CN102378918A - 声学位置确定系统 - Google Patents

Abstract

确定检测区域内移动单元(12)的位置。声学信号从该移动单元发射且沿着第一路径(54)接收。该信号的回波在从所述检测区域内的表面(46)反射之后被接收。检测区域内移动单元(12)的位置根据该信号和回波的到达时间来确定。

Description

声学位置确定系统

本发明涉及室内位置确定系统，尤其但不排他地涉及使用超声波的室内位置确定系统。

存在希望能够在给定区域内确定诸如一台设备或个人的可移动对象的位置的很多情形。已知使用超声波发射器或附连到需要定位的对象或个人的标签以及位于每个房间内能够确定给定标签的存在或缺失的合适的超声波接收器来提供房间级定位。这对于存货盘存或定位个人是有用的，但是对于一些应用不够精确。

还提议使用分布在监控区域周围的超声波接收器阵列以使用三边测量(即，使用来自标签的信号到达不同接收器所需的时间)来确定区域内标签的位置。然而，这对于大型装置不是十分实用，因为存在与很多分离的接收器相关的高设备成本。而且，安装成本也很高(例如，可能需要针对每个单元单独铺设用于供电和通信的线缆)，且如果由于每个房间内需要具有多个单元而导致其被改装，最终的效果可能不美观。

在实践中实现该思想的另一问题在于，在真实环境中，存在很多这样的表面：标签的信号可能在接收之前被反射，例如，房间的墙壁。这些表面可能具有阻挡感兴趣的信号的趋势且需要复杂的处理来消除。例如，用于识别和消除由于反射导致的不精确距离测量的几何学和统计学方法在″A New Location Technique for the Active Office″，IEEE Personal Communications，Vol.4，No.5，October 1997，pp 42-47中描述。反射导致的问题能够通过增加接收器的数目减轻，但是这恰好进一步增加了成本。

在WO 2006/013512中提议使用单个基站，通过使用签名匹配方法，使用来自标签的视线信号以及墙壁、天花板、地板和房间内可能的其他表面的反射导致的反射信号来确定标签的位置。将信号的时间序列签名以及其被基站接收的反射与存储的模型签名或模板进行匹配。这种方法具有多种缺点：具体而言，因为签名匹配算法不能在噪声环境(诸如当多个接收的信号或其回波在时间上交叠时)中很好地执行，所以它提供不佳的定位精度；而且，该方法的精度限制于候选模型签名或模板的数目，这通常受到可用处理能力、存储器空间和时间的约束。

从一个方面考虑，本发明提供一种确定检测区域内移动单元的位置的方法，包括：

从移动单元发射声学信号；

沿着第一路径从移动单元接收所述声学信号；

接收所述声学信号在从所述检测区域内的表面反射之后的回波；

确定声学信号沿着所述第一路径的到达时间；

确定回波的到达时间；以及

从所述到达时间确定检测区域内移动单元的位置。

本发明还扩展至相应的位置确定系统，该位置确定系统包括移动单元、接收器和处理装置，该移动单元位于检测区域内，其中：

移动单元布置为发射声学信号；

接收器布置为从移动单元接收沿着第一路径的所述声学信号，并且接收所述声学信号从所述检测区域内的表面反射之后的回波；以及

处理装置布置为确定声学信号沿着所述第一路径的到达时间，确定回波的到达时间，并且从所述到达时间确定检测区域内移动单元的位置。

位置确定系统优选地还包括存储装置和/或显示装置和/或电子通信装置，且布置为存储和/或显示和/或电子地传送移动单元的所述确定的位置。

本发明还扩展至处理装置，该处理装置调适为从接收器接收数据，该接收器接收：由移动单元发射的沿着第一路径传播到接收器的声学信号；以及声学信号在从表面反射之后的回波；其中该处理装置布置为：

确定声学信号沿着所述第一路径的到达时间；

确定回波的到达时间；以及

从所述到达时间确定检测区域内移动单元的位置。

处理装置优选地还布置为存储和/或显示和/或电子地传送移动单元的所述确定的位置。

本发明还扩展至包含指令的软件产品，当在处理装置上执行时，其中该处理装置调适为从接收器接收数据，该接收器接收：由移动单元发射的沿着第一路径传播到接收器的声学信号；以及声学信号在从表面反射之后的回波；该软件产品导致处理装置：

确定声学信号沿着所述第一路径的到达时间；

确定回波的到达时间；以及

从所述到达时间确定检测区域内移动单元的位置。

优选地，软件产品调适为导致处理装置存储和/或显示和/或电子地传送移动单元的所述确定的位置。软件产品可以存储在载体上或者加载在存储器中。

第一路径可以是间接路径，即沿着第一路径的声学信号从表面反射。在这种情况中，仅回波用于计算。然而，在优选实施方式中，第一路径是直接路径，使得沿着第一路径接收的声学信号是直接声学信号。在一些实施方式中，当直接声学信号可用(例如，当在移动单元和接收器之间存在不受阻挡的视线时)时，使用直接声学信号，但是当没有直接路径存在(例如，由于阻挡物的存在)时，使用间接路径。

因而，本领域技术人员可以看出，根据本发明，不是寻求从接收的信号抵消涉及被附近表面反射的来自移动单元的声音的所有信息或试图执行模式匹配操作，而是一个或多个反射的接收时间被独立计算并且用于确定移动单元的位置。当与丢弃回波的方法相比时，涉及反射的定时(timing)的附加信息的有意使用可以增加位置确定精度或减小不混淆地确定移动单元的位置所需的接收器的最小数目。这使得可以较容易地提供比签名匹配方法更好的精度。定位中使用的回波特性的知识还可以用于增加移动单元的位置估计数据可以更新的速率，并且还可以用于增加数据(例如，标签识别码)可以在移动单元和接收器之间发射的速率。

例如，使用内置于接收器的时钟，第一信号(为方便起见，此后称为直接信号，但是注意，只要合适，参考直接信号描述的特征应被理解为等同地应用于间接第一信号)和/或一个或多个回波的到达时间可以不同地确定为绝对时间(例如，由内部系统时钟或来自外部时钟的信号定义)。备选地，可以使用相对定时。例如，时间可以相对于直接声学信号在接收器的到达时间；即，该第一到达事件定义“时间零”，相对于该参考点确定后续到达的一个或多个回波的(多个)时间。

理论上，监控区域中的任何表面可以用于反射，但是优选地，该表面是静止的表面且优选地是基本平面的。在这种实施方式中，反射表面有效地充当“声音镜(sonicmirror)”。申请人意识到，通过接收的信号的适当处理，它可以处理为就好像在表面的另一侧的相同距离存在第二虚拟接收器。当然，通过使用多个反射表面，出现多个这种虚拟接收器。因此，在一些实施方式中，在接收器处接收多个回波并且每个回波的到达时间被确定且用于确定检测区域内移动单元的位置。

在一些实施方式中，例如，通过给出传输的距离的估计，在位置确定中使用回波(例如与直接路径信号或另一回波相比的)的信号强度。此处，有利地，可以使用空优化。

应当意识到，根据本发明的虚拟接收器的使用意味着需要较少的真实接收器来给出相同级别的定位精度。具体而言，因而不需要提供彼此间隔的接收器来覆盖监控区域。如前文所述，这在设备和安装成本方面明显具有优势。实际上，在本发明的优选实施方式中，可以通过单个接收单元实现移动单元位置确定，该单个接收单元可以包括并入其中的一个或多个换能器。提供安装在单个位置处的单个单元的益处在于，与在多个位置处安装单元相比，它极大地减小了安装成本和不便利性。

为了精确地确定移动单元的位置，可以使用与接收器和(多个)反射表面的相对或绝对位置和/或定向相关的信息。该信息因此优选地用于确定检测区域内移动单元的位置。这种信息可以与检测区域的几何结构相关；例如，其所有边界表面的位置。可以在测量检测区域内的距离的人工安装者安装之前或安装期间确定这种信息。然而，优选地，执行自动校准步骤，其中处理装置通过接收声学信号获取与(多个)反射表面和/或接收器的位置相关的信息。该信号可以被移动单元(例如，当在已知位置时)或一些其他源发射，但是优选地由安装在相同单元中的本身发射信号的接收器或发射器发射。

在一组实施方式中，接收器包括两个独立换能器，第二换能器具有比第一换能器大的方向灵敏度。这有利地允许第一换能器接收来自移动单元的直接信号，并且第二换能器接收从反射表面反射的回波，因为方向灵敏度可以得到利用以使得意味着第二换能器将优先于直接信号拾取回波。例如，在一些优选实施方式中，存在包括在走向检测区域内的反射表面的响应半角中的至少一个假象线(imaginary line)。响应半角定义为灵敏度大于最大值一半的角度，即响应下降6dB的角度。这种布置使得区分来自直接路径信号的回波和来自其他噪声(例如从其他对象进一步回响)的回波更加容易。

