用于近场电磁测距的系统和方法

1.一种用于测量第一位置和第二位置之间距离的系统，所述系统包含：
(a)定位于所述第一位置并发射电磁信号的信标设备；以及
(b)定位于所述第二位置并接收所述电磁信号的定位器设备，
其中所述定位器设备被定位于所述电磁信号的近场范围之内离所述信标 设备一距离处；所述定位器设备区分在所述第二位置处感应到的所述电磁信 号的至少两个特征；和所述定位器设备利用所述至少两个特征实现所述测量。
2.根据权利要求1所述的用于测量第一位置和第二位置之间距离的系统，其 中所述至少两个特征是：与所述电磁信号的磁场分量成比例的第一信号特征， 以及与所述电磁信号的电场分量成比例的第二信号特征。
3.根据权利要求2所述的用于测量第一位置和第二位置之间距离的系 统，其中所述定位器设备通过测量所述电磁信号的所述磁场分量和所述电场 分量之间的相差以及利用所述相差确定所述距离来实现所述测量。
4.根据权利要求1所述的用于测量第一位置和第二位置之间距离的系 统，其中所述信标设备和所述定位器设备耦合在单一组装中。
5.根据权利要求2所述的用于测量第一位置和第二位置之间距离的系 统，其中所述信标设备和所述定位器设备耦合在单一组装中。
6.根据权利要求1所述的用于测量第一位置和第二位置之间距离的系 统，其中所述信标设备响应于接收到来自所述定位器设备的询问信号，发射 所述电磁信号。
7.根据权利要求1所述的用于测量第一位置和第二位置之间距离的系 统，其中所述系统包括至少一个另外的定位器设备以在系统中包括至少n个 定位器设备，所述至少n个定位器设备实现对所述信标设备的测量，以在n 维下探知所述信标设备的位置。
8.根据权利要求4所述的用于测量第一位置和第二位置之间距离的系 统，其中所述至少两个特征是：与所述电磁信号的磁场分量成比例的第一信 号特征，以及与所述电磁信号的电场分量成比例的第二信号特征；所述定位 器设备通过测量所述磁场分量和所述电场分量之间的相差并利用所述相差确 定所述距离来实现所述测量。
9.根据权利要求6所述的用于测量第一位置和第二位置之间距离的系 统，其中所述至少两个特征是：与所述电磁信号的磁场分量成比例的第一信 号特征，以及与所述电磁信号的电场分量成比例的第二信号特征；所述定位 器设备通过测量所述磁场分量和所述电场分量之间的相差并利用所述相差确 定所述距离来实现所述测量。
10.根据权利要求7所述的用于测量第一位置和第二位置之间距离的系 统，其中所述至少两个特征是：与所述电磁信号的磁场分量成比例的第一信 号特征，以及与所述电磁信号的电场分量成比例的第二信号特征；所述至少 n个定位器设备中的每个相应定位器设备通过测量所述磁场分量和所述电场 分量之间的相差并利用所述相差确定所述距离来实现所述测量。
11.一种用于实现电磁测距的装置，所述装置包含：
(a)发射机设备，用于发射电磁波；
(b)接收机设备，用于接收所述电磁波，其中所述接收机设备被定位于所 述电磁信号的近场范围之内离所述信标设备一距离处；所述接收机设备包含： 第一接收机装置，用于检测所述电磁波的第一特征，以及基本与所述第一接 收机装置并列放置的第二接收机装置，用于检测所述电磁波的第二特征；
(c)与所述接收机设备耦合的测量设备，用于测量所述第一特征和所述第 二特征之间的差；以及
(d)与所述测量设备耦合的确定设备，用于利用所述差计算所述距离。
12.根据权利要求11所述的用于实现电磁测距的装置，其中所述第一特 征是与所述电磁波的磁场分量成比例的第一信号特征，以及所述第二特征是 与所述电磁波的电场分量成比例的第二信号特征；所述差是所述磁场分量和 所述电场分量之间的相差；以及所述确定设备利用所述相差计算所述距离。
13.根据权利要求11所述的用于实现电磁测距的装置，其中所述发射机 设备响应于接收到来自所述接收机设备的询问信号，发射所述电磁波。
14.根据权利要求13所述的用于实现电磁测距的装置，其中所述第一特 征是与所述电磁波的磁场分量成比例的第一信号特征，以及所述第二特征是 与所述电磁波的电场分量成比例的第二信号特征；所述差是所述磁场分量和 所述电场分量之间的相差；以及所述确定装置利用所述相差计算所述距离。
15.一种用于测量第一位置和第二位置之间距离的方法，所述方法包含 步骤：
(a)从所述第一位置发射电磁波；
(b)在所述第二位置接收所述电磁波，其中所述第二位置在所述电磁波的 近场距离之内；
(c)以不特定的顺序：
(1)在所述第二位置检测所述电磁波的第一特征；以及
(2)在所述第二位置检测所述电磁波的第二特征；
(d)在第二位置处测量所述第一特征和所述第二特征之间的差；以及
(e)利用所述差计算所述距离。
16.根据权利要求15所述的用于测量第一位置和第二位置之间距离的方 法，其中所述第一特征是与所述电磁波的磁场分量成比例的第一信号特征， 以及所述第二特征是与所述电磁波的电场分量成比例的第二信号特征；以及 所述差是所述磁场分量和所述电场分量之间的相差。
17.根据权利要求15所述的用于测量第一位置和第二位置之间距离的方 法，其中所述发射响应于接收到询问信号所述电磁波发生。
18.根据权利要求17所述的用于测量第一位置和第二位置之间距离的方 法，其中所述第一特征是与所述电磁波的磁场分量成比例的第一信号特征， 以及所述第二特征是与所述电磁波的电场分量成比例的第二信号特征；以及 所述差是所述磁场分量和所述电场分量之间的相差。

技术领域\n本发明通常涉及利用近场电磁信号行为测量距离或测距，并且特别涉及 一种估计发射机或信标和接收机或定位器之间的距离的系统和方法。更特别 地，本发明描述了一种装置，用于确定到只发射(transmit-only)信标的距离， 而不要求同步，并且不依赖信号幅度中的变化。本发明可以有利地用作下述 更通用系统的一部分，该系统用于确定位置(距离和方向)或用于跟踪(接近实 时地确定位置)。\n背景技术\n有关技术\n在本领域公知用于使用电磁信号确定方向和距离的各种技术，。这些技术 有时称为无线定向和无线测距。Jenkins提供了对无线定向中技术发展水平的 良好总结。[ Small-Aperture Radio Direction-Finding，by Herndon H.Jenkins； Artech House，Boston；1991；pp.1-23.]\n到达的时差和相差角\n用于无线定向的一种技术称为到达的时差(time difference of arrival， TDOA)。这种技术使用一对以基线距离相隔的共极天线。以垂直于基线的方 向入射的到来信号由两个天线同时接收。当入射方向不垂直于基线时，一个 天线将先于另一个接收到信号。每个天线的信号到达时间的差别可以与入射 角有关。等价地，可以以类似于相差的方式处理该到达时间的差别。使用这 种技术，可以确定入射平面波的到达方向。这种TDOA技术可以推广应用到 接收天线在已知位置的网络。通过比较在每个接收天线信号的到达时间，可 以确定入射平面波的方向。在很多(但不必所有)情况下，到来的平面波到达的 方向是目标发射机存在的方向。这样的无线定向系统的早期示例包括由J.S. Stone(美国专利No.716,134；美国专利No.716,135；美国专利No.899,272；美 国专利No.961,265)和Roos(美国专利No.984,108)公开的定向系统。本领域 当前普遍理解的方式的用于到达角的相位检测，由Fritz(美国专利No. 2,160,135)，由Rung(美国专利No.2,234,654)和由Budenbom(美国专利No. 2,423,437)公开。使用相差的3-D无线定向由Jansky(美国专利No.2,437,695) 公开。Lioio等(美国专利No.5,724,047)公开了相位和时间差别无线定向系统。\n天线方向图到达角\n用于无线定向的另一种技术涉及使用其响应作为角度的函数变化的天 线。在一种实现中，人们可以使用定向天线，它在特定的轴(boresight)或最大 信号强度的方向具有相对窄的束宽。改变天线的方向，直到接收到的信号最 大，从而天线的轴和到来信号的方向对准。在替代性的实现中，人们可以使 用这样的天线，它在特定的零向(null direction)或最小信号强度的方向具有零 值。\n在一个早期发明中，Erskine等(美国专利No.1,342,257)公开了环形天线 的使用，它围绕位于环的平面中的轴旋转。Robinson(美国专利No.1,357,210) 公开了类似的装置，它允许在接收信号时找到最小值或零。可以将具有正交 轴的两个环形天线电结合，以便产生指向信号最大值(或最小值)方向的虚拟天 线。Bellini(美国专利No.1,297,313)公开了电容性的结合布置或测角器，以及 Goldschmidt等(美国专利No.1,717,679)公开了变压器或感应耦合测角器。可 以将电小环形或电小鞭状(或偶极)天线结合，以产生在特殊的方位角方向具有 明显零值的cardiod类型方向图。天线的方向可以改变，直到使接收到的信号 最小，则零方向与到来信号的方向对准。Taylor(美国专利No.1,991,473)、 Bailey(美国专利No.1,839,290)和Busignies(美国专利No.1,741,282)公开了这 种技术的示例。Fischer(美国专利No.2,539,413)还公开了对来自定向天线信 号进行结合的测角器技术\n幅度比较到达角\n用于确定无线电波的到达角的另一种技术是幅度比较到达角。比较两个 或更多天线的信号幅度，以便确定到达角。例如如果第一个天线信号幅度很 大并且第二个天线信号幅度很小，人们可以推断无线电波从第一个天线的方 向图最大值和第二个天线的方向图最小值方向到达。如果信号是大小相当的， 那么无线电波可能从两个天线的方向图具有相当的方向性的方向到达。这类 似于已经提到的传统的测角器到达角技术。这种技术的示例包括由Earp(美国 专利No.2,213,273)、Wagstaffe(美国专利No.2,213,874)、Budenbom(美国专利 No.2,234,587)和Clark(美国专利No.2,524,768)公开的内容。\n多普勒(Doppler)到达角\n用于无线定向的另一种技术利用多普勒-斐索(Doppler-Fizeau)效应。 如果接收天线围绕垂直于到来信号的方向的轴高速旋转，那么那个到来信号 当接收天线向到来信号的方向移动时频率变大，并且当接收天线背离到来信 号的方向移动时频率变小。实际上，以足够高的角速度旋转天线以容易地观 察这个效应是不可行的。而是，可以放置许多接收天线在圆圈中，并且高速 地顺序扫描并采样以模拟旋转。Earp(美国专利No.2,651,774)和Steiner(美国 专利No.3,025,522)公开了这样的系统。\n混合到达角\n在上文讨论的用于进行到达角测量的现有技术可以有利地结合。例如， Edwards等(美国专利No.2,419,946)公开了在无线定向系统中幅度和相位比较 的结合。Murphy等(美国专利No.5,541,608)公开了在无线定向系统中结合幅 度和相位比较。Murphy等未利用他们公开的机构来测量范围或距离，并且他 们未利用如本发明讲授的电磁信号的近场行为。\n三角测量\n从两个或更多分散位置的网络，各种无线定向系统测量使得可以确定目 标发射机的位置。通过其可以实现该任务的一种技术利用了三角测量。例如， 如果从三个已知位置已经确定到目标发射机的方向，则可以在图上绘出三个 方向的方位，并且目标发射机的位置在方位的交叉点，或者在由方位的交叉 点界定的三角形区域附近。Maloney等(美国专利No.4,728,959)公开这样的系 统的示例。\n无线测距\n无线测距可以从定向测量的集合，由三角测量完成。但是，这个现有测 距技术的缺点是：即使获得单个范围或距离计算也要求从至少两个不同位置 的进行测量。为了获得可靠的距离确定，位置必须由基线分开，而其是要测 量距离的重要部分。\n雷达\n存在多种可以测量距离的其它方法。一种技术是无线检测和测距 (RADAR)，如由Plaistowe(美国专利No.2,207,267)公开的。雷达技术依赖于信 号从目标的散射。雷达在检测开阔天空中的飞机或海洋表面的船只中工作得 很好，但是当跟踪的目标处于充满散射体的混乱的环境中时，雷达检测变得 越来越困难，该散射体与希望跟踪的目标的横截面相当。\n被动标签(passive tag)测距\n被动合作的目标、被动转发器(transponder)或被动标签产生比用不合作的 雷达目标达到的性能更好的性能。在被动标签测距系统中，发射机放射由被 动转发器接收的信号。被动转发器获得接收到的能量并再次发射信号。再次 发射的信号在最初的发射机接收并和最初发射的信号比较。这个比较可能涉 及相位、时间延迟或其它能够进行距离测量的发射和接收信号间的比较。 Lichtenberg等(美国专利No.4,757,315)公开了这样的系统的示例。被动标签测 距的缺点是：由于由标签获得的可用于再次发射的低功率，有效距离往往是 相对较短。\n主动转发器测距\n主动合作目标一般在测距操作中比被动目标更有效。主动转发器倾听特 殊的询问(interrogaroty)信号，并且用特殊的应答信号响应。应答信号的频率 不必和询问信号相同，并且返回信号的强度不依赖于由目标接收到的询问信 号的强度。这种技术可以称为主动转发器测距。从询问发射机到转发器并且 回到接收机的运动时间，可以由最初的发射信号和从远程转发器接收到的信 号的相位比较确定。