CN110088644B - 用于确定位置的无线射频识别（rfid）系统 - Google Patents

用于确定位置的无线射频识别（rfid）系统 Download PDF

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Abstract

一种系统和弯管应答器组件，用于确定三维空间中个体或物体的位置。该系统包括配置为以第一频率发射第一无线电磁信号的发射器以及至少一个应答器，所述应答器配置为响应地发射具有从第一频率频移的第二频率的第二无线电磁信号。包括检测第一和第二无线电磁信号的接收器，其配置为提供至少一个应答器的位置信息的输出。弯管应答器组件可包括接收天线、发射天线以及包括振荡器和第一混频器的频移级，所述频率级通过第一混频器将接收的第一无线电磁信号与振荡器的输出混合，以产生发射的第二无线电磁信号。

Description

用于确定位置的无线射频识别（RFID）系统
背景技术
一些消防部门可能使用责任追究系统来确定哪些消防员在事故现场，特别是哪些消防员部署在建筑物或结构内。这种责任追究系统跟踪现有和/或进入和离开建筑物的消防员的状况；但是，这种系统无法在建筑物内提供地理位置信息。为了跟踪建筑物内的消防员，可以采用诸如全球定位系统（GPS）、Wi-Fi和其他可穿戴系统等另外的技术。
GPS系统是众所周知的并且可广泛使用。然而，GPS信号在建筑物内迅速恶化，削弱了这种方法在人进入建筑物后确定位置的能力。或者，可穿戴Wi-Fi发射器可用于通知个人的位置。读者将理解，Wi-Fi跟踪系统通常使用三边测量（trilateralization）和/或三角测量来确定发射器的位置，其中三边测量使用接收信号强度或飞行时间来确定到发射器的距离，且三角测量使用到达角确定发射器的方向，并且两种方法都需要在已知或确定的位置处围绕建筑物放置一组分布式接收器。然而，在先前确定的位置处围绕建筑物分布接收器和/或确定新选择的位置的位置通常是耗时的。因此，这种方法在诸如火灾等紧急情况下可能不实用。
使用双重集成的加速度计数据的惯性系统可以跟踪并报告远离起点的运动。然而，即使在个体保持静止期间，惯性跟踪系统的定位精度也会由于累积误差而随时间降低。因此，这种方法可能不实用，因为每个消防员的起点位置必须相同或以其他方式已知，且每个消防员的报告位置随着时间的推移将变得越来越不准确。
最后，穿墙式雷达系统已被用于定位墙壁和建筑物内部的目标。然而，这些雷达系统经常缺乏从背景对象和杂物（例如家具、碎片、木材或厚植被）辨别目标（例如消防员或其他第一响应者）的能力。在距离雷达系统收发器约40米或更远的距离处，这个问题进一步恶化，因此这种方法可能无法用于大型和/或密集存储的结构，例如仓库和工厂，或者甚至是访问受限和/或需要保持较大相隔距离的较小的结构。
因此，需要一种可靠、准确且经济的系统，用于确定在包括建筑物或其他结构的混合环境中个体的位置。
发明内容
第一实施例为一种用于跟踪三维空间中的个体并提供输出的系统。读者将理解，尽管描述了用于跟踪消防员或其他第一响应者的系统，但是本公开不限于该特定应用。实际上，所公开的系统和方法可以用在其他实施例中用于跟踪三维空间内的对象，例如设备。在其他实施例中，所述系统可用于在三维空间内监视名义上固定的位置（例如建筑物的墙壁或天花板）的位置。
所述系统可包括发射器，其在无线电或微波频率范围内发射第一无线电磁信号（例如脉冲信号）、调频连续波和/或正交频分复用信号。
所述系统还可包括可以固定到个体（和/或，在其他实施例中，除了人和名义上固定的位置之外的对象）的多个应答器。读者将理解，尽管描述了多个应答器，但“多个”可以仅包括一个应答器，且复数“应答器”在整个本申请中将用于指代一个或多个应答器。应答器配置为接收第一无线电磁信号并响应地在无线电或微波频率范围内发射第二无线电磁信号，例如相同的脉冲信号或调频连续波。每个应答器包括频移级（frequency shiftstage），使得第二无线电磁信号响应地以与第一无线电磁信号的频率不同的频率发射。在其他实施例中，每个应答器可以配置为以与第一无线电磁信号的频率和由其他应答器发射的第二无线电磁信号的频率不同的频率发射第二无线电磁信号。
所述系统还可包括一接收器，其检测和处理由应答器发射的第二无线电磁信号。所述接收器具有分布在三维空间体积上的天线元件阵列。在一些结构中，接收器可以与发射器位于相同的位置并且物理地耦合到发射器。在其他结构中，所述接收器可以与发射器分离，但可操作地耦合到发射器。接收器和发射器的物理或操作耦合向接收器提供关于第一无线电磁信号的飞行时间信息的输入，其中这种输入与各个第二无线电磁信号一起使用以确定到各个应答器的距离。
接收器提供多个换能器的位置信息输出。所述输出可以是显示屏上的视觉或代表性输出，显示各个响应者相对于彼此和/或建筑物和/或地理指示符（例如街道或地理信息系统（GIS）数据）的位置。例如，接收器可以包括显示屏，输出是显示的视觉或代表性输出。输出可以可选地为发送到远程设备的数据，包括位置信息。例如，接收器可以将位置信息发送到在显示视觉或代表性输出的平板设备、移动电话、台式计算机、便携式计算机等上执行的应用。
