專利名稱：使用分布式傳感器網(wǎng)絡的精確定位的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明的一些實施例涉及隱藏對象和線狀公用傳輸工具的精確位置的領域，具體 地，涉及使用分布式傳感器網(wǎng)絡的精確定位。
背景技術(shù)：
在埋地管或隱蔽管和其他公用設施以受限路權(quán)共處于管道中的許多情況下(尤其是在人口稠密的城區(qū)環(huán)境中)，對地下基礎設施進行精確定位和跟蹤是很困難的。在那些區(qū)域，可以使用有源偶極發(fā)射機(有時稱“探針”)來跟蹤地下管道的路徑，或者在部署新公用線路期間跟蹤地下定向鉆探工具的路徑。類似地，將有源信號置于線狀公用傳輸工具(線纜和管)上，以有利于根據(jù)信號對特定線路進行精確定位，來自非目標線路的相似信號通常使所述信號發(fā)生失真。傳統(tǒng)的精確位置系統(tǒng)使用各種方法來計算線路或探針發(fā)射機的位置。最經(jīng)常地，由位于遠離感興趣定位區(qū)域的點處的發(fā)射機為線路供能，在所述感興趣定位區(qū)域中，所述線路是可訪問的。對于探針的情況，設備自身是電池操作的有源發(fā)射機，被放置、牽引、鉆探或推送至感興趣定位區(qū)域。精確位置接收機監(jiān)測發(fā)射機發(fā)射的信號，并導出相對于目標線路或探針的偏移、深度和距離的估計。如果整個系統(tǒng)在地上并且不受信號路徑中金屬障礙的顯著影響，一些精確位置系統(tǒng)(又稱實時定位系統(tǒng)(RTLS))使用超寬帶(UWB)技術(shù)。對于UWB定位系統(tǒng)，使用GHz范圍內(nèi)的短波長射頻(RF)脈沖來測量從發(fā)射機源到每個接收機的時延估計，根據(jù)該時延估計使用已知的傳播速度(即，光速)來確定距離。備選地，進行路徑損耗測量，只要發(fā)射機功率已知，由于已知全向電場信號強度隨距離指數(shù)衰減，因而可以根據(jù)路徑損耗測量推斷距離。使用較低頻率范圍來進行信號強度測量，但對于在發(fā)射機和接收機之間的信號路徑中存在障礙的情況導致糟糕的精度結(jié)果?；赪iFi的RTLS是采用多個分布式接收機的基于信號強度的地上定位系統(tǒng)的典型事例。在任一類型的RTLS系統(tǒng)中，這些測量被用作多邊定位算法的輸入，以計算發(fā)射機的位置。對于地下和水下精確位置問題，必須將RF發(fā)射機頻率限制為小于IOOkHz以避免大的路徑損耗。由于檢測范圍在一米到幾十米之間，優(yōu)選檢測磁場的傳感器，這是由于在低頻處通過保持固定電流流經(jīng)地下線狀傳輸工具(如，線纜或管線)或點源(如，偶極天線)，磁場能夠被嚴格控制在發(fā)射點。對于固定電流，所發(fā)射的AC磁場強度是穩(wěn)定的，并且能夠以物理模型表征。點源(如，探針發(fā)射機)遵循隨距離以Ι/r3衰減的偶極場模型，而線狀傳輸工具遵循場強隨距離以Ι/r衰減的圓筒模型。因此，需要更好、更精確的定位設備。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)此處公開的實施例，一種用于確定發(fā)射機對象的位置和朝向的方法，可以包括以下步驟使用一個或多個接收機在空 間內(nèi)測量復電磁場強度幅度和相位值的集合。該方法還可以包括對處于當前估計的發(fā)射機對象的位置和朝向的預期復電磁強度的集合進行建模，預期電磁場值的集合與發(fā)射機對象的位置相對于一個或多個接收機的模型相對應。該方法還可以包括基于所測量的復電磁場值的集合與預期電磁場值的集合之間的殘差，來估計與發(fā)射機對象的位置相關(guān)的參數(shù)。此處公開的另一實施例包括通過以下方式來確定發(fā)射機對象的位置和朝向的方法在包括發(fā)射機對象的有限空間內(nèi)配置多個接收機；配置每個接收機的位置；以及使用多個接收機中的至少一個測量復電磁場幅度和相位強度的集合。該方法還可以包括對處于當前估計的發(fā)射機對象的位置和朝向的預期復電磁強度的集合進行建模，預期電磁場值的集合與發(fā)射機對象的位置相對于一個或多個接收機的模型相對應。該方法還可以包括基于所測量的復電磁場值的集合與預期電磁場值的集合之間的殘差，來估計與發(fā)射機對象的位置相關(guān)的參數(shù)。根據(jù)此處公開的實施例，一種傳感器網(wǎng)絡，可以包括控制器和接收機，所述接收機包括用于接收來自RF源的RF信號的線圈檢測器，每個接收機的線圈檢測器具有相互正交的軸。該傳感器網(wǎng)絡還可以包括接收機，向控制器提供信息，以定位RF信號的源。此外，在一些實施例中，接收機使用無線信道與控制器通信，并且接收機可選地彼此通信；以及控制器具有接收機的位置信息。此外，根據(jù)此處公開的實施例，一種用于檢測遠程位置處的RF源所產(chǎn)生的RF信號的接收機可以包括結(jié)構(gòu)元件，具有有限長度；以及兩組相互正交的線圈檢測器，每組線圈檢測器被置于結(jié)構(gòu)元件的任一端，所述線圈檢測器和所述結(jié)構(gòu)形成本地坐標系。該接收機還可以包括朝向傳感器，用于確定本地坐標系相對于外部坐標系的朝向；3維位置測量單元，用于確定本地坐標系相對于接收機外部的一個或多個點的位置；以及無線接口，用于與傳感器網(wǎng)絡中的其他設備通信。下面參照以下附圖進一步討論上述和其他實施例。


