CN107980100B

CN107980100B - 分布式定位系统和方法以及自定位设备

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Publication number: CN107980100B
Application number: CN201680026654.9A
Authority: CN
Inventors: M·赫恩; M·威贝尔; R·德安德里亚
Original assignee: Verity Studios AG
Current assignee: Veriti Ag
Priority date: 2015-03-07
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2036-03-07
Also published as: US20190277941A1; CN107980100A; US20220334598A1; EP3268765B1; US9885773B2; US20180196120A1; WO2016142837A1; CN115267648A; US20240069574A1; US20210149419A1; US10908619B2; JP2018510366A; JP6814752B2; US20160259032A1; EP3268765C0; US11378985B2; US9945929B2; EP3268765A1; US20170003374A1; US10302737B2

Abstract

一种自定位设备，使用作为分布式定位系统的一部分的收发器发送的能进行时间标记的信号来计算该自定位设备相对于收发器的位置。收发器和自定位设备被布置用于使用数字和模拟接收和发送电子部件以及一个或多个高度精确的时钟、补偿单元、定位单元、位置校准单元、调度单元或同步单元进行高度精确的时间标记。收发器和自定位设备还被布置用于允许自定位设备的数量的完全可扩展性，以及允许具有时延和更新速率的稳健的自定位，这对于诸如自主式移动机器人控制之类的高性能应用是有用的。

Description

分布式定位系统和方法以及自定位设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年3月7日递交的美国临时申请第62/129,773 号以及2015年5月29日递交的美国临时申请第62/168,704号的优先权权益，所述两个申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开涉及对象定位领域。本公开还涉及超宽带(UWB)定位系统和方法。本公开还涉及自定位接收设备。

背景技术

物流和工业自动化越来越多地依赖于精确的定位，以支持和控制手动和自动的处理，并且应用的范围从“智能的事物”到诸如自动导引车(AGV)之类的对机器人的有效跟踪及辅助解决方案。

超宽带(UWB)技术已被提倡作为适用于资产跟踪应用的定位解决方案。这种应用涉及对资产及其在仓库、医院或工厂中的存储位置的集中式数据库进行维护。当使用UWB技术时，诸如托盘、装配之类的资产也或者是人可以装配有以规律的时间间隔发送UWB信号的标签。然后在仓库、医院或工厂中安装的UWB传感器可以检测到这些信号。然后中央服务器使用UWB传感器所检测到的UWB信号来计算标签的位置并更新集中式数据库。

移动机器人越来越多地被用来促进消费者和工业设置中的任务性能。自动式移动机器人特别提供了益处，包括：将工人从肮脏、阴暗、危险或远程的任务中解放出来；高可重复性；以及还有在越来越多的案例中的高性能。在使用一般的移动机器人以及特别的自动式移动机器人中的显著挑战是机器人定位，即，确定机器人在空间中的位置。目前的定位解决方案不是很好地适用于许多移动机器人应用，包括当移动机器人在基于全球定位系统(GPS)的定位不可靠或无效之处的区域中操作的情况下的应用，或者需要在人附近的操作的应用。

使用目前的用于机器人定位的UWB定位解决方案将不能使移动机器人直接确定其自己的位置。而是，装配有标签的机器人将首先从其位置发送UWB信号，然后所述机器人附近的UWB传感器将检测到该UWB信号并将所述UWB信号中继到中央服务器，然后所述中央服务器将计算该移动机器人的位置，然后该位置将必须被经由无线链路传送回给所述机器人。这种类型的系统架构总是引入了用于控制移动机器人的显著的通信延迟(例如时延)。该通信架构还导致了相对较高的丢失信号的风险(例如由于无线干扰)和对应的较低的系统稳健性，这使得其不适用于许多安全关键的稳健应用(例如自动式移动机器人操作)。此外，在该架构中，最大标签数量和标签发送频率 (即，定位系统的更新速率(update rate))总是相关联，这是因为多个UWB信号不可以重叠，这导致了相对较低的冗余(即，可用的网络流量负荷所容许的有限数量的标签)以及有限的可扩容性(即，该系统只能并行地支持有限数量的标签)。

图2A是现有技术中提出的用于资产跟踪的集中式定位系统的概况框图。在该系统中，标签202在一些环境中移动，同时在不同时间发送UWB信号208。在该集中式系统中，移动发送器可以独立地操作而不进行同步。固定式UWB传感器204分布在该环境中各处。所述传感器具有同步的时钟。UWB传感器204接收到标签202所发送的UWB信号208，然后将所述信号的接收时间传送给集中式服务器 206。基于每个UWB传感器204处的接收时间，集中式服务器206 计算每个标签202的位置。图2A中所示的系统架构通常对于在集中位置处应当已知所有标签202的位置并且标签202不需要获知所述标签的位置的情况下的资产跟踪是先进的。这些特性使得该系统架构不适用于被跟踪的对象需要获知所述对象的位置的情况，例如基于对机器人位置的获知来作出决定的机器人。此外，由于每个标签202需要发送信号208，因此该系统的更新速率与标签202的数量成反比。这使得该系统架构不适用于需要以高更新速率来跟踪大量的对象的情况。

图2B是现有技术中提出的另一定位系统的概况框图，通过该定位系统，移动收发器252通过UWB信号258的双向交换与固定式收发器254进行通信。这种与固定式收发器254之间的双向通信使得移动收发器252能够计算其自身与固定式收发器之间的飞行时间。在该架构中，必须协调移动收发器252与固定式收发器254之间的通信，使得通信不会干扰。对到三个或更多个固定式收发器254的飞行时间的获知使得每个移动收发器252能够使用三边测量计算所述移动收发器252在环境中的相对位置。由于每个移动收发器252与每个固定式收发器254进行通信，因此系统的更新速率与移动收发器252的数量以及固定式收发器254的数量成反比。因此该架构不适用于必须以高频率定位大量对象(例如跟踪成组的机器人，其中在机器人控制循环中使用位置测量来影响机器人的动作)的情况下的系统。

附图说明

在附图的图示中以示例方式而非限定性地示出了本公开的实施例，其中相似的标记指示类似的元件，其中：

图1A是根据本公开的一些实施例的示意性定位系统的框图；

图1B是根据本公开的一些实施例的示意性收发器的框图；

图2A和2B是现有技术中已知的两个定位系统的框图；

图3和4是示出了根据本公开的一些实施例的用于收发器互联的不同的系统架构的框图；

图5是根据本公开的一些实施例的示意性自定位设备的框图；

图6是根据本公开的一些实施例的示意性时序图；

图7A示出了根据本公开的一些实施例的信道的信道冲击响应的示意标绘图；

图7B是根据本公开的一些实施例的UWB信号的示意性结构的图示；

图8是根据本公开的一些实施例的包括位置更新处理的示意性定位单元152的框图；

图9A和9B示出了例示根据本公开的一些实施例的相对位置、朝向和障碍物可能对UWB信号的接收时间标记的可能影响的示意标绘图；

图10是能够根据本公开的一些实施例来执行的示意性自定位设备的框图；

图11示出了根据本公开的一些实施例的包括自定位设备的示意性移动机器人；

图12是根据本公开的一些实施例的可以与例如图11的移动机器人一起使用的示意性控制单元的框图；

图13A示出了根据本公开的一些实施例的与自动式飞行机器人一起使用的示意性系统；

图13B示出了根据本公开的一些实施例的由四个收发器发送并由自定位设备或收发器接收的UWB信号的示意性发送和接收时间的标绘图；

图14A示出了根据本公开的一些实施例的具有大量收发器的示意性收发器网络；

图14B示出了根据本公开的一些实施例的示意性的简化的收发器网络；

图15A是根据本公开的一些实施例的使用数据接入点的示意性定位系统的框图；以及

图15B是根据本公开的一些实施例的其中自定位设备装配有数据收发器并且其中所述自定位设备能够使用所述数据收发器相互通信的示意性定位系统的框图。

具体实施方式

根据本公开，已经减少或消除了目前的用于定位的系统的局限性。

本公开的某些实施例的技术优点涉及定位三维空间中的对象。某些实施例的技术优点改进了定位精确度。某些实施例的技术优点改进了可以以其获得或更新定位信息的速率。

某些实施例的另外的技术优点涉及例如由装置使用的接收无线信号以确定其自身的位置。在一些实施例中，当不能建立接收装置与足够大数量的信号发送器之间的直视视线时，对定位信号的接收并不恶化。例如，一些实施例允许在不具有对全球卫星导航系统(GNSS) 的良好视线的区域中以及在室内操作。在一些实施例中，信号不会被多路径失真，不会遭受在窄带信号中观察到的多径衰落，或者不会在室内环境中缺少直视视线时遭受降低的信号质量。例如，一些实施例在封闭环境(例如室内)中、在森林中或在密集城市环境中没有显示出性能衰减，例如那些保持对GNSS信号的跟踪变得更困难的环境。

一些实施例的技术优点可以允许多个收发器消息以足够的时间间隔到达接收器天线，避免了信号检测的衰减和定位系统性能的降低。

一些实施例的技术优点使得它们可以被实时地使用，并且可以被无限数量的接收器使用，以确定所述接收器在拒绝全球定位系统的环境或可以期望更大的精确度或系统冗余的任何环境中的二维或三维位置。

一些实施例的技术优点可以通过启用与当前可能的相比具有较高更新速率、具有较低延迟或者具有较高准确度的定位，提高当前移动机器人的性能并且允许对移动机器人新的使用，从而得到更高性能的机器人控制。

一些实施例的另外的技术优点可以允许人、移动机器人或其他机器配置有自定位设备，该自定位设备可以确定其在空间中的3D位置，而不需要发射信号。这可以提高定位性能并且允许定位技术的新使用，这通过以下来实现：通过提供调节优点；通过允许可扩展性(例如，系统可以被不限数量的自定位设备并行地使用)；通过允许较高的冗余(例如，非发射设备允许更多的发射收发器用于给定的网络流量负荷)；通过启用更有效的带宽使用(例如，较低的发射，较少的干扰)；通过提高UWB接收器的能量效率(例如，通过不需要用于发送的能量)；通过增强操作的隐秘性；以及通过使得数据可以本地地用于需要的地方，从而得到提高的更新速率、速度和系统稳健性。

一些实施例的另外的技术优点可以通过融合来自若干源(包括 UWB信号、来自多个位置的全局特性的读数和机载运动传感器)的数据来允许改进的系统性能。

一些实施例的另外的技术优点可以被链接到提供分布式定位系统。这样的系统可以提供提高的稳健性以及机器人操作的安全性，因为它不依赖于来自单个源的传感器信号。它还可以通过提供冗余性来提供良好的性能降级；可以通过提供冗余数据来允许识别和分辨数据的不一致；可以通过基于从各个收发器接收的信号的比较执行定位来提供较高的性能；并且可以通过与增加/移除收发器自动地适配来允许容易的可扩展性。

一些实施例的另外还有的技术优点允许在没有收发器和自定位设备之间的直视视线的情况下进行定位。此外，另外的技术优点允许对来自射频流量的扰动的较低敏感性、安全的通信以及对干扰、噪声和拥塞(jamming)的提高的抵抗力。

对于本领域的技术人员而言，从下面的描述、附图和权利要求来看，另外的技术优点将是明显的。此外，虽然上面已经列举了具体优点，但是各个实施例可以包括所列举的优点中的全部、一些或不包括所列举的优点。所列出的优点不应被认为对于任何实施例都是必要的。

本公开使用能进行时间标记的信号。能进行时间标记的信号是射频(RF)信号，并且每个信号具有可以被检测且可以被精确地进行时间标记的特征。特征的示例包括信号波峰、信号前沿和信号前导码。能进行时间标记的信号的示例包括具有明显的良好定义的可重复的频率随时间提高或频率随时间降低的射频信号。能进行时间标记的信号的另外的示例包括信号突发、信号线性调频(signal chirp)或信号脉冲。能进行时间标记的信号的另外的示例包括具有适用于相位校正或幅度校正技术的特征的信号(例如具有有低的自相关值的码的信号)。

在一些实施例中，所述能进行时间标记的信号是在接收区域上发送的“开环的”单向射频信号。示例包括DCF77时间码信号、全球定位系统P码信号、以及地面集群无线电信号。在一些实施例中，所述设备是非发射设备(non-emitting apparatus)。

在一些实施例中，所述能进行时间标记的信号使用窄频带。在一些实施例中，使用ISM频带中的中心频率或载波频率。在一些实施例中，使用在1-48GHz范围中的中心频率或载波频率。在一些实施例中，使用在2.4-12GHz范围中的中心频率或载波频率。在一些实施例中，使用在3.1-10.6GHz范围中的中心频率或载波频率。在一些实施例中，使用较高的频率。与宽带信号(例如，超宽带 (UWB)信号)相比，窄带信号趋于更多地遭受多径衰减的影响。在窄带信号中，信号持续时间通常长于信道的延迟变化(delay variance)。相反，对于UWB信号，信号持续时间通常少于信道的延迟变化。例如，在具有2纳秒的脉冲持续时间的UWB系统的情况下，脉冲持续时间明显得远小于信道延迟变化。因此，信号分量可以被容易地分辨，并且UWB信号对于多径衰减是稳健的。

在一些实施例中，所述能进行时间标记的信号是UWB信号。 UWB信号在大的带宽上扩展。如在本文中使用的，UWB信号是在超过125MHz或算数中心频率的5％中的较小者的带宽上扩展的信号。在一些实施例中，UWB信号是在超过250MHz或算数中心频率的10％中的较小者的带宽上扩展的信号。在一些实施例中，UWB信号是在超过375MHz或算数中心频率的15％中的较小者的带宽上扩展的信号。在一些实施例中，UWB信号是在超过500MHz或算数中心频率的20％中的较小者的带宽上扩展的信号。在一些实施例中，使用在400-1200MHz的范围中的带宽。在一些实施例中，使用在 10-5000MHz的范围中的带宽。在一些实施例中，使用在50-2000 MHz的范围中的带宽。在一些实施例中，使用在80-1000MHz的范围中的带宽。UWB技术允许初始射频(RF)信号在频域中扩展，从而得到具有较宽带宽、比初始信号的频率内容通常宽的信号。UWB 技术适用于定位系统，因为它可以传输非常短持续时间的脉冲，该非常短持续时间的脉冲可以被用于非常准确地测量信号的到达时间并且因此允许较大范围的应用。UWB信号可以有利地用于定位系统，因为它们具有穿过障碍物以及允许延伸数百米而不会与常规的窄带和用在相同频带中的载波相互干扰的能力。

在一些实施例中，所述能进行时间标记的信号可以被测量为处于相对于时钟的0.6纳秒内。在一些实施例中，能进行时间标记的信号的到达时间可以被测量为处于相对于时钟的1、2、3、4、5、6、7、 8、9、10、11、12、13、14或15纳秒内。

在一些实施例中，两个相继的能进行时间标记的信号的发送时间被以1-500微秒隔开。在一些实施例中，两个相继的能进行时间标记的信号的发送时间被以400-2000微秒隔开。在一些实施例中，两个相继的能进行时间标记的信号的发送时间被以1-1000毫秒隔开。在一些实施例中，使用时间间隔的组合。在一些实施例中，不使用时间间隔。

在一些实施例中，信号的平均等效全向辐射功率(EIRP)密度在所有频率处小于-40dBm/MHz。在一些实施例中，信号的平均 EIRP密度在所有频率处小于-80、-70、-60、-50、-30、-20、或-10 dBm/MHz。

在一些实施例中，发送的信号的最大功率小于每信道0.1mW。在一些实施例中，发送的信号的最大功率小于每信道1.0mW。在一些实施例中，发送的信号的最大功率小于每信道100mW。在一些实施例中，发送的信号的最大功率小于每信道500mW。在一些实施例中，发送的信号的最大功率小于每信道10W。

在一些实施例中，应用信号的最大功率和信号的EIRP密度中的较小限值。在一些实施例中，应用信号的最大功率和信号的EIRP密度中的较大限值。在一些实施例中，应用信号的EIRP密度的限值中的一个和信号的最大功率的限值。在一些实施例中，应用信号的EIRP密度的限值以及信号的最大功率的限值两者。在一些实施例中，限值应用到窄带信号。在一些实施例中，限值应用到宽带信号。

在一些实施例中，收发器的典型有效范围在1m和50m之间。在一些实施例中，收发器的典型有效范围在1m和100m之间。在一些实施例中，收发器的典型有效范围在1m和500m之间。在一些实施例中，收发器的典型有效范围在1m和1000m之间。在一些实施例中，收发器的典型有效范围在1m和5000m之间。在一些实施例中，设备可以仅接收来自收发器子集的UWB信号。

在一些实施例中，使用50Mbps的最大数据速率。在一些实施例中，使用5Mbps的最大数据速率。在一些实施例中，使用1Mbps的最大数据速率。

在一些实施例中，使用线性扩频(CSS)信号。在一些实施例中，使用调频连续波(FMCW)信号。

一些实施例包括定位单元。在一些实施例中，定位单元可以计算以下中的至少一个：(i)朝向或朝向信息，(ii)位置，或者(iii) 自定位设备的运动。

在一些实施例中，定位单元基于UWB信号的接收时间以及收发器的已知位置来计算自定位设备的位置。在一些实施例中，使用到达时间方案。在一些实施例中，使用到达时间差方案。多点定位要求定位单元计算两个UWB信号的接收时间之间的时间差。通过从它们的接收时间的差(也被称为“TDOA测量”)中减去已知的信号发送时间的时间差，定位单元可以计算到从其发送信号的两个收发器的距离的差(例如，因为来自收发器2的信号的接收与来自收发器1的信号相比延迟1ns，所以收发器2比收发器1远30cm)。通过计算多个收发器之间距离的差，定位单元可以能够通过求解双曲线方程组或其线性化版本来计算自定位设备的位置。求解该方程组的方法对于本领域技术人员是已知的，并且可以包括非线性最小二乘、最小二乘、牛顿迭代、梯度下降等。多点定位的方法要求信号发送时间的时间差是已知的。

在一些实施例中，自定位设备的定位单元可以迭代地计算位置。在一些实施例中，不论何时UWB信号被接收到，定位单元迭代地更新位置估计，而不会等待UWB信号从所有收发器被接收。在一些实施例中，当UWB信号被接收时，依赖于其接收时间与之前接收的 UWB信号的接收时间之间的差，计算对当前位置估计的调整。在一些实施例中，已知的滤波方法(例如，卡尔曼滤波、粒子滤波)被用在计算或应用该更新。在一些实施例中，基于当前位置估计的方差来计算调整(例如，如果当前估计相对准确，则将应用较少的调整)。在一些实施例中，基于从其发送UWB信号的两个收发器的位置来计算调整。在一些实施例中，基于测量模型来计算该调整，该测量模型描述基于当前位置估计和两个收发器的位置的TDOA测量的概率分布。在一些实施例中，这使得依赖于TDOA测量被确定为多么准确来应用或多或少的调整(例如，如果第一收发器处于连接当前位置估计和第二收发器的线上，则从两个收发器得到的TDOA测量可以被认为是不可靠的，并且因此应用较少的调整)。

在一些实施例中，定位单元基于描述自定位设备的位置的概率分布的系统模型来更新位置估计。在一些实施例中，该系统模型可以基于其他估计的状态(例如，自定位设备的速率或航向 (heading))。在一些实施例中，该系统模型可以基于输入历史 (例如，如果输入命令根据系统动态可能给出正x方向上的运动，那么新位置估计更可能处于正x方向，而不是负x方向)。

