渐进式全球定位系统及其方法

文档序号:574703 发布日期:2021-05-21 浏览:3次 >En<

阅读说明:本技术 渐进式全球定位系统及其方法 (Progressive global positioning system and method thereof ) 是由 刘镇崇 刘睿彬 于 2020-11-20 设计创作,主要内容包括:本发明公开了一种渐进式全球定位系统以及一种渐进式全球定位方法,具体为一种用于建立大量可用且具「位置学习能力」的无线通信节点的全球定位服务的系统和方法。每个通讯节点通过从相邻通讯节点采集位置信息来得知其地理坐标。通过多次执行距离测量并实施一精确指数计分方式,每个通讯节点都可以持续维护其地理坐标,并使精度随着时间的推移逐渐提高。(The invention discloses a progressive global positioning system and a progressive global positioning method, in particular to a system and a method for establishing global positioning service of a large number of available wireless communication nodes with position learning capability. Each communication node learns its geographical coordinates by collecting location information from neighboring communication nodes. By performing distance measurements multiple times and implementing an accurate index scoring, each communication node can maintain its geographic coordinates continuously and have its accuracy gradually improved over time.)

渐进式全球定位系统及其方法

技术领域

本发明有关于利用数据采集方式,将邻近通讯节点的地理坐标数据及精确指数再利用,以建构一尤其针对室内环境提供的全球定位服务网。

背景技术

现在已有许多技术可用于在全球范围内的货物和人员定位。使用低轨道卫星连续传送嵌入卫星地理坐标和精确时间基准的「信标」信号有助于接收装置通过通过三边测量来决定其位置。目前已有多套这样的全球导航卫星系统(GNSS)正在运行,这些全球导航卫星系统已使数亿个装置具有「位置感知」能力。如今,每个人都拥有配备了GNSS的智能型手机,以便持有人可以确定其位置。然而,GNSS信号会在室内迅速消失。因此,若室内无法取得可靠的卫星信号,GNSS将无法用于确定室内位置。

若有多个室内「似卫星」以类似于GNSS卫星的方式广播其地理位置坐标,则可以进行室内无线定位。但是,这种方式将需要以大量的人力测量所有「似卫星」的位置,故无法在全球范围推广使用。

近年来,随着WiFi信号的普及,无线室内定位技术已转向任何可使用的WiFi「印记」。例如,WiFi无线网络名称(SSID)可以合理地表示WiFi AP(存取点)的地理位置。在GNSS信号微弱或不可靠的情况下,智能型手机的操作系统仅靠比对SSID(可能还有MAC地址)数据库作就认定手机位置也是一公开的秘密。

另一个有用的WiFi「印记」是WiFi AP的信号强度。假设一场所有多个WiFi装置,包括固定的AP及其客户端装置(如手机)。首先在整个室内场所中预先逐点对这些固定AP的无线电信号强度进行「指纹」测量。之后,室内场所中的任何移动客户端装置只要测量这些AP的接收信号强度,并将读数与那些预先测量的值进行比对,即可确定装置在该室内场所中最可能的位置。

近来还有技术使用LTE/WiFi信号的信道状态信息(Channel State Information,CSI)值取代信号强度。只要事先对CSI值进行测量,即可以为室内场所创建一个指纹数据库。此指纹数据库之后即可用于识别场所中移动装置的位置。此方法因为(位置)识别错误率低,若再辅以人工智能(AI),即可以实现~1cm的精度。指纹比对法的缺点是需要提前测量,这是先决条件。无论是否以自动化设备进行,现场事先逐点测量是无法省略的步骤。

发明内容

根据本发明的一实施例,本发明提出一种渐进式全球定位系统,其包含多个乘载地理位置绝对坐标(之后简称「地理坐标」),或称作笛卡尔坐标(Cartesian coordinates),及精确指数的通讯节点,该多个通讯节点分布于一空间内且互为相邻。为便于说明,本发明的实施例以笛卡尔空间坐标(x,y,z)代表地理坐标,然而实际应用会使用地理空间格式的地理坐标(即纬度、经度和海拔高度)。「相邻」的意思并不限定距离,凡在通讯节点无线电通讯可及的范围皆属相邻。其中,该多个通讯节点之一可能尚未得知其地理坐标,或不确定其地理坐标是否正确(例如曾经关机后再开机),欲自邻近通讯节点决定其地理坐标及精确指数。此时欲决定其地理坐标的通讯节点可与该邻近通讯节点(称为「第一枢纽通讯节点」)进行一相对定位算法的运算,以决定该通讯节点的地理坐标及精确指数。

根据本发明的另一实施例,本发明提出一种渐进式全球定位方法,其包含下列步骤:使乘载地理坐标及精确指数的多个通讯节点分布于一空间内,其中该多个通讯节点互为相邻;以及使该多个通讯节点的欲决定其地理坐标及精确指数的通讯节点与乘载地理坐标及精确指数且与该多个通讯节点相邻的第一枢纽通讯节点进行相对定位算法的运算,以决定此通讯节点的地理坐标及精确指数。

如前述,本发明提供了一种系统及方法,使互相对等的无线电通讯节点协作以共享地理坐标,并通过分级和评定来改善其准确度。具无线测距功能的装置被设计用于参与地理位置信息的获取及枢纽转发。参与的无线电装置在相同或相异的通讯标准下运行。此发明的方法论述虽以WiFi装置为主,但该方法也同样适用其它无线电标准。其中,前述所提及的通讯节点可以是AP或客户端。将多个参与的通讯节点以网状网络(Mesh)或Ad-hoc网络互相串接可协助各通讯节点链接至互联网,但形成网状网络或Ad-hoc网络并非本发明的先决条件。将每一通讯节点链接至互联网有助于数据认证和位置数据的使用,将于后续的内容中描述。一般家庭中通讯节点可能包括3-5个AP和一些智能型手机。本发明通过执行AP的固件及智能型手机的应用程序从其他节点获取地理坐标,测量与其他节点之间的距离,并根据相对定位算法确定自己的地理坐标。

本发明也偶而提到蓝牙(Bluetooth)装置。通过蓝牙与WiFi的网络桥接(Bridge),蓝牙装置可以与WiFi节点相连结,成为相互协作(peer)通讯节点的一员。多个蓝牙装置之间也可另形成其互相连接的网状网络。在室内定位领域蓝牙装置亦具有若干测距定位功能。在本发明中,蓝牙装置不但可用于检知附近的相互协作蓝牙装置,亦可与邻近已知地理坐标的蓝牙装置进行三边测量,以决定其地理坐标。蓝牙具有耗电低,可持久使用的优点。蓝牙甚至还具有仅能在短距离内工作的「优点」,因此位置误差相对较低。利用蓝牙装置的上述特点,蓝牙装置与跟它互相桥接的WiFi节点可以交换地理坐标与测距结果,再使用三边测量法确认蓝牙装置的位置。这可以应用在物品丢失时进行寻找。其他的无线电技术同样也适合用于做为通讯节点,这些无线电技术包括但不限于LTE、5G、UWB、LoRa及Zigbee等等。

目前已有许多测量两个无线电节点之间的距离的现有技术,如信号强度及飞时测距(Time-of-flight)等。然而,这些无线电测距技术都会因为物体阻挡、反射等因素而导致误差,并产生不同程度的不准度。因此在每次进行无线定位时都要同时评估测距的不准度。本发明在评量通讯节点的精确指数(Accuracy Merit,AM)时,会将无线电测距的误差列入其中,这在说明书的实施方式中会详加解释。

