CN1879034A - 用于确定装置的位置的方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于通过进行测量以确定至少第一定位站(2)与装置(1)之间的距离和确定至少第二定位站(3)与装置(1)之间的距离来确定装置(1)的位置的方法和***。至少一个测量为装置(1)的位置定义几何面。所述第一定位站(2)和第二定位站(3)属于不同的***。在本发明中，这些测量用于选择几何模型，该模型至多包括二次曲面，所选择的几何模型被简化以减少二次曲面的数量，测量结果被***所简化的几何模型，以及通过求解所简化的几何模型而确定装置(1)的位置。本发明还涉及应用该方法的装置(1)和程序及用于存储该程序的存储部件。

Description

用于确定装置的位置的方法和***

本发明涉及用于确定装置的位置的方法，其中进行测量以至少确定第一定位站与装置之间的距离和第二定位站与装置之间的距离，并且其中每个测量为装置的位置确定几何面。本发明还涉及用于确定装置的位置的***，具有用于进行测量以至少确定第一定位站与装置之间的距离和第二定位站与装置之间的距离的部件，以及用于基于测量为装置的位置确定几何面的部件。此外，本发明涉及装置，具有用于进行测量以至少确定第一定位站与装置之间的距离和第二定位站与装置之间的距离的部件，以及用于基于测量为装置的位置确定几何面的部件。另外，本发明涉及程序和用于存储该程序的存储部件，该程序包括用于确定装置的位置的机器可执行程序命令，该程序包括用于进行测量以至少确定第一定位站与装置之间的距离及至少确定第二定位站与装置之间的距离的程序命令，以及其中至少一个测量为装置的位置确定几何面，所述第一和第二定位站属于不同的***。

发明背景

装置或另一目标的位置可通过若干不同的方法确定。基于卫星的***是已知的，它们使用沿地球轨道飞行并发射信号的若干卫星。由卫星发射的信号被接收，并且基于信号接收，进行各种测量以确定目标的位置。信号测量可在要找出其位置的装置中进行，和/或在具有已知位置的地球站上进行，如移动通信网络的基站。此类卫星定位***包括例如GPS(全球定位***)和GLONASS(全球轨道导航卫星***)。基于卫星的定位具有例如在不利条件下可以以相对高的精度确定位置的优点。即使相对便宜的接收器也可用于以甚至几米的精度确定位置。在几乎没有障碍物使卫星信号衰减的外露地方，情况经常是如此。然而，在差的条件下，当信号强度弱时，基于卫星信号定位甚至不一定是可能的。此类情况经常发生在城市且特别是室内，这种情况下，信号不得不穿过建筑结构。此外，如果接收器无法从足够多的卫星收到信号，则因而无法只通过卫星定位***来确定位置。

目前，移动通信装置的位置可由基站确定。因此，测量是基于移动通信网络的基站与移动通信装置之间传送的信号进行。在定位时，例如利用移动通信装置与不同基站之间的信号传播时间的差异。在此类***中，定位准确度一般大约为100米或更差，这取决于基站范围的大小，即，小区的大小。小区越小，定位准确度就越佳。小区的大小不必相同，而是可以不同。通常，在诸如城市的人口密集区域有较多基站，即小区较小，而在人口较少的地区有较少基站，即小区较大。如果在基站使用定向天线，则可在一定程度上提高定位准确度。上述基于基站定位的优点例如是其应用不需要使用单独的定位接收器，而可以将移动通信装置用于定位。

还开发了定位装置，其中组合了上述方法。在此类混合***中，卫星和基站均用于确定装置的位置。

在基于卫星的定位中，如果在接收器中知道确切的时间数据，必须从至少三个不同卫星接收信号以产生三维位置解(x，y，z：纬度，经度和高度)。例如，在GPS***的卫星中，使用高度准确的原子时钟，其工作准确度在地球站控制。如有必要，卫星时钟的时间数据可基于这些地球站进行的测量进行调整。然而，在常规商用定位接收器中，使用此类原子时钟是不可能的，例如，因为它们极其昂贵，并需要相对恒定的环境条件以保证其可靠操作。这种情况下，还仍需要第四卫星的信号以确定时间误差。

在基于基站的定位中，移动通信装置必须接收至少两个基站的信号才能够确定接收器的二维(x，y：纬度和经度)位置。另一方面，反过来也可执行基于基站的定位；也就是说，在两个或更多个基站接收移动通信装置的信号，并且基于基站接收的信号执行二维定位。在目前已知的基于基站的定位***中，三维定位是不可能的。

在先有技术的定位***中，要通过非线性方程组迭代确定位置。此外，使用超定是可能的；也就是说，方程比要求解的未知变量更多。实际上，这意味着接收信号的数量超过最小值。为求解方程组，使用例如最小均方方法并寻求最小值是可能的。问题是，例如，如果默认位置已被使用并且极不正确，或者如果以不利的方式对不同的测量进行加权，则迭代计算可导致找出不正确的最小值点。这意味着确定的位置不正确。

