TWI431307B

TWI431307B - 定位方法及應用其之定位系統

Info

Publication number: TWI431307B
Application number: TW99142460A
Authority: TW
Inventors: Hung Hsiang Wang; Hsin An Hou
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2014-03-21
Also published as: TW201224496A

Description

定位方法及應用其之定位系統

本發明是有關於一種定位方法及應用其之定位系統，且特別是一種利用距離資訊及角度資訊來進行定位操作之定位方法及應用其之定位系統。

隨著環保意識抬頭與高油價在經濟方面帶來的衝擊，大眾運輸系統被認為是在永續的觀念下，最符合經濟、社會與環境的規劃方式。一般來說，大眾運輸系統具有在特定的路徑上進行可預期性移動的特性，例如是一般鐵路系統或是高速鐵路系統等軌道運輸系統。在此類應用場合中，通訊系統的基地台一般為沿軌道進行布建，故在行進路徑上多使用兩個基地台互相涵蓋服務區域，以滿足通訊換手條件。

然而，在高速移動環境中傳輸通道變化較為劇烈；如此，將衍生出諸如通道估計困難及利用通道特性進行定位之方法失去定位精確度。據此，如何發展出可對高速移動之物體(例如是大眾運輸車輛上之通訊裝)進行定位，以改善物體位置追蹤及通訊效能之定位方法已成為業界不斷致力的方向之一。

本實施例有關於一種定位及應用其之定位系統，相較於傳統定位方法，本實施例相關之定位方法及應用其之定位系統具有定位操作計算複雜度低、定位可靠度高及定位操作不易受高速移動環境所影響的優點。

根據本發明之第一方面提出一種定位方法，應用於第一裝置及第二裝置其中之一，用以對第一及第二裝置其中之另一進行定位操作，此定位方法包括下列步驟。首先量測指示第一與第二裝置之第一通訊位置間第一距離的第一距離資訊。接著量測指示第一與第二裝置之第二通訊位置間第二距離的第二距離資訊，第一及第二通訊位置間具有通訊位置間距；其例如為已知且在移動情形下仍然維持不變。然後根據第一、第二距離及通訊位置間距找出第一及第二角度資訊，其中第一角度資訊指示第一裝置指向第一通訊位置之第一向量與參考基線的夾角，第二角度資訊指示第一裝置指向第二通訊位置之第二向量與參考基線的夾角。之後根據當下所得第一及第二角度資訊來產生下一個時間點之定位預測資訊，藉此對第一及第二裝置其中之另一進行定位操作。

根據本發明之第二方面提出一種定位方法，應用於第一裝置中，用以對第二裝置進行定位操作，定位方法包括下列步驟。首先量測指示第一裝置與第二裝置間第一距離的第一距離資訊。接著接收指示第三裝置與第二裝置間第二距離的第二距離資訊。然後找出第一及第三裝置間之裝置位置間距。接著根據第一、第二距離及裝置位置間距找出第一角度資訊，其中第一角度資訊指示第一裝置指向第二裝置之第一向量與參考基線的夾角。根據當下所得的第一角度資訊產生下一時間點之定位預測資訊，藉此對第二裝置進行移動定位操作。

根據本發明之第三方面提出一種定位系統，應用於第一及第二裝置其中之一，用以對第一及第二裝置其中之另一進行定位操作，定位系統包括距離量測單元、角度計算單元及預測單元。距離量測單元量測第一及第二距離資訊，其分別指示第一與第二裝置之第一通訊位置間的第一距離及第一與第二裝置之第二通訊位置間的第二距離，第一及第二通訊位置間具有通訊位置間距。角度計算單元根據第一、第二距離及通訊位置間距找出第一及第二角度資訊，其分別指示第一裝置指向第一通訊位置之第一向量與參考基線的夾角及第一裝置指向第二通訊位置之第二向量與參考基線的夾角。預測單元根據當下所得之第一及第二角度資訊產生下一個時間點的定位預測資訊，藉此對第一及第二裝置其中之另一進行定位操作。

根據本發明之第四方面提出一種定位系統，應用於第一裝置中，用以對第二裝置進行定位操作，定位系統包括距離量測單元、輸入輸出單元、角度計算單元及預測單元。距離量測單元量測指示第一裝置與第二裝置之間第一距離的第一距離資訊。輸入輸出單元接收第三裝置提供之第二距離資訊，第二距離資訊指示第三裝置與第二裝置間的第二距離。角度計算單元根據第一、第二距離及第一裝置與第三裝置之通訊位置間距找出第一角度資訊，第一角度資訊指示第一裝置指向第二裝置之第一向量與參考基線的夾角。預測單元根據當下第一角度資訊產生下一個時間點之定位預測資訊，藉此對第二裝置進行定位操作。

