CN114624691A - 多普勒测距系统 - Google Patents

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Abstract

具有改进测距模式的LoRa调制的扩展。主设备和从设备交换包含啁啾序列的请求和应答，所述啁啾序列在时间、频率上以及优选地也在相位上仔细对准，使得主设备可以通过解调应答来确定到从设备的传播延迟。请求和应答包括具有不同斜率——优选地相等的绝对值和相反的符号的斜率——的啁啾。斜率多样化允许多普勒频移的无偏估计。

Description

多普勒测距系统
技术领域
在实施例中，本发明涉及用于啁啾调制的（chirp-modulated）扩频无线电信号的接收机和发射机，所述无线电信号具有确定发射机和接收机之间的距离或范围的能力。
背景技术
如由Semtech公司的LoRaTM技术（其在本公开的下文中将简称为LoRa）体现的啁啾调制的信号用于各种情形，并且特别地用于长距离上的低功率机器对机器通信。除了别的以外，欧洲专利申请EP2449690和EP2767848以本申请人的名义公开了LoRa调制。重要的是，LoRa调制允许用低功率IoT设备可使用的简单措施来确定发射机和接收机之间的传播时间。
当可能因为一个物体被盗或放置不当而期望远距离定位该物体时，并且在跟踪诸如车辆、牲畜或可运输集装箱之类的资产时，远距离测距尤其有用。
在大多数牵涉测距和定位的应用中，被跟踪的物体是移动的。对物体的速度以及其距离进行可靠的估计是有利的，这既是为了该信息的内在价值，也是因为它可以用于提高通信的可靠性。
雷达系统可以通过确定返回信号的多普勒频移来确定被跟踪目标的速度。在发射机和应答器的频率基准对准的情况下，一些基于主动应答器的系统也具有这种功能。由于LoRa调制固有的时间和频率之间的二重性，LoRa接收机可以在不精确对准它们的频率基准的情况下确定它们的范围。然而，缺乏精确对准的频率基准，常规的LoRa系统无法精确确定信号的多普勒频移。
EP2767848描述了一种没有偏差的距离估计，假设发射机和接收机中相同的工作频率，并且发射机和接收机是固定的。当接收机和发射机相对运动时，这不成立。如来自放大器的热漂移、老化或拉晶的其他因素可以具有相同的影响。本发明的目标是提供一种克服这些限制的无线电系统。
US 8559554 B2公开了一种选通连续波调频测距系统。
在几种已知的情况下，包括移动节点的定位和波束形成，知道无线电信号的到达角度是必要的或有利的。本发明还涉及一种先进的LoRa接收机，其能够比常规接收机设备更好地确定该角度。
发明内容
根据本发明，通过所附权利要求的客体来实现这些目的。
附图说明
在本描述中公开了本发明的范例实施例，并通过附图对其进行了图示，在附图中：
图1以示意性简化的方式示出了根据本发明的一个方面的无线电调制解调器的结构。
图2a绘制了根据本发明的一个方面的基本啁啾和调制啁啾的瞬时频率。相同信号的相位在图2b中表示，并且图2c在时域中并以基带表示绘制了基本啁啾的和调制啁啾的复分量的实部和。
图3示意性地表示在本发明的帧中两个设备之间交换的数据帧的结构。
图4示意性地示出了LoRa系统中的测距交换中牵涉的步骤，并且图5图示了对应的数据帧。
图6绘制了不同斜率的啁啾，并且关于时间校准对它们进行了比较。
图7和8表示具有不同斜率的啁啾的测距请求和应答的两次交换。
图9和10表示本发明的具有到达角度确定的变型。
图11和12示出了用被动收听器节点的在主节点和从节点之间的测距啁啾的交换。
具体实施方式
在欧洲专利申请EP2449690中描述了本发明中采用的啁啾调制技术的几个方面，该欧洲专利申请由此通过引入被并入，并且将在此简要地提醒。图1中示意性地表示的无线电收发器是本发明的可能实施例。收发器包括基带部分200和射频部分100。它包括基带调制器150，该基带调制器150基于其输入端的数字数据152生成基带复信号。然后由RF部分100将该基带复信号转换成期望的传输频率，由功率放大器120放大，并通过RF开关102由天线传输。
一旦信号在无线电链路的另一端被接收，它就被图1的收发器的接收部分处理，该接收部分包括低噪声放大器160，接着是下变频级170，该下变频级170生成包括一系列啁啾的基带信号（其再次是例如由两个分量I、Q表示的复信号），该基带信号然后被基带处理器180处理，基带处理器180的功能与调制器150的功能相反，并提供重构的数字信号182。
