專利名稱：用于確定位置的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于確定位置的方法和設(shè)備。本發(fā)明應(yīng)用于定位/監(jiān)控諸如嬰兒、工作在潛在危險區(qū)域中的人員的有生命目標(biāo)和諸如狗和貓的寵物以及諸如在儲存室中的物品的無生命目標(biāo)的位置的無線電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
基本上，位置確定系統(tǒng)包括由其位置將被確定的目標(biāo)攜帶的發(fā)射機和接收發(fā)送的信號并確定該目標(biāo)的位置的接收機。但是，在精確地和可信地確定位置時，該接收機必須能夠從多路徑反射的信號中確定視線(line of sight)(LOS)信號的存在。如果接收的信號根據(jù)多路徑緩和(mitigation)技術(shù)進行處理而無需首先確定是否存在LOS信號，則可能出現(xiàn)計算的位置是不正確的情況，因為在LOS信號由于被堵塞而不存在時，計算的位置是基于反射的信號的。除了在位置確定系統(tǒng)中降低可信度之外，在查找處于危險情形中的目標(biāo)時的延遲，有可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。多路徑緩和技術(shù)在計算上也是密集的，這導(dǎo)致相對高的功耗，并且能導(dǎo)致便攜式設(shè)備中電池的快速放電。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是改善確定位置的可信度。
按照本發(fā)明的一個方面，提供一種確定位置的方法，包括從遠程發(fā)射機接收信號；確定是否存在視線(LOS)信號；和使用LOS信號來確定遠程發(fā)射機的位置。
按照本發(fā)明的第二個方面，提供一種位置確定設(shè)備，包括用于從遠程發(fā)射機接收定位信號的接收裝置；用于確定是否存在視線(LOS)信號的裝置；和使用LOS信號用于確定遠程發(fā)射機的位置的裝置。
本發(fā)明是基于下列事實的認識如果對于LOS信號存在的測試是肯定的，則附加測試是值得實施的。這樣的附加測試可以是多路徑緩和技術(shù)，諸如在Performance Evalution of the MultipathEstimating Delay Lock Loop(多路徑估算延遲鎖定環(huán)的性能評估)，B.Townsend，D.J.R.van Nee，P.Fenton和K.van Dierendonck，Proc.of the Institute of navigation National Technical Meeting，Anaheim，California，USA，1995年1月18-22日，第277至283頁上所公開的。但是，在未檢測到LOS信號的情況中，接收機可以禁止繼續(xù)多路徑緩和技術(shù)，因而節(jié)省功率，并且選擇地可以施加一個告警，向用戶指示沒有接收到可接受的信號。
確定LOS信號存在的方法是基于接收信號的功率譜密度的傅里葉變換的檢查的。這樣的技術(shù)公開在IEEE Transactions onBroadcasting，Vol.44，No.4，1998年12月，第527至539頁SteveZeilinger，Tim Talty和Michael Chrysochoos的“MultipathChannel Characteristics Using Spectral Analysis of the SignalPower Density(使用信號功率密度的頻譜分析的多徑信道特性)”中。但是，此文章沒有公開用于確定是否在多路徑信號中存在LOS信號以及如何測試這樣的存在的簡單而行之有效的方法。
用于檢測LOS信號的統(tǒng)計方法是已知的，但是并不被認為是足夠可靠的。一種公知的技術(shù)假定如果多路徑反射的概率分布是Rician，則存在LOS信號，但是如果其是Rayleigh，則不存在LOS信號。這種方法的缺點是，它依賴于以下事實，即，多路徑信號隨時間是正態(tài)分布的，即它們是天生隨機的。這是一種不可能總是可靠的近似法。


