CN102695965A - 用于无缝室内和室外跟踪的混合无线区域网（wan）和全球定位系统（gps）电路板及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于无线设备的距离和位置跟踪的系统和方法。更具体地，根据本公开的一个方面，公开了利用混合无线区域网（WAN）和全球定位系统（GPS）电路板的无线区域网-基于位置的服务（WAN-LBS）算法以及用于无缝室内和室外跟踪的方法。结合混合WAN/GPS电路板，WAN-LBS算法优化了在定位固定或移动

设备时距离测量的精确度和准确度。在一个实施方案中，根据本公开的混合WAN/GPS电路板合并GPS接收器和几个基于IEEE 802标准的接收器的数据。在另一实施方案中，根据本公开的WAN-LBS算法利用由混合电路板获取的所接收的数据来在室内和室外环境中无缝地计算到跟踪设备的距离。

Description

用于无缝室内和室外跟踪的混合无线区域网(WAN)和全球定位系统(GPS)电路板及方法

技术领域

总的来说，本发明涉及移动定位的领域。具体来说，本发明涉及用于基于无线定位的服务的系统和方法。

发明背景

蜂窝网络、全球定位系统（GPS）和无线E911服务处理位置测定的问题。然而，这些传统技术不能提供室内地理定位，因为它们具有各种电磁限制（例如，无线电干扰、穿透损失和多路径条件）。位置测定系统应能够无缝地使用蜂窝网络、GPS和WAN来跟踪在网络之间或在各种环境当中漫游的设备/用户。今天，在商业上最普遍被接受的无线位置测定系统由1996年的美国GPS策略所促成的GPS网络组成。1996年的美国GPS策略具有如下几个主要目标：提高美国科学和技术能力；提升在运输和其它领域中的安全和效率；鼓励私营领域投资和使用美国GPS技术和服务；加强和维护国家安全；促进为了和平目的而使用GPS的国际合作；以及鼓励在全世界为和平目的的民用、商业和科学应用中接受和引入GPS。

因此，最显而易见的应用是借助于全球移动通信系统（GSM）和码分多址（CDMA）在世界范围内的商业应用（例如运输管理、方向测定软件和紧急服务）中的先进的美国科学和技术能力的领域中。在蜂窝网络服务中，存在两种主要的竞争网络技术：全球移动通信系统（GSM）和码分多址（CDMA）。蜂窝通信网络运营商（包括Sprint PCS、Cingular Wireless、Verizon和T-Mobile）使用这两种技术中的一种。

与无线局域网（WLAN）定位比较，传感器网络有使用包括超声波、红外线和最近的超宽带等很多不同的频段的较长研究历史。所有这些传统技术的主要缺点是由其相应频率导致的覆盖区域。这些技术都适合于通常称为个人区域网的非常小的区域。使用这些常规技术，需要较高密度的传感器，从而增加了部署传感器网络的成本。

近年来，由于对大规模室内WLAN部署以及在城市无线地区中的室外全市无线部署的强烈要求，WLAN定位引起了关注。由于信号强度测量是正常操作的一部分，对于基于802.11的无线网络，人们提出了很多用于位置估计的信号处理技术，例如基于客户端的设计。然而，客户端的辅助定位系统从客户终端、接入点和嗅探设备获取资源以定位WLAN中的客户端。

虽然结合多种LBS技术的双重方法开始越来越普及，但利用WLAN-LBS系统的商业应用仍然很少。大部分WLAN-LBS产品是基于软件的，且设计成用于室外应用。传统上，WLAN-LBS的数据收集过程需要采用携带运行WLAN探测软件的膝上型计算机在无线接入点的整个区域中行走、驾驶或飞行的笨办法（常常称为“驾驶攻击”）。

因此，现今在市场上存在很多蜂窝和GPS跟踪设备。然而，传统接收设备由于敏感度的问题一般不适用于室内。总的来说，无线环境所面临的挑战是固有的。这些问题包括信道衰落、低信噪比（SNR）、多用户干扰和多路径条件。

此外，蜂窝跟踪设备需要早已存在的基础设施，其主要存在于城市环境而不是农村区域中。因此，一旦设备超出三（3）个或更多个蜂窝通信塔的范围则跟踪设备几乎是不可能的；也就是说，蜂窝跟踪系统不能对移动设备作三角测量。对于在敌方军事环境中的军事跟踪设备，移动军队不能建立固定的通信系统，因为系统会变成敌人的目标。而且，在敌方军事环境中常常遭受减小信号强度的物体例如树、桥、混凝土和金属的困扰。因此，在这样的环境下，在室内或在树木浓密的环境中接收卫星或GPS信号常常很难。

发明概要

根据本发明的混合WAN/GPS电路板提供了对在传统技术中观察到的前述问题的解决方案。本发明的优点包括但不限于无缝室内和室外跟踪。混合WAN/GPS电路板跟踪嵌有IEEE802技术——包括

802.15^TM(WPAN、蓝牙、ZigBee)、802.16^TM(WiMax)、802.20^TM(MBWA)和/或802.22^TM(WRAN)——的固定或移动设备。移动设备单元可从室外到室内环境（反之亦然）被无缝地定位和跟踪。本发明的另一优点是用于结合所公开的混合WAN/GPS电路板来确定距离的无线区域网-基于位置的服务（WAN-LBS）算法。WAN-LBS算法对室内环境具有更高准确度，以便支持更广范围的应用。

此外，根据本发明的混合WAN/GPS电路板具有低计算开销；硬件和软件的双重方法降低了计算开销，特别是对于具有能量限制的移动设备。此外，信标数据库对于根据本发明的WN/GPS电路板是不需要的；固定无线接入点（WAP）位置的预先扫描也不需要。与根据本发明的混合WAN/GPS电路板相反，大部分传统LBS算法需要在跟踪之前将WLAN位置预先存储在数据库中并下载到移动设备上。

而且，根据本发明的混合WAN/GPS电路板不需要预先存在的无线网络基础设施。相反，用于室内跟踪的传统Wi-Fi定位系统需要包括遍及建筑物的一些WAP的预先存在的无线网络；这个架构利用三角测量的古老蜂窝电话技术，不适合于快速移动的环境或敌方军事应用。

根据本发明的一个方面，提供了用于使用混合无线区域网（WAN）/全球定位系统（GPS）设备进行无线设备的无缝室内和室外距离跟踪和位置（优选）跟踪的方法。该方法包括：接收对应于无线设备的距离和位置（优选）的GPS和WAN数据，其在一些情况下也可被认为包括传感GPS和WAN信号，和/或使用无线设备来接收GPS和WAN数据；发送对应于无线设备的距离和位置（优选）的GPS和WAN数据；合并所接收的WAN和GPS数据；分割所合并的数据；从发射的射频（RF）频谱和调制数据优化距离和位置（优选）测量；使用混合WAN/GPS设备的E平面和H平面辐射图确定方位角和仰角位置；以及将一种或多种近似算法应用于GPS和WAN数据以得到无线设备的距离和位置（优选）；以及输出无线设备的距离和位置（优选）。

在本发明的另一方面中，提供了用于无线设备的无缝室内和室外距离和测量跟踪的系统。该系统包括无线设备和混合无线区域网（WAN）/全球定位系统（GPS）电路板。电路板包括：接收和发送对应于无线设备的距离和位置（优选）的GPS数据的GPS设备，其中接收可包括检测GPS卫星信号；接收和发送对应于无线设备的距离和位置（优选）的WAN数据的WAN设备，其中WAN数据包括来自多个IEEE 802信号的数据；合并所接收的WAN和GPS数据的合并处理单元；分割所合并的数据的分割处理单元；距离和位置（优选）精确度处理器，其可以是从发射的RF频谱和调制数据提高距离和跟踪精确度、优化发射的RF频谱和调制数据的无线区域网基于位置的服务（WAN-LBS）处理单元；优选地通过确定来自混合WAN/GPS设备的所接收的WAN信号的E平面和H平面辐射图来确定混合WAN/GPS设备的方位角和仰角的E平面和H平面辐射图确定单元；以及将一种或多种近似算法应用于GPS和WAN数据以得到无线设备的距离和位置（优选）的距离和位置单元。

