利用目的多径信号的定位系统的制作方法

专利名称：利用目的多径信号的定位系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及定位系统，尤其涉及一种利用一个或更多目的 多径信号，确定移动设备相对于大量目标的位置的系统和方法。
背景技术：
本地定位系统正在成为需要导航能力的移动设备中一项重要功能 (enabler)，特别是在自控车辆和精确建筑工具的应用中。诸如GPS 的全球定位系统只提供通常不优于10cm的中等精度的定位信息，并且 需要有接近地平线的清晰天空视觉。具有分布在工作空间中的有源或 无源组件的本地定位系统，可以允许进行精确得多(<lcm)的定位， 并且允许用户按照需要扩充系统，使其即使在最复杂的封闭地形中也 能运行。常规的本地定位系统包括声学和激光测距系统。声学系统通常利 用无线电应答信标来测量设备网络内部的范围，其中一些设备被固定 形成本i也坐标系统。不幸的是，由于声音在空气中传播的特性，声学系统只能测量精 度到厘米或更多的范围，并且只能在相对较短的距离上测量。基于激 光的本地定位系统利用设备与一个或更多诸如棱镜之类的反射目标之 间的角度和范围的测量，对设备位置进行三角或者三边测量。然而， 现在的激光系统使用昂贵的瞄准机构，使系统成本达到三万美元或更 高。能够确定2D或3D位置达到几个毫米精度的成本相对较低(例如 低于2000美元)的本地定位系统将会在某些应用领域中带来大批有潜 力的产品，这些应用领域诸如精确室内和室外建筑、采矿、精细农业 和大范围收割和处理。本发明克服了常规的本地定位系统在成本和精 确度方面的局限性。

发明内容
提供了一种系统和方法，该系统和方法提供低成本但是高度精确 的本地定位系统。在一个实施例中， 一种设备发射具有载波信号频率 的至少一个电磁脉沖，该设备包括天线和具有靠近天线的已知位置的 反射器。该设备在一段时间内接收返回信号，其中该返回信号包括来 自该设备的雷达探测区域内目标的返回脉沖，以及至少一个多径脉
冲。该i殳备处理该返回信号，以《更将返回脉冲和该至少一个多径脉冲 从返回信号中分离出来。该设备确定从该设备到目标的范围和该设备 相对于目标的位置。该范围根据返回脉冲的到达时间确定，该位置祁^ 据至少 一个多径脉沖的到达时间确定。
在一些实施例中，所发射的脉沖被极化，并且所接收的返回信号 优选地具有相同的极化。
在一些实施例中，反射器是无源反射器。在另外的实施例中，反 射器是有源反射器。在一些实施例中，目标是无源反射器。在另外的 实施例中，目标是有源地标。
在一些实施例中，该设备包括处理器、存储器和至少一个程序模 块。该至少一个程序模块被存储在存储器中并由处理器执行。该至少 一个程序模块包含用于处理返回信号的指令，以便将返回脉冲和至少 一个多径脉沖从返回信号中分离出来。该至少一个程序模块还包含用 于确定从设备到目标的范围和设备相对于目标的位置的指令。该范围 根据返回脉冲的到达时间确定，该位置根据至少 一个多径脉冲的到达 时间确定。
在一些实施例中，天线被配置为，既优选地发射具有极化的脉沖， 也优逸地接收具有极化的返回信号。


当结合附图时，从下述的详细说明和所附权利要求中，本发明的 其他目标和特征将变得更加显而易见。
图1是图解具有一个或更多目的多径信号的定位系统实施例的框图。
图2是图解所述定位系统的实施例的框图。
图3A是图解在所述定位系统的一个实施例中直接路径和多径信号
的到达时间的图。图3B是图解在所述定位系统的一个实施例中直接路径和多径信号 的到达时间的图。图4是图解所述定位系统的实施例的框图。 图5A是图解所述定位系统的实施例的框图。 图5B是图解所述定位系统的实施例的框图。图6是图解在所述定位系统的实施例中典型设备中的各部件的框图。图7是图解在所述定位系统的实施例中典型有源地标中的各部件 的框图。图8是图解利用一个或更多目的多径信号的过程实施例中操作的 流程图。相同的附图标记在几个附图中是指相对应的部分。
具体实施方式