圖I示出了與本發(fā)明的一些實施例一致的、分布在定義空間中的各個位置的多軸偶極接收機模塊的拓撲，形成了傳感器網(wǎng)絡。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的線路對象的位置。圖3示出了偶極型發(fā)射機的坐標系。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的接收機的框圖。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的發(fā)射機的框圖。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的、關(guān)系到未知位置處的發(fā)射機的分布式集合和接收機模塊的基于控制器的精確位置跟蹤系統(tǒng)。圖7示出了與本發(fā)明的一些實施例一致的、基于控制器的精確位置跟蹤系統(tǒng)的處
理流程。圖8示出了根據(jù)一些實施例的桿配置下的接收機的示例。圖9示出了根據(jù)一些實施例的、使用桿式接收機的基于控制器的精確位置跟蹤系統(tǒng)的配置。圖10示出了根據(jù)一些實施例的、包括具有定位系統(tǒng)和處理器的建造設備在內(nèi)的基于控制器的精確位置跟蹤系統(tǒng)。在圖中，具有相同標記的元素具有相同或相似的功能?！?br> 具體實施例方式精確位置技術(shù)基于針對依據(jù)公用線路或偶極天線預料的磁場的物理模型，對來自許多傳感器的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。該方法消除了將測量設備運到與公用線纜或管有關(guān)的具體點以確認位置的需要。傳統(tǒng)儀器為了確認管線或線纜位置而找到信號中的“峰值”或“零”。采用精確位置方法，設備僅需近似位于附近，以便以相應的置信邊界計算位置。不管在輻射場中的位置如何，使用三維(3-d)磁場傳感器、三軸加速度計和數(shù)字羅盤，該方法識別相對于地下公用設施的偏移、深度、距離、趨向和偏航角。結(jié)合專業(yè)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)，即使公用設施的中心線路在柵欄后或被不可通行的植被覆蓋，也可以實時自動地對公用設施位置進行地理參照。此外，檢測到的場失真(通常是基于磁場的測量存在的問題)被摻入所報告的位置誤差。在采用這樣的精確位置方法的傳統(tǒng)系統(tǒng)中，必須在暴露于從線狀公用傳輸工具或偶極點源發(fā)射的磁場下的區(qū)域上采集同步測量。這些測量中的每個測量必須共享公共物理參考幀和相位參考。對于先前公開的方法，這涉及在移動平臺上安裝3-d傳感器，并依賴于發(fā)射機給予的相位參考信號。接著，在精確位置引擎的計算前，當設備穿過磁場時，采集一系列尚散測量。本發(fā)明的實施例涉及用于估計目標對象在復雜電磁環(huán)境中的重復、實時的精確位置的方法和裝置。具體地，本發(fā)明的一些實施例允許在所要定位的對象的檢測接收機和發(fā)射機之間的幾何關(guān)系不限的情況下，毫無疑義地確定重復的三維位置。由于單個接收機在感興趣區(qū)域中位移，一些實施例不依賴于連續(xù)測量的采集。本發(fā)明的實施例應用于精確定位系統(tǒng)領域，其中，在局部區(qū)域中，使用物理上分離的接收機的集合測量由發(fā)射機的集合產(chǎn)生的已知偶極磁場的集合，并且發(fā)射機內(nèi)部或外部的處理系統(tǒng)能夠連續(xù)跟蹤每個發(fā)射機目標對象在區(qū)域內(nèi)的精確位置。備選地，相同的接收機集合能夠協(xié)作，以精確定位發(fā)出輻射的線狀傳輸工具，如，地下管線或纜線。在一些實施例中，被跟蹤對象可以向位于已知位置的接收機發(fā)射電磁場輻射。在這樣的系統(tǒng)中，可以通過測量來自相對于固定多軸接收機的集合處于未知位置處的發(fā)射機所產(chǎn)生的信號的電磁場強度，來定位被跟蹤對象。接收機使用一個或多個電磁線圈傳感器，對來自處于假設位置的發(fā)射機產(chǎn)生的信號的預期電磁強度的集合進行建模。對于接收機中的每一個電磁線圈傳感器，可以獲得與偶極發(fā)射機的給定位置的模型相對應的預期電磁場值的建模集合?？梢曰诮邮諜C處的電磁場值的測量集合和預期電磁場強度的建模集合之間的殘差，來獲得與偶極發(fā)射機的未知位置有關(guān)的參數(shù)的估計。在殘差已收斂至最小容限后，確定最終估計參數(shù)集合。在一些實施例中，接收機的集合所測量的場強度是復值的，包括幅度和相位，并且在其他實施例中僅測量幅度。與本發(fā)明的一些實施例一致的，一種用于確定被跟蹤對象、資產(chǎn)或人(攜帶偶極發(fā)射機)的位置的方法包括使用已知位置處的檢測器或接收機來測量從被跟蹤對象發(fā)射的電磁場強度的集合。在該情況下，在接收機的位置處對來自被跟蹤對象產(chǎn)生的信號的電磁場強度進行建模，以確定被跟蹤對象的位置。