如在EP2449690中所讨论的，待处理的信号包括一系列啁啾，其频率沿着预定的时间间隔从初始瞬时值f 0 变化到最终瞬时频率f 1 。为了简化描述，将假设所有啁啾都具有相同的持续时间T，尽管这不是本发明的绝对要求。
基带信号中的啁啾可以由它们的瞬时频率的时间分布f（t）来描述，或者也可以由将信号的相位定义为时间的函数的函数ϕ（t）来描述。重要的是，处理器180被布置成处理和识别具有多个不同分布的啁啾，每个分布对应于预定调制字母表中的符号。
根据本发明的一个重要特征，接收信号Rx可以包括基本啁啾（在下文中也称为未调制啁啾），其具有特定的和预定义的频率分布，或者是一组可能的调制啁啾中的一个，所述调制啁啾通过循环时移基本频率分布而从基本啁啾中获得。图2a和2b作为示例图示了在啁啾开始的时刻
Figure 44903DEST_PATH_IMAGE001
和啁啾结束的时刻
Figure 24360DEST_PATH_IMAGE002
之间的基本啁啾30和一个调制啁啾32的可能的频率和相位分布，而图2c示出了时域中的对应基带信号。例如，水平比例对应于一个符号，并且尽管绘图被绘制为连续的，但在具体实现中，它们实际上表示有限数量的离散样本。至于垂直比例，它们被归一化为预期带宽或对应的相位跨度。相位在图2b中被表示得好像它是一个无界变量，但是在具体实现中，它实际上可能跨越几转（revolution）。
在所描绘的示例中，基本啁啾的频率从初始值
Figure 804097DEST_PATH_IMAGE003
线性增加到最终值
Figure 199307DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 75996DEST_PATH_IMAGE005
表示带宽扩展，但是下降啁啾或其他啁啾分布也是可能的。因此，信息以啁啾的形式被编码，所述啁啾具有相对于预定的基本啁啾的多个可能的循环移位中的一个，每个循环移位对应于一个可能的调制符号，或者换句话说，处理器180需要处理包括多个频率啁啾的信号，这些频率啁啾是基本啁啾分布的循环时移副本，并且提取在所述时移的序列中被编码的消息。
如在下文中将更清楚的，信号还可以包括共轭啁啾，其是基本未调制啁啾的复共轭。人们可以把这些看作是下啁啾，其中频率从
Figure 898458DEST_PATH_IMAGE006
下降到
Figure 165492DEST_PATH_IMAGE007
。
评估接收到的啁啾相对于本地时间基准的时移的操作在下文中可以称为“去啁啾”，并且可以有利地通过解扩步骤来执行，该解扩步骤牵涉一个样本接一个样本将接收到的啁啾乘以本地生成的基本啁啾的复共轭。这引起振荡数字信号，其主频率可以示出为与接收到的啁啾的循环移位成比例。解调然后可以牵涉解扩信号的傅立叶变换。傅立叶最大值的位置是循环移位和调制值的度量。在数学术语中，用
Figure 426709DEST_PATH_IMAGE008
表示第k个接收到的符号，对应的调制值由
Figure 95587DEST_PATH_IMAGE009
给出，其中
Figure 88951DEST_PATH_IMAGE010
表示
Figure 905598DEST_PATH_IMAGE011
和基本啁啾的共轭
Figure 642609DEST_PATH_IMAGE012
之间的乘积的傅里叶变换。然而，解调信号和提取每个符号的循环移位的其他方式也是可能的。
每个LoRa符号的复相位隐含地由其瞬时频率分布f（t）定义，以一个未确定的偏移为模。在许多实现中，例如其中符号由压控振荡器合成的实现，相位可以从不示出不连续，并且每个符号具有由其循环移位隐含地确定的相位偏移，使得相位在符号边界处是连续的，如图2b中示出的。然而，这一要求可以放宽，并且每个符号可以用任意相位偏移合成。在接收机端，除了其他因素以外，由于信道效应和发射机与接收机的时间基准之间的不匹配，接收到的啁啾将呈现相位偏移。
接收机可检测到每个接收到的符号的相位偏移，例如基于去啁啾操作之后傅立叶变换的峰值的相位。如果
Figure 228311DEST_PATH_IMAGE013
表示傅里叶变换，并且
Figure 658156DEST_PATH_IMAGE014
表示调制值，那么每个符号的相位偏移可以由
Figure 899781DEST_PATH_IMAGE015
