CN102460202B - 基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开内容涉及基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统和方法，具体地说，涉及使用包括多个天线的通信装置对终端进行定位的定位系统和方法。基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统和方法使用其中安装有多个天线的单个通信装置来计算终端的位置，并且可以通过使用两个或更多个通信装置来更准确地计算终端的位置。另外，定位系统和方法与现有通信系统的收发装置、中继站或无线接入点进行通信，从而准确地获得终端的位置。

Description

基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统和方法

技术领域

本申请公开内容涉及基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统和方法，具体地说，本申请公开内容涉及用于使用包括多个天线的通信装置对终端进行定位的定位系统和方法。

背景技术

通常来说，现有的定位系统是使用射频(RF)通信装置的系统。作为使用RF通信装置的系统，有基于卫星、地面信标、无线LAN(Wi-Fi、WLAN)、RFID、有源RFID、移动通信、蓝牙、UWB、ZigBee、WiBro/WiMax和广播信号的系统。为了使用这种系统来估计用户的位置，已提出了若干方法。

首先，已有一种由基于RFID的系统使用的识别型导航算法。该算法是用于包括多个传感器的系统的方法。在该方法中，当用户从该用户附近的传感器接收到信号时，仅提供指示该用户位于该传感器附近的粗略位置信息。因此，位置准确度极低，并且不可能进行连续定位。另外，必须安装诸如RFID标签之类的多个传感器，从而导致成本增加。

已有一种通过估计接收信号的强度来计算位置的方法。这是一种执行下列操作的方法：创建实际且相对应的位置处的信号强度的数据库；以及将接收信号的强度与数据库中的数据进行比较，从而估计用户的位置。在该方法中，数据库需要每个位置处的信号强度。因此，构造数据库要花费大量的时间和成本。另外，还存在以下问题：当室内布置或环境改变时，必须重新构造数据库。

此外，还有一种通过根据接收信号估计发射机与接收机之间的距离，来使用三角测量法计算用户的位置的方法。该方法当前被使用得最多，并且与以上提及的两种方法相比，该方法相对可靠。然而，对于三角测量法，需要安装至少三个发射机，这导致成本增加。

除此之外，还有一种通过根据接收信号估计发射机与接收机之间的角度，来确定位置的方法。该方法同样需要安装至少三个发射机，因而导致成本增加。

另外，在使用发射机与接收机之间的距离和角度来确定位置的方法中，只有当发射机被大范围布置时才可以确定位置。另外，为了确定距离和方向，必须在载波信号上携带测距信号，并且测距信号主要用于确定位置。测距信号易于使用，但是测距信号的导航准确度低。相反，载波信号具有高导航准确度。然而，为了使用载波信号，必须解决载波信号的不确定性。因此，使用载波信号是有难度的。

由于现有方法的限制的缘故，需要提出一种用于以低成本准确估计用户的位置的定位系统。

发明内容

技术问题

本申请公开内容提供了一种基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统和方法，其能够通过使用其中安装有多个天线的通信装置，利用仅一个或多个通信装置准确地找到终端的位置，从而实现成本降低，并且其能够与现有通信系统的收发装置、中继站或无线接入点通信，从而准确地获得终端的位置。

技术方案

在一个方面，提供了一种基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统，该定位系统包括：通信装置，其包括多个天线，并且生成或中继通信信号；与所述通信装置通信的终端；以及位置计算模块，其使用从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差来计算所述终端的位置。

所述位置计算模块可以包括在所述终端中，或者可以是与所述终端分开提供的。

所述通信信号可以是从由测距信号、载波信号和子载波信号组成的组中选择的信号。

所述通信装置可以以从由下列方式组成的组中选择的方式来执行通信：人造卫星、地面信标、伪卫星、无线LAN(Wi-Fi、WLAN)、Wibro、移动通信、蓝牙、UWB、红外线、超声波、Zigbee、无线USB、RFID、有源RFID和广播信号。

所述位置计算模块可以包括：用于执行与所述终端的交互式通信的基于交互式通信的位置计算模块，或者用于执行与所述终端的单向通信的基于单向通信的位置计算模块。

在另一个方面，提供了一种基于包括多个天线的无线通信装置的定位方法，该定位方法包括：允许包括多个天线的通信装置生成或中继通信信号以与终端通信；以及使用从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差来计算所述终端的位置。

有益效果

现有的定位系统和方法必须设置有多个通信装置。然而，根据本申请公开内容的实施例的定位系统和方法可以使用一个或多个通信装置来准确地估计位置。也就是说，可以使用单个通信装置准确地计算终端的位置。另外，随着通信装置的数量增加，可以更准确地计算终端的位置。因此，可以以较低的成本配置定位系统。此外，为了应用于本申请公开内容的实施例，可以将现有的通信系统按照原样来应用或者略经更改，而不需要用于定位的附加系统。

附图说明

所公开的示例性实施例的以上及其它方面、特征和优势将从以下结合附图的详细描述中变得更加明显，其中，在附图中：

图1是示意性地示出了根据本申请公开内容的实施例的、基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统的图；

