定位系统的制作方法

定位系统
1.本技术是2017年5月11日提交的、申请号为201710332471.6、发明名称为“定位系统”的专利申请的分案申请。
技术领域
2.本公开涉及定位系统。更具体地，本公开涉及用于识别给定区域中的物体的位置或跟踪给定区域中的物体的系统。


背景技术：

3.定位系统(ps)是用于无线地定位建筑物内或密集工业区内的物体或人员的设备网络。需要特殊设计，因为全球定位系统(gps)系统通常不适合建立室内位置或其他拥挤位置，因为它们需要对四颗或更多颗gps卫星的无阻碍视线。微波将会被屋顶、墙壁和其他物体衰减和分散，表面处的多次反射引起多路径传播，导致不可控的误差。
4.飞行时间(tof)是信号从发射机到接收机传播所用的时间量。因为信号传播速率是常数和已知的，所以可以直接使用信号的传播时间来计算距离。多个(在gps中至少有四颗卫星)测量与多个锚站可以以三边测量结合以找到位置。
5.由于光速为3
×
108m/sec，在基于射频(rf)的系统中，时钟同步的不精确性是定位误差的关键因素。在gps中，tof通常需要复杂的同步机制来保持用于传感器的可靠的时间源。
6.此外，基于tof的方法的精确性通常遭受在密集群体(例如室内位置和可能拥挤的工业环境)的定位情况下大的多径条件，其由物体对rf信号的反射和衍射引起。
7.由于由建筑材料引起的衰减和反射，希望在应该被系统覆盖的任何位置处具有对至少三个锚点的无障碍视线。因此，需要更多的锚站。


技术实现要素：

8.根据一个实施例的基于超宽带双向测距的定位系统包括多个有源标签和多个信标，每个有源标签都具有位置，多个信标被配置用于定位多个有源标签中的标签的位置。多个有源标签和多个信标被连续同步到公共时基。
9.在一个实施例中，在具有应用服务器和多个固定位置信标的系统中确定有源标签的位置的方法包括：为多个固定位置信标提供公共时基，并且提供来自多个固定位置信标中的每个信标的同步消息。基于同步消息将有源标签注册到公共时基。对有源标签到多个信标的至少一部分进行测距。有源标签将其位置报告给多个信标的至少一个信标。
10.根据另一实施例的定位系统包括多个有源标签和在基于超宽带双向测距的网络上与多个有源标签通信的多个固定位置信标。系统中的多个有源标签的每个有源标签具有用于其与多个信标中的至少一个之间的双向测距轮询的全局指定窗口。多个信标在全局指定窗口内接受双向测距轮询。多个有源标签在全局报告时隙内报告位置。
11.该发明内容和说明书摘要提供了将在具体实施方式中详细说明的简化形式的本
发明的理念的选择。发明内容和说明书摘要不意图标明所请求保护主题的关键特征或基本特征，也不意图用于确定所请求保护主题的范围。
附图说明
12.图1示出了根据本公开的一个实施例的定位系统的框图。
13.图2是根据本公开的一个实施例的锚站的框图。
14.图3是根据本公开的一个实施例的移动台的框图。
15.图4是示出中心位置、锚站和移动台的框图。
16.图5是示出信标通信信号与标签定位报告之间的定时的时序图。
17.图6是示出在标签全局时隙窗口上监听的两个信标的图。
具体实施方式
18.在一个具体配置中，所述系统基于商用的工业网状网络，例如网络(iec 62591)，并且以图1中的框图形式示出。
19.图1示出了系统300，其具有设置在已知位置的多个锚站(或“信标”)302(图3中所示的三个锚站302a、302b和302c，并在下面更详细描述)以及其位置310要被确定的移动台(也称为“标签”、“便携式单元”或“pu”)304(下面将更详细地描述)。在一个实施例中，锚站302是诸如网络等的无线网状网306的一部分。在操作中，多个锚站302围绕要监测的区域定位在已知位置308a、308b和308c处。移动台304位于希望知道其位置310的对象上或靠近该对象。仅作为示例而非限制，所述对象可以是库存或人。
20.在图1所示的一个实施例中，为了确定从锚站302到移动台304的距离，锚站302发送rf消息320(即，消息)。如下所述，信号允许用于同步，因为它们可包含同步信息，并且允许用于传输数据并且是本领域已知的。使用该同步和数据传输能力允许将rf脉冲用作唯一的同步脉冲，使得除了知道何时进行发送，还可以知道哪个锚站302或移动台304正在发送。rf脉冲的发送和响应的接收之间的时间差允许确定移动台和发送锚站302之间的距离。可以使用来自三个单独锚站的距离计算(例如使用三边测量)确定移动台的位置。
