TWI585434B - Long distance multi - point positioning system and method - Google Patents

Description

長距離多點定位系統及方法

本發明係一種定位系統及方法，尤指一種可延長訊號傳遞距離的長距離多點定位系統及方法。

全球衛星定位系統(GPS)為目前常用的定位系統，其全球覆蓋率高達98%，且可提供準確的定位、速度、高度等資訊，使用者僅需要具有GPS訊號接收器，即可使用GPS定位系統。但是GPS訊號為10 MHZ的低頻電磁波訊號，而低頻電磁波訊號容易受到高樓大廈、高壓電塔、金屬物質屏蔽，目前常見的室內建材經常使用金屬材料，使用者進出建築物時，GPS訊號難以穿透，造成定位上的困擾。

另外，目前市面上具有其他無線傳輸模組，如：Wi-Fi、iBeacon、ZigBee等，其頻率皆為高頻電磁波訊號。高頻訊號電磁波訊號容易隨著傳遞距離的增加而衰減，讓該些無線傳輸模組的傳輸距離過短，如Wi-Fi其傳輸距離約為100至300公尺，iBeacon 的傳輸距離為10至50公尺，ZigBee其傳輸距離為50至300公尺，其傳輸距離不足，定位系統覆蓋的範圍過小，實用性不足。

此外，訊號傳遞所使用的通訊協定大都採用標準規範，如ZigBee協定所採用的訊號頻率為2.4 GHZ，因此容易受到其他相同頻率的訊號源發生干擾，導致訊號衰減、失真；然而，目前定位方法，大多利用訊號接收器其接收到的訊號強弱，來判斷訊號源與訊號接收器之間的距離，當訊號受到其他干擾造成過度衰減，當訊號接收器收到訊號後，根據衰減程度判斷距離時易發生誤差，造成誤判距離。當應用於定位系統時，可能因此無法準確或順利找到待測目標的位置。

由上可知，目前的GPS訊號容易受到高樓、金屬材質屏蔽，因此在進出建築物或於室內時，難以完成定位；而使用標準規範的通訊協定，其傳輸距離過短、可定位範圍過小且易受到其他相同頻率的訊號源干擾，造成訊號過度衰減、失真，甚至發生誤判距離或無法找到目標。

有鑑於此，本發明係提供一種長距離多點定位系統，使用特定頻率的訊號，延長訊號傳遞距離並且避免與其他相同頻率的訊號源發生干擾，另外，透過時間測量距離，避免訊號衰減造成誤判距離的問題。

為了達到上述目的所採用的主要技術手段，係令該長距離多點定位系統，包含：

一待測微處理器；

一氣壓感應器，其連接該待測微處理器，該氣壓感測器測量該待測裝置所在位置的高度，以獲得一高度資訊，並將該高度資訊傳遞至該待測微處理器；

一待測接收器，其連接該待測微處理器，接收一偵測訊號，該偵測訊號的頻率範圍位於130 MHZ至1 GHZ之間；

一待測發射器，其連接該待測微處理器，發送包含有待測高度資訊的一回覆訊號，該回覆訊號的頻率範圍位於130 MHZ至1 GHZ之間；

至少三測量裝置，該些測量裝置呈環繞設置，且分別具有一固定座標資訊及一固定高度資訊，該些測量裝置各自包含有：

一測量發射器，係發送該偵測訊號；

一測量接收器，係接收該回覆訊號；

一計時器，係測量該偵測訊號由該測量發射器發送出至由該測量接收器接收到該回覆訊號之間所經過的一計時時間；

一測量微處理器；其連接該測量發射器、該測量接收器、該計時器；

其中，將該些計時時間及該待測高度資訊利用三角測量演算法，獲得該待測裝置與該些測量裝置之間的一相對座標，並將該相對座標代入該些測量裝置已知的座標資訊，取得該待測裝置目前的位置。

