BRPI0609645A2

BRPI0609645A2 - sistema de posicionamento

Info

Publication number: BRPI0609645A2
Application number: BRPI0609645-0A
Authority: BR
Inventors: Scott Adam Stephens
Original assignee: Navcom Tech Inc
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2010-04-20
Also published as: WO2006110262A2; RU2007141733A; EP1872149A2; EP1872149B1; US7466262B2; WO2006110262A3; US20050270229A1; CN101156077A; AU2006234895A1; JP2008536120A; CA2599069A1

Abstract

SISTEMA DE POSICIONAMENTO. Em uma concretização de um sistema de posicionamento, um elemento de transmissão é configurado para transmitir pelo menos um pulso eletromagnético tendo uma freqüência de sinal de portadora. Um arranjo de antena com uma pluralidade de elementos de recepção inclui pelo menos dois elementos de recepção separados por um espaçamento mais que meio comprimento de onda. Cada um dos pelo menos dois elementos de recepção é configurado para receber um sinal de retomo durante um período de tempo. O sinal de retomo inclui um pulso de retomo de um objeto dentro de uma área de detecção do sistema. O comprimento de onda corresponde à freqúéncia de sinal de portadora do pulso transmitido. Um detector é configurado para processar o sinal de retomo de um elemento de recepção e o outro elemento de recepção assim para isolar o pulso de retomo recebido em cada um dos pelo menos dois elementos de recepção e por esse meio determinar uma posição do objeto em relação ao sistema.

Description

"SISTEMA DE POSICIONAMENTO"

Esta pedido é uma continuação em parte do Pedido de PatenteUS N° 10/614.097, depositado em 3 de julho de 2003, pendente. O pedido dePatente US N° 10/614.097 está incorporado aqui por referência em suatotalidade.

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção relaciona-se geralmente a sistemas deposicionamento e mais especificamente, a um sistema e método paradeterminar a posição de um objeto em relação a um sistema deposicionamento usando um arranjo de antena disperso.

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO

Sistemas de posicionamento locais estão se tornando umhabilitador importante em dispositivos móveis requerendo capacidades denavegação, especialmente em aplicações de veículos autônomos e ferramentasde construção de precisão. Sistemas de posicionamento global tal como GPSprovêem só informação de posição de precisão média, normalmente nãomelhor que 10 cm, e requer uma visão clara do céu próximo ao horizonte.Sistemas de posicionamento locais, tanto com componentes ativos oupassivos distribuídos em um volume de trabalho, podem permitirposicionamento muito mais preciso (< 1 cm), e permitem ao usuário expandiro sistema como necessário para operar até mesmo nas geometrias inclusasmais complexas.

Sistemas de posicionamento local convencionais incluemsistemas de determinação de alcance acústicos e a laser. Sistemas acústicostipicamente usam balizas de transpondor para medir alcance dentro de umarede de dispositivos, alguns dos quais são fixados para formar o sistema decoordenadas locais. Infelizmente, por causa das propriedades de propagaçãode som por ar, sistemas acústicos só podem medir alcance a precisões de umcentímetro ou mais, e só através de distâncias relativamente curtas. Sistemasde posicionamento local baseados em laser utilizam medições do ambosângulo e alcance entre um dispositivo e um ou mais objetos refletivos, taiscomo prismas, para triangular ou calcular trilateralmente a posição dodispositivo. Porém, sistemas a laser empregam atualmente mecanismosapontadores caros que podem levar o custo de sistema a $30000 ou mais.

Um sistema de posicionamento local relativamente barato (<$2000) capaz de determinar posições 2D ou 3D a precisões de algunsmilímetros habilitaria um grande conjunto de produtos potenciais, em taisáreas de aplicação como construção de precisão em recinto fechado e ao arlivre, mineração, ceifa e tratamento de campo de cultivo e estádio de precisão.A presente invenção supera as limitações de custo e precisão de sistemas deposicionamento locais convencionais.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

O sistema e método da presente invenção provêem um sistemade posicionamento local barato, contudo altamente preciso.

Em uma concretização do sistema, um arranjo de antena comuma pluralidade de elementos de transmissão, incluindo pelo menos doiselementos de transmissão separados por um espaçamento mais que meiocomprimento de onda, é configurado para transmitir pelo menos um conjuntode pulsos eletromagnéticos substancialmente simultaneamente. Cada um dospelo menos dois elementos de transmissão é configurado para transmitir umpulso tendo uma respectiva freqüência de sinal de portadora no conjunto depulsos. O comprimento de onda corresponde a uma média de respectivasfreqüências de sinal de portadora de pulsos transmitidos dos pelo menos doiselementos de transmissão.

Um receptor é configurado para receber um sinal de retornodurante um período de tempo. O sinal de retorno inclui pelo menos umprimeiro pulso de retorno e um segundo pulso de retorno de um objeto dentrode uma área de detecção do sistema. O primeiro pulso de retorno correspondeao pulso transmitido de um elemento de transmissão e o segundo pulso deretorno corresponde ao pulso transmitido do outro elemento de transmissão.

Um detector é configurado para processar o sinal de retornoassim para isolar o primeiro pulso de retorno e o segundo pulso de retorno epor esse meio determinar uma posição do objeto em relação ao sistema. Odetector inclui lógica de resolução angular para determinar uma posiçãoangular do objeto de acordo com o espaçamento entre os pelo menos doiselementos de transmissão e lógica de resolução direcional para determinaruma direção do objeto de acordo com uma diferença em tempos de chegadado primeiro pulso de retorno e do segundo pulso de retorno no receptor.

