ES2208954T3 - Metodo y sistema para la estimacion de posicion de estaciones moviles. - Google Patents
Metodo y sistema para la estimacion de posicion de estaciones moviles.Info
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Abstract
La invención se refiere a un procedimiento y a un sistema para la estimación de la posición de una estación móvil en los cuales la medida de la distancia entre la estación móvil y una estación base se discrimina bien por efectuarse desde una estación base que tiene visibilidad directa de la estación móvil o bien por efectuarse desde una estación base que no tiene visibilidad directa de la estación móvil (22). Se corrige el error presente en la medida de la distancia desde las estaciones base que no tienen visibilidad directa de la estación móvil (24). Se establece una línea reconstruida de la medida de la distancia a partir de la corrección del error que indica que no existe visibilidad directa. La línea de medición reconstruida puede utilizarse con las mediciones de distancia de las estaciones base que han sido determinadas como situadas en la línea de visión para situar exactamente la estación móvil (26).
Description
Método y sistema para la estimación de posición
de estaciones móviles.
La presente invención se refiere a un método para
la estimación de posición de estaciones móviles según la
reivindicación 1, y también a un sistema para la estimación de
posición de estaciones móviles según la reivindicación 11.
Según el método y el sistema de la presente
invención, pueden determinarse estaciones base que poseen
visibilidad directa con la estación móvil y las estaciones base que
no poseen visibilidad directa con la estación base. Los errores en
las señales de estación base generadas a partir de determinadas
estaciones base sin visibilidad directa se reducen para proporcionar
una mejor estimación de situación de estación móvil.
A partir de la patente US-A
5.327.144, un sistema de localización de teléfonos celulares para
registrar automáticamente la posición de uno o más teléfonos
celulares móviles comprende tres o más sistemas de emplazamiento de
células. Cada sistema de emplazamiento de células está colocado en
un emplazamiento de células de un sistema de teléfono celular. Cada
sistema de emplazamiento de célula incluye una antena que puede
montarse en la misma torre o edificio que la antena que utiliza el
sistema de telefonía celular y el equipo que puede alojarse en el
compartimiento de equipamiento del correspondiente emplazamiento de
célula. Los sistemas de emplazamiento de célula están acoplados
mediante enlaces de comunicación con un emplazamiento central. El
emplazamiento central puede estar asociado con el MTSO de los
sistemas telefónicos celulares. El emplazamiento central también
está acoplado a una base de datos, que puede estar instalada
remotamente con respecto al emplazamiento central y estar disponible
a suscriptores.
La estimación de posición móvil determina una
estimación geográfica de la posición de una estación móvil. La
estimación de posición de móvil resulta útil en la gestión de flotas
de estaciones móviles, servicios de información dependientes de la
ubicación, servicios de facturación dependientes de la situación y
situación de una estación móvil por parte de los servicios de
emergencia 911. Se diseña un servicio de emergencia (911) mejorado
para desviar automáticamente el número que realiza una llamada a un
punto de atención de seguridad pública (PSAP). Al implementar un
servicio de emergencia 911 mejorado en una red sin cables, los
proveedores de servicios sin cables ofrecen una situación en dos
dimensiones del vehículo al punto de atención de seguridad pública
(PSAP). La Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) ha establecido
que, para el año 2001, los proveedores de servicios sin cables
dispongan de la posibilidad de localizar las llamadas en dos
dimensiones dentro de 125 metros en un 67% de ocasiones.
Un método convencional para localizar una
estación móvil en dos dimensiones utilizaría la medición de la
distancia de visibilidad directa entre la estación móvil y, como
mínimo, tres estaciones base. En la patente US 5.365.516 se describe
un método para determinar la posición de una unidad de transponedor
en el que se envía una señal de radio mediante la estación móvil. La
hora de llegada de la señal de radio se mide en cada una de las tres
estaciones base. Cada medición de distancia entre la estación móvil
y una de las estaciones base puede utilizarse para generar un
círculo que se centra en la estación base de medición. El círculo
presenta un radio igual a la distancia entre la estación móvil y la
estación base. De acuerdo con ello, se generan tres círculos, uno
para cada una de las estaciones base. Si no se produce ningún error
de medición de la distancia entre las estaciones base y la estación
móvil, la intersección de los tres círculos determina
inequívocamente la posición de la estación móvil. Este método
presenta el inconveniente de que las mediciones de distancia pueden
distorsionarse debido al ruido, lo que tiene como resultado errores
al determinar la posición de la estación móvil.
Una solución convencional para proporcionar
estimaciones de posición más precisas es reducir el error debido al
ruido con un análisis de mínimos cuadrados. De acuerdo con ello, el
análisis de mínimos cuadrados proporciona una estimación de posición
más precisa. Esta solución presenta la limitación de no tener en
cuenta la posibilidad de una falta de trayectoria directa entre la
estación base y la estación móvil. Por ejemplo, en un entorno
urbano, un edificio o varios pueden encontrarse en la trayectoria
entre la estación móvil y la estación base. Una señal de propagación
entre la estación móvil y la estación base puede reflejarse y
refractarse por culpa del objeto en la trayectoria de la estación
móvil a la estación base, lo que tiene como resultado que la señal
recorra longitudes de trayectoria excesivas. Las longitudes de
trayectoria excesivas pueden ser del orden de un centenar de
metros.
La falta de una trayectoria directa entre la
estación móvil y la estación base puede definirse como una falta de
visibilidad directa (NLOS). La importancia de detectar y reducir las
mediciones NLOS entre una estación móvil y una estación base es
reconocida en M.I. Silventoinen, y otros, "Mobile Station Locating
in GSM" [Localización de una estación móvil en GSM], IEEE
Wireless Communication System Symposium , Long Island NY,
noviembre de 1995 y en J.L. Caffrey y otros, "Radio Location in
Urban CDMA Microcells" [Localización de radio en microcélulas
AMDC urbanas], Proceedings of the Personal, Indoor and Mobile
Radio Environment, 1995.
