CN107534842A - 通过位置已知的同步接收器来确定位置未知的发送器的位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用信号接收器(1、2、3)来确定位置未知的信号发送器(5)的位置的方法，所述信号接收器(1、2、3)彼此同步于共同的时间基准且各自位置是已知的，所述方法包括：基于到达时间差的多点定位步骤(40)，通过由位置未知的发送器(5)发送并被接收器(1、2、3)所分别接收到的信号来实施，其特征在于：所述基于到达时间差的多点定位步骤(40)之前的步骤是评估步骤(30)，以评估在接收器(1、2、3)分别已知的共同的时间基准的值之间的时间偏移量，基于到达时间差的多点定位步骤(40)通过校正(41)所述时间偏移量，从而将接收器(1、2、3)重新设定到所述相同的共同的时间基准值，由此来实施。

Description

通过位置已知的同步接收器来确定位置未知的发送器的位置 的方法

技术领域

本发明涉及利用信号接收器来确定位置未知的信号发送器的位置的方法以及基于该定位方法的定位过程，所述信号接收器彼此同步于共同时间基准且各自位置是已知的；还涉及利用信号接收器来确定位置未知的信号发送器的位置的系统，所述信号接收器彼此同步于共同时间基准且各自位置是已知的。

背景技术

根据第一项现有技术，例如专利申请书WO2005/111654中所述，基于到达时间差的多点定位，通过同步于由GPS指定的共同时间基准的多个雷达来确定无源雷达目标的位置的方法是已知的。

根据第二项现有技术，例如专利申请书WO2011/011360所述，基于按照到达时间差的多点定位，通过能对接近的飞机所发出的信号作出响应的多个应答机来确定接近机场的飞机的位置的方法是已知的。

根据第三项现有技术，例如专利申请书EP2，642，313所述，基于到达时间差的多点定位的一种定位方法也是已知的，该方法利用以每个接收器基于测量由不同接收器接收到的信号轨迹时差阶段之前所收到信号的自相关的算法来提高其精确度并因此减少在接收器与计算单元之间通过的信息量。

发明内容

在所有前述现有技术中，所考虑的定位方法的精确度都是有限的，尤其是因为发送到各个接收器的共同的时间基准值的固有不精确性。

本发明的目的旨在提供一种定位方法，以至少部分地弥补上述不足。

更具体而言，本发明的目的旨在提供一种精确度更高的定位方法，该方法基于到达时间差的多点定位，在所述多点定位之前进行时间重置补偿由接收器所接收并同步的共同时间基准的各值之差。

实际上，由同步的接收器所接收并共同时间基准的各个数值并不是严格相同的并且包括一些不精确性。基于单独一个共同时间基准来对同步的接收器进行时间重置有助于消除这种不精确性。

由各个同步接收器所接收的共同的时间基准值最好是由地理定位系统以绝对基准时间的形式来发送的。在GPS(全球定位系统)的情况下，发送该UTC时间的不精确性约为5个标准差的100毫微秒，这相当于未知发送器的位置的潜在误差约为30米。本发明提出的定位方法要大大降低乃至几乎消除在未知发送器的位置的这种潜在误差。

为此目的，本发明提出了一种利用信号接收器来确定位置未知的信号发送器的位置的方法，所述信号接收器彼此同步于共同时间基准且各自位置是已知的，所述方法包括：基于到达时间差的多点定位步骤，该步骤通过由位置未知的发送器发送并分别由接收器接收信号来实施，其特征在于：所述基于到达时间差的多点定位步骤之前的步骤是评估接收器分别已知的共同时间基准的值之间的时间偏移量的步骤，而且，所述基于到达时间差的多点定位步骤由此通过校正所述时间偏移量以便将接收器重新设定到各个接收器或者各对接收器所共同的单独一个时间基准数值来实施。

时间基准数值对于所有接收器而言可以是共同的。在相对于彼此重置信号的情况下，时间基准数值对于各对接收器而言可以是共同的。在两对接收器之间的基准值可以在它们之间稍有不同，但是比起初始的基准数值要接近得多。