在一些实施例中，该系统模型可以基于来自传感器或全局特性的测量。在一些实施例中，定位单元可以基于全局特性计算自定位设备的位置。在一些实施例中，定位单元可以基于由自定位设备测量的全局特性和由一个或多个收发器测量的全局特性之间的不同来计算自定位设备的位置(例如，如果自定位设备和收发器两者测量气压，那么根据高度和气压之间已知的关系，可以计算该两者之间的相对高度差)。

在一些实施例中，定位单元可以使用位置估计的历史和系统模型来计算主体的其他动态状态，例如速度或航向。例如，如果位置估计的历史指示运动，则可以估计速度。另外的例子是，如果位置估计的历史指示在正y方向上的运动，并且系统模型指示仅仅正向运动是可能的(例如，滑动转向汽车)，那么朝向可以被确定为沿正y方向朝向。

在一些实施例中，位置是一维位置、二维位置、三维位置、或六维位置(即，包括位置和朝向)。

在一些实施例中，定位单元所计算的相对位置是以1m、20cm、 10cm或1cm的精确度来计算的。在一些实施例中，UWB信号的接收和由定位单元提供的更新的位置估计的计算之间的时间延迟小于 50ms、25ms、10ms、5ms、2ms或1ms。在一些实施例中，系统针对全位置更新或针对部分位置更新的更新速率大于1Hz、5Hz、 10Hz、50Hz、250Hz、400Hz、800Hz、1000Hz或2000Hz。

在一些实施例中，定位系统至少包括1、2、3、5、7、10、25、 50、100或250个锚。在一些实施例中，定位系统支持多于1、2、 3、5、10、20、40、100、200、500、1000、5000或10000个自定位设备。

在此使用的时钟表示能够提供时间测量的电路、结构或装置。该时间测量可以以任何适当的时间单位。例如，时间的测量可以基于秒的基本单位。作为另一个例子，时间的测量可以基于以特定速率递增的计数。在一些实施例中，时钟包括用于确定时间测量的内部振荡器。在一些实施例中，时钟基于接收的信号(例如，来自外部振荡器)来确定时间测量。

在一些实施例中，每个收发器可以使用其自身的机载时钟 (onboard clock)。在一些实施例中，单个时钟可以生成经由线缆或无限地发送到每个收发器的时钟信号。在一些实施例中，时钟信号可以依赖于由无线电发送器发送的至少一次性码、或者依赖于陆地无线电时钟信号、GPS时钟信号以及时间标准中的至少一个。在一些实施例中，时钟信号可以基于遵守GPS的振荡器、基于发送器或基于从至少两个时钟计算出的时间估计，以改进时钟信号的准确度或长时间稳定性。

时钟可以例如使用晶体振荡器或温度补偿的晶体。在一些实施例中，增强的时钟精确度可以通过经由晶体恒温箱(OCXO)或经由模拟(TCXO)补偿或经由数字/微控制器(MCXO)补偿进行的温度稳定而得到。在一些实施例中，集中式同步单元被使用。在一些实施例中，原子振荡器(例如，铷)被用作时钟。

在一些实施例中，时钟被构造和布置为具有最大(1x10^-8)²或 (1x10^-9)²或(5x10^-10)²的阿伦方差，用于平均5毫秒和10毫秒之间的间隔或用于平均5毫秒和100毫秒之间的间隔或用于平均1毫秒和1秒之间的间隔。

所述设备或收发器可以装配有模拟和数字接收电子部件。所述接收电子部件可以放大接收的信号并将接收的信号转换成基带信号，然后所述基带信号可以被解调并被传递到中央处理电子部件。接收器的重要设计方面在于最小化噪声和失真。这可以通过仔细选择接收电子部件的组件(特别是放大器的那些)并且通过相应地优化接收器的电路设计来得到。

在一些实施例中，自定位设备或自定位设备的天线、模拟接收电子部件和数字接收电子部件被构造和布置为接收在2、10、50秒的时间窗口内的两个UWB信号，其中该两个UWB信号的时间标记之间的时间差处于相对于设备的时钟它们在设备的天线处的接收时间之间的时间差的0.6、3或15纳秒内。

在一些实施例中，所述设备的数字接收电子部件还能够操作用于参照所述设备的时钟在小于1毫秒、100微秒或10微秒内对接收的 UWB信号进行时间标记。

所述设备或收发器可以装配有模拟和数字发送电子部件。

在一些实施例中，收发器或者收发器的数字发送电子部件、模拟发送电子部件和天线被配置用于在2秒、10秒或50秒的时间窗口内发送两个UWB信号，或者被配置用于使得：参照收发器的时钟，从收发器的天线发送两个UWB信号之间的时间差在它们的调度发送时间之间的时间差的0.6纳秒、3纳秒或15纳秒内。

在一些实施例中，调度单元用于调度UWB信号发送时间。对本领域技术人员而言清楚的是，由收发器造成的关于这个发送调度的任何误差都会影响定位单元计算的位置的精确度。

在一些实施例中，调度时间指的是信号的第一脉冲离开收发器的天线时的时间。在一些实施例中，调度时间指的是帧首定界符的开始 (即，发送信号从前导码的重复发送变到帧首定界符的发送时的点)。在一些实施例中，所述设备被构造和布置为比较由同一收发器发送的两个UWB信号。

在一些实施例中，收发器在分组级协调其发送。在一些实施例中，避免了分组发射重叠。在一些实施例中，分组按如下方式被发射：以轮询方式；以固定间隔；按特定时间序列；或者依次。在一些实施例中，收发器同时发送分组。

在一些实施例中，三个或更多个收发器中的每个包括调度单元。在一些实施例中，单个调度单元可操作地耦接到三个或更多个收发器。在一些实施例中，这种可操作的耦接是有线连接。在一些实施例中，这种可操作的耦接是无线连接。在一些实施例中，这种无线的可操作的耦接是使用UWB信号来实现的。在一些实施例中，调度单元使用比UWB信号速率更低的更新速率。

在一些实施例中，调度单元能够操作用于确保一个收发器终结其发送和不同的收发器开始其发送之间有至少5微秒、10微秒或50微秒的时间分隔。在一些实施例中，调度单元能够操作用于监测UWB 信号。在一些实施例中，调度单元能够操作用于计算改进的调度。在一些实施例中，调度单元能够操作用于确保一个UWB信号的结束和由同一收发器发射的第二UWB信号的开始之间有至少1微秒、5微秒或10微秒的时间分隔。在一些实施例中，调度单元能够操作用于维持对介质访问控制地址和调度发送时间的分派的记忆。

在一些实施例中，所述三个或更多个收发器中的每个包括传感器。在一些实施例中，传感器物理地并可操作地耦接到收发器。在一些实施例中，传感器能够操作用于提供表示收发器的朝向、位置或移动的数据。在一些实施例中，传感器被构造为检测对收发器的位置或朝向的扰动。

在一些实施例中，所述设备包括传感器，该传感器物理地并可操作地耦接到所述设备，并且能够操作用于提供表示所述设备的朝向的数据。在一些实施例中，传感器能够操作用于提供表示所述设备的朝向、位置或运动的数据。在一些实施例中，传感器被构造并布置为提供表示自定位设备的天线的朝向的数据。

来自传感器的数据可以被定位单元或位置校准单元处理。例如，与地标相关的数据可以与其它数据(例如，与另一地标相关的数据、来自存储器的数据、传感器数据、表示位置的数据)进行比较，以改进位置估计或位置校准单元。作为另一个示例，由第一相机检测到的地标相对于收发器的位置与由第二相机检测到的同一地标相对于自定位设备的位置之间的比较可以允许定位单元改进定位估计。比较可以使用与一个或多个地标相关的数据。比较可以使用与由一个或多个视觉传感器的观测相关的数据。

可以有益地用作本公开的部分的传感器的典型示例包括光学传感器、加速计、磁力计和陀螺仪。

在一些实施例中，微机电系统(MEMS)或压电系统可以用于允许获得本公开中概述的操作特性。这种可以有益地随本公开使用的微传感器的示例包括MEMS陀螺仪、MEMS加速计、压电陀螺仪和压电加速计。在一些实施例中，微传感器的使用允许使用一个或多个惯性测量单元(IMU)，每个惯性测量单元可以在每个子系统中组合多个陀螺仪或加速计，或者使用多轴陀螺仪或加速计。在一些实施例中，这种微传感器的选择允许产生或使用适合高度动态移动的自定位设备，这样的自定位设备要求低重量和低功耗，但是还要求高性能。例如，3轴MEMS陀螺仪可以用于监测自定位设备的姿态，并且允许在超出姿态阈值的情况下触发信号。作为另一示例，MEMS陀螺仪可以用于控制在附近盘旋的装配有自定位设备的小型飞行机器人，而不论其低的时间常数。光学传感器的示例包括红外传感器、线性相机、光学流量传感器和成像传感器等。

一些实施例包括全局特性传感器，即，能够操作用于提供表示全局特性的数据的传感器。

全局特性的示例包括在地区中的多个或每个点具有可确定的值的场(field)，例如重力、电磁力、液压和气压。全局特性的另外的示例包括射频信号强度、全球定位系统(GPS)信号、地球的磁场、地球的重力场、空气压力、地标和无线电时间信号(例如DCF77时间码发送器发送的无线电时间信号)。地标的示例包括地平线、太阳、月亮或星星、山川、建筑和突出的环境特征。突出的环境特征可以包括诸如山川的独特自然特征，诸如纪念碑的独特建筑，以及诸如在同时定位和地图构建(SLAM)中使用的那些的其它环境特征。地标的另外的示例包括在尺度不变特征变换(SIFT)和加速稳健特征 (SURF)中使用的那些特征。注意，在本公开中，GPS或GNSS可以被用作占位项来描述由诸如例如GLONASS、伽利略(Galileo)、 IRNSS或北斗-2(BeiDou-2)的其它全球导航卫星系统以及它们的改进版本(比如，实时动态(RTK)GPS或DGPS)产生的任何类似信号。

在一些实施例中，设备和收发器均被配置用于检测相同的全局特性。在一些实施例中，收发器被配置用于向设备或者另一收发器传送表示在该收发器的位置处的全局特性的数据，并且该设备或另一收发器被配置用于将该数据与表示在该设备或另一收发器的位置处的同一全局特性的数据进行比较。在一些实施例中，全局特性可以与全局特性模型相关联。

在一些实施例中，全局特性传感器是方向传感器。方向传感器可以使得收发器能够测量其相对于收发器和自定位设备所共同的参考系 (frame of reference)的方向。然后，收发器可以发送表示该收发器的朝向的信号，该收发器的朝向作为数据(载荷)被包括在UWB信号内。在一些实施例中，收发器能够测量其朝向，并将这一朝向作为 UWB信号的载荷来发送。

在一些实施例中，位置校准单元可以计算对收发器的位置的估计。在一些实施例中，收发器位置被计算一次(例如，作为在定位系统的建立过程中的校准例程的一部分)。在一些实施例中，收发器位置被连续计算(例如，每次与收发器的位置相关的新数据变得可用时)。在一些实施例中，利用已知、部分已知、估计的或者部分估计的位置信息(例如，初始收发器距离、位置或者朝向可以被手动测量或输入)来初始化收发器位置单元。

位置校准可以以各种方式实现。例如，位置校准单元可以基于从具有已知位置的其它收发器接收的进行了时间标记的UWB信号来计算收发器的位置。例如，这可以允许向已有的收发器网络添加附加的收发器。在一些实施例中，位置校准单元与定位单元类似地操作，或者反过来。在一些实施例中，位置校准单元可操作地耦接到补偿单元。

在一些实施例中，单个位置校准单元可以用于计算多个收发器相对于彼此的位置。这可以例如允许尚未具有已知位置的收发器的网络的初始化。在一些实施例中，使用多个位置校准单元(例如，每个收发器一个位置校准单元)。

在一些实施例中，位置校准单元被实现为在收发器外 (offboard)。例如，位置校准单元可以在使用线缆连接到收发器的膝上型计算机上被实现。例如，这可以允许对操作者而言更便利的接口。

在一些实施例中，同步单元能够操作用于基于第二时钟对(i) 第一时钟的偏移量和(ii)第一时钟的速率中的至少一个进行同步。在一些实施例中，基于众多定位系统的时钟的平均、中值和统计特性中的至少一个来计算校正或者执行同步。在一些实施例中，使用还提供时序信息的全局特性，该时序信息诸如由GPS、DCF 77和另外的系统提供的那些信息。在一些实施例中，同步单元使用还提供时序信息的全局特性。

在一些实施例中，同步单元能够操作用于显式或隐式地考虑由以下中的至少一项引入的时序误差：(i)设备时钟的速率与第一通信收发器的时钟的速率之间的第一差别；以及(ii)设备时钟的速率与不同的第二通信收发器的时钟的速率之间的第二差别。

在一些实施例中，同步单元能够操作用于基于由补偿单元计算的补偿或在存储器中存储的数据来执行同步或计算时钟校正。

在一些实施例中，同步单元能够操作用于对机载时钟速率进行同步，使得机载时钟速率与两个其它收发器的机载时钟速率的中值之间的统计平均误差小于百万分之十或百万分之一或十亿分之一百。在一些实施例中，同步单元能够操作用于同步机载时钟的偏移量，使得机载时钟的偏移量和这两个其它收发器的机载时钟偏移量的中值之间的统计平均误差小于10纳秒或者5纳秒或者1纳秒。在一些实施例中，这是通过以下来实现的：显示或隐式地考虑通过收发器的天线和收发器的模拟和数字发送电子部件中的一个或多个引入的时序误差，或者根据进行了时间标记的UWB时钟同步信号和由收发器的存储器单元提供的数据来计算对机载时钟偏移量的时钟校正，或者更改时钟速率(例如，更改时钟的电压、温度或晶体微调)。

在一些实施例中，补偿单元用于校正信号延迟。在一些实施例中，补偿被计算一次(例如，作为校正例程的一部分)并且被存储在存储器中。在一些实施例中，补偿在操作期间被动态或连续地计算。

补偿单元计算用于从调度UWB信号在收发器处的发送时间的时刻到在收发器或设备的接收电子部件处对UWB信号进行时间标记的时刻对UWB信号的影响的补偿。这些影响包括在自定位设备或收发器机上的影响以及在从发送天线到接收天线的飞行过程中的影响。影响的一些示例包括：(1)在直接信号路径中或者靠近直接信号路径的障碍(例如，在电磁波的波瓣中的障碍还将引起对频谱形状的改变)，(2)传输介质(例如，对信号中包含的不同频率的传输对所有介质而言不是相同的)，(3)信号增益的变化(例如，可以对特定增益进行校准，但是可能优选的是更改增益以满足使用用例的特定需求)，(4)信号功率的变化(例如，在实践中，实际的发送功率不仅受到信号增益的影响，还受到发送器的电子部件和天线之间的损耗的影响)，(5)谐振器微调(例如，用来精细调谐其晶体谐振器时钟的工作频率的电容器)，(6)更改系统部件(例如，校正是特定于包括天线线缆和连接器的部件的具体组合)，(7)衰退(例如，信号可能受到系统部件(特别是天线、线缆或连接器)随时间的退化的影响)，(8)外部干扰源(例如，另外的接收器和发送器天线以及数字装备、AC电源装备等可能引起干扰)，(9)操作环境 (例如，温度、湿度、磁场和其它因素的改变可能影响电子部件的操作并且因此影响频谱形状或其检测)，(10)电源(例如，电压源的改变可能影响电子部件的操作)，(11)安装点(例如，靠近天线的金属物体和结构可能引起干扰；天线应当被放置为距离金属物体和结构至少四分之一波长(例如，对于1GHz信号而言大于7.5厘米)， (12)频谱带宽(例如，校准是特定于所使用的带宽的，对于在不同地区的使用，带宽可能需要被更改，例如，以符合调控的频谱限制)，(13)多径干扰(例如，从不同表面反射的信号以稍微不同的时间和强度到达接收器)，以及(14)系统部件的老化也可能影响测量的延迟，特别是对于时钟，时钟甚至在它们工作的前几个星期之后就持续老化，具有最高质量晶体的时钟的老化速率为每天十亿分之 0.1(0.1PPB)。

补偿典型地通过例如基于信号质量或组延迟来校正接收时间标记或校正发送时间信息(例如，UWB数据中包括的作为载荷的发送时间标记)而实现。该校正可以(例如通过为个体时间标记计算校正或者修改个体时间标记)被立即计算和应用或者(例如通过批量为时间标记计算校正或者批量修改时间标记)被批量计算和应用。补偿可以使用若干数据源来确定需要的校正；数据源的示例包括(i)收发器和设备的位置和朝向的数据表示；(ii)由机载传感器提供的数据； (iii)存储在存储器中的数据；(iv)由同步单元提供的数据；以及 (v)由数字接收电子部件提供的质量度量。

在一些实施例中，补偿单元补偿设备的天线相对于收发器的天线的位置、朝向或移动的影响。在一些实施例中，补偿单元补偿障碍物的影响。在一些实施例中，补偿通过计算以下各项来执行：(i)对距离、时间或持续时间的校正的数据表示，(ii)对第一和第二距离、时间或持续时间的比较的校正的数据表示，或(iii)对多个距离、时间或持续时间的比较的校正的数据表示。在一些实施例中，校正的数据表示被提供给定位单元。

在一些实施例中，补偿单元可以考虑在设备的天线和收发器的天线之间由UWB信号穿过的障碍物。这些障碍物和它们相对于收发器的位置、它们的特性等可以从蓝图或现场测量结果得知。障碍物还可以在操作期间作为校准例程的一部分被确定、被手动输入或者二者的组合(例如，被手动输入并且在操作期间被调整)。

在操作期间确定障碍物可以例如通过使用与接收的信号相关的质量度量来实现。由于UWB信号覆盖宽范围的频率，并且电磁波的传输取决于波的频率和它们穿过的材料二者，所以在接收设备处UWB 信号的频谱的差异可以被用来指示信号的路径中或者信号的路径附近的障碍物的存在。例如，在接收到的频谱中某个频率范围的衰减或完全不存在特定频率范围可以指示在收发器和接收器之间的路径中存在吸收该特定频率的障碍物。相反，某些频率的增加可以指示朝着接收器反射某些频率的、在信号的直接路径附近的障碍物。然而，甚至监视UWB信号的频谱形状随时间的简单改变也可以提供有用的信息，并且例如在由定位单元或由补偿单元将来自多个测量结果的数据融合到估计器中时都可以被用作对测距(ranging)测量结果的置信度度量。这对于接近发送天线或接收天线的障碍物(包括收发器/设备自己的电子部件和外壳以及它的安装点)尤其重要。这还可以例如通过比较根据UWB信号的行进时间计算出的收发器和设备之间的相对距离与由定位单元并使用质量度量(例如，测量噪声、随时间/由不同设备/在不同的相对朝向/在不同的距离处/在不同的方向上的多个测量结果(诸如接收电子部件、同步单元、补偿单元或定位单元可以实时提供或从存储器提供的测量结果))计算出的收发器和设备之间的相对距离计算补偿来实现。这还可以通过(例如，使用同时定位与地图构建(SLAM)的)障碍物的三维重构来实现，在一些实施例中通过组合来自多个测距测量结果的数据来实现。例如，来自在扩展的时间段操作多个自定位设备和收发器的大量测距数据可以被使用。还可以通过对障碍物的假设(例如，假设它们的尺寸的约束、它们在空间中的朝向、它们的表面特性(例如，平的表面)、它们的材料(例如，同质的障碍物)等)来辅助重构或者通过使用用于点云匹配的方法 (例如，以检测来自候选库的已知障碍物)来辅助重构。还可以通过结合障碍物或传输媒介对峰/谱形状的影响的模型使用来自接收电子部件的数据(例如，峰形状/谱形状)来辅助对障碍物的补偿。与障碍物相关的数据、它们对UWB信号的影响或者与计算补偿值相关的数据可以由补偿单元存储在存储器中以供未来使用，例如存储为对于空间的不同区域的补偿值的查找表。