在本发明的又一方面，提供了用于无线设备的无缝室内和室外跟踪的距离和位置（优选）跟踪设备。该跟踪设备包括混合无线区域网（WAN）/全球定位系统（GPS）电路板。电路板包括接收和发送对应于无线设备的距离和位置（优选）的GPS数据的GPS设备，其中接收可包括检测GPS卫星信号；接收和发送对应于无线设备的距离和位置（优选）的WAN数据的WAN设备，其中接收可包括检测WAN信号，且其中WAN数据包括来自多个IEEE 802信号的数据；合并所接收的WAN和GPS数据的合并处理单元；分割所合并的数据的分割处理单元；优化发射的RF频谱和调制数据的距离和位置（优选）精确度处理单元；确定混合WAN/GPS设备的方位角和仰角的E平面和H平面辐射图确定单元；以及将一种或多种近似算法应用于GPS和WAN数据以得到无线设备的距离和位置（优选）的距离和位置（优选）单元。

根据本发明的一个方面，提供了有形计算机可读存储介质，其存储用于使计算机执行用于无线设备的无缝室内和室外跟踪的方法的程序。该程序包括接收和发送对应于无线设备的距离和位置（优选）的GPS数据的GPS信号接收代码段；接收和发送对应于无线设备的距离和位置（优选）的WAN数据的WAN信号接收代码段，其中WAN数据包括来自多个IEEE 802信号的数据；合并所接收的WAN和GPS数据的合并处理代码段；分割所合并的数据的分割处理代码段；优化发射的RF输出频谱和调制数据的距离和位置（优选）的距离和位置（优选）处理器代码段；使用混合WAN/GPS设备的E平面和H平面辐射图来确定方位角和仰角位置的E平面和H平面辐射图确定代码段；以及将一种或多种近似算法应用于GPS和WAN数据以得到无线设备的距离和位置（优选）的距离和位置（优选）代码段。

附图简述

合并在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出本发明的几个实施方案，且与书面描述一起用于解释本发明的某些原理。

图1描绘根据本发明的一个方面用于确定混合WAN/GPS电路板的距离和位置的示例性系统。

图2A描绘本发明的示例性系统，其中军用车配备有用于移动军队的作战空间跟踪的混合WAN/GPS硬件（运行根据本发明的WAN-LBS软件），且移动军队配备有混合WAN/GPS电路板。

图2B描绘本发明的示例性系统，其中混合WAN/GPS手持设备（运行根据本发明的WAN-LBS软件）用于探测几个混合WAN/GPS项圈或手镯；这样的项圈或手镯可从室外或室内环境（反之亦然）被无缝地定位和跟踪。

图3示出根据本发明的示例性WAN-LBS系统的方框图，该WAN-LBS系统利用用于无缝室内和室外距离和位置跟踪的混合WAN/GPS电路板。

图4示出包括在根据本发明的示例性实施方案的混合WAN/GPS电路板中的WAN接收器中的IEEE802收发器（对应于IEEE 802无线标准协议）的传播距离、数据率、子组和商业名称。

图5A描绘由根据本发明的示例性实施方案的混合WAN/GPS电路板执行的合并处理单元的顶级方框图。

图5B描绘执行嵌在根据本发明的示例性实施方案的混合WAN/GPS电路板中的合并和/或分割和/或WAN-LBS算法处理单元的微控制器的顶级方框图。

图5C示出带有电部件的示例性混合WAN/GPS电路板丝网布局并描绘示例性WAN-LBS系统中各个顶级方框图的位置。

图6描绘在根据本发明的示例性实施方案的混合WAN/GPS电路板内的分割处理单元的顶级方框图。

图7描绘示出WAN-LBS算法的示例性实施方案的图示，其中当天线的E平面不垂直于其它混合WAN/GPS电路板时，根据天线垂直极化（和天线的极化损耗因子）计算两个或更多个固定和/或移动设备之间的方位角和仰角位置。

图8描绘根据本发明的另一方面用于确定无线设备的位置的示例性方法步骤。

图9描绘根据本发明的示例性实施方案的WAN-LBS软件模块的流程图，其中这些模块在手持设备、计算机中实现和/或嵌在混合WAN/GPS设备中。

具体实施方式

现在将更详细地参考本发明的各种示例性实施方案，其实例在附图中示出。下面的详细描述被提供来提供本发明的某些实施方案的更详尽的描述，而不是用来作为本发明的所有实施方案的限制性公开。更确切地，在考虑了某些实施方案和权利要求的上面的粗略描述、下面的详细描述之后，本领域技术人员将能够理解本发明的完全的范围。此外，美国专利申请公布号2009/0196267的公开通过引用被全部并入。

根据本发明的一个方面，提供了用于混合WAN/GPS电路板的无缝室内和室外距离和位置的系统。图1示出用于确定嵌入式混合WAN/GPS电路板101、102、104和108的距离和位置的系统。无线设备101可对应于计算机、膝上型计算机、PDA、蜂窝电话、Blackberry^TM或具有嵌入的IEEE 802功能或等效功能的任何其它无线设备。优选地，无线设备101能够检测来自其它设备102、104和108的WAN信号。例如，设备102可对应于网络接入点，而设备104可对应于在ad-hoc环境中的其它设备。优选地，无线设备101和设备102、104和/或108之间的通信按照如所公开的IEEE 802标准中的任一个（如公开在ANSI/IEEE 802标准中）而进行，该标准通过引用全部并入本文。根据另一方面，无线设备101还能够检测来自一个或多个全球定位卫星106的信号。此外，无线设备101进一步与处理器108通信并能够将所接收的位置数据传递到处理器108。

优选地，无线设备101包括混合WAN/GPS电路板，其包括：WAN卡、GPS接收器和一个或多个处理器（进一步在与图3相关的说明中被描述）。处理器108（其可连接到或集成在根据本发明的混合WAN/GPS设备内）能够反复地从无线设备104和/或108接收位置数据，并将一种或多种近似算法应用于距离和位置数据以得到混合WAN/GPS设备的距离和位置。

在图2A中，军用车辆配备有用于移动军队的作战空间跟踪的混合WAN/GPS控制中心201（运行根据本发明的WAN-LBS软件），且移动军队配备有混合WAN/GPS设备202和203。混合WAN/GPS控制中心201和混合WAN/GPS设备202和203可对应于计算机、膝上型计算机、PDA、蜂窝电话、BlackberryTM或具有嵌入的IEEE 802功能或等效功能的任何其它无线设备。因此，混合WAN/GPS设备202和203可对应于可以安全、可靠地附着到用户的衣服、标志或任何其它物体内的具有IEEE 802功能的任何无线设备。

