专利名称：自测无线电位置方法
技术领域：
本发明涉及确定多个无线电发送器单元相对于主单元的几何位置的方法。所述方法涉及确定这些单元的相对位置，当然也可选择添加地理位置(或网格)数据来确定绝对位置。本发明还涉及利用这种方法的系统。
背景技术：
诸如GPS等无线电定位系统已为人熟知，其操作方式是将系统划分成要确定其位置的“移动装置”和“固定”在已知位置的组件。对于跟踪系统，通过测量在固定单元接收的信号到达时间来确定移动单元的位置。对于导航系统(如GPS)，发送单元和接收单元作了互换，但位置确定原理仍然相同。存在许多GPS不可行的的应用，特别是在室内或多径环境中，并且存在其中短距离无线电定位系统可能适用的许多这样的环境。
一个可能的应用是跟踪赛场上的运动员。这可能是为了创建说明运动员位置的动画显示，或者它可能与训练活动相关，其中的目的是获得与适当性相关的生物医学数据。在这种情况下，位置数据与医学传感器数据结合起来提供当前根据现有技术无法获得的额外信息。除跟踪运动场上的运动员外，类似的无线电定位系统可用于监视赛马或跑道上赛车的位置。
此类无线电定位系统的另一个可能应用可能在库存控制领域。位置数据可与基于惯性传感器的警报监视功能结合。可能的应用包括监视仓库中诸如汽车等高价值物品和监视轮船与集装箱中转站中的集装箱。另一稍微不同的应用与监视超市中的购物手推车相关联。此应用中的功能包括超市外的手推车收回以及在超市内帮助购物。
另一可能的应用是用于个人定位器。无线电定位系统可有利地用于跟踪建筑物中的人员。在高安全环境或在人员在从事危险活动的环境中，可能需要此类系统。监视建筑物中消防员的位置是此类应用的一个示例。
发明概述根据本发明的一个方面，一种确定多个无线电发送器单元相对于主单元的位置的方法包括以下步骤从所述主单元提供控制信号，以命令每个所述无线电发送器单元发送测试信号并由剩余单元接收；在所述接收无线电发送器单元测量所述测试信号的到达时间；以及只基于所述测量的到达时间，计算每个无线电发送器单元相对于所述主单元的位置和每个单元的近似位置。
所述控制信号最好命令每个所述无线电发送器单元依次发送测试信号并由剩余单元接收这些信号。最好还提供定时参考信号。所述主单元最好还提供定时参考信号。这可从所述主单元直接发送到所有所述其它单元，或者可按顺序从主单元发送到第一单元，然后从所述第一单元发送到第二单元，并以此类推。
所述方法利用近似起始点和到达时间数据来计算所述单元的位置。所述方法对跟踪系统而言特别有用，由此每个单元的先前位置可用作每次计算新位置时的近似位置。
本发明可以有效地实施为一种方法，在所述方法中，可只基于来自最初不同步的无线电发送器单元的到达时间数据来确定单元的几何位置。优选的技术是让每个单元按顺序发送，并由剩余单元接收信号。由数据集可确定单元的相对位置。
所考虑的系统由分布在二维空间中的发送应答单元组成。问题是通过只使用单元间无线电通信来确定所有单元相对于彼此的位置。由于所述方法要求最好按时间顺序有序地控制每个单元的传输，因此需要使用控制信道。一个单元被定义为主单元，从中发送控制消息。其它“标准”单元监听控制信道，以便发送或接收命令。主单元最好还提供定时参考信号，该信号可用于定义用于传输的适当时隙。
在一个实施例中，主单元不发送或接收测试信号，而只发送控制信号和定时参考信号。这种情况下，最好有最少7个额外的“标准”单元。
在另一实施例中，除发送控制信号和定时参考信号外，主单元还发送和接收测试信号，这种情况下，需要最少5个“标准”单元。
可确定剩余单元相对于主单元的位置，不失一般性，对于相对定位系统，主单元被定义为在原点。同样不失一般性，对于相对定位系统，第二单元的位置被定义为在x轴上。在地球上的绝对位置，例如澳大利亚地图网格(AMG)可在AMG上定义了两个点时根据相对位置确定。这些位置采用标准技术测量。
