CN1324191A - 无线辅助的高度测量 - Google Patents

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Abstract

公开了一种利用大气压力测量结果,更精确地测定通信设备的位置或高度的通信设备及方法。第一通信设备包括用于测量第一通信设备处的本地大气压力的压力传感器,及与第二通信设备通信的收发器,其中收发器可接收用于校准在第一通信设备处测得的本地大气压力的大气压力校准信息,和/或把测得的本地大气压力传输给第二通信设备。第一通信设备还可包括利用测得的本地大气压力和接收的大气压力校准信息,测定高度的处理器。

Description

无线辅助的高度测量
本发明涉及通信系统，更具体地说，涉及通信设备的地理定位。
诸如移动电话之类的无线通信设备的地理定位的构思已为人们熟知。目前的无线通信设备的地理定位技术包括众所周知的全球定位卫星(GPS)系统的采用和/或基于网络的解决方案，例如正向和/或反向链路三角测量技术。参见图1，图1图解说明了利用构成GPS系统的多个GPS卫星12和/或在基于网络的解决方案中使用的多个基站14，来确定移动电话16的位置的体系结构。注意，术语GPS将包括全球定位卫星系统和其它地理定位卫星系统。
上面提及的任意一种地理定位技术的缺陷之一是高度测定不精确。这种不精确性的原因仅仅是几何学。具体地说，绝大多数的信源/接收机，即基站和卫星往往位于或接近于位于水平平面中。为了获得精确的高度测定，一个或多个(最好是几个)信源/接收机应几乎在头顶上。注意如图1中所示，如果基站或卫星高于地平线的角度不大于45°，则认为基站或卫星位于或接近位于水平平面中。对于基于网络的解决方案来说，所有的基站14位于本地地平线的水平平面内，便于水平方位上的位置定位，但是不能进行垂直方位上的位置定位。对于GPS系统来说，虽然一个或多个GPS卫星12可在头顶上，但是绝大多数的GPS卫星12接近于水平平面。这样，和水平方位上的位置定位相比，在垂直方位上采用GPS系统的位置定位的精度也很不精确。此外，如果只看得到少于四个的GPS卫星，则一般不可能确定接收机的垂直位置，而与天空中卫星的位置无关。
遗憾的是，和水平方位上的位置定位相比，在垂直方位上精确地确定移动电话的位置更合乎要求。例如，如果报告了犯罪行为，并向警察提供了一组坐标(经度，纬度和高度)，几十米的水平(经度和纬度)误差基本上无关紧要，而几十米的垂直(高度)误差会把警察引到错误的楼层。即使在最佳条件下，差分GPS接收机的垂直精度常常差到几十米，差分GPS接收机是目前使用GPS卫星信号确定位置的最好的GPS接收机。
因此，需要更精确并且与其它位置测量无关地测定通信设备的垂直位置或高度。
本发明是利用大气压力测量，来更精确地测定通信设备的垂直位置或高度的通信设备和方法。就一个实施例而言，本发明是包含压力传感器和收发器的第一通信设备，所述压力传感器用于测量第一通信设备处的本地大气压力，收发器用于与第二通信设备通信，其中收发器可接收用于校准在第一通信设备处测得的本地大气压力的大气压力校准信息，和/或把测得的本地大气压力传输给第二通信设备。第一通信设备还可包括利用测得的本地大气压力和接收的大气压力校准信息，测定高度的处理器。接收的大气压力校准信息由第二(或第三)通信设备传输给第一通信设备，所述第二(或第三)通信设备可以是诸如蜂窝网络之类的无线通信网络的一部分。第二通信设备能够利用气压计或压力传感器确定大气压力校准信息，以向第一通信设备指示接收的信息是大气压力校准信息的方式传输大气压力校准信息，和/或从第一通信设备接收本地大气压力测量结果。
就另一实施例而言，本发明是一种包括下述步骤的方法，即利用压力传感器测量通信设备处的本地大气压力，并利用测得的本地大气压力及对应于所述通信设备附近的已知高度的另一大气压力测量结果的大气压力校准信息，来测定所述通信设备的高度。
参考下面的说明、附加的权利要求及附图，将更好地理解本发明的特征，本发明的各个方面及优点。
图1描绘了利用构成GPS系统的多个GPS卫星和/或在基于网络的解决方案中使用的多个基站，来确定移动电话的位置的体系结构；
图2描绘了根据本发明的与至少一个基站通信的移动电话。
本发明是一种用于利用大气压力测量结果，来更精确地测定通信设备的垂直位置或高度的通信设备和方法。这里将在确定与无线通信网络，例如蜂窝网络通信的无线通信设备的高度估计值方面来描述本发明。应理解的是，本发明同样适用于确定与其它无线设备通信的无线通信设备的高度估计值，及适用于确定有线或光纤链接的通信设备的高度估计值。此外，应明白术语蜂窝网络不应局限于在蜂窝频谱内工作的无线通信网络。
图2描绘了根据本发明的与至少一个基站21通信的移动电话20，其中基站21是无线或蜂窝通信网络的典型部分。移动电话20包含用于接收和传输信号的天线22，解调或调制信号的收发器或发射器/接收机23，处理移动电话20接收的、以及将由移动电话20传送的信号的处理器24，检测GPS(或者其它地理定位)卫星信号的GPS接收机26及压力传感器28。天线22，收发器23和GPS接收机26在本领域中众所周知。处理器24包括本领域中众所周知的典型移动电话中的绝对大数或所有处理能力，以及如同下面将说明的确定位置及校准压力传感器28测量的大气压力的处理能力。