En la patente americana 5.365.516 (la patente
'516) se describe una realización de un sistema de localización de
transreceptor que opera en un entorno susceptible de interferencias
por trayectorias múltiples. El sistema incluye un transponedor, que
puede manipularse dentro de una zona de cobertura prescrita para
transmitir un envío de símbolos de datos en un impulso de portador
codificado. Cada estación base incluye un receptor para detectar y
responder a los símbolos de datos en un momento dado, interrumpiendo
el símbolo de datos y rechazando los ecos que resultan de la
interferencia de múltiples trayectorias. Un circuito de comparación
responde al receptor para comparar respectivamente los tiempos dados
identificados y decorrelacionar la diferencia de tiempo para mejorar
la calidad de los datos. Aunque la patente '516 afronta la
interferencia de múltiples trayectorias, no intenta detectar las
estaciones base para reducir NLOS de múltiples trayectorias con
estaciones móviles.
Resulta deseable dar a conocer un método y un
sistema para proporcionar una estimación mejorada de la posición de
móvil, sujeta a error de NLOS.
Es un objetivo de la presente invención dar a
conocer un método y un sistema para la estimación de posición de
móviles, en el que las estaciones base puedan identificarse
fácilmente como estaciones con visibilidad directa (LOS) o sin
visibilidad directa (NLOS) con respecto a una estación móvil.
Según el método de la presente invención, este
objetivo se consigue mediante las características de la
reivindicación 1.
Realizaciones mejoradas del método de la presente
invención se derivan de las reivindicaciones dependientes 2 a
10.
Según el sistema de la presente invención, el
objetivo anterior se consigue mediante las características de la
reivindicación 11.
Realizaciones mejoradas del sistema de la
presente invención se derivan de las reivindicaciones dependientes
12 a 19.
Según la presente invención, se determina una
medición de alcance como la distancia entre la estación base y la
estación móvil. El error de alcance NLOS es corregido para las
estaciones base que se identifican como NLOS con la estación móvil
reconstruyendo la medición LOS. A partir de las mediciones de
alcance de las estaciones base identificadas como LOS y las
mediciones de alcance LOS reconstruidas, se estima la ubicación de
la estación móvil.
La estación base puede identificarse como NLOS
comparando la desviación estándar del ruido de medición estándar a
partir del entorno con la desviación estándar de una medición de
alcance suavizada obtenida a partir de las mediciones de alcance
entre la estación base y la estación móvil. La medición de alcance
suavizada puede obtenerse utilizando un encaje polinómico de orden
N. Se ha descubierto que, cuando la desviación estándar de la
medición de alcance suavizada queda en el orden de la desviación
estándar del ruido de medición estándar, la estación base
corresponde a un entorno LOS, y cuando la desviación estándar de la
medición de alcance suavizada es superior a la desviación estándar
debida al ruido de medición estándar, la estación base corresponde a
un entorno NLOS. De manera alternativa, pueden utilizarse los restos
de un análisis de mínimos cuadrados para determinar la presencia de
mediciones de alcance NLOS.
El error NLOS puede corregirse cuando el ruido de
medición estándar domina el error NLOS y existe una identificación
predeterminada del soporte aproximado del ruido de medición estándar
sobre el eje real. Una medición de alcance LOS reconstruida puede
determinarse trazando una curva de las mediciones de alcance
suavizadas. Se determina el punto de desviación máxima de la
medición de alcance suavizada por debajo de la curva. La curva se
desplaza hacia abajo para pasar por el punto de desviación máxima. A
continuación, la curva se desplaza hacia arriba por el valor de la
desviación de ruido de medición estándar máxima a partir de una
medición LOS con ruido despreciable, con lo que se proporciona una
medición de alcance reconstruida.
La estimación de posición de móvil puede
determinarse utilizando por lo menos tres mediciones de alcance
entre estaciones base LOS y la estación móvil o mediciones de
alcance LOS reconstruidas en un análisis de reducción a polígonos.
En este análisis, se genera un círculo a partir de cada medición de
alcance. El círculo se centra en la estación base y la medición de
alcance es el radio del círculo. La intersección estimada de los
tres círculos determina la posición de la estación móvil. De manera
alternativa, dos mediciones de alcance y la información dirigida al
ángulo de posición de la estación móvil pueden utilizarse para
estimar la posición de la estación móvil.
La presente invención presenta las ventajas de
determinar precisamente la ubicación de una estación móvil
reduciendo el error NLOS. Además, la presente invención puede
proporcionar la confianza en un entorno LOS de que todas las
estaciones base son LOS con respecto a la estación móvil. Los
resultados indican que el desvío del alcance de posición debido al
error NLOS puede reducirse en varios órdenes de magnitud con el
método de la presente invención.
La presente invención se describirá de manera más
completa en referencia a las ilustraciones siguientes.
La figura 1A es un diagrama esquemático de un
entorno en el que existe una línea de trayectoria de señal de radio
con visibilidad directa sin obstáculos entre una estación móvil y
una estación base.
La figura 1B es un diagrama esquemático de un
entorno en el que existe una trayectoria de señal de radio sin
visibilidad directa entre una estación móvil y una estación
base.
La figura 2 es un diagrama de flujo del sistema y
método para la estimación de posición de móviles según las
enseñanzas de la presente invención.
La figura 3 es un diagrama esquemático de las
mediciones de distancia en una línea de estación base de visibilidad
directa reconstruida y una línea determinada de estaciones base con
visibilidad directa.
La figura 4 es un diagrama de flujo de un método
para identificar las estaciones base sin visibilidad directa según
la presente invención.
La figura 5 es un diagrama de flujo de un método
alternativo para identificar las estaciones base sin visibilidad
directa.
La figura 6 es un diagrama de flujo de un método
para reconstruir una línea de estación base con visibilidad directa
para las mediciones sin visibilidad directa.
La figura 7 es un gráfico de una comparación de
mediciones NLOS y mediciones LOS reconstruidas.
La figura 8 es un diagrama esquemático de un
sistema para la implementación del método de la presente
invención.
La figura 9 es un diagrama esquemático de la
colocación de las estaciones base utilizada en ejemplos de
aplicación del método de la presente invención.
La figura 10A es un gráfico de un rastreo en dos
dimensiones sin línea de detección y corrección de errores por falta
de visibilidad directa.
