地磁輔助無線通信系統定位方法及無線通信定位系統的製作方法
2023-05-12 03:25:11 2
專利名稱：地磁輔助無線通信系統定位方法及無線通信定位系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種定位方法及系統，特別涉及一種利用地磁輔助無線通信定位方法以及無線通信定位系統。
背景技術：
目前已知的定位技術通常利用多個無線電收發機與一移動通信終端設備之間傳輸無線信息，來決定該移動通信終端設備的坐標位置；而一些公知定位技術，包括如圖1所示利用信號到達的角度(AOA--Angle of Arrival)，以兩個基站S1及S2與移動通信終端設備形成的角度α1和α2，決定該移動通信終端設備的位置A；圖2所示利用信號到達的時間(TOA-Time of Arrival)推算移動通信終端設備與基站S1、S2、S3的距離，以其距離為半徑畫圓，三個圓交叉點即系該移動通信終端設備的位置A；圖3所示利用信號到達的時間差(TDOA-Time Difference of Arrival)，也就是從基站S1與從基站S2傳送信號所費的時間差，即可知道該移動通信端設備於兩個基站之間的距離比例，同樣地找到基站S2及S3距離該移動通信終端設備的比例，便可求得位置A；以及利用基站接收到的信號強弱度等方法，都必須要至少兩個以上的無線電收發機或基站，結合兩個以上的角度、時間、或信號強度數據才可決定一個移動通信終端設備所在位置的坐標。
上述AOA定位方式並不適用於密集建築物的城市中、TOA定位方式必須測量三個不同無線電收發機傳輸信號所費時間，決定一個位置、TDOA定位方式也必需利用至少三個基站、而使用信號強弱度不但需要三個基站同時測量，且得到的測量值將有很大的誤差。
發明內容
綜合所述，本發明因而提出一種通過地磁測量輔助，達到利用單一基站定位的方法，並可應用在移動通信系統所提供的定位服務。
因此，本發明的目的在於提供一種使用單一基站配合測量即可決定移動通信終端設備的所在位置的方法與系統。
本發明的另一目的在於提供一種定位系統，是低成本且易實施於原有移動通信系統上，因此，移動通信服務提供者可以簡單、有效率地使其通信系統增加提供定位的功能。
本發明的另一目的是，利用上述定位方法，應用在移動通信系統中各種有關使用者所在位置的服務，如移動通信系統的位置服務、電子地圖等。
為達成上述目的，本發明提供一種無線通信系統定位方法，適用於與一基站聯機的一移動通信終端設備的定位，該方法利用地磁數據和移動通信終端設備與基站之間的距離，找出該移動通信終端設備的所在位置。本發明的定位方法包括提供一地磁強度分布資料庫給上述基站，而此資料庫內有多個等地磁線數據，每一個等地磁線數據紀錄收集所有相等地磁強度的位置點；通過移動通信終端設備所傳遞給基站的數據信號，推算出兩者之間的距離R；並由移動通信終端設備測量所在位置的地磁強度，且將測量結果傳回基站，於是在基站的地磁強度分布資料庫中，找出對應於所測量結果的等地磁線；最後綜合該距離R與該等地磁線，定位出上述移動通信中端設備的所在位置。
本申請的定位方法還包括解決由上述定位方法所求得不只一個可能位置的可能問題，其方法包括該基站紀錄所有可能位置的坐標，當該移動通信終端設備移動時，測量最新地磁強度及行進方向，並將最新測量數據傳回基站；同樣地，通過地磁強度分布資料庫，找出所對應的等地磁線，並與由傳至基站的數據信號而得到的最新距離，定位出該移動通信終端設備的最新所在位置；若此最新所在位置仍然不只一個時，便可由移動通信終端設備所傳回的行進方向，判斷其正確位置的坐標。
另外，本發明為了確保其定位的準確度，讓基站隨時接收最新的實時地磁磁場變動量強度，定時更新上述地磁強度分布資料庫，並在地磁強度分布資料庫每次使用前，預先求得基站的天線所發射電磁波功率對信號覆蓋範圍地磁強度分布所造成的影響的參數，加以修正。