确定。尽管估计相位的其他方式是可能的，并且对本发明是可用的，但是在频谱
Figure 237222DEST_PATH_IMAGE016
已经可用并且相对不受噪声影响的情况下，该算法是方便的。
优选地，由本发明发射和接收的信号被组织在帧中，所述帧包括适当编码的前导和数据部分。前导和数据部分包括一系列调制和/或未调制的啁啾，这允许接收机将其时间基准与发射机的时间基准进行时间对准，检索信息元素，执行动作或执行命令。在本发明的帧中，除了别的以外，取决于信道条件、发射的数据或命令，几种结构对于数据帧而言是可能的。图3示意性地表示了可以在本发明的各个方面中采用的帧结构。
在所呈现的示例中，帧具有前导，其后跟着数据报头415和数据有效载荷416。前导以基本（即未调制的，或其中循环移位等于零的）符号的检测序列411开始。检测序列411用在接收机中以检测信号的开始，并且优选地，执行其时间基准与发射机中的时间基准的第一同步。
检测序列的末端由一个或多个、优选地两个帧同步符号412标记，所述帧同步符号412是用预定值调制的啁啾，例如调制值为4的第一啁啾和具有相反调制N‐4的第二啁啾。这些调制符号用于获得帧同步，如由EP2763321A1和EP3264622A1公开的。
频率同步符号413可以由一个或多个、优选地两个啁啾组成，所述啁啾是基本未调制啁啾的复共轭，因此它们具有与所有其他符号相反的斜率。优选地，在这些频率同步符号413之后是用以允许接收机的对准的静默420、精细同步符号414，所述精细同步符号414是用于评估和校正残余定时漂移的未调制的基本啁啾。解调报头后，接收机可以确定偏移量，并使其时钟的频率和相位与发送器的时钟的频率和相位相适应，因此允许解码后面的数据。
图3中表示的帧可以包括由充当主设备的第一无线电设备向充当从设备的第二无线电设备发送以获得两个设备之间的范围或距离的测距请求。在这种使用情况下，报头515将包括该帧是测距请求的指示，以及从设备的标识码。只有具有与标识码匹配的标识号的从设备应该响应测距请求。
测距啁啾416包含具有预定结构的啁啾序列。在一种可能的实现中，测距啁啾可以是未调制的啁啾，即基本啁啾。
图5示意性地图示了测距交换期间主设备和从设备中可能的步骤序列。交换由主设备（A）发起，该主设备（A）发射指定一个从设备的测距请求（步骤201），并等待（步骤230）适当响应。从设备（B）接收该请求（步骤300），并首先将其作为正常发射来处理。从设备检测前导411并同步其时间和频率基准（步骤350），并解码报头415，该报头415通知从设备该帧是测距请求。然后，从设备将测距请求ID与其自己的ID进行比较（步骤352）。如果它们匹配，它将继续接下来的步骤。在该第一阶段期间，从设备估计了主设备和其自身之间的频移。假设定时和频率来自同一时间基准，该频移用于计算（步骤356）主设备和从设备之间的定时漂移。从设备然后基于测距啁啾416执行测距特定的步骤。
测距同步（步骤357）：这是为了在时间上与主设备发射的测距符号对准。实际上，在报头之后可以有一个时移，因为报头对于小的时移是鲁棒的。
测距计算（步骤359）。对于每个符号，执行调整后的去啁啾操作。为了调整定时漂移，合成不同的局部啁啾来对每个符号进行去啁啾：首先，通过对应于晶体偏移的非常小的片段来修改啁啾的斜率。其次，修改啁啾的起始频率，以适应自测距同步时刻以来累积的定时误差，该值等于符号索引乘以每个符号的评估的定时漂移。我们在这里充分使用啁啾的频率-时间等效性，以及这些补偿非常小的事实。在替换方案中，接收机可以随时间推移进行内插，但这将比频移复杂得多。补偿很小，一些PPM的频移将不使信号从信道走开。啁啾的频率-时间等效性意味着时移在某些方面等效于频移。
在FFT之后，将预期位置（仓0，无调制）的输出的相对值与其相邻值进行比较。然后执行内插以找到精细定时（步骤362）。这等同于从没有精确地放置在期望频率上的FFT值的离散观察来评估正弦波的频率，并且可以以各种方式执行。
几个符号被一起平均以获得精细的定时估计。这允许从设备确定在其处将发射响应的准确定时时刻，这通过将从报头确定的粗略定时移位和精细定时移位（步骤350）、由表达式Ranging_symbols_numbers x（symbol_duration+timing_drift_per_symbol）给出的测距序列的持续时间和预定的测距响应偏移相加在一起来确定。因此，从设备等待直到定时时刻（步骤364）并发射测距响应（步骤367）。
