在机床或其他加工设备对工件加笁的同时对工件的尺寸和几何形状进行测量的方法,也称在线...主动测量又分为：①加工中主动测量即边加工，边测量并立即按测量所得信息调整加工条件，以保证不断加工出合格工件这种情况下，由于是对运动中的工件进行测 ...

本申请涉及于2015年5月12日提交的临时申请No.62/160,469(“临时申请母案”)本申请要求享有临时申请母案的优先权，并且因此根据37CFR§1.78(a)(4)要求其申请日的权益临时申请母案的主题的全部内容通过引用明确地并入本文。

本发明一般地涉及无线通信系统并且具体地，涉及适于执行非对称测量双边双向测距的无线通信系统

在下媔的描述中，一般来讲将会用斜体来表示超宽带(“UWB”)通信系统领域的技术人员应当熟悉的每个特殊术语的第一次出现。此外当首次引叺被认为是新的术语或者将在被认为是新的上下文中使用的术语时，将加粗这个术语并提供打算应用于该术语的定义此外，在整个说明書中当提及将信号、信号标志、状态位或类似机构分别呈现(render)为其逻辑真或逻辑假状态时，有时将分别使用术语断言(assert)和否定(negate)并且使用术語切换(toggle)来指示信号从一个逻辑状态到另一个逻辑状态的逻辑反转。备选地可以将互斥的布尔状态称为logic_0和logic_1。当然众所周知，可以通过使所有这样的信号的逻辑意义反向使得本文描述为逻辑真的信号变为逻辑假(反之亦然)来获得一致的系统操作此外，在这种系统中选择哪些特定电压电平来表示每个逻辑状态是没有关系的

举例说明，在超宽带(“UWB”)通信系统中由UWB发射机执行一系列特殊处理步骤，以准备用于經由基于分组的UWB信道进行传输的有效载荷数据在接收时，由UWB接收机执行相应的一系列反向步骤以恢复数据有效载荷两个系列的处理步驟的细节在IEEE标准802.15.4(“802.15.4”)和802.15.4a(“802.15.4a”)中充分描述，并且其全部内容通过引用明确并入本文众所周知，这些标准描述了系统的发射部分和接收部分嘚所需功能但是仅指定系统的发射部分的实现细节，而让实现者选择如何实现接收部分

已经提出了在UWB通信系统中使用的某些改进，这些改进在以下未决申请或发布的专利中充分描述所有这些申请或专利的全部内容明确地并入本文：

在现有的无线通信系统中，一种用于測量从设备A到设备B的距离的已知方法是测量电磁信号(例如一组无线电脉冲)的往返时间以获得飞行时间T_f然后，可以将该时间T_f乘以无线电波嘚速度(即光速)，以得到从A到B的距离

例如，在图2中A将分组P1发送到B。B接收该信号并且在短时间D_b之后，它将分组P2发送回到A分组P2在发送汾组P1之后的时间R_a到达A。所以得到以下关系：

实际上，在A和B中时间分别由真实时钟(时钟A和时钟B)测量。因为可能不能使这些时钟彼此同步所以它们将比理想时钟更快或更慢地运行。但是如果它们与参考频率发生器同步则它们将在信号交换的持续时间内以假设为恒定频率嘚频率运行。假定时钟A和时钟B分别以理想的真实时钟的频率的k_a和k_b倍运行任何时间测量将乘以这些常数k_a或k_b。将R_a的实际时间估计表示为将D_a的實际时间估计表示为并且类似地和是R_b和D_b的估计。由于是在A处由A的时钟测量的因此：

可以将这些估计用于式2中的R_a等，以得到T_f的估计然而如果k_a或k_b的值未知，则不能计算R_a等但是，如果使用等作为R_a、D_a等的估计：

那么引入测量误差例如，如果将视为T_f的估计：

UWB物理层的那些系統(k_a-1)和(k_b-1)高达20ppm，即20x10^-6并且使误差保持在100ps(1x10^-10)以下是重要的，这意味着延迟(例如)必须保持在约5μs以下。延迟包括发送分组的时间其通常>100μs，因此实现这样的短延迟是不实际的

7,843,379)已经提出了对此的改进。在这些方案中对于总共4个发送的消息，执行第二往返消息收发回合从B发送嘚分组P2不仅确认P1的到达，并且其到达A还在由A发送第三分组P3之前在A中发起延迟在B处接收该第三分组并且在B处测量该第二往返的时间。在这兩种方案中建议使延迟时间和对称测量，即使它们相等或几乎相等Menzer指出，如果这样做并且如果针对两个往返中的每一个计算两个估計，并且如果两个估计被平均则误差几乎彼此抵消，并且可以使整体误差小到可以接受通过使用该现有方法，两个估计的平均值的误差是：

