借助用于提高定位准确性的移动和/或机载传感器以及用于识别无线设备位置的实时高空影像的使用的商业无线定位系统(WLS)的增强

具体实施方式

移动LMU-增强的WLS提供了独特的定位解决方案，其允许在各种移动平台上实施无线定位技术，包括基于航空和陆地的实施。此外，移动LMU-增强的WLS可给用户提供新类型的定位能力以增强现有平台的功能和特点。基于网络的解决方案可使用称为定位测量单元(LMU)的接收器，其可安装在蜂窝基站上。类似于无线电信号三角测量，无线电话或其它设备的定位包括称为上行链路到达时间差或U-TDOA的处理方法。

图1示出部署为在商业GSM网络上的覆盖的例证性WLS100的结构。WLS100的组件包括LMU120、包含无线定位处理器(WLP)170和无线定位网关(WLG)180的服务移动定位中心(SMLC)160、以及Abis监控系统(AMS)150。LMU120是在载波的蜂窝基站部署的主要组件。LMU120然后将所收集的数据转发到SMLC160。网络中的LMU120优选地通过使用全球定位网络(没有显示)在时间和频率上同步。

WLS使用用户识别、无线电信道分配和在Abis接口检测的其它控制信息来识别哪个GSM无线电脉冲群要被测量，以确定呼叫者的位置。用于计算该位置的无线电信号数据可通过E1/T1回程在LMU120和SMLC(WLP)170之间传输。系统还包括基站收发器(BTS)110、基站控制器(BSC)140和移动交换单元(MSC)130。

SMLC的两个主要子系统，无线定位处理器(WLP)170和无线定位网关(WLG)180可由商业现货供应的组件构成。SMLC160一般被定位在载波的交换位置，但它可被远程分布到任何位置。

无线定位处理器(WLP)170优选地为高容量定位处理平台。WLP170包含用于计算位置、置信区间、速度和传播方向的多径抑制算法(multipathmitigation algorithm)和U-TDOA。WLP170还可根据来自Abis监控系统(AMS)150的触发或来自L_b接口的对基础架构供应商的基站控制器(BSC)140(或在一些情况下为MSC130)的请求来确定定位哪个无线电话。WLP170一般在操作员的BSC140被共同定位，但也可被远程分布。WLP170的主要功能是从LMU120接收关于信号检测的报告、执行定位处理、计算每个信号的定位估计以及与关于定位记录的WLG180通讯。

WLG180管理网络并提供对定位记录的载波访问。WLG180负责定位记录的收集和分配。WLG180还保留配置信息并支持网络管理。WLG180可位于任何集中式装置例如网络操作中心、交换装置或其它安全装置中。

AMS150持续监控GSM网络中的所有Abis信令链接190(在一些情况下为A接口链接195)，AMS150连接到Abis信令链接190。AMS150的功能是为无线设备捕获GSM呼叫建立过程中的消息。然后AMS150将包含在那些消息中的数据发送到WLG180，以用于随后的定位处理。(见美国专利号6,782,264B2，2004年8月24日，“Monitoring of Call Informationin a Wireless Location System”)

网元管理系统(EMS)组件(没有显示)是WLS的主要操作员接口。EMS使WLS操作员能够执行网络管理、有限的系统配置管理、警告管理和故障隔离。EMS包括服务器和多个客户机，并使用WLG180连接到WLS。作为EMS操作员控制台的EMS客户机可向网络内所有元件提供各种级别的接入。

图2示出移动LMU-增强的WLS200的示例性结构。图2包含的元件类似于上面参考图1描述的元件。这些元件被完全相同地标注，且为了简洁而省略了它们的说明。图2与上面参考图1描述的WLS100类似地运行，除了移动LMU225通过发射器/接收器226将定位数据传输到示例性系统200中的WLP170的发射器/接收器276。在该结构中，连接到LMU225和WLG180的收发器为系统提供回程功能。移动LMU225可以是被最低限度地改变以包括外部GPS模块(没有显示)的常规LMU120。GPS模块可提供移动LMU的三维位置。GPS模块还可提供移动LMU225的三维向量方向和速度以及未改装的LMU120所需要的频率参考、定时和同步。

SMLC160根据由参与定位和速度估计的固定LMU120和移动LMU225提供的数据来分析和分辨目标移动电话的多普勒分量。SMLC160执行该功能以标准化检测移动电话传输的所有LMU的所检测的频率(即，每个LMU优选地在互相关过程期间计算出多普勒频率)。SMLC160还可执行该功能以向终端用户应用程序提供目标移动单元的无线电方位的方向和速度的增值信息。

