TWI752447B - 超寬頻輔助精確定位方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種超寬頻輔助精確定位方法，其包括：將多個基站配置於目標區域中；配置移動式基站分別移動至目標區域中的多個預定位置，且於移動式基站位於各預定位置時進行：配置GPS模組取得GPS位置資訊及GPS高度資訊，並配置第一超寬頻通訊模組及第二超寬頻通訊模組量測該些基站與該移動式基站之間的距離資訊；配置計算模組執行第一定位演算法，以計算該些基站的多個基站座標；於待測物上配置第三超寬頻通訊模組；配置該些第一超寬頻通訊模組與第三超寬頻通訊模組取得該待測物與該些基站之間的多個偵測距離；配置計算模組執行第二定位演算法，以依據該些偵測距離及該些基站座標計算待測物的定位位置。

Description

超寬頻輔助精確定位方法
本發明涉及一種定位方法，特別是涉及一種超寬頻輔助精確定位方法。
在現有的定位技術中，多採用GPS訊號作為獲取位置資訊的媒介。然而，在室內空間進行定位時，由於GPS訊號受限，現今多使用Wi-Fi、Bluetooth及4G基地台來輔助室內GPS定位，但無法達到公分級精準定位。
此外，在部份的定位系統中，使用了超寬頻(Ultra-Wideband)訊號來達到公分級精準定位，其作法是得到精準基地台與待測物的時間差，再透過三角定位得知待測物位置。
然而，利用此方式定位須透過人工量測來得知基站座標，需耗費較大工程且不符機動性需求，而在室內較大空曠處也不易透過人工來量測多個基站的座標。
因此，急需一種能夠符合機動性需求、能夠達成精準定位、同時快速且簡易的定位系統建置方式，來克服上述的缺陷。
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 種超寬頻輔助精確定位方法。
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，提供一種超寬頻輔助精確定位方法，其包括：將多個基站配置於一目標區域中，其中該些基站各包括第一處理電路、第一超寬頻通訊模組及第一廣域網路通訊模組。第一超寬頻通訊模組經配置以收發超寬頻訊號，第一廣域網路通訊模組，連接於廣域網路。配置移動式基站，包括移動模組、第二廣域網路通訊模組、第二超寬頻通訊模組、第二處理電路及全球定位系統(Global Positioning System,GPS)模組。移動模組經配置以提供移動動力輸出，第二廣域網路通訊模組，用於與該些基站通過廣域網路進行通訊。第二超寬頻通訊模組經配置以收發超寬頻訊號。第二處理電路經配置以控制移動模組，GPS模組經配置以取得移動式基站的GPS位置資訊及GPS高度資訊。配置第二處理電路使移動式基站分別移動至目標區域中的多個預定位置，且於該移動式基站位於各該預定位置時進行：配置該全球定位系統模組取得GPS位置資訊及GPS高度資訊及配置該些第一超寬頻通訊模組及該第二超寬頻通訊模組量測該些基站與該移動式基站之間的距離資訊；配置一伺服器通過該廣域網路取得於該些預定位置取得的該些距離資訊、該些GPS位置資訊及該些GPS高度資訊；配置該伺服器的計算模組執行第一定位演算法，以計算該些基站的多個基站座標；於該目標區域中的待測物上配置第三超寬頻通訊模組；配置該些第一超寬頻通訊模組與該第三超寬頻通訊模組進行通訊，以取得該待測物與該些基站之間的多個偵測距離；配置該伺服器通過該廣域網路取得該些偵測距離及該些基站座標；配置該計算模組執行一第二定位演算法，以依據該些偵測距離及該些基站座標計算該待測物的一定位位置。
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的超寬頻輔助精確定位方法，其能利用移動式基站的機動性迅速得知基站座標，且通過動態 無人機飛行路徑及UWB距離可以精準得知靜態UWB基站的絕對座標，透過此方法得知UWB基站座標後，即可於室內得到公分級定位，可適用於大型室內空間進行精確室內定位。
為使能更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。
1:超寬頻輔助精確定位系統
10、11、12、13:基站
100:第一處理電路
102:第一超寬頻通訊模組
104:第一廣域網路通訊模組
14:移動式基站
140:移動模組
142:第二廣域網路通訊模組
144:第二超寬頻通訊模組
146:全球定位系統模組
148:第二處理電路
