CN105319533A - 一种定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定位技术，公开了一种定位系统及方法。本发明中，包含发射端和接收端；发射端包含控制器与N个信号发射器，N为大于或者等于6的自然数；N个信号发射器分为两组，每组中包含至少3个信号发射器；控制器控制两组信号发射器按照预设的时序发射脉冲信号至接收端；接收端包含信号接收器与信号处理器；信号接收器将接收的脉冲信号输出至信号处理器；信号处理器根据接收到的脉冲信号获取接收端的位置信息。与现有技术相比，是利用发射端的控制器控制两组信号发射器按照预设的时序发射脉冲信号至接收端，接收端对接收的脉冲信号进行处理，获取接收端的位置信息。这样，根据脉冲信号的变化对接收端进行定位，可以使得对接收端的定位更精确。

Description

一种定位系统及方法

技术领域

本发明涉及定位技术，特别涉及一种定位系统及方法。

背景技术

目前，可见光定位技术，特别是在室内导航领域，对于现有常用的定位技术，普遍来说，定位精度不高。

比如，对于采用角度到达(ArrivalOfAngle，简称AOA)技术的可见光定位系统，该技术根据信号到达的角度，确定目标相对于信号发射器的角度关系。具体地，是利用探测器阵列计算LED灯(信号发射器)与目标(信号接收器)的角度，并根据计算的LED灯(信号发射器)与目标(信号接收器)的角度计算目标的位置，但是，该技术对探测器阵列方位很敏感，而且，受角度算法的影响较大，定位不精确，且易出现定位盲点。

对于采用抵达时间(TimeOfArrival，简称TOA)定位技术的可见光定位系统，是基于测量信号从信号发射器发送出去并到达信号接收器(3个或更多)的时间来定位的，其中，信号接收器设置在需要定位的目标上。信号接收器位于以信号发射器为圆心、信号接收器到信号发射器的信号传播距离为半径的圆上。在多个信号发射器进行上述计算，则可由3个圆的交点确定信号接收器的二维坐标。这种技术要求接收信号的信号发射器与信号接收器知道信号的开始传输时刻，来实现信号发射器与信号接收器的时钟精确的同步，然而，由于二者之间的距离相对于光速来说非常短，亦即，光信号在二者之间往返利用的时间非常短，导致信号发射器与信号接收器的时钟很难保持精确的同步，进而导致对目标的定位精度不高。

对于采用抵达时间差(TimeDifferenceOfArrival，简称TDOA)定位技术的可见光定位系统，是通过检测信号到达两个信号发射器的时间差，而不是到达的绝对时间来确定信号接收器的位置的，其中，信号接收器设置在需要定位的目标上，这降低了对时间同步的要求。信号接收器位于以两个信号发射器为焦点的双曲线方程上。确定信号接收器的二维坐标需要建立两个以上的双曲线方程，两条双曲线的交点即为信号接收器的二维位置坐标。在实际应用中，通常采用最小均方差算法，通过使非线性误差函数的平方和取得最小来估计信号接收器的位置。由于该技术不要求信号接收器与信号发射器之间的同步，因此，在误差环境下性能相对优越。但是，但由于信号发射器间的距离较短(特别是在室内导航的情况下)，两个信号发射器发射的光信号到达信号接收器时间差较小，若时间测量不精确，便会导致对目标的定位精度不高，若提高时间的测量精度，则会提高定位的成本。

对于采用基于信号强度(ReceivedSignalStrength，简称RSS)定位技术的可见光定位系统，是利用信号的衰减规律，即信号接收器距离信号发射器越近收到的信号越强，反之，越弱。但是，光信号强度的变化易受干扰，从而导致对目标的定位不精确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种定位系统及方法，使得室内定位更精确。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种定位系统，包含发射端和接收端；

所述发射端包含控制器与N个信号发射器；其中，N为大于或者等于6的自然数；

N个所述信号发射器分为两组，每组中包含至少3个所述信号发射器；

所述控制器控制两组所述信号发射器按照预设的时序发射脉冲信号至所述接收端；

所述接收端包含信号接收器与信号处理器；

所述信号接收器将接收的脉冲信号输出至所述信号处理器；所述信号处理器根据所述脉冲信号获取所述接收端的位置信息。

本发明的实施方式还提供了一种定位方法，包含以下步骤：

由发射端按照预设的时序发射两组脉冲信号至接收端；其中，所述脉冲信号由所述发射端内置的两组信号发射器在控制器的控制下发射；所述发射端包含N个所述信号发射器，N为大于或者等于6的自然数，且每组中包含至少3个所述信号发射器；