在一组示例性实施方式中，第一换能器包括全向麦克风。第二换能器可以包括定向麦克风或具有波导或屏蔽以添加方向性的全向麦克风。实际上，波导或屏蔽甚至可以与固有定向麦克风一起使用以进一步增强其方向性。在一些实施方式中，第二换能器具有10至60度；优选地10至40度之间；例如30度的半角。优选地，第一换能器不具有半角(即，其角度变化小于6dB)，或者半角大于第二换能器的半角；优选地大于60度。

在另一组实施方式中，采用换能器阵列。在阵列(已知为相控阵列或波束成形阵列)中信号在相应换能器处的相对相位和/或到达时间使得能够确定给定信号的方向。此处对于定向麦克风或换能器的引用可以等同地理解为对于与处理装置相关联的换能器的波束成形或相控阵列的引用。

在一些实施方式中，第二换能器或其一部分是可移动的，以允许其方向轴被调节。这允许针对特定安装来优化配置。在一组实施方式中，第二换能器安装在诸如可旋转万向节的可移动支持上。在其他实施方式中，诸如在采用换能器的相控阵列的实施方式中，不提供物理调节。而是，在信号处理阶段可以实现方向特异性。

接收器可以包括比所述第一麦克风具有相对更大方向性的多个麦克风；例如，总共3个麦克风。优选地，相对定向麦克风的方向轴互不平行。

接收器可以在包含其电源(诸如电池、电容器、燃料电池或太阳能板)的单元中提供，但是优选地具有有线电连接。在一些尤其优选的实施方式中，接收器通过以太网(在IEEE 802.3中定义)接收电力。接收器可以支持通过诸如以太网、火线或USB的有线连接或者通过诸如红外或射频(例如IEEE 802.11)的无线链路的(例如，到另一接收器单元，到卫星麦克风单元或者到服务器)外部通信。

接收器单元可以包括上述处理装置，或处理装置可以与接收器单元分离，例如，是位于检测区域外部的服务器。在一些实施方式中，可以在相应位置采用多于一个的接收器。附加的接收器可以不同地布置为从移动单元接收相应直接声音信号和/或反射信号。它们可以包含第一接收器的一些或全部特征。在这种实施方式中，处理装置优选地布置为使用多个接收器处的信号的到达时间来确定检测区域内移动单元的位置。

在具有用于检测区域的多个接收器的实施方式中，其中各个接收器包括时钟，优选地地提供用于同步时钟的装置。这可以使用连接接收器的网络上的协议来执行。在包括多个不同检测区域的安装中，其中每个区域具有其自己的(多个)接收器，时钟可以跨越检测区域同步；尽管这可能并不是必须的(即，每个检测区域内的纯局部同步可能足够)。在一些实施方式中，移动单元包括时钟；在这种情况中，优选地提供用于同步移动单元的时钟与一个或多个接收器的时钟的装置。

优选地，移动单元包括用于将其附接到对象或人的附接装置。有利地，它包括其自己的电源；例如电池、电容器、燃料电池或太阳能板。声学信号可以具有任意合适的频率；它可以是可听的，即在20Hz-20kHz的范围内，但是它优选地是超声波；即大于20kHz。声学信号可以具有恒定频率(即，音调(tone))，但是优选地它具有诸如被啁啾调制(例如线性啁啾)的变化的频率，因为这可以提供较好的噪声抵抗力。在尤其优选的实施方式中，声学信号包括上升啁啾，随后是下降啁啾(或反之亦然)，其间可选地具有空隙。有利地，这些是线性啁啾，其可以提供针对多普勒频移(例如，如果移动单元相对于(多个)接收器移动)的良好抵抗力。通常，啁啾频率范围使得源于相对移动的多普勒频移仅组成啁啾频率范围的一小部分。可以等同地使用几何啁啾，但是其生成更为复杂。

继而，通过执行用于上啁啾信号和下啁啾信号的分离互相关且识别通过相同的时间分离偏移为两个啁啾的彼此具有相似幅度和锐度的峰，可以将感兴趣的回波与其他峰分离。在本上下文中可以应用的一种可能的标准是：

其中A是峰幅度且S是上啁啾和下啁啾的相关联峰的锐度，而a是0至1之间的加权因子。

声学信号可以对诸如用于移动单元的识别(ID)码或状态信息(例如，移动单元的电池电平)之类的信息进行编码。备选地，这种信息可以被单独地发送。这可以通过诸如无线电信道的独立电子或电磁信道完成。然而，优选地，这种信息被声学地发送，但是在时间和/或频率上与用于定位的声学信号分离。有利地，在声学信号之后发送信息。以这种方式，声学信号可以允许接收器确定与移动单元和接收器占用的声学环境的特性相关的信息；例如，信号中的多普勒频移(如果存在)的量、任意背景噪声的量和属性以及检测区域的衰减和回波特性。当解码来自移动单元的其他通信时，这种信息可以用于增加精度，例如实现较高的数据传输速率。

使用预定传输来支持声学环境中数据传输的解释在其自己的权利方面是新颖和创造性的，且当从另一方面看时，本发明提供一种从检测区域内的移动单元向接收器发射信息的方法，包括：

从移动单元发射预定声学信号；

接收预定信号；

计算传输中所述预定信号经历的变换的估计；

发射对所述信息进行编码的声学信号；

接收经编码的信号；以及

使用所述变换的估计来解码所述经编码的信号。

本发明的该方面扩展到调适为实现所述接收、计算和解码步骤的接收器和/或与其相关联的处理装置；以及在执行时调适为实现所述步骤的计算机软件产品。

预定信号可以仅用于计算变换的估计。然而优选地例如根据本发明的前述方面描述的，它用于确定移动单元的位置。

根据信息在声学信号上编码的本发明的任意方面，这种编码可以通过单频移键控(FSK)、多频移键控(MFSK)、幅移键控(ASK)、相移键控(PSK)或任意其他合适的机制来进行。在一组优选实施方式中，信息以选自有限组的一组信号的序列(例如，线性啁啾)编码。该组信号因而有效地是“字母”。这些信号优选地具有低互相关，并且优选地具有高峰值自相关。这种编码方案可以为多路径和FSK以外的干扰提供较大的鲁棒性。

预定信号可以在经编码的信号之前或之后发射或者可以作为其一部分发射。例如，在经编码的信号包括来自有限信号组的一系列信号时，这些信号中的一个或多个可以充当预定信号。

能够使用精确地识别传输的发射信号的变换及其回波的知识意味着：与试图过滤出作为不希望的噪声的回波十分不同，包含在它们中的信息可以被提取以给出因此支持解码的更可靠的数据信号。这进而意味着可以使用较高的数据传输速率。

在优选实施方式中，使用从移动单元到接收器的声音的飞行时间计算移动单元的位置。针对这种定时目的，声学信号的接收可以定义为当形成接收器的一部分的换能器的绝对信号强度输出瞬时或在采样周期上超过预定阈值的时间。

飞行时间可以以多种方式测量。一种方式是使用独立的电磁信号作为用于定时声学信号的基础。例如，方便地，移动单元可以与声学信号同时地或者至少与声学信号具有预定定时关系地发射电磁信号。通过确定电磁信号的接收(在该接收器或另一接收器处)和声学信号在该接收器处的接收之间的延迟，可以计算声学信号的飞行时间(因为电磁信号可以通常被认为瞬时到达)。这假设接收器正在监听电磁信号或者至少被告知电磁信号的传输或在另一接收器处的接收。

备选地，通过向移动单元发射电磁信号可以确定声学信号的飞行时间，移动单元布置为在接收电磁信号时发射声学信号，并且确定电磁信号的传输和声学信号在接收气中超声波的球形和耗散衰减的知识以及甚至是主表面的反射特性的知识。

(多个)虚拟接收器可以用于确定移动单元的位置，就好像在相应的位置存在多个真实接收器且没有反射表面。换句话说，该或每个虚拟接收器可以被认为就好像它如同接收来自移动单元的直接信号那样接收回波。虚拟接收器被看作的位置可以从真实接收器和反射表面的已知位置来确定。一旦确定了对应于每个回波的表面，使用球面(到达时间)或双曲线(到达时间差)方法，可以执行常规三边或多边计算以确定移动单元的位置。使用这种修改的三边或多边方法是有利的，因为当例如与射线跟踪相比时，它是计算高效的。

在具有多于一个反射表面的实施方式中，可能必须确定哪个回波从哪个表面反射(并由此确定其对应于哪个虚拟接收器位置)。这可以通过穷举试验和错误方法完成——即，尝试回波和表面的每一个可能的配对并且确定哪一个配对给出对于移动单元的位置最一致或似乎合理的估计。然而在优选实施方式中，例如通过考虑回波的信号强度及其到达时间，接收器具有来自接收信号的足够的信息来确定哪个表面出现特定回波。

在优选实施方式中，接收器位于房间的边界表面(墙壁、地板或天花板)附近。在一些实施方式中，最靠近的边界表面用作反射表面。这可以允许回波被相对容易地识别，因为它们将紧跟在直接信号之后。

