TW200422638A - Devices, systems and methods for obtaining timing information and ranging - Google Patents

Description

200422638 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用於獲得第一裝置和第二裝置之間的 時序資訊之系統及方法，特別係關於一種使用此時序資訊 之測距方案。 【先前技術】 測距包括藉由在兩個電子裝置A和B之間傳遞訊號來測 量它們之間距。假定在兩個裝置A和B中都具有時鐘。典型 地，A發送一訊號給B，B在收到訊號時立即給A傳回一訊 號。A然後計算發送訊號之時間和收到B傳回訊號之時間差 值，將其除以2再乘以訊號傳輸之速度以獲得A和B之間之 距離或範圍。 此方法只使用位於A中之時鐘，可避免如果A和B之時鐘 不同步所導致的任何問題。但是如果在B傳回一訊號給A時 存在一延遲，則這一延遲在範圍測量中將會導致非常顯著 的不準確結果。 任何使用A時鐘和B時鐘兩者校正此問題之方法都需要 考慮A和B時鐘頻率不同步之事實。 一種先前提議可見於標題為 ’’Low-power，miniature，Distributed Position Location and Communication Devices Using Ultra-Wideband, Nonsinusoidal Communication Technology (採用超寬頻帶之非正弦 通信技術之低功率、小型、分佈位置定位及通信裝置）π之 寿民告中之 ’’Protocols for Co-operating Localisers to determine range (用於 確定範圍之協作定位器協定）n (由Aetherwire & Location Inc for the

O:\89\89379.DOC 200422638 US Advanced Research Projects Agency/Federal Bureau of Investigation (Co福顧彻58)於！ 995年7月提出）。在撰寫本說明書時， 從網址為http://wwW.aetherwire c〇m之網站可得到該報告之一版 本0 在此篇報D中提出了 一種測距方法，其中裝置6給A傳回 -根據B時鐘之延遲時間，該延遲時間代表B為向A答覆該 訊號所消耗之時間。這使得A能夠校正該延遲。 然而，這種方法假定八和；6之時鐘精確地以相同頻率運 作。其中任何偏差將會導致錯誤結果。 因此需要-種能夠處理以不同頻率運作之非同步時鐘之 方法。 【發明内容】 根據本發明，提供—種獲得介於具有第—本機時鐘之第 -裝置與具有第二本機時鐘之第二裝置之間之時序資訊之 方法，包括： 在相對於該第-本機時鐘之時間u，將_第一訊號 從該第一裝置發射給該第二裝置； 測量第-訊號到達該第二裝置之相對於該第二本機時鐘 之第二時間t2 ; 一在相對於該第一本機時鐘但不同於該該第一時間U之第 一日守間t3，將一第二訊號從該第一裝置發射給該第二裝置； 測量第二訊號到達該第二裝置之相對於該第二本機時鐘 之第四時間t4 ; 在相對於該第二本機時鐘之第五時間t5，將—第三訊號

O:\89\89379.DOC 200422638 從該第二裝置發射給該第一裝置； ^里弟二訊號到達第_裝置之相對於該第_本機時鐘之 第六時間t6 ;以及 根據弟一、第-、榮一 —^ 一弟二、弟四、第五和第六時間計算時 機二β亥賴包括用於針對該第—本機時鐘與該第二本 仏來校正不同時鐘頻率和時鐘時間之資訊。 ^據本，明之方法因此使用來自三個訊號之時序資訊， 上針對該等本機時鐘來立 、 因此該等不同時鐘不^ 不同時鐘頻率，並 二 寻鐘不高要具有完全相同頻率。 δ亥發射機和該接你 此益魂# 較佳係射頻發射機和射頻接收機。 傳輸之速度。4度㈣號速度等於光在空氣中 該方法可以計算篦- (Μ2) 率量-。在較”::中機時鐘相對於第一本機時鐘之比 a 可根據已記錄之Η主卩 置與第二裝置之_號速度e使用下式計算第一裝 a 2

爲了在该第—TO 二、第四和第五::集時序資訊，第三訊號可包括第 =可替代貫施例中，可將一包括第二 之分離訊號從第_骷@ 昂7罘立f間 意計算延遲和範ίίί發射給第m爲替代’應注 ，、而要（t4-t2)和（t5-t2)，從而當只需要延

