专利名称：确定移动式无线电终端位置的方法与设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线电通信系统，它拥有许多无线电基站，每个基站与移动式无线电终端通信，尤其是涉及在这样的系统中确定移动式无线电终端地理位置的一种方法。
在许多场合下希望确定移动式无线电终端的地理位置。
在美国专利N0.US5,293,645A中描述了一种实现此目的的一种现有技术系统。依照该美国专利，许多无线电基站发送被同步的定时参考信号。一个待定位的无线电终端测量至少三个无线电基站的定时参考信号之间的相对传播延时，并将这些测量结果报告地面系统。在地面系统中的处理器计算移动式无线电终端的位置，因为目前的蜂窝式系统，一般来说并没有被同步的无线电基站，所描述的方法的缺点是需要对涉及的蜂窝式系统作很大的修改。一种不需要在无线电基站之间同步的替代方法是所希望的。美国专利提到了一种可能的实施方案，来自无线电基站的定时参考信号有已知的预先规定的时间偏置，但是被同步的。然而，为了像它们本来的样子使用目前的蜂窝式地面系统，宁愿根本不需要同步。在美国专利中描述的方法的又一个缺点是这样的事实，即测量结果报告给地面系统及在地面系统中计算移动式无线电终端的地理位置是所描述的仅有的方法，然而，希望有在移动式无线电终端本身中执行位置计算的选项。
另一种现有技术的系统是众所周知的全球定位系统GPS，它采用几个卫星发送时间参考信号。它的优点是仅使用下行信息流，但正如前面提到的美国专利中那样，在GPS中的信号源是被同步的。计算是在移动式无线电终端中执行的。
在已出版的专利申请DE4409178A1中描述了另一种现有技术的系统。这份申请教授如何在终端本身中计算移动式无线电终端的地理位置，这是采用时间调准TA。在所述的无线电基站中确定到三个靠近的无线电基站的距离，将此结果发送到所述的终端，从无线基站的已知位置及有关的距离计算它的位置。即使有别的替代方法被提到，但未被详细描述。
本发明关注的一个问题是如何利用在目前的蜂窝式系统中的未被同步的基站来确定移动式无线电终端的地理位置。当前的无线电基站的钟频率稍有不同，周期性地从无线电基站发出的定时消息是有相同的持续时间，但互相之间在时间上有偏置。况且，这些偏置作为一个时间的函数缓慢地变化，这是因为频率稍有不同。
本发明谈到的另一个问题是如何在不需要从这些移动式的无线电终端到一个包括非同步无线电基站的无线电通信系统的无线电基站的上行发送流的情况下确定移动式无线电终端的地理位置。
本发明谈到的又一个问题是如何寻找要定位的移动式无线电终端的服务无线电基站，因为移动式无线电终端可以在包括典型值为50个无线电基站的定位区中注册。由此，地面系统并不为空闲的移动式无线电终端保留在典型值50以内的服务无线电基站的记录。用于移动式无线电终端定位的算法需要知道至少一个靠近终端的无线电基站，以便决定至少哪三个无线电基站用于定位算法。
本发明谈到的还有一个问题是如何取得所希望的移动式无线电终端定位的测量精度。精度的要求可以，例如，依据特定位的移动式终端的环境作改变。
因此，本发明的第一个目的是提供一种方法和一种设备来确定移动式无线电终端的地理位置，该终端处于待命状态(即空闲或在呼叫期间)，位于至少三个无线电基站的无线电覆盖区内，该无线电基站发送下行定时信号，一般来说，定时信号是不同步的。
本发明的第二个目的是提供一种方法和设备来确定移动式无线电终端的地理位置，正如前节中已阐述的，然而要进一步说明的是利用所述的下行定时信号及下行消息，在地面系统的一个服务节点中执行计算工作。
本发明的第三个目的是提供一种方法与一种设备用来确定移动式无线电终端的地理位置，正如上节中叙述过的，然而要进一步说明的是所述的定时信号下行仅仅利用下行发送消息，并在移动式无线电终端中进行定位计算。
本发明的第四个目的是提供一种方法与一种设备，用来首先作精度不高的移动式无线电终端的定位，跟着再作较精确的定位。
本发明的第五个目的是提供一种方法与一种设备，用来获得为不同的应用所需要的不同的定位精度。
本发明提供了一种方法和系统，包括一个发明的无线电终端及发明的服务节点，用以解决确定第一移动式无线电终端地理位置所描述的问题，采用的办法是使用第二移动式无线电终端，无线电基站及第二无线电终端的位置是已知的。第一与第二无线电终端测量从至少三个无线电基站接收到的下行定时信号之间的相对接收时间，第二无线电终端将其测得的相对接收时间送往网络中的一个服务节点，用它们来计算下行定时信号的发送时间偏置。在分别将相对接收时间测量结果从第一移动式无线电终端发往服务节点，或将传输时间偏置值及已知的位置从服务节点播放到第一移动式无线电终端以后，计算第一移动式无线电终端的位置可在网络的服务节点中进行，或者在第一移动式无线电终端本身中完成。
在第一种实施方案中，所考虑的无线电终端是在GSM系统(全球移动通信系统)中的标准无线电终端。第一移动式无线电终端本身同步于服务无线电基站，以便在休闲模式中能接收任何的寻呼，或者在专用(即会话)模式中能在勤务通道上通信。在两种模式的任何一种中，第一移动式无线电终端将读出频率校正通道FCCH，然后至少两个其它的周围的无线电基站的同步通道SCH，接收它们的标识符，第一移动式无线电终端也将从它的所谓的1/4位计数器QC读出相对于第一移动式无线电终端的相对接收时间，因而也就是相对于同步第一移动式无线电终端的服务无线电基站的相对接收时间。第一移动式无线电终端将这些标识符及测量结果通过服务无线电基站报告给(上行)一个服务节点。该服务节点将试图计算第一移动式无线电终端的位置，通过利用已知的无线电基站位置来进行，然而将包含在无线电基站的定时信号下行之间的未知的相对传输时间偏置，这就作为结果中的未知变量。这些未知变量由地理位置已知的第二无线电终端来确定。第二无线电终端在同样的无线电基站的同样的定时信号下行上进行测量，像第一移动式无线电终端所做的那样报告测量结果。