La figura 10B es un gráfico de un rastreo en dos
dimensiones con línea de detección y corrección de errores por falta
de visibilidad directa.
La figura 11A es un gráfico de un rastreo en dos
dimensiones sin línea de detección y corrección de errores por falta
de visibilidad directa.
La figura 11B es un gráfico de un rastreo en dos
dimensiones con línea de detección y corrección de errores por falta
de visibilidad directa.
La figura 12 es un gráfico de la fracción de
tiempo en que una estación base es declarada NLOS utilizando el
método de análisis de rangos residuales.
Durante el curso de esta descripción, se
utilizarán números similares para identificar elementos similares
según las distintas figuras que ilustran la presente invención.
En la figura 1A se ilustra un diagrama
esquemático de una trayectoria con visibilidad directa (LOS) (10)
entre una estación base (12) y una estación móvil (14). La señal
(13) puede ser transmitida desde la estación base (12) a la estación
móvil (14) y devuelta desde la estación móvil (14) a la estación
base (12). En la figura 1B se ilustra una trayectoria esquemática
sin visibilidad directa (NLOS) (11) entre la estación base (12) y la
estación móvil (14). El edificio (15) se coloca entre la estación
base (12) y la estación móvil (14), lo que tiene como resultado la
reflexión de la señal (16). Por ejemplo, la señal (13) y la señal
(16) pueden ser una señal de radio.
Una medición de alcance para medir la distancia
entre la estación base (12) y la estación móvil (14) puede medirse
como el tiempo que tarda una señal enviada entre la estación base
(12) y la estación móvil (14):
(1)r =
cT
en la que la medición de alcance de la estación
móvil a la estación base se representa mediante r, c representa la
velocidad de la luz que es la misma velocidad que la propagación de
ondas de radio y T representa el tiempo de viaje, en un sentido, de
la señal. Una medición de alcance de la distancia entre la estación
móvil (14) y la estación base (12) en las figuras 1A y 1B puede
determinarse utilizando la ecuación (1) basada en el tiempo que
tardan las señales (13) y (16), respectivamente, entre la estación
base (12) y la estación móvil (14). El valor de r generado a partir
de la señal (16) es superior al valor de (r) generado para la señal
(13).
La figura 2 es un diagrama de flujo del sistema y
método de la presente invención para la estimación de posición de
móviles (20). En el bloque (21), se obtiene una medición de alcance
entre una estación móvil (14) y una estación base (12) utilizando la
ecuación (1). En el bloque (22), la estación base (12) se identifica
como LOS con visibilidad directa o NLOS sin visibilidad directa, con
respecto a la estación móvil (14). El bloque (22) se repite para una
serie de estaciones base (12) colocadas en diferentes posiciones
desde la estación móvil (14). Si la estación base (12) se ha
identificado como LOS en el bloque (22), la medición de alcance
obtenida a partir del bloque (21) se envía al bloque (26). Si la
estación base (12) se identifica como NLOS en el bloque (22), el
bloque (24) se implementa para reducir el error de la medición de
alcance entre la estación base (12) y la estación móvil (14), con lo
que se obtiene la medición de alcance entre la estación base (12) y
la estación móvil (14) como una estación base LOS reconstruida (13),
tal como se muestra en la figura 3.
En la figura 3, la estación base (12) etiquetada
como (BS1) presenta una medición de alcance etiquetada como LOS
RANGE 1 que se determina como LOS. La estación base (12) etiquetada
como (BS2) presenta una medición de alcance etiquetada como LOS
RANGE 2 que se determina como LOS. La estación base (13) etiquetada
como (BS3) presenta una medición de alcance etiquetada como NLOS
RANGE 3 que se determina como NLOS. Una medición de alcance para la
estación base LOS reconstruida etiquetada RECONSTRUCTED RANGE 3 se
envía al bloque (26). También se envían al bloque (26) las
mediciones de alcance desde estaciones base determinadas como LOS
desde el bloque (22) etiquetadas como LOS RANGE 1 y LOS RANGE 2. A
partir de las mediciones de alcance de las estaciones base LOS
reconstruidas o de las estaciones base determinadas como LOS, o de
una combinación de mediciones de alcance LOS reconstruida, puede
identificarse la estimación de localización de móvil utilizando una
técnica de reducción a polígonos convencional, tal como se describe
en la patente US 5.365.516. De manera alternativa, puede
determinarse la estimación de posición de móvil a partir de una
diferencia de tiempo de las mediciones de tiempo de llegada como la
diferencia en los retrasos de propagación entre la estación móvil
(14) y pares de estaciones base (12). En este caso, la estimación de
posición queda en la intersección de hipérbolas. El número de
estaciones base puede reducirse por debajo de tres si se dispone
también de ángulo información de llegada. Estos métodos se describen
en T. S. Rappaport y otros, "Position Location Using Wireless
Communication On Highways Of the Future" [Localización de
posición utilizando comunicación sin cables en las autopistas del
futuro], IEE Communications Magazine, octubre 1996.
Un método para identificar si una estación base
es LOS o NLOS en el bloque (22) se ilustra en la figura 4. En este
método, el historial de tiempo de mediciones de alcance entre la
estación base (12) y la estación móvil (14) se combina con una
desviación estándar predeterminada a partir del ruido de medición
convencional en un entorno de señal de radio.
El tiempo de llegada de señales enviadas desde la
estación base (12) a una estación móvil (14) y transpuestas de
vuelta a la estación base (12) puede convertirse en una medición de
alcance, en el bloque (30). La medición de alcance en la estación
número m en el momento t_{k} puede representarse como:
(2)r_{m} (t_{i}) = L_{m}
(t_{i}) + N_{m} (t_{i}) + NLOS_{m}
(t_{i})
para m = 1, ..., M i = 0, ...
