运用广播调频信号以及相位差运算技术定位的方法技术

本发明专利技术提供一种定位系统，用来改良美国专利公告第7990314号使用运用广播调频信号定位地理位置的系统。本发明专利技术运用三个以上的低功率调频广播电台来实现室内或室外的二维或三维定位和寻位系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请要求于2014年10月16日提交美国专利局、申请号为62/122,254的美国专利临时申请案的优先权，上述专利的全部内容通过引用结合在本申请中。
本专利技术的主要目的是改良调频导引信号的相位差和频率差异导引信号的相位差以进行定位的技术。本专利技术也提出使用三个低功率FM(LPFM)电台，以及使用其中一个LPFM电台结合基地台的技术以实现在区域性或室内定位系统。
技术介绍
在现有技术中，美国专利公告第7990314号中介绍了使用三个FM电台导引信号来定位地理位置的方法和系统。具体来说，该专利使用解频导引信号，即19KHz导引信号的相位差来决定移动单元的位置。此用于定位的技术是双曲线定位系统或叫到达时间差(TDOA)定位原理。上述前一个专利技术进一步提出使用介于移动单元(MU)和基地台(BS)的导引信号相位差的双重差分，以进行相对定位。再者，前专利技术提出使用双重差分组的三重差分来形成两线性等式以解出移动单元(MU)的相近位置(x,y)，即以微量三重差分做为参数，并以双差分组作为结果。
技术实现思路
本申请提供了一种使用三个区域性参考台(BS、Rc及Rd)来测量三个FM电台导引信号相位差的方法。该三个区域性参考台(BS、Rc及Rd)分别位在基本坐标(CardinalMap)的(0,0)、(Xc,Yc)及(Xd,Yd)坐标处，其中以基地台(BS)为原点(0,0)。接着，将基地台(BS)测得相位从两个参考台(Rc及Rd)测得的相位值相减，得到两组双重相位差。然后从已知(Xc,Yc)及(Xd,Yd)两个位置乘以四个未知参数Δh12、Δv12、Δh13及Δv13以两组双重相位差为结果，可以成立四个线性等式(在美国专利第7990314号定义四参数为三重差分)可以解出四个线性等式的四个未知参数。一旦解出四个未知参数Δh12、Δv12、Δh13及Δv13，便可利用两线性等式和四个参数，用移动单元(MU)的双重差分组可作为结果，来决定移动单元(MU)的位置(x,y)。本专利技术还探讨三个FM电台之间不精准导引信号(即导引信号偏离19KHz)的问题。本专利技术提出一个测量方法来解决由于不精准导引信号而造成相关的相位随时间移动问题。美国专利第7990314号提出了使用三个LPFM(LowPowerFrequencyModulation)电台，LPFM电台来进行区域性定位或室内定位，此LPFM电台系发送符合美国联邦通信委员会(FederalCommunicationsCommission,FCC)规范的通用频道，而用19KHz的调频导引信号。本专利技术更进一步将导引信号一般化成一般正弦波形来调频载波，以作区域性或室内定位的应用。同时也使用三个LPFM电台，且用其中一个LPFM电台兼作基地台以定位移动单元。为让本专利技术的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：附图说明图1为BS和MU相位差与双重相位差分的示意图。图2为三个FM电台与三个参考台(3x3)的定位技术。图3为BS、Rc、Rd及MU之间进行时间同步对话的例子。图4为重复及连续相对主频率信号三个正弦波的相位测量示意图。图5为利用三个自设LPFM电台以进行区域定位。图6为用正弦波形的自生相移预告同步用的主频率信号。图7为利用四个LPFM电台以进行立体定位。具体实施方式本专利技术提出一种使用三个广播调频信号的定位系统。本专利技术改良美国专利公告第7990314号的概念。在大多数实例中，当广播调频电台位于远处时(超过一公里)，便可利用三个参考台(RS)搭配两线性等式来决定移动单元(mobileunit，MU)位置。美国专利第7990314号说明书中详细介绍了利用两个线性等来式解出移动单元位置(x,y)的过程。在本文中，「寻位」(locating)一词意指决定移动单元相对于基地台的位置，而「定位」(positioning)一词意指移动单元必须透过与基地台的通讯而自行定位。本专利技术遇到如何解决三个不精确导引信号的相位测量的问题，尤其是以下问题：(1)不同FM电台的导引信号频率相对19KHz有些微偏差；(2)两导引信号的相位随时间移动问题；(3)导引信号和相位是用不甚精确的计算机计数频率来测量。