CN100406907C

CN100406907C - 用于确定位置信息的方法

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Publication number: CN100406907C
Application number: CN028268687A
Authority: CN
Inventors: 尼尔·K·帕特瓦里; 弗农·安托尼·艾伦; 内耶尔·S·科雷亚; 马修·R·珀金斯
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Mobility LLC; Google Technology Holdings LLC
Priority date: 2002-01-07
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2022-12-11
Also published as: US6748324B2; AU2002353108A1; DE10297631T5; CN1639583A; AU2002353108A8; US20030130793A1; RU2004124068A; GB2402285B; WO2003060632A3; KR20040073552A; GB0414192D0; KR100699196B1; WO2003060632A2; RU2287180C2; GB2402285A; DE10297631B4

Abstract

提供一种方法，用于为无线装置估计相对位置信息。从两个或多个确定相对位置的替换方式中得到各个估计，例如第一和第二无线装置相对于彼此的范围信息(710、720、910、920)。这些估计中的至少一个包括第一和第二装置中的一个和一个第三装置之间的相对位置估计。组合这些估计以提供新的估计，新的估计在统计学上比各个估计中的任一个都更精确(740、940)。

Description

用于确定位置信息的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定无线装置位置的系统。

背景技术

目前已经实现或提出了许多用于使用各种技术确定位置信息的系统。全球定位系统(GPS)是已知系统的一个例子，其采用卫星来发送位置确定信息。GPS接收机使用这些卫星传输作为参考数据来确定它的位置。GPS的一个缺点是在一些位置，例如城市峡谷或建筑内，来自GPS卫星的信号会被遮挡。

对于需要在一个办公大楼等内进行位置确定的应用，一种方法是在建筑内的固定位置布置一组接收机，并且对要定位的目标附加上一个发射机。固定接收机连接到一个中心计算机，该计算机基于通过该组接收机中的一个或多个从相关的发射机接收的信号来确定目标的位置。不幸的是，这类系统要求安装相当大数量的基础设施，包括固定接收机以及在接收机和基站之间的有线连接。此外，这些系统不能提供精确的位置确定。

原理上来说，可以使用接收信号的强度来确定发射机和接收机之间的距离。在确定位置信息中通常使用的另一种技术被称为到达时间差(TDOA)。众所周知，用于确定相对位置信息的这些和其他技术都会遭受各种因素引起的不精确性，这些因素包括信道衰减、干扰等等。我们期望能够改善用于确定位置的系统的精确度。因此，需要一种为无线装置确定相对位置的改进方法。

附图说明

在权利要求中阐述了本发明的特点，可以确信其是新颖的。通过参考下面结合附图对本发明特定示例性实施例的详细描述将能够最好地理解本发明本身，其中

图1说明GPS卫星和蜂窝网络塔所服务的市区，其中安置有根据本发明的优选实施例的确定彼此位置的无线装置。

图2是本发明的优选实施例的无线装置的框图。

图3是根据本发明的优选实施例的接收信号放大器的框图。

图4是根据本发明的优选实施例的直接序列扩频收发信机的功能框图，该收发信机用于进行双向到达时间距离测量。

图5是根据本发明的替换实施例的智能天线的框图。

图6是根据本发明操作的空间分布式收发信机的第一配置的框图。

图7是表示根据本发明的用于改进相对位置信息估计的第一实施例的过程的流程图。

图8是根据本发明操作的空间分布式收发信机的第二配置的框图。

图9是表示根据本发明的用于改进相对位置信息估计的第二实施例的过程的流程图。

图10表示一组柱状图，比较根据本发明的各种估计距离的方法的精确度分布。

具体实施方式

本发明能以许多不同形式实施，在附图中示出了并且在此将详细描述具体实施例，应该理解，本公开应认为是本发明原理的例子而不意味着将本发明限制于所示和所述的具体实施例。此外，在此使用的术语和词语不应认为是限制，而仅只是描述性的。在下面的描述中，相同的附图标记用于描述附图中几个视图中的相同、类似或相应部分。

