TWI555998B - A positioning system and method - Google Patents

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Description

一種定位系統及方法
本發明係關於一種定位系統及方法，尤指一種透過收發信息的時間差，俾使精準得知目標物位置的定位系統及方法。
按，定位系統大致上可分為四類：三角定位法、鄰近式、背景分析、和混合式。有關三角定位法的定位系統可參考美國專利第5,646,632號「一種確定自身位置的便攜式通信設備的裝置及其方法」、及美國專利第6,275,705號「定位及追踪系統」，兩者主要係利用基地台或感測器與使用者間的距離或角度等特性加以定位；若是利用距離，則利用信號傳遞所經過的時間，或是根據信號衰減程度，進一步加以計算；若是利用角度，則必須知道兩參考點之間的夾角才能決定位置，可透過一些特殊設計的硬體取得角度。
參考中國第104270710號「一種基於iBeacon的藍芽室內定位系統」，其係基於藍牙定位技術，利用iBeacon組建無線傳感器網絡，每一個iBeacon作為一個信標節點，利用RSSI算法測量未知節點到多個信標節點的距離，利用三角測量和極大似然估計定位算法進行綜合評價最終確定未知節點所在位置的藍牙定位系統；惟，RSSI易受環境干擾影響其準確性，致定位精度不高且有效範圍受限。所有使用三角定位法的定位技術共同特性是至少需要兩點或三點才能決定待測點的位置，系統佈建相對複雜。
有關鄰近式的定位系統可參考美國專利第5,493,283號「定位及認證系統」，係根據所需定位的精準度高低，基地台或感測器涵蓋的範圍就需要相對地改變，當要求的精確度越高時，涵蓋的範圍則必須越小，需要的基地台或感測器就越多，建置成本亦相對提高。
有關背景分析的定位系統可參考美國專利第6,839,027號「用於約束無線電頻率使用路徑的位置測量過程」，因其需要針對各環境建立專用的資料庫，設定上較為複雜；而利用環境中多個無線網路基地台的信號強度，以判斷使用者所在位置的方法，則必須事先在環境中的各位置量測信號強度，以建立各位置信號強度的資料庫，然後再利用目前所測到的信號強度，進一步取得最有可能的位置。
有關混合式的定位系統，參考臺灣第I432761號「定位測距方法及系統、距離量測方法」，係由多個發訊裝置、一無線協調裝置、及多個感測設備所組成，其中，該感測設備包括一無線感測裝置，從發訊裝置接收射頻信號並據以開始計時，且從發訊裝置接收超音波信號，且根據接收到該射頻信號和該超音波信號之間的時間差，進行估算以得到一與發訊裝置距離的距離量測值；惟，此案需設置多個發訊裝置、及多個感測設備，建置成本較高。
另，參考美國專利第6,865,347號「用於確認結構中的位置且基於光學的定位系統及方法」，係利用攝影裝置及特殊設計硬體，以量測入射光的方位、仰角與距離；惟，此方法容易受到陽光或其它光源的影響，因而降低其實用性。
參考臺灣I398180號「由行動方協助之加強定位方法」，該發明係在一第一UE，至少一第二UE之一上行訊號被接收以及標記，於該第一UE，來自至少一基地台之一下行訊號被接收並標記。使用該等時間標記決定觀察的抵達時間差。第一UE的位置基於該被決定之抵達時間差而決定；惟，該發明的時間差需要以多個基地台之間的橢圓區域被決定。
參考臺灣I293690號「利用時間差之定位系統與方法」，該發明係依據該接收時間與該發送時間之時間差，計算該全向性收發器與該指向性發射器之相對位置；惟，該發明係以一角速度旋轉的發射器搜尋目標物，其運算僅能估測2D平面位置，與目標物實際的立體空間位置有較大誤差；若以多個發射器陣列實施，則成本相對較高。
