在区域中定位标签的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在区域中定位和/或跟踪标签。更具体地说，本发明涉及一种用于定位 标签的系统、一种用于在用于定位标签的系统中使用的第一接收机以及一种用于定位标签 的方法。
【背景技术】
[0002] 用于在区域中定位并且跟踪节点的系统是已知的。基于近场ID卡和条码的解决方 案例如可以提供离散时刻的快照，但无法提供节点的行踪的完整的、最新的并且精确的知 识。基于例如WIFI、蓝牙和Zigbee的系统提供定位可能性，但在墙壁、人和水源的邻区表现 不良。这归因于这样的事实:这些技术操作在已经关于数据传输目的所构想的带宽中，并且 它们不正确地采用在不良设计的短距离跟踪解决方案中。其它已知的GPS或GPRS/3G解决方 案是昂贵的，并且仅在室外提供最佳定位。
[0003] W0 03/028278公开了一种用于使用耦合到两根天线的冲击无线电接收机来确定 冲击无线电发射机的角度偏移的系统和方法。天线分离达某已知距离，并且一根天线可以 通过缆线延迟耦合到无线电。测量来自天线的冲击信号，以确定一根天线接收到的一个这 样的信号与另一天线的相比的到达时间差。通过整个冲击无线电扫描周期的自相关，通过 检测两个到来信号的前沿或这些方法的各种组合来测量时间差异。使用跟踪接收机，可以 连续地跟踪脉冲，因此提供实时位置信息。
[0004] 在W0 03/028278中，不清楚如何解决对于角度偏移确定采用超宽带(UWB)固有的 问题。这实际上强烈取决于将各天线的相位中心之间的距离保持恒定。在没有恒定相位中 心的情况下，穿过大量频率的跨段的UWB信号特性将引入将改变前述距离的不可容忍的相 位失真，使得角度偏移的确定更不精确或甚至不可能。此外，并未公开可以如何使用并且处 理UWB信号的高频特性。此外，在W0 03/028278中对于多个冲击无线电发射机可以如何发现 角度偏移是不清楚的。显然，在W0 03/028278中仅可以定位一个冲击无线电发射机。需要一 种用于在室内和室外都精确地定位和/或跟踪多个并且潜在地快速移动对象的改进的系 统。
【发明内容】
[0005] 本发明使得能够在室内以及室外都定位和/或跟踪(可能地多个并且快速移动的） 标签。标签可以由人或动物穿戴(例如，嵌入在衣物中），或集成在对象(例如球）中。本发明 使得可能以高精度(例如20cm准度内）定位和/或跟踪快速移动对象。
[0006] 在本发明一方面中，提出一种用于定位标签的系统。所述系统可以包括第一接收 机，被配置为从标签接收信号。所述第一接收机可以包括至少两根天线，均被配置为接收所 述信号。所述系统可以还包括:第一处理装置，被配置为:基于所述第一接收机的两根天线 的第一集合之间的距离以及所述第一集合中的所述两根天线处的所述信号的到达时间差 而计算所述第一接收机处的所述信号的第一到达角度。所述标签可以包括标签天线，其被 配置为发送具有宽带宽的信号，并且可以具有频率独立相位中心。所述信号可以是包括一 个或多个脉冲的超宽带信号。
[0007] 在本发明另一方面中，提出一种用于定位标签的方法。所述方法可以包括:在第一 接收机的第一天线中从标签接收信号。所述方法可以还包括:在所述第一接收机的第二天 线中从标签接收所述信号。所述方法可以还包括:基于所述第一天线与所述第二天线之间 的距离以及所述第一天线和所述第二天线处的所述信号的到达时间差而计算所述第一接 收机处的所述信号的第一到达角度。所述标签可以包括标签天线，其被配置为发送具有宽 带宽的信号并且可以具有频率独立相位中心，并且其中，所述信号是包括一个或多个脉冲 的超宽带信号。
[0008] 因此，所述标签天线具有频率独立相位中心，并且可以操作在高带宽(UWB)处。这 样有利地使得能够在潜在地多个标签的接收机处进行高度并且精准的时间测量。通过与频 率独立相位中心组合使用UWB信号，变得可能的是，具有包括带有可以关于时间测量目的由 接收机处理的陡峭边沿的脉冲的高速信号，即，测量脉冲到达所述第一天线的时刻与同一 脉冲到达所述第二天线的时刻之间的时间差。该时间差与所述两根天线之间的已知距离一 起用于计算所述接收机与所述标签之间的角度。所述角度是所述标签的位置信息的一部 分。
[0009] 权利要求2和13的实施例有利地使得能够使用具有三根或更多根天线的单个接收 机确定标签的位置(即，不仅角度）。