K-1, en la
que
L_{m} (t_{i}) es la distancia LOS entre una
estación móvil y la estación base número m en dos dimensiones que se
obtiene por:
(3)L_{m} (t_{i}) =
|x(t_{i}) + j * y(t_{i}) - x_{m} - j *
y_{m}|;
x(t_{i}), y(t_{i}) y (x_{m},
y_{m}) son respectivamente las coordenadas de la estación móvil
en el momento, t_{i}, y las de la estación base número m; n_{m}
(t_{i}) representa el ruido de medición convencional tal como un
ruido aditivo de medición de Gauss blanco, y NLOS_{m} (t_{i})
representa un error de medición NLOS en el momento t_{i}; y
M es el número total de estaciones base; y K es el
número total de muestras de tiempo.
En el bloque (30), se obtiene una medición de
alcance LOS con ruido despreciable para la estación base (12)
respecto a la estación móvil LOS (14). La medición de alcance LOS
puede obtenerse midiendo físicamente un alcance entre la estación
base (12) y la estación móvil (14) o puede obtenerse como medición
de alcance determinada por la ecuación (1) en un entorno de ruido
despreciable. En el bloque (31), se determina una medición de
alcance con ruido como una medición de alcance que es LOS con una
estación base tomada en un entorno de ruido. En el bloque (32), se
determina la desviación estándar de la medición de alcance de ruido
a partir de la medición LOS sin ruido. Pueden predeterminarse los
bloques (30), (31) y (32) antes de identificar la estación base (12)
como LOS o NLOS en el bloque (22). La desviación estándar debida al
ruido N_{m}(t) puede representarse mediante
\sigma_{m}.
En el bloque (32), la medición de alcance
obtenida a partir del bloque (21) se suaviza modelando
(4)r_{m} (t_{i}) = \
^{N-1} \Sigma_{n = 0} \ \alpha_{m}
(n)t_{i}{}^{n}
y resolviendo los coeficientes desconocidos,
{\alpha_{m} (n)} ^{N-1} _{n = d} con una
técnica de cuadrados mínimos. La medición de alcance suavizada puede
representarse
como:
(5)S_{m} (t_{i}) = \
^{N-1} \Sigma_{n=0} \
\hat{\alpha}_{m}(n)t_{i}{}^{n}
En el bloque (34), se determina la desviación
estándar de la medición de alcance suavizada a partir de la medición
de alcance con ruido (es decir, residual). La desviación estándar de
residual a partir del bloque (34) puede representarse como
\sigma^{\circun{1}}{}_{m} ya que \sigma^{2}_{m} =
E(n^{2}_{m}(t)). Pueden utilizarse las mediciones
de alcance suavizadas junto con la medición de alcance con ruido
para determinar la desviación estándar \sigma^{\circun{1}}{}_{m}
con la formulación de:
(6)\sigma^{\circun{1}}{}_{m}
= \surd 1/k \ ^{K-1} \Sigma_{i=0} (s_{m} (t_{i}) -
r_{m}
(t_{i}))^{2}
A partir del valor de la desviación estándar
\sigma^{\circun{1}}{}_{m} y de la desviación estándar
\sigma_{m} puede determinarse la medición de alcance como el
resultado del hecho que la estación base (12) sea LOS o NLOS, en el
bloque (36). Cuando la medición de alcance presenta un error NLOS,
el valor de la desviación estándar \sigma^{\circun{1}}{}_{m} es
significativamente mayor al valor de la desviación estándar
\sigma_{m}. De acuerdo con ello, la medición de alcance para una
estación base (12) que es NLOS con la estación móvil (14) se
determina cuando \sigma^{\circun{1}}{}_{m} es superior a la
desviación estándar \sigma_{m}. Se determina una medición de
alcance de la estación base (12) que es LOS con la estación móvil
(14) cuando la desviación estándar \sigma^{\circun{1}}{}_{m} es
del orden de la desviación estándar \sigma_{m}.
De manera alternativa, puede utilizarse un método
de clasificación de análisis residual para identificar una medición
de alcance como obtenida a partir de una estación base (13) NLOS con
una estación móvil (14). Las mediciones de alcance entre una
estación móvil (12) y una estación base (14) que se han obtenido en
el bloque (21) se introducen en el bloque (41). En cada instancia de
tiempo t_{i}, las coordenadas estimadas x^_{LS}(t_{i}),
y^_{LS}(t_{i}) de la estación móvil (14) se determinan
como estimaciones de cuadrados mínimos en el bloque (41). Las
coordinadas estimadas
x^_{LS}(t_{i}), y^_{LS} (t_{i}))
se seleccionan para minimizar la formulación:
(7)F_{i} = \ ^{M}
\Sigma_{m=1} (r_{m} (t_{i}) - L^{\circun{1}}{}_{m}
(t_{i}))^{2}
en la
que
L^{\circun{1}}{}_{m} (t_{i})
= |x^{\circun{1}}{}(t_{i}) - x_{m} + j * y^{\circun{1}}{}(t_{i}) - j
*
y_{m}|.
En el bloque (41), se determina una medición de
alcance calculada a partir de las coordenadas estimadas. En el
bloque (42), se determina una diferencia residual de la medición de
alcance entre la estación móvil (12) y la estación base (14) con la
medición de alcance calculada. La diferencia residual puede
representarse como:
(8)e_{m} (t_{i}) = r_{m}
(t_{i}) - L^{\circun{1}}{}_{m}
(t_{i})
En el bloque (44), se cuenta, para cada instante
de tiempo t_{i}, el número de veces que la diferencia residual de
una medición de alcance a una estación base (12) presenta el valor
más elevado en comparación con la diferencia residual determinada
para las mediciones de alcance en otras estaciones base. Se ha
descubierto que las estaciones base que poseen una medición de
alcance entre una estación base NLOS con una estación móvil
presentan un número significativamente mayor de diferencias
residuales absolutas superiores que el número de diferencias
residuales absolutas superiores de otras estaciones base. A partir
del valor del número contado de diferencias residuales, la estación
base (14) puede definirse como una estación base (12) LOS o una
estación base (12) NLOS con respecto a la estación móvil (14).
