用于使用被动反射器或折射器作为代理接收器并且使用数据库查询来确定发射器的位置的系统和方法

摘要

一种确定发射器的位置的系统和方法。至少一个接收器从该发射器接收一个信号，并且至少一个代理接收器是把一个信号沿着一条到来路径反射和/或折射到至少一个接收器的物体。一个处理器用至少一个接收器来工作，并根据查询一个查找表或者从一个映射系统提取图像特征之一而确定至少一个代理接收器的位置，并且根据来自至少一个代理接收器和发射器的到来时间和至少一个到来角度确定该发射器的位置。

说明书

技术领域

本发明涉及确定例如运动发射单元这样的一个发射器的地理位置的系统和方法，特别地，本发明涉及使用反射器/折射器确定一个运动发射单元的地理位置的系统和方法。

背景技术

在现有的使用到来时间(TOA)和/或到来角度(AOA)的位置确定系统中，多路径对于误差具有较大的影响。例如，当GPS接收器处于郊外的人行道上或处于空旷的区域中时，一个基于全球定位系统(GPS)的定位系统具有7米的报告的均方根(RMS)误差。但是在高层建筑之间的更加拥挤的街道上，报告的均方根误差约增加一个量级。这些误差由于在多路径环境中该接收器不能够确定通过直线路径从卫星传送到接收器的信号的(绝对或相对的)到来时间所造成的。在许多情况中，在直线路径中的能量甚至不能够被检测。

一些移动电话定位系统使用接收器的网络来在多个接收位置测量电话信号的到来时间(TOA)或到来角度(AOA)，并且把这些测量值用于多边处理(multilateration)或三角处理，以确定该电话的位置。这些系统需要三个接收器来测量信号到来时间或到来角度，以解决在位置估计中的不确定。这些蜂窝式电话覆盖系统的精度也被多路径所降低。由于该接收器不能够检测和测量在一条直线路径中从发射器传送到接收器的部分信号的到来时间或到来角度而引入误差。另外，采用到来时间差(TDOA)计算的这些系统还受到在多个接收位置的时间参考中的误差而导入的误差。

其他定位系统使用到来角度和到来时间差的组合(或者类似技术)，其中在两个或多个接收位置测量信号的到来时间和到来角度。这些系统相对于仅仅使用到来时间或到来时间差的系统的优点在于该发射单元的位置可以被明确地从来自两个接收位置的数据确定。

这种定位系统的一个例子在授予Otto并且转让给作为本发明的受让人的佛罗里达州墨尔本市的Harris公司的美国专利№5,719,584中示出，该公开的全部内容通过引用的方式包含于此。在该‘584的Otto的专利中，一个系统和方法确定在一组接收台之内或之外的一个发射器的地理位置。多个接收台确定来自例如运动发射单元这样的发射单元的信号的到来时间和到来角度。一个中央处理单元从该到来时间和到来角度数据确定发射单元的地理位置。如果到所测量的来角度和到来时间不是直线路径，则将导致位置估计的误差。该系统还受到在TOA测量中由于在接收位置的时间参考不精确所造成的误差。

例如转让给True Position公司的美国专利№6,194,829这样的其他专利关于用于校正一个无线定位系统以进行高度精确的到来时间差和到来频率差测量。第一参考信号被从一个参考发射器发射，并且在第一和第二接收器系统处接收。第一误差值被与所测量的到来时间差或到来频率差相比较，与关于该接收器系统的已知位置和参考发射器的已知位置的理论到来时间差或到来频率差数值相比较。第一误差值被用于纠正与要被定位的运动发射器相关的后续到来时间差的测量值。一个内部校正方法把梳状信号注入到第一接收器系统。该梳状信号被用于获得传输函数在第一接收器的带宽上变化的方式的估计值。这减小在由第一接收器所作的时间测量上的第一传输函数的变化。

另一个现有的定位系统包含射频“指印(fingerprint)”技术，以尝试在位置确定处理中利用多路径。在该系统中，所接收信号签名或者“指印”的一个数据库在对该系统中的每个接收器的校正处理过程中产生。每个校正指印包括当发射器从一个已知位置或栅格点发射时由该接收器所测量的一组信号参数。该数据库包括这些指印的大的集合，每个集合引用其相应的栅格点。在该定位系统中，要被定位的该运动发射单元的射频指印被测量，并且该位置估计是与来自该数据库的一个“匹配”指印相关的栅格点。通过使用该技术，可以在适当的情况下用单个接收器在高度多路径环境中定位该运动发射器。

这种定位系统具有几个确定和限制。例如，一个运动发射单元被假设为在一个栅格点处，而不是在各个栅格点之间。因此，在此存在与该栅格点的密度相关的内在位置估计“量化”误差。该指印数据库的产生，通常被称为“校正”，需要费时费力地使得一个发射器运行到每个栅格点并且从该栅格点发射。一旦该校正处理完成之后，由于建筑物或其他结构的建成或拆除而造成本地地形轮廓的改变会导致在附近的栅格点的指印的改变，因此需要重新校正。

还需要发射器的重新布置，以对该发射器重复进行校正处理。一般来说，由于在校正处理过程中难以到达每个建筑物或结构上并且由于与产生不同于二维栅格的三维栅格相关的成本增加，使得该栅格点处于街道水平面上。但是，如本领域普通技术人员所公知，当发射器的海拔高度增加时一个发射器的多路径概况或指印在郊区环境中大大地改变。因此，在校正过程中，在建筑物的第30层楼上由个人所携带的发射器所产生指印将与在相同建筑物的底层或附近的一个发射器所产生的指印具有较大差别。该差别可能如此之大使得该指印与用于正确的栅格点的指印不一致，或者甚至更差，该指印可能与远处的另一个栅格点的指印相一致。

由于物体所导致的阴影或方向性的阻碍，使得附着到或者嵌入在一个物体中的发射器的指印还可以相对于用于校正的发射器的指印也具有大的变化。这可能导致在该数据库中不能查找到匹配的指印或者导致与远离该发射器的实际位置的一个栅格点的指印相匹配。该指印技术的使用不容易应用于运动接收器，因为必须对该运动接收器每个可能位置进行重复校正。可以避免与对在该运动接收器的每个可能位置的每个栅格点产生一个包含指印的数据库相关的费用。

