CN114556129A - 位置确定 - Google Patents

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CN114556129A CN202080061059.5A CN202080061059A CN114556129A CN 114556129 A CN114556129 A CN 114556129A CN 202080061059 A CN202080061059 A CN 202080061059A CN 114556129 A CN114556129 A CN 114556129A
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unit
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威尔弗雷德·埃德温·布伊
文森特·马尔泰罗·奎·豪·斯欧
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Fuckbade Technology Public Co ltd
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Abstract

在定位***中，多个发射器单元(2，3，4，5)以一定间隔发射相应发射器特定识别信号，所述发射器特定识别信号在移动接收器单元(7)处被接收。处理***(7；9)识别发射每个接收到的识别信号的发射器单元，并且针对每个信号，根据到达时间数据确定范围数据并且根据多普勒频移信息确定距离数据。对所述范围数据和所述距离数据进行比较以确定范围误差数据。通过使用依赖于所述范围误差数据加权的对所述多个发射器单元确定的范围估计求解优化问题来确定所述移动接收器单元(7)的位置估计。

Description

位置确定
背景技术
本发明涉及用于确定移动接收器单元的位置的***和方法。
使用如超声信号等信号通过从(例如，固定到建筑物的墙或天花板的)多个发射器单元发射信号来确定移动单元或标签在二维或三维中的位置是众所周知的。所述信号对相应发射器单元的标识符进行编码。这些信号由移动接收器单元接收，所述移动接收器单元可以附接到如人或设备等物体上。如果静态发射器单元的位置是已知的，则可以使用来自发射器单元的信号到达移动单元的时间，基于如圆或球的相交等几何原理来估计所述移动单元在环境中的位置。
在WO 2019/038542中，申请人公开了一种定位***，在所述定位***中，多个静态发射器单元基于补码键控(CCK)码发射相应相位调制超声签名。每个签名特定于相应发射器单元。签名由移动接收器单元接收，并且签名的到达时间用于通过几何多点定位过程来确定接收器单元的位置。为了确定接收到的签名的准确解码和签名的到达时间，接收器单元在相位调整过程之后将接收到的信号与模板数据进行互相关，以便补偿接收到的信号中的任何运动引起的相移。
虽然这可以产生良好的定位精度，但申请人现在已经开发了有可能提供仍更好的定位精度的方法。
发明内容
从第一方面，本发明提供了一种确定移动接收器单元的位置的方法，所述方法包括：
从多个发射器单元以一定间隔发射发射器特定识别信号；
在移动接收器单元处接收所述发射器特定识别信号；
对接收到的识别信号中的每个接收到的识别信号进行处理，以识别发射相应识别信号的发射器单元；
针对每个发射器单元：
-确定所述移动接收器单元在时间窗口期间从所述发射器单元接收的多个所述识别信号中的每个识别信号的到达时间；
-对所述到达时间进行处理，以确定范围数据，所述范围数据表示所述发射器单元与所述移动接收器单元之间在所述时间窗口期间以一定间隔的多个距离；
-根据所述多个接收到的识别信号确定多普勒频移信息；
-使用所述多普勒频移信息来确定速度数据，所述速度数据表示所述移动接收器单元在所述时间窗口期间的速度分量的一个或多个值；
-对所述速度数据执行积分操作以确定距离数据，所述距离数据表示所述移动接收器单元经所述时间窗口期间的一个或多个间隔行进的距离分量的一个或多个值；
-对所述范围数据和所述距离数据执行比较操作，以确定所述发射器单元的范围误差数据；以及
-使用所述范围数据来确定范围估计，所述范围估计表示所述发射器单元与所述移动接收器单元之间的距离，并且
通过使用对所述多个发射器单元确定的所述范围估计求解优化问题来确定所述移动接收器单元的位置估计，其中所述优化问题依赖于对每个发射器单元确定的所述范围误差数据对相应发射器单元的所述范围估计进行加权。
从第二方面，本发明提供了一种用于确定移动接收器单元的位置的***，所述***包括：
多个发射器单元，所述多个发射器单元各自被配置成以一定间隔发射相应发射器特定识别信号；
移动接收器单元，所述移动接收器单元被配置成接收所述发射器特定识别信号；以及
处理***，所述处理***被配置成识别发射每个接收到的识别信号的发射器单元，并且针对每个发射器单元被配置成：
-确定所述移动接收器单元在时间窗口期间从所述发射器单元接收的多个所述识别信号中的每个识别信号的到达时间；
-对所述到达时间进行处理，以确定范围数据，所述范围数据表示所述发射器单元与所述移动接收器单元之间在所述时间窗口期间以一定间隔的多个距离；
-根据所述多个接收到的识别信号确定多普勒频移信息；
-使用所述多普勒频移信息来确定速度数据，所述速度数据表示所述移动接收器单元在所述时间窗口期间的速度分量的一个或多个值；
-对所述速度数据执行积分操作以确定距离数据，所述距离数据表示所述移动接收器单元经所述时间窗口期间的一个或多个间隔行进的距离分量的一个或多个值；
-对所述范围数据和所述距离数据执行比较操作，以确定所述发射器单元的范围误差数据；并且
-使用所述范围数据来确定范围估计，所述范围估计表示所述发射器单元与所述移动接收器单元之间的距离，
其中所述处理***被进一步配置成通过使用对所述多个发射器单元确定的所述范围估计求解优化问题来确定所述移动接收器单元的位置估计，其中每个发射器单元的所述范围估计依赖于对相应发射器单元确定的所述范围误差数据而在所述优化问题中被加权。
从第三方面，本发明提供了一种用于定位***的处理***，所述定位***包括移动接收器单元和多个发射器单元，所述多个发射器单元各自被配置成以一定间隔发射相应发射器特定识别信号，其中所述处理***被配置成识别发射每个接收到的识别信号的发射器单元并且针对所述多个发射器单元中的每个发射器单元被配置成：
-确定所述移动接收器单元在时间窗口期间从所述发射器单元接收的多个所述识别信号中的每个识别信号的到达时间；
-对所述到达时间进行处理，以确定范围数据，所述范围数据表示所述发射器单元与所述移动接收器单元之间在所述时间窗口期间以一定间隔的多个距离；
-根据所述多个接收到的识别信号确定多普勒频移信息；
-使用所述多普勒频移信息来确定速度数据，所述速度数据表示所述移动接收器单元在所述时间窗口期间的速度分量的一个或多个值；
-对所述速度数据执行积分操作以确定距离数据，所述距离数据表示所述移动接收器单元经所述时间窗口期间的一个或多个间隔行进的距离分量的一个或多个值；