通过发射频移响应信号，接收器可以容易地将每个应答器识别为与发射器的发射和第一无线电磁信号的后向散射反射不同。在一些结构中，每个应答器可以是单独的模拟应答器，且没有任何数字电子器件、数字处理电路、数字信号处理器等。因此，每个应答器可以被认为是“哑（dumb）”应答器，其不将任何信号、存储数据或识别信息附加到所发射的响应信号，而是仅将发射器的信号重复为频移响应信号。
附图说明
图1以图形方式示出了用于确定个体在二维平面上的位置的示例性的基于三边测量和基于三角测量的方法。
图2为所公开系统的实施例的示意图。
图3为示例性应答器的示意图。
图4示出了系统的示例性应答器的接收侧表面声波滤波器的插入损耗和隔离。
图5示出了系统的示例性应答器的发射侧表面声波滤波器的插入损耗和隔离。
图6示出了系统的另一示例性应答器的基于接收侧同轴电缆的谐振滤波器的隔离。
图7示出了图6的示例性应答器的基于接收侧同轴电缆的谐振滤波器的谐振器单元。
图8为这种应答器的第一工作示例的示意图。
图9为图8的工作示例中的接收和发射信号的时间平均功率谱密度图。
图10A和10B为这种应答器的第二工作示例的示意图。
图11为图10A和10B的工作示例中的接收和发射信号的时间平均功率谱密度图。
图12为这种应答器的示例性外壳和形状因数。
图13为示例性接收器天线布置。
具体实施方式
简单地说，任何跟踪系统的目标都是从一个或多个参考点找到一个或多个目标的位置。在简单的层面上，图1示出了一种定位目标的方法，该目标位于通常称为三边测量(trilateralization)的一组观察点的多个已知距离处。每个观察点的位置（X符号）是已知的，而只有目标距每个观察点的距离是已知的。相对于每个单独的观察点，目标可以位于图1中所示的相应圆形边界上的任何位置。组合来自至少三个不同位置的观察点的信息增加了额外的约束，将可能的位置限制到所有三个圆形边界相交的单个位置（由X符号标记）。三边测量形成了许多地面无线电导航系统的基础。虽然难以说明，但可以想象一个三维系统，其中，取代位于各个圆形边界上，目标可以位于以各个观察点为中心的各个球形边界上的任何位置。组合来自至少四个不同位置的观察点的信息将可能的位置限制到所有四个球形边界在三维空间中相互交叉的单个位置。这种方法形成了全球定位系统等系统的基础，尽管这里对该系统技术细节进行了粗略的过度简化。定位目标的另一种方法，其中仅从至少两个这样的观察点相对于目标的方向是已知的，通常称为三角测量，其中，相对于每个单独的观察点，目标可以位于如图1中所示的各个射线上的任何位置。如果观察点可以确定方向和距离，则可以仅使用单个观察点来跟踪目标，这是显著的优点，因为其简易性、预算或空间和/或设备的可用性。这种方法形成了早期雷达系统的基础。然而，实际系统仅能够在某些精度内辨别目标的距离和/或方向。因此，在广泛描述为“三边三角测量（triangulateration）”的混合方法中有时使用多个方向和距离确定观察点。
无线电磁信号以c（~3×108米/秒）的速度在自由空间传播。通过测量电磁波的“飞行时间”，即一部分无线电磁信号从一个源传播到达一个接收器所花费的时间，从所述源到所述接收器的距离可以通过简单关系d=t*c计算，其中d是距离，t是时间。对于雷达系统，其中目标是反射或回波传输的无线电磁信号的准源（quasi-source），这种技术称为脉冲延迟测距。测量距离的复杂性在于接收器至少需要知道脉冲最初是何时从实际源发送的。这在诸如雷达系统等单个观察点的系统中相对简单，其中发射器和接收器可以共同定位并因此共享信号源。但是，在多个观察点的系统中，每个观察点以及在某些情况下的目标都有单独的信号源，且这些信号源必须使用时钟同步或其他技术，而不是对接收波形的相对锁定，以允许明确的距离计算。无线电磁信号传播也可用于确定从接收器到源的方向。习惯上，这将使用围绕跟踪区域机械旋转的高度定向（窄波束宽度）天线来完成。或者，可以以阵列设置多个全向或近全向接收天线。可以使用用于每个天线元件的模拟移相器和组合来自每个元件的相移信号的组合器电路来构造相控阵天线。通过移相器改变天线元件的相对相位，以与机械旋转的定向天线相同的方式扫描观察方向。非相控阵天线和系统可以替代地分别分析来自每个天线元件的信号以检测接收相位的差异，例如通过执行逐元件、顺序相位分析或电子采样由每个天线元件接收的信号，而不是引导阵列观察方向，通过到阵列的各个天线元件的飞行时间的微小差异有效地确定接收信号的方向。
所公开的系统和方法是基于距离和方向的技术，用于在三维空间中跟踪个体（通过佩戴物体）、其他物体和/或名义上固定的位置。首先参考图2，该系统包括发射器100，其发射第一无线电磁信号110。该系统还包括多个应答器120，配置为接收第一无线电磁信号110，并且作为响应，发射第二无线电磁信号150。每个应答器120可以是所谓的“弯管收发器”，意指应答器包括频移级，其以不同的频率重新发送接收的信号，使得第二无线电磁信号150响应地由应答器以与第一无线电磁信号110的频率不同的频率发射。该系统还包括接收器170，其检测并处理由应答器120发射的第二无线电磁信号150，以确定接收器和相应的应答器120之间的距离、方位角或水平角，以及相对高度或垂直角度。
