СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРЕНИЙ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИМ СПОСОБОМ
METHOD AND DEVICE FOR IMPROVING POSITIONAL ACCURACY WITH MEASUREMENTS BY RADIO ENGINEERING METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к определению местоположения. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу и к устройству, предназначенным для получения более точной оценки местоположения терминала путем использования набора измерений.
Уровень техники
Часто желательно, а иногда и необходимо, знать местоположение беспроводного пользователя. Например, Федеральная комиссия связи (FCC) представила уведомление и регламент улучшения беспроводной службы (услуги) 911 (Е9-1-1), в соответствии с которыми требуется, чтобы определение местоположения беспроводного терминала (например, сотового телефона, модема, компьютера с поддержкой беспроводного режима, личного электронного секретаря или любого другого такого мобильного или портативного устройства с поддержкой беспроводного режима связи) обеспечивалось в пункте, удовлетворяющем условию общественной безопасности, каждый раз при вызове с терминала номера 911. В директиве Федеральной комиссии связи изложено требование, заключающееся в том, что определение местоположения терминала в случае использования технологий переносных устройств, таких, как технология на основе глобальной системы позиционирования (A-GPS), должно осуществляться с точностью в пределах 50 м для 67% вызовов и в пределах 150 м для 95% вызовов. В дополнение к директиве Федеральной комиссии связи поставщики услуг могут использовать услуги определения местоположения (например, услуги, которые идентифицируют местоположение беспроводных терминалов) в иных областях применения, чтобы обеспечить дополнительные услуги, которые могут принести дополнительный доход.
Для определения местоположения беспроводного терминала могут быть использованы различные системы. Одной такой системой является хорошо известная глобальная система позиционирования (GPS), которая образована «созвездием» из 24 разнесенных спутников, которые запущены на орбиту вокруг земли. Каждый спутник глобальной системы позиционирования передает сигнал, кодированный информацией, которая обеспечивает возможность измерения приемниками времени поступления принимаемого сигнала относительно произвольного момента времени. Затем результат измерения этого относительного времени поступления может быть преобразован в «псевдодальность» («псевдорасстояние»), которое представляет собой сумму действительного расстояния между спутником и терминалом и всех ошибок, связанных с измерением. Трехмерное местоположение приемника глобальной системы позиционирования может быть точно оценено (в пределах от 10 до 100 м для большей части приемников глобальной системы позиционирования) по измерениям псевдорасстояний до достаточного числа спутников (обычно четырех) и по их местоположениям.
Беспроводная; система связи, такая, как система сотовой связи, также может быть использована для определения местоположения беспроводного терминала. Терминал может принимать “наземный” сигнал от наземной неподвижной базовой станции точно так же, как и сигналы глобальной системы позиционирования, и определять время поступления принимаемого сигнала. И опять, результат измерения времени поступления может быть преобразован в псевдорасстояние. После этого результаты измерений псевдорасстояний до достаточного числа базовых станций (обычно трех или более) могут быть использованы для оценки двумерного местоположения терминала.
В гибридной системе определения местоположения сигналы от трех наземных неподвижных базовых станций могут быть использованы вместо или в дополнение к сигналам со спутников глобальной системы позиционирования для определения местоположения беспроводного терминала. “Гибридный” терминал должен включать в себя приемник глобальной системы позиционирования для приема сигналов глобальной системы позиционирования со спутников и “наземный” приемник для приема наземных сигналов от базовых станций. Сигналы, принимаемые от базовых станций, могут быть использованы терминалом для синхронизации или могут быть преобразованы в псевдорасстояния. Трехмерное местоположение терминала может быть оценено на основании достаточного числа измерений для спутников и базовых станций (обычно четырех для сетей связи множественного доступа с кодовым разделением каналов(CDMA)).
Три различные системы определения местоположения, описанные выше (а именно, глобальная система позиционирования, беспроводная и гибридная) могут обеспечить оценки местоположения (или координаты) с различной степенью точности. Оценка местоположения, получаемая по сигналам от глобальной системы позиционирования, является наиболее точной. Однако сигналы глобальной системы позиционирования принимаются при очень небольших уровнях мощности вследствие больших расстояний между спутниками и приемниками. Кроме того, существуют большие трудности с приемом сигналов глобальной системы позиционирования приемниками глобальной системы позиционирования внутри зданий, под плотной растительностью, в условиях города, когда высокие здания закрывают большую часть неба, и т.д. Оценка местоположения, получаемая от гибридной системы, является менее точной, а оценка, получаемая по сигналам беспроводной системы связи, еще менее точной. Это является следствием того, что псевдорасстояниям, вычисляемым по сигналам от базовых станций, присущи большие погрешности, чем псевдорасстояниям, вычисляемым по сигналам глобальной системы позиционирования, из-за погрешностей синхронизации и аппаратных погрешностей на базовых станциях, из-за погрешностей синхронизации и аппаратных погрешностей в терминале и ошибок, обусловленных наземной трассой распространения.
Местоположение терминала может быть оценено на основании любой одной из трех систем, описанных выше. Желательно получать оценку, которая является как можно более точной. Поэтому, если доступно достаточное число сигналов глобальной системы позиционирования, необходимо получать решение на основании глобальной системы позиционирования. Если ситуация не такая, может быть получено гибридное решение при условии, что доступны один или несколько сигналов глобальной системы позиционирования плюс достаточное число наземных сигналов. А если сигналы глобальной системы позиционирования недоступны, то решение может быть получено на основе системы сотовой связи при условии, что доступно достаточное количество наземных сигналов.
Число сигналов, необходимых для получения любого одного из трех решений, описанных выше, может не быть доступно. В таких ситуациях какой-либо альтернативный способ определения местоположения может быть использован для оценки местоположения терминала. Одним таким альтернативным способом является способ идентификации соты, при котором предусматривается обозначенное место для опорной (или обслуживающей) базовой станции, с которой терминал находится на связи, в качестве оценки местоположения терминала. Это обозначенное место может быть центром зоны охвата базовой станции, местом нахождения антенны базовой станции или некоторым другим местом в пределах зоны охвата базовой станции. В решении по идентификации соты информацию об идентификации соты от базовой станции можно сочетать с информацией об идентификации соты от другой базовой станции и/или включать в нее результаты измерений двусторонней задержки (задержки на прохождение сигнала в прямом и обратном направлениях) и/или результаты измерений уровня (мощности) сигнала от по меньшей мере одной базовой станции, которая находится на связи с терминалом. Решение на основе идентификации соты или на основе усовершенствованной идентификации соты может предусматриваться как “запасное” решение более низкого уровня или “страховочное” решение, когда более точное решение не может быть получено независимо, поскольку отсутствует доступ к достаточному числу сигналов. К сожалению, поскольку качество оценки местоположения, обеспечиваемой упомянутым выше альтернативным способом, зависит от размера зоны охвата базовой станции, оно может быть очень плохим.
Поэтому в области техники, к которой относится изобретение, существует необходимость в способе и устройстве для получения более точной оценки местоположения для терминала путем использования результатов измерений, которые являются доступными.
Сущность изобретения
В описанных в настоящей заявке способе и устройстве для повышения точности первоначальной оценки местоположения для беспроводного терминала использованы измерения местоположения. Эти измерения могут быть либо частичным набором измерений, либо “полным” набором измерений. Частичный набор измерений включает в себя измерения, которые являются доступными, но не в достаточном количестве для независимого определения местоположения терминала с заданным качеством услуг (то есть с заданной точностью). Однако вместо отбрасывания этих измерений, что обычно делается, их используют для получения исправленной оценки местоположения терминала, имеющей более высокую точность по сравнению с первоначальной оценкой местоположения. В других способе и устройстве первоначальную оценку местоположения улучшают, используя полный набор измерений. Полный набор измерений представляет собой набор измерений, на основании которых можно получать решение по определению местоположения с достаточно высоким качеством услуг, но которое тем не менее может быть улучшено посредством способа и устройства. Эти способ и устройство являются по существу одинаковыми при использовании как полного набора, так и частичного набора измерений. Поэтому для упрощения рассмотрения раскрытые способ и устройство описаны только применительно к частичному набору измерений.