现在详细地参照本发明的各实施例，它们的实例被示于附图中。 在下面的详细描述中，为了实现对本发明的全面理解，阐述了大量特 殊细节。然而，对本领域普通技术人员来说，很明显地，本发明可以 在没有这些特殊细节的情况下实现。在其它例子中，没有对公知的方 法、过程、部件和电路进行详细描述，但这样不致于使得本发明的各 个方面不清楚。通常，多径传播使诸如蜂窝电话网和无线局域网(WLAN)之类的 通信系统以及诸如全球定位系统(GPS)之类的定位系统性能降低。例 如，当射频信号在从发射器向接收器传输时，射频信号采用不同路径， 这时发生多径传播。当信号在途中时，诸如墙壁、椅子、桌子和其它 物品之类的目标使信号从一个或更多不同方向上反弹。例如，被称为 直接路径信号的信号的一部分，可以直接传播到接收器，而另外的部 分将从椅子反弹到天花板，然后再到接收器。结果是， 一些信号将受 到延迟，并通过一个或更多较长路径到达接收器。该部分的信号称为 多径信号。在接收器， 一个或更多个多径信号可能与直接路径信号重叠，带 来符号间干扰的增加。在通信系统中，这种干扰可导致编码在该信号
中的解调信息中的误差，造成比特误差。在定位系统中，这种干扰可
导致所确定的设备位置的误差，诸如GPS中的伪距。因此，在现有系 统中，利用诸如分集(包括位于物理地彼此分离位置上的两个或更多 接收天线)和多径消除(参见例如US6, 370, 207 )来避免或最小化多 径信号。这些方法增加了这些现有系统的复杂度和开销。
本文献中所描述的本发明各实施例提供了系统和方法实施例，它 们提供了低成本但是高度精确的本地定位系统。这些实施例以有利的 方式利用通常被认为是不需要的多径信号。特别地， 一个或更多多径 信号在本地定位系统中被有意生成。设备中具有靠近天线的已知位置 的反射器产生一个或更多多径信号。通过将一个或更多多径信号(相 对于直接路径信号)到达时间中的延迟与对应于反射器已知位置的最 大延迟相比较，可以确定设备相对于在该设备雷达探测区域内目标的 位置。
图1图解具有一个或更多目的多径信号的定位系统的实施例 100。设备110被配置为利用至少一个天线112发射一个或更多信号 118，其中的每个信号都包括具有载波信号频率的至少一个电磁脉冲。 在某些实施例中，设备110被配置为发射一个或更多具有多个电磁脉 冲的信号118。在一个典型实施例中，脉沖持续1纳秒(ns )并具有6 千兆赫兹(GHz)的载波信号频率。用于脉冲的典型重复周期是每个微 秒。其它实施例可以使用的脉冲持续时间和载波信号频率对是Ins 和24GHz; 5ns和6GHz;以及Ins和77GHz。在某些实施例中，以增 加相关电路的成本和复杂度为代价，可利用较短的脉冲持续时间和较 高的栽波信号频率得到提高的范围估计精确度。
在一些实施例中，发射信号118被极化。极化可以包括线性极化、 椭圆极化、右旋椭圓极化、左旋椭圆极化、右旋圆极化或左旋圓极化。
设备110还包括靠近天线112的反射器114。反射器114与天线 112之间有间隔116。在一种典型实施例中，间隔116对应于从天线 112到反射器114的传播延迟，2ns或大约0. 6m。在发射期间， 一个 或更多发射信号118的一部分被从反射器114反射出去，得到一个或 更多多径信号。在一些实施例中，反射器114是无源反射器。在其它 实施例中，反射器114是有源反射器，其中，反射器1H接收并转发 发射信号118的一部分。每个转发信号包括至少一个电磁脉冲。在一
些实施例中，转发信号中的电磁脉沖可以具有第二栽波信号频率。在 一些实施例中，可以利用幅度调制或频率调制对转发信号进行调制， 和/或对转发信号进行编码。在一些实施例中，转发信号可以被极化。在一些实施例中，转发信号的极化可以与发射信号118相同。有源反 射器可以提高附加时间延迟，该附加时间延迟与当发射信号118的一 部分被接收时和当其被转发时之间的时间相关联。该延迟可以在校准 过程中确定，并存储在设备110中。接下来，对于该延迟，校正设备 110位置的确定。除非另外指出，在剩下讨论的典型实施例中，反射器 114都采用无源反射器。包括多径信号的信号118被定位系统100的雷达探测区域内的一 个或更多目标反射，该一个或更多目标包括无源反射器120、植物124 和/或建筑物126。例如，当植物124被信号118 —2照射时，植物124 将反射一个信号122_2。相似地，当建筑物126被信号118-3照射时， 建筑物126将反射一个信号122 — 3。每个返回信号122包括至少一个 电磁返回脉冲。在一些实施例中，返回信号122包括多个电磁返回脉 冲。