〇：\89\S9379.DOC 200422638 遲和範圍貧訊時，則可替換傳輸（t4-t2)和（t5-t2)。 另外’不需要在第一裝置中收集資訊。還可能將一包括 ^ 一 、 、弟二和第六時間之訊號從第一裝置發送到第二裝 置以執行计异。進一步可能地將所有必要資料發送給一 第三裝置以執行該計算。 糸、、、先了以校正已知延遲之時間，該延遲例如係在該 裝置之濾波器或其他部件中之延遲。 在另一方面，本發明係關於一種用於獲得時序資訊之系 統，包括： 第一裝置，其具有一第一本機時鐘、一發射器和一接 收器，安排其： 在相對於該第一本機時鐘之第一時間t丨發射一第一訊 號； 在相對於該第一本機時鐘之第三時間t3發射一第二訊 號；以及 -接收一第三訊號並且測量該第三訊號到達第一裝置之 相對於該第一本機時鐘的第六時間t6 ; 以及一第二裝置，其具有一第二本機時鐘，一發射器和 一接收器，安排其： -接收該第一訊號並且測量該第一訊號到達該第二裝置 的相對於該第二本機時鐘之第二時間t2 ; -接收該第二訊號並且測量該第二訊號到達該第二裝置 之相對於该弟一本機時鐘的第四時間;以及 -在相對於該第二本機時鐘之第五時間t5發射該第三訊

O:\89\89379.DOC 200422638

安排該系統以根據該第一、第二、第三、第四、第五和 第六時間計算時序資訊，該時序資訊包括用於針對該第— 本機時鐘與該第二本機時鐘來校正不同時鐘頻率及時鐘時 間之校正資訊。 该第一裝置可以係一行動台，而該第二裝置可係一第一 基地台，並且該系統可進一步包括多個進一步基地台，每 個進一步基地台都具有一本機時鐘。可安排每個進—步基 地台接收第一進一步基地台訊號和第二進一步基地台訊 唬，並且測量該等進一步基地台訊號到達該進一步基地台 之相對於該進一步基地台本機時鐘之時間。並且在一相對 於該進一步基地台本機時鐘之既定時間，傳輸一進一步回 應訊號。該系統可以利用訊號在該行動台和每個基地台之 間傳輸之時間，計算該行動台到每個基地台之範圍，以及 根據該範圍計算該行動台位置。 從該等基地台發射到每個基地台之訊號可以是每個基地 步基地台發回之回應訊號明顯不同。使用廣播訊號之方法 避免了行動台在發射第一訊號和第二訊號時需要行動台知 道哪個基地台位於發射範圍之内。 台通用之廣播訊號，或者可替 離訊息號。因此，在一較佳 給該基地台之第一訊號和第二 基地台訊號和第二進一步基地 收，但是其中由第一基地台發 代爲可用於每個基地台之分 實施例中，由該行動台發射 訊號也可以作爲第一進一步 台訊號而由進一步基地台接 回之第三訊號與由每個進一

O:\89\89379.DOC 200422638 本發明也係關於該等個別農置，其—方面包括一種用於 配合-包括第二本機時鐘之第二裝置共同操作之裝置，該 裝置包括： 一第一本機時鐘； 一發射機，安排其在相對於該第一本機時鐘之第一時間 ti將一第-訊號發射給該第二裝置，以及在相對於該第一

本機%•鐘之第三時間t3將一第二訊號發射給該第二裝置； 以及 I 一接收機，安排其接收來自該第二裝置之一第三訊號， 並且在㈣於該第-本機時鐘之第六時間t6測量第三訊號 到達之時間；以及 計算單元，安排其接收來自該第二裝置之時序資訊，該 時序資訊包括當該第二裝置根據第二本機時鐘收到第一訊 號時之-第二時Fa1t2、當第二裝置根據第二本機時鐘收到 第二訊號時之一第四時間t4、以及當第二裝置根據第二本 機時鐘發射第三《時之-第五時間t5;並且安排其根據 D亥第帛—、第二、S四、第五和第六時間計算時序資 訊:該時序資訊包括針對該第一本機時鐘與該第二本機時 鐘校正不同時鐘頻率和時鐘時間。 /注意的是在上述裝置中，在該第1置内提供該計算 單元。 如上所述，同樣也能狗在第二裝置内執行該計算，因此 在另-方面提供一種用於配合一具有—第—本機時鐘之第 一裝置共同操作之裝置，該裝置包括：

