使用信號(hào)的飛行時(shí)間的改進(jìn)的距離測(cè)量的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于確定第一設(shè)備與第二設(shè)備（諸如用戶(hù)設(shè)備與基站單元）之間的 距離的技術(shù)，并且具體涉及一種改進(jìn)的基于飛行時(shí)間的距離測(cè)量。本發(fā)明還涉及一種個(gè)人 跟蹤系統(tǒng)，其使用所述改進(jìn)的基于飛行時(shí)間的距離測(cè)量來(lái)確定用戶(hù)是否在預(yù)定的安全地帶 內(nèi)。
【背景技術(shù)】
[0002] 能夠用于跟蹤或監(jiān)測(cè)人的位置的許多個(gè)人跟蹤系統(tǒng)是可用的。這樣的系統(tǒng)的用戶(hù) 可以包括老人、兒童、患老年癡呆癥的人、癡呆或自閉癥（有精神錯(cuò)亂傾向的人）或者護(hù)理 中心或醫(yī)院里的患者?？梢越?地理圍欄"，所述"地理圍欄"界定允許用戶(hù)在其中自由移 動(dòng)的安全或可接受區(qū)域，例如他們的家中，或者相反地界定用戶(hù)不應(yīng)當(dāng)進(jìn)入的區(qū)域，并且所 述跟蹤系統(tǒng)能夠用于驗(yàn)證用戶(hù)是否在其安全地帶或地理圍欄內(nèi)，以及如果不是，則觸發(fā)報(bào) 警并確定用戶(hù)的位置。
[0003] 這些系統(tǒng)通常包括用戶(hù)穿戴或用戶(hù)攜帶的設(shè)備和被放置在（并且?guī)椭x）安全 地帶中的基站單元。所述用戶(hù)設(shè)備可以包括與諸如蜂窩通信或WiFi的另一無(wú)線(xiàn)通信技術(shù) 結(jié)合的GPS接收器，其用于監(jiān)測(cè)用戶(hù)的位置。然而，這些系統(tǒng)受妨礙于由于低位置采樣速率 (為了節(jié)約電力）、欠佳電池壽命（如果采樣速率被設(shè)置得較高）的低劣性能，或者具有由 于將大電池包括在設(shè)備中的相當(dāng)大尺寸。
[0004] 在某些情況下，基站單元可以充當(dāng)用戶(hù)設(shè)備的信標(biāo)，并且用戶(hù)設(shè)備可以使用從基 站單元發(fā)射的信號(hào)來(lái)確定用戶(hù)設(shè)備（以及由此的用戶(hù)）是否在安全地帶內(nèi)。某些設(shè)備使用 對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量（例如對(duì)接收無(wú)線(xiàn)電信號(hào)中的功率的測(cè)量，稱(chēng)為接收信號(hào)強(qiáng)度指示 器，RSSI)來(lái)估計(jì)與基站單元的距離，并且由此確定用戶(hù)設(shè)備是否在安全地帶內(nèi)。該技術(shù)通 常能夠消耗與諸如GPS的其他位置估計(jì)技術(shù)相比較少的功率。然而，基于信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量的 距離估計(jì)不是非常具有魯棒性，并且要么產(chǎn)生不一致或不規(guī)律的距離測(cè)量結(jié)果，要么需要 來(lái)自諸如GPS的另一位置確定技術(shù)或使用蜂窩基站的三角測(cè)量的輔助。
[0005] 特別地，已發(fā)現(xiàn)，基于RSSI的距離檢測(cè)設(shè)備隨著用戶(hù)和/或用戶(hù)設(shè)備關(guān)于基站單 元的取向改變而產(chǎn)生不一致的距離結(jié)果。這在圖1中圖示出。在該圖中，正攜帶用戶(hù)設(shè)備4 的用戶(hù)2被示為在距離基站單元6的兩個(gè)不同距離和關(guān)于基站單元6的兩個(gè)不同取向處。 在第一距離和取向（標(biāo)記為"A"）處，用戶(hù)2和用戶(hù)設(shè)備4被取向?yàn)?，使得存在從用?hù)設(shè)備 4到基站單元6的瞄準(zhǔn)線(xiàn)，這導(dǎo)致用戶(hù)設(shè)備4接收來(lái)自基站單元的較強(qiáng)的信號(hào)。用戶(hù)2和用 戶(hù)設(shè)備4的該取向能夠使用信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量來(lái)提供對(duì)用戶(hù)設(shè)備4與基站單元6之間的距離的 相當(dāng)可靠的估計(jì)。然而，在第二距離和取向（標(biāo)記為"B"）處，用戶(hù)2與基站單元6接近得 多，但用戶(hù)設(shè)備4與基站單元6之間不存在任何瞄準(zhǔn)線(xiàn)，因?yàn)槠浔挥脩?hù)2的身體阻隔/屏蔽。 用戶(hù)設(shè)備4被用戶(hù)2的身體的該屏蔽使從基站單元6接收的信號(hào)的強(qiáng)度衰減許多分貝，并 且由此導(dǎo)致用戶(hù)設(shè)備4確定用戶(hù)設(shè)備4距離基站單元6比實(shí)際情況更遠(yuǎn)（并且，取決于衰 減水平，甚至可以確定用戶(hù)2在所確定的安全地帶之外）。