在一些实施例中，无源反射器120是二面反射器。在一些实施例 中，无源反射器120是角锥反射器。在一些实施例中，定位系统100包含一个或更多可选的有源地标 128，其中，发射信号118 — 4被有源地标128接收并且作为信号130被 发射。信号130包括至少一个电磁返回脉冲。在一些实施例中，信号 130包括多个电磁返回脉冲。在一些实施例中，信号130中的电磁返回 脉冲可具有第二栽波信号频率。在一些实施例中，可以利用幅度调制 或频率调制对信号130进行调制，和/或对信号130进行编码。在一些 实施例中，信号130可以被极化。在一些实施例中，信号130的极化 可以与发射信号118-4相同。有源地标128可以提高附加时间延迟， 该附加时间延迟与当发射信号118 — 4被接收时和当信号130被转发时 之间的时间相关联。该延迟可以在校准过程中确定，并存储在设备IIO 中。接下来，对于该延迟，校正设备IIO位置的确定。设备110被进一步配置为，在一段时间内接收一个或更多返回信 号122，可选地还有信号130。在一些实施例中，设备110被配置为优 选地接收返回信号122，并且可选地接收具有信号118极化的信号 130。返回信号122和/或信号130的一部分直接传播到天线112。返
回信号122和/或信号130的另一部分被反射器114反射，在接收期间 得到一个或更多个多径信号。设备还被配置为处理一个或多个返回信 号，以便将各自返回信号中诸如返回信号122-1中的各自直接路径返 回脉沖和至少一个多径脉冲从各自的返回信号中分离出来。
在定位系统100的一些实施例中，可有诸如设备110的两个或更 多附加设备，诸如无源反射器120的两个或更多附加的无源反射器， 和/或诸如有源地标128的两个或更多有源地标。在一些实施例中，无 源反射器120和/或有源地标128的位置可被固定。在其它实施例中， 无源反射器120和/或有源地标128的平均位置可被固定。无源反射器 120和/或有源地标128可被放置在已测位置上。可选地，无源反射器 120和/或有源地标128可被放置在任意位置上，该任意位置在初始系 统自校准过程中自动确定并存储在例如设备110中。在任一情况下， 通过确定一个或更多范围，相对于一个或更多诸如无源反射器120的 无源反射器，和/或诸如有源地标128的有源地标确定设备110的位 置。每个范围都与设备110和无源反射器no或有源地标l28之间的 距离有关。
根据相应的直接路径返回脉冲的到达时间，确定从设备110到诸 如无源反射器120的各个目标的范围。对于各个目标来说，距离设备 110的3巨离为r，则到达时间(ToA)为
ToA = 2二 (方程1)
c
其中c是电磁信号的传播速度。电磁信号的传播速度c，在真空中 大约为3. 0*108m/s。在通常的大气状况下，电磁信号的传播速度偏离 这个值，相差小于300ppm (百万分之一)。通过使用关于海拔和其它 环境因子的信息，在定位系统100的环境中电磁信号的传播速度可被 确定为在100ppm之内。如上面提到的，对于来自可选有源地标和 /或有源反射器(在反射器114是有源反射器的实施例中)的返回脉沖， 存在一个与有源地标128和/或有源反射器中的信号处理相关联的附加 延迟A。为了与有源地标128—起4吏用，到达时间的4,正表达为
ToA = 2^ + A (方程2)
延迟△对于所有有源地标和/或所有有源反射器可以不同。通过对 于延迟厶来校正到达时间，可精确确定从设备110到各自目标的范围。 正如下面所讨论的，在定位系统100中发射和接收期间，附加的目的多径信号提供附加信息，该附加信息使得对应于诸如无源反射器120的各目标的角度可被确定。该角度和设备11 0与各目标之间的范围 确定设备110相对于各目标的位置。在一些实施例中，该位置信息足够于明确确定设备110的位置。 在其它实施例中，可使用多于一个的无源反射器120和/或多于一个的 有源地标128。例如，如果已知不共线的三个无源反射器和/或有源地 标组合的位置，例如通过对它们进行提前测定，并且设备110和无源 反射器和/或有源地标基本上位于一个二维平面内，则根据从设备110 到每个无源反射器和/或有源地标的范围信息，明确确定设备110的位 置是可能的。