在一些实施例中，相位比较可以由施加到询问信号和应 答信号上的调制执行。知道信号的波速，运动时间可以转化为距离。转发器 类型测距系统的示例包括由Green(美国专利No.1,750,668)、Nicolson(美国专 利No.1,945,952)、Gunn(美国专利No.2,134,716)、Holmes(美国专利 No.2,198,113)和Strobel(美国专利No.2,248,727)公开的内容。Deloraine等(美 国专利No.2,408,048)公开了在转发器测距系统中使用时间调制脉冲的系统。 Nosker(美国专利No.2,470,787)公开了使用转发器测距的3-D位置测量的系 统，以及Williams(美国专利No.3,243,812)公开了特别简单的转发器系统，涉 及发射信号和接收的转发器信号间相位比较的周期计数。转发器测距的缺点 是它要求主动目标接收信号，并且返回信号的发射一般受接收到的询问信号 的一些性质影响。\n只发射测距\n更简单的只发射测距方案使用只发射目标。实现只发射测距系统的一种 方法是测量从已知发射功率的发射机接收到的信号的幅度。这种无线测距的 幅度测距方法由Forest(美国专利No.749,436；美国专利No.758,517；美国专利 No.1,183,802)公开。在某些情况下，幅度以可预测的方式随到接收机的距离 减小。例如在自由空间中，接收到的功率随距离平方倒数变化。知道发射功 率、接收功率和天线的性质，人们可以使用诸如Friis定律的已知关系推断距 离。\nFriis定律给出了远场RF链路中发射功率(PTX)和接收功率(PRX)的关系：\n$P_{\mathrm{RX}}=P_{\mathrm{TX}}\frac{G_{\mathrm{TX}}{G}_{\mathrm{RX}}{\lambda }^2}{4{\pi }^2{r}^2}---\left[1\right]$\n其中，GTX是发射天线增益，\nGRX是接收天线增益，\nλ是RF波长，以及\nr是发射机和接收机间的距离。\n功率作为距离平方的倒数 在远场下降(roll off)(即，功率随距离增加 而减小)。近场链路不遵守这个关系。近场功率以高于平方倒数的幂下降(roll off)，典型地四次 或更高的倒数。\n这个近场行为有几个重要结果。第一，近场链路中可得到的功率往往是 远高于将从通常的远场Friis定律关系预测的。这导致更高的信噪比(SNR)和 更好的执行链路。第二，因为近场具有这样的相对快的功率roll off，所以距 离往往是相对限定的和有限的。这样，近场系统较少可能与另一个RF系统 相干扰，该RF系统运行于近场系统的操作距离之外。\n从接收到的信号功率或幅度推断距离是最成问题的。尽管有困难，但幅 度测距系统仍然被使用。例如，Moulin(美国专利No.5,955,982)公开了一种方 法和设备，用于检测和定位埋在雪崩下的人，其中信号幅度用于定位雪崩受 害人。\n存在各种其它方法，通过这些方法接收机可以从只发射目标获得距离信 息。Ranger(美国专利No.1,639,667)公开了在发射机和在远程接收机的同步振 荡器的想法。接收机可以比较360°相移的数目或每单位时间的敲击数，以推 断距离的变化。在一系列发明中，Gage(美国专利No.1,825,531；美国专利 No.1,939,685；美国专利No.1,939,686；Patent No.1,961,757)公开了以不同频 率发射具有不同传播特征和不同衰减常数的一对信号。通过比较接收到的信 号的幅度比，可以推断距离。Runge(美国专利No.2,134,535)公开了着眼于接 收信号中直接或反射射线的重叠，推断到发射机的距离。Herson(美国专利 No.2,314,883)公开了为推断距离，估计接收到的信号的幅度变化速度。 Hammerquist(美国专利No.4,788,548)公开了多信道接收机，用于进行相位测 量，它允许要进行的距离测量。更近的，Sullivan(美国专利No.5,999,131)公 开了一种隔离来自发射机的直接路径信号的接收机的网络。网络中接收机间 的相对相差测量转换为用于定位发射机的差分距离估计。Sullivan的系统具有 这样的缺点：要求共同的时间基准或网络中所有接收机间的同步。\n如果发射机和接收机同步了，那么在接收机的精确的相位测量可以产生 距离信息，一直到360°相位不确定性。换句话说，相对于波长的开始和结束， 同步的接收机可以确定发射机的位置，但是不能确定是否发射机的位置位于 (例如)第七个或第八个或某个其它波长的距离内。如果最初由其它装置确定发 射机的绝对(或参考)位置，那么接收机可以跟踪发射机相对于建立的参考的位 置的变化。精确同步对在这样的系统中获得有意义的距离信息是基本的。只 发射目标和接收机间的任何时钟漂移导致距离误差。但是实际上，精确同步 是非常困难的，并且实现起来经常很昂贵。\n使用同步的接收机的网络，只发射测距也可以用不同步的只发射目标实 现。接收相位中的相对差别可以转换为位置的相对差别，受制于360°相位模 糊。\n所有这些只发射测距方法依赖于下述“远场”假定：人们必须假定只发 射目标和接收机位置相距至少半个波长。如果只发射目标和接收机互相距离 半个波长内或更小，那么近场模糊使确定精确的距离困难。\n只发射测距系统的简单是吸引人的。但是，现有的只发射测距系统受困 于显著的缺点。一些只发射测距系统依赖于接收机网络的精确同步，它往往 是实现起来复杂、困难和昂贵的。为了通过时间乘以信号速度计算距离，一 些只发射测距系统依赖于发射和接收之间精确的时间测量。一些只发射测距 系统依赖于发射机和接收机的同样困难的同步。可以确定绝对距离之前，一 些只发射测距系统依赖于将发射机校准到已知位置。一些只发射测距系统依 赖于现实世界中很少得到的距离和幅度间可预测的变化。\n就发明者所知，现有技术的电磁跟踪和测距系统依赖于远场：辐射的电 磁场在波长或(通常)更远的量级的距离接收。甚至诸如公开了在波长或更小量 级的距离的操作的Ranger(美国专利No.1,639,667)的发明者，也暗示假定远 场信号行为。没有发明者已知的现有技术的测距系统在执行测距或距离测量 中利用近场信号现象。本发明有利地利用近场信号现象，并且没有在现有技 术的测距系统中提到的依赖和缺点。\n历史环境\n一些最早的无线通信系统涉及近场或感应耦合。一个示例涉及移动的火 车和邻近的电报线之间的耦合电报信号。随着赫兹(Herz)的发现(由这样的革 新者如马克尼(Marconi)、洛奇(Lodge)和特斯拉(Tesla)实现)，RF开发的压倒 性的重点集中到长距离、远场系统。由同时代的标准，频率相对低。最早的 开发在低频(LF)带(30kHz-300kHz)，并且不久前进到中频(MF)带(300kHz -3MHz)，一些前沿工作扩展到高频(HF)带(3-30MHz)。这个工作面向完全 根据经验的东西。工程师专注于用于发射和接收信号的实际技术。几乎没做 什么工作来定义或理解基本物理学，该基本物理学使无线频率(RF)技术成为 可能。例如，1932年杰出的RF专家Frederic Ternan可以说：“对从电路辐射 能量的机制和量化表示该辐射的方程推导的理解包括普通工程师不熟悉的概 念”[ Radio Engineering，First Edition，by Frederic Emmons Terman；McGraw Hill， Book Co.Inc.，New York；1932；p.494.]。那时RF技术的前沿刚刚开始探索甚 高频(VHF)带(30MHz-300MHz)的较低端。那个时期的一本课本提供了频谱 图，它以“30,000kHz-60,000kHz：实验用和业余用；＞60,000kHz：现在没 有用”结束[ Radio Physics Course，Second Edition，by Alfred A.Ghirardi；Farrar & Rinehart，Inc.，New York；1942；p.330.]。\n无线定向和测距继续集中在长距离、远场应用，如为飞机的无线导航和 无线引导系统。日本人在他们对珍珠港的攻击中导向目标追踪火奴鲁鲁无线 基站[ Joe Carr’s Loop Antenna Handbook，First Edition，by Joseph J.Carr； Universal Radio Research，Reynoldsburg，Ohio；1999；p.85.]。只有在1940’s，随 着雷达的开发，RF技术中理论的强调赶上了长时间的经验的强调。但是到那 时，RF前沿已经迅速经过VHF和UHF，并移动到微波。LF、MF和甚至HF 带日益成为远离大多数RF工程师活跃的注意力的死水。\n简而言之，当RF工程师开始主动应用基本电磁理论时，RF工程师没有 主动集中应用这个理论到在低频的无线测距问题，如LF、MF和HF带中的 那些。大体上，RF技术中压倒性的重点趋向在超过波长的范围运转的远场系 统而不是在大约波长的范围内运转的近场系统\n低频率具有超出高频率的某些优势。低频率往往在障碍物周围更好地衍 射，因此可以用于非视线应用，如在山上或围绕建筑物。因为与较低频率相 关联的较长的波长，所以与高频率相比，多径干扰远不是大问题。进而，低 频率往往更能穿透树叶和典型的建筑材料，如木头、砖或混凝土。低频率RF 电路往往更容易制造，并更鲁棒(robust)。用在低RF频率的元件比那些用在 高频率的往往更便宜并可更容易得到。\n大约波长范围内的近场中的操作也产生某些优势。近场信号水平往往远 高于从通常的距离平方的倒数 的远场辐射关系预测的。相比之下，近场 中的信号水平比远场中减小得更快，强度上作为 的函数减小。结果，相 邻的近场系统间的电磁干扰问题较小，使得在比从通常的远场预测所期望的 更小的单元大小中，更容易重用相同的频率。简而言之，电磁场在近场和远 场中行为不同，并且发明者已经发现某些电磁参数的连续和可预测的变化可 以用作穿过近场到远场途中的信号，以确定范围或距离信息。\n尽管这些近场优势，就发明者所知，没有现有技术描述这样的系统：其 中，利用近场信号现象和当它们从近场转变为远场行为时那些现象的可预测 的行为，以便得到范围或距离信息。\n存在对电磁测距装置和方法的需要，该装置和方法可以异步地操作，不 要求发射机到接收机的同步，或者接收机的网络中的同步。\n存在对电磁测距装置和方法更进一步的需要，该装置和方法可以没有难 使用的和长时间的校准过程而操作，在很多种传播环境中可能有用。\n存在对电磁测距装置和方法的另一个需要，该装置和方法可以用作场所 (location)或位置(position)跟踪系统的一部分。\n还存在对系统和方法更进一步的需要，该系统和方法用于发现到位置未 知的电磁信号源的距离或它的位置。\n还存在对电磁测距的系统和方法更进一步的需要，该系统和方法使用相 对低的频率操作，并且利用近场的特征。\n发明内容\n一种用于测量第一位置和第二位置之间距离的系统包括：(a)至少一个信 标设备；至少一个信标设备中的各信标设备位于第一位置并发射各电磁信号； 以及(b)至少一个定位器设备；至少一个定位器设备中的各定位器设备位于第 二位置并接收各电磁信号。各定位器设备到各信标设备的距离在各电磁信号 的近场距离内。各定位器设备区别各电磁信号的至少两个特征。各定位器设 备利用至少两个特征来实现测量。\n一种用于测量第一位置和第二位置之间距离的方法包括步骤：(a)：从第 一位置发射电磁信号；(b)在第二位置接收电磁波；第二位置在电磁信号的近 场范围内；(c)以不特定的顺序：(1)检测电磁信号的第一个特征；以及(2)检测 电磁信号的第二个特征；(d)测量第一个特征和第二个特征之间的差别；以及 (e)利用差别来计算距离。\n本发明的电磁测距装置利用近场电磁行为来测量发射信标和接收定位器 之间的距离。定位器包括：(a)对电(E)场敏感的第一接收天线，(b)对磁(H)场 敏感的第二接收天线，(c)用于接收来自第一接收天线的第一信号的装置，(d) 用于接收来自第二接收天线的第二信号的装置，(e)用于确定第一信号和第二 信号之间差别的装置，以及(f)用于使用差别确定从定位器到信标的距离的装 置。\n本发明说明可以利用电和磁场之间的相位差来确定到信标，如发射机或 其它电磁波或信号源的距离。典型的实现可以确定大约0.05λ和0.50λ之间的 到信标的距离，其中λ是由信标发射的电磁信号的波长。本发明更高性能的实 现可以操作在比0.05λ更小和比0.50λ更大的距离。\n本发明的目的是提供一种电磁测距装置和方法，可以异步地操作该装置 和方法，而不要求发射机到接收机的同步或接收机的网络中的同步。\n本发明的进一步的目标是提供一种电磁测距装置和方法，可以操作该装 置和方法，而没有难使用的和长时间的校准过程，该装置和方法在很多种传 播环境中有用。\n本发明的另一个目的是提供一种电磁测距装置和方法，该装置和方法可 以用作场所或位置跟踪系统的一部分。\n本发明的另外的目的是提供一种系统和方法，用于找到到位置未知的电 磁波的源的距离或它的位置。\n本发明的另一个目的是提供一种电磁测距的系统和方法，该系统和方法 使用相对低的频率操作，并利用近场的特征。\n由下面的说明书和权利要求书，并结合图示本发明的优选实施例的附图， 本发明的进一步的目的和特征将是清楚的，在附图中，在各图中使用类似的 标号标注类似的元件。\n附图说明\n图1是对于自由空间中的理想的电小环形，作为距离函数的电和磁场相 位关系的图形表示。