具体实施方式

定位系统通常利用卫星信号。例如，全球定位系统(GPS)是基于卫星的无线电导航系统，它向嵌入或附接到移动对象(例如车辆)的GPS接收器提供地理定位和时间信息。此类系统可确定移动对象的地理定位。当嵌入车辆中时，GPS接收器可例如启用导航系统。

图1示出基于GPS的定位系统100的例子。系统100包括车辆102，所述车辆102的地理定位应借助于卫星104、106确定。不利的是，建筑物108、110会阻挡由卫星104、106传输的GPS信号。这会对基于GPS的定位系统100的性能造成负面影响。

许多汽车包括基于GPS的导航系统，所述系统可以用于确定汽车的当前定位。此类基于GPS的导航系统通常需要至少4个来自不同卫星的信号，用于精确地确定汽车的定位。通过组合这4个信号，可以设置基于多点定位的方程组来确定汽车的位置。为了实现良好的定位精确度，所有信号应在视线(LOS)中，或应至少具有极接近LOS信号传播时间的信号传播时间。如果GPS信号被例如摩天大楼的障碍物阻挡，则导航可能会失败。图1示出由于摩天大楼108、110的阻挡而不能接收两个卫星104、106的信号的汽车102的例子。在地下停车场或隧道中，由于GPS信号被阻挡，也无法定位汽车。例如，这意味着由于缺少用于定位汽车的参考系统，自动驾驶汽车将无法停放在地下停车场中。此外，即使可以接收到GPS信号，但使用普通GPS接收器的定位精确度也在仪表域内。这对于一些自动驾驶汽车应用来说可能太不精确。

现在论述的是促进可靠且精确地确定可移动对象的地理定位的定位系统和相应的定位方法。可移动对象可以是汽车或其它车辆，例如卡车、叉车卡车、公共汽车、摩托车或自行车。

图2示出定位系统200的示意性实施例。定位系统200包括多个锚点202、204、206、208和处理单元210。应注意，处理单元210可以是单独的组件，或其可以集成到锚点202、204、206、208之一。此外，定位系统200可以嵌入或附接到例如车辆的可移动对象。锚点202、204、206、208被配置成通过超宽带(UWB)通信信道从外部广播设备(未示出)接收广播消息。应注意，锚点是能够检测由UWB装置(例如，UWB标签)发射的UWB脉冲的电子装置。就外部广播设备具有固定地理定位(即，绝对位置)而言，所述外部广播设备是静态广播设备。此外，处理单元210被配置成基于对应锚点202、204、206、208处广播消息的到达时间之间的差、锚点202、204、206、208的相对位置(即，锚点202、204、206、208相对于彼此的位置)和可移动对象的预定朝向来确定移动对象的地理定位。以此方式，可以实现基于UWB的定位系统，所述定位系统能可靠且精确地确定可移动对象的地理定位。应注意，术语“可移动”是指对象可以移动但也可处于静止状态。

图3示出定位方法300的示意性实施例。定位方法300包括以下步骤：在302处，由多个锚点通过UWB通信信道接收广播消息，以及在304处，由处理单元基于对应锚点处广播消息的到达时间之间的差、锚点的相对位置和可移动对象的预定朝向来确定地理定位。以此方式，可以实现基于UWB的定位方法，借助于所述定位方法能可靠且精确地检测移动对象的地理定位。应注意，可以将所述定位方法至少部分地实施为计算机程序。

具体地，基于UWB的广播系统提供可以在室内和室外使用的精确定位服务。UWB仅广播系统具有可能不需要使广播装置同步的优点。服务彼此独立地工作。使用UWB信号的优势在于能实现可以用于建立基于多点定位的方程组的精确到达时间差(TDOA)测量。由于UWB信号的带宽较高，因此可以非常精确地检测信号的第一路径。此外，信号反射对定位系统的影响很小。因为具有多路径信道的可能性较高，所以良好的第一路径检测对于室内定位系统来说尤其重要。由于基础设施的所有装置可能只需要广播，因此广播装置可以保持非常简单并且广播装置内可能不需要接收单元。由于可能不需要使广播设备同步，因此也降低了基础设施的成本。