根據(jù)此處公開的實施例，接收機的傳感器網(wǎng)絡可以分布在體中，以確定偶極天線(探針定位系統(tǒng))或線路(線路定位系統(tǒng))的位置。在一些實施例中，探針或?qū)Ь€耦合至以某一頻率發(fā)射電磁輻射、并具有已知相位的發(fā)射機。在其他實施例，發(fā)射機可以具有未知相位，但使用一個固定接收機處的測量作為系統(tǒng)的相位參考。結(jié)合包括處理器電路的控制 器使用包括接收機的傳感器網(wǎng)絡，所述接收機被耦合為檢測發(fā)射機提供的頻率處的電磁輻射。傳感器網(wǎng)絡向控制器提供對發(fā)射機所產(chǎn)生的電磁場的測量?？刂破魇褂锰幚砥麟娐份斎雭碜悦總€接收機的測量和接收機的已知位置，以找出發(fā)射機的未知位置。根據(jù)一些實施例，傳感器網(wǎng)絡中的接收機、發(fā)射機和控制器之間的通信可以經(jīng)由無線網(wǎng)絡發(fā)生。圖I示出了根據(jù)一些實施例的探針定位系統(tǒng)100的幾何結(jié)構(gòu)。如圖I所示，四個3軸接收機101-1至101-4被置于封閉空間內(nèi)的彼此相對的已知位置。具有偶極天線的單個發(fā)射機102可以在空間內(nèi)移動。還如圖所示，發(fā)射機102可以與無線控制器103通信。接收機101-1至101-4中的每一個可以包括多軸檢測器。在一些實施例中，接收機101-1至101-4中的每一個包括三個相互正交的線圈。在一些實施例中，接收機101-1至101-4中的每一個包括由桿分開的兩組三正交線圈，從而形成桿式接收機。在一些實施例中，接收機101-1至101-4可以與無線控制器103通信。發(fā)射機102可以包括發(fā)射具有幅度和相位的電磁場的偶極天線。在一些實施例中，發(fā)射機102可以包括多于一個偶極天線，例如，彼此垂直取向的三個偶極天線。在這樣的情況下，三個偶極天線中的每一個可以在單獨的頻率下提供偶極電磁場，在該情況下，接收機101-1至101-4可以被配置為基于頻率將每個偶極天線與發(fā)射機102加以區(qū)分。發(fā)射機102可以稱為探針，并且因此與圖I 一致的精確位置系統(tǒng)的實施例可以稱為探針位置系統(tǒng)100。雖然在圖I中示出四個接收機101-1至101-4，可以存在對發(fā)射機102進行定位的任意數(shù)目的接收機。例如，可以使用三個接收機101-1至101-4來定位發(fā)射機102。如圖I所示，無線控制器103可以采集接收機101-1至101_4測量到的所有電磁場強度數(shù)據(jù)，并基于該數(shù)據(jù)對發(fā)射機102相對于接收機101-1至101-4的位置進行建模。在一些實施例中，可以將接收機101-1至101-4之一用作無線控制器103。在一些實施例中，無線控制器103可以是用于接收和顯示數(shù)據(jù)的獨立中心。與一些實施例一致,探針發(fā)射機102的精確定位系統(tǒng)包括具有至少一個電磁線圈檢測器的接收機101的網(wǎng)絡。接收機101被配置為測量探針發(fā)射機102中的偶極天線所產(chǎn)生的電磁場幅度和方向。發(fā)射機102的偶極軸可以相對于接收機101中電磁線圈檢測器的軸處于任意朝向。接收機101中的線圈檢測器可以提供正交或幅度信號，該正交或幅度信號指示與檢測到的發(fā)射機偶極相關(guān)的測量的編碼電磁場強度的集合。在一些實施例中，可能需要定位多于一個探針發(fā)射機(或目標發(fā)射機)102。此外，可能同時定位探針和一個或多個線狀公用傳輸工具。在鉆探操作期間必須避開關(guān)鍵管線的定向鉆探應用中可能如此。因此，在每個時刻需要精確地知曉鉆探工具的位置和管線的位置。在這樣的情況下，每個發(fā)射機102可以發(fā)送具有特定標識碼的信號。接收機101中的碼解調(diào)器可用于對接收機處看到的各發(fā)射機信號進行解擾。在一些實施例中，接收機101和發(fā)射機102包括通過無線網(wǎng)絡耦合至控制器103的數(shù)據(jù)信道。數(shù)據(jù)信道可以給控制器103提供接收機101沿每個偶極軸測量的場強度值。此外，源自發(fā)射機102的數(shù)據(jù)信道可以向控制器103提供發(fā)射機正在發(fā)出的信號的功率電平值?？刂破?03可以包括軟件，用于在假設發(fā)射機102的假設位置的情況下對接收機的位置處的預期復電磁強度的集合進行建模。預期電磁場值的集合對應于固定多軸接收機和與發(fā)射機的未知位置有關(guān)的估計參數(shù)(如，發(fā)射機的位置和朝向)的集合的模型。獲得復電磁場值的測量集合與預期復電磁場強度的建模集合之間的殘差。并且，在殘差已收斂至最小容限后，確定針對發(fā)射機的未知位置的最終估計參數(shù)集合。在其他實施例，可以通過傳感器網(wǎng)絡中的每一個接收機上的軟件來確定估計參數(shù)集合。
