CN102918426B - 使用分布式传感器网络的精确定位 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于通过使用一个或多个接收机在空间内测量复电磁场强度幅度和相位值的集合，来确定发射机对象的位置和朝向的方法。该方法包括：针对估计的发射机对象的位置和朝向，对预期复电磁强度的集合进行建模。并且，基于测量的复电磁场值的集合与预期电磁场值的集合之间的残差，来估计与发射机对象的位置相关的参数。其他实施例包括如上所述的方法，该方法包括在包括发射机对象在内的有限空间内包括具有已知位置的多个接收机。还提供了一种传感器网络，包括：用于执行上述方法的多个接收机。所述接收机可以使用无线信道通信。

Description

使用分布式传感器网络的精确定位

相关申请的交叉引用

本申请要求James W.Waite、Kun Li、Johan Overby、Dimitar Gargov、PhilipDesjardins和Thorkell Gudmundsson于2009年12月31递交的题为“Precise Positioningin a Multiple Dipole Field”的临时申请No.61/291,602以及James W.Waite、ThorkellGudmundsson和Dimitar Gargov于2010年12月30日递交的题为“Precise Pos计ioningUsing a Distributed Sensor Network”的美国申请No.12/982,723。上述两个申请的内容通过引用全部合并于此。

技术领域

本发明的一些实施例涉及隐藏对象和线状公用传输工具的精确位置的领域，具体地，涉及使用分布式传感器网络的精确定位。

背景技术

在埋地管或隐蔽管和其他公用设施以受限路权共处于管道中的许多情况下(尤其是在人口稠密的城区环境中)，对地下基础设施进行精确定位和跟踪是很困难的。在那些区域，可以使用有源偶极发射机(有时称“探针”)来跟踪地下管道的路径，或者在部署新公用线路期间跟踪地下定向钻探工具的路径。类似地，将有源信号置于线状公用传输工具(线缆和管)上，以有利于根据信号对特定线路进行精确定位，来自非目标线路的相似信号通常使所述信号发生失真。

传统的精确位置系统使用各种方法来计算线路或探针发射机的位置。最经常地，由位于远离感兴趣定位区域的点处的发射机为线路供能，在所述感兴趣定位区域中，所述线路是可访问的。对于探针的情况，设备自身是电池操作的有源发射机，被放置、牵引、钻探或推送至感兴趣定位区域。精确位置接收机监测发射机发射的信号，并导出相对于目标线路或探针的偏移、深度和距离的估计。

如果整个系统在地上并且不受信号路径中金属障碍的显著影响，一些精确位置系统(又称实时定位系统(RTLS))使用超宽带(UWB)技术。对于UWB定位系统，使用GHz范围内的短波长射频(RF)脉冲来测量从发射机源到每个接收机的时延估计，根据该时延估计使用已知的传播速度(即，光速)来确定距离。备选地，进行路径损耗测量，只要发射机功率已知，由于已知全向电场信号强度随距离指数衰减，因而可以根据路径损耗测量推断距离。使用较低频率范围来进行信号强度测量，但对于在发射机和接收机之间的信号路径中存在障碍的情况导致糟糕的精度结果。基于WiFi的RTLS是采用多个分布式接收机的基于信号强度的地上定位系统的典型事例。在任一类型的RTLS系统中，这些测量被用作多边定位算法的输入，以计算发射机的位置。

对于地下和水下精确位置问题，必须将RF发射机频率限制为小于100kHz以避免大的路径损耗。由于检测范围在一米到几十米之间，优选检测磁场的传感器，这是由于在低频处通过保持固定电流流经地下线状传输工具(如，线缆或管线)或点源(如，偶极天线)，磁场能够被严格控制在发射点。对于固定电流，所发射的AC磁场强度是稳定的，并且能够以物理模型表征。点源(如，探针发射机)遵循随距离以1/r³衰减的偶极场模型，而线状传输工具遵循场强随距离以1/r衰减的圆筒模型。

因此，需要更好、更精确的定位设备。

发明内容

根据此处公开的实施例，一种用于确定发射机对象的位置和朝向的方法，可以包括以下步骤：使用一个或多个接收机在空间内测量复电磁场强度幅度和相位值的集合。该方法还可以包括：对处于当前估计的发射机对象的位置和朝向的预期复电磁强度的集合进行建模，预期电磁场值的集合与发射机对象的位置相对于一个或多个接收机的模型相对应。该方法还可以包括：基于所测量的复电磁场值的集合与预期电磁场值的集合之间的残差，来估计与发射机对象的位置相关的参数。

此处公开的另一实施例包括通过以下方式来确定发射机对象的位置和朝向的方法：在包括发射机对象的有限空间内配置多个接收机；配置每个接收机的位置；以及使用多个接收机中的至少一个测量复电磁场幅度和相位强度的集合。该方法还可以包括：对处于当前估计的发射机对象的位置和朝向的预期复电磁强度的集合进行建模，预期电磁场值的集合与发射机对象的位置相对于一个或多个接收机的模型相对应。该方法还可以包括：基于所测量的复电磁场值的集合与预期电磁场值的集合之间的残差，来估计与发射机对象的位置相关的参数。

根据此处公开的实施例，一种传感器网络，可以包括控制器和接收机，所述接收机包括用于接收来自RF源的RF信号的线圈检测器，每个接收机的线圈检测器具有相互正交的轴。该传感器网络还可以包括：接收机，向控制器提供信息，以定位RF信号的源。此外，在一些实施例中，接收机使用无线信道与控制器通信，并且接收机可选地彼此通信；以及控制器具有接收机的位置信息。

此外，根据此处公开的实施例，一种用于检测远程位置处的RF源所产生的RF信号的接收机可以包括：结构元件，具有有限长度；以及两组相互正交的线圈检测器，每组线圈检测器被置于结构元件的任一端，所述线圈检测器和所述结构形成本地坐标系。该接收机还可以包括：朝向传感器，用于确定本地坐标系相对于外部坐标系的朝向；3维位置测量单元，用于确定本地坐标系相对于接收机外部的一个或多个点的位置；以及无线接口，用于与传感器网络中的其他设备通信。