O:\89\89379.DOC -10- 200422638 '弟—本機時鐘； 一接收機，安排其接收來自第一裝置之第一訊號和第二 訊號’並且根據第二本機時鐘測量第一訊號到達時間，將 其作爲一第二時間t2，以及根據第二本機時鐘測量第二訊 號到達時間’將其作爲一第四時間t4 ;以及 一發射機，安排其在相對於第二本機時鐘之第五時間t5 將一第三訊號發射給該第一裝置；以及 一计异單兀，安排其接收來自第一裝置之時序資訊，該 時序資訊包括當第一裝置根據第一本機時鐘發射第一訊號 日守之第一日守間11、當第一裝置根據第一本機時鐘發射第 三訊號時之時間t3、以及當第一裝置根據第一本機時鐘收 =第六訊號時之-第六時m6;並且安排其根據該第一、 第二、第三、第四、第五和第六時間計算時序資訊，該時 序資Λ包括針對该第一本機時鐘與該第二本機時鐘來校正 不同時鐘頻率和時鐘時間之校正資訊。 【實施方式】 見僅藉由Μ例方式，參考所附圖式對本發明進行描述。 二圖1顯示一行動電話1，其具有一與通信天線11連接之通 佗赉射接收機10，並且該發射接收機藉由一通信微處理器 12控制，該處理器包括一第一本機時鐘14。 該圖同時顯示三個基地台2,每個基地台都包括與一通信 良1連接之通化發射接收機20，並且該發射接收機由一 通信微處理器22控制，該處理器包括—第二本機時鐘26。 在使用中，將該行動電話向該等基地台2之-主基地台24

O:\89\89379.DOC -11 - 200422638 註冊，以促進同主基地台24以及對應之行動電話網路進行 語音和資料通信。例如，此通信可包括語音電話、文字訊 息和存取網際網路。由於在一行動電話網路中設計和製造 此等用於雙向通信之電話和基地台係已知技術，並且此等 部分與本發明並不直接相關，因此將不進一步描述之。 在許多情況下，行動使用者希望定位該行動台位置。例 如，當進行緊急呼叫時，該行動台可以自動確定該位置並 且將該位置傳送到緊急服務操作者，美國將其通稱爲公共 女王應合點（PSAP)。爲了獲得一定位，行動電話ms必須對 至少二個已知位置之基地台測距。雖然沒有顯示，行動電 話M S亦可對附加基地台測距。 如圖2所顯示’根據本發明，該系統執行下列步驟： 首先（步驟30)，在相對於行動台之本機時鐘14之第一時間 tl，從行動台發送第一訊號61。下文中將行動台之本機時 鐘14稱爲行動本機時鐘。 在基地台接收該訊號（步驟32)並且測量其到達時間。將此 被測量之到達時間稱爲第二時間t2，其相對於該基地台之 本機時鐘26。然後在不同於11之第三時間t3，從該行動台發 送一第二訊號62(步驟34)，在該行動本機時鐘上再次測量時 間t3。在基地台接收該訊號（步驟36)並且根據該基地台本機 時鐘測量其到達時間，將該到達時間作爲第四時間t4。然 後，在相對於該基地台本機時鐘之一第五時間t5，從基地 台發送一第三訊號63(步驟38)到該行動台。在行動台中接收 該訊號（40)並且將該行動台本機時鐘測量之其到達時間作 O:\89\89379.DOC -12- 200422638 爲第六時間t6。 發射和接收此等訊號之步驟在圖3通常顯示爲步驟42。 爲了計算位置，有必要將此等已測量時間集中到一起。 在所描述之該實施例中，在行動台1中進行該計算。將在基 地台2中測量之關於時間之資訊以第三訊號形式從該基地 台傳輸至該行動台，該資訊因此包括了時間，t4和t5。當 該行動台收到該第三訊號，則透過把時序資料一起儲存在 其儲存器（通信處理器12之一部分）來將時序資料收集到一 起（步驟44)。作爲此步驟之一部分，針對在該行動台和基地 台1、2中發射和接收訊號中所出現之已知延遲進行時間校 正。 该行動台然後根據已記錄之時間以及光速c，使用下式計 异行動台1和基地台2之範圍（步驟46): r =吾 -中 2 V a ) ^ a =^t2l 1) 比率α為該基地台本機時鐘頻率相對於該行動本機時鐘 頻率之量度。 用該行動台和至少兩個進一步基地台重複該程序（步驟 48)，以同樣計算該基地台到此等基地台之範圍。 然後在δ亥仃動台使用三邊測量技術（步驟5〇)以確定該行 動口所處位置。由於三邊測量技術係本領域内習知之簡單 之幾何技術，因此將不再進一步描述之。 然後將该行動台位置傳輸至該主基地台Μ，該行動台為

