无线装置以及定位方法
阅读说明：本技术 无线装置以及定位方法 (Wireless device and positioning method ) 是由 刘一如 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：本文件提供一种无线装置以及定位方法。无线装置包含天线模块以及控制器。天线模块包含多个天线,其中各天线围绕一基准点等间距地设置。控制器耦接天线模块,并计算各天线的一信号强度以于这些天线中选择多个关注天线；两两计算这些关注天线的信号,以获得多个合成信号；以及根据这些合成信号计算多个相位角,以使用这些相位角计算一定位角度。如此一来,使用准确度较低但为唯一的相位角(即粗略角),于准确度较高的多个相位角当中进行筛选,以选出与粗略角的夹角最小的相位角,而可找到高准确度的定位角度,以提升定位的精确度。(This document provides a wireless device and a positioning method. The wireless device comprises an antenna module and a controller. The antenna module includes a plurality of antennas, wherein each antenna is disposed at equal intervals around a reference point. The controller is coupled with the antenna module and calculates a signal strength of each antenna so as to select a plurality of concerned antennas from the antennas; calculating the signals of the concerned antennas pairwise to obtain a plurality of composite signals; and calculating a plurality of phase angles according to the synthesized signals so as to calculate a positioning angle by using the phase angles. In this way, a phase angle (i.e., a coarse angle) with low accuracy but only is used to perform a screening process among a plurality of phase angles with high accuracy to select the phase angle with the smallest included angle with the coarse angle, so as to find a high-accuracy positioning angle, thereby improving the positioning accuracy.)
技术领域
本案是有关于一种天线及适用于天线的方法，且特别是关于无线装置使用天线的定位方法。
背景技术
在目前的无线通讯技术中提供许多室内的位置导向服务(Location BasedService，LBS)技术，例如使用Wi-Fi、蓝牙、红外线、ZigBee等技术。举例来说，基地台可基于接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)，监测信号强度来判断与信号源的距离。然而，RSSI技术量测的距离的精准度较低，容易受环境因素干扰而导致准确度下降。
另一方面，室内的位置导向服务受到天线配置方式的影响。举例来说，若天线为线性排列配置，则仅能量测特定方位的信号源，使得定位服务受到限制。
目前的定位技术尚存在测量上的问题，有鉴于此，如何改善准确度是亟需解决的问题。
发明内容
根据本文件的一实施例，揭示一种无线装置，无线装置包含天线模块以及控制器。天线模块包含多个天线，其中各天线围绕一基准点等间距地设置，控制器耦接天线模块，控制器用以依据各天线的一信号强度于这些天线中选择多个关注天线；两两计算这些关注天线的信号，以获得多个合成信号；以及根据这些合成信号计算多个相位角，以使用这些相位角计算一定位角度。