测距响应偏移是一个预定的时间间隔，该时间间隔适应处理时间并使用从设备的接收和发射无线电内部的延迟。假设估计是正确的，天线处的信号的测距响应开始时间应该等于接收请求的开始时间，加上固定的偏移，优选地对应于整数个符号。为了补偿温度变化或其他漂移源，测距响应偏移可以是恒定的或自适应调整的。
重要的是，通过确定粗略和精细的时移估计和定时漂移，本发明的从设备能够基于包含在测距请求中的啁啾的时间和频率，确定其自身的时间基准相对于主设备的时间基准的时移和频移，这要归功于如以上所解释的包括啁啾调制信号的测距请求的特殊属性。
测距响应由几个未调制的啁啾组成。优选地，在测距计算中使用与在调整后的去啁啾步骤359期间相同的补偿：斜率补偿，加上定时漂移累积补偿。这是根据估计频率对传输频率进行补偿的补充。这样，测距响应在时间和频率上与主设备的时间基准精确对准。
在主设备侧，测距响应的接收（步骤231）不需要比粗略定时对准更进一步的同步，以计及从设备和主设备之间的未知距离。主设备假设频率和定时完全对准。测距响应不需要嵌入频率估计符号。主设备仅估计定时，执行与从设备在测距计算中完全相同的步骤（236和240）而没有补偿。这简化了调制解调器，因为测距核心对主设备和从设备二者都是通用的。
以上步骤导致在没有精确对准主设备和从设备的频率基准的情况下估计距离。在常规的LoRa交换中，频率确定的不确定性通常约为30Hz（扩频因子SF7，BW=500 kHz模式）。在两个LoRa设备之间的交换中，两个独立的误差相加，因此精度约为60 Hz，这对应于从设备和主设备之间的为75 km/h的相对速度。这在许多情况下是不够的。
在本发明的变型中，应答啁啾在时间、频率和相位上与测距啁啾对准。如以上所公开的，调整后的局部啁啾在斜率上被调整，并且包括频移。如果在不考虑相位的情况下进行调整，则它们会在符号的相位中引入微小的变化。LoRa接收机可以逐个解调符号，而不考虑它们的相位偏移，但是为了允许相干接收，以不修改相位的方式进行调整，使得响应啁啾与测距请求同相对准。该步骤可以包括测距请求部分的所有符号上的公共相位的估计。
测距响应的合成包括在每个斜率和定时补偿之后的相位补偿步骤，使得应答啁啾的相位不会被这些改变。此外，针对在精细频率估计期间估计的公共相位误差补偿从设备响应。由于相同的PLL用于接收和发射，并且由于RX/TX开关不会明显改变该频率基准的相位，如果不存在多普勒频移，则这种相位补偿将允许主设备测量传播信道的相位。主设备无需补偿从设备侧接收和发射之间的相位偏差。在本发明的这个变型中，主设备可以以恒定的、频率无关的偏移为模来确定传播信道的相位。这其中包含的一个重要信息是信道相位随频率的变化。
在本发明的其他变型中，通过使用主设备上的多样化方案，相位的精确估计被用于到达角度确定。如果可以由多个天线或者由多个接收机（它们处于已知的空间关系中）足够精确地确定相同信号的相位，或者到发射机的范围或距离，则可以通过已知的方法确定到达角度。
可选地，充当被动收听器或间谍的、位于与主设备相同的板上的、使用相同的时钟基准但是每个具有不同的天线的一个或多个设备也可以收听主设备和从设备之间的测距交换，并且执行定时和相位估计处理。将所有设备的相位估计与天线位置的知识相结合允许估计响应的到达角度，并且从而估计从设备的方向。
在图9上图示的实施例中，主设备A连接到一个或多个简单的无线电接收设备E1-E4，所述无线电接收设备E1-E4无声地收听由主设备A接收的测距应答信号231（间谍接收）。在一种方便的布置中，接收机E1-E4可以被实现为与主设备相同的电子板上或者处于与主设备固定的空间关系中的附近板上的接收机芯片。间谍设备E1-E4从主设备接收时钟信号（箭头548），并且各自具有不同的天线。在主设备A中和在间谍设备E1-E4中并行执行上述定时和相位估计处理，并且由主设备收集来自间谍设备E1-E4的相位估计（箭头550）。将所有接收机的相位估计与天线位置的知识相结合允许估计响应的到达角度，并且从而估计从设备的方向。
