专利名称：用于获得定时信息和测距的位置、系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于获得第一和第二装置之间定时信息的系统和方法，具体地涉及一种利用这种定时信息测距的方案。
测距包括通过在两个电子装置A和B之间传递信号测量它们之间的距离。假定两个装置A和B在其中具有时钟。典型地，A发送信号至B，基于信号的接收，B立即发送信号返回至A。A然后计算发送它的信号和接收从B返回的信号之间的时间之间的差，将其除以二，并与速度相乘以获得从A至B的距离或路程。
仅利用位于A中的时钟，该方法避免了由于A和B的时钟不同步另外可能引起的任何问题。然而，如果在从B至A向回发射信号中存在延迟就出现了问题，其将引起测量距离中非常明显的错误。
这种利用A和B的时钟的任何校正方法需要考虑A和B的时钟不同步的事实。
从由Aetherwire & Location Inc为美国先进的研究计划署/联邦调查局(合同J-FBI-94-058)(the US Advanced Research ProjectAgency/Federal Bureau of Investigation(Contract J-FBI-94-058))于1995年7月准备的名称为“使用超宽带非正弦通信技术的低功率小型分布式定位和通信设备(Low-power，miniature，DistributedPosition Location and Communication Devices Using Ultra-Wibeband，Nonsinusoidal Communication Technology)”的报告的“用于协同操作定位信标以便确定距离的协议(Protocol for co-operating Localisers to determine range)”中已知一种现有技术。在撰写时，可从http//www.aetherwise.com获得该文献的文本。
在该文献中，提出了一种测距方法，其中装置B将一个表示依据B的时钟的时间的延迟时间发射回A，该延迟时间是B回答至A的信号所需的时间。这允许A校正延迟。
然而，该方法假设A和B的时钟精确地以相同的速率运转，来自于此的任何偏差将会引起误差。
这样就需要一种能够处理以不同的速率运转的不同步时钟的方法。
依据本发明，提供一种获得在具有各自第一和第二本地时钟的第一和第二装置之间的定时信息的方法，其包括在相对于第一本地时钟的第一时间t1从第一装置发射第一信号至第二装置；测量第一信号到达第二装置的相对于第二本地时钟的第二时间t2；在相对于第一本地时钟的不同于t1的第三时间t3，从第一装置发射第二信号至第二装置；测量第二信号到达第二装置的相对于第二本地时钟的第二时间t4；在相对于第二本地时钟的第五时间t5从第二装置发射第三信号至第一装置；测量第三信号到达第一装置的相对于第一本地时钟的第六时间t6；以及根据第一、第二、第三、第四、第五和第六时间计算定时信息，其中包括对第一和第二本地时钟中的不同时钟速率和时钟时间进行校正。
这样，依据本发明的方法利用来自三个信号的定时信息去校正本地时钟中的偏移时钟和不同时钟速率，并因此不需要不同的时钟精确地具有相同的速率。
发射器和接收器优选是无线电速率发射器和接收器。这种无线电信号具有信号速度c，即空气中光的速度。
该方法可以计算相对于第一本地时钟的第二本地时钟的速率的量度a。在优选实施例中，a=(t4-t2)(t3-t1)]]>利用下面的公式，从记录的时间和信号速度c可以计算第一和第二装置之间的距离r
r=c2(t6-t1-(t5-t2)a)]]>为了在第一装置中采集时间信息，第三信号可以包括第二、第四和第五时间。
在替代实施例中，可将包括第二、第四和第五时间的单独信号从第二装置发射至第一装置。可替代地，需要注意，延迟和距离的计算仅需要(t4-t2)和(t5-t2)，从而可替代地，如果仅需要延迟和测距信息，则可以发射(t4-t2)和(t5-t2)。