下面参照以下附图进一步讨论上述和其他实施例。

附图说明

图1示出了与本发明的一些实施例一致的、分布在定义空间中的各个位置的多轴偶极接收机模块的拓扑，形成了传感器网络。

图2示出了根据本发明一些实施例的线路对象的位置。

图3示出了偶极型发射机的坐标系。

图4示出了根据本发明一些实施例的接收机的框图。

图5示出了根据本发明一些实施例的发射机的框图。

图6示出了根据本发明一些实施例的、关系到未知位置处的发射机的分布式集合和接收机模块的基于控制器的精确位置跟踪系统。

图7示出了与本发明的一些实施例一致的、基于控制器的精确位置跟踪系统的处理流程。

图8示出了根据一些实施例的杆配置下的接收机的示例。

图9示出了根据一些实施例的、使用杆式接收机的基于控制器的精确位置跟踪系统的配置。

图10示出了根据一些实施例的、包括具有定位系统和处理器的建造设备在内的基于控制器的精确位置跟踪系统。

在图中，具有相同标记的元素具有相同或相似的功能。

具体实施方式

精确位置技术基于：针对依据公用线路或偶极天线预料的磁场的物理模型，对来自许多传感器的数据进行优化。该方法消除了将测量设备运到与公用线缆或管有关的具体点以确认位置的需要。传统仪器为了确认管线或线缆位置而找到信号中的“峰值”或“零”。采用精确位置方法，设备仅需近似位于附近，以便以相应的置信边界计算位置。不管在辐射场中的位置如何，使用三维(3-d)磁场传感器、三轴加速度计和数字罗盘，该方法识别相对于地下公用设施的偏移、深度、距离、趋向和偏航角。结合专业的全球导航卫星系统(GNSS)，即使公用设施的中心线路在栅栏后或被不可通行的植被覆盖，也可以实时自动地对公用设施位置进行地理参照。此外，检测到的场失真(通常是基于磁场的测量存在的问题)被掺入所报告的位置误差。

在采用这样的精确位置方法的传统系统中，必须在暴露于从线状公用传输工具或偶极点源发射的磁场下的区域上采集同步测量。这些测量中的每个测量必须共享公共物理参考帧和相位参考。对于先前公开的方法，这涉及在移动平台上安装3-d传感器，并依赖于发射机给予的相位参考信号。接着，在精确位置引擎的计算前，当设备穿过磁场时，采集一系列离散测量。

本发明的实施例涉及用于估计目标对象在复杂电磁环境中的重复、实时的精确位置的方法和装置。具体地，本发明的一些实施例允许在所要定位的对象的检测接收机和发射机之间的几何关系不限的情况下，毫无疑义地确定重复的三维位置。由于单个接收机在感兴趣区域中位移，一些实施例不依赖于连续测量的采集。本发明的实施例应用于精确定位系统领域，其中，在局部区域中，使用物理上分离的接收机的集合测量由发射机的集合产生的已知偶极磁场的集合，并且发射机内部或外部的处理系统能够连续跟踪每个发射机目标对象在区域内的精确位置。备选地，相同的接收机集合能够协作，以精确定位发出辐射的线状传输工具，如，地下管线或缆线。

在一些实施例中，被跟踪对象可以向位于已知位置的接收机发射电磁场辐射。在这样的系统中，可以通过测量来自相对于固定多轴接收机的集合处于未知位置处的发射机所产生的信号的电磁场强度，来定位被跟踪对象。接收机使用一个或多个电磁线圈传感器，对来自处于假设位置的发射机产生的信号的预期电磁强度的集合进行建模。对于接收机中的每一个电磁线圈传感器，可以获得与偶极发射机的给定位置的模型相对应的预期电磁场值的建模集合。可以基于接收机处的电磁场值的测量集合和预期电磁场强度的建模集合之间的残差，来获得与偶极发射机的未知位置有关的参数的估计。在残差已收敛至最小容限后，确定最终估计参数集合。在一些实施例中，接收机的集合所测量的场强度是复值的，包括幅度和相位，并且在其他实施例中仅测量幅度。

与本发明的一些实施例一致的，一种用于确定被跟踪对象、资产或人(携带偶极发射机)的位置的方法包括：使用已知位置处的检测器或接收机来测量从被跟踪对象发射的电磁场强度的集合。在该情况下，在接收机的位置处对来自被跟踪对象产生的信号的电磁场强度进行建模，以确定被跟踪对象的位置。

根据此处公开的实施例，接收机的传感器网络可以分布在体中，以确定偶极天线(探针定位系统)或线路(线路定位系统)的位置。在一些实施例中，探针或导线耦合至以某一频率发射电磁辐射、并具有已知相位的发射机。在其他实施例，发射机可以具有未知相位，但使用一个固定接收机处的测量作为系统的相位参考。结合包括处理器电路的控制器使用包括接收机的传感器网络，所述接收机被耦合为检测发射机提供的频率处的电磁辐射。传感器网络向控制器提供对发射机所产生的电磁场的测量。控制器使用处理器电路输入来自每个接收机的测量和接收机的已知位置，以找出发射机的未知位置。根据一些实施例，传感器网络中的接收机、发射机和控制器之间的通信可以经由无线网络发生。

图1示出了根据一些实施例的探针定位系统100的几何结构。如图1所示，四个3轴接收机101-1至101-4被置于封闭空间内的彼此相对的已知位置。具有偶极天线的单个发射机102可以在空间内移动。还如图所示，发射机102可以与无线控制器103通信。接收机101-1至101-4中的每一个可以包括多轴检测器。在一些实施例中，接收机101-1至101-4中的每一个包括三个相互正交的线圈。在一些实施例中，接收机101-1至101-4中的每一个包括由杆分开的两组三正交线圈，从而形成杆式接收机。在一些实施例中，接收机101-1至101-4可以与无线控制器103通信。

发射机102可以包括发射具有幅度和相位的电磁场的偶极天线。在一些实施例中，发射机102可以包括多于一个偶极天线，例如，彼此垂直取向的三个偶极天线。在这样的情况下，三个偶极天线中的每一个可以在单独的频率下提供偶极电磁场，在该情况下，接收机101-1至101-4可以被配置为基于频率将每个偶极天线与发射机102加以区分。发射机102可以称为探针，并且因此与图1一致的精确位置系统的实施例可以称为探针位置系统100。虽然在图1中示出四个接收机101-1至101-4，可以存在对发射机102进行定位的任意数目的接收机。例如，可以使用三个接收机101-1至101-4来定位发射机102。

