專利名稱：定位方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種定位方法和設(shè)備。
到達時間(time-of-arrival)無線電定位系統(tǒng)，例如美國專利5764686號中所述的，使用了相關(guān)技術(shù)，但是這些位置處理系統(tǒng)不能很好地適用于具有高水平多路衰減的人口密集環(huán)境。
本發(fā)明的目的是改進現(xiàn)有技術(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于無線電系統(tǒng)的定位方法，該方法包括在該系統(tǒng)的一個單元接收信號；對該接收的信號應(yīng)用至少一個測試以選擇對于該信號的處理操作，該操作是以下之一相關(guān)處理操作，前沿(leading edge)處理操作；和然后執(zhí)行所選擇的操作。
以這種方式，本發(fā)明的方法使用了能夠在主要環(huán)境中得到最準確和穩(wěn)健測量的處理操作。在將該方法用于容易遇到隨時間變化顯著的條件的移動設(shè)備時，這是尤其重要的。
優(yōu)選地，該方法包括一個測試，其包括確定該接收信號的信號水平是否高于一個閾值；如果該接收信號的水平低于該閾值，則選擇相關(guān)處理操作。如果該接收信號的水平高于該閾值，那么測試該前沿梯度是否高于一個梯度閾值；如果該前沿梯度低于該梯度閾值，則選擇該前沿處理操作。如果該前沿梯度高于該梯度閾值，則選擇相關(guān)處理操作。
優(yōu)選地，本發(fā)明包括以預(yù)定的間隔重復(fù)該測試應(yīng)用和操作步驟。
本方法的其他特征在權(quán)利要求中公開。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種可以直接加載到數(shù)字計算機的內(nèi)存儲器中的計算機程序產(chǎn)品，包括用于當所述產(chǎn)品在計算機上運行時執(zhí)行本發(fā)明的方法的軟件代碼部分。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種可以直接加載到數(shù)字計算機的內(nèi)存儲器中的計算機程序，包括用于當所述程序在計算機上運行時執(zhí)行本發(fā)明的方法的軟件代碼部分。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種載體，其可以包括用于實施本發(fā)明的計算機程序的電子信號。
根據(jù)本發(fā)明，還提供本發(fā)明的計算機程序產(chǎn)品或計算機程序或載體的電子分發(fā)。
根據(jù)本發(fā)明，還提供用于無線電系統(tǒng)的定位設(shè)備，該設(shè)備包括用于在該系統(tǒng)的一個單元接收信號的裝置；用于對該接收的信號應(yīng)用至少一個測試以選擇對于該信號的處理操作的裝置，該操作是以下之一相關(guān)處理操作，前沿處理操作；和用于執(zhí)行所選擇的操作的裝置。
本發(fā)明一般可以用于到達時間無線電系統(tǒng)，包括GPS或GSM系統(tǒng)，例如使用超寬頻帶(UWB)或直接序列擴頻(DSSS)信號。
為了使本發(fā)明更容易理解，現(xiàn)在僅通過示例的方式參照附圖給出說明，其中

圖1是表示本發(fā)明提供的定位方法的流程圖；和圖2示出了本發(fā)明的一個實施例的電路配置。
本發(fā)明包括在一個單元接收的測試信號，用于基于該接收信號的多個準則和方面來判定最適合該信號的處理操作是哪一個。
因而，在任意給定的時間和環(huán)境組中，該判定會得到一個使用一種特定處理方法的決定。在稍后的時間，該信號的構(gòu)成可以改變和/或本地環(huán)境可以改變，導(dǎo)致不同的決定，或者即使是相同的決定但是是因為不同的原因。
圖1中表示的該實施本發(fā)明的方法允許信號的飛行時間(time-of-flight)在例如GPS或GSM系統(tǒng)中的準確和穩(wěn)健定位，例如使用超寬頻帶(UWB)或直接序列擴頻(DSSS)信號。
依賴于該信號在傳播環(huán)境中遭受的噪聲衰減和多路衰減的程度，使用基于前沿技術(shù)的測量或者基于相關(guān)技術(shù)的測量以得到最精確的結(jié)果。
