第四章 三維空間定位模組強化
第五節 參考標籤輔助定位模式
無線電波訊號理論上會隨距離而衰減，但在定位空間中影響因素甚多，所 以實際上之訊號衰減會與理論上之曲線不同。因此在定位前先將定位標籤放在 不同的位置，求得定位標籤於定位空間中，訊號衰減與距離的關係，再藉由此 關係去推算出定位當時定位標籤的實際位置。但於實際環境中，定位時定位空 間可能受到各種干擾因素影響訊號衰減狀況，概念上，在某一個位置如果有干 擾因素造成影響的話，在這位置附近的標籤也會受到相同影響，因此才會增設 參考標籤，藉由參考標籤受到影響的程度來修正定位標籤的訊號值。為了提升 定位精度，透過參考標籤來輔助修正是必要的。
參考標籤輔助定位模式的流程如圖 4-26 所示，首先需建立定位標籤與參考 標籤於定位空間中的訊號衰減分佈情況，接著於定位時量測定位標籤與參考標 籤的訊號值，比較參考標籤於定位前與定位時的訊號變化狀況，再以此變化趨 勢修正定位標籤的訊號值，最後對照定位標籤於定位時之訊號測值與經修正之 訊衰號衰減分佈，推論出定位標籤於定位空間中之可能位置。
推論定位標籤之可能位置時，由於訊號衰減分佈複雜，極有可能發生不同 位置卻具有相同衰減值的情況，因而篩選出幾個定位標籤可能的所在範圍。為 了更精確指出定位標籤的所在位置，必須以不同天線自不同方位各自進行量 測，最後取各個天線進行量測後推論出的範圍交集。若只有一個交集是最完美 的情況，若有多個交集則取交集最多的範圍，若沒有交集則取各範圍的中點。
依據前述想法，本研究建構「參考標籤輔助定位模式」，此模式以一維定 位為主，並嘗試將此推算邏輯延伸套用於三維定位上。推算邏輯分述如下：
1.建立定位標籤訊號
2.建立參考標籤學習訊號
3.量測定位標籤訊號
4.量測所有參考標籤訊號
5.修正定位標籤訊號值
6.比較定位標籤訊號
7.推論定位標籤位置
圖 4-26 參考標籤輔助定位模式流程
(資料來源:本研究整理)
(一) 一維定位
1.建立定位標籤訊號：將定位標籤放置於一維定位方向的各個位置上，配 置如圖 4-27 所示。若空間中之訊號相對穩定，則可採等距離放置，若空間中某 一區段之訊號變化複雜，則可在此區段中較為密集的放置，逐一量測定位標籤 於這些位置之訊號值，記錄如表 4-5「Reference value」欄位中之 κi, k。
2.建立參考標籤學習訊號：依實驗發現，喚回單一標籤訊號較為穩定，以 此方式逐一量測參考標籤在各個位置上的訊號值，記錄如表 4-5「Reference value」欄位中之 λi, j。
3.量測定位標籤訊號：此時在定位方向上放置定位標籤，以單一訊號截取 定位標籤於定位方向上的訊號值，記錄為 μ。
Antenna
x 0
圖 4-27 一維定位測試系統配置
(資料來源：本研究整理)
4.量測所有參考標籤訊號：以單一訊號喚回方式逐一量測定位時之參考標 籤訊號值，以做為定位標籤的參考，記錄於表 4-5「Measured value」欄位中之 Λi, j。。
5.修正定位標籤訊號值：本研究假設若有干擾源出現，則參考標籤與定位 標籤將受到相近的影響。比較由步驟 2、4 得到之訊號值差異來瞭解此空間中是 否有干擾源存在，如人員走動、其他實驗設備開啟等。此修正訊號值以 Κi, k 表示，由關係式 Κi, k＝κi, k＋(Λi, j－λi, j)，將推算得出之 Κi, k值記錄於表 4-5 中之「Measured value」欄位。
6.比較定位標籤訊號：以 μ 對照 Κi, k於定位範圍內之分佈，以內插法推 算定位標籤的可能所在位置。
7.推論定位標籤位置：以不同天線於不同方向進行量測，推論得出之可能 位置不盡相同，取這些可能所在位置之交集做為最後的定位推論。
