專利名稱：使用多徑延遲成分的位置測量裝置及位置測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用無線信號來估計移動臺的當(dāng)前所在地的測位裝置和測位方法，特別涉及利用在移動臺和多個基站之間進行收發(fā)的無線信號的多徑延遲成分，高精度地確定移動臺的位置的方法。
背景技術(shù)：
在多徑環(huán)境下，由于高層大廈等的建筑物的反射和障礙物的拐角處的衍射等，在發(fā)送點處相同的信號通過各種不同的路徑到達接收點的接收站。因此，接收信號包含由直線連接最短距離的直接波和比該直接波晚一些到達的延遲波。由于天線間能夠直接看見，所以將能夠?qū)崿F(xiàn)直接波的通信稱為LOS(line-of-sight)或視距內(nèi)通信。把由于障礙物而使天線間不能視通，從而不能獲得直接波的通信稱為NLOS(non-line-of-sight)或視距外通信。在視距外通信中，最先到達的先行波也是經(jīng)過了反射和折射的NLOS信號。
使用了在這樣的多徑環(huán)境下收發(fā)的無線信號的定位，在寬帶移動通信系統(tǒng)中成為重要的課題。到現(xiàn)在為止，定位的一般方法是僅僅根據(jù)最先到達的成分(先行波)來進行測位，將多徑環(huán)境中的測位問題簡化為單徑模型。作為使用先行波的測位方法，已知有利用在基站和移動終端之間收發(fā)的無線信號進行三邊測量(光波測量)，檢測移動終端的位置。
另一方面，也提出了根據(jù)接收信號作成多徑延遲譜，利用該延遲譜提高測位精度的方法(例如，參照專利文獻1和2)。在專利文獻1中，根據(jù)求出的延遲譜計算延遲方差，根據(jù)方差值決定測位精度。在專利文獻2中，在利用三邊測量的原理進行測位時，使用延遲譜來消除干擾信號，然后進行位置計算，從而提高測位精度。
另外，作為針對水中的應(yīng)用，提出了全面地采用接收信號的多徑結(jié)構(gòu)的聲音測位方法(例如，參照非專利文獻1)。在該方法中，首先，生成2種多徑延遲，即實際的接收信號的延遲成分和利用所謂的光線跟蹤模型預(yù)測的延遲成分。接著，將測量出的延遲和預(yù)測的延遲之間的差進行一次反轉(zhuǎn)(linear inversion)，從而求出位置。
另一方面，提出了在導(dǎo)航系統(tǒng)中當(dāng)路標排列在同一直線上時提高測位精度的信號處理方法(例如，參照非專利文獻2)。該方法和接收信號中的多徑成分的利用無關(guān)，但作為當(dāng)發(fā)送站(路標)處于特殊位置關(guān)系的情況下的信號處理方法，公開了對使用嶺回歸的最小均方(LMS)算法進行了修正的方法。
特開2001-298763號公報[專利文獻2]特開2003-194916號公報[非專利文獻1]M.Deffenbaugh，H.Schmidt and J.G.Bellingham，“Acoustic Positioning in a Fading Multipath Environment，”Proc.MTS/IEEE‘Prospects for the 21stCentury’(MTS/IEEE Oceans 1996)，Vol.2，pp.596-600，September 1996. R.J.Kelly，“Reducing Geometric Dilution of PrecisionUsing Ridge Regression”，IEEE Transactions on Aerospace and ElectronicSystems，Vol.26，No.1，January 1990.
在上述專利文獻1和2中，為了提高測位精度而利用了延遲譜，但只不過是把延遲譜應(yīng)用于決定精度和降低干擾，并沒有將延遲成分本身應(yīng)用于位置計算中。在這些文獻中，位置計算最終也只能根據(jù)先行波來進行。另外，在非專利文獻1中，雖然構(gòu)建了光線跟蹤模型，但這種光線跟蹤模型很難適用于移動通信信道，不能實現(xiàn)最佳化。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明的課題是提供一種無線測位的方法，即，從構(gòu)成接收信號的多徑延遲成分(包括先行波和繼其后的多個延遲波)中選擇多個有用的延遲成分用于測位計算，進行高精度的位置估計。
而且，本發(fā)明的課題還在于提供一種即使當(dāng)基站和移動臺處于一般情況下不能進行位置估計的特殊位置關(guān)系時也能夠以一定程度的精度來估計移動臺的位置的方法。
本發(fā)明的技術(shù)基礎(chǔ)在于下面2點。
(1)除了最先到達的先行信號外，通過視距外(NLOSnon-line-of-sight)路徑的第2到達波及第2到達波以后的延遲信號也應(yīng)當(dāng)承載關(guān)于目標物位置的信息。因此，不是像以往技術(shù)那樣僅根據(jù)最先到達的先行波成分來進行位置計算，而是考慮在位置計算中積極地應(yīng)用具有利用價值的多徑延遲成分，從而提高測位精度。
(2)可以通過試驗和分析來實際驗證上述(1)的適當(dāng)性。
在本說明書中，所謂先行波是指最先到達的信號成分。由于先行波也包含相對于發(fā)送時刻的接收延遲(時間差)，構(gòu)成多徑接收的一部分，所以在本說明書中，把先行波作為最先接收的延遲波來進行處理。把先行波后面的延遲波成分稱為第2波及第2波以后的延遲波。
使用多徑接收信號中所包含的多個延遲波成分來進行位置計算需要與視距外(NLOS)的延遲成分相關(guān)的初始信息。當(dāng)先行波(最先的延遲波)是直接波時，需要關(guān)于第2波及第2波以后的延遲波的初始信息。另一方面，當(dāng)先行波不是直接波時，先行波也作為視距外(NLOS)延遲信號而需要初始信息。這里，所謂初始信息是指使用某種方法預(yù)先求出的關(guān)于NLOS路徑的信息，例如，包括預(yù)先通過測量統(tǒng)計地求出的信息，或?qū)⒋硇缘沫h(huán)境進行模型化理論地求出的信息。在本發(fā)明中，在處理多徑接收信號中包含的多個延遲波時，定義NLOS延遲信息，使用該信息來強化測位精度。
更具體來講，作為NLOS延遲信息的一例，求出與視距外(NLOS)延遲信號的路徑長度相關(guān)的概率密度函數(shù)(延遲函數(shù))。而且，不是全面地采用多徑結(jié)構(gòu)，而是僅僅選擇滿足一定標準的延遲波。然后，使用所選擇的延遲波的子集和NLOS延遲函數(shù)兩者，根據(jù)使后驗概率為最大的MAP(Maximum Aposteriori Probability)估計法，估計對象物體的位置。
在本發(fā)明的第1方面中，提供了一種適用于同步型移動通信系統(tǒng)的位置測量裝置。位置測量裝置具有多徑延遲檢測部，其針對多個接收信號中的每一個，檢測構(gòu)成該接收信號的多徑延遲波成分；選擇部，其從檢測出的多徑延遲波成分中選擇符合預(yù)定標準的多個延遲波；存儲部，其存儲預(yù)先求出的關(guān)于視距外路徑的NLOS延遲函數(shù)；位置計算部，其根據(jù)由所述選擇部選擇出的延遲波和從所述存儲部讀出的NLOS延遲函數(shù)確定移動臺的位置。
