CN1739040A - 在超宽带系统中使用多个接收天线确定发射机相对于接收机的位置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于确定发射信号的发射机的至少一镜像的位置的装置、系统、方法和计算机程序产品。通过由已知距离隔开的至少三个接收机天线处接收发射机发射的信号，来确定发射机的至少该镜像的位置。然后，确定在一个接收机天线和至少两个其他接收机天线处接收信号的时间差。然后，处理已知距离和所确定的接收时间差，从而确定发射机的位置。

Description

在超宽带系统中使用多个接收天线 确定发射机相对于接收机的位置

相关申请

本申请要求2002年12月16日提交的、题为“在无线通信系统中使用多个接收天线估计发射机和接收机之间的传播距离(USINGMULTIPLE RECEIVE ANTENNAS TO ESTIMATE PROPAGATIONDISTANCES BETWEEN TRANSMITTERS AND RECEIVERS INWIRELESS COMMUNICATIONS SYSTEMS)”的美国临时申请No.60/433920和2003年3月3日提交的、题为“在UWB通信系统中使用多个接收天线估计发射机的镜像的位置(USING MULTIPLERECEIVE ANTENNAS TO ESTIMATE POSITIONS OF IMAGES OFTRANSMITTERS IN A UWB COMMUNICATION SYSTEM”的美国临时申请No.60/451506的优先权，这两篇申请的内容并入此处，作为参考。

技术领域

本发明涉及无线通信系统，尤其涉及用于确定发射机或该发射机的镜像相对于具有多个天线的接收机的位置的方法和装置。

背景技术

诸如无线个人区域网络(如PAN系统)这样的无线通信系统变得越来越普及。PAN系统基于自组织网络。在一个典型的自组织网络中，构成该网络的一组节点中的各节点都是移动的(即便携式无线设备)。路由是在网络级执行的，且使得每个节点维持关于所有其他节点的路由信息。当这些节点移动时，它们可以动态地从一个子网络切换到另一个子网络。为了使切换管理既有效又高效，需要很好地测量或估计移动终端和子网络之间的距离。

在当前无线通信系统中，发射机和接收机之间的距离是通过测量接收信号的强度来估计的。但是，由于不可靠的无线信道，这种测量可能是不准确的。

现在，雷达系统和自组织网络中引入了超宽带(UWB)技术。UWB使用宽频带上扩展的持续时间非常短的基带脉冲，将发射信号能量非常稀疏地扩展到从0Hz附近到几GHz。产生UWB信号的技术是公知的。军事应用中已经使用UWB技术很多年了。由于美国联邦通信委员会(FCC)最近宣布的决定允许某些集成了UWB技术的新型消费者产品的市场化和运营，所以，商业应用很快就将变为现实。FCC决定允许商业应用的主要动机是：UWB传输不需要新的频谱，因为，在合适配置时，UWB信号可以与其他应用信号共存于相同的频谱中，而相互干扰几乎可以忽略。此外，在雷达系统中使用UWB有望提高分辨率。

近年来，多入多出(MIMO)技术在无线应用中倍受关注。MIMO系统用多个发射机天线和/或接收机天线实现分集增益、谱效率增益和干扰抑制。MIMO技术已经被建议到UWB系统，以解决无线系统中的多径和多用户问题。L.Yang等在2002年5月的2002IEEE超宽带系统和技术会议上发表的“用于脉冲无线电的时空编码(Space-Time Coding for Impulse Radio)”一文中描述了一种示例性的MIMO系统。但是，MIMO系统与上述无线通信系统在确定发射机和接收机之间的距离时具有相同的局限性。

对更好的无线网络和雷达系统的渴求是无止境的。改善这些系统的一种方法是更准确地确定发射机相对于接收机的位置。因此，需要更准确地确定发射机相对于那些不受以上限制并且与UWB应用兼容的接收机的位置的方法和系统。本发明满足了这种需求。

发明内容

本发明体现为一种装置、系统、方法和计算机程序产品，用于确定发射信号的发射机的至少一镜像的位置。通过在多个间距已知的接收机天线处接收该发射机发射的信号，来确定该发射机的至少该镜像的位置。然后，确定所述多个天线中一个天线和至少两个其他天线接收信号的时间差。然后，处理已知的距离和所确定的接收时间差，从而确定该发射机的位置。

附图说明

通过下面结合附图的详细描述，可以很好地理解本发明，其中，相同的部件具有相同的参考标记。当存在多个相似部件时，可以将单独的参考标记分配给多个相似部件，并用小写字母标号来表示具体的部件。当统称这些部件或提及这些部件中非具体的一个或多个部件时，可以省掉小写字母标号。在这些附图中：

