使用信號的飛行時間的改進的距離測量的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及用于確定第一設備與第二設備（諸如用戶設備與基站單元）之間的 距離的技術，并且具體涉及一種改進的基于飛行時間的距離測量。本發明還涉及一種個人 跟蹤系統，其使用所述改進的基于飛行時間的距離測量來確定用戶是否在預定的安全地帶 內。
【背景技術】
[0002] 能夠用于跟蹤或監測人的位置的許多個人跟蹤系統是可用的。這樣的系統的用戶 可以包括老人、兒童、患老年癡呆癥的人、癡呆或自閉癥（有精神錯亂傾向的人）或者護理 中心或醫院里的患者。可以建立"地理圍欄"，所述"地理圍欄"界定允許用戶在其中自由移 動的安全或可接受區域，例如他們的家中，或者相反地界定用戶不應當進入的區域，并且所 述跟蹤系統能夠用于驗證用戶是否在其安全地帶或地理圍欄內，以及如果不是，則觸發報 警并確定用戶的位置。
[0003] 這些系統通常包括用戶穿戴或用戶攜帶的設備和被放置在（并且幫助定義）安全 地帶中的基站單元。所述用戶設備可以包括與諸如蜂窩通信或WiFi的另一無線通信技術 結合的GPS接收器，其用于監測用戶的位置。然而，這些系統受妨礙于由于低位置采樣速率 (為了節約電力）、欠佳電池壽命（如果采樣速率被設置得較高）的低劣性能，或者具有由 于將大電池包括在設備中的相當大尺寸。
[0004] 在某些情況下，基站單元可以充當用戶設備的信標，并且用戶設備可以使用從基 站單元發射的信號來確定用戶設備（以及由此的用戶）是否在安全地帶內。某些設備使用 對接收信號強度的測量（例如對接收無線電信號中的功率的測量，稱為接收信號強度指示 器，RSSI)來估計與基站單元的距離，并且由此確定用戶設備是否在安全地帶內。該技術通 常能夠消耗與諸如GPS的其他位置估計技術相比較少的功率。然而，基于信號強度測量的 距離估計不是非常具有魯棒性，并且要么產生不一致或不規律的距離測量結果，要么需要 來自諸如GPS的另一位置確定技術或使用蜂窩基站的三角測量的輔助。
[0005] 特別地，已發現，基于RSSI的距離檢測設備隨著用戶和/或用戶設備關于基站單 元的取向改變而產生不一致的距離結果。這在圖1中圖示出。在該圖中，正攜帶用戶設備4 的用戶2被示為在距離基站單元6的兩個不同距離和關于基站單元6的兩個不同取向處。 在第一距離和取向（標記為"A"）處，用戶2和用戶設備4被取向為，使得存在從用戶設備 4到基站單元6的瞄準線，這導致用戶設備4接收來自基站單元的較強的信號。用戶2和用 戶設備4的該取向能夠使用信號強度測量來提供對用戶設備4與基站單元6之間的距離的 相當可靠的估計。然而，在第二距離和取向（標記為"B"）處，用戶2與基站單元6接近得 多，但用戶設備4與基站單元6之間不存在任何瞄準線，因為其被用戶2的身體阻隔/屏蔽。 用戶設備4被用戶2的身體的該屏蔽使從基站單元6接收的信號的強度衰減許多分貝，并 且由此導致用戶設備4確定用戶設備4距離基站單元6比實際情況更遠（并且，取決于衰 減水平，甚至可以確定用戶2在所確定的安全地帶之外）。
[0006] 另外，用戶的家庭或衛生保健環境中的物體和用于構造用戶的家庭或衛生保健環 境的材料能夠影響接收信號的強度。
[0007] -種用于確定用戶設備與基站單元之間的距離的備選技術是基于用戶設備與基 站單元之間的信號的飛行時間（ToF)。該技術相對于信號衰減更具有魯棒性。一般說來，飛 行時間測量是基于在超寬帶UWB范圍（2. 4-5GHz)中發射的信號，因為能夠達到的準確度取 決于可用帶寬的量和信噪比（根據Cramer-Rao極限）。然而，UWB飛行時間或GHz范圍中 的飛行時間的缺點在于有限的發射范圍（當保持功率消耗低時）或用戶設備的高能量消耗 (當嘗試增大范圍時）。
