超声位置确定系统的制作方法
本发明涉及使用超声信号确定移动单元的位置的系统和方法。
已知通过从环境中的已知位置(例如，在建筑物的墙壁或天花板上)处的多个静态发射器单元发射超声信号，使用超声来确定移动单元或标签在三维中的位置。这些信号由可以附接到物体的移动接收器单元接收。给定静态发射器单元的位置，超声信号在移动单元处的到达时间可以用于使用标准几何计算来估计移动单元在环境中的位置。在us6292106(立方国防系统公司(cubicdefensesystems，inc))中描述了这种系统的示例。
超声非常适合用于定位系统，尤其是在室内，因为它的传播得比无线电波和光慢得多。因此，与光速信号相比，对于给定的空间分辨率，超声需要较不准确的时间测量。
然而，已知的基于超声的定位系统通常需要每个静态发射器单元和移动接收器单元之间的清晰的视线路径，以便给出准确的结果。这是因为任何明显的障碍物(尺寸上大于一个波长)将导致超声波经历反射、吸收或两者的组合。这意味着当移动单元被人体屏蔽或者被从静态发射器单元的视线中的任何其他障碍物屏蔽时，可以容易地阻挡信号到达移动单元。当发生这种情况时，从环境中的表面的反射可能以比直接路径信号更大的能量到达移动单元，并且因此可能被错误地识别为直接路径信号，导致估计移动单元的位置时的实质误差。已知的基于超声的定位系统的安装和维护通常也很昂贵。
本发明试图解决这些缺点中的至少一些缺点。
从第一方面，本发明提供了一种确定移动接收器单元在环境中的位置的方法，该方法包括：
在不同的相应主方向上从发射装置发射多个超声信号，超声信号中的每一个传送不同的相应方向标识符；
沿多个信号路径在移动接收器单元处接收多个超声信号，其中至少一个信号路径包括从环境中的表面的反射；
识别来自接收的超声信号的相应方向标识符；
针对信号路径中的每一个，确定相应超声信号在移动接收器单元处的相应到达时间；以及
使用(i)与发射装置有关的方位信息、(ii)与表面有关的方位信息、(iii)所述相应方向标识符、以及(iv)所述到达时间，以估计移动接收器单元的位置。
从另一方面，本发明提供了一种用于确定移动接收器单元在环境中的位置的系统，该系统包括：
发射装置，其包括多个超声发射器，并且被配置为在不同的相应主方向上从发射装置发射多个超声信号，每个超声信号传送不同的相应方向标识符；
移动接收器单元，其包括超声接收器，并且被配置为沿多个信号路径接收多个超声信号，其中至少一个信号路径包括从环境中的表面的反射；以及
处理系统，
其中：
处理系统包括被布置为识别来自接收的超声信号的相应方向标识符；
处理系统被配置为针对信号路径中的每一个确定相应超声信号在移动接收器单元处的相应到达时间；并且
处理系统被配置为使用(i)与发射装置有关的方位信息、(ii)与表面有关的方位信息、(iii)所述相应方向标识符、以及(iv)所述到达时间，来计算移动接收器单元的位置的估计。
因此，本领域技术人员将会看到，根据本发明，除了其他信号(可以是反射信号或也可以不是反射信号)的到达时间之外，还使用反射信号在移动单元处的到达时间来确定移动单元的位置。本发明的反射不是不受欢迎的误差源，而是积极地利用从环境中的表面(诸如房间的墙壁或地板)的反射来增加定位准确度并且可能减少提供覆盖房间或区域所需的单独发射器单元的数量。使用本发明，在某些情况下，单个发射器单元(例如，安装在房间的天花板上)足以使移动单元的位置能够在房间的任何地方以三维方式确定，准确度为几厘米或更好，并且具有对从发射器单元到移动接收器单元的视线路径的阻碍的弹性。相比之下，现有技术的系统可能需要在房间中安装四个或更多个单独的单元以给出相当的性能。需要安装较少静态单元的系统是期望的，因为它可以更便宜地安装(设备成本和安装成本两者)，并且更便宜地维护(例如，更换的电池更少)。
虽然发射装置可以包括多个单独的单元(优选地彼此靠近定位)，但在优选实施例中，发射装置是单个发射器单元。发射装置优选地是静态的，例如，固定到建筑物或房间的墙壁或天花板或其他表面。发射装置或单元的超声发射器优选地全部彼此靠近定位，例如，在最大尺寸等于100cm、50cm、30cm或更小的面积或体积内。这使得处理系统更容易识别已经出现反射的表面，并且因此识别与表面有关的正确方位信息，如下面更详细地解释的。该系统可以包括多个类似的发射装置或发射器单元，这些发射装置或发射器单元可以安装在场所的不同的相应房间或区域中，或者可以安装成提供公共区域的重叠覆盖。
本申请人先前在wo2010/84308(其全部内容通过引用结合于此)中描述了一种系统，其中移动发射器单元发射一个信号，该信号沿直接路径和反射路径在静态接收器单元处被接收。不同路径的到达时间用于确定移动发射器单元的方位(location)。然而，申请人未察觉任何公开的系统，其中移动接收器单元接收由静态发射器单元在不同方向上发射的多个可区分的超声信号，并且其中这些信号中的一个的反射有助于确定移动接收器单元的方位。本领域技术人员将理解，这种系统在架构上与wo2010/84308中公开的系统完全不同，在wo2010/84308中，沿多个路径在静态接收器站处接收相同的一个发射信号。通过将定向信号发射到移动接收器单元，该定向信号传送不同的相应标识符，本发明的实施例可以支持任意大量的移动接收器单元，而wo2010/84308中描述的系统可以仅支持有限数量的移动单元，该数量由系统的声学带宽决定。
应当理解，每个超声信号可能沿多个不同的路径到达移动接收器单元，其中一个路径可以是直接路径，并且其他路径可以包括从环境中的表面的一次或多次反射。与其他路径相比，通过有意地尝试通过使用定向发射来增加沿某些路径的信号强度，可以改善定位准确度。
因此，发射装置中的多个超声发射器优选地包括至少两个定向发射器。它可以包括四个或更多个定向发射器。多个超声发射器可以包括一个或多个全向发射器。来自全向发射器的信号优选地还传送方向标识符(从而允许接收器识别沿特定路径的信号的接收，作为全向信号的接收)。应当理解，术语“定向”和“全向”在此可以在相对意义上理解。甚至全向发射器也可以具有一定的方向性，例如，它可以在半球或更小的范围内发出能量，而不是在整个球体上发出能量。发射的超声信号的主方向可以是信号的最高能量的方向。在由单个换能器产生信号的情况下，这通常对应于换能器的主轴线。当然，即使从高度定向的换能器发射，任何超声信号也将在一定方向范围内传播。对于全向扬声器(发射器)，主方向可以是扬声器的主轴线。
多个超声发射器中的至少一个可以包括定向发射器，该定向发射器在超声信号中的一个的频率下具有10和60度之间的半角；优选地在20到50度之间；例如30或45度。发射器中的全向发射器可以不具有半角(即，其角变化小于6db)，或者可以具有大于发射器中的定向发射器的半角的半角，优选地大于60度。发射器中的定向发射器可以是固有定向的，例如，固有定向的压电换能器，或者该定向发射器可以包括具有波导或屏蔽的全向扬声器以增加或增强方向性。发射器中的全向发射器可以是固有全向的，或者该全向发射器可以包括具有衍射构件(诸如，位于扬声器的前面的限定孔的片，以衍射声音)的定向扬声器。
发射装置可以包括至少一对发射器，该至少一对发射器被配置为沿相应主方向发射超声信号，这些相应主方向是共面矢量(即，位于共同平面中或平行于共同平面)，优选地彼此不平行，例如，以至少45度或60度或90度或更大成角度，但优选小于180度。这可以有助于使用信号强度来识别信号路径和反射表面。全向发射器的轴线可以位于两个矢量之间的锐角内，例如，将它们之间的角二等分。如果信号在发射装置的相对侧上发射，则可以例如通过比较移动由接收器单元接收的相应信号强度来相对简单地确定移动接收器单元位于发射装置的哪一侧。在优选实施例中，发射装置包括两对这样的发射器，每对发射器定位为平行于相应平面，其中两个平面是正交平面。