附图说明

图1A为本发明的第一实施例的渐进式全球定位系统的第一示意图。

图1B为本发明的一实施例的渐进式全球定位系统的第二示意图。

图2为本发明的一实施例的渐进式全球定位系统的第三示意图。

图3为本发明的一实施例的渐进式全球定位系统的执行三边测量法时进行精确指数估测的流程图。

图4为本发明的一实施例的渐进式全球定位方法的第一流程图。

图5为本发明的一实施例的渐进式全球定位方法的第二流程图。

图6A为本发明的一实施例的渐进式全球定位系统的车辆定位应用的第一示意图。

图6B为本发明的一实施例的渐进式全球定位系统的车辆定位应用的第二示意图。

图7为本发明的一实施例的渐进式全球定位系统的进阶应用的示意图。

附图标记说明:1-渐进式全球定位系统;N0,N1,N2,NHa,NHb:通讯节点;NA,NB,NC-第一枢纽通讯节点;ND,NE-第二枢纽通讯节点;NJ,NK,NL,NM,NF,Nv-枢纽通讯节点;A,B-节点群;Ni-智能型手机(移动通讯节点);WS-警示服务器;M-移动电话;L-丢失的物品;T-火车;C-汽车;(x0,y0,z0),(x1,y1,z1),(xA,yA,zA),(xB,yB,zB),(xC,yC,zC),(xD,yD,zD),(xE,yE,zE),(xi,yi,zi),(xJ,yJ,zJ),(xK,yK,zK),(xL,yL,zL),(xM,yM,zM)-地理坐标;AM0,AMA,AMB,AMC,AMD,AME,AMJ,AMK,AML,AMM,AMi-精确指数;dA,dB,dC,dD,dE,dJ,dK,dM,dL-距离;Fr-警报信息;S31~S35,S41~S44,S431~S432,S51~S54,S521-步骤流程。

具体实施方式

以下将参照相关图式,说明依本发明的渐进式全球定位系统及其方法的实施例,为了清楚与方便图式说明之故,图式中的各部件在尺寸与比例上可能会被夸大或缩小地呈现。在以下描述及/或申请专利范围中,当提及元件「连接」或「耦合」至另一元件时,其可直接连接或耦合至该另一元件或可存在介入元件;而当提及元件「直接连接」或「直接耦合」至另一元件时,不存在介入元件,用于描述元件或层之间的关系的其他字词应以相同方式解释。为使便于理解,下述实施例中的相同元件以相同的符号标示来说明。

请参阅图1A,其为本发明的一实施例的渐进式全球定位系统的第一示意图。如图所示,渐进式全球定位系统1包含多个乘载地理坐标及精确指数的通讯节点N0、N1及第一枢纽通讯节点(first anchor node或first hinge node)NA、NB及NC。本实施例仅为举例,通讯节点及第一枢纽通讯节点的数量并不限于图中的数量,渐进式全球定位系统1可包含更多的通讯节点及第一枢纽通讯节点。此外,若通讯节点N0、N1处于初始状态(即通讯节点N0、N1是第一次安装于一个地点,且之前从未使用过),也会有其预设的地理坐标及精确指数。

该多个通讯节点N0、N1的任一个或多个欲与一个或多个第一枢纽通讯节点NA、NB及NC进行相对定位算法的运算,以决定或更新其地理坐标及精确指数。

以下说明多个通讯节点N0、N1如何以相对定位算法的运算自第一枢纽通讯节点NA、NB及NC获得一组地理坐标。一相对定位算法的运算包括以下所述的撷取邻近第一枢纽通讯节点的地理坐标,测量与邻近第一枢纽通讯节点的距离,以及使用三边测量法决定其地理坐标。3个未构成一直线的第一枢纽通讯节点NA、NB、NC具有已知地理坐标(xi,yi,zi)。其中,第一枢纽通讯节点NA的地理坐标及精确指数分别为(xA,yA,zA)及AMA;第一枢纽通讯节点NB的地理坐标及精确指数分别为(xB,yB,zB)及AMB;第一枢纽通讯节点NC的地理坐标及精确指数分别为(xC,yC,zC)及AMC;通讯节点N0的地理坐标及其精确指数分别为(x0,y0,z0)及AM0;通讯节点N1的地理坐标及其精确指数分别为(x1,y1,z1)及AM1。在第一枢纽通讯节点NA、NB、NC的无线电范围内的通讯节点N0欲决定其地理坐标。根据几何原理,若通讯节点N0与第一枢纽通讯节点NA、NB、NC的距离dA、dB、dC为已知,则通讯节点N0在一三度空间(x,y,z)的地理坐标(x0,y0,z0)可以通过三边测量法(Trilateration)确定。与第一枢纽通讯节点NA、NB、NC的距离dA、dB、dC事实上先提供了与通讯节点N0的相对位置(relative or offset position)及坐标;之后再用加、减法求得通讯节点N0的的地理坐标(x0,y0,z0)。此作业还赋予每个通讯节点的地理坐标一个精确指数,以便可以同时包括测距测量误差和从其枢纽通讯节点继承的误差,稍后将对其进行详细定义。也就是说,欲决定其地理坐标和精确指数的至少一个通讯节点(如通讯节点N0)与该多个第一枢纽通讯节点NA、NB、NC执行相对定位算法的运算,以决定其地理坐标和精确指数。

在三维空间几何中,若仅以三个未构成一直线的第一枢纽通讯节点实施相对定位算法运算,通讯节点N0所求得的(x0,y0,z0)会产生一镜像的不明确的位置(ambiguouslocation)。此时可以通过加入另一枢纽通讯节点或使第一枢纽通讯节点NA、NB、NC中的任何一个微幅移动来确定正确的(x0,y0,z0),但此为一个多边几何问题,并不在本发明的讨论范围。此外,在三维空间中,即使仅有一或二个第一枢纽通讯节点,仍可为通讯节点N0求得的(x0,y0,z0),只是误差较大。在本实施例使用「三边测量法」一词来表示应用此类相对定位算法,但也包含其他相关的相对定位算法,例如三角定位法(triangulation)及收讯角度法(phase/angle of arrival,AoA)等;这些其他相关的相对定位算法需要不同的数学运算模型以及不同的通讯节点的共同工作模式。

802.11mc标准是一个目前就可以拿来利用的测距工具。支持802.11mc的WiFi装置(包括AP和智能型手机)正变得越来越流行。采用802.11mc的装置能被定义做为「发起方」(initiator)或「响应方」(responder)。如图1A所示,通讯节点N0、N1、NA、NB、NC的任一个都可以是发起方或响应方。利用发起方和响应方之间的信号往返时间(Round TripTime,RTT)的精细时间测量(Fine Time Measurement、FTM),通过飞时测距原理即可确定2个节点之间的距离,如一些现有技术文献所揭示。一般作法是将多个通过地理测量获得地理坐标且采用802.11mc的AP作为响应方部署在一个空间上。支持802.11mc的智能型手机就会是发起方。通过802.11mc测距机制测量与这些响应方之间的距离,并撷取响应方的已知地理坐标,智能型手机就可以通过三边测量法来取得其地理坐标。除了802.11mc使用的飞时测距外,一无线装置的相对信号强度指示(Relative Signal Strength Indicator,RSSI)一样可以让通讯节点以N0、N1自NA、NB、NC收到的信号强弱决定与它们之间的距离。本发明所使用测距技术包括信号强度,飞时测距及所有其他可能的手段。