15:伺服器
150:計算模組
152:記憶單元
154:通訊模組
16:廣域網路
17:第三超寬頻通訊模組
ALG1:第一定位演算法
ALG2:第二定位演算法
Area:目標區域
TAR:待測物
UAV:無人飛行載具
A0、A1、A2、A3:預定位置
t0、r1、r2、r3:距離資訊
BS0、BS1、BS2及BS3:基站座標
BS0、BS1、BS2、BS3:標的
Pos1(UWB)、Pos2(UWB)、Pos3(UWB)、Pos1(GPS)、Pos2(GPS)、Pos3(GPS):定位結果
圖1為本發明實施例的超寬頻輔助精確定位系統的方塊圖。
圖2為本發明實施例的基站及移動式基站的方塊圖。
圖3為本發明實施例的超寬頻輔助精確定位的流程圖。
圖4為本發明實施例的超寬頻輔助精確定位系統的建構示意圖。
圖5A為通過本發明實施例的超寬頻精確輔助定位方法及現有GPS定位系統分別對待測物進行定位的位置分佈圖。
圖5B為圖5A的局部放大圖。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“超寬頻輔助精確定位方法”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施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖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。
應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者信號，但這些元件或者信號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。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。
參閱圖1至圖3，圖1為本發明實施例的超寬頻輔助精確定位系統的方塊圖，圖2為本發明實施例的基站及移動式基站的方塊圖，圖3為本發明實施例的超寬頻輔助精確定位的流程圖。如圖所示，在說明本發明的超寬頻輔助精確定位方法前，首先介紹本發明採用的超寬頻輔助精確定位系統1。如圖1所示，超寬頻輔助精確定位系統1包括多個基站10、11、12、13、移動式基站14及伺服器15。
多個基站10、11、12、13，例如基站10，包括第一處理電路100、第一超寬頻通訊模組102及第一廣域網路通訊模組104，且基站11、12、13與基站10具有相同配置。在本實施例中，基站10、11、12、13的數量至少為四個。
移動式基站14可包括移動模組140、第二廣域網路通訊模組142、第二超寬頻通訊模組144、全球定位系統(Global Positioning System,GPS)模組146及第二處理電路148。
第二廣域網路通訊模組142用於與該些基站通過廣域網路16進行通訊。第二處理電路100經配置以控制移動模組140。
移動式基站14可設置在無人飛行載具(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)上，其廣義上為不需要駕駛員登機駕駛的各式遙控飛行器。其具有移動模組140，例如螺旋槳控制器，用於提供移動動力輸出，且可接收外部控制訊號以控制移動式基站14進行移動。此外，無人飛行載具亦可結合可 遙控的機器性通訊(MTC)元件，如多軸陀螺儀、氣壓計/紅外線測距、超音波測距、相機等。在本實施例中，移動模組140係為飛行動力模組，經配置以提供飛行動力輸出。
第一超寬頻通訊模組102及第二超寬頻通訊模組144經配置以收發超寬頻訊號。詳細而言，超寬頻(Ultra-wideband,UWB)是一種具備低耗電與高速傳輸的無線個人區域網路通訊技術，適合需要高質量服務的無線通信應用，可以用在無線個人區域網路(WPAN)、家庭網絡連接和短距離雷達等領域，其利用脈衝訊號來接收及發送超寬頻訊號。
第一處理電路100及第二處理電路148可包括微控制器、微處理器，第一處理電路100可用於控制第一廣域網路通訊模組104連接於廣域網路16以及控制第一超寬頻通訊模組102進行收發超寬頻訊號，第二處理電路148可用於控制移動模組140、第二廣域網路通訊模組142、第二超寬頻通訊模組144及全球定位系統(Global Positioning System,GPS)模組148。
