TW201427302A - 以地面基地台提供定位之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種以地面基地台提供定位之方法，其係採用展頻通訊技術以及展頻通訊技術特有之耙型接收機，進行因地面地形變化而產生之多重路徑定位訊號之接收，並與數值化之數位電子地圖進行映像比對，進而以該多重路徑定位訊號之交會區域定出訊號接收端之位置；於本發明中，一基地台係具有三部發射機，該三部發射機分別以各120度發射各自之不同展頻碼，進而達成以二點定位模式完成定位；特別地，本發明之方法因具有高增益展頻碼，故其具有可避免定位訊號受到刻意干擾、高保密性與精確定位之優點，並且，由於本發明之方法係採用耙型接收機進行定位訊號之接收，故可解決定位訊號因地面地形所造成之遮蔽效應所導致的傳播路徑不同、訊號衰弱、訊號延遲、以及非視線定位失準等問題。

Description

以地面基地台提供定位之方法
本發明係關於一種定位之方法，尤指以地面基地台與展頻通訊技術，並搭配數位電子地圖進行定位，具有低成本與高效能之特點，且操作簡單，更可於非視線環境下進行精確定位的一種以地面基地台提供定位之方法。
定位技術原僅供作為軍事用途，但隨著時代的改變，現已開放提供民間使用，因此，便對人類的生活應用上產生了革命性的變化，亦帶來許多的便利，例如：汽車的導航系統與行動裝置的定位功能，駕駛人可將目的地輸入導航系統，其可經由內建之資料庫或連線至網路搜尋，提供行駛路線，引導駕駛人到達目的地；而行動裝置已可作為隨身攜帶之物品，藉由其定位功能，可降低失蹤率與發生迷路的情形，且當行動裝置遺失時，亦可藉由其定位功能而尋回。
承上述，習用的定位技術主要可分為全球衛星定位系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)，如美國的GPS系統和俄國的GLONASS系統、手機基地台定位系統以及Wi-Fi定位系統這三種；全球衛星定位系統顧名思義，即是利用分布於太空中之人造衛星對地球上之任何物體進行精確的 定位，且其定位精確度並不受天候的影響，但由於其需以高技術運作，故建造相當昂貴。而手機基地台定位系統係以接收端訊號強度(Received Signal Strength,RSS)來判別距離，並藉由比對手機基地台之位置資料庫，將兩者交叉聯集進行計算，以找出手機或其持有人之所在地。
然而，手機基地台定位系統必須於手機基地台的偵測範圍內才能進行定位，因此，定位之準確度易受氣候與地形等外在環境因素的影響，且於非視線環境下亦無法進行精確定位；Wi-Fi定位系統的作用原理與前述之手機基地台定位系統相似，但不同的是，Wi-Fi定位系統是利用無線網路基地台(Wi-Fi Access Point)的MAC Address，去比對MAC Address資料庫中的經緯度座標，找出該MAC Address所對應的座標，故同樣地，定位之準確度易受氣候與地形等外在環境因素的影響，且於非視線環境下亦無法進行精確定位。
因此，有鑑於習用的定位技術仍具有諸多之缺點，故本案之發明人係極力地加以研究發明，終於研發完成本發明之一種以地面基地台提供定位之方法，該以地面基地台提供定位之方法係以地面基地台與展頻通訊技術，並搭配數位電子地圖進行定位，具有低成本與高效能之特點，且操作簡單，更可於非視線環境下進行精確定位，故可取代/補強該習用的定位技術之不足。
本發明之主要目的，在於提供一種以地面基地台提供定位之方法，其係以地面基地台與展頻通訊技術，並搭配數位電子地圖進行定位，具有低成本與高效能之特點，且操作簡單，更可於非視線環境下進行精確定位。
因此，為了達成本發明之主要目的，本案之發明人提出一種以地面基地台提供定位之方法，係包括：(1)設置具有至少一第一地面基地台與一第二地面基地台的一地面基地台群組，且該第一地面基地台與該第二地面基地台各自具有三組不同展頻碼用以區分基地台各120度發射角，並以全方位360度與分時方式，同時分別發射一第一定位訊號與一第二定位訊號；(2)於自由空間中的一訊號接收端之一耙型接收機(Rake receiver)接收該第一定位訊號與該第二定位訊號，其中，該第一定位訊號與該第二定位訊號係由直接路徑及因地面地形而產生之多重傳播路徑，或只有因地面地形而產生之多重傳播路徑所組成；(3)該耙型接收機藉由其內部之複數組耙指(Fingers)對該第一定位訊號與該第二定位訊號進行接收，然後送至訊號處理器分析，以計算出該第一地面基地台及該第二地面基地台分別與該訊號接收端所相隔之虛擬距離及路徑；以及 (4)該訊號接收端將前述步驟(3)所得之路徑數據與一數位電子地圖進行映像比對(Mapping)分析，以定位該訊號接收端之位置。
