本发明涉及室内定位技术领域。
背景技术：
随着现代化建设的迅速发展，大型建筑物的数量正在不断增加，包括大量集购物、休闲、餐饮、娱乐、办公等功能为一体的大型综合商业中心、写字楼等人口密集区域。由于这类场所的环境结构复杂，人们对区域认知有限，导致在发生险情时，容易造成极大的安全事故和经济损失，也增加了救援困难。因此对室内定位的精细化、准确化、无缝化就显得尤为重要。同时面对人们日益增长的带宽需求，在这类人口密度较大的区域，如何实现高速的无线接入也是需要考虑的。
目前室内可用的定位方法按照其定位机制大致有八种，分别是基于蓝牙的定位方法、基于超声波的定位方法、基于红外的定位方法、基于rfid的定位方法、基于wifi的定位方法、基于zigbee的定位方法、基于uwb的定位方法和基于vlc的定位方法。蓝牙、红外、wifi、zigbee由于其精度较低而无法很好的应用于某些对精度要求较高的室内定位场景。而rfid不具有通信能力，不便于整合到其他系统中。基于超声波的定位方法虽然精度高，但是受多普勒效应和温度的影响较大，同时也需要大量的基础硬件设施，成本较高。
基于uwb(ultrawideband,uwb)的定位是一种通过纳秒级或次纳秒级的窄脉冲携带信息来进行定位的方法，具备穿透能力强、多径分别率高等优势，在理论上可以达到厘米级甚至更高的定位精度，适用于多径环境下的高精度测距，同时还具有高速通信的能力。然而基于uwb的定位系统也存在一些不足。首先由于该方法通常是通过估计接收信号的达到时间/时间差(timeofarrival,toa/timedifferenceofarrival,tdoa)来计算收发端间的距离，在收发端间没有遮挡物，信号可以直接检测的情况下，即视距路径(lineofsight)下，toa/tdoa估计结果较为精确，而当收发端间有遮挡物，即非视距路径(non-lineofsight)下，信号在传播过程中会穿透一个或多个遮挡物，造成附加时延，产生测量误差。其次，uwb定位需要定位终端配置额外的定位标签，成本较高。
基于vlc(visiblelightcommunication,vlc)的定位是一种利用led(lightemittingdiode,led)发出的白光作为定位信号载体的新型室内定位方法，具有覆盖广、无电磁辐射、电磁兼容性好、布设简单、厘米级定位精度的优点，同时还支持超高速的通信，在室内无线定位领域具有良好的应用前景。然而由于光的不可穿透性，在nlos路径下，基于vlc的定位方法不具有可行性。
对比文件：
专利[cn106643720a]介绍的一种基于uwb室内定位技术与激光雷达的地图构建方法，采用uwb和激光雷达双传感器构建地图，可以保证在室内收到金属遮挡，导致uwb定位不准时，激光雷达的数据能让误差减小；当激光雷达的数据由于运动物体的定位精度降低时，uwb定位又可以减小此误差。但是由于激光对人眼有较大的损伤，该定位系统并不适用于室内人手持终端的场景。
专利[cn103808319a]介绍的一种基于惯性定位和vlc技术的室内混合定位系统，在定位终端可以接收到直射光线的时候，定位结果由vlc室内定位系统提供；当定位终端进入阴影区域时，定位结果由惯性定位系统提供。这种定位方式充分提高了系统的可靠性。但是由于惯性定位误差随时间增大，长期使用会造成精度降低，而且在使用之前需要较长的初始对准时间。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于uwb与vlc技术的多源联合室内定位系统和工作方法。采用本发明提供的定位系统和工作方法，可以在室内任何环境下都获得精确的定位信息，实现无缝定位。
本发明的技术方案为：
一种基于uwb与vlc技术的多源联合室内定位系统，主要包括uwb设备、vlc设备、定位终端。其中定位终端包括uwb定位终端、vlc定位终端和数据融合单元。而uwb、vlc定位终端又由各自的los/nlos判断模块、数据处理单元组成。系统框图如图1所示。
所述vlc设备包括不少于3个led灯，向vlc定位终端发射定位光信号。
所述vlc设备向所述vlc定位终端发送携带定位信息的光信号，vlc定位终端中的los/nlos判断模块根据接收到的vlc信号鉴别vlc信道的los/nlos状态，当信道处于los状态时，数据处理单元根据基于接收信号强度的定位算法(该定位算法已属于现有技术，例如通过将信号强度和已知信号衰弱模型来估计接收点与待测点的距离，根据多个接收点与待测点距离值画出圆的重叠区域来估计终端位置，但不仅限)计算定位终端的位置。反之不予处理。其los/nlos判断模块中采用光电探测器对接收到的光信号转换成电信号。由于在vlc系统中，直射路径功率占总接收信号功率的85％以上，因此当接收到的光功率有较大衰减时，即可认为vlc信道处于nlos状态下，判定不满足vlc定位要求，反之则满足。