[0010] 权利要求3和14的实施例有利地使得能够使用均具有两根或更多根天线的两个或 更多个接收机确定标签的位置(即，不仅角度）。
[0011] 权利要求4和15的实施例有利地使得能够在高分辨率脉冲上进行精确时间差计 算。
[0012] 权利要求5和16的实施例有利地使得能够以较低成本硬件在高频率脉冲上进行精 确时间差计算。凭借通过下采样来延展高分辨率信号，可以按较低分辨率执行时间差计算。
[0013] 权利要求6和17的实施例有利地使得能够以较低成本硬件在高频率脉冲上进行替 选精确时间差计算。凭借通过下采样来延展信号，可以按较低分辨率执行时间差计算。此 外，通过在频域中执行互相关，无需高性能乘法器。
[0014] 权利要求7和18的实施例有利地增加到达时间差计算的精度。
[0015] 权利要求8和19的实施例有利地使得标签能够是小尺寸的（例如硬币尺寸的）。此 外，标签可以是非常平坦的，使得其能够例如舒适地集成在衣物中。泄漏（leaky)透镜天线 具有频率独立相位中心，并且特别适合于生成UWB信号。已经惊奇地发现，泄漏透镜天线的 性质可以用于利用用于发送UWB脉冲的泄漏透镜天线来精确地定位标签。这些UWB脉冲具有 陡峭边沿。已经有利地发现，可以如权利要求中所限定的那样使用这些特性。因此，与用于 定位标签的现有技术信号相比，接收天线处的信号具有高质量。因为UWB中所使用的高频 率，所以本发明的接收机典型地适用于信号的快速处理。
[0016] 权利要求9和20的实施例有利地使得能够在多个平面(即维度）中定位标签。
[0017] 权利要求10和21的实施例有利地使得特定使用情况成为可能，例如在体育赛事中 跟随运动员或跟随对象(例如球)的移动。
[0018] 根据本发明另一方面，提出一种具有上述特性中的一个或多个的第一接收机。
[0019] 下文中，将更详细地描述本发明实施例。然而，应理解，这些实施例不应理解为限 制本发明的保护范围。
【附图说明】
[0020] 将通过参照附图更详细地解释本发明的各方面，其中：
[0021] 图1示出本发明示例性实施例的到达角度检测设置；
[0022]图2示出与本发明示例性实施例的观看角度有关的图线；
[0023]图3和图4不出本发明不例性实施例的位置检测设置；
[0024]图5示出本发明示例性实施例的信号的脉冲；
[0025] 图6更详细地示出本发明示例性实施例的接收机；
[0026] 图7更详细地示出本发明示例性实施例的标签；
[0027] 图7示出本发明示例性实施例的信号；
[0028] 图8示出本发明示例性实施例的两个信号；
[0029] 图9示出本发明示例性实施例的标签和接收机；
[0030] 图10示出本发明示例性实施例的标签和两个接收机；
[0031 ]图11和图12更详细地示出本发明示例性实施例的接收机;以及 [0032]图13示出用于本发明示例性实施例的使用情况的足球体育场。
【具体实施方式】
[0033]图1示出用于源自标签1的信号在接收机2的天线21、22处的到达角度的估计的基 本设置。标签1发送电磁波或脉冲。从标签到左边天线21的信号路径1长于到右边天线22的 路径，如图1所示。该路径差可以测量为左边天线21和右边天线22处的信号的到达时间差。 时间差可以转换为距离差X，如图1所示。在从标签1到接收机2的距离大于两根接收天线21、 22之间的距离b的条件下，角度Φ与距离X之间的以下关系成立：
[0035] X的不精确性将导致角度φ的误差。可以关于X和Φ的误差推导以下关系：
[0037] 在公式2中，ΔΧ是距离[m]的误差，Δφ是角度[弧度]的误差，X是所测量的距离差 [m]，其中，-13〇〈13，13是左边21与右边22天线中心之间的距离。
[0038] 图2示出作为角度的函数的误差的图线。该图线是实验测量的结果。角度测量对于 近似120度的观看角度(在-30度与30度之间，如图2所不)是最精确的。在30度处，误差是在 90度处的误差的2倍。
[0039] 在如图1所示均测量角度φ的两个接收机的情况下，平面中的位置测量是可能的。 在图3中，两根接收天线之间的距离对于第一接收机是bl，而对于第二接收机是b2。两个接 收机位于(从接收天线的中心测量的）距彼此距离d处。角度所限定的两条直线之间的截点 给出标签的位置。在