发明内容

因此本发明的一个目的是提供一种系统和方法，用于可以用不一定很大并且容易通过以最小的费用来更改或增强的数据库来确定发射器的位置。

根据本发明，该系统确定一个发射器的位置，并且包括要被定位的发射一个信号的发射器。至少一个接收器从该发射器接收该信号。至少一个代理接收器是沿着一条到来路径把一个信号反射和/或折射到至少一个接收器的物体。一个处理器以至少一个代理接收器来工作，并且根据查询一个查找表或者从一个映射系统提取图像特征以及基于来自至少一个代理接收器发射器的信号的到来时间和至少一个到来角度确定该发射器的位置，从而确定至少一个代理接收器的位置。

该至少一个代理接收器可以包括两个代理接收器。该系统进一步包括一个图形应用程序和应用程序编程接口，以及用于根据沿着到达该接收器的到来路径接收的信号确定代理接收器的位置的一个地理区域的三维模型。该系统进一步包括一个位置模型图像，其中包括在空间校正位置中的合成图像。该合成图像可以包括结构图。

附图说明

从下文结合附图对本发明的详细描述中，本发明的其他目的、特点和优点将变得清楚，其中：

图1和2示出现有的到来角度和到来时间定位确定系统。

图3为示出如何建立例如水塔这样的具有一个代理接收器的代理接收位置，用于仅仅使用一个接收位置确定一个运动单元的位置的示意图。

图4示出类似于图3的示意图，但是示出例如山这样作为一个自然物体的代理接收器。

图5示出一个代理接收器如何可以用于校正第一和第二接收位置的时钟。

图6为示出由于各种建筑物所造成的多路径情况，示出如果把该代理接收器认为是直接视线反射器则在建立该双曲面和轨迹时出现的误差。

图7示出当仅仅到来分析角度被用于代理接收器时可能出现的轨迹和误差。

图8为类似于图7的示意图，但是示出根据本发明的系统和方法开发的轨迹，使得一个运动单元的位置可以被确定。

图9和10示出可以用于本发明的图像数据库例程的流程图。

图11为可以用于本发明的建筑物和结构模型的各个图像的布局。

图12为示出可以用于图9和10中所示的图像数据库的处理类型的另一个流程图。

图13和14为示出各个顶部和等大示意图，其中该图像数据库例程确定用于高度确定和更加精确的定位分析的代理接收器的三维外观。

具体实施方式

下面参照示出本发明的优选实施例的附图更加详细地描述本发明。但是，本发明可以体现在许多不同的形式，并且不应当被认为是对在此所给出的实施例的限制。而且，提供这些实施例使得该公开将是彻底和完整的，并且充分地把本发明的范围转达给本领域的普通技术人员。在附图中相同的参考标号表示相同部件。

本发明是有利的并且允许在一个接收位置使用一个接收器，以确定运动发送单元的位置，例如用于携带标签的车辆或个人、运动收发器或其他运动单元的发送标签。该系统使用一个代理接收器(或被动反射器)，用于到来时间和/或到来时间差计算。在全文中，术语“代理接收器”用于在被称为代理接收位置(PRS)的位置处的反射器/折射器，并且还被用于描述任何类型的被动反射器，例如建筑物、山脉或山丘、水塔或者可以反射和/或折射(或衍射)从一个发射运动单元或其他无线发射器到可以为固定或运动的接收器的任何其他自然或人造的物体。在一些例子中，该代理接收器反射或折射例如用于校正的信号，并且可以被称为参考代理发射器。为了描述的目的，术语“运动单元”可以指任何固定或运动的发射器。

当然，该信号可以是射频信号、电磁信号或者其他本领域普通技术人员所公知的信号类型。例如，一些水塔是射频信号的良好反射器，并且该水塔本身可以是一个代理接收器。一个大山可以是一个代理接收器和一个建筑物，其不但反射射频信号，而且还绕着建筑物的边角衍射/折射射频信号。

本发明的优点还在于，由于它允许使用查找表或者地理软件成像数据库，例如由美国佛罗里达州墨尔本市的Harris公司所开发的“RealSite”软件，被用于有助于计算该运动位置。本发明的优点还在于，即使该单元的位置为未知，它允许使用运动发送单元用于在两个不同的接收位置校正两个不同接收器的时钟。两个接收器可以被同时使用，以即使在存在有多路径时确定一个运动发送单元的地理位置。

本发明比具有限制和缺点的无线指印技术更具有优势。运动物体总是被假设为在一个栅格点之一上，并且不在栅格点之间的中间位置处。运动物体的高度当然也改变，例如在一个建筑物中，这导致位置估计的误差。该精度取决于该运动物体的长期发射和运动。窄带信号的使用也可能限制区别路径的能力，并且需要广泛的校正来产生一个指印栅格数据库。与暴露的单元相比，该嵌入的运动还将具有不同的指印。

图1和2示出一种使用到来角度(AOA)和到来时间(TOA)系统的基本地理位置系统和方法，例如公开于授予Otto并且转让给佛罗里达州墨尔本市的Harris公司的参考文献‘584专利中描述。

参见图1，该地理位置系统使用多个固定的接收位置30，每个接收位置通过常规通信链路34连接到一个中央处理单元32。一个目标单元(例如运动发射单元这样的要被地理定位的单元)36把一个射频信号发送到多个接收台，该射频信号可以是一个RF信号、电磁信号或各种类型的信号。

在操作中，该接收位置(或“接收台”)30分别接收来自目标单元36的信号，并且把关于信号接收的通信发送到中央处理单元32。根据该系统的结构，该中央处理单元32可以使用在接收位置30的信号到来角度或者在接收位置30的信号到来时间或其他常规的方法来确定目标单元36的地理位置。利用适当的系统设计，该中央处理单元32可以同时确定位于多个接收位置30的接收范围内的几个接收位置30的地理位置。