此外，不必在第一装置中采集信息，也可能从第一装置发送信号至第二装置，其包括第一、第三和第六时间，以允许第二装置实施计算。进一步的可能性是发送全部必须数据至第三装置，以实施计算。
该系统可以对时间的已知延迟进行校正，例如在装置中的滤波器或其它元件中的延迟。
另一方面，本发明涉及一种用于获得定时信息的系统，其包括具有第一本地时钟、发射器和接收器的第一装置，被设置成-在相对于第一本地时钟的第一时间t1发射第一信号；-在相对于第一本地时钟的第三时间t3发射第二信号；以及-接收第三信号，并测量第三信号到达第一装置的相对于第一本地时钟第六时间t6；以及具有第二本地时钟、发射器和接收器的第二装置，被设置成-接收第一信号，并测量第一信号到达第二装置的相对于第二本地时钟的第二时间t2；-接收第二信号，并测量第二信号到达第二装置的相对于第二本地时钟第四时间t4；以及-在对于第二本地时钟的第五时间t5发射第三信号；该系统被设置成根据第一、第二、第三、第四、第五和第六时间计算定时信息，其中包括对第一和第二本地时钟中不同时钟速率和时钟时间进行校正。
第一装置可以是移动站，而第二装置可以是第一基站，并且该系统可以进一步包括另外的基站，每一基站具有本地时钟。可以设置每一个另外的基站，以接收第一和第二另外的基站信号，并相对于另外的基站本地时钟测量时间，在该时间它们到达另外的基站；并相对于另外的基站本地时钟以给定的时间发射另外的响应信号。利用移动站和基站的每一个之间发射信号的时间，该系统可以计算移动站与每一个基站的距离，并从该距离中计算移动站的位置。
从移动站至基站的每一个发射的信号可以是对基站的每一个公共的广播信号，或者可替代地，分离的信息信号可以用于每一基站。因此，在优选实施例中，在进一步的基站中也可以接收从移动站发射至基站的第一和第二信号，以作为第一和第二进一步的基站信号，但其中从第一基站向回发射的第三信号与从进一步的基站的每一个向回发射的进一步的响应信号不同。利用广播信号的方法避免了移动站要知道在发射第一和第二信号时基站处于量程中的需要。
本发明也涉及单独的装置，其包括在一方面中的一种用于与具有第二本地时钟的第二装置一起操作的装置，该装置包括第一本地时钟；发射器，被设置成在相对于第一本地时钟的第一时间t1发射第一信号至第二装置，并在相对于第一本地时钟的第三时间t3发射第二信号至第二装置；以及接收器，被设置成从第二装置接收第三信号，并在相对于第一本地时钟的第六时间t6测量它的到达时间；以及计算单元，被设置成接收来自第二装置的定时信息，该定时信息包括当依据第二本地时钟第二装置接收第一信号时的第二时间t2、当依据第二本地时钟第二装置接收第二信号时的第四时间t4、以及当依据第二本地时钟第二装置发射第三信号时的第五时间t5；并根据第一、第二、第三、第四、第五和第六时间计算定时信息，包括对第一和第二本地时钟中的不同时钟速率和时钟时间进行校正。
需要指出，在上面的装置中，在第一装置中提供计算单元。
如上面所述，也可能在第二装置中实施计算，并因此在另一方面中，提供一种用于与具有第一本地时钟的第一装置一起操作的装置，该装置包括第二本地时钟；发射器，被设置成接收来自第一装置的第一和第二信号，并依据第二本地时钟测量第一信号的到达时间以作为第二时间t2，并依据第二本地时钟测量第二信号的到达时间以作为第四时间t4；以及发射器，被设置成在相对于第二本地时钟的第五时间t5发射第三信号至第一装置；以及计算单元，被设置成从第一装置接收定时信息，该定时信息包括当依据第一本地时钟第一装置接收第一信号时的第一时间t1、当依据第一本地时钟第一装置发射第三信号时的第三时间t3、以及当依据第一本地时钟第一装置接收第六信号时的第六时间t6；并根据第一、第二、第三、第四、第五和第六时间计算定时信息，其中包括对第一和第二本地时钟中的不同时钟速率和时钟时间进行校正。