图1是接收机和发射机之间相对位置的拓扑图；

图2是用于描述在估计接收机和发射机之间的距离时信号反射相关问题的拓扑图；

图3A和3B是描述在使用多个接收机天线接收单个发射机发射的信号时的位置不确定的拓扑图；

图4、5和6是描述本发明示例性实施例的操作的一个发射机和三个接收机天线的相对位置的拓扑图；

图7是根据本发明计算出的一个发射机相对于三个接收机天线的可能位置的拓扑图；

图8、9和10是根据本发明的一个发射机相对于具有四个天线的接收机的可能位置的拓扑图；

图11是根据本发明的网络的框图；

图12是根据本发明的确定发射机位置的示例性步骤的流程图；

图13是根据本发明的包括子网络的网络的示意图；

图14是根据本发明的个人区域网络系统的示意图。

具体实施方式

图11描述了根据本发明的能够确定发射机102相对于接收机104的位置(如距离和/或位置，如发射机102和发射机104之间的信号传播距离)的示例性通信系统100。一般而言，接收机104经由多个接收机天线108a-c来接收发射机102经由发射机天线106发射的信号，这些接收机天线相互之间具有预定的关系。然后，通过处理多个接收机天线108a-c的信号接收时间差以及它们之间的预定距离，来确定发射机102的至少一镜像的位置。如果接收机天线108a-c位于单一设备内或者相互距离很近，则一个集中式计时器(未显示)可以提供必要的时间信息。可选地，如果这些天线距离相对较远，则可以使用全球定位系统(GPS)发射机110a-d来将接收机104中的本地时间基准进行同步和/或预先确定接收机天线108a-c之间的距离。现在详细描述通信系统100。

发射机102通过天线106发射信号。如同下面进一步详细描述的那样，信号反射(例如，通过墙壁)导致发射机好像处于不同于它的物理位置的一个位置。这些貌似的位置被称为发射机的镜像。在一个示例性实施例中，该发射机是发射UWB脉冲信号的UWB发射机。应当理解的是，除了UWB，本发明实际上可用于任何无线通信系统或雷达系统，其中，只要无线通信系统能够为预期应用提供足够的时间分辨率，就可以确定发射机(或发射机镜像)相对于接收机的距离或位置。

在另一个示例性实施例中，发射机102是一个反射体(未显示)。例如，在雷达系统中，信号进入一个区域，然后，来自该区域中的反射体(例如船壳或人)的反射被吸收，从而确定这些反射体的位置。这些反射体反射信号，就好像它们是发射源一样，因此表现得如同发射机一样。

接收机104经由多个接收机天线108a-c接收来自发射机102的信号。接收机天线108中的一个天线和至少两个其他接收机天线108之间的距离是已知的。此外，该接收机被配置为与各天线接收的信号的相应时间关联。例如，处理器112控制的接收机104内的计时器(未显示)可用于确定各相应时间，处理器104将其与特定的天线关联。如同下面进一步详细讨论的那样，处理器112处理各时间和已知的距离，从而确定发射机102相对于接收机104的位置。在一个示例性实施例中，接收机104是具有天线108的UWB接收机，接收机104的处理器112被配置为处理UWB信号。在其他示例性实施例中，实际上可以使用任何无线通信或雷达手段。根据这里的描述，本领域技术人员应当能够理解适用于本发明的接收机。

在示出的实施例中，有三个接收机天线106a-c，它们基本上处于一条直线上。在一个示例性实施例中，这些接收机天线是全向天线。在另一示例性实施例中，一个或多个天线是定向天线。其中一个接收机天线和其他各天线之间的距离是已知的。例如，可以确定第一接收机天线(如接收机天线106a)和剩余的天线106b和106c中的每一个之间的距离。在一个示例性实施例中，这些天线之间的距离是在制造或配置时固定的。在其他示例性实施例中，这些天线之间的距离是可调整的或可以改变的，但在确定发射机的位置而进行测量时是已知的。

接收机104可以是具有多个天线108的单个接收机。或者，接收机104也可以是多个接收机(用虚线将接收机104分为三个部分来表示，即表示三个接收机)。如果使用多个接收机，那么，每个接收机104包括它自己的处理器(用通过处理器112的虚线进一步表示)。在确定发射机位置之前，需要将多个接收机进行同步。此外，如果多个接收机相互的位置发生变化，那么，在确定接收机之间的距离之前，将多个接收机同步。

在一个示例性实施例中，每个接收机包括GPS接收机114a-c，用于接收来自已知GPS发射机110a-d的GPS时间信号。GPS时间信号可用于将接收机中的本地时间基准同步。此外，在分辨率足够的情况下，处理器基于由公共处理器组合的各接收机收集的GPS位置信息，可以确定这些接收机天线之间的距离。

传统的显示器116耦合到接收机，从而呈现确定的位置信息，例如数字或图像画面。例如，在无线网络中，可以将基于从多个子网络接收的传送消息的多个子网络的位置(如距离和/或方向)呈现给用户，以使用户在用户移动的方向中选择一个特定的子网络。在另一个例子中，可以将雷达系统中反射体相对于接收机的位置(即方位)显示给用户，以使用户可以识别反射体的位置。