根據(jù)這樣的位置測量裝置，通過利用構(gòu)成接收信號的多徑延遲波中所包含的有用信息，可以高精度地估計移動臺的位置。
在本發(fā)明的第2方面中，提供了一種適用于非同步型通信系統(tǒng)的位置測量裝置。位置測量裝置具有多徑延遲檢測部，其針對多個接收信號中的每一個，檢測構(gòu)成該接收信號的多徑延遲波成分；選擇部，其從檢測出的多徑延遲波成分中選擇符合預(yù)定標準的多個延遲波；TDOA數(shù)據(jù)生成部，其根據(jù)前述選擇出的延遲波生成到達時間差數(shù)據(jù)；存儲部，其存儲預(yù)先求出的關(guān)于視距外路徑的NLOS延遲函數(shù)；位置計算部，其根據(jù)由所述TDOA數(shù)據(jù)生成部生成的TDOA數(shù)據(jù)和從所述存儲部讀出的NLOS延遲函數(shù)確定移動臺的位置。
根據(jù)這樣的位置測量裝置，即使是非同步型的系統(tǒng)，也能夠有效地利用多徑延遲波成分，高精度地估計移動臺的位置。
在本發(fā)明的第3方面中，提供了一種移動通信系統(tǒng)中的位置測量方法。該方法包括如下步驟(a)針對多個接收信號的每一個，檢測構(gòu)成該接收信號的多徑延遲波成分；(b)從檢測出的多徑延遲波成分中選擇符合預(yù)定標準的多個延遲波；(c)根據(jù)前述選擇出的延遲波和基于初始信息而預(yù)先求出的關(guān)于視距外路徑的NLOS延遲函數(shù)，估計移動臺的位置。
根據(jù)這樣的方法，由于僅利用構(gòu)成接收信號的多徑延遲波成分中的符合一定標準的有效延遲波，所以可以高精度地進行移動臺的位置估計。
在本發(fā)明的第4方面中，提供了一種非同步型移動通信系統(tǒng)中的位置測量方法。該方法包括如下步驟(a)針對多個接收信號的每一個，檢測構(gòu)成該接收信號的多徑延遲波成分；(b)從檢測出的多徑延遲波成分中選擇符合預(yù)定標準的多個延遲波；(c)根據(jù)前述選擇出的延遲波，生成到達時間差數(shù)據(jù)；(d)根據(jù)前述選擇出的延遲波的到達時間差數(shù)據(jù)和基于預(yù)先數(shù)據(jù)而預(yù)先求出的關(guān)于視距外路徑的NLOS延遲函數(shù)，估計移動臺的位置。
根據(jù)這樣的方法，即使在移動臺和基站之間沒有取得同步的情況下，也能選擇對位置計算有效的多徑延遲波，可以在考慮了移動臺和基站之間的時間偏差之后高精度地估計移動臺的位置。
在本發(fā)明的第5方面中，提供了一種即使當(dāng)基站和移動臺處于利用以往的位置測量方法所不能測位的特殊的位置關(guān)系時，也能夠以一定的精度來進行移動臺的位置估計的位置測量方法。
該方法包括如下步驟(a)根據(jù)來自1個或1個以上的基站的接收信號，判斷參與本次測位的基站和成為測位對象的移動臺是否是退化為更低的測位維的配置關(guān)系；(b)當(dāng)退化為更低的測位維時，簡化為更低測位維的問題來進行所述移動臺的位置估計。
根據(jù)所述位置測量裝置和方法，在多徑環(huán)境中，可以實現(xiàn)更高精度的位置測量。
另外，即使用于取得延遲估計值的基站的數(shù)量不夠的情況下，也能夠以一定的精度來估計移動臺的位置。


圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式的位置測量裝置的方框圖。
圖2是表示根據(jù)接收信號算出的多徑延遲波的一例的概略圖。
圖3是表示在圖1的位置測量裝置中使用的選擇部的結(jié)構(gòu)例的框圖。
圖4是表示第1實施方式的位置測量方法的流程圖。
圖5是表示圖4的流程圖中的延遲波選擇步驟的詳細處理的流程圖。
圖6是表示本發(fā)明的第2實施方式的位置測量裝置的方框圖。
圖7是表示第2實施方式的位置測量方法的流程圖。
圖8是表示本發(fā)明的第3實施方式的位置測量裝置的方框圖。
圖9是表示在圖8的位置測量裝置中使用的特殊位置計算部的框圖。
圖10是表示第3實施方式的位置測量方法的流程圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。
根據(jù)移動臺和基站之間有無同步，移動通信系統(tǒng)被分類為同步系統(tǒng)和非同步系統(tǒng)。因此，分別針對這2種系統(tǒng)來說明應(yīng)用了本發(fā)明的實施方式。
(第1實施方式)圖1是本發(fā)明的第1實施方式的位置測量裝置的概略方框圖。在第1實施方式中，本發(fā)明的位置測量方法適用于同步系統(tǒng)。位置測量裝置10包含分別從多個接收信號中檢測多徑延遲波成分的多徑延遲檢測部11-1～11-B、從檢測出的多徑延遲波中選擇滿足預(yù)定條件的多個延遲波的選擇部13、存儲預(yù)先求出的NLOS延遲函數(shù)的存儲部15、根據(jù)由選擇部選擇的延遲波以及從存儲部15讀出的NLOS延遲函數(shù)確定移動臺的位置的位置計算部17。NLOS延遲函數(shù)是表示由建筑物的反射、透射、衍射等引起的NLOS(Non-line-of-sight視距外)延遲的延遲路徑長度的概率密度的函數(shù)。
圖1的位置測量裝置10既可以用于移動臺，也可以作為與基站連接的位置測量服務(wù)器(未圖示)來使用。在用于移動臺的情況下，移動臺自身測量自己的位置，將位置信息通知給基站。在作為位置測量服務(wù)器使用的情況下，可以把圖1所示的位置測量裝置10的結(jié)構(gòu)直接作為位置測量服務(wù)器來使用，也可以在基站BS1～BSB上分別配置多徑延遲檢測部11-1～11-B來構(gòu)成。在本實施例中，以從某移動臺發(fā)送的信號分別被多個基站BS1～BSB接收，并將所接收的信號從基站傳送給位置測量裝置(位置測量服務(wù)器)10的情況為例進行說明。這種情況下，各基站BSb的位置pb＝(xb，yb)是已知的。
各多徑延遲檢測部11-1～11-B分別以從基站BS1～BSB接收的接收信號r1(t)～rB(t)為輸入，檢測該接收信號中包含的多徑延遲波成分τbi。這里，下標“bi”表示在第b個基站通過第i條路徑接收到的延遲波。例如可以使用基于自相關(guān)的方法、超分辨率(super-resolution)PN相關(guān)方法等本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的方法來檢測多徑延遲成分。
圖2是示意地表示基于基站BS1所接收的接收信號r1(t)的多徑延遲波的圖。在圖2的例子中，設(shè)最先到達的先行波是通過直接路徑傳輸?shù)腖OS(Line-of-sight視距內(nèi))延遲波，但先行波并不限于LOS延遲波，也有很多時候是受到反射、衍射等影響的NLOS延遲波。第2及第2以后的延遲波是從任意接收信號中檢測出的，是NLOS(視距外)延遲波。在圖2的例子中，在第2和第5 NLOS延遲波中發(fā)現(xiàn)有延遲的偏差。
