用于确定并提供无线设备的位置信息的方法、系统和装置与流程

相关申请的交叉引用

本申请根据美国法典第35编第119条e款要求2015年1月20日提交的且标题为“methodandsystemforprovisioningmulti-tieredlocationservices”的美国临时专利申请号62/105,338和2015年1月20日提交的且标题为“method,systemandapparatusfordeterminingandprovisioningoflocationinformationofwirelessdevices”的美国临时专利申请号62/105,369的优先权，这些专利申请的全部内容通过引用被并入本文。

本发明大体上涉及无线定位系统，且更特别地涉及用于确定无线信标设备的位置的方法和系统，以及涉及用于向无线设备提供位置信息的方法和系统。

背景技术：

用于确定用户的相对位置的定位服务已经变得普遍存在。例如，全球导航卫星系统(例如全球定位系统(gps))提供在户外环境中的定位服务。对于户内环境，有基于提供实时定位服务的不同技术的很多产品。应用常常对准确度、实时时延等有非常不同的要求。同时，不同的技术通常提供不同质量的定位服务。向智能电话和平板计算机设备提供定位服务由于它们的流行性和与其它服务集成的能力而成为焦点。

由于这些设备在消费产品中的可用性，使用蓝牙或wifi信号来估计位置已经被实现。在一个例子中，ibeacon是苹果有限公司的称为“可向附近ios7设备通知它们的存在的一类新的低功率低成本发射机”的户内接近系统。该技术使设备或其它硬件能够将推送通知发送到接近ibeacon设备的设备。设备还可接收ibeacon广告。ibeacon对也被称为蓝牙智能的蓝牙低能(ble)起作用。也可在支持双模的蓝牙4.0设备中找到ble。ibeacon的一个潜在的应用是可精确地确定在商店中的用户的位置的位置感知、环境感知的流行的小的无线传感器信标。ibeacon设备可发送促销的附近物品或消费者可能寻找的物品的通知，且它可使在销售点(pos)处的支付成为可能，其中消费者不需要移除他们的钱包或卡来进行支付。类似于ibeacon，存在其它技术，包括rfid和提供基于“接近感测”的定位服务的近场通信(nfc)系统。通常，具有已知位置的任何无线发射机可用作信标设备或信标。

在另一例子中，有利用wifi接入点(ap)作为信标的很多商业系统。wifi接入点用于确定启用wifi的设备的位置。公司(例如ekahau)为医院、购物中心等提供专用的基于wifi的实时定位系统(rtls)解决方案。很多芯片公司——包括qualcomm(atheros)和broadcom——提供具有定位服务支持的无线电芯片。可基于来自这些ap的接收信号强度来估计wifi接收机的位置。

图1示出由ibeacon发射机101和接收机110组成的ibeacon接近感测系统100。具有已知位置103的ibeacon发射机101广播由接收机110接收的信标消息111。接收设备110可使用所接收的信号111来估计它到ibeacon发射机101的距离以确定接收设备110的位置105。

信标消息一般包括特定的信息。例如，有ibeacon能力的信标消息包括由可兼容应用或操作系统获得的通用唯一标识符，其可转变成物理位置或在设备上触发行动，例如在社交媒体上登记或推送通知。信标发射机ρtx103的位置被事先配置。注意，在真实的实现中，大部分信标设备具有发射机和接收机，并被称为信标收发机120(未在图1中示出)。

现有的信标系统要求用户手动地输入发射机103的位置。这是耗费时间的，且易于有人为错误。此外，位置信息是静态的，且不能够实时地被更新。因此，当信标被移动或正移动时，过时的信息可引起问题。系统不能够检测位置变化，且因此不能自动更新信标的位置。

接近感测系统(如ibeacon)通常以差准确度、大时延和不连续的(间歇的)服务提供低功率、低成本和低复杂度的定位服务。这些系统不能够估计移动设备的准确的最新位置。前面提到的无线定位系统基于接收信号强度，且通常具有以米、或数十米为单位测量的准确度和分辨率。例如，ibeacon系统只能够检测接收机是否是相对“紧邻的”、“近的”、“远的”或“未知的”。由这些类型的系统提供的准确度对某些应用不足够好。