[0006] 另外，用戶(hù)的家庭或衛(wèi)生保健環(huán)境中的物體和用于構(gòu)造用戶(hù)的家庭或衛(wèi)生保健環(huán) 境的材料能夠影響接收信號(hào)的強(qiáng)度。
[0007] -種用于確定用戶(hù)設(shè)備與基站單元之間的距離的備選技術(shù)是基于用戶(hù)設(shè)備與基 站單元之間的信號(hào)的飛行時(shí)間（ToF)。該技術(shù)相對(duì)于信號(hào)衰減更具有魯棒性。一般說(shuō)來(lái)，飛 行時(shí)間測(cè)量是基于在超寬帶UWB范圍（2. 4-5GHz)中發(fā)射的信號(hào)，因?yàn)槟軌蜻_(dá)到的準(zhǔn)確度取 決于可用帶寬的量和信噪比（根據(jù)Cramer-Rao極限）。然而，UWB飛行時(shí)間或GHz范圍中 的飛行時(shí)間的缺點(diǎn)在于有限的發(fā)射范圍（當(dāng)保持功率消耗低時(shí)）或用戶(hù)設(shè)備的高能量消耗 (當(dāng)嘗試增大范圍時(shí)）。
[0008] 由此，使用窄帶通信（例如在900MHz范圍中）執(zhí)行飛行時(shí)間測(cè)量是可取的，因?yàn)?需要較少電力，并且相對(duì)于UWB范圍得到改進(jìn)，并且，對(duì)于所述系統(tǒng)已顯示出亞米準(zhǔn)確度。 然而，需要在用戶(hù)設(shè)備與基站單元之間交換大量消息，以便產(chǎn)生精確結(jié)果，但這導(dǎo)致額外的 功率消耗，并且在某些國(guó)家和/或規(guī)范中，存在對(duì)允許發(fā)射器活躍的總時(shí)間的監(jiān)管限制（例 如最多為時(shí)間的10% )。
[0009] 因此，存在對(duì)用于執(zhí)行基于飛行時(shí)間的距離測(cè)量的改進(jìn)技術(shù)的需求，所述改進(jìn)技 術(shù)能夠在使功率消耗最小化的同時(shí)提供期望的準(zhǔn)確度水平的距離測(cè)量，并且適于在個(gè)人跟 蹤系統(tǒng)中使用以確定用戶(hù)是否在預(yù)定的安全地帶內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種測(cè)量第一設(shè)備與第二設(shè)備之間的距離的方法， 所述方法包括，執(zhí)行基于飛行時(shí)間的距離測(cè)量，以測(cè)量所述第一設(shè)備與所述第二設(shè)備之間 的距離，其中，在所述基于飛行時(shí)間的距離測(cè)量期間發(fā)射的信號(hào)的長(zhǎng)度和/或獲得的飛行 時(shí)間測(cè)量結(jié)果的數(shù)量根據(jù)所述距離測(cè)量所需的準(zhǔn)確度水平來(lái)確定。
[0011] 優(yōu)選地，在所述基于飛行時(shí)間的距離測(cè)量期間發(fā)射的信號(hào)的長(zhǎng)度當(dāng)需要第一準(zhǔn)確 度水平時(shí)被設(shè)置為第一長(zhǎng)度，并且當(dāng)需要第二準(zhǔn)確度水平時(shí)被設(shè)置為第二長(zhǎng)度，其中，所述 第一長(zhǎng)度短于所述第二長(zhǎng)度，并且所述第一準(zhǔn)確度小于所述第二準(zhǔn)確度。
[0012] 優(yōu)選地，在所述基于飛行時(shí)間的距離測(cè)量期間獲得的飛行時(shí)間測(cè)量結(jié)果的數(shù)量當(dāng) 需要第一準(zhǔn)確度水平時(shí)被設(shè)置為第一數(shù)量，并且當(dāng)需要第二準(zhǔn)確度水平時(shí)被設(shè)置為第二數(shù) 量，其中，所述第一數(shù)量小于所述第二數(shù)量，并且所述第一準(zhǔn)確度小于所述第二準(zhǔn)確度。
[0013] 優(yōu)選地，所述方法還包括以下步驟：確定對(duì)所述第一設(shè)備與所述第二設(shè)備之間的 距離的初始估計(jì)；并且，根據(jù)對(duì)距離的所述初始估計(jì)，確定所述距離測(cè)量所需的準(zhǔn)確度水 平。
