CN112041697A - 定位系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于在表面波导上定位物体的系统。表面波导由一条或多条1D线和/或包括按图案布置的导电元件的2D波导制成。具有已知位置的发射器可以与接收器耦合，该接收器与表面波导耦合。接收器的位置可以例如通过多点定位或信号强度指示来确定。导电元件可以被喷涂、缝合或以其他方式沉积到诸如底层、人行道或车道等表面上。所描述的开发包括使用吸收器、保护层、单向发射器、非接触耦合，以及包括频率选择层的各种布置、在晶格、格架或各向异性表面中的各种布置。还描述了信号处理方面和软件实施例。

Description

定位系统
技术领域
本文档涉及数字数据处理的领域，并且更具体地涉及定位方法和系统。
背景技术
在空间中精确定位物体或人可以是一项具有挑战性的任务。由于来自全球导航卫星系统(GNSS)卫星的广播信号通常在建筑内不可用，因此室内定位特别可能是困难的。
现有的方法呈现局限性。例如，标题为“SYSTEMS,METHODS AND DEVICES FORINDOOR POSITIONING USING WIFI”的专利申请US20160219549处理一个或多个Wi-Fi信号的传播中的时间延迟以确定位置。这样的方法针对特定的用途(例如，检测掉落在安全区域中或医院中的地板上的尸体，或检测地板上液体的异常存在)可能呈现不足的准确性和可靠性。这样的方法通常意味着检测前的延时或延迟。
几乎无法提供现有的方法适合于室内应用和/或室外应用二者，其要求精确性、速度和可靠性。
因此，需要用于室内定位和/或室外定位的先进的方法和系统。
发明内容
这里公开了一种用于在表面波导上定位物体的系统。表面波导由一条或多条1D导线和/或包括按图案布置的导电元件2D波导制成。具有已知位置的发射器(或接收器)可以与接收器(或发射器)通信,该接收器(或发射器)与表面波导耦合。接收器(或发射器)的位置可以例如通过多点定位或信号强度指示来确定。导电元件可以被喷涂、缝合或以其他方式沉积到诸如底层(ground floor)、人行道或车道等表面上。所描述的开发包括使用吸收器、保护层、单向发射器、非接触耦合，以及包括频率选择层的各种布置、在晶格、格架(trellis)或各向异性表面中的布置。还描述了信号处理方面和软件实施例。
本发明的有利的实施例包括但不限于在室内或室外环境(例如，建筑、学校、商业中心、医院、人行道、车道、机场着陆道或足球场)中精确定位物体(制品，例如道路上的汽车或在桌子上发现的小物体)或动物或人。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式描述本发明的实施例，在附图中类似的附图标记表示类似的元素，并且在附图中：
图1示出了本发明的实施例，
图2示出了表面波导的各种实施例，
图3示出了信号发射器和表面耦合设备的各种实施例，
图4示出了本公开的一些其他方面。
具体实施方式
术语的定义被提供如下。
“位置”或“地点”指定物体/接收器的空间中坐标。可以随时间跟踪或监控位置。
“坐标系”是使用一个或多个数字或坐标来唯一确定点或其他几何元素在空间(例如，欧几里德空间)中的位置的系统。坐标可以使用有序的元组。可以使用不同的坐标系，包括但不限于数字线、笛卡尔坐标系、极坐标系、圆柱和球面坐标系、齐次坐标系、曲线坐标系、正交坐标系、斜坐标系、对数极坐标系、重心坐标系、三线性坐标等。
“表面”可以指定采用任何结构的支撑表面(例如，列车中的底层)。术语“表面”可以指定房间、走廊等的一部分，其形成其下部封闭表面并且人们在其上行走。该术语还可以指定这样的支撑表面，其在具有多个房间、公寓等的整个建筑中水平延伸，并且构成结构中的一个级别或阶段。特别地，在使用单数形式的同时，可以使用多个相互连接的表面(提供电耦合的桥可以经由/穿过墙壁或天花板被创建)。
根据本发明的“表面”可以是以下各项中的一项或多项：地板、地面、室内地表面、底部、区域、垫子、地毯、镶木地板、人行道、地下室、帆布、地毯、甲板、室内地面、小地毯、舞台、木板、地窖、平板等。
“表面”可以包括平坦的和/或非平坦的部分或分区。换言之，根据本发明的表面不一定是完全平坦的。它可以是水平的、垂直的(墙)、有角度的、倾斜的、平面的、弧形的、弯曲的、扭曲的、凹凸的、浮雕的等等。
“波导”指定通过将扩张限制在一维或二维以最小的能量损失引导波(例如，电磁波)的结构。波导可以是用于携带高频无线电波的空心导电金属管。波导的几何形状可以改变。1D(一维)波导将能量限制在一维光纤或通道中。传输波的频率也可以规定波导的几何形状和形状。针对1D波导，波导的宽度通常与导波的波长具有相同的数量级。根据频率，波导可以由导电材料和/或介电材料构成。波导可以用于传输功率/能量和通信信号二者。
本发明涉及“表面波导”(它利用“表面波导”属性)。表面波(在导电表面中/上传播的波)通常不能耦合到外部平面波。在光学频率下，可以使用棱镜耦合。棱镜可以放置在表面旁边，并且棱镜的折射率可以用于将探测光束的波矢量与表面波的波矢量相匹配。在微波频率下，可以使用小探头(probe)。点源可以发射所有的波矢量，并且放置在表面附近的小天线能够耦合到表面波模式(此外，可以调整天线几何形状以区分极化)。在TM(横向磁)表面波中，电场形成垂直延伸出表面的环路。可以使用关于表面垂直定向的一对小单极天线来测量TM波。探头的垂直电场耦合到TM表面波的垂直电场。在TE(横向电)表面波中，电场与表面平行。它可以利用平行于表面定向的一对单极探头来测量。天线的水平电场耦合到TE波的水平电场。在平坦金属板上，TE波的测量不产生明显的信号，这是因为激发TE波的任何天线都会在导电表面上短路。
