專利名稱：用于使用衰減減少的rf技術(shù)來跟蹤對象中的多路徑抑制的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于對對象進行基于射頻(RF)的識別、跟蹤和定位(包含RTLS (實時定位服務))的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
用于確定對象的相對或地理位置的基于RF的識別和位置尋找系統(tǒng)一般用于跟蹤單個對象或?qū)ο笕航M，以及用于跟蹤個人。常規(guī)的位置尋找系統(tǒng)已用于開放室外環(huán)境中的位置確定。通常使用基于RF的全球定位系統(tǒng)(GPS)和輔助型GPS。然而，常規(guī)的位置尋找系統(tǒng)在定位封閉(即，室內(nèi))環(huán)境中以及室外的對象時具有某些不準確性。室內(nèi)和室外位置不準確性主要歸因于RF傳播的物理學，尤其是由于RF信號的損失/衰減、信號散射和反射?？赏ㄟ^采用窄帶測距信號并在低RF頻率(例如，在VHF范圍或更低)下操作來解決損失/衰減和散射問題(參看第11/670，595號待決申請案)。雖然在VHF和較低頻率下多路徑現(xiàn)象(例如，RF能量反射)不如在UHF和較高頻率下那樣嚴重，但多路徑現(xiàn)象對位置尋找準確性的影響使得位置確定達不到業(yè)界所需要的可靠性和精確性。因此，需要一種用于在采用窄帶測距信號的基于RF的識別和位置尋找系統(tǒng)中抑制RF能量反射(即，多路徑現(xiàn)象)的影響的方法和系統(tǒng)。通常，常規(guī)的基于RF的識別和位置尋找系統(tǒng)通過采用寬帶寬測距信號來抑制多路徑，例如利用寬帶信號特征用于多路徑抑制(參看S. &ilous的“Indoor and Outdoor UHF Measurements with a 90 MHz Bandwidth”，IEEE超視距無線電傳播特性和相關(guān)系統(tǒng)技術(shù)研討會，1997,8/1-8/6頁)。另外，在一些情況下使用空間分集和/或天線分集技術(shù)。然而，在許多跟蹤位置應用中空間分集可能不是選擇，因為其導致所需基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的增加。類似地，天線分集具有有限價值，因為在例如VHF的較低操作頻率下，天線子系統(tǒng)的物理大小變得太大。例證是第6，788，199號美國專利，其中描述了用于定位對象、人、寵物和個人物件的系統(tǒng)和方法。所提出的系統(tǒng)采用天線陣列來抑制多路徑。系統(tǒng)在UHF下在902到926MHz頻帶中操作。眾所周知，天線的線性尺寸與操作頻率的波長成比例。而且，天線陣列的面積與線性尺寸的平方和立方體積成比例，因為在天線陣列中，天線通常分隔1/4或1/2波長。因此， 在VHF和較低頻率下，天線陣列的大小將顯著影響裝置便攜性。另一方面，由于非常有限的頻譜，窄帶寬測距信號無助于常規(guī)的基于RF的識別和位置尋找系統(tǒng)當前使用的多路徑抑制技術(shù)。原因在于由多路徑引發(fā)的測距信號失真(即， 信號的改變)太小而無法在存在噪聲的情況下進行可靠檢測/處理。而且，由于有限的帶寬，窄帶寬接收器無法在測距信號直接視距(DL0Q路徑與經(jīng)延遲的測距信號路徑之間在這些路徑相隔較小延遲時進行區(qū)分，因為窄帶寬接收器缺乏所需的時間分辨率，其與接收器的帶寬成比例(例如，窄帶寬具有對傳入信號的積分影響)。因此，此項技術(shù)中需要用于對象識別和位置尋找的多路徑抑制方法和系統(tǒng)，其使用窄帶寬測距信號且在VHF或較低頻率下以及UHF帶頻率及更高頻率下操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用于對對象進行基于射頻(RF)的識別、跟蹤和定位(包含實時定位服務(RTLS))的方法和系統(tǒng)，其大體上消除了相關(guān)技術(shù)的缺點中的一者或一者以上。所提出的方法和系統(tǒng)使用窄帶寬測距定位信號。根據(jù)示范性實施例，基于RF的跟蹤和定位實施于 VHF帶上，但也可實施于較低的帶(HF、LF和VLF)以及UHF帶和較高頻率上。其采用包含技術(shù)和算法的多路徑抑制方法。所提出的系統(tǒng)可使用軟件實施的數(shù)字信號處理以及軟件定義無線電技術(shù)。也可使用數(shù)字信號處理?？墒褂脴藴实腇PGA和標準的信號處理硬件和軟件以非常少的裝置和總體系統(tǒng)的增加成本的情況下構(gòu)造示范性實施例的系統(tǒng)。同時，可顯著改善采用窄帶測距信號的基于 RF的識別和位置尋找系統(tǒng)的準確性。用于窄帶寬測距/定位信號(例如VHF)的發(fā)射器和接收器用以識別人或?qū)ο蟮奈恢?。?shù)字信號處理(DSP)和軟件定義無線電(SDR)技術(shù)可用以產(chǎn)生、接收和處理窄帶寬測距信號以及執(zhí)行多路徑抑制算法。窄帶寬測距信號用以在半雙工、全雙工或單工操作模式中識別、定位和跟蹤人或?qū)ο?。?shù)字信號處理(DSP)和軟件定義無線電(SDR)技術(shù)在多路徑抑制處理器中用以實施多路徑抑制算法。本發(fā)明的額外特征和優(yōu)點將在隨后的描述中陳述，且部分將通過描述中明白，或可通過實踐本發(fā)明而習得。通過在書面描述及其權(quán)利要求書以及附圖中特定指出的結(jié)構(gòu)將實現(xiàn)且獲得本發(fā)明的優(yōu)點。應了解，以上一般描述和以下詳細描述都是示范性和闡釋性的，且意欲提供對所主張的本發(fā)明的進一步闡釋。


