CN100409028C - 使用蜂窝通信系统的位置确定系统 - Google Patents

Abstract

一种用于使用移动站网络确定移动站的位置的位置确定系统和装置，包括对来自基站的导频信号进行多个统计独立的数据测量。每个数据测量包括每个导频信号的最早到达时间估计，提供对每个导频信号的多个独立测量。对于每个蜂窝基站，根据独立测量计算代表测量，该测量用于使用AFLT算法和/或连同GPS算法确定移动站位置。在一些实施例中，每个导频信号的数据测量还包括RMSE估计和每个到达时间的测量时间以及所有可分辨路径的能量测量。如果移动站包括小区电话，则小区搜索列表和GPS搜索列表可能由小区基站提供。

Description

使用蜂窝通信系统的位置确定系统

发明背景

相关申请

本申请对于美国临时申请号60/340804有优先级，该申请提交于2001年12月14。

本发明领域

本发明涉及位置定位系统，该系统使用无线信号以确定电子设备的位置。

相关技术的描述

现存的基于GPS的位置定位技术使用在地球轨道上的一个卫星网络，该网络在已知时间发送信号。地面上的GPS接收机测试从它“可见”的空中的每个卫星来的信号的到达时间。信号的到达时间连同卫星的准确位置以及信号从每个卫星被发送的准确时间被用于对GPS接收机的位置进行三角测量。GPS接收机需要四个卫星进行三角测量，且产生的位置定位的性能随着可以被检测到的卫星数目的增加而增加。

如果只能找到三个(或更少)的卫星，会导致GPS一个问题，在该情况下它不可能准确地定位GPS接收机。例如，如果GPS接收机可见的空中范围受阻(例如接近较高的大楼)，它可能不能定位足够的GPS卫星以确定位置。

GPS的另一问题涉及GPS接收机扫描空中以定位所有可用的卫星需要的时间量(“冷开始”)。来自卫星的GPS信号是非常有方向性的，且本质上很弱，因此甚至在开放场所找到所有的可用卫星可能需要几分钟。一旦卫星被GPS接收机定位到，只有这时它们才可以很简单地被跟踪并被快速重新定位以实时更新位置。

建议使用现存的蜂窝基站网络以与GPS类似的方式定位位置。从理论上说，每个基站的准确位置、基站发送的准确时间以及基站信号到达移动站(例如蜂窝电话)的时间可以被用于对移动站的位置进行三角测量。该技术被称为高级前向链路三边测量(AFLT)。移动站面临的关键问题在于测量它从每个基站接收到的信号到达时间。这样做的最简单的方法是为每个信号进行简单的到达时间测量。在一示例中，单个测量包括将接收到的信号与发送信号本地生成的副本相关，并搜索该相关的峰值。目的是为了测量从基站来的最早到达路径的到达时间。

实际证明了很难实现可以准确确定移动站位置的AFLT系统。对于AFLT过程关键的测量到达时间在非直视线和/或动态衰落环境中很难进行，在该动态衰落环境中，来自同一发射机的多个路径不可预测地衰落。例如，如果移动站在一障碍物之后，则来自基站的信号可能沿着多径在由移动站接收前反射一次或两次或更多次。信号还可以直接通过大楼，但它与更强的反射后信号相比可能以很弱信号被接收到。

部分由于卫星和GPS接收机间的相对较长距离，GPS系统不用于在动态衰落和/或非直视线环境中操作。一般，GPS接收机进行每个位置的单个测量，或有时它可以用动态积分长度进行多个测量以确定正确的积分参数，以使得可用固定点处理器的动态范围的中心位于接收到的信号强度周围。该种方法不适用于AFLT环境，其中来自同一发射机的多个路径不可预测地上下衰落。

最有利地是利用蜂窝基站进行位置定位用途。FCC规定蜂窝操作者提供用于准确定位移动电话位置的系统，其原因在于与“911”呼叫相关的紧急帮助。对于这样或其他的理由，会需要有效的AFLT系统。

本发明概述

在此揭示的方法和装置用于通过对来自蜂窝基站的信号进行一系列基本统计独立的测量，有效利用蜂窝基站的蜂窝网络确定在非直视线和/或动态衰落环境内的移动站位置。该方法可以本身用于AFLT算法；或者，为了增强GPS系统的性能，现存的蜂窝基站网络可以被视为用于位置定位用途的第二卫星网络。AFLT技术连同GPS被称为混合GPS/AFLT。

一种方法，用于使用每个发送唯一导频信号的多个蜂窝基站确定移动站位置，包括：对来自每个所述的多个蜂窝基站的导频信号进行多个基本独立的数据测量。每个数据测量包括每个导频信号的最早到达时间估计，从而提供多个蜂窝基站来的每个导频信号多个独立的最早到达时间测量。使用至少一个所述的代表测量以确定所述移动站的位置。在一些实施例中，数据测量进一步包括每个到达时间的RMSE估计和测量时间以及所有导频信号的可分辨路径的能量测量(例如(Ec/Io)。在一些实施例中，为导频ID计算代表测量的步骤包括包括选择数据测量，且对落在预定窗口内的选定的到达估计时间进行平均。

进行数据测量的方式使得从统计的角度上基本独立；例如同一导频信号的每个数据测量很可能高度独立于该导频信号的所有其他数据测量(即基本不相关)。统计独立可以通过充分地将数据测量在时间、空间、频率或任何其组合上分开以提供对相同导频信号采取的数据测量间独立的高度可能性。

代表测量可以用于AFLT算法以确定位置；或者一个或多个代表测量可以与GPS算法一起用于确定位置。在一些实施例中，移动站包括移动电话，且方法还包括在数据获取前将移动电话连接到一个蜂窝基站，且提供数据测量可能被进行的区域内的蜂窝基站的小区搜索列表。在包括GPS系统的实施例中，蜂窝基站还可以提供GPS搜索列表，该列表可以用于减少确定位置需要的时间。

