CN1914518B

CN1914518B - 定位系统

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Publication number: CN1914518B
Application number: CN2005800032444A
Authority: CN
Inventors: P·R·西蒙斯; M·S·威尔科西
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2025-01-25
Also published as: CN1914518A; WO2005073751A1; US7565147B2; JP2007519920A; GB0401767D0; EP1711842B1; US20070167169A1; EP1711842A1; JP4954713B2

Abstract

本发明提供一种用于安装定位系统的方法，该定位系统包括两个或更多个基站(BS1至BS4)，并且该方法包括以下步骤：并置多个基站(BS1至BS4)；量化在多个基站的时钟之间的任何同步差；将一个或多个基站(BS2’至BS4’)重定位到它们固定的、可操作的位置，并且测量来自每个重定位的基站的信号的传输时间；根据传输时间和同步数据的量化差，确定基站(BS1，BS2’至BS4’)的相对间距以及因此安装的定位系统的配置；以及记录安装的定位系统的配置。定义系统配置的数据可以被中继到在安装的定位系统附近的移动收发信机，并且与由各个基站发射的信号的传输时间测量值一起，以及量化基站时钟的任何实时同步差的数据，可以由收发信机使用来将它自己定位在由定位系统定义的地理区域内。

Description

定位系统

本发明涉及定位系统，并且特别涉及一种用于安装定位系统的方法。该方法对于小型定位系统具有特别的应用，例如在住宅、办公楼或工厂内，并且该小型定位系统包括两个或更多个其时钟不同步的基站。

WO97/23785公开了一种用于在广阔的地理区域内确定移动无线电频率收发信机(例如移动电话)的位置的定位和跟踪系统，其中在该广阔的地理区域的各处布置了多个基站。该系统通常被称为增强型观测时间差系统(EOTD)，它包括若干基站和一个基准接收机(在EOTD用语中通常称为位置测量单元(LMU))，它们都位于已知的位置处。基准接收机被配置成比较由多个基站发射的信号的到达时间，以及知道它们的位置，确定在多个基站之间的同步差(lack)/时钟偏差。该偏差数据和多个基站的位置可以随后被发射到移动收发信机，以使移动收发信机能够根据随后未同步的基站传输来确定其位置。

安装这样的系统自然涉及首先确定基准接收机和基站的位置。例如，基站和基准接收机中的每个都可以包括GPS接收机，以使它们能够确定它们自己的位置，或者在安装期间可以将GPS接收机与基站和基准接收机并置(collocate)以便确定它们的位置。当广阔地理区域定位系统的大规模安装可接受时，如果应用于在更局部地理区域内小型定位系统的安装，那么附加的GPS接收机和/或安装方法因为复杂而失去了吸引力，所述更局部地理区域例如是(但不严格限定为)办公室、工厂和住宅。

本发明旨在提供一种定位系统以及相关的方法，其可以容易地为个人所应用以在局部地理区域内安装该定位系统。

根据第一方面，本发明提供一种用于安装定位系统的方法，该定位系统包括两个或更多个基站，该方法包括以下步骤：

-并置多个基站，

-量化在多个基站的时钟之间的任何同步差，

-将一个或多个基站重定位到它们固定的、可操作的位置，并且测量从每个重定位的基站到至少一个其它基站的信号的传输时间(time offlight)，

-根据传输时间和同步数据的量化差，确定基站的相对间距以及因此安装的定位系统的配置，以及

-记录安装的定位系统的配置。

理想地，并置发生在足够小的时间间隔内，以便使发生在那个间隔内的各个时钟的任何漂移变得不重要。然而，如果存在这样的时钟漂移，那么可以考虑确定在基站时钟之间的漂移率(和可能的高阶导数)，并相应地调整测量的传输时间。

一旦定位系统的配置是已知的并且由一个或多个基站来存储，那么在由定位系统提供服务的局部地理区域内，任何在该定位系统附近的移动收发信机都可以定位它自己。

可选地，在量化步骤之后，并且在重定位步骤之前，可以使基站的时钟同步。在这种情况下，随后采用来确定重定位的基站的相对间距的传输时间测量将表示在那些基站之间的距离，并且不可归因于基站同步性的差。

另一方面，本发明提供一种定位系统，该定位系统包括：多个基站；用于在并置时量化在基站的时钟之间的任何同步差的装置；用于在将基站重定位到它们固定的、可操作的位置时确定基站相对间距的装置；以及用于记录由基站的相对间距定义的系统的配置的装置。

就EOTD型定位系统来说，多个基站可以包括可操作为LMU的基站。在将基站定位在它们固定的、可操作的位置上之后，并且在基站的内部时钟已经漂移之后，LMU可以持续监测每个基站时钟的相对同步差。LMU随后可以广播各个时钟偏差以及基站的位置，以便当移动收发信机在由定位系统提供服务的局部地理区域内时，它能够确定它的位置。

