CN1820212A - 用于本地定位的合成孔径雷达系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种定位系统包括在固定位置上的无源各向同性的反射地标和一个装置。所述装置发射具有圆偏振的电磁脉冲并在一定时段内接收返回信号。所述返回信号包括来自所述反射地标的反射脉冲。处理返回信号以便从返回信号分离出反射脉冲以及以便确定从所述装置到所述反射地标的距离。反射地标包括第一无源反射器、第二无源反射器和静止结构，所述静止结构配置成以相对于第一无源反射器的角度静态地定位第二无源反射器。所述装置任选地在特定的方向上移动，而同时接收所述返回信号，检测所述返回信号的反射脉冲部分中的多普勒频移，并且确定所述特定方向与所述装置和所述地标之间的直线之间的角度。

Description

用于本地定位的合成孔径雷达系统和方法
发明领域
本发明一般地涉及定位系统，更具体地说，涉及用于借助相干射频距离测定技术确定移动装置相对于若干无源地标的位置的系统和方法
发明背景
本地定位系统在需要导航能力的移动装置中，尤其是在机动车辆和精确建筑工具的应用中，正在变成一种重要工具。全球定位系统，诸如GPS只提供中等准确度的位置信息，一般不优于10cm，而且要求不受阻挡地看到天空直至地平线附近。本地定位系统，连同分布在一个工作空间内的有源或无源部件，可以允许准确得多(＜1cm)的定位，而且允许用户根据需要扩展所述系统以便在甚至更加复杂的封闭的几何结构中工作。
传统的本地定位系统包括声学和激光测距系统。声学系统一般使用发射机应答器信标以便在装置的网络内测量距离，其中某些装置是固定的，用于形成本地坐标系。不幸的是，因为声音通过空气传播的特性，声学系统只可以以1厘米或更大的准确度测量距离，而且只能在相对较短的距离内。基于激光器是本地定位系统利用装置和一个或多个反射目标，诸如棱镜进行的角度和距离两者的测量，以便对所述装置的位置进行三角测量或三边测量。但是，激光系统目前使用昂贵指向机构，它可以使所述系统的成本高达3万美元或更多。
一种相对较低的成本(＜$2000)的能以几个毫米的准确度确定2D或3D位置的本地定位系统可以启动一大组潜在产品，在这样的应用领域，诸如精密的室内和室外建筑、采矿、精密农业和露天大型运动场刈草和处理。本发明克服传统的本地定位系统的成本和准确性限制。
发明概要
本发明的系统和方法提供低成本但仍高度准确的本地定位系统。利用电磁脉冲来确定装置和若干个无源各向同性地标之间的距离和(任选地)角度。电磁脉冲的传播速度不像声学信号那样强烈地随着环境条件而变化，从而在测距上提供超高准确性。用于发射电磁脉冲的天线的空间波束宽度比激光器的宽得多，消除了使用成本高的指向机构的必要性。所用的地标是无源的，因此不需要有源部件的成本，也不需要维护成本(例如，电池组更换)。
在一个实施例中，所述定位系统包括若干个位置固定的地标和其位置要确定的装置。所述装置配置成发射具有第一圆偏振的电磁脉冲。所述装置还配置成在一个时段接收返回信号并处理所述返回信号，以便把包含在返回信号中的反射脉冲分离出来。所述装置配置成根据反射脉冲飞行时间，确定从所述装置到所述反射器的距离。每一个地标都包括：用于反射电磁脉冲的第一无源反射器；第二无源反射器；和一个静止结构，它配置成以相对于第一无源反射器的约90度的角度静态地定位所述第二无源反射器。
按照一个实施例，用于本地定位的方法包括：从装置发射具有第一圆偏振脉冲；接收包括来自地标的反射脉冲的返回信号；以及处理所述返回信号，以便从所述返回信号分离出所述反射脉冲，以便确定从所述装置到所述地标的距离。所述接收包括优先接收具有第一圆偏振信号。
在某些实施例中，所述方法还包括：在特定方向上以一定速度移动所述装置，而同时完成所述接收步骤；检测所述返回信号的反射脉冲部分中的多普勒频移；以及确定所述特定方向与所述装置和所述地标之间直线之间的角度。
附图的简短说明
结合附图从以下详细说明和后附的权利要求书将更容易明白本发明的其他目的和特征。
图1A是举例说明包括装置、若干个地标和各种各样杂乱目标的定位系统的示意图。所述装置发射脉冲并且接收包括从地标反射的脉冲的返回信号。
图1B举例说明在所述定位系统中地标对电磁脉冲的反射。所述脉冲被所述装置接收以前经过两次反射。结果是，从所述装置发射的具有第一圆偏振的脉冲当被所述装置接收时，将具有同样的第一圆偏振。
图2A举例说明所述装置以特定的速度移动使得所述返回信号的反射脉冲部分将包含多普勒频移。
图2B举例说明所述装置以特定的速度在第一方向上移动并接收第一返回信号。然后，所述装置在第二方向上移动一定距离。随后，所述装置再一次以所述特定的速度在第一方向移动并接收第二返回信号。
图3举例说明用于从所述返回信号分离反射脉冲的距离和瞄准角瞄准角单元。
图4举例说明用于所述定位系统的地标，所述地标包括第一无源反射面、第二无源反射面和用于以相对于所述第一表面的角度定位所述第二表面的结构。
图5是举例说明用于所述定位系统的典型装置的部件的方框图。
图6举例说明发射第一脉冲之后接收到的第一返回信号、发射第二脉冲之后接收到的第二返回信号和使对缩减的候选距离组的选择成为可能的处理后的返回信号。
图7A是发射天线辐射图的例图，具有在第一相应角度范围内的零信号区、地标、发射脉冲和反射脉冲。
图7B是发射天线辐射图的例图，具有在第二相应角度范围内的零信号区、地标、发射脉冲和反射脉冲。
图7C是用于多个发射脉冲的距离单元中的返回信号强度的例图，每一个发射脉冲具有以发射天线辐射图发射的波束，所述发射天线辐射图具有在不同的相应角度范围内的零信号区。
图8A是发射天线辐射图的例图，具有第一相应角度范围内的零信号区、墙壁状的地物干扰目标、第一发射脉冲、第一反射脉冲、第二发射脉冲和第二反射脉冲。
图8B是距离单元中多个发射脉冲的距离单元返回信号强度的例图，利用具有不同的相应角度范围内的零信号区的发射天线辐射图发射每一个发射脉冲。
在附图的所有几个视图中，相同的标号指相应的部分。
附图的详细说明