在一些实施例中，补偿单元还可以作为其计算的一部分使用由其它系统部件提供的信息或来自存储器的数据(例如，与来自同一收发器的先前的UWB信号相关的数据、与定位系统或其部件的特性或设置相关的数据、与通信架构相关的数据、包括收发器在空间中的位置、朝向和安装的与收发器的设置相关的数据)，这些其它系统部件诸如接收电子部件(例如，提供质量度量、UWB信号的组延迟)、定位单元(例如，提供障碍物、设备的位置和朝向的先验估计)、同步单元(例如，提供关于本地时钟的行为的信息)。令人感兴趣的组合可以从SLAM的使用得到，SLAM可以作为由定位单元执行的估计的一部分被使用并且可以帮助从环境的重构确定障碍物，障碍物然后可以由补偿单元使用。另一种令人感兴趣的组合可以从用于检测移动不存在的传感器的使用得到。例如，传感器可以在一些实施例中被用于(例如，通过检测加速计传感器的输出已经对于某一时间量保持在某一阈值以下)检测自定位设备不在移动。补偿单元可以使用检测到的设备的移动的不存在来通过在移动不存在的持续时间内对UWB 信号取平均而计算改进的补偿。类似地，定位单元可以使用检测到的移动的不存在来改进其定位估计。作为另一示例，中央处理电子部件在一些实施例中可以使用检测到的移动的不存在来校准MEMS陀螺仪。

在一些实施例中，补偿单元还可以考虑设备的天线相对于收发器的天线的相对朝向、方向和距离的影响。由于创建用于UWB的全向天线的难度，因此这是重要的。还因为一些设备取决于它们相对于收发器的在空间中的位置或者取决于所使用的通信架构可能正接收来自大量收发器的信号、以较高的更新率接收信号或者接收比其它信号具有较高质量的信号，所以这是重要的。与补偿值的计算相关的对应值可以作为校准例程的一部分被确定或者在使用期间被确定(例如，由操作者提供)并且可以使用假设(例如，辐射对称性)或使用如上文所述的来自其它系统部件的数据被改进。它们然后可以被存储在存储器中以供使用，例如存储为用于相对天线朝向、方向和距离的不同成对组合的补偿值的查找表。

在一些实施例中，补偿单元还可以考虑部件的老化(例如，腐蚀)或其它依赖于时间的改变(例如，升温/冷却)的影响。与补偿值的计算相关的对应数据可以作为校准例程的一部分被确定或者在使用期间被确定并且可以使用假设(例如，诸如天线的辐射模式之类的模型)或使用如上文所述的来自其它系统部件的数据被改进。它们然后可以被存储在存储器单元中以供使用，例如存储为对于依据时间或依据传感器数据的不同改变的补偿值的查找表。

在一些实施例中，补偿单元还可以考虑外部干扰源的影响，外部干扰源诸如操作环境的(周围温度、湿度、气压)可能影响电子部件的操作以及UWB信号的传播特性两者并且可以由传感器确定的改变。外部源的其它示例包括操作环境或障碍物的间接后果，诸如多径干扰。与补偿值的计算相关的对应数据可以作为校准例程的一部分被确定或者在使用期间被确定并且可以使用假设(例如，湿度对UWB 信号传播的影响的模型)或使用如上文所述的来自其它系统部件的数据被改进。它们然后可以被存储在存储器中以供使用，例如存储为对于依据(例如，从机载或外置天气站)被传送给补偿单元的环境数据或来自设备的机载传感器的环境数据的不同改变的补偿值的查找表。

在一些实施例中，补偿单元还可以考虑系统设置或特性的影响，系统设置或特性诸如信号增益、信号功率、振荡器调整(trim)、电源电压、频谱带宽的变化或更改的系统部件。同样，与补偿值的计算相关的对应数据可以作为校准例程的一部分被确定或者在使用期间被确定并且可以使用假设(例如，模型)或使用如上文所述的来自其它系统部件的数据被改进。补偿单元的性能还可以通过允许补偿单元访问对应的系统数据并且如果可用的话访问(例如，如机载检测的或如外置检测并且被传送给补偿单元的)传感器读数而被改进。它们然后可以被存储在存储器单元中以供使用，例如存储为特性的系统设置的多项式函数，或者存储为对于设置/特性的查找表。

在一些实施例中，补偿单元还可以考虑系统部件的影响。其它电子部件，包括在特定放大器、模拟接收和发送电子部件、天线和电源中的电子部件，同样对时序错误、信号质量或组延迟有重要影响。虽然通过适当的电路设计并且特别是通过优化发送器的频谱带宽的自由配置能力和发送器的发送功率的自由配置能力，错误可以被减少，但是补偿单元仍然可以作为优化电路设计的替代或附加而被使用。由于传输的谱形状取决于收发器的电路板的布局以及附近的外部部件，所以可调整的发送谱形状是允许发射器的频谱屏蔽的优化的另一考虑。除了信号的功率之外，定位系统的性能还受信号的质量和信号的组延迟影响。这可以通过优化UWB天线以保留发送的信号的完整性以及尤其是维护用于发送数据的尖的脉冲轮廓来改进。还可以通过选择允许不同天线选项的容易的评估的机载天线连接、创建分布式天线以增加发送范围、设计具有多个天线的系统以增加吞吐量和接收可靠性、优化天线在将电磁波转换为电流以及将电流转换为电磁波方面的效率以降低系统的功率消耗、针对允许对宽范围的设计选项的评估的低成本制造(例如，印刷)进行优化、以及比较有向天线和全向天线的性能以针对特定用例进行优化来对于特定应用进一步优化设计。此外，可以通过选择针对低噪声和高热稳定性而被优化的放大器和其它部件来改进设计。与补偿值的计算相关的对应数据可以依据上面的系统部件的特性而被确定，例如，作为校准例程的一部分被确定或者在使用期间被确定，并且可以使用假设(例如，模型、来自规格表的数据) 或使用如上文所述的来自其它系统部件的数据(例如，存储在存储器中的校准数据)被改进。

在一些实施例中，补偿单元可以使用来自存储器的数据，或者可以根据过去的观测推断与补偿值相关的数据。例如，补偿单元可以将与在自定位设备和第一收发器之间行进的UWB信号相关的数据和与在自定位设备和第二收发器之间行进的UWB信号相关的数据进行比较以计算与自定位设备相关联的天线延迟。作为另一示例，补偿单元可以将与在多个收发器之间行进的多个UWB信号相关的数据进行比较以计算每个收发器的独特(idiosyncratic)延迟。作为另一示例，补偿单元可以将与在自定位设备和多个收发器之间行进的UWB信号相关的数据和来自定位单元的数据进行比较以计算独特延迟。作为另一示例，补偿单元可以将与在第一时间点或在第一位置在自定位设备和收发器之间行进的UWB信号相关的数据和与在第二时间点或在第二位置在自定位设备和收发器之间行进的UWB信号相关的数据进行比较以计算独特延迟。在一些实施例中，类似的比较可以被用于允许补偿单元计算其它补偿，包括在前面的示例中列出的补偿。

与上面针对补偿单元和UWB信号所概述的策略类似的策略也可以被同步单元使用或用于UWB时钟同步信号。

应当理解，虽然补偿及其各方面有时针对在设备和收发器之间行进的信号被解释，但是对于在两个设备之间或两个收发器之间行进的信号，解释可以是同样有效的并且可以被类似地使用。

控制单元被用于依赖于从定位单元接收的数据(例如，位置估计)或传感器(例如，机载传感器)或全局特性(例如，大气压)而生成用于致动器的控制信号。

控制单元可以实现现有技术中良好地建立的或广泛使用的控制规律。这种控制规律的示例包括PID控制；模型预测性控制；滑动模式控制；全状态反馈；以及后退控制。依赖于控制规律，控制单元可以使用由定位单元提供的状态估计。

控制单元可以计算用于单个致动器的控制信号。在一些实施例中，控制单元计算用于不同的致动器集合的不同的控制信号的集合。例如，控制单元可以计算用于第一模块或机器人的第一轴的两个致动器的控制信号的第一集合或者用于第二模块或机器人的第二轴的控制信号的第二集合。

致动器可以属于移动或控制机构或系统的电子发动机、磁发动机和机械发动机的组。示例包括压电致动器、无刷电机和伺服马达。

在一些实施例中，设备的致动器被配置为在该设备的三个平移自由度上移动该设备。在一些实施例中，致动器被配置为在设备的三个旋转自由度上移动该设备。在一些实施例中，致动器被结构化和布置为使设备的一部分移动，诸如天线或效应器。在一些实施例中，多个致动器被结合使用。

在一些实施例中，设备的致动器被配置为使设备的位置移动至少 30cm。在一些实施例中，设备的致动器被结构化和布置为使设备的位置移动至少100cm。在一些实施例中，设备的致动器被结构化和布置为使设备的旋转移动至少30度。在一些实施例中，设备的致动器被结构化和布置为使设备的旋转移动至少90度。

图1A示出了包括三个收发器110和两个自定位设备130的示意性定位系统100(在此有时称为“网络”)的框图。三个收发器110 中的每个发送能进行时间标记的定位信号102。在一些实施例中，三个固定式收发器110已知对于彼此的相对位置。在一些实施例中，三个收发器110具有同步的时钟300。收发器在此有时称为“锚 (anchor)”或“信标(beacon)”。应当理解，虽然在图1A中示出了三个收发器和两个自定位设备，但是可以在定位系统100中使用任何适当数量的收发器和自定位设备。

两个移动自定位设备130接收能进行时间标记的信号102。每个移动自定位设备130可以使用信号102来计算所述移动自定位设备 130相对于收发器110的位置。在一些实施例中，这是通过对信号 102进行时间标记、将所述时间标记转换为距离、以及使用这些距离来计算相对位置来实现的。该转换可以使用对信号102在传输介质中的速度(例如光在空气中的速度)的估计。该转换可以使用定位单元 152来实现。定位单元152可以通过三边测量或多点定位来计算自定位设备相对于已知的收发器110的位置的位置。通过数字接收电子部件148和时钟300可以足够精确地进行时间标记。

图1A中的每个收发器110包括模拟电子部件和数字电子部件。天线112耦接到模拟发送电子部件116。模拟发送电子部件116可以根据至少一个数字数据分组产生模拟发送信号。数字数据分组由数字发送电子部件118提供。可以使用模拟脉冲发生器来产生模拟发送信号。模拟发送信号在被传送到天线112以用于发送之前，也可以被放大器放大。

在图1A中，发送电子部件116、118用于将载荷数据(有时称为“载荷”)转换为信号102，然后信号102可以被发送器110发送。这里，使用UWB信号102。单个收发器110所发送的单个的 UWB信号102可以被多个设备130接收。每个设备可以使用从多个信号102获得的信息来计算所述设备的位置，而不发送所述设备自身的信号。

时钟300耦接到发送电子部件116、118，并提供用于发送UWB 信号102的时序信息。时钟300可以包括机载时钟，或者可以具有接收来自例如在远程位置处的外置时钟(未示出)的时间信息的无线或有线的连接(未示出)。

可以使用调度单元150来协调来自三个收发器110的发送(例如 UWB信号102)，调度单元150能够操作用于对UWB信号102的发送的调度。调度单元150可以提供UWB信号之间的足够的时间间隔，以避免收发器消息在没有足够的时间间隔的情况下到达接收器的天线132，这会导致衰减的信号检测以及由此导致定位系统100的降低的性能。在一些实施例中，调度系统150可以实现ALOHA协议以减少或防止不足够的时间间隔的结果。在一些实施例中，信号发送可以遵循预先编程的顺序，或者可以集中地执行调度，并且调度被传送到每个收发器。在一些实施例中，调度可以被每个收发器执行。例如，用于收发器的调度可以基于由所述收发器存储的与其它收发器相关的信息(例如排序的列表或在范围内的其它收发器的广播调度)。

模拟发送电子部件116耦接到数字发送电子部件118，它们一起允许UWB信号102的发送。这种发送可以被执行以使得来自天线 112的信号102的发送在相对于时钟300的特定的发送时间精确地发生。这可以使用数字发送电子部件118来实现。数字发送电子部件 118可以使其操作与调度单元150协调。优选地执行在特定时间发送信号，以使得在特定时间从天线112发射特定符号。对于遵循IEEE 802.15.4标准的发送，在所述时间要发送的符号的常见选择是帧首定界符的起始处，即，所发送的信号从重复发送前导码变为发送帧首定界符之处的点。数字发送电子部件118可以使用时钟300所提供的信号作为在所述特定时间的该发送中的基准；因此可以相对于该时钟地表示所述发送时间。

图1A中所示的两个自定位设备130每个被配置用于通过天线 132、模拟接收电子部件136以及数字接收电子部件148来接收收发器110所发送的UWB无线电信号102。接收电子部件136、148可以精确地确定所述发送的信号到达天线132时的接收时间。确定信号的接收时间(“进行时间标记”)可以通过确定检测到符号时的时间来执行。对于遵循1EEE802.15.4标准的发送，对于要进行时间标记的符号的常见选择是帧首定界符的起始处(即，所发送的信号从重复的发送前导码变为发送帧首定界符之处的点)。数字接收电子部件148使用设备的时钟300所提供的信号作为该时间标记处理中的基准。因此可以相对于该时钟地表示所述时间标记。在一些实施例中，时钟300包括机载时钟。接收电子部件136、148也可以提供与接收的信号102相关的附加的度量。质量度量可以例如包括信号强度、接收时间标准偏差、或信号的噪声特性。可以基于绝对值(例如绝对信号强度)或基于相对值(例如信号强度差)来计算质量度量。也可以通过比较信号来计算质量度量。例如，可以基于对信号随时间的比较、来自不同收发器的信号之间的比较、从不同方向接收的信号的比较、信号与阈值的比较、信号与其期望特性的比较、等等来计算质量度量。比较可以使用个体信号特性(例如峰值功率)或整体信号(例如信号的频谱形状)。质量度量可以例如用于确定信号102是否以视线行进、或者信号102已穿过了什么材料、或者信号102已如何被反射。

每个设备130还可以包括全局特性传感器158。全局特性可以通过提供相对于基准点(例如收发器或协调系统)的附加的基准数据来允许对自定位设备130的相对位置的更精确的计算。这可以通过装配至少一个收发器110和自定位设备130以检测全局特性来实现。定位系统的精确度可以通过包括以下步骤的方法来改进：(i)向设备发送收发器的全局特性读数，(ii)将所述收发器在其位置处的全局特性的读数与所述设备在其位置处的全局特性的读数相比较；(iii)使用全局特性的模型(“全局特性模型”)来将所述比较变换成与朝向、位置或移动相关的数据；以及(iv)通过使用估计器适当地将该数据与其它传感器数据相融合(fusing)。步骤(ii)和(iii)可以使用定位单元152来实现，例如图1A中作为设备130的部分示出的定位单元。全局特性模型允许将一个或多个全局特性的读数转换为可以被定位系统处理的数据(例如描述随海拔/高度变化的空气压力的等式)。模型可以采用各种形式，例如函数或查找表。

除了诸如来自本地机载传感器155的数据之类的定位系统100所提供的其它数据之外，来自一个或多个全局特性传感器156、158的数据的使用在出现系统传感器误差或具有高噪声比的传感器时可以是特别有用的。例如，在用于室外安装的示例性实施例中，设备和多个收发器可以被装配用于除了UWB信号102之外还接收全球定位系统信号。这可以允许该设备不仅确定该设备相对于所述收发器的位置，还涉及使用定位单元152的全局基准帧。此外，该定位模式的组合可以允许通过比较来自两个独立的测量系统的读数来检测错误数据。还可以通过将所述收发器和所述设备装配诸如气压计之类的附加的传感器156、158以检测全局特性来改进所述定位系统。这可能特别有利于允许定位单元152获得更精确的、更可靠的、或更快的在垂直方向上的定位，对于定位单元152而言，全球定位系统和UWB可能由于 UWB收发器(通常都在设备下方的地平面上)和全球定位系统卫星 (高高在空中，典型地是高高地在设备上方)的不理想的定位而提供较差的信息。

全局信号也可用于确定通信收发器的天线112和接收器的天线 132的相对朝向，这可以具有对信号质量或群延迟的重要影响，并由此具有对其计算的相对位置的重要影响。确定朝向可以例如通过检测收发器的重力矢量(例如使用加速计)、将该信息传送到所述设备 (例如作为UWB信号的载荷的部分)、以及使用用于每个收发器的和设备的相对于它们的加速计的天线朝向的模型将该信息与所述设备所检测的重力矢量(可能对设备的运动的影响进行校正)相比较来实现。该比较可以通过补偿单元来执行。

除了上面概述的使用全局特性的传感器158之外，每个自定位设备还可以装配有机载传感器(155)。

定位单元152使用数据来计算位置估计。数据可以包括UWB信号102、来自一个或多个机载传感器155的数据、来自一个或多个外置传感器156的数据、来自一个或多个全局特性传感器156、158的数据、或其它数据。与UWB信号102相关的数据可以包括载荷、时间标记、信号特征(例如信号强度、波峰形状等)等等。这可以通过使用估计器基于数据的融合的当前值以及其它信息(例如对输入历史的知识、设备的动态模型)计算对设备130的位置(以及可能的朝向或运动)的估计来实现。

每个单独接收的UWB信号102可以被递归地使用，以通过将所述UWB信号与先前的(先验的)估计相融合来提供更新的(后验的)位置估计。在一些实施例中，(扩展)卡尔曼滤波器、互补滤波器、粒子滤波器、龙贝格(Luenberger)观测器或任何其它适当的技术可以用于递归地计算估计。

定位单元152可以通过将UWB信号存储在存储器中并(在接收到预定义的数量的信号之后或者以固定的时间间隔)对所述UWB信号进行批处理来收集若干UWB信号接收。批处理方法可以基于通过解针对设备130的位置的到达时间差(TDOA)测量的多点定位技术。

在一些实施例中，可以使用递归和批处理的组合。

存储器单元(图1A中未示出)可以用于存储用于批处理的诸如接收的UWB信号102之类的信息、当前位置估计、或用于递归计算和传感器融合的参数。定位单元152也可以使用来自补偿单元(图 1A中未示出)的数据(例如补偿值)或数字接收电子部件148所产生的与接收的UWB信号102相关的信息(例如质量度量)。

信号质量的变化或组延迟的原因可能是收发器和设备是小的并且可以相对彼此较近地操作。这可能导致在典型的应用中使用的以及在典型地应用期间遇到的发送器天线112相对于接收器天线132的各种相对朝向、相对距离和相对方向，例如位于平面上的多个收发器且设备在所述平面上方或下方操作，或者位于在容积物周围的多个收发器且设备在所述容积物的凸壳内操作。