发明概述

本发明的目的是提供用于定位的改进方法和***以及应用该方法的装置。在本发明中，利用闭计算(closed computation)来找出位置解，而不是迭代计算。在求解中，不使用超定，而是使用最少的测量结果或实际上三个不同信号的测量来找出三维位置解。本发明依据的原理是要进行的测量用于确定几何面，而几何面的相交点通过计算确定。此类相交点之一离实际位置最近，其中，此相交点的坐标数据可用作位置解。几何面至多是二次曲面。此外，目的是所确定的面中尽可能少的为二次曲面，优选是只有一个，而其它面为平面。更精确地说，根据本发明的方法主要特征在于在该方法中，基于测量，选择至多包括二次曲面的几何模型，所选择的几何模型被简化以减少二次曲面的数量，将测量结果***简化的几何模型中，以及通过求解简化的几何模型而确定该装置的位置。根据本发明的***主要特征在于该***包括：用于基于测量选择几何模型的部件，该模型至多包括二次曲面，用于简化所选择的几何模型以减少二次曲面的数量的部件，用于将测量结果***所简化的几何模型的部件，以及用于求解所简化的几何模型以确定装置的位置的部件。此外，根据本发明的装置主要特征在于该装置包括：用于基于测量选择几何模型的部件，该模型至多包括二次曲面，用于简化所选择的几何模型以减少二次曲面的数量的部件，用于将测量结果***所简化的几何模型的部件，以及用于求解所简化的几何模型以确定该装置的位置的部件。根据本发明的程序主要特征在于该程序还包括用于以下操作的程序命令

-基于测量选择至多包括二次曲面的几何模型，

-简化所选择的几何模型以减少二次曲面的数量，

-将测量结果***所简化的几何模型，以及

-通过求解所简化的几何模型而确定该装置的位置。

另外，根据本发明的存储部件主要特征在于存储在该存储部件中的程序还包括用于以下操作的程序命令

-基于测量选择至多包括二次曲面的几何模型，

-简化所选择的几何模型以减少二次曲面的数量，

-将测量结果***所简化的几何模型，以及

-通过求解所简化的几何模型而确定该装置的位置。

本发明优于先有技术的解决方案。在根据本发明的方法中，存在的计算远远少于例如基于迭代计算的解决方案中的计算。因此，装置可能需更少的计算容量。在应用根据本发明的方法时，可能实现所有可能的位置解，从中可由适合的标准确定正确的解。然而，迭代方法只提供一个位置解，可是该解可能不正确。此外，定位更快，这还减少装置的能耗。与只基于卫星的***相比，在差的信号条件下定位的工作效果还更佳。根据本发明的方法还可在可用测量的数量对于应用超定的方法不足的情况中使用。

在下述内容中，将参照附图更详细地描述本发明，图中

图1示出应用根据本发明的方法的定位示例，

图2在简化方块图中示出根据本发明优选实施例的装置，

图3a示出通过三个不同的面的定位，

图3b示出图3a被修改使得一个二次曲面被平面替代的情况，以及

图3c示出几何模型包括一个平面和两个二次曲面的情况，其中两个二次曲面之一是球面。

本发明优选实施例的详细说明

下面是图1情况下根据本发明优选实施例的方法说明。在装置1中接收由不同发射器发射的信号。装置1尝试接收从至少两个不同***发射的信号。在根据本发明的方法中，优选是使用卫星定位***和移动通信网络的基站，其中，信号可以是来自卫星2的信号和来自基站3的信号。在此说明中，此类发射站还将共同称为定位站。基于这些信号，目的是找出各种测量结果，如发射信号的定位站与目标之间的距离和/或伪距，以及在一个定位站与目标即装置1之间的距离和第二定位站与装置1之间的距离(或伪距)的差。此外，目的可以是确定装置1的时钟与卫星***的时间之间的时差。

根据本发明的方法可按以下方式有利地分成四个步骤：在测量步骤中，接收信号并基于接收的信号进行测量。如有必要，进一步评估测量结果以找出哪些测量对定位有用。在进行足够多的有用测量后，进行转换步骤以从测量结果中产生几何格式的方程组。此外，如有可能，简化几何。例如，通过缩减或以另一适合的方式实现简化。目的是确定解，该解可通过二次曲面与线之间、优选是二次曲面与直线之间的相交点定义。在转换步骤后的求解步骤中，寻求几何问题的解，即，寻找不同几何形式之间的相交点。有关极小定义(minimal definition)的问题一般产生两个不同的解，其中辅助标准可用于找出哪个解是正确的解。此类辅助标准例如可以是装置1与基站3之间的最大/最小距离、最大/最小高度等。此信息例如可作为单独的辅助数据从基站3获得(图1中的线4)。在求解步骤后的估计步骤中，目的是估计在求解步骤中获得的解的误差，并优选还将该解和/或误差与一些预定的极限值进行比较。

接着，我们将更详细地论述上述不同的步骤。我们假设目的是确定装置1的三维位置。此外，我们假设以某一准确度、例如以几百米的精度已知装置1的位置。在一些情况下，此默认位置甚至可更准确，例如，大约为GSM移动通信网络中的小区大小。基于此后一假设，稍微简化要用于确定位置解的几何是可能的。为解决问题，应用局部坐标系，在此示例中为ENU(向东-向北-向上)坐标系，其中，原点设在与装置1的默认位置足够近的参考点。然而，本发明并不限于此类坐标系，而是还可容易地普及到其它坐标系，如地心地固(ECEF)坐标系和随机选择的参考点。

定位站可相对靠近用户装置1，如移动通信网络的基站3，或者远离装置1，如卫星2。在定位站位于远处的情况下，可假设装置1与定位站之间的距离向量在要检查的整个区域、即在假设装置1所处的区域中是恒定的。例如，在GPS***的卫星的情况下，当装置1在离参考点不超过10公里的距离时，此假设造成的误差不超过2.5米。