图2是详细示出了根据本申请公开内容的实施例的通信装置200的图；

图3是根据本申请公开内容的实施例的、基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统的位置计算模块的概念图；

图4是根据本申请公开内容的实施例的、在基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统的终端中估计用户位置的算法的流程图；

图5是根据本申请公开内容的实施例的、在基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统使用单向通信的情况下，使用接收信号之间的相位差来直接计算位置的算法的流程图；

图6是示出了用于解释图5的算法的天线布置的图；

图7是根据本申请公开内容的实施例的、在基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统使用单向通信的情况下，通过使用接收信号之间的相位差估计仰角和方位角来计算位置的算法的流程图；

图8是用于解释根据本申请公开内容的实施例的由基于单向通信的位置计算模块计算仰角的方法的图；

图9是示出了使用直接方法来计算用户的粗略位置的仿真结果的图；

图10是根据本申请公开内容的实施例的、当基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统使用交互式通信时，通过直接计算距离来计算位置的算法的流程图；

图11是根据本申请公开内容的实施例的、当基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统使用交互式通信时，使用距离和接收信号之间的相位差来计算位置的算法的流程图；

图12是根据本申请公开内容的实施例的、当基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统使用交互式通信时，使用距离和方位角或者使用仰角和方位角来计算位置的算法的流程图；

图13是示出了根据本申请公开内容的实施例的、使用基于交互式通信的位置计算模块来计算用户位置的仿真结果的图；并且

图14是示出了根据本申请公开内容的实施例的、使用基于单向通信的位置计算模块来计算用户位置的仿真结果的图。

具体实施方式

现在将参照附图，在下文中更充分地描述示例性实施例，其中在附图中示出了示例性实施例。然而，本申请公开内容可以以很多不同的形式来实现，而不应当被解释为限于本申请公开内容所列出的示例性实施例。确切而言，提供这些示例性实施例是为了使得本申请公开内容将变得全面和完整，并且将向本领域技术人员充分传达本申请公开内容的范围。在描述中，可能会省略公知的特征和技术的细节，以避免不必要地使所给出的实施例变得晦涩。

本申请所使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为本申请公开内容的限制。除非上下文另有清楚指示，否则本申请所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”旨在同样包括复数形式。此外，术语“一”、“一个”等的使用并非表示对数量的限制，而是表示所提及的项目中的至少一个项目的存在。还应当理解的是，术语“包括”(“comprises”和/或“comprising”)或“包含”(“includes”和/或“including”)在说明书中被使用时，指定所述及的特征、区域、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但是其不排除一个或多个其它特征、区域、整数、步骤、操作、元素、组件和/或上述的组合的存在或加入。

除非另有定义，否则本申请所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本领域技术人员通常所理解的含义相同的含义。还应当理解的是，诸如在常用词典中定义的术语之类的术语应当被解释为具有与所述术语在相关技术和本申请公开内容的上下文中的含义相一致的含义，并且不应当以理想化或过度刻板的意义来解释(除非本申请中明确地如此定义)。

在图中，图中相同的附图标记表示相同的元素。图的形状、尺寸和区域等可能会为了清楚而被放大。

图1是示意性地示出了根据本申请公开内容的实施例的、基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统的图。

参照图1，多个用户300a至300e在空间上连接到单个通信装置200以检查他们的位置。也就是说，即使当仅使用该单个通信装置200时，多个终端300a至300e也可以相对准确地计算它们的位置。

图2是详细示出了根据本申请公开内容的实施例的通信装置200的图。

通信装置200包括用于生成或中继通信信号的单个通信单元201，以及用于与用户的终端通信的多个天线202a至202c。根据本申请公开内容的实施例的包括通信装置200的通信装置包括：不接收或发送数据且使能无线信号的传输和收发(transception)的装置，以及接收和发送数据的装置。另外，根据本申请公开内容的实施例的包括多个天线202a至202c的多个天线具有天线阵列类型。根据位置计算过程，天线之间的距离可以等于或短于射频(RF)信号的波长的一半，或者天线之间的距离可以等于或长于射频(RF)信号的波长的一半。

通常来说，通信信号可以是从由测距信号、载波信号和子载波信号组成的组中选择的信号。与载波信号相比，测距信号易于使用，但是测距信号具有导航准确度低的缺点。另一方面，与普通的测距信号相比，载波信号具有非常高的精度，因此可以准确得多地计算位置。在GPS(其为卫星导航系统)的情况下，测距信号的精度是几米，而载波信号的精度是几厘米。

通常来说，为了使用射频信号的载波，必须解决载波的不确定性。由于这个问题的缘故，使用载波计算位置的方法是复杂的，并且无法容易地实现。然而，当天线之间的距离等于或短于射频信号的载波波长的一半时，载波的不确定性得以解决，因此使用载波计算位置得以简化。下面将描述当天线之间的距离等于或短于载波波长的一半时，如何解决载波的不确定性。