相反，存在基于其它技术例如超宽带(uwb)的可得到的高精度rtls产品。uwbrtls系统能够提供在15cm内的准确的位置估计，并具有比1hz高得多的更新速率。这些系统可实时地检测并更新标签位置。

图2示出基于uwb的定位系统200的一个例子。一般地，uwbrtls系统由基础设施网络222和标签202组成。基础设施网络222进一步由多个uwb锚设备201组成。通过测量在节点或锚设备201之间的信号的飞行时间(其随后转换成距离210)来估计标签202的位置。锚设备201的位置通常是已知的并被考虑为静止的。然而，可能存在当锚位置可动态地被估计的情况。标签202是位置待确定的设备。可基于由基础设施网络222提供的定时信息和/或锚位置来确定uwb标签202的位置。可以以高准确度估计uwb标签202的位置。标签202的位置可由标签(在本地)或由系统(在后端中)确定。能够确定它自己的位置的标签在下文中被称为定位设备。

uwbrtls基础设施网络也可设计成自定位和自校准的。自定位指系统自动或半自动地确定锚位置的能力。自校准指系统检测、校正或补偿锚位置或链路条件的变化且如果必要则校正变化的能力。

虽然uwb定位系统在准确度和实时操作方面有卓越的性能，它们并不是广泛可得到的。而且，uwb收发机的成本通常较高，且uwb收发机不嵌入大部分消费电子设备例如智能电话和平板计算机中。为了利用由uwbrtls网络提供的定位服务，用户需要携带uwb无线电节点(uwb标签)作为额外的设备。

然而，存在很多应用，其中多个不同的使用情况在同一覆盖区域中共同存在是合乎需要的。每种使用情况具有不同的服务质量(qos)要求和限制，例如成本和功率。例如，资产跟踪和导航可能对于建筑工地rtls系统都是需要的。然而，对于资产跟踪，标签具有紧凑形状因子并具有低成本是合乎需要的。而对于导航，准确度要求很高。因此有提供不同的服务的一体化系统(与多个单独的系统相反)是合乎需要的。

技术实现要素：

大体上提供用于无线定位系统的设备、系统和方法。在一个示例性实施方式中，方法包括通过将定位设备(例如能够确定它的位置的uwb接收机)连接到信标设备(发射机、接收机或收发机)来构造有定位能力的无线信标装置的方法步骤。所搭配的定位设备产生实时位置，且信标设备发送或接收信标消息。

在另一示例性实施方式中，方法和系统自动估计并更新信标位置并包括超宽带(uwb)基础设施和有定位能力的信标设备。有定位能力的信标设备可使用所估计的位置由uwb接收机更新它的位置。信标设备可接着在信标消息中传输最新位置，或它可将它的位置更新报告给基于位置的服务系统。

在另一示例性方法中，该方法可包括使用有定位能力(lc)的信标接收机来确定信标传输设备的位置。当确定发射机非常接近时，lc信标接收机可记录信标发射机的最新位置。

在又一示例性方法中，该方法可包括通过使用有定位能力的信标接收机来产生信标设备的接收信号强度(rss)指纹。有定位能力的接收机可从信标测量接收信号强度，并使它与位置自动相关。这些测量可存储在数据库中。

该方法还可包括使用一个或多个有定位能力的信标接收机来估计信标发射机的位置的步骤。有定位能力的接收机可测量接收的信号。可基于来自一个或多个这样的接收机的多个测量来估计发射信标的位置。

另一示例性方法包括使用本文所述的有定位能力的设备来提供基于位置的警报(服务)的步骤。安全警报可通过第一有定位能力(lc)的设备在信标消息中广播它的位置以及第二lc设备接收信标消息、并计算在这两个lc设备之间的距离以及基于所计算的距离使用规则产生安全警报来产生。

在再一示例性实施方式中，该方法可包括使用异构多级网络来向不同类型的无线电设备提供不同质量的定位服务的步骤。这样的网络的每级还可包括一组无线电设备。每级提供具有不同质量(例如准确度和时延)的定位服务。设备可从不同的级参与定位服务。设备可在一级中接收定位服务，并使用所接收的位置信息来向下面的级提供定位服务。通常，顶级可提供最高质量的定位服务。在较低级中的设备的位置准确度可通常比在较高级中的设备的位置准确度更差。在一级中的设备可具有与在其它级中的设备不同的类型。一级可以只与相邻级通信。

