TWI745153B - 超寬頻定位方法、裝置及系統 - Google Patents

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TWI745153B
TWI745153B TW109138740A TW109138740A TWI745153B TW I745153 B TWI745153 B TW I745153B TW 109138740 A TW109138740 A TW 109138740A TW 109138740 A TW109138740 A TW 109138740A TW I745153 B TWI745153 B TW I745153B
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Abstract

本發明公開一種超寬頻定位方法、裝置及系統。該超寬頻定位方法包括判斷是否已校正多個超頻寬硬體量測誤差；當已校正多個超頻寬硬體量測誤差時，判斷是否已自動量測多個基站的多個基站座標；當已自動量測該多個基站座標時，取得一待定物與該多個基站之間的多個量測距離並將該多個量測距離分別扣除該多個超頻寬硬體量測誤差；以及根據扣除該多個超頻寬硬體量測誤差後的該多個量測距離，計算該待定物的一待定物座標。

Description

超寬頻定位方法、裝置及系統
本發明涉及一種定位方法、裝置及系統，特別是涉及一種超寬頻定位方法、裝置及系統。
無人航空載具（Unmanned aerial vehicle，UAV）、無人飛行器（unmanned aircraft，UAS）或無人機（Drone）可劃分為軍用、商業用及娛樂型無人機。近幾年小型無人機市場蓬勃發展，由於小型無人機具有易於部署、維護成本低、機動性強等優點，因此可用於許多商業用領域。例如，商業用無人機可應用在空拍、宅配包裹服務、農藥噴灑、橋梁結構檢查等。
隨著無人機應用越來越多樣化，意味著未來空中會出現越來越多無人機執行著不同任務，而大量的無人機就需要一個管理中心來監控所有的無人機狀況及位置。圖1為一無人航空載具飛航管理（UAV Traffic Management，UTM）系統的示意圖。民航局法規規定高於海拔高度400呎的空域為視距外（beyond visual line of sight，BVLOS）的高空域，且低於海拔高度400呎的空域為視距內（Visual Line of Sight，VLOS）的低空域。高空域的全國型無人機飛航管理（National UTM，NUTM）系統歸民用航空局管轄，而低空域的區域行無人機飛航管理（Regional UTM，以下簡稱RUTM）系統歸地方政府管轄。在都會區域的RUTM系統的功能包括小型無人機的偵測與防撞（Detect and Avoid，DAA）、機群保持安全距離、電子圍籬、飛行空域管理、規劃起降區域及監控無人機訊號強度等。偵測與防撞可採用類廣播式自動相關監視（Automatic dependent surveillance – broadcast like， ADS-B like）系統來實現；具體而言，小型無人機可主動傳送定位資訊給航管中心或是廣播給鄰近小型無人機，航管中心的空中防撞系統（Traffic Collision Avoidance System，TCAS）可藉由軟體計算定位數據，並評估空域中無人機是否會相撞，再送出需要避讓的警告訊號給相關小型無人機（參考來源：Ref: C. E. Lin, T. W. Hung, H. Y. Chen, "TCAS Algorithm for Generation Aviation on ADS-B", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G, Journal of Aerospace Engineering, Vol. 230(9), IMechE 2016,pp. 1569-1591, DOI: 10.1177/0954410016631974）。
現今的小型無人機大多使用全球定位系統（Global Positioning System，GPS）來進行定位，然而全球定位系統在市區內的高度誤差通常為5公尺，此誤差將會造成空中防撞系統判定錯誤，進而影響小型無人機的飛行安全。
此外，世界各國有規範遙控無人機管理規則，使用者必須先通過航空知識測驗（aeronautical knowledge test）來取得遙控操作認證（Remote Pilot Certificate），以確保航空安全。在航空知識測驗中，某些地區的操作測驗（performance test）是在關閉小型無人機的全球定位系統的前提下來進行，由考生遙控小型無人機來進行特定飛行路線（例如保持高度20公尺的五邊飛行路線及保持高度50公尺的數字「8」飛行路線），並由裁判透過目視判斷測試是否合格。然而，由於小型無人機的全球定位系統已關閉而無法主動傳送定位資訊給航管中心，僅由裁判主觀判斷測試是否合格，如此導致上述測試手法缺乏客觀數據來支持其有效性。