发射器100在无线电或微波频率范围内发射第一无线电磁信号110。发射器100可以以能够穿透建筑物和其他结构的频率发射信号。在一种情况下，发射器100在约200MHz和约12000MHz之间的频率范围内广播（包括UHF、L频带、S频带、C频带和/或X频带；对于露天和室外环境），或者在另一种情况下，频率范围在约200MHz和约1000MHz之间（主要是UHF频率；对于成熟的环境），且在一种特定情况下，频率范围在约420MHz和约450MHz之间。发射器100可以以一系列功率输出全向地广播，例如在一种结构中高达约1瓦。更大的功率输出可用于露天和室外环境。发射器可以包括现场可编程门阵列（FPGA）或其他合适的集成电路，例如ASIC或数字信号处理器，用于信号生成。
在一些情况下，第一无线电磁信号110可以包括脉冲信号，而在其他情况下，第一无线电磁信号110可以包括调频连续波（FMCW）。对于脉冲信号，信号必须在一定间隔内循环开启和关闭。然后，下面详细讨论的接收器170确定从发射器100发送第一无线电磁信号110的特定脉冲（其中应答器120接收并响应地发射频移的第二无线电磁信号150）以及接收器从应答器120接收第二电磁信号150的相应脉冲时的时间延迟，例如，通过比较各个信号的接收的开始或结束时间。虽然脉冲之间的延迟可以根据系统的期望最大范围而减小，但是必须脉冲固定频率的非编码信号，因为如果不这样仅可以确定电磁信号110、150的相对相位，且每个应答器120的绝对距离将仍然未知。相反，对于FMCW信号110，连续波信号具有连续扫过第一频带的频率，即，在第一频带的下限和第一频带的不同的上限之间。然后，接收器170确定从发射器100以第一频带内的特定频率发送第一无线电磁信号110（其中，应答器120接收并响应地发射频移的、调频的第二无线电磁信号150）以及接收器接收第二无线电磁信号150时的时间延迟，所述第二无线电磁信号150具有第二频带内的相应的频移频率，即第二频带的下限与第二频带的不同的上限之间的对应频率。例如，第一频带可以跨度为10Mhz，例如，从420到430Mhz，且第二频带可以跨度为10MHz，例如，从435到445MHz，或者，如果应答器120包括如下所述的不同的频移，则可以跨度为15MHz，例如，从435到450MHz，各个应答器在第二频带的一些但不是全部内工作。FMCW信号110提供的优点是跟踪可以是连续的，以及可以在给定时间间隔内收集相对大量的样本，实现误差达到平均数并且增加距离和方向的输出精度。另外，通过不必脉冲第一无线电磁信号110可以简化发送硬件，且接收硬件能够比相位差更准确地检测频率差异。最后，取决于第一（和相应地，第二）频带的带宽，系统可以更加抵抗特定频率处的干扰源和多径行为。
第一无线电磁信号110还可以包括正交频分复用（OFDM）信号。这种信号110包括多个子载波，这些子载波分布在复OFDM信号的通带带宽内（“正交地”分布，使得子载波间隔等于符号周期的倒数）。有利地，与环境障碍物或反射相关联的多径效应将倾向于不同地影响每个子载波，使得一些子载波可能经历相对低的多径干扰，而其他子载波可能经历相对高的多径干扰或所谓的“深度衰落”。通过最初发送以及，如下所述，随后重新发射频移版本的OFDM信号，系统可以更精确地估计接收器和应答器120之间的距离、方位角和相对高度，例如通过平均基于各个子载波的估值，以便减少平均估值中的RMS误差。
通过接收第一无线电磁信号110，应答器120响应地在无线电或微波频率范围内发射第二无线电磁信号150。应答器120可以是无动力设备，例如在一种结构中的所谓“无源”射频识别（RFID）设备。然而，如图3所示，应答器120可以是自供电设备，例如所谓的“有源”RFID设备，其包括上述频移级126，以及多个天线（如图所示，示例性的接收天线122和发射天线138）、电池132和信号放大器136。这种自供电设备可以有利地以足够的功率发射第二无线电磁信号150，以确保穿过建筑物和其他结构传播。应答器120可以在一系列功率输出范围全向发射，例如在一种结构中高达约0.1瓦。应答器120可以以更大的功率输出发射（在考虑滤波器和放大器限制、功耗/运行时间要求和电磁辐射安全性问题后），然而，第一无线电磁信号110可以由于居间的墙壁、设备和物体而显著衰减，因此，应答器应当能够在本底噪声之上检测到这样的信号，并在可穿戴的、紧凑和轻便的设备中放大该信号。放大到~+10dBm（增益刚好超过100dBm）允许使用现成的增益级，同时保持合理的尺寸、重量和发射器性能。
频移级126接收诸如第一无线电磁信号110的信号并以不同的频率重新发送它们，使得应答器120以与收到的信号不同的频率发射信号，包括响应地发射的第二无线电磁信号150。相对于第一无线电磁信号110，频移的第二无线电磁信号150的发射允许应答器120用作信标并且在杂乱且有损耗的室内环境中被跟踪。应答器120可以以与对第一无线电磁信号110的非移动或缓慢移动的环境响应相比不同的频率发射，将第二无线电磁信号150与前一信号的单路和多路反射区分开。例如，频移级126可以将发射的信号从接收的信号频移大约5、10或15MHz或更多。读者将理解，频移可以非常小，在某些情况下小至约0.1％，或在其他情况下小于约1％，或在其他情况下小于约10％。保持频移相对较小有几个优点。首先，可以选择发射器100的频率范围，以提供信号传播所需的特性，例如穿透建筑物的能力。通过确保由应答器120发射的信号的频率范围不同于但接近发射器100发射的信号的频率范围，可以保持那些期望的信号传播质量。其次，在某些情况下，只有某些频带可用或批准使用。因此，使用其他类似频率可以有助于确保整个系统在批准使用的相对窄的频带内运行，使得批准使用和遵守操作限制更容易。
