专利名称：基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统和方法
技术领域：
本申请公开内容涉及基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统和方法，具体地说，本申请公开内容涉及用于使用包括多个天线的通信装置对终端进行定位的定位系统和方法。
背景技术：
通常来说，现有的定位系统是使用射频(RF)通信装置的系统。作为使用RF通信装置的系统，有基于卫星、地面信标、无线LAN (Wi-Fi、WLAN)、RFID、有源RFID、移动通信、蓝牙、UffB, ZigBee, WiBro/ffiMax和广播信号的系统。为了使用这种系统来估计用户的位置， 已提出了若干方法。首先，已有一种由基于RFID的系统使用的识别型导航算法。该算法是用于包括多个传感器的系统的方法。在该方法中，当用户从该用户附近的传感器接收到信号时，仅提供指示该用户位于该传感器附近的粗略位置信息。因此，位置准确度极低，并且不可能进行连续定位。另外，必须安装诸如RFID标签之类的多个传感器，从而导致成本增加。已有一种通过估计接收信号的强度来计算位置的方法。这是一种执行下列操作的方法创建实际且相对应的位置处的信号强度的数据库；以及将接收信号的强度与数据库中的数据进行比较，从而估计用户的位置。在该方法中，数据库需要每个位置处的信号强度。因此，构造数据库要花费大量的时间和成本。另外，还存在以下问题当室内布置或环境改变时，必须重新构造数据库。此外，还有一种通过根据接收信号估计发射机与接收机之间的距离，来使用三角测量法计算用户的位置的方法。该方法当前被使用得最多，并且与以上提及的两种方法相比，该方法相对可靠。然而，对于三角测量法，需要安装至少三个发射机，这导致成本增加。除此之外，还有一种通过根据接收信号估计发射机与接收机之间的角度，来确定位置的方法。该方法同样需要安装至少三个发射机，因而导致成本增加。另外，在使用发射机与接收机之间的距离和角度来确定位置的方法中，只有当发射机被大范围布置时才可以确定位置。另外，为了确定距离和方向，必须在载波信号上携带测距信号，并且测距信号主要用于确定位置。测距信号易于使用，但是测距信号的导航准确度低。相反，载波信号具有高导航准确度。然而，为了使用载波信号，必须解决载波信号的不确定性。因此，使用载波信号是有难度的。由于现有方法的限制的缘故，需要提出一种用于以低成本准确估计用户的位置的定位系统。
发明内容
技术问题本申请公开内容提供了一种基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统和方法，其能够通过使用其中安装有多个天线的通信装置，利用仅一个或多个通信装置准确地找到终端的位置，从而实现成本降低，并且其能够与现有通信系统的收发装置、中继站或无线接入点通信，从而准确地获得终端的位置。技术方案在一个方面，提供了一种基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统，该定位系统包括通信装置，其包括多个天线，并且生成或中继通信信号；与所述通信装置通信的终端；以及位置计算模块，其使用从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差来计算所述终端的位置。所述位置计算模块可以包括在所述终端中，或者可以是与所述终端分开提供的。所述通信信号可以是从由测距信号、载波信号和子载波信号组成的组中选择的信号。所述通信装置可以以从由下列方式组成的组中选择的方式来执行通信人造卫星、地面信标、伪卫星、无线LAN(Wi-Fi、WLAN)、Wibro、移动通信、蓝牙、UWB、红外线、超声波、 Zigbee、无线USB、RFID、有源RFID和广播信号。所述位置计算模块可以包括用于执行与所述终端的交互式通信的基于交互式通信的位置计算模块，或者用于执行与所述终端的单向通信的基于单向通信的位置计算模块。在另一个方面，提供了一种基于包括多个天线的无线通信装置的定位方法，该定位方法包括允许包括多个天线的通信装置生成或中继通信信号以与终端通信；以及使用从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差来计算所述终端的位置。有益效果现有的定位系统和方法必须设置有多个通信装置。然而，根据本申请公开内容的实施例的定位系统和方法可以使用一个或多个通信装置来准确地估计位置。也就是说，可以使用单个通信装置准确地计算终端的位置。另外，随着通信装置的数量增加，可以更准确地计算终端的位置。因此，可以以较低的成本配置定位系统。此外，为了应用于本申请公开内容的实施例，可以将现有的通信系统按照原样来应用或者略经更改，而不需要用于定位的附加系统。