所述接收端根据接收的脉冲信号获取所述接收端的位置信息。

本发明实施方式相对于现有技术而言，是利用发射端的控制器控制内置的两组信号发射器按照预设的时序发射脉冲信号至接收端，接收端对接收的两组脉冲信号进行处理，获取接收端的位置信息。这样，根据发射端发射的脉冲信号的变化对接收端进行定位，可以使得对接收端的定位更精确。

另外，所述信号发射器为LED灯。利用室内照明用的LED灯作为信号发射器，可以在照明的同时实现室内导航，实现资源的高效利用，节约成本，且易于推广。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的定位系统的结构示意图；

图2是根据本发明第一实施方式中的信号发射器的排列示意图；

图3是根据本发明第一实施方式中的匹配滤波方法流程示意图；

图4是根据本发明第三实施方式中的匹配滤波方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种定位系统，具体如图1所示，包含发射端和接收端。

具体地说，发射端包含控制器与N个信号发射器；其中，N为大于或者等于6的自然数。在本实施方式中，信号发射器可以是任意广播式无线信号发射器。广播式无线信号发射器是现有成熟的器件，保证了本实施方式的可行性。

本领域技术人员可以理解，N个信号发射器分为两组，每一组数量都不能小于3。每组信号发射器可以呈直线排列，也可以呈曲线排列。在本实施方式中，优选地，采用两组信号发射器直线且平行排列，并且，将直线排列的方向作为方位向，将与方位向垂直的方向作为距离向。这样，获取接收端位置信息的算法简单，易于实现。

控制器控制两组信号发射器按照预设的时序发射脉冲信号至接收端。具体地说，在定位系统启动时，控制器获取初始化信息，其中，初始化信息包含N个信号发射器的位置信息、发射时间与发射顺序，该发射时间与发射顺序即为预设的时序；在获取初始化信息后，根据初始化信息通过相互独立方式控制两组信号发射器按照预设的时序发射两组脉冲信号至接收端。

在本实施方式中，N个信号发射器排列在两条直线上，比如，第1至个信号发射器排列在一条直线上，第至N个信号发射器排列在另一条直线上，具体如图2所示。每一条直线上的信号发射器按照排列顺序依次发射脉冲信号，不同直线上的信号发射器按照直线的排列顺序依次发射脉冲信号。也就是，每一个信号发射器发射一个脉冲信号，比如说，第1个信号发射器发射脉冲信号1，第2个信号发射器发射脉冲信号2，……，第n个信号发射器发射脉冲信号n，其中，n等于1、2、3、……、N。这样，可以实现对移动速度较快的接收端进行定位。

需要说明的是，两组信号发射器循环发射脉冲信号，也就是，第N个信号发射器发射脉冲信号N后，第1个信号发射器发射脉冲信号1。另外，在室内可以布置超过两条排列在一条直线上的信号发射器，每一条直线上的信号发射器按照排列顺序依次发射脉冲信号，不同直线上的信号发射器按照直线的排列顺序依次发射脉冲信号。当然，不同直线上的信号发射器也可以按照其他预设的次序发射脉冲信号，在此不再一一列举。

优选地，发射的脉冲信号可以是线性调频信号。由于线性调频信号的时宽与带宽互不影响，容易得到大时宽-带宽积的信号，大时宽-带宽积的脉冲信号可以提高距离分辨率和距离测量精度。

接收端包含信号接收器与信号处理器；信号接收器将接收的两组脉冲信号输出至信号处理器；信号处理器根据接收的两组脉冲信号获取接收端的位置信息。具体地说，通过相互独立方式可以分别得到接收端相对于两组信号发射器的方位向和距离向的坐标，统合两组坐标可以换算出接收端在房间中的三维位置信息。

在本实施方式中，信号处理器可以为匹配滤波器。利用匹配滤波器对接收的脉冲信号进行匹配滤波，可以从脉冲信号中分离出接收端距离向和方位向的信息，实现对接收端的定位。

值得一提的是，利用匹配滤波器对大时宽-带宽积的脉冲信号进行匹配滤波的过程即为脉冲压缩，这样，可以提高接收端的距离分辨率和距离测量精度。

下面以本实施方式中的定位系统工作于室内环境，需要定位的目标物体(接收端)运动速度不超过10m/s，发射端发射的脉冲宽度及时间间隔均为亚毫秒级为例进行说明，在定位过程中接收端运动引起的位置变化很小，可以认为接收端是一个静止的物体。两组信号发射器默认采用相同的定位方式进行定位以减小定位系统复杂度。因此，在此仅以一组信号发射器为准进行定位方法介绍。这样，发射端发射的脉冲信号可采用下式表示：

