CN106707230A - 一种定位系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种定位系统及其定位方法，该定位系统具有一已知初始位置的第一无线收发装置、及一第二无线收发装置，经由该第一无线收发装置发送一搜寻信息至该第二无线收发装置，该第二无线收发装置接收该搜寻信息后，运算产生一响应信息，再发送该响应信息给该第一无线收发装置，该第一无线收发装置接收到该响应信息后，经运算得知该第二无线收发装置之相对空间位置；本发明只需在空间中布建一个已知初始位置的第一无线收发装置，通过估算复数个第二无线收发装置与第一收发装置的相对空间位置，即可对第二无线收发装置实现精准定位，相较先前技术，本发明具有安装容易、建置成本低、定位精度高、可立体空间定位、节省移动端能耗等优势。

Description

一种定位系统及其定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位系统及其定位方法，尤指一种透过收发信息的时间差精准得知目标物位置的定位系统及其定位方法。

背景技术

定位系统大致上可分为四类：三角定位法、邻近式、背景分析、和混合式。有关三角定位法的定位系统可参考美国专利第5,646,632号「一种确定自身位置的便携式通信设备的装置及其方法」、美国专利第6,275,705号「定位及追踪系统」，两者主要利用基站或传感器与用户间的距离或角度等特性加以定位；若是利用距离，则利用信号传递所经过的时间，或是根据信号衰减程度，进一步加以计算；若是利用角度，则必须知道两参考点之间的夹角才能决定位置，可透过一些特殊设计的硬件取得角度。

参考中国专利公开号为104270710的「一种基于iBeacon的蓝牙室内定位系统」，其基于蓝牙定位技术，利用iBeacon组建无线传感器网络，每一个iBeacon作为一个信标节点，利用RSSI算法测量未知节点到多个信标节点的距离，利用三角测量和极大似然估计定位算法进行综合评价最终确定未知节点所在位置的蓝牙定位系统；然而，RSSI算法易受环境干扰影响其准确性，致定位精度不高且有效范围受限。所有使用三角定位法的定位技术共同特性是至少需要两点或三点才能决定待测点的位置，系统布建相对复杂。

有关邻近式的定位系统可参考美国专利第5,493,283号「定位及认证系统」，根据所需定位的精准度高低，基地台或传感器涵盖的范围就需要相对地改变，当要求的精确度越高时，涵盖的范围则必须越小，需要的基地台或传感器就越多，建置成本亦相对提高。

有关背景分析的定位系统可参考美国专利第6,839,027号「用于约束调频使用路径的位置测量过程」，因其需要针对各环境建立专用的数据库，设定上较为复杂；而利用环境中多个无线网络基站的信号强度，以判断用户所在位置的方法，则必须事先在环境中的各位置量测信号强度，以建立各位置信号强度的数据库，然后再利用目前所测到的信号强度，进一步匹配计算取得最有可能的位置。

有关混合式的定位系统，参考台湾第I432761号「定位测距方法及系统、距离量测方法」，由多个发射装置、一无线协调装置、及多个感测设备所组成，其中，该感测设备包括一无线感测装置，从发射装置接收射频信号开始计时，且从发射装置接收超声波信号，且根据接收到该射频信号和该超声波信号之间的时间差，进行估算以得到一与发射装置距离的距离量测值；由于该技术方案需设置多个发射装置及多个感测设备，建置成本较高。

另，参考美国专利第6,865,347号「用于确认结构中的位置且基于光学的定位系统及方法」，利用摄影装置及特殊设计硬件，以量测入射光的方位、仰角与距离；但是，此方法容易受到阳光或其它光源的影响，因而降低其实用性。

参考台湾I398180号「由行动方协助之加强定位方法」，该发明系在一第一UE，至少一第二UE之一上行信号被接收以及标记，于该第一UE，来自至少一基站之一下行信号被接收并标记，通过使用该时间标记决定观察的抵达时间差。第一UE的位置基于该被决定之抵达时间差而决定；该发明的时间差需要以多个基站之间的椭圆区域被决定。

