CN108781233A - 用于测距系统的信标和相关联的组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于测距系统的信标(110)，该信标包括电子扫描阵列(ESA)天线和收发器。所述ESA天线被配置为针对弧的多个段中的每个发射单独的射频(RF)相控阵窄波束(140)，并且基于所述RF相控阵窄波束(140)中的至少一个从最终用户节点(130)接收响应信号。以指定的时间间隔扫描所述弧的每个段。收发器被配置为经由所述RF相控阵窄波束(140)发送脉冲信号，并且接收所述响应信号。

Description

用于测距系统的信标和相关联的组件
技术领域
本发明整体涉及地面定位和测距。因此，本发明涉及基于无线电频率的周界定位、测距和消息传送的领域。
背景技术
卫星导航系统，诸如可用于军事、民用、商业和科研者的全球定位系统(GPS)使接收器能够从接收自多个卫星的测距信号确定位置。建筑物内的GPS定位和其他定位服务可较为不可靠或不可用。尤其是，在建筑物和建筑结构中(包括，大型工业建筑物、具有房间的建筑物，具有多个楼层的建筑物)，或者诸如灌木茂盛或具有其他障碍物的室外区域中，GPS定位和其他定位服务可能是不可靠的或不可用的。人们使用各种技术来改进测距技术。一些测距技术涉及在整个建筑结构中建立定位站网络，而后该定位站网络可以与卫星信号进行通信。然而，这种方法通常需要在建筑物或建筑结构内进行预先安装。其他方法可采用惯性导航系统，但是在数段短时间内累积起来的位置不准确情况会使它们失效。此外，就多种环境中的分辨率和可靠性而言，可用技术存在明显局限性。
发明内容
用于地面测距系统的信标，其包括电子扫描阵列(ESA)天线和收发器。ESA天线被配置为针对弧的多个段中的每一个发射单独的射频(RF)相控阵窄波束，并且基于RF相控阵窄波束中的至少一个从最终用户节点接收响应信号。以指定的时间间隔扫描弧的每个段。响应信号可包括下述至少一者：应答器信号、收发器信号或两者之一的中继器。该信标被配置为经由RF相控阵窄波束发射脉冲信号，并且接收“最终用户节点”响应信号。响应信号可以来自收发器、应答器或中继器。转发信号可以是对转发自不同位置的原始信号的频移复制。重复信号可以是对中继自不同位置的原始信号的复制。在一个示例中，测距系统可包括处理模块。该处理模块可被配置为从响应信号计算到达角度(AOA)和飞行时间(TOF)中的至少一个，并且相对于信标的位置生成最终用户节点的位置。
在另一个示例中，该技术可用于使用信标来发射射频(RF)相控阵窄波束。一种方法可包括信标在分路器和加法器模块处接收RF信号。分路器和加法器模块可以将RF信号发送到多个可控相移器。每个相移器可以对应于电子扫描阵列(ESA)天线中某一辐射器孔的相位控制。相移器、分路器和加法器的组合体包括ESA波束形成器。相移器可以对每个RF信号进行相移，从而在指定方向上形成同相窄波束。多个辐射器孔可按光栅扫描模式来发射相移信号。基于对应波束形成器的编程，光栅扫描可以在宽扫描和窄扫描之间变化。信标可以在多个辐射器孔处从最终用户节点接收响应信号。可以穿透障碍物接收响应信号。
在另一个示例中，该技术可用于在最终用户节点和用于确定该最终用户节点相对于信标的位置的控制站控制器之间进行通信。一种方法可包括控制器向最终用户节点发送伴随有最小接收信号强度指示(RSSI)消息的询问消息。最小RSSI消息可包括用于从最终用户节点发送回复消息的RSSI阈值。当询问消息的测量的RSSI超过RSSI阈值时，控制器可以从最终用户节点接收回复消息，该回复消息包括最终用户节点处的询问消息的测量的RSSI。
在另一个示例中，用于测距系统的控制站控制器可包括发送模块和接收模块。发送模块可以被配置为向最终用户节点发送伴随有最小接收信号强度指示(RSSI)消息的询问消息。最小RSSI消息可包括用于从最终用户节点发送回复消息的RSSI阈值。接收模块可以被配置为当询问消息的测量的RSSI超过RSSI阈值时，从最终用户节点接收回复消息，该回复消息包括最终用户节点处的询问消息的测量的RSSI。
在另一个示例中，该技术可用于在最终用户节点和用于确定该最终用户节点相对于信标的位置的控制站控制器之间进行通信。一种方法可包括最终用户节点从控制器接收伴随有最小接收信号强度指示(RSSI)消息的询问消息。最小RSSI消息可包括用于从最终用户节点发送回复消息的RSSI阈值。最终用户节点可以测量询问消息的RSSI。当询问消息的测量的RSSI超过RSSI阈值时，最终用户节点可向控制器发送回复消息，该回复消息包括最终用户节点处的询问消息的测量的RSSI。
在另一个示例中，用于测距系统的最终用户节点可包括接收模块、测量模块和发送模块。接收模块可以被配置为从控制器接收伴随有最小接收信号强度指示(RSSI)消息的询问消息。最小RSSI消息可包括用于发送回复消息的RSSI阈值。测量模块可以被配置为测量询问消息的RSSI。发送模块被配置为当询问消息的测量的RSSI超过RSSI阈值时，向控制器发送回复消息，该回复消息包括最终用户节点处的询问消息的测量的RSSI。
测距系统包括至少一个信标和控制模块。所述至少一个信标被配置为，以窄射频(RF)波束来扫描弧的多个段中的每个段，并在至少一个段中从最终用户节点接收响应信号。以指定的时间间隔扫描弧的每个段。控制模块被配置为与至少一个信标通信。控制模块还被配置为，计算从最终用户节点发送至信标的响应信号的到达角度(AOA)和飞行时间(TOF)中的至少一个，并且生成相对于信标位置而言的最终用户节点位置。在一个示例中，测距系统可包括最终用户节点，该最终用户节点被配置为接收窄射频(RF)波束中的至少一个，并将响应信号发送回到信标。
在另一个示例中，该技术可用于确定最终用户节点相对于所述至少一个信标的位置。一种方法可包括至少一个信标扫描弧中的多个段中的每个段，并发送单独的窄射频(RF)波束。弧在最终用户节点的方向。所述至少一个信标可以基于在最终用户节点处接收的窄RF波束，而从最终用户节点接收响应信号。该技术可以确定响应信号的到达角度(AOA)和飞行时间(TOF)中的至少一个，并且使用响应信号的AOA和TOF中的至少一个来计算相对于至少一个信标位置而言的最终用户节点位置。
在另一个示例中，用于测距系统的信标包括电子扫描阵列(ESA)天线和处理模块。ESA天线可以被配置为，针对目标区域中的多个位置中的每一个发射单独的射频(RF)相控阵窄波束。RF相控阵窄波束可包括脉冲信号。可将每个RF相控阵窄波束根据已定义的扫描模式从信标朝目标区域发射。ESA天线可以被配置为检测从目标区域内的最终用户节点反射的至少一个反射脉冲信号。处理模块可被配置为，计算反射脉冲信号的到达角(AOA)和飞行时间(TOF)中的至少一个，以及目标区域内的最终用户节点相对于信标位置的位置。
附图说明
本公开的特征和优点将通过接下来的具体实施方式显而易见，并且该具体实施方式结合附图一起以举例的方式示出本公开的特征。
图1示出了根据一个示例的具有多个信标的周界测距系统的透视图。
图2示出了根据一个示例的具有一个信标的周界测距系统的透视图。
图3示出了根据一个示例的使用到达角度(AOA)和飞行时间(TOF)信息的测距系统的图示。
图4示出了根据一个示例的使用1×8天线阵列的测距系统的框图。
图5示出了根据一个示例的信标的概念性描述。
图6示出了根据一个示例的具有衰减器的电子扫描天线(ESA)阵列天线的概念性描述。
图7示出了根据一个示例的不具有衰减器的电子扫描天线(ESA)阵列天线的概念性描述。
图8示出了根据一个示例的使用不断上升的电阻电容(RC)电压来确定飞行时间(TOF)的框图。
图9示出了根据一个示例的电子扫描天线(ESA)的图示。
图10示出了根据一个示例的电子扫描天线(ESA)层压板布局的仰视图。
图11示出了根据一个示例的建立测距系统的建筑物穿透性的透视图。
图12示出了根据一个示例的测距系统的信标的多路径信号和旁瓣。
图13示出了根据一个示例的作为仰角的函数的大气射频(RF)衰减的曲线图。
图14示出了根据一个示例的作为仰角的函数的大气射频(RF)衰减的曲线图。
图15示出了根据一个示例的作为射频(RF)和温度的函数的介电损耗的曲线图。
图16示出了根据一个示例的大气吸收曲线图。
图17示出了根据一个示例的图形用户界面(GUI)的图。
图18示出了根据一个示例的通过减少消息的数量、或者通过经由包括接收信号强度指示(RSSI)或接收信号强度(RSS)信息的消息收发缩短握手协议中的驻留时间，来减少扫描时间的图示。
图19示出了根据一个示例的通过减少消息的数量、或者通过经由包括接收信号强度指示(RSSI)或接收信号强度(RSS)信息的消息收发缩短握手协议中的驻留时间，来减少扫描时间的流程图。
图20示出了根据一个示例的相对于波束对分离的AoA误差的坐标图。
图21示出了根据一个示例的相对于波束对分离的AoA误差的坐标图。
图22示出了根据一个示例的具有多个信标的周界测距系统的透视图。
图23描绘根据一个示例的、用于在最终用户节点和用于确定最终用户节点相对于信标的位置的控制站控制器之间进行通信的方法的流程图。
图24描绘了根据一个示例的、用于确定最终用户节点相对于至少一个信标的位置的方法的流程图。
这些附图仅仅示出本公开的示例性实施例，因此这些附图不应被视为对本公开范围的限制。将易于认识到，如本文图中大体描述和示出的本公开的组件可以按多种不同的构型布置、制定大小和设计。但是，将通过使用附图更具体和详细地描述并解释本公开。
具体实施方式
应当理解，本公开不限于所公开的特定结构，方法步骤或材料，而是扩展到相关领域的普通技术人员将认识到的等同物。相关领域的技术人员和本发明产权的拥有者可能想到的所示特征的改变和进一步修改形式，以及示例原理的另外应用，应被视为在本公开的范围之内。还应当理解，本文所采用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而非旨在进行限制。不同附图中相同的附图标号表示相同的元件。
必须注意的是，除非上下文明确规定，否则如本说明书和所附权利要求中所用，单数形式“一”、“一个”和“所述”包括多个指代物。因此，例如，提及“一个孔”包括一个或多个这样的开口，提及“电池”包括提及一个或多个这样的器件，并且提及“施用”包括一个或多个这样的步骤。
在描述本公开和主张其权利要求时，将根据下文所述定义使用以下术语。
如本文所用，关于材料的量或含量或材料的具体特征使用的“基本的”是指足以提供材料或特征旨在提供的影响的含量。因此，当用于指材料的数量或数额或其特定特性时，“基本上不含”是指不存在该材料或特性，或该材料或特性的存在量不足以赋予通常由这种材料或特性所赋予的可测量的效果。
如本文所用，为方便起见，多个物品、结构元件、组成元件和/或材料可以在相同列表中表示。然而，这些列表应理解为列表的每个构件独立地识别为单独且唯一的构件。因此，在没有相反指示的情况下，不应单独地基于它们在相同组中的表现，将此类列表的任何单个构件理解为相同列表的任何其他构件的实际等同物。
在本文中，数字型数据可按范围格式来表示或呈现。应当理解，此类范围格式的使用仅仅出于方便和简洁目的，因此应灵活解读为不仅包括明确引用为范围限值的数值，还包括涵盖在该范围内的所有单个数值或子范围，如同明确引用每个数值和子范围。作为举例说明，“约0.6mm至约0.3mm”的数值范围应被解释为，不仅包括约0.6mm和约0.3mm这两个明确列举的值，而且包括所指示范围内的各个值和子范围。因此，包括在该数值范围内的是单独的值，例如0.4mm和0.5mm，以及从0.5mm-0.4mm，从0.4mm-0.35mm等的子范围等。该原理同样适用于只有一个数值的范围。另外，这样的解释应不管范围的宽度或所描述的特性而应用。
如本文所用，术语“约”表示尺寸、大小、公式、参数、形状和其他数量和特性不是且不必是精确的，而是可以根据需要而近似和/或更大或更小，以反映公差、转换因子、舍入、测量误差等，以及本领域技术人员已知的其他因素。另外，除非另外指明，否则术语“约”应明确地包括与上文有关范围和数值数据的论述一致的“精确地”。
在本公开中，任何方法或工艺权利要求中所引用的任何步骤可以按任何顺序执行并且不限于权利要求中提供的顺序。装置加功能或步骤加功能限制仅仅用在特定的权利要求限制中，在这种限制中满足所有的下列条件：a)明确记载了“用于…的装置”或“用于…的步骤”；以及b)明确引用对应功能。在本文的说明中明确引用了支持装置加功能的结构、材料或行为。因此，本公开的范围应仅由所附权利要求及其合法等同条件确定，而非由本文给定的描述和例子确定。
图1示出了示例性测距系统(例如，地面周界测距系统)，其具有位于建筑物150周界外部的多个信标110A-C。该测距系统可以提供距离信标处于周界内(例如，建筑物)或指定范围内的最终用户节点130(例如，人或物体)的位置、生物特征信息和其他信息，在所述之处全球定位系统(GPS)或其他位置服务对于在燃烧建筑物中的遇难者、警察、士兵、消防员或其他资产来说可能不可靠或不可用。由于建筑材料(诸如大型商业或工业建筑物中的混凝土和钢材)带来的障碍、室外环境中灌木茂盛或GPS不起作用，位置服务可能不可靠或不可用。测距系统可以使用非侵入式射频(RF)技术设置在感兴趣的周界(例如，建筑物)“之外”。测距系统可以在不具有建筑物、结构或区域的先验(例如，先验知识)的情况下，用于保守的“现场急救员”情形。在一个示例中，测距系统可以使用独立于本地基础设施的便携式自供电设备进行操作，诸如可以通过电池、发电机、太阳能或除商业电网供电之外的其他电源进行供电的设备。测距系统可以提供用户节点(例如，最终用户节点、对象或人)的当前和历史位置信息，而不需要来自操作者的直接监视或交互。
