專利名稱：目標定位的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及定位方法并且涉及無線電系統(tǒng)、無線電站和計算機程序，用于特別地但非排他地利用射頻信號在建筑物中定位目標。
背景技術：
已建議許多定位系統(tǒng)來定位無線電發(fā)射機或接收機的位置。
一種簡單的方案是通過在接收機上測量從發(fā)射機發(fā)射的信號的強度來測量接收機距發(fā)射機的距離。通過使用信號強度隨距離衰減的估算以及知道發(fā)射的功率，可以把接收的信號強度轉換成距離測量。
通過使用從多個發(fā)射機發(fā)射到接收機的信號，確定從每個發(fā)射機到接收機的相應距離，并且隨后例如利用三邊測量從該信息中定位接收機，可以確定接收機的位置。
當在室內使用時，該方法具有多種不便。首先，難于在室內估算無線電信號隨距離的衰減，因為該衰減取決于吸收體和反射體諸如墻壁、人員的數量以及其它非常易變的量。因此，使用經驗方法例如利用測量的衰減值把接收的信號強度轉換成距離測量的系統(tǒng)能夠比那些僅依據自由空間中控制無線電傳輸的方程式計算距離的系統(tǒng)更好地工作。然而，例如，由于人員或其它物體在建筑物周圍移動或者造成信號接收中的零點(null)的快衰落效應，被測的信號強度值可能明顯偏離那些根據經驗估算的值。因此，該方法非常不精確。
其次，對一個以上發(fā)射機的需要是不便利的。
上述方法在建筑物中的一些困難可以利用一種系統(tǒng)來解決，在該系統(tǒng)中通過測量在從發(fā)射機發(fā)射信號到接收機時這些信號所用的飛行時間來測量距離。在一個簡單的配置中，使用相關器來使被延遲可變延遲的發(fā)射信號的副本與接收信號之間的相關性最大化。所采用的最大化相關性的可變延遲是信號的飛行時間。通過使用多個發(fā)射機，可以使用三邊測量如上計算接收機的位置。
然而，該解決方案不能解決多個發(fā)射機的問題。實際上，由于在空間中定位接收機所需的三個未知位置坐標，發(fā)射機和接收機中的內部時鐘之間的時間偏移通常也是未知的，因此具有四個待確定的未知數。因此，通常需要四個或更多個發(fā)射機來在空間中定位接收機，這仍然是非常不方便的。
當在室內環(huán)境中使用時這樣的系統(tǒng)具有的其它困難是接收機可以接收對應于離開室內環(huán)境中的各種反射體的反射的多個信號分量。這使之難以識別接收機中接收的直接視線信號。反射的效應被稱作多路徑效應，并且這些效應對于室內使用是特別有影響的。實際上，直接視線信號可以完全被阻擋，并且在沒有直接視線分量的情況下，實際上非常難于估算視線信號的飛行時間。
因此，建筑物內的無線電定位是充滿著困難的。
室內使用的定位系統(tǒng)的已知實例是描述在“RADARan in-building RF-based user location and tracking system(建筑物內基于RF的用戶定位和跟蹤系統(tǒng))”，Bahl等人，Proceedings ofINFOCOM 2000，Tel Aviv，2000年3月中的系統(tǒng)。然而，該系統(tǒng)僅要求約3m、大約房間尺寸的中值誤差距離。
因而，仍然需要適于在建筑物內使用的定位系統(tǒng)和方法，并且特別需要甚至在直接視線信號被阻擋時也可以起作用的定位系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的第一方面，提供一種無線電站的定位方法，該方法包括提供參數數據庫，該參數數據庫包含反向散射信號的期望信號參數作為位置的函數；提供目標數據庫，該目標數據庫包含來自多個目標的反向散射信號的期望信號參數；從無線電站發(fā)射位置信號，以使該信號在該無線電站上作為接收信號被反向接收之前經歷多路徑反射；測量接收信號的預定特征；將接收信號的預定特征與參數數據庫中存儲的數據進行比較，以查找最佳匹配并相應地查找無線電站的位置；識別接收信號的預定特征與參數數據庫中存儲的數據中期望的特征之間的差異；和將這些差異與目標數據庫中存儲的數據進行比較，以查找滿足預定擬合標準的任何匹配，并且相應地識別位于無線電站附近的目標。