因此，如何提供一種具有高精度（例如定位誤差小於一公尺）的定位方法、裝置及系統，來克服上述的缺陷，已成為該項事業所欲解決的重要課題之一。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種超寬頻定位方法、裝置及系統。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是提供一種超寬頻定位方法。該超寬頻定位方法用於一超寬頻定位系統，該超寬頻定位系統包括一待定物及多個基站。該超寬頻定位方法包括判斷是否已校正多個超頻寬硬體量測誤差；當已校正多個超頻寬硬體量測誤差時，判斷是否已自動量測該多個基站的多個基站座標；當已自動量測該多個基站座標時，取得該待定物與該多個基站之間的多個量測距離並將該多個量測距離分別扣除該多個超頻寬硬體量測誤差；以及根據扣除該多個超頻寬硬體量測誤差後的該多個量測距離，計算該待定物的一待定物座標。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外一技術方案是提供一種超寬頻定位裝置。該超寬頻定位裝置用於一超寬頻定位系統。該超寬頻定位系統包括一待定物、多個基站及一飛航管理雲端伺服器。該超寬頻定位裝置安裝於該待定物上，並包括一距離量測模組、一第一通訊模組以及一處理模組。該距離量測模組用來量測該待定物與該多個基站之間的多個量測距離，以及量測該待定物與一基準平面之間的多個實際高度。該第一通訊模組耦接於該距離量測模組，用來傳送該多個量測距離及該多個實際高度。該處理模組耦接於該第一通訊模組，用來根據該多個量測距離及該多個實際高度，計算該待定物的一待定物座標，並將該待定物座標傳送給該飛航管理雲端伺服器。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外再一技術方案是提供一種超寬頻定位系統。該超寬頻定位系統包括一待定物、多個基站、一飛航管理雲端伺服器以及一超寬頻定位裝置。該超寬頻定位裝置安裝於該待定物上，並包括一距離量測模組、一第一通訊模組以及一處理模組。該距離量測模組用來量測該待定物與該多個基站之間的多個量測距離，以及量測該待定物與一基準平面之間的多個實際高度。該第一通訊模組耦接於該距離量測模組，用來傳送該多個量測距離及該多個實際高度。該處理模組耦接於該第一通訊模組，用來根據該多個量測距離及該多個實際高度，計算該待定物的一待定物座標，並將該待定物座標傳送給該飛航管理雲端伺服器。
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的一種超寬頻定位方法、裝置及系統，其能通過“使用超寬頻無線通訊技術來量測待定物與多個基站之間的多個量測距離”以及“根據代價函數，計算待定物座標的第三座標成分”的技術方案，以提升Z軸座標的定位精度。
為使能進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“超寬頻定位方法、裝置及系統”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以實行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
圖2為根據本發明實施例一超寬頻定位模型2的示意圖。超寬頻定位模型2可用來模擬一超寬頻定位系統，並包括一待定物（Tag）T以及多個基站（Anchor）A 1～A N，N為大於3的整數。待定物T與多個基站A 1～A N之間的多個距離為d 1～d N，其中多個量測距離d 1～d N是使用超寬頻無線通訊技術來進行雙邊雙向測距（Double-sided Two-way Ranging）方法來計算。簡單來說，待定物T與基站A 1～A N互相發送超寬頻封包給彼此並記錄發送時間戳記（Timestamp）與接收時間戳記，待定物T的距離量測模組（例如圖3的距離量測模組31）據以推算出多個封包的多個飛行時間（Time of Flight，ToF），再分別將多個飛行時間乘以光速即可推知待定物T與多個基站A 1～A N之間的距離為d 1～d N。
在由X、Y及Z軸組成的三維空間模型中，假設待定物T的座標為
Figure 02_image001
且已知基站A 1～A N的座標為
Figure 02_image003
(
Figure 02_image005
,
Figure 02_image007
,
Figure 02_image009
)～
Figure 02_image011
(
Figure 02_image013
,
Figure 02_image015
,
Figure 02_image017
)，待定物T與第i個基站A i之間的距離d i可由如下方程式（1）表示：
Figure 02_image019
,                   （1） 其中i為整數且1≤i≤N。
以基站A N為參考點，待定物T與基站A N之間的距離d N可由如下方程式（2）表示：
Figure 02_image021
（2）
令
Figure 02_image023
，方程式（1）可改寫為如下方程式（3）：
Figure 02_image025
（3）