本实施例的方式是主张并非所有的响应方都需要事先进行地理测量。AP(如图1A的通讯节点N0、N1)可以从具有已知地理坐标及精确指数的AP(如第一枢纽通讯节点NA、NB、NC)中获取其地理坐标。之后,当出现任何具有较高精确指数的节点时,AP(如图1A的通讯节点N0、N1)将重新进行三边测量并寻求提高其地理坐标的准确性。

请参阅图1B,其为本发明的一实施例的渐进式全球定位系统的第二示意图。如图所示,当出现任何具有较高精确指数的第二枢纽通讯节点(second anchor node或secondhinge node)ND、NE,AP(通讯节点N0或通讯节点N1)将重新进行三边测量法并寻求提高其地理坐标的准确性(通讯节点N0与第二枢纽通讯节点ND、NE的距离分别为dD及dE)。其中,第二枢纽通讯节点ND的地理坐标及精确指数分别为(xD,yD,zD)及AMD;第二枢纽通讯节点NE的地理坐标及精确指数分别为(xE,yE,zE)及AME。通讯节点N0除自原来所使用第一枢纽通讯节点NA、NB、NC之中挑选精确指数较高的NC之外,再使用第二枢纽通讯节点ND、NE进行三边测量法,以寻求获得更精确的地理坐标。通讯节点N0将这次获得的地理坐标和精确指数与先前获得的相比较,并采用精确指数最高者。

AP的固件和智能型手机中的应用程序可进行编程,使响应方与发起方交换距离测量数据。例如,Google 有一API为「测距请求」(RangingRequest),可以将多个参与测距的AP或(也是工业标准)通讯节点列入一相互测距协作清单。在一测距请求中可以指定多个AP或Wi-Fi Aware相互协作通讯节点。执行后,API将回复所有设备的测量距离。另外,在802.11mc中可以将地理空间格式的地理坐标信息(例如纬度、经度和海拔高度)嵌入到FTM帧的LCI信息(请参见下文)中。这些坐标信息,加上前述以飞时测距测得的距离,可让开启802.11mc的AP(如图1A中的通讯节点N0或N1)经由三边测量法获得其地理坐标。

问题是如何在AP所在的相同空间中找到具有可靠的地理坐标的通讯节点来相互协作,参与定位测量及演算。在本发明中以专业方式做地理测量所得的精准坐标将赋予最高精确指数,成为一「超级枢纽节点」。其他解决方案可以简单到在同一无线电场域将一或多支智能型手机当作枢纽通讯节点并放置在可以接收到GPS信号处。同一地点当GPS信号接收次数增加时,经统计学运算可获得可信度高的精确地理坐标,而获得一可信赖的精确指数。智能型手机的某些高级距离测量工具,如UWB或LiDAR可用来提高短距离测距的精确度。如果无法使用GPS,则可以利用以下提出的惯性导航,但是精度可能会随移动距离增加而迅速下降。此外,Wi-Fi Aware有助于搜寻附近的可相互协作的AP,以便有机会找到更多的枢纽通讯节点(anchor node或hinge node)。每执行一次无线测量,精确指数就因加入测量误差而下降,如此「后方」的通讯节点将不断继承前方的误差而导致精确指数下降。因此只要所有节点实行一个共同使用的标准来定义精确指数,AP就可以继续寻找更好的相互协作枢纽通讯节点参与测量,并逐步将其地理坐标微调到更好的准确性,并成为他人足以信任的枢纽通讯节点。

为了便于解释,本实施例亦沿用「发起方」(如通讯节点N0或N1,或一移动中的智能型手机Ni,如图2所示)来指示需要初始或改善的地理位置的通讯节点,并且以「响应方」指示参与的枢纽通讯节点(如第一枢纽通讯节点NA、NB、NC或第二枢纽通讯节点ND、NE)。

如果附近有3个枢纽通讯节点并且可以测量到这些枢纽通讯节点的距离,则一独立的发起方通讯节点可以经计算得知其地理坐标。这里「独立」的意义为,发起方与响应方仅需进行有限的无线电通讯。例如,三个枢纽通讯节点必需要能「广播」它们的地理坐标(单向通讯)。此外,通讯节点需要测量距离,如果是信号强度,则需要进行单向或双向通讯;如果是飞时测距,则需要进行双向通讯。若枢纽通讯节点也可以移动(如手机,请参见下文),则该枢纽通讯节点还可以分时刻在移动轨迹的不同点提供个别的地理坐标数据,让发起方通讯节点逐次测量距离。只要逐点的地理坐标数据与测量数据是同时取得即可。也就是说,除了广播坐标和距离测量外,参与节点之间不需要进行如网状网络或同步之类的无线协作。即使使用了Android RangingRequest API,其所列相互协作的AP或Wi-Fi Aware装置并不需要进入网状网络链接。参与的智能型手机并不需要与AP「WiFi关联」(associate),也不需要进行时间同步。如果考虑使用其他相对定位算法,例如三角定位法或收讯角度法,则可能需要更多的无线电协作。

惯性导航有助于将地理位置数据从一已知地理坐标位置「输送」到另一个位置。智能型手机可以通过利用附近的枢纽通讯节点或简单地通过接收GNSS(GPS)信号来获取其地理坐标。之后,在智能型手机移动时,根据惯性导航的原理,只要将运动传感器(如加速度计和陀螺仪)接收到的信息加以积分,即可连续识别智能型手机的位置、方向和速度。如果智能型手机移动到某一需要获得其地理坐标的发起方通讯节点所在的空间,其移动轨迹上的点可以充当临时枢纽通讯节点。假设在此移动轨迹上挑选3个不在一直线的位置样本,该发起方通讯节点即可通过三边测量法来求取其地理坐标。惯性导航的缺点是在每一次位置推移的演算中都会累积误差,不过仍有许多技巧可以提高准确性,相信不久后的未来必能通过硬件或软件方式提供更精确的结果。

请参阅图2,其为本发明的一实施例的渐进式全球定位系统的第三示意图。图2显示了具有可靠地理坐标的枢纽通讯节点如何为其他节点提供定位服务。在如家庭或公共场所为例的使用场景,可以设置具有可靠地理坐标的(第一或第二)枢纽通讯节点NJ、NK、NL、NM,让如智能型手机Ni之类的移动通讯节点做为发起方,并通过相对定位算法辨识别其地理坐标。其中,枢纽通讯节点NJ的地理坐标及精确指数分别为(xJ,yJ,zJ)及AMJ;枢纽通讯节点NK的地理坐标及精确指数分别为(xK,yK,zK)及AMK;枢纽通讯节点NL的地理坐标及精确指数分别为(xL,yL,zL)及AML;枢纽通讯节点NM的地理坐标及精确指数分别为(xM,yM,zM)及AMM;通讯节点Ni(智能型手机)的地理坐标及精确指数分别为(xi,yi,zi)及AMi(智能型手机Ni与枢纽通讯节点NJ、NK、NL、NM的距离分别为dJ、dK、dL及dM)。智能型手机Ni以相对定位算法取得其地理坐标后,可以在各种应用中使用其新获得的位置信息。例如,可以将位置数据发送到一在线地图服务,如此智能型手机Ni便能在地图上显示其位置。位置数据也可以通过一位于云端的追踪服务器发送到第三方装置,以告知携带此智能型手机Ni的人的位置。或者可以将其发送到游戏服务器以获取因位置而异的游戏反应。即,智能型手机Ni为一位置数据消费者,可以利用该位置数据。也就是说,通讯节点Ni是行动装置,其可传递行动装置(通讯节点Ni)的地理位置至另一应用程序以显示其地理坐标,或传送行动装置(通讯节点Ni)的地理位置至追踪服务器,而追踪服务器提供行动装置(通讯节点Ni)的地理坐标给一电子装置。