通過首先查找位置以及隨后識別差異，改善定位附近目標的能力。差異信息提供在積木式模型中未被說明的環(huán)境中其它反射體的知識。這可以用來建立比原始使用的更加精確的室內環(huán)境的圖(map)，因此用戶知道他或她相對于家具的位置。該信息還允許接收機區(qū)分固定目標(比如墻壁)和可移動目標(比如人員)，這在某些應用中是非常有用的。
與現有技術的解決方案相比，該方法具有許多益處。首先，不需要多個發(fā)射機和接收機。第二，該方法不需要接收從發(fā)射機發(fā)送到接收機的直接視線信號來獲得兩個無線電設備之間的相對位置測量。
本發(fā)明使用反向散射信號來定位，即從其位置將被測量的無線電站中發(fā)射的信號。本發(fā)明已經認識到這是更加可靠的，因為從遠端發(fā)射機發(fā)射的信號的使用可能被其間的墻壁或者其它物體所阻擋或影響。
預定特征可以是在接收機上接收的發(fā)射信號的分量的振幅、相位和延遲。這些分量將對應于來自各種墻壁、家具和其它物品的反射?？赡懿槐卮鎯驕y量每個分量的振幅、相位和延遲。相反地，僅需要存儲更有效分量的數據。在測量步驟期間，只有更有效分量才需要被測量。更有效數據可以是涉及最強信號的數據。
需要為每個區(qū)域存儲的分量的數量可以被預定為足以區(qū)分各個區(qū)域的一個值。一個分量通常是不夠的，因此需要處理預定的多個分量。例如，被測量的分量的數量和被存儲的分量的數量可以是五個或更多，最好是十個或以上。
在可替代實施例中，預定特征可以是接收信號的接收功率作為時間的函數、功率延遲分布。該方法可以避免在接收裝置中需要軟件來計算分量的振幅；這種軟件可能是復雜的，并且需要顯著的處理功率，這在小型或者便攜裝置中也許不是方便的或者不是可用的。
本發(fā)明可應用于多種情況中。
本發(fā)明特別可應用于具有彼此通信的一對無線電站的系統(tǒng)。在此情況下，在優(yōu)選實施例中，當定位給出最佳匹配的區(qū)域之后，無線電站中的一個或兩個把其位置作為信息信號發(fā)射給另一站。這可以使用相同頻率或頻帶作為位置信號，實際上，該信號甚至可以被用作位置信號。
因而，替代僅僅獲得兩個站的位置的相對測量，確定其絕對測量。
在實施例中，用于傳輸信息信號的頻帶是比位置信號低的頻帶，這不太可能被除了金屬反射體之外的其他材料所吸收。
優(yōu)選地，該方法還包括分析接收的無線電信號，以確定在接收機附近的目標。
在實施例中，接收機具有多個天線，并且反向散射信號不僅測量本地目標的反射率和距離，而且還測量其大小和形狀，并將其與典型室內目標的大小形狀以及反射率進行比較。
在優(yōu)選實施例中，用戶對接近室內環(huán)境中不同目標的無線電站定位。發(fā)射信號，并且為每個目標測量反射率、大小和形狀信息。用戶輸入目標的名稱。以此方式，建立目標的數據庫、其名稱及其反射率模式。
系統(tǒng)隨后可以將觀測到的信號與參數相匹配，以便能夠確定最接近的本地目標。
在可替代實施例中，存儲用于典型目標的預定的期望參數。發(fā)射機發(fā)出信號，并將所得到的接收信號與多個典型目標的期望信號進行比較，以查找最佳匹配。
在另一方面，本發(fā)明涉及計算機程序，其被安排成使無線電站執(zhí)行上述的方法。
在再一方面，本發(fā)明涉及無線電站，該無線電站包括至少一個天線；收發(fā)信機；處理器；和存儲參數數據庫的存儲器，該參數數據庫包含反向散射信號的期望信號參數作為建筑物內位置的函數；和提供目標數據庫，該目標數據庫包含來自多個目標的反向散射信號的期望信號參數，其中存儲器包括被安排為使無線電站進行以下操作的代碼從發(fā)射機發(fā)射位置信號，以使該信號在接收機上作為接收信號被接收之前經歷多路徑反射；在接收機上測量接收信號的預定特征；將接收信號的預定特征與參數數據庫中存儲的數據進行比較，以查找最佳匹配并相應地查找該無線電站的位置；識別接收信號的預定特征與參數數據庫中存儲的數據的期望數據之間的差異；和將這些差異與目標數據庫中存儲的數據進行比較，已查找任何好的匹配并相應地識別位于無線電站附近的目標。