-对所述范围数据和所述距离数据执行比较操作，以确定所述发射器单元的范围误差数据；并且
-使用所述范围数据来确定范围估计，所述范围估计表示所述发射器单元与所述移动接收器单元之间的距离，并且
其中所述处理***被进一步配置成通过使用对所述多个发射器单元确定的所述范围估计求解优化问题来确定所述移动接收器单元的位置估计，其中每个发射器单元的所述范围估计依赖于对相应发射器单元确定的所述范围误差数据而在所述优化问题中被加权。
因此可以看出，根据本发明，每个发射器的信号对整***置计算的贡献可以基于所述发射器单元的基于时间的范围测量与基于频率的范围测量之间的一致程度来加权。对于在这两个距离信息源之间表现出更高相关性的发射器单元的范围估计，可以在优化问题中赋予更大的权重，而对于表现出更少相关性的发射器单元的范围估计，可以赋予更低的权重。已经发现，在实践中，当移动装置处于运动中时，当从沿发射器单元与移动接收器单元之间的清晰视线信号路径行进的信号中获得飞行时间范围数据和多普勒频移距离时，所述飞行时间范围数据与所述多普勒频移距离之间通常存在更大的一致性，并且在识别信号被环境中的一个或多个物体反射或衍射之后已经间接地到达移动接收器单元的情况下，存在较少一致性。当信号沿多个路径到达并且重叠时，由于到达路径与移动装置的速度矢量之间的有效角度不同，每个路径通常具有不同的多普勒频移。因此，如本文所公开的基于相关联的范围误差数据的加权贡献可以有效地对由于反射而产生的杂散信号进行滤波，如果不进行滤波，所述杂散信号可能有损位置确定的准确度。
发射器特定识别信号可以是电磁信号，例如，无线电信号或光学信号，但是，在一组优选实施例中，所述发射器特定识别信号是声学信号。发射器特定识别信号可以是超声信号。超声信号是频率高于正常人类听觉范围的声学信号；通常，这意味着信号的频率大于20kHz，例如介于30kHz与100kHz之间。
声学信号特别适合于在定位***中使用，特别是在室内，因为声学信号的行进速度比无线电波和光波慢得多。因此，与使用光速信号的实施例相比，对于给定的空间分辨率，使用声学信号的实施例可以需要不太准确的时间测量。
可以确定移动接收器在某一环境内的位置，所述环境可以是室内环境，但这并不重要。所述环境可以例如包括一个或多个建筑物，如购物中心、医院、仓库、办公综合体、家庭住宅等。
可以使用频率调制和/或相位调制以载波频率对识别信号进行编码，例如，编码为使用连续相位频移键控(CP-FSK)或正交相移键控(QPSK)编码的识别数据。识别信号可以包含在具有可变数据有效载荷的分组中，或者所述识别信号可以作为发射器签名来发射而无需任何消息数据。尽管特定发射器单元的发射器特定识别信号可以随时间变化，但其优选地是恒定的；这可以简化解码。所有识别信号优选地跨所有发射器单元具有相同的长度；再次，这可以简化检测和解码。每个发射器单元优选地以规则间隔，例如每一秒，发射其识别信号。
处理***可以通过使用适当的解码对每个接收到的识别信号进行解码来识别发射器单元。在一些实施例中，使用基于非相干相关的解码；这可以为多普勒频移提供良好的鲁棒性。
移动接收器单元可以在时间窗口期间处于运动中，尽管移动接收器单元始终处于运动中并不重要。时间窗口可以具有预定的持续时间，所述持续时间可以在一个或所有发射器单元的固定发射间隔的三倍与二十倍之间。当使用一秒发射间隔时，时间窗口可以是发射间隔的约四倍，例如，大约四秒。可以例如为了随时间跟踪移动接收器单元，通过以一定间隔重复本文所公开的步骤来重复地确定位置估计。
处理***可以访问表示识别信号中的每个识别信号的发射时间的信息。因此，可以使用发射时间，例如通过从对应的估计或已知发射时间中减去每个到达时间来确定范围数据。然后，可以使用信号的速度(例如，假设的或测得的速度)，根据飞行时间计算距离值。在一些实施例中，***可以使用在有线或无线(例如，无线电或超声)信道上承载的信号来同步。
多普勒频移信息可以表示接收到的识别信号中的频率偏移的大小，例如，与预定载波频率相比的频率偏移的大小。频率偏移可以通过与频移模板相关，或通过使用傅里叶分析，或以任何其它方式来确定。
当沿直接视线路径接收到识别信号时，速度数据可以表示速度的径向分量。
可以根据多个接收到的识别信号中的每个接收到的识别信号确定速度值的相应分量。在一些实施例中，可以确定速度分量值中的每个速度分量值的相应速度分量误差值。可以依赖于任何多普勒频移在一段时间内的稳定性，或根据接收到的信号强度的测量，或根据特定发射器单元的速度分量值序列随时间的一致性如何，或根据第一发射器单元的速度分量值与为一个或多个其它发射器单元确定的一个或多个速度分量值的一致性如何，或以任何其它方式来确定此误差值。
在一些实施例中，可以对多个识别信号进行滤波以去除异常信号。对于每个识别信号，此滤波可以包括将范围(飞行时间)信息与信号强度信息进行比较。对于在时间窗口中接收到的所有识别信号，可以在范围信息与信号强度信息之间执行线性回归操作。可以将单个回归应用于在时间窗口期间从所有发射器单元接收到的识别信号。可以去除大于相对于线性回归的阈值偏差的异常值。
可以随时间推移对速度数据进行积分以估计移动接收器单元经在时间窗口中从相应发射器单元接收到的识别信号之间的每个间隔行进的相应距离(在任选的滤波之后)。
比较操作可以包括对范围数据和距离数据执行相关操作或回归操作。比较操作可以包括可以加权的最小二乘回归操作。比较操作可以是线性回归。可以对比较操作进行加权以对来自较新识别信号的数据赋予比对来自较旧识别信号的数据赋予的权重更大的权重。在一些实施例中，可以确定解码误差，所述解码误差表示每个识别信号的到达时间的置信度，并且可以对回归操作进行加权，以对具有较低解码误差的信号赋予比具有较高解码误差的信号更多的权重。
在一些实施例中，可以将基于多普勒的距离数据添加到范围数据中的一个或多个值(或从所述范围数据中的一个或多个值减去，取决于积分的方向)，以便生成准静态范围值。这些准静态范围值可以表示共同时间点的范围估计，例如向前投影到来自相应发射器单元(i)的最新接收到的识别信号的到达时间(T1i)。可以通过向每个范围值添加一个或多个基于运动的距离来调整所述每个范围值，所述距离跨越得出范围值的信号的到达时间与共同时间点之间的间隔。
可以执行回归或相关操作(例如，线性回归)，将准静态范围值与产生每个准静态范围值的对应识别信号的到达时间进行比较。回归或相关操作可以是可以被限制为水平的线性回归。回归或相关操作可以用于确定范围误差数据，所述范围误差数据可以例如等于或取决于线性回归的均方根偏差，或取决于任何适当的相关系数或偏差度量。回归或相关操作还可以用于输出相应发射器单元的对应于跨所有发射器单元的最新接收到的识别信号的到达时间(t＝0)的准静态距离估计。可以使用可能在来自相应发射器单元的最新接收到的识别信号的到达时间(T1i)与跨所有发射器单元的最新接收到的识别信号的到达时间(t＝0)之间的任何非零时间间隔期间的估计运动的速度数据来调整此准静态距离估计。准静态范围估计(在任何此类调整之后)可以是输入到优化问题的范围估计。可替代地，优化问题的范围估计可以简单地是来自范围数据的范围值之一，例如，最新的可用范围值。