设备可组合来自不同级的服务以得到较高质量的服务。来自较低级的位置信息也可被提供到较高级，用于在上级中的服务质量的提高。

附图说明

图1示出ibeacon系统(现有技术)；

图2示出uwbrtls网络(现有技术)；

图3(a)示出有定位能力的信标发射机的示意图；

图3(b)示出有定位能力的信标接收机的示意图；

图3(c)示出有定位能力的信标收发机的示意图；

图4示出通过由定位系统接收定位服务来更新位置的有定位能力的信标系统；

图5(a)示出用于确定无定位能力的信标的位置的图；

图5(b)示出使用图5(a)的lc接收设备来记录信标发射机的最后已知位置的方法；

图6示出使用来自单个lc-rx的多个测量来估计信标发射机位置的方法；

图7示出使用来自多个lc-rx的多个测量来估计信标发射机位置的方法；

图8(a)示出更新信标发射机位置的流程图；

图8(b)示出更新信标发射机位置并将位置信息嵌在所传输的消息中的流程图；

图8(c)示出由信标接收机得到基于位置的服务的流程图；

图9示出使用启用定位的信标设备的安全警报系统；

图10示出双级定位服务系统；

图11(a)示出将实时位置广播给购物者的启用定位的购物车；以及

图11(b)示出跟踪安装有信标发射机的货板的启用定位的叉车。

具体实施方式

缩写词

uwb-超宽带

bt–蓝牙或蓝牙收发机

ble–蓝牙低能或蓝牙低能收发机

lc-tx–有定位能力的信标发射机

lc-rx-有定位能力的信标接收机

lc-xcvr-有定位能力的信标收发机

rss–接收信号强度

图3(a)-(c)示出有定位能力的信标设备331、332、333的示意图。如图3(a)所示，有定位能力的信标发射机331可包括定位设备(uwb标签)202和信标发射机101。可经由接口302来连接定位设备202和信标发射机101。实时位置信息301可从定位设备202发送到信标发射机101。任何有定位定力的信标设备可以是自定位信标设备。自定位信标设备能够分辨它自己的相对位置，而不需要额外的设备来帮助这个过程。

如图3(b)所示，有定位能力的信标接收机332可包括定位设备202和信标接收机110。此外，如图3(c)所示，有定位能力的信标收发机333可包括定位设备202和信标收发机120。本领域中的普通技术人员将认识到，信标发射机可以是蓝牙发射机或其它类型的rf发射机。信标发射机也可以是rfid标签。此外，信标接收机可以是蓝牙接收机或rfid阅读器。

有定位能力的信标设备的一个例子可包括uwb标签和蓝牙收发机。uwb标签可随时获悉实时位置，且蓝牙收发机可发送或接收信标消息，例如ibeacon消息。

本领域中的技术人员理解，通过简单地不使用不需要的功能，lc-xcvr333可替代lc-tx331或lc-rx332。

图4示出有定位能力的信标设备300和提供定位服务的基础设施网络。基础设施网络由uwb锚201组成。使用飞行时间信息210由在设备300内的uwb标签实时地确定信标设备300的位置。如所示，位置基于到达时间信息。可使用到达时间差(tdoa)或其它技术来实现系统。

图5(a)示出用于使用有定位能力的信标设备300来确定无定位能力的信标发射机101的位置的示意图。图5(b)是描述确定无定位能力的信标发射机101的位置的步骤的相应流程图。在路径999上行进的lc-rx设备300可估计到信标发射机101的距离。当所估计的距离为“接近”时，例如在如图5(a)所示的位置901和902之间，lc-rx设备300可开始记录位置。当该距离不再“接近”时，lc-rx设备300停止记录位置并向系统报告最后已知的位置。lc-rx设备300可经过静止信标发射机101，并从而登记发射机101的位置。系统可当lc-rx设备300首次在信标发射机的范围内时进行记录，然后当这两者分离时进行记录。这两个设备分离时的位置被登记。然后可使用由发射机101发送的信标消息的接收信号强度(rss)来估计距离。“接近”常常被定义为当rss大于某个预定阈值。