將方程式（3）與方程式（1）相減並整理可得如下方程式（4）：
Figure 02_image027
,                                                                                                                                         （4） 其中
Figure 02_image029
=
Figure 02_image031
。
最後，將方程式（4）改寫為矩陣型式如下方程式（5），即可根據最小平方差（Least Square Error，以下簡稱LSQ）方法來求出待定物T的座標
Figure 02_image001
。 [A][X] = [b]
Figure 02_image033
（5）
然而，申請人注意到，當待定物T的高度（即Z軸座標
Figure 02_image035
）為多個基站A 1～A N的高度（即Z軸座標
Figure 02_image037
）的數倍時，在使用LSQ方法進行求解的情況下，由於多個基站A 1～A N之間的Z軸跨度（Span）相對於待定物T的Z軸座標
Figure 02_image035
很小，導致所得到的高度誤差會達到公尺級。在實際應用中，在使用LSQ方法進行求解的情況下，為了讓離地數十公尺高的無人機（即待定物T）的高度誤差達到公分級，則須將多個基站A 1～A N之間的高度差拉大，此作法實乃不切實際。另一方面，由於多個基站A 1～A N之間的X軸及Y軸跨度相對於待定物T的X軸及Y軸座標夠大，因此在使用LSQ方法進行求解的水平面（即XY平面）誤差為公分級。據此，申請人將方程式（1）～（5）得出的X軸座標
Figure 02_image039
與Y軸座標
Figure 02_image041
作為常數代回並改寫方程式（1），將改寫後的方程式（1）帶入由方程式（6）表示的一代價函數（Cost Function），以計算待定物T的Z軸座標
Figure 02_image035
。換言之，本發明的代價函數是將超寬頻測距方法量測到的距離d i扣除X軸座標
Figure 02_image039
與Y軸座標
Figure 02_image041
成份後，再根據代價函數去求解Z軸座標
Figure 02_image035
，如此可將原本需求解三個未知數的方法變更為求解一個未知數的方法。
在無人機操作測驗的場景中，多個基站A 1～A N設置在地面或鄰近於地面處，且無人機在多個基站A 1～A N的上空中飛行。據此，本發明根據實際應用場景，假設待定物T的高度（即Z軸座標
Figure 02_image035
）大於多個基站A 1～A N的一平均高度
Figure 02_image043
，令平均高度
Figure 02_image045
，並定義一參數
Figure 02_image047
（意即在多個基站A 1～A N的多個Z軸座標Z 1～Z N為已知的前提下，將參數
Figure 02_image049
定義為第i個基站A i的Z軸座標Z i與平均高度
Figure 02_image043
的差值），則本發明的代價函數可表示為方程式（6）如下：
Figure 02_image051
,                                 （6） 其中
Figure 02_image053
。
根據方程式（6），參數
Figure 02_image055
為超寬頻測距方法量測到的距離d i扣除X軸座標
Figure 02_image039
與Y軸座標
Figure 02_image041
成份的值。由於參數
Figure 02_image049
及
Figure 02_image055
為已知，故方程式（6）中僅有單一變數
Figure 02_image057
而需求解。
為了讓高度誤差最小化，變數
Figure 02_image057
在方程式（6）中的最佳解會滿足一條件
Figure 02_image059
，因此對方程式（6）進行微分整理後可得方程式（7）如下：
Figure 02_image061
（7） 其中
Figure 02_image063
。
接著，使用牛頓近似法如方程式（8），對方程式（7）求變數
Figure 02_image057
的解，迭代至
Figure 02_image065
)＜0.01（單位：公尺），其中變數
Figure 02_image067
為方程式（7）的解；再將變數
Figure 02_image067
加上多個基站A 1～A N的平均高度
Figure 02_image043
，即可得到待定物T的高度。方程式（8）表示如下：
Figure 02_image069
（8）
圖3為根據本發明實施例一定位裝置30的功能方塊圖。定位裝置30可安裝於圖2的待定物T（例如一無人航空載具、一無人飛行器或一無人機）上，用來實踐圖2的超寬頻定位模型2，並可應用於圖1的無人機飛航管理系統。定位裝置30包括一距離量測模組31、一第一通訊模組32、一處理模組33以及一衛星定位模組34。
