CN1926584A - 飞行时间测量系统和操作该系统的方法 - Google Patents

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Abstract

一种飞行时间评测系统，比如无密钥进入系统，包括第一部分(10)和第二部分(12)，后者被实现为诸如密钥卡的便携式设备。两个部分都具有信号发射和接收装置(14，22和26，32)，用于实现彼此的通信。信号发射和接收装置在它们的内部信号传播路径中引入不可预测的时间延迟。第一部分包括控制器(18)，用于确定各部分之间信号io的飞行时间。为了考虑到不可预测的时间延迟，第一和第二部分位于彼此已知的距离内，并且测量已知距离上的飞行时间，已知距离上所测量的分行时间和原理飞行时间之间的差值被确定并用来调整所测量的飞行时间以及范围。该飞行时间评定系统可不仅应用于进入安全系统还可应用于跟踪系统，比如用于跟踪幼童、个人和装备的系统。

Description

飞行时间测量系统和操作该系统的方法
技术领域
本发明涉及一种有关进行飞行时间测量的系统或其中的改进，以及涉及使用该系统的应用。特别地，本发明还可非排他地应用于无密钥进入系统，例如在汽车市场中使用的无源无密钥进入系统。
背景技术
为了方便描述，参考车辆进入系统来描述本发明。
Philips Semiconductor在于2002年10月发布并在http：//www.semiconductor.philips.com/acrobat/literature/99775010317.pdf可得的文献号9397 750 10317的文献中，描述一种车辆无源无密钥进入系统。已知的无源无密钥进入系统的示意性框图在附图中的图1中示出。该系统包括可合并成密钥卡(key fob)、访问卡或其它适当小型装置的车载式第一部分10和便携式第二部分12。车载式第一部分10包括125kHz感应发射器14，其具有以感应线圈形式与天线16耦合的信号输出。发射器14可至少在车辆门被所住的同时操作。所提供的微控制器18具有与感应发射器14的输出相耦合的输入，与输出锁定/解锁装置(未示出)耦合的输入/输出20，所述锁定/解锁装置比如是门锁、行李箱(或旅行箱)锁、发动机罩(或机罩)锁以及发动机点火安全设备，以及与UHF接收器22耦合的输出。天线24与接收器耦合。
构成标识(ID)设备的便携式部分12包括125kHz低频前端级26，其具有由三个正交相关的感应线圈28组成的三维输入。微控制器30具有与前端级26的输出耦合的输入和与具有天线34的UHF发射器32耦合的输出。便携式部分12还包括用于连接电池36、以及接通/断开开关38、唤醒模式检测器40和功率管理级42的连接。
所述系统允许驾驶员进入他们的汽车而不需要任何明示的动作来解锁它们，因为仅仅通过携带适当的便携式部分或ID设备12就可授权。当驾驶员来到车辆的操作区域内，比如小于2.5m，并且将他/她的手放到门把手上，使感应发射器14生成一个询问(challenge)信号。前端级26接收唤醒便携式部分12的询问信号。一旦醒来，微控制器30分析该询问信号，并且一旦满足将其指向它，编译响应信号，如果觉得必要，将其加密，以及将其传送到UHF发射器32，以便向前发送到UHF接收器22。
车载式部分10中的微控制器18比较由UHF接收器22接收的信号与内部存储的信息，并且如果鉴权成功，解锁车辆的门。从开始到结束只花费几微妙的时间。
作为改进，一旦驾驶员已经获得对车辆内部的访问权，就重复鉴权过程，并且如果成功，通过仅仅按下开始键来启动发动机。
最后，在离开车辆以后，可以通过仅仅按压门把手来将其锁定。在锁定前进行检查，以保证便携式部分12在车辆的外部。