Em outra concretização do sistema, um elemento detransmissão é configurado para transmitir pelo menos um pulsoeletromagnético tendo uma freqüência de sinal de portadora. Um arranjo deantena com uma pluralidade de elementos de recepção inclui pelo menos doiselementos de recepção separados por um espaçamento mais que meiocomprimento de onda. Cada um dos pelo menos dois elementos de recepção éconfigurado para receber um sinal de retorno durante um período de tempo. Osinal de retorno inclui um pulso de retorno de um objeto dentro da área dedetecção do sistema. O comprimento de onda corresponde à freqüência desinal de portadora do pulso transmitido.

Um detector é configurado para processar o sinal de retorno deum elemento de recepção e o outro elemento de recepção assim para isolar opulso de retorno recebido a cada um dos pelo menos dois elementos derecepção e por esse meio determinar a posição do objeto em relação aosistema. O detector inclui lógica de resolução angular para determinar aposição angular do objeto de acordo com o espaçamento entre os pelo menosdois elementos de recepção e lógica de resolução direcional para determinar adireção do objeto de acordo com a diferença em tempos de chegada doprimeiro pulso de retorno e do segundo pulso de retorno nos elementos derecepção.

Variações adicionais nas concretizações de método e aparelhosão providas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Objetivos e características adicionais da invenção serãoaparentes mais prontamente da descrição detalhada seguinte e reivindicaçõesanexas quando tomadas junto com os desenhos.

Figura 1 é um diagrama ilustrando um arranjo de antena datécnica anterior.

Figura 2 ilustra amostras em uma transformada de Fourierdiscreta da técnica anterior.

Figura 3 ilustra um arranjo de antena da técnica anterior.

Figura 4 ilustra um sistema de posicionamento com um arranjode antena disperso.

Figura 5 ilustra uma concretização do sistema deposicionamento com o arranjo de antena disperso.

Figura 6 ilustra uma concretização do sistema deposicionamento com o arranjo de antena disperso.

Figura 7 ilustra uma concretização do sistema deposicionamento com o arranjo de antena disperso.

Figura 8 é uma ilustração de componentes típicos em umaconcretização do sistema de posicionamento com o arranjo de antenadisperso.

Figura 9 é um fluxograma das operações executadas com umaconcretização do sistema de posicionamento com o arranjo de antenadisperso.

Figura 10 é um fluxograma das operações executadas comuma concretização do sistema de posicionamento com o arranjo de antenadisperso.Figura 11 ilustra os lotes de alcance e angularescorrespondendo a posições de um ou mais arranjos de antena relativos a umou mais objetos.

Mesmos numerais de referência se referem a partescorrespondentes ao longo das várias vistas dos desenhos.

DESCRIÇÃO DETALHADA DOS DESENHOS

Referência será feita agora em detalhes a concretizações dainvenção, exemplos de quais são ilustrados nos desenhos acompanhantes. Nadescrição detalhada seguinte, numerosos detalhes específicos estão publicadosa fim de prover uma compreensão completa da presente invenção. Porém,será aparente a alguém de habilidade ordinária na técnica que a presenteinvenção pode ser praticada sem estes detalhes específicos. Em outros casos,métodos, procedimentos, componentes, e circuitos bem conhecidos não foramdescritos em detalhes assim para não obscurecer desnecessariamente aspectosda presente invenção.

Uma abordagem existente para um sistema de posicionamentoé ilustrada na Figura 1. Sistema de posicionamento 100 inclui o arranjo deantena 110 tendo os elementos de transmissão 112. O arranjo de antenatransmite um feixe eletromagnético 1141 a um objeto 1161 dentro de umaárea de detecção do de sistema 100. A direção de feixe 1141 tem um ângulo0 118 com respeito a uma direção horizontal colinear com os elementos detransmissão 112. O feixe 114_1 é tipicamente contínuo como uma função detempo, tendo um sinal de portadora com uma freqüência de sinal de portadorae um comprimento de onda X correspondente. Tal feixe também é conhecidocomo onda contínua (CW). Uma porção do feixe 114_1 é refletida do objeto116_ 1. Este feixe refletido é detectado por um receptor (não mostrado) noarranjo de antena 110 permitindo uma localização do objeto 116_1 relativo aoarranjo de antena 110 ser determinada dentro de uma resolução de posição doarranjo de antena 110.A resolução de posição combina uma distância ou resolução dealcance e uma resolução angular. A resolução angular do arranjo de antena110 é determinada por uma variedade de fatores incluindo o comprimento deonda de sinal de portadora X, o ângulo 9 118, um espaçamento mínimo d 120entre em dois elementos de transmissão adjacentes (neste caso, elemento detransmissão 112_4 e elemento de transmissão 112_5) e uma distância máxima122 dos elementos de transmissão 112. Em general, para dados valores destesfatores, o arranjo de antena 110 com a menor resolução angular é muitodesejável.

Para um arranjo de antena com espaçamento igual d 120 entreelementos de transmissão adjacentes, tal como arranjo de antena 110, adistância máxima 122 dos elementos de transmissão 112 é igual a um númeroN de elementos de transmissão 112 vezes o espaçamento d 120 ou Nd. Nd éuma abertura numérica efetiva D do arranjo de antena 110. O limite deRayleigh clássico na potência de resolução de um sistema de geração deimagem, tal como o sistema de posicionamento de CW 100, indica que aresolução angular alcançada pela abertura numérica efetiva de comprimentoD é proporcional a X/D. Esta resolução angular corresponde a uma largura defeixe de um lóbulo em um padrão de ganho para o arranjo de antena 110.(Note que o padrão de ganho é proporcional a uma intensidade de irradiação.)O lóbulo é normalmente um lóbulo central ou principal no padrão de ganho,desde que este lóbulo normalmente tem a amplitude maior, permitindo aposição de objetos com seções transversais pequenas ser determinada. Alargura de feixe de um respectivo lóbulo no padrão de ganho é um mínimopara ângulo 9 118 igual a 90°, isto é, ao lado do arranjo de antena 110.Quando o ângulo 9 118 chega a 0o ou 180°, a largura de feixe - e umaresolução angular correspondendo ao respectivo lóbulo - aumenta.

