CN101326839A - 用于计算工作于无线网络中的移动设备的位置的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于计算工作于无线通信网络(100)中的移动设备(200、405)的位置的方法。该系统包括接收机，该接收机适于在移动设备(405)处接收来自至少四个参考设备(410、415、420、425)中每一个的单独的信号，每个单独信号包括代表了移动设备(405)与相关的固定参考设备之间的飞行时间的信息。该系统包括处理器(215)，以通过在移动设备(405)与至少不同的三对固定参考设备中的每一个之间的至少三个Apollonius圆(500、600、700)来估计移动设备(200、405)的位置，其中所计算的Apollonius圆是表示在移动设备(405)与每对的相关固定参考设备中的每一个之间的距离；并将移动设备(405)的位置作为所计算的Apollonius圆的交叉点来计算。

Description

用于计算工作于无线网络中的移动设备的位置的系统和方法

技术领域

本发明一般地涉及无线通信网络；更具体而言，本发明涉及对工作于自组织分组无线网络(ad-hoc无线网络)中的移动设备的位置的计算。

背景技术

近些年，开发了一种被称为“ad-hoc多跳”网络的移动通信网。在这种类型的网络中，每个移动节点(即，移动设备)能够作为其它移动节点的基站或路由器而工作，从而消除了对基站的固定基础设施的需要。正如本领域的普通技术人员可以认识到的，网络节点以复用形式发送和接收数据分组通信，该复用形式诸如时分多址(TDMA)形式、码分多址(CDMA)形式、或频分多址(FDMA)形式。

目前还正在开发更先进的ad-hoc网络，这种网络除了能够使移动节点像在常规ad-hoc多跳网络中一样彼此进行通信之外，还能够使移动节点接入固定网络，从而与其它的固定或移动节点，诸如与公共交换电话网(PSTN)上的节点和诸如因特网的其它网络上的节点进行通信。

本领域的普通技术人员将意识到，ad-hoc网络的操作包括在移动的(即可移动的)设备之间的通信，这些设备无疑正在改变位置。因此，很有益的是具有一种能够在任何给定时间内在ad-hoc多跳无线网络中计算每个移动设备的位置的准确方法。例如，本领域的普通技术人员将意识到，对于诸如消防队员、执法者等之类的设备用户来说，存在着准确计算在建筑物内设备位置的需要。

一些用于计算工作于ad-hoc多跳网络中的无线移动设备的位置的方法，都假定无线电信号的传播速度与光速相同。最近的测量已经表明，在某些建筑物内无线电信号的传播速度实际上小于光速。

附图说明

附图是用来进一步描述各种实施例，并用于解释所有根据本发明的各种原理和优点，其中在所有分离视图中，类似的参考数字涉及相同或功能类似的元件，这些附图和下文的详细叙述一起被结合在说明书中，并构成说明书的一部分。

图1是一种ad-hoc无线通信网络实例的框图，该网络包括使用了根据本发明实施例的系统和方法的多个节点。

图2描述了根据本发明的实施例、在图1中显示的网络中所使用的节点实例的框图。

图3描述了根据本发明的实施例用于计算移动设备的位置的方法流程图。

图4至9描述了在建筑物内的本发明方法的示例性操作。

熟练的技术人员将意识到，附图中的元件是出于简明和清晰的目的而进行图示，并不必要按照比例进行绘制。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其它元件被夸大，这有助于增进对本发明实施例的理解。

具体实施方式

在详细叙述根据本发明的实施例之前，应当注意到这些实施例主要体现在与方法步骤和系统部件的结合中，这些方法步骤和系统部件是用于计算工作于无线网络中的移动设备的位置。相应地，在附图中适当的位置使用常规符号来代表这些系统部件和方法步骤，附图仅仅显示了与理解本发明的实施例相关的那些特定内容，以免使得带有本领域普通技术人员所显而易见的细节和此处所述优点的公开内容不明显。

在该文档中，比如第一和第二、顶部和底部等的关系术语可仅用于将一个实体或动作区别于另一个实体或动作，而不必要求或意味着这些实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。术语“包括”、“具有”、“包含”、“含有”或它们的任何其它变形仅意在覆盖一个非排他性的涵盖范围，因此包括、具有、包含、含有一系列元件的过程、方法、物品或装置不仅包括那些元件，还包括没有明确列出或该过程、方法、物品或装置所固有的元件。在没有更多约束条件的情况下，一个前面是“包括……一”、“具有……一”、“包含……一”、“含有……一”的元件并不排除包括、具有、包含、含有该元件的过程、方法、物品或装置中存在另外的相同元件。