图12示出了参考图11描述的用于确定发射机102相对于接收机104的位置的示例性步骤的流程图200。

在模块202中，接收机104接收发射机102发射的信号。接收机在间距已知的多个天线108处接收该信号。如上所述，这些已知距离可以在制造或配置该接收机时定义，也可以由处理器112确定，例如，基于内部计时器(未显示)或基于通过GPS接收机114从GPS发射机110接收的时间和/或位置信息。

在模块204中，处理器112确定多个天线108接收发射信号的时间差。当在接收机104的天线108处接收到信号时，各接收时间与接收它的天线108关联。例如，处理器112可以确定第一天线与第二和第三天线中每一个天线的接收信号的时间差。此外，也可以确定这些天线和其他天线(如第四天线)之间的时间差。在一个示例性实施例中，将这些时间与接收机104中的同步本地时间基准进行参照。

在模块206中，处理器112处理天线之间的已知距离和确定的时间差，从而得到发射机的至少该镜像的位置。如果一个接收天线和其他两个接收天线中每个接收天线之间的距离都是已知的并且每个天线接收信号的时间差都是已知的，那么，可以确定到发射机的至少该镜像的距离。通过使用附加的天线以及处理这些天线关联的相应时间和距离，可以在确定距离或确定镜像的位置时获得更高的分辨率。

如同这里描述的那样，假设发射机102与发射机天线106基本处于同一位置。因此，确定发射机天线106的位置也就确定了发射机102的位置。此外，使用一个接收机或多个连接在一起的接收机时，假设接收机104与接收机天线108基本处于同一位置。因此，确定发射机天线106相对于接收机天线108的位置实际上就确定了发射机102相对于接收机104的位置。本领域技术人员应当理解，本发明可扩展到包括发射机102和/或接收机104和它们相应的天线106、108不处于同一位置的情况。

在模块208中，处理器112根据所确定的位置管理网络切换或呈现位置信息(例如经由显示器116)。在一个示例性实施例中，所确定的位置用于网络管理，下面将结合图13对此进行描述。在另一个示例性实施例中，本发明可用于自组织网络、雷达系统或几乎任何系统，其中，其可用于确定发射机或发射机镜像和接收机之间的距离。

图13是本发明示例性使用的示意图。在示出的实施例中，移动发射机102(如汽车中的蜂窝电话)与第一接收机104a(如蜂窝电话塔)通信。发射机102和接收机104a共同形成第一子网络150。当发射机102从第一接收机104a移向第二接收机104b和第三接收机104c时，发射机102需要与其他接收机中的一个建立新连接，以形成一个新的子网络。在本发明的一个示例性实施例中，第一接收机104a根据接收机104a中每个天线处接收信号的时间，来确定发射机102的位置。然后，根据第一接收机104a中的存储信息，第一接收机104a判断发射机102的位置离第二接收机104b更近还是离第三接收机104c更近。假设判定离第二接收机104b更近，第一接收机104a将通信切换到第二接收机104b(形成一个新的子网络152)，而不需要在发射机102和该区域内的每个接收机104之间交换信号。根据该实施例以及其余的详细描述，本领域技术人员应当理解各种其他实施例。

图14是本发明另一示例性使用的示意图。在示出的实施例中，移动无线通信设备160a-d，如蜂窝电话或便携计算机，能够相互进行通信，从而建立个人区域网络(PAN)。每个无线通信设备包括天线装置162，该天线装置至少包括第一天线108a、第二天线108b和第三天线108c。天线108中至少一个可用于发射，并且至少三个天线108可用于接收。

在一个示例性实施例中，至少一个通信设备(如通信设备160a)可以确定其他通信设备160b-d中一个或多个的位置。根据该实施例，为了确定其他通信设备160b-d的位置，通信设备160a相当于具有多个接收机天线108的接收机104，其他通信设备相当于发射机102。在一个示例性实施例中，通信设备160a定期地监视其他通信设备160b-d的位置，并与该通信设备移动方向中最近的通信设备建立一个PAN。例如，通信设备160a可以处于包括通信设备160b的PAN 164中。当通信设备160a移动时，该通信设备确定其移动方向中最近的通信设备的位置，如通信设备160c。然后，通信设备160a可以建立一个包括通信设备160c的新PAN 166。

现在进一步详细地描述用于确定一个发射机相对于一个具有多接收机天线的接收机的位置的附加技术支持。无线信号在空中从发射机T传播到接收机R。传播路径可以为直接的，如图1所示，或者，当障碍物阻挡了直接传播时它可以被反射，如图2所示。在图1中，传播距离是发射机T和接收机R之间的距离。在图2中，传播距离为R和T"(即T′从位于点A″的轴L2反射的镜像，其中，T′是发射机T从位于点A′的轴L1反射的镜像)之间的距离。发射机T和接收机R之间的总距离为T-A′、A′-A″和A″-R之和，可用方程式(1)表达该关系：

dist_R-T″＝dist_R-A″+dist_A″-T′＝dist_R-A″+dist_A″-A′+dist_A′-T′    (1)