参见图1，本地定位系统100包括装置102和若干其个位置固定的地标108。地标108可以设置在测量位置。或者，所述地标可以设置在初始系统自标定程序的过程中自动地确定的任意位置上。无论哪一种情况，都通过确定一组距离来确定相对于所述地标位置的装置102的位置，每一个距离都与所述装置和地标之间的距离有关。装置102配置成发射电磁脉冲110。在推荐的实施例中，电磁脉冲持续时间是1纳秒(ns)，具有6千兆赫(GHz)载波频率。其它实施例可以使用以下配对的脉冲持续时间和载波频率：1ns和24GHz；5ns和6GHz以及1ns和77GHz。在某些实施例中，从较短的脉冲持续期间和较高载波频率可获得的距离估计的提高的准确性是以增大成本和相关的线路的复杂性为代价得到的。在若干方向112上发射电磁脉冲110。装置102还配置成接收返回信号，所述返回信号包括从每一个地标108反射的脉冲。所述返回信号由若干接收方向114构成。某些接收方向除包括来自反射电磁脉冲的地标以外的″地物干扰″目标的反射脉冲。例如，当通过沿着方向112-2发射的电磁脉冲举例说明时，树叶104将沿着方向114-2反射电磁脉冲。类似地，当通过沿着方向112-3发射电磁脉冲举例说明时，建筑物106将沿着方向114-3反射电磁脉冲。
为了确定所述装置和每一个地标之间相应的距离，所述装置102从所述返回信号分离出来自地标的反射脉冲，所述反射脉冲还包括从所述地物干扰反射的脉冲。为了便于分离来自地标的反射脉冲，装置102发射具有第一圆偏振的电磁脉冲。所述偏振可以或者是右旋圆偏振(RHCP)或者是左旋圆偏振(LHCP)，如电磁信号发射专业的技术人员会明白的。地物干扰，例如树叶104，将反射沿着接收方向114的具有基本上相反的圆偏振的电磁脉冲。例如，若装置102沿着方向112-3发射RHCP电磁脉冲，则建筑物106将反射沿着方向114-3的基本上LHCP的电磁脉冲。另一方面，地标108配置成被动地反射具有与入射脉冲的圆偏振同样圆偏振的脉冲。因而，装置通过优先接收具有与所发射的电磁脉冲同样偏振的脉冲，分离出从所述地标反射的脉冲。有源(供电的)地标可以用来产生反射具有与所述装置发射的脉冲相同的偏振的反射脉冲。所述方法的缺点是在某些应用中，除所述定位系统所必须的维护外，地标只能通过电池组得到供电。
为了克服这些困难，本发明的某些实施例包括无源地标108，当利用具有圆偏振的电磁脉冲举例说明时，它反射具有同样圆偏振的脉冲。参见图1B，装置102发射具有沿着方向112-1的第一圆偏振的电磁脉冲。地标108-1产生沿着路径116行进的具有相反圆偏振的第一反射脉冲。地标108-1随后产生第二反射脉冲，所述第二反射脉冲具有原来的圆偏振，沿着接收方向114-1行进，最后被装置102接收。相反，装置102沿着方向112-2发射的具有圆偏振的脉冲被树叶104反射。所述反射脉冲具有基本上相反的圆偏振，并沿着接收方向114-2行进，最后在装置102上被接收。因而，通过优先接收具有与发射的电磁脉冲相同的偏振的脉冲，装置可以分离出从所述地标反射的脉冲。在优先接收具有与它们发射的脉冲相同的偏振的脉冲的装置方面的其他细节，在下面结合图5的讨论中提供。在反射具有与入射脉冲相同偏振的脉冲的地标的实施例方面的其他细节，将在下面结合图4的讨论中提供。
一旦把被地标反射的脉冲从所述装置接收的返回信号中分离出来，便求出所述装置和所述地标之间的距离。假定所述脉冲直线传播，而且没有多路径传播，那么，由装置102发射的并被离开所述装置某段距离r的目标反射的脉冲以到达时间ToA到达装置102，
ToA＝2r/c                        (方程式1)
其中c是电磁信号的传播速度。电磁信号的传播速度c已知在真空中约为3.0*108m/s。在典型大气压条件下，电磁信号的传播速度与所述值的偏差小于300ppm(百万分之一)。通过使用有关高度及其他环境因素的信息，在所述定位系统的环境下电磁信号的传播速度可以在100ppm内确定。因而，脉冲到达时间的决定可以用来估计所述装置和所述地标之间的距离。
尽管在图1A中只有两个地标，在其他实施例中，可以存在多一些或少一些的装置。在某些实施例中，所用的地标的数目足以明确地确定所述装置相对于其位置已经测定的地标的位置。例如，若所述三个地标的位置是已知的(例如，通过预先测量)，这三个地标不是共直线的，而且所述装置和所述地标基本上位于二维平面内，则有可能从所述装置到每一地标的距离的知识明确地确定所述装置的位置。对于其中先验地已知移动装置的位置被限制在由两个地标定义的单一半平面的特殊情况，到这两个地标的距离足以明确地确定所述移动装置的位置。根据一个或多个距离确定位置的算法对本专业的技术人员是众所周知的。例如，见″用于最小最大长度三角测量的二次时间算法″H.Edelsbruneer和T.S.Tan，pp.414-423在Proceedings of the 32nd Annual Symposiumon FoundationsofComputer Science，1991，San Juan，Puerto Rico，所述文章整体附此作参考。在其他实施例中，所述装置和地标可能没有全都定位在相同的二维平面上。在这些实施例中，为了允许从所述装置和每一个地标之间的距离的知识明确地确定所述装置的位置，必须知道至少四个非共面的地标的位置。如前所述，在某些实施例中，对所述移动装置的可能位置的先验限制，允许只用三个地标进行明确的定位。
除确定从所述装置到地标的距离以外，在某些实施例中，所述装置以速度v在特定方向上移动，发射脉冲，在一个时段内接收返回信号，并确定所述装置运动方向与所述装置和地标之间的直线之间的角度。参见图2A，装置102以速度v在方向202上移动，而同时发射脉冲和接收返回信号。方向202与装置102和地标108之间的直线206形成角度204。从所述地标反射并由所述装置接收的脉冲将按照下式产生多普勒频移
f＝fc[1+vcos(θ)/c]                      (方程式2)
