CN105388456A - 可见光通信多阵元三维无线定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可见光通信多阵元三维无线定位系统，包括待定位终端和至少四个可见光发射阵元，可见光发射阵元包括微处理器、存储器、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均匀设置有若干独立编号方形LED发光晶格的LED光源；LED发光晶格内设黑光LED、蓝光LED、绿光LED和红光LED；待定位终端包括中央处理器、GPS定位模块、光信号强度检测器、光信号接收器、信号比较器、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。该系统利用GPS定位和可见光准确融合定位，地理位置信息以多维彩码形式发送给待定位终端提取，进行粗略定位，提高了定位准确度和定位效率。

Description

可见光通信多阵元三维无线定位系统

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种可见光通信多阵元三维无线定位系统。

背景技术

随着移动互联网的发展，各种基于定位的位置服务方案相继被不断推出。当前，GPS全球定位系统是应用最为广泛的室外无线定位系统。通过在移动终端内设置GPS定位芯片，可以在室外空阔的环境中为移动终端提供较精确的定位服务。然而，在人们活动较多的室内或者建筑物比较密集的特殊环境中，如市区楼宇环境、小区中，移动终端接收到的GPS信号会因受到遮挡而变弱，进而导致GPS定位效果较差。

近年来，随着基于LED光源的可见光通信技术的发展和LED光源的不断普遍布置，基于可见光通信的定位方案被相继提出。可见光通信定位方案通过将各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，以周围LED光源的位置数据作为移动终端的当前实际位置。

然而，现有的可见光通信定位方案仍然存在一些不足之处：当移动终端接收附近LED光源发出的光信号，并解调光信号中的地理位置进行定位时，移动终端获取的所谓当前定位数据仍然是附近LED光源的地理位置，并非移动终端的真正位置，这将导致对移动终端的实际位置定位精度有限。

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在室外空阔环境对待定位终端进行准确定位，又能够在建筑物密集环境中准确定位的可见光通信多阵元三维无线定位系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：可见光通信多阵元三维无线定位系统，其特征在于，包括待定位终端和至少四个可见光发射阵元，所述可见光发射阵元分布设置在待定位终端的周围；其中，

所述各可见光发射阵元均包括微处理器以及分别连接微处理器的第一LTE通信模块、第一WIFI通信模块、存储LED光源位置数据的存储器、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、蓄电池和光电转换器；第一WIFI通信模块与外网连接；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；所述蓄电池分别连接LED光源和光电转换器；其中，

所述微处理器，用以读取存储器内保存的LED光源位置数据，并分别转换为光信息和多维彩码信息，并命令指定编号的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，并发送扩频码序列给扩频调制器；

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，在LED光源位置数据转换为多维彩码信息后，根据微处理器分别指定编号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；

所示光电转换器，用以将LED光源发出的光能转换为电能；

所述待定位终端包括中央处理器以及分别连接中央处理器的第二LTE通信模块、第二WIFI通信模块、GPS定位模块、光信号强度检测器、光信号接收器、滤噪器、信号比较器、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；所述光信号接收器连接滤噪器，信号比较器连接滤噪器和第二光电信号转换器，所述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；所述显示屏连接摄像头，所述GPS定位模块连接第二LTE通信模块和显示屏；其中，

所述GPS定位模块，用以获取待定位终端的当前GPS位置数据和GPS信号强度，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，用以接收可见光发射阵元中LED光源发出的光信号，并发送给滤噪器处理；

所述光信号强度检测器，用以分别检测各可见光发射阵元发送来的光信号强度值，并发送给中央处理器；

所述滤噪器，用以对接收的光信号滤噪，然后发送给信号比较器作出判断：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，用以读取LED光源发出的多维彩码图像，并由中央处理器提取多维彩码图像中的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，以获取待定位终端最终的三维定位数据；其中，中央处理器获取待定位终端最终的三维定位数据的过程依次包括如下步骤：

(1)设获取的GPS定位数据为(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，GPS信号强度值为p_GPS，GPS信号强度可信阈值为p_{GPS_door}；各可见光发射阵元分别为L₁、L₂、L₃、L₄、…、L_N，L₁、L₂、L₃、L₄、…、L_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；待定位终端最终的三维定位数据为(x_R,y_R,z_R)，N≥4，M≥1；

