TWI570424B - 定位方法及其電子裝置 - Google Patents

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TWI570424B TW102143283A TW102143283A TWI570424B TW I570424 B TWI570424 B TW I570424B TW 102143283 A TW102143283 A TW 102143283A TW 102143283 A TW102143283 A TW 102143283A TW I570424 B TWI570424 B TW I570424B
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Description

定位方法及其電子裝置
本發明提供一種定位方法，特別是關於一種單點測距的定位方法，以及使用所述定位方法的電子裝置。
隨著衛星科技的進步，全球定位系統(Global Position System，GPS)已由早期的軍事用途逐漸發展於一般生活應用上，其中最常見的就是用於目標物的定位與導航。目前市面上的定位裝置(或是導航裝置)大都採用全球定位系統的技術。全球定位系統係結合衛星科技與無線通訊的技術，可提供使用者精確的定位、速度及時間資訊。
全球定位系統的定位與導航需仰賴衛星、定位裝置與導航軟體之間的相互配合才得以順利運作。然而，定位裝置常會因建築物的遮蔽，而發生接收不到衛星訊號的情況，例如在機場、大樓、地下道或隧道等場所中，極有可能會因為接收不到衛星訊號，而無法正確地執行定位動作。因此，每當使用者需要使用定位裝置時，就必需走到如空曠的室外環境，才可使定位裝置接收衛星訊號，並執行定位動作，而此種方式對於使用者來說相當不方便。
針對此項缺點，近年來則發展出一種利用無線通訊基地台(Cell Tower)訊號來進行定位的技術。此技術係由手機偵測其周遭多個基地台的訊號強度，據以推算出手機與各個基地台之間的近 似距離，同時也利用各個基地台之識別碼找出基地台的實際位置，從而估算出手機本身的定位資訊。由於基地台的訊號可以穿透建築物，因此沒有被建築物遮蔽而無法定位的問題。然而，由於各個基地台之間的距離可達數公里，因此採用此種定位方式所計算出來的定位資訊並不精確，且建築物的遮蔽也會造成訊號的衰減，最終使得此種定位方式的準確度不佳。
另一方面，隨著無線相容認證(Wireless Fidelity,Wi-Fi)技術的廣泛應用，由消費者或者企業所架設之無線路由器數量龐大且分佈範圍廣，尤其在都會區中更形密集。針對此點，無線相容認證定位系統(Wi-Fi Positioning System,WPS)即利用都會區中Wi-Fi接入點(Access Point)分佈密度高、訊號覆蓋範圍大的特點，找尋附近地區中所有熱點的位置，並透過附近之接入點來判斷目標物的大概位置。
請參閱圖1，圖1為傳統Wi-Fi定位的示意圖。在圖1中包括接入點11~13與電子裝置101(例如手機或平板之類的行動裝置)。電子裝置101透過偵測附近周圍的接入點11~13的媒體存取控制位址(Media Access Control Address，MAC)以及電子裝置101所收到接入點11~13的訊號強度，進行交叉比對之計算獲得電子裝置101之定位位置。然而，此種定位方式的使用僅限於Wi-Fi接入點分佈密度較高的都會區。
本發明實施例提供一種電子裝置包括選取單元、儲存單元以及處理單元。選取單元與儲存單元耦接於處理單元。選取單元用以選取電子裝置鄰近的第一參考點，儲存單元用以儲存複數個第二參考點的複數個第二位置資訊。處理單元透過選取單元所選取之第一參考點的第一位置資訊對電子裝置進行單點測距，並從儲存單元選取所儲存的第二位置資訊提供電子裝置輔助定位資訊， 接著將單點測距之結果與輔助定位資訊之結果進一步計算電子裝置之目標位置。
本發明實施例提供一種應用於電子裝置之定位方法，所述方法包括以下步驟。首先，選取電子裝置鄰近的第一參考點。其後，透過第一參考點的第一位置資訊對電子裝置進行單點測距。接著，選取儲存於電子裝置中的複數個第二參考點之複數個第二位置資訊提供電子裝置輔助定位資訊。隨後，利用單點測距之結果與輔助定位資訊之結果進一步計算電子裝置之目標位置。
