TW490570B - Mobile unit GPS positioning method and system using CGI and partitioned geometric area - Google Patents

Description

490570 五、發明說明（1) 本發明係有關行動單元利用GPS衛星之定位方法及系 統，尤其是有關利用行動電話基地站之C G I (基地站識別 碼），由一中心站提供涵蓋該基地站區域之GPS衛星星曆 資料（Ephemeris)及都卜勒頻移（Doppler shifts)， 使行動單元能快速定位。 一般使用G P S衛星定位技術，至少需要接收四顆可 見、不受阻擋衛星所傳送之資訊，才能正確計算其所在之 位置。而在都市裏受到建築物之阻擋，或者在室内，由於 接收到的GPS衛星訊號較為微弱，很難利用傳統的GPS接收 器接收GPS衛星訊號進行定位之工作。另外，由於GPS衛星 傳送星歷資料（E p h e m e r i s )及搜尋衛星訊號之速度很 慢，使GPS衛星定位器需花很長的時間才能完整接收足夠 的定位資料；一般衛星定位器在收訊良好冷開機的情況下 約需3 - 1 0分鐘才能完成定位工作，在溫機狀態時定位約需 1分鐘左右；由於定位時間長，故亦相當耗費電力。因一 般傳統攜帶型GPS衛星定位器定位所需的時間較長，且經 常會碰到無法定位的情況，亦很耗費電池之電力等，有許 多待克服的缺點，使用上並不普遍。為改善一般攜帶型 G P S衛星定位器所存在之缺失，經發明人一再研究後終完 成本發明。 本發明之主要目的在提供一種利用CGI (Cell Global I d e n t i t y，基地站識別碼）與地理區域之行動單元定位方 法及系統，可縮短定位所需時間及降低不能定位之情況。 本發明之另一目的在提供一種利用CGI (Cell Global 490570 五、發明說明（2) Id e η t i ty ， 基 地 站 識 別 碼 ) 地理 區 域 之 行 動 單 元GPS定位 方 法 及 系 統 ， 可 降 低 定 位 時 電池 之 耗 電 量 及 提 升 定 位之 方 便 性 〇 本 發 明 之 另 一 S 的 在 提 供一 種 可 透 過 網 際 網 路 快速 查 詢 行 動 單 元 位 置 及/或即時GPS星 暦 資 料 之 方 法 及 系 統。 本 發 明 之 其 他 g 的 功 效及 實 施 例 請 參 閱 圖 式所 示 詳 細 說 明 如 下 • 圖 式 簡 單 說 明 • 圖 1 為 台 澎 地 區 可 包 含 在 同 一地 理 區 域 之 示 意 圖 0 圖 2 為 曰 本 之 地 理 區 域 劃 分 不意 圖 〇 圖 3 為 本 發 明 行 動 單 元 定 位 方法 流 程 圖 〇 圖 4 為 本 發 明 行 動 單 元 定 位 系統 方 塊 示 意 圖 〇 圖 5 為 本 發 明 行 動 單 元 結 構 之方 塊 示 意 圖 〇 圖 6 為 本 發 明 中 心 站 結 構 之 方塊 示 意 圖 〇 圖 7 為 本 發 明 用 戶 端 利 用 網 際網 路 查 詢 行 動 單 元 位 置之 方 法 流 程 圖 〇 主 要 部 分 代 表 符 號 • 行 動 單 元 10 GPS 丨衛星接 :收 .天 線 11 行 動 電 話 天 線 12 GPS ;衛 ^星 .訊 1號 處 理 器 13 數 據 機 14 微 處 理 器 15 記 憶 體 15 1 程 式 記 憶- 體 152 液 晶 顯 示 器 153 記* 隱， 卡： 連接介面 154 電 子 地 圖 記 憶 卡1 6 中心站 20 G P S接收天線 21 G P S參考接 :收 .天 線 21