在一种结构中，频移级126包括振荡器128和第一混频器130，借此所述级通过第一混频器将接收的信号与振荡器的输出混合，以重新发送频率下移或上移的信号。因此，应答器120可以是纯模拟应答器，且没有任何数字电子器件、数字处理电路、数字信号处理器等。其他结构，包括使用数字信号处理器分析第一无线电磁信号110和数字地构造第二无线电磁信号150的结构，对于本领域技术人员来说是显而易见的。然而，所公开的“模拟”应答器具有以下优点：它们可以与在适当的频率范围内发送的任何发射器100一起使用，而不管信号类型如何，并且不需要理解或进行更新以理解不同的或新的信号方案。每个应答器120经由振荡器128可以配置为以与第一无线电磁信号110的频率和由其他应答器发射的第二无线电磁信号的频率不同的频率发射第二无线电磁信号150。在一种结构中，振荡器128可以是设置电阻可调的振荡器，但是其他类型的可调振荡器对于本领域技术人员来说是显而易见的。在一种结构中，振荡器128可以是可插拔模块，使得可以替换为不同的振荡器以提供相对于第一无线电磁信号110的频率和由其他应答器发射的第二无线电磁信号的频率不同的频率。例如，每个应答器120可以提供频率偏移，包括基本偏移，例如，相对于发射频率偏移10Mhz，以及增量偏移，例如，相对于多个换能器中的其他换能器的发射频率偏移5或10kHz。不同频率的第二无线电磁信号允许通过对应于该特定应答器的发射频率跟踪各个应答器120，且从而跟踪个人或物体。尽管5kHz的差异可以在发射的信号中提供一些重叠，但是接收器170能够识别不同的信号。
多个天线（例如，接收天线122和发射天线138）可以采用各种形式。第一种结构可以使用贴片天线。第二种结构可以使用螺旋天线，例如在由Kevin Zack等人开发IEEE 2014（DOI 10.1109/APS.2014.6905180）天线与传播学会国际研讨会（APSURSI）Compact Spiral Antenna for Space Based Applications中公开的紧凑的PCB承载的螺旋天线。单独的接收天线122和发射天线138可以设置在包含分层接地平面和通孔的多层PCB的相对侧上，以最小化天线间耦合。第三种结构使用以差分配置操作的两个同心贴片天线。第四种结构使用传统的单极天线。所参考的贴片天线和螺旋天线至少在某种程度上是方向性的，并且因此应答器120可以包括多个天线，其可以例如设置在个体背侧和前侧，或者系统可以使用例如设置在个体背侧和前侧的多个应答器。所参考的单极天线是全向的，但经常要求应答器120包括发射天线（projecting antenna）而不是内置天线。
应答器120可以包括接收滤波器124，其将接收的信号限制到包含第一无线电磁信号110的设定频率范围。接收滤波器124可以去除不期望的干扰源并确保应答器120不会由于其自身的发射而振荡。应答器120还可以包括发射滤波器134，以阻止不期望的发射和/或进一步降低应答器由于其自身发射而振荡的可能性。在具有高增益（例如，上述示例性的100dBm增益）和紧密间隔的发射器和发射器频率的系统中，接收侧和发射侧之间应当具有相当程度的隔离，否则发射信号的部分可能是传递到频移级126的最强信号，且应答器120可能振荡而不是用作弯管收发器。对于频移相对较大的结构，例如，从~400Mhz的发射频率到~800MHz的倍频发射频率，滤波器124、134可以包括芯片电容器和布置为形成3-5极分立滤波器的电感器。然而，对于频移相对较小的结构，滤波器124、134可以包括高Q因子滤波器（其中Q因子=滤波器中心频率除以滤波器通过的带宽）。接收滤波器124应当在应答器120的发射频率处具有相当大的衰减。因为频移级126和信号放大器136将放大系统噪声，所以发射滤波器134应当在发射器100的发射频率处具有相当大的衰减。
在一种结构中，滤波器124和134包括所谓的表面声波（SAW）滤波器。在接收滤波器124的情况下，SAW滤波器可以提供例如以425MHz为中心的10MHz通带，通带中有3-5dB的插入损耗，以及通带外有>40dB的抑制。图4示出了原型示例性SAW滤波器的性能，同时SAW滤波器可用于其他频率范围。在发射滤波器134的情况下，可以使用另一个SAW滤波器来提供滤波器，其具有以442.5MHz为中心的15MHz通带，通带中有3-7dB的插入损耗，以及通带外有>40dB抑制。图5示出了原型示例性SAW滤波器的性能，同时SAW滤波器可用于其他频率范围。可以级联多个滤波器元件以满足衰减/抑制要求，且可以在这些滤波器之间插入放大器元件以最小化放大器压缩和噪声。掠面体波（Surface-Skimming Bulk Wave）SAW滤波器可能特别适用于应答器120，因为它们对滤波器基板杂质的敏感性低，具有较低的损耗，并且比传统SAW滤波器更不易受温度影响。