可替换地，如果有源地标112不是共面的，则根据从设 备110到每个无源反射器和/或有源地标的范围信息，使用位置已知的 四个无源反射器和/或有源地标将能够明确确定设备110的位置。用于 基于一个或更多范围确定位置的算法对本领域技术人员来说是公知 的。参见，例如"Quadratic time algorithm for the minmax length triangulation，， ， H. Edelsbruneer and T. S-Tan, pp. 414—423 inCo迈; "er 5We"ce， 1991， San Juan， Puerto Rico,在这里被全部引 用作为参考。图2图解了一种利用一个或更多目的多径信号的定位系统的实施 例200。目标210所在位置相对于直线212具有角度214，还具有诸如 天线112 (与图1中的设备110)与目标210之间方向216的方向。天 线112沿方向216发射包括具有载波信号频率的至少一个电磁脉冲的 直接路径信号的信号。天线还沿方向218发射包括具有载波信号频率 的至少一个电磁脉沖的信号。反射器114将沿方向226反射包括至少 一个电磁多径脉冲的第一返回多径信号。为了确定目标210的位置， 该第一返回多径信号的总传播时间足够短，第一返回多径脉沖可被忽 略。反射器114还将沿方向220反射多径信号。沿方向216传播的直接路径信号将被目标210反射出去。将存在 一个包括沿方向222传播的至少一个电磁返回脉冲的直接路径信号。 还将存在沿方向224传播的多径信号。该多径信号将被反射器114反
射出去，产生包括沿方向226传播的至少一个电磁多径脉冲的第二返 回多径信号。
沿方向220传播的多径信号将被目标210反射，产生包括沿方向 222传播的至少一个电磁多径脉冲的第三返回多径信号。另外，将会存 在一个沿方向224传播的多径信号。该多径信号将被反射器114反射， 产生包括沿方向226传播的至少一个电磁多径脉冲的第四返回多径信 号。要注意的是，在该讨论中忽略产生多径信号的更高次反射的情况。
设备接收的返回信号将包括沿方向222传播的返回信号、沿方向 226传播的第二返回多径信号、沿方向222传播的第三返回多径信号和 沿方向226传播的第四返回多径信号。要注意的是，第二返回多径信 号和第三返回多径信号的总传播时间是相同的。因此，这些信号中的 多径脉沖基本上将会相互重叠。
对于各个角度214，图3示出了设备110(图1 )处的返回信号300， 幅度310为时间312的函数。返回信号300包括对应于直接路径返回 信号的脉冲314，对应于第二返回多径信号和第三返回多径信号中的重 叠多径脉冲的脉冲316，和对应于第四返回多径信号的脉沖318。脉冲 316具有相对于脉冲314的延迟320，脉冲318具有相对于脉冲314的 延迟322。当角度214 (图2 )接近0°或18 0°时，延迟320和322 将减小并接近为零。这在图3B中由返回信号324中脉冲之间的延迟326 和延迟328来表示。对于角度214 (图2 )不完全等于0°和180° ， 目的多径信号提供附加信息，使得可确定设备110 (图1)的位置。
回过来参考图2，当角度214等于0。或180°时，返回信号中的 返回脉沖和多径脉冲将会重叠。为了防止信号全部损失，选择反射器 114的横截面或增益曲线(gain profile)，使得反射器114反射的 各多径信号幅度小于直接路径信号幅度。在典型实施例中，反射器114 反射的各多径信号幅度小于直接路径信号幅度的一半(由此确保返回 脉沖在诸如图3A中返回信号300的各个返回信号中具有峰值幅度)。 这对应于从脉沖314到脉冲316，功率上至少减小到四分之一。在典型 实施例中，反射器114是球形的，并且有金属涂层，诸如金，该金属 具有对于在微波区域中的载波信号频率来说合适的电导率(因此还有 透入深度)。在另一个典型实施例中，反射器114为角锥状，并有金 属涂层。在又一个典型实施例中，反射器114适当的横截面由反射器 114的表面区域确定。由于反射器114的位置(其包括相对于天线112的间隔116)已 知，因此，诸如脉冲316和318 (图3A)的多径脉冲与诸如返回脉冲 314 (图3A)的返回脉冲之间的延迟，诸如延迟320 (图3A)，使得 可确定角度214。