為了對本實施例之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

第一實施例

請參照第1圖，其繪示依照應用本發明第一實施例之定位系統之通訊系統的示意圖。本實施例之定位系統100係應用於通訊系統1中，其中通訊系統1包括第一裝置10及第二裝置20。第一及第二裝置10及20例如為無線通訊裝置，其可經由無線通訊連接進行通訊操作。在本實施例中，定位系統100係應用於第一及第二裝置10及20其中之一，並用以對第一及第二裝置10及20其中之另一進行定位操作。接下來係舉例，對定位系統100定位操作做進一步的說明。

請參照第2圖，其繪示依照本發明第一實施例之定位系統的方塊圖。在一個操作實例中，定位系統100係應用於第一裝置10中，並用以對第二裝置20進行定位操作。舉例來說，第一裝置10為配置有天線A1之無線通訊基地台，第二裝置20可為配置有天線A2及A3之大眾運輸車輛，諸如火車列車、高鐵列車、巴士等。舉例來說，第二裝置20之天線A2及A3分別位於通訊位置px1及通訊位置px2上，而通訊位置px1及px2間具有通訊位置間距G。

進一步的說，定位系統100包括距離量測單元102、角度計算單元104及預測單元106。距離量測單元102量測距離資訊Ir1及Ir2，其中距離資訊Ir1指示第一裝置10與第二裝置20之通訊位置px1間的距離R1，距離資訊Ir2指示第一裝置10與第二裝置20之通訊位置px2間的距離R2。舉例來說，距離R1為天線A1及A2間的距離，距離R2為天線A1及A3間的距離。

舉例來說，距離量測單元102可根據天線A1與第二裝置20之天線A2及A3間之傳遞延遲(Propagation Delay)，來分別對距離R1及R2進行量測，並對應地找出距離資訊Ir1及Ir2。舉例來說，天線A1與A2及天線A1與A3間之傳輸可利用諸如虛擬隨機序列技術(Pseudorandom Number Sequence，PN Sequence)來進行辨識。

角度計算單元104接收距離資訊Ir1及Ir2，並根據距離R1、R2及通訊位置間距G找出角度資訊θ 1及θ 2，其中角度資訊θ 1指示第一裝置10指向第二裝置20之通訊位置Px1的向量與參考基線Ref的夾角，角度資訊θ 2指示第一裝置10指向第二裝置20之通訊位置Px2的向量與參考基線Ref的夾角。舉例來說，角度計算單元104可依據下列方程式來找出角度資訊θ 1及θ 2：

預測單元106根據角度資訊θ 1及θ 2來產生定位預測資訊Sp，用以預測第二裝置20之下一個操作時點之位置，藉此對第二裝置20進行定位操作。舉例來說，定位預測資訊Sp包括預測角度資訊P θ 1及P θ 2，其中角度資訊P θ 1指示在下一個操作時點上，第一裝置10指向通訊位置Px1的向量(即是天線A1指向天線A2的向量)與參考基線Ref的夾角；角度資訊P θ 2指示在下一個操作時點上，第一裝置10指向通訊位置Px2的向量(即是天線A1指向天線A3的向量)與參考基線Ref的夾角。

舉例來說，預測單元106可以卡爾曼濾波器(Kalman Filter)、擴展卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter)、最小均方根濾波器(Least Mean Square Filter，LMS Filter)、比例-微分控制器(Proportional Derivative Controller，PD Controller)或比例-積分-微分控制器(Proportional Integral Derivative Controller，PID Controller)來實現，以經由非線性動態隨機模型(Non-linear Dynamic Stochastic Model)，來根據角度資訊θ 1及θ 2產生預測角度資訊P θ 1及P θ 2。

在一個操作實例中，本實施例之定位系統100更包括波束形成(Beam-Forming)單元108，其根據定位預測資訊Sp控制天線A1之指向方向，藉此使天線A1可對應地指向第二裝置20，以提高天線A1與A2或天線A1與A3間之無線傳輸效能。舉例來說，波束形成單元108包括智慧天線(Smart Antenna)、巴特勒矩陣天線(Butler Matrix Antenna)或是天線旋轉平台，來根據定位預測資訊Sp控制天線A1之指向方向，藉此達到波束形成控制操作。