如图1所示，无线控制器103可以采集接收机101-1至101-4测量到的所有电磁场强度数据，并基于该数据对发射机102相对于接收机101-1至101-4的位置进行建模。在一些实施例中，可以将接收机101-1至101-4之一用作无线控制器103。在一些实施例中，无线控制器103可以是用于接收和显示数据的独立中心。

与一些实施例一致，探针发射机102的精确定位系统包括：具有至少一个电磁线圈检测器的接收机101的网络。接收机101被配置为测量探针发射机102中的偶极天线所产生的电磁场幅度和方向。发射机102的偶极轴可以相对于接收机101中电磁线圈检测器的轴处于任意朝向。接收机101中的线圈检测器可以提供正交或幅度信号，该正交或幅度信号指示与检测到的发射机偶极相关的测量的编码电磁场强度的集合。在一些实施例中，可能需要定位多于一个探针发射机(或目标发射机)102。此外，可能同时定位探针和一个或多个线状公用传输工具。在钻探操作期间必须避开关键管线的定向钻探应用中可能如此。因此，在每个时刻需要精确地知晓钻探工具的位置和管线的位置。在这样的情况下，每个发射机102可以发送具有特定标识码的信号。接收机101中的码解调器可用于对接收机处看到的各发射机信号进行解扰。

在一些实施例中，接收机101和发射机102包括通过无线网络耦合至控制器103的数据信道。数据信道可以给控制器103提供接收机101沿每个偶极轴测量的场强度值。此外，源自发射机102的数据信道可以向控制器103提供发射机正在发出的信号的功率电平值。控制器103可以包括软件，用于在假设发射机102的假设位置的情况下对接收机的位置处的预期复电磁强度的集合进行建模。预期电磁场值的集合对应于：固定多轴接收机和与发射机的未知位置有关的估计参数(如，发射机的位置和朝向)的集合的模型。获得复电磁场值的测量集合与预期复电磁场强度的建模集合之间的残差。并且，在残差已收敛至最小容限后，确定针对发射机的未知位置的最终估计参数集合。在其他实施例，可以通过传感器网络中的每一个接收机上的软件来确定估计参数集合。

根据与图1一致的一些实施例，发射机102可以操作于低频区域。由于低频(LF)以及使用磁场来产生和感测偶极场集合这一事实，本发明的一些实施例直接适用于通常对操作于高得多的频率下的其他精确位置方法提出精度挑战的复杂的室内(工业、办公室、住宅)和户外环境。本发明的一些实施例还可以补偿场失真(尤其在室内定位系统中)。在用于户外定位系统的实施例中，电磁场失真对定位目的的影响不大，因而可以不必应用失真补偿方法。

与此处公开一致的一些实施例可以包括线路定位设备。这样的线路定位设备和方法可以如Gudmundsson等人于2005年4月6日递交的、转让给Metrotech Corporation公司的美国专利7,356,421公开的那样，该专利的全部内容通过引用合并于此(以下称为专利‘421)。此外，用于线路定位的设备和方法可以Schlapp等人于2004年5月6日递交的、转让给Metrotech Corporation公司的美国专利7,057,383公开的那样，该专利的全部内容通过引用合并于此(以下称为专利‘383)。在一些实施例中，线路定位设备可以包括多个空间分布的接收机和发射机，如图2中具体描述的那样。

图2示出了根据一些实施例的线路定位系统200。线路定位系统200可以包括：需要精确定位的传导元件201；耦合至元件201的发射机210；多个定位器220-1、220-2；以及无线控制器103。元件201可以包括：地下电力线、管或管道、或其中具有传导性元件的建造结构。例如，传导元件201可以是隧道，沿该隧道铺设有电线。在一些实施例中，传导元件201可以是通常用于钢筋混凝土或水泥结构的金属框架的一部分。

根据一些实施例，发射机210将电流信号耦合到传导元件201上。电流信号具有可由无线控制器103精确控制和监测的频率和相位。根据系统200的一些实施例，无线控制器103可以如以上结合图1所述的那样。虽然传导元件201可以位于地下，但发射机210可以位于地上，直接在地上的连接箱或者通过挖掘找到已知位置处的元件201与元件201耦合。发射机210还可以与元件201感应耦合，在元件201中产生时变电流。

定位器220-1和220-2可以包括接收机电路，所述接收机电路具有用于确定电磁场的检测器222。例如，检测器222可以包括：在时变磁场的存在下提供电信号的线圈。定位器220可以处理检测器222所提供的电信号，并且处理结果可以通过无线方式发送至控制器103，以供进一步处理。虽然图2仅示出了两个定位器220-1和220-2，与图2公开的概念一致的一些实施例可以包括更多数目的定位器220。可以使用任意数目的定位器220。此外，定位器220-1和220-2的位置可以是移动的或者固定的。根据给定应用中所需的精度和深度，定位器220之间的距离可以是几厘米(cm)或若干米(m)。只要定位器220能够感测信号，传感器网络中的“节点”或定位器220的数目越大，则测量将越精确。其他约束(如，成本和部署逻辑)可能限制在传感器网络中使用的“节点”的数目。

使用包括多个分布式定位器220在内的传感器网络提供了以下附加优势：使孤立传感器220被放置得彼此相距更远，并位于较好的测量位置。由于传感器网络的分布式属性，每个设备的组成因素不限制测量的最终精度。具体地，在线路定位系统的情况下，令多个传感器220彼此相隔较远可以提供进一步的深度灵敏度。分布式传感器网络对位于可访问区域以外的目标提供了改进的“外围视野”，这是由于在该情况下磁场形状的几何多样性要求测量体的扩展。公用传输工具位于正常检测距离界限以外的这样的情形的示例可以是：公用管道位于建筑物、河流下或私人领地上。有时，不可能使用现有方法精确来检测传输工具的深度、偏移和距离。

在与精确探针定位系统100或精确线路定位系统200一致的一些实施例中，可以定位地下结构。例如，可以使用与图1一致的实施例来跟踪为非法交易货物或药品而建造的隧道。在这样的实施例中，精确位置跟踪系统可用于跟踪携带探针发射机的机器人。在一些应用中，在利用发射机信号为管线供能后，可以通过将接收机220置于河岸上(几十米地隔开)，来定位从下方穿过河流的较深管线。