当移动LMU225本身在运动中时，移动LMU225的附加多普勒分量在估计目标移动电话的位置和速度期间被优选地确定和补偿。每个发射信号到SMLC160的移动LMU225可包括附加信息，该信息包含处在与SMLC160的标准通讯中的移动LMU225的位置和速度读数。在移动LMU225和SMLC160之间的通讯链接例如可为64kbps(DS0)的低反应时间信道。缓冲可加在链接的两端以适应数据包丢失和重发。

示例性移动LMU225可放置在各种平台上以提供灵活的覆盖。例如，如果示例性移动LMU225放置在航空器上，则该航空器可包括一定的互连以帮助其运行。此外，移动平台可装配有成像装置(没有显示)，以提供在移动平台的视野范围内的周围地区的影像。该影像可与LMU所接收的定位数据结合使用，以准确检测无线设备的位置。

图3是根据本发明描述移动LMU330的示例性部署配置的示意图。互连可包括用于双波段移动LMU330、外部GPS接收器320、安装在机身上的外部GPS天线装置器370、成像装置350和成像处理单元355的功率、在航空器上可提供天空的清晰视野的位置处的机载GPS天线370的配线导管、在航空器上可提供地面的清晰视野的位置处的双波段上行链路/下行链路天线接口单元340的安装在机身上的外部蜂窝-PCS天线装置器380、以及用于与基于地面的SMLC(没有显示)通讯的到通讯链接360的天线互连390。基于地面的装置还可给地对空通讯提供基于航空器的通讯链接360。与基于地面的SMLC通过界面连接的该装置可允许SMLC控制并分派任务给移动LMU330，以从移动LMU330获得用于定位处理的数据。

移动LMU330可通过无线电链接取得与SMLC的连接性。例如，高速X波段802.11b通讯链接可提供这样的连接性。进一步地，可使用到移动LMU的单个低反应时间64kbps数据管道(data pipe)。这两种系统元件可用30毫秒缓冲器改装以考虑数据包丢失和重发延迟。航空器还可装配有帮助检测无线设备的位置的成像装置350和成像处理单元355。成像装置350和成像处理单元355可与移动LMU结合使用，或可用于单独补充静止的LMU120。为了以后观看，图象处理单元还可包括用于记录图像和储存图像的记录设备和储存单元。

U-TDOA定位算法通过测量在不同接收器站点的信号到达时间差来计算发射信号的移动电话或类似设备的位置。移动单元在与移动电话和每个接收器之间的传输路径的距离成比例的时刻发射被不同的接收器接收的信号。U-TDOA算法不需要知道移动电话何时发射信号；相反，它使用接收器对之间的时间差作为基本测量，产生如图4示意性示出的双曲线数据。图4表示对于所测量的时间差，手持机离每个接收器的所有可能的距离的示例性视图。两个或更多双曲线的交叉点表示发射信号的移动电话的位置。

图5描述确定发射信号的无线电话的位置的WLS的示例性曲线。无线设备的位置由U-TDOA双曲线的交叉点示出。

WLS优选地为高容量基于定位的服务设计。WLS可使用任何可利用的定位资源(U-TDOA、AOA、AGPS(有协助的GPS)和功率测量)，以尽可能准确和最有收益地执行所请求的定位。在各种以市场为导向的定位应用和服务的预测中，例证性系统使用抽象原理来将所有的定位请求描绘成一系列触发和任务，按需要分配必要的定位资源。因此，系统可将移动LMU和公共安全功能仅仅作为另一基于定位的服务来处理。

系统可用于各种公共安全应用情况。例如，系统可用于要求“全部网络支持”的情况，其中无线操作员的网络包括在正常商业部署条件下的WLS，且目标区域当前被商业LMU部署覆盖。系统还可用于要求“部分网络支持”的情况，其中系统安装只包括基于中心局的SMLC和AMS。虽然可出现商业上部署的LMU，但LMU的覆盖区域可能与目标覆盖区域不一致。因此，可能需要额外的LMU(即，移动LMU)来覆盖所关心的区域。在这种情况下，无线操作员可不提供移动LMU到SMLC的回程和疏导(grooming)。进一步地，系统可用于被指定为“没有网络支持”的情况，其中WLS被独立部署。在这种情况下，WLS通过第三方信号截接(intercept)/解密(decrypting)监控系统从无线操作员的网络或从类似的系统来获得所需的任何数据。