在一个或多个实施例中，处理单元被配置成通过以下操作来确定广播消息的到达时间之间的差：选择锚点之一作为基准锚点，并计算基准锚点处广播消息的到达时间与另一锚点处广播消息的到达时间之间的差。这产生了实用且有效的实施方案。此外，在一个或多个实施例中，到达时间基于指示广播消息中的预定义标记的接收时间的时间戳。这促进了精确地确定到达时间。

图4示出TDOA测量400的示意性实施例。当锚点接收到消息时，其存储指示何时接收到消息的精确时间戳。由多个同步的锚点接收的时间戳可以用于估计锚点之间的TDOA。图4示出基于广播消息和三个接收锚点404、406、408的TDOA测量的时序图。选择锚点之一作为基准锚点。在这种情况下，锚点406(锚点4)是用作TDOA测量的时间基准的锚点。基于UWB消息中的预定义标记的接收时间，可以存储时间戳，并将所述时间戳与基准锚点的时间戳进行比较。

在一个或多个实施例中，处理单元被配置成从惯性测量单元接收指示可移动对象的预定朝向的数据。惯性测量单元可以包括在定位系统中和/或其中包括定位系统的相同装置或对象中。使用惯性测量单元有助于预定可移动对象的朝向。因此，根据例如汽车内的可用传感器，可以将接收到的广播时间戳与从汽车内的惯性测量单元(IMU)接收到的数据相组合，这种组合能给出关于汽车的朝向的反馈。

图5示出基于UWB的定位系统500的示意性实施例。定位系统500包括所阐述种类的多个锚点504、506、508和处理单元(未示出)。多个锚点504、506、508和处理单元包括在汽车502中。尽管在此示意性概述中锚点504、506、508位于汽车502的拐角处，但技术人员将了解，锚点504、506、508可以位于汽车502内的更适当位置处。锚点504、506、508被配置成从外部广播设备510接收广播消息。具体地，可能需要最少三个锚点504、506、508来定位汽车502。如果来自更多个锚点504、506、508的数据可用，则将冗余添加到系统500，这产生更好的测量精确度和容错能力。因此，在一个或多个实施例中，多个锚点包括三个或更多个锚点。为简单起见，汽车502的边界沿坐标系统的X轴和Y轴朝向。在这一例子中，例如因为汽车502在导航期间被追踪或由IMU测量，所以已知汽车502的朝向。通过有线或无线同步技术来使汽车上的锚点504、506、508同步。当广播设备发射消息时，附接到汽车502的每个锚点接收消息并生成接收时间戳。这些接收时间戳可以与锚点504、506、508的已知相对位置和广播设备510的绝对位置相组合。组合的信息可以用来设置方程组以用于确定汽车502的位置。

例如，可以基于锚点和广播设备的绝对位置来设置以下方程组：

1_A4-BC...广播设备与A4之间的距离 X_BC...BC的X坐标

1_A3-BC...广播设备与A3之间的距离 Y_BC...BC的Y坐标

1_A2-BC...广播设备与A2之间的距离 Z_BC...BC的Z坐标

X_A4...A4的X坐标 X_A3...A3的X坐标 X_A2...A2的X坐标

Y_A4...A4的Y坐标 Y_A3...A3的Y坐标 Y_A2...A2的Y坐标

Z_A4...A4的Z坐标 Z_A3...A3的Z坐标 Z_A2...A2的Z坐标

可以基于汽车的已知几何形状和锚点的放置进行一些简化。汽车的长度和宽度的变量只是占位符。在实际系统中，锚点可能不会放置在汽车的拐角处；在这种情况下，需要考虑锚点之间的距离而不是汽车长度和宽度。由于已知的汽车高度和已知的锚点放置，因此锚点的Z坐标是已知的。根据汽车的形状，可以将锚点放置在不同高度处。在这种情况下，只要系统已知高度，就可以估计汽车的位置。在这一例子中，可进行以下简化：

X_AP3＝X_AP4+C_长度

Y_AP3＝Y_AP4

X_AP2＝X_AP4

Y_AP2＝Y_AP4+C_宽度

Z_AP2＝Z_AP3＝Z_AP4 C_长度...汽车的长度

C_宽度...汽车的宽度

通过组合所有这些方程，可以得出下文所示的方程组。变量Δl_A3和Δl_A2是针对A3与A4相比以及A2与A4相比的TDOA的占位符，乘以信号传播速度。可以通过同步锚点系统测量这些TDOA。用括号标记方程组中的未知变量。只有两个不同变量是未知的。这意味着可以对方程组求解，且可以在已知汽车的朝向的情况下估计汽车的位置。