接着，本文探讨利用的三个区域性LPFM电台发射出的正弦波形信号调频的LPFM电台载波来定位的情况。本专利技术会说明问题的细节并提出上述问题的解决办法。三个参考台及三个FM电台(3x3)的定位技术图1显示移动单元(MU)相对于基地台(BS)的情况，其中FM电台(FM1、FM2及FM3)的导引信号信号S1、S2及S3由基地台(BS)、两参考台(Rc和Rd)及一或多个移动单元(MU)所接收。一区域性基本坐标地图(Cardinalmap)用于未知的移动单元(MU)定位，基地台(BS)及参考台(Rc和Rd)分别位于已知坐标(0,0)、(Xc,Yc)及(Xd,Yd)。三个FM电台的19K导引信号经过四个接收台解频及滤波。请参阅图1，基地台(BS)及移动单元(MU)就在附近，可以以波长及相位表示距离FM1站、FM2站及FM3站的等式：d1＝mλ+φ1，d2＝nλ+φ2，d3＝pλ+φ3从移动单元(MU)d1＝mλ+φ1，d2＝nλ+φ2，d3＝pλ+φ3从基地台(BS)其中λ表示19KHz导引信号具有15789.47米的波长，而φ是测量的相位以距离为单位。有底线的d1表示在基地台(BS)做的测量。由于该地区限制在区域性，移动单元(MU)和基地台(BS)的波长范围相同(m、n和p波长)。在移动单元(MU)和基地台(BS)所测量的FM电台间相位差(根据d1和d2距离)是：d12＝d1–d2＝(m-n)λ+(φ1–φ2)＝(m-n)λ+δ12在移动单元(MU)(1)d12＝d1–d2＝(m-n)λ+(φ1–φ2)＝(m-n)λ+δ12在基地台(BS)(2)美国专利第7990314号已详细讨论测量到的相位差δ12和δ12包含介于FM电台间的原始相位差以及真实相位差(由于从FM电台所传输的距离)原始相位差是因为S1、S2及S3没有同步传讯所致。FM电台间的原始相位差不因传讯距离而变化，相位差的相减，即(δ12-δ12)，在广播电台间的原始相位差就会互相抵销。因此，介于d12及d12的双重相位差，以及介于d13及d13的双重相位差，会反映出其实际测量到双重相位差，即是：Δd12＝d12–d12＝δ12–δ12Δd13＝d13–d本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于室内及/或室外的定位系统，使用三个FM电台或区域性安装的FM电台来广播三个调频导引信号，该三19KHz导引信号用于进行到达时间差(TDOA)的双曲线定位；其中又有三台接收参考台包含第一参考台(Rc)、第二参考台(Rd)及基地台(BS)用于定位一移动单元(MU)，该基地台(BS)与该第一参考台(Rc)、该第二参考台(Rd)及该移动单元(MU)进行双向通讯，传送并接收数据以计算移动单元(MU)的位置，其中该基地台(BS)、该第一参考台(Rc)、该第二参考台(Rd)及该移动单元(MU)皆配备有调频接收器及数字运算器以测量该三个调频导引信号的相位，该三个导引信号的相位以指定的顺序相减后得出该三个导引信号在该第一参考台(Rc)、该第二参考台(Rd)及该移动单元(MU)的相位差分组，并将该第一参考台(Rc)、该第二参考台(Rd)、该移动单元(MU)的相位差分组传送到该基地台(BS)以定位该移动单元(MU)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.16 US 62/1222541.一种用于室内及/或室外的定位系统，使用三个FM电台或区域性安
装的FM电台来广播三个调频导引信号，该三19KHz导引信号用于进行到达
时间差(TDOA)的双曲线定位；其中又有三台接收参考台包含第一参考台
(Rc)、第二参考台(Rd)及基地台(BS)用于定位一移动单元(MU)，该基地台(BS)
与该第一参考台(Rc)、该第二参考台(Rd)及该移动单元(MU)进行双向通讯，
传送并接收数据以计算移动单元(MU)的位置，其中该基地台(BS)、该第一参
考台(Rc)、该第二参考台(Rd)及该移动单元(MU)皆配备有调频接收器及数字
运算器以测量该三个调频导引信号的相位，该三个导引信号的相位以指定的
顺序相减后得出该三个导引信号在该第一参考台(Rc)、该第二参考台(Rd)及该
移动单元(MU)的相位差分组，并将该第一参考台(Rc)、该第二参考台(Rd)、