距離量測模組31耦接於第一通訊模組32，用來透過超寬頻無線通訊技術，量測定位裝置30（即無人機）與多個基站A 1～A N之間的多個量測距離d 1～d N。衛星定位模組34耦接於第一通訊模組32，用來產生一衛星定位資訊Info GPS。
第一通訊模組32耦接於距離量測模組31、衛星定位模組34及處理模組33，用來將距離量測模組31量測到的多個量測距離d 1～d N、定位裝置30的多個實際高度D 1～D N及衛星定位模組34產生的衛星定位資訊Info GPS傳送到處理模組33。於一實施例中，定位裝置30還包括一高度量測模組（未繪於圖3），用來根據紅外線測距方法來量測定位裝置30與一基準平面（Ground Truth）之間的多個實際高度D 1～D N。於一實施例中，高度量測模組可整合於距離量測模組31內。於一實施例中，高度量測模組可為一周邊裝置而外接於定位裝置30。
處理模組33耦接於第一通訊模組32，用來根據多個量測距離d 1～d N及多個實際高度D 1～D N，計算待定物T的座標
Figure 02_image001
，並將座標
Figure 02_image001
傳送給一無人機飛航管理雲端伺服器10及一遙控裝置11中的至少一者。於一實施例中，處理模組33用來根據遙控裝置11產生的一控制訊號CTRL來執行或終止定位操作。
處理模組33包括一處理器330、一記憶體331以及一第二通訊模組332。處理器330耦接於第一通訊模組32、記憶體331及第二通訊模組332，用來根據多個量測距離d 1～d N及多個實際高度D 1～D N，計算距離量測模組31的多個硬體誤差E 1～E N及多個基站A 1～A N的多個基站座標
Figure 02_image003
(
Figure 02_image005
,
Figure 02_image007
,
Figure 02_image009
)～
Figure 02_image011
(
Figure 02_image013
,
Figure 02_image015
,
Figure 02_image017
)。接著，處理模組33可將多個量測距離d 1～d N及多個基站座標
Figure 02_image003
(
Figure 02_image005
,
Figure 02_image007
,
Figure 02_image009
)～
Figure 02_image011
(
Figure 02_image013
,
Figure 02_image015
,
Figure 02_image017
)套入圖2的超寬頻定位模型2，據以計算待定物T的座標
Figure 02_image001
。
記憶體331耦接於處理模組33，用來儲存一程式碼333、多個量測距離d 1～d N、多個實際高度D 1～D N、多個硬體誤差E 1～E N、多個基站座標
Figure 02_image003
(
Figure 02_image005
,
Figure 02_image007
,
Figure 02_image009
)～
Figure 02_image011
(
Figure 02_image013
,
Figure 02_image015
,
Figure 02_image017
)及任何與定位裝置30有關的資訊。
第二通訊模組332耦接於處理器330、無人機飛航管理雲端伺服器10及遙控裝置11，用來將座標
Figure 02_image001
傳送給無人機飛航管理雲端伺服器10及遙控裝置11中的至少一者，以及接收遙控裝置11產生的控制訊號CTRL。
因此，在圖3的電路架構下，本發明的定位裝置30可實踐圖2的超寬頻定位模型2，並可應用於圖1的無人機飛航管理系統。在無人機操作測驗的場景中，在關閉衛星定位模組34的前提下，本發明的定位裝置30可安裝於無人機上並用來傳送待定物T的座標
Figure 02_image001
給無人機飛航管理雲端伺服器10或相關無人機操作測驗系統，以提供客觀定位資訊或數據來支持無人機操作測驗的有效性。例如，本發明的超寬頻定位模型2可模擬一超寬頻定位系統，用來提供客觀定位資訊或數據以支持無人機操作測驗或無人機操作競賽的有效性，如此相當於一電子裁判。
圖4為根據本發明實施例用於圖3的定位裝置30的一定位方法的流程圖。圖4的流程可編譯為程式碼333而儲存於定位裝置30的記憶體331中，程式碼333用來指示定位裝置30的處理器330執行以下步驟。
步驟400：開始。
步驟401：判斷是否已校正超寬頻硬體量測誤差？若否，進行步驟402；若是，進行步驟405。
步驟402：取得待定物與多個基站之間的多個量測距離與多個實際高度。
步驟403：透過最小平方法求得超寬頻硬體量測誤差。
步驟404：記錄超寬頻硬體量測誤差。回到步驟401。
步驟405：判斷是否已自動量測多個基站座標？若否，進行步驟406；若是，進行步驟408。
步驟406：取得待定物與多個基站之間的多個量測距離並將之扣除硬體誤差。
步驟407：計算多個基站座標。回到步驟405。
步驟408：取得基站與待定物之間距離，並扣除誤差值。
步驟409：計算待定物座標。
步驟410：即時傳送待定物座標。
步驟411：判斷是否需計算待定物座標？若是；進行步驟408；若否，進行步驟412。
