一种基于CDMA调制的RSS/AOA三维定位方法与流程

本发明涉及可见光通信技术，特别涉及一种基于CDMA调制的RSS/AOA三维定位方法。
背景技术：
：自主机器人控制、私人服务，位置识别、急救和导航援助迅速增加等等。其中定位的一个不可或缺的技术。直到最近，定位系统的研究一直集中在全球卫星定位系统(GPS)、RF-ID，红外，超声波，和WLAN。全球定位系统一直被视为一种有效的在室外环境中对各种对象跟踪的手段，但是，全球定位系统信号在一些区域，如在隧道或建筑物的内部区域中不能使用。由于多径效应和无线电干扰的影响，准确的定位在室内环境中是困难的。室内定位系统的研究已经进行了使用射频，红外线，超声波，和无线局域网，而这些系统也有比较大的各方面的缺陷，如存在额外的基础设施，测量误差大，跟踪范围窄，抗电磁干扰性弱，安全性低，响应时间长，和低的可扩展性。由于这些原因，最近使用光学可见光无线通信的室内定位系统(owvlc)被作为有效的替代手段得到普及。基于发光二极管(LED)owvlc适用于室内定位，因为它的接收信号功率由光电流决定的，而光电流是由接收信号功率产生的的，而它又大大受到传输距离和角度的影响，因此，OWVLC可以提供更准确的位置估计比现有系统。然而,传统的三角定位方法存在由于多径效应和多个参考点而引起的码间干扰所导致的定位准确性不足，数据误差大，不能满足基本照明要求的弊端技术实现要素：为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提出了一种基于CDMA调制的RSS/AOA三维定位方法的高精度室内可见光通信定位系统，通过利用CDMA调制中扩频码的正交性，每个LED发出的具有ID信息的光信号经过特定的PN码直接扩频，经由自适应滤波电路能分辨出各LED的ID信息和对应的信号功率大小。通过所述ID信息确定其所在区域，通过RSS三角定位方法利用信号功率大小的加权粗略估算其所在位置，通过AOA定位方法利用方位角和仰角精确计算其位置，实现室内精确定位。通过融合CDMA调制的RSS/AOA的三维定位方法可实现异步接收的高精度室内可见光通信定位系统。本发明的目的通过以下技术方案实现。一种基于CDMA调制的RSS/AOA三维定位方法，包括以下步骤：步骤1、对具有LED灯具ID信息的原始信号进行CDMA调制；步骤2、经过调制之后的信号通过LED驱动电路驱动LED灯具发出带有ID信息的光信号；步骤3、接收端同时接收多个从不同LED灯具发射出的具有ID信息的光信号，通过放大电路、自适应滤波电路和CDMA解扩模块对信号进行处理；由于扩频码的正交性，接收端能够分辨出各个具有不同LED灯具ID信息的光信号从而还原出LED灯具的ID信息以及测量各个光信号功率大小，通过RSS三角定位方法对接收端的位置进行粗略的估计；步骤4、测量出所述接收端与各个LED灯具之间的方位角和仰角，通过AOA定位方法对接收端的位置进行一个精确的计算，得出接收端的位置坐标，从而实现准确定位。进一步地，所述步骤1包括以下步骤：步骤11、对具有LED灯具ID信息的原始信号进行BPSK基带调制，形成基带调制信号，基带调制信号的带宽为A1；步骤12、将基带调制信号经过PN码发生器进行扩频处理，形成带宽为A2的扩频信号，而且A2远大于A1。进一步地，其所述步骤3和步骤4中，定位是通过ID信息确定接收端所在的区域，通过RSS三角定位方法对接收端的位置进行粗略的位置估算，通过AOA定位方法对接收端的位置进行精确的计算。进一步地，所述步骤3包括以下步骤：步骤31、所述接收端接收到多个不同LED灯具发射的具有ID信息的光信号并将其转变为电信号；电信号通过自适应滤波电路处理形成解扩前的信号；步骤32、所述CDMA解扩模块捕获PN码序列，通过同步电路调整本地PN码的相位，从而产生与发射端相同的PN码，对所述解扩前的信号进行解扩处理；由于扩频码的正交性，所以接收端能够还原出LED灯具的ID信息以及测量出信号功率的大小；通过ID信息来确定接收端所在区域；通过接收到的每个LED灯具的光信号的信号功率大小来对接收端位置进行粗略的估计；所得到的粗略的位置估计是接收到每个信号的信号功率大小的加权，其数学公式为：rRj=Σk=1NχkPk,j(Φk,j,θk,j)rskΣk=1NχkPk,j(Φk,j,θk,j)]]>其中，rRj为第j个接收端的坐标，χk为第k个灯具附加的二进制权重，Pk，j为就第j个接收端收到第k个灯具的信号功率大小，rsk为第k个灯具的理想坐标。Φk,j是LED灯具发射的光信号的出射角，θk,j是接收端接收到的光信号的入射角。进一步地，所述步骤4包括以下步骤：步骤41、测量得出各LED灯具与接收端之间的方位角βk与仰角αk；步骤42、利用几何关系计算出接收端的精确坐标，其数学表达式是：XYZ=XkYkZk+Dk,jsinαkcosβkDk,jsinαksinβkDk,jcosαk]]>其中X，Y，Z是接收端的坐标，Xk，Yk，Zk是第k个灯具的坐标Dk，j＝|rRj-rsk|，而Dk，j则可通过几何关系计算出来,其数学表达式为Dk,j=D1+(tanβk)2sinαk(tanβ1tanβ2)]]>D＝|rsk1-rsk2|；在每一个灯具与接收端之间都存在一个Dk，j,但只要算出其中一个灯具与接收端之间的Dk，j,即可计算出接收端的位置。所述基于CDMA调制的RSS/AOA三维定位方法的可见光通信室内定位方法采用的系统包括：信号发射部分、传输信道、信号接收部分。