基于到达时间差的多点定位也称为TDOA多点定位(即“到达时间差多点定位”)。

共同的时间基准最好是共享时基的原点，或者是共享时基原点的相位，乃至是用于使接收器能彼此同步的共同的时间基准。

进行校正的目的是重置它们相互之间的时间轴，即，它们在原点的数值，而不改变其刻度，例如，将接收器的采样率设为GPS的时钟频率。

接收器彼此相互同步；将其设置到相同的共同的时间基准，直到该共同的时间基准值的误差，本发明额外的目的是校正所述误差。接收器具有用于采样所接收信号的共同速率。

最好，所述评估步骤：根据接收器以及另一个位置已知的发送器的已知位置，来计算在接收器之间由另一个位置已知的发送器按照与位置未知的发送器不同的频率发送的并且被接收器分别接收到的信号的渡越时间；通过由接收器所接收到的信号之间的交叉相关来测量所述渡越时间差；以及比较所述计算得到的渡越时间差与所述测量得到的渡越时间差，对每个接收器进行所述时间重置。作为替代方案，所述评估步骤：根据接收器以及另一个位置已知的发送器的已知位置，来计算在接收器之间由另一个位置已知的发送器按照与位置未知的发送器相同的频率发送的、但是所述发送时间窗与位置未知的发送器是不同的并且被接收器分别接收到的信号的渡越时间；通过由接收器所接收到的信号之间的交叉相关来测量所述渡越时间差；以及比较所述计算得到的渡越时间差与所述测量得到的渡越时间差，对每个接收器进行所述时间重置。

使用位置已知的发送器是确定同步接收器已知的基准时间数值之间的时间偏移量的简单和有效的方式。首先知晓该时间偏移量，然后对同步接收器进行时间重置以实现对其补偿，而且，有利的是，其中将所有彼此相互同步的接收器都重置到单独一个共同的时间基准值，因此提高了未知发送器的位置的精确度。

为此目的，本发明还提出了一种利用信号接收器来确定位置未知的信号发送器的位置的系统，所述信号接收器彼此同步于共同的时间基准且各自位置是已知的，所述系统包括：信号接收器，彼此同步于共同的时间基准的且各自位置是已知的；处理单元，适用于执行基于到达时间差的多点定位步骤，所述多点定位步骤是通过由位置未知的发送器发送的并由接收器分别接收到的信号来实施的，其特征在于，所述处理单元还适用于：在所述基于到达时间差的多点定位步骤之前评估由接收器分别已知的共同的时间基准值之间的时间偏移量，并且通过校正所述时间偏移量，从而将接收器重置到各个接收器或者各对接收器共同的单独一个时间基准数值，由此来实施所述基于到达时间差的多点定位步骤。

根据优选的实施例，本发明包括可单独地采用或者部分结合或者完全结合地采用的下列特征中的一项或多项，所述特征结合了前文所述的本发明的一个或多个目的。

最好，由位置未知的发送器发送的并由接收器分别接收到的信号被另一个位置已知的发送器发送的并分别被接收器接收到的信号所同步的接收器记录，其中，所述接收器所具有的接收频带足够宽，以便以不同的频率来同步地接收信号，所述不同的频率分别对应于所述位置未知的发送器的发送频率和所述另一个位置已知的发送器的发送频率。

因此，由各个接收器所接收到的单个宽频信号既包含实施多点定位步骤的有用信号，又包含用于接收器时间重置的参考信号。接收器的宽频特性还能够定位数个乃至很多都以彼此不同的频率发送信号的位置未知的发送器。可使用多个已知位置的发送器来提高校正的精确度。

最好，另一个位置已知的发送器位于接收器的中部，最好是在接收器的质心附近。

这样，时间偏移量的评估就既更简单又更精确。

接收器的已知位置是固定的，至少要贯穿位置未知的发送器的位移长度。接收器位于位置未知的发送器可移动的空间的周边较为有利，且最好彼此相互均匀地间隔开。

最好，所述多点定位步骤基于接收器以所述位置未知的发送器的发送频率所接收到的信号之间进行交叉相关，其中，提前将所述信号在时间上重置到所述相同的共同的时间基准值。

交叉相关通过滑动时间窗来进行，并且使该交叉相关最大化的时间位置来表示信号的渡越时间，首先是位置未知的发送器与和其中一个交叉相关信号相对应的接收器之间的信号的渡越时间，其次是位置未知的发送器与和另一个交叉相关信号相对应的接收器之间的信号的渡越时间。渡越时间表示相应的距离差，所述距离差随后使之能够通过简单的普通几何作图来得到位置未知的发送器的实际位置。