由于引入了这种系统，发现了名为“中继攻击”的缺陷，其中两个装备了适当无线电设备的人能够欺骗系统使之相信车辆拥有者正获得对其拥有的车里的进入，所述无线电设备能够以超过便携式部分12中发射机32可到达距离更大的距离进行发射。图2图示地示出这种中继攻击如何实行。装备有两个无线电收发器50、56的第一盗贼TF1将他/她自己靠近到包含车辆部分10的车辆44，装备有两个无线电收发器52，54的第二盗贼TF2将他/她自己靠近到车主46，车主46在他们身体上具有便携式部分12。第一盗贼TF1按压车辆44的门把手，使感应发射器14生成具有频率f的询问信号。信号频率f由收发器50接收并且并以频率f1被中继到由第二盗贼TF2携带的收发器52。由便携式部分中的前端级26检测的信号被重新转换成f。UHF发射器32发射具有频率f′的UHF信号，该信号由收发器54拾取并且以频率f2转送到收发器56，后一收发器将信号转换回UHF频率f′，该信号被发送到在车辆部分10中的接收器22，使微处理器18解锁门。如果需要，重复操作，使车辆发动机能够被启动。车主44在他/她返回发现他们的车辆丢失之前不知道发生了什么。
为挫败中继攻击而提出的一个方法是使系统对于车辆部分10和便携式部分12之间的信号在被生成和接收之间过多的时间延迟敏感，并抑制了锁定和其它安全设备的操作。过多时间延迟的出现是由于通过了收发器50、52、54和56的延长的往返时间。忽略由于信号通过这些收发器传播而引起的附加飞行时间、飞行时间测量不仅仅受到经由车载式部分和便携式部分中间变化的距离的影响，而且受到由经过相应车载和便携式部分中的电路的信号所引发的内部延迟的影响。在窄带系统的情况下，这些内部延迟出现在(1)天线和发射器的IF或基带部分之间，和(2)天线和接收器的IF或基带部分之间。这些内部延迟有两类，即模拟延迟和数字延迟。模拟延迟由信号链中的各个元件的群延迟来表达。理想地，群延迟应当在整个信号的带宽上是恒定的。但是，由于它们受到不可预测的变化所以这不成立，不可预测的变化可由处理变化、部件老化、温度和电源电压变化而引起。
相反，数字延迟包括经过数字式门的传播延迟，以及等待时间，在该等待时间中，数字处理在传递信号之前要求若干时钟脉冲。在测量飞行时间的情况下，很可能从晶体中导出系统时钟，因此不期望等待时间的变化超过几百万分之一。
发明内容
本发明的一个目的是减轻飞行时间测量系统中模拟延迟和数字延迟的影响。
根据本发明的第一方面，提供了一种操作飞行时间测量系统的方法，所述飞行时间测量系统包括第一部分和第二部分，所述两个部分在由所述部分发射和接收的信号的传播路径中具有电路，该电路在传播路径中引入时间延迟，所述第一和第二部分中的至少一个包括用于确定第一和第二部分之间信号的飞行时间的装置，该方法包括通过将第一和第二部分定位在彼此已知的距离内来校准系统，当如此定位第一和第二部分时测量飞行时间，通过导出在已知的距离上所测量的飞行时间和理论飞行时间之间的差值，来确定所测量飞行时间中由于电路中的传播时间延迟所引起的误差，以及使用该误差来调整后续的飞行时间测量。
本发明的第一方面提供了一种方法来操作：无密钥进入系统，其中第一部分是固定的而第二部分是便携的；跟踪系统，其中第一部分适用于作为范围确定部分而第二部分适用于由要跟踪的对象携带；车辆安全系统，包括响应于本地生成的信号而可锁定的安全装置，并且其中第一部分适用于安装在车辆中而第二部分适用于由车辆用户携带。
根据本发明的第二部分，提供了一种用于执行飞行时间测量的系统，包括第一部分和第二部分，所述两个部分具有用于实现彼此通信的发射和接收装置，信号发射和接收装置在相应的信号传播路径中引入了时间延迟，并且所述第一和第二部分中的至少一个包括用于确定所述部分之间信号的飞行时间的装置，还包括响应于在彼此的已知距离内的第一和第二部分来校准系统的装置，所述装置包括用于测量已知距离上飞行时间的装置，用于通过导出在已知的距离上所测量的飞行时间和理论飞行时间之间的差值来确定所测量飞行时间中误差的装置，和使用该误差来调整后续的飞行时间测量的装置。
