CN100523861C - 目标定位 - Google Patents

Abstract

一种定位方法使用来自无线电站(10，20)的反向散射信号来定位一个区域内例如一个建筑物的房间内的无线电站。随后，查找在测量的反向散射信号与期望信号之间的差异，并且将该差异与目标数据库(37)中存储的数据进行比较，以识别在无线电站(10，20)附近的目标。

Description

目标定位

技术领域

本发明涉及定位方法并且涉及无线电系统、无线电站和计算机程序，用于特别地但非排他地利用射频信号在建筑物中定位目标。

背景技术

已建议许多定位系统来定位无线电发射机或接收机的位置。

一种简单的方案是通过在接收机上测量从发射机发射的信号的强度来测量接收机距发射机的距离。通过使用信号强度随距离衰减的估算以及知道发射的功率，可以把接收的信号强度转换成距离测量。

通过使用从多个发射机发射到接收机的信号，确定从每个发射机到接收机的相应距离，并且随后例如利用三边测量从该信息中定位接收机，可以确定接收机的位置。

当在室内使用时，该方法具有多种不便。首先，难于在室内估算无线电信号随距离的衰减，因为该衰减取决于吸收体和反射体诸如墙壁、人员的数量以及其它非常易变的量。因此，使用经验方法例如利用测量的衰减值把接收的信号强度转换成距离测量的系统能够比那些仅依据自由空间中控制无线电传输的方程式计算距离的系统更好地工作。然而，例如，由于人员或其它物体在建筑物周围移动或者造成信号接收中的零点(null)的快衰落效应，被测的信号强度值可能明显偏离那些根据经验估算的值。因此，该方法非常不精确。

其次，对一个以上发射机的需要是不便利的。

上述方法在建筑物中的一些困难可以利用一种系统来解决，在该系统中通过测量在从发射机发射信号到接收机时这些信号所用的飞行时间来测量距离。在一个简单的配置中，使用相关器来使被延迟可变延迟的发射信号的副本与接收信号之间的相关性最大化。所采用的最大化相关性的可变延迟是信号的飞行时间。通过使用多个发射机，可以使用三边测量如上计算接收机的位置。

然而，该解决方案不能解决多个发射机的问题。实际上，由于在空间中定位接收机所需的三个未知位置坐标，发射机和接收机中的内部时钟之间的时间偏移通常也是未知的，因此具有四个待确定的未知数。因此，通常需要四个或更多个发射机来在空间中定位接收机，这仍然是非常不方便的。

当在室内环境中使用时这样的系统具有的其它困难是：接收机可以接收对应于离开室内环境中的各种反射体的反射的多个信号分量。这使之难以识别接收机中接收的直接视线信号。反射的效应被称作多路径效应，并且这些效应对于室内使用是特别有影响的。实际上，直接视线信号可以完全被阻挡，并且在没有直接视线分量的情况下，实际上非常难于估算视线信号的飞行时间。

因此，建筑物内的无线电定位是充满着困难的。

室内使用的定位系统的已知实例是描述在“RADAR：an in-building RF-based user location and tracking system(建筑物内基于RF的用户定位和跟踪系统)”，Bahl等人，Proceedings ofINFOCOM 2000，Tel Aviv，2000年3月中的系统。然而，该系统仅要求约3m、大约房间尺寸的中值误差距离。

因而，仍然需要适于在建筑物内使用的定位系统和方法，并且特别需要甚至在直接视线信号被阻挡时也可以起作用的定位系统和方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种无线电站的定位方法，该方法包括：