參考臺灣申請號第103119118號「定位系統、定位方法、及定位程式」，該申請案係使用關於該複數個信號源之信號源資訊及該移動終端中之該複數個非可聽音之接收紀錄進行定位；惟，此申請案必須藉由複數個信號源及複數個非可聽音才能進行定位，建置複雜且成本高。
爰是，本發明係一種可以降低建置定位系統的複雜度並提高定位精準度的定位系統及方法。
為達成上述目的，本發明係包含一第一無線收發裝置、及一第二無線收發裝置，其中，該第一無線收發裝置用於持續掃描一空間範圍，於任一空間角度，產生並發送一搜尋信息，接收一回應信息，估算並儲存一相對位置；該第二無線收發裝置用於接收該搜尋信息，運算並發送該回應信息；該第一無線收發裝置，接收該回應信息並確認其有效性，估算並儲存該第二無線收發裝置的相對位置及時間。該第一無線收發裝置係包含：一第一運算單元、至少一指向發射單元、一空間掃描驅動單元、一第一全向收發單元、一第一記憶單元、及一第一控制單元；其中，該第一運算單元，用於產生該搜尋信息、及估算該第二無線收發裝置的相對位置；該指向發射單元，用於發送該搜尋信息；該空間掃描驅動單元，用於驅動該指向發射單元，以掃描擬搜尋的空間範圍；該第一全向收發單元，用於接收該回應信息；該第一記憶單元，用於儲存該搜尋信息、及該第二無線收發裝置的相對位置；該第一控制單元，用於控制該第一運算單元、該指向發射單元、該空間掃描驅動單元、該第一全向收發單元、及該第一記憶單元的作動。該第二無線收發裝置係包含：一全向接收單元、一第二運算單元、一第二記憶單元、一第二全向收發單元、及一第二控制單元；其中，該全向接收單元，用於接收前述搜尋信息；該第二運算單元，用於產生該回應信息；該第二記憶單元，用於儲存該回應信息；該第二全向收發單元，用於發送該回應信息；該第二控制單元，用於控制該全向接收單元、該第二運算單元、該第二記憶單元、及該第二全向收發單元的作動。
另，為節省前述第二無線收發裝置的能耗，該第二無線收發裝置係具有一喚醒單元，其中，僅前述第二全向收發單元全時啟動，俾前述第一全向收發單元發送一喚醒信息至該第二全向收發單元，使該喚醒單元啟動前述第二控制單元、前述全向接收單元、前述第二運算單元、及前述第二記憶單元。
本發明提供一種定位方法，包含步驟如下：一第一運算單元產生一搜尋信息，該搜尋信息由一第一無線收發裝置識別碼、一指向發射單元的發射識別碼、及一搜尋信息發送時間所組成；至少一指向發射單元，藉由一空間掃描驅動單元的驅動，朝一空間角度，於該搜尋信息發送時間，發送該搜尋信息；一第一控制單元儲存該指向發射單元的發射識別碼、該搜尋信息發送時間、及該空間角度到一第一記憶單元；一全向接收單元，於一搜尋信息接收時間，接收該搜尋信息；一第二運算單元產生一回應信息，該回應信息由該搜尋信息、該第二無線收發裝置識別碼、該搜尋信息接收時間、及一回應信息發送時間所組成；一第二全向收發單元，於該回應信息發送時間，發送該回應信息；一第二控制單元儲存該回應信息到該第二記憶單元；一第一全向收發單元，於一回應信息接收時間，接收該回應信息；該第一運算單元，利用該回應信息及其接收時間，估算該第二無線收發裝置的一相對位置；該第一控制單元儲存該第二無線收發裝置識別碼、該回應信息發送時間、及該相對位置到該第一記憶單元中。
依據本發明之定位系統及方法，只需在空間中佈建一個第一無線收發裝置，即可精準估算複數個第二無線收發裝置的相對位置。相較必須佈建大量感測器、或必須針對新環境的個別感測器進行優化調適的先前技術，本發明有效地改善建置複雜度過高的問題，並具有立體空間精準定位能力。
為達成上述目的，所採用之技術手段及可獲致功效，茲舉以下較佳可行實施例，配合附圖進行詳細解說，俾能完全瞭解。
請參閱第一～三圖所示，本發明的定位系統1係具有一第一無線收發裝置2、及一第二無線收發裝置3，其中，該第一無線收發裝置2之位置為已知，該第二無線收發裝置3之位置為待測。如第一圖所示，該第一無線收發裝置2與該第二無線收發裝置3之間具有一距離d、一水平夾角θ Ｈ、一垂直夾角θ Ｖ，本發明目的在於得知該第二無線收發裝置3的相對位置(d,θ Ｈ,θ Ｖ)。