根据一实施例，其中多个天线组成多个天线对，使基准点位于各天线对的连线中心，其中控制器还用以判定各天线对中具有较大的强度的天线以作为关注天线。
根据一实施例，其中这些关注天线两两之间的距离为一基线长度，其中控制器还用以当这些关注天线为连续相邻时，使用具有小于一门槛长度的基线长度的这些关注天线的这些合成信号中的最大者以计算一粗略角，以及使用具有不小于门槛长度的基线长度的这些关注天线的合成信号计算这些相位角。
根据一实施例，其中控制器还用以根据一初始角度将这些相位角调整为多个全域角；分别计算这些全域角与粗略角的一差值；以及输出这些差值中最小者所对应的全域角以作为定位角度。
根据一实施例，其中这些关注天线两两之间的距离为一基线长度，其中控制器还用以当这些关注天线不为连续相邻时，使用具有不小于门槛长度的基线长度的这些关注天线的合成信号以计算这些相位角。
根据另一实施例，揭示一种定位方法，其适用于围绕一基准点等间距地环绕设置的多个天线。定位方法包含以下操作：依据各天线的一信号强度于这些天线中选择多个关注天线；两两计算这些关注天线的信号，以获得多个合成信号；以及根据这些合成信号计算多个相位角，以使用这些相位角计算一定位角度。
根据一实施例，其中这些天线组成多个天线对，使基准点位于各天线对的连线中心，定位方法还包含选取各天线对中具有较大的强度的这些天线以作为这些关注天线。
根据一实施例，其中这些关注天线两两之间的距离为一基线长度，定位方法还包含当这些关注天线为连续相邻时，使用具有小于一门槛长度的基线长度的这些关注天线的这些合成信号中的最大者以计算一粗略角，以及使用具有不小于门槛长度的基线长度的这些关注天线的合成信号计算该些相位角。
根据一实施例，其中定位方法还包含根据一初始角度将这些相位角调整为多个全域角；分别计算这些相位角与粗略角的一差值；以及输出这些差值中最小者所对应的相位角以作为定位角度。
根据一实施例，其中这些关注天线两两之间的距离为一基线长度，定位方法还包含当这些关注天线不为连续相邻时，使用具有不小于门槛长度的基线长度的这些关注天线的合成信号以计算这些相位角。
附图说明
以下详细描述结合随附附图阅读时，将有利于较佳地理解本文件的态样。应注意，根据说明上实务的需求，附图中各特征并不一定按比例绘制，出于论述清晰的目的，可能任意增加或减小各特征的尺寸。
图1绘示根据本文件一些实施例中一种无线装置的功能方块示意图。
图2绘示根据本文件另一些实施例中一种无线装置的功能方块示意图。
图3绘示根据本文件一些实施例中一种定位方法的操作流程图。
图4绘示根据本文件一些实施例中操作于图3的定位方法的天线配置示意图。
图5绘示根据本文件一些实施例中操作于图3的定位方法的另一天线配置示意图。
具体实施方式
以下揭示内容提供许多不同实施例或实例，以便实施本文件的不同特征。下文描述元件及排列的特定实例以简化本文件。当然，该等实例仅为示例性且并不欲为限制性。
请参照图1，其绘示根据本文件一实施例中一种无线装置100的功能方块示意图。无线装置100包含天线模块110以及控制器120。天线模块110包含天线111a～111g。天线111a～111g用以接收无线射频信号。
在一些实施例中，天线模块110还包含切换开关113以及收发器115。切换开关113耦接于天线111a～111g以及收发器115。切换开关113用于切换地接收天线111a～111g的信号，这些信号透过收发器115被传送至控制器120。
控制器120耦接于天线模块110。在一些实施例中，控制器110用以执行图3的定位方法，其将于后详述。
请参照图2，其绘示根据本文件另一些实施例中一种无线装置200的功能方块示意图。无线装置200相同于图1的无线装置100的元件以相同的标号表示，以下仅说明不同之处。
如图2所示，无线装置200包含天线模块210以及控制器120。天线模块210耦接于控制器120。天线模块210包含天线111a～111g以及收发器215a～215f。天线111a耦接于收发器215a。天线111b耦接于收发器215b。天线111c耦接于收发器215c。天线111d耦接于收发器215d。天线111e耦接于收发器215e。天线111f耦接于收发器215f。收发器215a～215f可以同时接收天线111a～111g的信号，使得控制器120可同步地处理多个信号。