s(t)＝a(t)exp(j2πf_ct+jπγt²)，

其中，t表示时间，s(t)表示发射信号，a(t)表示表示发射脉冲的窗函数，j为虚数单位，j²＝-1，f_c表示载波频率，γ表示调频率。

如果发射端发射的脉冲信号采用上式表示，则接收端接收到的第n个信号发射器发射的脉冲信号n可以表示为

$s(t_r,t_n,R)=\mathrm{\σa}(t_r-\frac{R(t_n,R)}{c})\exp \left(\mathrm{j\π\γ}{(t_r-\frac{R(t_n,R)}{c})}^2\right)\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{R(t_n,R)}{c}),$

其中，t_r表示一个脉冲时间内的时间变化，又称为快时间，t_n表示接收到第n个信号发射器信号的时间，又称为慢时间，c表示光速，R表示接收端的坐标，σ表示接收端的后向散射系数，R(t_n,R)表示接收端在t_n时刻与发射端的距离。 $\exp \left(\mathrm{j\π\γ}{(t_r-\frac{R(t_n,R)}{c})}^2\right)$ 为距离向分量， $\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{R(t_n,R)}{c})$ 为方位向分量，反映了慢时间变化引起的信号变化。匹配滤波器对接收到的信号进行匹配滤波可以分离出接收端距离向和方位向的信息，实现对接收端的定位。

接收端接收到的信号以t_n为行，t_r为列排列成一个矩阵，其中行方向又称为距离向，列方向又称为方位向。

另外，在本实施方式中，对脉冲信号的匹配滤波方法，具体如图3所示，包含以下步骤：

步骤301，将脉冲信号沿距离向进行FFT(FastFourierTransformation，快速傅氏变换)。

步骤302，对沿距离向FFT后的信号进行距离向匹配滤波。具体地说，是根据压缩因子(即匹配滤波函数)对信号进行匹配滤波。

步骤303，对距离向匹配滤波后的信号进行距离向的IFFT(FFT逆变换)。

步骤304，对距离向的IFFT后的信号沿方位向进行FFT。

步骤305，对沿方位向FFT后的信号进行方位向匹配滤波。本步骤中也是根据压缩因子(即匹配滤波函数)对信号进行匹配滤波。

步骤306，对方位向匹配滤波后的信号进行方位向IFFT，获取SAR(SyntheticApertureRadar，合成孔径雷达)图像，其中，SAR图像包含接收端的位置信息。

另外，在实际应用中，两组中的信号发射器还可以在控制器的控制下按照排列顺序交错发射脉冲信号。当然，还可以以其他预设的顺序发射脉冲信号，由于发射顺序可以有多种方式，并不枚胜举，在此不再一一列举。

与现有技术相比，是利用发射端的控制器根据初始化信息控制内置的两组信号发射器按照预设的时序发射脉冲信号至接收端，接收端对接收的脉冲信号进行处理，获取接收端的位置信息。这样，根据发射端发射的脉冲信号的变化对接收端进行定位，可以使得对接收端的定位更精确。

本发明的第二实施方式涉及一种定位系统。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，信号发射器采用现有成熟的广播式无线信号发射器，保证了本发明实施方式的可行性。而在本发明第二实施方式中，信号发射器为LED灯，利用室内照明用的LED灯作为信号发射器，实现了资源的高效利用，节约了成本，且易于推广。

具体地说，LED(Light-EmittingDiode，发光二极管)作为一种固态光源具有发光效率高、尺寸小、寿命长等优点，将取代传统的照明设备成为下一代环保照明光源。作为一种半导体光子器件，LED的快速响应特性使其具有高速调制的特点，可以将信号以人眼无法感知的速度调制到LED光源上进行数据传输。基于LED的上述特点，产生了一种深度耦合照明与数据传输的新技术，即可见光通信技术(VisibleLightCommunication,简称VLC)。VLC技术作为一种光无线通信技术具有发射功率高、无需频谱申请、带宽高、无电磁干扰并且安全可靠等优点，可以作为频谱日益紧张的无线射频通信技术的补充。

由于定位技术是现代通信技术中的一个重要支撑技术，可见光定位技术自然成为VLC技术的重要支撑技术，而且，LED灯在照明的同时用于室内定位导航，实现了资源的高效利用。