测距系统可包括各种组件，诸如最终用户节点130、信标110A-C和控制站120。最终用户节点可包括具有全向天线的小型低功率收发器卡或器件，其可以放置在要跟踪的每个人或物体上。收发器卡或器件可以集成到移动电话、标签或其他便携式电子设备中。收发器卡可以是坚固、便宜且大量生产的器件。可由测距系统跟踪一个到数百个用户节点。
信标110A-C(例如，周界信标)可以在目标操作环境之外(例如，在周界上)提供RF测距和通信模块。信标可以配置成以窄射频(RF)波束扫描弧的140A-C段(例如，光栅扫描模式)，并在至少一个段中从最终用户节点接收响应信号。以指定的时间间隔扫描弧的每个段。例如，每个段可以表示弧中的2度(2°)，并且弧可以表示要扫描的圆或球体的一部分，诸如120度(使用球面坐标)。虽然每段2°可以是有用的，但弧段可以在约0.2°至约20°之间的范围内起作用。光栅扫描模式可包括在两个轴上的递增，诸如水平轴和垂直轴。额外的信标可以提供可扩展的网络，以满足感兴趣的周界大小。一个信标能够具有测定总地理学位置(地理位置)能力。然而，根据要覆盖的周界大小或面积，可以使用两个到数百个信标。额外的信标可以提高定位准确性。
控制站120可以使用局域网(LAN)将信标联接在一起以产生测距信息。控制站为节点任务和测距信息提供指挥中心操作。在一个示例中，控制站本质上可以是具有接口盒的“加载的”膝上型计算机，其具有对接使用互联网协议(IP)的信标和互联网的接口盒。虽然，控制站图示示出了独立于用于与LAN中的信标通信的膝上型电脑的天线，但该天线可以集成在膝上型电脑架构中。控制站可以被配置为，通过与至少一个信标通信，来生成相对于信标位置而言的最终用户节点位置。控制模块可以被配置为，经由信标从最终用户节点计算响应信号的到达角度(AOA)、飞行时间(TOF)，或AoA及TOF两者。在一个示例中，测距系统可以使用ZigBee协议(即，符合电气和电子工程师协会[IEEE]802.15.4或IEEE 802.15.4-2003)、以2.4千兆赫(GHz)进行的偏移正交相移键控(OQPSK)调制、无线局域网(WLAN)、高级加密标准(AES)加密或外部放大器(例如，高功率放大器[HPA]和低噪声放大器[LNA])。
在一种配置中，从最终用户节点所接收的响应信号除了用于定位最终用户节点之外，还可用于有效发送通信、遥测和传感器信息。将信标联接在一起的局域网(LAN)可以具有足够的数据速率容量，以覆盖向最终用户节点发送信息并自其接收信息的带宽需求。
在一个示例中，响应信号可以用于半双工或全双工语音。最终用户节点处的麦克风附件可以捕获音频，并产生用于通信的语音包。最终用户节点可以执行数据压缩，并将语音包插入到代码中(即响应信号)。响应信号(带有语音包)可以从最终用户节点发送到信标120A，然后经由LAN被路由到控制站120。类似地，控制站120可以通过LAN和信标120A发送语音包到适当的最终用户节点。在这种情况下，从信标102A发射的脉冲信号可包括语音包。控制站120可以使用识别码来发送语音包，以区分接收者(即，要接收语音包的最终用户节点)。
在一个示例中，响应信号可以用于文本消息。响应信号(带有文本消息)可以从最终用户节点发送到信标120A，然后经由LAN被路由到控制站120。类似地，控制站120可以通过LAN和信标120A发送文本消息到适当的最终用户节点。在这种情况下，从信标102A发送的脉冲信号可包括文本消息。发送文本消息的能力可以适用于军事生命安全情况，在这种情况下，最终用户节点不能发出噪声，并且必须静音和离散地进行通信。
在一个示例中，响应信号可以用于录制消息或预定义消息。预定义消息的非限制性例子包括“我没事”或“我需要帮助”。响应信号(带有预定义消息)可以从最终用户节点发送到信标120A，然后经由LAN被路由到控制站120。
在一个示例中，响应信号可包括生物特征信息。生物特征信息可以与最终用户节点相关联。例如，生物特征信息可包括最终用户节点的心率、温度、呼吸等。如果需要，该信息可以被控制站120监视并被记录以供将来查看。响应信号(带有生物特征信息)可以从最终用户节点发送到信标120A，然后经由LAN被路由到控制站120。
在一个示例中，信标120A可以发送包括与信标120A相关联的传感器数据的脉冲信号。信标120A可以经由脉冲信号将传感器数据发送到控制站120。在一个示例中，传感器数据可包括使用安装到信标120A的相机所捕获的视频。该视频可以是在相机视野中的感兴趣周界的视频。相机可捕获信标周围360度视野的视频，并将视频转换为被包括在脉冲信号中的数据。在一个示例中，控制站120可以指示信标120A捕获特定扇区或特定区域的视频。信标120A上的相机可包括标准光学相机、红外摄像机(例如，用于火灾探测和夜视)、X射线相机或紫外线相机。
在一个示例中，信标120A可以发送包括与信标120A相关联的遥测数据的脉冲信号。信标120A可以经由脉冲信号将遥测数据发送到控制站120。遥测数据可包括描述信标120A的健康状况的信息。例如，遥测数据可包括剩余电池容量、可允许带宽和错误信息。此外，遥测数据可包括环境区域的信息，诸如空气温度、风速和天气稳定性。
图2示出了使用控制站120和单个信标110的测距系统的另一个实施例。所发射的窄射频(RF)波束140和/或来自最终用户节点130的所接收的响应信号的AoA 142和的TOF144可用于生成最终用户节点的位置。因此，可以使用如下更详细描述的单个信标，来确定最终用户节点的位置。
如图3所示，测距系统可以提供地理学位置(地理位置)能力，在距离收发器信标110A-C 100米处，其分辨率为一米以内，其可以定位在某一区域内或周界(诸如自助餐厅、演出场地、酒店、学校、五金店、体育馆、公园、荒野区、船舶和水面)内的用户节点(例如，人132或对象)。周界测距系统使用由信标处的电子扫描阵列(ESA)天线或相控阵天线生成的窄RF波束140A-C，该波束可以使用到达角角度142和/或飞行时间(TOF)范围距离144上下来回地扫描跨越感兴趣的周界(诸如建筑物)，以进行三角测量(如果适用)并确定位置。该过程涉及到达角(AOA)算法(本文所述)，该算法提供了接近于ESA波束宽度的10％的横向范围分辨率。例如，在100米距离处的5.6度波束宽度提供了1米的交叉分辨率。地理定位能力还涉及配合利用飞行时间(TOF)信息。本文描述了上升时间常数实施方式，从而例如提供1米距离的准确性，作为充电电压与传播时间的精确映射的函数。除了上升的时间常数之外，还可以使用最终用户和信标之间的两个或更多个RF音调相位差来计算ToF。适用于ToF的另一个因素是对通过最终用户节点造成的延迟进行的经验确定和配给。另一个变量是限制分辨率步长的模数(A/D)转换器的步长能力。AoA(角度)和ToF(距离)综合起来提供由一个信标所提供的总体三维地理位置之解。多个信标也可用于三角测量，以提供最适合的解，增大覆盖面积、准确性和可靠性。
在到达角度(AOA)定位解决方案中，阵列天线可以提供窄波束，该窄波束可以跨越感兴趣的周界进行电子扫描，其中天线是固定的，但是凭借ESA天线的孔径会由信号的相移形成不同的波束。除了波束可能不被反射以确定范围之外，该信号可以类似于无线电检测和测距(RADAR)。相反，窄波束信号可以由最终用户节点接收，并且在受信标询问时，最终用户节点可以将RF信号返回到询问器(即信标)。由ESA天线发射和接收的窄波束的三维角度固有地给出了方向性。窄波束的接收信号强度(RSS)可以由最终用户测量，并且来自最终用户节点的响应信号的RSS可以由控制站测量。窄波束的RSS测量可以包括在响应信号中。当利用最终用户节点和特定AoA返回并识别响应信号时，可以使用具有最大接收信号强度指示(RSSI)强度的AoA来确定最终用户节点相对于信标的角度。这些波束中的两个或更多个可以产生在最终用户节点位置处相交的角度投影(如图1所示)，从而提供总地理位置解决方案。窄波束还可以为用于穿透建筑物或其他障碍物的信号提供显著的双向RF增益(例如，20-30分贝[dB])。分贝(dB)是一个对数单位，其表示某一物理量(通常为功率或强度)相对于特定或隐含参考水平的比率。因此，以分贝为单位的比率是两个功率量之比的底数为10的对数的十倍。
在飞行时间(TOF)位置解决方案中，每个信标可以测量从被询问的最终用户节点到信号的ToF，或者从信标到最终用户节点再到信标的往返信号路径的ToF。在另一个示例中，最终用户节点可以测量来自信标的窄波束的ToF，并在响应信号或消息中返回测量值。ToF信息可以允许系统确定距最终用户节点的距离。具有ToF信息的多个信标(例如，图3中的三个信标)然后可以“进行三角计算”并同时解出位置，以导出最终用户节点(例如，人的132)地理位置。具有AoA方向性和ToF距离的单个信标可以被配置为导出最终用户节点位置(如图2所示)。多个信标可以确认位置信息，并提供增强的可靠性和准确性(如图1所示)。
图4示出了来自天线阵列160的窄脉冲束140(例如，具有多个孔164的ESA天线)，其可以穿透通常具有最多金属的外壁152，并且因此穿过最大RF屏蔽(例如，通常损耗8dB)。内壁通常对衰减的影响较小(例如，每个壁<1dB)。然而，建筑物墙壁、天花板、地板和其他材料可以衰减RF信号。高强度方向性相控阵窄RF波束或脉冲能够穿透大部分建筑结构和叶类障碍物，具有超过70dB链路预算的穿透裕度(除了大约51dB的自由空间损耗之外)。由于天线的互易特性，天线可以在特定相移方向上发射高强度方向性相控阵窄RF波束，并且可以在特定相移方向上从全向天线接收弱信号。链路预算是对远程通信系统中从发射机通过介质(例如，自由空间、空气、障碍物、电缆、波导或光纤)到接收器的所有增益和损失的结算。链路预算考虑到由于传播引起的发射信号衰减，以及天线增益、馈线和杂项损耗。相控阵天线(例如，ESA天线)的增强RF信号强度可以在全向天线上具有增加3个数量级(×1000或30dB)的强度。全向天线可以在全向波束146中产生降低的信号功率响应。在一个示例中，光栅模式扫描中的窄光束可以携带询问消息，其可以在周界内由最终用户节点(由感兴趣的人132A-B或对象所携带)自动接收和响应。可以通过安全的(加密的)专用网络将人的位置、行程方向134A-B和/或状态的信息传回到发起查询的控制和指挥中心。在一个示例中，周界测距系统可以为典型建筑结构的高达7-8层提供用户节点测距。在一个示例中，控制站可包括用于跟踪最终用户节点的图形用户界面122(GUI)。信标可包括信标ESA ZigBee模块，其用于经由LAN与控制站通信，为天线阵列生成RF信号190，并为波束形成网络178提供信号。
在一个示例中，信标110可以具有至少两个天线，包括ESA天线162和全向天线(例如，单极天线182或多输入多输出[MIMO])。可包括辐射器元件164阵列的ESA波束天线可以支持测距功能。全向天线可以支持网状网络、状态信息以及与控制站的通信。信标可包括收发器和测距及ESA天线控制电子模块184，其用于生成用以扫描的窄波束，并用于与天线和控制站进行通信。信标可包括天线和硬件平台180，用于容纳收发器和测距及ESA天线控制电子模块并支持天线。ESA天线可用于利用窄波束进行扫描(用于AoA测距)。ESA天线可以产生30dB的各向同性(dBi)高双向增益，以穿透感兴趣的周界，诸如外墙。与假定的各向同性天线相比，dB各向同性(dBi)是天线的正向增益，其各向同性天线(例如全向天线)将能量在所有方向均匀分布。
图6示出了ESA天线162的辐射器元件164(例如，辐射器孔或孔)，以及在辐射器元件后侧上的波束形成网络178A。波束形成网络可包括RF输入/输出接收器192、分路器和加法器模块168、波束控制器166A、用于每个辐射器元件的相移器170，以及用于每个辐射器元件的衰减器172。当ESA天线发出信号时，RF输入/输出模块可以接收可形成波束的RF信号或消息。分路器与求和模块可以将来自控制器或处理器(控制站或信标)的输出信号分离到相移器。每个相移器可以将信号的相位移位，以形成在指定方向上具有增加的功率增益的复合信号。波束控制器可以用于指示每个相移器的相移量以及每个衰减器的信号功率的大小。来自每个衰减器的信号被发送到发射信号的辐射器元件。RF衰减器可用于减少与波束形成相关联的旁瓣。
当ESA天线162经由辐射器元件164接收到信号时，该信号被发送到衰减器，该衰减器衰减与旁瓣相关联的信号。衰减器将衰减信号的信号发送到相移器，相移器对每个所接收的信号进行相移，从而将所接收的信号集中到在指定方向上具有增加的功率增益的复合信号中。每个所接收的相移信号由分路器和求和模块进行发送及组合或求和，以形成集中复合信号，并将其发送到RF输入/输出模块。RF输入/输出模块将所接收的集中复合信号提供给(控制站或信标的)控制器或处理器以供处理。
图7示出了不具有衰减器的波束形成网络178B，以及被配置为指示每个相移器的相移量的波束控制器166B。使用RSSI信号强度的软件实施方式可以有效地省略衰减器来识别主瓣，而不会自旁瓣和反射带来显著不利影响。具体地讲，通过去除衰减器的这种软件实施降低了接收器系统的噪声系数，并增加了系统RF功率输出。ESA天线(带控制站)可以使用RSSI确定，而不是通常在ESA天线上使用的RF衰减器。去掉衰减器还可以降低ESA天线的成本，并简化窄波束的产生和响应信号的接收。ESA天线可以使用带有ZigBee协议的相移器控制来产生脉冲信号。可以使用RF和直流(DC)信号流来控制脉冲信号的方向，并且可以使用定时方式来保持往返信号路径的位置及保护频带时间，直到进入弧中下一个扫描角(例如，段)。ESA天线包括信号分路器/加法器168、相移器170和辐射器元件164以及波束控制器。在一个例子中，ESA天线可以提供±60度的水平扫描和高达±45度的垂直扫描。