参见图2，该系统仅仅需要两个接收台RS 30和RS40，以确定一个目标单元36的地理位置。每个接收位置30从该目标单元36接收一个信号，并且确定该信号的到来角度和到来时间，然后通过常规通信链路34提供到中央处理单元32。在该中央处理单元32，在两个电台之间的到来时间信息的差别可以被用于计算可能存在该目标单元36的曲线50的轨迹(即，来自该轨迹上的信号将具有所确定的在给定两个接收位置30之间的到来时间差)。从该曲线50与来自接收台RS30或RS40的方位线(来自到来角度)AOA1、AOA2的交叉点，确定沿着该曲线50的存在目标单元36的精确点。

理想地，该曲线50和方位线AOA1和AOA2都在与目标单元36的位置相一致的一个点处相交。但是，在实践中，在TOA测量中的误差将使得该曲线偏移，和/或在AOA测量中的误差将使得其中一条或这两条方位线偏移，从而出现多个交叉点，如图所示，因此导致该运动单元的位置的不确定。

在这种系统中，其中多个接收位置需要提供覆盖一个地理区域的地理定位(和/或通信)，使得在一个覆盖宽地理区域的低功率个人通信系统中，仅仅需要两个接收台用于在任何时间与一个编码单元相联系，以提供完整的地理定位覆盖。如果在一个给定系统中，来自一个编码单元的信号被在两个以上的接收台处接收，该处理单元可以使用本领域普通技术人员所公知的任何矢量合成方案来合并方位线和曲线。

根据本地地形条件和其他因素，该中央处理单元32可以：比其他位置更多地加权来自一些接收位置的信号；与例如所接收信号的信噪比这样的信号质量的度量成比例地加权该信号；更大地加权从更接近于该目标单元的所确定位置的接收台确定的位置；和/或消除偏离估计值的一些方位线和/或曲线，因此更大地加权从TDOA判断确定的曲线。该中央处理单元可以根据位置的加权估计使用转动惯量计算确定该目标单元的地理位置。确实，该中央处理单元可以根据位置的加权估计使用转动惯量计算来确定该目标单元的地理位置。

下面是对本发明的总体描述，随后接着与图3-13相关的详细描述。本发明是有利的，并且确定一个发射器的位置。要被定位的一个发射器发射一个信号，并且一个接收器从一个发射器接收该信号和测量来自一个发射的多个多路径信号的到来时间。一个或多个自然或人造的物体把信号的一部分从该发射器反射和/或折射到该接收器。

一个数据库可以被用于包含该接收器和一个或多个(但是需要全部的)自然或人造物体的位置或者可以用于计算该位置的信息。一个处理器由该接收器和数据库所操作，并且估计该发射器的位置，或者确定表示该发射器的潜在位置的一个点集。这可以通过选择一个物体来实现，其位置被存储在该数据库中，可以从在该数据库中的信息来确定，这与一个代理接收器相同；或者选择多个对象，其位置可以被存储在该数据库或者可以从存储在该数据库中的信息来确定，这与多个代理接收器相同。

每个代理接收器的位置从在该数据库中的信息确定。该接收器的位置可以从存储在该数据库中的信息确定，然后通过从每个代理接收器到该接收器的直线信号传播时间来计算。可以通过在被估计已经从该代理接收器反射或折射的路径的接收器处的所估计到来时间，减去用于该代理接收器的代理接收器至接收器的信号传播时间而计算在每个代理接收器的信号到来时间。

一个或多个点集可以被产生，以每个这样的集合表示对应于一个代理接收器的信号到来时间与另一个代理接收器或接收器的信号到来时间之差的发射器的潜在位置。

通过(a)选择一个代理接收器或多个接收器，(b)作为对多边计算的附加输入，或者(c)确定等待应用于多个点或点的集合，并且组合它们以产生一个精确的点集，附加信息的一个来源或多个来源被有效地连接到该处理器并且可能必要或需要由该处理器所使用。

该发射器可以是一个运动发射单元并且该接收器可以是一个运动接收器。该发射器以及该接收器还可以位于户内。至少一个代理接收器也可以位于户内。

该信号可以是电磁信号、射频信号、光信号或声信号之一。该信号可以由发射器或在该发射器处产生，并且可以根据例如发射器的标识号、存储在该发射器的数据或者传感器的状态这样的任何参数组合(但不限于此)或者在该发射器处的开关而调制。该发射器还可以响应内部定时器、运动检测器或者其他传感器或算法的状态的任何组合而发射信号。该信号还可以响应外部命令或者例如按键或开关闭合、或者接收或触发器或命令信号这样的事件(但不限于此)而被发射。该信号可以是在该发射器接收的信号的重新发射，并且按照任何方式组合而改变，例如调幅、相位调制、频率变换、时移、频谱倒置、极化或者任何其他这样的变换、或者可以由本领域普通技术人员所使用的调制(但不限于此)。还可以根据例如发射器的标识号、存储在该发射器中的数据或者传感器的状态或在该发射器处的开关这样的任何参数(但不限于此)而改变。

被发射的信号可以是一个常规的通信系统信号，但不限于蜂窝式电话、专用的移动电台、移动数据或者个人通信。该被发射的信号还可以具有一个带宽，例如窄带、宽带、具有带宽的部分的组合或者在不连续频带中的部分的组合，但不限于此。该信号还可以是采用任何调制格式的扩频信号或者例如直接序列、跳频、非线性频率、线性频率(线性调频)、共片键入(co-chip key in)、代码位置、脉冲位置或者脉冲这样的调制格式的组合(但不限于此)的扩频信号。它还可以包括从发射器到接收器的直线路径信号。

至少一个物体可以包括自然地标或者地球海拔高度，作为一个代理接收器或者其他人造结构，例如建筑物、建筑物的部分、水塔、水塔的部分、公用电线杆的通信、或者公用电线杆的通信的一部分。