在一实施例中，移动站使用每个发送唯一导频信号的多个蜂窝基站以确定位置。移动站包括用于与蜂窝基站通信的蜂窝通信系统，以及存储多个数据测量的数据库，所述数据测量包括每个导频信号的最早到达时间估计，所述数据库包括每个导频信号的多个基本独立数据测量；代表测量计算系统，用于从数据库接收数据测量，并据此提供每个导频信号的到达时间的代表测量；以及位置计算和控制系统，用于接收每个导频信号的代表测量，并据此确定移动站的位置。在一些实施例中，移动站还包括GPS通信系统，且位置计算和控制系统用于接收GPS数据测量，并据此确定移动站的位置。在一些实施例中，数据库包括存储RMSE估计以及每个到达时间的测量时间的存储器，且代表测量计算系统还包括用于为每个导频信号的RMSE估计计算代表测量的装置。另外，数据库包括在数据库内的每个导频信号的能量测量(例如Ec/Io)的存储器。移动站可以包括移动电话或其他移动设备诸如个人电子助手。

附图的简要描述

为了对本发明有更完整的理解，以下实施例的更详细说明参考了所附附图中的说明，其中：

图1是多个蜂窝基站、GPS卫星以及持有诸如移动电话的移动站的用户的透视图；

图2说明了在多径环境中持有一移动站的用户，说明了来自同一蜂窝台的三条路径的不同路径长度的透视图。；

图3是包括蜂窝和GPS通信系统、保留数据测量的数据库和AFLT和GPS系统的移动站图；

图4是用于确定移动站的位置操作的流程图；

图5是为每个导频信号从多个数据测量获得代表测量的操作流程图；

图6是为每个导频信号存储多个数据测量的PPM数据库38的一实施例图；以及

图7是在一实施例中用于根据数据测量计算代表测量的操作流图。

详细描述

概述

揭示了一种方法和装置，用于通过重复地从一组导频信号进行数据测量并存储每个导频信号的多个数据测量，以测量最早到达多径的到达时间。在一描述的实施例中，数据测量在时间上充分间隔开，使得各个接收到的多径检测到的量(例如，能量)对于每次相继的数据获取循环基本统计独立。有利的是，在一些数据测量循环期间因为衰落而未能检测到的最早多径非常可能在其他数据测量循环内被检测到。在收集了充分数据测量后，数据库的内容被用于计算代表测量，该测量表示每个导频信号的最早接收到的多径的到达时间。在一实施例中，数据库内的每个导频ID的到达代表时间是通过找到数据库内的最早测量并对预定的时间窗口内的所有测量的到达时间进行平均而经计算的。

为了进行可检测的多径的多个独立测量，在一实施例中，测量在不同时间进行。在其他实施例中，从两个或更多不同的接收天线进行测量，或从两个或多个不同的发射天线或任何其组合来的信号进行测量。

本发明在以下参考附图进行描述，其中相同的标号表示相同或类似的元件。

术语和缩写词表

以下的术语和缩写词在整个详细描述中被使用：

AFLT高级前向链路三角测量

CDMA码分多址

GPS全球定位系统

GSM全球移动通信系统

移动站便携式设备，诸如移动电话，一般由要确定其位置的用户携带。

导频信号一信号，通常是由蜂窝站用于建立与远程设备的通信而发送的伪随机序列。虽然“导频”一词经常用于CDMA蜂窝系统环境中，该术语还可以被广泛应用于所有其他蜂窝通信系统中。

RMSE估计导频信号的Ec/Io的指示。

变量表

以下是在此讨论的一些变量表格

参数        描述

D_p          存储在PPM DB内的导频ID的最大数目

D_m          每个PN存储的测量的最大数目

RMSE_MAX     可以存储在PPM DB内的最大RMSE

N_a          用于选择哪个数据测量应被用于计算到达时间的窗口长度

T_AGE        在测量的RMSE“老化”前的延时

概述

图1是多个蜂窝基站一起在10示出，GPS卫星一起在12示出，以及持有诸如移动电话的移动站16的用户14的透视图。蜂窝基站包括用作与移动站连接的通信网络一部分的蜂窝基站的任何集合。蜂窝基站一般提供通信服务，使得移动电话的用户能在通信网络18上连接到另一电话；然而，蜂窝基站还可以与其他设备和/或其他通信用途而被使用，其他通信用途诸如用手持个人数字助手(PDA)进行互联网连接。在一实施例中，蜂窝基站10是CDMA通信网络的一部分，然而，在其他实施例中还可以使用诸如GSM网络的其他类型通信网络。每个蜂窝站周期性地发送可以唯一地标识小区站的伪随机序列。伪随机序列是用于将接收机锁定到的一系列比特。在CDMA术语中，该伪随机序列被称为“导频信号”，如在此使用的，术语导频信号可以应用到任何蜂窝系统以及CDMA系统。

GPS卫星包括用于定位GPS接收机的任何卫星组。卫星周期性地发送GPS接收机可以检测到的无线电信号，且GPS接收机测量无线电信号从卫星到接收机需要的时间量。因为无线电信号运行速度已知，且卫星经同步化以周期性地与“GPS时间”一致地每毫秒发送其信号；因此可能通过它们到达需要的时间确定信号经过的距离。对位于开放空间的用户，GPS接收机一般能不受阻碍地看到卫星。因此，当用户在开放空间时，测量GPS信号的到达时间是直接的，因为它一般是从卫星到接收机的直接“视线”。然而，在蜂窝环境中，用户可以位于有大楼或其他障碍物的城市，这些障碍物阻碍了直接视线和/或将相同信号多次沿着多径反射，且在该情况下，反射的信号可能是唯一可检测到的信号。

