專利名稱：利用目的多徑信號的定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及定位系統(tǒng)，尤其涉及一種利用一個或更多目的 多徑信號，確定移動設(shè)備相對于大量目標的位置的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
本地定位系統(tǒng)正在成為需要導(dǎo)航能力的移動設(shè)備中一項重要功能 (enabler)，特別是在自控車輛和精確建筑工具的應(yīng)用中。諸如GPS 的全球定位系統(tǒng)只提供通常不優(yōu)于10cm的中等精度的定位信息，并且 需要有接近地平線的清晰天空視覺。具有分布在工作空間中的有源或 無源組件的本地定位系統(tǒng)，可以允許進行精確得多(<lcm)的定位， 并且允許用戶按照需要擴充系統(tǒng)，使其即使在最復(fù)雜的封閉地形中也 能運行。常規(guī)的本地定位系統(tǒng)包括聲學(xué)和激光測距系統(tǒng)。聲學(xué)系統(tǒng)通常利 用無線電應(yīng)答信標來測量設(shè)備網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的范圍，其中一些設(shè)備被固定 形成本i也坐標系統(tǒng)。不幸的是，由于聲音在空氣中傳播的特性，聲學(xué)系統(tǒng)只能測量精 度到厘米或更多的范圍，并且只能在相對較短的距離上測量?；诩?光的本地定位系統(tǒng)利用設(shè)備與一個或更多諸如棱鏡之類的反射目標之 間的角度和范圍的測量，對設(shè)備位置進行三角或者三邊測量。然而， 現(xiàn)在的激光系統(tǒng)使用昂貴的瞄準機構(gòu)，使系統(tǒng)成本達到三萬美元或更 高。能夠確定2D或3D位置達到幾個毫米精度的成本相對較低(例如 低于2000美元)的本地定位系統(tǒng)將會在某些應(yīng)用領(lǐng)域中帶來大批有潛 力的產(chǎn)品，這些應(yīng)用領(lǐng)域諸如精確室內(nèi)和室外建筑、采礦、精細農(nóng)業(yè) 和大范圍收割和處理。本發(fā)明克服了常規(guī)的本地定位系統(tǒng)在成本和精 確度方面的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法提供低成本但是高度精確 的本地定位系統(tǒng)。在一個實施例中， 一種設(shè)備發(fā)射具有載波信號頻率 的至少一個電磁脈沖，該設(shè)備包括天線和具有靠近天線的已知位置的 反射器。該設(shè)備在一段時間內(nèi)接收返回信號，其中該返回信號包括來 自該設(shè)備的雷達探測區(qū)域內(nèi)目標的返回脈沖，以及至少一個多徑脈
沖。該i殳備處理該返回信號，以《更將返回脈沖和該至少一個多徑脈沖 從返回信號中分離出來。該設(shè)備確定從該設(shè)備到目標的范圍和該設(shè)備 相對于目標的位置。該范圍根據(jù)返回脈沖的到達時間確定，該位置祁^ 據(jù)至少 一個多徑脈沖的到達時間確定。
在一些實施例中，所發(fā)射的脈沖被極化，并且所接收的返回信號 優(yōu)選地具有相同的極化。
在一些實施例中，反射器是無源反射器。在另外的實施例中，反 射器是有源反射器。在一些實施例中，目標是無源反射器。在另外的 實施例中，目標是有源地標。
在一些實施例中，該設(shè)備包括處理器、存儲器和至少一個程序模 塊。該至少一個程序模塊被存儲在存儲器中并由處理器執(zhí)行。該至少 一個程序模塊包含用于處理返回信號的指令，以便將返回脈沖和至少 一個多徑脈沖從返回信號中分離出來。該至少一個程序模塊還包含用 于確定從設(shè)備到目標的范圍和設(shè)備相對于目標的位置的指令。該范圍 根據(jù)返回脈沖的到達時間確定，該位置根據(jù)至少 一個多徑脈沖的到達 時間確定。
在一些實施例中，天線被配置為，既優(yōu)選地發(fā)射具有極化的脈沖， 也優(yōu)逸地接收具有極化的返回信號。


當結(jié)合附圖時，從下述的詳細說明和所附權(quán)利要求中，本發(fā)明的 其他目標和特征將變得更加顯而易見。
圖1是圖解具有一個或更多目的多徑信號的定位系統(tǒng)實施例的框圖。
圖2是圖解所述定位系統(tǒng)的實施例的框圖。
圖3A是圖解在所述定位系統(tǒng)的一個實施例中直接路徑和多徑信號
的到達時間的圖。圖3B是圖解在所述定位系統(tǒng)的一個實施例中直接路徑和多徑信號 的到達時間的圖。圖4是圖解所述定位系統(tǒng)的實施例的框圖。 圖5A是圖解所述定位系統(tǒng)的實施例的框圖。 圖5B是圖解所述定位系統(tǒng)的實施例的框圖。圖6是圖解在所述定位系統(tǒng)的實施例中典型設(shè)備中的各部件的框圖。圖7是圖解在所述定位系統(tǒng)的實施例中典型有源地標中的各部件 的框圖。圖8是圖解利用一個或更多目的多徑信號的過程實施例中操作的 流程圖。相同的附圖標記在幾個附圖中是指相對應(yīng)的部分。
具體實施方式