A relação inversa entre a abertura numérica efetiva D e aresolução angular do arranjo de antena 110 pode ser entendida por analogiacom uma transformada de Fourier discreta existente 200 ilustrada na Figura 2.Múltiplas amostras de tempo 218 de um sinal são mostradas como magnitude210 como uma função de tempo 212. A primeira amostra de tempo 214 e aúltima amostra de tempo 216 definem um intervalo de tempo 220. Umaresolução de freqüência da transformada de Fourier discreta 200 das amostras218 tem uma relação inversa com o intervalo de tempo 220.

Se referindo de volta à Figura 1, uma fase ou temporizaçãorelativa e/ou uma amplitude de sinais de transmissão aplicados a elementos detransmissão 112 diferentes pode ser usada para orientar eletronicamente olóbulo principal do padrão de ganho e por esse meio variar o ângulo 0 118.Tal orientação eletrônica é análoga à modulação de amplitude de sinais dedomínio de tempo. Orientação eletrônica é ilustrada na Figura 1 por feixe114_2 e objeto 1162. Há, porém, algumas desvantagens a orientareletronicamente. Notavelmente, há requisitos de temporização precisos paraos sinais de transmissão e a resolução angular aumenta quando o ângulo 0 118chega a 0o ou 180°. Tratar estes desafios faz orientação eletrônica menosdesejável em aplicações sensíveis a custo.

Como notado pela analogia com a transformada de Fourierdiscreta 200 ilustrada na Figura 2, os elementos de transmissão discretos 112no arranjo de antena 110 também efetivamente amostram espacialmente opadrão de ganho. O critério de Nyquist para o arranjo de antena 110 é que oespaçamento d 120 seja menos que ou igual a meio comprimento de onda X/2ou d < X/2. Para d > À/2, o padrão de ganho é sobre-especificado e se repeteatravés de uma região visível do arranjo de antena 110. Para o ângulo 0 118igual a 90° e d > X, isto dá origem a lóbulos de grade ou franjas. Para oângulo 0 118 igual a 0o ou 180°, o critério correspondente é d > X/2. Lóbulosde grade são imagens essencialmente espectrais geradas no processo deamostragem.

Lóbulos de grade são muito estreitos e permitem resoluçãoangular muito pequena. Como discutido abaixo, porém, há uma ambigüidadedirecional associada com eles. Como uma conseqüência, para feixes de CW114, o arranjo de antena 110 com espaçamento d 120 igual a X/2 alcançadiretividade máxima, isto é, uma resolução angular resolvível mínima.Arranjos de antena tendo d > X/2 são referidos como arranjos de antenadispersos.

Figura 3 ilustra um sistema de posicionamento 300 existenteincluindo um arranjo de antena 310 tendo dois elementos de transmissão 312com um espaçamento d 314 igual a X/4. A abertura numérica efetiva N doarranjo de antena 310 é a mesma como um espaçamento d 314 entre oselementos de transmissão 312. O arranjo de transmissão 310 tem um padrãode ganho 318. De acordo com o critério de Nyquist, não há nenhum lóbulo degrade no padrão de ganho 318. Para um objeto 316 dentro da área de detecçãodo sistema 300, o padrão de ganho 318 tem uma resolução angular 320,incluindo o ângulo 322, permitindo a posição de objeto 316 ser determinada.

Figura 4 ilustra um sistema de posicionamento 400 incluindoum arranjo de antena 410 tendo dois elemento de transmissão 412 com umespaçamento d 414 igual a 4X. O espaçamento d 414 viola o critério deNyquist e dá origem a um padrão de ganho 418 tendo múltiplos lóbulos degrade. Note que a largura de feixe de um lóbulo de grade respectivo aumentaquando o respectivo lóbulo se aproxima de colinearidade com os elementosde transmissão 412. Isto corresponde a ter o ângulo 0 118 (Figura 1)chegando a 0o ou 180°. Enquanto os lóbulos de grade permitem uma pequenaresolução angular (tal como ângulo 422) da posição de um objeto 416, parasinais de CW, o arranjo de antena 410 é incapaz de distinguir o sinal 420_2 deoutros sinais 420 correspondendo aos outros lóbulos de grade no padrão deganho 418. Como uma conseqüência, há uma ambigüidade direcional naposição do objeto 416.

Figura 5 ilustra uma concretização de um sistema deposicionamento 500, incluindo um arranjo de antena disperso 510 tendo doiselementos de transmissão 512 com um espaçamento d 414 (igual a 4A-), queviola o critério de Nyquist. O sistema de posicionamento 500 resolve aambigüidade direcional na posição do objeto 416 transmitindo pelo menos umconjunto de pulsos dos elementos de transmissão 512 substancialmentesimultaneamente. Elementos de transmissão 512 é cada configurado paratransmitir pelo menos um pulso no conjunto de pulsos. Cada pulso tem umarespectiva freqüência de sinal de portadora, e o comprimento de onda Xcorresponde a uma média de respectivas freqüências de sinal de portadora depulsos transmitidos dos dois elementos de transmissão 512.