En la figura 6 se ilustra un método para la
corrección de mediciones de alcance entre una estación base (12) que
se ha determinado como NLOS con respecto a una estación móvil (14)
para reconstruir una medición de alcance LOS. Los datos relacionados
con las mediciones de alcance a partir del bloque (21) se suavizan
utilizando un encaje polinómico de orden N descrito en el bloque
(32). Las mediciones de distancia suavizadas se introducen en el
bloque (52). La desviación máxima por debajo de la curva suavizada
debida al error NLOS se determina en el bloque (56). Se ha
descubierto que el error NLOS es una variable aleatoria no negativa
que puede representarse aproximadamente en un eje real de la manera
siguiente:
0 \leq NLOS_{m} (t_{i}) \leq
\beta
m
de manera que \betam es el valor máximo del
error NLOS. El ruido de medición estándar, n_{m}(t_{i}),
puede representarse como una variable aleatoria de media cero que
puede representarse aproximadamente sobre un eje real de la manera
siguiente: -\alpha_{m} \leq n_{m} (t_{i}) \leq
\alpha_{m}, de manera que en una medición de alcance en la que
existe también un error NLOS, el componente de ruido total puede
representarse aproximadamente sobre el eje real de la manera
siguiente:
-\alpha_{m} \leq n_{m} (t) +
NLOS_{m} (t) \leq \alpha_{m} < \beta m -
\alpha_{m}
Se ha descubierto que el punto de desviación
máxima del alcance medido más allá de la curva suavizada está sobre
\alpha_{m} más allá de la función LOS que se representa como
L_{m}(t_{i}). En el bloque (58), la curva suavizada está
desplazada matemáticamente hacia abajo hasta el punto de máxima
desviación. La curva suavizada está desplazada matemáticamente hacia
arriba mediante un valor de la desviación de ruido \alpha_{m} en
el bloque (60) para proporcionar una curva reconstruida que
representa una estación base LOS reconstruida.
En la figura 7 se representa un gráfico de una
comparación de mediciones de alcance simuladas. La curva (90)
representa la medición de alcance en tiempo real entre una estación
base (12), que es LOS con respecto a una estación móvil (14). La
curva (91) representa mediciones de alcance que se han determinado
con error NLOS. La curva (92) representa una medición de distancia
suavizada de una estación base (12) y una estación móvil (14)
determinada a partir del bloque (30) de la figura 4. La curva (93)
representa la estación base (12) que es LOS reconstruida respecto a
la estación móvil (14) a partir del bloque (60) de la figura 6.
La figura 8 es un diagrama esquemático de un
sistema (80) para la implementación del método para la estimación de
posición de móviles. El sistema (80) incluye un servidor de estación
base (81). El servidor de estación base (81) puede ser un ordenador
situado en la estación base (12) o conectado en red a la misma. El
servidor de estación base (81) comunica con la estación base (12)
para solicitar y recibir datos relacionados con las mediciones de
alcance de la estación móvil (14) y la estación base (12). El
servidor de estación base (81) también recoge información sobre
mediciones de alcance entre la estación móvil (14) y cada una de las
estaciones base (81A-81N). La información se
traspasa al servidor de estación base (81) mediante la estación
móvil (14) o los servidores de estación base
(81A-81N). Las funciones de los módulos que se
muestran en las figuras 4-6 se codifican con un
lenguaje de programación estándar, tal como el lenguaje de
programación C++. Los módulos codificados pueden ejecutarse mediante
el servidor de la estación base (81).
Los resultados de los ejemplos de estimaciones de
colocación de móvil con el sistema (80) se muestran en las tablas
I-IV y las figuras 9 a 12. En todos los ejemplos, la
posición del vehículo en el plano x-y, en un
cualquier momento, se obtiene de:
x(t) = x_{0} +
v_{x}t
y(t) = y_{0} +
v_{y}t
x(t) representa la coordenada
x en el plano x-y en el instante de
tiempo, t,
y(t) representa la coordenada
y en el plano x-y en el instante de
tiempo, t,
x_{0} representa la coordenada x inicial,
y_{0} representa la coordenada y inicial,
v_{x} representa la velocidad en la dirección
x,
v_{y} representa la velocidad en la dirección
y.
El período de obtención de muestras se eligió que
fuera de 0,5 s y se tomaron 200 muestras. La velocidad se mantuvo
constante a v_{x} = 9,7 m/s y v_{y} = 16,8 m/s. Las estaciones
base (12) se asignaron para tener mediciones de alcance NLOS o LOS.
La desviación estándar del ruido de medición estándar se representó
como \sigma_{m} era de 150 m y B_{m} se eligió como 1.300 m.
En cada ejemplo, se utilizaron tres estaciones base (101), (102),
(103) distribuidas uniformemente en torno a un círculo de 5
kilómetros y una cuarta estación base (104) se colocó en el centro
del círculo, tal como se muestra en la figura 9.
En un primer ejemplo, la estación base (101) y la
estación base (102) proporcionan mediciones de alcance NLOS y la
estación base (103) y la estación base (104) proporcionan mediciones
de alcance LOS. La desviación estándar \sigma'_{m} (m) de la
curva suavizada determinada en la figura 4 se muestra en la tabla
I.
| Base | NLOS | \sigma^{\circun{1}}{}_{m}(m) |
| 101 | Sí | 467,3 |
| 102 | Sí | 447,6 |
| 103 | No | 163,1 |
| 104 | No | 142,1 |
Los resultados indican que las estaciones base
(101) y (102) presentan mediciones de alcance NLOS con una
desviación estándar significativamente mayor que la estación base
(103) y la estación base (104) con una medición de alcance LOS.
En la figura 10A se muestra un error de rastreo
en dos dimensiones sin identificación ni corrección NLOS, y en la
figura 10B se muestra un error de rastreo en dos dimensiones después
de llevarse a cabo el método de estimación de posición de móvil
según la presente invención. Los resultados indican una mejora de la
trayectoria estimada del vehículo después de la identificación y
corrección de NLOS.
En un segundo ejemplo, las estaciones base (101),
(102), (103) y (104) presentan mediciones de alcance NLOS. La
desviación estándar \sigma^{\circun{1}}{}_{m} (m) de la curva
suavizada determinada en la figura 4 se muestra en la tabla 2.
| Base | NLOS | \sigma^{\circun{1}}{}_{m}(m) |
| 101 | Sí | 440,2 |
| 102 | Sí | 444,4 |
| 103 | Sí | 463,6 |
| 104 | Sí | 450,2 |
Los resultados indican una desviación estándar
similar \sigma^{\circun{1}}{}(m) para las cuatro
estaciones base (101), (102), (103) y (104) con NLOS.