\n图2是近场测距系统的使操作距离和频率相联系的表格。\n图3是用于通过比较电和磁场正交相位近场测距的系统的示意图。\n图4是用于通过比较电和磁场同相相位近场测距的系统的示意图。\n图5是用于通过比较电和磁场相位近场测距的系统的示意图。\n图6是下述系统的优选实施例的细节的示意图，该系统用于通过比较电 和磁场相位近场测距。\n图7是下述系统的示意图，该系统将信标和定位器功能结合在单个的单 一设备中，用于通过比较电和磁场相位近场测距。\n图8是用于下述近场测距系统的代表性的天线配置的示意图，该系统具 有垂直极化信标和垂直极化全向定位器。\n图9是用于下述近场测距系统的代表性的天线配置的示意图，该系统具 有水平极化信标和水平极化全向定位器。\n图10是用于下述近场测距系统的代表性的天线配置的示意图，该系统具 有垂直极化信标和垂直极化定向定位器。\n图11是用于下述近场测距系统的代表性的天线配置的示意图，该系统具 有水平极化信标和水平极化定向定位器。\n图12是图示电磁测距系统中的示例性接收机的细节的示意图。\n图13是图示根据固定信标-移动定位器结构配置的近场测距系统的示 意图。\n图14是图示根据固定/移动定位器-移动信标结构配置的近场测距系统 的示意图。\n图15是图示根据交互(reciprocal)的信标-定位器结构配置的近场测距系 统的示意图。\n图16是图示使用被动标签结构配置的近场测距系统的示意图。\n图17是图示使用近场远程感应结构配置的近场测距系统的示意图。\n图l8是图示本发明的方法的流程图。\n具体实施方式\n发明概览\n现在将参考附图更完整详细地描述本发明，在附图中示出了本发明的优 选实施例。但是，本发明不应该被认为局限于这里提出的实施例，相反提供 这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并且将本发明的范围完全传达给 本领域技术人员。贯穿始终，类似的标号指类似的元件。\n分析模型\n假定只发射目标使用表现类似于时域磁偶极子的小环形天线。磁偶极子 可以认为是区域A的小电流环路，并且是依赖时间的电流I＝I0T(t)，其中I0 是初始或特征电流，以及T(t)是时间相依。假定偶极子位于x-y平面，以原 点为中心，它的轴在z方向。偶极子的磁矩m是：m＝A I0T(t)，或m＝m0T(t)。 这个小环路的磁场或“H-field”是：\n$H\left(t\right)=\frac{m_0}{{4\mathrm{\pi r}}^2}(\frac{T}{r}+\frac{T}{c})+(2\cos \theta \hat{r}+\sin \theta \hat{\theta })+\frac{m_0\stackrel{··}{T}\sin \theta }{{4\mathrm{\pi c}}^{2}r}\hat{\theta }---\left[2\right]$\n以及电场或“E-field”是：\n\n其中r是到原点的距离，c是光速，ε0是自由空间的磁导率，对时间的 导数由点表示。假定正弦激励T(t)＝sinωt，其中ω是角频率：ω＝2πf。那 么 $T=\omega \cos \mathrm{\omega t},$ $T=-{\omega }^2\sin \mathrm{\omega t}$\n$H\left(t\right)=\frac{m_0}{{4\mathrm{\pi r}}^2}(\frac{\sin \mathrm{\omega t}}{r}+\frac{\omega \cos \mathrm{\omega t}}{c})(2\cos \theta \hat{r}+\sin \theta \hat{\theta })\frac{m_0{\omega }^2\sin \omega t\sin \theta }{{4\mathrm{\pi c}}^{2}r}\hat{\theta }---\left[4\right]$\n以及：\n\n存在各种可以从近场得到距离信息的方法。例如，人们可以比较第一个 场的纵向或径向 分量和第一个场的横向分量( 或 )。人们可以比较第一个 场的纵向或径向 分量和第二个场的横向分量( 或 )。人们可以比较第一个 场的纵向或径向 分量和第一个场的纵向或径向 分量。人们可以比较第一 个场的纵向或径向 分量和第二个场的纵向或径向 分量。人们可以比较第 一个场的横向分量( 或 )和第一个场的横向分量( 或 )。人们可以比较第一 个场的横向分量( 或 )和第二个场的横向分量( 或 )。这些比较可以包括相 位的比较、幅度的比较或其它信号性质的比较。\n发明者已经发现一个特别有利和有用的比较是电磁波的电分量的相位 和电磁波的磁分量的相位的比较。\n对这个自由空间的理想小环路，作为距离的函数的以度数表示的电场(E -field)相位是：\n${\phi }_E=\frac{180}{\pi }(\frac{\mathrm{\omega r}}{c}+{\cot }^{-1}\frac{\mathrm{\omega r}}{c})---\left[6\right]$\n作为距离的函数的以度数表示的横向H-field相位是：\n${\phi }_H=\frac{180}{\pi }(\frac{\mathrm{\omega r}}{c}+{\cot }^{-1}(\frac{\mathrm{\omega r}}{c}-\frac{c}{\mathrm{\omega r}}))---\left[7\right]$\n注意方程[6]在距离 $r=\frac{1}{2\pi }\lambda$ 具有分支切割。相位变化由下面给出：\n\n这些关系假定在环路平面中的测量(θ＝90°)。对其它方向可以得到类 似的关系。\n图1是对于自由空间中的理想的电小环形，作为距离函数的电场和磁场 相位关系的图形表示。在图1中，图100包括磁或H-Field相位曲线102、 电或E-Field相位曲线104和表示曲线102、104间差别的相差或Δφ曲线 106。沿第一个轴108绘制曲线102、104、106，该轴表示作为距离的函数的 相位(最好以度数)，该距离在第二个轴110上以考虑的电磁信号的波长(最好 以千克-米-秒单位，如米)表示。这样，在图形表示100中图示了方程[6] -[8]的关系。由方程[7]描述的H-Field相位曲线102关于由方程[6]描述的E -Field相位曲线104异相90°开始。当距离从大约0.05λ增大到大约0.50 λ时，H-Field相位曲线102开始减小，然后增大。类似地，当距离从大约 0.05λ增大到大约0.50λ时，E-Field相位曲线104起先逐渐增大，并且当距 离增大时以渐增的速率增大。E-Field相位曲线104和H-Field相位曲线102 间的差别由Δφ曲线106表示。Δφ曲线106在0.05λ的距离内的近场中以 大约90°开始(即，在正交相位)，并且当超过0.50λ的距离接近远场时达到 0°(即，同相相位)。方程[8]中在数学上描述了Δφ曲线106。在大约0.05λ 到大约0.50λ之间，Δφ曲线106从正交相位到同相相位的转变是基本连续 并且可预测的，并由本发明有利地使用。使用更精确的测量，在距离0.05λ 内和0.50λ外可以使用这个相位转变而受益。\n方程[8]表示作为距离(r)的函数的相差Δφ。方程[8]是超越关系，它不可 以反转来产生距离作为相差的函数的表达式。不过，给定相差后可以使用多 种数学方法确定距离。通过其它数学方法，作为示例并且不作为限制，如数 值求解、产生查找表、图形求解，可以有利地利用方程[8]。\n在距离大于一个波长的远场中，电和磁场都相位同步。在远场的界限， 以每个波长360°的固定速率，每个场的相位与另一个步调一致地变化。这 是由RF领域的那些技术人员期望的通常的关系。作为规律，在现有技术中， 由本发明的优选实施例利用的近场相位不规则根本很少讨论。这个规律的一 个例外是发明者之一的工作。[ Electromagnetic Energy Around Hertzain Dipoles， by H.Schantz；IEEE Antennas and Propagation Magazine，April 2001；pp.50- 62.]\n图2是用于近场测距系统的使操作的距离和频率相联系的表格。图2中， 表200使频率和按照考虑的信号的波长表示的所选择的距离相联系。本发明 的重要特征是：可以利用电和磁场间的相位差Δφ，来确定从定位器接收机 到信标发射机或其它电磁波源的距离。这个近场测距方法允许精确确定大约 0.05λ到0.50λ之间的到信标的距离，其中λ是由信标发射的电磁信号的波 长。在从到信标大约0.08λ的距离到大约0.30λ的距离的范围得到最佳性能。 使用更精确的测量，这个相位改变可以用于0.05λ之内和0.50λ之外的距离。 图2的表200中提供了作为频率的函数的相应的特征操作距离。较低的频率 允许在较长的距离操作；较高的频率更适合较短的距离。提供(图2)表200列 出的特殊频率是为了说明，而不是为了限制。\n从电场和磁场之间的相差Δφ确定距离可能比方程[8]指示的自由空间 结果更复杂。实际上，人们可能希望使用更复杂的分析或计算模型(例如，包 括在实际地面上而不是自由空间中传播的影响的模型)，或者使用来自人们希 望执行测距操作的环境的实验数据，来校准测距系统。\n本发明允许在160-190kHz的波段到至少3000英尺的测距，在AM无 线广播波段至少到900英尺，以及在更高的频率到更短的距离。通过使用其 它频率可以得到很多种其它操作距离。使用更低的频率可以达到更大的距离。 甚至在最长的距离也可以达到英寸以内的精度。\n为了提供本发明的简单的说明性的示例，即为了说明而不是为了限制， 这个描述陈述了移动信标和静止定位器，但是本领域的技术人员可以容易地 认识到：信标可以是固定的以及定位器是移动的，或者信标和定位器都是移 动的。为避免下面讨论中罗嗦，有时仅仅讨论单个定位器和单个信标。这个 不应该这样解释为排除多个信标和定位器，它们用作更复杂的定位、确定位 置或跟踪系统的一部分。\n用于近场测距的系统\n图3是用于通过比较电和磁场正交相位近场测距的系统的示意图。图3 中图示了用于近场测距的测距系统300，该测距是通过在近距离比较正交的 电和磁场信号(90°异相)的电和磁场相位实现的。信标310包括发射机312 和发射天线337。信标310发射具有波长λ的电磁波或信号315。\n定位器320接收电磁信号315。定位器320包括第一电场天线332，用于 接收E-field信号301；以及第二磁场天线331，它接收H-field信号302。 如果信标310和定位器320之间的距离304是，例如0.05λ，那么E-field 信号301和H-field信号302在天线331、332大约90°异相。定位器320 测量这个相差Δφ，并且在距离指示器306中指示出距离等于0.05λ。\n图4是用于通过比较电和磁场同相相位近场测距的系统的示意图。图4 中图示了用于近场测距的测距系统400，该测距是通过在远距离比较同相的 电和磁场信号(0°相差)的电和磁场相位实现的。信标410包括发射机412和 发射天线437。信标410发射具有波长λ的电磁波或信号415。\n定位器420接收电磁信号415。定位器420具有第一电场天线432，它接 收E-field信号401；以及第二磁场天线431，它接收H-field信号402。如 果信标410和定位器420之间的距离404是0.50λ，那么E-field信号401 和H-field信号402大约0°异相(同相)。定位器420测量这个相差Δφ，并 且在距离指示器406中指示出距离等于0.50λ。\n定位器320或420可以使用方程[8]中数学上描述的相差Δφ和距离r之 间的自由空间关系，可以使用考虑土壤和地面传播的影响的更准确的分析表 达式，可以使用传播环境的理论仿真，或者可以使用特定传播环境中关于相 差和距离的经验数据，或使用用于确定相差Δφ和距离r之间关系的另外依 据。\n用于近场测距的系统的基本结构\n图5是用于通过比较电和磁场相位近场测距的系统的示意图。图5中图 示了用于近场测距的测距系统500，该测距是通过比较电和磁场信号的电和 磁场相位实现的。信标510包括发射机512和发射天线536。信标510可以 是移动的或固定的，甚至是电磁信号形式的电磁辐射的未知的或不合作来源。 发射天线536可以是环棍形(loopstick)天线或其它类型天线，它基本上不受相 邻传播环境中变化的影响。发射天线536也可以是鞭状天线，它的大小如由 有关的规则或特定应用施加的限制所允许的那样大。信标510发射电磁信号 515。\n定位器520位于到信标510的距离r的地方，并且接收电磁信号515。 定位器520包括：第一天线531、第一接收机525、第二天线532、第二接收 机527、信号比较器580和距离检测器590。信号比较器580从第一接收机 525接收第一代表性信号以及从第二接收机527接收第二代表性信号。信号 比较器580接收到第一和第二代表性信号，并且辨别第一和第二代表性信号 之间的差别。辨别出的差别可以是相位的差别、幅度的差别或第一和第二代 表性信号之间的其它差别。信号比较器580产生第三个信号，它与由信号比 较器580辨别出的差别成比例或有关。距离检测器590从信号比较器580接 收到第三个信号，并且利用接收到的第三个信号确定信标510和定位器520 之间的距离r。