测量

我们用x＝[x，y，z]^T表示装置1的位置，并且用向量s₁、s₂、.....、s_ns表示定位站的位置。

在方法中使用的测量类型和对应的方程如下：

装置1与定位站2、3之间的距离用以下方程表示：

‖s_i-x‖＝m_i，其中，i表示测量的数量。               (1)

装置1与基站3之间的偏距(biased range)(伪距)用以下方程表示：

‖s_i-x‖β_i＝m_i                                     (2)

装置1与卫星2之间的偏距(伪距)用以下方程表示：

${-\frac{s_i}{\left|\right|s_i\left|\right|}}^{T}x+{\mathrm{\β}}_i=m_i-\left|\right|s_i\left|\right|...\left(3\right)$

最后，装置1的高度测量用以下方程表示：

$u_{\mathrm{up}}^{T}x=m_i...\left(4\right)$

根据方程(3)的远伪距的测量方程是基于一次泰勒近似

$\left|\right|s-x\left|\right|=\left|\right|s\left|\right|-\frac{s^T}{\left|\right|s\left|\right|}x.$ 在‖x‖＜‖s‖时，可以证明近似误差至多为大约 $\frac{1}{2}\frac{{\left|\right|x\left|\right|}^2{\left|\right|s\left|\right|}^2}{{\left(\right|\left|s\right||-|\left|x\right|\left|\right)}^3}\≈\frac{1}{2}\frac{{\left|\right|x\left|\right|}^2}{\left|\right|s\left|\right|}.$

如果定位站已彼此同步，则在不同测量中，装置1的时钟的时间误差估计β_i、即装置1本身的时间数据与定位站的时间之间的估计差可相同。在属于不同***的定位站之间时间不同步的情况下，通常对不同测量需要不同的时间误差估计。例如在移动通信网络未与卫星定位***的时间数据同步的情况下是此类情况。

在上面的方程(1)到(4)中，m_i项不一定相同。例如，在方程(1)中，可直接使用距离测量，并且在方程(2)中，可使用伪距测量，而在方程(3)和(4)中，m_i项取决于局部坐标的选择。在方程(4)中，相对于局部坐标执行高度测量，并且方程(3)的m_i项是相对于局部坐标的伪距测量。在方程(3)中，可通过从测量的伪距减去定位站的位置向量的范数而计算m_i项。

几何模型

接着，我们将论述用于确定定位解的几何模型。此几何模型由三维面组成，因此，装置1的位置是在不同面的公共相交点之一。当然，此假设在无误差的此类情况下是真实的。实际上，该公共相交点通常不是很精确地与装置1的实际位置相同。每个面表示一个测量(例如距离或高度)或测量对(例如伪距的差)。

距离测量(1)定义中心位于定位站的位置s_ns的球。因此，装置1的假设位置是在此球面上的某一点。

伪距测量(2)和(3)包括可通过形成测量对而消除的时间误差项β_i，其中测量对定义距离差。如果不同***的定位站彼此不同步，则使用的测量对必须是定位站属于相同***的此类测量。因此，此类测量对可由两个卫星2与装置1之间的伪距测量及两个基站3与装置1之间的伪距测量形成。

当卫星2用于形成测量对时，基于测量计算的距离差定义平面。因此，n个卫星测量将定义n-1个平面。这对于装置1位于相对靠近参考点的上述假设是真实的。

如果基站已彼此同步、即基站与卫星***的时间数据同步，测量对还可以是卫星2和基站3。以此方式形成的距离差将定义抛物面。因此，所有测量对优选是通过使用同一卫星形成。因此，n个伪距测量将通过一个卫星的伪距测量而定义n个抛物面。

当基站3或其它地球站用作测量对时，每个测量对将定义双曲面或实际上定义双叶双曲面的一叶。在本发明中，两个基站的测量对将只在基站不与卫星同步的情况及无法以足够可靠的方式从卫星信号进行测量的情况中使用。这种情况下，n个伪距测量将定义n-1个双曲面。

此外，高度测量(4)将定义与地面平行的平面。

在根据本发明的几何模型中，使用的面为平面或二次曲面。平面一般可由以下公式表示：

$n_j^{T}x=a_j...\left(5\right)$

相应地，二次曲面可通过以下公式由回转二次曲面的部分表示：

$\left|\right|s_j-x\left|\right|+{n_j}^{T}x=a_j...\left(6\right)$

其中，j表示该面的索引。若干面可包括相同的定位站。向量n^T _j的长度对二次曲面的类型定义如下：如果‖n_i‖＞1，则它是双曲面；值‖n_i‖＝1时，它是抛物面；如果n_i＝0，该面是球面；并且最后，在是椭球面的情况下，0＜‖n_i‖＜1。然而，在应用根据本发明的方法的混合定位***中，通常无需使用椭球面。

可以清楚地看到，在距离差是由基站3与卫星2之间的测量形成时，该面符合方程(6)，其中，第一项对应于基站3与装置1之间的伪距测量，并且第二项对应于卫星2与装置1之间的伪距测量。

接着，我们将确定由距离差定义的该面的方程。距离差通过两个基站3与装置1之间的伪距相互作减法而得以确定。这产生方程

‖s_i-x‖-‖s_j-x‖＝d_i，j                  (7)

