定位系統、設備和方法
2023-10-31 19:29:42
專利名稱：定位系統、設備和方法
技術領域：
本發明涉及定位系統、設備和定位的方法，並且特別涉及適於室內使用的系統、設備和方法。
發射機和接收機之間的距離可以通過以下方式來測量在該發射機和該接收機之間發送信號，測量該信號的飛行時間，和根據該信號的速度計算距離。如果利用在發射機上的時鐘測量出發時間，並且到達時間利用在接收機上的時鐘測量，那麼從到達時間減去出發時間計算的距離僅在這些時鐘被精確地同步時才是精確的。否則，計算的距離將是「偽距」，其定義為測量的時間偏移乘以信號速度。
為了在三維中精確地測量位置，使用移動單元和多個基站之間的偽距。通常，如果移動單元時鐘具有未知的時間偏移，則使用四個偽距，因為定位問題具有四個未知數，即，在x、y和z方向中的位置以及在發射機和接收機之間的時鐘偏移。
例如，在全球定位系統(GPS)中，在GPS接收機中接收來自四個衛星的無線電信號，以便能夠進行精確的定位，因為該GPS接收機將具有未知的自衛星的時鐘偏移。如果該問題僅僅是二維的，即，獲得在房間的地板上的位置，那麼僅需要三個基站。
但是，需要一個以上的基站是不方便的，而僅僅需要一個發射機或者基站將更為方便。
一種定位的方法是使用小區ID(Cell ID)，其中移動單元鄰近一個基站，並且該移動單元位置僅使用該基站位置作為它自己的位置。例如，如果這種方法應用於具有30m範圍的藍牙信標，那麼該定位準確度將是30m。這種定位準確度水平通常是不可接受的，尤其在室內。而且，能夠在多個不同的位置之間進行鑑別的系統需要與不同位置數目相同數量的基站，並因而這種方法實際上沒有降低需要的基站的數目。
另一種定位方法是「多路徑指紋識別」。例如，美國無線公司(USWireless Corp)已經建議一種供行動電話使用的多路徑指紋識別系統。在著書時，在網址http//www.uswcorp.com上提供了一些細節。簡單地說，行動電話發出呼叫，並且來自該行動電話的信號在基站上接收。作為多路徑效應的結果，尤其是在城市環境中建築物的反射，來自行動電話的信號以多個具有不同信號強度和時間延遲的不同分量抵達基站。基站測量這些分量的信號強度和時間延遲。基站連接到一個資料庫，該資料庫包含用於該基站範圍內的每個位置的這些參數的可能值，例如，5m的解析度。基站計算在測量的接收分量和存儲在資料庫中的值之間的最佳擬合(fit)，以估計行動電話位置。這個系統被認為精確到大約100m。
但是，該系統需要多路徑分量的精確資料庫，而這需要將移動單元置於範圍內的每一個可能位置，並且對於每個可能位置測量在發射機中接收的信號分量的時間延遲和信號強度。這是費時的並因此是昂貴的，而且對於室內使用的系統有可能是抑制性地昂貴。此外，如果環境產生變化，需要重複測量。
因此，仍然需要將所要求的基站數目減到最少的定位系統。
按照本發明，提供了一種定位方法，使用具有發射機的發射機設備和具有接收機的接收機設備，其中第一個設備是在已知位置上的基準設備，而其中另一個是在未知位置上的測試設備，使用多個在已知位置上的反射器，該方法包括從發射機發送信號到接收機，該信號具有多個經由反射器或者直接地從發射機傳播到接收機的信號分量；在接收機中接收發送信號的多個信號分量；測量這些信號分量的到達時間；利用信號分量從中反射的反射器，識別信號分量；和通過將測量的信號分量的到達時間與識別的反射器的已知位置和基準設備的位置相擬合，計算未知位置。
與多路徑指紋識別不同，按照本發明的方法不需要實驗確定來自範圍內的每個位置的多路徑指紋，繼之以比較測量的指紋與先前在每個位置上記錄的指紋，以確定最佳擬合。
相反地，該方法利用多個反射器的位置的知識。通過利用反射器識別信號分量，反射器的已知位置可以用於計算未知位置。
在優選的實施例中，該方法包括測試利用反射器的分量識別的多個排列(permutation)，並且識別給出最佳擬合的排列。
可以依次測試每個可能的排列。這是最簡單的方法。
做為選擇，該方法可以包括選擇可能排列的子集，並且隨後依次測試選擇子集中的每個排列。
特別地，該方法可以包括在接收機中測量信號分量的入射角，並且基於入射角信息選擇排列的子集。