本发明提供一种为无线装置估计相对位置信息的方法。可以从两个或多个确定相对位置的替换方式中得到各个估计，相对位置例如是第一和第二无线装置相对于彼此的范围信息。组合这些估计以提供一个新的估计，统计学上来说该新的估计比各个单独的估计中的任何一个都更加精确。例如，考虑空间上分开的无线装置‘A’和‘B’。根据本发明，可以通过一些方式得到相对于装置‘A’和‘B’的第一估计相对位置，这些方式例如是分析装置‘A’和‘B’之间的传输信号。通过利用装置‘A’和一个第三装置‘C’之间的相对位置估计得到装置‘A’和‘B’之间的第二相对位置估计。在一个实施例中，相对于‘A’和‘B’或‘A’与‘C’之间的位置差来说，装置‘B’和‘C’彼此更为接近。通过组合第一和第二估计，可以得到一个统计学上比第一或第二估计更精确的新估计。在另一个实施例中，装置‘C’被确定为沿着装置‘A’和‘B’之间的路径，并且第二估计反映装置‘C’和‘B’之间路径的至少一部分。

图1示意性说明了具有根据本发明操作的无线装置122、124、126和128的市区100。虽然为了上下文的目的，示出了市区，但是本发明并不限制于任何地理或位置设置。在市区102视图内的轨道上示出了全球定位系统(GPS)卫星110、112。GPS卫星提供接收机确定位置信息所使用的参考信号。所示的两个基站收发信机114、116分别位于两个建筑的顶上。为了确定到无线装置122-128的距离，可以使用基站收发信机114和116来进行信号测量。一个第三基站118配备有一个相控阵或“智能”天线120。智能天线120包括多个辐射元件和处理电路。智能天线120从无线装置122-128接收信号，使用到达方向(DOA)算法，确定到各个无线装置122-128的方向。位于市区100中的建筑102、104、106、108可能阻碍无线传输信号，并且/或引起多径干扰。因此，一些无线装置可能无法轻易接入参考源来直接得到位置信息。

根据本发明，为了确定当前位置，这一个或多个无线装置依靠GPS卫星110、112和基站收发信机114、116来得到参考信号，同时一些无线装置建立相对于彼此的相对位置信息。特别是，通过组合使用两个或多个替换路径得到的相对位置估计可以增加这些相对位置信息的精确度。

图2示意根据本发明的优选实施例的无线通信装置200(收发信机)。参照图2，天线202电耦合到一个发射机-接收机开关236的第一端。该发射机-接收机开关236的第二端电耦合到接收信号放大器204的一个输入。接收信号放大器204电耦合到一个解调器206上。一个本地振荡器202也电耦合到该解调器206上。解调器206的一个输出电耦合到一个模数转换器208的第一输入上。接收信号放大器204中的放大器反馈环分接出来的信号电耦合到该模数转换器208的第二输入。来自放大器反馈环的信号指示接收信号的功率。这样的测量称为接收信号强度指示符(RSSI)。为了使RSSI作为一个有用的距离指示符，以一个预定功率发射一个信号。天线202、T/R开关236、接收信号放大器204和解调器206构成一个接收机。

数模转换器216的一个输出电耦合到一个调制器214。本地振荡器210也耦合到该调制器214。调制器214的一个输出电耦合到一个发射信号放大器212的一个输入。发射信号放大器214的一个输出电耦合到该发射机-接收机开关236的第三端。调制器214、发射信号放大器212、T/R开关236和天线202构成一个发射机。