本发明的第二方面提供：无密钥进入系统，其中第一部分是固定的而第二部分是便携的；跟踪系统，其中第一部分适用于作为范围确定部分而第二部分适用于由要跟踪的对象携带；车辆安全系统，包括响应于本地生成的信号而可锁定的安全装置，并且其中第一部分适用于安装在车辆中而第二部分适用于由车辆用户携带。
当车辆发动机打开或者关闭、车辆驾驶员的门被打开或关闭、或者第二部分被插入车辆内的插座中或从车辆内的插座移除时，每次或以更低的频率间隔校准/再校准电路使得能确定比当车载和便携式部分在它们被制造是被校准一次的情况更精确的飞行时间。
此外，校准的方法不要求固定专门的测量装备，这意味着可以用成本效率的方式来执行。
附图说明
现在将通过举例的方式并参考附图来描述本发明，其中：
图1是无源无密钥进入系统的示意框图；
图2图解示出了中继攻击如何实施；
图3是根据本发明的无源无密钥进入系统的示意框图；
图4是本发明的一个实施例的示意图；和
图5是本发明的第二实施例的示意图。
在附图中，相同的附图标记被用来表示相应的特征。
具体实施方式
参考图3，所示的无源无密钥进入系统类似于参考图1所示和所描述的系统，并且为了简短，已经描述的那些部分经不再描述。
在图3中，数据库60耦合到微控制器18以便存储系统以及在该系统中所使用部件的各种特征，并且所述部件是有助于延迟通过车载式第一部分和便携式第二部分的信号传播的部件。
在图3中，询问信号被示出为由发射器14在时间T1发射并且由前端级26在时间T2接收。一个UHF信号由发射器32在时间T3发射并且由接收器在时间T4接收。假设部分10和12的时钟是同步的并且不存在内部的时间延迟，使得T2和T3相等，那么飞行时间(TOF)等于
TOF = T 4 - T 1 2 - - - ( 1 )
但是，由于存在内部的模拟和数字延迟，这意味着T2和T3不同，等式(1)变为：
TOF = ( T 2 - T 1 ) + ( T 3 - T 4 ) 2 - - - ( 2 )
对于该等式，假设了各种时间是正确的并且信号瞬间被发射，但是在实际中不是这种情况。因此，假设在T2和T3之间存在固定的、不变化的时间差是不可靠的。由于RF信号以大约300mm/纳秒传输，TOF系统中发射器和接收器中的延迟都有助于TOF测量中大量的固定和变化误差，如果希望在一或两米的内测量范围，那么这会反过来影响分辨率。固定延迟的出现是由于信号来回于相应电路的有限时间，而可变延迟是例如由于温度效应(汽车温度范围在-40℃到+80℃)、部件老化、机械应力和电源电压变化所引起的。在最坏的情况下，这些延迟将相当于几百米的误差增加到TOF计算中。此外，在制造中，可以对这些误差进行补偿，但是这种校准纠错是基于可能不可应用于实际的标准的。因此，为真实精确地测量TOF，校准和再校准在车载式第一部分10和便携式第二部分12的整个生命周期中频繁且规律地发生。
根据本发明的方法教导了，校准操作被频繁地执行，例如在每次使用车辆、每天一次、每周一次或每月一次。
执行校准的一个方法是，便携式部分12相对于车载式部分被放置在固定的已知位置中，两个部分之间的距离是已知的。通过比较光速×时间的测量距离和已知距离来确定误差，因此，测量距离-已知距离＝误差量。
等效的定时误差是由范围中的误差除以光速。在任何一种情况下，误差被存储在数据库60中以供微控制器在计算TOF或范围以及操作或抑制锁定或其它安全设备时使用。
校准/再校准的需要通过实验室模拟无源无密钥进入系统来说明，其中在每个方向上测量的、不必要的延迟等于510米而理论延迟等于625米。
确定误差影响和利用该误差影响来校准系统的优点在于不要求专门的测量装备。并且，还避免了各自确定固定和可变延迟的复杂度。但是，需要假设可变延迟的影响在短时期内是稳定的。简单且便宜的校准过程便于频繁地再校准，例如每次使用便携式部分12时，并由此维持了对系统精确性的置信度。