与其它定位系统中不同，这里到达设备处的信号102可以具有变化的质量，或者可以具有不同的群延迟。在一些实施例中，定位单元 152可以用于通过使用UWB信号的特性以及与接收的UWB信号相关的质量度量来相对于现有的定位系统改进定位估计，诸如接收部件所提供的质量度量(例如UWB峰值信号强度、UWB波峰形状)。这可以例如通过将测量变化与信号度量相关联来实现，以使得具有较高变化的测量值具有对定位单元的状态估计的较低的影响。作为另一示例，定位单元可以较多地着重于与UWB信号独立的数据(例如惯性传感器、全局特性)。作为另一示例，定位单元可以全部丢弃来自某些收发器的不符合诸如最小信号质量或群延迟之类的质量度量的测量值。

与现有的系统不同，这里定位单元152可以位于设备130上，这是因为从收发器向所述设备行进的UWB信号可以包含足够的信息以允许所述设备自定位。例如，收发器可以被同步并且所述设备可以已知所述收发器的位置。

收发器的位置、朝向或运动可以在使用期间变化。定位单元152 可以考虑到这种变化。如上面所概述的，在一些实施例中，网络中的收发器被假定为具有已知的位置。诸如由单个收发器的意外移动所导致的这些位置的变化可能降低定位性能。这可以通过使收发器110装配可操作用于检测这种意外移动的诸如加速计之类的传感器(未示出)来避免。然后收发器可以监测传感器读数，如果所述读数超过一定的阈值，则将所述读数传送给定位单元(例如通过发送对应的信息作为收发器的UWB信号102的部分)。然后定位单元可以校正收发器的位置、朝向或运动的该变化，例如通过丢弃所关注的收发器在时间段内的测量值，或者如上文所述地通过较少地着重于所述测量值。定位系统还可以通过装配收发器以监测其自身的位置(比如通过在存储器中记录所述收发器的位置，以及通过定期地重新评估所述收发器的位置，例如通过重新运行收发器位置校准)来检测这种类型的扰动。

在典型的使用期间，设备130可以在空间中的障碍物的附近操作并在空间中的障碍物周围移动。定位单元152可以考虑到影响个体收发器所提供的信息的质量的其它已知的因素。例如，定位单元152可以使用收发器和障碍物的相对位置的地图以及对设备在空间中的位置的估计，来确定从某个收发器行进到所述设备的UWB信号可能已通过了障碍物或已被反射。然后可以使用该信息来校正如上文所述的其位置估计，可能考虑到另外的信息，例如障碍物特性(例如厚度、材料或障碍物形状)。

定位系统可以使用诸如多点定位或三边测量之类的方法，这导致了对基于收发器的空间分布和设备的位置的测量噪声的不同的灵敏度。定位单元152可以通过考虑各个收发器的空间分布来考虑各个收发器所提供的信息质量的变化，并通过考虑已知的收发器或设备的相对位置或朝向的拓扑(例如在位置校准期间和存储在存储器中)来校正所述定位单元对位置的估计。甚至空间知识，诸如收发器的子集的天线朝向(例如由收发器的传感器所确定并被传送到定位单元 152)，可以是有价值的，并且可以用于改进估计。此外，通过提供对数据处理的附加的限定，假定(例如假定所有收发器位于平面中或者所有收发器是固定式的)可以显著地改进定位精确度。这种先验知识，即使是部分的或者是非常近似的，也可以用于初始化定位单元 (例如提供用于定位单元的初始位置估计的先验)。此外，多个收发器110上的全局特性传感器156所检测的全局特性可以用于通过提供用于数据处理的附加的信息来改进定位精确度。

此外，通过在多个发送器或设备之间共享信息，可以显著地改进定位单元152所计算的估计的精确度。例如，在自定位设备处从多于四个收发器获得测距估计，导致了超定系统(over-determined system)，其允许自定位设备显著地减少定位误差，例如通过解出最小二乘解。作为另一示例，多个设备可以交换或集中它们的数据，以改进它们在空间的特定区域中或在它们操作期间的特定时间的估计。

全局特性传感器156、158还可以通过提供在收发器110和设备 130处均可用的附加的数据来改进定位单元152的性能。

定位单元152可以以各种形式提供各种输出(例如位置、速率)。在一些实施例中，定位单元152以NMEA 0183格式(用于全球定位系统接收器的标准格式)输出位置和航向信息(heading information)。

图1B是示出了根据本公开的一些实施例的示意性收发器110的框图。收发器110的每个可以包括耦接到模拟发送电子部件116和模拟接收电子部件160的天线112。一些实施例，使用发送/接收开关来将所述天线连接到电子部件116、160中的一个或另一个。在一些实施例中，发送器110可以在图1A的定位系统100中使用。

模拟接收电子部件160耦接到数字接收电子部件164，并且它们一起允许接收由其他收发器110发送的UWB信号102。模拟接收电子部件和数字接收电子部件160、164可以具有与图1A的自定位设备130上的模拟接收电子部件和数字接收电子部件相类似的能力。例如，模拟接收电子部件和数字接收电子部件160、164可以将UWB 信号102转换为数据(载荷)，精确地确定所发送的信号到达天线 132的时间，并且可以提供与接收的信号102相关的附加的质量度量，例如信号强度、接收时间标准偏差、以及用于确定信号是否以视线行进的度量等等。

数字接收电子部件164可操作地耦接到同步单元174，同步单元 174可用于识别和补偿并未与其它收发器的时钟极好地相同步地运行的任一收发器的时钟300。在接收到UWB无线电信号时，接收的数据、时间标记和质量度量被发送到同步单元174。同步单元174可以将接收时间标记与先前的接收时间标记、UWB发送102的数据(载荷)中包括的发送时间信息、以及在先前的UWB发送102中包括的发送时间信息相比较。根据该信息，同步单元174可以计算时钟300 的当前行为，例如时钟300的当前时钟速率、或者时钟速率的当前变化速率。此外，同步单元174可以通过评估本地测量的接收时间标记、本地设置的发送时间、所测量的从其它收发器报告的接收时间标记、以及所设置的其它收发器的发送时间之间的差异，来确定UWB 信号在固定式接收器之间的飞行时间。通过仔细地校正例如不同的时钟偏移、时钟速率、以及信号传播时间之类的误差，同步单元174可以计算校正以允许收发器获得共用的同步的基准时间。在一些实施例中，同步使用UWB信号104。

收发器之间的时间同步是有利的，这是因为收发时序中的任何偏移可能转化成自定位设备的定位中的误差。

图1B的收发器110也可以包括传感器154和全局特性传感器 156。这些传感器均耦接到数字发送电子部件118。这使得表示传感器154和全局特性传感器156所进行的测量的信号能够被包括在数字发送电子部件118、模拟发送电子部件116和天线112以UWB信号 102的形式所发送的数据中。

在一些实施例中，传感器154或全局特性传感器156可以用于感测收发器的朝向。在已知收发器的朝向的情况下，接收来自所述收发器的UWB信号的自定位设备(例如设备130)可以能够补偿由收发器的天线112相对于自定位系统的天线(例如天线132)的相对朝向所引入的信号延迟。这可以例如通过将收发器的检测到的朝向作为其发送的UWB信号的部分而传送来实现。在图6和图9A和9B中，进一步描述了天线112和132的相对朝向所引入的延迟，并描述了用于补偿这些延迟的方法。

每个接收器110可以装配有存储器170，存储器170可以用于存储诸如配置数据、期望的信号放大率、同步数据(例如用于时钟的偏移或速率校正)或范围精确度校准数据之类的数据。存储器170也可以用于在接收之后和在发送之前缓冲数据。在一些实施例中，存储器 170可以多次重写入，或者是非易失性存储器。

图1B所示的示意性收发器也可以包括位置校准单元180。位置校准单元180可以用于计算对收发器110的位置(例如收发器相对于其它收发器的位置)的估计。这可以例如通过使用与定位单元152可使用的技术相类似的技术来实现。例如，位置校准单元180可以将来自机载传感器154和机载全局特性传感器156(图1B中未示出连接)的数据与来自其存储器170的数据以及经由数字接收电子部件 164接收的来自其他收发器的数据相融合，以获得位置估计。然后可以将所计算的位置估计存储在存储器170中。也可以将所述位置估计传送给其它收发器110或自定位设备(例如图1A的设备130)，例如作为通过数字发送电子部件118发送的信号的部分。

图1B示出了接收和处理来自其它收发器的无线信号104的示意性收发器(在此有时称为“无线收发器”或“无线UWB收发器”)。这通过具有模拟接收电子部件160和数字接收电子部件164 的收发器110来实现，其能够操作用于接收其它收发器110所发送的信号104。

第一收发器110可以使用来自第二收发器110或来自多个其它收发器110的一个或多个信号104来调节其发送调度，以例如提供发送之间的较好的时间间隔。这可以例如通过以下来实现：调度单元150 将从网络(例如图1A的网络100)中的其它收发器110接收信号104的时间存储在存储器170中，并后续基于这些时间调节本地发送调度。在一些实施例中，发送之间的较好的时间间隔导致了信号102 或104之间的减少的干扰。在一些实施例中，信号102之间的时间间隔的测量可以是用于评估的或当改进定位网络100的性能时的度量。

在一些实施例中，信号104可以被收发器110用来指示事件的发生。在一些实施例中，信号104可以被收发器110用来触发其它收发器110的运动。在一些实施例中，所述运动导致了信号102的调度。在一些实施例中，动态发送调度可以用于响应于从系统中添加或去除收发器，如同下面进一步所描述的那样。在一些实施例中，定位网络 (例如图1A的网络100)对(例如由于故障)添加或去除收发器的响应可以用作评估网络稳健性的度量。

在一些实施例中，收发器110接收来自其他收发器的信号104的能力使得收发器的位置校准单元180能够计算收发器110之间的距离。在一些实施例中，这可以用于限定坐标系和收发器相对于该坐标系的位置。在一些实施例中，可以手动地限定坐标系。例如，操作者可以选择原点、正x轴方向和正y轴方向以用于收发器网络的已知的相对位置的可视化。在一些实施例中，可以基于收发器的位置限定坐标系。例如第一收发器可以限定原点，第二收发器限定正x轴的方向，第三收发器限定正y方向。在一些实施例中，可以通过输入用于存储在存储器中的收发器的(x，y，z)位置来限定坐标系。在一些实施例中，收发器网络计算锚之间的距离的精确度可以用作评估网络性能的度量。

在一些实施例中，信号104可以是被自定位设备使用的相同的信号(例如信号102)。在一些实施例中，信号104可以在一些方面与信号102不相同。例如，信号102和信号104可以具有不同的载荷。在一些实施例中，可以在与信号102不相同的时间发送信号104。例如，可以在安装期间或在定位系统的校准阶段期间发送信号104，并且可以在系统操作时发送信号102。信号104和102也在另外的方面不相同(例如它们的信号强度、前导码等)。在一些实施例中，信号 102和信号104的使用可以不同。例如，收发器可以以与用于信号 104的更新速率不相同的更新速率发送信号102，或者信号发送可以遵循不同的调度。

图3和4是示出了根据本公开的一些实施例的允许收发器对所述收发器的UWB信号102的发送进行同步的不同的系统架构。图3和 4的系统架构可以用于例如图1A的系统100中。

图3示出了使用单个共享的时钟300且每个装配有其自己的调度单元150的收发器110。或者，收发器110可以被配置用于共享单个时钟300和单个调度单元150(未示出)。这可以通过将单个时钟和调度单元连接到每个收发器的数字发送电子部件来实现。

图4示出了不同的拓扑，其中每个收发器110使用其自身的时钟 300和调度单元150。这里，每个收发器的同步单元174所接收的外部同步信号304用于对收发器的UWB信号的发送时间进行同步。

调度单元150确定UWB信号被数字发送电子部件118、模拟发送电子部件116和天线112所发送的时间。调度单元150的目的是调度信号发送，以使得尽可能地避免来自不同的固定式收发器110的信号之间的冲突。为此，调度单元150可以与同步单元174之间交换信息。该信息典型地是双重的：首先，调度单元150可以报告消息在何时被发送给同步单元174。其次，调度单元150可以依赖于来自同步单元174的关于同步基准时间的信息。此外，调度单元150可以可操作地连接到存储器(例如图1B中描述的存储器170)，这可以提供与调度方案以及调度单元确定发送时间所需要的参数相关的信息。调度单元150可以实现的调度方案的示例是其中从固定的分布中随机地选择发送时间的随机访问RA方案、以及其中个体收发器被分配特定的发送时间的时分多址(TDMA)方案。在发送时间取决于来自其他收发器的信号的方案中，调度单元150将典型地也连接到数字接收电子部件(例如图1B中描述的数字接收电子部件164)，以接收来自其他收发器的UWB发送的数据。

在一些实施例中，使用其中每个收发器包含时钟、同步单元和调度单元的全分布式拓扑。在一些实施例中，使用其它拓扑。在一些实施例中，使用集中式拓扑。例如，图3所示的拓扑描述了共享单个时钟300的数个收发器。在这种配置中，系统可以在无同步单元的情况下操作。由于收发器共享同一单个时钟，所述收发器可以例如通过确保时钟信号行进到各个收发器的线缆长度相同或将所述收发器的时钟速率设定为相同来在物理上同步。类似地，当每个收发器包括时钟时，也可以通过将同步单元174耦接到中央同步信号304来实现时钟同步，所述中央同步信号304向所有的同步单元提供诸如低频脉冲信号之类的同步基准，如图4所示。此外，收发器的各个调度单元可以替换为如上面说明的集中地确定用于若干锚的发送时间的单个中央调度单元。在一些拓扑中，收发器可以不包括接收电子部件，这是因为所述收发器不需要从其它收发器发送的信息。

在一些实施例中，收发器110可以以现有技术中已知的各种有线的或无线的通信拓扑(网格(mesh)、点对点(P2P)、等等)连接。在一些实施例中，收发器可以互相地或向接收设备传送与系统的操作相关的信息，例如位置、时钟速率、时钟偏移、信号波形、信号强度、同步或校准消息。

图5是示出了根据本公开的一些实施例的示意性自定位设备130 的框图。自定位设备130包括用于接收UWB信号102的天线132。天线132可操作地耦接到可放大信号的模拟接收电子部件136。然后可以使用数字接收电子部件148来参考时钟300对所述信号进行时间标记。定位单元174可以将来自时钟300的输入与来自其它时钟的输入(例如被接收作为同步信号的部分或来自同步系统的另一部分并被数字接收电子部件148接收的消息)相比较。同步单元174可以使用该信息来计算时钟校正以用于时钟速率或时钟偏移，其可以将所述时钟校正传送给定位单元152或补偿单元500或存储在存储器171中。此外，可以使用来自补偿单元500的信息。

图6是描述了根据本公开的一些实施例的、接收的UWB信号通过自定位设备的天线132、模拟接收电子部件136和数字接收电子部件148的传播的示意性时序图。这些部件的互联将被称为接收管路。这些部件每个对接收的信号的传播引入了延迟。在纵轴上示出了时间，其中标记At用于指示时间t是参考自定位设备A的时钟来测量的。

考虑在时间At0^Rx602到达自定位系统的天线132的信号，该信号通过接收管路传播，在其到达之前在时间At0606被数字接收电子部件148进行时间标记。由该管路引入的延迟(由At0 606和At0^Rx602 之间的差给出)被表示为Aδ0 604，并被称为管路延迟。现在考虑在时间At1^Rx612到达自定位设备的天线132的第二信号，在通过接收管路的的管路延迟Aδ1614之后，在时间At1 616被进行时间标记。两个信号之间的管路延迟的变化被给出为|Aδ1-Aδ0|。注意，该测量是针对自定位设备130的时钟，因此与时钟速率偏移独立。

在一些实施例中，管路延迟604与614之间的差小于0.01、 0.6、3或15纳秒，这允许获得更精确的定位。

管路延迟的变化受物理的可测量因素的影响，所述物理的可测量因素包括自定位设备的天线132的频率响应、内部放大以及数字接收电子部件148的时间标记的产生的精确度和变化。由于天线是非理想的电磁装置，因此天线的频率响应由以下描述：与无线电信号被天线放大或衰减多少对应的与接收角度相关的幅度响应；以及与无线电信号被天线延迟多少对应的与接收角度相关的相位响应。这些响应是接收信号的角度的确定性函数，并导致了信号在其通过天线132时的电子延迟。在一些实施例中，信号通过模拟接收电子部件136和数字接收电子部件148的传播可能进一步被信号的内部放大所延迟，该内部放大为了获得一致的信号电平而不管所接收的信号强度如何。此外，数字接收电子部件148的一致地和精确地对UWB信号的到达进行时间标记的能力需要数字接收电子部件148一致地和精确地识别信号的“第一路径”。下面讨论的进一步在图7A中示出的该识别的误差导致了时间标记处理中的非恒定误差，由此导致了信号通过接收管路的传播时间中的感知延迟。除了系统管路延迟之外，在一些实施例中，随机的外部的或未建模的处理也可能影响管路延迟，引入接收管路中的非系统性延迟。在一些实施例中，温度是这种处理的示例，由此温度的变化可以影响数字接收电子部件148所需要的处理时间。

非恒定管路的影响是在任何UWB信号102的接收时间中的引入非恒定误差。因此对于本领域的技术人员而言，明显地，图6所示的非恒定管路延迟可以对应于从任何UWB信号102的接收时间导出的任何到达时间或到达时间距离测量值中的非恒定误差。在一些实施例中，补偿单元500可以补偿该系统性但非恒定的误差，如图9A和 9B中示出的和下面所讨论的那样。

图7A示出了通过其接收UWB信号102的信道的信道冲击响应 (CIR)的图示，其中相对于信号时间延迟t绘制信号功率E。信道 (有时称为传输信道)是特定的频率和带宽的组合。对于UWB信号 102，频率典型地是中心频率或载波频率。在图7A的上部标绘图中，信道冲击响应700被良好地限定并且在宽度上是窄的。此外，作为传输信道的特性的噪声基底702与信道冲击响应700的峰值相比是低的。这些特性允许数字接收电子部件(例如数字接收电子部件 148、164)精确地和准确地检测所述第一路径。

在图7A的下部标绘图中，信道冲击响应700是“宽的”，并且未被良好地限定。此外，信道冲击响应700与噪声基底702区分地比较不明显。这些特性降低了数字接收电子部件(例如数字接收电子部件148、164)所执行的时间标记处理的精确度。这种信道冲击响应对于已通过障碍物或已遭受了扰动的UWB信号而言是典型的。障碍物的示例包括吸收信号、使信号失真、使信号散射或折射的任何介质。干扰的示例包括与所述UWB信号相干扰的任何其它信号。在一些实施例中，由于接收的信号的特性，补偿单元(例如补偿单元 500)可以部分地或完全地补偿障碍或干扰。

数字接收电子部件(例如数字接收电子部件148、164)的一致地和精确地对UWB信号进行时间标记的能力需要所述数字接收电子部件一致地和精确地识别所接收的信号的“第一路径”发生的时间。已知多个用于该目的的算法，例如“前沿检测(Leading EdgeDetection)”或“回溯搜索(Search-Back)”。

在一些实施例中，该“第一路径”的识别的精确度以及由此时间标记处理的精确度可以取决于在天线(例如天线112、132)处接收的信号的强度。进行时间标记的精确度可以受信号强度与噪声基底 702的电平之间的比率(有时称为信噪比)的影响。较低的信噪比可以导致信道冲击响应700中的较少限定的峰值。在一些情况下，接收时间标记可能受几何行走误差的影响，由此与较强的信号的时间标记相比较弱的信号的时间标记被延迟。此外，进行时间标记的精确度可以取决于接收的信号的信道冲击响应的形状。

