CN106646370A - 一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置及方法，该装置包括同步时钟发射源、至少三个灯具发射机和至少一个接收机；其中每个灯具发射机包括相应的发射机和与之电连接的LED灯具，同步时钟发射源和每个灯具发射机通过网络连接总线进行通信。本发明避免了周围环境对光强场域的影响导致的误差问题，并且不需要与其他传感器的测量信息进行融合就可以做到较高精度的定位。

Description

一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置及方法

技术领域

本发明属于室内定位技术领域，具体地说，涉及一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置及方法。

背景技术

当前室内定位导航技术大多采用无线射频的方式，例如Wi-Fi、ZigBee等，但是都需要额外设置收发天线和收发器，带来了额外的成本和安装负担。目前由于LED灯具的普及，使得基于可见光通信的室内定位技术开始获得发展。现在这些基于可见光通信的定位技术均依据获取光强信息，然后依据现有的光强场域模型进行计算从而得到接收机(即用户)到发射机(即作为信号源的LED灯具)之间的距离，最后通过定位算法求解接收机坐标。

传统利用光强信息定位方法受到多种因素影响，其定位误差变化较大，尤其在某些特殊条件下难以实现准确定位。这些误差影响因素主要包括LED灯具的不一致性、光学通路受遮挡和多径效应等多方面。例如，实际应用中各LED灯具在制造、光学特性、安装参数等方面均存在不一致性，因此使用统一的光学场域模型计算光强衰减会带来一定的误差，而这种误差会进一步影响后期定位计算的定位误差。同理，在实际使用中，场景中各物体的光学反射模型不经并不一样，而且难以获得该模型，因此其多径效应的影响也存在不一致性。显然，若考虑更为复杂的情况，例如使用者的人为遮挡方式、接收机非水平放置等多种因素，其室内定位精度将会更低。

为降低传统基于可见光通信的定位方法的误差，目前往往采用两种方式提高定位精度。一种方式是降低定位场景的外在影响因素，例如严格限定接收机处于水平放置。这种方式虽然提高了定位精度但是其通用性或适用场景受到极大的影响。另一种方式则将其他传感器信息与可见光定位信息进行融合以提高定位精度。例如，利用陀螺仪获取短时间的移动坐标，然后与可见光定位信息融合可以降低误差。或者利用Wi-Fi定位信息与可见光定位信息融合以提高定位精度。但是这种方式均需要额外的系统，增加了系统的成本、复杂度和计算量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置及方法，通过获取可见光通讯中的载波相位进行定位。首先在室内照明系统中应用具有调制功能的LED光源，并设置一个具有足够时钟精度的同步时钟发射源，该同步时钟发射源将不断输出同步标志信号保证发射机相位同步。由于发射机输出信号相位同步，因此接收机接收到光传输信号后，通过相敏检波技术获取发射机与接收机之间的相位差，并利用最小二乘求解超定方程的方法获取发射机到接收机之间的实际距离，最后实现定位。

其具体技术方案为：

一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置，包括同步时钟发射源1、至少三个灯具发射机2和至少一个接收机4；其中每个灯具发射机2包括相应的发射机和与之电连接的LED灯具，同步时钟发射源1和每个灯具发射机2通过网络连接总线3进行通信。

每个灯具发射机的发射机2通过网络连接总线3获得同步时钟发射源1的定时信息，每个灯具发射机2的发射机接收来自同步时钟发射源1的同步信号，并在接收到同步信号后输出经过调制的通讯信号；每个接收机通过接收至少三个灯具发射机2的LED灯具所发出的经过调制的灯光，分别解算所携带的调制信息，从而分别获取各发射机与接收机4之间的相位差；根据获得到的相位差计算接收机4到各LED灯具之间的距离，并利用相应的LED灯具的位置坐标，计算得到接收机的位置坐标。

一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位方法，包括以下步骤：

多个具有调制功能的LED灯具发射经过信息调制的可见光，该调制在于将可见光通讯信息加载在载波中；

接收机获取LED灯具可见光载波因距离传输导致的相位变化量；

由于所有LED灯均受到一个同步时钟发射源控制实现同步输出可见光信号，从而达到各LED灯具输出信号载波相位相同。

接收机利用得到光载波相位变化量可解算LED灯具到接收机的距离；

通过多个LED灯具的位置信息和到接收机的距离计算获得接收机的坐标，从而实现对接收机的定位。

优选地，所述的将可见光通讯信息加载在载波中，具体为：采用插入导频法，进行载波处理；将需要发送的信息前端添加位数为N_null的0，形成新发送信息；然后用该固定载波频率调制新发送信息，从而使得实际发送信息之前存在N_null个周期的载波同频信号。

