CN105850081A - 估计(异步)无线网络中的发送装置的位置的方法和系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于定位移动装置的系统。在一个实施例中，系统包括具有处理器和接收机的移动装置，以及形成收发机装置的网络的至少三个收发机装置。移动装置和收发机可以由移动装置发送请求(REQ)包；由所述至少三个收发机装置接收REQ包；由接收REQ包的至少三个收发机装置中的第一收发机装置发送响应(RSP)包；以及由至少三个收发机装置中的至少一些接收REQ包和RSP包。针对接收REQ和RSP包两者的至少三个收发机装置，系统确定在接收REQ包和RSP包之间的到达时间差。系统可以基于所确定的到达时间差来确定移动装置的位置。

Description

估计(异步)无线网络中的发送装置的位置的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请要求在2013年12月31日提交的美国临时专利申请No.61/922,445在35U.S.C.§119(e)下的优先权，其全部内容通过引用包含于此。

技术领域

本发明总地涉及定位系统，以及更特别地涉及用于使用飞行时间(timeof flight)信息来无线地定位物体的方法和系统。

背景技术

在许多应用中，期望或者甚至必须以高精度来估计物体的位置。存在许多系统，其被设计为允许装置使用射频(RF)信号来进行位置估计。例如，装置可以使用所接收的RF信号的信号强度来估计其位置，诸如在美国专利No.7,515,578中描述的方法。所接收的信号的到达角度也可以用于确定接收机的位置。

飞行时间(TOF)，也称为到达时间(TOA)，也可以用于位置估计。在图1所示的示例中，基于TOA的位置估计通常使用三边测量来进行，即，基于要估计的物体和位置已知的一些物体之间的距离来估计物体的位置。通常，因为目标装置未被同步至锚装置，所以需要使用往返飞行时间来估计飞行时间。例如，第一装置首先发送第一测距信号；然后，在接收到第一测距信号之后，第二装置发送第二测距信号。往返延迟由第一装置估计。这样的技术通常被称为双向TOA(TW-TOA)，并且在许多系统中广泛使用。不幸的是，TW-TOA需要所有节点之间的大量传输，并且因此，基于TW-TOA的系统不能容纳许多移动装置。大量装置也导致较高的节点的功率消耗。

可替换地，可以使用飞行时间差(TDoF)，也称为到达时间差(TDOA)，来进行位置估计。在图2所示的例子中，移动节点102广播无线电信号，并且该信号被在其范围内的所有锚节点101的接收机接收。如果我们将到锚节点i和j的信号的到达时间分别表示为t_i和t_j，则到达时间的时差δt_i,j＝t_j–t_i被记录，来代替绝对时间t_i和t_j。

上述TDOA与TOA相比具有显著的优点，因为其仅需要移动节点发送一次，并且锚节点仅需要接收。

在图2所示的系统中，因为仅目标装置需要发送，所以系统具有更好的效率并且可以在单个覆盖范围中容许较大数量的目标装置。然而，在现有的系统中，目标装置未被同步，并且传输可能冲突。此外，锚节点需要被同步。通过调节所有锚节点至共同的参考定时源来完成该同步。通常，同步单元用于生成定时参考信号，并经由电缆将其分发至所有锚节点。这种系统的主要缺点是复杂性和随之而来的安装成本。随着目标装置的密度增加，其还遭受性能退化。

发明内容

本发明提供用于在无线网络中定位发送无线电信号的装置的方法和系统。作为目标的装置将第一包广播至无线网络；在无线通信范围内的锚节点接收包。随后，一个或多个锚节点响应于对第一包的接收来发送第二或另外的包。锚节点接收第一和第二包两者并估计在第一包和响应包之间的到达时间差。基于到达时间差来估计装置的位置。

本发明还提供用于确定哪些锚节点发送响应包的方法和系统。从目标装置成功地接收第一包的锚节点等待随机的时间段，并且锚节点中的一个之后发送第二响应包。如果锚节点没有接收第二包，则其之后发送其自己的响应包。

在本发明的一个方面中，提供一种用于在系统中定位移动装置的方法，所述系统具有与多个移动装置进行无线通信的多个锚节点。所述方法包括：由移动装置发送请求(REQ)包；由多个锚节点接收REQ包；由接收REQ包的多个锚节点中的第一锚节点发送响应(RSP)包；以及由锚节点中的至少一些接收REQ包和RSP包。针对接收REQ包和RSP包两者的锚节点，该方法可以之后提供用于确定在接收REQ包和RSP包之间的到达时间差，以及基于所确定的到达时间差来确定移动装置的位置。