在图10中示出的另一个实施例中，可能在单个半导体芯片中实现的单个接收设备充当主设备A，并且顺序地从多个天线290接收信号。主设备从单个天线发射测距请求201，并在接收测距响应231的同时在天线之间切换。天线切换时间与啁啾符号同步，并且主设备选择切换序列，使得每个天线接收不同斜率的啁啾。例如，如果主设备具有称为A1、A2和A3的3个天线，并且测距响应由10个具有正斜率的啁啾、随后10个负斜率的符号组成，则主设备可以选择长度为10的序列，该序列依次选择天线中的每一个并重复它两次，首先针对正斜率的啁啾，然后针对负斜率的啁啾。一种可能的切换序列是（A1 A1 A1 A1 A2 A2 A2 A3A3 A3 A1 A1 A1 A1 A2 A2 A2 A3 A3 A3），但许多其他切换序列是可能的。对于具有给定斜率的每组测距响应符号重复切换序列允许为每个天线估计无偏距离和多普勒速度，网关A可以使用所述无偏距离和多普勒速度来确定到达角度。
主设备侧的精细频率估计对于检测和补偿多普勒频移也是有用的，然而对检测范围有一些限制。一个频率仓的倍数的误差是不可观测的。例如，取扩频因子SF10，125 kHz带宽，一个频率仓对应于125 kHz/ 1024或122 Hz。如果工作频率为2.4 GHz，则这对应于122/2.4e9*3e8/2 = 7.6 m/s = 27 km/h的径向速度。因此，在某些情况下，主设备可能会错误地估计不存在多普勒。这种对直接多普勒频移估计的限制需要更多的估计措施。
根据本发明的一个重要方面，测距请求包括具有不同斜率的测距啁啾，并且在时间和频率上与这些啁啾对准的测距应答的啁啾也将具有不同的斜率。在LoRa调制中，啁啾斜率决定了时间和频率之间的比例系数。如果所有啁啾都具有相同的斜率，则时移和频移之间存在模糊性。测距啁啾的斜率的多样化允许独立确定时间和频率。
当啁啾具有相反的斜率时，这容易看出，如图6中所示出的。上部曲线示出了中心在
Figure 880693DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 215859DEST_PATH_IMAGE018
之间的间隔中的具有上升斜率416的测距啁啾，以及对应的应答啁啾419，其由于多普勒效应或由于主设备和从设备的频率基准之间的未对准而具有频移
Figure 7098DEST_PATH_IMAGE019
（为了更好的可视性，曲线中的偏移被放大）。当通过去啁啾获得符号的到达时间时，向上的频移
Figure 85912DEST_PATH_IMAGE019
导致啁啾出现提前了时移
Figure 649136DEST_PATH_IMAGE020
。曲线的下部示出了下降的测距啁啾418和对应的应答417的相同情况。应答向上移位了相同的量
Figure 420783DEST_PATH_IMAGE019
，但是，由于斜率相反，它看起来延迟了
Figure 371421DEST_PATH_IMAGE020
。
用
Figure 316244DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 668728DEST_PATH_IMAGE022
表示分别由上啁啾416和下啁啾418获得的飞行时间估计，平均
Figure 611276DEST_PATH_IMAGE023
提供了无偏的距离估计，而差
Figure 111527DEST_PATH_IMAGE024
是频移
Figure 532144DEST_PATH_IMAGE025
的估计，并且忽略其他漂移源，是多普勒频移的估计。因此，假设热漂移可以忽略，本发明提供了针对移动设备的改进的距离确定，并且允许推导多普勒频移和主设备与从设备之间的相对速度。
Figure 4714DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 180480DEST_PATH_IMAGE025
的估计可以在主设备中执行，或者在连接到主设备的另一个设备（未表示）中执行，或者由本发明的系统中的被动无线电设备执行，该被动无线电设备在不发射无线电信号的情况下收听主设备A和从设备B之间的交换。如果测距序列包括具有不同斜率的啁啾，则无偏距离和多普勒频移将可通过相应飞行时间测量的适当线性组合来导出，这在相反斜率的情况下缩减到上面公开的简单对称形式。
优选地，检查用上面公开的方法获得的多普勒频移与在先前测量中为同一从设备获得的多普勒频移和位置的值的一致性，或者对照预定的最大速度阈值进行检查，并且如果发现不一致则拒绝。