現(xiàn)在將參考附圖通過舉例來描述本發(fā)明，其中圖1是其中接收機具有多個天線的一個定位系統(tǒng)的實施例的方框示意圖；圖2是其中接收機是移動的并且以恒定速度移動的一個定位系統(tǒng)的實施例的方框示意圖；圖3是表示按照本發(fā)明的方法的實施例的執(zhí)行的流程圖；和圖4是表示多路徑信號的信號功率密度的傅里葉變換的示意圖。
在附圖中，相同的標(biāo)號用于表示相應(yīng)的特征。
具體實施例方式
參考圖1，該定位系統(tǒng)包括多個等間距隔開的天線A1至AN，其中N是具有量級為20的值的一個整數(shù)。天線A1至AN被耦合到位置確定設(shè)備10，該位置確定設(shè)備10具有耦合到顯示裝置12的輸出端。該設(shè)備10包括多信道接收機和相關(guān)器14，其具有耦合到解調(diào)器16的輸出端。已解調(diào)信號被施加到處理器18，該處理器根據(jù)保持在程序ROM 20中的軟件來運行。該處理器18能夠執(zhí)行各種數(shù)學(xué)運算操作，并且尤其能夠執(zhí)行傅里葉變換。該處理器18的一個輸出端被耦合到顯示裝置12，該顯示裝置12能夠顯示假定由在娛樂場所中自由玩耍的幼童24攜帶的發(fā)射機22的位置，其中該幼童的父母想監(jiān)控在任何時刻該幼童的位置。當(dāng)然，具有該定位系統(tǒng)的許多其他的應(yīng)用，其中發(fā)射機22由被監(jiān)控的目標(biāo)或者人員攜帶或者附著到被監(jiān)控的目標(biāo)或者人員。
在操作中，發(fā)射的輻射包括由天線A1至AN直接接收的直接序列擴展頻譜(DSSS)信號以及被反射器(諸如反射器26)一次或多次反射的信號，這將導(dǎo)致在接收到直接的或者視線(LOS)信號之后接收到輻射。天線A1至AN被耦合到接收機14，這允許在每個空間點上接收的功率被記錄。為了能夠進行精確的位置測量，必須檢測無線電接收機14是否已接收LOS信號。如果在接收的信號中未檢測到，則基于多路徑或者僅基于反射的輻射的位置測量可能是非常不準(zhǔn)確的。
在按照本發(fā)明的方法的一個實施例中，記錄足夠數(shù)量的點，以便對延遲功率分布(profile)執(zhí)行有效的傅里葉變換。因此，獲得在K-空間中的功率譜密度，這產(chǎn)生鏡面反射的數(shù)量和幅值。通過檢查信號功率譜密度，可能具有以k＝0為中心的峰值，表示和對應(yīng)于多路徑信號的峰值一起存在LOS信號。在這樣的情況中，值得利用稱為多路徑緩和技術(shù)的處理來測試LOS信號的存在，所述多路徑緩和技術(shù)更全面地描述在本說明書的緒言中所提到的Proc.of the Institute ofNavigation National Technical Meeting中。這種技術(shù)本身消耗相當(dāng)大的電流。發(fā)射機22相對于位置確定設(shè)備的位置是通過使用在未出版的PCT專利申請IB02/03844和美國專利申請10/252499(對應(yīng)于英國專利申請0125600.7，申請人的卷號PHGB 010173)中公開的測量和發(fā)送技術(shù)測量傳播時間來確定的，這可以通過相關(guān)來實現(xiàn)?？傊?，這種技術(shù)包括以下步驟相對于第一設(shè)備的本地時鐘在時間t1上從第一設(shè)備發(fā)送定時信號到第二設(shè)備，和測量相對于第二設(shè)備的本地時鐘那個信號在第二設(shè)備上的到達時間t2；相對于第二設(shè)備的本地時鐘在時間t3上從第二設(shè)備發(fā)送定時信號到第一設(shè)備，和測量相對于第一設(shè)備的本地時鐘那個信號在第一設(shè)備上的到達時間t4；和在這些設(shè)備之一中匯編t1、t2、t3與t4的值。在缺乏同步時，第一和第二設(shè)備的本地時鐘之間的差值ΔClock可以容易地使用值t1、t2、t3和t4在這些設(shè)備的任何一個設(shè)備中進行確定。例如ΔClock=t1-t2-t3+t42]]>但是，如果未檢測到這樣的LOS峰值，那么一般不值得試圖去確定位置，因為不準(zhǔn)確的風(fēng)險降低結(jié)果的可信度。