在另一种结构中，滤波器124和134包括同轴谐振器滤波器。在接收滤波器124的情况下，七谐振器与芯片电容器耦合的同轴滤波器可以提供例如以425MHz为中心的10MHz通带，通带中具有低插入损耗，且通带外具有呈指数增加的抑制（435MHz时>20dB）。图6示出了原型示例性滤波器的性能，同时同轴谐振器滤波器可用于其他频率范围。在发射滤波器134的情况下，另一个这样的滤波器可以提供以442.5MHz为中心的15MHz通带。与SAW滤波器一样，可以级联多个滤波器元件以满足衰减/抑制要求，且可以在这些滤波器之间插入放大器元件以最小化放大器压缩和噪声。或者，可以使用并联的可调电容来调谐单个滤波器，以改变每个谐振器的谐振频率以改善抑制。读者将理解，同轴谐振器滤波器可以替代地使用同轴电缆的长度形成，其中电缆的尺寸为通带中心波长的1/4（并且在一端短路以形成四分之一波长谐振器）或通带中心波长的1/2（并且在一端保持开放以形成半波长谐振器），然而这些元件将在物理上更大（例如，对于四分之一波长模式的420-450MHz频带，为~4.5英寸，半波长模式为~9英寸）且损耗会更高。为了减小滤波器的面积范围，可以将小直径同轴电缆盘绕成螺旋形结构。由于这种基于同轴电缆的谐振器滤波器的性能将取决于设计长度的变化，因此也可以使用并联的可调电容来调谐基于电缆的谐振器，以改变电缆的谐振频率并改善抑制。图7示出了用于安装于PCB的基于电缆的谐振器的示例性谐振器单元200。该单元包括信号线210，将信号线210互连到同轴电缆220和可调电容器230的分叉（split）212，以及第一和第二接地平面240、250。同轴电缆220的中心导体222连接到分叉212，且屏蔽罩224连接到第一接地平面240。可调电容器连接到分叉220和第二接地平面250。可以在分叉212之前和之后在信号线210上提供第一和第二芯片电容器214、216，使得可以调谐该单元与多谐振器同轴滤波器中的其他这种单元的效应隔离。
应答器工作示例1
图8为应答器120的工作示例300的示意图。应答器的接收侧包括超低噪声放大器310（Mini-Circuits PMA2-33LN+），其增加了由接收天线122接收的信号的增益，并降低了信号对放大器引入的噪声的敏感性。放大器310的输出传递到接收滤波器124，接收滤波器124包括一系列SSBW SAW滤波器320（通过第一频带）和宽带放大器330（恩智浦半导体公司BGA 2817）以提供进一步放大，同时减少放大器压缩的影响和放大器引入的噪声。接收滤波器124的输出传递到第一混频器130（Mini Circuits ADEX-10L+），其中可调振荡器128（Linear Technologies LTC1799）向本地振荡器端口提供1kHz至33MHz的馈送。第一混频器的频移输出传递到发射滤波器134，发射滤波器134包括一系列SSBW SAW滤波器340（通过第二频带）和宽带放大器330（恩智浦半导体公司BGA 2817）以提供发射放大，同时降低发射频率附近传输的噪声。发射滤波器134的输出传递到信号放大器136（Qorvo RF2637），信号放大器136可以包括自动增益控制，以便防止不必要的放大和设备功率的消耗。读者将注意到，可能存在最终发射滤波器类元件以抑制可能由信号放大器136引入信号的噪声。否则，信号放大器136的输出传递到发射天线138，以由系统的接收器170进行广播和接收。
图9为图8的工作示例的应答器的接收和发射信号的时间平均功率谱密度（PSD）图，其通过National Instruments的AWR Visual Systems Simulator中模型模拟，其具有-144dBm的本底噪声，来模拟设备动态范围的一个极限。底部接收信号为425MHz，频移至435MHz，增益为~90dB。功率检测器和AGC控制电路可用于通过Qorvo RF2637增加高达50dB的额外增益，以实现稳定的+10dBm输出。
应答器工作示例2
应答器120可以包括中频（IF）级140，以便可以使用现有的商用滤波器。而且，由于Q因子是分数带宽的量度，因此对于给定的滤波器技术，通常可以在较低的通带中心频率处实现较窄的通带。中频级还可以包括预滤波器142，其可以是低Q因子滤波器，以抑制由IF级140可能引入信号的噪声并防止带外（传输和发射频带）信号发射。参考图10，另一个应答器120的工作示例400具有接收侧，该接收侧包括超低噪声放大器410（Mini-Circuits PMA2-33LN+），如以上工作示例1中另外描述。放大器410的输出传递到中频级140，中频级140包括预滤波器142，预滤波器142可以包括一系列电容器和电感器，因为还不需要接收信号的强隔离。预滤波器的输出传递到第二混频器144（中频级140包括第二混频器144（在从属而非顺序的意义上；Mini Circuits ADEX-10L+），其中本地振荡器146（例如，348.5MHz参考振荡器）为本地振荡器端口提供馈送。