CN1729407A

CN1729407A - 定位系统、设备和方法

Info

Publication number: CN1729407A
Application number: CN200380107064.1A
Authority: CN
Inventors: S·R·多利
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2006-02-01
Also published as: WO2004057365A1; EP1576388A1; AU2003303267A1; US7212159B2; US20060082502A1; GB0229689D0; JP2006521533A

Abstract

一种定位系统、设备和方法包括发射机(2)、接收机(4)和多个反射器(6)。信号被直接和经由反射器(6)从发射机发送到接收机。位置服务器(8)通过利用反射器(6)识别信号分量(40)来计算发射机或者接收机的未知位置。

Description

定位系统，设备和方法

本发明涉及定位系统、设备和定位的方法，并且特别涉及适于室内使用的系统、设备和方法。

发射机和接收机之间的距离可以通过以下方式来测量：在该发射机和该接收机之间发送信号，测量该信号的飞行时间，和根据该信号的速度计算距离。如果利用在发射机上的时钟测量出发时间，并且到达时间利用在接收机上的时钟测量，那么从到达时间减去出发时间计算的距离仅在这些时钟被精确地同步时才是精确的。否则，计算的距离将是“伪距”，其定义为测量的时间偏移乘以信号速度。

为了在三维中精确地测量位置，使用移动单元和多个基站之间的伪距。通常，如果移动单元时钟具有未知的时间偏移，则使用四个伪距，因为定位问题具有四个未知数，即，在x、y和z方向中的位置以及在发射机和接收机之间的时钟偏移。

例如，在全球定位系统(GPS)中，在GPS接收机中接收来自四个卫星的无线电信号，以便能够进行精确的定位，因为该GPS接收机将具有未知的自卫星的时钟偏移。如果该问题仅仅是二维的，即，获得在房间的地板上的位置，那么仅需要三个基站。

但是，需要一个以上的基站是不方便的，而仅仅需要一个发射机或者基站将更为方便。

一种定位的方法是使用小区ID(Cell ID)，其中移动单元邻近一个基站，并且该移动单元位置仅使用该基站位置作为它自己的位置。例如，如果这种方法应用于具有30m范围的蓝牙信标，那么该定位准确度将是30m。这种定位准确度水平通常是不可接受的，尤其在室内。而且，能够在多个不同的位置之间进行鉴别的系统需要与不同位置数目相同数量的基站，并因而这种方法实际上没有降低需要的基站的数目。

另一种定位方法是“多路径指纹识别”。例如，美国无线公司(USWireless Corp)已经建议一种供移动电话使用的多路径指纹识别系统。在著书时，在网址http：//www.uswcorp.com上提供了一些细节。简单地说，移动电话发出呼叫，并且来自该移动电话的信号在基站上接收。作为多路径效应的结果，尤其是在城市环境中建筑物的反射，来自移动电话的信号以多个具有不同信号强度和时间延迟的不同分量抵达基站。基站测量这些分量的信号强度和时间延迟。基站连接到一个数据库，该数据库包含用于该基站范围内的每个位置的这些参数的可能值，例如，5m的分辨率。基站计算在测量的接收分量和存储在数据库中的值之间的最佳拟合(fit)，以估计移动电话位置。这个系统被认为精确到大约100m。

但是，该系统需要多路径分量的精确数据库，而这需要将移动单元置于范围内的每一个可能位置，并且对于每个可能位置测量在发射机中接收的信号分量的时间延迟和信号强度。这是费时的并因此是昂贵的，而且对于室内使用的系统有可能是抑制性地昂贵。此外，如果环境产生变化，需要重复测量。

因此，仍然需要将所要求的基站数目减到最少的定位系统。

按照本发明，提供了一种定位方法，使用具有发射机的发射机设备和具有接收机的接收机设备，其中第一个设备是在已知位置上的基准设备，而其中另一个是在未知位置上的测试设备，使用多个在已知位置上的反射器，该方法包括：