GPS模組146經配置以取得移動式基站14的GPS位置資訊及GPS高度資訊。需要注意的是，本發明的多個基站，例如基站10、11、12、13實質上不須配置GPS模組，但本發明不限於此。
第一廣域網路通訊模組104及第二廣域網路通訊模組142可例如包括遠距(Long range,LoRa)廣域網路通訊模組，經配置以連接於廣域網路15。在本發明中，可利用LoRa長距離傳輸的優勢，以大幅擴張超寬頻輔助定位系統1的涵蓋距離及運作效能。此外，基站10、11、12、13及移動彼此之間亦可通過廣域網路14進行傳輸通訊。
此外，伺服器15可包括計算模組150、記憶單元152及通訊模組154。通訊模組154經配置以連接於廣域網路16，記憶單元152儲存有第一定位演算法ALG1及第二定位演算法ALG2，且記憶單元152可例如為揮發性記憶體 或非揮發性記憶體，計算模組150可包括中央處理器，用於執行第一定位演算法ALG1及第二定位演算法ALG2。
請參考圖3及圖4，其分別為本發明實施例的超寬頻輔助精確定位方法的流程圖及超寬頻輔助精確定位系統的建構示意圖。
如圖所示，本發明實施例的超寬頻輔助精確定位方法包括以下步驟：
步驟S100：將多個基站配置10、11、12、13於目標區域Area中。例如，可任意擺設四台或以上的基站於室內/外。
步驟S101：配置移動式基站14分別移動至目標區域Area中的多個預定位置。舉例而言，可將移動式基站14配置於無人飛行載具UAV上，並配置伺服器15與移動式基站14進行通訊，同時伺服器15可依據儲存於記憶單元152中的一預定路線，傳輸移動命令訊號至移動式基站14。
當移動式基站14通過第二廣域網路通訊模組142接收到移動命令訊號，第二處理電路148對移動命令訊號進行處理，進一步控制移動模組140進行動力輸出，使移動式基站14依據預定路線分別移動至目標區域Area中的該些預定位置，例如圖4所示的預定位置A0、A1、A2、A3，並在到達該些預定位置時停留預定時間。
在移動式基站14於該些預定位置停留時，可進一步進行下列步驟：
步驟S102：配置全球定位系統模組取得GPS位置資訊及GPS高度資訊。
步驟S103：配置基站10、11、12、13的第一超寬頻通訊模組102及第二超寬頻通訊模組144量測基站10、11、12、13與移動式基站14之間的距離資訊。舉例而言，可控制無人飛行載具UAV於基站10、11、12、13外側飛 行，飛行一段路徑後懸停，同時配置第二超寬頻通訊模組144發射UWB訊號於基站10、11、12、13，懸停四次(或以上)即可得到四個位置的GPS座標及相對應於基站10、11、12、13之間的多個距離。
在移動式基站14於預定位置A0、A1、A2、A3取得數據後，進行步驟S104：配置伺服器15通過廣域網路16取得於預定位置A0、A1、A2、A3取得的該些距離資訊，例如距離資訊r0、r1、r2、r3、該些GPS位置資訊，例如預定位置A0、A1、A2、A3的座標及該些GPS高度資訊。此步驟係用於收集移動式基站14所取得的數據，並準備通過伺服器15進行計算。在一些實施例中，基站10、11、12、13位於室內空間內，而預定位置A0、A1、A2、A3可位於室內空間外的一室外空間中，但需要注意的是，預定位置A0、A1、A2、A3須在能夠同時與基站10、11、12、13進行通訊的範圍內，以確保能正確測量到距離資訊。
可選的，當移動式基站14的第二處理電路148或基站10、11、12、13的第一處理電路100具備足夠的運算能力時，距離資訊、GPS位置資訊及GPS高度資訊亦可由移動式基站14及基站10、11、12、13的其中之一進行數據收集及計算，而不限於伺服器15。
步驟S105：配置伺服器15的計算模組150執行第一定位演算法ALG1，以計算該些基站10、11、12、13的多個基站座標BS0、BS1、BS2及BS3。詳細而言，當移動式基站14於該些預定位置停留後，得到四個位置的GPS座標及相對應於基站10、11、12、13之間的距離，可進一步利用最小平方法(四邊定位)得知每個基站10、11、12、13的絕對位置座標。
舉例而言，第一定位演算法ALG1可包括最小平方法，可通過下式(1)進行計算：
Figure 109110445-A0305-02-0010-1
 其中，
Figure 109110445-A0305-02-0011-2
，其主要係以預定位置A0為原點， 依據取得的多個GPS位置資訊及GPS高度資訊，計算預定位置A1、A2、A3的相對座標。