現(xiàn)在詳細地參照本發(fā)明的各實施例，它們的實例被示于附圖中。 在下面的詳細描述中，為了實現(xiàn)對本發(fā)明的全面理解，闡述了大量特 殊細節(jié)。然而，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，很明顯地，本發(fā)明可以 在沒有這些特殊細節(jié)的情況下實現(xiàn)。在其它例子中，沒有對公知的方 法、過程、部件和電路進行詳細描述，但這樣不致于使得本發(fā)明的各 個方面不清楚。通常，多徑傳播使諸如蜂窩電話網(wǎng)和無線局域網(wǎng)(WLAN)之類的 通信系統(tǒng)以及諸如全球定位系統(tǒng)(GPS)之類的定位系統(tǒng)性能降低。例 如，當射頻信號在從發(fā)射器向接收器傳輸時，射頻信號采用不同路徑， 這時發(fā)生多徑傳播。當信號在途中時，諸如墻壁、椅子、桌子和其它 物品之類的目標使信號從一個或更多不同方向上反彈。例如，被稱為 直接路徑信號的信號的一部分，可以直接傳播到接收器，而另外的部 分將從椅子反彈到天花板，然后再到接收器。結(jié)果是， 一些信號將受 到延遲，并通過一個或更多較長路徑到達接收器。該部分的信號稱為 多徑信號。在接收器， 一個或更多個多徑信號可能與直接路徑信號重疊，帶 來符號間干擾的增加。在通信系統(tǒng)中，這種干擾可導(dǎo)致編碼在該信號
中的解調(diào)信息中的誤差，造成比特誤差。在定位系統(tǒng)中，這種干擾可
導(dǎo)致所確定的設(shè)備位置的誤差，諸如GPS中的偽距。因此，在現(xiàn)有系 統(tǒng)中，利用諸如分集(包括位于物理地彼此分離位置上的兩個或更多 接收天線)和多徑消除(參見例如US6, 370, 207 )來避免或最小化多 徑信號。這些方法增加了這些現(xiàn)有系統(tǒng)的復(fù)雜度和開銷。
本文獻中所描述的本發(fā)明各實施例提供了系統(tǒng)和方法實施例，它 們提供了低成本但是高度精確的本地定位系統(tǒng)。這些實施例以有利的 方式利用通常被認為是不需要的多徑信號。特別地， 一個或更多多徑 信號在本地定位系統(tǒng)中被有意生成。設(shè)備中具有靠近天線的已知位置 的反射器產(chǎn)生一個或更多多徑信號。通過將一個或更多多徑信號(相 對于直接路徑信號)到達時間中的延遲與對應(yīng)于反射器已知位置的最 大延遲相比較，可以確定設(shè)備相對于在該設(shè)備雷達探測區(qū)域內(nèi)目標的 位置。
圖1圖解具有一個或更多目的多徑信號的定位系統(tǒng)的實施例 100。設(shè)備110被配置為利用至少一個天線112發(fā)射一個或更多信號 118，其中的每個信號都包括具有載波信號頻率的至少一個電磁脈沖。 在某些實施例中，設(shè)備110被配置為發(fā)射一個或更多具有多個電磁脈 沖的信號118。在一個典型實施例中，脈沖持續(xù)1納秒(ns )并具有6 千兆赫茲(GHz)的載波信號頻率。用于脈沖的典型重復(fù)周期是每個微 秒。其它實施例可以使用的脈沖持續(xù)時間和載波信號頻率對是Ins 和24GHz; 5ns和6GHz;以及Ins和77GHz。在某些實施例中，以增 加相關(guān)電路的成本和復(fù)雜度為代價，可利用較短的脈沖持續(xù)時間和較 高的栽波信號頻率得到提高的范圍估計精確度。
在一些實施例中，發(fā)射信號118被極化。極化可以包括線性極化、 橢圓極化、右旋橢圓極化、左旋橢圓極化、右旋圓極化或左旋圓極化。
設(shè)備110還包括靠近天線112的反射器114。反射器114與天線 112之間有間隔116。在一種典型實施例中，間隔116對應(yīng)于從天線 112到反射器114的傳播延遲，2ns或大約0. 6m。在發(fā)射期間， 一個 或更多發(fā)射信號118的一部分被從反射器114反射出去，得到一個或 更多多徑信號。在一些實施例中，反射器114是無源反射器。在其它 實施例中，反射器114是有源反射器，其中，反射器1H接收并轉(zhuǎn)發(fā) 發(fā)射信號118的一部分。每個轉(zhuǎn)發(fā)信號包括至少一個電磁脈沖。在一
些實施例中，轉(zhuǎn)發(fā)信號中的電磁脈沖可以具有第二栽波信號頻率。在 一些實施例中，可以利用幅度調(diào)制或頻率調(diào)制對轉(zhuǎn)發(fā)信號進行調(diào)制， 和/或?qū)D(zhuǎn)發(fā)信號進行編碼。在一些實施例中，轉(zhuǎn)發(fā)信號可以被極化。在一些實施例中，轉(zhuǎn)發(fā)信號的極化可以與發(fā)射信號118相同。有源反 射器可以提高附加時間延遲，該附加時間延遲與當發(fā)射信號118的一 部分被接收時和當其被轉(zhuǎn)發(fā)時之間的時間相關(guān)聯(lián)。該延遲可以在校準 過程中確定，并存儲在設(shè)備110中。接下來，對于該延遲，校正設(shè)備 110位置的確定。除非另外指出，在剩下討論的典型實施例中，反射器 114都采用無源反射器。包括多徑信號的信號118被定位系統(tǒng)100的雷達探測區(qū)域內(nèi)的一 個或更多目標反射，該一個或更多目標包括無源反射器120、植物124 和/或建筑物126。例如，當植物124被信號118 —2照射時，植物124 將反射一個信號122_2。相似地，當建筑物126被信號118-3照射時， 建筑物126將反射一個信號122 — 3。