三維空間定位模組

(一) 定位技術

常用的定位技術包含 GPS、Cell ID、紅外線、IEEE 802.11、超音波、超寬 頻、Zig Bee 與無線射頻辨識，各技術分別說明如下：

1.全球衛星定位系統(Global Positioning System, GPS)

全球衛星定位系統(GPS)，為美國國防部 1973 年開始發展，主要是提供使 用者全天候準確的定位資訊。GPS 系統可以分為 3 大部分，包括使用者 (User Segment)、太空部分 (Space Segment)及控制部分 (Control Segment)，使用者在 接收到一連串的 GPS 衛星訊號，經由接收器在接收過程中與 GPS 衛星訊號的 電碼取得同步後，辨識出 GPS 衛星的編號，接收器在取得衛星訊號發送到接收

在外太空的 GPS 衛星，每個 GPS 衛星，透過原子鐘取得時間同步，以 GPS 時

2.Cell ID(Cell Identification)

Cell ID 是無線通訊定位最基本的方式之一，通訊原理為利用蜂巢式無線通

3.紅外線 (Infrared)

紅外線定位技術起源於 Olivetti 實驗室，在 Olivetti 實驗室(現為 AT & T Cambridge Lab)運用漫射紅外線 (Diffuse Infrared) 技術發展 Active Badge 的定

13 Arends, John (2004). A GPS Primer, Concrete Producer, v 22, n 2, February,p 73-76.

14 Toran, F. , Ventura-Traveset, J., and Basker, S. (2006). The Global Positioning System (GPS), European Space Agency, v 1303, December, p 21-34.

15 Wigren, Torbjorn (2007). Adaptive enhanced cell-ID fingerprinting localization by clustering of precise position measurements, IEEE Transactions on Vehicular Technology, v 56, n 5, September, p 3199-3209.

16 Roos, T., Myllymaki, P., Tirri, H. (2002). A statistical modeling approach to location estimation, IEEE Transactions on Mobile Computing, v 1, n 1, , p 59-69.

位系統¹⁷，其紅外線使用的方法為，在固定一段時間內發送紅外線訊號，藉由 接收紅外線反射到的時間推估至量測物的距離，但紅外線僅能作直線行進，此 外，紅外線傳輸距離短、易受太陽光的干擾、建構成本高等問題，使得紅外線 於室內定位的應用受到限制。

4.WiFi (Wireless Fidelity) (IEEE 802.11)

WiFi 為 IEEE 802.11b 的別稱，該名稱為無線乙太網相容聯盟（Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA）所命名，中文譯為「無線相容認證」。 WiFi 是一種短程無線傳輸技術，能夠在數百英尺範圍內支持互聯網接入的無線 電信號，隨著技術的發展，以及 IEEE 802.11a 及 IEEE 802.11g 等標準的出現，

IEEE 802.11 統稱為 Wi-Fi。

Wi-Fi 定位技術從架構可以分為基地台型(Network Based)與手機型(Handset Based)兩大類，基地台型是由各基地台將手機上傳的信號資訊傳送至一台定位 系統電腦做定位運算，手機型則是將基地台的資料下載於手機直接定位，而定 位常見的方法包含 TOA、TDOA、AOA 與 RSSI¹⁸，詳細內容將於定位演算法 章節介紹。

最早以 IEEE 802.11 規格所建立的定位系統為 RADAR¹⁹，該系統主要概念 是將實際測量的過程與訊號增殖模型(Signal Propagation Model)結合運算，由訊 號強度推算未知物件的實際位置。運用 RADAR 的主要優點架設方便，僅需要 在適合無線網路運作的室內環境中，架設數個無線基地台即可，而其主要的缺 點在於被追蹤的未知物本身也要支援相關的設備 (例如：802.11 規格的網路

17 Want,R.,Hopper,A.,Falcão,V.,and Gibbons,J.(1992).“TheActiveBadge Location System,”

卡)，於小型應用或者是可用電量有限的被追蹤物上不易達成。截至 2001 年 HighTower 與 Borriello (2001)的研究報告顯示，RADAR 在實際運用的效能並不 如預期²⁰。

5.超音波(Ultrasonic)