在一个示例性5×5阵列ESA天线中，每个阵列具有5个孔，其中25个孔跨越2.4GHz频段总共测量约12.3英寸，ESA可以在100米距离处提供3.5米(m)的分辨率。每个波束的波束宽度Φ可以具有大约20.3度的角度θ，天线增益幅度为63(即，18.0dBi)。在一个示例性20×20阵列ESA天线中，每个阵列具有20个孔，400个孔跨越2.4GHz频段总共测量约49.2英寸，ESA可以在100米距离处提供0.9米的分辨率。每个波束的波束宽度Φ可以具有大约5.1度的角度θ，其中绝对天线增益为1000(即，30.0dBi)。尽管精确参数可以是变化的，但是每个波束的波束宽度Φ可以具有从约0.1度至约30度(通常为6度至12度)的角度θ。扫描可包括跨越约0.5度至约3度，并且在某些情况下为-10至+10度或更大扫描角度的步长。类似地，步间停留或驻留时间通常可以小于约20毫秒，并且通常为约0.1毫秒至约10毫秒。根据扫描区域，这通常可以导致单次扫描速率(即扫描整个感兴趣区域)为0.1秒至10秒，并且通常为1秒至2秒。类似地，尽管其他速率可能是合适的，可如本文所述以0.1至2秒的速率重复扫描感兴趣区域。增加孔的数量可以提升分辨率、增加天线增益，并减小波束宽度。示例性ESA天线的扫描角度可以高达横向+/-60度，垂直+/-45度，其扫描速率和驻留时间经调整以进行有效操作。
下文提供了示例的额外详细信息。测距系统可以提供面向信息的服务，该服务注重提供人或物体的位置和健康状况，而这点对于GPS或其他定位服务来说通常不可靠或不可用的。测距系统可以按使用RF技术的非侵入方式来使用建筑物外(或感兴趣区域)的硬件。
用于测距系统的一些应用可包括主要针对“第一应答器”情况而设计的服务，其中被配置为在脱离独立电源或商业电网电源情况下操作的便携式测距系统，可以临时且快速地安装在建筑物的外部周界(或一个感兴趣的领域)。在更永久的情况下，测距系统可以提供可按主动方式安装的辅助系统。在这种情况下，测距系统可以先于预期需求而提供服务，或针对不间断的情况提供服务。在勘测应用中，测距系统可以提供这样的能力：指导现场特勤人员或部队到达感兴趣周界内的另一最终用户节点的位置。指导部队可以通过了解双方部队的位置并实时地向部队传达方向来进行。在使用测距系统的监视应用中，服务可以提供对象或个人的当前和历史位置，而不需要在感兴趣的周界内进行任何交互，这可包括在不了解某人的情况下收集关于该人的定位信息的监视能力。测距系统可用于希望跟踪人员、库存或其他设备的政府、军队和各种规模公司的保险、安全、战略和通用跟踪目的。
测距系统可以是便携式、自供电的，并且独立于本地基础设施的“配合捆绑”。除了由客户端用户携带的小型无线电收发器节点(例如最终用户节点)以外，在测距系统中通常不使用内部建筑物或区域安装要求。在某些应用中，测距系统可以永久性地安装在任何尺寸的任何建筑物的屋顶、阁楼或管线空间中。测距系统可以在车辆或拖车、船、飞机或任何其他移动工具上或之中安装和操作。测距系统可以设计用于恶劣的商业、工业或军事环境，包括恶劣的天气条件，诸如下雨、刮风、温度和其他恶劣条件。例如，在诸如建筑物着火等紧急情况下，测距系统可以定位燃烧的建筑物内各个消防员。如果具有定位服务的大多数商业建筑物和任何现有基础设施在火灾中将丧失能力或不可靠，这种情况下电力可受损或者热量会破坏现有通信基础设施系统，则GPS可能是不可靠的。
测距系统可包括使用窄RF波束，其上下来回地扫描跨越感兴趣的周界，诸如建筑物。高强度射线能够穿透大部分建筑物结构和叶类障碍物。波束可以携带询问消息，该询问消息由周界内感兴趣的现场特勤人员所携带的节点自动接收和响应。携带了最终用户节点的个人或对象的信息，包括最终用户节点位置和状态，可以通过安全的专用网络被传送回发起查询的控制和指挥中心(例如，控制站)。
在一个实施例中，测距系统可包括如图1所示的硬件组件、软件和系统操作。主要组件可包括最终用户节点130、周界信标110A-C和控制站130。最终用户节点可包括与每个人、其他设备或要跟踪的对象一起放置的小型应答器卡或设备。周界信标可包括在要监视的区域周界上的操作区外的RF测距和通信模块。控制站可以为节点任务提供指挥中心操作，并生成测距信息。
信标110A-C可以与网格协议相互连接，该网格协议允许根据需要而扩展以覆盖所期望周界。网格协议或网络拓扑可以是这样一种网络：其中每个节点不仅捕获和传播其自身的数据，而且还可以用作其他节点的中继。因此，每个节点协作传播网络中的数据。在一个示例中，一个信标可以提供个体的完整地理位置。在其他示例中，可以使用三个到几十甚至几百个信标来定位最终用户节点。工业园区中常见的建筑物通常需要半打至一打信标，以充分覆盖感兴趣的周界。可以根据对总覆盖范围、准确性和可靠性的需要来增加或减少更多的信标。Rf波束宽度传播路径中的墙壁和其他障碍物的厚度和类型是额外的考虑因素，其中可能随增加的信标而添加值。测距系统然后可以更有效地在周界内使用信标的脉冲RF能量，其中窄波束扫描跨越该周界内要寻找最终用户节点的区域。
节点可包括由客户端用户(例如，现场特勤人员、消防员等)所携带的、或放置在要跟踪的对象上的小型收发器。节点可以具有响应RF查询的有源电子器件。可以收集两种类型的测距信息，包括朝向最终用户节点(例如，客户端用户)的方向性角度，和/或与最终用户节点的距离。也可以监视客户的生物测定信息。所收集的数据可以被路由到控制站，控制站可以经由用户界面向操作者提供经处理的信息。数据查询可以来源于控制站。控制站可以在操作周界附近，或通过互联网接入或其他远程监控技术来受到异地指挥。
测距系统的组件可以经由ZigBee协议，或更正式地称为电气和电子工程师协会(IEEE)802.15.4标准来进行通信。测距系统可包括RF收发器和微控制器集成组件、程控板、使用“C”语言编程的模拟器，然而也可以使用其他编程语言。由于其他协议可以支持测距系统的功能，因此除了ZigBee协议之外或替代ZigBee协议，还可以使用其他协议和相关联的硬件。
使用ZigBee协议的RF收发器可以在2.4千兆赫(GHz)的偏移正交相移键控(OQPSK)类型调制下运行，这在世界任何地方都是可以接受的。也可以考虑和实施2.4GHz以外的频率，以满足客户的具体和/或定制需求。测距系统可以实现网络时间门控脉冲的ZigBee低占空比，这可以有利于发送和接收功能，还可以减少电池使用。测距系统可以使用顺序扩频调制，其可以将来自恶意外部RF源的干扰最小化。高级加密标准(AES)类型加密可以增加安全性，以防止篡改。
在一个示例中，测距系统可以形成具有可扩展网状网络的独立ZigBee局域网(LAN)或无线LAN(WLAN)。该网络可以适应延伸到一英里或更远(具有较不严格的规格)的任何大小的建筑物或区域的尺寸要求。
与测距系统相关的信息服务可以通过远程方式和离散的方式穿越建筑物墙壁或其他障碍物获取有关人员的信息。可以通过在一个或多个人员所在的感兴趣周界外部建立基础设施来获得该服务。无线电波可用于穿透并进入周界。在测距系统架构中，除了放置在最终用户上的小型应答器节点(例如，最终用户节点)之外，不需要存在与系统相关的实际位于周界内部的物体。
测距系统可以提供可能受到伤害的现场特勤人员的位置信息。测距系统还可以任选地提供通信服务。信息服务以安全的方式传送，并且还可以在各种显示器、消息或可听见的声音中被离散地接收。例如，任何最终用户节点的即时地理位置对于控制站处的操作者均是可用的。最终用户节点信息可被自动获取，而不需要携带最终用户节点的最终用户作出交互(或通知)。在距离信标100米处，准确性可以在+/-1米之内。在一个示例中，测距系统可以识别人或设备在哪个房间。在另一个示例中，可以在指定的时间段(例如，24小时的时间段)内、在测距区域内获得最终用户位置或物品位置的历史。在另一个示例中，测距系统和最终用户节点可以收集生物特征信息，诸如测量和传送人的心率、呼吸或其他生物特征，其可按自动方式提供给控制站，或者按照命令在客户端用户部分未启动的情况下提供给控制站。在一个示例中，文本消息可以从控制站发送到LAN中的任何单个最终用户节点，并且可在该控制站处得到接收。文本消息也可以发送到系统中预设的任何团体(例如，安全人员、现场特勤人员或支持人员)。如果人员进入未经授权的区域或者库存离开指定区域，则控制站可自动受到通知。通知可以通过文本、电子邮件来发送，或直接发送到控制站监视器。测距系统可以使用若干个预设消息(例如，录制的消息)，其可以用于响应周界区域内常见和预期的活动与职责。例如，在火灾情况下，最终用户节点的预设消息可能包括：“你还好吗？”本信息可以在其他重要活动中提供快速、便捷的响应。在更隐蔽类型的示例中，本消息可以为查询提供安静且离散的响应。该消息可以直接发送到及发送自控制站和最终用户。消息可以在语音包中发送自或发送到用户节点和控制站。该消息可以经由半双工或IP语音(VOIP)而发送。另一个语音消息可包括可被发送的消息，其可以在特定等待时间之后被激活。出于安全考虑，可以任选地将该消息设置为仅在操作者和最终用户判断后且方便时才得以收听，这可以具有类似于短信的优点。
最终用户转发器节点可以用于通过远程方式和离散的方式穿越建筑物墙壁或其他障碍物获取有关人员的信息。最终用户转发器节点可包括，用于提供或获得与周界内任何最终用户人员或感兴趣对象相关的信息的组件。该信息可以通过测距系统自身的安全网络而路由到操作者所管理的控制站。
最终用户客户端节点可以用作收发器和应答器。最终用户客户端节点可包括面向高水平生产且廉价的组件。RF功能可包括偏移QPSK调制、AES加密和顺序扩频。最终用户节点的特征可用于支持测距、通信和网络功能。最终用户节点可包括片上系统(SOC或SoC)或单芯片解决方案，其可以具有更少的支持芯片的外围组件。嵌入式软件可有利于以下功能：接收窄射频(RF)波束询问消息或信号、发送响应信号，以及根据其他测距系统功能来处理和产生信号。节点可包括额外的电路，诸如外部放大器(HPA&LNA)，可用于满足系统RF动态范围要求。外围放大器组件将增强发射和接收的性能。最终用户节点可包括两个天线，其可以提供期望的极化和位置分集。当用户移动时，这两个天线可以帮助确保最终用户节点上的锁定，并且用户的身体影响RF天线辐射。
最终用户节点可以被包括在手持式或徽章式组件中，该组件具有将节点附接到最终用户的安全装置。节点的使用和操作可以仅在特定周界或操作区域中延伸。节点可以向特定测距系统注册并进行操作。在一个示例中，几百个用户节点可以将信号发送到信标，并从周界内的信标接收信号。最终用户节点可以坚固耐用、轻便小巧，可以由小型电池供电，并且容易充电。
控制站可包括用于生成和获得与周界内感兴趣的最终用户节点相关的信息的组件。信息可以通过测距系统自身的安全网络而路由到操作者所管理的控制站。
控制站可包括指挥控制中心。控制站可为路由自信标的网格网络提供终点。信标可以将发往和来自控制站的测距和其他信息传递到彼此和最终用户节点。控制站可以是便携式的，像信标一样可以处于操作周界之外。图1示出了控制站相对于其他组件、信标和应答器节点(例如，最终用户节点)的抽象信号路由和定位。控制站的功能可包括，支持围绕感兴趣周界的网络、提供关于感兴趣周界内的现场特勤人员的位置信息、提供关于现场特勤人员的生物识别信息，以及以各种模式向现场特勤人员提供双向通信。
在一个示例中，控制站可以经由外部网络，诸如联接到万维网(www)的互联网接口盒来通信地耦接到信标。现场控制站所使用的LAN信号可配置有安全协议，以通过互联网或其他外部网络进行操作。用于访问和使用信息的软件可以通过USB端口加载到经授权的计算机。授权运营商可以通过IP而具有对命令测距系统特征的密码加密控制访问。加密和其他协议可以允许在方便接入互联网的位置对虚拟控制站进行访问和操作。
控制站可包括图形用户界面(GUI)，其设计用于方便操作，以便操作者能够以最小限度的训练来使用测距系统。最终用户节点的位置和通信询问可以通过GUI或控制站来作出。群组消息和单个消息可以发送给具有应答器节点的人员。
GUI可以被配置为适应于并构造各种感兴趣的周界。控制站和/或GUI可以用于在非常短的时间内对例如大型生产厂区的区域进行建模。控制站和/或GUI可用于映射用于监视的建筑物，其可以集成到测距控制中心系统(例如测距系统)的定位算法中。
控制站可以被配置为显示感兴趣的周界内最终用户的位置和移动历史。控制站可以被配置为提供现场特勤人员的生物特征和各种安全通信模式，特别是离散性质(如果需要的话)。软件处理可以被设计为执行诸如利用从各个信标和用户节点收集的信息对测距解决方案进行同时矩阵方程求解和三角测量的功能。
测距解决方案可用于执行人员或物体的地理定位，诸如穿过建筑物墙壁和结构以及室外植被茂盛或可见性被遮蔽的区域来定位人员或物体。在全球定位系统(GPS)或其他现有基础设施无法工作或不可靠之处，测距解决方案可以由测距系统提供。
图2示出了用于确定最终用户132位置的周界外部的信标110A-C的图示。每个信标可以使用双重定位能力。来自平台(诸如信标)的窄波束可以单独地帮助提供对于感兴趣的人(例如，最终用户客户端节点)而言的到达角度(AOA)方向性。因此，两个或更多个波束可以找到用于确定个人位置的光束交点。然而，也可以使用可产生距离测量结果的飞行时间(TOF)技术从每个信标获得第二测距均值。因此，知道角度和距离两者可以允许每个信标独立于其他信标来定位最终用户节点。此外，聚焦于最终用户节点的额外信标可以为系统提供增强的准确性和可靠性。