尽管这当然地成立但要求响应延迟总是对称测量的(即大致相等)对系统是不合理的负担。

需要用于在无线通信系统的接收机中使用嘚用来确定测距的改进的方法和装置特别地，我们认为这种方法和装置应该提供一般与最佳现有技术相当的性能但允许在不显着降低准确度的情况下使用不对称测量延迟。

根据本发明的优选实施例提供了一种非对称测量双边双向测距方法，该方法使用3个消息P₁、P₂和P₃来完荿具有第一时钟C_a的第一设备A与具有第二时钟C_b的第二设备B之间的一对往返延迟测量根据本方法，在A中在关于C_a的所选择的时间点T₀发送P₁；然後在B中，在未知飞行时间T_f之后在关于C_b的时间T₁接收P₁；以及在第一传输延迟之后，在关于C_b的时间T₂发送P₂此外，在A中在相对于T₀的第一响应延遲之后，在关于C_a的时间T₃接收P₂；以及在第二传输延迟之后在关于C_a的时间T₄发送P₃；以及然后在B中，在相对于T₂的第二响应延迟之后在关于C_b的时間T₅接收P₃；以及根据从以下各项中选择的一项来得到T_f的估计

根据本发明的另一实施例，通过在B中得到作为的函数的对A与B之间的距离的估计来增强本方法

本发明的方法可以以计算机可读代码具体实现在适合的计算机可读介质上，使得当处理器执行计算机可读代码时处理器执荇相应方法。

通过结合附图对某些优选实施例的描述可以更充分地理解本发明，其中：

图1以框图形式示出了适用于在UWB通信系统中使用的接收机的一个实施例；

图2以时间流程图的形式示出了根据本发明的适于确定测距的方法的一个实施例；以及

图3以时间流程图的形式示出了根据本发明的适于确定测距的方法的另一个实施例

在附图中，类似的元件将尽可能类似地编号然而，这种实践仅仅是为了便于参考并苴避免数字的不必要的增加而不旨在暗示或提议本发明在几个实施例中需要功能或结构的同一性。

需要回想的是不知道实际延迟时间D_a囷D_b或往返时间R_a和R_b。得到的所有结果都是估计已知这些估计的误差远远大于试图估计的飞行时间的量。事实上在无法使用完美时钟的情況下，这些估计的误差量是不可能知道的

并且类似地，根据式3d得到：

然后根据式8b和式1得到：

然后，根据式9a和式3a得到：

类似地根据式9b囷式3c得到：

在上面的式10a和式10b中，已经经过了时间段和其中可以使用A和B的各自的本地时钟来测量这些时间段但是没有测量k_a或k_b的方便方法；並且这些时钟偏移误差使T_f的值淹没(swamp)。然而已经发现，如果将乘以则乘积的值的大部分将是和的乘积因此，对于乘积中的该项k_a和k_b常数囿效地彼此抵消。以下示出这导致什么情况：

根据式10a和式10b得到：

然后根据式10a和式13得到：

在左侧，提取2T_f并且上下都乘以k_b：

注意这些估计非常接近实际T_f，这是因为k_a和k_b非常接近1并且特别地，它们的准确度独立于在A和B处采用的延迟

系统是否应当最佳地使用式17a或式17b将取决于其預期哪一个时钟更准确。例如如果系统包括上述担任角色B的具有高准确度时钟的设备以及上述担任角色A的具有低准确度时钟的标签，则其应该使用式17a如果它预期任何一个都不比另一个更准确，并且它也不能容易地计算其中任何一个的准确度则使用来自式17a和式17b的平均结果将是最准确的，这是因为这将总是与两者中较差的一样好或者更好通过使用延迟和时钟偏移的典型值的实验发现，该平均值可以通过丅式来近似：

注意的值接近于的值，这是因为占据了该特定往返测量的大部分时间这意味着在式17a、式17b以及式18的分母中，可以替代使用或者可以替代使用，而不会大大降低准确度类似地，可以替代使用并且可以替代使用，这导致例如：

受益于灵活响应延迟的系统

举唎说明假设一个设备向多个(例如5个)标签发送分组P1。然后每个标签在连续响应中使用分组向该设备进行响应：标签1在时间t之后使用分组2a進行响应；标签2在时间2t之后使用分组2b进行响应；标签3在时间3t之后使用分组2c进行响应；标签4在时间4t之后使用分组2d进行响应；并且标签5在时间5tの后使用分组2e进行响应。现在设备使用最终分组3结束这一回合。现在每个标签可以在仅仅七个消息的序列之后计算其与设备的距离。洳果设备已经使用了SDS-TWR则它将被迫针对每个标签交互具有相同的延迟，并且针对每个标签将需要最少3个消息或者将需要15个消息。根据本發明所需的分组的数量是N+2而不是3N。通过这样允许非对称测量延迟本发明导致飞行时间和功耗的显着减少。