提供参数数据库，该参数数据库包含反向散射信号的期望信号参数作为位置的函数；

提供目标数据库，该目标数据库包含来自多个目标的反向散射信号的期望信号参数；

从无线电站发射位置信号，以使该信号在该无线电站上作为接收信号被反向接收之前经历多路径反射；

测量接收信号的预定特征；

将接收信号的预定特征与参数数据库中存储的数据进行比较，以查找最佳匹配并相应地查找无线电站的位置；

识别接收信号的预定特征与参数数据库中存储的数据中期望的特征之间的差异；和

将这些差异与目标数据库中存储的数据进行比较，以查找满足预定拟合标准的任何匹配，并且相应地识别位于无线电站附近的目标。

通过首先查找位置以及随后识别差异，改善定位附近目标的能力。差异信息提供在积木式模型中未被说明的环境中其它反射体的知识。这可以用来建立比原始使用的更加精确的室内环境的图(map)，因此用户知道他或她相对于家具的位置。该信息还允许接收机区分固定目标(比如墙壁)和可移动目标(比如人员)，这在某些应用中是非常有用的。

与现有技术的解决方案相比，该方法具有许多益处。首先，不需要多个发射机和接收机。第二，该方法不需要接收从发射机发送到接收机的直接视线信号来获得两个无线电设备之间的相对位置测量。

本发明使用反向散射信号来定位，即从其位置将被测量的无线电站中发射的信号。本发明已经认识到：这是更加可靠的，因为从远端发射机发射的信号的使用可能被其间的墙壁或者其它物体所阻挡或影响。

预定特征可以是在接收机上接收的发射信号的分量的振幅、相位和延迟。这些分量将对应于来自各种墙壁、家具和其它物品的反射。可能不必存储或测量每个分量的振幅、相位和延迟。相反地，仅需要存储更有效分量的数据。在测量步骤期间，只有更有效分量才需要被测量。更有效数据可以是涉及最强信号的数据。

需要为每个区域存储的分量的数量可以被预定为足以区分各个区域的一个值。一个分量通常是不够的，因此需要处理预定的多个分量。例如，被测量的分量的数量和被存储的分量的数量可以是五个或更多，最好是十个或以上。

在可替代实施例中，预定特征可以是接收信号的接收功率作为时间的函数、功率延迟分布。该方法可以避免在接收装置中需要软件来计算分量的振幅；这种软件可能是复杂的，并且需要显著的处理功率，这在小型或者便携装置中也许不是方便的或者不是可用的。

本发明可应用于多种情况中。

本发明特别可应用于具有彼此通信的一对无线电站的系统。在此情况下，在优选实施例中，当定位给出最佳匹配的区域之后，无线电站中的一个或两个把其位置作为信息信号发射给另一站。这可以使用相同频率或频带作为位置信号，实际上，该信号甚至可以被用作位置信号。

因而，替代仅仅获得两个站的位置的相对测量，确定其绝对测量。

在实施例中，用于传输信息信号的频带是比位置信号低的频带，这不太可能被除了金属反射体之外的其他材料所吸收。

优选地，该方法还包括分析接收的无线电信号，以确定在接收机附近的目标。

在实施例中，接收机具有多个天线，并且反向散射信号不仅测量本地目标的反射率和距离，而且还测量其大小和形状，并将其与典型室内目标的大小形状以及反射率进行比较。

在优选实施例中，用户对接近室内环境中不同目标的无线电站定位。发射信号，并且为每个目标测量反射率、大小和形状信息。用户输入目标的名称。以此方式，建立目标的数据库、其名称及其反射率模式。

系统随后可以将观测到的信号与参数相匹配，以便能够确定最接近的本地目标。

在可替代实施例中，存储用于典型目标的预定的期望参数。发射机发出信号，并将所得到的接收信号与多个典型目标的期望信号进行比较，以查找最佳匹配。

在另一方面，本发明涉及计算机程序，其被安排成使无线电站执行上述的方法。

在再一方面，本发明涉及无线电站，该无线电站包括：至少一个天线；收发信机；处理器；和存储参数数据库的存储器，该参数数据库包含反向散射信号的期望信号参数作为建筑物内位置的函数；和提供目标数据库，该目标数据库包含来自多个目标的反向散射信号的期望信号参数，其中存储器包括被安排为使无线电站进行以下操作的代码：从发射机发射位置信号，以使该信号在接收机上作为接收信号被接收之前经历多路径反射；在接收机上测量接收信号的预定特征；将接收信号的预定特征与参数数据库中存储的数据进行比较，以查找最佳匹配并相应地查找该无线电站的位置；识别接收信号的预定特征与参数数据库中存储的数据的期望数据之间的差异；和将这些差异与目标数据库中存储的数据进行比较，已查找任何好的匹配并相应地识别位于无线电站附近的目标。

