訊號源追蹤裝置及追蹤方法

2023-04-30 09:10:51

專利名稱：訊號源追蹤裝置及追蹤方法
技術領域：
本發明涉及到一種訊號源追蹤裝置及追蹤方法。
背景技術：
目前常見的無線通訊裝置，無論是射頻(Radio Frequency)訊號或是紅外線(IR) 的系統，在通訊的同時並無同時對訊號來源的方位做偵測的機制。然而有些應用情況下，須 要得知通訊中的雙方或多方的位置，此時，全球定位系統(GPS)的接收機就經常被使用，然 而GPS的位置無法十分精確且GPS的數據更新速率過慢，在車用環境下，往往已造成很大的 位置誤差，也因此，常通過額外的慣量感知器，如陀螺儀等，以預估裝置的移動距離來修正 誤差，但仍有其極限；一般常見於偵測距離的紅外線或超音波感測裝置，以及雷達與雷射裝 置，乃通過發射訊號及偵測反射訊號來辨識前方物體，以做為車輛防撞的依據，其功能僅做 為距離的偵測，若在相同的空間中，大量的物體間使用相同的裝置來偵測物體間的位置，則 偵測訊號彼此會產生大量的幹擾。

發明內容
本發明的目的即在於提供一種訊號源追蹤裝置及追蹤方法，能夠以具有NFC功能 的手機當作為多用途行動式卡片讀卡機系統，使行動電話可整合成為行動終端消費的交易 設備(P0S)，既可以通過行動電話整合各種不同用途的非接觸式IC卡的讀卡/刷卡機制，例 如信用卡、交通IC卡(悠遊卡)、電子錢包(I-CASH)等等，並且具備一般非接觸式卡片讀卡 機P0S交易設備的各項功能。本發明的次要目的即在於提供一種訊號源追蹤裝置及追蹤方法，可以動態安裝、 更新卡片讀卡機軟體的機制，使得NFC手機可以動態的整合多種性質的卡片交易系統，並 且可以隨著後臺清算系統的設定，隨時更新到最新的卡片讀卡機軟體版本。本發明的次一目的即在於提供一種訊號源追蹤裝置及追蹤方法，為了改善卡片讀 卡機單一用途與地點受限制的卡片讀卡與交易方式，本發明以NFC手機做為多功能多用途 的非接觸式卡片交易系統的卡片讀卡機。為實現以上目的，本發明採取了以下的技術方案訊號源追蹤裝置及追蹤方法，利 用在NFC行動電話上的非接觸式卡片雙向讀取功能，配合空中驗證與系統更新伺服器(0TA 伺服器)，可以使得以NFC行動電話，通過行動通訊網路空中驗證持有者的合法性，進而提 供下載或是更新各種該使用者所授權使用的交易系統的卡片讀卡機程序軟體，做為行動式 多用途卡片交易系統的卡片讀卡機使用；通過此機制也可以隨時更新卡片讀卡機程序，使 得系統軟體的更新可以通過空中就地進行，不必再過回廠，或是加裝軟硬體進行軟體更新 動作；具備有驗證合法的交易卡片讀卡機制的軟體的NFC行動電話，可對其授權讀卡的各 種卡片進行空中交易，交易的內容通過行動通訊網路傳送回屬於各種卡片應用的後臺系統 進行清算。本發明主要目的即在於在無線通訊的同時，經由分析接收訊號，偵測無線通訊系統的裝置的方位角度，以確定通訊裝置彼此間的位置，因此在相同的通訊距離時，發射功率 可以降低；或在相通的發射功率時，通過訊號發射的方向角度控制，可以有更遠的通訊距罔。本發明的另一目的即在於可不需整合另外的位置或距離偵測器，而增進系統效能 且降低成本；不需使用額外的偵測訊號，可避免偵測訊號所造成的幹擾問題。