位置是已知的，且其中所计算的TDOA值代表所述 G-TDOA 值。
11.如权利要求10所述的方法，其中用于将GPS伪距转换为U-TDOA值的所述过程还包 括识别所述参考站以及计算每个卫星的TDOA值，对于每个卫星，包括i.寻找所述卫星的位置，且对所述伪距进行校正以使得它们反映几何距离；ii.计算所述卫星和所述参考站之间的传播延迟；iii.计算所述卫星和所述移动设备之间的所测量的传播时间，所计算的时间包括接收 机时钟误差偏倚；iv.计算所述G-TDOA值作为从所述卫星到所述移动设备的传播延迟和从所述卫星到 所述参考站的传播延迟之间的差；v.计算在所述移动设备处接收到的伪随机噪声(PRN)信号和在所述参考站处的所述 PRN的假设接收之间的交叉相关的相关系数；vi.确定在所述参考站处的信噪比(SNR)相对于所述移动设备处的SNR是大的；vii.使用所述SNR获取所述伪距测量的质量的测量；以及viii.对每个卫星重复这个程序，所述每个卫星的信号被所述移动设备接收。
12.如权利要求11所述的方法，还包括使用所述移动设备处的所述SNR获取对于所述 G-TDOA的相关系数的测量。
13.如权利要求12所述的方法，其中与G-TDOA值相关联的第i个伪距测量(Pi)的相 关系数通常满足与所述移动设备处的所述SNR的下列关系=Pi = Ι/α+1/SNRi)"2。
14.如权利要求1所述的方法，还包括用于加权伪距测量的过程，所述过程包括基于由 用于获取所述伪距测量的所述GPS接收机报告的信噪比(SNR)来加权伪距测量。
15.如权利要求14所述的方法，其中用于加权伪距测量的所述过程包括使用用于基 于规定的因子来缩放GPS和U-TDOA权重的迭代降低权重过程，所述规定的因子包括对于 U-TDOA和GPS的测量误差分布、可用的GPS测量的数量以及可用的U-TDOA测量的数量。
16.如权利要求14所述的方法，其中用于加权伪距测量的所述过程包括对于每个GPS 基线，基于理论TDOA RMS误差来计算初始加权。
17.如权利要求16所述的方法，其中理论加性高斯白噪声(AWGN)TDOARMS误差 (aTD0AMsi)基于空中接口，且对于每个GPS基线使用GPS SNR和对所述U-TDOA测量的空中 接口参数被计算。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述TDOARMS误差通过多径效应(σ M」)增加，且 对于每个GPS基线使用GPS SNR和对所述U-TDOA测量的空中接口参数被计算。
19.如权利要求17所述的方法，还包括将权重(Wai)计算为被平方的RMS误差的反函
20.如权利要求17所述的方法，其中用于加权伪距测量的所述过程还包括缩放理论加 权测量数据。
21.如权利要求14所述的方法，其中用于加权伪距测量的所述过程还包括使用从过去 的GPS和U-TDOA位置测量编译得到的GPS基线测量误差的数据库以及U-TDOA测量误差的 数据库。
22.如权利要求21所述的方法，其中用于加权伪距测量的所述过程还包括使用粗比例 因子(S。)，其中所述粗比例因子S。代表在所述GPS基线测量误差和所述U-TDOA测量误差 上平均的RMS误差的比。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述粗比例因子S。被定义为 ^ — UTDOA2rms
24.如权利要求23所述的方法，其中用于加权伪距测量的所述过程还包括指定所述粗 比例因子和来自所述理论GPS TDOA的权重的乘积作为对于每个GPS基线的初始加权。
25.如权利要求M所述的方法，其中被指定为初始加权的所述乘积被定义为
26.如权利要求21所述的方法，其中用于加权伪距测量的所述过程还包括使用混合 GPS/U-TD0A测量计算的精细比例因子(Sf)。
27.如权利要求沈所述的方法，其中所述精细比例因子被使用来如下导出最终测量权重WGi = Sffai 其中 S = SfSc0
28.如权利要求1所述的方法，还包括使用混合加权最小二乘算法，所述算法提供对于 GPS和U-TDOA贡献中的偏倚的分析解，包括执行GPS伪距贡献的转换以及将所转换的和加 权的GPS贡献与从所述伪距测量获取的所计算的GPS TDOA值组合。