参考台湾I293690号「利用时间差之定位系统与方法」，该发明依据该接收时间与该发送时间之时间差，计算该全向性收发器与该指向性发射器之相对空间位置；惟，该发明以一角速度旋转的发射器搜寻目标物，其运算仅能估测2D平面位置，与目标物实际的立体空间位置有较大误差；若以多个发射器数组实施，则成本相对较高。

参考台湾申请号第103119118号「定位系统、定位方法、及定位程序」，该申请案系使用关于该复数个信号源之信号源信息及该移动终端中之该复数个非可听音之接收纪录进行定位；此申请案必须藉由复数个信号源及复数个非可听音才能进行定位，建置复杂且成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以降低建置定位系统的复杂度并提高定位精准度的定位系统及其定位方法。

本发明一种定位系统，包括：

一第一无线收发装置，用于持续扫描一空间范围，于任一空间角度，产生并发送一搜寻信息至第二无线收发装置，接收第二无线收发装置发送的一响应信息、确认其有效性、并储存其接收时间，估算并储存该第二无线收发装置的相对空间位置；及

一第二无线收发装置，用于接收第一无线收发装置发送的搜寻信息，运算并发送一响应信息。

该第一无线收发装置，包括：

一第一运算单元，用于产生该搜寻信息，及估算该第二无线收发装置的相对空间位置；

至少一指向发射单元，用于发送该搜寻信息至第二无线收发装置；

一空间扫描驱动单元，用于驱动该指向发射单元运行，及扫描空间范围；

一第一全向收发单元，用于接收该第二无线收发装置发送的响应信息；

一第一存储单元，用于储存该搜寻信息、该空间角度、及该第二无线收发装置的相对空间位置；

一第一控制单元，用于控制第一运算单元、指向发射单元、空间扫描驱动单元、第一全向收发单元及第一存储单元；

该第二无线收发装置，包括：

一全向接收单元，用于接收第一无线收发装置发送的搜寻信息；

一第二运算单元，用于产生响应信息；

一第二存储单元，用于储存该响应信息；

一第二全向收发单元，用于发送该响应信息；

一第二控制单元，用于控制全向接收单元、第二运算单元、第二存储单元、及第二全向收发单元。

该空间范围是指该指向发射单元经该空间扫描驱动单元的驱动，指向的所有空间角度。

该搜寻信息包括第一无线收发装置标识符、指向发射单元的发射标识符、及第一无线收发装置发送该搜寻信息的时间；

该响应信息包括第一无线收发装置标识符、指向发射单元的发射标识符、第一无线收发装置发送该搜寻信息的时间、第二无线收发装置标识符、第二无线收发装置接收该搜寻信息的时间、第二无线收发装置发送该响应信息的时间。

该相对空间位置是指第二无线收发装置相对于第一无线收发装置的相对坐标，该相对坐标由第二无线收发装置与第一无线收发装置之间的距离、水平夹角、垂直夹角所组成。

该第二无线收发装置还具有一唤醒单元，该第二全向收发单元接收第一无线收发装置的第一全向收发单元传送的一唤醒信息，以启动该唤醒单元，使该唤醒单元传送一信号至第二控制单元，进而控制该全向接收单元、第二运算单元及第二存储单元启动。

本发明一种定位系统的定位方法，包括如下步骤：

步骤1、经由已知初始位置的第一无线收发装置，持续扫描一空间范围，于任一空间角度，产生并发送一搜寻信息至第二无线收发装置；

步骤2、第二无线收发装置接收该搜寻信息，运算并发送一响应信息至该第一无线收发装置；

步骤3、该第一无线收发装置接收该响应信息、确认其有效性、并储存其接收时间，估算并储存该第二无线收发装置的相对空间位置；

步骤4、根据第一无线收发装置的已知初始位置，通过估算第二无线收发装置与第一收发装置的相对空间位置，即可对第二无线收发装置实现定位。

还包括如下步骤：

S21. 第一无线收发装置的第一运算单元产生一搜寻信息M_S，该搜寻信息M_S包括第一无线收发装置的标识符ID_Dev1、指向发射单元的发射标识符ID_Tx1及搜寻信息的发送时间t₁，即M_S = (ID_Dev1, ID_Tx1, t₁)；