(2)当GPS信号强度值p_GPS高于GPS信号强度可信阈值p_{GPS_door}时，则以获取的GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)为待定位终端最终的三维定位数据；否则，存储当前GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，并执行步骤(3)；

(3)根据在时间段T内接收到的各可见光发射阵元的光信号强度值，计算每个可见光发射阵元发出的光信号强度值的信号强度均方根值p_i：

$p_i=\sqrt{\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{p^2}_{ij}},i=1,2,3,...,N;$ 式(1)

其中，p_i表示可见光发射阵元L_i发出的光信号强度值的均方根值，p_ij表示可见光发射阵元L_i发出的某一个光信号强度值；

(4)根据接收到的各可见光发射阵元的光信号强度均方根值的降序序列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)根据接收的各可见光发射阵元的光信号强度均方根值p₁、p₂、p₃和p₄，分别获取可见光发射阵元L₁、L₂、L₃和L₄到待定位终端的距离d₁、d₂、d₃和d₄：

$p_i=p_0+10{\mathrm{nlog}}_{10}\[\frac{d_i}{d_0}\]+\mathrm{\ξ};$ 式(2)

$d_i=d_0{10}^{\frac{p_i-p_0-\mathrm{\ξ}}{10n}},i=1,2,3,4;$ 式(3)

其中，p_i为可见光发射阵元L_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为可见光发射阵元L_i到待定位终端的距离，d₀为参考距离，p₀为距离待定位终端d₀处的光信号强度值；

(6)根据可见光发射阵元L₁、L₂、L₃和L₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)、已存储的当前GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)以及获取的距离d₁、d₂、d₃和d₄，对待定位终端最终的三维定位数据(x,y,z)进行求解：

(6-1)以三个为一组，对可见光发射阵元L₁、L₂、L₃和L₄进行分组，获得四组可见光发射阵元组合：L₁(x₁,y₁,z₁)、L₂(x₂,y₂,z₂)和L₃(x₃,y₃,z₃)，L₁(x₁,y₁,z₁)、L₂(x₂,y₂,z₂)和L₄(x₄,y₄,z₄)，L₁(x₁,y₁,z₁)、L₃(x₃,y₃,z₃)和L₄(x₄,y₄,z₄)，L₂(x₂,y₂,z₂)、L₃(x₃,y₃,z₃)和L₄(x₄,y₄,z₄)；

(6-2)根据可见光发射阵元L₁、L₂、L₃和L₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)及距离d₁、d₂、d₃和d₄，分别计算待定位终端的第一坐标(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””)；其中，

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x^{\′})}^2+{(y_1-y^{\′})}^2+{(z_1-z^{\′})}^2=d_1^2\\ {(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2=d_2^2\\ {(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2=d_3^2\end{array}\right.$ 式(4)

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x^{\′\′})}^2+{(y_1-y^{\′\′})}^2+{(z_1-z^{\′\′})}^2=d_1^2\\ {(x_2-x^{\′\′})}^2+{(y_2-y^{\′\′})}^2+{(z_2-z^{\′\′})}^2=d_2^2\\ {(x_4-x^{\′\′})}^2+{(y_4-y^{\′\′})}^2+{(z_4-z^{\′\′})}^2=d_4^2\end{array}\right.$ 式(5)

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x^{\′\′\′})}^2+{(y_1-y^{\′\′\′})}^2+{(z_1-z^{\′\′\′})}^2=d_1^2\\ {(x_3-x^{\′\′\′})}^2+{(y_3-y^{\′\′\′})}^2+{(z_3-z^{\′\′\′})}^2=d_3^2\\ {(x_4-x^{\′\′\′})}^2+{(y_4-y^{\′\′\′})}^2+{(z_4-z^{\′\′\′})}^2=d_4^2\end{array}\right.$ 式(6)