第6頁 490570 五、發明說明（3) GPS參考接收器22 GPS 伺服器 23 過位置查詢與即時星曆資料服務網站2 4 網路伺服器 241 用戶資料庫 242 網頁資料庫 2 4 3 數據機 25 C G I對應地理區域資庫2 6 GPS 衛星31 、 32 、 33 、 34 、 35 行動電話基地站 40 電話通訊網路 50 用戶端 60 網際網路 70

隨著G P S衛星定位器所在地理位置之不同，會得到不 同的G PS衛星之訊號與都卜勒頻移，利用四顆以上不同的 GPS衛星之星曆資料及都卜勒頻移，才能計算出GPS接收器 之位置。在較小區域範圍内，例如臺灣的東西長約1 4 0公 里，南北長約3 0 0公里，與GPS衛星離地球約2萬公里之距 離相較僅約為其1 / 7 0，故以臺灣的地理中心附近為參考點 所獲得GPS衛星之訊號與都卜勒頻移，與在台灣其他地區 所得到者之差異甚小，可被忽略，故可以臺灣地理中心附 近可見各顆衛星之星曆資料及都卜勒頻移，透過電話通訊 網路，例如行動電話通訊網路傳送到台灣地區内的各行動 單元，使行動單元利用都卜勒頻移可快速鎖定G P S衛星訊 號，配合行動單元本身接收的GPS衛星資料，即使在室内 等收訊較微弱的情況下，亦可快速獲得各顆衛星之虛擬距 離（Pseudo ranges )，進而配合星曆資料計算行動單元 之位置。利用行動電話通訊網路傳送G P S衛星星曆資料及 都卜勒頻移供行動單元定位所需時間僅約5秒，其速度遠 490570 五、發明說明（4) 比行動單元直接接收GPS衛星傳送該等資料並完成定位所 需的時間快許多，故可大幅縮短行動單元定位所需的時 間，同時可大幅降低行動單元定位所耗費電池之電力。

本發明利用分佈在全球的幾個GPS衛星訊號參考接收 站，這些GPS參考接收站可設立在人口稠密且行動電話通 訊普及之服務地區，如北美二座、南美一座、亞洲二至三 座、歐洲二至三座，隨時收集天上所有G P S衛星之資料， 以獲得所有即時之GPS衛星星曆資料，並將資料傳到中心 站用以計算全球各地可見GPS衛星之都卜勒頻移。本發明 係將全球人口密集的地區分成多數個每邊約3 0 0公里的正 方形區域或直徑約3 0 0公里之圓形區域，如圖1 、2所示，

說明台灣和日本地區之劃分方式，同一區域可見相同之 G P S衛星，而在該等區域内的所有行動電話基地站之C G I均 對應於該區域。當行動單元經由行動電話通訊網路要求中 心站提供GPS衛星定位資料時，由其傳送到中心站的資料 附有服務該行動單元的行動電話基地站之C G I訊息，中心 站即根據該CG I得知行動單元位於那一區域，並將該區域 地理中心附近可見GPS衛星之星曆資料及都卜勒頻移傳至 行動單元，該區域範圍内之行動單元均適用該等資料，行 動單元即可根據該都卜勒頻移迅速鎖定所需要的G P S衛星 並取得所需訊號，定出G P S衛星之虛擬距離，並配合該星 曆資料即可計算出行動單元之經度、緯度及高度。 請參閱圖3所示，本發明行動單元定位方法包括如下 步驟：