用于确定位置估计的优化问题可以是可以加权的最小二乘问题。所述优化问题可以是线性回归问题。所述优化问题可以使用如加权最小二乘法等回归分析来求解。可以使用牛顿-拉夫森法(Newton–Raphson method)或拟牛顿法(quasi-Newton method)来求解。优化问题可以使用发射器单元的位置，这些位置可以是已知的或预先确定的。发射器单元优选地是静态的，例如固定到建筑物的表面，尽管这并不重要。优化问题可以包括成本函数；这可以是最小化问题。优化问题可以接收每个发射器单元的范围估计作为输入，所述范围估计是根据在时间窗口期间从相应发射器单元接收到的识别信号来计算的。优化问题可以在所有范围估计都是针对直线距离的假设(而不是例如对表面反射进行建模)来制定。优化问题可以接收每个发射器单元的范围误差值作为输入，所述范围误差值是根据在时间窗口期间从相应发射器单元接收到的识别信号来计算的。
优化问题可以依赖于以下中的任何一个或多个对范围估计进行加权：年龄(例如，偏向于较新的范围估计)、信号强度(例如，偏向于使用根据较强的识别信号获得的范围数据生成的范围估计)和相关联的范围误差值(例如，偏向于使用与对应多普勒得出距离数据的一致性较强的飞行时间范围数据生成的范围估计)。优化问题可以仅使用每个发射器单元的一个范围估计，或者优化问题可以使用每个发射器单元的经相应时间间隔获得的多个范围估计。当对年龄进行加权时，优化问题可以对较旧的范围估计赋予较低的权重(例如，如果无法获得特定发射器单元的较近的范围估计)，或者优化问题可以基于计算出范围估计的最新范围值的年龄对范围估计进行加权。
位置估计可以在一个维度、两个维度或三个维度中确定。位置估计可以被存储或输出或进一步处理。位置估计可以输入到卡尔曼滤波器(Kalman filter)。
对距离和范围的引用可以是视线距离，或者在反射或衍射的情况下可以指总路径长度。
可以对来自所述多个发射器单元的表示移动接收器单元的速度分量的一个或多个值的速度数据进行处理(例如，组合)，以便例如通过根据两个或更多个分量矢量计算合成矢量来确定移动接收器单元在一个、两个或三个维度中的速度矢量。在一些实施例中，也可以确定相关联的速度矢量误差值。
移动接收器单元的速度矢量可以通过使用速度分量值(可以根据来自不同的相应发射器单元的信号来确定)求解速度优化问题来确定。速度优化问题可以包括成本函数；这可以是最小化问题。速度优化问题可以接收根据在时间窗口期间从一个或多个相应发射器单元接收到的识别信号确定的速度分量值作为输入。优化问题还可以接收速度值中的一些或全部速度值的相关联的速度误差值作为输入。
速度优化问题可以依赖于以下中的任何一个或多个对速度分量值进行加权：年龄(例如，偏向于较新的速度值)、信号强度(例如，偏向于使用从较强的信号获得的数据生成的速度值)和相关联的速度分量误差值(例如，偏向于具有较低相关联速度误差值的速度值)。速度优化问题可以仅使用关于每个发射器单元的一个速度值，或者速度优化问题可以使用例如经多个相应时间间隔获得的关于每个发射器单元的多个速度值。在对年龄进行加权时，速度优化问题可以对较旧的速度值赋予比对较新的速度值赋予的权重更低的权重。
移动接收器单元的确定的速度矢量可以在显示器上以图形方式输出，任选地连同位置估计一起(例如作为与在地图上表示移动接收器单元的图标相关联的箭头)。确定的速度矢量可以在环境地图上显示为图标。
确定的速度矢量可以输入到卡尔曼滤波器。
可以对一个或多个速度分量值进行处理(以及任选地相关联的速度分量误差值)以确定移动接收器装置的前进方向矢量。前进方向矢量可以表示移动接收器单元的行进方向。前进方向矢量可以是无量纲的，例如作为单位矢量，尽管其可以具有可以表示移动接收器单元的速度的量值，并且在一些实施例中，前进方向矢量可以是速度矢量。前进方向矢量可以在三个维度或两个维度中确定。前进方向矢量可以是根据三维速度分量矢量确定的二维矢量。前进方向矢量可以是在水平面(即与重力正交)中确定的二维矢量。可以在水平面中分解一个或多个3D速度分量值或合成的3D速度矢量以确定水平面速度矢量，所述水平面速度矢量可以被归一化以确定平面前进方向矢量。在一些实施例中，也可以确定相关联的前进方向矢量误差。
在一些实施例中，可以通过对合成速度矢量进行处理来确定无量纲的前进方向矢量。在其它实施例中，可以通过以下确定前进方向矢量：对根据多个接收到的识别信号确定的多个分量速度值进行处理，例如生成相应前进方向分量的多个值并且求解前进方向优化问题以确定合成前进方向矢量。
前进方向优化问题可以包括成本函数；这可以是最小化问题。前进方向优化问题可以接收通过对速度分量值进行处理而确定的前进方向值(可以在时间窗口期间根据来自不同相应发射器单元的信号确定)作为输入。优化问题还可以接收前进方向值中的每个前进方向值的前进方向误差值作为输入。优化问题可以依赖于以下中的任何一个或多个对前进方向值进行加权：年龄(例如，偏向于较新的前进方向值)、信号强度(例如，偏向于使用从更强多普勒信号获得的速度值生成的前进方向值)和相关联的前进方向误差值(例如，偏向于具有更低相关联前进方向误差值的前进方向值)。优化问题可以仅使用使用关于每个发射器单元的速度数据确定的一个前进方向值，或者优化问题可以使用使用关于经相应时间间隔获得的每个发射器单元的速度数据确定的多个前进方向值。当对年龄进行加权时，优化问题可以对较旧的前进方向值赋予较低的权重。
在一些实施例中，移动接收器单元包括另外的感测装置，如加速度计、陀螺仪或磁力计。在此类实施例中，矢量或前进方向优化问题可以采用使用另外的传感装置确定的一个或多个前进方向值作为另外的输入。例如，优化问题可以将使用移动接收器单元的陀螺仪和/或移动接收器单元的磁力计确定的前进方向值和相关联的前进方向误差值作为输入。
确定的前进方向(或速度)矢量可以在显示器上以图形方式表示，任选地连同位置估计一起，例如，表示为地图上的图标。
在一些实施例中，移动接收器单元的确定的前进方向可以显示为以表示移动接收器单元在地图上的位置的图标为中心的弧线。所述弧线相对于显示器的朝向可以表示移动接收器单元在环境中的前进方向。前进方向矢量中的误差也可以在显示器上以图形方式表示，并且在一些实施例中可以通过弧线的长度来表示。短弧可以表示具有相对低的相关联前进方向误差的前进方向矢量，而长弧可以表示相对高的相关联误差。对于具有大于某个阈值的前进方向误差的前进方向估计，可以显示完整的圆圈而不是弧线，以表示确定的前进方向矢量中的高度不确定性。
这些方法中的任何方法都可以用于在显示器上同样通过显示速度指示来以图形方式表示移动接收器单元的速度矢量，这可以以任何适当的方式来进行，例如通过根据速度矢量的标量速度改变弧线的径向厚度。
处理***可以包括处理电路***和/或一个或多个处理器以及存储用于由所述一个或多个处理器执行的软件的存储器。处理电路***和/或软件可以实施本文所公开的特征中的任何特征。