图3A和3B示出了发射机T(xt，yt)相对于接收机R1、R2和R3的两个可能位置，区别在于：T(xt，yt)的y坐标在R2的上方，如图3A所示；或者，在R2的下方，如图3B所示。通过合适地选择坐标，项xt和yt都可以是正的，如图3A所示，其中，T(xt，yt)总在R2上方。

现在计算从T到R1和R3的传播距离。选择如图4所示的坐标系。在图4中，T1是发射机，R1和R3是接收机处的两个天线。标出点A，使得dist_T1-A＝dist_T1-R3。然后，可以画出一个圆，其中心处于天线R1的位置，并具有由方程式(2)定义的半径d₁：

        d₁＝dist_R1-A＝dist_T1-R1-dist_T1-A          (2)

在该问题中，值c和d₁是已知的。值c是R1和R3之间的距离，值d₁是发射机与两个接收机天线R1和R3之间的信号传播时间差。应当注意的是，d₁≤c。当T1、R1和R3处于同一条线上时或当T1在y轴上时，xt＝0，d₁＝c。

该圆可用方程式(3)表示为：

$x^2+y^2=d_1^2---\left(3\right)$

线L₁通过R3(0，c)和A(x₁，y₁)，可用方程式(4)表示为：

$y=\frac{y_1-c}{x_1}x+c---\left(4\right)$

点B是R3(0，c)和A(x₁，y₁)之间的中点，因此其位置为

$(\frac{x_1}{2},\frac{c+y_1}{2}).$

线L₂与线L₁在点B垂直，因此，其可以用方程式(5)表示为：

$y=\frac{x_1}{c-y_1}x+\frac{c^2-x_1^2-y_1^2}{2(c-y_1)}---\left(5\right)$

$=\frac{x_1}{c-y_1}x+\frac{c^2-d_1^2}{2(c-y_1)}$

线L₃通过R1(0，0)和A(x₁，y₁)，其可用方程式(6)表示为：

$y=\frac{y_1}{x_1}x---\left(6\right)$

点T1是L₂与L₃的交点，其位置可通过方程式(7)和(8)推导得出：

$y=\frac{x_1}{c-y_1}x\frac{c^2-d_1^2}{2(c-y_1)}---\left(7\right)$

$y=\frac{y_1}{x_1}x---\left(8\right)$

这些方程式的解由方程式(9)给出：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{T1}=\frac{c^2-d_1^2}{2}\frac{x_1}{{\mathrm{cy}}_1-d_1^2}\\ y_{T1}=\frac{c^2-d_1^2}{2}\frac{y_1}{{\mathrm{cy}}_1-d_1^2}\end{array}\right.---\left(9\right)$

由于x1和y1可以取方程式(3)表示的圆上的任意值，所以，以上(9)中的解是不唯一的。这也可以通过图5进行说明。将点A移动到圆上的点A2，将T1移动到T2，使得：

                dist_T1-R3＝dist_T1-A

                dist_T2-R3＝dist_T2-A2

这表示T1到R1和R3之间的传播距离差与T2到R1和R3之间的距离差相同，因为A和A2在方程式(3)表示的同一圆上。可以在T1和T2之间画一条曲线，来表示发射机的每一个可能位置，该位置使得发射机到R1和到R3的传播差相等。可以预期的是，如果使用另一接收机天线，例如R2，则可以画出另一条曲线来表示发射机的每一个可能位置，该位置使得发射机到R1和到R2之间的传播差相等。然后，在两条曲线的交点处找到发射机或发射机镜像的位置。

为了测量发射机和接收机天线之间的传播时间差，这些天线需要具有明确定义的时间关系。如果每个天线连接到独立地接收其信号的相应接收机并且将信号接收时间传送到连接到其他天线的接收机，那么，每个接收机需要与一个共同基准进行同步，例如该共同基准为来自四个或多个全球定位卫星的信号。或者，也可以在单个接收机处接收来自多个天线的信号。在这种情况下，需要测量从各天线到该接收机的信号传播时间，从而能够准确地估计各个天线接收各种信号的时间。

现在描述从T到R1和R2的信号传播，其中，R2是位于R1和R3之间的天线。为简单起见，图6中只示出了R1和R2，而图5中只示出了R1和R3。与上述分析相似，应当注意的是，参考图6，c/2是R1和R2之间的距离，d₂是发射机和这两个接收机天线之间的信号传播时间差。还应当注意的是，d₂≤c/2。当T1、R1和R2处于一条直线上时或者当T1在y轴上时，xt＝0，d₂＝c/2。