\n在本发明的优选实施例中，配置第一天线531以允许第一接收机525产 生第一代表性信号，该信号提供给信号比较器580，作为与电磁信号515的 第一分量成比例或代表性的信号。进而在本发明的优选实施例中，配置第二 天线532以允许第二接收机527产生第二代表性信号，该信号提供给信号比 较器580，作为与电磁信号515的第二分量成比例或代表它的信号。电磁信 号515的第一分量和第二分量可能在极化或其它可检测的性质方面不同。近 场测距系统中一个有利的差别是电磁信号的纵向或径向 分量和横向分量 或 之间的差别。\n在本发明的另一个优选实施例中，第一天线531是电或E-field天线， 它允许第一接收机525产生第一代表性信号，该信号提供给信号比较器580， 作为与电磁信号515的第一分量成比例或代表它的信号，以及第二天线532 是磁或H-field天线，它允许第二接收机527产生第二代表性信号，该信号 提供给信号比较器580，作为与电磁信号515的第二分量成比例或代表它的 信号。\n在本发明的大多数优选实施例中，第一天线531是H-field天线，第一 接收机525是H-field接收机，第二天线532是E-field天线，第二接收机 527是E-field接收机，信号比较器580是相位检测器，以及距离检测器590 利用从信号比较器-相位检测器580接收到的相位信息，来确定信标510和 定位器520之间的距离r。\n这样，在本发明大多数优选实施例中，第一(H-field)天线531响应于电 磁信号515的磁或H-field分量，并且允许第一(H-field)接收机525检测与 电磁信号515的磁或H-field分量成比例的第一信号。作为示例而不作为限 制，响应于电磁信号的磁或H-field分量的天线包括环形和环棍形天线。第 一(H-field)接收机525从第一(H-field)天线531接收到信号，并产生与电磁 信号515的磁或H-field分量成比例的第一代表性信号。代表性信号可以是， 例如具有电压的模拟信号，该电压直接与电磁信号515的磁或H-field分量 的幅度成比例。或者，代表性信号可以是，例如传达属于电磁信号515的磁 或H-field分量的数据的数字信号。第一(H-field)接收机525可以包括滤波、 放大、模数转换和RF领域的从业者通常理解的那种调整装置。\n响应于电磁信号515的电或E-field分量的第二(E-field)天线532，允 许第二(E-field)接收机527检测与电磁信号515的电或E-field分量成比例 的第二信号。作为示例而不作为限制，响应于电磁波的电或E-field分量的 天线包括鞭状、偶极子或单极子天线。第二(E-field)接收机527检测来自第 二(E-field)天线532的输入信号，并且产生与电磁信号515的电或E-field 分量成比例的第二信号。代表性信号可以是，例如模拟信号，它的电压直接 与电磁信号515的电或E-field分量的幅度成比例。或者，代表性信号可以 是，例如传达属于电磁信号515的电或E-field分量的数据的数字信号。第 二(E-field)接收机527可以包括滤波、放大、模数转换和RF领域的从业者 通常理解的那种调整装置。\n如果电磁信号515是单频正弦波，对第一(H-field)接收机525和第二(E -field)接收机527，希望的是使用很窄带宽的滤波器，以便最小化噪声并最 大化信噪比。但是，对第一(H-field)接收机525和第二(E-field)接收机527 中使用的滤波器，同样重要的是具有不变的带通群延迟，使得第一代表性信 号和第二代表性信号的相对相位特征是稳定和可预测的。发明者已经有利地 利用贝塞尔(Bessel)滤波器作为优化的起始点。\n第一(H-field)天线和第二(E-field)天线532优选地导向来最大化地响 应于电磁信号515的极化。在替代性的实施例中，定位器520可以使用额外 的(H-field)天线、额外的(E-field)天线、额外的H-field接收机和额外的E -field接收机，以便检测多个极化，或者以便从另外的入射方向检测电磁信 号。因为电磁信号515具有近场特征，所以极化可以有利地包括纵向极化， 它具有平行于入射电磁信号的传播方向的分量。\n信号比较器580(优选地在相位检测器中实施)获得与电磁信号515的磁或 H-field分量成比例的第一代表性信号以及与电磁信号515的电或E-field 分量成比例的第二代表性信号，并且确定第一和第二代表性信号之间的相差。 可以将相位检测器580看作(为了说明而不是限制的目的)混频器，它接收第一 和第二代表性信号，并且产生与第一和第二代表性信号之间的准静态相差成 比例的准静态信号。在替代性的实施例中，相位检测器580可以用与门(AND gate)实现，该与门使第一和第二代表性信号作为输入，并且它的输出提供给 积分器。积分器的输出是与第一代表性信号和第二代表性信号之间的准静态 相差成比例的准静态信号。在上下文中术语“准静态”意味着在时间上的改 变基本类似于在相位上的改变，而没有必要时间或时段基本类似于电磁信号 515的。在其它实施例中，相位检测器580可以接收或捕获时域信号，并且 检测过零点或其它波的形状特征，以便确定第一代表性信号和第二代表性信 号之间的有效相差。适合的相位检测器可以容易地得到-例如，作为示例而 不作为限制，模拟设备部件no.AD8302。相位检测器580的另一个实施例可 以从第一(H-field)接收机525和第二(E-field)接收机527获得数字信息，并 且计算第一数字信息和第二数字信息之间的相差。\n可以在能够将测量的相差转换到距离r的任何装置中实施距离检测器 590。在特别简单的示例中，距离检测器590可以是具有校准的刻度的模拟伏 特计，以读取作为从相位检测器580施加的电压的函数的距离r。距离检测器 590的更复杂的实施例可以，例如优选地利用模数转换器和微处理器或者微 处理器，从相位检测器580接收到的施加的电压来计算距离r。距离检测器 590可以包括视频、音频或其它输出以指示距离r给用户，或者可以作为综合 的跟踪、确定位置或定位系统的一部分传达测量的距离r给远端，用于进一 步分析。\n通常可以认为定位器520包含：装置，用于检测和接收第一信号；装置， 用于检测和接收第二信号；装置，用于确定与第一和第二信号有关的第一和 第二代表性信号之间的差别；以及装置，用于给定第一和第二代表性信号之 间的差别后确定距离。\n通常可以认为信标510包含用于发射电磁信号的装置。信标510可以是 固定的参考点，移动定位器520确定相对于该参考点的距离或范围r。或者， 固定的定位器520可以测量移动信标510的距离r，或者定位器520可以是测 量移动信标510的距离r的移动单元。此外，信标510可以是不合作的发射 机或电磁信号515的其它源，人们希望知道它们相对于定位器520的位置的 距离r。\n优选实施例\n图6是用于通过比较电和磁场相位近场测距的系统的优选实施例的细节 的示意图。在图6中，测距系统600包括信标610以及与信标610相隔距离 r的定位器620。信标610包括可以移动或固定的发射机612以及发射天线636。 发射机612可以包括改变发射的电磁信号615的性质的装置，包括：作为说 明而不作为限制，响应于例如从数据总线695接收到的控制信号的输入或激 励，根据预先确定的模式，改变电磁信号615的频率、相位、极化或幅度。 在替代性的实施例中，发射机612可以调制发射的电磁信号615，以便传达 信息。这样的信息可以包括标识信标610的信息或其它信息或给用户的值的 遥测。例如，可以在发射的电磁信号615上实现二进制相移键控(binary phase shift keying)，而不损害本发明的测距性能。在另一个实施例中，响应于来自 数据总线695的控制信号，或者响应于某个其它输入或激励，根据预先确定 的模式可以开启或关闭发射机612。这样的输入或激励可以包括(但是不必限 于)来自加速计、定时器、运动检测器、其它传感器(transducer)或其它感应器 (sensor)的信号。\n对发射机612，在某些应用中工作在更高的瞬时功率和更低的占空比可 能是有益的。例如，发射机612可能工作在大约十倍于允许的平均功率水平， 但是仅在特征周期的10％发射，这样保持基本相似的平均发射功率水平。这 样的间歇操作将能够得到更高信噪比(SNR)信号。信标610的周期性操作对干 扰存在下的操作也有益。当信标610安静(即，不发射)时，定位器620可以描 述特殊的相干噪声源如干扰信号的特征，并且一旦信标610再次开始发射， 可以补偿这个相干噪声的存在。\n在安全特别重要的应用中，信标610可以使用技术以使电磁信号615更 难于由偷听者检测到。这些技术可以包括：调频方法、周期性操作、改变发 射功率以使用进行准确测量需要的最小功率，或者提供使得信号615不容易 由偷听者检测的其它装置。在较小的单元大小中，发射功率控制可以更有利 于允许频率重用。\n确定信标610和定位器620之间的距离r的第一步是信标610发射电磁 信号615。在优选实施例中，电磁信号615是垂直极化的，但是水平极化或 交替极化也是可用的。为避免不必要的复杂化，信标610和定位器620之间 的电磁耦合按照包含电磁信号615的电磁波描述。因为信标610和定位器620 之间的距离r通常小于电磁信号615的波长，电磁信号615通常不是从信标 610解耦合的辐射电磁波，如在距离r远大于电磁信号615的一个波长的远场 中发现的那样。应该理解包含电磁信号615的电磁波通常是反应的或耦合的 电磁波，而不是辐射或解耦合的电磁波。\n定位器620接收到电磁信号615。在优选实施例中，定位器620包括第 一(H-field)信道625、第二(H-field)信道626、第三(E-field)信道627、本 地振荡器650、第一相位检测器681、第二相位检测器682和距离检测器690(包 括模数(A/D)转换器691和微处理器692)。可选的数据总线695可用来提供下 述装置，该装置用于多个信标和定位器(图6中未详细示出)间交换控制和数据 信号。\n第一(H-field)信道625包括第一(H-field)天线630、第一(H-field)预选 择滤波器6400、第一(H-field)混频器6420、第一(H-field)主IF滤波器6430、 第一(H-field)主IF放大器6440、第一(H-field)次IF滤波器6450、第一(H -field)次IF放大器6460以及第一(H-field)自动增益控制6480。第一(H- field)信道625具有第一(H-field)天线端口6270、第一(H-field)调整端口 6230、第一(H-field)接收信号强度指示器(RSSI)端口6220以及第一(H-field) 信号输出端口6210。\n第二(H-field)信道626包括第二(H-field)天线631、第二(H-field)预选 择滤波器6401、第二(H-field)混频器6421、第二(H-field)主IF滤波器6431、 第二(H-field)主IF放大器6441、第二(H-field)次IF滤波器6451、第二(H -field)次IF放大器6461以及第二(H-field)自动增益控制6481。第二(H- field)信道626具有第二(H-field)天线端口6271、第二(H-field)调整端口 6231、第二(H-field)接收信号强度指示器(RSSI)端口6221以及第二(H-field) 信号输出端口6211。\n第三(E-field)信道627包括包括第三(E-field)天线632、第三(E-field) 预选择滤波器6402、第三(E-field)混频器6422、第三(E-field)主IF滤波器 6432、第三(E-field)主IF放大器6442、第三(E-field)次IF滤波器6452、第 三(E-field)次IF放大器6462以及第三(E-field)自动增益控制6482。第三(E -field)信道627具有第三(E-field)天线端口6272、第三(E-field)调整端口 6232、第三(E-field)接收信号强度指示器(RSSI)端口6222以及第三(E-field) 信号输出端口6212。\n第一(H-field)天线630响应电磁信号615的磁或H-field分量，并且提 供与电磁信号615的磁或H-field分量成比例的接收信号给第一(H-field)预 选择滤波器6400。\n第一(H-field)预选择滤波器6400使与电磁信号615的磁或H-field分 量成比例的第一代表性信号通过，但是拒绝具有不想要频率的信号。第一(H -field)预选择滤波器6400可以是，例如带通滤波器或低通滤波器。通常 第一(H-field)预选择滤波器6400将使下述频率通过，在该频率内信标610 可以为有关的应用发射电磁信号615。频带的选择将依赖于各种因素，包括 但不必限于规章的限制、电磁信号615的传播行为和希望的操作距离r。\n第一(H-field)混频器6420将从第一(H-field)预选择滤波器6400接收到 的第一代表性信号与由本地振荡器(LO)650产生的本地振荡器信号混频，以 产生第一中频(或IF)代表性信号。本地振荡器650可以是传统的正弦波振荡 器、直接数字合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)或其它振荡器或波形模板 源。