為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種以地面基地台提供定位之方法，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。
請同時參閱第一圖與第二圖，係分別為本發明之一種以地面基地台提供定位之方法的流程圖，與本發明之數位電子地圖映像比對之示意圖，其中，本發明之實施方法主要包括4個步驟流程：首先，如第一圖與第二圖所示，該方法係執行步驟(S01)，設置具有至少一第一地面基地台與一第二地面基地台的一地面基地台群組，且該第一地面基地台與該第二地面基地台各自具有三組不同展頻碼，用以區分基地台各120度發射角，並以全方位360度與分時方式，同時分別發射一第一定位訊號與一第二定位訊號；接著，係執行步驟(S02)，於自由空間中的一訊號接收端之一耙型接收機(Rake receiver)接收該第一定位訊號與該第二定位訊號，其中，該第一定位訊號與該第二定位訊號係由直接路徑及因地面地形而產生之多重傳播路徑，或只有因地面地形而產生之多重傳播路徑所組成。
完成步驟(S02)後，係執行步驟(S03)，該耙型接收機藉由其內部之複數組耙指(Fingers)對該第一定位訊號與該第二定位訊號進行接收，然後送至訊號處理器分析，以計算出該第一地面基地台及該第二地面基地台分別與該訊號接收端所相隔之虛擬距離及路徑；最後，係執行步驟(S04)，該訊號接收端將前述步驟(S03)所得之路徑數據與一數位電子地圖進行映像比對(Mapping)分析，以定位該訊號接收端之位置；其中，該數位電子地圖其解析度可依訊號處理器之分析需求而變化，係由數百個具有高度數據之航照圖檔經轉化與數值化而成相對應數位電子地圖檔，且該數位電子地圖之範圍為該基地台所服務範圍內的所有圖檔，並含有該地面基地台群組之經緯度座標。
承上述，該以地面基地台提供定位之方法不但可對視線傳播作出精確定位，亦可於非視線傳播的情形下，作出精確定位，因此，請繼續地參閱第一圖，並同時參閱第三圖與第四圖，係分別為本發明之步驟(S04)的詳細方法流程圖，與本發明之數位電子地圖映像交叉比對之示意圖，該步驟(S04)更包括以下之詳細步驟：於完成步驟(S03)後，係執行步驟(S041)，將前述步驟(S03)所得之該第一定位訊號及該第二定位訊號分別與該訊號接收端相隔之虛擬距離及路徑，與該數位電子地圖之最低解析度地圖進行映像比對，並以該多重傳播路徑之交會區域定出虛擬位置範圍。
接著，執行步驟(S042)以判斷步驟(S041)與該數位電子地圖之最低解析度地圖進行映像比對所得之數據是否為視線傳播，若是，則執行步驟(S043)，若否，則執行步驟(S044)與步驟(S045)；於步驟(S043)之中，虛擬位置即為該訊號接收端之實際位置，完成定位；而於步驟(S044)之中，則先將步驟(S041)所得之數據進行聯集交叉分析，以得到該訊號接收端之一可能位置的所在區域數據；完成步驟(S044)後，係執行步驟(S045)，將步驟(S03)所得之數據與該數位電子地圖進行映像比對，比對時，先與最低解析度地圖進行映像比對，分析多重路徑之傳撥路徑及交會區域，並以虛擬位置為起點向可能位置的所在區域及基地台方向，適時擴大或縮小所涵蓋的範圍之數位電子圖檔，截取可能產生多重路徑之地圖電子檔，再依序增加地圖之解析度進行映像比對分析，直至於額定誤差範圍內精確地定位出該訊號接收端之位置。
如此，上述係已清楚說明本發明之以地面基地台提供定位之方法之實施流程；接著，以下將進一步地說明本發明之方法其所使用之技術特徵。如第五圖所示，係本發明之二點定位示意圖，該地面基地台群組之該第一地面基地台與該第二地面基地台係分別由三部發射機組成，且該些發射機各具有不同之展頻碼，並各以120度之一天線方位角朝向天際全方位的方式設置，以進行全方位360度且分 時地發射定位訊號，達成利用該基地台群組間之分時發射，以增加接收機通道容量之目的，其中，該展頻碼之頻率為10.23MHz，週期為9.77517×10-8秒，故該複數組耙指可解析之該多重傳播路徑間的差值範圍為大於或等於29.3225公尺。