在第二种实施方案中，再假定GSM系统，就像在前个实施方案中那样进行测量，但只有第二无线电终端所做的测量结果被报告给(上行)网络中的服务节点。服务节点计算传输时间偏置并将它们发往某些无线电基站，并依次将它们与无线电基站标识符及时间标记发往第一移动式无线电终端，通过利用，例如在蜂窝广播通道CBCH上的GSM系统下行信息，或者在广播控制通道BCCH上的系统信息消息来实现。以便允许第一移动式无线电终端能够计算它们自己的位置。相对传输时间偏置的测量结果是打上时间标志的，由于它们是一个时间函数，因为至少有若干无线电基站假定是不同步的。为了减少频繁测量的需要，本发明提供了一种方法可以确定与利用传输时间偏置的相对时间的一阶导数。这就使第一移动式无线电终端能将传输时间偏置从它们被确定的时间外推到用来计算位置的时间。大家知道，无线电终端有一个钟用于取得必要的已消逝时间的读数。
在本发明的第三种实施方案中，第二无线电终端周期性地重复它的测量结果，给测量结果打上时间标记，并当将它们发往服务节点时将时间标记加在测量结果上。使服务节点能改进定位精度的方法，是通过将传输时间偏置外推到采用它们的一阶导数及从做测量起的消逝时间计算的实际时间来实现的。
在本发明的第四种实施方案中，第二无线电终端(如在
图1作例子)被设置在一个无线电基站的地点上，这样做与自由安放第二无线电终端的情形相比，将简化关于该第二无线电终端位置的地理数据的采集。
在本发明的第五种实施方案中，服务节点是在用线形成边界的网络中的一个节点，处理许多移动式无线电终端的计算。它也可将所计算的结果发往第一移动式无线电终端，也就是说，已被定位的终端。
本发明的第一个优点是，发明的定位方法可适用于在无线电基站之间有同步或无同步的系统，因而可用于目前的蜂窝式移动无线电系统。
第二个优点是在无线电基站中不需要硬件修改，如果在GSM地面系统中有服务节点的一种实施方案被考虑的话，则在无线电终端中也不需要硬件修改(GSM=全球移动通信系统)。本发明所需要的附加物仅是将相同的程序卸载到一个希望确定其位置的标准GSM无线电终端中(所述的第一移动式无线电终端)以及卸载到用作参考无线电终端(所述的第二无线电终端)的一个标准GSM无线电终端中。在此功能中包含的服务节点在硬件与软件上是补充的附加的硬件也可用来增加将在以后描述的所谓1/4位计数器QC的分辨率，但是无线电终端的价格变得不标准了。
第三个优点是发明的定位方法在呼叫或休闲模式期间同样可用，这在像警察行动的关键情况下是很重要的。
第四个优点是无论自己操作员还是其它操作员的无线电基站在定位过程中都可使用。无声的无线电基站也可采用，它并不传送任何通信，但有一个载波可用于所需要的下行控制通道功能，因而改善了本机的精度。
本发明的第五个优点是移动式无线电终端的地理位置可能在像森林或户外市中心或任何户内的环境中。其中前面提到过的全球定位系统GPS的较微弱的信号不可能被接收到。以地面为基础的无线电系统的信号要比以卫星为基础的GPS系统的信号强，因此，发明的系统，在非居住地区内，可以替代卫星为基础的GPS系统。
现在将参照几个实施方案及附图更详尽地描述本发明。
附图简述图1示出了在一个无线电网络中根据本发明的一种定位系统简图。
图2a是发明的方法的第一种实施方案的流程图，可应用于图1的定位系统。
图2b是发明的方法的第二种实施方案的流程图，可应用于图1的定位系统。
图3是根据本发明的一种移动式无线电终端的方框图。
图4是在图2a,2b的流程图中，在MS1步骤测量的详情的流程图。
图5是示于图4中的一个测量步骤详情的定时图。
图6示出了计算移动式无线电终端位置的数学原理。
图7a示出了一个超级市场地区的简图，装有附加的无线电基站，用以改善定位精度。
图7b示出了一个市中心地区的简图，装有附加的无线电基站，用来改善定位精度。
图8示出了一个固定式无线电终端的简图，包括一个灯塔式的无线电基站。
实施方案详述图1示出了依据本发明的一个无线电网络中的一种定位系统100的简图。该网络有许多无线电基站，其中的三个由BS1,BS2,BS3表示。无线电基站通过通信通路被联接到以线路形成边界的网络，其中仅104以虚线示出，而从无线电基站BS2和BS3到以线路形成边界的网络也有未示出的类似的联接，该网络可以，例如，由一个基站控制器BSC及一个有联系的移动服务交换中心MSC，由方框105表示，依次联到公共交换电话网PSTN，以及服务节点107。虚线联接108与109是中继线。
在服务节点107有处理器107a，包括接收单元107b，存贮单元107c，发送单元107d，及第一计算单元107e和第二计算单元107f。第一计算单元107e计算由无线电基站发出的定时信号下行的传输时间偏置。第二计算单元107f计算移动式无线电终端的位置。存贮单元107c保存无线电基站及固定的无线电终端的已知的位置。接收单元107b及发送单元107d通过使用原来技术领域的人员熟知的短消息服务SMS提供与第一与第二无线电终端MS1,MS2通信。这种通信包括由无线电终端提供的测量结果，服务节点对终端的请求以及终端对服务节点的请求，由服务节点107向终端MS1提供的传输时间偏置及位置结果，这将从图2a,2b和4的流程图中得到了解。图1是在全球移动通信系统GSM中的一种实施方案，而线路形成的网络可以替换成由无线电基站组成，直接联接到PSTN及服务节点，譬如在地面移动无线电系统中的情况就是这样的。
图1也示出了位置待计算的第一移动式无线电终端MS1及位置已知的第二无线电终端MS2，将第二无线电终端放置在无线电基站之一，因为依据本发明的计算中，不管如何，无线电基站的位置是已知的。