模数转换器208的一个输出、数模转换器216的一个输入、随机访问存储器(RAM)218、程序存储器220、处理器222、加速计接口电路224和一个GPS或其他参考位置模块226电耦合到一个数字信号总线228。程序存储器220例如可以采用电可擦除只读存储器(EEPROM)的形式。处理器222最好包括一个可编程数字信号处理器(DSP)。加速计接口电路用于和一个加速计230相接。接口电路224可以电耦合到处理器222的一个中断引脚上。可以提供接口电路224，以便当移动无线装置200时，加速计输出一个信号到该接口电路224，该电路224输出一个信号，该信号会引起一个将应用到处理器222的中断。响应该中断请求所执行的程序是一个有关确定无线装置位置的程序。该程序存储在程序存储器220中。尽管最好使用一个加速计来触发位置程序的执行，但是作为替换，位置程序也可以写入以周期地确定位置。

一个输入模拟信号变换器232电耦合到模数转换器208的第二输入。该输入模拟信号变换器232例如可以采用麦克风的形式。一个输出信号变换器234电耦合到该数模转换器216的第二输出。输出信号变换器234例如可以采用扬声器的形式。

力达到控制成本的目的，在使用无线装置标记建筑内的可移动目标的情况中，可以不用输入和输出模拟信号变换器232和234。

图3是根据本发明的优选实施例的接收信号放大器204的框图。接收信号放大器204包括电耦合到第一放大器304的输入302，电耦合到该第一放大器304的第二放大器306，和电耦合到该第二放大器306的第三放大器308。第三放大器的一个输出电耦合到解调器206和整流器310。整流器310电耦合到低通滤波器312。低通滤波器312的一个输出电耦合到微分放大器的第一输入。把一个相应于用于接收信号放大器的功率输出设置的设置点电压应用到该微分放大器314的第二输入。微分放大器314的输出电耦合到该模数转换器208的第二输入，并且还耦合到第一放大器304的一个增益设置输入。微分放大器的输出是RSSI。接收信号放大器204结合模数转换器208构成一个信号强度测量器。

图4是一个根据本发明的优选实施例的直接序列扩频收发信机的功能框图，该收发信机用于进行双向到达时间距离测量。图2所示的某些硬件元件在图4中省略了，因为图4旨在突出使用图2所示的硬件执行的特殊功能。参照图4，示出了图2中的天线202、发射机-接收机开关212、接收信号放大器204、发射信号放大器212、解调器206、调制器214和本地振荡器210。

解调器206电耦合到本地振荡器210、伪随机序列(PN)相关器402。PN产生器410也电耦合到该伪随机序列相关器402。相关器402用来在从解调器206接收的PN码型和产生器410输入的PN码型之间执行相关。相关器402与相位测量器404相互操作，相位测量器404确定两个不同PN码型之间的相对相移，以给出最大相关计算结果。相关器402的一个输出电耦合到基带锁相环408的输入。基带锁相环408电耦合到时钟406。时钟406电耦合到PN产生器410。PN产生器电耦合到调制器214。

相关器402、相位测量器404、基带锁相环408和PN产生器410可以实现为一个或多个存储在程序存储器220中并由处理器222执行的程序。

两个或多个涉及双向到达时间(TOA)距离测量的装置可以使用同一个收发信机400。一个装置是始发机，另一个装置是响应机。在操作中，一个始发机首先产生并发射一个PN。一个响应机接收该PN并使用锁相环408调整速率时钟406以与接收的基带信号的码片速率匹配，通过速率时钟406响应机可以测量时间，并且使用速率时钟406驱动PN产生器410。在等待一个时间周期后，响应机重发该PN。响应机等待的该时间周期最好由下式确定：

T＝R*BT，

这里BT是伪随机序列的持续时间，R是随机整数。

伪随机序列的持续时间乘以光速最好大于收发信机的范围，以便避免在测量距离中的模糊。在响应中引入随机性是希望当多个响应装置被编程为响应同样的随机序列时避免它们之间的冲突。

一旦接收到响应机重发的PN，始发机使用与相关器402相互作用的相位测量器404确定始发机首次发送的伪随机号码的时间和从响应机接收到伪随机号码的时间之间的时间偏移。时间偏移乘以C就得到始发机和接收机间隔的距离测量。由于测量接收信号的相位，因此相关操作是信号测量。

