定位方法和设备

摘要

在使用DSSS信号的GPS或GSM系统中，通过基于多个测试和环境条件来选择前沿或相关技术而实现准确和稳健的飞行时间信号处理。

权利要求

1.用于无线电系统的定位方法，该方法包括：

在该系统的一个单元接收信号；

对该接收的信号应用至少一个测试以选择对于该信号的处理操作，该操作是以下之一：相关处理操作，前沿处理操作；其中应用至少一个测试的步骤包括确定该接收的信号的信噪比SNR值是否高于一个阈值；以及然后执行所选择的操作。

2.如权利要求1所述的方法，其中如果该接收信号的SNR值低于该阈值，则选择该相关处理操作。

3.如权利要求1所述的方法，包括：如果所接收信号的SNR值高于该阈值，测试该信号的前沿梯度是否高于梯度阈值。

4.如权利要求3所述的方法，其中如果该信号的前沿梯度低于该梯度阈值，则选择该前沿处理操作。

5.如权利要求3所述的方法，其中如果该信号的前沿梯度高于该梯度阈值，则选择相关处理操作。

6.如权利要求1到5中任何一个权利要求所述的方法，包括以预定间隔重复该测试应用和操作步骤。

7.如权利要求1到5中任何一个权利要求所述的方法，包括在测试应用步骤之前相干重叠所接收的脉冲。

8.如权利要求1到5中任何一个权利要求所述的方法，包括在测试应用之前利用冲击函数对脉冲进行卷积。

9.如权利要求1到5中任何一个权利要求所述的方法，包括：如果该SNR值低于该阈值，则在下一个或后续的测试应用之前延长该信号的接收时间周期。

10.如权利要求3到5中任何一个权利要求所述的方法，包括：在测试该信号的前沿梯度是否高于该梯度阈值之前，减少下一个发射周期。

11.如权利要求3到5中任何一个权利要求所述的方法，包括对于节能模式的操作，减少该前沿测试的时间周期。

12.如权利要求1到2中任何一个权利要求所述的方法，包括在进行选择之后执行前沿处理操作，在测试应用测试和这个前沿处理操作步骤之间没有中间测试或处理。

13.如权利要求3到5中任何一个权利要求所述的方法，包括使用下式测量该梯度：其中V＝该信号波形的电压，C＝电容，i＝电流。

14.如权利要求1到5中任何一个权利要求所述的方法，其中该前沿处理操作包括差分该接收信号电压或峰值并且设置零交叉。

15.适于执行权利要求1到5中任何一个权利要求的方法的定位设备，该设备包括：用于在该系统的一个单元接收信号的装置；

用于对该接收的信号应用至少一个测试以选择对于该信号的处理操作的装置(20，21，

22)，该操作是以下之一：相关处理操作，前沿处理操作；

用于确定该接收信号的信噪比SNR值是否高于阈值的装置(26)；和用于执行所选择的操作的装置。

16.如权利要求15所述的设备，包括：用于如果该接收信号的SNR值低于该阈值时选择相关处理操作的装置(26)。

17.如权利要求16所述的设备，包括用于如果该接收信号的SNR值高于该阈值时，测试该信号的前沿梯度是否高于梯度阈值的装置(26)。

18.如权利要求17所述的设备，包括用于如果该信号的前沿梯度低于该梯度阈值时选择该前沿处理操作的装置(27)。

19.如权利要求17所述的设备，包括用于如果该信号的前沿梯度高于该梯度阈值时选择该相关处理操作的装置(27)。

20.如权利要求16-19中任何一个所述的设备，包括以预定间隔重复该测试应用和操作步骤的装置。

说明书

定位方法和设备

[0001] 本发明涉及一种定位方法和设备。

[0002] 到达时间(time-of-arrival)无线电定位系统，例如美国专利5764686号中所述的，使用了相关技术，但是这些位置处理系统不能很好地适用于具有高水平多路衰减的人口密集环境。

[0003] 本发明的目的是改进现有技术。

[0004] 根据本发明，提供一种用于无线电系统的定位方法，该方法包括： [0005] 在该系统的一个单元接收信号；

[0006] 对该接收的信号应用至少一个测试以选择对于该信号的处理操作，该操作是以下之一：相关处理操作，前沿(leading edge)处理操作；和

[0007] 然后执行所选择的操作。

[0008] 以这种方式，本发明的方法使用了能够在主要环境中得到最准确和稳健测量的处理操作。在将该方法用于容易遇到随时间变化显著的条件的移动设备时，这是尤其重要的。 [0009] 优选地，该方法包括一个测试，其包括确定该接收信号的信噪比SNR值是否高于一个阈值；如果该接收信号的SNR值低于该阈值，则选择相关处理操作。如果该接收信号的SNR值高于该阈值，那么测试该信号的前沿梯度是否高于一个梯度阈值；如果该信号的前沿梯度低于该梯度阈值，则选择该前沿处理操作。如果该信号的前沿梯度高于该梯度阈值，则选择相关处理操作。

