CN105227238A

CN105227238A - 可见光扩频通信定位系统

Info

Publication number: CN105227238A
Application number: CN201510689342.3A
Authority: CN
Inventors: 郑紫微; 宋健; 郭建广
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Beijing Yierbei Health Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2035-10-21
Also published as: CN105227238B

Abstract

本发明涉及可见光扩频通信定位系统，包括移动接收端和至少四个发射端，发射端包括微处理器、存储LED光源位置的RFID标签、信号调制器、第一扩频码发生器、扩频调制器、第一光电信号转换器和LED光源；LED光源均匀设置若干独立编号的方形LED发光晶格；LED发光晶格内均设有黑光LED、蓝光LED、绿光LED和红光LED；移动接收端包括中央处理器、LTE通信模块、GPS定位模块、光信号接收器、滤噪器、光信号强度检测器、第二光电信号转换器、扩频解调器、第二扩频码发生器、信号解调器、摄像头和显示屏。该系统通过提取多维彩码或二维码中的位置信息粗略定位，由GPS定位和可见光扩频通信融合实现精确定位。

Description

可见光扩频通信定位系统

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种可见光扩频通信定位系统。

背景技术

随着移动互联网的发展，各种基于位置的服务系统相继被不断推出。当前，应用最为广泛的室外无线定位系统是基于美国的GPS全球定位系统。通过在移动终端内设置GPS定位模块，可以在室外空阔的环境下为移动终端提供较高定位性能的位置服务。然而，在人们活动较多的家庭室内或者建筑物比较密集的特殊环境中，GPS信号会受到遮挡变弱，以致于GPS定位模块在这些特殊环境的定位性能较差。

近年来，随着可见光通信技术和理论的发展，基于可见光通信的定位方法被相继提出。该可见光通信定位通过将各LED光源的位置信息数据转换为光信号后，由LED光源将含有位置信息的可见光线发射出去，然后由移动终端接收该光线，并转换、提取光线信号中的位置数据，从而获得移动终端的当前位置。

然而，现有的可见光通信定位仍然存在一些不足之处：一方面，当移动终端解调接收周围LED光源发出的光信号，并提取光信号中的位置信息时，移动终端获取的所谓当前定位数据仍然是周围LED光源的地理位置，并非移动终端的真正位置，这导致目前的可见光通信定位精度有限；另一方面，移动终端需要粗略估计当前位置时，若仍然采用对周围LED光源的光信号进行解调的方式，则会耗费一定的定位时间，影响了粗略定位对定位速度的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种既能够在室内或建筑物密集环境下进行准确定位，又能够满足快速、粗略定位的可见光扩频通信定位系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：可见光扩频通信定位系统，其特征在于，包括移动接收端和至少四个发射端，所述发射端分布设置在移动接收端的周围；其中，

所述发射端包括微处理器以及分别连接微处理器的存储LED光源位置数据的RFID标签、信号调制器、第一扩频码发生器、扩频调制器、第一光电信号转换器、LED光源和太阳能电池；所述第一扩频码发生器分别连接信号调制器和扩频调制器，所述扩频调制器连接第一光电信号转换器；所述LED光源上均匀地设置若干具有独立编号的方形LED发光晶格；所述每个LED发光晶格内均设置有黑光LED、蓝光LED、绿光LED和红光LED，所述黑光LED、蓝光LED、绿光LED和红光LED分别连接微处理器；所述LED光源连接太阳能电池；其中，

所述微处理器，用以读取RFID标签内存储的LED光源位置数据，并将LED光源位置数据分别转换为光信息、二维码信息和多维彩码信息，并命令指定的LED发光晶格执行发光；

所述信号调制器，用以将LED光源位置数据进行信号调制，得到包含LED光源位置信息的调制信号；

所述第一扩频码发生器，用以产生扩频码序列，并发送给扩频调制器；

所述扩频调制器，用以接收扩频码，以扩展包含LED光源位置信息的调制信号频谱，得到扩频调制信号；

所述第一光电信号转换器，根据微处理器的调制命令，将扩频调制信号由电信号转换为光信号；

所述LED光源，一方面在LED光源位置数据转换为二维码信息后，根据微处理器对指定LED发光晶格的发光或闭光命令，发出明暗相间的二维码图像；另一方面在LED光源位置数据转换为多维彩码信息后，根据微处理器分别对指定LED发光晶格内黑光LED、蓝光LED、绿光LED和红光LED发光或闭光命令，发出由不同颜色组成的多维彩码图像；