本发明允许几种变型，其中测距啁啾和对应的应答被不同地分布。在一个可能的实现中，测距啁啾将被组织成两组。具有第一斜率的第一组相同啁啾（例如上升啁啾或上啁啾）和具有与第一斜率相反的第二斜率的第二组相同啁啾（例如下降啁啾或下啁啾）。这些组通过时间间隔分开，该时间间隔可以被不同地延长，并且可以是静默，在静默期间主设备不发射或者包含具有任何合适含义的其他啁啾。
包含测距啁啾的测距请求可以被分成两个单独的数据帧，如图7中所表示的。第一帧包括具有第一斜率的第一组416测距啁啾，例如上啁啾，并且对该第一帧，从设备用包含啁啾419的第一测距应答进行响应，该啁啾419已经被从设备调整为与接收到的测距啁啾对准。第一测距应答在延迟424之后到达主设备，该延迟424对应于A和B之间的传播时间加上从设备插入的延迟364（见图5）。主设备在延迟520之后发射第二帧，该第二帧包含第二组测距啁啾417，该第二组测距啁啾417具有与第一组的斜率不同的斜率，例如它们可以是具有与第一测距啁啾416的斜率符号相反且绝对值相等的斜率的下啁啾。在重复延迟424之后，从设备用一组对准的啁啾进行响应。
上面参考图7公开的本发明的变型具有的优点是，帧中的每一个都是良好形成的测距LoRa帧，完整的前导和同步符号，因此它可以在传统设备上实现，或者需要最小的修改。
在本发明的另一变型中，测距消息在一帧中具有两组不同（优选相反）斜率的测距啁啾，如图8中所示出的。在前导之后，测距消息包括具有第一斜率的测距符号416、中断530和具有相反（或不同）斜率的第二组测距符号417。根据需要，中断530可以是静默，或者包含数据。
已经检测到帧的前导的从设备以与第一组测距啁啾416对准的第一组应答啁啾419并且以与第二组测距啁啾417（具有相反（或不同的斜率））对准的第二组应答啁啾418进行响应。该第二变型的优点是中断530可以相当短，从而最小化频率漂移。另一方面，这种变型引入了一种传统设备可能无法识别的新测距模式。
对应于图8的实施例的中断530和对应于图7的实施例的持续时间520的时间间隔优选地由主设备根据伪随机函数或输出分布在间隔中的合适函数来确定。以这种方式抖动该间隔的长度提高了多普勒频移分辨率极限。
在一种变型中，在前导和报头之后出现几对测距交换。这优化了广播时间，并且减少了各种措施之间的延迟。连续的对可以在不同的频率或不同的天线上传输。
在本发明的变型中，不同于多普勒频移的漂移源被表征，并且可以由从设备基于温度和/或数据速率和/或频率误差来估计。从设备通过在接收到的测距啁啾和应答啁啾之间插入延迟来补偿它们，该延迟的量取决于温度和/或数据速率和/或频率误差和/或啁啾斜率。
多普勒频移的知识本身是有价值的信息，其可以用于确定从节点的相对速度。在本发明的变型中，通过使用几个距离测量来提高精度，例如在卡尔曼滤波器或另一种合适的估计算法中，及时确定和跟踪两个设备之间的距离。通过多普勒频移推导出的节点之间的相对速度可以添加到估计算法的输入变量中以提高其精度。
在本发明的一个可能的变型中，该系统可以被配置成基于移动节点和一组已知位置的网关之间的距离和多普勒频移，不仅跟踪距离，而且跟踪一个或多个移动节点的位置。
图11示意性地表示了如以上所讨论的主节点A和从节点B之间的测距啁啾的交换。测距请求201和测距应答231包含不具有完全相同斜率的测距啁啾，由此主设备可以在时间、频率和相位上对准它们。从节点B以相对于主节点A的速度
Figure 105711DEST_PATH_IMAGE027
运动。由节点A确定的无偏频移将是
Figure 392336DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure 453833DEST_PATH_IMAGE029
是
Figure 738184DEST_PATH_IMAGE027
沿方向A-B的投影，并且c是传播速度。因子2计及从A到B和从B回到A的双重行程。节点E是被动的收听器节点，也称为“间谍”节点，其从主设备A接收测距请求201，并且在该示例中，假设作为主设备处于静止状态。节点E从主节点A接收没有多普勒频移的测距请求201，因为在A和E之间没有相对运动，并且自从节点B接收测距应答321。可以示出，由E感测到的多普勒频移是
Figure 213027DEST_PATH_IMAGE030
，因为测距请求201在从A到B的通道中第一次移位，与
Figure 241026DEST_PATH_IMAGE032
成比例，然后在从B到E的通道中移位，与
Figure 422609DEST_PATH_IMAGE033