\n第一主(H-field)IF滤波器6430只接受想要的第一IF代表性信号并拒绝 其它不想要的信号。晶体滤波器可以有利地用作第一主(H-field)IF滤波器 6430。这样的晶体滤波器的特征是极窄的通带，并且更优选地通带内具有不 变的群延迟。窄的通带起作用，以允许希望的第一IF代表性信号传达给第一 主(H-field)IF放大器6440，同时拒绝相邻的不想要的信号。第一主(H- field)IF放大器6440增大第一IF代表性信号的幅度，并且传达放大的第一IF 代表性信号给第一次(H-field)IF滤波器6450。第一次(H-field)IF滤波器 6450只接受想要的第一IF代表性信号并拒绝其它不想要的信号。晶体滤波器 可以有利地用作第一次(H-field)IF滤波器6450。这样的晶体滤波器的特征是 极窄的通带，并且更优选地通带内具有不变的群延迟。窄的通带起作用，以 便允许想要的第一IF代表性信号传达给第一次(H-field)IF放大器6460，同 时拒绝相邻的不想要的信号。第一次(H-field)IF放大器6460增大第一IF代 表性信号的幅度，并且将第一IF代表性信号传达到信号输出端口6210和到 第一自动增益控制(AGC)6480。\n第一自动增益控制6480调整第一主(H-field)IF放大器6440和第一次(H -field)IF放大器6460的增益，以维持第一IF代表性信号的希望水平。通过 在第一主(H-field)IF放大器6440和第一次(H-field)IF放大器6460之间分 割想要的总增益，可以以比单独的单个放大级中更高的稳定性和可靠性保持 高的总增益和大的动态范围。类似地，通过在第一主(H-field)IF滤波器6430 和第一次(H-field)IF滤波器6450之间分割想要的滤波，可以以比使用单独 的单个滤波级更高的稳定性和可靠性实现更窄的通带。第一自动增益控制 6480更优选地包括接收信号强度指示器(RSSI)，并且传达RSSI水平给RSSI 输出6220。\n第二(H-field)天线631响应电磁信号615的磁或H-field分量，并且提 供与电磁信号615的磁或H-field分量成比例的接收信号给第二(H-field)预 选择滤波器6401。\n第二(H-field)预选择滤波器6401使与电磁信号615的磁或H-field分 量成比例的第一代表性信号通过，但是拒绝具有不想要频率的信号。第二(H -field)预选择滤波器6401可以是，例如带通滤波器或低通滤波器。通常 第二(H-field)预选择滤波器6401将使下述频率通过，在该频率内信标610 可以为有关的应用发射电磁信号615。频带的选择将依赖于各种因素，包括 但不必限于规章的限制、电磁信号615的传播行为和希望的操作距离r。\n第二(H-field)混频器6421将从第二(H-field)预选择滤波器6401接收到 的第一代表性信号与由本地振荡器(LO)650产生的本地振荡器信号混频，以 产生第二中频(或IF)代表性信号。本地振荡器650可以是传统的正弦波振荡 器、直接数字合成器(DDS)或其它振荡器或波形模板源。\n第二主(H-field)IF滤波器6431只接受想要的第二IF代表性信号并拒绝 其它不想要的信号。晶体滤波器可以有利地用作第二主(H-field)IF滤波器 6431。这样的晶体滤波器的特征是极窄的通带，并且更优选地通带内具有不 变的群延迟。窄的通带起作用，以允许希望的第二IF代表性信号传达给第二 主(H-field)IF放大器6441，同时拒绝相邻的不想要的信号。第二主(H- field)IF放大器6441增大第二IF代表性信号的幅度，并且传达放大的第二IF 代表性信号给第二次(H-field)IF滤波器6451。第二次(H-field)IF滤波器 6451只接受想要的第二IF代表性信号并拒绝其它不想要的信号。晶体滤波器 可以有利地用作第二次(H-field)IF滤波器6451。这样的晶体滤波器的特征是 极窄的通带，并且更优选地通带内具有不变的群延迟。窄的通带起作用，以 便允许想要的第二IF代表性信号传达给第二次(H-field)IF放大器6461，同 时拒绝相邻的不想要的信号。第二次(H-field)IF放大器6461增大第二IF代 表性信号的幅度，并且传达第二IF代表性信号到信号输出端口6211和到第 二自动增益控制(AGC)6481。\n第二自动增益控制6481调整第二主(H-field)IF放大器6441和第二次(H -field)IF放大器6461的增益，以维持第二IF代表性信号的希望水平。通过 在第二主(H-field)IF放大器6441和第二次(H-field)IF放大器6461之间分 割想要的总增益，可以以比单独的单个放大级中更高的稳定性和可靠性保持 高的总增益和大的动态范围。类似地，通过在第二主(H-field)IF滤波器6431 和第二次(H-field)IF滤波器6451之间分割想要的滤波，可以以比使用用单 独的单个滤波级更高的稳定性和可靠性实现更窄的通带。第二自动增益控制 6481更优选地包括接收信号强度指示器(RSSI)，并且传达RSSI水平给RSSI 输出6221。\n第三(E-field)天线632响应电磁信号615的电或E-field分量，并且提 供与电磁信号615的电或E-field分量成比例的接收信号给第三(E-field)预 选择滤波器6402。\n第三(E-field)预选择滤波器6402使与电磁信号615的电或E-field分量 成比例的第三代表性信号通过，但是拒绝具有不想要频率的信号。第三(E- field)预选择滤波器6402可以是，例如带通滤波器或低通滤波器。通常 第三(E-field)预选择滤波器6402将使下述频率通过，在该频率内信标610 可以为有关的应用发射电磁信号615。频带的选择将依赖各种因素，包括但 不必限于规章的限制、电磁信号615的传播行为和希望的操作距离r。\n第三(E-field)混频器6422将从第三(E-field)预选择滤波器6402接收到 的第三代表性信号与由本地振荡器650(LO)产生的本地振荡器信号混频，以 产生第三中频(或IF)代表性信号。本地振荡器650可以是传统的正弦波振荡 器、直接数字合成器(DDS)或其它振荡器或波形模板源。\n第三主(E-field)IF滤波器6432只接受想要的第三IF代表性信号并拒绝 其它不想要的信号。晶体滤波器可以有利地用作第三主(E-field)IF滤波器 6432。这样的晶体滤波器的特征是极窄的通带，并且更优选地通带内具有不 变的群延迟。窄的通带起作用，以允许希望的第三IF代表性信号传达给第三 主(E-field)IF放大器6442，同时拒绝相邻的不想要的信号。第三主(E- field)IF放大器6442增大第三IF代表性信号的幅度，并且传达放大的第三IF 代表性信号给第三次(E-field)IF滤波器6452。第三次(E-field)IF滤波器6452 只接受想要的第三IF代表性信号并拒绝其它不想要的信号。晶体滤波器可以 有利地用作第三次(E-field)IF滤波器6452。这样的晶体滤波器的特征是极窄 的通带，并且更优选地通带内具有不变的群延迟。窄的通带起作用，以便允 许想要的第三IF代表性信号传达给第三次(E-field)IF放大器6462，同时拒 绝相邻的不想要的信号。第三次(E-field)IF放大器6462增大第三IF代表性 信号的幅度，并且传达第三IF代表性信号到信号输出端口6212和到第三自 动增益控制(AGC)6482。\n第三自动增益控制6482调整第二主(E-field)IF放大器6442和第三次(E -field)IF放大器6462的增益，以保持想要的第三IF代表性信号的水平。通 过在第三主(E-field)IF放大器6442和第三次(E-field)IF放大器6462之间分 割想要的总增益，可以以比单独的单个放大级中更高的稳定性和可靠性保持 高的总增益和大的动态范围。类似地，通过在第三主(E-field)IF滤波器6432 和第三次(E-field)IF滤波器6452之间分割想要的滤波，可以以比使用用单 独的单个滤波级更高的稳定性和可靠性实现更窄的通带。第三自动增益控制 6482优选地包括接收信号强度指示器(RSSI)，并且传达RSSI水平给RSSI输 出6222。\n本地振荡器650也可以有利地用作调谐器，以在由多个信标610发射的 多个电磁信号615中选择。发射特定电磁信号615的特定信标610可以与发 射频率略微不同的其它电磁信号615的其它信标610区分开。这样，单个定 位器620可以跟踪很多不同的信标610。各种用于跟踪多个信标610的其它 方法是可能的，包括，例如，时分多址。如果信标610使用标识信息调制发 射的电磁信号615，则人们可以区分工作在相同频率上的多个信标610。类似 地，很多不同的定位器620可以测量到公共信标610的距离r。\n虽然不要求信标610和定位器620之间的同步，但是公共的本地振荡器 650起作用，以保持单个定位器620内多个信道625、626、627间的同步。 定位器620内多个信道625、626、627间的同步对实现由多个信道625、626、 627接收的信号间的精确相位比较是有利的。\n在其它实施例中，本地振荡器650可以调整第一信道625、第二信道626 或第三信道627(或信道625、626、627的各种组合)，以扫过感兴趣的各种频 率。微处理器692可以监视并编译来自RSSI端口6220、6221、6222(或RSSI 端口6220、6221、6222的各种组合)的数据，以描述噪声和干扰环境的特征。 微处理器692可以通过数据总线695传达适当的控制信号给多个信标610， 从而给定具有特征的噪声和干扰环境后，选择最优的工作频率和模式。类似 地，在有很多同时工作的信标610的密集信号环境中，微处理器692可以监 视信号，并且通过数据总线695传达适当的控制信号给多个信标610，为便 于多个信标610内或之间的共存，在多个信标610之间分配最佳工作频率和 模式。此外，微处理器692可以监视距离r，并且通过数据总线695传达适当 的控制信号给各信标610，以分配适合各信标610的最佳工作频率和模式给 各信标610，使各信标610适合在检测到的距离r工作。\n在其它实施例中，可以使用除了信道625、626、627的信道，使得定位 器620可以同时跟踪在不同频率产生电磁信号615的多个信标610。此外， 可以有利地利用额外的信道，来检测噪声和干扰环境，并且描述噪声和干扰 环境的特征。在其它实施例中，与交替极化相关联的额外的信道可以使测距 系统600能够进行测量，而不受信标610关于定位器620的相对方向的损害。\n在测距系统600(图6)中，第一相位检测器681从第一信号输出端口6210 接收到第一IF代表性信号，并且从第三信号输出端口6212接收到第三IF代 表性信号，并且确定第一和第三IF代表性信号之间的相差。第二相位检测器 682从第二信号输出端口6211接收到第二IF代表性信号，并且从第三信号输 出端口6212接收到第三IF代表性信号，并且确定第二和第三IF代表性信号 之间的相差。在优选实施例中，定位器620具有两个H-field信道(第一(H- field)信道625和第二(H-field)信道626)和第三(E-field)信道627。在使用垂 直极化的电磁信号615的优选实施例中，第三电天线632是垂直鞭状天线， 它在垂直于鞭的轴的第一平面中具有全向模式。在优选实施例中，磁天线630、 631是环形天线，它在基本垂直于第一平面(与第三电天线632的鞭状天线相 关联)的第二平面中具有全向模式。为获得对任何方向入射的电磁信号615的 磁分量的敏感性，具有两个磁天线630、631是有利的。如果只有一个磁天线 630或631，则定位器620往往对位于单个磁天线630或631的零方向的信标 610不敏感。通过拥有两个磁天线630、631，定位器620可以确定到任何方 向的信标610的距离r。拥有两个磁天线630、631的另外的优势是：除了距 离信息，定位器620可以使用现有技术得到到达角信息。\n为了得到相位检测器681、682的最优性能，第一、第二和第三IF代表 性信号的幅度保持在希望的幅度限制内是有利的。自动增益控制6480、6481、 6482起作用，从而为第一、第二和第三IF代表性信号保持想要的幅度限制。 相位检测器681、682可以利用对数放大器以保持不变的信号水平，如在模拟 设备部件no.AD8302中使用的(相位检测器IC)。或者，信道625、626、627 可以包括限幅器(图6中未显示)以限制输出信号水平。\n距离检测器690将从相位检测器681、682接收到的测量的相差转换为距 离r。在优选实施例中，距离检测器690包括模数转换器691微处理器(或微 控制器)692，它们根据从相位检测器681、682中的一个或两个接收到的信号， 协作计算距离r。在优选实施例中，距离检测器690也监视来自RSSI端口6220、 6221、6222的RSSI水平，使得距离检测器690可以选择相位检测器681、682 中任何一个(或两个)在确定距离r时使用。距离检测器690也可以比较来自 RSSI端口6220、6221、6222的RSSI水平，以确定电磁信号615的到达角。 