参照附图，纯粹通过例子现在说明本发明的实施例，其中图1示出了测量至多个附近的蜂窝电话网络基站的距离的移动蜂窝电话移动站；图2说明了信号的交换；以及图3示出了本发明的测距操作的流程图。
具体实施例方式
图1示出了具有连接至通信天线11并由通信微处理器12控制的通信发射器和接收器10的移动蜂窝电话1，微处理器12包括第一本地时钟14。
该附图也示出了三个基站2，每一基站包括连接至通信天线21并由包括第二本地时钟26的通信微处理器22控制的通信发射器和接收器20。
使用中，移动电话向基站2中的一个主工作站24登记，以便有利于该主基站24与相应移动电话的声音和数据通信。这些通信可以包括例如声音电话、正文消息和访问因特网。由于已熟知在蜂窝电话网络中用于双向通信的这种电话和基站的设计和制造，因此将不更多地说明不直接涉及本发明的那些部分。
在多种情况下，移动用户希望使移动站的位置被定位。例如，当进行紧急呼叫时，移动站可以自动确定位置，并将该位置传输至紧急服务操作员(在美国被称为公共安全应答站(PSAP))。为了实现定位，移动电话MS必须测量至已知位置的至少三个基站的距离。尽管未示出，也可以测量至其它基站的距离。
如图2所示，依据本发明，该系统实施下面的步骤。
首先(步骤30)，在相对于移动站中的本地时钟14(其在下面被称为移动本地时钟)的第一时间t1从移动站发射第一信号61。
在基站处接收这个信号(步骤32)，并测量它的到达时间。该测量的到达时间被称作相对于基站的本地时钟26的第二时间t2。然后，在不同于t1的第三时间t3从移动站发射第二信号62(步骤34)，再次在移动本地时钟上测量时间t3。在基站处接收这个信号(步骤36)，并依据基站本地时钟测量它的到达时间为第四时间t4。然后，在相对于基站本地时钟的第五时间t5从基站发射第三信号63(步骤38)至移动站，在移动站中进行接收(步骤40)，并通过移动站本地时钟测量该时间作为第六时间t6。
如步骤42在图3中一般性地示出了发射和接收信号的步骤。
必须一起采集各个测量时间以实施位置计算。在说明的实施例中，在移动站1中实施计算。在从基站至移动站的第三信号中发射关于基站2中测量时间的信息，因此其包括时间t2、t4和t5。当移动站接收这个第三信号，它通过将数据一起存储于存储器中(通信处理器12的一部分)，将各个定时信息收集在一起(步骤44)。作为该步骤的一部分，它校正在移动和基站1、2中信号的发射和接收中的已知延迟的时间。
然后，利用下面的公式，移动站根据记录的时间和光的速度c，计算移动站1和基站2之间的距离(步骤46)r=c2(t6-t1-(t5-t2)a),]]>其中a=(t4-t2)(t3-t1).]]>比率a是基站本地时钟相对于移动本地时钟的速度的量度。
通过移动站与至少两个另外的基站重复这个过程(步骤48)，以便也计算从移动站至这些其它基站的距离。
然后使用移动站中的三边测量(50)确定移动站的位置。三边测量是在本领域中熟知的简单几何技术，因此不再更多地说明。
然后将移动基站位置发送给移动站向其登记进行声音和数据通信的主基站24，并提交给紧急服务操作员，由此使电话的用户能够接收提示、定位的特定帮助。
优选地，以毫微秒分辨率来测量时间t1、t2、t3、t4、t5和t6，以便能够测量几米的距离。
用于测量定时信号的发射和接收时间的具体方法是熟知的，并因此不再作更多地说明。熟练人员可以理解，延迟可能出现在发射器和接收器中，由滤波器、模拟至数字转换器等引起，其将作为飞行测量时间的一部分显现，并且需要从测量量程减去这些延迟。然而需要注意，假如延迟是恒定的，则相对时钟速度测量a对这种延迟不敏感。
在第二实施例中，基站2是室内或局部网络的基站，并且移动站1是对应的移动站。
如上面所述，基站和移动站起如上面所述的作用，以实施定位。