成比例。因此，被动收听器节点E可以通过收听A和B之间的交换来收集关于节点B的速度
Figure 674599DEST_PATH_IMAGE027
的至少一个分量的信息。可以通过收听B和充当主节点的几个网关之间的交换来获得
Figure 574421DEST_PATH_IMAGE027
的完全确定。
在图12的示例中，假设主设备A和从设备B静止不动，并且被动收听器E以矢量速度
Figure 202849DEST_PATH_IMAGE034
移动。在这种情况下，E看到从与
Figure 504517DEST_PATH_IMAGE035
成比例的测距请求201的多普勒频移和与
Figure 865091DEST_PATH_IMAGE036
成比例的测距应答231的多普勒频移导出的移位
Figure 311598DEST_PATH_IMAGE037
。再次，被动收听器节点E可以通过收听A和B之间的交换来收集关于其自身速度
Figure 681399DEST_PATH_IMAGE038
的至少一个分量的信息。
在变型中，可以通过收听充当主设备和从设备的几个网关之间的交换来获得对
Figure 571995DEST_PATH_IMAGE039
或
Figure 431366DEST_PATH_IMAGE038
的完全确定。系统可以扩展到其中两个或更多节点正在移动的情况，但是这里不呈现这些以简化描述。充当主设备和从设备的一个或几个主动网关，以及收听测距交换而不发射的一个或几个间谍或被动网关的组合可以提供所牵涉的移动节点的位置和速度确定。来自被动网关的多普勒估计是移动节点和主网关之间的多普勒加上移动节点和被动网关之间的多普勒以可计算的方式的结果。
在另一种变型中，网关在它们之间执行测距交换，而一个或几个终端设备被动地接收这些交换。由于本发明的多普勒估计特征，移动节点可以为每个接收到的测距交换推导出其朝向该交换的两个网关的多普勒速度之差。这给出了移动速度到由位置已知的这两个网关形成的线上的投影的估计。组合几对未对准的网关，给出速度矢量的估计。
多普勒频移可以用在本发明的无线电系统中以还用于除了它们在测距中的用途之外的其他功能。例如，高多普勒指示快速变化的信道，因此指示逐渐消逝和误差的升高的概率。本发明的变型可以基于如上测量的多普勒频移来估计给定对的设备之间的传输信道质量，并且基于多普勒频移估计来调整传输模式或该信道中的数据速率。
附图中的参考符号
30 基本啁啾
32 调制啁啾
100 RF部分
102 RF开关
110 频率转换
120 功率放大器
129 振荡器，时基
150 调制器
152 要发射的数字信号
154 缓冲区
160 LNA
170 下变频级
180 处理器、解调器
182 重构数字信号
190 受控振荡器
200 基带部分
201测距请求的传输
230 主设备等待
231 测距响应的接收
236 去啁啾
240 距离估计
300 测距请求的接收
350 时间和频率的同步
352 ID检查
356 定时漂移的计算
357 对准
359 调整后的去啁啾
362 精细定时
364 延迟
367 测距响应的传输
411 检测序列
412 帧同步符号
413 频率同步符号
414 精细同步符号
415 报头
416 测距啁啾
417 测距啁啾，下
418 应答啁啾，下
419 应答啁啾，上
420 测距啁啾，上
424 延迟
520 中断，帧间
530 中断，帧中
548 时钟
550 相位。

Claims (17)

1.一种系统，包括充当主设备（A）的第一无线电设备和充当从设备（B）的第二无线电设备，第一和第二无线电设备中的每一个都具有时间基准，并且被布置用于发射和接收包括多个啁啾的无线电信号，所述第一和第二无线电设备具有测距模式，在所述测距模式中第一无线电设备（A）向第二无线电设备（B）发射包含测距啁啾（416，417）的测距请求，并且第二无线电设备（B）响应测距请求，向第一无线电设备（A）发射包含应答啁啾（419，418）的测距应答，第二无线电设备（B）被配置为将应答啁啾在时间和频率上与测距啁啾对准，该系统被配置为基于测距啁啾和应答啁啾之间的时移来确定第一无线电设备和第二无线电设备之间的距离，其特征在于，测距啁啾不具有完全相同的斜率。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二无线电设备（B）被配置为在时间、频率和相位上将所述应答啁啾与所述测距啁啾对准。