CN1643396A - 用于确定位置的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于确定位置的方法和设备包括从远程发射机(22)接收信号的接收机(14)，其中该远程发射机的位置必须被确定。接收信号的功率谱密度的傅里叶变换被确定，并且进行检查，以查看是否存在视线(LOS)信号。如果存在的话，执行多路径缓和技术，以识别该LOS信号，并且一旦识别，通过推导出该LOS信号的传播时间来确定该远程发射机的位置。在没有检测到LOS信号的情况下，通过禁止多路径缓和技术，可以节省电流。在一个实施例中，通过将零频率上峰值的大小值除以所有其他峰值的最大大小值，确定LOS信号的存在或不存在，并且如果答案小于一，则LOS不存在。

Description

用于确定位置的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于确定位置的方法和设备。本发明应用于定位/监控诸如婴儿、工作在潜在危险区域中的人员的有生命目标和诸如狗和猫的宠物以及诸如在储存室中的物品的无生命目标的位置的无线电系统。

背景技术

基本上，位置确定系统包括由其位置将被确定的目标携带的发射机和接收发送的信号并确定该目标的位置的接收机。但是，在精确地和可信地确定位置时，该接收机必须能够从多路径反射的信号中确定视线(line of sight)(LOS)信号的存在。如果接收的信号根据多路径缓和(mitigation)技术进行处理而无需首先确定是否存在LOS信号，则可能出现计算的位置是不正确的情况，因为在LOS信号由于被堵塞而不存在时，计算的位置是基于反射的信号的。除了在位置确定系统中降低可信度之外，在查找处于危险情形中的目标时的延迟，有可能导致灾难性的后果。多路径缓和技术在计算上也是密集的，这导致相对高的功耗，并且能导致便携式设备中电池的快速放电。

发明内容

本发明的一个目的是改善确定位置的可信度。

按照本发明的一个方面，提供一种确定位置的方法，包括：从远程发射机接收信号；确定是否存在视线(LOS)信号；和使用LOS信号来确定远程发射机的位置。

按照本发明的第二个方面，提供一种位置确定设备，包括：用于从远程发射机接收定位信号的接收装置；用于确定是否存在视线(LOS)信号的装置；和使用LOS信号用于确定远程发射机的位置的装置。

本发明是基于下列事实的认识：如果对于LOS信号存在的测试是肯定的，则附加测试是值得实施的。这样的附加测试可以是多路径缓和技术，诸如在Performance Evalution of the MultipathEstimating Delay Lock Loop(多路径估算延迟锁定环的性能评估)，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页上所公开的。但是，在未检测到LOS信号的情况中，接收机可以禁止继续多路径缓和技术，因而节省功率，并且选择地可以施加一个告警，向用户指示：没有接收到可接受的信号。

确定LOS信号存在的方法是基于接收信号的功率谱密度的傅里叶变换的检查的。这样的技术公开在IEEE Transactions onBroadcasting，Vol.44，No.4，1998年12月，第527至539页SteveZeilinger，Tim Talty和Michael Chrysochoos的“MultipathChannel Characteristics Using Spectral Analysis of the SignalPower Density(使用信号功率密度的频谱分析的多径信道特性)”中。但是，此文章没有公开用于确定是否在多路径信号中存在LOS信号以及如何测试这样的存在的简单而行之有效的方法。

用于检测LOS信号的统计方法是已知的，但是并不被认为是足够可靠的。一种公知的技术假定如果多路径反射的概率分布是Rician，则存在LOS信号，但是如果其是Rayleigh，则不存在LOS信号。这种方法的缺点是，它依赖于以下事实，即，多路径信号随时间是正态分布的，即它们是天生随机的。这是一种不可能总是可靠的近似法。