根據(jù)與圖I 一致的一些實施例，發(fā)射機102可以操作于低頻區(qū)域。由于低頻(LF)以及使用磁場來產(chǎn)生和感測偶極場集合這一事實，本發(fā)明的一些實施例直接適用于通常對操作于高得多的頻率下的其他精確位置方法提出精度挑戰(zhàn)的復雜的室內(nèi)(工業(yè)、辦公室、住宅)和戶外環(huán)境。本發(fā)明的一些實施例還可以補償場失真(尤其在室內(nèi)定位系統(tǒng)中)。在用于戶外定位系統(tǒng)的實施例中，電磁場失真對定位目的的影響不大，因而可以不必應用失真補償方法。與此處公開一致的一些實施例可以包括線路定位設備。這樣的線路定位設備和方法可以如Gudmundsson等人于2005年4月6日遞交的、轉(zhuǎn)讓給Metrotech Corporation公司的美國專利7，356,421公開的那樣，該專利的全部內(nèi)容通過引用合并于此(以下稱為專利‘421)。此外，用于線路定位的設備和方法可以Schlapp等人于2004年5月6日遞交的、轉(zhuǎn)讓給Metrotech Corporation公司的美國專利7，057, 383公開的那樣,該專利的全部內(nèi)容通過引用合并于此(以下稱為專利‘383)。在一些實施例中，線路定位設備可以包括多個空間分布的接收機和發(fā)射機，如圖2中具體描述的那樣。圖2示出了根據(jù)一些實施例的線路定位系統(tǒng)200。線路定位系統(tǒng)200可以包括需要精確定位的傳導元件201 ;耦合至元件201的發(fā)射機210 ;多個定位器220-1、220-2 ;以及無線控制器103。元件201可以包括地下電力線、管或管道、或其中具有傳導性元件的建造結(jié)構(gòu)。例如，傳導元件201可以是隧道，沿該隧道鋪設有電線。在一些實施例中，傳導元件201可以是通常用于鋼筋混凝土或水泥結(jié)構(gòu)的金屬框架的一部分。根據(jù)一些實施例，發(fā)射機210將電流信號稱合到傳導兀件201上。電流信號具有可由無線控制器103精確控制和監(jiān)測的頻率和相位。根據(jù)系統(tǒng)200的一些實施例，無線控制器103可以如以上結(jié)合圖I所述的那樣。雖然傳導元件201可以位于地下，但發(fā)射機210可以位于地上，直接在地上的連接箱或者通過挖掘找到已知位置處的元件201與元件201耦合。發(fā)射機210還可以與元件201感應耦合，在元件201中產(chǎn)生時變電流。定位器220-1和220-2可以包括接收機電路，所述接收機電路具有用于確定電磁場的檢測器222。例如，檢測器222可以包括在時變磁場的存在下提供電信號的線圈。定位器220可以處理檢測器222所提供的電信號，并且處理結(jié)果可以通過無線方式發(fā)送至控制器103，以供進一步處理。雖然圖2僅示出了兩個定位器220-1和220-2，與圖2公開的概念一致的一些實施例可以包括更多數(shù)目的定位器220?？梢允褂萌我鈹?shù)目的定位器220。此外，定位器220-1和220-2的位置可以是移動的或者固定的。根據(jù)給定應用中所需的精度和深度，定位器220之間的距離可以是幾厘米(cm)或若干米(m)。只要定位器220能夠感測信號，傳感器網(wǎng)絡中的“節(jié)點”或定位器220的數(shù)目越大，則測量將越精確。其他約束(如，成本和部署邏輯)可能限制在傳感器網(wǎng)絡中使用的“節(jié)點”的數(shù)目。使用包括多個分布式定位器220在內(nèi)的傳感器網(wǎng)絡提供了以下附加優(yōu)勢使孤立傳感器220被放置得彼此相距更遠，并位于較好的測量位置。由于傳感器網(wǎng)絡的分布式屬性，每個設備的組成因素不限制測量的最終精度。具體地，在線路定位系統(tǒng)的情況下，令多個傳感器220彼此相隔較遠可以提供進一步的深度靈敏度。分布式傳感器網(wǎng)絡對位于可訪問區(qū)域以外的目標提供了改進的“外圍視野”，這是由于在該情況下磁場形狀的幾何多樣性要求測量體的擴展。公用傳輸工具位于正常檢測距離界限以外的這樣的情形的示例可以是公用管道位于建筑物、河流下或私人領地上。有時，不可能使用現(xiàn)有方法精確來檢測傳輸工具的深度、偏移和距離?！ぴ谂c精確探針定位系統(tǒng)100或精確線路定位系統(tǒng)200 —致的一些實施例中，可以定位地下結(jié)構(gòu)。例如，可以使用與圖I一致的實施例來跟蹤為非法交易貨物或藥品而建造的隧道。在這樣的實施例中，精確位置跟蹤系統(tǒng)可用于跟蹤攜帶探針發(fā)射機的機器人。在一些應用中，在利用發(fā)射機信號為管線供能后，可以通過將接收機220置于河岸上(幾十米地隔開)，來定位從下方穿過河流的較深管線。根據(jù)與圖I 一致的實施例，雪崩易發(fā)區(qū)域中的滑雪者可以攜帶諸如發(fā)射機102(磁偶極發(fā)射機)的信標，作為雪崩事故中的安全措施。萬一雪崩將攜帶信標的滑雪者掩埋，如果未受影響的同伴在與圖I 一致的無線網(wǎng)絡中部署了連接在一起的磁偶極接收機101，則可以有利于救援操作。在與圖I 一致的探針定位系統(tǒng)中，可以在移動過程中使用以下處理來精確估計和跟蹤發(fā)射機102的3維位置用以下矢量來描述每個偶極軸發(fā)射機的位置A = I .V. r. r. O. φ\ ⑴其中，x、y和z在本地坐標中定標，一個任意發(fā)射機位置被選為本地坐標系的控制點，使得在該位置，矢量A被定義為