本發明之另一目的係提供一種長距離多點定位方法，係由至少三測量裝置以及一待測裝置執行，該長距離多點定位方法包含：

該些測量裝置分別發送一偵測訊號，並開始計時，該偵測訊號的頻率範圍位於130 MHZ至1 GHZ之間；

該待測裝置收到任一偵測訊號後，測量該待測裝置本身所在位置的目前高度，獲得一待測高度資訊；

該待測裝置分別發送包含有該待測高度資訊的一回覆訊號予該測量裝置，該回覆訊號的頻率範圍位於130 MHZ至1 GHZ之間；

該些測量裝置各自收到該回覆訊號後停止計時，並獲得一計時時間；

該些測量裝置各自依據該待測高度資訊及該些計時時間，利用三角演算法計算該待測裝置分別與該些測量裝置的距離，以獲得該待測裝置與該些偵測裝置的一相對座標。

由上可知，利用該使用特定頻率來傳遞訊號可以避免相同的通訊協定的訊號之間互相干擾，導致訊號衰減，且可以透過調整訊號的頻率調整訊號的有效傳輸距離，進而調整定位系統的有效範圍。此外，利用時間來計算距離，可以避免因為訊號受到干擾或屏蔽等影響，造成誤判距離，無法順利定位或定位錯誤的問題。

請參閱圖1所示，本發明的長距離多點定位系統包含有至少三測量裝置10以及一待測裝置20，該些測量裝置10依序環繞設置，且彼此間隔一預設距離L1，該些測量裝置10為定點設置，故該些測量裝置10分別具有一固定座標資訊及一固定高度資訊，於本實施例中，該預設距離L1可為10公尺。

請參閱圖2A所示，該些測量裝置10各自包含有一測量微處理器11、一測量發射器12、一測量接收器13以及一計時器14，該測量發射器12的輸入端連接該測量微處理器11的輸出端，該測量接收器13的輸出端連接該測量微處理器11的輸入端，於本實施例，該測量微處理器11連接該計時器14，該測量微處理器11令該測量發射器12發送一偵測訊號，並同步令該計時器14開始計時，當該測量接收器13收到一回覆訊號，將該回覆訊號傳遞至該測量微處理器11時，該測量微處理器11使該計時器14停止計時，以獲得一計時時間，計時器14將該計時時間傳送至該測量微處理器11。

請參閱圖2B所示，該測量裝置10的另一實施方式為，該測量發射器12的輸出端連接該計時器14，該測量發射器12的輸入端連接該測量微處理器11的輸入端，該測量接收器13的輸出端分別連接該測量微處理器11及該計時器14的輸入端，該計時器14的輸出端連接該測量微處理器11的輸入端，該測量微處理器11令該測量發射器12發送該偵測訊號，該測量發射器12令該計時器14開始計時，該測量接收器13收到該回覆訊號後，將該回覆訊號傳遞至該測量微處理器11，並使該計時器14提止計時，該計時器14將獲得的該計時時間傳送至該測量微處理器11。其中，該計時器14可為一光速精確時鐘，其計數單位為1 ns。

請參閱圖3所示，該待測裝置20包含有一待測微處理器21、一待測發射器22、一待測接收器23以及一氣壓感應器24，該待測發射器22的輸入端連接該待測微處理器21的輸出端，該待測接收器23的輸出端連接該待測微處理器21的輸入端，該氣壓感應器24的輸出端連接該待測微處理器21的輸入端。

請參閱圖4所示，本發明的長距離多點定位系統，該些測量裝置10及該待測裝置20，執行以下步驟：

該些測量裝置10分別發送該偵測訊號，並開始計時，該偵測訊號的頻率範圍位於130 MHZ至1 GHZ之間(S101)；

該待測裝置20收到該些偵測訊號的其中之一後，該待測裝置20測量本身所在位置的目前高度，獲得一待測高度資訊(S102)；

該待測裝置20分別發送包含有該待測高度資訊的該回覆訊號，該回覆訊號的頻率範圍位於130 MHZ至1 GHZ之間(S103)；

該些測量裝置10各自收到該回覆訊號後停止計時，並獲得該計時時間(S104)；

該些測量裝置10各自依據該回覆訊號及該計時時間，計算該待測裝置20分別與該些測量裝置10之間的距離 (S105)。

要偵測該待測裝置20的位置時，該些測量裝置10其各自的該測量微處理器11令該測量發射器12發送該偵測訊號，並且讓該精確計時器14開始計時(步驟S101)，該待測裝置20收到該偵測訊號的其中之一後，使用該氣壓感應器24偵測目前該待測裝置20本身所在位置的高度，獲得該待測高度資訊(步驟S102)，該待測裝置20的該特測微處理器21，依據該偵測訊號及該待測高度資訊產生該回覆訊號，並使用該待測發射器22發送該回覆訊號(S103)；其中，由於該待測裝置20分別與該些測量裝置10相距不同距離，因此，步驟S103並非僅發送一次該回覆訊號，而是每收到該偵測訊號，就依據該偵測訊號與該待測高度資訊產生該回覆訊號，並發送出去，而本實施例中，該些測量裝置10其數量為至少三個，該待測裝置20至少執行三次該步驟S103。