所公开的示例性实施例的以上及其它方面、特征和优势将从以下结合附图的详细描述中变得更加明显，其中，在附图中图1是示意性地示出了根据本申请公开内容的实施例的、基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统的图；图2是详细示出了根据本申请公开内容的实施例的通信装置200的图；图3是根据本申请公开内容的实施例的、基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统的位置计算模块的概念图；图4是根据本申请公开内容的实施例的、在基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统的终端中估计用户位置的算法的流程图；图5是根据本申请公开内容的实施例的、在基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统使用单向通信的情况下，使用接收信号之间的相位差来直接计算位置的算法的流程图；图6是示出了用于解释图5的算法的天线布置的图；图7是根据本申请公开内容的实施例的、在基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统使用单向通信的情况下，通过使用接收信号之间的相位差估计仰角和方位角来计算位置的算法的流程图；图8是用于解释根据本申请公开内容的实施例的由基于单向通信的位置计算模块计算仰角的方法的图；图9是示出了使用直接方法来计算用户的粗略位置的仿真结果的图；图10是根据本申请公开内容的实施例的、当基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统使用交互式通信时，通过直接计算距离来计算位置的算法的流程图；图11是根据本申请公开内容的实施例的、当基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统使用交互式通信时，使用距离和接收信号之间的相位差来计算位置的算法的流程图；图12是根据本申请公开内容的实施例的、当基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统使用交互式通信时，使用距离和方位角或者使用仰角和方位角来计算位置的算法的流程图；图13是示出了根据本申请公开内容的实施例的、使用基于交互式通信的位置计算模块来计算用户位置的仿真结果的图；并且图14是示出了根据本申请公开内容的实施例的、使用基于单向通信的位置计算模块来计算用户位置的仿真结果的图。
具体实施例方式现在将参照附图，在下文中更充分地描述示例性实施例，其中在附图中示出了示例性实施例。然而，本申请公开内容可以以很多不同的形式来实现，而不应当被解释为限于本申请公开内容所列出的示例性实施例。确切而言，提供这些示例性实施例是为了使得本申请公开内容将变得全面和完整，并且将向本领域技术人员充分传达本申请公开内容的范围。在描述中，可能会省略公知的特征和技术的细节，以避免不必要地使所给出的实施例变得晦涩。本申请所使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为本申请公开内容的限制。除非上下文另有清楚指示，否则本申请所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”旨在同样包括复数形式。此外，术语“一”、“一个”等的使用并非表示对数量的限制，而是表示所提及的项目中的至少一个项目的存在。还应当理解的是，术语“包括，，("comprises” 和 / 或“comprising”)或“包含” (“includes”和 / 或“including，，) 在说明书中被使用时，指定所述及的特征、区域、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在， 但是其不排除一个或多个其它特征、区域、整数、步骤、操作、元素、组件和/或上述的组合的存在或加入。除非另有定义，否则本申请所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本领域技术人员通常所理解的含义相同的含义。还应当理解的是，诸如在常用词典中定义的术语之类的术语应当被解释为具有与所述术语在相关技术和本申请公开内容的上下文中的含义相一致的含义，并且不应当以理想化或过度刻板的意义来解释(除非本申请中明确地如此定义)。在图中，图中相同的附图标记表示相同的元素。图的形状、尺寸和区域等可能会为了清楚而被放大。图1是示意性地示出了根据本申请公开内容的实施例的、基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统的图。参照图1，多个用户300a至300e在空间上连接到单个通信装置200以检查他们的位置。也就是说，即使当仅使用该单个通信装置200时，多个终端300a至300e也可以相对准确地计算它们的位置。图2是详细示出了根据本申请公开内容的实施例的通信装置200的图。通信装置200包括用于生成或中继通信信号的单个通信单元201，以及用于与用户的终端通信的多个天线20 至202c。根据本申请公开内容的实施例的包括通信装置200 的通信装置包括不接收或发送数据且使能无线信号的传输和收发(transection)的装置，以及接收和发送数据的装置。另外，根据本申请公开内容的实施例的包括多个天线20 至202c的多个天线具有天线阵列类型。根据位置计算过程，天线之间的距离可以等于或短于射频(RF)信号的波长的一半，或者天线之间的距离可以等于或长于射频(RF)信号的波长的一半。通常来说，通信信号可以是从由测距信号、载波信号和子载波信号组成的组中选择的信号。与载波信号相比，测距信号易于使用，但是测距信号具有导航准确度低的缺点。 另一方面，与普通的测距信号相比，载波信号具有非常高的精度，因此可以准确得多地计算位置。在GPS(其为卫星导航系统)的情况下，测距信号的精度是几米，而载波信号的精度是几厘米。