移动接收器单元可以包括所述处理***的一部分或整个所述处理***。当移动接收器单元具有显示屏和强大的处理器时，例如如果移动接收器单元是智能电话，则这可能特别适当。在此类实施例中，移动接收器单元可以被布置成计算和存储其自己的位置估计。这可以避免传送来自移动接收器单元的数据以在别处，例如在远程服务器上，处理的需要。
然而，在一组实施例中，发射器单元中的一个或多个发射器单元可以包括处理***的一部分或整个处理***。在另一组实施例中，处理***的一部分或整个处理***可以位于移动接收器单元和发射器单元两者外部，例如，位于一个或多个外部服务器上。这可以有利于降低对移动接收器单元的处理要求，这可以减少移动接收器单元的成本和功耗，甚至是在考虑了(例如，通过无线电)发射来自移动接收器单元的数据的需要之后，也是如此。这在移动接收器单元由电池供电时特别有用。处理***可以跨多个处理器或多个位置、或两者而被拆分。移动接收器单元可以被配置成将接收到的信号或根据所述信号得出的信息发射到远程处理单元。移动接收器单元和/或发射器单元可以包括有线或无线发射器，如无线电发射器，用于发射与接收到的或发射的信号有关的信息。
在其它实施例中，移动接收器单元可以仅包括处理***的一些部分，或者甚至不包括处理***的任何部分，例如，包括用于对接收到的信号进行采样的采样器，而处理***的其它部分，例如被配置成使用到达时间和经解码的发射器单元标识符来确定移动接收器单元的位置的元件，可以存在于一个或多个其它单元中，如存在于远程计算机或服务器上。移动接收器单元可以包括无线电发射器、光学发射器或其它发射器，例如，蓝牙、WiFi或蜂窝网络发射器。移动接收器单元可以使用发射器将与接收到的信号有关的数据发射到远程处理单元；这可以以模拟声音文件、数字样本或经处理数据的形式进行。
每个发射器单元可以包括无线电天线、发光元件、声学换能器或其它适当的发射识别信号的装置。每个发射器单元可以包括用于驱动或控制发射的适当电路***，如DAC、放大器等。在一组优选实施例中，每个发射器单元包括用于产生超声信号的至少一个超声换能器。
移动接收器单元可以包括无线电天线、光接收元件、声学麦克风或接收识别信号的其它适当装置。移动接收器单元可以包括用于控制接收到的适当电路***，如放大器、ADC等。在一组优选实施例中，移动接收器包括用于接收超声信号的至少一个超声换能器。
处理***和/或每个发射器单元和/或移动接收器单元可以包括用于执行所描述步骤的处理器、DSP、ASIC、FPGA中的任何一个或多个。处理***和/或每个发射器单元和/或移动接收器单元可以包括用于存储数据和/或用于存储要由处理器、DSP或FPGA执行的软件指令的存储器。处理***和/或每个发射器单元和/或移动接收器单元可以包括任何其它适当的模拟或数字组件，包含电源、振荡器、ADC、DAC、RAM、闪速存储器、网络接口、用户接口等。处理***和/或每个发射器单元和/或移动接收器单元可以是单个单元或者可以包括多个处理单元，所述多个处理单元可以被布置成通过一个或多个有线或无线链路进行通信。
处理***优选地进一步包括数据存储和/或显示器和/或数据连接，并且被布置成存储和/或显示和/或电子地传送与移动接收器单元的位置有关的信息。例如，所述***可以被布置成在建筑物或环境的地图或平面图上指示移动接收器单元的位置。
所述***可以包括无线电发射器，所述无线电发射器被布置成向发射器单元和/或移动接收器单元发射定时信息。可以使发射器单元和移动接收器单元同步，使得到达时间信息而不是到达时间差可以用于定位。这可以要求较少的发射器单元处于范围内并且可以实现更高准确度。
在一些实施例中，移动接收器单元包括处理器和显示器。移动接收器单元可以是移动电话(蜂窝电话)或智能电话或平板计算机或其它便携式计算装置。可替代地，移动接收器单元可以是没有任何复杂图形用户界面的资产标签。
本文中所描述的任何方面或实施例的特征可以在适当时应用于本文中所描述的任何其它方面或实施例。在参考不同的实施例或实施例集合时，应理解，这些实施例未必是不同的，而是可以重叠的。
附图说明
现将参考附图仅借助于实例来描述本发明的某些优选实施例，在附图中：
图1是体现本发明的定位***的透视图；
图2是供定位***中使用的静态发射器单元和移动接收器单元的示意图；
图3是示出了移动接收器单元和/或服务器中的功能单元的示意图；
图4是示出了由移动接收器单元和/或服务器执行的操作的流程图；以及
图5是移动接收器单元上的显示器的图。
具体实施方式
图1示出了定位***的一部分，所述定位***可以在例如购物中心中使用，以确定购物者在购物中心内的位置。当然，这只是一个示例环境，并且定位***还可以在仓库、医院、家庭住宅、车辆等中使用。
图1示出了房间1，所述房间的墙上固定有四个静态发射器单元2、3、4、5。房间中的人6携带移动接收器单元7。网络电缆8将每个发射器单元2、3、4、5连接到服务器9，所述服务器通常位于另一个房间中或另一个建筑物中。这些组件协作提供定位***，能够估计房间1内的移动接收器单元7的三维位置。在实践中，所述***可以具有安装在整个建筑物或一系列房间中的另外的类似发射器单元，以及附接到或结合到人、动物、车辆、机器人、库存、设备等中的多个类似的移动接收器单元。
图2示出了发射器单元2、3、4、5中的代表性发射器单元2以及移动接收器单元7。发射器单元2具有超声测深仪201、用于使超声换能器201发射超声信号的控制器202和用于向发射器单元供电的电池203。其它发射器单元3、4、5类似地配置。移动接收器单元7具有能够从发射器单元2、3、4、5接收超声信号的麦克风204、用于对接收到的信号进行采样和处理的微控制器单元(MCU)205、以及用于为移动接收器单元7供电的电池207。发射器单元2、3、4、5和移动接收器单元7可以具有另外的标准电子组件，如无线电收发器、有线网络接口、显示屏、按钮等。在一些实施例中，移动接收器单元7是平板计算机或移动电话(蜂窝电话)，如AppleTM或AndroidTM智能电话。
微控制器单元202、205可以包含一个或多个处理器、DSP、ASIC和/或FPGA。所述微控制器单元可以包含用于存储数据和/或用于存储要由处理器或DSP执行的软件指令的存储器。所述微控制器单元可以包含任何其它适当的模拟组件或数字组件，包含振荡器、ADC、DAC、RAM、闪速存储器等。
尽管发射器单元2、3、4、5在此被示出为相对于环境1是静态的，但是应理解，在其它实施例中，发射器单元可以是移动的，例如，发射器单元中的一个或多个发射器单元可以是相应用户拥有的移动电话或装置。
在使用中，服务器9使每个发射器单元2、3、4、5以一定间隔发射对于所述发射器单元是唯一的签名(体现本文所公开的识别数据)。应理解，在大的部署中，签名可以仅在局部范围内是唯一的；如果跨***重复使用签名，则优选地使用另外的数据来区分相同的签名。每个签名都被编码在超声载波，例如，20kHz或40kHz载波上。签名可以包含在更长的发射中，所述发射还具有如前导码和/或数据内容等优选地也编码在同一超声载波频带上的一个或多个另外的元素。