从发射机发送信号到接收机，该信号具有多个经由反射器或者直接地从发射机传播到接收机的信号分量；

在接收机中接收发送信号的多个信号分量；

测量这些信号分量的到达时间；

利用信号分量从中反射的反射器，识别信号分量；和

通过将测量的信号分量的到达时间与识别的反射器的已知位置和基准设备的位置相拟合，计算未知位置。

与多路径指纹识别不同，按照本发明的方法不需要实验确定来自范围内的每个位置的多路径指纹，继之以比较测量的指纹与先前在每个位置上记录的指纹，以确定最佳拟合。

相反地，该方法利用多个反射器的位置的知识。通过利用反射器识别信号分量，反射器的已知位置可以用于计算未知位置。

在优选的实施例中，该方法包括测试利用反射器的分量识别的多个排列(permutation)，并且识别给出最佳拟合的排列。

可以依次测试每个可能的排列。这是最简单的方法。

做为选择，该方法可以包括选择可能排列的子集，并且随后依次测试选择子集中的每个排列。

特别地，该方法可以包括在接收机中测量信号分量的入射角，并且基于入射角信息选择排列的子集。

最佳拟合可以仅仅使用信号分量的接收时间。做为选择，最佳拟合计算可以包括试图为每个排列计算出未知位置，并且排除没有给出解答或者给出不太可能或者古怪解答的排列。例如，对接收机位于其中的房间或区域的大小的了解使得解答是在那个房间或区域之内，于是可以拒绝不在房间或者区域中的解答。因此，可以对多个排列重复识别分量和计算未知位置的步骤，并且似乎真实或可能的未知位置和与测量的抵达时间的良好拟合的组合被选择为最佳拟合。

除了测量分量的到达时间之外，该方法还可以包括测量接收的信号分量的信号强度，其中利用反射器识别分量的步骤包括拟合接收的信号强度与期望的接收信号强度值。这可以使用以前的每个反射器的尺寸和反射率的知识来完成。

有必要测量多个独立信号分量的到达时间。这可以以许多已知的方法来完成。但是，超宽带信号尤其适合于这样的测量，因为信号带宽越大，精确地确定多路径分量和抵达时间就越容易。因此，优选的实施例包括发送超宽带信号作为发送的射频信号。

发射机可以周期性地发送。以这种方法，可以有规律地确定未知的位置。

在另一个方面中，提供一种用于在已知位置上具有多个反射器的环境中使用的定位系统，包括：

用于发送信号的发射机；

用于接收发送信号的多个信号分量的接收机，每个信号分量直接地从发射机或者间接地从反射器接收，该接收机包括用于测量信号分量的到达时间的装置；和

位置服务器，包括用于存储发射机和接收机之一的巳知位置和用于存储多个反射器的巳知位置的装置，以及用于根据从中反射相应信号分量的反射器识别多个接收的信号分量和通过拟合测量的接收信号分量的到达时间与存储的巳知位置来计算发射机和接收机之中的另一个的未知位置的装置。

按照本发明的另一个方面，提供了一种位置服务器，用于根据在接收机上测量的多个接收的信号分量的到达时间来计算发射机或者接收机之一的未知位置，其中多个接收的信号分量是由发射机发送的信号产生的，该位置服务器包括用于存储发射机和接收机之一的巳知位置和用于存储多个反射器的巳知位置的装置，以及用于根据从中反射相应信号分量的反射器识别多个接收的信号分量和通过拟合测量的接收信号分量的到达时间与存储的巳知位置来计算发射机和接收机之中另一个的未知位置的装置。

在接收机和位置服务器之间的连接可以是直接的或者通过任何方式，诸如蓝牙、802.11b等等。当然，在实施例中，该位置服务器可以与接收机的一部分定位在同一地点。

在位置服务器与移动单元分离的情况下，位置服务器可以跟踪移动单元，在这样的情况下，发射机应周期性地发送信号。

该发射机也可以链接到网络。

在实施例中，发射机(而不是接收机)可以与位置服务器定位在同一地点。

现在将参考附图仅仅作为例子来描述本发明的特定实施例，其中：

图1示出按照本发明的一种系统的示意图；和

图2示出本发明第一实施例的操作的流程图；和

图3示出本发明第二实施例的操作的流程图。

参看图1，发射机2被设置在室内环境中。该发射机2具有天线10、收发信机12和控制系统14。

在巳知位置上提供多个反射器6。这些反射器可以包括室内环境的自然特征，诸如墙壁以及故意放置的安装在选择位置上的射频反射器。

未知位置的接收机4具有天线20、收发信机22和包括处理器26与存储器28的控制系统24。

提供位置服务器8，其具有包括处理器36和存储器38的控制系统34。该存储器38包含数据库39，其列出发射机2和反射器6的位置和用于执行位置计算的代码37。位置服务器8需要与接收机4通信，并且在示出的实施例中，位置服务器具有它自己的天线30和收发信机32。

在可供选择的实施例中，位置服务器8可以经由网络连接到发射机2，并且可以经由发射机与接收机4通信。做为选择，位置服务器8可以通过在发射机2或者接收机4中包含必要的代码37和反射器位置数据39而被集成到发射机2或者接收机4中。

使用中，从发射机2的天线10发送超宽带信号40(步骤50)。使用这样的信号，使得更容易确定信号分量的到达时间。那些本领域技术人员将不难理解“超宽带”。特别地，该信号最好具有大于500MHZ的带宽。