其中，i是第一个基站的索引，并且j是第二个基站的索引。此方程可按以下形式重新排列

$\left|\right|s_i-x\left|\right|+{\frac{s_i-s_j}{d_{i,j}}}^{T}x=\frac{{d^2}_{i,j}+{\left|\right|s_i\left|\right|}^2-{\left|\right|s_j\left|\right|}^2}{2d_{i,j}}...\left(8\right)$

可以看到，该方程(8)与方程(6)具有相同的形式；换而言之，它是回转二次曲面。

目的是选择测量使得在位置解中要使用的几何模型尽可能得简单。例如，如果卫星与基站的伪距测量均是可用的，则由于涉及到平面，因此，目的优选是形成尽可能多的卫星伪距的差。此外，卫星与基站之间的伪距的一个或多个差是以抛物面形式产生。基站伪距的差(等于双曲面)优选只在没有卫星伪距测量可用时使用，或在基站不与卫星***的时间同步时使用。

在本发明中，目的是进一步简化几何模型使得在要求解的几何中除平面和/或线外至多有一个二次曲面。这通过使用本身已知的特性实现，由此通过将两个共焦二次曲面之一替换为平面，可求解这两个二次曲面的相交点。

因此，平面与另一个二次曲面的相交点与原二次曲面的相交点相同。

两个二次曲面的相交可通过以下方程求解

$\left\{\begin{array}{c}\left|\right|s_i-x\left|\right|+{n_i}^{T}x=a_i\\ \left|\right|s_j-x\left|\right|+{n_j}^{T}x=a_j\end{array}\right....\left(9\right)$

其中，s_i＝s_j或n_i＝n_j。在第一种情况下(s_i＝s_j)，方程(9)的几何模型缩减为以下形式

$\left\{\begin{array}{c}\left|\right|s_i-x\left|\right|+{n_i}^{T}x=a_i\\ {(n_i-n_j)}^{T}x=a_i-a_j\end{array}\right.,...\left(10\right)$

其中，它是二次曲面和平面的相交。

相应地，在后一情况下(n_i＝n_j)，方程(9)的几何模型缩减为以下形式

$\left\{\begin{array}{c}\left|\right|s_i-x\left|\right|+{n_i}^{T}x=a_i\\ 2{((a_i-a_j)n_i+s_j-s_i)}^{T}x=a_i^2-a_j^2+{\left|\right|s_j\left|\right|}^2-{\left|\right|s_i\left|\right|}^2\end{array}\right.,...\left(11\right)$

它也二次曲面和平面的相交。

平面、二次曲面和另一个二次曲面之间的大多数相交点可通过使用这些缩减的公式(10)和(11)求解。即使二次-二次-二次的情况也可以通过执行两次缩减而转换为线-二次的情况。然而，应注意的是，缩减只在每对的两个二次曲面具有公共焦点的此类情况下才是可能的。如果所有定位站彼此同步，也可实现几何模型到线-二次情况的缩减。

几何解

在几何模型已缩减为线与二次曲面相交形式后，可求解方程组以确定装置1的位置。线和二次曲面的相交可由以下方程表示

$\left\{\begin{array}{c}{u}_1^{T}x=d_1\\ u_2^{T}x=d_2\\ \left|\right|s-x\left|\right|+n^{T}x=a\end{array}\right.,...\left(12\right)$

这例如可按以下方式求解。为线形成一个方程以满足方程(12)中的两个线性方程。

x＝p+tw，t∈R                             (13)

在方程(13)中，w是线的单位方向向量，它从以下方程推导

$w=\frac{u_1\×u_2}{\left|\right|u_1\×u_2\left|\right|}...\left(14\right)$

并且p是上述线上的点。为便于进一步计算，可以选择p以使其满足以下方程

(s-p)^Tw＝(a-n^Tp)n^Tw                       (15)

除一些非收敛情况外，此方程具有明确的解，该解可通过以下线性方程组确定。

$\left[\begin{array}{c}{u}_1^T\\ u_2^T\\ {(\left(w^{T}n\right)n-w)}^T\end{array}\right]p=\left[\begin{array}{c}{d}_1\\ d_2\\ {(\mathrm{an}-s)}^{T}w\end{array}\right]...\left(16\right)$

在方程组(12)中，将变量x替换为根据方程(13)的定义将产生以下方程：

‖s-(p+tw)‖+n^T(p+tw)＝a             (17)

由此，可看到t是方程中仅有的变量。上述p的选择具有的结果是通过方程(17)自乘并重新排列各项而可消除一次项。这产生以下方程：

$[1-{\left(n^{T}w\right)}^2]t^2={(a-n^{T}p)}^2-{\left|\right|s-p\left|\right|}^2...\left(18\right)$

当从此方程(18)求解t并且将所求解的t***方程(13)时，可由以下方程表示要搜索的位置：

$x=p\±\sqrt{\frac{{(a-n^{T}p)}^2-{\left|\right|s-p\left|\right|}^2}{1-{\left(n^{T}w\right)}^2}}w...\left(19\right)$

方程(19)可具有两个解、一个解或无解，这取决于平方根下的项(判别式)的正负号。得不到方程解的一个情况可能是由于例如大的测量误差引起的。因此，值p可被视为位置x的良好默认值，或者位置可通过计算确定，例如，通过最小均方方法，其中不同的测量可能以不同的方式加权。