通常来说，为了使用射频信号的载波，必须解决载波的不确定性。由于这个问题的缘故，使用载波计算位置的方法是复杂的，并且无法容易地实现。然而，当天线之间的距离等于或短于射频信号的载波波长的一半时，载波的不确定性得以解决，因此使用载波计算位置得以简化。下面将描述当天线之间的距离等于或短于载波波长的一半时，如何解决载波的不确定性。可以通过以下等式对从两个或更多个天线中的第i天线发送的载波信号进行简单建模。以下等式不考虑诸如建模中通常包括的对流层延迟误差之类的各种误差分量。这是因为这些误差分量与主分量相比是相对较小的值。[数学式1]φ 1 = d'+B+N1 · λ其中Cli 第i天线与用户的终端之间的实际距离B 用户的终端的时间误差Ni 载波信号的不确定性λ 载波信号的波长。在等式1中，Ni表示载波信号的不确定性，并且Ni是整数值。也就是说，由于载波信号是一种波信号，因此载波信号的波长变成不确定值。为了计算该值并解决不确定性，通常，GPS使用搜索。事实上，在室内难以应用该搜索方法。因此，为此，用户必须移动到预定的区域(extent)或更大的室内，而这需要几分钟的计算时间。当第i天线的载波信号减去第j天线的载波信号时，得到以下等式。[数学式2]
权利要求
1.一种基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统，包括 通信装置，其包括多个天线，并且生成或中继通信信号； 与所述通信装置通信的终端；以及位置计算模块，其使用从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差来计算所述终端的位置。
2.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述位置计算模块包括在所述终端中。
3.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述位置计算模块是与所述终端分开提供的。
4.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述通信信号是从由测距信号、载波信号和子载波信号组成的组中选择的信号。
5.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述多个天线之间的距离等于或短于所述通信信号的波长的一半。
6.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述多个天线之间的距离等于或长于所述通信信号的波长的一半。
7.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述通信装置是执行与所述终端的交互式通信的收发装置。
8.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述通信装置是执行与所述终端的单向通信的发送装置。
9.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述通信装置以从由下列方式组成的组中选择的方式执行通信人造卫星、地面信标、伪卫星、无线LAN (Wi-Fi、WLAN)、Wibro、移动通信、蓝牙、UWB、红外线、超声波、Zigbee、无线USB、RFID、有源RFID和广播信号。
10.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述终端执行与所述通信装置的交互式通信°
11.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述终端执行与所述通信装置的单向通信°
12.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述终端以从由下列方式组成的组中选择的方式执行通信人造卫星、地面信标、伪卫星、无线LAN (Wi-Fi、WLAN)、Wibro、移动通信、 蓝牙、UWB、红外线、超声波、Zigbee、无线USB、RFID、有源RFID和广播信号。
13.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述位置计算模块包括基于交互式通信的位置计算模块。
14.根据权利要求1所述的定位系统，其中，所述位置计算模块包括基于单向通信的位置计算模块。
15.根据权利要求13所述的定位系统，其中，所述基于交互式通信的位置计算模块包括距离计算单元，其通过交互式通信计算所述终端与所述通信装置之间的距离；以及位置估计单元，其使用所述距离估计所述终端的位置。
16.根据权利要求13所述的定位系统，其中，所述基于交互式通信的位置计算模块包括距离计算单元，其通过交互式通信计算所述终端与所述通信装置之间的距离；相位差计算单元，其计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差； 位置计算单元，其使用从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算所述终端的位置；以及位置估计单元，其使用所述距离和所述终端的所计算的位置来估计所述终端的位置。