当一个数据库用于本发明时，它可以包含二维或三维位置数据。它还可以包含能够用于计算一个物体的二维或三维位置的信息。该数据库可以包括数字化地图、数字化映像、电磁映像、射频映像、光映像或者声音映像。该映像可以是与所发送信号相同的频带或者可以是与所发送信号不同的频带。

如上文所述，在本发明的另一个方面中，可能有附加信息或者可能没有用于处理的附加信息。该附加信息来源可以是该接收器、在该接收器的到来角度或者最早的到来信号路径，例如方位角和海拔高度。该附加信息可以包括在最早到来的信号路径的接收器处的到来角度，或者由该处理器所估计已经被一个代理接收器所反射或折射的信号路径在该接收器处的到来角度。该到来角度可以包括方位角和海拔高度。

该附加信息还可以包括在由该处理器所估计的已经被多个代理接收器所反射和折射的多个信号路径在该接收器处的到来角度。该多个反射或折射信号路径中的一个或多个的到来角度可以是方位角和海拔高度。该附加信息还可以包括所接收信号或其部分的参数任何组合，例如但不限于：信号强度、到来角度、到来时间、多路径概况或来回信号传送时间。

附加信息的来源还可以是数据库。该附加信息可以包括由该发射器从先前的发射收集的信息。该附加信息可以包括二维或三维的发射器位置的先前估计。在此可以有多个附加信息的来源。

该处理器可以确定对应于在一个代理接收器的信号到来时间与在该接收器的另一个信号路径的到来时间之差的发射器的一组潜在位置。该其他信号路径可以是在该接收器的最早到来信号路径。

该处理器还可以确定对应于在第一代理接收器的信号路径的到来时间与在第二代理接收器的信号路径的到来时间之差的发射器的一组潜在位置。该处理器可以确定该发射器的一个潜在位置的集合，其对应于(a)在由该代理接收器所反射或折射的信号路径的到来时间所确定的代理接收器处的信号路径的到来时间与在该接收器的另一个信号路径的到来时间之差的发射器的潜在位置集合，与(b)对应于在该接收器的其他路径的到来角度的发射器的一个潜在位置的集合之间的交集。

该其他信号路径可以在该接收器的最早到来路径，并且该到来角度可以包括方位角和海拔高度。

该处理器还可以确定该发射器的一个潜在位置的集合，其是(a)对应于由该接收器所确定的在第一代理接收器的第一信号路径的到来时间和由该接收器所确定的在第二代理接收器的第二信号路径的到来时间差的发射器的潜在位置的集合，与(b)对应于在第三信号路径的接收器处的到来角度的发射器的潜在位置的集合之间的交集。

该第三信号路径可以是在该接收器的最早到来信号路径。该到来角度可以用方位角和海拔高度来确定。该处理器可以通过等待和以任何组合来组合：在一个点集中的点、多个点集以及从对先前细化的点集在先发射导出的点集，确定该发射器的细化的潜在位置的集合。

组合的点可以包括多个点集的交集或比其他点加权更大的一个或多个点。一个细化的点集由二维的点的矢量组合所确定。一个细化的点集由三维的点的矢量组合所确定。

该系统可以包括多个接收器，用于接收该信号，每个接收器测量来自一个发射的多个多路径信号的到来时间。该多个接收器包括两个接收器，并且该处理器确定该发射器的一组潜在位置，其对应于在第一接收器从由第一代理接收器所反射或折射的信号的到来时间确定的第一代理接收器处的信号到来时间与在第二接收器从由第二代理接收器所反射或折射的信号到来时间确定的第二代理接收器处的信号到来时间之差。

该处理器可以确定该发射器的一组潜在位置，其对应于在第一接收器从由该代理接收器所反射或折射的信号的到来时间确定的代理接收器处的信号到来时间与在第二接收器的信号到来时间之差。该第二接收器可以是在该第二接收器处的最早到来信号路径的到来时间。在该第二接收器处的最早到来信号路径是从发射器到第二接收器的直线路径。

该处理器可以通过组合多组发射器的潜在位置常规通信链路34确定细化的发射器的潜在位置的集合。该组合点集可以是多个点集的交集，并且可以由二维的加权点集的矢量组合来确定。该组合的点集可以由三维的加权点集的矢量组合来确定。

该接收器可以接收来自一个发射器的信号，并且用一个信号信道接收器测量多个多路径信号的到来时间。可以从一个发射器接收一个信号，并且测量在一个多信道接收器中的多个多路径信号的到来时间。多信道之一可以用指向可以被选择作为一个代理接收器的至少一个物体所在的径向方向的指向性天线来工作。在此可以有多个指向性天线，每个天线指向可以被选择作为一个代理接收器的至少一个物体所在的径向方向，并且每个天线可以用该接收器的分离信道来工作。

该指向性天线是一个多扇区天线的一个扇区，并且可以是一个常规通信系统，例如：移动电话、专用移动电台或者移动数据。一个接收器的多个但必须是所有的信道分别以一个多单元天线的一个或多个单元来工作，使得这些多信道包括一个相控阵列接收器，并且可以包括一个线性阵列或者二维阵列，其基本上在与该阵列的平面相平行的方向上是具有方向性的。该多单元可以用多个信道来工作，并且包括一个包含三维阵列的相控阵列接收器。该多单元可以用多个信道来工作，并且包括相同极化的一个相控阵列接收器。该接收器还可以是具有基本上共同定位的天线的多个共同定位接收器，包括作为一个相控阵列接收器的一个多信道接收器。

该信号路径的到来时间可以用来自多个接收器信道的线性或加权信号的矢量组合来测量。用于该信道的加权可以被选择，以减小或消除来自除了被测量到来时间的路径之外的其他路径。该天线单元的极化可以馈送一些信道，这不同于馈送其他信道的天线单元的极化。该其他信息可以包括关于或由该发射器所收集的信息，例如但不限于：配置(例如，身体携带、车辆安装、附着到大的设备、附着到手持设备)；海拔高度；大气压力；温度；位置(例如，户外、户内、在路上)；或者速度。其他信息由该发射单元所发送。

