專利名稱：利用信號達(dá)到時(shí)間和時(shí)間差估計(jì)移動(dòng)臺(tái)位置的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動(dòng)通信系統(tǒng)中的無線定位技術(shù)，具體地說涉及移動(dòng)通信系統(tǒng)中利用信號到達(dá)時(shí)間以及時(shí)間差進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)定位的方法及裝置。
一般而言，直接利用TDOA進(jìn)行進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)的位置估計(jì)，盡管信號的到達(dá)時(shí)間差TDOA能夠消除一定程度的系統(tǒng)誤差以及部分NLOS(非可視距離Non_Line of Sight)誤差，不同基站的TDOA測量也容易實(shí)現(xiàn)，但移動(dòng)臺(tái)的位置估計(jì)的性能對移動(dòng)臺(tái)與基站之間的相對位置比較敏感，即該類型方法的GDOP(幾何精度因子Geomtry Dilution of Precision)性能較差，特別是當(dāng)移動(dòng)臺(tái)靠近基站時(shí)，該方法的位置估計(jì)性能明顯下降。而單存利用TOA進(jìn)行位置估計(jì)時(shí)，盡管GDOP性能較好，對移動(dòng)臺(tái)與基站位置敏感性較低，但移動(dòng)臺(tái)至不同基站的TOA直接測量較難實(shí)現(xiàn)，同時(shí)對系統(tǒng)固有誤差以及信號的NLOS誤差無抑制作用。因此，同時(shí)采用TOA和TDOA對移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行位置估計(jì)可以獲得較高的精度。然而，現(xiàn)有方法只利用了一個(gè)與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站的TOA和其它相對于該基站的其它基站的TDOA，事實(shí)上，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)處于切換狀態(tài)時(shí)，有多個(gè)基站與移動(dòng)臺(tái)保持連接，此時(shí)對移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行定位時(shí)，能得到多個(gè)TOA信息，同時(shí)相對某參考基站的一組TDOA信息也比較容易易得到。由于現(xiàn)有的利用TOA以及TDOA的方法并不能將所有的TOA以及TDOA測量信息利用上，而僅僅只是對部分信息的利用，使得移動(dòng)臺(tái)的定位精度并不能達(dá)到理想的要求。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的利用信號達(dá)到時(shí)間估計(jì)移動(dòng)臺(tái)位置的方法，包括(1)確定參與進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)定位的基站，發(fā)起所有與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站的TOA(單個(gè)信號到達(dá)時(shí)間)的測量，獲得有關(guān)基站的RTT(往返時(shí)間Round Trip Time)測量值、移動(dòng)臺(tái)的Rx(接收時(shí)間)-Tx(發(fā)送時(shí)間)測量值；(2)將上述步驟(1)得到的一組TOA的測量值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的TOA值，然后選取最小TOA值對應(yīng)的基站為主基站；(3)發(fā)起與所選主基站為參考基站的TDOA測量，獲得相對參考基站的一組TDOA測量值，以及RTD(相對時(shí)間差)測量值，并將所得的TDOA測量值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的TDOA值；
(4)獲取參與移動(dòng)臺(tái)定位的基站的坐標(biāo)以及所有TOA和TDOA的有關(guān)統(tǒng)計(jì)信息；(5)利用上述步驟(4)提供的基站坐標(biāo)以及所有TOA、TDOA及其相關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)的位置估計(jì)，確定移動(dòng)臺(tái)的最終位置估計(jì)值。上述步驟(5)進(jìn)一步包括下述步驟(31)確定利用TOA以及TDOA進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)的基本方程如下(x-xi)2+(y-yi)2＝(ri)2((x-xj)2+(y-yj2)-(x-x1)2+(y-y12))2=rj12]]>式中i＝1，2，.m，j＝2，.m，而m＞＝3，i等于1的基站為移動(dòng)臺(tái)所屬的主基站；ri＝c×τi，τi為第i個(gè)基站的信號到達(dá)時(shí)間TOA，ri1＝c×τi1，τi1為第j個(gè)基站相對主基站的信號到達(dá)時(shí)間差TDOA，c為信號傳播的速度(光速)；xi、yi為第i個(gè)基站的幾何位置坐標(biāo)。x、y為待估計(jì)的移動(dòng)臺(tái)的幾何位置坐標(biāo)。