上述定位方法中，推算基站與移動通信終端設備之間的距離的方法，可為來回時延(RTT delay)或接收信號強度指針(RSSI)。其中來回時延的方法以信號傳遞所費的時間，估計兩地相距的距離；而接收信號強度指針的方法以所接收到的信號強弱度推判距離，所接收信號會因距離的增加而相對減弱，因而推算出大概距離。
本發明另外提供一種無線通信定位系統，包括一移動通信基站及一移動通信終端設備。其中該基站除了包括原有的一通信系統核心之外，還包括一地磁強度分布資料庫，用來記錄多組等地磁線數據，而每一個等地磁數據存儲所有相同地磁強度的位置點數據。而該移動通信終端設備除了原有的一通信系統核心外，還包括了一磁場測量裝置，用來測量移動通信終端設備所在位置的地磁強度。上述定位系統執行上述定位方法，以一距離及一地磁強度數據定位出該移動通信終端設備的所在位置。
上述移動通信終端設備可還包括一行進方向磁感應器，用來測量行進方向，當上述定位系統得到不只一個所在位置時，此行進方向數據會與地磁測量結果一起傳遞至基站，以幫助判斷該移動通信終端設備的正確所在位置。
上述移動通信基站可還包括一磁場測量裝置以及一測量、定位數據存儲器；磁場測量裝置是用來測量最新地磁變動量強度，以更新地磁強度分布資料庫；而測量、定位數據存儲器是為了當定位結果為不只一個時，存儲先前定位的有關數據，用來與最新測量地磁、距離、及行進方位做比較，以得到該移動通信終端設備的所在位置。
本發明的定位系統中移動通信終端設備內的磁場測量裝置與行進方向磁感應器可分別實施，也可實施於同一硬體設備中，而磁場測量裝置與行進方向磁感應器可外加於原始設備之外或內含於原始設備之內。而此磁場測量裝置與行進方向磁感應器的實施例為電子羅盤或超導磁力儀。同樣地，移動通信基站內的磁場測量裝置也可由電子羅盤或超導磁力儀等裝置實施。
為了讓本發明的上述和其它目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下。
圖1示出傳統利用信號到達的角度(AOA--Angle of Arrival)的定位方法；圖2示出傳統利用信號到達的時間(TOA-Time of Arrival)的定位方法；圖3示出傳統利用信號到達的時間差(TDOA-Time Difference of Arrival)的定位方法；圖4為現有無線通信系統的簡單示意圖；圖5A～圖5E為本發明定位方法的最佳實施例的示意圖；
圖6為本發明定位方法的流程圖；圖7為移動通信終端設備外加功能區塊可能方法的示意圖；圖8為移動通信基站外加功能區塊示意圖。
標號說明500移動通信基站；502移動通信終端設備；504、506、508方向性天線所劃分的扇區範圍；510、518圓弧線；512、520等地磁線；514、516移動通信終端可能所在位置的坐標；522、524第二次定位所得的可能所在位置的坐標；526、528移動通信終端設備的行進方向；601～610本發明定位方法的步驟；700～移動通信終端設備的通信系統核心；702～磁場測量裝置；704～行進方向磁感應器；800～移動通信基站的通信系統核心；801～磁場測量裝置；802～地磁強度分布資料庫；803～測量、定位數據存儲器。
具體實施例方式
本發明提供一種無線通信系統定位的方法，如圖4所示，該系統包括通信基站400～406發射信號覆蓋於小區406～410的範圍內、以及移動通信終端設備412。移動通信終端設備412在任何時間內，處於任一個無線通信定位系統的小區內以連接於一基站，如圖4中，移動通信終端設備412連接於小區408內的基站402。而基站的位置可由架設時，以其它精密測量方法，如GPS定位等，得到一組經緯度數據，並記錄於該系統內，基站信號所覆蓋的範圍可由通信服務提供者的資料庫取得。因此移動通信終端設備412可通過連接基站402這個動作，而確定該移動通信終端設備412的位置是在該基站402所負責的信號覆蓋範圍408內。