值得一提的是，图1的无线装置100与图2的无线装置200以六个天线作为说明。在另一些实施例中，无线装置100与无线装置200的天线个数是符合正多边形的边数，例如三个天线、四个天线、八个天线、十个天线、十二个天线等，本文件不以六个天线为限。
请参照图3，其绘示根据本文件一些实施例中一种定位方法300的操作流程图。定位方法300适用于具有多个环状排列的天线的无线装置100与无线装置200。
为清楚说明天线的环状排列，请参照图4，其绘示根据本文件一些实施例中操作于图3的定位方法300的天线配置示意图。在图4中的天线配置是六个环状排列的天线。环状排列是指依据正六边形400包含长度为λ/2的六个边以及其基准点O，使天线A1～A6分别设置在正六边形400的六个边的中点上。因此，天线A1～天线A6形成围绕着基准点O等间距的环状设置。
由于正六边形600的特性，相邻的两天线之间的基线长度为0.433λ，即天线A1与天线A2的基线长度(即A1与天线A2之间的直线距离)、天线A2与天线A3的基线长度、天线A3与天线A4的基线长度、天线A4与天线A5的基线长度、天线A5与天线A6的基线长度以及天线A1与天线A6的基线长度分别为0.433λ。
另一方面，对于间隔一个跳跃(one hop)的天线之间的基线长度为0.75λ，例如天线A1与天线A3的基线长度(即A1与天线A3之间的直线距离)、天线A3与天线A5的基线长度以及天线A1与天线A5的基线长度分别为0.75λ。
值得一提的是，在天线的基线长度的特性中，一般而言，当基线长度小于0.5λ时，由这两个天线所形成的合成信号，在这个距离内，其相位差只包含一个唯一解(唯一相位角)。另一方面，当基线长度不小于0.5λ时，由这两个天线所形成的合成信号，其相位差包含多个解(多个相位角)。在图4中，天线A1～A6经配置而使得基线长度小于0.5λ，因此基于两个相邻的天线所得到的合成信号，可以计算出唯一的相位角。
以下说明图1及图2的控制器120以图4的天线配置来执行图3的定位方法300的各个操作。
在操作S310中，控制器120接收多个天线A1～A6的信号，并计算这些天线A1～A6中两两相对于基准点O的天线对的信号的强度。举例来说，相对于基准点O的三个天线对为天线A1与天线A4、天线A2与天线A5、天线A3与天线A6。控制器120接收此些天线的信号后，分别根据公式1及公式2计算信号的强度：
Strength＝Amplitude2/Resistance…(公式2)
在公式1中，I为天线的信号的实部信号，Q为天线的信号的虚部信号。在公式2中，Amplitude为公式1计算的振幅，Resistance为天线的阻抗值。在一些实施例中，控制器120可根据I值与Q值来参考一查找表，而获得公式1的振幅。如此，使用查表的方式可以减少计算振幅的运算成本。
计算出天线A1～A6的信号的强度后，在操作S320中，控制器120分别判定各天线对中具有较大的信号强度的天线，以作为关注天线。在一些实施例中，天线A1与天线A4中信号强度较大者为天线A1，天线A2与天线A5中信号强度较大者为天线A2，天线A3与天线A6中信号强度较大者为天线A3。因此，天线A1、天线A2以及天线A3是三个关注天线。也就是说，控制器120由此可初步判定信号来源在靠近天线A1～A3的侧。在接下来的信号处理中，仅处理关注天线的信号即可。如此一来，可以减少不必要的信号运算处理，提升定位的速度。
在操作S330中，控制器120判断该些关注天线是否为连续相邻的天线。举例来说，天线A1～A3为等距且环状设置的天线A1～A6当中的连续相邻的天线。
若在操作S330中，判定天线A1～A3为相邻的天线，则在操作S340中，控制器120两两计算关注天线的信号，以获得多个合成信号。举例来说，控制器120根据公式3～公式4计算两个关注天线的合成信号的振幅：
StrengthAiAj＝AmplitudeAiAj 2/Resistance…(公式4)
在公式3中，AmplitudeAiAj为两个关注天线Ai及Aj的合成振幅。
在公式4中，StrengthAiAj为根据合成振幅AmplitudeAiAj计算得到的强度。在一些实施例中，控制器120可根据I值与Q值来参考一查找表，而获得公式3的振幅。
举例来说，控制器120使用公式3计算天线A1与天线A2的合成信号的合成振幅AmplitudeA1A2，天线A2与天线A3的合成信号的合成振幅AmplitudeA2A3，以及天线A1与天线A3的合成信号的合成振幅AmplitudeA1A3。接着，再以公式4计算得到各合成信号的强度StrengthA1A2、StrengthA2A3以及StrengthA1A3。