(32)根據(jù)上述步驟(31)的基本方程，使用加權(quán)線性最小二乘法估計(jì)移動(dòng)臺(tái)的粗略位置，得到移動(dòng)臺(tái)位置的初步估計(jì)解；(33)對上述步驟(32)得到的移動(dòng)臺(tái)的位置估計(jì)值再次使用加權(quán)線性最小二乘法進(jìn)行優(yōu)化，降低所述位置估計(jì)值之間的相關(guān)性影響；(34)根據(jù)上述步驟(33)得到的移動(dòng)臺(tái)的優(yōu)化位置估計(jì)值，確定移動(dòng)臺(tái)最終的位置估計(jì)值。
其中所述步驟(32)中使用加權(quán)線性最小二乘法估計(jì)移動(dòng)臺(tái)的粗略位置進(jìn)一步包括
(41)對上述步驟(31)的基本方程進(jìn)行變換，得到下述公式r1-d1＝0r12-d2=0]]>r22+x12-x22+y12-y22-2(x1-x2)x-2(y1-y2)y-d2=0]]>r32+x12-x32+y12-y32-2(x1-x3)x-2(y1-y3)y-d2=0]]>rm2+x12-xm2+y12-ym2-2(x1-xm)x-2(y1-ym)y-d2=0]]>r212+x12-x22+y12-y22-2(x1-x2)x-2(y1-y2)y+2r21d1=0]]>r312+x12-x32+y12-y32-2(x1-x3)x-2(y1-y3)y+2r31d1=0]]>rm12+x12-xm2+y12-ym2-2(x1-xm)x-2(y1-ym)y+2rm1d1=0]]>式中i＝2，.m，而m＞＝3，第1個(gè)基站為主基站；ri＝c×τi，τi為第i個(gè)基站的信號到達(dá)時(shí)間TOA，c為信號傳播的速度；ri1＝c×τi1，τi1為第i個(gè)基站信號相對第1個(gè)基站信號的到達(dá)時(shí)間差TDOA；xi、yi為第i個(gè)基站的幾何位置坐標(biāo)；d1=(x-x1)2+(y-y1)2,]]>d2＝(x-x1)2+(y-y1)2；x、y為待估計(jì)的移動(dòng)臺(tái)的幾何位置坐標(biāo)；(42)構(gòu)造矩陣h、Ga、Ksi，將上述步驟(41)中的公式表述為下述最小二乘的形式Δ＝h-GaZa；式中Δ即為殘差；Ksi為進(jìn)行最小二乘估計(jì)時(shí)的加權(quán)系數(shù)矩陣，Ksi＝E(ΔΔT)＝c2BQB其中B＝diag{1，r1，r2，…，rm，2(r21+r1)，2(r31+r1)，…，2(rm1+r1)}diag表示對角陣，Q為TOA以及TDOA的誤差的協(xié)方差矩陣，表示信號可信程度；
式中Δ為殘差； (43)根據(jù)所述矩陣h、Ga、Ksi計(jì)算Za，得到移動(dòng)臺(tái)位置的初步估計(jì)解。
在所述步驟(43)中，按下述方法計(jì)算ZaZa＝(GaTKsi-1Ga)-1GaTKsi-1h。
所述步驟(33)進(jìn)一步包括(71)構(gòu)造矩陣h′、Ga′、Ksi′，確定下述最小二乘形式Δ′＝h′-Ga′Za′式中Δ′為殘差，Ksi′＝E(Δ′Δ′T)，并且， 其中B′=diag{2(x0-x1),2(y0-y1),2r10,1};]]>Ga′=10011111,h′=(Za,1-x1)2(Za,2-y1)2Za,32Za,4,Za′=(x-x1)2(y-y1)2;]]>
(72)根據(jù)所述矩陣h′、Ga′、Ksi′計(jì)算Za′，得到移動(dòng)臺(tái)位置的精確位置解。
在所述步驟(72)中，按下述方法計(jì)算Za′ 所述步驟(34)進(jìn)一步包括以下步驟(101)按照下述方法計(jì)算Zp′Zp′=±Za′+x1y1,]]>其中 得到移動(dòng)臺(tái)最終位置解；(102)根據(jù)移動(dòng)臺(tái)位置的初步估計(jì)解的距離差，從上述步驟(101)中的移動(dòng)臺(tái)的最終位置解中，挑選對應(yīng)距離差最小的解作為移動(dòng)臺(tái)的最終位置估計(jì)值。
本發(fā)明同時(shí)還提供了一種利用信號達(dá)到時(shí)間估計(jì)移動(dòng)臺(tái)位置的裝置，包括TOA和TDOA生成器用于接收所有與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站的TOA與參與移動(dòng)臺(tái)定位的其它基站的相對于主基站的TDOA相對應(yīng)的測量值，即所有與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站的RTT測量值、移動(dòng)臺(tái)的Rx和Tx測量值，以及相對于主基站的其它基站的TDOA測量值和RTD測量值，將上述測量值按下述方法轉(zhuǎn)換為與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站TOA值和其它基站相對于主基站的TDOA值與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站的TOA值＝(RTT測量值-移動(dòng)臺(tái)的Rx-Tx測量值)/2；相對主基站的其它基站的TDOA值＝相應(yīng)的TDOA測量值-RTD測量值；