图1还示出了无线电通路113,114,115，用实线将移动式无线电终端MS1及三个无线电基站联系起来，以及无线电通路116,117,118，用实线将无线电终端MS2与三个无线电基站联系起来。通路118，作为仅有的用两个箭头表示的双向无线电通路表明，MS2必须始终有一个上行联接，以便报告其测量结果，而所有其它的无线电联接正如所示的那样，仅有下行联接。对于这种情况，确定移动式无线电终端MS1的位置的计算可以在MS1本身中部分地进行，不需要MS1有任何上行联接。如果不是在服务节点107中完全地完成计算，则MS1也需要上行联接(箭头未示出)，以便给服务节点107报告其测量结果。
图2a与2b示出了一步一步地解释发明的方法的流程图，其中参考了图1的方框图。图2a是关于所有的计算集中在服务节点107中完成的情形，而图2b是关于待定位的移动式无线电终端自己完成定位计算的情形。
图2a是发明的方法的第一种实施方案的流程图，可应用于图1的定位系统。在图2a的步骤211，完成了服务于移动式无线电终端MS1的无线电基站的辨认工作，移动式无线电终端MS1的用户也已早些时候将消息发往作为定位系统一个计算点的服务节点107，例如，可以采用在全球移动通信系统GSM中可得到的短消息服务SMS。在此消息中有一种对定位系统提供移动式无线电终端MS1的位置信息的请求，并周期性地将此信息提供给MS1，如在24小时中每小时一次，因为用户计划长距离的汽车旅行，希望定期地了解当前的位置。他/她将移动式无线电终端MS1保持在接通状态，以便接收定位服务。如果在进行定位时，移动式无线电终端MS1是在休闲模式。在许多移动式无线电系统中，服务无线电基站将不被地面系统所了解，因为各个服务无线电基站通常是由移动式无线电终端选择而并不报告给地面系统。在休闲模式时移动式无线电终端选择与监听服务无线电基站的目的是使地面系统能够在引起寻呼的呼叫到来的情况下与移动式无线电基站接触。然而，寻呼通常是通过在拥有以前提到过的典型值为50个的无线电基站的整个定位区内寻呼所要的终端来实现，在寻呼时，并不知道服务无线电基站。然而，定位系统需要知道服务无线电基站的标识符，以便从移动式无线电终端MS1中要求测量结果，并规定哪些周围的无线电基站包括在测量过程中。服务节点107将开始本实施方案的每小时一次的测量，通过短消息服务SMS发送第一个消息到移动式无线电终端MS1，命令它扫描一组规定的频率，执行与该扫描有联系的信号强度测量，将结果通过SMS消息报告给服务节点，也包括在消息中服务无线电基站的辩识符。移动式无线电终端MS1被编程，以便在用户不知道，也就是无警报的情况下回答这种请求。知道了此标识符以后，服务节点107将选择其它的参加(时间-)测量的无线电基站和无线电终端MS2。然后，对测量的请求及报告测量结果通过第二个SMS消息发送到无线电终端MS1及终端MS2。由终端MS2所做的测量或者是按预定的周期性地进行测量与报告，或者是根据服务节点107的请求，采用事件驱动方式进行。
在步骤212与213，无线电终端MS2同步于它的服务无线电基站BS1，测量MS2接收到的定时信号下行116,117的相对接收时间。这些步骤的详情将参考图4作进一步的解释。
在步骤214，无线电终端MS2将相对于BS1接收时间的B2和B3的相对接收时间送往服务节点107，同时发送的还有BS1,BS2,BS3无线电基站的标识符及在BS1,BS2,BS3的同步通道SCH上读到的帧号。在移动式无线电网络中，可以有许多无线电终端MS2共同分担步骤212,213,214的工作为了增加精度，也可以重覆测量并将结果平均。
在步骤215，服务节点107计算无线电基站BS2及BS3相对于BS1的传输时间偏置，并将结果登记在相应的标识符以下。这是这样进行的从测量到的相对接收时间中减去信号从各自的无线电基站到无线电终端MS2的时间，也就是减去已知的无线电基站到无线电终端MS2的距离除以光速。通过图5和6的讨论将会充分理解这一点。
在步骤222,223中，类似步骤212,213移动式无线电终端MS1完成在步骤211中由服务节点107提出请求的测量。它测量无线电基站BS1,BS3与它的服务无线电基站BS2比较的相对接收时间。
在步骤224a中，类似步骤214，移动式无线电终端MS1将在步骤223中完成的测量结果送到服务节点107。
在步骤225a中，服务节点处理器107a用其程序计算移动式无线电终端MS1的位置，将参考图5与6作详细的解释。
在步骤226，服务节点107检查是否精度要求已满足。如果是这样(Y)，在步骤227a中，计算结果被示于服务节点107的输出设备上，或者送往移动式无线电终端MS1，例如，在液晶显示屏上显示。
如果不是这样，精度不认为是足够的(N)，服务节点107选择一套新的无线电基站。这种选择可以包括比较靠近移动式无线电终端MS1的无线电基站，或者一些互相同步的无线电基站，或者其中有一些无线电基站是互相同步的。然后在步骤212开始的步骤被重复。如果利用某些无线电基站被同步的可能性，计算被简化，因为固定的无线电终端MS2宁可放置在这些同步的无线电基站地点，因此，MS2无线电终端利用这些无线电基站作为服务无线电基站，因而互相之间也是同步的。
图2b是第二种实施方案工作步骤的流程图，可应用于图1的定位系统。
步骤212,到215和222,223与图2a相应的步骤是相同的，而图2b的其它的步骤在以下作解释。