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第8頁 490570 五、發明說明（5) 1 ·行動單元經由行動電話通訊網路連接中心站，要求中心 站提供GPS衛星之裏曆資料及都卜勒頻移；或經由網際網 路連結即時星曆資料服務網站，俾以CG I查詢適用之星磨 資料及都卜勒頻移； 2 ·中心站根據行動單疋傳送之C G I找出與其相對應地理區 域，並將該區域範園適用之星曆資料及計算出的都卜勒頻 移傳至行動單元；成行動單元由即時星曆資料服務網站查 詢得到適用之星暦資料及都卜勒頻移； 3 ·行動單元利用中心站提供或由星曆資料服務網站取得之 GPS衛星之都卜勒頻移’配合其本身所接收GPS衛星資訊定 出各顆衛星之虛擬距離，並配合星曆資料計算其位置之經 度、緯度及高度； 4 ·行動單元利用讀取由記憶卡提供或由網路下載取得之電 子地圖資料檔； 5·行動單元於電子地圖上顯示其所在位置。 請請參閱圖4所示’本發明行動單元定位系統，包括 行動單元10、中心站20、多顆GPS衛星31 、32、33、34、 3 5、行動電話基地站4 0及電話通訊網路5 〇 (包括行動電話 通訊網路）所組成，其中衛星3 5係G P S的廣域增強系統衛星 (Wide Area Augmentation System ， WAAS )或其他SBAS (Space Based Augmentation System )，如曰本的 MTSAS，歐洲的EGNOS ，可提供GPS 衛星 3 1、3 2、3 3、3 4 是 否正常發出訊號之資訊，亦可提供差分修正之資料；該行 動單元1 0設有GPS衛星接收天線1 1以接收多顆GPS衛星31、

490570 五、發明說明（6) 3 2、3 3、3 4、3 5所傳送之訊號，另設有行動電話天線1 2以 經由行動電姑基地站4 0及電話通訊網路5 0與中心站2 0互通 資訊；該中心站2 0經由G P s接收天線2 1以接收顆g P S衛星 3 1、3 2、3 3、3 4、3 5所傳送之資訊，由於分佈於世界各地 之GPS參考接收站之GPS參考接收器22，可有效的接收所有 G P S衛星3 1、3 2、3 3、3 4、3 5所傳送之資訊，或藉由網路 下載，中心站可獲得所有GPS衛星31、32、33、34、35之 星曆資料及計算都卜勒頻移，且該等衛星之星曆資料有效 期間為1〜2小時内’故收集之資料可存於G p S伺服器2 3之記 憶體内，且 < 隨時更新’並可隨時透過電話通訊網路5 〇及 經行動電話通訊網路、行動電話基地站4 〇，或透過位置杳 詢與即時星曆資料服務網站24，經由網際網路快速的將g 新之星曆資料及都卜勒頻移傳送到行動單元丨〇 : 請參閱圖5所示，本發明之行動單元丨〇包括衛星天線 1 1、行動電話天線12分別經由GPS衛星訊號處理器13、數 據機1 4連接至微處理器1 5，該微處理器丨5另分別連接記憶 體1 5 1、程式記憶體1 5 2、液晶顯示器1 5 3及記憶卡連接介" 面1 5 4 ;該記憶卡連接介面1 5 4可插接一電子地圖記憔卡1 1 6 ;行動單元1 0所接收之GPS衛星訊號及由中心站^經~由行 動電話網路系統傳送之衛星之都卜勒頻移，或上網於即7時 星曆資料服務網站取得該GPS資料；該Gps資料經微處理器 1 5處理後可定出衛星之虛擬距離，再由該虛擬距離利用^ ，資，計算行動單元1 0之經度、緯度及高度等位置資料； 行動單元1 〇將位置資料透過電子地圖，即可顯示其所在之