为使通讯节点的定位演算具可追溯性,每个通讯节点均被分配一个唯一标识符,这可通过硬件或软件方式实现。硬件方式的例子如将芯片进行串行化,或将序号编程到闪存。也可通过使用业界已公知的私钥/公钥密码技术(private/public key cryptography)以一公钥机制注册。一通讯节点可以随机生成并秘密持有一私钥,基于该私钥每个通讯节点生成一唯一公钥做为其唯一标识符供公众识别使用。从私钥到公钥的转换是通过业界已知的ECDSA或椭圆曲线数字签名算法(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm),或称「数字签名」技术完成的。在每种数字签名算法中,私钥编码空间通常极大,任何人都无法通过计算的方式猜测或选择相同的私钥。同样,公钥空间也很大,故重复的可能性几乎为零。因此,以公钥当作一通讯节点的标识符就可视为唯一(此后也称为「唯一公钥」)且可以当作序号(serial number)使用。一旦启用,其他通讯节点便可以通过该唯一公钥识别此通讯节点。

精确指数(AM)的设计旨在为位置数据的用户提供易于理解的指标,可以简易地将精确指数的值设计为0到5,其中5表示精确度最高,用于具有专业公信力认证(下方详述)的「超级枢纽节点」,0用于无法提适当左证的通讯节点。请参考表1所示一示范的精确指数与误差范围(即坐标不准度)的对应情形。请注意表1只是以整数AM值示范大约的对应EC(坐标误差)的范围;AM值自0至5是连续变化,并非仅有整数;EC值也是相对应做连续变化。一枢纽通讯节点Ni若已被赋予一精确指数AMi,则依表1的误差值可在Ni空间坐标(xi,yi,zi)周围绘制一「误差范围」球体,代表通讯节点Ni的原生不准度。请参阅图3,其为本发明的一实施例的渐进式全球定位系统的执行三边测量法时进行精确指数估测的流程图。图3说明三边测量法执行时如何评估精确指数(AM)。发起方通讯节点N0从第一枢纽通讯节点NA、NB、NC(如图1A、图1B所示)接收地理坐标和精确指数的数据,并测量到第一枢纽通讯节点NA、NB、NC的距离dA、dB、dC。其中有许多误差因素。dA、dB、dC的不准度受无线电带宽和数据速率的影响。若受到物体阻挡,如墙壁和家俱,也会导致误差。这使得在一三边测量作业中dA、dB、dC的端点也有其误差范围球体,这必须反映在三边测量法所获得的地理坐标的精确指数上。由相关文献可知,通讯节点N0及第一枢纽通讯节点NA、NB、NC形成的倾斜三角形金字塔可能会比规则形状的金字塔导致更大的三边测量法误差。又,若通讯节点NA的精确指数比NB、NC高很多,计算N0的地理坐标时,因为NB,NC两点原生的「误差范围」球体较大,对NB,NC两点的误差敏感度(Sensitivity)就会比对NA点的高很多。为了不受过多变量的干扰,下式(1)仅是理想情况下,例如参与的枢纽通讯节点的精确指数、与N0的距离及距离测量不准度相互接近,且与N0构成的三角形金字塔形状端正时,提供示范性的算式:

其中,EC表示坐标(Coordinate)不准度,依表1由AM值换算;ER表示距离测量(RadioRanging无线电测距)不准度。下标0表示发起方N0,下标i包括所有参与枢纽通讯节点,在此为第一枢纽通讯节点NA、NB、NC。上横线表示从i个案例中取平均值。ECA是依表1从AMA换算的;ECB是从AMB换算的,余类推。坐标不准度EC绝不仅是最小位数字的不准度。ECA反映了(xA,yA,zA)有多精确,并使用AMA代表。详细的定位运算中还会区分x,y,z三轴的不同误差区间,并以方差(variance)表示,在此仅以各轴方差的平均值代表。如前所述,AMA又为第一枢纽通讯节点NA先前的「最佳」相对定位算法执行过程所定义(即第一枢纽通讯节点NA先前作为发起方通讯节点执行多次相对定位算法,选取精确指数最高者,如图1B的实施例所示)。因此,EC与AM连续继承了所有先前的最佳相对定位算法执行过程中的误差。至于距离测量不准度ER,它与无线电带宽、数据速率、使用频率及物体阻挡所决定的物理限制有关。ER的评估相当复杂,但仍可以通过基于理论和经验数据的标准测距不准度查找表(Look-up Table)进行管理。在式(1)中上横线表示从i个案例中取简单平均值,但实际上若遇倾斜三角形金字塔,或搭配混合的测量技术时(例如dA、dB、使用FTM测量而dC采用RSSI测量,见后段说明),式(1)将为其他非简单平均的算式所取代。发起方通讯节点N0的坐标不准度EC0不仅从该多个枢纽通讯节点继承误差ECi,且在每次距离测量中也累积误差ERi。显然,发起方通讯节点N0的精确指数的评估因而有着数学上的限制条件。在测距方面,若智能型手机配备UWB或LiDAR,则ER可能会大幅改善。如前述,通讯节点N0根据多个误差因素来计算精确指数。误差因素包括第一枢纽通讯节点NA、NB、NC的精确指数及通讯节点N0执行相对定位算法所获得通讯节点N0与第一枢纽通讯节点NA、NB、NC的距离的不准度。下表1举例说明了精确指数与误差EC的关系:

表1

精确指数(AM) E<sub>C</sub>误差范围(meters)
5 0.1具有专业的公信力认证
4 0.3
3 1
2 5
1 25
0 不可全信(untrustworthy)

为了支持前述的计算,通讯节点N0及第一枢纽通讯节点NA、NB、NC的无线电信号所携带的测量有关信息可包含但不限于:(1)公钥;(2)当前地理坐标(xi,yi,zi);(3)精确指数AMi;(4)飞行测距响应;以及(5)其他网络连接和同步信息。IEEE 802.11-2016标准已有定义如何提供地理坐标和精度的指示,其位置配置信息(Location ConfigurationInformation,LCI)包括纬度、经度、高度及其不准度(量化误差)。另外还有位置大众表示法(Location Civic Report,LCR或CIVIC),可以用标准化格式提供便于大众识别的「civic」地址。

本实施例包含下列步骤:

步骤S31:通讯节点N0从第一枢纽通讯节点NA、NB、NC接收地理坐标及精确指数并测量与第一枢纽通讯节点NA、NB、NC的距离dA、dB、dC

步骤S32:读取第一枢纽通讯节点NA的精确指数AMA、第二枢纽通讯节点NB的精确指数AMB及第三枢纽通讯节点NC的精确指数AMC

步骤S33:自不准度查找表获取距离dA的不准度、距离dB的不准度及距离dC的不准度。

步骤S34:执行评分公式(1)。

步骤S35:获得通讯节点N0的新的精确指数AM0

请参阅图4,其为本发明的一实施例的渐进式全球定位方法的第一流程图。图4说明逐渐改善通讯节点的精确指数的方法。每个通讯节点都会试着努力改善其精确指数,以便在之后的位置数据的分享使用中提供更可靠的地理坐标。每个通讯节点可以通过持续查看邻近可用的新枢纽通讯节点的任何迹象来做到这一点。如果识别出在无线电范围内具有较高精确指数等级的枢纽通讯节点,相对定位算法会在三边测量法中对此枢纽通讯节点的地理坐标加上更多的「权重」。这可以通过剔除具有较低精确指数等级的参与通讯节点来完成,如图1B中剔除第一枢纽通讯节点NA、NB,或也可通过其他统计方式完成。任何具有较高精确指数等级的枢纽通讯节点都将用于执行另一次相对定位算法,不过具有类似精确指数等级的任何枢纽通讯节点也一样重要。这是因为无线电测量的不准度在统计意义上是随机的。对具有类似精确指数等级的枢纽通讯节点进行多次测量最终可以帮助通讯节点的地理坐标收敛至统计上有意义的较高精确指数等级。在此作业中,统计方式可能包括均值(Mean)、方差分析(Variance analyses)、卡尔曼滤波(Kalman filtering)、线性最小平方估计(Linear least-squares estimation)、迭代再加权最小平方估计(Iterativelyreweighted least-squares estimation)、非线性最小平方技术(Non-linear least-squares technique)以及所有其他现有的已知方法。尽管统计方式仍然受到许多数学限制,但谨慎使用统计方式通常会减少不准度并提高发起方通讯节点N0的精确指数。也就是说,各个通讯节点可对其地理坐标历史记录进行地理坐标统计分析,以获得通讯节点较精确的地理坐标及较佳的精确指数。

综上所述,精确指数为一复合指数。首先,一发起方通讯节点需从其他已经由本系统所承认、具有全球地理坐标的枢纽通讯节点引进自己的全球地理坐标才能评定精确指数,因此精确指数具有可溯源性。相较于与GPS方式定位的枢纽通讯节点为邻的发起方通讯节点,位于「超级枢纽节点」附近的发起方通讯节点先天上可以取得较高的精确指数。精确指数还包括了单次相对定位演算中对坐标不准度与距离测量不准度的评估(即里误差的累积),其中EC还连续继承了所有枢纽通讯节点先前的最佳相对定位算法执行过程中的误差。不仅如此,在相对定位演算执行次数增加后,因坐标数据的累积而得到统计上有意义的收敛,EC值降低,也使精确指数改善。精确指数融合了本发明的实施例的渐进式定位中全球地理位置坐标与精确度的溯源,误差的发生、继承与统计改善,成为唯一地理坐标优劣的数值指标。虽然它可能无法普遍性作极精细、正确的比较,但它提供了整个渐进式全球定位系统长期改善地理坐标精确度的动力。若对系统有正面帮助,循此原理,设置一个以上精确指数,例如以被继承通讯节点的个数及层数评定地理位置的可信度,将源自枢纽节点所构成的几何形状误差,无线测量的不准度,或统计误差再区分等,均属本发明主张的方法。

本实施例包含下列步骤:

步骤S41:通讯节点N0从第一枢纽通讯节点NA、NB、NC接收地理坐标及精确指数并测量与第一枢纽通讯节点NA、NB、NC的距离dA、dB、dC,并进入步骤S42。

步骤S42:通讯节点N0以三边测量法求得其地理坐标并评定伴随此组地理坐标的精确指数,并进入步骤S43。

步骤S43:通讯节点N0判断精确指数是否改进?若是,则进入步骤S44;若否,则进入步骤S431;若近似,则进入步骤S432。

步骤S431:通讯节点N0放弃这组地理坐标。

步骤S432:通讯节点N0根据地理坐标及精确指数的历史记录做统计分析,并回到步骤S43。

步骤S44:通讯节点N0启动精确指数等级提升程序。

若发起方通讯节点N0遇到多个精确指数分级优于其精确指数的枢纽通讯节点时,则三边测量法的执行有可能产生一组精确度更高或精确指数分级更高的地理坐标。在图4中,因过去日志的统计分析得到收敛的地理坐标,或因三边测量法执行而获得较高的精确指数分级,造成一次「精确指数等级提升」。这不仅对于此通讯节点,也对于其无线电覆盖范围的通讯节点都非常重要。因此,精确指数等级提升必须经过严格检视。

请参阅图5,其为本发明的一实施例的渐进式全球定位方法的第二流程图。图5标出了一种保持精确指数等级提升的交易(一次交易指一次精确指数等级提升事件的公正判断)记录的创新方法。为了防止恶意用户破坏精确指数等级提升事件,此交易的运算数据必须由公正的第三方进行验证。公正的第三方检查参与方的过去精确指数升级历史及计算的有效性,并在确认各通讯节点的地理坐标及精确指数继承关系无误后批准。通讯节点也因此正式获得了精确指数等级提升。区块链由于采用分布式账本(distributed ledger),具有不可窜改的特性,可协助本系统确认各通讯节点之间地理坐标及精确指数继承关系。使用区块链技术,公正的第三方验证可通过智能合约来完成。图5中,通讯节点N0是欲获得精确指数等级提升批准的发起方。通讯节点N0将此交易的运算数据提交至智能合约以进行审查。智能合约是以太坊等区块链平台在互联网或一服务云(service cloud)上运行的计算机程序。智能合约用于根据合约条款执行、控制和记录事件和动作。为防止虚伪仿造通讯节点N0的身份,N0提供至智能合约的运算数据需要经过数字签名法以私钥加密,再由智能合约凭N0的公钥解密辨识之。此智能合约根据事先约定的前提条件或条款决定是否接受此精确指数等级提升的申请。已执行的智能合约清楚地将此次确指数等级提升所执行的三边测量法的参与通讯节点及产生的精确指数等级及详细信息保留在区块链的分布式账本(以下简称「账本」)中。由于区块链的性质,任何新智能合约都可以被追踪且不能更改。各个参与通讯节点的最终地理坐标不仅逐渐变得更加准确,而且具有防篡改的特性。

在图5中,通讯节点N0所提供的「运算数据」包括三边测量法运算前后的地理坐标及精确指数、新精确指数的判断基础、通讯节点N0及第一枢纽通讯节点NA、NB、NC的唯一标识符。运算数据之中的判断基础又包括:改进是来自账本中可追踪的EC(坐标不准度),还是来自通讯节点N0根据标准测距不准度查找表对ER的判断,或仅是一个经过统计改进得到的结果,或其组合,及其支撑数据。运算数据更包括通讯节点N0的物理限制信息例如下述的VID/DID及/或与第一枢纽通讯节点进行距离测量所使用的频率及带宽。此智能合约的接受条件(合约条款)包含:(1)枢纽通讯节点可追溯;即第一枢纽通讯节点的地理坐标和精确指数已预先存在于区块链的账本中;(2)通讯节点N0所执行三边测量法无误。关于(1)枢纽通讯节点可追溯,智能合约可自账本查询;关于(2)通讯节点N0所执行三边测量法无误,智能合约可检验通讯节点N0所提交的精确指数等级提升的判断基础,并可自账本中可用记录查询。例如,若通讯节点N0宣称改进是来自可追踪的EC,智能合约可凭第一枢纽通讯节点NA、NB、NC的唯一标识符自账本中各第一枢纽通讯节点的EC确认;若通讯节点N0宣称改进是来自统计改进得到的结果,智能合约可凭其支撑数据确认。统计改进的支撑数据可以包括样品数、关键统计参数及测量期间长度等,智能合约仍可由统计学的合理性及检视所宣称测量期间是否在账本可以查验等进行查核。若通讯节点N0宣称改进是来自不准度查找表对ER的判断,则智能合约需凭通讯节点N0的无线测量物理限制作判断。如前所述,标准测距不准度查找表为基于无线电操作频率、带宽等相关的理论和经验数据;因此,这些不准度是与装置的无线测量物理限制是相依的。在网络产业广泛使用的可识别的「供货商标识符(Vender ID,VID)」和「装置标识符(Device ID,DID)」可用于识别每个通讯节点正在使用的无线电技术、无线电带宽、数据速率及频率等方面的限制。一智能型手机的型号与制造商一样可由其IMEI号码中的类型分配码(Type Allocation Code,TAC)辨识之。智能合约可以设计成以唯一标识符查看通讯节点事先提供的VID/DID,如此枢纽通讯节点使用的技术就可自账本中枢纽通讯节点的VID/DID数据获得。根据通讯节点N0及枢纽通讯节点使用的技术,发起方通讯节点N0不可能美化ER0的值。