表 4-5 一維定位訊號測值記錄表
Coordinate Tag Reference value Measured value (x1,0) Reference 1 λ1 Λ1
Target κ1 Κ1* (x2,0) Reference 2 λ2 Λ2
Target κ2 Κ2*
*: Derived value (資料來源：本研究整理)
(二) 三維定位
延伸一維定位的模式與推算邏輯，三維定位測試系統配置如圖 4-28 所示，
為避免參考標籤設置於空間中妨礙人員走動與正常工作，本研究參考標籤設置 於牆面。選擇空間中之角落做為原點，將天線與參考標籤設置於特定位置，重 複一維定位的做法。最後推算出定位標籤可能的位置，而由不同天線進行測試 亦會得到其它可能解，初步推論目標標籤會落於各可能解形成之空間中，所獲 得之數值為天線與目標標籤之距離，此距離可結合 97 年研究提出的定間定位演 算法，進而求得空間座標。
1.建立定位標籤訊號：將定位標籤放置於定位空間中的各個參考標籤位置 上，配置如圖 4-28 所示。逐一量測定位標籤於這些位置之訊號值，記錄如表 4-6「Reference value」欄位中之 κi, k。
2.建立參考標籤學習訊號：以喚回單一標籤訊號方式逐一量測參考標籤在 各個位置上的訊號值，記錄如表 4-6「Reference value」欄位中之 λi, j。
A
z
x
y
圖 4-28 三維定位測試系統配置
(資料來源：本研究整理)
3.量測定位標籤訊號：此時在定位空間中隨意放置定位標籤，以單一訊號 截取定位標籤於定位空間中的訊號值，記錄為 μ。
4.量測所有參考標籤訊號：以單一訊號喚回方式逐一量測定位時之參考標 籤訊號值，以做為定位標籤的參考，記錄於表 4-6「Measured value」欄位中之 Λi, j。
表 4-6 三維定位訊號測值記錄表
Coordinate Tag Reference value Measured value (x1, y1, z1) Reference 1 λ1 Λ1
Target κ1 Κ1* (x2, y2, z2) Reference 2 λ2 Λ2
Target κ2 Κ2*
*: Derived value (資料來源：本研究整理)
5.修正定位標籤訊號值：本研究假設若有干擾源出現，則參考標籤與定位 標籤將受到相近的影響。比較由 2、4 步驟得到之訊號值差異來瞭解此空間中是 否有干擾源存在，如人員走動、其他實驗設備開啟等。此修正訊號值以 Κi, k 表示，由關係式 Κi, k＝κi, k＋(Λi, j－λi, j)，將推算得出之 Κi, k值記錄於表 4-6 中之「Measured value」欄位。
6.比較定位標籤訊號：以 μ 對照 Κi, k於定位空間中之分佈，由於參考標 籤設置於牆面四周，以內插法推算參考標籤間之數值，藉此建立定位空間訊號 衰減分佈與訊號衰減等高線，如圖 4-29 所示。
7.推論定位標籤位置：藉由訊號衰減等高線可求得定位標籤可能之位置，
此位置有可能為一平面，如圖 4-30 所示，天線距離此平面四個點即為此目標標 籤距離天線之距離，此距離可帶入 97 年研究所發展之演算法求解，計算求得目 標標籤之三維位置，由於目標標籤與天線之距離有四個，本研究取最大與最小 值計算，因此所獲得之定位值為一空間而不在是一個點。
RF contour A
圖 4-29 RF 等高線圖
(資料來源：本研究整理)
A Solution
surface
圖 4-30 定位標籤可能位置
(資料來源：本研究整理)