第10頁 490570 五、發明說明（7) 位置。 請參閱圖4、6所示，本發明中心站2 〇包括相連接之 GPS參考接收天線2 1、分佈於世界各地之GPS參考接收器 2 2、GPS伺服器2 3及位置及即時星曆資料查詢服務網站 24 ’ GPS飼服器23另連接一數據機25及CGI對應地理區域資 庫26 ;該等GPS參考接收器22也可内建有GPS衛星完整性監 視（Receiver Autonomous Integrity Monitoring)之功 能，當收到五顆衛星訊號即可偵錯，若收到六顆訊號即可 ，除單一有錯誤衛星，故可過濾失常之衛星避免使用失常 衛星之訊號做為定位之依據；G P s伺服器2 3接收G P S參考接 收器2 2所獲得之各顆g P S衛星之星曆資料，並根據星曆資 f及行動單元所在區域之經緯度計算都卜勒頻移後，可將 ί料傳至數據機2 5透過電話網路傳至行動單元，或由行動 單兀上網於即時星曆資料服務網站取得該Gps資料；該位 置服務網站2 4包括網路伺服器2 4 1、用戶資料庫2 4 2及網頁 資料庫243等，可提供用戶端6〇利用電腦或無線手機wWAp 經由網際網路7 0連接至中心站的網路服務網站2 4。本發明 ，GPS參考接收天線2 1接收可見之多顆…^衛星傳送之訊 唬，經GPS參考接收器22處理後，可獲得所有正常GPS衛星 之，曆資料傳送並儲存於G p s伺服器2 3。行動單元可經由 電話通訊網路要求中心站2 〇提供星曆資料及都卜勒頻移， GPS饲&服器23根據行動單元傳達之cgi ，將對應於該cgi之 區域範圍適用之星曆資料及都卜勒頻移由數據機2 5經由電 活通訊網路提供給行動單元。本發明〇1)8接收天線21 &Gps

490570 五、發明說明（8) 參考接收器22也可另設於世界各地之GPS接收站内，由^ 等GPS接收站將GPS衛星之星曆資料傳到中心站。 μ 請配合圖7所示，用戶端（已登錄者）6 0可進入中心 站2 0之位置服務網站2 4，該網站可建於網址（〇 0 m a i η

Name)如http://www.AllGPS.com上，提供查詢行動單元 位置之服務。用戶鍵入所要查詢行動單元之資料後，網/ 词服器241即將查詢訊息傳至GPS伺服器23 ; GPS伺服器23 即由數據機25經電話通訊網路50連接行動單元1 〇，4 ^ Λ 、、生订動

早凡1 0回傳CGI資料後；中心站20之GPS伺服器23，根據行 動單元1 0傳送之CG I找出與其相對應區域，並將該區域範口 圍適用之星曆資料及都卜勒頻移傳至行動單元1 0 ;行動率 元1 0利用中心站2 0提供之G P S衛星之都卜勒頻移，配合其 本身所接收GPS衛星資訊定出各顆衛星之虛擬距離，旅= 合星曆資料計算其位置（經度、緯度、高度）；G P S伺服器 2 3將該位置資料傳至網路伺服器2 4 1 ，並顯示於用戶端6 網路瀏纜器之查詢網頁上，用戶端6 〇即可知道所查詢之行 動單元目前所在之位置。

本發明行動單元在全球的大部分地區，均可透過世界 各地之行動電話網路漫遊功能與中心站相連繫，中心&站依 據其傳送之CG I資訊即可提供其所在區域適用之星曆資料& 及都卜勒頻移，供行動單元快速的進行定位工作，而且… 他關係人亦可利用網際網路進入中心站之位置查詢服務= 站，查詢行動單元之位置，使行動單元利用衛星定位獲得 更方便、更有效、更快速及更省電之效果。

490570 五、發明說明（9) 以上所記載者，僅為利用本發明技術内容之實施例， 任何熟悉本項技藝者運用本發明所為之修飾、變化，皆屬 本創作所主張之專利範圍，而不限於實施例所揭示者。 綜上所述，本發明能確實達成前述目的、功效，且本 發明與習知行動單元GPS定位方法完全不同，且具有多項 功效增進並可立即應用於行動電話1 1 9緊急救援之定位需 求，已合於發明專利要件，敬請早日准予專利以嘉惠社會 大眾。

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Claims (1)