图2是多径环境中持有诸如移动电话的移动站16的用户14透视图。图2说明当来自蜂窝基站10a的信号有到移动站16的多条路径时会发生多径问题。特别是，直接信号20通过第一障碍21，诸如大楼，并衰减到一定程度。第一反射后的信号22在被移动站16接收前从第二障碍物23反射。第二反射后的信号24在被移动站16接收到前从第三障碍物25反射。图2经简化为了说明，且应该很清楚可以存在其他路径，且在一些环境中，信号可能在被移动站16接收前反射不止一次，而是两次、三次或更多次。而且，由于直接信号20因为通过第一障碍物21引起的衰落，一个或两个反射后的信号22和24的幅度可能远远大于直接信号20的幅度。

每个从基站10a发送的信号到移动站16需要的时间取决于每个信号经过的距离。信号20、22和24的每个在同一时间从蜂窝基站10a被发送，接收到的信号间的时间差量取决于距离的差别。如果直接信号20到移动站16需要的时间为t₀，则第一反射后信号22到移动站需要的时间量为t₀+Δt₁，且第二反射后信号24到移动站需要的时间为t₀+Δt₂。AFLT系统的应答是确定最早到达的信号，这最好是对应直接信号20的到达时间t₀。

图3是包括蜂窝和GPS通信系统的移动站的一实施例框图，且包括在此描述的AFLT系统。该实施例使用GPS和/或AFLT以确定位置，然而，在其他实施例中，AFLT可能被单独使用。图3示出连接到一个或多个天线31的蜂窝通信系统30。蜂窝通信系统包括合适设备、硬件和软件，用于与蜂窝基站通信以及/或检测来自其的信号。蜂窝通信系统30连接到移动站控制系统32，该系统一般包括提供标准处理功能的微处理器，以及其他计算和控制系统。位置计算系统33连接到移动站控制系统32，请求来自其他系统的合适信息和操作，并使用任何合适AFLT算法、GPS算法或AFLT和GPS算法的组合(“混合ALFT/GPS”)以实现确定位置所需的计算。

在一实施例中，蜂窝通信系统30包括用于与CDMA网络基站通信的CDMA通信系统；然而在其他实施例中，蜂窝通信系统可以包括诸如GSM的其他类型的网络。GPS通信系统34包括任何合适的用于接收和处理GPS信号的硬件和软件，还连接到移动站控制系统32。用户的输入是通过一般包括小键盘的用户接口36被提供。用户接口包括用于使用蜂窝通信系统的语音通信服务的麦克风/扬声器组合。显示器37包括任何合适的显示器，诸如后照亮的LCD显示器。PPM数据库38连接到控制系统32，该数据库被提供以存储与多个导频信号的观察到数据测量相关的信息。该数据库的一示例在图6内示出，且在以下讨论。每个导频信号在数据库内由一导频信号唯一地标识。代表测量计算系统39连接到控制系统和数据库以根据数据库内存储的多个数据测量计算每个导频ID的代表测量，这参考图5详细揭示。在一实施例中，代表测量包括每个导频信号的所有可分辨路径的最早到达时间估计、RMSE估计和Ec/Io估计。

图4是确定移动站位置的操作流程图。在41，获得蜂窝基站邻居的搜索列表。小区搜索列表会被用于搜索来自列表上的蜂窝站的导频信号，且它还可以包括对找到列表上的站的导频信号有用的信息。

小区搜索列表还可以以多种方式获得，在一简单实施例中，小区搜索列表包括蜂窝系统内所有可能的导频信号；然而，搜索所有可能的导频信号可能需用去不希望的时间量。在一实施例中为了节省时间量，与移动站通信的本地蜂窝基站可以向移动站提供小区搜索列表。当然，这假设移动站可以建立与本地蜂窝基站的通信(或通信已经被建立了)。或者，诸如在不能与任何蜂窝基站建立通信的情况下，移动站可以简单地标识本地蜂窝基站，并使用存储在其本身内的日历确定小区搜索列表。小区搜索列表可以从最近的活动中被推断出，或可以使用缺省搜索列表。例如，小区搜索列表可以从移动站已连接到的最近小区站的知识中被推断出。如果不能推断出任何列表，则小区搜索列表可以简单地包括所有小区站，即使这化费时间量是不希望的。值得注意的是可能在不建立通信的情况下检测蜂窝基站，即导频信号可能具有以被检测的功率足，但该功率却不足以建立基站和移动站间的通信。

在42，可以从在小区搜索列表上的每个蜂窝基站来的导频信号中获取多个统计独立的数据测量。值得注意的是，即使导频信号的强度不足以建立通信，导频信号可能有足够的强度以测量到达时间和其他质量。

数据测量进行的方式是使其基本上统计独立；即相同导频信号的每个数据测量可能独立于该导频信号的所有其他数据测量(例如基本与其不相关)。统计独立性可以通过充分地将数据测量在时间、空间、频率或其组合上分开而提供，以提供相同导频信号获得的数据测量间的高度独立的似然性。用于获得统计独立性的特定技术(或技术组合)随各个实施例间变化，这取决于诸如速度和准确性的目标，并受到诸如费用、空间和能量消耗限制的影响。另外，可以意识到在任何这些技术下，信道条件的出现可能会有一定程度的测量相关性，可以假设哪项技术(或技术组合)会在期望的环境下在大多数时间提供独立的数据测量。

一种获得统计独立的技术是在时间上进行一系列的数据测量，在相继的测量间的时间差至少足以符合独立的假设。一般，相继测量间的时间差的选择应使得信道的衰落特征会在每个数据测量间改变。在非移动环境中，至少20毫秒(20ms)的时间差提供了独立采样，除了实际约束施加的以外没有最大时间差。由于实际限制，时间差一般范围在100毫秒到2秒间，且在一实施例中为0.5秒。