应理解在这里描述的本发明的实施例可包括一个或多个传统的处理器以及所存储的独特的程序指令，该指令与特定的非处理器电路一起控制一个或多个处理器来执行本文叙述的计算工作于无线网络中的移动设备的位置的一些、大部分或所有功能。该非处理器电路可包括，但不局限于无线接收器、无线发射器、信号驱动器、时钟电路、电源电路和用户输入设备。这样，这些功能可以被解释为执行计算工作于无线网络中的移动设备的位置的方法步骤。可选地，可以由不具有所存储的程序指令的状态机(state machine)来实施一些或全部的功能，或在一个或多个专用集成电路(ASIC)中，每个功能或这些功能中一些特定功能的组合被作为定制逻辑电路来实施。当然，也可使用这两种方式的组合。因此，已经在此描述了用于这些功能的方法和装置。此外，所期望的是对一名普通技术人员来说，尽管例如可用时间、当前技术和经济考虑可能会引起花费巨大的努力和许多的设计选择，但当其被在此所揭露的概念和原理所引导时，其将很容易地能够通过最少的实验来产生这种软件指令和程序以及IC。

本文公开的系统和方法可以计算移动设备的位置，而不需要考虑信号的传播速度，因此，它可以应用在任何环境下：户内、户外、地下、水下、宇宙空间等等。

在本文中提出的方法可应用于例如网状网架构(MEA)(MeshEnabled Architecture)设备，这种MEA设备工作在ad-hoc多跳无线网络中，并具有估计无线电信号在移动设备与多个固定参照之间传播的飞行时间(TOF)(Time ofFlight)的能力。

无线电信号的传播速度依赖于介质透射率、反射率、折射率和传导率。无线电信号在自由空间中的传播速度被认为是等于光速或每秒0.299792458·10⁹米。在建筑物内进行的测量已确认，无线电信号是作为一个直接信号和多个可选信号而进行传播。基于TOF的方法使用该直接信号来计算在发射机与接收机之间的距离，该直接信号在穿过墙壁时会经受非常高的衰减的影响。相反，可选信号会经受较少的衰减，它在距离发射机相对较远的距离上以比直接信号高的多的能量被接收。

尽管建筑物是一种结构，并不是一种均质体，但本发明的方法假定无线电信号在建筑物内的传播速度在所有方向上都相同。这种近似可以会产生一些误差，但是那些误差的大小要远远小于考虑无线电信号在建筑物内的所有方向上都以光速传播的所产生的误差。尽管本方法被专门设计为在建筑物内使用，但是由于无线电信号的传播速度并不是计算的参数，本方法也可以被应用于计算在任何条件下的移动ad-hoc终端的位置。

图1描述了使用了本发明实施例的ad-hoc无线通信网络100的实例的框图。具体来说，网络100包括多个移动无线用户终端102-1至102-n(通常被称为节点102或移动节点102)，该网络100可以但并非必需包含一个固定网络104，该固定网络104具有多个接入点106-1、106-2、...106-n(通常被称为节点106或接入点106)，用于向节点102提供到固定网络104的接入。固定网络104可以包括例如核心局域网(LAN)、以及多个服务器和网关路由器，这些网关路由器用于向网络节点提供到其它网络的接入，该其它网络是诸如其它的ad-hoc网络、公共交换电话网(PSTN)和因特网。网络100进一步可以包括多个固定路由器107-1至107-n(通常被称为固定节点107或固定路由器107)，它们用于在其它节点102、106或107之间路由发送(routing)数据分组。应当注意到，出于论述的目的，上面所论述的节点可以被共同称为“节点102、106和107”、或者简单地称为“节点”。

正如本领域的普通技术人员可以认识到的，节点102、106和107能够彼此之间直接进行通信、或者经由一个或多个其它的节点102、106或107进行通信，该其它的节点102、106或107作为一个路由器或多个路由器而工作，以在节点之间发送分组。

图2是图1的节点102、106和107的一个实施例的电子框图。具体来说，图2描述了用于本发明的节点200。

如图所示，节点200包括天线205、收发机(或调制解调器)210、控制器215、和可选的用户接口225。天线205截获在ad hoc无线网络100内来自一个或多个节点102、106、107的发射信号，并将信号发送到ad hoc无线网络100内的一个或多个节点102、106、107。

天线205被耦合到收发机210，该收发机使用常规的解调技术在控制器215的控制下，接收来自节点200的通信信号，并将通信信号发送到节点200，这些通信信号是诸如分组信号。该分组数据信号可以包括例如，语音、数据或多媒体信息和分组控制信号，该分组控制信号包括节点更新信息。当收发机210接收到来自控制器215的命令时，收发机210经由天线205向ad-hoc无线通信网络100内的一个或多个设备发送信号。在一替代实施例中(未显示)，节点200包括接收天线和接收机，它们用于接收来自ad hoc无线通信网络100的信号，该节点200还包括发射天线和发射机，它们用于将信号发送到ad-hoc无线通信网络100。本领域的普通技术人员将意识到，对于节点200，可以使用相同或可替代类型的其它类似的电子方框图。

控制器215被连接到收发机210，该控制器使用常规的信号处理技术来处理接收到的消息。本领域的普通技术人员将意识到，如果需要可以使用附加的处理器来应付控制器215的处理需要。