17.根据权利要求13所述的定位系统，其中，所述基于交互式通信的位置计算模块包括距离计算单元，其通过交互式通信计算所述终端与所述通信装置之间的距离； 相位差计算单元，其计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差； 方位角计算单元，其根据从所述多个天线发送的所述信号之间的相位差来计算方位角；以及位置估计单元，其使用所述距离和所述方位角来估计所述终端的位置。
18.根据权利要求13所述的定位系统，其中，所述基于交互式通信的位置计算模块包括距离计算单元，其通过交互式通信计算所述终端与所述通信装置之间的距离； 仰角计算单元，其基于所述距离来计算仰角；相位差计算单元，其计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差； 方位角计算单元，其根据从所述天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算方位角；以及位置估计单元，其使用所述仰角和所述方位角来估计所述终端的位置。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的定位系统，其中，假设所述终端与所述通信装置之间的距离是dMmd teip，所述终端接收所述信号的时间是tre。eire，所述终端发送所述信号的时间是ttransmit，并且所述通信装置在接收到所述信号之后直到发送所述信号的时间延迟是tdelay，则所述距离计算单元使用以下等式获得所述终端与所述通信装置之间的距离
20.根据权利要求18所述的定位系统，其中，假设所述终端与所述通信装置之间的距离是teip，所述仰角是θ，并且所述通信装置的所述天线的高度是h，则所述仰角计算单元使用以下等式获得所述仰角
21.根据权利要求14所述的定位系统，其中，所述基于单向通信的位置计算模块包括 相位差计算单元，其计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差；位置计算单元，其使用从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算所述终端的位置；以及位置估计单元，其使用所述终端的所计算的位置来估计所述终端的位置。
22.根据权利要求14所述的定位系统，其中，所述基于单向通信的位置计算模块包括 相位差计算单元，其计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差； 仰角计算单元，其根据从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算仰角；方位角计算单元，其根据从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算方位角；以及位置估计单元，其使用所述仰角和所述方位角来估计所述终端的位置。
23.根据权利要求22所述的定位系统，其中，假设第i天线与所述终端相对连接所述第i天线和所述多个天线中的第j天线的线之间的角是Yi+所述第i天线和所述终端之间的距离与所述第j天线和所述终端之间的距离之间的差是i Δ jd,并且所述第i天线与所述第j天线之间的距离是Ivj，则所述仰角计算单元将通过以下等式计算出的值中的最小值确定为所述仰角
24.根据权利要求16、17、18、21和22中任一项所述的定位系统，其中，假设第i天线与第j天线之间的相位差是i Δ」φ，并且所述第i天线与所述第j天线之间的距离是i Δ jCl,则所述相位差计算单元使用以下等式获得从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差
25.根据权利要求16或21所述的定位系统，其中，假设(Xi，yi，Zi)是所述多个天线中的第i天线的位置，(XrYjjZj)是所述多个天线中的第j天线的位置，并且(x，y，z)是所述终端的实际位置，则位置计算单元通过对以下测量等式求解来获得χ和y
26.一种基于包括多个天线的无线通信装置的定位方法，包括允许包括多个天线的通信装置生成或中继通信信号以与终端通信；以及使用从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差来计算所述终端的位置。
27.根据权利要求沈所述的定位方法，其中，所述通信信号是从由测距信号、载波信号和子载波信号组成的组中选择的信号。
28.根据权利要求沈所述的定位方法，其中，所述允许所述通信装置与所述终端通信的步骤是通过交互式通信实现的。
29.根据权利要求沈所述的定位方法，其中，所述允许所述通信装置与所述终端通信的步骤是通过单向通信实现的。
30.根据权利要求沈所述的定位方法，其中，所述允许所述通信装置与所述终端通信的步骤是通过从由下列方式组成的组中选择的方式实现的人造卫星、地面信标、伪卫星、 无线LAN (Wi-Fi、WLAN)、Wibro、移动通信、蓝牙、UWB、红外线、超声波、Zigbee、无线USB、 RFID、有源RFID和广播信号。
31.根据权利要求沈所述的定位方法，其中，所述计算所述位置的步骤包括基于交互式通信来计算位置。
32.根据权利要求沈所述的定位方法，其中，所述计算所述位置的步骤包括基于单向通信来计算位置。
33.根据权利要求31所述的定位方法，其中，所述基于所述交互式通信来计算所述位置的步骤包括通过所述交互式通信来计算所述终端与所述通信装置之间的距离；以及使用所述距离来估计所述终端的位置。