图6示出用于使用来自一个lc-rx332的多个所接收的信标消息的测量来确定非lc信标发射机101的位置的另一方法。当lc-rx332从信标发射机101接收到信标消息111时，它在消息被接收到时记录信标消息111的rss511和它自己的位置105。使用rss和相应接收机位置prx(t)中的全部或一些来估计信标发射机101的位置。可如下计算所估计的发射机位置：

p'tx＝argmaxp(ptx{rss(ti)，prx(ti)})

其中ti是时间指数，rss(ti)是在ti由lc-rx332接收的消息的rss，以及prx(ti)是在时间ti的lc-rx332的位置。lc-rx332自身可执行计算，或信息可被发送回到网络用于中央处理。

因为信标发射机101没有永久地附着到它的定位设备，当信标设备(或信标发射机被附着到的物体)放置在位置ρtx103处时，位置需要被记录。一个例子是在仓库中运输包装的移动者。移动者可以是配备有lc-rx的人或叉车。每个包装可具有所附着的信标发射机。当信标发射机移动时，信标发射机可以非常接近接收机，且因此ptx～＝prx。在包装被放置时(例如当它从叉车被卸下时)，包装的最新位置被记录。包装或信标发射机被放置于的位置的记录可由用户操作(例如按钮的单击)或叉车的卸载操作触发。发射机的位置被近似为在这个事件的情况下的接收机的位置，即ρtx～＝prx(t0)，其中t0是信标发射机被放置在静止位置时的时间。接收机位置prx(t0)由定位设备产生并被记录。本发明还教导了确定信标发射机被自动放置于的位置的方法。

假设携带包装的移动者的同一例子，信标发射机(标签)附着到包裹，且lc-rx安装在移动者上。移动者可以是叉车或人。lc-rx连续或定期地接收由标签101传输的信号。当包装被移动时，信标发射机(标签)非常接近接收机，因为它们一起移动。在时间t0之前，发射机和接收机接近彼此，且发射机ρtx103的位置连续地被更新，遵循ρtx＝prx(t)。在时间t0，信标发射机停止移动(例如包装被卸载到仓库中的位置)。这个位置是ptx～＝prx(t0)550。prx(t0)是在时间t0的所估计的接收机位置。在to之后，发射机保持在位置ρtx550处。lc-rx继续移动。当lc-rx在时间tl、t2、t3等在不同的位置105移动时，其连续地接收信标信号。基于所接收的信标信号，lc-rx估计在信标发射机和接收机之间的分离。一旦分离被检测到(例如距离超过阈值)，它就可停止更新发射机的位置。发射机的最后已知的位置prx(to)550然后被记录为包装ρtx的位置。这个过程可按需要重复许多次。例如，每当lc-rx进入包装的附近区域时，可重新计算包装ptx的位置。

也可使用来自多个lc-rx的测量来估计信标发射机位置。如图7所示，使用一个发射机101和两个lc-rx322。然而，可使用任何数量的lc-rx设备，只要至少两个在系统中。当发射机101广播信标消息111时，消息111由在范围内的所有lc-rx322接收。基于在prx(t,j)处的所测量的rss(t,j)来估计发射机的实时位置ptx(t)，其中prx(t,j)是在时间t第j个lc-rx332的位置。图7示出在多个时间(tl、t2、t3、...)接收测量的两个lc-rx。

例如，可基于如下给出的最大似然估计来估计发射机位置：

p'tx(t)＝argmaxp(ptx；{rssj(t，j)，prx(t，j)})

这种方法可用于估计信标发射机101的位置，其位置可以不是静止的。这不同于图6的以前描述的方法，其中使用来自单个lc-rx的多个接收的消息的测量。在后一情况下，它需要信标发射机101是静止的。然而，可容易理解，如果发射机101是静止的，则所估计的发射机位置可基于使用图7的系统的来自多个lc-rx332的多个信标消息111的测量。