在具有高水平背景噪聲的環(huán)境中，基于標準相關(guān)技術(shù)的測量可以得到更準確的結(jié)果，而在具有高水平多路衰減的人口密集環(huán)境中，基于前沿技術(shù)的測量可以得到更準確的結(jié)果。
圖1所示的方法提供了在任意給定時刻用于一組特定環(huán)境的、對于最適當?shù)男盘柼幚砑夹g(shù)的可靠和準確選擇。
現(xiàn)在參照圖1對該方法進行說明。
在步驟1，接收器B從發(fā)射器A接收周期性脈沖。為了獲得充分信噪比(SNR)的脈沖用于偏轉(zhuǎn)(inflection)計算，對該脈沖串的每個周期進行相干求和(步驟2)。
對于具有周期T的脈沖串，相干求和得到構(gòu)成N個脈沖串周期的脈沖串，從而得到N倍的原始信號長度，但是僅得到 倍的噪聲，因為脈沖的相干求和會導(dǎo)致該噪聲達到平均。
用于前沿技術(shù)的改善該脈沖SNR的另一種方式是，利用寬度略大于最寬噪聲干擾的沖擊(bump)函數(shù)來獲取該脈沖串中第一脈沖的卷積，該沖擊函數(shù)例如是高斯函數(shù)。當該函數(shù)在噪聲波動寬度上平均時，該噪聲干擾實際上被濾除，其中根據(jù)以下等式σπ∫e-σ(x-y)2f(y),]]>從而通過f(y)給出該脈沖，并且脈沖寬度p滿足判別式p2σ＞＞1.
步驟3執(zhí)行測試以判定該接收的SNR值是否具有比用戶定義的測距誤差更差的、相應(yīng)的最壞情況前沿技術(shù)測距誤差(通過該設(shè)備存儲器中的查找表找到)。該關(guān)于各種信噪比的最壞情況前沿測距誤差在先前的實驗測量期間獲得，并且該數(shù)據(jù)被存儲在查找存儲器中。
步驟3執(zhí)行測試以確定最壞可能的實際測距誤差。該測距誤差是對于具有非常低梯度的接收脈沖計算的，該梯度是通過測量室內(nèi)環(huán)境中的信號以確定表示對于固定信噪比不可忽略的最壞情況的脈沖梯度來控制的。對于SNR的各個預(yù)定值計算誼測距誤差以建立查找表。
在正常操作中，實時使用該查找表以提供關(guān)于特定SNR的測距誤差ε1，其中該測距誤差ε1構(gòu)成判定閾值K，首先通過在整個特定類型的環(huán)境中例如建筑物中獲得大量的接收信號數(shù)據(jù)來確定。選擇具有相同SNR的最低梯度信號的數(shù)據(jù)集合(下四分位)作為給定SNR的一組最壞情況信號。然后利用前沿方法對于該組信號確定均值和標準差測距誤差，K是該計算的標準差內(nèi)的平均值。K依賴于SNR，因為更好的SNR會增加測距誤差。所以對于各個SNR，根據(jù)實驗信號測量來找到K的值。
一旦該接收信號的SNR被測量，就在存儲器中查找它相應(yīng)的最壞情況前沿測距誤差。該測距誤差是閾值K。以前，任何定位測量的測距誤差限制被設(shè)定為值e。相對于閾值K檢驗值e。如果K＜e，則到達步驟4，從而進行最壞情況前沿的誤差在用戶定義的誤差e之內(nèi)，所以進行前沿將給出最壞情況誤差K。
如果該SNR小于閾值K，則到達步驟11，其中該使用前沿技術(shù)的測距誤差比ε1更差，指示應(yīng)當選擇相關(guān)技術(shù)使用。
當K＞e時，到達步驟11。這意味著進行最壞情況前沿的誤差高于用戶定義誤差e。該系統(tǒng)通過實施相關(guān)技術(shù)僅能得到更小的測距誤差。因為該系統(tǒng)具有在e內(nèi)的測距誤差，所以必須實施步驟11即相關(guān)技術(shù)。
步驟11包括另一判定點。再次執(zhí)行測試以確定對于具有相關(guān)時間T的相關(guān)技術(shù)，該SNR是否太低，以致于不能提供在用戶定義誤差值之內(nèi)的測距誤差值，該用戶定義誤差值是根據(jù)查找表找到的，該查找表包含根據(jù)用于各個SNR的信號和各個相關(guān)時間的相關(guān)技術(shù)得到的平均測距誤差。該閾值測距誤差是從關(guān)于各種時間和SNR的相關(guān)技術(shù)測距誤差的另一個查找表中找到的。再次利用字段SNR、相關(guān)測距誤差來構(gòu)建基于已有數(shù)據(jù)的查找表。通過對固定SNR的信號和相關(guān)時間執(zhí)行相關(guān)技術(shù)來找到該均值測距誤差。通過該相關(guān)技術(shù)確定所接收信號的范圍(range)。并且也在發(fā)射器和接收器之間測量準確范圍。該相關(guān)估計范圍和準確范圍之間的差是關(guān)于特定SNR和相關(guān)時間的測距誤差的值。對于放置在該環(huán)境中不同位置的發(fā)射器和接收器多次執(zhí)行這些測量。所使用的測距誤差值是對于固定SNR和相關(guān)時間T獲得的那些值的均值，并且從而被用于對給定的SNR和相關(guān)時間T的特定值提取測距誤差ε2。