每個返回信號122包括至少一個 電磁返回脈沖。在一些實施例中，返回信號122包括多個電磁返回脈 沖。在一些實施例中，無源反射器120是二面反射器。在一些實施例 中，無源反射器120是角錐反射器。在一些實施例中，定位系統(tǒng)100包含一個或更多可選的有源地標 128，其中，發(fā)射信號118 — 4被有源地標128接收并且作為信號130被 發(fā)射。信號130包括至少一個電磁返回脈沖。在一些實施例中，信號 130包括多個電磁返回脈沖。在一些實施例中，信號130中的電磁返回 脈沖可具有第二栽波信號頻率。在一些實施例中，可以利用幅度調(diào)制 或頻率調(diào)制對信號130進行調(diào)制，和/或?qū)π盘?30進行編碼。在一些 實施例中，信號130可以被極化。在一些實施例中，信號130的極化 可以與發(fā)射信號118-4相同。有源地標128可以提高附加時間延遲， 該附加時間延遲與當發(fā)射信號118 — 4被接收時和當信號130被轉(zhuǎn)發(fā)時 之間的時間相關(guān)聯(lián)。該延遲可以在校準過程中確定，并存儲在設(shè)備IIO 中。接下來，對于該延遲，校正設(shè)備IIO位置的確定。設(shè)備110被進一步配置為，在一段時間內(nèi)接收一個或更多返回信 號122，可選地還有信號130。在一些實施例中，設(shè)備110被配置為優(yōu) 選地接收返回信號122，并且可選地接收具有信號118極化的信號 130。返回信號122和/或信號130的一部分直接傳播到天線112。返
回信號122和/或信號130的另一部分被反射器114反射，在接收期間 得到一個或更多個多徑信號。設(shè)備還被配置為處理一個或多個返回信 號，以便將各自返回信號中諸如返回信號122-1中的各自直接路徑返 回脈沖和至少一個多徑脈沖從各自的返回信號中分離出來。
在定位系統(tǒng)100的一些實施例中，可有諸如設(shè)備110的兩個或更 多附加設(shè)備，諸如無源反射器120的兩個或更多附加的無源反射器， 和/或諸如有源地標128的兩個或更多有源地標。在一些實施例中，無 源反射器120和/或有源地標128的位置可被固定。在其它實施例中， 無源反射器120和/或有源地標128的平均位置可被固定。無源反射器 120和/或有源地標128可被放置在已測位置上?？蛇x地，無源反射器 120和/或有源地標128可被放置在任意位置上，該任意位置在初始系 統(tǒng)自校準過程中自動確定并存儲在例如設(shè)備110中。在任一情況下， 通過確定一個或更多范圍，相對于一個或更多諸如無源反射器120的 無源反射器，和/或諸如有源地標128的有源地標確定設(shè)備110的位 置。每個范圍都與設(shè)備110和無源反射器no或有源地標l28之間的 距離有關(guān)。
根據(jù)相應(yīng)的直接路徑返回脈沖的到達時間，確定從設(shè)備110到諸 如無源反射器120的各個目標的范圍。對于各個目標來說，距離設(shè)備 110的3巨離為r，則到達時間(ToA)為
ToA = 2二 (方程1)
c
其中c是電磁信號的傳播速度。電磁信號的傳播速度c，在真空中 大約為3. 0*108m/s。在通常的大氣狀況下，電磁信號的傳播速度偏離 這個值，相差小于300ppm (百萬分之一)。通過使用關(guān)于海拔和其它 環(huán)境因子的信息，在定位系統(tǒng)100的環(huán)境中電磁信號的傳播速度可被 確定為在100ppm之內(nèi)。如上面提到的，對于來自可選有源地標和 /或有源反射器(在反射器114是有源反射器的實施例中)的返回脈沖， 存在一個與有源地標128和/或有源反射器中的信號處理相關(guān)聯(lián)的附加 延遲A。為了與有源地標128—起4吏用，到達時間的4,正表達為
ToA = 2^ + A (方程2)
延遲△對于所有有源地標和/或所有有源反射器可以不同。通過對 于延遲厶來校正到達時間，可精確確定從設(shè)備110到各自目標的范圍。 正如下面所討論的，在定位系統(tǒng)100中發(fā)射和接收期間，附加的目的多徑信號提供附加信息，該附加信息使得對應(yīng)于諸如無源反射器120的各目標的角度可被確定。該角度和設(shè)備11 0與各目標之間的范圍 確定設(shè)備110相對于各目標的位置。在一些實施例中，該位置信息足夠于明確確定設(shè)備110的位置。 在其它實施例中，可使用多于一個的無源反射器120和/或多于一個的 有源地標128。例如，如果已知不共線的三個無源反射器和/或有源地 標組合的位置，例如通過對它們進行提前測定，并且設(shè)備110和無源 反射器和/或有源地標基本上位于一個二維平面內(nèi)，則根據(jù)從設(shè)備110 到每個無源反射器和/或有源地標的范圍信息，明確確定設(shè)備110的位 置是可能的。可替換地，如果有源地標112不是共面的，則根據(jù)從設(shè) 備110到每個無源反射器和/或有源地標的范圍信息，使用位置已知的 四個無源反射器和/或有源地標將能夠明確確定設(shè)備110的位置。用于 基于一個或更多范圍確定位置的算法對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是公知 的。