通常如果信标610位于第一磁场天线630的方向图中，则优先选择第一相位 检测器681；以及如果信标610位于第二磁场天线631的方向图中，则优先 选择第一相位检测器682。理想地，距离检测器690将选择性地利用从相位 检测器681、682接收到的信号使距离测量最优化。这样的最优化可能也包括， 例如，定位器620，它结合从磁场天线630、631接收到的信号以产生使干扰 信号无效或最大化想要信号的天线方向图。来自RSSI端口6220、6221、6222 的RSSI水平也可以由距离检测器690使用，以在确定距离r时补充或补足来 自相位检测器681、682的信息。\n距离检测器690可以包括视频、音频或其它输出形式以指示距离r给用 户，或者可以作为综合的定位、跟踪或定位系统一部分传达测量的距离给远 端，用于进一步分析。距离检测器690也可以包括控制本地振荡器650的装 置，包括(但是不必限于)设置本地振荡器信号的频率。\n数据总线695是可选的，并且当使用时允许在信标610和定位器620之 间传达数据和控制信号。数据总线695可以包括无线网络(例如802.11b网络)、 硬有线网络(例如以太网连接或串行电缆)，或者可以利用由信标610发射的电 磁信号615的调制。多个定位器620和信标610可以共享公共的数据总线695。 这样的多个定位器620和信标610可以协同工作以建立综合的跟踪、确定位 置或定位系统。使用无线数据总线695，信标610不再严格是只发射设备。 因为只有发射的电磁信号515对电磁测距系统是必要的，可以除去传统的转 发器测距系统要求的无线数据链路精确定时。定时信息可以通过无线数据链 路传达。\n可以认为定位器620包含：装置，用于检测或接收第一(H-field)信号； 装置，用于检测或接收第二(H-field)信号；装置，用于检测或接收第三(E- field)信号；装置，用于确定第一和第三信号之间的第一相差；装置，用于确 定第二和第三信号之间的第二相差；以及装置，用于给定第一和第二相差时 确定距离r。定位器620中也可以有利地包括用于调整定位器620的装置，由 此可以得到用于多个信标610中任何一个的距离数据，每个信标在不同的频 率产生电磁信号。\n通过添加用于在多个定位器620和多个信标间传达数据的装置到定位器 620，还可以产生更多的优势。这样的装置(例如，数据总线或无线链路695) 可以有利地用在在综合的跟踪、定位或定位系统中。\n应该牢记：定位器620的功能和元件不需要在单一单元中实现。例如， 可以有利地将第一(H-field)天线630、第二(H-field)天线631和第三(E-field) 天线632放置在远离定位器620的其它元件和功能块的各位置上。如果因为 安全原因、经济原因、操作的原因、容易使用或任何其它原因希望远离，则 天线可以例如通过RF电缆连接。类似地，定位器620可以在一个位置实现 信号检测和接收，而在另一个位置实现相位检测。定位器也620可以在一个 位置实现相位检测，并且传递数据给远端的距离检测器690用于距离r的确 定。\n结合的信标-定位器\n图7是系统的示意图，用于通过比较电和磁场相位的近场测距，同时将 信标和定位器功能结合在单个的单一设备中。图7中，配置结合的信标-定 位器装置700作为信标工作，该信标到远程定位器(例如作为定位器工作的远 程信标-定位器装置710)的距离r可以由远程定位器测量。或者，信标-定 位器装置700可以作为定位器工作，该定位器测量到另一个信标的距离(例如， 作为信标操作的远程信标-定位器装置710)。\n信标-定位器装置700包括：第一磁(H-field)天线730、第二(E-field) 天线732、发射-接收转换开关728、发射机712以及定位器接收机720。定 位器接收机720包括：第一(H-field)接收机722、第二(E-field)接收机742、 相位检测器781和距离检测器790。可选的数据总线795允许多个信标-定 位器、信标、定位器或其它设备之间或之中的通信。\n处于定位器模式的结合的信标-定位器\n远程信标-定位器装置710(工作在信标模式)发射电磁信号715，该信号 由工作在定位器模式的信标-定位器系统700接收。第一(H-field)天线730 对入射的电磁信号715的磁分量敏感，并且将与电磁信号715的磁分量成比 例的代表性磁信号传达给第一(H-field)接收机722的天线端口7270。\n第一(H-field)接收机722在第一天线端口7270接收到代表性磁信号， 并且在本地振荡器(LO)端口7230从本地振荡器750接收到本地振荡器信号。 使用RF领域的从业者通常已知的滤波、放大和混频装置(结合图6描述了它 们的示例)，第一(H-field)接收机722在第一输出端口7210提供第一接收中 频(IF)代表性信号，并且在RSSI端口7220提供RSSI信号。\n因为信标-定位器装置700工作在定位器模式，所以发射-接收转换开 关728设置成连接第二(E-field)天线732到第二(E-field)接收机742。在替 代性的实施例中，发射-接收转换开关728可以是循环器或其它设备，它允 许信标-定位器，例如信标-定位器装置700，同时作为信标和定位器运行。 第二(E-field)天线732对入射的电磁信号715的电分量敏感，并且将与电磁 信号715的电分量成比例的代表性电信号传达给第二(E-field)接收机742的 天线端口7271。\n第二(E-field)接收机742在第二天线端口7271接收到代表性电信号， 并且在本地振荡器端口7231从本地振荡器(LO)750接收到本地振荡器信号。 使用RF领域的从业者通常已知的滤波、放大和混频装置(结合图6描述了它 们的示例)，第二(E-field)接收机742在第二输出端口7211提供第二接收中 频(IF)代表性信号，并且在RSSI端口7221提供RSSI信号。\n相位检测器781从输出端口7210接收到第一代表性信号，并且从输出端 口7211接收到第二代表性信号。相位检测器781产生与第一和第二代表性信 号之间的相差成比例的相差输出信号，并且将相差输出信号传达到距离检测 器790。\n距离检测器790包括模数转换器791和微处理器792。距离检测器790 从RSSI端口7220、7221接收RSSI信号，并且从相位检测器781接收相差 输出信号。模数转换器791这些信号转换成数字信号，并且传达它们到微处 理器792。微处理器792根据从模数转换器791接收到的数字信号输入计算 距离r。通过其微处理器792可以确定距离r的方法是，例如：1)方程[8]中提 供的自由空间理论，2)更精确的分析或数值模型，包括地面和传播环境的其 它影响，以及3)基于经验测量的模型。距离r可以只从相位输入或使用包括 从RSSI端口7220、7221的输入的更复杂的模型计算。\n微处理器792可以调节本地振荡器750的频率，以调整第一(H-field)接 收机722和第二(E-field)接收机742。这使信标-定位器装置700能够测量 各种工作在不同频率的其它信标710或信标-定位器700的距离r。微处理器 792也使信标-定位器装置700能够使用跳频系统或功率控制方案，以得到 额外的安全性和鲁棒性。\n微处理器792可以拥有用户接口装置，如音频或视频显示，以提供距离 测量给用户。另外，作为依赖跟踪和定位输入的综合系统的一部分，或者为 其它目的，微处理器792可以通过可选的数据总线795将距离或其它信息传 达给另一个位置。\n示例性信标-定位器装置700具有两个信道：第一(H-field)接收机722 和第二(E-field)接收机742。如果希望更好的性能，可以以额外的复杂性和 成本为代价优选额外的信道。可以使用这样的额外信道以检测交替极化中的 E-field和H-field分量，包括但不限于沿入射电磁信号715方向的极化分 量。这样，信标-定位器装置700可以较少依赖于入射电磁信号715的特定 方向，并且因此提供更鲁棒的性能。对未与信标结合以形成信标-定位器的 定位器，也产生相同的好处。\n处于信标模式的结合的信标-定位器\n当信标-定位器装置700工作在信标模式时，微处理器792触发发射- 接收转换开关728，从而将发射机712连接到天线732。微处理器792也为发 射机712设置合适的频率。示例性信标-定位器装置700使用电天线732作 为信标发射天线。磁天线730处于很容易被使用的状态。信标模式中的发射 操作要使用的天线的选择依赖几个因素，包括，例如方向图、其它对象附近 的性能、极化、匹配和传播环境。\n远程信标-定位器装置710包括电天线735和磁天线733。发射机712 发送RF信号给发射天线732。发射天线732辐射电磁信号716，当远程信标 -定位器装置710工作在定位器模式时，该信号由电天线735和由磁天线733 接收。远程信标-定位器装置710从磁天线733接收到H-field信号，并且 从电天线735接收到E-field信号，因此允许远程信标-定位器装置710确 定到信标-定位器装置700的距离r。\n可选的数据总线795允许信标-定位器装置700与远程信标-定位器装 置710相互作用和协作。例如，信标-定位器装置700可以触发远程信标- 定位器装置710，以使远程信标-定位器装置710发射并允许信标-定位器 装置700确定到远程信标-定位器装置710的距离r。适合的触发可以包括， 例如关于通信频率的数据、跳频模式、功率控制反馈或要从远程信标-定位 器装置710辐射的发射信号的另外的特征。触发还可以包括标识或验证信息。\n发射机712可以由微处理器792控制来用信息调制电磁信号716。多种 调制技术是可能的。二进制相移键控(BPSK)是一个优选的调制选择。BPSK 因为它的简单是有利的。此外，因为本发明依赖电和磁场相位之间的相对差 别，所以公共模式相移(如使用BPSK和类似的调制发生的)不影响本发明测量 距离r的能力。这样的信息可以包括标识或验证信息，或者其它信息，或者 给用户的遥测的值。\n天线配置\n图8-11显示用于测距系统800、900、1000、1100的各种天线配置。图 8是用于下述近场测距系统的代表性的天线配置的示意图，该系统具有垂直 极化信标和垂直极化全向定位器。图8中，测距系统800包括垂直极化信标 810和定位器820。与垂直极化信标810相关联的垂直极化天线836通常是垂 直导向的鞭状或偶极子天线，但是可能是环形或环棍形天线，导向来在希望 的方向辐射垂直极化的电磁信号815。在很多应用中，单个垂直导向的鞭状 天线的全向覆盖优于传统的垂直极化的环形天线的更具有方向性的方向图。 定位器820包括电天线832、第一磁天线831，以及导向垂直于第一磁天线 831的第二磁天线833。电天线832通常是垂直导向的鞭状或偶极子天线。第 一磁天线831和第二磁天线833通常是环形或环棍形天线，导向来响应垂直 极化的电磁信号815。定位器820可以选择第一磁天线831或第二磁天线833， 以使接收到(H-field)的信号最优。定位器820也可以既使用来自第一磁天线 831的信号也使用来自第二磁天线833的信号。\n图9是用于近场测距系统的代表性的天线配置的示意图，该系统具有水 平极化信标和水平极化全向定位器。图9中，测距系统900包括水平极化信 标910和定位器920。与水平极化信标910相关联的水平极化天线937，通常 是水平面中导向的垂直导向的环棍形或环形导向天线，但是可以是鞭状或偶 极子天线，导向来在希望的方向辐射水平极化的电磁信号915。在很多应用 中，单个环形或环棍形天线的全向覆盖优于传统的水平极化的鞭状或偶极子 天线的更具有方向性的方向图。定位器920包括磁天线931，第一电天线932 和第二电天线934。磁天线931通常是水平面中垂直导向的环棍形或环形导 向天线。第一电天线932和第二电天线934通常是偶极子或鞭状天线，导向 来响应水平极化的电磁信号915。定位器920可以选择第一电天线932或第 二电天线934，以使接收到(E-field)的信号最优。定位器920也可以既使用 来自第一电天线932的信号也使用来自第二电天线934的信号。\n图10是用于近场测距系统的代表性的天线配置的示意图，该系统具有垂 直极化信标和垂直极化定向定位器。图10中，测距系统1000包括垂直极化 信标1010和定位器1020。与垂直极化信标1010相关联的垂直极化天线1036 通常是在垂直平面中导向的垂直导向鞭状或偶极子天线，但是可以是环形或 环棍形天线，导向来在希望的方向上辐射垂直极化的电磁信号1015。在很多 应用中，单个垂直导向的鞭状天线的全向覆盖优于传统的垂直极化环形天线 的更具有方向性的方向图。定位器1020包括电天线1032和磁天线1031。电 天线1032通常是垂直导向的鞭状或偶极子天线。磁天线1031通常是环形或 环棍形天线，导向来响应垂直极化的电磁信号1015。定位器1020通常必须 导向来使来自磁天线1031的信号最优。另外，通过使磁天线1031的零方向 导向电磁信号1015的到达方向，并观察RSSI水平的下降，可以确定电磁信 号1015的到达方向。如果电天线1032和磁天线1031的响应加起来，通过使 有效的加起来的方向图的零方向导向电磁信号1015的到达方向，并观察加起 来的响应的幅度的下降，可以确定电磁信号1015的到达方向。\n图11是用于近场测距系统的代表性的天线配置的示意图，该系统具有水 平极化信标和水平极化定向定位器。图11中测距系统1100包括水平极化信 标1110和定位器1120。