图7B示出了根据本公开的一些实施例的UWB信号102的示意性结构。在一些实施例中，UWB信号102的结构与IEEE标准 802.15.4中定义的结构相类似。同一标准描述了UWB系统的其它方面，例如信号发送处理。UWB信号102的发送在时间t_start722处以前导码序列710的发送开始。该序列典型地被预定义并被UWB信号 102的发送器(例如收发器110)和接收器(例如自定位设备130) 已知。在一些实施例中，前导码序列710可以存储在存储器中。在一些实施例中，前导码序列710可以在系统操作期间被配置。在一些实施例中，可以通过数字或模拟电子部件的互连对前导码序列710进行编码。

在一些实施例中，前导码710定义了其中在特定的传输信道上以特定的速率发送UWB无线电脉冲的序列。该速率有时可以称为脉冲重复频率。脉冲重复频率典型地是UWB信号102的发送器和接收器均已知的。在一些实施例中，脉冲重复频率可以被存储在存储器中。在一些实施例中，脉冲重复频率能够在系统操作期间被配置。在一些实施例中，可以通过数字或模拟部件的互联来对脉冲重复频率进行编码。

在接收器被配置用于在与UWB信号102的发送器相同的信道上利用相同的前导码序列以与所述发送器相同的脉冲重复频率操作的情况下，接收器典型地能够接收所述UWB信号102。在一些实施例中，这可以通过所述接收器的模拟接收电子部件(例如模拟接收电子部件136)或数字接收电子部件(例如数字接收电子部件148)或者所述发送器的模拟发送电子部件(例如发送器的模拟发送电子部件 116)或数字发送电子部件(例如数字发送电子部件118)的适当的配置来实现。在一些实施例中，适当地选择信道或前导码710或脉冲重复频率可以使得接收器能够接收来自发送器的特定子集的UWB信号102。在一些实施例中，适当地选择信道或前导码710或脉冲重复频率可以使得发送器能够向接收器的特定子集发送UWB信号102。在一些实施例中，适当地选择信道或前导码710或脉冲重复频率可以允许多个UWB信号102在减少干扰或无干扰的情况下同时发送。

在发送前导码710之后，发送器发送帧首定界符712，以指示 UWB信号的数据部分的开始。在帧首定界符712的发送之后，发送器发送物理层头部(PHR)714，其包含与UWB信号的载荷716的编码相关的信息(例如数据速率)。在发送物理头部714之后，发送 UWB信号的载荷716。在一些实施例中，载荷是空的。在一些实施例中，载荷716包含来自位置校准单元180的信息。在一些实施例中，载荷716包含用于促进同步单元(例如同步单元174)的同步的信息。在一些实施例中，载荷716包含用于实现调度单元(例如调度单元150)对未来发送的调度的信息。在一些实施例中，载荷716包含与先前发送或接收的UWB信号(例如，UWB信号102或104) 相关的信息。在一些实施例中，载荷716包含其他信息。在一些实施例中，载荷716可以包含多条信息。在一些实施例中，载荷716包含检错信息，检错信息可以用于评估接收到的载荷716的完整性。 UWB信号102的发送在发送载荷716之后的时间t_end 724结束。

通过检测和接收UWB信号的前导码710，接收器能够检测帧首定界符(SFD)712的发送。在一些实施例中，检测到帧首定界符712 的时间是被接收器的数字接收电子部件(例如，数字接收部件148) 标记的时间。在检测到帧首定界符712之后，接收器能够检测物理头部714。编码在物理数据头714中的信息可以被接收器使用以解码编码在UWB信号的载荷716中的信息。

在一些实施例中，载荷716可以被检查错误。在一些实施例中，载荷716可以在接收器的其他单元内使用。在一些实施例中，载荷 716可以用于计算时间差。在一些实施例中，载荷716可以用于计算距离。在一些实施例中，载荷716可以与来自接收器的全局特性传感器(例如，全局特性传感器158)的测量值进行比较。在一些实施例中，载荷可以被存储在存储器(例如，存储器170，171)中。

对于本领域技术人员将显而易见的是，虽然本实施例公开了类似于在IEEE标准802.15.4中定义的信号结构的具体信号的结构，但是很多其他信号结构是等同地有效的并且可以由本公开使用。

图8是根据本公开的一些实施例的包括位置更新处理的示意性定位单元152的框图。在图8中描绘的定位算法采用扩展卡尔曼滤波器 (EKF)的形式。定位单元152可以与本公开的任何合适的设备130 一起使用。在循环的开始处，定位单元152执行处理更新步骤820，其中该步骤使用装置的先前估计的状态以及如果可用的话使用来自控制单元840的指示被发送到一个或多个致动器(例如，图10的致动器1004)的信号的数据。这个步骤的结果是先验估计822(例如，装置130的不考虑任何新取得的测量值的当前状态的估计)。这个先验估计然后与可用的测量值融合。由定位单元152使用的先验估计、测量值和其他数据可以临时地存储在存储器(图8中未示出)中。

第一种测量是UWB信号102的接收。在这种情况下，所接收的信号800的时间标记首先被时钟校正802(使用来自同步单元174的数据)和影响补偿804(使用来自补偿单元500的数据)处理。得到的校正的到达时间(time of arrival)806表示对UWB信号何时到达装置的天线132的估计，其然后可以与EKF测量更新步骤中的先验估计融合。

如上所述，得到的校正的到达时间806表示对UWB信号102何时到达装置的天线132的估计。在一些实施例中，发送信息被包括在所接收的UWB信号的载荷中，该发送信息表示信号何时被发送以及被哪个收发器110发送。发送信息连同校正的到达时间是对于装置130和收发器110之间的距离的测量。在定位单元152中，校正的到达时间和发送信息然后与EKF测量更新步骤824中的先验估计融合。

如果新数据可用，那么第二种测量是表示全局特性(例如，来自全局特性传感器158)的本地测量的数据。这个数据然后与表示该全局特性(例如，来自全局特性传感器158)的(一个或多个)远程测量的数据(由数字接收电子部件148提供)进行比较，并且全局特性模型814提供关于这个比较与装置130的位置、朝向或运动如何相关的信息。这个信息然后可以融合到EKF测量更新步骤824的状态估计中。全局特性的示例是无线信号的信号强度。发送了距离d的频率f的射频信号自由空间路径损耗是：

FSPL(dB)＝20log10(d)+20log10(f)+K

其中K是取决于用于d和f的单位的常数。通过这个公式，自定位设备到无线信号的源的距离可以与(一个或多个)收发器110到相同源的距离相关。

如果新数据可用，那么第三种类型的测量来自传感器，诸如传感器154、155。这种测量可以融合到EKF测量更新步骤824中的状态估计中。

同步单元174的对本地时钟行为的估计和补偿单元(未示出)对补偿值的估计可以取决于由定位单元152计算的估计的位置。这种依赖可以通过以下方式分解：首先使用先验位置估计来计算时钟行为和补偿值，并且然后计算新的后验位置估计。这种依赖还可以由通过在以下1)和2)之间交替来并行地或迭代地估计时钟行为或时钟校正、补偿值和位置来分解：1)使用当前位置估计进行新的时钟行为或时钟校正的计算以及补偿值计算和2)使用当前时钟和补偿值进行位置估计直到所计算的值基本上收敛。

图9A和9B示出了根据本公开的一些实施例的影响UWB范围测量的准确性的说明性现象。在一些实施例中，这些现象被补偿单元 (例如，补偿单元500)部分地或全部地补偿。

图9A图示对于变化的接收角900的补偿。因为物理天线是非理想的电磁装置，所以它们的频率响应被天线增益(即，无线电信号被放大或衰减多少)以及天线相位响应(即，无线电信号被延迟多少) 两者影响。这种频率响应随着无线电信号被接收的角度900变化。因此，以角度θ₀ 900a接收的UWB信号将会与以角度θ₁ 900b接收的 UWB信号不同地被放大和延迟。

这在图9A中图示，其中示出了两个静止的收发器110a、110b 以及在环境内的自定位设备130。来自收发器0 110a的UWB信号 102以角度θ₀ 900a到达自定位设备130，而来自收发器1 110b的信号102以角度θ₁ 900b到达自定位设备130。如上所述，天线的频率响应是接收角900的函数，并且因此导致来自收发器0 110a的信号具有与来自收发器1 110b的信号不同的延迟。这种变化的信号延迟引起信号时间标记中的变化延迟和到每一个收发器的估计距离中的误差。作为接收角的函数，这些延迟是确定性的。在一些实施例中，可以利用补偿单元来减少或去除接收角对估计距离的影响。

在图9A的标绘图1中示出了说明性的补偿，其示出了x轴上的接收角θ900和y轴上的延迟δ902。这种映射允许基于已知的接收角θ计算信号延迟，并且因此通过使用补偿单元(例如，补偿单元 500)从所生成的接收时间标记减去该信号延迟的影响来补偿。在一些实施例中，这个函数是允许对于任意接收角θ计算延迟δ的数学表达式。在一些实施例中，这种补偿可以通过查找表计算，其中接收角θ和延迟δ的已知值存储在数据结构(例如，使用存储器171)中，并且插值被用于为任意接收角θ估计延迟δ(例如，使用补偿单元 500)。

在一些实施例中，可以通过以下方式来观测天线的频率响应的影响：在由静止的收发器110覆盖的环境中放置自定位设备130，并且然后围绕自定位设备的机身坐标系的原点旋转自定位设备，以及观测到每一个静止的收发器110的估计距离的改变。这些观测可以被装置 130测量并且用于补偿信号延迟。

图9图示可能影响估计距离的准确性的其他效果。三个静止的收发器110和自定位设备130位于环境内。来自收发器0 110a的信号 102以角度θ₀ 900a到达自定位设备130，具有行进距离R₀ 904a，而来自收发器1 110b的信号102以角度θ₁ 900b到达自定位设备130，具有行进距离R₁ 904b。这里，除了如图9A所示的由于相对朝向导致的延迟之外，每一个信号102的强度与行进的距离的平方成反比。在图9B中，距离R₀ 904a大于距离R₁ 904b。因此，来自收发器0 110a的信号102在被自定位设备130接收时可能更弱。信号102因此可能具有更低的信噪比。在一些实施例中，信号102在进行时间标记之前将需要放大。放大可能延迟信号时间标记(“放大延迟”)。在一些实施例中，放大延迟可以由补偿单元(例如，补偿单元500) 补偿。在一些实施例中，其他可比较的延迟也可以被补偿单元补偿。例如，如果所接收的信号强度降低(例如，由于低发送功率、由于先前描述的可变的天线增益、由于障碍物等)，那么这可以被使用。

在一些实施例中，补偿单元(例如，补偿单元500)可以补偿如在图9B的标绘图2中示出的那些延迟，该绘图2示出x轴上的距离 R 904和y轴上的延迟δ906。这种映射允许基于已知距离R计算信号延迟，并且因此通过从所生成的接收时间标记减去该延迟的影响来补偿。在一些实施例中，这种函数是允许由补偿单元对于任意距离R 计算延迟δ的数学表达式。在一些实施例中，这种补偿可以通过查找表的方式计算，其中距离R和延迟δ的已知值被存储在数据结构 (例如，使用存储器171)中，并且插值被用于为任意距离R估计延迟δ(例如，使用补偿单元500)。

在其中所接收的信号强度可以由自定位设备测量的实施例中，这种映射可以被从所接收的信号强度(通过反平方率与距离相关，并且与接收角为θ的天线增益有关)到延迟δ的映射取代。例如，映射可以存储在存储器(例如，存储器171)中。在一些实施例中，这种补偿映射还可以考虑由于接收角θ处的天线相位响应引入的延迟。

除了图示由于增加的距离R的延迟之外，图9B还示出收发器2 110c，其被放置使得来自收发器2 110c的信号102在到达自定位设备130之前必须传播通过一些障碍物。传播通过这些障碍物引入基于障碍物宽度w₂ 908c的对信号102的确定性延迟。这是由于光速(并且因此UWB信号102的速度)取决于信号通过其传播的介质而变化。此外，取决于障碍物的构造(例如，其制造的材料)，障碍物可能降低由自定位设备130接收的信号102的强度，或者使所接收的波形失真。在一些实施例中，补偿单元500能够补偿这些影响，例如，通过使用环境的先验知识，通过解释所接收的信号102的特征，包括信号强度、噪声基底或CIR形状(参见例如图7)等。

例如，考虑其中信号102由收发器2 110c发送并且在被自定位设备130的天线132接收前行进通过厚度w₂＝1cm的固体玻璃窗的情况。由于玻璃的密度，玻璃中的光速大约比空气中的光速慢33％，并且因此信号102通过玻璃行进更慢，导致稍微延迟到达自定位设备130的天线132。这种延迟到达转化成距离估计中的误差。在先前的实例中，对于每1cm的玻璃，发生～5mm的距离误差。

在一些实施例中，补偿单元(例如，补偿单元500)补偿确定性距离误差，例如在图9A和9B中图示的那些误差。

图10是能够根据本公开的一些实施例来致动的示意性自定位设备的框图。在一些实施例中，装置130可以与移动机器人(例如，图 11的移动机器人1100)集成。各种系统部件可以与图10的装置130 一起使用，所述系统部件包括定位单元150、补偿单元500、调度单元150、同步单元174、接收电子部件136、148、发送电子部件 116、118以及控制单元840。此外，其他系统部件(诸如数据收发器或数据接入点)也可以使用(参见图15)。控制单元840计算致动器命令(例如，用于移动机器人，参见图11)。其可以实现各种控制器(参见图12)。

图11示出了根据本公开的一些实施例的包括自定位设备130的示意性移动机器人1100。移动机器人1100还可以包括一个或多个传感器(例如，MEMS传感器和传感器155)。在一些实施例中，移动机器人1100包括加速度计1106和陀螺仪1104。在一些实施例中，移动机器人1100额外地包括一个或多个磁力计、气压计、GPS 接收器以及本体感觉传感器(例如，监控电池水平和马达电流的传感器)。如图示的移动机器人1100还包括致动器1004(例如，四个马达)，用于旋转允许移动机器人待在空中并且控制其通过空间运动的四个螺旋桨1110。在一些实施例中，致动器1004由电池供电。在一些实施例中，收发器或装置由电池供电。

图11的自定位设备130可以与移动机器人1100的电子部件集成。例如，装置130可以访问移动机器人1100的传感器(例如，传感器155、加速度计1106和陀螺仪1104)。例如，这可以是对于实现飞行机器人上的某种重量分布有用或方便的，以允许更好的天线接收或共同布置相关的电子部件。

取决于应用，飞行电子部件可以比本文描述的实施例更复杂并且可以例如包括多个电子处理单元、多个天线或多个自定位设备。

图12是根据本公开的一些实施例的可以与例如图11的移动机器人1100一起使用的示意性控制单元840的框图。控制单元840使用级联的控制器(水平控制器1202、垂直控制器1210、降低姿态控制器1220、偏航控制器1230以及机身速率控制器1242，其中出于清楚的目的省略参考信号/反馈信号)。

在控制单元840中描绘的控制方案用于遵循期望的运载体位置和偏航轨道。机载控制包括四个分离的循环：水平1202和垂直位置控制1210循环、降低姿态控制1220循环和偏航控制1230循环。将理解的是，用于图12的控制单元840内的控制器的附图标记也用于指代与控制器相关联的控制循环。四个控制循环的输出是到图11中示出的飞行移动机器人1100的三个机身速率命令，以及由移动机器人的四个螺旋桨1110产生的共同推力。

图12中示出的控制策略基于级联循环成形设计策略。控制器设计因此分成低级别动态系统的若干控制器的设计。垂直控制循环 1210被成形使得其响应于例如具有共同推力c的二阶系统的高度误差。类似于垂直控制循环1210，两个水平控制循环1202被成形以二阶系统的方式表现。但是，没有控制输入被直接计算，而是命令的加速度a(x)和a(y)被给出作为姿态控制器1220的设置点。姿态控制器 1220控制移动机器人的降低姿态，使得命令的加速度a(x)和a(y)被满足。命令的加速度然后被转换成命令的旋转矩阵条目。使用移动机器人的旋转运动学，矩阵条目的改变率可以用于计算期望的运载体机身速率p和q。上述控制器完全定义移动机器人的平移行为。偏航控制器1230然后可以被实现为根据测量的偏航角度(例如，如由移动机器人1100上的传感器155测量)的比例控制器。

图13A示出了根据本公开的一些实施例的用于自主飞行机器人 1100的说明性系统。自主飞行机器人1100接收由在它的附近放置的四个UWB收发器110发送的UWB信号102a-d。飞行机器人1100 被装备有刚性地附接到机器人的底座的自定位设备(为了清楚未示出)。

图13B示出了由四个收发器110发射并且由移动机器人接收的 UWB信号102的UWB分组的说明性发送时间和接收时间的标绘图。在一些实施例中，图13B的标绘图对应于图13A中描绘的UWB 信号的发送时间和接收时间。在一些实施例中，收发器110自主确定调度，UWB信号102根据该调度被发送。在一些实施例中，发送调度被预先确定。在一些实施例中，发送调度在操作期间被更新。在一些实施例中，如下文参考图14进一步讨论的，TDMA技术被用于生成发送调度。

在图13B的说明性绘图中，在时间T1第一UWB分组102a离开第一收发器110的天线。其它三个收发器110的后续UWB分组 102b、102c和102d分别在时间T2、T3和T4离开它们相应的收发器的天线。在该方案中，收发器以轮询方式并且以有规律的间隔 1310发射分组：

T2-T1＝T3-T2＝T4-T3。

四个发射的UWB分组102a、102b、102c和102d在接收时间 R1、R2、R3和R4在连接到移动机器人1100的自定位设备的天线处被接收。基于这些测量的接收时间，自定位设备计算以下到达时间差1300a、1300b、1300c：

R2-R1；R3-R2；R4-R3。

在该方案中，自定位设备可以计算它相对于收发器的位置。这是通过准确地测量到达时间差1300a、1300b、1300c、通过使用信号 102的估计的速度来将这些时间差转换为距离以及通过使用多点定位来计算机器人相对于收发器的已知位置的位置来实现的。

图14A示出了根据本公开的一些实施例的包括多个收发器110 的示意性收发器网络。通过允许同时使用大量的收发器，这种收发器网络可以允许在广阔的地理区域中使用自定位设备130。如图1 4A中所示，在两个收发器的发送范围1400重叠的情况下，这些收发器将被称为“干扰的”，这是因为由两个收发器同时发送UWB信号102 可能造成UWB信号102有干扰。为了避免信号干扰，通常对特定区域中收发器的信号发射进行协调。在一些实施例中，这可以通过确保信号在时间上(例如通过两个信号发射之间的足够时间，例如使用调度单元)、空间上(例如通过收发器的足够地理间隔)或者频率上 (例如通过UWB信号的发送载波频率的足够间隔)的充分间隔而实现。

时间上的足够的信号间隔所需的时间量可以取决于许多因素(例如，信号强度、信号分组的大小、信号的脉冲/峰形状、收发器的天线、接收器的天线、收发器的地理位置(包括它们的地理间隔)、障碍物、背景噪声等)。确保信号的时间间隔可能意味着来自任意特定收发器的后续信号之间的持续时间随着收发器数量的增长而增加。这对于动态自主式移动机器人而言尤其是有问题的，在动态自主式移动机器人的情况下，甚至相对小地减小更新速率也会造成定位性能的显著恶化。确保时间间隔的已知方法是时分多址(TDMA)。在可以接受偶尔的信号干扰并且信号时序不重要的实施例中，也可以利用 Aloha方法。