В одном способе для определения оценки местоположения беспроводного терминала первоначальную оценку местоположения для терминала сначала получают на основании решения по идентификации соты или решения по усовершенствованной идентификации соты или по другим схемам оценки местоположения. Кроме того, на основании одной или нескольких систем определения местоположения для терминала получают частичный набор измерений. Частичный набор измерений может включать в себя результаты измерений на базе спутников, беспроводных базовых станций и/или точек доступа или может быть сочетанием спутниковых и наземных измерений. Затем первоначальную оценку местоположения корректируют с помощью частичного набора измерений для получения исправленной оценки местоположения для терминала.
Корректировка может быть выполнена путем получения сначала вектора измерений на основании первоначальной оценки местоположения и частичного набора измерений. Вектор измерений обычно включает в себя вычеты (разности) псевдорасстояний для передатчиков, измерения по которым имеются в частичном наборе. Каждый вычет (разность) псевдорасстояний представляет собой разность между (1) “измеренным” псевдорасстоянием от места нахождения терминала до передатчика (получаемого измерением) и (2) “вычисленным” псевдорасстоянием от места согласно первоначальной оценке местоположения до передатчика. Кроме того, для частичного набора измерений формируют матрицу наблюдений. Также может быть определена матрица весовых коэффициентов, предназначенная для использования в сочетании с первоначальной оценкой местоположения и частичным набором измерений. Затем получают вектор поправки на основании вектора измерений, матрицы наблюдений и матрицы весовых коэффициентов. После этого первоначальную оценку местоположения корректируют с помощью вектора поправки, который включает в себя изменения к первоначальной оценке местоположения.
Различные аспекты и варианты осуществления способа и устройства описаны более подробно ниже.
Краткое описание чертежей
Признаки, сущность и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из подробного описания, изложенного ниже в сочетании с чертежами, на которых одинаковые позиции служат для обозначения одинаковых элементов на всех чертежах и на которых:
фиг. 1 - система, состоящая из нескольких систем определения местоположения;
фиг. 2 - иллюстрация способа получения более точной оценки местоположения для беспроводного терминала путем использования частичного набора измерений;
фиг. 3А-3С - иллюстрации трех примеров рабочих ситуаций, в которых раскрытые способ и устройство могут обеспечить более точную оценку местоположения;
фиг. 4А-4Е - графические иллюстрации способа сочетания первоначальной оценки местоположения со спутниковыми измерениями или измерениями в сети сотовой связи;
фиг. 5 - конкретный вариант осуществления способа, показанного на фиг. 2;
фиг. 6 - иллюстрация способа объединения информации об области состояний с информацией об области измерений для получения более точной оценки местоположения;
фиг. 7 - структурная схема варианта осуществления приемного устройства, которое может быть компонентом беспроводного терминала.
Подробное описание
На фиг. 1 показана система 100, состоящая из нескольких систем определения местоположения. Одна такая система определения местоположения представляет собой спутниковую систему позиционирования, которая может быть хорошо известной глобальной системой позиционирования (GPS). Другая такая система определения местоположения представляет собой систему сотовой связи, которая может быть системой связи множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), глобальной системой подвижной связи (GSM) или некоторой другой беспроводной системой. В общем случае система 100 может включать в себя любое число систем определения местоположения любого типа (например, систему по технологии “Голубой Зуб” (Bluetooth), широкополосную систему “Высокая верность” (Wi-Fi), сверхширокополосную систему (UWB) или любую другую систему, посредством которой можно получать информацию, относящуюся к местоположению). Если система рассчитана на локальный охват сигналом, то такая система может быть названа локальной системой позиционирования (ЛСП, LAPS).
Как показано на фиг. 1, терминал 110 может принимать сигналы, передаваемые от нескольких передатчиков (или трансиверов), каждый из которых может быть базовой станцией 120 системы сотовой связи или спутником 130 спутниковой системы позиционирования. Терминал 110 может быть сотовым телефоном, модемом, компьютером с поддержкой беспроводного режима, личным электронным секретарем или любым другим таким мобильным или портативным устройством, которое поддерживает режим беспроводной связи. В общем случае передатчики любого типа, размещенные на местах, которые известны или могут быть установлены, можно использовать для определения местоположения терминала. Например, терминал 110 может принимать сигнал из точки доступа в системе Bluetooth. Используемая в изобретении базовая станция может быть любым наземным передатчиком или трансивером, который передает и/или принимает сигнал, который может быть использован для определения местоположения.
Терминал 110 может быть любым устройством, способным принимать и обрабатывать сигналы от систем определения местоположения для получения информации о времени, расстоянии и/или о местоположении. Следует отметить, что нет необходимости в том, чтобы информация о времени и информация о расстоянии были связаны друг с другом. Например, простой прием сигнала от системы ближней связи, такой, как система Bluetooth, может обеспечить достаточно информации для определения местоположения терминала радиотехническим способом. Терминал 110 может быть сотовым телефоном, неподвижным терминалом, электронным узлом (например, компьютерной системой, личным электронным секретарем и т.д.) с беспроводным модемом, приемным устройством, способным принимать сигналы со спутников и/или с базовых станций, и т.д. В другом примере терминал 110 может быть любым устройством, способным передавать сигналы на системы определения местоположения, чтобы эти системы определения местоположения могли получать информацию о времени, расстоянии и/или о местоположении.
Местоположение беспроводного терминала может быть определено по сигналам от одной или нескольких систем определения местоположения. Например, если система 100 включает в себя спутниковую систему позиционирования и систему сотовой связи, то местоположение терминала может быть оценено по сигналам от (1) только спутниковой системы позиционирования, (2) только от системы сотовой связи или (3) как от спутниковой системы позиционирования, так и от системы сотовой связи. Способы, предназначенные для определения местоположения терминала, основанные только на измерениях для базовых станций в системе сотовой связи, известны как усовершенствованная трилатерация с использованием прямого канала (линии связи) (УТПК, A-FLT), способ определения времени поступления сигнала в восходящей линии связи (U-TOA) или определения разности времен поступления сигнала в восходящей линии связи (U-TDOA), определения скорректированной наблюдаемой разности времен (E-OTD) и определения наблюдаемой разности времен поступления сигнала (OTDOA).
Каждая система определения местоположения может обеспечивать получение оценок местоположения (или координат местоположения) с некоторым уровнем точности и, кроме того, может быть доступна при определенных рабочих условиях. Если система 100 включает в себя спутниковую систему позиционирования (ССП, SPS) и систему сотовой связи (ССС), то точность и возможность использования этих систем может быть кратко представлены в виде, показанном в таблице (в типичном порядке ухудшения точности).
Вид измерения
Вид решения
Описание
ССП
На основе мобильной трубки
Решение основано только на ССП. Высокая точность. При определенных условиях может отсутствовать доступность (например, в глубине помещений).
ССП+УТПК
Гибридное
Решение, основанное на сочетании ССП и ССС. Промежуточная точность. Улучшенная доступность в помещении.
ЛСП
На основе беспроводной локальной сети
Решение основано только на системе локальной связи. Точность зависит от максимальной дальности действия системы. Очень хорошая доступность в помещении.
УТПК
На основе сети
Решение основано только на ССС. Пониженная точность. Обычно имеется доступность в городских районах и может быть доступность там, где недоступна глобальная система позиционирования (например, в глубине помещений).
Усовершенствованная идентификация соты
На основе соты
Решение основано только на ССС. Низкая точность. Обычно зависит только от размера сектора соты и от точности двусторонней задержки или аналогичного параметра. Могут использоваться измерения в ССС, например, наблюдение более чем одного передатчика и измерение уровня (мощности) сигнала.
Идентификация соты
На основе соты
Решение основано только на ССС. Самая низкая точность. Обеспечивает только идентификацию соты, в которой находится терминал. Поэтому точность зависит от размера соты.