1. 490570 六、申請專利範圍 1 · 一種行動單元定位方法，包括如下步驟： 中心站接收行動單元所傳送之CGI及要求中心站提供GPS衛 星之星曆資料及都卜勒頻移之訊息； 中心站提供對應於該C G I之區域範圍適用之星曆資料及都 卜勒頻移給行動單元，俾供行動單元利用中心站提供之 GPS衛星之都卜勒頻移，配合其本身所接收GPS衛星資訊定 出各顆衛星之虛擬距離，並配合星曆資料計算其位置（經 度、緯度）。 2. 如申請專利範圍第1項所述之行動單元定位方法，其中 該中心站與行動單元係經由電話通訊網路互通訊息。

   3. 如申請專利範圍第1項所述之行動單元定位方法，其中 該中心站與行動單元係經由網際網路互通訊息。 4. 如申請專利範圍第1項所述之行動單元定位方法，其中 該區域範圍適用之星曆資料及都卜勒頻移，係以該區域範 圍地理中心附近之參考點所獲得者。 5. 如申請專利範圍第1項所述之行動單元定位方法，其中 該區域範圍係每邊約3 0 0公里之正方形區域，或直徑約3 0 0 公里之圓形區域。 6 .如申請專利範圍第1項所述之行動單元定位方法，進一 步包括如下步驟：

   該行動單元利用讀取由記憶卡提供或由網路下載取得之電 子地圖資料檔； 行動單元於電子地圖上顯示其所在位置。 7. —種利用網際網路查詢行動單元位置之方法，包括如下

   第14頁 490570 六、申請專利範圍 步驟： 中心站之位置服務網站接收用戶端於查詢網頁，鍵入所要 查詢行動單元之資料後，中心站之網路伺服器即將查詢訊 息傳至GPS伺服器； 中心站之G P S伺服器由數據機經電話通訊網路連接行動單 元，經行動單元回傳CGI資料；

   中心站之GPS伺服器，根據行動單元傳送之CG I找出與其相 對應區域，並將該區域範圍適用之星曆資料及都卜勒頻移 傳至行動單元，俾供行動單元利用中心站提供之GPS衛星 之都卜勒頻移，配合其本身所接收GPS衛星資訊定出各顆 衛星之虛擬距離，並配合星曆資料計算其位置（經度、緯 度）； 中心站接收該行動單元傳來之位置資料（經度、緯度），中 心站之伺服器將該位置資料傳至網路伺服器，俾供顯示於 用戶端網路瀏纜器之查詢網頁上。 8. 如申請專利範圍第7項所述之行動單元定位方法，其中 該區域範圍適用之星曆資料及都卜勒頻移，係以該區域地 理中心附近之參考點所計算獲得者。 9. 如申請專利範圍第7項所述之行動單元定位方法，其中 該區域範圍係每邊約3 0 0公里之正方形區域，或直徑約3 0 0 公里之圓形區域。 1 0. —種行動單元定位系統，包括行動單元、中心站、多 # 顆GPS衛星、行動電話基地站及行動電話通訊網路所組 成；該多顆GPS衛星包括一GPS的廣域增強系統衛星（Wide

   第15頁 490570 六、申請專利範圍 Area Augmentation System，WAAS )，可提供Gps；f|i f 是 否正常發出訊號之資訊，亦可提供差分修正之資料·該行 動單元設有GPS衛星接收天線以接收多顆Gp 傳= =號，另設有行動電話天線以經由行動電話基土 電活通5扎網路與中心站互通資訊；該中心站 之星曆貝枓及都卜勒頻移，並可隨時透過電話 動電話通訊網路、行動電話基地站將及 —勒頻移傳送到行動單元；該行動單元=:及都 動電話天線分別經由GPS衛星號處括術星天線、仃 一電子地m # ΐ f ί介面，該記憶卡連接介面可插接 〇己隐卡，行動單元所接收 Gps措〒s ^老 山 中心站經由行動電話網踗备站二收,GPS術星讯唬及由 經微處理器處理後；r定出$ f傳f之術星之都卜勒頻移， 離利用星層資料1了之擬距離，再由該虛擬距 中心站包括：二動Λ70經度、緯度等位置資料；該 GPS飼服器及位置接杳：J考接收天 '線、GPS參考接收器、 機及CG I對應地理^域次網站，GPS伺服器另連接一數據 GPS衛星完整性龄:—貝$〈該GPS參考接收器也可内建有 星，以避免使用g )之功能’可過遽失常之衛 服器接收GPS參考桩^钉/^之訊號做為定位之依據；GPS伺 料，並根據星/資接料收及，所/得之各祕衛 卜勒頻移後，可：j J:動單元所在區域之經緯度計算都 將貝枓傳至數據機透過電話網路傳至行動

