專利名稱：定位系統(tǒng)、設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及定位系統(tǒng)、設(shè)備和定位的方法，并且特別涉及適于室內(nèi)使用的系統(tǒng)、設(shè)備和方法。
發(fā)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(fā)射機和該接收機之間發(fā)送信號，測量該信號的飛行時間，和根據(jù)該信號的速度計算距離。如果利用在發(fā)射機上的時鐘測量出發(fā)時間，并且到達時間利用在接收機上的時鐘測量，那么從到達時間減去出發(fā)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(shù)，即，在x、y和z方向中的位置以及在發(fā)射機和接收機之間的時鐘偏移。
例如，在全球定位系統(tǒng)(GPS)中，在GPS接收機中接收來自四個衛(wèi)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(wèi)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，那么僅需要三個基站。
但是，需要一個以上的基站是不方便的，而僅僅需要一個發(fā)射機或者基站將更為方便。
一種定位的方法是使用小區(qū)ID(Cell ID)，其中移動單元鄰近一個基站，并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(yīng)用于具有30m范圍的藍牙信標(biāo)，那么該定位準(zhǔn)確度將是30m。這種定位準(zhǔn)確度水平通常是不可接受的，尤其在室內(nèi)。而且，能夠在多個不同的位置之間進行鑒別的系統(tǒng)需要與不同位置數(shù)目相同數(shù)量的基站，并因而這種方法實際上沒有降低需要的基站的數(shù)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(jīng)建議一種供移動電話使用的多路徑指紋識別系統(tǒng)。在著書時，在網(wǎng)址http//www.uswcorp.com上提供了一些細節(jié)。簡單地說，移動電話發(fā)出呼叫，并且來自該移動電話的信號在基站上接收。作為多路徑效應(yīng)的結(jié)果，尤其是在城市環(huán)境中建筑物的反射，來自移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?；緶y量這些分量的信號強度和時間延遲?；具B接到一個數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含用于該基站范圍內(nèi)的每個位置的這些參數(shù)的可能值，例如，5m的分辨率?；居嬎阍跍y量的接收分量和存儲在數(shù)據(jù)庫中的值之間的最佳擬合(fit)，以估計移動電話位置。這個系統(tǒng)被認為精確到大約100m。
但是，該系統(tǒng)需要多路徑分量的精確數(shù)據(jù)庫，而這需要將移動單元置于范圍內(nèi)的每一個可能位置，并且對于每個可能位置測量在發(fā)射機中接收的信號分量的時間延遲和信號強度。這是費時的并因此是昂貴的，而且對于室內(nèi)使用的系統(tǒng)有可能是抑制性地昂貴。此外，如果環(huán)境產(chǎn)生變化，需要重復(fù)測量。
因此，仍然需要將所要求的基站數(shù)目減到最少的定位系統(tǒng)。
按照本發(fā)明，提供了一種定位方法，使用具有發(fā)射機的發(fā)射機設(shè)備和具有接收機的接收機設(shè)備，其中第一個設(shè)備是在已知位置上的基準(zhǔn)設(shè)備，而其中另一個是在未知位置上的測試設(shè)備，使用多個在已知位置上的反射器，該方法包括從發(fā)射機發(fā)送信號到接收機，該信號具有多個經(jīng)由反射器或者直接地從發(fā)射機傳播到接收機的信號分量；在接收機中接收發(fā)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(zhǔn)設(shè)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(fā)明的方法不需要實驗確定來自范圍內(nèi)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于計算未知位置。
在優(yōu)選的實施例中，該方法包括測試?yán)梅瓷淦鞯姆至孔R別的多個排列(permutation)，并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，并且隨后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，并且基于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，并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，對接收機位于其中的房間或區(qū)域的大小的了解使得解答是在那個房間或區(qū)域之內(nèi)，于是可以拒絕不在房間或者區(qū)域中的解答。因此，可以對多個排列重復(fù)識別分量和計算未知位置的步驟，并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于這樣的測量，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(yōu)選的實施例包括發(fā)送超寬帶信號作為發(fā)送的射頻信號。
發(fā)射機可以周期性地發(fā)送。以這種方法，可以有規(guī)律地確定未知的位置。
在另一個方面中，提供一種用于在已知位置上具有多個反射器的環(huán)境中使用的定位系統(tǒng)，包括用于發(fā)送信號的發(fā)射機；用于接收發(fā)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(fā)射機或者間接地從反射器接收，該接收機包括用于測量信號分量的到達時間的裝置；和位置服務(wù)器，包括用于存儲發(fā)射機和接收機之一的巳知位置和用于存儲多個反射器的巳知位置的裝置，以及用于根據(jù)從中反射相應(yīng)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(fā)射機和接收機之中的另一個的未知位置的裝置。
按照本發(fā)明的另一個方面，提供了一種位置服務(wù)器，用于根據(jù)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(fā)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(fā)射機發(fā)送的信號產(chǎn)生的，該位置服務(wù)器包括用于存儲發(fā)射機和接收機之一的巳知位置和用于存儲多個反射器的巳知位置的裝置，以及用于根據(jù)從中反射相應(yīng)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(fā)射機和接收機之中另一個的未知位置的裝置。