图5是根据本发明的替换实施例的智能天线120的框图。参照图5，天线阵列502电耦合到发射机-接收机开关阵列504。天线阵列包括一个相控阵，以便选择从一个所选方向发射的信号。发射机-接收机开关阵列504电耦合到下变频阵列506和上变频阵列508。下变频阵列506电耦合到多通道模数转换器518。上变频阵列电耦合到多通道数模转换器510。数字信号处理器512电耦合到该多通道模数转换器并耦合到该多通道数模转换器510。数字信号处理器512可以与随机访问存储器514和程序存储器516集成或电耦合到它们上。到达方向(DOA)算法存储在程序存储器516中并且由数字信号处理器512运行。为了在天线阵列502选择从特定方向到达的信号，DOA算法处理由多通道模数转换器518数字化的信号。DOA算法确定远程发射机所处的方向。还可以通过控制应用到天线阵列502中多个天线上的信号的相对定向，由天线阵列502在特定方向上发射信号。

在缺少其他信息的情况下，对特定移动无线装置的单独DOA测量只能确定它的方向。但是利用根据本发明的教导的这种测量将有助于对一个特定移动装置和在它附近的其他装置进行位置估计。

智能天线不是固定在基站120，而可以装在第一移动装置上，例如安装有无线装置的车辆上。如果第一移动装置的方位未知，那么相对其他移动装置(即，发射移动装置)的方向也没有多大用，但是在第一移动装置转动的情况下，第一装置使用智能天线所测量的相对两个其他装置的方向之间的差异是不变的，并且可以根据本发明的教导利用该差异估计这三个装置和在它们附近的其他装置的位置。

图6表示根据本发明操作的空间分布式收发信机600的系统，收发信机在此称为节点。系统600可以操作为一个装置松耦合的网络，或与一个用于更加中心管理的基础设施操作。所示的系统600包括参考节点640、641，即具有基于参考系统建立的位置的节点，以及与至少一个参考节点640具有已知空间关系635的节点630，在建立位置信息的处理中未知位置的节点610、620。为了讨论的目的，未知位置的两个节点标为装置‘A’610和装置‘B’620，对参考节点有已知空间关系的节点标为‘C’。在优选实施例中，装置610、620、630中的每一个都能够利用基于到达时间差的算法、接收信号强度或其他这样的技术以对等方式在通信范围内确定它相对于其他装置的位置。但是，根据本发明，在特定情况下，一个装置可以通过利用对一个第三装置的相对位置估计来提高相对位置信息估计的精确度。

图7示出了根据本发明用于改善相对位置信息估计的第一实施例的过程700的流程图。参照图6和7，装置‘A’和‘B’已经建立了相对位置估计，例如相对于彼此的范围或距离和方向。然后步骤710，装置‘C’与装置‘A’建立通信并且得到相对于装置‘A’的第一相对位置估计。在步骤720，装置‘C’还得到相对于装置‘B’的第二相对位置估计。步骤730，基于从装置‘A’和‘B’收集的信息，装置‘C’确定：相对于装置‘A’和‘B’相对于装置‘C’的位置来说，装置‘A’和‘B’彼此更为接近。因此，步骤740，假定装置‘A’和‘B’位于一处并且组合装置‘C’和‘A’之间以及装置‘C’和‘B’的相对位置估计以得到统计学上比单独的每个估计都更精确的位置估计。注意，虽然描述装置‘C’为确定或得到估计，但是本发明也可以考虑由其他的装置以对等或其他方式进行这样的确定。此外，所述的过程并不依赖于估计的确定顺序。