第二混频器164的频率下移输出传递到接收滤波器124，接收滤波器124包括一系列SAW滤波器420（MuRata SF2038B）和宽带放大器430（恩智浦半导体公司BGA 2817）以提供进一步的放大，同时减小放大器压缩的影响和放大器引入的噪音。接收滤波器124的输出传递到第一混频器126（Mini Circuits ADEX-10L+），其中可调振荡器128（Linear Technologies LTC1799）提供~368.5MHz馈送（可调节到更小和更大的频率以提供不同的发射频率）到本地振荡器端口。第一混频器126的频移输出在不使用发射滤波器134的情况下传递至信号放大器136，在这种结构中，信号放大器136包括一系列宽带放大器430（恩智浦半导体公司BGA 2817s，具有最终Mini-Circuits PMA2-33LN+，以避免信号压缩）。读者将理解，如在以上工作示例1中，包括自动增益控制的信号放大器136可以在该系列中被替换。读者将注意到，可能存在最终的低Q滤波器元件，以抑制信号放大器136可能引入信号的噪声，并防止带外（传输和发射频带）信号发射。否则，信号放大器136的输出传递到发射天线138，以由系统的接收器170进行广播和接收。
图11为工作示例的应答器的接收和发射信号的时间平均功率谱密度（PSD）图，再次通过Visual Systems Simulator中模型模拟，其具有-144dBm的本底噪声。从图的左侧，425MHz的底部接收信号频移到中间发射信号，频率为445MHz，增益为~110dB。所示顶部中频信号供参考，但不是由应答器显著地发射。
读者将理解，上述放大器和滤波器元件可以基于接收和发射信号之间的目标频移、目标增益、目标隔离，商购可获得组件与定制组件之间的性能特征等以各种顺序和组合包括在内。这些组件可以与共面波导或导体背衬波导互连，以便具有~50欧姆的阻抗，其线宽与表面安装组件兼容。例如，工作示例采用1.6mm FR4 PCB，导电痕迹线宽为57.5mil，回路导线间隙为10mil，线路厚度为0.7mil，以提供55欧姆电路，可直接与分立芯片组件连接。由于存在回路导线、接地平面和/或覆铜区域内的过孔，共平面波导和导体背衬波导还有利地允许换能器120的级之间的增大的隔离。
可能包括天线122和138的应答器电子器件包含在壳体160内，如图12中所示。基于第一和第二无线电磁信号的频率，壳体160应对于无线电和/或微波频率范围是可穿透的，且可以由例如玻璃纤维或尼龙织物构成。电池132可以是具有不可燃电解质化学物质的可拆卸电池，例如LiFePO4 32650电池或碱性C和D电池。壳体160可以包括端口162，可以通过端口162设置可调振荡器128，或者可以替换为模块化可插拔振荡器128，以便设置应答器120的发射的第二无线电磁信号的频率。
接收器170接收并检测由应答器120发射的响应信号。如上所述，发射的第二无线电磁信号150从发送的第一无线电磁信号110频移，使得响应信号易于识别并使应答器120能够充当信标。另外，如上所述，每个应答器120发射的响应信号可以相对于系统中的所有其他应答器或甚至仅一些应答器唯一地频移，使得接收器能够识别各个应答器和人。由每个应答器120发射的响应信号的类似信标的质量使得接收器170能够识别信标/应答器的方位角（或水平角）、信标/应答器的相对高度（或垂直角度），以及由信标/应答器发射的响应信号的飞行时间。
接收器170（其示例在图13中示出）包括围绕中心点布置的至少三个接收天线元件172。校准天线174可以设置在所述中心点附近，使得可以从校准天线广播采样信号并且在接收天线元件172处进行相位测量。读者将理解，示例性天线系统可用于识别到应答器120的水平角度或方位角以及由应答器发射的响应信号的飞行时间，但不是应答器的高度的垂直角度。至少一个额外的接收天线元件172可以设置在所示天线的上方或下方，以允许识别这种垂直角度或高度。在一种结构中，接收天线元件可以配置为金字塔式，例如，三角形、正方形或更多边数的规则或可能不规则的金字塔式布置。在另一种结构中，接收天线元件172可以配置为双锥形，例如三角形、正方形或更多边数的规则或可能不规则的双锥形布置。在又一种结构中，接收天线元件172可以配置成两个或更多个垂直分离的层，这些层以相同的方式布置，以旋转的方式或者相对于其他层可能不同地布置。接收天线元件172的布置用于对应答器120的位置进行三边测量或三角测量。校准天线174可用于基于接收和校准天线的已知布置来标准化接收器的接收电子器件中的任何变化。