在本實施例中，雖僅以第二裝置20配置有兩個天線A2及A3，而定位系統100係經由其之天線A1與天線A2及A3間的通訊操作來進行定位操作的情形為例做說明，然，本實施例之定位系統100並不侷限於此。

在另一個例子中，第二裝置20’僅包括一個天線A4，而第二裝置20’係沿著向量M來移動，以在一段操作時間中自通訊位置px1’移動至通訊位置px2’，其間具有通訊位置間距G’，如第3圖所示。據此，第一裝置10中之定位系統可在此段操作時間之起始點及終止點分別與第二裝置20’之天線A4進行通訊操作，以對應地量測分別指示距離R1’及R2’的量測距離資訊Ir1’及Ir2’。據此，經由與前述第一裝置10中之定位系統100相似的操作，本實施例之第一裝置10’中之定位系統亦可對應地根據量測距離資訊Ir1’及Ir2’產生角度資訊θ1’及θ2’；根據角度資訊θ1’及θ2’產生定位預測資訊Sp’；並根據定位預測資訊Sp’來對天線A1進行波束形成控制操作。

在本實施例中，雖僅以定位系統100應用於第一裝置10中，並用以對第二裝置20進行定位操作的情形為例做說明，然，本實施例之定位系統100並不侷限於此。

在另一個例子中，定位系統200亦可對應地應用於第二裝置40中，而其中之距離量測單元202、角度計算單元204、預測單元206及波束形成單元208係分別執行與定位系統100中相對應之單元相近之操作，以對應地對第一裝置30端之天線A1進行定位操作，並對天線A2’及A3’進行波束形成控制操作，如第4圖及第5圖所示。

在這個例子中，角度計算單元204用以計算角度資訊φ1及φ2，其中角度資訊φ1指示第二裝置40之通訊位置px1指向第一裝置30的向量與參考基線Ref的夾角：角度資訊φ2指示第二裝置40之通訊位置px2指向第一裝置30的向量與參考基線Ref的夾角。舉例來說，角度資訊φ1及φ2滿足下列方程式：

舉例來說，應用於第二裝置40之定位系統200更包括處理單元210及儲存單元212。儲存單元212記錄第一裝置位置資料庫，其中包括多筆第一裝置30(例如是無線通訊基地台)之位置資訊。處理單元210用以在天線A2’及A3’與天線A1進行無線通訊操作時，接收第一裝置30提供之身份資料ID，並根據身份資料ID查詢第一裝置位置資料庫，以找出輔助定位資訊Iap。舉例來說，輔助定位資訊Iap指示角度資訊φ1及φ2對應至大於180度之角度還是對應至小於180度之角度。當角度資訊φ1及φ2對應至小於180度之角度時，表示以向量的角度來看，第一裝置30係位於第二裝置40的左側。當角度資訊φ1及φ2對應至大於180度之角度時，表示以向量的角度來看，第一裝置30係位於第二裝置40的右側。據此，角度計算單元204根據距離R3、R4、通訊位置間距G及輔助定位資訊Iap找出角度資訊φ1及φ2。

請參照第6圖，其繪示依照本發明第一實施例之定位方法的流程圖。本實施例之定位方法可應用於第一裝置10及第二裝置20其中之一，用以對第一及第二裝置10及20其中之另一進行定位操作。本實施例之定位方法包括下列之步驟。首先如步驟(a)，距離量測單元102量測距離資訊Ir1，其指示第一裝置10與第二裝置20之通訊位置間px1的距離R1。接著如步驟(b)，距離量測單元102量測距離資訊Ir2，其指示第一裝置10與第二裝置20之通訊位置px2間的距離R2，其中通訊位置px1及px2間具有通訊位置間距G。

然後如步驟(c)，角度計算單元104根據距離R1、R2及通訊位置間距G找出角度資訊θ 1及θ 2，其中角度資訊θ 1指示第一裝置10指向通訊位置px1之向量與參考基線Ref的夾角；角度資訊θ 2指示第一裝置10指向通訊位置px2之向量與參考基線Ref的夾角。