在一些实施方式中，接收器位于拐角附近以给出可以用作虚拟接收器的一个或两个附近的附加反射表面。接收器可以安装到边界表面之一且仅使用拐角中的(多个)其他边界表面作为反射表面，或者它可以从这些表面中的一个表面延伸且由这些表面中的该一个表面支持。

在其他实施方式中，相对边界表面用作反射表面。在一些实施方式中，接收器安装在房间的与充当反射表面的墙壁平行相对的墙壁上。这允许很宽的覆盖范围(coverage)。在示例性实施方式组中，接收器安装到房间的天花板上-例如房间的中央-且使用地板作为反射表面。这给出几乎360度的覆盖范围。

接收器可以包括接收直接信号和反射信号二者的单个换能器，换能器的输出的分析用于区分直接信号和反射信号(例如，通过其相对信号强度和/或到达时间)。然而，在一组优选实施方式中，提供多个独立换能器。这些换能器然后可以在例如其定位、响应特性或所应用的数据分析方面被配置，以分别针对直接信号和反射信号的接收而器处的接收之间的延迟。同样，电磁信号的飞行时间可以假设为零，并且该延迟给出声学信号的飞行时间加上在移动单元处的已知“周转时间”-即，移动单元接收电磁信号和发射声学信号之间花费的时间。

在另一组实施方式中，使用移动单元和接收器中的同步时钟来测量飞行时间。因而，在此类实施方式中，移动单元包括时钟并且发射与声学信号传输的时间相关的信息。该定时信息可以在声音本身中被编码或者声学地发送，但是与前述信号分离(例如，在稍后的时间或者在不同的频率上)，或者它可以在分离的信道上发送到诸如WLAN或其他射频信道的声学信道。

接收器或与接收器通信的服务器优选地包括时钟，并且布置为确定与接收器接收声音的时间相关的信息。然后可以根据与声学传输的时间相关的信息和与声学信号的接收的时间相关的信息来确定声音的飞行时间。

上述过程的精度取决于移动单元和接收器之间的同步度。根据本发明的优选方法包括将移动单元上的时钟与远程时钟进行同步的步骤。远程时钟可以是与接收器相关联的时钟或者可以与其分离(尽管接收器继而也可以根据其同步)。在一些优选实施方式中，使用电磁-例如RF链路执行所述移动单元同步。在一组实施方式中，在从移动单元发射声学定位信号之前，时钟同步信号通过无线电从接收器发射到移动单元。该同步信号可以包括当前时间或校正因子。

在一组备选实施方式中，移动单元以预定计划(例如，以均匀间隔)发射信号，并且因而移动单元的传输时间可以被接收器或处理装置获知。

备选地，可以使用相对于接收器处于已知位置中的移动单元来实现移动单元的同步。移动单元的真实位置与根据由接收器接收的声学信号估计的位置之间的差异可以用于校准或同步移动单元。类似的方法可以用于设置或校准接收器。在一个方便的示例中，移动单元可以放置在与接收器连接的对接单元中。这可以是固定的并且已知的位置，或其本身发射用于确定其位置的信号(其不需要是声学的)。对接站可以经由有线连接来连接以维持同步，并且然后可以直接连接到移动单元以对其进行同步-即，不需要移动单元上的单独的RF发射器/接收器。

申请人设计的用于同步移动单元上的时钟与远程时钟的另一方法是首先仅使用与在一个或多个接收器处沿着多个路径的声音的到达时间差(TDOA)相关的信息来确定移动单元的位置，这不需要使用移动单元的时钟；并且然后，如果合适，基于移动单元的确定的位置和在接收器处相对于远程时钟测量的沿着多个路径的声音的绝对到达时间，来调节或补偿移动单元的时钟。如果时钟要被补偿，则这种补偿可以通过处理装置应用。

确定移动单元的位置应当理解成意味着确定处于适于应用本发明的上下文的置信度或空间精度内的位置的估计。并不旨在表明或者推断特别的精确度水平。在一些实施方式中，可以确定移动单元的位置处于最近的几米内；在更优选的实施方式中，在最近的一或两厘米内；或者甚至在最近的1毫米或更小的范围内。

在一些实施方式中，可以做出位置确定的精度的估计。这例如可以使用用于做出位置确定的最小需求以上的额外信息实现。例如，它可以取决于位置的独立估计之间的一致程度。精度可以被存储和/或显示和/或电子地传送。在移动单元上的时钟被调节或补偿的实施方式中，这种调节或补偿优选地仅在确定调节或补偿所基于的特定位置估计被确定为精确到预定裕度范围内时被应用。

申请人意识到，该时钟同步方法在其自己的权利方面是新颖的且是创造性的，并且因而，从另一方面，本发明提供一种时钟同步方法，包括：

-从移动单元发射声学信号，该移动单元包括时钟；

-在多个接收器处接收声学信号；

-根据信号在所述接收器处的到达时间和/或相位的(多个)差异来确定移动单元的位置的估计；

-使用以下项来计算时钟校正因子：移动单元的估计的位置、相对于所述移动单元时钟测量的信号的传输时间、以及相对于参考时钟测量的在所述换能器之一处的信号的到达时间；以及

-向移动单元时钟应用所述校正因子以使其与所述参考时钟同步。

优选地，该方面还包括本发明的第一方面的方法的步骤。第一方面的优选特征也是本方面的优选特征。

向移动单元时钟应用校正因子的步骤可以包括直接调节移动单元时钟(例如，使得其输出与参考时钟同步的时间数据)或者可以包括在接收器或服务器处向移动单元时钟输出的(不正确)时间数据应用校正因子，使得校正的数据与参考时钟同步。

移动单元可以根据预定计划发射声学信号，或者声学信号可以包括与相对于移动单元时钟测量的该声学信号的传输时间相关的数据，或者这种数据可以与声学信号分离地发射-例如通过RF链路发射。具体而言，如果声学信道忙，则移动单元可能需要退避-它优选地在这种示例中布置为通过分离信道发送与传输时间相关的数据，或者至少发送退避信息(例如，在预定退避方案中的尝试次数)，接收器或系统可以根据该信息重构移动单元中时钟的时间。

优选地根据本发明的所有上述方面，来自反射表面的声学信号的反射或回波的飞行时间用于计算移动单元的位置。然而，这并不关键。例如可以使用与直接路径信号(或者遵循另一路径的信号)相比回波的到达时间差(TDOA)。

例如使用射线跟踪，可以通过诸如三边或多边测量(使用到达时间(TOA)信息来确定球面相交的位置或者使用到达时间差(TDOA)信息来确定椭圆相交的位置)的任意适当方法；或者闭合空间、移动单元、反射表面和接收器的声学建模来确定移动单元的位置。

在一些优选实施方式中，接收器布置为估计来自移动单元的信号的到达角(AOA)。这例如可以通过采用换能器的角度响应的知识来实现，尤其当使用定向换能器时。当存在多个换能器时，可以使用在每个换能器处接收的信号之间的相位或定时的差异。在存在少量分离的换能器时，这可能足够精确地给出针对位置的角度范围。当提供换能器阵列时，则波束成形原理可以用于给出更精确的估计。

因而，当接收器包括第一换能器和第二换能器时，本发明优选地还包括：确定第一换能器处的直接声学信号的到达时间；以及确定第二换能器处的直接声学信号的到达时间。根据这些到达时间，可以确定与接收器处接收的声音所来自的方向相关的信息。例如，可以估计相对于参考平面的到达角度。如前所述，到达时间可以是绝对的或者彼此相对的。在一个或多个回波方面可以采取类似的步骤。附加地或备选地，对于到达时间，与信号的相位和/或幅度相关的信息可以被确定，并且类似地用于估计或贡献于到达方向的估计。当然，该方法不仅限于第一换能器和第二换能器，并且可以在任意数目的换能器上应用。

因而，即使在接收器处接收第一回波之前，也可以确定关于检测区域内移动单元的位置的一些信息。这些信息自身可能不足以按照所需精度确定移动单元的位置的估计，但是它可以与诸如与直接路径的路径长度和根据到达时间或到达时间差信息确定的一个或多个回波相关的其他信息组合。它还可以在具有多个反射表面的检测区域中使用，以确定反射特定回波的反射表面的识别。

在一些情况中，例如，如果在移动单元和接收器之间没有直接路径，或如果移动单元十分靠近房间的拐角，且因而产生来自不能被分离地识别的这种闭合连续的每个墙壁的回波，则可能不能通过上述方法中的任意一个确定移动单元的位置。但是在这种情形中可能希望简单地知道移动单元是否处于给定检测区域(诸如房间)内。因而，优选地，系统还布置成确定移动单元是否处于检测区域中。优选地，它布置为存储和/或显示和/或电子地传送所述确定。

在特定的一组实施方式中，移动单元试图以预定时间间隔(例如每5分钟)发起传输序列。在一个示例中，移动单元最初发起向接收器的RF传输。优选地，接收器优选地通过无线电向移动单元传递时隙。移动单元优选地向接收器传递短(并且可能不唯一的)ID。期望地，时隙和ID的组合对于位置而言是唯一的。如果没有建立移动单元和接收器之间的连接，则移动单元可以缺省地使用较长的唯一移动单元ID。