信息數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)參與移動(dòng)臺(tái)定位的所有基站的幾何位置和有關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息；位置估計(jì)器用于所述利用TOA和TDOA生成器輸出的與移動(dòng)臺(tái)保持連接的一組TOA和相對于主基站的一組TDOA值和所述信息數(shù)據(jù)庫提供的基站的幾何位置以及有關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息，進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)的位置估計(jì)，確定移動(dòng)臺(tái)的最終位置估計(jì)值。
所述位置估計(jì)器包括存儲(chǔ)器用于接收包括與移動(dòng)臺(tái)保持連接的所有基站TOA值、相對主基站的其它基站的TDOA值、基站坐標(biāo)、所有TOA以及TDOA的統(tǒng)計(jì)信息，進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)時(shí)所需的數(shù)據(jù)，以及存儲(chǔ)移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)時(shí)產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)和最終數(shù)據(jù)；處理器用于根據(jù)從所述存儲(chǔ)器得到的進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)所需的一組TOA數(shù)據(jù)和一組TDOA數(shù)據(jù)，利用最小二乘法進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)。
由于本發(fā)明能夠綜合利用與移動(dòng)臺(tái)保持連接的多個(gè)基站的一組TOA和相對主基站的其它基站的一組TDOA，利用最小二乘法進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)，更適合于移動(dòng)臺(tái)處于切換狀態(tài)下的定位，這樣，本發(fā)明在移動(dòng)臺(tái)的位置估計(jì)過程中充分利用了全部的TOA和TDOA信息，因此更能綜合TDOA與TOA方法的優(yōu)點(diǎn)，使移動(dòng)臺(tái)的位置估計(jì)精度以及GDOP性能進(jìn)一步得到提高；同時(shí)本發(fā)明進(jìn)行位置估計(jì)過程中無須迭代求解，運(yùn)算量小，位置估計(jì)所需時(shí)間也較少，因此采用本發(fā)明可以使同一時(shí)間段內(nèi)的系統(tǒng)處理的定位請求數(shù)量明顯增加。


圖1是本發(fā)明所述方法進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)的幾何原理圖；圖2是本發(fā)明所述方法的實(shí)施例流程圖；圖3是圖2中步驟5的具體實(shí)施例流程圖；圖4是本發(fā)明所述裝置的實(shí)施例框圖；圖5是圖4所述的位置估計(jì)器的實(shí)施例框圖。
發(fā)明提出的方法和裝置適用于3個(gè)或3個(gè)以上的基站參與對移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行位置估計(jì)。圖1給出了綜合利用與移動(dòng)臺(tái)保持連接的多個(gè)基站的一組TOA以及相對于主基站的其它基站的TDOA進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)的幾何原理圖。圖1中，不同圓和雙曲線的交點(diǎn)即為移動(dòng)臺(tái)的位置，當(dāng)TOA以及TDOA存在誤差時(shí)，曲線將不交于一點(diǎn)，而是大致區(qū)域。
圖2是本發(fā)明所述方法的實(shí)施例流程圖。按照圖2實(shí)施本發(fā)明共具有5個(gè)步驟，步驟1確定參與進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)定位的基站，發(fā)起所有與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站的TOA(單個(gè)信號到達(dá)時(shí)間)的測量，獲得有關(guān)基站的RTT(往返時(shí)間Round Trip Time)測量值、移動(dòng)臺(tái)的Rx(接收時(shí)間)-Tx(發(fā)送時(shí)間)測量值；在步驟2將上述步驟1得到的一組TOA的測量值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的TOA值，然后選取最小TOA值對應(yīng)的基站為主基站；在步驟3發(fā)起與所選主基站為參考基站的TDOA測量，獲得相對參考基站的一組TDOA測量值，以及RTD(相對時(shí)間差)測量值，并將所得的TDOA測量值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的TDOA值；在步驟4獲取參與移動(dòng)臺(tái)定位的基站的坐標(biāo)以及所有TOA和TDOA的有關(guān)統(tǒng)計(jì)信息；最后在步驟5利用上述步驟4得到的基站坐標(biāo)以及所有TOA、TDOA及其相關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)的位置估計(jì)，確定移動(dòng)臺(tái)的最終位置估計(jì)值。