移动LMU可能需要满足部分网络和没有网络支持的应用情况。移动LMU提供灵活性，因为它们可被部署到在马上期望覆盖的目标区域中可能目前没有例如商业上部署的LMU的地区。移动LMU还可在WLS中填充空间，其中，例如为了维护的目的而停用商业LMU。

移动LMU可为陆地或机载的。移动LMU可实现为完全移动的(例如安装在飞机中)或作为临时的安装(例如车载基站或COW，或安装在软式飞船(blimp)上)。

我们现在将描述一种方法，其可用于提高移动LMU检测弱的、嘈杂的、和/或被干涉破坏的嘈杂的期望信号的能力。

通过其较高功率延迟复制来增强低功率信号

很多在多用户通讯网络中的网络控制器将从来自用户终端的传输接收的数据重发回该终端，作为验证与网络控制器通讯的终端就是该用户的方法。关于不需要的干涉和噪声，通过增强终端的信号，这可用于对帮助定位无线终端(例如移动电话或类似的无线设备)产生良好效果。(在无线通讯网络如GSM网络的情况下，服务的BTS可作为网络控制器，因此执行重发功能。)这种情况的出现是因为网络控制器的信号通常比直接从功率限制的移动终端发射的信号更易得到和强大。下列例子说明了这个概念。

考虑包括分布在一个地理区域各处的多个基站收发器的无线GSM网络，GSM网络在该地理区域上提供无线通讯覆盖。在无线网络中基站的密度由许多因素决定。通常，基站可在其大致的附近地区为很多无线终端服务，因此，无线终端的密度比基站的密度大得多。用到达时间差(TDOA)定位无线终端可产生一个过程，该过程包括在多个时间同步的接收站点接收无线终端的信号，以及使在这些站点的每个处的信号与该信号的复制相互关联以测量准确的到达时间(TOA)，这又可用于计算TDOA。(例如见美国专利号5,327,144，1994年7月5日，“Cellular Telephone LocationSystem”；以及美国专利号6,047,192，2000年4月4日，“Robust，Efficient，Localization System”。)然而，得到期望信号(SOI)，即，无线终端的信号的优良的复制通常很难，因为接收站点位于无线终端的相当远的距离处，且SOI以低信噪比(SNR)为特征，即，SOI可能是低功率的，并被来自其它无线终端以及其它噪声的干涉所破坏。然而，这些弱的、被干涉破坏的信号可被成功地检测出并被打上时间戳，以便通过将打上时间戳的存储器以由上述美国专利描述的方式合并入接收站点来实现无线终端的定位。

通过接收SOI并将其储存在存储器中以及在以后的某个时间从网络控制器接收信号，可根据本发明使用类似的处理方法。在无线终端已经将其信号传输到网络控制器之后，SOI的更有效复制的网络控制器的传输可被影响以促进匹配的复制相关，以便成功地检测SOI，其中它可能否则太弱或被破坏而不能用于定位处理。这是可能的，因为网络控制器的信号通常更强并更少地被干涉破坏。因此，无线终端传输可由从网络控制器的信号接收的信息重建，并用于相关过程以在每个接收站点增强储存在带有时间戳的存储器中的SOI。总之，该方法的关键方面是在接收站点接收低功率移动终端的信号、将它们储存在带有时间戳的存储器中、在以后的时间从网络控制器接收SOI的更有效的复制、以及通过使用网络控制器的SOI的较高保真度的复制来在存储器中增强SOI的相关处理。该处理方法可包括使“强”信号解调以恢复被RF信号传输的数字数据，然后重新调制数据以便提供SOI的高保真度的复制象最初由要被定位的移动终端所传输的一样。通过使LMU接收的RF信号的储存副本与高保真度的RF信号复制相关或互相关，可以确定SOI的准确到达时间。这允许在不可能定位的情况中通过TDOA确定定位。