如第二圖所示，該第一無線收發裝置2係包含：一第一運算單元20、至少一指向發射單元21、一空間掃描驅動單元22、一第一全向收發單元23、一第一記憶單元24、及一第一控制單元25。該第二無線收發裝置3係包含：一全向接收單元30、一第二運算單元31、一第二記憶單元32、一第二全向收發單元33、一第二控制單元34、及一喚醒單元35。
如第三圖所示，根據本發明的定位方法，依下列步驟實施： S21.  該第一運算單元20產生一搜尋信息M S，該搜尋信息M S由該第一無線收發裝置2的識別碼ID Dev1、該指向發射單元21的發射識別碼ID Tx1、及一時間t 1所組成，不失一般性，可表示成： M S= (ID Dev1, ID Tx1, t 1)； S22.  該指向發射單元21，藉由該空間掃描驅動單元22的驅動，朝向一空間角度(θ Ｈ,θ Ｖ)，於該時間t 1，發送該搜尋信息M S； S23.  該第一控制單元25儲存該發射識別碼ID Tx1、該搜尋信息M S發送時間t 1、及該空間角度(θ Ｈ,θ Ｖ)到該第一記憶單元24； S31.  該全向接收單元30，於一時間t 2，接收該搜尋信息M S； S32.  在該第二記憶單元32所有已發送的回應信息中查找該搜尋信息M S，若存在，則捨棄該搜尋信息M S，進行步驟S31；若不存在，則進行S33； S33.  該第二運算單元31產生一回應信息M R，該回應信息M R由該搜尋信息M S、該第二無線收發裝置3的識別碼ID Dev2、該搜尋信息M S接收時間t 2、及一時間t 3所組成，不失一般性，可表示成： M R= (ID Dev1, ID Tx1, t 1, ID Dev2, t 2, t 3)； S34.  該第二全向收發單元33，於該時間t 3，發送該回應信息M R； S35.  確認該第一無線收發裝置2收到該回應信息M R之後，該第二控制單元34儲存該回應信息M R到該第二記憶單元32； S24.  該第一全向收發單元23，於一時間t 4，接收該回應信息M R； S25.  該第一運算單元20比對該回應信息M R的第一無線收發裝置識別碼與自身識別碼ID Dev1是否相同；若不同，則捨棄該回應信息M R，進行步驟S21；若相同，則進行步驟S26。 S26.  假設該第一無線收發裝置2和該第二無線收發裝置3時間同步，該指向發射單元21的信號傳播速率V 1，該第二全向收發單元33的信號傳播速率V 2，可估算該距離d如下： d = min{V 1*(t 2- t 1), V 2*(t 4- t 3)}； S27.  利用該回應信息M R中的發射識別碼ID Tx1、及該搜尋信息M S發送時間t 1，可以在該第一記憶單元24中查到該空間角度(θ Ｈ,θ Ｖ)；亦即，可得知該相對位置(d,θ Ｈ,θ Ｖ)； S28.  儲存該第二無線收發裝置3識別碼ID Dev2、該回應信息M R發送時間t 3、及該相對位置(d,θ Ｈ,θ Ｖ)到該第一記憶單元24；進行步驟S21。
另，請再參閱第二圖所示，若該第二無線收發裝置3平時係處於待機狀態，僅該第二全向收發單元33全時啟動，以節省該第二無線收發裝置3的能耗。該第一無線收發裝置2可透過該第一全向收發單元23傳送一喚醒信息至該第二全向收發單元33，使該喚醒單元35傳送一信號至該第二控制單元34，進而啟動該第二控制單元34、該全向接收單元30、該第二運算單元31、及該第二記憶單元32，然後再進行前述定位步驟。
綜上所述，本發明確可達到預期之功能及目的，並且詳細說明能使熟於此技藝者得據以實施，然以上所舉之實施例僅用以說明本發明，舉凡所有等效結構之改變仍不脫離本發明之權利範疇。
1‧‧‧定位系統
2‧‧‧第一無線收發裝置