S22. 通过空间扫描驱动单元驱动指向发射单元朝向一空间角度(θ_Ｈ,θ_Ｖ) 在时间t₁发送搜寻信息M_S，其中，θ_Ｈ为水平夹角、θ_Ｖ为垂直夹角；

S23. 第一控制单元储存发射标识符ID_Tx1、搜寻信息M_S的发送时间t₁、及空间角度(θ_Ｈ,θ_Ｖ)到第一存储单元中；

S31. 第二无线收发装置的全向接收单元于时间t₂接收该搜寻信息M_S；

S32. 在第二存储单元所有已发送的响应信息中查找该搜寻信息M_S，若存在，则舍弃该搜寻信息M_S，进行步骤S31；若不存在，则进行步骤S33；

S33. 第二运算单元产生一响应信息M_R，该响应信息M_R包括搜寻信息M_S、第二无线收发装置的标识符ID_Dev2、搜寻信息M_S接收时间t₂及响应信息发送时间t₃，M_R = (ID_Dev1, ID_Tx1, t₁, ID_Dev2, t₂, t₃)；

S34. 第二全向收发单元于时间t₃发送该响应信息M_R；

S35. 确认第一无线收发装置收到该响应信息M_R之后，该第二控制单元储存该响应信息M_R到该第二存储单元中；

S24. 第一无线收发装置的第一全向收发单元于时间t₄接收该响应信息M_R；

S25. 第一运算单元比对该响应信息M_R的第一无线收发装置标识符与自身标识符ID_Dev1是否相同，若不同，则舍弃该响应信息M_R，进行步骤S21；若相同，则进行步骤S26；

S26. 假设该第一无线收发装置和该第二无线收发装置时间同步，根据指向发射单元的信号传播速率V₁和第二全向收发单元的信号传播速率V₂，估算出第一无线收发装置与第二无线收发装置之间的距离d，d = min{V₁*(t₂ - t₁), V₂*(t₄ - t₃)}； S27. 利用该响应信息M_R中指向发射单元的发射标识符ID_Tx1、及该搜寻信息M_S发送时间t₁，在该第一存储单元中查到该空间角度(θ_Ｈ,θ_Ｖ)，可得知该相对空间位置(d,θ_Ｈ,θ_Ｖ)；

S28. 储存第二无线收发装置标识符ID_Dev2、响应信息M_R发送时间t₃、及相对空间位置(d,θ_Ｈ,θ_Ｖ)到该第一存储单元中，完成定位。

还包括如下步骤：该第一无线收发装置的第一全向收发单元传送一唤醒信息至该第二无线收发装置的第二全向收发单元，以启动该唤醒单元，该唤醒单元传送一信号至该第二控制单元，进而控制该全向接收单元、该第二运算单元、及该第二存储单元启动。

本发明只需在空间中布建一个已知初始位置的第一无线收发装置，通过估算复数个第二无线收发装置与第一收发装置的相对空间位置，即可对第二无线收发装置实现精准定位。相较必须布建大量传感器、或必须针对新环境的个别传感器进行优化调适的先前技术，本发明有效地改善建置复杂度过高的问题，并具有立体空间精准定位能力。

附图说明

图1为本发明实施例之工作原理图；

图2为本发明实施例之定位系统结构框图；

图3为本发明实施例之方法流程图。

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

具体实施方式

如图1所示，本发明的定位系统1具有一第一无线收发装置2、及一第二无线收发装置3，其中，该第一无线收发装置2的位置为已知初始位置（0，0，0），该第二无线收发装置3的位置为待测，该第一无线收发装置2与该第二无线收发装置3之间具有一距离d、一水平夹角θ_Ｈ、一垂直夹角θ_Ｖ，本发明目的在于得知该第二无线收发装置3的相对空间位置(d,θ_Ｈ,θ_Ｖ)。

如图2所示，该第一无线收发装置2包含：一第一运算单元20、至少一指向发射单元21、一空间扫描驱动单元22、一第一全向收发单元23、一第一存储单元24、及一第一控制单元25，该第二无线收发装置3包含：一全向接收单元30、一第二运算单元31、一第二存储单元32、一第二全向收发单元33、一第二控制单元34、及一唤醒单元35；