其中fc是载波频率，f是所述脉冲被所述装置接收时的频率，c是电磁信号在填充所述装置102和所述地标108-1之间的空间的大气中的传播速度，而θ是角度204。因而，所述装置可以从所接收的脉冲的频率确定角度θ。但是，对于给定的接收脉冲频率，至少有两个角度满足方程式2。这是因为，对于任何能解方程式2的角度θ0，角度-θ0也确实能够解方程式2。在图2A中，这两个角度对应于方向202与所述装置和所述地标之间的直线206之间的角度204以及方向202和直线208之间的角度。因而，从返回信号的多普勒频移的单一测量值不可能区分被地标108-1反射的反射脉冲和被虚线距离单元地标位置210反射的反射脉冲。为了消除在确定所述装置和地标之间的角度时的二义性，在某些实施例中，装置102只在图2A中半球214上直线212右边的环境部分，发射其功率显著不同于零的脉冲。更一般地说，半球214可以用垂直于全部地标和所述装置位于其中并包含方向202的平面的任何平面定义。在其他实施例中，作为另一方案，装置102向第一半球和第二非重叠的半球发射脉冲，以便允许明确地确定所述装置和地标之间的角度。在其它实施例中，装置102可以在全部方向上发射电磁脉冲，但是另一方面，优先接收在第一半球具有接收方向的反射脉冲和从第二非重叠半球中的方向接收的反射脉冲，允许明确地确定所述装置和地标之间的角度。
在其它实施例中，如图2B举例说明的，装置102在方向202上移动的同时发射第一脉冲并接收第一返回信号，在正交方向216上移动某些距离并在方向220上移动的同时发射第二脉冲和接收第二返回信号。如图2B举例说明，尽管方向202与所述装置和地标之间的直线之间的角度204的大小，与方向202与装置202和虚线距离单元地标位置210之间的直线208之间的角度218的大小相同，但是涉及地标108-1和在第二位置上的装置的角度222与涉及虚线距离单元地标位置210和在第二位置上的所述装置的角度224不同。因而，通过一起分析第一和第二返回信号，所述装置有可能唯一地确定方向202和所述装置与所述地标之间的直线之间的角度。
本发明的一个方面是能够从在一定时段内接收的返回信号分离反射脉冲。参见图3，装置102发射电磁脉冲并在一定时段内接收返回信号。为了从所述返回信号分离反射脉冲，装置102根据所述返回信号的到达时间把所述返回信号分离成若干距离单元。再一次参见图3，确定在比时间t1＝2r1/c晚而比时间t2＝2r2/c早的时刻已经由距离单元306-1内的目标反射的、到达所述装置的所述返回信号的各部分。距离单元306-1包括位于离开装置102大于r1和小于r2的全部目标。因而，通过提取时间t1和t2之间到达的返回信号部分，装置102可以分离来自驻留在距离单元306-1内的反射目标的反射脉冲。可以在不同的到达时间范围的情况下重复所述处理过程，以便分离来自驻留在其它距离单元的目标的反射脉冲。例如，确定在比时间t3＝2r3/c晚而比时间t4＝2r4/c早的时刻已经由距离单元306-2内的目标反射的、到达所述装置的所述返回信号的各部分。距离单元306-2包括位于离开装置102距离大于r3而小于r4的全部目标。因而，通过提取在时间t3和t4之间到达的返回信号部分，若只有一个反射目标驻留在距离单元306-2内，则装置102可以分离反射脉冲。
在某些情况下，可能有一个以上反射目标驻留在特定的距离单元306内。这可能特别成问题，例如当一个以上地标驻留在特定的距离单元内时。在本发明的某些实施例中，通过同时确定由所述装置接收的返回信号的到达时间和多普勒频移，克服这个问题。在上面图2A-B的讨论中，确定所述装置移动的方向和所述装置和所讨论的反射目标之间的直线之间的角度。应当指出，当距离以载波波长表示时，从距离随着时间的改变来确定角度，等效于多普勒频移测量。参见图3，在某些实施例中，装置102在一个方向上沿着直线308移动，而同时发射脉冲和接收所述相应的返回信号。在这种情况下，将存在与0°和由直线308和直线310形成的角度之间的到达角度相联系的多普勒频移的某个频带。通过滤除超出所述频带的具有多普勒频移的返回信号部分，装置102还可以从与距离单元306-1相联系的返回信号分离出只来自驻留在瞄准角单元312-1的目标的反射脉冲。类似地，将存在与直线308和直线320形成的角度与直线308和直线322形成的角度之间的到达角度相联系的第二频带。通过滤除具有超出所述频带的多普勒频移的频率的返回信号部分，装置102还可以从与距离单元306-2相联系的返回信号分离出只来自驻留在瞄准角瞄准角单元312-2的目标的反射脉冲。
应用所述技术于若干个瞄准角瞄准角单元，便可以确定作为距离和角度的函数的返回信号功率。在某些实施例中，所述地标的雷达截面是已知的(或者通过测量或者通过理论的预测)。与在一个脉冲中发射多少功率的知识一起，所述装置可以从被地标反射的脉冲计算预期的返回信号功率。随后，可以检查每一个瞄准角瞄准角单元，并确定是否包含地标。来自地标以外的目标的预期雷达回波功率将比所述地标本身小得多，因为从这些目标反射的脉冲一般地具有不同于所述发射脉冲的圆偏振的圆偏振，所述装置以优先接收具有与所述发射脉冲相同的圆偏振的信号的方式来滤除来自地标以外的目标的预期雷达回波功率。
用于按照本发明的定位系统的地标产生具有与入射在它们上面的脉冲相同的圆偏振的反射脉冲。另外，所述地标最好具有基本上各向同性雷达截面，至少在包含所述地标和所述装置的平面上。在某些实施例中，所述装置通过把来自瞄准角瞄准角单元的返回信号功率和来自地标的预期功率加以比较，确定给定的瞄准角瞄准角单元是否包含地标。所述反射脉冲功率取决于所述地标的雷达截面。因而，若所述装置不知道所述地标相对于所述装置和所述地标之间的直线的取向，那么，若与对于所述地标的所有可能的取向所述雷达截面是相同，则将只可能计算所述地标的预期雷达截面。因而，在某些实施例中，所述地标具有基本上各向同性的雷达截面，在包含所述地标和所述装置的平面上在全部方位角角度上所述截面的变化小于6dB。
参见图4，按照本发明的地标400包括：
●第一无源反射器402，用于反射电磁脉冲；