特别地，如前面所述的，返回脉冲316的到达时间使 得可确定目标210与设备110 (图1)之间的范围。诸如延迟320 (图 3A)的延迟允许对应于间隔116和间隔228的总和的附加路径长度。 由于间隔116已知，这就使得可确定间隔228。该范围、间隔116和 间隔228使得可确定角度214。因此，可以根据一个或更多多径脉冲的 到达时间确定设备IIO (图1)相对于各个目标的位置。例如，如果间隔116对应于天线112与反射器114之间3ns的传 播延迟，且目标210与天线112之间的范围对应于4ns，则对于等于 90°的角度214来说，间隔228对应于5ns (利用勾股定理)，延迟 320 (图3 )是4ns，延迟322 (图3 )是8ns。如果间隔116对应于天 线112与反射器114之间3ns的传播延迟，且目标210与天线112之 间的范围对应于4ns，则对于等于45。的角度214来说，间隔218对 应于2. 8336ns (利用余弦定理)，延迟320 (图3)是1. 8336ns，延 迟322 (图3)是3. 6672ns。前面对角度214的计算只是为了解释的目的。还有其他更高效的 计算方法。由于诸如延迟320 (图3A)的延迟是角度214的函数，则 对于已知的间隔116 (图1)来说，对应于不同数值的角度214的延迟 可以制成列表。给定反射器114的已知增益曲线，测量的延迟和脉沖 幅度可用于查询角度214的相应数值。图4示出具有一个或更多目的多径信号的所述定位系统的可替换 实施例400。定位系统400具有多个天线112，反射器114与天线112 不共线。在典型实施例中，反射器114离共线有10-15°的角度(未 示出)。当角度214 (图2)基本上等于0°和180°时，该实施例400 受前面讨论的挑战影响较小。另一个对于当角度214 (图2)基本上等于0°和180°时挑战的 潜在解决方案是，将来自具有一个或更多目的多径信号的定位系统的 定位信息与由合成孔径雷达(SAR)所提供的附加定位信息相结合。这 在图5A中示出。除了确定从设备IIO到一个或更多目标522的范围，
每个目标都可以是无源反射器120 (图1 )，在本地定位系统500中， 设备IIO在特定方向512上以速度v 510移动，并且发射一个或更多 信号118 (图1 )，其中每个信号包括具有栽波信号频率的至少一个电 磁脉冲。
设备110在一段时间内接收一个或更多返回信号122 (图1)。由 设备110接收的，来自诸如目标522_1的各个目标的返回脉冲和多径 脉冲将根据如下方程发生多普勒频移
<formula>formula see original document page 15</formula> (方程3)
其中X是栽波信号频率，/是由设备iio接收的返回脉冲和一个或
更多多径脉冲的接收的载波信号频率，c是电磁信号在充满设备110与 目标522_1之间环境的大气中的传播速度，并且^是设备的移动方向 512与直线516之间的角度514，其中直线516在设备110与目标522 —1 之间。(注意角度^ 514是图2中角度214的余角)。如果设备110 的速度v 510或至少设备110的速度大小是已知的，则角度6 514可 以由一个或更多返回脉冲和/或一个或更多返回多径脉冲的接收的载 波信号频率确定。然而注意到，对于各个接收的载波信号频率/，至少 有两个角度满足方程3。这是因为，对于解答方程的任意角度《，角度 一《也解答方程3。在图5A中，这两个角度对应于方向512与设备110 和目标522 — 1之间直线516之间的角度^ 514，以及方向512与线518 之间的角度-6> 520。如图5B所示，在一些诸如实施例524的实施例 中，目标522-1在特定方向512上，以速度v 5M围绕一个平均固定 位置移动，使得角度P 514可以由产生的多普勒频移确定。注意到， 在这些实施例时，多普勒频移提供了关于角度^5"余角，即角度214 (图2)的信息。