[0014] 在某些實(shí)施例中，對(duì)距離的初始估計(jì)是根據(jù)在所述第一設(shè)備與所述第二設(shè)備之間 發(fā)射的信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度來(lái)確定的。在其他實(shí)施例中，對(duì)距離的初始估計(jì)是使用通過(guò)使 用第一長(zhǎng)度的信號(hào)獲得的一個(gè)或多個(gè)飛行時(shí)間測(cè)量結(jié)果來(lái)確定的。
[0015] 優(yōu)選地，執(zhí)行所述基于飛行時(shí)間的距離測(cè)量包括獲得對(duì)所述第一設(shè)備與所述第二 設(shè)備之間的飛行時(shí)間的一個(gè)或多個(gè)測(cè)量結(jié)果，其中，對(duì)飛行時(shí)間的測(cè)量通過(guò)以下來(lái)獲得：在 所述第一設(shè)備與所述第二設(shè)備之間發(fā)射所確定的長(zhǎng)度的第一信號(hào)；在所述第一設(shè)備與所述 第二設(shè)備之間發(fā)射響應(yīng)信號(hào)；以及，根據(jù)從所述第一信號(hào)的發(fā)射到所述響應(yīng)信號(hào)的接收逝 去的時(shí)間以及所述第一信號(hào)的接收與所述響應(yīng)信號(hào)的發(fā)射之間的時(shí)間來(lái)確定所述飛行時(shí) 間。
[0016] 在某些實(shí)施例中，所述方法還包括以下步驟：確定所述響應(yīng)信號(hào)是響應(yīng)于接收到 直接還是反射的第一信號(hào)而被發(fā)射。
[0017] 優(yōu)選地，確定所述響應(yīng)信號(hào)是響應(yīng)于接收到直接還是反射的第一信號(hào)而被發(fā)射的 步驟包括：確定所述第一設(shè)備和所述第二設(shè)備的發(fā)射功率；確定在所述第一設(shè)備處和在所 述第二設(shè)備處接收的信號(hào)的強(qiáng)度；使用所述發(fā)射功率和所述接收信號(hào)強(qiáng)度來(lái)確定所述響應(yīng) 信號(hào)是響應(yīng)于接收到直接還是反射的第一信號(hào)而被發(fā)射。
[0018] 優(yōu)選地，所述方法還包括以下步驟：如果確定所述響應(yīng)信號(hào)是響應(yīng)于接收到反射 的第一信號(hào)而被發(fā)射，則通過(guò)直接響應(yīng)信號(hào)的接收與反射的響應(yīng)信號(hào)的接收之間的時(shí)間對(duì) 使用所述響應(yīng)信號(hào)獲得的飛行時(shí)間測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。
[0019] 在某些實(shí)施例中，所述方法還包括以下步驟：在修正所述飛行時(shí)間測(cè)量結(jié)果之后， 降低用于發(fā)射所述第一信號(hào)的發(fā)射功率。
[0020] 在優(yōu)選實(shí)施例中，所述方法用于確定所述第一設(shè)備和所述第二設(shè)備是否在彼此的 預(yù)定距離內(nèi)。
[0021] 在那些實(shí)施例中，所述方法優(yōu)選還包括以下步驟：估計(jì)使用所述基于飛行時(shí)間的 距離測(cè)量獲得的距離測(cè)量結(jié)果的不確定度；評(píng)估d+u〈R，以及d - u>R，其中，d是所述距離測(cè) 量結(jié)果，u是對(duì)所述不確定度的估計(jì)，并且R是所述預(yù)定距離；以及，如果既沒(méi)有d+u〈R也 沒(méi)有d - u>R，則確定需要更高的準(zhǔn)確度水平，并且獲得其他一個(gè)或多個(gè)飛行時(shí)間測(cè)量結(jié)果； 否則，使用所述距離測(cè)量結(jié)果d來(lái)確定所述第一設(shè)備和所述第二設(shè)備是否在彼此的所述預(yù) 定距離內(nèi)。
[0022] 在某些實(shí)施例中，所述其他一個(gè)或多個(gè)飛行時(shí)間測(cè)量結(jié)果是使用所述第一長(zhǎng)度或 第二長(zhǎng)度的信號(hào)來(lái)獲得的，所述第二長(zhǎng)度長(zhǎng)于所述第一長(zhǎng)度。