压力传感器28是能够测量大气压力的器件，它可集成到硅芯片中。例如参见1804 McCarthy Blvd.，Milpitas，CA的SenSym Inc。出版的手册“Solid State Pressure Sensors Handbook”(1995)第iii-v页。压力传感器28把移动电话20处的本地大气压力测量结果提供给处理器24，所述大气压力测量结果可被转换成移动电话20的高度估计值或垂直位置。例如，飞机一般使用压力高度计测定它们的高度。压力高度计通过测量本地气压，并且随后借助众所周知的公式或标准的压力-幅度关系把测量结果转换成高度估计值，来确定高度(参见Concise Encyclopedia of Science and Technology，McGraw Hill，第三版(1994)，文章：“Pressure Altimeter”)。
但是，由于本地气象条件的缘故，本地大气压力会发生变化，因此只基于本地压力传感器28得到的本地大气压力测量结果的高度测定不够精确。利用本地大气压力测量结果，可计算出气压的局部变化，其中术语“大气压力”指的是用于计算气象引起的气压变化的相同海平面的压力或已校准的已知高度的大气压力。本发明通过利用大气压力校准信息，计算出由本地气象条件引起的本地大气压力的变化，以便校准压力传感器28测得的本地大气压力。
大气压力校准信息包括表示用于校准或把本地大气压力测量结果转换成更精确的高度估计值的数值的数据。大气压力校准信息以移动电话20附近，例如10-20英里内，已知高度，例如海平面处的大气压力测量结果为基础。可使用多种方式来确定大气压力校准信息。一种方式是使用具有用于测量已知高度处的大气压力的高度计29的基站21。最好，基站21接近于移动电话20，例如主基站或者与移动电话20通信的基站，从而高度计29受到和移动电话20处的压力传感器28相同的气象条件，这会得到可靠的大气压力校准信息。另一方面，可由本地气象局，或者空中交通控制中心或者其它类似的机构易于提供的大气压力数据得到大气压力校准信息。
确定大气压力校准信息的另一种方式包括首先确定移动电话20的水平位置。根据确定的水平位置，基站21可根据多个已知高度处的大气压力测量结果，计算最接近于确定的水平位置的估计大气压力，用于确定大气压力校准信息。
在本发明的一个实施例中，移动电话20借助天线22(或有线链路或光纤链路，如果通信设备不是无线通信设备)，通过无线链路，再借助下行链路信号(即，从基站21通过发射器30传送给移动电话20的信号)接收大气压力校准信息。大气压力校准信息将以向移动电话20指示接收的信息是大气压力校准信息的方式或格式被传输给移动电话20。例如，大气压力校准信息可包括识别该大气压力校准信息的唯一标识符；大气压力校准信息可被加上指示大气压力校准信息跟随其后的前缀码或首标(或者继之以一个尾标)；或者可利用特定的通信信道，Walsh码，频率和/或时隙传输大气压力校准信息。这样，基站21也可包括用于配置或格式化大气压力校准信息，以便可把大气压力校准信息和下行链路信号中的其它信息区别开的处理器32。大气压力校准信息被调制到载波信号上，并由收发器30以下行链路信号的形式被传输给移动电话20。
大气压力校准信息由收发器23从下行链路信号中解调得到，并被提供给处理器26。根据配置，格式化或者传输大气压力校准信息的方式，处理器26确定下行链路是否包括大气压力校准信息，并在把本地大气压力测量结果转换成高度估计值之前或之后，使用大气压力校准信息校准压力传感器28提供的本地大气压力测量结果。随后可把高度估计值传输给基站21。
在备选实施例中，大气压力校准信息不被传输移动电话20，移动电话20可把其本地大气压力测量结果传输给基站21，或者位于远程位置的另一具有大气压力校准信息的远程无线通信设备，其中可利用特定的通信信道，Walsh码，频率和/或时隙和/或者指示被接收的信息是属于特定移动电话的本地大气压力测量结果的特定格式，传输本地大气压力测量结果。在本实施例中，位于基站21的服务器或处理器或者远程无线通信设备，例如位置确定实体(PDE)通过利用大气压力校准信息，把本地大气压力测量结果转换为移动电话的高度估计值。随后可把该高度估计值传送回移动电话20。
如果GPS接收机26可检测到来自于不同GPS卫星的足够信号，例如四个信号，或者可检测到来自于不同GPS卫星和来自于不同的陆基信源的信号，例如，两个GPS卫星信号和两个基站信号的适当组合，GPS接收机26也可测定移动电话20的高度。以这些方式确定的高度估计值可被提供给处理器28，并且可能与基于压力传感器28的本地大气压力测量结果的高度估计值相结合，内推得到更可靠的移动电话20的高度估计值。例如，可根据从不同的GPS卫星检测到的信号的数目，或者检测到的GPS卫星信号的信号强度，对GPS接收机26的高度估计值施加加权因子，也可根据基站21和移动电话20之间的距离，对从压力传感器28的本地大气压力测量结果得到高度估计值施加加权因子。在另一例子中，如果GPS接收机26能够根据精度的几何弱化(GDOP)和GPS卫星信号强度，确定其高度估计值的估计误差，则可把这种确定与移动电话20的制造商提供的压力传感器28的误差估计值相结合，得出适当的加权因子。这种计算可由移动电话20，基站21或另诸如PDE之类的另一实体进行。
高度估计值可与由GPS接收机或者某些基于网络的解决方案或其它解决方案测定的水平位置相结合，以便提供更精确的移动电话20的位置(经度，纬度和高度)。
这里参考一些实施例说明了本发明。应明白本发明也适用于包括有线通信设备和网络的其它实施例。因此，本发明不应被局限于这里公开的实施例。