空间上的足够间隔与每个收发器的发送范围有关，空间上的足够间隔可以取决于许多因素(例如，信号强度、信号频率、信号带宽、信号的脉冲/峰形状、收发器的天线、接收器的天线、收发器的地理位置(包括它们的地理间隔)、障碍物、背景噪声等)。在一些实施例中，典型的空间间隔是1到100米。在一些实施例中，典型的空间间隔是10到500米。在一些实施例中，典型的空间间隔是200到 2000米。在一些实施例中，典型的空间间隔在千米的数量级上。在一些实施例中，两个收发器可以共址。在一些实施例中，使用多个空间间隔的组合。在图14A中，简单起见，发送范围1400被图形化地表示为圆；然而，对本领域技术人员将清楚的是，发送范围1400可以是更加复杂的形状。当确保发送的空间间隔时，值得期望的可以是将收发器110放置为使得自定位设备130将能够在所定义的地理区域内的每个点处接收到来自预先确定的数量的收发器110的发送。收发器110的这一数量可以取决于许多因素(例如，所期望的更新速率、所期望的系统稳健性、发送的时间间隔、发送的频率间隔、背景噪声、障碍物等)。

可以通过选择适当的天线来进一步帮助实现空间上的足够间隔。一些实施例使用定向天线。一些实施例使用全向天线。在一些实施例中，定向天线被用来帮助确保UWB信号的空间间隔。在一些实施例中，通过使用定向天线来使收发器110的发送定向，有可能更精确地控制哪些收发器110向所定义的空间中的哪些区域进行发送，并且从而更精确地控制UWB信号102的空间间隔。在一些实施例中，通过使用定向天线来使收发器110的发送定向，有可能在期望的方向上实现更长的发送距离。可以帮助空间间隔的其他方法包括屏蔽、放置 (例如远离噪声源)、优化辐射图案、以及上述各项的组合。在一些实施例中，通过使自定位设备130装配有定向天线，可以基于将接收到哪些信号与收发器110的已知位置进行比较来估计朝向信息。

在一些实施例中，收发器110被布置为使得所期望的操作区域的覆盖相对于某一度量被优化。在一些实施例中，收发器110的操作相对于某一度量被优化。合适的度量包括范围中的收发器数量、信号强度、来自具体收发器组合的更新速率、多径效应或者其他度量，这包括经组合的度量。收发器布置可以包括收发器的位置、收发器的天线朝向、收发器的操作频率、收发器的带宽、或者其他因素。操作区域可以是地理区域、飞行机器人1100的飞行体积、预定义的操作体积、或其他区域。最优化可以涉及物理参数(例如收发器的地理放置、天线朝向等)或者操作参数(例如调度单元150的操作)。

发送频率上的足够间隔可以取决于许多因素(例如，信号强度、信号频率、信号带宽、信号脉冲/峰形状、收发器天线、接收器天线、收发器的地理位置(包括它们的地理间隔)、障碍物、背景噪声等)。在一些实施例中，间隔在1-50MHz的范围中。在一些实施例中，间隔在100-500MHz的范围中。在一些实施例中，间隔在200- 1000MHz的范围中。在一些实施例中，使用重叠的发送频率。当针对信号的频率间隔进行设计时，可能重要的是考虑自定位设备130可能需要改变其接收频率以接收在频率上间隔的UWB信号102。确保频率间隔的已知方法是频分多址(FDMA)。在一些实施例中，使用各种频率间隔的组合。

在一些实施例中，TDMA可以被用来确保UWB信号102的时间间隔。在一些实施例中，如果收发器网络包括N个收发器，则分配N个时隙(每个收发器110一个时隙)，借此可以采用简单的方法。循环通过全部时隙的时间有时被称作TDOA循环时间。在网络中全部收发器都在干扰的情况下，这种向N个收发器分配N个时隙是最优的。然而，在如图14A中所示的并非全部收发器都干扰的情况下，更优的TDMA分配是有可能的，这种更优的TDMA分配使用比N个时隙更少的时隙，并且因此减少了TDOA循环时间以及增大了自定位设备130接收UWB信号的平均速率。

图14B示出根据本公开的一些实施例的示意性的简化的收发器网络。在图14B中，收发器110a与110e不干扰。对本领域技术人员将清楚的是，在这种情况下，收发器110a与110e两者可以利用同一TDMA时隙，这是因为自定位设备不可能同时从这两个收发器接收信号(因为这两个收发器在空间上的间隔)并且因此同时的发送不会干扰。在图14B中，这是通过收发器110a与110e具有同样的底纹(shading)来示意的。

在一些实施例中，调度单元150可以对TDMA时隙的调度进行协调。在一些实施例中，可以通过同步单元174或者通过收发器110 共享共同时钟300来实现多个收发器110的同步以实现一致的时间调度。在一些实施例中，时隙分配可以被手动确定，或者被编程到收发器的存储器(例如存储器170)中。在一些实施例中，可以由调度单元150自主地执行时隙调度。

为了自主地选择时隙，收发器可以首先(如图14B中所示，通过连接边1410)构建相邻收发器的图。在一些实施例中，这可以通过收发器110将其连接信息共享为UWB信号104的载荷716来实现。在一些实施例中，这种连接信息可以被预先编程。一旦构建了网络的图，自主时隙分配的问题就被简化为分布式图上色问题——对于此问题，已经存在许多已知的算法性的解决方案。对该图上色问题的示例解决方案被示出在图14B中，其使用不同的底纹描绘收发器 110，从而示出这些收发器110进行发送的时隙。

在一些实施例中，图构建和时隙分配的处理可以周期性的发生，或者可以由收发器110通过发送适当的UWB信号104来触发。在一些实施例中，该信号104是响应于事件而发送的。在一些实施例中，为任意UWB信号104的发送分配附加的TDMA时隙。在一些实施例中，通过ALOHA来协调对该TDMA的使用。在一些实施例中，收发器110使用该TDMA时隙来向其他收发器110警报事件的发生。在一些实施例中，该时隙被收发器110用来触发对TDMA时隙的重新分配。

在一些实施例中，周期性的或者经触发的重新分配允许网络调整对TDMA时隙的分配，以便对收发器加入或离开收发器网络进行补偿。在一些实施例中，可以通过使一个TDMA时隙保留为未分配以便允许新的收发器110宣告它们加入到网络并且触发对TDMA时隙的重新分配，从而实现向网络添加收发器110。在一些实施例中，可以通过使得收发器能够监视收发器110未进行发送并且如果收发器 110在该收发器110的预先确定的数量的TDMA时隙内没有进行发送则触发对TDMA时隙的重新分配，从而实现从网络中移除收发器 110。

在一些实施例中，使用小于0.1毫秒、0.5毫秒、1毫秒、2毫秒、2.5毫秒、5毫秒、10毫秒、或者50毫秒的TDMA时隙长度。

在一些实施例中，收发器110可以在其UWB信号102或104的载荷716内包括该收发器110的估计的位置或时序信息。在一些实施例中，收发器110可以操作以接收这些经发送的UWB信号104。在一些实施例中，进行接收的收发器110可以包括同步单元174，该同步单元174用于基于接受到的时序或者位置信息来使进行接收的收发器的时间调度与进行发送的收发器的时间调度同步。在一些实施例中，进行接收的收发器110可以包括调度单元150，该调度单元150 基于接收到的时序或位置信息来调整本地发送调度。在一些实施例中，该调度单元150基于接收到的时序或位置信息来更新网络图。在一些实施例中，该调度单元150基于接收到的时序或位置信息使得进行接收的收发器110触发TDOA重新分配。在一些实施例中，进行接收的收发器110可以包括位置校准单元180，该位置校准单元180 基于接收到的时序或位置信息对进行接收的或者进行发送的收发器 110的位置估计进行精细化。在一些实施例中，在由收发器110估计坐标系的情况下，对单个收发器110的位置估计进行精细化使得坐标系被完善。

在一些实施例中，收发器110可以被分配多于一个的TDMA时隙，从而允许它们在一个TDMA循环内更经常地进行发送。在一些实施例中，对多个时隙的分配可以例如基于收发器110所添加的费希尔信息(Fisher Information)来决定——一种本领域技术人员已知的启发式方法(heuristic)，其可以基于收发器的相对位置来计算。

在一些实施例中，频分多址(FDMA)被用来抑制收发器干扰，借此，干扰的收发器可以被分配不同的发送频率使得它们不再干扰。在一些实施例中，干扰的收发器可以被分配不同的前导码 (preamble)或者脉冲重复频率以实现类似的效果。

图15A是根据本公开的一些实施例的使用数据接入点1510的示意性定位系统的框图。定位系统还包括三个收发器110和两个自定位设备130。在该示意性系统中，每个自定位设备130包括数据收发器 1500。每个自定位设备130接收来自收发器110的UWB信号102。收发器110使用UWB信号104来交换数据。自定位设备130使用不同类型的第二信号1520来与数据接入点1510交换数据。这是使用在操作上耦合到自定位设备的数据收发器1500来完成的。信号1520可以例如使用不同的技术(例如，802.11Wi-Fi、蓝牙等)。作为另一个示例，信号1520可以使用不同的UWB信号集合(例如，不同频率、不同前导码、不同时序等)。信号1520与UWB信号102可以被设计为不互相干扰。

在图15A中，每个自定位设备包括天线1505，以用于与数据接入点1510进行通信。天线1505可以在操作上耦合到数据收发器 1500。每个收发器130包括天线132(为了清楚起见已省略)，以用于接收来自收发器110的信号。

如图15A所示的那样对收发器的信号102和对自定位设备的信号1520使用不同的信号类型可以具有技术优点。例如，图15A中所示的体系架构将定位系统的性能与自定位设备130的数量解耦。原理上，系统的收发器110因此仍可以支持无限数量的自定位设备130。在使用收发器的信号102的情况下，定位系统的更新速率和延迟仍不受自定位设备130的数量的影响。作为另一个示例，图15A中所示的体系架构仍使得位置信息在自定位设备上可用。这仍允许使用本地传感器融合(例如，与来自IMU的数据)以改善自定位设备的定位估计而不产生附加的网络负荷。同时，信号1520可以允许从自定位设备到数据接入点1510的单向通信。这可以例如允许接入点1510处的人或者自动化的操作者监视自定位设备(例如，用于跟踪应用)。如图15A中所示，信号1520可以允许双向通信。这可以例如允许实现流量管理系统，该流量管理系统从自定位设备130向数据接入点 1510发送监视数据，并且从数据接入点1510向自定位设备130发送控制数据。

更一般而言，这种隔离可以允许对收发器110和数据接入点 1510的网络属性(例如，可扩展性、更新速率、延迟、带宽、收发器放置、收发器密度、天线设计、天线朝向、以及许多其他属性)的单独优化，以便满足具体用例的要求。例如，定位数据信号102可以被实时地提供，而跟踪信号1520可以以低得多的速率被发送。

图15B是根据本公开的一些实施例的其中自定位设备130装配有数据收发器1500的示意性定位系统的框图。该定位系统也包括三个收发器110。在一些实施例中，图15B的定位系统不使用数据接入点1510。

在图15B示出的体系架构中，自定位设备130可以直接交换信号1530。在一些实施例中，信号1530是信号。这可以例如允许系统保持为可扩展的。在一些实施例中，信号1530可以是与信号1520相同的信号。这可以例如允许在先前段落中列出的同样的技术优点。作为进一步的示例，该体系架构还可以允许实现自组网(ad hoc)网络。可以使用各种网络拓扑结构(例如，网格、总线、星形等)。可以使用包括动态协议(例如DHCP)的各种通信协议。这种本地网络可以例如通过将通信限制到数据收发器1500的子集来减少网络负荷或者维持可扩展性。

也可以通过让自定位设备130中的一个自定位设备充当数据接入点1510来实现图15B中所示的体系架构。这个角色可以被静态地指派给特定数据收发器1500。这个角色还可以例如取决于数据收发器 1500的位置、连接性等被动态地指派给数据收发器1500。

图15A和图15B中所示的体系架构可以例如被用来实现由自定位设备130、由数据收发器1500或者由数据接入点1510控制、实现、或者介入(mediate)的行为。例如，自定位设备130可以根据其到另一个设备130的距离来控制光。作为另一个示例，自定位设备 130可以实现移动机器人的依赖于另一个自定位设备的移动行为(例如，蜂拥、迁徙、集群、成群、相机跟踪等)。作为另一个示例，两个自定位设备130可以交换数据以协作(例如，同步它们的移动、运载载荷、对区域的相机覆盖进行协调、或者提供关于彼此的移动的反馈)。作为还有的另一个示例，自定义设备可以介入或者实现移动机器人中的障碍物躲避行为。作为还有的一个实施例，两个正在飞行的机器人可以各自装配有包括数据收发器的自定位设备。在此示例中，每个数据收发器可以向包括数据接入点1510的中央服务器发送与机器人的位置有关的数据。中央服务器然后可以提供空中交通控制服务 (例如，与防碰撞有关的服务、与组织交通有关的服务、与保留飞行路径有关的服务)。中央服务器可以将与其服务有关的数据发送给特定机器人，或者可以广播数据，或者可以经由发布者-订阅者模型使得数据可用。作为另一个示例，装配有数据收发器1500的自定位设备130可以使用定位单元152来融合来自UWB定位信号102、本地传感器155、以及全局特性传感器156、158的数据；使用存储器171 来记录与其位置有关的数据；使用控制单元840来监视用于触发事件的数据；以及，在检测到触发事件时，使用数据收发器1500向数据接入点1510发送消息。这可以例如允许医院中的医生在佩戴有自定位设备的患者摔倒在地时接收到警报消息并且确定摔倒的患者的位置。

在一些实施例中，图15A和15B中的架构可以与云基础架构一起使用。在一些实施例中，第一和第二飞行机器人中的每个都装配有自定位设备。每个自定位设备从位于机器人的操作环境周围的多个收发器110接收UWB信号102。每个自定位设备从机载相机接收图像。每个自定位设备使用数据收发器来将与相机数据有关的数据(例如，从相机馈送提取的关键帧)发送到数据接入点。数据接入点将所述数据发送到云机器人基础架构，所述云机器人基础架构使用中央计算基础架构(例如，数据中心)来处理数据(例如，以执行基于云的协同映射)。数据接入点将经处理的数据(例如，包含机器人在地图中的位置)发送回每个机器人，每个机器人使用其定位单元通过将经处理的数据与来自UWB信号102的定位数据融合来改善其定位估计。所述架构允许自定位设备执行需要繁重计算的任务(例如，计划、概率性推断、地图创建、循环关闭(例如，作为用于同时定位和地图创建(SLAM)的算法的一部分)等)。所述架构还允许自定位设备执行需要协作的任务(例如，协同映射、协同任务计划、生成并维持一致的世界状态估计等)。

在一些实施例中，数据接入点1510包括全局特性传感器 (global propertysensor)(未示出)。这可以例如允许数据接入点 1510向自定位设备130提供数据，这对于计算改善的位置估计是有用的。

在一些实施例中，数据接入点1510包括存储器(未示出)或处理单元(未示出)。这可以，例如允许数据接入点1510提供服务。在一些实施例中，数据接入点1510实现推送服务。在一些实施例中，数据接入点1510实现拉取(pull)服务。

在一些实施例中，数据接入点1510提供两个自定位设备130之间的通信链路。这可以允许两个自定位设备130交换传感器数据(例如，来自全局特性传感器的数据，来自视觉传感器的数据)。在一些实施例中，交换数据可以帮助自定位设备130使用定位单元来计算其位置的改善的估计。

根据本公开的第一方面，提供了一种定位系统，包括三个UWB 收发器，每个UWB收发器能操作以参考收发器的时钟按调度的发送时间发射UWB信号；自定位设备，能操作以接收并参考设备的时钟对所述UWB信号进行时间标记；以及定位单元，能操作以基于接收到的UWB信号的时间标记来计算自定位设备相对于所述三个UWB 收发器的相对位置。

在一些实施例中，自定位设备可以根据由至少一个、两个或三个收发器广播的信号来确定其位置。这可以基于自定位设备的以下知识来实现：(1)所述至少一个、两个或三个收发器中的每一个收发器的位置，(2)所述一个、两个或三个收发器中的每一个的至少一个信号的确切发送时间，(3)所述至少一个、两个或三个收发器的发送时间之间的精确时间间隔，(4)所述至少一个、两个或三个收发器中的每一个的至少两个相继信号的发送时间之间的精确时间间隔。在一些实施例中，预先定义(例如，其可以存储在自定位设备的存储器中)或与信号一起发送(例如，作为载荷)已知的位置(1)、已知的确切发送时间(2)、不同收发器信号之间的已知的精确时间间隔(3)、或信号收发器的信号之间的已知的精确时间间隔(4)。

在一些实施例中，收发器是有线的，并可以通过有线连接通信。在一些实施例中，收发器通过无线连接通信。在一些实施例中，允许自定位设备的定位的相同信号被用于收发器之间的通信。在一些实施例中，收发器使用UWB信号通信。在一些实施例中，收发器的通信被嵌入在UWB信号中(有时称为“载荷”)。在一些实施例中，收发器进行通信以同步它们的时钟。

在一些实施例中，通信信道实现检错功能(例如，CRC生成和检验)。在一些实施例中，使用集成电路间总线(I2C)或串行外设接口总线(SPI)系统中的至少一个。

可以通过线缆(例如，有线设置)或通过无线连接来从收发器接收信号。当使用有线连接时，收发器可以向使用数字发送和数字接收电子部件的收发器发送通信信号，并且从使用数字发送和数字接收电子部件的收发器接收通信信号。交换的信号可以主要用于同步收发器的时钟。这一点很重要，因为时钟对时间进行计数的速率在时钟之间是不恒定的，并且随着时间变化(“时钟漂移”)，从而导致收发器之间的时间差异，即使所有收发器的时钟初始时是被准确设置的。此外，不同的时钟可能具有时钟偏移。而且，不同的时钟速率可能随着时间而不同地演变。这种差异可能影响对信号进行时间标记，并且因此导致定位性能的下降。这种差异可以通过使用具有由单个时钟服务的收发器的有线设置来避免。在一些实施例中，有线设置对于将收发器连接到时钟的每个线缆使用相等的长度，以确保从时钟到每个收发器的相等的信号行进时间。

在一些实施中，收发器被构造并布置为接收无线信号。在一些实施例中，收发器被构造并布置为接收可进行时间标记的信号。在一些实施例中，收发器被构造并布置为接收UWB信号。

在一些实施例中，无线信号的接收可以改善收发器性能。例如，第一收发器可以使用从第二收发器接收的无线信号以调整其内部时钟。这可以，例如通过同步单元在存储器中存储从网络中的其他收发器接收到无线信号的时间，并随后基于这些时间调整本地时钟来实现。在一些实施例中，改善的时钟同步导致不同收发器发送信号的速率之间的更少的变化。在一些实施例中，发送速率之间的变化的测量结果可以是用于评估定位网络的性能的度量。

在一些实施例中，定位系统还包括调度单元，所述调度单元操作地耦接道三个收发器。

在一些实施例中，定位系统包括机载致动器以及控制单元，所述机载致动器能操作以影响设备的运动，所述控制单元能操作以根据相对位置产生用于设备的机载致动器的控制信号。在一些实施例中，控制单元还能操作以在从接收表示相对位置的数据起的小于0.1、0.2、 0.5、1或5秒内计算控制信号，并且机载致动器还被构造并布置为在从接收控制信号起的小于0.1、0.2、0.5、1或5秒内影响设备的运动，使得设备可以被实时控制。