上述步驟5的具體實(shí)施過程參考圖3。圖3中所述的流程主要包括三部分內(nèi)容，第一部分是步驟41到步驟43，采用加權(quán)線性最小二乘法得到移動(dòng)臺(tái)位置的初步估計(jì)解。
首先在步驟41確定利用TOA以及TDOA進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)的基本方程如下(x-xi)2+(y-yi)2＝(ri)2(1)((x-xj)2+(y-yj2)-(x-x1)2+(y-y12))2=rj12]]>式中i＝1，2，.m，j＝2，.m，而m＞＝3，i等于1的基站為移動(dòng)臺(tái)所屬的主基站；ri＝c×τi，τi為第i個(gè)基站的信號到達(dá)時(shí)間TOA，rj1＝c×τj1，τi1為第j個(gè)基站相對主基站的信號到達(dá)時(shí)間差TDOA，c為信號傳播的速度(光速)；xi、yi為第i個(gè)基站的幾何位置坐標(biāo)。x、y為待估計(jì)的移動(dòng)臺(tái)的幾何位置坐標(biāo)。
在步驟42，首先對上述步驟41的基本方程進(jìn)行變換，得到下述公式r1-d1＝0r12-d2=0]]>r22+x12-x22+y12-y22-2(x1-x2)x-2(y1-y2)y-d2=0]]>r32+x12-x32+y12-y32-2(x1-x3)x-2(y1-y3)y-d2=0]]>rm2+x12-xm2+y12-ym2-2(x1-xm)x-2(y1-ym)y-d2=0]]>r212+x12-x22+y12-y22-2(x1-x2)x-2(y1-y2)y+2r21d1=0]]>r312+x12-x32+y12-y32-2(x1-x3)x-2(y1-y3)y+2r31d1=0]]>rm12+x12-xm2+y12-ym2-2(x1-xm)x-2(y1-ym)y+2rm1d1=0----(2)]]>式中i＝2，.m，而m＞＝3，第1個(gè)基站為主基站；ri＝c×τi，τi為第i個(gè)基站的信號到達(dá)時(shí)間TOA，c為信號傳播的速度；ri1＝c×τi1，τi1為第i個(gè)基站信號相對第1個(gè)基站信號的到達(dá)時(shí)間差TDOA；xi、yi為第i個(gè)基站的幾何位置坐標(biāo)；d1=(x-x1)2+(y-y1)2,]]>d2＝(x-x1)2+(y-y1)2；x、y為待估計(jì)的移動(dòng)臺(tái)的幾何位置坐標(biāo)。實(shí)際中，若TOA以及TDOA的數(shù)量不是一一對應(yīng)時(shí)，可以根據(jù)相應(yīng)的TOA與TDOA的關(guān)系將不足的TOA或TDOA補(bǔ)足。例如，如果缺少第3個(gè)基站的τ3，可利用τ3＝τ31+τ1的關(guān)系將τ3補(bǔ)齊，使之滿足公式(2)的形式。另外也可在構(gòu)造矩陣h、Ga、Ksi時(shí)，將缺少的TOA或TDOA所對應(yīng)的行去掉，其他不變化。
然后構(gòu)造矩陣h、Ga、Ksi，將上述步驟41中的公式表述為下述最小二乘的形式Δ＝h-GaZa (3)最小二乘的目的是使 最小。
式中Δ即為殘差；Ksi為進(jìn)行最小二乘估計(jì)時(shí)的加權(quán)系數(shù)矩陣，Ksi＝E(ΔΔT)＝c2BQB (4)；其中B＝diag{1，r1，r2，…，rm，2(r21+r1)，2(r31+r1)，…，2(rm1+r1)}diag表示對角陣，Q為TOA以及TDOA的誤差的協(xié)方差矩陣，表示信號可信程度； 在步驟43，根據(jù)所述矩陣h、Ga、Ksi計(jì)算Za，假設(shè)x、y、d1、d2相互獨(dú)立，利用加權(quán)線性最小二乘求解Za，Za＝(GaTKsi-1Ga)-1GaTKsi-1h (5)進(jìn)而得到移動(dòng)臺(tái)位置的初步估計(jì)解。
由于實(shí)際中TOA、TDOA測量誤差的存在，以及系統(tǒng)有可能提供冗余的測量信息，使得從公式(5)中得到的移動(dòng)臺(tái)位置數(shù)據(jù)精度不高。因此圖3中所述的流程的第二部分，是步驟44到步驟45，再次采用加權(quán)線性最小二乘法，降低x、y、d1、d2之間的相關(guān)性的影響。
在步驟44，構(gòu)造矩陣h′、Ga′、 Ksi′，確定下述最小二乘形式Δ′＝h′-Ga′Za′ (6)最小二乘的目的是使 最小。
式中Δ′為殘差，Ksi′＝E(Δ′Δ′T)，并且，Ksi′=B′(GaTKsi-1Ga)-1B′,]]>其中B′=diag{2(x0-x1),2(y0-y1),2r10,1};]]>Ga′=10011111,h′=(Za,1-x1)2(Za,2-y1)2Za,32Za,4,Za′=(x-x1)2(y-y1)2;]]>所述x0、y0實(shí)際中可以使用Za中求得的Za，1，Za，2來近似求解，r10用r10=(Za,3+Za,4)/2]]>來近似。