$\left\{\begin{array}{c}{(x_2-x^{\′\′\′\′})}^2+{(y_2-y^{\′\′\′\′})}^2+{(z_2-z^{\′\′\′\′})}^2=d_1^2\\ {(x_3-x^{\′\′\′\′})}^2+{(y_3-y^{\′\′\′\′})}^2+{(z_3-z^{\′\′\′\′})}^2=d_3^2\\ {(x_4-x^{\′\′\′\′})}^2+{(y_4-y^{\′\′\′\′})}^2+{(z_4-z^{\′\′\′\′})}^2=d_4^2\end{array}\right.$ 式(7)；

(6-3)根据获取的待定位终端的四组坐标值以及已存储的当前GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，计算系统定位误差的平均值(Δx,Δy,Δz)和待定位终端四组坐标值的平均值其中，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x=\frac{1}{4}\left(\right|x^{\′}-x_{GPS}|+|x^{\′\′}-x_{GPS}|+|x^{\′\′\′}-x_{GPS}|+|x^{\′\′\′\′}-x_{GPS}\left|\right)\\ \mathrm{\Δ}y=\frac{1}{4}\left(\right|y^{\′}-y_{GPS}|+|y^{\′\′}-y_{GPS}|+|y^{\′\′\′}-y_{GPS}|+|y^{\′\′\′\′}-y_{GPS}\left|\right)\\ \mathrm{\Δ}z=\frac{1}{4}\left(\right|z^{\′}-z_{GPS}|+|z^{\′\′}-z_{GPS}|+|z^{\′\′\′}-z_{GPS}|+|z^{\′\′\′\′}-z_{GPS}\left|\right)\end{array}\right.$ 式(8)

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}=\frac{x^{\′}+x^{\′\′}+x^{\′\′\′}+x^{\′\′\′\′}}{4}\\ \stackrel{\‾}{y}=\frac{y^{\′}+y^{\′\′}+y^{\′\′\′}+y^{\′\′\′\′}}{4}\\ \stackrel{\‾}{z}=\frac{z^{\′}+z^{\′\′}+z^{\′\′\′}+z^{\′\′\′\′}}{4}\end{array}\right.$ 式(9)；

(6-4)根据获取的待定位终端四组坐标值的平均值以及定位误差的平均值(Δx,Δy,Δz)，计算得到待定位终端最终的三维定位数据(x,y,z)；其中，

$\left\{\begin{array}{c}x=\stackrel{\‾}{x}+\mathrm{\Δ}x\\ y=\stackrel{\‾}{y}+\mathrm{\Δ}y\\ z=\stackrel{\‾}{z}+\mathrm{\Δ}z\end{array}\right.$ 式(10)。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在室外空阔环境下，待定位终端以GPS定位模块获取的精确定位数据作为待定位终端的当前位置；而在GPS信号较弱的建筑物密集的市区环境中，可见光发射阵元将各自的实际地理位置由电信号转为光信号后，微处理器命令指定LED发光晶格内的黑光LED、蓝光LED、绿光LED和红光LED根据调制后的光信号情况发光，以照射出含有可见光发射阵元地理位置的多维彩码；待定位终端利用摄像头扫描、获取多维彩码中的地理位置信息，以在第一时间为待定位终端进行粗略定位，节省定位时间；同时待定位终端提取接收的周围可见光发射阵元的光信号中的地理位置数据，并根据接收的光信号强度值，融合获得待定位终端的当前实际地理位置数据。该可见光通信多阵元三维无线定位系统在室外GPS定位基础上，结合各可见光发射阵元发出的可见光准确融合定位，还将丰富的地理位置等信息以多维彩码形式发送给待定位终端进行粗略定位，从而既提高了定位准确度和定位环境应用范围，又节约了粗略定位时间。

附图说明

图1为本发明实施例中可见光通信多阵元三维无线定位系统的结构示意图；

图2为图1所示定位系统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定位性能曲线图。

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，本实施例的可见光通信多阵元三维无线定位系统，包括待定位终端1和至少四个可见光发射阵元2，可见光发射阵元2分布设置在待定位终端1的周围；其中，