在步骤216中，计算移动式无线电终端位置所需要的信息是在无线电基站的通道上播放的，以便能在移动式无线电终端中自主的计算。并非所有的信息在所有的无线电基站上播放，只有在所考虑的地理区域中有用的信息在该地区的某些被选的无线电基站上播放。这些被选的无线电基站在进行定位时被用作服务无线电基站。广播信息包括作为定位工作步骤参考点有用的邻近的无线电基站的标识符和位置以及有关的被计算的传输时间偏置，作为选项还有指明何时所述的传输时间偏置是有效的时间标记。广播信息被周期性地重复在被选的无线电基站通道上下行发送，并随时被修改，例如每五分钟一次，主要是涉及传输时间偏置的内容。在步骤221，广播信息被希望进行自主定位的移动式无线电终端MS1接收。在步骤216,221之间的流程中没有联接，表明如果希望的话，接收是可选的。移动式无线电终端MS1是有一个附件370的类型，这将在图3中描述，被接收到的信息存贮在此附件中。
在步骤224b中，由移动式无线电终端MS1在步骤223中所做的测量结果送到附件370，在步骤225b中，移动式无线电终端MS1的位置根据步骤223的这些测量结果以及在步骤221中收到的信息作计算。在步骤227b中，被计算的结果示于移动式无线电终端MS1的液晶显示屏上，并给出“毕一毕”声以引起用户的注意。
图3是依据本发明的一个无线电终端300的方框图。在该终端的一个实施方案中，其硬件就是爱立信公司制造的手持移动式无线电终端未作修改的硬件，例如GH337或CH337或者PH337，这些终端是为900MHz频率的GSM标准，或1900MHz及1800MHz频率的GSM相关标准设计的。本实施方案的发明包括装入无线电终端的存贮器中的两个新程序。两个发明的程序是1/4位计数器程序QCP351及短消息服务程序SMSP352。1/4位计数器程序读出在所述的移动式无线电终端GH337或CH337或PH337的方框350中作为标准可取得的1/4位计数器QC351a的读数，也读出基站标识符及通过天线310，接收机330及信号处理器340接收到的同步通道SCH上的帧号。
移动式无线电终端300有一根天线310。发射机320被联至天线310并联到一个信号处理器340，发射机由该信号处理器控制从事呼叫有关的功能，联接到发明的程序SMSP352，并由该程序控制从事发出涉及定位功能的SMS消息。同样地，接收机被联到天线，以时间多路复用方式和发射机共用使用。接收机330被联到信号处理器单元340，并由该信号处理单元控制从事涉及呼叫的功能，联到发明的程序SMSP352，并由该程序控制从事关于来到的SMS消息的功能。方框320及330也包括用于调制与解调的无线电设备及均衡器。
信号处理器单元340包括双向的通道编码，通道解码及语言的信号处理。信号处理器单元340也联到方框341中的话筒及电话接收机，并联到控制逻辑350。依次，该控制逻辑联到包含发明的程序SMSP的方框352，并联到I/0方框353，用来使信号适合方框360中的键盘及显示窗。根据本发明对无线电终端所作的修改是以在控制逻辑350中的程序351的形式部分地实现的。该程序作为1/4位计数器程序QCP在以前也曾提到过。
属于图2b中描述过的实施方案，在图3的顶部有一个分离的部分370，其中包含处理器与定位程序371及I/0方框372。分离的部分370是本实施方案的计算环节，它有部分分散到移动式无线电终端本身的计算功能。将该计算环节放入或靠近待定位的无线电终端MS1是可能的，因为在以前提到过的卫星为基础的通用定位系统GPS中的无线电终端中的情形就是这样做的。在本分散型实施方案中，本发明提供了一种附件370，在物理上可以是与移动式无线电终端300分开的，也可以集成一体。在方框371中的定位程序被联到短消息服务程序块SMSP，以及测量程序块QCP。通过在I/O方框372上人工打入希望的命令，可由部分370安排测量结果。这种分散型的实施方案与仅有一个在以线路形成边界的网络中的计算环节的实施方案的不同在于，短消息服务程序方框SMSP通过接收机330及天线310处理仅仅是通过服务无线电基站BS2的来自服务节点107的下行SMS消息，方框352接收这些下行消息并将它们传送到方框371。
图4是相应于步骤212,213与222,223的测量过程的详情的流程图，这些测量是由无线电终端300进行的，它起着图2a与2b的实施方案中的MS1或MS2的作用。图5描述了与图4的流程图有联系的定时。图4的流程现在也将被描述，描述中考虑到在图2a的流程中移动式无线电终端MS1所进行的同步222及测量223。要求由移动式无线电终端MS1来进行测量是由服务节点107启动的。在MS1中的这些测量确定相对于服务无线电基站BS2的无线电基站BS1及BS3的相对接收时间。在采用GSM标准的一种实施方案中，所作的这些测量将在以下描述。当移动式无线电终端MS1接通时，它扫过周围的无线电基站的控制通道频率，并锁定在最强的一个频率上，在图1的情况下是BS2，因而它就成为服务无线电基站。移动式无线电终端在步骤401中同步到服务无线电基站BS2，这可以这样来实现，在BS2的一个帧的开始(时隙T0)将移动式无线电终端MS1中的计数器QC复位，在这时，在步骤402中，程序QCP351将计数器QC的值Nq存入移动式无线电终端MS1。在多于一个服务无线电基站参与移动式无线电终端MS1定位算法的情况下，值Nq可被要求用于计算，存贮在移动式无线电终端MS1中的各个Nq值之间的差是与多于一个服务无线电基站的定时有关的。同步工作步骤的详情，包括1/4位计数器QC及其功能可在ETSI/GSM推荐文件3.5.0版的05.10/1到0.5.10/6中读到。
在图5中，值Nq作为时间503被示出，一个帧有八个时隙T0-T7，一个帧的持续时间如时间501所示。将移动式无线电终端MS1同步到无线电基站BS2的工作过程被表示在图5中，利用了参考511，表明了相应于在MS1中QC计数器复位的时移Nq503。