;Θ是發(fā)射機102關(guān)于χ軸的俯仰角；φ是發(fā)射機102關(guān)于偶極軸的偏航角。與一些實施例一致，用于跟蹤移動發(fā)射機102的位置的方法包括根據(jù)起始點和下一估計位置來估計發(fā)射機102的計劃路徑。此外，該方法可以包括向具有電磁線圈檢測器的接收機101的集合傳送發(fā)射機102的標識碼。接收機101中的至少一個電磁線圈檢測器被配置為使用發(fā)射機102的標識碼測量發(fā)射機102所產(chǎn)生的電磁場幅度和相位。接收機101中的電磁線圈檢測器可以相對于偶極發(fā)射機102的軸處于任意朝向。在本發(fā)明的一些實施例中，可以使用軟件模型來跟蹤未知發(fā)射機參數(shù)(如，位置和朝向)。所述軟件可以包括發(fā)射機102從一個測量點到另一個測量點的位置和朝向的改變率的動態(tài)模型。還可以在軟件模型中包括將發(fā)射機102的位置和朝向的改變率與根據(jù)場強估計的位置相結(jié)合的裝置(如，卡爾曼濾波器)。在一些實施例中，還由一個或多個運動傳感器來支持該動態(tài)模型。如圖I和圖2公開的精確位置跟蹤系統(tǒng)包括接收機的集合(在圖I中為101，在圖2中為220);以及發(fā)射機的集合(在圖I中為102，在圖2中為210)。根據(jù)圖1(2)中所示的實施例，接收機101(220)可以具有已知位置，并且可以是固定(不動)或移動的。在一些實施例中，反之亦然；即，多個發(fā)射機可以具有已知位置，并且接收機可以具有待確定的未知位置。在一些應用中，可以存在具有未知位置的多個獨立的發(fā)射機102(參見圖I)或210(參見圖2)。 在一些實施例中，可以使用磁場強度(或“H場”)而非更典型的電場強度(或“E場”)來進行位置估計。被稱為低頻率場測距(LFFR)的示例性實施例是操作于低頻RF段中的有源方法。LFFR模型可以操作于20Hz至IOOkHz的頻率范圍中。在此處所述的一些實施例中，對于合理確定的頻率范圍，發(fā)射機和接收機偶極環(huán)形天線高效操作，穩(wěn)定(發(fā)射機)，并且具有合理的靈敏度(接收機)。圖3示出了發(fā)射機301的坐標系。發(fā)射機301可以是空間中被分配以位置矢量A
的任一發(fā)射機，并且發(fā)射機302是空間中被分配以位置矢量A [χ y, ζ θ，φ](參見式(I))的任一不同的發(fā)射機。在設置接收機陣列101-1至101-Ν時使用的坐標系可以是“右利手的”。即，χ在y行進方向的右側(cè)為正，ζ從原點向上為正，y從原點向前為正，角度符號由“右手準則”限定。在一些實施例中，坐標系在基于地的系統(tǒng)中固定(即，參照地理位置)。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的接收機101的框圖。如圖4所示，接收機101可以包括接收天線402、放大器403和耦合至處理單元406的信號處理電子裝置404。來自處理單元406的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射機408以無線方式發(fā)送至控制器/處理器103。在一些實施例中，無線發(fā)射機408可以是用于數(shù)據(jù)通信的ZigBee 收發(fā)機或Bluetooth 收發(fā)機。在接收天線402處測量的電磁場以及發(fā)射機102的標識碼可以被發(fā)送至控制器/處理器103。在一些實施例中，使用處理單元406來計算估計參數(shù)(參照式(1))，允許估計參數(shù)經(jīng)由顯示器(未示出)顯示在接收機上，而在其他實施例中在遠程控制器上完成計算。根據(jù)與圖4 一致的一些實施例，接收機101可以包括多于一個接收天線402。例如，接收機101可以包括沿相互垂直的軸取向的三個接收天線402-1、402-2和402-3。一些實施例可以包括兩個接收天線或多于三個接收天線。根據(jù)一些實施例，接收天線402-1至402-3是如上結(jié)合線路定位系統(tǒng)200中的檢測器222所述的線圈。在如圖4所示的具有三個相互垂直的天線的實施例中，可以測量發(fā)射機102產(chǎn)生的電磁場的三個相互垂直的分量。因此，在電磁地圖中可以使用更完備的方程組，從而可以獲得對發(fā)射機102的估計參數(shù)的更精確的計算(式(I))。圖5不出了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的發(fā)射機102的不例。如圖5所不,發(fā)射機102包括偶極天線510。在一些實施例中，天線510可以包括多個相互正交的偶極天線。在一些實施例中，偶極天線510包括具有初級繞組、鐵氧體環(huán)狀磁心和低阻次級回路的變流器。偶極天線510耦合至驅(qū)動器508。數(shù)字發(fā)射機504通過無線接口 502與控制器103通信。發(fā)射機102可以向控制器103提供信息(如，通過偶極天線510發(fā)送的信號的功率電平)。發(fā)射機102還可以向控制器103提供定時信號，以便控制器103建立探針系統(tǒng)100中的發(fā)射機102和接收機101之間的相位差。根據(jù)一些實施例，可以將固定接收機之一指定為系統(tǒng)的相位參考。