В таблице решение, основанное на спутниковой системе позиционирования (ССП), имеет наивысшую точность. Однако при определенных рабочих условиях (например, в глубине помещений) может отсутствовать доступ к достаточному числу спутников (обычно к четырем) спутниковой системы позиционирования для того, чтобы выполнить вычисления согласно этому решению. “Гибридное” решение обеспечивает следующую точность после наивысшей, но необходимы сигналы от одного или нескольких спутников спутниковой системы позиционирования плюс достаточное число базовых станций. И опять, в определенных рабочих условиях может отсутствовать доступ к требуемому числу сигналов (обычно к четырем). “Основанное на сети” решение, такое, как усовершенствованная трилатерация с использованием прямого канала, может быть получено по измерениям в случае достаточного числа базовых станций (трех или более). Если необходимое число базовых станций недоступно, то “основанное на соте” решение по идентификации соты или решение по усовершенствованной идентификации соты может быть получено на основании измерения для единственной базовой станции. Эта базовая станция обычно является той, которая находится на связи с терминалом и часто называется “опорной” базовой станцией. В другом примере решение по усовершенствованной идентификации соты может включать в себя информацию от большого количества базовых станций или сот, такую, как описания области перекрытия сотами, данные наблюдений большого количества передатчиков и характеристики сигналов, например, уровень (мощность) сигналов и помехи сигналов, и т.д.
Способы, предназначенные для получения гибридного решения, подробно описаны в патенте США № 5999124 под названием “Satellite positioning system augmentation with wireless communication signals”, выданном 7 декабря 1999 г., который включен в настоящую заявку посредством ссылки.
Обычно всякий раз, когда для терминала необходимо оценить местоположение, получают одно из решений, показанных в таблице. Наиболее точное решение получают, если доступно требуемое для решения число измерений (то есть полный набор измерений). Если доступно меньшее число измерений, чем требуется, то может быть получено запасное или страховочное решение, такое, как решение по идентификации соты или решение по усовершенствованной идентификации соты.
В способе и устройстве, описываемых в настоящей заявке, для повышения точности грубой первоначальной оценки местоположения используется частичный набор измерений, полученных от одной или от нескольких систем определения местоположения. Например, первоначальная оценка местоположения может быть получена с помощью решения по идентификации соты, решения по усовершенствованной идентификации соты или решения на основании локальной системы позиционирования. Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что известны некоторые другие способы для определения первоначальной оценки местоположения, такие, как использование вычисления пути, непосредственная оценка входных данных пользователем и т.д.
Частичный набор данных может включать в себя измерения посредством спутниковой системы позиционирования и системы сотовой связи. Этот частичный набор характеризуется тем, что он не включает в себя достаточного числа измерений, необходимых для получения независимой оценки местоположения терминала с заранее определенным качеством услуг. Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что заранее определенное качество услуг необходимо устанавливать в зависимости от конкретной области применения, в которой будет использоваться определение местоположения. Например, качество услуг, необходимое для предоставления информации относительно мест, представляющих интерес (например, банковских автоматов, ресторанов, магазинов конкретного вида и т.д.), расположенных поблизости, может быть относительно низким (неточным). В противоположность этому заранее определенное качество услуг должно быть относительно высоким (точным) для таких областей применения, как навигация через лабиринт узких улиц, разнесенных на относительно небольшие расстояния. При еще более высоком качестве может потребоваться информация о конкретном магазине или о ресторане, в котором вы оказались случайно. Например, при одном применении пользователь терминала может быть заинтересован в получении меню ресторана при подходе к улице, на которой имеются несколько конкурирующих ресторанов, находящихся очень близко друг от друга (например, в соседних домах). Чтобы отличить один от другого, качество услуг должно быть относительно высоким.
Однако вместо отбрасывания результатов измерений, которые недостаточны для достижения заранее определенного качества услуг, как это обычно делают, в настоящем изобретении раскрыты способ и устройство, в которых эти результаты измерений используются для получения исправленной оценки местоположения, имеющей повышенную точность по сравнению с точностью первоначальной оценки местоположения. Одним исключением может быть решение на основе локальной системы позиционирования. Если максимальная измеренная дальность по сигналу локальной системы позиционирования или расстояние от передатчика локальной системы позиционирования меньше первоначальной оценки местоположения, то первоначальную оценку местоположения можно скорректировать (или заменить) решением на основе локальной системы позиционирования, которое можно получить по одному измерению в локальной системе позиционирования. Это измерение в локальной системе позиционирования может быть измерением расстояния, характеристикой сигнала, простым указанием на прием сигнала или оно может быть основано на описании зоны обслуживания локальной системы позиционирования.
В других способе и устройстве первоначальная оценка местоположения улучшается путем использования полного набора измерений. Полный набор измерений представляет собой набор измерений, на основании которых можно получать решение относительно местоположения с достаточного высоким качеством услуг, но которое все же может быть улучшено посредством способа и устройства. Независимо от использования полного набора или частичного набора измерений способ и устройство, которые сейчас будут раскрыты, являются одними и теми же. Поэтому для облегчения рассмотрения раскрываемые способ и устройство описываются применительно только к частичному набору измерений.
На фиг. 2 представлена схема последовательности операций способа 200, предназначенного для получения более точной оценки местоположения беспроводного терминала путем использования частичного набора измерений. Способ начинается (этап 212) с получения первоначальной оценки местоположения для терминала. Эта первоначальная оценка местоположения может быть получена на основании одной или нескольких систем определения местоположения. Кроме того, первоначальная оценка местоположения может представлять собой более точное решение по сравнению с тем, которое может быть получено при использовании любого имеющегося способа определения местоположения. Например, первоначальная оценка местоположения может быть обеспечена решением по идентификации соты, решением по усовершенствованной идентификации соты или некоторым другим решением.
Кроме того, от одной или нескольких систем определения местоположения получают (этап 214) частичный набор измерений. Этот частичный набор не должен включать в себя число измерений, достаточное для получения независимой оценки местоположения терминала с заранее определенным качеством услуг. Однако, если имеется необходимое число измерений, то для терминала может быть получена независимая оценка местоположения, и эта оценка местоположения обычно имеет более высокую точность по сравнению с первоначальной оценкой местоположения. Частичный набор может включать в себя измерения только от спутниковой системы позиционирования, измерения только от сотовой системы связи или измерения от спутниковой системы позиционирования и беспроводной системы связи, или от любого числа других систем определения местоположения.
Затем первоначальную оценку местоположения корректируют (этап 216) с помощью частичного набора измерений, чтобы получить исправленную оценку местоположения для терминала. Точность этой исправленной оценки местоположения выше, чем первоначальной оценки местоположения. Степень повышения точности зависит от различных факторов, таких, как (1) точность (или неточность) первоначальной оценки местоположения, (2) число и вид результатов измерений, имеющихся для корректировки, геометрия (то есть относительное местоположение) передатчиков, от которых принимаются сигналы, и т.п. Корректировка описана ниже.
Для более ясного описания способа и устройства сначала будет рассмотрено вычисление оценки местоположения для терминала, основанное на полном наборе измерений. В нижеследующем описании использована геодезическая система координат, и поэтому трехмерное местоположение может быть задано тремя значениями для широты (в северном направлении), долготы (в восточном направлении) и высоты (в направлении вверх).
Точное местоположение терминала, находящегося в заданной трехмерной системе координат, может быть определено на основании действительных (или “истинных”) расстояний до трех передатчиков на известных местах. Однако обычно нельзя определить истинное расстояние до каждого передатчика из-за ошибок при измерениях времени и других измерениях. Вместо этого может быть определено “псевдорасстояние”, которое включает в себя истинное расстояние плюс отклонение, обусловленное ошибками при измерениях времени и других измерениях. В таком случае требуется четвертое измерение для удаления общего отклонения из всех измерений.
i
PR
i
1
Основное уравнение, связывающее местоположение терминала, местоположение -того передатчика и псевдорасстояние  от места расположения терминала до места размещения -того передатчика, может быть выражено в виде:
,(1)
Lat
Long
Alt
где ,  и  - трехмерные пространственные плоские координаты действительного местоположения терминала;
Lat
Long
Alt
i
i
i
i
,  и  - координаты местоположения -того передатчика;
Т
- временная координата.
i
Как видно из уравнения (1), можно получить систему четырех основных уравнений для четырех различных передатчиков, то есть для ={1,2,3,4}.