信号路径中的至少一个可以是直接路径。具有至少一个全向发射器的发射装置的优点在于，无论移动接收器单元位于何处，该发射装置都增加了移动接收器单元接收直接路径信号的机会。然而，如果在发射装置和移动接收器单元之间没有直接视线，则仍然可以仅使用反射信号路径(回波)来估计移动接收器单元的方位。因此，在一些实施例中，当直接声信号可用时使用直接声信号，但是当不存在直接路径时使用间接路径。
发射装置可以包括壳体或外壳，诸如盒子，并且多个超声发射器可以被布置为在不同的相应方向上从壳体或外壳上的不同相应位置发射超声。
在一些实施例中，发射装置可以包括一维或二维换能器阵列、以及用于使用波束成形在不同方向上从换能器阵列发射超声信号的控制器。如本文所述，超声发射器可以由一个或多个相控换能器阵列提供。
然而，优选地，每个超声发射器由单个相应换能器或扬声器形成，例如，具有单个膜片、压电晶体或其他有源元件。发射超声信号的每个主方向优选地与不同的相应超声发射器相关联。这避免了控制相控阵列的复杂性。其还使得更容易在不同方向上同时发射多个超声信号。此外，在一些实施例中，估计移动接收器单元的位置利用发射装置上的超声发射器之间的物理间隔，如下面更详细描述的。
可以同时发射多个超声信号。可替代地，发射可以在时间上偏移；然而，如果移动接收器单元处于运动中，或者如果环境随时间变化(例如，如果障碍物在特定发射周期中部分地阻挡特定路径)，则这可能潜在地导致精度降低。
方向标识符可以通过超声信号以任何适当的方式传送。
可以根据编码方案在超声信号中对标识符进行编码，例如，使用基于频率的编码、基于相位的编码、基于幅值(amplitude)的编码和基于时间的编码的任何组合。例如，可以使用频移键控(fsk)编码来对标识符进行编码。在一组优选实施例中，使用相移键控(psk)在载波信号上对方向标识符进行编码。可以附加地或替代地使用直接序列扩频(dsss)编码来对标识符进行编码。在一些实施例中，每个超声信号包括一个或多个码片序列，诸如巴克(barker)码。例如，每个信号可以是本申请人在wo2012/137017中描述的信号，该专利申请的全部内容通过引用结合于此。
在另一组实施例中，可以通过使用时隙或另一种基于定时的通信方案来完全或部分地传送方向标识符。可以根据发射计划来发射多个超声信号，其中计划中的每个发射时间或时隙是相应方向标识符。处理系统可以使用与发射计划有关的信息来识别来自接收的超声信号的相应方向标识符。可以将发射时间布置为使得在发射后续超声信号之前，来自一个超声信号的所有回波已经降低到环境中的阈值水平以下。超声信号还可以对方向特定数据进行编码，但是它们可以是简单脉冲或相同的啁啾或模式，其中仅使用定时信息来传送方向标识符。
方向标识符横跨整个系统可以是唯一的，或者方向标识符在特定区域或地区内可以是唯一的，或者仅在特定发射器单元内是唯一的。在一些实施例中，可以使用其他信息来区分来自系统内的不同发射装置的发射，例如，通过使不同的发射装置在不同的预定时隙中发射，或者将附加数据作为方向标识符的一部分或与方向标识符分开进行发射，该方向标识符诸如为发射器单元标识符、或区域或地区标识符。在一些实施例中，发射装置可以发射fsk编码的区域id和地区id，如本申请人在wo2014/020348中所描述的，其全部内容通过引用结合于此。
超声信号的到达时间可以被确定为绝对时间(例如，由系统时钟或来自外部时钟的信号定义，移动接收器单元可以与该外部时钟同步)，或者可以使用相对定时。例如，时间可以与直接声信号在接收器处的达到有关；即，该第一到达事件定义“时间零”，测量到后来到达的一个或多个回波与该“时间零”的间隔。
可以使用一个或多个互相关操作来确定每个到达时间。
在一组优选的实施例中，每个超声信号包括以码片率(chiprate)编码在相应载波信号上(优选地相移键控编码)的码片序列。移动接收器单元或处理系统优选地以采样率对接收信号进行采样，该采样率比码片率高，优选地是码片率的至少两倍高。它可以最初以较高的速率对接收信号进行采样，然后下采样(例如，使用抽取)到较低采样率，该较低采样率仍然大于码片率(优选地是码片率的至少两倍)但是优选地不超过码片率的16倍、8倍或4倍。采样率可以等于码片率的两倍。接收信号可以分成同相信号(i)和正交信号(q)，这些信号各自可以以采样率进行采样。
然后，采样的信号可以(优选地以采样率)与码片序列互相关，以产生表示随时间的相关性量值的数据。随时间的相关性量值数据的导数可以用于识别相关性量值数据中的峰值。可以以比采样率更精细和/或比码片率更精细的时间分辨率确定峰值的位置。然后可以从相关性量值数据中的峰值的时间位置确定信号的到达时间。
以比采样率更精细的时间分辨率识别相关性量值数据中的峰值的一种方法是使用峰值检测器。峰值检测器可以以任何适当的方式实现。然而，在一组优选实施例中，峰值检测器基于跨越三个连续采样点的滑动窗口识别峰值。在相关性量值数据中的每个点处，点之前的梯度和点之后的梯度优选地用于识别峰值。这些梯度优选地还用于基于梯度的相应量值来估计峰值的方位。这允许以子样本准确度确定峰值的位置。例如，如果一个梯度具有比另一个梯度的绝对值大的绝对值，则处理系统可以将峰值估计为在较浅梯度的方向上偏离中点。
已经发现这种方法有助于非常准确的到达时间测量。例如，通常认为声学定位的最大空间分辨率近似等于声速除以码片率(例如，(340m/s)/(500码片/秒)＝68cm)。然而，本技术可以允许大约十分之一的空间分辨率(例如，在500码/秒下大约7cm)。这个想法本身就是新颖的。
从另一方面，本发明提供了一种用于测量信号到达时间的方法，该方法包括：
接收包括以码片率编码在载波信号上的码片序列的信号；
以高于码片率的采样率对接收信号进行采样；
以采样率将采样的信号与码片序列互相关，以产生表示随时间的相关性量值的数据；
使用随时间的相关性量值数据的导数，以比采样率更精细的时间分辨率确定来自相关性量值数据的峰值的位置；以及
根据相关性量值数据中的峰值的时间位置确定信号的到达时间。
从另一方面，本发明提供了一种接收器装置，其包括：
信号接收器，其被布置为接收包括以码片率编码在载波信号上的码片序列的信号；
采样器，其被布置为以高于码片率的采样率对接收信号进行采样；
相关器，其被布置为以采样率将采样的信号与码片序列互相关，以产生表示随时间的相关性量值的数据；以及
处理系统，其被布置为使用随时间的相关性量值数据的导数以比采样率更精细的时间分辨率来确定来自相关性量值数据的峰值的位置，并且因此确定信号在接收器装置处的到达时间。
信号可以是任何电磁或声学信号。然而，优选地是超声信号。到达时间可以相对于本地定时器或时钟或任何其他合适的参考来确定。接收器装置可以是接收器单元，并且处理系统可以是接收器单元的一部分。可替代地，处理系统中的一些或全部可以远离接收器单元，例如，在网络服务器中。
码片序列优选地在载波信号上进行相移键控编码。采样率优选为码片率的至少两倍高。
本文描述的任何其他方面或实施例的特征也可以是这些方面的特征。