En un tercer ejemplo, se determinaron tres
resultados utilizando x_{0} = -118,3 m, y_{0} = 3,7 m con el
método de rastreo de análisis residual que se muestra en la figura
5. En la prueba 1, la estación base (104) era NLOS. En la prueba 2,
la estación base (103) y la estación base (104) son NLOS. En la
prueba 3, la estación base (102), la estación base (103) y la
estación base (104) carecían de visibilidad directa. El número de
veces que cada estación base mostraba la mayor diferencia residual
absoluta se muestra en la tabla 3.
| Prueba | BS101 | BS102 | BS103 | BS104 | |
| 1 | LOS | 10 | 11 | 18,5 | |
| NLOS | 60 | ||||
| 2 | LOS | 18,5 | 15 | ||
| NLOS | 26,5 | 40 | |||
| 3 | LOS | 12,5 | |||
| NLOS | 20 | 40,5 | 27 |
Los resultados indican que las estaciones base
NLOS tienen mayores porcentajes de diferencias residuales.
En un cuarto ejemplo, los resultados del método
de estimación de posición de la presente invención se compararon
con un análisis de mínimos cuadrados convencional, un análisis de
mínimos cuadrados con todas las mediciones de alcance con
visibilidad directa y un análisis de Rebote Inferior Cramer Rao
convencional. El rebote inferior de Cramer Rao representa un rebote
inferior sobre el error rms de cualquier estimación no desviada. En
la tabla 4 se representa el método actual que se muestra en la
columna 2, el análisis de mínimos cuadrados convencional que se
muestra en la columna 1, un análisis de mínimos cuadrados con todas
las mediciones LOS en la columna 3 y el análisis del Rebote
Inferior de Cramer Rao convencional en la columna 4. Los errores de
posición y velocidad en cada coordenada se midieron en metros y
metros/segundo respectivamente.
| \mu_{x0} = error medio al estimar x_{0} |
| \mu_{y0} = error medio al estimar y_{0} |
| \mu_{vx} = error medio al estimar v_{x} |
| \mu_{vy} = error medio al estimar v_{y} |
| \sigma_{x0} = desviación estándar de x^{\circun{1}}{}_{0} |
| \sigma_{y0} = desviación estándar de y^{\circun{1}}{}_{0} |
| \sigma_{vx} = desviación estándar de v^{\circun{1}}{}_{x} |
| \sigma_{vy} = desviación estándar de v^{\circun{1}}{}_{y} |
| Método técnica anterior | Método según la | LOS | vCRLB | |
| de cuadrados mínimos | presente invención | |||
| \mu_{x0} | 297,8 | -3,98 | 0,17 | - - |
| \sigma_{x0} | 32,9 | 28,30 | 16,42 | 15,88 |
| \mu_{y0} | -306,1 | -2,36 | 0,54 | - - |
| \sigma_{y0} | 55,5 | 45,13 | 14,15 | 14,18 |
| \mu_{vx} | 0,18 | -0,09 | -0,005 | - - |
| \sigma_{vx} | 0,55 | 0,49 | 0,27 | 0,27 |
| \mu_{vy} | 4,49 | -0,01 | -0,005 | - - |
| \sigma_{vy} | 0,84 | 0,64 | 0,25 | 0,25 |
\newpage
Los resultados indican que el método de
estimación de posición de móvil según la presente invención reduce
significativamente la desviación de estimación en comparación con
los resultados sin corrección de error NLOS.
La figura 12 es una comparación de la
probabilidad de detectar una medición de alcance NLOS. El período
de muestreo fue de 0,5 segundos. El número de muestras varió entre
5 y 150. X_{0} fue 200 m y y_{0} fue de 100 m. La estación base
(101) y la estación base (104) eran LOS. La estación base (102) y
la estación base (103) eran NLOS. Los resultados indican que se
puede detectar NLOS con una elevada probabilidad para un pequeño
número de muestras.
Debe entenderse que las realizaciones
anteriormente descritas son ilustrativas solamente de algunas de
las múltiples realizaciones específicas posibles que pueden
representar aplicaciones de los principios de la presente invención.
Pueden elaborarse fácilmente numerosas y variadas disposiciones
distintas según estos principios por parte de los expertos en el
sector, sin apartarse del objetivo de la presente invención, tal
como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (16)
1. Método para la estimación de posición de
estaciones móviles que comprende las etapas de
a. obtener mediciones de alcance entre dicha
estación móvil y una estación base;
b. identificar si dicha estación base tiene
visibilidad directa respecto a dicha estación móvil o no tiene
visibilidad directa con dicha estación móvil en el momento en que
se realiza la estimación de localización de móvil;
c. corregir las mediciones de alcance sin
visibilidad directa para una estación base identificada como sin
visibilidad directa respecto a dicha estación móvil en la etapa b
para determinar una medición de alcance con visibilidad directa
reconstruida;
d. repetir las etapas a-c para,
por lo menos, dichas tres estaciones base; y
e. determinar dicha estimación de posición de
estación móvil desde, por lo menos, dichas tres mediciones de
distancia con visibilidad directa reconstruida determinadas en la
etapa c para las estaciones sin visibilidad directa identificadas
en la etapa b, o por lo menos dichas tres mediciones de alcance
determinadas en la etapa a para una estación base identificada con
visibilidad directa en la etapa b, o por lo menos tres de la
combinación de dichas mediciones de alcance con visibilidad directa
reconstruida determinadas en la etapa c para una estación sin
visibilidad directa identificada en la etapa b y dichas mediciones
de alcance determinadas en la etapa a para una estación base
identificada con visibilidad directa en la etapa b, o
f. repetir las etapas a-c para,
por lo menos, dos estaciones base y determinar la información de
llegada de ángulo; y
determinar dicha estimación de posición de
estación móvil desde, por lo menos, dichas dos mediciones de
alcance con visibilidad directa reconstruida determinadas en la
etapa c para las estaciones sin visibilidad directa identificadas
en la etapa b y dicha información de llegada, o por lo menos dos de
dichas mediciones de distancia determinadas en la etapa a para una
estación base identificada con visibilidad directa en la etapa b y
dicha información de llegada de ángulo.