图4说明了车辆的仪表板。机架、槽孔或其它易于使用的设备64在仪表板62中提供以便固定便携式部分12。也可替换使用任何其它方便的位置。车载式部分10位于设备64附近，比如小于一米。
在操作中，调整的测量飞行时间与阈值进行比较，并且如果比较结果被认为是可接受的，那么在输出20上由微控制器18产生外部设备的启动信号，并且如果被认为是不可接受的，那么抑制启动信号的产生。
设备64可包括电子连接器或与车载式部分10耦合的连接器以及车辆电源，使得当便携式部分12被插入时，两个部分10、12中的时钟可被同步，并且如果电池36可在再充电，那么就将其再充电。同步两个部分10、12中的时钟将使得时钟边缘能够在时间上精确地同时出现，从而避免必须将时钟偏差考虑为校准过程中延迟的来源。
图5说明一个实施例，其中在车辆内执行校准而不需要提供机架、槽孔或其它保持设备。一旦可能位于口袋或手袋(未示出)中的便携式部分12在车辆内侧时，就假设在车载式部分10的一米内并且校准操作被启动。
误差可以是时间变化的，并因此经常进行校准是适宜的。特别地，在用户将要离开车辆时执行校准是有益的，因为这将使校准和用户返回到车辆之间的时间极小，并且也使漂移极小。响应于关闭发动机、驾驶员的门打开、从机架、槽孔或一些类似类型的设备上移除便携式部分而启动校准过程。
校准过程可快速接连地重复若干次，使得获得测量范围的平均值。
在例如合用汽车的情况下，其中若干个人可访问同一车辆并且每个人具有它们自己的第二个便携式部分12，该系统必须能够在数据库60中存储固定第一部分和相应的一个便携式第二部分12的每个组合的校准值。为了能够实现这种系统，每个第二部分被给予了一个唯一的地址码，其例如作为头部包括在UHF的传输中。
为了在车辆偶尔使用的情况下提供校准程度由此降低车辆被盗窃的风险，可以在数据库60中存储各种算法以引入特定临界参数的渐进变化，所述临界参数影响在车载式部分中发生的可变延迟。作为一个例子，如果在两个部分中的时钟是晶体控制的，那么用于在各种温度下补偿频率漂移的算法可存储在数据库60中并用作为适于纠正数字电路中的时钟频率。
根据本发明的方法和系统可与无线激活系统组合使用，所述无线激活系统在于2003年11月19日提交的国际专利申请IB 03/05289中公开和要求权利。申请人的引用号是PHGB020213WO。所公开的无线激活系统使用重复的代码序列来在发射器设备和接收器设备之间进行通信。通过在发射器设备和接收器设备上同步改变序列持续时间(sequence duration)，要么通过改变序列中符号或芯片的数量，要么通过改变符号或芯片速率，由此对于未授权方来说更难以在接收设备上检测代码序列并且中继代码序列来实现未授权的激活。
使用飞行时间测量的其它应用可以是跟踪系统，例如幼童警报，比如用来在在购物时确保幼童在外出游荡时不会离开太远，和用于在诸如医院的大型场所中跟踪医生、病人的系统和装备。在父母/幼童或类似应用中，第一部分10会由父母携带，而第二部分12将附着到幼童。校准/再校准可例如通过并置彼此邻近或间隔已知距离的第一和第二部分来实现，或者通过引入与信号传播路径中的特定距离相对应的已知延迟来实现。
在本说明书和权利要求中，在元素前的词语“一”或“一个”不排除多个这种元素的存在。此外，词语“包括”不排除所列出之外的其它元素或步骤的存在。
通过阅读本公开，其它修改对于本领域技术人员来说是明显的。这些修改可在飞行时间评测系统及其部件部分的设计、制造和使用中已知的其它特征，这些特征可替代这里描述的特征或除这些特征之外而被使用。

Claims (14)