在上述定位系统和方法中，来自环境中的任何表面(可以是房间或建筑物或外部空间)的反射可以潜在地用于估计移动单元的位置，但是优选地，表面是静态表面，并且优选地表面基本上是平面的。在这样的实施例中，反射表面有效地用作“声波镜”。通过对接收信号的适当处理，表面给移动接收器单元提供第二虚拟发射装置的外观，该第二虚拟发射装置与真实发射装置在距离表面相同的距离处。当然，通过考虑多个反射表面，出现了多个这样的虚拟发射器。在一些实施例中，存在多个表面，并且多个信号路径包括从环境中的表面的反射。当估计移动接收器单元的位置时，可以使用与多个表面中的每个表面有关的相应方位信息。
通过处理系统操作，这种“虚拟”发射装置可以用于帮助确定移动接收器单元的位置，就像在对应位置中存在多个真实发射装置或单元并且没有反射表面一样。换句话说，虚拟发射装置中的每个虚拟发射器可以被认为就像它已经将其超声信号直接沿直线路径发射到移动接收器单元一样。可以从真实发射器和一个或多个反射表面的已知位置确定每个虚拟发射器的一组可能位置。一旦已识别出对应于各个接收信号的表面，就可以由处理系统使用常规球形(到达时间)或双曲线(到达时间差)方法进行三边测量或多点定位计算，以估计移动接收器单元的位置。
在一些实施例中，当确定移动接收器单元的位置时，使用回波或反射的信号强度，例如通过使用信号强度来估计包括从表面的反射的信号路径的长度。该系统可以使用超声在空气中的球形和耗散衰减和/或环境中主要表面的反射特性的知识来改善位置估计。
与发射装置有关的方位信息优选地包括关于发射装置在空间中(优选地在三维中)的位置的信息，该位置到达合适的精度水平，并且在合适的坐标系中。该信息优选地包括关于发射装置的取向的信息、或关于相应发射器的位置和/或取向的信息。
与表面有关的方位信息优选地包括关于表面的位置和/或尺寸和/或形状和/或取向的信息。
该系统可以包括数据库，该数据库存储与发射装置有关的方位信息和/或与表面有关的方位信息。数据库可以存储关于房间或建筑物的一些或所有墙壁、地板和天花板的方位的信息。它可以存储其他反射表面(诸如，书桌或办公桌的顶部)的方位、窗户的位置等。它可以存储多个发射器单元在房间或建筑物中的位置和取向。处理系统可以访问数据库以便计算移动接收器单元的位置的估计。
移动接收器单元优选地包括定时器或时钟，该定时器或时钟与发射装置的定时器或时钟同步。可以通过调整移动接收器单元上或在发射装置上的时钟或导出的定时信号中的一个或者通过调整移动接收器单元上的接收时间戳来执行该同步。可替代地，它可以远程执行，例如，通过允许移动接收器单元和发射装置上的时钟运行，但是存储与远程计算机或服务器(其可以形成上述处理系统的一部分)上的时钟之间的偏移(并且可选地漂移)有关的信息，并将该信息应用到用于确定每个超声信号的飞行时间的信息，例如，通过根据存储的偏移和漂移来调整发射和接收时间戳。
发射装置优选地被配置为在一个或多个预定时间发射超声信号。以这种方式，处理系统可以(例如，通过基本减法操作)从到达时间确定每个接收的超声信号的飞行时间(tof)。应当理解，假设声速恒定，飞行时间对应于每条路径的路径长度的度量。
然而，同步不是必需的，并且在一些实施例中，处理系统使用到达时间差(tdoa)信息来估计移动接收器单元的位置。移动接收器时钟可以自由运行并且在服务器上执行时钟关联(对于基础设施而言)。
移动接收器单元优选地被配置为确定每个接收信号的信号强度信息。
处理系统优选地滤除与信号强度低于最小阈值的信号相关联的到达时间。这样的峰可能来自小的反射表面，这种反射表面的方位对于系统是未知的。阈值优选地随着距离的增加(即，基于特定信号的已知发射时间与其在移动接收器单元处的到达时间之间经过的时间)而缩小，优选地例如以距离的平方成指数地缩小。
估计移动接收器单元的位置优选地包括以下操作中的任何一个或多个：
将每个接收信号与相应信号路径相关联；
计算移动接收器单元的初始位置估计；以及
使用到达时间以执行多点定位以估计移动接收器单元的位置。
将每个接收信号与相应信号路径相关联优选地使用信号强度信息和到达时间(本文称为“路径分配”)。处理系统优选地对来自全向扬声器的信号路径的到达时间进行滤波，以便保持包含与最大的相应信号强度相关联的全向到达时间的集合(优选地具有预定尺寸)。
处理系统优选地识别用于对不同的相应方向标识符的信号进行编码的一个或多个到达时间簇，对于每个簇，相应方向标识符在彼此的预定的最大飞行时间距离窗口内。该距离窗口优选地不大于发射装置的发射器之间的最大间隔距离，可选地加上固定裕度，例如，高达5cm或10cm，或间隔距离5％或10％或50％或100％的裕度。这增加了簇中的所有峰值与遵循到接收器单元的相同路径的信号相关的可能性。在一些实施例中，每个簇必须包含来自全向发射器的信号。因此，在一些实施例中，每个簇中的相应方向标识符可以被识别为来自从全向发射器的相应信号到达时间的预定最大飞行时间距离(例如，所述距离窗口的一半)内到达的信号。
簇中的所有到达时间都是针对彼此遵循基本相同的路径的信号，即直接路径，或具有从相同表面的一次或多次反射的路径，这些可以用于识别信号路径。
然而，某些簇可能包含来自不同路径的信号到达时间。处理系统优选地使用相应信号强度和/或信号的到达时间的差异来滤除不是全部遵循相同路径的簇。在一对或多对发射器被布置为面向相反方向的情况下，处理系统优选地使用该对发射器的信号强度，并且可选地还使用来自全向扬声器的信号的强度，以测试簇是否包含仅来自全一条路径的反射。
处理系统可以被配置为根据到达簇的信号的信号强度来计算路径的二维或三维到达角。为此，处理系统可以计算信号强度的一个或多个比率，例如，来自全向发射器的信号的强度与来自定向发射器的信号的强度之间的比率。处理系统可以使用到达角和/或路径长度(例如，根据全向信号的飞行时间确定)来滤除包含其到达时间与发射装置中的发射器的位置不一致(即，不满足基于发射装置上的发射器的位置的一致性测试)的一个或多个信号的簇。可以选择簇的子集，例如，该子集具有高于阈值的一致性分数。
计算移动接收器单元的初始位置估计优选地使用信号强度信息和到达时间。一旦找到可能仅包含全部都沿相同路径传播到移动接收器单元的信号的到达时间的一个或多个簇，则信号的到达时间(非常准确地已知)优选地用于计算二维或三维到达角(或矢量)。这应该比仅基于信号强度的角估计更准确。
这些矢量中的每一个表示沿直线路径从移动接收器单元到发射装置的真实或“虚拟”图像的方向。处理系统优选地使用每个矢量的幅值和/或距离信息和/或到达角信息来将矢量分配给真实或虚拟发射装置位置。一组候选位置是预先已知的，或者可以根据需要从发射装置的位置和一个或多个反射表面(其充当镜子)来计算。处理系统还可以使用关于发射装置上的发射器的位置的信息来确定路径是否包括奇数次或偶数次反射，并且可以在将矢量分配到真实或虚拟发射装置位置时使用该信息。这是因为反射的奇偶性(parity)确定发射器的布局是真实地出现，还是作为镜像出现(即，它出现在移动接收器单元的左手边还是右手边)。
多点定位操作使用到达时间，但是优选地不直接使用信号强度信息。多点定位优选地假设移动接收器单元与相应真实和“虚拟”发射装置方位之间的直线路径。它优选地使用迭代算法，诸如最小化或近似算法(例如，最小二乘最小化)。初始位置估计或来自较早定位周期或操作的位置估计优选地用于启动迭代最小化算法。
移动接收器单元可以是专用定位标签(例如，其包括用于将标签紧固到人或物体以用于跟踪人或物体的装置)，或者它可以是具有附加功能的便携式电子器具，诸如移动电话或平板电算机。
