三維定位相關研究

J. Liang 和 J. Shao 等人的研究[17]，以 fix beacon node 佈置於地面作為定位 之參考點。因此 Beacon 訊號由底部往上送，以類似階層的方式一層層往上定位。

透過定位參考點的訊號強度來估算感測節點的位置。但這些定位參考點都是必須 事先佈建且需已知其座標位置。如要用於災難搜救定位，需要事先佈建之機制在 實用性上將是一項無法克服之障礙。

Landscape-3D[18]提出利用行動定位輔助設備，在三維空間緩慢的移動巡 航。在飛行間，行動定位輔助設備週期性的廣播 Beacon 訊號。而每個 Beacon 包 含著輔助設備目前的座標。感測節點收集這些 Beacon 和接收訊號強度用以測量 與輔助設備之間的距離。並應用 Unscented Kalman Filter (UKF)-based 演算法，讓 感測節點估測自行的位置。

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使用類似的方法， Kushwaha 等人[19]提出行動聲波 Beacon。並以利用接收 不同地點的所發送的聲波 Beacon 做完測量距離之應用。而感測節點估算位置時，

同時使用 incremental nonlinear optimization 和 iterative 的技術。並且相互作位置校 正。

圖 2-5、定位計算[20]

Chia-Ho Ou 和 Kuo-Feng Ssu 的研究中[20]，作者在無線感測網路的三維定 位，利用 Range free 之定位方式提出其方法。其定位方法如圖 2-5 所示。他們使 用了 flying anchor，上面裝載著 GPS 在任何的時點可以識別出目前的位置。在感 測範圍內四處移動並且不停的廣播它們自己的位置。他們的作法從許多的 flying anchor 先找出四個點作為 Beacon 節點。再由這四個節點畫出兩個圓形截面。以 兩條垂直線分別穿過這兩個圓截面的圓心。而兩垂直線會交於一點，此點即為他

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們所要定位的位置。一旦四個 Beacon 節點被辨別出來，兩個圓截面的構造和穿 過中心的垂直線可以建構出來。

Vibha Yadav 和 Manas Kumar Mishra 等人的研究[21]，與文獻[20]相同的利用 多個 flying anchor 上所裝置之 GPS 接收器並結合無線感測訊號強度的定位應用。

如圖 2-6 所示，作者使用方法為四個定位參節點，然而，四個定位參考節點分別 以不同的高度圍繞著感測節點。並且四個節點到感測節點之間發射相同功率。到 達感測節點的接收訊號強度比亦相同。以此取得四段相同半徑透過幾何學計算得 到定位結果。

C1 C2

C3 C4

S

圖 2-6、定位方式示意圖[21]

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第三章

單一行動錨節點定位法

在 Chia-Ho Ou 和 Kuo-Feng Ssu [20]、Vibha Yadav，Manas Kumar Mishra 等 人[21]的研究，分別提出了 Range free 的三維定位演算法，其所提的方法都有使 用 flying anchor 做為定位參考節點，並且上面裝載著 GPS，這些 flying anchor 藉 由持續廣播本身的位置訊息，以便讓周遭的無線感測節點估算出他們自己本身的 位置。此章節介紹基於類似的方式使用單一行動錨節點(Single Mobile Anchor)並 在此行動錨節點配置 GPS。然而，與兩篇參考文獻不同的是，此章節所介紹之定 位機制並非由 flying anchor 發送 GPS 位置訊息來讓其他感測節點計算他們自己的 位置。而是利用單一行動錨節點接收來自其他感測節點之 Beacon，當單一行動錨 節點收到感測節點的訊息時，能夠快速的計算出感測節點的位置。然而一般的無 線感測節點的處理與計算能力都是非常有限的。因此，此章節所介紹之單一行動 錨節點定位演算法已將此一特性列入演算法設計之考量，否則嵌入式系統可能無 法負擔過於複雜的計算，導致計算時間過長，影響定位之效率。