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一无线电设备被配置为确定所述应答啁啾的公共相位误差，并且如果不存在多普勒频移，则基于所述公共相位误差来确定传播信道的相位。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一无线电设备（A）与充当固定和已知位置中的被动收听器（E1-E4）的多个辅助无线电接收设备通信，所述辅助无线电接收设备（E1-E4）被配置为各自确定在所述第一无线电设备（A）和所述第二无线电设备（B）之间交换的测距啁啾的相位，所述系统被配置为基于由所述辅助接收机确定的相位来确定应答响应的到达角度。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一无线电设备（A）具有位于已知位置的多个接收天线（A1-A3），以及用于依次选择每个接收天线的开关，所述第一无线电设备（A）被配置为在接收测距啁啾期间在天线之间切换，使得每个天线用于不同斜率的接收到的测距啁啾，所述主设备被配置为确定由每个接收天线从所述第二无线电设备（B）接收到的测距啁啾的相位，以及基于所述相位确定无线电信号的到达角度。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述测距啁啾包括相反斜率的啁啾。
7.根据权利要求1所述的系统，被配置为基于测距啁啾和应答啁啾之间的时移来确定所述第一无线电设备和所述第二无线电设备之间的多普勒无偏距离和多普勒频移。
8.根据权利要求1所述的系统，被配置为用估计算法跟踪所述第一无线电设备和所述第二无线电设备之间的距离，所述估计算法使用随时间推移获取的一系列距离和多普勒频移测量。
9.根据权利要求8所述的系统，被配置为基于移动节点和一组充当主节点的已知位置的网关之间的距离和多普勒频移来跟踪充当从节点的一个或多个移动节点的位置。
10.根据权利要求1所述的系统，包括充当被动收听器的被动网关，所述被动收听器静默地收听充当主节点的一个网关和充当从节点的一个移动节点之间的交换，其中所述被动网关被配置为确定多普勒频移，所述多普勒频移是移动节点和充当主节点的网关之间的多普勒频移以及移动节点和被动网关之间的多普勒频移的结果。
11.根据权利要求1所述的系统，包括充当主节点的网关和充当从节点的网关，以及移动节点，所述移动节点被配置为充当被动收听器，并且接收在充当主节点的网关和充当从节点的网关之间交换的测距请求和测距应答，并且为测距请求和测距应答的每次交换确定移动节点的或者在该交换中充当主节点的或网关的或充当从节点的网关的相对速度的分量。
12.根据权利要求7所述的系统，被配置为估计第一设备和第二设备之间的传输信道的质量，并且基于多普勒频移确定来调整传输模式或所述信道中的数据速率。
13.根据权利要求7所述的系统，被配置为拒绝显示距离和多普勒频移之间的不一致性或者多普勒频移超过预定极限的测量。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述测距请求包括第一帧和第二帧，所述第一帧和第二帧具有用于接收机的检测和同步的前导（411，412，413），包括所述第二无线电设备的标识符的报头（415），其中所述第一帧包含具有第一斜率的第一组测距啁啾（416），并且所述第二帧包含具有不同于所述第一斜率的第二斜率的第二组测距啁啾（417）。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述测距请求包括帧，所述帧具有用于接收机的检测和同步的前导（411，412，413）、包括所述第二无线电设备的标识符的报头（415）、具有第一斜率的第一组测距啁啾（416）和具有不同于所述第一斜率的第二斜率的第二组测距啁啾（417）。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一组测距啁啾和所述第二组测距啁啾被中断（520，530）分开，并且所述第一无线电设备被配置为抖动所述中断（520，530）的长度。
17.根据权利要求1所述的系统，所述第二无线电设备被配置为在测距啁啾和应答啁啾之间引入延迟。
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