3‧‧‧第二無線收發裝置
d‧‧‧距離
θＨ‧‧‧水平夾角
θＶ‧‧‧垂直夾角
20‧‧‧第一運算單元
21‧‧‧指向發射單元
22‧‧‧空間掃描驅動單元
23‧‧‧第一全向收發單元
24‧‧‧第一記憶單元
25‧‧‧第一控制單元
30‧‧‧全向接收單元
31‧‧‧第二運算單元
32‧‧‧第二記憶單元
33‧‧‧第二全向收發單元
34‧‧‧第二控制單元
35‧‧‧喚醒單元
MS‧‧‧搜尋信息
MR‧‧‧回應信息
IDDev1‧‧‧第一無線收發裝置識別碼
IDDev2‧‧‧第二無線收發裝置識別碼
IDTx1‧‧‧指向發射單元的發射識別碼
t1‧‧‧搜尋信息的發送時間
t2‧‧‧搜尋信息的接收時間
t3‧‧‧回應信息的發送時間
t4‧‧‧回應信息的接收時間
V1‧‧‧指向發射單元的信號傳播速率
V2‧‧‧第二全向收發單元的信號傳播速率
第一圖所示係本發明實施例之使用示意圖。 第二圖所示係本發明實施例之系統方塊圖。 第三圖所示係本發明實施例之方法流程圖。
1‧‧‧定位系統
2‧‧‧第一無線收發裝置
3‧‧‧第二無線收發裝置
20‧‧‧第一運算單元
21‧‧‧指向發射單元
22‧‧‧空間掃描驅動單元
23‧‧‧第一全向收發單元
24‧‧‧第一記憶單元
25‧‧‧第一控制單元
30‧‧‧全向接收單元
31‧‧‧第二運算單元
32‧‧‧第二記憶單元
33‧‧‧第二全向收發單元
34‧‧‧第二控制單元
35‧‧‧喚醒單元

Claims (20)

  1. 一種定位系統，包括：一第一無線收發裝置，用於持續掃描一三維(3D)空間範圍，於任一三維(3D)空間角度，產生並發送一搜尋信息，接收一回應信息，估算並儲存一相對位置；及一第二無線收發裝置，用於接收該搜尋信息，運算並發送該回應信息；該第一無線收發裝置，接收該回應信息並確認其有效性，估算並儲存該第二無線收發裝置的相對位置及時間。
  2. 如請求項1之定位系統，其中，該第一無線收發裝置，包括：一第一運算單元，用於產生該搜尋信息，及估算該第二無線收發裝置的相對位置；至少一指向發射單元，用於發送該搜尋信息；一空間掃描驅動單元，用於驅動各該指向發射單元運行，以掃描該三維(3D)空間範圍；一第一全向收發單元，用於接收該回應信息；一第一記憶單元，用於儲存該搜尋信息、該三維(3D)空間角度、及該第二無線收發裝置的相對位置；一第一控制單元，用於控制該第一運算單元、各該指向發射單元、該空間掃描驅動單元、該第一全向收發單元、及該第一記憶單元的作動。
  3. 如請求項1之定位系統，其中，該第二無線收發裝置，包括：一全向接收單元，用於接收該搜尋信息；一第二運算單元，用於產生該回應信息； 一第二記憶單元，用於儲存該回應信息：一第二全向收發單元，用於發送該回應信息；一第二控制單元，用於控制該全向接收單元、該第二運算單元、該第二記憶單元、及該第二全向收發單元的作動。
  4. 如請求項1之定位系統，其中，該三維(3D)空間範圍係指各該指向發射單元，經該空間掃描驅動單元的驅動，指向之所有三維(3D)空間角度。
  5. 如請求項1之定位系統，其中，該搜尋信息，包括：該第一無線收發裝置識別碼、各該指向發射單元的發射識別碼、及該第一無線收發裝置發送該搜尋信息的時間。
  6. 如請求項1之定位系統，其中，該回應信息，包括：該第一無線收發裝置識別碼、各該指向發射單元的發射識別碼、該第一無線收發裝置發送該搜尋信息的時間、該第二無線收發裝置識別碼、該第二無線收發裝置接收該搜尋信息的時間、該第二無線收發裝置發送該回應信息的時間。
  7. 如請求項1之定位系統，其中，該相對位置，係指：該第二無線收發裝置相對於該第一無線收發裝置的相對座標；該相對座標由該第二無線收發裝置與該第一無線收發裝置之間的距離、水平夾角、垂直夾角所組成。
