用于测向仪的设备和方法

专利名称：用于测向仪的设备和方法
技术领域：
本发明涉及检测并报告对象方向的设备和方法的领域，更具体地， 涉及用于识别才几动车位置(location)的方法和电路。
背景技术：
公知使用信号强度和定向天线作为用于面向消费者市场的测向仪 (direction finder)的低成本实施方案。该天线的定向性 (directionality)越好，在寻找远程对象或者例如停泊的机动车方 面的准确度就越高。然而，消费者装置(consumer device )高度重视 较小的尺寸，而天线元件变得越小，就越难获得定向性。而且，随着 天线元件的尺寸与所接收信号的波长相比减小，由多径和反射引起的 局部零(local null)开始影响和干扰定向天线的测向能力。因而， 需要一种尺寸小却不受反射和多径影响也不受其负面作用 (negatively affect)的定向天线。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种使用相对于所接收信号的波长小的 定向天线、不受反射和多径不利作用的手段。为了实现所述的和其他 的目的，本发明可以被实现为组合了定向天线元件和全向 (omnidirectional ) 元件或准全向 (approximately omnidirectional )元件的复合天线元件。应该理解，如果什么时4矣可 以实现理想的全向元件的话，那也是罕有的。因而，在本说明书和权 利要求书中，所用术语"全向"应被理解为是相对于与其组合的定向 天线元件而言的。因而，本发明可以被实现为组合了定向天线元件和 全向元件的复合天线元件这一陈述可以被理解为包括以下情形本发
对地非定向的元件。该全向元件的相对非定向性(nondirectionality)的程度可以根据本发明可靠地确定方向的效力(efficacy)来理解。 在下述的一个实施方案中，第二元件只是具有与第一元件不同的增益 图(gain pattern)，并且事实上在多个方面可以比第 一元件更定向。
受由反:和多径引起的局部零负;影响的实施方』。 、 在使用定向天线实施方案的方法中，测向装置发起与地点或相对 方向未知的远程对象的无线电频率通信(radiofrequency communication )。无线电通信在单元之间持续进行，以允许随着测向 装置的相对方向改变，带有定向天线的单元持续测量所接收信号强度， 并向用户报告该相对信号强度。
优选实施方案包括测向装置内的定向天线和全向天线以及远程对 象或机动车内或上的全向天线，但这些元件可以互相交换，以作为相 同基本实施方案的变体。假如这些天线被开启，那么所接收信号强度 指示器(indicator ) ( RSSI)数据或定向信息被从远程对象发送到测 向装置。
定向天线自身可以仅依赖于所接收信号强度来确定远程对象或发 送器的方向。用在该方法中的优选算法是，当方向天线接收到的信号 强度处于其最大值时报告远程对象的方向。方向指示和最大信号可以 以视觉提示(visual cue )、听觉提卞(audible cue )、触觉^ 不(tactile cue) — 一诸如振动器一一或测向装置的用户显示器上的方向指示的形 式被提供。当测向装置指向远程对象时，本实施方案组合了视觉和听 觉反馈的组合。
为了使测向装置正确地报告远程对象的方向，该装置必须针对该 装置指向正确以及错误方向的情况都能对所接收信号强度采样。这为 在该装置中运行的算法赋予了以下能力将当该装置指向对象时的所 接收信号强度与当该装置指向离开该对象的方向时的其他信号强度进 行比较，并当所接收信号强度处于相对最大值时进行报告。
在一个没有反射的环境中，当定向天线接收到的信号强度处于其 相对最大值时只是指示目标的方向，提供了可靠且可信任的找到远程 对象的方法。然而，在更典型的实际环境一一反射和多径环境中，诸 如在机动车停车场中，无线电频率在往来于远程对象和测向装置的途中在多个不同方向上行进并遵循多个不同路径。这些不同路径造成驻 波、局部峰和局部零一一其将迷惑仅基于所接收信号强度和定向天线 的任何方向确定算法。
考虑以下简单情形远程对象发送具有一个到测向装置的直接路 径以及一个到测向装置的反射路径的无线电频率信号。直接路径将首 先到达测向装置，随之是一定的时延，然后反射信号到达。根据这两 个所接收信号之间的时延，第二信号可以被接收为与原始信号同相 (in-phase)、与原始信号异相(out of phase)或处于其间的任何 相位。第一和第二所接收信号之间的相位关系对于特定位置是一致的， 但容易证实，当测向装置在空间中移动时，该相位关系将改变。例如， 假如测向装置移动到使反射路径变短而保持直接路径长度不变的位 置，那么这两个信号之间的相位差将减小。扩展此推理，考虑同相信 号相加而异相信号相消，可清楚地领会，无线电频率载波的所接收信 号强度可以随着测向装置在空间中移来移去而增大或减小，因为侧向 装置通过局部零和局部峰。
在真实世界中，多径传输可以并且确实存在，因为在传输路径上