该第一无线收发装置2的第一运算单元20产生一搜寻信息M_S，该搜寻信息M_S包括第一无线收发装置2的标识符ID_Dev1、指向发射单元21的发射标识符ID_Tx1及时间t₁所组成，即M_S = (ID_Dev1, ID_Tx1, t₁)，通过空间扫描驱动单元22驱动指向发射单元21，朝向一空间角度(θ_Ｈ,θ_Ｖ) 在时间t₁发送搜寻信息M_S，其中，θ_Ｈ为水平夹角、θ_Ｖ为垂直夹角，该第一控制单元25储存发射标识符ID_Tx1、搜寻信息M_S、发送时间t₁及空间角度(θ_Ｈ,θ_Ｖ)到第一存储单元24中；

第二无线收发装置3的全向接收单元30于时间t₂接收该搜寻信息M_S，由第二运算单元31产生由搜寻信息M_S、第二无线收发装置3的标识符ID_Dev2、搜寻信息M_S接收时间t₂及响应信息发送时间t₃组成响应信息M_R，M_R = (ID_Dev1, ID_Tx1, t₁, ID_Dev2, t₂, t₃)，由第二全向收发单元33于时间t₃发送至第一无线收发装置2，该第一无线收发装置2的第一全向收发单元23于时间t₄接收该响应信息M_R，在确认该第一无线收发装置2收到响应信息M_R之后，第二控制单元34储存该响应信息M_R到第二存储单元32中；第一运算单元20比对该响应信息M_R中的第一无线收发装置标识符与自身标识符ID_Dev1是否相同，若相同，则根据指向发射单元21的信号传播速率V₁和第二全向收发单元33的信号传播速率V₂，估算第一无线收发装置2与第二无线收发装置3之间的距离d，d = min{V₁*(t₂ - t₁), V₂*(t₄ - t₃)}，利用该响应信息M_R中的发射标识符ID_Tx1及搜寻信息M_S发送时间t₁，在该第一存储单元24中查到该空间角度(θ_Ｈ,θ_Ｖ)；亦即，可得知该相对空间位置(d,θ_Ｈ,θ_Ｖ)，储存第二无线收发装置3标识符ID_Dev2、响应信息M_R发送时间t₃、及相对空间位置(d,θ_Ｈ,θ_Ｖ)到第一存储单元24。

如图3所示，本发明的定位方法，具体包括如下步骤：

S21.已知初始位置的第一收发装置2的第一运算单元20产生一搜寻信息M_S，该搜寻信息M_S由第一无线收发装置2的标识符ID_Dev1、指向发射单元21的发射标识符ID_Tx1及时间t₁所组成，即M_S = (ID_Dev1, ID_Tx1, t₁)；

S22. 藉由空间扫描驱动单元22驱动指向发射单元21，朝向一空间角度(θ_Ｈ,θ_Ｖ)，其中，θ_Ｈ为水平夹角、θ_Ｖ为垂直夹角，于时间t₁发送搜寻信息M_S；

S23. 第一控制单元25储存发射标识符ID_Tx1、搜寻信息M_S的发送时间t₁、及空间角度(θ_Ｈ,θ_Ｖ)到第一存储单元24中；

S31. 全向接收单元30于时间t₂接收该搜寻信息M_S；

S32. 在第二存储单元32所有已发送的响应信息中查找该搜寻信息M_S，若存在，则舍弃该搜寻信息M_S，进行步骤S31；若不存在，则进行步骤S33；

S33. 第二运算单元31产生一响应信息M_R，该响应信息M_R由搜寻信息M_S、第二无线收发装置3的标识符ID_Dev2、搜寻信息M_S接收时间t₂及响应信息发送时间t₃所组成，M_R = (ID_Dev1, ID_Tx1, t₁, ID_Dev2, t₂, t₃)；

S34. 第二全向收发单元33于该时间t₃发送该响应信息M_R；

S35. 确认在第一无线收发装置2收到该响应信息M_R之后，该第二控制单元34储存该响应信息M_R到该第二存储单元32；

S24. 第一全向收发单元23于一时间t₄接收该响应信息M_R；

S25. 第一运算单元20比对该响应信息M_R的第一无线收发装置标识符与自身标识符ID_Dev1是否相同，若不同，则舍弃该响应信息M_R，进行步骤S21；若相同，则进行步骤S26；