最好，接收器能连续地且没有间断地记录首先在用于执行所述时间偏移量的所述评估步骤的、由位置已知的发送器所发送的接收信号之间，其次在用于执行所述多点定位步骤的由位置未知的发送器所发送的接收信号之间所延伸的时段。

这样，对于由位置已知的发送器发送的信号以及由位置未知的发送器发送的信号两者而言，在接收器接收到这些信号时，共同的时间基准肯定是相同的。此外，因为进行时间重置的时刻与进行多点定位的时刻之差较短，所以由该时间所导致的采样频率的不确定性的测量误差较小。例如，GPS采样频率的不确定性约为每天10-12的量级。

最好，由位置未知的发送器发送并由接收器分别接收到的信号可由接收器连续地记录，最好记录的时段超过至少一个小时或多个小时。

因此，评估步骤和多点定位步骤可在数个点乃至很多点来实施，由此能够改进和平均所得到的结果。此外，随着记录时间变长，则交叉相关的长度也会更长，而且可以通过弱宽频发射来进行更多的可靠的测量。

此外，一旦识别出待分析的事件，则可以停止记录，并随后可将其返回到计算单元，所述计算单元然后能够对所关注的最后几分钟或最后几小时进行测量。

此外，还可以将位置已知的发送器规定为专用的发送器，在想要检索能够确定位置未知的发送器的位置的数据时，可以在计算单元的控制下，通过有线连接或无线连接的远程控制来启动其信号发送。为了使位置已知的发送器更加分散些，这一点是有吸引力的。

最好，接收器的数量至少为三个，最好至少为四个。

因此，基于到达时间差的多点定位能够得到位置未知的发送器的单独一个位置，乃至通过信息的切除来进一步改善所得到的位置。

最好，所述共同的时间基准是由地理定位系统所指定的绝对时间，最好为由GPS所指定的UTC时间(UTC即指“协调通用时间”或“协调世界时间”)。

该绝对时间可以约为5个标准差的100毫微秒的精确度给出，这对于大部分情况而言，相当于最多为30米的潜在距离误差。一旦重置通过同步的接收器所已知的共同的时间基准的各个数值，则精确度则可以提高为大约1米，乃至更加精确。

最好，所述信号可以接收器或者接收器/记录器能够完全截获的频率范围来发送。

最好，所述信号以无线频率范围来发送，最好为3MHz至30MHz的HF频率范围以及/或者30MHz至300MHz的VHF频率范围以及/或者300MHz至3000MHz的UHF频率范围。

由于无线电波具有范围较大且对障碍物的敏感性弱于其它波，比如光波，所以，即便所述范围内散布着障碍物，无线电波仍然可以覆盖很大范围。

最好，根据本发明的定位方法用于监狱的定位过程，其中，囚犯分别装有位置未知的信号发送器且以与其他囚犯的发送器频率不同的频率来运行。例如，约为1米乃至更少的非常精确的定位将是特别引人注意的。

最好，根据本发明的定位方法用于核电站的定位过程，其中，工作人员分别装有位置未知的信号发送器且以与其他工作人员的发送器频率不同的频率来运行。例如，约为1米乃至更少的非常精确的定位将是特别引人注意的。

最好，根据本发明的定位方法用于灾区的定位过程，例如雪崩或地震之后，其中，人们分别装有位置未知的信号发送器且以与其他人的发送器频率不同的频率来运行。例如，约为1米乃至更少的非常精确的定位将是特别引人注意的。

附图说明

本发明的其它特征和优点将通过阅读仅作为示例给出的本发明优选实施例的以下说明以及参考附图而显而易见。

图1图示显示了根据本发明一个实施例的样本定位系统。

图2图示显示了根据本发明一个实施例的样本定位方法。

具体实施方式

图1图示显示了根据本发明一个实施例的样本定位系统。

将三个接收器1、2和3在空间上分别设置在例如接近等边三角形的顶点位置。将位置已知的发送器4设置在该空间中，例如，设置在该等边三角形的中心。需要确定其位置的位置未知的发送器5也位于该空间中。