基站通常使用方向性天線傳遞數據，故一個有n個信號傳輸方向的天線，其發射範圍可劃分為n個扇區(n sectors)。因此移動通信終端設備的可能位置範圍，可由該方向性天線的傳輸方向，縮小其範圍至一個扇區內，而扇區劃分得越多、也就是當n越大時，每一個扇區也就越小，而第一次定位就可得到正確坐標的機率也就越大。這裡以一個基站具有三個扇區為例，說明本發明的最佳實施例，如圖5A所示，基站500因其方向性天線，將發射信號範圍劃分為三個扇區504、506、508，圖中移動通信終端設備502因連接時傳送信號至基站500，而可被定位於扇區508的信號覆蓋範圍內。
移動通信終端設備502傳遞信號至基站500，通過測量移動通信終端設備502與基站500之間傳輸信號的時間標記，算出該信號傳遞所費的時間，也就是來回時延(Round Time Trip delay)；利用該來回時延，即可推算出移動通信終端設備502與基站500之間的距離R，如圖5B所示，可由基站500為中心，R為半徑，畫一圓並與扇區508信號覆蓋範圍的扇型做交集，即可得到一圓弧510，此圓弧線510的寬度代表了由此方法找出距離R的誤差範圍。
由移動通信終端設備502測量地磁強度，並將測量結果回送基站500。基站500在架設階段測量建置完成一地磁強度分布資料庫，資料庫內包括多個等地磁線數據，每一個等地磁在線所有位置點代表相同的地磁強度；為了更準確的定位，資料庫隨時加上磁場變動量強度；如圖5C所示，所傳回的地磁強度測量結果在該資料庫內查詢，可得到一個等地磁線512，而移動通信終端設備502的準確位置，可由該等地磁線512與先前所得到的圓弧線510的交叉點求得。在本圖例中，等地磁線以直線代表，在現實狀況中，等地磁線未必為直線，但多數接近直線。
如果移動通信終端設備502位於扇區504的範圍內，但仍位於與基站500相距R的圓弧510上，經由上述定位方法，可能會產生如圖5D所示的情況，造成兩個可能坐標514和516，造成系統的判別錯誤的坐標，因此需要額外進行下列步驟，以做進一步修正。將坐標514和坐標516記錄在基站500內，並當移動通信終端設備502移動時，再度測量新的地磁強度以及行進方向，如圖5E所示，將測量數據回報給基站後，以新的距離R』畫出圓弧線518，並由新測量的地磁強度得到等地磁線520，來算出新的可能坐標。圖5E顯示當新的測量數據仍得到兩個可能坐標522及524時，可由移動通信終端設備502所傳回的行進方向，比較由先前記錄的坐標與新算出的坐標所得到的行進方向526及528，判斷移動通信終端設備502的正確坐標為坐標524。
上述的無線通信系統定位的方法可簡單的以圖6的流程圖表達。其中步驟601、步驟602為移動通信終端設備所進行的程序，步驟603到步驟607為基站所進行的程序，步驟608到步驟610則為基站內部數據存儲裝置，實線箭號為控制流程方向，虛線箭號為數據傳送方向。圖6中步驟601是移動通信終端設備測量地磁強度與行進方向，此測量時機通常會在射頻電路不發射電磁波時，如GSM系統中非上傳數據的時間區間，因在此時段測量是為了避免通信系統射頻電路的幹擾。步驟602將該測量數據傳回基站；步驟608將測量數據存儲在基站內部數據存儲裝置。步驟610內存儲的地磁強度分布資料庫可通過步驟603測量基站所在位置的最新地磁強度，修正該地磁強度分布資料庫的內容；另外，地磁強度分布資料庫在每次使用前，必須由預先求得的各扇區發射電磁波功率對信號覆蓋範圍地磁強度分部所造成的影響的參數，加以修正；而步驟610內也同時存儲了基站坐標、各扇區負責的信號發射範圍、以及以來回時延等數據，這些數據是用來在步驟604中計算移動通信終端設備的坐標；步驟605存儲由步驟604所算出的坐標。如果此次定位的結果只得到一個坐標時，前進至步驟607，並結束此次定位；否則，至步驟606排定下次定位時間，並回到步驟601，以算出新的定位坐標。