步驟412：結束。
於步驟401到步驟404中，定位裝置30（或是圖2的待定物T）首先判斷是否已校正超寬頻硬體量測誤差；當沒有校正超寬頻硬體量測誤差時，定位裝置30透過距離量測模組31來取得待定物T與多個基站A 1～A N之間的多個量測距離d 1～d N及待定物T的多個實際高度D 1～D­ N；接著透過處理器330根據LSQ方法求得多個超寬頻硬體量測誤差E 1～E N；再透過記憶體331記錄多個超寬頻硬體量測誤差E 1～E N、多個量測距離d 1～d N及多個實際高度D 1～D­ N。
當已校正超寬頻硬體量測誤差時，於步驟405到步驟407中，定位裝置30判斷是否已自動量測多個基站座標
Figure 02_image003
(
Figure 02_image005
,
Figure 02_image007
,
Figure 02_image009
)～
Figure 02_image011
(
Figure 02_image013
,
Figure 02_image015
,
Figure 02_image017
)；當沒有自動量測多個基站座標
Figure 02_image003
(
Figure 02_image005
,
Figure 02_image007
,
Figure 02_image009
)～
Figure 02_image011
(
Figure 02_image013
,
Figure 02_image015
,
Figure 02_image017
)時，定位裝置30透過處理器330從記憶體331取得多個量測距離d 1～d N及多個超寬頻硬體量測誤差E 1～E N並將多個量測距離d 1～d N分別扣除多個超寬頻硬體量測誤差E 1～E N；再透過處理器330計算多個基站座標
Figure 02_image003
(
Figure 02_image005
,
Figure 02_image007
,
Figure 02_image009
)～
Figure 02_image011
(
Figure 02_image013
,
Figure 02_image015
,
Figure 02_image017
)。
當已自動量測多個基站座標
Figure 02_image003
(
Figure 02_image005
,
Figure 02_image007
,
Figure 02_image009
)～
Figure 02_image011
(
Figure 02_image013
,
Figure 02_image015
,
Figure 02_image017
)時，於步驟408到步驟410中，定位裝置30透過處理器330從記憶體331取得多個量測距離d 1～d N及多個超寬頻硬體量測誤差E 1～E N並將多個量測距離d 1～d N分別扣除多個超寬頻硬體量測誤差E 1～E N；接著透過處理器330計算待定物T的座標
Figure 02_image001
，再透過第二通訊模組332即時傳送待定物座標
Figure 02_image001
。於步驟409中，處理器330根據由方程式（6）表示的代價函數、方程式（7）及方程式（8），計算待定物T的座標
Figure 02_image001
。
最後，於步驟411中，定位裝置30判斷是否需計算待定物T的座標
Figure 02_image001
。於一實施例中，定位裝置30透過第二通訊模組332接收控制訊號CTRL，並根據控制訊號CTRL來判斷是否需計算待定物T的座標
Figure 02_image001
。當需計算待定物T的座標
Figure 02_image001
時，定位裝置30再次執行步驟408到步驟410來執行定位操作；另一方面，當不需計算待定物T的座標
Figure 02_image001
時，定位裝置30終止定位操作。
因此，透過執行圖4的流程，本發明的定位裝置30可實踐圖2的超寬頻定位模型2，並可應用於圖1的無人機飛航管理系統。
圖5到圖7分別為根據本發明實施例模擬無人機在目標飛行高度為三公尺且模擬超寬頻量測距離之標準差為10公分的平面定位路線圖、高度定位路線圖及定位誤差累積分布函數圖。於圖5中，一地面基準線以粗實線表示，一平面定位路線以細實線表示，且多個基站A 1～A 4的座標分別為（0，0，2）、（0，5.6，2）、（13，5.6，2.5）及（13，0，2）。圖5的平面定位路線是以LSQ方法來求出待定物T的X軸座標及Y軸座標。
於圖6及圖7中，使用LSQ方法來求出待定物T的Z軸座標的一高度定位路線及一定位誤差累積曲線以粗實線表示，且使用本發明的代價函數方法（即，以方程式（6）表示的代價函數及圖4的流程）來求出待定物T的Z軸座標的一高度定位路線及一定位誤差累積曲線以細實線表示。如下表格1說明圖6及圖7的模擬比較結果。
表格1
  最小平方差方法 代價函數方法
Z軸座標範圍 -4～10公尺 1～4公尺
95％定位誤差累積值 6.59公尺 0.84公尺
根據表格1可知，透過本發明的定位方法得到的Z軸座標範圍較接近目標飛行高度三公尺，且95％定位誤差累積值小於1公尺。因此，相較於傳統的LSQ方法，本發明的定位方法可有效改善Z軸座標的定位精度。