图6示出基于UWB的定位系统600的另一示意性实施例。如果汽车的朝向未知，则方程组无法求解，因为相同TDOA可以导致多个位置。图6示出由广播设备604和具有三个附接锚点的汽车602组成的系统600的例子。汽车与锚点之间的距离被称作d1、d2和d3。应了解，即使汽车602具有不同的位置，广播设备604与锚点之间的距离也是相同的。基本上，锚点在虚线上时汽车602的每个位置都会使得广播设备604与锚点之间的距离相同。因此，汽车602在不知道其朝向的情况下无法确定其位置。

如果已知朝向，则可以通过使用上文所示的方程完全明确地确定汽车的位置。应根据汽车的朝向来调整方程组。例如，如果汽车顺时针旋转45°，则应如下文所示调整方程组(方程1-4)。在上文所示的方程中也应考虑这些改变。与调整无关，方程组仍然只有两个未知变量，这意味着它是可以求解的。

X_AP3＝X_AP4+C_长度*cos(45°) (1)

Y_AP3＝Y_AP4+C_长度*sin(-45°) (2)

X_AP2＝X_AP4+C_宽度*sin(45°) (3)

Y_AP2＝X_AP4+C_宽度*cos(45°) (4)

可以使用惯性测量单元(IMU)来确定汽车的朝向，所述惯性测量单元例如借助于磁力计提供关于汽车的绝对朝向的信息。如果无法使用此类基于IMU的系统，则可以通过组合两个广播设备的TDOA测量值来定位汽车。因此，在一个或多个实施例中，每个锚点被配置成通过超宽带通信信道接收另外的广播消息，并且处理单元被配置成基于对应锚点处广播消息的到达时间之间的差以及对应锚点处另外的广播消息的到达时间之间的差来确定可移动对象的朝向。

图7示出基于UWB的定位系统700的又一示意性实施例。所述系统包括被配置成将消息广播到附接至汽车702的三个锚点的两个广播设备704、706。如果组合两个广播设备704、706的测量值，则可以定位汽车702，因为基于接收到的广播消息计算出的可能汽车位置只有一个交叉点。例如，位置1和位置1'是基于单个广播计算出的位置的例子。然而，这些位置并不匹配。计算出的位置2和位置2'是仅有的匹配位置。因此，只存在一种可能的解决方案。这意味着通过组合两个广播设备704、706的消息时间戳可以明确地估计汽车702的位置。由于广播设备704、706两者将无法完全同步地传输，因此接收到的广播消息具有时间偏移。可以在后处理步骤中补偿此时间偏移，具体地，当后处理测得的数据时。

在一个或多个实施例中，广播消息包括已加密内容，其中所述已加密内容已经用私用密钥加密，并且处理单元被配置成使用相应的公钥来解密已加密内容。以此方式，对广播消息进行篡改变得更加困难。因此，所发射的广播可以包含例如用于非安全应用的未加密内容，或所述内容可以被加密以形成信任根。如果应用加密，则应使用不对称加密方案，因为接收广播的汽车应只能解密广播。如果将应用对称加密，则能够解密广播的任何装置也将能够传输广播，这种情况应避免。当应用不对称方案时，每个广播设备具有用于加密消息的不同私用密钥。此外，每个汽车都有广播设备的公钥，用于解密接收到的内容。如果广播内容还包含散列和时间戳，则还可以验证和认证已加密内容。如果攻击者不知道私用密钥，则攻击者只能更改密文。如果攻击者已更改密文，则解密的散列和明文将不再匹配。如果广播消息还包含时间戳，则所述消息只能重复使用预定义的时间量，直到汽车注意到攻击者为了伪造广播设备的角色而重复使用了所述消息。为了比较时间戳，汽车可以使用内部时钟或外部时钟作为时间基准。因此，在一个或多个实施例中，广播消息包含广播时间戳，并且处理单元被配置成在广播时间戳与时间基准的偏差超过预定义阈值的情况下丢弃广播消息。以此方式，提高了安全防护水平。