21.tdma是通过将信号划分成多个时隙来在网络上共享频道的已知标准。每个站(例如这里描述的锚站302)可以通过被分配用于传输的特定时隙来共享用于脉冲的频率。在一个实施例中，已经从一个或多个移动台304接收到关于其/它们的位置信息的中心站312使用所确定的位置来调整tdma内的时隙。中心站312在系统300中使用，并且与网状网306连接以从一个或多个移动台304接收信息。锚站302的时隙由中心站312分配。可以采用任何适当的通信技术，包括cdma技术或其他时间和/或频率分段或共享技术。或者或另外，锚站302可以直接与中心站312通信。
22.在一个实施例中，一个或多个移动台304的位置信息用于调整各个锚站的时隙。例如，当移动台的位置310比其他站点302更靠近一些锚站302时，可以扩展更大距离的锚站302的时隙，允许脉冲传播和接收而不会由于距离与其它锚站302重叠。在一个实施例中，中心站312监测从每个视线锚站302到每个移动台304的距离，并且根据预期的传播时间调整
锚站的时隙，以减少锚站302之间的串扰。此外，包括扩频技术的不同频率和脉冲编码也可以用于减少近端锚站302或其他锚站之间的串扰。
23.锚系统站302都是网络300上的注册设备，因此每个锚点302都是具有rf发射机402的设备。此外，锚站302包含可选的通信模块404和某个胶合(glue)逻辑406，通信模块404可以使用通信信号330进行通信。
24.图2中示出了锚站302的细节。在一个实施例中，每个锚站302包括：rf发射机(即，)402、通信模块404、允许锚站302内诸如rf发送机402和通信模块404、处理单元408等的各种更复杂的逻辑电路之间的接口连接的胶合逻辑406，以及时钟410。胶合逻辑406在本领域中是已知的，这里不再赘述。此外，是基于高速可寻址远程换能器协议的无线传感器联网的已知标准。在一个实施例中，锚站302是设备的网状网络的一部分，使得每个锚站302是无线网状网络306上的设备。在一个实施例中，时钟410可操作地耦合到处理单元406，以允许处理单元406确定诸如rf信号320等信号的传输时间。在另一实施例中，时钟410可以是处理单元406的一部分。
25.如图3所示，在一个配置中，移动台304也是具有可选通信单元502、可选gps单元504、小处理单元506和rf接收机508的设备。
26.在一个实施例中，移动台304包括可选的通信模块502、用于室外位置的可选gps单元504、处理单元506、rf接收机508和时钟510。rf接收机508可操作地耦合到处理单元506。在一个实施例中，时钟510可操作地耦合到处理单元506，以允许处理单元506确定诸如rf信号320等信号的接收时间。在另一实施例中，时钟510可以是处理单元506的一部分。
27.为了计算其定位，移动台304测量到至少三个锚站302的距离。三个锚站302允许例如通过三边测量对位于每个锚站302的视线中的移动台304进行适当的位置确定，但是在该区域中存在更多锚点302的情况下，冗余可用于提高测量的鲁棒性。尽管图3中示出了三个锚站302(分别为302a、302b和302c)，应当理解，为了完全覆盖区域，可以使用附加的锚站来增加位置310确定的精确性，并且为系统300要覆盖的区域的所有部分提供更多的潜在视线选项。此外，虽然示出了一个移动台304，但是在要监测的区域内可以设置多个移动台304，并且系统300可以使用相同的多个锚站302发送rf信号来确定多个移动台304的多个位置310。移动台304经由网络306将获取的信息报告给中心站312。中心站312可以根据移动台304的当前位置310运行优化tdma时隙的算法，并且可以相应地修改网络参数。在网状网络内，由于锚站302的位置可以通过网络传送，在各种实施例中，锚站302、移动台304或中心站312可以确定移动台304的位置。
28.在某些情况下，可以使用少于三个锚站来确定移动台的位置。这样的情况包括例如但不限于，当存在关于移动台已知的一些外部信息时，例如它位于走廊或其他已知的限制区域内，或者已知移动台的其他跟踪信息。在这种情况下，可以使用少至一个锚站来确定位置。
29.在一个实施例中提供了一种定位系统(ps)，其中设备网络用于无线地定位建筑物内或密集工业区域内的对象或人员。提供了不必依赖gps进行位置确定的系统实施例。此外，微波将被屋顶、墙壁和其他对象衰减和分散，特别是在室内环境中。此外，表面处的多次
反射可能引起多径传播，导致不可控的误差。