在步驟45，根據(jù)所述矩陣h′、Ga′、 Ksi′計(jì)算Za′，也就是利用x，y，d1，d2間的聯(lián)系以及Za的協(xié)方差矩陣，用最小二乘估計(jì)來求解Za′=(x-x1)2(y-y1)2.]]>具體的計(jì)算公式如下Za′＝(Ga′TKsi′-1Ga′)-1Ga′TKsi′-1h′(8)進(jìn)而得到移動(dòng)臺(tái)位置的精確位置解。
圖3中所述的流程的第三部分，是步驟46到步驟47，從上述式(8)得到的解中，挑選出移動(dòng)臺(tái)的最終位置估計(jì)值。
在步驟46，構(gòu)造矩陣Zp′=xy,]]>然后按照下述方法計(jì)算Zp′Zp′=±Za′+x1y1---(9)]]>進(jìn)而得到移動(dòng)臺(tái)的最終位置解；由于公式(9)得到的最終移動(dòng)臺(tái)位置的解的形式有四個(gè)，而其中只有一個(gè)是需要的位置估計(jì)值，所以，本實(shí)施例采用的策略為根據(jù)移動(dòng)臺(tái)位置的初步估計(jì)解的距離差，從上述移動(dòng)臺(tái)的最終位置解中，挑選對應(yīng)距離差最小的解作為移動(dòng)臺(tái)的最終位置估計(jì)值。
圖4是本發(fā)明所述裝置的實(shí)施例框圖。圖4描述的利用信號達(dá)到時(shí)間估計(jì)移動(dòng)臺(tái)位置的裝置204，包括TOA和TDOA生成器201用于接收所有與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站的TOA與參與移動(dòng)臺(tái)定位的其它基站的相對于主基站的TDOA相對應(yīng)的測量值，即所有與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站的RTT測量值、移動(dòng)臺(tái)的Rx和Tx測量值，以及相對于主基站的其它基站的TDOA測量值和RTD測量值，將上述測量值按下述方法轉(zhuǎn)換為與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站TOA值和其它基站相對于主基站的TDOA值與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站的TOA值＝(RTT測量值-移動(dòng)臺(tái)的Rx-Tx測量值)/2；相對主基站的其它基站的TDOA值＝相應(yīng)的TDOA測量值-RTD測量值；信息數(shù)據(jù)庫202用于存儲(chǔ)參與移動(dòng)臺(tái)定位的所有基站的幾何位置和有關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息；位置估計(jì)器203用于所述利用TOA和TDOA生成器輸出的與移動(dòng)臺(tái)保持連接的一組TOA和相對于主基站的一組TDOA值和所述信息數(shù)據(jù)庫提供的基站的幾何位置以及有關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息，進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)的位置估計(jì)，確定移動(dòng)臺(tái)的最終位置估計(jì)值。
首先TOA和TDOA生成器201選取與移動(dòng)臺(tái)保持連接的所有基站的TOA的有關(guān)測量，TOA和TDOA生成器201將所得的TOA有關(guān)測量值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的TOA值，然后選取最小TOA值所對應(yīng)的基站作為主基站；接著發(fā)起以所選主基站為參考基站的TDOA測量，TOA和TDOA生成器201將所得的TDOA有關(guān)測量值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的TDOA值；信息數(shù)據(jù)庫202用于提供相應(yīng)的基站坐標(biāo)，以及TOA和TDOA的有關(guān)統(tǒng)計(jì)信息，由位置估計(jì)器203采用多個(gè)TOA加多個(gè)TDOA算法進(jìn)行位置估計(jì)，最后位置估計(jì)器(203)給出移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)值，所述位置估計(jì)器203包括存儲(chǔ)器301用于接收包括與移動(dòng)臺(tái)連接的所有基站的TOA值、相對主基站的其它基站的TDOA值、基站坐標(biāo)、TOA以及TDOA的統(tǒng)計(jì)信息，進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)時(shí)所需的數(shù)據(jù)，以及存儲(chǔ)移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)時(shí)產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)和最終數(shù)據(jù)；處理器302用于根據(jù)從所述存儲(chǔ)器得到的進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)所需的數(shù)據(jù)，利用最小二乘法進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)。