进一步，所述的接收机获取LED灯具可见光载波因距离传输导致的相位变化量，实际应当为当前收发两端的相位差，其获取方法具体为：

根据本发明得到的导频信号的频率，通过模数转换器对载波信号进行采样，采样频率以不低于8倍导频频率为宜，采样点以导频的0相位点、相位点、相位点等为宜。

对所有采样值按照数字相敏检波的原理可以获取当前接收到的发射机信号相位可设接收机相位则可得收发端的相位差初始测量值更进一步，若有N个发射机则可获得相位差初始测量值矩阵

优选地，所述的接收机利用得到光载波相位变化量解算LED灯具到接收机的距离，具体为：去除去收发两端相位不同步带来的影响；

首先，根据可设发射机的初始相位，即在t＝0时刻的相位可表示为

然后由于光信号传播的影响，经过一段时间后，该信号被接收机接收。对比与初始相位，可设此时发射机信号的相位为显然，实际相差为初始相位与传播相位的差，即

可假设接收机的相位为由于以接收机为基准，因此在接收机接收到发射机信号后可利用本发明所述方法获得相位差初始测量值并有

由于接收机与发射机之间并未进行相位同步，因此即可认为是伪相差。故可设接收机与发射机之间的相位不同步之差为且有

联立式(1)、(2)可得实际光传播过程中的实际相位差

另外，由于信号波长λ即为整波距离，因此可根据相位差计算收发两端的距离L，则有

由于为未知值，因此单靠式(4)不可能得到距离的解。但对于定位而言，往往需要多个发射机。因此对于N个发射机存在收发之间不同步相差矩阵则式(4)可转换为在N个发射机下的矩阵表达

若对于N个发射机进行相位同步，则不同步相差矩阵可表述为不同步相差与单位矩阵I＝[1,1,L,1]^T的乘积，即为因此式(5)可转换为

由于波长λ、相位初始测量值均为已知，而为不需要获取的信息值，因此可用最小二乘法求解超定方程获得各个发射机到接收机之间的距离矩阵[L]_N×1。

进一步，所述的发射机进行相位同步，具体为：通过任意的互联网络连接各个灯具；所有灯具之间的有且仅有一个同步时钟发射源；各发射机均与该时钟触发源进行同步，从而保证各发射机输出载波相位同步。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明避免了周围环境对光强场域的影响导致的误差问题，并且不需要与其他传感器的测量信息进行融合就可以做到较高精度的定位。

附图说明

图1为本发明基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置的结构示意图；

图2：同步标志输出序列示意图；

图3：3点定位示意图；

图4：因多径和遮挡效应产生光强变化导致测量误差的示意图；

图中：1－同步时钟发射源、2－发射机、3－网络连接总线、4－接收机、101－反射面、102－遮挡物。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

如图1所示，一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置，包括同步时钟发射源1和n个灯具发射机，每个灯具发射机包括相应的发射机2和与之电连接的LED灯具，其中同步时钟发射源1和n个灯具发射机通过网络连接总线3进行通信，每个灯具发射机的发射机2通过网络连接总线3获得同步时钟发射源1的定时信息，每个灯具发射机的发射机2对相应的LED灯具使用的直流电源进行调制，从而使得LED灯具发出的灯光是经过调制的，可以携带经过调制的信息，该调制信息的内容包括灯具发射机(即相应的LED灯具的安装位置)的位置坐标和从同步时钟发射源1获得的定时信息的时间戳，其中时间戳具有ns级精度，以保证定位精度。接收机4通过接收至少三个灯具发射机的LED灯具所发出的经过调制的灯光，进行解调制，在接收机4中实时解算所接收到的各个灯具发射机的LED灯具所发出的灯光所携带的调制信息，从而能够分别计算接收机4与所能够接收到的各个灯具发射机的LED灯具之间的距离，通过该接收机4与接收到的LED灯具之间的距离以及相应的LED灯具的位置坐标，从而能够计算得到接收机4的位置坐标。

多个具有调制功能的LED灯具发射经过信息调制的可见光，所述可见光的调制信息中包括相应LED灯具的位置信息；接收机通过可见光获得多个LED灯具发出的调制信息后，获取相应LED灯具到接收机之间的相差变化，即伪距；通过最小二乘方法求解超定方程获取实际距离；进而获取接收机的坐标信息。