在此给出用于校正例如用于定位发射器的接收器的无线定位系统的方法和系统。一个信号可以从一个未知位置发射。一个信号被在每个第一和第二接收器处接收和测量。一个误差值被根据一个期望的参数值之差和所测量参数值之差的实际差别而确定，以使用来自数据库和其他来源的信息确定该期望差值。

该误差值被用于对该无线定位系统设备进行校正，以使得在后续测量中的误差最小化，和/或对任何在先、同时或随后的参数测量进行校正。在本文中，代理参考发射器可以是如上文所述的一个自然或人造的物体。它还可以被描述为接收和反射或折射信号的代理参考接收器或者代理接收器，因此作用类似于一个发射器。任何误差值还可以基于一个期望的到来频率差和实际的到来频率差之间的差值。

图3示出本发明的第一方面，其中该处理器已经选择一个代理接收器60，其位于被认为是把信号从发射器反射/折射到该接收器的反射器/折射器所在的一个代理接收位置处，如在一个典型的多路径例子中。用于代理接收器的到来时间等于在该接收器位置(RS)反射或折射的路径的到来时间减去该代理接收器位置到接收器位置的传播时间。尽管水塔被是所示的代理接收器60，但是应当知道位于一个代理接收器位置的一个代理接收器可以是任何类型的反射器或折射器，例如一个一个建筑物的平坦的反射侧壁、建筑物的边角、例如大山坡这样的地理地标、在大草原中央的树、通信或公共设备塔、桥梁或者本领域普通技术人员所公知的其他反射器/折射器物体。

在图3中所示的具体示意图中，该接收位置(RS)62包括一个接收器(R₁)并且包括单向天线63，其接收来自运动发送单元64的信号。相关的处理器65有效地连接到该接收器，并且使用本领域普通技术人员所公知的标准处理算法来确定在该单向天线上入射的最早到来路径信号的到来时间。本领域普通技术人员所公知类型的计算机或其他处理器65可以位于该接收位置处，或者在远离该接收位置的距离处通过通信线66连接。在本发明的一个方面中，一个单向天线67可以直接指向水塔60，以及位于该接收器位置，并且还有效地连接到该接收器。该接收器确定在该单向天线上入射的反射或折射路径信号的到来时间。该处理器65确定从运动发射单元发送到该接收位置的直线信号和从水塔，即代理接收器62反射的信号之间的到来时间差。该数值根据存储在该数据库中的水塔的已知位置来确定。

图5示出例如水塔这样的代理接收器72的使用，用于校正在各个接收器1(75)和接收器2(76)的各个时钟73、74。被校正的时钟可能在用于确定运动单元的位置的一些应用中是非常重要的，特别是如在本发明中考虑到多路径情况时尤其如此。即使该运动发送单元77处于一个未知位置，该单元可以被从作为一个代理接收器72的反射器的未知位置发送到该代理接收位置，该代理接收器72即在本例中的水塔。每个接收位置，例如所示的接收器1和接收器2接收作为代理接收器的水塔反射的信号。该接收位置被固定在已知位置，并且到该水塔的距离和角度是已知的。一个中央处理器78用两个接收器工作，可以从这两个接收器接收到来时间和到来角度信息。通过适当的算法和计算，确定该差值，并且可以使用如本领域普通技术人员所公知的标准处理算法除去相对于两个时钟73、74的偏移。该校正比在已知位置的已知发射器被用于发射信号的现有技术更加有利。

图6示出出现多路径的情况，例如在市区环境中，其中例如存在各个建筑物B1-B5。例如运动发送单元64的一个发射器位于建筑物B3之后，其还位于其他四个建筑物B1、B2、B4和B5的中央。接收器1(Rx₁)位于该建筑物的南侧，并且接收器2(Rx₂)位于该建筑物的北侧。一个处理器用于该接收器来工作。

如图所示，没有从例如运动发送单元64这样的发射器到接收器1(Rx₁)或接收器2(Rx₂)的直接视线通信。而是，第一接收器(Rx₁)接收从建筑物B1和B5反射的第一和第二到来信号(PR1-1、PR1-2)，其中接收器2(Rx₂)接收一个信号，作为来自可以是代理接收器的建筑物2的第一到来路径。因此，从由各个建筑物所形成的代理接收器的每个发射的角度以及该信号和其到来时间可以被确定。如果取在第二接收器(Rx₂)的信号到来时间与在第一接收器(Rx₁)处的两个信号的最早到来时间之差，则形成在80绘制的双曲线。如果该系统取在每个位置(Rx₁或Rx₂)处的最早路径的到来时间差，以及来自一个或另一个、或者这两个位置的角度被计算，不被纠正为如在A2/TDOA和A1/TDOA处的两个星号81、82所示。该第一星号81示出角度2和到来时间差，并且第二星号82示出角度1和到来时间差。如果只有直接视线通信，则在84的双曲线示出校正的双曲线。显然在此有三个位置PR1-2、PR2-2和PR1-1，示出用于代理接收器的方框，以及用该方案计算该曲线。

图7示出类似的情况，其中当运动发送单元64位于建筑物B3、B3’之间时，形成潜在轨迹的一条反常线85被建立，并且仅仅到来角度被用于视线数值AS2/TD和A1/TD。由星号86示出的反常位置基于到来时间差的计算。

根据本发明，位于该代理接收位置处并且沿着每个到来路径形成一个代理接收器的反射器/折射器的位置(即，经纬度)被通过查找表或者从例如由每个佛罗里达州墨尔本市的Harris公司所开发的软件“RealSite”这样的地理图像数据库例来确定。该地理数据库可以包括与在一个特定区域中的自然和人造特征相关的数据，其中包括关于建筑物和例如山坡这样的自然地形的数据。

例如，一个数据库可以包括关于发出一个信号的特定区域的信息，包括作为无线电或其他信号的被动反射器的高建筑物或水塔这样的区域，并且作为一个代理接收器位置。一个查找表可以具有类似的数据，并且该系统处理器将从该查找表查询和确定发出信号的建筑物的类型、自然特征等等，以确定什么特征可以作为代理接收器，具有一个查找表的地理数据库的使用或者特征提取软件的使用是有利的，并且允许该系统确定直接视线路径或一个反射和/或折射路径是否为该信号的一个来源。