各基站BSb所接收的接收信號rb(t)表現(xiàn)為rb(t)=Σi=1NbAbi·s(t-τbi)+nb(t),b∈B,---(1)]]>這里，s(t)是發(fā)送信號波形，nb(t)是噪聲成分，Nb是從移動臺到基站BSb的多徑數(shù)，Abi和τbi分別是接收信號rb(t)中的第i條多徑的振幅和延遲。
在同步系統(tǒng)中，延遲τbi由式(2)來表示τbi=1c{(xb-x)2+(yb-y)2+lbi},b∈B---(2)]]>這里，c＝3×108m/s是光速，lbi是與由NLOS傳播引起的延遲部分相應(yīng)的延遲路徑長度。NLOS延遲路徑長度lbi遵從已知的概率密度函數(shù)(pdf)。任意的基站BSb(b∈β)中的多徑延遲波的NLOS延遲路徑長度lbi的大小為如下的順序。
0≤lb1＜lb2＜…＜lbNb當(dāng)基站BSb相對于移動臺位于視距內(nèi)(LOS)時，先行波(最先的延遲波)以直接路徑被接收，NLOS延遲路徑長度lbi是零，即lbi＝0。
檢測出的延遲τbi進一步用公式(3)來近似，求出輸入給選擇部13的多徑延遲波。
τ^bi=τbi+ξbi,i=1,2,···Nb,---(3)]]>在公式(3)中，ξbi是遵從高斯分布N(0，ψb-1)的檢測誤差。矩陣ψb的項|ψb|ij由公式(4)來表示|ψb|ij=8π2β2·Rbii=j2·Re[Abi·Abj*N0∫∂τ∂τbis(t-τbi)·∂∂τbjs*(t-τbj)dt]i≠j'---(4)]]>β是s(t)的有效帶寬，Rbi是接收信號rb(t)的第i路徑成分的信噪比(SNR)，Re[…]是某復(fù)數(shù)的實數(shù)部分，被賦予星號(*)的符號是其共軛復(fù)數(shù)。在碼片率為W的CDMA系統(tǒng)中，公式(4)的矩陣的非對角項利用公式(5)來表示。
ij=8π2·Re[Abi·Abj*N0]·[Wkbijsin(kbijW)+2kbij2cos(kbijW)-2kbij3Wsin(kbijW)].---(5)]]>這里，κbij＝2π(τbi-τbj)。
選擇部13從各多徑延遲檢測部11-1～11-B檢測出的多徑延遲波中選擇通過直接路徑接收到的先行波(即LOS延遲波)和NLOS延遲波中的滿足預(yù)定標準的延遲波。作為預(yù)定標準，例如，使用NLOS延遲波的強度α和NLOS延遲路徑長度的標準偏差σ。
圖3是選擇部13的概略結(jié)構(gòu)圖。選擇部13具有以多徑延遲檢測部11-1～11-B所檢測出的延遲波(包括先行波)為輸入的延遲波輸入部21、NLOS判斷部22、比較部23、路徑選擇部24。NLOS判斷部22判斷各多徑延遲檢測部11-1～11-B檢測出的多徑延遲波集是僅由NLOS延遲波構(gòu)成，還是包含LOS先行波。比較部23將NLOS延遲部的參數(shù)，例如信號強度α和NLOS延遲路徑長度的標準偏差σ分別與預(yù)定基準值進行比較。路徑選擇部24選擇由NLOS判斷部22判斷為LOS延遲波的先行波，和由比較部23判斷為滿足預(yù)定標準的NLOS延遲波，并輸入給位置計算部17。
位置計算部17從NLOS延遲函數(shù)存儲部15中讀出NLOS延遲函數(shù)，使用由選擇部13選擇的多個延遲波和NLOS延遲函數(shù)，計算移動臺MS現(xiàn)在的位置。NLOS延遲函數(shù)是針對由NLOS(視距外)路徑引起的延遲路徑長度l而預(yù)先求出的概率密度函數(shù)pl(l)。移動臺MS的位置作為最大后驗概率(MAPMaximum Aposteriori Probability)值而公式化。即，使公式(6)所表示的目標函數(shù)為最大的(x，y)和NLOS延遲l是所求的值。
FTOA(x,y,l)=-Σb=1B(τ^b-τb)T·Ψ~b-1·(τ^b-τb)+lnpl(l),---(6)]]>這里T是矩陣的轉(zhuǎn)置。公式(6)右邊第1項(∑的項)是根據(jù)來自選擇部13的輸出而求出的。右邊的第2項是從NLOS延遲函數(shù)存儲部15中讀出的概率密度函數(shù)pl(l)的自然對數(shù)。
圖4是表示所述位置測量裝置10的動作的流程的流程圖。首先，在步驟S101中，利用自相關(guān)法和超分解能PN相關(guān)法等任意的方法，根據(jù)各接收信號rb(t)算出多徑延遲波成分。接著，在步驟S103中，從計算出的多徑延遲波成分中選擇滿足預(yù)定條件的延遲波。在本實施方式中，選擇LOS延遲波(通過直接路徑傳播的先行波)、以及NLOS延遲波中的符合預(yù)定標準的延遲波。
圖5表示延遲波選擇步驟S103的詳細處理流程。在圖5的例子中，針對各接收信號rb(t)的每個多徑延遲波子集進行延遲波的選擇。首先，在步驟S201中進行初始化。即，將基站編號b和路徑編號i設(shè)定成初始值(b＝1，i＝1)，設(shè)定成為該基站BS1所接收的信號的多徑延遲波選擇的基準值的信號強度α1和NLOS延遲路徑長度lbi的標準偏差σ。
接著，在步驟S203中，判斷基站BSb(初始化后的BS1)所接收的信號是否是通過NLOS(視距外)接收的信號。作為判斷的一例，首先根據(jù)基站BSb是通過直接路徑(LOS)接收先行波，還是通過視距外(NLOS)的路徑接收先行波，將基站(或多徑延遲波的子集)進行分組。將接收到來自某移動臺的信號的基站的集合B設(shè)為B＝{1，2，…，B}時，將通過NLOS(視距外)接收信號的基站的集合NL設(shè)為NL＝{1，2，…，M}，將通過LOS(視距內(nèi))接收的基站的集合L設(shè)為L＝{M+1，M+2，…B}。在很難判斷先行波是否是從NLOS路徑到達的情況下，作為NLOS信號來處理。NLOS的識別可以使用本行業(yè)一般技術(shù)人員所公知的方法，例如以下的文獻中所示的判別算法來執(zhí)行。
(1)J.Borras，P.Hatrack and N.B.Mandayam，“Decision TheoreticFramework for NLOS Identification，”Proc.IEEE Vehicular TechnologyConference(IEEE VTC 1998 Spring)，Vol.2.pp.1583-1587，Ottawa，Canada，Spring 1998.
(2)S.Gezici，H.Kobayashi and H.V.Poor，“Non-ParametricNon-Line-of-Sight Identification，”Proc.IEEE Vehicular TechnologyConference(IEEE VTC 2003 Fall)，Vol.4.pp.2544-2548，F(xiàn)all 2003.