移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)的具體運(yùn)算時(shí)，處理器302可以按照式(1)到式(9)的公式和要求運(yùn)算得到。預(yù)算涉及到的中間數(shù)據(jù)和最終數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器301中。
下面是本發(fā)明所述裝置的一個(gè)具體應(yīng)用的實(shí)例。
根據(jù)3GPP2(第三代伙伴工程2)的有關(guān)協(xié)議，WCDMA(寬帶碼分多址)系統(tǒng)中，基本的定位測量值為有關(guān)基站的RTT測量值、移動(dòng)臺(tái)的Rx、Tx測量值、相對主基站的一組TDOA測量值，以及表示不同基站之間的時(shí)差關(guān)系的RTD測量，其中RTT的測量必須是針對與移動(dòng)臺(tái)保持了連接的基站。此時(shí)采用發(fā)明的方法進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)的過程如以下描述
首先TOA和TDOA生成器201將測量值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的TOA和TDOA值，具體的轉(zhuǎn)換公式為保持連接的基站TOA值＝(基站的RTT測量值-對應(yīng)UE的Rx-Tx測量值)/2；相對主基站的TDOA值＝相應(yīng)的TDOA測量值-RTD測量；其次將多個(gè)基站TOA值以及多個(gè)TDOA值輸入位置估計(jì)器203。然后信息數(shù)據(jù)庫202提供與TOA、TDOA相對應(yīng)的基站坐標(biāo)以及統(tǒng)計(jì)信息，最后位置估計(jì)器203根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，利用多個(gè)TOA和多個(gè)TDOA等信息進(jìn)行位置估計(jì)，進(jìn)而得出移動(dòng)臺(tái)位置。
權(quán)利要求
1.一種利用信號達(dá)到時(shí)間和時(shí)間差估計(jì)移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)方法，包括(1)確定參與進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)定位的基站，發(fā)起所有與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站的TOA(單個(gè)信號到達(dá)時(shí)間)的測量，獲得有關(guān)基站的RTT(往返時(shí)間Round Trip Time)測量值、移動(dòng)臺(tái)的Rx(接收時(shí)間)-Tx(發(fā)送時(shí)間)測量值；(2)將上述步驟(1)得到的一組TOA的測量值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的TOA值，然后選取最小TOA值對應(yīng)的基站或信號質(zhì)量最好的基站為主基站；(3)發(fā)起與所選主基站為參考基站的TDOA測量，獲得相對參考基站的一組TDOA測量值，以及RTD(相對時(shí)間差)測量值，并將所得的TDOA測量值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的TDOA值；(4)獲取參與移動(dòng)臺(tái)定位的基站的坐標(biāo)以及所有TOA和TDOA的有關(guān)統(tǒng)計(jì)信息；(5)利用上述步驟(4)提供的基站坐標(biāo)以及所有TOA、TDOA及其相關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)的位置估計(jì)，確定移動(dòng)臺(tái)的最終位置估計(jì)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)方法，其特征在于所述步驟(2)和步驟(3)中的TOA值和TDOA值的獲得方法如下與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站TOA值＝(RTT測量值-移動(dòng)臺(tái)的Rx-Tx測量值)/2；相對主基站的TDOA值＝相應(yīng)的TDOA測量值-RTD測量值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)方法，其特征在于所述步驟(5)進(jìn)一步包括下述步驟(31)確定利用TOA以及TDOA進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)的基本方程如下(x-xi)2+(y-yi)2＝(ri)2((x-xj)2+(y-yj2)-(x-x1)2+(y-y12))2=rj12]]>式中i＝1，2，.m，j＝2，.m，而m＞＝3，i等于1的基站為移動(dòng)臺(tái)所屬的主基站；ri＝c×τi，τi為第i個(gè)基站的信號到達(dá)時(shí)間TOA，ri1＝c×τi1，τi1為第j個(gè)基站相對主基站的信號到達(dá)時(shí)間差TDOA，c為信號傳播的速度(光速)；xi、yi為第i個(gè)基站的幾何位置坐標(biāo)。