Основные уравнения можно линеаризировать, используя следующие инкрементальные соотношения:
Long
Long
e
первонач
=+Δ,
Lat
Lat
n
первонач
=+Δ,
Alt
Alt
u
первонач
=+Δ,(2)
Т
Т
Т
первонач
=+Δ и
PR
PR
PR
i
i
первонач,i
i
=+Δ для ={1,2,3,4},
Lat
Long
Alt
Т
Lat
Long
Alt
Т
первонач
первонач
первонач
первонач
где , ,  и  - первоначальные значения (априорная наилучшая оценка) , ,  и , соответственно;
e
n
u
Т
Lat
Long
Alt
Т
первонач
первонач
первонач
первонач
Δ, Δ, Δ и Δ - поправки к первоначальным значениям , ,  и , соответственно;
PR
i
первонач,i
- величина псевдорасстояния до -того передатчика согласно первоначальной оценке местоположения (то есть “вычисленное” псевдорасстояние);
PR
i
i
- величина псевдорасстояния от места расположения терминала до -того передатчика (то есть “измеренное” псевдорасстояние);
PR
i
Δ - разность между вычисленным и измеренным псевдорасстояниями (которую также называют “вычетом псевдорасстояний”).
Lat
Long
Alt
Lat
Long
Alt
первонач
первонач
первонач
В системе (2) уравнений ,  и  отражают первоначальную оценку трехмерного местоположения терминала, а ,  и  отражают действительное трехмерное местоположение терминала (или наилучшую апостериорную оценку). Первоначальная оценка местоположения представляет собой наилучшую оценку, в настоящее время достижимую для терминала.
PR
Lat
Long
Alt
i
Lat
Long
Alt
первонач,i
первонач
первонач
первонач
i
i
i
Параметр  представляет собой вычисленное значение псевдорасстояния между местом расположения согласно первоначальной оценке (,  и ) и известным местом нахождения -того передатчика (,  и ). Величина псевдорасстояния может быть выражена как:
.(3)
PR
i
i
i
Величина псевдорасстояния  считается “измеренным” значением, поскольку его получают по сигналу, принимаемому терминалом от -того передатчика. В частности, если известно время передачи сигнала от -того передатчика (например, если сигнал несет отметку времени или если информация о времени закодирована в сигнале), то время прохождения сигнала до терминала может быть определено путем измерения времени поступления сигнала на терминал (на основе внутренних часов терминала). Однако значение момента времени между передачей и приемом обычно нельзя определить точно вследствие расхождения между часами в передатчике и терминале и вследствие других ошибок при измерениях. Поэтому псевдорасстояние находят по разности между опорным моментом времени и моментом времени, в который принимают сигнал. В другом примере для получения величины псевдорасстояния можно использовать характеристику сигнала, такую, как уровень (мощность) сигнала, или сочетание характеристик сигнала. Получение псевдорасстояния по сигналу, принимаемому со спутника спутниковой системы позиционирования, известно в области техники, к которой относится изобретение, и подробно в настоящей заявке не описывается.
ΔPR
i
i
Вычет  псевдорасстояния для -того передатчика может быть выражен следующим образом:
PR
PR
PR
i
i
первонач,i
Δ=-.(4)
Подставляя инкрементальные выражения из системы (2) уравнений в основное уравнение (1) и игнорируя члены погрешности второго порядка, можно получить следующее:
i
, где ={1,2,3,4}.(5)
Четыре линеаризированных уравнения, представленных уравнением (5), можно более удобно выразить в матричной форме как
,(6)
i
x
x
где  - направляющий косинус угла между псевдорасстоянием до -того передатчика и вектором в направлении , при этом  может быть направлением на восток, север или вверх.
Уравнение (6) может быть использовано для определения или корректировки местоположения терминала при условии, что имеется полный и независимый набор результатов измерений псевдорасстояния для четырех передатчиков.
На фиг. 3А представлена схема, иллюстрирующая пример рабочей обстановки, в которой раскрытые способ и устройство могут быть использованы для получения более точной оценки местоположения. На фиг. 3А терминал 110 принимает сигнал от базовой станции 120х и сигналы с двух спутников 130х и 130y спутниковой системы позиционирования. Этих трех сигналов может быть недостаточно для нахождения трехмерных координат местоположения. В таком случае, используя основные сведения от базовой станции 120х, которая находится на связи с терминалом 110, можно получить решение по идентификации соты. Если базовая станция 120х рассчитана на охват географического района, приближенно ограниченного окружностью 310, то местоположение терминала 110 можно оценить как место нахождения базовой станции или как другое обозначенное место в пределах зоны охвата.
Для расширения возможности системы зона охвата каждой базовой станции может быть подразделена на несколько секторов (например, на три сектора). В таком случае каждый сектор обслуживается соответствующей базовой приемопередающей подсистемой. В случае зоны охвата, которая подразделена на сектора (обычно известной в качестве соты, подразделенной на сектора), базовая станция, обслуживающая эту зону охвата, также включает в себя все базовые приемопередающие подсистемы, обслуживающие сектора зоны охвата. В таком случае решение по усовершенствованной идентификации соты может быть получено с помощью дополнительной информации, идентифицирующей конкретный сектор базовой приемопередающей подсистемы, с которым терминал находится на связи. В таком случае неопределенность местоположения терминала может быть уменьшена до зоны, имеющей форму сектора, которая на фиг. 3А обозначена как сектор А. После этого местоположение терминала может быть оценено как представляемое центром сектора, охватываемого этой базовой приемопередающей подсистемой (точка 312), или некоторым другим обозначенным местом.
Кроме того, может иметься дополнительная информация, такая, как уровень (мощность) сигнала, принимаемого от базовой приемопередающей подсистемы, двусторонняя задержка между терминалом и базовой приемопередающей подсистемой, упреждение принимаемого сигнала (для глобальной системы связи с подвижными объектами), время прохождения сигнала в прямом и обратном направлениях между терминалом и базовой приемопередающей подсистемой (для беспроводной системы множественного доступа с кодовым разделением каналов) и т.п. В случае, если такая дополнительная информация имеется, оценка местоположения терминала может быть соответствующим образом скорректирована.
Lat
Long
первонач
первонач
Как показано выше, способ идентификации соты или усовершенствованной идентификации соты могут обеспечить грубую оценку местоположения терминала. В таком случае она будет представлять двумерную априорную наилучшую оценку (то есть первоначальную оценку местоположения) для терминала. Первоначальная оценка местоположения для терминала может быть определена как ( и ). Затем путем использования двух измерений псевдорасстояния по двум спутникам 130х и 130y спутниковой системы позиционирования для терминала может быть получена исправленная оценка местоположения, имеющая повышенную точность.
Линеаризированные уравнения для терминала в случае двух измерений псевдорасстояния по двум спутникам могут быть выражены как
,(7)
Н
где Δ - вычет высоты, который представляет собой разность между текущей оценкой высоты терминала и действительной высотой;
СВ
Δ - разность между текущей оценкой опорного момента времени и “истинным” моментом времени.
ΔPR
PR
PR
PR
Lat
Long
Alt
Lat
Long
Alt
i
Alt
СВ
PR
i
i
i
первонач,i
i
первонач,i
первонач
первонач
первонач
i
i
i
первонач
i
В уравнении (7) вычет  псевдорасстояния для каждого из двух спутников спутниковой системы позиционирования может быть определен, как показано уравнением (4), по вычисленному псевдорасстоянию  и измеренному псевдорасстоянию  для спутника. Псевдорасстояние  может быть вычислено как расстояние между первоначальной оценкой (,  и ) местоположения терминала и местоположением (,  и ) -того спутника, где высоту  терминала можно принять равной высоте обслуживающей базовой приемопередающей подсистемы или равной некоторой другой высоте. Имея некоторую дополнительную информацию относительно опорного момента времени, Δ можно использовать для учета разности между текущей оценкой опорного момента времени и “истинным” эталонным временем. В одном примере время распространения между обслуживающей базовой приемопередающей системой и терминалом может быть измерено и использовано для получения информации относительно задержки опорного момента времени. Псевдорасстояние  получают по сигналу, принимаемому с -того спутника, и оно представляет собой результат измерения расстояния от -того спутника до действительного (“истинного”) места терминала.
Уравнение (7) также может быть выражено в следующем более компактном виде:
=, (8)
где  - вектор с четырьмя элементами для вычетов псевдорасстояний (то есть вектор “измерений”);
- вектор с четырьмя элементами для местоположения пользователя и поправок времени (то есть вектор “поправки”);
- матрица наблюдений размера 4×4.