之後如步驟(d)，預測單元106根據角度資訊θ 1及θ 2來產生定位預測資訊Sp，藉此對第一及第二裝置10及20其中之另一進行定位操作。

第二實施例

本實施例之定位系統係設置於第一裝置中，並參考另一個第三裝置與第二裝置間之距離資訊來對第二裝置進行定位操作，其中第一及第三裝置50及50’間具有通訊位置間距g。在一個例子中，通訊位置間距g為固定且預先得知。請參照第7圖及第8圖，其分別繪示應用本發明第二實施例之定位系統之通訊系統的示意圖及本發明第二實施例之定位系統的方塊圖。與第一實施例之定位系統不同地，本實施例之定位系統500更包括輸入輸出單元510，用以接收第三裝置50’提供之距離資訊Ir6，其指示第三裝置50’與第二裝置60間的距離R6。舉例來說，第三裝置50’包括天線A5，其可與第二裝置60進行無線通訊操作，並據以找出第三裝置50’與第二裝置60間之距離R6。

據此，定位系統500中之角度計算單元504、預測單元506及波束形成單元508可執行與第一實施例中各對應單元之操作，以對第二裝置60進行定位操作及對應之波束形成操作。

在另一個例子中，第三裝置50’例如具有與第一裝置50實質上相同之結構及操作的通訊裝置。據此，第三裝置50’亦可經由其中之輸入輸出單元來接收第一裝置50提供之距離資訊Ir6，並據以對第二裝置60進行定位操作及對應之波束形成操作。

請參照第9圖，其繪示依照本發明第二實施例之定位方法的流程圖。首先如步驟(a)，距離量測單元502量測距離資訊Ir5，其指示第一裝置50與第二裝置60之間的距離R5。接著如步驟(b)，輸入輸出單元510接收第三裝置50’提供之距離資訊Ir6，其指示第三裝置50’與第二裝置間60的距離R6。

接著如步驟(c)，角度計算單元504根據距離R5、R6及通訊位置間距g找出角度資訊θ 1，其係指示第一裝置50相指向第二裝置60之向量與參考基線Ref的夾角。之後如步驟(d)，預測單元506根據角度資訊θ 1來產生定位預測資訊Sp，藉此對第二裝置60進行定位操作。

在一個例子中，步驟(b)及(c)之間更例如包括步驟(f)，找出第一及第三裝置50及50’間之通訊位置間距g，但若通訊位置間距g為固定且預先得知，則步驟(c)可予略過。

在本發明前述實施例中，雖僅以第一裝置10包括定位系統100，並用以對第二裝置20進行定位操作的情形為例做說明，然，本實施例之定位系統100並不侷限於此。在其他例子中，定位系統100亦可設置於第一裝置10之一後端伺服系統中，而第一裝置10係將其與第二裝置20間收送之無線傳輸訊號傳輸至此後端伺服系統中，並經由此後端伺服系統來執行相關之定位操作。

本發明前述實施例之定位方法及應用其之定位系統係經由包括定位系統之定位裝置與待定位裝置間之無線通訊操作，找出相關於此待定位裝置之兩筆距離資訊。本實施例之定位方法及應用其之定位系統更根據此兩筆距離資訊找出對應至此待定位裝置之定位資訊，藉此完成對此待定位裝置進行定位之操作。本實施例之定位方法及應用其之定位系統更可選擇性地根據前述定位資訊來對定位裝置側之天線進行波束形成操作。據此，相較於傳統定位方法，本實施例之定位方法及應用其之定位系統具有定位操作計算複雜度低、定位可靠度高及定位操作不易受高速移動環境所影響的優點。