29.如权利要求观所述的方法，其中所述混合加权最小二乘算法还包括执行对于GPS基线的三维搜索。
30.如权利要求四所述的方法，其中所述混合加权最小二乘算法还包括采用所述移动 设备的测试位置计算TDOA值并搜索直到符合规定的停止条件为止，包括对每个测试位置 计算卡方度量并对所述度量求和。
31.如权利要求30所述的方法，其中所述混合加权最小二乘算法还包括计算包括对 GPS和U-TDOA的分离的偏倚值的组合的卡方度量。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述混合加权最小二乘算法还包括确定最小卡方 度量和对应的测试位置，其中当以预先确定的最高分辨率找到最小值时，认为符合所述停 止条件。
33.如权利要求30所述的方法，其中在包括所转换的GPSUTDOA基线的三维中执行 U-TDOA搜索，所述U-TDOA搜索包括首先在二维(x，y)中搜索在所有GPS基线上的最小卡 方度量，且然后使用ζ搜索算法在第三维(ζ)中搜索。
34.如权利要求30所述的方法，其中规定的停止条件包括当最小位置解落到搜索空间 的边缘上时在当前分辨率处继续进行搜索。
35.如权利要求30所述的方法，其中规定的停止条件包括当最小位置解落在搜索空间 的边缘上时在当前地图分辨率处继续进行搜索。
36.如权利要求33所述的方法，其中所述ζ搜索算法包括使用所述移动设备的高度的 初始估计、粗略搜索、精细搜索和操纵准则。
37.如权利要求36所述的方法，其中所述ζ搜索算法还包括在关于UTDOA坐标系统的 ζ维中寻找初始搜索位置；其中所述粗略搜索包括计算和使用代表在地面水平以上的一般高度处的所述移动设备的位置的初始估计^ ；其中所述操纵准则包括选择对处于预先确 定的分辨率阈值之下的分辨率的所述粗略搜索，以及一旦达到所述分辨率阈值就执行所述 精细搜索。
38.一种无线定位系统，包括用于与移动设备通信以及基于由所述移动设备从一个或多个卫星接收到的信号从所 述移动设备获取伪距测量的装置，其中所述一个或多个卫星是全球导航卫星系统(GNSS) 或全球定位系统(GPS)的至少一个的卫星；用于基于GPS伪距测量来计算GPS到达时间差(G-TDOA)值的装置，所述G-TDOA值代 表所述移动设备和所述GPS/GNSS卫星之间的基线；用于获取代表第一陆地接收机和第二陆地接收机之间的第一基线的上行链路到达时 间差(U-TDOA)测量的装置；用于提供混合GPS/U-TD0A基线的装置；用于计算对于所述混合GPS/U-TD0A基线的加权的装置；以及用于使用所述混合GPS/U-TD0A基线和所述加权来估计所述移动设备的位置的装置。
39.如权利要求38所述的系统，其中用于计算加权的所述装置包括用于实现迭代降低 权重的装置，所述迭代降低权重包括使用当前的基线加权来确定混合位置估计，以及然后 对所述U-TDOA基线和G-TDOA基线降低权重，直到符合第一规定的停止条件或者第二规定 的停止条件。
40.如权利要求39所述的系统，其中当迭代的数量超过预先确定的最大值时，认为符 合所述第一停止条件。
41.如权利要求40所述的系统，其中当符合所述第一停止条件时，最后的位置解被用 作所述移动设备的位置的估计。
42.如权利要求39所述的系统，还包括用于确定几何精度因子(⑶0P)值的装置，其中 当所述GDOP超过预先确定的阈值时，认为符合所述第二停止条件。
43.如权利要求42所述的系统，其中当符合所述第二停止条件时，来自先前的迭代的 位置解被用作所述移动设备的位置的估计。
44.如权利要求38所述的系统，其中所述系统是包括U-TDOA无线定位网络和辅助式 GPS(A-GPS)网络的混合无线定位系统。
45.如权利要求44所述的系统，其中来自所述全球定位系统或全球导航卫星系统的至 少一个卫星的无线电数据流被U-TDOA定位子系统中的所述移动设备、参考接收机和至少 一个协作接收机接收，所述数据流包括以预先确定的格式的年鉴和星历数据，其中所述移 动设备能够用大地高度或椭球高度的估计潜在地自我定位。