附图说明

现在将参考附图通过举例来描述本发明，其中：

图1是其中接收机具有多个天线的一个定位系统的实施例的方框示意图；

图2是其中接收机是移动的并且以恒定速度移动的一个定位系统的实施例的方框示意图；

图3是表示按照本发明的方法的实施例的执行的流程图；和

图4是表示多路径信号的信号功率密度的傅里叶变换的示意图。

在附图中，相同的标号用于表示相应的特征。

具体实施方式

参考图1，该定位系统包括多个等间距隔开的天线A1至AN，其中N是具有量级为20的值的一个整数。天线A1至AN被耦合到位置确定设备10，该位置确定设备10具有耦合到显示装置12的输出端。该设备10包括多信道接收机和相关器14，其具有耦合到解调器16的输出端。已解调信号被施加到处理器18，该处理器根据保持在程序ROM 20中的软件来运行。该处理器18能够执行各种数学运算操作，并且尤其能够执行傅里叶变换。该处理器18的一个输出端被耦合到显示装置12，该显示装置12能够显示假定由在娱乐场所中自由玩耍的幼童24携带的发射机22的位置，其中该幼童的父母想监控在任何时刻该幼童的位置。当然，具有该定位系统的许多其他的应用，其中发射机22由被监控的目标或者人员携带或者附着到被监控的目标或者人员。

在操作中，发射的辐射包括由天线A1至AN直接接收的直接序列扩展频谱(DSSS)信号以及被反射器(诸如反射器26)一次或多次反射的信号，这将导致在接收到直接的或者视线(LOS)信号之后接收到辐射。天线A1至AN被耦合到接收机14，这允许在每个空间点上接收的功率被记录。为了能够进行精确的位置测量，必须检测无线电接收机14是否已接收LOS信号。如果在接收的信号中未检测到，则基于多路径或者仅基于反射的辐射的位置测量可能是非常不准确的。

在按照本发明的方法的一个实施例中，记录足够数量的点，以便对延迟功率分布(profile)执行有效的傅里叶变换。因此，获得在K-空间中的功率谱密度，这产生镜面反射的数量和幅值。通过检查信号功率谱密度，可能具有以k＝0为中心的峰值，表示和对应于多路径信号的峰值一起存在LOS信号。在这样的情况中，值得利用称为多路径缓和技术的处理来测试LOS信号的存在，所述多路径缓和技术更全面地描述在本说明书的绪言中所提到的Proc.of the Institute ofNavigation National Technical Meeting中。这种技术本身消耗相当大的电流。发射机22相对于位置确定设备的位置是通过使用在未出版的PCT专利申请IB02/03844和美国专利申请10/252499(对应于英国专利申请0125600.7，申请人的卷号PHGB 010173)中公开的测量和发送技术测量传播时间来确定的，这可以通过相关来实现。总之，这种技术包括以下步骤：相对于第一设备的本地时钟在时间t1上从第一设备发送定时信号到第二设备，和测量相对于第二设备的本地时钟那个信号在第二设备上的到达时间t2；相对于第二设备的本地时钟在时间t3上从第二设备发送定时信号到第一设备，和测量相对于第一设备的本地时钟那个信号在第一设备上的到达时间t4；和在这些设备之一中汇编t1、t2、t3与t4的值。在缺乏同步时，第一和第二设备的本地时钟之间的差值ΔClock可以容易地使用值t1、t2、t3和t4在这些设备的任何一个设备中进行确定。例如：

$\mathrm{\ΔClock}=\frac{t1-t2-t3+t4}{2}$

但是，如果未检测到这样的LOS峰值，那么一般不值得试图去确定位置，因为不准确的风险降低结果的可信度。

图2表示用于推导出足够数量的点以执行有效的傅里叶变换的一种替换技术。在所表示的实施例中，具有单个天线的接收机被以恒定速度移动，如利用箭头28所示的，并且它在多个时间点上记录接收的功率。一旦已记录足够数量的点，可以对功率谱密度分布执行有效的傅里叶变换，以得到镜面反射的数量和幅值。以k＝0为中心的峰值表示存在LOS信号，而反之亦然。