可以在選擇部13中對NLOS進行識別，但也可以在各多徑延遲檢測部11-1～11-B中進行NLOS識別，將表示判別結(jié)果的識別符賦予多徑延遲波的子集，并輸出給選擇部13。在后者的情況下，選擇部13根據(jù)識別符對基站進行分組，判斷當(dāng)前處理中的多徑延遲波的子集是否是來自屬于集合NL的基站。例如，如果基站的編號b小于等于M，則由于屬于集合NL，所以可以知道當(dāng)前處理中的延遲波來自NLOS基站。
當(dāng)在步驟S203中判斷為是NLOS時(步驟S03為“是”)，進入步驟S207，判斷NLOS中的延遲路徑長度lbi的標準偏差是否小于基準值σ。利用遵從概率密度函數(shù)(pdf)的隨機變量來表示延遲路徑長度lbi，NLOS延遲的偏差越小，就越能得到準確的關(guān)于延遲路徑長度lbi的信息。相反，當(dāng)標準偏差大于等于基準值σ時(步驟S207為“否”)，NLOS延遲路徑長度的偏差變大，作為用于進行位置估計的數(shù)據(jù)是不適合的。因此，進入步驟S213，排除該路徑中的延遲波。當(dāng)標準偏差小于基準值σ時(步驟S207為“是”)時，進入步驟S209，判斷延遲波的信號強度|Abi|2是否大于基準值αb。當(dāng)信號強度超過基準值αb時，在步驟S211中選擇該路徑上的延遲波。當(dāng)信號強度小于基準值αb時(步驟S209為“否”)，作為用于進行位置估計的數(shù)據(jù)是不適合的，在步驟S213中，排除該延遲波。
另一方面，在步驟S203中，當(dāng)判斷為不是NLOS時(步驟S203為“否”)，進入步驟S205，判斷當(dāng)前處理中的延遲波是否是先行波(i＝1)。當(dāng)作為處理對象的延遲波是先行波時(S205為“是”)，處理中的多徑延遲波的子集來自屬于LOS集合L的基站，該先行波通過直接路徑被接收。因此，進入步驟S211，選擇通過該路徑而接收的延遲波。當(dāng)不是先行波時(S205為“否”)，因為成為受到反射等影響的NLOS延遲波，所以在步驟S207和S209中，判斷是否滿足關(guān)于基準值σ和αb的條件。在步驟S211中選擇滿足條件的延遲波，在步驟S213排除不滿足條件的延遲波。
接著，在步驟S215中，判斷當(dāng)前的路徑編號i和最后的路徑編號Nb是否一致。當(dāng)沒有達到Nb時，在步驟S219中將i的值遞增，重復(fù)步驟S207以后的處理。當(dāng)結(jié)束了直至最后的路徑的處理時，即i＝Nb時(S215為“是”)進入步驟S217，判斷當(dāng)前處理中的子集的基站編號b是否達到了總基站數(shù)B。當(dāng)b＜B時，在步驟S221中將b的值遞增，將i初始化，將基準值α設(shè)成下一個多徑延遲波子集用的值。然后，重復(fù)步驟S203以后的處理。當(dāng)b＝B時(S217為“是”)，由于結(jié)束了全部的多徑延遲波子集的處理，所以結(jié)束該過程。
當(dāng)以圖2所示的多徑延遲波的子集為例時，首先選擇通過LOS的直接路徑接收的先行波，第2和第5個到達的延遲波由于NLOS延遲lbi的偏差大所以被排除。當(dāng)?shù)?和第4個延遲波滿足預(yù)定的信號強度α1，并且其延遲偏差小于預(yù)定的標準偏差σ時，被選擇為適合于位置計算的延遲波成分。參數(shù)α和σ是為了提高測位精度而預(yù)先選擇的正值。
返回到圖4，如果結(jié)束了多徑延遲波的選擇處理，則在步驟S105中讀出根據(jù)NLOS延遲路徑長度的概率密度而求出的NLOS延遲函數(shù)pl(l)。在步驟S107中，根據(jù)所選擇的多個多徑延遲波和NLOS延遲函數(shù)，求出使公式(6)的目標函數(shù)為最大的x、y及NLOS延遲l。
這樣，根據(jù)第1實施方式，考慮多徑延遲波的信號強度(當(dāng)b∈B且1≤i≤Nb時，為|Abi|2)和NLOS延遲路徑長度lbi的偏差，僅選擇性地利用對位置計算有用的延遲波。lbi的偏差越小，并且，多徑成分的信號強度越強，越能獲得正確的測位，提高測位精度。
從構(gòu)成接收信號的多徑延遲波中僅選擇有用的延遲波的另一個好處是可以抑制計算的復(fù)雜化。接收來自移動臺的信號的基站的數(shù)量越多，并且，被有效利用的NLOS延遲波的數(shù)量越多，越能提高測位精度，但計算的復(fù)雜度和精度的提高是權(quán)衡的關(guān)系。最好是考慮到運算負載和測位精度的提高來設(shè)定基準值。
另外，在圖5所示的延遲波選擇步驟中，針對每個基站，根據(jù)先行波是通過LOS路徑接收的還是通過NLOS路徑接收的，來進行分組，雖然針對每個基站(多徑延遲子集)來選擇滿足標準的延遲波，但不限于該例。例如，如果選擇了全部的LOS先行波，則可以是如下的過程總括剩余的NLOS延遲波(包括NLOS先行波)，依次判斷是否符合基準條件。在這種情況下，選擇部13本身具有判斷是LOS信號還是NLOS信號的功能，當(dāng)在步驟S203中判斷為LOS信號時，省略步驟S205而直接選擇該信號。
(第2實施方式)接著，參照圖6和圖7，說明本發(fā)明的第2實施方式的位置測量的方法。第2實施方式將本發(fā)明的位置測量技術(shù)使用于非同步系統(tǒng)。圖6是第2實施方式的位置測量裝置50的概略框圖，圖7是表示位置測量裝置50的動作的流程圖。
位置測量裝置50包含分別從多個接收信號中檢測多徑延遲波成分的多徑延遲檢測部51-1～51-B、從檢測出的多徑延遲波中選擇滿足預(yù)定條件的多個延遲波的選擇部53、根據(jù)所選擇的延遲波生成TDOA(time-difference-of-arrival到達時間差)數(shù)據(jù)的TDOA數(shù)據(jù)生成部54、存儲NLOS延遲函數(shù)的存儲部55、以及根據(jù)由TDOA數(shù)據(jù)生成部54生成的TDOA數(shù)據(jù)和從存儲部15讀出的NLOS延遲函數(shù)確定移動臺的位置的位置計算部57。
輸入給各多徑延遲檢測部51-1～51-B的接收信號rb(t)是基站BSb的接收信號，和第1實施方式同樣，可以利用公式(1)來表示。在非同步系統(tǒng)中，公式(1)中包含的延遲τbi利用公式(7)來表示τbi=1c{(xb-x)2+(yb-y)2+l0+lbi},b∈β---(7)]]>這里，c＝3×108m/s是光速，lbi是與由NLOS傳播引起的延遲部分對應(yīng)的延遲路徑長度。l0/c是移動臺的時鐘和基站的時鐘間的未知的時間偏差。
選擇部53所選擇的多個多徑延遲波被TDOA數(shù)據(jù)生成部54轉(zhuǎn)換成向量數(shù)據(jù) b∈B位置計算部57從NLOS延遲函數(shù)存儲部55讀出NLOS延遲函數(shù)，使用TDOA數(shù)據(jù)生成部54的輸出和NLOS延遲函數(shù)，計算移動臺MS的當(dāng)前位置。NLOS延遲函數(shù)是針對由NLOS(視距外)路徑引起的延遲路徑長度l，根據(jù)初始信息而求出的概率密度函數(shù)pl(l)。移動臺MS的位置作為最大后驗概率(MAPMaximum Aposteriori Probability)的值而公式化。即，使由公式(8)所表示的目標函數(shù)為最大的(x，y)和NLOS延遲l是要求的值。
FTDOA(x,y,l)=-Σb=1B(τ‾^b-τ‾b)T·Ψ‾‾b-1·(τ‾^b-τ‾b)+lnpl(l).---(8)]]>這里， 是向量 的協(xié)方差矩陣。