參見，例如"Quadratic time algorithm for the minmax length triangulation，， ， H. Edelsbruneer and T. S-Tan, pp. 414—423 inCo邁; "er 5We"ce， 1991， San Juan， Puerto Rico,在這里被全部引 用作為參考。圖2圖解了一種利用一個或更多目的多徑信號的定位系統(tǒng)的實施 例200。目標210所在位置相對于直線212具有角度214，還具有諸如 天線112 (與圖1中的設(shè)備110)與目標210之間方向216的方向。天 線112沿方向216發(fā)射包括具有載波信號頻率的至少一個電磁脈沖的 直接路徑信號的信號。天線還沿方向218發(fā)射包括具有載波信號頻率 的至少一個電磁脈沖的信號。反射器114將沿方向226反射包括至少 一個電磁多徑脈沖的第一返回多徑信號。為了確定目標210的位置， 該第一返回多徑信號的總傳播時間足夠短，第一返回多徑脈沖可被忽 略。反射器114還將沿方向220反射多徑信號。沿方向216傳播的直接路徑信號將被目標210反射出去。將存在 一個包括沿方向222傳播的至少一個電磁返回脈沖的直接路徑信號。 還將存在沿方向224傳播的多徑信號。該多徑信號將被反射器114反
射出去，產(chǎn)生包括沿方向226傳播的至少一個電磁多徑脈沖的第二返 回多徑信號。
沿方向220傳播的多徑信號將被目標210反射，產(chǎn)生包括沿方向 222傳播的至少一個電磁多徑脈沖的第三返回多徑信號。另外，將會存 在一個沿方向224傳播的多徑信號。該多徑信號將被反射器114反射， 產(chǎn)生包括沿方向226傳播的至少一個電磁多徑脈沖的第四返回多徑信 號。要注意的是，在該討論中忽略產(chǎn)生多徑信號的更高次反射的情況。
設(shè)備接收的返回信號將包括沿方向222傳播的返回信號、沿方向 226傳播的第二返回多徑信號、沿方向222傳播的第三返回多徑信號和 沿方向226傳播的第四返回多徑信號。要注意的是，第二返回多徑信 號和第三返回多徑信號的總傳播時間是相同的。因此，這些信號中的 多徑脈沖基本上將會相互重疊。
對于各個角度214，圖3示出了設(shè)備110(圖1 )處的返回信號300， 幅度310為時間312的函數(shù)。返回信號300包括對應(yīng)于直接路徑返回 信號的脈沖314，對應(yīng)于第二返回多徑信號和第三返回多徑信號中的重 疊多徑脈沖的脈沖316，和對應(yīng)于第四返回多徑信號的脈沖318。脈沖 316具有相對于脈沖314的延遲320，脈沖318具有相對于脈沖314的 延遲322。當角度214 (圖2 )接近0°或18 0°時，延遲320和322 將減小并接近為零。這在圖3B中由返回信號324中脈沖之間的延遲326 和延遲328來表示。對于角度214 (圖2 )不完全等于0°和180° ， 目的多徑信號提供附加信息，使得可確定設(shè)備110 (圖1)的位置。
回過來參考圖2，當角度214等于0?；?80°時，返回信號中的 返回脈沖和多徑脈沖將會重疊。為了防止信號全部損失，選擇反射器 114的橫截面或增益曲線(gain profile)，使得反射器114反射的 各多徑信號幅度小于直接路徑信號幅度。在典型實施例中，反射器114 反射的各多徑信號幅度小于直接路徑信號幅度的一半(由此確保返回 脈沖在諸如圖3A中返回信號300的各個返回信號中具有峰值幅度)。 這對應(yīng)于從脈沖314到脈沖316，功率上至少減小到四分之一。在典型 實施例中，反射器114是球形的，并且有金屬涂層，諸如金，該金屬 具有對于在微波區(qū)域中的載波信號頻率來說合適的電導(dǎo)率(因此還有 透入深度)。在另一個典型實施例中，反射器114為角錐狀，并有金 屬涂層。在又一個典型實施例中，反射器114適當?shù)臋M截面由反射器 114的表面區(qū)域確定。由于反射器114的位置(其包括相對于天線112的間隔116)已 知，因此，諸如脈沖316和318 (圖3A)的多徑脈沖與諸如返回脈沖 314 (圖3A)的返回脈沖之間的延遲，諸如延遲320 (圖3A)，使得 可確定角度214。特別地，如前面所述的，返回脈沖316的到達時間使 得可確定目標210與設(shè)備110 (圖1)之間的范圍。諸如延遲320 (圖 3A)的延遲允許對應(yīng)于間隔116和間隔228的總和的附加路徑長度。 由于間隔116已知，這就使得可確定間隔228。該范圍、間隔116和 間隔228使得可確定角度214。因此，可以根據(jù)一個或更多多徑脈沖的 到達時間確定設(shè)備IIO (圖1)相對于各個目標的位置。例如，如果間隔116對應(yīng)于天線112與反射器114之間3ns的傳 播延遲，且目標210與天線112之間的范圍對應(yīng)于4ns，則對于等于 90°的角度214來說，間隔228對應(yīng)于5ns (利用勾股定理)，延遲 320 (圖3 )是4ns，延遲322 (圖3 )是8ns。如果間隔116對應(yīng)于天 線112與反射器114之間3ns的傳播延遲，且目標210與天線112之 間的范圍對應(yīng)于4ns，則對于等于45。的角度214來說，間隔218對 應(yīng)于2. 