有多个对象，这些对象反射或阻断任意两个给定点之间的传输。进一 步，收发器(transceiver)天线的方位(orientation)是根据在空 间中的角度方位以及用户可持有该收发器的空间点而可改变的。这也 可以影响被发送的电磁波在空间中的极化方向，这可以对接收器单元 或该电磁波的传播有影响。
局部零可以被视为所接收信号为异相的位置，局部峰是所接收信
号为同相的位置。随着定向天线的尺寸相对于栽波频率的波长变小， 定向天线的尺寸也相对于局部峰和局部零的尺寸变小。假如天线元件 足够大以跨越峰和零来接收无线电频率能量，那么它将不会觉察到由 于峰和零而引起的信号强度变化。但随着天线变得足够小以物理地在
零的空间范围内而不与任何相邻的峰交叠，所接收信号强度变得显著 地受局部零影响。此情景的基本问题是，所接收信号强度可以下降， 因为测向装置在此刻已移入零，而不是指向离开远程对象的方向。若 没有任何其他信息，依赖于所接收信号强度的算法就不能准确地检测 出测向装置是否指向远程对象，或者测向装置是否处于局部峰或零。本发明引入全向元件，用于确定测向装置当前是否处于局部峰或
局部零。考虑以下情形测向装置移入局部零，但仍指向远程对象。 定向天线的所接收信号强度将随着进入零而减小。同时，全向天线的 所接收信号强度将也减小相当的(comparable)量。这是因为，这两 个天线都物理地检测相同的零。分别被全向和定向天线元件接收到的 信号强度的差将保持恒定。
本发明的目的是恒定地对定向和全向天线的所接收信号强度进行 比较，以确定方向。当被定向天线接收到的信号强于被全向天线接收 到的信号时，测向装置被认为指向远程对象，不论该测向装置相对于 局部峰或局部零的位置(position)。类似地，当被定向天线接收到 的信号弱于被全向天线接收到的信号时，测向装置被认为指向离开该 远程对象的方向，不论该测向装置相对于局部峰或局部零的相对位置。 全向天线将直接测量从目标发出的以及所有被目标反射的波。对于测 向仪的任何给定位置，此全向信号必定恒定，不论该测向仪可指向的 方向。在定向天线所指方向上的被直接发出的以及被反射的信号，将 依赖无线电环境而迥异，但将在目标所在方向上趋于最大。
本发明还包括一个实施方案，其中第二天线不一定是全向的，而 只是具有不同于第一定向天线的辐射图(radiation pattern )的天线。 例如，考虑第二天线具有水平椭圆形(horizontally elliptical)的 图。本说明书中的算法、方法和描述在这样的情形下仍有效。这样， 第二天线的增益图一一假如已知一一可以被包括在该算法中，并且可 以在方向确定过程中对其进行适当的补偿。这样，应理解，第二天线 可以具有任何增益图，而在所图解的实施方案中描述全向天线仅为了 举例的目的。
根据被这两个天线接收到的信号强度来确定定向性的具体计算和 算法是本发明的实施方案，尽管可以基于特定天线元件的性能特性在 细节上对它们做出改变。
当涉及测向及对象定位系统时，本发明的一个实施方案引出两个 特定装置。远程对象典型地是收发器，收发器通常附接到通常需要被 找到或定位的对象，诸如机动车、宠物或儿童。该远程对象典型地具 有单个天线，并且软件处理量和用户指示量为最小。测向装置典型地被用户用来定位该远程对象所附接至的对象、宠物或人员。该测向装 置典型地更复杂在于，其具有双天线配置、方向处理软件以及用户指 示，以向用户提供反馈，显示该远程对象的方向。本发明的所图解实
施方案的一部分在于，用于实现此双部件系统(two-piece system) 的技术可以基于用户对该技术的需要被组合或重组(reorganize)， 以产生其他组合。例如，假如一起#_配对， 一个测向装置可以孝皮配置 为寻找另一个测向装置。这将要求用在该系统中的两个装置每个都具 有天线对和测向软件，以使在任何给定时刻这两个装置中的任一个都 可以找到另一个。另外，被定位的测向装置可以向其用户提供位置寻 找过程正在进行中的指示；或可以向该用户提供选项，以假如该用户 的位置需要保密，则取消或阻止测向。
在另一个实施方案中，该方法使用主路径和反射路径的特性、测 向装置的方向以及取平均值(averaging)，以确定主路径的方向，并 滤出任何和所有反射路径。当使用指向远程对象的高度定向天线 (highly directional ant謹a)时，所接收信号强度处于最大值。 随着测向装置的方向轻微地左右改变，所接收信号强度以适中的速度 衰减(roll off)。在另一方面，当测向装置指向反射信号时，趋势 是，随着测向装置在角度上改变，例如轻微地左右改变，所接收信号 强度非常快速地衰减。衰减率的这一差异可以被用来区分基于直接接 收到的信号的真方向(true direction)和基于反射的假方向(false direction)。
在该优选实施方案中，测向装置的方位或相对航向(heading )是
通过参考子系统(referencing subsystem)--诸如数字罗盘--来