[0010] 优选地，本发明包括以预定的间隔重复该测试应用和操作步骤。 [0011] 本方法的其他特征在权利要求中公开。

[0012] 根据本发明，还提供了一种可以直接加载到数字计算机的内存储器中的计算机程序产品，包括用于当所述产品在计算机上运行时执行本发明的方法的软件代码部分。 [0013] 根据本发明，还提供了一种可以直接加载到数字计算机的内存储器中的计算机程序，包括用于当所述程序在计算机上运行时执行本发明的方法的软件代码部分。 [0014] 根据本发明，还提供一种载体，其可以包括用于实施本发明的计算机程序的电子信号。

[0015] 根据本发明，还提供本发明的计算机程序产品或计算机程序或载体的电子分发。 [0016] 根据本发明，还提供用于无线电系统的定位设备，该设备包括： [0017] 用于在该系统的一个单元接收信号的装置；

[0018] 用于对该接收的信号应用至少一个测试以选择对于该信号的处理操作的装置，该操作是以下之一：相关处理操作，前沿处理操作；和

[0019] 用于执行所选择的操作的装置。

[0020] 本发明一般可以用于到达时间无线电系统，包括GPS或GSM系统，例如使用超宽频带(UWB)或直接序列扩频(DSSS)信号。

[0021] 为了使本发明更容易理解，现在仅通过示例的方式参照附图给出说明，其中： [0022] 图1是表示本发明提供的定位方法的流程图；和

[0023] 图2示出了本发明的一个实施例的电路配置。

[0024] 本发明包括在一个单元接收的测试信号，用于基于该接收信号的多个准则和方面来判定最适合该信号的处理操作是哪一个。

[0025] 因而，在任意给定的时间和环境组中，该判定会得到一个使用一种特定处理方法的决定。在稍后的时间，该信号的构成可以改变和/或本地环境可以改变，导致不同的决定，或者即使是相同的决定但是是因为不同的原因。

[0026] 图1中表示的该实施本发明的方法允许信号的飞行时间(time-of-flight)在例如GPS或GSM系统中的准确和稳健定位，例如使用超宽频带(UWB)或直接序列扩频(DSSS)信号。

[0027] 依赖于该信号在传播环境中遭受的噪声衰减和多路衰减的程度，使用基于前沿技术的测量或者基于相关技术的测量以得到最精确的结果。

[0028] 在具有高水平背景噪声的环境中，基于标准相关技术的测量可以 得到更准确的结果，而在具有高水平多路衰减的人口密集环境中，基于前沿技术的测量可以得到更准确的结果。

[0029] 图1所示的方法提供了在任意给定时刻用于一组特定环境的、对于最适当的信号处理技术的可靠和准确选择。

[0030] 现在参照图1对该方法进行说明。

[0031] 在步骤1，接收器B从发射器A接收周期性脉冲。为了获得充分信噪比(SNR)的脉冲用于偏转(inflection)计算，对该脉冲串的每个周期进行相干求和(步骤2)。 [0032] 对于具有周期T的脉冲串，相干求和得到构成N个脉冲串周期的脉冲串，从而得到N倍的原始信号长度，但是仅得到 倍的噪声，因为脉冲的相干求和会导致该噪声达到平均。

[0033] 用于前沿技术的改善该脉冲SNR的另一种方式是，利用宽度略大于最宽噪声干扰的冲击(bump)函数来获取该脉冲串中第一脉冲的卷积，该冲击函数例如是高斯函数。当该函数在噪声波动宽度上平均时，该噪声干扰实际上被滤除，其中根据以下等式： [0034]

[0035] 从而通过f(y)给出该脉冲，并且脉冲宽度p满足判别式：

[0036] p2σ＞＞1.