示例

接着，我们将介绍在示例情况下平面和两个二次曲面之间的相交点的解。我们假设我们有高度测量、到卫星2的一个伪距测量和到基站3的两个伪距测量，基站已与卫星定位***的时间数据同步。图3a示出与此情况对应的几何模型。在图3a中，平面用标记c1表示，第一个二次曲面用标记c2表示，并且第二个二次曲面用标记c3表示。平面c1与第一个二次曲面c2之间的相交曲线用标记301表示。相应地，平面c1与第二个二次曲面c3之间的相交曲线用标记302表示。此外，第一个二次曲面c2与第二个二次曲面c3的相交曲线在图3a中用标记303表示。平面c1由高度测量确定

$u_{\mathrm{up}}^{T}x=m_1...\left(20\right)$

二次曲面c2、c3通过从两个基站的伪距(方程2)

‖s₃-x‖+β＝m₃              (22)

‖s₄-x‖+β＝m₄减去卫星的伪距(方程3)

$-{\frac{s_2}{\left|\right|s_2\left|\right|}}^{T}x+\mathrm{\β}=m_2-\left|\right|s_2\left|\right|...\left(21\right)$

而形成。

因此，二次曲面c2、c3可表示为以下形式

$\left|\right|s_3-x\left|\right|+{\frac{s_2}{\left|\right|s_2\left|\right|}}^{T}x=m_3-m_2+\left|\right|s_2\left|\right|...\left(23\right)$

$\left|\right|s_4-x\left|\right|+{\frac{s_2}{\left|\right|s_2\left|\right|}}^{T}x=m_4-m_2+\left|\right|s_2\left|\right|...\left(24\right)$

在此情况下，条件n_i＝n_j为真，其中，根据方程(11)，根据方程(23)和(24)的二次曲面c2、c3的几何可缩减为第一个二次曲面(23)与平面之间的相交。此平面可定义如下。

$2{((m_3-m_4)\frac{s_2}{\left|\right|s_2\left|\right|}+s_4-s_3)}^{T}x=...\left(25\right)$

${(m_3-m_2+|\left|s_2\right|\left|\right)}^2-{(m_4-m_2+|\left|s_2\right|\left|\right)}^2+{\left|\right|s_4\left|\right|}^2-{\left|\right|s_3\left|\right|}^2$

因此，要确定位置，必须求解这两个平面(20)和(25)与一个二次曲面(23)的相交点。图3b示出从图3a的情况缩减的此几何模型。在图3b的示例中，图3a的第一个二次曲面c2已替换为平面c4。此外，在图3b中，标记304表示此第二平面c4与第一平面c1之间的相交曲线。第二平面c4与第一个二次曲面c2之间的相交曲线303和图3a示例中第一个二次曲面c2与第二个二次曲面c3之间的相交曲线303相同。在图3a和图3b中，位置解用标记x1和x2表示。

平面和两个二次曲面的几何解

一些情况下，要求解的几何模型不缩减为线或平面与二次曲面之间的相交，而是必须求解平面与两个二次曲面之间的相交点。此类情况通常发生在二次曲面没有公共焦点时，例如，在只有一个卫星伪距测量和若干基站的伪距测量时。

接着，首先将通过假设二次曲面之一是球面而简化问题。例如，这对应于至少一个测量是基站的距离测量的情况，从而确定中心在基站3的位置并且半径是装置1与基站3之间的测量距离的球面。图3c示出此情况。球面用标记c5表示。此外，标记305表示球面c5与平面c1之间的相交曲线。球面c5与第一个二次曲面c2之间的相交曲线用标记306表示。平面c1与第一个二次曲面之间的相交曲线用标记301表示。在图3a和图3b中，位置解用标记x1和x2表示。现在，几何模型可由方程组表示

$\left\{\begin{array}{c}{u}^{T}x=a,\left|\right|u\left|\right|=1\\ \left|\right|q-x\left|\right|=c\\ \left|\right|s-x\left|\right|+n^{T}x=b\end{array}\right....\left(26\right)$

如果u和n不平行，则方程组(26)可通过先形成平面与球面之间的相交而求解。此相交定义满足以下方程的圆

$x=p+\mathrm{tv}\±\sqrt{1-t^2}w,-1\≤t\≤1...\left(27\right)$

其中，

p＝q+(a-u^Tq)u                              (28)

$w=r\frac{u\×n}{\left|\right|u\×n\left|\right|},v=u\×w...\left(29\right)$

$r=\sqrt{c^2-{(a-u^{T}q)}^2}...\left(30\right)$

接着，将方程(27)***方程组(26)的第三个方程，其中，重新排列和自乘两次将产生四次多项式

$a_1^2{t}^4+2a_1{a}_2{t}^3+(a_2^2+2a_1{a}_3+a_4^2)t^2+2a_2{a}_{3}t+a_3^2-a_4^2...\left(31\right)$

其中，

a₁＝(n^Tv)²

a₂＝2[s+(n^Tp-b)n-p]^Tv

a₃＝b²-r²-‖s‖²+[2s+(n^Tp-2b)n-p]^Tp

a₄＝2(s-p)^Tw        (32)

通过找出多项式(31)的实根并将它们***方程(27)，可求解方程组(26)。视情况而定，方程组(26)的解的数量为4个、3个、2个、1个或无解。

当找出可能的解并且解的数量超过1个时，可根据某一标准确定正确的解。此类标准例如可包括离诸如基站的位置的给定点的距离的最大/最小值、高度的最大/最小值、与先前定位给出的位置的偏差等。