圖7是表示第2實施方式的位置測量方法的流程圖。首先，在步驟S301中，利用自相關(guān)法和超分解能PN相關(guān)法等任意的方法，根據(jù)各接收信號rb(t)算出多徑延遲波成分。接著，在步驟S303中，從計算出的多徑延遲波成分中選擇滿足預(yù)定的條件的延遲波。在第2實施方式中，也選擇LOS延遲波(通過直接路徑傳播的先行波)、以及NLOS延遲波中符合預(yù)定標準的延遲波。選擇的方法如圖5所示的流程圖，可以針對構(gòu)成各基站所接收的信號的每個多徑延遲波的子集來進行，或者，也可以在選擇了全部的LOS先行波后，針對剩余的NLOS延遲波，依次進行步驟S207和S209的條件判斷。
接著在步驟S305中，根據(jù)所選擇的延遲波生成TDOA數(shù)據(jù)。TDOA數(shù)據(jù)的生成是從所選擇的LOS(視距內(nèi))延遲波中選擇某一個估計值τb1來作為基準值，求出該基準值和所選擇的剩余延遲波之間的差異。然后，將它們的差(TDOA值)變?yōu)橄蛄?，生?如果結(jié)束了TDOA數(shù)據(jù)的生成，則在步驟S307中讀出根據(jù)NLOS延遲路徑長度的概率密度而求出的NLOS延遲函數(shù)pl(l)。在步驟S309中，根據(jù)TDOA數(shù)據(jù)和NLOS延遲函數(shù)，利用MAP(最大后驗概率)估計法求出使公式(8)的目標函數(shù)為最大的x、y及NLOS延遲l。這樣，可以確定移動臺的當(dāng)前位置。
通過上述方法，和移動通信系統(tǒng)的以往的測位方法相比較，可以更高精度地估計移動臺的位置。測位精度的提高的程度是根據(jù)在選擇多徑延遲波時作為基準值使用的信號強度α和NLOS延遲路徑長度的標準偏差σ的設(shè)定而決定的。選擇的路徑的功率越大，并且延遲時間的標準偏差越小，測位精度越高。另外，所選擇的延遲波的數(shù)量越多，測位精度越高。
(第3實施方式)接著，參照圖8～圖10說明本發(fā)明的第3實施方式的位置測量裝置和方法。在上述第1和第2實施方式中，根據(jù)多個基站所接收的來自移動臺的信號中包含的有效的多徑成分來估計移動臺的位置。這種情況下，以位置估計時存在足夠數(shù)量的基站為前提。
在第3實施方式中，證明即使在利用第1和第2實施方式的方法不能進行位置估計的特殊情況，例如接收到來自移動臺的信號的基站的數(shù)量小于等于2的情況下，根據(jù)基站和移動臺的位置關(guān)系，也能夠在一定程度的允許范圍內(nèi)進行位置估計，并提供了一種考慮了特殊位置關(guān)系的位置測量方法。
作為上述特殊情況的例子，列舉出以下的例子。
(情況1)在2維測位中只能取得來自一個基站的信號的情況。在這種情況下，延遲的估計即移動臺的位置估計只能夠在極坐標(r，θ)的半徑方向進行，θ方向的估計完全不受制約。同樣的問題也適用于在3維測位空間中只能取得來自2個基站的信號的情況。
(情況2)在2維測位中，當(dāng)移動臺(MS)和可以與該移動臺進行通信的2個或2個以上的全部的基站(BS)排列在一條直線上時，位置估計從2維的問題退化為1維的問題。另外，在3維測位空間中，當(dāng)移動臺和3個或3個以上的全部的基站(BS)位于同一個平面上時，從3維的問題退化為2維的問題，當(dāng)位于同一條線上時，從3維的問題退化為1維的問題。
通常情況下，測位的問題作為2維或3維優(yōu)化問題來說明。根據(jù)最大似然估計(MLEmaximum likelihood estimation)或最小均方誤差(MMSEminimum mean square error)等標準來生成目標函數(shù)，使用梯度法或直接檢索法等作為優(yōu)化工具(Y.Qi and H.Kobayashi，“Mitigation ofnon-line-of-sight effects in time-of-arrival positioning，”Proc.35thAnnualConference on Information Sciences and Systems(CISS 2001)，The JohnsHopkins University，March 2001，pp.590-2)。
當(dāng)把2維配置中的位置估計作為一般情況為例時，上述2個特殊情況下的測位誤差變得非常大，不能用作位置估計結(jié)果。根據(jù)克拉美-勞理論下限(CRLBCramer-Rao Lower Bound)所表示的最小測位誤差變成無限大這樣的分析結(jié)果也可以確認這一點。
在第3實施方式中，提出了如下的方法回避這樣的問題，即使當(dāng)移動臺和基站處于不適于位置估計的特殊位置關(guān)系中時，也能通過簡化為更低維的問題來進行處理，算出確保了一定程度的精度的位置估計值。這種方法包括2個基本階段。1個是判斷當(dāng)前的基站-移動臺(BS-MS)配置是否適合退化的維配置(特殊情況)的階段，另一個階段是使用適當(dāng)?shù)木S中的測位方法來進行移動臺的位置估計的階段。
在說明第3實施方式的位置測量裝置及方法的具體結(jié)構(gòu)例之前，說明將測位的問題退化為更低維的問題的位置估計的原理。并且，在第3實施方式中，假設(shè)移動通信系統(tǒng)中所包含的所有的基站(BS)同步。根據(jù)移動臺(MS)的時鐘和基站的時鐘是否同步，來區(qū)分成同步系統(tǒng)或非同步系統(tǒng)。在通常的位置關(guān)系下，根據(jù)來自各基站的接收信號中所包含的多徑延遲成分來估計移動臺的位置這一點與第1實施例(同步系統(tǒng))和第2實施例(非同步系統(tǒng))相同。另外，本發(fā)明不僅適用于多個基站接收來自移動臺的信號的上行鏈路，還適用于移動臺接收從多個基站發(fā)送的信號的下行鏈路，這一點也與第1實施方式及第2實施方式相同。
首先，當(dāng)設(shè)集合B＝{1，2，…，B}為基站BS的集合時，基站的位置{pb，b∈B}是全部已知的。移動臺的位置p為未知，移動臺的位置向量p成為要估計的參數(shù)。根據(jù)測位維是否是一維、二維、三維，移動臺的位置p分別利用x、(xy)T、(xyz)T來表示。不過，移動臺的位置不限于直角坐標，也可以用極坐標來表示。上標字符T是位置向量的轉(zhuǎn)置。對于基站BS的位置{pb，b∈B}，也適合同樣的情況。第b個基站BSb的延遲估計值利用公式(9)來表示。
τ^b=τb+ξb,b∈B,---(9)]]>這里，ξb表示估計誤差，可以用高斯分布N(0，σb2)來近似。方差σb2是系統(tǒng)的參數(shù)，表示為σb2=14π2β2Rb.]]>這里，Rb是基站BSb中的信噪比(SNR)，β是基站BSb接收的信號的有效帶寬。同步系統(tǒng)中的延遲τb利用公式(10)來表示。
τb=1c(||p-pb||+lb),---(10)]]>這里，c是光速(c＝3×108m/s)，‖·‖是歐幾里德距離。另一方面，非同步系統(tǒng)的延遲τb利用公式(11)來表示。
τb=1c(||p-pb||+l0+lb),---(11)]]>這里，l0/c是移動臺MS的時鐘和基站BS的時鐘間的未知的時間差(時間偏差)。
當(dāng)基站-移動臺間的配置符合上述的特殊情況時，如果使用和通常情況相同的位置估計方法，則克拉美-勞理論下限(CRLB)所表示的測位誤差變成無限大，不能確定位置。所謂克拉美-勞理論下限(CRLB)是利用不等式來表示未知參數(shù)的不偏估計值的方差(或協(xié)方差矩陣)的下限值，利用公式(12)來表示。