圖8到圖10分別為根據本發明實施例模擬無人機在目標飛行高度為五公尺模擬超寬頻量測距離之標準差為10公分的平面定位路線圖、高度定位路線圖及定位誤差累積分布函數圖。於圖8中，一地面基準線以粗虛線表示，一平面定位路線以細實線表示，且多個基站A 1～A 4的座標分別為（0，0，2）、（0，5.6，2）、（13，5.6，2.5）及（13，0，2）。圖8的平面定位路線是以LSQ方法來求出待定物T的X軸座標及Y軸座標。
於圖9及圖10中，使用LSQ方法來求出待定物T的Z軸座標的一高度定位路線及一定位誤差累積曲線以粗實線表示，且使用本發明的代價函數方法來求出待定物T的Z軸座標的一高度定位路線及一定位誤差累積曲線以細實線表示。如下表格2說明圖9及圖10的模擬比較結果。
表格2
  最小平方差方法 代價函數方法
Z軸座標範圍 -3～13公尺 4.5～5.5公尺
95％定位誤差累積值 6.7公尺 0.25公尺
根據表格2可知，透過本發明的定位方法得到的Z軸座標範圍較接近目標飛行高度五公尺，且95％定位誤差累積值小於1公尺。因此，相較於傳統的LSQ方法，本發明的定位方法可有效改善Z軸座標的定位精度。
圖11到圖13分別為根據本發明實施例實測無人機在室內測試且目標飛行高度為三公尺及五公尺的平面定位路線圖、高度定位路線圖及定位誤差累積分布函數圖。於圖11中，一地面基準線以粗虛線表示，一三公尺平面定位路線以粗實線表示，一五公尺平面定位路線以細實線表示，且多個基站A 1～A 4的座標分別為（0，0，2）、（-0.11，5.84，2）、（12.93，5.43，4.47）及（13.24，0，2）。圖11的平面定位路線是以LSQ方法來求出待定物T的X軸座標及Y軸座標。
於圖12及圖13中，使用本發明的代價函數方法來求出待定物T的Z軸座標的一三公尺高度定位路線及一三公尺定位誤差累積曲線以粗實線表示，且一五公尺高度定位路線及一五公尺定位誤差累積曲線以粗實線表示。如下表格3說明圖12及圖13的實驗比較結果。
表格3
  目標飛行高度三公尺 目標飛行高度五公尺
Z軸座標範圍 1～4公尺 5～6公尺
95％定位誤差累積值 1.01公尺 0.45公尺
根據表格3可知，本發明的定位方法在目標飛行高度越高的條件下，95％定位誤差累積值越低（即目標飛行高度五公尺的95％定位誤差累積值小於目標飛行高度三公尺的95％定位誤差累積值）。換言之，本發明的定位方法在飛行高度離基站架設高度越高的條件下，Z軸座標的定位精度越高。
[實施例的有益效果]
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的超寬頻定位方法與及其系統，其能通過“使用超寬頻無線通訊技術來量測待定物與多個基站之間的多個量測距離”以及“根據代價函數，計算待定物座標的第三座標成分”的技術方案，以提升Z軸座標的定位精度。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包括於本發明的申請專利範圍內。
X,Y,Z:軸
Figure 02_image001
,
Figure 02_image003
(
Figure 02_image005
,
Figure 02_image007
,
Figure 02_image009
)～
Figure 02_image011
(
Figure 02_image013
,
Figure 02_image015
,
Figure 02_image017
):座標
T:待定物
A 1～A N:基站
d 1～d N:量測距離
10:無人機飛航管理雲端伺服器
11:遙控裝置
2:超寬頻定位模型
30:定位裝置
31:距離量測模組
32:第一通訊模組
33:處理模組
330:處理器
331:記憶體
332:第二通訊模組
333:程式碼
34:衛星定位模組
CTRL:控制訊號
D 1～D N:實際高度
E 1～E N:硬體誤差
Info GPS:衛星定位資訊
400～412:步驟
圖1為一無人機飛航管理系統的示意圖。
圖2為根據本發明實施例一超寬頻定位模型的示意圖。
圖3為根據本發明實施例一定位裝置的功能方塊圖。
圖4為根據本發明實施例用於圖3的定位裝置的一定位方法的流程圖。
圖5到圖7分別為根據本發明實施例模擬無人機在目標飛行高度為三公尺的平面定位路線圖、高度定位路線圖及定位誤差累積分布函數圖。
圖8到圖10分別為根據本發明實施例模擬無人機在目標飛行高度為五公尺的平面定位路線圖、高度定位路線圖及定位誤差累積分布函數圖。
圖11到圖13分別為根據本發明實施例實測無人機在目標飛行高度為三公尺及五公尺的平面定位路線圖、高度定位路線圖及定位誤差累積分布函數圖。
400~412:步驟

Claims (22)