綜上所述，雖然本案專利說明書已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1、2、3‧‧‧通訊系統

10、30、50‧‧‧第一裝置

20、20’、40、60‧‧‧第二裝置

A1-A3、A4、A2’-A3’、A4’、A5‧‧‧天線

R1、R2、R1’、R2’、R3、R4、R5、R6‧‧‧距離

px1、px2、px1’、px2’‧‧‧通訊位置

G、G’、g‧‧‧通訊位置間距

100、200、500‧‧‧定位系統

102、202、502‧‧‧距離量測單元

104、204、504‧‧‧角度計算單元

106、206、506‧‧‧預測單元

108、208、508‧‧‧波束形成單元

210‧‧‧處理單元

212‧‧‧儲存單元

50’‧‧‧第三裝置

510‧‧‧輸入輸出單元

第1圖繪示依照應用本發明第一實施例之定位系統之通訊系統的示意圖。

第2圖繪示依照本發明第一實施例之定位系統的方塊圖。

第3圖繪示依照應用本發明第一實施例之定位系統之通訊系統的另一示意圖。

第4圖繪示依照應用本發明第一實施例之定位系統之通訊系統的再一示意圖。

第5圖繪示依照本發明第一實施例之定位系統的另一方塊圖。

第6圖繪示依照本發明第一實施例之定位方法的流程圖。

第7圖繪示應用本發明第二實施例之定位系統之通訊系統的示意圖。

第8圖繪示本發明第二實施例之定位系統的方塊圖。

第9圖繪示依照本發明第二實施例之定位方法的流程圖。

(a)-(d)．．．操作步驟

Claims

一種定位方法，應用於一無線通訊基地台及一軌道運輸車輛其中之一，用以對該無線通訊基地台及該軌道運輸車輛其中之另一進行定位操作，該軌道運輸車輛包括一第一天線及一第二天線，該定位方法包括：(a)量測一第一距離資訊，該第一距離資訊指示該無線通訊基地台與該軌道運輸車輛之該第一天線之一第一通訊位置間的一第一距離；(b)量測一第二距離資訊，該第二距離資訊指示該無線通訊基地台與該軌道運輸車輛之該第二天線之一第二通訊位置間的一第二距離，其中該第一及該第二通訊位置間具有一通訊位置間距；(c)根據該第一距離、該第二距離及該通訊位置間距找出一第一角度資訊及一第二角度資訊，其中該第一角度資訊係指示該無線通訊基地台指向該第一通訊位置之一第一向量與一參考基線的夾角，該第二角度資訊係指示該無線通訊基地台指向該第二通訊位置之一第二向量與該參考基線的夾角；以及(d)根據該第一及該第二角度資訊來產生一定位預測資訊，藉此對該無線通訊基地台及該軌道運輸車輛其中之另一進行定位操作。
如申請專利範圍第1項所述之定位方法，更包括：(e)根據該定位預測資訊對執行定位操作之該無線通訊基地台及該軌道運輸車輛其中之一進行波束形成 (Beam-Forming)控制，藉此使執行定位操作之該無線通訊基地台及該軌道運輸車輛其中之一的一天線可對應地指向該無線通訊基地台及該軌道運輸車輛其中之另一。
如申請專利範圍第1項所述之定位方法，其中當該定位方法應用於該軌道運輸車輛中時更包括：(f)接收該無線通訊基地台提供之一身份資料；(g)根據該身份資料查詢一無線通訊基地台位置資料庫，以找出一輔助定位資訊；其中，在步驟(c)中，係根據該第一距離、該第二距離、該通訊位置間距及該輔助定位資訊找出該第一及該第二角度資訊。
一種定位系統，應用於一無線通訊基地台及一軌道運輸車輛其中之一，用以對該無線通訊基地台及該軌道運輸車輛其中之另一進行定位操作，該軌道運輸車輛包括一第一天線及一第二天線，該定位系統包括：一距離量測單元，用以量測一第一距離資訊及一第二距離資訊，其中該第一距離資訊指示該無線通訊基地台與該軌道運輸車輛之該第一天線之一第一通訊位置間的一第一距離，該第二距離資訊指示該無線通訊基地台與該軌道運輸車輛之該第二天線之一第二通訊位置間的一第二距離，其中該第一及該第二通訊位置間具有一通訊位置間距；一角度計算單元，用以根據該第一距離、該第二距離及該通訊位置間距找出一第一角度資訊及一第二角度資訊，其中該第一角度資訊指示該無線通訊基地台指向該第一通訊位置之一第一向量與一參考基線的夾角，該第二角度資訊係指示該無線通訊基地台指向該第二通訊位置之一第二向量與該參考基線的夾角；以及一預測單元，用以根據該第一及該第二角度資訊來產生一定位預測資訊，藉此對該第一及該軌道運輸車輛其中之另一進行定位操作。
如申請專利範圍第4項所述之定位系統，更包括：一天線，該距離量測單元經由該天線與該無線通訊基地台及該軌道運輸車輛其中之另一進行通訊操作，以量測該第一及該第二距離資訊。
如申請專利範圍第5項所述之定位系統，更包括：一波束形成(Beam-Forming)單元，用以根據該定位預測資訊控制該天線之指向方向，藉此使該天線可對應地指向該無線通訊基地台及該軌道運輸車輛其中之另一。
如申請專利範圍第4項所述之定位系統，其中該定位系統係應用於該軌道運輸車輛，該定位系統更包括：一儲存單元，用以記錄一無線通訊基地台位置資料庫；及一處理單元，用以接收該無線通訊基地台提供之一身份資料，並根據該身份資料查詢該無線通訊基地台位置資料庫，以找出一輔助定位資訊；其中，該角度計算單元根據該第一距離、該第二距離、該通訊位置間距及該輔助定位資訊找出該第一及該第二角度資訊。