包含附圖以提供對本發(fā)明的進一步理解且附圖并入本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分，

本發(fā)明的實施例且與描述內(nèi)容一起用以闡釋本發(fā)明的原理。在圖中圖1和圖IA說明根據(jù)示范性實施例的窄帶寬測距信號頻率分量；圖2說明示范性寬帶寬測距信號頻率分量。圖3A、圖;3B和圖3C說明根據(jù)示范性實施例的RF移動跟蹤和定位系統(tǒng)的主單元和從屬單元的框圖；圖4說明示范性合成寬帶基帶測距信號；圖5說明根據(jù)示范性實施例的通過抵消來消除信號前體；圖6說明根據(jù)示范性實施例的具有較少載波的前體抵消。圖7說明單向傳遞函數(shù)相位。
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細參考本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其實例在附圖中說明。本發(fā)明涉及用于對對象進行基于RF的識別、跟蹤和定位(包含RTLQ的方法和系統(tǒng)。根據(jù)示范性實施例，方法和系統(tǒng)采用窄帶寬測距信號。示范性實施例在VHF帶中操作，
8但也可在HF、LF和VLF帶以及Ura帶和較高頻率中使用。其采用多路徑抑制處理器。采用多路徑抑制處理器增加了系統(tǒng)實施的跟蹤和定位的準確性。示范性實施例包含小的高度便攜式基本單元，其允許用戶跟蹤、定位和監(jiān)視多個人和對象。每一單元具有其自身的ID。每一單元廣播RF信號與其ID，且每一單元能夠發(fā)送回返回信號，所述所返回信號可包含其ID以及語音、數(shù)據(jù)和額外信息。每一單元處理來自其它單元的返回信號，且取決于三角測量或三邊測量和/或所使用的其它方法，連續(xù)地確定其相對和/或?qū)嶋H位置。優(yōu)選實施例還可容易地與例如GPS裝置、智能電話、雙向無線電和PDA等產(chǎn)品集成。所得產(chǎn)品將具有單獨裝置的所有功能，同時利用現(xiàn)存的顯示器、傳感器(例如高度計、GPS、加速度計和羅盤)及其主機的處理能力。舉例來說，具有本文描述的裝置技術(shù)的GPS裝置將能夠在地圖上提供用戶的位置，以及繪制群組的其它成員的位置。隨著集成電路技術(shù)改進，基于FPGA實施方案的優(yōu)選實施例的大小在大約2x4x1英寸與^ χΟ. 5英寸之間或更小。取決于所使用的頻率，天線將集成到裝置中或突出穿過裝置封殼。裝置的基于專用集成電路(ASIC)的版本將能夠?qū)PGA和大多數(shù)其它電子組件的功能并入單元或標簽中。產(chǎn)品的基于ASIC的獨立版本將得到1x0. 5x0. 5英寸或更小的裝置大小。天線大小將由所使用的頻率決定，且天線的部分可集成到封殼中。基于ASIC的實施例經(jīng)設(shè)計以集成到可僅由一芯片組組成的產(chǎn)品中。主單元或標簽單元之間可能不存在任何實質(zhì)性的物理大小差異。裝置可使用在多個頻率范圍(帶)下操作以用于處理多路徑抑制算法的標準系統(tǒng)組件(現(xiàn)有組件)。可使用用于數(shù)字信號處理和軟件定義無線電的軟件。與最少硬件組合的信號處理軟件允許組合具有由所述軟件定義的發(fā)射和接收波形的無線電。第11/670，595號共同待決申請案揭示一種窄帶寬測距信號系統(tǒng)，借此窄帶寬測距信號經(jīng)設(shè)計以例如使用僅數(shù)千赫茲寬的語音信道而配合到低帶寬信道中(但某些低帶寬信道可延伸到數(shù)十千赫茲中)。這與使用從數(shù)百千赫茲到數(shù)十兆赫茲寬的信道的常規(guī)位置尋找系統(tǒng)形成對比。此窄帶寬測距信號系統(tǒng)的優(yōu)點如下1)在較低操作頻率/帶下，常規(guī)位置尋找系統(tǒng)測距信號帶寬超過載波(操作)頻率值。因此，此些系統(tǒng)無法在LF/VLF和其它較低頻帶(包含HF)下部署。不同于常規(guī)位置尋找系統(tǒng)，在第11/670，595號共同待決申請案中描述的窄帶寬測距信號系統(tǒng)可成功地部署在LF、VLF和其它帶上，因為其測距信號帶寬遠低于載波頻率值；2)在RF譜的較低端(某些VLF、LF、HF和VHF帶)(例如，高達UHF帶)，無法使用常規(guī)的位置尋找系統(tǒng)，因為FCC嚴重限制了可允許的信道帶寬(12到25kHz)，其使得不可能使用常規(guī)的測距信號。