该系统可以使用特征提取软件或查询该查找表，以确定在图6和8中所示的布局，其包括五个建筑物，在该建筑物之间形成由信号线所示的反射和折射。对于图6和8中所示的例子，可能需要一个二维数据库。但是，还可以使用一个三维数据库，以考虑到海拔高度问题。

在这种系统中，在通过特征提取或者使用查找表来确定反射/折射以及视线信号的知识的情况下，可以使用到来曲线的时间差和到来方向角的来计算该位置估计。该加权可以取决于包括接收信号的接收位置数目的参数数目，该接收位置例如为所示的接收器1(Rx₁)和接收器2(Rx₂)。其他加权可以取决于在一个位置(或总共)接收的路径数目，以及几何形状，即，该接收位置(Rx₁和Rx₂)、代理接收位置(PRS)和运动发送单元64的相对位置。还可以使用用于每个路径和位置的所估计信号干扰比(S/N)和来自以前发射的位置估计。该位置估计还可以取决于来自到来角度和到来时间估计的加权。

该处理可以是迭代的。例如，如果一个运动单元64发射在两个接收位置接收的信号，则该系统可以使用该接收位置的到来时间和到来角度计算该位置的3个估计值。例如，可以使用如下三个计算：1)接收位置1的到来角度和接收位置2的到来角度；2)来自接收位置1的到来角度和接收位置1与接收位置2的到来时间差；以及3)用于接收位置2的到来角度以及对于接收位置1与接收位置2的到来时间差。

如果在该估计值之间的变化较小，则可以使用一个加权组合。如果该变化较大，则代理接收位置可以代替一个或这两个接收位置，并且该系统可重复该计算。多个代理接收器可以在该迭代处理中用于单个到来角度。从特征提取软件所获得的图像数据，例如从RealSite获得的数据，可以被用于验证该结果。

为了说明的目的，可以用于本发明的特征提取程序的一个例子(例如RealSite)的简要描述如下。当然本领域的普通技术人员可以使用许多不同类型的特征提取软件，并且可以用于本发明中，以确定各种特征，其可以作为被动反射器或折射器并且作为代理接收器。尽管本例将对于结构软件进行描述，但是射频反射数值也可以用于取代结构数值作为反射的光学效果。该数据库还可以用于二维或三维特征成像。光反射率可以用于查找建筑物平面和建筑物边角，其有助于确定代理接收器的位置。

用于创建三维市区模型的结构映射系统的进一步详细情况在转让给本受让人的美国专利申请№.09/652,118中公开，该公开内容被包含于此以供参考。为了说明的目的，首先给出使用RealSite特征提取软件的特征提取的高级视图。这种特征提取软件可以用于验证结果，并且查找自然和人造代理接收器，并且可以用于二维和三维模型中。

RealSite允许在结构映射系统中创建三维模型，并且通过把剪辑映射技术应用于市区场景而把用于地形结构的技术扩展到建筑物结构。它可以用于确定光学反射率数值，甚至射频反射率，用于确定代理接收器和确定这种代理位置的经纬度。

可以从描绘所有位置所需的许多图像构造一个建筑物的单一图像。建筑物位置图像可以填充到最小尺寸的合成图像，包括旋转和智能排列。任何相关的建筑物的顶点结构坐标可以被缩放和平移，以匹配新的合成图像。该建筑物图像可以被设置在一个大的“剪辑映射”图像，保留该建筑物的水平关系。如果该水平关系不能够被精确地保留，则可以构造一个“剪辑栅格”中间层，其可以由显示软件所使用，以精确地确定该剪辑图中心。

在最高级别上，该系统对多个三维物体的每一个创建填充的结构矩形，该三维物体对应于要对一个地理位置模型化的建筑物。该系统在一个位置模型剪辑图像中的正确位置处立体地结构的填充矩形。该结构映射系统可以用于在具有OpenGL应用程序编程接口的一个主机或客户计算机上运行的计算机图像程序。相对于用于该位置模型剪辑图像的特定x、y位置的该剪辑中心位置可以通过在一个查找表中查找数值而确定，该查找表可以通过查询所有建筑物的多边形面的顶点的相应结构坐标而确定。每个结构坐标可以被根据相应的多边形面的顶点坐标而插入到该查找表中。

在这些系统中，图像硬件结构可以被图像API(应用程序编程接口)所隐藏。尽管可以使用不同编程接口，但是一种最佳的应用程序编程接口是例如OpenGL这样的工业标准API，其在各种硬件平台上提供对图像功能性的公共接口。还可以提供对由该系统构架所支持的结构映射功能的统一接口。

OpenGL允许一个结构图被表示为具有2次幂维度的矩形像素阵列，即2^m×2ⁿ。为了增加运行速度，一些图形加速器使用该结构图的预先计算的减小分辨率版本来加速被采样像素之间的插值。该减小的分辨率图像的金字塔层由本领域的普通技术人员称为MIPmaps。MIPmaps把每个结构的存储量增加33％。

OpenGL可以自动地对一个结构计算MIPmaps，或者它们可以由该应用程序所提供。当一个结构化的矩形被显示时，OpenGL把该结构及其MIPmaps金字塔装载到该结构缓冲器。如果该多边形具有大的结构，则这可能是非常低效率的，但是可能远离当前的视野，使得它仅仅在该屏幕上占据几个像素。当存在有许多这样的矩形时，这特别有用。

OpenGL编程的其他具体细节可以在Neider、Davis和Woo所著的《OpenGL编程指南》，Addison Wesley，Reading，Massachusetts，1993，第9章中获得，该指南的公开内容被包含于此以供参考。

还可以使用剪辑结构化，其通过减小对任何有限的结构高速缓冲器的需求而提高显示性能。剪辑结构化通过把一个MIPmaps结构的每个每个级别的尺寸剪切到固定区域的剪辑区而可以避免尺寸限制。