S26. 假设该第一无线收发装置2和该第二无线收发装置3时间同步，根据指向发射单元21的信号传播速率V₁和第二全向收发单元33的信号传播速率V₂，可估算第一无线收发装置2与第二无线收发装置3之间的距离d如下： d = min{V₁*(t₂ - t₁), V₂*(t₄ - t₃)}；

S27. 利用该响应信息M_R中的发射标识符ID_Tx1、及该搜寻信息M_S发送时间t₁，可以在该第一存储单元24中查到该空间角度(θ_Ｈ,θ_Ｖ)；亦即，可得知该相对空间位置(d,θ_Ｈ,θ_Ｖ)；

S28. 储存该第二无线收发装置3标识符ID_Dev2、该响应信息M_R发送时间t₃、及该相对空间位置(d,θ_Ｈ,θ_Ｖ)到该第一存储单元24；进行步骤S21。

另，如图2所示，若第二无线收发装置3平时处于待机状态，仅第二全向收发单元33全时启动，以节省该第二无线收发装置3的能耗，该第一无线收发装置2可透过第一全向收发单元23传送一唤醒信息至第二全向收发单元33，使该唤醒单元35传送一信号至该第二控制单元34，进而启动第二控制单元34、全向接收单元30、第二运算单元31、及第二存储单元32，然后再进行前述定位步骤。

本发明的应用场景可以是第一无线收发装置的初始位置已知且固定，则通过估算出与第二无线收发装置的相对空间位置来对第二无线收发装置实现定位；也可以是第一无线收发装置处于移动状态，将原点空间位置（0,0,0）视为其初始位置，则通过估算出与第二无线收发装置的相对空间位置来对第二无线收发装置实现定位。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种定位系统，其特征在于包括：

一第一无线收发装置，用于持续扫描一空间范围，于任一空间角度，产生并发送一搜寻信息至第二无线收发装置，接收第二无线收发装置发送的一响应信息、确认其有效性、并储存其接收时间，估算并储存该第二无线收发装置的相对空间位置；及

一第二无线收发装置，用于接收第一无线收发装置发送的搜寻信息，运算并发送一响应信息。

2.根据权利要求1所述的一种定位系统，其特征在于：

该第一无线收发装置，包括：

一第一运算单元，用于产生该搜寻信息，及估算该第二无线收发装置的相对空间位置；

至少一指向发射单元，用于发送该搜寻信息至第二无线收发装置；

一空间扫描驱动单元，用于驱动该指向发射单元运行，及扫描空间范围；

一第一全向收发单元，用于接收该第二无线收发装置发送的响应信息；

一第一存储单元，用于储存该搜寻信息、该空间角度、及该第二无线收发装置的相对空间位置；

一第一控制单元，用于控制第一运算单元、指向发射单元、空间扫描驱动单元、第一全向收发单元及第一存储单元；

该第二无线收发装置，包括：

一全向接收单元，用于接收第一无线收发装置发送的搜寻信息；

一第二运算单元，用于产生响应信息；

一第二存储单元，用于储存该响应信息；

一第二全向收发单元，用于发送该响应信息；

一第二控制单元，用于控制全向接收单元、第二运算单元、第二存储单元、及第二全向收发单元。

3.根据权利要求1、2所述的任一种定位系统，其特征在于：该空间范围是指该指向发射单元经该空间扫描驱动单元的驱动，指向的所有空间角度。

4.根据权利要求1、2所述的任一种定位系统，其特征在于：

该搜寻信息包括第一无线收发装置标识符、指向发射单元的发射标识符、及第一无线收发装置发送该搜寻信息的时间；

该响应信息包括第一无线收发装置标识符、指向发射单元的发射标识符、第一无线收发装置发送该搜寻信息的时间、第二无线收发装置标识符、第二无线收发装置接收该搜寻信息的时间、第二无线收发装置发送该响应信息的时间。

5.根据权利要求1、2所述的任一种定位系统，其特征在于：

该相对空间位置是指第二无线收发装置相对于第一无线收发装置的相对坐标，该相对坐标由第二无线收发装置与第一无线收发装置之间的距离、水平夹角、垂直夹角所组成。

6.根据权利要求1、2所述的任一种定位系统，其特征在于：

该第二无线收发装置还具有一唤醒单元，该第二全向收发单元接收第一无线收发装置的第一全向收发单元传送的一唤醒信息，以启动该唤醒单元，使该唤醒单元传送一信号至第二控制单元，进而控制该全向接收单元、第二运算单元及第二存储单元启动。