优选地，无线电站具有多个天线，用于同时发射多个无线电信号。

本发明还涉及无线电系统，该无线电系统包括被安排成彼此通信的多个这样的无线电站。

附图说明

为了更好理解本发明，现在将参考附图纯粹利用举例方式来说明实施例，其中：

图1显示了根据本发明第一实施例的系统；

图2显示了其中正在使用图1的系统的建筑物的平面图；

图3显示了图2的建筑物的一部分的平面图；和

图4是图1的实施例的操作的流程图。

具体实施方式

根据本发明第一实施例的系统具有第一无线电站10(图1)，该无线电站10具有收发信机12、处理器14和存储器16以及多个天线18。该系统还具有第二无线电站20，该无线电站20具有收发信机22、控制器24、存储器26和多个天线28。第一和第二无线电站都是便携式的。

第一和第二无线电站之中的每一个包含存储于存储器16、26中的代码30，用于使无线电站执行下文所述的步骤。代码30包括：用于建立参数数据库36的射线跟踪仿真器(ray-tracing simulator)32和用于控制无线电站操作的操作控制器34。

在使用中，(图2，图3和图4)建筑物设计、建筑物材料的典型反射率以及待发送的无线电信号的类型的细节被传送给射线跟踪仿真器32(步骤40)。接下来，射线跟踪仿真器32对于从建筑物2的多个仓(bin)即区域4中的每一个中的相同无线电站发射的信号计算出期望接收信号(步骤42)。也就是说，计算从信号6反射的反向散射信号分量8的振幅、脉冲和延迟。

尽管为了清楚起见，附图示出了在尺寸上类似于房间的网格，但是真实的网格可以是更加精细的尺度，以允许更精确的定位。例如，网格可以把建筑物划分成边长范围为0.1m至2m，最好为0.5m至1m的正方形或矩形区域。在许多情况下，正方形网格也许是最方便的。仿真器确定每个期望的反射信号分量在被相应反射体反射之后返回到无线电接收机的振幅、相位和延迟。

随后对建筑物的每个区域4重复计算和存储步骤，以建立完整的参数数据库36。

计算的结果随后被输入到第一和第二无线电站，并且被存储为用于那个区域4的参数数据库36的一部分(步骤46)。在所述的特定实施例中，存储有关十个最有效(即，最强)信号分量8的信息，尽管这个数量可以根据需要而改变。

在这些准备步骤以及下述的其它准备步骤之后，无线电站10、20发出(步骤54)定位信号6。该信号被散射在真实的建筑物中，并且被反射的反向散射分量8在无线电站10上被反向接收而且被天线18、28拾取(步骤56)，这称作接收信号。

接下来(步骤57)，无线电站10、20计算已接收的反向散射分量8的振幅、相位和延迟。可以以多种方式中的任何一种方式来进行此计算，例如利用最大似然估算来进行此计算。接收信号的反向散射分量8的振幅、相位和延迟随后与参数数据库36中存储的已计算值进行比较(步骤58)，以确定最佳匹配。然后，把对应于最佳匹配的区域4作为无线电站10、20位于其中的区域4。

作为在两个无线电站10、20中执行的该过程的结果，每个站知道它自己的位置。

无线电站10、20中的一个或两个随后可以向另一站发送(步骤60)有关它自己位置的信息。在第一实施例中，使用比用于位置确定的信号波长更长的波长信号来发射该信息，因为较长的波长信号不易被除金属反射体之外的其他材料吸收，避免任何视线实现的传输。