最佳擬合可以僅僅使用信號分量的接收時間。做為選擇，最佳擬合計算可以包括試圖為每個排列計算出未知位置，並且排除沒有給出解答或者給出不太可能或者古怪解答的排列。例如，對接收機位於其中的房間或區域的大小的了解使得解答是在那個房間或區域之內，於是可以拒絕不在房間或者區域中的解答。因此，可以對多個排列重複識別分量和計算未知位置的步驟，並且似乎真實或可能的未知位置和與測量的抵達時間的良好擬合的組合被選擇為最佳擬合。
除了測量分量的到達時間之外，該方法還可以包括測量接收的信號分量的信號強度，其中利用反射器識別分量的步驟包括擬合接收的信號強度與期望的接收信號強度值。這可以使用以前的每個反射器的尺寸和反射率的知識來完成。
有必要測量多個獨立信號分量的到達時間。這可以以許多已知的方法來完成。但是，超寬帶信號尤其適合於這樣的測量，因為信號帶寬越大，精確地確定多路徑分量和抵達時間就越容易。因此，優選的實施例包括發送超寬帶信號作為發送的射頻信號。
發射機可以周期性地發送。以這種方法，可以有規律地確定未知的位置。
在另一個方面中，提供一種用於在已知位置上具有多個反射器的環境中使用的定位系統，包括用於發送信號的發射機；用於接收發送信號的多個信號分量的接收機，每個信號分量直接地從發射機或者間接地從反射器接收，該接收機包括用於測量信號分量的到達時間的裝置；和位置伺服器，包括用於存儲發射機和接收機之一的巳知位置和用於存儲多個反射器的巳知位置的裝置，以及用於根據從中反射相應信號分量的反射器識別多個接收的信號分量和通過擬合測量的接收信號分量的到達時間與存儲的巳知位置來計算發射機和接收機之中的另一個的未知位置的裝置。
按照本發明的另一個方面，提供了一種位置伺服器，用於根據在接收機上測量的多個接收的信號分量的到達時間來計算發射機或者接收機之一的未知位置，其中多個接收的信號分量是由發射機發送的信號產生的，該位置伺服器包括用於存儲發射機和接收機之一的巳知位置和用於存儲多個反射器的巳知位置的裝置，以及用於根據從中反射相應信號分量的反射器識別多個接收的信號分量和通過擬合測量的接收信號分量的到達時間與存儲的巳知位置來計算發射機和接收機之中另一個的未知位置的裝置。
在接收機和位置伺服器之間的連接可以是直接的或者通過任何方式，諸如藍牙、802.11b等等。當然，在實施例中，該位置伺服器可以與接收機的一部分定位在同一地點。
在位置伺服器與移動單元分離的情況下，位置伺服器可以跟蹤移動單元，在這樣的情況下，發射機應周期性地發送信號。
該發射機也可以連結到網絡。
在實施例中，發射機(而不是接收機)可以與位置伺服器定位在同一地點。
現在將參考附圖僅僅作為例子來描述本發明的特定實施例，其中
圖1示出按照本發明的一種系統的示意圖；和圖2示出本發明第一實施例的操作的流程圖；和圖3示出本發明第二實施例的操作的流程圖。
參看圖1，發射機2被設置在室內環境中。該發射機2具有天線10、收發信機12和控制系統14。
在巳知位置上提供多個反射器6。這些反射器可以包括室內環境的自然特徵，諸如牆壁以及故意放置的安裝在選擇位置上的射頻反射器。
未知位置的接收機4具有天線20、收發信機22和包括處理器26與存儲器28的控制系統24。
提供位置伺服器8，其具有包括處理器36和存儲器38的控制系統34。該存儲器38包含資料庫39，其列出發射機2和反射器6的位置和用於執行位置計算的代碼37。位置伺服器8需要與接收機4通信，並且在示出的實施例中，位置伺服器具有它自己的天線30和收發信機32。
在可供選擇的實施例中，位置伺服器8可以經由網絡連接到發射機2，並且可以經由發射機與接收機4通信。做為選擇，位置伺服器8可以通過在發射機2或者接收機4中包含必要的代碼37和反射器位置數據39而被集成到發射機2或者接收機4中。
使用中，從發射機2的天線10發送超寬帶信號40(步驟50)。使用這樣的信號，使得更容易確定信號分量的到達時間。那些本領域技術人員將不難理解「超寬帶」。特別地，該信號最好具有大於500MHZ的帶寬。
接收機4拾取這個信號的多個分量42。分量42之一是從發射機2直接傳播到接收機4的直接分量44，其它分量42是經由反射器6傳播的間接分量46。
接收機4確定(步驟52)這些分量42的抵達時間。技術人員將知道若干解析該分量和確定到達時間的方法，因此這將不進一步進行描述。可能性包括用於擴頻信號或者超寬帶寬信號的RAKE接收機或者基於軟體的相關器，諸如在教科書例如由McGraw-Hill出版的JGProakis的「Digital Communications」第三版中描述的。然後，接收機4將時間發送(步驟54)給位置伺服器8。然後，位置伺服器8中的代碼37用於計算接收機4的位置。
