一种面向可见光通信的多接收点几何中心定位系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用室内可见光通信系统进行精确定位的方法，属于可见光通信领域，在室内布置任意数目的发光二极管(LED)灯，设定每个LED灯的信号发射功率相同且每个LED灯的绝对位置固定已知，需要被定位的终端上配置有若干个接收装置，这些接收装置的相对位置已知，通过测量终端上接收装置的光信号功率，计算确定这组接收装置的几何中心位置，即可获得终端位置坐标。本发明考虑的可见光定位系统适用于现有常见移动终端设备如配置多摄像头的手机，便携平板电脑等，定位方法针对多接收点相对位置已知特点建立了简洁的位置估计表达式，定位计算效率高，精度准确。
【专利说明】一种面向可见光通信的多接收点几何中心定位系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种室内可见光通信系统中的多接收点几何中心定位系统及方法，属 于可见光通信领域。
【背景技术】
[0002] 随着，室外定位的发展，最近室内定位受到广泛的关注，成为一个越来越热的研究 领域。室内定位主要是指对室内的人或物体进行定位，并提供一些基于定位的服务，如私人 服务，自动化机器人控制，手机商务，追踪服务和导航协助。至今为止，已经提出了许多基于 定位的研究，并且一些技术和产品已经用于室内定位，如射频信号，无线局域网（Wifi)，红外 线，激光（laser),超声波（ultrasound)等等。一般来说，射频信号是现今室内定位的主要 方式，但无线定位的精度只能达到米的级别。Wifi定位系统也被研究过，但结果都是通过实 验获得。这些技术定位都是有局限的，如定位精度较低从几十分米到几米，大多有电磁干 扰，需要额外的设备，低安全性等。
[0003] 为了克服这些缺点，基于可见光系统（VLC)的定位系统越来越流行。LED具有较长 的生命周期，对湿度有很高的忍受度，功率消耗较低和环境友好等特点。而且，LED灯可以将 电信号调制成光波信号后在很高的速度上传输。基于这些性质，在可见光通信系统中，LED 灯不仅作为一个照明设施，也是一个通信仪器。在过去的研究中有很多不同的定位算法已 经被提出，其中主要是几何方法。几何方法包含两部分：三边定位和三角定位。三边定位通 过多个接收点与目标的距离从而实现定位。而接收点与目标的距离主要通过测量接收信号 的功率（RSS)，到达时间（Τ0Α)和到达时间差（TD0A)。三角定位主要通过多个接收点与目 标的角度从而实现定位。这些定位方法一般只有一个接收装置，即是定位目标，而且传统定 位方案需要穷举遍历，系统计算复杂。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种室内可见光通信系 统中的多接收点几何中心定位系统及方法，达到定位计算效率高，精度准确的效果。
[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] -种面向可见光通信的多接收点几何中心定位系统及方法，包括如下步骤：
[0007] 1)在室内天花板上布置若干个信号发射功率相同的LED灯作为光信号发射端； 在需要定位的终端上配置若干个光接收装置作为信号接收端，所述若干个光接收装置以终 端的几何中心点为中心在终端上布置成正多边形，可知光接收装置的相对于终端的位置关 系：
[0008]
【权利要求】
1. 一种面向可见光通信的多接收点几何中心定位系统及方法，其特征在于：包括如下 步骤： 1) 在室内天花板上布置若干个信号发射功率相同的LED灯作为光信号发射端，在需要 定位的终端上配置若干个光接收装置作为信号接收端，所述若干个光接收装置以终端的几 何中心点为中心在终端上布置成正多边形，可知光接收装置的相对于终端的位置关系：
并且布置的LED灯与光接收装置的数目之和大于或者等于4 ; 其中￠ = 1,2,...,Λ〇分别为光接收装置在二维平面内的横坐标和纵坐标，N为光 接收装置的数目；X，y为终端几何中心在二维平面内的横坐标和纵坐标；r为正多边形的中 心点到各个顶点的距离；以正多边形的中心点为极点，建立极坐标，设任意一个光接收装置 为第一个光接收装置，S为第一个光接收装置的极坐标角； 2) 测量每个光接收装置接收到的光信号功率，得到每个LED灯与各个光接收装置之间 的直线距离d，测量LED灯所在平面到光接收装置所在平面的垂直距离h，根据直角三角形 原理得到每个LED灯与各个光接收装置间的水平距离D ; 3) 通过LED灯与光接收装置在二维平面内的坐标关系得到每个LED灯与各个光接收装 置间的水平距离D，列出通过坐标关系得到的所有水平距离D与步骤2)得到的所有水平距 离D相等的等式；其中，LED灯在二维平面内的横坐标和纵坐标为I，2，···，Μ) μ为 LED灯的数目；根据步骤1)中的位置关系与所有水平距离D的等式建立带有终端坐标的线 性方程，将线性方程表示成矩阵形式，通过经典估计方法计算得到光接收装置的几何中心 点的横坐标和纵坐标，该几何中心点的横坐标和纵坐标即为需要定位的终端几何中心点的 坐标。
2. 根据权利要求1所述的一种面向可见光通信的多接收点几何中心定位系统及方法， 其特征在于：所述步骤2)包括如下步骤： 设在室内天花板上布置Μ个LED灯：第一个LED灯，乃_)，第二个LED灯 A (? ,3? )，…第Μ个LED灯4 (今"，J'rti)，其中气，坆= 1，2，...，^0分别为LED灯在二维 平面内的横坐标和纵坐标；在终端上设置N个光接收装置，光接收装置表示为：第一个光 接收装置曷（?，3? )，第二个光接收装置A (4，乃^)，…第N个光接收装置Ajv (?，_>χ.); -?(,· = l，2，".v/V); 21) 测量每个光接收装置接收到的光信号功率Pr，得到MXN个接收到的光信号功率； 22) 根据公式Pr = H(0)*Pt，得到每个LED灯与各个光接收装置之间的直线距离d ; 其中H(0)为信道直流增益，〃(〇)=
」cos"(0)cosW)，η为LED灯的朗伯模型阶 数;A表示每个光接收装置表面接收到光的面积，Φ为LED灯的辐射角度，Θ为光接收装置 的入射角；Pt为LED灯的信号发射功率；
可得各个LED灯与接收装置的水平距离D。
3.根据权利要求2所述的一种面向可见光通信的多接收点几何中心定位系统及方法， 其特征在于：所述步骤3)包括如下步骤： 31)通过LED灯与光接收装置的坐标关系得到MXN个水平距离D，列出通过坐标关系 得到MXN个水平距离D与步骤2)得到MXN个水平距离D相等的等式；根据步骤1)中的 位置关系与MXN个水平距离D的等式建立带有终端坐标的线性方程，得到MN-1个等式，将 MN-1个等式写成矩阵形式为： Ax = b 其中χ为终端的位置坐标；
32)根据下面公式利用最小二乘准则估计光接收装置的几何中心位置： X = (ATA"ATb 其中（.）TS矩阵的转置，（.Γ1为逆矩阵。
【文档编号】G01S5/16GK104297726SQ201410573357
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】许威, 王佳, 张华
申请人:东南大学