待定位终端1包括中央处理器100以及分别连接中央处理器100的第二LTE通信模块101、第二WIFI通信模块102、GPS定位模块103、光信号强度检测器104、光信号接收器105、滤噪器106、信号比较器107、第二光电信号转换器108、扩频解调器109、第二扩频码发生器110、信号解调器111、摄像头112和显示屏113；光信号接收器105连接滤噪器106，信号比较器107连接滤噪器106和第二光电信号转换器108，扩频解调器109分别连接第二光电信号转换器108、第二扩频码发生器110和信号解调器111；显示屏113连接摄像头112，GPS定位模块103连接第二LTE通信模块101和显示屏113；其中，

GPS定位模块103，用以获取待定位终端1的当前GPS位置数据和GPS信号强度，并发送获取的GPS位置数据和GPS信号强度值给中央处理器100；

光信号接收器105，用以接收可见光发射阵元中LED光源发出的光信号，并发送给滤噪器106处理；

光信号强度检测器105，用以分别检测各可见光发射阵元发送来的光信号强度值，并发送给中央处理器100；

滤噪器106，用以对接收的光信号滤噪，然后发送给信号比较器107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108启动光电转换；

第二光电信号转换器108，用以将接收的光信号转换为LED光源208位置的电信号，并发送给中央处理器100；

摄像头112，用以读取LED光源208发出的多维彩码图像，并由中央处理器100提取多维彩码图像中的LED光源位置信息；

中央处理器100，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108发送的电信号进行融合计算，以获取待定位终端1最终的三维定位数据；

各可见光发射阵元2均包括微处理器200以及分别连接微处理器200的第一LTE通信模块201、第一WIFI通信模块202、存储LED光源位置数据的存储器203、信号调制器204、第一扩频码发生器205、扩频调制器206、第一光电信号转换器207、LED光源208、蓄电池209和光电转换器210；第一WIFI通信模块202与外网连接；第一扩频码发生器205分别连接信号调制器204和扩频调制器206，扩频调制器206连接第一光电信号转换器207；LED光源208上均匀地设置若干具有独立编号的方形LED发光晶格；每个LED发光晶格内均设置有黑光LED2081、蓝光LED2082、绿光LED2083和红光LED2084，黑光LED2081、蓝光LED2082、绿光LED2083和红光LED2084分别连接微处理器200；蓄电池209分别连接LED光源208和光电转换器210；其中，

微处理器200，用以读取存储器203内保存的LED光源208位置数据，并分别转换为光信息和多维彩码信息，并命令LED发光晶格执行发光；命令信号调制器204、第一扩频码发生器205、扩频调制器206和第一光电信号转换器207分别执行启动指令；

信号调制器204，用以将LED光源208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205，用以产生扩频码序列，并发送扩频码序列给扩频调制器206；

扩频调制器206，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207，根据微处理器200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208，在LED光源208位置数据转换为多维彩码信息后，根据微处理器200分别对指定编号LED发光晶格内黑光LED2081、蓝光LED2082、绿光LED2083和红光LED2084发光或闭光命令，发出由不同颜色组成的多维彩码图像；其中，

中央处理器100获取待定位终端1最终的三维定位数据的过程依次包括如下步骤：

(1)设获取的GPS定位数据为(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，GPS信号强度值为p_GPS，GPS信号强度可信阈值为p_{GPS_door}；各可见光发射阵元分别为L₁、L₂、L₃、L₄、…、L_N，L₁、L₂、L₃、L₄、…、L_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；待定位终端最终的三维定位数据为(x_R,y_R,z_R)，N≥4，M≥1；

(2)当GPS信号强度值p_GPS高于GPS信号强度可信阈值p_{GPS_door}时，表示当前GPS信号较强，其定位精度可信，则以获取的GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)为待定位终端最终的三维定位数据；否则，存储当前GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，以为后续精确定位提供参考依据，并执行步骤(3)；

(3)根据在时间段T内接收到的各可见光发射阵元的光信号强度值，计算每个可见光发射阵元发出的光信号强度值的信号强度均方根值p_i：

$p_i=\sqrt{\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{p^2}_{ij}},i=1,2,3,...,N;$ 式(1)

其中，p_i表示可见光发射阵元L_i发出的光信号强度值的均方根值，p_ij表示可见光发射阵元L_i发出的某一个光信号强度值；

(4)根据接收到的各可见光发射阵元的光信号强度均方根值的降序序列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)根据接收的各可见光发射阵元的光信号强度均方根值p₁、p₂、p₃和p₄，分别获取可见光发射阵元L₁、L₂、L₃和L₄到待定位终端的距离d₁、d₂、d₃和d₄：