可以通过以下等式对从两个或更多个天线中的第i天线发送的载波信号进行简单建模。以下等式不考虑诸如建模中通常包括的对流层延迟误差之类的各种误差分量。这是因为这些误差分量与主分量相比是相对较小的值。

[数学式1]

φⁱ＝dⁱ+B+Nⁱ·λ

其中

dⁱ：第i天线与用户的终端之间的实际距离

B：用户的终端的时间误差

Nⁱ：载波信号的不确定性

λ：载波信号的波长。

在等式1中，Nⁱ表示载波信号的不确定性，并且Nⁱ是整数值。也就是说，由于载波信号是一种波信号，因此载波信号的波长变成不确定值。为了计算该值并解决不确定性，通常，GPS使用搜索。事实上，在室内难以应用该搜索方法。因此，为此，用户必须移动到预定的区域(extent)或更大的室内，而这需要几分钟的计算时间。

当第i天线的载波信号减去第j天线的载波信号时，得到以下等式。

[数学式2]

$\▿_j^i\mathrm{\φ}={\mathrm{\φ}}^i-{\mathrm{\φ}}^j=\▿_j^{i}d+\▿_j^{i}N\·\mathrm{\λ}$

其中

$\▿_j^{i}d=d^i-d^j$

$\▿_j^{i}N=N^i-N^j.$

当两边都除以波长时，获得以下等式。

[数学式3]

$\frac{\▿_j^i\mathrm{\φ}}{\mathrm{\λ}}=\frac{\▿_j^{i}d}{\mathrm{\λ}}+\▿_j^{i}N$

在这里，由于两个天线之间的距离等于或短于波长的一半，因此获得由式4和式5表示的不等式。

[数学式4]

$\▿_j^{i}d\≤\frac{\mathrm{\λ}}{2}$

[数学式5]

$\frac{\▿_j^{i}d}{\mathrm{\λ}}\≤\frac{1}{2}$

因此，得出式6。

[数学式6]

$\frac{\▿_j^i\mathrm{\φ}}{\mathrm{\λ}}=\frac{\▿_j^{i}d}{\mathrm{\λ}}+\▿_j^{i}N\≤\frac{1}{2}+\▿_j^{i}N$

在这里，由于我们必须获得距离信息，因此必须获得另外，根据测量值获得的值是因此，当使用以下等式进行计算时，可以计算不确定整数值并且从测量值中将其去除。

[数学式7]

$\frac{\▿_j^{i}d}{\mathrm{\λ}}=\frac{\▿_j^i\mathrm{\φ}}{\mathrm{\λ}}-\mathrm{round}\left(\frac{\▿_j^i\mathrm{\φ}}{\mathrm{\λ}}\right)$

[数学式8]

$\▿_j^{i}d=(\frac{\▿_j^i\mathrm{\φ}}{\mathrm{\λ}}-\mathrm{round}\left(\frac{\▿_j^i\mathrm{\φ}}{\mathrm{\λ}}\right))\·\mathrm{\λ}$

也就是说，当测量值减去该整数值时，获得实际距离信息。

如果发射天线之间的距离等于或长于波长的一半，则必须使用另外的算法来解决载波信号的不确定性。由于天线之间的距离是已知的，因此解决不确定性相对容易，并且本领域技术人员可以通过搜索等容易地得出这种另外的算法。因此，这里将省略对另外的算法的描述。具体来说，多输入和多输出(MIMO)系统是一种基本上安装了多个天线的系统。由于天线之间的距离通常是波长的四倍或更长，因此这种另外的算法可以应用于MIMO系统。另外，除了载波信号之外，还可以使用以上提及的针对测距信号的载波信号的方法来计算距离信息。当使用测距信号时，计算距离信息不会受到天线之间的距离的影响。

在图2中，通信单元201指代用于通信的装置。也就是说，通信单元201是用于生成或中继通用通信信号或导航信号的模块，并且通信单元201包括用于基于下列方式生成或中继信号的模块：人造卫星、地面信标、伪卫星、无线LAN(Wi-Fi、WLAN)、Wibro、移动通信、蓝牙、UWB、红外线、超声波、Zigbee、无线USB、RFID、有源RFID和广播信号。通信单元201可以具有接收功能，以用于交互式通信。也就是说，如果通信单元201是用于发送信号的单向模块(例如，伪卫星)，则该通信单元201只具有生成或中继信号的功能。然而，如果通信单元201是使用无线LAN、Wibro或移动通信网络的双向模块，则该通信单元201具有发送信号和接收信号这两种功能。

天线202a至202c指代实际发送由通信单元201生成的信号的收发模块。根据本申请公开内容的实施例，重要的事情是，将多个通信天线202a至202c安装在通信装置200中。由发送装置生成的信号通过不同的天线202a至202c来发送，并且终端接收从每个天线发送的信号。在这里，由于终端与每个天线之间的实际距离是不同的，因此，从每个天线发送的信号具有取决于实际距离的不同相位差。因此，可以测量信号之间的相位差。在这里，发射天线可以是任何类型(包括片型或螺旋型)的天线。在图2中，仅示出了三个天线。然而，这仅仅是示例，本申请公开内容的实施例的内容中包括通信装置包括两个或者四个或更多个天线的情况。