繼續地，請參閱第五圖與第六圖，係本發明之耙型接收機之定位訊號接收示意圖，該耙型接收機之內部含有該複數組耙指，且各組耙係分別對應不同路徑之定位訊號，因此，當該耙型接收機接收該第一定位訊號與該第二定位訊號後，該複數組耙指即分別對應該第一定位訊號與該第二定位訊號送至訊號處理器對其進行分析；且於前述之步驟(S03)中，該複數組耙指係以到達時間(TOA)與天線方位角120度之到達角度(AOA)之方式接收定位訊號，然後送至訊號處理器分析，進而計算該第一定位訊號與該訊號接收端相隔之可解析的多重傳播路徑之虛擬距離及路徑，以及該第二定位訊號與該訊號接收端相隔之可解析的多重傳播路徑之虛擬距離及路徑。
並且，因該第一地面基地台與該第二地面基地台其係分別由不同展頻碼之三部發射機以各120度之方位角組成全方位天線，朝向天際發射定位訊號，又該展頻碼可作為該些發射機之身分編號，此外，該地面基地台群組之經緯度已設定並記錄至該數位電子地圖，故當該訊號處理器於 分析虛擬位置時，可定出該第一地面基地台與該第二地面基地台之各別的方位角服務範圍，故再將前述之步驟(S03)計算所得之多重路徑距離數據加入映像分析，以定出虛擬位置；同時，該複數組耙指將該第一定位訊號及該第二定位訊號送至該訊號處理器與最低解析度數位電子地圖進行映像分析，判斷該第一定位訊號與該第二定位訊號是否為視線傳播，若判斷為視線傳播，則虛擬位置即為該訊號接收端之實際位置，完成定位。
此外，當該複數組耙指將該第一定位訊號及該第二定位訊號送至訊號處理器，判斷該第一定位訊號與該第二定位訊號為非視訊傳播時，該訊號處理器則以該數位電子地圖進行映像分析，其先利用該展頻碼得知該第一地面基地台與該第一地面基地台之座標，再利用到達時間(TOA)與到達角度(AOA)分別計算該第一定位訊號與該訊號接收端相隔之多重路徑中之一第一最短路徑長度，以及該第二定位訊號與該訊號接收端相隔之多重路徑中之一第二最短路徑長度，並分別以該第一地面基地台與該第二地面基地台之座標為中心，該第一最短路徑長與該第二最短路徑長為半徑，形成以該第一地面基地台與該第二地面基地台為中心之兩個圓形區域，該兩個圓形區域所重疊之地方即為該訊號接收端之一可能位置的所在區域數據，交會點為虛擬位置所在。
承上述，特別地，本發明之方法係採用高增益展頻碼通訊技術，以及展頻通訊技術特有之耙型接收機，以進行多重路經定位訊號之接收，並透過二點定位(到達時間與120度天線方位角到達角度)模式進行定位，故本發明之方法具有避免定位訊號受到刻意干擾、高保密性與精確定位之優點，且由於其採用耙型接收機進行多重路徑定位訊號之接收，送至訊號處理器對多條多重路徑分析，更可解決定位訊號因傳播路徑之不同而產生衰弱與延遲，導致定位失準等問題。
如此，上述係已藉由結構示意圖與通訊示意圖完整地揭露並說明了本發明之以地面基地台提供定位之方法較佳實施例，並且，經由上述，吾人可以得知本發明最主要的優點在於：
1.本發明之以地面基地台提供定位之方法係採用高增益展頻碼通訊技術與二點定位之模式，故具有避免定位訊號受到刻意干擾、高保密性與精確定位之優點。
2.承上述第1點，並且，於本發明之方法中，係採用展頻通訊技術特有之耙型接收機進行多重路徑定位訊號之接收，並進一步將所接收的訊號送至訊號處理器，以進行每條路徑之分析；如此，係可解決定位訊號因傳播路徑之不同而產生衰弱與延遲，導致定位失準等問題。
3.承上述第2點，以地面基地台與展頻通訊技術，並搭配 數位電子地圖進行定位，亦具有低成本與高效能之特點，且操作簡單，更可於非視線環境下進行精確定位。
4.承上述第3點，由於該數位電子地圖其解析度可依訊號處理器分析需求變化，因此，當定位訊號為視線傳播時，該訊號處理器即以資料流量較小之最低解析度地圖進行映像分析，且當定位訊號為非視線視線傳播時，訊號處理器僅以該可能位置的所在區域數據為標準，適時擴大或縮小所涵蓋的範圍之數位電子圖檔，及以漸進增加地圖之解析度進行映像比對分析，如此標的性地使用數位電子地圖，可加速該訊號處理器對數位電子地圖的資訊搜尋與比對速度，提升定位效率。
上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
S01~S04‧‧‧方法步驟
S041~S045‧‧‧方法步驟
第一圖係本發明之一種以地面基地台提供定位之方法的流程圖；第二圖係本發明之電子地圖映像比對之示意圖；第三圖係本發明之步驟(S04)的詳細方法流程圖；第四圖係本發明之電子地圖映像交叉比對之示意圖；第五圖係本發明之二點定位示意圖；以及 第六圖係本發明之耙型接收機之定位訊號接收示意圖。
S01~S04‧‧‧方法步驟

Claims (8)