應當注意到，沒有必要測量每個分量的到達時間。可能有許多的分量，許多分量非常弱。所需要的是測量多個有意義分量的到達時間。
第一個抵達的分量將是直接分量44，而稍後的分量將是間接分量46。
令τ0是測量的直接分量44的到達時間，並且τi(i＝1，2，…，n)是測量的將被進一步考慮的n個間接分量46的到達時間。這些可以是例如十個最有意義的分量。令(xT，yT)是發射機的巳知位置，並且令(xj，yj)(j＝1，2，…，N)是N個反射器的巳知位置。如果每個反射器正好產生一個信號分量，那麼n＝N，但是這不是實質性的。假定在發射機和接收機上的時鐘之間的時間偏移是tC。令未知的接收機位置是(xu，yu)。光速是c。
控制直接分量44的抵達時間τ0的等式是
c0=(xT-xU)2+(yT-yU)2+ctc.---(1)]]>控制n個間接分量46的抵達時間τi(i＝1，2，…n)的等式是ci=(xT-xi)2+(yT-yi)2+(xi-xU)2+(yi-yU)2+ctc---(2).]]>雖然這些等式呈現為二維，但是技術人員將容易地能夠將它們擴展到三維。
如果信號i＝1...n的反射器的位置(xi，yi)是已知的，則這些等式可以通過多個巳知方法的任何一個諸如Manolakis方法或者特別地Newton方法，很容易地求解(xu，yu)。如果測量了比求解這些方程式所需更多的分量，即，對於如同上述的三個未知數(xu，yu，tC)測量了3個以上的分量，可以使用最小平方技術，GPS系統中使用的就是這後一項技術。問題是，以上的方程式是根據n個信號分量(i＝1...n)的反射器位置，並且不會立即知道n個信號分量中的哪一些對應於N個反射器(j＝1...N)的哪一些。
因此，需要確定哪一些分量對應於哪一些反射器。
按照本發明的第一個實施例，這是通過在第一個排列中將n個信號分量分配給N個反射器(步驟56)並且嘗試基於這個分配來計算(步驟58)未知位置而實現的。然後，對於n個信號分量和N個反射器的(n，N)排列中的每一個，重複這個步驟(步驟59)。例如，如果n＝N＝5，將有5！＝120個假設要檢查。
然後，對於每個排列，位置伺服器確定(步驟60)結果(如果有的話)是否是似乎真實的。通常，結果將不是這樣的。根據該結果，可以確定似真性。如果存在比未知數更多的等式，那麼，如上所述，可以使用最小平方法來找到答案。在後一種情況下，也可以通過等式的兼容性的統計測量來確定似真性。因此，時常將只有一個排列給出似乎真實的結果。如果巳知用戶是在發射機的範圍之內，這允許選擇最好的結果。在一個以上的方程式組給出答案的不太可能的事件中，可以選擇最靠近於發射機位置的結果。
然後，這個結果被發回給接收機4(步驟62)，如果在接收機需要該信息的話，或者根據需要發回給某一其他位置。
在這個實施例的一種變化中，接收機4測量接收的信號分量42的信號強度，並且確定結果是否是似乎真實的步驟(步驟60)包括確定接收的信號強度與特定反射器相關的似然性，以選擇適宜的解答。這可以包括使用反射器6的反射率和尺寸的先驗知識。
在另一個實施例(圖3)中，在求解方程式之前，從初始的(n，N)減少排列的數目。因此，在分配排列和執行計算之前，執行選擇適宜排列的另一個步驟(步驟64)。在一種方案中，使用信號強度信息來執行選擇步驟64。
在這個方案的一個優選版本中，接收機測量每個信號分量42的入射角信息。然後，位置伺服器8使用這個信息去選擇(步驟64)反射器和信號分量的可能排列。
在可供選擇的方案中，發射機位置可能是未知的，而接收機位置是巳知的。仍然可以使用相同的方案。
本發明不局限於室內使用，並且也可以在存在或可以放置適宜反射器的環境下在戶外使用。
可以使用任何適宜的信號，尤其包括無線電信號或者超聲波信號。
通過閱讀當前公開內容，其他的變化和改進對於本領域的技術人員來說將是顯而易見的。上述的變化和改進可以涉及在定位系統的設計、製造和使用中已經公知的，並且可以用來代替或者增加此處已經描述的特點的等效物及其他的特點。雖然在這個申請中已經對於特性的特殊組合闡述了權利要求，但是應該理解，本申請公開的範圍也包括任何新穎特性，或者此處顯式或隱式公開的特性的新穎組合，或者其任何概括，不管其是否如本發明一樣減輕任何或者所有相同的技術問題。
權利要求