位置已知的发送器4将信号发送到接收器1至3，如箭头所示，位置未知的发送器5也将信号发送到接收器1至3，如箭头所示。

接收器1至3的所有位置被认为是位置已知的发送器4的位置。因此，根据这些已知的位置，就能很容易地计算出信号的渡越时间差：从发送器4到接收器1的信号的渡越时间与从发送器4到接收器2的信号的渡越时间之差；从发送器4到接收器1的信号的渡越时间与从发送器4到接收器3的信号的渡越时间之差；以从发送器4到接收器2的信号的渡越时间与从发送器4到接收器3的信号的渡越时间之差。在此，在图1的情况下，这些渡越时间差全部为零。

首先，对由接收器1至3所接收到的宽频信号进行以发送器4的发送频率为中心的初始滤波。

然后，对接收器所接收到的信号进行成对的交叉相关——意即由发送器4发送并由接收器1接收到的信号与由发送器4发送并由接收器2接收到的信号之间的交叉相关；由发送器4发送并由接收器1接收到的信号与由发送器4发送并由接收器3接收到的信号之间的交叉相关；以及由发送器4发送并由接收器2接收到的信号与由发送器4发送并由接收器3接收到的信号之间的交叉相关——通常在非零时间偏移量时给出最大值，因为各个接收器1至3都已知不同的共同的时间基准值，因为该共同的时间基准值传达到各个接收器1至3的固有不精确性约为5个标准差的100毫微秒，即在大多数情况下小于100毫微秒。

将其中一个接收器作为参考接收器，例如，接收器1，可以得到两个时间偏移量：第一个时间偏移量T12相当于从发送器4到接收器1的信号的渡越时间与从发送器4到接收器2的信号的渡越时间的之差；以及第二个时间偏移量T13相当于从发送器4到接收器1的信号的渡越时间与从发送器4到接收器3的信号的渡越时间的之差。

保留接收器1已知的共同的时间基准值。用数值T12来校正接收器2已知的共同的时间基准值，以便能够在时间上重置到接收器1已知的共同的时间基准值。用数值T13来校正接收器3已知的共同的时间基准值，以便能够在时间上重置到接收器1已知的共同的时间基准值。如此时间重置的结果是，接收器1至3全部准确地具有相同的共同的时间基准值。

作为选择，接收器可以成对地重置，就每对接收器而言，例如，将接收器1和接收器2一起重置，然后再将接收器1和接收器3一起重置，最后将接收器2和接收器3一起重置。

然后，对由接收器1至3所接收到的宽频信号进行以发送器5的发送频率为中心的第二次滤波。

在对测量得到的渡越时间差进行滤波之前，根据由接收器1至3所接收到的信号来测量得到信号的渡越时间差——从发送器5到接收器1的信号的渡越时间与从发送器5到接收器2的信号的渡越时间之差；从发送器5到接收器1的信号的渡越时间与从发送器5到接收器3的信号的渡越时间之差；以及从发送器5到接收器2的信号的渡越时间与从发送器4到接收器3的信号的渡越时间之差。

这些测量是基于成对地执行由接收器所接收且根据位置未知的发送器5的发送频率进行滤波的信号的交叉相关来进行的。这样，在下列信号之间进行交叉相关：由发送器4发送并由接收器1接收到的信号与由发送器4发送并由接收器2接收到的信号之间；由发送器4发送并由接收器1接收到的信号与由发送器4发送并由接收器3接收到的信号之间；以及由发送器4发送并由接收器2接收到的信号与由发送器4发送并由接收器3接收到的信号之间。

这些交叉相关通过滑动窗口来进行，可对于某些时间偏移值具有最大值，所述时间偏移值与上述渡越时间差相对应，所述渡越时间差表示位置未知的发送器5与接收器1至3之间的距离。通过简单的普通几何作图，时间分离与这些距离相关。已知这些距离就可给出位置未知的发送器5相对于各个接收器1至3的位置并因此给出发送器5在所考虑空间中的位置。所获得的发送器5的位置非常精确，因为不再有在各个接收器1至3之间精确重置的共同的时间基准值的固有不精确性。