返回参照图1，终端300a至300e指代用户持有的、用于接收从通信单元201发送的信号的终端。终端300a至300e可以使用基于下列的通信方法：人造卫星、地面信标、伪卫星、无线LAN(Wi-Fi、WLAN)、Wibro、移动通信、蓝牙、UWB、红外线、超声波、Zigbee、无线USB、RFID、有源RFID、广播信号等。当通信单元采用无线LAN时，终端300a至300e可以是无线LAN模块，例如使用无线LAN的笔记本电脑(膝上型电脑)和蜂窝电话。终端300a至300e接收从通信装置的每个天线发送的信号，并测量这些信号之间的相位差。终端300a至300e可以发送它们的信号，以用于交互式通信。也就是说，终端300a至300e可以从使能信号的发送和接收的交互式通信方法和仅接收信号的单向通信方法中选择一种方法来使用。

位置计算模块(未示出)可以包括在终端300a至300e中，或者可以被单独提供。该模块使用从天线200a至200c发送的信号之间的相位差来计算用户的位置，该相位差由终端300a至300e进行计算。位置计算模块可以包括：基于交互式通信(其中，在终端300a至300e与通信装置200之间执行交互式通信)的位置计算模块，或者基于单向通信(其中，终端300a至300e单向地从通信装置200接收通信信号)的位置计算模块。也就是说，根据通信单元201与终端300a至300e的通信方法来确定将使用的模块。

图3是根据本申请公开内容的实施例的、基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统的位置计算模块的概念图。参照图3，示出了包括三个天线的通信装置200，并且还示出了终端300相对于通信装置200的概念二维位置。

假设用户在地面上，并且用户所持有的终端300的高度基本上恒定，则用户的位置可以以二维方式表示，并且如图3所示，用户的二维位置可以由方位角ψ和距离d_{round_trip}来表示，或者可以由方位角ψ和仰角θ来表示。也就是说，当估计出方位角ψ和距离d_{round_trip}或者估计出方位角ψ和仰角θ时，可以估计出用户的二维位置。

在数学方案中，当要估计一维位置时，存在一个未知量，因此需要一个测量等式。在二维的情况下，需要两个测量等式。为了获得三维解，需要三个测量等式。也就是说，当通信装置的天线的数量是三个(与本实施例中一样)时，通过天线之间的减法，可以获得总共两个测量等式。因此，可以估计出二维位置。另外，当使用两个天线时，可以获得一维位置，并且当使用四个或更多个天线时，可以获得三维位置。由于本领域技术人员可以根据以下描述得出从本实施例中所描述的二维位置计算算法到一维或三维位置计算算法的扩展，因此本实施例中将省略对一维或三维位置计算算法的描述。

图4是根据本申请公开内容的实施例的、在基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统的位置计算模块中估计用户位置的算法的流程图。

可以根据用户的终端是否可以执行交互式通信来使用各种方法计算用户的位置(S401)。根据本申请公开内容的本实施例的定位系统中的位置计算模块的位置计算算法可以分为五种算法。其中有三种算法用于交互式通信，有两种算法用于单向通信。

在终端可以执行交互式通信的情况下，终端通过发送信号连接到通信装置(S402)。另外，终端与通信装置之间的通信的结果被发送给基于交互式通信的位置计算模块(S403)，并且由基于交互式通信的位置计算模块来估计用户位置(S406)。

另一方面，在终端可以执行单向通信的情况下，终端从通信装置接收信号(S404)。终端的接收的结果被发送给基于单向通信的位置计算模块(S405)，由基于单向通信的位置计算模块估计用户位置(S406)。

现在，将参照图5至9描述根据本申请公开内容的本实施例的、基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统中的位置计算算法。

图5是根据本申请公开内容的实施例的、在基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统使用单向通信的情况下，使用接收信号之间的相位差来直接计算位置的算法的流程图。

单向通信模块接收单向通信的结果(S501)。测量接收信号之间的相位差(S502)。在这里，根据式8，可以使用接收信号之间的相位差来估计实际天线与终端之间的距离差。当这应用于所有天线时，获得以下等式。

[数学式9]

$\▿_2^{1}d=(\frac{\▿_2^1\mathrm{\φ}}{\mathrm{\λ}}-\mathrm{round}\left(\frac{\▿_2^1\mathrm{\φ}}{\mathrm{\λ}}\right))\·\mathrm{\λ}$

$\▿_3^{1}d=(\frac{\▿_3^1\mathrm{\φ}}{\mathrm{\λ}}-\mathrm{round}\left(\frac{\▿_3^1\mathrm{\φ}}{\mathrm{\λ}}\right))\·\mathrm{\λ}$