圖2表示用于推導(dǎo)出足夠數(shù)量的點以執(zhí)行有效的傅里葉變換的一種替換技術(shù)。在所表示的實施例中，具有單個天線的接收機被以恒定速度移動，如利用箭頭28所示的，并且它在多個時間點上記錄接收的功率。一旦已記錄足夠數(shù)量的點，可以對功率譜密度分布執(zhí)行有效的傅里葉變換，以得到鏡面反射的數(shù)量和幅值。以k＝0為中心的峰值表示存在LOS信號，而反之亦然。
用于確定位置的處理過程利用在圖3中示出的流程圖來說明。方框30表示接收機14接收被解調(diào)的DSSS(直接序列擴展頻譜)信號，如方框34所示。獲得信號功率密度的傅里葉變換，如方框36所示。方框38表示檢測LOS信號的存在。方框40涉及檢查是否已檢測到LOS信號。如果未找到(N)，則該流程圖繼續(xù)至方框42，這在重復(fù)利用方框32至40所表示的操作之前引入任意的時間延遲。
如果來自方框40的應(yīng)答是yes(Y)，則在方框44中對解調(diào)的信號使用多路徑緩和方法，以確定LOS信號和多路徑成分。在方框46中，傳播時間通過相關(guān)來確定。此后，在方框48中，發(fā)射機22的位置(圖1和2)被確定和被顯示在顯示裝置12上。
圖4表示功率譜密度，這是相對于功率繪制的頻率。示出了多個峰值，其應(yīng)歸于在f＝0上的LOS信號和在較高頻率上的多路徑或者反射的分量Γ1至Γ5。
當(dāng)沒有多路徑時，在地點(圖1)上或者在時間域(圖2)中測量的信號場的平均功率密度將是恒定的。恒定功率的傅里葉變換產(chǎn)生DC(直流)分量，也就是說，在零頻率上的峰值。
為了對LOS進行測試，下面將描述一些算法測試。在空間頻率ω域中，例如如圖4所示，將具有多個頻譜峰值。從該說明書的緒言中所提到的IEEE Transactions on Broadcasting文章中，導(dǎo)出用于這些峰值的大小的公式，但是為了方便起見，在這里將如下陳述它們 在上面的頻譜峰值K=πE02/η]]>的幅值-頻率分量的表中，E0是直接電場，η是磁場恒量，和Γn是反射系數(shù)。對于這個算法，K的形式是不重要的。當(dāng)存在LOS時，功率譜密度F(ω)的直流分量的大小利用下式給出F(0)=K(1+Σn=1NΓn2)---(1)]]>當(dāng)LOS不存在時，該直流分量是如下形式F(0)=KΣn=1NΓn2---(2)]]>并且非直流分量是如下形式F(ωn)＝KΓn或者 (3)F(ωn)＝KΓnΓn+j其中j≠0 (4)對于峰值，分析頻域中的功率密度。非由于相交項導(dǎo)致的對于ω＞0的峰值(即，未出現(xiàn)在其他峰值的差頻上)的總數(shù)是反射的總數(shù)N。這些峰值的大小被記錄為Γ1、Γ2、...、Γn。進一步，對此，應(yīng)標(biāo)識最大峰值，即，圖4中的峰值Γ5，其具有形式Fmax＝KΓmax。
從等式(1)中，對于LOS存在的比值如下給出φ=Mag.ofDCComponentMag.ofReflectedPeaks---(5)]]>=1+ΣnNΓn2Γn]]>這里Γn＜1n (6)從等式(2)中，如果不存在LOS，其具有形式φ=ΣnNΓn2Γn]]>這里Γn＜1n (7)被用作K的比值形式則被消除。
從等式(6)和等式(7)中，分別地用于LOS和無LOS情況的下界限可以被如下確定φ=1+ΣnNΓn2Γn≥Γmax2+1Γn---(8)]]>≥1+Γmax2Γn=1Γmax+Γmax>1---(9)]]>在無LOS情況下，φ=ΣnNΓnΓn≥Γmax2Γmax---(10)]]>≥Γmax<1---(11)]]>如果通過采用在等式(5)中指定的比值發(fā)現(xiàn)φ的值小于1，也就是說，φ＜1，則這可以表示