根据与图1一致的实施例，雪崩易发区域中的滑雪者可以携带诸如发射机102(磁偶极发射机)的信标，作为雪崩事故中的安全措施。万一雪崩将携带信标的滑雪者掩埋，如果未受影响的同伴在与图1一致的无线网络中部署了连接在一起的磁偶极接收机101，则可以有利于救援操作。

在与图1一致的探针定位系统中，可以在移动过程中使用以下处理来精确估计和跟踪发射机102的3维位置：用以下矢量来描述每个偶极轴发射机的位置

(1)

其中，

x、y和z在本地坐标中定标，一个任意发射机位置被选为本地坐标系的控制点，使得在该位置，矢量A被定义为[0，0，0，0，0]；

θ是发射机102关于x轴的俯仰角；

φ是发射机102关于偶极轴的偏航角。

与一些实施例一致，用于跟踪移动发射机102的位置的方法包括：根据起始点和下一估计位置来估计发射机102的计划路径。此外，该方法可以包括：向具有电磁线圈检测器的接收机101的集合传送发射机102的标识码。接收机101中的至少一个电磁线圈检测器被配置为：使用发射机102的标识码测量发射机102所产生的电磁场幅度和相位。接收机101中的电磁线圈检测器可以相对于偶极发射机102的轴处于任意朝向。

在本发明的一些实施例中，可以使用软件模型来跟踪未知发射机参数(如，位置和朝向)。所述软件可以包括：发射机102从一个测量点到另一个测量点的位置和朝向的改变率的动态模型。还可以在软件模型中包括：将发射机102的位置和朝向的改变率与根据场强估计的位置相结合的装置(如，卡尔曼滤波器)。在一些实施例中，还由一个或多个运动传感器来支持该动态模型。

如图1和图2公开的精确位置跟踪系统包括：接收机的集合(在图1中为101，在图2中为220)；以及发射机的集合(在图1中为102，在图2中为210)。根据图1(2)中所示的实施例，接收机101(220)可以具有已知位置，并且可以是固定(不动)或移动的。在一些实施例中，反之亦然；即，多个发射机可以具有已知位置，并且接收机可以具有待确定的未知位置。在一些应用中，可以存在具有未知位置的多个独立的发射机102(参见图1)或210(参见图2)。

在一些实施例中，可以使用磁场强度(或“H场”)而非更典型的电场强度(或“E场”)来进行位置估计。被称为低频率场测距(LFFR)的示例性实施例是操作于低频RF段中的有源方法。LFFR模型可以操作于20Hz至100kHz的频率范围中。在此处所述的一些实施例中，对于合理确定的频率范围，发射机和接收机偶极环形天线高效操作，稳定(发射机)，并且具有合理的灵敏度(接收机)。

图3示出了发射机301的坐标系。发射机301可以是空间中被分配以位置矢量A[0，0，0，0，0]的任一发射机，并且发射机302是空间中被分配以位置矢量(参见式(1))的任一不同的发射机。在设置接收机阵列101-1至101-N时使用的坐标系可以是“右利手的”。即，x在y行进方向的右侧为正，z从原点向上为正，y从原点向前为正，角度符号由“右手准则”限定。在一些实施例中，坐标系在基于地的系统中固定(即，参照地理位置)。

图4示出了根据本发明一些实施例的接收机101的框图。如图4所示，接收机101可以包括：接收天线402、放大器403和耦合至处理单元406的信号处理电子装置404。来自处理单元406的数据通过无线发射机408以无线方式发送至控制器/处理器103。在一些实施例中，无线发射机408可以是用于数据通信的ZigBee^TM收发机或Bluetooth^TM收发机。在接收天线402处测量的电磁场以及发射机102的标识码可以被发送至控制器/处理器103。在一些实施例中，使用处理单元406来计算估计参数(参照式(1))，允许估计参数经由显示器(未示出)显示在接收机上，而在其他实施例中在远程控制器上完成计算。

根据与图4一致的一些实施例，接收机101可以包括多于一个接收天线402。例如，接收机101可以包括沿相互垂直的轴取向的三个接收天线402-1、402-2和402-3。一些实施例可以包括两个接收天线或多于三个接收天线。根据一些实施例，接收天线402-1至402-3是如上结合线路定位系统200中的检测器222所述的线圈。在如图4所示的具有三个相互垂直的天线的实施例中，可以测量发射机102产生的电磁场的三个相互垂直的分量。因此，在电磁地图中可以使用更完备的方程组，从而可以获得对发射机102的估计参数的更精确的计算(式(1))。

图5示出了根据本发明一些实施例的发射机102的示例。如图5所示，发射机102包括偶极天线510。在一些实施例中，天线510可以包括多个相互正交的偶极天线。在一些实施例中，偶极天线510包括具有初级绕组、铁氧体环状磁心和低阻次级回路的变流器。偶极天线510耦合至驱动器508。数字发射机504通过无线接口502与控制器103通信。发射机102可以向控制器103提供信息(如，通过偶极天线510发送的信号的功率电平)。发射机102还可以向控制器103提供定时信号，以便控制器103建立探针系统100中的发射机102和接收机101之间的相位差。根据一些实施例，可以将固定接收机之一指定为系统的相位参考。

在一些实施例中，接收机101-1至101-N均同时以所定义的载频解调编码序列，所述载频与感应耦合在发射机和接收机环状线圈之间的H场兼容。使用直接扩频序列(DSSS)，可以向每个发射机分配唯一的编码序列。接收机(具有接收信号中的可能序列的先验知识)可以向控制器103发送测量到的信号，每个编码序列对应于接收机101中的每个检测到的发射机。当发射机是有源的且在接收机的位置具有足够的信号强度时，该接收机的相关将以特定时延达到峰值。该特定发射机的场强是测量点处的场强的幅度缩放版本，并且时延是信号相位的度量。

