在區(qū)域中定位標簽的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及在區(qū)域中定位和/或跟蹤標簽。更具體地說，本發(fā)明涉及一種用于定位 標簽的系統(tǒng)、一種用于在用于定位標簽的系統(tǒng)中使用的第一接收機以及一種用于定位標簽 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于在區(qū)域中定位并且跟蹤節(jié)點的系統(tǒng)是已知的?；诮鼒鯥D卡和條碼的解決方 案例如可以提供離散時刻的快照，但無法提供節(jié)點的行蹤的完整的、最新的并且精確的知 識?；诶鏦IFI、藍牙和Zigbee的系統(tǒng)提供定位可能性，但在墻壁、人和水源的鄰區(qū)表現(xiàn) 不良。這歸因于這樣的事實:這些技術(shù)操作在已經(jīng)關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸目的所構(gòu)想的帶寬中，并且 它們不正確地采用在不良設計的短距離跟蹤解決方案中。其它已知的GPS或GPRS/3G解決方 案是昂貴的，并且僅在室外提供最佳定位。
[0003] W0 03/028278公開了一種用于使用耦合到兩根天線的沖擊無線電接收機來確定 沖擊無線電發(fā)射機的角度偏移的系統(tǒng)和方法。天線分離達某已知距離，并且一根天線可以 通過纜線延遲耦合到無線電。測量來自天線的沖擊信號，以確定一根天線接收到的一個這 樣的信號與另一天線的相比的到達時間差。通過整個沖擊無線電掃描周期的自相關(guān)，通過 檢測兩個到來信號的前沿或這些方法的各種組合來測量時間差異。使用跟蹤接收機，可以 連續(xù)地跟蹤脈沖，因此提供實時位置信息。
[0004] 在W0 03/028278中，不清楚如何解決對于角度偏移確定采用超寬帶(UWB)固有的 問題。這實際上強烈取決于將各天線的相位中心之間的距離保持恒定。在沒有恒定相位中 心的情況下，穿過大量頻率的跨段的UWB信號特性將引入將改變前述距離的不可容忍的相 位失真，使得角度偏移的確定更不精確或甚至不可能。此外，并未公開可以如何使用并且處 理UWB信號的高頻特性。此外，在W0 03/028278中對于多個沖擊無線電發(fā)射機可以如何發(fā)現(xiàn) 角度偏移是不清楚的。顯然，在W0 03/028278中僅可以定位一個沖擊無線電發(fā)射機。需要一 種用于在室內(nèi)和室外都精確地定位和/或跟蹤多個并且潛在地快速移動對象的改進的系 統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明使得能夠在室內(nèi)以及室外都定位和/或跟蹤(可能地多個并且快速移動的） 標簽。標簽可以由人或動物穿戴(例如，嵌入在衣物中），或集成在對象(例如球）中。本發(fā)明 使得可能以高精度(例如20cm準度內(nèi)）定位和/或跟蹤快速移動對象。
[0006] 在本發(fā)明一方面中，提出一種用于定位標簽的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可以包括第一接收 機，被配置為從標簽接收信號。所述第一接收機可以包括至少兩根天線，均被配置為接收所 述信號。所述系統(tǒng)可以還包括:第一處理裝置，被配置為:基于所述第一接收機的兩根天線 的第一集合之間的距離以及所述第一集合中的所述兩根天線處的所述信號的到達時間差 而計算所述第一接收機處的所述信號的第一到達角度。所述標簽可以包括標簽天線，其被 配置為發(fā)送具有寬帶寬的信號，并且可以具有頻率獨立相位中心。所述信號可以是包括一 個或多個脈沖的超寬帶信號。
[0007] 在本發(fā)明另一方面中，提出一種用于定位標簽的方法。所述方法可以包括:在第一 接收機的第一天線中從標簽接收信號。所述方法可以還包括:在所述第一接收機的第二天 線中從標簽接收所述信號。所述方法可以還包括:基于所述第一天線與所述第二天線之間 的距離以及所述第一天線和所述第二天線處的所述信號的到達時間差而計算所述第一接 收機處的所述信號的第一到達角度。所述標簽可以包括標簽天線，其被配置為發(fā)送具有寬 帶寬的信號并且可以具有頻率獨立相位中心，并且其中，所述信號是包括一個或多個脈沖 的超寬帶信號。
[0008] 因此，所述標簽天線具有頻率獨立相位中心，并且可以操作在高帶寬(UWB)處。這 樣有利地使得能夠在潛在地多個標簽的接收機處進行高度并且精準的時間測量。通過與頻 率獨立相位中心組合使用UWB信號，變得可能的是，具有包括帶有可以關(guān)于時間測量目的由 接收機處理的陡峭邊沿的脈沖的高速信號，即，測量脈沖到達所述第一天線的時刻與同一 脈沖到達所述第二天線的時刻之間的時間差。該時間差與所述兩根天線之間的已知距離一 起用于計算所述接收機與所述標簽之間的角度。所述角度是所述標簽的位置信息的一部 分。