接收器170可以包括现场可编程门阵列（FPGA）或其他合适的集成电路，例如ASIC或数字信号处理器，用于信号分析。通过测量发送的第一无线电磁信号110和发射的第二无线电磁信号150之间的总相位延迟，可以计算到换能器120的距离。只要发射器100相对于接收器170的放置是已知的，可以考虑第一无线电磁信号110从发射器100到相应的应答器120的飞行时间与第二无线电磁信号150从各个应答器120到接收器170的飞行时间的差以及到所识别的各个应答器的距离。通过测量每个接收天线元件172处的各个第二无线电磁信号150的相对相位，可以识别至各个应答器120的至少近似水平角度或方位角。例如，如图12所示，从测量最大相移的接收天线172a到测量最小相移的接收天线172b绘制的向量将大致指向相应的应答器。插值，或在诸如上述接收天线172的金字塔形、双锥形或分层布置，三边测量，三角测量或基于该布置的模型的其他数学技术的布置中，可用于增加所识别的水平角度或方位角和垂直角度或高度的精度。在发送的第一无线电磁信号110和发射的第二无线电磁信号150包括OFDM信号的情况下，这种方法可以应用于第二无线电磁信号150的多个子载波中的每一个以及估计距离的简单平均值，方位角或水平角，以及相对高度或垂直角，分别用于降低平均估值的RMS误差。或者，可以分析OFDM信号分量并且抑制任何显著延迟/模糊的子载波信号，将这些方法应用于第二无线电磁信号150的多个子载波的其余部分，以便确定估计距离、方位角或水平角度以及相对高度或垂直角度的合格平均值。
接收器170可以可操作地耦合到发射器100（并且如果没有物理地耦合到发射器，则进行编程以确定或接收两者之间的距离作为输入），使得接收器可以确定和分析每个应答器120发射的无线电子信号的飞行时间信息；并以这种方式分析到各种应答器的距离。例如，接收器170和发射器100可以设置在同一车辆上，例如救火车，或设置在同一车辆可牵引的载体上，例如拖车。或者，接收器170和发射器100可以耦合到单独的车辆，车辆和可分离的车辆可牵引的载体，或者耦合到可分离的可移动载体，例如保护性或所谓的硬壳。当布置在相同的车辆或可牵引的载体上时，接收器170和发射器100的距离和相对取向可以是已知的并且预先编程到系统中，允许系统确定和减去第一无线信号150从发射器100至各个应答器120的飞行时间。当设置在单独的或可分离的载体上时，GPS定位器可用于定位接收器170和发射器100的位置并将其提供给系统，或者系统可被编程为自行确定发射器100相对于接收器170的距离和相对方向。由于每个应答器120可以是相对简单和模拟的，因此在接收由发射器发送的无线电磁信号和作为响应发射其自己的无线电磁信号之间的每个应答器没有（或只有非常小的）延迟。此外，如果存在任何类型的延迟，再次由于应答器可以是模拟的并且非常简单，延迟可以是已知的并且是可预测的，且可以在飞行时间计算中容易地解决。因此，通过确定响应信号的高度、方位角和到发射器的距离，可以在三维空间中确定每个应答器120的位置。
接收器170配置为产生可以以各种方式传达给人类用户的输出。在一种情况下，接收器170可操作地耦合到显示屏或输出设备，例如平板设备、移动电话、台式计算机、膝上型计算机等。在这种情况下，可以提供并显示2D（包括相对高度的数字表示）或周围空间的3D表示，以及每个应答器120（和/或应答器所针对的个人或物品）的位置也相对于周围空间显示。可以提供应答器120相对于彼此和/或建筑物和/或其他地理标志（例如街道或GIS数据）的位置。可以基于它们的质量/特性（例如，某个营内的消防员；消防员以外的第一响应者，反之亦然，显示某些风险因素的消防员等），显示每个应答器120的位置，或仅显示某些操作员选择的应答器的位置。还可以显示识别信息；例如，可以显示每个人的姓名，或者如果由操作员选择，则可以显示其它可用的识别信息。
各种公共服务和工业职业可能受益于能够精确跟踪混合室内/室外工地中各种个人或物体的位置和移动的跟踪系统。本现场可部署系统专门满足在这种混合室内/室外环境中跟踪工作人员的需要，并且可以提高在这些地点工作的人员的安全性和效率，特别是在诸如消防或第一响应的关键操作的情况下。如果他们进入不安全的区域，可以提醒他们；如果确定一个人不动，可以发送帮助；以及可以准确报告受伤或无行为能力的人的位置，以协助他人的救援。
已经详细地并且通过参考各种实施例描述了本发明，应当理解，在不脱离本申请的权利要求的范围的情况下，其修改和变型都是可能的。

Claims (19)

1.一种用于确定三维空间中个体或物体的位置的系统，该系统包括：
发射器，用于发送具有第一信号频率的第一无线电磁信号，其中所述发射器扫过包括所述第一信号频率的第一频带内的频率，其中所述第一无线电磁信号在选定为穿过建筑物传播的所述第一频带内发送，且以选定为穿过建筑物且朝向个体或物体传播的功率等级发送；
多个可穿戴应答器，其配置为由进入建筑物的相应个体或物体穿戴，其中每个可穿戴应答器配置为，响应于从所述发射器接收具有第一信号频率的第一无线电磁信号，发射具有第二信号频率的第二无线电磁信号，所述第二信号频率从所述第一信号频率频移，其中所述第二无线电磁信号包括第一无线电磁信号的频移的、重复的版本，且其中，所述多个可穿戴应答器中的每个可穿戴应答器发射其各自的第二无线电磁信号的所述第二信号频率包括基本频移和增量频移，其中所述增量频移对所述可穿戴应答器中的每个是特有的，以实现相对于所述多个可穿戴应答器中的其他应答器对所述可穿戴应答器中的每个进行识别；和
用于检测第一和第二无线电磁信号的接收器，其中所述接收器配置为基于对第一和第二无线电磁信号的检测提供所述多个可穿戴应答器中的至少一个的位置信息的输出；
其中所述第一无线电磁信号包括调频连续波，所述第二无线电磁信号包括调频连续波的频移版本，其中，每个可穿戴应答器进一步包括：
接收天线，其配置为在所述第一频带接收所述第一无线电磁信号；
耦合到所述接收天线的低噪声放大器；