在一些實施例中，接收機101-1至101-N均同時以所定義的載頻解調(diào)編碼序列，所述載頻與感應耦合在發(fā)射機和接收機環(huán)狀線圈之間的H場兼容。使用直接擴頻序列(DSSS)，可以向每個發(fā)射機分配唯一的編碼序列。接收機(具有接收信號中的可能序列的先驗知識)可以向控制器103發(fā)送測量到的信號，每個編碼序列對應于接收機101中的每個檢測到的發(fā)射機。當發(fā)射機是有源的且在接收機的位置具有足夠的信號強度時，該接收機的相關(guān)將以特定時延達到峰值。該特定發(fā)射機的場強是測量點處的場強的幅度縮放版本，并且時延是信號相位的度量。備選地，對于較少數(shù)目的發(fā)射機，可以使用頻分復用(FDM)技術(shù)來區(qū)分發(fā)射機。
圖6示出了具有多個發(fā)射機目標對象102-1和102-2 (雖然可以存在任意數(shù)目的發(fā)射機目標102)和多個接收機101-1至101-4(雖然可以存在任意數(shù)目N個接收機101)的精確定位系統(tǒng)600的操作。在未知的發(fā)射機位置(即，發(fā)射機102-1或102-2的未知位置)，與已知碼序列足夠好地相關(guān)的測量到的接收機的場強和相位被分組為3 χ M的矩陣，其中，M是檢測發(fā)射機(102-1或102-2)的接收機的數(shù)目。在如圖6所示的一些實施例中，可以使用多于一個發(fā)射機102。在這樣的情況下，每個發(fā)射機102-1和102-2對偶極天線510 (參見圖5)在對于給定發(fā)射機唯一的特定頻率發(fā)射的信號進行編碼。這樣，接收機101和控制器103將能夠使某一測量與特定發(fā)射機或發(fā)射機102關(guān)聯(lián)。一些實施例可以使用碼分復用技術(shù)來區(qū)分不同發(fā)射機或發(fā)射機102所提供的信號。其他實施例可以在不同發(fā)射機之間使用信號的相位來區(qū)別不同發(fā)射機。在一些情況下，可能不存在來自接收機101的3個測量，從而測量的總數(shù)可能小于3M。根據(jù)一些實施例，這些值由接收機101使用無線發(fā)射機408 (參見圖4)發(fā)送至控制器103?？刂破?03將來自接收機101的測量與根據(jù)由3維位置和發(fā)射機相對于每個接收機軸的相對朝向(俯仰角、偏航角)組成的假設參數(shù)矢量計算的場強的建模集合進行比較。對于Johan Overby> James ffaite>Kun Li 和Dimitar Gargov 的、轉(zhuǎn)讓給Metrotech Corporation的美國專利申請 No. 12/315，696 “Precise Location and Orientation of a ConcealedDipole Antenna”(其全部內(nèi)容通過引用合并于此)中的優(yōu)化方法，基于來自所有檢測接收機的電磁場值的測量集合與預期電磁場強度的建模集合之間的殘差，相對于未知位置估計新的參數(shù)矢量，其中，在殘差已收斂至最小容限后確定最終的估計參數(shù)集合。磁場失真能夠使任何依賴于磁場形狀的固定物理幾何模型以導出物理參數(shù)的定位方法產(chǎn)生偏差。例如，在用于室內(nèi)應用的探針系統(tǒng)100的實施例中，各個偶極發(fā)射機輸出能夠與建筑物內(nèi)的結(jié)構(gòu)元件(例如，金屬托梁結(jié)構(gòu)或鋼筋加固)感應耦合。來自這些感應耦合源的發(fā)射機信號的再輻射能夠使通量線失真，偏離測量點的理想偶極形狀，導致定位誤差。傳統(tǒng)系統(tǒng)易于受這樣的失真的影響，并且缺少用于檢測何時存在場失真以及位置估計何時可能具有較大誤差的機制。在與線路定位系統(tǒng)200 (參見圖2) —致的實施例中，接收機220-1和220_2可以部署在戶外環(huán)境中。在這樣的實施例中，同室內(nèi)系統(tǒng)相比，電磁場失真可能不那么顯著。傳統(tǒng)發(fā)射機定位方案不向用戶提供與對發(fā)射機位置的確定相關(guān)聯(lián)的誤差界。雖然在GIS和大地世界中習以為常，系統(tǒng)尚未采用普遍接受的誤差聲明，如，RMS精度(I-ο誤差)、精度衰減因子、或3維位置的95%置信界限。由于本地場失真的緣故，當使用未適應于本地條件的物理模型時任何特定位置估計的精度可能發(fā)生偏差。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的用于基于控制器的精確位置跟蹤系統(tǒng)的對發(fā)射機目標102進行定位的算法700。算法700可由包括在控制器103中的處理器電路執(zhí)行，或由接收機101之一中的處理器406(參見圖4)執(zhí)行。在一些實施例中，可以在板(board)接收機101上執(zhí)行算法700的一些或全部，并且將得到的位置顯示在接收機上和/或報告給控制器103以進行存儲和跟蹤。如圖7所示，處理起始于步驟702，此時，由控制器103從接收機101接收數(shù)據(jù)。在步驟704中，確定來自每個檢測接收機101的信號強度的標識。在步驟706中，執(zhí)行基于模型的優(yōu)化，將發(fā)射機目標102置于產(chǎn)生觀察場的位置。