В таком случае вектор  поправки может быть определен как
-1
=.(9)
Уравнением (9) обеспечивается не взвешенное решение для вектора  поправки. Этим уравнением задаются равные весовые коэффициенты для информации, относящейся к первоначальной оценке местоположения (то есть получаемой по способу идентификации соты или по некоторому другому способу) и к дальномерной информации по спутникам спутниковой системы позиционирования. Для лучшего объединения двух частей информации первоначальной оценке местоположения и результатам измерений псевдорасстояний могут быть приписаны соответствующие весовые коэффициенты.
Ковариационная матрица , которая также известна как матрица измерений шума, может быть определена для линеаризированных уравнений, представленных в виде системы (7) уравнений и может быть выражена как
=,(10)
V
PR
11
1
где  - дисперсия ошибки при измерении псевдорасстояния  по первому спутнику;
V
PR
22
2
- дисперсия ошибки при измерении псевдорасстояния  по второму спутнику;
V
h
- дисперсия ошибки при измерении высоты;
V
cb
- дисперсия ошибки, относящейся к опорному моменту времени.
V
V
σ
σ
PR
PR
PR
11
22
pr1
pr2
1
2
i
-1
Элементы  и  могут быть выражены как  и , где  и  суть среднеквадратические отклонения ошибок для измерений псевдорасстояний  и , соответственно. Матрица  весовых коэффициентов может быть определена как обращение ковариационной матрицы  (то есть =). При получении исправленной оценки местоположения ненулевыми элементами  определяется взвешивание для результатов измерений псевдорасстояний и информации, относящейся к первоначальной оценке местоположения. Элементы  инверсно связаны с ожидаемыми значениями квадратов или векторных произведений ошибок при измерениях. Поэтому небольшая ошибка для любой величины (например, ) означает более достоверное наблюдение и соответствует большому соответствующему значению для . В таком случае это приводит к тому, что при объединении первоначальной оценки местоположения с результатами измерений псевдорасстояний величине задается более высокий весовой коэффициент.
PR
i
i
Псевдорасстояние  до -того спутника может быть определено как
PR
R
CB
SV
Tr
I
M
η
i
i
i
i
i
i
i
=++++++,(11)
R
i
i
где  - истинное или действительное расстояние от места нахождения терминала до -того спутника;
CB
- ошибка, связанная с опорным моментом временем;
SV
i
i
- все ошибки, связанные с -тым спутником;
Tr
i
- ошибки, обусловленные прохождением сигнала спутниковой системы позиционирования через тропосферу;
I
i
- ошибки, обусловленные прохождением сигнала спутниковой системы позиционирования через ионосферу;
M
i
- ошибка, связанная с условиями распространения сигнала, которые включают в себя многолучевое распространение;
η
i
- ошибка, связанная с шумом приемника при измерениях (или с тепловым шумом).
V
i
ii
В таком случае оценка  ошибки будет включать в себя все ошибки при измерении псевдорасстояния до -того спутника. В уравнении (10) предполагается, что измерения псевдорасстояний являются взаимно независимыми. Получение матрицы  шума при измерениях известно в области техники, к которой относится изобретение, и в настоящей заявке подробно не описывается.
В таком случае взвешенное решение для вектора  поправки может быть выражено в виде
Т
-1
Т
=(·)··,(12)
Т
где  - результат транспозиции .
e
n
Уравнение (9) или (12) может быть использовано для получения вектора  поправки. Этот вектор должен включать в себя два ненулевых члена для Δ и Δ. В таком случае исправленная оценка двумерного положения для терминала может быть вычислена как:
Long
Long
e
исправл
первонач
=+Δ и
Lat
Lat
n
исправл
первонач
=+Δ.(13)
Процесс объединения первоначальной оценки местоположения с результатами измерений по спутниковой системе позиционирования и/или с другими результатами измерений описан более подробно ниже со ссылками на фиг. 4А-4D.
Lat
Long
первонач
первонач
На фиг. 3В представлена схема, иллюстрирующая другой пример рабочей обстановки, в которой раскрытые способ и устройство могут быть использованы для получения более точной оценки местоположения. На фиг. 3В терминал 110 принимает два сигнала от базовых станций 120x и 120y. Этих двух сигналов недостаточно для получения координат местоположения на основании сети (например, посредством усовершенствованной трилатерации с использованием прямого канала). Решение по идентификации соты или по усовершенствованной идентификации соты может быть получено на основании местоположения базовой станции, обозначенной в качестве базовой станции, обслуживающей терминал, аналогично тому, как это описано выше для фиг. 3А. Первоначальная оценка местоположения для терминала может быть получена в виде  и .
PP
Так же как и до спутников спутниковой системы позиционирования, псевдорасстояние до каждой базовой станции может быть оценено по сигналам, принимаемым от базовой станции. В случае системы связи множественного доступа с кодовым разделением каналов каждой базовой станции назначается псевдослучайная шумовая последовательность с особым сдвигом (или начальным временем). Псевдослучайную шумовую последовательность используют для спектрального расширения данных до передачи с базовой станции. Каждая базовая станция также передает пилот-сигнал, который представляет собой просто последовательность единиц (или нулей), которые расширяются назначенной псевдослучайной шумовой последовательностью. Сигнал, передаваемый базовой станцией, принимается на терминале, и время поступления сигнала может быть определено по фазе псевдослучайной шумовой последовательности, использованной для расширения. Поскольку пилот-сигнал обычно обрабатывают для получения информации о псевдослучайной шумовой фазе, такое измерение на терминале также известно как измерение фазы пилот-сигнала. Измерение фазы пилот-сигнала используют для оценки времени, требуемого для прохождения сигнала от базовой станции до терминала. Это время прохождения может быть преобразовано в псевдорасстояние аналогично тому, как это делалось для спутника спутниковой системы позиционирования. Результат измерения псевдорасстояния, получаемый по наземному сигналу (например, по измерению фазы пилот-сигнала), обозначим как  для отличия его от результата измерения псевдорасстояния, получаемого по сигналу спутниковой системы позиционирования.
Линеаризированные уравнения для терминала для случая двух измерений псевдорасстояний до двух базовых станций можно записать как
.(14)
РР
РР
PR
Как видно из уравнения (14), терминал и базовые станции предполагаются находящимися в одной и той же высотной плоскости, а в матрице наблюдений отсутствуют члены . Однако в зависимости от относительной геометрии (например, базовая приемопередающая подсистема может быть на возвышенности, а терминал может быть в долине) может существовать видимость в вертикальном направлении для измерения . В этом случае будет уместно включить члены частичной производной по “направлению вверх” (то есть члены ) в первые две строки матрицы наблюдений. Из уравнения (14) видно, что вычисление вычета Δ псевдорасстояний в случае наземного сигнала подобно вычислению вычета Δ псевдорасстояний в случае сигнала спутниковой системы позиционирования, который представлен в уравнении (7). Альтернативный способ для вычисления оценки местоположения заключается в нахождении алгебраического решения без линеаризации.
e
n
Lat
Long
исправл
исправл
В таком случае вектор  поправки может быть найден путем использования уравнения (9) или (12) и будет включать в себя два ненулевых члена для Δ и Δ. Затем, как следует из уравнения (13), может быть вычислена исправленная оценка ( и ) местоположения для терминала.
Lat
Long
первонач
первонач
На фиг. 3С представлена схема, иллюстрирующая еще один пример рабочей обстановки, в которой раскрытые способ и устройство могут быть использованы для получения более точной оценки местоположения. На фиг. 3С терминал 110 принимает сигнал от базовой станции 120x и сигнал со спутника 130x спутниковой системы позиционирования. Этих двух сигналов недостаточно для определения координат местоположения по разнородным сигналам. Как описано выше применительно к фиг. 3А, для получения первоначальной оценки ( и ) местоположения для терминала по местоположению базовой станции 120x может быть найдено решение по идентификации соты или решение по усовершенствованной идентификации соты.
PR
РР
1
1
Псевдорасстояние  может быть получено на основании сигнала со спутника 130x спутниковой системы позиционирования, а псевдорасстояние  может быть получено на основании сигнала от базовой станции 120x. В таком случае линеаризированные уравнения для терминала в случае измерений двух псевдорасстояний до одного спутника и одной базовой станции могут быть выражены в следующем виде:
.(15)
e
n
Lat
Long
исправл
исправл
Затем, путем использования уравнения (9) или (12) может быть найден вектор  поправки, и он должен включать в себя два ненулевых члена для Δ и Δ. Затем, как следует из уравнения (13), может быть вычислена исправленная оценка ( и ) местоположения для терминала.