可以使用任何适当的频移或相移编码对签名进行编码。在一组实施例中，签名包括一组六十四个经QPSK编码的补码键控(CCK)码中的相应一个，每个CCK由八个复合芯片组成，其中每个复合芯片被编码为四个可能的QPSK符号之一。签名可以是WO2019/038542中所公开的签名，其全部内容通过引用并入本文。在另一组实施例中，签名是使用连续相位频移键控(CP-FSK)调制编码的相应二进制标识符。
每个发射器单元2-5以如每秒一次的间隔发射其签名。当然，其它速率也是可能的。移动接收器单元7检测并且解调接收到的超声信号以尝试识别在接收器单元7的可听范围内已由发射器单元2、3、4、5发射的签名。对于接收到的和经解调的每个CCK码，可以确定发送所述码的相应发射器单元2、3、4、5的身份。
特别是在具有大量发射器单元的实施例中，可能期望发射允许移动接收器单元7区分来自不同发射器单元2、3、4、5的相同签名的另外的信息。例如，短程RF信号或编码在由发射器单元2、3、4、5中的一个或多个发射的超声信号中的另外的数据可以允许在跨站点的不同位置重复使用签名而没有歧义。
接收器单元7使用内部时钟为每个接收到的签名加时间戳。接收器单元7可以与发射器单元2、3、4、5中的每个(以及任选地与服务器9)同步，并且因此也可以计算所述接收器单元接收到的每个签名的飞行时间(TOF)。通过组合来自已知发射器位置的三个或更多个TOF测量，可以使用三边测量(也被称为多点定位)的几何原理来确定移动接收器单元7的位置。此同步可以使用如Bluetooth Low EnergyTM连接的无线电信道或以任何其它合适的方式来执行。在申请人的早期专利US 9,398,534中公开了一种可能的时钟同步方法，所述专利的全部内容通过引用并入本文。
在一个实例中，定位***具有2毫秒的粗时间分辨率，所述时间分辨率对应于大约68cm的空间分辨率(＝0.002秒×空气中的声速340米/秒)。然而，使用下文所描述的技术，可以实现更精细的时间分辨率。
如果接收器单元7与发射器2-5不同步，则仍然可以使用飞行时间差(TDOF)方法来确定接收器单元7的位置；然而，在此情况下，可能需要更多发射器单元在范围内。
接收器单元7的位置可以在三个维度(例如，作为相对于房间1或建筑物的参考系的x、y、z笛卡尔坐标)或两个维度(例如，仅在水平面上)或在一个维度(例如，作为沿走廊的距离)中估计。可以在移动接收器单元7上执行位置确定计算，或者接收器单元7可以将关于接收到的信号的信息(包含定时信息或距离信息)发送到服务器9，所述服务器可以执行部分或全部计算。
每当移动接收器单元7移动朝着或远离发射器单元2、3、4、5中的一个或多个时，就会发生多普勒频移。
多普勒频移引起的频率变化由下式给出
Figure BDA0003523846950000121
其中v是移动接收器单元7在朝着或远离发射器单元2、3、4、5的方向上的速度分量，c是波在空气中的速度，并且f是从发射器单元发射的信号的频率。正的v表示移动接收器单元7朝着发射器单元2、3、4、5的移动。
空气中相对低的声速值(大约340米/秒)使即使是低速运动也会在发射的信号中产生相对大的频移。作为实例，如果携带移动接收器单元7的人6以每秒1.5米的速度走向发射器单元2、3、4、5之一，则20kHz的声学信号将经历约90Hz的频率上升。
由于多普勒频移可能显著影响接收到的信号的相位和频率，因此移动接收器单元7无法轻易地使用相干检测方法。相反，使用异步检测方法。
当使用CCK码时，***可以使用多普勒频移补偿机制来提高对所发射签名进行解码的准确度，例如，如WO 2019/038542中所公开的。多普勒频移的测量还用于确定关于移动接收器单元7的速度的信息(例如，移动接收器单元是朝着给定发射器移动还是远离给定发射器移动以及以什么径向速度移动)，以便改进服务器9或移动接收器单元7对接收器单元7进行的位置估计或跟踪，如下文更详细描述的。
尽管为了简单起见，本文将处理步骤描述为由接收器单元7执行，但是应理解，在一些实施例中，这些步骤可以替代地全部或部分地由服务器9在适当的情况下执行。中间结果可以通过任何适当的方式，如通过无线电链路，在接收器单元7与服务器9之间传送。
图3展示了移动接收器单元7的一般结构，而图4是由移动接收器单元7执行的关键操作的流程图。在替代性实施例中，操作中的一些操作可以在服务器9上执行。
概述
接收到的超声能量首先传递通过正交解调器301，所述正交解调器将超声信号下转换为基带信号并且获得同相(I)样本302和正交相位(Q)样本303(步骤400)。下转换是通过将接收到的超声能量与来自本地振荡器304的本地生成的20kHz信号的两个副本进行混频来实现的，其中一个副本相对于另一个副本延迟九十度。两个经频率混合的信号传递通过相应低通滤波器305，所述低通滤波器去除由混合操作产生的高频分量。
所得同相分量302和正交分量303传递通过相应模数转换器306以进行采样(例如，以2kHz)。然后，在307处组合同相样本和正交样本以产生复合IQ数据样本序列。
复合IQ数据样本被逐样本地馈送到分组检测器308中。分组检测器308检测签名可能出现在接收到的信号中的什么位置(步骤402)。分组检测器308然后将相关样本输出到非相干解码器309。分组检测器308还可以输出粗略的到达时间估计。
解码器309使用相关器来识别预定的一组签名模板中哪一个签名模板与接收到的签名最佳匹配，从而识别发射接收到的信号的特定发射器单元2、3、4、5；所述解码器可以任选地为签名确定更准确的到达时间估计(步骤404)。解码器还确定解码器得出的误差值和多普勒频移的估计(任选地连同多普勒频移估计的误差值)，所述解码器将所述误差值和所述估计传递到范围模块310(步骤406)。
范围模块310使用本文所公开的新型方法对到达时间信息和多普勒频移信息进行处理，以计算每个发射器单元2、3、4、5的范围估计，连同范围误差(步骤408-422)。范围模块310将每个发射器单元2-5的范围估计和范围误差传递到三边测量模块311。三边测量模块使用这些值通过求解几何优化问题，例如针对过度指定的球或双曲线相交的最小化问题，来确定移动接收器单元7在房间中的1D、2D或3D位置估计(步骤424)。使用范围误差对几何优化进行加权。
通常只要要跟踪移动装置7，就连续执行此过程(如步骤424循环回到步骤400所指示的)，以生成随时间推移的一系列位置估计，从而允许接近实时地跟踪移动接收器单元7。来自三边测量模块311的位置估计可以输入到卡尔曼滤波器或其它类似模块，所述模块可以提供时间平滑或者可以将位置估计与一个或多个另外的位置数据源，例如，来自陀螺仪、高度计、罗盘、RFID定位***等组合。
除了位置估计之外，多普勒频移信息(和任选地相关联的多普勒频移误差值)也可以用于确定关于移动接收器单元7的速度的信息。对于给定的发射器单元2、3、4、5，可以确定移动接收器单元7是朝着还是远离发射器单元2、3、4、5以及以什么估计径向速度前进。一旦移动接收器单元7的位置估计是已知的，此信息就使得能够根据来自每个发射器单元2-5的信号确定沿相应方向的速度分量。通过组合从多个发射器单元2、3、4、5接收到的分量速度信息，可以估计移动接收器单元7的净合成速度。
操作细节
