距离测量方法、距离测量装置及定位方法 |
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| 申请号 | CN201280021023.X | 申请日 | 2012-04-25 | 公开(公告)号 | CN103703386B | 公开(公告)日 | 2016-05-04 |
| 申请人 | ORTHOTRON株式会社; | 发明人 | 李京国; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种距离测量方法，该方法利用第一设备发送的第一 信号 与作为对所述第一信号的响应由目标设备生成并发送的第二信号来测量距离，其特征在于：所述方法根据第一时间长度、第二时间长度、延迟时间长度以及所述第二信号的第一部分的时间长度，计算第二设备与所述目标设备间的距离，其中，所述第一时间长度是所述第一设备发送所述第一信号的时间点至收到所述第二信号的第一部分的时间点的时间长度；所述第二时间长度是所述第二设备收到所述第一信号的时间点至收到所述第二信号的所述第一部分的时间点的时间长度；所述延迟时间长度是所述目标设备收到第一信号的时间点至所述第二信号开始的时间点的时间长度。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种距离测量方法，该方法利用第一设备发送的第一信号与作为对所述第一信号的响应由目标设备生成并发送的第二信号来测量距离，其特征在于，根据第一时间长度、第三时间长度、第二时间长度、第四时间长度、延迟时间长度、第二信号的第一部分和第二部分的各已确定的时间长度以及所述第一设备与第二设备之间的已确定的距离，通过下面数学式计算所述第二设备与所述目标设备间的距离， |
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| 说明书全文 | 距离测量方法、距离测量装置及定位方法技术领域[0001] 本发明涉及测量设备间空间距离（Spatial Distance）的方法（Ranging Method）以及定位方法（Positioning Method）。 背景技术[0002] 出于军事、战术以及商业的目的，测量与特定设备间的距离或者利用测量的距离确定特定设备位置的技术受到关注。特别是，随着当前无线通信技术的发展，向无线终端用户提供基于用户位置的多样化服务的基于位置的服务（LBS：Location Based Service）受到欢迎。为了提供基于位置的服务，需要测量与用户间的距离且根据该距离精准地确定用户的位置。 [0003] 现有的距离测量及定位方式中具有代表性的是RT-ToA（Round Trip Time of Arrival）距离测量方式和TDoA（Time Difference of Arrival）方式。 [0004] RT-ToA方式的工作原理如下： [0006] （b）收发器B测量接收信号A结束的时间点至发送信号B结束的时间点所经过的时间Treply之后，通过其他信号向收发器A发送测量值。收发器B为了向收发器A发送Treply测量值，至少需要2次附加信号，即用于发送Treply测量值的数据发送信号及针对其来自收发器A的响应信号等。 [0007] （c）收发器A根据发送信号A结束的时间点至收到信号B结束的时间点所经过的时间、Tround的测量值以及其他信号，并利用从收发器B发送的Treply值，计算ToA=（Tround-Treply）/2值。如果ToA 值乘以媒质（Medium）中信号传输速度c，可以计算出收发器A和收发器B之间的空间距离（Spatial Distance）值。 [0008] 此外，可以利用RT-ToA方式确定目标设备的位置。 [0009] 例如，由三个接入点（AP：Access Point）组成的目标设备定位系统中，三个AP各自使用所述RT-ToA方式测量到目标设备的空间距离d0、d1及d2，且通过三边测量法（Trilateration），即以各自AP位置为中心，分别形成半径d0、d1及d2的三个圆，并找出它们的交点，从而可确定目标设备的位置。 [0010] 由于这种RT-ToA方式的距离测量与定位方法不需要设备间时钟同步，因此具有系统的整体结构简单的优点。同时通过分析目标设备的定位准确度可得出，目标设备位置在由多个AP形成的小区内部（Cell）和小区外部两种情况的定位准确度没有明显差距，定位误差范围也类似于距离测量误差值，比较稳定。 [0011] 但是如上所述，RT-ToA方式在两个收发器间总共需要交换信号4次，因此利用三个AP测量目标设备的位置时，各AP需要与目标设备进行4次信号交换，合计需要交换信号12次，因此会导致空中接口（Air Interface）负荷加重。而且收发器间发生时钟频率偏差时，存在距离测量误差偏大的缺点。 [0012] 此外，现有定位技术中TDoA方式的工作原理如下： [0013] （a）目标设备发送闪光（Blink）信号。 [0015] （c）位置服务器利用从各AP发送的到达时间点测量值，计算时间差值（Time Difference）。 [0016] （d）利用各AP提供的位置数值形成抛物线（Paraboloid），然后根据计算抛物线相交的交点的三边测量法来确定目标设备的位置。 [0017] TDoA方式的定位系统具有利用目标设备只发送一次闪光信号 而各AP只接收该信号的方法测量各AP收到信号的到达时间的特征。 [0018] 就TDoA方式而言，由于目标设备只需要具有发送信号的功能而各AP只需要具有接收信号的功能，因此该方式具有电路结构与信号方式简单的优点；相反，由于各AP间需要时钟同步，因此不得不增设处理时钟同步的系统结构与电路。 [0019] 此外，通过分析各AP测量的接收信号的达到时间存在细微误差的情况下的定位准确度，可以看出当目标设备位于由AP群形成的小区内时，定位误差与到达时间测量误差值近似且稳定；当目标设备位于由AP群形成的小区外时，定位误差根据目标设备的位置不同，会达到时间测量误差值的数倍至数十倍，十分不稳定。 发明内容[0020] 本发明鉴于上述现有距离测量与定位方式中存在的技术问题而提出。本发明的目的在于提供一种距离测量与定位技术，不仅如RT-ToA方式无需时钟同步，而且具有小区内外部定位准确度优秀的特点，同时定位系统结构与信号交换方式非常简单，达到TDoA方式水准。