在一些实施例中，定位系统被构造并布置为响应于相对位置的扰动来移动设备，其中移动在小于5、1或0.2秒内减少扰动。在一些实施例中，扰动是瞬时事件。

在一些实施例中，扰动以至少1m或以10cm改变设备或机器人的实际位置。在一些实施例中，扰动以至少45度或10度改变设备或机器人的实际朝向。

在一些实施例中，用于设备定位的系统能操作以通过使设备在小于0.1、0.2、0.5、1或5秒内移动来减少干扰，从而对三个收发器的位置的扰动作出反应。在一些实施例中，干扰以1m、50cm、30cm 或10cm改变三个收发器的实际位置。在一些实施例中，扰动是在全部三个收发器的位置中同时的、突然的线性移位。

在一些实施例中，定位系统包括补偿单元和存储器单元，并且定位单元还能操作以根据由补偿单元计算的补偿以及由存储器单元提供的数据来计算相对位置。在一些实施例中，使用到达时间差 (TDOA)技术来计算相对位置。在一些实施例中，存储器单元能操作以存储针对三个UWB收发器中的每一个的标识符和位置。在一些实施例中，存储器单元能操作以存储到达时间差。

在一些实施例中，自定位设备130还包括传感器，所述传感器被构造并布置为检测运动的不存在，并且自定位设备的定位单元还能操作以根据运动的不存在来计算相对位置。

在一些实施例中，三个UWB收发器中的每一个还包括传感器，所述传感器被构造并布置为检测对UWB收发器的位置或朝向的扰动。在一些实施例中，扰动是朝向或位置的改变之一。在一些实施例中，扰动是振动。在一些实施例中，传感器是加速度计。在一些实施例中，传感器操作地耦接到收发器的数字发送电子部件，并且收发器的数字发送电子部件能操作以发送表示对自定位设备的扰动的数据。

在一些实施例中，自定位设备还包括补偿单元。在一些实施例中，补偿单元操作地耦接到设备的数字接收电子部件或存储器单元，并且能操作以计算以下之一：(i)针对从第一收发器行进到设备的第一UWB信号的到达时间与从不同的第二收发器行进到设备的第二UWB信号的到达时间之间的到达时间差的补偿，以及(ii)针对从第一收发器行进到设备的第一UWB信号的时间标记的补偿。

在一些实施例中，用于设备定位的系统能操作以维持设备相对于三个收发器的位置，而不管对设备天线在天线轴线中的任一个轴线上的朝向的扰动。在一些实施例中，扰动以多于10度、30度或60度改变设备天线的朝向。在一些实施例中，扰动改变设备天线在其三个轴线中的任何轴线上的朝向。

在一些实施例中，用于设备定位的系统还能操作以根据设备的移动模型来计算补偿。在一些实施例中，用于设备定位的系统还能操作以根据设备的运动模型来计算补偿。

在一些实施例中，用于设备定位的系统还能操作以将补偿计算为在0.6、3或15纳秒内。在一些实施例中，补偿单元还能操作以计算补偿，使得实际到达时间差或实际到达时间与计算的补偿的统计平均误差小于0.6、3或15纳秒。

在一些实施例中，集中式时钟被用于同步有线收发器。在一些实施例中，时钟同步UWB信号是UWB信号。

在一些实施例中，收发器天线被构造并布置为(i)发送UWB 信号并(ii)接收UWB时钟同步信号。在一些实施例中，单独的天线被用于UWB信号和UWB时钟同步信号。在一些实施例中，至少三个UWB收发器的天线中的每一个被构造并布置为发送并接收 UWB时钟同步信号。

在一些实施例中，传感器包括相机、加速度计、磁力计和陀螺仪中的至少一个。在一些实施例中，传感器属于加速度计、陀螺仪、磁力计、相机、光流传感器、气压计、编码器和红外传感器的组。在一些实施例中，传感器属于加速度计、陀螺仪、磁力计、相机、光流传感器、激光或声纳测距仪、雷达、气压计、温度计、湿度计、缓冲器、化学传感器、电磁传感器、气流传感器和相对空速传感器、超声传感器、麦克风、无线电传感器以及其他高度、距离和范围传感器、以及红外传感器、飞行时间传感器和编码器的更大的组。在一些实施例中，朝向传感器是磁力计或加速度计中的一个。在一些实施例中，该设备包括被构造和布置为检测代表用于设备的移动的至少一个致动器的操作的数据的传感器。

根据本公开的另一方面，移动机器人被设置为能操作以根据 UWB信号、机载传感器信号以及在第一和第二位置处的全局特性的比较来移动。

在一些实施例中，移动机器人的参考信号表示移动机器人(或移动机器人的天线)的期望位置或朝向，并且该移动减少了由移动机器人(或天线)的朝向、位置或移动中的至少一个变化引起的相对于移动机器人(或其天线)的期望位置或朝向的对移动机器人(或其天线)的实际位置或朝向的扰动。

根据本公开的另一方面，可以基于相对于具有已知相对位置的至少四个UWB收发器的自定位设备的位置来产生机载信号。在一些实施例中，收发器的时钟可以被同步，并且四个收发器中的每一个可以在调度的发送时间处发送UWB信号。自定位设备可以使用其时钟来接收信号并对其进行时间标记，并且检索按照同步的收发器时钟的时间的每个信号的发送时间标记(例如，通过从存储器中检索它们或者通过从(一个或多个)UWB信号中解码它们)。然后，可以基于已知的相对位置、四个发送时间标记和四个接收时间标记来计算自定位设备相对于收发器的位置，并且与基准位置或阈值进行比较。然后，自定位设备可以基于该比较产生用于机载致动器的控制信号、用于机载扬声器的信号、用于机载显示器的信号或无线信号。

在一些实施例中，自定位设备是可穿戴的。在一些实施例中，自定位设备可操作以提供用户反馈(例如，经由扬声器提供音频、经由显示器提供图像或视频)。

根据本公开的另一方面，可以基于相对于具有已知相对位置的至少三个UWB收发器的自定位设备的位置来产生机载信号。自定位设备可以发送至少一个UWB信号，并按照自定位设备时钟的时间将至少一个UWB信号的至少一个发送时间标记存储在存储器中。三个UWB收发器然后可以各自在接收时间接收至少一个UWB信号中的一个，并且各自发送UWB信号。这些发送的信号然后可以被接收并按照定位设备的时钟时间由自定位设备生成时间标记。第一、第二和第三收发器的接收和发送之间的第一、第二和第三发送延迟然后可以被从存储器中检索出，或从UWB信号解码出，并且然后自定位设备相对于收发器的位置可以基于已知位置、接收时间标记、延迟和至少一个发送时间标记来计算，并且与基准位置或阈值进行比较。然后，自定位设备可以基于该比较产生用于机载致动器的控制信号、用于机载扬声器的信号、用于机载显示器的信号或无线信号。

根据本公开的另一方面，可以通过使用传感器检测移动、无线地发送指示移动的信息、以及执行一个或多个计算补偿、调整位置的计算或触发警报，减轻具有已知相对位置并且各自包括传感器的作为 UWB收发器网络的一部分的UWB收发器的移动的影响。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于设备定位的系统，该系统包括三个UWB发送器和自定位设备，其中，所述UWB发送器之一和所述设备各自包括全局特性传感器，并且其中所述自定位设备进一步包括中央处理电子部件，所述中央处理电子部件可操作以基于接收的UWB信号和来自两个全局特性传感器的传感器数据来计算所述设备相对于所述三个UWB收发器的位置。在一些实施例中，感测到的全局特性可以是大气压力、磁场、地标、GPS信号和重力之一。在一些实施例中，计算可以进一步基于传感器数据的比较，或者使用用于传感器数据的全局特性模型，或者使用表示设备的朝向或运动的数据。在一些实施例中，中央处理电子部件进一步可操作以基于比较、全局特性模型的使用或表示设备的朝向或运动的数据的使用，计算用于致动器的控制信号。

根据本公开的另一方面，提供了一种移动机器人，包括致动器，所述致动器可操作以基于至少一个进行了时间标记的UWB信号和基准信号来影响所述移动机器人的移动。在一些实施例中，所述致动器还可操作以基于机载传感器信号与从远程位置处的外置传感器接收到的并且基于远程位置处的全局特性产生的外置传感器信号的比较，影响所述移动。在一些实施例中，移动机器人可操作以使用全局特性模型来将机载传感器信号与外置传感器信号进行比较。在一些实施例中，致动器还可操作以基于指示产生UWB信号的UWB发送器的位置、朝向和移动中的至少一个的信号来影响移动。在一些实施例中，移动机器人包括定位单元和可操作以产生用于致动器的控制信号的控制单元。

在一些实施例中，可以将附加UWB收发器添加到UWB收发器网络。UWB网络可以包括具有彼此已知的相对位置的至少第一、第二和第三UWB收发器。在一些实施例中，附加无线UWB收发器和第一、第二和第三UWB收发器中的每一个可以包括时钟。

在一些实施例中，附加UWB收发器可以在第一、第二和第三 UWB收发器的无线接收范围内被激活。附加UWB收发器到第一、第二和第三UWB收发器的相对位置可以部分或全部未知。

在一些实施例中，三个UWB收发器中的每一个都可以被配置为无线地发送UWB信号。三个UWB收发器中的每一个可以被配置为每当由该UWB收发器发送UWB信号时生成时间标记。附加UWB 收发器可以被配置为接收由任何其他UWB收发器发送的UWB信号。在一些实施例中，附加UWB可以被配置为对从任何其他UWB 收发器接收到的任何UWB信号的接收时间进行时间标记。例如，在一些实施例中，当通过第一UWB收发器发送UWB信号时，第一 UWB收发器可以创建发送时间标记，而附加UWB收发器可以在其接收到UWB信号时创建接收时间标记。

在一些实施例中，第一UWB收发器可以发送第一UWB信号，并且基于第一UWB收发器的时钟创建第一发送时间标记。第二 UWB收发器可以发送第二UWB信号，并且基于第二UWB收发器的时钟创建第二发送时间标记。第三UWB收发器可以发送第三 UWB信号，并且基于第三UWB收发器的时钟创建第三发送时间标记。

在一些实施例中，附加UWB收发器可以接收第一UWB信号，并且基于附加UWB收发器的时钟生成第一接收时间标记。附加UWB收发器还可以接收第二UWB信号，并且基于附加UWB收发器的时钟生成第二接收时间标记。附加UWB收发器还可以接收第三 UWB信号，并且基于附加UWB收发器的时钟生成第三接收时间标记。

在一些实施例中，位置校准单元可以基于第一、第二和第三接收的UWB信号的接收以及第一、第二和第三UWB收发器的已知相对位置，计算附加UWB收发器相对于第一、第二和第三UWB收发器的位置。在一些实施例中，位置校准单元可基于第一、第二和第三接收时间标记以及第一、第二和第三UWB收发器的已知相对位置，计算附加UWB收发器相对于第一、第二和第三UWB收发器的位置。

在一些实施例中，UWB网络可以包括第四UWB收发器。第四 UWB收发器可以具有相对于第一、第二和第三UWB收发器的已知位置并且包括时钟。

在一些实施例中，附加UWB收发器可以在第四UWB收发器的接收范围内。第四UWB收发器可以发送第四UWB信号，并且基于第四UWB收发器的时钟创建第四发送时间标记。附加UWB收发器还可以接收第四UWB信号，并且基于附加UWB收发器的时钟生成第四接收时间标记。在一些实施例中，还可以使用第四接收时间标记来计算附加UWB收发器相对于第一、第二、第三和第四UWB收发器的位置。

在一些实施例中，第一、第二和第三UWB收发器的时钟可以被同步。在一些实施例中，第一、第二和第三发送时间标记可以以同步时钟的时间形式已知。在一些实施例中，第一、第二和第三发送时间标记可以从附加UWB收发器的存储器中检索。在一些实施例中，可以从UWB信号解码第一、第二和第三发送时间标记。在一些实施例中，还可以使用第一、第二和第三发送时间标记来计算附加UWB收发器相对于第一、第二和第三UWB收发器的位置。

在一些实施例中，附加UWB收发器可以在第一、第二和第三 UWB信号的无线发送之前无线地发送至少一个附加UWB信号。附加UWB收发器可以基于附加UWB收发器的时钟生成附加发送时间标记并将其存储在存储器中。

在一些实施例中，第一UWB收发器可以接收附加UWB信号，并基于第一UWB收发器的时钟生成第一附加接收时间标记。第二 UWB收发器可以接收附加UWB信号，并基于第二UWB收发器的时钟生成第二附加接收时间标记。第三UWB收发器可以接收附加 UWB信号，并且基于第三UWB收发器的时钟生成第三附加接收时间标记。

在一些实施例中，在第一UWB收发器处接收UWB信号和从第一UWB收发器对应发送UWB信号的之间的第一发送延迟是已知的。在一些实施例中，已知在第二UWB收发器处接收UWB信号与从第二UWB收发器对应发送UWB信号之间的第二发送延迟。在一些实施例中，已知在第三UWB收发器处接收UWB信号的接收与从第三UWB收发器对应发送UWB信号之间的第三发送延迟。

在一些实施例中，第一、第二和第三发送延迟可以从附加UWB 收发器上的存储器中检索。在一些实施例中，第一、第二和第三发送延迟可以从由附加UWB收发器接收的一个或多个UWB信号中解码。在一些实施例中，可以使用第一、第二和第三发送延迟以及所存储的附加发送时间标记来计算附加UWB收发器相对于第一、第二和第三UWB收发器的位置。

在一些实施例中，调度单元可以用于调整UWB信号的发送调度，以包括来自附加UWB收发器的UWB信号的调度发送。在一些实施例中，调度可以折衷分配时分多址(TDMA)时隙。在一些实施例中，可以分配至少一个TDMA时隙用于从附加UWB收发器发送 UWB信号。

在一些实施例中，可以从第一、第二和第三UWB收发器和附加 UWB收发器无线地发送多个UWB信号，使得多个UWB信号中的每一个包括发送UWB收发器的嵌入的相对位置信息。

在一些实施例中，自定位设备可以接收多个UWB信号，并且基于接收到的多个UWB信号来计算自定位设备的相对位置。

在一些实施例中，通过位置校准单元计算附加UWB收发器相对于第一、第二和第三UWB收发器的位置可以基于第一、第二和第三 UWB信号的发送时间标记。

在一些实施例中，第一、第二和第三UWB信号的发送时间标记可以从存储器中检索，或者作为至少一个UWB信号的载荷被接收并且从至少一个UWB信号被解码。

在一些实施例中，确定何时无线地发送至少一个附加UWB信号可以基于(1)一个或多个预定规则或(2)由附加UWB收发器接收的数据。在一些实施例中，用于附加UWB收发器的调度发送时隙的确定可以使用调度单元来执行，或者基于以下各项中的至少一项来执行：(i)第一、第二和第三发送时间的调度，(ii)第一、第二或第三收发器的UWB信号与附加收发器的UWB信号之间的期望的时间间隔，或(iii)调度协议。

在一些实施例中，该方法可以进一步包括确定用于附加UWB收发器的调度的发送时隙，并且使用附加UWB收发器无线地发送附加 UWB信号可以基于调度的发送时隙。

在一些实施例中，附加UWB收发器的位置的计算还可以基于第四UWB信号的发送时间标记。

在一些实施例中，使用一种方法用于校准UWB收发器网络中的 UWB收发器。UWB网络可以至少包括第一、第二和第三UWB收发器。最初，三个收发器的相对位置相对于彼此可能完全或部分未知。校准的一个目标可以是计算第一、第二和第三UWB收发器的相对位置。

在一些实施例中，三个UWB收发器中的每一个都可以被配置为无线地发送UWB信号。三个UWB收发器中的每一个还可以被配置为接收由任何其他UWB收发器发送的UWB信号。在一些实施例中，三个UWB收发器中的每一个可以被配置为对其发送的任何 UWB信号的发送时间进行时间标记，并且对从任何其他UWB收发器接收到的任何UWB信号的接收时间进行时间标记。例如，在一些实施例中，由第一UWB收发器发送的UWB信号可以由第二和第三 UWB收发器两者接收。然后，第二和第三UWB收发器中的每一个可以生成指示当接收到来自第一UWB收发器的UWB信号时的时间的接收时间标记。

在一些实施例中，基于由三个UWB收发器中的至少两个生成的接收时间标记可以确定三个UWB收发器的相对位置。

在一些实施例中，至少三个接收时间标记可以用于确定三个 UWB收发器的相对位置。例如，第一UWB收发器可以发送可以由第二UWB收发器和第三UWB收发器接收的第一UWB信号，其中第二UWB收发器和第三UWB收发器中的每一个在第一UWB信号的接收时间生成相应的接收时间标记。第二UWB收发器也可以发送可以至少由第三UWB收发器接收的第二UWB信号，其中第三 UWB收发器在第二UWB信号的接收时间生成接收时间标记。

在一些实施例中，第一UWB收发器可以发送可以由第二UWB 收发器接收和进行时间标记的第一UWB信号。第二UWB收发器可以发送可以由第三收发器接收和进行时间标记的第二UWB信号。第三UWB收发器可以发送可以由第一UWB收发器接收和进行时间标记的第三UWB信号。

因此，在一些实施例中，第一UWB收发器、第二UWB收发器和第三UWB收发器中的至少两个用于发送至少两个UWB信号。至少两个UWB信号中的一个或多个随后由第一UWB收发器、第二 UWB收发器和第三UWB收发器中的至少两个接收，导致至少两个 UWB信号的至少三个接收。至少三个接收中的每一个可以由第一 UWB收发器、第二UWB收发器和第三UWB收发器中的至少两个进行时间标记，导致至少三个接收时间标记的生成。

在一些实施例中，至少三个接收时间标记可以随后在位置校准单元处被接收。位置校准单元可以随后基于至少三个接收时间标记计算第一UWB收发器、第二UWB收发器和第三UWB收发器的相对位置。在一些实施例中，位置校准单元可以求解双曲线方程组或双曲线方程组的线性化版本以计算第一UWB收发器、第二UWB收发器和第三UWB收发器的相对位置。

在一些实施例中，位置校准单元也可以接收至少两个UWB信号的至少两个发送时间标记。在一些实施例中，至少两个发送时间标记可能已经从存储器接收或已经被作为载荷接收并且从至少两个UWB 信号或从其他UWB信号解码。在一些实施例中，位置校准单元可以随后基于至少三个接收时间标记以及至少两个发送时间标记计算第一 UWB收发器、第二UWB收发器和第三UWB收发器的相对位置。

在一些实施例中，第一UWB收发器包括第一时钟，第二UWB 收发器包括第二时钟，并且第三UWB收发器包括第三时钟。在一些实施例中，同步单元可以用于同步第一时钟、第二时钟和第三时钟，从而减少时间偏移或速率的差异。

在一些实施例中，第一UWB收发器、第二UWB收发器和第三 UWB收发器中的某些可能包括传感器。在一些实施例中，每个传感器可以配置为测量至少一个共同的全局特性，诸如重力、电磁力、流体压力、气体压力、全球定位信号或无线电时间信号。例如，第一 UWB收发器可以包括第一重力传感器，并且第二UWB收发器可以包括第二重力传感器。

