專利名稱：使用廣義誤差分布來進行位置估計的方法
技術領域：
本申請通常涉及無線定位領域，也就是，用于估計無線設備的位置的系統(tǒng)和方法， 以及更具體地涉及使用廣義誤差分布的方法。背景當聯(lián)邦通信委員會(FCC)朝著PSAP級定位精確度訓令前進時，改進用于不同定位技術的方法成為必然。在此描述的主題涉及通信和定位技術領域。它提供用于提高定位技術的精確度的裝置，例如全球定位系統(tǒng)(GPQ、上行鏈路到達時間差(UTDOA)以及高級前向鏈路三邊測量(AFLT)。一種位置估計的一般方法是從所測量的量例如時間差、偽距或功率電平中找到加權最小平方解。已知加權最小平方解在輸入誤差是獨立的和高斯的時達到最大似然(ML)解(見 J. Caffery，Wireless Location in CDMA Cellular Radio Systems, Boston-London =Kluwer Academic Publishers，2000)，但它不能在實踐中遇到的更一般的條件下完成此。例如，TDOA誤差相對于多路徑延遲分布的所預測的前沿趨向于為正的。如在以下解釋的，幾種因素例如不完美的前沿檢測和非視線(NLOS)傳播有助于這些正誤差。 作為結(jié)果，每基線誤差分布是偏斜的。該偏斜減小基本加權最小平方法的準確度。相反地， 在此描述的方法使用該偏斜的知識以獲得改進的結(jié)果。此外，在這些誤差之間的相關性通常可被找到；例如，不同的多路徑組件可在同一扇區(qū)被接收，一般NLOS條件可存在于站點處，以及常見的誤差可由基準信號引入。這些相關性可被合并到如在以下描述的最大后驗概率(MAP)算法中。該框架也可被用于在定位解中合并先驗移動位置分布的估計。UTDOA是基于網(wǎng)絡的技術，其允許從任何類型的移動臺(MQ傳輸?shù)娜魏涡盘栐谌魏位颈唤邮找垣@得UTDOA測量?；鶞驶驹谂c每個協(xié)作基站大致相同的時間測量所接收的信號，如在

圖1所示的。圖1示出了移動設備可用的或來自移動設備的理想化模型，該模型用于定位本發(fā)明可用于提高定位估計的準確性(也稱為定位嘗試)的地方。該附圖也識別用于無線定位的系統(tǒng)組件。在圖1中，諸如美國導航星(United States NavStar)全球定位系統(tǒng)(GPS) 的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)IOl(GNSS)廣播明確定義的碼分多址(CDMA)擴展頻譜信號107，該信號被特殊配備的移動無線設備102使用來用于緯度、經(jīng)度、高度和速度的TDOA位置估計。 如果移動設備102沒有被配備成接收用于位置計算的衛(wèi)星信號107，則使用TDOA或到達時間(TOA)計算的上行鏈路和下行鏈路陸地無線技術可被用于提供位置估計。使用下行鏈路(基于網(wǎng)絡的發(fā)射機到設備)TDOA或TOA技術的陸地廣域無線定位技術包括高級前向鏈路三邊測量(FLT) [IS-95，IS-2000]、增強到達時間差(E-OTD) [GSM]和觀測到達時間差 (0TD0A) [UMTS]以及分布式信標技術。陸地下行鏈路技術要求移動設備102測量來自基于網(wǎng)絡的發(fā)射機103、104的下行鏈路無線電信號108，并然后使用無線電鏈路109、回程設施 113以及無線通信網(wǎng)絡110來將所收集的無線電測量傳送到位置確定實體(PDE) 106以轉(zhuǎn)換為緯度、經(jīng)度以及在一些情況下轉(zhuǎn)換為高度。陸地廣域無線定位技術使用包括U-TDOA、U-TDOA/到達角(AoA)混合技術以及 U-TDOA/輔助GPS的上行鏈路(設備到基于網(wǎng)絡的接收機)TDOA或TOA技術。U-TDOA和混合技術當前在 CDMA[IS-95，IS-2000]、GSM、UMTS、WiMAX(802. 16e/m 和 802. 20)中并概念地對即將來臨的基于長期演進(LTE)OFDM的無線無線電接入網(wǎng)絡(RAN)起作用。陸地上行鏈路技術要求移動設備102的傳輸109由基于網(wǎng)絡的接收機(在這種情況下在小區(qū)站點103、 104內(nèi)協(xié)同定位)測量。測量數(shù)據(jù)然后被回程111傳送到位置確定實體(PDE) 106以轉(zhuǎn)換為緯度、經(jīng)度、速度以及在一些情況下轉(zhuǎn)換為高度。不管之前提到的無線定位技術如何，無線電信號飛行時間的確定都是移動設備102的實際位置的準確確定的關鍵。在圖1中，歸因于建設性或破壞性干擾的信號反射、衍射以及衰減的真實世界影響沒有被示出。