此外，本发明的目的还在于提供可以补偿各设备的时钟频率偏差引起的距离测量与定位误差的距离测量方法及定位方法。 [0021] 为实现上述目的，本发明提供一种距离测量方法，所述方法利用第一设备发送的第一信号与作为对所述第一信号的响应由目标设备生成并发送的第二信号来测量距离，其特征在于，所述方法根据第一时间长度、第二时间长度、延迟时间长度以及所述第二信号的第一部分的时间长度，计算第二设备与所述目标设备间的距离，其中，所述第一时间长度是所述第一设备发送所述第一信号的时间点至收到所述第二信号的第一部分的时间点的时间长度；所述第二时间长度是所述第二设备收到所述第一信号的时间点至收到所述第二信号的所述第一部分的时间点的时间长度；所述延迟时间长度是所述目标设备收到第一信号的时间点至所述第二信号开始的时间点的时间长度。 [0022] 为实现本发明的另一目的，本发明提供一种在包括目标设备（Target Device）、主设备（Master Device）以及至少一个从设备（Slave Device）的定位系统中，对所述目标设备定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：所述主设备生成并发送第一信号；所述目标设备经过一定延迟时间长度后，作为对收到所述第一信号的响应，生成并发送第二信号；所述主设备测量发送所述第一信号的时间点至收到所述第二信号的第一部分的时间点的第一时间长度；所述至少一个从设备测量收到所述第一信号的时间点至收到所述第二信号的所述第一部分的时间点的第二时间长度；以及根据所述第一时间长度、所述第二时间长度、所述延迟时间长度及所述第二信号的所述第一部分的时间长度，定位所述目标设备。 [0023] 为实现本发明的又一目的，本发明提供一种距离测量方法，该方法利用第一设备发送的第一信号与作为对收到所述第一信号的响应由第二设备发送的第二信号来测量距离，其特征在于，所述方法根据第一时间长度、第二时间长度、延迟时间长度、所述第二信号的第一部分的时间长度以及所述第二信号的第二部分的时间长度，测量所述第一设备与所述第二设备间的距离，其中，所述第一时间长度是所述第一设备发送所述第一信号的时间点至收到所述第二信号的第一部分的时间点的时间长度；所述第二时间长度是所述第一设备收到所述第二信号的第一部分的时间点至收到所述第二信号的所述第二部分的时间点的时间长度；所述延迟时间长度是所述第二设备收到所述第一信号的时间点至所述第二信号开始的时间点的时间长度。附图说明 [0024] 图1是说明本发明实施例涉及的测量距离的系统结构的示意图。 [0025] 图2是说明根据MAP与SAP的第二信号的接收时间点的示意图。 [0026] 图3是说明本发明实施例一涉及的距离测量方法的示意图。 [0027] 图4是说明本发明实施例二涉及的距离测量方法的示意图。 [0028] 图5是时钟周期TCLK值与单位时间（Unit Time）TUNIT值相同时的示意图。 [0029] 图6是时钟周期值TCLK是单位时间TUNIT的MINT倍时的示意图。 [0030] 图7是显示本发明实施例涉及的定位系统的结构的示意图。 [0031] 图8是图7的定位系统的简图。 [0032] 图9是比较/分析本发明实施例涉及的定位方式与现有TDoA定位方式性能的图表。 具体实施方式[0033] 下面参照附图详细说明本发明。在以下描述和附图中，相同的附图标记用于指定相同或相似构成要素，并由此省略对相同或相似构成要素的重复描述。此外，在通篇说明书中，当认为对相关已知功能和构成要素的具体描述可能会导致本发明主题内容不清楚时，省略其详细描述。 [0034] 而且，说明本发明的构成要素时，可以使用第一、第二、A、B、（a）、（b）等。这些仅仅是为了区分相应构成要素与其他构成要素，并非限定构成要素的本质、次序或顺序等。如果说明书记载一构成要素与另一构成要素“连接”、“结合”或“接触”，可以理解为一构成要素与另一构成要素直接连接或接触，也可以理解为各构成要素之间有另一构成要素与之相“连接”、“结合”或“接触”。 [0035] 本发明实施例涉及的距离测量方法的主要特征在于，利用第一设备发送的第一信号与作为对所述第一信号的响应由目标设备生成并发送的第二信号，测量第二设备与目标设备间的距离。 [0036] 以下为便于说明，将第一设备称为主接入点（MAP：Master Access Point，以下称为MAP），将第二设备称为从属接入点（SAP：Slave Access Point，以下称为SAP），但是本发明的保护范围并不受此限制。即，其他不是接入点（AP：Access Point）的设备也可以作为第一设 备和第二设备使用。 [0037] 图1是说明本发明实施例涉及的测量距离的系统结构的示意图。 [0038] 如图1所示，本发明实施例涉及的测量距离的系统包括MAP110、目标设备120以及SAP130。 [0039] MAP110生成并发送第一信号，且接收作为对收到第一信号的响应由目标设备120生成并发送的第二信号。而且测量发送第一信号的时间点至收到第二信号的至少一部分的时间点的时间长度。 [0040] 目标设备120生成并发送第二信号，以响应从MAP110接收到第一信号。 [0041] SAP130接收MAP110发送的第一信号与目标设备120发送的第二信号。而且测量收到第一信号的时间点至收到所述的第二信号的至少一部分的时间点的时间长度。 [0042] 如果利用MAP110测量的时间长度与SAP130测量的时间长度、目标设备120收到第一信号的时间点至第二信号开始的时间点的延迟时间、所述第二信号的至少一部分的时间长度，并且在MAP110与SAP130间的距离已知道的前提下，能够测量SAP130与目标设备120间的距离。SAP130与目标设备120间的距离测量可以在距离测量装置（没有图示）上通过上述方式进行，该距离测量装置可以是独立的装置也可以安装在SAP130等装置上使用。 [0043] 如图2所示，由MAP110与SAP130测量的‘收到第二信号的至少一部分的时间点’是指第二信号24中收到T1的时间长度的时间点A、收到T1+T2时间长度的时间点B以及收到T1+T2+……+Tn的时间长度的时间点N等中任意一个以上的时间点。MAP110与SAP130可以事先约定测量哪一个时间点。