该圆可用方程式(10)表示为：

$x^2+y^2=d_2^2---\left(10\right)$

线l₁′通过R2(0，c/2)和A′(x₂，y₂)，可用方程式(11)表示为：

$y=\frac{y_2-\frac{c}{2}}{x_2}x+\frac{c}{2}---\left(11\right)$

点B′是R2(0，c/2)和A′(x₂，y₂)的中点，因此其位置是

$(\frac{x_2}{2},\frac{c/2+y_2}{2}).$

直线l₂′与直线l₁′垂直并通过点B′，因此可用方程式(12)表示为：

$y=\frac{x_2}{c/2-y_2}x+\frac{c^2/4-d_2^2}{c-2y_2}---\left(12\right)$

直线l₃′穿过R1(0，0)和A′(x₂，y₂)，可用方程式(13)表示为：

$y=\frac{y_2}{x_2}x---\left(13\right)$

点T2位于l₂′和l₃′的交点，其位置可通过方程式(14)推导得出：

$\left\{\begin{array}{c}y=\frac{x_2}{c/2-y_2}x+\frac{c^2/4-d_2^2}{c-2y_2}\\ y=\frac{y_2}{x_2}x\end{array}\right.---\left(14\right)$

方程式(14)的解如方程组(15)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{T2}=(\frac{c^2}{4}-d_2^2)\frac{x_2}{{\mathrm{cy}}_2-2d_2^2}\\ y_{T2}=(\frac{c^2}{4}-d_2^2)\frac{y_2}{{\mathrm{cy}}_2-2d_2^2}\end{array}\right.---\left(15\right)$

因为T1和T2实际上是该系统中的同一点，所以，方程组(16)中所示的关系成立：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{T1}=x_{T2}\\ y_{T1}=y_{T2}\\ x_{T1}^2+y_{T1}^2=x_{T2}^2+y_{T2}^2\end{array}\right.---\left(16\right)$

将(9)和(15)代入(16)，则得到方程组(17)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{c^2-d_1^2}{2}\frac{x_1}{{\mathrm{cy}}_1-d_1^2}=(\frac{c^2}{4}-d_2^2)\frac{x_2}{{\mathrm{cy}}_2-2d_2^2}\\ \frac{c^2-d_1^2}{2}\frac{y_1}{{\mathrm{cy}}_1-d_1^2}=(\frac{c^2}{4}-d_2^2)\frac{y_2}{{\mathrm{cy}}_2-2d_2^2}\\ \frac{{(c^2-d_3^2)}^2}{4}\frac{d_1^2}{{({\mathrm{cy}}_1-d_1^2)}^2}={(\frac{c^2}{4}-d_2^2)}^2\frac{d_2^2}{{({\mathrm{cy}}_2-2d_2^2)}^2}\end{array}\right.---\left(17\right)$

从方程组(17)的第二和第三方程式可得到方程式(18)：

$y_2=\frac{d_2}{d_1}{y}_1---\left(18\right)$

将方程式(18)代入方程组(17)中的第二个方程式，得到方程式(19)：

$\frac{c^2-d_1^2}{2}\frac{y_1}{{\mathrm{cy}}_1-d_1^2}=(\frac{c^2}{4}-d_2^2)\frac{\frac{d_2}{d_1}{y}_1}{c\frac{d_2}{d_1}{y}_1-2d_2^2}---\left(19\right)$

方程式(19)还可以进一步简化为方程式(20)和(21)：

$\frac{c^2-d_1^2}{2}\frac{1}{{\mathrm{cy}}_1-d_1^2}=(\frac{c^2}{4}-d_2^2)\frac{d_2}{{\mathrm{cd}}_2{y}_1-2d_1{d}_2^2}---\left(20\right)$

$(c^2-d_1^2)({\mathrm{cd}}_2{y}_1-2d_1{d}_2^2)=2d_2(\frac{c^2}{4}-d_2^2)({\mathrm{cy}}_1-d_1^2)---\left(21\right)$

可以从方程式(21)得到y₁，如方程式(22)所示：

$y_1=\frac{2d_1[d_2(c^2-d_1^2)-d_1(c^2/4-d_2^2)]}{c(c^2/2-d_1^2+2d_2^2)}---\left(22\right)$

然后，从方程式(22)得到方程式(23)：

${\mathrm{cy}}_1-d_1^2=\frac{d_1[2c^2{d}_2-2d_1^2{d}_2-c^2{d}_1+d_1^3]}{c^2/2-d_1^2+2d_2^2}---\left(23\right)$

将(23)代入方程组(17)中的第三个方程式的左侧，得到发射机和接收机之间的距离dist，可用方程式(24)表示为：

$\mathrm{dist}=\frac{{(c^2-d_1^2)}^2}{4}\frac{d_1^2}{{({\mathrm{cy}}_1-d_1^2)}^2}$

$=\frac{{(c^2-d_1^2)}^2}{4}\frac{{(c^2/2-d_1^2+2d_2^2)}^2}{{(2c^2{d}_2-2d_1^2{d}_2-c^2{d}_1+d_1^3)}^2}---\left(24\right)$

