TWI411808B - Positioning method of multimode complementarity - Google Patents
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Description
本發明係關於一種多模互補性的定位方法，透過兩種定位方法對待定位點進行定位計算，並將其個別的定位結果進行互補運算調校後得到定位的較佳結果，適於應用在電子地圖或類似結構者。
現有使用的定位系統，最常見的是全球定位系統(Global Positioning System，GPS)，但GPS一般而言無法應用於室內空間；相對的，室內定位法技術也陸續的被提出。室內定位系統之發展大體上其方式可分成兩類：一種是利用適當的訊號衰減模型，藉由無線電波隨著距離遠近產生衰減的特性，估算待定位點與定位參考點間的距離，並輔以三角定位演算法計算出待定位點的位置，此方法通常被稱為三角定位法。
另一種則是將測得的接收信號强度做為環境特徵參數，再與定位資料庫進行比對找出待定位點的位置，此方法通常被稱為樣本比對法。然而，無線電波在空間中傳遞，常遭受到障礙物的阻檔與干擾(尤其是在狹小的空間)，造成訊號的傳遞不如預期的，訊號強度會隨著距離的增加而定量的減弱。也因此，三角定位法常因訊號傳遞衰減模型無法藉由RSSI準確估測到待定位點與定位參考點間的距離，造成定位準確度的下降。
樣本比對法雖然可以避免訊號傳遞時障礙物的阻檔與干擾問題，然而，在空曠的區域中，相臨的特定點間如果距離不是很遠，其RSSI的變化差異量不夠大，加上訊號傳遞中其它干擾造成RSSI的誤差/波動，使得系統無法獲得較好定位準確性的解析力。由此可見，上述習用方法仍有諸多缺失，實非一良善之設計者，而亟待加以改良。
本發明之主要目的，在提供一種多模互補性的定位方法，藉由待定位點所接收來自各個定位參考點訊號強度RSSI B
隨時間的變動情形(Variance)，將三角定位法與樣本比對法個別所估測而得的位置，進行權值調整(Weighting)，藉以避免單一方法可能造成的較大誤差。
本發明之次要目的，在提供一種多模互補性的定位方法，藉以提升移動中待定位點在任何環境(無論是空曠或狹小空間)中定位的精準度。
為達成上述之目的，本發明係包含下列步驟：
a、設有多個定位參考點：做為定位參考基準點使用；
b、使用方法估算待定位點之座標：啟動定位要求，以利用三角定位法估算出待定位點之座標；
c、建構樣本資料庫：於多個特定點位置收集接收來自各個定位參考點訊號的接收訊號強度RSSI，以建立在多個特定點位置上的環境特徵，並將該些特徵參數儲存建構成樣本資料庫；
d、使用方法再次估算待定位點之座標：一定位伺服器使用樣本資料庫之數據，執行樣本比對法估算待定位點之位置座標；以及
e、進行權值調整：該定位伺服器將方法及方法個別估測而得的位置座標進行權值調整，藉以調校得到定位的較佳結果。
如上所述之多模互補性的定位方法，該步驟b執行方法三角定位法之計算，係由接收訊號強度以適當的訊號衰減模型，估算與待定位點間之距離，加上待定位點已知的位置座標，輔以三角定位演算法則，以計算出所在的位置座標。
如上所述之多模互補性的定位方法，該步驟d執行方法樣本比對法之計算係由待定位點收集接收來自各個定位參考點訊號的接收訊號強度，組合成所處位置的環境特徵，依據此環境特徵定位伺服器於樣本資料庫中進行環境特徵的比對搜尋，找出待定位點所處的位置座標。
如上所述之多模互補性的定位方法，該步驟e定位伺服器係藉由待定位點接收來自各個定位參考點訊號強度隨時間的變動情形決定權值大小，並對方法及方法的估算結果進行位置座標權值調整互補運算，以得較佳待定位點的定位結果。
如上所述之多模互補性的定位方法，該步驟e中之權值調整互補運算係採用P=(1-w
)×P1+w
×P2的計算方式，P為採用本互補運算調校後定位結果，P1為步驟b對位置的估測結果，P2為步驟d對位置的估測結果，w
為一權值大小。
如上所述之多模互補性的定位方法，該步驟e中之權值大小係採用w
=k 1
×VARi
/VARi max
+k 2
×(VARi