而
Figure 109110445-A0305-02-0011-4
，係帶入了於四個 預定位置A0、A1、A2、A3取得的移動式基站14與基站10的距離及相對座標。將
Figure 109110445-A0305-02-0011-20
與
Figure 109110445-A0305-02-0011-18
帶入式(1)，進而可獲得基站座標BS0、BS1、BS2及BS3。
於此，定位系統已經架設完畢。
步驟S106：於目標區域Area中的待測物TAR上配置第三超寬頻通訊模組17。
步驟S107：配置基站10、11、12、13的第一超寬頻通訊模組與第三超寬頻通訊模組17進行通訊，以取得待測物TAR與基站10、11、12、13之間的多個偵測距離。
步驟S108：配置伺服器15通過廣域網路16取得該些偵測距離。
步驟S109：配置計算模組150執行第二定位演算法ALG2，以依據偵測距離及基站10、11、12、13的座標計算待測物TAR的定位位置。
詳細而言，已知室內/外任意擺設的四個(或以上)基站10、11、12、13的基站座標後，基站10、11、12、13的第一超寬頻通訊模組102發射UWB訊號至第三超寬頻模組17，進而測距得知與待測物TAR距離，最後利用第二定位演算法ALG2，例如，最小平方法，來得知待測物TAR位置。
請進一步參考圖5A及圖5B，圖5A為通過本發明實施例的超寬頻精確輔助定位方法及現有GPS定位系統分別對待測物進行定位的位置分佈 圖，圖5B為圖5A的局部放大圖。
如圖所示，標的BS1、BS2、BS3及BS4分別代表基站10、11、12、14的座標，其係將移動式基站14於四個預定位置得到GPS位置資訊及移動式基站14與各基站相對距離帶入最小平方法求得的，並且分別設置三個待測物於基站10、11、12、14形成的區域內、外，並將通過本發明的超寬頻精確輔助定位方法產生的定位結果Pos1(UWB)、Pos2(UWB)、Pos3(UWB)及通過現有GPS定位產生的定位結果Pos1(GPS)、Pos2(GPS)、Pos3(GPS)顯示於圖5A及5B。
請進一步參照下表1，其為GPS及UWB相對位置誤差比較。從圖5B可明顯看出，通過現有GPS定位產生的定位結果已無法精確辨認彼此位置，而通過本發明的超寬頻精確輔助定位方法仍可精準辨認三個待測物的相對位置關係，且定位精度約為0.10m，在基站10、11、12、14所形成區域內側精準度較高，在區域外側則精準度略為下降。而通過現有GPS定位產生的定位結果的定位精度約為1m，從而可知，利用本發明的超寬頻精確輔助定位方法可改善一個數量級精度。換言之，上述結果除了驗證了本發明提供的超寬頻精確輔助定位方法的可行性，更顯示通過移動式基站14迅速取得基站10、11、12、14的座標所建立的定位系統，其定位結果可達到10cm級的定位精度。
Figure 109110445-A0305-02-0012-5
也因此，本發明利用移動式基站的機動性迅速得知基站座標，且通過動態無人機飛行路徑及UWB距離可以精準得知靜態UWB基站的絕對座標，透過此方法得知UWB基站座標後，即可於室內得到公分級定位，可適 用於大型室內空間進行精確室內定位。
在另一實施例中，當伺服器15依據預定路線傳輸移動命令訊號至移動式基站移動式基站14時，可設定預定路線中的多個預定位置彼此之間具有預定距離，且該些預定位置形成預定圖樣。
在移動式基站14分別於四個預定位置停留並取得多個GPS位置資訊及多個GPS高度資訊後，伺服器15取得該些數據並執行模式搜索演算法以修正該些GPS位置資訊及該些GPS高度資訊，以產生多個修正位置資訊及多個修正高度資訊。
接著，以代價函數計算總誤差，代價函數包括距離誤差及位置誤差，表示如下式(2)：
Figure 109110445-A0305-02-0013-7
其中，α為經驗權重值，
Figure 109110445-A0305-02-0013-14
包括修正位置資訊及修正高度資訊，
Figure 109110445-A0305-02-0013-15
為預定距離，
Figure 109110445-A0305-02-0013-16
為全球定位系統模組146產生的初始位置及初始高度，
Figure 109110445-A0305-02-0013-17
為預測位置及預測高度。因此，距離誤差為該些預測位置與該些修正位置的多個相對距離及預定距離之間的誤差，位置誤差為該些預測位置與該些修正位置之間的誤差。通過調整經驗權重值α，與地面真實位置比較，可找到誤差最小的經驗權重值α。