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3.1 Freespace 信號損耗模型

路徑損耗和遮蔽效應皆是屬於大範圍衰減(large scale fading)，主要是因為距 離、地形、建築物等大範圍環境的影響而導致。傳輸訊號的平均功率是長時間緩 慢的方式再減弱。在於路徑損耗模型的研究，最常被應用的就是自由空間路徑損 耗模型(Freespace pathloss model)，根據圖 3-1 自由空間路徑損耗模型示意圖來說 明。假設傳送端所發射的訊號平均功率為 P_t，而接收端與傳送端之間距離為 d 且

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參數通常是由整個通訊的傳輸衰減、濾波器散逸和天線散逸所造成，若 L=1 則表 示並無任何功率散逸。

然而自由空間損耗模型在於計算距離另有一個計算式，即以傳輸功率與路徑 衰減的資訊來計算傳送端與接收端之間的距離。所謂自由空間傳播指的是天線周 圍為無限廣闊時的電波傳播，是個理想傳播條件。電波在自由空間傳播時，其功 率即不會被遮蔽物所吸收，也不會產生反射或散射之情況。傳輸距離與發射功 率、路徑損耗(patloss)和工作頻率有關。由基本路徑傳輸損耗方程式中，可以發 現接收功率會對距離與頻率的平方倍減少 6 dB [22][23]。

f

pathloss32.4420log₁₀d20log₁₀ (4)

pahtloss : 傳播損耗，單位為 dB。

d : 傳送距離，單位是 Km。

f : 傳輸頻率，單位是 MHz。

例如某路徑的傳播損耗是 50 dB，傳送端的發射功率是 10 dBm，那接收端的 接收訊號強度是-40 dBm。

下面舉例說明一個工作頻率為 2.4GHz，發射功率為 3 dBm，路徑損耗為 53 dB 的系統在自由空間的傳播距離，透過路徑損耗、工作頻率可以計算出 d = 0.0045 公里。此傳輸距離為理想狀況下，實際的應用中是將會低於此值。這是因為無線 通訊電波會受於各種外界因素的影響，如大氣、阻擋物、多路徑等造成的損耗。

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然而，由例子說明了透過方程式(4)，即可以計算出近似通訊距離。

3.2 接收訊號強度

RSSI (Received Signal Strength Indication)是指接收的訊號強度指示。用以判 別傳輸鏈路的鏈接質量，以及是否需增大傳送功率強度的判定。透過接收訊號的 強弱測定傳送端與接收端之間的距離，進而根據相對應距離關係進行定位計算的 一種定位技術，如 Zigbee 無線感測網路的 CC2431 晶片，其定位應用就是採用此 種技術、算法。接收端測量電路所得到接收的訊號強度指示。這簡化此測量值之 變因，一般不考慮天線增益或傳輸系統的損耗。

無線電波訊號在傳播時，傳送端與接收端所運作的功能是不同性質。接收端 接收來自傳送端所發送的訊號，電波訊號會因為傳送端和接收端之間的距離不同 而在接收的訊號強度有不一樣的變化。以物理特性而言，距離越遠訊號強度越 小。反之，距離越近訊號強度也就越大。然而，RSSI 作為定位之應用，就是利用 距離與接收訊號強度之間的變化關係來進行定位運作。根據不同感測節點所測得 不同的訊號強度值就是 RSSI 用於定位技術本身的主要概念。利用這個關係以完 成定位的功能，提供訊號強度值對於目前許多的無線通訊設備已是基本的功能。

然而，雖目前許多的無線通訊設備已提供訊號強度值，但定位系統之準確度仍需 配合定位演算法的開發方能提升其精確度與穩定性。

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使用接收訊號強度(Received Signal Strength; RSS)以達到定位之應用是最常 使用的方法之一。RSSI 是一種相當普遍應用的距離測量方法，並且無須裝置額外

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RSSI 為-77 dBm 時距離約為 99.5 m，RSSI 為-78 dBm 時距離約為 111.6 m，當 RSSI 由-77 dBm 降至-78 dBm 兩者距離差為 12.1 m。而當 RSSI 為-84 dBm 時距離為