在步骤403中，现在已被同步到服务无线电基站BS2的移动式无线电终端MS1读出频率校正通道FCCH及BS2的同步通道SCH。在时隙T0上阅读比较精确地被完成，该时隙传送上面提到过的逻辑通道FCCH及SCH。读数包括无线电基站的标识符BS2-ID以及帧号FR-NR。在其它情况下帧号FR-NR是与密码一起使用的，然而考虑到本发明，当非常事件发生时，它允许监督，例如一个无线电基站重新起动，如果包括这样一种事件以前及以后的时间，则使测量无用。如果帧号FR-NR指明的话，这样的测量结果将被定位算法除去。
在步骤405中，移动式无线电终端MS1进行在步骤402,403中描述过的测量，然而，例如是对无线电基站BS3进行的而不是BS2。可是，因为由BS3接收到的一个帧的起始时间是与由BS2接收到的一个帧的起始时间不同，在步骤405中有一个附加的测量而不是在步骤403中完成的。BS3相对于BS2的相对接收时间的测量在MS1中是通过前面提到过的1/4位计数器QC测得的，该计数器从0-4999开始计数，终止于移动式无线电站MS1的帧边界，在被接收到的BS3的帧边界的时间读出。因为MS1在步骤401中已被同步于BS2，所描述的QC计数器的读数Nq就是BS3相对于BS2的相对接收时间。
在步骤406中，无线电基站标识符BSn-ID及帧号FR-NR的读数是与步骤403中类似的方法取得的，只是现在是对无线电基站BS3进行的。在步骤407中，要作出判决是否测量更多的无线电基站，例如BS1,如果是，则流程返回到步骤405，否则该流程终止。
在图5中，无线电基站BS3的定时以517为参考示出，无线电基站BS1的定时以515为参考示出，其中测得的BS2与BS3之间的相对接收时间标记为507，测得的BS1与BS2之间的相对接收时间标记为505。
以上描述过的测量过程是在休闲模式进行的，或者甚至在专用模式中进行的，也就是有或没有发出呼叫均可。这是可能的，因为在GSM中，每26帧有一个所谓的休闲时隙，允许即使在呼叫期间，在无线电基站上进行时间测量而不是在服务无线电基站上进行。
要了解GSM系统的详细参考资料，可查阅由欧洲远程通信标准研究所ETSI进行标准化的全球移动通信(GSM)技术规范，及书籍用于移动通信的GSM系统，作者米歇尔·莫莱及玛丽·伯纳特·波特(国际标准书号2-9507190-0-7)。(“The GSM System for MobileComnunication”,by Michel Mouly and Manie Bernadette Pautet)。
图6示出了计算位于三角形中间的一个移动式无线电终端MS1的位置的数学原理。在无线电基站BS1,BS2,BS3之间的距离以及它们的位置是已知的，在图中它们被标记为G,H,I。BS1相对于BS2的相对接收时间及BS3相对于BS2的相对接收时间已经被移动式无线电终端MS1测得并报告给服务节点。由一个固定的无线电终端MS2进行的相应的测量被用于计算在无线电基站之间的传输时间偏置。图6中的距离F可以解释为光速乘以在无线电基站BS3及服务无线电基站BS2之间的移动式无线电终端MS1上的相对接收时间，如果这些无线电基站已经是同步的。因为它们不是(正常情况)BS3相对于BS2的传输时间偏置，该时间偏置用于计算F，首先从相对接收时间中减去传输时间偏置。E是用类似的方法计算的。
算法的数学采用余弦定理，将在下面参考图6进行解释。
已知参数G,H,I,E,F。
待计算D由已知的数值方法解出的方程式角度A+B+C=360度 (1)H**2=D**2+(D+F)**2-2D(D+F)cosB (2)G**2=D**2+(D+E)**2-2D(D+E)cosC (3)I**2=(D+E)**2+(D+F)**2-2(D+E)(D+F)cosA (4)图7a示出了有两个通常的无线电基站701的一个超级市场地区的简图。这些基站可被市场的访问者用于移动式无线电话呼叫。另外，有十四个附加的灯塔型无线电基站702，仅可在所谓的灯塔通道上下行发信号。这些无线电基站仅被提供使定位更精确，并没有电话通信有关的功能。持有一个手持移动式无线电终端MS1的待定位的用户标记为703，两个固定的移动式无线电终端MS2标记为704。
图7b示出了有两个通常的无线电基站711的一个市中心地区的简图，该基站可被用于移动式无线电话呼叫。另外，有八个附加的灯塔型无线电基站712，仅能在灯塔通道上下行发信号，这些无线电基站仅被提供使定位更精确，并没有电话通信有关的功能。有一辆汽车及手持移动式无线电终端MS1的待定位的用户标记为713，两个固定的移动式无线电终端MS2标记为714。
图7a与7b示出了本发明的实施方案，其中提供了附加的无线电基站，仅能下行发信号，也就是每个基站仅有一个所谓的灯塔通道，这样使精度得到改进。这些实施方案与以前已描述的方案的差别在于以前方案中精度的改进是通过在定位算法中迭代来达到的，而实施方案7a与7b中精度的改进是通过增加无线电基站密度来达到的。对于灯塔通道的指导性信息，例如，可以在前面已参考过的Mouly与Pautet的书中找到。
图8示出了与图3中同样类型的固定无线电终端300的简图，它带有包括一个灯塔型无线电基站的附件801。无线电终端300的地理位置优先在地图上确定，但是作为一种替代方案，可以采用在以前描述过的用于移动式无线电终端的定位方法来确定所述的位置。固定的无线电终端300控制灯塔型无线电基站，但是另外可用作一个固定的无线电终端MS2，用以确定周围的无线电基站的传输时间偏置。
附件801是一个被拆卸的无线电基站，能够在灯塔型频率通道上下行发送周期性的定时信号，其频率由固定的无线电终端300接收到的消息来安排，该消息被传递到附件801中的处理器802，该消息被存贮，解释并通过将包含在命令中的灯塔频率设置到发射机803中的方式来执行此消息。天线804发射所述的灯塔通道，在无线电终端300与附件801之间的接口是与图3中所示的相同的，同样的程序SMSP352被用于无线电终端300及附件801之间的通信，用于和网络的通信。命令来自网络中的服务节点107，并由定位系统的操作员打入服务节点。如何实现所提到过的无线电基站801及其部件，对于本领域的技术人员来说是熟知的，因此，不做更详尽的描述。
