[发明专利]具有稀疏天线阵列的定位系统

说明书

本申请是2003年7月3日提交的美国专利申请No.10/614,097的部分继续申请，这里全篇引用未决的美国专利申请No.10/614,097作为参考。

技术领域

本发明总体涉及定位系统，更具体地，涉及使用稀疏天线阵列确定物体相对于定位系统的位置的系统和方法。

背景技术

本地定位系统在要求导航能力的移动设备中尤其在自控车辆和精密施工工具的应用中正成为重要的使能器。诸如GPS的全球定位系统仅提供了中等精度的位置信息，通常不会好于10cm，并且要求天空到近地平线的清晰视野。具有分布在工作容积中的有源或无源部件的本地定位系统能允许更为精确(＜1cm)的定位，并且允许用户按照需要扩展系统，以在最为复杂的封闭几何形状中工作。

常规的本地定位系统包括声学和激光测距系统。声学系统典型地采用无线电应答信标来在设备网络内测量作用距离，设备的一些固定起来形成本地坐标系。不幸的是，由于声音在空气中传播的性质，声学系统仅能以厘米或更多的精度来测量作用距离，并且仅能在相对较短的距离上测距。基于激光的本地定位系统使用设备和诸如棱镜的一个或多个反射物体之间的角度和作用距离的测量来对物体的位置进行三角测量或三边测量。然后，激光系统目前使用昂贵的指向机制，这使得系统的花费高达30k美元或更多。

能够以几个毫米的精度确定2D或3D位置的相对低成本(≤2000美元)的本地定位系统将使得在诸如精密室内室外施工、采矿、精细农业和体育场割草及处理的应用领域中大量的潜在产品成为可能。本发明克服了传统本地定位系统的成本和精度限制。

发明内容

本发明的系统和方法提供了一种低成本、高精度的本地定位系统。

在系统的一个实施例中，具有多个发射元件的天线阵列被配置为基本上同时发射至少一组电磁脉冲，其中所述多个发射元件包括由大于半波长的间隔隔开的至少两个发射元件。该至少两个发射元件的每个被配置为发射在该组脉冲中具有相应载波信号频率的一个脉冲。该波长对应于来自该至少两个发射元件的发射脉冲的相应载波信号频率的平均。

接收机被配置为在一段时间接收返回信号。返回信号至少包括来自系统的探测区域内的物体的第一返回脉冲和第二返回脉冲。第一返回脉冲对应于来自一个发射元件的发射脉冲，而第二返回脉冲对应于来自另一个发射元件的发射脉冲。

检测器被配置为处理返回信号，使得第一返回脉冲和第二返回脉冲分离，并且因此确定物体相对于系统的位置。检测器包括角度分辨逻辑，其用于根据该至少两个发射元件之间的间隔确定物体的角位置，和方向分辨逻辑，其用于根据接收机处的第一返回脉冲和第二返回脉冲的到达时间差确定物体的方向。

在系统的另一个实施例中，发射元件被配置为发射具有载波信号频率的至少一个电磁脉冲。具有多个接收元件的天线阵列包括由大于半波长的间隔隔开的至少两个接收元件。该至少两个接收元件的每个被配置为在一段时间接收返回信号。返回信号包括来自系统的探测区域内的物体的返回脉冲。该波长对应于发射脉冲的载波信号频率。

检测器被配置为处理来自一个接收元件和另一个接收元件的返回信号，以便分离在该至少两个接收元件的每个接收的返回脉冲，并且因此确定物体相对于系统的位置。检测器包括角分辨逻辑，其用于根据该至少两个接收元件之间的间隔确定物体的角位置，和方向分辨逻辑，其用于根据接收元件处的第一返回脉冲和第二返回脉冲的到达时间差确定物体的方向。

提供了方法和设备实施例的其他变化。

附图说明

结合附图阅读以下说明和随附权利要求将使本发明的其他目的和特征更显而易见。

图1是示出现有技术的天线阵列的框图。

图2示出了现有技术的离散傅立叶变换的样本。

图3示出了现有技术的天线阵列。

图4示出了具有稀疏天线阵列的定位系统。

图5示出了具有稀疏天线阵列的定位系统的实施例。

图6示出了具有稀疏天线阵列的定位系统的实施例。

图7示出了具有稀疏天线阵列的定位系统的实施例。

图8是具有稀疏天线阵列的定位系统的实施例中的典型部件的图解。

图9是用具有稀疏天线阵列的定位系统的实施例执行的操作的流程图。

图10是用具有稀疏天线阵列的定位系统的实施例执行的操作的流程图。

图11示出了对应于相对于一个和多个物体的一个或多个天线阵列的位置的作用距离库和角度库。

相似的参考数字在附图的几个视图中都表示相应的部分。

具体实施方式