優(yōu)選地，無線電站具有多個天線，用于同時發(fā)射多個無線電信號。
本發(fā)明還涉及無線電系統(tǒng)，該無線電系統(tǒng)包括被安排成彼此通信的多個這樣的無線電站。


為了更好理解本發(fā)明，現在將參考附圖純粹利用舉例方式來說明
具體實施例方式
根據本發(fā)明第一實施例的系統(tǒng)具有第一無線電站10(圖1)，該無線電站10具有收發(fā)信機12、處理器14和存儲器16以及多個天線18。該系統(tǒng)還具有第二無線電站20，該無線電站20具有收發(fā)信機22、控制器24、存儲器26和多個天線28。第一和第二無線電站都是便攜式的。
第一和第二無線電站之中的每一個包含存儲于存儲器16、26中的代碼30，用于使無線電站執(zhí)行下文所述的步驟。代碼30包括用于建立參數數據庫36的射線跟蹤仿真器(ray-tracing simulator)32和用于控制無線電站操作的操作控制器34。
在使用中，(圖2，圖3和圖4)建筑物設計、建筑物材料的典型反射率以及待發(fā)送的無線電信號的類型的細節(jié)被傳送給射線跟蹤仿真器32(步驟40)。接下來，射線跟蹤仿真器32對于從建筑物2的多個倉(bin)即區(qū)域4中的每一個中的相同無線電站發(fā)射的信號計算出期望接收信號(步驟42)。也就是說，計算從信號6反射的反向散射信號分量8的振幅、脈沖和延遲。
盡管為了清楚起見，附圖示出了在尺寸上類似于房間的網格，但是真實的網格可以是更加精細的尺度，以允許更精確的定位。例如，網格可以把建筑物劃分成邊長范圍為0.1m至2m，最好為0.5m至1m的正方形或矩形區(qū)域。在許多情況下，正方形網格也許是最方便的。仿真器確定每個期望的反射信號分量在被相應反射體反射之后返回到無線電接收機的振幅、相位和延遲。
隨后對建筑物的每個區(qū)域4重復計算和存儲步驟，以建立完整的參數數據庫36。
計算的結果隨后被輸入到第一和第二無線電站，并且被存儲為用于那個區(qū)域4的參數數據庫36的一部分(步驟46)。在所述的特定實施例中，存儲有關十個最有效(即，最強)信號分量8的信息，盡管這個數量可以根據需要而改變。
在這些準備步驟以及下述的其它準備步驟之后，無線電站10、20發(fā)出(步驟54)定位信號6。該信號被散射在真實的建筑物中，并且被反射的反向散射分量8在無線電站10上被反向接收而且被天線18、28拾取(步驟56)，這稱作接收信號。
接下來(步驟57)，無線電站10、20計算已接收的反向散射分量8的振幅、相位和延遲?？梢砸远喾N方式中的任何一種方式來進行此計算，例如利用最大似然估算來進行此計算。接收信號的反向散射分量8的振幅、相位和延遲隨后與參數數據庫36中存儲的已計算值進行比較(步驟58)，以確定最佳匹配。然后，把對應于最佳匹配的區(qū)域4作為無線電站10、20位于其中的區(qū)域4。
作為在兩個無線電站10、20中執(zhí)行的該過程的結果，每個站知道它自己的位置。
無線電站10、20中的一個或兩個隨后可以向另一站發(fā)送(步驟60)有關它自己位置的信息。在第一實施例中，使用比用于位置確定的信號波長更長的波長信號來發(fā)射該信息，因為較長的波長信號不易被除金屬反射體之外的其他材料吸收，避免任何視線實現的傳輸。
無線電站10、20也能夠建立目標數據庫37。為了建立目標數據庫37，無線電站10、20被帶到目標的附近，并通過多個天線發(fā)射信號(步驟48)。該信號隨后被目標反射，并且反射的信號被接收(步驟50)。多個天線的使用允許反射信號不僅表示目標的反射率和距離，而且還表示目標的尺寸和形狀。提示用戶輸入目標名稱(步驟51)，并且把其與反射率尺寸和形狀信息一起存儲在目標數據庫中(步驟52)。隨后，重復步驟48至52(步驟53)，以便利用有關多個目標的信息來建立目標數據庫37。