8336ns (利用余弦定理)，延遲320 (圖3)是1. 8336ns，延 遲322 (圖3)是3. 6672ns。前面對角度214的計算只是為了解釋的目的。還有其他更高效的 計算方法。由于諸如延遲320 (圖3A)的延遲是角度214的函數(shù)，則 對于已知的間隔116 (圖1)來說，對應(yīng)于不同數(shù)值的角度214的延遲 可以制成列表。給定反射器114的已知增益曲線，測量的延遲和脈沖 幅度可用于查詢角度214的相應(yīng)數(shù)值。圖4示出具有一個或更多目的多徑信號的所述定位系統(tǒng)的可替換 實施例400。定位系統(tǒng)400具有多個天線112，反射器114與天線112 不共線。在典型實施例中，反射器114離共線有10-15°的角度(未 示出)。當角度214 (圖2)基本上等于0°和180°時，該實施例400 受前面討論的挑戰(zhàn)影響較小。另一個對于當角度214 (圖2)基本上等于0°和180°時挑戰(zhàn)的 潛在解決方案是，將來自具有一個或更多目的多徑信號的定位系統(tǒng)的 定位信息與由合成孔徑雷達(SAR)所提供的附加定位信息相結(jié)合。這 在圖5A中示出。除了確定從設(shè)備IIO到一個或更多目標522的范圍，
每個目標都可以是無源反射器120 (圖1 )，在本地定位系統(tǒng)500中， 設(shè)備IIO在特定方向512上以速度v 510移動，并且發(fā)射一個或更多 信號118 (圖1 )，其中每個信號包括具有栽波信號頻率的至少一個電 磁脈沖。
設(shè)備110在一段時間內(nèi)接收一個或更多返回信號122 (圖1)。由 設(shè)備110接收的，來自諸如目標522_1的各個目標的返回脈沖和多徑 脈沖將根據(jù)如下方程發(fā)生多普勒頻移
<formula>formula see original document page 15</formula> (方程3)
其中X是栽波信號頻率，/是由設(shè)備iio接收的返回脈沖和一個或
更多多徑脈沖的接收的載波信號頻率，c是電磁信號在充滿設(shè)備110與 目標522_1之間環(huán)境的大氣中的傳播速度，并且^是設(shè)備的移動方向 512與直線516之間的角度514，其中直線516在設(shè)備110與目標522 —1 之間。(注意角度^ 514是圖2中角度214的余角)。如果設(shè)備110 的速度v 510或至少設(shè)備110的速度大小是已知的，則角度6 514可 以由一個或更多返回脈沖和/或一個或更多返回多徑脈沖的接收的載 波信號頻率確定。然而注意到，對于各個接收的載波信號頻率/，至少 有兩個角度滿足方程3。這是因為，對于解答方程的任意角度《，角度 一《也解答方程3。在圖5A中，這兩個角度對應(yīng)于方向512與設(shè)備110 和目標522 — 1之間直線516之間的角度^ 514，以及方向512與線518 之間的角度-6> 520。如圖5B所示，在一些諸如實施例524的實施例 中，目標522-1在特定方向512上，以速度v 5M圍繞一個平均固定 位置移動，使得角度P 514可以由產(chǎn)生的多普勒頻移確定。注意到， 在這些實施例時，多普勒頻移提供了關(guān)于角度^5"余角，即角度214 (圖2)的信息。
圖6是在所述定位系統(tǒng)實施例中，諸如設(shè)備110 (圖1)的典型設(shè) 備610中各部件的圖解。該設(shè)備包括至少一個天線112和至少一個反 射器114。在一些實施例中，設(shè)備610可以包括至少一個圓極化天線。 在一些實施例中，設(shè)備610可以包括至少一個線性極化天線。在一些 實施例中，設(shè)備610可以包括用于發(fā)射和接收的至少一個極化天線。 在一些實施例中，天線112可以是雙錐體、具有水平投影的雙錐體、 螺旋狀、水平全向、全向、半向或各向同性(isotropic)的。 設(shè)備610包括前端電路612和用于改變一個或更多信號的信號處 理器614。該改變可以包括放大、濾波和/或去除調(diào)制編碼。設(shè)備610 包括一個或更多處理單元(CPU) 616、存儲器620和一個或更多用于 連接這些部件的通信總線618。設(shè)備610可以包括可選的機電接口 636 和可選的運動機構(gòu)638，該運動機構(gòu)用于將設(shè)備610以一定速度在特定 方向上移動。在可選實施例中，設(shè)備610的一些或所有功能可以在一 個或更多專用集成電路(ASIC)中實現(xiàn)，由此消除對處理單元616的 需要，或者減少處理單元616的任務(wù)。存儲器620可以包括高速隨機 存取存儲器，還可以包括非易失性存儲器，諸如一個或更多磁盤存儲 設(shè)備。存儲器620可以包括位于遠離處理單元620處的大容量存儲器。存儲器62 0存儲操作系統(tǒng)622，該操作系統(tǒng)622包括用于處理各 種基本系統(tǒng)服務(wù)以便實施依賴于硬件的任務(wù)的程序。存儲器620可以 存儲可選的行動控制程序模塊624。存儲器620還存儲一個或更多程序 模塊626。該程序模塊626包含用于從設(shè)備610發(fā)射一個或更多信號， 并且在一段時間內(nèi)接收一個或更多返回信號的指令，其中該發(fā)射的一 個或者更多信號包括具有載波信號頻率的至少一個電磁脈沖。