該些測量裝置10其各自的該測量接收器13，接收到該偵測訊號後，令該計時器14停止計時並將該偵測訊號傳遞至該測量微處理器11，該計時器14自發射該偵測訊號到接收該回覆訊號之間獲得該計時時間(步驟S104)，將該計時時間傳送至該測量微處理器11，其中，該計時器14其計數單位可為1 ns，藉由光速行進每公尺需要3.33564 ns，來計算訊號於該計時時間內所行進的距離，取得出該待測裝置20分別與該些測量裝置10之間的一直線距離L21~L23(步驟S105)。

已知該直線距離L21~L23，該測量微處理器11將目前該測量裝置10的本身已知的該固定高度資訊與該回覆訊號內的該待測高度資訊進行對比，獲得該待測裝置20與該測量裝置10之間的一高度差(Y軸)，並將該直線距離L21~L23與該高度差透過三角演算法計算出該待測裝置20與該測量裝置10之間的距離(X軸)，獲得該待測裝置20與該些測量裝置10之間的相對座標，最後將該些測量裝置10已知的固定座標資訊代入一地理資訊系統(GIS)，完成該待測裝置20的定位，並由該地理資訊系統中顯示。

請參閱圖5所示，本發明的另一實施方式，該長距離多點定位系統更包含一雲端伺服器30，該些測量裝置10將該些計時時間、該高度資訊等資訊傳送至該雲端伺服器30，該雲端伺服器30將該些測量裝置10已知的位置資訊，以及該些計時時間、該高度資訊等，使用三角演算法，計算出該待測裝置20對應於該些測量裝置10的相對座標，並由地理資訊系統中已知的該些測量裝置10的位置，將該相對座標帶入，完成該待測裝置20的定位，並由該地理資訊系統中顯示，本實施方式與上述實施例差異點僅在於將資訊傳遞至該雲端伺服器30，由該雲端伺服器30進行運算。

上述實施例中，該偵測訊號與該回覆訊號的頻率可落在130 MHZ至1 GHZ之間的頻率範圍，使該偵測訊號與該回覆訊號的頻率避開2.4 GHZ或具有多種不同通訊協定的頻率，減少無線傳輸時的干擾。且可透過調整該偵測訊號與該回覆訊號的頻率，進一步調整訊號傳遞的距離，於本發明中，該頻率之訊號於無阻隔物之情況下，其傳遞距離可達5至10公里，即便使用於具有眾多大樓的密集都會區，本發明的長距離多點定位系統其可覆蓋範圍亦可到方圓1至2公里。

綜上所述，本發明提供了一種長距離多點定位系統及方法，使用訊號的頻率位於130 MHZ至1 GHZ之間，避開2.4 GHZ的頻率波段，避免訊號受到干擾，且頻率較低的訊號能夠具有較遠的傳遞距離，增加定位系統的範圍；另外，使用時間計算距離，可避免使用訊號強弱來判斷距離時，當訊號受到干擾時，產生距離誤判的問題。

本發明的長距離多點定位系統及方法，其訊號傳遞距離較遠，因此能夠增加定位系統可覆蓋的範圍，並可減少訊號的干擾，其內部結構及其使用方法，由本發明內容揭示，已充分說明內部結構、動作說明以及功效，實乃具備了申請專利之要件；其中，本發明所述之內容，僅作為實施方式說明，並不以此限定本發明欲保護之範圍，任何局部的更改、變動之結構及步驟，仍為本發明保護之範圍。