无线电站10、20也能够建立目标数据库37。为了建立目标数据库37，无线电站10、20被带到目标的附近，并通过多个天线发射信号(步骤48)。该信号随后被目标反射，并且反射的信号被接收(步骤50)。多个天线的使用允许反射信号不仅表示目标的反射率和距离，而且还表示目标的尺寸和形状。提示用户输入目标名称(步骤51)，并且把其与反射率尺寸和形状信息一起存储在目标数据库中(步骤52)。随后，重复步骤48至52(步骤53)，以便利用有关多个目标的信息来建立目标数据库37。

该信息随后在确定房间信息之后被用于定位邻近目标。为了与邻近目标的最佳拟合，分析在步骤56中接收的接收信号。

在优选的安排中，将接收信号的特征与作为给出最佳匹配的区域的参数数据而存储的那些特征进行比较。差异通常由于目标的反射造成，而不是由于建筑物设计造成。因此，该方法包括确定接收信号的特征与参数数据库中存储的特征(对应于接收信号与参数数据库的最佳匹配)之间的差异(步骤66)，并且然后将这些差异与目标数据库中存储的目标进行比较(步骤68)，以确定一个或多个附近目标的大小形状和距离。

然后，可以输出最佳拟合目标的名称(步骤70)。

在具体示例中，第一无线电站10可以是移动电话，而第二无线电站20可以是装备有收发信机钥匙链(key fob)的一组门钥匙。如果钥匙丢失，则可以从移动电话10向门钥匙20发送信号，以使门钥匙运行上述过程来定位本地目标。这可以确定例如门钥匙在卧室中与桌子相距1m并与桌灯82相距2m处。该信息可以发射给移动电话并被显示，以允许移动电话的用户更加容易地找到门钥匙。

计算的与测量的数据之间的差异给出有关在真实环境与在处理开始时输入以计算期望的接收信号的建筑物设计中的环境之间的差异的信息。因而，可以把这些差异和有关本地目标的信息存储在图数据库39中(步骤72)。例如，图数据库随后可以用于确定包含门钥匙的房间和门钥匙相对于该房间中的目标的位置。

由诸如人员的移动目标而造成的差异通常不应被包含在图数据库39中。这可以通过检查特定反射体的移动并且不在图数据库中包括来自移动反射体的数据而实现。作为选择，可以拒绝具有对应于人或动物的反射率和电容率的反射体。

在第一实施例的修改中，目标数据库不用试验方法来建立，而只是存储在无线电站中。典型目标诸如桌子、椅子和地板可以简单地利用典型参数来包括，或者替换地或附加地可以包含知道在本地环境中的其他特别的目标。

在第二实施例中，不测量反射信号分量的振幅、相位和延迟，而测量接收信号的反向散射信号强度作为时间的函数。因此，在该实施例中，计算和存储步骤42、44计算期望的反向散射信号功率作为时间的函数。查找最佳匹配的步骤随后使接收信号与期望的反射信号功率相拟合，以查找最佳拟合并由此查找无线电站的位置。

在第三实施例中，第一无线电站10是位于已知位置上的静止无线电站。第二无线电站20是移动站，获得有关其位置和其附近的目标的信息，并把信息反向发送给第一无线电站10。

尽管最佳实施例使用具有多个天线的无线电站10、20，但是本发明还可应用于具有单个天线的无线电站10、20。确定目标的尺寸和形状是更加困难的，但这在所有应用中也许不是必需的。仅使用单个天线获得更多信息的一种方式是发送不同频率的无线电信号。如本领域熟练技术人员将认识到的，这种解决方案也可以与多个天线一起使用。