所述移动接收端包括中央处理器以及分别连接中央处理器的LTE通信模块、GPS定位模块、光信号接收器、滤噪器、光信号强度检测器、第二光电信号转换器、扩频解调器、第二扩频码发生器、信号解调器、摄像头和显示屏；滤噪器分别连接光信号接收器和光信号强度检测器，滤噪器连接第二光电信号转换器，扩频解调器分别连接第二光电信号转换器、第二扩频码发生器和信号解调器；LTE通信模块连接GPS定位模块，GPS定位模块和摄像头分别连接显示屏；其中

所述GPS定位模块，用以获取移动接收端的当前GPS位置数据和GPS信号强度值，并发送获取的GPS位置数据和GPS信号强度值给中央处理器；

所述光信号接收器，用以接收发射端中LED光源发出的光信号，并发送给滤噪器进行滤噪处理；

所述光信号强度检测器，用以分别检测各发射端发送来的光信号强度值，并发送各光信号强度值给中央处理器；

所述滤噪器，用以对接收的光信号滤噪，然后发送给中央处理器作出判断：当光信号强度超过预设阈值时，则将判断结果发送给第二光电信号转换器启动光电转换；

所述第二光电信号转换器，用以将接收的光信号转换为LED光源位置的电信号，并发送给中央处理器；

所述摄像头，用以对LED光源发出的二维码图像或者多维彩码图像进行读取，并由中央处理器提取二维码图像或多维彩码图像中的LED光源位置信息；

所述中央处理器，根据接收的GPS位置数据、GPS信号强度值以及第二光电信号转换器发送的电信号进行融合计算，以获取移动接收端的最终定位数据；其中，中央处理器获取移动接收端最终定位数据的过程依次包括如下步骤：

(1)设定获取的GPS定位数据为(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，GPS信号强度值为p_GPS，GPS信号强度预设阈值为p_{GPS_door}；各发射端分别为R₁、R₂、R₃、R₄、...、R_N，R₁、R₂、R₃、R₄、...、R_N的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)、...、(x_N,y_N,z_N)，在时间段T内接收到的光信号强度值分别为p₁₁,p₁₂,p₁₃,…,p_1M；p₂₁,p₂₂,p₂₃,…,p_2M；p₃₁,p₃₂,p₃₃,…,p_3M；…；p_N1,p_N2,p_N3,…,p_NM；假设移动接收端的参考坐标为(x,y,z)，移动接收端的最终定位数据为(x_R,y_R,z_R)，N≥4，M≥1；

(2)当GPS信号强度值p_GPS高于GPS信号强度预设阈值p_{GPS_door}时，则以获取的GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)为移动接收端的最终定位数据；否则，执行步骤(3)；

(3)根据在时间段T内接收到的各发射端的光信号强度值，计算每个发射端发出的光信号强度值的信号强度均方根值p_i：

p_{i} = \sqrt{\frac{1}{M} Σ_{j = 1}^{M} {p^{2}}_{i j}}, i = 1, 2, 3, ..., N;

式(1)

其中，p_i表示发射端R_i发出的光信号强度值的均方根值，p_ij表示发射端R_i发出的某一个光信号强度值；

(4)根据接收到的各发射端的光信号强度均方根值p₁、p₂、p₃、p₄、...、p_N，选取光信号强度均方根值大小位于前四位的值p₁、p₂、p₃和p₄；

(5)根据接收的各发射端的光信号强度均方根值p₁、p₂、p₃和p₄，分别获取发射端R₁、R₂、R₃和R₄到移动接收端的距离d₁、d₂、d₃和d₄：

p_{i} = p_{0} + 10 {nlog}_{10} [\frac{d_{i} + v}{d_{0}}] + ξ, i = 1, 2, 3, 4;

式(2)

d_{i} = d_{0} 10^{\frac{p_{i} - p_{0} - ξ}{10 n}} - v;

式(3)；

其中，p_i为发射端R_i发出的光信号强度均方根值，n是路径损耗指数，ξ为满足高斯分布的随机数，d_i为发射端R_i到移动接收端的距离，d₀为参考距离，p₀为距离移动接收端d₀处的光信号强度值，v为距离估计误差，且