在接收機和位置服務(wù)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(dāng)然，在實施例中，該位置服務(wù)器可以與接收機的一部分定位在同一地點。
在位置服務(wù)器與移動單元分離的情況下，位置服務(wù)器可以跟蹤移動單元，在這樣的情況下，發(fā)射機應(yīng)周期性地發(fā)送信號。
該發(fā)射機也可以鏈接到網(wǎng)絡(luò)。
在實施例中，發(fā)射機(而不是接收機)可以與位置服務(wù)器定位在同一地點。
現(xiàn)在將參考附圖僅僅作為例子來描述本發(fā)明的特定實施例，其中

圖1示出按照本發(fā)明的一種系統(tǒng)的示意圖；和圖2示出本發(fā)明第一實施例的操作的流程圖；和圖3示出本發(fā)明第二實施例的操作的流程圖。
參看圖1，發(fā)射機2被設(shè)置在室內(nèi)環(huán)境中。該發(fā)射機2具有天線10、收發(fā)信機12和控制系統(tǒng)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(nèi)環(huán)境的自然特征，諸如墻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(fā)信機22和包括處理器26與存儲器28的控制系統(tǒng)24。
提供位置服務(wù)器8，其具有包括處理器36和存儲器38的控制系統(tǒng)34。該存儲器38包含數(shù)據(jù)庫39，其列出發(fā)射機2和反射器6的位置和用于執(zhí)行位置計算的代碼37。位置服務(wù)器8需要與接收機4通信，并且在示出的實施例中，位置服務(wù)器具有它自己的天線30和收發(fā)信機32。
在可供選擇的實施例中，位置服務(wù)器8可以經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連接到發(fā)射機2，并且可以經(jīng)由發(fā)射機與接收機4通信。做為選擇，位置服務(wù)器8可以通過在發(fā)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(shù)據(jù)39而被集成到發(fā)射機2或者接收機4中。
使用中，從發(fā)射機2的天線10發(fā)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(lǐng)域技術(shù)人員將不難理解“超寬帶”。特別地，該信號最好具有大于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(fā)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(jīng)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(shù)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?？赡苄园ㄓ糜跀U頻信號或者超寬帶寬信號的RAKE接收機或者基于軟件的相關(guān)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。然后，接收機4將時間發(fā)送(步驟54)給位置服務(wù)器8。然后，位置服務(wù)器8中的代碼37用于計算接收機4的位置。
應(yīng)當(dāng)注意到，沒有必要測量每個分量的到達時間?？赡苡性S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，而稍后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，并且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(fā)射機的巳知位置，并且令(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(chǎn)生一個信號分量，那么n＝N，但是這不是實質(zhì)性的。假定在發(fā)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
cτ0=(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cτi=(xT-xi)2+(yT-yi)2+(xi-xU)2+(yi-yU)2+ctc---(2).]]>雖然這些等式呈現(xiàn)為二維，但是技術(shù)人員將容易地能夠?qū)⑺鼈償U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，對于如同上述的三個未知數(shù)(xu，yu，tC)測量了3個以上的分量，可以使用最小平方技術(shù)，GPS系統(tǒng)中使用的就是這后一項技術(shù)。問題是，以上的方程式是根據(jù)n個信號分量(i＝1...n)的反射器位置，并且不會立即知道n個信號分量中的哪一些對應(yīng)于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(yīng)于哪一些反射器。
按照本發(fā)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)并且嘗試基于這個分配來計算(步驟58)未知位置而實現(xiàn)的。然后，對于n個信號分量和N個反射器的(n，N)排列中的每一個，重復(fù)這個步驟(步驟59)。例如，如果n＝N＝5，將有5！＝120個假設(shè)要檢查。
然后，對于每個排列，位置服務(wù)器確定(步驟60)結(jié)果(如果有的話)是否是似乎真實的。通常，結(jié)果將不是這樣的。根據(jù)該結(jié)果，可以確定似真性。如果存在比未知數(shù)更多的等式，那么，如上所述，可以使用最小平方法來找到答案。在后一種情況下，也可以通過等式的兼容性的統(tǒng)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(jié)果。如果巳知用戶是在發(fā)射機的范圍之內(nèi)，這允許選擇最好的結(jié)果。在一個以上的方程式組給出答案的不太可能的事件中，可以選擇最靠近于發(fā)射機位置的結(jié)果。
然后，這個結(jié)果被發(fā)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(jù)需要發(fā)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，并且確定結(jié)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(guān)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(shù)目。因此，在分配排列和執(zhí)行計算之前，執(zhí)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(zhí)行選擇步驟64。