确定的，该参考子系统确定相对于地球磁场的方位。该数字罗盘，在 通过软件被调配之后，输出航向，该航向表示测向装置所指的方向。 MEMS陀螺仪可以容易地替换数字罗盘，或者MEMS陀螺仪可以被包括 在数字罗盘的限界(definition)内。该优选实施方案针对每个航向 取信号强度读数，并对所有航向上的信号强度读数取平均值。通过将
两个航向的读数相加，算出针对该航向的平均值。可以针对每个实施 方案来优化航向步幅(heading step)、平均值中的航向数目以及时间平均(time averaging)的引入，并且可以根据与本发明的教导一致的常规设计原理来对取平均值进行调整。此取平均值的方法的结果产生了以指向远程对象的航向为中心的信号强度峰。
为了使测向装置正确地报告被指向远程对象，该装置必须针对指向该对象的方向和离开该对象的方向都能对所接收信号强度进行采样。这为在该装置中运行的算法赋予了以下能力将该装置指向该对象时的所接收信号强度与其他信号强度进行比较，并当所接收信号强度处于相对最大值时进行报告。当测向装置指向该远程对象和指向离开该远程对象的方向时收集所接收信号强度的过程被称为"扫描(sweep)"。扫描在每个测向过程的开始时进行，并通过用户来回摆动(swing)测向装置以在多个角度采样所接收信号强度一一即，扫描场一一来实现。
除了关于角度对所接收信号强度取平均值，该优选实施方案中的数字罗盘还允许比没有数字罗盘的情况更完善地扫描信号强度。若没有如该优选实施方案中的数字罗盘，那么扫描软件就不知晓扫描期间的航向，于是其仅能存储在一段时间内接收到的信号强度的范围，而不知晓该扫描是否已完全覆盖了足以有效的角度。然而，有了数字罗盘和扫描过程中的罗盘航向信息，所接收信号强度就可以被存储在被相应航向标示的贮存库(bin)中，并且仅当该扫描符合预定角度范围或者本领域公知的其它统计量度时可以进行方向确定。
而且，该测向装置可以保持处于扫描模式(sweep mode),直到它已经在多个方向角上收集了足够的信号强度信息，以准确地检测远程对象的方向，而不是仅停留在扫描模式一段固定时间。利用本发明的所图解实施方案，可以向用户给出扫描模式仍在活动状态的指示，即，以鼓励用户在定向性被报告之前继续扫描更大数量的角度。
该优选实施方案的进一步加强是，向用户指示该测向装置为了直接指向远程对象而应被移动的左-右方向。 一旦该测向装置已通过感测最强的信号强度确定了该远程对象的方向，该测向装置就可以存储该远程对象的航向。继而，随着该测向装置左右移动，该装置中的软件可以将所存储的航向与当前航向进行比较，并向用户提供关于该测向装置为了直接指向该远程对象需要向何方向移动的反馈。尽管本发明的所图解实施方案被描述用于在停车场内定位机动车，但可清楚地理解，本发明的教导可以被用来定位与其寻找者相对接近的任何对象。
例如，该测向装置可以被用来定位被固定在儿童身上的远程对象，以使父母可以使用该测向装置定位儿童，只要该儿童处于该装置的范围内。
该远程对象可以位于其他物件上，诸如位于遥控器、钥匙链、宠
物项圏以及车库门开启器(garage door opener)上，以使当这些对象丢失或迷失时，该测向装置可以被用来找到这些对象。
该远程对象也可以被置于露营者、露营地、船只、ATV或其他在参加户外活动时可以用作可找到位置的位置。
如上所述，两个测向装置可以被配置为能够彼此定位。这将允许露营者、徒步旅行者、骑车者以及任何其他成双或结队的人在分散时彼此定位。团对规模仅受软件以及装置配对方式的限制。
该测向装置也可以被配置为定位用户常去区域内的景点(pointof interest)或福利i殳施。对这些其他〃厶共福利i殳施的定位可以通过测向装置上的第二按钮而被启动。例如，用户可以将他/她的车辆停泊在大的停车楼，继而启动测向装置上的第二按钮，以定位最近的楼梯或电梯。这通过停车楼管理将具有公共访问键(public access key)的远程对象置于各楼梯和电梯处实现。这些远程对象将与已进入公众访问模式(public-access mode)的任何效'J向装置通信。
尽管为了文法流利性已经或者将用功能性说明来描述该设备和方法，但应清楚地理解，除非在35 USC 112下明白地阐明，否则这些权利要求不应被解释为以任何方式被"装置"或"步骤"限制的构造必要地限制，而应被给予在司法等同原则(judicial doctrine ofequivalent)下权利要求提供的限定的含义和等同物的完整范围，并且，在权利要求在35 USC 112下被明白地阐明的情形下，应被给予35 USC 112下的完整法定等同物(statutory equivalent)。现在，通过转到下述附图，可以使本发明更好地形象化，在附图中，相同的元件由相同的数字标示。


图1是根据本发明的优选实施方案的测向仪和远程对象中的电路的框图。
图2是所图解实施方案中的定向和全向天线元件的辐射图的极坐标图(polar graph )。