移动接收器单元可以包含所有处理系统，这在移动接收器单元具有显示屏和功能强大的处理器时(例如，如果它是智能手机)可能是特别合适的。在这种情况下，移动接收器单元可以被布置为存储与发射装置有关的方位信息和/或与表面有关的方位信息。
在其他实施例中，移动接收器单元可以包括处理系统的一些部分(例如，包括用于识别方向标识符的解码器或其他模块和/或包括确定信号的到达时间的元件)，而处理系统的其他部分(例如，被配置为计算移动接收器单元的位置的估计的元件)可以驻留在一个或多个其他单元中，诸如在远程计算机或服务器上。移动接收器单元可以包括无线电、光学或其他发射器，例如蓝牙、wifi或蜂窝网络发射器。它可以使用发射器将与接收的超声信号有关的数据发射到远程处理单元。
在一组实施例中，甚至远离移动接收器单元识别方向标识符。在这种情况下，接收器单元可以基本上将接收的音频信号(可选地在一些处理(诸如，解调、下采样或压缩)之后)流式传输到远程接收器。
位置确定系统优选地还包括数据存储和/或显示器和/或数据连接，并且被布置为以电子方式存储和/或显示和/或传送移动接收器单元的估计位置。例如，该系统可以被布置为在建筑物或环境的映射图或平面图上指示移动接收单元的位置。
超声是高于人类听觉的正常范围(特别是成人的听觉范围)的声音。通常，声音高于20khz。在本发明的实施例中的超声信号可以是大约20khz或更高，诸如如大约40khz。在一些实施例中，诸如，如果移动接收器单元的超声接收器对可听频率进行了优化并且可以仅具有有限的超声频率响应，则可以优选大约20khz(例如，大于18khz、19khz或20khz和/或小于20khz、22khz或25khz)的频率。这可能是以下情况，其中移动接收器单元不是专用定位部件，而是具有一个或多个其他功能的便携式器具，诸如移动电话、平板电算机或膝上型计算机。
在适当的情况下，本文描述的任何方面或实施例的特征可以应用于本文描述的任何其他方面或实施例。在参考不同的实施例或实施例组的情况下，应该理解，这些不一定是不同的，而是可以重叠。
现在将参考附图仅通过示例的方式描述本发明的某些优选实施例，其中：
图1是体现本发明的系统的主要部件的示意图；
图2是从下方看的安装在天花板上的方位发射器的透视图；
图3是从下方看的替代的安装在天花板上的方位发射器的透视图；
图4是示出各种信号路径以及两个“虚拟”方位发射器的位置的示意图；并且
图5是典型的自相关函数的曲线图。
图1示出了三维定位系统1，其可以安装在诸如医院的建筑物中。它使得服务器2能够在三维中确定多个移动标签3a、3b(移动接收器单元)在建筑物内的位置，达到高准确度。标签3a、3b通常附接到人(例如，通过人的颈部周围的系索，或带有腕带)，或附接到设备，诸如温度计或医院病床。然而，标签可以与另一个物体(诸如，膝上型计算机或移动电话)形成一体，或由该另一个物体形成。与标签相关联的物体的细节可以存储在服务器2上。服务器2还存储存在标签3a、3b的环境(诸如建筑物的楼面平面和墙壁方位)的映射图。它可以输出指示标签3a、3b的方位的文本、图形或其他数据，这种楼面平面的视觉显示具有在楼面平面上标记的一个或多个标签的估计的方位和高度。
服务器2通过有线以太网网络5连接到多个802.15.4网关4a、4b。这些网关4a、4b包含用于例如使用基于ieee802.15.4标准的协议与一组静态方位发射器6a、6b、6c(静态发射器单元)和标签3a、3b通信的双向无线电。方位发射器6a、6b、6c和标签3a、3b包含用于与网关4a、4b通信的双向无线电。
方位发射器6a、6b、6c各自包含多个超声发射器，以用于发射可以由标签3a、3b接收的超声定位信号。这些信号通常以40khz的载波频率发射，但也可以使用更高或更低的频率。在一些实施例中(例如，当标签3a、3b体现在移动电话中并且使用电话的标准可听频率麦克风来接收超声信号时)，大约20khz的载波频率可能是有利的。每个方位发射器6a、6b、6c还包含时钟或计时器、以及用于根据存储在方位发射器的存储器中的发射计划发射超声定位信号的电路。建筑物中的方位发射器6a、6b、6c的位置和取向存储在服务器2上，例如，存储为每个方位发射器6a、6b、6c上的两个参考点的三维坐标。
标签3a、3b中的每一个包含麦克风和相关联的接收器电路，以用于接收超声信号并对该超声信号进行数字化。标签3a、3b各自还包含用于记录超声定位信号的到达时间的定时器，该到达时间作为绝对时钟值或相对于存储在标签的存储器上的发射计划。计时器或时钟可以是简单的计数器，其可以周期性地翻转(例如，每隔几小时或几天)。它不需要具有普遍时间的概念。
标签3a、3b可以包含用于将ieee802.11多播信号发送到802.11接入点7a、7b的无线电发射器。标签3a、3b可以实现用于wi-fi标签的部分或全部ciscotm兼容扩展。
802.11接入点7a、7b通过有线以太网网络5连接到服务器2。
应当理解，在实践中，系统可以具有比图1中所示更多或更少的服务器、标签、方位发射器、网关和/或接入点。
服务器2、移动标签3a、3b、网关4a、4b、方位发射器6a、6b、6c和接入点7a、7b可以各自包括一个或多个处理器、微控制器、cpu、dsp、asic、易失性存储器、非易失性存储器、模拟电路、数字电路、电源、接收器、发射器、换能器、输入、输出、用户界面，视情况而定。它们的操作中的一些可以由软件控制。
方位发射器6a、6b、6c优选地布置为使得通常可以找到标签3a、3b的所有地区都在方位发射器6a、6b、6c中的至少一个的可听范围内。例如，建筑物中的每个房间可以包含至少一个方位发射器，方位发射器优选地安装在房间的天花板的中央。以这种方式，服务器2应该可以确定每个标签3a、3b所在的房间，因为超声通过墙壁、天花板和门非常强烈地衰减。在某些情况下，或对于某些标签，这种房间级别的精度可能是足够的。然而，系统1还能够以厘米或毫米数量级的精度在三维中确定标签的位置。
可以通过每个方位发射器6a、6b、6c发射对相应方位id进行编码的周期性超声信号(例如，通过发射如wo2014/020348中所述的fsk编码的区域id和地区id)来执行初始粗略定位。该方位id可以由方位发射器上的全向扬声器发射。在一些实施例中，方位id可以由方位发射器上的定向扬声器发射；这在希望将开放空间(诸如房间)分隔成多个区域时可能是有用的。一旦确定了标签3a、3b的区域方位，如果希望在所识别的区域内更精确地定位标签，则可以执行如下所述的3d定位操作。
在其他实施例中，不执行这种基于超声的粗略定位过程，而是3d定位操作允许在整个装置上唯一地确定标签的位置(可能结合其他基于方位的信息，例如，从rf网络、gps或惯性测量单元(imu)获得的信息)。这通常需要用于3d定位操作的信号的更大带宽，因为这些信息将必须对附加的方位信息进行编码，这些信息将以其他方式由粗略定位信号供应。
服务器2负责同步方位发射器6a、6b、6c和标签3a、3b，使得标签3a、3b可以通过不使其超声收听电路持续活动来节省电力，并且使得可以以精确的三维定位来确定准确的飞行时间。