图2按照示显示了根据本发明一个实施例的样本定位方法。

在连续记录阶段10，由接收器1至3来连续记录由位置已知的发送器4发送以及由位置未知的发送器5发送的信号，事实上，所述接收器1至3可以数小时(例如以5个小时)来循环记录所接收到的宽频信号。

在任何时刻，例如，因为特殊事件而停止接收器1至3的连续记录的时候，由接收器1至3所记录信号的最后五小时是可用的。在发送阶段20过程中，把在最近几小时内所记录的这些信号发送到处理单元或者分析站。

根据由接收器1至3所接收到的这些宽频信号，首先进行评估步骤30，然后进行多点定位步骤40。在评估步骤30中，要连续地进行计算阶段31、测量阶段32和比较阶段33。在多点定位步骤40中，要连续地进行校正阶段41和交叉相关阶段42。

在计算阶段31，根据接收器1至3以及位置已知的发送器4的已知位置来计算由频率与位置未知的发送器5不同的位置已知的发送器4所发送并由接收器1至3所分别接收到的信号的接收器的渡越时间，如图1更详细所述。

在测量阶段32，如图1更详细所述，所述渡越时间差的测量通过由接收器所接收到的信号之间的交叉相关来进行。

在比较阶段33，所述计算得到的渡越时间差与所述测量得到的渡越时间差的比较针对各个接收器给出所预期的时间偏移，如图1更详细所述。

在校正阶段41，校正时间偏移量，以便将接收器1至3重置到相同的共同的时间基准值，如图1更详细所述。

如图1更详细所述，交叉相关阶段42给出时间偏移值，该时间偏移值与表示从位置未知的发送器5到各个接收器1至3的距离的渡越时间差相对应。

在位置确定阶段50，可以通过简单的普通几何作图使时间分离与这些距离相关联。已知这些距离就可给出位置未知的发送器5相对于各个接收器1至3的位置，并因此给出发送器5在所考虑空间中的位置。所获得的发送器5的位置非常精确，因为不再有在各个接收器1至3之间精确重置的共同的时间基准值的固有不精确性。

当然，本发明不仅限于所述的实例和实施例，还有本领域技术人员可以理解的很多变体。

Claims (15)

1.一种利用信号接收器(1、2、3)来确定位置未知的信号发送器(5)的位置的定位方法，所述信号接收器(1、2、3)彼此同步于共同的时间基准且各自位置是已知的，所述方法包括：

-基于到达时间差的多点定位步骤(40)，其通过由位置未知的发送器(5)发送并分别被接收器(1、2、3)所接收到的信号来实施，

其特征在于：

-所述基于到达时间差的多点定位步骤(40)之前的步骤是评估步骤(30)，以评估接收器(1、2、3)分别已知的共同的时间基准数值之间的时间偏移量，

-所述基于到达时间差的多点定位步骤(40)通过校正(41)所述时间偏移量，以便将接收器(1、2、3)重新设定到各个接收器或者每对接收器所共同的单独时间基准数值来实施。

2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述评估步骤(30)是：

-根据接收器(1、2、3)以及另一个位置已知的发送器(4)的已知位置，来计算(31)在接收器(1、2、3)之间由另一个位置已知的发送器(4)以与位置未知的发送器(5)不同的频率所发送的并且被接收器(1、2、3)所分别接收到的信号的渡越时间差，

-所述渡越时间差的测量(32)通过由接收器(1、2、3)所接收到的信号之间的交叉相关来实施，

-比较(33)所述计算得到的渡越时间差与所述测量得到的渡越时间差，对各个接收器(1、2、3)进行所述时间偏移。

3.根据权利要求2所述的定位方法，其特征在于，由位置未知的发送器(5)发送并由接收器(1、2、3)所分别接收到的信号与由这另一个位置已知的发送器(4)发送并分别被接收器(1、2、3)所接收到的信号由接收器(1、2、3)进行同步的记录，其中，所述接收器(1、2、3)的接收频带足够宽，以便以不同的频率来同步接收信号，所述不同的频率分别与所述位置未知的发送器(5)的发送频率以及所述另一个位置已知的发送器(4)的发送频率相对应。