若精确指数等级获得提升的通讯节点可选择性对参与该次相对定位算法、具有较高精确指数等级的枢纽通讯节点支付价金,此渐进式全球定位系统1将能非常成功。这种机制也鼓励了具有更高精确指数的通讯节点做出贡献的意愿。如果有足够的动机,更佳的惯性导航算法、对GNSS信号能做更准确的评估的技术及具有更精确的测距方法的行动通讯节点将会被开发出来。这些都能帮助提高此渐进式全球定位系统1的有效性和普及性。如图5所示,在确认了精确指数升级的计算之后,作为智能合约的一部分,将价金依预定规则从通讯节点N0移转到具有贡献的第一枢纽通讯节点NA、NB、NC

综上所述,相对定位算法的事件使通讯节点N0受益以获得具有更高精确度的地理坐标,则该通讯节点N0提交该相对定位算法的运算数据至一区块链以启动执行该区块链的第一智能合约(如图5所示)。此第一智能合约的接受条件(即合约的精确指数等级提升通过条款)包括:(1)第一枢纽通讯节点的地理坐标和精确指数已预先存在于区块链的账本中;(2)根据通讯节点所提交相对定位算法的运算数据及账本记录的地理坐标及精确指数数据,此通讯节点获得的地理坐标及精确指数被判断为符合物理和数学限制。第一智能合约可以通过现有已知的通讯节点的物理限制来判断,或更具体地通过VID/DID来判断。数学限制包含计算的因素。例如,第一智能合约可以根据发起方通讯节点的不准度不能比枢纽通讯节点更好的原则来判断是否符合数学限制。数学限制还可以包含所使用的统计方法的限制,例如可以根据所考虑的样本数量以及测量时间有多长来判断。最后,若符合第一智能合约的接受条件,第一智能合约即通过通讯节点N0精确指数等级提升,且账本会产生相应的记录,其中包括所得到的地理坐标和精确指数。依照智能合约的特性,即使未通过接受条件,账本仍然会产生相应的记录,其中包括参与通讯节点的唯一标识符。另外,将受益的通讯节点N0传送给第二枢纽通讯节点的价金也记录在账本中。通讯节点N0可自第一智能合约API知悉,或自账本查询得知第一智能合约已通过,即可正式更新其地理坐标及精确指数。根据上述流程,通讯节点N0获得一组不准度较低的地理坐标,亦即,位于服务云的智能合约校准了(recalibrated)通讯节点N0的地理坐标。综合上述,若相对定位算法的运算使通讯节点N0获得具有更高精确指数的地理坐标,则通讯节点N0提交相对定位算法的运算数据至区块链以启动执行区块链的第一智能合约。其中,第一智能合约的接受条件包括该多个第一枢纽通讯节点NA、NB、NC已存在于区块链的账本,且通讯节点N0获得的地理坐标及精确指数依照通讯节点N0所提交相对定位算法的运算数据及第一枢纽通讯节点NA、NB、NC已存在于该区块链的账本所记录的地理坐标及精确指数分析符合物理及数学限制。另外,第一智能合约的接受条件通过后,区块链的账本记录包含通讯节点N0获得的具有更高精确指数的地理坐标及精确指数。

本实施例包含下列步骤:

步骤S51:通讯节点N0将三边测量法运算前后的地理坐标及精确指数、新精确指数的判断基础、通讯节点N0及第一枢纽通讯节点NA、NB、NC的唯一标识符输入第一智能合约,并进入步骤S52。

步骤S52:第一智能合约接受上述输入数据,进行判断是否符合接受条件?若是,则进入步骤S53;若否,则进入步骤S521。其中,第一智能合约的接受条件可包含第一枢纽通讯节点NA、NB、NC过去的地理坐标及精确指数是有效的,且新精确指数的判断基础是有效的。

步骤S521:第一智能合约否定通讯节点N0的精确指数等级提升。

步骤S53:第一智能合约通过通讯节点N0精确指数等级提升,并将通讯节点N0所获地理坐标和精确指数存入区块链的分布式账本,且将价金从通讯节点N0转移至第一枢纽通讯节点NA、NB、NC,并进入步骤S54。

步骤S54:通讯节点N0更新其地理坐标及精确指数。

在以太坊区块链平台中,每次智能合约执行的记录都可以通过发起方的公钥来检索。由公开的账本可检索及检查过去的交易。账本中包含的每笔交易信息包括但不限于参与通讯节点的唯一标识符、通讯节点N0的地理坐标、精确指数等级、运行时间、VID/DID和已交付的价金等。检索有助于通讯节点N0提前检查新的枢纽通讯节点是否可信。如果枢纽通讯节点不可信,则可以完全跳过相对定位算法的执行以及对智能合约的精确指数升级请求,以节省资源。在Ethereum 中,交易哈希值(Transaction hash)或地址哈希值(Address hash)均可用于检索已执行的智能合约。该地址是自唯一公钥转换而来的唯一值,不会重复;由唯一公钥转换至地址的转换公式应为本领域中具有通常知识者所知悉。也就是说,区块链的账本记录包含各个通讯节点的唯一标识符,且一发起方通讯节点可根据第一枢纽通讯节点的唯一标识符由区块链的账本获得第一枢纽通讯节点的地理坐标及精确指数,以进行相对定位算法的运算。

在建筑物或隧道深处的通讯节点可以不需进行地理丈量而靠与其相邻的枢纽通讯节点来执行三边测量法。相邻的通讯节点又可能被其他通讯节点枢接利用。在这种情况下,由于多次运算,故不准度会持续累积。精确指数等级需要更长的时间才能稳定,而统计方式极为重要。在此多次枢接的情况使用区块链技术更形重要,因为它可以逐次验证精确指数等级提升,避免这些通讯节点中存在任何欺骗性的通讯节点,确保可靠性。

如前述,通讯节点之间的无线连接可以是单向或双向。可以在没有无线网络连接(association)的情况下执行802.11mc通讯协议,并且仍可在通讯节点之间交换地理坐标和距离。未包含在此通讯协议标准内的参数(例如精确指数和公钥)可通过「位置大众表示法(Location Civic Report)」帧或通过网络连接传递。在另一方面,由于账本可公开存取,因此只要枢纽通讯节点的唯一公钥可以取得,就可以通过云中的账本获得其地理坐标和精确指数,避免了本地IP网络连接。若发起方有任何疑虑,可以自账本进行确认及检查。