理想地，存在三个或更多个基站单元，这就使得能够在二维平面内计算移动收发信机的一个位置。更理想地，存在五个或更多个基站单元，并且优选存在七个或更多个基站单元。

为了便携，理想的是，基站可以可移动地互相放置(dockable)，包括通过载体间接地放置。同样，当放置后，随后可以认为基站被并置。在这个配置中，在基准基站和剩余的放置的基站之间的固定距离是已知的，并且由基准基站从任何放置的基站接收的信号的期望时间也是已知的。通过测量相对于基准基站从每个放置的基站接收的信号的实际和期望时间之间的差，可以量化在每个放置的基站和基准基站之间的偏差。据此也可以确定在任何一对基站之间的相对偏差。将会理解，来自任何基站的信号的传输时间可能受到电子电路中信号的固定延迟的影响。由于这种延迟是固定的，因此可以预先确定这些延迟，并且将其包括在任何传输时间或时钟偏差的测量中。

就EOTD型定位系统来说，其中多个基站之一可以操作为LMU，剩余的基站优选是可移动地直接放置到可操作为LMU的基站上。

另一方面，本发明提供一种被配置成执行下述的方法的基站(BS0)：(i)当在第一位置并置时确定多个基站(BS1至BS6)的时钟的任何同步差，以及(ii)在重定位一个或多个基站之后，根据在重定位之后在基站之间测量的距离和在步骤(i)中确定的同步差来确定基站的相对位置，或者(iii)在同步了基站并且随后重定位一个或多个基站之后，根据在重定位之后在基站之间测量的距离来确定基站的相对位置。

为了例证的目的，现在将参考下面的图来进一步描述本发明的一些实施例，其中：

图1示出根据本发明的用于安装定位系统的方法；

图2示出根据本发明的定位系统的实施侧。

图1说明了定位系统的4个基站：BS1/BS1’，BS2/BS2’，BS3/BS3’，BS4/BS4’。每个基站都具有一个内部时钟，并且被配置成发出一个具有规则间隔的重复信号。在所选择的环境内定位之前，基站被一起并置在一个正如由BS1、BS2、BS3、BS4表示的地方。当并置时，基站量化在它们各自时钟之间的任何同步差。此时，可选地所有基站的时钟可以被同步。随着任何同步差被量化，将基站重定位到在所选择的环境内的合适的位置上，正如由BS1’、BS2’、BS3’、BS4’和单头箭头所表示的。

一进行部署后，倘若在部署期间基站时钟漂移是最小的，那么基站能够通过解析测量的在各个基站之间的传输时间(正如由双头箭头所表示的)和关于同步差的数据来在二维平面上计算它们互相之间的相对位置。然而，如上所述，如果存在这种时钟漂移，那么可以确定在基站时钟之间的漂移率(和可能的高阶导数)，并且相应地调整测量的传输时间。

随后进入局部地理区域内的一个移动收发信机(未示出)从未同步的基站接收到信号。通过一个充当基准基站(或者在E-OTD用语中是LMU)的基站可以计算基站的同步差。该基准基站随后可以给移动收发信机提供每个基站的相对位置和同步差，据此该移动收发信机使用已知的E-OTD技术能够确定它在基站网络中的位置。

图2说明根据本发明的定位系统的实施例。正如可以看到的，该定位系统包括七个基站BS0到BS6，包含一个中心基准基站BS0和六个剩余的基站。在该图中，五个剩余的基站BS1到BS4和BS6围绕基准基站BS0径向对称地放置，示出的第六基站BS5与基准基站BS0分开。

所示的系统以四种不同的模式运行，该四种模式顺序激活。第一模式是备用模式。当基站被放置在一起时，该模式是默认模式。这与本发明方法的并置步骤对应。利用关于放置的BS1到BS6的期望传输时间的数据来预编程BS0，该传输时间包括在系统的电子电路中可能出现的任何固定延迟。当在备用模式时，监测基站BS1、BS2、BS3、BS4、BS5和BS6到BS0的传输时间。BS0比较所测量的传输时间和期望的传输时间，并且计算该差。该差提供了任一基站BS1到BS6的时钟与基站BS0的时钟相比的同步差的量度。

当用户希望安装该系统时，各个基站是断开的，并且被置于所选择的环境内的合适位置上。由于各个基站与该放置的基站是断开的，因此对在移去的基站的时钟和基站BS0的时钟之间的最近差作一个记录。一旦已经在该环境内定位了该移去的基站，那么启动第二模式的运行，即安装模式。通过安装者激活在定位的基站上的开关可以实现到安装模式的切换。