根据本发明，控制器215包括位置计算模块230，用于计算ad-hoc无线通信网络100内一个或多个节点102、106、107的位置(方位)。本领域的普通技术人员将意识到，位置计算模块230可以在制造期间被硬编码或者被编程(programmed)在节点200中，也可以依据客户预定通过无线下载(over the air)进行编程，或者其可以是可下载的应用。我们将意识到，可以使用其它的编程方法将位置计算模块编程在节点200中。本领域的普通技术人员将进一步意识到，位置计算模块230可以是节点200内的硬件电路。根据本发明，位置计算模块230可以如前所述被包含在控制器215内，或者可选地其可以是有效地连接到控制器215的单独模块(未显示)。

为了执行节点200的必要功能，控制器215被连接到存储器220，该存储器优选地包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、和闪存。根据本发明，存储器220包括用于存储飞行时间数据235、位置数据240等的存储位置。

存储器设备例如可以是用户识别模块(SIM)卡。SIM卡是一种电子设备，它通常包括微处理单元和存储器，适于封装在小的弹性塑料卡内。SIM卡另外包括一些形式的接口以用于与节点200进行通信。

在可选的实施例中，用户接口225被连接到控制器215。用户接口225可以包括诸如一个或多个按钮的小键盘，它们用于产生一次按钮按压或一系列按钮按压。用户接口225还可以包括语音响应系统或者接收由设备用户启动的手动输入的其它类似方法。响应于接收经由用户接口225的用户输入，控制器215按照需要执行命令。本领域的普通技术人员将意识到，用户接口225可以被用来执行各种功能，并为节点200的运行做出各种操作选择。例如，用户接口225可以被用于对位置计算模块230提供输入，以便根据本发明来计算节点102、106、107的位置。

图3描述了根据本发明实施例的用于计算移动设备位置的方法流程图。尽管严格来说需要四个参考来得到移动设备的位置，但是在实际操作中所涉及的参考的数量可以更多。这有助于使计算位置的误差最小化，因为所有测量的TOF_i都会受到测量误差的影响。

如图3中所示，操作从步骤305开始，在步骤305中，收集来自所有n+1个参考的TOF值。接着，在步骤310中，将提供最大TOF的参考认为是“数0”。接着，在步骤315中，然后计算与最大TOF相关的k_i因子的值。接着，在步骤320中，移动设备的坐标被初始化为某些值。这些值可以是任何值，但是为了减少计算量，以前计算的移动设备的位置是更优选的。接着，步骤325开始迭代过程。执行迭代过程直到修正具有小于指定精度的值。利用本发明的计算方法，使用例如在下文叙述的方程7来计算对每个参考

的单独的误差。接着，在步骤330，使用例如在下文叙述的方程15来计算当前坐标的修正dX和dY。然后，在步骤335中，将这些修正应用到以前的坐标。接着，在步骤340中，确定应用的修正是否有过大的。当应用的修正过大时，该操作就循环返回到步骤325，并执行下一个迭代。如果修正足够小，该过程就停止。

本文提出的方法通过使误差的平方之和(最小二乘法)最小化来提供移动设备坐标。使用使误差的平方之和最小化的任何其它方法，或者使用其它优化准则(例如，likeability函数)，也可以获得相同的结果。而且，在一些特定的应用中，可以应用加权最小化准则(weightedminimization criterion)，其中根据预定的加权方法对每个单独的误差进行加权。

这里下面是对图3过程的进一步解释。

在美国专利6,768,730和美国专利6,453,168中叙述了工作于ad-hoc多跳网络中的两个终端之间的距离估计。这些方法通过用0.299792458·10⁹乘以飞行时间，来计算终端之间的距离，0.299792458·10⁹是无线电波在自由空间中的传播速度。

在美国专利6,728,545中提出了一种计算工作于ad-hoc多跳网络中的移动终端的位置的方法。

在未知坐标(X，Y)的移动设备与具有已知坐标(x_i，y_i)的固定参考设备之间的距离ρ_i证实存在着关系：

${\mathrm{\ρ}}_i^2={(X-x_i)}^2+{(Y-y_i)}^2---\left(1\right)$

正如前面的叙述，移动设备的位置是未知的，因此，计算的距离ρ_i是X和Y的未知值的函数。

从测量的飞行时间τ_i可以计算在相同的两个终端之间的距离r_i。

r_i＝τ_i*c    (2)

在上面的方程中，c是无线电信号的传播速度，它在自由空间中是0.299792458·10⁹，或者在其它条件下是其它的一些未知值。

假定测量和传播速度都是正确的，在移动终端与参考之间的距离ρ_i与测量距离r_i是相同的。

r_i＝ρ_i    (3)

这意味着我们可以计算与飞行时间τ_i和τ_j相关的因子k_i，j，该飞行时间τ_i和τ_j是在该移动设备与两个固定的参考i和j之间经过测量得到的：

$k_{i,j}=\frac{r_i}{r_j}=\frac{{\mathrm{\τ}}_i*c}{{\mathrm{\τ}}_j*c}=\frac{{\mathrm{\τ}}_i}{{\mathrm{\τ}}_j}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_j}---\left(4\right)$