2. Método, según la reivindicación 1, en el que
la etapa b comprende las etapas de:
obtener mediciones de alcance con visibilidad
directa entre dicha estación móvil y una estación base sin
ruido;
obtener mediciones de alcance con ruido con
visibilidad directa entre dicha estación móvil y dicha estación
base;
predeterminar una primera desviación estándar de
la diferencia de dichas mediciones de alcance con visibilidad
directa con respecto a dichas mediciones de alcance con ruido con
visibilidad directa,
suavizar dichas mediciones de alcance que se han
determinado en la etapa a;
determinar una segunda desviación estándar de la
diferencia entre dichas mediciones de alcance suavizadas y dichas
mediciones de alcance con ruido con visibilidad directa; y
discriminar si dicha estación base tiene
visibilidad directa o dicha estación base no tiene visibilidad
directa a partir de dicha primera desviación estándar y dicha
segunda desviación estándar, de manera que dicha estación base se
determina como sin visibilidad directa cuando dicha segunda
desviación estándar es superior a dicha primera desviación estándar
y como provista de visibilidad directa cuando dicha segunda
desviación estándar es del orden de dicha primera desviación
estándar.
3. Método, según la reivindicación 2, en el que
la medición de alcance obtenida en la etapa a se representa
mediante:
r_{m} (t_{i}) = L_{m}
(t_{i}) + n_{m} (t_{i}) + NLOS_{m}
(t_{i})
para m = 1, ..., M i = 0, ...
K-1, de manera
que
L_{m} (t_{i}) es la distancia LOS entre una
estación móvil y la estación base número m en dos dimensiones que
se obtiene por:
L_{m} (t_{i}) =
|x(t_{i})+j*y(t_{i})-x_{m}
-j*y_{m}|;
j = \surd-1, | | es un valor
absoluto,
x(t_{i}), y(t_{i}) y (x_{m},
y_{m}) son respectivamente las coordenadas de la estación móvil
en el momento, t_{i}, y las de la estación base número m; n_{m}
(t_{i}) representa el ruido de medición convencional tal como un
ruido de medición de Gauss blanco y NLOS_{m} (t_{i}) representa
un error de medición NLOS en el momento t_{i}; y M es el
número total de estaciones base; y K es el número total de
muestras de tiempo.
4. Método, según la reivindicación 3, en el que
la medición de alcance se suaviza mediante modelado:
r_{m} (t_{i}) = \
^{N-1} \Sigma_{n = 0} \ \alpha_{m}
(n)t_{i}^{n}
y resolviendo los coeficientes desconocidos,
{\alpha_{m} (n)} ^{N-1} _{n = 0} con una
técnica de cuadrados
mínimos.
5. Método, según la reivindicación 4, en el que
la segunda desviación estándar se representa mediante:
\sigma^{\circun{1}}{}_{m} =
\ \sqrt{1/K^{K-1} \Sigma_{i=0} (S_{m}
(t_{i})-r_{m}
(t_{i}))^{2}}
en la
que
s_{m} (t_{i}) = \
^{N-1} \Sigma_{n=0} \ \hat{\alpha}_{m}
(n)t_{i}{}^{n}
6. Método, según la reivindicación 1, en el que
la etapa b comprende las etapas de:
estimar las coordenadas de dicha estación móvil a
partir de dicha medición de alcance obtenida en la etapa a con el
paso del tiempo;
calcular una medición de alcance a partir dichas
coordenadas estimadas;
determinar un residual a partir de la diferencia
de dicha medición de alcance obtenida en la etapa a y dicha
medición de alcance calculada;
contar el número de veces que el residual es
mayor en cada estación base para cada momento de tiempo; y
definir dicha estación base como sin visibilidad
directa a partir de la estación base que posee el valor mayor de
número de ocasiones en que se contó un residual mayor.
7. Método, según la reivindicación 6, en el que
dichas coordenadas estimadas se representan mediante
x^_{LS}(t_{i}), y^_{LS}(t_{i}) en cada
instante de tiempo t_{i}, dichas coordenadas estimadas se
determinan como una estimación de cuadrados mínimos en
F_{i} = \ ^{M} \Sigma_{m=1}
(r_{m} (t_{i})-L^{\circun{1}}{}_{m}
(t_{i}))^{2}
donde L^{\circun{1}}{}_{m}(t_{i}) =
|x^(t_{i}) - x_{m}+j*y^(t_{i}) -
j*y_{m}|.
8. Método, según la reivindicación 1, en el que
la etapa c comprende las etapas de:
determinar un valor de desviación de ruido máxima
y de desviación estándar a partir de dichas mediciones de alcance
obtenidas en la etapa a y una medición de alcance con visibilidad
directa predeterminada con ruido no considerable;
suavizar dichas mediciones de alcance obtenidas
en la etapa a;
trazar una curva de dichas mediciones de alcance
suavizadas;
determinar un punto de desviación máxima de dicha
medición de alcance por debajo de dicha curva;
desplazar dicha curva hacia abajo para pasar a
través de dicho punto de desviación máxima; y
desplazar dicha curva hacia arriba en dicho valor
de desviación de ruido máxima con lo que se proporciona dicha
medición de alcance reconstruida.