该移动单元(MU)的相位差分组传送到该基地台(BS)以定位该移动单元(MU)。
2.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于，在该基地台(BS)所测量
的该相位差分组从该第一参考台(Rc)、该第二参考台(Rd)及该移动单元(MU)
所测量的该相位差分组中减除而分别形成三对双差分组(Δd12c,Δd13c)、(Δd12d,
Δd13d)及(Δd12m,Δd13m)，且该三对双差分组用于该基地台(BS)计算该移动单
元(MU)的位置。
3.如权利要求2所述的定位系统，其特征在于，建造一区域性基本坐标
地图(Cardinalmap)，将该基地台(BS)的位置设在原点(0,0)，将该第一参考台
(Rc)及该第二参考台(Rd)的位置分别在已知坐标(Xc,Yc)及(Xd,Yd)，以及该移
动单元(MU)的位置在未知坐标(x,y)，其中用两线性等式用来取代近似该双曲
线的定位公式，以及设定四个参数(Δh12,Δv12)及(Δh13,Δv13)分别与该移动单

\t元(MU)的坐标(x,y)相乘以形成两线性等式，而该移动单元(MU)的该双差分
组(Δd12m,Δd13m)分别为该两线性等式的结果。
4.如权利要求3所述的定位系统，其特征在于，该两线性等式应用于该
两已知坐标(Xc,Yc)及(Xd,Xd)以取代该移动单元(MU)的该未知坐标(x,
y)，该四个参数(Δh12,Δv12)及(Δh13,Δv13)视为未知数和该两已知坐标(Xc,Yc)
及(Xd,Xd)相乘，分别形成四个线性等式，而该双差分组(Δd12c,Δd13c)及
(Δd12d,Δd13d)分别是该四个线性等式的结果，如此解出该四个线性等式的该四
个未知数(Δh12,Δv12)及(Δh13,Δv13)的结果带便可用在二元方程式来解出该
移动单元(MU)的位置(x,y)。
5.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于，当该三个FM导引信号
未完全一致时，该基地台(BS)、该第一参考台(Rc)、该第二参考台(Rd)及该移
动单元(MU)用相对于同步的主频率信号(MC)来测量相位差，以避免该三个
导引信号随时间的相移，而且该主频率信号作为该基地台(BS)、该第一参考
台(Rc)、该第二参考台(Rd)及该移动单元(MU)的唯一参考时间记号以对该三
个FM导引信号进行连续性或平行性的相位测量。
6.如权利要求5所述的定位系统，其特征在于，将该三个FM导引信号
之一指定为同步信号波形，该基地台(BS)送出一同步准备信号给该第一参考
台(Rc)、该第二参考台(Rd)及该移动单元(MU)，而且在该同步准备信号完成
接收后，该同步信号波形的下一个上升沿被所有该第一参考台(Rc)、该第二
参考台(Rd)、该移动单元(MU)及该基地台(BS)识别为该主频率信号(MC)的开
始时间点。
7.如权利要求6所述的定位系统，其特征在于，该三个频率差异的调频

\t导引信号会在该基地台(BS)、该第一参考台(Rc)、该第二参考台(Rd)及该移动
单元(MU)以相对该主频率信号(MC)照顺序及连续地对每FM台做N次测
量，而且该三FM电台导引信号相对该主频率信号(MC)进行N次反复测量
后所得到的平均相位值用于决定该移动单元(MU)的位置。
8.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于，该三个FM广播电台是
自设的LPFM区域性广播电台，分别定为FM1、FM2及FM3，该FM1、该
FM2及该FM3位于已知位置BS、Rc及Rd，分别形成FM1/BS电台、FM2/Rc
电台及FM3/Rd电台，其中该BS,Rc及Rd位置是在区域地图的外围成三角
形，该FM1/BS电台与该移动单元(MU)执行双向通讯，而且该三个LPFM
电台传送符合政府规范的通用载波频率，以及该导引信号为一正弦波，用于
调频该三个LPFM的载波频率，而且该导引信号的波长应不小于该定位系统
的尺寸。
9.如权利要求8所述的定位系统，其特征在于，建造一具备有基本坐标
(Cardinal)的区域性地图，该FM1/BS电台位于坐标(0...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖恒俊，
申请(专利权)人：廖恒俊，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71