在本发明的另一方面中，提供一种用于在网络中定位移动装置的系统，所述网络具有与多个移动装置进行无线通信的多个锚节点。所述系统包括：具有处理器和接收机的移动装置；以及形成收发机装置的网络的至少三个收发机装置，每个收发机具有处理器和接收机，用于发送和接收通信包。所述移动装置和收发机被配置为：由移动装置发送请求(REQ)包；由所述至少三个收发机装置接收REQ包；由接收REQ包的至少三个收发机装置中的第一收发机装置发送响应(RSP)包；以及由至少三个收发机装置中的至少一些接收REQ包和RSP包。针对接收REQ包和RSP包两者的至少三个收发机装置，系统可以确定在接收REQ包和RSP包之间的到达时间差；以及基于所确定的到达时间差来确定移动装置的位置。

用于定位移动装置的上述方法可以包括各种特征或修改。例如，在一些实施例中，在接收REQ包和发送RSP包之间的周转时间被嵌入在RSP包中。在一些实施例中，在接收REQ包和发送RSP包之间的周转时间是预定的并且不被发送。

在其他实施例中，REQ和RSP包的传输被随机化以避免冲突，或者REQ和RSP包的传输被确定性地调度以避免冲突。

在其他实施例中，发送RSP包的锚节点的身份可以在网络的形成期间被确定。在其他实施例中，当锚节点接收REQ包，但没有接收RSP包时，锚节点可以发送RSP包。在另一实施例中，当接收REQ包的所有锚节点已经接收了RSP包或发送了RSP包时，响应于REQ包的RSP包的传输结束。在其他实施例中，可以使用最小二乘算法或加权最小二乘算法来进行移动节点的位置的估计。

附图说明

图1是使用双向TOA方案的定位系统的示图。

图2示出具有同步单元的TDOA系统。

图3示出利用同步锚节点的到达时间差(TDOA)位置估计的原理。

图4示出利用异步锚节点的TDOA定位方法的一个实施例。

图5示出TDOA定位方法的一个实施例。

图6是图5的方法的传输调度的示意图，其中第一响应包被所有其他锚节点接收。

图7是多于一个响应包被锚节点发送的方法的传输调度的示意图。

具体实施方式

为了便于说明，以下描述将定位限制在二维空间中，即，我们假定所有装置都位于相同的高度。本领域普通技术人员可以容易地将设计扩展至三维。注意，ToF和ToA在整个申请中可互换使用。

现在转向图3，我们将固定装置Ai 101(即，位置已知的装置)和目标装置102(即，位置未知的装置，表示为M)之间的距离表示为r_im。从Ai至M的飞行时间(TOF)是t_im＝r_im/c，其中，c是电磁波的速度(～3x10⁸m/sec)相反，我们可以根据飞行时间计算距离为r_im＝t_im*c。

图3示出使用TDoA的定位的基本原理。使得节点之间的距离分别为d₀₁,d_0M,d_1M，并且相应的飞行时间为t₀₁ 311,t_0M 310,t_1M 312。如果给定飞行时间差δt_01,M＝t₀₁+t_1M-t_0M(即，针对两个不同路径的飞行时间差——一个路径是A₀至A₁至M，另一路径是A₀至M)，我们可以发现移动装置位于双曲线330上。

如果存在多于3个锚装置，并且TDoA是已知的，则可以通过找到所有双曲线的交叉点来确定移动节点的位置，如图4所示。通常，时间差的测量会包含噪声。这样，诸如最大似然、最小二乘法和加权最小二乘法等的算法可以用于估计移动节点的位置并且在下文论述。

参考图3和4，基于通过锚节点对的重新传输的针对差别路径的TDoA也可以如美国专利申请No.14/559,524中论述的那样被计算，其全部内容通过引用包含于此。

传输方案

图5示出本发明的实施例的示例。如图所示，锚节点101(A0至A3)在移动节点M的范围内。每个锚节点的身份根据网络的初始信息来确定。为了开始定位过程，移动装置M首先广播请求包(REQ)210，并且该包被锚101(A0至A3)接收到。在接收到REQ包210时，锚节点中的一个(例如，A0)发送响应包(RSP)310。在该示例中，我们假定锚节点A1、A2和A3也在A0的范围内，并且因此它们都接收RSP包。

图6是参照图5论述的示例的时序图。首先，在REQ包被接收到时，所有锚节点使用其自己的内部定时参考来记录时间。我们将第一锚A0处的在其对REQ包的接收和RSP包的发送之间的延迟时间定义为周转时间T^a ₀ 601。发送RSP包的锚计算周转时间T^a ₀ 601并将其通告至其他锚节点。通告可以嵌入在同一RSP包310中，或在单独的包中。REQ和RSP包的传输可以被随机化以避免系统内的冲突。可替换地，REQ和RSP包可以被确定性地调度以避免冲突。