本发明还可以用于室外以及特别地良好地映射室外环境的室内。

本发明可以具有利用移动无线电发射机玩游戏的应用，这些移动无线电发射机可以使用有关游戏玩家的位置和速度的信息来向游戏服务器和游戏玩家提供信息。

在本说明书和权利要求书中，单元之前的单词“一”或“一个”并不排除多个这样的单元的存在。此外，单词“包括”并不排除所列之外的其它单元或步骤的存在。

通过阅读本公开内容，对于本领域熟练技术人员来说，其它的修改将是显然的。这样的修改可以涉及在定位技术领域和无线电技术领域中已公知的其它特征，以及可以替代使用的其它特征或者除了本文中已公开特征之外的其它特征。

Claims (10)

1.一种无线电站(10，20)的定位方法，该方法包括：

提供参数数据库(36)，该参数数据库包含反向散射信号的期望信号参数作为位置的函数；

提供目标数据库(37)，该目标数据库包含来自多个目标的反向散射信号的期望信号参数；

从无线电站发射位置信号(6)，以使该位置信号在无线电站上作为接收信号(8)被接收之前经历多路径反射；

测量接收信号的预定特征；

将接收信号的预定特征与参数数据库中存储的数据进行比较，以查找最佳匹配并相应地查找无线电站的位置；

识别接收信号的预定特征与参数数据库中存储的数据中期望的特征之间的差异；和

将这些差异与目标数据库中存储的数据进行比较，以查找任何好的匹配，并相应地识别位于无线电站附近的目标。

2.根据权利要求1所述的方法，其中提供参数数据库(36)的步骤包括：

输入限定建筑物的数据；

把建筑物划分成预定网格的区域(4)；

当从或相对于无线电接收机被预定为固定的或者位于预定位置上的发射机中发送位置信号时，计算在每个区域中由接收机接收的期望的接收信号；和

把对应于每个区域的期望的接收信号的有效特征存储为参数数据(36)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中提供目标数据库(37)的步骤包括：

一个接一个地邻近多个目标定位无线电站，和

对于每个目标，发射信号，接收自该目标反射的反向散射信号，并把接收的反向散射信号的测量的预定参数存储为目标数据，以便随后在相对于存储的目标参数数据测试接收信号的预定特征的步骤中使用。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中：

预定特征是在接收机上测量的接收信号的分量的振幅、相位和延迟；和

比较预定特征和比较差异的步骤将测量的振幅、相位和延迟与期望的信号参数进行比较，以查找最佳拟合。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中预定特征是作为时间函数的接收信号的功率，以形成延迟分布。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中无线电站(10，20)具有多个天线(18)，并且在将差异与目标数据库(37)的信息进行比较的步骤中，分析这些差异，以确定在无线电站(10，20)附近的目标及其距离。

7.一种定位第一和第二无线电站的方法，包括：

使用根据权利要求1-6之一所述的方法查找第一无线电站(10)的位置；

使用根据权利要求1-6之一所述的方法查找第二无线电站(20)的位置；和

从第二无线电站向第一无线电站发射代表第二无线电站的位置的无线电信号。

8.一种无线电站(10，20)，包括：

至少一个天线(18，28)；

收发信机(12，22)；

处理器(14，24)；和

存储器(16，26)，存储：参数数据库(36)，该参数数据库包含反向散射信号的期望信号参数作为建筑物内位置的函数；以及目标数据库(37)，该目标数据库包含来自多个目标的反向散射信号的期望信号参数；

其中该存储器包括被安排为使无线电站完成以下操作的代码(30)：

从至少一个天线中发射位置信号，以使该位置信号在接收机上作为接收信号被接收之前经历多路径反射；

测量接收信号的预定特征；

将预定特征与参数数据库中存储的数据进行比较，以查找最佳匹配，并相应地查找无线电站的位置；

识别接收信号的预定特征与参数数据库中存储的数据的期望特征之间的差异；和

将这些差异与目标数据库(37)中存储的数据进行比较，以查找任何好的匹配并相应地识别位于无线电站附近的目标。

9.根据权利要求8所述的无线电站，包括多个天线(18，28)，用于同时发射多个无线电信号。

10.一种无线电系统，包括被安排成相互通信的根据权利要求8或9所述的多个无线电站(10，20)。

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