服务器2经由802.15.4网关4a、4b向每个方位发射器6a、6b、6c发送相应定制发射计划。然后，每个方位发射器6a、6b、6c根据其特定的发射计划以间隔发射超声定位信号。定制发射计划全部基于共同的主发射计划，但是针对它们被发送到的设备的本地时钟进行调整。它们被布置为使得方位发射器6a、6b、6c基本上同时发射它们的方位id。方位发射器6a、6b、6c也可以被协调以基本上彼此同时发射3d定位信号。同时发射超声消息而不是使用时隙机制改善了系统的等待时间并增加了标签3a、3b中的电池寿命，这可以在休眠状态下花费更多时间。然而，在实践中，可能希望以一些时间偏移或变化的计划建立，以便克服“哑点”，在该“哑点”中超声信号破坏性地相互干扰。一种选项是使所有方位发射器6a、6b、6c在一个发射周期中同时发射，并且然后在一个或多个后续周期中以确定的方式使这些方位发射器中的一些静音，以避免哑点中的干扰。
对于粗略定位，标签3a、3b上的超声协议和超声解码器被设计为使得当同时发射超声消息时，解码器可以基于飞行时间和信号强度信息区分多个超声方位发射器6a、6b、6c，以便识别最近的方位发射器6a、6b、6c。
当标签3a、3b从方位发射器6a、6b、6c中的一个接收超声方位id信号时，它对信号进行解码以确定发射信号的方位发射器6a、6b、6c的标识。标签3a、3b然后发射对标签3a、3b的标识和方位发射器6a、6b、6c的标识进行编码的多播802.11消息。它还可以发射其他信息。标签3a、3b可以错开它们的802.11发射以减少冲突的机会。
802.11接入点7a、7b监听来自标签3a、3b的多播消息，并将来自接收的多播消息的信息中继到服务器2。
当然，其他实施例可以使用替代装置将标识信息从标签3a、3b传递到服务器2，诸如标签3a、3b将无线电消息发射到802.15.4网关4a、4b，这些网关将信息发送到服务器2。在一些情况下，系统1可以根本不需要802.11接入点7a、7b，并且一些优选实施例仅使用基于802.15.4的通信，这与802.11相比可以节省功率。
当服务器2接收到识别特定标签3a、3b和特定方位发射器6a、6b、6c的消息时，它使用该信息来更新服务器2上的数据库中的标签的粗略位置估计。如果标签3a、3b也需要精细的3d定位，这也可以如下所述进行。
服务器2可以使用多普勒引起的速度信息来确定标签3a、3b的运动，这可以用于细化标签的位置估计。
方位发射器6a、6b、6c的定制发射计划由服务器2基于存储在服务器2上的信息产生，该信息与方位发射器6a、6b、6c中的时钟的相应漂移和偏移有关。服务器2基于由方位发射器6a、6b、6c和标签3a、3b发送到802.15.4网关4a、4b的例程802.15.4消息的发射和接收时间戳，确定方位发射器6a、6b、6c、标签3a、3b和802.15.4网关4a、4b中的每个时钟的相应漂移和偏移信息。每当标签3a、3b中的一个在两个网关4a、4b的范围内时，服务器2确定关于网关4a、4b的时钟的信息，使得两个网关4a、4b从标签接收相同的例程802.15.4消息(可以假设这是同时发生的，因为无线电信号以光速传播)。
为了准确的三维定位，服务器2可以以两种方式中的一种使用标签3a、3b的时钟的模型。服务器2可以向标签3a、3b发送主发射计划的定制版本，供其参考；然后，标签可以使用该版本根据标签的内部时钟，基于定位信号的预定发射时间与其在标签处的测量的到达时间之间的差异来计算超声信号的飞行时间。可替代地，服务器2可以从标签3a、3b(由标签上的本地时钟加戳)接收到达时间时间戳，并使用标签的时钟的存储模型将接收的时间戳转换为符合系统的主时钟的校正的时间戳。例如，主时钟可以是服务器2的内部时钟，或者是方位发射器6a、6b、6c的主方位发射器上的时钟。服务器2可以使用这些校正的时间戳和发射计划的知识来计算飞行时间。
在一些替代实施例中，标签不同步。相反，对于到达标签的超声信号，使用飞行时间差(tdof)信息来确定标签的3d方位。这是使用飞行时间(tof)信息来确定3d方位的替代方案，并且不需要标签知道发射将在何时发生。在一些这样的实施例中，标签根本不需要任何无线电接收器。然而，这种方法的缺点在于它通常需要标签来获得至少一个额外的到达时间(toa)测量，以便与tof信息可用时相比获得准确的位置估计。
为了便于精细3d定位，每个方位发射器6a、6b、6c具有多个定向扬声器。
图2示出了方位发射器6的第一设计，方位发射器6是尺寸约为20cm×15cm×5cm的矩形单元，在方位发射器6的矩形前面和周围边缘上方具有模制塑料盖8。方位发射器6的后面(未示出)旨在与天花板或墙壁齐平安装。安装在盖8的前面边缘周围的开口中的是全向超声扬声器(换能器)9和四个定向超声扬声器(换能器)10、11、12、13。两个定向扬声器10、12安装在矩形前面的相对的短边(s)上，而另外两个定向扬声器11、13安装在矩形前面的相对的长边(l)上。在典型的矩形房间中，方位发射器6因此可以安装在天花板上并且具有指向房间的每个墙壁的不同的定向扬声器。
扬声器9、10、11、12、13中的每一个可绕轴线旋转(当方位发射器6安装在天花板上时改变其仰角)，使得扬声器的轴线可以定位在任何位置：从(i)垂直向前，从方位发射器6的前面的平面(即，当安装在天花板上时直下到地板)伸出，到(ii)平行于前面的平面，远离方位发射器6(即，当安装在天花板上时，与天花板平行)。调整高度可以允许从墙壁反射的最佳激发(例如，通过使扬声器成角度使得它避免织物帘幕，否则可能大量减少反射)。
全向扬声器9以围绕其轴线的半球形图案基本均匀地发出超声。它可以包括例如来自村田制作有限公司(muratamanufacturingco.,ltd.tm)的ma40s4s换能器，其安装在塑料扬声器壳体中的直径为4mm的圆形孔口后面。孔口将导致超声广泛衍射。
图2的实施例中的定向扬声器10、11、12、13是来自muratatm的普通ma40s4s换能器，在换能器前面没有障碍物或波导。这产生大约40度的波束(半功率波束宽度)。
图3示出了替代设计的方位发射器6'，其仍具有全向扬声器9'，但其中定向扬声器10'、11'、12'、13'在换能器前面具有矩形喇叭波导。换能器可以仍然是muratatmma40s4s换能器；然而，波导的使用可以提供至少在一个轴线上可能比平面换能器窄的定制波束形状。波导的形状和取向允许对声音如何传播进行相当大的控制。
当然，其他方位发射器设计也是可能的。在一些实施例中，方位发射器可以包括以载波频率彼此分开并且具有大约波长或更小的间隔的超声扬声器阵列、以及被布置为发射来自作为相控阵列的扬声器的定向信号的电路。这允许方位发射器以不同的角引导超声波束，包括故意将它们引向特定的反射结构，诸如墙壁或窗户。
鉴于超声传播速度低(344m/s)，使用超声进行3d定位的一个有吸引力的特征是能够通过对飞行时间(tof)计时来测量距离，或通过对一对接收器之间的飞行时间差(tdof)进行计时来测量距离差。相比于基于电磁信号的100皮秒的定时准确度，以几厘米的准确度执行此操作需要大约100微秒的定时准确度。
通过将来自三个或更多个已知发射器方位的tof测量结合到标签3a、3b，可以使用三边测量原理导出标签3a、3b的位置。在tdof的情况下，需要四个或更多发射器方位。标签方位的定位准确度通过发射器方位的有效基线(即，发射器距离多远)以及距离测量的准确度来确定。
本发明不是使用多个分开的发射器单元来给出宽的基线扩展，而是利用房间中的表面的反射以给出非常宽的虚拟基线。
与电磁波的相互作用相比，从表面的超声反射是非常确定的过程。大多数墙壁具有尺寸基本上小于超声波长(9mm)的结构并且对超声具有低吸收，因此可以有效地被视为镜子。这意味着来自方位发射器6a、6b、6c的超声信号的反射有效地创建了新的虚方位发射器，该虚方位发射器是真实方位发射器的镜像版本。