方法的应用

在实际应用中，例如，在没有足够多的测量可用于常规、超定定位时，根据本发明的方法可用于定位装置1。因此，在装置1中，优选是选择一组测量，将根据本方法的闭计算应用到测量上以求出解。要选择此组测量，例如可能要弄清楚是否可收到足够强的卫星信号并且在肯定的情况下可收到多少个不同的卫星信号。此后，选择再一个或更多基站测量以有足够多的测量可用。如果装置1有用于测量高度或用于从诸如单独的高度测量装置、地面测量***的外部源接收高度测量数据或从移动通信网络接收辅助高度数据的部件，还可能使用高度测量而不使用一个基站测量或卫星测量。为解出位置，装置1基于可用的测量类型来选择要使用的几何模型。此外，如本说明上面所述，缩减所选择的几何模型以简化计算。在找到解后，可将它用作装置1的默认位置。因此，在可用测量的数量超过最小值的情况下，应用例如先有技术的最小均方方法是可能的，其中，由根据本发明的方法确定的位置先设为默认位置。这保证获得根据最小均方的解，因为通过根据本发明的方法找到的解具有的结果是最小均方的计算极可能朝正确的最小值收敛，与测量的可能加权无关。

本发明也可在超定情况中应用，优选是通过将超定定位分成使用闭计算的若干部分***。这样，将得到若干解，基于这些解可以以相对高的精度确定正确的位置。例如，如果每个子***给出两个或更多个解，则通过检查这些解中的哪个解在所有子***中基本上相同而可以找到正确的解。因此，此解很可能基本上对应于装置1的位置。从由不同子***给出的基本上相同的解中，仍可能确定例如要用作装置1的位置数据的质量中心、平均值或诸如此类。

图2示出可应用本发明的装置1的示例。装置1包括定位接收器1.2和无线通信装置1.1，但将显然的是，本发明并不只限于此实施例。在本发明的范围内，根据本发明的装置1还可应用为单独的电子装置而不连接到另一装置。

根据本发明的方法的大部分步骤可作为控制块1.11中诸如数字信号处理器(DSP)的处理器中的程序命令，通过软件实施。对于根据本发明的定位，必须测量到至少一个不同卫星SV_i的伪距。定位接收器1.2包括至少一个接收信道，但实际上，通常有至少4个或甚至12个接收信道。因此，同时接收不止一个卫星的信号是可能的。在图2中，为清晰起见，定位接收器1.2的方块图示出只有一个此类接收信道的结构，其它接收信道优选是基本上相同的。要经天线1.3接收的重复编码信号在高频放大器1.4中放大，并优选是通过由时钟生成器1.5生成的时钟信号和频率合成器1.6在变频器块7中变换成中频或直接变换成基带。此时，信号优选仍是模拟格式，其中它在模数变换器1.8中变换成数字信号。模数变换器8不但提供数字接收信号，而且提供到自动增益控制(AGC)块1.9的控制，以用本身已知的方式使接收信号强度的变化变得水平。变换成中频或基带的数字信号被引到数字监控块1.10以找出接收信号的载波频率。因为在不同的块中确定的这些载波频率之间的差和已知的传输频率，获得不同卫星的伪距测量以用于上述几何模型。接收信道的一些上述块可能对所有接收信道是共同的，如天线1.3和高频放大器1.4。

除卫星测量外，装置1还使用至少一个基站测量。这些基站测量可在装置1或移动通信网络中进行。如果测量在装置1中进行，则这优选是按以下方式进行。装置1向基站3、优选是至少向服务基站发射信号，在基站3接收信号。基站3将信号发回装置1，装置1测量发射时刻与接收时刻之间的时间差。如有必要，如果已知在基站的信号接收和重新传输之间导致的延迟，则从此时间中减去此类数据。在减去此类内部延迟后，信号来回传播的时间已知。将时间除以2并乘以光速将得到基站3与装置1之间用于定位计算的距离。通常，基站3的位置也已知，其中，此位置数据可用作球体的中心，而球体半径从上述的基站3与装置1之间的距离数据获得。如果需要使用不止一个基站测量，则可对若干基站进行测量。

然而，如果在移动通信网络中进行基站测量，则优选进行以下步骤。基站a3向装置1发射信号，装置1基于此将信号重新发射到基站3。现在，相应地，基站可确定基站3与装置1之间的距离数据。一些情况下，相同的信号可被不止一个基站接收，其中确定装置1与若干基站之间的距离是可能的。然而，这需要基站彼此同步以确定在不同基站的信号传输的时刻。如有必要，就在装置1中使用伪距测量对而言，将不同***的定位站2、3是否彼此同步通知装置1。如本说明中前面已经公开的，不同***的定位站只在它们彼此同步时才可用作测量对。因此，测量对可由例如一个卫星2与装置1之间的伪距测量和一个基站3与装置1之间的伪距测量形成。如果在不同***的定位站之间不同步，则装置1为测量对选择定位站2、3属于同一***的此类测量。因此，此类测量对可由两个卫星2与装置1之间的伪距测量和两个基站3与装置1之间的伪距测量形成。