组合估计的方法最好与得到估计的技术有关。在一个实施例中，上述的第一和第二估计是使用基于接收到的信号强度的算法所得到的距离估计。在该实施例中，第一和第二估计使用一种几何平均函数进行平均，得到新的估计。更具体地，新的估计d_AB，C是这样的，

d_{AB, C} = \sqrt{(d_{A, C} d_{B, C})},

这里d_A，C是第一估计，d_B，C是第二估计。在另一个实施例中，上述的第一和第二估计是使用基于到达时间的算法所得到的距离估计。在该第二实施例中，第一和第二估计使用一种算术平均函数进行平均，得到新的估计。更具体地，新的估计新的估计d_AB，C是这样的，d_AB，C＝(d_A，C+d_B，C)/2，这里d_A，C是第一估计，d_B，C是第二估计。这种概念很容易扩充到三个或更多个估计的组合使用，以产生统计上更精确的新估计。

图8示出了根据本发明操作的空间分布式收发信机800的第二配置。装置630、640、641具有如参照图6所述的那样通信和执行能力。但是，以不同的方式在空间安置至少三个装置，装置‘A’610、装置‘B’620、装置‘C’630。具体地，这些装置610、620、630是这样安排的：装置‘B’620介于装置‘A’610和装置‘C’630之间。根据本发明，当依次排列顺序放置三个或更多装置时，两个装置之间的相对位置估计的精确度可以通过组合这样的估计和插入装置之间的相对位置估计来增加。例如，装置‘A’610和装置‘C’630之间的距离估计可以通过组合装置‘A’和‘B’之间以及装置‘B’和‘C’之间的估计815、825来得到。通过组合装置‘A’和‘C’之间直接得到的估计816以及装置‘A’和‘B’之间与装置‘B’和‘C’之间的估计815、825来得到改善的‘A’和‘C’之间的距离估计。

图9示出了相应于图8所示的配置的用于估计相对位置信息的过程的流程图。参照图8和9，步骤910，装置‘C’与装置‘A’建立通信并且得到相对于装置‘A’的第一相对位置估计。在步骤920，装置‘C’用装置‘A’和‘B’之间以及装置‘B’和‘C’之间的、即包括任何插入装置的距离间隔估计，得到相对于装置‘A’的第二相对位置估计。如果有其他插入装置，可以进行另外的间隔估计，如从装置‘B’到假定装置‘X’，以及装置‘X’和装置‘C’之间。步骤930，比较第一和第二估计，如果第二估计小于或等于第一估计，那么假定装置‘A’、‘B’、‘C’610、620、630在一条线上或依次排列。在这种情况中，步骤940，组合第一和第二距离估计以得到一个在统计学上比单独的第一或第二估计都更精确的新距离估计。如之前所述，虽然描述装置‘C’为确定或得到估计，但是本发明可以考虑通过其他装置进行这样的确定。

当使用基于接收信号强度的算法得到距离估计时，组合估计的方法尤其有用。因为在这种估计距离的方法中很容易出现某种误差，当三个或多个装置在一条线上时，如图8所述的情况，‘A’和‘C’之间的距离估计通常比和(d_B，C+d_A，B)大，这里d_B，C是‘B’和‘C’之间的距离估计，d_A，B是‘A’和‘B’之间的距离估计。因此，如果d_A，C≥d_B，C+d_A，B，那么假定装置都在一条线上。通过下式：

d_{AB, C} = \sqrt{d_{A, C}^{(1 - a)} {(d_{A, B} + d_{B, C})}^{a}}

这里‘a’是加权因子，在优选实施例中其选择为0.67。该式表示(d_B，C+d_A，B)和d_A，C的加权几何平均。最好，在和(d_B，C+d_A，B)上有更大的权重，因为在仿真中可以发现它比d_A，C更精确。