在具有五个相对清洁的表面(四个墙壁和一个地板)的房间中，这意味着可以从安装在房间的天花板上的单个方位发射器6a、6b、6c实现完全可观察性。该方法仍然可以应用于不规则形状的房间，甚至包括具有弯曲结构表面的房间。可以以相同的方式考虑从多于一个表面的反射，进一步增强标签3a、3b的可观察性。
图4示出了房间14中的方位发射器6的示例性安装，其包含标签3。方位发射器6安装在房间14的天花板15上。示出房间14的侧壁16和后壁17。(房间14当然具有这里未示出其他墙壁和地板)。来自全向扬声器9的声音应该能够沿直接路径到达标签3，无论标签3在房间14中的哪个位置，除非路径被阻挡。定向扬声器10中的一个成角度，使得其轴线指向侧壁16。另一个定向扬声器11成角度，使得其轴线指向后壁17。取决于这些定向扬声器10、11的方向性，很少或没有声能沿直接路径从它们到达标签3。然而，从定向扬声器10发出的指向侧壁16的超声信号将被侧壁16反射，并将以相对高信号强度(除非信号被阻挡或者标签3太远)从侧壁16到达标签3。类似地，由朝向后壁17成角度的定向扬声器11发射的超声信号将被后壁17反射，并且可以以相对高信号强度(除非信号被阻挡或者标签3太远)从后壁17到达标签3。
从后壁17反射到标签3的信号将具有来自位于后壁17后面的另一个方位发射器106的定向扬声器111的外观。该虚拟方位发射器106上的扬声器的位置是真实方位发射器6上的扬声器位置的镜像。类似地，标签3从侧壁16接收的信号将表现为来自另一个虚拟方位发射器206上的定向扬声器210，该虚拟方位发射器206位于侧壁16的与标签3的反面。另外，该虚拟方位发射器206将是真实方位发射器6的镜像。
tof或tdof定位的一个挑战是没有分析表达式来根据三个tof测量或根据任何数量的tdof测量来计算标签的位置，这些测量在存在噪声的情况下很好地工作(即，一组稍微不一致的测量)。tof的分析方法确实存在(chan的方法)，但依赖于四条路径的知识，这导致部署以及位置确定过程期间的更大复杂性。
因此，服务器2使用迭代的最小二乘最小化方法来估计标签3a、3b的位置。当路径已经与真实和/或虚拟方位发射器位置(路径分配)正确相关联时以及当可以进行良好的初始标签位置估计时，这种迭代方法才会收敛。在服务器2中实现的方法使用接收的信号强度指示符(rssi)数据来执行路径分配。服务器2还计算用于后续基于迭代定时的计算的初始位置估计。一旦标签3a、3b已成功定位并保持在超声信号的连续覆盖下，标签的最后位置计算可以用作下一定位周期的初始估计(可选地使用估计的速度和/或加速度计矢量外推，这可以根据较早的位置估计和/或根据通过分析由标签接收的超声信号确定的多普勒引起的速度信息来计算)。
因此，3d定位操作包括三个不同的操作：
(1)将每个接收信号与来自真实或虚拟扬声器9、10、11、12、13中的一个的唯一直接路径或反射路径相关联(这里称为“路径分配”)；
(2)计算标签3的初始位置估计，以输入下一级(该操作可能仅最初需要，并且后续的定位周期不需要)；以及
(3)基于从标签3到与每个定时测量对应的相应真实和虚拟方位发射器的直线路径，使用到达时间测量来执行三边测量以定位标签3。
第一操作使用信号强度和定时信息，而第三操作仅使用定时信息。
为了便于准确测量来自方位发射器6的扬声器9、10、11、12、13中的一个的超声信号的到达时间(toa)，发射的信号包含至少一个码片序列，诸如作为巴克(barker)码。发射的信号可以包含区域id和地区id部分，以用于粗略定位，接着是包括一个或多个码片序列的3d定位部分。在一些实施例中，信号可以包含多个巴克码；例如，它可以是wo2012/137017中描述的信号。每个扬声器9、10、11、12、13的标识在每个发射的超声信号中被编码。然而，路径分配的挑战是来自特定扬声器的所有直接和反射信号携带相同的标识符，并且因此不能基于编码来区分。相反，使用其他因素，诸如信号强度和到达时间。
每个标签3a、3b测量到达时间和来自在相关频带(例如，大约40khz)的麦克风处接收的信号中观察到的峰值的rssi值。通过使用巴克dsss码有助于识别麦克风信号中的峰值，巴克dsss码产生强烈的峰值相关性。在一些实施例中，标签3a、3b执行巴克相关操作以识别接收信号中相关峰值的位置和相关强度，并且通过无线电(通常经由802.11接入点7a、7b，或经由802.15.4网关4a、4b)将这样的峰值信息发射到服务器2。
图5示出巴克-7码的自相关函数，其中强相关峰清晰可见。
已经发现，使用标准方法将接收信号与巴克码相关，以给出大约10cm准确度的定时分辨率。然而，本系统使用基于对巴克相关数据进行过采样的方法，这给出了更好的分辨率。
dsss码片率通常为4000/s，与muratatm超声换能器的带宽完全匹配。然后，码片率是比载波频率(40khz)低十倍的整数因子，这是解码器算法的优点。解码器处理如下：
1.以载波频率的四倍(即，160ks/s(每秒千个样本))对麦克风信号进行采样；
2.样本以采样频率(40khz)正交混合，以在2×40ks/s下得到基带下的复杂信号流；
3.通过抽取或平均来实现进一步降低采样率而不丢失信息；当以十为因子进行抽取或平均时，样本被严格采样，这将导致2×4ks/s的复杂iq数据流；然而，通过较不积极地平均(例如，每五个样本(2×8ks/s))，从峰形状得到显着更好的距离准确度。
通过将码片率过采样两倍(2×8ks/s)，巴克相关性量值数据可以用于获得亚波长分辨率，优于8.5mm。
对于具有尖峰自相关特性的码片序列，可以使用以下三点峰值检测算法获得准确的峰值方位估计：
计算点xn的任一侧的梯度：a＝xn+1-xn，并且b＝xn-xn-1；
如果a<0并且b>0并且xn超过合适的阈值，则检测xn附近是否存在峰值；以及
将精确峰值方位计算为：n+b/(b-a)-0.5。
当梯度a和b的量值相等时，方位将给出为n。如果a比b更陡，则峰值方位将被置于低于n的半个样本，而如果b比a更陡，则峰值方位将被置于高于n的半个样本。
使用这个三点峰值查找器，当使用低阈值时，通常会为方位发射器6的五个扬声器9、10、11、12、13中的每一个找到许多峰值(每个扬声器信道约30-100个)。服务器2非常准确地(到几毫米)知道每个峰值的飞行时间。一些实施例可以使用更复杂的方法来查找具有子样本准确度的估计峰值方位，例如，其考虑相关曲线的形状，然而，这些需要更多的计算复杂度。
为了减少该数量，应用基于原始距离的滤波器，其丢弃与太低的信号幅值相关的那些峰值。这些是合理的，因为这样的峰可能来自小的反射表面，该反射表面的方位是系统所未知的。不是在所有距离处应用平坦幅值阈值，而是允许幅值随距离而下降(由到达时间表示)。在一个实施例中，仅保留幅值大于阈值/(距离^2)的那些峰值。
方位发射器6上的全向扬声器9起着重要作用。首先，由于其全向信号，信道最有可能被方位发射器6附近的所有标签3接收。其次，定向信道和全向信道(从与定向信道相同的一个或多个表面反射)之间的量值比给出关于定向信道上的信号的路径方向的重要信息。
由于这个原因，通过仅保持具有n个最大量值的n个全向峰值，再次过滤剩余的峰值，其中n通常可以在6到10的范围内。