本发明的这个示例性实施方案特别适合于在远程和/或敌方军事环境中的军事应用。美国国防部（DoD）承担开发和集成有助于作战空间评估的指挥、控制、通信、计算机、情报及监视与侦察（C4ISR）技术的任务；阻止并破坏敌方努力；保持“联系”以实现和维持信息优势；以及以决定性的毁灭性进行打击并生存下来。美国陆军和海军陆战队的任务之一是利用和发掘现有技术——包括未开发项目（DNI）和商业现货供应（COTS）设备——以为没有武装的士兵和前沿部署的、无人操纵的智能军需品、传感器和机器人系统开发无线通信网络。陆军和海军陆战队持续地寻找能够给士兵提供最好的、最负担得起的技术来执行任务的新技术。因此，陆军对能够给单个士兵提供以战术网络为中心的能力的无线传感器联网技术有很大兴趣。更具体地，DoD对诸如利用用于室内和室外跟踪的混合IEEE 802和全球定位系统（GPS）设备的基于位置的服务（LBS）算法的技术感兴趣。因此，本发明致力于在没有固定通信基础设施时提供无线连通性、环境感知以及三维（3D）距离和位置跟踪的关键需求，并采用能够在紧急关头改善响应者的安全状况、生存能力、防卫和效率的快速反应解决方案。

在图2B中，混合WAN/GPS手持设备206（运行根据本发明的WAN-LBS软件）用于探测一些混合WAN/GPS项圈或手镯；这样的项圈或手镯可从室外到室内环境（反之亦然）被无缝地定位和跟踪。因此，本发明处理在天气灾害、搜索/营救和/或城市/农村环境（例如洪水、暴风雪）中提供儿童和/或宠物的无线距离和位置测量的关键需求。混合WAN/GPS手持设备206和混合WAN/GPS宠物项圈204和儿童手镯205可对应于计算机、膝上型计算机、PDA、蜂窝电话、Blackberry^TM或具有嵌入的IEEE 802功能或等效功能的任何其它无线设备。因此，混合WAN/GPS宠物项圈204和儿童手镯205可对应于可以安全、可靠地方式附着到用户的衣服、珠宝或任何其它物体内的具有IEEE 802功能的任何无线设备。换句话说，图2B示出被设想为本发明的部分的跟踪设备的例子。

全球定位系统/全球移动系统（GPS/GSM）对中等和高收入家庭成为跟踪狗和猫的最普遍的方式。然而，昂贵的硬件和每月的费用限制了这个市场的增长。此外，在没有蜂窝式网络覆盖的地区，GSM设备无法工作。因此，在实时宠物跟踪中可用的选项有限，且没有可在室内跟踪狗和猫的产品。因此，根据本公开的混合WAN/GPS宠物项圈提供了对传统宠物跟踪设备的一种廉价的替代方案。

此外，在儿童安全应用中，能够快速和有效地确定失踪儿童的距离和位置是关键的。更具体地，在室内和室外无缝地探测失踪的人的能力对有效地确定失踪的人的距离和位置是必要的。因此，根据本公开的混合WAN/GPS手镯为父母和第一响应人提供了跟踪失踪者的距离和位置的有效工具。在可选的实施方案中，根据本公开的混合WAN/GPS设备可固定到货物或财产以跟踪它们的距离和位置，并便于被盗货物或财产的返还。当然，本发明涵盖可用于跟踪的物品的很多其它例子被，这些例子可被本领域技术人员立即想到，而不需要特别公开在本文中。

在图3中，根据本公开的示例性WAN-LBS系统利用用于距离和位置（优选）的无缝室内和室外跟踪的混合WAN/GPS电路板。WAN-LBS算法与具有IEEE 802收发器和GPS收发器的定制混合电路板协力地工作。定制电路板提供发送到合并处理单元303、分割处理单元304和WAN-LBS算法处理单元305的原始GPS和WAN数据。WAN-LBS算法使用数字分析近似法则来确定精确的测量。数字分析的总目标是实现用于解决由于WAN收发器和/或GPS接收器而引起的在原始数据距离和位置测量中的误差的近似技术。WAN-LBS算法结合混合电路板提高了固定或移动IEEE 802设备的距离和定位中的精确度和准确度。

在图3中，WAN收发器301包括各种IEEE 802收发器（如在图4中更详细示出的）。固定和移动IEEE802设备使用由相应的IEEE 802标准定义的频谱和协议来发送其射频（RF）信号。因此，WAN收发器301接收对应于各种IEEE 802收发器的RF信号，这些IEEE 802收发器包括（但不限于）802.15^TM(WPAN、蓝牙、ZigBee)、802.16^TM(WiMax)、802.20^TM(MBWA)和/或802.22^TM(WRAN)。WAN收发器还可修改成包括对应于没有在本文明确列出的任何其它IEEE 802标准协议的IEEE 802收发器。最初，IEEE 802设备和混合WN/GPS电路板发送确认消息连同如相应的IEEE 802标准所定义的通用信息。该通用信息用于通过鲁棒性WAN-LBS算法来计算距离和位置。

混合WAN/GPS电路板的合并处理单元303合并GPS接收器302和WAN收发器301的数据。在图3中，这些原始数据被馈送到合并处理单元304以及WAN-LBS算法处理单元305的电场强度（E平面）和磁场强度（H平面）辐射图确定单元305b。GPS接收器302提供三维（3D）位置、速度、时间和频率数据，因为在六（6）个轨道平面中在大约22,000km的高度处最少存在二十四（24）颗可用的卫星。GPS卫星发送用于定时目的的代码以及包括其确切的轨道位置和系统完整性数据的导航消息。WAN/GPS电路板使用这些数据来精确地确定卫星位置。因此，在混合WAN/GPS电路板内的GPS接收器302通过测量这些信号到达所花费的时间来确定位置。当高度是已知的时候，需要至少三颗卫星来确定纬度和经度，且需要至少第四颗卫星来获得3D定位。

对于室外接收，GPS接收器302应接收来自至少四（4）颗人造卫星（SV）的信号以获得3D位置定位。为了测量从SV到接收器的射程，需要两个条件：信号发送时间和信号接收时间。所有GPS卫星都具有保持精确时间的几个原子钟，这些原子钟用于将发送时间的时间标签加到GPS信号，然后控制编码信号的发送序列。同样，WAN/GPS接收器也包括内部时钟以精确地识别信号的到达时间。

GPS接收器302输出ASCII串形式的两（2）种类型的消息（原始数据）：美国国家海洋电子协会（NMEA）和调试消息。而精度衰减（DOP）是卫星的几何结构的度量，从而基于在所探测到的卫星之间的间隔确定度量中的误差。NMEA数据输出原始数据格式，包括（但不限于）地理位置（带有位置数据的时间的纬度和经度，在下文中称为“GPGLL”）；全球定位系统固定数据（带有GPS数据的时间和位置，在下文中称为“GPGGA”）；GNSS DOP和有源卫星（在运行中的GPS接收器和DOP值，在下文中称为“GPGSA”）；看得见的GNSS卫星（看得见的卫星的数量、仰角和方位角，在下文中称为“GPGSV”）；被NEMA推荐的最少数据（在下文中称为“GPRMC”）；在地面上的速度和轨道（在下文中称为“GPVTG”）；协调的世界时间（日期和时间，在下文中称为“GPZDA”）。

混合电路板的合并处理单元303合并GPS接收器和几个IEEE 802收发器的数据（如在图5中更详细示出的）。在室外位置或农村环境中，GPS信号可从由24颗或更多地球轨道卫星组成的“星座”获得，该信号可从市场上购买，具有1、5和10MHz等标准频率，以每秒1个脉冲（pps）的速率传输。由于GPS信号是陆地接收器（通过常规航空卫星接收的无线电信号），所以其它电磁辐射源容易降低信号强度的敏感性。因此，所接收的信号往往相对微弱。这使得在室内或预先存在的基础设施环境中获取和跟踪卫星信号很难或不可能。虽然一些国家允许使用GPS转发器来增强室内GPS接收效果，但欧盟和英国的法律禁止使用转发器，因为信号可能引起对可能从两个GPS卫星都接收数据的其它GPS接收器的干扰。在室内位置，根据本公开的混合WAN/GPS电路板转换（或切换）到WAN模式，以便在室内和室外跟踪环境中维持无瑕疵和无缝过渡。