Analisando tempos de chegada dos pulsos correspondendoàqueles transmitidos por elemento de transmissão 512 usando pelo menos umelemento de recepção (não mostrado), sinal 420_2 correspondendo a umlóbulo de grade apropriado no padrão de ganho 418, e assim ao objeto 416,pode ser determinado. Em particular, um tempo de chegada (ToA) é:

<formula>formula see original document page 10</formula>

onde r é a distância de um respectivo elemento de transmissão, tal como oelemento de transmissão 512_1, e c é a velocidade de propagação de sinaiseletromagnéticos. A velocidade de propagação de sinais eletromagnéticos c éconhecida ser aproximadamente 3,0.108 m/s no vácuo. Em condiçõesatmosféricas típicas, a velocidade de propagação de sinais eletromagnéticosdesvia deste valor por menos de 300 ppm (partes por milhão). Empregandoinformação sobre a altitude e outros fatores ambientais, a velocidade depropagação de sinais eletromagnéticos no ambiente do sistema deposicionamento 500 pode ser determinada dentro de 100 ppm. Portanto,análise do tempo de chegada dos pulsos permite distâncias ou alcances doselementos de transmissão 512 ao objeto 516, e assim o lóbulo de gradeapropriado no padrão de ganho 418, ser determinado. Em algumasconcretizações, a distância ou alcance é determinado usando o tempo ouchegada de um dos pulsos.

O sistema de posicionamento 500 tem uma resolução angularpequena com um arranjo de antena 510 barato. Um arranjo de antena de CW,tal como o arranjo de antena 110 (Figura 1), precisa de mais elementos detransmissão 112 (Figura 1), com complexidade e despesa correspondente,para alcançar resolução angular comparável. Enquanto o sistema deposicionamento 500 tem dois elementos de transmissão 512, outrasconcretizações podem ter uma pluralidade de elementos de transmissãoincluindo pelo menos dois elementos de transmissão 512 separados por umespaçamento d 414 mais que meio comprimento de onda A/2.

A combinação de informação de alcance e informação angularentre o arranjo de antena 510 e o objeto 416 permite a posição do arranjo deantena 510 ser determinada. Tipicamente, o sistema de posicionamento 500será capaz de estabelecer ou determinar a posição com uma resolução de 1 cmou melhor. Isto é ilustrado na Figura 11 para um sistema de posicionamento1100. Um ou mais objetos, tal como o objeto 416 (Figura 5), estão em lotes dealcance 1110, definidos por alcances ri, r2, r3 e r4 (determinados do tempo dechegada de um ou mais pulsos de retorno) e lotes angulares 1120, definidospor ângulos 1112, 1114, 1116 e 1118. Em uma concretização exemplar, aposição de um dispositivo 1108, incluindo um ou mais arranjos de antena, talcomo o arranjo de antena 510 (Figura 5), pode ser determinada com umaprecisão de 1 cm ou melhor.

Figura 6 ilustra uma concretização de um sistema deposicionamento 600 tendo um arranjo de antena disperso 610. O arranjo deantena 610 inclui pelo menos um receptor 614 e uma pluralidade deelementos de transmissão 612 incluindo pelo menos dois elementos detransmissão 612_1 e 612_2 separados pelo espaçamento d (não mostrado)mais que meio comprimento de onda A/2. O arranjo de antena 610 éconfigurado para transmitir pelo menos um conjunto de pulsoseletromagnéticos 616 substancialmente simultaneamente. Cada um dos pelomenos dois elementos de transmissão 6121 e 612_2 é configurado paratransmitir um pulso (616 1 ou 6162) no conjunto de pulsos 616. Cada pulso(6161 e 616_2) tem uma respectiva freqüência de sinal de portadora, e ocomprimento de onda A, corresponde a uma média de respectivas freqüênciasde sinal de portadora de pulsos transmitidos 6161 e 616_2 dos pelo menosdois elementos de transmissão 6121 e 612_2.

O receptor 614 é configurado para receber um sinal de retorno620 durante um período de tempo. O sinal de retorno 620 inclui pelo menosum primeiro pulso de retorno 622_1 e um segundo pulso de retorno 622_2 deum objeto 618 dentro da área de detecção do sistema de posicionamento 600.O primeiro pulso de retorno 622_1 corresponde ao pulso transmitido 616_1de elemento de transmissão 612_1 e o segundo pulso de retorno 622_2corresponde ao pulso transmitido 616_2 de elemento de transmissão 612_2.

Um detector (não mostrado) no sistema de posicionamento600 é configurado para processar o sinal de retorno 620 assim para isolar oprimeiro pulso de retorno 622_1 e o segundo pulso de retorno 622_2 e poresse meio determinar a posição do objeto 618 em relação ao sistema deposicionamento 600. O detector inclui lógica de resolução angular paradeterminar a posição angular do objeto 618 de acordo com o espaçamento dentre os pelo menos dois elementos de transmissão 6121 e 612_2, e lógica deresolução direcional para determinar a direção do objeto 618 de acordo comuma diferença em tempos de chegada do primeiro pulso de retorno 622_1 edo segundo pulso de retorno 622_2 no receptor 614.

Em algumas concretizações do sistema de posicionamento600, os pulsos 616_1 e 6162 para cada um dos pelo menos dois elementos detransmissão 6121 e 612_2 são codificados diferentemente. Em algumasconcretizações do sistema de posicionamento 600, os pulsos 6161 e 616_2para cada um dos pelo menos dois elementos de transmissão 6121 e 612_2têm uma fase de sinal de portadora diferente. Em algumas concretizações dosistema de posicionamento 600, os pulsos 616_1 e 6162 para cada um dospelo menos dois elementos de transmissão 612_1 e 612_2 têm uma freqüênciade sinal de portadora diferente. Em algumas concretizações do sistema deposicionamento 600, os pulsos 616 podem ser distinguidos por perfis deganho diferentes para os elementos de transmissão 612, por esse meiomodificando uma amplitude dos pulsos de retorno 622 no sinal de retorno620.