通过找到示出与所识别的全向峰值在时间上非常接近的峰值的其他扬声器信道而进行路径识别的过程。这种配对或簇存在的事实是以下事实的结果，即对于特定路径，源自单个方位发射器6(真实或虚拟)的所有扬声器信号都在彼此的最大飞行时间距离窗口内，该最大飞行时间距离窗口由定向扬声器10、11、12、13与设备上的全向扬声器9的真实间隔来限定。为了考虑识别峰值的有限分辨率，可以将额外的距离裕度添加至全向扬声器到定向扬声器的间隔阈值以识别这些簇(例如，全向扬声器9和相应定向扬声器10、11、12、13之间的在方位发射器6上的5cm+真实间隔距离)。
由于从方位发射器6到标签3的多个不同路径经由一个或多个反射表面可以具有相似的路径距离，因此每个全向峰值周围的距离窗口内的每个定向扬声器信道可以出现多个峰值。因此，每个全向峰值与每个扬声器信道的k个相关联峰值相关联，其中0≤k≤4。如果两个lt路径在距离上重叠，则可能例如在附近有6到10个峰值。然后必须在两个lt方位之间间隔这些峰值。这是通过以下操作完成的：识别特定全向峰的定向扬声器信道峰值的所有组合，并且随后基于接收的信号强度指示符(rssi)和到达时间差(tdoa)分析这些候选峰值簇的一致性，以便选择最合理的候选者。
过滤与每个全向峰值相关联的候选者的第一步是：通过这些候选者是来自方位发射器6的长边(表示为l，用于“长边”)上的扬声器11、13，还是来自方位发射器6的短边(表示为s，用于“短边”)上的扬声器10、12，来分离这些候选者。然后，它们对于每个组l、s，按降序幅值被排序。将它们分类为l、s类型的原因在于，由于l和s对中的每一对的定向性和相对性，沿着相同路径对于相对的扬声器在l和s类型内看到显着的峰值是非常不可能的。选择最显著的l和s峰值还有效地确定信号路径源自方位发射器6周围的哪个象限，每个象限以矩形方位发射器的不同相应角为中心(即，当观看图2时为左上、右上、右下、左下)。
在通过l或s类型对与每个全向峰相关联的峰候选进行排序之后，标签3或服务器2通过查找具有合格幅值比和时间滞后的<l，s，x>组合来进行，其中l、s和x在本文分别表示与长边扬声器11、13、短边扬声器10、12和全向扬声器9有关的相关峰值(以及这些峰值的量值)。
首先，将l和s峰值比与全向峰值量值进行比较。这背后的想法是，由于l和s换能器对的相对方向性质，大量值l或s峰值是主要关注点。因此，对于每个全向峰值x，服务器2计算与该全向峰值x相关联的所有峰值l、s的幅值比l/x和s/x的谐波平均值。谐波平均值或0.25(取较高者)然后用作用于过滤该全向峰值x的l、s峰值组合的阈值。
标签的位置可以被认为是来自真实或虚拟方位发射器的直线路径，在球面坐标(r，θ，
根据经验，当扬声器10、11、12、13设置为与发射器6的前面8的法线成60度时，已发现下面的幅值比与球面倾角θ近似成线性：
sumratio＝(l+s)/(l+s+x)
此值sumratio的界限可以从l、s和x扬声器的角设置计算得出。对于l和s从法线到发射器6的前面8的仰角为60度的并且x处于0度，边界是0.5≤sumratio≤0.9。这与上面的谐波平均阈值相结合，允许我们过滤l、s、x峰值组合。
对于如图2所描绘的方位发射器，将扬声器10、11、12、13设置为60度的θ的良好估计，已被发现为：
θ＝180×sumratio-85
当扬声器10、11、12、13设置成不同的角时，可以通过测量或模拟确定替代关系。
接下来，根据幅值比估计到达角。
对于一致的l、s、x幅值组合，可以估计路径角。可以基于上面的求和比来估计仰角。第二路径角(即方位角
minratio＝(l-s)/(l+s)
被估计为
假设定向扬声器中的每一个i处于相应笛卡尔矢量位置[ri3]，其中全向扬声器x作为原点。在从方位发射器到标签的路径的几乎所有实际情况中，与方位发射器到标签距离r相比，换能器之间的间隔很小。在这些条件下，从房间中的标签的角度来看，方位发射器上的所有扬声器基本上处于相同的角观察。利用已知的观察角，可以计算信道之间的时间滞后(或等效地，路径之间的距离)。
首先，服务器2计算笛卡尔归一化路径矢量rnorm：
对于物理峰值路径簇，特定l或s扬声器i的路径距离与到全向扬声器9的距离之间的差异可以通过以下近似：
这是扬声器i相对于全向扬声器9的位移矢量在到标签的路径上的投影。
该关系意味着服务器2可以为了观察到的幅值和相对距离之间的一致性而检查峰值组合。通过评估相对换能器距离(δri3)的所有峰值簇候选者(在距离窗口内，与不同l和s峰值组合相关联的全向扬声器峰值)来执行该一致性检查，首先，基于峰值方位进行测量，第二，如上所述根据信号量值比进行估计。然后，测量的相对距离和估计的相对距离之间的均方误差总和提供客观察量，其用于选择可能源自单个相同lt源(真实或虚拟)的峰值组合。
总结：
1.根据所有全向到l-s峰值组合候选者，服务器2首先基于量值比选择那些具有大且物理上一致的比率的l、s、x组合(有界限的sumratio，在该组的最高比值内)；
2.对于每个有效的l、s、x组合，服务器2计算球面观察角，即方位角和仰角；
3.根据观察角，服务器2为l、s换能器中的每一个计算与x换能器的预期路径长度差；
4.服务器2将观察到的路径长度差与估计的路径长度差进行比较，并计算路径长度差误差的平方和；以及
a.现在可以选择最佳的l、s、x组合，即这些组合具有最小的误差平方和并且满足各个误差平方和的阈值的组合。
该过程的结果是识别出分开编码的扬声器信道上的相关峰值集合，这些信道已经被识别为属于方位发射器和标签之间的物理上一致的路径(即，示出幅值和时间滞后之间的一致性)。
使用上述过程，服务器2可以基于由方位发射器中的五个扬声器产生的相关峰值簇，从标签(路径)的角识别方位发射器的观察矢量。该操作只要观察到三个l、s、x峰值的组合在幅值和时间滞后方面一致就可以完成。现在剩下的是找出这些观察矢量与哪些可能的方位发射器位置相关联。在方位发射器是真实物理单元的情况下，由于每个方位发射器使用不同的码或时隙，因此这通常不是挑战。然而，在反射的情况下，虚拟方位发射器不能容易地彼此区分并且与真实方位发射器区分。
可以通过在任何重要反射表面(墙壁、天花板、地板、窗户等)中镜像真实方位发射器6的过程来生成虚方位发射器。可以认为，在大多数情况下，多达二阶镜像(即，多达两次反射)足以覆盖可以在正常房间中观察到的最显著的峰值簇。注意，如果需要，可以在该过程中考虑由于反射表面的吸收引起的衰减。
方位发射器的所有属性都在发射下被镜像并衰减。
对于天花板安装单元，服务器2可以考虑矩形房间(其位置对于服务器2是已知的)的所有四个墙壁中的第一、第二和可能的第三阶反射，导致十二个虚拟方位发射器位置和一个真实方位发射器位置。第三级在某些不寻常的情况下可能是有用的，诸如二阶墙反射在地板表面中被镜像的情况。
一旦服务器2识别出可能属于方位发射器(真实或虚拟)与标签之间的单个路径的物理上一致的峰值组合，服务器2就可以基于观察到的时间滞后对观察角(方位角和仰角)进行细化。由于上述同步计划和准确的三点峰值检测操作，服务器2非常准确地知道标签和方位发射器之间的距离。因此，可以有利地使用飞行时间差(tdof)方法来改进到达角的估计。
该方法依赖于最小化平方项之和(δri3-δri3obs)2。通过使用δri3表达式的线性化版本迭代逼近观察角x，最小化计算的滞后和观察的滞后之间的误差：
在每次迭代中，服务器2计算矩阵：
使用角x的最后估计。
来自幅值比sumratio和minratio的观察角被用作最小化操作的起始条件。
现在可以通过求解x的以下线性方程组来计算观察角x的新更新：
δri3-δri3obs＝hx