只有在特定的纹理表面上，在其不寻常的表面阻抗的情况下，才能获得明显的TE传输信号电平。本发明的实施例描述了若干类型的特定的表面波导以及其在室内定位中的用途。
图案或模板是可识别的规则(例如，重复布置)。图案的元素以可预测的方式重复。几何图案是一种由几何形状形成的图案，并且典型地像壁纸一样重复。图案包括螺旋、曲折、波浪、泡沫、平铺(tiling)、裂缝，以及由旋转和反射的对称性创造的图案。图案可以具有基本的数学结构。视觉图案可以被组合和重复以形成图案。
晶格指定装饰性的纵横交错的框架，交叉的板条或其他细条材料的布置。晶格图、网格图或栅格图是其绘制形成规则平铺的图。格栅是由建筑材料的条的纵横交错的图案组成的镂空框架。该设计是通过将这些条交叉以形成网络而创造的。格栅可以用作桁架结构(例如，晶格梁桥(lattice girder bridge))。晶格梁是其中翼缘由晶格网连接的梁。晶格对应于n个方向上离散平移对称的对称群。
格架(treillage)是一种建筑结构，其通常由开放式框架或交织的晶格或相交的材料片制成。格架也可以被称为面板，通常由交织片制成，例如附接到栅栏或建筑的屋顶或外墙。
在工程中，桁架是“仅由双受力构件组成，其中构件被组织为使得装配作为一个整体表现为单个的物体”的结构。“双受力构件”是其中只对两点施加力的结构组件。
这里公开了用于在表面波导上定位物体的系统，其包括：一个、两个、三个或更多(取决于实施例)信号发射器，其具有与所述表面相关联的已知位置(例如，嵌入其中)；物体与接收器相关联，该接收器被配置为根据处理通过嵌入在表面波导中的一个或多个波导从所述信号发射器接收到的信号来确定其位置。
在一些实施例中(例如，一个发射器、多个接收器)，词语“发射器”和“接收器”可以互换。
表面可以指定“表面波波导”。本文描述了这种表面的多个配置。
信号发射器被连接到表面，充当2D波导。在一些实施例中，信号发射器可以嵌入在表面中。术语“嵌入”可以由“在……上”或“在……之上”或“在……内”或“在……下方”替换。一个或多个信号发射器可以被布置或设置或放置在表面上和/或在表面之上和/或在表面内和/或在表面下方(例如，织物实施例)。在一些实施例中，至少一个发射器可以与表面可操作地耦合(例如，信号发射器可以设置在包括波导表面的房间的墙中/上)。
在实施例中，接收器包括表面耦合设备，其被配置为接收由信号发射器发射的电磁信号。
在一些实施例中(例如，一个发射器、多个接收器)，动词“接收”可由动词“发射”代替。
在一些实施例中，耦合可以是非接触的(即，基础电磁场的局部修改或扰动)。在实施例中，可以使用例如同轴探头。在一些实施例中，可以利用电接触进行耦合，例如利用在地板上滑动的导电线(例如，鞋带)(用于连续接触)或利用用于间歇接触的电气部件(例如，插入鞋跟中或鞋跟下)。
在一个实施例中，接收器的位置由以下各项中的一项或多项确定：多点定位和/或三边测量和/或三角测量和/或接收信号强度指示和/或指纹和/或到达角和/或飞行时间。
在一些实施例中(例如，一个发射器、多个接收器)，名词“接收器”可以由名词“发射器”替换。
在实施例中，物体/接收器关于基站的位置可以通过多点定位(双曲导航或“TDOA”)和/或三边测量和/或三角测量和/或接收信号强度指示(RSSI)和/或指纹和/或到达角(AoA)和/或基于飞行时间(ToF)的技术来确定。
多点定位可以基于通过在已知时间广播信号到已知位置处的两个基站的距离差的测量结果。测量两个站之间的距离差可以使得能够确定绘制双曲线的可能位置。为了确定沿着该曲线的确切位置，多点测量依赖于多次测量：对不同的一对站进行第二次测量将产生与第一条曲线相交的第二条曲线。当这两条曲线被比较时，会显示少量可能的位置，从而产生“修复”。有利的是，在多点定位的情况下，不需要公共时钟。附加地或替代地，还可以使用三边测量。三边测量使用三个或更多地点的距离或飞行时间的绝对测量结果。在几何学中，三边测量是使用圆、球或三角形的几何形状，通过测量距离来确定点的绝对位置或相对位置的过程。附加地或替代地，可以使用三角测量。三角测量使用绝对角度的测量结果(点的位置通过从已知点到它形成三角形来确定)。边角测量指定三角测量和三边测量的组合。
在实施例中，接收器与GNSS接收器本地相关联，其中接收器被进一步配置为经由通过表面波导的电磁信号编码和发射由GNSS接收器确定的地理位置。
在实施例中，接收器与接收器“本地相关联”(因为它物理上附接到GNSS接收器，例如，由用户穿戴或作为可释放的延伸部分放置在鞋子旁边)。
GNSS接收器可以被配置为确定信噪比和伪距。GNSS接收器通过处理由卫星广播的信号来确定用户位置、速度和精确时间(“PVT”)。GNSS组件可以获得SNR(代表信噪比)和伪距。GNSS位置(如果被取得并且一旦被发射)可以用于改进其他物体的位置的准确性。换言之，协作设备可以包括启用GNSS的设备。
处理和/或存储单元(用于编码、处理和存储卫星信号)可以是本地的(例如，本地存储器或与关联到嵌入式计算机)和/或远程访问的(云计算，例如，被配置为计算位置并与基站相关联的服务器和/或外部设备，例如位于附近)。
在实施例中，发射基站可以将类似GNSS的信号传输到表面中/内。
在实施例中，该系统进一步包括可由接收器和至少一个信号发射器访问的时钟。