在上述技术方案中，通过至少3个LED灯具的位置信息和到接收机的距离计算得到接收机的三维坐标。

在上述技术方案中，每个灯具发射机的发射机对相应的LED灯具的直流驱动电源进行调制，加载频率为f_s的载波信号。

在上述技术方案中，每个接收机获得所能够接收到的各个LED灯具的灯光中所携带的调制信息后，利用相敏检波技术和载波同步技术获取发射机与接收机的相位差初始测量值若假设接收机与发射机之间的相位不同步之差为则实际相差显然LED灯具到接收机之间的实际距离L可以由载波波长λ和相位差求出，因此

在上述技术方案中，由于所有LED灯具均同步发射，故可认为对于不同LED灯具而言相等。更进一步，当获得多个LED灯具的位置信息以及载波相位差则可有矩阵方程组

对上述方程组采用最小二乘法解算出接收机到各LED灯具的距离[L]_N×1，进而可获得接收机的位置坐标(x,y,z)。

实施例

一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位方法，包括：

步骤1：室内照明系统中设置同步时钟发射源1和若干带有调制功能的LED灯具，其中每个LED灯具都具有信息发射功能。其原理是使用发射机2对LED灯具所使用的直流电源进行调制，从而使得LED灯具发出的灯光可以携带信息。信息内容包括该LED灯具的位置坐标和调制载波信息。

步骤2：所有发射机均需等待同步时钟发射源1输出同步标志信号。同步时钟发射源1每隔T_iout时间通过网络广播输出同步标志信号和时钟戳。每个LED灯具中的发射机接收到同步标志，则输出被调制的光通讯信号。时间序列可参见图2所示。

步骤3：所有发射机输出的光通讯信号均采用插入导频法对报文进行载波调制处理，保证实际报文之前至少存在N_null个载波同频信号。

步骤4：接收机4对接收的光信号，以不低于8倍导频频率的采样频率进行采样，并以导频的0相位点、相位点、相位点等为宜。然后接收机将采样数据按照数字相敏检波的原理获取当前发射机相位信号。若接收机相位为获得信号的相位(发射机输出信号相位)则可以得到相位差初始测量值若有N个发射机则可获得相位差初始测量值矩阵

由于系统中具有多个发射机，为保证接收机4能够区别不同发射机2发出的信号，在信号发射系统中采用频分复用、码分复用和时分复用技术。

步骤5：可见光传输距离的计算

相位的变化量会直接或间接反映距离的变化。对于一个确定频率的信号，显然其波长确定。由于完整的波长则表现为长度，则可以在360度范围内切分整个波长，而切分量则表示相位刻度。显然相位变化量也表示了长度，因此长度可表示为下式

式中L表示长度，λ表示载波波长，表示实际的相位变化量。

但是在步骤4中，获取得到的相位差初始测量值矩阵并不等于发射机信号在光传递过程中的相位变化量。由于接收机相位并不等于发射机初始相位因此必然包含由于收发两端相位不同步带来的相位差因此上式应当转换为

由于接收到N个发射机信号，因此上式可转换为矩阵表达方式

式中下标i＝{1,2,L,N}。由于所有发射机同步发射，故可认为发射机相位相同，因此，上式可转换为

由于发射机位置坐标已知，因此矩阵表达式可用方程组方式代替。如图3所示，可带入带求解的接收机坐标(x,y,z)，即有

其中(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),L,(x_n,y_n,z_n)分别表示第1个，第2个直到第n个灯具的坐标，(x,y,z)表示接收机的坐标；分别表示接收机4从第1个，第2个直到第n个灯具获取到的相位差初始测量值；L₁,L₂,…,L_n分别表示接收机4到第1个，第2个直到第n个灯具的直线距离。

由于各个LED灯具的坐标被事先确定或事先已知，亦为已知量，而为未知但不需要求解的常量。因此对上述方程组采用最小二乘法进行解算，可得到接收机4所处的坐标位置，从而实现接收机4所处点位的定位功能。解算上述方程组的方法，可以应用迭代算法，得到一组最小二乘解。

步骤6，可见光多径效应与消除

可见光在传输的过程中遇反射面时，会产生反射，从而引起到达接收机4的可见光可能从多个路径来自于同一个LED灯具，如图4所示。路径1为LED灯具到接收机4的直达路径，为定位系统中的有效路径，而路径2为LED灯具发射的可见光经反射面101反射到达接收机4，是定位系统中的干扰光线。显然路径1与路径2的长度不同，因此其到达接收机4的时刻不同，分别以T_R1、T_R2表示，且T_R1<T_R2。由于经路径1和路径2传来的光线由同一LED灯具发出的光线，因此路径1和路径2的载波信号频率完全相同；但是由于距离接收机远近不同，故两个载波信号的相位和幅值不同。