备选地，对于较少数目的发射机，可以使用频分复用(FDM)技术来区分发射机。

图6示出了具有多个发射机目标对象102-1和102-2(虽然可以存在任意数目的发射机目标102)和多个接收机101-1至101-4(虽然可以存在任意数目N个接收机101)的精确定位系统600的操作。在未知的发射机位置(即，发射机102-1或102-2的未知位置)，与已知码序列足够好地相关的测量到的接收机的场强和相位被分组为3 x M的矩阵，其中，M是检测发射机(102-1或102-2)的接收机的数目。在如图6所示的一些实施例中，可以使用多于一个发射机102。在这样的情况下，每个发射机102-1和102-2对偶极天线510(参见图5)在对于给定发射机唯一的特定频率发射的信号进行编码。这样，接收机101和控制器103将能够使某一测量与特定发射机或发射机102关联。一些实施例可以使用码分复用技术来区分不同发射机或发射机102所提供的信号。其他实施例可以在不同发射机之间使用信号的相位来区别不同发射机。

在一些情况下，可能不存在来自接收机101的3个测量，从而测量的总数可能小于3M。根据一些实施例，这些值由接收机101使用无线发射机408(参见图4)发送至控制器103。控制器103将来自接收机101的测量与根据由3维位置和发射机相对于每个接收机轴的相对朝向(俯仰角、偏航角)组成的假设参数矢量计算的场强的建模集合进行比较。对于JohanOverby、James Waite、Kun Li和Dimitar Gargov的、转让给Metrotech Corporation的美国专利申请No.12/315,696“Precise Location and Orientation of a Concealed DipoleAntenna”(其全部内容通过引用合并于此)中的优化方法，基于来自所有检测接收机的电磁场值的测量集合与预期电磁场强度的建模集合之间的残差，相对于未知位置估计新的参数矢量，其中，在残差已收敛至最小容限后确定最终的估计参数集合。

磁场失真能够使任何依赖于磁场形状的固定物理几何模型以导出物理参数的定位方法产生偏差。例如，在用于室内应用的探针系统100的实施例中，各个偶极发射机输出能够与建筑物内的结构元件(例如，金属托梁结构或钢筋加固)感应耦合。来自这些感应耦合源的发射机信号的再辐射能够使通量线失真，偏离测量点的理想偶极形状，导致定位误差。传统系统易于受这样的失真的影响，并且缺少用于检测何时存在场失真以及位置估计何时可能具有较大误差的机制。

在与线路定位系统200(参见图2)一致的实施例中，接收机220-1和220-2可以部署在户外环境中。在这样的实施例中，同室内系统相比，电磁场失真可能不那么显著。

传统发射机定位方案不向用户提供与对发射机位置的确定相关联的误差界。虽然在GIS和大地世界中习以为常，系统尚未采用普遍接受的误差声明，如，RMS精度(1-σ误差)、精度衰减因子、或3维位置的95％置信界限。由于本地场失真的缘故，当使用未适应于本地条件的物理模型时任何特定位置估计的精度可能发生偏差。

图7示出了根据本发明一些实施例的用于基于控制器的精确位置跟踪系统的对发射机目标102进行定位的算法700。算法700可由包括在控制器103中的处理器电路执行，或由接收机101之一中的处理器406(参见图4)执行。在一些实施例中，可以在板(board)接收机101上执行算法700的一些或全部，并且将得到的位置显示在接收机上和/或报告给控制器103以进行存储和跟踪。

如图7所示，处理起始于步骤702，此时，由控制器103从接收机101接收数据。在步骤704中，确定来自每个检测接收机101的信号强度的标识。在步骤706中，执行基于模型的优化，将发射机目标102置于产生观察场的位置。在一些实施例中，该建模涉及：确定接收机的位置处的预期复电磁强度的集合。按照检测到的发射机目标的集合以所估计的发射机目标的位置和朝向所产生的那样，对复电磁强度进行建模。对于接收机101集合中的一个或多个电磁线圈传感器，在步骤707中获得与发射机目标集合的模型相对应的预期电磁场值的集合。在步骤708中可以提供：使用因环境因素引起的场失真模型，对所估计的位置和朝向进行校正。在室内环境中用于失真校正的步骤708可能是有用的，在室内环境中，可以在扩展时间段内部署传感器网络，并且可以应用对失真环境的“学习”过程。如上所述，对于户外实施例(如，在线路定位系统中)，电磁失真可能问题不大。此外，针对户外线路定位应用部署传感器网络可能是一次性的，因而在这样的环境下“学习”迭代可能可行性不大。因此，使用户外线路定位系统的一些实施例可以不包括步骤708。以下提供根据一些实施例的在步骤707中使用的分析模型的详细描述。

H场环形天线(如，天线510)(参见图5)发射的磁场是3维的。相应地，磁偶极方程描述了随距发射机102距离的立方衰减的天线510的EM场的场强。偶极场方程是公知的，参见例如申请’696。

如果采用传统RSSI模型来找出发射机的位置，H场测量呈现出复杂性。即使H场强度的相对减小是1/r³的函数，也不能使用H场强度的3维幅度用传统RSSI方法来使可靠地估计距偶极天线的距离。除非在以偶极轴对称的位置上获取所有场测量，否则信号强度随偶极的朝向变化。因此，如果不知道接收天线相对于发射环形天线的相对俯仰和偏航，则场强度幅度的连续测量无法与距离相关。

如申请‘696中介绍的，如果测量来自三个相互垂直的轴的有符号信号强度，可以估计偶极天线的任意的3维位置和朝向。通过优化过程，可以将这些测量与起初以已知或假定距离偏移做出的其他这样的测量合并。

尽管申请‘696关注于在使用单个接收机的探针穿过空间时在探针中定位偶极辐射的源，本发明的实施例可以利用对来自任意分布位置的偶极辐射的测量来定位一个或多个探针发射机102。在此处公开的实施例中，包括偶极天线510的发射机102可以位于所要估计的未知位置的点处。此外，多轴磁偶极接收机101的集合分布在发射机102可以在其上运动的空间中。接收机101中感测线圈的轴可以具有彼此相对的以及相对于其他接收机的正交和几何分集。发射机102的位置和朝向可根据接收机101的分布式系统的测量如下获得。

在一个实施例中，步骤707中的分析模型基于针对相对于多个接收机101中的每个接收机的所估计的发射机102位置和朝向下的场强度f_n的偶极方程：

此处，p′_Tx和r′_Tx是发射机的所估计的3维位置和表示其相对于参考坐标系的估计朝向的矢量，p′_n是发射机n的虚拟3维位置，R_n是表示接收机n相对于参考坐标系的虚拟旋转的矩阵，a_n是接收机n的虚拟信号强度。