  1. 一種超寬頻定位方法，用於一超寬頻定位系統，該超寬頻定位系統包括一待定物及多個基站，該超寬頻定位方法包括：判斷是否已校正多個超頻寬硬體量測誤差；當已校正多個超頻寬硬體量測誤差時，判斷是否已自動量測該多個基站的多個基站座標；當已自動量測該多個基站座標時，取得該待定物與該多個基站之間的多個量測距離並將該多個量測距離分別扣除該多個超頻寬硬體量測誤差；以及根據扣除該多個超頻寬硬體量測誤差後的該多個量測距離，計算該待定物的一待定物座標；其中，計算該待定物的該待定物座標的步驟包括：根據該多個基站座標，透過一最小平方差方法，計算該待定物座標的一第一座標成分以及一第二座標成分；將該多個量測距離分別扣除該第一座標成分及該第二座標成分，以求得多個第一參數；定義多個第二參數為該多個基站座標的多個第三座標成分與該該多個基站的一平均高度的多個差值，其中該待定物座標的一第三座標成分大於該平均高度；以及根據該多個第一參數及該多個第二參數及一代價函數，計算該待定物座標的該第三座標成分。
  2. 如請求項1所述的超寬頻定位方法，其中當沒有校正多個超頻寬硬體量測誤差時，該超寬頻定位方法還包括：取得該待定物與該多個基站之間的該多個量測距離與該待定物的多個實際高度；根據該多個量測距離及該多個實際高度，透過一最小平方差 方法，求得該多個超頻寬硬體量測誤差；以及記錄該多個超頻寬硬體量測誤差。
  3. 如請求項2所述的超寬頻定位方法，其中該多個量測距離是根據一雙邊雙向測距方法來計算，且該多個實際高度是根據一紅外線測距方法來計算。
  4. 如請求項1所述的超寬頻定位方法，其中當沒有自動量測該多個基站座標時，該超寬頻定位方法還包括：取得該待定物與該多個基站之間的該多個量測距離；將該多個量測距離分別扣除該多個超頻寬硬體量測誤差；以及根據扣除該多個超頻寬硬體量測誤差後的該多個量測距離，計算該多個基站座標。
  5. 如請求項1所述的超寬頻定位方法，其中該代價函數表示為：
    Figure 109138740-A0305-02-0019-1
     其中
    Figure 109138740-A0305-02-0019-2
    為該待定物座標的該第三座標成分，N為該多個基站的數量，N為大於3的整數，
    Figure 109138740-A0305-02-0019-3
    為該多個第二參數的一第i個第二參數，
    Figure 109138740-A0305-02-0019-4
    為該多個第一參數的一第i個第一參數，且i為1~N的整數。
  6. 如請求項1所述的超寬頻定位方法，其中該待定物是一無人航空載具、一無人飛行器或一無人機。
  7. 一種超寬頻定位裝置，用於一超寬頻定位系統，該超寬頻定位系統包括一待定物、多個基站及一飛航管理雲端伺服器，該超寬頻定位裝置安裝於該待定物上，該超寬頻定位裝置包括： 一距離量測模組，用來量測該待定物與該多個基站之間的多個量測距離，以及量測該待定物與一基準平面之間的多個實際高度；一第一通訊模組，耦接於該距離量測模組，用來傳送該多個量測距離及該多個實際高度；以及一處理模組，耦接於該第一通訊模組，用來根據該多個量測距離及該多個實際高度，計算該待定物的一待定物座標，並將該待定物座標傳送給該飛航管理雲端伺服器；其中，該處理模組包括：一處理器，耦接於該第一通訊模組，用來根據該多個量測距離及該多個實際高度，計算該距離量測模組的多個硬體誤差及該多個基站的多個基站座標；一記憶體，耦接於該處理器，用來儲存一程式碼、該多個量測距離、該多個實際高度、該多個硬體誤差及該多個基站座標；以及一第二通訊模組，耦接於該處理器，用來將該待定物座標傳送給該飛航管理雲端伺服器。
  8. 如請求項7所述的超寬頻定位裝置，其中該多個量測距離是根據一雙邊雙向測距方法來計算，且該多個實際高度是根據一紅外線測距方法來計算。
  9. 如請求項7所述的超寬頻定位裝置，其中該程式碼用來指示該處理器執行一超寬頻定位流程，該超寬頻定位流程包含：透過該處理器判斷是否已校正多個超頻寬硬體量測誤差；當已校正多個超頻寬硬體量測誤差時，透過該處理器判斷是否已自動量測該多個基站的多個基站座標； 當已自動量測該多個基站座標時，透過該距離量測模組取得該待定物與該多個基站之間的該多個量測距離；透過該處理器將該多個量測距離分別扣除該多個超頻寬硬體量測誤差；以及透過該處理器根據扣除該多個超頻寬硬體量測誤差後的該多個量測距離，計算該待定物的該待定物座標。
  10. 如請求項9所述的超寬頻定位裝置，其中當沒有校正多個超頻寬硬體量測誤差時，該超寬頻定位流程還包括：透過該距離量測模組取得該待定物與該多個基站之間的該多個量測距離與該待定物的該多個實際高度；透過該處理器根據該多個量測距離及該多個實際高度，透過一最小平方差方法，求得該多個超頻寬硬體量測誤差；以及透過該記憶體記錄該多個超頻寬硬體量測誤差。
  11. 如請求項9所述的超寬頻定位裝置，其中當沒有自動量測該多個基站座標時，該超寬頻定位方法還包括：透過該距離量測模組取得該待定物與該多個基站之間的該多個量測距離；透過該處理器將該多個量測距離分別扣除該多個超頻寬硬體量測誤差；以及透過該處理器根據扣除該多個超頻寬硬體量測誤差後的該多個量測距離，計算該多個基站座標。
  12. 如請求項9所述的超寬頻定位裝置，其中計算該待定物的該待定物座標的步驟包括：透過該處理器根據該多個基站座標，透過一最小平方差方法， 計算該待定物座標的一第一座標成分以及一第二座標成分；透過該處理器將該多個量測距離分別扣除該第一座標成分及該第二座標成分，以求得多個第一參數；透過該處理器定義多個第二參數為該多個基站座標的多個第三座標成分與該該多個基站的一平均高度的多個差值，其中該待定物座標的一第三座標成分大於該平均高度；以及透過該處理器根據該多個第一參數及該多個第二參數及一代價函數，計算該待定物座標的該第三座標成分。