(6)根据发射端R₁、R₂、R₃和R₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)，以及获取的距离d₁、d₂、d₃和d₄，对移动接收端的参考坐标(x,y,z)进行求解：

(6-1)以三个为一组，对发射端R₁、R₂、R₃和R₄进行分组，获得四组发射端组合：R₁(x₁,y₁,z₁)、R₂(x₂,y₂,z₂)和R₃(x₃,y₃,z₃)，R₁(x₁,y₁,z₁)、R₂(x₂,y₂,z₂)和R₄(x₄,y₄,z₄)，R₁(x₁,y₁,z₁)、R₃(x₃,y₃,z₃)和R₄(x₄,y₄,z₄)，R₂(x₂,y₂,z₂)、R₃(x₃,y₃,z₃)和R₄(x₄,y₄,z₄)；

(6-2)根据发射端R₁、R₂、R₃和R₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)及距离d₁、d₂、d₃和d₄，分别计算移动接收端的第一坐标(x',y',z')、第二坐标(x”,y”,z”)、第三坐标(x”',y”',z”')和第四坐标(x””,y””,z””)以及各距离对应的权重系数ω₁、ω₂、ω₃和ω₄，其中，

\{\begin{matrix} {(x_{1} - x^{'})}^{2} + {(y_{1} - y^{'})}^{2} + {(z_{1} - z^{'})}^{2} = {d_{1}}^{2} \\ {(x_{2} - x^{'})}^{2} + {(y_{2} - y^{'})}^{2} + {(z_{2} - z^{'})}^{2} = {d_{2}}^{2} \\ {(x_{3} - x^{'})}^{2} + {(y_{3} - y^{'})}^{2} + {(z_{3} - z^{'})}^{2} = {d_{3}}^{2} \end{matrix}

式(4)

\{\begin{matrix} {(x_{1} - x^{''})}^{2} + {(y_{1} - y^{''})}^{2} + {(z_{1} - z^{''})}^{2} = {d_{1}}^{2} \\ {(x_{2} - x^{''})}^{2} + {(y_{2} - y^{''})}^{2} + {(z_{2} - z^{''})}^{2} = {d_{2}}^{2} \\ {(x_{4} - x^{''})}^{2} + {(y_{4} - y^{''})}^{2} + {(z_{4} - z^{''})}^{2} = {d_{4}}^{2} \end{matrix}

式(5)

\{\begin{matrix} {(x_{1} - x^{'''})}^{2} + {(y_{1} - y^{'''})}^{2} + {(z_{1} - z^{'''})}^{2} = {d_{1}}^{2} \\ {(x_{3} - x^{'''})}^{2} + {(y_{3} - y^{'''})}^{2} + {(z_{3} - z^{'''})}^{2} = {d_{3}}^{2} \\ {(x_{4} - x^{'''})}^{2} + {(y_{4} - y^{'''})}^{2} + {(z_{4} - z^{'''})}^{2} = {d_{4}}^{2} \end{matrix}

式(6)

\{\begin{matrix} {(x_{2} - x^{''''})}^{2} + {(y_{2} - y^{''''})}^{2} + {(z_{2} - z^{''''})}^{2} = {d_{2}}^{2} \\ {(x_{3} - x^{''''})}^{2} + {(y_{3} - y^{''''})}^{2} + {(z_{3} - z^{''''})}^{2} = {d_{3}}^{2} \\ {(x_{4} - x^{''''})}^{2} + {(y_{4} - y^{''''})}^{2} + {(z_{4} - z^{''''})}^{2} = {d_{4}}^{2} \end{matrix}

式(7)；

ω_{i} = \frac{d_{5 - i}^{2}}{Σ_{i = 1}^{4} d_{i}^{2}}, i = 1, 2, 3, 4;

(6-3)根据分别获取的移动接收端的第一坐标(x',y',z')、第二坐标(x”,y”,z”)、第三坐标(x”',y”',z”')和第四坐标(x””,y””,z””)、以及各距离对应的权重系数，计算移动接收端的参考坐标(x,y,z)；其中，