超音波的定位系統是利用超音波借由介質傳遞，於傳遞過程產生反射、折 射及繞射等物理特性，運用 Time-of-Flight 測量技術計算未知物的位置，例如 Cricket Location 定位系統與 Active Bat 定位系統²¹。超音波儀器於量測距離過 程中先發送一個超音波，觀察反射及折射的音波，包含音波的波型等，產生相 對應的影像，由於環境中每個物品皆由不同物組成，故能造成不同的剖面，而 達到定位的目的，在效能上，超音波定位系統有優越的準確度，Cricket 可以在 一個 4 英尺*4 英尺的室內空間有很高的準確率，而 Active Bat 可以在 9 公分的 涵蓋範圍內，有 95% 的準確率，然而，建構超音波定位系統所需要的設備成 本較高，不容易實際應用。

6.超寬頻 (Ultra-Wideband)

UWB(Ultra-Wideband) 是屬於該標準規格下的產品，具有高速傳輸、低成 本與低耗電力優點，有別於傳統無線通訊技術，UWB 並不使用連續的正弦波 (Sine Waves)來傳送資料，而是以快速發出脈衝(Impulse)的方式來進行資料傳 輸，並採取時間調變方式，該方法主要應用於軍事雷達的偵測系統²²。

相較於其他無線通訊技術，超寬頻系列產品也有其開發上的優勢與劣勢

20 HighTower,J.and Borriello,G.(2001).“A Survey and Taxonomy ofLocation Sensing Systemsfor UbiquitousComputing,”CSE 01-08-03, University of Washington, Department of Computer Science and Engineering, Seattle, WA, USA.

21 Priyantha,N.B.,Chakraborty,A.,and Balakrishnan,H.(2000).“Thecricketlocation-support system.”ProceedingsofMOBICOM 2000,ACM Press,Boston,MA,32-43.

22 ITRI- Taiwan,“UltraWideBand技術分析與機會探索.”http://ieknet.itri.org.tw/, 2005。

23，在優勢上，由於超寬頻是夾在 WiFi 與藍芽世代之間的無線技術，因此在應 用市場上會有互相重疊的部分，在初期成本上超寬頻比 WiFi 與藍芽晶片來得 高，但是在高傳輸速率上(100Mbps 以上)，卻比起 802.11g (54Mbps)與高速藍芽 (10Mbps)高上許多，在其發展的劣勢上，UWB 在規格上仍未有最終統一的標 準，此外，目前技術仍有瓶頸，如可能與其他的通訊技術(例如：手機通訊)互 相干擾、資料傳輸距離不夠、僅適用大空間等，再者，初期開發成本龐大，這 些都是尚待克服的課題。

7.Zig Bee

Zig Bee 為一種低功率消耗、架構簡單、低傳輸速率、高擴充性的網路結構 與短距離傳輸的通訊技術。Zig Bee 目前選用之頻率為 868/915MHZ 及 2.4GHZ 這三個頻率，資料傳輸的速度約在 20Kbps 至 250Kbps，可由選取之頻帶決定。

傳送的距離範圍為 100 公尺，網路的架構為星狀網路或點對點傳輸^24,25。 Zig Beej 無線技術具有以下幾項特色：

(1)省電、低耗能：Zig Bee 的傳輸速率較低，傳輸的資料也較小，因此資 料傳送時間短，以一般的電池來說，可使用長達 6 個月到 2 年。

(2)可靠度高：當傳送端有資料要傳送時立刻傳送，每個封包由接收端負責 確認收到，假如接收端沒有收到訊息回覆則表示發生封包碰撞，將再傳送一次，

此機制可提升資料傳送之穩定度。

(3)擴充性高：一個 Zig Bee 的網路可以包含 255 個節點，透過 Network Coordinator 整個網路將可增至 64000 個節點。

8.無線射頻辨識(RFID)

RFID 室內定位系統是由 HighTower 與 Borriello 於 2001 年提出²⁰，該研究 發展 SpotON 定位系統驗證 RFID 於室內定位之可行性，在 SpotON 的方法中，

未知物件的定位並沒有經過系統中央控管的過程，而是由其他硬體規格相同的 感測點，以分散式計算的方式來完成，這些分散在感測環境之中的感測點會將 其接收訊號強度(RSSI)資料集合並回報，最後以定位演算法計算出未知物件的 預測位置。

在定位技術上，RFID 適合做會員卡、識別門禁管制、重要物品與人的追 蹤及管理，此外，RFID 可取代紅外線條形碼，並可追蹤目標物的動向，節省 人力，提升管理績效。