信标的波束宽度可以提供增强的RF信号强度。随着波束变窄，与全向波束模式相比，窄波束的强度增加了两到三个数量级(×1000或30dB)。由于天线操作的互易性，在发送和接收中都产生增益。RF信号强度可足以穿透并进入周界，例如大型工业级建筑物或户外茂密的树叶。计算窄波束的AoA和TOF这一双重解决方案可以提供准确可靠的测距信息。
在一个示例中，测距解决方案可以基于使用ZigBee集成电路，即使定位或地理位置不是ZigBee协议的标准部分也如此。ZigBee是针对数据通信和信息发送服务而设立的。然而，IEEE 802.15.4配置可以支持具有脉冲发射和/或接收切换功能的类似雷达的特征。时隙协议可以允许使用带最小滤波的相同天线以相似频率来回(例如，下行链路和上行链路)。基本相同的协议可以与用于AoA测距的信标中的ESA天线的双向要求兼容。通过对协议进行修改，测距系统还可以适应TOF测距实施方式。
可以使用集成到ZigBee电路中的两个解决方案来提供双重测距能力。在一个示例中，总地理位置解决方案在距离控制站100米处可以提供+/-1米的测距准确性。
范围解决方案可以有关于与目标用户(例如，最终用户节点)联系的每个信标。范围解决方案可以针对TOF解决方案生成幅度值(与米相关)，并且针对AoA解决方案生成三维“向量”值(以度为单位)。相对范围值可用于通过取平均值来导出绝对地理位置定位。
每个信标的准确姿态(即定位和指向)信息可以得到确定，并与双重测距数据一起发送到控制站，以供处理和总地理位置提取。
在示例性TOF解决方案中，测距可以直接用传播时间测量结果或音调测距及相位确定来确定。相关联的硬件电路可以绑定到信标收发器结构中。对最终用户节点的任何影响对于硬件来说可能是最小的，并且可能与软件编码有关。TOF解决方案通常可以提供+/1米的距离独立定位准确性。
在示例性AoA解决方案中，可以通过扫描跨越感兴趣周界的窄无线波束来提供方向性。可以在每个信标中的电子扫描相控阵天线上产生光束。万向支架可能不会在ESA天线上使用，这是因为万向支架无法足够快地进行扫描，并且万向支架可过于昂贵，且对于便携式应用来说不够坚固。可以在三维空间(即在两个平面中)进行扫描。在一个示例中，AOA解决方案(也可以是独立解决方案)可以在距离信标100米处提供+/-1米的定位准确性。
根据实施方式的实用性和权衡，波束可以在纬度/经度方向上勉强聚焦或呈扇形。也可以使用从同一信标天线同时扫掠的多个测距波束。可以在单个天线平台上使用多个波束形成网络来产生多个同时测距波束。可以使用多个波束形成网络来增加更新定位速率，并且还可以在给定的周界区域中容纳更多数量的最终用户。
在另一个示例性TOF解决方案中，TOF可用于测量电路的充电电压，该电压作为到达和来自信标和最终用户节点的时间的函数，随该时间而上升。然后可以将电压算术地映射为到节点的实际距离。
操作者可以发送关于最终用户节点位置的询问。可以经由信标将查询路由通过网状网络。在信标发送查询的瞬间，电压脉冲可以开始对电容器充电。电压可以作为RC时间常数的函数而对数地充电。
当目标节点接收到查询时，该节点可以发回确认。一旦信标接收到确认，模数(A/D)电路就可以对充电电压进行采样。充电和采样电压可以在数学上与无线电波传播的飞行时间及中继电路的延迟有关。控制站可以具有无线电波速度的延迟和知识的先验知识(即，预知)，这允许最终用户节点和信标之间的距离得到确定。可以通过将最终用户节点时钟同步到信标发射机的比特转换来确定该延迟。作为另外一种选择，可以将查询重复足够多次，以提供延迟确定的统计平均值。
在另一个示例中，四个或更多个信标可以各自获得到用户节点的标量距离信息。也可以预先确定信标的位置。数学矩阵可以提供联立方程求解和信标三角测量，来确定所需节点的位置。作为另外一种选择，与飞行时间信息一起使用的到达角度解决方案可以允许利用单个信标作出完整的定位解决方案。
图8示出了使用上升电阻电容(RC)电压来确定飞行时间(TOF)的框图和电路。用于确定从信标110到最终用户节点130的范围(即，距离)的方法和电路可以基于从信标到用户节点并返回到信标的RF信号的间接测量。特定电阻电容(RC)电压(例如Vo 272)可以与查询350信号和响应352信号的TOF同时对数地进行充电，其可以表示一定量的移位时间，而移位时间可以被转换并计算为距离。
该方法可以直接测量在将脉冲从信标发送到最终用户节点再返回到信标的时间期间充电的R/C时间常数的上升时间。信标可以向用户节点发送询问360，同时开始对输入电压Vi 370通过开关电容器384(SC)和电阻器380和382充电脉冲。充电电压可以向模数(A/D)转换器(ADC)360提供输入。用户节点确认352查询并返回信号，该信号产生返回信标的输入脉冲。返回的脉冲可以停止对ADC的R/C充电。所测量的电压可被算术地转换成距离。例如，电压增益可以由下式表示：Vo/Vi＝R2/(R1+R2+SC*R1*R2)390。时间t 374可以从1–e(-t/τ)394计算得出，其中τ＝R1*R2*C/(R1+R2)392。可以减去穿过用户节点的延迟，并确定净距离。
飞行时间还可包括使用两个音调之间的相位差进行测距，以及使用多音调(如空间到地球探测器)的范围模糊度分辨率。这种方法在短距离，即数百码处特别有用。
信标可以是用于下述操作的组件：经由与周界内的最终用户人员或感兴趣对象相关的最终用户节点来提供或获得信息。该信息可以通过测距系统自身的安全网络而路由到操作者所管理的控制站。
信标组件可包括围绕操作区周界放置的一系列平台。这些平台可以用于与最终用户节点、控制站以及与其他信标交互。
图5示出了可包括两个天线的信标平台100。电子扫描阵列(ESA)天线162可以使用操作区内的窄波束(或波束)来脉冲最终用户节点(由现场特勤人员人携带)。全向天线182可以提供信标和控制站之间的网状网络连接。信标组件可以用作最终用户节点和控制站之间同时操作的集线器。
作为双重测距能力的一部分，信标110可以提供关于信标的姿态(定位)和指向方向的信息。可以使用诸如GPS接收器的不同传感器来收集姿态和/或指向方向信息。信标平台可被配置针对不平坦地形调整信标的取向。ESA天线162可包括调整角度，因此天线扫描的中心可以在要扫描区域(例如，建筑物)的中央。所设置的信标姿态可包括GPS坐标(例如纬度、经度或仰角)，水平调整、ESA天线旋转面方向或ESA天线角度调整。
ESA天线162可以由包含高功率放大器(HPA)和外部低噪声放大器(LNA)的测距和ESA天线控制电子模块184支持。HPA可用于将输出功率提高到1瓦特，这是联邦通信委员会(FCC)所允许天线最大功率。外部低噪声放大器(LNA)可以提高接收灵敏度。发送和接收端的增强的动态范围都可以确保测距功能。来自测距和ESA天线控制电子模块的信号可以与ESA天线的高RF增益相结合，从而提供强大的穿透RF波束进入和离开操作区。通过全向天线支持通信和网状网网格功能的RF组件，可能不需要ESA天线中使用的双范围电路的高性能。全向天线(例如，四分之一波鞭状或半波偶极子)可以提供信标和控制站之间的连接。
阵列天线(例如，电子扫描阵列(ESA)天线)可以提供窄扫描RF波束，其可提供到达角度定位信息。阵列天线可以提供至少一个波束，并且可以提供多个波束以提高性能。ESA可以提供高RF增益，可以伴随波束宽度的狭窄程度，这可以穿透“感兴趣的周界”，诸如结构厚实的建筑物，或树叶茂密的室外区域。
ESA天线可用于快速上下来回地扫描跨越感兴趣周界，并可与最终用户RF应答器节点进行通信。ESA天线可以在发射和接收模式下工作。ESA天线可被包括在信标中，信标可以为ESA天线结构提供平台。图6-图7示出了ESA天线的基本组件框图。ESA天线可包括信号分离器/加法器168、相移器170、衰减器172和辐射器元件164。每个组件可以是双向的，以允许进行发送和接收。在一个示例中，ZigBee协议可以用于提供在紧密间隔频率下的发射和接收之间的脉冲切换时间间隔。脉冲切换时间间隔可以减少滤波，并为具有双重发射和接收功能的单端口天线提供兼容性。
分离器168可以将来自发射机的信号划分成多个信号，以馈送给每个天线孔。在进入LNA之前，可以通过相同的电路将来自每个孔的从接收模式接收到信标的信号加合在一起。由于存在两个路径，分路器/加法器电路可以是低损耗电路。在一个示例中，分路器/加法器电路可包括用于性能以及成本考虑的微带铜蚀刻。
衰减器172可以用于减少旁瓣，其在一个示例中可以是-13dBi而不带衰减器。然而，衰减器也可以降低噪声系数并降低RF功率输出。在一些应用中，在天线扫描期间，旁瓣可以在最终用户节点上产生假锁定，这可能产生不准确的AoA信息。图7示出了省略了衰减器的形成网络的波束。代替衰减器，可以实现RSSI指示器能力，这可以为天线的主要端射瓣提供真锁定。
电压控制的相移器170组件可以提供波束方向的变化，并且使得波束上下来回地扫描跨越感兴趣的区域。可以从信标ESA ZigBee模块(图4的176)(例如，测距Zigbit模块)中的微处理器来(至少部分地)控制波束控制器166A-B信号。RF信号可以来到或来自天线辐射元件或辐射器。在一个示例中，孔可包括到PCB上的微带蚀刻。图9和10示出了波束形成网络和ESA天线的组件的出现。
ESA天线可以提供光束偏振。测距天线波束可以使用右手圆形偏振(RHCP)天线或左手圆形偏振(LHCP)天线来实现，以处理最终用户天线节点的各种位置取向。天线的圆形偏振也可以减轻多路径模糊度。如果信号被反射，则反射信号变成反向偏振。例如，RHCP信号可作为LHCP而被反射，其可能不被接收到接收器的RHCP端口中。圆形偏振增加了窄光束在减少路径问题中的固有优势。
测距系统可以使用非侵入式技术(诸如RF技术)安装在感兴趣的周界之外。测距系统可以是便携式、自供电的，且独立于本地基础设施，其可以提供对象或人的当前和历史位置，而无需任何操作者或最终用户节点的交互。高强度射线可以穿透大部分建筑物结构和叶类障碍物(例如，高达70dB的穿透或增益)。波束可以携带询问消息，该询问消息可由周界内感兴趣的现场特勤人员所携带的节点自动接收和响应。可以通过安全的专用网络将最终用户节点位置和状态的信息传送回发起查询的控制和指挥中心。
如图2所示，测距系统可以提供可以协同合作以提供可靠性的双测距解决方案(例如，AoA和ToF)。到达角度(AoA)解决方案可以使用窄波束(例如，高RF增益)实施方式给出朝向最终用户节点(例如，现场特勤人员)的角度指向性方向。飞行时间(ToF)解决方案可以给出距离信息。AoA或ToF解决方案都可以通过三角测量、或通过周界四周多个波束的相交来提供总体定位。这两种解决方案可以自单个信标一起使用，以提供总体定位(作为独立信标)。
在AoA定位解决方案中，阵列天线可以提供窄波束，该窄波束跨越周界进行电子扫描。除了光束可能不被反射之外，该信号可以类似于雷达。相反，该信号可以被最终用户节点收录，并且在询问时可以将RF信号返回到询问器(例如，信标)。窄波束的三维角度可以固有地给出方向性，其中信号被返回和识别，具有最大的RSSI强度。两个或更多个波束可以产生相交于最终用户节点所在处的角度投影，从而提供总地理位置解决方案。窄波束可以提供用于信号穿透建筑物的显著的双向RF增益(例如，高达20-30dB)。
在ToF位置解决方案中，每个信标可以测量去往和来自最终用户节点询问所需的时间。定时信息可以允许系统确定距最终用户的距离。在一个例子中，具有ToF信息的三个信标可以被进行三角计算，并且同时被求解以得出该人的地理位置。具有AoA方向性和ToF距离的单个信标可用于导出最终用户节点位置。更多的信标可以作为对信息的确认，并提供更高的可靠性和准确性。
测距系统可以使用ZigBee协议(例如，IEEE 802.15.4)。RF收发器可以在2.4GHz的OQPSK调制下工作，这是世界上广泛接受的发送频率。ZigBee低脉冲占空比可以最大限度地减少电池的使用。顺序扩频可以最大限度地减少恶意外部射频源的干扰。AES类型加密可以提供额外的安全性，以防止被企图篡改。ZigBee局域网可以扩展到任何大小的操作区。ZigBee是可适应于测距系统的世界范围的行业协议。双重ToF和AoA测距解决方案在ZigBee协议中不是标准的。ZigBee是针对数据通信和信息传输服务而设立的。然而，IEEE802.15.4配置可以支持具有脉冲发射/接收切换功能的类似雷达的特征。时隙协议允许带最小滤波的相同天线以近乎相同的频率来回。时隙协议可以与用于AoA测距的信标中的ESA天线的双向功能兼容。通过修改，ZigBee协议可以适应ToF范围实施方式。
窄波束对建筑物、障碍物和其他结构的穿透可能受到建筑材料和信号波长的影响。例如，信号的RF信号衰减可以随着金属纱网尺寸减小或频率降低(即，信号的波长增加)而减小。与木材、胶合板或干式墙(例如石膏板)等材料相比，混凝土块的信号衰减较大。高于S波段(例如2.4GHz)的频率可以穿过金属纱网开口(诸如具有“细铁丝”筛网的灰泥墙，或链式围栏)更好地传播。低于S波段(例如2.4GHz)的频率可以穿过固体金属障碍物(诸如金属门)而更好地传播。2.4GHz的波长(即12.5cm波长)对于建筑物穿透是有效的，并且产生信号的ESA天线可以具有小型天线孔。虽然实际值可以变化，但穿过建筑材料的RF衰减可为如下值，诸如石膏板墙壁可以为3dB、玻璃墙与金属框架可以为6dB、煤渣块墙可以为4dB、办公室窗户可以为3dB、金属门可以为6dB、砖墙中的金属门可以为12.4dB。
穿透建筑物的窄波束RF信号强度损失可源于所使用的建筑材料的RF屏蔽。例如，外壁通常具有最多金属，因此最具有RF屏蔽效用(例如，8dB)。内壁通常具有较小的影响(例如，每个壁具有<1dB的RF屏蔽)。如果手机或移动电话在建筑物内工作，则测距系统还可以与建筑物内的最终用户节点通信。