例如，约定只测量时间点A，也可以约定只测量时间点N，还可以约定测量时间点A与N。 [0044] 此外，目标设备120生成的第二信号的至少一部分的时间长度是指，假设MAP110和SAP130事先约定只测量时间点A，该至少一部 分的时间长度可以是T1。还可以假设MAP110与SAP130事先约定测量时间点A与时间点N，该至少一部分的时间长度可以分别为T1与T2+……+Tn。 [0045] 目标设备120收到第一信号22的时间点至开始生成第二信号24的时间点的延迟时间Tgap与目标设备120生成的第二信号的至少一部分的时间长度可以在目标设备120与距离测量装置间事先共享。例如，当只测量时间点A并利用其测量距离时，可以事先共享延迟时间Tgap与时间长度T1，当测量时间点A与时间点N并用于测量距离时，可以事先共享延迟时间Tgap、第二信号的第一部分的时间长度T1以及第二部分的时间长度T2+T3……+Tn。但是本发明的保护范围不受限于此，目标设备120也可以将延迟时间与第二信号的至少一部分的时间长度发送给距离测量装置。只是，假设目标设备与距离测量装置事先就延迟时间与第二信号的至少一部分的时间长度进行共享，则可以减少空间距离等通信路径上的负荷。 [0046] 下面参照图1、图3及图4对于本发明实施例涉及的距离测量方法作进一步详细说明。 [0047] 图3是说明本发明实施例一涉及的距离测量方法的示意图。 [0048] 本发明的实施例一是测量第二信号的任意一部分的接收时间点之后，利用该时间点计算距离的方法。为了便于说明，假设测量第二信号的所有部分接收结束时的时间点，对本发明进行说明，但本发明不受限于此。如上所述，测量图2中的时间点A、时间点B等任意部分时，也可以采用与下述方式相同的原理。 [0049] MAP110的信号生成单元112生成第一信号32并通过收发单元116发送至空中接口。此时，MAP110的信号生成单元112测量第一信号的发送结束时间点tEND0并发送给感应单元114。 [0050] 由MAP110发送的第一信号32经过飞行时间（ToF：Time of Flight）t0之后，被目标设备120接收。 [0051] 由目标设备120的收发单元126接收的第一信号32a被发送至信号感应单元124，而且信号感应单元124测量第一信号的接收结束时间点tENDT，并将其发送给延迟单元128。 [0052] 延迟单元128从第一信号的接收结束时间点tENDT经过事先设置的延迟时间Tgap的等待后，将该延迟时间结束的时间点发送给信号生成单元122。 [0053] 信号生成单元122在该延迟时间结束的时间点开始生成第二信号34，并将生成的第二信号34通过收发单元126发送至空中接口。 [0054] 由目标设备120发送的第二信号经过飞行时间t0后，被MAP110接收，MAP110通过收发单元116，将接收的第二信号34a发送给信号感应单元114。 [0055] MAP110的信号感应单元114测量第二信号34a的接收结束时间点tA。 [0056] 测量第二信号34a的接收结束时间点tA后，可以测量MAP110发送第一信号的时间点tEND0至接收第二信号34a的时间点tA的第一时间长度。根据该计算出的第一时间长度、目标设备收到第一信号的时间点至开始生成第二信号的时间点的延迟时间、以及第二信号的时间长度，可通过下面数学式1计算MAP110与目标设备120间的距离d0。 [0057] 【数学式1】 [0058] d0=c*(t01-Tgap-T0)/2 [0059] 在数学式中，c表示信号在媒质中的传输速度；t01表示第一时间长度；Tgap表示延迟时间；T0表示第二信号的时间长度。 [0060] 此外，如果用时钟周期计数的次数来表达各时间长度，数学式1可以如数学式2所表示。 [0061] 【数学式2】 [0062] d0=c*TCLK*(N0-Mgap-M0)/2 [0063] 在数学式中，c表示信号在媒质中的传输速度；TCLK表示标称时钟周期（Nominal Clock Period）；N0表示MAP110利用自己的时钟，在所述第一时间长度t01内时钟计数的次数；Mgap表示生成所述延迟时间Tgap所使用的时钟次数；M0表示生成所述第二信号的时间长度T0所使用的时钟次数。在此，标称时钟周期是指时钟周期的理想值，在各设备之间共享的值。 [0064] 此外，SAP130测量自接收MAP110与目标设备120各自发送的收到第一信号的时间点至收到第二信号的时间点的第二时间长度。即，本发明的实施例中，SAP130只接收MAP110与目标设备120发送的信号。 [0065] 进一步说明如下，如果SAP130在经过飞行时间T01后收到MAP110发送的第一信号32，将该接收信号32b通过收发单元136发送给信号感应单元134。信号感应单元134测量信号32b的接收结束时间点tEND1。同时，如果SAP130在经过飞行时间t1后收到目标设备 120发送的第二信号34，测量来自目标设备120的接收信号34b的接收结束时间点tB。而且测量收到第一信号的时间点tEND1至收到第二信号的时间点tB的第二时间长度。 [0066] 测量第二时间长度之后，根据该第二时间长度、目标设备120收到第一信号后至开始生成第二信号为止的延迟时间、第二信号的时间长度以及上述计算出的MAP110与目标设备120间的距离d0，通过下面数学式3计算出SAP130与目标设备间的距离d1。 [0067] 【数学式3】 [0068] d1=c*(t11-Tgap-T0)+D01-d0 [0069] 其中，t11表示所述第二时间长度。 [0070] 此外，如果用时钟周期计数的次数来表达各时间长度，数学式3还可以如数学式4所表示。 [0071] 【数学式4】 [0072] d1=c*TCLK*(N1-Mgap-M0)+D01-d0 [0073] 在数学式中，N1表示SAP130利用自己的时钟，在所述第二时间长度t11内时钟计数的次数；D01表示MAP110与SAP130间的距离。 [0074] 此外，如果将数学式2带入数学式4中，可以得到SAP130与目标设备间的距离d1的数学式，如数学式5所示。 [0075] 【数学式5】 [0076] [0077] 如数学式5所示，SAP130与目标设备120间的距离可以根据MAP110发送第一信号的时间点至收到第二信号的时间点的第一时间长度t01或者N0、SAP130收到第一信号的时间点至收到第二信号的时间点的第二时间长度t11或者N1、自目标设备120收到第一信号后至生成第二信号的时间点的延迟时间Tgap或者Mgap、第二信号的时间长度T0或者M0以及MAP110与SAP130间的距离D01计算。 [0078] 因此，如果测量MAP110发送第一信号的时间点至收到第二信号的时间点的时间长度和SAP130收到第一信号的时间点至收到第二信号的时间点的时间长度，并且在目标设备上的所述延迟时间、目标设备120生成的第二信号的时间长度以及MAP110与SAP130间的距离已知的前提下，可以计算出SAP130与目标设备120间的距离。 [0079] 此外，所述实施例中，MAP110、目标设备120以及SAP130各自的实际时钟频率可能与标称时钟频率不同。因此，发生时钟频率偏差时，如果使用数学式2、4或5计算距离，则可能由于该时钟频率偏差导致距离测量出现误差。这种时钟频率偏差引起的距离测量误差可通过下面描述的实施例二得到补偿。 [0080] 图4是说明本发明实施例二涉及的距离测量方法的示意图。 [0081] 实施例一只测量第二信号的任意一部分的接收时间点，但是实施例二还测量第二信号的其他部分的接收时间点，且计算距离时使用该测量值。 [0082] MAP110的信号生成单元112生成第一信号42并通过收发单元116发送至空中接口。此时，MAP110的信号生成单元112测量第一信号的发送结束时间点tEND0并发送给信号感应单元114。 [0083] 由MAP110发送的第一信号42经过飞行时间（ToF:Time of Flight）t0之后，被标设备120接收。 [0084] 由目标设备120的收发单元126接收的第一信号42a被发送至信号感应单元124，而且信号感应单元124测量第一信号的接收结束时间点tENDT之后，将其发送给延迟单元128。 [0085] 延迟单元128自第一信号的接收结束时间点tENDT开始，经过事先设置的延迟时间Tgap的等待后，将该延迟时间结束的时间点发送给信号生成单元122。 [0086] 信号生成单元122在该延迟时间结束的时间点开始生成第二信号，并将生成的第二信号通过收发单元126发送至空中接口。 [0087] 由目标设备120发送的第二信号经过飞行时间t0后被MAP110接收，MAP110通过收发单元116将接收的第二信号发送给信号感应单元114。 [0088] MAP110的信号感应单元114分别测量第二信号的第一部分44a的接收结束时间点tA0与第二部分46a的接收结束时间点tB0。然后测量自第一信号42的发送时间点tEND0至第二信号的第一部分44a的接收时间点tA0的第一时间长度与第一部分44a的接收时间点tA0至第二部分46a的接收时间点tB0为止的第三时间长度。 [0089] 测量第一时间长度与第三时间长度之后，根据该测量值、第二信号的第一部分与第二部分的时间长度及目标设备收到第一信号后至开始生成第二信号的时间点的延迟时间，通过下面数学式6计算 MAP110与目标设备120间的距离d0。 [0090] 【数学式6】 [0091] d0=c*TCLK*(N01-Kr*N02)/2 [0092] Kr=(Mgap+M1)/M2 [0093] 在数学式中，M1表示生成第二信号的第一部分的时间长度所用的时钟次数；M2表示生成第二信号的第二部分的时间长度所用的时钟次数；Mgap表示生成所述延迟时间所使用的时钟次数；N01表示MAP110利用自己的时钟，在第一时间长度内时钟计数的次数；N02表示MAP110利用自己的时钟，在第三时间长度内时钟计数的次数；c表示信号在媒质中的传输速度；TCLK表示标称时钟周期。 [0094] 此外，SAP130接收MAP110与目标设备120各自发送的第一信号与第二信号，并测量其接收结束时间点。 [0095] 即，如果SAP130在经过飞行时间T01后收到MAP110发送的第一信号42，则将该接收信号42b通过收发单元136发送给信号感应单元134。信号感应单元134测量接收信号42b的接收结束时间点tEND1。而且，如果SAP130在经过飞行时间t1后收到目标设备120发送的第二信号，则测量接收的第二信号的第一部分44b的接收结束时间点tA1与接收的第二部分46b的接收结束时间点tB1。然后，测量第一信号42b的接收时间点tEND1至第二信号的第一部分44b的接收时间点tA1的第二时间长度与第一部分44b的接收时间点tA1至第二部分46b的接收时间点tB1的第四时间长度。 [0096] 测量第二时间长度与第四时间长度之后，根据该测量值、目标设备收到第一信号后至生成第二信号为止的延迟时间以及第二信号的第一部分与第二部分各自的时间长度，通过下面数学式7计算SAP130与目标设备120间的距离d1。 [0097] 【数学式7】 [0098] d1=c*TCLK*(N11-Kr*N12)+D01-d0 [0099] 在数学式中，N11表示SAP130利用自己的时钟，在所述第二时间长度内时钟计数的次数；N12表示SAP130利用自己的时钟，在所述第四时间长度内时钟计数的次数；D01表示MAP110与SAP130间的距离。 [0100] 此外，如果将数学式6带入数学式7，SAP130与目标设备120间的距离d1如数学式8所表示。 [0101] 【数学式8】 [0102] [0103] 如数学式8所示，SAP130与目标设备120间的距离可以根据第一时间长度N01、第三时间长度N02、第二时间长度N11、第四时间长度N12、延迟时间Mgap、第二信号的第一部分与第二部分各自的时间长度M1、M2以及MAP110与SAP130间的距离D01计算。其中，所述第一时间长度N01是MAP110发送第一信号的时间点至收到第二信号的第一部分的时间点的时间长度；所述第三时间长度N02是MAP110收到第二信号的第一部分的时间点至收到第二部分的时间点的时间长度；所述第二时间长度N11是SAP130收到第一信号的时间点至收到第二信号的第一部分的时间点的时间长度；所述第四时间长度N12是SAP130收到号第二信号的第一部分的时间点至收到第二部分的时间点的时间长度；所述延迟时间Mgap是自目标设备120收到第一信号的时间点至开始生成第二信号的时间点的时间长度。 [0104] 因此，如果利用MAP110发送第一信号的时间点至收到第二信号的第一部分的时间点的时间长度、MAP110收到第二信号的第一部分的时间点至收到第二部分的时间点的时间长度、SAP130收到第一信号的时间点至收到第二信号的第一部分的时间点的时间长度、 SAP130收到第二信号的第一部分的时间点至收到第二部分的时间点的时间长度，并且在目标设备上的所述延迟时间、目标设备120生成的第二信号的第一部分与第二部分各自的时间长度以及MAP110与SAP130间的距离已知的前提下，则可以计算出SAP130与目标设备120间的距离。 [0105] 此外，如利用该方式，则各设备（MAP、目标设及SAP）间由于时钟频率偏差引起的距离测量误差可以得到补偿。 [0106] 下面以计算MAP110与目标设备120间的距离为例进行说明。对于标称时钟周期TCLK，假设MAP110的实际时钟周期为TCLK1，目标设备120的实际时钟周期为TCLK2，TCLK与TCLK1间的偏差比率为1+e1，TCLK与TCLK2间的偏差比率为1+e2时，它们之间的关系如数学式9所示。其中，TCLK作为标称时钟周期是已知的常数，e1与e2是未知数。 [0107] 【数学式9】 [0108] TCLK1=TCLK/(1+e1) [0109] TCLK2=TCLK/(1+e2) [0110] 此外，在数学式6中MAP110测量的N01与N02由MAP110自己的实际时钟周期TCLK1测量得到，而Mgap、M1及M2的时间长度由目标设备120的实际时钟周期TCLK2生成，因此如数学式10所示的以下关系成立。 [0111] 【数学式10】 [0112] N1=[(MGAP+M1)*TCLK2+2*ToF]/TCLK1 [0113] N2=M2*TCLK2/TCLK1 [0114] 式中，ToF表示MAP110与目标设备120间的信号飞行时间，相当于图4中t0的值。 [0115] 将数学式10带入数学式6中，并应用数学式9进行整理，MAP110与目标设备120间的距离如数学式11所示。 [0116] 【数学式11】 [0117] d0=c*(1+e1)*ToF [0118] MAP110与目标设备120间的实际空间距离（Spatial Distance）值是c*ToF，与数学式9的结果进行比较，可以看出产生1+e1比率的距离误差。这与第一收发器的实际时钟周期TCLK1和标称时钟周期TCLK间的偏差比率相同。即，可以看出即使收发器的实际时钟周期（或者频率）发生偏差，距离测量误差也不会超出实际时钟周期（或者频率）的偏差比率。 [0119] 此外，就只测量第二信号所有部分接收结束的时间点的实施例而言，由于M0=M1+M2，N0=N01+N02，所以将数学式9与数学式10应用于数学式2，可得出数学式12。 [0120] 【数学式12】 [0121] [0122] [0123] 相比于数学式9，数学式10附加发生第二行数值大小的距离测量误差。即，两个设备间发生时钟频率的偏差时，距离测量误差远大于该时钟频率的偏差比率。 [0124] 即，本发明的实施例二相比于实施例一，由时钟频率偏差引起的距离测量误差明显减小。 [0125] 以上，本发明的实施例二尽管举例说明了测量第二信号的第一部分的接收时间点与第二部分的接收时间点，即测量第二信号的任意两个部分的接收时间点，予以计算距离，但是本发明的保护范围并不局限于此。例如，测量第二信号的任意三部分的接收时间点的情况，测量图2中时间点A、时间点C及时间点N时，可以利用T1时间长度与T4+……+Tn的时间长度计算距离，这种情况也可以采用与测量第二信号的任意两个部分的接收时间点来计算距离相同的原理。 [0126] 此外，距离测量技术中，诱发时间测量误差的因素，除了收发器间的时钟偏差之外，还可能是制造收发器所用的电路元件的固有延时（Intrinsic Time Delay）。固有延时可能是由电路中使用的线路长度、印刷线路板（Printed Wiring Board）图案的长度、电感器（Inductor）、电容器（Capacitor）及数字信号的时钟延迟等因素引起。固有延时是收发器设计时没有考虑到的时间延迟，因此如果能够得到补偿，距离测量将更加准确。 [0127] 为此，在图1的信号感应单元114、124、134中，通过输入固有延时值Mcal，以实现时间延迟校正（Time Delay Calibration）功能。 [0128] 例如，在特定环境条件下用测量仪器测量所述固有延时值，并将该测量值作为Mcal值输入到信号感应单元114、124、134。此时，目标设备120的信号感应单元124将输入的Mcal值发送给延迟单元128，可通过从作为目标的延迟时间Mgap中减去额外发生的固有延时Mcal的方法，实现时间延迟校正（Time Delay Calibration）功能。同时，MAP110与SAP130的信号感应单元114、134在输出N01、N02、Ni1、Ni2等值的过程中，从输出值中减去相比于实际时间延迟值额外发生的固有延时Mcal值后输出，从而可执行延迟时间校正（Time Delay Calibration）功能。 [0129] 此外，固有延时还可能会由于周围温度（Ambient Temperature）的变化、工作电压（Supply Voltage）的变化与老化（Aging）变化等个别或综合因素发生变化。因此，使用测量仪器测量由于这些环境变化引起的时间延迟变动值并做成数据库表进行储存，之后推测由于这些环境变化引起的时间延迟变动值，且输入所推测的Mcal值，从而可执行自动校正（Automatic Correction）功能。 [0130] 此外，诱发测量时间误差的另一要素是，用数字实现电路时，测量经过时间所使用的单位时间（Unit Time）值。第一信号与第二信号的生成，以及第一时间长度至第四时间长度的测量中使用的单位时间 值直接影响距离测量的准确度。例如，图3中如果第一时间长度N0用TCLK1对两个时间点（MAP发送第一信号的时间点与接收第二信号的时间点）间的时间长度进行计数并测量，则得出整数值，但是两个时间点间的时间长度除以TCLK1值，精确地说，其结果由整数（Integer）和小数（Fraction Number）组成。如果只使用以TCLK1计数的整数部分，可能发生小数部分的距离测量误差，最大误差可达到TCLK1大小。 [0131] 图5是时钟周期TCLK值与单位时间（Unit Time）TUNIT值相同时的示意图。 [0132] 信号51表示时钟波形，TCLK表示标称时钟周期（Nominal Clock Period）。为了实现所要求的距离测量准确度（Required Ranging Precision），TUNIT值需要小于时间分辨率（Time Resolution）的TRESOL值。即使用满足TRESOL≥TUNIT(=TCLK)的时钟周期，即使发生小数部分的测量误差，测量误差值也会小于TRESOL，从而可以实现所要求的距离测量分辨率。 [0133] 例如，假设测量距离所要求的准确度为TRESOL=1/3e8=3.33nsec，则使用TCLK值小于3.33nsec值的时钟，即使用300MHz以上频率的时钟即可。 [0134] 只是，如果使用所述例中的300MHz以上的时钟频率，由于模拟数字转换器（Analog to Digital Converter）、数字模拟转换器（Digital to Analog Converter）及数字电路的耗电等原因，实现起来比较困难。 [0135] 因此，为了实现所要求的距离测量准确度（Ranging Precision），还可以使用插补（Interpolation）方法，使TUNIT值小于所要求的时间分辨率值。如果使用插补方法，在测量生成信号或接收信号的到达时间时，可以实现将时钟周期以任意整数等分的等效时间分辨率（Equivalent Time Resolution）。 [0136] 本发明实施例将所述任意的整数定义为插补的等分整数（Division Integer），该值用MINT表示。等分整数MINT可以指定并使 用任意整数，在数字方式中，取2的倍数，即使用2，4，8，16，……更容易实现。 [0137] 图6是时钟周期值TCLK为单位时间TUNIT的MINT倍时的示意图。图5是MINT为1的情形，图6是MINT为4的情形。 [0138] 在测量生成信号或接收信号的到达时间时，为了得到所要求的精确度的单位时间而使用插补。信号61为时钟波形；TCLK为标称时钟周期；TUNIT表示TCLK除以插补等分整数MINT所得的单位时间值；如果TCLK除以MINT所得TUNIT小于所要求的时间分辨率（Required Time Resolution）值TRESOL，即满足TRESOL≥TCLK/MINT，则使用低频时钟也可以实现所要求的距离测量分辨率。 [0139] 如果测量距离的数学式2、4至8使用所述插补方法，则可以如数学式13至数学式18所表示。 [0140] 【数学式13】 [0141] d0=DCLK*(N0-Mgap-M0)/2 [0142] 【数学式14】 [0143] d1=DCLK*(N1-Mgap-M0)+D01-d0 [0144] 【数学式15】 [0145] [0146] 【数学式16】 [0147] d0=DCLK*(N01-Kr*N02)/2 [0148] 【数学式17】 [0149] d1=DCLK*(N11-Kr*N12)+D01-d0 [0150] 【数学式18】 [0151] [0152] 数学式13至18中DCLK=c*（TCLK/MINT）。 [0153] 而且，在所述数学式中，N0、N01及N02是MAP110利用自己的时钟周期除以插补等分整数MINT所得的单位时间计数的次数，N1、N11及N12是SAP130利用自己的时钟周期除以插补等分整数MINT所得的单位时间计数的次数。 [0154] 下面详细描述利用所述距离测量方法来定位目标设备的方法。 [0155] 图7是显示本发明实施例涉及的定位系统的结构的示意图。 [0156] 本发明实施例涉及的定位系统可以包括MAP710、目标设备720、SAP730及位置服务器740。为了定位目标设备720，可以有MAP710、至少一个SAP730以及位置服务器740参与。位置服务器740可通过多种通信路径，例如，无线路径、有线路径及互联网750等接入路径与MAP710和SAP730连接。 [0157] 为了便于说明，下面参照图8说明为了定位目标设备，使用两个SAP的情形，但本发明的保护范围并不局限于此，SAP的个数可以根据需要选择一个以上。 [0158] 首先，MAP710生成并发送第一信号。 [0159] 如果目标设备720收到第一信号，则作为对收到信号的响应，经过一定延迟时间后，生成并发送第二信号。 [0160] 收到目标设备720发送的第二信号的MAP710测量发送第一信号的时间点至收到第二信号的第一部分的时间点的第一时间长度。在此，收到第二信号的第一部分的时间点如图2所示，可以是收到第二信号的一部分的时间点A或B等，也可以是第二信号所有部分接收结束的时间点N。 [0161] 此外，第一SAP730-1与第二SAP730-2分别接收由MAP710发送的第一信号和由目标设备720发送的第二信号，并测量自收到第一信号的时间点至收到第二信号的第一部分的时间点的第二时间长度。 [0162] 位置服务器740根据MAP710、第一SAP730-1及第二SAP730-2各自测量的测量值，即各时间长度、目标设备720自收到第一信号后 开始生成第二信号为止的延迟时间以及第二信号的第一部分的时间长度，确定目标设备720的位置。 [0163] 下面进一步详细说明位置服务器740定位目标设备720的方法，根据MAP710测量的第一时间长度、目标设备720自收到第一信号的时间点至第二信号开始的时间点的延迟时间以及第二信号的第一部分的时间长度，计算MAP710与目标设备720间的距离d0。距离d0可以如前所述方式计算，例如，可以通过数学式1、2及13中任意一个计算。 [0164] 并且，位置服务器740利用SAP730-1、SAP730-2测量的第二时间长度和由目标设备720收到第一信号的时间点至第二信号开始的时间点的延迟时间以及第二信号的第一部分的时间长度，计算各SAP730-1、SAP730-2与目标设备720间的距离di。di中i用于识别SAP，i=1是指第一SAP730-1，i=2是指第二SAP730-2。距离di可以如前述方式计算，例如，可以使用下面数学式19。 [0165] 【数学式19】 [0166] di=DCLK*(Ni-Mgap-M0)+D0i-d0 (i=1，2) [0167] 其中，Ni是第i个SAP利用自己的时钟周期除以插补等分整数所得的单位时间在所述第二时间长度内计数的次数，D0i是MAP710与第i个SAP间的距离。 [0168] 计算出各AP与目标设备间的距离之后，位置服务器740利用计算出的距离与各AP的位置信息，通过三边测量法（Trilateration）等来确定目标设备720的位置。 [0169] 此外，为了减少由于各设备（MAP、SAP、目标设备）间的时钟频率偏差引起的定位误差，也可以使用MAP710与SAP730-1、SAP730-2测量第二信号的任意两部分的接收时间点的方式。 [0170] 具体说明如下，MAP710测量发送第一信号的时间点至收到第二信号第一部分的时间点的第一时间长度和收到第二信号的第一部分 的时间点至收到第二信号的第二部分的时间点的第三时间长度。而且，MAP710利用自己的时钟周期除以插补等分整数（1以上的整数）所得的单位时间，得到在第一时间长度内计数的次数N01与第三时间长度内计数的次数N02。 [0171] 各SAP730-1、SAP730-2测量收到第一信号的时间点至收到第二信号第一部分的时间点的第二时间长度和收到第二信号的第一部分的时间点至收到第二信号的第二部分的时间点的第四时间长度。而且，SAP730-1、SAP730-2利用自己的时钟周期除以插补等分整数所得的单位时间，得到在第二时间长度内计数的次数Ni1与第四时间长度内计数的次数Ni2。 [0172] 位置服务器740根据MAP710的计数次数N01和N02，计算MAP710与目标设备720间的距离d0。距离d0可以如前述方式计算，例如，可以通过数学式6或者16计算。 [0173] 同时，位置服务器740根据各SAP730-1、SAP730-2的计数次数Ni1和Ni2，计算各SAP730-1、SAP730-2与目标设备720间的距离di。距离di可以如前述方式计算，例如，可以通过下面数学式20计算。 [0174] 【数学式20】 [0175] di=DCLK*(Ni1-Kr*Ni2)+D0i-d0 (i=1,2) [0176] 其中，Ni1和Ni2分别表示第i各SAP利用自己的时钟周期除以插补等分整数所得的单位时间，在所述第二时间长度和所述第四时间长度内计数的次数。 [0177] 计算出距离d0与di之后，位置服务器740可利用各AP的位置信息确定目标设备720的位置。 [0178] 所述实施例对具有两个SAP的情形进行了说明，但是本发明的保护范围并不局限于此，例如，也可以使用三个SAP，这种情形也可以通过多边测量法（Multilateration）等确定目标设备720的位置。而 且，视情况也可以只使用一个SAP来定位目标设备。例如，计算SAP与目标设备间的距离和MAP与目标设备间的距离。此时，如果以各AP的位置为中心且以测量的距离为半径画圆，则生成两个交点，目标设备将位于该两个交点之一。然而，其中一交点的位置不能是目标设备的位置时，不必测量另一SAP与目标设备间的距离就可以确定目标设备的位置。 [0179] 与目标设备只发送闪光（Blink）信号，各AP只接收该闪光信号的TDoA方式相比之下，所述本发明的实施例涉及的定位方法通过目标设备与MAP分别只执行1次信号发送和信号接收，各SAP只接收上述两个信号的方式，确定目标设备的位置。 [0180] 现有的TDoA方式中，各AP之间及各AP与目标设备之间需要时钟频率和相位同步，但是本发明的实施例涉及的定位方法不需要各AP间的时钟同步，简化了整个系统结构。而且，相比较于各AP与目标设备间需要4次信号交换的现有RT-ToA方式，本发明实施例涉及的定位方法在MAP与目标设备间只需要2次信号，所以可以减少空中接口的负荷。而且，通过实施例二可知，测量第二信号的任意两个部分的时间点时，具有还可以减少由于时钟频率的偏差引起的定位误差的优点。 [0181] 此外，本发明的实施例涉及的定位系统还包括SAP与MAP间交换角色的功能。即，将原MAP设定为新SAP而将原SAP设定为新MAP以进行重新调整，从而使定位系统具有灵活性。 [0182] 此外，MAP710生成并发送的第一信号中至少可以包括MAP识别信息、目标设备识别信息、各目标设备识别信息序号（Sequence Number）、当前时间信息以及分配给所述各目标设备识别信息的下一次唤醒时间（Wake-up Time）信息中的一个以上。 [0183] 在此，MAP识别信息可包含于第一信号中，用于使目标设备与各SAP区分第一信号来源。 [0184] 为了使目标设备与各SAP能够在众多设备中识别作为距离测量对象的目标设备，目标设备识别信息可以包含在第一信号中。即，对于收到第一信号的多数目标设备，比较自己事先储存的识别信息与第一信号中包含的目标设备识别信息，如果两者一致，则认为自己是被调用的目标设备并生成发送第二信号；如果不一致，则不考虑第一信号且不发送第二信号。 [0185] 各目标设备识别信息序号用于使各AP将特定目标设备识别号和序号与测量信息捆绑（Bundle）并发送至位置服务器。在各AP将通过第一信号与第二信号测量所得目标设备信息向位置服务器发送的过程中，根据信息传输路径的通信状况不同，到达位置服务器的时间点可能各不相同。针对目标设备的第一信号可以一定时间间隔反复发送，针对同一目标设备，各AP向位置服务器发送的信息，由于发送时间点不同，信息到达的顺序可能发生变化。如果将目标设备的识别号和序号包含在第一信号中，并且每次发送包含识别号的第一信号时更新（Update）该识别号的序号，则可以通过目标设备的识别号和序号区分各测量值。例如，如果每次以0至255之间的不同的数字更新序号，并且每秒向位置服务器发送测量信息时，各通信路径的测量信息的到达时间点差距在256秒以下，则可以防止由于测量信息的到达时间差距引起的收集数据时发生的错误。 [0186] 进一步说明如下，MAP710与各SAP730-1、SAP730-2将第一信号中包含的目标设备的识别信息与序号和测量的各时间长度值一起发送给位置服务器740，位置服务器740利用目标设备的识别信息与序号，对收到的时间长度值分类管理，利用以相同识别信息与序号分类的各经过时间值，计算距离。因此，由于各通信路径上的延迟时间不同，MAP710与各SAP730-1、SAP730-2依序发送的测量值即使到达顺序发生变化，也可以防止距离计算与位置测量的误差。 [0187] 此外，为了减少目标设备720的耗电量，下一次唤醒时间信息可 以包含在第一信号中。即，处于低耗电睡眠模式的目标设备720利用下一次唤醒时间信息，可以在开始发送第一信号之前由低耗电睡眠模式转换为工作模式后，接收第一信号，并发送第二信号后重新转换为睡眠模式。即，目标设备利用下一次唤醒时间信息在睡眠模式与工作模式之间转换，从而可以减少耗电量。 [0188] 此外，MAP710利用自己的实际时钟（RTC，Real Time Clock），生成时间基准（Time Reference）信号，并将其发送至目标设备或者各SAP，目标设备或者SAP利用该时间基准信号调整自己的实际时钟以达到与MAP710的实际时钟一致。 [0189] 同时，在通信范围内存在一个以上的目标设备时，MAP710确定这些目标设备的调用顺序后依次调用，如果所有目标设备均调用完了，可能会重复调用的过程。通过该方法，可以依次地、无冲突地、连续确定MAP的通信范围内存在的所有目标设备的位置值。 [0190] 此外，本发明的实施例涉及的定位方法可以执行初始化操作以进行目标设备720与MAP710间的通信。所述初始化操作在以下情况下进行。即，目标设备最初打开电源的情形；；目标设备从某一MAP的通信范围移动到另一MAP的通信范围的情形；；目标设备的唤醒时间与MAP的调用时间（发送第一信号的时间）不一致的情形等。 [0191] 可以采用如下方法执行初始化操作。 [0192] 首先，目标设备从睡眠模式转换为工作模式后，发送包含自己识别信息的接入信号（Access Signal），且接入信号的发送结束后，在事先设置的超时（Time-out）期间内，等待MAP发送控制信号。 [0193] 如果在超时期间内，从任意一MAP收到控制信号，则利用控制信号中包含的当前时间信息与下一次唤醒时间信息，设置目标设备自己的实际时钟与下一次唤醒时间以完成初始化。 [0194] 但是在超时期间内，如果没有收到控制信号，则由工作模式转换为睡眠模式，经过事先设置的休眠时间间隔（Recess Time Interval）之 后，重新转换为工作模式，且重复发送接入信号的过程。 [0195] 此外，从目标设备收到接入信号的至少一个MAP将自己的MAP识别信息、发送接入信号的目标设备的识别信息及接收信号的质量信息发送给位置服务器。 [0196] 位置服务器利用接收信号的质量信息，选择所述至少一个MAP中适合与目标设备进行通信的最优MAP，并将选择结果通知给最优MAP。 [0197] 最优MAP收到选择结果后，如果重新从目标设备接收接入信号，则向目标设备发送包含当前时间信息与下一次唤醒时间信息的控制信号，从而执行初始化以达到能够与目标设备通信的状态。 [0198] 此外，在目标设备周围存在多个MAP的情况下，本发明实施例涉及的定位方法还可以包括选择多个MAP中与目标设备进行通信的最优MAP的过程。 [0199] 例如，如果多个MAP收到目标设备生成并发送的第二信号，则向位置服务器发送自己的识别信息、目标设备的识别信息及接收信号的质量信息。在此，目标设备的识别信息可以从目标设备发送的第二信号中提取并发送给位置服务器。 [0200] 位置服务器利用接收信号的质量信息，选择最适合与目标设备进行通信的最优MAP，并将该选择结果通知给最优MAP。 [0201] 收到选择结果的最优MAP向目标设备发送第一信号，以执行上述定位过程。 [0202] 通过这种最优MAP的选择过程，目标设备可以与最适合通信的MAP进行定位过程，从而即使目标设备在移动过程中也可以持续保持定位准确度。 [0203] 图9是比较/分析本发明实施例涉及的定位方式与现有TDoA定位方式性能的示意图。图9（A）是现有TDoA定位方式的性能示意图，图9（B）是本发明实施例涉及的定位方式的性能示意图。 [0204] 为了比较性能共使用了4个AP，各AP的坐标如下： [0205] -AP0或者MAP的坐标：（-50-j50）m [0206] -AP1或者SAP1的坐标：（+50-j50）m [0207] -AP2或者SAP2的坐标：（+50+j50）m [0208] -AP3或者SAP3的坐标：（-50+j50）m [0209] 为了有效地分析定位系统的性能，增加0.3m rms的随机测量误差作为AP与目标设备间的距离测量误差。以[-100-j*80，-100-j*60，-100-j*40，-100-j*20，-100-j*0，-66+j*0，-33+j*0，0+j*0，25+j*0，50+j*8，70+j*20，85+j*35，100+j*50]的顺序移动目标设备的位置，测量目标设备在各位置上的位置达30次，将测量的位置用点表示出来。 [0210] 分析TDoA方式的定位准确度的结果可知，如附图标记901所示，目标设备位于由4个AP组成的小区内部时，定位误差比较稳定，在到达时间测量误差值范围内；如附图标记 902所示，目标设备位于小区外部时，根据小区外目标设备的位置，定位误差值达到时间测量误差值的数倍至数十倍，十分不稳定。从图9可以发现，随着目标设备从小区内部向小区外部越远，每次定位时定位值间的变动越加大，且定位准确度下降。 [0211] 此外，分析本发明实施例涉及的定位值的准确度的结果可知，如附图标记903所示目标设备位于由4个AP组成的小区内部的情形与附图标记904所示目标设备位于小区外部的情形的误差范围比较稳定，在距离测量误差值以内。 [0212] 以上，对本发明实施例的构成要素独立或结合操作的情况进行了描述，但是本发明并不局限于这些实施例和附图。即，只要属于本发明的目的，所有构成要素可以选择结合至少一种。同时，所有构成要素可以以各自独立的硬件形式实施，还可以通过组合其全部或部分构成要素以具有程序模块的计算机程序形式实施，从而在一个或多个硬 件上执行部分或者全部功能。本发明技术领域的技术人员可容易推导出构成该计算机程序的编码与编码段。该计算机程序储存在计算机可读性储存媒体（Computer Readable Media），由计算机读取和执行，从而可以实现本发明实施例。作为计算机程序的储存媒体，可包括磁盘、光盘以及载波媒体。 |
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