  1. 一種以地面基地台提供定位之方法，係包括：(S01)設置具有至少一第一地面基地台與一第二地面基地台的一地面基地台群組，且該第一地面基地台與該第二地面基地台各自具有三組不同展頻碼用以區分基地台各120度發射角，並以全方位360度與分時方式，同時分別發射一第一定位訊號與一第二定位訊號；(S02)於自由空間中的一訊號接收端之一耙型接收機(Rake receiver)接收該第一定位訊號與該第二定位訊號，其中，該第一定位訊號與該第二定位訊號係由直接路徑及因地面地形而產生之多重傳播路徑，或只有因地面地形而產生之多重傳播路徑所組成；(S03)該耙型接收機藉由其內部之複數組耙指(Fingers)對該第一定位訊號與該第二定位訊號進行接收，然後送至訊號處理器分析，以計算出該第一地面基地台及該第二地面基地台分別與該訊號接收端所相隔之虛擬距離及路徑；以及(S04)該訊號接收端將前述步驟(S03)所得之路徑數據與一數位電子地圖進行映像比對(Mapping)分析，以定位該訊號接收端之位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之地面基地台提供定位之方法，其中，該第一地面基地台與該第二地面基地台係分別由三部發射機組成，該些發射機各具有不同之展頻碼，並各以120度之一天線方位角朝向天際，以進行全方位360度且分時地發射定位訊號，達成利用該基地台群組間之分時發射，以增加接收機通道(channel)容量之目的。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之地面基地台提供定位之方法，其中，該數位電子地圖係由數百個具有高度數據之航照圖檔經轉化與數值化而成相對應數位電子地圖檔，且該數位電子地圖之範圍為該基地台所服務範圍所有圖檔，並含有該地面基地台群組之經緯度座標。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之地面基地台提供定位之方法，其中，該展頻碼之頻率為10.23MHz，週期為9.77517×10-8秒。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之地面基地台提供定位之方法，其中，該複數組耙指可解析之該多重傳播路徑間的差值範圍係大於或等於29.3225公尺。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之地面基地台提供定位之方法，其中，於前述之步驟(S03)中，該訊號處理器係以到達時間(Time of Arrival,TOA)與天線方位角120度之到達角度(Angle of Arrival,AOA)之兩點定位方式，分析與計算該第一定位訊號與該訊號接收端相隔之虛擬距離及路徑，以及該第二定位訊號與該訊號接收端相隔之虛擬距離及路徑。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之地面基地台提供定位之方法，其中，該步驟(S04)更包括以下詳細步驟：(S041)將前述步驟(S03)所得之該第一定位訊號及該第二定位訊號分別與該訊號接收端相隔之虛擬距離及路徑，與該數位電子地圖之最低解析度地圖進行映像比對，並以該多重傳播路徑之交會區域定出虛擬位置範圍；(S042)判斷步驟(S041)與該數位電子地圖之最低解析度地圖進行映像比對所得之數據是否為視線傳播，若是，則執行步驟(S043)，若否，則執行步驟(S044)與步驟(S045)；(S043)虛擬位置即為該訊號接收端之實際位置，完成定位； (S044)將步驟(S041)所得之數據進行聯集交叉分析，以得到該訊號接收端之一可能位置的所在區域數據；(S045)將步驟(S03)所得之數據與該數位電子地圖進行映像比對，比對時，先與最低解析度地圖進行映像比對，分析多重路徑之傳撥路徑及交會區域，並以虛擬位置為起點向可能位置的所在區域及基地台方向，適時擴大或縮小所涵蓋的範圍之數位電子圖檔，截取可能產生多重路徑之地圖電子檔，再依序增加地圖之解析度進行映像比對分析，直至於額定誤差範圍內精確地定位出該訊號接收端之位置。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之地面基地台提供定位之方法，其中，該額定誤差範圍係小於10公尺。
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