图3是两个非均匀定向天线元件的辐射图的极坐标图，其中之一在所示实施方案中基本为水平椭圓形的。
图4是两个非均匀定向天线元件的辐射图的极坐标图，其中该定向天线在所期望的方向上使用零而不是在所期望的方向上使用峰。
图5是被定向和全向天线——其在测向装置向左和向右移动时仍保持指向远程对象的方向一一接收的、为测向装置左-右位置的函数的所接收信号强度的曲线图。
图6是在引入数字罗盘的情况下，根据本发明的优选实施方案的测向仪和远程对象中的电路的框图。
图7是对于原始数据和平均数据，为角度的函数的典型的所接收信号强度的曲线图。
现在，通过转向以下对优选实施方案一一其被作为权利要求所限定的本发明的示例性实施例给出——的详述，可以更好地理解本发明及其各种实施方案。可明白地理解，权利要求所限定的本发明可以比下述示例性实施方案更宽泛。
具体实施例方式
本发明的示例性实施方案由远程对象200——诸如位于停泊的机动车中的装置、测向装置100以及对象200和装置100之间的无线电频率链路301组成。当该示例性实施方案在一些情况下被陈述为针对找到停泊的机动车时，应理解，本发明既不局限于机动车又不局限于固定对象。在这里，对象应被广义地理解为包括任何种类的有生命对象或无生命对象。因此，本发明能以同等的有效性用于宠物、儿童、钥匙、自行车、摩托车、机动车和任何要找寻其位置的对象。用于寻找停泊的机动车的应用是有利的，因为不必进行精确的方向确定，而进行视觉识别。这样的应用允许所指示角度有相当大的误差，而对效 用没有任何减弱，因为数十度以内的方向准确度通常就足够准确了 。
如图1的框图所示，该示例性实施方案中的装置100由定向天线101 和全向天线102组成。天线101和102耦合到RF开关103, RF开关 103被控制器及处理器106控制。控制器及处理器106可以由根据常 规设计原理设计的微处理器、数字信号处理器、数字逻辑电路或模拟 控制电路以及无线电频率控制及处理电路组成，以实现由本发明的示 例性实施方案教导的功能。控制器及处理器106也可以包括一个或多 个用户输入装置，其可以用按钮或类似的输入方法来实现。这些按钮 可以被用来启动或停止方向报告序歹'J ( direction-reporting sequence)，以选择被搜寻的远程对象，或者允许或取消试图定位该 对象装置的另一个测向装置。
在一个测向装置企图定位另一个测向装置的实施方案中，远程对 象200将被测向装置100的第二实例取代，这两个测向装置通过无线 电频率链路301通信。
图2是以分贝为单位示出了由方形数据点示出的定向天线101和 由菱形数据点示出的全向天线102和201的相对增益图的极坐标图。 取全向天线102的增益作为0分贝基准。如图2所示，与全向增益相 比，定向天线101的后波瓣(back lobe)减小了至少-10分贝，前 波瓣(front lobe)增大了至少5分贝。该极坐标图被划分为32个相 等的角度段，每段11.25° ，以使可看到，定向天线的增益不等于全 向天线的增益，直到到达前部土45。扇形区。应理解，天线图(antenna pattern )仅以示例的方式示出，性能和增益图将依赖于所选择的特定 天线设计而改变，天线设计不受所给出的实施例限制。
替代性地，应指出，本发明为了确定方向可以采用任何非均匀或 非全向天线图。另外，要满足本发明的要求，全向天线不必真正地全 向。基本要求是，上迷两个天线之间的相对所接收信号强度在远程对 象的方向上必须是唯一的。这两个天线之间的差异是否处于相对最小 值、最大值，或者一个天线接收的信号是强于还是弱于另一个天线， 都无所谓，只要组合是唯一的。
图3示出了可以被用来实现本发明的两个非均匀定向天线元件的一个实施例。在这个实施例中，天线2在朝向远程对象的方向上具有 峰，天线1的图是非均匀地全向的。该远程对象的方向是被天线2接 收到的信号强度以最大差超过被天线1接收到的信号强度的方向。运 行在该测向装置中的软件的任务是，识别被天线2接收到的信号强度 最多地超过被天线l接收到的信号强度的方向。
当提到天线实现时，相对信号强度的该唯一差异允许有许多可能
性。例如，定向天线在所期望的方向不必具有波瓣，而是可以具有零。 该零可以使得该定向天线的信号在所期望的方向上比全向天线的信号
弱得多，仍使得测向是可能的。继而，轮到该装置中的软件应用正确 的算法来寻找峰或零，以确定方向。
图4示出了可以被用来实现本发明的两个非均匀定向天线元件的 另一个实施例。在这个实施例中，天线1在朝向远程对象的方向上具 有零，天线2的图轻微地偏向该远程对象。该远程对象的方向是被天 线2接收到的信号强度以最大差超过被天线1接收到的信号强度的方 向。运行在该测向装置中的软件的任务是，识别被天线2接收到的信 号强度最多地超过被天线1接收到的信号强度的方向，或被天线1接 收到的信号强度处于相对于被天线2接收到的信号强度的最小值的方 向。