  8. 如請求項1至7項任一項所述之定位系統，其中，該第二無線收發裝置係具有一喚醒單元，俾該第一全向收發單元傳送一喚醒信息至該第二全向收發單元，以致動該喚醒單元，使該喚醒單元傳送一信號至該第二控制單元，進而令該全向接收單元、該第二運算單元、及該第二記憶單元啟動。
  9. 一種定位方法，包含以下步驟： 經由一第一無線收發裝置，持續掃描一三維(3D)空間範圍；該第一無線收發裝置，於任一三維(3D)空間角度，產生並發送一搜尋信息；經由一第二無線收發裝置，接收該搜尋信息，運算並發送一回應信息；該第一無線收發裝置，接收該回應信息並確認其有效性，估算並儲存該第二無線收發裝置的相對位置及時間。
  10. 如請求項9之定位方法，其中，該第一無線收發裝置，包括：一第一運算單元，用於產生該搜尋信息，及估算該第二無線收發裝置的相對位置；至少一指向發射單元，用於發送該搜尋信息；一空間掃描驅動單元，用於驅動各該指向發射單元運行，以掃描該三維(3D)空間範圍；一第一全向收發單元，用於接收該回應信息；一第一記憶單元，用於儲存該搜尋信息、該三維(3D)空間角度、及該第二無線收發裝置的相對位置；一第一控制單元，用於控制該第一運算單元、各該指向發射單元、該空間掃描驅動單元、該第一全向收發單元、及該第一記憶單元的作動。
  11. 如請求項9之定位方法，其中，該第二無線收發裝置，包括：一全向接收單元，用於接收該搜尋信息；一第二運算單元，用於產生該回應信息；一第二記憶單元，用於儲存該回應信息；一第二全向收發單元，用於發送該回應信息； 一第二控制單元，用於控制該全向接收單元、該第二運算單元、該第二記憶單元、及該第二全向收發單元的作動。
  12. 如請求項9之定位方法，其中，該三維(3D)空間範圍係指各該指向發射單元，經該空間掃描驅動單元的驅動，指向之所有三維(3D)空間角度。
  13. 如請求項9之定位方法，其中，該三維(3D)空間角度係指該搜尋信息被發送時，各該指向發射單元指向之三維(3D)空間角度。
  14. 如請求項9之定位方法，其中，該搜尋信息，包括：該第一無線收發裝置識別碼、各該指向發射單元的發射識別碼、及該第一無線收發裝置發送該搜尋信息的時間。
  15. 如請求項9之定位方法，其中，該回應信息，包括：該第一無線收發裝置識別碼、各該指向發射單元的發射識別碼、該第一無線收發裝置發送該搜尋信息的時間、該第二無線收發裝置識別碼、該第二無線收發裝置接收該搜尋信息的時間、該第二無線收發裝置發送該回應信息的時間。
  16. 如請求項9之定位方法，其中，該相對位置，係指：該第二無線收發裝置相對於該第一無線收發裝置的相對座標；該相對座標由該第二無線收發裝置與該第一無線收發裝置之間的距離、水平夾角、垂直夾角所組成。
  17. 如請求項9之定位方法，其中，經由比對該回應信息的第一無線收發裝置識別碼和自身識別碼是否相同，可確認該回應信息的有效性。
  18. 如請求項9之定位方法，其中，利用各該指向發射單元的信號傳播速率、該第二全向收發單元的信號傳播速率、該第一無線收發裝置發送該搜尋信息的時間、該第二無線收發裝置接收該搜尋信息的時間、該第二無線收發裝置發送該回應信息的時間、及該第一無線收發裝置接收該回應信 息的時間，可估算該第二無線收發裝置的相對位置。
  19. 如請求項9之定位方法，其中，利用該回應信息中的發射識別碼、及該第一無線收發裝置發送該搜尋信息的時間，可以在該第一記憶單元中查到該三維(3D)空間角度。
  20. 如請求項9至19項任一項所述之定位方法，其中，該第二無線收發裝置係具有一喚醒單元，俾該第一全向收發單元傳送一喚醒信息至該第二全向收發單元，以致動該喚醒單元，使該喚醒單元傳送一信號至該第二控制單元，進而令該全向接收單元、該第二運算單元、及該第二記憶單元啟動。
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