因而本发明的方法还可以包括在移动单元处接收时隙信息并且在所述时隙中从移动单元发射声学信号。ID码优选地从移动单元发射。声学定位信号本身可以包括ID码，或者ID码可以被单独发射。如果单独但是声学地发射，则其优选地与所述声学定位信号具有低互相关部分，从而在另一移动单元发射定位信号的同时一个移动单元发射其ID码时避免干扰。

在一些实施方式中，移动单元配置成延迟在信道上发射声学信号，直到该信道静默至少预定时间。该预定时间优选地是声音通过封闭空间最大尺寸(即，比最长预期反射信号路径更长)两次所花费的时间。然而，如果发射的声音彼此具有低互相关部分，则可以允许同步传输，因而增加包含多个移动单元的环境中的最大可能更新速率。

此处参考本发明的一个或多个方面或实施方式描述的任意特征在合适时应当被理解为可以等同地应用于此处描述的本发明的任意其他方面或实施方式。

现在将参考附图仅通过示例的方式描述本发明的某些实施方式，在附图中：

图1是实现本发明的接收器的外部的立体图；

图2是接收器的内部的立体图；

图3是接收器的波导形成部分的立体图；

图4是接收器的定向麦克风形成部分的立体图；

图5是示出根据本发明接收器如何确定移动单元的位置的示意图；

图6是类似于图5的示图，示出“虚拟接收器”的位置；以及

图7是与其他接收器和中央处理器联网的接收器的示意图。

具体地，图1以立体图示出根据本发明的接收器2的外部。模制盖子4保护接收器2的敏感内部组件不被损害性地环境暴露。然而，盖子4包括栅格开孔6和圆形开孔10，它们均允许超声波穿过盖子4到达单元的内部。连接端口8能够接收通过以太网支持电力的以太网线缆。通过栅格开孔6可见的是左定向麦克风12和右定向麦克风14。接收器2优选地布置为安装在墙壁或天花板上，但是可以是独立式的。

图2示出接收器2的内部，包括其上可以夹住模制盖子4(未示出)的平的背部构件16。电路板18也附接到背部构件16上，分离的电子组件、处理器、存储器、备用电池和通信模块附接到该电路板18上。与电路板18电通信的是左定向麦克风12和右定向麦克风14以及全向麦克风20。当模制盖子4就位时，盖子4中的圆形开孔10与全向麦克风20对齐以允许声音从单元的所有方向自由到达该麦克风。居中地位于左麦克风12和右麦克风14之间的圆形凹口22可以可选地容纳第三定向麦克风(未示出)。

图3示出波导24的特写图，该波导24是每个定向麦克风12、14的组件。波导24包括在中央孔34周围布置且朝向中央孔34逐渐变窄的4个平面26、28、30、32。使用中，这些平面协作以将声音从波导(在孔34的中心处具有其顶点)的相对窄的锥体引导向孔34。这些平面还用于阻挡或抑制来自波导的正面但是锥体之外的声音通过孔34。每个麦克风12、14的半角(灵敏度下降到最大值一半的角所包含的扇区)与孔34的半径相反地变化。

图4是左定向麦克风12的详细视图(右定向麦克风14相同)。换能器元件(不可见)将声能转换成电能且位于麦克风的圆柱体36的内部。圆柱体36的正面包括如图3中更详细示意的波导24。换能器元件位于波导24的中央孔34的附近，使得基本上仅上述锥体的方向性图案内的声音到达换能器元件。

定向麦克风12还包括万向节38，其通过圆柱体36两侧上的一对枢轴40附连到圆柱体36。这些枢轴允许麦克风12的圆柱体36的角度相对于万向节38绕穿过枢轴40的轴线调节180度。而且，万向节38具有可旋转地接合在接收器中的圆形凹口(例如22)中的圆形基座，从而允许整个麦克风12绕与上述枢轴轴线正交的轴线旋转任意角度。因而，当安装在接收器2中时，定向麦克风12、14的轴线(即，前述锥体的轴线)可以相对于接收器的基座16三维地调节到任意期望角度。栅格开孔6优选地布置为允许来自定向麦克风12、14可以物理地定向的基本上任意方向的声音自由通过。

图5示出用于确定移动单元48的位置的接收器2的安装和操作。接收器2安装在后墙42、侧墙44或天花板46相交的房间的拐角附近。接收器2安装在后墙42上，稍微远离拐角本身。例如，它可以从天花板42垂直向下且从侧墙44水平移动约20-150cm；例如80cm。

左麦克风12定向为使得其具有在水平面中延伸的方向轴且以约45度的角指向侧墙44。右麦克风14定向为使得其具有在垂直面延伸的方向轴且以约45度的角度指向天花板46。

移动单元48位于房间内，不直接与墙壁42、44或天花板46相邻。它可以附接到个人或设备项(未示出)。它可以布置为在整个房间内基本均匀地发射超声波信号。备选地，它可以向房间的一部分发射具有方向模式的声音(例如，半球形-例如，从房间的高于移动单元的部分)。例如，它可以以具有约50度的声压半角的模式发射声音。移动单元48可以包括诸如来自Murata Manufacturing Co.，Ltd.(商标)的MA40S4S的超声波换能器。

一些信号将直接传播到侧墙44；一些信号直接传播到后墙42；且一些信号直接传播到天花板46。具体而言，直接传播到后墙42的声音中的一些将沿着移动单元和接收器2的全向麦克风20之间的直接路径54传播。直接传播到侧墙44的声音中的一些将沿着直接路径56传播到侧墙上的点50，在那里它将沿着直接路径58反射到左单向麦克风12。该直接路径58位于麦克风12的接收锥体内，并且因而将通过波导24引导且进入麦克风的换能器元件。

类似地，直接传播到天花板46的声音中的一些将沿着直接路径60传播到天花板上的点52，在那里它将沿着直接路径62反射到右单向麦克风14，该麦克风具有角度朝向天花板46的方向轴。如所公知，侧墙44上的点50处的入射角和反射角(在该点50处相对于侧墙44的法线定义)将彼此相等；类似地，天花板46上的点52处的入射角和反射角将相等。因此可以看出，侧墙44和天花板46充当用于超声波信号的反射表面。

因为直接路径54的长度小于任何反射路径，所以沿着直接路径54传播的来自移动单元48的声音首先到达接收器2。尽管左定向麦克风12和右定向麦克风14位于直接路径声音的路径中，但是这些麦克风的波导24布置为针对房间内移动单元48的大多数可能位置而物理地抑制或阻挡这种直接路径信号。左定向麦克风12和右定向麦克风14的方向轴的定向使得，在任意给定应用中对于房间内的移动单元的大多数实际的位置，与它们的相应换能器获得(register)的它们沿着从移动单元48到接收器2的直接路径54接收的声音相比，它们的相应换能器获得的它们分别沿着路径58、62从侧墙44和天花板46接收的反射声音的信号更强。例如，如果移动单元48被个人携带，则可以合理地假设移动单元绝不高于房间的地板2米，且后墙42上的接收器2的位置以及定向麦克风12、14的角度可以相应地设置，以通过直接路径信号分别在侧墙44和天花板46的回波的支持下最大化定向麦克风12、14的信号强度辨别能力。

如果在使用中可以安全地假设：与直接路径声音或者来自与感兴趣的表面不同的一个表面或者两个或更多个表面的回波相比，感兴趣的回波将总是从定向麦克风12、14形成较强的信号，则时间窗口内的最强信号的接收时间可以看作是感兴趣的回波的接收时间。

然而，即使当沿着直接路径通过左定向麦克风12或右定向麦克风14从移动单元48接收的由移动单元48发射的信号比所接收的分别来自侧墙44或天花板46的感兴趣的对应回波更强时，该回波将在接收器处在直接路径声音之后被接收，并且因此仍然可以被识别为回波信号。

此外，不同麦克风12、14、20之间的每个声音脉冲(直接路径声音或任意一个回波)的相对定时和/或相位可以用于获得关于在接收器处接收声音的方向的附加信息。如果与每个麦克风12、14、20的方向灵敏度的模式相关的信息已知，则上述附加信息的有用性可以进一步增强。继而，不同麦克风的每个声音脉冲的相对强度(幅值)可以用于推断关于接收声音的方向的附加信息。这在下面更加详细地解释。

接收器2或与该接收器通信的处理装置包括时钟，并且因此能够确定沿着直接路径54从移动单元48传播到全向麦克风20的信号的到达时间。

来自移动单元48的信号包括具有高峰自相关的至少一个或优选地多个信号(例如，使得在处理之后所得的自相关峰具有2ms或更少的时间范围)。

对于麦克风信道中的每一个，接收器2或相关联的处理装置执行匹配过滤处理以找到定位信号和/或数据信号。匹配过滤处理包括所接收的麦克风信号与所有定位信号的正交(quadrature)版本的互相关。为了向由于移动单元48的移动而导致的接收信号的频率中的任意多普勒频移添加鲁棒性，可以针对已知定位信号的各种不同的多普勒频移变量中的每一个执行这些互相关。为了帮助识别回波的处理，所接收的信号还可以使用正交方法在它们之间进行互相关。