可達成上述發明目的的訊號源追蹤裝置及追蹤方法，利用三個相同的訊號接收模 塊分別放置於四面體的三個等腰三角形平面上，以組成一個三面等腰三角形及第四面為正 三角形底部的四面體的訊號源追蹤裝置，並讓三個通過訊號接收模塊中心的平面法向量相 交於一點，再個別經由模擬/數字訊號轉換器將其輸出的模擬訊號轉換成數字訊號，而其 轉換時機乃是處理器經由接收來自訊號接收模塊的觸發訊號啟動取樣訊號給模擬/數字 訊號轉換器，進行數據的取樣與轉換；其轉換的數據經由處理器，以計算出訊號源的方位角及仰角上的二維度位置信 息，或訊號源的方位角、仰角及距離等三個維度的位置信息，而該計算方法包含1、開始時先進行裝置的校準程序，以求得訊號接收模塊的正規化增益與訊號源的 發射強度相對值，之後則開始進行訊號源的位置偵測；2、測量訊號接收模塊的輸出訊號並經由模擬/數字訊號轉換器轉換成數字訊號， 接著則進行訊號源位置的水平與垂直角度運算輸出，並進行訊號源與訊號源追蹤裝置間距 離的運算輸出。本發明與現有技術相比，具有如下優點1.本發明將複雜的業務規則可以包在規則庫(Rule Base)內，再加上不把流程 寫在程序之中，在面對微利時代來臨，產品的生命周期越來越短的大環境，可快速從規則庫 (Rule Base)內抽取相關規則即可組裝成一個新的網絡服務產品來滿足瞬息萬變的客戶需 求，並可大幅減少軟體開發的成本與人力成本。2.本發明中採用無線通訊技術的訊號接收裝置來加以實現，可與通訊裝置本身結 合，做實時的訊號源追蹤，速度快且整合度高。3.本發明可偵測訊號源的方位角，可運用於通訊裝置的發射訊號的角度與強度控 制，除了通訊裝置可以更省電、通訊距離可以更遠，且發射訊號因角度較小，通訊裝置間的 訊號幹擾將會降低。4.本發明通過調整訊號接收裝置與0度偵測方向(即直視方向)的夾角a，可適 度調整訊號源追蹤裝置的偵測範圍。


圖1為本發明訊號源追蹤裝置及追蹤方法的組成示意圖；圖2為本發明訊號源追蹤裝置及追蹤方法的系統架構圖；圖3為本發明訊號源追蹤裝置及追蹤方法的數據處理流程圖；圖4為本發明訊號源追蹤裝置及追蹤方法的應用於車與路側通訊時的通訊鎖定 實施例圖；以及圖5為本發明訊號源追蹤裝置及追蹤方法的應用於車間通訊時的通訊鎖定實施 例 附圖標記說明11，12，13—訊號接收模塊，21，22，23—訊號接收模塊，24，25， 26-模擬/數字訊號轉換器，27-處理器，41-道路上方的路側單元，42-車輛上的車上 單元，51，52，53，54，55，56—車輛。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明的內容做進一步詳細說明。實施例請參閱圖1，為本發明的訊號源追蹤裝置及追蹤方法的組成示意圖，因三個相互獨 立(incbpendent)的平面法向量可構成一組坐標基底，而本發明運用三個相同的訊號接收 模塊11，12，13 (射頻訊號天線或紅外線傳感器)，以立體的方式將其組成一個三面等腰三 角形及第四面為正三角形底部的四面體的訊號源追蹤裝置，三個訊號接收模塊11，12，13 分別放置於三個等腰三角形平面上，並讓三個通過訊號接收模塊中心的平面法向量f相交