綜上所述，透過本發明實施例之電子裝置及其定位方法，能夠讓使用者即使在單點測距的情況亦能夠獲得較精準的位置資訊，且不須基於衛星導航定位系統或者傳統無線電定位系統的方式，大幅簡化傳統定位技術之運算量，並解決現有室內外定位系統所受環境限制之問題。值得一提的是，本發明係透過足夠的數量的第二參考點計算出空間中實際座標位置的方式進行定位，因此更進一步具有垂直軸向(Z向量)之位置資訊，有效解決傳統僅能計算平面位置之缺陷。進一步改善導航定位、車隊派遣與管理、人員與貨物之追蹤、基於位置服務與應用(LBS)、數位相機結合地理標記(Geotagging)、地理資訊系統(GIS)與急難救助等相關產業之應用。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
11~13‧‧‧接入點
101、2、301、501‧‧‧電子裝置
21‧‧‧選取單元
22‧‧‧儲存單元
23‧‧‧處理單元
SV1~SV7‧‧‧衛星
31‧‧‧第一參考點
A‧‧‧圓周
B‧‧‧局部放大
D1‧‧‧半徑
D21~24、D31~D34‧‧‧距離
G‧‧‧單位向量
311‧‧‧投影點
S1‧‧‧視水平面上
S2‧‧‧視水平面下
S101~S104‧‧‧為步驟流程
圖1為傳統Wi-Fi定位的示意圖；圖2為本發明實施例之電子裝置之方塊圖；圖3為本發明實施例之電子裝置之定位示意圖；圖4為本發明實施例之電子裝置、參考點與所選取的衛星位 置與距離示意圖；圖4A為本發明實施例之電子裝置、參考點與所選取的衛星位置與距離局部放大圖；圖5為本發明實施例之電子裝置可選取已知空間位置資訊之衛星分布示意圖；圖6為本發明實施例之定位方法的流程圖。
在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。
應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。如本文中所使用，術語「或」視實際情況可能包括相關聯之列出項目中之任一者或者多者之所有組合。
請參閱圖2，圖2為本發明實施例之電子裝置之方塊圖。電子裝置2包括選取單元21、儲存單元22以及處理單元23。選取單元21與儲存單元22耦接於處理單元23。電子裝置2例如為手機或平板等行動裝置，但本發明卻不限定於此。
選取單元21用以選取鄰近電子裝置2的第一參考點。當使用者以電子裝置2進行定位時，選取單元21搜尋鄰近電子裝置2的接入點或特定地標做為第一參考點，並以所選擇之參考點進行單 點測距。更進一步地說，電子裝置2之選取單元21可以進一步包括射頻模組、紅外線模組、雷射模組、超音波模組、影像擷取模組等等，並分別用以提供射頻、影像測距、光測距或聲音測距的方式來進行單點測距，並計算獲得所選取之第一參考點與電子裝置2之第一距離資訊。所述接入點或特定地標可以是3G基地台、LTE基地台、WiMAX基地台、Wi-Fi裝置、藍芽裝置或Zigbee裝置等等已知空間座標之裝置，或者是其他已知空間座標之地標或標的物，所述空間座標例如為透過WGS84、TWD67或TWD97之GPS座標系統所具有三維空間座標資訊，本發明並不以此做為限制。
儲存單元22用以儲存複數個第二參考點的複數個第二位置資訊。電子裝置2可預先儲存多個用以提供計算的第二參考點之第二位置資訊於儲存單元22中。所述第二參考點可以為美國全球衛星定位系統(GPS)、歐盟伽利略定位系統(Galileo)、俄羅斯GLONASS或中國北斗衛星導航系統之衛星等等已知空間座標位置資訊之衛星。值得一提的是，使用者可以從電子裝置2的供應商所提供最新的第二參考點及其位置資訊，進一步將儲存單元22所儲存之位置資訊進行更新。電子裝置2不須在每次執行定位時由外部重新獲得第二參考點之第二位置資訊，也就是說，電子裝置2能夠快速地從自身之儲存單元22選取所需位置資訊以提供後續計算處理。另一方面，儲存單元22更用以提供後續計算處理過程中所需暫存之資訊(如計算獲得之位置資訊或距離資訊)。在本發明實施例中，儲存單元22可以非揮發/揮發性儲存單元(如ROM或RAM)作實現，本發明並不以此做為限制。