222.7 m，RSSI 為-85 dBm 時 249.9 m，其兩者距離差距為 27.2 m。即由圖 3-2 可 看出此結果，RSSI 越小與前級的 RSSI 距離差距越大。

圖 3-2、RSSI 與 distance 關係

3.3 接收靈敏度

對於無線通訊設備，接收器的靈敏度表示能夠可靠的接收資料所需的最小功 率，其單位是分貝毫瓦(dBm)，用以表示電磁波功率單位。dBm 通過對數之功率 比值，用於表示接收器的靈敏度時，數值越小表示接收靈敏度越高，因此在接收 靈敏度較高的無線接收設備，有效之傳輸距離將可以距離較遠。在 IEEE 802.15.4

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協定[24]中，用於 2.4GHz 的無線通訊設備之接收靈敏度為-85 dBm，而 900MHz 的無線通訊設備接收靈敏度為-92 dBm。然而，在 802.15.4 無線通訊設備的供應 商，所提供的設備都超過這些標準的要求，提供的 2.4GHz 無線通訊設備具有-90

dBm ~ -100 dBm 的接收靈敏度。雖實際設備與理論數據之間差距 7 dBm，但卻可 能對 802.15.4 無線通訊設備之間的距離產生實質的影響。將接收靈敏度從-91 dBm 降低至-98 dBm，其傳送與接收裝置之距離就可能相差甚遠。因此，選用接收靈 敏度較高的設備可以提升傳輸距離與接收訊號穩定度，如此將可減少無線通訊設 備的複雜性並且降低成本與減少功率的消耗。另外一個決定無線通訊設備距離的 因素為傳輸功率，無線通訊設備的傳送功率越大，則其傳輸距離就可越遠。IEEE

802.15.4 協定[24]標準要求無線通訊設備有 1 mW(0 dBm)的最小傳輸功率，而市 面上的無線通訊設備具有 1 mW(0 dBm)和 2 mW(3 dBm)的傳輸功率或加掛功率 放大器後將可高達到 32 mW(15 dBm)。因此，接收靈敏度和傳輸功率都對於兩個 無線通訊設備之間的距離造成影響，接收靈敏度越低與傳輸功率越大，可以傳輸 的距離也會更遠，並且可使無線通訊的鏈路更加穩健。

雖然接收靈敏度越高越好，但感測節點在出廠時此數值就以固定無法再做更 改，所以在本章所討論的單一行動錨節點定位法(Single Mobile Anchor Location estimation algorithm; SMAL)的定位過程，當傳送端的傳輸功率不變，則單一行動 錨節點的移動可能會導致超出訊號可以接受之範圍，使得無法接收到待定位感測

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節點的 Beacon 訊號。因此為確保在整個定位飛行過程，單一行動錨節點不會超 出訊號可接收範圍，系統將定義一個 RSSI 數值，當所接收到的 RSSI 數值高於此 系統預定數值方進行定位演算法的飛行與計算。

圖 3-3、可接受初始 RSSI 值分析

本論文所使用的 Zigbee 設備在出廠時所設定的接收靈敏度為-91 dBm，以圖

3-3 為例，B 視為目前單一行動錨節點所在位置，A 為位於長、寬均為 20 公尺，

高為 10 公尺之對角頂點，單一行動錨節點在於圖 3-3 中的立方體中做定位移動 飛行。因為頂面為正方形所以可以得知_AC為_{20 2} m，然而根據直角三角型可得 知AB為 30 m。假設 A 點位置為-91 dBm (選用無線感測設備之接收靈敏度)，根 據方程式(7)可以算得感測節點與 A 點之對應距離為 497.6 m，則 B 點與感測節點

高為 10 公尺之對角頂點，單一行動錨節點在於圖 3-3 中的立方體中做定位移動 飛行。因為頂面為正方形所以可以得知_AC為_{20 2} m，然而根據直角三角型可得 知AB為 30 m。假設 A 點位置為-91 dBm (選用無線感測設備之接收靈敏度)，根 據方程式(7)可以算得感測節點與 A 點之對應距離為 497.6 m，則 B 點與感測節點