在这里，当关于通信装置的天线的位置和用户位置来改写式9时，获得以下等式。

[数学式10]

$\▿_j^{i}d=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}-\sqrt{{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2+{(z_j-z)}^2}$

其中

(x_i，y_i，z_i)：通信装置的第i天线的位置

(x_j，y_j，z_j)：通信装置的第j天线的位置

(x，y，z)：用户的终端的实际位置(由于实际位置是二维的，因此z是已知值)

由于总共使用三个天线，因此可以获得如文中所描述的等式。另外，由于存在两个未知量x和y以及两个测量等式，可以对这些等式求解以获得位置解x和y(S502)。存在多种对该等式求解的方法，并且当使用这些方法中的一种方法时，可以获得如下的位置解。假设通信装置的天线按照如图6所示的方式来布置，则可以通过以下等式获得位置解。

[数学式11]

$x=\frac{-b\±\sqrt{b^2-4\·a\·c}}{2\·a}$

y＝A·x+B

其中

$A=\frac{(\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_2)\▿_1^3-(\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_3)\▿_1^{2}d}{(\sin {\mathrm{\θ}}_1-\sin {\mathrm{\θ}}_2)\▿_1^3-(\sin {\mathrm{\θ}}_1-\sin {\mathrm{\θ}}_3)\▿_1^{2}d}$

$B=-\frac{\▿_1^{2}d\·\▿_1^{3}d\·(\▿_1^{3}d-\▿_1^{2}d)}{2\·r\{(\sin {\mathrm{\θ}}_1-\sin {\mathrm{\θ}}_2)\▿_1^{3}d-(\sin {\mathrm{\θ}}_1-\sin {\mathrm{\θ}}_3)\▿_1^{2}d\}}$

$\begin{array}{c}a=4\·[r^2\·{\{{\cos \mathrm{\θ}}_1-{\cos \mathrm{\θ}}_2+A\·({\sin \mathrm{\θ}}_1-\sin {\mathrm{\θ}}_2)\}}^2-\▿_1^{2}d\·\left({1+A}^2\right)]\\ b=4\·[r\·\{\cos {\text{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_2+A\·(\sin {\mathrm{\θ}}_1-\sin {\mathrm{\θ}}_2)\}\·\{2\·r\·B\·({\sin \mathrm{\θ}}_1-\sin {\mathrm{\θ}}_2)-\▿_1^2{d}^2\}-2\·\▿_1^2{d}^2\·\{A\·(B-r\·\sin {\mathrm{\θ}}_1)-r\·\cos {\mathrm{\θ}}_1\left\}\right]\end{array}$

$c={\{2\·r\·B\·(\sin {\mathrm{\θ}}_1-\sin {\mathrm{\θ}}_2)-\▿_1^2{d}^2\}}^2-4\·\▿_1^2{d}^2\·(B^2-2\·B\·r\·\sin {\mathrm{\θ}}_1+r^2+{(z_s-z)}^2)$

r＝半径

通过使用按照如上所述的方式获得的位置解x和y，可以获得用户的位置(S503)。从以上的等式中可以获得一对解。当将所获得的解代入等式10时，并非真值的解不满足该等式，因而可以获得期望的解。

图7是根据本申请公开内容的实施例的、在基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统使用单向通信的情况下，通过使用接收信号之间的相位差估计仰角和方位角来计算位置的算法的流程图。

与稍后将描述的交互式通信模块不同，单向通信模块无法估计终端与通信装置之间的距离。然而，可以在不计算该距离的情况下，使用从天线发送的信号之间的相位差来估计仰角。另外，当使用相位差来计算位置时，由于天线布置的几何特性的缘故，位置解在天线方向上纵向分布。通过应用该特性，可以从位置解中相对准确地获取关于方位角的信息。如上所述，可以通过获得仰角和方位角来估计用户的位置。

终端接收从通信装置的通信天线发送的信号(S701)，并测量这些信号之间的相位差(S702)。在这里，可以通过以下等式对终端所接收的信号之间的相位差进行建模。

[数学式12]

₁Δ₂φ＝₁Δ₂d

₁Δ₃φ＝₁Δ₃d

₂Δ₃φ＝₂Δ₃d

根据式12，可以在接收到信号之后计算这些信号之间的相位差(S702)，并且该相位差与从终端到天线的距离的差相同。通过使用按照如上所述的方式获得的相位差来获得仰角和方位角。

首先，将参照图8描述计算仰角的方法。

在图8的三角形ABC中，由于边BC(其为天线之间的距离)必须短于RF信号的波长，因此边BC非常短。相反，用户与天线之间的距离x相对较长。因此，角β非常小。由于三角形ACD的边AD和边AC相同，因此三角形ACD是等腰三角形，并且由于角β非常小，因此可以假定三角形ACD的角ADC接近直角。因此，三角形BDC的角BDC为直角，并且可以使用以下等式来估计角γ_i-j(S703，参见图7)。

[数学式13]