於一點0，並以<9醜方向(x軸)為直視方向(方位角與仰角均為0度的方向)，y軸為水平 方向，z軸為垂直方向；其中H為三平面相交的頂點，而Ps為光源位置，PpP2與P3為訊號接收模塊的訊號 接收區域的形心位置；a為平面法向量《與@的夾角，當訊號源與追蹤裝置間的距離遠 大於訊號發射裝置與訊號追蹤裝置的尺寸時，該訊號發射裝置可視為點光源且訊號追蹤裝 置可視為訊號接收點；當訊號源以偏離石互夾角入射，設其單位向量為廣，則廣與三個平面法向量《的夾 角為釣，而訊號接收模塊主要偵測訊號的振幅包封(envelope)，第i個訊號接收模塊輸出 電壓值如公式⑴所示，其中，vAe為交流成分，而vDe為直流偏壓，Ad為第i個訊號接收模 塊的接收訊號強度與輸出電壓的轉換增益，&為訊號源在訊號接收點的訊號強度，COS釣為 第i個訊號接收模塊於訊號源在角度釣時的偵測靈敏度函數；當訊號源以偏離訊號追蹤裝置的直視方向夾角入射，設其單位向量為/\而公 式(1)為 另外&為訊號源的發射強度E0、發射場形Ut、發射角度5與傳送距離L的函數，
而公式⑵為
因訊號源追蹤裝置尺寸遠小於光速，亦即訊號到達兩個平
面的時間可視為相同；若輸出電壓經過濾掉直流偏壓且經正規化，可知公式(3)為
,i =1，2，3，而其中A = An, i Affl, p An, i為正規化時所乘上的電壓增益，因此訊號源的方位角 度可由下列公式(4)、(5)獲得，公式(4)、(5)分別為水平與垂直方向的角度(方位角與仰 角) 若可以從訊號源所傳送的數據之中，傳送訊號源的發射場形與發射方向，則訊號 源與訊號源追蹤裝置間的距離L可由公式(6)求得 若使用者僅需要一個維度的方位角信息，則可以僅採用其中兩組訊號接收模塊的 訊號，則在通過兩訊號接收模塊的中心的平面上，光源的方位角度可由下列公式(7)獲
得 其中i與j分別代表第i與第j個的訊號接收裝置，而a u為其平面法向量；^與 《間的夾角，與a間的關係如公式(8)
(8)例如當所需訊號源位置信息為水平面上的一個維度方位角時，則依照圖1中的訊 號接收模塊的順序，第2與第3個訊號接收模塊的中心將在水平面上，意味著訊號源在水平 方向的角度vs = v23。請參閱圖2，為本發明訊號源追蹤裝置及追蹤方法的系統架構圖，該系統架構主要 包括三個訊號接收模塊21，22，23，是個別與模擬/數字訊號轉換器24，25，26相介接， 以三角錐狀彼此相互對稱並與對稱軸線間維持一角度，且該三個訊號接收模塊21，22，23 可通過調整平面法線方向與訊號源追蹤裝置的直視方向的夾角a，做適度地調整偵測範 圍；三個模擬/數字訊號轉換器24，25，26，系將訊號接收模塊21，22，23的輸出模擬 訊號振幅轉換成數字訊號，其中該模擬/數字訊號轉換器24，25，26各具有單一測量通道， 另外該模擬/數字訊號轉換器亦可置換成一個具有複數個測量信道的模擬/數字訊號轉換 器；一個處理器27，是用以控制模擬/數字訊號轉換器24，25，26的取樣時機，並執行 偵測訊號源所需的處理程序，而其轉換時機系由該處理器27經由接收來自訊號接收模塊 21，22，23的觸發訊號啟動取樣訊號給模擬/數字訊號轉換器24，25，26，進行數據的取樣與 轉換；而其轉換的數據經由處理器27，可計算出訊號源的方位角及仰角上的二維度位置信 息，或是訊號源的方位角、仰角及距離等三個維度的位置信息。請參閱圖3，為本發明訊號源追蹤裝置及追蹤方法的數據處理流程圖，其步驟包 含處理步驟1 開始時訊號源追蹤30 ；