用于确定位置的处理过程利用在图3中示出的流程图来说明。方框30表示接收机14接收被解调的DSSS(直接序列扩展频谱)信号，如方框34所示。获得信号功率密度的傅里叶变换，如方框36所示。方框38表示检测LOS信号的存在。方框40涉及检查是否已检测到LOS信号。如果未找到(N)，则该流程图继续至方框42，这在重复利用方框32至40所表示的操作之前引入任意的时间延迟。

如果来自方框40的应答是yes(Y)，则在方框44中对解调的信号使用多路径缓和方法，以确定LOS信号和多路径成分。在方框46中，传播时间通过相关来确定。此后，在方框48中，发射机22的位置(图1和2)被确定和被显示在显示装置12上。

图4表示功率谱密度，这是相对于功率绘制的频率。示出了多个峰值，其应归于在f＝0上的LOS信号和在较高频率上的多路径或者反射的分量Γ₁至Γ₅。

当没有多路径时，在地点(图1)上或者在时间域(图2)中测量的信号场的平均功率密度将是恒定的。恒定功率的傅里叶变换产生DC(直流)分量，也就是说，在零频率上的峰值。

为了对LOS进行测试，下面将描述一些算法测试。在空间频率ω域中，例如如图4所示，将具有多个频谱峰值。从该说明书的绪言中所提到的IEEE Transactions on Broadcasting文章中，导出用于这些峰值的大小的公式，但是为了方便起见，在这里将如下陈述它们：

在上面的频谱峰值 $K=\mathrm{\π}{E}_0^2/\mathrm{\η}$ 的幅值-频率分量的表中，E₀是直接电场，η是磁场恒量，和Γ_n是反射系数。对于这个算法，K的形式是不重要的。当存在LOS时，功率谱密度F(ω)的直流分量的大小利用下式给出：

$F\left(0\right)=K(1+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Γ}}_n^2)---\left(1\right)$

当LOS不存在时，该直流分量是如下形式：

$F\left(0\right)=K\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Γ}}_n^2---\left(2\right)$

并且非直流分量是如下形式：

        F(ω_n)＝KΓ_n或者                  (3)

        F(ω_n)＝KΓ_nΓ_n+j其中j≠0          (4)

对于峰值，分析频域中的功率密度。非由于相交项导致的对于ω＞0的峰值(即，未出现在其他峰值的差频上)的总数是反射的总数N。这些峰值的大小被记录为Γ₁、Γ₂、...、Γ_n。进一步，对此，应标识最大峰值，即，图4中的峰值Γ₅，其具有形式F_max＝KΓ_max。

从等式(1)中，对于LOS存在的比值如下给出：

$\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{Mag}.\mathrm{ofDCComponent}}{\mathrm{Mag}.\mathrm{ofReflectedPeaks}}---\left(5\right)$

$=\frac{1+\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Γ}}_n^2}{{\mathrm{\Γ}}_n}$ 这里Γ_n＜1n                           (6)

从等式(2)中，如果不存在LOS，其具有形式：

$\mathrm{\φ}=\frac{\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Γ}}_n^2}{{\mathrm{\Γ}}_n}$ 这里Γ_n＜1n                           (7)

被用作K的比值形式则被消除。

从等式(6)和等式(7)中，分别地用于LOS和无LOS情况的下界限可以被如下确定：

$\mathrm{\φ}=\frac{1+\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Γ}}_n^2}{{\mathrm{\Γ}}_n}\≥\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\max }^2+1}{{\mathrm{\Γ}}_n}---\left(8\right)$

$\≥\frac{1+{\mathrm{\Γ}}_{\max }^2}{{\mathrm{\Γ}}_n}=\frac{1}{{\mathrm{\Γ}}_{\max }}+{\mathrm{\Γ}}_{\max }>1---\left(9\right)$