   第16頁 490570 六 申請專利範圍 ^— 單元；該位置服務網站包括網路伺服器、用戶資料庫及網 頁資料庫等，可提供用戶端利用電腦式或可上網之無、線 '手 機經由網際網路連接至中心站的網路服務網站。 ^! · 一種幫助行動單元定位之中心站，包括可提供各顆G P S 衛星之星層資料及都卜勒數相連接之GPS伺服器，該Gps 服器連接一數據機及CGI對應地理區域資庫；該(;Ps词服二 根據星曆資料及行動單元傳回中心站之C G I所對應區域之杰 經緯度計算都卜勒頻移後，將行動單元可見之Gps衛星 星層資料及都卜勒數傳至數據機透過電話網路傳至行 。 俾供行動單元利用中心站提供之GPS衛星之都卜早 ，配合其本身所接收Gps衛星資訊定出各顆批 =離，並配合星磨資料計算其位置（經度、緯度）。之處擬 心站如申宜請中專第11項所述之幫助行動單元定位之中 GPS炎/ 服器連接數個GPS參考接收器，該蓉中 參考接收器”連接Gps參考接收天線。 ^4 • σ申清專利範圍第1丨項所述幫助行動 心站，甘由处ΓΡ0：如 丨 < 〜吊W幻功早凡疋位之φ 之各ιΐίΐς中J t服器接收各地之GPS參考接收站所傳^ 、谷顆G P S衛星之星曆資料。 寻送 14. 如申請專利範圍第12項 心站，苴中螻G P S i 土从 < 〜吊初叮切早凡疋位之中 (RAIM )、之功能，參可考過接，器内T 星之訊號做為定位之依;；。之钉星’以避免使用失常衛 15. 如申請專利範圍第u項所述之 、站，其中該GPS伺服哭、*社 吊助仃勁早兀疋位之中 服為連接一位置查詢服務網站；該位

   490570 六、申請專利範圍 置查詢服務網站包括網路伺服器、用戶資料庫及網頁資料 庫，俾可提供用戶端利用電腦或可上網之無線手機經由網 際網路連接至中心站的位置查詢服務網站，查詢行動單元 之位置。 1 6如申請專利範圍第1 1項所述之幫助行動單元定位之中心 站，其中該G P S伺服器連接一即時星曆資料服務網站；該 即時星曆資料服務網站可提供用戶端利用電腦或可上網之 無線手機經由網際網路連接至中心站的位置查詢即時之星 曆資料。

   1 7. —種行動單元，包括一衛星天線、行動電話天線分別 經由GPS衛星訊號處理器、數據機連接至微處理器，該微 處理器另分別連接記憶體、程式記憶體及液晶顯示器；行 動單元可接收之GPS衛星訊號及由中心站經由行動電話網 路系統傳送之衛星之都卜勒頻移，經微處理器處理後可定 出衛星之虛擬距離，再由該虛擬距離利用星曆資料計算行 動單元經度、緯度等位置資料。 1 8.如申請專利範圍第1 7項所述之行動單元，其中該微處 理器另連接一記憶卡連接介面，俾利用該記憶卡連接介面 插接一電子地圖記憶卡。

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