${\mathrm{\γ}}_{i-j}={\cos }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\Δ}_j^{i}d}{b_{i-j}}\right)$

其中b_i-j是第i天线与第j天线之间的距离。

然而，由于终端没有位于与这两个天线相同的平面上，该值是不准确的。如果终端位于该相同的平面上，则该值γ_i-j必须是最小的。因此，通过将以上提及的方法应用于天线中的每个天线来计算γ_i-j，并且从所计算出的值中选择最小值。也就是说，将值γ_i-j中的最小值确定为仰角(S704，参见图7)。

仰角是通过上述方法获得的，现在将描述获得方位角的方法。可以使用从天线发送的信号之间的相位差来计算用户的粗略位置，所述相位差是通过式12获得的(S705)。然而，由于天线之间的距离非常短，因此，存在以下问题：在计算位置时，不出现收敛。为了解决这个问题，使用直接方法的计算比迭代方法更具优势。即使当使用直接方法进行计算时，由于天线集中于一侧的几何特性的缘故，导航解在相应的方向上大范围地分布。因此，可以获得方位角(S706)。

图9是示出了使用直接方法来计算用户的粗略位置的仿真结果的图。在这里，通信装置位于(0，0)处，用户位于(10，0)处。通过直接方法计算出的用户位置在左右方向上大范围地分布，而在上下方向上小范围地分布。这是由天线集中位于用户的左边的几何特性造成的。因此，当通过上述直接方法获得位置解时，用户的位置可能是不准确的。然而，可以相对准确地获得关于方位角(其在二维平面上指示用户相对于通信装置位于哪个方向)的信息。

因此，基于单向通信的位置计算模块使用仰角和方位角来估计用户的二维位置(S707)。

图10是根据本申请公开内容的实施例的、当基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统使用交互式通信时，通过直接计算距离来计算位置的算法的流程图。

基于交互式通信的位置计算模块接收交互式通信的结果(S1001)，并且如以下等式表示的，该位置计算模块使用往返通信技术来计算通信装置与终端之间的距离(S1002)。

[数学式14]

d_{round_trip}＝c·(t_receive-t_transmit-t_delay)/2

其中

d_{round_trip}：基于往返信号测量得到的距离

t_recieve：用户的终端接收信号的时间

t_transmit：用户的终端发送信号的时间

t_delay：通信装置在接收到信号之后直到发送该信号的时间延迟。

因此，基于交互式通信的位置计算模块使用通信装置与终端之间的距离来估计用户的位置，所述距离是使用以上等式获得的(S1003)。使用参照图10所描述的方法难以获得用户的二维或更多维位置，但是这种方法对于获得一维位置是有效的。

图11是根据本申请公开内容的实施例的、当基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统使用交互式通信时，使用距离和接收信号之间的相位差来计算位置的算法的流程图。

参照图11，基于交互式通信的位置计算模块接收交互式通信的结果(S1101)，并使用交互式通信技术来计算通信装置与终端之间的距离(S1102)。步骤S1101和S1102与参照图10所描述的步骤S1001和1002相同。

根据本实施例的基于无线通信装置的定位系统测量接收信号之间的相位差(S1103)，并计算用户的位置(S1104)。步骤S1103和1104与参照图5所描述的步骤S502和S503相同。

当计算出通信装置与终端之间的距离以及用户的位置时，将这些结果相结合以准确地估计用户的二维位置(S1105)。

图12是根据本申请公开内容的实施例的、当基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统使用交互式通信时，使用距离和方位角或者使用仰角和方位角来计算位置的算法的流程图。

参照图12，基于交互式通信的位置计算模块接收交互式通信的结果(S1201)，并使用交互式通信技术来计算通信装置与终端之间的距离(S1202)。步骤S1201和S1202与参照图10所描述的步骤S1001和S1002相同。

在这里，可以在计算距离的步骤S1202之后增加计算仰角的步骤S1202。在这种情况下，可以根据通信装置与终端之间的距离来计算仰角，所述距离在步骤S1202中被计算出。考虑到通信装置的高度是已知的，计算仰角的等式可以如下表示：

[数学式15]

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}\left(\frac{h}{d_{\mathrm{round}\_\mathrm{trip}}}\right)$

其中

θ：仰角

h：通信装置的高度。

计算仰角的步骤S1202并非必要过程，而是可以根据需要增加或省略。

根据本申请公开内容的本实施例的基于无线通信装置的定位系统测量接收信号之间的相位差(S1203)，使用所测量得到的相位差来计算用户的粗略位置(S1204)，并估计方位角(S1205)。步骤1203至1205与参照图7所描述的步骤S702、S705和S706相同。

按照如上所述的方式计算通信装置与终端之间的距离和方位角或者计算仰角和方位角，将上述计算的结果相结合以准确地估计用户的二维位置(S1205)。

图13是示出了根据本申请公开内容的实施例的、使用基于交互式通信的位置计算模块来计算用户位置的仿真结果的图。当将用户的所计算的位置与用户的真实位置进行比较时，可以看出，误差范围与通过图6所示的直接方法计算出的结果相比是显著减小的。具体来说，在朝向通信装置的方向上的误差显著减小。