該信息隨后在確定房間信息之后被用于定位鄰近目標。為了與鄰近目標的最佳擬合，分析在步驟56中接收的接收信號。
在優(yōu)選的安排中，將接收信號的特征與作為給出最佳匹配的區(qū)域的參數數據而存儲的那些特征進行比較。差異通常由于目標的反射造成，而不是由于建筑物設計造成。因此，該方法包括確定接收信號的特征與參數數據庫中存儲的特征(對應于接收信號與參數數據庫的最佳匹配)之間的差異(步驟66)，并且然后將這些差異與目標數據庫中存儲的目標進行比較(步驟68)，以確定一個或多個附近目標的大小形狀和距離。
然后，可以輸出最佳擬合目標的名稱(步驟70)。
在具體示例中，第一無線電站10可以是移動電話，而第二無線電站20可以是裝備有收發(fā)信機鑰匙鏈(key fob)的一組門鑰匙。如果鑰匙丟失，則可以從移動電話10向門鑰匙20發(fā)送信號，以使門鑰匙運行上述過程來定位本地目標。這可以確定例如門鑰匙在臥室中與桌子相距1m并與桌燈82相距2m處。該信息可以發(fā)射給移動電話并被顯示，以允許移動電話的用戶更加容易地找到門鑰匙。
計算的與測量的數據之間的差異給出有關在真實環(huán)境與在處理開始時輸入以計算期望的接收信號的建筑物設計中的環(huán)境之間的差異的信息。因而，可以把這些差異和有關本地目標的信息存儲在圖數據庫39中(步驟72)。例如，圖數據庫隨后可以用于確定包含門鑰匙的房間和門鑰匙相對于該房間中的目標的位置。
由諸如人員的移動目標而造成的差異通常不應被包含在圖數據庫39中。這可以通過檢查特定反射體的移動并且不在圖數據庫中包括來自移動反射體的數據而實現。作為選擇，可以拒絕具有對應于人或動物的反射率和電容率的反射體。
在第一實施例的修改中，目標數據庫不用試驗方法來建立，而只是存儲在無線電站中。典型目標諸如桌子、椅子和地板可以簡單地利用典型參數來包括，或者替換地或附加地可以包含知道在本地環(huán)境中的其他特別的目標。
在第二實施例中，不測量反射信號分量的振幅、相位和延遲，而測量接收信號的反向散射信號強度作為時間的函數。因此，在該實施例中，計算和存儲步驟42、44計算期望的反向散射信號功率作為時間的函數。查找最佳匹配的步驟隨后使接收信號與期望的反射信號功率相擬合，以查找最佳擬合并由此查找無線電站的位置。
在第三實施例中，第一無線電站10是位于已知位置上的靜止無線電站。第二無線電站20是移動站，獲得有關其位置和其附近的目標的信息，并把信息反向發(fā)送給第一無線電站10。
盡管最佳實施例使用具有多個天線的無線電站10、20，但是本發(fā)明還可應用于具有單個天線的無線電站10、20。確定目標的尺寸和形狀是更加困難的，但這在所有應用中也許不是必需的。僅使用單個天線獲得更多信息的一種方式是發(fā)送不同頻率的無線電信號。如本領域熟練技術人員將認識到的，這種解決方案也可以與多個天線一起使用。
本發(fā)明還可以用于室外以及特別地良好地映射室外環(huán)境的室內。
本發(fā)明可以具有利用移動無線電發(fā)射機玩游戲的應用，這些移動無線電發(fā)射機可以使用有關游戲玩家的位置和速度的信息來向游戲服務器和游戲玩家提供信息。
在本說明書和權利要求書中，單元之前的單詞“一”或“一個”并不排除多個這樣的單元的存在。此外，單詞“包括”并不排除所列之外的其它單元或步驟的存在。
通過閱讀本公開內容，對于本領域熟練技術人員來說，其它的修改將是顯然的。這樣的修改可以涉及在定位技術領域和無線電技術領域中已公知的其它特征，以及可以替代使用的其它特征或者除了本文中已公開特征之外的其它特征。
權利要求
1.一種無線電站(10，20)的定位方法，該方法包括提供參數數據庫(36)，該參數數據庫包含反向散射信號的期望信號參數作為位置的函數；提供目標數據庫(37)，該目標數據庫包含來自多個目標的反向散射信號的期望信號參數；從無線電站發(fā)射位置信號(6)，以使該位置信號在無線電站上作為接收信號(8)被接收之前經歷多路徑反射；測量接收信號的預定特征；將接收信號的預定特征與參數數據庫中存儲的數據進行比較，以查找最佳匹配并相應地查找無線電站的位置；識別接收信號的預定特征與參數數據庫中存儲的數據中期望的特征之間的差異；和將這些差異與目標數據庫中存儲的數據進行比較，以查找任何好的匹配，并因此識別位于無線電站附近的目標。