$p_i=p_0+10{\mathrm{nlog}}_{10}\[\frac{d_i}{d_0}\]+\mathrm{\ξ};$ 式(2)

$d_i=d_0{10}^{\frac{p_i-p_0-\mathrm{\ξ}}{10n}},i=1,2,3,4;$ 式(3)

其中，p_i为可见光发射阵元L_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为可见光发射阵元L_i到待定位终端的距离，d₀为参考距离，p₀为距离待定位终端d₀处的光信号强度值；

(6)根据可见光发射阵元L₁、L₂、L₃和L₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)、已存储的当前GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)以及获取的距离d₁、d₂、d₃和d₄，对待定位终端最终的三维定位数据(x,y,z)进行求解：

(6-1)以三个为一组，对可见光发射阵元L₁、L₂、L₃和L₄进行分组，获得四组可见光发射阵元组合：L₁(x₁,y₁,z₁)、L₂(x₂,y₂,z₂)和L₃(x₃,y₃,z₃)，L₁(x₁,y₁,z₁)、L₂(x₂,y₂,z₂)和L₄(x₄,y₄,z₄)，L₁(x₁,y₁,z₁)、L₃(x₃,y₃,z₃)和L₄(x₄,y₄,z₄)，L₂(x₂,y₂,z₂)、L₃(x₃,y₃,z₃)和L₄(x₄,y₄,z₄)；

(6-2)根据可见光发射阵元L₁、L₂、L₃和L₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)及距离d₁、d₂、d₃和d₄，分别计算待定位终端的第一坐标(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””)；其中，

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x^{\′})}^2+{(y_1-y^{\′})}^2+{(z_1-z^{\′})}^2=d_1^2\\ {(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2=d_2^2\\ {(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2=d_3^2\end{array}\right.$ 式(4)

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x^{\′\′})}^2+{(y_1-y^{\′\′})}^2+{(z_1-z^{\′\′})}^2=d_1^2\\ {(x_2-x^{\′\′})}^2+{(y_2-y^{\′\′})}^2+{(z_2-z^{\′\′})}^2=d_2^2\\ {(x_4-x^{\′\′})}^2+{(y_4-y^{\′\′})}^2+{(z_4-z^{\′\′})}^2=d_4^2\end{array}\right.$ 式(5)

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x^{\′\′\′})}^2+{(y_1-y^{\′\′\′})}^2+{(z_1-z^{\′\′\′})}^2=d_1^2\\ {(x_3-x^{\′\′\′})}^2+{(y_3-y^{\′\′\′})}^2+{(z_3-z^{\′\′\′})}^2=d_3^2\\ {(x_4-x^{\′\′\′})}^2+{(y_4-y^{\′\′\′})}^2+{(z_4-z^{\′\′\′})}^2=d_4^2\end{array}\right.$ 式(6)

$\left\{\begin{array}{c}{(x_2-x^{\′\′\′\′})}^2+{(y_2-y^{\′\′\′\′})}^2+{(z_2-z^{\′\′\′\′})}^2=d_1^2\\ {(x_3-x^{\′\′\′\′})}^2+{(y_3-y^{\′\′\′\′})}^2+{(z_3-z^{\′\′\′\′})}^2=d_3^2\\ {(x_4-x^{\′\′\′\′})}^2+{(y_4-y^{\′\′\′\′})}^2+{(z_4-z^{\′\′\′\′})}^2=d_4^2\end{array}\right.$ 式(7)；