与水平极化信标1110相关联的水平极化天线1137通 常是在水平面中导向的垂直导向的环棍形天线或环形天线，但是可以是的鞭 状或偶极子天线，导向来在希望的方向辐射水平极化的电磁信号1115。在很 多应用中，单个环形或环棍形天线的全向覆盖优于传统的水平极化鞭状或偶 极子天线的更具有选择性的方向图。定位器1120包括电天线1132和磁天线 1131。电天线1132通常是水平导向的鞭状或偶极子天线。磁天线1131通常 是环形或环棍形天线，导向来响应水平极化的电磁信号1115。定位器1120 通常必须导向来使来自电天线1132的信号最优。另外，通过使电天线1132 的零方向导向电磁信号1115的到达方向，并观察相关联的RSSI水平的下降， 可以确定电磁信号1115的到达方向。如果磁天线1131和电天线1132的响应 加起来，通过使有效的加起来的方向图的零方向导向电磁信号1115的到达方 向，并观察相关联的加起来的响应的幅度的下降，可以确定电磁信号1115的 到达方向。\n极化的选择可以受特定传播环境的细节影响，受特定极化的潜在干扰信 号的存在的影响，或受特定应用的要求的影响。垂直极化通常对这样环境中 的传播是优选的，在该环境中不希望的耦合往往是水平的，如接近地面。水 平极化通常对这样环境中的传播是优选的，在该环境中不希望的耦合往往是 垂直的，如通过垂直导向的钢的部分。圆形极化通常对其中方向独立性重要 的系统是优选的。某些这样的耦合实际上是希望的，如果这个耦合往往在想 要的方向引导电磁波。\n用于设计根据本发明的测距系统的重要天线参数包括：天线方向图、匹 配、波形因数(form factor)、性能和成本。另一个重要的参数是入射的电磁信 号的捕获和入射的电磁信号的电分量和磁分量之间的区分。多种适合的天线 选择对RF领域的技术人员是公知的。\n示例性接收机\n发明者已经实现了如本发明讲授的测距系统。这个系统工作在10.7MHz 并从大约5英尺到大约35英尺具有英寸之内的测距精度。因为在10.7MHz 波长(λ)是92英尺，这相应于0.054λ到0.38λ。根据本发明的讲授，通过利用 低得多的频率，长得多的距离是可能的。\n图12是说明电磁测距系统中示例性接收机的细节的示意图。图12中， 测距系统1200包括信标1210和定位器1220。信标1210发射由定位器1220 接收的电磁信号1215。定位器1220包括对电磁信号1215的电分量敏感的电 天线1232。电天线1232检测与电磁信号1215的电分量成比例的第一(电或E -field)信号，并且传达第一信号到第一接收机1225的天线端口1270，该接 收机包括在定位器1220中。定位器1220还包括对电磁信号1215的磁分量敏 感的磁天线1231。磁天线1231检测检测与电磁信号1215的磁分量成比例的 第二(磁或H-field)信号，并且传达第二信号到包括在定位器1220中的第二 接收机1227。与接收机1225基本相似地构造第二接收机1227；为了简化测 距系统1200的描述，图12中省略接收机1227的构造细节。\n假如间隔足够大到避免不希望的相互耦合，并且间隔相对电磁信号1215 的波长λ很小，那么电天线1232和磁天线1231之间的精确间隔并不重要。发 明者已经布置电天线1232和磁天线1231分开波长的1％-3％(0.03λ-0.01λ) 量级的距离。在替代性的实施例中，可以布置电天线1232和磁天线1231在 单一的整体的单元中，该单元具有产生E-field响应的第一端子和产生H- field响应的第二端子。虽然天线间的间隔最好相对电磁信号1215的波长λ很 小，但是如果定位器1220中的相位检测器1280和距离检测器1290就较大间 隔的影响受到补偿，则可以容忍电天线1232和磁天线1231间较大的间隔。\n定位器1220也包括预先选择滤波器1242，它从天线端口1270接收第一 (电)信号。预先选择滤波器1242使想要频带中的第一(电)信号通过，但是拒 绝具有不想要频率的信号。通常预先选择滤波器1242使这样的频带通过，在 该频带中信标1210为有关的应用发射电磁信号1215。频带的选择将依赖各 种因素，包括但不必限于，规章的限制、电磁信号1215的传播行为和希望的 操作距离r。本发明为希望的操作距离r提供最优的性能，该希望的操作距离 r大约限制为0.08λ到0.30λ，λ是由信标1210发射的电磁信号1215的波长。 典型的操作距离通常在0.05λ到0.50λ内。本发明更高性能实现可以工作在小 于0.05λ或大于0.50λ的距离r。\n前端放大器1265增大第一(电)信号的幅度。如果空气的和其它的噪声足 够低，则以下对放大器是有益的：具有足够低的噪声系数以避免引入不希望 的噪声，动态范围足够大来容纳第一(电)信号幅度中的潜在变化，以及增益足 以产生适当大幅度的第一(电)信号，使得弱信号将适当地驱动相位检测器 1281。发明者已经有利地使用微小电路(Mini-Circuits)ZFL-500放大器作为 前端放大器1265，但是多种其它放大器是合适的。\n混频器1252将第一(电)信号和由本地振荡器(LO)1250产生的本地振荡器 信号混频，因此产生第一中频(IF)信号。本地振荡器1250可以是传统的正弦 波振荡器。本地振荡器1250也可以是直接数字合成器(DDS)，或者其它波形 模板产生器。例如，发明者已经使用Analog Devices DDS(AD9835)作为本地 振荡器1250，以及Mini-Circuits SBL-3混频器作为混频器1252。多种替代 性的实现是可能的。\nIF放大器1262增大第一IF信号的幅度。发明者已经发现提供大约+50dB 增益的一对电流反馈运算放大器是IF放大器1262合适的实施例，但是对RF 领域的从业者可以使用多种替代物。\nIF滤波器1244只接受想要的第一IF信号而拒绝其它不想要的信号。晶 体滤波器可以有利地用作IF滤波器1244。这样的晶体滤波器的特征是极窄的 通带，并且优选地通带内具有不变的群延迟。窄的通带起作用，以便允许希 望的第一IF代表性信号传达给相位检测器1281，同时拒绝相邻的不想要的信 号。\n本地振荡器1250也可以有利地用作调谐器，以在由多个信标1210发射 的多个电磁信号中选择。发射特定电磁信号的特定信标1210可以与发射具有 略微不同频率的其它电磁信号的其它信标区分开。这样，单个定位器1220可 以跟踪很多不同的信标1210。用于跟踪多个信标的各种其它方法是可能的， 包括例如时分多址、码分多址、跳频或用于实现希望的信道化的其它方法。 类似地，很多不同的定位器1220可以测量到特定信标1210的距离。本地振 荡器1250可以认为是个体接收机1225或1227的组件，或者用于多个接收机 1225、1227的公共频率标准。\n相位检测器1281从第一接收机1225接受第一IF信号，并且从第二接收 机1227接受第二IF信号，并且产生与第一IF信号和第二IF信号之间的相差 成比例的输出电压。为了说明而不是限制，相位检测器1281的一个示例性实 施例是模拟设备AD 8302。这个特定的相位检测器也产生与幅度差别成比例 的输出，该幅度差别可以帮助辨别和修正传播异常，并且在某些情况下提供 更精确的距离确定。\n距离检测器1290包括在定位器1220中并接受来自相位检测器1281的输 入，用于确定信标1210和定位器1220之间的距离r。发明者使用Measurement Computing Corporation PC-Card-DAS 16/16 A/D PCMCIA Card和笔记本计 算机实施距离检测器1290，但是存在很多RF领域的技术人员可以实现距离 检测器1290的方法。\n本发明为希望的操作距离提供好的性能，该距离大约在0.05λ和0.50λ之 间的距离r内，并且在0.08λ和0.30λ之间的距离r内得到更理想的性能，λ是 由信标1210发射的电磁信号1215的波长。本发明更高性能实现可以工作在 小于0.05λ或大于0.50λ的距离r。\n固定信标-移动定位器结构\n图13是说明根据固定信标-移动定位器结构配置的近场测距系统的示 意图。图13中，固定信标-移动定位器测距系统1300包括处于第一已知固 定位置的第一信标1310，它发射第一电磁信号1315。定位器1320接收第一 电磁信号1315并确定第一距离r1。处于第二已知固定位置的第二信标1312 发射第二电磁信号1317。定位器1320接收第二电磁信号1317并确定第二距 离r2。处于第三已知固定位置的第三信标1314发射第三电磁信号1319。定位 器1320接收第三电磁信号1319并确定第三距离r3。处于第四已知固定位置 的第四信标1316发射第四电磁信号1321。定位器1320接收第四电磁信号 1321并确定第四距离r4。电磁信号1315、1317、1319、1321可以是具有基本 相似的频率的充分相似的电磁信号，或者可以是具有不同频率的各种电磁信 号。电磁信号1315、1317、1319、1321可以在充分相同的时间或在不同时间 发射。例如，信标1310可以同时发射适合长距离的低频信号和适合短距离的 高频信号。定位器1320使用距离r1、r2、r3、r4可以确定它的位置。为了说明 而不是为了限制，图示了四个信标1310、1312、1314、1316。对某些应用一 个信标足以产生有用的测距信息。两个信标在两维产生不确定位置，三个信 标可以在两维产生明确的位置，或者在三维产生不确定的位置，以及四个信 标在三维产生明确的位置。使用额外的信标提供距离，人们可以利用那些RF 领域的技术人员已知的多边技术，得到定位器1320的更精确的位置。\n定位器1320也可以通过可选的数据总线1395传达距离和其它有用信息 给中央控制器1399用于分析。然后，中央控制器1399可以通过数据总线1395 将位置或其它信息转播回定位器1320。中央耦合(即，耦合到测距系统1300 的所有元件)的控制器1399或定位器1320可以协调定位器1320和信标1310、 1312、1314、1316的工作频率或其它工作参数。这样的协调可以包括：工作 在合适的频率以避免干扰或得到最优的距离信息。协调也可以包括调度操作 的时间或占空比。协调还可以包括为共存、信号安全或其它原因的发射功率 控制。\n当人们希望跟踪有限数目的资产时，或者如果人们希望在潜在很多的移 动位置可以得到位置、场所、导航或引导信息，则固定信标-移动定位器系 统1300是有利的。固定信标-移动定位器系统1300适于提供给用户(具有定 位器1320)区域内位置的快速更新，围绕或遍及该区域已经部署多个信标(例 如，信标1310、1312、1314、1316)。可能有各种应用。为了说明而不是为了 限制的目的，下面列出几个应用。\n例如，固定信标1310、1312、1314、1316可以在希望设备的精确引导的 高尔夫球场、草坪、农场或另外的区域中或周围部署。可以放置定位器1320 在机器人牵引车、割草机、高尔夫球收集器、收割机、施肥机或其它设备上。 定位器1320可以用在这样设备的引导或导航系统中。定位器1320也可以用 于跟踪高尔夫球车或其它资产。定位器1320可以用于帮助打高尔夫球的人或 其他人确定他们的位置，特别是他们相对高尔夫球洞或其它感兴趣的陆标的 位置。\n固定信标1310、1312、1314、1316可以在人们希望有人或设备能够监视 他们的位置或位置的购物商场、商店、博物馆、商行、游乐园、城区、公园、 郊区、海港、湖泊、房产、家、单元住宅或其它区域或设备中或周围部署。 定位器1320可以由个人携带，使得个人可以监视他(她)自己的位置或另一个 人(如家庭成员、朋友或其他感兴趣的人)的位置。定位器1320也可以由个人 携带，使得个人可以确定他们相对陆标或其他感兴趣的一个点或多个点的位 置。定位器1320可以合并到这样的设备中，该设备提供给用户位置特有的信 息，如价格或其它有关附近用于出售、评估或估价的目标的信息。定位器1320 也可以合并到这样的设备中，该设备提供给用户位置特有的信息，该信息描 述附近的吸引人的事物、表演、展览、冒险或其它可能感兴趣的特征。\n定位器1320可以合并到车辆中以提供位置、引导或导航信息。示例是精 确引导或导航系统，用于飞行器如无人航空运载工具(UAV)、船、汽车、无人 地面运载工具(UGV)或其它交通工具。\n固定/移动定位器-移动信标结构\n图14是图示根据固定/移动定位器-移动信标结构配置的近场测距系统 的示意图。图14中，固定/移动定位器-移动信标测距系统1400包括移动信 标1410，它发射第一电磁信号1415、第二电磁信号1417、第三电磁信号1419、 第四电磁信号1421和第五电磁信号1423。电磁信号1415、1417、1419、1421、 1423可以是具有基本相似频率的基本相似的电磁信号，或具有不同频率的多 种电磁信号。电磁信号1415、1417、1419、1421、1423可以在基本相同的时 间或不同的时间发射。例如，移动信标1410可以同时发射适合长距离的低频 信号和适合短距离的高频信号。\n第一固定定位器1420接收第一电磁信号1415并确定第一距离r1。第二 固定定位器1422接收第二电磁信号1417并确定第二距离r2。第三固定定位 器1424接收第三电磁信号1419并确定第三距离r3。第四固定定位器1426接 收第四电磁信号1421并确定第四距离r4。第五移动定位器1428接收第五电 磁信号1423并确定第五距离r5。