1.一种操作飞行时间测量系统的方法，所述飞行时间测量系统包括第一部分(10)和第二部分(12)，所述两个部分在由所述部分发射和接收的信号的传播路径中具有电路(14、18、22和26、30、32)，所述电路在传播路径中引入时间延迟，所述第一和第二部分(10、12)中的至少一个包括用于确定第一和第二部分之间信号的飞行时间的装置，该方法包括通过将第一和第二部分(10、12)定位在彼此已知的距离内来校准系统，当如此定位第一和第二部分时测量飞行时间，通过导出在已知的距离上所测量的飞行时间和理论飞行时间之间的差值，来确定所测量飞行时间中由于电路中的传播时间延迟所引起的误差，以及使用该误差来调整后续的飞行时间测量。
2.权利要求1的方法，其特征在于，多次重复校准并且确定平均误差。
3.权利要求1或2的方法，其特征在于，在校准系统时，第二部分位于相对第一部分的基本上已知距离处。
4.一种操作如权利要求1、2或3中所述的飞行时间测量系统的方法，其中所述飞行时间测量系统是下列之一：无密钥进入系统，其中第一部分(10)是固定的而第二部分(12)是便携的；跟踪系统，其中第一部分(10)适用于作为范围确定部分而第二部分(12)适用于由要跟踪的对象携带；车辆安全系统，包括响应于本地生成的信号而可锁定的安全装置，并且其中第一部分(10)适用于安装在车辆中而第二部分(12)适用于由车辆用户携带。
5.一种用于执行飞行时间测量的系统，包括第一部分(10)和第二部分(12)，所述两个部分具有用于实现彼此通信的发射和接收装置(14、22和26、32)，信号发射和接收装置在相应的信号传播路径中引入了时间延迟，并且所述第一和第二部分中的至少一个包括用于确定所述部分之间信号的飞行时间的装置(18、30)，还包括响应于在彼此的已知距离内的第一和第二部分来校准系统的装置(18、30)，所述装置包括用于测量已知距离上飞行时间的装置(18、30)，用于通过导出在已知的距离上所测量的飞行时间和理论飞行时间之间的差值来确定所测量飞行时间中误差的装置(18、30)，和使用该误差来调整后续的飞行时间测量的装置(18、30)。
6.如权利要求5所述的系统，包括用于多次重复校准并且确定平均误差的装置(18、30)。
7.如权利要求5或6所述的系统，其特征在于，在校准系统时，将第二部分定位在相对第一部分的基本上已知距离处的装置(64)。
8.如权利要求5、6或7所述的系统，其特征在于，用于将调整的测量飞行时间与阈值进行比较的装置(18、30)，并且如果比较结果被认为是可接受的，那么产生启动信号以便操作外部设备，并且如果被认为是不可接受的，那么抑制启动信号的产生。
9.如权利要求5到8中任意一项所述的系统，其中所述系统是无密钥进入系统，其中第一部分(10)是固定的而第二部分(12)是便携的。
10.如权利要求5到8中任意一项所述的系统，其中所述系统是跟踪系统，其中第一部分(10)适用于作为范围确定部分而第二部分(12)适用于由要跟踪的对象携带。
11.如权利要求5到8中任意一项所述的系统，其中所述系统是车辆安全系统，包括响应于本地生成的信号而可锁定的安全装置，并且其中第一部分(10)适用于安装在车辆中而第二部分(12)适用于由车辆用户携带。
12.如权利要求11所述的系统，包括用于在测量飞行时间时，将车辆中的第二部分(12)安装在相对固定部分的基本上已知距离处的装置(64)。
13.如权利要求11或12所述的系统，其中校准系统(18、30)的装置响应于至少下列一项：车辆发动机被启动；车辆发动机关闭；车辆驾驶员的门打开；车辆驾驶员的门关闭；或者第二部分(12)被插入车辆内的插座中；从车辆内的插座移除第二部分(12)。
14.如权利要求5到13中任意一项所述的系统，其中第一部分(10)包括用于存储与多个第二部分(12)的每一个相对应的校准数据的装置(60)，并且每个第二部分适用于发射地址码。
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