[0009] 權(quán)利要求2和13的實施例有利地使得能夠使用具有三根或更多根天線的單個接收 機確定標簽的位置(即，不僅角度）。
[0010] 權(quán)利要求3和14的實施例有利地使得能夠使用均具有兩根或更多根天線的兩個或 更多個接收機確定標簽的位置(即，不僅角度）。
[0011] 權(quán)利要求4和15的實施例有利地使得能夠在高分辨率脈沖上進行精確時間差計 算。
[0012] 權(quán)利要求5和16的實施例有利地使得能夠以較低成本硬件在高頻率脈沖上進行精 確時間差計算。憑借通過下采樣來延展高分辨率信號，可以按較低分辨率執(zhí)行時間差計算。
[0013] 權(quán)利要求6和17的實施例有利地使得能夠以較低成本硬件在高頻率脈沖上進行替 選精確時間差計算。憑借通過下采樣來延展信號，可以按較低分辨率執(zhí)行時間差計算。此 外，通過在頻域中執(zhí)行互相關(guān)，無需高性能乘法器。
[0014] 權(quán)利要求7和18的實施例有利地增加到達時間差計算的精度。
[0015] 權(quán)利要求8和19的實施例有利地使得標簽能夠是小尺寸的（例如硬幣尺寸的）。此 外，標簽可以是非常平坦的，使得其能夠例如舒適地集成在衣物中。泄漏（leaky)透鏡天線 具有頻率獨立相位中心，并且特別適合于生成UWB信號。已經(jīng)驚奇地發(fā)現(xiàn)，泄漏透鏡天線的 性質(zhì)可以用于利用用于發(fā)送UWB脈沖的泄漏透鏡天線來精確地定位標簽。這些UWB脈沖具有 陡峭邊沿。已經(jīng)有利地發(fā)現(xiàn)，可以如權(quán)利要求中所限定的那樣使用這些特性。因此，與用于 定位標簽的現(xiàn)有技術(shù)信號相比，接收天線處的信號具有高質(zhì)量。因為UWB中所使用的高頻 率，所以本發(fā)明的接收機典型地適用于信號的快速處理。
[0016] 權(quán)利要求9和20的實施例有利地使得能夠在多個平面(即維度）中定位標簽。
[0017] 權(quán)利要求10和21的實施例有利地使得特定使用情況成為可能，例如在體育賽事中 跟隨運動員或跟隨對象(例如球)的移動。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明另一方面，提出一種具有上述特性中的一個或多個的第一接收機。
[0019] 下文中，將更詳細地描述本發(fā)明實施例。然而，應理解，這些實施例不應理解為限 制本發(fā)明的保護范圍。
【附圖說明】
[0020] 將通過參照附圖更詳細地解釋本發(fā)明的各方面，其中：
[0021] 圖1示出本發(fā)明示例性實施例的到達角度檢測設置；
[0022]圖2示出與本發(fā)明示例性實施例的觀看角度有關(guān)的圖線；
[0023]圖3和圖4不出本發(fā)明不例性實施例的位置檢測設置；
[0024]圖5示出本發(fā)明示例性實施例的信號的脈沖；
[0025] 圖6更詳細地示出本發(fā)明示例性實施例的接收機；
[0026] 圖7更詳細地示出本發(fā)明示例性實施例的標簽；
[0027] 圖7示出本發(fā)明示例性實施例的信號；
[0028] 圖8示出本發(fā)明示例性實施例的兩個信號；
[0029] 圖9示出本發(fā)明示例性實施例的標簽和接收機；
[0030] 圖10示出本發(fā)明示例性實施例的標簽和兩個接收機；
[0031 ]圖11和圖12更詳細地示出本發(fā)明示例性實施例的接收機;以及 [0032]圖13示出用于本發(fā)明示例性實施例的使用情況的足球體育場。
【具體實施方式】
[0033]圖1示出用于源自標簽1的信號在接收機2的天線21、22處的到達角度的估計的基 本設置。標簽1發(fā)送電磁波或脈沖。從標簽到左邊天線21的信號路徑1長于到右邊天線22的 路徑，如圖1所示。該路徑差可以測量為左邊天線21和右邊天線22處的信號的到達時間差。 時間差可以轉(zhuǎn)換為距離差X，如圖1所示。在從標簽1到接收機2的距離大于兩根接收天線21、 22之間的距離b的條件下，角度Φ與距離X之間的以下關(guān)系成立：
[0035] X的不精確性將導致角度φ的誤差?？梢躁P(guān)于X和Φ的誤差推導以下關(guān)系：
[0037] 在公式2中，ΔΧ是距離[m]的誤差，Δφ是角度[弧度]的誤差，X是所測量的距離差 [m]，其中，-13〇〈13，13是左邊21與右邊22天線中心之間的距離。
[0038] 圖2示出作為角度的函數(shù)的誤差的圖線。該圖線是實驗測量的結(jié)果。角度測量對于 近似120度的觀看角度(在-30度與30度之間，如圖2所不)是最精確的。在30度處，誤差是在 90度處的誤差的2倍。
[0039] 在如圖1所示均測量角度φ的兩個接收機的情況下，平面中的位置測量是可能的。 在圖3中，兩根接收天線之間的距離對于第一接收機是bl，而對于第二接收機是b2。兩個接 收機位于(從接收天線的中心測量的）距彼此距離d處。角度所限定的兩條直線之間的截點 給出標簽的位置。在