计算单元位置的步骤最好包括使用从单元近似位置开始的最小二乘方拟合技术。迭代过程将初始位置估计用作最小二乘方拟合方法的输入，每次迭代会更逼进真正的位置。存在多种获得初始位置估计的方法。例如，如果跟踪赛场上的马或汽车，则最初可使用赛场的起始点，并且最后计算得出的位置可用于每次随后的计算。备选方式是，本发明者已发现，通过知道每个单元的近似发送/接收无线电设备延迟参数，可计算得出近似起始点。
确定单元位置的基本方法是一种最小二乘方拟合技术，在原理上类似于用于确定固定单元位置已知的典型系统中移动单元位置的技术。该技术使用基于线性化测距方程的迭代过程。此技术需要近似的起始位置，以便正确的收敛。此初始位置可通过使用需要知道无线电单元的发送/接收延迟参数的近似法而获得。可以为设备确定精度达(大约)几十纳秒的这些延迟参数。利用伪距数据和延迟参数，单元之间的距离可以根据两个单元之间的距离来估计。当已假定设备延迟已知，通过减去设备延迟并除以2，可计算得出传播延迟(并因此得到以米表示的距离)。此初始估计的精度取决于单元之间延迟参数的可变性。根据这些距离估计，可使用三角测量技术计算出单元的位置。这些近似位置随后可用作更精确最小二乘方位置拟合技术的“种子”。此位置定位方法无需为位置确定而输入单元延迟参数，并因此会比三角测量更精确。
附图简述下面将参照附
图1描述本发明的优选实施例，该图显示了具有4个标准单元和一个主单元的几何条件。
详细说明系统的几何结构如图1所示。主单元(定时参考发送器)位于原点，并且单元1被(任意地)限定为沿x轴的位置。y轴因而垂直于所限定的该x轴。所有其它单元任意地位于xy平面中，但天线位于高于平面的已知高度。地球的网格座标一般会相对于基于单元位置的任意定义座标系统旋转。
初始位置计算初始位置确定基于估计单元之间的距离来确定。在下述情况下，假定两个单元(主单元和单元1)在相对于地球的已知固定位置上，并且需要确定其它单元相对于这些固定单元以及的位置，并因此需要确定相对于地球的位置。
考虑主单元和两个其它单元(假定单元1和2)的几何结构。标准单元用主单元定时参考信号来同步其本地时钟。如果主单元时钟相位为φ0，则其它单元中的相位时钟φ1、φ2如下给出φ1=φ0+Δmstx+R1+Δ1rx---(1)]]>φ2=φ0+Δmstx+R2+Δ2rx]]>其中，Δtx和Δrx是单元1、2和主(ms)单元的发送和接收延迟。
与单元1发送和单元2接收相关联的伪距由下式样给出P12=φ1+Δ1tx+R12+Δ2rx-φ2=R12+(R1-R2)+Δ1---(2)]]>Δ1=Δ1tx+Δ1rx]]>类似地，与单元2发送和单元1接收相关联的伪距由下式样给出P12=φ2+Δ2tx+R12+Δ2rx-φ1=R12-(R1-R2)+Δ2---(3)]]>Δ2=Δ2tx+Δ2rx]]>因此，通过组合方程(2)和(3)，单元1与单元2之间的距离由下式样给出R12=[P12+P212]-[Δ1+Δ22]≈[P12+P212]-Δbs---(4)]]>其中，Δbs是单元(基站)的接收和发送延迟的平均和。
因此，根据两次伪距测量结果及延迟参数知识，可估计单元间的距离。通常假定所有单元相同，因此，只需要一个参数Δbs。然而，如果延迟参数均不同但具有已知值，则本方法可容易地加以扩展。
类似的分析可用于确定主单元到标准单元的距离。结果(对于单元1)如下R1=[P012]-[Δ1+Δms2]≈[P012]-[Δbs+Δms2]---(5)]]>其中，Δms是主单元的发送和接收延迟之和。
因此，可以根据主单元处的标准单元传输伪距测量及单元延迟参数知识估计单元间距离。
在确定对距离的估计后，单元的相对位置可通过三角测量法来确定。计算的开始点是主单元和单元1(假定是位置已知的固定单元)的已知位置。已估计了与主单元和单元1的距离(参阅上述内容)，因此单元2的位置可通过两个圆的交叉来确定。一般会有两个解，一个在x轴上，一个在x轴下(或镜像)。此模糊性无法从测量得到的数据解决，因此，需要操作员输入以选择正确的解。