参看图1,开关103耦合到无线电收发器104,以检测入射信号 (incoming signal )。另外，命令信号可以由控制器106生成，并经 由收发器104通过全向天线102或天线101被发送以向远程对象200 发送命令，例如以向对象200发出唤醒信号，该唤醒信号将启动如下 所述的自对象200的信号传输。
收发器104包含发送器、接收器和合成器(synthesizer )。发送 器包括调制器，其获取基带数据并上变频(upconvert)至由合成器 产生的RF载波频率；以及放大器，其对发送信号进行放大。控制器 106以意在用于适当接受器(recipient)的适当协议，为调制器提供 发送信息所必要的信号。发送放大器可以包括功率控制，以在发送距 离短的情况下降低功率消耗。接收器包括接收RF信号所需要的滤波 和放大；以及解调器，其从所接收RF信号中提取基带信号。控制器与 解调器共同工作，以根据发送协议提取仅意在用于此单元的数据。所有其他所接收数据都被忽略。
本发明的示例性实施方案的特征之一是，在嘈杂的RF环境中，或 在多个用户正在使用相同或相似装置的地方，适当且可靠地才艮告方向。 本发明采用Zigbee协议，其带有对测向装置和远程对象公共的附加信 息，该附加信息帮助将在装置之间发送的信息标记为特定用户独有的。 该Zigbee协议具有用于在嘈杂、多用户环境中工作的方法，运行在这 两个装置上的软件含有附加安全等级，以确保所接收信号强度仅是来 自从该对装置中的另一个装置接收的信号的所接收信号强度，而不是 来自从任何其他用户的装置或其他噪声源接收的信号的所接收信号强 度。普遍可用的任何协议或方法可以被用来加强在嘈杂、多用户环境 中的运转，从而帮助确保信号强度是来自预定发送器(intended transmitter )。
所接收信号强度指示器(RSSI) 105 — 一其耦合到控制器106 — 一 是这样的所接收信号强度指示器电路当天线101和102被开关103 多路复用时，其用于测量被收发器104从天线101和102检测到的所 接收无线电信号强度(能量积分，而不是质量)。RSSI 105可以作为 IF级被实现，或者在零IF系统中，RSSI 105可以在基带信号链中、 在基带放大器之前被实现。RSSI输出可以作为直流模拟电平被提供， 或被内部模拟-数字转换器(ADC)采样，结果码(resulting code) 直接可用，或经由外围或内部处理器总线可用。
RSSI电路105仅提供用于意在用于此接受器的传输的RSSI数据。 这是通过仅当所预期的发送器正在发送时检查RSSI数据、通过检查所 解调的输出的IF能量或通过任何其他多用户RSSI确定方法来实现的。 现在或将来普遍可用的任何方法可以被用来确保该RSSI数据仅是来 自预定发送器。在此实施方案中未描述的任何方法的使用，仍被认为 落入本发明的意向范围。
用户指示器107耦合到控制器106，以向用户提供显示或反馈信 号，从而与其他反馈信号一起，向用户提供远程对象200方向的指示。 此反馈的形式可以是视觉提示一一诸如LED、听觉提示——诸如发自 扬声器的乐音(tone )或语音(voice )或触觉提示——诸如振动或轻 敲。用户指示器107也可以指示系统的总体状况，包括低电池电量警告(low battery warning)。装置100中的所有电路都由电源108 供电，电源108典型地是电池，但可以包括现在已知或以后将发明的 任何类型的电源，包括多个源的组合，诸如太阳能电池和可充电电池 的组合。
远程对象200包括如图1所示的全向天线201,该天线201 #皮耦 合到无线电频率收发器202。与装置100相似，对象200中的电路也 可以包括所接收信号强度指示器(RSSI) 203,目的在于当测向装置非 常接近时降低其发送功率。来自RSSI 203的所接收信号强度指示也可 以被远程对象200或测向装置100用作测向算法的一部分。与控制器 及处理器106类似的控制器及处理器204被耦合到收发器202和RSSI 203，如同在装置100中那样。预期耦合到控制器204的用户指示器 205是可选的。电源206为所有电路供电，如同电源108在装置100 中那样。电源206也可以从其所在的对象——诸如点烟器适配器
(cigarette lighter adapter )，假如电源206位于机动车内的话--
获得电能。
图1的系统的总体运转以及所需天线101和天线102，在图5的 理想化的信号强度图中被示出。图5是定向天线101的以任意单位表 示的所接收信号强度一一其由三角形数据点示出一一与全向天线102 的以任意单位表示的所接收信号强度一一其由菱形数据点示出一_的 比较图。图5中的信号强度对应测向装置100指向远程对象200的情 况，并且被示为测向装置100在不改变其方向的前提下从一端到另一 端移动经过局部峰和局部零时的以任意单位表示的距离的函数。如图 所示，多个最大值可以被检测到，但该定向和全向天线的信号强度在 整个图中保持相同的增量(delta )。图5显示，定向场强(directional field strength) 总是大于全向场强 (omnidirectional field strength),不论通过移动通过局部峰和局部零而经历的绝对信号强 度改变。