同样，需要合并的数据来确定覆盖坐标——通过天线方向图的特征在两个或更多个固定和/或移动设备之间的X、Y和/或Z距离计算。天线场强被用作方向跟踪机制（即，北、南、东和/或西）。更具体地，E平面和H平面辐射图是主射束和旁瓣天线方向的场强指示。该场强包含可用于覆盖坐标的三个天线特征：a）主射束的宽度，b）旁瓣水平，以及c）方向性。

合并的数据被发送并输入到分割处理单元304中。分割处理单元304通过响应处理器（在图6中示出）将数据分成组份和子组份，以便数字算法可在下一过程被应用。分割过程的核心目标是利用主要是词汇文本解析器的响应处理器来实现的。从混合合并块接收的信息基于标点符号和其它关键参数将串式数据分成称为令牌的组份和/或子组份。

如图3所示，WAN-LBS算法处理单元305执行三个关键过程：1）改进RF发射输出频谱的距离和位置测量以及调制准确度；2）从E平面和H平面辐射图确定方位角和仰角位置；以及3）使用数字分析近似法则估计室内/室外距离和位置。WAN-LBS软件算法提高了在定位固定和/或移动IEEE 802设备时的距离测量的精确度和准确度。该算法从分割处理单元304以及电场强度（E平面）和磁场强度（H平面）辐射图确定单元305b接收数据。使用在IEEE协议标准中定义的两（2）个组份和八（8）个子组份来改进WAN距离和位置测量，以产生覆盖坐标。覆盖坐标又包含移动或固定IEEE 802设备的位置。获取来自各种组份和子组份的数据点，通过数字分析提供在一个或多个设备之间的距离的合理近似值。移动或固定IEEE 802设备的位置又通过无线设备101、102和/或104的图形显示器306输出并显示。

使用

协议307（如无线局域网【WLAN】、无线个人区域网【WPAN】和/或无线城域网【WMAN】）中的全部或选定的一部分将距离和位置跟踪信息发送到中央控制单元和/或另一移动设备。因此，使用无线区域网--包括（但不限于）802.15^TM(WPAN、蓝牙、ZigBee)、802.16^TM(WiMax)、802.20^TM(MBWA)和/或802.22^TM(WRAN)--来分发所计算的距离和位置。在本发明的示例性实施方案中，混合WAN/GPS电路板是手掌大小的跟踪设备，且软件与商业现货供应（COTS）的手持个人数字助理（PDA）和/或膝上型计算机兼容。

IEEE802收发器

图4示出WAN接收器301的IEEE 802收发器的传播距离、数据率、子组和商业名称。在山谷、预先存在的基础设施、城市环境或敌方军事环境中行动时，GPS接收器会遇到获取和维持相关的卫星锁的困难。GPS接收器天线必须具有清晰的天空视野来获取卫星锁。在某些环境中，完整的卫星锁可能丢失或只有三（3）颗卫星被跟踪到来计算2D位置定位。此外，位置定位在建筑物内部或桥下时可以不更新，但可通过假设其高度保持不变来降级到只有三（3）颗卫星的2D模式。然而，这个假设可能导致非常大的误差，特别是当高度发生变化时。如上所述，WAN收发器301包括几个IEEE 802收发器，包括（但不限于）

802.15^TM(WPAN、蓝牙、ZigBee)、802.16^TM(WiMax)、802.20^TM(MBWA)和/或802.22^TM(WRAN)；下面详细讨论这些IEEE 802收发器中的每一个（及其根据相应的IEEE 802标准的能力）。一个或多个IEEE 802信号的接收在下文中称为“WAN模式”。

IEEE 802.15收发器

无线个人区域网（WPAN）是IEEE 802标准的第15个工作组，并在蓝牙和ZigBee认证下已知。802.15WPAN^TM针对个人区域网或短程无线网络的一致标准的开发。无线距离大约为十（10）米，对蓝牙和ZigBee带宽分别为1Mbps和480Kbps。这些WPAN处理便携式和移动计算设备（如PC、个人数字助理【PDA】、外围设备、手机、寻呼机和消费电子设备）的无线联网。

IEEE 802.11收发器

IEEE 802.11标准在无线局域网（WLAN）类别下以商业名称“Wi-Fi”为人所知。各国所使用的射频频谱的区段不同。在美国，802.11a和802.11g设备可在没有许可证的情况下操作，如在FCC法规和条例的第15部分中所允许的那样。

由信道1到6使用的频率（802.11b）范围在2.4GHz业余爱好者无线电频段内。得到许可的业余无线电操作者可根据FCC法规和条例的第97部分操作802.11b/g设备，允许更大的功率输出，但不允许商业内容或加密。802.11b和802.11g使用2.4GHz工业科学医疗（ISM）频段，采用的最大物理层比特率分别为11Mbit/s和54Mbit/s的。802.11a标准使用与原始标准相同的数据链路层协议和帧格式，但使用基于OFDM的空中接口（物理层）。802.11标准在具有54Mbit/s的最大净数据率的5GHz频段中操作。

IEEE 802.16收发器

虽然IEEE 802.16系列标准被官方称为“WirelessMAN”，但其已被称为WiMAX论坛的行业联盟商业化，其商业名称为“WiMAX”（全球互通微波接入）。IEEE 802.16标准的最常见的实现是最初被定义为IEEE 802.16e标准的移动WirelessMAN。无线距离在70Mbps时小于5Km。

IEEE 802.20收发器

IEEE 802.20或移动宽带无线接入（MBWAN）是实现多供应商互操作移动宽带无线接入网络的全世界部署的一个IEEE标准。用于在低于3.5GHz的许可频段下运行的可互操作的移动宽带无线接入系统的空中接口的物理和介质访问控制层的规范被优化为用于超过1Mbps的每用户峰值数据率的IP数据传输。MBWAN支持在MAN环境中高达250Km/h的各种车辆移动性类别，且其针对的频谱效率、持续的用户数据率和活动用户的数量都明显高于现有移动系统所实现的。

IEEE 802.22收发器

IEEE 802.22是使用TV频谱中的空白部分的无线地区区域网（WRAN）标准。IEEE 802.22WRAN标准的开发目的在于使用认知的无线电技术来在非干扰的基础上允许共享分配给电视广播机构的在地理上未使用的频谱，以便将宽带接入带到难以到达的低人口密度地区（通常是农村环境），因此非常及时且在全世界有广泛的可应用性潜力。

合并处理

图5示出由根据本公开的示例性实施方案的混合WAN/GPS电路板和相关的固件执行的合并处理的顶级方框图。合并处理合并GPS接收器302和WAN收发器301中的IEEE 802收发器的数据。在室内环境中，混合电路板转换（或切换）到WAN模式，以便在室内和室外跟踪环境中维持无瑕疵和无缝过渡。因为逻辑电路是可编程的，合并过程使用微控制器、现场可编程门阵列（FPGA）和/或数字信号处理器（DSP）通过固件软件代码来实现。

如图5A和5B所示，微控制器503与很多通用异步接收器/发射器（UART 502和504）通信。UART 502和504是控制微控制器的接口来接收、发送和/或交换数据的微芯片。微控制器比FPGA或DSP更适合于处理和重组ASCII串行数据。当应用与传感器和信号过程通过接口联系时可利用DSP。此外，在WN收发器301中的IEEE 802收发器可配置成将命令发送到微控制器503。