在无LOS情况下，

$\mathrm{\φ}=\frac{\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Γ}}_n}{{\mathrm{\Γ}}_n}\≥\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\max }^2}{{\mathrm{\Γ}}_{\max }}---\left(10\right)$

$\&GreaterEqual;{\mathrm{\&Gamma;}}_{\max }<1---\left(11\right)$

如果通过采用在等式(5)中指定的比值发现φ的值小于1，也就是说，φ＜1，则这可以表示：

$\mathrm{\&phi;}\&NotEqual;\frac{1+\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Gamma;}}_n^2}{{\mathrm{\&Gamma;}}_n}$

并因此LOS信号不存在，而且没有正当理由将假定多路径缓和技术应用于接收信号。

为了执行这个测试，所需要的只是利用所有其他峰值的最大大小值即F_max来划分在零频率上的峰值的大小值。这个测试将成功地辨别LOS的不存在，也就是说，当没有LOS时，φ将总是小于1。

用于LOS的其他算法测试包括：(1)从接收的数据中确定所有的反射系数Γ_n和N的值；和(2)施加一个上界限测试。但是，这些测试之中的每一个测试都要求确定K的值。

这可以通过考虑二个反射峰值F₁＝KΓ₁和F₂＝KΓ₂的大小值及其差频F₃＝KΓ₁Γ₂的大小值来完成。将这些值代入以下等式：

$K=\frac{F_1\&CenterDot;F_2}{F_3}=\frac{K{\mathrm{\&Gamma;}}_1\&CenterDot;K{\mathrm{\&Gamma;}}_2}{K{\mathrm{\&Gamma;}}_3}$

由于可以确定F₁、F₂和F₃的大小值，所以可以容易地计算K。

反回到上述的测试(1)，排除差频峰值，注记(note)观察到的所有反射峰值及其大小A_n，并且通过计算直流分量(假定值“H”)来确定LOS。

从上面的等式(3)中，我们知道：

${\mathrm{\&Gamma;}}_n=\frac{A_n}{K}$

如果LOS存在：

$K(1+\mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{\&Gamma;}}_n^2)=K(1+\frac{1}{K^2}\underset{n}{{\mathrm{\&Sigma;A}}_n^2})$

$=K+\frac{1}{K}\underset{n}{{\mathrm{\&Sigma;A}}_n^2}=\mathrm{valueC}$

如果LOS不存在：

$K\left(\mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{\&Gamma;}}_n^2\right)=\frac{1}{K}\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{A}_n^2=\mathrm{valueE}$

该测试是DC峰值H的值H是等于值C还是等于值E。如果H＝E，则LOS不存在，而如果H＝C，则LOS存在。

上界限测试(2)基于LOS存在时的情形，这如下给出：

$\frac{1+\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Gamma;}}_n^2}{{\mathrm{\&Gamma;}}_n}\&le;\frac{1}{{\mathrm{\&Gamma;}}_{\max }}+N{T}_{\max }$

当LOS不存在时：

$\frac{\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{\&Gamma;}}_n^2}}}{{\mathrm{\&Gamma;}}_n}\&le;N{\mathrm{\&Gamma;}}_{\max }$

通过从频谱分析中确定反射峰值的数量N和从该数据中确定Γ_max将能够计算上界限。

从下式中可以确定该数据的最大峰值：

${\mathrm{\&Gamma;}}_{\max }=\frac{F_{\max }}{K}$

其中Γ_max和K已经如上进行确定。

该上界限值对于无LOS的情况是NΓ_max，而对于LOS存在的情况是1/Γ_max+NΓ_max。如果

$\frac{\mathrm{Mag}.\mathrm{ofD}.C.\mathrm{Component}}{F_{\max }}>N{\mathrm{\&Gamma;}}_{\max }$