[0008] 由此，使用窄帶通信（例如在900MHz范圍中）執行飛行時間測量是可取的，因為 需要較少電力，并且相對于UWB范圍得到改進，并且，對于所述系統已顯示出亞米準確度。 然而，需要在用戶設備與基站單元之間交換大量消息，以便產生精確結果，但這導致額外的 功率消耗，并且在某些國家和/或規范中，存在對允許發射器活躍的總時間的監管限制（例 如最多為時間的10% )。
[0009] 因此，存在對用于執行基于飛行時間的距離測量的改進技術的需求，所述改進技 術能夠在使功率消耗最小化的同時提供期望的準確度水平的距離測量，并且適于在個人跟 蹤系統中使用以確定用戶是否在預定的安全地帶內。
【發明內容】
[0010] 根據本發明的第一方面，提供一種測量第一設備與第二設備之間的距離的方法， 所述方法包括，執行基于飛行時間的距離測量，以測量所述第一設備與所述第二設備之間 的距離，其中，在所述基于飛行時間的距離測量期間發射的信號的長度和/或獲得的飛行 時間測量結果的數量根據所述距離測量所需的準確度水平來確定。
[0011] 優選地，在所述基于飛行時間的距離測量期間發射的信號的長度當需要第一準確 度水平時被設置為第一長度，并且當需要第二準確度水平時被設置為第二長度，其中，所述 第一長度短于所述第二長度，并且所述第一準確度小于所述第二準確度。
[0012] 優選地，在所述基于飛行時間的距離測量期間獲得的飛行時間測量結果的數量當 需要第一準確度水平時被設置為第一數量，并且當需要第二準確度水平時被設置為第二數 量，其中，所述第一數量小于所述第二數量，并且所述第一準確度小于所述第二準確度。
[0013] 優選地，所述方法還包括以下步驟：確定對所述第一設備與所述第二設備之間的 距離的初始估計；并且，根據對距離的所述初始估計，確定所述距離測量所需的準確度水 平。
[0014] 在某些實施例中，對距離的初始估計是根據在所述第一設備與所述第二設備之間 發射的信號的接收信號強度來確定的。在其他實施例中，對距離的初始估計是使用通過使 用第一長度的信號獲得的一個或多個飛行時間測量結果來確定的。
[0015] 優選地，執行所述基于飛行時間的距離測量包括獲得對所述第一設備與所述第二 設備之間的飛行時間的一個或多個測量結果，其中，對飛行時間的測量通過以下來獲得：在 所述第一設備與所述第二設備之間發射所確定的長度的第一信號；在所述第一設備與所述 第二設備之間發射響應信號；以及，根據從所述第一信號的發射到所述響應信號的接收逝 去的時間以及所述第一信號的接收與所述響應信號的發射之間的時間來確定所述飛行時 間。
[0016] 在某些實施例中，所述方法還包括以下步驟：確定所述響應信號是響應于接收到 直接還是反射的第一信號而被發射。
[0017] 優選地，確定所述響應信號是響應于接收到直接還是反射的第一信號而被發射的 步驟包括：確定所述第一設備和所述第二設備的發射功率；確定在所述第一設備處和在所 述第二設備處接收的信號的強度；使用所述發射功率和所述接收信號強度來確定所述響應 信號是響應于接收到直接還是反射的第一信號而被發射。
[0018] 優選地，所述方法還包括以下步驟：如果確定所述響應信號是響應于接收到反射 的第一信號而被發射，則通過直接響應信號的接收與反射的響應信號的接收之間的時間對 使用所述響應信號獲得的飛行時間測量結果進行修正。