不同于常規(guī)的位置尋找系統(tǒng)，窄帶寬測距信號系統(tǒng)的測距信號帶寬完全兼容FCC條例和其它國際頻譜管理機構(gòu)；以及3)眾所周知(參看MRI =Ray H. Hashemi、Wi lliam G.Bradley、...的 the basics-2003)，與操作頻率 / 帶無關(guān)，窄帶寬信號固有地具有比寬帶寬信號高的信噪比(SNI )。這增加了窄帶寬測距信號位置尋找系統(tǒng)的操作范圍，且與窄帶寬測距信號位置尋找系統(tǒng)操作的頻率/帶(包含UHF帶)無關(guān)。因此，不同于常規(guī)的位置尋找系統(tǒng)，窄帶寬測距信號位置尋找系統(tǒng)可部署在RF譜的較低端(例如VHF和較低頻帶，低至LF/VLF帶)上，在RF譜的較低端中多路徑現(xiàn)象較不明顯。同時，窄帶寬測距位置尋找系統(tǒng)也可部署在UHF帶和更高頻率上，從而改善測距信號 SNR且因此增加位置尋找系統(tǒng)操作范圍。
為了最小化多路徑，例如RF能量反射，在VLF/LF帶上操作是合意的。然而，在這些頻率下，便攜式/移動天線的效率非常小(約0. 或更小，原因是相對于RF波長的較小天線長度(大小))。另外，在這些低頻率下，來自自然和人為來源的噪聲水平比較高頻率/ 帶(例如VHF)上高得多。這兩個現(xiàn)象一起可限制位置尋找系統(tǒng)的適用性，例如其操作范圍和/或移動性/便攜性。因此，對于操作范圍和/或移動性/便攜性非常重要的某些應用， 可使用較高RF頻率/帶，例如HF、VHF、UHF和UWB。在VHF和UHF帶下，來自自然和人為來源的噪聲水平顯著低于VLF、LF和HF帶；且在VHF和HF頻率下，多路徑現(xiàn)象(例如，RF能量反射)不如UHF和較高頻率下那樣嚴重。 而且，在VHF下，天線效率顯著好于HF和較低頻率，且在VHF下，RF穿透能力比UHF下好得多。因此，VHF帶提供針對移動/便攜式應用的良好折衷。另一方面，在某些特殊情況下， 例如其中VHF頻率(或較低頻率)無法穿透電離層(或偏轉(zhuǎn)/折射)的GPS，UHF可為較好選擇。然而，在任何情況(和所有情況/應用)下，窄帶寬測距信號系統(tǒng)將具有優(yōu)于常規(guī)的寬帶寬測距信號位置尋找系統(tǒng)的優(yōu)點。實際應用將決定確切的技術(shù)規(guī)范(例如功率、發(fā)射、帶寬和操作頻率/帶)。窄帶寬測距允許用戶接收許可或接收免除許可，或使用如FCC中陳述的未經(jīng)許可的帶，因為窄帶測距允許許多不同帶寬/頻率上的操作，包含F(xiàn)CC中陳述的大多數(shù)嚴格窄帶寬6. 25kHz、 11. 25kHz、12. 5kHz,25kHz和50kHz，且遵守適當章節(jié)的對應技術(shù)要求。因此，多個FCC章節(jié)以及此些章節(jié)內(nèi)的免責將適用。適用的主要FCC規(guī)章是47CFR第90部分-專有陸地移動無線電服務，47CFR第94部分-個人無線電服務，47CFR第15部分-無線電頻率裝置。(作為比較，在此情形中寬帶信號是從幾百KHz直到10-20MHZ。)通常，對于第90部分和第94部分，VHF實施方案允許用戶在某些免責(低功率無線電服務是一實例)下在高達IOOmW下操作裝置。對于某些應用，在VHF帶下可允許的發(fā)射功率在2到5瓦之間。對于900MHz (UHF帶)，其為Iff0在160kHz到190kHz頻率(LF帶) 上，可允許的發(fā)射功率是1瓦。窄帶測距可遵守即使不是全部也是許多不同的頻譜容差，且允許準確的測距，同時仍遵守大多數(shù)嚴格的規(guī)章要求。這不僅對于FCC來說是這樣，而且對于管制全世界(包含歐洲、日本和韓國)的頻譜使用的其它國際組織來說也是這樣。以下是標簽可與在現(xiàn)實世界環(huán)境中的另一讀取器通信的所使用的常見頻率以及典型的功率使用和距離的列表(參看‘Indoor Propagation and Wavelength”，Dan Dobkin, WJ Communications, V 1.4,7/10/02)915MHz IOOmff 150 英尺2. 4GHz IOOmff 100 英尺5. 6Ghz IOOmff 75 英尺所提出的系統(tǒng)在VHF頻率下工作且采用用于發(fā)送和處理RF信號的專門方法。更具體來說，其使用DSP技術(shù)和軟件定義無線電(SDR)來克服VHF頻率下窄帶寬要求的限制。在較低(VHF)頻率下操作減少了散射并提供好得多的壁穿透。凈結(jié)果是優(yōu)于常用頻率的大致十倍的范圍增加。例如，比較樣機的測得范圍與上文列出的RFID技術(shù)的范圍216MHz IOOmw 700 英尺通過利用窄帶測距技術(shù)，標簽通信范圍將能夠與現(xiàn)實世界環(huán)境中的另一讀取器通的常用頻率的范圍以及典型功率使用和距離將顯著增加從到915MHz IOOmff 150 英尺 500 英尺2. 4GHz IOOmff 100 英尺 450 英尺5. 