●第二无源反射器404，用于反射电磁脉冲；和
●静止结构406，它配置成以相对于所述第一无源反射器的角度408静态地定位第二无源反射器。
可以用来制造反射电磁脉冲的无源反射器402和404的材料的示例包括(但不限于)诸如铝、铜及其他金属等导体。在某些实施例中，无源反射器的形状不同于图4所描绘的，例如具有较少可能割伤人的圆角，或设计成较容易装入保护容器，诸如塑料球体中。
入射在第一无源反射器402上具有第一圆偏振(RHCP或LHCP)的电磁脉冲将以第二圆偏振(分别为LHCP或RHCP)反射。然后，第一无源反射器402反射的脉冲将被第二无源反射器404以第一圆偏振(分别为RHCP或LHCP)反射。使得所述第二无源反射器404所反射的脉冲在与原来的入射脉冲的相反的方向行进，最后到达发射所述原脉冲的装置，角度408约为90°。由于制造允差和机械干扰，一旦作为地标展开，角度408便不可能为精确的90°。另外，因为所述反射器长度有限，而且可能只是几个载波波长，在推荐的实施例中，再辐射图案将在某种程度上较强。在某些实施例中，所述装置将在一个以上方向发射脉冲，并将对来自一个以上方向的返回信号敏感，于是角度408可以包括90°±3°。在其他实施例中，有用的角度408可以包括90°±10°。
入射在第一无源反射器402或第二无源反射器404边沿的圆偏振电磁脉冲将只反射一次，分别被第二或第一无源反射器反射，因此，将以不同于它入射的圆偏振反射。在这种情况下，所述装置可能无法从所述环境中的其它目标所反射的脉冲中分离出地标所反射的脉冲。为了补救所述问题，在某些实施例中，地标400还包括第三无源反射器410和第四无源反射器412。静止结构406还配置成以相对于反射器412的约90°的角度静态地定位反射器410。静止结构406还配置成相对于反射器402的不同于零的角度静态地定位反射器410。反射器410和402之间的角度可以是约45°，而且最好在30°和60°之间，尽管可以使用1°和89°之间的角度。反射器402和404形成第一二面体对。类似地，反射器410和412形成第二二面体对。通过以相对于反射器402的不同于零的角度定位反射器410，当入射在第一二面体对中所述反射器之一的边沿上时，所述脉冲不会入射在第二二面体对中这些反射器中任何一个的边沿上。类似地，入射在所述第二二面体对中这些反射器之一的边沿的脉冲不会入射在第一二面体对中这些反射器中任何一个的边沿。因而，任何入射在地标400上的圆偏振脉冲将产生至少一个具有同样圆偏振的反射脉冲。在其他实施例中，地标400可以包括三面反射器，亦称″角立方体″反射器。在其它实施例中，地标400可以包括Lunenburg透镜。
参见图5，按照本发明的装置102包括：
●车辆运动机构524，用于以一定速度在特定方向上移动所述装置；
●机电接口电路522；
●天线526，用于发射电磁脉冲和接收返回信号；
●RF收发机504；
●数模(D/A)和模数(A/D)转换器510；
●处理器512；和
●次级和初级存储器514，所述存储器还包括：
○操作系统516；
○映射数据518；和
○由处理器512执行的至少一个程序模块520。在某些实施例中，程序模块520包括指令，用于在所述装置的第一位置和在相对于所述脉冲接收机和取样器的已知时间发射脉冲，而同时所述装置是固定的。按照这些指令，处理器512向D/A转换器510发送信号，生成脉冲，后者被RF收发机504调制到载波频率上。然后通过天线526发射已调制的脉冲。天线526配置成发射具有特定圆偏振的电磁脉冲。在某些实施例中，天线526在包含所述地标和所述装置的平面上各向同性地辐射。在一个平面上基本上各向同性地辐射并发射具有特定圆偏振的电磁脉冲的天线的一个示例是由两个背腔式螺旋天线形成的天线，例如，见Afsar等人所著″一种新的宽带背腔式螺旋天线″(″A new wideband cavity-backed spiral antenna，″)，所述文章整体附此作参考。在某些实施例中，天线526是带有机械方位执行器的定向喇叭天线。在其他实施例中，天线526包括切换波束配置，例如，利用一个Rothman透镜。在其它实施例中，天线526包括电可调相控阵。
除用于发射电磁脉冲以外，程序模块520还包括用于在一个时段内接收返回信号的指令。天线526接收可以包括一个或多个反射脉冲的返回信号。所述信号传送到RF收发机504，在RF收发机504中，所述信号被相对于载波频率降频转换为基带。在某些实施例中，RF收发机504使用正交相位保持降频转换，把所述信号转换为基带。然后把降频转换后的同相分量、正交分量或所述两者传送到A/D转换器510，在所述A/D转换器510中它们被处理器512采样和处理。在某些实施例中，处理器512是微处理器或其它中央处理单元。在其他实施例中，它是专用集成电路(ASIC)。处理器512处理所述返回信号，以便从所述返回信号分离出反射脉冲，并确定从所述装置到所述地标的距离。在某些实施例中，这是通过在一个时段内在初级和次级存储器存储所述返回信号、把所接收的信号的各部分分离到若干距离单元中，并且检查每一个距离单元是否存在地标(如以上结合图3中的讨论所讨论的)而完成的。然后把被确定为包含地标的距离单元赋予第一候选距离组。在其他实施例中，这是通过在初级和次级存储器存储所述返回信号一个时段、在所述反射的返回信号中检测多普勒频移、把所述接收的信号的各部分分离到若干瞄准角单元并检验每一个瞄准角单元是否存在地标而完成的。然后把被确定为包含地标的瞄准角单元赋予一组候选瞄准角。