Em algumas concretizações do sistema de posicionamento600, os elementos de transmissão 612 são onidirecionais. Em algumasconcretizações do sistema de posicionamento 600, os pulsos 616 transmitidosde cada um dos pelo menos dois elementos de transmissão 612 têm umapolarização e o receptor 614 preferencialmente recebe sinal de retorno 620tendo a polarização. A polarização inclui polarização linear, polarizaçãoelíptica, polarização elíptica horária, polarização elíptica anti-horária,polarização circular horária e polarização circular anti-horária.

Em algumas concretizações do sistema de posicionamento600, o objeto 618 é um refletor passivo. Em algumas concretizações dosistema de posicionamento 600, o objeto 618 é um marco ativo. O marcoativo transmite um pulso de retorno correspondendo a um ou mais pulsos 616transmitidos pelo arranjo de antena 610.

Em algumas concretizações do sistema de posicionamento600, o arranjo de antena 610 inclui um terceiro elemento de transmissão6123, que não é colinear com os primeiros dois elementos de transmissão612 1 e 612_2. O terceiro elemento de transmissão 612_3 é configurado paratransmitir um pulso 616_3 tendo uma respectiva freqüência de sinal deportadora. Em algumas concretizações do sistema de posicionamento 600, oarranjo de antena 610 inclui um quarto elemento de transmissão 612_4, quenão é coplanar com outros elementos de transmissão 6121, 612_2 e 612_3.O quarto elemento de transmissão 612_4 é configurado para transmitir umpulso 616_4 tendo uma respectiva freqüência de sinal de portadora. Em umaconcretização exemplar do sistema de posicionamento 600, os elementos detransmissão 612 são arranjados em um tetraedro. Em outras concretizações dosistema de posicionamento 600, elementos de transmissão 612 adicionais e/oureceptores adicionais, tal como receptor 614, são incluídos no arranjo deantena 610.

O terceiro elemento de transmissão não colinear 612_3 e/ou oquarto elemento de transmissão não coplanar 612_4 permite a determinaçãode ângulos ao objeto 618 entre três dimensões. Por exemplo, se as posições detrês elementos de transmissão 612 que não são colineares forem conhecidas, épossível determinar a posição do objeto 618 não ambiguamente deconhecimento do alcance do objeto 618 a cada um dos elementos detransmissão 612. Alternativamente, se os elementos de transmissão 612 foremnão coplanares, o uso de quatro elementos de transmissão 612 com posiçõesconhecidas permitirá a determinação não ambígua da posição do objeto 618de conhecimento do alcance do objeto 618 a cada um dos elementos detransmissão 612. Algoritmos para a determinação de posição baseados em umou mais alcances são bem conhecidos a alguém de habilidade na técnica.

Veja, por exemplo "Quadratic time algorithm for the minmax lengthtriangulation", H. Edelsbruneer e T. S. Tan, páginas 414-423 emProcedimentos do 32° Simpósio Anual sobre Fundações de Informática, 1991,San Juan, Porto Rico, por este meio incorporado por referência em suatotalidade.

As respectivas freqüências de sinal de portadora, e ocomprimento de onda correspondente, podem estar em uma banda deradiofreqüência, uma banda de freqüência ultra-alta, uma banda de freqüênciamuito alta ou uma banda de freqüência de microondas.

Baseado em um princípio de reciprocidade, uma concretizaçãocom um elemento de transmissão e pelo menos dois elementos de recepçãoseparados pelo espaçamento d mais que meio comprimento de onda X/2também pode implementar o sistema de posicionamento. Isto é ilustrado naconcretização do sistema de posicionamento 700 na Figura 7. Um arranjo deantena 710 tem um elemento de transmissão 712 transmitindo pelo menos umpulso eletromagnético 716 tendo a freqüência de sinal de portadora e ocomprimento de onda X. O arranjo de antena 710 tem uma pluralidade deelementos de recepção 714 incluindo pelo menos dois elementos de recepção714_1 e 714_2 separados pelo espaçamento d (não mostrado) mais que meiocomprimento de onda X/2. Cada um dos pelo menos dois elementos derecepção 714_1 e 714_2 é configurado para receber um sinal de retorno 720 1e 720_2 durante um período de tempo, os sinais de retorno 720_1 e 720_2incluindo um pulso de retorno de um objeto 718 dentro da área de detecção dosistema de posicionamento 700.

Um detector (não mostrado) no sistema de posicionamento700 é configurado para processar os sinais de retorno 720_1 e 720_2 de umelemento de recepção 714_1 e o outro elemento de recepção 720_2,respectivamente, assim para isolar o pulso de retorno recebido em cada umdos pelo menos dois elementos de recepção 714_1 e 714_2, e por esse meiodeterminar uma posição do objeto 718 em relação ao sistema deposicionamento 700. O detector inclui lógica de resolução angular paradeterminar a posição angular do objeto 718 de acordo com o espaçamento dentre os pelo menos dois elementos de recepção 714_1 e 714_2, e lógica deresolução direcional para determinar a direção do objeto 718 de acordo comuma diferença em tempos de chegada do primeiro pulso de retorno e dosegundo pulso de retorno nos elementos de recepção 714_1 e 714_2,respectivamente. A distância ou alcance ao objeto 718 também pode serdeterminado baseado nos tempos de chegada de um ou mais pulsos deretorno.Em algumas concretizações do sistema de posicionamento700, o elemento de transmissão 712 é onidirecional. Em algumasconcretizações do sistema de posicionamento 700, o um ou mais pulsostransmitidos 716 do elemento de transmissão 712 têm uma polarização e osreceptores 714 preferencialmente recebem sinais de retorno 720 tendo apolarização. A polarização inclui polarização linear, polarização elíptica,polarização elíptica horária, polarização elíptica anti-horária, polarizaçãocircular horária e polarização circular anti-horária.

Em algumas concretizações do sistema de posicionamento700, o objeto 718 é um refletor passivo. Em algumas concretizações dosistema de posicionamento 700, o objeto 718 é um marco ativo.