对于经处理的互相关信号中的每一个，峰被识别并且使用具有合适窗口大小的二阶多项式峰探测器(peak finder)来找到峰的位置、幅值和二阶导数。回波事件的时间(time instance)和衰减继而可以通过搜索具有预定阈值以上的幅值和锐度(二阶导数的绝对值)的峰来找到。

如果移动单元48发射多个定位信号，则来自每个定位信号的峰可以在相似度方面进行比较并且进行组合，以改善回波的识别。如果针对多个多普勒变量执行互相关，则最接近真实多普勒频移的匹配滤波器将示出最高和最尖锐的相关峰。

所接收的信号的相位信息可以根据正交互相关的正交分量的比率确定。这可以用于确定飞行时间与相位水平的精度(例如，针对20kHz的超声波分辨率(resolving)低于17mm)。然而，如果例如由于移动单元48的快速移动而存在大的多普勒频移(例如，v/c＞4*10^-3)，则这不起作用。所以在本实施方式中，使用两个反对称啁啾的峰拟合。移动单元48发射包含具有相反符号的啁啾率的两个啁啾的定位信号。因此，多普勒频移和时间延迟均可以按照以下方式精确地确定。

具有递增的线性频率啁啾的上升啁啾信号S_c↑被首先发射，接着是具有递减线性频率啁啾的啁啾信号S_c↓(当然，这些啁啾的顺序可以相反)。这两个啁啾具有相反但是相等的啁啾率极性(C_r↑＝-C_r↓＝df/dt＝f_end-f_start/T_c)(T_c是啁啾持续时间，f_start是啁啾起始频率，且f_end是啁啾结束频率)。啁啾使用大于或等于啁啾持续时间的时间间隔Δt_c发射。

使用正交互相关方法以利用所接收的麦克风信号来找到已知啁啾的Rxy(互相关信号)，与啁啾信号相对应的峰可以通过峰幅值、锐度进行选择以及知道啁啾时间间隔、它们在时间上的间距Δt_c而识别。仅使用线性啁啾防止了当接收的信号被多普勒频移时相关性的巨大损失。正交互相关的使用还给出幅值的更可靠的测量。

已经识别了用于所有相关反射回波的上啁啾信号和下啁啾信号的峰值对，可以提取信号的时间位置、幅值和峰锐度。因为所接收的信号可以具有彼此不同的多普勒速率(由于直接路径与各个可能的反射路径之间的不同观察角度)，所以根据啁啾的互相关的定时信息可能偏离。这可以使用下面的操作进行校正。

针对其已知时间间隔而校正的上啁啾信号和下啁啾信号之间的到达时间之差为：

$\frac{t_{\↑}(t_{\↓}-\mathrm{\Δ}{t}_c)}{2}=(\frac{f_c}{C_r}-\frac{\mathrm{\Δ}{t}_c}{2})(1-\mathrm{\η})$

其中f_c是啁啾信号的中心频率，C_r是啁啾率，且

$\mathrm{\η}=1-\frac{v_s}{c_{\mathrm{sound}}}$

多普勒因子(v_s是相对于接收器的源的有效速率，且C_sound是房间中的声音的速度-声音的速度可以大约等于恒定值，或者可以基于诸如温度和湿度的相关因子的测量进行估计，或者通过在已知距离上对声音进行计时而实验地确定)。

因为f_c、C_r和Δt_c是已知的，所以两个啁啾信号的到达时间可以用于计算多普勒因子。注意，该测量独立于源所经历的任意频率偏差(具有用于获得多普勒频移信息的很多备选方案的已知问题)。

针对其已知时间间隔而校正的两个啁啾之间的到达时间的和为：

$\frac{t_{\↑}(t_{\↓}-\mathrm{\Δ}{t}_c)}{2}=\frac{t_d}{\mathrm{\η}}+\mathrm{\Δ}{t}_c(\frac{1}{\mathrm{\η}}-1)$

信号的真实时间延迟t_d因此可以通过使用上述估计的测量多普勒因子的求出。所得到的定时精度是微秒量级。

如前所述，与每个声音脉冲(直接路径声音或回波)的到达角(AOA)相关的信息可以用于帮助解决回波弹回的反射表面的确定中的任意不确定性。它还可以与到达时间或到达时间差信息组合以提高位置估计的精度。

AOA信息可以通过比较定向麦克风和全向麦克的相对响应而获得。对于使用波导信道k中的互相关而识别的峰，相近全向信道中的相应峰可以用作计算峰m的幅值的比率A_km＝A_wvgd-k/A_omni的参考。

如果波导麦克风构造为使得在空间灵敏度方面与(多个)全向麦克风彼此地具有明显交叠，则到达角可以通过最小化误差表达式来进行估计：

${\mathrm{\ϵ}}_m=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{(A_{\mathrm{km}}-I(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_k,\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_k))}^2$

其中Φ_k和θ_k是用于圆锥波导k的灵敏度的主轴的角度。对于AOA的唯一固定值，需要两个比率测量的最小值。

配备有具有直径为a的圆形入口开孔的圆锥波导的全向麦克风的响应可以很精确地计算为(在球坐标系中)：

$I(\mathrm{\φ},\mathrm{\θ})=G\frac{\sin \left(\mathrm{ka}\sin \left(\mathrm{\φ}\right)\right)}{\mathrm{ka}\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}\frac{\sin \left(\mathrm{ka}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\right)}{\mathrm{ka}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}$

其中k是空间波向量2πf/c。

诸如波导12的具有正方形剖面的波导可以近似为：

$I(\mathrm{\φ},\mathrm{\θ})=G\frac{\sin \left(\mathrm{ka}\sin \left(\mathrm{\φ}\right)\right)}{\mathrm{ka}\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}\frac{\sin \left(\mathrm{kb}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\right)}{\mathrm{kb}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}$

其中a和b是矩形入口剖面的尺寸。

尽管可以使用沿着直接路径54、间接侧墙路径56、58、间接天花板路径60、62以及合适麦克风(未示出)就位的任意其他路径的信号的到达时间差(TDOA)来估计移动单元的位置，但是如果从移动单元48的传输时间也已知，则可以更有效地使用到达时间信息。

为了利用这点，本实施方式中的移动单元48包含时钟，并且布置成向接收器或分离的处理装置传送声音信号的传输时间。分离的处理装置可以是维持来自每个移动单元的时钟的状态(包括时钟漂移的估计值)的服务器；另外，它可以向每个移动单元分配用于超声波信号传输的时隙。当从移动单元48接收包含移动单元的时间戳的信号时，移动单元的时钟的精度可以被评估以确定真实传输时间的估计。在存在比用于位置确定所需的最小信息更多的信息时，这是可能的。在这种布置中，移动单元48的精确的TDOF位置估计允许移动单元的时钟被更新。

备选地，基础设施可以向移动单元48传送时间(例如，通过RF信道)，该移动单元设置有用于同步其时钟与中央时钟的装置。另外，移动单元可以从中央服务器分配发射其声音信号的时隙。

为了确定移动单元48的位置，在三边测量的修改形式中使用传输时间和信号沿着各个路径在接收器2处的上述到达时间，如将参考图6解释的。可以进行位置计算，就好像提供了两个“虚拟接收器”64、68。第一虚拟接收器64位于真实接收器2正上方，在天花板46上方离天花板46的距离与接收器2在天花板46下方离天花板46的距离相同。它是接收器2在天花板46的平面中的有效反射。

类似地，第二虚拟接收器68在与后墙42相同的平面中位于与真实接收器2相同的高度，且其到左墙44的左侧的距离与接收器2到左墙44的右侧的距离相同。它有效地作为接收器2在左墙44的平面中的反射。

应当意识到，对于房间内的移动单元48的任意位置，从移动单元48到第一虚拟接收器64的“麦克风”65(对应于真实接收器2的右定向麦克风14)的有效距离60、66完全等于反射的声音的总真实路径长度60、62。

类似地，从移动单元到另一虚拟接收器68的“麦克风”69(对应于真实接收器2的左定向麦克风12)的有效距离56、70等于真实路径长度56、58。

可以简单地根据真实接收器2到墙44和天花板46的距离来计算虚拟接收器64、68的位置。此后，可以通过使用在相对于接收器的已知位置处放置的校准发射器经验地确定它们的位置。

通过将来自移动单元的超声波信号作为在两个虚拟接收器64、68处接收以及在真实的接收器处接收的来处理，可以按照以下所述执行传统的三边测量计算。

三边测量是使用三角几何、两个或更多参考点的已知位置以及对象和每个参考点之间的测量距离来确定对象的相对位置的方法。空间中对象的位置通过采用三个球体的等式且将它们设置为彼此相等以求出它们的交叉点而求出的三维三边测量问题的解而给出。