在圖1的系統(tǒng)中，通過使在基準基站接收的信號與在協(xié)作基站接收的信號交叉相關，到達時間差被確定。協(xié)作基站將它們的TDOA測量發(fā)送到定位解被找到的位置確定實體 (PDE)。然而，對測量的損害可能從附加噪聲和信號電平波動產(chǎn)生。這些損害可能影響在協(xié)作基站檢測移動信號的存在的敏感性。對估計的其它損害影響協(xié)作者檢測視線(LOS)路徑延遲的能力。圖h、2b、2c和2d說明了物體例如建筑物可以如何阻擋直接路徑，在不同的定位環(huán)境中產(chǎn)生非視線損害，該環(huán)境包括上行鏈路、下行鏈路、GNSS以及混合GNSS/上行鏈路系統(tǒng)(其中GNSS代表全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))。繞建筑物延伸的衍射路徑比高度減弱的或完全被阻擋的直接路徑更晚到達接收機。另外地，來自障礙物的反射可造成散射，該散射產(chǎn)生不同路徑的到達時間的離差。在圖加中，上行鏈路無線定位系統(tǒng)的例子被描述。移動設備102 傳輸信號109。在一些情況下，例如對于基準接收機203，無線電信號被直接接收(視線或 LOS情況)。但是其它接收機104可接收衍射信號202或反射信號203。在每種情況下，原始上行鏈路信號109也可被接收或使原始信號被障礙物201阻擋、減弱或延遲。圖3說明了使第一到達的檢測變得困難和造成TDOA誤差的偏斜的損害。在圖3 中的參考數(shù)字如下被使用303 =傳輸時間304 =檢測閾值305 =視線(LOS)飛行時間306 =滯后時間307 =所報告的TOA或TDOA的基礎308 =延遲擴展309 =丟失的信號分量圖3示出了在振幅302相對于時間301的曲線圖300上的多路徑惡化信號的到達時間。信號在時間303被傳輸并具有被示為305的潛在的直接路徑飛行時間。最早的信號分量到達沒有被檢測到，因為它們在低于檢測閾值304的功率電平處到達。檢測閾值304 必須被保持以避免過多的假警報。丟失的最早到達檢測事件造成所報告的TOA或TDOA大于期望的L0ST0A或TD0A。在該實例中，在閾值307之上的第一信號產(chǎn)生離真實第一到達信號分量的306的滯后。另外地，由于NLOS傳播造成NLOS延遲，最早到達的多路徑分量可晚于預期的到達。這也造成所報告的TDOA大于LOS TDOA0這些因素使在TDOA測量和由定位算法搜索的或計算的L0STD0A之間的誤差偏斜。在此描述的發(fā)明性解決方案中的定位決策采用由這些因素以及誤差分布的非高斯形狀造成的誤差的偏斜。在2003年5月13日提交的K.Chang等人的美國專利6，564，065， “Bayesian-update based location prediction method for CDMA Systems"中描 的方法呈現(xiàn)為使用定位決策來預測來自CDMA導頻頻道測量的功率電平，該定位決策使用仿真從后驗功率分布作出。在1993年10月12日提交的E. Frei等人的美國專利 5，252，982 "Method of precise position determination，，中描述的方法呈現(xiàn)為采用使用加權最小平方法的高斯誤差，該加權最小平方法使用后驗RMS誤差迭代地找到GPS定位解的相位模糊。概述一種用于改進無線電定位系統(tǒng)的結(jié)果的、結(jié)合加權最小平方優(yōu)化的方法通過使用最大后驗(MAP)概率度量以合并具體的定位問題的特征(例如，UTD0A)的特來一般化加權最小平方法。如所討論的，WLS法一般由包括TD0A/A0A和TD0A/GPS混合系統(tǒng)的TDOA和相關定位系統(tǒng)使用。所合并的特征包括關于TDOA誤差的經(jīng)驗信息以及與其它網(wǎng)絡元件有關的移動位置的概率分布。提供了一種用于對TDOA誤差分布和先驗移動定位建模的技術。提供了一種用于使用新的概率分布模型來計算MAP決策度量的方法。例證性實現(xiàn)提供誤差檢測方法，其包括獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，其中所述現(xiàn)場數(shù)據(jù)具有將用在信號相關模型中的基線或位置相關值；分析所述現(xiàn)場數(shù)據(jù)以獲得(1)信號相關模型和相關的測量參數(shù)，(2)相關矩陣規(guī)則，以及(3)用于先驗定位的模型；基于測量的所估計的可變性來計算測量的加權；使用加權連同相關矩陣規(guī)則一起生成協(xié)方差矩陣，以及計算逆協(xié)方差矩陣；在地理區(qū)域上執(zhí)行迭代搜索以找到具有最大后驗概率(MAP)度量的位置；確定已達到的停止條件；以及報告具有最大MAP度量的地理位置作為定位解。