4.根据权利要求2至3中任一项所述的定位方法，其特征在于，所述另一个位置已知的发送器(4)位于接收器(1、2、3)的中部，更好地，位于接收器(1、2、3)的质心附近。

5.根据前述权利要求中任一项所述的定位方法，其特征在于，所述多点定位步骤(40)在由接收器(1、2、3)以所述位置未知的发送器(5)的发送频率所接收到的信号之间进行交叉相关(42)，其中，提前将所述信号在时间上重置到所述相同的共同的时间基准值。

6.根据前述权利要求中任一项所述的定位方法，其特征在于，所述接收器(1、2、3)连续地和不间断地记录首先在由位置已知的发送器(4)发送的用于执行所述时间偏移量的所述评估步骤(30)的接收信号之间，其次在由位置未知的发送器(5)发送的用于执行所述多点定位步骤(40)的接收信号之间所延伸的时段。

7.根据前述权利要求中任一项所述定位方法，其特征在于，由位置未知的发送器(5)发送并由接收器(1、2、3)所分别接收到的信号可由接收器(1、2、3)作连续的记录，且更好地，记录时段超过至少一个小时或多个小时。

8.根据前述权利要求中任一项所述定位方法，其特征在于，所述接收器(1、2、3)的数量至少为三个，更好地，至少为四个。

9.根据前述权利要求中任一项所述定位方法，其特征在于，所述共同的时间基准是由地理定位系统所指定的绝对时间，更好地为由GPS所指定的UTC时间。

10.根据前述权利要求中任一项所述定位方法，其特征在于，在无线频率范围内发射所述信号，更好地在HF频率范围或VHF频率范围内。

11.应用于监狱中的定位过程，每个囚犯分别装有位置未知的信号发送器(5)且以与其他囚犯的发送器频率不同的频率运行，采用根据前述权利要求中任一项所述的定位方法。

12.应用于核电站的定位过程，工作人员分别装有位置未知的信号发送器(5)且以与其他工作人员的发送器频率不同的频率运行，采用根据前述权利要求中任一项所述定位方法。

13.应用于灾区的定位过程，例如，在雪崩或地震之后，每个人分别装有位置未知的信号发送器(5)且以与其他人的发送器频率不同的频率运行，采用根据前述权利要求中任一项所述定位方法。

14.一种利用信号接收器(1、2、3)来确定位置未知的信号发送器(5)的位置的系统，所述信号接收器彼此同步于共同的时间基准且各自位置是已知的，所述系统包括：

-信号接收器(1、2、3)，其彼此同步于共同的时间基准且各自位置是已知的，

-处理单元，适用于执行基于到达时间差的多点定位步骤(40)，所述多点定位步骤是通过由位置未知的发送器(5)发送并由接收器(1、2、3)所分别接收到的信号来实施的，

其特征在于，所述处理单元还适合：

-在所述基于到达时间差的多点定位步骤(40)之前的步骤是评估步骤(30)，以评估由接收器(1、2、3)分别已知的共同的时间基准值之间的时间偏移量，

-所述基于到达时间差的多点定位步骤(40)通过校正(41)所述时间偏移量，从而将接收器(1、2、3)重置到各个接收器或者每对接收器共同的单独时间基准数值，由此来实施。

15.根据权利要求14所述的定位系统，其特征在于，它包括：

-频率与位置未知的发送器(5)的频率不同的另一个位置已知的发送器(4)，

并且在所述评估步骤(30)：

-根据接收器(1、2、3)以及另一个位置已知的发送器(4)的已知位置，来计算(31)在接收器(1、2、3)之间由另一个位置已知的发送器(4)以与位置未知的发送器(5)不同的频率发送的并且被接收器(1、2、3)所分别接收到的信号的渡越时间差，

-所述渡越时间差的测量(32)通过由接收器(1、2、3)所接收到的信号之间的交叉相关来实施，

-比较(33)所述计算得到的渡越时间差与所述测量得到的渡越时间差，对每个接收器(1、2、3)进行所述时间偏移。