我们现在处理定位移动终端(MS)的问题，其利用来自飞行器(airbornevehicle)和无人驾驶飞行器(UAV)的基于商业领地的GSM无线网络，而没有任何来自网络的连接或关联。可为了例如法律实施/军事/情报应用而进行这项工作。通过确定SOI的特性可处理该问题，以便它可用于TDOA/FDOA和类似的信号处理。上述技术可用于通过监控基站收发器到移动设备的传输来提取SOI的特性。在GSM网络中，移动站(MS)通过控制信道信号来与BTS相互作用，以实现成功的无线电话呼叫和数据传输。为了某些无线业务，BTS在收到自MS接收的数据之后立即在控制信道上重复该数据。例如，当移动设备发起呼叫时，移动设备在控制信道上传输到BTS的CM＿SERV＿REQ消息中的数据在对所述移动设备的BTS的恰好下一个传输中被重复而回到所述移动设备。因为在地理区域上BTS的密度一般比在同一地理区域上移动设备的密度小得多，且BTS比移动设备以更大的功率的传输，并比移动设备利用更有效的天线，BTS传输一般比移动设备的传输更容易在地理区域上的机载平台中接收到。因此，UAV将接收从BTS到移动设备的传输，且从这些接收到的传输中提取移动设备的信息。该信息可用于通过UAV中的无线电接收器来增强移动设备的传输的接收。然而，在移动设备传输该信息之后BTS传输它，所以一种机制用来在UAV记录移动设备的传输，因此在该信息被UAV从BTS接收之后可处理这些传输。这个处理方法的基本步骤是：(1)在UAV从移动设备接收和记录传输；(2)在UAV从BTS接收和记录传输；(3)从来自BTS的传输提取移动设备的信息；以及(4)利用该信息以增强从移动设备接收的传输。

本方法还可应用于在UAV上自适应天线阵列的使用，以同时在UAV增强移动设备的信号，而且通过由自适应天线阵列提供的空间过滤来在相同的频率上减少来自不希望有的移动设备的干扰的影响。

用于在机载(或基于地面的移动设备)LMU中改进信号检测的处理方法的例证性实现可包括在所有所涉及的UAV上使用上行链路和下行链路接收器，所述UAV覆盖期望的频带。这在图6的流程图中示出。上行链路和下行链路接收器通过使用GPS定时接收器彼此时间和频率同步。步骤包括：

1.以期望的GSM网络的设计使UAV中的接收器同步(400)。

2.在主要的UAV上从BTS接收AGCH传输，这通知期望的移动设备频率和时隙以用于与BTS通讯(410)。

3.将上行链路接收器调整到从AGCH得到的频率和时隙信息，并开始记录上行链路数据(420)。

4.开始记录BTS下行链路数据(430)。

5.在UAV上从BTS接收传输，该传输是先前从移动设备传输的数据的复制，且现在根据其上行链路传输被记录(440)。

6.从BTS下行链路传输提取移动设备的信息，并利用它来增强在每个UAV储存的SOI(450)。

7.用TDOA/FDOA和/或类似的技术来定位移动设备(460)。

结论

本发明的确切范围不限于这里公开的例证性和目前优选的实施例。例如，无线定位系统的前述公开使用解释性的术语，如网络控制器、LMU、BTS、BSC、SMLC等等，其不应被这样解释以致于限制本申请的保护范围，或否则暗示无线定位系统的创造性方面限于所公开的特定方法和装置。而且，正如本领域技术人员所理解的，这里公开的很多创造性方面可应用于不以TDOA技术为基础的定位系统。在这样的非TDOA系统中，上述SMLC不需要执行TDOA计算。类似地，本发明不限于使用以特定的方式构造的LMU的系统，或使用特定类型的接收器、计算机、信号处理器等的系统。LMU、SMLC等本质上是可编程的数据收集和处理设备，其可采取各种形式而不偏离这里公开的创造性概念。假定快速降低数字信号处理和其它处理功能的成本，例如为了特定的功能将该处理从这里所述的一个功能元件(如SMLC)传递到另一个功能元件(如LMU)而不改变系统的创造性实施无疑是可能的。在很多情况下，这里所述的实现的位置(即，功能元件)仅仅是设计者的喜好，而不是硬性要求。因此，除非它们可能被特意地如此限制，保护范围不意味着限于上述特定的实施例。

此外，这里对控制信道或语音信道的任何参考指所有类型的控制或语音信道，无论对特定空中接口的优选术语是什么。而且，有很多在全世界使用的更多类型的空中接口(如IS-95CDMA、CDMA2000、UMTS和W-CDMA)，且除非指明国家，没有从本说明书中描述的发明原理排除任何空气接口的意图。实际上，本领域技术人员将认识到，在其它地方使用的其它接口是上面描述的接口的派生或在种类上与之类似。