现在将更详细地描述分组检测器308、解码器309、范围模块310和三边测量模块311的操作。这些模块中的每个模块可以完全在在移动单元7和/或服务器9中的一个或多个处理器上执行的软件中实施，或者可以在硬件电路***(例如，作为ASIC或FPGA)中或通过软件与硬件的组合实施。
分组可以仅由发射器单元签名组成，或者分组可以包括签名和相关联数据。签名可以任选地包含在所有发射器单元2-5中相同的一个或多个共同元素，如恒定的前导码。不同的签名优选地长度相同。
分组检测器308使用具有与签名相同长度的成形窗口来检测传入的分组(步骤402)。此窗口可以是滑动能量窗口，如WO 2019/038542中描述的用于检测CCK码的窗口，所述滑动能量窗口简单地对窗口内的能量级进行求和。可替代地，分组检测器308可以使传入信号与成形窗口互相关并且确定相关的量值。当能量或相关量值超过阈值达到最大值时，检测到分组。使用接收器单元7的本地时钟根据峰值位置确定粗略的到达时间。例如，可以将粗略的到达时间确定为相关量值处于所检测信号的最大相关器幅度的阈值百分比的时间点。此时，相关量值的斜率可以用于估计粗略到达时间中的误差。
对应于检测到的峰值的样本被传递到非相干解码器309，所述解码器对签名进行解码(步骤404)。(解码器309还可以对任何任选数据进行解码。)解码器309的确切操作方式将取决于所使用的编码方案。在一些实施例中，所述解码器可以使用匹配滤波器组方法来实施最大似然解码。所述解码器可以将接收到的样本与一组签名模板进行互相关(例如，通过计算点积)并且确定具有最高相关量值的签名，由此识别发射所述签名的发射器单元2-5。解码器309还例如根据相关器量值的斜率(由分组检测器308输出)和/或观察到的噪声确定解码器得出的误差值。
解码器309确定签名的估计的多普勒频移。所述解码器可以通过将接收到的样本的傅里叶变换与频域中的每个发射器单元2-5的签名模板进行比较，或使用WO2019/038542中公开的方法中的任何方法，或以任何其它适当的方式来做到这一点。假设信号沿视线路径到达，则多普勒频移量将取决于移动单元7关于发射器2-5的径向速度分量。解码器309使用多普勒频移来计算移动接收器单元7的速度的径向分量的值(步骤406)。通过组合移动单元7的相应径向速度分量，根据来自多个发射器单元2-5的信号确定，可以计算移动接收器单元7的单个合成速度矢量。
范围模块310从解码器309接收一系列元组，每个元组对应于由解码器309识别的签名。每个元组至少包括{发射器单元标识符；到达时间戳；解码器错误值；速度分量值}。元组之间的时间间隔可以是不规则的，例如由于变化的飞行时间(因为移动单元7在环境周围移动)，或者由于关于哪些发射器单元2-5处于具有所要求的信噪比的可听范围内的变化。
范围模块310基于用于相关联的发射器单元2-5的已知发射调度，通过确定飞行时间并且将飞行时间与声速相乘，将每个到达时间戳转换为范围。(这假定***是同步的；如果不是，则范围模块310和三边测量模块311可以替代地使用到达时间差和椭圆相交方法来跟踪移动单元7。)在飞行路径的情况下，范围表示直线分离，但如果信号在环境中的一次或多次反射后到达，则所述范围可能会更长。
范围模块310维护元组的缓冲器，所述缓冲器包括在滚动时间窗口期间接收的，例如经前4秒(或经3秒与15秒之间)接收的至少{范围测量，解码器误差值，速度值}(步骤410)。在每个发射器单元2-5的发射率为一秒的情况下，时间窗口通常将含有来自每个发射器单元2-5的四个范围值，但是可能由于丢失或错误发射而存在间隙。较短的时间窗口可以具有减少的延迟，但没有足够的数据来确定发射器单元中的一个或多个发射器单元的可靠范围值的风险更高。跨所有发射器单元2-5的每个元组关于最新接收到的元组的到达时间的年龄也被存储。最新接收到的元组的时间戳可以被看作定义了时间参考t＝0，并且较早的到达时间是此时间戳的负时间偏移。
范围模块310根据存储在缓冲器中的值以规则间隔，例如每秒或每四秒，确定新的位置估计。此操作进行如下。
首先，可以任选地对缓冲器中的元组进行滤波以去除异常值(步骤412)。这可以通过在飞行时间范围测量与签名的接收信号强度值(RSS)的平方根的倒数之间执行鲁棒线性回归来进行，结果可以由分组检测器308例如根据相关器峰值的量值来输出。可以去除由回归识别的异常值。然而，优选地将阈值设置得较高，以便仅排除极端异常值。
对于缓冲器中出现的每个发射器单元2-5i，范围模块310对来自发射器单元i的签名的多普勒得出的速度值进行数值积分(在时间上从所述发射器单元的最近元组的到达时间T1i向后移动进行数值积分)，以生成对应一组距离值，所述距离值各自是移动单元7在所述发射器单元的相应元组的到达时间与T1i之间(沿视线路径)移动的距离的径向分量的相应估计(步骤414)。可以使用辛普森规则或任何其它适当的技术来执行积分。随着向后执行积分，方向将具有与对应范围值相反的符号。
对于每个发射器单元2-5，范围模块310然后将每个多普勒得出的距离分量减去其对应的飞行时间范围，以便生成准静态范围估计集合，全部调整到时间T1i(步骤416)。如果移动装置7的运动经时间窗口是均匀的并且如果没有测量误差，则理论上，特定发射器单元的所有准静态范围估计应该是相同的，等于所述发射器单元的接收到的最新元组的范围。但是，误差项的存在意味着在实践中情况通常不是这样。
然后，范围模块310分别对每个发射器单元2-5执行相应加权最小二乘线性回归分析，从而将来自所述发射器单元的准静态范围相对于时间进行拟合(步骤418)。在时间窗口中提供少于三个元组的任何发射器单元2-5都因为可听度不足而被排除在外；这是因为在只有一个数据点的情况下无法进行线性拟合，并且因为如果只有两个数据点，则无法使用线性拟合来确定(非平凡)方差测量。每个准静态范围的权重与其对应的解码器误差值成反比(使得对不太可靠的到达时间范围赋予较低的权重)，并且与年龄成反比(使得对较旧的元组赋予较低的权重)。具体地，在一些实施例中，范围可以与范围误差的方差(即标准偏差的平方)成反比加权，尽管依赖性的许多变体是可能的。可以线性地应用基于时间的权重，在时间窗口的持续时间内(例如，在过去的四秒内)从t＝0时的一减小到零。线性拟合可以任选地进一步被限制为具有零斜率(即水平)。这对应于实际范围变化与多普勒得出的速度之间存在完美拟合，使得与此行为的任何偏差都会导致较大的均方根偏差(或标准偏差)。
范围模块310使用每个线性拟合来获得范围内的每个发射器单元2-5在时间t＝0时的准静态范围的相应估计。范围模块还确定每个发射器单元2-5的准静态范围数据中的误差的估计，其中发射器单元范围误差等于所述发射器单元的加权线性拟合的均方根偏差(步骤420)。对于除了发射最新接收到的签名(其到达时间被定义为t＝0)的发射器单元之外的每个发射器单元，来自所述发射器单元的最新签名的到达时间将为T1i<0，并且因此可以通过使用所述发射器单元的最新多普勒速度值来改进t＝0的准静态范围估计，以便经t＝T1i到t＝0的时间段在时间上向前预测范围估计。其通过以下来进行这一操作：将速度乘以-T1i与准静态范围估计相加，以得到处于可听范围内的每个发射器单元2-5的经调整的范围值(步骤422)。