通过空间坐标x_i、y_i、z_i表示每个虚拟或真实接收器i(更精确而言，每个接收器的相关麦克风)的已知位置，且使得x、y、z是移动单元48的坐标，从移动单元48到每个接收器i的距离由下式给出：

$d_i=\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}$

空气中声音的速度v大约是331.4+0.6T_c m/s，其中T_c是摄氏度表示的空气温度，该速度可以通过接收器或其他地方中的温度计测量。因为

$v=\frac{d_i}{t_i-t_0}$

其中t₀是来自移动单元48的声音的已知传输时间，且t_i是声音在接收器i处的已知到达时间，对于每个接收器i，下式保持为真：

$\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}\≈(t_i-t_0)\×(331.4+0.6\×T_c)$

唯一未知的是移动单元48的坐标x、y和z。因为存在一个真实接收器和两个虚拟接收器，所以存在三个这种独立的等式且因而可以容易地确定三个未知数x、y和z。尽管任意三个交叠球体之间通常存在两个而不仅仅是一个交叉点，但是因为接收器2安装在房间的后墙42上(且虚拟接收器64、68处于与后墙42相同的平面中)，所以仅交叉点中的一个将位于房间中，使得容易识别正确的解。

和发射用于位置确定的信号的移动单元48一样，来自移动单元的信号可以用于向接收器发射数据。这例如可以是识别码、状态信息或实际上需要的任意其他信息。该信息可以使用优选地与定位信号且彼此地具有低互相关的信号进行编码。数据信号本身也可以是高峰自相关的，使得它们还可以用于定位事件。

一种可能性是，将线性上啁啾和下啁啾用于定位和多普勒频移测量，但是单音FSK随后用于发送数据。尽管编码和解码简单，但是这种方案的缺点在于在数据信号和定位啁啾之间存在明显的互相关，尤其当强回波开始发挥作用时。这可能使得更加难以识别与属于真实回波的啁啾信号具有互相关的峰。然而，这可以通过在两个不交叠的频带中发射定位信号和数据而缓解；例如35-39kHz用于啁啾且39-45kHz用于数据。

在该系统中，通过执行用于上啁啾信号和下啁啾信号的独立的互相关且将偏移了时间间隔的相似峰识别为两个发射的啁啾，可以将真实回波与其他峰分离。如果幅值和峰锐度均具有相似值，则峰相似。

可以在本上下文中应用的一种可能的标准是：

其中A是峰幅值且S是上啁啾和下啁啾的相关联峰的锐度，而a是0至1之间的加权因子。

然而，该方法仍然倾向于假回波检测，并且更严格的解决方案要利用具有高峰自相关和低互相关的啁啾信号来代替单音。这些相同的啁啾然后可以用于定位和数据传输二者。通过使用有限集合的可能啁啾，可以实现执行互相关(这需要被发送的信号的知识)和数据传输(其中数据以啁啾序列编码)的两个功能。如前所述，这些啁啾可以是线性啁啾，但是备选地可以是扩频类型。

在接收器2或其他处理装置处，可以使用具有与在信号发送方案中使用的有限数目的啁啾的匹配过滤互相关来检测信号。然而，增加多普勒频移导致自相关信号的逐渐劣化。这可以通过利用在信号发送方案中使用的啁啾的多普勒频移版本来执行所接收信号的互相关而解决，但是这样计算量很大。

因而，在本实施方式中，不是使用FSK来进行数据通信，而是使用线性上啁啾和下啁啾来定位和多普勒频移测量，且具有高峰自相关和低互相关的啁啾还用于数据通信。线性啁啾然后可以用于确定多普勒频移和互相关模板，且在接收器2处接收的数据啁啾然后可以通过在频域中的阵列偏移操作来校正，以校正多普勒频移。

移动单元48因而优选地布置为发射定位信号，接着(或之前)是其标识，诸如使用啁啾音编码的序列号。

因为存在接收器2不能解码数据信号的情况(例如，当移动单元48阻挡在房间的对象后面，且回波的模式因而十分复杂时)，所以移动单元48还布置为通过较基本的较慢的协议(诸如低速FSK)发射其标识以允许接收器2回退以编码较慢的消息，从而至少确定哪些移动单元处于房间内(即使其位置不能被确定)。

用于超声波通信的传统通信方案经受源于室内环境中主要反射表面的回波信号导致的干扰效应。获得鲁棒通信的一种方法是调适这种传输方案，以使得在音被重新发送时回波信号减少。然而，这导致相对低的通信速度(例如，50-200bit/s)。

然而，使用上述啁啾信号来识别回波延迟或衰减，不妨碍通信的回波信号可以聚集且用于帮助恢复移动单元发射的信号X(t)。假设检测的信号包含源于信号采用的m个不同路径的m个显著相关峰。对于每个峰，获得衰减K_m和相位精确时间位置T_m。因此，可以获得啁啾信号传输信道的有效传递函数作为频率的函数：

$H_{\mathrm{chan}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{K}_m{e}^{-\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_m}$

如果数据信号在靠近构建信道模型的(多个)啁啾附近的时间发射(即，当移动单元48以及房间内的其他对象的位置和速率保持基本不变时)，可以使用相同的传递函数来恢复移动单元发送的数据信号：

$X\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{Y\left(\mathrm{\ω}\right)}{H_{\mathrm{chan}}\left(\mathrm{\ω}\right)}$

其中Y是接收的信号。

将信号变换回时域，可以分析X(t)信号并且可以恢复发射的数据。

该方法很大程度地取决于延迟时间的估计的高精度(优于0.05pi)。另外，对于相对彼此多普勒频移的回波，如果不采用正确的措施，该方法将失败。因此，在较小地取决于相位精度和多普勒校正的域中执行回波聚集可能是有吸引力的。

因而，本实施方式使用STFT(短时傅立叶变换)域，其中所有相位信息被去除。上述信号的STFT形式可以看作是具有对应于离散频率(i)的行索引和对应于离散时间偏移t_shift的列索引(j)的矩阵。STFT时间偏移t_shift应被选择为使得所接收的信号可以看作是在该时间周期上是准静态的。STFT域中的接收信号Y_kj可以看作包括原始信号X_ij的经时间偏移和衰减的副本。矩阵Y_kj被对称填充，其中零的行用于维持行索引k和频率索引i之间的对应关系。用于具有衰减因子K_m的m个回波的传递函数的STFT形式因此具有以下形式：

换句话说，它具有与衰减系数K_m相乘且通过离散时间行索引进行时间偏移的单位矩阵的形式，由下式给出：

$k_m=\frac{{\mathrm{\τ}}_m}{t_{\mathrm{shift}}}$

k的小数值可以通过矩阵中两点插值近似。矩阵H_ki因此可以在确定所有衰减和回波位置之后构建。通过获得矩阵的伪逆或逆H_ki ^-1，可以获得移动单元48原始发射的信号的良好估计：

X_ij＝H_ki ^-1Y_kj

上述方法因而使用来自信道特性信号(诸如啁啾)的所有明显回波的延迟和衰减因子的精确识别。该信息然后用于以离散时间-频率矩阵H的形式构建通信信道模型，该矩阵可以用于聚集所接收的信道信号中的交叠回波且由此以离散时间频率格式恢复原始发射信号。然后使用适于所选择的信号编码方案的方法执行时间频率域中的恢复信号的传统解码以提取所传送的数据。

回波衰减因子K_m的测量可能由于信号Y(t)中的多个回波的存在而劣化。在这种情况中，上述逆过程可以用于获得X_ij的第一估计，并且因子K_m可以被迭代地调节以最小化误差函数：

ε＝(Y_kj-H_kiX_ij)²

备选地，可以最小化X_ij的自相关或包含关于通信方案的现有知识的一些其他误差函数。

该方法可以扩展至通过将附加信道信号级联至Y_kj阵列，针对每个信道c引入附加指数，给出Y_kj ^c，而考虑多个麦克风信道。针对根据初始定位信号确定的信道c的回波特性同样级联到H_ki阵列，产生H_ki ^c。共同的原始信号现在可以通过逆来恢复：

$X_{\mathrm{ij}}={H_{\mathrm{ki}}}^{c^{-1}}{Y_{\mathrm{kj}}}^c$

本领域技术人员应当意识到，在其他实施方式中，上述方法可以调适为使用诸如Gabor、小波变换等的备选时间频率变换。这些变换可以提供较好的时间频率分辨率，并且可以是可逆的，但是潜在地计算量更大。X_ij信号的逆使得能进行R_xy(互相关)信号的计算且可以导致回波位置和衰减因子的更精确的识别。还可以以迭代方式采用该方法以到达X_ij的改善估计。备选地，可以在频域中执行回波补偿。