在一些實施例中，該建模涉及確定接收機的位置處的預期復電磁強度的集合。按照檢測到的發(fā)射機目標的集合以所估計的發(fā)射機目標的位置和朝向所產(chǎn)生的那樣，對復電磁強度進行建模。對于接收機101集合中的一個或多個電磁線圈傳感器，在步驟707中獲得與發(fā)射機目標集合的模型相對應的預期電 磁場值的集合。在步驟708中可以提供使用因環(huán)境因素引起的場失真模型，對所估計的位置和朝向進行校正。在室內(nèi)環(huán)境中用于失真校正的步驟708可能是有用的，在室內(nèi)環(huán)境中，可以在擴展時間段內(nèi)部署傳感器網(wǎng)絡，并且可以應用對失真環(huán)境的“學習”過程。如上所述，對于戶外實施例(如，在線路定位系統(tǒng)中)，電磁失真可能問題不大。此外，針對戶外線路定位應用部署傳感器網(wǎng)絡可能是一次性的，因而在這樣的環(huán)境下“學習”迭代可能可行性不大。因此，使用戶外線路定位系統(tǒng)的一些實施例可以不包括步驟708。以下提供根據(jù)一些實施例的在步驟707中使用的分析模型的詳細描述。H場環(huán)形天線(如，天線510)(參見圖5)發(fā)射的磁場是3維的。相應地，磁偶極方程描述了隨距發(fā)射機102距離的立方衰減的天線510的EM場的場強。偶極場方程是公知的，參見例如申請’ 696。如果采用傳統(tǒng)RSSI模型來找出發(fā)射機的位置，H場測量呈現(xiàn)出復雜性。即使H場強度的相對減小是Ι/r3的函數(shù)，也不能使用H場強度的3維幅度用傳統(tǒng)RSSI方法來使可靠地估計距偶極天線的距離。除非在以偶極軸對稱的位置上獲取所有場測量，否則信號強度隨偶極的朝向變化。因此，如果不知道接收天線相對于發(fā)射環(huán)形天線的相對俯仰和偏航，則場強度幅度的連續(xù)測量無法與距離相關(guān)。如申請‘696中介紹的，如果測量來自三個相互垂直的軸的有符號信號強度，可以估計偶極天線的任意的3維位置和朝向。通過優(yōu)化過程，可以將這些測量與起初以已知或假定距離偏移做出的其他這樣的測量合并。盡管申請‘696關(guān)注于在使用單個接收機的探針穿過空間時在探針中定位偶極輻射的源，本發(fā)明的實施例可以利用對來自任意分布位置的偶極輻射的測量來定位一個或多個探針發(fā)射機102。在此處公開的實施例中，包括偶極天線510的發(fā)射機102可以位于所要估計的未知位置的點處。此外，多軸磁偶極接收機101的集合分布在發(fā)射機102可以在其上運動的空間中。接收機101中感測線圈的軸可以具有彼此相對的以及相對于其他接收機的正交和幾何分集。發(fā)射機102的位置和朝向可根據(jù)接收機101的分布式系統(tǒng)的測量如下獲得。
在一個實施例中，步驟707中的分析模型基于針對相對于多個接收機101中的每個接收機的所估計的發(fā)射機102位置和朝向下的場強度fn的偶極方程
權(quán)利要求
1.一種用于確定發(fā)射機對象的位置和朝向的方法，所述方法包括 使用一個或多個接收機在空間內(nèi)測量復電磁場強度幅度和相位值的集合； 對處于當前估計的發(fā)射機對象的位置和朝向的預期復電磁強度的集合進行建模，預期電磁場值的集合與發(fā)射機對象的位置相對于一個或多個接收機的模型相對應；以及 基于所測量的復電磁場值的集合與預期電磁場值的集合之間的殘差，來估計與發(fā)射機對象的位置相關(guān)的參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，與對象發(fā)射機相關(guān)的參數(shù)包括 發(fā)射機對象相對于一個或多個接收機的位置； 發(fā)射機對象從參考方向起相對于一個或多個偶極發(fā)射機的離軸偏航角；以及 發(fā)射機對象相對于一個或多個偶極發(fā)射機的俯仰角。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，當發(fā)射機對象在空間中運動時，使用物理模型來跟蹤發(fā)射機對象的位置和朝向。
4.一種用于確定發(fā)射機對象的位置和朝向的方法，包括 在包括發(fā)射機對象的有限空間內(nèi)配置多個接收機； 配置所述多個接收機中的每個接收機在包括發(fā)射機的有限空間內(nèi)的位置； 使用所述多個接收機中的至少一個測量復電磁場幅度和相位強度的集合； 對處于當前估計的發(fā)射機對象的位置和朝向的預期復電磁強度的集合進行建模，預期電磁場值的集合與發(fā)射機對象的位置相對于一個或多個接收機的位置的模型相對應； 基于所測量的復電磁場值的集合與預期電磁場值的集合之間的殘差，來估計與發(fā)射機對象的位置相關(guān)的參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述多個接收機包括3軸磁偶極接收機。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述多個接收機包括雙3軸桿式接收機。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括 向發(fā)射機對象附近的機器提供所估計的與發(fā)射機對象有關(guān)的參數(shù)，所述機器包括運動部件、到GNSS的連接、以及相對于發(fā)射機對象精確定位機器的各個部件的處理器。