從該查找表中找到關(guān)于給定時間和SNR的相關(guān)測距誤差作為閾值C。如果用戶定義測距誤差e大于C，那么用于該發(fā)射信號的該相關(guān)時間應(yīng)該足以獲得在用戶定義邊界之內(nèi)的范圍測量。所以在步驟12執(zhí)行相關(guān)技術(shù)。
如果該閾值誤差C(從查找表中找到的)大于該用戶定義測距誤差e，那么該相關(guān)技術(shù)也許會給出在用戶定義邊界之外的位置測量。因而，要提高位置測量的準確性就是要增加該相關(guān)時間，因為它增加了用于尋找該飛行時間以及隨后尋找定位的相關(guān)函數(shù)的SNR。這在步驟13中執(zhí)行。
如果測距誤差ε2大于測距誤差ε1，從查找表中找到對于給定SNR能夠獲得至少為ε1的誤差的新的相關(guān)時間T。
如果能夠到達步驟4，意味著對于該接收信號的SNR的最壞情況前沿測距誤差(從查找表中找到)小于用戶定義或系統(tǒng)定義測距誤差e，那么僅當在系統(tǒng)中選擇節(jié)能(power-saving)模式時執(zhí)行步驟5。
步驟5是步驟2的節(jié)能模式。使用關(guān)于該接收信號的測量SNR的存儲值，到查找表中尋找能夠獲得最大測距誤差e的發(fā)射時間(transmittime)。對于下一個發(fā)射信號，將發(fā)射時間減少為在查找表中找到的該發(fā)射時間。
因為范圍精度被減少以節(jié)能，所以高SNR值是不必要的。通過發(fā)射更短時間的信號，該高相干重疊信號具有減少范圍精度或增加范圍誤差的更低的SNR。然而，發(fā)射更短時間的信號可以節(jié)約信號功率。
當不選擇節(jié)能模式時，從步驟4直接到達步驟6。
在步驟6，進行輔助(back-up)測試以確定是否應(yīng)當使用前沿技術(shù)或相關(guān)技術(shù)。
該前沿的梯度g和信噪比SNR和前沿測距誤差一起存儲。而且，該信號的SNR及其發(fā)射時間T與該均值相關(guān)方法測距誤差一起存儲。在步驟7，如果對于該信號的給定SNR和T得到的測距誤差j小于對于給定梯度g和信號的SNR從前沿方法得到的測距誤差，則選擇相關(guān)方法。
在步驟8，如果從查找表中確定關(guān)于前沿參數(shù)(即SNR和梯度g)的測距誤差小于來自相關(guān)技術(shù)參數(shù)(即SNR和發(fā)射時間)的測距誤差，則選擇前沿方法。
在步驟6，為了確定前沿的梯度，使用脈沖串中的單個脈沖，例如第一個，并且確定該前沿的拐點位置。因為數(shù)字波形不一定具有足夠的采樣點以確定該拐點位置，所以優(yōu)選地使用模擬信號，使用下式確定該梯度i=CdVdt,]]>其中V是該信號波形的電壓，C是電容，i是電流。
測距誤差是該接收信號的測量范圍或飛行時間和該信號傳播的準確已知范圍(其出現(xiàn)在在實驗相位中找到的查找表數(shù)據(jù)中)之間的差。如果SNR足夠高以具有小于與該脈沖梯度無關(guān)的用戶定義誤差e的測距誤差，或者如果該SNR大于預(yù)定閾值X，則可以應(yīng)用前沿技術(shù)。這通過直接從步驟4移動到步驟10的流程圖表示。由于前沿技術(shù)與環(huán)境的無關(guān)性而使得這是可能的。
根據(jù)建筑物中的實驗測量，可以發(fā)現(xiàn)SNR值非常高，以致于例如所有前沿測量的95％都具有小于該系統(tǒng)定義誤差e的測距誤差。
如果SNR非常高，那么在該信號中幾乎沒有噪聲。并且還有影響前沿技術(shù)遠小于相關(guān)技術(shù)的多路效應(yīng)。當SNR增加時，該多路效應(yīng)和測距誤差減少。如果SNR足夠高，則對于任何多路環(huán)境，該測距誤差都小于用戶定義誤差e。
