测距和定位系统技术方案

一种包括发射器和接收器节点的测距和定位系统，所述发射器和接收器节点通过啁啾调制的无线电信号一起通信，所述测距和定位系统具有测距模式，在所述测距模式中信号的测距交换在主设备和从设备之间进行，其导致在其之间的距离的评估。所述从站被布置用于识别测距请求并且发射回包含在时间和频率上与测距请求中的啁啾精确对准的啁啾的测距响应，于是所述主站能够接收测距响应、相对于其自己的时间参考来分析被包含在其中的啁啾的时间和频率并且估计到所述从站的距离。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】测距和定位系统
本专利技术在实施例中涉及在无线电信道上传输信息的方法，并且特别地涉及基于啁啾（chirp）扩频能够以低功率消耗跨越长距离的无线传输方案。本专利技术的实施例同样涉及根据专利技术的传输方案适合于无线传输的低复杂度的发射和接收设备。
技术介绍
数字无线数据传输被用于在数据速率、传输距离和功率消耗中都呈现巨大可变性的各种系统。然而存在对结合长传输距离与低功率消耗并且能够以简单接收器和发射器来实现的数字传输方案的需要。已知提供无线通信链路的端点之间的距离上的信息的许多系统。可以引用例如GPS系统和基于发出直接调制扩频信号的卫星的所有类似定位系统。此类系统已经示出长距离上的极好的测距精度，但是通常是非对称的并且是计算密集的。然而，这些技术的限制是相当高的接收器复杂度、对于弱信号可能是非常长的获取时间、其功率消耗和在室内环境中的操作困难。已知可能能够提供高精度测距测量并且传输数据的UWB测距系统，但是只在受限的距离上。已知在WiFi系统中提取位置信息。然而，WiFi测距不能提供准确的位置信息。WiFi定位依靠监听接入点信标（beacon）并且使用接入点图/数据库。附加地可以使用RSSI，但是飞行时间不是可用的。同样，与GPS同样地，接收器得到定位信息，而不是网络。US6940893描述基于在发出无线电啁啾的主站（master）和从站（slave）之间的双交换的测距系统。该技术使用类似于UWB系统的快速脉冲啁啾，并且由于非常大的带宽而难以扩展到长距离。距离计算基于测距信息的双交换，用以补偿在主站和从站中的时间参考不精确同步的事实。这需要收发器中相当大的复杂度。同样，因为距离估计显式地在空中传输，该技术本质上不安全。欧洲专利申请EP2449690描述使用数字合成啁啾符号作为调制的通信系统以及合适的基于FFT的接收器。US2006232463描述了一种雷达频带中的通信系统，其具有包括线性降低和增加的啁啾脉冲的20个信号，并且通过脉冲和对应参考波形之间的FFT相关性来提取距离。本专利技术的目的是提出一种能够以比本领域中已知系统更简单和更少能量密集的方式而估计更长距离上的无线链路的端点之间距离的系统。
技术实现思路
根据本专利技术，通过所附权利要求的对象来实现这些目的。附图说明借助于通过示例所给出并且由附图所图示的实施例描述，本专利技术将被更好地理解，其中：图1以示意性简化方式示出根据本专利技术的一个方面的无线电调制解调器的结构。图2a绘制根据本专利技术的一个方面的基础啁啾和经调制的啁啾的瞬时频率。相同信号的相位被表示在图2b中，并且图2c在时域上绘制基础啁啾的实数和复数分量。图3示意性地表示在本专利技术的测距方法期间在两个设备之间被交换的数据帧的结构。图4a和4b图示在本专利技术的测距过程中涉及的主和从设备之间的啁啾的时间对准，示出两个可能的定时误差和所涉及的未对准。图5绘制根据本专利技术的一个方面的被用于估计距离的校正函数。图6示意性地示出被用于本专利技术的可能的实施例中的步骤。图7和8示意性地呈现根据本专利技术的定位系统。图9示意性地图示本专利技术的测距方法的被动变型中的数据交换。图10是图示图9的交换中的信号的传播的简化时序图。图11示意性地图示包括安全测距请求的数据帧的可能结构。具体实施方式在本专利技术中所采用的啁啾调制技术的若干方面在欧洲专利申请EP2449690中被描述，所述欧洲专利申请EP2449690由此通过引用被合并，并且将在此处被概要地提醒。在图1中被示意性表示的无线电收发器是本专利技术的可能的实施例。所述收发器包括基带部件200和射频部件100。集中在发射器部分上，基带调制器150基于存在于其输入处的数字数据152而生成基带信号，所述基带信号的I和Q分量被RF部件100转换至期望传输频率、被功率放大器120放大并且被天线传输。在不背离本专利技术的框架的情况下，所提出的架构允许若干变形和修改，并且被提供作为非限制性示例。在可能的实施例中，极分量（振幅和相位）而不是笛卡尔分量和，可以被合成。从基带到所意图的频率的信号转换在该示例中通过在混频器110中将由放大器154所提供的信号与由电路190所生成并且与参考时钟129有关联的本地载波的同相和正交分量混频而被完成。一旦信号在无线电链路的另一端上被接收，则被图1的收发器的接收部分处理，所述接收部分包括随后为下变频级170的低噪声放大器160，所述下变频级170生成包括一系列啁啾的基带信号，所述基带信号然后由基带解调器180所处理，所述基带解调器180的函数是调制器150的函数的逆并且提供重构的数字信号182。如在EP2449690中所讨论的，调制器150合成包括一系列啁啾的基带信号，所述一系列啁啾的频率沿预定时间间隔从初始瞬时值改变至最终瞬时频率。为了简化描述，将假定所有啁啾具有相同的持续时间，尽管这对于本专利技术不是绝对的要求。