这使得k_i，j因子的值可以从测量的飞行时间值τ_i和τ_j中计算得到。并且该k_i，j因子的值并不依赖于信号的传播速度。将计算的距离用它们的数学表达式来替换，我们得到：

$k_{i,j}^2=\frac{{(X-x_i)}^2+{(Y-y_i)}^2}{{(X-x_j)}^2+{(Y-y_j)}^2}---\left(5\right)$

在方程(中，未知的实体仅仅是X和Y、移动终端的坐标。

方程(是在平面上所有点的几何轨迹，这些点验证了特性，即它们到两个固定参考ρ_i和ρ_j的距离具有在方程(中所表现的固定比例。

2200多年以来，这个轨迹被称为阿波罗尼斯(Apollonius)圆。这个几何轨迹的解析方程是：

${(X-\frac{x_i-k_{i,j}^2{x}_j}{1-k_{i,j}^2})}^2+{(Y-\frac{y_i-k_{i,j}^2{y}_j}{1-k_{i,j}^2})}^2={\left(\frac{k_{i,j}}{1-k_{i,j}^2}\right)}^2({(x_i+x_j)}^2+{(y_i+y_j)}^2)---\left(6\right)$

该Apollonius圆具有在

的中心以及的半径 $\frac{k_{i,j}}{1-k_{i,j}^2}\sqrt{{(x_i+x_j)}^2+{(y_i+y_j)}^2}.$

如果在移动设备与两个参考点之间的两个距离是几乎相同的，k_i，j的值是接近于1。在这种情况下，Apollonius圆的半径变得非常大，该圆的中心向无穷大移动。点M’移动接近到该部分的中间，同时点M”移动接近无穷大。在极限情况下，当k＝1时，该圆在连接两个参考点的该部分的中垂线上退化(degenerate)。

现在将在一个实例中可用的所有参考编号为i＝0，1，2，...n。在这个设置中是n+1个参考，从这些参考中我们可以建立n个Apollonius圆。为了简化计算，我们选择第一距离(i＝0)作为参考(与以前文本中的“j”相同)，并忽略标记零。这意味着我们将书写具有与之前相同含义的k_i来代替使用k_i，0。由于移动设备的坐标是未知的，测量会受到误差的影响，该误差可从下面的方程(中计算出来：

${\mathrm{\ϵ}}_i(X,Y)={\left(X\frac{x_i-k_i^2{x}_0}{1-k_i^2}\right)}^2+{\left(Y\frac{y_i-k_i^2{y}_0}{1-k_i^2}\right)}^2-{\left(\frac{k_i}{1-k_i^2}\right)}^2({(x_i+x_0)}^2+{(y_i+y_0)}^2),i=\mathrm{1,2},...n---\left(7\right)$

在方程(中，对于i＝1，2，3，...n的误差ε_i(X，Y)具有依赖于坐标X和Y以及测量误差的值。通过最小化下述表达式(LSM)，可以得到移动终端最可能的位置(X，Y)：

$E(X,Y)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_i^2(X,Y),i=\mathrm{1,2},...n---\left(8\right)$

X和Y的值，其中函数E(X，Y)具有最小值，也证实了：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Fx}(X,Y)=\frac{\∂E(X,Y)}{\∂X}=2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_i}{\∂X}{\mathrm{\ϵ}}_i\right)=0\\ \mathrm{Fy}(X,Y)=\frac{\∂E(X,Y)}{\∂Y}=2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_i}{\∂Y}{\mathrm{\ϵ}}_i\right)=0\end{array}\right.---\left(9\right)$

误差ε_i(X，Y)的导数是按照以下进行计算：

$\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_i}{\∂X}=\frac{\∂({(X-\frac{x_i-k_i^2{x}_0}{1-k_i^2})}^2+{(Y-\frac{y_i-k_i^2{y}_0}{1-k_i^2})}^2-{\left(\frac{k_i}{1-k_i^2}\right)}^2({(x_i+x_0)}^2+{(y_i+y_0)}^2))}{\∂x}$

$=2(X-\frac{x_i-k_i^2{x}_0}{1-k_i^2}),i=\mathrm{1,2},...n---\left(10\right)$

$\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_i}{\∂Y}=2(Y-\frac{y_i-k_i^2{y}_0}{1-k_i^2})$

在忽略常数因子之后，方程(的系统可以被写为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Fx}(X,Y)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left((X-\frac{x_i-k_i^2{x}_0}{1-k_i^2}){\mathrm{\ϵ}}_i\right)=0\\ \mathrm{Fy}(X,Y)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left((Y-\frac{y_i-k_i^2{y}_0}{1-k_i^2}){\mathrm{\ϵ}}_i\right)=0\end{array}\right.---\left(11\right)$