Em algumas concretizações do sistema de posicionamento700, o arranjo de antena 710 inclui um terceiro elemento de recepção 714_3que não é colinear com os primeiros dois elementos de recepção 714_1 e714_2. O terceiro elemento de recepção 714_3 é configurado para receber umsinal 720_3 incluindo um pulso tendo a freqüência de sinal de portadora. Emalgumas concretizações do sistema de posicionamento 700, o arranjo deantena 710 inclui um quarto elemento de recepção 717_4 que não é coplanarcom outros elementos de recepção 714_1, 714_2 e 714_3. O quarto elementode recepção 714_4 é configurado para receber um sinal 720_4 incluindo umpulso tendo a freqüência de sinal de portadora. Em uma concretizaçãoexemplar do sistema de posicionamento 700, os elementos de recepção 714são arranjados em um tetraedro. Em outras concretizações do sistema deposicionamento 700, elementos de transmissão adicionais, tal como elementode transmissão 712, e/ou receptores adicionais 714 são incluídos no arranjo deantena 710.

Como discutido previamente para o sistema de posicionamento600, o terceiro elemento de recepção não colinear 714_3 e/ou o quartoelemento de recepção não coplanar 714_4 permite a determinação de ângulosao objeto 718 em três dimensões.

Figura 8 ilustra uma concretização de um detector 800adequado para uso em concretizações 600 e 700 do sistema deposicionamento. O detector 800 inclui um circuito de extremidade dianteira812 e um processador de sinal 814 para modificar um ou mais sinais. Amodificação pode incluir amplificação, filtragem e/ou remoção de codificaçãode modulação. O detector 800 inclui uma ou mais unidades de processamento(CPUs) 816, um dispositivo de memória com armazenamento primário esecundário 818, e um ou mais barramentos de comunicação 810 para conectarestes componentes. Em concretizações alternadas, alguma ou toda dafuncionalidade do detector 800 podem ser implementada em um ou maiscircuitos integrados específicos de aplicação (ASICs), por esse meio tantoeliminando a necessidade pela unidade de processamento 816 ou reduzindo opapel da unidade de processamento 816. O dispositivo de memória 818 podeincluir memória de acesso aleatório de alta velocidade e também pode incluirmemória não volátil, tal como um ou mais dispositivos de armazenamento dedisco magnético. O dispositivo de memória 818 pode incluir memória demassa que está localizada remotamente da unidade de processamento 816.

O dispositivo de memória 818 armazena um sistemaoperacional 820, que inclui procedimentos para operar vários serviços desistema básicos para executar tarefas dependentes de hardware. O dispositivode memória 818 também armazena um ou mais módulos de programa 822. Omódulo de programa 822 inclui módulo de determinação de posição 824 paradeterminar a posição de um ou mais objetos dentro da área de detecção dosistema de posicionamento, tais como sistemas de posicionamento 600 e 700.O módulo de determinação de posição 824 inclui módulo de resoluçãoangular 826, módulo de resolução direcional 828 e módulo de determinaçãode alcance 830. O módulo de resolução direcional 828 determina o lóbulo degrade apropriado no padrão de ganho correspondendo ao objeto.Os módulos no dispositivo de memória 818 são executadospela unidade de processamento 816. Além disso, o detector 800 pode incluirprocedimentos executáveis, submódulos, tabelas e outras estruturas de dados(não mostradas). Em algumas concretizações, módulos adicionais oudiferentes e estruturas de dados podem ser usadas e alguns dos módulos e/ouestruturas de dados listadas acima podem não ser usadas. Em algumasconcretizações, as capacidades do detector 800 podem ser implementadasmais em hardware e menos em software, ou menos em hardware e mais emsoftware, como é conhecido na técnica.

Figura 9 é um fluxograma das operações executadas com umaconcretização do sistema de posicionamento com o arranjo de antenadisperso. Depois de começo 910, pelo menos um conjunto de pulsoseletromagnéticos é transmitido 912 substancialmente simultaneamente deuma pluralidade de posições, incluindo pelo menos duas posições detransmissão separadas pelo espaçamento d mais que meio comprimento deonda À/2. O comprimento de onda A, corresponde um uma média derespectivas freqüências de sinal de portadora dos pulsos no conjunto depulsos.

Um sinal de retorno é recebido 914 durante um período detempo. O sinal de retorno inclui pelo menos o primeiro pulso de retorno e osegundo pulso de retorno do objeto dentro da área de detecção do sistema. Oprimeiro pulso de retorno corresponde a pulso transmitido no conjunto depulsos e o segundo pulso de retorno corresponde a outro pulso transmitido noconjunto de pulsos. O sinal de retorno é processado assim para isolar 916 oprimeiro pulso de retorno e o segundo pulso de retorno. Uma posição,incluindo uma resolução angular e uma resolução direcional, do objeto édeterminada 818 e o procedimento termina 920. Em algumas concretizações,a distância ou alcance é determinado baseado no tempo de chegada de um oumais pulsos de retorno. A resolução angular é determinada de acordo com oespaçamento d entre as pelo menos duas posições de transmissão e aresolução direcional é determinada de acordo com a diferença em tempos dechegada do primeiro pulso de retorno e do segundo pulso de retorno.

Figura 10 é um fluxograma das operações executadas comuma concretização do sistema de posicionamento com o arranjo de antenadisperso. Depois de começo 1010, pelo menos um pulso eletromagnético étransmitido 1012. O pulso tem uma freqüência de sinal de portadora e ocomprimento de onda X. Um sinal de retorno é recebido 1014 durante umperíodo de tempo em uma pluralidade de posições incluindo pelo menos duasposições de recepção separadas pelo espaçamento d mais que meiocomprimento de onda X/2. O sinal de retorno inclui um pulso de retorno doobjeto dentro da área de detecção do sistema.