图6是在数字罗盘109被包括在装置100中的情况下，系统的框 图。数字罗盘109生成相应于磁场方向或真实罗盘方向的信号，该信 号被耦合到控制器106。在图6的实施方案中，全向天线102和开关 103被省略。然而，应理解，罗盘109也可以作为冗余元件被包括在图1的实施方案中。罗盘109允许控制器106收集与被定向天线101 接收到的场强有关的数据，并根据罗盘航向贮存该数据。 一旦被收集 在贮存库中，所捕获的数据就可以被取平均值，或被更智能地用来表 示适当的测向反馈。
图7是示出了图6的实施方案的运转的图。对于这个实施方案， 考虑测向装置包括具有四个不同LED的方向指示。在该特定实施方案 中，当该测向装置指向远程对象时所有四个LED都被点亮，而当该测 向装置实质上指向离开该远程对象的方向时没有LED被点亮。 一个、 两个和三个LED被点亮，指示接近该远程对象的方向的方位。在所示 实施方案中，被点亮的LED的数目被贮存为多个为IO度的间隔，以0 度为中心开始，延伸至±180。。每个间隔或贮存库被定义为"航向"。 为进行说明，将北或0°作为真正的目标方向，真正的目标方向可以 任意地处于任意罗盘方向。图7以曲线400绘出了手持式(handheld) 扫描，示出了在不包括取平均值的情况下作为扫描角度的函数的被点 亮LED的数目。曲线400的数据的平均值——其是对在所选择的航向 每一侧的两个航向以及所选择的航向一起所取的平均值——由曲线 402示出。由于大多数用户接口元件在将结果呈现给用户之前对结果 进行量化，本实施例以曲线404的数据示出了已量化的被点亮LED的 数目。注意，曲线400中的数据在除了直接指向远程对象时以外的航 向指示了最佳定向性，而曲线404中的数据仅在直接指向远程对象时 指示最佳定向性。因此，尽管在观察单个航向时被定向天线101接收 到的场强可能是含糊的，但是多个航向上的平均值亳不含糊地指向真 正的目标方向。应清楚地理解，航向步幅或间隔宽度、在用于可靠方 向确定的平均值中要求的航向数目以及时间平均的引入，都可以针对 每个实施方案或应用进行优化，而不背离本发明的精神和范围。事实 上，针对数据扫描可以相继运行多个取平均值算法，继而可以使用自 动决策逻辑(automated decision logic),从该多个取平均值算法 中进行如下选择，即在任何给定数据扫描中或在多个扫描中，哪个算 法看上去是最可靠的。
一旦运行在图6所示的测向装置中的软件已确定远程对象的航 向，那么被呈现给用户的反馈可以更清晰地描述所期望的航向相对于当前航向的方位。例如，假如该远程对象相对于该测向装置处于270 °的航向，并且该测向装置朝315。的航向定向，那么该软件就可以 算出，该测向装置需要向左转动45° 。依赖于该测向装置的用户指示 能力的完善度(sophistication),该测向装置可以向用户才艮告"向 左"或"向左45。"。替代性地，它可以显示一些类型的箭头或其他 方向指示图样，向用户指示该远程对象位于该测向装置当前所指方向 向左45° 。 一个实施例是， 一圏LED被布置成表示模拟时钟的图案， 其中该圆圏中的每个LED对应于该模拟时钟上的半个小时。在这个布 置中，将会有24个LED构成该圆圈。在上述实施例中，远程对象位于 当前航向向左45。，在该模拟时钟上对应于10: 30的LED会被点亮， 从而以图形方式表示该远程对象的方向。
本领域普通技术人员可以做出许多改变和修改，而不背离本发明 的精神和范围。因而，应理解，已阐述的示例性实施方案仅是对一个 或几个实施例来说的，该示例性实施方案不应被认为是对如以下发明 及其各实施方案限定的本发明的限制。各实施方案能以本领域公知的 模拟或数字电路、软件或固件控制的电路的形式实现，用于接收无线 电信号、数字化并处理该无线电信号，以执行在以下权利要求中描述 的各种功能。
因而，应理解，示例性实施方案仅为了示例的目的而被阐述，不 应被认为是对如以下权利要求限定的本发明的限制。例如，尽管一项 权利要求的要素在下文中是以特定组合进行阐述的，但应明白地理解， 本发明包括上文公开的较少、较多或不同要素的其他组合，即使在最 初未以这样的组合要求保护这些要素的情况下。两个要素以所要求保 护的组合被组合的教导，应进一步被理解为，也允许这样的要求保护 的组合，其中这两个要素不相互组合，而是可单独使用或以其他组合 方式被组合。明确预期删除本发明的任何所公开的要素落入本发明的 范围。
用在本说明书中以描述本发明以及其各实施方案的词语应被理解 为，不仅表示其通常定义的意义，而且包括按本说明书中的特殊定义 的超越通常定义的意义范围的结构、材料或动作。这样，假如某要素 在本说明书的环境中可以被理解为包括一种以上的意义，那么该要素在权利要求中的使用必须被理解为是被本说明书和该词语自身支持的 所有可能意义的总称。