30.在图4的框图中示出了使用系统的标签和信标之间的超宽带通信的ps的实施例600。在一个实施例中，ps 600包括应用服务器602、多个信标604和至少一个移动标签606。在该实施例中，标签606是可由系统600跟踪的人员或设备所附带或以其他方式携带的便携式部件。信标604是固定位置、静态锚，放置在定位场所或区域620的预定义坐标处。在一个实施例中，布置成诸如图4所示的阵列的多个信标604位于场所620中，以允许场所620内的所有位置被多于一个的信标604可见，优选被至少三个信标604可见。在某些条件下，从标签到至少三个信标604的距离测量将提供足够的信息以确定标签606在场所620内的位置。
31.一个实施例中的应用服务器602准备并将建立和配置信息发送到信标604。在一个实施例中，应用服务器602也接收并处理标签606的位置信息和来自信标604的其他信息，目的是将标签606的位置显示给终端用户以便存档或用于任何其他进一步的分析。虽然示出了一个标签606，但是应当理解，许多标签606可以在场所620内的位置。在一个实施例中，应用服务器602结合信标604被用于监测场所620内的多个标签606的位置。一个实施例中的应用服务器602经由如线608所示的低功率网络与信标604通信，下文进一步描述。
32.图4是示出应用服务器602、信标604和便携式标签606之间的通信的示意图。在一个实施例中，使用诸如网络的无线网络作为使用uwb(例如，ieee 802.15.4a
‑
2011)进行距离测量的定位系统的骨干。与标签606和一个或多个信标604之间的超宽带测距信号612和数据链路610一起，在608处示出了用于与信标604通信的低功率网络。在所示的示例中，信标604以大约30米的间隔分布在设施(例如，场所620)中。
33.在一个实施例中，信标604沿着线610示出的数据链路使用uwb测距信号线612所示的超宽带(uwb)技术与标签606通信。由于uwb能够解决多径信号并穿透障碍物，因而即使在恶劣的环境中，uwb也具有通过信号到达时间(toa)测量来实现高测距精度的潜力。例如，可以使用信号传播延迟或飞行时间(tof)(1)tf＝d/c的测量来获得与uwb网络中的一对节点a和b之间的间隔距离有关的信息，其中d是两个节点之间的实际距离，c是电磁波的速度(c 3*108m/s)。各种实施例中的节点a和b可以是多个信标604、或信标604和标签606、或多个标签606。在一个实施例中，标签606是专用于作为移动位置定位器的信标。
34.ieee 802.15.4a
‑
2011标准是具有定位能力的低速率无线网络的第一个基于uwb的标准。然而，也可以采用其它超宽带通信技术。
35.例如，假设第一节点a向第二接收节点b发送分组，该分组包含a的分组被发送的时间戳t1。节点b在时间t2接收该分组。在理想条件下，也就是说，当节点a和b的节点时钟与公共时间参考完全同步时，可以在节点b确定飞行时间(tf)为tf＝t2
‑
t1。可以使用tf在该单向测距中估计节点a和节点b之间的距离。然而，单向测距需要节点之间非常精确的同步，使用低成本电子设备非常难以维护。例如，节点a和b之间相对较小的10nsec同步误差将产生3米的测距误差。
36.实际上，tof估计通常利用双向测距(twr)(没有通用时间参考)来完成。在twr中，节点向节点b发送分组，节点b在响应延迟td之后通过向节点a发送确认分组进行回复。节点a的往返时间(t
rt
)由(3)t
rt
＝2tf+td确定，由此在假定td是已知的情况下可以估计距离。知道td和t
rt
允许计算tf。
37.在一些实施例中，期望标签606和信标604上的时钟精度被限制在1至10ppm(ppm)
的范围内。时钟不精确可能产生标签606和信标604之间td的显著差异。例如(见公式3)，对于0.5msec的标称td值，10ppm误差会产生5纳秒(nsec)的t
rt
误差，这相当于大约0.75米的测距误差。
38.根据定义，uwb(基于ieee 802.15.4a
‑
2011)的twr测序在两个节点之间完成。理论上(根据标准)，取决于通道，可以并行(在相同通道上)进行而没有串扰的测量个数限制在2或4。
39.由于在诸如由建筑材料等引起的环境中的衰减和反射，因此希望当移动信标/标签位于系统600应覆盖的任何位置时具有从移动信标(例如标签606)到至少3个信标(例如信标604)的无障碍视线。因此，可能使用大量的信标604。
40.使用大量信标604可能限制信标604的安装成本。因此，希望信标604至少部分地由电池供电，并且从信标604到应用服务器602的通信(诸如在低功率网络608上)是无线的。在一些实施例中，信标可以使用其他形式的能量，例如以已知方式收集的能量，用于其能量的至少一部分。