程序模 塊626包括脈沖分離模塊628，用于將返回脈沖和一個或更多多徑脈沖 從一個或更多返回信號中分離出來。程序模塊626還包括范圍確定模 塊630和位置確定模塊632。程序模塊626可選地可以包括多普勒計 算模塊634。上述標識的每個模塊和應(yīng)用對應(yīng)于一組指令，用于實施一個或更 多上述功能。這些模塊(即，指令組)不需要被實施為分離的軟件程 序、過程或模塊，因此這些模塊的各種子集可以組合起來或者以其它方式重新安排在各種實施例中。存儲器620中的模塊或指令組由處理單元616執(zhí)行。另外，設(shè)備610可以包括可執(zhí)行程序(諸如為 一個或更多有源地標進行的時間延遲 校正計算，和具有諸如圖1中反射器114的有源反射器的實施例)、 子模塊、表格或者包括例如一個或更多無源反射器120 (圖1)、有源 地標128 (圖1 )和/或?qū)?yīng)于一個或更多有源地標和/或有源反射器的 時間延遲的其它數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(未示出)。在一些實施例中，可以使用附 加的或不同的模塊和數(shù)據(jù)機構(gòu)，也可以不使用上面列出的一些模塊和/ 或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，設(shè)備610的功能可以更多地用硬件而 更少地用軟件實施，或者更少地用硬件而更多地用軟件來實施，這在 本領(lǐng)域是公知的。
參考圖7，在一個本地定位系統(tǒng)700實施例中的諸如有源地標128 (圖1 )的有源地標710包括用于接收電磁脈沖并轉(zhuǎn)發(fā)脈沖的至少一個 天線712。有源地標710還包括發(fā)射接收分離器714、可選的帶通濾波 器716和放大器718。有源地標710包括諸如混頻器的調(diào)制器720、信 號發(fā)生器722和控制邏輯726。有源地標710可以包括可選的延遲線 724。有源地標710還可以包括可選的機電接口電路728和可選的運動 機構(gòu)730，該運動機構(gòu)用于將有源地標710以一定速度在特定方向上移 動。
在一些實施例中，有源地標710是靜止的。對應(yīng)于設(shè)備610(圖6) 所發(fā)射的脈沖的接收信號利用天線712接收。如果設(shè)備610(圖6)所 發(fā)射的脈沖具有極化，則天線712可以優(yōu)選地接收具有極化的信號。 接收信號通過發(fā)射接收分離器714來分離發(fā)射和接收電路，通過可選 的帶通濾波器716來頻帶限制接收信號，以及通過放大器718來放大 接收信號。在一些實施例中，接收信號在調(diào)制器720中利用由信號發(fā) 生器722所生成的調(diào)制或編碼信號進行調(diào)制或編碼，生成發(fā)射調(diào)制信
號。調(diào)制可以是幅度調(diào)制或頻率調(diào)制。發(fā)射調(diào)制信號穿過可選的延遲 線724和發(fā)射接收分離器714，到達天線712，該天線712發(fā)射對應(yīng)于
該發(fā)射調(diào)制信號的返回電磁調(diào)制脈沖。
在一些實施例中，發(fā)射接收分離器714是發(fā)射接收開關(guān)。在其它 實施例中，發(fā)射接收分離器714是光柵(grating)，延遲線724改變 發(fā)射調(diào)制信號的相位，從而使得光柵將發(fā)射調(diào)制信號引導(dǎo)到天線712。 在其它實施例中，有源地標710包括諸如電池的可移動能源(未示出)。
在其它實施例中，有源地標710具有分離的接收和發(fā)射天線，每 個天線具有由設(shè)備610 (圖6)所發(fā)射的脈沖的極化，并且不包括發(fā)射 接收分離器714和延遲線724。
在一些實施例中，可對信號發(fā)生器722生成的調(diào)制信號可進行編 程，由此改變調(diào)制信號或?qū)φ{(diào)制信號進行編碼。對應(yīng)于信號發(fā)生器722 的改變的控制信息可以在設(shè)備610 (圖6)所發(fā)射的脈沖中被編碼。可 選地，控制信息可以在設(shè)備610 (圖6 )到有源地標710之間的分離無 線信號中被發(fā)射?？刂七壿?26識別該控制信息，并基于這些指令修
改信號發(fā)生器722中的設(shè)置。在一些實施例中，有源地標710可以圍繞平均固定位置移動。控 制邏輯726通過信號接口 728實施該功能，該信號接口反過來激活運 動機構(gòu)730。在一些實施例中，機構(gòu)730包括電動機，該電動機的速度 由接口 728所提供的DC電壓電平來控制。在一些實施例中，控制邏輯 726響應(yīng)來自設(shè)備610 (圖6)的并在來自設(shè)備610 (圖6)的發(fā)射脈 沖中或在分離的無線鏈路中編碼的命令信號，執(zhí)行該功能。為了使設(shè) 備610 (圖6)根據(jù)在返回脈沖和/或多徑脈沖中產(chǎn)生的多普勒頻移確 定角度信息，設(shè)備610(圖6)將需要知道有源地標710正在移動的方 向512 (圖5B )以及速度v 526 (圖5B )。