在一些实施例中，步骤708中的校正基于：对用于所估计的发射机位置处的每个接收机的场强的校正函数进行评估。该函数可由校准算法来确定并参数化，并且可以使用标准插值基于常见基函数(如，样条基或径向基函数)来计算。

在步骤710中，根据优化建模确定发射机102的位置和朝向的第一估计。在一些实施例中，这涉及：基于复电磁场值的测量集合和预期复电磁场强度的建模集合间的残差，来估计与发射机102有关的参数。该参数可以包括：位置、俯仰、横滚、以及偏航。在步骤712中，可以使用发射机102运动的动态模型来确定位置和朝向的第二估计，并且在步骤714中，通过误差过滤将两个估计合并，以在步骤716中产生位置和朝向的最终估计。步骤716还可以确定可在后续处理中由动态模型使用的速度。可选地，运动传感器(未示出)可以向动态模型提供输入。在步骤718中，针对所识别的发射机102存储位置，并且算法重新开始于步骤702。在一些实施例中，发射机102的位置可以是3维位置、2维位置或者1维位置。在一些实施例中，优化模型可以包括：应用Levenberg-Marquardt算法。在一些实施例中，在残差已收敛至最小容限后，确定每个参数的置信界限。

为了执行步骤707，每个接收机101的位置必须相对于所选坐标系已知。在一些实施例中，可以使用标准的勘测方法，将每个接收机置于已知坐标。这些方法中的一些方法可以包括：激光定位、GNSS、超声波测距、根据参考位置进行航位推测、基于传播时间的RF测距、或人工卷尺测量。一些实施例使用差分实时运动(RTK)GNSS定位的一方面，该方面允许多个GNSS接收机系统中的一个接收机充当其他接收机的基站。这样，联网无线传感器的集合中的一个传感器可以被置于环境中的控制点，取(x，y，z)＝(0，0，0)。因此，所有其他传感器的相对位置可以实时地以厘米级精度相对于控制点3维已知。即使当支持RTK的传感器中的一个或多个正在运动时这也是可能的，并且这仅仅依赖于将传感器置于视野中存在适中数目个GNSS卫星的位置。

本发明的另一实施例涉及接收机网络内无线传感器间的相位同步。特定传感器或接收机101(构成一个或多个测量轴)内的每个测量集合基于节点(接收机101)的本地时钟。步骤707中的分析假设：针对相对于公共的但任意的时间基准的漂移，校正这些本地时钟中的每个本地时钟。此外，每个时钟还将具有相对于主同步时间的任意偏移，所述主同步时间自身可以校正，或者作为每个节点的附加优化变量来处理。漂移和偏移均可以通过引入可在所有节点上在公共时刻观察到的同步事件来表征。由于GNSS接收机存在于每个节点上，那么每秒一脉冲的时间同步脉冲通常是可用的。每个节点上的本地时钟可以参考该时间，从而确保网络上的时间同步。等效地，无线网络的协调节点可以自身发源重复的“信标”数据分组，该数据分组还能被接收节点用于与公共时间基准同步。根据一些实施例，网络的协调节点可以是控制器103。虽然由于分组到达时间依赖于节点间的RF传播时间，该方法可以包括一些抖动。然而，在分布式跟踪系统所使用的低频处，抖动误差可以忽略。

鉴于前述内容，在隐藏偶极发射机或线状传输工具的位置精度方面，期望相对于传统方法的改进。特别地，可以利用由在所部署的传感器网络的上下文中的基于模型的精确位置方法得来的改进，来改进测量精度。在本发明的一些实施例中，在将求极小法中精确位置系统发射机处的测量到的EM场与沿多个轴检测的发射机场分量的EM场模型比较时，可以使用这样的方法。可以使用经由非线性优化的适配来使模型中的状态参数适合EM场测量，并且给定测量集合的状态参数的最佳集合可能归因于所估计的发射机位置。可以使用优化过程中的残差来提供对状态参数估计的置信度的指示。

在一些实施例中，定位发射机被配置为恢复与所发射的EM信号同步的相位参考。在不存在信号干扰和失真的情况下，从独立的发射偶极发出的、在发射机处测量的EM场的相位可以是0°或180°。相应地，正交信号可以是零，并且测量到的EM场的同相分量可以是负的。在一些实施例中，可以使用其他测量发射机发射的EM信号的相位的方法。例如，可以使用：以与数字订户线路(DSL)调制解调系统相似的方法来发送导频音和伪随机训练序列。

此外，在接收机101的网络内具有单个发射机102的实施例中，每个接收机101和发射机102间的相对相位测量可能不是必要的。虽然每个接收机101可能仍需要与单个定时参考同步，这可由控制器103本身提供。控制器103确定发射机102的单个相位值，并且由于接收机101的位置已知(即使不是固定的)，自动设置全部其他相位。对于室内系统，接收机101可以经由有线或无线通信彼此或与控制器103同步。与本发明的一些实施例一致，接收机可以使用同步网络时钟的任一常见机制来彼此时间同步。在这些实施例中的一些中，接收机101和发射机102可以使用以下专利中描述的相位恢复方法来同步：James Waite和JohanOverby的转让给Metrotech Corporation的美国专利No.7,062,414，其全部内容通过引用合并于此。

图8示出了所谓“杆式”接收机801的示例。在该实施例中，两个多轴接收机802和804与3轴朝向传感器808一起附在刚性结构元件806上。接收机801还可以被称为双3轴杆式接收机。多轴接收机802和804可由多个单轴接收机101组成，每个轴的每个接收机测量来自一个或多个探针发射机或线状传输工具的场强。本地坐标系由接收机802和804中的线圈的相互正交的轴以及结构元件806定义。在一些实施例中，结构元件806可以定义本地‘Z’轴。朝向传感器808确定本地坐标系相对于外部坐标系的朝向。例如，外部坐标系可以使‘Z’轴为重力定义的绝对垂直线。还包括用于测量杆806相对于接收机801外部的一个或多个点的3维轴位置，或者是分离的或者附在杆上。针对系统810，与图8一致的一些实施例可以使用基于RTK-GPS的地理定位。在一些实施例中，使用完全机器人站进行跟踪还可以有效地在环境中安置杆。同时采集全部测量并将其发送至位于参考接收机上或位于分离控制器上的处理单元812，在处理单元812中，可以计算发射机和失真参数。杆式接收机801可以被包括为根据与图1一致的实施例的接收机101之一。此外，用于与图1一致的目标发射机102的精确定位的传感器网络可以包括多个接收机101和多个杆式接收机801。