图10示出了仿真结果的一组柱状图1000，其比较了估计距离的各种方法的精确度分布。精确度表达为使用特定方法的距离估计与精确测量的实际距离的比。第一柱状图1010表示d_A，C的精确度分布，即使用接收信号强度得到的装置‘A’和‘C’之间的直接测量值。注意，精确度有很大偏离。第二柱状图1020示出了和(d_B，C+d_A，B)的精确度分布，即使用接收信号强度得到的装置‘A’和‘B’之间以及‘B’和‘C’之间的直接测量值。注意，与第一柱状图相比该精确度的偏离有了明显改善。第三柱状图1030示出了当d_A，C＞(d_B，C+d_A，B)时组合d_A，C与和(d_B，C+d_A，B)的加权平均的精确度分布。注意，与第一和第二柱状图相比精确度的偏离有了明显改善。

本发明给出了显著好于现有技术的优点。在第一和第二装置之间的相对位置估计可以通过组合它和相对于第三装置的相对位置估计来得到改善。在位置确定中采用对等测量的系统可以采用所述的技术来改善位置精确度并且得到实质性的好处。

虽然参照一个优选实施例具体表示并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，其中可以进行各种形式和细节上的变化而不脱离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种用于为第一和第二无线装置估计相对位置信息的方法，该方法包括以下步骤：

获得第一无线装置相对于第二无线装置的第一相对位置估计；

获得第一无线装置相对于第三无线装置的第二相对位置估计；

基于包括第一和第二估计的组合，获得第一无线装置相对于第二无线装置的新的相对位置估计。

2.如权利要求1的方法，其中，获得新的相对位置估计的步骤包括：基于相对于第一无线装置和第二与第三无线装置中任何一个的位置差来说该第二无线装置和第三无线装置更为接近彼此的确定，组合第一估计和第二估计以得到所述新的位置估计。

3.如权利要求2的方法，其中，所述组合步骤包括：使用一个几何平均函数平均包括第一估计和第二估计的值，以得到所述新的估计。

4.如权利要求3的方法，其中，获得第一估计和第二估计的步骤包括：利用基于接收信号强度的一种算法。

5.如权利要求2的方法，其中，所述组合步骤包括：使用一个算术平均函数平均包括第一估计和第二估计的值，以得到所述新的估计。

6.如权利要求5的方法，其中，获得第一估计和第二估计的步骤包括：利用一种到达时间算法。

7.如权利要求1的方法，其中，第一估计代表第一无线装置和第二无线装置之间的距离，第二估计代表第一无线装置和第三无线装置之间的距离，并且进一步包括以下步骤：

获得第三估计，该第三估计代表第二无线装置和第三无线装置之间距离的至少一部分；

使用第二和第三估计为第一无线装置和第二无线装置之间的距离计算一个替换估计；

比较第一估计和所述替换估计；

当所述替换估计小于或等于第一估计时，通过包括第一、第二和第三估计的组合确定所述新的估计。

8.如权利要求7的方法，其中，确定所述新的估计的步骤包括：产生该新的估计d_AB，C，

d_{AB, C} = \sqrt{d_{A, C} (d_{A, B} + d_{B, C})},

这里d_A，C是第一估计，d_A，B是第二估计，d_B，C是第三估计。

9.一种确定第一和第二装置相对于第三装置的相对位置信息的方法，该方法包括以下步骤：

获得第一装置和第三装置之间的第一距离估计；

获得第二装置和第三装置之间的第二距离估计；

确定第一和第二装置相对于它们到第三装置的距离而接近彼此；

基于所述确定，组合至少第一估计和第二估计，以得到第一和第二装置的每一个相对第三装置的一个新的距离估计。

10.一种用于确定第一装置相对于第二装置的相对位置信息的方法，该方法包括以下步骤：

获得第一装置和第二装置之间的第一距离估计；

获得第一装置和第二装置之间的第二距离估计，该第二距离估计包括第一装置和第三装置之间的第一间隔距离估计和一个代表第三装置和第二装置之间距离的至少一部分的第二间隔距离估计；

组合该第一距离估计以及至少第一和第二间隔距离估计，以得到第一和第二装置之间的新的距离估计。