BPSK基带调制模块、CDMA扩频模块、LED驱动电路和LED灯具依次连接组成所述信号发射部分；光信号接收端、放大电路、自适应滤波电路和CDMA解扩模块依次连接组成所述信号接收部分；所述传输信道为三维室内空间。具有LED灯具ID信息的原始信号通过所述信号发射部分的BPSK基带调制模块和CDMA扩频模块进行基带调制和扩频后，驱动LED灯具将电信号转换为带有ID信息的光信号并且发射出去；所述光信号通过三维自由空间传输到达信号接收部分。所述光信号接收端接收经过三维室内空间传输的带有ID信息的光信号后,还原为电信号；所述电信号经过放大电路进行放大处理,然后通过自适应滤波电路去除噪声,接着通过CDMA解扩模块解扩。最终获得具有各个ID信息的电信号和信号功率大小。所述ID信息确定其所在区域，通过信号功率的加权粗略估算其所在位置，通过方位角和仰角精确计算其位置，实现精确定位。与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：(1)创新性地将CDMA调制技术应用于VLC系统中，在不增加器件带宽的前提下，成倍地提高了无线通信的速率与质量。(2)创新性的将RSS定位方法和AOA定位方法融合起来引用于VLC系统中，在减少了所需基础设施(LED灯具的数量)的同时，还提高了定位的准确度。附图说明图1为所模拟的室内环境示意图。图2为实现CDMA调制与解调的原理框图。图3为实现RSS/AOA的混合三维定位方法的原理框图。图4为实现RSS/AOA的混合三维定位方法的原理示意图。具体实施方式下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方法不限于此。实施例1如图1所示，一种基于CDMA调制的RSS/AOA可见光通信定位方法的系统模型。这是一个4m*4m*3.5m米的房间，图中①是参与定位的LED灯具；②是贡献噪声的LED灯具；③是离散的接收端的位置。十二盏LED灯具分成四行四列间隔均匀地分布在天花板上，以每四个LED灯具作为一个定位单元，通过四个灯具实现RSS定位方法，再通过上述四个灯具中的其中两个实现AOA定位方法，从而实现接收端的准确定位进一步的，如图2所示，所述的BPSK基带调制模块把具有LED灯具ID信息的原始信号转换成基带调制信号，基带调制信号的带宽为A1；所述CDMA扩频模块通过PN码发生器对基带调制信号进行扩频处理，将其转换成扩频信号；扩频信号的带宽为A2，A2远大于A1；在本案例中，采用直接序列扩频技术，并且采用PN码为扩频码；所述扩频信号经过LED驱动电路驱动LED灯具发射具有ID信息的光信号；所述光接收端接收经过自由空间到达的具有LED灯具ID信息的光信号并且转换为电信号；所述放大电路把电信号放大；所述放大后的信号经过自适应滤波电路去除噪声，形成解扩前的信号；所述CDMA解扩模块捕获PN码序列，通过同步电路调整本地PN码的相位，从而产生与发射端相同的PN码，对所述解扩前的信号进行解扩处理。从而还原出LED灯具的ID信息以及测量出信号功率的大小。进一步地，如图3、图4所示，首先根据信号的ID信息确定接收端所在的区域。然后利用RSS三角定位方法对接收端的位置进行一个粗略的估算；其数学公式为：rRj=Σk=1NχkPk,j(Φk,j,θk,j)rskΣk=1NχkPk,j(Φk,j,θk,j)]]>其中，rRj为第j个接收端的坐标。χk为第k个灯具附加的二进制权重；Pk，j为就第j个接收端收到第k个灯具的信号功率大小；rsk为第k个灯具的理想坐标，Φk,j是LED灯具发射的光信号的出射角，即光信号的传播方向与LED灯具的方向的夹角，其中LED灯具的方向用向量表示；θk,j是接收端接收到的光信号的入射角即光信号传播方向与接收端方向的夹角，其中接收端方向用向量表示。利用上述公式，计算出接收端粗略的位置坐标，将坐标信息发送回LED灯具，对接收端的位置信息进行更新。进一步地，在RSS定位方法所得到的粗略的位置上，利用AOA定位方法通过几何关系对接收端的位置进行一个精确的计算。测量出接收端与两个灯具之间的方位角和仰角，利用下列公式对接收端位置进行精确的计算。⑴---D＝|rsk1-rsk2|(2)---Dk,j=D1+(tanβk)2sinαk(tanβ1tanβ2)]]>(3)---XYZ=XkYkZk+Dk,jsinαkcosβkDk,jsinαksinβkDk,jcosαk]]>其中X，Y，Z是接收端的坐标，Xk，Yk，Zk是第k个灯具的坐标Dk，j＝|rRj-rsk|是LED灯具与接收端之间的向量，βk是LED灯具与接收端之间的方位角，αk是各LED灯具与接收端之间的仰角。首先使用公式(1)计算出两个实现AOA定位方法的LED灯具之间的位置向量D；接着使用公式(2)计算出其中一个LED灯具与接收端之间的向量Dk，j；最后使用公式(3)计算出接收端的坐标rRj，从而实现接收端的精确定位。把得到的精确的坐标发送给LED灯具，更新接收端的位置信息。进一步的，在一定的时间间隔之后，再重新利用RSS定位方法对接收端的位置进行粗略的估计，在此基础上再进行AOA定位方法对接收端的位置进行计算，更新接收端的位置信息。不断重复以上过程，从而实现对接收端准确的室内定位与跟踪。上述实施例仅为本发明的一种实施方法，但本发明的实施方法并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方法，都包含在本发明的保护范围之。当前第1页1 2 3