如图4所示，光线传播路径上的遮挡物102和反射面可能带来多径效应，或者当遮挡物102完全挡住直达路径1时，从反射过来的路径2将成为到达接收机4的唯一路径，为了解决这种遮挡问题，可以采用两种算法予以解决：是在接收系统中应用光强检测，并对接收到的信号以其光线强度大小进行排序，最后仅选取部分排名前列的信号组成方程组，计算定位信息。二是在解算方程组的算法设计上应用容错处理，即在方程组中应用4个及以上LED灯具发射来的信息，当只有反射光而没有直射光时，由于其光线路径延长，在计算得到的二乘解将会引起得到的误差增大，找到引起误差增大的项，并抛弃之，以剩下的方程重新进行解算，从而到达容错处理的效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置，其特征在于，包括同步时钟发射源(1)、至少三个灯具发射机(2)和至少一个接收机(4)；其中每个灯具发射机(2)包括相应的发射机和与之电连接的LED灯具，同步时钟发射源(1)和每个灯具发射机(2)通过网络连接总线(3)进行通信。

2.一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

多个具有调制功能的LED灯具发射经过信息调制的可见光，该调制在于将可见光通讯信息加载在载波中；

接收机获取LED灯具可见光载波因距离传输导致的相位变化量；

由于所有LED灯均受到一个同步时钟发射源控制实现同步输出可见光信号，从而达到各LED灯具输出信号载波相位相同；

接收机利用得到光载波相位变化量解算LED灯具到接收机的距离；

通过多个LED灯具的位置信息和到接收机的距离计算获得接收机的坐标，从而实现对接收机的定位。

3.根据权利要求2所述的基于载波相位测量的可见光通讯室内定位方法，其特征在于，所述的将可见光通讯信息加载在载波中，具体为：采用插入导频法，进行载波处理；将需要发送的信息前端添加位数为N_null的0，形成新发送信息；然后用该固定载波频率调制新发送信息，从而使得实际发送信息之前存在N_null个周期的载波同频信号。

4.根据权利要求3所述的基于载波相位测量的可见光通讯室内定位方法，其特征在于，所述的接收机获取LED灯具可见光载波因距离传输导致的相位变化量，实际应当为当前收发两端的相位差，其获取方法具体为：

根据权利要求3得到的导频信号的频率，通过模数转换器对载波信号进行采样，采样频率以不低于8倍导频频率为宜，采样点以导频的0相位点、相位点、相位点为宜；

对所有采样值按照数字相敏检波的原理获取当前接收到的发射机信号相位设接收机相位则得到收发端的相位差初始测量值更进一步，若有N个发射机则获得相位差初始测量值矩阵

5.根据权利要求2所述的基于载波相位测量的可见光通讯室内定位方法，其特征在于，所述的接收机利用得到光载波相位变化量解算LED灯具到接收机的距离，具体为：去除去收发两端相位不同步带来的影响；

首先，根据发射机的初始相位，即在t＝0时刻的相位表示为

然后由于光信号传播的影响，经过一段时间后，该信号被接收机接收；对比与初始相位，设此时发射机信号的相位为显然，实际相差为初始相位与传播相位的差，即

假设接收机的相位为由于以接收机为基准，因此在接收机接收到发射机信号后利用权利要求4所述方法获得相位差初始测量值并有

由于接收机与发射机之间并未进行相位同步，因此即认为是伪相差；故设接收机与发射机之间的相位不同步之差为且有

联立式(1)、(2)得到实际光传播过程中的实际相位差

另外，由于信号波长λ即为整波距离，根据相位差计算收发两端的距离L，则有

由于为未知值，单靠式(4)不可能得到距离的解；但对于定位而言，往往需要多个发射机；因此对于N个发射机存在收发之间不同步相差矩阵则式(4)转换为在N个发射机下的矩阵表达

若对于N个发射机进行相位同步，则不同步相差矩阵表述为不同步相差与单位矩阵I＝[1,1,L,1]^T的乘积，即为式(5)转换为

由于波长λ、相位初始测量值均为已知，而为不需要获取的信息值，用最小二乘法求解超定方程获得各个发射机到接收机之间的距离矩阵[L]_N×1。

6.根据权利要求5所述的基于载波相位测量的可见光通讯室内定位方法，其特征在于，所述的发射机进行相位同步，具体为：通过任意的互联网络连接各个灯具；所有灯具之间的有且仅有一个同步时钟发射源；各发射机均与该时钟触发源进行同步，从而保证各发射机输出载波相位同步。