H
H
При получении исправленной оценки местоположения отдельная координата (измерение) может быть зафиксирована или ограничена. Например, если для корректировки первоначальной оценки местоположения используют сигналы с базовых станций, то вертикальное направление недоступно для наблюдения. В этом случае высотная координата в исправленной оценке местоположения может быть либо (1) фиксированной, то есть такой же, как и в первоначальной оценке местоположения (то есть Δ=0), либо задана на определенном уровне при вычислении заранее определенного вычета Δ. Высоту можно ограничить путем соответствующего задания матрицы наблюдений в следующем виде:
.(16)
H
u
X
Lat
Long
первонач
первонач
первонач
Как показано в уравнении (16), один элемент вектора измерений и одна строка матрицы наблюдений определены так, что в случае использования Δ оценка высоты снижается до определенного значения (при этом Δ может снизиться до нуля или до некоторого другого значения). Если результаты измерений базовой станции используют для корректировки, ограничение по высоте может быть выполнено автоматически. Если для корректировки используют результаты измерений спутника и базовой станции или только результаты измерений спутника, то ограничение по высоте можно использовать или можно не использовать (то есть оно является необязательным). При ограничении высоты в одном из измерений фактически обеспечивается учет одной из неизвестных (высоты) при определении трехмерного местоположения. (Заявитель считает, что фиг. 3 охватывает этот случай). На фиг. 4А-4D приведены диаграммы, графически иллюстрирующие процесс объединения первоначальной оценки местоположения с результатами измерений спутниковой системой позиционирования и/или с другими результатами измерений. На фиг. 4А первоначальная оценка двумерного положения для терминала представлена как =[, ] и имеет неопределенность, определяемую эллипсом ошибок, показанным затененной областью 412 на фиг. 4А. Эллипс ошибок может быть также представлен ковариационной матрицей шумов измерений, которая может быть выражена как
=,(17)
V
e
где  - дисперсия ошибок в первоначальной оценке местоположения в восточном направлении;
V
n
- дисперсия ошибок в первоначальной оценке местоположения в северном направлении;
V
en
- взаимная корреляция между восточными и северными ошибками в первоначальной оценке местоположения;
V
-
ne
взаимная корреляция между северными и восточными ошибками в первоначальной оценке местоположения.
V
V
en
ne
Для простоты на фиг. 4А члены  и  взаимной корреляции ошибок предполагаются равными нулю.
В случае, когда в примере, показанном на фиг. 4А, неопределенность первоначального местоположения представлена ковариационной матрицей, первоначальную оценку местоположения можно непосредственно перевести в уравнения наблюдений.
.(18)
Е
N
В данном случае уравнения измерений, полученные для спутниковой и наземной систем позиционирования, как и в уравнении (15), представлены одним измерением в спутниковой системе позиционирования и одним на базовой станции. Специалист в области техники, к которой относится настоящее изобретение, может легко распространить эти уравнения на любое число измерений в спутниковой системе позиционирования и на базовых станциях (например, как в уравнениях (14) и (7)). В этом примере значения Δ и Δ выбраны так, что представляют оценки первоначального положения относительно оцененного местоположения терминала, вокруг которого линеаризируют уравнения. В случае, когда первоначальное положение является оцененным положением терминала в двумерном пространстве, эти значения могут заданы равными 0 и 0, соответственно.
В этом случае ковариационную матрицу и матрицы весовых коэффициентов можно задать так, чтобы они отражали неопределенность в первоначальном местоположении. Например, ковариационная матрица может быть задана как
=,(19)
V
PR
PR
1
где  - дисперсия ошибок при измерениях псевдорасстояния  по первому спутнику;
V
PP
PP
1
- дисперсия ошибок при измерениях псевдорасстояния  по первой базовой станции;
V
V
V
V
e
en
ne
n
, ,  и  заданы, как в уравнении (17) выше; и
V
h
задано, как в уравнении (10) выше.
В таком случае матрица весовых коэффициентов может быть вычислена как обращение ковариационной матрицы, а решение для местоположения может быть вычислено в соответствии с уравнением (12).
u
В другом варианте осуществления корректировку можно выполнить, используя методы максимального правдоподобия. Например, уравнения наблюдения для спутниковой системы позиционирования и/или передатчиков наземных базовых станций могут быть использованы для определения правдоподобия различных точек пространства  решений. [Примечание: для удобства заявитель представляет пространство решений в виде горизонтального вектора - результата транспозиции, приведенного выше]. Кроме того, первоначальное местоположение, включая информацию о местоположении в восточном направлении и в северном направлении, можно использовать для уточнения правдоподобий в заданных гипотетических точках, представляющих наиболее вероятные места (местоположения) терминала в пространстве решений. Ковариационную матрицу или более общую функцию плотности вероятности можно использовать для определения правдоподобий в различных местах пространства решений. Для определения положения максимального правдоподобия значение (Δ) высоты может быть зафиксировано или ограничено. Кроме того, пространство решений может быть исследовано относительно правдоподобий с целью определения оценки ошибок для выбранного, наиболее вероятного местоположения.
X
X
первонач
исправл
Линия 414 положения может быть получена для терминала на основании измерения расстояния, например, измерения по спутниковой системе позиционирования или измерения по базовой станции (или на основании некоторого другого измерения). Как описано выше, первоначальную оценку  местоположения можно сочетать с линией положения согласно спутниковой системе позиционирования для получения исправленной (или конечной) оценки  местоположения для терминала. Эта исправленная оценка местоположения будет иметь неопределенность (или ошибку), которая представлена полосой, проходящей вдоль линии 414. Для простоты на фиг. 4 эта полоса не показана. Ширина полосы зависит от неопределенности основополагающего измерения расстояния, используемого для получения линии положения. Окаймленная линия ограничена первоначальной неопределенностью, которая представлена затененной областью 412 эллипса ошибок первоначальной оценки местоположения.
X
X
первонач
исправл
На фиг. 4В первоначальная оценка местоположения для терминала получена на основании решения по идентификации соты, которое найдено для сектора базовой приемопередающей подсистемы, обслуживающей терминал. В таком случае неопределенность первоначальной оценки местоположения может иметь форму, которая приближается к секторной форме зоны 422 охвата базовой приемопередающей подсистемы (которую также называют сектором соты). И опять, первоначальную оценку  местоположения можно сочетать с линией 424 положения спутниковой системы позиционирования с целью получения исправленной оценки  местоположения для терминала. Эта исправленная оценка местоположения имеет неопределенность, которая отражена полосой вдоль линии 424, ограниченной первоначальной неопределенностью, которая представлена затененной областью 422.
X
X
X
X
первонач
первонач
исправл
первонач
На фиг. 4С первоначальная оценка  местоположения получена на основании решения по усовершенствованной идентификации соты, которое получено для сектора 422 обслуживающей базовой приемопередающей подсистемы, и на основании двусторонней задержки для этой базовой приемопередающей подсистемы. Двусторонняя задержка может быть получена по измерению фазы пилот-сигнала для базовой приемопередающей системы. В таком случае первоначальная оценка  местоположения будет иметь неопределенность, представленную полосой 432. Ширина этой полосы неопределенности зависит от неопределенности (или ошибки) при измерении посредством базовой приемопередающей подсистемы. Для получения исправленной оценки  местоположения для терминала первоначальную оценку  местоположения можно сочетать с линией 434 положения согласно спутниковой системе позиционирования.
X
X
X
СВ
первонач
первонач
исправл
На фиг. 4D отражена точность, достигаемая для терминала по двусторонней задержке, определяемой посредством базовой приемопередающей подсистемы. Прежде всего результат заключается в более узкой полосе 442 неопределенности для первоначальной оценки  местоположения. Следовательно, по первоначальной оценке  местоположения и линии 444 положения спутниковой системы позиционирования для терминала могут быть получены более точная исправленная оценка  местоположения и меньшая неопределенность. Отметим, что при точной двусторонней задержке обеспечивается хорошее измерение Δ для точной оценки опорного момента времени.