O sinal de retomo é processado assim para isolar 1016 o pulsode retorno do sinal de retorno recebido a cada uma das pelo menos duasposições de recepção. Uma posição, incluindo uma resolução angular e umaresolução direcional, do objeto é determinada 1018 e o procedimento termina1020. Em algumas concretizações, a distância ou alcance é determinadobaseado no tempo de chegada de um ou mais pulsos de retorno. A resoluçãoangular é determinada de acordo com o espaçamento d entre as pelo menosduas posições de recepção e a resolução direcional é determinada de acordocom uma diferença em tempos de chegada do pulso de retorno nas posiçõesde recepção.

Em algumas concretizações, um método de determinar aposição de um objeto em relação a um sistema de posicionamento incluitransmitir pelo menos um conjunto de pulsos eletromagnéticossubstancialmente simultaneamente de uma pluralidade de posições incluindopelo menos duas posições de transmissão separadas por um espaçamento maisque meio comprimento de onda e receber um sinal de retorno durante umperíodo de tempo. O comprimento de onda corresponde a uma média derespectivas freqüências de sinal de portadora dos pulsos no conjunto depulsos. O sinal de retorno inclui pelo menos um primeiro pulso de retorno eum segundo pulso de retorno do objeto dentro de uma área de detecção dosistema. O primeiro pulso de retorno corresponde ao pulso transmitido noconjunto de pulsos e o segundo pulso de retorno corresponde a outro pulsotransmitido no conjunto de pulsos. O método ademais inclui processar o sinalde retorno assim para isolar o primeiro pulso de retorno e o segundo pulso deretorno e determinar uma posição, com uma resolução angular e umaresolução direcional, do objeto. A resolução angular é determinada de acordocom o espaçamento entre as pelo menos duas posições de transmissão e aresolução direcional é determinada de acordo com uma diferença em temposde chegada do primeiro pulso de retorno e do segundo pulso de retorno.

Os pulsos de transmissão das pelo menos duas posições detransmissão podem ser codificados diferentemente. Os pulsos de transmissãodas pelo menos duas posições de transmissão podem ter fases de sinal deportadora diferentes. Os pulsos de transmissão das pelo menos duas posiçõesde transmissão podem ter freqüências de sinal de portadora diferentes.

A transmissão dos pelo menos dois pulsos de transmissão podeser onidirecional. Os pelo menos dois pulsos de transmissão podem ter umapolarização e o receptor preferencialmente recebe sinais de retorno tendo apolarização.

A polarização pode ser selecionada de polarização linear,polarização elíptica, polarização elíptica horária, polarização elíptica anti-horária, polarização circular horária e/ou polarização circular anti-horária.

Em algumas concretizações, o objeto pode ser um refletorpassivo. Em algumas concretizações, o objeto pode ser um marco ativo.

O método pode ademais incluir transmitir um terceiro pulsotendo uma respectiva freqüência de portadora de uma terceira posição detransmissão que é não colinear com as primeiras duas posições detransmissão.

O método pode ademais incluir transmitir um quarto pulsotendo uma respectiva freqüência de portadora de um quarta posição detransmissão que não é coplanar com outras posições de transmissão.

Em outras concretizações, um método de determinar a posiçãode um objeto em relação a um sistema de posicionamento inclui transmitirpelo menos um pulso eletromagnético tendo uma freqüência de sinal deportadora e receber um sinal de retorno durante um período de tempo em umapluralidade de posições incluindo pelo menos duas posições de recepçãoseparadas por um espaçamento mais que meio comprimento de onda. O sinalde retorno inclui um pulso de retorno de um objeto dentro de uma área dedetecção do sistema e o comprimento de onda corresponde à freqüência desinal de portadora do pulso transmitido. O método ademais inclui processar osinal de retorno assim para isolar o pulso de retorno do sinal de retornorecebido por cada uma das pelo menos duas posições de recepção determinaruma posição, com uma resolução angular e uma resolução direcional, doobjeto. A resolução angular é determinada de acordo com o espaçamentoentre as pelo menos duas posições de recepção e a resolução direcional édeterminada de acordo com uma diferença em tempos de chegada do pulso deretorno nas posições de recepção.

A transmissão do pulso de transmissão pode ser onidirecional.O pulso de transmissão pode ter uma polarização e recebepreferencialmente sinais de retorno tendo a polarização. A polarização podeser selecionada de polarização linear, polarização elíptica, polarização elípticahorária, polarização elíptica anti-horária, polarização circular horária e/oupolarização circular anti-horária.

Em algumas concretizações, o objeto é um refletor passivo.Em algumas concretizações, o objeto é um marco ativo.

O método pode ademais incluir receber o sinal de retorno auma terceira posição de recepção que é não colinear com as primeira duasposições de recepção.

O método pode ademais incluir receber o sinal de retorno auma quarta posição de recepção que não é coplanar com outras posições derecepção.

A descrição precedente, para propósitos de explicação, usavanomenclatura específica para prover uma compreensão completa da invenção.Porém, será aparente a alguém qualificado na técnica que os detalhesespecíficos não são requeridos a fim de praticar a invenção. As concretizaçõesforam escolhidas e descritas a fim de melhor explicar os princípios dainvenção e suas aplicações práticas, por esse meio para habilitar outrosqualificados na técnica a melhor utilizar a invenção e várias concretizaçõescom várias modificações como são adequadas ao uso particular contemplado.

Assim, a exposição precedente não é pretendida ser exaustiva ou limitar ainvenção às formas precisas expostas. Muitas modificações e variações sãopossíveis em vista dos ensinamentos anteriores.