在基带信号中的啁啾可以由其瞬时频率的时间分布或也可以由将信号的相位定义为时间的函数的函数描述。重要地，调制器150能够生成具有多个不同分布的啁啾，每个对应于预定调制符号集（alphabet）中的符号。根据本专利技术的重要特征，调制器150可以生成具有特定和预定义频率分布的基础啁啾（在下文也被称为未经调制的啁啾）或出自通过对基础频率分布进行循环时间移位而从基础啁啾所得到的一组可能的经调制的啁啾中的一个。图2a通过示例的方式图示在啁啾的开始处的时刻和在所述啁啾的结束处的时刻之间的基础啁啾和一个经调制的啁啾的可能的频率和相位分布，而图2b示出时域上对应的基带信号。水平尺度对应于例如符号并且虽然曲线被表示为连续的，其在具体实现方式中将由有限数目的离散样本所表示。关于垂直尺度，其被规范化至所意图的带宽或至对应的相位跨度。特别地，为了更好地示出其连续性，所述相位在图2b中被表示为好像其是无界变量，但是其在具体实现方式中事实上可以跨越若干转数（revolution）。在所描绘的示例中，基础啁啾的频率从初始值线性增大到最终值，其中代表带宽扩展量，但是下降的啁啾或其它啁啾分布也是可能的。因而，以啁啾的形式对信息进行编码，所述啁啾具有出自相对于预定基础啁啾的多个可能的循环移位中之一，每个循环移位对应于可能的调制符号。图2c是在时域中对应于基础啁啾的基带信号的实数和虚数分量I和Q的曲线图。优选地，调制器也被布置以合成共轭啁啾并且在信号中插入共轭啁啾，所述共轭啁啾是基础未经调制的啁啾的复共轭的啁啾。可以将这些看作降频啁啾（down-chirp），其中频率从的值下降至。优选地，啁啾的相位由连续函数描述，所述连续函数在啁啾的开始处和结束处具有相同的值：。由于如此，信号的相位跨越符号边界是连续的，这是在下文将被称作符号间相位连续性的特征。在图2a中所示出的示例中，函数是对称的，并且信号具有符号间相位连续性。如由EP2449690更详细解释的，上述信号结构允许接收器中的解调器单元180将其时间参考与发射器的时间参考对准，并且确定被赋予每个啁啾的循环移位量。评估所接收的啁啾相对于本地时间参考的时间移位的操作在下文可以被称作“去啁啾（dechirp）”，并且能够通过将所接收的啁啾与本地生成的基础啁啾的复共轭相乘并且执行FFT而被有利地实现。FFT的最大值的位置指示移位并且指示调制值。因而，“循环移位值”在下文可以被用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括至少发射设备和接收设备的系统，每个设备包括时间参考并且被布置用于发射和接收包括多个啁啾的无线电信号，其中每个啁啾在时间上被限制在初始时刻（T0）和最终时刻（T1）之间，在所述初始时刻（T0）处信号具有初始瞬时频率（f0），并且在所述最终时刻（T1）处信号具有最终瞬时频率（f1），所述初始和最终时刻以及所述初始和最终频率由时间参考确定，所述设备具有测距模式，在所述测距模式中测距请求从发射设备被发射（201）到接收设备，并且其中接收设备被布置用于接收（300）所述测距请求并且用于基于被包含在测距请求中的啁啾的时间和频率来确定接收设备的时间参考相对于发射设备的时间参考的时间和频率移位（350、359、362）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.02.14 EP 13155220.0;2013.11.22 EP 13194141.11.一种至少包括充当主站的发射设备和充当从站的接收设备的系统，每个设备包括时间参考并且被布置用于发射和接收包括多个啁啾的无线电信号，其中每个啁啾在时间上被限制在初始时刻和最终时刻之间，在所述初始时刻处信号具有初始瞬时频率，并且在所述最终时刻处信号具有最终瞬时频率，所述初始和最终时刻以及所述初始和最终频率由时间参考确定，所述设备具有测距模式，在所述测距模式中测距请求从发射设备被发射到接收设备，并且其中接收设备被布置用于接收所述测距请求并且用于基于被包含在测距请求中的啁啾的时间和频率来确定接收设备的时间参考相对于发射设备的时间参考的时间和频率移位，其特征在于所述系统还包括第三设备，所述第三设备包括与所述主站和所述从站的无线电接收单元兼容的无线电接收单元，所述第三设备被布置用于接收从所述发射设备和所述接收设备交换的信号并用于被动地确定测距信息。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第三设备进一步被布置用于基于被包含在测距响应中的啁啾的时间和频率来估计到接收设备的距离，其中所述测距响应被延迟与测距请求分离，所述延迟的长度由发射设备和接收设备所共享的秘密来确定。3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括具有共同时间参考的多个接收设备，所述接收设备被布置用于接收测距请求并且用于确定依赖于在发射设备和每个接收设备之间的距离的多个时间偏移；和计算装置（560），所述计算装置（560）被布置用于基于所述时间偏移来确定发射设备的位置。4.根据权利要求1所述的系统，包括具有共同时间参考的多个发射设备，所述发射设备被布置用于发射所述测距请求；和接收设备，所述接收设备被布置用于接收测距请求和用...

【专利技术属性】
技术研发人员：OBA塞勒，
申请(专利权)人：商升特公司，商升特国际股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US