本发明不限于在此描述过的及说明实施方案的图中包括的内容，而在所附的权利要求的范围内是可以变化的。
权利要求
1．一种确定在移动式无线电系统(100)中第一移动式无线电终端(MS1)的地理位置的方法，该系统包括至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)，至少一个在固定位置的第二无线电终端(MS2)及一个服务节点(107)，在该节点中贮存有所述的至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)及所述的至少一个第二无线电终端(MS2)的已知位置，该方法包括以下步骤将所述的第二无线电终端(MS2)同步(212)于从所述的至少三个无线电基站的第一基站(BS1)接收到的定时信号下行(118)；在所述的第二无线电终端(MS2)测量(213)从其余的无线电基站(BS2,BS3)接收到的所述的定时信号下行(116,117)的相对接收时间，同时也读出所述的至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)的标识符；将在所述的第二无线电终端(MS2)测得的相对接收时间及相联系的无线电基站的标识符发送(214)到所述的服务节点(107)；在所述的服务节点(107)从所述相对接收时间和所述已知位置(BS1,BS2,BS3,MS2)计算(215)所述定时信号下行(116,117)的传输时间偏移；将所述的第一移动式无线电终端(MS1)同步(222)于从所述的至少三个无线电基站中任意的一个基站(BS2)接收到的定时信号下行(115)；在所述的第一移动式无线电终端(MS1)测量(223)从其余的无线电基站(BS1,BS2)接收到所述的定时信号下行(113,114)的相对接收时间，同时也读出所述的至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)的标识符；将在所述的第一无线电终端(MS1)测得的相对接收时间及有联系的无线电基站标识符发送(224a)到所述的服务节点(107)；在所述的服务节点(107)从所述的被存贮的位置(BS1,BS2,BS3,MS2)及由所述的第一(MS1)及第二(MS2)无线电终端发到所述的计算点(107)的测量结果及标识符计算(225a)出所述的第一移动式无线电终端(MS1)的位置。
2．一种确定在一个移动式无线电系统(100)中的第一移动式无线电终端(MS1)的地理位置的方法，该系统包括至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)，至少一个在固定位置的第二无线电终端(MS2)，一个服务节点(107)，在该节点中贮存有所述的至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)及所述的至少一个第二无线电终端(MS2)的已知的位置，和一个与所述的第一移动式无线电终端(MS1)有联系的附件(370)，该方法包括以下的步骤将所述的第二无线电终端(MS2)同步(212)于从所述的至少三个无线电基站中的第一基站(BS1)接收到的定时信号下行(118)；在所述的第二无线电终端(MS2)测量(213)从其余的无线电基站(BS2,BS3)接收到的所述的定时信号下行(116,117)的相对接收时间，同时也读出至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)的标识符；将在所述的第二无线电终端(MS2)测得的相对接收时间及有联系的无线电基站标识符发送(214)到所述的服务节点(107)；在所述的服务节点(107)从所述的相对接收时间及所述的已知位置(BS1,BS2,BS3,MS2)计算(215)所述的定时信号下行(116,117)的传输时间偏移；将所述的至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)的已知位置及在前一步计算(215)中提供的所述的各自的传输时间偏置播放出去(216)；在所述的第一移动式无线电终端(MS1)的所述的附件(370)中接收(221)前一步播放的所述的已知位置及各自的传输时间偏移；将所述的第一无线电终端(MS1)同步(222)于从所述的至少三个无线电基站中的任意一个基站(BS2)接收到的定时信号下行(115)；在所述的第一移动式无线电终端(MS1)测量(223)从其余的无线电基站(BS1,BS3)接收到的所述的定时信号下行(113,114)的相对接收时间，同时也读出所述的至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)的标识符；将在所述的第一无线电终端(MS1)测得的相对接收时间及有联系的无线电基站标识符传送(224b)到所述的第一无线电终端(MS1)的所述的附件(370)中；在所述的附件(370)中从步骤接收(221)及传送(224b)中提供的信息计算(225b)所述的第一移动式无线电终端(MS1)的位置。
3．一种依据权利要求1或2的方法包括以下附加的步骤在间隔内重复在所述的第二无线电终端(MS2)上测量(213)相对接收时间的步骤；在所述的第二移动式无线电终端(MS2)上将所述的测量结果打上时间标记；将所述测量结果的时间标记送往所述的服务节点(107)；利用测量结果的时间标记及从测量完成后消逝的时间将传输时间偏移外推到计算的实际时间。