(二) 定位概念

無線感測網路定位概念可分為 Trilateration 和 Triangulation 兩種，說明如 下：

1.Trilateration

Trilateration 定位概念如圖 2-10 所示，該定位概念至少需要三個訊號發射 塔且發射塔位置已知，假設每個節點所發出的信號為圖中圓圈所涵蓋的範圍，

訊號發射塔的座標分別為(X=0,Y=0)、(X=2,Y=0)與(X=1,Y=1)，三個節點涵蓋範 圍為 r1、r2 與 r3，利用三個節點所交叉範圍即可計算出未知物位置²⁶，若將此 概念運用於四個以上訊號發射塔則稱為 Multilateration。

26 Holger Karl, AndreasWillig,“Protocolsand ArchitecturesforWirelessSensorNetworks,”John Wiley & Sons, Inc., 2005.

r1 r2

r3

X=2,Y=0 X=0,Y=0

X=1,Y=1

定位目標 發射台

圖 2-10 Trilateration 定位概念示意圖

(資料來源：本研究整理)

2.Triangulation

此概念為使用三角函數的線段與角度的關係定位，該定位概念至少需要二 個訊號發射塔(如圖 2-11 所示)且發射塔之位置為已知，定位目標節點分別會接 收到發射台所回傳的信號，構成一個三角關係，透過兩兩訊號形成的角度，運 用式 2-1 計算定位目標的位置^27,28。

圖 2-11 Triangulation 定位概念示意圖

(資料來源：本研究整理)

1.Time of Arrival (TOA)

Time of Arrival (TOA)也稱為 Time-of-Flight²⁶，此方法是以傳送訊號時由讀 寫器到接收目的端所需的時間，亦即利用所傳遞訊號速度的時間來計算距離，

例如藉由接收紅外線反射時間推估至量測物的距離(如圖 2-12 所示)，此方式可 以廣泛的應用在 WiFI、802.11、超音波、紅外線、聲波、無線射頻辨識等定位 技術。

物體 超音波

t

發射

接收

圖 2-12 Time of Arrival 示意圖

(資料來源：本研究整理)

2.Time Difference of Arrival (TDOA)

TDOA 和 TOA 最大的差異在於使用多個不同定位技術方式來來比較其時 間差²⁶，TOA 只使用單一傳送方式來計算時間，而 TDOA 則是使用兩個以上不 同的定位技術計算距離，如圖 2-13 所示，超音波和聲波有不同傳送速度，發射 端同時發射超音波和聲波，透過接收器所接受超音波和聲波的時間差 t 計算距 離。

超音波

物體

t 發射

接收

發射 接收 聲波

圖 2-13 Time Difference of Arrival

(資料來源：本研究整理)

3.Angle of Arrival (AOA)

AOA 是利用待測物品所發射出的訊號至接收器的方位角度來計算位置。首 先透過方向性天線判別信號的方向，再利用至少二個固定接收器的方向性天線 來計算待測物的位置，便能取得待測物的位置資訊。運用此方法，方向性天線 的準確度影響定位精準度，通常一個內含雙元件的天線陣列只能掃描 120 度，

所以要涵蓋 360 度則需要六個元件的陣列天線。雖然 AOA 的定位較為精準，

但現有的無方面性天線無法執行全方位角的偵測，故須在每個讀寫器安裝方向 性的陣列天線，大幅提升定位所需成本²⁹。

θa θ_b

P(X_p,Y_p)

A(X_a,Y_a) B(X_a,Y_b)

定位目標 發射台

圖 2-14 Angle of Arrival 示意圖

(資料來源：本研究整理)

29沈子貴，以可程式系統晶片發展平台實現無線網路室內定位之分析與應用，國立成功大學電機 工程學系，碩士論文，2005。

(四) RFID 定位模式

RFID 定位模式可分為主動法與被動法，說明如下：

1.主動定位法

主動定位法如圖 2-15 所示，定位物體裝設天線，定位空間裝設被動式 RFID 標籤(參考標籤)，定位物品啟動周圍參考標籤後，依據標籤座標計算定位目標 位置。該模式定位目標需要裝設 RFID 天線，並配合大量參考標籤進行定位，

此外，若定位目標距離參考標籤太遠或周圍參考標籤不足時，誤差率就會大幅 提升。

Target (Reader) Reference tag

圖 2-15 主動定位法

(資料來源：本研究整理)

2.被動定位法

被動定位法如圖 2-16 所示，與主動法相反，被動定位法之定位目標裝設主 動式 RFID 標籤，定位空間內放置 RFID 天線作為參考座標，若採用 Trilateration 定位至少要需要 3 個以上的天線方可計算位置。

Reader Reference tag Target tag

Reader Reference tag Target tag