接收机4拾取这个信号的多个分量42。分量42之一是从发射机2直接传播到接收机4的直接分量44，其它分量42是经由反射器6传播的间接分量46。

接收机4确定(步骤52)这些分量42的抵达时间。技术人员将知道若干解析该分量和确定到达时间的方法，因此这将不进一步进行描述。可能性包括用于扩频信号或者超宽带宽信号的RAKE接收机或者基于软件的相关器，诸如在教科书例如由McGraw-Hill出版的JGProakis的“Digital Communications”第三版中描述的。然后，接收机4将时间发送(步骤54)给位置服务器8。然后，位置服务器8中的代码37用于计算接收机4的位置。

应当注意到，没有必要测量每个分量的到达时间。可能有许多的分量，许多分量非常弱。所需要的是测量多个有意义分量的到达时间。

第一个抵达的分量将是直接分量44，而稍后的分量将是间接分量46。

令τ₀是测量的直接分量44的到达时间，并且τ_i(i＝1，2，…，n)是测量的将被进一步考虑的n个间接分量46的到达时间。这些可以是例如十个最有意义的分量。令(x_T，y_T)是发射机的巳知位置，并且令(x_j，y_j)(j＝1，2，…，N)是N个反射器的巳知位置。如果每个反射器正好产生一个信号分量，那么n＝N，但是这不是实质性的。假定在发射机和接收机上的时钟之间的时间偏移是t_C。令未知的接收机位置是(x_u，y_u)。光速是c。

控制直接分量44的抵达时间τ₀的等式是：

{cτ}_{0} = \sqrt{{(x_{T} - x_{U})}^{2} + {(y_{T} - y_{U})}^{2}} + c t_{c} . - - - (1)

控制n个间接分量46的抵达时间τ_i(i＝1，2，…n)的等式是：

c τ_{i} = \sqrt{{(x_{T} - x_{i})}^{2} + {(y_{T} {- y}_{i})}^{2}} + \sqrt{{(x_{i} - x_{U})}^{2} + {(y_{i} - y_{U})}^{2}} + c t_{c} - - - (2) .

虽然这些等式呈现为二维，但是技术人员将容易地能够将它们扩展到三维。

如果信号i＝1...n的反射器的位置(x_i，y_i)是已知的，则这些等式可以通过多个巳知方法的任何一个诸如Manolakis方法或者特别地Newton方法，很容易地求解(x_u，y_u)。如果测量了比求解这些方程式所需更多的分量，即，对于如同上述的三个未知数(x_u，y_u，t_C)测量了3个以上的分量，可以使用最小平方技术，GPS系统中使用的就是这后一项技术。问题是，以上的方程式是根据n个信号分量(i＝1...n)的反射器位置，并且不会立即知道n个信号分量中的哪一些对应于N个反射器(j＝1...N)的哪一些。

因此，需要确定哪一些分量对应于哪一些反射器。

按照本发明的第一个实施例，这是通过在第一个排列中将n个信号分量分配给N个反射器(步骤56)并且尝试基于这个分配来计算(步骤58)未知位置而实现的。然后，对于n个信号分量和N个反射器的(n，N)排列中的每一个，重复这个步骤(步骤59)。例如，如果n＝N＝5，将有5！＝120个假设要检查。

然后，对于每个排列，位置服务器确定(步骤60)结果(如果有的话)是否是似乎真实的。通常，结果将不是这样的。根据该结果，可以确定似真性。如果存在比未知数更多的等式，那么，如上所述，可以使用最小平方法来找到答案。在后一种情况下，也可以通过等式的兼容性的统计测量来确定似真性。因此，时常将只有一个排列给出似乎真实的结果。如果巳知用户是在发射机的范围之内，这允许选择最好的结果。在一个以上的方程式组给出答案的不太可能的事件中，可以选择最靠近于发射机位置的结果。

然后，这个结果被发回给接收机4(步骤62)，如果在接收机需要该信息的话，或者根据需要发回给某一其他位置。

在这个实施例的一种变化中，接收机4测量接收的信号分量42的信号强度，并且确定结果是否是似乎真实的步骤(步骤60)包括确定接收的信号强度与特定反射器相关的似然性，以选择适宜的解答。这可以包括使用反射器6的反射率和尺寸的先验知识。

在另一个实施例(图3)中，在求解方程式之前，从初始的(n，N)减少排列的数目。因此，在分配排列和执行计算之前，执行选择适宜排列的另一个步骤(步骤64)。在一种方案中，使用信号强度信息来执行选择步骤64。

在这个方案的一个优选版本中，接收机测量每个信号分量42的入射角信息。然后，位置服务器8使用这个信息去选择(步骤64)反射器和信号分量的可能排列。

在可供选择的方案中，发射机位置可能是未知的，而接收机位置是巳知的。仍然可以使用相同的方案。

本发明不局限于室内使用，并且也可以在存在或可以放置适宜反射器的环境下在户外使用。

可以使用任何适宜的信号，尤其包括无线电信号或者超声波信号。

通过阅读当前公开内容，其他的变化和改进对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。上述的变化和改进可以涉及在定位系统的设计、制造和使用中已经公知的，并且可以用来代替或者增加此处已经描述的特点的等效物及其他的特点。虽然在这个申请中已经对于特性的特殊组合阐述了权利要求，但是应该理解，本申请公开的范围也包括任何新颖特性，或者此处显式或隐式公开的特性的新颖组合，或者其任何概括，不管其是否如本发明一样减轻任何或者所有相同的技术问题。