接着，控制器120根据公式5～公式6计算两个关注天线的合成信号的相位差与相位角：
在公式5中，PhaseAiAj为两个关注天线Ai及Aj的合成信号的相位差。在一些实施例中，控制器120可根据I值与Q值来参考一查找表，而获得公式5的相位差。
在公式6中，AngleAiAj为根据合成信号的相位差所计算得到的相位角。其中，λ为波长，d为天线之间的基线长度。在一些实施例中，控制器120可根据相位差来参考一查找表，而获得公式6的相位角。值得一提的是，上述相关公式仅为例示说明，并非用以限制本案的实现方式，本技术领域人员可依据需求而修正、改变相关公式的计算方式和/或参数数值以符合实际状况。
在操作S350中，当控制器120判断关注天线为连续相邻的天线时，根据具有小于门槛长度的基线长度的关注天线，使用此些关注天线的合成信号中的最大者来计算一粗略角。举例来说，关注天线A1与A2之间的基线长度为0.477λ，关注天线A2与A3之间的基线长度为0.477λ，以及关注天线A1与A3之间的基线长度为0.75λ。在一实施例中，门槛长度为0.5λ。控制器120以基线长度小于门槛长度的关注天线A1与A2的合成信号及关注天线A2与A3的合成信号来计算粗略角。
控制器120执行操作S350时，在一些实施例中，当判定天线A1与天线A2的合成信号的信号强度大于天线A2与天线A3的合成信号的信号强度时，则使用天线A1与天线A2的合成信号的相位差来计算出相位角，并以此相位角作为粗略角。在另一些实施例中，当判定天线A2与天线A3的合成信号的信号强度大于天线A1与天线A2的合成信号的信号强度时，则使用天线A2与天线A3的合成信号的相位差来计算出相位角，并以此相位角作为粗略角。
在操作S360中，控制器120使用关注天线的合成信号计算多个相位角，并根据一初始角度将这些相位角调整为多个全域角。在一些实施例中，如图4所示，法向量N12为天线A1与天线A2的基线的垂直向量，法向量N22为天线A2与天线A3的基线的垂直向量，法向量N13为天线A1与天线A3的基线的垂直向量。由于天线A1～A6之间的距离与位置为已知的参数，因此可以藉由设定其中一个合成向量的初始值角度，再以相对角度来计算其他合成向量的角度，来获得全域角。
举例来说，控制器120将天线A1与天线A2的合成信号视为俯视平面的初始角(例如0°)，因此调整后的角度为全域角θ+0°，其中θ为各天线的基线的法向量与视线角(line ofsight)的夹角。天线A1与天线A3的合成信号经过θ1的角度调整后，得到全域角θ+θ1。天线A2与天线A3的合成信号经过θ2的角度调整后，得到全域角θ+θ2。在一些实施例中，θ1为30°，θ2为60°。如此一来，可以将各天线信号的相位角的角度调整至相同的座标系上，完成角度正规化。
值得一提的是，在一实施例中，天线A1与天线A3的基线长度0.75λ大于0.5λ，因此可从基线长度较大的天线A1与天线A3的合成信号中算出多个相位角，以于此操作中获得天线A1与天线A3的合成信号的多个全域角。
在操作S370中，控制器120分别计算各合成信号的全域角与粗略角的差值，并输出差值中最小者所对应的全域角作为定位角度。举例来说，如上所述，可从天线A1与天线A3的合成信号来计算出多个全域角。若控制器120判断天线A1与天线A2的合成信号的信号强度大于天线A2与天线A3的合成信号的信号强度，则以天线A1与天线A2的相位角作为粗略角，并以天线A1与天线A3的多个全域角分别减去粗略角，而得到多个差值。在另一实施例中，这些差值是透过分别计算天线A1与天线A2的全域角以及天线A1与天线A3的多个全域角之间的差值来获得。接着，再从此些差值中判断最小者，或者从此些差值中判断小于预设门槛值者，而可得到最接近粗略角的全域角为何。
在一实施例中，上述的差值可以为两数值的差值或者是差值的绝对值。因此，本文件透过找出最小角度差值的作法，于多个全域角中得到真正最靠近信号来源的角度。以此实施例来说，本文件先计算出基线长度较长的天线A1与天线A3的合成信号的多个全域角，再以信号强度较大的天线A1与天线A2的合成信号来从这些全域角中选出最正确的信号来源的角度。
请复参照操作S330，若在操作S330中判断关注天线不是连续相邻的天线时，则执行操作S380。在操作S380中，控制器120两两计算关注天线的信号以获得多个合成信号，并使用关注天线的合成信号计算多个相位角，以作为定位角度，说明如下。