因而，以下权利要求中的词语或要素的限定，在本说明书中被限 定为不仅包括字面上阐述的要素组合，而且包括用于以本质上相同的 方式执行本质上相同的功能以获得本质上相同的结果的所有等同结 构、材料或动作。因而，在此意义上，预期，针对权利要求中的任何 一个要素，可以进行两个或更多个要素的等同替换，或者在一项权利 要求中单个要素可以被替换成两个或更多个要素。虽然要素在上文可
以被描述为以特定组合进行动作，甚至最初是这样要求保护的，但应 明白地理解，来自所要求保护的组合的一个或多个要素在一些情况下 可以从该组合中被删除，以及所要求保护的组合可以针对一子组合或 子组合的变体。
本领域普通技术人员观察到的对所要求保护的主题的非本质改 变——无论是现在已知的还是以后将要作出的，都被清楚地预期为等 同地落入权利要求的范围。因而，现在已知或以后将已知的对本领域围。
这样，权利要求应被理解为包括上文具体示出和描述的、在概 念上等同的、可以被明显地替换的以及本质上包括了本发明本质构思 的。
权利要求
1.一种用于提供对对象和用户之间的方向的确定的设备，包含第一天线，其具有第一增益图；第二天线，其具有与第一天线的第一增益图不同的第二增益图，第一和第二天线位于与用户和对象中任一关联的第一位置或其附近；第三天线，其用于发送位置信号，该第三天线位于与用户和对象中另一关联的第二位置；以及电路，其耦合到第一天线和第二天线，以确定在第一和第二天线处接收到的位置信号的场强，并通过将在第一和第二天线处接收到的位置信号进行比较，确定用户和对象之间的可能相对方向。
2. 权利要求l所述的设备，其中第三天线被用来发送全向信号。
3. 权利要求l所述的设备，其中第三天线被用来根据预定的增益 图发送定向信号。
4. 权利要求l所述的设备，其中第一天线具有定向增益图，并且 其中第二天线具有全向增益图。
5. 权利要求l所述的设备，其中第一天线具有第一定向增益图， 并且其中第二天线具有不同的第二定向增益图。
6. 权利要求l所述的设备，其中所述电路通过生成被第一天线接 收到的信号强度除以被第二天线接收到的信号强度得到的信号强度比 来确定可能相对方向。
7. 权利要求l所述的设备，其中第三天线与对象关联，并且第一 和第二天线与用户关联。
8. 权利要求l所述的设备，其中第三天线与用户关联，并且第一 和第二天线与对象关联，所接收信号强度指示器(RSSI)数据和/或定 向信息被从对象发送到用户。
9. 权利要求l所述的设备，其中当相较于用户和对象之间的其他 方向，被第一天线接收到的信号强度处于其相对最大值时，所述电路 确定用户和对象之间的可能相对方向。
10. 权利要求1所述的设备，其中确定用户和对象之间的可能相 对方向的电路通过确定作为第一和第二天线方位方向函数的、被第一 和第二天线从第三天线接收到的场强之比，来确定可能相对方向。
11. 权利要求1所述的设备，其中确定用户和对象之间的可能相 对方向的电路通过确定作为第一和第二天线方位方向函数的、被第一 和第二天线从第三天线接收到的场强之差，来确定可能相对方向。
12. 权利要求1所述的设备，其中第一和第二天线被包括在第一 测向装置内，并且该设备进一步包含第二测向装置，该第二测向装置 与第一测向装置通信，以使第二测向装置被布置和配置为确定第一测 向装置的相对可能方向。
13. 权利要求12所述的设备，进一步包含在第一测向装置中的电 路，以指示第二测向装置处在确定第一测向装置的相对可能位置的过 程中。
14. 权利要求12所述的设备，进一步包含在第一测向装置中的电 路，以阻碍第二测向装置成功确定第一测向装置的相对可能位置。
15. 权利要求1所述的设备，其中确定用户和对象之间的可能相 对方向的电路通过当第一天线的方向在角度上改变时确定所接收场强 的衰减率以区分直接接收到的信号和间接接收到的或反射信号，来确 定可能相对方向。
16. 权利要求1所述的设备，进一步包含罗盘，该罗盘耦合到所 述电路，以允许提供相应于方向的地理航向。
17. 权利要求16所述的设备，其中所述电路取预定范围的相邻航 向上的信号强度的平均值，并将平均值分派到每个相应航向。
18. 权利要求16所述的设备，其中仅在预定的航向扫描被获得之 后，相对可能方向才被确定。
19. 权利要求1所述的设备，其中确定用户和对象之间的可能相 对方向的电路确定扫描的最有利角度方向，以使第一天线朝可能相对 方向定向。
20. 权利要求1所述的设备，其中所述电路将当第一和第二天线指向所述对象时在第一和第二天线处接收到的信号与当第一和第二天 线指向离开所述对象的方向时在第一和第二天线处接收到的信号进行比较。
21. —种用于提供对到全向地发送信号的远程对象的方向的确定 的设备，包含手持式定向天线，其位于用户位置；手持式数字罗盘，其生成对应于定向天线所指的每个方向的罗盘 航向；以及手持式电路，其耦合到定向天线，以确定来自远程对象的被定向 天线接收到的信号的场强，并且，当定向天线扫描观察场时通过利用 罗盘航向来存储场强数据并根据预定的协议来取多个罗盘航向上的场 强数据的平均值，来确定该远程对象相对于用户位置的可能方向。