图6是在所述定位系统实施例中，诸如设备110 (图1)的典型设 备610中各部件的图解。该设备包括至少一个天线112和至少一个反 射器114。在一些实施例中，设备610可以包括至少一个圆极化天线。 在一些实施例中，设备610可以包括至少一个线性极化天线。在一些 实施例中，设备610可以包括用于发射和接收的至少一个极化天线。 在一些实施例中，天线112可以是双锥体、具有水平投影的双锥体、 螺旋状、水平全向、全向、半向或各向同性(isotropic)的。 设备610包括前端电路612和用于改变一个或更多信号的信号处 理器614。该改变可以包括放大、滤波和/或去除调制编码。设备610 包括一个或更多处理单元(CPU) 616、存储器620和一个或更多用于 连接这些部件的通信总线618。设备610可以包括可选的机电接口 636 和可选的运动机构638，该运动机构用于将设备610以一定速度在特定 方向上移动。在可选实施例中，设备610的一些或所有功能可以在一 个或更多专用集成电路(ASIC)中实现，由此消除对处理单元616的 需要，或者减少处理单元616的任务。存储器620可以包括高速随机 存取存储器，还可以包括非易失性存储器，诸如一个或更多磁盘存储 设备。存储器620可以包括位于远离处理单元620处的大容量存储器。存储器62 0存储操作系统622，该操作系统622包括用于处理各 种基本系统服务以便实施依赖于硬件的任务的程序。存储器620可以 存储可选的行动控制程序模块624。存储器620还存储一个或更多程序 模块626。该程序模块626包含用于从设备610发射一个或更多信号， 并且在一段时间内接收一个或更多返回信号的指令，其中该发射的一 个或者更多信号包括具有载波信号频率的至少一个电磁脉冲。程序模 块626包括脉冲分离模块628，用于将返回脉冲和一个或更多多径脉冲 从一个或更多返回信号中分离出来。程序模块626还包括范围确定模 块630和位置确定模块632。程序模块626可选地可以包括多普勒计 算模块634。上述标识的每个模块和应用对应于一组指令，用于实施一个或更 多上述功能。这些模块(即，指令组)不需要被实施为分离的软件程 序、过程或模块，因此这些模块的各种子集可以组合起来或者以其它方式重新安排在各种实施例中。存储器620中的模块或指令组由处理单元616执行。另外，设备610可以包括可执行程序(诸如为 一个或更多有源地标进行的时间延迟 校正计算，和具有诸如图1中反射器114的有源反射器的实施例)、 子模块、表格或者包括例如一个或更多无源反射器120 (图1)、有源 地标128 (图1 )和/或对应于一个或更多有源地标和/或有源反射器的 时间延迟的其它数据结构(未示出)。在一些实施例中，可以使用附 加的或不同的模块和数据机构，也可以不使用上面列出的一些模块和/ 或数据结构。在一些实施例中，设备610的功能可以更多地用硬件而 更少地用软件实施，或者更少地用硬件而更多地用软件来实施，这在 本领域是公知的。
参考图7，在一个本地定位系统700实施例中的诸如有源地标128 (图1 )的有源地标710包括用于接收电磁脉沖并转发脉冲的至少一个 天线712。有源地标710还包括发射接收分离器714、可选的带通滤波 器716和放大器718。有源地标710包括诸如混频器的调制器720、信 号发生器722和控制逻辑726。有源地标710可以包括可选的延迟线 724。有源地标710还可以包括可选的机电接口电路728和可选的运动 机构730，该运动机构用于将有源地标710以一定速度在特定方向上移 动。
在一些实施例中，有源地标710是静止的。对应于设备610(图6) 所发射的脉沖的接收信号利用天线712接收。如果设备610(图6)所 发射的脉冲具有极化，则天线712可以优选地接收具有极化的信号。 接收信号通过发射接收分离器714来分离发射和接收电路，通过可选 的带通滤波器716来频带限制接收信号，以及通过放大器718来放大 接收信号。在一些实施例中，接收信号在调制器720中利用由信号发 生器722所生成的调制或编码信号进行调制或编码，生成发射调制信
号。调制可以是幅度调制或频率调制。发射调制信号穿过可选的延迟 线724和发射接收分离器714，到达天线712，该天线712发射对应于
该发射调制信号的返回电磁调制脉冲。
在一些实施例中，发射接收分离器714是发射接收开关。在其它 实施例中，发射接收分离器714是光栅(grating)，延迟线724改变 发射调制信号的相位，从而使得光栅将发射调制信号引导到天线712。 在其它实施例中，有源地标710包括诸如电池的可移动能源(未示出)。