X
X
X
первонач
первонач
исправл
На фиг. 4Е первоначальная оценка  местоположения для терминала получена на основании решения по усовершенствованной идентификации соты. В этом примере первоначальную оценку  местоположения сочетают с двумя линиями положения 452 и 454 спутниковой системы позиционирования, чтобы получить исправленную оценку  местоположения для терминала. В таком случае неопределенность исправленной оценки местоположения зависит от неопределенностей двух линий 452 и 454 положения спутниковой системы позиционирования и первоначальной оценки местоположения.
Для ясности в примерах, показанных на фиг. 3А-3С и на фиг. 4В-4D, использована технология идентификации соты или усовершенствованной идентификации соты для получения первоначальной оценки местоположения терминала. В общем случае первоначальная оценка местоположения может быть вычислена посредством любого имеющегося способа определения местоположения. Например, первоначальная оценка местоположения может быть получена путем объединения решений по идентификации соты и по усовершенствованной идентификации соты, получаемых для нескольких базовых станций, принимаемых терминалом. Этим можно обеспечить более точную первоначальную оценку местоположения для терминала, поскольку также используется информация, относящаяся к другим базовым станциям, принимаемым терминалом. В другом примере первоначальная оценка местоположения может быть получена путем сочетания смоделированных зон охвата для нескольких базовых станций, принимаемых терминалом. Такой способ определения местоположения, основанный на зонах охвата, описан более подробно в заявке на патент США регистрационный номер [реестр № 020112 поверенного] под названием “Area based position determination for terminals in a wireless network”, переуступленной правопреемнику настоящей заявки и включенной в настоящую заявку посредством ссылки. Кроме того, первоначальная оценка местоположения может быть основанным на сети решением, полученным посредством применения усовершенствованной трилатерации с использованием прямого канала.
Измерения различных видов могут быть использованы для получения линий положений и, следовательно, исправленной оценки местоположения для терминала, основанной на первоначальной оценке местоположения. В общем случае измерения, используемые для корректировки первоначальной оценки местоположения, должны иметь более высокую точность. То есть, если достаточное число этих измерений доступно для получения независимой оценки местоположения терминала, то эта независимая оценка местоположения должна быть более точной, чем первоначальная оценка местоположения. Поэтому, если первоначальную оценку местоположения получают посредством способа идентификации соты, усовершенствованной идентификации соты или посредством некоторого другого эквивалентного способа, то в таком случае измерения посредством базовой станции и/или спутников могут быть использованы для корректировки. Это справедливо потому, что основанное на сети решение (усовершенствованная трилатерация с использованием прямого канала), полученное только по измерениям посредством базовой станции, гибридное решение, полученное по измерениям посредством спутника и базовой станции, и решение на основе спутниковой системы позиционирования, полученное только по измерениям посредством спутника, являются более точными по сравнению с решениями по идентификации соты и по усовершенствованной идентификации соты. Если первоначальная оценка местоположения является решением по идентификации соты, то измерения посредством спутника могут быть использованы для корректировки. В условиях ограничения сигнала локальная система позиционирования может быть использована для формирования первоначальной оценки местоположения или использована для корректировки первоначальной оценки местоположения, полученной из другого источника.
Число измерений, необходимых для корректировки, зависит от первоначальной оценки местоположения и способа корректировки. На фиг. 4А-4D показано, каким образом единственное измерение линии положения может быть использовано для исправления двумерной первоначальной оценки местоположения. Для корректировки первоначальной оценки местоположения также можно использовать более чем минимально требуемое число измерений. Кроме того, в некоторых способах корректировки можно зафиксировать или ограничить одну или несколько координат в измерениях пространство-время (например, высоту, опорный момент времени) путем соответствующего задания матрицы наблюдений, описанной выше. В этом случае для корректировки потребуется меньше измерений. В способе корректировки на основе локальной системы позиционирования может быть использовано единственное измерение.
На фиг. 5 представлена схема последовательности операций способа 200а, предназначенного для получения более точной оценки местоположения терминала путем использования частичного набора измерений. Способ 200а представляет собой особый вариант осуществления способа 200, показанного на фиг. 2 и иллюстрированного фиг. 4Е. Способ 200а начинается с получения (этап 212а) первоначальной оценки местоположения для терминала (например, на основании решения по идентификации соты, усовершенствованной идентификации соты или на основании некоторого другого решения). Кроме того, получают (этап 214а) результаты измерений для двух передатчиков, каждый из которых может быть на спутнике или на базовой станции.
Затем первоначальную оценку местоположения корректируют (этап 216а) с помощью частичного набора измерений, чтобы получить исправленную оценку местоположения для терминала. Чтобы выполнить корректировку, сначала получают (этап 222) вектор  измерений по первоначальной оценке местоположения и результатам измерений. В зависимости от типа (типов) измерений, используемых для корректировки (например, посредством спутниковой системы позиционирования или системы сотовой связи), вектор измерений может быть таким, какой показан в левой части уравнения (7), (14), (15) или (18). Затем по результатам измерений формируют (этап 224) матрицу  наблюдений (например, показанную в уравнениях (7), (14), (15) или (18)). Далее определяют (этап 226) матрицу  весовых коэффициентов, описанную выше. После этого получают вектор  поправки, показанный в уравнении (12). Затем с помощью вектора поправки корректируют (этап 230) первоначальную оценку местоположения, чтобы получить исправленную оценку местоположения, показанную в уравнении (13). После этого способ завершается.
Кроме того, некоторые из способов определения местоположения, описанных выше, могут рассматриваться как пополнение информации об области местоположения (или состояний) информацией об области измерений путем использования частичного набора измерений. В частности, описанное в настоящей заявке пополнение может быть использовано для решения по идентификации соты. Обычно для пополнения информации об области состояний информацией об области измерений необходим полный набор измерений, что существенно ограничивает ситуации, в которых пополнение может быть использовано.
На фиг. 6 представлена схема последовательности операций способа 600 для объединения информации об области состояния информацией об области измерений с целью получения более точной оценки местоположения для беспроводного терминала. Вначале для терминала получают (этап 612) информацию об области состояний. Эта информация об области состояний может быть первоначальной оценкой местоположения, которую можно получить, используя различные способы (например, способ идентификации соты или усовершенствованной идентификации соты). Кроме того, получают (этап 614) информацию об области измерений для терминала. Эта информация об области измерений содержит частичный набор измерений, которых недостаточно для независимого определения местоположения с заданным качеством услуг, но которые могут быть объединены с информацией об области состояний.
Затем информацию об области состояний объединяют (этап 616) с информацией об области измерений, чтобы получить оценку местоположения для терминала, имеющую точность по меньшей мере такую же хорошую, как и точность области состояний.
На фиг. 7 представлена структурная схема варианта осуществления приемного устройства 700, которое может быть компонентном беспроводного терминала. Приемное устройство 700 может быть выполнено с возможностью обработки сигналов от нескольких систем определения местоположения, таких, как спутниковая система позиционирования и беспроводная система связи. В варианте осуществления, показанном на фиг. 7, приемное устройство включает в себя антенну 710, наземный приемник 712а, приемник 712b спутниковой системы позиционирования, блок 716 обработки, запоминающее устройство 718, контроллер 720.
Антенна 710 принимает сигнал от нескольких передатчиков (которыми может быть любая комбинация спутников спутниковой системы позиционирования и/или базовых станций) и обеспечивает принимаемым сигналом наземный приемник 712а и приемник 712b спутниковой системы позиционирования. Наземный приемник 712а включает в себя входные схемы (например, радиочастотные схемы и/или другие обрабатывающие схемы), которые обрабатывают сигналы, передаваемые с базовых станций, с целью получения информации, используемой для определения местоположения. Например, наземный приемник 712а может измерять фазу пилот-сигнала в сигнале прямого канала, принимаемом от каждой базовой станции, с целью получения временной информации (например, времени поступления сигнала). Затем эта временная информация может быть использована для получения псевдорасстояния до базовой станции.