图14是示出了根据本申请公开内容的实施例的、使用基于单向通信的位置计算模块来计算用户位置的仿真结果的图。当将用户的所计算的位置与用户的真实位置进行比较时，可以看出，尽管误差范围略宽于通过基于交互式通信的位置计算模块获得的结果，但是与通过直接方法计算出的结果相比，误差范围显著减小。

尽管已示出且描述了示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求书定义的本申请公开内容的精神和范围的基础上，可以对这些示例性实施例作出各种形式和细节上的改变。

另外，在不脱离本申请公开内容的基本范围的基础上，可以进行多种修改以使特定情形或材料适应于本申请公开内容的教导。因此，本申请公开内容并非旨在限于由针对实施本申请公开内容所设想的最佳模式公开的特定示例性实施例，而是旨在将包括落入所附权利要求书的保护范围之内的所有实施例。

Claims (25)

1.一种基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统，包括：

通信装置，其包括多个天线，并且生成或中继通信信号，所述通信信号是载波信号；

终端，其与所述通信装置通信；以及

位置计算模块，其使用从所述通信装置的所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差来计算所述终端的位置，其中，所述相位差是通过将所述信号的载波相位测量结果相减获得的，

其中，所述位置计算模块包括在所述终端里，

其中，所述位置计算模块包括基于交互式通信或单向通信的位置计算模块，

其中，所述位置计算模块利用所述相位差除以所述载波信号的波长所得到的商进行舍入来计算不确定整数值，并从测量值去除所述不确定整数值。

2.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述通信装置以从由下列方式组成的组中选择的方式执行通信：人造卫星、地面信标、伪卫星、无线LAN(Wi-Fi、WLAN)、Wibro、移动通信、蓝牙、UWB、红外线、超声波、Zigbee、无线USB、RFID、有源RFID和广播信号。

3.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述基于交互式通信的位置计算模块包括：

距离计算单元，其通过交互式通信计算所述终端与所述通信装置之间的距离；以及

位置估计单元，其使用所述距离估计所述终端的位置。

4.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述基于交互式通信的位置计算模块包括：

距离计算单元，其通过交互式通信计算所述终端与所述通信装置之间 的距离；

相位差计算单元，其计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差；

位置计算单元，其使用从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算所述终端的位置；以及

位置估计单元，其使用所述距离和所述终端的所计算的位置来估计所述终端的位置。

5.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述基于交互式通信的位置计算模块包括：

距离计算单元，其通过交互式通信计算所述终端与所述通信装置之间的距离；

相位差计算单元，其计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差；

方位角计算单元，其根据从所述多个天线发送的所述信号之间的相位差来计算方位角；以及

位置估计单元，其使用所述距离和所述方位角来估计所述终端的位置。

6.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述基于交互式通信的位置计算模块包括：

距离计算单元，其通过交互式通信计算所述终端与所述通信装置之间的距离；

仰角计算单元，其基于所述距离来计算仰角；

相位差计算单元，其计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差；

方位角计算单元，其根据从所述天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算方位角；以及

位置估计单元，其使用所述仰角和所述方位角来估计所述终端的位置。

7.根据权利要求3所述的定位系统，其中，假设所述终端与所述通信 装置之间的距离是d_{round_trip}，所述终端接收所述信号的时间是t_receive，所述终端发送所述信号的时间是t_transmit，并且所述通信装置在接收到所述信号之后直到发送所述信号的时间延迟是t_delay，则所述距离计算单元使用以下等式获得所述终端与所述通信装置之间的距离：

d_{round_trip}＝c·(t_receive-t_transmit-t_delay)/2。

8.根据权利要求6所述的定位系统，其中，假设所述终端与所述通信装置之间的距离是d_{round_trip}，所述仰角是θ，并且所述通信装置的所述天线的高度是h，则所述仰角计算单元使用以下等式获得所述仰角：

9.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述基于单向通信的位置计算模块包括：

相位差计算单元，其计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差；

位置计算单元，其使用从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算所述终端的位置；以及

位置估计单元，其使用所述终端的所计算的位置来估计所述终端的位置。

10.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述基于单向通信的位置计算模块包括：

相位差计算单元，其计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差；

仰角计算单元，其根据从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算仰角；

方位角计算单元，其根据从所述多个天线发送的所述信号之间的所述 相位差来计算方位角；以及

位置估计单元，其使用所述仰角和所述方位角来估计所述终端的位置。

11.根据权利要求10所述的定位系统，其中，假设第i天线与所述终端相对连接所述第i天线和所述多个天线中的第j天线的线之间的角是γ_i-j，所述第i天线和所述终端之间的距离与所述第j天线和所述终端之间的距离之间的差是_iΔ_jd，并且所述第i天线与所述第j天线之间的距离是b_i-j，则所述仰角计算单元将通过以下等式计算出的值γ_i-j中的最小值确定为所述仰角：