在此描述的方法包括幾種關鍵的創(chuàng)新，包括但不一定限于以下方面分析先驗分布提供實際位置的經(jīng)驗數(shù)據(jù)被用于獲取從基準塔到定位解的標準化距離的分布，以便對相對于在搜索區(qū)域內(nèi)的塔的先驗位置的一般形狀建模。指數(shù)分布被示為接近先驗位置分布的形狀，以及它的方差從經(jīng)驗數(shù)據(jù)被計算。分析TDOA誤差分布雙重指數(shù)分布模型被一般化以將偏斜和任意功率合并在指數(shù)中。模型參數(shù)從經(jīng)驗數(shù)據(jù)估計。多路徑/NLOS誤差指示符=TDOA誤差分布的關鍵指示符包括基線的數(shù)量、預測的多路徑校正(基于觀測信號參數(shù)和/或局部RF環(huán)境的知識)以及每個基線的TDOA相關性。 提供了通過分析經(jīng)驗數(shù)據(jù)并一般化條件誤差分布來從這些指示符中推導模型參數(shù)的方法。 對于每個基線，諸如偏斜的模型參數(shù)從這些指示符中計算出。TDOA誤差相關件提供了用于在具有以上的分析TDOA誤差分布的基線之間計算相關誤差的后驗概率的方法。這些相關性通過相應的聯(lián)合誤差概率分布被合并到MAP算法中。用于公共偏差減輕的方法使用更多的一般分布，找到對可能存在于測量中的公共偏差的分析解決方法變得困難。用于偏差的移除的方法連同各種復雜性-性能權衡一起被提供。iMm^:發(fā)展了應用以上方法的迭代程序。該程序包括初始化操作和殘值的估計。發(fā)明性技術的其它特點在以下被描述。附圖的簡要說明附圖包括以下列圖圖1 定位網(wǎng)絡的圖示。圖2a、圖2b、圖2c和圖2d :L0S路徑延遲估計的損害的圖示。圖3 測量誤差偏斜的原因的圖示。圖如和圖4b =MAP誤差檢測方法的要素。圖5 誤差分布建模過程。圖6 先驗分布數(shù)據(jù)分析的邏輯流程圖。圖7 先驗定位分布分析與經(jīng)驗模型的比較。圖8 條件誤差分布數(shù)據(jù)分析。圖9 抽樣總誤差分布與加權最小平方法的關系曲線。圖10 抽樣總誤差分布與新的粗略模型的關系曲線。圖11 偏斜率與關聯(lián)的抽樣相關性。圖12 抽樣總條件誤差分布與新模型(小偏斜)的關系曲線。圖13 抽樣總條件誤差分布與新模型(大偏斜)的關系曲線。圖14 =MAP決策度量計算的邏輯流程圖。圖15 雙重指數(shù)假設(ρ = 1，r = 1)的偏差計算。圖16 條件誤差計算。例證性實施方式的詳細描述圖如-圖4b示出了 MAP誤差檢測方法的例證性實現(xiàn)的組成。如所示，MAP過程在步驟401開始?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)402被分析003)以獲得一組信號相關規(guī)則和模型。這些模型和相關測量參數(shù)從可具有在模型中使用的基線或位置(location)(或位置(position)，術語位置(location)和位置(position)在此可互換地使用)相關值的現(xiàn)場數(shù)據(jù)產(chǎn)生。例如， 誤差偏斜對于低相關性UTDOA測量可能更高。表405可因此生成。該表提供偏斜的模型參數(shù)和測量的相關值之間的映射。類似地，計算先驗定位的模型和表006)。現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析過程也分析將定位接收機(例如，定位測量單位(LMU)或信號收集系統(tǒng)(SCS))連接到外部天線的不同接收機端口之間的相關性，為它們的應用提供相關值和規(guī)則。例如，由于NLOS效應，在同一位置的端口(共同站點端口)上可能存在誤差的小的相關性。一旦現(xiàn)場數(shù)據(jù)被分析，就基于所估計的測量可變性對測量計算加權。然后加權連同協(xié)方差矩陣規(guī)則一起用以通過端口協(xié)方差矩陣生成端口，該協(xié)方差矩陣在409被求逆。如在圖4b中所示，在地理區(qū)域上的迭代搜索然后被執(zhí)行，其中目標是找到具有最大MAP度量的位置。一旦迭代搜索開始G11)，分辨率循環(huán)就被輸入G12)，其中地理搜索空間分辨率在每次迭代中減少以及新的測試點經(jīng)由插值法生成。搜索可在繼續(xù)進行之前重新以先前迭代的最小誤差點為中心。通過計算在區(qū)域中的每個測試點的MAP度量G15)并選擇具有最小度量的點來搜索當前地理區(qū)域G14)。