x、y為待估計(jì)的移動(dòng)臺(tái)的幾何位置坐標(biāo)。(32)根據(jù)上述步驟(31)的基本方程，使用加權(quán)線性最小二乘法估計(jì)移動(dòng)臺(tái)的粗略位置，得到移動(dòng)臺(tái)位置的初步估計(jì)解；(33)對上述步驟(32)得到的移動(dòng)臺(tái)的位置估計(jì)值再次使用加權(quán)線性最小二乘法進(jìn)行優(yōu)化，降低所述位置估計(jì)值之間的相關(guān)性影響；(34)根據(jù)上述步驟(33)得到的移動(dòng)臺(tái)的優(yōu)化位置估計(jì)值，確定移動(dòng)臺(tái)最終的位置估計(jì)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)方法，其特征在于所述步驟(32)中使用加權(quán)線性最小二乘法估計(jì)移動(dòng)臺(tái)的粗略位置進(jìn)一步包括(41)對上述步驟(31)的基本方程進(jìn)行變換，得到下述公式r1-d1＝0r12-d2=0]]>r22+x12-x22+y12-y22-2(x1-x2)x-2(y1-y2)y-d2=0]]>r32+x12-x32+y12-y32-2(x1-x3)x-2(y1-y3)y-d2=0]]>rm2+x12-xm2+y12-ym2-2(x1-xm)x-2(y1-ym)y-d2=0]]>r212+x12-x22+y12-y22-2(x1-x2)x-2(y1-y2)y+2r21d1=0]]>r312+x12-x32+y12-y32-2(x1-x3)x-2(y1-y3)y+2r31d1=0]]>rm12+x12-xm2+y12-ym2-2(x1-xm)x-2(y1-ym)y+2rm1d1=0]]>式中i＝2，.m，而m＞＝3，第1個(gè)基站為主基站；ri＝c×τi，τi為第i個(gè)基站的信號到達(dá)時(shí)間TOA，c為信號傳播的速度；ri1＝c×τi1，τi1為第i個(gè)基站信號相對第1個(gè)基站信號的到達(dá)時(shí)間差TDOA；xi、yi為第i個(gè)基站的幾何位置坐標(biāo)；d1=(x-x1)2+(y-y1)2,]]>d2＝(x-x1)2+(y-y1)2；x、y為待估計(jì)的移動(dòng)臺(tái)的幾何位置坐標(biāo)；(42)構(gòu)造矩陣h、Ga、Ksi，將上述步驟(41)中的公式表述為下述最小二乘的形式Δ＝h-GaZa；式中Δ即為殘差；Ksi為進(jìn)行最小二乘估計(jì)時(shí)的加權(quán)系數(shù)矩陣，Ksi＝E(ΔΔT)＝c2BQB其中B＝diag{1，r1，r2，…，rm，2(r21+r1)，2(r31+r1)…，2(rm1+r1)}diag表示對角陣，Q為TOA以及TDOA的誤差的協(xié)方差矩陣，表示信號可信程度；式中Δ為殘差； (43)根據(jù)所述矩陣h、Ga、Ksi計(jì)算Za，得到移動(dòng)臺(tái)位置的初步估計(jì)解。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)方法，其特征在于所述協(xié)方差矩陣Q配置為對角陣，對角線上元素為TOA以及TDOA誤差的方差。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)方法，其特征在于在所述步驟(43)按下述方法計(jì)算ZaZa＝(GaTKsi-1Ga)-1GaTKsi-1h。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)方法，其特征在于所述步驟(33)進(jìn)一步包括(71)構(gòu)造矩陣h′、Ga′、Ksi′，確定下述最小二乘形式Δ′＝h′-Ga′Za′式中Δ′為殘差，Ksi′＝E(Δ′Δ′T)，并且， ，其中B′=diag{2(x0-x1),2(y0-y1),2r10,1};]]>Ga′=10011111,h′=(Za,1-x1)2(Za,2-y1)2Za,32Za,4,=Za′=(x-x1)2(y-y1)2;]]>(72)根據(jù)所述矩陣h′、Ga′、Ksi′計(jì)算Za′，得到移動(dòng)臺(tái)位置的精確位置解。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)方法，其特征在于在所述步驟(71)中，x0，y0可以使用Za中求得的Za，1，Za，2來近似求解，r10用r10=(Za,3+Za,4)/2]]>來近似。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)方法，其特征在于在所述步驟(72)中按下述方法計(jì)算Za′Za′＝(Ga′TKsi′-1Ga′)-1Ga′TKsi′-1h′。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)方法，其特征在于所述步驟(34)進(jìn)一步包括以下步驟(101)按照下述方法計(jì)算Zp′Zp′=±Za′+x1y1,]]>其中Zp′=xy,]]>得到移動(dòng)臺(tái)最終位置解；(102)根據(jù)移動(dòng)臺(tái)位置的初步估計(jì)解的距離差，從上述步驟(101)中的移動(dòng)臺(tái)的最終位置解中，挑選對應(yīng)距離差最小的解作為移動(dòng)臺(tái)的最終位置估計(jì)值。