方程(的系统在X和Y上不是线性的。

用于解决方程的非线性系统的传统方法是构建问题的线性近似，并选择一个近似解(X₀，Y₀)。迭代过程使用线性近似以迭代地计算修正(dX，dY)，这些修正会提高近似的精度。

一种用于建立问题的线性近似的方法将仅考虑与方程(的系统相关的泰勒级数的线性项。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Fx}(X,Y)\≅\mathrm{Fx}(X_0,Y_0)+\frac{\∂\mathrm{Fx}(X,Y)}{\∂X}{|}_{\underset{Y=Y_0}{X=X_0}}\mathrm{dX}+\frac{\∂\mathrm{Fx}(X,Y)}{\∂Y}{|}_{\underset{Y=Y_0}{X=X_0}}\mathrm{dY}\\ \mathrm{Fy}(X,Y)\≅\mathrm{Fy}(X_0,Y_0)+\frac{\∂\mathrm{Fy}(X,Y)}{\∂X}{|}_{\underset{Y=Y_0}{X=X_0}}\mathrm{dX}+\frac{\∂\mathrm{Fy}(X,Y)}{\∂Y}{|}_{\underset{Y=Y_0}{X=X_0}}\mathrm{dY}\end{array}\right.---\left(12\right)$

使用方程(中的表达式来替换Fx和Fy，并执行导数：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(X_0-\frac{x_i-k_i^2{x}_0}{1-k_i^2}){\mathrm{\ϵ}}_i^0+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ϵ}}_i^0+2{(X_0-\frac{x_i-k_i^2{x}_0}{1-k_i^2})}^2)\mathrm{dX}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(X_0-\frac{x_i-k_i^2{x}_0}{1-k_i^2})(Y_0-\frac{y_i-k_i^2{y}_0}{1-k_i^2})\mathrm{dY}=0\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(Y_0-\frac{x_i-k_i^2{y}_0}{1-k_i^2}){\mathrm{\ϵ}}_i^0+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(X_0-\frac{x_i-k_i^2{x}_0}{1-k_i^2})(Y_0-\frac{y_i-k_i^2{y}_0}{1-k_i^2})\mathrm{dX}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ϵ}}_i^0+2{(Y_0-\frac{y_i{-k}_i^2{y}_0}{1-k_i^2})}^2)\mathrm{dY}=0\end{array}\right.---\left(13\right)$

在移动等号的右侧的已知元素之后，方程的系统是：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ϵ}}_i^0+2{(X_0-\frac{x_i-k_i^2{x}_0}{1-k_i^2})}^2)\mathrm{dX}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(X_0-\frac{x_i-k_i^2{x}_0}{1-k_i^2})(Y_0-\frac{y_i-k_i^2{y}_0}{1-k_i^2})\mathrm{dY}=-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(X_0-\frac{x_i-k_i^2{x}_0}{1-k_i^2}){\mathrm{\ϵ}}_i^0\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(X_0-\frac{x_i-k_i^2{x}_0}{1-k_i^2})(Y_0-\frac{y_i-k_i^2{x}_0}{1-k_i^2})\mathrm{dX}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ϵ}}_i^0+2{(Y_0-\frac{y_i-k_i^2{y}_0}{1-k_i^2})}^2)\mathrm{dY}=-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(Y_0-\frac{x_i-k_i^2{y}_0}{1-k_i^2}){\mathrm{\ϵ}}_i^0\end{array}\right.---\left(14\right)$

值ε_i ⁰是在X＝X₀和Y＝Y₀.时使用方程(计算的误差。

如果距离中的一个等于参考距离，相应的Apollonius圆就在连接两个参考点的线的中垂线上退化(degenerate)。为了避免在计算期间出现溢出，方程(应当被改变为：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ϵ}}_i^0{(1-k_i^2)}^2+2(X_0(1-k_i^2)-{(x_i-k_i^2{x}_0))}^2)\mathrm{dX}+\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(X_0(1-k_i^2)-(x_i-k_i^2{x}_0))(Y_0(1-k_i^2)-(y_i-k_i^2{y}_0))\mathrm{dY}=-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(X_0(1-k_i^2)-(x_i-k_i^2{x}_0)){\mathrm{\ϵ}}_i^0\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(X_0(1-k_i^2)-(x_i-k_i^2{x}_0))(Y_0(1-k_i^2)-(y_i-k_i^2{y}_0))\mathrm{dX}+\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ϵ}}_i^0{(1-k_i^2)}^2+2{(Y_0(1-k_i^2)-(y_i-k_i^2{y}_0))}^2)\mathrm{dY}=-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(Y_0(1-k_i^2)-(x_i-k_i^2{y}_0)){\mathrm{\ϵ}}_i^0\end{array}\right.---\left(15\right)$