为了实现，一般应假设移动站以接近静止的慢速度运动，理论上信道不改变；然而，实际中完全静止信道一般不可获得。值得注意的是如果移动站是以对面移动，时间间隔需要的量因为相继测量间位置差会减少。且相应地在移动车辆中，获得独立的最小时间差小于静态站的时间差。

另一获得统计独立的技术是从空间上不同的两个位置进行独立测量。在一该实施例中，两个或更多的天线上进行数据测量(见图3的31)，其中任何两个天线间的最小距离大于载波频率波长的一半。作为结果，衰落特性很可能独立于每个接收到的信号。天线分隔的实际值一般是其载波频率的波长的一半，因为一般期望天线尽可能地位于一起。

另一种获得统计独立的技术是在从同一蜂窝基站发送的两个或多个频率处进行数据测量，如果网络内的小区站在不同的频率信道上广播导频信号。在该技术中，频率分隔应至少足即使以在衰落环境中进行多个独立测量，如果信道条件合适可以是该情况。大多数时间内，频率信道间隔的带宽大于1MHz，在这一网络中，独立的假设通常是准确的。

同样，可以意识到从不同空间位置进行测量或测量多个频率信道的测量间的时间差的任何组合可以被用于获得多个数据测量的统计独立性。

在一实施例中，如以下将描述的，多个独立的数据测量包括最早到达时间(TOA)估计、提供最早TOA的路径的RMSE估计以及导频信号所有可分辨路径的Ec/Io估计，这些会被用于更新导频信号的Ec/Io。数据测量可以存储在图6内示出的数据库内，其中每个导频信号与多个相关的数据测量相关联。值得注意的是图6内示出的实施例不是存储总能量(Ec/Io)的多个值，而是为每个导频ID存储单个Ec/Io的值。在进行每个新数据测量时，存储的该导频ID的Ec/Io值使用诸如1抽头IIR滤波器的合适滤波器经更新。

在43，为每个蜂窝基站计算代表测量。尤其是，根据在搜索循环内进行的多个测量，为每个蜂窝基站计算单个代表测量。关于图5描述了一代表测量算法。一实施例的代表测量算法与图6的PPM数据库一起示出。

在44，获得GPS卫星搜索列表。这是一个可任选操作，它有利地提供了可以为GPS系统用于寻找卫星的搜索列表，从而减少了定位充分的卫星以获得位置固定需要的时间。GPS搜索列表包括信息诸如空中每个可见卫星的位置以及其他对于定位卫星和确定每个信号的到达时间有用的信息。GPS搜索列表可以如在41的邻居列表类似的方式获得，诸如通过与蜂窝站通信或从最近活动连同给出每个GPS卫星空中的预计位置的日历推断出。或者，GPS系统可以简单地搜索整个天空，然而，该种完全的空中搜索一般需要至少几分钟时间。

在45，GPS测量根据合适的GPS过程而获得。在一实施例中，GPS通信系统首先搜索在可见卫星列表内规定的卫星，这可以大大减少获得充分GPS信号需要的时间。

在46，使用蜂窝基站的代表测量和/或GPS测量确定移动站的位置，如以下使用位置计算系统33将详细描述的。使用AFLT和GPS算法可以很有用：例如如果只能获得三个GPS测量(需要四个以进行准确GPS固定)，则第四个测量可以从AFLT代表测量而获得。即使可以获得四个或更多GPS测量，AFLT测量可以作为检查GPS固定的准确度。

图5是使用先前搜索期间获得的数据测量获得代表测量的操作流图。以下的讨论使用CDMA术语和CDMA技术用于说明目的；然而，很清楚的是也可以使用其他无线通信系统。在CDMA系统中，每个小区基站发送唯一的周期性导频信号，该信号是为随即序列，使得接收机能锁定导频并开始通信。每个导频信号有不同的序列偏移(有时被称为“相位”)，该偏移使之区别于邻域内的所有其他小区站。另外，小区站所有都经同步使得每个在同时刻发送其导频信号。在CDMA系统中，导频信号每26.7毫秒经周期性地重复。

在51，获得小区搜索列表(例如如以上41处揭示)，这通过将搜索努力集中于有合理的可使用可能性的这些导频信号上而节省了时间。

在52，对搜索列表上的导频信号进行数据测量。特别是，由于检测到了每个导频信号，进行包括最早到达时间的数据测量，且该数据被存储在数据库内。在一实施例中，每个导频信号的数据测量包括最早到达时间(TOA)估计、对应最早TOA的路径的RMSE估计、测量时间(TOM)以及所有有该导频信号的路径的能量测量(Ec/Io)。值得注意的是框52是一环路的部分，该环路被实现多次以提供多个数据测量。在每次通过框52时，新的数据测量基本统计独立于先前通过时进行的数据测量。

在一实施例中，每个导频ID的输入PPM数据库的数据测量指明是否检测到导频，且如果检测到，则包括到达时间、RMSE以及如下所确定的Ec/Io。其他实施例可以以不同方式确定这些量。

在一实施例中的到达时间的计算通过使用峰值能量以及偏离峰值+/-0.5码片处的能量且经内插以确定到达可用分辨率的峰值值。内插技术使用二阶多项式并使得曲线符合硬件返回的峰值的三个采样。该多项式给出为：

y(x)＝ax²+bx+c

其中x是由硬件返回的参照中心的采样值。鉴于此，a、b和c的解为：

a＝2y(0.5)+2y(-0.5)-4y(0)

b＝y(0.5)-y(-0.5)

c＝y(0)