\{\begin{matrix} x = \frac{d_{4}^{2} \cdot x^{'}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{3}^{2} \cdot x^{''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{2}^{2} \cdot x^{'''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{1}^{2} \cdot x^{''''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} \\ y = \frac{d_{4}^{2} \cdot y^{'}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{3}^{2} \cdot y^{''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{2}^{2} \cdot y^{'''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{1}^{2} \cdot y^{''''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} \\ z = \frac{d_{4}^{2} \cdot z^{'}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{3}^{2} \cdot z^{''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{2}^{2} \cdot z^{'''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{1}^{2} \cdot z^{''''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} \end{matrix}

式(8)；

(7)根据步骤(6)中计算的移动接收端的第一坐标(x',y',z')、第二坐标(x”,y”,z”)、第三坐标(x”',y”',z”')和第四坐标(x””,y””,z””)以及计算获取的移动接收端的参考坐标(x,y,z)，计算移动接收端最终定位数据(x_R,y_R,z_R)的定位误差(Δx,Δy,Δz)：

\{\begin{matrix} x^{'} - x = {Δx}_{1} \\ x^{''} - x = {Δx}_{2} \\ x^{'''} - x = {Δx}_{3} \\ x^{''''} - x = {Δx}_{4} \end{matrix}

式(9)

\{\begin{matrix} y^{'} - y = Δ y_{1} \\ y^{''} - y = Δ y_{2} \\ y^{'''} - y = Δ y_{3} \\ y^{''''} - y = Δ y_{4} \end{matrix}

式(10)

\{\begin{matrix} z^{'} - z = Δ z_{1} \\ z^{''} - z = Δ z_{2} \\ z^{'''} - z = Δ z_{3} \\ z^{''''} - z = Δ z_{4} \end{matrix}

式(11)

\{\begin{matrix} Δ x = \frac{{Δx}_{1} + {Δx}_{2} + {Δx}_{3} + {Δx}_{4}}{4} \\ Δ y = \frac{{Δy}_{1} + {Δy}_{2} + {Δy}_{3} + {Δy}_{4}}{4} \\ Δ z = \frac{{Δz}_{1} + {Δz}_{2} + {Δz}_{3} + {Δz}_{4}}{4} \end{matrix}

式(12)

(8)根据计算获取的移动接收端的参考坐标(x,y,z)以及定位误差(Δx,Δy,Δz)，计算移动接收端的最终定位数据(x_R,y_R,z_R)：

\{\begin{matrix} x_{R} = x + Δ x \\ y_{R} = y + Δ y \\ z_{R} = z + Δ z \end{matrix}

式(13)。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在室外没有建筑物遮挡的空阔环境下，移动接收端以GPS定位模块获取的定位数据作为当前位置；在GPS信号较弱的环境中，移动接收端利用摄像头扫描、获取发射端发送的多维彩码或二维码中的地理位置信息，以在第一时间为进行粗略定位，满足在定位精度要求不高条件下的迅速定位；同时移动接收端取周围发射端光信号中的地理位置数据，并根据光信号强度值，融合获得当前实际地理位置数据。该可见光扩频通信定位系统在室外GPS定位基础上，结合各发射端发出的可见光进行准确融合定位，同时还将地理位置信息以多维彩码或二维码的形式提供给移动接收端，从而实现在室内或建筑物密集环境下的准确定位，又能够进行快速、粗略定位，提高了定位效率。

附图说明

图1为本发明实施例中可见光扩频通信定位系统的结构示意图；

图2为图1所示定位系统采用的定位方法流程示意图；

图3为本发明实施例中定位系统的仿真定位性能曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例的可见光扩频通信定位系统，包括发射端1和移动接收端2，发射端1至少具有四个且各发射端1分布设置在移动接收端1的周围；其中，

发射端1包括微处理器10以及分别连接微处理器10的存储LED光源位置数据的RFID标签11、信号调制器12、第一扩频码发生器13、扩频调制器14、第一光电信号转换器15、LED光源16和太阳能电池17；第一扩频码发生器13分别连接信号调制器12和扩频调制器14，扩频调制器14连接第一光电信号转换器15；LED光源16上均匀地设置若干具有独立编号的方形LED发光晶格；在每个LED发光晶格内均设置有黑光LED161、蓝光LED162、绿光LED163和红光LED164，黑光LED161、蓝光LED162、绿光LED163和红光LED164分别与微处理器10连接；LED光源16连接太阳能电池17，由太阳能电池17为LED光源正常工作提供备用电能；其中，