6Ghz IOOmff 75 英尺 400 英尺電池消耗隨著裝置的設(shè)計、發(fā)射功率和工作周期而變，例如兩個連續(xù)距離(位置) 測量之間的時間間隔。在許多應用中，工作周期為IOX到1000X大。在具有大工作周期(例如100X)的應用中，發(fā)射IOOmW功率的FPGA版本將具有大約三周的工作時間?；贏SIC 的版本預期將工作時間增加10X。而且，ASIC固有地具有較低噪聲水平。因此，基于ASIC 的版本也可使操作范圍增加約40%。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，示范性實施例并不損害系統(tǒng)長操作范圍，同時顯著增加RF受限環(huán)境(例如，建筑物、市區(qū)走廊等)中的位置尋找準確性。通常，跟蹤和定位系統(tǒng)采用跟蹤-定位-導航方法。這些方法包含到達時間(TOA)、 到達時間差(DTOA)和TOA與DTOA的組合。作為距離測量技術(shù)的到達時間(TOA) —般在第 5，525，967號美國專利中描述?；赥0A/DT0A的系統(tǒng)測量RF測距信號直接視距(DLOS)飛行時間(例如，時間延遲)，其隨后被轉(zhuǎn)換為距離范圍。在RF反射(例如，多路徑)的情況下，具有各種延遲時間的RF測距信號的多個副本疊加于DLOS RF測距信號上。使用窄帶寬測距信號的跟蹤定位系統(tǒng)無法在無多路徑抑制的情況下在DLOS信號與反射信號之間進行區(qū)分。因此，這些反射信號引發(fā)所估計的測距信號DLOS飛行時間中的誤差，其又影響范圍估計準確性。示范性實施例有利地使用多路徑抑制處理器來分離DLOS信號與反射信號。因此， 示范性實施例顯著降低所估計的測距信號DLOS飛行時間中的誤差。所提出的多路徑抑制方法可在所有RF帶上使用。其也可與寬帶寬測距信號位置尋找系統(tǒng)一起使用。且其可支持各種調(diào)制/解調(diào)技術(shù)，包含擴展頻譜技術(shù)，例如直接擴展頻譜(DSQ和頻率跳躍(FH)。另外，可應用噪聲減少技術(shù)以便進一步改善方法的準確性。這些噪聲減少方法可包含(但不限于)相干求和、非相干求和、匹配濾波、時間分集技術(shù)等。多路徑干擾誤差的殘余可通過應用后處理技術(shù)來進一步減少，所述技術(shù)例如為最大似然(維特比算法)、卡爾曼濾波(卡爾曼算法)等。示范性實施例可用在具有單工、半雙工和全雙工操作模式的系統(tǒng)中。全雙工操作在RF收發(fā)器上的復雜性、成本和供應方面要求非常高，其限制了在便攜式/移動裝置實施方案中的系統(tǒng)操作范圍。在半雙工操作模式中，讀取器(常稱為“主裝置”)和標簽(有時也稱為“從屬裝置”或“目標裝置”)由在任一給定時間僅允許主裝置或從屬裝置進行發(fā)射的協(xié)議控制。發(fā)送和接收的交替允許在距離測量中使用單個頻率。與全雙工系統(tǒng)相比，此布置減少了系統(tǒng)的成本和復雜性。單工操作模式概念上較簡單，但需要主單元與目標單元之間更嚴格的事件同步，包含測距信號序列的開始。在本發(fā)明中，窄帶寬測距信號多路徑抑制處理器并不增加測距信號帶寬。其有利地使用不同的頻率分量以允許傳播窄帶寬測距信號?？稍陬l域中借助于采用超分辨率頻譜估計算法(MUSIC、rootMUSIC、ESPRIT)和/或例如RELAX等統(tǒng)計算法，或在時域中借助于組合合成測距信號與相對大帶寬并向此信號應用進一步處理，來實施進一步的測距信號處理。窄帶寬測距信號的不同頻率分量可經(jīng)偽隨機地選擇，其也可在頻率上連續(xù)或間隔開，且其可在頻率上具有均勻和/或不均勻的間距。實施例擴展了多路徑抑制技術(shù)。用于窄帶測距的信號模型是復指數(shù)(如本文獻中其它地方所介紹)，其頻率與由范圍界定的延遲加上延遲是由與多路徑相關(guān)的時間延遲界定的類似項成正比。模型與信號結(jié)構(gòu)的實際實施方案無關(guān)，例如階躍頻率、線性頻率調(diào)制寸。直接路徑與多路徑之間的頻率分隔標稱上極小，且正常頻域處理不足以估計直接路徑范圍。舉例來說，在30米范圍下在5MHz內(nèi)的IOOKHz階躍速率下的階躍頻率測距信號 (100. 07納秒延遲)產(chǎn)生0. 062875弧度/秒的頻率。具有35米路徑長度的多路徑反射將產(chǎn)生0. 073355的頻率。間隔為0. 0104792。50個可觀察樣本的頻率分辨率具有0. 12566Hz 的原始頻率分辨率。因此，不可能使用常規(guī)的頻率估計技術(shù)來分離直接路徑與反射路徑并準確地估計直接路徑范圍。為了克服此限制，本發(fā)明使用子空間分解高分辨率頻譜估計方法與多峰群集分析的實施方案的獨特組合。子空間分解技術(shù)依賴于將觀察到的數(shù)據(jù)的所估計協(xié)方差矩陣分解為兩個正交子空間噪聲子空間和信號子空間。子空間分解方法的理論在于，可觀察到的的部分在噪聲子空間上的投影僅由噪聲組成，且可觀察到的部分在信號子空間上的投影僅由信號組成。超分辨率頻譜估計算法和RELAX算法能夠在存在噪聲的情況下區(qū)分在頻譜中緊密放置的頻率(正弦曲線)。