0:\89\89379.D0C -13- 200422638 進行語音和資料通信而向該主基地台註冊，然後將該行動 台位置發送至該緊急服務操作者，從而藉此使該電話使用 者能夠收到快捷的、位置具體的幫助。 較佳地’時間tl、t2、t3、t4，t5和t6測量至毫微秒解析 度’以使得範圍能夠精確至幾米内。 由於用於測量發射和接收時序訊號之具體方法已為吾人 所熟知，因此將不再進—步描述。熟習此項技術者應瞭解 此等延遲可發生在發射機及接收機中，此等作爲飛行測量 時間（mghtmeasurement) —部分之延遲是由遽波器、類比數 轉換益等類似物所導致’並且此等延遲需要從所測之範 :中減去。然而請注意’假定該等延遲係常量時，該相對 4鐘頻率量度α不受此延遲影響。 △在-第二實施例中，基地台2係一内部或區域網路之基地 口，並且行動台丨為相應之行動台。 处故丞地台和行動 # …·〜π此q於钒行定位。 猎由閲讀本發明說明，孰習 …、白此項技術者將清楚其它變化 少 。此荨變化和修改可舍括Μ斗 #1 ^ ^ 文了包括δ又计、製造和使用通信及 疋位系V先中所已知之等價物 其它特心.、 匕特徵，而該等等價物和 /、匕特徵可用於補香式 ，中已所述之特徵。《在本申 «月中已對特欲之特定組合 所揭示範圍W… &甲。月專利乾圍’但是應暸解 或特徵組合，也n6 3揭不之任何新的特徵 也同樣包括其中所有一如姓 減輕了 - 4b或全s’無論其是否 —飞王口 P與本發明所描述之相 請人據此說明，在^ > + & & 技術問碭。本申 在執订本中請或另外㈣從此派生之申請

O:\89\89379.DOC -14- 200422638 期間，可制定新的申請專利範圍。 雖然前文使用了三個範圍測量來㈣了本發明，但 可此對夕於二個基地台測距以便使用—最適合類型之叠 :法解析上述確定之方程組，以提供一具有改良精確：和 誤差容許量之定位。此外，藉由電話行動台發射之第; 序訊號和第二時序訊號，三個基地台（或者實際上範圍^ 之任何基地台）都可接收和測量之。此避免了發送不同第— 訊號和第二訊號到不同基地台之需要。 此外，雖然以上描述是在—緊急情形下進行，但是只要 該行動台使用者希望知道其位置，就可執行該相同程序。 此外’並不需要藉由行動台來啓動測距步驟，也不需要 在該行動台内執行計算。因&，該等基地台之一可啓動啵 測距步驟，並且在此實财可方便地在該基地台中:行^ 算。 。 【圖式簡單說明】 圖1顯示-行動電話行動台對複數個附近之行動電話網 路基地台測距； 圖2闡明訊號交換；以及 圖3顯示本發明之該測距之操作流程圖。 【圖式代表符號說明】 1 行動電話（第一裝置） 2 基地台（第二裝置） 10 發射接收機 11 通信天線 O:\89\89379.DOC -15- 200422638 12 通信微處理器 14 第一本機時鐘 20 發射接收機 21 通信天線 22 通信微處理器 24 主基地台 26 第二本機時鐘 O:\89\89379.DOC -16-