用于编程和使用剪辑结构化的其他具体细节描述于SiliconGraphics公司出版的《IRIS Performer程序员指南》，第10章：剪辑结构，程序员指南，其内容被包含于此以供参考。

IRIS Performer是三维图像和视觉模拟的应用程序接口，其位于OpenGL的上部。它提供剪辑结构化的支持，并且明确地操纵下层的OpenGL结构映射机制，以获得优化。它还利用在一些平台上的具体硬件扩展。一般来说，该扩展可以通过作为平台特定的(非便携的)特征的OpenGL来获得。

具体来说，IRIS Performer允许一个应用程序指定该剪辑区域的尺寸，并且移动该剪辑区域中心。当该应用程序调节该剪辑中心时，IRIS Performer还有效地管理从较慢的辅助存储器到系统RAM到结构高速缓冲存储器的结构数据的任何多级页面调度。

如本领域普通技术人员所公知，对一个地形表面(DEM)准备和应用一个剪辑结构和应用可以是在结构映射应用程序中的直接软件例程。一个图像或图像拼接被直角化并且投射到该地形水平表面上。该单个可能非常大的结构相邻接，并且通过简单的垂直投影单调地映射到高度面上。

但是对一个市区模型的剪辑结构化不如软件应用程序那样直接。直角化的图像不总是良好地映射到垂直建筑物表面上。在此没有将映射所有建筑物表面的投影方向。该建筑物结构包括一组不相邻的图像，其不能够容易地组合为一个单调相邻的拼图。该问题在具有典型地表示建筑物和类似垂直结构的多个三维物体的市区模型中特别明显。已经发现不需要把相邻图像组合为一个单调相邻的拼图。发现通过设置各个面结构获得充分的效果使得，空间位置被保持。

图9示出说明与一个运动发射单元的地理定位相关的例如可以与本发明相结合使用的一个结构应用程序软件模型的基本方面。该系统对每个建筑物创建一个结构的填充矩形(方框100)。该程序假设该位置在该区域中足够高，使得实际的排列无关紧要。该填充的结构被立体地设置(方框102)。在这一点，立体设置具有困难，在重新排列事物和剪辑区域尺寸之间需要一些权衡。但是，一个剪辑栅格查找表被用于克服一些位置限制(方框104)，如下文所述。

现在参见图10，一个更加详细的流程图给出步骤次序。一个合成建筑物结构图(CBTM)被创建(方框110)。由于以后在一个位置模型剪辑映射处理中使用平铺策略，从不同的视角收集被用于对一个建筑物结构化的所有图像，并且填充到单个矩形合成建筑物的结构图。为了有助于减小包含在该CBTM中的像素面积，各个图像(以及结构图坐标)被旋转(方框112)，以使得在实际支持结构化的多边形的结构图内的矩形区域最小化。在旋转之后，在该矩形印记之外的额外像素被剪去(方框114)。

一旦各个图像被预先处理，用于每个起作用的图像的图像尺寸被装载到存储器(方框116)。这些尺寸被按照面积和图像长度来排序(方框118)。具有最小周长的最小面积的新图像尺寸被计算，其将包含所有建筑物的各个结构(方框120)。通过从左到右和相反地交替平铺，把该各个建筑物结构有效地填充到该新的图像，使得在该方框中的未使用空间被最小化(方框122)。

图11示出在该合成建筑物结构图中的一个建筑物的各个图像的布局的一个例子。这通过一种穷举搜索方法来实现，以计算描述每个建筑物的最小图像尺寸。

接着创建一个位置模型剪辑图像。由于每个合成建筑物结构图(CBTM)尽可能地小，因此可以实现在一个大的剪辑图中进行每一个空间校正。最初，每个组合建筑物结构图被置于在一个大的位置模型剪辑图中的其校正空间位置处(方框124)。一个缩放参数被用于最初使得建筑物进一步相互分离，并且包括相对空间关系(方框126)。然后，检查每个合成建筑物结构图是否与在位置模型剪辑图中的其他合成建筑物结构图相重叠(方框128)。该位置模型剪辑图被从上右端到下左端扩展，直到没有重叠时为止(方框130)。对于具有高建筑物的模型，较大的正缩放参数可以被用于允许增加重叠的可能性。所有结构图坐标被缩放，并且在该位置模型剪辑图中平移它们的新位置。

现在参见图12，其中示出可以用于正确地处理和显示建筑物剪辑结构的基本操作。一个剪辑图剪辑栅格查找表被用于克服这些限制，并且精确地指出该剪辑中心应当最佳地相对于特定x，y位置放置的剪辑中心的确切位置。为了构造该表格，所有建筑物多边形面的顶点被查询，以获得它们的相应结构坐标(方框150)。每个结构坐标被根据其相应的多边形面顶点坐标而插入到一个查找表(方框152)。

在该剪辑图中的剪辑中心或点被用于确定在该剪辑图中的最高分辨率图像的位置(方框154)。对一个地形表面剪辑图确定该中心被实际地用较小的系统复杂度来实现，因为单个剪辑结构图与该地形高度表面相邻，从而该相机坐标是适当的。该位置模型剪辑图具有其自身的剪辑中心，并且被根据其相对尺寸和在该地形表面上的位置而处理(方框156)。但是，该位置模型剪辑图引起由于高建筑物或者接近的建筑物所导致的一些位置限制。这需要使用一个附加查找表来补偿该位置模型剪辑图缺乏完整空间一致性的情况。该剪辑栅格的目的是把3D空间坐标映射到在空间上不连贯的剪辑图中的剪辑中心位置。

该剪辑栅格查找表索引使用一个x，y场景位置(相机位置)来计算(方框158)。如果该地形剪辑图和位置模型剪辑图具有不同的尺寸，一个缩放因子被导入，以使得用于该位置模型剪辑图的x，y场景位置归一化(方框160)。已经发现在建筑物剪辑图的空间正确性的发展中通过充分的设计和开发，可以在高达95％的程度上消除对剪辑栅格查找表的需求。