UART 502和504负责多个任务，包括（但不限于）将UART从IEEE 802收发器接收的数据字节转换成单个串行比特流，用于外发的传输；对于进入的传输，将串行比特流转换成WAN-LBS算法处理的字节；如果必要，在外发传输时添加奇偶校验位并检查进入字节的奇偶性（如果选择），并去除奇偶校验位；对于外发的传输，添加起始和停止描述符，并将其从进入的传输剥离；以及处理来自微控制器的中断。

从微控制器到GPS接收器和WAN收发器的UART连接在电路板上以逻辑级构成。因此，微控制器以GPS接收器和WAN收发器允许的最大速度运行。微控制器非常适合于该任务，因为它可与串行UART接口连接的设备交互，并且微控制器是系统内可重新编程的。GPS接收器以及IEEE 802收发器具有串行通信能力，但不限于串行通信。GPS接收器在其串行端口上输出NMEA数据，而没有干预。来自GPS接收器的数据主要由坐标数据组成，但也可包括诊断信息，例如锁定的卫星的数量等。IEEE 802收发器需要命令来查询信息，例如基本服务集标识（BSSID）、服务集标识（SSID）、介质访问控制（MAC）地址、数据率和信号强度。一旦数据由微控制器接收到，数据就被组合，且微控制器可在新的数据进入UART时同步处理数据。在来自GPS接收器和WAN收发器的数据的合并处理完成之后，合并的数据被转发到分割处理单元304。根据微控制器的功能，微控制器可包含分割处理单元304和/或WAN-LBS算法处理单元305，分割处理和/或WAN-LBS算法在微控制器中执行或在计算机、膝上型计算机、PDA、手机Blackberry^TM或任何其它无线设备（见图5A、5B和5C）上实现。在图5A中，有线连接是经由UART 502到处理器108，处理器108接着经由WAN收发器301发送距离和位置测量结果307。在图5B和5C中，微控制器包含合并处理单元303、分割处理单元304和WAN-LBS算法处理单元305，分割和合并处理以及WAN-LBS算法在微控制器503中执行。微控制器503接着经由WAN收发器301发送距离和位置测量结果307。

分割处理单元

如图6所示，分割处理单元304通过响应处理器604分割数据。响应处理器604主要是词汇文本解析器。分割过程通过响应处理器604将串式数据分成组份和/或子组份。首先，GPS数据被输出。接着，数据的IEEE 802部分在必要时重复，直到所有固定和/或移动设备被探测到。然后，GPS数据继续，开始再次循环。这种数据格式允许对所发现的固定或移动设备的数量没有限制，并在室内和/或室外环境中提供最大准确度，还提供了一种确定嵌在混合WAN/GPS电路和/或固件内的设备的距离和位置的无缝方法。当分割处理单元没有接收任何GPS信号时，分割处理单元输出WAN数据块，且GPS数据块保持静态。GPS接收器将在室内或室外输出数据；然而，如果设备可以观察到的卫星少于三颗，数据读取将保持不变（静态）。因此，分割处理单元将针对坐标的变化而监视GPS数据块。

WAN-LBS算法处理单元

如上所述，WAN-LBS算法处理单元305执行三个关键过程：1）改进来自RF发射输出频谱的距离和位置测量以及调制准确度；2）根据E平面和H平面辐射图确定方位角和仰角位置；以及3）使用数字分析近似法则估计室内/室外距离和位置。混合WAN/GPS电路板合并来自GPS接收器和WAN收发器的各种IEEE 802收发器的数据。WAN-LBS软件算法结合混合WAN/GPS电路板来提高在定位固定或移动IEEE 802设备中的距离测量的精确度和准确度。利用数字分析近似算法也提高了在距离和位置方面的精确度和准确度。至少三种近似算法（在下面更详细地讨论）用于确定精确度，并提供固定或移动设备的距离和位置坐标，包括（但不限于）下面的近似算法：离散型最小二乘法（DLS）、在指数数据上的DLS和三次样条。

改进发射输出频谱和调制准确度

根据本公开的WAN-LBS算法使用在IEEE标准的物理层（PHY）中定义的两（2）个组份和八（8）个子组份来产生覆盖坐标，其又确定移动和固定IEEE 802设备的距离和位置。距离在X、Y和Z方向上分别被计算，且坐标被组合以产生在空间中的单个点（即，覆盖坐标）。来自各种组份和子组份的数据被获取，通过数字分析提供覆盖坐标的合理近似值。WAN-LBS算法将所接收的WAN和GPS数据的组份和子组份转换成自由空间中的1）距离（λ）；2）位置（λxyz）；3）速度（v=dλ/dt）；和/或4）加速度（a=dv/dt）测量值。所接收的WAN和GPS数据的组份和子组份如下：

表1

标准IEEE 802^TM设备包括通过射频（RF）介质发送和接收数据的物理（PHY）层。IEEE 802^TM设备的发射器和接收器功率是固定或移动设备RF覆盖区域的主要因素。功率的增加将导致增大RF覆盖。因此，发射输出频谱和调制准确度与RF信号强度、RF覆盖和离/到收发器的距离成正比或反比。

利用E平面和H平面辐射图的混合802WAN/GPS电路板的定位

混合WAN/GPS电路板利用天线的电场和磁场强度来确定方位角和仰角位置。术语“方位角”通常指“水平”或“水平的”，而术语“仰角”通常指“垂直的”。算法经由合并处理单元从分割处理单元以及电场强度（E平面）和磁场强度（H平面）辐射图确定单元接收数据。极化损耗因子在两个或更多个混合WAN/GPS设备之间被使用来确定方位角和仰角位置。

天线方向图的特征用来提供两个或更多个设备之间的距离的三维视图。天线不在空间中的所有方向上均匀地辐射。因此，天线场强被用作方向跟踪机制。更具体地，E平面辐射图和H平面辐射图是主射束和旁瓣方向的强度指示。通常，天线以三个参数为特征：1）主射束的宽度；2）旁瓣水平；以及3）方向性。

主射束宽度描述辐射区的锐度，且必须指向天线被设计成具有其最大辐射的方向。旁瓣通常被认为是不需要的辐射。然而，天线方向图的旁瓣水平被用来获得关于两个或更多个设备的距离和位置的外围信息。天线方向图的方向性是天线的最大方向增益，是最大辐射强度与平均辐射强度之比。

线性极化天线在包含传播方向的一个平面上辐射。因此，天线在其电场（E平面）垂直于地球表面时垂直地极化。天线在其电场（E平面）平行于地球表面时水平地极化。因此，水平极化的天线可以不与垂直极化的天线通信（见图7，混合WAN/GPS电路板701和703）。垂直极化的天线发送并接收垂直极化的场（见图7，混合WAN/GPS电路板701和702）。45度的极化失准使信号降级高达3dB，且如果失准是90度，衰减可以达到20dB或更大（见图7，混合WAN/GPS电路板701和704）。

当两个或更多个混合WAN/GPS设备的天线具有相同的极化时，它们的E平面之间的角为零度，且由于极化失配而造成的功率损耗非常小或没有功率损耗。如果一个天线垂直地极化而其它天线水平地极化，则夹角是90度，且非常小的功率或没有功率将被输送。当两个天线的极化角之间的差等于0和180度时，最大和最小极化效率出现。极化效率可以由下面的公式（1）定义：

$P=\frac{1+\left|p^2\right|\left|q^2\right|+2\left|p\right|\left|q\right|\mathrm{Cos}({\mathrm{\Ψ}}_1-{\mathrm{\Ψ}}_2)}{(1+{\left|p\right|}^2)(1+{\left|q\right|}^2)}---\left(1\right)$