该方法可以很容易进行扩展，以便计算三维坐标(X，Y，Z)。

图4至9描述了在建筑物内本发明方法的示例性操作。图4至8是使用模拟数据而进行处理。图9描述了使用测量数据的结果。

图4描述了一个示例性的办公室建筑400的地图。移动设备405位于办公室建筑400内。而且，五个参考(410，415，420，425和430)都位于办公室建筑400内。为了计算移动设备405的位置，这五个参考中的每一个参考优选地是固定位置参考。移动设备405和这五个参考(410，415，420，425和430)中的每一个参考在无线通信网络内进行通信。无线通信网络例如可以是ad-hoc多跳无线网络。根据本发明的一个实施例，这五个参考(410，415，420，425和430)中的每一个参考进一步具有到与其相关的移动设备405的飞行时间(TOF)。例如，第一参考410在移动设备405与第一参考410之间具有第一飞行时间。第二参考415在移动设备405与第二参考415之间具有第二飞行时间。第三参考420在移动设备405与第三参考420之间具有第三飞行时间。第四参考425在移动设备405与第四参考425之间具有第四飞行时间。第五参考430在移动设备405与第五参考430之间具有第五飞行时间。可以测量在每个参考与移动设备405之间的飞行时间，这是本领域已知的内容。

尽管图4至图9的实例描述了办公室建筑的情况，但是本领域的普通技术人员将意识到，本发明的方法和系统可以被应用在诸如室内环境、室外环境、地下环境、天空环境和水下环境等的任何环境下。

图5描述了本发明方法的实施例的第一个步骤。具体来说，图5描述了第一Apollonius圆500，该Apollonius圆500代表移动设备405的可能位置的圆。例如，使用第一参考410的位置和第二参考415的位置来计算第一Apollonius圆500。例如，根据本发明，通过测量在移动设备405与第一参考410之间的第一飞行时间；测量在移动设备405与第二参考415之间的第二飞行时间，来计算第一Apollonius圆500；以及使用第一飞行时间、第二飞行时间、第一参考410的第一位置、和第二参考415的第二位置，来计算第一Apollonius圆500。第一Apollonius圆500的中心505被图示为一个空的小圆。本领域的普通技术人员将意识到，第一参考410和第二参考415都与第一Apollonius圆500的中心505在相同的线上。

图6描述了本发明方法的实施例的第二个步骤。具体来说，图6描述了具有中心605的第二Apollonius圆600，该第二Apollonius圆600代表移动设备405的可能位置的圆(circle)。例如，通过测量在移动设备405与第三参考420之间的第三飞行时间，来计算第二Apollonius圆600；以及使用第三飞行时间和飞行时间组中的一个飞行时间，来计算第二Apollonius圆600，其中该飞行时间组包括了第一参考410的第一飞行时间和第二参考415的第二飞行时间。例如，如图示使用第一参考410的第一飞行时间和第三参考420的第三飞行时间来计算第二Apollonius圆600。在一个实施例中，选择第一最大飞行时间参考作为对第一参考410和第二参考415计算的最大飞行时间，其中该第一参考410具有第一飞行时间，该第二参考415具有第二飞行时间；然后，在计算第二Apollonius圆600的过程中使用该第一最大飞行时间。如图6中的描述，第一Apollonius圆500和第二Apollonius圆600具有两个交叉点(610，615)。这两个交叉点(610，615)中的一个就是移动设备405的位置。

图7描述了本发明方法的实施例的进一步步骤。具体来说，图7描述了具有中心705的第三Apollonius圆700，该第三Apollonius圆700代表移动设备405的可能位置的圆。例如，通过测量在移动设备405与第四参考425之间的第四飞行时间，来计算第三Apollonius圆700；以及使用第四参考425的第四飞行时间和飞行时间组中的一个飞行时间，来计算第三Apollonius圆700，其中该飞行时间组包括了第一参考410的第一飞行时间、第二参考415的第二飞行时间、和第三参考420的第三飞行时间。例如，如图7中的描述，使用第一参考410的第一飞行时间和第四参考425的第四飞行时间，来计算第三Apollonius圆700。在一个实施例中，选择第二最大飞行时间参考作为对第一参考410，第二参考415和第三参考420计算的最大飞行时间，其中该第一参考410具有第一飞行时间，该第二参考415具有第二飞行时间，该第三参考420具有第三飞行时间；然后，在计算第三Apollonius圆700的过程中使用该第二最大飞行时间。如图7中的描述，第一Apollonius圆500、第二Apollonius圆600、第三Apollonius圆700具有一个交叉点710。该交叉点710就是移动设备405的位置。