图7示出在大网络74的环境中的接收器2的示意性布局。以太网供电线缆76将接收器2连接到中央处理器72以及三个附加的接收器78、80、82。该线缆在各个组件之间分发电力和通信分组。附加接收器78、80、82广义地等同于第一接收器2，如上所述。它们中的一个或多个可以位于与第一单元2相同的房间中，或者与第一单元分离但是具有大于移动单元48的声学发射范围以独立覆盖房间的不同部分，或者与第一单元2协作以在确定移动单元48的位置时提供较高的精度。备选地，接收器2、78、80、82中的每一个可以位于其自己的房间内。

接收器82之一通过RS-485串行链路连接到数字卫星麦克风单元84。与在第一接收器2中一样，该卫星单元包括全向麦克风和两个定向麦克风，但是它不包含接收器的定时、存储器和处理电路中的大部分；而是，它布置为数字化麦克风换能器的电输出且向所连接的接收器82发送这些基本未处理的电输出。因为数字卫星麦克风单元84较为简单且因此比接收器更便宜，所以通过使用这些卫星单元，与在每个实例中需要使用主接收器的情况相比较，可以以较低成本获得房间或一系列房间的附加覆盖范围。

而且，主接收器2可以可选地具有用于有线连接到外部模拟麦克风单元(未示出)的输入。来自外部单元的换能器的模拟电信号沿着布线发送到主接收器2。这种外部模拟麦克风单元甚至可以比数字卫星麦克风单元84更便宜地制造；然而，在主接收器2中可能需要附加的模拟-数字硬件以支持这种连接。

中央处理器72可以从所连接的接收器2、78、80、82在没有任何定时信息(例如，当接收器没有内部时钟时)的情况下实时地接收原始数字化的声学换能器输出，或者接收由接收器加了时间戳的原始数字化的声学换能器输出。备选地，接收器可以分析换能器输出以确定来自移动单元48或根据本发明的任意其他移动单元的(多个)信号的到达时间，并且可以将这些时间传送到中央处理器。在另一备选中，接收器可以运行诸如上述经修改的三边测量方案的位置确定算法，并且向中央处理器72发送移动单元48的位置坐标。应当意识到，接收器和中央处理器72之间的分工并不是本发明的关键特征且可以取决于诸如各个组件的处理能力以及其间的网络连接的速度这样的因素。

中央处理器72包括显示装置73和输入装置75。借助于接收器76、78、80、82和中央处理器72本身的位置确定能力，中央处理器72能够跟踪移动单元48以及可选地很多其他类似的这种移动单元的行踪。它可以图形地在移动单元所处的环境的二维或三维模型中显示行踪。人类用户(未示出)可以经由输入装置75与中央处理器72交互以确定任意特定移动单元的位置。

移动单元48可以布置为周期性地(例如每分钟)发射超声波信号和/或它可以布置为利用超声波信号来响应于例如来自接收器2的探测信号，该接收器2例如因此可以具有RF或超声波发射器。

如上所述，可以简单地测量三个接收器12、14、20与墙44和天花板46的距离，但是如有需要可以更精确地测量。接收器2可以可选地实现自校准方法。在该方法中，接收器从声学换能器向房间发射校准声音信号，该声学换能器例如可以是来自全向麦克风20的换能器。接收器2然后接收从房间内的各个反射表面反射的该声音信号的回波。通过测量校准信号的发射和其在全向麦克风20和定向麦克风12、14处的接收之间的延迟且适当地处理这些延迟，可以确定或提取反射表面和接收器2的相对位置。例如，从接收器2传播到左墙44且返回到接收器2的声音信号的路径基本上是接收器2到左墙的垂直距离的长度的两倍；因此沿着该路径的声音的传播时间的知识允许非常直接地计算该垂直距离。

因而从上述实施方式可以看出，通过使用从房间内的对象反射的声学信号的定时信息可以获得房间内移动单元的位置的精确确定。此外，这可以仅使用单个自包含单元来实现，该单元的安装简单且便宜并且该单元甚至可以自校准。

Claims (88)

1.一种确定检测区域内移动单元的位置的方法，该方法包括：

从所述移动单元发射声学信号；

接收来自所述移动单元的沿着第一路径的所述声学信号；

接收所述声学信号在从所述检测区域内的表面反射之后的回波；

确定沿着所述第一路径的所述声学信号的到达时间；

确定所述回波的到达时间；以及

根据所述到达时间确定所述检测区域内所述移动单元的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该第一路径是直接路径。

3.根据权利要求1或2所述的方法，该方法包括：相对于沿着所述第一路径的所述声学信号的到达时间确定所述回波的到达时间。

4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述表面是静止表面。

5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述表面是基本平面的。

6.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法包括：接收所述声学信号的多个回波；确定所述多个回波的到达时间；以及根据所述多个回波的所述到达时间来确定所述检测区域内所述移动单元的位置。

7.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法还包括：使用所接收的回波的信号强度来确定所述检测区域内所述移动单元的位置。

8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中确定所述检测区域内所述移动单元的位置包括：使用空气中超声波的球形和耗散衰减的知识。

9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中确定所述检测区域内所述移动单元的位置包括：使用所述检测区域内的主要表面的反射特性的知识。

10.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法包括：识别对应于所述回波的表面。

11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中确定所述检测区域内所述移动单元的位置包括：使用与一个或多个虚拟接收器相关的信息来执行三边测量或多边测量计算。

12.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法包括：使用与接收器和所述表面的相对或绝对位置和/或定向相关的信息来确定所述移动单元的位置。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述信息包括与所述检测区域的几何结构相关的信息。

14.根据权利要求12或13所述的方法，该方法包括：执行自动校准步骤，其中处理装置通过接收声学信号来获取与所述表面和/或接收器的位置相关的信息。

15.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述声学信号是超声波。

16.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述声学信号具有变化的频率；优选地包括至少一个线性啁啾。

17.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述声学信号对信息进行编码。

18.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法包括：在发射用于定位的声学信号之后发射对信息进行编码的声学信号。

19.根据任一前述权利要求所述的方法，其中确定所述检测区域内所述移动单元的位置包括：使用所述声音从所述移动单元到接收器的飞行时间。

20.根据权利要求19所述的方法，该方法包括：使用独立的电磁信号作为用于对所述声学信号进行计时的基础。

21.根据权利要求19所述的方法，该方法包括：

向所述移动单元发射电磁信号；

所述移动单元在接收所述电磁信号时发射所述声学信号；以及

确定所述电磁信号的发射与接收器处的所述声学信号的接收之间的延迟。

22.根据权利要求19所述的方法，该方法包括：使用所述移动单元和接收器中的经同步的时钟来测量所述飞行时间。

23.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法包括：在从所述移动单元发射声学定位信号之前，通过无线电从接收器向所述移动单元发送时钟同步信号。

24.根据权利权利要求1至22中的任一项所述的方法，其中所述移动单元按照预定计划发射信号。

25.根据权利权利要求1至22中的任一项所述的方法，该方法包括：使用所述移动单元的真实位置和根据由接收器接收的所述声学信号估计的位置之间的差异来校准或同步所述移动单元上的时钟。

26.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法包括：估计所述位置确定的精度。

27.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法包括：使用到达时间差来确定所述检测区域内所述移动单元的位置。

28.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法包括：在接收器处估计来自所述移动单元的信号的到达角。

29.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法包括：确定在第一换能器处的沿着所述第一路径的所述声学信号的到达时间，以及确定在第二换能器处的相同声学信号的到达时间；以及根据这些到达时间确定与在接收器处接收所述声音的方向相关的信息。

30.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法包括：在所述声学信号在反射之后的回波被接收之前，确定关于所述检测区域内所述移动单元的位置的信息。

31.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法包括：在所述移动单元处接收时隙信息，并且在所述时隙中从所述移动单元发射声学信号。

32.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法包括：与所述声学信号分离地从所述移动单元声学地发射ID码。

33.一种位置确定系统，该位置确定系统包括：移动单元、接收器和处理装置，所述移动单元位于检测区域内，其中：

所述移动单元布置为发射声学信号；

所述接收器布置为接收来自所述移动单元的沿着第一路径的所述声学信号，并且接收所述声波信号在从所述检测区域内的表面反射之后的回波；以及

所述处理装置布置为确定沿着所述第一路径的所述声学信号的到达时间，确定所述回波的到达时间，并且根据所述到达时间来确定所述检测区域内所述移动单元的位置。

34.根据权利要求33所述的位置确定系统，其中所述接收器位于包括边界表面的房间中，并且所述反射表面是最靠近所述接收器的边界表面。

35.根据权利要求33或34所述的位置确定系统，其中所述接收器安装到房间的边界表面，并且所述反射表面是与第一边界表面形成拐角的另一边界表面。

36.根据权利要求33或34所述的位置确定系统，其中所述接收器安装到房间的边界表面，并且所述反射表面是与第一边界表面相对的边界表面。

37.根据权利要求33所述的位置确定系统，其中所述接收器安装在房间的与用作所述反射表面的墙壁平行相对的墙壁上。

38.根据权利要求33所述的位置确定系统，其中所述接收器安装在房间的天花板上，并且所述反射表面是房间的地板。

39.根据权利要求33至38中的任一项所述的位置确定系统，其中所述接收器包括接收沿着所述第一路径的所述声学信号和所述回波二者的单个换能器，并且所述处理装置配置成分析所述换能器的输出以区分所述第一路径信号和所述回波。