Наземный приемник 712а может быть гребенчатым (многоотводным) приемником (рейк-приемником), который может параллельно обрабатывать в принимаемом сигнале несколько образцов сигналов (или составляющих при многолучевом распространении). Гребенчатый приемник включает в себя несколько демодулирующих элементов (они часто известны как отводы), каждый из которых может быть предназначен для обработки и отслеживания конкретной составляющей многолучевого распространения. Но хотя несколько отводов (индивидуальных цифровых каналов) могут быть предназначены для обработки нескольких составляющих многолучевого распространения применительно к определенной базовой станции, только одно псевдорасстояние, определенное по одной составляющей многолучевого распространения (например, по пришедшей самой первой составляющей многолучевого распространения или по наиболее сильной составляющей многолучевого распространения), обычно используют для определения местоположения. В качестве альтернативы может быть установлено и сохранено временное (или дальномерное) соотношение между различными зубцами. В этом случае в зависимости от эффектов замирания и многолучевого распространения для определения местоположения можно использовать различные составляющие многолучевого распространения применительно к определенной базовой станции.
Приемник 712b спутниковой системы позиционирования включает в себя входные схемы, которые обрабатывают сигналы, передаваемые со спутников спутниковой системы позиционирования, с целью получения информации, используемой для определения местоположения. Обработка приемниками 712а и 712b с целью извлечения надлежащей информации из сигналов спутниковой системы позиционирования и наземных сигналов известна в области техники, к которой относится изобретение, и в настоящей заявке подробно не описывается. В одном варианте осуществления обработка сигналов спутниковой системы позиционирования может быть выполнена посредством наземного приемного устройства 712а. С приемников 712а и 712b на блок 716 обработки поступает информация различного вида, такая, как например временная информация, характеристики сигналов, обозначения и места расположения передатчиков, сигналы которых принимаются, и т.д.
В тех случаях, когда это требуется, на блок 716 обработки может поступать первоначальная оценка местоположения приемного устройства 700. Кроме того, как описано выше, блок 716 обработки может определять вычет псевдорасстояния для каждой базовой станции и спутника с целью использования для корректировки первоначальной оценки местоположения. После этого блок 716 обработки на основании вычетов псевдорасстояний может скорректировать первоначальную оценку местоположения для получения исправленной оценки местоположения приемного устройства.
В запоминающем устройстве 718 сохраняются различные данные, используемые для определения местоположения. Например, в запоминающем устройстве может сохраняться информация о местоположениях спутников спутниковой системы позиционирования (которая может быть получена из Альманаха и/или из Эфемерид, наборов данных, передаваемых спутниками или получаемых от наземных источников (например, посредством беспроводной сети)), местоположениях базовых станций (которая может быть получена путем передачи сигналов) и вычетах псевдорасстояний. В запоминающем устройстве 718 также могут храниться программы и данные для блока 716 обработки.
Контроллер 720 может управлять работой блока 716 обработки. Например, контроллер 720 может выбирать для вычисления решение конкретного типа (например, на основе спутниковой системы позиционирования, на основе сети, гибридное, на основе соты, на основе локальной системы позиционирования, на основе страховочной сети и другие комбинированные решения), конкретный алгоритм, подлежащий использованию (если их имеется несколько), и т.д.
Хотя это и не показано на фиг. 7, но приемное устройство 700 может находиться на связи с сервером 140 местоположения (см. фиг. 1), использование которого может способствовать нахождению оценки местоположения терминала. В сервере местоположения могут выполняться вычисления с целью получения оценки местоположения или с него может поступать информация, используемая для (1) сбора измерений со спутников и/или с базовых станций (например, для содействия сбору, для содействия синхронизации, информация, относящаяся к местоположению спутников спутниковой системы позиционирования и/или базовых станций и т.д.) и/или (2) определения исправленной оценки местоположения. В случае вариантов осуществления, в которых определение местоположения осуществляется сервером местоположения, результаты основополагающих измерений от различных систем позиционирования передаются на сервер местоположения (например, посредством беспроводных и/или проводных каналов связи). Пример такого сервера местоположения описан в патенте США № 6208290, который включен в настоящую заявку посредством ссылки.
Способ и устройство, описанные в настоящей заявке, могут быть использованы в сочетании с различными беспроводными системами и сетями связи. Например, раскрытые способ и устройство могут быть использованы для системы связи множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA), множественного доступа с частотным разделением каналов (FDMA) и для других беспроводных систем связи. В этих системах можно использовать один или несколько подходящих стандартов. Например, в системах связи множественного доступа с кодовым разделением каналов можно использовать IS-95, cdma2000, IS-856, W-CDMA и т.д. В системах связи множественного доступа с временным разделением каналов могут быть использованы GSM, GPRS (услуга пакетной радиосвязи) и т.д. Эти разнообразные стандарты известны в области техники, к которой относится изобретение, и включены в настоящую заявку посредством ссылки. Другие системы беспроводной связи включают в себя несотовые беспроводные системы, такие, как например системы IEEE 802.11, системы Bluetooth и беспроводные локальные сети (WLAN).
Способ и устройство, описанные в настоящей заявке, могут быть использованы с различными спутниковыми системами позиционирования, такими, как глобальная система позиционирования США, российская система ГЛОНАСС и европейская система Галилео. Кроме того, раскрытые способ и устройство могут быть использованы совместно с системами определения местоположения, в которых используются псевдолиты или совокупность спутников и псевдолитов. Псевдолиты представляют собой наземные передатчики, которые передают код индивидуального номера или другой дальномерный код (аналогичный сигналу глобальной системы позиционирования или сигналу сотовой радиосвязи в системе множественного доступа с кодовым разделением каналов) в виде модуляции несущего сигнала L-диапазона (от 390 до 1550 МГц или на другой частоте), который может быть синхронизирован со временем в глобальной системе позиционирования. Каждому такому передатчику может быть присвоен уникальный код индивидуального номера с тем, чтобы обеспечить возможность его идентификации удаленным приемником. Псевдолиты используют в ситуациях, когда сигналы глобальной системы позиционирования от орбитальных спутников могут быть недоступны, например, в туннелях, шахтах, зданиях, в городских узостях и в других замкнутых пространствах. Известен другой вариант осуществления псевдолитов в виде радиомаяков. Термин “спутник”, использованный в настоящей заявке, предполагается включающим в себя псевдолиты, эквиваленты псевдолитов и возможное прочее. Термин “сигнал спутниковой системы позиционирования”, использованный в настоящей заявке, предполагается включающим в себя сигналы, подобные сигналам спутниковой системы позиционирования, сигналы от псевдолитов или эквивалентов псевдолитов. Термин “базовая станция”, использованный в настоящей заявке, предполагается включающим в себя источники сигналов сотовой системы связи, беспроводной сети, локальной сети, глобальной сети, локальной системы позиционирования, Bluetooth, точек доступа согласно стандарту 802.1 и другие наземные источники сигналов.
Способ и устройство, описанные в настоящей заявке, могут быть реализованы различными средствами, например аппаратными средствами, программными средствами или сочетанием их. В случае реализации аппаратными средствами способ и устройство могут быть реализованы одной или несколькими специализированными интегральными схемами, цифровыми процессорами сигналов, устройствами цифровой обработки сигналов, программируемыми логическими устройствами, логическими матрицами, которые программируются пользователями, процессорами, контроллерами, микроконтроллерами, микропроцессорами, другими электронными узлами, предназначенными для выполнения функций, описанных в настоящей заявке, или сочетанием их.
В случае реализации программными средствами раскрытые способ и устройство могут быть реализованы модулями (например, процедурами, функциями и т.д.), которые выполняют функции, описанные в настоящей заявке. Программы могут быть записаны в запоминающем устройстве (например, в памяти 718 на фиг. 7) и выполняться процессором (например, блоком 716 обработки или контроллером 720). Запоминающее устройство может быть совмещено с процессором или может быть внешним по отношению к процессору, и в этом случае оно может быть связано с процессором с возможностью передачи данных с помощью различных средств, известных в области техники, к которой относится изобретение.
Предшествующее описание раскрытых вариантов осуществления сделано с целью обеспечения возможности любому специалисту в области техники, к которой относится изобретение, выполнения или использования настоящего изобретения. Различные модификации этих вариантов осуществления будут без труда выявлены специалистами в области техники, к которой относится изобретение, а основные принципы, установленные в настоящей заявке, могут быть применены к другим вариантам осуществления без отступления от сущности и объема изобретения. Поэтому настоящее изобретение не предполагается ограниченным вариантами осуществления, показанными в настоящей заявке, а должно соответствовать самому широкому объему, согласующемуся с принципами и новыми признаками, раскрытыми в настоящей заявке.