22. —种用于提供对对象和用户之间的方向的确定的方法，包含 从第三天线发送位置信号，该第三天线位于与用户和对象中任一关联的第二位置；在具有第一增益图的第一天线处接收该位置信号； 在具有与第一天线的第一增益图不同的第二增益图的第二天线处接收该位置信号，该第一和第二天线位于与用户和对象中另一关联的第一位置或其附近；确定所接收的位置信号的场强；以及通过将在第一天线和第二天线处接收到的位置信号进行比较，确定用户和对象之间的可能相对方向。
23. 权利要求22所述的方法，其中从第三天线发送位置信号包含 发送全向信号。
24. 权利要求22所述的方法，其中从第三天线发送位置信号包含 根据预定的增益图发送定向信号。
25. 权利要求22所述的方法，其中在第一天线处接收该位置信号 包含根据定向增益图接收该位置信号，并且其中在第二天线处接收该 位置信号包含根据全向增益图接收该位置信号。
26. 权利要求22所述的方法，其中在第一天线处接收该位置信号 包含根据第一定向增益图接收该位置信号，并且其中在第二天线处接 收该位置信号包含根据不同的第二定向增益图接收该位置信号。
27. 权利要求22所述的方法，其中确定用户和对象之间的可能相 对方向包含生成被第一天线接收到的信号强度除以被第二天线接收到 的信号强度得到的信号强度比。
28. 权利要求22所述的方法，其中第三天线与用户关联，并且第一和第二天线与对象关联，并且该方法进一步包含从对象向用户发送所接收信号强度指示器(RSSI)数据和/或定向信息。
29. 权利要求22所述的方法，其中确定用户和对象之间的可能相 对方向包含，当相较于用户和对象之间的其他方向，被第一天线接收 到的信号强度处于其相对最大值时，确定用户和对象之间的可能相对 方向。
30. 权利要求22所述的方法，其中确定用户和对象之间的可能相 对方向包含，确定作为第一和第二天线方位方向函数的、被第一和第 二天线从第三天线接收到的场强之比。
31. 权利要求22所述的方法，其中确定用户和对象之间的可能相 对方向包含，通过确定作为第一和第二天线方位方向函数的、被第一 和第二天线从第三天线接收到的场强之差，来确定该可能相对方向。
32. 权利要求22所述的方法，其中第一和第二天线被包含在第一 测向装置内，并且该方法进一步包含使第二测向装置与第 一测向装置 通信，以使第二测向装置确定第一测向装置的相对可能方向。
33. 权利要求32所述的方法，进一步包含在第一测向装置中指示 第二测向装置处在确定第一测向装置的相对可能位置的过程中。
34. 权利要求32所述的方法，进一步包含阻碍第二测向装置成功 确定第一测向装置的相对可能位置。
35. 权利要求22所述的方法，其中确定用户和对象之间的可能相 对方向包含，当第一天线的方向在角度上改变时确定所接收场强的衰 减率，以区分直接接收到的信号和间接接收到的或反射信号。
36. 权利要求22所述的方法，进一步包含生成相应于方向的地理 航向。
37. 权利要求36所述的方法，其中生成相应于方向的地理航向包 含，取预定范围的相邻航向上的信号强度的平均值，并将平均值分派 到每个相应航向。
38. 权利要求36所述的方法，其中生成相应于方向的地理航向包 含，仅在预定的航向扫描被获得之后，才确定相对可能方向。
39. 权利要求22所述的方法，进一步包含确定扫描的最有利角度 方向，以使第一天线朝可能相对方向定向。
40. 权利要求22所述的方法，其中确定用户和对象之间的可能相 对方向包含，将当第一和第二天线指向所述对象时在第一和第二天线 处接收到的信号与当第一和第二天线指向离开所述对象的方向时在第 一和第二天线处接收到的信号进行比较。
41. 一种用于提供对到全向地发送位置信号的远程对象的方向的 确定的方法，包含用位于用户位置的手持式定向天线接收位置信号； 生成相应于定向天线所指的每个方向的罗盘航向； 确定来自远程对象的被定向天线接收到的位置信号的场强；以及 当定向天线扫描观察场时，通过利用罗盘航向来存储场强数据并根据预定的协议来取多个罗盘航向上的场强数据的平均值，来确定远程对象相对于用户位置的可能方向。
全文摘要
本发明提供了对到全向地发送信号的远程对象的方向的确定。本发明包括在用户位置处的手持式定向天线和全向天线，以及耦合到所述天线的手持式电路，以确定这两个天线从远程对象接收到的信号的场强。对在扫描观察场期间在所述天线处接收到的信号进行比较，从数据扫描中选出该远程对象相对于用户位置的可能方向。该设备可以进一步包括数字罗盘，该数字罗盘生成相应于定向天线所指的每个方向的罗盘航向。该电路利用罗盘航向来存储场强数据，并根据预定的协议取多个罗盘航向上的场强数据的平均值。
文档编号H04B17/00GK101652942SQ200880008471
公开日2010年2月17日 申请日期2008年3月12日 优先权日2007年3月15日
发明者B·H·肯纳德, J·L·贝恩特森, P·E·弗朗茨 申请人:罗盘自动跟踪器有限责任公司