Claims (26)

1.一种通信设备，它包括：
一个测量本地大气压力的压力传感器；及
一个与另一通信设备通信的收发器。
2.按照权利要求1所述的通信设备，其中收发器接收压力传感器测得的用于校准本地大气压力的大气压力校准信息，大气压力校准信息指示校准本地大气压力测量结果的数值。
3.按照权利要求2所述的通信设备，其中通信设备是移动电话。
4.按照权利要求1所述的通信设备，其中压力传感器处于已知的高度，收发器把基于压力传感器测得的本地大气压力的大气压力校准信息传送给另一通信设备。
5.按照权利要求4所述的通信设备，其中所述通信设备是属于无线通信网络的基站。
6.按照权利要求4所述的通信设备，其中所述通信设备是位置确定实体。
7.按照权利要求4所述的通信设备，其中以向所述另一通信设备指示大气压力校准信息正被接收的方式来传输大气压力校准信息。
8.按照权利要求4所述的通信设备，其中大气压力校准信息包括用于另一通信设备识别大气压力校准信息的标识符。
9.按照权利要求4所述的通信设备，其中大气压力校准信息被加上指示大气压力校准信息跟随其后的前缀码或首标。
10.按照权利要求1所述的通信设备，其中收发器接收来自于其它通信设备的大气压力测量结果，第一通信设备还包括：
根据接收的大气压力测量结果及压力传感器测得的本地大气压力测量结果，来确定另一通信设备的高度的处理器，其中所述压力传感器位于已知的高度。
11.按照权利要求1所述的通信设备，还包括：
根据接收的大气压力校准信息及压力传感器测得的本地大气压力，来测定通信设备的高度的处理器，其中接收的大气压力校准信息指示用于校准本地大气压力测量结果的数值。
12.按照权利要求11所述的通信设备，还包括：
探测GPS卫星信号并确定通信设备的位置方位的GPS接收机，其中所述位置方位指示通信设备的水平面位置。
13.按照权利要求12所述的通信设备，其中位置方位还指示通信设备的垂直位置。
14.按照权利要求13所述的通信设备，其中处理器利用位置方位及本地大气压力测量结果，估计通信设备的高度。
15.按照权利要求1所述的通信设备还包括：
用于探测GPS卫星信号并确定通信设备的位置方位的GPS接收机，其中位置方位至少指示通信设备的水平面位置。
16.按照权利要求15所述的通信设备，其中位置方位还指示通信设备的垂直位置。
17.按照权利要求15所述的通信设备，其中收发器把位置方位及压力传感器测得的本地大气压力传输给另一通信设备。
18.按照权利要求1所述的通信设备，其中收发器把压力传感器测得的本地大气压力传输给另一通信设备。
19.一种确定通信设备的高度位置的方法，它包括下述步骤：
测量通信设备处的本地大气压力；
从另一通信设备接收大气压力校准信息，接收的大气压力校准信息指示用于校准测得的本地大气压力的数值；
利用测得的本地大气压力及接收的大气压力校准信息，来确定通信设备的高度位置。
20.按照权利要求19所述的方法，其中大气压力校准信息包括用于通信设备识别大气压力校准信息的标识符。
21.按照权利要求19所述的方法，包括下述附加步骤：
在接收大气压力校准信息的步骤之前，接收用于指示接下来将接收大气压力校准信息的前缀码或首标。
22.一种辅助确定通信设备高度的方法，它包括下述步骤：
以向通信设备指示大气压力校准信息正被传输的方式，把大气压力校准信息传输给通信设备，其中大气压力校准信息以通信设备附近的大气压力测量结果为基础。
23.按照权利要求22所述的方法，包括下述附加步骤：
在把大气压力校准信息传输给通信设备之前，确定通信设备的位置。
24.按照权利要求23所述的方法，其中所述位置指示通信设备的水平面位置。
25.按照权利要求24所述的方法，其中利用基于网络的三角测量技术确定通信设备的位置。
26.按照权利要求24所述的方法，其中从所述通信设备接收所述位置。
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