实际上，可能存在没有卫星测量可用的情况。在此类情况下，装置1尝试形成足够多的基站/基站测量对，其测量结果将用于求解位置。

表1简要地示出一些不同的测量替代选择，基于这些选择，通过使用像这样的测量和/或通过形成不同测量的测量对，形成要被缩减的几何模型。测量可以是高度测量A、基站(3)与装置(1)之间的距离测量B、基站(3)与装置(1)之间的同步伪距测量D、基站(3)与装置(1)之间的非同步伪距测量E及卫星(2)与装置(1)之间的伪距测量G。

测量
	1   ABEE2   ABGG3   ADDD4   ADDG5   ADGG6   AEEE7   AEEGG8   AGGG9   BEEE10  BEEGG11  BGGG12  DDDG13  DDGG14  DGGG15  EEEGG16  EEGGG

在大多数测量替代选择中，有4个不同的测量可用将足够。然而，一些情况下，有关极小定义的问题将需要使用5个测量。

本发明可结合多个***应用。例如，移动通信***可以是GSM、UMTS或本身已知的另一移动通信***。不使用移动通信***或除移动通信***之外，还可能的是使用传输站的另一地面网络，如LORAN-C。相应地，卫星定位***可以是GPS、GLONASS和/或另一定位***，在***中定位站离装置1较远。因此，在本发明的几何模型中所作的有关使用平面的假设结合测量卫星2与装置1之间的伪距将不会导致测量结果的误差，考虑到定位的准确度，这会是重要的。

图2的装置1还包括例如显示器1.15、键盘1.16和音频部件1.17、1.18、1.19，但将显然的是，在实际应用中，电子装置1的结构可与图2所示结构不同。此外，定位功能包括各种采集和跟踪功能，这些功能无需在本上下文中更详细地论述。

显然，本发明并不只限于本文所述实施例，而是可在所附权利要求书的范围内进行修改。

Claims (29)

1.一种用于定位装置(1)的方法，其中进行测量以至少确定第一定位站(2)与所述装置(1)之间的距离和至少确定第二定位站(3)与所述装置(1)之间的距离，并且其中至少一个测量为所述装置(1)的位置定义几何面，并且所述第一定位站(2)和第二定位站(3)属于不同的***，其特征在于在所述方法中，基于所述测量来选择几何模型，所述模型至多包括二次曲面，所选择的几何模型被简化以减少二次曲面的数量，测量结果被***简化的几何模型中，以及通过求解所述简化的几何模型而确定所述装置(1)的位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于使用的第一定位站(2)是卫星***的卫星，其中，所述第一定位站(2)与所述装置(1)之间的至少两个伪距测量用于定义平面以表示所述装置(1)的位置。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于使用的第一定位站(2)是卫星***的卫星，其中，所述第一定位站(2)与所述装置(1)之间的至少两个伪距测量用于定义表示所述装置(1)的位置的平面的方向。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于使用的第二定位站(3)是地面***的站，其中，所述第二定位站(3)与所述装置(1)之间的距离测量用于定义球面以表示所述装置(1)的位置。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于使用的地面***是移动通信网络，其中，所述第二定位站(3)是所述移动通信网络的基站。

6.如权利要求1到5中任一项所述的方法，其特征在于所述定位站(2、3)与所述装置(1)之间的伪距测量用于形成测量对，为所述测量对确定所述伪距之间的差，其中，所述伪距的差用于定义二次曲面以表示所述装置(1)的位置。

7.如权利要求1到6中任一项所述的方法，其特征在于选择一组第一定位站(2)和一组第二定位站(3)，它们分别属于一个***和另一***，并且分别在所述第一组的每个定位站(2)与所述装置(1)之间、以及在所述第二组的每个定位站(3)与所述装置(1)之间进行伪距测量。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述第一定位站(2)和所述第二定位站(3)彼此同步，其中，每个测量对由所述第一组的一个定位站(2)和所述第二组的一个定位站(3)组成，并且在每个测量对中使用所述第一组的同一定位站(2)。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于为形成测量对，检查伪距测量可用于所述第一组的多少个定位站(2)，其中

-如果所述第一定位站(2)的不止一个伪距测量可用，则尽可能多的测量对由所述第一定位站(2)形成，

-如果所述第一定位站(2)只有一个伪距测量可用，则尽可能多的测量对由所述第一定位站(2)和所述第二定位站形成，

-如果所述第一定位站(2)的伪距测量不可用，则尽可能多的测量对由所述第二定位站(2)形成。

10.如权利要求1到9中任一项所述的方法，其特征在于测量所述装置(1)相对于地平面的高度，其中，所述高度测量用于确定平面以表示所述装置(1)的位置，所述面基本上与地面平行。

11.如权利要求1到10中任一项所述的方法，其特征在于通过找出由所述测量定义的面之间的至少一个相交点，求解缩减的几何模型。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于如果解包括不止一个相交点，则预定的标准用于选择一个相交点以定义所述装置(1)的位置。

13.一种用于定位装置(1)的***，包括用于进行测量以至少确定第一定位站(2)与所述装置(1)之间的距离和至少确定第二定位站(3)与所述装置(1)之间的距离的部件，以及用于基于至少一个测量为所述装置(1)的位置定义几何面的部件，所述第一定位站(2)和第二定位站(3)属于不同的***，其特征在于所述***包括：用于基于所述测量选择几何模型的部件，所述模型至多包括二次曲面，用于简化所选择的几何模型以减少二次曲面的数量的部件，用于将测量结果***所简化的几何模型的部件，以及用于求解所简化的几何模型以定义所述装置(1)的位置的部件。