41.诸如系统600的ps还可以使用数千个标签来确定物品和/或人员的位置。对于定位更新(根据系统600或标签606的特定更新率)，标签606中的每一个应当被包括在具有信标604的至少三个twr序列中，以便能够估计其当前位置。通常，测量速率是标签606的数量、每个标签606的测量值和更新率的乘积。
42.twr往返时间通常在1毫秒左右。对于具有数千个标签606并且更新率在几秒到几十秒左右的系统，这意味着仔细地控制twr测量的协调，以允许大量的twr测量而没有串扰。
43.在一个实施例中，在twr中，节点b被装备，等待来自节点a的轮询。为了保存节点b(标签或信标)上的电池寿命，希望恰好在系统a发送轮询之前节点b将开始监听。在一个实施例中，应用服务器(诸如应用服务器602)将调度信息发送到信标604(例如到节点b)，使得恰好在传送轮询之前信标604被激活进行监听。在一个实施例中，这通过ieee 802.14.4
‑
2003兼容网络完成。
44.可能希望系统600中的一些标签606具有比其他标签更低的更新速率。例如，如果例如标签606所附接的设备比工厂工人更少可能移动，或者标签可能在某一已知区域内移动等，那么挂在设备上的标签606可以以比工厂工人更低的更新速率工作。一个实施例中的系统600监测多个标签，并且以比其他标签更慢的速率更新该多个标签中的至少一个标签，这取决于该至少一个标签的确定条件，例如与该至少一个标签关联的设备。
45.ps 600的另一功能是将信息从信标604连续地传送到中心应用站602。在信标604和中心应用站602之间传送的数据可以是原始测距测量值或所计算的标签606的位置(取决于系统600的配置)。在一个实施例中，关于诸如twr测量等原始测量的信息通过ieee802.14.4
‑
2003兼容网络完成。
46.在系统600中，提供了系统架构，其解决了针对大量标签(例如标签606)和信标(例如信标604)的定位系统600的挑战。在一些实施例中，系统600提供一个或多个优点。一个优点是以增加系统600中的测距测量速率的方式进行标签/信标测量的有效协调而没有串扰。另一个优点是不同类型标签的更新速率不同。另一个优点是低功率操作，其中标签606和信标604两者的操作顺序被设计成降低功耗的方式，并且允许标签606和/或信标604休眠，除非要执行动作。另一个优点是校准信标604和标签606之间的时钟漂移，以补偿单元时基之
间的时钟漂移。
47.在一个实施例中，在诸如系统600等系统上操作的架构如下：
48.所有信标604作为提供信标604和应用服务器602之间的双向通信的低功率网络608上的节点进行操作。在一个实施例中，ieee802.15.4a
‑
2011用于该低功率网络。在一个实施例中，网络608以使得整个系统600在1到几毫秒的时间段内同步的方式为所有节点(即，信标604)提供公共时基，这可以被认为是对于常用网络的标准要求。这个同步定时比uwb测距所用的大约低6个数量级。
49.标签606和信标604之间的无线电数据链路可以基于uwb无线电612或以另一种标准技术操作的专用数据链路610。在一个实施例中，双向测距(twr)由标签606发起。标签606基于对位于附近或至少与标签606进行视距通信的信标604的twr测量来计算其在场所620内的位置。一旦标签606确定其位置，标签将所确定的位置报告给信标604。报告给信标604的标签606的位置然后经由低功率网络608被传送到应用服务器602。在一个实施例中，每个标签606维护信标604的列表和每个信标604的坐标。
50.在一个实施例中，系统600中的每个信标604和每个标签606具有唯一的系统id。该系统id可以由中心应用服务器602分配，并且允许从中心应用服务器602将信息传播到特定的信标604和/或标签606，如上所述。
51.在一个实施例中，每个标签606具有唯一的有效id。在系统的一个实施例中，有效id与系统id相同。在另一个实施例中，作为某个注册过程的一部分，有效id可以是临时的。
52.在一个实施例中，诸如系统600的系统具有数十秒的全局周期时间。每个周期，每个信标604广播包括该信标的id和坐标的短同步消息。该同步消息在该周期中的预定义时隙中发送(在一个实施例中，从周期开始时间起的预定义的偏移时间)。在一个实施例中，信标604的预定义时隙由中心应用服务器602使用诸如本文所讨论的tdma的分配协议来分配。