φ≠1+ΣnNΓn2Γn]]>并因此LOS信號不存在，而且沒有正當(dāng)理由將假定多路徑緩和技術(shù)應(yīng)用于接收信號。
為了執(zhí)行這個測試，所需要的只是利用所有其他峰值的最大大小值即Fmax來劃分在零頻率上的峰值的大小值。這個測試將成功地辨別LOS的不存在，也就是說，當(dāng)沒有LOS時，φ將總是小于1。
用于LOS的其他算法測試包括(1)從接收的數(shù)據(jù)中確定所有的反射系數(shù)Γn和N的值；和(2)施加一個上界限測試。但是，這些測試之中的每一個測試都要求確定K的值。
這可以通過考慮二個反射峰值F1＝KΓ1和F2＝KΓ2的大小值及其差頻F3＝KΓ1Γ2的大小值來完成。將這些值代入以下等式K=F1·F2F3=KΓ1·KΓ2KΓ3]]>由于可以確定F1、F2和F3的大小值，所以可以容易地計算K。
反回到上述的測試(1)，排除差頻峰值，注記(note)觀察到的所有反射峰值及其大小An，并且通過計算直流分量(假定值“H”)來確定LOS。
從上面的等式(3)中，我們知道Γn=AnK]]>如果LOS存在K(1+ΣΓn2)=K(1+1K2ΣAn2n)]]>=K+1KΣAn2n=valueC]]>
如果LOS不存在K(ΣΓn2)=1KΣnAn2=valueE]]>該測試是DC峰值H的值H是等于值C還是等于值E。如果H＝E，則LOS不存在，而如果H＝C，則LOS存在。
上界限測試(2)基于LOS存在時的情形，這如下給出1+ΣnNΓn2Γn≤1Γmax+NTmax]]>當(dāng)LOS不存在時ΣΓn2nNΓn≤NΓmax]]>通過從頻譜分析中確定反射峰值的數(shù)量N和從該數(shù)據(jù)中確定Γmax將能夠計算上界限。
從下式中可以確定該數(shù)據(jù)的最大峰值Γmax=FmaxK]]>其中Γmax和K已經(jīng)如上進行確定。
該上界限值對于無LOS的情況是NΓmax，而對于LOS存在的情況是1/Γmax+NΓmax。如果Mag.ofD.C.ComponentFmax>NΓmax]]>
那么LOS存在S，如果＜NΓmax，則該測試是非決定性的。
在本說明書和權(quán)利要求書中，在單元之前的詞″一″或者″一個″不排除多個這樣的單元的存在。此外，詞″包括″不排除所列出之外的其他單元或者步驟的存在。
通過閱讀本公開文本，其他的修改對于所屬技術(shù)領(lǐng)域的人員來說將是顯而易見的。這樣的修改可以涉及用于確定位置的設(shè)備及其組成部分的設(shè)計、制造和使用中已經(jīng)公知的其他特性，而且這些特性可以用于代替或除了此處已描述的特性之外附加使用。雖然在這個申請中已相對于特性的特定組合制定權(quán)利要求書，但應(yīng)該明白，本申請公開的范圍也包括此處明確或隱含公開的任何新穎特性或特性的任何新穎組合或其任何一般化特性，不管其是否涉及與當(dāng)前在任何權(quán)利要求中所要求保護的范圍相同的發(fā)明，以及不管其是否緩解任何或者所有的與本發(fā)明相同的技術(shù)問題。因此，申請人提請注意，在本申請及其從中推導(dǎo)出的任何進一步的申請的執(zhí)行期間，可以對這樣的特性和/或這樣的特性的組合形成新的權(quán)利要求書。
權(quán)利要求
1.一種確定位置的方法，包括從遠程發(fā)射機接收信號；確定視線(LOS)信號是否存在；和使用LOS信號來確定遠程發(fā)射機的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于推導(dǎo)出接收信號的功率譜密度的傅里葉變換；檢查在零頻率上DC值的存在，如果存在的話，執(zhí)行多路徑緩和技術(shù)以標(biāo)識LOS信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于響應(yīng)于LOS信號的不存在，禁止多路徑緩和技術(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于推導(dǎo)出接收信號的功率譜密度的傅里葉變換；和通過將零頻率上峰值的大小值除以所有其他峰值的最大大小值，確定LOS信號的存在或不存在，和如果答案小于一，則LOS不存在。