12.根据权利要求4或9所述的定位系统，其中，假设第i天线与第j天线之间的相位差是_iΔ_jφ，并且所述第i天线与所述第j天线之间的距离是_iΔ_jd，则所述相位差计算单元使用以下等式获得从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差：

_iΔ_jφ＝_iΔ_jd。

13.根据权利要求4或9所述的定位系统，其中，假设(x_i,y_i,z_i)是所述多个天线中的第i天线的位置，(x_j,y_j,z_j)是所述多个天线中的第j天线的位置，并且(x,y,z)是所述终端的实际位置，则位置计算单元通过对以下测量等式求解来获得x和y：

14.一种基于包括多个天线的无线通信装置的定位方法，包括：

允许包括多个天线的通信装置生成或中继通信信号以与终端通信，所述通信信号是载波信号；以及

使用从所述通信装置的所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差来计算所述终端的位置，其中，所述相位差是通过将所述信号的载波 相位测量结果相减获得的，

其中，所述计算所述位置的步骤包括：由所述终端里包括的位置计算模块基于交互式通信或单向通信来计算位置，

利用所述相位差除以所述载波信号的波长所得到的商进行舍入来计算不确定整数值；以及

从测量值去除所述不确定整数值。

15.根据权利要求14所述的定位方法，其中，所述基于所述交互式通信来计算所述位置的步骤包括：

通过所述交互式通信来计算所述终端与所述通信装置之间的距离；以及

使用所述距离来估计所述终端的位置。

16.根据权利要求14所述的定位方法，其中，所述基于所述交互式通信来计算所述位置的步骤包括：

通过交互式通信来计算所述终端与所述通信之间的距离；

计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差；

使用从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算所述终端的位置；以及

使用所述距离和所述终端的所述位置来估计所述终端的位置。

17.根据权利要求14所述的定位方法，其中，所述基于所述交互式通信来计算所述位置的步骤包括：

通过所述交互式通信来计算所述终端与所述通信装置之间的距离；

计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差；

根据从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算方位角；以及

使用所述距离和所述方位角来估计所述终端的位置。

18.根据权利要求14所述的定位方法，其中，所述基于所述交互式通 信来计算所述位置的步骤包括：

通过所述交互式通信来计算所述终端与所述通信装置之间的距离；

基于所述距离来计算仰角；

计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差；

根据从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算方位角；以及

使用所述仰角和所述方位角来估计所述终端的位置。

19.根据权利要求14所述的定位方法，

其中，假设所述终端与所述通信装置之间的距离是d_{round_trip}，所述终端接收所述信号的时间是t_receive，所述终端发送所述信号的时间是t_transmit，并且所述通信装置在接收到所述信号之后直到发送所述信号的时间延迟是t_delay，则在所述计算所述距离的步骤中，所述终端与所述通信装置之间的距离是通过以下等式获得的：

d_{round_trip}＝c·(t_receive-t_transmit-t_delay)/2。

20.根据权利要求18所述的定位方法，

其中，假设所述终端与所述通信装置之间的距离是d_{round_trip}，所述仰角是θ，并且所述通信装置的所述天线的高度是h，则在所述计算所述仰角的步骤中，所述仰角是通过以下等式获得的：

21.根据权利要求14所述的定位方法，还包括：

计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差；

使用从所述多个天线发送的所述信号之间的相位差来计算所述终端的位置；以及

使用所述终端的所计算的位置来估计所述终端的位置。

22.根据权利要求14所述的定位方法，其中，所述基于所述单向通信来计算所述位置的步骤包括：

计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差；

根据从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算仰角；

根据从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算方位角；以及

使用所述仰角和所述方位角来估计所述终端的位置。

23.根据权利要求22所述的定位方法，其中，假设第i天线与所述终端相对连接所述第i天线和所述多个天线中的第j天线的线之间的角是γ_i-j，所述第i天线和所述终端之间的距离与所述第j天线和所述终端之间的距离之间的差是_iΔ_jd，并且所述第i天线与所述第j天线之间的距离是b_i-j，则在所述计算所述仰角的步骤中，将通过以下等式计算出的值γ_i-j中的最小值确定为所述仰角：

24.根据权利要求14所述的定位方法，其中，假设第i天线与第j天线之间的相位差是_iΔ_jφ，并且所述第i天线与所述第j天线之间的距离是 _iΔ_jd，则在所述计算从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差的步骤中，从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差是使用以下等式获得的：

_iΔ_jφ＝_iΔ_jd。

25.根据权利要求14所述的定位方法，其中，假设(x_i,y_i,z_i)是所述多个天线中的第i天线的位置，(x_j,y_j,z_j)是所述多个天线中的第j天线的位置，并且(x,y,z)是所述终端的实际位置，则在所述计算所述终端的位置的步骤中，x和y是通过对由以下等式表示的测量等式求解来获得的：