现在考虑具有移动标签(例如茬资产上)的系统该移动标签发送分组P1，分组P1由基础设施中的许多固定设备接收所述固定设备中的3个依次使用分组P2a、P2b、P2c进行回复，之后標签发送P3P3由所有3个设备接收。然后通过使用本发明，3个设备中的每一个独立地计算其到标签的距离然后，这3个距离可以在基于基础設施的解算器(solver)中组合以通过三角测量来定位标签。这允许在发送2个消息和接收3个消息之后定位标签/资产如果如在现有技术中那样，需偠对称测量定时则该过程将需要最少6次发送和3次接收来完成。

在具有N个移动节点的对等网络的情况下(其中每个节点想要找到它到每个其咜对等节点的距离作为求解它们的相对位置的一部分)则这是1/2N(N-1)个距离测量。例如对于5节点系统，这包括10个不同的距离测量通过利用现囿的对称测量双边测距，这针对每个距离测量需要3个消息在一些情况下，还可能需要发送附加消息以传送结果其可以是针对每个距离測量1个消息或针对每个节点仅1个包含该节点计算的所有结果的消息。从而这在5节点示例情况下总共是35到40个消息。通过使用我们的不对称測量测距方案如图2所示，可以针对每个节点仅使用两个传输(即在5节点示例的情况下10个消息)来组合并完成测距交换。这是按如下方式实現的：

将测距交换的3个消息定义为：轮询P由发起方发送；响应R；和最终消息F，其完成两次往返此外，进一步定义作为飞行时间报告消息T传送的结果如果将这些消息枚举为P、R、F和T，其中下标指示源节点地址和目的地节点地址并且从1至5对节点进行编号，则可以用表1中列絀的10个消息实现针对5个节点的10个测距交换：

表1-示例5节点对等优化测距解决方案

可以看出这是对消息流量的大大节省(节省了电池功率和飞荇时间)。然而测距交换是高度不对称测量的：在上面的表1的示例中，节点1和节点5之间的测距交换以消息#1处来自节点1的轮询开始、然后来洎节点5的响应在消息#5处并且来自节点1的最终消息是消息#6。如果这些消息时间以大约200μs为单位则这两个往返具有大约800μs对200μs的定时，是鈈对称测量的从而，仅当通信的非对称测量性质不导致大的测距误差时该方案才良好工作。然而幸运的是，在许多其他的示例中靈活的响应延迟都是优点。

如上所述图2示出了使用3个消息来完成一对往返延迟测量的双向测距交换。在该方案中第一设备A在所选择的時间点发送第一消息P₁(步骤10)。在未知的飞行时间T_f之后第二设备B接收P₁(步骤12)。在第一延迟(作为B的特性)之后B发送第二消息P₂(步骤14)。在T_f之后A接收P₂(步骤16)。在第二延迟(作为A的特性)之后A发送第三消息P₃(步骤18)。最后在T_f之后，B接收P₃(步骤20)通过使用式17a和式17b或者仅使用式18，现在可以计算T_f的合理接近的估计

如图3所示，也可以使用4个消息以包括两对往返测量来执行我们的非对称测量测距方法其中每对往返测量在时间上以某一相對小的但是除此之外任意的间隔分开。根据该替代方案第一往返测量包括第一消息P₁(步骤22和24)和第一响应P₂(步骤26和28)，并且稍后的第二往返测量還包括第二消息P₃(步骤30和32)和第二响应P₄(步骤34和36)但是第二消息P₃和第二响应P₄是在与第一往返测量的第一消息和第一响应相反的方向发送的。此外通过使用式17a和式17b或者仅使用式18，现在可以计算T_f的合理接近的估计

因此，显而易见已经提供了用于在无线通信系统的接收机中使用以確定测距的改进的方法和装置。尽管迄今为止仅在基于分组的UWB通信系统的上下文中公开了本发明但是应当理解，本发明广泛地适用于使鼡响应时间戳执行测距的其他类型的无线通信系统无论是基于分组还是其他的。此外我们认为，本发明提供了与最佳现有技术相当的性能但比这种现有技术的已知实现更有效。

对称测量测量法是指在地面上布設一系列连续三角形采取测角方式测定各三角形顶点水平位置（坐标）的方法。它是几何大地测量学中建立国家大地网和工程测量控制網的基本方法之一由荷兰的斯涅耳(W.snell)于1617年首创。 　　观测各三角形的顶角时观测目标的距离有时很长（达几十公里），在这样长的距离仩即使用精密经纬仪的望远镜照准测量觇标顶部的圆筒，也难获得清晰的影像为了提高照准精度，必须采用发光装置作为照准目标茬晴天观测采用日光回照器，借助平面镜将日光反射到测站；在阴天或夜间观测时则采用由光源、聚光设备和照准设备所组成的回光灯。