其中Ψ₁=接收混合WAN/GPS电路板天线的极化比相位

Ψ₂=发射混合WAN/GPS电路板天线的极化比相位

p=接收混合WAN/GPS电路板的复极化比

q=发射混合WAN/GPS电路板的复极化比

极化损耗因子（PLF）是垂直极化的发射天线和水平极化的接收天线之间的功率损耗，其在公式（2）和（3）中表示：

PLF=|Cos(θ_plf)|²                        （2）

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{plf}}={\mathrm{Tan}}^{-1}\left(\frac{h_1-h_2}{D}\right)---\left(3\right)$

其中θ_plf=两个天线之间的角；

h₁=接收混合WAN/GPS电路板离地面的高度；

h₂=发射混合WAN/GPS电路板离地面的高度；以及

D=接收和发射混合WAN/GPS电路板之间的距离。

利用PLF，WAN-LBS算法计算自由空间中的1）距离（D）；2）位置（Dxyz）；3）速度（v=dD/dt）；和/或4）加速度（a=dv/dt）测量值。

从GPS数据计算距离坐标

GPS坐标通常显示在角坐标中而不是被投影到笛卡尔坐标系。纬度和经度的度数衡量的是位置和地球赤道之间的角。纬度和经度常常被记录为度数、分和秒。而且，经度的一度在赤道是大约69英里，而在两极是0英里。纬度的一度大约为69英里。

当高度是已知的时候，需要至少三颗卫星来确定纬度和经度，且需要至少第四颗卫星来获得3D定位。GPS输出ASCII串形式的两（2）种类型的消息（原始数据）：美国国家海洋电子协会（NMEA）和调试消息。使用纬度和经度值，如下式（4）估计在地球上的大致距离：

$\sqrt{X^2+Y^2}---\left(4\right)$

其中X=69.1(纬度2-纬度1)

Y=53.0(经度2-经度1)

这在距离上产生10%的误差。准确度可通过加上余弦函数来提高。

其中X=69.1(纬度2-纬度1)

Y=69.1(经度2-经度1)*Cosine(纬度1/57.3)

通过取纬度和经度数据集（5）和（6）之间的差来计算两（2）个GPS坐标之间的距离。大圆距离公式是需要球面几何结构和高水平的浮点数学准确度（即，双精度）的估计。

λGPS=3963.0*Arcos[sin(纬度1/57.2958)*Sin(纬度2/57.2958)+Cos(纬度1/57.2958)*Cos(纬度2/57.2958)*Cos(纬度2/57.2958)-经度1/57.2958)]

（5）

或

λGPS=r*Acos[Sin(纬度1)*Sin(经度2)+Cos(纬度2)*Cos(纬度2)*Cos(经度2-经度1)]

(6)

其中r=3693.0(正常英里)

从WAN数据计算距离坐标

在获得距离和位置测量结果时最有效的方式是使用dBm值，因为在RF信号强度和距离之间有直接关系。尽管准确度不同，但从一种单位转换到另一种单位是可能的。当RF能量以毫瓦被测量时，信号水平是所发射的能量的量。分贝毫瓦是信号强度的对数测量，而dBm值和mW值之间可以互相转换。因此，下面的公式可用于转换：

dBm=log(mW)*10            （7）

因此，对于离辐射源大于一个波长的距离，平方反比定律限制RF信号，且能量水平将下降。所辐射的信号的实际能量将被各种电磁限制（例如，无线电干扰、穿透损耗和多路径条件）影响。

有四（4）个用于表示射频（RF）信号强度的测量单位：mW（毫瓦）、dBm（分贝-毫瓦）、RSSI（接收信号强度指示）和百分比测量。在IEEE 802标准中没有规定RSSI值和mW或dBm之间的关系。供应商选择提供他们自己的准确度水平、粒度和实际功率水平的范围。对RSSI读数没有规定的准确度。在这里，测量利用dBm值来实现最佳距离粒度。

很多供应商利用RSSI测量来计算距离；然而，RSSI是由制造商定义的任意整数值。IEEE 802标准定义了具有0-255的可允许范围的RSSI整数，该范围允许在信号强度读数中的极端粒度。另一方面，没有供应商利用256个不同的信号水平，或指定256的最大RSSI值，因为这个水平的粒度将需要在计算机处理能力上的提高。同样，在RSSI和dBm值之间存在映射，但转换表必须从无线卡制造商获得。例如，Cisco选择测量RF能量的101个单独的值，SymbolTechnology使用31的最大RSSI值，而Atheros芯片集使用60的最大RSSI值。这与距离计算、精确度和其在定位固定或移动

设备时的准确度有直接关系。RSSI值确定发送数据所需的阈值。而且，RSSI值在供应商之间不同，因为不同的最大RSSI值提供不同的基于芯片集的距离计算。

使用数字分析近似法则改进WAN和GPS距离测量

使用固定或移动IEEE 802设备，当利用近似算法时可以提高对距离测量的精确度和准确度。至少三（3）种近似算法用于提高距离测量的精确度并提供WAN和GPS位置坐标：离散型最小二乘法（DLS）、在指数数据上的DLS和三次样条。如上所述，WAN-LBS算法使用在IEEE标准的物理层（PHY）中定义的两（2）个组份和八（8）个子组份来产生覆盖坐标（X、Y和/或Z距离计算），其又包含移动或固定IEEE802设备的距离和位置。来自各种组份和子组份的数据被获取以通过数字分析提供3维（3D）覆盖坐标的合理近似值。

近似法则：离散型最小二乘法(DLS）

最小二乘法是用于确定最佳线性近似的最方便的过程。同样，最小二乘法将实质上更多的权重置于与数据的其余部分不成直线的一点上，但不允许该点完全支配该近似。此外，如果数据具有以线性方式分布的平均数，从线性最小二乘法过程获得的值是对描述平均数的方程的无偏估计。而且，所获得的值可用于计算与分布相关的方差的无偏估计量。将最小二乘线拟合到数据集合的问题涉及最小化（8）：

$\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{[y_i-({\mathrm{ax}}_i+b)]}^2---\left(8\right)$

因为m表示样本的数量，系数a和b由下面的方程（9）确定：

近似法则：在指数数据上的DLS

由于RF通常以毫瓦（mW）或分贝毫瓦（dBm）测量，信号强度本质上不是线性的，而与距离的平方成反比。而且，dBm值是信号强度的对数测量。假设数据指数相关是适当的。对于一些常数a和b，这要求近似函数为如下：

y=be^ax                      (10)

或

y=bx^a                       (11)

的形式。使用（10）和（11）中的方程，下面的系数a和b由下面的方程（12）确定：

近似法则：三次样条

该算法可用于至少两（2）个特定的应用：a）从混合WAN/GPS设备接收的所有WAN和GPS数据的插入，以及b）包括在IEEE标准的物理层（PHY）中定义的两（2）个组份和八（8）个子组份的发射输出频谱和调制数据的插入。此外，算法可在转换成1）距离（λ）；2）位置（λxyz）；3）速度（v=dλ/dt）；和/或4）加速度（a=dv/dt）测量值的组份和子组份上实现。三次样条被表示为由矢量方程Ax=B描述的线性系统，其中A（13）是（n+1）乘（n+1）矩阵，而B（14）和x（15）是矢量。矩阵A是对角占优的，且线性系统具有x的唯一解，x是c₀,c₁，...,c_n。

$A=\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ h_0& 2(h_0+h_1)& h_1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& h_1& 2(h_1+h_2)& h_2& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& h_2& 2(h_2+h_3)& h_3& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& h_3& 2(h_3+h_4)& h_4& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& h_4& 2(h_4+h_5)& h_5& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& h_5& 2(h_5+h_6)& h_6\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}---\left(13\right)$