  13. 如請求項12所述的超寬頻定位裝置，其中該代價函數表示為：
    Figure 109138740-A0305-02-0022-5
     其中
    Figure 109138740-A0305-02-0022-6
    為該待定物座標的該第三座標成分，N為該多個基站的數量，N為大於3的整數，
    Figure 109138740-A0305-02-0022-7
    為該多個第二參數的一第i個第二參數，
    Figure 109138740-A0305-02-0022-8
    為該多個第一參數的一第i個第一參數，且i為1~N的整數。
  14. 如請求項7所述的超寬頻定位裝置，其中該待定物是一無人航空載具、一無人飛行器或一無人機。
  15. 一種超寬頻定位系統，包括：一待定物；多個基站；一飛航管理雲端伺服器；以及一超寬頻定位裝置，安裝於該待定物上，包括：一距離量測模組，用來量測該待定物與該多個基站之間的多個量測距離，以及量測該待定物與一基準平面之間的多個實際高度； 一第一通訊模組，耦接於該距離量測模組，用來傳送該多個量測距離及該多個實際高度；以及一處理模組，耦接於該第一通訊模組，用來根據該多個量測距離及該多個實際高度，計算該待定物的一待定物座標，並將該待定物座標傳送給該飛航管理雲端伺服器；其中，該處理模組包括：一處理器，耦接於該第一通訊模組，用來根據該多個量測距離及該多個實際高度，計算該距離量測模組的多個硬體誤差及該多個基站的多個基站座標；一記憶體，耦接於該處理器，用來儲存一程式碼、該多個量測距離、該多個實際高度、該多個硬體誤差及該多個基站座標；以及一第二通訊模組，耦接於該處理器，用來將該待定物座標傳送給該飛航管理雲端伺服器。
  16. 如請求項15所述的超寬頻定位系統，其中該多個量測距離是根據一雙邊雙向測距方法來計算，且該多個實際高度是根據一紅外線測距方法來計算。
  17. 如請求項15所述的超寬頻定位系統，其中該程式碼用來指示該處理器執行一超寬頻定位流程，該超寬頻定位流程包含：透過該處理器判斷是否已校正多個超頻寬硬體量測誤差；當已校正多個超頻寬硬體量測誤差時，透過該處理器判斷是否已自動量測該多個基站的多個基站座標；當已自動量測該多個基站座標時，透過該距離量測模組取得該待定物與該多個基站之間的該多個量測距離；透過該處理器將該多個量測距離分別扣除該多個超頻寬硬體量 測誤差；以及透過該處理器根據扣除該多個超頻寬硬體量測誤差後的該多個量測距離，計算該待定物的該待定物座標。
  18. 如請求項17所述的超寬頻定位系統，其中當沒有校正多個超頻寬硬體量測誤差時，該超寬頻定位流程還包括：透過該距離量測模組取得該待定物與該多個基站之間的該多個量測距離與該待定物的該多個實際高度；透過該處理器根據該多個量測距離及該多個實際高度，透過一最小平方差方法，求得該多個超頻寬硬體量測誤差；以及透過該記憶體記錄該多個超頻寬硬體量測誤差。
  19. 如請求項17所述的超寬頻定位系統，其中當沒有自動量測該多個基站座標時，該超寬頻定位方法還包括：透過該距離量測模組取得該待定物與該多個基站之間的該多個量測距離；透過該處理器將該多個量測距離分別扣除該多個超頻寬硬體量測誤差；以及透過該處理器根據扣除該多個超頻寬硬體量測誤差後的該多個量測距離，計算該多個基站座標。
  20. 如請求項17所述的超寬頻定位系統，其中計算該待定物的該待定物座標的步驟包括：透過該處理器根據該多個基站座標，透過一最小平方差方法，計算該待定物座標的一第一座標成分以及一第二座標成分；透過該處理器將該多個量測距離分別扣除該第一座標成分及該第二座標成分，以求得多個第一參數； 透過該處理器定義多個第二參數為該多個基站座標的多個第三座標成分與該該多個基站的一平均高度的多個差值，其中該待定物座標的一第三座標成分大於該平均高度；以及透過該處理器根據該多個第一參數及該多個第二參數及一代價函數，計算該待定物座標的該第三座標成分。
  21. 如請求項20所述的超寬頻定位系統，其中該代價函數表示為：
    Figure 109138740-A0305-02-0025-9
     其中
    Figure 109138740-A0305-02-0025-10
    為該待定物座標的該第三座標成分，N為該多個基站的數量，N為大於3的整數，
    Figure 109138740-A0305-02-0025-11
    為該多個第二參數的一第i個第二參數，
    Figure 109138740-A0305-02-0025-12
    為該多個第一參數的一第i個第一參數，且i為1~N的整數。
  22. 如請求項15所述的超寬頻定位系統，其中該待定物是一無人航空載具、一無人飛行器或一無人機。
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