在一些实施例中，取决于测量的类型，基准时钟或同步时钟可以被要求(例如，用于到达时间TOA或到达TDOA定位的时差)或被有利地使用(如果可选的话)。在一些实施例中，可以共享一个单个时钟，这是由于数据通信可以允许在协作设备(接收器和一个或多个基站)之间共享和访问这样的时钟。在一些实施例中，不要求时钟(即，针对不依赖时间的定位技术)。在实施例中，可以使用诸如循环(round-robin)之类的调度(时间片或时间量可以被预定义，例如，具有相关联的发射优先级)。其他机制可以包括投票机制、分布式系统中的分布式一致性，以及循环调度的变体(加权循环、赤字循环、多级队列等)。
在实施例中，表面波导被放置在支撑表面上，所述支撑表面为以下各项中的一项或多项：底层、人行道、街道、运输平台、车道、公交专用车道或机场着陆道。
在实施例中，该系统进一步包括一个或多个信号或电磁波吸收器。
在一些实施例中，该表面可以与电磁吸收器相关联。
无线电波可以被至少部分地吸收(陷波、衰减)。电磁吸收器可以包括特别选择或设计的材料，以抑制或减少电磁辐射的反射或传输(例如，与以规定的间隔或波长间隔开的金属板组合的电介质，具有特定的吸收频率、厚度、组件布置和材料配置)。共振吸收器和/或宽带吸收器可以被使用。
表面波吸收器可以避免或最小化多路径。“波吸波器”可以被适当地放置，以最小化多路径。特别地，吸收器可以放置在房间的边缘或角落处(用于引导波的全局优化)。在实施例中，波吸收器和波导被紧密地混合(用于引导波的局部优化)。
在一些实施例中，例如与波吸收器组合，波结或桥可以被适当地放置在系统中以延伸表面，以允许确定位置(从一个房间到另一个房间的桥)。
在实施例中，该表面进一步包括保护层。
可选地，可以添加一个或多个保护层，以保护所描述的导电层的组合。这样的保护允许室外使用。例如，保护层可以是透明的和/或彩色的。保护层可以包括太阳能电池。
在实施例中，至少一个发射器是单向的。
在实施例中，表面耦合设备使用非接触耦合。
在实施例中，表面耦合设备被插入或以其他方式嵌入在鞋子中或车辆轮胎中。
在实施例中，该系统进一步包括被配置为处理多个物体的随时间推移确定的位置的计算机。
在点对点(分布式模型)实施方式和/或集中实施方式中，协作设备组可以产生大量数据，并且可以要求附加的计算能力。
图1示出了本发明的实施例。
图1示出了设置在表面121上和/或内(例如，设置在房间122中)的“基站”或“信号发射器”或“接入点”(111、112和113)。表面可以包括1D(一维，例如导线)和/或2D波导。一个或多个基站发射电磁(无线电)波。与接收器102相关联的物体101位于/定位在表面121上(例如，用户的鞋子)。物体101/102和不同的基站(例如，112)之间的距离可以以不同的方式确定。
该图还示出了表面121可以连接到多个其他表面，例如表面199(其位于另一个房间中)。例如，在房间之间可以使用导线198进行连接。
在实施例中，“表面”或电路板121包括波导。
波导可以是2D(二维)或包括2D区域。波导也可以是1D(一维，例如导线)。表面可以被互连，例如经由房间之间的导线。
在同一房间内，表面可以包括1D和/或2D波导。在建筑的多个房间中，表面可以被逻辑地(关于定位)和/或物理地(例如，通过互连多个表面和/或房间的电磁桥或导线)互连。可以使用复杂的互连方案；例如，第一房间的表面的一部分可以与第二房间中的另一个表面的一部分互连。
在特定的实施例中，三个基站被使用。一个或多个基站可以并入AC电源插头和插座(例如，“电源插头”、“电气插头”、“插头顶部”、“电源插座”、“插头插座”、“墙壁插座”、“墙壁插头”等)。
在实施例中，两个基站被使用(测量然后随时间被重复，并且定位可以通过增强方法被确定)。
在实施例中，使用一个单个基站(地板中的电磁信号EM)，与两个其他3D信号(即，高程、高度)组合。根据这样的实施例，接收器然后可以使用两个不同的模块(例如，鞋子中提供的模块和位于例如智能手机中的另一部分)。
在实施例中，使用了一个发射器和任何数量的接收器。每个接收器允许确定其与发射器的距离：通过收集三个距离，外部逻辑可以确定每个接收器的位置(发射器位于半径等于相应的距离的三个圆的交点处)。根据这样的实施例，房间可以要求最少的仪器。在一些其他实施例中，使用由外部信息源补充的两个信号发射器。
在实施例中，使用了一个发射器和一个或两个接收器。每个接收器都允许确定其到发射器的距离。通过收集一个或两个距离，外部逻辑可以组合其他信息来确定每个接收器的位置(例如，一个接收器位于角落处)。根据这样的实施例，房间可以有利地要求安装减少的仪器。
在实施例中，实现了“点对点”系统：发射器的角色和接收器的角色二者都由同一物体支持。例如，物体101可以是插入由位于房间中的用户穿戴的鞋后跟中的发射器/接收器。在同一房间中存在配备有这样的物体的多个用户的情况下，可以处理点对点协商(在存在或不存在集中智能或逻辑电路的情况下)。组(fleet)可以是异构的(一些物体可以是发射器/接收器，而另一些物体可以仅包括接收器)。在一些实施例中，一些发射器具有固定的位置，例如插入在地面中，而一些其他发射器是可移动的。这样的实施例有利地将操作全球定位系统所要求的仪器减少到最小水平；例如，在地毯(被修改以包括本发明)上行走的用户的鞋子(被修改以包括本发明)可以足够用于实现室内定位。
本发明的实施例可以与现有的定位系统相组合，包括机器视觉、RFID标签、惯性系统、无线通信等。例如，然而，没有任何根据本发明的仪器的人或物体的定位或位置可以被间接地确定位置或定位，如果可以跟踪包括本发明的参考点的话。例如，如果陪同父母穿戴包括本发明的鞋子，并且在父母和孩子所穿戴的设备之间存在蓝牙TM连接以建立相对定位，则可以定位孩子。换言之，物体或人之间的几何形状的先验知识有助于沿着根据其他技术执行的测量来推演位置。