4．一种依据权利要求1或2的方法，其中所述的第二无线电终端(MS2)是安放在所述的至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)的其中一个基站上。
5．一种依据权利要求1或2的方法，其中所述的服务节点(107)是一种在网络的以线路形成边界的部分中的服务节点，处理许多移动式无线电终端的计算。
6．一种依据权利要求5的方法，其中所述的服务节点(107)将计算的结果(227a)发送到第一移动式无线电终端(MS1)。
7．一种依据权利要求1或2的方法，将移动式无线电终端(MS1)同步(222)于服务无线电基站(BS2)的步骤包括子步骤将所述移动式无线电终端(MS1)中的计数器(QC)复位(401,511)，由此同步到所述的服务无线电基站(BS2)；将所述的计数器(QC)的复位值(503)存入(402)所述的移动式无线电终端(MS1)中；在所述的服务无线电基站(BS2)的同步通道SCH上的移动式无线电终端(MS1)中读出(403)无线电基站的标识符及当前的帧号。
8．一种依据权利要求1或2的方法，在所述的无线电终端(MS1)上测量(223)其它的无线电基站(BS1,BS3)而不是服务无线电基站(BS2)的定时信号下行的相对接收时间(505,507)的步骤包括以下的子步骤在所述的其它无线电基站(BS1,BS3)的帧开始的瞬间，将所述的移动式无线电终端(MS1)的计数器(QC)的值(505,507)存入(405)；在所述的其它无线电基站(BS1,BS3)的同步通道SCH上的所述的移动式无线电终端中读出(406)无线电基站标识符及当前的帧号；判决(407)是否更多的其它无线电基站(BS1,BS3)要被测量，如果是，环路返回到存贮(405)的子步骤。
9．一种依据权利要求1的方法，由以下步骤改进定位精度在定位方法第一次执行以后检查(226)是否有网络中的任何无线电基站可以取得比在所述的定位第一次执行中采用的至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)更精确的定位，并且检查是否更精确的定位是所希望的；如果前一步的检查表明存在，利用至少一个在前节检查中辨明的无线电基站，完成该定位方法的进一步执行。
10．一种依据权利要求1的方法，在地面系统没有与待定位的终端有联系的服务无线电基站标识符方面的信息的情况下，提供以下步骤将一个消息发送到待定位的移动式无线电终端，从所述的待定位的移动式无线电终端(MS1)通过它的服务无线电基站接收回答信号，用来辨认(211)所述的服务无线电基站的回答信号。
11．一种移动式无线电系统(100)，包括至少三个发送定时信号下行(113-118)的无线电基站及至少一个地理位置待确定的第一移动式无线电终端(MS1)。其特征在于至少一个在固定位置的第二无线电终端(MS2)，接收所说的定时信号下行(116,117)；一个服务节点(107)，在其中存贮有所述的至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)及至少一个第二无线电终端(MS2)的位置；在所述的第一与第二无线电终端(MS1,MS2)中的测量装置(QPC,SMSP)，用于测量所述的定时信号下行的相对接收时间并将它们报告给所述的服务节点(107)；在所述的服务节点(107)中的第一计算装置(107e)，用于从所述的已知位置(MS2,BS1,BS2,BS3)及由所述的第二无线电终端(MS2)报告的所述的相对接收时间计算传输时间偏置；在所述的服务节点(107)中的第二计算装置(107f)，用于从所述的至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)的已知位置，从所述的传输时间偏置及由所述的第一移动式无线电终端(MS1)发来的相对接收时间计算所述的第一移动式无线电终端(MS1)的位置。
12．一种移动式无线电系统(100)，包括至少三个发送定时信号下行(113-118)的无线电基站(BS1,BS2,BS3)和至少一个地理位置待确定的第一移动式无线电终端(MS1)，其特征在于，至少一个在固定位置的第二无线电终端(MS2)，接收所述的定时信号下行(116,117)；一种服务节点(107)，其中已存在所述的至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)和所述的至少一个第二无线电终端(MS2)的位置；在所述的第一和第二无线电终端(MS1,MS2)中的测量装置(QCP,SMSP)，用于测量所述的定时信号下行的相对接收时间并将它们报告给所述的服务节点(107)；在所述的服务节点(107)中的第一计算装置(107e)，用于从所述的已知位置(MS2,BS1,BS2,BS3)及由第二无线电终端(MS2)报告的所述的相对接收时间计算传输时间偏置；发送装置，用于将所述的至少三个无线电基站及有联系的传输时间偏置从所述的服务节点(107)发送到所述的第一移动式无线电终端(MS1)；在所述的第一移动式无线电终端(MS1)中的第二计算装置(371)，用于从所述的至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)的已知位置及有联系的传输时间偏置，从所述的第一移动式无线电终端(MS1)传递(224b)来的相对接收时间计算该终端自己的位置。
13．一种依据权利要求11或12的系统，所述的第二移动式无线电终端(MS2)是安放在一个基站的地点。