图8示出基于UWB的导航系统800的示意性实施例。基于UWB的导航系统包括多个锚点802、804、806、后处理单元808、内部基准时钟810、额外物理层(PHY)接口和位置报告系统814。所报告的位置又可以由导航模块(未示出)使用，所述导航模块计算从所报告的位置到目的地的路线。后处理单元808处理由锚点802、804、806生成的信号输出，并且将所述处理的结果传输到位置报导系统814。因此，后处理单元808表示所阐述种类的处理单元。如果接收到广播，则可以对其进行解密，且可以提取包含在明文中的时间戳。可以将此时间戳与内部基准时钟810进行比较。如果内部时钟值与广播时间戳之间的差过大，则丢弃消息。如果时间戳与内部时钟值匹配，则后处理单元808可以开始计算汽车的地理定位。根据由额外PHY接口812接收的数据，此PHY接口812还可以用于生成时间基准，而不是内部基准时钟810。因此，在一个或多个实施例中，时间基准是从通过越界通信信道(例如，额外PHY接口812)接收到的数据得出的时间基准的内部时钟值。使用额外PHY接口812的优点在于，所述时间基准将不受内部基准时钟810的漂移影响，这产生用于系统800的更精确的时间基础。因此，攻击者重复使用已经存在的广播所剩下的时间将更少。

图9示出用于选择主锚点的状态机900的示意性实施例。如果锚点无线地同步，则每个锚点都在主锚点的视线中至关重要。对于此类无线同步，主锚点通常将时间基准信标传输到其它锚点。如果锚点无法接收信标，则由于所述锚点内的漂移时钟，此锚点无法用于TDOA测量。为了避免这种情况，处理单元可以被配置成定期选择所述锚点之一作为主锚点，以用于所述锚点之间的同步处理。通过定期选择新的主锚点，可以选择用于发送信标的最优锚点(即这样的锚点：所有其它锚点都可能会针对所述锚点接收到信标)。图9示出可以如何估计用于无线同步的最佳锚点的例子。如果在UWB导航期间发生太多错误的测量，则启动锚点间TOF测量。基于TOF测量，可以估计信道和相应的第一路径传播延迟。基于已知的第一路径传播时间和信道脉冲响应(CIR)，可以确定用于无线同步的最佳锚点。如果已选择锚点，则基于UWB的导航可以再次开始。如果在导航期间发生太多错误，则信道很可能改变，且应重复确定用于无线同步的最佳锚点的过程。

图10示出基于UWB的定位系统1000的又一示意性实施例。替代所阐述种类的基于TDOA的定位系统，可以设想基于到达角(AOA)的定位系统。在其基本形式中，此基于AOA的定位系统包括：被配置成接收一个或多个广播消息且确定广播消息的到达角的接收器；和被配置成使用广播消息的到达角确定地理定位的处理单元。此基于AOA的定位系统表示如何促进可靠且精确地确定移动对象的地理定位的问题的替代解决方案。

图10示出基于AOA的定位系统1000的例子，所述系统包括三个广播设备1004、1006、1008和AOA装置1002。AOA装置1002接收由广播设备1004、1006、1008发送的广播消息且测量接收到的信号的到达角。使用三角测量技术可以估计AOA装置1002的位置。应注意，对于二维到达角测量，还应考虑不同广播消息的延迟。如果进行二维到达角测量，则将需要三个广播设备来解决每个情境的不明确性。如果可以测量三维到达角，则如果到达角数据与由惯性测量单元提供的数据相组合，一次广播就足以进行定位。否则，与TDOA系统类似，应组合两个不同的广播，且还应考虑广播之间的时间迁移。

本文中所描述的系统和方法可以至少部分地由一个计算机程序或多个计算机程序实施，所述计算机程序可以在单个计算机系统中或跨越多个计算机系统以激活和非激活两种状态呈多种形式存在。例如，它们可以作为由程序指令组成的(一种或多种)软件程序以源代码、目标代码、可实行代码或用于执行一些步骤的其它格式存在。可以在计算机可读介质上以压缩或未压缩形式实施以上格式中的任一格式，所述计算机可读介质可以包括存储装置和信号。

如本文所使用，术语“计算机”是指包括例如通用中央处理单元(CPU)、专用处理器或微控制器等处理器的任何电子装置。计算机能够接收数据(输入)，能够对数据执行一系列预定操作，且由此能够产生呈信息或信号形式的结果(输出)。根据上下文，术语“计算机”将意指(具体来说)处理器或(更一般地)与单个机箱或壳体内容纳的相关元件的组合件相关联的处理器。