9. Sistema para la estimación de posición de
estaciones móviles, que comprende:
medios para obtener mediciones de alcance entre
dicha estación móvil y una serie de estaciones base;
medios de identificación para establecer si cada
una de dichas estaciones base tiene visibilidad directa respecto a
dicha estación móvil como una estación base con visibilidad directa
o sin visibilidad directa con dicha estación móvil como estación
base sin visibilidad directa;
medios de corrección para corregir dicha medición
de alcance para cada una de dichas estaciones base sin visibilidad
directa para determinar una medición de alcance de visibilidad
directa reconstruida;
opcionalmente, medios de determinación para
determinar información de llegada de ángulo; y
medios de estimación para determinar dicha
estimación de posición de estación móvil a partir de, por lo menos,
dichas tres mediciones de alcance con visibilidad directa
reconstruida para dicha estación base sin visibilidad directa o por
lo menos dichas tres mediciones de alcance para dicha estación base
con visibilidad directa, o por lo menos, tres de la combinación de
dichas mediciones de alcance con visibilidad directa reconstruidas
para dicha estación base sin visibilidad directa y dichas
mediciones de alcance para dichas estaciones base con visibilidad
directa, o por lo menos dos de dichas mediciones de alcance con
visibilidad directa reconstruida para dichas estaciones base sin
visibilidad directa y dicha información de ángulo de llegada o por
lo menos dos de dichas mediciones de alcance para dicha estación
base con visibilidad directa y dicha información de llegada de
ángulo.
10. Sistema, según la reivindicación 9, en el que
dicho medio de identificación comprende: medios para obtener una
medición de alcance con visibilidad directa sin ruido entre dicha
estación móvil y cada una de dichas estaciones base;
medios para obtener una medición de alcance con
ruido con visibilidad directa entre dicha estación móvil y cada una
de dichas estaciones base;
medios para predeterminar una primera desviación
estándar de la diferencia de dicha medición de alcance con
visibilidad directa respecto a dichas mediciones de alcance con
ruido con visibilidad directa;
medios para suavizar dichas mediciones de
alcance;
medios para determinar una segunda desviación
estándar de la diferencia entre dichas mediciones de alcance
suavizadas y dicha medición de alcance con ruido con visibilidad
directa; y
medios para discriminar si cada una de dichas
estaciones base tiene visibilidad directa o no tiene visibilidad
directa a partir de dicha primera desviación estándar y dicha
segunda desviación estándar, donde dicha estación base se determina
como sin visibilidad directa cuando dicha segunda desviación
estándar es significativamente superior a dicha primera desviación
estándar y como provista de visibilidad directa cuando dicha
segunda desviación estándar es del orden de dicha primera
desviación estándar.
11. Sistema, según la reivindicación 10, en el
que la medición de alcance está representada mediante:
r_{m} (t_{i}) = L_{m}
(t_{i}) + n_{m} (t_{i}) +
NLOS_{m}(t_{i})
para m = 1, ..., M i = 0, ...
K-1, de manera que L_{m} (t_{i}) es la distancia
LOS entre una estación móvil y la estación base número m en dos
dimensiones que se obtiene
por:
L(t_{i}) =
|x(t_{i}) + j*y(t_{m}) - x_{m} -
j*y_{m}|;
j = \sqrt{-1}, | | es un valor
absoluto,
x(t_{i}), y(t_{i}) y (x_{m},
y_{m}) son respectivamente las coordenadas de la estación móvil
en el momento, t_{i}, y las de la estación base número m; n_{m}
(t_{i}) representa el ruido de medición convencional tal como un
ruido de medición de Gauss blanco, y NLOS_{m} (t_{i})
representa un error de medición NLOS en el momento t_{i}; y M es
el número total de estaciones base; y K es el número total de
muestras de tiempo.
12. Sistema, según la reivindicación 11, en el
que la medición de alcance se suaviza mediante modelado:
r_{m} (t_{i}) = \
^{N-1} \Sigma_{n=0} \ \alpha_{m}
(n)t_{i}{}^{n}
y resolviendo los coeficientes desconocidos,
{\alpha_{m} (n)} ^{N-1} _{n=0} con una
técnica de cuadrados
mínimos.
13. Sistema, según la reivindicación 12, en el
que la segunda desviación estándar se representa mediante:
\sigma^{\circun{1}}{}_{m} =
\sqrt{1/K^{K-1} \Sigma_{i=0} (S_{m}
(t_{i})-r_{m}
(t_{i}))^{2}}
en la
que
S_{m}(t_{i}) = \
^{N-1} \Sigma_{n=0} \
\hat{\alpha}_{m}(n)t_{i}{}^{n}.
14. Sistema, según la reivindicación 10, en el
que dichos medios de identificación comprenden:
medios para estimar las coordenadas de dicha
estación móvil a partir de dichas mediciones de alcance a partir de
una serie de estaciones base recibidas a lo largo del tiempo;
medios para calcular una medición de alcance
calculada a partir de dichas coordenadas estimadas;
medios para determinar un residual a partir de la
diferencia de dichas mediciones de alcance y dicha medición de
alcance calculada;
medios para contar el número de veces que el
residual es mayor en cada estación base para cada momento de
tiempo; y
medios para definir dicha estación base como sin
visibilidad directa a partir de la estación base que posee el valor
mayor del número de ocasiones en que se contó un residual
mayor.
15. Sistema, según la reivindicación 12, en el
que dichas coordenadas estimadas se representan mediante
x^_{LS}(t_{i}), y^_{LS}(t_{i}) en cada
instante de tiempo t_{i}, dichas coordenadas estimadas se
determinan como una estimación de cuadrados mínimos en
F_{i} = \ ^{M}
\Sigma_{m-1}
(r_{m}(t_{i})-L'_{m}(t_{i}))^{2}
donde L'm(t_{i})
=|x'(t_{i})-x_{m}+j*y'(t_{i})-j*y_{m}|
16. Sistema, según la reivindicación 10, en el
que dichos medios de estimación comprenden:
medios para determinar un valor de desviación de
ruido máxima y de desviación estándar a partir de dichas mediciones
de alcance y una medición de alcance con visibilidad directa
predeterminada con ruido despreciable;
medios para suavizar dichas mediciones de
alcance;
medios para trazar una curva de dichas mediciones
de alcance suavizadas;
medios para determinar un punto de desviación
máxima de dichas mediciones de alcance por debajo de dicha
curva;
medios para desplazar dicha curva hacia abajo
para pasar a través de dicho punto de desviación máxima; y
medios para desplazar dicha curva hacia arriba en
dicho valor de desviación de ruido máxima, con lo que se
proporciona dicha medición de alcance reconstruida.
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