É pretendido que a extensão da invenção seja definida pelasreivindicações seguintes e seus equivalentes.

Claims

1. Sistema de posicionamento, caracterizado pelo fato decompreender:um arranjo de antena com uma pluralidade de elementos detransmissão incluindo pelo menos dois elementos de transmissão separadospor um espaçamento mais que meio comprimento de onda e configurado paratransmitir pelo menos um conjunto de pulsos eletromagnéticossubstancialmente simultaneamente,em que cada um dos pelo menos dois elementos detransmissão é configurado para transmitir um pulso no conjunto de pulsos,cada pulso tendo uma respectiva freqüência de sinal de portadora, e ocomprimento de onda corresponde a uma média de respectivas freqüências desinal de portadora de pulsos transmitidos dos pelo menos dois elementos detransmissão;um receptor configurado para receber um sinal de retornodurante um período de tempo, o sinal de retorno incluindo pelo menos umprimeiro pulso de retorno e um segundo pulso de retorno de um objeto dentrode uma área de detecção do sistema, em que o primeiro pulso de retornocorresponde ao pulso transmitido de um elemento de transmissão e o segundopulso de retorno corresponde ao pulso transmitido do outro elemento detransmissão; eum detector configurado para processar o sinal de retornoassim para isolar o primeiro pulso de retorno e o segundo pulso de retorno epor esse meio determinar uma posição do objeto em relação ao sistema,em que o detector inclui lógica de resolução angular paradeterminar uma posição angular do objeto de acordo com o espaçamentoentre os pelo menos dois elementos de transmissão e lógica de resoluçãodirecional para determinar uma direção do objeto de acordo com umadiferença em tempos de chegada do primeiro pulso de retorno e do segundopulso de retorno no receptor.

2. Sistema de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o pulso de cada um dos pelo menos dois elementos de transmissãoé codificado diferentemente.

3. Sistema de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o pulso de cada um dos pelo menos dois elementos de transmissãotem uma fase de sinal de portadora diferente.

4. Sistema de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o pulso de cada um dos pelo menos dois elementos de transmissãotem uma freqüência de sinal de portadora diferente.

5. Sistema de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelofato de que os elementos de transmissão são onidirecionais.

6. Sistema de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o pulso transmitido de cada um dos pelo menos dois elementos detransmissão tem uma polarização e o receptor preferencialmente recebe sinaisde retorno tendo a polarização.

7. Sistema de acordo com reivindicação 6, caracterizado pelofato de que a polarização é selecionada do grupo consistindo em polarizaçãolinear, polarização elíptica, polarização elíptica horária, polarização elípticaanti-horária, polarização circular horária e polarização circular anti-horária.

8. Sistema de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o objeto é um refletor passivo.

9. Sistema de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o objeto é um marco ativo.

10. Sistema de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelofato de compreender ainda um terceiro elemento de transmissão que é nãocolinear com os primeiros dois elementos de transmissão, em que o terceiroelemento de transmissão é configurado para transmitir um pulso tendo umarespectiva freqüência de sinal de portadora.

11. Sistema de acordo com reivindicação 10, caracterizadopelo fato de compreender ainda um quarto elemento de transmissão que é nãocoplanar com outros elementos de transmissão, em que o quarto elemento detransmissão é configurado para transmitir um pulso tendo uma respectivafreqüência de sinal de portadora.

12. Sistema de posicionamento, caracterizado pelo fato decompreender:um elemento de transmissão configurado para transmitir pelomenos um pulso eletromagnético tendo uma freqüência de sinal de portadora;um arranjo de antena com uma pluralidade de elementos derecepção incluindo pelo menos dois elementos de recepção separados por umespaçamento mais que meio comprimento de onda, em que cada um dos pelomenos dois elementos de recepção é configurado para receber um sinal deretorno durante um período de tempo, o sinal de retorno incluindo um pulsode retorno de um objeto dentro de uma área de detecção do sistema e ocomprimento de onda corresponde à freqüência de sinal de portadora do pulsotransmitido; eum detector configurado para processar o sinal de retorno deum elemento de recepção e o outro elemento de recepção assim para isolar opulso de retorno recebido em cada um dos pelo menos dois elementos derecepção e por esse meio determinar uma posição do objeto em relação aosistema,em que o detector inclui lógica de resolução angular paradeterminar uma posição angular do objeto de acordo com o espaçamentoentre os pelo menos dois elementos de recepção e lógica de resoluçãodirecional para determinar uma direção do objeto de acordo com umadiferença em tempos de chegada do primeiro pulso de retorno e do segundopulso de retorno nos elementos de recepção.

13. Sistema de acordo com reivindicação 12, caracterizadopelo fato de que o elemento de transmissão é onidirecional.

14. Sistema de acordo com reivindicação 12, caracterizadopelo fato de que o pulso transmitido tem uma polarização e cada um dos pelomenos dois elementos de recepção preferencialmente recebe sinais de retornotendo a polarização.

15. Sistema de acordo com reivindicação 14, caracterizadopelo fato de que a polarização é selecionada do grupo consistindo empolarização linear, polarização elíptica, polarização elíptica horária,polarização elíptica anti-horária, polarização circular horária e polarizaçãocircular anti-horária.

16. Sistema de acordo com reivindicação 12, caracterizadopelo fato de que o objeto é um refletor passivo.

17. Sistema de acordo com reivindicação 12, caracterizadopelo fato de que o objeto é um marco ativo.

18. Sistema de acordo com reivindicação 12, caracterizadopelo fato de compreender ainda um terceiro elemento de recepção que é nãocolinear com os primeiros dois elementos de recepção.

19. Sistema de acordo com reivindicação 18, caracterizadopelo fato de compreender ainda um quarto elemento de recepção que é nãocoplanar com outros elementos de recepção.