以下方程组给出了具有半径r1和r2、圆心在(x1，y1)和(x2，y2)的两个圆相交的通解d12=x12+y12-r12]]>d22=x22+y22+r22]]>p=y1-y2x2-x1]]>q=d1-d22(x2-x1)]]>u＝1+p2v＝2(pq-px1-y1) w＝q2-2qx1+d1(6)X1＝py1+q X1＝py2+qY1=-v+v2-4uw2u]]>Y2=v+v2-4uw2u]]>上述过程可对剩余单元重复。然而，通过计算从单元1到单元2的两个可能位置的距离，可解决模糊性。在计算距离与测量距离之间具最小误差的位置是正确的位置。
上述过程就这样基于主单元和单元的已知位置以及单元延迟参数来确定单元的位置。如下所述，这些位置用作求最小二乘方解的“种子”。
最小二乘方拟合位置计算使用最小二乘方法，可只从伪距确定单元的精确位置。假定主单元和单元1的位置已知。为实现相对位置确定，主单元假定为在原点，并且单元1在x轴上。然而，在不具有主单元和单元1的任何先验位置数据的情况下，所述方法可容易地加以扩展，但只可以确定相对位置。
位置确定方法使用在标准单元和主单元测量的伪距数据。一次由一个单元发送，因此，每次传输的测量总数为(N-1)，其中N是单元数(未包括主单元)。所有传输的测量总数为N(N-1)。注意，在此情况下，主单元也发送，但这用作“标准”单元的定时参考。这些数据用于计算N个单元相对于原点处主单元的位置。此外，在单元1假定为在x轴上的已知位置时，未知(x，y)位置数据数为2N-1。另外，在只测量了伪距数据时，每个单元的“相位”参数必须也在位置确定计算中确定。因此，未知项总数为3N-1。设备延迟参数也未知，但如以下分析中所示，这些未知项可从方程中消除。下面给出了求解未知项所需单元数量的确定。
分析方法假设具有N个单元的情况。一个单元发送一次(索引t＝1...N)，并且剩余单元(r＝1...N，(r≠t))接收发送的信号。接收器测量单元发送信号与主单元发送的定时参考信号之间的时间差。接收路径包括从发送天线到传播天线的传播路径加上从接收天线到接收器输出的额外传播延迟。此外，发送器相位假定为要通过数据处理确定的未知项。为方便起见，所有延迟假定为转换成基于传播速度的等效距离。因此，接收测量结果由下式给出Mt,r=φt+Δttx+Rt,r+Δrrx-φr---(7)]]>其中，Δ项是从天线到基带时钟的发送器或接收器延迟，并且φ项是发送和接收单元中的本地时钟相位。这些时钟是根据主单元发送的定时参考信号设置的(参见方程1)。将这些时钟表达式应用到方程7后，结果表达式为Mt，r＝Rt，r+(Rt-Rr)+Δt＝Rt，r-Rr+Φt(8)Φi＝Δi+Ri因此，可依据两个距离和只与发送单元相关联的相位参数来表示测量结果Mt，r。注意，设备延迟参数未在方程中出现，因此，该方程与典型位置确定的伪距方程密切相关。
对于从标准单元到主单元的传输，可进行类似的分析。结果方程为Mf，ms＝2Rt+Δt+Δms＝Rt+Φt+Δms(9)对于N个标准单元，进行了总共N(N-1)次单元间测量和N次标准单元到主单元的测量(总共N2次测量)。未知项数量为(N-1)个标准单元(x，y)位置、单元1的y坐标轴、N个相位φ及主单元参数Δms(总共3N个未知项)。定义单元的未知位置(x，y)，并让参考(主)单元在原点后，可给出测量预测模型Pt,r=Rt,r-Rr+Φt]]>=(xt-xr)2+(yt-yr)2+(zt-zr)2-xr2+yr2+(zt-zms)2+Φt---(10)]]>地形假定是平坦的，这样，高度(z)只是高于地面的天线高度。这些天线高度假定为是独立测量的，因此不由此位置确定过程确定。