所述uwb设备包括不少于3个uwb定位站，向uwb定位终端发射uwb定位信号。
所述uwb设备向所述uwb定位终端发送携带了定位信息的uwb信号y(t)，uwb定位终端中的los/nlos判断模块根据接收到的uwb信号y(t)鉴别uwb信道的los/nlos状态，当信道处于los状态时，数据处理单元根据toa/tdoa定位估计算法计算定位终端的位置。反之，且当vlc信道处于los状态时，不予处理，而当vlc信道也处于nlos状态时，为了保证系统无缝定位，数据处理单元根据卡尔曼滤波消除nlos误差，获得所述定位终端的位置信息。其los/nlos判断依据如下，首先根据t时刻接收到的uwb信号值y(t)，计算信号的平均附加时延τmed和峭度参量k:
其中
其中
然后以不同标准视距下测得到的最大τmed和最小峭度参量k为阈值，如果计算得到的平均附加时延τmed和峭度参量k分别小于、大于相应的阈值，则判定满足uwb定位要求，反之不满足。
因此，综上所述，所述两种定位方法组合存在以下四种不同状态：
(a)uwb信道处于los状态，vlc信道处于nlos状态。此时选择uwb定位数据作为所述定位终端的位置信息。
(b)uwb信道处于nlos状态，vlc信道处于los状态。此时选择vlc定位数据作为所述定位终端的位置信息。
(c)uwb信道处于los状态，vlc信道处于los状态。此时uwb、vlc定位终端都有较精确的定位数据输出，此时数据融合单元通过无反馈的联邦卡尔曼滤波对uwb、vlc定位数据进行融合，可以计算得到准确的所述定位终端的位置信息。
(d)uwb信道处于nlos状态，vlc信道处于nlos状态。此时虽然uwb存在nlos误差，但可以用卡尔曼滤波消除nlos误差，获得所述定位终端的位置信息。
针对所述(c)中的uwb和vlc信道状态，考虑到系统的容错能力，将各自的定位信息利用无反馈的联邦卡尔曼滤波估计法进行数据融合，计算出准确的所述定位终端的位置信息。所述卡尔曼滤波器包括uwb位置子滤波器、vlc位置子滤波器，主滤波器，所述子滤波器均连接到所述主滤波器。各位置子滤波器先根据各自输入的定位信息进行预测和更新后，将局部估计值和协方差阵输入到主滤波器，主滤波器经过一次时间更新和最优融合，获得全局最优估计。具体步骤包括：
(1)建立全局状态方程。在二维空间下，人的行走轨迹可以看做是由一系列离散的步组成，每一步的位置都与上一步的终点位置有关。取系统的全局状态向量为xk＝[xk,yk,νe,k,νn,k]t，其中xk、ve,k分别为终端在k时刻的东向位置、速度；yk、vn,k分别为终端在k时刻的北向位置、速度。因此可以得到全局状态方程为
xk＝φxk-1+wk-1(3)
其中wk-1是k-1时刻的系统噪声，φ为系统的转移矩阵，其中δ为取样间隔。
(2)uwb位置子滤波器的局部估计。取uwb子系统的状态向量xu,k＝xk，与全局状态变量相同，以uwb定位终端第k个时刻的位置输出作为观测向量[xu,k,yu,k]t，其离散观测方程为
zu,k＝hxu,k+vu,k(5)
其中
然后根据标准卡尔曼滤波算法得到该位置子滤波器的的局部估计值。
(3)vlc位置子滤波器的局部估计。取vlc子系统的状态向量xv,k＝xk，与全局状态变量相同，以vlc定位终端第k个时刻的位置输出作为观测向量[xv,k,yv,k]t，其离散观测方程为
zv,k＝hxv,k+vv,k(6)
其中vv,k为观测噪声。
然后根据标准卡尔曼滤波算法得到该位置子滤波器的的局部估计值。
(4)联邦卡尔曼滤波最优估计。由于uwb信号和光信号之间不存在干扰，因此可以认为所述两个子滤波器的估计互不相关。主滤波器以最小化融合估计误差协方差阵迹为目的将所述各位置滤波器得到的局部估计值进行融合，得到的局部估计值加权融合估计为
其中，
针对所述(d)中的uwb和vlc信道状态，此时虽然uwb定位方法存在nlos误差，但由于nlos误差是电磁波在传播过程中遇到障碍物而产生的延迟所致，它与标准测量误差相互独立，因此可以考虑先用卡尔曼滤波算法估计出nlos误差，然后再从toa/tdoa测量值中分离，最后利用几何定位方法获得终端位置信息。具体步骤为：