-VARi avg /VARi avg
)的計算方式，該VARi
為時間i時的接收訊號強度變異數，VARi max
為計算至時間i時最大的接收訊號強度變異數，VARi avg
為計算至時間i時所有接收訊號強度變異數的平均值，k 1
、k 2
為兩事先預設參數。
本發明與前述引證例及其他習用技術相互比較時，更具有下列之優點：
1、可解決現今大部分定位系統，因無線電波在空間中傳遞遭受到干擾，造成定位準確度的破壞，特別是在室內定位的環境中。
2、除可解決三角定位法，因無線電波在空間中傳遞遭受到障礙物的阻檔與干擾，造成訊號傳遞衰減模型的不適用，使得定位準確度的下降；亦可保持樣本比對法定位準確性的解析力。
3、將兩種方法(三角定位法與樣本比對法)個別所估測而得的位置進行權值調整(Weighting)，避免單一方法可能造成的較大誤差，提升待定位點在任何環境(不管是空曠或狹小空間)中定位的精準度，特別是在移動中待定位點的位置估算。
4、利用座標權值調整機制，藉由待定位點所接收來自各個定位參考點訊號強度(RSSI)隨時間的變動情形，決定權值的大小，整合三角定位法與樣本比對法的估測結果，自動進行互補運算調校得到定位的較佳結果。
5、藉由待定位點進行三角定位法的計算、定位伺服器則負責樣本比對法及權值調整的計算；除可進行分散式處理，亦可降低無線網路上資料的傳輸量，使達到即時定位處理的目的。
請參閱圖一所示，係為本發明多模互補性的定位方法之步驟流程圖，係包含下列步驟：
a、設有多個定位參考點：做為定位參考基準點使用；
b、使用方法估算待定位點之座標：啟動定位要求，以利用三角定位法估算出待定位點之座標；
c、建構樣本資料庫：於多個特定點位置收集接收來自各個定位參考點訊號的接收訊號強度RSSI，以建立在多個特定點位置上的環境特徵，並將該些特徵參數儲存建構成樣本資料庫；
d、使用方法再次估算待定位點之座標：一定位伺服器使用樣本資料庫之數據，執行樣本比對法估算待定位點之位置座標；以及
e、進行權值調整：該定位伺服器將方法及方法個別估測而得的位置座標進行權值調整，藉以調校得到定位的較佳結果。
請參圖二、圖三，為本發明之系統架構圖，主要包括有：多個已知位置座標的定位參考點1、一待被定位的待定位點2、一定位伺服器3以及一樣本資料庫4，其中該待定位點2被多個已知位置座標的定位參考點1所包圍，本實施例中的定位參考點1係設為R1、R2、R3等3個，且3個定位參考點1之座標分別為(X1
,Y1
)、(X2
,Y2
)、(X3
,Y3
)，同時待定位點2與3個定位參考點1間的接收訊號強度值分別為RSSI1
、RSSI2
、RSSI3
，當待定位點2啟動定位要求時，該定位伺服器3利用方法三角定位法所估測出待定位點2的位置座標結果；再者，待定位點2與3定位參考點R1、R2、R3間的接收訊號強度值包括定位參考點接收到待定位點發射訊號的接收訊號強度值RSSI R
、及待定位點接收到定位參考點發射訊號的接收訊號強度值RSSI B
。該定位伺服器3利用方法所估測出待定位點2的位置座標結果，該定位伺服器3整合方法與方法所估測出待定位點位置座標結果進行權值調整(Weighting)；該定位伺服器3除了執行方法的定位演算，也將方法對待定位點2位置座標的估測結果，藉由待定位點2所接收來自各個定位參考點1訊號強度RSSI B
隨時間的變動情形(Variance)，決定權值的大小，與待定位點2利用方法對待定位點2位置座標的估測結果，進行權值調整(Weighting)的互補整合。
方法對待定位點2位置座標的估測方式，其步驟如下說明：
步驟a：係由待定位點2廣播定位請求命令，定位參考點1在收到定位請求命令，即計算出接收到此定位請求命令的訊號強度值(RSSI R
)，並將此接收訊號強度值(RSSI R
)與自身已知的位置座標值(X,Y)回傳給待定位點。
步驟b：待定位點2接收到來自多個定位參考點1回傳資料(定位參考點的位置座標與RSSI R
)的同時，亦以此計算出接收到這些定位參考點發射訊號的接收訊號強度值RSSI B
。
步驟c：待資料接收完成後，待定位點2藉由其中的接收訊號強度RSSI R
以適當的訊號衰減模型，D