在一些实施例中，具有被间歇地连接的(根据本发明的)仪器的人或物体被间接地定位，例如，通过组合来自如先前所陈述的其他技术的信息(例如，经由诸如短距离/范围通信网络等无接触网络)和/或通过处理先前连接的历史和/或通过使用更复杂的数据计算和/或预测算法(预期的移动等)。
在点对点实施方式的实施例中，可以使用共享时钟。发射器和/或接收器角色可以交换，例如给定施加的外部心跳，或者根据其他时间方案。这样的实施例有利地允许避免对任何特权角色的需要，并且因此减少网络的可能弱点(例如，如果节点被呈现为不可用)。在实施例中，共享时钟由表面本身组织和/或分布。在实施例中，可以使用诸如循环之类的调度(时间片或时间量可以被预定义，例如，具有相关联的发射优先级)。其他机制可以潜在地包括投票机制、分布式系统中的分布式一致性、以及循环调度的变体(加权循环、赤字循环、多级队列等)。
图2示出了表面波导的各种实施例。
这里公开了表面波导，其被配置为引导从一个或多个发射器发射的电磁信号，并且被进一步配置为与放置在所述表面波导上的一个或多个接收器耦合，接收器的位置可通过信号处理确定。
在实施例中，表面波导包括一个或多个一维线波导。
在实施例中，表面波导包括一个或多个二维(2D)波导。
在实施例中，二维波导包括导电元件。
表面波导可以有利地至少部分地涂覆有介电材料(更好的导电性和信号捕获)。
在实施例中，表面波导可以进一步包括电质量层(electrical mass layer)。
在实施例中，表面波导进一步包括连接一个或多个导电元件和电质量层的一个或多个通孔(改进引导)。
在实施例中，表面波导包括两个频率选择层，其分别支持具有相同相速度的横向磁模式和横向电模式。
在实施例中，第一层包括在一个第一方向上的间隙，并且第二层包括在第二正交方向上的连续导电条。
在实施例中，导电元件按图案布置(改进的或不同的波引导)。
在实施例中，图案形成晶格或格架。
在实施例中，图案是不规则图案并且表面波导是各向异性的。
在实施例中，导电元件被涂漆和/或喷涂和/或燃烧和/或沉积和/或涂覆和/或缝合和/或印刷到支撑表面上。
在实施例中，支撑表面是以下各项中的一项或多项：底层、人行道、街道、运输平台、车道、公交专用车道或机场着陆道。
在实施例中，接收器的位置是可通过以下各项中的一项或多项来确定的：多点定位和/或三边测量和/或三角测量和/或接收信号强度指示和/或指纹和/或到达角和/或飞行时间。
这里公开了包括根据前述实施例中的任何一个的多个表面波导的多层表面，其中每个表面波导可以与不同的发射器相关联(例如，与不同的频率相关联)，并且其中每个表面波导被配置为与同一接收器耦合(并发定位系统)。
根据本发明操纵的表面(波导)可以以不同的方式制作(例如，装配、制造)。在一个实施例中，表面包括(规则或不规则的)网格或栅格中的1D(一维)导线或由其制成。在一个实施例中，表面包括二维(2D)波导或由其制成。二维(2D)实施例可以越来越复杂。在变体中，只有导电元件211可以被要求(即，不使用示例的部件212和213)。导电元件可以是金属的。导电元件的形状和布置可以是多种多样的，并且可以影响、更精确地引导电磁波的传播。可以在现场和/或场外安排这样的金属元件。它们可以被涂漆(例如，通过掩模喷涂或在没有掩模的情况下喷涂)和/或燃烧(PCB板，可能是柔性电子产品)和/或沉积和/或涂覆和/或缝合和/或插入和/或打印到先存的和/或特定的支撑表面中/上。化学反应和/或机械过程可以被使用。
先存的表面(导电元件可以在其上布置)可以是本地地面(例如，房间的地板、道路的沥青)和/或先存的支撑表面(例如，地毯)。
在变体中，导电元件211可以布置在专用层213之上和/或下方和/或之内(充当电质量，从而改进在表面中传播的电磁信号的2D限制)。层213可以是以下各项中的一项或多项：地毯、帐篷垫、外套、信封、薄膜、层、片、毯子、层、掩模、屏幕等。在一些实施例中，金属元件211可以放置在底层213的上方。在一些实施例中，导电(例如，金属)元件211可以放置在底层213的下方。在一些实施例中，元素211的部分可以放置在底层213的上方，而部分可以放置在底层213的下方。
在实施例中，表面212包括导电(例如，金属)元件211(例如，电路板衬底)和层213(例如，聚酰亚胺层)。电路板可以被压在一起，通过聚酰亚胺层隔开，这可以形成用于电容器的绝缘体。
在实施例中，层213可以是例如地毯，在制造期间导电元件211附接到该地毯(这样的特定的“仪器化”地毯可以成卷包装，并且可以被进一步安装、切割和可选地粘在建筑的房间中)。在另一实施例中，层213可以是涂料层，导电元件可以被进一步喷涂到其上(保护薄膜可以之后被设置以防止刮擦和损坏)。在一个实施例中，导电元件可以是涂料本身的一部分。在实施例中，层213是道路的沥青并且导电元件被机械地插入。在变体中，导电元件被喷涂到道路上，通过用于保护的沉积物(例如，玻璃层)被可选地进一步保护。
在变体中，除了导电元件211和电质量213之外，还可以布置多个通孔212。导电元件(例如，形成为金属贴片并放置在顶部处)可以通过镀金属通孔连接到底层213，反之亦然。镀金属通孔可以允许由表面上的导电元件制成的水平迹线之间的垂直连接。在一些实施例中，系统包括垂直导电通孔，例如如果需要非常高的阻抗值的话，或者味儿了完全阻断表面波。
有利地，这种布置(具有边界条件)禁止一些频带。通过对表面进行工程设计，例如在导电表面上具有特定的纹理，可以修改和/或影响其射频电磁属性。在表面纹理的周期明显小于波长的情况下，结构可以以一个参数为特性：表面阻抗。