[0023] 在其他實(shí)施例中，在獲得所述其他一個(gè)或多個(gè)飛行時(shí)間測(cè)量結(jié)果之后，所述方法 包括以下步驟：根據(jù)所述一個(gè)或多個(gè)飛行時(shí)間測(cè)量結(jié)果以及所述其他一個(gè)或多個(gè)飛行時(shí)間 測(cè)量結(jié)果來(lái)確定距離測(cè)量結(jié)果d';估計(jì)所述距離測(cè)量結(jié)果d'的不確定度u';評(píng)估d'+u'〈R， 以及d' - u' >R ;如果既沒(méi)有d' +u'〈R也沒(méi)有d' - u' >R，則確定需要更高的準(zhǔn)確度水平， 并且獲得其他一個(gè)或多個(gè)飛行時(shí)間測(cè)量結(jié)果；否則，使用所述距離測(cè)量結(jié)果d'來(lái)確定所述 第一設(shè)備和所述第二設(shè)備是否在彼此的所述預(yù)定距離內(nèi)。
[0024] 在某些實(shí)施例中，在執(zhí)行所述基于飛行時(shí)間的距離測(cè)量過(guò)程之前，所述方法包括 以下步驟：測(cè)量在所述第一設(shè)備與所述第二設(shè)備之間發(fā)射的信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度；將所述 接收信號(hào)強(qiáng)度與閾值進(jìn)行比較；如果所述接收信號(hào)強(qiáng)度在所述閾值之上，則確定所述第一 設(shè)備和所述第二設(shè)備在彼此的所述預(yù)定距離之內(nèi)；否則，執(zhí)行所述基于飛行時(shí)間的距離測(cè) 量。
[0025] 在某些實(shí)施例中，在使用所述基于飛行時(shí)間的距離測(cè)量已確定所述第一設(shè)備和所 述第二設(shè)備在彼此的所述預(yù)定距離內(nèi)的情況下，所述方法還包括：測(cè)量在所述第一設(shè)備與 所述第二設(shè)備之間發(fā)射的另一信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度；將所述另一信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度與所 述先前信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行比較；如果所述另一信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度小于所述先前信 號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度，則執(zhí)行另一基于飛行時(shí)間的距離測(cè)量；如果所述另一信號(hào)的接收信號(hào) 強(qiáng)度大于所述先前信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度，則將所述另一信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度與所述閾值進(jìn) 行比較，并且，如果所述另一信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度大于所述閾值，則確定所述第一設(shè)備和所 述第二設(shè)備在彼此的所述預(yù)定距離內(nèi)，否則，執(zhí)行其他基于飛行時(shí)間的距離測(cè)量。
[0026] 本發(fā)明的第二方面提供一種操作設(shè)備以測(cè)量所述設(shè)備與另一設(shè)備之間的距離的 方法，所述方法包括：執(zhí)行基于飛行時(shí)間的距離測(cè)量來(lái)測(cè)量所述設(shè)備與所述另一設(shè)備之間 的距離，其中，在所述基于飛行時(shí)間的距離測(cè)量期間發(fā)射的信號(hào)的長(zhǎng)度和/或獲得的飛行 時(shí)間測(cè)量結(jié)果的數(shù)量是根據(jù)所述距離測(cè)量所需的準(zhǔn)確度水平來(lái)確定的。
[0027] 設(shè)想了操作所述設(shè)備的方法的其他實(shí)施例，其中，所述設(shè)備根據(jù)上面的方法中定 義的和/或如下面的詳細(xì)說(shuō)明書(shū)中所描述的所述第一設(shè)備和第二設(shè)備中的任一個(gè)操作。
[0028] 本發(fā)明的第三方面提供一種方操作如本發(fā)明的上述第二方面的實(shí)施例的任一個(gè) 中定義的所述"另一設(shè)備"的方法。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種包括第一設(shè)備和第二設(shè)備的系統(tǒng)，所述第一設(shè) 備和第二設(shè)備被配置為執(zhí)行基于飛行時(shí)間的距離測(cè)量來(lái)測(cè)量所述第一設(shè)備與所述第二設(shè) 備之間的距離