图11示出了近信标110D和远信标110E布置。建筑物楼层之间的地板可以由金属钢筋混凝土构成。多层建筑150中的地板可以具有与外墙类似的衰减和RF屏蔽(例如，8dB)。在链路预算为70dB的示例中，测距系统可以基于标准(例如当前)建筑材料和实践而穿透约7-8层。当信标110D靠近建筑物时，窄波束140D可以穿过更多的楼层(例如，1楼周界入口156)，以更多信号衰减与最终用户节点130通信，但是AoA测量可能更准确。当信标110C远离建筑物时，窄波束140E可以穿透更少的楼层(例如，3楼周界入口154)，以较少信号衰减与最终用户节点进行通信，但是AoA测量可能不太准确。在一个例子中，一些信标可被移动靠近建筑物，以提供更小的扩展损耗和更大的AoA准确性，而其他信标可被进一步移动远离建筑物，使得入射的无线电波束以更高的水平进入建筑物，这可以是传播损失和AoA准确性的折衷。因此，在系统的一些构型中，至少两个信标相对于建筑物位于不同于彼此的距离处。
图12示出了测距系统的信标110的多路径信号246、旁瓣244、假瓣信号242和直接路径窄波束。在扫描过程中，收发器Zigbit模块的RSSI内置功能可以从主波束中区分较弱的多路径信号和较强的多路径信号。直接路径窄波束可以具有相对于多路径信号、旁瓣和假瓣信号的最强RSSI。在一个示例中，ESA天线可以右旋圆极化(RHCP)。多路径反射可能会变成左旋极化，并且同样地不会被RHCP天线良好接收。
仰角(对于非常大的水平距离)可以对RF衰减产生影响。图13和图14示出了在弗吉尼亚州杜勒斯(Dulles VA)，大气射频(RF)衰减作为仰角的函数的曲线图(可用性99.9％)。RF衰减的剧烈增加可能发生在20度以下的仰角。在20度以下，Ku和Ka波段衰减的增加可达较大数量级。Ku和Ka波段可以在较低频率下具有明显更高的RF损耗。Ku波段是从10.95千兆赫兹(GHZ)到14.5GHZ的范围内的射频或在K波段正下方的波段。10GHz已经被认为是一个“分界线”，可以对信号造成重大的大气影响。一般来说，这些影响尤其对于预期较低的使用频率和较短的工作距离(即几十至几百米)而言将不那么明显。通常，工作距离将小于300米并且通常小于100米，尽管其他距离也可以适用。在一个示例中，用于测距系统的2.4GHz频带最小程度地受到水或水分的影响。图15示出了作为射频和温度(0-100℃[C])的函数的介电损耗(例如，水分的热效应)。峰值介电损耗(即最大吸收和热容量)可能发生在10GHz至50GHz(不是2.4GHz)。水分效应的共振可能不会发生在2.4GHz。可以从发生共振的较高频率改善2.4GHz处由于水分引起的RF损耗。
信号也可以受到气体吸收的影响。图16示出了大气吸收图。在22GHz至25GHz和>40GHz的信号可以具有过大的大气衰减。水滴和二氧化碳可能是气体吸收的主要因素。低频通常可以具有较小的大气衰减。水分造成的大气损耗可能不是2.4GHz处RF损耗的因素。
表1示出了在弗吉尼亚州杜勒斯(Dulles VA)，大气射频(RF)衰减与仰角之间的关系(可用性99.9％)。较低的仰角可能导致大气中RF衰减影响增大。
表1
水分效应在S波段频率下是常见的。雾、雨、雪、冰雹和/或烟的影响由于IEEE802.11a和IEEE 802.11g信号的波长(分别为0.17英尺(ft)和0.41ft)可以减小到最低，所述波长通常被业界认为是WiFi。每种类型的信号的波长可以明显长于水滴或烟粒的大小，因此信号可以穿过水分类型的介质而不会有负面影响或者说负面影响很小。
在一个示例中，最终用户节点可以使用在2.4GHz RF频率的符合IEEE802.15.4-2003的标准工作，并且包括AES安全加密；XMTR射频输出在-17至+20dBm可调；-104dBm RCVRRF灵敏度；最佳120dB，+20dBm HPA动态范围；1.8至3.6伏(V)电源电压(例如手表电池)内部稳压；静电放电(ESD)稳健性；超低电流(和功率)消耗，睡眠模式下消耗20nA，接收模式(RX)下消耗15.5mA，并且发射模式(TX)下消耗16.5mA(3dBm最大RF输出)；O-QPSK调制；250kbps数据速率；<1毫秒(ms)上电时间；简单的界面微控制器；和-40至85℃的温度范围。
在使用一维1×8天线阵列(约4×20英寸)的示例中，该测距系统可以每扫描2.7秒进行准实时工作，天线水平扫描范围为+/-46度，步长为2度(例如，弧段)。
图17示出了GUI的计算机显示，其示出了使用基于AoA和接收信号强度指示(RSSI)的检测来显示两个最终用户节点310和320的位置。在该示例中，测距系统每2.7秒扫描300-46至+46度。ESA天线的中心可以为零(0)度302。显示器或字段的颜色可以随着收到的最强RSS或RSSI信息而改变。例如，显示器可以自动更新用户AoA(例如，位置)，并且基于RSS或RSSI信息(以dBm表示)来分配突出显示的颜色。在图17中，单元1310在-10度具有最强的RSS或RSSI，RSS或RSSI为-45dBm 312，并且单元1 320在22和24度具有最强的RSS或RSSI，RSS或RSSI为-63dBm322。
测距系统(例如，资产跟踪和监测系统)可以在整个区域(例如，建筑物)中移动时以高准确性实时跟踪人类和其他资产。测距系统可以在GPS无法比喻地说“看透墙”的地方工作。利用具有三维(3D)GUI的控制站监视器，可以仔细监视并记录最终用户节点的确切位置，提供无与伦比的保密性、信息、可靠性和安全性水平。除了定位数据之外，可将其他信息诸如氧气水平、心率、血压、氧气罐水平和/或温度发送到指挥站。利用安全手段，测距系统生成的数据还可以被远程监视器看到。
测距系统可以包括以下优点中的至少一个：无可比拟的低可见度和/或室内性能、准实时资产运动跟踪、选择性显示资产、监视和显示资产的生物特征或遥测数据的能力、使用RF物理上非侵入式技术、成本效益和高可靠性、灵活应对新的机会，以及高度加密且安全的数据传输。
测距系统可以通过使用信标、最终用户节点和控制站的无线电波隔墙定位人或物体。测距系统架构可以在“感兴趣的周界”之外，因此可以是非侵入式的。测距系统的整装架构可以不使用现有的基础设施(诸如GPS、热点或路由器)。可以对照不具有“感兴趣的周界”的先验知识的信标来引用位置信息，这可以在现场急救员生命安全的情况下工作。
无线电波窄波束的使用可以用于到达角(AoA)方向性。窄波束的使用可以穿透厚壁或其他障碍物。上升时间ToF解决方案可以产生距离测量。在频率共享介质中使用RF脉冲可以节省频谱，降低直流(DC)功率要求。扩频的使用可以最大限度地减少与其他资源的相互干扰。扩频的使用可以最大限度地减少测距系统受到电子干扰的可能性。数据加密的使用可以保护所获得的信息。换能器、传感器和微控制器的使用可用于获得除位置之外的其他信息，诸如生物特征。
测距系统和信标可以被配置为使RF脉冲功率适应于确定最终用户节点位置所需的较低功率电平。换能器、传感器和微控制器的自适应附带使用可用于获得除位置之外的其他信息，诸如用户生物特征和节点遥测。AoA与ToF的使用可以提供具有高精度的方向和深度的完整测距解决方案。测距系统可以被配置为通过单个信标实现完整的(3维)位置定位。测距系统可以被配置为使用多个信标进行三角测量，从而提供更高的可靠性和准确性。测距系统可以被配置为在二维上电子地扫描无线电波束，从而在短时间内覆盖大面积的空间。测距系统可以配置为以准实时方式电子扫描无线电波束。在周界使用信标可以提供全面覆盖。将信标与并行探测可以提供更快的跟踪速度和更高的覆盖范围。测距系统可以调整ZigBee协议以发送询问RF脉冲并接收响应。接收信号强度(RSS)的使用可以帮助AoA解决方案来定位最终用户节点。测距系统可以被配置为基于历史信息来投影用户节点在用户节点移动时所处的位置。在一个示例中，测距系统可以基于先前的最终用户节点位置测量或预测的最终用户节点位置范围或区域来动态地改变扫描范围。测距系统可以被配置为扩展或收缩以适应感兴趣的周界。测距系统的GUI控制站可以被配置为定位然后跟踪最终用户节点。GUI控制站可以被配置为提供最终用户节点位置或旅行程的历史。测距系统可以被配置为提供各种级别的周界建模，包括基本级别和保真级别。测距系统可以被配置为使用信标来提供补充数据，诸如视频和红外信息。除了自动扫描之外，可以使用手动指向来控制ESA天线焦点。在一个示例中，ESA信标信号可以工作在利用数字信号处理(DSP)的扫描雷达模式，以提供周界内部的切片图像成像(类似于医学成像)。扫描雷达模式可以使用RF被动反射，而不使用主动节点。
在一个示例中，测距系统可以使“询问与响应”握手协议(例如，ZigBee协议)适应“时间选通”驻留时间窗口并扫描RF信号。该协议可用于ESA直流脉冲天线扫描控件。IEEE802.15.4配置可以被配置为支持具有脉冲发射/接收切换功能的“类似雷达”的功能。时隙协议可以允许带最小滤波的相同天线以近乎相同的频率来回。测距系统可以提供多路径和旁瓣缓解。在扫描过程中，收发器Zigbit模块的RSSI内置功能可以从主波束中区分较弱的多路径信号和较强的多路径信号。ESA天线可以右旋圆极化(RHCP)或LHCP。多路径反射波的极化可以与透射波的极化相反，并且同样地不会被RHCP天线良好接收。最短ToF的测量可以与直接路径信号相关。从不同方向进行三角测量的多个信标将提供多数投票机制，以选择最终用户节点位置，这可以产生更高的可靠性和准确性。在多数投票解决方案中，可以从与位置相关的大多数信标生成位置。
在另一示例中，测距系统的信标可以提供同时发送以增加吞吐量。信标控制器可以被配置为支持多个同时广播。在一个示例中，信标天线接口可以支持4个单独的连接。信标控制器计算机(例如，高端PC)可以支持多个通用串行总线(USB)连接并且在相近的时间处理多个事务。在同时广播的示例中，可以使用四个RF组合器将同时信号耦合到天线。组合器可以具有高反向损耗，因此反馈问题可能非常微小。可以将多个用户节点设置为不同的频率(例如，4个不同的信道)。每个接收器可以被调谐到选定的频率，并且可以忽略其他最终用户节点的频率。信标也可以具有多个接收器。信标上的每个接收器可以被调谐到某个频带(例如，ZigBee频带)的所选信道。信标天线的带宽可以足以支持多个ZigBee信道。例如，ZigBee频带为大约2.4GHz，并且每个ZigBee信道可以具有5MHz的带宽。4个同时通道的天线百分比带宽要求可以是4*5MHz/2.4GHz的比值。
在另一示例中，测距系统可以提供经转换的频带使用。在一个示例中，为了方便起见，信标和用户收发器节点可以在各种频带上工作，这些频带可以从ZigBee指定频率转换得到，或者直接从ZigBee指定频率导出。然后，信标和用户收发器节点可以使用相同的ZigBee协议或修改形式进行测距。
图18示出了通过减少消息的数量、或者通过经由包括接收信号强度指示(RSSI)或接收信号强度(RSS)信息的消息收发缩短握手协议中的驻留时间，来减少扫描时间的图示。握手协议可以使用ZigBee协议实现。
在没有握手修改形式的情况下，(控制站中的)控制器可以向用户节点发送询问消息(例如，询问消息)，并且控制器可以预期协议确认(ACK)信号作为回答。确认信号(例如，询问确认信号)可以与用户节点发送的回复消息(或其他消息)分离。如果控制器没有从用户节点接收到询问确认信号，则控制器可以将询问消息重新发送指定的次数(例如，在超时之间最多三次)。如果控制器没有接收到询问确认信号或回复消息，则控制器可以前进至下一个用户节点，或者控制器可以无限期地等待直到应答被接收到。
如果用户节点接收到询问消息，则用户节点可以从接收者寄存器读取或测量询问消息信号的RSSI，并且用户节点可以在回复消息中将RSSI值(连同其他信息)返回给控制器。如果用户节点没有接收到回复确认信号，则用户节点可以将回复消息重新发送指定的次数(例如，最多三次)。当控制器收到回复消息时，控制器可以返回回复确认信号，并且用户节点可以不采取进一步措施，直到下次询问。
在RSSI高于阈值的修改握手协议示例中，控制器可以向用户节点发送询问消息460(例如，询问消息)，并且控制器可以预期协议确认(ACK)信号462作为回答。询问消息可以包括最小RSSI值。当询问消息的测量的RSSI大于或等于最小RSSI值时，用户节点可以发送具有询问消息的测量的RSSI的回复消息470。
在弱信号条件下，控制器可以成功发送询问消息给用户节点，但用户节点信号太弱，以至于控制器无法接收到确认信号之后的返回消息。没有握手修改形式，控制器可以无限期地等待或等待很长一段时间，直到接收到回复消息，这可能会延缓扫描。控制器可以确定用户节点可以响应的RSSI的最小值。最小RSSI值可以包含在询问消息包中。如果用户节点接收器RSSI值小于消息中的响应最小值，则用户节点发送确认信号，但可能不发送响应消息。当控制器接收到确认信号时，控制器可能不重新发送询问消息。
确认信号462(例如，询问确认信号)可以与用户节点发送的回复消息470(或其他消息)分离。如果控制器没有从用户节点接收到询问确认信号，则控制器可以将询问消息重新发送指定的次数(例如，在超时之间最多三次)。如果控制器没有接收到询问确认信号或回复消息，则控制器可以在指定的停留时间或超时间隔之后进入下一个段或下一个用户节点。
如果用户节点接收到询问消息460，则用户节点可以从接收者寄存器读取或测量询问消息信号的RSSI，并且用户节点可以在回复消息470中将RSSI值(连同其他信息)返回给控制器。如果用户节点没有接收到回复确认信号472，则用户节点可以将回复消息重新发送指定的次数(例如，最多三次)。当控制器收到回复消息时，控制器可以返回回复确认信号，并且用户节点可以不采取进一步措施，直到下次询问。