由Sievenpiper在1998年IEEE MTT-S文摘中出版的题目为“ELIMINATING SURFACECURRENTS WITH METALLO DIELECTRIC PHOTONIC CRYSTALS”的文章中，已经示出了一些类型的金属介电光子晶体可以充当可工程设计的人造金属，其可以完全排除电磁波(即，禁止电磁辐射通过其整体传播)并支持表面电流。通过工程设计表面的几何形状，特别是通过安排并入到介电晶格中的金属岛，可以针对表面电流建造带隙(即，在一定的频率范围内)，该表面电流与大部分带隙重叠(但没有不需要的表面波)，从而为天线应用提供接地层。只有在规则的金属表面上布置光子晶体结构的薄皮，才能实现该效果。
在这种布置中，表面波可以发生在两种不同的材料(例如，金属和自由空间)之间的界面上。电磁波可以被束缚在界面上，并且可以以指数方式衰减到周围的材料中。
通过适当地配置导电元件211、衬底层213和通孔212的布置，可以精确控制电磁信号，从而实现对于室内定位的有利使用。
在实施例中，由根据本发明的系统使用的表面的几何形状包括波纹金属表面，其中波纹可以折叠成集总电路元件，并且以晶格分布。在一些实施例中，其周期性可以有利地显著次于自由空间波长。
在实施例中，由根据本发明的系统使用的表面的几何形状包括覆盖有小凸起的金属板或波纹金属平板。可以使用凹凸不平的表面。因此，通过应用周期性的纹理(例如，小凸起的晶格)，可以有利地在有限频带内从金属表面消除表面波。在实施例中，波纹表面是金属平板或包括金属平板，可以将一系列垂直槽切割出该金属平板。在实施例中，槽是窄的，使得这些槽中的许多可以适于跨平板的一个波长内。在实施例中，该表面可以是周期性的二维或三维介电金属或金属介电结构。
在一些实施例中，导电贴片或导电栅格211可以包括以下各项中的一项或多项：铜、金、导电油墨或涂料。介电衬底212可以包括以下各项中的一项或多项：木材、漆布、纸张、非导电涂料。导电层213可以包括由导电涂料制成的金属贴片。表面可以包括一个或多个这样的层。
其他几何形状或纹理表面也是可能的。特定的表面波导的某个几何形状可以以相同的相速度支持TM(横向磁)模式和TE(横向电)模式二者。第一类型的表面波波导可以由两个频率选择的表面(具有TM模式和TE模式的层)构成。这样的频率选择的表面可以是回路类型或线栅类型。第二类型的表面波波导还可以包括至少两层(顶层包括在一个第一方向上的间隙和在第二正交方向上的连续导电条)。
关于拓扑结构，频率选择的表面可以包括多个晶胞(unit-cell)。晶胞几何形状主导的模式可以是TE模式(例如，方形贴片、方形回路或耶路撒冷十字结构)。相邻导电贴片或导线之间的间隙可以有利地在低频下创造主导的电容响应。具有主导的TM模式的晶胞几何形状可以包括线栅结构和/或环形槽结构(它们的表面阻抗是感应的)。
在实施例中，顶层可以包括方形回路，而底层可以包括线栅。针对方形/栅格的边，回路线晶胞几何形状的物理尺寸可以在例如3.5mm的范围中，各层距彼此0.5mm放置，并且回路/导线的宽度的范围可以从0.225mm到0.25mm。
在实施例中，双层可以包括更复杂的布置(具有诸如蝴蝶结或六角形单元之类的形状)。
在复杂的实施例中，几何形状可以在空间中变化(即，不规则的晶胞)。在JiyeonLee和Daniel F.Sievenpiper的文章“Patterning Technique for Generating ArbitraryAnisotropic Impedance Surfaces”(IEEE 2016)中，若干图案化方法已经被示出以确定单元大小、形状和方向的范围，包括平滑变化和高度各向异性的阻抗表面。因此，各向异性的阻抗表面可以被使用，特别地用于控制表面波、散射、共形天线和波导。它们的电磁属性可以由衬底的厚度和贴片之间的电容(其一起确定了高效的表面阻抗)来定义。改变单元大小和形状允许阻抗被控制。
各向异性的表面可以包括具有旋转到任何角度的切片的方形和/或圆形贴片，和/或限制于方形晶格的其他图案，以及不能布置成任何图案的较低对称性单元。多个图案可以被获得(变化的单元形状、阻抗的梯度、变化的方向等)。
另外的几何形状和图案被描述。
在实施例中，表面为平面。
在实施例中，表面是基本上(局部地)平面的，即，足够接近于平坦，使得相关联的误差是最小的。这样的实施例允许室内定位(例如，公寓、办公室、商业中心等)，其中2D波导的厚度可以被充分控制。
在一些实施例中，2D波导的厚度可以变化。然后可以确定/校准并进一步考虑涂覆的/分布的波导的几何形状图。
在一些实施例中，可以使用可能具有不同的几何形状的多个波导。波导的几何形状可以变化。根据本发明的波导可以是1D或2D波导(即，在二维中)。2D波导可以分布在空间中(即，涂覆)，但波导的栅格也被设想。
波导的几何形状可以包括一个或多个形状和/或一个或多个图案。
形状可以是以下各项中的一项或多项：圆形、方形、矩形、蝴蝶形、螺旋形(二维、阿基米德、科努、费马、双曲、对数、斐波那契等)。
图案可以是对称的或不对称的。图案可以包括以下各项中的一项或多项：树、分形结构(例如，用于增加接触表面)、螺旋、流形、30曲折形、波浪、沙丘、气泡、泡沫、裂缝、斑点、条纹、栅格或其组合(前述几何形状的)。图案可以包括棋盘形布置(通过在整个表面上重复分片(tile)而形成的图案)。平铺组可以包括蜡状单元(例如，蜂巢中的蜡状单元)。分片可以重叠。图案可以使用规则地重复的三维阵列(例如，晶体结构、Bravais晶格)。其他形式或几何形状可以包括但不限于阵列、平铺、人行道、网状结构等。织物图案也是可能的(例如，端对端、针状条纹、雨图案、麻布等)。表面可以包括以下各项中的一项或多项：最小表面、直纹表面、不可定向表面、二次表面、伪球面表面或代数表面。一些图案可以是可控制的(例如，在开始时可配置的或动态配置，随时间进化等)。