[0037] 步骤3执行测试以判定该接收的SNR值是否具有比用户定义的测距误差更差的、相应的最坏情况前沿技术测距误差(通过该设备存储器中的查找表找到)。该关于各种信噪比的最坏情况前沿测距误差在先前的实验测量期间获得，并且该数据被存储在查找存储器中。

[0038] 步骤3执行测试以确定最坏可能的实际测距误差。该测距误差是对于具有非常低梯度的接收脉冲计算的，该梯度是通过测量室内环境中的信号以确定表示对于固定信噪比不可忽略的最坏情况的脉冲梯度来控制的。对于SNR的各个预定值计算该测距误差以建立查找表。

[0039] 在正常操作中，实时使用该查找表以提供关于特定SNR的测距误差ε1，其中该测距误差ε1构成判定阈值K，首先通过在整个特定类型的环境中例如建筑物中获得大量的接收信号数据来确定。选择具有相同SNR的最低梯度信号的数据集合(下四分位)作为给定SNR的一组最坏 情况信号。然后利用前沿方法对于该组信号确定均值和标准差测距误差，K是该计算的标准差内的平均值。K依赖于SNR，因为更好的SNR会增加测距误差。所以对于各个SNR，根据实验信号测量来找到K的值。

[0040] 一旦该接收信号的SNR被测量，就在存储器中查找它相应的最坏情况前沿测距误差。该测距误差是阈值K。以前，任何定位测量的测距误差限制被设定为值e。相对于阈值K检验值e。如果K＜e，则到达步骤4，从而进行最坏情况前沿的误差在用户定义的误差e之内，所以进行前沿将给出最坏情况误差K。

[0041] 如果该SNR小于阈值K，则到达步骤11，其中该使用前沿技术的测距误差比ε1更差，指示应当选择相关技术使用。

[0042] 当K＞e时，到达步骤11。这意味着进行最坏情况前沿的误差高于用户定义误差e。该系统通过实施相关技术仅能得到更小的测距误差。因为该系统具有在e内的测距误差，所以必须实施步骤11即相关技术。

[0043] 步骤11包括另一判定点。再次执行测试以确定对于具有相关时间T的相关技术，该SNR是否太低，以致于不能提供在用户定义误差值之内的测距误差值，该用户定义误差值是根据查找表找到的，该查找表包含根据用于各个SNR的信号和各个相关时间的相关技术得到的平均测距误差。该阈值测距误差是从关于各种时间和SNR的相关技术测距误差的另一个查找表中找到的。再次利用字段SNR、相关测距误差来构建基于已有数据的查找表。通过对固定SNR的信号和相关时间执行相关技术来找到该均值测距误差。通过该相关技术确定所接收信号的范围(range)。并且也在发射器和接收器之间测量准确范围。该相关估计范围和准确范围之间的差是关于特定SNR和相关时间的测距误差的值。对于放置在该环境中不同位置的发射器和接收器多次执行这些测量。所使用的测距误差值是对于固定SNR和相关时间T获得的那些值的均值，并且从而被用于对给定的SNR和相关时间T的特定值提取测距误差ε2。

[0044] 从该查找表中找到关于给定时间和SNR的相关测距误差作为阈值C。如果用户定义测距误差e大于C，那么用于该发射信号的该相关时间应该足以获得在用户定义边界之内的范围测量。所以在步骤12执行 相关技术。

[0045] 如果该阈值误差C(从查找表中找到的)大于该用户定义测距误差e，那么该相关技术也许会给出在用户定义边界之外的位置测量。因而，要提高位置测量的准确性就是要增加该相关时间，因为它增加了用于寻找该飞行时间以及随后寻找定位的相关函数的SNR。这在步骤13中执行。

[0046] 如果测距误差ε2大于测距误差ε1，从查找表中找到对于给定SNR能够获得至少为ε1的误差的新的相关时间T。

[0047] 如果能够到达步骤4，意味着对于该接收信号的SNR的最坏情况前沿测距误差(从查找表中找到)小于用户定义或系统定义测距误差e，那么仅当在系统中选择节能(power-saving)模式时执行步骤5。

[0048] 步骤5是步骤2的节能模式。使用关于该接收信号的测量SNR的存储值，到查找表中寻找能够获得最大测距误差e的发射时间(transmit time)。对于下一个发射信号，将发射时间减少为在查找表中找到的该发射时间。

[0049] 因为范围精度被减少以节能，所以高SNR值是不必要的。通过发射更短时间的信号，该高相干重叠信号具有减少范围精度或增加范围误差的更低的SNR。然而，发射更短时间的信号可以节约信号功率。