(1)nlos误差估计。在状态向量中增加nlos误差估计，即取系统的全局状态向量为xu1,k＝[xk,yk,νe,k,νn,k,εnlos,k]t，其中εnlos,k为nlos误差估计，因此可以得到全局状态方程为
xu1,k＝φu1xu1,k-1+wu1,k-1(9)
其中φu1为系统的转移矩阵，
测量方程
zu1,k＝[11000]xu1,k+vu1,k(11)
然后根据标准卡尔曼滤波算法估计出nlos误差。
(2)nlos误差估计分离。由于nlos误差与标准测量误差是相互独立的，因此可以在进行toa/toda定位几何计算之前，从距离测量值中直接减去nlos误差的估计值。然后将这个估计值加入到状态向量中在进行第二步卡尔曼滤波，得到一个误差较小的距离估计值。
(3)获得位置信息。根据几何计算得到终端位置信息。
本发明创新点:
1)定位系统考虑全面，可以实现室内无缝高精度定位。针对室内环境的复杂性，考虑影响定位的主要因素，根据信号传输的los/nlos路径选择最优的定位方式，在保证系统定位功能的前提下，实现了准确定位。此外由于uwb和vlc定位技术都能达到较高精度，且uwb定位技术抗多径干扰能力强，vlc定位系统布设简单，因此联合两种定位方式，在一定条件下进行优势融合和互补，达到室内高精度定位的效果。
2)由于uwb信号低功率谱密度和vlc无电磁干扰特点，可以减小定位系统对其他通信系统的干扰影响，此外两种定位方式使用的信号都具有对人体无害的优点，因此应用广泛。
3)由于uwb信号功率谱密度较低，对于一般通信系统而言，uwb信号相当于白噪声信号，要将其从其它信号中检测出来很困难，而led的发出的可见光也具有无法穿透墙壁等障碍物的特性，因此两种技术结合可以提高系统的保密性。
4)由于uwb和vlc都支持高速通信，因此该联合定位系统在定位的基础上还能提供高速通信的可能。
附图说明
图1系统框图
图2室内场景的结构示意图
图3为本发明系统流程图
具体实施方式
一种基于uwb与vlc技术的多源联合室内定位系统，主要包括uwb设备、vlc设备、定位终端。其中定位终端包括uwb定位终端、vlc定位终端和数据融合单元。而uwb、vlc定位终端又由各自的los/nlos判断模块、数据处理单元组成。如图2所示。
vlc设备产生的定位编码信息，用脉宽调制的方法加载到led灯具的驱动电流上，以可见光形式发射出去，且相隔一定距离的每个led对应唯一的id编码信息，定位编码信息基于时分复用技术。当用户进入灯具照明区域时，vlc定位终端中los/nlos判别模块基于光电探测器接收到的光编码信号将信号强度和阈值进行比较。
若光信号强度大于阈值。数据处理单元解码出的相应led的id信息，并由光强度与传输衰减距离关系，计算出终端位置(rss定位)。在此基础上，通过uwb定位终端中los/nlos判别模块根据接收到的uwb信号值y(t)，计算信号的平均附加时延τmed和峭度参量k，然后将其分别与在不同标准视距下测得相应阈值进行比较，当不满足阈值要求时，则不采用uwb定位方法，即选择vlc定位数据作为所述定位终端的位置信息输出，数据融合单元不对其做处理，完成定位。当满足阈值要求时，数据处理单元根据toa/tdoa定位估计中的相关算法计算定位终端位置，然后数据融合单元利用无反馈的联邦卡尔曼滤波估计法进行数据融合，具体步骤为先将根据vlc和uwb定位方式计算出的位置数据分别进行标准卡尔曼滤波，然后将各自的估计值和协方差阵输入到主滤波器，主滤波器根据最小化融合后估计误差阵迹的原则经过一次时间更新和最优融合，获得全局最优估计，以此滤波结果作为所述定位终端的位置信息输出，完成定位。
若光信号强度小于阈值。系统不通过vlc定位方法来获得终端位置，此时先由uwb定位终端中los/nlos判别模块根据接收到的uwb信号值y(t)，计算信号的平均附加时延τmed和峭度参量k，然后将其分别与在不同标准视距下测得相应阈值进行比较，当满足阈值要求时，数据处理单元根据toa/tdoa定位估计中的相关算法计算定位终端位置，并以此作为所述定位终端的位置信息输出，完成定位。当不满足阈值要求时，数据处理单元把nlos误差分量加入到卡尔曼滤波器的状态变量中进行预测，目的是通过迭代得到toa/tdoa中nlos误差的估计值，然后用toa/tdoa测量值减去nlos误差的估计值，然后将这个估计值加入到状态向量中在进行第二步卡尔曼滤波，得到一个误差较小的距离估计值，最后根据几何计算得到终端位置信息，并以此作为所述定位终端的位置信息输出，完成定位。