(6-3)根据获取的待定位终端的四组坐标值以及已存储的当前GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，计算系统定位误差的平均值(Δx,Δy,Δz)和待定位终端四组坐标值的平均值而计算系统定位误差以消除因系统自身因素对定位精度的影响，其中，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x=\frac{1}{4}\left(\right|x^{\′}-x_{GPS}|+|x^{\′\′}-x_{GPS}|+|x^{\′\′\′}-x_{GPS}|+|x^{\′\′\′\′}-x_{GPS}\left|\right)\\ \mathrm{\Δ}y=\frac{1}{4}\left(\right|y^{\′}-y_{GPS}|+|y^{\′\′}-y_{GPS}|+|y^{\′\′\′}-y_{GPS}|+|y^{\′\′\′\′}-y_{GPS}\left|\right)\\ \mathrm{\Δ}z=\frac{1}{4}\left(\right|z^{\′}-z_{GPS}|+|z^{\′\′}-z_{GPS}|+|z^{\′\′\′}-z_{GPS}|+|z^{\′\′\′\′}-z_{GPS}\left|\right)\end{array}\right.$ 式(8)

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}=\frac{x^{\′}+x^{\′\′}+x^{\′\′\′}+x^{\′\′\′\′}}{4}\\ \stackrel{\‾}{y}=\frac{y^{\′}+y^{\′\′}+y^{\′\′\′}+y^{\′\′\′\′}}{4}\\ \stackrel{\‾}{z}=\frac{z^{\′}+z^{\′\′}+z^{\′\′\′}+z^{\′\′\′\′}}{4}\end{array}\right.$ 式(9)；

(6-4)根据获取的待定位终端四组坐标值的平均值以及定位误差的平均值(Δx,Δy,Δz)，计算得到待定位终端最终的三维定位数据(x,y,z)；其中，

$\left\{\begin{array}{c}x=\stackrel{\‾}{x}+\mathrm{\Δ}x\\ y=\stackrel{\‾}{y}+\mathrm{\Δ}y\\ z=\stackrel{\‾}{z}+\mathrm{\Δ}z\end{array}\right.$ 式(10)。

在本实施例中，对该三维无线定位系统的定位作了仿真，并同时对该系统采用传统GPS定位方法也作了仿真：

设定待定位终端处于建筑物密集的市内小区中，小区半径在1000m至5000米之间；待定位终端的周围设置有多个可见光发射阵元；并以定位估计误差作为系统定位性能优劣的评价指标。其中，定位性能的仿真结果情况参见图3所示。

由图3可知，在相同小区半径条件下，本实施例中三维无线定位系统采用的GPS定位与可见光结合定位的性能要优于单独依靠GPS的定位性能。同时也可以发现，针对本实施例系统采用的定位方法所适用的小区半径越小，定位精度越高。

在室外空阔环境下，待定位终端1以GPS定位模块103获取的精确定位数据作为待定位终端1的当前位置；在GPS信号较弱的建筑物密集的市区环境中，可见光发射阵元2将各自的实际地理位置由电信号转为光信号后，微处理器200命令指定LED发光晶格内的黑光LED2081、蓝光LED2082、绿光LED2083和红光LED2084根据调制后的光信号情况发光，以照射出含有可见光发射阵元地理位置的多维彩码；待定位终端1利用摄像头112扫描、获取多维彩码中的地理位置信息，以在第一时间为待定位终端1当前所处的位置进行粗略定位，并由显示屏113显示待定位终端1的大概位置，节省粗略定位时间；同时待定位终端1提取接收的周围可见光发射阵元2的光信号中的地理位置数据，并根据接收的光信号强度值，融合获得待定位终端1的当前实际地理位置。该可见光通信多阵元三维无线定位系统在室外GPS定位基础上，结合各可见光发射阵元发出的可见光进行准确融合定位，同时还将丰富的地理位置等信息以多维彩码形式发送给待定位终端提取，既提高了定位准确度，又节约了粗略定位的时间，提高了定位效率。

Claims (1)

1.可见光通信多阵元三维无线定位系统，其特征在于，包括待定位终端和至少四个可见光发射阵元，所述可见光发射阵元分布设置在待定位终端的周围；其中，

所述各可见光发射阵元均包括微处理器以及分别连接微处理器的第一LTE通信模块、第一WIFI通信模块、存储LED光源位置数据的存储器、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、蓄电池和光电转换器；第一WIFI通信模块与外网连接；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；所述蓄电池分别连接LED光源和光电转换器；其中，

所述微处理器，用以读取存储器内保存的LED光源位置数据，并分别转换为光信息和多维彩码信息，并命令指定编号的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，并发送扩频码序列给扩频调制器；