11.一種利用信號達(dá)到時(shí)間和時(shí)間差估計(jì)移動(dòng)臺(tái)位置的裝置，包括TOA和TDOA生成器用于接收所有與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站的TOA與參與移動(dòng)臺(tái)定位的其它基站的相對于主基站的TDOA相對應(yīng)的測量值，即所有與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站的RTT測量值、移動(dòng)臺(tái)的Rx和Tx測量值，以及相對于主基站的其它基站的TDOA測量值和RTD測量值，將上述測量值按下述方法轉(zhuǎn)換為與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站TOA值和其它基站相對于主基站的TDOA值與移動(dòng)臺(tái)保持連接的基站的TOA值＝(RTT測量值-移動(dòng)臺(tái)的Rx-Tx測量值)/2；相對主基站的其它基站的TDOA值＝相應(yīng)的TDOA測量值-RTD測量值；信息數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)參與移動(dòng)臺(tái)定位的所有基站的幾何位置和有關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息；位置估計(jì)器用于所述利用TOA和TDOA生成器輸出的與移動(dòng)臺(tái)保持連接的一組TOA和相對于主基站的一組TDOA值和所述信息數(shù)據(jù)庫提供的基站的幾何位置以及有關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息，進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)的位置估計(jì)，確定移動(dòng)臺(tái)的最終位置估計(jì)值。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的估計(jì)移動(dòng)臺(tái)位置的裝置，其特征在于所述位置估計(jì)器包括存儲(chǔ)器用于接收包括與移動(dòng)臺(tái)保持連接的所有基站TOA值、相對主基站的其它基站的TDOA值、基站坐標(biāo)、所有TOA以及TDOA的統(tǒng)計(jì)信息，進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)時(shí)所需的數(shù)據(jù)，以及存儲(chǔ)移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)時(shí)產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)和最終數(shù)據(jù)；處理器用于根據(jù)從所述存儲(chǔ)器得到的進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)所需的一組TOA數(shù)據(jù)和一組TDOA數(shù)據(jù)，利用最小二乘法進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用信號達(dá)到時(shí)間估計(jì)移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)方法，該方法通過對與移動(dòng)臺(tái)連接的所有基站的TOA以及相對主基站TDOA測量，獲取與移動(dòng)臺(tái)連接的所有基站的TOA和相對主基站TDOA的有關(guān)統(tǒng)計(jì)信息；再根據(jù)基站位置信息以及所有TOA和TDOA的統(tǒng)計(jì)信息構(gòu)造運(yùn)算矩陣，兩次使用加權(quán)線性最小二乘來估計(jì)移動(dòng)臺(tái)位置，最后利用最小距離差挑選最終位置估計(jì)值；該方法能夠充分利用所有的TOA和TDOA信息，使移動(dòng)臺(tái)的位置估計(jì)精度，尤其是當(dāng)移動(dòng)臺(tái)處于切換狀態(tài)下的定位性能提高明顯，以及GDOP性能均得到提高，同時(shí)該方法的位置估計(jì)過程無須迭代求解，運(yùn)算量小，效率較高。本發(fā)明同時(shí)還提供了一種利用上述方法的移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)裝置。
文檔編號H04W64/00GK1413058SQ0113646
公開日2003年4月23日 申請日期2001年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月18日
發(fā)明者唐進(jìn), 刁心璽 申請人:華為技術(shù)有限公司