Ep[(p^-p)(p^-p)T]≥Jp-1,---(12)]]>這里JP是Fisher信息矩陣(FIM)，不等式“A≥B”表示矩陣(A-B)是非負定值，Ep[·]是位置向量p的預(yù)期值。Fisher信息矩陣(FIM)可根據(jù)公式(13)求出。
Jp=Ep[∂∂plnfp(τ^)·(∂∂plnfp(τ^))T],---(13)]]>這里函數(shù)fp是移動臺的位置p中的來自各基站的延遲估計值的聯(lián)合概率密度函數(shù)，利用公式(14)表示。
fp(τ^)∝Πb=1Bexp{-12σb2(τ^b-τb)2}.]]>τ^=(τ1,τ2,···,τB)T]]>矩陣Jp也可用公式(15)表示。
Jp=H·Λ·HT,]]>H=cosφ1cosφ2···cosφBsinφ1sinφ2···sinφB,---(15)]]>Λ=diag(σ12,σ22,···,σB2).]]>這里，角度φb根據(jù)φb＝tan-1[(y-yb)/(x-xb)]求出。根據(jù)這些，在2維測位中，(1)當(dāng)與移動臺進行信號收發(fā)的基站的數(shù)量為1時(B＝1)，(2)當(dāng)移動臺和所有的可通信基站排列在一條直線上時，即，當(dāng)i≠j，φi-φj＝0或π時，可以知道最小均方誤差(MMSE)為無限大。
與此相對，通過將上述的特殊關(guān)系(1)、(2)作為適當(dāng)?shù)木S的問題來處理，測位誤差取得有限的值。對此，分別針對這2個特殊情況，首先以2維配置為例來說明。
(1)對于情況1單個基站BS的情況當(dāng)只有一個基站BS1和移動臺MS通信時，只能取得一個延遲估計值 這種情況下，移動臺的位置存在于以點(x1，y1)為中心的半徑為ρ^=τ^1]]>的圓上(準確來說，是考慮了誤差的環(huán)狀區(qū)域)的任意地點。這種情況下的位置估計誤差的預(yù)期值利用公式(16)表示。
]]>=12π2πσ1∫∫[(ρ^cosθ^-x)2+(ρ^sinθ^-y)2]exp{-12σ12(ρ^-τ1)2}dρ^dθ^]]>=12πσ1∫0∞[ρ^2+τ12]exp{-12σ12(ρ^-τ2)2}dρ^(using∫02πcosθ^dθ^∫02πsinθ^dθ^=0)]]>≈12πσ1∫-∞∞[ρ^2+τ12]exp{-12σ12(ρ^-τ1)2}dρ^(assumingτ1>>σ1)]]>=2τ12+σ12<∞,---(16)]]>這里半徑和角度 分別被估計為具有高斯分布N(τ1，σ12)的正規(guī)隨機變量和在
的范圍內(nèi)均勻分布的角度。在公式(16)中，當(dāng)方差σ1和τ1比較非常小時，均方誤差(MSE)為有限的值。
即，當(dāng)2維測位中處于只有一個基站與移動臺進行信號收發(fā)的特殊配置關(guān)系時，通過使用公式(16)所表示的估計式，位置估計誤差的范圍不會像以往那樣無限大，而是處于有限的范圍內(nèi)。該有限值也表示位置估計的概率。如果得到的有限值非常小，則計算出的位置估計值即使只確定了半徑方向的距離，也被容許作為表示移動臺的位置的信息。因此，通過設(shè)定適當(dāng)?shù)拈撝?，即使只得到來自一個基站的延遲估計值時，也能夠以一定程度的精度來確定移動臺的位置。
這種情況下，關(guān)于半徑ρ以外的維的參數(shù)(2維測位時的θ)，可以選擇可行區(qū)域內(nèi)的任意的值。所謂可行區(qū)域，是除去了例如沒有交通工具的海上等不可能的場所(方向)后的區(qū)域。
因為上述的例子基于2維測位，所以將基站的數(shù)量為1的情況作為情況1，但在3維測位的情況下，如后面敘述那樣，只從小于等于2個的基站得到延遲估計值的情況符合情況1。
(2)對于情況2移動臺和基站排列在直線上時接著，對特殊配置的第2種情況進行說明。當(dāng)以2維測位為例時，如果移動臺和基站排列在一條直線上，則測位的問題被退化為1維的問題。因此，公式(9)所表示的延遲估計值如公式(17)那樣進行修正。
τ^b=x-xb+nb,b∈B,---(17)]]>這里，x是移動臺的位置，xb是基站的位置。延遲估計值 可以取正值或負值。使噪聲誤差成分nb小到能夠決定延遲估計值 的符號的程度。與移動臺MS的位置相關(guān)的最大似然估計值作為加權(quán)后的總和，利用公式(18)來表示。
x^=Σωb·(τ^b+xb),ωb=1/σb2Σi=1B1/σi2)---(18)]]>此時對應(yīng)的最小均方誤差(MSE)利用公式(19)表示，可知其也為有限值。
var(x^)=Σωb2·var(τ^b)=1Σb=1B1/σb2<∞,---(19)]]>利用公式(18)表示的位置估計方法適用于基站BS和移動臺MS處于LOS(視距內(nèi))的位置關(guān)系的情況。即使基站BS和移動臺MS排列在一條直線上，在處于NLOS(視距外)的關(guān)系時，利用第1實施方式(同步系統(tǒng))或第2實施方式(非同步系統(tǒng))所使用的MAP法，也能進行使用接收信號中包含的有效多徑成分的位置估計。
在3維測位的情況下，當(dāng)移動臺與3個或3個以上的基站全部位于同一平面上或同一條線上時，符合特殊情況2。
接著，說明3維測位的情況下退化的維中的位置估計的原理。如上所述，3維測位中的特殊情況1的情況是可得到接收信號的基站的數(shù)量為1或2的情況。因此，分基站數(shù)量為1的情況和基站數(shù)量為2的情況來說明。
(3維測位中的情況1-1)只能取得來自基站BS1的接收信號。使用以該基站BS1的位置為原點的球坐標，當(dāng)設(shè)移動臺的位置為(ρ，θ，)T時，根據(jù)延遲估計值，估計半徑
ρ^=τ^1]]>緯度方向的估計值 和經(jīng)度方向的估計值 分別是在
和
的范圍內(nèi)均勻分布的角度。最小均方誤差(MSE)利用公式(20)求出。
E||p^-p||2=125/2π5/2σ∫-∞+∞∫0π∫02π[(ρ^cosθ^-ρcosθ)2+(ρ^sinθ^cosψ^-ρsinθcosψ)2]]>+(ρ^slnθ^sinψ^-ρsinθsinψ)2]exp{-12σ12(ρ^-τ1)2}dψ^dθ^dρ^]]>=σ12+2τ12.---(20)]]>(3維測位中的情況1-2)當(dāng)只能取得來自2個基站BS1、BS2的接收信號時，首先，研究2維中的解。當(dāng)分別將2個基站BS1、BS2的位置設(shè)為(X1,0)、(x2,0)，將移動臺MS的實際位置設(shè)為(x，y)T時，移動臺MS的估計位置 的分布與公式(21)所表示的聯(lián)合高斯概率密度函數(shù)一致。
pp(p^)=|Jp|1/22πexp{-12(p^-p)TJp(p^-p)},---(21)]]>這里，矩陣Jp利用公式(15)表示。當(dāng)使用柱面坐標，另x→z，y→而將其公式化為3維問題時，移動臺MS的估計位置為(ρ^.ψ^z^)Tρ^=y^,z^=x^]]>參數(shù) 是在
的范圍內(nèi)均勻分布的角度。最小均方誤差(MSE)利用公式(22)表示。
E||p^-p||2=12π∫-∞+∞∫0+∞∫02π[(ρ^cosψ^-ρcosψ)2+(ρ^sinψ^-ρsinψ)2+(z^-z)2]·pp(p·)dψ^dρ^dz^]]>=σx2+σy2+2v2,---(22)]]>這里方差σx2和σy2是σx2=[Jp-1]11,σy2=[Jp-1]22,]]>右邊的[A]nn是矩陣A的第n個對角項。