本领域的普通技术人员将意识到，为了根据本发明来计算移动设备的位置，需要至少四个参考。然而，还将进一步意识到，为了获得计算的准确性，可以使用额外的参考。图8描述了具有中心805的第四Apollonius圆800，该第四Apollonius圆800代表了移动设备405的可能位置的圆。例如，通过测量在移动设备405与第五参考430之间的第五飞行时间，来计算第四Apollonius圆800；以及使用第五参考430的第五飞行时间和飞行时间组中的一个飞行时间，来计算第四Apollonius圆800，其中该飞行时间组包括了第一参考410的第一飞行时间、第二参考415的第二飞行时间、第三参考420的第三飞行时间、和第四参考425的第四飞行时间。例如，如图8中的描述，使用第一参考410的第一飞行时间和第五参考430的第五飞行时间，来计算第四Apollonius圆800。在一个实施例中，选择第三最大飞行时间参考作为对第一参考410、第二参考415、第三参考420和第四参考425计算的最大飞行时间，其中该第一参考410具有第一飞行时间，该第二参考415具有第二飞行时间，该第三参考420具有第三飞行时间，该第四参考425具有第四飞行时间，然后在计算第四Apollonius圆800的过程中使用该第三最大飞行时间。如在图8中的描述，第一Apollonius圆500、第二Apollonius圆600、第三Apollonius圆700、和第四Apollonius圆800具有一个交叉点810。该交叉点810就是移动设备405的位置。

图9描述了本发明的一种测量实例。如在图9中的描述，使用四个Apollonius圆(905、910、915和920)计算出的移动设备的位置900略微不同于移动设备405的实际位置。这四个圆(905、910、915和920)并没有准确相交，这是由于单独的TOF的测量值会受到在图9的实例中所描述的误差的影响。通过使误差的平方之和最小化，该算法能计算移动设备405最可能的位置。在图9中所呈现的情形中，通过使用在标题为“Real-time system and method for improving theaccuracy of the computed location of mobile subscribers in a wirelessad-hoc network using a low speed central processing unit”的美国专利申请2005/0186966中所提供的方法，可以调整使用Apollonius圆计算的移动设备的位置，通过引用将该美国专利申请的内容结合于此。

尽管本文前面是使用两维位置实例对本发明进行叙述，但是本领域的普通技术人员将意识到，三维的应用也涵盖在本发明的范围内。例如，为了确定工作于无线通信网络中的移动设备的三维位置，在一个实施例中的操作可以包括在无线通信网络中提供至少五个固定的参考设备；计算在移动设备与至少不同的四对固定参考设备中的每个之间的至少四个Apollonius球(sphere)，其中所计算的Apollonius球指示了在移动设备与每对相关的固定参考设备中的每个之间的距离；并计算该移动设备的三维位置作为所计算的Apllonius球的交叉点。

在前述的说明书中，已经叙述了本发明的特定实施例。然而，本领域的普通技术人员将认识到，在不脱离如权利要求中所公开的本发明范围的情况下，可以对实施例进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应当被认为是示例性的，而并非是限制性的，所有这种修改都被认为是涵盖在本发明的范围内。益处、优点、解决问题的方案、以及可能产生出任何益处、优点或解决方案或者使这些益处、优点和解决方案变得更突出的任何元素，都不应当被理解为是任何或所有权利要求的关键的、必要的或必需的特征或元素。本发明是通过所附的权利要求来唯一限定，该权利要求包括在这个申请待审期间作出的任何修改、以及在颁布时这些权利要求的所有等价形式。

Claims (18)

1.一种用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的位置的方法，包括以下步骤：

在所述无线通信网络内提供至少四个固定的参考设备；

计算在所述移动设备与至少不同的三对固定参考设备中的每一个之间的至少三个Apollonius圆，其中所计算的Apollonius圆指示所述移动设备与每对的相关固定参考设备中的每一个之间的距离；

将所述移动设备的位置计算作为所计算的Apollonius圆的交叉点。

2.如权利要求1中所述的用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的位置的方法，其中每个Apollonius圆代表了所述移动设备的可能位置的圆。

3.如权利要求1中所述的用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的位置的方法，进一步在所述计算步骤之前，对于每个提供的参考，包括步骤：

测量所述移动设备与所述参考之间的飞行时间，以便在所述计算步骤中使用。

4.如权利要求1中所述的用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的位置的方法，其中所述计算步骤包括：

测量所述移动设备与第一参考之间的第一飞行时间；

测量所述移动设备与第二参考之间的第二飞行时间；

使用所述第一飞行时间、所述第二飞行时间、所述第一参考的第一位置以及所述第二参考的第二位置来计算第一Apollonius圆；

测量所述移动设备与第三参考之间的第三飞行时间；

使用所述第三飞行时间和包含所述第一飞行时间和所述第二飞行时间的飞行时间组中的一个飞行时间，来计算第二Apollonius圆；

测量所述移动设备与第四参考之间的第四飞行时间；

使用所述第四飞行时间和包含所述第一飞行时间、所述第二飞行时间和所述第三飞行时间的飞行时间组中的一个飞行时间，来计算第三Apollonius圆。

5.如权利要求4中所述的用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的位置的方法，其中所述计算步骤包括：

将所述移动设备的位置计算作为所述第一、第二、和第三Apollonius圆的交叉点。

6.如权利要求1中所述的用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的位置的方法，其中所述计算步骤包括：