接收到RSP包的锚节点记录REQ包和RSP包之间的到达时间差，该时间差反映两个路径(例如从M至A₁以及从M至A₀至A₁(包括周转时间))的飞行时间的差。表示为Δt_0i 602的该时间差使用锚节点的内部定时参考来估计。每个时间差可以用于将M定位在如图3所示的双曲线上。多个时间差可以用于找到作为图4所示的多个曲线的交叉点的M的位置。该位置计算可以在锚装置、移动装置或服务器(未示出)的一个上执行，该服务器根据需要与锚装置进行有线或无线通信。系统可以基于Δt_0i 602和已知的锚位置来估计移动装置的位置。以上论述的示例假定锚节点A0在同样接收到REQ包的所有其他锚节点的范围内。

然而，不是必须保证所有锚节点在无线网络中在彼此的范围内。图7示出用于包括在彼此的无线范围外的锚节点的系统的本发明的另一实施例。假定例如四个锚节点A0,A1,A2,A3和A4在节点M的范围内，还假定A1,A2和A3在A0的范围内，但A4在A0的范围外。

由A0发送的RSP包被A1、A2和A3接收到。它们分别记录第一时间差Δt₀₁,Δt₀₂,Δt₀₃,602，并且它们将不发送它们自己的RSP包。然而，由于由A0发送的RSP包未被A4接收到，因而它在随机补偿时间T^a ₄ 601之后发送其自己的RSP包。由A4发送的第二RSP包710被锚节点中的一些(例如，A2和A3)接收到。接收到第二RSP包的那些锚节点将记录第二到达时间差Δt₄₂,Δt₄₃,702。类似地，第二响应锚A4还报告周转时间T^a ₄ 601。当所有锚节点发送RSP包或接收到至少一个RSP包时，该过程停止。

位置估计

如上论述的真实的TDoA被计算为

δt_i，j＝Δt_i，j-T’^a _j.

在时钟偏移(SFO)是非零的情况下，它可以被估计和补偿。例如，

δt_i，j＝Δt_i，j-(1-ε_ij)*T’^a _j

ε_ij＝Δf_ij/f＝(f_j–f_i)/f,

其中，ε_ij是由标称频率标准化的在发送锚和接收锚之间的所估计的相对频率偏移。(参见针对SFO估计的其他现有技术)。

给定TDoA和锚位置，移动装置的位置θ_m满足

||θ_m-θ_i||-||θ_m-θ_j||＝δ_ij-γ_ij

其中，θ_i,j是发送锚A_i和接收锚A_j的位置，γ_ij是两个锚节点之间的距离。

移动装置的位置之后可以使用诸如最小二乘误差(LSE)估计、加权最小二乘误差估计或其他算法的技术来估计。作为示例，最小二乘估计器用于确定θ_m以使得

$\arg {\min }_{{\mathrm{\θ}}_m}\Σ{(||{\mathrm{\θ}}_m-{\mathrm{\θ}}_i||-||{\mathrm{\θ}}_m-{\mathrm{\θ}}_j||-{\mathrm{\δ}}_{ij}+{\mathrm{\γ}}_{ij})}^2---\left(1\right)$

类似地，加权最小二乘误差估计器用于发现θ_m以使得

$\arg {\min }_{{\mathrm{\θ}}_m}\Σw_{ij}{(||{\mathrm{\θ}}_m-{\mathrm{\θ}}_i||-||{\mathrm{\θ}}_m-{\mathrm{\θ}}_j||-{\mathrm{\δ}}_{ij}+{\mathrm{\γ}}_{ij})}^2---\left(2\right)$

其中，w_ij是分配给相应的时间差对的权重。

在某些实施例中，可以使用利用500Mhz或更大的频率的超宽带(UWB)技术来发送和接收以上包。UWB对于短距离数据通信可以是有效的，并且还可以提供本发明的系统和方法内的精确测距。IEEE 802.15.4a提供了用于无线通信中的UWB技术的使用的标准，并且其整体通过引用包含于此。尽管其他技术可以用于本发明，但UWB通信可以协同地与本发明的方法和系统结合以提供可以处理大量的移动装置的智能的、高精度的、实时的位置服务。

用于本发明的锚节点和移动装置可以使用专用或商业成品部件来构造。通常，装置需要具有处理器、存储用于处理器的指令和/或数据的存储器、以及用于发送和/或接收包的收发机。在锚节点的情况下，它们可以安装有建造的干线电源(mains power)，因而相比移动装置，锚节点的尺寸和电源使用不那么重要。移动装置可以被构造为例如可以附接至各个物品的标签以用于跟踪目的。因此，标签应该在尺寸上很小并且具有优化的功耗，因为标签将可能由电池供电。另外，尽管在一些实施例中，标签可能仅需要接收信号，但其仍可以在标签上使用收发机作为接收机。