微处理器10，用以读取RFID标签11内存储的LED光源16位置数据，并将该位置数据分别转换为光信息、二维码信息和多维彩码信息，并命令指定的LED发光晶格执行发光；例如，在独立编号分别为“01”、“02”、“03”、“04”、“05”和“06”的方形LED发光晶格组合中，微处理器10命令“03”号LED发光晶格执行发光，或者微处理器10命令“02”号LED发光晶格和“05”号LED发光晶格执行发光，以完成将定位数据转换为多维彩码的需要；

信号调制器12，用以将LED光源16位置数据进行信号调制，得到包含LED光源位置信息的调制信号；

第一扩频码发生器13，用以产生扩频码序列，并发送扩频码序列给扩频调制器14；

扩频调制器14，用以接收扩频码，以扩展包含LED光源位置信息的调制信号频谱，得到扩频调制信号；

第一光电信号转换器15，根据微处理器10的调制命令，将扩频调制信号由电信号转换为光信号；

LED光源16，一方面在LED光源位置数据转换为二维码信息后，根据微处理器10对指定LED发光晶格的发光或闭光命令，发出明暗相间的二维码图像；另一方面在LED光源位置数据转换为多维彩码信息后，根据微处理器10分别对指定LED发光晶格内黑光LED161、蓝光LED162、绿光LED163和红光LED164发光或闭光命令，发出由不同颜色组成的多维彩码图像；

移动接收端2包括中央处理器200以及分别连接中央处理器200的LTE通信模块201、GPS定位模块202、光信号接收器203、滤噪器204、光信号强度检测器205、第二光电信号转换器206、扩频解调器207、第二扩频码发生器208、信号解调器209、摄像头210和显示屏211；滤噪器204分别连接光信号接收器203和光信号强度检测器205，滤噪器204连接第二光电信号转换器206，扩频解调器207分别连接第二光电信号转换器206、第二扩频码发生器208和信号解调器209；LTE通信模块201连接GPS定位模块202，GPS定位模块202和摄像头210分别连接显示屏211；其中

GPS定位模块202，用以获取移动接收端2的当前GPS位置数据和GPS信号强度值，并发送获取的GPS位置数据和GPS信号强度值给中央处理器200；

光信号接收器203，用以接收发射端1中LED光源发出的光信号，并发送给滤噪器204进行滤噪处理；

光信号强度检测器205，用以分别检测各发射端1发送来的光信号强度值，并发送光信号强度值给中央处理器200；

滤噪器204，用以对接收的光信号滤噪，然后发送给中央处理器200作出判断：当光信号强度超过预设阈值时，表示移动接收端1实际位置距离该光信号对应的LED光源较近，则将判断结果发送给第二光电信号转换器206启动光电转换；

第二光电信号转换器206，用以将接收的光信号转换为LED光源位置的电信号，并发送给中央处理器200；

摄像头210，用以对LED光源发出的二维码图像或者多维彩码图像进行读取，并由中央处理器200提取二维码图像或多维彩码图像中的LED光源位置信息；中央处理器200根据二维码图像或多维彩码图像中提取的LED光源位置可以对移动接收端12进行粗略定位，以满足在定位精度要求不高条件下的迅速定位；

中央处理器200，根据接收的GPS位置数据、GPS信号强度值以及第二光电信号转换器206发送的电信号进行融合计算，以获取移动接收端2的最终定位数据；其中，如图2所示，中央处理器200获取移动接收端2最终定位数据的过程依次包括如下步骤：

(2)当GPS信号强度值p_GPS高于GPS信号强度预设阈值p_{GPS_door}时，表示当前GPS信号通信环境较好，GPS定位精度可信，则以获取的GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)为移动接收端的最终定位数据；否则，执行步骤(3)；

p_{i} = \sqrt{\frac{1}{M} Σ_{j = 1}^{M} {p^{2}}_{i j}}, i = 1, 2, 3, ..., N;

式(1)

p_{i} = p_{0} + 10 {nlog}_{10} [\frac{d_{i} + v}{d_{0}}] + ξ, i = 1, 2, 3, 4;