还可以扩展该算法并且使用多位置模型剪辑图。如果需要各种分辨率的剪辑图或者如果可以从处理空间中实现剪辑图内外的页面调度，则使用许多较小的剪辑图而不是使用一个大的剪辑图可能被证明是一种有用的方法。但是，需要保持多剪辑中心和多剪辑图金字塔状的额外开销。

使用该数据库，例如RealSite数据库和相关软件，或者一个查找表(如果可用的话)，可以确定一个代理接收器也具有作为一个反射器的特定高度，如图13和14中所示。图13示出一个建筑物布局的平面视图，其中第一建筑物B10位于第二建筑物B11的前面。第一建筑物B10具有比建筑物B11更低的高度。该发射器或运动发送单元64位于该较小的第一建筑物B10的后面，并且把其信号从该高的第二建筑物B11反射到具有接收器Rx₁和Rx₂的两个接收位置。直线92表示一条轨迹，其表示由于缺少各个建筑物B10和B11的高度的知识而获得的不正确的代理接收器指示，因此造成不正确的指示。点94表示基于该数据的可能位置。线95表示具有正确的代理接收器指示的双曲线，并且点96表示可能的位置，其表示更大精度。该图像数据库可以被用于确定正确的双曲线和角度，以确定在相关信号和正确的反射器(或折射器)之间的到来时间差，并且确定该运动发射单元的近似位置。

如上文所述，是到来时间差(TDOA)系统而不是到来角度系统可以使用指向例如水塔、高建筑物、山或者其他具有所需信号反射率并且作为一个代理接收器的物体这样的被选择代理接收器的高方向性天线。并且到来倾斜角度测量可以被用于确定该代理接收反射器/折射器的高度。结果，可以减小视线运动高度导致的倾斜范围误差。该代理接收器反射器/折射器高度数据将允许从该代理接收器进行倾斜范围计算，并且如果一个人手持一个运动发射单元则允许进行运动高度估计，该运动发射单元例如运动跟踪设备或者其他发射器设备。

如果一个接收位置具有一个直接路径，并且一个代理接收器被用于其他位置，则到来时间差的误差将被减小，除非该代理接收器刚好位于向着该运动发射单元的正确方向，该到来时间差的误差将不改变，但是该双曲线将旋转，使其相对于如图13中所示的该代理接收器和其他接收位置之间的直线对称。

如果两个位置来自相同代理接收器的信号到来时间，并且在该代理接收器的所计算到来时间相差这两个接收位置之间的时钟偏移，如上文所述，该时钟误差然后被消除。即使当该发射器是一个未知位置时，可能出现这种情况。如果在所有测量的到来时间的几个样本中计算时钟偏移并且不使用任何其他容量，则这种系统比使用一个已知位置处的发射器来确定时钟偏移更加有利。

射束形成还可以被用于指出一个特定的代理接收器。如本领域普通技术人员所公知，许多不同类型的天线可以被用于射束形成。假设路径的无效被用于消除另一个路径对该到来路径的影响。对于一个四单元系统，该系统可以使得三个其他路径无效。该系统的用户可能需要使得最大的路径无效，或者要使得在时间上与相关路径最接近对齐的路径无效。

该到来时间可以通过本领域普通技术人员所公知的任何方法来测量，包括从两个位置的交叉相关信号测量。当然，作为一个被动反射器的代理接收器可以是地球，并且可能需要到来的倾斜角度。与被动转发器相对，可以使用主动转发器，但是必须对转发器延迟进行一些计算。

在此不需要该代理接收器是一个反射器。作为一个运动发射单元的另一个无线接收位置或者发射器可以作为一个代理接收器。另外，本发明的系统和方法可以被用于确定作为代理接收器的一个运动反射器的位置。例如，该技术可以被飞行器用作为被动雷达来确定另一个飞行器的位置。

第一飞行器将测量来自一个具有已知位置但不一定是固定位置的发射器的信号到来时间。该飞行器还对由可能为一个飞行器的目标所反射的相同信号测量到来时间和到来角度。任何射束导引和无效可以被用于提高检测被反射的信号的能力并且测量该到来方向。使用第一飞行器和发射器的已知位置以及被反射信号的到来方向，可以计算一个飞行器的位置。

一个发射器可以与第一飞行器或例如FM无线电台或者甚至一个卫星转发器这样的不情愿的第三方协同工作。通过对从地面反射的信号测量到来时间和和到来方向以及直接通过的信号的到来时间和到来方向，这两个信号都从第二飞行器发出，则第一飞行器确定第二飞行器的位置。

本发明的系统和方法的优点是显而易见的，因为如果一个以上的路径被接收并且适当的视线或数据库信息已知关于地理导向的代理接收器，则可以从单个地点估计位置。随着对涉及接收位置和相关代理接收器的到来时间差计算消除时基误差，提高精度。可以相对于相同的时钟测量到来时间。在无视线情况中减小大部分多路径引起的到来时间误差。多个解集可以提供附加的信息，并且允许加权和平均。来自一个数据库的图像可以被用于进行校正。

还可以获得运动物体高度估计值和运动物体位置，其不限于栅格。该系统是鲁棒的，防止由于运动物体高度改变而导致多路径改变。不需要广泛的校正。一个反射器数据库不必是广泛的，并且可以从例如RealSite数据库的照片中产生。它可以用于采用到来角度或到来时间的任何系统，即，蜂窝式系统。

本申请涉及由相同的受让人和发明人在同一天提交的名称为“用于使用被动反射器或折射器作为代理接收器确定一个发射器的位置的系统和方法”以及“使用被动反射器或折射器作为代理接收器并且使用数据库查询来确定一个发射器的位置的系统和方法”的共同未决的专利申请，其公开内容被包含于此以供参考。

在上文描述和相关附图的启发下，本领域的普通技术人员可以想到本发明的许多更改和其他实施例。因此，应当知道本发明不需要所公开的具体实施例，并且该更改和实施例被认为是包含在从属权利要求的范围内的。