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于推導(dǎo)出接收信號的功率譜密度的傅里葉變換；和通過確定比值φ=Mag.of D.C.ComponentMag.of Reflection Peaks]]>的下界限來確定LOS信號的存在或不存在，如果φ小于一，則LOS不存在。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于推導(dǎo)出接收信號的功率譜密度的傅里葉變換；注記所有反射峰值的幅值；計算直流分量；和確定計算的值是否對應(yīng)于與LOS存在相關(guān)的值。
7.一種位置確定設(shè)備，包括接收裝置，用于從遠程發(fā)射機接收定位信號；用于確定視線(LOS)信號是否存在的裝置；和使用LOS信號用于確定遠程發(fā)射機的位置的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的位置確定設(shè)備，其特征在于用于推導(dǎo)出接收信號的功率譜密度的傅里葉變換的裝置；用于確定在零頻率上在功率譜密度中是否存在峰值的裝置；和用于執(zhí)行多路徑緩和以標(biāo)識視線(LOS)的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于響應(yīng)于LOS信號不存在用于禁止多路徑緩和方式的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其特征在于用于確定在零頻率上是否存在峰值的裝置包括用于推導(dǎo)出接收信號的功率譜密度的傅里葉變換的裝置；用于確定在零頻率上峰值的大小值被所有其他峰值的最大大小值除的商的裝置；和用于確定答案是否小于一的裝置，從而表示LOS不存在。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其特征在于用于確定在零頻率上是否存在峰值的裝置包括用于推導(dǎo)出接收信號的功率譜密度的傅里葉變換的裝置；用于確定比值φ=Mag.of D.C.ComponentMag.of Reflection Peaks]]>的下界限的裝置，如果φ小于一，則LOS不存在。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其特征在于用于推導(dǎo)出接收信號的功率譜密度的傅里葉變換的裝置；用于注記除了差頻峰值之外的所有反射峰值的幅值的裝置；和用于計算直流分量以及用于確定計算的值是否對應(yīng)于與LOS存在相關(guān)的值的裝置。
全文摘要
用于確定位置的方法和設(shè)備包括從遠程發(fā)射機(22)接收信號的接收機(14)，其中該遠程發(fā)射機的位置必須被確定。接收信號的功率譜密度的傅里葉變換被確定，并且進行檢查，以查看是否存在視線(LOS)信號。如果存在的話，執(zhí)行多路徑緩和技術(shù)，以識別該LOS信號，并且一旦識別，通過推導(dǎo)出該LOS信號的傳播時間來確定該遠程發(fā)射機的位置。在沒有檢測到LOS信號的情況下，通過禁止多路徑緩和技術(shù)，可以節(jié)省電流。在一個實施例中，通過將零頻率上峰值的大小值除以所有其他峰值的最大大小值，確定LOS信號的存在或不存在，并且如果答案小于一，則LOS不存在。
文檔編號G01S5/02GK1643396SQ03806629
公開日2005年7月20日 申請日期2003年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月22日
發(fā)明者J·羅森菲爾德 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司