该距离用三个已知值表示：

●c-接收机天线R1和R3之间的距离；

●d₁-发射机与接收机天线R1和R3之间的传播时间差；

●d₂-发射机与接收机天线R1和R2之间的传播时间差。

实际上，也可用(3)和(9)计算x_T和y_T，如方程组(25)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_T=\frac{c^2-d_1^2}{2}\frac{y_1}{{\mathrm{cy}}_1-d_1^2}\\ x_T=\frac{c^2-d_1^2}{2}\frac{\sqrt{d_1^2-y_1^2}}{{\mathrm{cy}}_1-d_1^2}\end{array}\right.---\left(25\right)$

当T(x_T，y_T)绕着轴R1-R2-R3旋转时，形成如图7所示的圆。该圆上的点分别到R1、R2和R3的距离相等。因此，在这种情况下，可以确定距离，但是无法唯一地确定发射机T的位置。

图8是另一个示例性实施例的拓扑图，用于更准确地确定位置以包括发射机T的位置。图8示出了根据本发明的四个天线单元R1、R2、R3和R4的相对位置，这四个天线连接到一个接收机(未显示)。天线R1、R2和R3在同一条线上，因此在相同的平面中，如图8所示。在该例子中，R1和R3间距为c，R1和R3之间的R2与R1和R3的间距均为c/2。天线R4与天线R1和R3的间距为c2，与天线R2的间距为c1。可以从图8推导出方程式(26)所示的关系：

$c_2^2=c_1^2+c^2/4---\left(26\right)$

选择坐标系，使接收天线R1、R2和R3与发射机T处于图9所示的相同平面中，从而z_T＝0。T和R1之间的距离可用方程式(27)来定义：

$d_{T-R1}^2=x_T^2+y_T^2+z_T^2---\left(27\right)$

$=x_T^2+y_T^2$

T和R4之间的距离可用方程式(28)来定义：

$d_{T-R4}^2={(x_T-x_r)}^2+{(y_T-y_r)}^2+{(z_T-z_r)}^2---\left(28\right)$

$={(x_T-x_r)}^2+{(y_T-c/2)}^2+z_r^2$

可以从方程式(27)和(28)推导出d_T-R1和d_T-R4之间的差值Δ，如方程式(29)所示：

$\mathrm{\Δ}=d_{T-R4}^2-d_{T-R1}^2$

$=-2x_r{x}_T+x_r^2-{\mathrm{cy}}_T+\frac{c^2}{4}+z_r^2---\left(29\right)$

在图9中，点R4′是R4在X0Y平面上的镜像。可以从点R4、R4′和R2形成的三角形推导出方程式(30)所示的关系：

$x_r^2+z_r^2=c{1}^2---\left(30\right)$

可以从方程式(29)和(30)得出方程组(31)：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}=-2x_r{x}_T+x_r^2-{\mathrm{cy}}_T+\frac{c^2}{4}+z_r^2\\ x_r^2+z_r^2=c{1}^2\end{array}\right.---\left(31\right)$

将方程组(31)中的第二个方程式代入第一个方程式(31)，得到方程式(32)：

$\mathrm{\Δ}=-2x_r{x}_T+c{1}^2-{\mathrm{cy}}_T+\frac{c^2}{4}---\left(32\right)$

可以从方程式(32)得到描述发射机X和Z坐标的方程式(33)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_r=\frac{d_{T-R1}^2-d_{T-R4}^2-{\mathrm{cy}}_T+{c1}^2+c^2/4}{2x_T}\\ z_r=\±\sqrt{{c1}^2-x_r^2}\end{array}\right.---\left(33\right)$

方程式(33)所示的结果可以用另一种方式来表达，绕着y轴旋转坐标，如图10所示，使

从而方程组(34)成立：

∵ $\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x_r}=x_r\cos \mathrm{\θ}+z_r\sin \mathrm{\θ}=-c1\\ \stackrel{\‾}{z_r}=-x_r\sin \mathrm{\θ}+z_r\cos \mathrm{\θ}=0\end{array}\right.---\left(34\right)$

根据第二个方程式(34)，可以看出 $\mathrm{\θ}=\arctan \frac{z_r}{x_r}.$

如此旋转之后，T的新坐标可用方程组(35)来表示：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x_T}=x_T\cos \mathrm{\θ}+z_T\sin \mathrm{\θ}=x_T\cos \mathrm{\θ}\\ \stackrel{\‾}{y_T}=y_T\\ \stackrel{\‾}{z_T}=-x_T\sin \mathrm{\θ}+z_T\cos \mathrm{\θ}=-x_T\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(35\right)$

发射机T相对于天线R1、R2、R3和R4的位置可以通过方程组(35)确定为

本发明涉及一种估计诸如UWB通信系统中的UWB发射机的发射机的至少一镜像的位置的方法。不需要视线传播路径，不需要来自接收机的发送。在MIMO系统中，可以使用相同的接收机天线，只需很有限的额外计算就可以提供上述的位置函数。例如，本发明可用于UWB自组织网络，从而提高切换管理和其他位置相关应用中的性能。