Claims

1.一种定位方法，使用具有射频发射机(12)的发射机设备(2)和具有接收机(22)的接收机设备(4)，其中第一个设备是在已知位置上的基准设备，而另一个是在未知位置上的测试设备，在已知位置上使用多个反射器，该方法包括：

从发射机(2)发送信号到接收机(4)，该信号具有多个经由反射器或者直接地从发射机(2)传播到接收机(4)的信号分量；

在接收机(4)中接收发送信号的多个信号分量；

测量信号分量的到达时间；

利用信号分量从中反射的反射器，识别信号分量；和

2.根据权利要求1的定位方法，包括：测试信号分量对反射器的分配的多个可能排列，并且识别信号分量对信号分量从中反射的反射器的分配的排列，其中该排列给出计算的信号分量的到达时间与测量的信号分量的到达时间之间的最佳拟合，和/或允许未知位置的解答，和/或给出计算的未知位置与可能的未知位置之间的最佳拟合。

3.根据权利要求2的定位方法，其中依次测试利用反射器识别信号分量的每个可能排列。

4.根据权利要求2的定位方法，进一步包括：

选择可能排列的子集，并且随后测试选择的子集的排列。

5.根据权利要求4的定位方法，包括：在接收机(4)中测量信号分量的入射角，并且基于入射角信息选择排列的子集。

6.根据任何一项前面权利要求的定位方法，进一步包括：测量接收的信号分量的信号强度，其中利用反射器识别信号分量的步骤包括拟合接收的信号强度与期望值。

7.根据任何一项前面权利要求的方法，其中信号是射频信号。

8.根据权利要求7的定位方法，包括：发送超宽带信号作为发送的射频信号。

9.根据任何一项前面权利要求的方法，其中从测量的到达时间中计算发射机或者接收机的未知位置的步骤通过求解以下的联立方程式来完成：

\begin{matrix} c τ_{0} = \sqrt{{(x_{T} - x_{R})}^{2} + {(y_{T} - y_{R})}^{2}} + {ct}_{c} - - - (1) \\ c τ_{1} = \sqrt{{(x_{T} - x_{i})}^{2} + {(y_{T} - y_{i})}^{2}} + \sqrt{{(x_{i} - x_{R})}^{2} + {(y_{i} - y_{R})}^{2}} + {ct}_{c} - - - (2) \end{matrix}

对于i＝1...n

其中：τ₀是测量的直接信号分量的到达时间；

τ，(i＝1，2，...，N)是测量的N个间接信号分量的到达时间；

(x_T，y_T)是发射机的位置；

(x_R，y_R)是接收机的位置；

(x_i，y_i)(i＝1，2，...，n)是利用第i个信号分量识别的反射器的位置；

t_c是接收机时钟相对于发射机时钟的未知时钟偏移；和c是光速。

10.一种用于在已知位置上具有多个反射器(6)的环境中使用的定位系统，包括：

用于发送信号的发射机(2)；

用于接收发送信号的多个信号分量的接收机(4)，每个信号分量或者直接地从发射机接收或者间接地从反射器(6)接收，该接收机(4)被安排为测量信号分量的到达时间；和

位置服务器，包括用于存储发射机(2)和接收机(4)之一的已知位置和用于存储多个反射器(6)的已知位置的装置(39)，以及用于根据从中反射相应信号分量的反射器(6)识别多个接收的信号分量和通过拟合测量的接收信号分量的到达时间与存储的已知位置来计算发射机(2)和接收机(4)之中另一个的未知位置的装置(36)。

11.一种位置服务器，用于根据在接收机(4)上测量的多个接收的信号分量的到达时间计算发射机(2)或者接收机(4)之一的未知位置，其中多个接收的信号分量是由发射机(2)发送的信号产生的，该位置服务器包括用于存储发射机(2)和接收机(4)之一的已知位置和用于存储多个反射器(6)的已知位置的装置(39)，以及用于根据从中反射相应信号分量的反射器(6)识别多个接收的信号分量和通过拟合测量的接收信号分量的到达时间与存储的已知位置来计算发射机(2)和接收机(4)之中另一个的未知位置的装置(36)。

12.根据权利要求11的位置服务器，进一步包括发射机(2)。

13.根据权利要求11的位置服务器，进一步包括接收机(4)。

14.根据权利要求11、12或者13之中任何一项权利要求的位置服务器，以集成电路来实现。