通过阅读本发明公开的内容，其它变化和修改对本领域的熟练技术人员是明显的。除了在此描述的特征之外或作为其替代，这种变化和修改可以包含通信和定位系统的设计、制造和使用中已知并且可以使用的等同物和其它特征。尽管在该申请中权利要求已经形成为特定的特征组合，但是应该理解公开的范围也包括任何新颖的特征或于此明确或含蓄地公开的特征的任何新颖组合，或对其的任何概括，而不管是否解决了如本发明所解决的全部或部分的相同技术问题。本申请人因此在此宣布在本申请或于此导出的任何进一步的申请的进行过程中，新的权利要求可以被表示为任何这种特征和/或者这种特征的组合。
尽管利用三个测距的测量在上面已说明了本发明，但是可以测量至多于三个的基站的距离，并利用最佳拟合的迭代方法对所得到的超定(Over-determined)方程组求解，从而以提高的精确度和对误差的容差进行位置确定。此外，通过所有的三个基站或实际距离中的任何基站可以接收和测量通过电话移动站发射的第一和第二定时信号。这避免了发送不同的第一和第二信号至不同的基站的需要。
此外，尽管上面的说明是根据紧急情况，但只要移动站的用户想知道用户的位置就可以实现相同的程序。
此外，通过移动站启动测距步骤不是必须的，在移动站中实施计算也不是必须的。因此，基站中的一个可以启动测距步骤，并且在这种情况下，在基站中实施计算是便利的。
权利要求
1.一种获得在具有各自第一和第二本地时钟的第一(1)和第二(2)装置之间的定时信息的方法，包括在相对于第一本地时钟的第一时间t1从第一装置(1)发射第一信号(61)至第二装置(2)；测量第一信号(61)到达第二装置(2)的相对于第二本地时钟的第二时间t2；在相对于第一本地时钟的不同于t1的第三时间t3，从第一装置(1)发射第二信号(62)至第二装置(2)；测量第二信号(62)到达第二装置(2)的相对于第二本地时钟的第二时间t4；在相对于第二本地时钟的第五时间t5从第二装置(2)发射第三信号(63)至第一装置(1)；测量第三信号(63)到达第一装置(1)的相对于第一本地时钟的第六时间t6；以及根据第一、第二、第三、第四、第五和第六时间计算定时信息，其中包括对第一和第二本地时钟中的不同时钟速率和时钟时间进行校正。
2.依据权利要求1的方法，其包括从第四时间减去第二时间，以便依据第二本地时钟获得第一和第二信号之间的时间的量度；从第三时间减去第一时间，以便依据第一本地时钟获得第一和第二信号之间的时间的量度；以及通过将在依据第二装置时钟的第一和第二信号之间的时间除以在依据第一装置时钟的第一和第二信号之间的时间，以获得第二本地时钟相对于第一本地时钟的速率的量度。
3.依据权利要求1或2的方法，其中第三信号(63)包括发射第二、第四和第五时间至第一装置的测量的第二、第四和第五信号。
4.依据前述任一权利要求所述的方法，其包括校正第一、第二、第三、第四、第五和第六时间在第一(1)和第二(2)装置中的预定延迟。
5.依据前述任意权利要求所述的方法，其中利用下面的公式，根据记录的时间和信号速度c计算距离rr=c2(t6-t1-(t5-t2)a),]]>其中a=(t4-t2)(t3-t1).]]>
6.一种移动站的定位方法，其包括对于每一基站(2)通过使用依据权利要求5的方法计算在多个基站(2)和移动站(1)之间的距离，其中基站(2)是第二站，而移动站(1)是要计算距离的第一站；以及利用移动站(1)相距移动站(2)的距离，实施三边测量以确定移动站(1)的位置。
7.一种用于获得定时信息的系统，其包括具有第一本地时钟、发射器和接收器的第一装置(1)，被设置成在相对于第一本地时钟的第一时间t1发射第一信号(61)；在相对于第一本地时钟的第三时间t3发射第二信号(62)；以及接收第三信号(63)，并测量第三信号到达第一装置(1)的相对于第一本地时钟第六时间t6；以及具有第二本地时钟、发射器和接收器的第二装置(2)，被设置成接收第一信号(61)，并测量第一信号(61)到达第二装置(2)的相对于第二本地时钟第二时间t2；接收第二信号(62)，并测量第二信号(62)到达第二装置(2)的相对于第二本地时钟测量第四时间t4；以及在相对于第二本地时钟的第五时间t5发射第三信号(63)；该系统被设置成根据第一、第二、第三、第四、第五和第六时间计算定时信息，其中包括对第一和第二本地时钟中的不同时钟速率和时钟时间进行校正。