应当理解的是，这些部件中的一个或多个可以实现为通用计算机上运行的软件。在该实施例中，各种部件的一个或多个功能可以实现为控制该通用计算机的软件。该软件可以包含在一种计算机读取载体中，例如磁盘、光盘、存储卡或音频波、射频波或光载波。

此外，尽管这里结合具体的实施例对本发明进行了说明和描述，但本发明不限于上述具体细节。相反，可以在不脱离本发明的情况下，在权利要求书的等同范围内做出各种细节上的修改。

Claims (32)

1、一种用于确定发射信号的发射机的至少一镜像的位置的装置，该装置包括：

至少三个的多个天线，所述多个天线由各已知距离隔开，被配置为接收所述信号，所述多个天线中的每一个在各自的时间接收所述信号；以及

处理器，耦合到所述多个天线，所述处理器被配置为响应于至少所述各已知距离和所述各自的时间之间的差，来确定所述发射机的至少该镜像的位置。

2、如权利要求1所述的装置，其中，所述装置为无线通信设备，该无线通信设备被配置为用于包括多个子网络的无线通信网络，并且其中所述处理器进一步被配置为响应于所确定的所述发射机的至少所述镜像的位置，来管理所述子网络之间的切换。

3、如权利要求1所述的装置，还包括：

显示器，耦合到所述处理器，用于呈现所确定的所述发射机的至少所述镜像的位置。

4、如权利要求1所述的装置，其中，所述信号为超宽带(UWB)信号，并且其中所述多个天线被配置为接收UWB信号，并且所述处理器被配置为处理所述UWB信号。

5、如权利要求1所述的装置，其中，所述多个天线中的至少三个天线在一条基本上直的线上。

6、如权利要求5所述的装置，其中，所述多个天线中至少一个其他天线不在所述基本上直的线上。

7、如权利要求1所述的装置，还包括：

多个接收机，每个接收机包括所述多个天线中的至少一个天线，每个接收机被配置为接收GPS信号；并且

其中，所述处理器进一步被配置为响应于所述GPS信号来确定所述已知距离。

8、如权利要求1所述的装置，还包括：

多个接收机，每个接收机包括所述多个天线中的至少一个天线，每个接收机被配置为接收GPS时间信号，从而将各接收机中的本地时间基准进行同步；并且

其中，所述处理器进一步被配置为响应于参照于所述同步的本地时间基准的各个时间来确定时间差。

9、如权利要求1所述的装置，其中，所述至少三个的多个天线中至少一个天线是全向的。

10、一种用于确定发射信号的发射机的至少一镜像的位置的装置，该装置包括：

第一天线，被配置为接收所述信号，所述第一天线在第一时间接收所述信号；

第二天线，被配置为接收所述信号，所述第二天线与所述第一天线隔开第一已知距离，并在第二时间接收所述信号；

第三天线，被配置为接收所述信号，所述第三天线与所述第一天线隔开第二已知距离，并在第三时间接收所述信号；以及

处理器，耦合到所述第一、第二和第三天线，所述处理器被配置为响应于至少所述第一和第二已知距离以及所述第一时间与所述第二和第三时间中每一个的差，来确定所述发射机的至少该镜像的位置。

11、如权利要求10所述的装置，其中，所述装置为无线通信设备，该无线通信设备被配置为用于包括多个子网络的无线通信网络，并且其中所述处理器进一步被配置为响应于所确定的所述发射机的至少该镜像的位置，来管理所述子网络之间的切换。

12、如权利要求10所述的装置，还包括：

显示器，耦合到所述处理器，用于呈现所确定的所述发射机的至少所述镜像的位置。

13、如权利要求10所述的装置，其中，所述信号为超宽带(UWB)信号，并且其中所述第一、第二和第三天线被配置为接收UWB信号，并且所述处理器被配置为处理所述UWB信号。

14、如权利要求10所述的装置，其中，所述第一、第二和第三天线在一条基本上直的线上。

15、如权利要求14所述的装置，还包括：

第四天线，被配置为接收所述信号，所述第四天线在第四时间接收所述信号，且不在所述基本上直的线上，与所述天线中之一隔开第三已知距离；

其中，所述处理器还耦合到所述第四天线，并且被配置为响应于所述第三已知距离以及所述第四时间与所述第一、第二和第三时间中至少之一之间的差，来确定所述发射机的至少所述镜像的位置。