式(2)

d_{i} = d_{0} 10^{\frac{p_{i} - p_{0} - ξ}{10 n}} - v

式(3)；

\{\begin{matrix} {(x_{1} - x^{'})}^{2} + {(y_{1} - y^{'})}^{2} + {(z_{1} - z^{'})}^{2} = {d_{1}}^{2} \\ {(x_{2} - x^{'})}^{2} + {(y_{2} - y^{'})}^{2} + {(z_{2} - z^{'})}^{2} = {d_{2}}^{2} \\ {(x_{3} - x^{'})}^{2} + {(y_{3} - y^{'})}^{2} + {(z_{3} - z^{'})}^{2} = {d_{3}}^{2} \end{matrix}

式(4)

\{\begin{matrix} {(x_{1} - x^{''})}^{2} + {(y_{1} - y^{''})}^{2} + {(z_{1} - z^{''})}^{2} = {d_{1}}^{2} \\ {(x_{2} - x^{''})}^{2} + {(y_{2} - y^{''})}^{2} + {(z_{2} - z^{''})}^{2} = {d_{2}}^{2} \\ {(x_{4} - x^{''})}^{2} + {(y_{4} - y^{''})}^{2} + {(z_{4} - z^{''})}^{2} = {d_{4}}^{2} \end{matrix}

式(5)

\{\begin{matrix} {(x_{1} - x^{'''})}^{2} + {(y_{1} - y^{'''})}^{2} + {(z_{1} - z^{'''})}^{2} = {d_{1}}^{2} \\ {(x_{3} - x^{'''})}^{2} + {(y_{3} - y^{'''})}^{2} + {(z_{3} - z^{'''})}^{2} = {d_{3}}^{2} \\ {(x_{4} - x^{'''})}^{2} + {(y_{4} - y^{'''})}^{2} + {(z_{4} - z^{'''})}^{2} = {d_{4}}^{2} \end{matrix}

式(6)

\{\begin{matrix} {(x_{2} - x^{''''})}^{2} + {(y_{2} - y^{''''})}^{2} + {(z_{2} - z^{''''})}^{2} = {d_{2}}^{2} \\ {(x_{3} - x^{''''})}^{2} + {(y_{3} - y^{''''})}^{2} + {(z_{3} - z^{''''})}^{2} = {d_{3}}^{2} \\ {(x_{4} - x^{''''})}^{2} + {(y_{4} - y^{''''})}^{2} + {(z_{4} - z^{''''})}^{2} = {d_{4}}^{2} \end{matrix}

式(7)

ω_{i} = \frac{d_{5 - i}^{2}}{Σ_{i = 1}^{4} d_{i}^{2}}, i = 1, 2, 3, 4;

例如，距离d₁对应的权重系数

ω_{1} = \frac{d_{4}^{2}}{Σ_{i = 1}^{4} d_{i}^{2}} = \frac{d_{4}^{2}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}};

(6-3)根据分别获取的移动接收端的第一坐标(x',y',z')、第二坐标(x”,y”,z”)、第三坐标(x”',y”',z”')和第四坐标(x””,y””,z””)、以及各距离对应的权重系数ω₁、ω₂、ω₃和ω₄，计算移动接收端的参考坐标(x,y,z)；其中，

\{\begin{matrix} x = \frac{d_{4}^{2} \cdot x^{'}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{3}^{2} \cdot x^{''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{2}^{2} \cdot x^{'''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{1}^{2} \cdot x^{''''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} \\ y = \frac{d_{4}^{2} \cdot y^{'}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{3}^{2} \cdot y^{''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{2}^{2} \cdot y^{'''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{1}^{2} \cdot y^{''''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} \\ z = \frac{d_{4}^{2} \cdot z^{'}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{3}^{2} \cdot z^{''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{2}^{2} \cdot z^{'''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{1}^{2} \cdot z^{''''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} \end{matrix}

式(8)；

\{\begin{matrix} x^{'} - x = {Δx}_{1} \\ x^{''} - x = {Δx}_{2} \\ x^{'''} - x = {Δx}_{3} \\ x^{''''} - x = {Δx}_{4} \end{matrix}

式(9)

\{\begin{matrix} y^{'} - y = Δ y_{1} \\ y^{''} - y = Δ y_{2} \\ y^{'''} - y = Δ y_{3} \\ y^{''''} - y = Δ y_{4} \end{matrix}

式(10)

\{\begin{matrix} z^{'} - z = Δ z_{1} \\ z^{''} - z = Δ z_{2} \\ z^{'''} - z = Δ z_{3} \\ z^{''''} - z = Δ z_{4} \end{matrix}