术语“处理器”或“处理单元”是指数据处理电路，所述数据处理电路可以是微处理器、协处理器、微控制器、微型计算机、中央处理单元、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑电路，和/或基于存储在存储器中的操作指令来控制信号(模拟信号或数字信号)的任何电路。术语“存储器”是指一个存储电路或多个存储电路，例如只读存储器、随机存取存储器、易失性存储器、非易失性存储器、静态存储器、动态存储器、快闪存储器、高速缓冲存储器和/或存储数字信息的任何电路。

如本文所使用，“计算机可读介质”或“存储介质”可以是能够容纳、存储、传达、传播或传送计算机程序以供指令执行系统、设备或装置使用或结合指令执行系统、设备或装置使用的任何装置。计算机可读介质可以是(例如但不限于)电子、磁性、光学、电磁、红外线或半导体系统、设备、装置或传播介质。计算机可读介质的更具体的例子(非穷尽性列表)可以包括以下各项：具有一根或多根导线的电连接、便携式计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便携式光盘只读存储器(CDROM)、数字多功能光盘(DVD)、蓝光光盘(BD)以及存储器卡。

应注意，已经参考不同的主题描述了以上实施例。具体地说，一些实施例可能是已参考方法类的权利要求来描述的，而其它实施例可能是已参考设备类的权利要求来描述的。然而，本领域的技术人员将从上述内容了解到，除非另有指示，否则除属于一种类型主题的特征的任意组合外，与不同主题相关的特征的任意组合，特别是方法类的权利要求的特征和设备类的权利要求的特征的组合，也视为与此文档一起公开。

此外，应注意图式是示意性的。在不同的图式中，用相同的附图标记表示类似的或完全相同的元件。此外，应注意，为了提供示意性实施例的简洁描述，可能并未描述属于技术人员的习惯做法的实施细节。应了解，在任何此类实施方案的发展中，如在任何工程或设计项目中，必须制定大量实施方案特定的决策以便实现研发者的特定目标，例如遵守系统相关的和业务相关的约束条件，这可能在不同的实施方案中是不同的。另外，应了解，此类开发工作可能是复杂且耗时的，但仍然是本领域的技术人员进行设计、制造和生产的例行任务。

最后，应注意，技术人员应能够在不脱离所附权利要求书的范围的情况下设计许多替代实施例。在权利要求书中，置于圆括号之间的任何附图标记不应解释为限制权利要求。词“包括(comprise/comprising)”不排除在权利要求书中列出的那些元件或步骤之外的元件或步骤的存在。在元件之前的不定冠词“一”或“一个”不排除多个此类元件的存在。权利要求书中所叙述的措施可以借助于包括若干不同元件的硬件和/或借助于适当编程设计的处理器来实施。在列出若干构件的装置权利要求中，可以通过硬件中的同一个物件体现若干这些构件。仅凭在彼此不同的从属权利要求中叙述了某些措施这一事实，并不表示不能有利地使用这些措施的组合。

附图标记列表

100 基于GPS的定位系统

102 车辆

104 卫星

106 卫星

108 建筑物

110 建筑物

200 定位系统

202 锚点

204 锚点

206 锚点

208 锚点

210 处理单元

300 定位方法

302 由多个锚点通过UWB通信信道接收广播消息

304 由处理单元基于对应锚点处广播消息的到达时间之间的差、锚点的相对位置和可移动对象的预定朝向来确定可移动对象的地理定位

400 TDOA测量

402 广播设备

404 锚点

406 锚点

408 锚点

410 时间戳标记

412 到达时间之间的差

414 到达时间之间的差

500 基于UWB的定位系统

502 汽车

504 锚点

506 锚点

508 锚点

510 广播设备

600 基于UWB的定位系统

602 汽车

604 广播设备

700 基于UWB的定位系统

702 汽车

704 广播设备

706 广播设备

800 基于UWB的导航系统

802 锚点

804 锚点

806 锚点

808 后处理单元

810 内部基准时钟

812 额外物理层接口

814 位置报告系统

900 用于选择主锚点的状态机

902 锚点间飞行时间测量

904 信道脉冲响应估计

906 主锚点协商

908 开始基于UWB的导航

910 等待错误的测量

1000 基于UWB的定位系统

1002 到达角装置

1004 广播设备

1006 广播设备

1008 广播设备。