范围模块310然后确定经时间窗口处于可听范围内的每个发射器单元2-5,i的如上计算的经调整的范围值Rqs i和范围误差值σr_qs,i传递到三边测量模块311。
三边测量模块311知道房间1中发射器单元2-5的位置。优选地，在房间1中安装足够多的发射器单元2-5，使得确定移动单元7的位置的问题通常会被过度指定(即在可听范围内具有比所需的空间维度数量更多的发射器单元)；但是，范围数据容易出错。因此，三边测量模块311将范围和范围误差输入到几何优化过程，所述过程寻求基于加权残差平方和来最小化成本函数(步骤424)。梯度是分析地计算的。可以使用拟牛顿法对优化求解。
具体地，可以通过最小化成本函数来估计位置：
Figure BDA0003523846950000171
其中
Figure BDA0003523846950000172
并且其中：
-r是当移动装置7处于位置{x,y,z}(或在2D中跟踪时为{x,y}或在1D中跟踪时仅为{x})时发射器单元i(i＝1,...,N)与移动装置7之间的距离，其中x、y、z是要求解的未知数；
-Rqs i是从范围模块310接收的发射器单元i的经调整的准静态范围估计；
-wti是取决于(例如，在缓冲器的持续时间内随时间线性减小的)观察年龄的权重；
-RSSi是从发射器单元i接收到的最新签名的如分组检测器308例如根据相关器峰值的量值确定的接收信号强度值；
-σr_sys是任选的***特定常数，其表示范围的标准偏差下限(例如，30厘米)；并且
-σr_qs,i是是发射器单元i的从范围模块310接收的发射器单元范围误差。
以此方式，相应发射器单元的贡献被加权以偏向于较新的范围估计，并且偏向于根据较强的信号(通常对应于较近的发射器单元)进行范围估计，并且偏向于基于运动的多普勒信息与前四秒时间窗口内的范围历史高度一致的范围估计。
三边测量模块311可以以一定间隔输出位置的时间序列。这些间隔可以是规则的，或者如果在特定时间窗口中接收到的签名不足以使得能够确定可靠的估计，则这些间隔可以是不规则的。
拟牛顿优化方法需要对位置{x,y,z}进行初始猜测。在启动时，这可以计算为加权平均位置。随后，最新位置可以作为下一个优化周期的猜测。这可以通过还使用估计的速度矢量来基于最新位置和自计算所述位置以来经过的时间来预测移动装置7的当前位置而更有效。
三边测量模块311可以任选地通过数值计算Hessian(成本函数的偏导数)来确定每个{x，y，z}位置估计的误差估计。
三边测量模块311可以任选地通过将每个发射器单元2-5的所确定的径向速度分量投影到以移动装置7为中心的笛卡尔坐标系中来确定装置速度矢量和其误差。如果范围内的发射器单元2-5的数量等于坐标系的维数(即1D、2D或3D)，则这很简单，但所述数量通常可能是过度确定的，其中速度矢量多于维数。在此情况下，三边测量模块311可以使用如上文在成本优化过程中计算的权重wi来计算其中行被加权的几何坐标变换矩阵。然后所述三边测量模块可以计算此矩阵的伪逆，并且将最新的径向速度估计与逆矩阵相乘以获得装置速度矢量。
在一些实施例中，解码器309可以输出每个多普勒频移测量的误差值，可以根据所述误差值确定速度值的每个分量的速度分量误差值。这些误差值可以取决于解码器309确定的单个频率偏移估计的可靠性(例如，如果存在高信噪比，或者如果在解码期间频率偏移不均匀，则更高)，或者可以取决于多个频率估计的一致性。在此情况下，可以基于这些径向速度误差类似地计算笛卡尔速度误差估计，但所有乘法均进行平方。
在一些实施例中，可以对三维合成装置速度矢量进行处理以确定移动接收器单元7的二维无量纲前进方向矢量，例如通过在水平面中分解速度矢量以确定平面速度矢量，所述平面速度矢量然后相对于单位长度被归一化。也可以基于相关联的3D速度误差估计来确定相关联的2D前进方向矢量误差。
在一些实施例中，可以将位置估计(以及任选地位置误差值，和/或速度或前进方向矢量，和/或速度或前进方向误差值)输入到卡尔曼滤波器模块来生成改进的位置数据。卡尔曼滤波器可以将其与如来自陀螺仪或磁力计的前进方向数据等其它传感器数据组合。
由三边测量模块311估计的位置和移动接收器单元7的前进方向矢量(可以是无量纲的，或者可以具有长度值)可以存储在存储器中和/或被进一步处理和/或在显示屏上或通过网络接口输出。位置数据可以用于控制移动接收器单元7的一个或多个功能，例如，使装置7在通过预定地理围栏时发出警报，或在靠近购物中心中的特定零售商时显示广告。服务器9可以使用位置数据来跟踪移动接收器单元7。位置估计和前进方向矢量可以显示在移动接收器单元7的显示屏上，以便引导移动接收器单元7的用户，如图5中所展示的。
图5示出了移动接收器单元7的实施例，所述移动接收器单元具有显示屏501并且被配置成显示移动接收器单元7在环境内的位置和前进方向矢量。所述图示出了在导航应用程序运行时显示器501的内容的模拟。单元7可以是智能电话或其它个人计算装置。
显示器501示出如购物中心等环境的全屏平面图502。如由三边测量模块所确定的，十字线图标503以移动接收器单元7在地图502上的位置为中心。地图502上的特征，包含特定零售商或其它兴趣点505的位置，以及其它地图数据被临时或永久地存储在移动接收器单元7的存储器中。当移动接收器单元7运动时，其前进方向在显示器501上以在围绕十字线503同心定位的扇环507内的固定宽度的径向线509的形式表示。扇环507和径向线509相对于地图502的朝向用于表示移动接收器单元7的当前前进方向。线509朝向在确定的2D前进方向矢量的方向上，而前进方向矢量的误差值由扇环507的可变角度表示：小角度的扇环表示低误差或前进方向矢量中的不确定性，而大角度的扇环表示前进方向矢量中的高度不确定性。这可以以易于理解的方式传达前进方向的置信度。当前进方向矢量的相关联误差大于某个阈值时，可以显示完整的360度环，而不是扇环，以表示前进方向矢量的高度不确定性。
当移动接收器单元7在环境内移动时，十字线503在显示器501上的位置在地图502内移动。当用户改变方向时，扇环507和径向线509围绕十字线图标503旋转。以此方式，移动接收器单元7的用户可以使用显示器502在环境内容易地导航，而与接收器单元7的朝向无关。
本领域的技术人员将理解的是，已经通过描述本发明的一个或多个具体实施例来说明本发明，但不限于这些实施例；在所附权利要求的范围内，许多变化和修改是可能的。

Claims (22)

1.一种用于定位***的处理***，所述定位***包括移动接收器单元和多个发射器单元，所述多个发射器单元各自被配置成以一定间隔发射相应发射器特定识别信号，其中所述处理***被配置成识别发射每个接收到的识别信号的发射器单元并且针对所述多个发射器单元中的每个发射器单元被配置成：
-确定所述移动接收器单元在时间窗口期间从所述发射器单元接收的多个所述识别信号中的每个识别信号的到达时间；
-对所述到达时间进行处理，以确定范围数据，所述范围数据表示所述发射器单元与所述移动接收器单元之间在所述时间窗口期间以一定间隔的多个距离；