在RSSI低于阈值(例如，RSSI太低)的另一示例中，控制器可以向用户节点发送询问消息464(例如，询问消息)，并且控制器可以预期协议确认(ACK)信号466作为回响。询问消息可以包括最小RSSI值。当询问消息的RSSI小于最小RSSI值时，用户节点可以发送确认信号而不发送回复消息。当RSSI值太低时限制用户节点发送回复消息可以节省用户节点的电力资源。
图19示出了用于通过减少消息的数量、或者通过经由包括接收信号强度指示(RSSI)或接收信号强度(RSS)信息的消息收发缩短握手协议中的驻留时间，来减少扫描时间的流程图。握手协议可以使用ZigBee协议实现。
控制站120或控制站中的控制器可以经由信标110发起对最终用户节点130的扫描400。扫描可以在弧或光栅模式的第一段开始。控制站可以设置用户节点要应答402的最小RSSI(或RSS)。在一个示例中，对于扫描的每个段或弧，最小RSSI可以改变。控制站还可以设置驻留定时器404，该定时器可以指定控制器等待回复消息420的最大时间长度。在一个示例中，驻留定时器可以允许多次发送询问消息406、确认(询问确认410和回复确认424信号)以及回复消息420加上处理时间和保护频带时间。
控制站120可以向最终用户节点发送含有最小RSSI 406的询问消息。最终用户节点可以从接收器寄存器读取接收询问消息信号的RSSI，或者测量接收询问消息的RSSI。最终用户节点可以将询问确认信号410发送回控制站。最终用户节点可以确定询问消息RSSI是否高于最终用户节点要应答的最小RSSI 418。如果询问消息RSSI不高于最小RSSI，则最终用户节点可以等待询问消息进行下一段询问。如果询问消息RSSI高于最小RSSI，则最终用户节点可以发送具有询问消息的RSSI信息420的回复消息。
在控制站120处，控制站可以等待来自最终用户节点130的询问确认信号410。控制站可以确定是否接收到询问确认信号412。如果没有接收到询问确认信号，则控制站可以使询问超时计数器414递减，当询问超时计数器计到指定次数(例如，两次)时，重新发送询问消息。控制站可以确定是否已经达到重新发送询问消息的次数(例如，超时416)。如果控制站没有重新发送询问消息最多次数，则控制站重新发送询问消息。如果控制台已经重新发送询问消息最多次数，则控制站可以等待回复消息。如果接收到询问确认信号，则控制站可以等待回复消息。
在最终用户节点130处，当回复消息被发送时，最终用户节点可以等待来自最终用户节点130的回复确认信号424。控制站可以确定是否接收到回复确认信号426。如果没有接收到回复确认信号，则控制站可以使应答超时计数器428递减，当应答超时计数器计到指定次数(例如，两次)时，重新发送回复消息。最终用户节点可以确定是否已经达到重新发送回复消息的次数(例如，超时430)。如果最终用户节点没有重新发送回复消息最多次数，则最终用户节点重新发送回复消息。如果最终用户节点已经重新发送回复消息最多次数，则最终用户节点可以等待询问消息进行下一个段询问。
控制站120可以确定是否从最终用户节点接收到回复消息422。如果接收到回复消息，则控制站可以向最终用户节点发送回复确认信号424，并且控制站可以从接收器寄存器读取接收回复消息信号的RSSI(或测量接收回复消息432的RSSI)。控制站可记录段的读取RSSI(或记录段434的测量的RSSI)。记录RSSI可以包括来自询问消息的RSSI、来自回复消息的RSSI、来自询问消息或回复消息的最强RSSI的RSSI，或者询问消息或回复消息的RSSI的函数(例如，平均值)。控制站可以确定扫描是否完成440。
如果没有接收到回复消息，则控制台120可以等待回复消息，直到段驻留定时器到期436。如果在段驻留定时器到期之前没有接收到回复消息，则控制站可以记录段438的最小RSSI(或者表示没有接收到有效RSSI的其他值或指示)。控制站可以确定扫描是否完成440。如果扫描未完成，则控制站可以递增到下一段442并重复询问消息询问。如果扫描完成，则控制站可以选择具有最强的RSSI 444a的段(表示最终用户的角度)。如果多个角度具有最强的RSSI，则可以将这多个角度(例如，段)之间的中点用作最终用户节点的角度。在另一示例中，控制站可以通过使用具有最强RSSI 444b的两个相邻段来确定最终用户节点的角度(例如，AoA)的更精细分辨率，从而提高准确性，如下面将更详细描述的。可以对下一个时间段重复扫描。
使用具有最强RSSI的两个相邻段可用于生成更精细的AoA分辨率，从而提高准确性。RSSI值的更精细分辨率可以有助于AoA的精细分辨率，从而提高准确性。与针对指向远程用户(例如最终用户节点)的天线波束选择单个角度的RSSI方法相比，使用两个相邻段可以改善信标到达角(AoA)估计。该方法可以在两个相邻的信标波束中测量接收到的远程用户信号的振幅，其中可以使用RSSI量化，并且较小的量化值可以提高准确性。来自两个波束的振幅之比可以导致改进对到达角的估计，而不仅仅是估计到达波束。只要所使用的两个波束小于一个分开的波束宽度，则波束可以包括每隔一个的波束而不是相邻波束。
下面示出了导出和量化使用两个信标波束的性能。AoA估计可以基于来自两个相似(或近似相同的)波束的振幅，其中信号的信号是相似的但是在稍微不同的方向上。N1和N2可以表示信标波束1和波束2中的热噪声，其中波束1和波束2具有彼此之间小于或等于一个波束宽度距离的取向。Θ(例如，Θ)表示信标AoA，并且Θ1和Θ2表示波束1和波束2的波束指向。该推导假定相对静止的用户，但是如果移动速度已知或可以预测，则可以调整该推导。可以假设热噪声N1和N2具有相同的大小(即，<N1>＝<N2>)。S1＝S*P1(Θ)以及S2＝S*P2(Θ)是两个波束中的接收器用户信号，其中S1表示波束1的信号，S2表示波束2的信号，S表示生成的信号，P1表示波束1的信号功率，并且P2表示波束2的信号功率。信号功率可以用信噪比(SNR)表示。
P(Θ|Θ1)＝S*Pat(Θ|Θ1)+N1＝S*Pat(Θ|Θ1)+S*Pat(Θ|Θ1)/SNR1
P(Θ|Θ2)＝S*Pat(Θ|Θ2)+N2＝S*Pat(Θ|Θ2)+S*Pat(Θ|Θ2)/SNR2
R＝P(Θ|Θ1)/P(Θ|Θ2)可以是测量接收功率比。DEL＝10log(P(Θ|Θ1))-10log(P(Θ|Θ2))是以dB为单位的测量接收功率比。在向量微积分中，DEL是矢量微分算子，通常由倒三角符号表示。当应用于定义在一维域上的函数时，它表示如在微积分中定义的标准导数。当应用于场(定义在多维域上的函数)时，DEL可以表示标量场的梯度(局部最大斜率)、矢量场的发散度或矢量场的旋度(旋转)，具体取决于它的应用方式。Pat是作为增益给出的天线波束功率辐射图(10*log10(Pat)具有单位dBi)。Pat(Θ|Θ1)表示当天线波束模式被电子地转向指向方向角Θ1时，作为角度Θ的函数的波束模式。Pat(Θ|Θ2)表示当第二波束被电子地转向指向方向角Θ2时，作为角度Θ的函数的第二波束模式。为了清楚起见，示例性描述仅引用角度Θ，尽管可以使用某个范围。
可以利用指向用户的波束来设置噪声和参考SNR(即，链路预算)。对于直接指向用户的波束，P(0)＝10log(S+N)＝10log(S(1+N/S))＝10log(S)+10log(1+1/SNR)。
10log(1+x)＝4.3ln(1+x)～4.3x
P(0)～10log(S)+4.3/SNR；SNR是模拟的，不是dB，并且对于大的SNR(>10dB)是有效的。以下为了便于推导，假设相似的波束(或近似相同的波束)。不同的信标波束可以针对每个波束使用查找表或更复杂的描述，具体取决于所需的AoA准确性。
对于近似相同的波束，推导可以是类似的(例如，原理可以与近似相同的波束相同)。在dB空间中，波束损耗L1＝3(Θ-Θ1)^2/(BW/2)^2dB可以使用高斯波束近似，其中BW是波束宽度。当需要时，可以采用更复杂的波束描述来提高准确性。为了便于推导，波束可以接近相同，不同的是指向方向(例如，Θ1和Θ2)。1/SNR1和1/SNR2可以是来自高斯过程的独立随机变量，其中SNR1是波束1的SNR，SNR2是波束2的SNR，并且N/S表示信号上的噪声。
1/SNR1＝N/S和<1/SNR1>＝<1/SNR2>
DEL(Θ|Θ1,Θ2)＝P(Θ–Θ1|Θ1)–P(Θ–Θ2|Θ2)是采用抛物线近似的测量用户信号(dB)。
DEL(Θ|Θ1,Θ2)＝3*(Θ-Θ1)^2/(BW/2)^2–3*(Θ-Θ2)^2/(BW/2)^2+4.3/SNR1-4.3/SNR2
DEL(Θ|Θ1,Θ2)＝(-6*Θ1*Θ+3*Θ1^2+6*Θ*Θ2-3*Θ2^2)/(BW/2)^2+4.3/SNR1-4.3/SNR2
AoA估计可以由Θ表示。
Θ＝[(DEL–4.3/SNR1+4.3/SNR2)(BW/2)^2+3*Θ2^2-3*Θ1^2]/(6*Θ2-6*Θ1)
Θ＝[(DEL–4.3/SNR1+4.3/SNR2)(BW/2)^2]/(6*ΔΘ12)+3*(Θ2+Θ1)/6，其中ΔΘ12＝Θ2-Θ1，即波束指向角度差。
预期的AoA估计可以消去一些项，诸如<1/SNR>＝<N/S>＝<N>/S和<–4.3/SNR1+4.3/SNR2>＝0
所得到的AoA可以是一个无偏估计。
预期的AoA估计可以由<Θ>＝[DEL(BW/2)^2]/(6ΔΘ12)+(Θ2+Θ1)/2表示
<Θ^2-<Θ>^2>＝Θ的方差，其可以与高斯场的4阶矩量成正比＝3σ^4→3N^2。
<Θ^2-<Θ>^2>＝[2*4.3*(BW/2)^2/(6ΔΘ12)/S]^2*3N^2
AoA估计标准偏差可以由σΘ＝sqt(3)*8.6*(BW/2)^2/(6ΔΘ12)]/SNR表示。
σΘ＝.62*BW^2/(SNRΔΘ12)，其中SNR是模拟的。
AoA误差可以由σΘ/BW＝.62/(SNR*ΔΘ12/BW)表示，其中SNR是模拟的，并且σΘ是AoA的标准偏差。根据信标波束宽度给出了AoA误差。图20和图21示出了相对于波束对分离的AoA误差的图，其中由于旁瓣模糊性，误差被限制在<1波束宽度分离。
图22示出了示例性测距系统(例如，地面周界测距系统)，其具有位于建筑物2250周界外部的多个信标2210A-C。测距系统可以提供在周界(例如，建筑物2250)或距离信标的指定范围内的最终用户节点2230(例如，人、动物或物体)位置，在这里全球定位系统(GPS)或其他位置服务可能不可靠或不可用。最终用户节点2230的非限制性示例可以包括在燃烧的建筑物中的受害者、警察、士兵、消防员或其他资产。在一些情况下，最终用户节点2230可能在感兴趣的周界诸如建筑物2250内无法工作。由于建筑材料诸如大型商业或工业建筑物中的混凝土和钢结构形成的障碍、室外环境中浓密的树林或GPS不起作用，位置服务可能不可靠或不可用。测距系统可以使用非物理侵入式射频(RF)技术设置在感兴趣的周界(例如，建筑物2250)之外。测距系统可以在没有关于建筑物、结构或区域的先验(例如，先验知识)的情况下用在反应性“现场急救员”情况下。在一个示例中，测距系统可以使用独立于本地基础设施的便携式自供电设备进行操作，诸如可以经由电池、发电机、太阳能或商业电网供电之外的其他电源进行供电的设备。
测距系统可以包括各种组件，诸如最终用户节点2230、围绕感兴趣的周界(例如建筑物2250)的信标2210A-C，以及控制站2220。在一个示例中，信标2210A可以包括电子扫描阵列(ESA)天线。信标2210A可以耦合到处理模块2215。信标2210A-C(例如，周界信标)可以在目标工作环境之外(例如，在周界上)提供RF测距和通信模块。
在一个示例中，信标2210A可以经由ESA天线针对目标区域中的多个位置中的每一个发射单独的射频(RF)相控阵窄波束，其中目标区域可以包括最终用户节点2230。换句话讲，信标2210A可以朝建筑物2250内的特定区域(例如，三楼)发射RF相控阵窄波束。通过对建筑物2250内的特定区域执行多次RF相控阵窄波束发射，信标2210可以有效地扫描建筑物2250的该区域。波束的狭窄性可以允许波束以一定程度穿过建筑物2250的外墙并进入建筑物2250的内部区域中。此外，每个RF相控阵窄波束可以包括入射到例如建筑物2250内的最终用户节点2230的脉冲信号。
在一个示例中，朝目标区域发射的脉冲信号可以到达目标区域中的对象(例如，最终用户节点2230)并被向外反射。信标2210A可以经由ESA天线检测从目标区域内的最终用户节点2230反射的一个或多个反射脉冲信号。在一个示例中，信标2210A可以有效地用作传统的单基地雷达。信标2210A可以发送RF脉冲(例如，扫描建筑物2250的目标区域)，RF脉冲穿过建筑物2250的墙壁，然后从建筑物2250中的最终用户节点2230反射，然后返回到信标2210A。在该示例中，与信标2210A接收到从最终用户节点2230明确发送的信号的有源模式相比，信标2210A可以在无源雷达模式操作并且利用来自最终用户节点2230的脉冲信号反射。换句话讲，在该示例中，由于ESA天线检测反射信号脉冲，所以信标2210可以在不具有单独的收发器的雷达模式下工作。
在一个示例中，信标2210A的处理模块2215可以计算反射脉冲信号的到达角(AOA)和/或飞行时间(TOF)。换句话讲，处理模块2215可以测量发送信号脉冲和接收信号脉冲之间的时间差。处理模块2215可以基于AOA和/或TOF来确定相对于信标位置距最终用户节点2230的距离。在一个示例中，可以由使用编码波形的脉冲压缩技术，同时使发送窄波束的峰值RF功率最小化，来实现精确的测距。此外，方位用户位置(例如，角度用户位置)可以由信标的窄波束的方向来确定。距最终用户节点2230的距离和角度可以用于确定最终用户节点2230的位置。