类似地，对于在主单元接收的传输，预测方程为Pt,ms=Rt,ms+Φt+Δms=xr2+yr2+(zt-zms)2+Φt+Δms---(11)]]>现在的问题是确定测量方程M与预测方程P之间的最小二乘方拟合，从而求解未知项。此任务由于预测方程非线性而变得复杂。这种情况下的标准技术是使用泰勒级数渐近法将方程线性化。因此，如上所述使用位置的初始近似估计(最初可假定相位均为零)，预测方程(10)可表示为Pt,r≈Pt,r0+∂P∂xtΔxt+∂P∂xrΔxr+∂P∂yt+∂P∂yrΔyr+∂P∂φtΔΦt]]>=Pt,r0+xt-xrRt,r0Δxt-[xt-xrRt,r0+xrRt,r0]Δxr+yt-yrRt,r0Δyt-[yt-yrRt,r0+yrRt,r0]Δyr+ΔΦt---(12)]]>类似地，主单元的线性化预测方程为Pt,ms≈Pt,ms0+∂P∂xtΔxt+∂P∂ytΔyt+∂P∂φtΔΦt---(13)]]>=Pt,r0+xtRt,ms0Δxt+ytRt,ms0Δyt+ΔΦt+ΔΦms]]>
上述预测和测量的线性化方程可以矩阵形式由下式样给出 [ΔX]矩阵表示3N个未知项(状态向量)，其中，(x0，y0)在原点(主单元)，并且(x1，y1)是假定为在x轴上的单元1的位置(因此，x1是主单元与单元1之间的距离)。然而，这些线性方程并不独立，因此，可得到供替代的一组独立方程。考虑与单元间距离Pt，r和Rr，t(它们当然属于同一距离)相关联的伪距测量结果相组合。从而组合的伪距方程变为Mt，f+Mr，t＝μt，r＝2Rt，r+Δt+Δr(15)通过比较方程15与方程8，可观察到仅单元间距离和两个单元延迟出现在组合方程中，因此，这些方程是独立的。还要注意，方程15在结构上类似于方程9，具有(2×)距离参数和两个延迟参数。方程15可以如上所述的类似方式线性化，从而得到以下方程Pt,r≈Pt,r0+∂P∂xtΔxt+∂P∂xrΔxr+∂P∂ytΔyt+∂P∂yrΔyr+∂P∂φtΔΦt+∂P∂φtΔΦr]]>=Pt,r0+2(xt-xr)Rt,r0Δxt-2(xt-xr)Rt,r0Δxr+2(yt-yr)Rt,r0Δyt-2(yt-yr)Rt,r0Δyr+ΔΦt+ΔΦr---(16)]]>替代线性化方程也可以矩阵形式表示，即表示为 因此，在两种情况下，未知项(增量)可从一组线性方程中确定。在两种情况下，方程的数量均大于未知项数量，因此，需要最小二乘方解来获得最佳估计。假定测量误差在统计上独立，则由方程(14)表示的线性方程的标准最小二乘方解为ΔX0＝[ATA]-1AT[M-P0] (18)类似的表达式适用于方程(17)。然而，测量方程的数量从N(N+1)减少到N(N+1)/2。
上述最小二乘方估计基于所有测量均具有等同精度的假设。然而，在实际情况中，测量会因接收噪声和与多径传播相关的系统差错而被破坏。在此类环境下，测量应适当加权，因此，最小二乘方方程变为ΔX0＝[ATWA]-1[ATWIM-P0] (19)确定加权矩阵W的经典方法是假定独立的随机误差，这样，加权矩阵具有与测量噪声方差成反比的对角分量，并且所有其它元素为零。然而，正常的工作环境将主要受多径误差而非随机噪声影响，因此，加权矩阵元素应与多径测量误差相关(大部分误差与小加权相关联)。多径测量误差不是先验已知的，但误差的估计是测量得到的数据与预测数据之间的差，即 现在如下确定加权矩阵。最初，加权矩阵的所有元素设为一，并且从方程(19)估计出最初的测量误差。因此，加权误差矩阵为δM0＝WΔM0(21)将加权测量的对角元素的标准定义为σm。如果测量误差在ασm(其中，α是常数，例如为3)之内，则使加权元素保持不变；否则，测量误差会太大，因此，使元素“m”的加权按某个指数因子降低，即Wm,m⇒Wm,mexp[-(δMmασm)2]---(22)]]>继续以上加权矩阵的调整过程，直到加权误差在α标准偏差之内为止。上述过程的结果是依据测量精度对测量结果进行了加权，因此，少数几次“差的”测量不会对计算的位置有大影响。