8.依据权利要求7的系统，其中利用下面的公式，从记录的时间和光的速度c计算第一和第二装置之间的距离rr=c2(t6-t1-(t5-t2)a),]]>其中a=(t4-t2)(t3-t1).]]>
9.依据权利要求8的系统，其中第一装置(1)是移动站，而第二装置(2)是第一基站，该系统进一步包括基站(2)，每一基站(2)具有本地时钟，其每一个基站(2)设置成接收第一和第二另外的基站信号(61、62)，并相对于该另外的基站本地时钟测量它们到达该另外的基站(2)的时间；以及在相对于该另外的基站本地时钟的给定的时间发射一个另外的响应信号；其中该系统被设置成利用在移动站和每个基站之间发射的信号的时间来计算移动站相距每个基站的距离，并且根据该距离来计算移动站的位置。
10.依据权利要求9的系统，其中在该另外的基站中也接收从移动站发射至基站的第一和第二信号(61、62)以作为第一和第二另外的基站信号，而且其中，从第一基站发射回的第三信号(63)不同子从每一个该另外的基站发射回的该另外的响应信号。
11.一种用于与具有第二本地时钟(26)的第二装置(2)一起操作的装置，该装置包括第一本地时钟(14)；发射器(10、11)，被设置成在相对于第一本地时钟的第一时间t1发射第一信号(61)至第二装置(2)，并在相对于第一本地时钟的第三时间t3发射第二信号(62)至第二装置；以及接收器(10、11)，被设置成从第二装置(2)接收第三信号(63)，在相对于第一本地时钟的第六时间t6测量它的到达时间；以及计算单元(12)，被设置成接收来自第二装置的定时信息，该定时信息包括当依据第二本地时钟第二装置接收第一信号时的第二时间t2、当依据第二本地时钟第二装置接收第二信号时的第四时间t4、以及当依据第二本地时钟第二装置发射第三信号时的第五时间t5；并根据第一、第二、第三、第四、第五和第六时间计算定时信息，其中包括对第一和第二本地时钟中的不同时钟速率和时钟时间进行校正。
12.一种用于与具有第一本地时钟(14)的第一装置(1)一起操作的装置，该装置包括第二本地时钟(26)；发射器(20、21)，被设置成从第一装置(1)接收第一和第二信号(61、62)，并依据第二本地时钟测量第一信号的达到时间以作为第二时间t2，并依据第二本地时钟测量第二信号的达到时间以作为第四时间t4；以及发射器(20、21)，被设置成再相对于第二本地时钟的第五时间t5发射第三信号(63)至第一装置(1)；以及计算单元(22)，被设置成从第一装置接收定时信息，该定时信息包括当依据第一本地时钟第一装置接收第一信号时的第一时间t1、当依据第一本地时钟第一装置发射第三信号时的第三时间t3、以及当依据第一本地时钟第一装置接收第六信号时的第六时间t6；并根据第一、第二、第三、第四、第五和第六时间计算定时信息，其中包括对第一和第二本地时钟中的不同时钟速率和时钟时间进行校正。
全文摘要
一种包括第一(1)和一个或多个第二(2)装置的系统，从第一(1)装置发射第一信号(61)和第二信号(62)至第二(2)装置，并从第二装置发射第三信号(63)至第一装置。测量被发射和接收的这些信号(61、62、63)的时间，并用于计算包括用于第一和第二装置中第一和第二本地时钟中不同时钟速率的校正的定时信息。
文档编号G01S5/00GK1717593SQ200380104058
公开日2006年1月4日 申请日期2003年11月11日 优先权日2002年11月26日
发明者A·萨卡尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司