在实施例中，表面包括重复的图案(或周期性的结构)。
有利地，图案和/或周期性的结构是尽可能最小的，优选地小于波长的一半。在一些实施例中，图案/装饰图形可以小于表面耦合设备的10％。
由信号发射器发射的信号的波长的选择取决于多个参数。在实施例中，波长可以是由系统的设想用途所要求的精确性的一阶函数(例如，具有严格准确性要求的存储仓库)。波长也可以取决于安全规定(但它也可能将表面之上存在的辐射场最小化)。
晶格的尺寸有利地允许减慢电磁波的传播时间和/或提高准确性/精确性。在实施例中，将所描述的系统的设想用途的准确性作为输入，以便影响电磁波的传播速度，并且以便进一步确定或约束波导表面(或表面中/内的波导)的尺寸或几何形状。
在实施例中，多个频率被使用，有利地消除或最小化误差。
在实施例中，导电层包括多个子层。导电层可以包括导电层的多个小岛或“岛”(断开的区域)可以(通过软件逻辑地)结合在一起和/或通过条、桥等物理地结合在一起。
图案或周期性的结构可以包括以下各项中的一项或多项：栅格和/或网格和/或格架和/或晶格。
在一些实施例中，包括波导的表面是永久性的，而在一些其他实施例中，它是暂时性的(例如，可移动的导电栅格)。
在实施例中，表面是多层的，以有利地允许并行地寻址多个基站。
在一些实施例中，表面被划分为不同的部分，每个部分具有不同的属性(例如，关于定位的不同“分辨率”)。
由本发明操纵的一个或多个波导(导电元件和/或质量层和/或通孔的组装件)可以在(先存的、专用的、修改的等)支撑表面中或向其上涂漆和/或涂覆和/或缝合和/或沉积。
在实施例中，波导被涂覆。电磁波可以传播到特定的物质中(例如，“超表面(metasurface)”或涂覆有电介质的表面)。在实施例中，该表面至少部分地涂覆有已知属性的介电材料。在实施例中，该表面包括聚氯乙烯或乙烯基(“油布”)的衬底或可以涂覆有介电层的地毯。
在实施例中，波导被印刷。电容耦合的结构可以通过使用印刷电路板技术获得。电路板可以堆叠并结合在一起以形成3-D周期性的结构。
在实施例中，波导被组装。在实施例中，面对的金属元件由介电层隔开。衬底例如可以是微波电路板介电材料。聚酰亚胺层可以是单独的电路板。每个相邻板上的金属贴片可以被对齐以形成金属/聚酰亚胺/金属电容器。可在压力下利用粘合剂(例如，酚醛缩丁醛)获得边界。
在实施例中，波导被喷漆(例如，喷涂)。在一些实施例中，表面被喷涂有导电材料。例如，道路或人行道可以被喷涂和/或涂覆有导电材料，以形成2D波导(厚度可以是可控制的，也可以是不可控的)。
在实施例中，可以组合地将2D波导涂覆和/或涂漆和/或喷涂和/或缝合和/或以其他方式沉积在现有的表面(例如，人行道等)上。
有利地，在一些实施例中，底层可以不要求被修改：附加的导电层可以被提供。例如，会议中心的底层可以被涂漆、喷涂或以其他方式涂覆或沉积导电层(例如，具有导电颗粒的油墨沉积或油墨印刷)。
在一些实施例中，波导被缝合(即，本地地，例如在特定的地毯中)。例如，表面可以至少部分地(多组纱线或线的组合可以被交织以形成织物表面)使用编织(或针织、毡合、编结或编制)。
图3示出了信号发射器和表面耦合设备的实施例的示例。
图3示出了例示信号发射器(或基站)和/或表面和/或耦合设备或机构的变体的实施例。
附图包括与接收器相关联的物体101(例如，鞋子或轮胎)，接收器与表面耦合设备102相关联。然后，表面耦合设备可以获取在表面121中传播的信号，如由多个基站(301、302)发射的信号。
电磁信号可以通过信号发射器(其可以是全向的或各向同性的，但也可以是定向的)和/或通过表面(波导的特定的实施例可以以特定的方式引导信号)二者来修改。
在一个示例中，基站301是全向的(发射的各向同性)。例如，这样的基站可以隐藏在被监控的房间的中央。
在另一示例中，基站302是定向的。这样的基站可以放置在房间的角落。
在其他实施例中，表面的结构可以影响电磁信号的传播。例如，可以有利地使用各向异性的表面波波导。
现在描述表面耦合设备的变体。
在实施例中，物体/接收器101/102包括“表面耦合设备”或“耦合器”或“连接器”。这样的设备可以在接收器102或基站(111、112和113)与表面/2D波导121之间建立操作的/可操作的电(即，电磁)接触/耦合。
针对这样的表面耦合设备，各种实施例是可能的。不同类型的耦合是可能的。电传导可以被使用(例如，通过硬线连接、电阻或自然导体)。电磁感应可以被使用(例如，感应耦合、磁耦合、电容耦合、消散波耦合)。
表面耦合可以通过导线、电阻器或公共终端实现，例如接线柱或金属键合。
可以使用垂直(或水平)单极探头天线：探头可以耦合到表面波的垂直(或水平)电场。
可以使用不同的耦合机构。涉及弹簧或其他部件的机械机构可以优化接触的表面和/或持续时间。例如，鞋子可以包括可变形的接触表面，其提供了用于提高电气/电磁接触的可靠性的优点。在这样的实施例中，耦合机构可以接触凸出形状。
在一些实施例中，表面耦合设备被嵌入在用户的一个(或两个)鞋子(修改的鞋子)的一个或多个部分中。例如，表面耦合设备的部件可以分布在以下各项中的一项或多项中：鞋帮、鞋跟、鞋头、鞋面、贴边(welt)、上衣等(甚至是可以故意保持与地面接触的鞋带)。贴边和/或鞋跟可以包括与地面接触的导电元件。
在一些实施例中，表面耦合设备被配置为关联于(可附接到)标准鞋子。例如，可以将表面耦合机构插入到鞋跟中钻的孔中。在一些情况下，甚至不要求对鞋子的修改，这是由于表面耦合设备可以链接(可释放的附件或不可释放的附件)到一个或多个鞋子。