14．一种依据权利要求11或12的系统，其中无线电基站下行发送频率校正通道FCCH及同步通道SCH，可在休闲和专用模式期间可读出，其中移动无线电终端(MS1,MS2)同步于服务无线电基站并可读出其它无线电基站而不是所述的服务无线电基站的所述的同步通道，其特征在于测量装置(QCP)，用于在所述的其它无线电基站而不是服务无线电基站的同步通道SCH上的所述的无线电终端中读出基站标识符及当前帧号，在所述的第二及第一移动式无线电终端(MS2,MS1)中的计数器(QC)上读出所述的其它无线电基站相对于所述的服务无线电基站的帧的起始端的相对接收时间；其中如果无线电终端(MS1,MS2)是处于专用模式中，在所述的计数器(QC)上读数是在无线电终端中的一个休闲时隙期间完成的。
15．一种依据权利要求11或12的系统，在该系统中至少有一个无线电基站，其特征在于在灯塔通道上发送周期性的定时信号下行的装置(803,804),便于对移动式无线电终端的定位；装置(802)，用于从网络中的服务节点接收至少与所述灯塔信道的频率设置有关的命令。
16．一种依据权利要求11或12的系统，对无线电终端位置有简化的计算，简化的获得是由于将定位系统的某些但不是全部无线电基站同步。
17．一种无线电终端(300)，其特征在于测量装置(QCP)，用于在休闲模式及会话模式期间测量由一个所考虑的无线电基站接收到周期性的定时信号下行和由一个服务无线电基站接收到的周期性的定时信号下行之间的相对接收时间，所述的移动式无线电终端被同步于所述的服务无线电基站；读出装置(QCP)，在休闲模式及会话模式期间，读出频率校正通道FCCH及同步通道SCH，包括读出由所述的所考虑的无线电基站发送的标识符及帧号；发消息装置(SMSP)，用于在休闲模式及会话模式期间将测得的相对接收时间及读出的标识符及帧号发往一个服务节点(107)。
18．一种依据权利要求17的无线电终端，其进一步的特征在于发消息装置(SMSP)，用于在所述的无线电终端中接收位置信息，传输时间偏移信息及关于无线电基站的标识符信息；其中所述的关于无线电基站的信息是作为广播下行信息由无线电基站中至少若干个基站提供。
19．一种依据权利要求17的无线电终端(300)，其进一步的特征在于发消息装置(SMSP)，用于在所述的无线电终端中接收位置信息，传输时间偏移信息及关于无线电基站的标识符信息；其中所述的关于无线电基站的消息是作为单独的消息被提供的，优先采用短消息服务SMS类型与所述的无线电终端通信。
20．一种依据权利要求17,18或19的移动式无线电终端，其进一步的特征在于第二计算装置(371)，用于计算自身的位置；其中移动站计算自身位置仅使用下行信息。
21．一种依据权利要求17,18或19的移动式无线电终端(300)，其中装置(QCP,SMSP)是作为一个处理器被实现的，所带的程序被装入一个待定位的第一移动式无线电终端(MS1)及一个位置已知的第二移动式无线电终端(MS2)之中。
22．一种依据权利要求17到21的移动式无线电终端(300)，其中1/4位计数器的分辨率被增加是通过采用更高的频率作为计数器的输入，以及通过在所述的计数器中相应地采用更多的位数来实现的，因此计数将超过4999。
23．一种在移动式无线电网络(100)中的服务节点(107)，此网络包括至少三个发送定时信号下行(113-118)的无线电基站(BS1,BS2,BS3)，至少一个地理位置待定的第一移动式无线电终端(MS1)，至少一个固定的第二无线电终端(MS2)，所述的服务节点的特征在于接收装置(107b)，用于从所述的至少一个固定的无线电终端(MS2)接收由至少三个无线电基站发送的定时信号下行的相对接收时间的测量报告；存贮装置(107C)，用于存贮所述的至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)及所述的至少一个第二固定无线电终端(MS2)的已知的地理位置；第一计算装置(107e)，用于从所述的至少一个固定的无线电终端(MS2)来的测量报告及从所述的已知地理位置计算由所述的至少三个无线电基站发送的定时信号下行的传输时间偏移。
24．一种依据权利要求23的服务节点，其进一步的特征在于接收装置(107b)，用于从所述的第一移动式无线电终端(MS1)接收由至少三个无线电基站发送的定时信号下行的相对接收时间的测量报告；第二计算装置(107f)，用于从所述的传输时间偏移，所述的已知地理位置及所述的由第一移动式无线电终端接收到的测量报告，计算所述的第一移动式无线电终端(MS1)的地理位置。
25．一种依据权利要求23的服务节点，其进一步的特征在于发送装置(107d)，用于发送所述的已知地理位置及所述的传输时间偏置到无线电基站(BS1,BS2,BS3)，以便播放到所述的第一移动式无线电终端(MS1)。
全文摘要
本发明讲授一种方法,系统,终端及服务节点,用于对一个无线电网络(100)中的第一移动式无线电终端(MS1)进行地理定位,该网络包括非同步的无线电基站,采用许多第二固定无线电终端(MS2),由此,无线电基站及第二固定无线电终端的位置是已知的。第一与第二无线电终端(MS1,MS2)测量从至少三个无线电基站(BS1,BS2,BS3)接收到的定时信号下行(113—118)之间的相对接收时间,第二固定无线电终端(MS2)将它们发送到网络(100)中的一个服务节点(107),利用它们计算定时信号下行的传输时间偏置。在分别地将相对接收时间测量结果从第一移动式无线电终端(MS1)发送到服务节点(107),或者将传输时间偏置值及已知的位置从服务节点(107)播放到待定位的第一无线电终端(MS1)以后,第一移动式无线电终端(MS1)位置的计算可在网络(100)的服务节点(107)中完成,也可在终端本身中进行。
文档编号G01S5/00GK1211377SQ97192310
公开日1999年3月17日 申请日期1997年2月12日 优先权日1996年2月16日
发明者B·K·埃克曼, J·A·赫德伦德, R·O·R·伦德奎斯特, W·希斯勒尔 申请人:艾利森电话股份有限公司