在户外系统中，可以使用GPS网络(如果可用的话)来执行接收机220间的同步。在户外精确定位系统的一些实施例中，可由控制器103以2.4GHz的RF频率提供同步信标。在这样的实施例中，由于传播时间导致的移相问题对于操作于10kHz或更低频率的精确定位系统可能无关紧要。

本发明的一些实施例可以利用发射和接收偶极天线的各种配置。例如，发射机102可以包括单个偶极天线，该单个偶极天线能够发射轴与天线的纵轴重合的EM场。在一些实施例中，发射机102可以在单维度或多维度中发射EM场。例如，发射机模块可以从公共外壳在两个和/或三个维度中发送EM场。类似地，接收机101可以在一个或多个接收机EM线圈簇处在单维度或多维度中测量EM场。

发射机位置和朝向参数可以包括多个参数状态。例如，三个位置参数可以描述发射机在x，y，z空间中的位置，并且三个发射机朝向参数可以描述发射机的朝向，又称横滚、俯仰和偏航。在一些实施例中，可以使用一个或多个EM线圈来进行冗余测量，冗余测量可用于改进发射机位置估计置信度。

在一些实施例中，目标发射机102可以与线路上的传导元件相关联(参见图2)。在这样的情况下，发射机参数可以指定传导元件在表面水平以下的深度，以及线路相对于表面的水平位置。

在一些实施例中，可以使用不同的辐射模型独立描述几何维度，并且几何维度可以符合任何EM场分布(包括例如偶极EM场分布)。在一些实施例中，与发射机径向轴正交的两个轴可以具有依赖于室内环境的独特方面的EM通量线。由于可以针对多维发射机中的每个维度定义单独的模型，优化方法可以相同方式进行，针对最佳匹配模型单独优化每个维度。

图9示出了根据一些实施例的、使用杆式接收机801的发射机位置跟踪系统900的配置。除了多个接收机801(801-1和801-2)，系统900还可以包括接收机101-1和101-2(参见图4)。跟踪系统900的一些实施例可以包括结合接收机101的任意数目的接收机801。系统900还包括：无线控制器103，用于控制整个系统的操作；以及目标发射机102，可以固定于未知位置。目标发射机102可以沿需要确定的轨迹移动。

根据与图9一致的实施例，目标发射机102可能位于包括传感器101-1、101-2、801-1和801-2在内的传感器网络的外围。在这样的情况下，接收机101-1和101-2所提供的单位置测量可能不足以精确确定目标发射机102的位置。为了补充该精度不足，杆式接收机801-1可以从接收机802和804中的每一个提供两个不同的测量801-1a和801-1b(参见图8)。使用单个接收机801-1，测量801-1a和801-1b提供的测量值的差可以实质上提高定位目标发射机102的精度。随着目标发射机102向前移动，接收机801-2可以提供差分测量801-2a和801-2b，使得能够精确定位发射机102。

在图9中还示出了接收机801的3维笛卡尔坐标系(A)和接收机802的3维笛卡尔坐标系(B)。坐标A和B相对于彼此可以具有任意朝向，并且甚至可以彼此相对旋转。然而，每个接收机801中的处理单元812和3维定位单元810可以向控制器103提供坐标系A和B相对于控制器103中包括的固定坐标系950的朝向。这样，测量801-1a、b和801-2a、b始终参照唯一的坐标系950，避免了目标发射机102位置和朝向的歧义。在一些实施例中，坐标系950可以包括在接收机801之一中，因此所有其他接收机801可以参照坐标系950。此外，一些实施例可以是：接收机801-2和可能存在的任意其他接收机801参照接收机801-1中的坐标系A。因此，接收机801-1可以参照控制器103中包括的坐标系950，以提供通用参考框架。

因此，在一些实施例中，杆式接收机801之一可以知道其精确的地理位置和朝向(通过与控制器103通信或使用GPS系统)，并充当中央处理器，以进行如方法700那样对目标102进行定位所需的建模(参见图7)。

图10示出了根据一些实施例的、包括具有定位系统1050和处理器1060的建造设备1010在内的基于控制器的精确位置跟踪系统1000。跟踪系统1000还可以包括具有多个单点接收机(定位器)220-1、220-2和220-3、多个杆式接收机801-1、801-2和801-3、控制器103、以及耦合至地下电力线201的传感器网络。虽然机器1010可能在表面中进行操作，但电力线201可能危险地接近于机器的叶片。在一些实施例中，线路201可以是任何类型的导线，如水或煤气管线、排水系统、水管线路等。

在与图10一致的实施例中，跟踪系统1000可以向机器1010的操作员提供与导线201相对于机器1010及其叶片的精确位置有关的信息。根据图10，包括接收机101、220和801、发射机210、导线201以及控制器103在内的传感器网络可以如参照图7中的方法700详细描述的那样操作。杆式接收机801-1至801-3也可以如参照图9描述的那样操作。因此，控制器103可以向机器1010中的处理器1060提供导线201的精确位置。处理器1060可以进一步例如经由机器1010内的GPS设备接收对机器1010位置的精确指示。此外，具有机器1010的精确位置，处理器1060可以确定机器1010中每个组件相对于导线201的位置。例如，通过具有机器1010的配置的详细信息，处理器1060可以确定各个组件在机器1010铲臂中的相对位置。在一些实施例中，机器1010的配置的信息可以包括机器中的水压系统控制的状态。

如图10所示的配置可以实质上降低承包商在建造地点对公用设施造成非期望的灾难性破坏的风险。这对于在公共场所中从事重型建造工程的承包商而言是极其期望的，在给定涉及这类工程的责任属性的情况下尤其如此。

此处描述的实施例仅仅是本发明的示例。考虑到说明书和此处公开的发明实现，属于本公开范围和精神内的本发明的其他实施例对于所属领域技术人员而言将是显而易见的。说明书和示例应看作仅仅是示例性的而非限制性的。因此，本发明的范围仅由以下权利要求限定。