圖7圖示出了本定位方法需要在原始移動通信終端設備70的通信系統核心700之外，加上功能區塊702及704，分別為磁場測量裝置以及行進方向磁感應器，使移動通信終端設備70可測量所在地的地磁強度及行進方向，這兩個功能區塊702及704可外加於移動通信終端設備70之外(如圖7A)或內含於移動通信終端設備70之內(如圖7B)，當定位功能啟動時，通信系統核心700要求磁場測量裝置702進行移動通信終端設備70所在位置的磁場測量，同時利用該行進方向磁感應器704進行行進方向測量，通信系統核心700將所測量到的地磁強度及行進方向參數傳至圖8的移動通信基站設備端800。
圖8為本定位方法須在原始移動通信基站設備端800外加的功能區塊，其中801為磁場測量裝置、802為地磁強度分布資料庫、803為測量、定位數據存儲器；移動通信基站設備端800接收移動通信終端設備70將所測量到的地磁強度及行進方向參數後，依其接收信號強度或是傳輸信號的延遲時間，推算出上述移動通信終端設備與上述基站之間的距離R，而得知移動通信終端設備70的所在位置，是在以移動通信基站設備端800為中心、半徑實質上為R的一圓弧上的圓弧範圍內；移動通信基站設備端800從地磁強度分布資料庫802中，找出對應移動通信終端設備70所在位置的等地磁線；以及移動通信基站設備端800，結合上述圓弧範圍所代表的位置和所找出的等地磁線所代表的位置點數據，定位出移動通信終端設備70的所在位置。
另磁場測量裝置801作為移動通信基站設備端800所在位置的等地磁線校正之用，其校正結果用來更新地磁強度分布資料庫802；測量定位數據存儲器803則用於紀錄移動通信終端設備70所送來的數據。
雖然本發明已以優選實施例公開如上，然其並非用於限定本發明，任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，可作一些更動與修改，因此本發明的保護範圍當視後附的權利要求書定義為準。
權利要求
1.一種無線通信系統定位的方法，用於與一基站聯機的一移動通信終端設備的定位，包括下列步驟提供一地磁強度分布資料庫給上述基站；其中，上述地磁強度分布資料庫內記錄複數等地磁線數據，每一上述等地磁線數據代表具有相等地磁強度的所有位置點數據；通過一距離估計方法推算出上述移動通信終端設備與上述基站之間的距離R，而得知上述移動通信終端設備的所在位置，是在以上述基站為中心、半徑實質上為R的一圓弧上的圓弧範圍內；讓上述移動通信終端設備測量所在位置的地磁強度，並且將一第一測量結果傳回上述基站；通過上述第一測量結果，從上述地磁強度分布資料庫中，找出一對應上述移動通信終端設備所在位置的等地磁線；以及結合上述圓弧範圍所代表的位置和所找出的上述等地磁線所代表的位置點數據，定位出上述移動通信終端設備的所在位置。
2.如權利要求1所述的無線通信系統定位的方法，其中上述定位方法所求得的位置不只一個時，還包括下列步驟記錄上述定位方法所求得的所有位置，當上述移動通信終端設備移動時，再度測量新的地磁強度以及一行進方向，並將一第二測量結果傳回上述基站；通過上述第二測量結果，從上述地磁強度分布資料庫中，找出一新對應上述移動通信終端設備所在位置的等地磁線；結合通過上述移動通信終端設備所傳遞的數據信號而取得一新的圓弧上的位置，和所找出的上述新等地磁線所代表的位置點數據，定位出上述移動通信終端設備的最新所在位置；此時若上述最新定位的所在位置依然有不只一個可能坐標時，則可由上述移動通信端設備所傳回的上述行進方向，判斷上述移動通信終端設備的正確坐標。
3.如權利要求1所述的無線通信系統定位的方法，其中上述基站還檢測地磁磁場變動量強度，更新上述地磁強度分布資料庫；並可在比較上述測量結果與上述地磁強度分布資料庫時，加入上述最新測量的實時地磁磁場變動量強度，以增加其定位的準確度。