34.根据权利要求31所述的定位方法，其中，所述基于所述交互式通信来计算所述位置的步骤包括通过交互式通信来计算所述终端与所述通信之间的距离； 计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差；使用从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算所述终端的位置；以及使用所述距离和所述终端的所述位置来估计所述终端的位置。
35.根据权利要求31所述的定位方法，其中，所述基于所述交互式通信来计算所述位置的步骤包括通过所述交互式通信来计算所述终端与所述通信装置之间的距离； 计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差； 根据从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算方位角；以及使用所述距离和所述方位角来估计所述终端的位置。
36.根据权利要求31所述的定位方法，其中，所述基于所述交互式通信来计算所述位置的步骤包括通过所述交互式通信来计算所述终端与所述通信装置之间的距离； 基于所述距离来计算仰角；计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差；根据从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算方位角；以及使用所述仰角和所述方位角来估计所述终端的位置。
37.根据权利要求33至36中任一项所述的定位方法，其中，假设所述终端与所述通信装置之间的距离是Clraund teip，所述终端接收所述信号的时间是、_ire，所述终端发送所述信号的时间是tteansmit，并且所述通信装置在接收到所述信号之后直到发送所述信号的时间延迟是tdelay，则在所述计算所述距离的步骤中，所述终端与所述通信装置之间的距离是通过以下等式获得的 A= c · (f —t —t ) Ic)uround_trip L ^ ^receive Ltransmit Ldelays /^0
38.根据权利要求36所述的定位方法，其中，假设所述终端与所述通信装置之间的距离是dMund teip，所述仰角是θ，并且所述通信装置的所述天线的高度是h，则在所述计算所述仰角的步骤中，所述仰角是通过以下等式获得的
39.根据权利要求30所述的定位方法，还包括计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差； 使用从所述多个天线发送的所述信号之间的相位差来计算所述终端的位置；以及使用所述终端的所计算的位置来估计所述终端的位置。
40.根据权利要求30所述的定位方法，其中，所述基于所述单向通信来计算所述位置的步骤包括计算从所述多个天线发送到所述终端的信号之间的相位差；根据从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算仰角；根据从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差来计算方位角；以及使用所述仰角和所述方位角来估计所述终端的位置。
41.根据权利要求40所述的定位方法，其中，假设第i天线与所述终端相对连接所述第i天线和所述多个天线中的第j天线的线之间的角是Y ^所述第i天线和所述终端之间的距离与所述第j天线和所述终端之间的距离之间的差是i Δ jd,并且所述第i天线与所述第j天线之间的距离是Ivj，则在所述计算所述仰角的步骤中，将通过以下等式计算出的值Yh中的最小值确定为所述仰角
42.根据权利要求34、35、36、39和40中任一项所述的定位方法，其中，假设第i天线与第j天线之间的相位差是i Δ」φ，并且所述第i天线与所述第j天线之间的距离是i Δ jCl,则在所述计算从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差的步骤中，从所述多个天线发送的所述信号之间的所述相位差是使用以下等式获得的
43.根据权利要求34或39所述的定位系统，其中，假设(Xi，yi，Zi)是所述多个天线中的第i天线的位置，(XrYjjZj)是所述多个天线中的第j天线的位置，并且(x，y，z)是所述终端的实际位置，则在所述计算所述终端的位置的步骤中，χ和y是通过对由以下等式表示的测量等式求解来获得的
全文摘要
本申请公开内容涉及基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统和方法，具体地说，涉及使用包括多个天线的通信装置对终端进行定位的定位系统和方法。基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统和方法使用其中安装有多个天线的单个通信装置来计算终端的位置，并且可以通过使用两个或更多个通信装置来更准确地计算终端的位置。另外，定位系统和方法与现有通信系统的收发装置、中继站或无线接入点进行通信，从而准确地获得终端的位置。
文档编号G01S5/06GK102460202SQ201080027631
公开日2012年5月16日 申请日期2010年2月11日 优先权日2009年5月27日
发明者奇昌敦, 李宅振 申请人:首尔大学校产学协力团