这需要正确识别最少三个不同的峰值<l，s，x>，在这种情况下，获得2×2矩阵h。
一旦角变化下降到低于预定阈值，或者在非收敛的情况下，在达到阈值迭代次数之后，停止迭代过程。
最后，使用基于观察到的滞后改进的到达角的估计，服务器2现在可以计算真实方位发射器的坐标系中的路径的观察矢量。
可以基于方向信息和/或距离最容易地完成将观察矢量分配给始发真实或虚拟方位发射器的过程。通过扬声器位置和方向性的适当设计选择，可以大大提高其可靠性和计算效率。各种分配方法都是可能的：
a.基于几何
房间的主要反射器通常由其墙壁和地板组成。可以通过定位方位发射器6使得每个定向(或波导)扬声器面向不同的墙壁并且全向换能器面向地板来使用该见解。然后，可以使用每个观察矢量的幅值和距离信息的组合来将观察矢量分配给始发真实和虚拟方位发射器位置，如下：
1.基于其距离信息对观察矢量进行成簇。这导致观察矢量组<l，s，x>源自相同的真实或虚拟方位发射器。在标签与两个方位发射器位置等距的情况下，观察矢量的幅值和方向信息用于分开重叠路径。
2.每个<l、s、x>簇的接收的信号强度指示符(rssi)信息用于创建对应的一组候选方位发射器位置。由于每个扬声器指向不同的反射器，因此每个方位发射器位置具有相应主导路径，意味着具有最低衰减水平的路径。簇的幅值信息允许服务器2估计哪个方位发射器图像更可能产生每个簇的路径。
3.给定它们的相应方位发射器候选集合，可以基于其距离信息将每个<l，s，x>簇分配给始发方位发射器。簇的距离信息允许待估计的始发方位发射器的阶数(视线、一阶反射、......、n阶反射)。
b.基于角
给定源自相同方位发射器的观察矢量的簇<l，s，x>，服务器2可以在不知道方位发射器的位置的情况下估计其到达角(参见上文)。该信息可以用于将每个簇分配给其始发方位发射器，如下所示：
1.基于其距离信息对观察矢量进行成簇。这导致观察矢量组<l，s，x>源自相同的真实或虚拟方位发射器。在标签与两个方位发射器位置等距的情况下，观察矢量的幅值和方向信息用于分开重叠路径。
2.估计每个簇的到达角。添加观察矢量的距离信息(tof)。这导致每个簇的到达矢量。如果将簇分配给正确的方位发射器，则矢量应指向标签的位置。如果距离信息不可用(例如，当仅使用tdof时)，则到达矢量可以由无限线代替。
3.如果标签位置的粗略估计可用，则可以将每个簇分配给其到达矢量指向与标签的位置估计最接近的真实或虚拟方位发射器位置。如果使用tdof，则标准是线的最接近标签位置估计的点。
4.否则找到<簇，方位发射器>的组合，其产生最小的到达矢量点组。在误差裕度内，它们都应指向相同位置。如果使用tdof，则标准是每个成对到达线的交叉点。
c.基于象限
这种方法利用了这样的事实：具有奇数次反射的虚拟方位发射器可以与真实方位发射器和具有偶数次反射的虚拟方位发射器区分开，因为方位发射器上的扬声器的布局是不同的。方法是：
1.根据簇中l和s扬声器的标识，基于峰值的粗略筛选(使用距离相关幅值阈值过滤的n个最大x峰值)，识别具有最短距离的路径的象限。
2.基于象限计算标签位置的边界(已知真实方位发射器的位置和取向、以及墙壁、地板和天花板的位置)，边界具有合适的误差裕度。
3.尝试将观察矢量和真实或虚拟方位发射器的哪些组合产生在物理房间中的标签位置，并保留它们。
这些分配方法中的任何一种都给出了多个路径和相关联的方位发射器位置候选者，这些路径和相关联的方位发射器位置候选者可以用于后续处理，以便以改善的准确度和一致性计算标签位置。
然后通过使用各种三边测量技术尝试路径和方位发射器候选者的多个组合来最终计算标签位置。
由于tof或tdof测量的不准确性，标准三边测量技术无法可靠地估计标签的位置。几何精度稀释(gdop)的原理是室内定位系统的主要关注点，其中误差测量通常在厘米量级，并且界标之间的距离限于米。
在这方面，最强大的算法是非线性逐次逼近算法，以获得路径长度和估计的标签位置之间的最小误差平方和。对雅可比行列式使用解析表达式具有良好的速度优势。算法的变体是这种非线性方法与线性最小二乘法的组合。这两种方法被描述在“使用三边测量和近似距离确定三维位置”，w.murphy和w.hereman，技术报告mcs-95-07，数学与计算机科学系，科罗拉多矿业学院，戈尔登，科罗拉多州(1995年)("determinationofapositioninthreedimensionsusingtrilaterationandapproximatedistances"byw.murphyandw.hereman,technicalreportmcs-95-07,departmentofmathematicalandcomputersciences,coloradoschoolofmines,golden,colorado(1995))。
使用雅可比矩阵的解析表达式的非线性方法(无论其初始位置输入如何)都给出非常准确的位置估计，假设到方位发射器位置的路径的分配已正确完成。但是良好的初始位置估计可以大大减少方法的收敛时间。使用qr分解的线性方法非常快，但是在竖直维度中导致非常不准确的位置估计，尽管其水平坐标相当准确。因此，线性方法优选地由服务器2使用以获得2d初始位置估计，其可以被提供作为非线性方法的输入以获得当前定位周期的最终3d位置估计。在随后的定位周期中，来自前一周期的位置估计可以用作下一周期的估计。
在已经识别少于三个路径的情况下，三边测量方法是不可行的。相反，来自单个最近lt方位的三个或更多个换能器的tdoa信息用于使用上述方法最小化平方项之和(δri3-δri3obs)2确定准确的到达角估计。可以基于从全向扬声器到标签的滞后和距离来识别最接近的lt。也许令人惊讶的是，已经发现这种方法比使用与两个lt位置有关的信息产生更准确的位置估计，因此这是服务器2在这种情况下进行初始位置估计所做的事情。
涉及沿直线放置的真实和虚拟方位发射器位置的组合可能导致在与直线正交的方向上的分辨率差，因此服务器2有利地通过检查使用的lt位置之间的角来试图避免试验解决方案中的这种方位发射器位置组合。
可以通过服务器2从位置估计算法获得最小平方误差的估计，其可以用于选择方位发射器位置和路径的最准确组合。
一旦服务器2到达标签的最终位置估计，它就可以以任何合适的方式将其输出给用户，例如，通过在房间的三维表示中显示标签。服务器2可以使用附加信息，诸如来自多普勒频移测量的速度信息、或时间或空间连续性假设，以进一步改善跟踪标签时的准确度。
取决于功率使用和处理能力之间的最佳折衷，分配给服务器2的一些或所有定位操作可以替代地在标签3(或提供与标签相同的功能的移动设备)中实现。例如，在标签被体现在智能手机中的情况下，有足够的处理功率以在智能手机本身而不是在服务器2上执行上述定位任务。从用户隐私的角度来看，这也可能是有利的，因为用户的位置是在移动设备上生成，而不与任何人共享。
相反，在一些实施例中，标签3或移动设备可以仅执行超声信号的最小处理(例如，以减少带宽)，但是除此之外将其接收的超声信号完整地发射到服务器2。这可以使用常规音频流式传输技术。通过这种方式，可以容易地更新和更改基础架构和服务器应用程序，而不会影响标签3。
本领域技术人员将理解，已经通过描述本发明的一个或多个特定实施例来说明本发明，但是本发明不限于这些实施例；在所附权利要求的范围内，可以进行许多变化和修改。
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