其他实施例涉及运输车辆的车轮或轮胎(例如，轮胎可以包括至少不时与地面接触的导电线或部件)。在已知表面耦合设备的几何形状的情况下，接触顺序也可以引起位移速度的评估(例如，通过校准)。在一些实施例中，表面和表面耦合设备之间的接触是永久性的。在一些其它实施例中，接触是间歇的或周期性的。
持续时间和/或位置的变化允许进一步确定特定的事件，例如人或物体掉落在地上或洪水(flood)中。
在一些实施例中，表面耦合设备在没有任何物理接触的情况下与表面耦合(“非接触”模式)。例如，可以使用电磁感应。
图4示出了本公开的一些其他方面。
根据本发明的系统和方法可以被进一步“增强”：附加的定位系统可以同意以增加定位的准确性和/或可靠性(例如，室外使用可以利用附近可用的和可访问的协作设备的GNSS定位)。
在实施例中，所确定的位置将被进一步传送到外部系统以进行可能的改正。
在实施例中，接收器是计算机或IoT设备等(例如，由用户穿戴的智能手机)的一部分。可以本地和/或远程访问一台或多台计算机以获得或提供计算能力411以及存储器412(例如，存储装置)。
物体/接收器100可以经由输入/输出接口(例如，智能手机和/或智能手表)与其他系统413或414(例如，将提供楼层平面图的服务器、物联网设备等提供给GNSS信号或PVT、与诸如惯性传感器之类的其他传感器相关联的里程表)进行通信(例如，以双向方式)。
现在描述进一步的实施例。
这里描述了一种用于在表面波导上定位物体的系统，包括：与所述表面相关联的具有已知位置的一个、两个或三个信号发射器；与接收器相关联的物体，该接收器被配置为通过嵌入在表面波导中的一个或多个波导根据从信号发射器接收到的信号来确定其位置。
在一个实施例中，该系统包括三个“信号发射器”(三角测量或三边测量要求三个点)。实际上，信号发射器可以具有不同的本质：在一些情况下，这些信号发射器中的一个或甚至两个(在根据本发明的表面波导中“主动地”发射信号)可以被其他类型的设备补充或甚至代替。实际上，在一个实施例中，该系统包括两个(有源)信号发射器，第三发射器被“外部信息”的提供所代替(例如，可以在信标(或设备或终端)中传送预定的地理位置或位置，该信标可以响应于查询提供位置信息，或者在没有请求的情况下广播其位置信息)。例如，信标、设备或终端可以是智能手机或被包括在其中，甚至是移动的智能手机(即，由用户穿戴)，它可以按需传送或以其他方式广播其位置。在一些实施例中，三个位置点中的两个与这样的“外部”信息相关联(广播其位置的两个智能手机可以帮助定位第四个位置点)。
可以本地和/或远程(在后一种情况下意味着通信能力)根据从至少三个信号发射器接收到的信号确定位置。在一个实施例中，物体包括被配置为根据三个所接收的信号来计算物体的位置的电路(有利地，可以以很少或短的延迟执行该计算)。在一个实施例中，物体与被配置为根据三个信号计算位置的服务器或计算机相关联(因此，计算也可以被快速执行，或者甚至在稍后的时间执行)。
在一个实施例中，接收器包括表面耦合设备，其被配置为接收由信号发射器发射的电磁信号。
在一个实施例中，接收器的位置通过以下各项中的一项或多项确定：多点定位和/或三边测量和/或三角测量和/或接收信号强度指示和/或指纹和/或到达角和/或飞行时间。
在一个实施例中，接收器(本地和/或远程)与GNSS接收器相关联，并且接收器被进一步配置为经由通过表面波导的电磁信号来编码和/或发射由GNSS接收器确定的地理位置。发射可以延迟执行，即在稍后的时间。
在一个实施例中，该系统进一步包括可由接收器和至少一个信号发射器访问的时钟。
在一个实施例中，表面波导被放置在支撑表面上，所述支撑表面是以下各项中的一项或多项：底层、人行道、街道、运输平台、车道、公交专用车道或机场着陆道。
在一个实施例中，该系统进一步包括一个或多个电磁信号或电磁波吸收器。在实施例中，表面进一步包括保护层。在一个实施例中，至少一个信号发射器是单向的。
在一个实施例中，至少一个信号发射器是被配置为传送其相应的位置的智能手机。
在一个实施例中，表面耦合设备使用非接触耦合。
在一个实施例中，表面耦合设备被嵌入在物体中(或与之相关联)。表面耦合可以被嵌入在诸如塑料、橡胶、木材等材料中。表面耦合可以被嵌入或插入诸如鞋子或布料等物体中或与之相关联或附接(在制造过程中或通过用户等)。物体可以是连接的设备(例如，物联网设备)。物体可以是车辆的轮胎。
在一个实施例中，该系统进一步包括(或关联到/与之相关联)处理单元，其被配置为确定物体的位置(一次，或随时间重复地)。在一些实施例中，可以随时间监控物体的位置，即可以跟踪移动。与给定的物体相关联的位置随时间的演变可以与预定义的场景进行比较，并且事件可以被确定。例如，由老年人穿戴的修改的鞋子可能引起在地板上预期预定义的时间图案。这样的图案的中断(或其异常)可能引起确定掉落在地板上的概率(例如，进一步潜在地针对在危险区域中工作的残疾人或员工发出警报)。可以并行地跟踪多个物体。在人行道上，例如要求特定的监视，可以监控人流，并且可以检测到逆流而行的人。在仓库中，可以预期物品的特定的路径，并且可以检测到异常路线。
在一个实施例中，发射信号的频率在与要被检测的物体相关联的预定义频率的范围中选择。在一些实施例中，关于要被检测或跟踪的物体的一些先验知识可以是可用的。在一些情况下，可以调整信号的频率以更好地检测(例如，更精确地、更可靠地)一些特定的物体。例如，如果使用一个或多个预定义的和特定的信号频率，则可以更好地检测或跟踪由老年人穿戴的修改的鞋子。一个或多个频率可以根据地板上被考虑的物体的“指纹”和/或位置或速度等进行调谐(定义)。