作为一个非限制性示例，信标2210A可以向建筑物2250的三楼发射多个脉冲信号。一些脉冲信号可以从建筑物2250中的一个人身上反射。这些脉冲信号可以在信标2210A处被检测。经由处理模块2215的信标2210A可以确定反射脉冲信号的AOA和/或TOF。基于该信息，信标2210A可以确定这个人相对于信标位置的距离。在一个示例中，信标2210A-C可以各自朝建筑物2250中的人发射脉冲信号，并将随后的反射脉冲信号发送到指定的信标(例如，信标2210A)以用于确定距这个人的距离。
在一个示例中，处理模块2215可以使用一个或多个反射脉冲信号来检测最终用户节点2230(例如，个人或物体)的运动(或者周界内的其他变化)。处理模块2215可以基于对询问的顺序重复的比较来检测运动。换句话讲，处理模块2215可以比较多个反射脉冲信号，以便检测最终用户节点2230是在移动中还是静止不动。此外，当检测到最终用户节点2230的运动时，处理模块2215可以利用多普勒频移或多普勒测量。
在一种配置中，围绕建筑物2250的信标2210A-C可以各自朝目标区域中的多个位置发送多个RF相控阵窄波束。例如，每个信标可以具有窄的电子扫描位置。每个信标可以朝目标区域内的多个地点或位置(例如，数百或数千个位置)发射RF相控阵窄波束。每个信标可以根据已定义的扫描模式发送RF相控阵窄波束。在一些情况下，可以重复该光栅型扫描程序来保证可靠性和准确性。脉冲信号可以从被扫描的目标区域中的用户传感器节点反射，并且这些反射脉冲信号可以被信标2210A-C检测。多个脉冲信号反射可以由每个信标从被扫描的目标区域的窄聚焦部分内的各个最终用户节点按时间序列检测。
信标2210A-C可以将脉冲信号反射转发到控制站2220(例如，服务器)。穿透并以各自的时间与相位序列扫描的信标2210A-C中的每一个发出的信息可以被中继到控制站2220。控制站2220可以利用来自信标2210A-C的信息(例如，脉冲信号反射)来生成被扫描的目标区域的多维地图。在一个示例中，当生成地图时，控制站2220可以区分来自建筑物2250外墙的脉冲信号反射和来自建筑物2250内部区域的脉冲信号反射。地图可以包括各种周线和轮廓，这些周线和轮廓具有与可用的多个脉冲信号反射、RF波长和相控阵窄波束发射的增量(例如，较小的增量可以生成增多的脉冲信号反射，并且因此生成质量提高的地图)相当的细节水平。在一种替代配置中，可以向控制站2220提供来自单个信标(例如，信标2210A)的脉冲信号反射并将其用于生成地图。
在一个示例中，围绕建筑物2250的多个信标(例如，在不同角度和不同频率)可以结合起来工作，使得控制站2220能够提供被扫描的目标区域(例如，建筑物2250的三楼)的内容(例如，最终用户节点2230)的多维绘图。可以生成被扫描目标区域中的内容的地图或图片，这可以使操作者能够基于反射特性和/或多普勒频移来区分被扫描目标区域中的人、宠物或其他物体。换句话讲，可以基于与反射脉冲信号相关联的反射特性来确定一种类型的最终用户节点2230。控制站2220可以基于从信标2210A-C接收到的脉冲信号反射生成作为时间的函数而动态地改变的三维(3D)地图。
在一种配置中，可以通过使用多个单基地雷达(即，多个信标)来改善单基地雷达方法(即，使用单个信标)，其中信标可以位于围绕建筑物2250的若干个位置处。每个信标可以在不同的RF频率工作以防止相互干扰。通过减少阻塞金属墙阻止脉冲信号的反射的可能性，多个单基地雷达方法可以比单个单基地雷达更有利。此外，当多个信标被联网到控制站2220并且各个信标位置范围和方位准确性被平均以达到改进的位置估计时，可以提高位置准确性。
在一种配置中，可以实现多基地工作模式，其中一个信标(例如，信标2210A)发送脉冲信号，并且多个信标(例如，信标2210B-C)接收反射脉冲信号(例如，反射RF波形)。信标2210A-C可以被联网到控制站2230。在这种配置中，一个信标(例如，信标2210A)可以具有发送能力，而另一个信标(例如，信标2210B-C)可以具有仅接收能力，这样做成本可能较低。
在一种配置中，可以采用单基地雷达和多基地雷达方法的组合。在该配置中，信标2210A(或图22中所示的其他信标)可以在单基地模式下工作，并且从其他信标接收多基地信号。信标2210A可以接收反射脉冲信号(其最初从其他信标发送)，即使脉冲信号的频率与发射该脉冲信号时在信标2210A中使用的频率不同。信标2210A可以在发送模式或接收模式下工作。该配置可以获得的优点是降低阻塞信号的可能性，以及通过平均多个单基地和多基地接收脉冲信号来改善位置估计。
在一种配置中，信标2210A可以在连续波频率调制(CW-FM)模式下工作，以便降低功率并使得能够在相对较近的距离内工作。与其说信标2210A发送短脉冲(例如，具有脉冲信号的RF相控阵窄波束)，不如说信标2210A可以发射采用频率调制的连续波。当在相对较长的距离时，信标2210A可以在发射模式或接收模式下工作。类似地，当在相对较近的距离时，信标2210A可以在发射模式或接收模式下工作。可以使用多普勒和同步调制载波，根据接收频率和发射频率之间的差来测量信标2210A和最终用户节点2230之间的距离。可以使用较低音调或增加的码调制来增大距离，而不会发生模糊。这种工作模式消除了在发送/接收雷达模式下对非常短的脉冲的需要。通过利用CW-FM模式，信标2210A可以避免当在发送/接收雷达模式下工作时发送相对短的脉冲。
在一种配置中，信标2210A-C可以在多基地雷达模式下工作，其中一个信标(例如，2210A)发送脉冲信号而另一个信标(例如，2210B-C)在感兴趣的周界(例如建筑物2250)附近扩展并检测反射脉冲信号。多个扫描阵列可以提供感兴趣的周界(例如，建筑物2250)的合成地图或图片。此外，控制站2220可以引导在接收模式下工作的信标来扫描对应于其中一个信标(例如，2210A)朝其发送脉冲信号的目标区域的某些目标区域，从而将脉冲信号发送与将要检测相应反射脉冲信号的信标同步。
在一种配置中，信标2210A-C可以在具有锯齿或啁啾模式的连续波频率调制(CWFM)雷达模式下工作。锯齿或啁啾模式可以定义连续波的形状。当信标2210A发送具有脉冲信号的窄波束时，信标2210A可以周期性地扫描反射脉冲信号。具有脉冲信号的窄波束可以穿透例如建筑物2250中的目标区域。在该配置中，信标2210A不使用收发器来检测反射脉冲信号。可以通过发送脉冲信号和反射脉冲信号之间的频率差来确定从信标2210A到目标区域中的最终用户节点2230的距离。处理模块2215可以从信标2210A的无线电接收器接收复合数据，处理复合数据以去除不需要的反射，并且组合剩余的对象特性，以便提供作为时间的函数的目标区域的多维地图。
在一个示例中，信标2210A可以根据已定义的扫描模式向目标区域发射每个RF相控阵窄波束。换句话说，信标2210可以通过用脉冲信号发射RF相控阵窄波束来“扫描”目标区域。已定义的扫描模式可以指示来自信标2210A的RF相控阵窄波束发射的相对方向性。例如，信标2210可以根据已定义的扫描模式执行交替的从左到右扫描、从上到下扫描等。信标2210a可以根据已定义的扫描模式执行光栅扫描、螺旋扫描、子波束扫描(即，一次在不止一个方向扫描)、凝视扫描等。在一个示例中，信标2210A可以基于从控制站2220接收的指令来动态地改变感兴趣区域中的哪些位置正被扫描和/或扫描的方向性。信标2210A可以基于从控制站2220接收的指令来动态地改变RF相控阵窄波束发射的速率。换句话讲，控制站2220可以向信标2210A发送更新的扫描模式，并且信标2210a可以向信标2210A发送与信标2210A相关的健康信息。此外，信标2210A可以基于从控制站2220接收到的信息来更新查找表。因此，与国家电视系统委员会(NTSC)电视(TV)光栅或卫星光栅相比，信标2210可以更智能地扫描目标区域。
在一个示例中，信标2210A可以基于关于最终用户的节点位置的初步信息更快地识别建筑物2250中的最终用户节点2230。例如，控制站2220可以最初在朝最终用户节点的已知位置或估计位置的方向上引导信标2210A。换句话讲，信标2010D可以朝目标区域中的预定位置发射脉冲信号。如果在执行扫描之后没有找到最终用户节点2230，则信标2210A可以被导向为采用螺旋方式径向向外。或者，信标2210A可以被导向在统计学上生成的伪随机方向矢量上，该矢量被计算为有效并快速地定位目标区域中的最终用户节点2230。如果需要更广泛的搜索，则信标2210A可以对目标区域执行从左到右然后从上到下的光栅扫描。换句话讲，信标2210A可以连续地发射从左到右、然后从上到下的脉冲信号。
在一个示例中，信标2210A可以开始在周界的不同分区中扫描(即，扫描目标区域的不同位置)。信标2210A可以协调周界的哪些位置被哪个相应的信标扫描，以便有效地扫描整个周界。在一个示例中，可以优化信标2210A-C以有效地扫描目标区域，同时节省资源。信标2210A或若干个信标可以负责执行对目标区域的扫描，跟踪目标区域中的个体或个体组，扫描目标区域的特定区域等。控制站2220可以在信标2010A相对靠近最终用户节点2230时从信标2210A接收信号，或具有用于跟踪最终用户节点2230的理想视场或角度。当信标2010A定位所需的目标(诸如最终用户节点2230)时，控制站2220A可以从信标2010A接收信号。如果接收到信号，则控制站2220可以重新分配信标2010A来扫描目标区域的其他位置。
在一种配置中，信标2010A-C可以在以移动模式工作时进行扫描。信标2010A-C可以安装在移动平台上，诸如交通工具、汽车、卡车、多用途运输车或救援车。信标2010A-C可以指向外以扫描或照亮移动平台两侧的目标区域(或体积)。在该示例中，控制站2220和信标2010A-C的电源可以由移动平台提供。信标2010A-C可以安装在集成到移动平台中的伸缩式安装座上，使得可以将信标2010A-C升高到移动平台上方以提供更高的垂直距离。随着移动车辆驶向街道，信标2010A-C可以扫描经过的建筑物或其他感兴趣的体积，以在个体走过建筑物时跟踪个体的应答器。在另一个示例中，可以用空中设备来升高信标2010A-C，诸如具有高度和姿态控制的无人机(或其他无人或载人车辆)。因此，信标2010A-C可以用于扫描高层建筑物，这些高层建筑物难以从地面通过RF询问信标访问。
这种技术可用于军事上城市战中的建筑物之间的战斗，或特殊武器和战术(SWAT)或警察在动态移动环境中的应急反应。该技术可用于跟踪经过仓库或公寓大楼的缉毒局(DEA)特工和海关代理人，其跟踪范围可能超过一个或多个信标的扫描范围2010A-C。移动平台可以移动和停止，或者持续移动。移动平台可以基于全球定位系统(GPS)坐标或其他类似技术确定其位置。移动平台可以建立动态参考系。目标的位置可以基于移动平台的位置和相对运动来确定，如由信标2010A-C的测距和跟踪功能所确定的。
在一个示例中，信标2010A可以在来自不同源的不同信道上发出附加询问脉冲，而信标2010A等待来自第一源的第一脉冲信号返回。例如，信标2010A可以在不同信道的一个或多个RF信号询问中执行时间切换(这可以导致基本上没有RF损耗)。换句话说，信标2010A可以同时发出不同频率的多个脉冲信号，并等待对这些发射脉冲信号的响应。信标2010A可以在等待来自上一条消息的响应时预设下一条发送消息(例如发射脉冲信号)。信标2010A可以具有交叉线程。信标2010A可以根据串行时间序列执行以下步骤：设置天线、发送消息、监听对消息的响应，以及设置下一条传出消息。在一个示例中，该序列可以由信标2010A以各种方式进行交叉。例如，信标2010A可以同时发送消息和监听响应，然后同时设置天线和设置下一条传出消息。通过在来自信标2010A的不同信道(具有最小RF损耗)的一个或多个RF信号源询问中应用时间切换，可以提高访问大量用户节点的速度。
在一种配置中，信标2010A可以利用在不同信道上使用频分多址(FDMA)的多个RF信号源来提高访问大量用户节点的速度。信标2010A可以包括能够以同时方式在不同信道发送多个RF信号的天线。换句话讲，天线可以同时管理多个串行数据流。天线可以由多个发射器通过组合器同时驱动。
在一种配置中，信标2010A可以包括电子扫描阵列(ESA)天线。ESA天线可以包括具有相移器的控制电路，这些相移器并联布置以便提高来自信标2010A的RF相控阵窄波束发射的速率。换句话讲，相移器的并行加载而不是串行加载可以导致信标2010A以提高的速率发射脉冲信号。在控制电路内，单个短串行命令可以同时向一组处理器发送一条命令。两个字节可以导致发送65,535条命令到网络。每个处理器可以控制四个数模(D/A)转换器。每个网络处理器可以查找其针对给定输入的设置。每个处理器可以具有针对由处理器控制的数模转换器的可再编程只读存储器(ROM)查找表。作为一个非限制性示例，控制电路可以包括64个相移器和16个处理器，这有助于控制来自信标2010A的波束发射。
在一个示例中，信标2010A可以使用经修改的电气和电子工程师协会(IEEE)802.15.4标准或经修改的ZigBee协议进行信号传输。然而，当数据速率由于用户节点数量增加而提高时，信标2010A可以利用替代协议。ZigBee近似在256千波特，其中波特是符号速率或调制速率的单位，表示每秒符号数或每秒脉冲数。替代协议的示例包括传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)和/或以太网冲突/重复协议。