2.根據權利要求1所述的方法，其中提供參數數據庫(36)的步驟包括輸入限定建筑物的數據；把建筑物劃分成區(qū)域(4)的預定網格；當從或相對于無線電接收機被預定為固定的或者位于預定位置上的發(fā)射機中發(fā)射位置信號時，計算在每個區(qū)域中由接收機接收的期望的接收信號；和把對應于每個區(qū)域的期望的接收信號的有效特征存儲為參數數據(36)。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中提供目標數據庫(37)的步驟包括一個接一個地定位鄰近多個目標的無線電站，和對于每個目標，發(fā)射信號，接收自該目標反射的反向散射信號，并把接收的反向散射信號的測量的預定參數存儲為目標數據，以便隨后在相對于存儲的目標參數數據測試接收信號的預定特征的步驟中使用。
4.根據任何一項在前權利要求所述的方法，其中預定特征是在接收機上測量的接收信號的分量的振幅、相位和延遲；和比較預定特征和比較差異的步驟將測量的振幅、相位和延遲與期望的信號參數進行比較，以查找最佳擬合。
5.根據權利要求1-3之一所述的方法，其中預定特征是接收信號的功率，作為形成延遲分布的時間函數。
6.根據任何一項在前權利要求所述的方法，其中無線電站(10，20)具有多個天線(18)，并且在將差異與目標數據庫(37)的信息進行比較的步驟中，分析這些差異，以確定在無線電站(10，20)附近的目標及其距離。
7.一種定位第一和第二無線電站的方法，包括使用根據權利要求1-6之一所述的方法查找第一無線電站(10)的位置；使用根據權利要求1-6之一所述的方法查找第二無線電站(20)的位置；和從第二無線電站向第一無線電站發(fā)射代表第二無線電站的位置的無線電信號。
8.一種計算機程序，被安排成使無線電站(10，20)執(zhí)行根據權利要求1-6之一所述的方法的步驟。
9.一種無線電站(10，20)，包括至少一個天線(18，28)；收發(fā)信機(12，22)；處理器(14，24)；和存儲器(16，26)，存儲參數數據庫(36)的，該參數數據庫包含反向散射信號的期望信號參數作為建筑物內位置的函數；以及目標數據庫(37)，該目標數據庫包含來自多個目標的反向散射信號的期望信號參數；其中存儲器包括被安排為使無線電站完成以下操作的代碼(30)從至少一個天線中發(fā)射位置信號，以使該位置信號在接收機上作為接收信號被接收之前經歷多路徑反射；測量接收信號的預定特征；將預定特征與參數數據庫中存儲的數據進行比較，以查找最佳匹配，并由此查找無線電站的位置；識別接收信號的預定特征與參數數據庫中存儲的數據的期望特征之間的差異；和將這些差異與目標數據庫(37)中存儲的數據進行比較，以查找任何好的匹配并由此識別位于無線電站附近的目標。
10.根據權利要求9所述的無線電站，包括用于同時發(fā)射多個無線電信號的多個天線(18，28)。
11.一種無線電系統(tǒng)，包括被安排成相互通信的根據權利要求9或10所述的多個無線電站(10，20)。
全文摘要
一種定位方法使用來自無線電站(10，20)的反向散射信號來定位一個區(qū)域內例如一個建筑物的房間內的無線電站。隨后，查找在測量的反向散射信號與期望信號之間的差異，并且將該差異與目標數據庫(37)中存儲的數據進行比較，以識別在無線電站(10，20)附近的目標。
文檔編號G01S5/02GK1756964SQ200480005859
公開日2006年4月5日 申請日期2004年2月20日 優(yōu)先權日2003年3月4日
發(fā)明者J·羅森菲德 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司