16、如权利要求10所述的装置，还包括：

第一接收机，包括所述第一天线和所述处理器，所述第一接收机被配置为接收GPS信号；

第二接收机，包括所述第二天线，所述第二接收机被配置为接收所述GPS信号；

第三接收机，包括所述第三天线，所述第三接收机被配置为接收所述GPS信号；以及

其中，所述处理器被进一步配置为响应于所述GPS信号来确定所述第一和第二已知距离。

17、如权利要求10所述的装置，还包括：

第一接收机，包括所述第一天线和所述处理器，所述第一接收机被配置为接收GPS时间信号，从而将所述第一接收机的第一本地时间基准进行同步；

第二接收机，包括所述第二天线，所述第二接收机被配置为接收所述GPS时间信号，从而将所述第二接收机的第二本地时间基准进行同步；

第三接收机，包括所述第三天线，所述第三接收机被配置为接收所述GPS时间信号，从而将所述第三接收机的第三本地时间基准进行同步；以及

其中，所述处理器被进一步配置为响应于参照于所述各第一、第二和第三本地时间基准的所述第一、第二和第三时间信号来确定时间差。

18、如权利要求10所述的装置，其中，所述第一、第二和第三天线中至少一个是全向天线。

19、一种用于确定发射信号的发射机相对于接收机的至少一镜像的位置的方法，所述接收机有至少三个的多个天线，所述多个天线由已知距离隔开，用于接收所述信号，该方法包括以下步骤：

确定所述多个天线中的一个天线和其他天线中的至少两个天线的信号接收之间的时间差；以及

处理所述已知距离和所确定的时间差，从而确定所述发射机的至少所述镜像的位置。

20、如权利要求19所述的方法，其中，所述发射机是一个网络内的子网络的一部分，所述网络包括多个子网络，并且其中所述方法还包括步骤：

响应于所确定的所述发射机的至少所述镜像的位置，来管理所述多个子网络中的所述子网络和另一子网络之间的切换。

21、如权利要求19所述的方法，还包括步骤：

呈现所确定的所述发射机的至少所述镜像的位置。

22、如权利要求19所述的方法，其中，所述信号为超宽带(UWB)信号，并且其中所述确定步骤包括步骤：

确定所述多个天线接收所述UWB信号之间的时间差。

23、如权利要求19所述的方法，还包括步骤：

接收GPS时间信号，以将所述接收机中的本地时间基准进行同步；以及

其中，所述处理步骤包括步骤：

确定参照于所同步的本地时间基准的时间差。

24、一种用于确定发射信号的发射机相对于接收机的至少一镜像的位置的系统，所述接收机有至少三个的多个天线，所述天线由已知距离隔开，用于接收所述信号，该系统包括：

确定装置，用于确定所述多个天线中的一个天线和其他天线中的至少两个天线的信号接收之间的时间差；以及

处理装置，用于处理所述已知距离和所确定的时间差，从而确定所述发射机的至少所述镜像的位置。

25、如权利要求24所述的系统，其中，所述发射机是一个网络内的子网络的一部分，所述网络包括多个子网络，并且其中所述系统还包括：

管理装置，用于响应于所确定的所述发射机的至少所述镜像的位置，来管理所述多个子网络中的所述子网络和另一子网络之间的切换。

26、如权利要求24所述的系统，还包括：

呈现装置，用于呈现所确定的所述发射机的至少所述镜像的位置。

27、如权利要求24所述的系统，其中，所述信号为超宽带(UWB)信号，并且，所述确定装置包括：

用于确定所述多个天线接收所述UWB信号之间的时间差的装置。

28、如权利要求24所述的系统，还包括：

接收装置，用于接收GPS时间信号，以将所述接收机中的本地时间基准进行同步；以及

其中，所述处理装置包括：

确定参照于所同步的本地时间基准的时间差的装置。

29、一种包括软件的计算机可读介质，所述软件被配置为控制通用计算机来执行一种用于确定发射信号的发射机相对于接收机的至少一镜像的位置的方法，所述接收机有至少三个的多个天线，所述天线由已知距离隔开，用于接收所述信号，该方法包括以下步骤：

确定所述多个天线中的一个天线和其他天线中的至少两个天线的信号接收之间的时间差；以及

处理所述已知距离和所确定的时间差，从而确定所述发射机的至少所述镜像的位置。

30、如权利要求29所述的计算机执行的方法，其中，所述发射机是一个网络内的子网络的一部分，所述网络包括多个子网络，并且其中所述通用计算机执行的所述方法还包括步骤：

响应于所确定的所述发射机的至少镜像的位置，来管理所述多个子网络中的所述子网络和另一子网络之间的切换。

31、如权利要求29所述的计算机执行的方法，其中，所述信号为超宽带(UWB)信号，并且其中所述通用计算机执行的确定步骤还包括步骤：

确定所述多个天线接收所述UWB信号之间的时间差。

32、如权利要求29所述的计算机执行的方法，其中，所述通用计算机执行的所述方法还包括步骤：

接收GPS时间信号，从而将所述接收机中的本地时间基准进行同步；以及

其中，所述通用计算机执行的处理步骤还包括步骤：

确定参照于所同步的本地时间基准的时间差。

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