为了说明的目的，第五移动定位器1428显 示为如定向定位器1020(图10)描述的那类定向定位器，但是第五移动定位器 1428可以容易地是如全向定位器820(图8)描述的那类全向定位器。\n为了解释而不是为了限制的目的，在图14中图示了四个固定的定位器 1420、1422、1424、1426和一个移动定位器1428。单个定位器足够为某些应 用产生有用的距离信息。例如，单个的移动定位器1428可以使用户能够确定 到移动信标1410的距离r5，因此允许用户导向目标追踪移动信标1410。两个 定位器在两维产生不确定位置，三个定位器可以在两维产生明确的位置，或 者在三维产生不确定的位置，以及四个定位器在三维产生明确的位置。使用 额外的信标提供距离，人们可以利用那些RF领域的技术人员已知的多边技 术，得到信标1410的更精确的位置\n当测距系统1400中包括数据总线1495时，定位器1420、1422、1424、 1426、1428可以通过数据总线1495传送距离r1、r2、r3、r4、r5给中央控制器 1499或连接到数据总线1495的另一个设备(图14中未示出)。中央控制器1499 可以收集距离r1、r2、r3、r4、r5，计算信标1410的位置，并且转播那个位置 信息给连接到数据总线1495的任何其它设备。\n中央控制器1499(或连接到数据总线1495的另一个设备)可以协调移动信 标1410和定位器1420、1422、1424、1426、1428的工作频率或其它工作参 数。这样的协调可以包括：工作在合适的频率以避免干扰或得到最优的距离 信息。协调也可以包括调度操作的时间或占空比。协调还可以包括为共存、 信号安全或其它原因的发射功率控制。\n测距系统1400是为跟踪大量资产而特别适当配置的，所述大量资产包括 例如从中心位置跟踪人或资产。可能有各种应用。为了说明而不是为了限制 的目的，下面列出几个应用。\n例如，多个固定定位器(例如，定位器1420、1422、1424、1426)可以在 特殊的感兴趣区域中或周围部署，在该区域内人们希望跟踪连接到感兴趣的 资产的多个信标(例如，信标1410)。测距系统1400非常适合跟踪汽车、租用 的设备、零件、组件、工具或其它制造设备中的资产、零售点、仓库、货舱、 交通工具、货物、集装箱、存储区域、医院或其它其中人们希望跟踪资产的 设备。各移动信标1410可以放置在每个汽车、每件租用的设备、零件、组件、 工具或其它希望知道其位置的资产中。如果各移动信标1410从这样的区域移 开，在该区域中或周围已经布置固定定位器的设施，那么移动定位器(例如， 移动定位器1428)可以用来帮助确定漫游的移动信标1410的位置。如果漫游 的移动信标1410连接到失窃的财产，则这个功能特别有用。诸如定位器1420 的定位器可以与交通信号、收费所或其它有关交通的设施相关联，并且可以 监视接近的应急交通工具、公共汽车或小汽车中的各移动信标1410，因此允 许交通信号的精确控制或其它情况的监视。这里记住下面的是有用的：与测 距系统1400相关联的电磁信号可以调制来包含信息，如与资产有关的标识信 息，移动信标所附着的资产。以这种方式，携带各移动信标1410的各种资产 可以在测距系统1400内单独标识或验证。\n此外，多个固定定位器(例如，定位器1420、1422、1424、1426)可以部 署在感兴趣的特殊区域中或周围，在该区域内，人们希望跟踪多个附着于人 或与人相关联的信标(例如，信标1410)。这样，测距系统1400非常适合跟踪 应急应答器，如事件现场的火警、警察、SWAT团队成员和医疗人员。测距 系统1400可以用于跟踪危险环境中的雇员，如矿井中的矿工、存在危险材料 的设备边的工人，或者监狱中管教警官或犯人。测距系统1400也可以用于跟 踪病人、医生或在医院、疗养院或其它结构中的其他重要人员或设备。\n在另一个示例性示例中，测距系统1400可以跟踪滑雪区域的滑雪者，使 得甚至在雪崩或其它紧急情况下容易地定位滑雪者。类似地应用包括跟踪徒 步旅行者、登山者、滑翔者、狩猎者、钓鱼者、常在野外活动的人和其它从 事潜在危险的活动并可能需要营救或帮助的人。\n可以在游乐园、博物馆、节日、体育比赛、大会、会议或其它密集的人 群跟踪顾客。可能监视体育比赛选手如橄榄球选手、足球选手、棒球选手、 游泳选手、跑步选手和其它运动的参加者的位置，以帮助体育比赛的裁判、 报导或分析。可以跟踪体育设备或动物，包括：为了说明而不是为了限制， 足球、棒球、英式足球、橄榄球、赛车、赛艇、纯种马或快速船。\n重要人员可以位于商店或设施中。可以在家、附近地区、学校、校园或 其他设施周围，监视需要监督的孩子和其他人。测距系统1400也可以应用到 个人应急响应系统(PERS)，以允许营救者迅速定位需要帮助的人，如已经从 疗养院走失的病人。作为释放回家或其它低安全监督计划的一部分，可以跟 踪犯人。可以监视行动受制于约束命令或其它限制的人，以阻止他们违反限 制条款。移动定位器(例如，移动定位器1428)可以用于帮助发现已经离开这 样的区域的人，在该区域中或周围已经放置固定定位器(例如，固定定位器 1420、1422、1424、1426)的设施。\n测距系统1400也可以作为宠物容纳系统的一部分用于跟踪宠物，或者允 许拥有者监视宠物的位置。作为保护项目、研究努力的一部分或为了其它原 因，可以跟踪野生动物。测距系统1400也可以用于跟踪并监视家畜或其它驯 养的动物。\n交互的信标-定位器\n图15是说明根据交互的信标-定位器结构配置的近场测距系统的示意 图。图15中，交互的信标-定位器结构1500包括第一信标-定位器1520和 第二信标定位器1522。第一信标-定位器1520发射第一电磁信号1515。第 二信标-定位器1522接收第一电磁信号1515并计算到第一信标-定位器 1520的距离r。第二信标-定位器1522也可以发射第二电磁信号1517。第一 信标-定位器1520接收第二电磁信号1517并计算距离r。如果第一信标-定 位器1520和第二信标-定位器1522通过可选的数据总线1595连接，那么第 一信标-定位器1520可以触发第二信标-定位器1522发送第二电磁信号 1517，使得第一信标-定位器1520可以确定距离r。为了说明而不是为了限 制，只示出了两个信标-定位器。但是在某些应用中，拥有额外的信标-定 位器是有利的，使得更大的组的每个成员可以跟踪或被跟踪。\n各种应用适合测距系统1500。为了说明而不是为了限制，下面列出几个 应用。交互的信标-定位器1500与双向的无线电台结合是有用的，该无线电 台的用户希望知道通信方有多远。人们也可以有利地将信标-定位器1520、 1522并入到允许人们发现彼此的设备或者其中希望组内或组的成员之间的合 并的跟踪和通信的其它设备中，允许人们发现彼此的设备例如游乐园中的父 母和孩子、狩猎者、钓鱼者、或其他常在野外活动的人。不仅对人，而且也 对交通工具，特别是移动的组内需要保持特定的间隔或位置的飞行器和船， 这样的合并的跟踪和通信的安排可能是有用的。如果用于定向的装置也用于 特殊的应用中，那么可以得到距离和方位信息。当能见度被烟或其它介于其 间的墙或物体削弱时，交互的信标-定位器1500对允许团队的成员监视互相 的位置也是有用的。此外，交互的信标-定位器1500可以有利地用作通信安 全系统的一部分，该通信安全系统使用距离或位置信息来证实或验证通信方 的身份。\n被动标签结构\n图16是说明使用被动标签结构配置的近场测距系统的示意图。图16中， 被动标签测距系统1600包括配备询问者天线1638的定位器1620，天线1638 辐射询问电磁信号1616。在替代性的实施例中，询问者天线1638的功能可 以由第一磁天线1631、第二磁天线1633或电天线1632执行。询问电磁信号 1616由被动标签1629的询问者天线1639检测。被动标签1629从。询问电 磁信号1616收集能量，并且通过被动标签发射天线1635重新辐射收集的能 量作为电磁信号1617。\n询问电磁信号1616与重新辐射的电磁信号1617可以具有不同的频率或 其它不同的性质。虽然询问者天线1639和被动标签发射天线1635显示为磁 天线，它们可以在电天线中实施。此外，被动标签1629包括调制重新辐射的 电磁信号1617的主动装置。电磁信号1617由第一磁天线1631、第二磁天线 1633和电天线1632检测。定位器1620然后使用本发明的近场距离测量教导， 确定到被动标签1629的距离r，以及也可能确定方向。\n当低成本但高容量实现是重要的目的时，被动标签测距系统1600是好的 产品解决方案。被动标签1629可以附着到希望以高精度知道其位置的行李、 邮件、用于存货控制或防盗的资产、身份证或其它个人的人造物品，或者多 个其他人或资产。\n通过响应不同的询问电磁信号1616，或者通过应用到各发射的电磁信号 1617的各种调制，多种相邻的被动标签1629可以互相区分。\n近场远程感应结构\n图17是说明使用近场远程感应结构配置的近场测距系统的示意图。图 17中，近场远程感应测距系统1700包括配备询问者天线1738的远程近场传 感器1720，询问者天线1738辐射询问电磁信号1716。在替代性的实施例中， 询问者天线1738的功能可以由第一磁天线1731、第二磁天线1733或电天线 1732执行。询问电磁信号1716入射到远程感应的物体1719。当入射的询问 电磁信号1716从远程感应的物体1719反射时，产生反射的电磁信号1717。 反射的电磁信号1717的性质依赖于远程感应的物体1719的电和几何性质， 以及依赖于近场传感器1720和远程感应的物体1719之间的距离r。反射的电 磁信号1717由第一磁天线1731、第二磁天线1733或电天线1732检测。近 场传感器1720可以估计反射的电磁信号1717，以推断远程感应的物体1719 的性质。\n近场测距方法\n图18是说明本发明的方法的流程图。用于测量第一位置和第二位置之间 的距离的方法1800在开始(START)块1802开始。如由块1804所示，方法1800 从第一位置连续发射电磁信号。方法1800在第二位置连续接收电磁波；如由 块1806所示，第二位置在电磁信号的近场范围之内。方法1800以不特定的 顺序，连续进行：(1)如由块1808所示，检测电磁信号的第一特征；以及(2) 如由块1810所示，检测电磁信号的第二特征。如由块1812所示，方法1800 连续测量第一特征和第二特征之间的差别。如由块1814所示，方法1800连 续利用由块1812表示的测量的差别，来计算第一位置和第二位置之间的距 离。如由结束(END)块1816所示，方法1800结束。\n为了说明而不是为了限制的目的，提供了固定信标-移动定位器测距系 统1300(图13)、固定/移动定位器-移动信标测距系统1400(图14)、交互的信 标-定位器测距系统1500(图15)、被动标签测距系统1600(图16)和近场远程 感应测距系统1700(图17)。多种替代性的配置以及对结构进行结合也是可能 的。例如，固定定位器1420、1422、1424、1426(图14)可以在信标-定位器 配置，如信标-定位器1520(图15)中实施。可以配置固定定位器1420、1422、 1424、1426(图14)协作地自己测量它们自己各自的位置，以使确定位置、定 位或跟踪系统能够快速部署。连同这里描述的各测距系统的结构一起提供的 特殊的示例性应用，不应该解释为：对给定的各示例性应用，排除不同结构 的应用。\n在另一个示例中，被动标签1629(图16)可以随同定位器的网络(例如，固 定定位器1420、1422、1424、1426；图14)使用。另外，本公开中任何内容 都不应解释为：排除测距、定位或定位系统使用额外的信息来提炼位置的估 计。使用的其它信息可以包括：作为示例而不作为限制，过去位置或位置变 化的历史记录、或来自其它传感器或源的信息。特别地，本发明非常适合作 为GPS类型跟踪系统的补充。本发明可以将GPS类型跟踪和定位系统的功能 扩展到GPS信号不能穿透或不能得到的区域。而且本发明也可以用于达到单 独使用GPS不能获得的性能水平。本公开中任何内容都不应解释为：排除本 发明连同任何其它用于跟踪、确定位置或定位的现有技术一起使用。类似地， 本发明可以由现有技术系统补充，以在本发明单独不能产生可靠结果的区域 或距离改善本发明的性能。\n虽然为了简单，在解释本发明时，本公开专注于单一极化，但是应该理 解本发明的讲授可以容易地扩展到多重极化或具有多个并行的接收信道的极 化不同的系统，包括使用圆形极化的系统。各种极化能力允许本发明讲授的 系统容纳信标或被动标签和定位器之间的各种定向。\n为帮助理解本发明，本公开专注于本发明的窄带连续波(CW)实现。应该 理解：也可以使用多个频率、时域冲击波形、适合的频率的步进或扫描的集 合，或者其它比单独的窄带CW信号更复杂的信号，实现本发明。例如，CW 信号的相差可能涉及时延，或者更一般地，任意信号的希尔伯特(Hilbert)变换。 任何波形(不管是CW波形、短脉冲、冲击，还是时域波形、尖锐的波形或其 它波形)将以下述方式从近场形状发展到远程形状，该方式使根据本发明的讲 授的距离测量和定位便利。\n只是为了说明的目的，提供了具体应用，以帮助读者理解其中本发明将 证明有用很多环境中的几个。还应该理解：虽然给出的详细附图和具体示例 描述了本发明的优选实施例，但是它们只是为了说明的目的，本发明的装置 和方法并不限于所公开的精确细节和情况，并且其中可以进行各种改变而不 背离由所附的权利要求书定义的本发明的精神。