MAP度量計算使用協(xié)方差矩陣404、誤差模型和測量參數(shù)表405。如果更多測試點存在于搜索空間中，處理邏輯417循環(huán)回以重新 開始搜索G14)。如果在由當前分辨率提供的目前的捜索空間中沒有測試點是未測試的， MAP過程檢查預先設定的分辨率限制集018)。如果沒有達到最高分辨率，過程返回到步驟 412 ；否則MAP過程檢查是否ー個或多個停止準則被達到019)。當停止準則被滿足吋，MAP 過程結(jié)束020)以及具有最大度量的地理位置提供定位解。我們的發(fā)明性解決方案的目標是為誤差的后驗概率建模并找到最大化該概率的 定位解。從貝葉斯定理(見 A. Papoulis，Probability Random Variables,and Stochastic Processes,McGraw Hill Inc. ,New York,NY, 1984)中，隨機位置矢量L的條件概率密度函 數(shù)根據(jù)N個測量誤差這的矢量給出，如
權利要求
1.一種誤差檢測方法，包括獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)002)，其中所述現(xiàn)場數(shù)據(jù)具有將用在信號相關模型中的基線或位置相關值；分析所述現(xiàn)場數(shù)據(jù)G03)以獲得(1)信號相關模型和相關的測量參數(shù)(40 ，(2)相關矩陣規(guī)則004)，以及(3)用于先驗定位的模型006)；基于測量的所估計的可變性來計算所述測量的加權(407)；使用所述加權連同所述相關矩陣規(guī)則一起來生成協(xié)方差矩陣009)，以及計算逆協(xié)方差矩陣(410)；在地理區(qū)域上執(zhí)行迭代搜索以找到具有最大后驗概率(MAP)度量的位置G15)；確定已達到停止條件G19)；以及報告具有最大MAP度量的地理位置作為定位解。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括生成提供在偏斜的所述測量參數(shù)和所述測量的相關值之間的映射的表。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括生成提供在偏斜的所述測量參數(shù)和基線的數(shù)量之間的映射的表。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中還包括分析在不同的接收機端口之間的相關性， 所述端口將定位接收機連接到外部天線，提供其應用的相關值和規(guī)則。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述迭代搜索包括分辨率循環(huán)，在所述分辨率循環(huán)中地理搜索空間分辨率在每次迭代中減少，以及新的測試點經(jīng)由插值法生成。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中所述搜索在繼續(xù)進行之前重新以先前迭代的最小誤差點為中心，其中在當前地理區(qū)域搜索空間的測試點單獨地被搜索，以及對每個測試點計算MAP度量。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述迭代搜索包括使用協(xié)方差矩陣、誤差模型以及測量參數(shù)表的MAP度量計算。
全文摘要
一種用于改進無線電定位系統(tǒng)的結(jié)果的、結(jié)合加權最小平方優(yōu)化的方法通過使用最大后驗(MAP)概率度量以合并具體的定位問題的特征(例如，UTDOA)來一般化加權最小平方法。加權最小平方法一般由包括TDOA/AOA和TDOA/GPS混合系統(tǒng)的TDOA和相關定位系統(tǒng)使用。合并的特征包括關于TDOA誤差的經(jīng)驗信息以及與其它網(wǎng)絡元件相關的移動位置的概率分布。提供了用于對TDOA誤差分布和先驗移動定位建模的技術。提供了一種用于使用新的概率分布模型來計算MAP決策度量的方法。使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)的測試表明該方法產(chǎn)生優(yōu)于現(xiàn)有的加權最小平方法的明顯提高。
文檔編號H04B1/10GK102273081SQ200980153357
公開日2011年12月7日 申請日期2009年12月14日 優(yōu)先權日2008年12月30日
發(fā)明者拉什杜斯·S·米亞, 愛德華·約瑟夫·西格爾, 皮特·A·博耶 申請人:真實定位公司