一种室内光强度差和到达时间差联合定位方法

本发明设计通信，具体是涉及一种室内光强度差和到达时间差联合定位方法。

背景技术：

1、led照明和可见光通信系统的广泛使用激发了越来越多的可见光定位系统。这种系统可以在传输通信信号同时进行位置估计，目前，基于距离估计的定位的典型代表有toa、tdoa、aoa和rssi等四大类；aoa技术可以实现非常好的估计精度，但需要在接收端部署一组昂贵的图像传感器。rss技术实现简单，但是由于室内光传播时存在反射、遮挡等复杂光传播路径，因此单纯使用rss定位难以取得良好的效果，特别是在室内靠近墙角、家具等位置的区域。toa技术需要发射机和接收机之间的精确同步，在室内定位中，由于led到接收机之间的距离都比较近，受系统定时精度的影响，信号从led到接收机的到达时间很难精确获得，因此toa技术单独应用时效果也较差。tdoa因其不需要收发之间同步，比较适合运用于可见光通信系统中。但是单独使用tdoa方法，由于收发之间存在时间差，其位置估计算法较为复杂。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述技术问题，提供一种室内光强度差和到达时间差联合定位方法。

2、本发明所采用的技术方案是：一种室内光强度差和到达时间差联合定位方法，包括以下步骤：

3、步骤一、定位场景设计，将多个led灯放置在室内天花板的不同位置，将搭载光电探测器的目标接收机放置在目标物体上，用于对室内目标物体进行定位；

4、步骤二、建立到达时间和接收信号强度模型，每个led灯发射一个已知的可见光发射信号，目标接收机根据接收到的led灯信号分别建立led灯的到达时间参数模型和接收信号强度参数模型；

5、步骤三、联合定位，根据步骤二中建立的到达时间参数模型和接收信号强度参数模型，最大化每一个led灯的接收信号的对数似然函数，对对数似然函数求解得到任意led灯的到达时间参数和接收信号强度参数；

6、步骤四、定位误差补偿，设置另一携带光电探测器的接收机作为基准接收机，用以接收初始光强度，并建立到达时间测量基准，基准接收机通过补偿目标接收机接收到的光强波动，实现对目标接收机的定位误差进行补偿，进而实现精准定位。

7、优选的，所述步骤二中，接收机接收到的信号模型为：ri(t)＝αirpsi(t-τi)+ni(t)，其中，i＝1，...，nl，nl表示led灯的数量，t1i和分别表示接收来自第i个led灯的信号的观测间隔的初始和最终时刻，αi是led和目标接收机之间的光通道吸收因子，rp是光电探测器的响应度，si(t)是来自第i个led灯发射的光信号(在[0，ts]的时间范围内)，τi是从第i个led灯发送的信号的到达时间测量参数，ni(t)是功率谱密度水平为σ2.的零均值加性高斯白噪声。

8、优选的，所述步骤二中，任意led灯的信号的到达时间参数可以表示为：任意led灯和接收机之间的接收信号强度参数为其中，i＝1，...，nl，nl表示led灯的数量，表示欧几里德范数，c表示光速，δ表示led的灯和接收机时钟之间的时间偏移；mi是第i个led灯的朗伯阶数，φi和θi分别是第i个led灯和目标接收机之间通道的辐射角和入射角，ar是光电探测器的面积，lr和lt分别代表接收机和led灯的位置。

9、优选的，所述步骤三中，所述对数似然函数表示为经求解得到其中，i＝1，...，nl，所述光到达时间差经计算得出。

10、所述步骤四中，基准接收机可用于检测光源功率的波动，目标接收机通过减去该基准亮度波动获得原始光强度，具体补偿及定位过程如下：

11、s1：所述基准接收机设置为接收机a，所述目标接收机设置为接收机b，假定单个led的亮度波动，此时光源功率p0不固定，p0(t)表示为光源功率关于时间t的函数，对于接收机a或接收机b，两次接收到的该led强度具有如下关系：

12、光强波动率r表示为

13、s2：接收机a从单个led接收到的光强度可以表示为a1，a2，a3......，则对于接收机b，信号强度的变化率为

14、接收机b接收到的信号强度bn是波动光照度与原始光强度的叠加：bn＝b1(1+rn-1)

15、因此可以得到真实光强度：

16、s3：根据步骤三得到的和估计目标接收机的位置xr，具体方法如下：已知，假定和光通路snr水平足够高，建立近似模型为

17、其中η是具有协方差矩阵的零均值高斯随机向量，ζ是具有协方差矩阵的零均值高斯随机向量；

18、s4：利用公式估计接收机位置xr，为xr的最大似然估计，其中：

19、

20、

21、

22、所述为xr的最大似然估计，利用最优算法实现精确定位。

23、本发明所采用的技术方案是：首选，本发明联合使用强度差分和时间差定位方法，构建室内阵列光强度和时间联合定位方法。实验结果表明，不仅降低了计算的复杂性，使算法收敛速度相对于单纯rss、tdoa算法提高了两倍，而且有效克服了光源波动带来的定位误差，通过本发明提出的联合定位方法获得的精度和稳定度优于单独使用rss和tdoa的定位方法，其次，本发明该算法使用一个基准接收机，效地解决了led照明波动引起的光强度估计误差。与到达时间差联合运用，可以实现更高精度的定位。

技术特征：

1.一种室内光强度差和到达时间差联合定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种室内光强度差和到达时间差联合定位方法，其特征在于：所述步骤二中，接收机接收到的信号模型为：

3.根据权利要求2所述的一种室内光强度差和到达时间联合定位方法，其特征在于：所述步骤二中，任意led灯的信号的到达时间参数可以表示为：任意led灯和接收机之间的接收信号强度参数为其中，i＝1，...，nl，nl表示led灯的数量，||·||表示欧几里德范数，c表示光速，δ表示led的灯和接收机时钟之间的时间偏移；mi是第i个led灯的朗伯阶数，φi和θi分别是第i个led灯和目标接收机之间通道的辐射角和入射角，ar是光电探测器的面积，lr和lt分别代表接收机和led灯的位置。

4.根据权利要求3所述的一种室内光强度差和到达时间联合定位方法，其特征在于：所述步骤三中，所述对数似然函数表示为经求解得到

5.根据权利要求4所述的一种室内光强度差和到达时间联合定位方法，其特征在于：所述步骤四中，基准接收机可用于检测光源功率的波动，目标接收机通过减去该基准亮度波动获得原始光强度，具体补偿及定位过程如下：

技术总结
本发明公开一种室内光强度差和到达时间差联合定位方法，包括以下步骤：首先进行定位场景设计，将多个LED灯放置在室内天花板的不同位置，将搭载光电探测器的目标接收机放置在目标物体上，然后根据场景设计建立到达时间和接收信号强度模型，根据建立的模型求解得到任意LED灯的到达时间参数和接收信号强度参数；并对接收信号强度进行定位误差补偿，实现精准定位；本发明采用联合定位方法获得的精度和稳定度不仅降低了计算的复杂性，而且有效克服了光源波动带来的定位误差，定位精度优于传统单独使用RSS和TDOA的定位方法。

技术研发人员：王莹,王珂,杨春芳,王娟,杜耀中
受保护的技术使用者：河南科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16