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，在LED光源位置数据转换为多维彩码信息后，根据微处理器分别指定编号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；

所示光电转换器，用以将LED光源发出的光能转换为电能；

所述待定位终端包括中央处理器以及分别连接中央处理器的第二LTE通信模块、第二WIFI通信模块、GPS定位模块、光信号强度检测器、光信号接收器、滤噪器、信号比较器、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；所述光信号接收器连接滤噪器，信号比较器连接滤噪器和第二光电信号转换器，所述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；所述显示屏连接摄像头，所述GPS定位模块连接第二LTE通信模块和显示屏；其中，

所述GPS定位模块，用以获取待定位终端的当前GPS位置数据和GPS信号强度，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，用以接收可见光发射阵元中LED光源发出的光信号，并发送给滤噪器处理；

所述光信号强度检测器，用以分别检测各可见光发射阵元发送来的光信号强度值，并发送给中央处理器；

所述滤噪器，用以对接收的光信号滤噪，然后发送给信号比较器作出判断：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，用以读取LED光源发出的多维彩码图像，并由中央处理器提取多维彩码图像中的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，以获取待定位终端最终的三维定位数据；其中，中央处理器获取待定位终端最终的三维定位数据的过程依次包括如下步骤：

(1)设获取的GPS定位数据为(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，GPS信号强度值为p_GPS，GPS信号强度可信阈值为p_{GPS_door}；各可见光发射阵元分别为L₁、L₂、L₃、L₄、…、L_N，L₁、L₂、L₃、L₄、…、L_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；待定位终端最终的三维定位数据为(x_R,y_R,z_R)，N≥4，M≥1；

(2)当GPS信号强度值p_GPS高于GPS信号强度可信阈值p_{GPS_door}时，则以获取的GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)为待定位终端最终的三维定位数据；否则，存储当前GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，并执行步骤(3)；

(3)根据在时间段T内接收到的各可见光发射阵元的光信号强度值，计算每个可见光发射阵元发出的光信号强度值的信号强度均方根值p_i：

$p_i=\sqrt{\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{p^2}_{ij}},i=1,2,3,...,N;$ 式(1)

其中，p_i表示可见光发射阵元L_i发出的光信号强度值的均方根值，p_ij表示可见光发射阵元L_i发出的某一个光信号强度值；

(4)根据接收到的各可见光发射阵元的光信号强度均方根值的降序序列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)根据接收的各可见光发射阵元的光信号强度均方根值p₁、p₂、p₃和p₄，分别获取可见光发射阵元L₁、L₂、L₃和L₄到待定位终端的距离d₁、d₂、d₃和d₄：

$p_i=p_0+10n{\log }_{10}\[\frac{d_i}{d_0}\]+\mathrm{\ξ};$ 式(2)

$d_i=d_0{10}^{\frac{p_i-p_0-\mathrm{\ξ}}{10n}},i=1,2,3,4;$ 式(3)

其中，p_i为可见光发射阵元L_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为可见光发射阵元L_i到待定位终端的距离，d₀为参考距离，p₀为距离待定位终端d₀处的光信号强度值；

(6)根据可见光发射阵元L₁、L₂、L₃和L₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)、已存储的当前GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)以及获取的距离d₁、d₂、d₃和d₄，对待定位终端最终的三维定位数据(x,y,z)进行求解：

(6-1)以三个为一组，对可见光发射阵元L₁、L₂、L₃和L₄进行分组，获得四组可见光发射阵元组合：L₁(x₁,y₁,z₁)、L₂(x₂,y₂,z₂)和L₃(x₃,y₃,z₃)，L₁(x₁,y₁,z₁)、L₂(x₂,y₂,z₂)和L₄(x₄,y₄,z₄)，L₁(x₁,y₁,z₁)、L₃(x₃,y₃,z₃)和L₄(x₄,y₄,z₄)，L₂(x₂,y₂,z₂)、L₃(x₃,y₃,z₃)和L₄(x₄,y₄,z₄)；

(6-2)根据可见光发射阵元L₁、L₂、L₃和L₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)及距离d₁、d₂、d₃和d₄，分别计算待定位终端的第一坐标(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””)；其中，