那么LOS存在S，如果＜NΓ_max，则该测试是非决定性的。

在本说明书和权利要求书中，在单元之前的词″一″或者″一个″不排除多个这样的单元的存在。此外，词″包括″不排除所列出之外的其他单元或者步骤的存在。

通过阅读本公开文本，其他的修改对于所属技术领域的人员来说将是显而易见的。这样的修改可以涉及用于确定位置的设备及其组成部分的设计、制造和使用中已经公知的其他特性，而且这些特性可以用于代替或除了此处已描述的特性之外附加使用。虽然在这个申请中已相对于特性的特定组合制定权利要求书，但应该明白，本申请公开的范围也包括此处明确或隐含公开的任何新颖特性或特性的任何新颖组合或其任何一般化特性，不管其是否涉及与当前在任何权利要求中所要求保护的范围相同的发明，以及不管其是否缓解任何或者所有的与本发明相同的技术问题。因此，申请人提请注意，在本申请及其从中推导出的任何进一步的申请的执行期间，可以对这样的特性和/或这样的特性的组合形成新的权利要求书。

Claims (12)

1.一种确定位置的方法，包括：

从远程发射机接收信号；

确定视线(LOS)信号是否存在；和

使用LOS信号来确定远程发射机的位置。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：

推导出接收信号的功率谱密度的傅里叶变换；

检查在零频率上DC值的存在，如果存在的话，执行多路径缓和技术以标识LOS信号。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于：

响应于LOS信号的不存在，禁止多路径缓和技术。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于：

推导出接收信号的功率谱密度的傅里叶变换；和

通过将零频率上峰值的大小值除以所有其他峰值的最大大小值，确定LOS信号的存在或不存在，和

如果答案小于一，则LOS不存在。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于：

推导出接收信号的功率谱密度的傅里叶变换；和

通过确定比值 $\mathrm{\&phi;}=\frac{\mathrm{Mag}.\mathrm{of\; D}.C.\mathrm{Component}}{\mathrm{Mag}.\mathrm{of\; Reflection\; Peaks}}$ 的下界限来确定LOS信号的存在或不存在，

如果φ小于一，则LOS不存在。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于：

推导出接收信号的功率谱密度的傅里叶变换；

注记所有反射峰值的幅值；

计算直流分量；和

确定计算的值是否对应于与LOS存在相关的值。

7.一种位置确定设备，包括：

接收装置，用于从远程发射机接收定位信号；

用于确定视线(LOS)信号是否存在的装置；和

使用LOS信号用于确定远程发射机的位置的装置。

8.根据权利要求7的位置确定设备，其特征在于：

用于推导出接收信号的功率谱密度的傅里叶变换的装置；

用于确定在零频率上在功率谱密度中是否存在峰值的装置；和

用于执行多路径缓和以标识视线(LOS)的装置。

9.根据权利要求8的设备，其特征在于：

响应于LOS信号不存在用于禁止多路径缓和方式的装置。

10.根据权利要求7的设备，其特征在于：

用于确定在零频率上是否存在峰值的装置包括：

用于推导出接收信号的功率谱密度的傅里叶变换的装置；

用于确定在零频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装置；和

用于确定答案是否小于一的装置，从而表示LOS不存在。

11.根据权利要求7的设备，其特征在于：

用于确定在零频率上是否存在峰值的装置包括：

用于推导出接收信号的功率谱密度的傅里叶变换的装置；

用于确定比值 $\mathrm{\&phi;}=\frac{\mathrm{Mag}.\mathrm{of\; D}.C.\mathrm{Component}}{\mathrm{Mag}.\mathrm{of\; Reflection\; Peaks}}$ 的下界限的装置，

如果φ小于一，则LOS不存在。

12.根据权利要求7的设备，其特征在于：

用于推导出接收信号的功率谱密度的傅里叶变换的装置；

用于注记除了差频峰值之外的所有反射峰值的幅值的装置；和

用于计算直流分量以及用于确定计算的值是否对应于与LOS存在相关的值的装置。

Images