圖8圖解了在定位系統(tǒng)中利用一個或更多目的多徑信號的一個操 作實施例的流程圖。在812,發(fā)射包括一個或更多具有載波頻率的脈沖 的信號。在一些實施例中，在812發(fā)射的信號具有特定的極化。在814， 在一段時間內(nèi)接收包括返回脈沖和一個或更多多徑脈沖的返回信號。 在一些實施例中，在814接收的返回信號優(yōu)選地具有極化。在816，從 返回信號中分離出返回脈沖和一個或更多多徑脈沖。在818，識別脈沖 組。在角度214 (圖2)不完全等于0?；?80°的實施例中，通常在 各個組中會有三個脈沖。在820，確定各組中脈沖之間的延遲。在822， 確定設(shè)備IIO (圖1)相對于諸如無源反射器120 (圖1)的各目標的 位置。為了便于解釋，上面的說明使用了特殊術(shù)語，以便徹底理解本發(fā) 明。然而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說很明顯的是，不需要特殊細節(jié)以便 實現(xiàn)本發(fā)明。為了最好地解釋本發(fā)明的原理及其實際應(yīng)用，選擇這些 實施例進行描述，由此使其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠最好地利用本發(fā)明 和各種實施方式，這些各種實施方式具有各種適于特殊應(yīng)用的改變。 因此，前面的公開并不力求詳盡，也不旨在將本發(fā)明限制到所公開的 精確形式?？紤]到上述教導(dǎo)，可以進行很多修改和變化。本發(fā)明的范圍意由下面的權(quán)利要求及其等價形式來限定。
權(quán)利要求
1、一種確定設(shè)備位置的方法，包括從該設(shè)備發(fā)射具有載波信號頻率的至少一個電磁脈沖；在一段時間內(nèi)接收返回信號，其中該返回信號包括來自該設(shè)備雷達探測區(qū)域內(nèi)目標的返回脈沖，以及與在靠近該設(shè)備的已知位置上的反射器相關(guān)聯(lián)的至少一個多徑脈沖；并且處理該返回信號，從而將返回脈沖和至少一個多徑脈沖從返回信號中分離，并且確定從該設(shè)備到該目標的范圍和該設(shè)備相對于該目標的位置，其中該范圍根據(jù)返回脈沖的到達時間確定，并且該位置根據(jù)該至少一個多徑脈沖的到達時間確定。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中脈沖在發(fā)射期間被極化，并且接 收優(yōu)選地接收具有極化的返回信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中該極化選自下面的組，該組包括 線性極化、橢圓極化、右旋橢圓極化、左旋橢圓極化、右旋圓極化和 左旋圓極化。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，進一步包括使用相同的極化天線用于 發(fā)射和接收。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中該目標是無源反射器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中該目標是有源地標。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中該反射器是有源反射器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中該反射器是無源反射器。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，進一步包括 在執(zhí)行接收時，以一定速度在特定方向上移動該設(shè)備； 在返回信號的返回脈沖中探測多普勒頻移；和 根據(jù)所探測的多普勒頻移，確定該特定方向與該設(shè)備和該目標之 間的直線之間的角度。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，進一步包括 在執(zhí)行接收時，以一定速度在特定方向上移動該目標； 在返回信號的返回脈沖中探測多普勒頻移；和根據(jù)所探測的多普勒頻移，確定該特定方向與該設(shè)備和該目標之 間的直線之間的角度。
11、 一種定位系統(tǒng)，包括一種設(shè)備，該設(shè)備包括天線和具有靠近 天線的已知位置的反射器，該設(shè)備被配置為發(fā)射具有載波頻率的至少 一個電磁脈沖，在一段時間內(nèi)在接收器中接收返回信號，該返回信號 包括來自該設(shè)備雷達探測區(qū)域內(nèi)目標的返回脈沖和與該反射器相關(guān)聯(lián) 的至少一個多徑脈沖，處理該返回信號，以^t將返回脈沖和該至少一 個多徑脈沖從該返回信號中分離，并且確定從該設(shè)備到該目標的范圍 以及該設(shè)備相對于該目標的位置，其中該范圍才艮據(jù)返回脈沖的到達時間確定，并且該位置根據(jù)該至 少 一個多徑脈沖的到達時間確定。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，其中所發(fā)射的脈沖被極化，并且該 設(shè)備被配置為優(yōu)選地接收具有極化的返回信號。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中該極化選自下面的組，該組包 括線性極化、橢圓極化、右旋橢圓極化、左旋橢圓極化、右旋圓極 化和左旋圓極化。