[0050] 当不选择节能模式时，从步骤4直接到达步骤6。

[0051] 在步骤6，进行辅助(back-up)测试以确定是否应当使用前沿技术或相关技术。 [0052] 该前沿的梯度g和信噪比SNR和前沿测距误差一起存储。而且，该信号的SNR及其发射时间T与该均值相关方法测距误差一起存储。在步骤7，如果对于该信号的给定SNR和T得到的测距误差j小于对于给定梯度g和信号的SNR从前沿方法得到的测距误差，则选择相关方法。

[0053] 在步骤8，如果从查找表中确定关于前沿参数(即SNR和梯度g)的测距误差小于来自相关技术参数(即SNR和发射时间)的测距误差，则选择前沿方法。

[0054] 在步骤6，为了确定前沿的梯度，使用脉冲串中的单个脉冲，例如第一个，并且确定该前沿的拐点位置。因为数字波形不一定具有足够的采样点以确定该拐点位置，所以优选地使用模拟信号，使用下式确 定该梯度：

[0055]

[0056] 其中V是该信号波形的电压，C是电容，i是电流。

[0057] 测距误差是该接收信号的测量范围或飞行时间和该信号传播的准确已知范围(其出现在在实验相位中找到的查找表数据中)之间的差。如果SNR足够高以具有小于与该脉冲梯度无关的用户定义误差e的测距误差，或者如果该SNR大于预定阈值X，则可以应用前沿技术。这通过直接从步骤4移动到步骤10的流程图表示。由于前沿技术与环境的无关性而使得这是可能的。

[0058] 根据建筑物中的实验测量，可以发现SNR值非常高，以致于例如所有前沿测量的95％都具有小于该系统定义误差e的测距误差。

[0059] 如果SNR非常高，那么在该信号中几乎没有噪声。并且还有影响前沿技术远小于相关技术的多路效应。当SNR增加时，该多路效应和测距误差减少。如果SNR足够高，则对于任何多路环境，该测距误差都小于用户定义误差e。

[0060] 本发明可以以所需处理量的形式提供超越现有技术的显著优点。如果达到本发明中的环境阈值，那么可以立即使用相关技术，而不需要进行该前沿技术所需的额外处理。 [0061] 类似地，在一些环境中，可以作出使用前沿技术的中间决定，避免了与寻找相关峰值有关的处理。

[0062] 有一种情况，其中由于传播环境的不确定性，导致用于使用前沿技术或相关技术的阈值组被证明不够稳健，从而有必要使用辅助决定。在仅使用相关技术的情况中，该系统的积分时间可以增加。在仅使用前沿技术的情况中，对于该前沿的梯度的进一步测试允许作出关于前沿技术或相关技术是否能够提供更准确测量的决定。

[0063] 图2示出了结合参照图1所述的方法的本发明的软件实施方式。 [0064] 其中示出了CPU 20，其对于输入信号执行多个软件程序，以便确定是否由前沿单元21或相关单元22处理在CPU 20接收的信号。

[0065] CPU 20具有通过计算信号连续采样点之间的梯度而对低S/N进行测试的软件。这是通过参考该信号的采样率而实现的，该信号采样率由采样器23设定到dt的采样空间。每个采样点的能量值被存储到存 储器24中，即在采样点t1，将信号e1存储到存储器中，在采样点t2 存储信号e2等等。

[0066] 一旦所有合适的值都被存储在存储器中时，通过下式计算连续梯度： [0067] E＝{Grad1＝(e2-e)/dt，Grad2＝(e3-e2)/dt.....，Gradn＝en+1-en)/dt}. [0068] 如果该连续梯度的方差较大，那么该S/N水平就较低，因为有噪声的信号不具有平滑边缘，即该边缘会被干扰，所以连续梯度的值显著不同，即方差很大。 [0069] 为了计算集合E中的梯度值的方差，执行下式25：

[0070] 方差＝1/N sum_n(Gradn)^2-(1/N sun_n Gradn)^2，

[0071] 其中N是采样点总数，sum_n是所有采样点的求和。

[0072] 通过在生产应用本发明的商业产品实施之前，对于标准或测试信号序列进行测试，可以确定对应于用于进行前沿处理的限制值的方差值。

[0073] 如果S/N比不是太低，可以对信号成分进行前沿处理，否则进行标准相关(26，27)。

[0074] 显然，在变体中，由单元21和23进行的操作也可以由CPU 20作为其软件程序的一部分而执行。

[0075] 因此本发明提供了一种适应于环境变化的稳健决定过程，用于对特定环境实时选择最适当的技术。该决定过程通过使用相干脉冲求和和利用高斯函数卷积以改善信噪比来支持。