内插的峰值位置接着由相对于硬件返回的峰值由-b/2c给出。

RMSE度量指明其相位被报告的单个路径的Ec/Io。在一实施例中，RMSE估计使用以下的线性公式经计算：

$\mathrm{RMSE}=\frac{0.2}{\frac{E_c}{I_o}}+10$

期望的最小和最大报告的RMSE值相应地在10和223之间。这使得移动站报告的Ec/Io值在-4dB和-30dB之间。结果是RMSE随着Ec/Io以分贝为单位指数衰落。使用条件平均公式以将搜索器输出转换为Ec/Io，一实施例中的移动站可以使用以下公式计算RMSE：

$\mathrm{RMSE}=\frac{G^2{\mathrm{MN}}^2}{5\×(y-G^2\mathrm{MN})}+10$

其中y是原始搜索器输出，G²是9/2048的由于截断和保和的比例缩放因子，N是相干累加的码片数，M是非相干扫频(sweep)的数目。在一实施例中，MS将RMSE截短到8比特无符号量，其值的范围从10到233。在该限制下，MS内的计算可以给出为：

Ec/Io度量指示给定的PN的所有可分辨路径的总Ec/Io。在一实施例中，对给定搜索参数且在预定最强峰值的码片数W_a内，可分辨路径被定义为在噪声底限之上的任何峰值。总Ec/Io可以使用以下公式经计算：

${\left(\frac{E_c}{I_o}\right)}_{\mathrm{total}}=\frac{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{y}_i-k{G}^2\mathrm{MN}}{G^2{\mathrm{MN}}^2}$

其中，k是可分辨路径数，且y_i是每个可分辨路径的搜索器输出，且G、M和N如上定义。

在53，最近的数据测量被输入PPM数据库，其中一实施例在图6内被示出，并以下对此讨论。在一些实施例中，可能需要或期望较老和/或较不可靠的数据测量从数据库中被移去以为最近的数据测量留出空间。

在54，在一实现中，移动站被设计成重复地搜索导频信号、进行数据测量并将新测量输入数据库，直到移动站请求代表测量。当然在其他实施例中还可以使用其他策略；例如一种方法是可以简单地重复搜索固定次数(例如20)。直到请求最终结果，循环会重复地地退出框54并重复通过步骤51、52和53以搜索导频信号，进行其他测量并更新数据库。一旦请求了最终结果，则操作进行到框55。

在判决55处，确定在数据库内是否有充分的数据测量以计算代表测量。如果在55，数据不足以能计算代表测量，则操作会退出判决55并重复通过步骤51、52、53和54以获得另一数据测量集合并更新数据库。假设移动站在54对代表测量的请求保持未完成，则当进行了充分的数据测量时，操作从判决55继续进行到计算每个导频信号的代表测量。

考虑到多种因素诸如可以在数据库内存储的测量数、需要的准确度等，在55处确定是否有充分数据测量存在可以以各种方式进行。在一实施例中，当已经完成了预定数量(例如10次)的数据测量循环时存在充分数据测量。在其他实施例中可以使用其他准则，诸如在过去了预定长度时间(例如6秒)。还可以使用组合以建立准则。

在56，如同参考图7描述的计算代表测量。一般代表测量根据数据库内存储的多个测量而经计算。代表测量提供每个导频信号的到达时间的单个测量，且除了其他信息外，还可以包括诸如RMSE估计。

在57，所计算的代表测量被提供给移动站如期望地使用。例如，这些代表测量单独或连同GPS位置定位系统在AFLT算法内用于位置定位。

在58，确定是否仍需要AFLT，即是否期望附加的代表测量。在一些情况下，系统可能期望使用AFLT连续地更新其位置，诸如在移动车辆中。如果需要AFLT，则循环在判决58退出，并重复地通过步骤51、52和53，判决54和55以及计算56以计算另一组代表测量。如果不需要AFLT，则操作从判决58退出，且代表测量过程现在完成。

图6是PPM数据库38的一实施例图(图3)，用于诸如图5示出的获得代表测量的过程中存储数据测量。在该实施例中，数据库38被称为PPM(导频相位测量)数据库。对于每个导频信号，给出标识号(导频ID)61。每个导频ID与多个存储测量相关联，如图6内在多行63内示出，每个表示与相应的导频ID相关联的分开的数据测量。PPM数据库支持有限数量的导频ID(D_p)以及每个导频ID的有限数量的测量(D_m)。导频ID的实际数目和每个导频ID支持的实际测量数目在各个实施例间不同，且一般取决于适合特定实现的费用比利润分析以及其他诸如实现搜索的速度的因子。在一实施例中，支持二十个导频ID，且每个导频ID可以有多达5个相关数据测量。PPM数据库以任何合适的格式实现，所述格式包括存储器、控制硬件和软件例程；例如PPM数据库可以是包括多个相关数据库的关系数据库形式。

对于每个搜索的导频信号，在一实施例中的数据测量包括到达时间(TOA)估计以及对于最早到达导频信号路径的RMSE估计以及测量时间(TOM)。提供TOM使得组内的每个数据测量的相应相关可以被确定并被给予适当的考虑和加权。

在一实施例中，TOA以数字形式、量化的时间单位(例如chipx16，这大致是0.05微秒)被存储。为该值可以使用两个字节(16比特)。RMSE估计以U_RMSE1米的单位被测量。为该值可以使用一个字节。TOM值从算法开始运行起以U_Z(0.25)秒的单位被存储。可以为该值使用一字节。