在某些实施例中，程序模块520包括用于把装置102移动到第二位置的指令。所述第二位置可以与所述第一位置相隔预定的距离。中央处理单元512通过信令接口522执行所述指令，信令接口522随后激励车辆运动机构524。在某些实施例中，机构524包括电动机，其速度受接口522提供的DC电压电平控制。在其他实施例中，机构524向另一个车辆计算机(未示出)广播由模块520确定的位置。然后另一个车辆计算机部分地根据有关车辆运动的位置计算作出判决。例如，在某些实施例中，另一个车辆计算机组合来自几个定位系统，包括全球定位系统(GPS)的信息。程序模块520还包括指令，用于在所述装置的第二位置上发射脉冲，并从所接收的返回信号确定第二候选距离组。最后，程序模块520包括指令，用于处理所述第一和第二候选距离组以便产生缩减的与一个或多个潜在地标位置一致的候选距离组。在一个实施例中，程序模块520包括用于在附加的位置上完成这些步骤的指令。所述附加的位置(亦即，多个位置)中的每一个可以与各自的先前位置相隔预定的距离。
为了把返回信号的多普勒频移与角度方向联系起来，所述装置的速度或至少所述装置速度的振幅必须是已知的。在某些实施例中，车辆运动机构524包括光电传感器，它通过接口522把频率信息馈送到处理器512。与有关车辆运动机构524的信息一起，处理器512把所述信息转换为装置102速度的估计。在其他实施例中，来自地物干扰的返回信号提供一种方法来测量平台速度。在足够的地物干扰的情况下，所述返回信号的功率频谱将具有最大多普勒频移的两倍的频带宽度。最大多普勒频移在数字上等于所述平台速度除以载波波长。所述类型的车辆速度测量将在某些情况下比可从所述装置推进系统获得的更准确。在其它实施例中，还可从所述返回信号中的多普勒频移获得关于微分和绝对方位(bearing)两者的信息。当在所述装置的速度方向上产生小的改变时，来自地物干扰和来自地标的反射脉冲都将在到达角方面发生移动。因而，角度与时间的互相关性可以用来估计积分方向改变。
为了检测所述返回信号中的多普勒频移，在某些实施例中，处理器512使用快速富里叶换变(FFT)。当所述装置以恒定的速度在恒定的方向上移动而同时接收返回信号时，所述技术最准确。若所述装置在接收返回信号的同时经历加速度，则可以使用预修正FFT来更准确地确定返回信号中的多普勒频移。在某些实施例中，从装置速度和方向的惯性传感器来确定。这样的预修正FFT的系数
图6举例说明若干个距离单元601，第一个接收返回信号600-1、第二个接收返回信号600-2和处理后的返回信号600-3。所述定位系统的装置(图1A中的102)发射第一电磁脉冲并在一个时段内接收第一返回信号600-1。第一返回信号600-1包含：若干个反射脉冲，某些脉冲已经被地标反射而其他脉冲被地物干扰目标反射；以及来自其它来源的附加噪音。因而，所述装置难以分离被地标反射的脉冲(图6中用被第一地标反射的脉冲的包络线608和被第二地标反射的脉冲的包络线612表示)。例如，在某些实施例中，返回信号600-1包含作为被地物干扰目标反射的脉冲的结果的信号尾部602。在其他实施例中，信号尾部602可以是发射机脉冲产生或接收机滤波中的缺陷造成的。无论在哪一种情况下，信号尾部602都可能导致距离单元601-2和距离单元601-3被所述装置选中，并被加到第一候选距离组上。类似地，信号尾部614可以使距离单元601-4被所述装置包括在第一候选距离组中。但是，如地标所反射的两个脉冲的包络线608和612所表明的，距离单元601-2和距离单元601-5是图6中唯一包含被地标反射的脉冲的距离单元。因而，最好有一种技术，用于缩减所述候选距离组，使得它只包含与被地标反射的脉冲对应的那些距离单元。
在某些实施例中，所述装置发射第二电磁脉冲并接收第二返回信号600-2。第二返回信号600--2，除在距离单元601-2包含信号604以外，还在距离单元601-1包括信号尾部606。因而，所述装置对第二返回信号6002的处理可以导致把距离单元601-1和距离单元601-2包含在第二候选距离组中。在某些实施例中，所述装置处理第一返回信号600-1和第二返回信号600-2，以便实现缩减后的候选距离组。再一次参见图6，在某些实施例中，第三返回信号600-3，例如是通过求第一返回信号600-1和第二返回信号600-2的平均值而产生的。结果是，信号尾部610的振幅相对于第二返回信号600-2中的信号尾部大大减小。类似地，信号尾部616的振幅相对于第一返回信号600-1中的信号尾部614大大减小。结果是，从第一地标反射的脉冲的真实包络线608和从第二地标反射的脉冲的真实包络线612可以被分离出来并被加到缩减的候选距离组。例如，这可以通过剔除其振幅落在预定阈值以下或其振幅小于其它候选距离的振幅至少一个预定的倍数(或百分数)的候选距离，或等效地只保留其振幅高于预定阈值或根据选择判据符合另一个适当的振幅的候选距离来完成。在其他实施例中，所述装置通过确定第一和第二候选距离组两者中的存在的候选距离来处理第一返回信号而得出第一候选距离组、处理第二返回信号而得出第二候选距离组、并选择缩减后的候选距离组。
在某些实施例中，使用附加的技术来从包含地物干扰目标所反射的脉冲的返回信号中分离地标所反射的脉冲。参见图7A，所述装置的天线(在图5的元件526)具有相关的辐射图704-1。表征发射天线的辐射图或相应的接收天线的接收灵敏度的一种方法是：作为包含所述地标和所述装置的平面上的角度的函数，画出相对信号振幅(分别是发射或接收)的曲线。极坐标系702提供用于所述目的的方便的框架。极坐标系702，如图7A所描绘的，在它的中心具有所述装置的天线。在某些实施例中，所述装置使用各向同性接收天线。另一方面，所述发射天线可以有一个具有零信号区706的辐射图704-1。零信号区706是用一组角度表征的，它们的辐射图在振幅上显著地小于某个阈值。例如，零信号区706可以由其辐射振幅小于其最大值的1/√2的角度定义，所述角度与这样的角度对应，即，在所述角度下，天线发射其功率小于所述天线发射的最大功率的一半的信号。表征零信号区706的一个替代办法是通过特定的方向，诸如方向708-1，把零信号区706选择成具有相对于坐标系702测量的、等于与零信号区706相联系的各角度的平均值的角度。在一个实施例中，零信号区706具有小于15°的宽度。在一个实施例中，零的角度范围通过利用由具有相位差的基本上相同的信号驱动的至少两个天线发射脉冲控制。所述相位差控制零信号区的角度范围。