10‧‧‧測量裝置

11‧‧‧測量微處理器

12‧‧‧測量發射器

13‧‧‧測量接收器

14‧‧‧計時器

20‧‧‧待測裝置

21‧‧‧待測微處理器

22‧‧‧待測發射器

23‧‧‧待測接收器

24‧‧‧氣壓感應器

30‧‧‧雲端伺服器

圖1 係本發明長距離多點定位系統的結構圖。 圖2A 係本發明長距離多點定位系統中測量裝置的方塊圖。 圖2B 係本發明長距離多點定位系統中測量裝置另一實施例的方塊圖。 圖3 係本發明長距離多點定位系統中帶測裝置的方塊圖。 圖4 係本發明長距離多點定位方法的流程圖。 圖5 係本發明長距離多點定位系統另一實施例的結構示意圖。

10‧‧‧測量裝置

20‧‧‧待測裝置

Claims (9)

1. 一種長距離多點定位系統，包含：一待測裝置，其包含有：一待測微處理器；一氣壓感應器，其連接該待測微處理器，該氣壓感測器測量該待測裝置所在位置的高度，以獲得一高度資訊，並將該高度資訊傳遞至該待測微處理器；一待測接收器，其連接該待測微處理器，接收一偵測訊號，該偵測訊號的頻率範圍位於130MHZ至1GHZ之間；一待測發射器，其連接該待測微處理器，發送包含有待測高度資訊的一回覆訊號，該回覆訊號的頻率範圍位於130MHZ至1GHZ之間；至少三測量裝置，該些測量裝置呈環繞設置，且分別具有一固定座標資訊及一固定高度資訊，該些測量裝置各自包含有：一測量發射器，係發送該偵測訊號；一測量接收器，係接收該回覆訊號；一計時器，係測量該偵測訊號由測量發射器發送出至由該測量接收器接收到該回覆訊號之間所經過的一計時時間；一測量微處理器；其連接該測量發射器、該測量接收器、該計時器；其中，將該些計時時間及該待測高度資訊利用三角測量演算法，獲得該待測裝置與該些測量裝置之間的一相對座標，並將該相對座標代入該些測量裝置的該固定座標資訊，取得該待測裝置目前的位置。
2. 如請求項1所述之長距離多點定位系統，其中該計時器為一光速精準時鐘。
3. 如請求項2所述之長距離多點定位系統，其中該計時器的計數單位為1ns。
4. 如請求項1所述之長距離多點定位系統，其中該些測量裝置中之任意二者相互間隔10公尺。
5. 如請求項1至4項中任一項所述之長距離多點定位系統，其中該些測量裝置將該些計時時間及該待測高度資訊傳遞至一雲端伺服器，該雲端伺服器利用該些計時時間及該待測高度資訊，利用三角演算法獲得該待測裝置與該些測量裝置之間的一相對座標。
6. 如請求項5所述之長距離多點定位系統，其中該雲端伺服器將該些測量裝置已知的固定位置資訊與該相對座標代入一地理資訊系統，以計算該待測裝置的位置。
7. 一種長距離多點定位方法，係由至少三測量裝置以及一待測裝置執行，該長距離多點定位方法包含：該些測量裝置分別發送頻率一偵測訊號，並開始計時，該偵測訊號的頻率範圍位於130MHZ至1GHZ之間；該待測裝置收到任一該些偵測訊號之後，測量該待測裝置本身所在位置的目前高度，獲得一待測高度資訊；該待測裝置分別發送包含有該待測高度資訊的一回覆訊號予該測量裝置，該回覆訊號的頻率範圍位於130MHZ至1GHZ之間；該些測量裝置各自收到該回覆訊號後停止計時，並獲得一計時時間；該些測量裝置各自依據該待測高度資訊及該些計時時間，利用三角演算法計算該待測裝置分別與該些測量裝置的距離，以獲得該待測裝置與該些偵測裝置的一相對座標。
8. 如請求項7所述之長距離多點定位方法，其中將該些計時時間及該待測高度資訊傳送至一雲端伺服器，該雲端伺服器利用三角演算法計算該待測裝置分別與該些測量裝置的距離，以獲得該待測裝置與該些偵測裝置的該相對座標。
9. 如請求項7或8項所述之長距離多點定位方法，其中將該相對座標與該些測量裝置的位置資訊帶入一地理資訊系統，以確認該待測裝置的位置。