另外，信号发射器还可以采用无线电磁波信号发射器，而无线电磁波信号发射器具体可以采用无线WiFi信号发射器。在实际应用中，可根据实际情况进行选择，保证了本发明实施方式的灵活性。而且，无线电磁波信号发射器为现有成熟的器件，保证了本实施方式的可行性。

本发明第三实施方式涉及一种定位系统。第三实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在本发明第三实施方式中，对信号的方位向FFT被提前，与对信号的距离向FFT一起进行，然后乘以一个预设的相位函数，以提高方位向匹配滤波精度。除了不需要再次进行方位向FFT之外，之后的过程与第一实施方式相同。

具体地说，本实施方式中，对脉冲信号的匹配滤波方法，具体如图4所示，包含以下步骤：

步骤401，将脉冲信号沿方位向进行FFT。

步骤402，对FFT后的信号乘以一个预设的相位函数。这样，可以提高方位向匹配滤波精度。

步骤403，将脉冲信号沿距离向进行FFT。

步骤404，对距离向FFT后的信号进行距离向匹配滤波。本步骤与第一实施方式中的步骤302类似，在此不再赘述。

步骤405，对距离向匹配滤波后的信号进行距离向的IFFT(FFT逆变换)。本步骤与第一实施方式中的步骤303类似，在此不再赘述。

步骤406，对距离向IFFT后的信号进行方位向匹配滤波。本步骤与第一实施方式中的步骤305类似，在此不再赘述。

步骤407，对方位向匹配滤波后的信号进行方位向IFFT，获取接收端的位置信息。本步骤与第一实施方式中的步骤306类似，在此不再赘述。

由于不同信号发射器与接收端之间的距离不同，会导致接收端接收到的来自不同信号发射器的脉冲信号位于不同的距离门，即接收端与信号发射器之间的距离变化超过了一个距离分辨单元，造成了信号在方位向与距离向的耦合，这种现象称为距离徙动。采用该实施方式可以有效补偿距离徙动和相位失真，提高定位准度和精度。

本发明第四实施方式涉及一种定位系统。第四实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在本发明第四实施方式中，信号在距离向匹配滤波完成后，进行二维傅立叶变换到波数域，然后通过斯托尔特(stolt)变换在波数域进行信号处理，最后通过二维傅立叶逆变换得到目标位置信息。也就是，信号在距离向匹配滤波后的处理均是在波数域进行的。

该实施方式基于波动方程对距离压缩后的回波信号进行二维频域分析，通过二维频域匹配滤波完成方位向线性调频信号的去调频压缩，同时纠正不同脉冲信号的的距离徙动，补偿相位失真，定位精度更高。

本发明第五实施方式涉及一种定位方法，包含以下步骤：

首先，由发射端按照预设的时序发射两组脉冲信号至接收端；其中，脉冲信号由发射端内置的两组信号发射器在控制器的控制下发射；发射端包含N个信号发射器，N为大于或者等于6的自然数，且每组中包含至少3个信号发射器。

接着，接收端根据接收的脉冲信号获取接收端的位置信息。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种定位系统，包含发射端和接收端，其特征在于，

所述发射端包含控制器与N个信号发射器；其中，N为大于或者等于6的自然数；

N个所述信号发射器分为两组，每组中包含至少3个所述信号发射器；

所述控制器控制两组所述信号发射器按照预设的时序发射脉冲信号至所述接收端；

所述接收端包含信号接收器与信号处理器；

所述信号接收器将接收的脉冲信号输出至所述信号处理器；所述信号处理器根据所述脉冲信号获取所述接收端的位置信息。

2.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述信号发射器为广播式无线信号发射器。

3.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述信号发射器为LED灯。

4.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述信号发射器为无线电磁波信号发射器。

5.根据权利要求4所述的定位系统，其特征在于，所述无线电磁波信号发射器为无线WiFi信号发射器。

6.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，每组所述信号发射器呈直线排列或曲线排列。

7.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，每组所述信号发射器在所述控制器的控制下按照排列顺序依次发射所述脉冲信号。

8.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，两组中的所述信号发射器在所述控制器的控制下按照排列顺序交错发射所述脉冲信号。

9.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述脉冲信号为线性调频信号。

10.一种定位方法，其特征在于，包含以下步骤：

由发射端按照预设的时序发射两组脉冲信号至接收端；其中，所述脉冲信号由所述发射端内置的两组信号发射器在控制器的控制下发射；所述发射端包含N个所述信号发射器，N为大于或者等于6的自然数，且每组中包含至少3个所述信号发射器；

所述接收端根据接收的脉冲信号获取所述接收端的位置信息。