请复参照图4，在一些实施例中，若在操作S330中判断关注天线为天线A1、天线A3及天线A5。接着，使用前述公式3～公式4，来分别计算出天线A1与天线A3的合成信号的强度、天线A3与天线A5的合成信号的强度，以及天线A1与天线A5的合成信号的强度。使用前述公式5～公式6，分别计算出天线A1与天线A3的合成信号的相位角、天线A3与天线A5的合成信号的相位角，以及天线A1与天线A5的合成信号的相位角。控制器120于此些合成信号中找出具有最大信号强度者。举例来说，天线A3与天线A5的合成信号具有最大的信号强度。
在本实施例中，由于天线A1与天线A3的基线长度、天线A3与天线A5的基线长度以及天线A1与天线A5的基线长度均为0.75λ(大于门槛长度0.5λ)，因此控制器无法从天线A1与天线A3的合成信号、天线A3与天线A5的合成信号，以及天线A1与天线A5的合成信号中计算出唯一的相位角。因此，控制器120于找到信号强度较大的合成信号后，即以这合成信号计算出多个相位角，作为定位角度。举例来说，将天线A3与天线A5的合成信号所得到的多个相位角来作为定位角度。
值得一提的是，在操作S380中，由于没有计算出粗略角而不需对多个相位角进行过滤，因此不需要对多个相位角执行角度正规化，而是直接以多个相位角作为定位角度。
也就是说，在操作S330中判断关注天线是否为连续相邻的天线，在后续操作上的差别在于，在关注天线是连续相邻的态样中，会存在部分的基线长度不超过0.5λ，而可计算出唯一的一个相位角来作为粗略角，而可以此粗略角再于另一个合成信号的多个相位角中进行过滤筛选，以得到与粗略角的夹角最小的相位角。
在图4的实施例中，天线A1与天线A2的基线长度为0.433λ，天线A1与天线A3的基线长度为0.75λ，此二个数值为互不和谐(mutual non-harmonic)、非整数倍(non-integral-multiple)以及互质(co-prime)。因此，可以在多个(准确度较高的)相位角中根据(准确度较低的)粗略角中过滤筛选，以输出高准确度的相位角。
请参照图5。图5绘示根据本文件一些实施例中操作于图3的定位方法300的另一天线配置示意图。如图5所示，在图5中的天线配置是四个环状排列的天线。正四边形500包含长度为λ/2的四个边。天线A1～A4分别设置在正四边形500的四个边的中点上。因此，天线A1～天线A4形成围绕着基准点O等间距的环状设置。由于正四边形500的特性，天线A1与天线A2的基线长度(即A1与天线A2之间的边长)、天线A2与天线A3的基线长度(即A2与天线A3之间的边长)、天线A3与天线A4的基线长度(即A3与天线A4之间的边长)以及天线A1与天线A4的基线长度(即A1与天线A4之间的边长)均为0.3536λ。
在图5的实施例中，以天线A1～A4的信号来执行定位方法300时，在操作S330中，关注天线势必为两个相邻的天线，举例来说，在执行操作S310及操作S320时，当天线A1的信号强度大于天线A3的信号强度以及当天线A2的信号强度大于天线A4的信号强度，而得到关注天线为天线A1与天线A2。在一些实施例中，在执行操作S360调整全域角时，在正四边形500的配置下，使用θ1为45°角，使用θ2为90°角。接着，相似于上述，执行操作S340～S370可得到定位角度。相关说明请参照上述内容，于此不予重述。
本文件以正四边形的天线配置(如图5)以及正六边形的天线配置(如图4)作为实施例说明。然而，本文件不以此些态样为限，任何正多边形的天线配置均属本文件的范畴。
如此一来，本文件提出的无线装置100、200与定位方法300可以同时解决天线间基线长度小于0.5λ时，虽然可以得到唯一的一个相位角，但定位准确度较低，而天线间基线长度不小于0.5λ时，虽然定位准确度较高，但会产生复数相位角的技术问题。也就是说，本文件使用准确度较低但为唯一的相位角(即粗略角)，于准确度较高的多个相位角当中进行筛选，以选出与粗略角的夹角最小的相位角，而可找到高准确度的定位角度，提升定位的精确度。
上文概述若干实施例的特征，使得熟悉此项技术者可更好地理解本文件的态样。熟悉此项技术者应了解，可轻易使用本文件作为设计或修改其他制程及结构的基础，以便实施本文所介绍的实施例的相同目的及/或实现相同优势。熟悉此项技术者亦应认识到，此类等效结构并未脱离本文件的精神及范畴，且可在不脱离本文件的精神及范畴的情况下产生本文的各种变化、替代及更改。