耦合到低噪声放大器的中频级，其中，所述中频级混合由接收天线接收的第一无线电磁信号，以产生一个或多个中频电磁信号，以实现对所述一个或多个中频电磁信号进行中频处理；
与所述中频级耦合的频移级，其中，所述频移级混合所述一个或多个中频电磁信号，以产生所述第二无线电磁信号；和
发射天线，其配置为在第二频带内发射所述第二无线电磁信号，以使接收器能够检测。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述第一无线电磁信号包括具有多个子载波的正交频分复用信号，所述第二无线电磁信号包括正交频分复用信号的频移版本。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述发射器配置为以200Mhz和1000MHz之间的第一信号频率发射所述第一无线电磁信号。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述第一频带为从420Mhz至430MHz。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述可穿戴应答器包括频移级，所述频移级包括振荡器和第一混频器，借此所述频移级通过所述第一混频器将接收的第一无线电磁信号与所述振荡器的输出混合，以产生所述第二无线电磁信号。
6.如权利要求5所述的系统，其中每个可穿戴应答器的振荡器具有相对于所述多个可穿戴应答器中的其他应答器的振荡器的不同频率，使得每个可穿戴应答器以相对于由所述多个可穿戴应答器中的其他应答器发射的第一无线电磁信号的信号频率和第二无线电磁信号的信号频率不同的信号频率发射第二无线电磁信号。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述振荡器包括至少一个可调节到多个不同频率的振荡器。
8.如权利要求1所述的系统，其中每个可穿戴应答器配置为以200MHz和1000MHz之间的第二信号频率发射所述第二无线电磁信号。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述第二无线电磁信号以435MHz和450MHz之间的第二频带发射。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述第一信号频率和所述第二信号频率相差至少5MHz。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述接收器包括分布在三维空间体积上的多个天线元件，并且所述接收器配置为基于对由所述多个天线元件接收的第一无线电磁信号和第二无线电磁信号之间的相位延迟的分析估计所述接收器与所述多个可穿戴应答器中的各个之间的距离、水平角和垂直角。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述接收器包括由所述多个天线元件组成的相控阵天线。
13.如权利要求11所述的系统，其中所述接收器包括由所述多个天线元件组成的非相控阵天线，并且所述接收器配置为分别分析所述多个天线元件中的每个天线元件的相位延迟。
14.如权利要求1所述的系统，其中所述接收器包括显示屏，并且所述输出是显示屏上的代表性输出，示出所述多个可穿戴应答器中的个体的位置。
15.一种用于确定三维空间中个体或物体位置的可穿戴应答器，该应答器包括：
接收天线，其配置为至少以第一信号频率接收第一无线电磁信号，其中所述第一无线电磁信号在选定为能够穿过建筑物传播的第一频带内，且其中，所述第一无线电磁信号为选定为穿过建筑物并朝向个体或物体传播的功率等级；
耦合至所述接收天线的低噪声放大器；
发射天线；和
包括振荡器和第一混频器的频移级，其中所述频移级通过第一混频器将由接收天线接收的第一无线电磁信号与所述振荡器的输出混合，以产生由发射天线发射的第二无线电磁信号，使得所述可穿戴应答器以第一信号频率接收第一无线电磁信号，并且响应地以从第一信号频率频移的第二信号频率发射第二无线电磁信号，其中所述可穿戴应答器发射所述第二无线电磁信号的所述第二信号频率包括基本频移和增量频移，其中所述增量频移对所述可穿戴应答器是特有的，以实现相对于多个可穿戴应答器中的其他应答器对所述可穿戴应答器进行识别。
16.如权利要求15所述的可穿戴应答器，其中所述振荡器包括可插拔模块或可调节到多个不同频率。
17.如权利要求15所述的可穿戴应答器，其中所述可穿戴应答器还包括电池和信号放大器，所述信号放大器配置为在由所述发射天线发射之前放大所述第二无线电磁信号。
18.如权利要求15所述的可穿戴应答器，其中所述可穿戴应答器还包括设置在所述接收天线和所述第一混频器之间的接收滤波器，所述接收滤波器包括通过所述第一信号频率但不通过所述第二信号频率的表面声波或同轴谐振器滤波器。
19.如权利要求18所述的可穿戴应答器，其中所述可穿戴应答器还包括设置在所述第一混频器和所述发射天线之间的发射滤波器，所述发射滤波器包括通过所述第二信号频率但不通过所述第一信号频率的表面声波或同轴谐振器滤波器。
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