14、 根據(jù)權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，其中該天線被配置為既優(yōu)選地發(fā)射 具有極化的脈沖，又優(yōu)選地接收具有極化的返回信號。
15、 根據(jù)權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，其中該天線選自下面的組，該組包 括線性極化和圓極化。
16、 根據(jù)權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，其中該天線選自下面的組，該組包 括雙錐體、具有水平投影的雙錐體、螺旋狀、水平全向、全向、半 向或各向同性。
17、 根據(jù)權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，該設(shè)備進一步包括 處理器；存儲器；和至少一個程序模塊，該程序模塊存儲在存儲器中并由處理器執(zhí) 行，該至少一個程序模塊包含用于如下功能的指令處理該返回信號，以l更將返回脈沖和該至少一個多徑脈沖從該返 回信號中分離；并且確定從該設(shè)備到該目標的范圍和該設(shè)備相對于該目標的位置；其中該范圍根據(jù)該返回脈沖的到達時間確定，并且該位置根據(jù)該 至少一個多徑脈沖的到達時間確定。
18、 根據(jù)權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，該設(shè)備進一步包括 交通工具運動4幾構(gòu)，用于以一定速度在特定方向上移動該i殳備； 處理器；存儲器；和至少一個程序模塊，該程序模塊存儲在存儲器中并且由處理器執(zhí)行，該至少一個程序模塊包含用于如下功能的指令 在返回信號的返回脈沖中探測多普勒頻移；以及 根據(jù)所探測的多普勒頻移，確定該特定方向與該設(shè)備和該目標之間的直線之間的角度。
19、 根據(jù)權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，該目標進一步包括用于以一定速度 在特定方向上移動該目標的機構(gòu)；并且該i殳備包括 處理器； 存儲器；和至少一個程序模塊，該程序模塊存儲在存儲器中并由處理器執(zhí) 行，該至少一個程序模塊包含用于如下功能的指令在返回信號的返回脈沖中探測多普勒頻移；以及 根據(jù)所探測的多普勒頻移，確定該特定方向與該設(shè)備和該目標之 間的直線之間的角度。
20、 根據(jù)權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，其中該目標是無源反射器。
21、 根據(jù)權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，其中該目標是有源地標。
22、 根據(jù)權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，其中該反射器是有源反射器。
23、 根據(jù)權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，其中該反射器是無源反射器。
24、 一種定位系統(tǒng)，包括用于發(fā)射具有栽波頻率的至少一個電磁 脈沖的發(fā)射裝置，用于在一段時間內(nèi)接收返回信號的接收裝置，該返 回信號包括來自該設(shè)備裝置雷達探測區(qū)域內(nèi)目標的返回脈沖以及由該 設(shè)備裝置產(chǎn)生的至少一個多徑脈沖，用于處理該返回信號以便將該返 回脈沖和該至少一個多徑脈沖從該返回信號中分離的信號處理裝置， 以及用于確定從該設(shè)備裝置到該目標的范圍和該設(shè)備裝置相對于該目 標的位置的范圍確定裝置；其中該范圍根據(jù)返回脈沖的到達時間確定，并且該位置根據(jù)該至 少 一個多徑脈沖的到達時間確定。
全文摘要
一種定位系統(tǒng)，包括一種設(shè)備，該設(shè)備包括天線和具有靠近天線的已知位置的反射器，該設(shè)備發(fā)射具有載波信號頻率的至少一個電磁脈沖。該設(shè)備在一段時間內(nèi)接收返回信號，其中該返回信號包括來自該設(shè)備雷達探測區(qū)域內(nèi)目標的返回脈沖和至少一個多徑脈沖。該設(shè)備處理該返回信號，以便將返回脈沖和該至少一個多徑脈沖從該返回信號中分離。該設(shè)備確定從該設(shè)備到該目標的范圍以及該設(shè)備相對于該目標的位置。該范圍根據(jù)返回脈沖的到達時間確定，并且該位置根據(jù)該至少一個多徑脈沖的到達時間確定。
文檔編號G01S13/75GK101156078SQ200680011817
公開日2008年4月2日 申請日期2006年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月11日
發(fā)明者S·A·斯蒂芬斯 申請人:納夫科姆技術(shù)公司