1.一種定位方法，使用具有射頻發射機(12)的發射機設備(2)和具有接收機(22)的接收機設備(4)，其中第一個設備是在已知位置上的基準設備，而另一個是在未知位置上的測試設備，在已知位置上使用多個反射器，該方法包括從發射機(2)發送信號到接收機(4)，該信號具有多個經由反射器或者直接地從發射機(2)傳播到接收機(4)的信號分量；在接收機(4)中接收發送信號的多個信號分量；測量信號分量的到達時間；利用信號分量從中反射的反射器，識別信號分量；和通過將測量的信號分量的到達時間與識別的反射器的已知位置和基準設備的位置相擬合，計算未知位置。
2.根據權利要求1的定位方法，包括測試信號分量對反射器的分配的多個可能排列，並且識別信號分量對信號分量從中反射的反射器的分配的排列，其中該排列給出計算的信號分量的到達時間與測量的信號分量的到達時間之間的最佳擬合，和/或允許未知位置的解答，和/或給出計算的未知位置與可能的未知位置之間的最佳擬合。
3.根據權利要求2的定位方法，其中依次測試利用反射器識別信號分量的每個可能排列。
4.根據權利要求2的定位方法，進一步包括選擇可能排列的子集，並且隨後測試選擇的子集的排列。
5.根據權利要求4的定位方法，包括在接收機(4)中測量信號分量的入射角，並且基於入射角信息選擇排列的子集。
6.根據任何一項前面權利要求的定位方法，進一步包括測量接收的信號分量的信號強度，其中利用反射器識別信號分量的步驟包括擬合接收的信號強度與期望值。
7.根據任何一項前面權利要求的方法，其中信號是射頻信號。
8.根據權利要求7的定位方法，包括發送超寬帶信號作為發送的射頻信號。
9.根據任何一項前面權利要求的方法，其中從測量的到達時間中計算發射機或者接收機的未知位置的步驟通過求解以下的聯立方程式來完成c0=(xT-xR)2+(yT-yR)2+ctc---(1)c1=(xT-xi)2+(yT-yi)2+(xi-xR)2+(yi-yR)2+ctc---(2)]]>對於i＝1...n其中τ0是測量的直接信號分量的到達時間；τ，(i＝1，2，...，N)是測量的N個間接信號分量的到達時間；(xT，yT)是發射機的位置；(xR，yR)是接收機的位置；(xi，yi)(i＝1，2，...，n)是利用第i個信號分量識別的反射器的位置；tc是接收機時鐘相對於發射機時鐘的未知時鐘偏移；和c是光速。
10.一種用於在已知位置上具有多個反射器(6)的環境中使用的定位系統，包括用於發送信號的發射機(2)；用於接收發送信號的多個信號分量的接收機(4)，每個信號分量或者直接地從發射機接收或者間接地從反射器(6)接收，該接收機(4)被安排為測量信號分量的到達時間；和位置伺服器，包括用於存儲發射機(2)和接收機(4)之一的已知位置和用於存儲多個反射器(6)的已知位置的裝置(39)，以及用於根據從中反射相應信號分量的反射器(6)識別多個接收的信號分量和通過擬合測量的接收信號分量的到達時間與存儲的已知位置來計算發射機(2)和接收機(4)之中另一個的未知位置的裝置(36)。
11.一種位置伺服器，用於根據在接收機(4)上測量的多個接收的信號分量的到達時間計算發射機(2)或者接收機(4)之一的未知位置，其中多個接收的信號分量是由發射機(2)發送的信號產生的，該位置伺服器包括用於存儲發射機(2)和接收機(4)之一的已知位置和用於存儲多個反射器(6)的已知位置的裝置(39)，以及用於根據從中反射相應信號分量的反射器(6)識別多個接收的信號分量和通過擬合測量的接收信號分量的到達時間與存儲的已知位置來計算發射機(2)和接收機(4)之中另一個的未知位置的裝置(36)。
12.根據權利要求11的位置伺服器，進一步包括發射機(2)。
13.根據權利要求11的位置伺服器，進一步包括接收機(4)。
14.根據權利要求11、12或者13之中任何一項權利要求的位置伺服器，以集成電路來實現。
全文摘要
一種定位系統、設備和方法包括發射機(2)、接收機(4)和多個反射器(6)。信號被直接和經由反射器(6)從發射機發送到接收機。位置伺服器(8)通過利用反射器(6)識別信號分量(40)來計算發射機或者接收機的未知位置。
文檔編號H04W64/00GK1729407SQ200380107064
公開日2006年2月1日 申請日期2003年12月9日 優先權日2002年12月19日
發明者S·R·多利 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司