在這個方案的一個優(yōu)選版本中，接收機測量每個信號分量42的入射角信息。然后，位置服務(wù)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(fā)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(fā)明不局限于室內(nèi)使用，并且也可以在存在或可以放置適宜反射器的環(huán)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(dāng)前公開內(nèi)容，其他的變化和改進對于本領(lǐng)域的技術(shù)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(tǒng)的設(shè)計、制造和使用中已經(jīng)公知的，并且可以用來代替或者增加此處已經(jīng)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(jīng)對于特性的特殊組合闡述了權(quán)利要求，但是應(yīng)該理解，本申請公開的范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(fā)明一樣減輕任何或者所有相同的技術(shù)問題。
權(quán)利要求
1.一種定位方法，使用具有射頻發(fā)射機(12)的發(fā)射機設(shè)備(2)和具有接收機(22)的接收機設(shè)備(4)，其中第一個設(shè)備是在已知位置上的基準(zhǔn)設(shè)備，而另一個是在未知位置上的測試設(shè)備，在已知位置上使用多個反射器，該方法包括從發(fā)射機(2)發(fā)送信號到接收機(4)，該信號具有多個經(jīng)由反射器或者直接地從發(fā)射機(2)傳播到接收機(4)的信號分量；在接收機(4)中接收發(fā)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(zhǔn)設(shè)備的位置相擬合，計算未知位置。
2.根據(jù)權(quán)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，并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(jù)權(quán)利要求2的定位方法，其中依次測試?yán)梅瓷淦髯R別信號分量的每個可能排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的定位方法，進一步包括選擇可能排列的子集，并且隨后測試選擇的子集的排列。
5.根據(jù)權(quán)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，并且基于入射角信息選擇排列的子集。
6.根據(jù)任何一項前面權(quán)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(jù)任何一項前面權(quán)利要求的方法，其中信號是射頻信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的定位方法，包括發(fā)送超寬帶信號作為發(fā)送的射頻信號。
9.根據(jù)任何一項前面權(quán)利要求的方法，其中從測量的到達時間中計算發(fā)射機或者接收機的未知位置的步驟通過求解以下的聯(lián)立方程式來完成cτ0=(xT-xR)2+(yT-yR)2+ctc---(1)cτ1=(xT-xi)2+(yT-yi)2+(xi-xR)2+(yi-yR)2+ctc---(2)]]>對于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(fā)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是接收機時鐘相對于發(fā)射機時鐘的未知時鐘偏移；和c是光速。
10.一種用于在已知位置上具有多個反射器(6)的環(huán)境中使用的定位系統(tǒng)，包括用于發(fā)送信號的發(fā)射機(2)；用于接收發(fā)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(fā)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；和位置服務(wù)器，包括用于存儲發(fā)射機(2)和接收機(4)之一的已知位置和用于存儲多個反射器(6)的已知位置的裝置(39)，以及用于根據(jù)從中反射相應(yīng)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(fā)射機(2)和接收機(4)之中另一個的未知位置的裝置(36)。
11.一種位置服務(wù)器，用于根據(jù)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(fā)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(fā)射機(2)發(fā)送的信號產(chǎn)生的，該位置服務(wù)器包括用于存儲發(fā)射機(2)和接收機(4)之一的已知位置和用于存儲多個反射器(6)的已知位置的裝置(39)，以及用于根據(jù)從中反射相應(yīng)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(fā)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(jù)權(quán)利要求11的位置服務(wù)器，進一步包括發(fā)射機(2)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的位置服務(wù)器，進一步包括接收機(4)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11、12或者13之中任何一項權(quán)利要求的位置服務(wù)器，以集成電路來實現(xiàn)。
全文摘要
一種定位系統(tǒng)、設(shè)備和方法包括發(fā)射機(2)、接收機(4)和多個反射器(6)。信號被直接和經(jīng)由反射器(6)從發(fā)射機發(fā)送到接收機。位置服務(wù)器(8)通過利用反射器(6)識別信號分量(40)來計算發(fā)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(yōu)先權(quán)日2002年12月19日
發(fā)明者S·R·多利 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司