40.根据权利要求33至39中的任一项所述的位置确定系统，其中所述接收器包括多个独立的换能器。

41.根据权利要求40所述的位置确定系统，其中所述多个独立的换能器中的一些换能器配置成针对所述第一路径信号的接收而优化，并且一些换能器配置成针对所述回波的接收而优化。

42.根据权利要求33至41中的任一项所述的位置确定系统，其中所述移动单元包括用于将所述移动单元附接到对象或个人的附接装置。

43.根据权利要求33至42中的任一项所述的位置确定系统，其中所述接收器包括换能器阵列。

44.根据权利要求33至43中的任一项所述的位置确定系统，其中所述处理装置布置为执行自动校准步骤，其中所述处理装置通过接收声学信号来获取与所述表面和/或接收器的位置相关的信息。

45.根据权利要求44所述的位置确定系统，其中校准声学信号由所述接收器发射。

46.根据权利要求33至45中的任一项所述的位置确定系统，其中所述接收器包括两个独立的换能器，第二换能器具有比第一换能器更大的方向灵敏度。

47.根据权利要求46所述的位置确定系统，其中所述第一换能器包括全向麦克风。

48.根据权利要求46或47所述的位置确定系统，其中所述第二换能器包括定向麦克风或具有波导或屏蔽以增加方向性的全向麦克风。

49.根据权利要求46至48中的任一项所述的位置确定系统，其中所述第二换能器具有10至60度之间的半角；优选地10至40度之间的半角。

50.根据权利要求46至49中的任一项所述的位置确定系统，其中所述第一换能器没有半角或具有比所述第二换能器的半角大的半角。

51.根据权利要求46至50中的任一项所述的位置确定系统，其中所述第一换能器具有大于60度的半角。

52.根据权利要求46至51中的任一项所述的位置确定系统，其中所述第二换能器或所述第二换能器的一部分可移动以允许其方向轴被调节。

53.根据权利要求52所述的位置确定系统，其中所述第二换能器安装在可移动支持上；优选地安装在可旋转万向节上。

54.根据权利要求46至53中的任一项所述的位置确定系统，其中所述接收器包括比所述第一麦克风具有相对更大方向性的多个麦克风。

55.根据权利要求54所述的位置确定系统，其中所述相对定向麦克风的方向轴互不平行。

56.根据权利要求33至55中的任一项所述的位置确定系统，其中所述接收器在具有有线电连接的单元中提供。

57.根据权利要求56所述的位置确定系统，其中所述接收器通过以太网接收电力。

58.根据权利要求33至57中的任一项所述的位置确定系统，其中所述接收器包括所述处理装置。

59.根据权利要求33至58中的任一项所述的位置确定系统，该位置确定系统仅具有单个接收单元。

60.根据权利要求33至58中的任一项所述的位置确定系统，该位置确定系统包括在不同的相应位置处的多个接收器。

61.根据权利要求60所述的位置确定系统，其中所述多个接收器不同地布置为接收来自所述移动单元的沿着相应的直接路径的声音信号和/或接收回波。

62.根据权利要求33至61中的任一项所述的位置确定系统，该位置确定系统包括处理装置，所述处理装置布置为使用在多个接收器处的信号的到达时间来确定所述检测区域内所述移动单元的位置。

63.根据权利要求33至62中的任一项所述的位置确定系统，该位置确定系统包括多个接收器，每个接收器包括时钟，还包括用于同步所述时钟的装置。

64.根据权利要求33至63中的任一项所述的位置确定系统，其中所述移动单元包括时钟，并且所述位置确定系统包括用于将所述移动单元的时钟与所述位置确定系统的一个或多个接收器的时钟进行同步的装置。

65.根据权利要求33至64中的任一项所述的位置确定系统，其中所述声学信号是超声波。

66.根据权利要求33至65中的任一项所述的位置确定系统，其中所述声学信号具有变化的频率；优选地包括至少一个线性啁啾。

67.根据权利要求33至66中的任一项所述的位置确定系统，其中所述移动单元包括时钟，并且布置为发射与声学信号发射的时间相关的信息。

68.根据权利要求33至67中的任一项所述的位置确定系统，其中所述接收器包括时钟，并且布置为确定与所述接收器接收所述声学信号的时间相关的信息。

69.根据权利要求33至68中的任一项所述的位置确定系统，该位置确定系统还布置为确定所述移动单元是否位于所述检测区域中。

70.根据权利要求33至69中的任一项所述的位置确定系统，其中所述移动单元配置成向所述接收器传递相对短ID，并且如果没有建立所述移动单元和所述接收器之间的连接，则还配置成传递对于所述位置确定系统内的移动单元是唯一的较长ID。

71.根据权利要求33至70中的任一项所述的位置确定系统，其中所述移动单元配置成延迟在信道上发射声学信号，直到该信道静默至少预定时间为止。

72.根据权利要求71所述的位置确定系统，其中所述预定时间优选地是声音通过所述检测区域的最大尺寸两次所花费的时间。

73.根据权利要求33至72中的任一项所述的位置确定系统，该位置确定系统还包括存储装置，所述存储装置布置为存储所述移动单元的所述确定的位置。

74.根据权利要求33至73中的任一项所述的位置确定系统，该位置确定系统还包括显示器，所述显示器布置为显示所述移动单元的所述确定的位置。

75.根据权利要求33至74中的任一项所述的位置确定系统，该位置确定系统还包括电子通信装置，所述电子通信装置布置为电子地传送所述移动单元的所述确定的位置。

76.一种处理装置，该处理装置调适为从接收器接收数据，所述接收器接收：由移动单元发射的沿着第一路径传播到所述接收器的声学信号；以及所述声学信号在从表面反射之后的回波；其中所述处理装置布置为：

确定沿着所述第一路径的所述声学信号的到达时间；

确定所述回波的到达时间；以及

根据所述到达时间来确定检测区域内所述移动单元的位置。

77.一种包含指令的软件产品，当在处理装置上执行该软件产品时，所述处理装置调适为从接收器接收数据，所述接收器接收：由移动单元发射的沿着第一路径传播到所述接收器的声学信号；以及所述声学信号在从表面反射之后的回波；该软件产品导致所述处理装置：

确定沿着所述第一路径的所述声学信号的到达时间；

确定所述回波的到达时间；以及

根据所述到达时间来确定检测区域内所述移动单元的位置。

78.一种从检测区域内的移动单元向接收器发送信息的方法，该方法包括：

从移动单元发射预定声学信号；

接收所述预定信号；

计算所述预定信号在传输中经历的变换的估计；

发射对所述信息进行编码的声学信号；

接收经编码的信号；以及

使用所述变换的估计来解码所述经编码的信号。

79.根据权利要求78所述的方法，该方法还包括：使用所述接收的预定声学信号来确定所述移动单元的位置。

80.根据权利要求78或79所述的方法，其中所述信息以选自有限组的一组信号的序列进行编码。

81.根据权利要求78至80中的任一项所述的方法，其中所述预定信号与所述经编码的信号分离地发射。

82.一种接收器，该接收器布置为：

接收从移动单元发射的预定信号；

计算所述预定信号在传输中经历的变换的估计；

接收对信息进行编码的经编码的信号；以及

使用所述变换的估计来解码所述经编码的信号。

83.一种包含指令的计算机软件产品，当在处理装置上执行该计算机软件产品时，该处理装置调适为从接收器接收数据，所述接收器接收：从移动单元发射的预定信号；以及对信息进行编码的经编码的信号；所述计算机软件产品导致所述处理装置：

计算所述预定信号在传输中经历的变换的估计；以及

使用所述变换的估计来解码所述经编码的信号。

84.一种时钟同步方法，该时钟同步方法包括：

从移动单元发射声学信号，所述移动单元包括时钟；

在多个接收器处接收所述声学信号；

根据所述信号在所述多个接收器处的到达时间和/或相位的差异来确定所述移动单元的位置的估计；

使用以下项来计算时钟校正因子：所述移动单元的估计的位置、相对于所述移动单元时钟测量的信号的传输时间、以及相对于参考时钟测量的在所述换能器之一处的信号的到达时间；以及

向所述移动单元时钟应用所述校正因子以使所述移动单元时钟与所述参考时钟同步。

85.根据权利要求84所述的方法，其中向所述移动单元时钟应用所述校正因子的步骤包括：直接调节所述移动单元时钟。

86.根据权利要求84所述的方法，其中向所述移动单元时钟应用所述校正因子的步骤包括：在所述接收器或服务器处向由移动单元的时钟输出的时间数据应用校正因子，使得经校正的数据与所述参考时钟同步。

87.根据权利要求84至86中的任一项所述的方法，其中所述移动单元根据预定计划来发射所述声学信号。

88.根据权利要求84至86中的任一项所述的方法，其中所述移动单元布置为通过独立的信道发送与传输时间相关的数据。

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