-根据所述多个接收到的识别信号确定多普勒频移信息；
-使用所述多普勒频移信息来确定速度数据，所述速度数据表示所述移动接收器单元在所述时间窗口期间的速度分量的一个或多个值；
-对所述速度数据执行积分操作以确定距离数据，所述距离数据表示所述移动接收器单元经所述时间窗口期间的一个或多个间隔行进的距离分量的一个或多个值；
-对所述范围数据和所述距离数据执行比较操作，以确定所述发射器单元的范围误差数据；并且
-使用所述范围数据来确定范围估计，所述范围估计表示所述发射器单元与所述移动接收器单元之间的距离，并且
其中所述处理***被进一步配置成通过使用对所述多个发射器单元确定的所述范围估计求解优化问题来确定所述移动接收器单元的位置估计，其中每个发射器单元的所述范围估计依赖于对相应发射器单元确定的所述范围误差数据而在所述优化问题中被加权。
2.根据权利要求1所述的处理***，其中所述处理***被配置成访问表示所述识别信号中的每个识别信号的发射时间的信息，并且在确定所述范围数据时使用所述发射时间。
3.根据权利要求1或2所述的处理***，其被配置成根据所述多个接收到的识别信号中的每个接收到的识别信号确定相应速度分量值。
4.根据权利要求3所述的处理***，其被配置成确定与所述速度分量值中的每个速度分量值相关联的相应速度分量误差值。
5.根据权利要求3或4所述的处理***，其被配置成通过对来自所述多个接收到的识别信号中的每个接收到的识别信号的相应速度分量值进行处理来确定所述移动接收器单元的合成速度矢量。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的处理***，其被配置成通过使用一个或多个速度分量值求解优化问题来确定所述移动接收器单元的速度矢量和相关联的速度矢量误差值，其中每个速度分量值依赖于相应相关联的速度分量误差值而在所述优化问题中被加权。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的处理***，其被配置成通过对表示所述移动接收器单元的速度分量的一个或多个值的所述速度数据进行处理来确定所述移动接收器单元的前进方向矢量。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的处理***，其被配置成通过对所述一个或多个速度分量值进行处理以生成一个或多个相应前进方向值并且通过使用所述前进方向值求解优化问题来确定所述移动接收器单元的前进方向矢量，其中每个前进方向值依赖于相应相关联的前进方向误差值而在所述优化问题中被加权。
9.根据权利要求8所述的处理***，其中所述移动接收器单元包括陀螺仪或磁力计；并且其中除了所述前进方向值之外，所述优化问题还将使用所述陀螺仪或所述磁力计确定的前进方向值和相关联的前进方向值误差作为输入。
10.根据权利要求7到9中任一项所述的处理***，其中所述移动接收器单元包括显示器并且被配置成在所述显示器上显示所述前进方向矢量的图形表示。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的处理***，其针对每个发射器单元被配置成通过将所述范围数据与每个识别信号的信号强度信息进行比较来对所述多个识别信号进行滤波以去除异常信号。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的处理***，其中每个发射器单元的所述比较操作包括：将来自所述距离数据的一个或多个距离值与来自所述范围数据的一个或多个范围值相加，以生成相应识别信号的准静态范围值，所述准静态范围值表示共同时间点的估计范围值；以及对对应识别信号的所述准静态范围值和所述到达时间执行回归或相关操作，以确定所述范围误差数据。
13.根据权利要求1到12中任一项所述的处理***，其中所述比较操作包括加权最小二乘回归操作，所述加权最小二乘回归操作被加权以对从较早接收到的识别信号获得的范围值赋予比对从较晚接收到的识别信号获得的范围值赋予的权重更小的权重。
14.根据权利要求1到13中任一项所述的处理***，其中所述优化问题假设所有所述范围估计都是针对直线距离的。
15.一种用于确定移动接收器单元的位置的***，所述***包括：
多个发射器单元，所述多个发射器单元各自被配置成以一定间隔发射相应发射器特定识别信号；
移动接收器单元，所述移动接收器单元被配置成接收所述发射器特定识别信号；以及
根据权利要求1到14中任一项所述的处理***。
16.根据权利要求15所述的***，其中所述识别信号是使用频率调制或相位调制编码的声学信号。
17.根据权利要求15或16所述的***，其中每个发射器单元被配置成以规则间隔发射发射器特定识别信号，所述规则间隔跨所述发射器单元具有共同持续时间，并且其中所述时间窗口是所述共同持续时间的至少三倍。
18.根据权利要求15到17中任一项所述的***，其中所述移动接收器单元包括所述处理***的一部分或整个所述处理***。
19.根据权利要求15到18中任一项所述的***，其中所述移动接收器单元包括处理器和显示器，并且被配置成在所述显示器上输出根据所述位置估计得出的信息。
20.一种确定移动接收器单元的位置的方法，所述方法包括：
从多个发射器单元以一定间隔发射发射器特定识别信号；
在移动接收器单元处接收所述发射器特定识别信号；
对接收到的识别信号中的每个接收到的识别信号进行处理，以识别发射相应识别信号的发射器单元；
针对每个发射器单元：
-确定所述移动接收器单元在时间窗口期间从所述发射器单元接收的多个所述识别信号中的每个识别信号的到达时间；
-对所述到达时间进行处理，以确定范围数据，所述范围数据表示所述发射器单元与所述移动接收器单元之间在所述时间窗口期间以一定间隔的多个距离；
-根据所述多个接收到的识别信号确定多普勒频移信息；
-使用所述多普勒频移信息来确定速度数据，所述速度数据表示所述移动接收器单元在所述时间窗口期间的速度分量的一个或多个值；
-对所述速度数据执行积分操作以确定距离数据，所述距离数据表示所述移动接收器单元经所述时间窗口期间的一个或多个间隔行进的距离分量的一个或多个值；
-对所述范围数据和所述距离数据执行比较操作，以确定所述发射器单元的范围误差数据；以及
-使用所述范围数据来确定范围估计，所述范围估计表示所述发射器单元与所述移动接收器单元之间的距离，并且
通过使用对所述多个发射器单元确定的所述范围估计求解优化问题来确定所述移动接收器单元的位置估计，其中所述优化问题依赖于对每个发射器单元确定的所述范围误差数据对相应发射器单元的所述范围估计进行加权。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述识别信号是使用频率调制或相位调制编码的声学信号。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述移动接收器单元在所述时间窗口期间处于运动中。
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