圖8是表示第3實施方式的位置測量裝置30的概略結(jié)構(gòu)的方框圖。位置測量裝置30包括檢測構(gòu)成接收信號的多徑延遲波成分的多徑延遲檢測部11、從檢測出的多徑延遲波中選擇滿足預(yù)定條件的多個延遲波的選擇部13、存儲與預(yù)先求出的視距外路徑相關(guān)的NLOS延遲函數(shù)的存儲部15、根據(jù)選擇部13選擇的延遲波和從存儲部15讀出的NLOS延遲函數(shù)確定移動臺的位置的位置計算部17、當(dāng)移動臺和基站的當(dāng)前位置關(guān)系處于特殊的配置關(guān)系時將測位維簡化為更低的維進行位置估計的特殊位置計算部31。在圖8的例子中，將簡化后的維中的位置估計用于同步系統(tǒng)，但同樣也可以用于圖6所示的非同步系統(tǒng)中的位置測量裝置。
圖9表示特殊位置計算部31的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。特殊位置計算部31具有基站-移動臺配置檢測部32、降維位置計算部35、概率判斷部34?；?移動臺配置檢測部32根據(jù)輸入到多徑延遲檢測部11的輸入信號，確定參與當(dāng)前測位的基站BS的數(shù)量和位置，并且，檢測這些基站和移動臺的配置關(guān)系?；竞鸵苿优_的配置關(guān)系例如可以根據(jù)之前的移動臺的位置估計值的推移等過去的經(jīng)歷來決定。
當(dāng)基站-移動臺配置檢測部32的檢測結(jié)果符合上述的情況1或情況2中所述的特殊位置關(guān)系時，降維位置計算部35使用對應(yīng)的維中的最佳的位置估計算法來估計移動臺MS的位置。概率判斷部判斷降維位置計算部35所求出的位置估計值的概率是否在預(yù)定標準內(nèi)，當(dāng)概率充分時，將降維位置計算部35所求出的位置估計值作為移動臺MS的位置信息來輸出。例如當(dāng)降維位置計算部35計算出的有限的位置估計誤差小于預(yù)定的閾值時，概率為容許范圍。當(dāng)位置估計的概率不充分時，例如有限的位置估計誤差大于等于預(yù)定的閾值時，拋棄該位置估計值。
另一方面，當(dāng)基站-移動臺配置檢測部32的檢測結(jié)果不符合特殊的位置關(guān)系(情況1或情況2)時，在位置計算部17中，利用使用了來自各基站的接收信號中包含的有效多徑成分的MAP法來估計移動臺MS的位置。
當(dāng)基準和移動臺位于直線上(3維測量的情況下是同一平面上)時，基站-移動臺配置檢測部32判斷各基站和移動臺是否處于NLOS(視距外)的關(guān)系。該NLOS判斷部可以獨立地設(shè)置在基站-移動臺配置檢測部32的內(nèi)部，也可以如圖3所示共用選擇部13內(nèi)部的NLOS判斷部22。
圖10是表示第3實施方式的位置測量裝置30的動作的流程圖。首先，在步驟S401中，基站-移動臺配置檢測部32根據(jù)多徑延遲檢測部11所接收的來自各基站的接收信號，判斷參與這次測位的基站的數(shù)量是否是充分的數(shù)量。所謂充分的數(shù)量，在2維測位的情況下，是指基站BS的數(shù)量大于等于2的情況，即可得到2個或2個以上的延遲估計指的情況。相反，在2維測位時，當(dāng)只得到來自一個基站BS的延遲估計值時，判斷為不充分的數(shù)量。在3維測位的情況下，把基站BS的數(shù)量大于等于3的情況認為是充分的數(shù)量，當(dāng)檢測出的基站的數(shù)量是1或2時，認為是不充分的數(shù)量。
當(dāng)判斷出基站的數(shù)量不充分時(S401為“否”)，符合上述的特殊情況1，所以進入步驟S402，算出針對退化的測位維的最佳參數(shù)。對于與其他維相關(guān)的參數(shù)，選擇在可行區(qū)域內(nèi)選擇的任意的值。更具體來講，當(dāng)為2維測位時作為1維的問題，根據(jù)公式(16)求出取得有限值的最小均方誤差(MSE)，算出1維中的位置估計參數(shù)ρ或x。對于其余維的參數(shù)，例如θ或y，選擇除去了不可能的方向后的可行區(qū)域內(nèi)的任意值。當(dāng)進行3維測位時，根據(jù)基站的數(shù)量，根據(jù)公式(20)或公式(22)求出最小均方誤差(MSE)，算出退化后的維中的位置估計參數(shù)，對于除此之外的維中的參數(shù)，選擇可行區(qū)域內(nèi)的任意值。
算出最小均方誤差后，進入步驟S407，判斷所求出的誤差是否小于預(yù)定的閾值。即，當(dāng)方差σ1和延遲估計值τ1相比非常小，并且所求出的最小均方誤差(MSE)小于預(yù)定的閾值時，在步驟S408中把位置估計結(jié)果作為有效結(jié)果輸出。另一方面，當(dāng)最小均方誤差(MSE)大于等于閾值時，在步驟S409中拋棄估計結(jié)果。
當(dāng)在步驟S401中判斷為基站的數(shù)量不充分時(S401為“是”)，進入步驟S403，在基站-移動臺配置檢測部32中，判斷參與本次測位的基站是否處于退化的測位維的配置關(guān)系中。例如，在2維測位中，判斷檢測出的2個或2個以上的基站BS是否全部排列在一條直線上，在3維測位中，判斷檢測出的3個或3個以上的基站BS是否全部位于同一直線或同一平面上。當(dāng)沒有排列在同一直線或同一平面上時(S403為“否”)，不符合特殊情況，所以進入步驟S405，進行通常的位置估計。此時的位置估計例如根據(jù)第1實施方式和第2實施方式中所述的方法來進行。
當(dāng)檢測出的基站BS位于直線上或同一平面上時(S403為“是”)，進入步驟S404，基站-移動臺配置檢測部32估計移動臺MS是否位于由基站BS所定義的直線上或其附近。3維測位的情況下也包括針對是否位于由基站BS所定義的平面上或其附近的判斷。
這里，對于作為測位對象的移動臺MS是否位于和基站配置相同的直線或平面上或者其附近的判斷，可以考慮幾種方法。
例如，有使用位置跟蹤等的初始信息的方法。因為從過去的履歷中可以知道以前的移動臺MS的位置、移動速度和移動方向，所以可以決定在本次的測位中移動臺是否包含于(是否正包含于)特殊配置關(guān)系中。
另外，在以往的測位方法中，當(dāng)移動臺正處于符合退化的測位維那樣的配置關(guān)系中或正接近其附近時，收斂于不可行的點。例如前次估計出的移動臺的位置和通過本次的位置估計而收斂的點(位置)相當(dāng)于在假設(shè)的移動臺的移動速度下不可能移動的情況。因此，利用在使用了以往方法的情況下得到的收斂點的可實現(xiàn)性，判斷移動臺是否包含于退化的測位維中。
而且，在采用基于梯度法的優(yōu)化方法的測位方法中，在用于估計最佳的移動臺位置的反復(fù)運算的過程中，當(dāng)移動臺的估計位置正向退化的測位維移動時，逆矩陣的元素取非常大的值，逆矩陣成為不確定的矩陣(逆矩陣變得無限大)。通過利用該運算的不確定性，也可以判斷移動臺是否包含于退化的測位維中。
當(dāng)移動臺MS不包含于特殊的位置關(guān)系中時(S404為“否”)，進入步驟S405，在位置計算部17中進行通常的位置計算。這種情況下，例如當(dāng)2維測位中檢測出的基站BS為2個時，即使利用第1實施方式或第2實施方式的方法來進行位置估計，也能夠利用可拉美-勞理論下限(CRLB)取得有限的值。