利用这样取向的辐射图，所述装置发射电磁脉冲110。地标108-1反射所述脉冲，而所述装置接收包括所述反射脉冲的返回信号。利用如图7A中取向的辐射图704-1，以这样的角度产生脉冲110，在所述角度下发射天线发射具有大振幅的信号(相对于在其它方向上发射的)。在某些实施例中，所述装置在处于同一位置时发射第二电磁脉冲和接收第二返回信号。参见图7B，现在所述发射天线的辐射图704-2处在第二取向上，其特征是相对于极坐标系702测量的方向708-2。第二脉冲110由所述装置发射，被所述地标108-1反射并由所述装置接收。利用其取向如图7B中所示的辐射图704-1，以这样的角度产生脉冲110，在所述角度下发射天线发射相对于其它方向发射的信号的小的振幅信号。因而，若用所述发射天线在图7A和图7B的每一种配置下辐射，则在图7A的配置下接收的信号将具有比图7B的配置下的较大的振幅。可以利用各种各样的方法把发射天线的辐射图置于第二方向上。在某些实施例中，所述装置包括车辆运动机构(图5中元件524)，而所述装置改变其相对于极坐标系702的取向。在其他实施例中，所述装置包括安装在机动平台上的发射天线。在其它实施例中，所述发射天线包括相控阵。
参见图7C，在多个角度下设置所述辐射图的取向(例如通过一个辐射图的零信号区测量的)，在所述辐射图以每一个角度取向时发射脉冲，并且每一个角度记录所接收的信号的强度。结果是，对于特定的距离单元，可以形成所述返回信号强度750的作为角度的函数的曲线图740。曲线图740的显著的特征是最大信号强度电平742。定义第二信号电平744、可以确定包括角度746和748的一组相关的角度，对于角度746和748，返回信号强度750小于信号电平744。在某些实施例中，第二信号电平744是最大信号电平742的一半。在其他实施例中，作为辐射图704(见图7A和图7B)的函数确定第二信号电平。
某些地物干扰目标反射难于与地标所反射的脉冲区分的脉冲。但是，可以根据其返回信号强度750小于信号电平744的角度746和748来把从地物干扰目标反射的脉冲与由地标反射的脉冲区分开。参见图8A，墙壁802反射到达所述装置的电磁脉冲。在某些实施例中，所述发射天线具有相对于极坐标系702测量的辐射图804，辐射图804具有以方向808表征的零信号区。通过考虑所述发射脉冲的几个部分，通过一个或一组角度相对于极坐标系702把每一部分在空间中定位，就比较容易明白图8A中接收的信号的属性。例如，在图8A发射的脉冲具有第一部分110-1和第二部分110-2，所述第一部分相对于第二部分110-2具有大的振幅。这是因为，部分110-1是通过辐射图804的所述天线发射具有相对较大振幅的信号的角度产生的。反之，部分110-2是通过辐射图804所述天线发射具有相对较小的振幅的信号产生的。因而，其强度取决于部分110的和的所述接收信号受对应于部分110-1的反射脉冲的强度的支配。在图8A的几何图形中，可以预期，对于少数方向808(若有的话)，从包含墙壁802的距离单元接收的返回信号将是弱的。这是由于在方向808的大的范围下所述天线发射具有相对较大振幅的信号。
在某些实施例中，对于各种各样的方向808重复上面的处理，并检查从与所述装置和墙壁802之间的距离对应的距离单元接收的返回信号。参见图8B，得出返回信号强度850作为方向808的角度的函数的曲线图840。在曲线图840的特征当中有最大信号电平842和阈值信号电平844。在某些实施例中，阈值信号电平844是最大信号电平842的值的一半。在其他实施例中，阈值信号电平比最大信号电平842小6dB。一组相关的角度，包括角度846和角度848，作为返回信号强度850小于阈值信号电平844的角度确定。
在某些实施例中，根据这些角度846和848的数目和位置，所述装置确定地标或地物干扰目标(诸如墙壁)是否出现在距离单元中。地物干扰目标诸如墙壁有时具有相关的角度，诸如846和848(图8B)，其数目比包含地标的距离单元相关的角度，诸如746和748(图7C)少得多(具有较短的距离)。这是因为，如图8A所描绘的，墙壁802将强烈地反射脉冲110-1，甚至当零信号区方向808直接照射所述墙壁时。因而，通过检验相关的角度，可以把包含地标的距离单元与包含地物干扰目标(诸如墙壁等)的距离单元区别开来。
一旦确定距离和(任选地)所述装置和所述不同的地标之间的角度，某些实施例便在初级和次级存储器514(图5)中包括定位和浏览算法。用于此目的的定位和浏览算法是先有技术众所周知，并包括加权最小二乘、Kalman滤波及其他顺序估计方案。一般，将适当识别与每一个地标相联系的某种可能性。在这种情况下，应该使用最大后验(MAP)估计滤波器，作为一般可观察的完整性(RAIM)处理的一部分。在实际的实施例中，很可能出现错误测量值，诸如硬件异常和多路径干扰等。结果，在某些实施例中，所述定位和浏览算法包括某些形式的统计异常值测试，以便检测和剔除这些错误的测量值。这样的测试在先有技术中是众所周知的，并包括外部学员(Studentized)剩余测试和Kalman滤波器innovations测试。
在某些实施例中，地物干扰环境是良性的，足以只通过距离量化(range binning)来分辨地标，而所述装置不需要移动来确定它相对于地标的位置。在其他实施例中，预期所述地物干扰不是这种良性的，所述装置在1m或者更小范围内的小的线性运动便足以按照结合图6描述的算法从地物干扰中分辨地标。
在某些实施例中，当将系统初始化时，所述装置不知道地标的位置(可能也不知道其数目)。所述装置可以在特定方向上以已知的速度移动，并开始发射脉冲和接收返回信号。或者，所述装置可以由操作者手工引导通过感兴趣的区域。然后，所述装置可以利用相关联的正确性似然函数来构建可能的地标的清单。随着发射更多的脉冲并接收更多的返回信号，可以更新所述似然函数。所述装置可以定义它自己的坐标系，要求六个自由参数。所述坐标系可以引用利用高信心找到的头三个地标。此后，所述坐标系本身最好不随着时间而改变，即，使头三个地标中的一个或多个移动，这三个地标的位置在所述坐标系内是变化的。