延续前面讨论,本系统可以从区块链的账本凭唯一标识符获得一(第一或第二)枢纽通讯节点的地理坐标和精确指数。在大多区块链平台中账本是一个可公开搜索的数据库。如果发起方要求,使用枢纽通讯节点的唯一ID,就可以立即获得枢纽通讯节点的最新地理坐标、精确指数和生效时间/日期。由于通讯节点的唯一标识符可以通过SSID(或蓝牙信标,Beacon)或在LCR中公开广播,因此从可兼容多种测距方法的角度来看,查询账本成为一种非常强大的工具。发起方通讯节点(例如智能型手机或AP)可以混合使用信号强度,FTM、UWB及LiDAR等中的任何测距手段来测量到相邻枢纽通讯节点的距离,同时从账本中查询这些通讯节点的地理坐标,即可以三边测量法求得其地理坐标。若一枢纽通讯节点未能以其唯一标识符作为其SSID(或蓝牙信标)公开广播,仍可通过协作的转换服务器,用小区域(例如以发起方通讯节点位置判断属何小区域)SSID及蓝牙信标数据库查询,也可能辅以MAC地址辨识,转换成该枢纽通讯节点的唯一标识符。

如图2所示,位置数据的用户(此处指智能型手机)进入一个空间,而此空间中设置有多个枢纽通讯节点,这些枢纽通讯节点具有特定精确指数等级的地理坐标。由于距离测量的不准度,智能型手机会获得一组其精确指数较枢纽通讯节点低的地理坐标。这类消费等级的位置数据的利用,若未涉及精确指数等级提升,通常不会进行价金交易或只产生少许的价金交易。然而,智能型手机也因此可以提交该相对定位算法的运算数据至一区块链以启动执行该区块链的第一智能合约,并在账本记载其地理坐标及精确指数。如前所述,在必要时,此智能型手机亦可当作一临时枢纽通信节点。

在多次相对定位算法的计算后,通讯节点可以达到较高的精确指数等级。然而,此系统的设计是为所有人提供在全球可使用的定位服务。固定的通讯节点不得「移动」否则其精确指数等级必须被取消。因此,通讯节点的固件必须设计成可以侦测其位置的变化。超高精度通讯节点可能需要通过硬件侦测其位置是否被移动。通讯节点需经常、或在断电之后执行相对定位演算,拿同一区域相互协作通讯节点的唯一标识符,所测距离和地理坐标与过去的历史记录进行比较,以确认位置没有变动;若距离变动明显超过ER值,表示位置已经移动。此时固件需触发第一智能合约的执行,以获得新的地理坐标与精确指数,并以此在账本让先前的地理坐标与精确指数失效。

若干GPS信号产生器可用于广播伪造的GPS坐标。因此,可定义一避免伪造地理坐标的规则,例如在精确指数等级提升的验证过程中,任何出现的GPS信号都必须能被验证与具有良好精确指数等级提升记录的其他通讯节点在该空间同时共存。

一业余地理测量者可以利用一智能型手机,在GPS位置是有效的情况下,参阅坐标,即可为一枢纽通讯节点标注其地理坐标。智能型手机的应用程序可针对GPS位置的有效性及与该受标注的枢纽通讯节点的无线链接做验证,以获得起码的公信力认证,有许多现有文献可估知GPS的测量误差,利用表1即可换算其精确指数。除GPS以外,其他定位系统所取得的地理坐标也可以同样在有验证的条件下当作参考枢纽通讯节点。一业余地理测量者所定位的枢纽通讯节点,可以采取「渐进观察」机制。例如,若该通讯节点能够与附近已经过智能合约验证的枢纽通讯节点(通过智能型手机)一起执行三边测量法的计算,则可经由第一智能合约的批准,获得其精确指数等级。在此情况因GPS等其他定位系统在账本并无先前记录,第一智能合约仅能以已经过智能合约验证的通讯节点,以及智能型手机的应用程序提供的公信力认证作为判断依据。随着更多经过智能合约验证的通讯节点成为相互协作通讯节点且三边测量法的计算逐渐稳定,该通讯节点的精确指数将就有可能进一步提升。利用前述以GPS位置标注其地理坐标的方法亦可将一未具相对定位算法能力的传统WiFi AP转换成一「准」枢纽通讯节点。只要将其SSID设置为其唯一ID,邻近的地理信息消费者从公开账本查询,就可查询到其地理坐标及精确指数。相较于正常的枢纽通讯节点,它只是未能发动无线测距,但表示地理位置及精确指数的功能完整。传统WiFiAP所转换成的「准」枢纽通讯节点也可使用前述「渐进观察」机制,获得较高精确指数,但可能受制于测距能力不足,所获精确指数不会太高。

本系统的设计能纳入以实际地理测量方式获得高精度地理位置的枢纽通讯节点。以地理测量、参考卫星定位或参考其他定位系统所取得的地理坐标,在此称做以「外部资源」所取得的地理坐标。对于以专业或非专业测量方式输入地理坐标的节点,可以在受监督的机制下触发特殊的「参考枢纽节点」或「超级枢纽节点」第二智能合约,并依照该外部资源精确程度创建其精确指数等级。因此,此第二智能合约的接受条件必须包括可证明的签名人,即此外部资源需及其所获精确指数要具有公信力认证。有公信力认证的签名在区块链实务上可以利用智能合约的限制性访问控制(restricted access control)来实现;或使用多重签名合同(multi-signature contract,multisig),也就是需要来自不同地址的多个签名才能执行交易。也就是说,通讯节点可以从外部资源获得其地理坐标及精确指数,则此通讯节点提交其地理坐标及精确指数及其公信力认证至区块链以启动执行第二智能合约。如此,第二智能合约被触发执行,第二智能合约的接受条件包括可认证的签字人,即此外部资源具有公信力认证。第二智能合约的接受条件通过后,区块链的账本记录此通讯节点获得的地理坐标及精确指数。

前述实施例的第一智能合约及第二智能合约也可以利用在一云端服务的计算机程序取代并执行验证程序。也就是说,通讯节点N0与第一枢纽通讯节点NA、NB、NC进行相对定位算法的运算使通讯节点N0获得具有更高精确指数的地理坐标,则该通讯节点提交该相对定位算法的运算数据至一第一验证程序,第一验证程序的接受条件包括第一枢纽通讯节点NA、NB、NC已存在于第一验证程序的日志,且通讯节点N0获得的地理坐标及精确指数依照通讯节点N0所提交相对定位算法的运算数据及第一枢纽通讯节点NA、NB、NC已存在于第一验证程序的日志所记录的地理坐标及精确指数分析符合物理及数学限制,且第一验证程序的接受条件通过后,第一验证程序的日志记录包含通讯节点N0获得的具有更高精确指数的地理坐标及精确指数及选择性包含通讯节点支付给第一枢纽通讯节点NA、NB、NC的价金。另外,任一个通讯节点,例如通讯节点N0,自外部资源取得其地理坐标及精确指数,则通讯节点N0提交其地理坐标及精确指数及公信力认证至第二验证程序,第二验证程序的接受条件包括该外部资源具公信力认证,且第二验证程序的接受条件通过后,第一验证程序的日志记录通讯节点N0获得的地理坐标及精确指数。同样的,第一验证程序的日志记录也可记录包含通讯节点N0及第一枢纽通讯节点NA、NB、NC的唯一标识符。通讯节点N0根据第一枢纽通讯节点NA、NB、NC的一唯一标识符由第一验证程序的日志记录获得第一枢纽通讯节点NA、NB、NC的地理坐标及精确指数,以进行相对定位算法的运算。