状态向量的一阶估计可由初始估计更新X1＝X0+ΔX0(23)随后重复上述过程，直至解收敛到所需精度为止。实际上，只需大约3-5次迭代解便可收敛到好于1毫米的精度。然而，测量误差(随机误差和多径误差)意味着收敛的解包括系统(常量)和随机分量。随机分量可通过对多个测量的状态向量的多个估计求平均而得以最小化，但主要由多径引起的系统误差将继续存在。因此，多径信号(主要来自地面反射)的影响是位置确定精度中的主要限制。
基于独立确定的主单元和单元1位置，可以容易地将单元的相对位置(如上述过程确定)转换到网格。如果以东向值和北向值表示的)这些网格坐标(为(E0，N0)和(E1，N1)，则剩余单元(n)的网格坐标由下式样给出En，Nn＝E0+ΔEn，N0+ΔNnΔEn＝Xxcosθ-Ynsinθ(24)ΔNn＝Xnsinθ+Yncosθθ＝tan-1[(N1-N0)/(E1-E0)]使用方程24，单元位置可在网格上确定。因此，用于跟踪的(x，y)坐标系将转换为网格(E，N)坐标，这样，单元位置在网格坐标中。此坐标系统意味着单元位置可重叠到图上(基于网格)。
所需单元数量如果未知项(单元位置和相位)数量少于独立方程的数量，则上述分析提供了一种解决方案。问题继续存在-获得解需要多少个单元。本部分分析解的各种配置的单元数量需求。
所有估计的开始点是确定独立方程的数量。以上已表明，单元间距离可由下式给出Rt,r=12[μt,r-Δt-Δr]---(25)]]>其中，“t”是发送器单元数量，“r”是接收器单元数量。由于单元间距离对每个这样的方程而言是唯一的，因此，这些方程明显是独立的。如果发送器和接收器互换而系统对称时，此类方程的数量为N(N-1)/2(N是“标准”单元的数量)。
除在计算中只使用标准单元外，同样可以选择使用主单元。这种情况下，将有额外的N个方程，或总方程数为N(N+1)/2。
通过定义未知项数量和并将此数量与方程的数量相关，可确定用于不同配置的单元数量。冗余(r)定义为独立方程数量与未知项数量之间的超出额。
1.仅标准单元。这种情况下，只有N个标准单元用于发送和接收不具有绝对位置数据(仅相对位置)的测试信号。主单元假定为在原点，并且单元1在x轴上。除单元1只具有(x，Δ)外，每个单元具有三个未知项(x，y，Δ)。因此，未知项数量为3N-1，并且与未知项和变量相关的方程为N(N-1)2≥3N-1orN2-7N+2≥0---(26)]]>N≥7 r＝2其中，“r”是冗余方程的数量。
2，仅标准单元(具有网格数据)。这种情况下，只有标准单元用于发送和接收具有主单元和单元1的网格数据的测试信号，因此提供绝对位置。主单元假定为在原点，并且单元1在x轴上的已知位置。除单元1只具有Δ外，每个单元具有三个未知项(x，y，Δ)。因此，未知项数量为3N-2，并且与未知项和变量相关的方程为
N(N-1)2≥3N-2orN2-7N+4≥0---(27)]]>N≥7 r＝43.仅标准/主单元。这种情况下，标准单元和主单元用于发送和接收不具有网格数据(仅相对位置)的测试信号。主单元假定为在原点，并且单元1在x轴上。除单元1只具有(x，Δ)，主单元只具有Δ外，每个单元具有三个未知项(x，y，Δ)。因此，未知项数量为3N，并且与未知项和变量相关的方程为N(N+1)2≥3NorN2-5N≥0---(28)]]>N≥5 r＝04.基本/主单元(具网格数据)。这种情况下，标准单元和主单元用于发送和接收具有主单元和单元1的网格数据的测试信号，从而提供绝对位置。主单元假定为在原点，并且单元1在x轴上的已知位置。除单元1只具有Δ外，每个单元具有三个未知项(x，y，Δ)。因此，未知项数量为3N-1，并且与未知项和变量相关的方程为N(N+1)2≥3N-1orN2-5N+2≥0---(29)]]>N≥5 r＝2结果概括在下表中。要注意的是，使用主单元(具有或不具有网格数据)使所需单元数量减少了两个，而不是预计的减少一个单元。添加网格数据并不会减少对单元数量的需求，但确实提供了绝对位置和增加的冗余。