在其他实施例中，例如通过图5中的映射数据512向所述装置提供信息，诸如建筑物平面或特定的地标位置或方向。然后可以把所述装置用作与所述信息相联系的坐标系，以便标记所述地标的位置。在这种情况下，除任何路由信息以外、必须至少把部分或地标映射输入所述坐标系中。
用于解释的目的的以上述描述使用特定的术语以便提供对本发明的透彻理解。但是，对于本专业的技术人员来说，为了实践本发明显然不要求具体的细节。选择和描述这些实施例是为了最好地解释本发明的原理和它的实际应用，以便以此使本专业技术人员能够以不同的修改适宜于打算的特定的用途，最佳地利用本发明和不同的实施例。因而，上述公开不是打算穷尽或把本发明限于所公开的精确形式。从上述传授看来，许多修改和变动都是可能的。
把本发明的范围拟由以下权利要求书和它们的等效物定义。

Claims (28)

1.一种确定装置相对于地标的位置的方法，所述方法包括：
从所述装置发射脉冲，所述脉冲具有偏振；
在一个时段内接收返回信号，所述返回信号包括从所述地标的反射脉冲，所述接收包括优先接收具有所述偏振的信号；以及
处理所述返回信号，以便从所述返回信号分离出所述反射脉冲，并确定从所述装置到所述地标的距离。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述偏振是圆偏振。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述偏振选自由右旋圆偏振(RHCP)和左旋圆偏振(LHCP)构成的组。
4.如权利要求1所述的方法，其中包括同一个圆偏振天线既用于发射又用于接收。
5.如权利要求1所述的方法，其中包括：
在特定方向上以一定速度移动所述装置，而同时执行所述接收步骤；
检测所述返回信号的反射脉冲部分中的多普勒频移；以及
确定所述特定方向与所述装置和所述地标之间的直线之间的角度，所述角度是所述检测出来的多普勒频移的函数。
6.如权利要求1所述的方法，其中包括：
在所述装置的第一位置上发射所述脉冲并且根据所述接收的返回信号确定第一候选距离组，每个候选距离都代表可能的到所述地标的距离；
在所述装置的第二位置上发射所述脉冲并且根据所述接收的返回信号确定第二候选距离组；以及
处理所述第一和第二候选距离组，以便产生与一个或多个潜在的地标位置一致的缩减后的候选距离组。
7.如权利要求1所述的方法，其中包括：
在所述装置的第一位置上发射所述脉冲并且根据所述接收的返回信号确定第一候选距离组，每个候选距离都代表到所述地标的可能的距离；
在所述装置的多个附加的位置上发射所述脉冲并且根据所述接收的返回信号确定多个附加的候选距离组；以及
处理所述第一和附加的候选距离组，以便产生单一的与所述地标对应的候选距离。
8.如权利要求1所述的方法，其中：
所述发射包括多次发射所述脉冲，每次脉冲发射都具有各自的发射波束辐射图，所述辐射图具有在不同的相应的角度范围内的零信号区；
所述处理步骤包括：
从来自所述多次脉冲发射的所述返回信号确定第一候选距离组，每个候选距离都代表可能的到所述地标的距离，每个候选距离都具有相关的角度范围，以及
分析与每个候选距离相关联的所述角度范围，以便产生缩减后的与一个或多个潜在的地标位置一致的候选距离组。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述各自的发射波束辐射图中的零信号区的宽度小于15°。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述发射包括利用由具有相位差的基本上相同的信号驱动的至少两个天线的发射，所述相位差控制所述零信号区的角度范围。
11.如权利要求1所述的方法，其中：
所述发射包括发射一系列脉冲；
所述接收包括：(A)在多个在它们之间具有预定的分隔距离的截然不同的位置接收所述系列脉冲，并产生一系列与至少一个接收脉冲的子集对应的接收脉冲数据组，在多个截然不同的位置中的每两处或每几处接收相应的脉冲，每个接收脉冲数据组都具有由此而来的接收脉冲数据；以及(B)组合每一个脉冲数据组内的所述脉冲数据，以便产生组合后的返回信号，所述组合后的返回信号具有在相关联的角度范围内的接收辐射图零信号区；
所述处理包括：
根据所述组合后的返回信号确定第一候选距离组，每一个候选距离代表可能的到所述地标的距离，并且对于每一个候选距离确定与角度有关的信号强度数据，所述信号强度数据包括与相应的多个角度范围相关联的多个振幅值；以及
分析与角度有关的与至少一个候选距离相关联的所述信号强度数据，以便产生与一个或多个潜在的地标位置一致的缩减后的候选距离组。
12.如权利要求1所述的方法，其中：
所述接收步骤包括：
在彼此之间具有预定隔距离的多个截然不同的位置上接收所述脉冲，并且对于在其上接收所述脉冲的所述多个截然不同的位置中的至少两个，产生接收的脉冲数据；
利用多个相位偏移量，多次组合接收脉冲数据，以便产生多个组合后的返回信号，每一个组合后的返回信号具有在相关联的角度范围内的接收辐射图零信号区；
所述处理步骤包括：
根据所述组合后的返回信号确定第一候选距离组，每个候选距离都代表可能的到所述地标的距离，并且对于每个候选距离确定与角度有关的信号强度数据，所述信号强度数据包括与相应的多个角度范围相关联的多个振幅值；以及
分析所述与至少一个候选距离相关联的与角度有关的信号强度数据，以便产生与一个或多个潜在的地标位置一致的缩减后的候选距离组。
13.如权利要求1所述的方法，其中包括多次重复所述发射和接收并且组合所述结果返回信号，以便产生典型的返回信号，其中所述处理步骤处理所述典型的返回信号。
14.如权利要求1所述的方法，其中包括多次重复所述发射和接收，而同时所述装置仍旧基本上处在单一的位置上，并且组合所述结果返回信号，以便产生典型的返回信号，其中所述处理步骤处理所述典型的返回信号。
15.一种定位系统，它包括
在固定的位置上的无源各向同性反射地标；以及