=f(RSSI R
)，來估算待定位點2與此定位參考點1間的距離，並輔以三角定位演算法由三個以上的定位參考點1，根據畢氏定理(Pythagorean Theorem)，解聯立方程式，如式(1)，計算出待定位點的位置座標。
式(1)中，三個定位參考點R1,R2,R3的位置座標值分別為(X 1
,Y 1
)、(X 2
,Y 2
)、(X 3
,Y 3
)，藉由訊號衰減模型的計算待定位點B與定位參考點R1,R2,R3間的距離分別為D 1
,D 2
,D 3
，待定位點B的位置座標(X,Y)可由式(1)求得，此為方法對待定位點2位置座標的估測結果P1。
步驟d：最後，待定位點2將以方法對待定位點位置座標的估測結果P1、與接收自所有定位參考點1訊號的接收訊號強度值RSSI B
傳送至定位伺服器3。
方法對待定位點位置座標的估測方式，其步驟如下說明：
步驟a：事前先在多個特定點位置上，收集接收來自各個定位參考點訊號的接收訊號強度RSSI，藉以建立在多個特定點位置上的環境特徵，並將此特徵參數儲存建構成樣本資料庫4，提供做為未來實際進行待定位點特徵比對搜尋之用。樣本資料庫4紀錄的內容如圖四所示，其中RSSI ij
記為在第j個特定點上，量測到接收自第i個定位參考點(Ri)訊號的接收訊號強度值。
步驟b：實際進行待定位點位置估測時，收到待定位點2傳送來的資料，包括以方法對待定位點位置座標的估測結果P1、與接收自所有定位參考點訊號的接收訊號強度值RSSI B
，建立出待定位點所處位置上的環境特徵(RSSI B1 ,RSSI B2 ,
...,RSSI Bn
)，其中RSSI Bi
,i=1~
n，為來自定位參考點Ri訊號的接收訊號強度值，定位系統中共安置了n個定位參考點。
步驟c：定位伺服器3以此特徵值在樣本資料庫4內進行比對搜尋，找出特徵值誤差最小的樣本，搜尋演算法則可由式(2)表示：
式(2)中，特徵誤差必須小於系統設定的差異門檻值E
才會被考慮。藉由式(2)找出最小誤差的樣本，則其座標就被指定為目前待定位點的位置，此為以方法2對待定位點位置座標的估測結果P2。
位置座標權值調整(Weighting)係藉由待定位點2所接收來自各個定位參考點1訊號強度RSSI B
隨時間的變動情形(Variance)，決定權值的大小，整合方法與方法的估測結果P1與P2，進行互補運算調校後得到定位的較佳結果。請參閱圖五所示，其步驟如下說明：
步驟a：藉由待定位點接收自所有定位參考點訊號的接收訊號強度值RSSI B1 ,RSSI B2 ,
...,RSSI Bn
，權值調整機制計算出在時間i時的接收訊號強度變異數VARi
=[(RSSI i B1
-RSSI i-1 B1
)2
+(RSSI i B2
-RSSI i-1 B2
)2
+...+(RSSI i Bn
-RSSI i-1 Bn
)2
]1 I 2
/n，其中RSSI i Bj
為在時間i時，接收自第j個定位參考點訊號的接收訊號強度值(RSSI)。同時，亦計算最大的接收訊號強度變異數VARi max
、及平均的接收訊號強度變異數VARi avg
=(VARi
+VARi-1
)/2。
步驟b：權值調整機制藉由VARi
與VARi avg
給定權重值w
=k 1
×VARi
/VARi max
+k 2
×(VARi
-VARi avg /VARi avg
)，分別反應待定位點處於靜止或移動的狀態下，接收訊號強度值的變化情形，並藉由給定的參數k 1
與k 2
加以整合，計算而得的權重值w
，在空曠環境的w
反應出較小數值，狹小空間則反應出較大數值。
步驟c：權值調整機制以P=(1-w
)×P1+w
×P2的計算方式，將方法與方法的估測結果進行互補運算，藉以調校得到定位的較佳結果。
上列詳細說明係針對本發明之一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。
綜上所述，本案不但在技術思想上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應以充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。