處理步驟2 進行裝置的校準程序31，該校準程序的硬體架設方式乃是將訊號發 射源放置於本發明的正前方的直視方向(方位角及仰角均為0度)上，且兩裝置間保持一 參考距離，校準程序開始時，訊號發射源發出校準命令，而訊號源追蹤裝置在接收校準命令 的同時，模擬/數字訊號轉換器持續測量與轉換訊號接收模塊的輸出電壓，訊號源追蹤裝 置於此校準命令下依此電壓值做為的正規化增益及訊號源的發射強度的參考值，並將此參 考數值存於處理器的內存中；另外進行裝置的校準程序的步驟包含1、將訊號源置於訊號源追蹤裝置的直視方向；2、擷取訊號源追蹤裝置的訊號接收模塊的輸出電壓；3、對訊號接收模塊的增益進行正規化，正規化增益；4、計算訊號源的相對發射場強度AE。。處理步驟3 當訊號源追蹤裝置開始操作後，若一訊號源出現在訊號源追蹤裝置 的視野中，訊號接收模塊的輸出訊號並經由模擬/數字訊號轉換器轉換成數字訊號32;處理步驟4 訊號源追蹤裝置依據校準程序所獲得的正規化增益進行訊號源位置 的水平與垂直角度運算輸出33 ；另外該訊號源位置的水平與垂直角度運算步驟包含1、將訊號接收模塊的輸出電壓的數值乘上其正規化的增益；2、利用公式⑷及公式(5)計算訊號源所在方向的方位角及仰角。處理步驟5 若訊號源將其發射場形及發射方向等信息填入通訊命令中，則訊號 追蹤裝置則可依據校準程序的訊號源發射強度參考值，進行訊號源與訊號源追蹤裝置間距 離的運算輸出34 ；而訊號源與訊號源追蹤裝置間距離的運算步驟包含1、由通訊數據中獲得訊號源直視方向與發射場形；2、由訊號源直視方向及訊號源追蹤裝置所計算出的方位角與仰角es求得訊 號源直視方向至訊號源追蹤裝置間的夾角S ；3、由公式(3)計算訊號源追蹤裝置處的相對訊號強度AEL ；4、由公式(6)計算訊號源與訊號源追蹤裝置間的距離L。處理步驟6 於需要結束偵測時執行離開動作35 ；處理步驟7 結束運作36。請參閱圖4，為本發明訊號源追蹤裝置及追蹤方法的應用於車與路側通訊時的 通訊鎖定實施例圖，在車與路側通訊應用上，可將現有的紅外線特定短距離通訊系統的訊 號源接收裝置，依據本發明的設計加以實現，在道路上方的路側單元(Road Side Unit, RSU)41與車輛上的車上單元(On-Board Unit, OBU)42上使用本發明做為垂直方向的訊號 源角度偵測，RSU與0BU依據兩者的訊號方位相互鎖定並傳遞數據，以延長通訊時間並增加 數據傳輸量。請參閱圖5，為本發明訊號源追蹤裝置及追蹤方法的應用於車間通訊時的通訊鎖 定實施例圖，於車間通訊應用上，在鄰近的車輛51，52，53，54，55，56間，0BU可以做水平的 方位的訊號源角度偵測，則車輛53的車上單元(On-Board Unit, 0BU)可以用來區別前方鄰 近車輛51與52的0BU所發射出的訊號方位角，並加以辨識哪一輛車要求進行通訊，再進而 鎖定通訊車輛52 ；另外除了前方車輛外，亦可偵測路側通訊裝置，無論是架設於車道上方 或是路側，均可加以辨識，而同時採用更多組本發明，則可形成更多維度的訊號源偵測，如 包含側向與後方；
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而當偵測到訊號源的方向，則可通過調整訊號發射的角度及強度與對方裝置通 訊，以更小的能量達成更遠的通訊距離。上列詳細說明是針對本發明可行實施例的具體說明，該實施例並非用以限制本發 明的專利範圍，凡未脫離本發明所為的等效實施或變更，均應包含於本案的專利範圍中。