下表概括了不同配置的性能。
在本发明的如下权利要求和以上说明中，除由于表达语言或必需含义原因，上下文要求之处外，在包括的意义上使用用语“包括”或诸如“包含”等变体，即指存在所述特征但不排除在本发明的不同实施例中存在或添加其它特征。
要理解的是，本文对先有技术出版物的引用并不表示承认该出物构成在澳大利亚或任一其它国家中技术领域中的一般常识的一部分。
权利要求
1.一种确定多个无线电发送器单元相对于主单元的位置的方法，包括以下步骤从所述主单元提供控制信号，以命令每个所述无线电发送器单元发送测试信号并由剩余单元接收；在所述接收无线电发送器单元测量所述测试信号的到达时间；以及只基于所述测量的到达时间，计算每个无线电发送器单元相对于所述主单元的位置和每个单元的近似初始位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制信号命令每个所述无线电发送器单元依次发送测试信号。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还提供定时参考信号。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述主单元还提供所述定时参考信号。
5.如以上任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述主单元不发送或接收测试信息。
6.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述主单元也发送或接收测试信息。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，利用了至少七个单元之间的测量。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，利用了至少五个单元之间的测量。
9.如以上任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括根据任意两个其它单元的网格位置确定每个单元的网格位置的步骤。
10.如以上任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述计算每个无线电发送器单元位置的步骤包括以每个单元的近似位置开始，使用最小二乘方拟合技术。
11.如以上任一权利要求所述的方法，其特征在于，每个单元的所述近似开始位置是利用每个单元的近似发送/接收延迟参数来计算的。
12.一种用于位置监视的系统，它包括主单元；以及多个无线电发送器单元；其中，所述主单元包括提供控制信号的部件，所述控制信号命令每个所述无线电发送器单元发送测试信号并由剩余单元接收；所述系统还包括用于在所述接收无线电发送器单元测量所述测试信号的到达时间的部件；以及用于只基于所述测量的到达时间，计算每个无线电发送器单元相对于所述主单元的位置和每个单元的近似起始位置的部件。
全文摘要
本发明公开了一种确定多个无线电发送器单元相对于主单元的几何位置的方法，其中，从主单元提供控制信号，以命令每个无线电发送器单元发送测试信号并由剩余单元接收。在接收无线电发送器单元处测量测试信号的到达时间，并且只基于所述测量的到达时间，计算每个无线电发送器单元相对于所述主单元的位置和每个单元的近似初始位置。
文档编号G01S5/10GK1826538SQ200480021042
公开日2006年8月30日 申请日期2004年5月26日 优先权日2003年5月26日
发明者I·夏普 申请人:联邦科学及工业研究组织