当在安装模式时，基站(BS1到BS6)发送一个信号到基站BS0。考虑任何记录的时钟同步差来调整测量的信号的传输时间，并且根据那个数据，由BS0计算并存储从基站BS0到定位的基站(BS1到BS6)的距离。一旦在该环境中所有的基站BS0到BS6都已被分离并且定位，那么可以启动模式的另一变化，即定向(orientation)模式。再次，通过安装者激活可能在任何一个基站上的开关可以启动该模式，方便地说是BS0。一旦BS0记录了到所有剩余的定位的基站BS1至BS6的距离，那么基站BS1到BS6开始确定它们相对于其它基站的位置。下面对此进行进一步详细的解释。

假定对于通常的情况，在定位系统中存在N-1个可替换的基站(例如BS1到BS6)以及一个充当位置测量单元(LMU)的基准基站(例如BS0)。

如果基站被安装在单平面(例如跨过建筑物中的一个地面或天花板区域)上，那么可以在N个基站之间进行下述个单独测量：

C_{2}^{N} = \frac{N!}{(N - 2)! 2!} = \frac{N (N - 1)}{2}

如果使用多个基站之一(例如基准基站)的位置作为原点，那么需要2(N-1)个参数来在二维平面内描述所有基站的相对位置。为了能够求解相对位置以及因此在二维平面内安装的定位系统的配置，要求

\frac{N (N - 1)}{2} &GreaterEqual; 2 (N - 1)

因此N必须大于4。

因而，利用五个或更多个基站，进入由定位系统提供服务的地理区域的移动收发信机可以采用到至少四个基站的至少四个传输时间测量，从而能够求出其在三维空间内的三个未知的位置坐标以及它自己与基准基站的时钟之间的任何同步差(或者可选地在系统内所有站的时钟时间的平均值)。因此，如果本发明的定位系统包括5个或更多个基站，那么它能够在二维平面内安装它自己，而不需要安装者执行测量和记录定位的基站的位置的人工步骤。同样，进入安装的定位系统的附近的移动收发信机能够在三维空间内定位它自己。

使用类似的原理，可以进一步显示，如果在多于一个的平面上定位信标，那么在三维空间内需要3(N-1)个参数来描述基站的相对位置，从而需要至少7个基站以解析它们在该空间内的相对位置。

应当理解，前面的描述仅仅与本发明的一些示例实施例相关，并且对于如由所附权利要求书定义的本发明的实际范围不打算是限制性的。特别是，部署了一个定位系统，可以使用不同于E-OTD的方法来确定进入其中的移动台的位置。

Claims

1.一种用于安装定位系统的方法，该定位系统包括两个或更多个基站(BS1至BS4)，该方法包括以下步骤：

-并置或放置多个基站(BS1至BS4)，

-当并置或放置多个基站时，量化在多个基站的时钟之间的任何同步差，

-可选地，使多个基站(BS1至BS4)的时钟同步，

-将一个或多个基站(BS1，BS2至BS4)重定位到它们固定的、可操作的位置，并且测量从每个重定位的基站到至少一个其它基站的信号的传输时间，

-在基站的时钟尚未被同步的情况下，根据传输时间和量化的同步差数据，确定基站(BS1，BS2’至BS4’)的相对间距以及因此安装的定位系统的配置，

-在基站的时钟已被同步的情况下，根据传输时间数据确定基站(BS1，BS2’至BS4’)的相对间距以及因此安装的定位系统的配置，和

-记录安装的定位系统的配置。

2.一种定位系统，包括：

-多个基站(BS1至BS4)，还包括以下用于系统安装的装置：

-用于在并置或放置在一起时量化在基站(BS0至BS6)的时钟之间的任何同步差的装置，

-可选地，用于使多个基站(BS1至BS4)的时钟同步的装置，

-用于当一个或多个基站(BS1，BS2至BS4)被重定位到它们固定的、可操作的位置时、测量从每个重定位的基站到至少一个其它基站的信号的传输时间的装置，

-在系统不包括用于使基站的时钟同步的装置的情况下，用于根据传输时间和量化的同步差数据、确定基站(BS1，BS2’至BS4’)的相对间距以及因此安装的定位系统的配置的装置，

-在系统包括用于使基站的时钟同步的装置的情况下，用于根据传输时间数据确定基站(BS1，BS2’至BS4’)的相对间距以及因此安装的定位系统的配置的装置，和

-用于记录安装的定位系统的配置的装置。

3.如权利要求2所述的定位系统，其包括对于E-OTD型定位而言可操作为位置测量单元的基站(BS0)。

4.如权利要求2或3所述的定位系统，其包括3个或更多个基站。

5.如权利要求2或3所述的定位系统，其包括5个或更多个基站。

6.如权利要求2或3所述的定位系统，其包括7个或更多个基站。

7.如权利要求2或3所述的定位系统，其中基站可相互移动地放置。

8.如权利要求3所述的定位系统，其中围绕可操作为位置测量单元的基站(BS0)，其余基站(BS1至BS6)对称地、可移动地放置。

9.如权利要求3所述的定位系统，其中用于量化的装置和用于记录的装置被包括在可操作为位置测量单元的基站(BS0)中。