頻率不必調(diào)和相關(guān)，且不同于數(shù)字傅立葉變換(DFT)，信號模型并不引入任何人工周期性。對于給定帶寬，這些算法提供顯著高于傅立葉變換的分辨率。 因此，直接視距(DL0Q可在高準確性的情況下可靠地與其它多路徑(MP)區(qū)分開。類似地， 將稍后將闡釋的閾值方法應用于人工產(chǎn)生的合成較寬帶寬測距信號使得有可能在高準確性的情況下可靠地區(qū)分DLOS與其它路徑。根據(jù)示范性實施例，多路徑抑制處理器可采用數(shù)字信號處理(DSP)來可靠地區(qū)分 DLOS與其它MP路徑。頻譜分析(頻譜估計)技術(shù)中存在多種超分辨率算法/技術(shù)。實例包含基于子空間的方法多信號特征化(MUSIC)算法或root-MUSIC算法、經(jīng)由旋轉(zhuǎn)不變性技術(shù)估計信號參數(shù)(ESPRIT)算法、Pisarenko諧波分解(PHD)算法、RELAX算法等。在所有上文提到的超分辨率算法中，傳入(即，接收到的)信號經(jīng)建模為復指數(shù)與其頻率的復振幅的線性組合。在多路徑的情況下，接收到的信號將如下
權(quán)利要求
1.一種用于基于RF跟蹤和定位對象的系統(tǒng)，其包括主單元，其具有RF收發(fā)器且適于介接到標簽以測量到所述標簽的距離；以及所述標簽，其具有RF收發(fā)器且適于介接到所述主單元，其中所述主單元的所述RF收發(fā)器和所述標簽的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以發(fā)射和接收測距信號，其中所述主單元的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以發(fā)射測距信號，其中所述標簽的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以接收測距信號，其中所述測距信號包含處于不同頻率的多個脈沖，其中所述測距信號用于測量所述主單元與所述標簽之間的所述距離，且其中使用高分辨率頻譜估計分析來減少距離測量中的空間不定性，包含估計若干多路徑頻率分量的模型大小，以及基于所述頻率分量的分布來計算所述距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述測距信號是寬帶寬信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)使用不同的個別頻率分量來產(chǎn)生測距信號和基帶測距信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中一個或一個以上主單元與一個或一個以上標簽單元之間的系統(tǒng)時鐘同步是通過調(diào)整每一單元時鐘頻率而周期性地遠程執(zhí)行，其中每一主單元計算并存儲其系統(tǒng)時鐘頻率與其它單元時鐘頻率之間的差，且其中每一主單元調(diào)整其系統(tǒng)時鐘頻率與其它單元系統(tǒng)時鐘頻率之間的所述差的復振幅測量值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述測距信號是窄帶寬信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述測距信號和基帶測距信號的不同頻率分量是偽隨機選擇的，所述分量在頻率上鄰接和/或間隔開。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述主裝置和標簽接收器確定所述所返回的測距信號和所述基帶測距信號的復振幅，且其中所述多個所返回的測距信號/基帶測距信號個別頻率分量樣本的復振幅樣本經(jīng)平均以通過增加信噪比而改善復振幅確定準確性。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中多個所返回的測距信號的復振幅值是使用匹配的濾波技術(shù)確定的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中多個所返回的測距信號復振幅值是根據(jù)所述所接收的測距信號/基帶測距信號個別頻率分量RSSI值且根據(jù)所述所返回的測距信號和所述基帶測距信號個別頻率分量的相位值而計算的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述所返回的測距信號和所述基帶測距信號個別頻率分量相位值是經(jīng)由所述所返回的測距信號個別頻率分量相位值與所發(fā)射(原始)的測距信號個別頻率分量相位值的比較而計算的。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述多個所返回的測距信號/基帶測距信號個別頻率分量的復振幅值被從往返行程值變換到單向復振幅值。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中多個所返回的測距信號/基帶測距信號個別頻率分量復振幅值是通過以對應的傳出基帶信號個別分量頻率對所述所返回的基帶信號個別分量頻率進行取樣，且在小于或等于所述基帶信號個別分量頻率的持續(xù)時間的時期內(nèi)對所得信號進行積分而獲得。