在一些其他实施例中，甚至不要求与物体相关联的接收器。例如，2,45GHz的频率可以适合于检测地板上大量的液体(例如，水)。这样的实施例可以在卡车中、安全区域中或列车中(例如)是有利的。
可以注意到，在一些实施例中，不要求对物体位置的精确确定，并且一些示例更多地与关联到事件的时间相关。可以通过测量飞行时间和/或信号功率的波动来实现对从随着时间推移的位置的集合中导出的这样的事件(例如，人的掉落、由仓库中的机器跟随的路径)的确定。这样的信息(即，没有位置信息)可以是必要的和足够的以确定事件在监控的区域中的发生。
在一个实施例中，发射信号的频率是随时间可变的。在一些实施例中，信号的频率是可配置的。特别地，它可以随时间进化，以充当“雷达”。例如，为了检测仓库中的液体泛滥，某些频率可以促进检测。在初始检测之后，另外的频率可以用于进一步改善检测。频率也可以根据可能的场景(物体或人掉落在地板上，有洪水风险等)而变化。
在一个实施例中，发射信号包括不同频率的多个信号。在一些实施例中，信号不限于单频：多频方法允许高效地“扫描”地面，特别是通过避免或最小化多路径或信号扰动(例如，载波信号的功能)。有利地，使用多个频率可以改进定位的准确性和/或其可靠性。如果并行地跟踪，它还可以区别物体。
这里描述了表面波导，其被配置为引导从一个或多个发射器发射的电磁信号，所述表面波导被进一步配置为与关联于所述表面波导的一个或多个接收器耦合，接收器的位置是可通过信号处理来确定的。
在一个实施例中，表面波导包括一个或多个一维线波导。在一个实施例中，表面波导包括一个或多个二维波导。在一个实施例中，一个或多个二维波导包括导电元件。在一个实施例中，表面波导包括电质量层。在一个实施例中，表面波导包括一个或多个通孔，该通孔将一个或多个导电元件连接到电质量层/与电质量层连接。在一个实施例中，表面波导包括两个频率选择层，它们分别支持横向磁模式和横向电模式(例如，具有相同的相速度)。在一个实施例中，表面波导的第一层包括在一个第一方向上的间隙，并且第二层包括在第二(例如，基本上)正交方向上的连续导电条。在一个实施例中，导电元件按图案布置。在一个实施例中，所述图案形成晶格或格架。在一个实施例中，所述图案是不规则的图案并且表面波导是各向异性的。在一个实施例中，导电元件被涂漆和/或喷涂和/或燃烧和/或沉积和/或涂覆和/或缝合和/或印刷到支撑表面上。在一个实施例中，支撑表面是以下各项中的一项或多项：底层、人行道、街道、运输平台、车道、公交专用车道或机场着陆道。在一个实施例中，接收器的位置是通过以下各项中的一项或多项来确定或可确定的：多点定位和/或三边测量和/或三角测量和/或接收信号强度指示和/或指纹和/或到达角和/或飞行时间。
这里描述了包括根据前述段落的多个表面波导的表面，其中每个表面波导被配置为与不同的发射器相关联，并且其中每个表面波导被配置为与同一接收器耦合。
因此，在本说明书中公开的示例仅是对本发明的一些实施例的说明。它们不以任何方式限制由所附权利要求定义的所述发明的范围。

Claims (15)

1.一种用于在表面波导上定位物体(101)的系统(100)，其包括：
-与所述表面相关联的具有已知位置的至少两个信号发射器(111、112)；
-所述物体(101)与接收器(102)相关联，所述接收器(102)被配置为根据信号来确定其位置，所述信号是通过嵌入在所述表面波导中的一个或多个波导从所述至少两个信号发射器接收到的。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述接收器包括表面耦合设备，所述表面耦合设备被配置为接收由所述信号发射器发射的电磁信号。
3.根据任何前述权利要求所述的系统，其中所述接收器的位置通过以下各项中的一项或多项确定：多点定位和/或三边测量和/或三角测量和/或接收信号强度指示和/或指纹和/或到达角和/或飞行时间。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述接收器与GNSS接收器相关联，其中所述接收器被进一步配置为经由通过所述表面波导的电磁信号编码和/或发射由所述GNSS接收器确定的地理位置。
5.根据任何前述权利要求所述的系统，进一步包括：能够由所述接收器和至少一个信号发射器访问的时钟。
6.根据任何前述权利要求所述的系统，其中所述表面波导被放置在支撑表面上，所述支撑表面是以下各项中的一项或多项：底层、人行道、街道、运输平台、车道、公交专用车道或机场着陆道。
7.根据任何前述权利要求所述的系统，进一步包括：一个或多个电磁信号或电磁波吸收器。
8.根据任何前述权利要求所述的系统，其中至少一个信号发射器是单向的。
9.根据任何前述权利要求所述的系统，其中至少一个信号发射器是被配置为传送其相应的位置的智能手机。
10.根据任何前述权利要求所述的系统，其中所述表面耦合设备使用非接触耦合。
11.根据任何前述权利要求所述的系统，其中所述表面耦合设备被嵌入在物体中或与所述物体相关联。
12.根据任何前述权利要求所述的系统，进一步包括处理单元或与所述处理单元相关联，所述处理单元被配置为确定所述物体的可能随时间推移的位置。
13.根据任何前述权利要求所述的系统，其中所发射的信号的频率在与要被检测的所述物体相关联的预定义频率的范围中选择。
14.根据任何前述权利要求所述的系统，其中所发射的信号的频率随时间变化。
15.根据任何前述权利要求所述的系统，其中所发射的信号包括不同频率的多个信号。
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