本發(fā)明可以以所需處理量的形式提供超越現(xiàn)有技術(shù)的顯著優(yōu)點。如果達到本發(fā)明中的環(huán)境閾值，那么可以立即使用相關(guān)技術(shù)，而不需要進行該前沿技術(shù)所需的額外處理。
類似地，在一些環(huán)境中，可以作出使用前沿技術(shù)的中間決定，避免了與尋找相關(guān)峰值有關(guān)的處理。
有一種情況，其中由于傳播環(huán)境的不確定性，導(dǎo)致用于使用前沿技術(shù)或相關(guān)技術(shù)的閾值組被證明不夠穩(wěn)健，從而有必要使用輔助決定。在僅使用相關(guān)技術(shù)的情況中，該系統(tǒng)的積分時間可以增加。在僅使用前沿技術(shù)的情況中，對于該前沿的梯度的進一步測試允許作出關(guān)于前沿技術(shù)或相關(guān)技術(shù)是否能夠提供更準確測量的決定。
圖2示出了結(jié)合參照圖1所述的方法的本發(fā)明的軟件實施方式。
其中示出了CPU 20，其對于輸入信號執(zhí)行多個軟件程序，以便確定是否由前沿單元21或相關(guān)單元22處理在CPU 20接收的信號。
CPU 20具有通過計算信號連續(xù)采樣點之間的梯度而對低S/N進行測試的軟件。這是通過參考該信號的采樣率而實現(xiàn)的，該信號采樣率由采樣器23設(shè)定到dt的采樣空間。每個采樣點的能量值被存儲到存儲器24中，即在采樣點t1，將信號e1存儲到存儲器中，在采樣點t2存儲信號e2等等。
一旦所有合適的值都被存儲在存儲器中時，通過下式計算連續(xù)梯度E＝{Grad1＝(e2-e)/dt，Grad2＝(e3-e2)/dt.....，Gradn＝en+1-en)/dt}.
如果該連續(xù)梯度的方差較大，那么該S/N水平就較低，因為有噪聲的信號不具有平滑邊緣，即該邊緣會被干擾，所以連續(xù)梯度的值顯著不同，即方差很大。
為了計算集合E中的梯度值的方差，執(zhí)行下式25方差＝1/N sum_n(Gradn)^2-(1/N sum_n Gradn)^2，其中N是采樣點總數(shù)，sum_n是所有采樣點的求和。
通過在生產(chǎn)應(yīng)用本發(fā)明的商業(yè)產(chǎn)品實施之前，對于標準或測試信號序列進行測試，可以確定對應(yīng)于用于進行前沿處理的限制值的方差值。
如果S/N比不是太低，可以對信號成分進行前沿處理，否則進行標準相關(guān)(26，27)。
顯然，在變體中，由單元21和23進行的操作也可以由CPU 20作為其軟件程序的一部分而執(zhí)行。
因此本發(fā)明提供了一種適應(yīng)于環(huán)境變化的穩(wěn)健決定過程，用于對特定環(huán)境實時選擇最適當?shù)募夹g(shù)。該決定過程通過使用相干脈沖求和和利用高斯函數(shù)卷積以改善信噪比來支持。
權(quán)利要求
1.用于無線電系統(tǒng)的定位方法，該方法包括在該系統(tǒng)的一個單元接收信號；對該接收的信號應(yīng)用至少一個測試以選擇對于該信號的處理操作，該操作是以下之一相關(guān)處理操作(步驟9，12)，前沿處理操作(步驟10)；和然后執(zhí)行所選擇的操作。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該應(yīng)用的測試包括確定該接收信號的信號水平是否高于一個閾值(步驟4)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中如果該接收信號的水平低于該閾值，則選擇該相關(guān)處理操作(步驟12)。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，包括如果所接收信號的水平高于該閾值，測試該前沿梯度是否高于梯度閾值(步驟6)。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中如果該前沿梯度低于該梯度閾值，則選擇該前沿處理操作(步驟10)。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中如果該前沿梯度高于該梯度閾值，則選擇相關(guān)處理操作(步驟9)。