测量所述移动设备与第一参考之间的第一飞行时间；

测量所述移动设备与第二参考之间的第二飞行时间；

使用所述第一飞行时间和所述第二飞行时间来计算第一Apolllonius圆；

测量所述移动设备与第三参考之间的第三飞行时间；

从包括所述第一参考和所述第二参考的飞行时间参考组中选择第一最大飞行时间参考，其中所述第一参考具有所述第一飞行时间，所述第二参考具有所述第二飞行时间；

使用所述第三飞行时间和所述第一最大飞行时间参考的飞行时间，来计算第二Apollonius圆；

测量所述移动设备与第四参考之间的第四飞行时间；

从包括所述第一参考、所述第二参考和所述第三参考的飞行时间组中选择第二最大飞行时间参考，其中所述第一参考具有所述第一飞行时间，所述第二参考具有所述第二飞行时间，所述第三参考具有所述第三飞行时间；以及

使用所述第四飞行时间和所述第二最大飞行时间参考的飞行时间，来计算第三Apollonius圆。

7.如权利要求1中所述的用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的位置的方法，其中所述无线通信网络是ad hoc多跳无线网络。

8.如权利要求1中所述的用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的位置的方法，其中所述无线通信网络中的通信包括在一组环境中的一个或多个环境中的通信，该一组环境包含室内环境、室外环境、地下环境、天空环境和水下环境。

9.如权利要求1中所述的用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的位置的方法，其中估计方法独立于所述无线通信网络中通信信号的传播速度。

10.一种用于确定在无线通信网络中的移动设备的位置的系统，包括：

接收机，适于在移动设备处接收来自至少四个参考设备中每一个的单独的信号，每个单独信号包括代表了所述移动设备与相关的固定参考设备之间的飞行时间的信息；以及

处理器，适于通过执行下面操作来估计所述移动设备的位置：

计算在所述移动设备与至少不同的三对固定参考设备中的每一个之间的至少三个Apollonius圆，其中所计算的Apollonius圆指示所述移动设备与每对相关固定参考设备中的每一个之间的距离；以及

将所述移动设备的位置计算作为所计算的Apollonius圆的交叉点。

11.如权利要求10中所述的用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的位置的系统，其中每个Apollonius圆代表了所述移动设备的可能位置的圆。

12.如权利要求10中所述的用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的位置的系统，其中所述处理器进一步适于确定所述移动设备与每个参考之间的飞行时间，以便在计算所述三个Apollonius圆时使用。

13.如权利要求10中所述的用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的位置的系统，其中所述处理器适于通过执行下面的操作来计算所述三个Apollonius圆：

测量所述移动设备与第一参考之间的第一飞行时间；

测量所述移动设备与第二参考之间的第二飞行时间；

使用所述第一TOF和所述第二飞行时间来计算第一Apollonius圆；

测量所述移动设备与第三参考之间的第三飞行时间；

使用所述第三飞行时间和包含所述第一飞行时间和所述第二飞行时间的飞行时间组中的一个飞行时间，来计算第二Apollonius圆；

测量所述移动设备与第四参考之间的第四飞行时间；

使用所述第四飞行时间和包含所述第一飞行时间、所述第二飞行时间和所述第三飞行时间的飞行时间组中的一个飞行时间，来计算第三Apollonius圆。

14.如权利要求13中所述的用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的位置的系统，其中所述处理器进一步适于将所述移动设备的位置计算作为所述第一、第二、第三Apollonius圆的交叉点。

15.如权利要求10中所述的用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的位置的系统，其中所述处理器适于：

测量所述移动设备与第一参考之间的第一飞行时间；

测量所述移动设备与第二参考之间的第二飞行时间；

使用所述第一飞行时间和所述第二飞行时间来计算第一Apollonius圆；

测量所述移动设备与第三参考之间的第三飞行时间；

从包含所述第一参考和所述第二参考的飞行时间参考组中选择第一最大飞行时间参考，其中所述第一参考具有所述第一飞行时间，所述第二参考具有所述第二飞行时间；

使用所述第三飞行时间和所述第一最大飞行时间参考的飞行时间，来计算第二Apollonius圆；

测量所述移动设备与第四参考之间的第四TOF；

从包含所述第一TOF、所述第二TOF和所述第三TOF的TOF组中选择第二最大TOF参考；以及

使用所述第四TOF和所述第二最大TOF参考，来计算第三Apollonius圆。

16.如权利要求10中所述的用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的位置的系统，其中所述无线通信网络是ad hoc多跳无线网络。

17.如权利要求10中所述的用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的位置的系统，其中所述无线通信网络中的通信包括在一组环境中的一个或多个环境中的通信，该一组环境包含室内环境、室外环境、地下环境、天空环境和水下环境。

18.一种用于确定工作于无线通信网络中的移动设备的三维位置的方法，包括以下步骤：

在所述无线通信网络中提供至少五个固定的参考设备；

计算在所述移动设备与至少不同的四对固定参考设备中的每一个之间的至少四个Apollonius球，其中所计算的Apollonius球指示所述移动设备与每对相关固定参考设备中的每一个之间的距离；以及

将所述移动设备的三维位置计算作为所计算的Apollonius球的交叉点。

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