在图6示出的实施例中，与导频ID 61相关联的Ec/Io存储器空间65存储每个导频ID的单值Ec/Io。在其他实施例中，PPM数据库可以为总能量(Ec/Io)连同其TOA、RMSE和TOM存储每个数据测量。单值方法的一个好处是减少存储器存储要求，这在一些实现中会有用。每次Ec/Io的新数据测量指示在搜索期间检测到的导频信号(包括所有可分辨路径)的总能量，接着该新数据测量，使用合适的滤波器更新该导频ID的存储值Ec/Io。在一实施例中，Ec/Iode存储值使用1抽头IIR滤波器经计算如下：

$y\left[n\right]=\frac{1}{N_f}x\left[n\right]+\frac{N_f-1}{N_f}y[n-1]$

其中N_f是选定的一变量以将相关的加权分配给Ec/Iode当前和先前值。在一实施例中N_f＝2，这对先前和当前值进行了平均。概括地说，连同在一实施例中获取的数据测量的每个集合，在该循环中进行的数据测量被记录在数据库内，且每个导频ID的Ec/Io值使用在搜索中获得的新信息而被更新。一般，每个附加数据测量被存储直到存储的数据测量数目超过可用空间，且这时，数据库被更新以确定哪些先前的测量被移去以为新数据测量留出空间。为了更新PPM数据库，可以使用诸如FIFO(先进先出)的简单规则。该更新规则可在各个实施例间不同，这取决于多个考虑诸如可用存储空间和进行数据测量所用的速率。在该种实施例中，数据库更新的原理是存储来自先前搜索循环的结果并压缩数据测量以限制存储器消耗。另外，数据库更新规则的选择应使得只有在必须为更加新的信息留出空间时才丢弃信息，这使得大多数收集的信息能用于计算代表测量。如图6示出的，存储在存储库内的所有的测量可以在计算代表测量时可供使用。

现在参考图7，该图是一实施例中的操作流图，用以根据数据测量计算代表测量。

代表测量计算的一个目标是报告最早可检测路径的到达时间。这是有挑战性的，且可以有许多方式完成。在静态环境中，不管RMSE而报告找到的每个导频ID的最早峰值是合理的，因此，在最早峰值的窄窗口内对所有测量求平均有助于减少静态环境内的噪声引起的偏差。然而，在移动环境中，可能更强调的是最近测量。因为该原因，图7内的流图内示出的实施例内，RMSE值经“老化”，且饱和的RMSE值被忽略除非特定导频ID的RMSE值饱和。RMSE值对于第一T_AGE秒不老化，以防止不必要地饱和较弱的测量，如果这些测量发生在先前几个搜索循环内。报告的RMSE是用于计算到达的平均时间的所有测量的最小RMSE，使得RMSE估计的代表测量反映了在该到达时间所见的最强峰值的Ec/Io。

在一实施例中，丢弃的数据测量不从实际的PPM数据库中物理地移去，而只是为了计算代表测量的目的而忽略。保持数据库内丢弃的测量允许数据库内容在移动站无论如何频繁地要求代表测量也不受影响。

开始于流程的顶部，目的是为每个导频ID计算TOA、RMSE和Ec/Io的单个代表测量，可以用于位置确定算法。为了方便，这些代表值被称为TOA_REP、RMSE_REP和E_c/I_oREP。虽然这些代表值很可能是AFLT算法的最重要变量，但在其他实施例中，可以使用不同或附加的变量。

在70，选择会计算其代表测量的下一导频ID。如果这时第一次通过环路，则第一导频ID会在70处被选择。在相继通过环路时，选择每个相继导频ID直到为所有导频ID确定了所有代表测量。

在71，确定Ec/Io的代表值。在参考图6讨论的一实施例中，Ec/Io是在每个搜索循环后经重复更新的单值，用于提供导频被搜索的所有实例上的连续平均。因此，在该实施例中，Ec/Io的当前值可以不需要进一步计算而被直接使用，且因此Ec/Iode代表测量被设定为当前值(E_c/I_oREP＝当前E_c/I₀)。在另一实施例中，诸如如果为导频信号存储了多个Ec/Io值，则可能必须对该种存储的Ec/Io值进行计算以获得Ec/Io的代表值。在每个导频ID的PPM数据库内(例如图6内示出)，有多个对应于TOA、RMSE和TOM存储的数据测量。相应地，这多个数据测量必须经处理以提供TOA和RMSE的单个值。代表测量计算包括判决过程以选择要使用哪个测量，以及不使用哪个测量以计算TOA和RMSE的代表值。

在72，TOM大于T_AGE的所有测量被“老化”。对此的基本理念如下：测量的不确定性随着测量在数据库内的时间的老化而增加。为了反映该增加的不确定性，存储在数据库内的所有测量的RMSE估计取决于测量有多旧而被增加。在一实施例中，大于预定时间T_AGE的RMSE估计被线性地增加。在一实施例中，这是在以下公式中完成的：

RMSE_AGED＝RMSE+max(0，9·(ΔT-T_AGE))

其中ΔT是当前时间和进行测量的时间之差。该公式不会使得在第一T_AGE秒内取得的任何RMSE估计老化；另外，较旧的RMSE估计会被线性老化。

在72，RMSE估计在确定在以下步骤中保留哪些测量前经老化。在要描述的一实施例中，在滤去并丢弃不期望的测量后，被报告的RMSE_REP是老化的RMSE值得最小值。

一般“老化”意味着对离从最后测量的时间越远的测量被给与越少的加权。在一实施例中，RMSE被线性老化。值得注意的是在一实施例中，RMSE_AGE的计算值不物理替代导频相位数据库内的RMSE估计；而是老化的RMSE值只在计算代表测量时被使用。这可以很有用，例如如果在相继的代表值计算中，一些数据库值自从先前的代表测量计算之后未被改变。