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x^{\′})}^2+{(y_1-y^{\′})}^2+{(z_1-z^{\′})}^2=d_1^2\\ {(x_2-x^{\′})}^2+{(y_2-y^{\′})}^2+{(z_2-z^{\′})}^2=d_2^2\\ {(x_3-x^{\′})}^2+{(y_3-y^{\′})}^2+{(z_3-z^{\′})}^2=d_3^2\end{array}\right.$ 式(4)

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x^{\′\′})}^2+{(y_1-y^{\′\′})}^2+{(z_1-z^{\′\′})}^2=d_1^2\\ {(x_2-x^{\′\′})}^2+{(y_2-y^{\′\′})}^2+{(z_2-z^{\′\′})}^2=d_2^2\\ {(x_4-x^{\′\′})}^2+{(y_4-y^{\′\′})}^2+{(z_4-z^{\′\′})}^2=d_4^2\end{array}\right.$ 式(5)

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x^{\′\′\′})}^2+{(y_1-y^{\′\′\′})}^2+{(z_1-z^{\′\′\′})}^2=d_1^2\\ {(x_3-x^{\′\′\′})}^2+{(y_3-y^{\′\′\′})}^2+{(z_3-z^{\′\′\′})}^2=d_3^2\\ {(x_4-x^{\′\′\′})}^2+{(y_4-y^{\′\′\′})}^2+{(z_4-z^{\′\′\′})}^2=d_4^2\end{array}\right.$ 式(6)

$\left\{\begin{array}{c}{(x_2-x^{\′\′\′\′})}^2+{(y_2-y^{\′\′\′\′})}^2+{(z_2-z^{\′\′\′\′})}^2=d_1^2\\ {(x_3-x^{\′\′\′\′})}^2+{(y_3-y^{\′\′\′\′})}^2+{(z_3-z^{\′\′\′\′})}^2=d_3^2\\ {(x_4-x^{\′\′\′\′})}^2+{(y_4-y^{\′\′\′\′})}^2+{(z_4-z^{\′\′\′\′})}^2=d_4^2\end{array}\right.$ 式(7)；

(6-3)根据获取的待定位终端的四组坐标值以及已存储的当前GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，计算系统定位误差的平均值(Δx,Δy，Δz)和待定位终端四组坐标值的平均值其中，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x=\frac{1}{4}\left(|x^{\′}-x_{GPS}|+|x^{\′\′}-x_{GPS}|+|x^{\′\′\′}-x_{GPS}|+|x^{\′\′\′\′}-x_{GPS}|\right)\\ \mathrm{\Δ}y=\frac{1}{4}\left(|y^{\′}-y_{GPS}|+|y^{\′\′}-y_{GPS}|+|y^{\′\′\′}-y_{GPS}|+|y^{\′\′\′\′}-y_{GPS}|\right)\\ \mathrm{\Δ}z=\frac{1}{4}\left(|z^{\′}-z_{GPS}|+|z^{\′\′}-z_{GPS}|+|z^{\′\′\′}-z_{GPS}|+|z^{\′\′\′\′}-z_{GPS}|\right)\end{array}\right.$ 式(8)

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}=\frac{x^{\′}+x^{\′\′}+x^{\′\′\′}+x^{\′\′\′\′}}{4}\\ \stackrel{\‾}{y}=\frac{y^{\′}+y^{\′\′}+y^{\′\′\′}+y^{\′\′\′\′}}{4}\\ \stackrel{\‾}{z}=\frac{z^{\′}+z^{\′\′}+z^{\′\′\′}+z^{\′\′\′\′}}{4}\end{array}\right.$ 式(9)；

(6-4)根据获取的待定位终端四组坐标值的平均值以及定位误差的平均值(Δx,Δy,Δz)，计算得到待定位终端最终的三维定位数据(x,y,z)；其中，

$\left\{\begin{array}{c}x=\stackrel{\‾}{x}+\mathrm{\Δ}x\\ y=\stackrel{\‾}{y}+\mathrm{\Δ}y\\ z=\stackrel{\‾}{z}+\mathrm{\Δ}z\end{array}\right.$ 式(10)。