權利要求
一種訊號源追蹤裝置，其特徵在於，包括三個訊號接收模塊，其每個分別與模擬/數字訊號轉換器相介接，以三角錐狀彼此相互對稱並與對稱軸線間維持一角度；三個模擬/數字訊號轉換器，其將訊號接收模塊的輸出模擬訊號振幅轉換成數字訊號，各具有單一測量信道，其將訊號接收模塊的輸出訊號振幅轉換成數字數值；一個處理器，用以控制模擬/數字訊號轉換器的取樣時機，並執行偵測訊號源所需的處理程序。
2.如權利要求1所述的訊號源追蹤裝置，其特徵在於所述三個訊號接收模塊通過調 整平面法線方向與訊號源追蹤裝置的直視方向的夾角a，做適度地調整偵測範圍。
3.如權利要求1所述的訊號源追蹤裝置，其特徵在於所述三組訊號接收模塊使用其 中兩組訊號接收模塊來偵測一個維度的訊號源的方位角信息。
4.如權利要求第1項所述的訊號源追蹤裝置，其特徵在於所述模擬/數字訊號轉換 器置換成一個具有複數個測量信道的模擬/數字訊號轉換器。
5.一種訊號源追蹤方法，其特徵在於利用訊號源追蹤裝置偵測訊號源的方位角及仰 角上的二維度位置信息或是訊號源的方位角、仰角及距離三個維度的位置信息，其步驟包 括1)訊號源追蹤裝置校準；2)訊號接收模塊的輸出訊號測量；3)訊號源位置角度計算；4)訊號源位置距離計算；5)停止偵測判斷。
6.如權利要求5所述的訊號源追蹤方法，其特徵在於所述訊號源追蹤裝置校準步驟 包含1)將訊號源置於訊號源追蹤裝置的直視方向；2)擷取訊號源追蹤裝置的訊號接收模塊的輸出電壓；3)對訊號接收模塊的增益進行正規化；4)計算訊號源的相對發射場強度。
7.如權利要求5所述的訊號源追蹤方法，其特徵在於所述訊號源位置角度計算步驟 包含1)將訊號接收模塊的輸出電壓的數值乘上其正規化的增益；2)計算訊號源所在方向的方位角及仰角。
8.如權利要求5所述的訊號源追蹤方法，其特徵在於所述訊號源位置距離計算步驟 包含1)由通訊數據中獲得訊號源直視方向與發射場形；2)由訊號源直視方向及訊號源追蹤裝置所計算出的方位角與仰角求得訊號源直視方 向至訊號源追蹤裝置間的夾角；3)計算訊號源追蹤裝置處的相對訊號強度；4)計算訊號源與訊號源追蹤裝置間的距離。
9.如權利要求5所述的訊號源追蹤方法，其特徵在於所述訊號源追蹤裝置可應用於特定短距離通訊系統，通過垂直方向的訊號源角度偵測，使路測單元與車輛上的車上單元 依據兩者的訊號方位相互鎖定並傳遞數據。
10.如權利要求5所述的訊號源追蹤方法，其特徵在於所述訊號源追蹤裝置應用於車 間通訊時通訊鎖定，通過車輛上的車上單元做水平的方位的訊號源角度偵測，用來區別前 方鄰近車輛的車上單元所發射出的訊號方位角，而加以辨識哪一輛車要求進行通訊，進而 鎖定通訊車輛。
全文摘要
本發明公開了一種訊號源追蹤裝置及追蹤方法，是利用三個相同的訊號接收模塊分別放置於四面體的三個等腰三角形平面上，並讓三個通過訊號接收模塊中心的平面法向量相交於一點，以組成一個訊號源追蹤裝置，再個別經由模擬/數字訊號轉換器將其輸出的模擬訊號轉換成數字訊號，由處理器計算出訊號源的方位角及仰角上的二維度位置信息或訊號源的方位角、仰角及距離等三個維度的位置信息。
文檔編號G01S3/02GK101877819SQ200910138158
公開日2010年11月3日 申請日期2009年4月29日 優先權日2009年4月29日
發明者呂柏文 申請人:中華電信股份有限公司