在73，取决是否当前导频ID的任何测量有小于RMSE_MAX的RMSE，该RMSE_MAX是诸如一实施例内的255的预定量。如果是，则在74，为了计算的目的丢弃有最大RMSE的测量，只留下这些RMSE小于RMSE_MAX的RMSE。然而，如果没有任何数据测量有小于RMSE_MAX的RMSE，则操作使用所有未丢弃的数据测量继续。

在75，所有不符合预定准则的数据测量为了计算目的被丢弃。在一实施例中，从最早剩余的TOA起的其TOA不在预定时间窗口(Na)内的所有数据测量被丢弃；即只有在预定窗口内的测量被选择。例如，如果最早剩余TOA为16微秒，且预定的窗口Na被确定为是3微秒，则丢弃所有其TOA大于19微秒的数据测量；即保留所有从16微秒到19微秒的所有数据测量。时间的预定窗口可以根据各个因子被选择，除了其他意外，有诸如期望的多径数目、存储的数据测量数目。

在76，剩余的测量(即那些在先前步骤中未经丢弃的)用于计算导频ID的代表值。在一实施例中，剩余的TOA经平均以提供TOA_REP。且剩余RMSE估计的最小RMSE值提供代表值RMSE_REP。在使用量化值以存储TOA的实施例中，如果平均的实现使得正好在两个量化的值之间进行平均被舍入到较早的值可能是有用的(即如果数据库包含相隔一个单元的两个测量，平均会等于两个测量更早的一个)。

在77，现在可用的代表测量被提供给移动站，包括位置计算和控制系统。

在判决78，如果为更多的导频ID计算代表测量，则操作继续在环路内经过框70到78以为每个剩余的导频ID计算代表测量。在计算了所有的代表测量后，则完成代表测量计算过程。

领域内的技术人员可以理解，这些原理可以实现其他的实施例，而不偏离本发明的精神和范围。本发明只受到以下权利要求书的限制，连同上述的规范和所附附图，权利要求书包括所有该种实施例和修改。

Claims (48)

1. 一种使用每个发送唯一导频信号的多个蜂窝基站确定移动站位置的方法，其特征在于包括：

对来自每个所述多个蜂窝基站的导频信号进行多个统计独立的数据测量，每个所述数据测量包括每个导频信号的最早到达时间估计，从而为来自所述多个蜂窝基站的每个导频信号提供最早到达时间的多个独立测量；

对于每个蜂窝基站，根据所述蜂窝基站的所述统计独立测量计算最早到达时间的代表测量；以及

使用至少一个所述代表测量以确定所述移动站的位置。

2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据测量进一步包括每个到达时间的RMSE估计。

3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算代表测量的步骤包括对于每个蜂窝基站，为每个所述导频信号的所述RMSE估计计算代表测量。

4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算代表测量的步骤包括选择数据测量，而且对于所述选定的数据测量，对落在预定窗口内的到达估计时间进行平均。

5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据测量还包括每个到达时间估计的测量时间。

6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算代表测量的步骤包括根据测量时间加权每个导频信号的数据测量。

7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括为所有导频信号路径计算总能量值。

8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括在AFLT算法内使用所述代表测量以确定位置。

9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于还包括使用所述代表测量连同GPS算法以确定位置。

10. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述移动站包括移动电话，且进一步包括：

在所述进行多个统计独立的数据测量的步骤前将移动电话连到所述蜂窝基站之一；

根据所述蜂窝基站提供蜂窝基站的小区搜索列表；以及

所述进行多个统计独立的数据测量的步骤包括从所述小区搜索列表上提供的蜂窝基站获取数据测量。

11. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述小区搜索列表由所述移动电话所连接到的小区站提供。

12. 如权利要求1所述的方法，其特征在于使用多个GPS卫星连同所述多个蜂窝基站还包括：

扫描天空以确定所述多个GPS卫星的至少一个的相应位置；

测量从位置已经被确定的每个GPS卫星来的GPS信号的到达时间；以及

利用所述GPS信号的到达时间，连同所述代表测量的至少一个以确定所述移动站的位置。

13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于所述移动站包括移动电话，且进一步包括：

将移动电话连到所述蜂窝基站之一；

根据所述蜂窝基站提供包括多个GPS卫星的GPS搜索列表；以及

所述扫描步骤包括扫描天空以找到所述GPS搜索列表上的GPS卫星。

14. 如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括一步骤，在计算所述代表测量前，确定是否有足够的数据测量可用于计算所述代表测量。

15. 如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括将所述数据测量存储在所述移动站的数据库内的步骤。

16. 如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括继续进行数据测量并周期性地计算代表测量以周期性地更新移动站的位置。

17. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行多个统计独立的数据测量的步骤包括在时间上间隔至少20毫秒的周期作出一系列测量，选择所述时间周期以使所测量的信号的衰落特性能够从一个数据测量到下一个随后的数据测量发生改变。

18. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行多个统计独立的数据测量的步骤包括在时间上间隔一个在0.5秒到2秒范围内的周期作出一系列测量。

19. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个所述蜂窝基站以一载波频率发射，所述进行多个统计独立的数据测量的步骤包括从由两根天线的每根接收到的信号作出测量，所述两根天线间隔的距离至少是所述载波频率波长的一半。

20. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个所述蜂窝基站发射两个或多个不同的频率，所述进行多个统计独立的数据测量的步骤包括在所述两个或多个频率的每一个作出测量。

21. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述两个或多个频率间隔一个至少1MHz的带宽。

22. 一种使用每个发送唯一导频信号的多个蜂窝基站确定移动站位置的位置确定系统，其特征在于包括：

数据获取装置，对来自每个所述多个蜂窝基站的导频信号进行多个统计独立的数据测量，每个所述数据测量包括每个导频信号的最早到达时间估计，从而为来自所述多个蜂窝基站的每个导频信号提供最早到达时间的多个统计独立测量；