$B=\begin{array}{c}0\\ \frac{3}{h_1}(a_2-a_1)-\frac{3}{h_0}(a_1-a_0)\\ \frac{3}{h_2}(a_3-a_2)-\frac{3}{h_0}(a_2-a_1)\\ \frac{3}{h_3}(a_4-a_3)-\frac{3}{h_0}(a_3-a_2)\\ \frac{3}{h_4}(a_5-a_4)-\frac{3}{h_0}(a_4-a_3)\\ \frac{3}{h_5}(a_6-a_5)-\frac{3}{h_0}(a_5-a_4)\\ \frac{3}{h_6}(a_7-a_6)-\frac{3}{h_0}(a_6-a_5)\\ 0\end{array}---\left(14\right)$

$X=\begin{array}{c}{c}_0\\ c_1\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ c_n\end{array}---\left(15\right)$

除了上面提供的混合WAN/GPS系统的详细描述以外，图8还提供了根据本公开的用于确定固定或移动无线设备（基于WAN和GPS数据）的室内或室外距离和位置测量的方法的总流程图。该方法包括步骤：检测GPS和WAN信号并使用根据本公开的混合GPS/WAN设备接收GPS和WAN数据（步骤810）；使用根据公开的合并处理单元合并所接收的WAN和GPS数据（步骤820）；使用根据本公开的分割处理单元分割所合并的数据（步骤830）；提高来自发射RF频谱的距离准确度和调制准确度（步骤840）；使用E平面和H平面辐射图确定方位角和仰角位置（步骤850）；使用数字分析近似法则估计室内/室外距离和位置（步骤860）；以及显示或输出固定或移动无线设备的室内/室外距离和位置（步骤870）。在实施方案中，方法步骤可被反复执行，例如为了跟踪移动设备的位置。

WAN-LBS软件模块

可以根据本公开使用WAN-LBS软件来实现上面关于图8描述的示例性方法。在图9中，WAN-LBS软件模块被示为软件应用堆栈。WAN-LBS软件可在诸如手持设备、膝上型计算机、计算机工作站上执行和/或嵌在混合WAN/GPS设备中。在图9所示的示例性实施方案中，WAN-LBS软件包括一些模块，包括（但不限于）软件接口模块901、数据轮询模块902、响应处理模块903、微控制器904（对应于图5所示的微控制器503）、数据过滤模块905、数据队列模块906、WAN-LBS算法处理模块907、记录模块908、例外处理模块909和显示输出模块910（其输出并显示移动或固定IEEE 802设备的位置）。

软件接口模块

软件接口模块901包括：a）对设备信息和配置参数的输入和b）具有成功的连接对象的输出。通信端口交换由具有规定格式的数据块组成的消息。消息协议规定消息包含什么类型的数据以及如何在消息内构造信息。这些协议由单独的WAN和GPS设备定义。对于GPS设备，数据元素从NMEA通信协议得到，而WAN数据元素基于IEEE 802标准协议。

在示例性实施方案中，对混合WAN/GPS设备的软件接口可经由C++类或等效形式的集合实现，C++类或等效形式允许设备上的通信端口（例如，串行RS-232和USB）被访问。为了访问通信端口，软件应用创建“ComPort”对象，设置通信参数，并打开到该端口的连接。专门的命令用于设置ComPort的各种参数，例如波特率、字符大小和流控制。一旦连接被打开，主机手持设备、膝上型计算机或计算机工作站就执行并管理任务，例如a）检测并处理从设备接收的数据，以及b）按需要将数据提供并发送到设备。ComPort由微控制器、现场可编程门阵列（FPGA）和/或数字信号处理器（DSP）内的逻辑电路建立。

响应处理模块

响应处理模块903可包括：a）NMEA和WAN数据串输入和b）输出令牌化的NMEA和WAN数据元素。响应处理模块903主要是词汇文本解析器。从混合WAN/GPS设备接收的信息基于标点符号和其它关键因素被分成称为令牌的数据串。这些数据元素从NMEA通信协议得到且WAN数据元素从IEEE 802标准协议得到。

轮询模块

轮询模块902包括：a）连接对象连同轮询率输入，和b）输出成功的返回代码。轮询模块902发出发起设备操作的命令，即，轮询WAN和GPS数据。

队列模块

队列模块906可包括：a）用于输入的令牌化的NMEA和WAN数据串和b）输出排队的NMEA和WAN数据元素。在示例性实施方案中，队列模块是容器，其中存储从混合WAN/GPS设备接收的数据元素，且对集合的主要操作是将实体添加到后端位置和将实体从前端位置移除。这使队列成为先进先出（FIFO）数据结构，即，特定类型的集合，其中在容器中的实体按顺序保存。在FIFO数据结构中，添加到队列的第一个元素将是第一个被移除的元素。因此，队列执行缓冲器的功能。在表2中示出了在队列中实现的特定操作。

表2

操作	描述
		constructors	构造新队列
back	返回对队列的最后一个元素的引用
		empty	如果队列没有元素则为真
front	返回对队列的第一个元素的引用
		pop	移除队列的第一个元素
push	将元素添加到队列的末尾
		size	返回队列中的项目的数量

过滤模块

过滤模块905包括：a）排队的NMEA数据串输入和b）输出选定的NMEA数据元素和选定的WAN数据元素。选定的NMEA数据元素包含下列NEMA数据串中的至少一个：GPGLL、GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG和GPZDA。选定的WAN数据元素包含下面的IEEE 802标准数据串中的至少一个：802.11^TM、802.15^TM、802.16^TM、802.20^TM和802.22^TM。

例如，GPGSA数据元素的过滤强制GPS精度衰减（DOP）值。所有DOP测量在每个轮询期被包装到$GPGSA数据元素中。这里是$GPGSA数据串的一个样例：

$GPGSA,A,3,11,29,07,08,5,17,24，，，，，，2.3,1.2,2.0*30

GPS接收器使用称为“3D多边法”的技术来计算位置。3D多边法是确定几个球体在哪里相交的过程。对于GPS，每个球体中心处有一个卫星；球体的半径是从卫星到GPS设备的所计算的距离。理想情况下，这些球体将只相交在一点，使当前的的位置有且仅有一个可能的解。当面积变得更大时，精度被认为“衰减”。精度衰减（或简称DOP）的监视和控制对编写高精度应用至关重要。

由于由混合WAN/GPS电路板接收的高数据率，过滤模块905可处理选定的GPGSA数据元素。该过滤过程降低了转发到WAN-LBS算法的计算开销（或数据量）。相同的过程对选定的WAN数据元素发生。

WAN-LBS算法模块

WAN-LBS算法模块907包括：a）选定的NMEA和选定的WAN数据串输入和b）输出1）距离（λ）；2）位置（λxyz）；3）速度（v=dλ/dt）；和/或4）加速度（a=dv/dt）测量值。如上所述，WAN-LBS算法执行三个主要过程：1）提高发射输出频谱和调制准确度，2）确定E平面和H平面辐射图，和c）使用数字分析近似法则估计室内/室外位置。对于成功地通过过滤模块905并置于队列中的轮询定位样本，可对选定的数据元素分别执行输出计算。

例外处理模块

例外处理模块909包括：a）输入时的误差或例外情况和b）输出错误代码或消息。该模块利用C++例外处理系统。例外是程序有意外情况的状况，包含问题的代码部分没有明确地被设计成处理这种状况。对于每个WAN-LBS模块，错误处理代码被嵌入以捕获这些状况。

记录模块

记录模块908包括：a）针对输入的错误代码或消息和b）输出每当输入被接收到时就更新的日志文件。记录模块908是完全功能记录子系统，对于每个WAN-LBS模块，其在程序操作期间被启动并跟踪程序的特定结果。所有结果和程序例外被记录在文本日志文件中，且每个日志文件条目将被加上时间戳。