7.根据权利要求1所述的一种定位系统的定位方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、经由已知初始位置的第一无线收发装置，持续扫描一空间范围，于任一空间角度，产生并发送一搜寻信息至第二无线收发装置；

步骤2、第二无线收发装置接收该搜寻信息，运算并发送一响应信息至该第一无线收发装置；

步骤3、该第一无线收发装置接收该响应信息、确认其有效性、并储存其接收时间，估算并储存该第二无线收发装置的相对空间位置；

步骤4、根据第一无线收发装置的已知初始位置，通过估算第二无线收发装置与第一收发装置的相对空间位置，即可对第二无线收发装置实现定位。

8.根据权利要求2所述的一种定位系统的定位方法，其特征在于包括如下步骤：

S21. 已知初始位置的第一无线收发装置的第一运算单元产生一搜寻信息M_S，该搜寻信息M_S包括第一无线收发装置的标识符ID_Dev1、指向发射单元的发射标识符ID_Tx1及搜寻信息的发送时间t₁，即M_S = (ID_Dev1, ID_Tx1, t₁)；

S22. 通过空间扫描驱动单元驱动指向发射单元朝向一空间角度(θ_Ｈ,θ_Ｖ) 在时间t₁发送搜寻信息M_S，其中，θ_Ｈ为水平夹角、θ_Ｖ为垂直夹角；

S23. 第一控制单元储存发射标识符ID_Tx1、搜寻信息M_S的发送时间t₁、及空间角度(θ_Ｈ,θ_Ｖ)到第一存储单元中；

S31. 第二无线收发装置的全向接收单元于时间t₂接收该搜寻信息M_S；

S32. 在第二存储单元所有已发送的响应信息中查找该搜寻信息M_S，若存在，则舍弃该搜寻信息M_S，进行步骤S31；若不存在，则进行步骤S33；

S33. 第二运算单元产生一响应信息M_R，该响应信息M_R包括搜寻信息M_S、第二无线收发装置的标识符ID_Dev2、搜寻信息M_S接收时间t₂及响应信息发送时间t₃，M_R = (ID_Dev1, ID_Tx1, t₁, ID_Dev2, t₂, t₃)；

S34. 第二全向收发单元于时间t₃发送该响应信息M_R；

S35. 确认第一无线收发装置收到该响应信息M_R之后，该第二控制单元储存该响应信息M_R到该第二存储单元中；

S24. 第一无线收发装置的第一全向收发单元于时间t₄接收该响应信息M_R；

S25. 第一运算单元比对该响应信息M_R的第一无线收发装置标识符与自身标识符ID_Dev1是否相同，若不同，则舍弃该响应信息M_R，进行步骤S21；若相同，则进行步骤S26；

S26. 假设该第一无线收发装置和该第二无线收发装置时间同步，根据指向发射单元的信号传播速率V₁和第二全向收发单元的信号传播速率V₂，估算出第一无线收发装置与第二无线收发装置之间的距离d，d = min{V₁*(t₂ - t₁), V₂*(t₄ - t₃)}；

S27. 利用该响应信息M_R中指向发射单元的发射标识符ID_Tx1、及该搜寻信息M_S发送时间t₁，在该第一存储单元中查到该空间角度(θ_Ｈ,θ_Ｖ)，可得知该相对空间位置(d,θ_Ｈ,θ_Ｖ)；

S28. 储存第二无线收发装置标识符ID_Dev2、响应信息M_R发送时间t₃、及相对空间位置(d,θ_Ｈ,θ_Ｖ)到该第一存储单元中，完成定位。

9.根据权利要求6所述的一种定位系统的定位方法，其特征在于包括如下步骤：该第一无线收发装置的第一全向收发单元传送一唤醒信息至该第二无线收发装置的第二全向收发单元，以启动该唤醒单元，该唤醒单元传送一信号至该第二控制单元，进而控制该全向接收单元、该第二运算单元、及该第二存储单元启动。