Claims (20)

1.一种用于确定发射机对象的位置和朝向的方法，所述方法包括：

使用在空间中相对于彼此的位置已知的多个接收机在空间内测量复电磁场幅度和相位值的集合，其中不限制所述多个接收机和发射机对象之间的几何关系；

无线地将复电磁场的幅度和相位值的集合传送到控制器；

控制器对处于当前估计的发射机对象的位置和朝向的预期复电磁场值的集合进行建模，预期复电磁场值的集合与因发射机对象相对于多个接收机的当前估计的位置和朝向而产生的电磁场值的模型相对应；以及

控制器基于所测量的复电磁场值的集合与所建模的预期复电磁场值的集合之间的残差，来估计与当前估计的发射机对象的位置和朝向相关的参数，以产生发射机对象的位置和朝向的第一估计。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，与当前估计的发射机对象的位置和朝向相关的参数包括：

发射机对象相对于所述多个接收机的位置；

发射机对象的离轴偏航角；以及

发射机对象的俯仰角。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，当发射机对象在空间中运动时，使用物理模型来跟踪当前估计的发射机对象的位置和朝向，以及估计与当前估计的发射机对象的位置和朝向相关的参数还包括补偿场失真。

4.一种用于确定发射机对象的位置和朝向的方法，包括：

在包括发射机对象的有限空间内相对于彼此的已知位置处分布多个接收机；

确定所述多个接收机中的每个接收机在包括发射机对象的有限空间内的位置和朝向；

使用所述多个接收机中的至少一个测量复电磁场幅度和相位值的集合：

无线地将复电磁场的幅度和相位值的集合传送到控制器；

控制器对处于当前估计的发射机对象的位置和朝向的预期复电磁场值的集合进行建模，预期复电磁场值的集合与因发射机对象相对于多个接收机的当前估计的位置和朝向而产生的电磁场值的模型相对应；

控制器基于所测量的复电磁场值的集合与所建模的预期复电磁场值的集合之间的残差，来估计与当前估计的发射机对象的位置和朝向相关的参数，以产生发射机对象的位置和朝向的第一估计。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述多个接收机包括一个或多个3轴磁偶极接收机。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述多个接收机中的一个接收机包括双3轴杆式接收机，被配置为充当用于确定发射机对象的位置和朝向的中央处理器。

7.根据权利要求4所述的方法，还包括：

向发射机对象附近的机器提供所估计的与发射机对象有关的参数，所述机器包括：运动部件、到GNSS的连接、以及相对于发射机对象精确定位机器的各个部件的处理器。

8.一种包括控制器和在相对于彼此的已知位置处分布的多个接收机的传感器网络，所述多个接收机包括用于接收来自RF源的RF信号的一个或多个线圈检测器，每个接收机的一个或多个线圈检测器具有相互正交的轴，并且其中，

所述多个接收机被配置为向控制器提供信息，以定位RF信号的源；

所述多个接收机被配置为使用无线信道与控制器通信；以及

控制器被配置为使用处理单元存储所述多个接收机的位置，所述处理单元被配置为：

对处于当前估计的一个或多个发射机对象的位置和朝向的预期复电磁场值的集合进行建模，预期复电磁场值的集合与因所述一个或多个发射机对象相对于接收机的当前估计的位置和朝向而产生的电磁场值的模型相对应；以及

基于所测量的复电磁场值的集合与所建模的预期复电磁场值的集合之间的残差，来估计与一个或多个发射机对象的位置相关的

参数，以产生所述一个或多个发射机对象的位置和朝向的第一估计。

9.根据权利要求8所述的传感器网络，其中，所述控制器被配置为跟踪RF信号源的位置，并且，所述RF信号源包括一个或多个探针发射机以及一个或多个线状公用线路，一个或多个探针发射机和一个或多个线状公用线路中的每一个以唯一频率产生RF信号。

10.根据权利要求8所述的传感器网络，其中，传感器网络中每个接收机之间的3维区分是使用RTK-GPS测量来确定的，一个接收机充当传感器网络中所有其他接收机的GNSS基准。

11.根据权利要求8所述的传感器网络，其中，每个接收机能够充当无线控制器，并且：

能够从传感器网络中每个接收机获得的实时信息包括：所述一个或多个发射机对象的偏移、深度、距离和朝向。

12.根据权利要求8所述的传感器网络，其中，每个接收机连接至GNSS，以更精确地定位所述RF信号源。

13.根据权利要求8所述的传感器网络，其中，使用GNSS网络来实现控制器与多个接收机之间的同步信号。

14.根据权利要求8所述的传感器网络，其中，控制器与多个接收机之间的同步信号包括控制器提供的同步信标。

15.根据权利要求8所述的传感器网络，其中，所述RF信号源包括穿过危险空间的人携带的至少一个发射机，接收机由构成救援组的一个或多个人携带。

16.一种用于检测远程位置处的RF源所产生的RF信号的接收机，包括：

结构元件，具有有限长度；

朝向传感器，用于确定第一接收机的本地坐标系相对于外部坐标系的朝向，所述本地坐标系由位于结构元件处的至少一组相互正交的线圈检测器的相互正交的轴定义；

3维位置测量单元，用于基于所测量的复电磁场值的集合与预期电磁场值的集合之间的残差，确定本地坐标系相对于接收机外部的一个或多个点的位置，以产生发射机对象的位置和朝向的第一估计；

无线接口，用于与传感器网络中的其他设备通信。

17.根据权利要求16所述的接收机，还包括处理单元，该处理单元对来自多个RF源中的每个RF源的RF信号进行解码。

18.根据权利要求16所述的接收机，其中，所述3维位置测量单元是基于RTK-GPS的定位单元。

19.根据权利要求1所述的方法，还包括：

通过使用动态模型确定发射机对象的位置和朝向的第二估计；以及

通过误差过滤将发射机对象的位置和朝向的第一估计和第二估计合并，以产生位置和朝向的最终估计。

20.根据权利要求4所述的方法，还包括：

通过使用动态模型确定发射机对象的位置和朝向的第二估计；以及

通过误差过滤将发射机对象的位置和朝向的第一估计和第二估计合并，以产生位置和朝向的最终估计。