在一些实施例中，第一UWB收发器可以从第一传感器接收第一数据，并且第二UWB收发器可以从第二传感器接收第二数据，并且第三UWB收发器可以从第三传感器接收第三数据。在一些实施例中，由第一UWB收发器生成的UWB信号可以包括表示第一数据的载荷数据，由第二UWB收发器生成的UWB信号可以包括表示第二数据的载荷数据，并且由第三UWB收发器生成的UWB信号可以包括表示第三数据的载荷数据。在一些实施例中，计算相对位置还可以基于第一数据、第二数据和第三数据中的至少两个。

在一些实施例中，UWB收发器网络可以包括第四UWB收发器。在一些实施例中，第四UWB收发器相对于第一UWB收发器、第二UWB收发器和第三UWB收发器的位置的相对位置可能完全或部分未知。在一些实施例中，第四UWB收发器可以类似地以无线方式发送UWB信号，并且对由其他UWB收发器发送的UWB信号进行接收以及进行时间标记。

在一些实施例中，至少六个接收时间标记可以用于确定四个 UWB收发器的相对位置。因此，在一些实施例中，第一UWB收发器、第二UWB收发器、第三UWB收发器和第四UWB收发器中的至少三个用于发送至少三个UWB信号。至少三个UWB信号中的两个或更多个随后由第一UWB收发器、第二UWB收发器、第三 UWB收发器和第四UWB收发器中的至少三个接收，从而导致至少三个UWB信号的至少六个接收。至少六个接收中的每一个可以由第一UWB收发器、第二UWB收发器、第三UWB收发器和第四 UWB收发器中的至少三个进行时间标记，从而导致至少六个接收时间标记的生成。

在一些实施例中，然后可以在位置校准单元处接收至少六个接收时间标记。然后位置校准单元可以基于至少六个接收时间标记计算第一、第二、第三和第四UWB收发器的相对位置。

在一些实施例中，表示第一UWB收发器、第二UWB收发器、第三UWB收发器和第四UWB收发器的相对位置的数据可以被发送到第一UWB收发器、第二UWB收发器、第三UWB收发器和第四 UWB收发器中的至少一个的范围内的自定位设备。

在一些实施例中，第一UWB收发器、第二UWB收发器、第三 UWB收发器中的至少一个可以包括被配置为检测该UWB收发器的移动的传感器。在一些实施例中，第一UWB收发器、第二UWB收发器和第三UWB收发器中的至少一个可以响应于检测到移动而无线地发送指示其移动的信息。

在一些实施例中，调度单元可以调度来自第一UWB收发器、第二UWB收发器和第三UWB收发器的UWB信号的发送。在一些实施例中，调度可以折衷调度时分多址时隙分配。

在一些实施例中，UWB收发器网络可以包括附加UWB收发器。附加UWB收发器的发送可以被配置为不干扰第一UWB收发器、第二UWB收发器和第三UWB收发器中的特定一个的发送。在一些实施例中，调度单元可以将一个TDMA时隙分配给附加的 UWB收发器和第一UWB收发器、第二UWB收发器和第三UWB 收发器中的特定的一个。

在一些实施例中，位置校准单元可以用于基于至少两个相继发送的UWB信号来精细化第一UWB收发器、第二UWB收发器和第三 UWB收发器的相对位置。

在一些实施例中，可以基于部分知识来初始化位置校准单元中的 UWB收发器的初始相对位置。初始化可以包括初始化位置估计。在一些实施例中，位置校准单元可以连续保持UWB收发器的相对位置的估计。维护可以包括计算更新的位置估计。

虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明的某些方面，但是本领域普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以如以下权利要求所限定的在形式和细节上进行各种改变。例如，应用于可进行时间标记的信号的本公开的特定方面可以同样很好地应用于UWB信号，反之亦然。作为进一步示例，应用于信号102的本公开的特定方面可以同样很好地应用于信号 104，反之亦然。作为进一步示例，应用于信号104的本公开的特定方面可以同样很好地应用于信号1530，反之亦然。作为进一步示例，应用于定位单元152的本公开的具体方面可以同样很好地应用于位置校准单元180，反之亦然。

还应当理解的是，本公开的收发器、设备和部件可以包括硬件部件或者硬件和软件组件的组合。硬件部件可以包括被构造或布置成如本文所述进行操作的任何合适的有形部件。一些硬件部件(例如，调度单元、同步单元、调度单元、定位单元、补偿单元、控制单元等) 可以包括处理电路(例如，处理器或一组处理器)以执行本文所描述的操作。软件部件可以包括在有形的计算机可读介质上记录的代码。处理电路可以由软件部件进行配置以执行所描述的操作。

因此希望在所有方面将本实施例视为说明性的而非限制性的。

附图标记

100 定位系统

102 可进行时间标记的信号

104 收发器之间的可进行时间标记的信号

110 收发器

110a 收发器0

110b 收发器1

110c 收发器2

112 收发器的天线

116 收发器的模拟发送电子部件

118 收发器的数字发送电子部件

130 自定位设备

132 自定位设备的天线

136 自定位设备的模拟接收电子部件

148 自定位设备的数字接收电子部件

150 调度单元

152 定位单元

154 收发器的传感器

155 自定位设备的传感器

156 收发器的全局特性

158 自定位设备的全局特性

160 收发器的模拟接收电子部件

164 收发器的数字接收电子部件

170 收发器的存储器

171 自定位设备的存储器

174 同步单元

180 位置校准单元

202 移动发送器

204 固定接收器

206 集中式定位系统

208 从移动发送器发送的信号

252 移动收发器

254 固定收发器

258 固定收发器和移动收发器之间发送的双向信号

300 时钟

304 同步信号

500 补偿单元

600 在自定位设备A的时钟中测量的时间的进程

602 第一消息在自定位设备A的天线处的到达时间

604 自定位设备A的数字接收电子部件对第一消息的时间标记与第一消息在自定位设备A的天线处的到达时间之间的差异

606 自定位设备A的数字接收电子部件对第一消息的时间标记

612 在自定位设备A的天线处的第二消息的到达时间

614 自定位设备A的数字接收电子部件对第二消息的时间标记与第二消息在自定位设备A的天线处的到达时间之间的差异

616 自定位设备A的数字接收电子部件对第二消息的时间标记

700 信道冲击响应(CIR)

702 UWB信号噪声基底电平

710 UWB信号前导

712 UWB信号帧首定界符(SFD)

714 UWB信号分组头部

716 UWB信号载荷

720 UWB信号发送期间的时间进程

722 UWB信号发送开始的时间

724 UWB信号发送结束的时间

800 接收时间标记

802 时钟校正

804 影响补偿

806 校正的到达时间

810 远程全局特性

812 比较

814 全局特性模型

820 扩展卡尔曼滤波器处理更新

822 先验

824 扩展卡尔曼滤波器测量更新

826 后验

830 位置

840 控制单元

900 自定位设备与收发器之间的相对角度

900a 自定位设备与收发器0之间的相对角度

900b 自定位设备与收发器1之间的相对角度

902 自定位设备与收发器之间的相对角度造成的UWB信号的接收延迟

902a 自定位设备与收发器0之间的相对角度造成的UWB信号的接收延迟

902b 自身定位设备与收发器1之间的相对角度造成的UWB信号的接收延迟

903 坐标系

904 自定位设备与收发器之间的距离

904a 自定位设备与收发器0之间的距离

904b 自定位设备与收发器1之间的距离

906 自定位设备与收发器之间的距离造成的UWB信号的接收延迟

906a 自定位设备与收发器0之间距离造成的UWB信号接收延迟

906b 自定位设备与收发器1之间的距离造成的UWB信号的接收延迟

908 自定位设备和收发器之间的等效障碍物宽度

908c 自定位设备和收发器2之间的等效障碍物宽度

910 自定位设备与收发器之间的等效障碍物宽度造成的UWB信号的接收延迟

910a 自定位设备与收发器0之间等效障碍物宽度造成的UWB 信号接收延迟

910b 自定位设备与收发器1之间的等效障碍物宽度造成的UWB信号的接收延迟

910c 自定位设备与收发器2之间的等效障碍物宽度造成的UWB信号的接收延迟

1004 机载致动器

1006 移动

1008 基准信号

1100 移动机器人

1102 中央处理电子部件

1104 陀螺仪

1106 加速度计

1110 螺旋桨

1112 外置控制器

1114 外置传感器

1202 水平控制器

1204 指定运载体x方向的加速度的命令

1206 指定运载体y方向的加速度的命令

1210 垂直控制器

1212 指定运载体z方向的加速度的命令

1220 降低姿态控制器

1222 指定运载体俯仰率的命令

1224 指定运载体翻滚速率的命令

1230 偏航控制器

1232 指定运载体偏航率的命令

1242 机身速率控制器

1244 致动器命令

1300a 在时间R1接收分组120a与在时间R2接收分组120b之间的到达时间差(TDOA)

1300b 在时间R2接收分组120b与在时间R3接收分组120c之间的到达时间差(TDOA)

1300c 在时间R3接收分组120c与在时间R4接收分组120d之间的到达时间差(TDOA)

1310 以轮询方式发送分组之间的有规律的时间间隔(T2-T1＝T3- T2＝T4-T3)

1400 收发器信号的径向覆盖

1410 两个在范围内收发器之间的无线通信

1420 一个小区内多个收发器的重叠空间覆盖

1440 多个收发器单元的重叠空间覆盖

1500 数据收发器

1505 数据收发器天线

1510 数据接入点

1520 数据收发器与数据接入点之间的双向信令

1530 两个数据收发器之间的双向信令

Claims

1.一种定位系统，包括：

三个超宽带UWB收发器，每个UWB收发器能够操作用于发射UWB信号，并且每个UWB收发器包括：

收发器天线；

收发器时钟；

模拟发送电子部件；以及

数字发送电子部件，操作地耦接到所述收发器时钟和所述模拟发送电子部件，并且能够操作用于参考所述收发器时钟在调度的发送时间发射所述UWB信号；

第一自定位设备，能够操作用于接收所述UWB信号，第一自定位设备包括：

第一设备天线，能够操作用于接收所述UWB信号，其中第一设备天线能够操作用于接收：

来自所述三个UWB收发器中的第一UWB收发器的第一UWB信号；

来自所述三个UWB收发器中的第二UWB收发器的第二UWB信号；

来自所述三个UWB收发器中的第三UWB收发器的第三UWB信号；

第一设备时钟；

第一设备模拟接收电子部件；

第一设备数字接收电子部件，操作地耦接到第一设备时钟和第一设备模拟接收电子部件，并且能够操作用于参考第一设备时钟对接收到的第一UWB信号、第二UWB信号和第三UWB信号进行时间标记；和

第一定位单元，操作地耦接到第一设备数字接收电子部件，并且能够操作用于基于接收到的第一UWB信号、第二UWB信号和第三UWB信号的时间标记计算第一自定位设备相对于所述三个UWB收发器的相对位置；以及

第二自定位设备，能够操作用于接收所述UWB信号，第二自定位设备包括：

第二设备天线，能够操作用于接收所述UWB信号，其中第二设备天线能够操作用于接收：

来自所述三个UWB收发器中的第一UWB收发器的第一UWB信号；

来自所述三个UWB收发器中的第二UWB收发器的第二UWB信号；

来自所述三个UWB收发器中的第三UWB收发器的第三UWB信号；

第二设备时钟；

第二设备模拟接收电子部件；

第二设备数字接收电子部件，操作地耦接到第二设备时钟和第二设备模拟接收电子部件，并且能够操作用于参考第二设备时钟对接收到的第一UWB信号、第二UWB信号和第三UWB信号进行时间标记；以及

第二定位单元，操作地耦接到第二设备数字接收电子部件，并能够操作用于基于接收到的第一UWB信号、第二UWB信号和第三UWB信号的时间标记计算第二自定位设备相对于所述三个UWB收发器的相对位置。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

同步单元，能够操作用于计算所述收发器时钟的第一个和第二个之间的时钟偏移和时钟速率中的至少一个的校正，并且其中所述收发器时钟中的至少两个各自被构造成对于在5ms和10ms之间的平均时间间隔具有最大(1x10^-8)²的阿伦方差，并且其中第一定位单元计算的相对位置是以1m或更佳的精确度计算的。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括：

移动机器人，物理地并且操作地耦接到第一自定位设备，其中，第一自定位设备还包括：

机载致动器，能够操作用于控制移动机器人在空间中的移动；以及

控制单元，能够操作用于基于所述相对位置生成用于所述机载致动器的控制信号。

4.根据权利要求1所述的系统，其中第一自定位设备能够操作用于在10秒的时间窗口内接收所述UWB信号中的两个UWB信号，其中参考第一设备时钟，所述两个UWB信号的时间标记之间的时间差在所述两个UWB信号在第一设备天线处的接收时间之间的时间差的3纳秒之内。

5.根据权利要求1所述的系统，其中第一自定位设备还包括：

补偿单元，操作地耦接到所述设备数字接收电子部件，并且能够操作用于计算以下之一：

对从第一UWB收发器传送到第一自定位设备的第一UWB信号与从不同的第二UWB收发器传送到第一自定位设备的第二UWB信号之间的到达的时间差的补偿；以及

对从第一UWB收发器传送到第一自定位设备的第一UWB信号的时间标记的补偿，其中所述补偿单元还够操作用于通过隐式地或显式地考虑以下中的一个或多个所引入的时间误差来计算所述补偿：

第一设备天线；

第一设备模拟接收电子部件；

第一设备数字接收电子部件；

第一自定位设备的运动；

第一UWB收发器的收发器天线；

第一UWB收发器的模拟发送电子部件；

第一UWB收发器的数字发送电子部件；

第二UWB收发器的收发器天线；

第二UWB收发器的模拟发送电子部件；以及

第二UWB收发器的数字发送电子部件。

6.根据权利要求1所述的系统，所述三个UWB收发器中的每个UWB收发器还包括：

传感器，被构造成检测收发器的位置或朝向的扰动。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述三个UWB收发器中的第一UWB收发器的收发器天线能够操作用于接收所述三个UWB收发器中的第二UWB收发器的UWB信号，并且其中第一UWB收发器包括：

收发器模拟接收电子部件；

收发器数字接收电子部件，操作地耦接到第一UWB收发器的收发器时钟和收发器模拟接收电子部件，并且能够操作用于参考第一UWB收发器的收发器时钟对接收到的第二UWB收发器的UWB信号进行时间标记；以及

同步单元，能够操作用于基于接收到的第二UWB收发器的UWB信号的时间标记计算第一UWB收发器的收发器时钟的校正，以获得第一UWB收发器和第二UWB收发器之间的共用的同步基准时间。

8.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述三个UWB收发器包括第一UWB收发器、第二UWB收发器和第三UWB收发器；

第一UWB收发器包括：

第一收发器天线，能够操作用于接收第二UWB收发器发射的UWB信号和第三UWB收发器发射的UWB信号；

第一收发器时钟；

第一收发器模拟接收电子部件；

第一收发器数字接收电子部件，操作地耦接到第一收发器时钟和第一收发器模拟接收电子部件，并且能够操作用于参考第一收发器时钟对从第二UWB收发器和第三UWB收发器接收到的UWB信号进行时间标记；

第一同步单元，能够操作用于基于从第二UWB收发器和第三UWB收发器接收到的UWB信号的时间标记计算时钟校正；

第一模拟发送电子部件；以及

第一数字发送电子部件，操作地耦接到第一收发器时钟和第一模拟发送电子部件，并且能够操作用于参考第一收发器时钟在调度的发送时间发射UWB信号；

第二UWB收发器包括：

第二收发器天线，能够操作用于接收第一UWB收发器发射的UWB信号和第三UWB收发器发射的UWB信号；

第二收发器时钟；

第二收发器模拟接收电子部件；

第二收发器数字接收电子部件，操作地耦接到第二收发器时钟和第二收发器模拟接收电子部件，并且能够操作用于参考第二收发器时钟对从第一UWB收发器和第三UWB收发器接收到的UWB信号进行时间标记；

第二同步单元，能够操作用于基于从第一UWB收发器和第三UWB收发器接收到的UWB信号的时间标记计算时钟校正；

第二模拟发送电子部件；以及

第二数字发送电子部件，操作地耦接到第二收发器时钟和第二模拟发送电子部件，并且能够操作用于参考第二收发器时钟在调度的发送时间发射UWB信号；

第三UWB收发器包括：

第三收发器天线，能够操作用于接收第一UWB收发器发射的UWB信号和第二UWB收发器发射的UWB信号；

第三收发器时钟；

第三收发器模拟接收电子部件；

第三收发器数字接收电子部件，操作地耦接到第三收发器时钟和第三收发器模拟接收电子部件，并且能够操作用于参考第三收发器时钟对从第一UWB收发器和第二UWB收发器接收到的UWB信号进行时间标记；

第三同步单元，能够操作用于基于从第一UWB收发器和第二UWB收发器接收到的UWB信号的时间标记计算时钟校正；

第三模拟发送电子部件；以及

第三数字发送电子部件，操作地耦接到第三收发器时钟和第三模拟发送电子部件，并且能够操作用于参考第三收发器时钟在调度的发送时间发射UWB信号；并且

第一同步单元、第二同步单元和第三同步单元计算其各自的时钟校正，以用于第一UWB收发器、第二UWB收发器和第三UWB收发器获得共用的同步基准时间。

9.根据权利要求1所述的系统，其中第一自定位设备还包括同步单元，所述同步单元能够操作用于基于从所述三个UWB收发器中的至少两个UWB收发器接收到的UWB信号的时间标记计算第一设备时钟的时钟校正。

10.一种用于确定自定位设备的相对位置的方法，包括：

利用第一超宽带UWB收发器，参考第一收发器时钟在第一调度的发送时间发射第一UWB信号，第一UWB收发器包括第一收发器天线、第一收发器时钟、第一模拟发送电子部件和第一数字发送电子部件；

利用第二UWB收发器，参考第二收发器时钟在第二调度的发送时间发射第二UWB信号，第二UWB收发器包括第二收发器天线、第二收发器时钟、第二模拟发送电子部件和第二数字发送电子部件；

利用第三UWB收发器，参考第三收发器时钟在第三调度的发送时间发射第三UWB信号，第三UWB收发器包括第三收发器天线、第三收发器时钟、第三模拟发送电子部件和第三数字发送电子部件；

利用第一自定位设备，接收第一UWB信号、第二UWB信号和第三UWB信号，其中第一自定位设备包括第一设备天线、第一设备时钟、第一设备模拟接收电子部件和第一设备数字接收电子部件，第一设备数字接收电子部件操作地耦接到第一设备时钟和第一设备模拟接收电子部件；

利用第一自定位设备的第一设备数字接收电子部件，参考第一设备时钟对接收到的第一UWB信号、第二UWB信号和第三UWB信号进行时间标记；

利用第一定位单元，基于接收到的第一UWB信号、第二UWB信号和第三UWB信号的时间标记计算第一自定位设备的相对位置，第一定位单元操作地耦接到第一设备数字接收电子部件；

利用第二自定位设备，接收第一UWB信号、第二UWB信号和第三UWB信号，其中第二自定位设备包括第二设备天线、第二设备时钟、第二设备模拟接收电子部件和第二设备数字接收电子部件，第二设备数字接收电子部件操作地耦接到第二设备时钟和第二设备模拟接收电子部件；

利用第二自定位设备的第二设备数字接收电子部件，参考第二设备时钟对接收到的第一UWB信号、第二UWB信号和第三UWB信号进行时间标记；

利用第二定位单元，基于接收到的第一UWB信号、第二UWB信号和第三UWB信号的时间标记计算第二自定位设备的相对位置，第二定位单元操作地耦接到第二设备数字接收电子部件。