请参阅图6A及图6B,其为本发明的一实施例的渐进式全球定位系统的车辆定位应用的第一示意图及第二示意图。图6A及图6B举例说明渐进式全球定位方法在车辆内部空间中的应用。多个通讯节点Nv将被设置在车辆上。这些通讯节点Nv不仅在车辆移动时实时获得其地理坐标,而且还做为车辆内部位置信息利用者的枢纽通讯节点。多个「车辆通讯节点」Nv设置在火车T及汽车C上;在另一实施例中,这些车辆通讯节点Nv也可设置于公共汽车及其它各种交通工具上。这些车辆通讯节点先对路边固定的枢纽通讯节点NF(第一枢纽通讯节点)执行相对定位算法,获得其绝对地理坐标及精确指数。之后,这些车辆通讯节点Nv可做为车辆上随身装置的枢纽通讯节点,以便于其位置数据的利用。这样,即使没有GPS或互联网连接,车辆上的随身装置也可以知道其精确位置。随身装置(如智能型手机)上的应用程序不但可以依靠绝对位置来识别其在地理地图上的位置,还可以了解其在车辆中的参考位置。因此,在一些应用的例子中,乘客可以被引导到某一座位或找到走动的列车长。在车辆上收集到的惯性运动传感器(如加速度计及陀螺仪)数据可进一步用于提高车辆通讯节点Nv的绝对地理坐标的精确度。这可以通过车辆的已知轨迹和此轨迹的起始点的已知位置来完成。利用惯性导航辅助,即使暂时无法取得路边固定枢纽通讯节点NF的协助,车辆通讯节点Nv仍可持续提供服务。也就是说,多个通讯节点Nv分布在移动中的车辆的内部空间且固定的枢纽通讯节点NF(第一枢纽通讯节点)设置于车辆以外的固定位置,而经由相对定位算法的运算取得地理坐标及精确指数之后,通讯节点Nv参与车辆内部的一行动装置的相对定位算法的执行。

在另一方面,本发明还涉及用于车辆防撞的通讯节点。道路上相邻的车辆可安装车辆通讯节点Nv,如此即可进行车辆间测距以找到行驶中的车辆之间的相对位置。介于相邻车辆之间的无线电干扰较少且因距离短,信号衰减较小;故可以在极短的协作时间内得到高精确度的相对定位。如此无论是否具有互联网连接,皆可以在车辆之间设计防撞机制。如果将IEEE802.11ax WiFi用于此防撞网络,在开启OFDMA时延迟(Latency)可以低至7.6mS,如一些现有参考文献所述;另外,即使车辆以70Km/h的速度行驶,车辆的反应精确度也将可达到次米(Sub-meter)级。

在另一方面,本发明还涉及近接感知的应用;通讯节点(此通讯节点已参与前述相对定位算法的运算)可以内含一致动器(actuator)以触发一物体的移动。此应用将对大楼的门禁管制很有帮助。方法如下:一移动通讯节点(如智能型手机)接近大楼时,大楼门禁含一致动器的枢纽通讯节点要求进行认证。此移动通讯节点可将其身份信息,如一段明文「我是张三」,以其私钥加密,而由枢纽通讯节点凭此移动通讯节点的唯一公钥(即唯一标识符)解密之,只要解密后的身份信息(如前述的明文)可辨识,即属认证成功;反之,若此移动通讯节点的唯一公钥被恶意复制,但进行复制的恶意通讯节点并无原公钥持有人的私钥,则无论其使用何私钥将身份信息加密,均无法通过该唯一公钥获得有意义的明文。这也就是现有的「数字签名」的技术。通过身份信息的唯一公钥,枢纽通讯节点可解密并获得可辨识的身份信息,因而启动致动器以触发门的移动,以打开大门。若将移动通讯节点安装在汽车中并拥有可识别的唯一公钥,则此移动通讯节点也可以通过类似的方式进出停车场。致动器用于打开大楼或停车场的大门。上述的大楼门禁的枢纽通讯节点要求进行认证及密文传递虽不在相对定位算法中常用的单向广播及双向飞时测距的简单通讯规则的范围,仍可通过「位置大众表示法」帧或通过网络连接传递信息。也就是说,当至少一个参与相对定位算法的运算的通讯节点(即前述的门禁的枢纽通讯节点)具有致动器且利用移动通讯节点的唯一标识符以数字签名技术解密由移动通讯节点的私钥加密的身份信息时,此通讯节点根据身份信息决定是否启动致动器以控制受控装置。

请参阅图7,其为本发明的一实施例的渐进式全球定位系统的进阶应用的示意图。图7举例说明如何将本发明延伸至高可用性(High Availability)及高安全性的应用。若相邻节点同意进入互助机制,通讯节点除了交换地理坐标及精确指数外可通过唯一公钥识别他方以相互交换信息。互助信息的传递虽不在相对定位算法中常用的单向广播及双向飞时测距的简单通讯规则的范围,仍可通过「位置大众表示法」帧或通过网络连接传递信息。一警示通讯节点,如一欲发送危难信号的用户所使用的移动电话M或一安装有低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy,BLE)标签的丢失的物品L(如行李)进入由相互协作节点群(以下简称「节点群」)A服务的区域。此节点群A由多个通讯节点NHa组成,其中部分具有蓝牙网桥(Bluetooth bridge)。加密的警报信息Fr可以传递到节点群B中的另一个通讯节点NHb(在无线电范围内),也可以传递到互联网中的警示服务器WS,这即使在节点群A的互联网连接已断开时也可照常进行。使用邻近的通讯节点(如图中相邻的通讯节点NHa、NHb)对于系统可靠性、高可用性和安全性的考虑很有帮助。一个通讯节点NHa可以绕过其通常的互联网连接,并在邻近的通讯节点NHb的帮助下报告联机中断、警示或紧急求救信号(如果该警报信息Fr确实表示警报信息Fr的目的地)。若一高精确指数等级的相邻通讯节点消失,也可能构成警示。若地理位置数据是警示的重要部分,则也可以将枢纽通讯节点的唯一标识符或地理坐标转发。采用电池供电的低功耗蓝牙的通讯节点非常适合在电力中断时,在相当长的一段时间内保持警示状态。若丢失的物品L安装了相互协作通讯节点的固件,则可能通过隐秘的方式被找到。也就是说,至少一个参与相对定位算法的运算的通讯节点(如节点群A中的任一通讯节点)可将警示通讯节点(如移动电话M或丢失的物品L)的警报信息Fr传递到另一通讯节点(如节点群B中的任一通讯节点)或警示通讯节点所指定的互联网位置。

警报信息Fr可以被设计为表达无可否认处于某个位置(Undeniable presence)的证据。如图7所示,节点群B(或节点群A,若节点群B未保持互联网连接)中的一个通讯节点可以在侦测到警示后触发一「无效(Null)」相对定位算法和精确指数等级提升的第一智能合约的执行。请求的目的并不是要通过智能合约,因为不存在具有更高精确指数等级的新枢纽通讯节点。它的设计目的是在账本中保留一笔记录,以标示其与处于警示状态的装置共存的时间。这可能需要多个通讯节点来执行相对定位算法和「无效」精确指数等级提升的智能合约请求,以便处于警示状态的装置至少参与其中的一个。由于账本中的记录是无可否认的,因此在特定时间处于警示状态的装置的位置也是无可否认的。另外,警报信息发生时的真确地点也可标示在账本的记录中。也就是说,一行动装置可选择性触发执行一区块链的一第一智能合约,并根据账本中保留的记录标示警报信息发生时的真确地点。此时警报信息Fr只需包含警示通讯节点的唯一标识符,则接收到Fr的收件人即可自账本查获该警示通讯节点无可否认的位置。

以上所述仅为举例性,而非为限制性者。其它任何未脱离本发明的精神与范畴,而对其进行的等效修改或变更,均应该包含于本案的保护范围内。

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