在其它实施例中，有源地标710具有分离的接收和发射天线，每 个天线具有由设备610 (图6)所发射的脉冲的极化，并且不包括发射 接收分离器714和延迟线724。
在一些实施例中，可对信号发生器722生成的调制信号可进行编 程，由此改变调制信号或对调制信号进行编码。对应于信号发生器722 的改变的控制信息可以在设备610 (图6)所发射的脉沖中被编码。可 选地，控制信息可以在设备610 (图6 )到有源地标710之间的分离无 线信号中被发射。控制逻辑726识别该控制信息，并基于这些指令修
改信号发生器722中的设置。在一些实施例中，有源地标710可以围绕平均固定位置移动。控 制逻辑726通过信号接口 728实施该功能，该信号接口反过来激活运 动机构730。在一些实施例中，机构730包括电动机，该电动机的速度 由接口 728所提供的DC电压电平来控制。在一些实施例中，控制逻辑 726响应来自设备610 (图6)的并在来自设备610 (图6)的发射脉 沖中或在分离的无线链路中编码的命令信号，执行该功能。为了使设 备610 (图6)根据在返回脉冲和/或多径脉冲中产生的多普勒频移确 定角度信息，设备610(图6)将需要知道有源地标710正在移动的方 向512 (图5B )以及速度v 526 (图5B )。图8图解了在定位系统中利用一个或更多目的多径信号的一个操 作实施例的流程图。在812,发射包括一个或更多具有载波频率的脉冲 的信号。在一些实施例中，在812发射的信号具有特定的极化。在814， 在一段时间内接收包括返回脉冲和一个或更多多径脉冲的返回信号。 在一些实施例中，在814接收的返回信号优选地具有极化。在816，从 返回信号中分离出返回脉冲和一个或更多多径脉沖。在818，识别脉冲 组。在角度214 (图2)不完全等于0。或180°的实施例中，通常在 各个组中会有三个脉沖。在820，确定各组中脉沖之间的延迟。在822， 确定设备IIO (图1)相对于诸如无源反射器120 (图1)的各目标的 位置。为了便于解释，上面的说明使用了特殊术语，以便彻底理解本发 明。然而，对本领域技术人员来说很明显的是，不需要特殊细节以便 实现本发明。为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，选择这些 实施例进行描述，由此使其他本领域技术人员能够最好地利用本发明 和各种实施方式，这些各种实施方式具有各种适于特殊应用的改变。 因此，前面的公开并不力求详尽，也不旨在将本发明限制到所公开的 精确形式。考虑到上述教导，可以进行很多修改和变化。本发明的范围意由下面的权利要求及其等价形式来限定。
权利要求
1、一种确定设备位置的方法，包括从该设备发射具有载波信号频率的至少一个电磁脉冲；在一段时间内接收返回信号，其中该返回信号包括来自该设备雷达探测区域内目标的返回脉冲，以及与在靠近该设备的已知位置上的反射器相关联的至少一个多径脉冲；并且处理该返回信号，从而将返回脉冲和至少一个多径脉冲从返回信号中分离，并且确定从该设备到该目标的范围和该设备相对于该目标的位置，其中该范围根据返回脉冲的到达时间确定，并且该位置根据该至少一个多径脉冲的到达时间确定。
2、 根据权利要求l的方法，其中脉沖在发射期间被极化，并且接 收优选地接收具有极化的返回信号。
3、 根据权利要求2的方法，其中该极化选自下面的组，该组包括 线性极化、椭圆极化、右旋椭圓极化、左旋椭圆极化、右旋圓极化和 左旋圆极化。
4、 根据权利要求l的方法，进一步包括使用相同的极化天线用于 发射和接收。
5、 根据权利要求l的方法，其中该目标是无源反射器。
6、 根据权利要求l的方法，其中该目标是有源地标。
7、 根据权利要求l的方法，其中该反射器是有源反射器。
8、 根据权利要求l的方法，其中该反射器是无源反射器。
9、 根据权利要求l的方法，进一步包括 在执行接收时，以一定速度在特定方向上移动该设备； 在返回信号的返回脉沖中探测多普勒频移；和 根据所探测的多普勒频移，确定该特定方向与该设备和该目标之 间的直线之间的角度。
10、 根据权利要求l的方法，进一步包括 在执行接收时，以一定速度在特定方向上移动该目标； 在返回信号的返回脉冲中探测多普勒频移；和根据所探测的多普勒频移，确定该特定方向与该设备和该目标之 间的直线之间的角度。