當(dāng)移動臺MS包含于特殊的位置關(guān)系中時(S404為“是”)，即當(dāng)在2維測位中移動臺和2個或2個以上的基站BS全部排列于直線上時，或當(dāng)在3維測位中移動臺MS和3個或3個以上的基站BS全部位于直線或同一平面上時，進入步驟S406，在降維位置計算部35中進行退化的測位維中的位置計算。具體來講，例如當(dāng)進行2維測位時，退化為1維的問題，根據(jù)公式(18)來估計移動臺MS的位置。
并且，如上所述，當(dāng)移動臺和基站排列于直線上時，如果處于NLOS(視距外)的關(guān)系中，則根據(jù)系統(tǒng)的同步和非同步，利用第1實施方式或第2實施方式的方法，進行位置估計。
根據(jù)第3實施方式的位置測量裝置30及位置測量方法，即使當(dāng)移動臺和基站處于利用以往的方法不能進行位置估計的特殊的配置關(guān)系中時，也能夠以一定程度的精度來進行移動臺的位置的估計。
以上，根據(jù)特定的實施方式說明了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于這些實施方式，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，各種可能的變形和代替也包含于發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種無線測位裝置，其特征在于，包括多徑延遲估計部，其根據(jù)一個或多個接收信號估計多徑延遲成分；選擇部，其根據(jù)預(yù)定的標準從所述估計的多徑延遲成分中選擇適當(dāng)?shù)难舆t估計值；存儲部，其存儲非視距NLOS延遲函數(shù)，該NLOS延遲函數(shù)定義了關(guān)于NLOS延遲的初始信息；以及位置估計部，其根據(jù)所述選擇的延遲估計值和從所述存儲部讀出的所述NLOS延遲函數(shù)來估計移動臺的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線測位裝置，其特征在于，還具有到達時間差TDOA數(shù)據(jù)生成部，其根據(jù)所述選擇的延遲估計值生成TDOA數(shù)據(jù)，其中，所述位置估計部取代所述選擇的延遲估計值而根據(jù)所述TDOA數(shù)據(jù)，以及從所述存儲部讀出的所述NLOS延遲函數(shù)，來估計所述移動臺的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線測位裝置，其特征在于，如果所述多徑延遲成分中存在視距LOS傳播的LOS延遲估計值，則所述選擇部選擇該LOS傳播的LOS延遲估計值，并且還選擇NLOS傳播的NLOS延遲估計值中的滿足預(yù)定條件的NLOS延遲估計值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無線測位裝置，其特征在于，所述選擇部選擇NLOS延遲估計值，使得這些NLOS延遲估計值的方差小于第一閾值，并且使得與這些NLOS延遲估計值相應(yīng)的信號強度大于第二閾值。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無線測位裝置，其特征在于，所述選擇部具有NLOS判斷單元，其判斷所述多徑延遲成分是否是根據(jù)接收到的NLOS信息而估計出的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線測位裝置，其特征在于，還具有第二位置估計部，如果所述移動臺和相關(guān)的基站處于特殊的幾何關(guān)系，則其在降維空間中估計所述移動臺的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無線測位裝置，其特征在于，所述第二位置估計部還具有基站-移動臺配置檢測部，其判斷所述移動臺和所述基站是否處于特殊的幾何關(guān)系；降維位置估計部，如果判斷為所述移動臺和所述基站處于特殊的幾何關(guān)系，則其生成降維空間中的測位參數(shù)。
8.一種無線測位方法，其特征在于，包括如下步驟根據(jù)多個接收信號中的每一個估計多徑延遲成分；從所述多徑延遲成分中選擇適當(dāng)?shù)难舆t估計值以符合預(yù)定的標準；以及根據(jù)所述選擇的延遲估計值和定義了非視距NLOS延遲的初始信息的NLOS延遲函數(shù)，估計移動臺的位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括如下步驟根據(jù)所述選擇的延遲估計值生成到達時間差TDOA數(shù)據(jù)；其中，取代所述選擇的延遲估計值而根據(jù)所述TDOA數(shù)據(jù)，以及所述NLOS延遲函數(shù)，來估計所述移動臺的位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述選擇步驟包括如果所述多徑延遲成分中存在LOS傳播的視距LOS延遲估計值，則選擇該LOS傳播的LOS延遲估計值，并且還選擇NLOS傳播的延遲估計值中的滿足預(yù)定條件的NLOS延遲估計值。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，選擇所述NLOS延遲估計值，使得這些NLOS延遲估計值的方差小于第一閾值，并且與這些NLOS延遲估計值相應(yīng)的信號強度大于第二閾值。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括如下步驟判斷所述多徑延遲成分是否是根據(jù)接收到的NLOS信息而估計出的。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括如下步驟判斷所述移動臺和一個或多個相關(guān)的基站是否處于能退化為更低維空間的特殊幾何關(guān)系；以及如果所述移動臺和所述相關(guān)基站處于所述特殊幾何關(guān)系，則在降維空間中估計所述移動臺的位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述判斷步驟進一步包括如下步驟判斷是否有足夠的基站用于當(dāng)前的估計；如果沒有足夠的基站，則估計降維空間的最佳參數(shù)，而使其余維的參數(shù)在可行區(qū)域內(nèi)隨機選擇。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用構(gòu)成接收信號的多徑延遲波成分來提高移動通信系統(tǒng)中的測位精度的位置測量裝置和測量方法。該位置測量裝置具有多徑延遲檢測部，其針對多個接收信號的每一個，檢測構(gòu)成該接收信號的多徑延遲波成分；選擇部，其從檢測出的多徑延遲波成分中選擇符合預(yù)定標準的多個延遲波；存儲部，其存儲預(yù)先求出的關(guān)于視距外路徑的NLOS延遲函數(shù)；位置計算部，其根據(jù)由所述選擇部選擇出的延遲波和從所述存儲部讀出的NLOS延遲函數(shù)確定移動臺的位置。
文檔編號G01S5/10GK1707282SQ20051007693
公開日2005年12月14日 申請日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月9日
發(fā)明者齊一鴻, 須田博人, 淺井孝浩 申請人:株式會社Ntt都科摩