[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輔助精確定位方法，其能利用移動式基站的機動性迅速得知基站座標，且通過動態無人機飛行路徑及UWB距離可以精準得知靜態UWB基站的絕對座標，透過此方法得知UWB基站座標後，即可於室內得到公分級定位，可適用於大型室內空間進行精確室內定位。
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，均包含於本發明的申請專利範圍內。
代表圖為流程圖，故無元件符號。

Claims (10)

  1. 一種超寬頻輔助精確定位方法，其包括：將多個基站配置於一目標區域中，其中該些基站各包括：一第一處理電路；一第一超寬頻通訊模組，經配置以收發超寬頻訊號；及一第一廣域網路通訊模組，連接於一廣域網路，配置一移動式基站，包括：一移動模組，經配置以提供移動動力輸出；一第二廣域網路通訊模組，用於與該些基站通過該廣域網路進行通訊；一第二超寬頻通訊模組，經配置以收發超寬頻訊號；一第二處理電路，經配置以控制該移動模組；及一全球定位系統(Global Positioning System,GPS)模組，經配置以取得該移動式基站的GPS位置資訊及GPS高度資訊；配置該第二處理電路使該移動式基站分別移動至該目標區域中的多個預定位置，且於該移動式基站位於各該預定位置時進行：配置該全球定位系統模組取得GPS位置資訊及GPS高度資訊；及配置該些第一超寬頻通訊模組及該第二超寬頻通訊模組量測該些基站與該移動式基站之間的距離資訊；配置一伺服器通過該廣域網路取得於該些預定位置取得的該些距離資訊、該些GPS位置資訊及該些GPS高度資訊；配置該伺服器的一計算模組執行一第一定位演算法，以計算該些基站的多個基站座標；於該目標區域中的一待測物上配置一第三超寬頻通訊模組； 配置該些第一超寬頻通訊模組與該第三超寬頻通訊模組進行通訊，以取得該待測物與該些基站之間的多個偵測距離；配置該伺服器通過該廣域網路取得該些偵測距離及該些基站座標；以及配置該計算模組執行一第二定位演算法，以依據該些偵測距離及該些基站座標計算該待測物的一定位位置。
  2. 如請求項1所述的超寬頻輔助精確定位方法，其中該些基站的數量為至少四個。
  3. 如請求項2所述的超寬頻輔助精確定位方法，其中該些預定位置的數量為至少四個。
  4. 如請求項2所述的超寬頻輔助精確定位方法，其中該些基站位於一室內空間內。
  5. 如請求項4所述的超寬頻輔助精確定位方法，其中該些預定位置位於該室內空間外的一室外空間中。
  6. 如請求項1所述的超寬頻輔助精確定位方法，其中該第一定位演算法及該第二定位演算法包括最小平方法。
  7. 如請求項1所述的超寬頻輔助精確定位方法，更包括：配置該伺服器與該移動式基站進行通訊；配置該伺服器依據一預定路線傳輸一移動命令訊號至該移動式基站；配置該移動式基站的該第二處理電路使該移動式基站依據該預定路線分別移動至該目標區域中的該些預定位置，其中該移動式基站分別於到達該些預定位置時停留一預定時間。
  8. 如請求項1所述的超寬頻輔助精確定位方法，其中該第一廣域網路通訊模組及該第二廣域網路通訊模組各包括一遠距(Long range,LoRa)廣域網路通訊模組。
  9. 如請求項1所述的超寬頻輔助精確定位方法，其中該移動式基站係設置在一無人飛行載具上，且該移動模組係為一飛行動力模組，經配置以提供飛行動力輸出。
  10. 如請求項1所述的超寬頻輔助精確定位方法，更包括：配置該些預定位置彼此之間具有一預定距離，且該些預定位置形成一預定圖樣；配置該伺服器依據該預定圖樣、該預定距離及該些GPS位置資訊及該些GPS高度資訊，執行一模式搜索演算法以修正該些GPS位置資訊及該些GPS高度資訊，以產生多個修正位置資訊及多個修正高度資訊；產生多個預測位置及多個預測高度並輸入一代價函數，用於找出誤差相對最小的多個最終預測位置及最終預測高度，其中該代價函數包括一相對距離誤差及一相對高度誤差相關聯的一經驗權重值；配置該伺服器通過該廣域網路取得該些距離資訊、該些GPS位置資訊及該些GPS高度資訊；以及配置該伺服器的一計算模組執行一第一定位演算法，以計算該些基站的多個基站座標。
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