a‧‧‧設複數定位參考點
b‧‧‧使用方法①估算待定位點之位置座標
c‧‧‧建構樣本資料庫
d‧‧‧使用方法②估算待定位點之位置座標
e‧‧‧將方法①、②估算出之座標進行權值調整
1‧‧‧定位參考點
2‧‧‧待定位點
3‧‧‧定位伺服器
4‧‧‧樣本資料庫
圖一為本發明之步驟流程圖。
圖二為本發明之系統架構圖；圖三為本發明之系統流程圖；圖四為本發明方法②使用之樣本資料庫內容示意圖。
圖五為本發明之位置座標權值調整(Weighting)示意圖。
a．．．設有多個定位參考點
b．．．使用方法估算待定位點之座標
c．．．建構樣本資料庫
d．．．使用方法再次估算待定位點之座標
e．．．進行權值調整
Claims (6)
- 一種多模互補性的定位方法，係包含下列步驟：a、設有多個定位參考點：做為定位參考基準點使用；b、估算待定位點之位置座標：啟動定位要求，以利用三角定位法估算出待定位點之位置座標；c、建構樣本資料庫：於多個特定點位置收集接收來自各個定位參考點訊號的接收訊號強度RSSI，以建立在多個特定點位置上的環境特徵，並將該些特徵參數儲存建構成樣本資料庫；d、再次估算待定位點之位置座標：一定位伺服器使用樣本資料庫之數據，執行樣本比對法估算待定位點之位置座標；以及e、進行權值調整：該定位伺服器將步驟b及步驟d個別估測而得的位置座標進行權值調整，藉以調校得到定位的較佳結果。
- 如申請專利範圍第1項所述之多模互補性的定位方法，其中步驟b執行三角定位法之計算係由接收訊號強度以適當的訊號衰減模型，估算與待定位點間之距離，加上待定位點已知的位置座標，輔以三角定位演算法則，計算出所在的位置座標。
- 如申請專利範圍第1項所述之多模互補性的定位方法，其中步驟d執行樣本比對法之計算，係由待定位點收集接收來自各個定位參考點訊號的接收訊號強度，組合成所處位置的環境特徵，依據此環境特徵定位伺服器於樣本資料庫中進行環境特徵的比對搜尋，找出待定位點所處的位置座標。
- 如申請專利範圍第1項所述之多模互補性的定位方法， 其中步驟e進行權值調整該定位伺服器係藉由待定位點接收來自各個定位參考點訊號強度隨時間的變動情形決定權值大小，並對步驟b及步驟d的估算結果進行位置座標權值調整互補運算，以得較佳待定位點的定位結果。
- 如申請專利範圍第4項所述之多模互補性的定位方法，其中權值調整互補運算係採用P=(1-w )×P1+w ×P2的計算方式，P為採用本互補運算調校後定位結果，P1為步驟b對位置的估測結果，P2為步驟d對位置的估測結果，w 為一權值大小。
- 如申請專利範圍第1項所述之多模互補性的定位方法，其中權值大小係採用w =k 1 ×VAR'/VAR'max +k 2 ×(|VAR'-VAR'avg |/VAR'avg )的計算方式，該VAR'為時間i時的接收訊號強度變異數，VAR'max 為計算至時間i時最大的接收訊號強度變異數，VAR'avg 為計算至時間i時所有接收訊號強度變異數的平均值，k 1 、k 2 為兩事先預設參數。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| TW99132975A TWI411808B (zh) | 2010-09-29 | 2010-09-29 | Positioning method of multimode complementarity |
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|---|---|
| TW201213836A TW201213836A (en) | 2012-04-01 |
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- 2010-09-29 TW TW99132975A patent/TWI411808B/zh not_active IP Right Cessation
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