装置，它配置成发射电磁脉冲，所述脉冲具有偏振，所述装置配置成在一个时段内接收返回信号，所述返回信号包括来自所述反射器的反射脉冲，并且所述装置配置成处理所述返回信号，以便从所述返回信号分离出反射脉冲以及以便确定从所述装置到所述反射器的距离；
所述反射地标包括：
第一无源反射器，用于反射电磁脉冲；
第二无源反射器，用于反射电磁脉冲；以及
静止结构，它配置成以相对于所述第一无源反射器的角度静态地定位所述第二无源反射器，其中所述角度为大约90°。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述偏振是圆偏振。
17.如权利要求15所述的系统，其中所述偏振选自由右旋圆偏振(RHCP)和左旋圆偏振(LHCP)构成的组。
18.如权利要求15所述的系统，其中所述装置包括至少一个天线，所述至少一个天线配置成优先接收具有所述偏振的信号。
19.如权利要求15所述的系统，其中所述装置包括至少一个天线，所述至少一个天线配置成既优先发射具有所述偏振的脉冲，又优先接收具有所述偏振的信号。
20.如权利要求15所述的系统，其中：
所述装置包括：
车辆运动机构，用于在特定方向上以一定速度移动所述装置；
数据处理器；
由所述数据处理器执行的至少一个程序模块，所述至少一个程序模块包含指令，所述指令用于：
检测所述返回信号的所述反射脉冲部分中的多普勒频移；以及
确定所述特定方向与所述装置和所述地标之间的直线之间的角度。
21.如权利要求15所述的系统，其中：
所述装置包括：
车辆运动机构，用于在特定方向上以一定速度移动所述装置；
数据处理器；
由所述数据处理器执行的至少一个程序模块，所述至少一个程序模块包含指令，所述指令用于：
在所述装置的第一位置上发射所述脉冲，并根据所述接收的返回信号确定第一候选距离组，每一个候选距离都代表到所述地标的可能的距离；
在所述装置的第二位置上发射所述脉冲，并根据所述接收的返回信号确定第二候选距离组；
处理所述第一和第二候选距离组，以便产生与一个或多个潜在的标位置一致的缩减后的候选距离组。
22.如权利要求15所述的系统，其中：
所述装置包括：
车辆运动机构，用于在特定方向上以一定速度移动所述装置；
数据处理器；
由所述数据处理器执行的至少一个程序模块，所述至少一个程序模块包含指令，所述指令用于：
在所述装置的第一位置上发射所述脉冲，并从所述接收的返回信号确定第一候选距离组，每一个候选距离都代表到所述地标的可能的距离；
在所述装置的多个附加的位置上发射所述脉冲，并从所述接收的返回信号确定多个附加的候选距离组；
处理所述第一和附加的候选距离组，以便产生单一的与所述地标对应的候选距离。
23.如权利要求15所述的系统，其中：
所述装置包括：
数据处理器；
由所述数据处理器执行的至少一个程序模块，所述至少一个程序模块包含指令，所述指令用于：
多次发射所述脉冲，所述脉冲的每一次发射都具有相应的发射辐射图，所述发射辐射图具有在不同的相应的角度范围内的零信号区；
根据来自所述多次脉冲发射的返回信号确定第一候选距离组，每个候选距离都代表到所述地标的可能的距离，每个候选距离都具有相关联的角度范围；以及
分析与每个候选距离相关联的所述角度范围，以便产生与一个或多个潜在的地标位置一致的缩减后的候选距离组。
24.如权利要求23所述的系统，其中所述各自的发射波束辐射图上的所述零信号区的宽度小于15°。
25.如权利要求23所述的系统，其中所述装置包括由具有相位差的基本上相同的信号驱动的至少两个天线，所述相位差控制所述零信号区的所述角度范围。
26.如权利要求15所述的系统，其中：
所述装置包括：
天线，它配置成在彼此相隔预定距离的多个截然不同的位置上接收电磁脉冲；
数据处理器；
由所述数据处理器执行的至少一个程序模块，所述至少一个程序模块包含指令，所述指令用于：
发射一系列脉冲；
根据来自所述多次脉冲发射的所述返回信号产生与至少一个接收脉冲子集对应的一系列接收脉冲数据组，每个接收脉冲数据组的接收脉冲数据来自在所述多个截然不同的位置的每两处或每多处接收相应的脉冲；
组合每个脉冲数据组内的脉冲数据，以便产生组合后的返回信号，所述组合后的返回信号具有在相关联的角度范围内的接收辐射图零信号区；
根据所述组合后的返回信号确定第一候选距离组，每个候选距离都代表到所述地标的可能的距离，并且对于每个候选距离确定与角度有关信号强度数据，所述信号强度数据包括与相应的多个角度范围相关联的多个振幅值；以及
分析所述与角度有关的与至少一个所述候选距离相关联的信号强度数据，以便产生与一个或多个潜在的地标位置一致的缩减后的候选距离组。
27.如权利要求15所述的系统，其中：
所述装置包括：
天线，它配置成在彼此相隔预定距离的多个截然不同的位置上接收电磁脉冲；
数据处理器；
由所述数据处理器执行的至少一个程序模块，所述至少一个程序模块包含指令，所述指令用于：
发射一系列脉冲；
根据来自所述多次脉冲发射的所述返回信号产生与至少一个接收脉冲子集对应的一系列接收脉冲数据组，每个接收脉冲数据组的接收脉冲数据来自在所述多个截然不同的位置的每两处或每多处接收相应的脉冲；
利用多个相位偏移量多次组合所述接收脉冲数据，以便产生多个组合后的返回信号，每一个组合后的返回信号具有在相关联的角度范围内的接收辐射图零信号区；
根据所述组合后的返回信号确定第一候选距离组，每个候选距离都代表到所述地标的可能的距离，并且对于每个候选距离确定与角度有关信号强度数据，所述信号强度数据包括与相应的多个角度范围相关联的多个振幅值；以及
分析所述与角度有关的与至少一个所述候选距离相关联的信号强度数据，以便产生与一个或多个潜在的地标位置一致的缩减后的候选距离组。
28.如权利要求15所述的系统，其中：
所述装置包括：
数据处理器；
由所述数据处理器执行的至少一个程序模块，所述至少一个程序模块包含指令，所述指令用于：
多次重复所述发射和接收；
组合所述结果返回信号，以便产生典型的返回信号；以及
处理所述典型的返回信号，以便产生与一个或多个潜在的地标位置一致的一组候选距离。
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