可能用于本发明的硬件实施的一个示例是从STMICROELECTRONICS(www.st.com)可得的具有闪速存储器的STM32W108C8高性能IEEE 802.15.4无线芯片上系统。该芯片包括用于实施本发明的处理器、存储器、收发机、定时器、和其他电路。在其他实施例中，特别地，在UWB实施例中，诸如来自DECAWAVE,Ltd.(www.decawave.com)的DW1000SENSOR的UWB收发机可以用作移动装置或锚节点中的收发机。该装置可以与处理器通信以用于指令和/或数据存储。其他商业或特制的硬件也可以另外地或代替这种系统使用。

优点

这里所公开的本发明的TDoA方案的优点可以包括移动装置仅需要发送REQ包。系统允许移动装置以非常低的复杂度构造并且以非常低的平均功耗操作。由所公开的系统实现的另一优点是锚装置不需要相互同步。它无线地消除了对另外的连线或另外的定时同步操作的需要。结果，系统性能将对于时钟频率偏移更稳健。

尽管通过优选实施例的示例描述了本发明，但可以理解，可以在本发明的精神和范围内做出各种改写和修改。因此，所附权利要求的目标是将所有这样的变化和修改覆盖为落入本发明的真实精神和范围内。

Claims (20)

1.一种用于在系统中定位移动装置的方法，所述系统具有与多个移动装置进行无线通信的多个锚节点，所述方法包括：

由所述移动装置发送请求(REQ)包；

由多个锚节点接收所述REQ包；

由接收所述REQ包的多个锚节点中的第一锚节点发送响应(RSP)包；

由所述锚节点中的至少一些接收所述REQ包和所述RSP包；

其中，针对接收所述REQ包和所述RSP包两者的锚节点，确定在接收所述REQ包和所述RSP包之间的到达时间差；以及

基于所确定的到达时间差来确定所述移动装置的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在接收所述REQ包和发送所述RSP包之间的周转时间被嵌入在所述RSP包中。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在接收所述REQ包和发送所述RSP包之间的周转时间是预定的并且不被发送。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，REQ和RSP包的传输被随机化以避免冲突。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，REQ和RSP包的传输被确定性地调度以避免冲突。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，发送所述RSP包的锚节点的身份在所述网络的形成期间被确定。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，当锚节点接收REQ包，但没有接收RSP包时，所述锚节点发送RSP包。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，当接收所述REQ包的所有锚节点已经接收了RSP包或发送了RSP包时，响应于所述REQ包的RSP包的传输结束。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，使用最小二乘算法来进行所述移动节点的位置的估计。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，使用加权最小二乘算法来进行所述移动节点的位置的估计。

11.一种用于在网络中定位移动装置的系统，所述网络具有与多个移动装置进行无线通信的多个锚节点，所述系统包括：

具有处理器和接收机的移动装置；

形成收发机装置的网络的至少三个收发机装置，每个收发机具有处理器和接收机，用于发送和接收通信包；

其中，所述移动装置和收发机被配置为：

由所述移动装置发送请求(REQ)包；

由所述至少三个收发机装置接收所述REQ包；

由接收所述REQ包的至少三个收发机装置中的第一收发机装置发送响应(RSP)包；以及

由所述至少三个收发机装置中的至少一些接收所述REQ包和所述RSP包；

其中，针对接收所述REQ包和所述RSP包两者的所述至少三个收发机装置，确定在接收所述REQ包和所述RSP包之间的到达时间差；以及

其中，所述系统被配置为基于所确定的到达时间差来确定所述移动装置的位置。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，在接收所述REQ包和发送所述RSP包之间的周转时间被嵌入在所述RSP包中。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，在接收所述REQ包和发送所述RSP包之间的周转时间是预定的并且不被发送。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，REQ和RSP包的传输被随机化以避免冲突。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，REQ和RSP包的传输被确定性地调度以避免冲突。

16.根据权利要求1所述的系统，其中，发送所述RSP包的收发机装置的身份在所述网络的形成期间被确定。

17.根据权利要求1所述的系统，其中，当所述至少三个收发机装置中的一个收发机装置接收REQ包，但没有接收RSP包时，该收发机装置发送RSP包。

18.根据权利要求1所述的系统，其中，当接收所述REQ包的所有收发机装置已经接收了RSP包或发送了RSP包时，响应于所述REQ包的RSP包的传输结束。

19.根据权利要求1所述的系统，其中，使用最小二乘算法来进行所述移动装置的位置的估计。

20.根据权利要求1所述的系统，其中，使用加权最小二乘算法来进行所述移动装置的位置的估计。