在实施方案中，本公开的部分通过计算机软件来实现。该软件可以由一个或多个设备例如无线设备101和处理器108实现。计算机软件可以是可由计算机理解和实现并因此采用一个或多个计算机程序和/或文件集的形式的任何指令集。软件可用任何计算机语言编写，并可在任何形式中提供，例如在源代码、对象代码、计算机代码、流程图或本领域技术人员通过计算机传达信息来用于实现的任何其它手段的形式中。通常，本发明的软件包括用于实现本发明的方法的指令。软件可包括在单个文件或程序中的所有指令，或者指令可分成在多个文件或程序中，这些指令在彼此结合而被执行时执行本发明的方法。

本领域技术人员将立即认识到，本发明可全部作为硬件、全部作为软件或作为软件和硬件的组合来提供。也很明显，本发明可作为例如具有计算机可读程序的计算机可读存储介质上的计算机程序产品来提供。

上文中已参考方框图和流程图反复描述了本发明。应理解，方框图和流程图的每个块可由计算机程序指令（即，软件）实现，计算机程序指令可包括在通用计算机或处理器、专用计算机或处理器或其它可编程数据处理装置上，以产生机器或设备。在机器或设备上的指令的执行提供用于实现图示和/或流程图中所述功能的手段。

对本领域技术人员将显而易见，在本发明和本发明的设备和系统的结构的实践中可进行各种修改和变化，而不偏离本发明的范围或精神。从本发明的说明书和实践的考虑中，本发明的其它实施方案将对本领域技术人员显而易见。说明书和实例仅旨在提供示例，本发明的真实范围和精神由下面的权利要求指示。

Claims (20)

1.一种用于使用混合无线区域网（WAN）/全球定位系统（GPS）设备进行无线设备的无缝室内和室外距离和位置跟踪的方法，所述方法包括：

接收对应于所述无线设备的距离和位置的GPS和WAN数据；

发送对应于所述无线设备的距离和位置的GPS和WAN数据；

合并所接收的WAN和GPS数据；

分割所合并的数据；

从发射的RF频谱和调制数据优化距离和位置测量；

使用所述混合WAN/GPS设备的E平面和H平面辐射图确定方位角和仰角位置；

将一种或多种近似算法应用于所述GPS和WAN数据以得到所述无线设备的距离和位置；以及

输出所述无线设备的距离和位置。

2.如权利要求1所述的方法，其中所接收的WAN信号包括多个IEEE 802信号。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种近似算法对应于离散型最小二乘法（DLS）、在指数数据上的离散型最小二乘法（DLS）和三次样条中的一个或多个。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述方法的步骤被反复地执行。

5.如权利要求1所述的方法，还包括通过多种

协议将所述无线设备的所述距离和位置发送到中央控制单元或另一移动设备。

6.一种用于无线设备的无缝室内和室外距离和位置跟踪的系统，所述系统包括无线设备和/或混合无线区域网（WAN）/全球定位系统（GPS）电路板，所述电路板包括：

GPS设备，其接收和发送对应于所述无线设备的距离和位置的GPS数据；

WAN设备，其接收和发送对应于所述无线设备的距离和位置的WAN数据，其中所述WAN数据包括来自多个IEEE 802信号的数据；

合并处理单元，其合并所接收的WAN和GPS数据；

分割处理单元，其分割所合并的数据；

距离和位置精确度处理器，其优化发射的RF频谱和调制数据；

E平面和H平面辐射图确定单元，其确定所述混合WAN/GPS设备的方位角和仰角；以及

距离和位置单元，其将一种或多种近似算法应用于所述GPS和WAN数据以得到所述无线设备的距离和位置。

7.如权利要求6所述的系统，还包括输出所述无线设备的距离和位置的显示单元。

8.如权利要求6所述的系统，其中所述电路板还包括微控制器、现场可编程门阵列（FPGA）和/或基于接收信号强度来接收GPS数据和WAN数据的数字信号处理器（DSP）。

9.如权利要求6所述的系统，其中所述一种或多种近似算法对应于离散型最小二乘法（DLS）、在指数数据上的离散型最小二乘法（DLS）和三次样条中的一个或多个。

10.如权利要求6所述的系统，其中所述电路板通过多种

协议将所述距离和位置发送到中央控制单元或另一移动设备。

11.一种用于无线设备的无缝室内和室外跟踪的距离和位置跟踪设备，所述跟踪设备包括混合无线区域网（WAN）/全球定位系统（GPS）电路板，所述电路板包括：

GPS设备，其接收和发送对应于所述无线设备的距离和位置的GPS数据；

WAN设备，其接收和发送对应于所述无线设备的距离和位置的WAN数据，其中所述WAN数据包括来自多个IEEE 802信号的数据；

合并处理单元，其合并所接收的WAN和GPS数据；

分割处理单元，其分割所合并的数据；

距离和位置精确度处理单元，其优化发射的RF频谱和调制数据；

E平面和H平面辐射图确定单元，其确定所述混合WAN/GPS设备的方位角和仰角；以及

距离和位置单元，其将一种或多种近似算法应用于所述GPS和WAN数据以得到所述无线设备的距离和位置。

12.如权利要求11所述的距离和位置跟踪设备，还包括输出所述无线设备的距离和位置的显示单元。

13.如权利要求11所述的距离和位置跟踪设备，其中所述电路板还包括微控制器、现场可编程门阵列（FPGA）和/或基于接收信号强度来接收GPS数据和WAN数据的数字信号处理器（DSP）。

14.如权利要求11所述的距离和位置跟踪设备，其中所述一种或多种近似算法对应于离散型最小二乘法（DLS）、在指数数据上的离散型最小二乘法（DLS）和三次样条中的一个或多个。

15.如权利要求11所述的距离和位置跟踪设备，其中所述电路板通过多种

协议将所述距离和位置发送到中央控制单元或另一移动设备。

16.一种有形计算机可读存储介质，其存储用于使计算机执行用于无线设备的无缝室内和室外跟踪的方法的程序，所述程序包括：

GPS信号接收代码段，其接收和发送对应于所述无线设备的距离和位置的GPS数据；

WAN信号接收代码段，其接收和发送对应于所述无线设备的距离和位置的WAN数据，其中所述WAN数据包括来自多个IEEE 802信号的数据；

合并处理代码段，其合并所接收的WAN和GPS数据；

分割处理代码段，其分割所合并的数据；

距离和位置处理器代码段，其优化发射的RF输出频谱和调制数据的距离和位置；

E平面和H平面辐射图确定代码段，其使用所述混合WAN/GPS设备的E平面和H平面辐射图来确定方位角和仰角位置；以及

距离和位置代码段，其将一种或多种近似算法应用于所述GPS和WAN数据以得到所述无线设备的距离和位置。

17.如权利要求16所述的有形计算机可读存储介质，所述程序还包括输出所述无线设备的距离和位置的显示代码段。

18.如权利要求16所述的有形计算机可读存储介质，所述程序还包括基于接收信号强度在GPS信号数据和WAN信号数据之间切换的切换代码段。

19.如权利要求16所述的有形计算机可读存储介质，所述程序还包括微控制器、现场可编程门阵列（FPGA）和/或基于接收信号强度来接收GPS数据和WAN数据的数字信号处理器（DSP）代码段。

20.如权利要求16所述的有形计算机可读存储介质，其中所述一种或多种近似算法对应于离散型最小二乘法（DLS）、在指数数据上的离散型最小二乘法（DLS）和三次样条中的一个或多个。

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