處理單元23耦接於選取單元21與儲存單元22，用以從選取單元21所選取之第一參考點的第一位置資訊對電子裝置2進行單點測距，其中單點測距為計算第一參考點與電子裝置2之間的距離資訊。接著，從儲存單元23選取預先儲存之第二參考點的第二 位置資訊對電子裝置2提供輔助定位資訊，其中輔助定位為計算第二參考點與電子裝置2之間的距離資訊。值得一提的是，透過第一參考點的第一位置資訊與第二參考點的第二位置資訊可以進一步得知第一參考點與第二參考點之間的距離資訊，其中第一位置資訊與第二位置資訊為三維空間X,Y,Z所組成之三維空間座標資訊，並用以轉換為地理座標。在計算出單點測距之結果與獲得輔助定位資訊之結果後，處理單元23可進一步計算出電子裝置2所在之目標位置。
值得一提的是，在使用者透過選取單元21選定一個作為第一參考點之已知空間座標位置之基地台或標的物後，處理單元23進一步透過選取單元21所包括之射頻模組、紅外線模組、雷射模組、超音波模組或影像擷取模組利用射頻、影像測距、光測距或聲音測距的方式來計算獲得所選取之第一參考點與電子裝置301之距離資訊。請同時參閱圖2與圖3，圖3為本發明實施例之電子裝置之定位示意圖。圖3中包括衛星SV1~SV4、第一參考點31以及電子裝置301。其中D21~D24為第一參考點31至衛星SV1~SV4之距離，D31~D34為電子裝置301至衛星SV1~SV4之距離。舉例來說，使用者可透過影像擷取模組擷取所選擇之第一參考點31之影像，透過影像處理計算出電子裝置301與第一參考點31之距離D1(例如透過景深圖(depth map))。或者，使用者可透過紅外線模組所發射之紅外線判斷出電子裝置301與第一參考點31之距離D1。處理單元23可以是中央處理單元(CPU)、微型控制單元(MCU)或其他具有運算能力之計算單元，本發明並不以此做為限制。
在傳統上，以單點測距的方式所獲得之位置資訊僅僅為距離D1，也就是說，此時所計算出之電子裝置301可能位於第一參考點31以距離D1為半徑的圓周A上。但在實際操作上，可能會出現與實際位置距離2倍距離D1誤差的情況發生。若以無線通訊基地台與電子裝置301之距離來說，可能相距數百公尺至數公里。 在誤差2倍距離D1的情況即相差非常之多。因此，在本發明實施例中，電子裝置301使用其他的已知空間位置資訊來對電子裝置301進行輔助計算，藉此進一步獲得較精準的位置資訊。換句話說，透過空間中其他已知座標資訊的標的與電子裝置301所選取的第一參考點31的座標位置資訊能夠計算出電子裝置301較精準的實際空間位置。
接著，後續將更進一步舉例詳細說明本發明實施例之電子裝置定位過程。請同時參閱圖3與圖4，圖4為本發明實施例之電子裝置、參考點與所選取的衛星位置與距離示意圖。圖4中所示出之衛星SV4、第一參考點31以及電子裝置301係與圖3相同，於此處僅以單一衛星SV4之計算作為說明。在本發明實施例之執行定位計算中，預先假設電子裝置301位於空間座標(xu,yu,zu)的位置。接著，根據電子裝置301之選取單元選取之第一參考點取得第一參考點31的空間座標(x0,y0,z0)之資訊，並且根據電子裝置301之儲存單元預先儲存於儲存單元之第二參考點位置資訊選取衛星SV1~SV4其中之一之空間座標(xi,yi,zi)，於此為衛星SV4之空間座標(x4,y4,z4)，可以假設出下列之算式：
從電子裝置301至衛星SV1~SV4之幾何距離(亦即圖4中距離D34)公式為：
從第一參考點至衛星SV1~SV4之幾何距離(亦即圖4中距離D24)公式為：
值得一提的是，在本發明實施例中，做為第二參考點的衛星SV1~4與第一參考點距離約20000公里，因此可進一步將第一參考點(x0,y0,z0)以線性化技術處理如下：
其中，在計算式(3)中，
因此可以將計算式(3)改寫為： 以及
接著，計算式(8)可進一步寫成：
其中， 進一步說，非常近似於與D1之線性組合。
請同時參閱圖4A，圖4A為本發明實施例之電子裝置、參考點與所選取的衛星位置與距離局部放大圖。圖4A即為圖4中B放大範圍。經由計算式(3)以線性化技術處理後，進一步推導出計算式(8)中G向量值[g xi g yi g zi ]，亦即為圖4A中所示之單位向量G。舉例來說，於圖4A中，投影點311為第一參考點31之位置座標投影到衛星SV4與電子裝置301之距離D34上之座標位置。因此， 明顯可得知，電子裝置301的實際位置位於第一參考點31偏移位移量GδX的座標位置。