此外，所建议的系统也可用于自动产生rf指纹。“指纹鉴定”意指使位置相关信号特性(例如rss511)与发射机和接收机的位置相关联。指纹用于计算标签位置的可能性，用于估计标签位置。传统指纹过程手动地被执行，且是劳动力密集的和耗费时间的。为了自动执行指纹鉴定，lc-rx可测量来自已知发射机的所接收的信号，且也同时估计接收机位置。lc-rx可接着形成发射机位置、接收机位置和信号强度{ptx,prx,rss}的关联性。这个信息用于创建、扩展或更新指纹。

指纹可接着用于确定非lc信标接收机101的位置。基本上，信标接收机101报告信标消息的rss。可使用所报告的rss来估计它的位置。即使我们在例子中使用rss作为所测量的信号签名，也可在上面所述的所有技术中使用rf信号的其它特性。

基于信标的位置服务(例如ibeacon)可受益于使用自动更新的信标发射机位置。自动位置更新可消除对发射机位置的手动配置的需要，并消除可能的人为误差。自动过程更重要地可防止基于陈旧的位置信息的递送服务。图8(a)是示出具有lc-tx331的信标发射机系统如何用于确定最新位置的流程图。在步骤801中，最新位置由在lc-tx331中的定位设备产生。在步骤802中，位置然后被报告回到系统以更新与给定信标发射机相关联的服务。设备可接着在步骤803中传输标准化信标消息，其中设备的id被包括在该消息中。信标接收机110可接收信标消息、提取信标id并接着得到与id相关的服务。

作为可选的实现，lc-tx331可将最新位置直接嵌在广播信标消息中，如在图8(b)的流程图中所示的。uwb设备可首先确定节点位置，如在步骤811中所示的，然后将节点位置发送到lc-tx331。一旦lc-tx311使它的位置被更新，那个已更新的位置就可接着直接嵌在信标消息中，如在步骤812中所示的。

图8(c)示出说明当lc-tx位置嵌在信标消息中时在相应的信标接收机中发生了什么的流程图。接收节点在步骤821中接收广播信标消息，在步骤822中基于所接收的信号的签名(例如信号强度)来估计它到信标发射机的距离。接收节点接着在步骤823从所接收的信标消息恢复信标发射机位置。然后，接收节点在步骤824基于发射机位置和所估计的接收机位置来取回相应的服务。

多级定位网络和使用方法

图10示出根据一个实施方式的双级定位服务系统的结构。为了说明这样的多级系统的原理，基于uwb的定位系统用作用于第一级服务的定位技术并且蓝牙技术用于第二级服务。应理解，无线技术例如wifi、rfid、近场通信(nfc)等可用作基础技术。

在图10所示的例子中，第一级定位服务611使用实现高准确度的uwb技术。第一级611由多个uwb设备201形成，uwb设备201形成基础设施网络601并提供高精度定位服务。节点601可被考虑为第一级服务提供者。多个uwb标签602可从uwb基础设施网络601接收服务。基础设施网络和uwb标签602形成第一级定位服务系统611。

一些uwb标签602配备有信标设备，即发射机、接收机或收发机，且因此是有定位能力的设备(有定位能力的发射机331、有定位能力的接收机332和有定位能力的收发机333)。在层次602中的信标设备形成另一级定位系统，向在层次603中的信标设备提供定位服务。信标设备没有被附着的uwb模块。在层次602和603中的一些设备形成第二级定位服务612。设备可以是发射机、接收机或收发机。双级系统的重叠层次602使得整体系统能够受益于两种类型的设备，每种设备具有特定的独特益处。多级系统允许网络被增强而不需要最低层次(其中最终用户常常被定位在此层次)更新到新硬件以接收所增强的定位系统的益处。

虽然系统在图10中被示为具有三个层次和两级，但任何数量的层次和级可被包括在网络中。例如，多级网络可包括顶部层次、第一中间层次、第二中间层次和底部层次。顶部层次和第一中间层次可形成第一级；第一中间层次和第二中间层次可形成第二级；以及第二中间层次和底部层次可形成第三级。可添加层次和级以按需要增加系统的功能。两级611和612可使用用于定位的不同技术。此外，在每级中的设备可以不是同构的。来自一级的定位信息可被传递到相邻层次。所述系统允许单个网络提供具有不同水平的准确度的定位服务。