用于对于每个蜂窝基站计算一代表测量的计算装置，包括根据各个所述蜂窝基站的所述统计独立测量计算最早到达时间的装置；以及

定位装置，响应于至少一个所述代表测量以确定所述移动站的位置。

23. 如权利要求22所述的位置确定系统，其特征在于：

所述数据获取装置包括用于对每个到达时间进行RMSE估计的装置；以及

所述计算装置包括响应于所述RMSE估计计算每个所述导频信号的代表测量的装置。

24. 如权利要求22所述的位置确定系统，其特征在于：

所述数据获取装置包括用于为每个到达时间获取测量时间的装置；以及

所述计算装置包括根据所述测量数据的时间计算每个所述导频信号的代表测量的装置。

25. 如权利要求22所述的位置确定系统，其特征在于，所述计算装置包括根据测量数据的时间加权每个导频信号的数据测量的装置。

26. 如权利要求22所述的位置确定系统，其特征在于还包括为导频信号的所有路径计算一总能量值的装置。

27. 如权利要求22所述的位置确定系统，其特征在于，所述定位装置包括在AFLT算法内使用所述的代表测量的装置。

28. 如权利要求27所述的位置确定系统，其特征在于，所述位置装置包括用于与GPS算法一起使用所述代表测量的装置。

29. 如权利要求22所述的位置确定系统，其特征在于，所述移动站包括移动电话，且进一步包括：

用于根据所述蜂窝基站提供蜂窝基站的小区搜索列表的装置；以及

其中所述数据获取装置包括获取装置，用于从所述小区搜索列表上提供的蜂窝基站获得数据测量。

30. 如权利要求22所述的位置确定系统，其特征在于连同所述多个蜂窝基站使用多个GPS卫星包括：

用于扫描天空以确定所述多个GPS卫星的至少一个的各相应位置的装置；

用于测量从位置已经被确定的每个GPS卫星来的GPS信号的到达时间的装置；以及

其中，所述定位装置包括用于利用所述的GPS信号的到达时间、连同所述代表测量的至少一个以确定所述移动站的位置的装置。

31. 如权利要求22所述的位置确定系统，其特征在于还包括数据库和用于在所述数据库内存储所述数据测量的装置。

32. 如权利要求22所述的位置确定系统，其特征在于还包括用于继续进行数据测量并周期性地计算代表测量以周期性地更新移动站的位置的装置。

33. 如权利要求22所述的位置确定系统，其特征在于，所述数据获取装置包括在时间上间隔至少20毫秒的周期作出一系列测量的装置，选择所述时间周期以使所测量的信号的衰落特性能够从一个数据测量到下一个随后的数据测量发生改变。

34. 如权利要求33所述的位置确定系统，其特征在于，所述数据获取装置包括在时间上间隔一个在0.5秒到2秒范围内的周期作出一系列测量的装置。

35. 如权利要求22所述的位置确定系统，其特征在于，每个所述蜂窝基站以一载波频率发射，所述数据获取装置包括从由两根天线的每根接收到的信号作出测量的装置，所述两根天线间隔的距离至少是所述载波频率波长的一半。

36. 如权利要求22所述的位置确定系统，其特征在于，至少一个所述蜂窝基站发射两个或多个不同的频率，所述数据获取装置包括在所述两个或多个频率的每一个作出测量。

37. 如权利要求36所述的位置确定系统，其特征在于，所述两个或多个频率间隔一个至少1MHz的带宽。

38. 一种利用包括每个发送唯一导频信号的多个蜂窝基站的蜂窝网络的移动站，其特征在于包括：

蜂窝通信系统，用于与所述蜂窝基站通信；

存储多个数据测量的数据库，所述数据测量包括每个导频信号的最早到达时间估计，所述数据库包括每个导频信号的多个统计独立的数据测量；

代表测量计算系统，用于从所述数据库接收数据测量，并据此提供每个导频信号的到达时间的代表测量；以及

位置计算和控制系统，用于接收每个导频信号的所述代表测量，并据此确定移动站的位置。

39. 如权利要求38所述的移动站，其特征在于所述移动站还包括：

GPS通信系统；以及

其中所述位置计算和控制系统用于接收GPS数据测量，并据此确定移动站的位置。

40. 如权利要求38所述的移动站，其特征在于，所述数据库包括存储每个到达时间估计的RMSE估计的存储器，且所述代表测量计算系统还包括用于为每个导频信号的RMSE估计计算代表测量的装置。

41. 如权利要求38所述的移动站，其特征在于，所述数据库包括存储每个到达时间估计的测量时间的存储器。

42. 如权利要求38所述的移动站，其特征在于，所述数据库包括在数据库内存储每个导频信号的总能量值的存储器。

43. 如权利要求38所述的移动站，其特征在于，所述移动站包括移动电话。

44. 如权利要求38所述的移动站，其特征在于，所述独立数据包括在时间上间隔大于20毫秒的周期的一系列测量，选择所述时间周期以使所测量的信号的衰落特性能够从一个数据测量到下一个随后的数据测量发生改变。

45. 如权利要求44所述的移动站，其特征在于，所述独立数据包括在时间上间隔一个在0.5秒到2秒范围内的周期的一系列测量。

46. 如权利要求38所述的移动站，其特征在于，每个所述蜂窝基站以一载波频率发射，所述独立数据包括从由两根天线的每根接收到的信号作出的测量，所述两根天线间隔的距离至少是所述载波频率波长的一半。

47. 如权利要求38所述的移动站，其特征在于，至少一个所述蜂窝基站发射两个或多个不同的频率，所述独立数据包括在所述两个或多个频率的每一个作出的测量。

48. 如权利要求47所述的移动站，其特征在于，所述两个或多个频率间隔一个至少1MHz的带宽。

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