Claims (1)

1. 200422638 捨、申請專利範園： 1_ 一種用於獲得介於具有第一本機時鐘之第一裝置（丨）與具 有第二本機時鐘之第二裝置（2)間之時序資訊之方法，包 括·· 在相對於該第一本機時鐘之第一時間t 1，將一第一訊 號（61)從該第一裝置（1)發射給該第二裝置（2); 測量該第一訊號（61)到達該第二裝置（2)之相對於該第 二本機時鐘之該第二時間t2 ; 在一相對於該第一本機時鐘但不同於該第一時間U之 第一 k間t3，將一第三訊號（62)從該第一裝置⑴發射給該 第二裝置（2); 測量該第二訊號（62)到達該第二裝置⑺之相對於該第 二本機時鐘之該第四時間t4 ; 在一相對於該第二本機時鐘之第五時間t5，將一第三訊 號（63)從該第二裝置（2)發射給該第一裝置（1) ; ° 測里1 2 3 4亥第三訊號（63)到達該第一裝置⑴之相對於第一 本機時鐘之該第六時間t6 ;以及 根據該第_、第二、第三、第四、第五和第六 算時^資訊，該時序資訊包㈣於針對該第—本機· 與该弟-本機時鐘來校正不同時鐘頻率： 正眘訊。 τ $吋間之校 O:\89\89379.DOC 1 .根據申請專利範圍第1項之方法，包括： 2 根據該第二本機時鐘，從該第四時間中減去 3 間以獲得一兮楚_ # # < Μ昂一 4 Μ弟一吼唬和該第二訊號之間之時間量度； 200422638 根據該第-本機時鐘’從該第三時間中減去該第一時 間以獲得-該第一訊號和該第二訊號之間之時間量度； 以及 將根據該第二裝置時鐘之該第—訊號和第二訊號之間 ，該時間除以根據該第一裝置時鐘之該第—訊號和第二 ^虎之間之該時間，以便獲得該第二本機時鐘相對於該 苐一本機時鐘之頻率量度。 3.根據申請專利範圍第即項之方法，丨中該第三訊號⑼ 土括該所測量之第二、第四和第五時間，以將該第二、 第四和第五時間傳輸至該第一裝置。 4·根據申請專利範圍第項之方法，包括針對該第一裝 置（1)和第二裝置（2)内之預定延遲而校正該第一、第二、 第三、第四、第五和第六時間。 5·根據申請專利範圍第_項之方法，#中根據所記錄之 該時間和該訊號速度c，使用下式計算該範圍r : r —η — ίίϋ)，豆中 H a J - ψ a ⑹-il) 6. 一種定位一行動台之方法，包括計算複數個基地台（2)和 該行動台（1)之間之範圍，每個基地台（2)利用如申請專利 範圍第5項之方法計算該範圍，其中該基地台（2)係第二站 台’而行動台（1)係第一站台；以及 利用該行動台（1)到該基地台（2)之間之距離執行三邊 測量以確定該行動台（1)之位置。 O:\89\89379.DOC -2- 200422638 7· 一種獲得時序資訊之系統，包括： 弟衣置（1)，具有一第一本機時鐘、一發射機和一 接收機，安排其： 在相對於該第一本機時鐘之第一時間tl發射一第一訊 號（61); 在相對於該第一本機時鐘之第三時間t3發射一第二訊 號（62);以及 接收一第三訊號（63)，並且測量該第三訊號到達該第一 扁置（1)之相對於該第一本機時鐘之該第六時間t6 ; 第一裝置（2)，其具有一第二本機時鐘、一發射器和 一接收器，安排其·· 々接收忒第一汛唬(61)並且測量該第一訊號⑻)到達該 第二裝置（2)之相對於該第二本機時鐘之該第二時間^ ; ★接收該第二訊號(62)，並且測量該第二訊號(62)到達該 第二裝置(2)之相對於該第二本機時鐘之該第四時間μ; 以及 在一相對於該第二本機時鐘之第五時間t5發射該第三 訊號（63); 一安㈣系統根據該第一、第二、第三、第四、第五和 弟以料异時序資訊，該時序資訊包括用於針對 -本機時鐘與該第二本機時鐘來校正不料率和時 間的校正資訊。 