53.在知道信标的id的一个实施例中，可以计算作为从周期起点的偏移的信标604消息时间。借助于信标id的知识，预定义的偏移时间是已知的，并且可以基于周期开始时间来计算。
54.在一个实施例中，标签606持续有效地用于检测全部或一些信标同步消息。在标签606接收到同步消息时，标签606与信标604时钟完全同步，因此在网络同步精度范围内与网络全局时基同步。
55.在一个实施例中，系统600使用具有k个时隙长度的全局注册窗口。信标604有效地用于检测该窗口中标签606的注册消息。
56.在一个实施例中，在周期中为每个标签606有源id分配唯一的全局时隙。唯一的全局时隙包括位置报告消息时隙和测距时隙。在位置报告消息时隙中，标签606在该时隙中报告其最后(测量和计算的)位置。报告最后标签位置的消息可以被一个或多个信标604接收。在测距时隙中，标签606可以对其附近的或者在标签606的视线范围内的信标604进行测距。在一个实施例中，在每个标签606的n个twr测量的长度中，测距时隙是全局时隙。在全局注册窗口中的标签606注册之后，信标604有效地用于该时隙中的标签twr测量的检测。在一个实施例中，作为包括测距的轮询来进行twr测量。
57.图5中以图形形式示出了30秒周期时间示例700。示出了在周期700内的各种时隙和操作的操作顺序。周期700在时间702开始，并在时间704结束。在时间702，发生帧起始706
用于标签注册。在标签注册中，标签606在708处连续监听来自信标604的同步消息。在一个实施例中，200个时隙可用于信标604时间同步。在第一次接收到信标604的同步消息之后，标签606在710发送注册消息。该消息在所分配的多个时隙(在一个实施例中为100个时隙)中随机发送。在接收到注册消息时，信标604在712处向标签606发送确认消息。在一个实施例中，对标签注册的信标确认发生在200个时隙中。信标604在714处开始监听标签位置报告时隙(在一个实施例中，标签位置报告时隙以1000的块进行排列并且是顺序的)。
58.测距如下执行。在测距中，信标604总是在注册的标签测量时隙714上监听注册的标签轮询。在此期间，标签606可以选择对特定信标604的twr进行轮询。该标签606可以在单个周期700中轮询多达n个信标604。
59.在一个实施例中，执行信标604/标签606时钟漂移补偿以减少响应延迟(td)误差。信标604和标签606都具有参照网络时钟的系统时钟漂移。在一个实施例中，使用图6所示的示例，并且确定便携式单元pu(诸如标签606)和信标b(诸如信标604)之间的td，用于校准和补偿该漂移的顺序如下。信标b将其内部时钟计数作为同步消息的一部分在周期n中在全局窗口800内进行发送。pu(例如，标签606)在周期n中的同步消息到达时记录其内部时钟计数。标签606使用等式(4)计算校正因子。标签606使用该校正因子利用替代等式(3)的等式(5)t
rt
＝2tf+td*d来校正时间延迟td。校正的时间延迟对时钟漂移进行补偿，允许改进系统600中的标签606的位置定位。
60.虽然已经参照优选实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。本公开的实施例可以在室内、室外或混合环境中使用。通信可以根据任何标准，不限于网状网络通信系统。术语“rf”是指任何适当波长的射频。如本文所使用的，术语“锚”是指其位置已知并且用作确定位置中的参考位置的基本发射机。术语“移动设备”是指其位置正在被识别的设备，例如移动台。用于确定位置的处理单元可以驻留在移动台中、在一个或多个锚站中、在中心站处或在某个其他位置处。
61.可以在移动台(例如，标签606)中提供诸如上面示出的模块504的可选gps模块，并且可以在gps信号可用时使用。诸如基于ieee802.15.4
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2003物理层的低功率通信协议(即，608)可以用作定位系统的骨干，定位系统使用通过使用低功率uwb测距和通信协议(诸如基于ieee 802.15.4a
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2011的协议)实现的鲁棒性测距。然而，可以使用其他测距和通信协议以及技术来实现本公开的实施例。该配置提供了基本上免于多径误差的精确低功率位置检测。新的仲裁技术允许对数千个标签进行位置监测。信标与服务器之间的回程通信优选采用低功率通信技术，如isa100，和低能量，以及基于的wan等。