作为一个例子，可在零售商店中部署多级rtls系统。在商店中部署uwb基础设施网络。具有集成的uwb设备和蓝牙收发机的标签(uwb-bt标签)可由商店店员携带。由uwb网络提供的准确的实时位置信息向店员、商店管理员和其他人提供定位服务。这些移动uwb-bt设备也在蓝牙消息(例如可兼容ibeacon的消息)中连续地广播它们的实时位置。使用启用蓝牙的设备(例如智能电话)的消费者能够接收这些消息并估计他的当前位置。消费者可随后接收基于位置的服务，其需要降级的准确度。这些服务可包括商店中导航、促销通知、广告等。携带uwb-bt设备的店员也可执行存货跟踪，如果物品具有所附着的蓝牙发射机101的话。

用于实时安全警报的方法

图9示出用于使用lc信标设备来产生实时安全警报的系统。使用物体的相对位置来避免碰撞或其它类型的损坏或伤害常常是合乎需要的。

例如，两个物体——第一物体1401和第二物体1402，它们中的一个或两个可以是移动的——可能在它们太接近彼此时导致安全破坏。第一物体1401可配备有lx-xcvr333，其在安全信标消息1411中持续广播它的实时位置。当移动物体1402在接收范围内时，配备有lc-xcvr333的第二物体1402接收广播消息1411。第二物体的lx-xcvr333估计在第一物体1401和第二物体1402之间的距离。在第二物体上的lc-xcvr333可基于安全规则和在这两个物体之间的所估计的距离来激活警报。安全规则可被预先定义或嵌在广播信标消息中。

此外，在第二物体1402上的lc-xcvr333可能将信标消息传输回到第一物体1401。可能的安全破坏可包括当物体太接近彼此时；或可选地，当物体太远离彼此时，或任何基于距离的规则。警报可具有单个预定规则或警报水平。可选地，警报可具有多个水平，使得当最大阈值被达到时，它们在响度或严重性方面增加。

在例子中，lc-xcvr333用作有定位能力的设备。然而，应理解，lc-xcvr333可由lc-tx331代替，如果设备只需要发送的话，且类似地由lc-rx332代替，如果只有接收是需要的话。此外，lc设备可由常规信标设备代替，如果它附着到的物体是静止的(或便携式的)，且它的位置可手动地或通过其它手段来输入。

这样的应用的一个例子是配备有lc-xcvr333的叉车在安全信标消息中连续地广播它的位置。当所述叉车在安全距离内时，配备有lc-xcvr333的工人将接收到警报。警报也可在信标消息中由工人的lc-xcvr333发送回到叉车以通知叉车的驾驶员。

应用例子

图11(a)示出配备有可广播实时信息的lc-tx331的购物车。携带信标接收机110(例如智能电话)的人1301将从在购物车1302上的lc-tx331接收信标消息。信标消息可包含智能电话可使用来得到与位置相关的服务的位置信息，或包括使用上面在图4中所述的方法的消息中的服务。

图11(b)示出另一使用情况，在这里叉车1403移动货板1304，其可具有作为资产标签的所附着的信标发射机332。叉车配备有lc-rx332，其中货板配备有信标发射机101。在叉车上的lc-rx从附着到货板的发射机101接收信标信号。当货板移动时，lc-rx332非常接近发射机。当货板被放下且叉车开始远离货板移动时，lc-rx检测到货板不再接近且信标消息的接收信号强度低于阈值。当这发生时，使用上面在图5中所述的方法来报告货板的最后已知的位置。

一个其它应用例子可以是携带着lc-rx走过所有资源所位于的区域的工地总监。当走过工地时，lc-rx记录来自所有信标发射机的所有所测量的rss和这些测量被进行的位置。可使用在图6中所示和上面所述的方法使用所记录的rss和相应的位置来估计在区域中的所有资产的位置。

在又一应用例子中，可使用上面在图7中讨论的方法将几个lc-rx332部署在用于定位附有信标发射机的所有资产的区域中。

本领域中的技术人员将基于上面所述的实施方式认识到本发明的另外的特征和优点。相应地，本发明并不被特别示出和描述的内容限制，除了如由所附权利要求指示的以外。在本文列举的所有公布和参考资料明确地通过引用被全部并入本文。