式(11)

\{\begin{matrix} Δ x = \frac{{Δx}_{1} + {Δx}_{2} + {Δx}_{3} + {Δx}_{4}}{4} \\ Δ y = \frac{{Δy}_{1} + {Δy}_{2} + {Δy}_{3} + {Δy}_{4}}{4} \\ Δ z = \frac{{Δz}_{1} + {Δz}_{2} + {Δz}_{3} + {Δz}_{4}}{4} \end{matrix}

式(12)；

\{\begin{matrix} x_{R} = x + Δ x \\ y_{R} = y + Δ y \\ z_{R} = z + Δ z \end{matrix}

式(13)。

图3给出了本实施例中可见光扩频通信定位系统的定位方法的仿真性能示意图；同时对系统采用传统的GPS定位方法也作了仿真。由图3可以看出，在发射端数量一定的情况下，本实施例定位系统采用的定位方法的定位估计误差比传统GPS定位方法更低，这说明本实施例定位系统采用的定位方法具有更好的定位性能；随着发射端数目的不断增加，本实施例中采用的可见光扩频通信定位方法的定位性能逐渐得以提高。这充分表明，本实施例定位系统采用的可见光扩频通信定位方法具有比传统GPS定位方法更好的定位性能。

在室外没有建筑物遮挡的空阔环境下，即GPS信号强度高于预设阈值时，则移动接收端2以GPS定位模块202获取的定位数据作为当前位置；在GPS信号较弱的环境中，各发射端1将各自的实际地理位置由电信号转为光信号后，微处理器10命令指定编号的LED发光晶格内的黑光LED161、蓝光LED162、绿光LED163和红光LED164发光，以照射出含有对应发射端地理位置的多维彩码或二维码；移动接收端2利用摄像头扫描、获取多维彩码或二维码中的地理位置信息，以在第一时间为进行粗略定位，满足在定位精度要求不高条件下的迅速定位；同时移动接收端2提取周围发射端的光信号中的地理位置数据，并根据接收的光信号强度值，融合获得当前实际地理位置数据。该可见光扩频通信定位系统在室外GPS定位基础上，结合各发射端发出的可见光进行准确融合定位，同时还将地理位置信息以多维彩码或二维码的形式提供给移动接收端2，从而实现在室内或建筑物密集环境下的准确定位，又能够进行快速、粗略定位，提高了定位效率。

Claims

1.可见光扩频通信定位系统，其特征在于，包括移动接收端和至少四个发射端，所述发射端分布设置在移动接收端的周围；其中，

(1)设定获取的GPS定位数据为(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，GPS信号强度值为p_GPS，GPS信号强度预设阈值为p_{GPS_door}；各发射端分别为R₁、R₂、R₃、R₄、…、R_N，R₁、R₂、R₃、R₄、…、R_N的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)、…、(x_N,y_N,z_N)，在时间段T内接收到的光信号强度值分别为p₁₁,p₁₂,p₁₃,…,p_1M；p₂₁,p₂₂,p₂₃,…,p_2M；p₃₁,p₃₂,p₃₃,…,p_3M；…；p_N1,p_N2,p_N3,…,p_NM；假设移动接收端的参考坐标为(x,y,z)，移动接收端的最终定位数据为(x_R,y_R,z_R)，N≥4，M≥1；

p_{i} = \sqrt{\frac{1}{M} Σ_{j = 1}^{M} {p^{2}}_{i j}}, i = 1, 2, 3, ..., N;

式(1)

(4)根据接收到的各发射端的光信号强度均方根值p₁、p₂、p₃、p₄、…、p_N，选取光信号强度均方根值大小位于前四位的值p₁、p₂、p₃和p₄；

p_{i} = p_{0} + 10 {nlog}_{10} [\frac{d_{i} + v}{d_{0}}] + ξ, i = 1, 2, 3, 4;

式(2)

d_{i} = d_{0} 10^{\frac{p_{i} - p_{0} - ξ}{10 n}} - v;

式(3)；

\{\begin{matrix} {(x_{1} - x^{'})}^{2} + {(y_{1} - y^{'})}^{2} + {(z_{1} - z^{'})}^{2} = d_{1}^{2} \\ {(x_{2} - x^{'})}^{2} + {(y_{2} - y^{'})}^{2} + {(z_{2} - z^{'})}^{2} = d_{2}^{2} \\ {(x_{3} - x^{'})}^{2} + {(y_{3} - y^{'})}^{2} + {(z_{3} - z^{'})}^{2} = d_{3}^{2} \end{matrix}