[0019] 在某些實施例中，所述方法還包括以下步驟：在修正所述飛行時間測量結果之后， 降低用于發射所述第一信號的發射功率。
[0020] 在優選實施例中，所述方法用于確定所述第一設備和所述第二設備是否在彼此的 預定距離內。
[0021] 在那些實施例中，所述方法優選還包括以下步驟：估計使用所述基于飛行時間的 距離測量獲得的距離測量結果的不確定度；評估d+u〈R，以及d - u>R，其中，d是所述距離測 量結果，u是對所述不確定度的估計，并且R是所述預定距離；以及，如果既沒有d+u〈R也 沒有d - u>R，則確定需要更高的準確度水平，并且獲得其他一個或多個飛行時間測量結果； 否則，使用所述距離測量結果d來確定所述第一設備和所述第二設備是否在彼此的所述預 定距離內。
[0022] 在某些實施例中，所述其他一個或多個飛行時間測量結果是使用所述第一長度或 第二長度的信號來獲得的，所述第二長度長于所述第一長度。
[0023] 在其他實施例中，在獲得所述其他一個或多個飛行時間測量結果之后，所述方法 包括以下步驟：根據所述一個或多個飛行時間測量結果以及所述其他一個或多個飛行時間 測量結果來確定距離測量結果d';估計所述距離測量結果d'的不確定度u';評估d'+u'〈R， 以及d' - u' >R ;如果既沒有d' +u'〈R也沒有d' - u' >R，則確定需要更高的準確度水平， 并且獲得其他一個或多個飛行時間測量結果；否則，使用所述距離測量結果d'來確定所述 第一設備和所述第二設備是否在彼此的所述預定距離內。
[0024] 在某些實施例中，在執行所述基于飛行時間的距離測量過程之前，所述方法包括 以下步驟：測量在所述第一設備與所述第二設備之間發射的信號的接收信號強度；將所述 接收信號強度與閾值進行比較；如果所述接收信號強度在所述閾值之上，則確定所述第一 設備和所述第二設備在彼此的所述預定距離之內；否則，執行所述基于飛行時間的距離測 量。
[0025] 在某些實施例中，在使用所述基于飛行時間的距離測量已確定所述第一設備和所 述第二設備在彼此的所述預定距離內的情況下，所述方法還包括：測量在所述第一設備與 所述第二設備之間發射的另一信號的接收信號強度；將所述另一信號的接收信號強度與所 述先前信號的接收信號強度進行比較；如果所述另一信號的接收信號強度小于所述先前信 號的接收信號強度，則執行另一基于飛行時間的距離測量；如果所述另一信號的接收信號 強度大于所述先前信號的接收信號強度，則將所述另一信號的接收信號強度與所述閾值進 行比較，并且，如果所述另一信號的接收信號強度大于所述閾值，則確定所述第一設備和所 述第二設備在彼此的所述預定距離內，否則，執行其他基于飛行時間的距離測量。
[0026] 本發明的第二方面提供一種操作設備以測量所述設備與另一設備之間的距離的 方法，所述方法包括：執行基于飛行時間的距離測量來測量所述設備與所述另一設備之間 的距離，其中，在所述基于飛行時間的距離測量期間發射的信號的長度和/或獲得的飛行 時間測量結果的數量是根據所述距離測量所需的準確度水平來確定的。
[0027] 設想了操作所述設備的方法的其他實施例，其中，所述設備根據上面的方法中定 義的和/或如下面的詳細說明書中所描述的所述第一設備和第二設備中的任一個操作。
[0028] 本發明的第三方面提供一種方操作如本發明的上述第二方面的實施例的任一個 中定義的所述"另一設備"的方法。
[0029] 根據本發明的第四方面，提供一種包括第一設備和第二設備的系統，所述第一設 備和第二設備被配置為執行基于飛行時間的距離測量來測量所述第一設備與所述第二設 備之間的距離