46.如权利要求44的系统，其中所述U-TDOA无线定位网络包括在地理上分布的接收机 和位置确定实体(PDE)的网络，所述网络设置为使用来自所述移动设备的上行链路传输和 由来自所述全球定位系统或全球导航卫星系统的至少一个卫星的无线电传输提供的时基 来探测所述参考接收机和至少两个协作接收机之间的到达时间差，并使用多边算法计算位 置估计。
47.如权利要求38所述的方法，其中用于计算G-TDOA值的所述装置使用用于将GPS伪 距转换为U-TDOA值的过程，所述过程包括将GPS伪距与到所述U-TDOA无线定位网络的参考站的几何距离相比较，以及计算分别在所述移动设备和所述参考站上接收到的卫星信号 的TDOA值，其中所述卫星和所述参考站的位置是已知的，且其中所计算的TDOA值代表所述 G-TDOA 值。
48.如权利要求47所述的系统，其中用于将GPS伪距转换为U-TDOA值的所述过程还包 括识别所述参考站以及计算每个卫星的TDOA值，对于每个卫星，包括i.寻找所述卫星的位置，且对所述伪距进行校正以使得它们反映几何距离； .计算所述卫星和所述参考站之间的传播延迟；iii.计算所述卫星和所述移动设备之间的所测量的传播时间，所计算的时间包括接收 机时钟误差偏倚；iv.计算所述G-TDOA值作为从所述卫星到所述移动设备的传播延迟和从所述卫星到 所述参考站的传播延迟之间的差；v.计算在所述移动设备处接收到的伪随机噪声(PRN)信号和在所述参考站处的所述 PRN的假设接收之间的交叉相关的相关系数；vi.确定在所述参考站处的信噪比(SNR)相对于所述移动设备处的SNR是大的；vii.使用所述SNR获取所述伪距测量的质量的测量；以及viii.对每个卫星重复这个程序，所述每个卫星的信号被所述移动设备接收。
49.如权利要求48所述的系统，还包括用于使用在所述移动设备处的所述SNR来获取 对所述G-TDOA的相关系数的测量的装置。
50.如权利要求49所述的系统，其中与G-TDOA值相关联的第i个伪距测量(Pi)的相 关系数通常满足与所述移动设备处的所述SNR的下列关系=Pi = Ι/α+1/SNRi)"2。
51.如权利要求38所述的系统，还包括用于执行加权伪距测量的过程的装置，所述过 程包括基于由用于获取所述伪距测量的所述GPS接收机报告的信噪比(SNR)来加权伪距测 量。
52.如权利要求51所述的系统，其中用于加权伪距测量的所述过程包括使用用于基 于规定的因子来缩放GPS和U-TDOA权重的迭代降低权重过程，所述规定的因子包括对于 U-TDOA和GPS的测量误差分布、可用的GPS测量的数量以及可用的U-TDOA测量的数量。
53.如权利要求51所述的系统，其中用于加权伪距测量的所述过程包括对于每个GPS 基线，基于理论TDOA RMS误差来计算初始加权。
54.如权利要求53所述的系统，其中理论加性高斯白噪声(AWGN)TDOA RMS误差 (aTD0AMsi)基于空中接口，且对于每个GPS基线使用GPS SNR和对所述U-TDOA测量的空中 接口参数被计算。
55.如权利要求53所述的系统，其中所述TDOARMS误差通过多径效应(σ M」)增加，且 对于每个GPS基线使用GPS SNR和对所述U-TDOA测量的空中接口参数被计算。
56.如权利要求M所述的系统，还包括用于执行将权重(Wai)计算为被平方的RMS误 差的反函数的装置，W =- -0dTDOA2ms」+G2M」
57.如权利要求M所述的系统，其中用于加权伪距测量的所述过程还包括用于缩放理 论加权测量数据的装置。
58.如权利要求51所述的系统，其中用于加权伪距测量的所述过程使用从过去的GPS 和U-TDOA位置测量编译得到的GPS基线测量误差的数据库以及U-TDOA测量误差的数据库。
59.如权利要求58所述的系统，其中用于加权伪距测量的所述过程使用粗比例因子 (Sc)，其中所述粗比例因子S。代表在所述GPS基线测量误差和所述U-TDOA测量误差上平均 的RMS误差的比。
60.如权利要求59所述的系统，其中所述粗比例因子Sc被定义为
61.如权利要求60所述的系统，其中用于加权伪距测量的所述过程指定所述粗比例因 子和来自所述理论GPS TDOA的权重的乘积作为对于每个GPS基线的初始加权。
62.如权利要求61所述的系统，其中被指定为初始加权的所述乘积被定义为