4.如權利要求1所述的無線通信系統定位的方法，其中該距離估計方法使用來回時延技術，以通過信號傳遞所費時間算出相距的距離R。
5.如權利要求1所述的無線通信系統定位的方法，其中該距離估計方法使用接收信號強弱度指針技術，以通過所接收到的信號強度推判距離R。
6.一種無線通信定位系統，包括一移動通信基站，包括一基站通信系統核心，用於傳輸和執行相關通信及控制功能；及一地磁強度分布資料庫，用於記錄複數等地磁線數據，每一上述等地磁線數據代表具有相等地磁強度的所有位置點數據；以及一移動通信終端設備，包括一終端設備通信系統核心，用於與上述移動通信基站聯機，以及執行相關通信及控制功能；及一磁場測量裝置，用於測量上述移動通信終端設備所在位置的地磁強度；其中，上述移動通信基站配合上述移動通信終端設備進行定位，執行以下步驟上述移動通信基站接收上述移動通信終端設備所傳遞的數據信號，推算出上述移動通信終端設備與上述基站之間的距離R，而得知上述移動通信終端設備的所在位置，是在以上述基站為中心、半徑實質上為R的一圓弧上的圓弧範圍內；上述移動通信終端設備使用上述磁場測量裝置測量所在位置的地磁強度，並且將測量結果傳回上述基站；上述移動通信基站通過上述測量結果，從上述地磁強度分布資料庫中，找出對應上述移動通信終端設備所在位置的等地磁線；以及上述移動通信基站，結合上述圓弧範圍所代表的位置和所找出的上述等地磁線所代表的位置點數據，定位出上述移動通信終端設備的所在位置。
7.如權利要求6所述的無線通信定位系統，其中上述移動通信基站還包括一磁場測量裝置，可測量最新地磁變動量強度，以更新上述地磁強度分布資料庫。
8.如權利要求6所述的無線通信定位系統，其中上述移動通信終端設備還包括一行進方向磁感應器，可測量上述移動通信終端設備的行進方向，當上述無線通信定位系統得到不只一個所在位置時，此行進方向數據會與地磁測量結果一起傳遞至上述移動通信基站，以判斷上述移動通信終端設備的正確所在位置。
9.如權利要求6所述的無線通信定位系統，其中上述移動通信基站還包括一測量、定位數據存儲器，存儲從上述移動通信終端設備所傳遞的地磁測量結果與先前定位的有關數據。
10.如權利要求6所述的無線通信定位系統，其中上述移動通信終端設備所包括的上述磁場測量裝置，可通過一電子羅盤或一超導磁力儀實施。
11.如權利要求6所述的無線通信定位系統，其中上述磁場測量裝置可為外加於上述移動通信終端設備的原始設備之外、或內含於原始設備之內。
12.如權利要求7所述的無線通信定位系統，其中上述磁場測量裝置可通過一電子羅盤或一超導磁力儀實施。
13.如權利要求8所述的無線通信定位系統，其中上述行進方向磁感應器，可與上述移動通信終端設備的上述磁場測量裝置實施於同一硬體設備裝置中。
14.如權利要求13所述的無線通信定位系統，其中上述硬體設備裝置可由一電子羅盤實施。
15.如權利要求13所述的無線通信定位系統，其中上述磁場測量裝置與上述行進方向磁感應器可為外加於上述移動通信終端設備的原始設備之外、或內含於原始設備之內。
全文摘要
一種無線通信定位系統與其定位方法，適用於與一基站聯機的一移動通信終端設備的定位；通過無線通信系統基站坐標、基站座落扇區地磁強度分布資料庫、並由移動通信終端設備傳遞數據信息，推算移動通信終端設備和基站的距離R、移動通信終端設備測量所在位置的地磁強度，定位出移動通信終端設備的絕對坐標，作為定位服務的坐標數據。本發明更進一步解決由上述定位方法得到不只一個位置時，可在移動通信終端設備再次移動時，以同樣方法重新定位，而如果此時再次得到不只一個位置，便由移動通信終端設備傳回其行進方向，以判斷正確位置。
文檔編號G01S5/02GK1570666SQ03178428
公開日2005年1月26日 申請日期2003年7月16日 優先權日2003年7月16日
發明者L·陳威州, 江哲志 申請人:明基電通股份有限公司