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述多個所返回的測距信號/基帶測距信號個別頻率分量復振幅值被組合成具有較大帶寬的合成測距信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述合成測距信號通過構(gòu)造在選定區(qū)間上緊密近似于所述信號的波形，并隨后從所述原始合成測距信號減去所述波形來抵消所述合成測距信號的正弦波形前體。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述所返回的測距信號和所述基帶測距信號個別頻率分量由僅兩個數(shù)字濾波器進行濾波，其中一個濾波器總是針對第一頻率分量而調(diào)諧，且另一濾波器針對所有其它頻率分量而動態(tài)地調(diào)諧，且其中測距信號的多個例子由所述主單元發(fā)送且每一例子由僅兩個頻率組成第一頻率f\和第二頻率其中i e 2 :n。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述所接收的測距信號和所述基帶測距信號個別頻率分量是通過調(diào)整所述主單元和所述標簽單元RF收發(fā)器的頻率合成器/操作頻率而產(chǎn)生所述頻率分量的其余部分，而由數(shù)字濾波器在沒有動態(tài)濾波器調(diào)諧的情況下進行濾波。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中在同一頻率下進行兩次測量以便消除在改變合成器的頻率之后可能形成的相位偏移。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述高分辨率頻譜估計分析使用MUSIC/ rootMUSIC 和 ESPRIT 算法。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中高分辨率頻譜估計分析使用F統(tǒng)計來估計測距信號反射的數(shù)目。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述高分辨率頻譜估計分析組合了通過使用不同特征結(jié)構(gòu)性質(zhì)來估計個別頻率的兩個或兩個以上算法，以進一步減少直接路徑延遲和其它路徑延遲確定不定性。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述高分辨率頻譜分析使用F統(tǒng)計且依據(jù)所述高分辨率頻譜估計算法性質(zhì)調(diào)整每一模型的所述模型大小。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述高分辨率頻譜估計分析使用模型大小窗以便使檢測到直接路徑信號的概率最大化。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述高分辨率頻譜估計分析使用所述返回信號的多個測量值以及通過兩個或兩個以上頻譜估計算法從多個模型大小的窗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并對所述多個測量值和數(shù)據(jù)執(zhí)行群集分析以產(chǎn)生距離估計。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述群集分析包含估計所述所返回的多路徑分量的等效范圍的多峰群集分析。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中所述高分辨率頻譜分析對由對所述范圍估計的所述多峰分析返回的數(shù)據(jù)進行操作，并組合統(tǒng)計上相同的估計以實現(xiàn)較高的范圍估計準確性。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中除了所述高分辨率頻譜分析外，還采用參數(shù)估計分析來使用個別頻率分量復振幅值以高準確性來區(qū)分信號直接視距(DL0Q路徑與其它多路徑。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中對所述測距信號的調(diào)制包含擴展頻譜、線性調(diào)頻脈沖擴展頻譜和頻率跳躍中的任一者。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述測距信號是離散或連續(xù)的線性調(diào)頻脈沖，且其中每一線性調(diào)頻脈沖在同一相位處開始，且一個或一個以上線性調(diào)頻脈沖由所述主單元發(fā)射和接收。