上述之計算式係為以單一衛星作為第二參考點所產生之電子裝置301的實際位置資訊。接著，透過上述的計算式(9)與計算式(10)計算電子裝置301從多個衛星SV1~SV4中所選取的複數個第二參考點，可進一步求解出電子裝置301之近似空間座標位置。然而，隨著電子裝置301所選取第二參考點的數量越多並且彼此之間空間幾何分布良好情況下，所獲得之位置資訊越精準。在本發明實施例中，以第一參考點透過線性化技術處理的方式以及第一參考點31到電子裝置301之距離D1與第一參考點31到第二參考點之距離的線性組合，作為計算距離以及求解電子裝置301之座標位置，在該領域具通常知識者亦可透過其他距離計算公式或演算方式實施，本發明僅以此作為說明，並不以此作為限制。
請參閱圖5，圖5為本發明實施例之電子裝置可選取已知空間位置資訊之衛星分布示意圖。在圖5中包括電子裝置501以及衛星SV1~SV7，其中衛星SV1~SV4分布於視水平面上S1，衛星SV5~SV7分布於視水平面下S2。在上述的第一參考點以線性化技術處理的實施方式中，所需之條件為第一參考點與第二參考點之距離需在一定範圍(約20000公里之距離)。因此，若第一參考點位及與電子裝置501不可距離第二參考點之衛星太近，否則無法使用線性化技術處理進行計算。在本發明實施例中，可進一步透過視水平面上及視水平面下之衛星SV1~SV7同時提供選擇藉此提升三維位置之精確度，尤其是垂直軸向(Z向量)之位置資訊。
接著，請參閱圖6，圖6為本發明實施例之定位方法的流程圖。定位方法包括步驟S101，選取電子裝置鄰近的第一參考點；步驟S102，透過第一參考點的第一位置資訊對電子裝置進行單點測距；步驟S103，選取儲存於電子裝置中的第二參考點之第二位置資訊提供電子裝置輔助定位資訊；以及步驟S104，利用單點測 距之結果與輔助定位資訊進一步計算電子裝置之目標位置。
請復同時參閱圖2，在步驟S101中，當使用者以電子裝置2進行定位時，選取單元21搜尋鄰近電子裝置2的接入點或特定地標做為第一參考點。在步驟S102中，處理單元23用以從選取單元21所選取之第一參考點的第一位置資訊對電子裝置2進行單點測距，其中單點測距為第一參考點與電子裝置2之間的距離資訊。在步驟S103中，從儲存單元23選取預先儲存之第二參考點的第二位置資訊提供電子裝置2輔助定位資訊，其中輔助定位為第二參考點與電子裝置2之間的距離資訊。在步驟S104中，處理單元23在計算出單點測距之結果與輔助定位之結果後，將進一步計算出電子裝置2所在之目標位置。
綜上所述，透過本發明實施例之電子裝置及其定位方法，能夠讓使用者即使在單一接入點或地標的情況亦能夠獲得較精準的位置資訊，且不須基於衛星導航定位系統或者無線電定位系統的方式，大幅簡化傳統定位技術之運算量，並解決現有室內外定位系統所受限制之問題。然而，即使是在基地台較密集的都市中，亦能夠以單一接入點(Access Point)或特定地標進行定位，而不受接入點建置的幾何分布、個數或訊號涵蓋範圍影響。另一方面，對於較偏遠地區(如山區)來說，在基地台的密度較都市稀疏的情況下，同樣能以單一個基地台來執行定位並獲得較精準的三維位置資訊，能夠有效提升搜救人員在急難救助的效率。值得一提的是，本發明係透過計算出空間中實際座標位置的方式進行定位，因此更進一步具有垂直軸向(Z向量)之位置資訊，有效解決傳統僅能計算平面之缺陷。進一步改善導航定位、車隊派遣與管理、人員與貨物之追蹤、基於位置服務與應用(LBS)、數位相機結合地理標記(Geotagging)、地理信息系統(GIS)與急難救助等相關產業之應用。
以上所述，僅為本發明最佳之具體實施例，惟本發明之特徵 並不侷限於此，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾，皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
SV1~SV4‧‧‧衛星
31‧‧‧第一參考點
A‧‧‧圓周
D1‧‧‧半徑
D21~24、D31~D34‧‧‧距離
301‧‧‧電子裝置

Claims (18)