14.如权利要求13所述的***，其特征在于所述第一定位站(2)是卫星***的卫星，其中，所述第一定位站(2)与所述装置(1)之间的至少两个伪距测量安排用于定义平面以表示所述装置(1)的位置。

15.如权利要求13所述的***，其特征在于所述第一定位站(2)是卫星***的卫星，其中，所述第一定位站(2)与所述装置(1)之间的伪距测量安排用于定义表示所述装置(1)的位置的平面的方向。

16.如权利要求13、14或15所述的***，其特征在于所述第二定位站(3)是地面***的站，其中，所述第二定位站(3)与所述装置(1)之间的距离测量安排用于定义球面以表示所述装置(1)的位置。

17.如权利要求16所述的***，其特征在于所述地面***包括移动通信网络，其中，所述第二定位站(3)是所述移动通信网络的基站。

18.如权利要求13到17中任一项所述的***，其特征在于它包括用于形成所述定位站(2、3)和所述装置(1)之间的伪距测量的测量对和用于确定所述伪距之间的差的部件(1.11)，其中，所述伪距的差安排用于定义二次曲面以表示所述装置(1)的位置。

19.如权利要求13到18中任一项所述的***，其特征在于它包括用于选择分别属于一个***和另一***的一组第一定位站(2)和一组第二定位站(3)的部件和用于分别在所述第一组的每个定位站(2)与所述装置(1)之间及所述第二组的每个定位站(3)与所述装置(1)之间进行伪距测量的部件(1.2)。

20.如权利要求19所述的***，其特征在于所述第一定位站(2)和所述第二定位站(3)彼此同步，其中，每个测量对由所述第一组的一个定位站(2)和所述第二组的一个定位站(3)组成，并且在每个测量对中使用所述第一组的同一定位站(2)。

21.如权利要求13到20中任一项所述的***，其特征在于它包括用于测量所述装置(1)相对于地平面的高度的部件，其中，所述高度测量安排用于定义平面以表示所述装置(1)的位置，所述面基本上与地面平行。

22.一种装置(1)，包括用于进行测量以至少确定第一定位站(2)与所述装置(1)之间的距离和至少确定第二定位站(3)与所述装置(1)之间的距离的部件，以及用于基于至少一个测量为所述装置(1)的位置定义几何面的部件，所述第一定位站(2)和第二定位站(3)属于不同的***，其特征在于所述装置(1)包括：用于基于所述测量选择几何模型的部件，所述模型至多包括二次曲面；用于简化所选择的几何模型以减少二次曲面的数量的部件；用于将测量结果***所简化的几何模型的部件；以及用于求解所简化的几何模型以定义所述装置(1)的位置的部件。

23.如权利要求22所述的装置(1)，其特征在于它包括用于形成所述定位站(2、3)和所述装置(1)之间的伪距测量的测量对和用于确定所述伪距之间的差的部件(1.11)，其中，所述伪距的差安排用于定义二次曲面以表示所述装置(1)的位置。

24.如权利要求22或23所述的装置(1)，其特征在于它包括用于选择分别属于一个***和另一***的一组第一定位站(2)和一组第二定位站(3)的部件和用于分别在所述第一组的每个定位站(2)与所述装置(1)之间及所述第二组的每个定位站(3)与所述装置(1)之间进行伪距测量的部件(1.2)。

25.如权利要求24所述的装置(1)，其特征在于所述第一定位站(2)和所述第二定位站(3)彼此同步，其中，每个测量对由所述第一组的一个定位站(2)和所述第二组的一个定位站(3)组成，并且在每个测量对中使用所述第一组的同一定位站(2)。

26.如权利要求22到25中任一项所述的装置(1)，其特征在于它包括用于测量所述装置(1)相对于地平面的高度的部件，其中，所述高度测量安排用于定义平面以表示所述装置(1)的位置，所述面基本上与地面平行。

27.如权利要求22到26中任一项所述的装置(1)，其特征在于它包括用于执行移动通信装置功能的部件(1.1)。

28.一种程序，它包括用于定位装置(1)的机器可执行程序命令，所述程序包括用于进行测量以至少确定第一定位站(2)与所述装置(1)之间的距离及至少确定第二定位站(3)与所述装置(1)之间的距离的程序命令，以及其中至少一个测量为所述装置(1)的位置定义几何面，并且所述第一定位站(2)和第二定位站(3)属于不同的***，其特征在于所述程序还包括用于执行以下操作的程序命令

-基于测量选择至多包括二次曲面的几何模型，

-简化所选择的几何模型以减少二次曲面的数量，

-将测量结果***所简化的几何模型，以及

-通过求解所简化的几何模型而确定所述装置(1)的位置。

29.一种用于存储程序的存储部件，所述程序包括用于定位装置(1)的机器可执行程序命令，所述程序包括用于进行测量以至少确定第一定位站(2)与所述装置(1)之间的距离及至少确定第二定位站(3)与所述装置(1)之间的距离的程序命令，以及其中至少一个测量为所述装置(1)的位置定义几何面，并且所述第一定位站(2)和第二定位站(3)属于不同的***，其特征在于所述存储部件上存储的程序还包括用于执行以下操作的程序命令

-基于测量选择至多包括二次曲面的几何模型，

-简化所选择的几何模型以减少二次曲面的数量，

-将测量结果***所简化的几何模型，以及

-通过求解所简化的几何模型而确定所述装置(1)的位置。

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