29.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的系統(tǒng)，其中所述處理器對準每一所接收的個別線性調(diào)頻脈沖以使得所返回的線性調(diào)頻脈沖是來自所關(guān)注區(qū)域的中間，并隨后使每一個別的所返回的線性調(diào)頻脈沖“解除傾斜”。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述處理器組合個別“經(jīng)解除傾斜”的線性調(diào)頻脈沖的結(jié)果，并在時域中產(chǎn)生復振幅樣本/值。
31.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述測距信號是使用數(shù)字信號處理(DSP)和軟件定義無線電(SDR)來處理。
32.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述測距信號不高于VHF帶。
33.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述測距信號處于UHF帶和更高頻率中。
34.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述主單元中的一者在單個發(fā)起讀取器模式中操作，且其它主單元在衛(wèi)星模式和主裝置到主裝置距離測量模式中操作。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的系統(tǒng)，其中每一標簽接收第一和第二測距信號序列，所述第一測距信號序列是由所述發(fā)起主單元產(chǎn)生且所述第二測距信號序列是由所述衛(wèi)星主單元重新發(fā)射，且其中每一測距信號序列由所述標簽單獨處理以確定距離測量期間的時間延遲，且每一標簽計算所述測距信號中的每一者的飛行時間。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的系統(tǒng)，其中所述第一和第二測距信號的所述飛行時間之間的差用以確定所述標簽相對于所述主單元的位置，其中主裝置-標簽和主裝置-主裝置距離測量是使用到達時間差(DTOA)以及DT0A、虛擬三角測量與反虛擬三角測量的組合中的任一者來執(zhí)行。
37.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中主裝置-標簽或主裝置-主裝置距離測量是使用到達時間(TOA)以及Τ0Α、虛擬三角測量與反虛擬三角測量的組合中的任一者來執(zhí)行。
38.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述高分辨率頻譜估計分析利用基帶測距信號樣本的協(xié)方差矩陣的特征值，其中所述協(xié)方差矩陣提供對表示路徑延遲的個別頻率的估計，且其中所述特征值被分離為正交的噪聲和信號特征向量(子空間)，且所述個別頻率是通過將可觀察到的返回信號投影到所述噪聲子空間上并使所述投影的能量最小化而確定的，其中旋轉(zhuǎn)算子是根據(jù)旋轉(zhuǎn)不變信號子空間性質(zhì)而確定的，且個別頻率是根據(jù)所述旋轉(zhuǎn)算子而估計的。
39.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中主裝置與主裝置和/或主裝置與標簽之間的通信是全雙工或半雙工的。
40.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中主裝置與主裝置和/或主裝置與標簽之間的通信是單工的。一種用于基于RF跟蹤和定位對象的系統(tǒng)，其包括主單元，其具有RF收發(fā)器且適于介接到標簽以測量到所述標簽的距離；所述標簽，其具有RF收發(fā)器且適于介接到所述主單元；所述主單元的所述RF收發(fā)器和所述標簽的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以發(fā)射和接收測距信號；所述主單元的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以發(fā)射測距信號；且所述標簽的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以接收測距信號， 其中所述測距信號包含處于不同頻率的多個脈沖， 其中所述測距信號用于測量所述主單元與所述標簽之間的所述距離，且其中所述系統(tǒng)計算所述所接收的測距信號的復振幅。
41.一種用于基于RF跟蹤和定位對象的系統(tǒng)，其包括主單元，其具有RF收發(fā)器且適于介接到標簽以測量到所述標簽的距離； 所述標簽，其具有RF收發(fā)器且適于介接到所述主單元；所述主單元的所述RF收發(fā)器和所述標簽的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以發(fā)射和接收UHF帶中的窄帶寬測距信號；且所述主單元的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以發(fā)射UHF帶中的窄帶寬測距信號； 所述標簽的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以接收所述UHF帶中的窄帶寬測距信號， 其中所述窄帶寬測距信號包含處于不同頻率的一個或一個以上多個脈沖， 其中所述窄帶寬測距信號包含處于相同頻率的一個或一個以上多個脈沖， 其中所述測距信號包含以下任一者(a)處于多個頻率的一個脈沖，(b)處于單個頻率的多個脈沖，和(c)處于不同頻率的多個脈沖，且其中所述窄帶寬測距信號。