式(4)

\{\begin{matrix} {(x_{1} - x^{''})}^{2} + {(y_{1} - y^{''})}^{2} + {(z_{1} - z^{''})}^{2} = d_{1}^{2} \\ {(x_{2} - x^{''})}^{2} + {(y_{2} - y^{''})}^{2} + {(z_{2} - z^{''})}^{2} = d_{2}^{2} \\ {(x_{4} - x^{''})}^{2} + {(y_{4} - y^{''})}^{2} + {(z_{4} - z^{''})}^{2} = d_{4}^{2} \end{matrix}

式(5)

\{\begin{matrix} {(x_{1} - x^{'''})}^{2} + {(y_{1} - y^{'''})}^{2} + {(z_{1} - z^{'''})}^{2} = d_{1}^{2} \\ {(x_{3} - x^{'''})}^{2} + {(y_{3} - y^{'''})}^{2} + {(z_{3} - z^{'''})}^{2} = d_{3}^{2} \\ {(x_{4} - x^{'''})}^{2} + {(y_{4} - y^{'''})}^{2} + {(z_{4} - z^{'''})}^{2} = d_{4}^{2} \end{matrix}

式(6)

\{\begin{matrix} {(x_{2} - x^{''''})}^{2} + {(y_{2} - y^{''''})}^{2} + {(z_{2} - z^{''''})}^{2} = d_{1}^{2} \\ {(x_{3} - x^{''''})}^{2} + {(y_{3} - y^{''''})}^{2} + {(z_{3} - z^{''''})}^{2} = d_{3}^{2} \\ {(x_{4} - x^{''''})}^{2} + {(y_{4} - y^{''''})}^{2} + {(z_{4} - z^{''''})}^{2} = d_{4}^{2} \end{matrix}

式(7)；

ω_{i} = \frac{d_{5 - i}^{2}}{Σ_{i = 1}^{4} d_{i}^{2}}, i = 1, 2, 3, 4;

\{\begin{matrix} x = \frac{d_{4}^{2} \cdot x^{'}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{3}^{2} \cdot x^{''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{2}^{2} \cdot x^{'''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{1}^{2} \cdot x^{''''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} \\ y = \frac{d_{4}^{2} \cdot y^{'}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{3}^{2} \cdot y^{''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{2}^{2} \cdot y^{'''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{1}^{2} \cdot y^{''''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} \\ z = \frac{d_{4}^{2} \cdot z^{'}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{3}^{2} \cdot z^{''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{2}^{2} \cdot z^{'''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} + \frac{d_{1}^{2} \cdot z^{''''}}{d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{3}^{2} + d_{4}^{2}} \end{matrix}

式(8)；

\{\begin{matrix} x^{'} - x = Δ x_{1} \\ x^{''} - x = Δ x_{2} \\ x^{'''} - x = Δ x_{3} \\ x^{''''} - x = Δ x_{4} \end{matrix}

式(9)

\{\begin{matrix} y^{'} - y = Δ y_{1} \\ y^{''} - y = Δ y_{2} \\ y^{'''} - y = Δ y_{3} \\ y^{''''} - y = Δ y_{4} \end{matrix}

式(10)

\{\begin{matrix} z^{'} - z = Δ z_{1} \\ z^{''} - z = Δ z_{2} \\ z^{'''} - z = Δ z_{3} \\ z^{''''} - z = Δ z_{4} \end{matrix}

式(11)

\{\begin{matrix} Δ x = \frac{{Δx}_{1} + {Δx}_{2} + {Δx}_{3} + {Δx}_{4}}{4} \\ Δ y = \frac{{Δy}_{1} + {Δy}_{2} + {Δy}_{3} + {Δy}_{4}}{4} \\ Δ z = \frac{{Δz}_{1} + {Δz}_{2} + {Δz}_{3} + {Δz}_{4}}{4} \end{matrix}

式(12)

\{\begin{matrix} x_{R} = x + Δ x \\ y_{R} = y + Δ y \\ z_{R} = z + Δ z \end{matrix}

式(13)。