  1. 一種電子裝置，包括：一選取單元，用以選取該電子裝置鄰近的一第一參考點；一儲存單元，用以儲存複數個第二參考點的複數個第二位置資訊；一處理單元，耦接於該選取單元與該儲存單元，透過該選取單元所選取之該第一參考點的一第一位置資訊獲得該第一參考點與該電子裝置之間的一第一距離，並根據該些第二位置資訊與該第一位置資訊獲得該些第二參考點與該第一參考點之間的複數個第二距離，將該些第二距離提供給該電子裝置作為一輔助定位資訊，接著依據該些第二位置資訊、該第一距離與該輔助定位資訊進一步計算該電子裝置之一目標位置；其中該第一距離遠小於該些第二距離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電子裝置，其中該電子裝置對該第一參考點進行一單點測距以獲得該第一距離。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電子裝置，其中該處理單元透過該輔助定位資訊中的該些第二距離與該第一距離計算該些第二參考點與該電子裝置之間的複數個第三距離。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電子裝置，其中該處理單元進一步根據該些第二位置資訊與該些第三距離計算出該目標位置。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之電子裝置，其中該選取單元更包括射頻模組、紅外線模組、雷射模組、超音波模組或影像擷取模組。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電子裝置，其中該第一位置資訊與該第二位置資訊為X,Y,Z軸所組成之三維空間座標。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電子裝置，其中該第一參考點為3G基地台、LTE基地台、WiMAX基地台、無線電基地台、Wi-Fi裝置、藍芽裝置、Zigbee裝置或地標之已知空間位置來提供選 取。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電子裝置，其中該儲存單元所儲存的該些第二位置資訊的該些第二參考點為美國全球衛星定位系統(GPS)、歐盟伽利略定位系統(Galileo)、俄羅斯GLONASS或中國北斗衛星導航系統之衛星位置。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之電子裝置，其中該第三距離為該第一距離與對應的該第二距離的距離和。
  10. 一種定位方法，應用於一電子裝置，包括以下步驟：選取該電子裝置鄰近的一第一參考點；透過該第一參考點的一第一位置資訊獲得該第一參考點與該電子裝置之間的一第一距離；根據儲存於該電子裝置中的複數個第二參考點之複數個第二位置資訊與該第一位置資訊獲得該些第二參考點與該第一參考點之間的複數個第二距離，並將該些第二距離提供給該電子裝置作為一輔助定位資訊，其中該第一距離遠小於該些第二距離；以及依據該些第二位置資訊、該第一距離與輔助定位資訊進一步計算該電子裝置之一目標位置。
  11. 如申請專利範圍第10項之定位方法，其中電子裝置對該第一參考點進行一單點測距以獲得該第一距離。
  12. 如申請專利範圍第10項之定位方法，其中在依據該些第二位置資訊、該第一距離與輔助定位資訊進一步計算該電子裝置之該目標位置的步驟中包括：透過該輔助定位資訊中的該些第二距離與該第一距離計算該些第二參考點與該電子裝置之間的複數個第三距離。
  13. 如申請專利範圍第12項之定位方法，其中在依據該些第二位置資訊、該第一距離與輔助定位資訊進一步計算該電子裝置之該目標位置的步驟中更包括： 根據該些第二位置資訊與該些第三距離計算出該目標位置。
  14. 如申請專利範圍第11項之定位方法，其中該第一距離係以射頻、影像測距、光測距或聲音測距等方式計算獲得。
  15. 如申請專利範圍第10項之定位方法，其中該第一位置資訊與該第二位置資訊為X,Y,Z軸所組成之三維空間座標。
  16. 如申請專利範圍第10項之定位方法，其中在選取鄰近該電子裝置的該第一參考點的步驟中，該第一參考點為3G基地台、LTE基地台、WiMAX基地台、Wi-Fi裝置、藍芽裝置或Zigbee裝置等等已知空間座標位置之裝置來提供選取。
  17. 如申請專利範圍第10項之定位方法，其中該電子裝置所儲存的該些第二參考點可為美國全球衛星定位系統(GPS)、歐盟伽利略定位系統(Galileo)、俄羅斯GLONASS或中國北斗衛星導航系統之衛星位置。
  18. 如申請專利範圍第13項之定位方法，其中在依據該些第二位置資訊、該第一距離與輔助定位資訊進一步計算該電子裝置之該目標位置的步驟中，該第三距離為該第一距離與對應的該第二距離的距離和。
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