8.一種包括控制器和接收機的傳感器網(wǎng)絡，所述接收機包括用于接收來自RF源的RF信號的線圈檢測器，每個接收機的線圈檢測器具有相互正交的軸，并且其中， 所述接收機向控制器提供信息，以定位RF信號的源； 所述接收機使用無線信道與控制器通信，并且所述接收機可選地彼此通信；以及 控制器具有接收機的位置的信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器網(wǎng)絡，其中，所述控制器被配置為跟蹤RF信號的源的位置，并且，RF信號的源包括一個或多個探針發(fā)射機以及一個或多個線狀公用線路，一個或多個探針發(fā)射機和一個或多個線狀公用線路中的每一個以唯一頻率產(chǎn)生RF信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器網(wǎng)絡，其中，傳感器網(wǎng)絡中每個接收機之間的3維區(qū)分是使用RTK-GPS測量來確定的，一個接收機充當網(wǎng)絡中所有其他接收機的GNSS基準。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器網(wǎng)絡，其中，每個接收機能夠充當無線控制器，并且 能夠從網(wǎng)絡中每個接收機獲得的實時信息包括發(fā)射機對象的偏移、深度、距離和朝向。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器網(wǎng)絡，其中，每個接收機連接至GNSS，以更精確地定位RF信號的源。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器網(wǎng)絡，其中，使用GNSS網(wǎng)絡來實現(xiàn)控制器與多個接收機之間的同步信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器網(wǎng)絡，其中，控制器與多個接收機之間的同步信號包括控制器提供的同步信標。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器網(wǎng)絡，其中，RF信號的源包括穿過危險空間的人攜帶的發(fā)射機，接收機由構(gòu)成救援組的一個或多個人攜帶。
16.一種用于檢測遠程位置處的RF源所產(chǎn)生的RF信號的接收機，包括 結(jié)構(gòu)元件，具有有限長度； 兩組相互正交的線圈檢測器，每組線圈檢測器被置于結(jié)構(gòu)元件的任一端，所述線圈檢測器和所述結(jié)構(gòu)形成本地坐標系； 朝向傳感器，用于確定本地坐標系相對于外部坐標系的朝向； 3維位置測量單元，用于確定本地坐標系相對于接收機外部的一個或多個點的位置； 無線接口，用于與傳感器網(wǎng)絡中的其他設備通信。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的接收機，其中，傳感器網(wǎng)絡中的其他設備包括控制器，使用測量到的RF值和接收機提供的位置，來估計RF源的位置。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的接收機，還包括處理單元，用于使用測量到的RF值、3維位置測量單元提供的位置來計算RF源的位置估計。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的接收機，其中，所述RF源包括多個RF發(fā)射機，每個發(fā)射機以特定碼產(chǎn)生RF信號，并且接收機還包括處理單元，該處理單元對來自多個RF發(fā)射機中的每個RF發(fā)射機的信號進行解碼。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的接收機，其中，所述3維位置測量單元是基于RTK-GPS的定位單元。
全文摘要
提供了一種用于通過使用一個或多個接收機在空間內(nèi)測量復電磁場強度幅度和相位值的集合，來確定發(fā)射機對象的位置和朝向的方法。該方法包括針對估計的發(fā)射機對象的位置和朝向，對預期復電磁強度的集合進行建模。并且，基于測量的復電磁場值的集合與預期電磁場值的集合之間的殘差，來估計與發(fā)射機對象的位置相關(guān)的參數(shù)。其他實施例包括如上所述的方法，該方法包括在包括發(fā)射機對象在內(nèi)的有限空間內(nèi)包括具有已知位置的多個接收機。還提供了一種傳感器網(wǎng)絡，包括用于執(zhí)行上述方法的多個接收機。所述接收機可以使用無線信道通信。
文檔編號G01V3/08GK102918426SQ201080064990
公開日2013年2月6日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者詹姆斯·W·韋特, 托魯克爾·古德穆德森, 迪米特爾·加戈夫 申請人:優(yōu)化極限公司