寸 8.根據申請專利範圍第7項之系統，其中根據 和光速c使用下式計算該第―裝置和該第： O:\89\89379.DOC 200422638 其中 r 二 —，i—i’H、 2 V a j (Ί---— ^ (，3-，1) 9、根據申請專利範圍第8項之系、统，其中該第一裝置⑴係一 行動台，該第二裝置（2)係一第一基地台， 該系統包括多個進-步基地台⑺，每個進一步基地台 都具有一本機時鐘，安排每個進一步基地台： 接收第-進一步基地台訊號和第二進一步基地台訊號 (61、62)，以及測量它們到達該進一步基地台之相對 於該進一步基地台之本機時鐘之時間；以及 在一相對於該進一步基地台本機時鐘之既定時間，將 傳輸一進一步回應訊號； 其中可安排該系統利用訊號在該行動台和該等基地台 每個之間傳輸之時間計算該行動台到每個基地台之範 圍，以及根據該等範圍計算該行動台之位置。 10·根據申請專利範圍第9項之系統，其中從該行動台傳輸到 該基地台之該第一訊號和第二訊號（61、62)同樣作爲該第 一進一步基地台和該第二進一步基地台之訊號由該等進 一步基地台接收，但其中從該第一基地台傳回之該第三 訊號（63)與從每個進一步基地台傳回之進一步回應訊號 明顯不同。 [1· 一種用於配合一包括一第二本機時鐘（26)之第二裝置（2) 共同操作之裝置，該裝置包括： 一第一本機時鐘（14); O:\89\89379.DOC 200422638 一發射機（10、11) ’安排其在相對於該第一本機時鐘之 第一時間11將一第一訊號（61)發射給該第二裝置（2)，以及 在一相對於該第一本機時鐘之第三時間t3將一第二訊號 (62)發射給該第二裝置；以及 接收機（10、11)，女排其接收來自該第二裝置（2)之 一第三訊號（63)，並且在一相對於該第一本機時鐘之第六 時間t6測量該第三訊號到達之時間t6 ;以及 一計算單元（12)，安排其接收來自該第二裝置（2)之時 序資訊，該時序資訊包括當該第二裝置（2)根據該第二本 機時鐘收到該第一訊號時之一第二時間t2、當該第二裝置 根據该第二本機時鐘收到該第二訊號時之一第四時間 t4、以及當該第二裝置根據該第二本機時鐘發射該第三訊 號（63)時之-第五時間t5;並且安排其根據該第一、第 二、第三、第四、第五和第六時間計算時序資訊，該時 序資訊包括用於針對該第—本機時鐘與該第二本機時鐘 來校正不同時鐘頻率和時鐘時間的校正資訊。 時鐘（14)之第一裝置（1) 12、一種用於配合一包括一第一本機 共同操作之裝置，該裝置包括： 一苐二本機時鐘（2 6); -接收機（2G、21)，安排其接收來自該第—裝置⑴之 第-訊號和第二訊號（61、62)，並且根據該第二本機時鐘 測量該第-訊號到達時間，將其作爲—第二時_，以及 根據該第二本機時鐘測量該第二訊號到達時間，將其作 爲一第四時間t4 ;以及 O:\89\89379.DOC 2〇〇422638 一發射機（20、2!)，安排其在一相對於該第二本機時鐘 之第五時間t5,將一第三訊號（63)發射給該第一裝置（1); 以及 一計算單元（22) ’安排其接收來自該第一裝置（1)之時 序資訊，該時序資訊包括當該第—裝置根據該第一本機 時鐘發射該第—訊號時之—第—時間u、t該第—裝置根 據該第-本機時鐘發射該第—訊號時之—第三時間t3、以 及:該第-裝置根據該第—本機時鐘收到該第六訊號時 =一第六時間t6;並且安排其根據該第一、第二、第三、 ::二五：第六時間計算時序資訊’該時序資訊包括 時鐘冲…心 才里…亥弟一本機時鐘來校正不同 才里頻率和時鐘時間的校正資訊。 O:\89\89379.DOC