另一个示例提供了一种用于在最终用户节点和用于确定最终用户节点相对于信标的位置的控制站控制器之间进行通信的方法500，如图23的流程图所示。该方法包括从控制器向最终用户节点发送伴随有最小接收信号强度指示(RSSI)消息的询问消息的操作，其中最小RSSI消息包括用于从最终用户节点发送回复消息的RSSI阈值，如在框510所示。然后是当询问消息的测量的RSSI超过RSSI阈值时，在控制器处从最终用户节点接收回复消息的操作，该回复消息包括最终用户节点处的询问消息的测量的RSSI，如框520所示。
另一示例提供了用于确定最终用户节点相对于至少一个信标的位置的方法600，如图24中的流程图所示。该方法包括利用从所述至少一个信标发送的单独窄射频(RF)波束扫描弧中的多个段中的每一个的操作，其中该弧在最终用户节点的方向上，如框610所示。然后是基于在最终用户节点处接收到的窄RF波束，在信标处接收来自最终用户节点的响应信号的操作，如框620所示。该方法的下一操作可以是确定响应信号的到达角(AOA)和飞行时间(TOF)中的至少一个，如框630所示。该方法还可以包括使用响应信号的AOA和TOF中的至少一个来计算最终用户节点相对于所述至少一个信标位置的位置，如框640所示。
各种技术或其某些方面或其部分可以采用体现在有形介质中的程序代码(即，指令)的形式，所述有形介质诸如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器、非暂态计算机可读存储介质或任何其他机器可读存储介质，其中当将程序代码加载到机器诸如计算机并由其执行时，该机器成为用于实施所述各种技术的装置。在可编程计算机上执行程序代码的情况下，计算设备可以包括处理器、可由处理器读取的存储介质(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)、至少一个输入设备，以及至少一个输出设备。易失性和非易失性存储器和/或存储元件可以是RAM、EPROM、闪存驱动器、光驱动器、磁性硬盘驱动器或用于存储电子数据的其他介质。基站和移动站还可以包括收发器模块、计数器模块、处理模块和/或时钟模块或定时器模块。可以实现或利用本文所述的各种技术的一个或多个程序可以使用应用编程接口(API)、可重用控件等。这些程序可以采用高级程序或面向对象的编程语言来实现，以与计算机系统进行通信。然而，如果需要，这些程序可以采用汇编或机器语言来实现。无论如何，该语言可以是编译或解释语言，并与硬件实现相结合。
应当理解，本说明书中描述的许多功能单元已被标记为模块，以便更具体地强调它们的实现的独立性。例如，模块可以被实现为包括硬件电路，其包括定制VLSI电路或门阵列、现成半导体诸如逻辑芯片、晶体管或其他分立组件。模块还可以在可编程硬件设备中实现，诸如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件等。
模块也可以在软件中实现，以便由各种类型的处理器执行。所识别的可执行代码的模块可以例如包括计算机指令的一个或多个物理或逻辑块，其可以例如被组织为对象、过程或函数。然而，所识别的模块的可执行文件不需要物理地聚在一起，而是可以包括存储在不同位置的不同的指令，当这些指令在逻辑上组合在一起时，形成模块并实现模块的宣称的目的。
实际上，可执行代码的模块可以是单个指令或许多指令，并且甚至可以在几个不同的代码段上、在不同程序之间以及跨越多个存储器设备分布。类似地，操作数据可以在本文中在模块内被识别和示出，并且可以采用任何合适的形式实现并且被组织在任何合适类型的数据结构内。操作数据可以被收集为单个数据集，或者可以分布在不同位置上，包括分布在不同存储设备上，并且可以至少部分地仅作为系统或网络上的电子信号存在。模块可以是无源的或有源的，包括可操作以执行所需功能的代理。
在本说明书中对“一个示例”的提及意味着结合该示例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书的各个地方的短语“在一个示例中”的出现不一定都指代相同的实施例。
如本文所用，为方便起见，多个物品、结构元件、组成元件和/或材料可以在相同列表中表示。然而，这些列表应理解为列表的每个构件独立地识别为单独且唯一的构件。因此，在没有相反指示的情况下，不应单独地基于它们在相同组中的表现，将此类列表的任何单个构件理解为相同列表的任何其他构件的实际等同物。此外，本发明的各种实施方案和示例可以与其各种组件的替代方案一起被提及。应当理解，这些实施例、示例和替代方案不应被解释为彼此的实际等同物，而是应被认为是本发明的单独和自主的表示。
此外，所述的特征、结构或特性可以采用任何合适的方式在一个或多个实施例中组合。在下面的描述中，提供了许多具体细节，诸如布局、距离、网络示例等的示例，以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本发明可以在没有一个或多个特定细节的情况下实践或者与其他方法、组件、布局等一起实践。在其他情况下，未示出或详细描述公知的结构、材料或操作以避免模糊本发明的一些方面。
虽然前述示例在一个或多个特定应用中举例说明了本发明的原理，但是对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，可以在不行使创造能力并且在不脱离本发明的原理和概念的情况下，在实现的形式、使用和细节方面进行许多修改。因此，除了由以下所述的权利要求限制之外，并不意图限制本发明。

Claims (28)

1.一种用于测距系统的信标，包括：
电子扫描阵列(ESA)天线，所述电子扫描阵列天线被配置为针对弧的多个段中的每个发射单独的射频(RF)相控阵窄波束，并且被配置为基于所述RF相控阵窄波束中的至少一个从最终用户节点接收响应信号，其中以指定的时间间隔扫描所述弧的每个段；以及
收发器，所述收发器被配置为经由所述RF相控阵窄波束发射脉冲信号，并且接收所述响应信号。
2.根据权利要求1所述的信标，还包括：
处理模块，所述处理模块被配置为从所述响应信号计算到达角度(AOA)和飞行时间(TOF)中的至少一个，并且生成所述最终用户节点相对于所述信标位置的位置。
3.根据权利要求2所述的信标，其中所述处理模块被进一步配置为执行以下中的至少一个操作：从所接收的响应信号测量接收信号强度指示(RSSI)，以及通过选自GPS坐标、水平调整、ESA天线的旋转面方向、ESA天线的角度调整及其组合的信息确定所述最终用户节点的绝对位置。
4.根据权利要求1所述的信标，还包括：
节点网络天线，所述节点网络天线被配置为在询问时与以下中的至少一个通信：其他信标、经由局域网(LAN)的控制模块、以及至少一个最终用户节点，其中所述至少一个最终用户节点经由所述节点网络天线提供导航信息、生物特征信息、确认信号和最终用户节点状态信息中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的信标，其中所述ESA天线包括右手圆极化(RHCP)天线或左手圆极化(LHCP)天线以用于减少多路径反射。
6.根据权利要求1所述的信标，其中所述信标使用经修改的电气和电子工程师协会(IEEE)802.15.4标准或经修改的ZigBee协议以用于信号传输，其中所述经修改的IEEE802.15.4或经修改的ZigBee协议通过减少消息数量、或通过经由包括接收信号强度指示(RSSI)信息的消息收发而缩短握手协议中的驻留时间，来减少扫描时间。
7.根据权利要求1所述的信标，其中根据已定义的扫描模式扫描所述弧的每个段，所述已定义的扫描模式指示来自所述信标的RF相控阵窄波束发射的相对方向性。
8.根据权利要求1所述的信标，其中所述ESA天线被配置为针对在所述信标处从服务器动态地接收的感兴趣预定义弧的所述多个段中的每个段发射所述单独的RF相控阵窄波束。
9.根据权利要求1所述的信标，其中从所述最终用户节点接收的所述响应信号包括以下中的至少一种：语音数据、文本消息、预定义文本消息、生物特征信息、传感器数据和遥测数据。
10.根据权利要求1所述的信标，其中所述ESA天线包括具有相移器的控制电路，所述相移器并联布置以便提高来自所述信标的RF相控阵窄波束发射的速率。
11.根据权利要求1所述的信标，其中所述收发器被进一步配置为经由局域网(LAN)将所述响应信号转发到服务器。
12.根据权利要求1所述的信标，其中所述信标安装在移动平台上。
13.根据权利要求1所述的信标，其中所述ESA天线被配置为使用频分多址(FDMA)和针对每个RF相控阵窄波束选择的信道来同时发射多个单独的射频(RF)相控阵窄波束。
14.一种用于在最终用户节点和用于确定所述最终用户节点相对于信标的位置的控制站控制器之间进行通信的方法，包括：
从所述控制器向所述最终用户节点发送伴随有最小接收信号强度指示(RSSI)消息的询问消息，其中所述最小RSSI消息包括用于从所述最终用户节点发送回复消息的RSSI阈值；以及
当所述询问消息的测量的RSSI超过所述RSSI阈值时，在所述控制器处从所述最终用户节点接收回复消息，所述回复消息包括所述最终用户节点处所述询问消息的测量的RSSI。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
在最大段时间之后递增到扫描的多个段中的下一段，其中所述多个段中的每个段使用不同的射频(RF)相控阵窄波束以用于发送询问消息和接收所述回复消息，并且所述最大段时间提供用于发送所述询问消息和接收所述回复消息的指定驻留时间间隔；以及
发送所述询问消息并且接收所述下一段的所述回复消息。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括在接收所述回复消息之后：
测量所述回复消息的所述RSSI；以及
确定所述回复消息的到达角(AOA)和飞行时间(TOF)中的至少一个或所述回复消息中反馈的所述询问消息。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括在接收所述回复消息之后：
从多个回复消息的最大RSSI强度确定所述最终用户节点相对于所述信标的AOA和TOF中的至少一个，其中所述回复消息的RSSI和在所述回复消息中反馈的询问消息的RSSI中的至少一个相对于其他回复消息或询问消息具有最大的RSSI强度。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括在接收所述回复消息之后：
从多个回复消息确定所述最终用户节点和所述信标之间的最短TOF，其中所述最短TOF是相对于其他回复消息或询问消息的所述回复消息的TOF和所述询问消息的TOF中的至少一个。
19.根据权利要求14所述的方法，其中发送所述询问消息以及接收所述回复消息使用经由信标的电子扫描阵列(ESA)天线的射频(RF)相控阵窄波束。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述最终用户节点和所述控制站控制器之间的通信使用经修改的电气和电子工程师协会(IEEE)802.15.4标准或经修改的ZigBee协议以用于信号传输，其中所述经修改的IEEE 802.15.4或经修改的ZigBee协议通过减少消息数量，或通过经由包括接收信号强度指示(RSSI)信息的消息收发而缩短握手协议中的驻留时间，来减少扫描时间。
21.至少一种非暂态机器可读存储介质，包括适于执行以实现根据权利要求14所述的方法的多个指令。
22.一种用于测距系统的最终用户节点，包括：
接收模块，所述接收模块被配置为从控制器接收伴随有最小接收信号强度指示(RSSI)消息的询问消息，其中所述最小RSSI消息包括用于发送回复消息的RSSI阈值；
测量模块，所述测量模块被配置为测量所述询问消息的RSSI；以及
发送模块，所述发送模块被配置为当所述询问消息的所述测量的RSSI超过所述RSSI阈值时，向所述控制器发送回复消息，所述回复消息包括所述最终用户节点处所述询问消息的所述测量的RSSI。
23.根据权利要求22所述的最终用户节点，其中所述最终用户节点使用电气和电子工程师协会(IEEE)802.15.4标准或ZigBee协议以用于信号传输。
24.一种用于测距系统的信标，包括：
电子扫描阵列(ESA)天线，所述天线被配置为：
为目标区域中的多个位置中的每个发射单独的射频(RF)相控阵窄波束，所述RF相控阵窄波束包括脉冲信号，其中将每个RF相控阵窄波束根据已定义的扫描模式从所述信标朝所述目标区域发射；以及
检测从所述目标区域内的最终用户节点反射的至少一个反射脉冲信号；以及
处理模块，所述处理模块被配置为计算所述反射脉冲信号的到达角(AOA)和飞行时间(TOF)中的至少一个以及所述目标区域内的所述最终用户节点相对于信标位置的位置。
25.根据权利要求24所述的信标，其中所述处理模块被进一步配置为使用从所述目标区域内反射的多个反射脉冲信号来生成所述目标区域的一维或多维地图。
26.根据权利要求24所述的信标，还包括收发器模块，所述收发器模块被配置为将所述反射脉冲信号的所述AOA和TOF中的至少一个发送到服务器，其中所述服务器被配置为使用从正在扫描所述目标区域的多个信标接收的信息生成所述目标区域的地图。
27.根据权利要求24所述的信标，其中所述处理模块被进一步配置为基于所述至少一个反射脉冲信号的反射特性来检测最终用户节点的类型。
28.根据权利要求24所述的信标，其中所述处理模块被进一步配置为基于所述至少一个反射脉冲信号的反射特性和多普勒测量中的至少一个来检测所述最终用户节点的运动。
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