11、 一种定位系统，包括一种设备，该设备包括天线和具有靠近 天线的已知位置的反射器，该设备被配置为发射具有载波频率的至少 一个电磁脉冲，在一段时间内在接收器中接收返回信号，该返回信号 包括来自该设备雷达探测区域内目标的返回脉冲和与该反射器相关联 的至少一个多径脉冲，处理该返回信号，以^t将返回脉冲和该至少一 个多径脉冲从该返回信号中分离，并且确定从该设备到该目标的范围 以及该设备相对于该目标的位置，其中该范围才艮据返回脉沖的到达时间确定，并且该位置根据该至 少 一个多径脉冲的到达时间确定。
12、 根据权利要求ll的系统，其中所发射的脉冲被极化，并且该 设备被配置为优选地接收具有极化的返回信号。
13、 根据权利要求12的系统，其中该极化选自下面的组，该组包 括线性极化、椭圆极化、右旋椭圆极化、左旋椭圓极化、右旋圆极 化和左旋圆极化。
14、 根据权利要求ll的系统，其中该天线被配置为既优选地发射 具有极化的脉冲，又优选地接收具有极化的返回信号。
15、 根据权利要求ll的系统，其中该天线选自下面的组，该组包 括线性极化和圓极化。
16、 根据权利要求ll的系统，其中该天线选自下面的组，该组包 括双锥体、具有水平投影的双锥体、螺旋状、水平全向、全向、半 向或各向同性。
17、 根据权利要求ll的系统，该设备进一步包括 处理器；存储器；和至少一个程序模块，该程序模块存储在存储器中并由处理器执 行，该至少一个程序模块包含用于如下功能的指令处理该返回信号，以l更将返回脉冲和该至少一个多径脉沖从该返 回信号中分离；并且确定从该设备到该目标的范围和该设备相对于该目标的位置；其中该范围根据该返回脉冲的到达时间确定，并且该位置根据该 至少一个多径脉冲的到达时间确定。
18、 根据权利要求ll的系统，该设备进一步包括 交通工具运动4几构，用于以一定速度在特定方向上移动该i殳备； 处理器；存储器；和至少一个程序模块，该程序模块存储在存储器中并且由处理器执行，该至少一个程序模块包含用于如下功能的指令 在返回信号的返回脉沖中探测多普勒频移；以及 根据所探测的多普勒频移，确定该特定方向与该设备和该目标之间的直线之间的角度。
19、 根据权利要求ll的系统，该目标进一步包括用于以一定速度 在特定方向上移动该目标的机构；并且该i殳备包括 处理器； 存储器；和至少一个程序模块，该程序模块存储在存储器中并由处理器执 行，该至少一个程序模块包含用于如下功能的指令在返回信号的返回脉冲中探测多普勒频移；以及 根据所探测的多普勒频移，确定该特定方向与该设备和该目标之 间的直线之间的角度。
20、 根据权利要求ll的系统，其中该目标是无源反射器。
21、 根据权利要求ll的系统，其中该目标是有源地标。
22、 根据权利要求ll的系统，其中该反射器是有源反射器。
23、 根据权利要求ll的系统，其中该反射器是无源反射器。
24、 一种定位系统，包括用于发射具有栽波频率的至少一个电磁 脉沖的发射装置，用于在一段时间内接收返回信号的接收装置，该返 回信号包括来自该设备装置雷达探测区域内目标的返回脉冲以及由该 设备装置产生的至少一个多径脉沖，用于处理该返回信号以便将该返 回脉沖和该至少一个多径脉沖从该返回信号中分离的信号处理装置， 以及用于确定从该设备装置到该目标的范围和该设备装置相对于该目 标的位置的范围确定装置；其中该范围根据返回脉冲的到达时间确定，并且该位置根据该至 少 一个多径脉冲的到达时间确定。
全文摘要
一种定位系统，包括一种设备，该设备包括天线和具有靠近天线的已知位置的反射器，该设备发射具有载波信号频率的至少一个电磁脉冲。该设备在一段时间内接收返回信号，其中该返回信号包括来自该设备雷达探测区域内目标的返回脉冲和至少一个多径脉冲。该设备处理该返回信号，以便将返回脉冲和该至少一个多径脉冲从该返回信号中分离。该设备确定从该设备到该目标的范围以及该设备相对于该目标的位置。该范围根据返回脉冲的到达时间确定，并且该位置根据该至少一个多径脉冲的到达时间确定。
文档编号G01S13/75GK101156078SQ200680011817
公开日2008年4月2日 申请日期2006年3月14日 优先权日2005年4月11日
发明者S·A·斯蒂芬斯 申请人:纳夫科姆技术公司