42.一種用于基于RF跟蹤和定位對象的系統(tǒng)，其包括主單元，其具有RF收發(fā)器且適于介接到標簽以測量到所述標簽的距離；以及所述標簽，其具有RF收發(fā)器且適于介接到所述主單元，其中所述主單元的所述RF收發(fā)器和所述標簽的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以發(fā)射和接收測距信號，其中所述主單元的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以發(fā)射測距信號， 其中所述標簽的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以接收測距信號，其中所述測距信號包含以下任一者(a)處于多個頻率的一個脈沖，(b)處于單個頻率的多個脈沖和，(c)處于不同頻率的多個脈沖，且其中高分辨率頻譜估計分析用以減少距離測量中的空間不定性，包含估計若干多路徑頻率分量的模型大小，以及基于所述頻率分量的分布來計算所述距離。
43.一種用于基于RF跟蹤和定位對象的系統(tǒng)，其包括主單元，其具有RF收發(fā)器且適于介接到標簽和/或另一主單元以測量到所述標簽和/ 或另一主單元的距離；以及所述標簽和/或另一主單元，其具有RF收發(fā)器且適于介接到所述主單元，其中主單元具有RF收發(fā)器且適于介接到所述另一主單元，其中所述主單元的所述RF 收發(fā)器和所述標簽的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以發(fā)射和接收測距信號，其中所述主單元的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以發(fā)射測距信號，其中所述標簽的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以接收測距信號，其中所述測距信號包含以下任一者(a)處于多個頻率的一個脈沖，(b)處于單個頻率的多個脈沖和，(C)處于不同頻率的多個脈沖，其中所述測距信號用于測量所述主單元與所述標簽之間的所述距離， 其中所述測距信號用于測量多個主單元之間的所述距離，且其中所述系統(tǒng)計算所述所接收的測距信號的復振幅以確定主裝置-標簽距離和/或主裝置到主裝置距離。
44. 一種用于基于RF跟蹤和定位對象的系統(tǒng)，其包括主單元，其具有RF收發(fā)器且適于介接到標簽以測量到所述標簽的距離；以及所述標簽，其具有RF收發(fā)器且適于介接到所述主單元，其中所述主單元的所述RF收發(fā)器和所述標簽的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以發(fā)射和接收測距信號，其中所述主單元的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以發(fā)射測距信號，其中所述標簽的所述RF收發(fā)器經(jīng)配置以接收測距信號，其中所述測距信號和基帶測距信號的不同頻率分量是偽隨機選擇的，其中(a)所述分量在頻率上鄰接或間隔開，(b)所述分量是同時地和/或在時間上間隔開而產(chǎn)生，或(c) (a)與(b)的組合。
全文摘要
一種用于對對象進行基于長距射頻(RF)的識別、跟蹤和定位的方法和系統(tǒng)。所述方法和系統(tǒng)使用窄帶寬測距信號，包含較低頻帶的VHF，其使RF定位信號的傳播損失和準確性損失最小化。所述方法和系統(tǒng)包含窄帶寬測距信號多路徑抑制處理器，其進一步改善了跟蹤定位準確性。從主單元將信號發(fā)送到標簽。記錄信號行進時間并計算所述主裝置與所述標簽之間的距離。所述方法和系統(tǒng)通過結(jié)合所述窄帶寬測距信號多路徑抑制處理器使用VHF帶而允許實現(xiàn)RF窄帶寬測距信號穿透的較長距離和增加的準確性。使用數(shù)字信號處理和軟件定義無線電的技術(shù)。通過軟件定義由無線電發(fā)射和接收的實際波形。所述主單元和所述標簽的角色可顛倒。
文檔編號G08G1/00GK102203634SQ200980139103
公開日2011年9月28日 申請日期2009年10月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月7日
發(fā)明者勞倫斯·韋爾, 安德雷·于邵, 弗拉基米爾·茹拉諾夫, 杜魯門·普雷瓦特, 費力克斯·馬克邵斯凱 申請人:英維斯塔克有限公司