63.如权利要求58所述的系统，其中用于加权伪距测量的所述过程使用利用混合GPS/ U-TDOA测量计算的精细比例因子(Sf)。
64.如权利要求63所述的系统，其中所述精细比例因子被使用来如下导出最终测量权重Wci = Sffai 其中 S = SfSc0
65.如权利要求38所述的系统，还包括用于使用混合加权最小二乘算法的装置，所述 算法提供对于GPS和U-TDOA贡献中的偏倚的分析解，包括执行GPS伪距贡献的转换以及将 所转换的和加权的GPS贡献与从所述伪距测量获取的所计算的GPS TDOA值组合。
66.如权利要求65所述的系统，其中所述混合加权最小二乘算法还包括执行对于GPS基线的三维搜索。
67.如权利要求66所述的系统，其中所述混合加权最小二乘算法还包括采用所述移动 设备的测试位置计算TDOA值并搜索直到符合规定的停止条件为止，包括对每个测试位置 计算卡方度量并对所述度量求和。
68.如权利要求67所述的系统，其中所述混合加权最小二乘算法还包括计算包括对 GPS和U-TDOA的分离的偏倚值的组合的卡方度量。
69.如权利要求68所述的系统，其中所述混合加权最小二乘算法还包括确定最小卡方 度量和对应的测试位置，其中当以预先确定的最高分辨率找到最小值时，认为符合所述停 止条件。
70.如权利要求67所述的系统，还包括在三维上执行U-TDOA搜索的装置，所述U-TDOA 搜索包括首先在二维(χ，y)中搜索在所有GPS基线上的最小卡方度量，且然后使用ζ搜索 算法在第三维(ζ)中搜索。
71.如权利要求67所述的系统，其中规定的停止条件包括当最小位置解落到搜索空间 的边缘上时在当前分辨率处继续进行搜索。
72.如权利要求67所述的系统，其中规定的停止条件包括当最小位置解落在搜索空间 的边缘上时在当前地图分辨率处继续进行搜索。
73.如权利要求70所述的系统，其中所述ζ搜索算法包括使用所述移动设备的高度的 初始估计、粗略搜索、精细搜索和操纵准则。
74.如权利要求73所述的系统，其中所述ζ搜索算法还包括在关于UTDOA坐标系统的 ζ维中寻找初始搜索位置；其中所述粗略搜索包括计算和使用代表在地面水平以上的一般 高度处的所述移动设备的位置的初始估计το ；其中所述操纵准则包括选择对处于预先确 定的分辨率阈值之下的分辨率的所述粗略搜索，以及一旦达到所述分辨率阈值就执行所述 精细搜索。
75.一种计算机可读介质，包含用于实现在定位移动设备时使用的下列计算机实现方 法的计算机可读指令与移动设备通信以及基于由所述移动设备从一个或多个卫星接收到的信号从所述移 动设备获取伪距测量，其中所述一个或多个卫星是全球导航卫星系统(GNSQ或全球定位 系统(GPS)的至少一个的卫星；基于GPS伪距测量来计算GPS到达时间差(G-TDOA)值，所述G-TDOA值代表所述移动 设备和所述GPS/GNSS卫星之间的基线；获取代表第一陆地接收机和第二陆地接收机之间的第一基线的上行链路到达时间差 (U-TDOA)测量；提供混合GPS/U-TD0A基线；计算对于所述混合GPS/U-TD0A基线的加权；以及使用所述混合GPS/U-TD0A基线和所述加权来估计所述移动设备的位置。
全文摘要
提供了用于位置确定的方法和装置，其使用来自全球定位系统(GPS)接收机和基于陆地的上行链路到达时间差(UTDOA)接收机的测量。所述方法涉及通过计算可比较的交叉相关系数和关于UTDOA参考站的到达时间差将下行链路卫星测量转换为等效的UTDOA测量。所述方法包括加权操作，由此UTDOA测量的相对权重和GPS测量的相对权重基于理论缩放来调整，后面是经验调整。所述方法还涉及对度量的有效计算和组合，所述度量用于将候选位置解与UTDOA和GPS测量之间的加权误差最小化。通过在最佳位置解被接近时增加搜索操作的复杂性，上述最小化对于UTDOA在两维上以及对于GPS测量在三维上有效地完成。
文档编号H04W24/00GK102119546SQ200980131356
公开日2011年7月6日 申请日期2009年8月7日 优先权日2008年8月14日
发明者拉什杜斯·S·米亚, 皮特·A·博耶, 罗伯特·J·安德森, 罗纳德·勒菲弗 申请人:真实定位公司