7.如前任何一個權(quán)利要求所述的方法，包括以預(yù)定的時間間隔重復(fù)該測試應(yīng)用和操作步驟。
8.如前任何一個權(quán)利要求所述的方法，包括在測試應(yīng)用步驟之前相干重疊所接收的脈沖。
9.如前任何一個權(quán)利要求所述的方法，包括利用沖擊函數(shù)對脈沖進行卷積。
10.如前任何一個權(quán)利要求所述的方法，包括如果該信號水平低于該信號水平閾值，則在下一個/后續(xù)的測試應(yīng)用之前延長該信號的接收時間周期。
11.如前任何一個權(quán)利要求所述的方法，包括在測試該前沿梯度是否高于閾值之前，減少下一個發(fā)射周期(步驟13)。
12.如前任何一個權(quán)利要求所述的方法，包括對于節(jié)能模式的操作，減少該前沿測試的時間周期。
13.如前任何一個權(quán)利要求所述的方法，包括在沒有中間測試或處理進行選擇之后，執(zhí)行前沿處理操作。
14.如前任何一個權(quán)利要求所述的方法，包括使用下式測量該梯度i=CdvDt]]>其中V＝該信號波形的電壓，C＝電容，i＝電流。
15.如前任何一個權(quán)利要求所述的方法，其中該前沿處理操作包括差分該接收信號電壓或峰值并且設(shè)置零交叉(拐點)。
16.一種直接加載到數(shù)字計算機的內(nèi)存儲器中的計算機程序產(chǎn)品，包括用于當所述產(chǎn)品在計算機上運行時執(zhí)行權(quán)利要求1-15中任一個或多個所述方法的軟件代碼部分。
17.一種直接加載到數(shù)字計算機的內(nèi)存儲器中的計算機程序，包括用于當所述程序在計算機上運行時執(zhí)行權(quán)利要求1-15中任一個或多個所述方法的軟件代碼部分。
18.一種載體，其包括用于權(quán)利要求17所述計算機程序的電子信號。
19.權(quán)利要求16的計算機程序產(chǎn)品或權(quán)利要求17的計算機程序或權(quán)利要求18的載體的電子分發(fā)。
20.用于無線電系統(tǒng)的定位設(shè)備，該設(shè)備包括用于在該系統(tǒng)的一個單元接收信號的裝置；用于對該接收的信號應(yīng)用至少一個測試以選擇對于該信號的處理操作的裝置(20，21，22)，該操作是以下之一；相關(guān)處理操作，前沿處理操作；和用于執(zhí)行所選擇的操作的裝置。
21.如權(quán)利要求20所述的設(shè)備，包括用于確定該接收信號的信號水平是否高于閾值的裝置(26)。
22.如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，包括用于如果該接收信號的水平低于該閾值時選擇相關(guān)處理操作的裝置(26)。
23.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，包括用于如果該接收信號的水平高于該閾值時，測試該前沿梯度是否高于梯度閾值的裝置(26)。
24.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，包括用于如果該前沿梯度低于該梯度閾值時選擇該前沿處理操作的裝置(27)。
25.如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，包括用于如果該前沿梯度高于該梯度閾值時選擇該相關(guān)處理操作的裝置(27)。
26.如權(quán)利要求20-25中任何一個所述的設(shè)備，包括以預(yù)定間隔重復(fù)該測試應(yīng)用和操作步驟的裝置。
全文摘要
在使用DSSS信號的GPS或GSM系統(tǒng)中，通過基于多個測試和環(huán)境條件來選擇前沿或相關(guān)技術(shù)而實現(xiàn)準確和穩(wěn)健的飛行時間信號處理。
文檔編號G01S5/06GK1886673SQ200480035208
公開日2006年12月27日 申請日期2004年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月29日
發(fā)明者J·羅森費爾德 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司